CN1125310C - 带交叉槽的传热管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制冷、空调的内面形成有槽的传热管及其制造方法。本发明传热管的螺旋状槽的螺旋角度α为10°～40°，副槽相对于螺旋状槽的交叉角度β为75°～105°，副槽的深度相对螺旋状槽深度之比(H/Hf)为0.5～1.0，副槽的垂直壁倾斜角γ1是90°～105°，倾斜壁的倾斜角γ2是30°～60°，突起部(3)的上面宽度A相对于副槽的上开口部宽度B之比(A/B)为0.2～1.0。

Description

带交叉槽的传热管及其制造方法
技术领域
本发明涉及热交换器用传热管，具体地说，是涉及对为提高传热管的流动特性及传热特性而内面形成有交叉槽的传热管的改进。
背景技术
用于空气调节机或制冷机等的蒸发管、冷凝管或加热管等的热交换器中，要采用传热管，该传热管通过其内部的氟利昂等制冷剂与流经管外部的流体进行热交换，而进行蒸发或冷凝。从高效率化、节省能量等方面考虑，在这种传热管的内面形成槽。
即，在管的内面形成微细的三角形或梯形的螺旋状槽，槽内部的表面张力及螺旋状槽产生的紊流效果促进制冷剂在管内部沿着管的纵方向流动。将这种传热管用于冷凝器时，槽间的突起部使制冷剂流体的紊流活跃，提高冷凝特性，这时，该突起部起到冷凝核的作用。反之，将这种传热管用于蒸发器时，槽的边缘搅拌制冷剂流体，提高供给到传热管内部的制冷剂流体的蒸发特性，这时，该槽边缘起到产生气泡的蒸发核的作用。
在1987年4月21日颁发给Shinohara等人的美国专利第4658892号中，揭示了一种传热管，该传热管是在基本不增加管内部流体压力损失的范围内，在管内面上连续形成较深的槽。其中，槽的深度Hf相对于管的内径Di之比Hf/Di为0.002至0.03，槽的螺旋角度相对于管轴是7°～30°。各个槽形成部分的断面积S相对于深度Hf之比为为0.15至0.40，位于各槽之间的脊部断面内的顶角的范围为30°～60°。
上述Shinohara等人的专利揭示的传热管中，供给到传热管内的制冷剂流体借助于连续形成的螺旋状，沿着螺旋状槽扩散到传热管内面的大部分范围。因此，金属表面与制冷剂流体不能直接接触，具有冷凝效率低的缺点。
为了更加提高传热特性，现有技术中提出了另一种传热管(见1988年3月29日颂发给Sato等人的美国专利第4733698号)，该传热管中备有多个以预定角度与螺旋状槽交叉、并以一定间隔形成的副槽。例如，如图9所示的带交叉槽的传热管中，备有以一定的角度与螺旋状槽11交叉、以大于螺旋状槽的螺旋角的角度倾斜的副槽12。
该带交叉槽的传热管，因为有副槽12而增加了内部表面积，热传递效率提高。另外，不仅管内部的边缘增加，而且，由于副槽相对于管轴方向比螺旋状槽更加倾斜，所以，对制冷剂流体的搅拌作用更加强。这样，因为具有制冷剂流体的蒸发特性提高等优点，所以，其使用范围逐渐扩大。
但是，现有的带交叉槽传热管，如图9B及图9C所示，形成在突起部13与突起部13之间的副槽12中，在突起部13的下流侧背面产生涡流。该涡流抵抗制冷剂流体在管内部的长度方向流动，涡流产生区域的传热性能降低。
另外，在制造上述传热管时，先轧制成形成螺旋状槽11后，再轧制成形副槽12，所以，如图9B所示，在副槽的轧制成形时，在已经加工成形的螺旋状槽11上，产生突出部14。该种方法突出部14增加流体阻力，降低螺旋状槽的紊流效果。因此，现有的带交叉槽传热管，虽然具有高的传热性能，但是管内部的压力损失显著增加。
为了解决上述问题，日本公开特许公报第94-14778号揭示了一种传热管。该传热管内面沿长度方向，以一定的深度H、一定的间距P设置了直线状的矩形或倒梯形第1槽，同时，设置了多个比第1槽浅的呈螺旋状交叉的第2槽，第1槽的槽底宽度S相对于槽间距P之比为S/P＜1/2，槽深度L相对于第1槽的槽宽S之比为L/S＞1/2。
如前所述，即使传热性能增大，但压力损失增加时，使管内制冷剂流体流动的动力就要增加。因此，现有的传热管存在有，其传热性能与能量效率成半比的缺陷。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而作出的，其目的在于提供一种带交叉槽的传热管及其制造方法，该传热管能提高传热性能而不增加压力损失。
为了实现上述目的，本发明提供一种带交叉槽的传热管，在圆形断面金属管的整个内周面，形成多个彼此平行且相对管纵轴具有一定螺旋角度的螺旋状槽，还形成以一定的角度与螺旋状槽交叉的副槽，通过螺旋状槽和副槽，在管的内周面形成梯形的微细突起部，其特征在于，
上述螺旋状槽相对于管纵轴的螺旋角度α为10°～40°，最好为18°～25°；副槽相对于螺旋状槽的交叉角β为75°～105°，最好为90°；上述副槽具有垂直于管纵轴的垂直壁和相对于管纵轴倾斜的倾斜壁；上述突起部上层面宽度相对于副槽的上层开口部宽度之比为0.2至1.0。
上述垂直壁和倾斜壁的倾斜角相对于管纵轴最好为90°～105°及30°～60°。上述副槽的深度相对于螺旋状槽深度之比最好为0.5～1.0。
为了实现上述目的，本发明还提供一种带交叉槽传热管的制造方法，在圆形断面金属管的整个内周面，形成平行的三角形或倒梯形螺旋状槽，该螺旋状槽相对于管的纵方向具有一定的螺旋角，还形成以预定的角度与螺旋状槽交叉的副槽，该副槽具有比上述预定螺旋角度大的角度，其特征在于有以下步骤：
在预定宽度的金属板材上成形副槽的步骤；
在已成形了副槽的金属板材上成形螺旋状槽的步骤，所述螺旋状槽相对于纵轴的螺旋角度(α)为10°～40°，所述副槽相对于螺旋状槽的交叉角(β)为75°～105°；
以成形有槽的表面朝着内侧的状态，将已成形了副槽和螺旋状槽的金属板材成形为预定直径的管状；将成形为管状的金属板材的两侧焊接而最终制成管。
附图说明
图1是表示本发明传热管内面上形成的交叉槽形状的放大立体图。
图2是图1所示传热管的平面图。
图3是沿图2中III-III线的剖面图，表示螺旋状槽的剖面形状。
图4是沿图2中IV-IV线的剖面图，表示副槽的形状。
图5是概略地表示本发明的带内面槽传热管制造方法的图。
图6～图8是分别表示本发明较好实施例的传热管与现有传热管的蒸发传热性能、冷凝传热性能及压力损失的曲线图。
图9是表示现有的一种带交叉槽传热管的图，图9A是概略的立体图，图9B是平面图，图9C是沿图9B中A-A线的剖面图。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施例。
本发明的带交叉槽传热管是断面为圆形的金属管，在管的整个内面形成多个螺旋状槽1，这些螺旋状槽1彼此平行，并相对于管纵轴成一定的螺旋角度α。如图3所示，螺旋状槽1的断面形状是倒梯形。另外，上述带交叉槽传热管还备有多个副槽2，这些副槽2彼此平行，并以一定的角度β与螺旋状槽1交叉。如图4所示，副槽的断面形状基本上是直角三角形，具有比螺旋状槽的螺旋角度大的螺旋角度。由螺旋状槽1和副槽2在管内面形成多个梯形的微细突起部3。
传热管的材质是铜及铜合金、铝及铝合金等通常的材质。可根据用途适当选择制作管所用的金属板材的宽度及厚度。
如图5所示，是先成形副槽2后，再成形螺旋状槽1，螺旋状槽1的断面形状与一般的带交叉槽传热管同样，是三角形或梯形，螺旋状槽1相对于管纵轴的螺旋角度α、即相对于制冷剂流体流动方向的角度是10°～40°，最好为18°～25°。如果螺旋状槽的倾斜角α小于10°，则不容易得到螺旋状槽的紊流效果，对制冷剂流体的紊流效果降低，传热性能差。反之，如果螺旋角度α大于40°，则螺旋状槽对流体的阻力急增，压力损失增大。
螺旋状槽间的间距P最好为0.2～0.7mm。如果槽的间距P过大，则螺旋状槽的形成密度小，提高制冷剂流体流动性及传热性能的效果减低。反之，如果槽的间距过小，则槽的形成困难。因此，内径为1cm左右的一般传热管，该间距最好在0.2至0.7mm的范围内。
螺旋状槽1的深度Hf相对于管内径Di之比Hf/Di，最好在0.02至0.05的范围内。当螺旋状槽的深度与管内径之比为0.02以下时，没有螺旋状槽的效果，得不到螺旋状槽产生的表面张力及紊流效果。反之，当Hf/Di为0.05以上时，螺旋状槽对流体的阻力增大，流动性降低。
本发明中，可防止连续螺旋状槽导致的制冷剂流体广泛扩散，同时为了更加提高螺旋状槽的使制冷剂流体紊流及搅拌效果，还形成多个与螺旋状槽1交叉的、彼此平行的副槽2。如图2所示，螺旋状槽1与副槽2的交叉角β，以在75°～105°的范围内为宜，最好互成直角。
副槽2相对于管轴方向、即相对于制冷剂流体的流动方向，其下流侧背面2″的倾斜角γ2比螺旋状槽1的上流侧前面2′的倾斜角γ1小。如图4所示，上流侧前面2′的倾斜角γ1与制冷剂流体的流动方向约成直角，最好在90°～105°的范围内，下流侧背面2″的倾斜角γ2最好在30°～60°的范围内。
由于上述构造，对于制冷剂流体，倾斜角很大的上流侧前面2′产生比现有技术显著大的紊流及搅拌作用。由于下流侧背面2″的倾斜角缓，所以，如后所述地，制冷剂流体越过突起部3流动时，沿着下流侧背面2″缓缓地移动，这样，在下流侧背面2″不产生涡流。因此，根据本发明，能使现有带交叉槽传热管的存在问题、即压力损失减小到最小程度。
如图4所示，突起部3的上面宽度A相对于副槽2的上开口部宽度B之比A/B，最好在0.2至1.0的范围内。如果A/B小于0.2、即突起部3的上面宽度A过小，则在副槽2形成后加工螺旋状槽时，突起部3的前面2′朝上流侧倾。从而不容易把副槽的倾斜角加工成所需的角度。反之，如果A/B大于1.0、即突起部的上面宽度A过大，则液膜扩散到突起部上面，冷凝性能降低。
螺旋状槽的深度Hf与副槽的深度最好相同。如果副槽比螺旋状槽深，则对螺旋状槽的紊流效果及槽内部的表面张力产生的流动性有不良影响。因此，副槽的深度应不大于螺旋状槽的深度H/Hf≤1.0。如果副槽的深度过分小于螺旋状槽的深度，则与一般的带螺旋状槽管相比，传热性能没有大的差异。因此，至少应为螺旋状槽深度的1/2以上H/Hf≥0.5。
下面，参照图5说明本发明带交叉槽传热管的制造方法。本发明带交叉槽传热管的制造方法与一般的电焊接式传热管制造方法没有特别的不同。(见日本公开特许公报第94-234014号)。但是，本发明方法的特征是，即先成形副槽后，再成形螺旋状槽。而一般的带交叉槽传热管的制造方法，是先成形螺旋状槽后，再成形副槽，这样，加工副槽时，在螺旋状槽内侧形成突出部，对制冷剂流体的流动性有不良影响。而本发明的方法则可有效地防止该不良影响。
本发明的制造方法是，先把具有所需宽度的金属板材5通过辊6，以一定的间距形成副槽2，再通过辊7，以一定的间距形成螺旋状槽1。在各辊6、7处，以预定的角度，形成与各槽的形状对应的突起部。如前所述，副槽是约直角三角形，所以，在螺旋状槽的成形时，从压入部的金属流动几乎都用于形成梯形突起部3。在副槽上即使突出一定程度的突出部，也不会降低螺旋状槽的提高流动性效果。另外，在副槽上突出的尖锐突出部，有效地阻止冷却流体的扩散，提高冷凝性能。
在金属板材上成形了副槽和螺旋状槽后，使形成有槽的面朝着内面地，将该板材通过一级或多级成形辊8，成形成为预定直径的管状。然后，用感应线圈9进行高频焊接，把金属板材的两边焊接而形成管。最后，根据需要，把已焊接成形的管通过定形辊10，将管外周面形状形成为正圆形。将制作成的带交叉槽管卷成螺旋形或切断成预定长度，便最后完成了管的制作。
如上述构造的本发明的带交叉槽传热管，由于形成了与螺旋状槽成预定角度的副槽，所以，可以克服现有技术中的连续螺旋状槽的缺点、即流体沿着螺旋状槽广泛扩散到传热管内面的大部分，金属表面与制冷剂流体不直接接触而降低冷凝效率。另外，如前所述，副槽的形状是，任一个侧壁相对于纵轴几乎是直角，另一个侧壁以一定的角度倾斜。因此，制冷剂流体沿着倾斜壁平滑地流动，抑制突起部下流侧背面处产生涡流，可防止因涡流引起的流动阻力增加及传热性能恶化。由于垂直壁对流体的紊流及搅拌作用最大，所以，能提高传热性能。另外，由于在副槽与副槽之间的突起部的下部宽度大，所以，在传热管的使用时，即使进行扩管作业，槽或突起部破损的可能性小。
由于先加工副槽，后加工螺旋状槽，所以，能防止在螺旋状槽的内侧形成突出部，从而有效地防止对制冷剂流体的流动性的不良影响。另外，在副槽上突出的尖锐突出部能有效地阻止流体的扩散，可提高蒸发性能。
为了确认本发明带交叉槽传热管的效果，做了一个实验，图6至图8即表示该实验结果的曲线图，是铜制的内径为9.52mm的本发明带交叉槽传热管的蒸发/冷凝性能及压力损失值与同一内径的现有技术中的无槽传热管(光滑管)、带螺旋状槽传热管及带交叉槽传热管的比较曲线图。实验所用的本发明带交叉槽传热管的螺旋状槽的螺旋角度α是18°，副槽相对于螺旋状槽的交叉角β是90°，螺旋状槽的间距P是0.24mm，螺旋状槽的深度相对于管内径之比Hf/Di为0.025，副槽的深度相对螺旋状槽深度之比H/Hf为0.8，副槽的垂直壁倾斜角γ1是90°，倾斜壁的倾斜角γ2是30°，突起部3的上面宽度A相对于副槽的上开口部宽度B之比A/B为0.5。用上述传热管制作双重管型的热交换器，使制冷剂R22流入管内部，测定各种性能。
从图6和图7的传热性能实验结果可知，使用本发明的带交叉槽传热管时，传热性能与现有的带交叉槽传热管几乎相同，是光滑管的约3倍，是螺旋状槽管的约1.5倍以上，特别是冷凝性能比现有的带交叉槽传热管显著提高。
从图8的管内部压力损失实验结果可知，虽然传热性能提高，但管内部压力损失与现有的带螺旋状槽传热管类似，比现有的带交叉槽传热管显著减少。
从上述可知，本发明的带交叉槽传热管及其制造方法，能不增加管内部的压力损失，大幅度地提高蒸发性能及冷凝性能等的传热性能。因此，可提高冷凝器、蒸发器及加热管等的热交换器的性能，不仅节约能量，而且能使热交换器小型化、轻量化及降低制造成本。

Claims (7)

1.一种带交叉槽的传热管，在圆形断面的金属管整个内周面，形成多个彼此平行且相对管纵轴具有一定螺旋角度的螺旋状槽，还形成以一定的角度与螺旋状槽交叉的副槽，通过螺旋状槽和副槽，在管的内周面形成梯形的微细突起部，其特征在于，
上述螺旋状槽相对于纵轴的螺旋角度(α)为10°～40°，副槽相对于螺旋状槽的交叉角(β)为75°～105°；
上述副槽具有垂直于管纵轴的垂直壁和相对于管纵轴倾斜的倾斜壁；
上述突起部上面宽度(A)相对于副槽的上开口部宽度(B)之比(A/B)为0.2至1.0。
2.如权利要求1所述的带交叉槽传热管，其特征在于，上述垂直壁倾斜角(γ1)和倾斜壁的倾斜角(γ2)相对于管纵轴分别为90°～105°及30°～60°。
3.如权利要求1所述的带交叉槽传热管，其特征在于，上述副槽的深度(H)相对于螺旋状槽的深度(Hf)之比(H/Hf)为0.5～1.0。
4.如权利要求1所述的带交叉槽传热管，其特征在于，上述螺旋状槽相对于管纵轴的螺旋角度为18°～25°，上述副槽相对于螺旋状槽的交叉角是90°。
5.带交叉槽传热管的制造方法，在圆形断面金属管的整个内周面，形成平行的三角形或倒梯形螺旋状槽，该螺旋状槽相对于管的纵方向具有一定的螺旋角，还形成以预定的角度与螺旋状槽交叉的副槽，该副槽具有比上述预定螺旋角度大的角度，其特征在于有以下步骤：
在预定宽度的金属板材上成形副槽的步骤；
在已成形了副槽的金属板材上成形螺旋状槽的步骤，所述螺旋状槽相对于纵轴的螺旋角度(α)为10°～40°，所述副槽相对于螺旋状槽的交叉角(β)为75°～105°；
以成形有槽的表面朝着内侧的状态，将已成形了副槽和螺旋状槽的金属板材成形为预定直径的管状；
将成形为管状的金属板材的两侧焊接而最终制成管。
6.如权利要求5所述的带交叉槽传热管制造方法，其特征在于，螺旋状槽相对于管纵轴的螺旋角度(α)为18°～25°，副槽相对于螺旋状槽的交叉角(β)为90°。
7.如权利要求5所述的带交叉槽传热管制造方法，其特征在于，上述副槽具有基本上垂直于管纵轴的垂直壁和相对于管纵轴以一定角度倾斜的倾斜壁；上述垂直壁倾斜角(γ1)和倾斜壁的倾斜角(γ2)相对于管纵轴分别为90°～105°及30°～60°。
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