CN1065044C - 用于空调和冷却设备的换热器的槽管及相应的换热器 - Google Patents

用于空调和冷却设备的换热器的槽管及相应的换热器 Download PDF

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Abstract

管(1)通过螺旋角为5°至50°、顶角(α)为30°至60°的螺旋肋(2)在管内形成槽，其特征是：所述肋(2)形成至少含有两个不同高度的肋的周期性变化的形状；一个高度为Hh的肋称为“高”肋(2h)，另一个高度为Hb的肋称为“低”肋(2b)，Hb/Hh之比在0.40和0.97之间；每一个“高”肋均与一个平底槽(3)相邻。

Description

用于空调和冷却设备的换热器的槽管 及相应的换热器
本发明涉及的范围是用于制造空调和冷却设备的或用于任何其它加热和冷却的换热器的管，这类管子的作用是保证管内流动的液体与所述换热器中流动的空气之间的热交换。
本发明还涉及所述的换热器，它一般包含一个组件，该组件含有一般为夹形(直管部分和弯管部分)的铜管、铝管或钢管及称为散热片的铜或铝片，散热片与所述管进行热接触，且一般垂直于所述管的直管部分并提供一个很大的与所述空气换热的交换表面。
现有的管的类型很多，一般都是铜与铜合金管加上改善管中的流动液体与外部空气换热的手段。
可引用描述内槽管的US4480684号专利和欧洲EP-A-148609号专利申请来说明上述类型的管。
在US4480684号专利中，槽的特征通过如下手段综合而成：
-螺旋槽，其螺旋角相对于管的轴线在16°至35°之间；
-槽的深度在0．1毫米至0．6毫米之间；
-槽距在0．2毫米至0．6毫米之间；
-槽的截面为“V”型，角度在50°至100°之间。
该专利的图2和图6所示的分别是一个换热器和一段管的沿垂直于管的轴线的剖面图，示出由具有相同的角(称为顶角α)的“V”形肋分开的“V”形槽。
欧洲EP-A-148609号专利申请描述的也是槽管，其螺旋形槽的截面为梯形，肋的截面为三角形，管的特征通过下述手段综合而成：
-槽的深度H或肋的高度H与管内径Di之比在0．02至0．03之间；
-槽的螺旋角在7°至30°之间；
-槽的横截面S与深度H之比在0．15毫米至0．40毫米之间；
-肋的顶角在30°至60°之间。
专业人员早就了解槽管在改善管中流动的液体和管本身之间的换热方面的好处。
人们知道，外径为9．52毫米的典型铜管最好具有足够数量的(45至65个)螺旋形肋／槽(螺旋角在10°至30°之间)。
不过，如果这些特性似乎是内行人从现有技术的分析中得出的，那么，对于与肋和槽的准确形状有关的其他特性，现有技术无法提供能引导专业人员获得高性能的换热器管的统一的形象及一致的信息。
此外，申请人在实施具有已改进的管与散热片的热接触的紧凑管组的工作过程中，使用了显而易见的手段来弯曲现有技术的带槽的管，并借助典型的在管内流动的心轴将管与散热片镶装在一起，使管轻微膨胀地与散热片口的边缘接触，这样无需借助耗费大的焊接或钎焊技术便可获得良好的热接触。
申请人通过检查镶装管(具有60个“V”形肋的标准管)的剖面发现肋被压扁了，它表现为槽的深度H和截面S的大的缩减：     镶装前                镶装后H    0．20毫米             0．13毫米S    0．060平方毫米        0．024平方毫米(-60％)
至于管内流动的液体与管本身之间的热交换问题，镶装前和镶装后在管段上进行的比较性测量证实了镶装后由于截面S减小60％，因而换热性能降低。
这样，本发明申请人得出结论：如果不同时考虑管与散热片组装时可能产生的肋／槽变形，只考虑管本身的性能及性能的最优化是没有太大作用的。
因此，本发明申请人试图寻找考虑了镶装的槽／肋的最佳形状，从而可限制镶装造成的有害影响。此外，镶装对于管与散热片之间的换热具有有利的作用，是一种经济的组装技术。
本发明的第一主题为外径De在3毫米至30毫米之间，用于与散热片镶装制造换热器的管，通过n个(n为35至90)螺旋角为5°至50°、顶角(α)为30°至60°的螺旋肋构成管的内槽，其特征是：所述肋形成至少含有两个肋的周期性变化的形状，两个肋高度不同，一个高度为Hh的称为“高”肋，另一个高度为Hb的称为“低”肋，Hb／Hh之比在0．40和0．97之间，每一个“高”肋都夹在两个平底槽之间。
在每个间距P处，规则地重复形成的肋和散热片的序列称为周期性变化的形状。
申请人进行的试验表明Hb／Hh之比即使只稍小于1已足以获得明显的效果。但是，该Hb／Hh之比最好在0．6和0．95之间，因为在该限度之外，管的换热量在散热片镶装之后会降低，如果在0．40-0．97这个限度以外，会降低得更多。
解决的方案一般来说包括两种基本手段，一方面是通过至少含有两个不同高度(Hh和Hb)的肋的周期性变化的形状，另一方面是每个“高”肋均夹在两个截面面积为S的平底槽之间。
这是本发明的两个基本要素，以便在槽管与散热片镶装后获得其平底槽剖面面积S＇＜S、但其值足以得到有效的热交换的管。
申请人观察到本发明的周期性变化形状在管(直管部分和弯管部分)和散热片镶装后出乎预料地有利于换热性能。
实际上，通过高度区分肋，致使肋在镶装时具有不同的功能(“高”肋具有“保护”或“牺牲”功能，而“低”肋则“受保护”)，这个事实并没有预示出本发明所获得的结果。
因此，申请人不满足于只根据管本身的换热性能(蒸发或冷凝)对管进行内部的最佳配置，而是既考虑管本身的制造，又考虑到用镶装心轴组装管和散热片的相应换热器的制造。这样本发明才成为解决所提出的问题的有效方案。
图1a和1b示出现有技术的槽管(1)的横向剖面的一部分，剖面垂直于管的轴线，黑底上的照片亮部对应于管。
图1a中，管(1)具有三角形截面的、顶角近于90°的肋(2)，肋与肋之间形成基本呈三角形截面的槽。
图1b中，截面近于三角形、顶角近于50°的肋(2)相互之间形成梯形截面的槽。
图2所示的是现有技术，与图1b相对应，在组装管组时管镶装在散热片中之后，肋(20)被压扁且变形，照片黑底上的亮部对应于管。
图3a示出本发明的槽管(1)的横向剖面的一部分，剖面垂直于管的轴线，照片黑底上的亮部对应于管。管由“高”肋(2h)和“低”肋(2b)交替构成。
图3b为与照片3a对应的示意图，图上标出高度分别为Hh和Hb的两种肋(2h和2b)、截面面积为S的槽(3)、管的外径De及厚度Ep(至槽底的厚度)。
图中示出了由如下序列构成的所述周期性变化的形状的间距P：“高”肋(2h)／平底槽(3)／“低”肋(2b)／平底槽(3)／等等。
如果只限于说明肋，该形状可用“h／b”表示，其中h指“高”肋，b指“低”肋。
图4a和4b对应于图3a和3b，示出在散热片与管镶装之后的情况。肋(2h)(镶装前)在镶装后变为高度为Hh′的梯形肋(20h)，Hh′＜Hh；同样，肋(20b)对应于原来的肋(2b)，实际上，镶装并没有使它改变(Hb′=Hb)。
图4b示出新的槽(30)，其截面面积S′＜S。
图5a至5c与图4b相似，示出本发明的不同实施例，图上还示出镶装前的肋(2h)和(2b)的形状(粗线)和镶装后的肋(20h)和(20b)的形状(细线)，半高处的相应宽度为Lh和Lb，镶装前后槽(3)和(30)的各自截面积为S和S′。
图5a中，肋(2h)为梯形，镶装后，H′h＞H′b，H′b=Hb。
图5b中，肋(2h)(顶角50°)为三角形，肋(2b)(顶角30°)也为三角形，镶装后，H′h接近H′b，H′b=Hb。
图5c中，肋(2h)和(2b)为三角形，镶装后，H′h接近H′b，H′b＜Hb。
图6a和6b为槽管(1)沿轴线的剖面图，分别表示散热片(4)借助心轴(5)的镶装开始前和镶装过程中的情况。
图7a和7b示意出本发明不同的管的形状。
这些图所示的形状用图3b中定义的术语表示为h／b／b型。在图7a的情况下，两个“低”肋(2b)之间是一个平底梯形槽，而在图7b的情况下，则是一个三角形槽。在所有情况下，每一个“高”肋(2h)都夹在两个平底槽(3)之间。
所述周期性变化的形状最好包括如图3a和3b所示的、由h／b表示的一个“高”肋(2h)和一个“低”肋(2b)的交替变换，或者如图7a和7b所示的、由h／b／b表示的一个“高”肋和两个“低”肋的序列。
在h／b和h／b／b的形状中，带有“高”、“低”肋(2h)和(2b)的交替、在肋间形成平底槽(3)的h／b形状更好些。
本发明适用于外径De极不相同的管，可从3毫米到30毫米。“高”肋的高度Hh随De而变化，但不一定成比例关系。
为了保持管镶装后的最佳性能，Hh／De之比通常应在0．003和0．05之间，最好在0．015和0．04之间。
根据本发明的一个实施例，所述“高”肋(2h)有一个基本呈三角形的、高度为Hh的截面。如图3a和3b所示，基本呈三角形的截面意指一个其顶角较圆的截面，尤其如图3a所示的那样。图3a对应于从照片上获得的一个真实管的横向剖面图(该管在实施例中予以说明)。
根据另一个实施例，如图5a所示，所述“高”肋(2h)具有一个基本呈梯形的、高度为Hh的截面。
所述“低”肋(2b)最好有一个基本呈三角形的高度为Hb的截面，如图3a和3b所示，前面关于“基本呈三角形”词组的解释对它也适用。
根据本发明，选择下类管较有利，即管的所述平底非梯形(因为Hh＞Hb)槽(3)具有面积S为0．020至0．15平方毫米的截面，在管外径De大于或等于7．93毫米的情况下，截面面积最好在0．060和0．15平方毫米之间；在管外径De小于7．93毫米的情况下，最好在0．020和0．070平方毫米之间。
上述值是在如下条件下获得的典型数值：
-高度Hb在0．10和0．20毫米之间，
-高度Hh在0．20和0．30毫米之间，
-长度为0．10至0．20毫米的平底(基本上是平的，未考虑管的曲率)，对于内径(至槽底)在8．8毫米左右的标准管，间距(间距=平底长度+“高”肋的半底长+“低”肋的半底长)一般在0．40和0．50毫米之间。
在管的直径较小(如7毫米)的情况下，高度Hb和Hh、尤其高度Hh将减小(见实施例5和6)。
关于面积S，其下限根据使管内流动的液体与外部空气具有足够的换热量的需要而得出。
相反，面积S的上限首先根据几何形状并考虑管的通常尺寸和肋(2h、2b)的数量n而得出。
本发明的第二主题是散热片和槽管镶装成的换热器。随着镶装心轴伸进所述管的内部，利用管在心轴作用下的膨胀来组装所述散热片和管，肋在管中构成至少含有两个不同宽度的肋的周期性变化的形状，一个肋称为“宽”肋(20h)，截面为梯形，半高处的宽度为宽的Lh；另一个称为“窄”肋(20b)，截面为三角形或梯形，半高处的宽度为窄的Lb，(Lh-Lb)／De之比至少等于0．003，对于外径为9．52毫米的管，Lh-Lb值一般至少等于0．03毫米。
图5a至5c表示镶装前和镶装后肋和槽的形状：镶装前的“高”助(2h)镶装后变成高度较低的肋(20h)，相反，“低”肋(2b)镶装后变成肋(20b)(以使符号对称)，但实际上镶装没对它改变多少(图5c中稍微变平，图5a和5b中无变化)。
在所述“低”肋(2b)有一个较高的高度的特殊情况下，或者Hh-Hb值小，近于相同的情况下，那么镶装后，所述“宽”肋和“窄”肋具有基本相同的高度(H′h=H′b)且所述平底槽(30)的面积S′的截面为梯形。
槽(3)的截面面积S总是要减小，镶装后，面积S变成S′＜S，但是借助本发明，减小的值是有限的。一般，所述平底槽(30)的截面S′的面积在0．015和0．060平方毫米之间，对于外径为9．52毫米的管，最好在0．35和0．60平方毫米之间。
实施例中所描述的全部管都是通过一看便知的方法制造的，采用的是外部带槽的浮动心轴(心轴外表面的槽和肋与管内表面上获得的肋和槽相对应)，制造方法为US4373366号专利所描述的那种。
实施例1、3、5、6、8和9为本发明的实施例，管的形状如图3a、3b所示；实施例2、4和7为现有技术的用于进行比较的实施例。
所有实施例的管都是用符合NFA51123标准(=ASTM B68和280标准)的铜(Cub1-DHP)制成的。
实施例1和2：
人们制造了外径De为9．52毫米、槽底处的厚度Ep为0．30毫米的内槽管。
所制管的其他特征           实施例1         实施例2
                            (本发明)        (现有技术)
肋的高度(例1的高肋)        0．23毫米       0．20毫米
相邻的肋的高度(例1的低肋)  0．16毫米       0．20毫米
肋的顶角(α)               40°                          50°
螺旋角(β)                 18°                          18°
肋数n                      60              60
槽的截面面积S              0．070平方毫米  0．060平方毫米
这些类型的管随后借助于心轴的镶装和散热片组装在一起，如图6a和6b所示。
对镶装管进行了抽样，以检查肋和内槽的几何特征：
镶装后的特征               实施例1         实施例2
                       (本发明)        (现有技术)
肋的高度〔例1的“高”肋(H′0．20毫米       0．13毫米
h)〕
相邻的肋的高度〔例1的“低”0．16毫米       0．13毫米
肋(H′b)〕
半高处的肋宽Lh(例1的肋     0．096毫米      0．25毫米
20h)
相邻肋的半高处的宽度Lb(例  0．048毫米      0．25毫米
1的肋20b)
槽的截面面积S′            0．042平方毫米  0．024平方毫米
最后，对实施例1和2的管镶装前和镶装后的性能进行了比较性评估，测量了标准含氯氟烃致冷液体〔氟利昂R22(R)〕以160千克／米2·秒的质量速度冷凝(蒸汽含量=50％、饱和温度=30℃)及蒸发(蒸汽含量=30％、饱和温度=10℃)时的平均换热系数(瓦／米2·开)。
得到的值如下：
                蒸发                冷凝
镶装前的管：
实施例1       9500瓦／米2·开      9400瓦／米2·开
实施例2       8500瓦／米2·开      9600瓦／米2·开
镶装后的管：
实施例1       5700瓦／米2·开      5640瓦／米2·开
实施例2       3400瓦／米2·开      3840瓦／米2·开
对上述值进行比较表明：即使本发明的管比(分别在冷凝和蒸发时)用于比较的现有技术的管只稍好些，那么镶装后，不论冷凝还是蒸发，它们都明显优于现有技术的管，这显示了本发明的重要性。
实施例3和4：
人们制造了外径De为7毫米、槽底处的厚度Ep为0．25毫米的内槽管。
所制管的其他特征           实施例3        实施例4
                           (本发明)       (现有技术)
肋的高度(例3的高肋)        0．18毫米      0．18毫米
相邻肋的高度(例3的低肋)    0．15毫米      0．18毫米
肋的顶角(α)               40°                        40°
螺旋角(β)                 18°                        18°
肋数n                      44             50
槽的截面面积S              0．060平方毫米  0．053平方毫米
随后，这些类型的管借助于心轴的镶装与散热片组装在一起，如图6a和6b所示。
在散热片镶装在管上之前和之后，对上述管进行了测试，观察到与实施例1和2的管之间的同样的性能变化：
-镶装前：实施例3和4的管的性能接近。
-镶装后：实施例3(本发明)的管的性能优于实施例4(现有技术)的管。
与实施例1和2的情况一样，对于实施例3和4，可以看到本发明的管由散热片镶装在管上造成的性能下降是较小的。
实施例5、6和7：
对于实施例5和7，人们制造了外径De为9．52毫米、槽底处的厚度EP为0．30毫米的内槽管。
对于实施例6，人们制造了外径De为7．93毫米、槽底处的厚度为0．30毫米的内槽管。
所制管的其他特征         实施例5      实施例6      实施例7
                         (本发明)     (本发明)     (现有技术)
肋的高度(例5、6的高肋)   0．23毫米    0．18毫米    0．20毫米
相邻肋的高度(例5和6的    0．16毫米    0．15毫米    0．20毫米
低肋)
肋的顶角(α)             40°                      40°                  40°
螺旋角(β)               18°                      18°                  18°
肋数n                    54           46           60
面积S(槽的截面)          0．075平方   0．061平方   0．062平方
                         毫米         毫米         毫米
镶装前和镶装后，在氟利昂流量为110千克／米2·秒及蒸汽质量含量为10％至60％时，测量了压力的损失。
人们发现根据本发明实施例5和6的管在镶装前的压力损失比实施例7的管小15％，镶装后比实施例7的管小13％
实施例8、9和10：
人们制造了外径De为12．70毫米、槽底处的厚度Ep为0．36毫米的内槽管。
所制管的其他特征            实施例8      实施例9      实施例10
                             本发明)     (本发明)     (本发明以
                                                       外)
肋的高度(例8和9的高肋)       0．25毫米    0．25毫米    0．25毫米
相邻肋的高度(例8和9的        0．22毫米    0．22毫米    0．25毫米
低肋)
肋的顶角(α)                 50°                    50°                  50°
螺旋角(β)                   18°                    30°                  0°
肋数n                        65           65           65
面积S(槽的截面)              0．089平方   0．089平方   0．082平方
                             毫米         毫米         毫米
作为镶装后管的螺旋角β(试验8的管为18°，试验9的管为30°、试验10的管为0°)的函数，计算了换热系数(瓦／米2·开)。
测量是在冷凝时针对氟利昂R22的不同流量值而进行的。
结果=换热系数值(单位：瓦／米2·开)
氟利昂流量    实施例8    实施例9    实施例10(千克／秒)0．08      2000      3450    17500．10      2700      4300    21500．12      3500      4950    25000．14      4500      5600    30000．16      5000      6400    35000．18      5800      7300    40000．20      6550      8000    4450
这些试验及另一些在螺旋角大于30°情况下进行的试验表明：如欲有利于换热系数，选择的螺旋角至少等于30°为好，最好在30°至50°之间，随着选择的螺旋角的增大，制造的速度倾向于降低。
反之，如果生产速度优先，选择5°至30°的螺旋角较合适。
这样，本发明的主要优点是限制管和散热片通过镶装组装而制造换热器时的性能(尤其是换热系数)的下降。
借助于本发明，借助于至少有两个不同高度的肋的周期性变化的形状的设计，其中一个肋在镶装时“牺牲”以“保护”另一个或多个较低的肋，从而在保持管本身的大换热量的同时，可以采用经济、有效的组装方法。
此外，因为本发明的管的制造除了采用常用的生产标准槽管的装置外不需要其他装置，所以本发明的管不比现有技术的管造价高。
本发明槽管还具有与镶装散热片的换热器的制造特别匹配的优点，与现有技术的在不损坏或极小损坏原始管的槽的应用中(如具有焊接或钎焊的散热片的换热器)的槽管相比，不因此使效率受到损失。
特别应该指出的是，如实施例5、6和7所示，本发明对压力损失具有特别有利的作用。
与现有技术的管发生的情况相反，管径的明显减小(实施例5的管外径为9．52毫米，实施例6的管外径为7．93毫米)不会引起压力损失的明显加大。
此外，所观察到的本发明的管相对于现有技术的管的压力损失的减小对降低用于致冷回路的压缩机的成本、体积和重量具有很大的实际意义。

Claims (14)

1．管(1)，其外径De在3到30毫米之间、用于与散热片(4)镶装以制造换热器，它通过n个螺旋角为5°至50°、顶角(α)为30°至60°的螺旋肋(2)形成内槽，其中，n在35至90之间，其特征是：所述肋(2)形成至少含有两个高度不同的肋的周期性变化的形状，一个高度为Hh的肋称为高肋(2h)，另一个高度为Hb的肋称为低肋(2b)，Hb／Hh之比在0．40至0．97之间，每个高肋(2h)均夹在两个平底槽(3)之间。
2．根据权利要求1所述的管，其中，Hb／Hh之比在0．6至0．95之间。
3．根据权利要求1所述的管，其中，所述周期性变化的形状包括用h／b表示的一个高肋(2h)和一个低肋(2b)的交替变换。
4．根据权利要求1所述的管，其中，所述周期性变化的形状包括用h／b／b表示的一个高肋和两个低肋的序列。
5．根据权利要求3或4所述的管，其中，高肋(2h)和低肋(2b)的交替在它们之间形成平底槽(3)。
6．根据权利要求5所述的管，其中，所述高肋(2h)具有的高度Hh使Hh／De在0．003和0．05之间。
7．根据权利要求6所述的管，其中，所述高肋(2h)有一个基本呈三角形的截面。
8．根据权利要求6所述的管，其中，高肋(2h)有一个基本呈梯形的截面。
9．根据权利要求6所述的管，其中，所述低肋(2b)有一个高度为Hb的基本呈三角形的截面。
10．根据权利要求5所述的管，其中，所述平底槽(3)的截面是非梯形截面，其面积S在0．020至0．15平方毫米之间，对于外径De至少为7．93毫米的管，该面积在0．060和0．15平方毫米之间。
11．一种换热装置，包括权利要求1至10中任一项所述的带槽管与镶装的散热片，其中，随着镶装心轴伸入所述管内用以组装所述散热片和所述管，这些肋形成至少含有两个宽度不同的肋的周期性变化的形状，一个肋称为宽肋(20h)，截面为梯形、半高处为大的宽度Lh，另一个称为窄肋(20b)，截面为三角形或梯形，半高处为小的宽度Lb，(Lh-Lb)／De之比至少等于0．003。
12．根据权利要求11所述的换热装置，其中，所述周期性变化的形状包括一个宽肋(20h)和一个窄肋(20b)的交替变换，或者一个宽肋和两个窄肋的序列。
13．根据权利要求12所述的换热装置，其中，所述宽肋(20h)和所述窄肋(20b)的高度基本相同(H′h=H′b)，并且所述平底槽(30)具有面积为S′的梯形截面。
14．根据权利要求11所述的换热装置，其中，所述平底槽(30)的截面的面积S′在0．015和0．060平方毫米之间。
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