CN109967635A - 冷却线路组接头以及用其将冷却线路彼此接合的方法 - Google Patents

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迈克尔·约瑟夫·杜根
福里斯特·尼克松
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Abstract

本发明涉及一种冷却线路组接头以及用其将冷却线路彼此接合的方法。一种压接接头包括形成有圆柱形管部分和相邻的圆环形O形环导槽部分的金属管壁。管壁沿圆柱形管部分具有第一墙壁厚度以及沿O形环导槽部分具更第二壁厚。该第二壁厚是这个区域的壁厚。圆柱形管部分和O形环导槽被构造适于当管的端部插入到接头时包围管的圆柱形端部。

Description

冷却线路组接头以及用其将冷却线路彼此接合的方法
本申请是2012年12月27日申请的专利申请201280070669.7的分案申请。
交叉申请
本发明主张2012年3月9日申请的临时申请No.61/609,039和2011年12 月28日申请的临时申请No.61/580,993的优选权，其全文通过引用而结合与此。
关于联邦资助研发的申明
不适用
附录
不适用
技术领域
本发明涉及用于将线路组附接到户内和户外HVAC单元以及接合冷却部件 的接头。更具体而言，本发明涉及可以用于将两个传统管端部彼此附接的压接接 头。压接接头特别构造适于密封地连接相当压大力下的管(诸如HVAC中的管 以及其他高压冷却系统)。
背景技术
实践中通常将铜、铝或其他明显可塑性管用于冷却系统中。虽然传统焊接 技术可以用于接合一些这样的管(具体为铜管)，焊接或铜焊可能具有缺点。例 如，焊接/铜焊一般涉及焊炬的使用，这产生潜在的火灾危险。这在对公众开放 的建筑中需要结合高压管情况下可能存在问题或禁止的。另外，在可行情况下， 铝的焊接/铜焊是比较困难，并且一般认为其对于接合冷却和HVAC线路是不实 用的。此外，来自铜焊/焊接操作的热量经常在这些管的内表面产生氧化，除非 安装者采取额外步骤来避免这样的氧化(例如，通过在加热情况下使净化气体、 诸如氮气流经管)。
使用压接接头来接合管端部是低压应用中焊接/铜焊的已知替代方法。虽然 许多压接技术已经用于在不同环境下连接不同类型的管，但是冷却和HVAC线 路有关的相当高压力使得难以获得无缝连接。此外，在许多高压连接中，这样的 压接接头必须承载压力所引起的轴向拉伸负荷。这样的轴向负荷和内压可能引 起管端部变形并且从压接接头分离。当管为明显可塑时，尤其难以阻止这样的分 离。
发明内容
本发明的压接接头包括套管接头，该套管接头在两个待接合的管的相对端 部边缘上滑动。一般而言，每个套管接头包括一对内O形环导槽，该O形环导 槽与接头的端部间隔开。每个O形环导槽被构造适于接收弹性O形环，该弹性 O形环紧贴着两个管的对应一个管的端部边缘变形，以形成高压密封。每个套 管还可以包括对中形成在接头的端部之间的内突起。内突起用作限制管的端部 边缘可以插入到接头多远处的“止动部”。接头中O形环外侧的端部边缘被构造 适于沿径向向内压接，由此与插入到接头中的管一起产生变形。此变形在接头和 管之间产生互锁几何结构，防止管从接头上拔出。使用本发明的接头得到的连接 的拉离强度可以通过以在接头的压接区域产生额外塑性变形的方式压接接头来 提高。塑性变形硬化加工接头的压接区域，由此使得接头的这个区域在压接后具 有更小的可塑性。如果期望，压接操作过程中，在接头的端部上可以形成几个压 接带，以提高互锁几何结构的程度范围。
另外，本发明的压接接头可以由管的端部形成，以此方式使得接头是该管 的一个整体部分，并适于接收另一个管的端部。
在随后的详细实施例和附图中提出本发明的其他特征。
附图说明
图1(a)、1(b)和1(c)示出本发明的的压接接头的一个形成实施例的不 同阶段的(平行于中心轴线的)剖视图。
图2(a)、2(b)2(c),和2(d)示出本发明的的压接接头的另一个实施例、 与图1(a)、1(b)和1(c)相似的剖视图。
图3(a)和3(b)示出压接图1(c)中所示的接头的方法的轴向视图和剖 视图。
图4(a)和4(b)示出压接图1(c)中所示的接头的另一种方法的轴向视 图和剖视图。
图5(a)和5(b)示出压接图1(c)中所示的接头的又一种方法的剖视图。
图6示出本发明的管接合处的立体图。
图7示出可以用于压接本发明的接头的双钳头(two-jaw)压接工具。
图8示出压接工具的钳头的详细视图，其中，钳头具有构造成提高接头的 压接区域的加工硬化的凹槽。
图9示出正用于压接本发明的接头的双钳头压接工具。
图10示出没有凹槽的压接工具的钳头的详细视图。
图11示出使用图10中所示的压接工具所形成的本发明的管接合处的立体 图。
图12示出已经进行压接之后本发明的压接接头的另一实施例的剖视图。
图13示出压接之后本发明的压接接头的剖视图，其中接头通过在接头的每 个相对端部上产生双压接的可选压接方式压接。
图14示出本发明的又一个压接接头的剖视图，其中，接头的壁具有非均一 的壁厚。
图15示出包括图14中所示的接头的压接管接合组件的剖视图。
图16示出与图14中所示的接头完全相同的接头的剖视图，除了图16中所 示的接头在其每个端部上具有多个O形环导槽部分。
图17示出本发明的压接接头的又一个实施例的正视图，其中接头的壁具有 非均一壁厚并且压接接头的端部向外张开。
图18示出图17中所示的接头的俯视图。
图19示出图17和18中所示的接头沿图18中所示的线19-19所取的剖视 图。
图20示出图17-19中所示的接头的右视图。
图21示出图17-20中所示的接头的立体图并且示出其右、上和前侧。
说明书和附图中的标号标示相对应的物件。
具体实施方式
图1(c)示出本发明的压接接头的一个实施例。压接接头20优选由如图1 (a)所示的直的管部所形成。两个内O形环导槽24优选在管部20的相对端部 26中间的位置液压形成到管部20中。这还在管部22的外部上形成两个环形突 起28。环形凹口30也优选在管部的相对端部26以及O形环导槽24之间的中央 处液压形成到管部20的外部。这产生内环形突起31。弹性O形环32装配到O 形环导槽24中并且从管部22的主要内表面34沿径向向内突出。优选地，O形 环由与压接接头所使用的系统中的特定流体化学兼容的聚合物材料形成。代替O形环32，垫圈可以成型到接头中(例如通过热塑性或其他固化材料)。管部22 的主要内表面34的直径优选等于或仅仅稍微大于压接接头20被构造成连接的 管的外径。为了接合壁厚为0.032英寸(0.81mm)的半英寸(1.27cm)管，管部 22的壁厚优选为约0.060英寸(1.524mm)。压接接头20位于两个环形突起28之 间的部分的壁厚可以比压接接头位于两个环形突起外侧的部分的壁厚薄，由此 在对压接接头20的性能不产生负面影响的情况下节省材料。
图2(d)中示出本发明的压接接头的另一个实施例。此压接接头20'也优选 是液压形成的。压接接头20′优选由图2(a)中所示的直的管部22′形成，其 直径稍微小于其被构造成接合的管的直径。如图2(b)所示，管部22′的相对 端部边缘36沿径向向外张开，其内径等于或仅仅稍微大于压接接头20′被构造 成接合的管的外径。管部22′的中心部38不张开，并且保留其最初直径。如图 2(c)所示，两个内O形环导槽24′优选在管部20′的相对端部26′中间的位 置液压形成到管部20′中。如上所述的其他实施例，这也在管部22′的外部上 形成两个环形突起28′。如图2(d)所示，弹性O形环32'装配到O形环导槽 24′中并且从管部22′的端部边缘36沿径向向内突出，完成了压接接头20′的 形成。优选地，O形环由复合物材料形成。同样，取代O形环32′，垫圈可以 成型到接头中。
除了液压形成接头外，可选地，压接接头可能用于尺寸大于1/2“(12.7cm) 的管，并且由于在内部滚扎成形小径管的困难，可以使用尺寸小于1/2″(1.27cm) 的管顶锻法形成更小的压接接头(当然，更大直径的管也可以使用顶锻法，虽然 小径管可能难以使用辊扎成形)。
上述两个实施例的压接接头20、20′的使用方式相似。这样，这里仅仅描 述第一个描述的压接接头20的使用方法。但是，应当意识到，第二个描述的压 接接头20′的中心部分38与第一个描述的压接接头20的内部环形突起31用于 相同目的。
用于通过首先将至少一个待接的管40插入到压接接头中，压接接头20用 于接合管。每个管40可通过直径小于管的内环形突起31来限制其可以插入到 压接接头20多深。这确保，两个管40之间的中点不偏移到压接接头20的任一 侧。这也引起O形环32沿径向向外压缩并且在管40和O形环导槽24的外表 面上施加环形压力，由此产生压力密封。该压接接头20然后可以使用各种不同 的压接工具和方法压接到管40。图3(a)中示意性图示一种方法。该方法涉及 一种压接工具，该压接工具将至少三个压件(die)42沿径向向内推压到压接接 头20中邻近压接接头的各个端部26并在环形突起28外侧的外部。当压接接头 20在压件所施加到其的压力下产生局部变形时，压件42之间的间隙44提供压 接接头20的材料流入的空间(见图3(a)和3(b))。压接接头20被压接的部 分沿径向向内产生塑性变形，以此方式也引起压件42之间的管40沿径向向内 产生均匀塑性变形。压接接头20周边的均匀压缩防止插入的管出现可能产生泄 漏路径的崩溃或折叠(collapsing or folding)。这样，在与压接接头20互锁的管40 中形成外部凹口46。这防止管40和压接接头20在其之间施加拉伸负荷时沿轴 向分离。通过提供用于材料在压接接头20变形时从压接接头20流入的间隙44， 与别的方式相比，压接接头发生更局部的变形。更大的变形导致产生更多的硬化 加工(work harden)，因此为压接接头20提供有出色的拉离强度。一旦压接接头 20的两侧已经附接到管40，压接的接合48(见图6)完成并可以用于交付使用。
压接接头20的另一种压接方法利用操作与复合断线钳相似的双钳头压接 工具50(如图7中所示)。如图8所示，双钳头压接工具50的钳头52可以设 有波浪形突起54和槽56。槽56与上述压接方法中压件42之间的间隙44作用 非常相似。可选地，如图4(a)、4(b)和9-11所示，双钳头压接工具50′的钳 头52′可以是平滑的，使得在压接之后，压接接头20的变形部分形成几乎完全 的环形。
其他类型的压接接头方法可以用于压接该压接接头20。例如，如图5(a) 所示，双钳头压接工具50″的两个钳头52″的轮廓可以跨坐在压接接头20的环 形突起28中的任一个。跨坐在环形突起28上的钳头52″的部分可构造成接触 并压接环形突起28，虽然其优选没有在突起的外侧的主要压接那么多。这可以 进一步压缩对应的O形环32，提供了更大的压力密封能力。另外，通过跨坐环 形突起28，环形突起可以用作定位机构，以确保压接工具在压接处理过程中适 当定位在压接接头20上。钳头52″的轮廓也可以包括紧邻钳头被构造适于跨坐 在压接接头20的环形突起上的部分的环形凹口58。如图5(b)中所示，这产生 环形间隙60，以确保在压接接头20和插入到其中的对应管40中还形成明显的 互锁环形阶梯62，并且由此确保接合具有高的拉离强度。
图12示出压接接合的又一个实施例。除了使用分离部件来附接两个管之外， 此接合的压接接头70形成在第一管72的端部上或连接到冷却或HVAC部件的 管道(stub-out)上。第一管72的直径和厚度可以等于形成接合的第二管74。这 样，第一管72可以张开(如图所示)，以形成压接接头。但是，第一管72也可 以简单地具有仅稍微大于第二管74的外径的内径。显然，此压接接头70将仅仅 需要一个压接部76，因为其与第一管72一体形成。同上述其他压接接头相似， 此压接接头70也包括由于形成O形环导槽所产生的环形突起78，该O形环导 槽提供用于O形环80的空间。压接76自身可以通过上述的任何方法形成。另 外，如图所示，可以形成压接接头70，使得压接接头70的壁厚大于第一管72的 剩余部分的壁厚。
图13示出具有与图1中所示的接头相似的接头82的接合，其已经使用在 接头的每个相对端部上产生两个间隔开的环形凹口84的可选方法进行压接。在 接头82的任一给定端部上的该对凹口84可以通过使用压接工具两次而分别产 生。可选地，接头的任意给定端部上的该对凹口通过使用单个压接工具同时形成， 该单个压接工具被构造适于形成两个环形凹口，而非一个凹口。此方法在压接接 头82和此压接接头所接合的管86之间的互锁几何结构中产生额外的波形。在 某些情况下，这些额外波形提高可以从一个管86经由接合部传递到另一个的最 大拉力。当然，这样的双环形凹口也可以在接合处理过程中形成到这里描述的任 一个压接接头中。
图14示出又一个接头90。接头90具有不同厚度的管壁92。管壁92形成 圆柱形管部分94和在其相对端部的每个上的相邻环形O形环导槽部分96。每 个圆柱形管部分94被构造成待压接(下文进行描述)。管壁92沿圆柱形管部分 94具有第一厚度以及沿O形环导槽部分96具有更薄的第二壁厚(该第二壁厚 是这个区域的平均壁厚)。第二壁厚优选小于82％的第一壁厚。接头90的每个O 形环导槽部分96相对于相邻的圆柱形管部分94沿径向向外突出。管壁92也形 成环形定位突起98，每个突起邻近于和对应O形环导槽部分96相对的圆柱形 管部分94的对应一个。优选地，定位突起98位于接头按90的相对末端部。管 壁92还形成环形插入止动部100，该环形插入止动部100相对于圆柱形管部分 94沿径向向内突出。环形插入止动部100优选对中定位在接头90的相对端部之 间，如下文解释，用于防止管过插入或欠插入到接头的任一端部中。管壁92优 选使用任何一种上述技术由铜形成。在生产接头90的管壁92之后，优选将其退 火到0.005-0.070mm范围的颗粒大小、更优选退火到0.015-0.035mm范围的颗粒 大小。
在使用接头90接合两个管之前，弹性O形环102定位在每个O形环导槽 部分96中。在O形环102到位的情况下，通过将管的一端部插入到接头的一个 端部中直到管的该端与插入止动部100结合，接头90可以接合到管104，插入 止动部100防止管进一步插入到接头中并且确保管104的端部已经插入穿过对 应的O形环。管104的端部插入到接头90沿径向压缩管和接头的O形环导槽 部分96之间的对应O形环102。然后可以优选通过使用压接工具压接该组合， 这产生了沿径向进入该组合中的多个环形变形部106(如图15所示)。优选地，压接工具的尺寸适于紧密配合在接头90的O形环导槽部分96所产生的环形突 起和对应定位突起98之间，使得可以确保环形变形部106的适当定位。环形变 形部106使得接头90的圆柱形管部94的环形带和管104的相邻环形带沿径向向 内产生塑性/非弹性的变形，由此在两个部件之间产生互锁几何结构。互锁几何 结构防止管104在两个部件之间按存在拉力负荷时与接头90不分离。压接加工 使得接头90的铜和环形变形部106处的管104硬化加工，并由此提高互锁几何 结构的强度。由于相对于管壁的圆柱形管部分94的厚度减小了管壁92的O形 环导槽部分96的厚度，压接处理也引起管壁的O形环导槽部分沿径向向内进行 塑性变形，虽然没有环形变形部106变形剧烈。这引起接头90和插入其中的管 104之间的O形环102进一步进行径向压缩。然后可以重复此处理，以将另一个 管104附接到接头90的相对端部。在从内部对组合加压的情况下，接头90常常 处于轴向拉力之下，由于减小接头90沿管壁92的O形环导槽部分96的厚度， 这可能引起O形环导槽部分在O形环导槽部分96中薄壁区域稍微变长，这相 应地引起O形环导槽部分96的顶点处的区域局部沿径向崩溃。这还进一步压缩 接头92和插入其中的管104的端部之间的O形环102，并且由此提高它们承受 压力的能力。应到意识到，接头90的退火温度影响此发生的程度。
图16示出与图14中所示的接头90完全相同的接头90'，除了其管壁92′ 在接头的每个端部上包括多个O形环导槽部分96′之外。这样，接头90′被构 造成在接头的每个端部中接收多个O形环。与外侧O形环导槽部分96′不同， 内侧O形环导槽部分在压接处理过程中不产生塑性变形。但是，与外侧O形环 导槽部分96′相似，内侧O形环导槽部分96′比接头90′的相邻部分细，并且 在接头在压力下尝试沿轴向扩张时局部崩溃。
应当意识到，图14中所示出的接头90或图16中所示出的接头90′的一半 构造可以形成为连接到冷却、HVAC或其他流体部件的长管或管道的一体部分。 因此，上述的接头的方案不需要限制成构造为接收两个分离管的接头。
图17-21中示出本发明的又一个压接接头。压接接头110的形状和功能除了 一些例外之外与图14中所示的接头90完全相同。与图14中所示的压接接头不 同，图17-21中所示的压接接头邻近其相对端部包括张开部分112，而非环形定 位突起98。另外，图17-21中所示的接头110包括凸起插入止动部114，而非图 14中所示的接头90的环形插入止动部100。接头110的张开部分112优选以相 对于接头的中心线30-40度之间的角、更优选以约37度的角向外张开。通图14 中所示的接头90的环形定位突起98相似，定位接头110的张开部分112，使得 压接工具紧贴配合在接头110的O形环导槽部分116所产生的环形突起和对应张开部分112之间，以确保接头在适当位置被压接。张开部分112也用于保护接 头110免于在接头掉落情况下的损坏。如果接头110掉落，张开部分112将承受 碰撞的主要冲击，并且因此可能产生变形，但是对接头的功能不产生负面影响。 此外，接头110的张开部分112也便于管端部插入到接头中。接头110的凸起插 入止动部114与图14中所示的接头90的环形插入止动部100的作用相同，但是 已经发现其更容易地形成到接头中。优选地，存在两个间隔180度的凸起插入止 动部114，但是任何数量、包括仅仅一个凸起插入止动部也满足要求。同图14中 所示的压接接头90相似，图17-21中所示的压接接头110优选由退火铜形成，并且当被压接时产生局部硬化加工。参考这里描述的各种其他接头，压接接头可 以压接到上述的一个或多个管。
在上述的任何接头情况下，诸如567的密封剂可以在将管或多个 管插入其中之前施加到接头的内表面。在管端部插入到具有密封剂的接头时，当 管端部沿径向压缩O形环时，密封剂被沿轴向向外朝向接头的轴向端部推动。 当接头被压接时，密封剂还进一步被向外推动。密封剂进一步改善接头与管接合 的密封能力。
抗腐蚀涂层(例如，锡、镍、油漆、聚合物)也可以施加到上述任何接头， 以帮助防止不相似金属的腐蚀(尤其是在铜接头附接到非铜管、诸如铝管的情况 下)。
有鉴于上述，应当意识到，本发明克服了现有技术在冷却线路组中接合管 的方法中的各种缺点。本发明的压接接头和使用其的方法能够形成可以承受超 过2100磅/平方英寸(14.5MPa)的内部压力的接合。
因为可以在不偏离本发明的范围情况下对这里描述和图示的方法和构造进 行改进，上述说明书所包含的以及附图中所示的所有特征应解释为示例性的，而 非限制性的。例如，虽然上述的一些方法围绕与压接接头的每个端部相邻的环形 部分形成单个基本的压接，但是可以围绕与压接接头的每个端部的多个间隔开 的环形部分形成多个压接，以在压接接头和管之间提供额外的互锁几何结构，由 此提高接合的拉离强度。这可以使用构造成同时形成多个压接的双钳头压接工 具的一个动作完成。另外，应当意识到，虽然这里描述的接头被构造成以同轴方 式接合两个管，但是本发明的接头可以具有弯管或弯曲，以构造成接合不同角度、 诸如45度或90度的管。类似地，本发明的接头可是T形接头和/或减径管。进 一步地，虽然本发明的压接接头优选在退火条件下形成，但是其并非是必要的。 因此，本发明的宽度范围应当不仅仅局限于上述的示例性实施例，而应当仅仅由 权利要求及其等同范围所限定。
还应当理解，当在本发明的权利要求以及上述具体实施例的描述中引入本 发明的元件时，术语“包括”、“包含”以及“具有”应为开放式并且意思是指可 以还存在所列元件之外的其他元件。另外，术语“部分”应当解释为符合条件的 一些或所有物件或元件。此外，使用诸如第一、第二和第三之类的标识语不应当 解释为在限制条件之间强加任何相对位置或时间序列。更进一步而言，任何方法 权利要求中所陈述的步骤的次序不应当解释为限制这些步骤必须执行的次序。

Claims (11)

1.一种接头(110)包括金属管壁，形成有圆柱形管部分以及相邻的圆环形O形环导槽部分(116)，所述管壁具有沿所述圆柱形管部分的第一壁厚和沿至少部分所述O形环导槽部分的第二壁厚，所述第二壁厚小于所述第一壁厚，所述圆柱形管部分和O形环导槽被构造适于当管的圆柱形端部插入到所述接头中时包围所述管的所述端部，所述管壁还形成张开部分(112)，所述圆柱形管部分位于所述O形环导槽部分(116)和所述张开部分(112)之间，所述张开部分具有随着所述张开部分延伸离开所述圆柱形管部分而相对于所述圆柱形管部分沿径向向外分开的内表面和外表面，所述管壁的外部在所述O形环导槽部分处相对于邻近的所述圆柱形管部分沿径向向外突出，所述管壁的所述张开部分和所述O形环导槽部分其间形成适于将压接工具限制在所述接头的所述圆柱形管部分周围处的外部定位支架；
其中，所述管壁包括铜，并且其中所述管壁被退火到0.005-0.070mm范围中的颗粒大小。
2.根据权利要求1的接头，其中，所述管壁被退火到0.015-0.035mm范围中的颗粒大小。
3.根据权利要求1所述的接头，其中，所述第二壁厚小于82％的所述第一壁厚。
4.根据权利要求1所述的接头，还包括弹性O形环，所述弹性O形环与所述管壁的所述O形环导槽部分接合并且由其包围。
5.根据权利要求1所述的接头，还包括形成在所述管壁的所述O形环导槽部分中的模制垫圈。
6.根据权利要求1所述的接头，其中，所述管壁还形成插入止动部，所述插入止动部相对于所述圆柱形管部分沿径向向内突出，并且所述管壁的所述O形环导槽部分位于所述插入止动部和所述圆柱形管部分之间。
7.根据权利要求1所述的接头，其中，所述第二壁厚小于82％的所述第一壁厚，所述管壁还形成插入止动部，所述插入止动部相对于所述圆柱形管部分沿径向向内突出，并且所述管壁的所述O形环导槽部分位于所述插入止动部和所述圆柱形管部分之间，所述管壁在所述O形环导槽部分处相对于相邻的所述圆柱形管部分沿径向向外突起。
8.根据权利要求1所述的接头，其中，所述圆柱形管部分和所述O形环导槽部分形成在所述接头的第一轴向半部，并且所述接头包括第二轴向半部，所述第二轴向半部由所述第一轴向半部的镜像的所述管壁形成。
9.根据权利要求8所述的接头，其中，所述管壁还形成插入止动部，所述插入止动部相对于所述圆柱形管部分沿径向向内突出，并且对中定位于所述接头的所述第一和第二轴向半部之间。
10.根据权利要求1所述的接头，其中，所述管壁包含铜并且具有抗腐蚀涂层。
11.根据权利要求1所述的接头，其中，所述张开部分从所述接头的中心线以30-40度之间的角向外张开。
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