CN103339460B - 用于换热器的载流管 - Google Patents

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Abstract

一种用于换热器的载流管，其包括外部边缘、内部边缘和多个凸起，所述多个凸起从所述内部边缘向内延伸进入所述管的内部。每个凸起具有凸起高度、基底宽度和尖端宽度。所述凸起高度与所述基底宽度的比率在约0.2至约4.0之间，并且所述尖端宽度与所述基底宽度的比率在约0.015至约0.965之间。

Description

用于换热器的载流管
发明背景
本文公开的主题涉及换热器。更具体地，所述公开主题涉及用于换热器的改进的管结构。
简化的典型蒸汽压缩制冷循环包括蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀装置。制冷流程是这样的，低压制冷剂蒸气通过吸入管道到达压缩机。所述已压缩的制冷剂蒸气被泵送到排放管道，所述排放管道与所述冷凝器连接。液体管道接收离开所述冷凝器的液体制冷剂并将其导入至膨胀装置。二相制冷剂被返回至所述蒸发器，从而完成所述循环。
蒸汽压缩循环的两个主要部件是蒸发器和冷凝器换热器。使用中的换热器的最常见类型是平板翅片圆管(RTPF)换热器构造类型。历史上地，所述管是由铜制造的，而在此种换热器中所述翅片通常由铝制造。换热器的热性能，即从一个媒介到另一个媒介传递热的能力是与换热器的热阻总和成反比的。对于在所述管内部使用制冷剂并且在外部的翅片侧上使用空气的典型的采暖、通风、空调和制冷(HVAC&R)应用，所述空气侧热阻产生50-70％，而制冷剂侧热阻为20-40％，以及金属阻抗相对小且只占6-l0％。由于连续的市场压力和为了使HVAC&R单元更紧凑并且成本有效的调整需求，已经投入了大量的努力来改进所述换热器在制冷剂侧以及空气侧的性能。
发明概要
根据本发明的一个方面，一种用于换热器的载流管包括外部边缘、内部边缘和多个凸起，所述多个凸起从所述内部边缘向内延伸进入所述管的内部。每个凸起具有凸起高度、基底宽度和尖端宽度。所 述凸起高度与所述基底宽度的比率在约0.2至约4.0之间，并且所述尖端宽度与所述基底宽度的比率在约0.015至约0.965之间。
根据本发明的另一方面，换热器包括多个翅片和多个管，经由所述多个管传送流体并且所述多个管延伸穿过所述多个翅片。所述多个管中的至少一个管包括外部边缘、内部边缘和多个凸起，所述多个凸起从所述内部边缘向内延伸进入至少一个管的内部。每个凸起具有凸起高度、基底宽度和尖端宽度。所述凸起高度与所述基底宽度的比率在约0．2至约4．0之间，并且所述尖端宽度与所述基底宽度的比率在约0．015至约0．965之间。
通过下面说明并结合附图，这些和其它优点及特性将变得更加显而易见。
附图简述
本发明的主题在本说明书结尾的权利要求中被特别地指出并且清楚地要求。通过如下详细描述并且结合附图，本发明的前述和其它特性，以及优点变得显而易见，其中：
图1为换热器的实施例的示意图；
图2为换热器管的实施例的部分剖面图；和
图3为换热器管的实施例的剖面图。
通过示例并参考附图，详细描述本发明的实施例、连同优点和特性。
具体实施方式
图1所示的是平板翅片圆管(RTPF)换热器10的一个实施例，例如一个RTPF换热器10被用作蒸发器或冷凝器。所述RTPF换热器10包括多个管12和多个翅片14。所述多个管12运载流体，例如 制冷剂。热量穿过多个翅片14在所述流体和空气流之间交换。在一些实施例中，所述管12可通过例如压铸工艺由铝或铝合金形成，而在其它实施例中，所述管12也可以由例如铜、Cu-Ni、钢或塑料的其它材料形成。
图2图示了换热器10的管12的部分剖面图。所述管12包括延伸进入所述管12的内部l8的多个增强件或凸起16。如图3中所示，所述管12具有外部边缘32和内部边缘34，其中所述凸起l6从所述内部边缘34向内延伸进入所述管12的内部l8。所述凸起l6沿着所述管12的长度20延伸。在一些实施例中，所述凸起l6基本上轴向延伸，而在其它实施例中，所述凸起16相对于管轴24以螺旋角α沿着所述管12螺旋地延伸。例如在此处所描述的凸起16改进了所述管12的热传递特性，同时与为了获得穿过所述管12的期望制冷剂流量的压降需求保持平衡。下面将通过示例描述所述凸起16的特定几何学结构(改进了预-膨胀和过-膨胀管12表面的几何形状)。
再次参照图2，所述凸起16具有许多的特征用来在所述管12的内部18定义其形状以及布置。每个凸起16具有凸起16高度h、基底26宽度w和尖端28宽度b。所述凸起l6的侧面30以顶角Y从所述基底26延伸至所述尖端28。相邻的凸起l6由凸起16节距Pr隔开。每个管12具有在相邻的凸起16之间的管直径D和基线管12壁厚tb。
当将包括所述凸起16的管12的内表面面积与具有平滑壁的典型管比较时，需要考虑在所述管12中的所述凸起16的形状、凸起16节距Pr和凸起16的数量Nr，且因此内径如等式(1)中所示：
(1)D-2*tb
与平滑壁围绕的管相比，包括凸起16的所述管12的已增加内表面面积增加了所述管12内流体和外部环境之间热量转移的有效性。所述已增加表面面积的效果可被表示为增强比率Rx，如下面等式(2)：
(2)Rx＝(2*h*Nr*((l-sin(Y／2)／(π*(D-2*(tb+h))*cos(Y／2)))+1)／cosα
如等式(2)中所见，所述增强比率Rx是h／(π*(D-2*(tb+h))／Nr)的优良线性函数，其为所述凸起高度h与所述凸起节距Pr的比率。
在一些实施例中，所述凸起16可沿着所述长度20基本上轴向延伸，或者可以约18度至约35度之间的螺旋角α延伸。另外，所述管12的凸起的数量Nr与最大内径的比率，或Nr/Dimax可以在约5.4至约10.1之间，其中Dimax以毫米表示。在一些实施例中，凸起高度h与所述凸起节距Pr的比率在约0.17至约1.36之间。正如等式1中所示，在例如那些所述凸起16沿着管12基本上轴向延伸的一些实施例中，Rx在约1．28至约3．49之间。在其它实施例中，例如所述螺旋角α不为零时，Rx在约1.34至约4.26之间。在一些实施例中，所述管12的凸起高度h与最大内径的比率或h／Dimax在约0.0008至约0．0870之间。对于一些凸起16，所述顶角Y在约10度至25度之间。进一步，在一些实施例中，所述凸起高度h和基底宽度w是有相关的，使得所述凸起高度与所述基底宽度的比率或h／w在约0．2至约4．0之间。类似地，在其它实施例中，所述尖端宽度b和所述基底宽度w的比率或b／w在约0．0l5至约0．965之间。
上述的这样比率和范围可以随着具体的管12的外径而改变。例如，对于具有约0．5英寸的外径的管12，Nr/Dimax可以在约5．4至约9．25之间。进一步，h／Pr在约0.17至约1.22之间。在所述凸起16沿着所述管12基本上轴向延伸的实施例中，Rx在约1.28至约3.23之间，以及在所述螺旋角α不为零的实施例中，Rx在约1．34至约3．94之间。在0．5英寸直径管的实施例中，h／Dimax在约0．0008至约0．035之间。
在所述管12具有约O．375英寸外径的其它实施例中，Nr／Dimax(其中Dimax以毫米为单位表示)可以在约5．8至约10．1之间。进一步，h／Pr在约O．19至约1．36之间。在所述凸起16沿着所述管12基本上轴向延伸的实施例中，Rx在约1．30至约3．49之间，以及在所述螺旋 角α不为零的实施例中，Rx在约1．37至约4．26之间。在0．375英寸直径管的实施例中，h／Dimax在约0．0117至约0．0488之间。
在所述管12具有约7毫米外径的其它实施例中，Nr/Dimax(其中Dimax以毫米为单位表示)可以在约5．4至约9．5之间。进一步，h／Pr在约0．18至约1．30之间。在所述凸起16沿着所述管12基本上轴向延伸的实施例中，Rx在约1．28至约3．37之间，以及在所述螺旋角α不为零的实施例中，Rx在约1．35至约4．12之间。在7毫米直径管的实施例中，h／Dimax在约0．021至约0．087之间。
在所述管12具有约5毫米外径的其它实施例中，Nr/Dimax(其中Dimax以毫米为单位表示)可以在约5．5至约9．4之间。进一步，h／Pr在约0．18至约1．30之间。在所述凸起16沿着所述管12基本上轴向延伸的实施例中，Rx在约1．29至约3．39之间，以及在所述螺旋角α不为零的实施例中，Rx在约1．36至约4．14之间。在5毫米直径管的实施例中，h／Dimax在约0．021至约0．087之间。
当本文图示的所述管12基本上是圆形时，在其它实施例中，可理解，所述管12的剖面可以为非圆形，例如可为椭圆形、类椭圆形或跑道形剖面。在这种管中，管12直径D的对等物将为圆形截面管直径，在所述剖面中所述圆形截面管直径将具有如在所述特别的非圆形剖面中相同的质量或材料含量。所有上述部分描述的几何学比率同样可适用于此种非圆形管结构，所述非圆形管结构允许获得实质上已改进的管内热量和液压性能。
参看本文描述的几何学比率，包括与这些比率的示例性范围相一致的此种凸起16的管12展现出超过现有技术管的实质上改进的热一液压性能。所述比率和所描述的比率范围不是显而易见的并且已经通过在组件和子组件级上的大量模拟和实验来开发，同时特别专注于所述二相制冷剂流量。
虽然仅结合有限数量的实施例对本发明进行详细地描述，但是应该容易理解，本发明不限于这样公开的实施例。相反，本发明可被修改以合并没有在此前描述的任何数量的变化、更改、替代或等同布置，但是其与本发明的精神和范围是一致的。另外，虽然已描述了本发明的各种实施例，但是将被理解，本发明的各方面可仅包括一些已经描述的实施例。因此，本发明不应理解为由前述的说明书所限定，而是只由随附权利要求书的范围限定。

Claims (25)

1.一种用于换热器的载流管，其包括：
外部边缘；
内部边缘；和
多个凸起，所述多个凸起从所述内部边缘向内延伸进入所述管的内部，每个凸起具有：
凸起高度；
基底宽度；和
尖端宽度；
其中所述凸起高度与所述基底宽度的比率在0.2至4.0之间；
其中所述尖端宽度与所述基底宽度的比率在0.015至0.965之间；并且
其中在所述多个凸起的螺旋角不为零时，增强比率Rx在1.34至4.26之间，所述增强比率Rx是所述凸起高度与所述多个凸起的相邻凸起之间的凸起节距二者之间的比率。
2.根据权利要求1所述的管，其中所述多个凸起沿着所述管的长度基本上轴向延伸。
3.根据权利要求1所述的管，其中所述多个凸起沿着所述管的长度螺旋地延伸。
4.根据权利要求3所述的管，其中所述多个凸起的所述螺旋角在18度至35度之间。
5.根据权利要求1所述的管，其中所述多个凸起的凸起数量与以毫米为单位表示的所述管的最大内径的比率在5.4至10.1之间。
6.根据权利要求5所述的管，其中所述多个凸起的凸起数量与以毫米为单位表示的所述管的最大内径的比率在5.5至9.25之间。
7.根据权利要求1所述的管，其中所述凸起高度与所述凸起节距的比率在0.17至1.36之间。
8.根据权利要求7所述的管，其中所述凸起高度与所述凸起节距的比率在0.19至1.22之间。
9.根据权利要求1所述的管，其中所述凸起高度与所述管的最大内径的比率在0.0008至0.0870之间。
10.根据权利要求9所述的管，其中所述凸起高度与所述管的最大内径的比率在0.021至0.035之间。
11.根据权利要求1所述的管，其中所述管由铝或铝合金形成。
12.根据权利要求1所述的管，其中所述管具有基本上非圆形的剖面，所述基本上非圆形的剖面包括椭圆形、类椭圆形和跑道形剖面。
13.根据权利要求1所述的管，其中所述管具有5毫米至13毫米之间的有效直径。
14.一种换热器，其包括：
多个翅片；
多个管，经由所述多个管传送流体并且所述多个管延伸穿过所述多个翅片，所述多个管中的至少一个管包括：
外部边缘；
内部边缘；和
多个凸起，所述多个凸起从所述内部边缘向内延伸进入所述管的内部，每个凸起具有：
凸起高度；
基底宽度；和
尖端宽度；
其中所述凸起高度与所述基底宽度的比率在0.2至4.0之间；
其中所述尖端宽度与所述基底宽度的比率在0.015至0.965之间；并且
其中在所述多个凸起的螺旋角不为零时，增强比率Rx在1.34至4.26之间，所述增强比率Rx是所述凸起高度与所述多个凸起的相邻凸起之间的凸起节距二者之间的比率。
15.根据权利要求14所述的换热器，其中所述多个凸起沿着至少一个管的长度基本上轴向延伸。
16.根据权利要求14所述的换热器，其中所述多个凸起沿着至少一个管的长度螺旋地延伸。
17.根据权利要求15所述的换热器，其中所述多个凸起的所述螺旋角在18度至35度之间。
18.根据权利要求14所述的换热器，其中所述多个凸起的凸起数量与以毫米为单位表示的所述至少一个管的最大内径的比率在5.4至10.1之间。
19.根据权利要求17所述的换热器，其中所述多个凸起的凸起数量与以毫米为单位表示的所述至少一个管的最大内径的比率在5.5至9.25之间。
20.根据权利要求14所述的换热器，其中所述凸起高度与所述凸起节距的比率在0.17至1.36之间。
21.根据权利要求19所述的换热器，其中所述凸起高度与所述凸起节距的比率在0.19至1.22之间。
22.根据权利要求14所述的换热器，其中所述凸起高度与所述多个管中的至少一个管的最大内径的比率在0.0008至0.0870之间。
23.根据权利要求14所述的换热器，其中所述多个管中的至少一个管由铝或铝合金形成。
24.根据权利要求14所述的换热器，其中所述多个管中的至少一个管具有基本上非圆形的剖面，所述基本上非圆形的剖面包括椭圆形、类椭圆形和跑道形剖面。
25.根据权利要求14所述的换热器，其中所述多个管中的至少一个管具有5毫米至13毫米之间的有效直径。
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