CN115244354A

CN115244354A - 具有多级增强的传热管

Info

Publication number: CN115244354A
Application number: CN202080088998.9A
Authority: CN
Inventors: 斯科特·雷根; 马特·贝克; 戴夫·W·斯克日普查克; 加里·沃尔夫; 林陈佑; 杰瑞德·李·迈尔斯
Original assignee: Brazeway Inc
Current assignee: Brazeway Inc
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-10-25
Also published as: BR112022012070A2; MX2022007765A; JP2023508887A; EP4078063A4; WO2021127340A1; EP4078063A1

Abstract

一种传热管，该传热管包括内表面，该内表面包括多个凹槽。该多个凹槽至少包括一级凹槽和二级凹槽，其中一级凹槽沿管的长度轴向地延伸，并且二级凹槽与一级凹槽相交。

Description

具有多级增强的传热管

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年12月20日提交的美国专利申请第16/722,808号的优先权，申请号为16/722,808的美国专利申请是2015年10月5日提交的美国申请序列号14/874,708的部分继续申请，申请序列号为14/874,708的美国专利申请要求2014年10月6日提交的美国临时申请第62/060,051号的优先权。上述各申请的全部公开内容通过引用合并至本文中。

技术领域

本公开涉及一种其中包括轴向凹槽和非轴向凹槽的传热管。

背景技术

本部分提供与本公开相关的背景信息，这些背景信息不一定是现有技术。

铜管通常用于例如空调、冰箱或热泵中的冷凝器管。虽然铜提供了优异的传热，但铜是昂贵的材料。因此，现在使用了诸如铝等材料来形成冷凝器管。

发明内容

本部分提供了本公开的总体概述，而不是本公开的全部范围或所有特征的全面公开。

本发明提供了一种传热管。该传热管包括内表面，该内表面包括多个凹槽。该多个凹槽至少包括一级凹槽和二级凹槽，其中该一级凹槽沿管的长度延伸，并且该二级凹槽与该一级凹槽相交。

传热管可以包括螺旋形地形成的二级凹槽。

传热管还可以包括三级凹槽，该三级凹槽至少与一级凹槽相交。

三级凹槽可以与二级凹槽相交。

三级凹槽可以螺旋形地形成。

传热管可以包括铝。

本公开还提供了一种形成传热管的方法。该方法包括：挤压管，在该管的内表面上包括多个轴向的一级凹槽；以及利用第一成形工具在内表面上形成多个二级凹槽，其中二级凹槽与一级凹槽相交。在成形过程中，一级凹槽之间的脊部(ridges)可以变形为部分地或完全地阻塞一级凹槽。

第一成形工具可以包括在第一螺距(pitch)和第一高度处的多个螺纹。替代地，第一成形工具可以包括将二级凹槽压入到管中的扩张工具或凸轮。

第一成形工具可以形成螺旋定向的二级凹槽，该二级凹槽可以是连续的或不连续的，从而形成离散的环或其他路径。

根据该方法，还可以利用第二成型工具在内表面上形成多个三级凹槽。

三级凹槽可以与一级凹槽相交。

三级凹槽可以与二级凹槽相交。

第二成形工具可以包括第二螺距和第二高度处的多个螺纹、和/或与第一成形工具相比具有不同的形状。

二级凹槽和三级凹槽可以各自螺旋形地形成。

该方法还可以包括从挤压的管切割出一定长度的管的步骤。

该一定长度的管可以在形成二级凹槽之前从挤压的管切割。

替代地，该一定长度的管可以在形成二级凹槽之后从挤压的管切割。

该方法还可以包括将传热管弯曲成发夹状管(hairpin tube)。

根据该方法，传热管可以包括铝。

本公开还提供了一种传热管，该传热管具有包括多个凹槽的内表面，其中所述多个凹槽至少包括一级凹槽和二级凹槽。各一级凹槽沿管的长度且由管的长度限定地、在轴向方向上螺旋形地延伸，并且一级凹槽在径向方向上朝向管的中心敞开。相邻一级凹槽由脊部隔开。二级凹槽与一级凹槽相交，并且在二级凹槽与一级凹槽相交的位置处，各一级凹槽在管的轴向方向上被脊部的材料完全阻挡、而在径向方向上不被脊部的材料阻挡，该脊部将相邻一级凹槽隔开，且脊部变形为相邻一级凹槽中的一个。

二级凹槽可以螺旋形地形成。

内表面还可以包括至少与一级凹槽相交的三级凹槽。三级凹槽也可以与二级凹槽相交。三级凹槽可以螺旋形地形成。

传热管可以包括铝。

在二级凹槽与一级凹槽相交的位置处，将相邻一级凹槽隔开的脊部的变形中的每个都可以在相同方向上定向。

二级凹槽的深度可以大于一级凹槽的深度。

脊部的材料限制通过一个一级凹槽的流动，该脊部变形为相邻一级凹槽中的一个。

本发明还提供了一种传热管，该传热管包括内表面，该内表面包括多个凹槽，其中该多个凹槽至少包括一级凹槽和二级凹槽。各一级凹槽沿管的长度且由管的长度限定地、在轴向方向上螺旋形地延伸，并且一级凹槽在径向方向上朝向管的中心敞开。相邻一级凹槽由脊部分开。二级凹槽与一级凹槽相交，并且在二级凹槽与一级凹槽相交的位置处，各一级凹槽在管的轴向方向上被脊部的材料至少部分地阻挡、而在径向方向上不被脊部的材料阻挡，该脊部将相邻一级凹槽隔开，且脊部变形为相邻一级凹槽中的一个。

二级凹槽的深度可以大于一级凹槽的深度。

各一级凹槽可以在管的轴向方向上被脊部完全的变形阻挡，而在径向方向上不被脊部的变形阻挡，该脊部将相邻一级凹槽隔开。

本发明还提供了一种传热管，该传热管包括内表面，该内表面包括多个凹槽，其中多个凹槽至少包括一级凹槽和二级凹槽。各一级凹槽沿管的长度、在轴向方向上螺旋形地延伸，并且在径向方向上朝向管的中心敞开。二级凹槽与一级凹槽相交。在二级凹槽与一级凹槽相交的位置，各一级凹槽在管的轴向方向上被脊部的变形至少部分地阻挡、而在径向方向上不被脊部的变形阻挡，该脊部将相邻一级凹槽隔开，并且二级凹槽的深度大于一级凹槽的深度。

各一级凹槽可以在管的轴向方向上被脊部的变形完全阻塞，而在径向方向上不被脊部的变形阻挡，该脊部将相邻一级凹槽隔开。

在二级凹槽与一级凹槽相交的位置处，将相邻一级凹槽隔开的脊部的变形中的每个在相同方向上定向。

根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。该发明内容中的描述和具体实施例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于对所选实施方案进行说明，而不是对所有可能的实现方式进行说明，并且不旨在限制本公开的范围。

图1为根据本发明的原理的示例性传热管的截面图；

图2为根据本公开的原理的示例性传热管的一部分的立体图；

图3为根据本发明的原理的用于在传热管中形成凹槽的成形工具的立体图；

图4为根据本公开的原理的另一示例性传热管的一部分的立体图；

图5为根据本公开的原理的示例性传热管的一部分的显微图，其中在形成二级凹槽的过程中，一级凹槽大体上被一级凹槽之间的脊部变形的材料阻塞；

图6为根据本公开的原理的示例性传热管的一部分的显微照片，其中在形成二级凹槽的过程中，一级凹槽之间的脊部变形为突出至一级凹槽中，但大体上不会阻塞凹槽。

图7为示出了利用制冷剂410a的7mm管的传热结果的曲线图，其中二级凹槽与一级凹槽相比具有不同的深度，其中深度百分比为二级凹槽切入至一级凹槽之间的脊部的百分比(例如，在30％时，二级凹槽切穿的脊部顶部的30％，在100％时，二级凹槽完全切穿脊部，使得一级凹槽和二级凹槽具有相同深度)；

图8为示出了利用制冷剂410a的7mm管的传热结果的曲线图，其中将包括一级凹槽的管、与包括一级凹槽和二级凹槽的管进行比较，并且将包括一级凹槽的管、与包括一级凹槽、二级凹槽和三级凹槽的管进行比较；

图9为示出了利用制冷剂410a的7mm管的传热结果的曲线图，其中将包括一级凹槽的管与图5所示的管以及图6所示的管进行比较；以及

图10和11为根据本公开的原理的另外的示例性传热管的一部分的立体图。

贯穿说明书附图的若干视图，相应的附图标记指代相应的部件。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述实施例实施方案。

图1示出了管10，该管包括由脊部13隔开的多个一级凹槽12。管10通常为圆柱形形状并且包括限定外径OD(outer diameter)的外表面14和限定内径ID(inner diameter)的内表面16。管10可由诸如铜、铝、不锈钢或本领域技术人员已知的任何其他材料的材料形成。优选地，管10用于在空调冷凝器、蒸发器或热泵中输送制冷剂。

管10可以被挤压成包括一级凹槽12。如图所示，一级凹槽12是有助于增加管10的内表面面积的轴向凹槽12。然而，应当理解的是，在不背离本公开的范围的情况下、一级凹槽12可以螺旋形地形成(图10和11)。通过增加管10的内表面面积，可以在通过管10运送的制冷剂与管10之间产生更大量的传热。凹槽12的数量和尺寸可以是可变的。如图1所示，管10包括58个一级凹槽12。然而，在不背离本公开的范围的情况下，管10可以包括更多或更少数量的一级凹槽12。此外，虽然一级凹槽12示出为包括圆形底部18，但应理解的是，在不背离本公开的范围的情况下，一级凹槽12可以是方形、椭圆形或V形。管10的厚度T在约三分之一英寸的范围内。然而，管10可以根据需要具有更大或更小的厚度。

为了进一步增加管10的传热能力，可以将管10进一步加工成包括二级凹槽20。如图2和10所示，二级凹槽20是非轴向形成的，以便与一级凹槽12相交。二级凹槽20与一级凹槽12一起使用产生了复杂的内表面16，该复杂的内表面使在由管10运送的制冷剂与管10之间的传热最大化。二级凹槽20可以形成为与一级凹槽12正交，或者二级凹槽20可以螺旋形地形成为与一级凹槽12相交。二级凹槽20可以沿管10的长度连续地形成或不连续地形成。二级凹槽20可以使一级凹槽之间的脊部材料移位，以在实际上可以是连续的或不连续的二级凹槽的任一侧或两侧上形成脊部，以阻挡或限制一级凹槽中的流动流体。

图3示出了可以用于形成二级凹槽20的成形工具22。成形工具22包括由旋转工具(未示出)驱动的近端部分24，并且成形工具22包括远端部分26。成形工具22的远端部分26还包括螺纹28，螺纹28在成形工具22旋转时、将在管10中形成二级凹槽20。可以根据需要来改变螺纹30之间的螺距或间距S。此外，可以根据需要调整螺纹30的高度H。在这方面，螺纹30的高度H可以形成为大于、等于或小于一级凹槽12的深度D，使得二级凹槽20具有与一级凹槽12的深度相比不同的深度(例如，更大或更小)。二级凹槽20的不同深度会影响制冷剂与管10之间的热交换。如图7中最佳所示，当二级凹槽20的深度为一级凹槽12的深度的30％时，传热增加。图7还示出了二级凹槽20的深度为一级凹槽12深度的50％或100％的情况也增加了制冷剂与管10之间的热交换。

此外，可以根据需要调整螺纹30相对于成形工具22的轴线A布置的角度α。无论如何，应当理解的是，间距S、高度H和角度α中的每个都可以基于管10的内径ID和管10中制冷剂的期望流量来选择和调整。还应该理解的是，二级凹槽20也可以用各种工具形成，这些工具可以放置在管中以使一级凹槽变形，从而产生二级凹槽20。

现在参考图4和11，可以看出，管10可以包括一级凹槽12、二级凹槽20和三级凹槽32。与二级凹槽20类似，三级凹槽32非轴向地形成为与一级凹槽12相交。三级凹槽32也可以与二级凹槽20相交。三级凹槽32与一级凹槽12和二级凹槽20一起使用产生了复杂的内表面16，该复杂的内表面使由管10运送的制冷剂与管10之间的传热最大化。三级凹槽32可以形成为与一级凹槽12正交，或者三级凹槽32可以螺旋形地形成为与一级凹槽12相交。此外，三级凹槽32可以通过与用于形成二级凹槽20的成形工具类似的成形工具22形成，其中间距S、高度H和角度α不同。三级凹槽32可以具有与一级凹槽12和二级凹槽20完全不同的形状，或三级凹槽可以沿着与第一凹槽和第二凹槽完全不同的路径延伸，并且可以连续地形成或不连续地形成。

现在参考图5和6，可以看出，一级凹槽12(在图5和6中从左到右行进)可以由于二级凹槽20和/或三级凹槽32的形成而被完全阻塞(图5)或部分阻塞(图6)。在这方面，用于形成二级凹槽20和/或三级凹槽32的工具22可以在二级凹槽20和/或三级凹槽32的形成期间使一级凹槽12之间的脊部13变形，使得脊部13的部分变形或迫使进入到一级凹槽12中。通过迫使脊部13进入到一级凹槽12中，制冷剂与管10之间的传热由于一级凹槽12中的流动的限制而增加，这增加了管10中制冷剂流动的湍流。当一级凹槽12之间的脊部13变形为完全阻塞或限制一级凹槽12中的流动时，传热效果最为显著。然而，应当理解的是，一级凹槽12由变形部分来部分地阻挡也实现了管10与制冷剂之间的传热的增加(图9)。

如图8所示，与仅包括轴向一级凹槽或仅包括螺旋形一级凹槽的管10相比，二级凹槽20和/或三级凹槽32的使用促进将管道10的传热特性提高至高达30％。在这方面，在仅包括轴向一级凹槽或仅包括螺旋形一级凹槽的常规管中，制冷剂流易于沉降至凹槽中并沿着凹槽延伸，这在管内形成了制冷剂边界层，该边界层阻止和/或限制了制冷剂与管之间的传热。二级凹槽20和/或三级凹槽32的使用扰乱了制冷剂通过一级凹槽12的流动，从而防止了制冷剂边界层的形成。在这方面，制冷剂的流动通过一级凹槽12与二级凹槽20和/或三级凹槽32中的每个的相交而扰乱，这使得制冷剂流从一级凹槽20中断并且还在制冷剂流中产生增强传热的湍流。

为了形成管10，一定长度(例如，500英尺)的管被挤压以包括轴向或螺旋形的一级凹槽12。选择期望长度的管10，并从一定长度的管切割出期望长度。然后进行二次工艺以形成二级凹槽20和/或三级凹槽32。具体地，选择具有期望的间距S、高度H和螺纹30的角度α的成形工具22。将成形工具22插入管10中并旋转、以形成二级凹槽20和/或三级凹槽32。可以通过进行多个成形工具22的单次操纵、或多个成形工具22的多次操纵，以形成二级凹槽20和/或三级凹槽32。因此，应当理解的是，管10还可以包括任意数量的凹槽(未示出)等。

在至少形成二级凹槽20之后，随后可以将管10弯曲成期望的构造(例如，发夹状)。替代地，管10可以在形成二级凹槽20和/或三级凹槽32之前弯曲成期望的构造。此外，应当理解的是，二次工艺可以在从一定长度的管切割出管10之前或之后进行，并且还可以在向管10施加、在管10的膨胀期间使用的润滑剂之前或之后进行。

替代地，在将管10切割成最终长度之前，可以以连续方式(例如，拉制(drawing))形成二级凹槽20。成形工具可以设计为在连续工艺中自转，从而简化工艺。连续工艺可以与其他现有工艺(例如，挤压或切割)一起执行，或者作为单独的圈对圈(coil to coil)操作执行。

为了说明和描述的目的，已经提供了对实施方案的前述描述。以上并不旨在穷举或限制本公开。特定实施方案的各个元件或特征通常不限于该特定实施方案，而是即使未具体示出或描述、各个元件或特征在适用的情况下仍是可互换的，并且也可以用于所选定的实施方案。各个元件或特征也可以以许多方式变化。这样的变体不应被认为是背离本公开，并且所有这样的修改旨在包括在本公开的范围内。

Claims

1.一种传热管，所述传热管包括内表面，所述内表面包括多个凹槽，所述多个凹槽至少包括一级凹槽和二级凹槽，

其中，各所述一级凹槽沿所述管的长度且由所述管的长度限定地、在轴向方向上螺旋形地延伸，并且所述一级凹槽在径向方向上朝向所述管的中心敞开，相邻一级凹槽由脊部隔开，

所述二级凹槽与所述一级凹槽相交，并且

在所述二级凹槽与所述一级凹槽相交的位置处，各所述一级凹槽在所述管的所述轴向方向上被所述脊部的材料完全阻挡、而在所述径向方向上不被所述脊部的材料阻挡，所述脊部将所述相邻一级凹槽隔开，且所述脊部变形为所述相邻一级凹槽中的一个。

2.根据权利要求1所述的传热管，其中，所述二级凹槽螺旋形地形成。

3.根据权利要求1所述的传热管，所述传热管还包括三级凹槽，所述三级凹槽至少与所述一级凹槽相交。

4.根据权利要求3所述的传热管，其中，所述三级凹槽与所述二级凹槽相交。

5.根据权利要求4所述的传热管，其中，所述三级凹槽螺旋形地形成。

6.根据权利要求1所述的传热管，其中，所述传热管包含铝。

7.根据权利要求1所述的传热管，其中，在所述二级凹槽与所述一级凹槽相交的位置处，将所述相邻一级凹槽隔开的所述脊部的变形中的每个在相同方向上定向。

8.根据权利要求1所述的传热管，其中，所述二级凹槽的深度大于所述一级凹槽的深度。

9.根据权利要求1所述的传热管，其中，所述脊部的所述材料限制通过所述一级凹槽的流动，所述脊部变形为所述相邻一级凹槽中的一个。

10.一种传热管，所述传热管包括内表面，所述内表面包括多个凹槽，所述多个凹槽至少包括一级凹槽和二级凹槽，

所述二级凹槽与所述一级凹槽相交，并且

在所述二级凹槽与所述一级凹槽相交的位置处，各所述一级凹槽在所述管的所述轴向方向上被所述脊部的材料至少部分地阻挡、而在径向方向上不被所述脊部的材料阻挡，所述脊部将所述相邻一级凹槽隔开，且所述脊部变形为所述相邻一级凹槽中的一个。

11.根据权利要求10所述的传热管，其中，所述二级凹槽的深度大于所述一级凹槽的深度。

12.根据权利要求10所述的传热管，其中，各所述一级凹槽在所述管的所述轴向方向上被所述脊部的变形完全阻挡、而在所述径向方向上不被所述脊部的变形阻挡，所述脊部将所述相邻一级凹槽隔开。

13.根据权利要求10所述的传热管，其中，所述脊部的所述材料限制通过一个所述一级凹槽的流动，所述脊部变形为所述相邻一级凹槽中的一个。

14.一种传热管，所述传热管包括内表面，所述内表面包括多个凹槽，所述多个凹槽至少包括一级凹槽和二级凹槽，

其中，各所述一级凹槽沿所述管的长度、在轴向方向上螺旋形地延伸，并且在径向方向上朝向所述管的中心敞开，

所述二级凹槽与所述一级凹槽相交，

在所述二级凹槽与所述一级凹槽相交的位置处，各所述一级凹槽在所述管的所述轴向方向上被脊部的变形至少部分地阻挡、而在径向方向上不被所述脊部的变形阻挡，所述脊部将相邻一级凹槽隔开，并且

所述二级凹槽的深度大于所述一级凹槽的深度。

15.根据权利要求14所述的传热管，其中，各所述一级凹槽在所述管的所述轴向方向上被所述脊部的变形完全阻挡、而在径向方向上不被所述脊部的变形阻挡，所述脊部将所述相邻一级凹槽隔开。

16.根据权利要求14所述的传热管，其中，在所述二级凹槽与所述一级凹槽相交的位置处，将所述相邻一级凹槽隔开的所述脊部的变形中的每个在相同方向上定向。