CN201314804Y - 一种具有微细通道结构的高效换热管 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有微细通道结构的高效换热管，由外管和不导通内管套装组成，其特征是，在所述的外管和内管之间形成水力直径小于3mm的规则或不规则的微细通道，且微细通道沿内管轴向方向呈螺旋状或类似螺旋状或平直状。本实用新型优点突出，实现了空调换热器的微通道传热技术，根除了现有平行流技术除水排霜难和不能制热等缺陷；可实现微通道的螺旋化，突破了普通换热管只能一侧高效换热的难题，消弱或消除了妨碍换热的平流层，共同实现了整个换热管全面高效换热；可以维持生产厂家原有生产设备和原有生产工艺、保持换热器原有整体结构形式，避免了采用现有平行流技术必须彻底更换现有生产设备和生产工艺，大幅降低了成本。

Description

一种具有微细通道结构的高效换热管

技术领域

本实用新型涉及一种具有微细通道结构的高效换热管，该换热管主要用于空调等制冷行业的换热器，还可用于化工、石油、能源、机械、动力、生物、医药等领域中。

背景技术

目前空调器大多采用翅片管式换热器。国家有关部门已明确2009年将提高空调能效标准，届时空调产品能效比的进入门槛会从目前2.6提升到3.0以上，亟需采用新的强化传热技术，达到节能的目的。由于微细通道的尺寸效应，在单位面积与单位温差下，小管径的微通道具有较强的换热能力，[刘焕玲，贾建援，邵小东.圆形微通道的热交换特性及尺寸效应，西安交通大学学报，2007，41(11)：1288—1292]研究表明，随着尺寸的减小，平均换热效率增加。

近年来，微通道传热技术发展迅速。平行流换热器采用微细多通道扁管作为换热管，在汽车空调领域被广泛应用，明显的提高了换热器的换热效率。但是，由于平行流换热器的工艺原理，其制热工况下很难实现换热器的除霜，所以目前平行流换热器的应用范围仅局限在汽车冷凝系统的气体冷却器，专利CN 1749680A公开了一种应用于家用空调的微通道蒸发器，它并没有彻底解决平行流换热器排水除霜难的痼疾，同时其仍然无法解决平行流换热器结构相对复杂、不易折弯、用于家用空调需对箱体重新设计等难题，这就意味着企业如果投产平行流换热器空调就需要彻底更换生产线，投入之高让本来就利润微薄的空调企业无法承担。

因此，提高管翅式换热器的换热效率，研发高效换热管备受关注，论文“带有纵向波纹的内翅片管的压力下降和热转换特性的实验研究”[B.Yu，J.Nie，Q.W.Wang，W.Q.Tao.Experimental study on the pressure drop and heattransfer characteristics of tubes with internal wave-like longitudinalfins，Heat and Mass transfer，2004，40：643-651]提出了一种两端堵塞的带有纵向波纹的内翅片管，其大大增加了管内的换热面积，换热效率有一定的提高，但由于翅片把两管之间的环形通道分为两部分，流体流过由翅片与内管组成的通道时，该流体与管外的热传导要通过翅片、翅片与管的焊接点、外管才能完成，因此该流体的换热效率很低。

专利CN 1677044A公开了一种油冷却器等的强化换热管，其对前述的换热管进行了改进，在翅片上开设通孔，但是通孔两边温差很小，难以实现热交换，换热效率仍然很难提高，仍然没有解决由翅片与内管组成通道的流体的换热效率提高难题。再者，上述提到的两种技术都没有考虑到换热管迎风面流体与背风面流体的换热效率存在差异，特别是背风面的换热效率没有提高。(为了提高换热效率，在空调机体内管材的一侧，通常装有一台小风扇，空调的使用过程中，开启小风扇，加速气体的流动，管材迎风面的换热效率得以增加，而管材的背风面，气体流动对其影响不大，换热效率很低。)

实用新型内容

本实用新型针对上述技术问题，提出一种具有微细通道结构的高效换热管：一、实现空调换热器的微通道传热技术，由于外管采用圆管或流线型管，外管外壁的冷却水易于顺着管壁向下排出，彻底根除了现有平行流技术(采用微通道传热技术)除水排霜难和不能制热等缺陷；二、在现有平行流技术的基础上，不但保留的微通道的技术优点，而且还可做重大改进，实现微通道的螺旋化，一方面突破了普通换热管只能一侧高效换热的难题，另一方面借助螺旋流体的离心力，消弱或消除了妨碍换热的平流层，共同实现了整个换热管全面高效换热，若经过进一步改进，还可把普通光滑内壁微通道改进为非光滑内部微通道，使得换热效率进一步提高；三、可以维持生产厂家原有生产设备和原有生产工艺、保持换热器原有整体结构形式，避免了采用现有平行流技术必须彻底更换现有生产设备和生产工艺，大幅降低了成本。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种具有微细通道结构的高效换热管，由外管和不导通的内管套装组成，其特征是，在所述的外管和内管之间形成水力直径小于3mm的规则或不规则的微细通道，且微细通道沿内管轴向方向呈螺旋状或类似螺旋状或平直状。

所述的微细通道由内管的外表面或外管的内表面上的螺旋或类螺旋或平直的凸齿与其相对光面封闭而成；或者，所述的微细通道由内管的外表面或外管的内表面上的螺旋或类螺旋或平直的凹槽与其相对光面封闭而成。

所述的微细通道是由内管的外表面上的螺旋(或类螺旋，或平直)凸齿或凹槽与外管的内表面上的凸齿或凹槽封闭而成。

所述微细通道的水力直径为0.1～1.5mm。

所述外管管型，其表面有利于流体的分散，如易于排除冷凝水的圆管、流线型管。

所述内管的外表面或外管的内表面上可设有螺纹；所述的螺纹为内螺纹或外螺纹。

所述的内管为圆管、方管、三角管、多角管、梅花管、波浪管或其他形状的异形管。

所述的凸齿的凸部形状或凹槽的凹部形状为三角形、梯形、矩形、山峰形、高低齿(某些齿齿形较高，某些齿齿形较低)或波浪形。

所述的内管为直径相异的多根内管，直径最小的内管不导通，且各内管按照大小顺序依次套装组合后再与外管套装，所述的内管间具有微细通道。

所述的外管的材质为金属、金属基复合材料、导热陶瓷，包括铝及铝合金、铜及铜合金、铁、钢等，所述的内管的材质为金属、塑料、橡胶、陶瓷、复合材料等有机或无机材料，其金属包括铝及铝合金、铜及铜合金、铁、钢等，当内管采用塑料、橡胶、陶瓷时，材料的成本可明显降低。

所述的直径最小的内管在管内的某处位置(可以是中间被堵塞，也可以是两端被堵塞)被人为堵塞，即不导通，目的是迫使流体只能从内管和外管之间的微细通道流动。

由于采用微细通道，微尺寸效应凸显，流体流经管道时，表面张力起主要作用，引起其内气液两相流体的流动特性发生改变，再者，由于通道的变小，单位体积流体接触的管材表面的面积将增加，这都有利于管材换热效率的增加。最后，在流量一定的情况下，由于管径的变小，流体的流速增加，这有利于减薄外管壁侧的平流层的厚度，从而增加管材的换热能力。

本实用新型的外管可采用目前换热器普遍使用的外管，然后在外管内相套内管，在内外管间形成微细通道，这样可以在保证空调、换热器等企业在不改变生产设备、空调外形等的基础上，实现管材的微尺寸效应，极大的增加了管材的换热能力。

再者，若管道为螺旋状或类螺旋状，第一，流体流经管道时，它受到离心力的作用，对外管内壁侧形成一定的冲击，使得通常影响换热效率的平流层难以形成甚至消除，由平流层的传导传热转化为紊流的对流传热，大大增加了管材的换热效率；第二，对于现有的管材，管材内迎风面流体换热效率远远高于背风面流体，这样就使得迎风面流体与背风面流体形成温度差，造成管材一边冷一边热的缺点，影响其使用寿命，更重要的是背风面流体的换热效率较低，抑制管材换热效率的提升。而螺旋微通道或类螺旋微通道实现了迎风面流体和背风面流体的互换，避免了上述的缺点，极大的提高了管材的换热效率。第三，由于采用螺旋微通道或类螺旋微通道，在换热管同样的管材长度的情况下，增加了流体的流动路径，这就意味着增加了换热面积，那么管材的换热效率进一步增加。

以下对本实用新型做出进一步说明。

参见图1和图2，本实用新型所述具有微细通道结构的高效换热管由外管3和某处堵塞的内管2组成，外管为圆管，外管的内表面可以是规则的或不规则的螺旋(如图11所示)或类螺旋或平直的凸齿(或凹槽)(如图2所示)，也可以是光面；内管为规则或不规则管，内管的凸齿(或凹槽)为规则的或不规则的螺旋(如图10所示)或类螺旋(如图9所示)或平直(如图12所示)的凸齿5(或凹槽)。在所述外管3和内管2之间并沿管体轴线方向形成多个螺旋或类螺旋或平直的微细通道4。所述微细通道是指该微细通道的水力直径小于3mm，优选的微通道水力直径(水力直径＝2×流通截面积/润湿周边长)通常为0.1—1.5mm。

所述微细通道4，是由内管的外表面或外管的内表面上的螺旋或类螺旋或平直的凸齿5(或凹槽)与其相对光面封闭而成，也可以由内管的外表面上的螺旋或类螺旋或平直的凸齿(或凹槽)，与外管的内表面上的螺旋或类螺旋或平直的凸齿(或凹槽)共同封闭而成。

所述凸齿(或凹槽)可以是三角型、梯型、山峰型、高低齿、波浪形等形状。

进一步地，还可以把内管2和外管3的所述光面加工成相应的外螺纹或内螺纹结构，或者把所述的凸齿和凹槽的表面加工成螺纹结构，以增加微细通道的换热面积和增大流体流动的紊流程度，进一步提高换热管的换热效率。

本实用新型的技术原理是，所述内管2的两端或管腔中某处被堵塞(封闭)而成为不导通内管，制冷剂仅能通过微细通道4流动；在相同流量下，第一，由于采用微细通道，流体流经管道时，表面张力起主要作用，引起其内气液两相流体的流动特性发生改变，再者，由于通道变小，管材的表面密度增加(表面密度指单位体积流体需要接触的管材表面面积)，这都有利于管材换热效率增加；第二，由于中心管被堵塞，本实用新型的高效换热管增加了流体流动速度，减薄了外管内壁侧平流层的厚度；第三，由于本实用新型的微通道是由两套管上的凸齿(或凹槽)紧密结合而成，通过对把凸齿(或凹槽)加工成螺旋状，就能实现微通道的螺旋状结构，此结构使流体具有离心力作用，流体对外管内侧的平流层不断冲击，起到减薄甚至消除平流层的作用，增强了换热效率；最后，螺旋微通道使迎风面流体和背风面流体互相转化，同时增加了流体的流动路径(即增加接触面积和接触时间)，进一步增强管材的换热效率。

实际生产时，可首先通过涨管工艺(目前管翅式换热器生产过程中，普遍采用的工艺，即采用机械涨，使管材涨大，从而使管翅紧密结合)，或者通过旋压工艺或粘结工艺或焊接工艺，使外管与管外翅片紧密结合，然后再放入内管，使形成了多个微细通道的内管2与外管3紧密连接。

本实用新型与现有技术相比具有的优点：(1)本实用新型是在原有翅片管式换热器的基础上，制备出具有微尺寸效应的微细通道高效换热管，充分发挥流体微尺寸效应来实现换热，极大的增大了管材的换热效率；(2)相对于平行流技术(如平行流采用的扁管，通过挤压工艺形成平直状微细通道，无法实现微通道的螺旋化)，由于本实用新型的微通道是由两套管上的凸齿(或凹槽)紧密结合而成，通过对把凸齿(凹槽)加工成螺旋状，就很容易实现微通道的螺旋状结构。采用此结构，流体受离心力作用，产生了对外管内壁侧的冲击作用，增大了流体紊流程度，减薄甚至消除了平流层，大幅度提高了流体的换热能力；螺旋结构实现了迎风面流体和背风面流体的自动交换，避免了传统管材中背风面流体热交换率低、管内流体一边冷一边热的缺点；(3)可通过对内、外管光面的内螺纹加工，或者对凸齿和凹槽表面的螺纹加工，实现了具有内螺纹结构的微细通道，可使换热效率进一步提高。(4)更关键的突破性意义在于，由于外管不是采用现有平行流技术常用的扁平管型，而是采用现有管翅式换热器的圆管管型，因此可以维持现有主流的换热器的结构形式，维持绝大多数生产厂家原有生产设备和生产工艺基本不变，几乎不需要增加生产成本，因此极具现实意义。(5)外管采用圆管或流线型管，还可以根除现有平行流技术扁平管带来的除水排霜难的先天技术缺陷，也消除了扁平管带来的难以弯折等工艺难题，因此是一种突破性的技术革新。

一方面，本实用新型实现了现有管翅式换热器的微通道传热技术，在流量一定的情况下，本实用新型的平直状微细通道的换热效率比普通管材提高10％以上，另一方面，相对于现有的微通道换热技术，本实用新型可进一步实现微通道的螺旋化，本实用新型结合了微通道与螺旋通道的优点，大大增加了管材的换热效率。在流量一定的情况下，本实用新型的螺旋微通道换热管(微通道内壁为光面)相对于普通铜管，换热效率可提高10％-300％，再者，如把光面加工成内螺纹或外螺纹，可进一步加大微细通道中流体的紊流程度，增加流体的传热效果，管材的换热效率还可在此基础上提高10％以上。此外，本实用新型的内管不仅仅局限于圆管，还可加工成任意规则或不规则管材，如把内管加工成三角形(如图9所示)，加工简单，成本低，在流量一定的情况下，其换热效率比普通铝管提高10％以上。假若外管管径较大，本实用新型还可以采用多个内管相套的形式，形成多排微细通道(如图8所示)，极大的增加了用管的换热能力。

附图说明

图1是本实用新型异形内管的横截面结构示意图；

图2是本实用新型异形外管的横截面结构示意图；

图3是本实用新型的第一种实施例产品截面结构示意图；

图4是本实用新型的第二种实施例产品截面结构示意图；

图5是本实用新型的第三种实施例产品截面结构示意图；

图6是本实用新型的第四种实施例产品截面结构示意图；

图7是本实用新型的第五种实施例产品截面结构示意图；

图8是本实用新型的第六种实施例产品截面结构示意图；

图9是本实用新型的第七种实施例产品截面结构示意图；

图10是本实用新型内管外壁带有类螺旋凸齿结构的结构示意图；

图11是本实用新型内管外壁带有螺旋凸齿结构的结构示意图；

图12是本实用新型外管内壁带有螺旋凸齿结构的结构示意图；

图13是本实用新型内管外壁带有平直状凸齿结构的结构示意图。

标号说明：1—堵塞体，2—内管，3—外管，4—微细通道，5—凸齿。

具体实施方式

以下将结合附图作进一步描述。

实施例1：如图3所示，本实用新型的具有微细通道结构的高效换热管由外管3和两端或其管腔内处有堵塞体1的不导通内管2组成；采用的内管2的外径为6mm，其外壁有螺旋三角形结构的螺旋凸齿结构5，外管3的内径为9mm，其内壁为光面，由此内管2与外管3之间形成约16个近梯形微细通道4，微通道的水力直径约为0.5mm。内管2与外管3通过涨管或焊接紧密连接。管材的材质都采用铝材，在相同流量下，此管材的换热效率比同管径的普通铝管提高20％以上。

实施例2：如图4所示，本实用新型的具有微细通道结构的高效换热管由外管3和两端或某管腔内处有堵塞体1的不导通内管2组成；外管内外径为9mm，其内壁有三角形结构的平直状凸齿5，内管2外径为6mm，其外壁为光面，两管间形成16个近梯形平直状微细通道4，微通道的水力直径约为1mm，管材采用铜管，在相同的流量下，其换热效率比同管径的普通内螺纹铜管提高10％以上。

实施例3：如图5所示，本实用新型的具有微细通道结构的高效换热管由外管3和两端或某管腔内处有堵塞体1的不导通内管2组成；内管2的外径为6mm，其外壁有螺旋梯形结构的螺旋凸齿5，外管3的内径为9mm，其内壁为内螺纹结构，通过螺旋凸齿5与外管的内螺纹结合，在其间形成多个螺旋微细通道4，微通道的水力直径约1mm，管材采用铜管，由于微细通道中的内螺纹起到增加换热面积以及增大流体紊流的作用，在相同的流量下，此管材的换热效率比同管径的普通铜管提高20％以上。

实施例4：如图6所示，本实用新型的具有微细通道结构的高效换热管由外管3和两端或某管腔内处有堵塞体1的不导通内管2组成；外管3的内径为9mm，其内壁有螺旋状梯形结构的凸齿5，内管2的外径为6mm，其外壁为外螺旋结构，通过梯形凸齿5与内管的外螺纹结合，在其间形成多个螺旋微细通道4，微通道的水力直径约1.5mm，管材采用铜管，在相同的流量下，此管材的换热效率比同管径的普通铜管提高20％以上。

实施例5：如图7所示，本实用新型的具有微细通道结构的高效换热管由外管3和两端或某管腔内处有堵塞体1的不导通内管2组成；外管3的内径为9mm，其内壁有平直状梯形结构的凸齿5，内管2的外径为6mm，其外壁有平直状三角形结构的凸齿5，通过梯形凸齿5与三角形凸齿5的结合，在其间形成多个平直微细通道4，微通道的水力直径约1mm，管材采用铝管，在相同的流量下，此管材的换热效率比普通铝管提高20％以上。

实施例6：如图8所示，本实用新型的具有微细通道结构的高效换热管由外管3和两端或某管腔内处有堵塞体1的两个不导通内管2相套组成；外管的内径为12mm，中间管的的外径为9mm，最内管的外径为6mm，外管与中间的内管以及中间内管与中心的内管之间分别形成多个螺旋微细通道4，微细通道的水力直径为0.5—1.5mm，管材的材质采用铝管，在相同流量下，其换热效率比同管径的普通铝管提高20％以上。

实施例7：如图9所示，本实用新型的具有微细通道结构的高效换热管由外管3和两端或某管腔内处有堵塞体1的三角内管2组成；外管的内径为6mm，内管的边长约为5.2mm，呈三角螺旋状，外管与内管之间形成三个螺旋微通道，其水力直径为0.1—0.6mm，管材为铝管，在相同流量下，其换热效率比同管径的普通铝管提高20％以上。

图10～12为外管和内管之间具有螺旋状的情形，图13为微细通道为平直状的情形。

尽管对本实用新型的几个实施方式进行了表示和描述，但是本领域的技术人员应该理解，对于这些实施方式可以做出多种改变，而不会超出本实用新型的原理和精神。本实用新型的范围由权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种具有微细通道结构的高效换热管，由外管和不导通的内管套装组成，其特征在于，所述的外管和内管之间形成水力直径小于3mm的规则或不规则的微细通道，且微细通道沿内管轴向方向呈螺旋状或类似螺旋状或平直状。

2.根据权利要求1所述的具有微细通道结构的高效换热管，其特征在于，所述的微细通道由内管的外表面或外管的内表面上的螺旋或平直的凸齿与其相对光面封闭而成；或者，所述的微细通道由内管的外表面或外管的内表面上的螺旋或平直的凹槽与其相对光面封闭而成。

3.根据权利要求1所述的具有微细通道结构的高效换热管，其特征在于，所述的微细通道是由内管的外表面上的螺旋或平直的凸齿或凹槽与外管内表面上的螺旋或平直的凸齿或凹槽封闭而成。

4.根据权利要求2或3所述的具有微细通道结构的高效换热管，其特征在于，所述微细通道的水力直径为0.1～1.5mm。

5.根据权利要求4所述的具有微细通道结构的高效换热管，其特征在于，所述内管的外表面或外管的内表面上设有螺纹；所述的螺纹为内螺纹或外螺纹。

6.根据权利要求5所述的具有微细通道结构的高效换热管，其特征在于，所述外管为圆管或流线型管。

7.根据权利要求1所述的具有微细通道结构的高效换热管，其特征在于，所述的内管为圆管、方管、三角管、多角管、梅花管或波浪管。

8.根据权利要求6所述的具有微细通道结构的高效换热管，其特征在于，所述的凸齿的凸部形状或凹槽的凹部形状为三角形、梯形、矩形、山峰形、高低齿或波浪形。

9.根据权利要求1或5～8任一项所述的具有微细通道结构的高效换热管，其特征在于，所述的内管为直径相异的多根内管，直径最小的内管不导通，且各内管按照大小顺序依次套装组合后再与外管套装，所述的内管间具有微细通道。

10.根据权利要求9所述的具有微细通道结构的高效换热管，其特征在于，所述的外管的材质为金属导热陶瓷、金属基复合材料，内管材质为金属、复合材料、塑料、橡胶、陶瓷。

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