CN102288061A - 带内面槽的传热管及换热器 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够减少在扩管加工中的翅片顶端的压坏和倾倒的带内面槽的传热管及换热性能优越的换热器。带内面槽的传热管(1)将最高的第一翅片(4)的高度(Hf₁)与最低的第二翅片(5)的高度(Hf₂)之比(Hf₁/Hf₂)设定为1.15以下。最高的第一翅片(4)的高度(Hf₁)与最低的第二翅片(5)的高度(Hf₂)的高低差设定为0.02mm以下。

Description

带内面槽的传热管及换热器

技术领域

本发明涉及适用于使制冷剂在管内流动而与管外流体进行换热的情况的带内面槽的传热管及换热性能优越的换热器。

背景技术

作为适用于空调机或冷冻机等的换热器的一个例子，有如下板翅片管(plate fin tube，プレ一トフインチユ一ブ)型的换热器，该换热器通过使制冷剂在管内流动而使制冷剂蒸发或凝结，从而在与管外流体之间进行换热。

该板翅片管型换热器具有以一定的间隔平行地配置的多个板状翅片，并且通过在贯通各板状翅片而形成的贯通孔内插入传热管并对其进行扩管而形成。利用具有这种结构的换热器，在流动于多个板状翅片之间的流体与流动于传热管的内部的氟利昂系制冷剂、代替氟利昂制冷剂或二氧化碳制冷剂之间进行换热。

在该换热器中，要求换热性能好且重量轻等。对于用在该换热器的传热管，要求与流动于管内的制冷剂之间的传热性能好，与对方的板状翅片之间的传热性能好，并且管的重量小等。

作为这种传热管的一个例子，提出了向管长度方向延伸的多个螺旋状翅片以一定的高度形成，并且在各螺旋状翅片之间形成螺旋状槽的带内面槽的传热管(例如参照专利文献1)。根据该带内面槽的传热管，与在内表面不具有螺旋状翅片或螺旋状槽的平滑管相比，管内表面积增大，因此能够使管内传热效率提高。

作为该传热管的另一个例子，提出了在多个螺旋状翅片的翅片高度设置高低差的带内面槽的传热管(例如参照专利文献2)。根据该带内面槽的传热管，与翅片翅片高度形成较低的螺旋状翅片的量相应地，能够减少每单位长度所需的材料翅片，因此与上述专利文献1所述的带内面槽的传热管相比，能够减少传热管的重量。

现有技术文献

专利文献1：日本特开平8-327272号公报

专利文献2：日本特开2002-350080号公报

但是，在使用带内面槽的传热管来制作板翅片管型换热器的情况下，在贯通形成于以一定的间隔平行配置的多个板状翅片上的贯通孔内，插通带内面槽的传热管后，在该传热管的内部插入比由螺旋状翅片的顶端决定的最小内径还稍大的扩管夹具。利用该扩管夹具的插入力使传热管扩大，从而将传热管外表面与板状翅片彼此密合而固定。

若是上述专利文献2所述的带内面槽的传热管，在对于单纯传热管的试验中能够得到良好的传热性能，但在制作了进行上述扩管加工的换热器的情况下，得不到良好的传热性能。即，还存在以下问题，如上述专利文献1所述，若制作翅片高度比以一定的高度形成的螺旋状翅片还低的螺旋状翅片，则与上述专利文献1所述的螺旋状翅片相比，使换热器的换热性能降低。

发明内容

从而，本发明是为了解决上述现有的问题而做出的，其具体目的在于提供即使在扩管加工后也表现出良好的传热性能的带内面槽的传热管及换热性能优越的换热器。

本申请发明人等在对具有多个高度的翅片的传热管进行反复研究后，确认到如下现象。即，扩管夹具只与翅片高度高的螺旋状翅片接触，并且翅片高度高的螺旋状翅片的顶端在通过与扩管夹具接触而压坏时，缩小而变形。另一方面，翅片高度低的螺旋状翅片的顶端则与翅片高度高的螺旋状翅片相比不易变形。并且还明白，扩管夹具不与翅片高度低的翅片接触，因此与翅片高度一定的带内面槽的传热管相比的话，则对翅片高度高的翅片的压力相应地变得过大，容易受到翅片顶端过度压坏或倾倒的形状变化。

在对翅片高度设置高低差的带内面槽的传热管的扩管加工中，依据翅片顶端局部性的过度压坏或倾倒的现象，为解决上述问题而反复进行专心研究的结果，明确了若将翅片高度比和/或翅片高低差设定为预定的值，则能够在将扩管加工中的翅片顶端的破碎和倾倒抑制得较少的情况下，对带内面槽的传热管进行扩管，能够得到出乎意料的成果，明白了能够制作实际应用上不发生问题的优越的产品。

即，本发明为了达到上述目的，提供一种带内面槽的传热管，其特征在于，在管内表面具有在整个管长度方向形成有凹凸状槽的多个翅片，并且上述多个翅片由第一翅片和比上述第一翅片的高度还低的第二翅片构成，而且将最高的上述第一翅片的高度Hf₁与最低的上述第二翅片的高度Hf₂之比Hf₁/Hf₂设定为1.15以下。

在本发明的带内面槽的传热管中，在上述结构的基础上，优选将最高的第一翅片的高度Hf₁与最低的第二翅片的高度Hf₂的高低差设定为0.02mm以下。

在本发明的带内面槽的传热管中，优选将最低的第二翅片的翅片数量设定成与最高的第一翅片相同的数量。除此之外，更优选将最低的第二翅片与最高的第一翅片交替配设。

在本发明的带内面槽的传热管中，可以将最低的第二翅片的翅片数量设定成比最高的第一翅片数量还少，或者也可以将最低的第二翅片的翅片数量设定成比最高的第一翅片还多的数量。

并且，本发明为了达到上述目的，提供一种换热器，其特征在于，具有对上述带内面槽的传热管进行扩管加工的扩管传热管。

有益效果

根据本发明，扩管加工中的翅片压坏和翅片倾倒减少，并且能够充分确保稳定的换热性能。

附图说明

图1(a)是模式地表示本发明的优选的第一实施方式的带内面槽的传热管的剖视图，(b)是表示(a)的用虚线包围的部分的局部剖面放大图。

图2是沿管长度方向剖切第一实施方式的带内面槽的传热管的局部剖视图。

图3是用于说明应用第一实施方式的带内面槽的传热管的第二实施方式的换热器的组装的图。

图4表示扩管加工前的带内面槽的传热管的局部剖面，(a)是实施例1的翅片局部剖面，(b)是实施例2的局部剖面，(c)是比较例1的翅片局部剖面，(d)是比较例2的翅片局部剖面。

图5表示扩管加工后的带内面槽的传热管的局部剖面，(a)是实施例1的翅片局部剖面，(b)是实施例2的局部剖面，(c)是比较例1的翅片局部剖面，(d)是比较例2的翅片局部剖面。

图6是用于说明组装了本发明的带内面槽的传热管的传热管性能测定装置的图。

图中：

1-带内面槽的传热管，1a-扩管传热管，2-管主体，3-翅片，4-第-翅片，5-第二翅片，6-槽，10-薄板状翅片，11-贯通孔，12-间隙，20-扩管心轴，21-按压杆，30-传热管性能测定装置，31-压缩机，32-冷凝器，33-膨胀阀，34-蒸发器，do-外径，di-最小内径，Hf₁-第一翅片高度，Hf₂-第二翅片高度，O-管轴线，P-间距，Yw-槽底厚度，α-翅片顶角，β-螺旋角。

具体实施方式

以下，基于附图来具体说明本发明的优选实施方式。

第一实施方式

传热管的整体结构

在图1及图2中，表示整体的附图标记1模式地表示该第一实施方式的典型的带内面槽的传热管。该传热管1由铜或铜合金等的铜系材料、或者铝或铝合金等的铝系材料构成，并具有由圆管形成的管主体2。

如图1及图2所示，在该管主体2的内表面，形成有向管轴线O方向(管长度方向)加工成螺旋状的多个翅片3，……，3。图示例子的管主体2具有6.35mm的外径do和5.61mm的最小内径di。管主体2的不存在该翅片3的部分的槽底厚度Tw设定为0.22mm。

传热管的内部结构

该传热管1的翅片3，在从管轴线O方向观察时的主视图中，如图1及图2所示，构成为反复形成山部及谷部的波形形状，由翅片高度彼此不同的大小(高低)两种类的翅片构成。图示例子的翅片3由第一翅片4(以下还称为“高翅片4”)和高度比该第一翅片4还低的第二翅片5(以下还称为“低翅片5”)构成。该高翅片4与低翅片5通过在管轴线O方向对多个槽6，……，6以螺旋状进行加工而形成，并且以相同间距P交替配置在管主体2的内表面。在图示例子中，高翅片4、低翅片5及槽6的螺旋角β设定为30度。

该高翅片4在从管轴线O方向观察时的主视图中，如图1及图2所示，由剖面呈大致梯形形状的24个带状突起体形成。图示例子的高翅片4的顶角α设定在0＜α＜90度的范围内，并且其高度Hf₁设定为0.15mm。

如图1及图2所示，另外的低翅片5由具有与高翅片4相同形状的带状突起体构成。该低翅片5配置在彼此相邻的两个高翅片4之间，并且形成为与高翅片4相同数量。图示例子的低翅片5的高度Hf₂设定为比高翅片4还低0.02mm左右的0.13mm。

如上所述构成的带内面槽的传热管1的主要特征在于，在进行扩管加工前，将高翅片4的高度Hf₁与低翅片5的高度Hf₂的翅片高低比Hf₁/Hf₂设定为1.15以下。作为该带内面槽的传热管1，更优选的是将高翅片4的高度Hf₁与低翅片5的高度Hf₂的翅片高低差(Hf₁-Hf₂)设定成0.02mm以下。

作为该带内面槽的传热管1，更重要的是将高翅片4的高度Hf1的压坏量比率控制在15％以内。在该第一实施方式中所谓“压坏量比率”是指，“扩管加工前的翅片高度Hf₁与扩管加工后的翅片高度Hf_1-1的变化量”除以“扩管加工前的翅片高度Hf₁”的值{(Hf₁-Hf_1-1)/Hf₁}。

通过将扩管加工前的翅片高低比设定为1.15以下，和/或将扩管加工前的翅片高低差设定为0.02mm以下，能够将扩管加工后的高翅片4的压坏量比率控制在15％以内。由此，能够在不阻碍作为初始目的的翅片加工性的范围内形成多个翅片3，并且不会使带内面槽的传热管1的传热效率降低。另一方面，若扩管加工前的翅片高低比超过1.15，或者扩管加工前的翅片高低差超过0.02mm，则扩管加工后的高翅片4的压坏量比率成为大于15％的值，不能使带内面槽的传热管1的传热效率、加工精度和生产率提高，因此不优选。

传热管的变形例

根据图示例子的带内面槽的传热管1，高翅片4、低翅片5及槽6以螺旋状形成于管主体2的内表面上，但不限于此。若最大翅片高度Hf₁与最小翅片高度Hf₂的翅片高低比Hf₁/Hf₂设定在1.15以下，和/或最大翅片高度Hf₁与最小翅片高度Hf₂的翅片高低差(Hf₁-Hf₂)设定在0.02mm以下，则当然还可以将例如向管轴线O方向延伸成直线状或者曲线状的翅片4、5与槽6形成为带状。

在该第一实施方式中，将带内面槽的传热管1的低翅片5在彼此相邻的两个高翅片4之间形成与高翅片4相同的数量，但不限于此。若满足最大翅片高度Hf₁与最小翅片高度Hf₂的翅片高低比Hf₁/Hf₂为1.15以下，和/或最大翅片高度Hf₁与最小翅片高度Hf₂的翅片高低差(Hf₁-Hf₂)为0.02mm以下，则当然还可以例如将低翅片5的翅片数量设定为比高翅片4还少的数量，于此相反，还可以将低翅片5的翅片数量设定为比高翅片4还多的数量。

在该第一实施方式中，进一步讲，由带内面槽的传热管1的翅片高度彼此不同的两种翅片4、5构成，但例如还可以由根据一定的规则而翅片高度不同的三种以上的翅片构成，不限于图示例子。若设定为翅片高低比Hf₁/Hf₂满足1.15以下，和/或翅片高低差(Hf₁-Hf₂)满足0.02mm以下，则能够适当地设定带内面槽的传热管1的内外径、底厚度、槽数量、翅片顶角、螺旋角、翅片顶端宽度、翅片根部宽度、槽底宽度、翅片根部半径、多个翅片之间的间距、剖面形态、配置位置、配置数量等。

第一实施方式的效果

根据上述第一实施方式及变形例的带内面槽的传热管1，能够取得以下效果。

(1)通过将带内面槽的传热管1的翅片高度比和/或翅片高低差分别设定成预定的值，能够将扩管加工中的翅片顶端的压坏和倾倒控制在最低限度。

(2)能够抑制带内面槽的传热管1的扩管加工中的翅片顶端的压坏和倾倒，并且能够减少每单位长度的管重量。

(3)由于带内面槽的传热管1的扩管加工中的翅片压坏和翅片歪倒少，因此作为使用流动于管内的氟利昂系制冷剂、代替氟利昂制冷剂、或者二氧化碳制冷剂等的换热器的带内面槽的传热管，能够维持优越的传热性能。

第二实施方式

换热器

参照图3，图3举例说明了使用如上所述形成的传热管1制作换热器的概要。根据该图，平行地配置冲压冲孔加工出具有比传热管1的外径还大的直径的贯通孔11的铝制薄板状翅片10，通过该贯通孔11，插入根据常规方法在管内表面进行滚压成形加工并弯曲形成为U字状的传热管1。此时，在传热管1的外表面与薄板状翅片10的贯通孔11之间形成间隙12。

通过按压杆21将扩管心轴20沿传热管1的管长度方向插入到传热管1内，使传热管1a扩管，从而形成扩管传热管1a，并且密合固定该扩管传热管1a的外表面与薄板状翅片10而使其一体化。使用弯曲形成为U字状的未图示的短管，连接彼此相邻的扩管传热管1a的敞开端彼此，例如使用燃烧器钎焊接合扩管传热管1a及短管。

通过上述组装作业，能够廉价制作板翅片管型换热器，该板翅片管型换热器具有将传热管1进行扩管的扩管传热管1a和与该扩管传热管1a的外表面密合的薄板状翅片10。该换热器用作蒸发器或冷凝器。

第二实施方式的效果

根据上述第二实施方式的换热器，能够得到以下的效果。

(1)即使在通过扩管加工，将薄板状翅片安装于管外表面而制作换热器的情况下，也能够将扩管加工中的翅片顶端的压坏和倾倒抑制在最低限度，并且能够使传热管外表面与薄板状翅片密合固定。

(2)能够将翅片压坏量抑制成较小，并且防止翅片倾斜地歪倒，因此能够防止凝结、蒸发传热率的降低。

(3)通过对传热管的翅片高度设定翅片高低比和/或翅片高低差，能够减少每单位长度的管重量，因此能够实现换热器的轻量化。

此外，本发明不限于上述各实施方式、变形例或图示例子，当然还包括本领域技术人员能够从这些实施方式、变形例及图示例子容易进行变更的技术范围。

实施例

以下，作为本发明的更具体的实施方式，举实施例及比较例，并参照图4～图6及表1～表6，对带内面槽的传热管进行详细说明。此外，在该实施例中，举了带内面槽的传热管的典型的一个例子，而本发明当然不限于这些实施例。

带内面槽的传热管的尺寸

利用铜制的原管，按照常规方法在管内表面进行滚压成形加工，用以下表1所示的尺寸条件分别试制了翅片高低差0.01mm、翅片高低差0.02mm、翅片高低差0.03mm及翅片高度一定的4种传热管。如以下表1所示，这些传热管的翅片高度尺寸以外的平均外径、最小内径、底厚度、槽数量、翅片顶角、螺旋角、翅片顶端宽度、翅片根部宽度、槽底宽度及翅片根部半径以相同尺寸试制。

如上述试制的扩管加工前的传热管的剖面形状如图4所示。图4(a)是翅片高低比1.07、翅片高低差0.01mm的实施例1的传热管，图4(b)是翅片高低比1.14、翅片高低差0.02mm的实施例2的传热管，图4(c)是翅片高度一定的比较例1的传热管，图4(d)是翅片高低比1.24、翅片高低差0.03mm的比较例2的传热管。

带内面槽的传热管的评价结果

调查实施例1及2的传热管与比较例1及2的传热管的扩管加工后的管内表面形状，确认了翅片歪倒和翅片压坏的有无。将其结果概括表示在以下表2。

扩管加工后的传热管的翅片剖面形状如图5所示。图5(a)是实施例1的传热管，图5(b)是实施例2的传热管，图5(c)是比较例1的传热管，图5(d)是比较例2的传热管。

从图4及图5中可知，若比较图4所示的扩管加工前的翅片剖面形状与图5所示的扩管加工后的翅片剖面形状，则图5(a)所示的实施例1的翅片4、5、图5(b)所示的实施例2的翅片4、5及图5(c)所示的比较例1的翅片4、5未倾斜，但是图5(d)所示的比较例2的翅片4倾斜得较大。

在此，若参照以下表2，则从表2中可知，若如实施例1及2所述，扩管加工前的翅片高低差为0.02mm以下，且扩管加工前的翅片高低比为1.15以下，则扩管加工前的高(主)翅片及扩管加工后的高(主)翅片的尺寸变化与扩管加工前的低(副)翅片及扩管加工后的低(副)翅片的尺寸变化分别限制在0.02mm以内，而且它们的翅片压坏量比率也控制在15％以内。

另一方面，若如比较例2所述翅片高低差为0.03mm以上，并且扩管加工前的翅片高低比超过1.15，则扩管加工后的低(副)翅片的尺寸变化和压坏量比率为与实施例2的低(副)翅片大致相同，但是扩管加工后的高(主)翅片的尺寸变化超过0.02mm，并且其压坏量比率也超过15％。高(主)翅片的尺寸及压坏量比率比实施例1及2的翅片变化还大。

从这些结果可以确认，若扩管加工前的翅片高低差为0.02mm以下，扩管加工前的翅片高低比为1.15以下，则能够将高翅片的翅片歪倒抑制得较少，并使高翅片的翅片压坏稳定在15％以内，能够形成实际应用上不发生问题的带内面槽的传热管。

换热试验

参照图6，图6模式地表示传热管性能测定装置。在该图中，表示整体的附图标记30表示传热管性能测定装置。该传热管性能测定装置30具有压缩机31、冷凝器32、膨胀阀33及蒸发器34。

在图6中，压缩机31用于压缩制冷剂蒸气。冷凝器32凝结由压缩机31压缩的制冷剂蒸气而得到制冷剂液体。膨胀阀33用于对来自冷凝器32的制冷剂液体进行减压。蒸发器34蒸发由膨胀阀33减压的制冷剂，从而得到制冷剂气体。换热器的规格如以下表3所示。

在测定蒸发传热率的蒸发试验中，将带内面槽的传热管1装入到蒸发器34而进行。在蒸发器34中，作为换热流体使用空气，并将在蒸发器34与传热管1的外表面之间的空气侧流动的前面风速设定为0.57m/s、1.0m/s及1.5m/s的三种速度，且使空气流动于传热管外表面，从而使对成为制冷剂侧的传热管内表面供给的制冷剂蒸发。作为制冷剂，使用氟利昂R410A。将其空气侧及制冷剂侧做成以下表4所示的测定条件(室外条件)，并进行了蒸发试验。在该蒸发试验中，使制冷剂与换热流体向图6中用实线表示的箭头方向流动而成为平行流。

另一方面，在测定凝结传热率的凝结试验中，在冷凝器32装入带内面槽的传热管1而进行。在该凝结试验中，作为换热流体也使用空气，并且在其空气侧将前面风速设定为0.57m/s、1.0m/s及1.5m/s的三种速度，使空气流动于传热管外表面而使对传热管内表面供给的制冷剂蒸气凝结。将其空气侧及制冷剂侧做成以下表4所示的测定条件(室外条件)，并进行了凝结试验。在该凝结试验中，使制冷剂与换热流体向图6中用虚线所示的箭头方向流动而成为逆流。

换热性能测定

使用这样准备的传热管性能测定装置30，使前面风速变化成0.57m/s、1.0m/s及1.5m/s的三种速度，对这些每个前面风速，测定实施例1及2的传热管与比较例1及2的传热管的换热量、通常翅片比、制冷剂流量及制冷剂压力损失，并确认凝结性能及蒸发性能的好坏。将其结果分别概括表示在以下表5及表6中。在该实施例中，表5及表6所示的所谓“通常翅片比”是指，“实施例1及2的带内面槽的传热管的换热量”与“比较例1的传热管的换热量”的性能比。

换热性能测定结果

从以下表5中可知，使用实施例1及2的传热管与比较例1的传热管的换热器的凝结性能无下降。作为其凝结性能，在扩管加工前的翅片高低差为0.02mm以下，扩管加工前的翅片高低比为1.15以下的情况下不变。使用翅片高低差0.02mm以下的实施例1及2的传热管的换热器，具有与使用翅片高度一定的比较例1的传热管的换热器的凝结性能大致相同的凝结性能。

在使用扩管加工前的翅片高低差为0.03mm，且扩管加工前的翅片高低比超过1.15的比较例2的传热管的换热器中，与实施例1及2和比较例1相比，换热器的凝结性能降低。存在如下倾向，即随着扩管加工前的翅片高低差变大，换热器的凝结性能降低。

另一方面，在蒸发性能方面，从以下表6中可知，虽然不论扩管加工前的翅片高低差，大致具有相同的蒸发性能，但是使用翅片高低差0.02mm的实施例2的传热管的换热器的蒸发性能最高。使用翅片高低差0.01mm的实施例1的传热管的换热器，具有与使用翅片高度一定的比较例1的传热管的换热器大致相同的蒸发性能。使用翅片高低差0.03mm的比较例2的传热管的换热器，与实施例2和比较例1相比，存在如下倾向，即随着空气的前面风速变大，换热量(通常翅片比)降低。

从这些结果可以确认，若扩管加工前的翅片高低差为0.02mm以下，和/或扩管加工前的翅片高度比为1.15以下，则能够将翅片压坏量控制成较少，并且防止翅片倾斜地歪倒，能够防止凝结传热率的降低及蒸发传热率的降低。

上述实施例1及2和上述比较例1及2如以下表3所示，将带内面槽的传热管的槽底宽度、槽数量及螺旋角分别试制成一定，而若其槽底宽度变大，则凝结性能提高，若槽数量增多，则凝结性能与蒸发性能提高。若增大螺旋角，则凝结性能与蒸发性能提高，但是压力损失变大。通过适当设定带内面槽的传热管的槽底宽度、槽数量及螺旋角等，能够对蒸发器或冷凝器有效使用。

从以上说明中可知，依据上述试验结果与带内面槽的传热管的槽底宽度、槽数量及螺旋角等设定尺寸，在重视蒸发性能的情况下，能够制作如蒸发性能提高的换热器、使用于该换热器的带内面槽的传热管。在重视凝结性能的情况下，能够制作如凝结性能提高的换热器、使用于该换热器的带内面槽的传热管。即使在蒸发及凝结都重视的情况下，也能够制作如蒸发性能及凝结性能提高的换热器、使用于该换热器的带内面槽的传热管。

表1

表2

表3

表4

表5

表6

Claims (7)

1.一种带内面槽的传热管，其特征在于，

在管内表面具有在整个管长度方向形成有凹凸状槽的多个翅片，

上述多个翅片由第一翅片和比上述第一翅片的高度还低的第二翅片构成，

将最高的上述第一翅片的高度(Hf₁)与最低的上述第二翅片的高度(Hf₂)之比(Hf₁/Hf₂)设定为1.15以下。

2.根据权利要求1所述的带内面槽的传热管，其特征在于，

将上述最高的第一翅片的高度(Hf₁)与上述最低的第二翅片的高度(Hf₂)的高低差设定为0.02mm以下。

3.根据权利要求1或2所述的带内面槽的传热管，其特征在于，

将上述最低的第二翅片的翅片数量设定成与上述最高的第一翅片相同的数量。

4.根据权利要求3所述的带内面槽的传热管，其特征在于，

将上述最低的第二翅片与上述最高的第一翅片交替配设。

5.根据权利要求1或2所述的带内面槽的传热管，其特征在于，

将上述最低的第二翅片的翅片数量设定成比上述最高的第一翅片还少的数量。

6.根据权利要求1或2所述的带内面槽的传热管，其特征在于，

将上述最低的第二翅片的翅片数量设定成比上述最高的第一翅片还多的数量。

7.一种换热器，其特征在于，

具有对上述权利要求1～6中任何一项所述的带内面槽的传热管进行扩管加工的扩管传热管。

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