專利名稱：傳熱管及其制造方法和用途的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及傳熱管及其制造方法和用途。更具體地說，本發明涉及一種改進的沸騰管及其制造方法，以及該管在改進的制冷劑蒸發器或冷卻器中的用途。
背景技術：
工業用空調和制冷系統的一個組成裝置是制冷劑蒸發器或冷卻器。簡單來說，冷卻器吸收進入設備的冷卻介質的熱量，并將再生的冷卻介質送入空調或制冷系統，以對設備、裝置或給定區域進行冷卻。制冷劑蒸發器或冷卻器用液態制冷劑或其他工作流體完成該項功能。制冷劑蒸發器或冷卻器降低冷卻介質例如水(或其他流體)的溫度，降到低于周圍環境的溫度以供空調或制冷系統使用。
一種類型的冷卻器是溢流式冷卻器。在溢流式冷卻器中，多個傳熱管完全浸入兩相沸騰的制冷劑中。制冷劑通常采用有特定沸騰溫度的烴的氟氯化合物(即“氟里昂”)。冷卻介質，通常是水，由冷卻器處理。冷卻介質進入蒸發器并被送入浸于沸騰的液態制冷劑內的多個傳熱管中，由此，這些傳熱管通常被稱為“沸騰管”。通過多個傳熱管的冷卻介質將其熱量傳給沸騰的制冷劑，其自身得到冷卻。從沸騰的制冷劑中出來的蒸汽被送入壓縮機，該壓縮機將蒸汽壓縮至高溫高壓狀態。高溫高壓的蒸汽接著進入冷凝器被冷凝，隨后進入膨脹裝置和蒸發器以降低溫度和壓力。本領域普通技術人員可以想到前述發生就是熟知的制冷循環。
眾所周知，浸入制冷劑的沸騰管的換熱能力可以通過在傳熱管外表面形成翅片得以提高。通過改進沸騰管和冷卻介質接觸的內表面可以提高換熱能力也是公知的。改進換熱管內表面的一個例子可參見授權給Wither，Jr.等人的美國專利3847212，該專利公開了在換熱管內表面形成脊狀凸起的方法。
通過改進翅片進一步提高換熱能力也是公知的。例如一些沸騰管被制成泡核沸騰管。泡核沸騰管的外表面形成多重空腔或孔隙(通常稱為沸騰或泡核區)，用以提供可以形成小的制冷劑汽泡的開口。汽泡總是在泡核區的底部或根部形成并逐漸變大，直至脫離管子外表面。汽泡脫離之后，另外的液態制冷劑填補空缺，這個過程不斷重復，形成其他汽泡。這樣，液態制冷劑在金屬管外表面上的多個泡核沸騰區被沸騰或蒸發。
授權給Cunningham等人的美國專利4660630公開了通過對管子外表面上的翅片切凹槽或開槽以形成泡核沸騰空腔或孔隙。凹槽在和翅片平面基本垂直的方向上形成。管件內表面包括螺旋凸起。該專利也公開了交叉開槽的操作方法，該方法將翅片端部變形，形成比表面開口更寬的泡核沸騰空腔(或通道)。這種結構允許汽泡向外穿過空腔，到達或穿過更窄的表面開口，更加強化了傳熱。按照Cunningham等人的專利制造出的各種換熱管由Wolverine Tube公司經銷，其商標為TURBO-B。商標為TURBO-BII的另一種泡核沸騰管，其凹槽和翅片平面成銳角。
在一些傳熱管中，翅片成形后被滾壓和/或碾平以在大的空腔或通道上層疊產生較窄的間隙，這些空腔或通道由翅片根部和相鄰的一對翅片的側面界定。以下美國專利中的管件是上述傳熱管的示例授權給Cunningham等人的美國專利4660630；授權給Zohler的美國專利4765058；授權給Zohler的美國專利5054548；授權給Nishizawa等人的美國專利5186252；授權給Chiang等人的美國專利5333682。
控制泡核沸騰孔隙的密度和大小已在已有技術中公開。此外，孔隙大小和制冷劑類型之間的相互關系也在已有技術中公開。例如，授權給Bohler的美國專利5146979提出使用的管的泡核沸騰孔隙的大小在0.000220至0.000440平方英寸(孔隙總面積占總外表面積的14％-28％)范圍內時，可以提高使用高壓制冷劑的性能。再例如，授權給Thors等的美國專利5697430也公開了一種具有多個在徑向向外延伸的螺旋翅片的換熱管。該管的內表面有許多螺旋脊狀凸起。外表面的翅片經開凹槽形成了有孔隙的泡核沸騰區。翅片和凹槽隔開使孔隙平均面積小于0.00009平方英寸，孔隙密度為每平方英寸管件外表面至少2000個。內表面上的螺旋脊狀凸起有預定的脊高和間距，并以預定的螺旋角定位。按照上述發明制造的管件已經以TURBO-BIII為商標進行生產和銷售。
工業上繼續探究新的改進的設計來增強傳熱和冷卻器性能。例如，美國專利5333628公開了一種具有外部表面的傳熱管，為促進泡核沸騰，不僅增加了管子外表面面積，還提供了泡核區的再入腔。同樣的，美國專利6167950公開了一種冷凝器用傳熱管，有凹槽和翅片的表面促進制冷劑從翅片中溢出。由上述的技術進步可知，提高泡核沸騰傳熱管的傳熱性能并將其生產成本和制冷系統操作成本維持在最低水平仍然是一個目標。這些目標包括設計更有效的傳熱管和冷卻器，以及這種傳熱管的生產方法。基于上述目的，本發明旨在總體上改進換熱管的性能，特別是用在溢流式冷卻器或降膜式冷卻器中的換熱管性能。
發明內容
本發明通過形成和提供加強的泡核沸騰空腔來改進現有的傳熱管和制冷劑蒸發器，這種改進增強了管子換熱能力，其結果是提高了使用一根或多根這種管子的冷卻器的性能。可以理解，本發明的一個優選實施例包含或包括一個具有至少一個雙腔沸騰空腔或孔隙的管子。盡管這里揭示的傳熱管使用在高壓沸騰制冷劑中特別有效，它們同樣可用于低壓制冷劑。
本發明包括一種改進的傳熱管。本發明改進的傳熱管適用于沸騰式或降膜式蒸發應用，該傳熱管的外表面和沸騰的液態制冷劑接觸。在優選實施例中，傳熱管外表面形成有多個徑向向外延伸的螺旋翅片。翅片上開有凹槽，端部彎曲形成泡核沸騰空腔。翅片根部也可開凹槽以增加泡核沸騰空腔的體積和大小。翅片的頂表面彎曲并碾壓以形成第二個空腔。這種結構限定出雙腔孔隙或通道來增加汽泡的產生。管子內表面也被增強，例如，沿內表面提供螺旋脊狀凸起，進一步增強流經傳熱管的冷卻介質和傳熱管浸入其中的制冷劑之間的傳熱。當然，本發明不局限于任何特殊的內表面增強措施。
本發明還包括改進的傳熱管的制造方法。本發明方法的優選實施例包括以下步驟在傳熱管外表面上形成多個沿徑向向外延伸的翅片，彎曲傳熱管外表面上的翅片，開凹槽并彎曲剩余的(在凹槽之間的)材料形成雙腔泡核沸騰區，增強流經傳熱管的冷卻介質和傳熱管浸入其中的制冷劑之間的傳熱。
本發明還包括改進的制冷劑蒸發器。改進的蒸發器或冷卻器包括至少一個按照本發明制造的傳熱管，該傳熱管適用于沸騰式蒸發器或降膜式蒸發器。在優選實施例中，傳熱管的外部包括許多沿徑向向外延伸的翅片。翅片開有凹槽。彎曲翅片以增加進行熱交換的可用面積，并形成雙腔泡核沸騰區，從而增強傳熱性能。
本發明的一個目的是提供一種改進的傳熱管。
本發明的又一目的是提供一種適于溢流式蒸發器和降膜式蒸發器使用的改進的傳熱管。
本發明的又一目的是提供一種限定了至少一個雙腔泡核沸騰區的改進的傳熱管。
本發明的又一目的是提供一種適于沸騰式蒸發器和降膜式蒸發器使用的傳熱管的制造方法，在該傳熱管的外表面具有至少一個雙腔泡核沸騰區以增強傳熱管的傳熱能力。
本發明的又一目的是提供一種改進的泡核沸騰管，管子外表面上的翅片彎曲，為對流蒸發提供額外的表面積，從而增強傳熱管換熱能力。
本發明的又一目的是提供一種在管外表面上具有表面增強措施的傳熱管，可由翅片產生裝置在其外表面一次加工成形。
本發明的又一目的是提供一種包括對內表面進行表面增強的傳熱管，促進管內液體流動，增加內表面積，并促進流體和內表面的接觸，從而進一步增強傳熱管的換熱能力。
本發明的又一目的是提供一種限定了至少一個雙腔泡核沸騰區的改進的傳熱管的制造方法。
本發明的又一目的是提供一種改進的制冷劑蒸發器。
本發明的又一目的是提供一種具有至少一個帶有至少一個雙腔泡核沸騰區的傳熱管的改進的制冷劑蒸發器。
本發明的又一目的是提供一種具有多個傳熱管的改進的制冷劑蒸發器，每根管上有多個雙腔泡核沸騰區。
本發明的又一目的是提供一種具有至少一個有雙腔泡核沸騰區的傳熱管的改進的制冷劑蒸發器。
本發明的又一目的是提供一種通過彎曲翅片限定多腔泡核沸騰區制造傳熱管的方法。
本發明的這些目的和其他特征及優點將通過閱讀具體發明內容包括附圖來證明和理解。
圖1是按照本發明制造的制冷劑蒸發器示意圖。
圖2是按照本發明制造的傳熱管的軸向剖面局部放大圖。
圖3是按照本發明制造的傳熱管的一個優選實施例的軸向剖面局部放大圖。
圖4是圖2的傳熱管進行翅片彎曲后的外表面的顯微照相。
圖5是圖4沿線3-3的剖面圖。
圖6是圖4沿線4-4的剖面圖。
圖7是按照本發明制造的傳熱管翅片彎曲之前進行根部和翅片上開凹槽操作之后的外表面的顯微照相。
圖8是圖3傳熱管外表面的示意圖。
圖9是本發明的傳熱管和美國專利5697430公開的傳熱管效率因子的比較圖表。
圖10是本發明的傳熱管和美國專利5697430公開的傳熱管內部傳熱性能的比較圖表。
圖11是本發明的傳熱管和美國專利5697430公開的傳熱管的壓降的比較圖表。
圖12是制冷劑為HFC-134a時傳熱管在不同的熱通量Q/Ao下的總傳熱系數Uo的比較圖表。
具體實施例方式
下面詳細說明附圖，在附圖里，相同的數字表示相同的部件。附圖1表示按照本發明制造的多個傳熱管，以10表示。傳熱管10置于制冷劑蒸發器14內。本領域技術人員可以理解，單根管10a、10b、10c是制冷機的蒸發器14內使用的可能幾百個傳熱管10中有代表性的。傳熱管10可以以任何合適的方式固定以完成本發明。蒸發器14包括沸騰制冷劑15，制冷劑15從冷凝器經開口20進入蒸發器14的外殼18。外殼18中的沸騰制冷劑15有兩相，液相和汽相。制冷劑蒸汽通過蒸汽出口21脫離外殼18。本領域技術人員可以理解，制冷劑蒸汽送入壓縮機，被壓縮成高溫高壓蒸汽，以備公知的制冷循環使用。
在此詳細描述多個傳熱管10a-c，它們以任何合適的方式放入并懸置在外殼18內。例如傳熱管10a-c可以由擋板或類似物支承。制冷劑蒸發器的這種結構公知于現有技術。冷卻介質，經常是水，通過入口21進入蒸發器14并進入入口集箱24。以相對較熱的狀態進入蒸發器的冷卻介質從集箱24進入多個傳熱管10a-c，在此冷卻介質將其熱量傳給沸騰制冷劑15。冷卻后的冷卻介質流過傳熱管10a-c并從中流出進入出口集箱27。再生后的冷卻介質經出口28流出蒸發器14。本領域技術人員可以理解溢流式蒸發器僅是制冷劑蒸發器的一個例子。該領域中已知的還有幾種其他類型的蒸發器，包括吸收式制冷機用蒸發器，以及降膜制冷機中采用的蒸發器。本領域技術人員可以想到本發明可普遍用于冷卻器和蒸發器，并且本發明不局限于商標和類型。
圖2是典型傳熱管10的局部平面放大圖。與圖2相匹配，圖3是優選傳熱管16的剖面放大圖。首先看圖2，傳熱管10具有一個外表面30，一個內表面35，內表面上有許多脊狀凸起38。本領域技術人員可以想到管內表面可以是光滑的，也可以有脊狀凸起或凹槽，或以其他方式增強換熱。因此，可以理解為本發明實施例盡管顯示的是許多脊狀凸起，但這并不限定本發明。
轉到典型實施例，在管內表面上的脊狀凸起38的間距為“p”，寬度為“b”，高度為“e”，每個值都由圖3確定。間距“p”限定脊狀凸起38之間的距離，高度“e”限定脊狀凸起38的頂端39和脊狀凸起38的最內側之間的距離，寬度“b”由脊狀凸起38和頂端39相接觸的外側最上端處測量得出。螺旋角“θ”由管的軸線處測量，也由圖3示出。因此，可以理解，傳熱管10(典型實施例中的)的內表面35具有螺旋脊狀凸起38，并且這些脊狀凸起有預定的脊高和間距，并按一定螺旋角對齊。這些預定的尺寸可以根據特殊要求而更改。例如授權給Wither，Jr.的美國專利3847212公開了以較大間距(0.333英寸)和較大螺旋角(51°)排列的數量較少的脊狀凸起。優化選擇這些參數可更好地增強傳熱管的換熱能力。本領域技術人員可以想到這種內表面增強措施，不需在此進行詳述。例如，授權給Wither，Jr.等人的美國專利3847212公開了這種內表面增強措施的結構和成型方法。
傳熱管10的外表面30一般講開始是光滑的。因此可以理解，隨后，對外表面30加工變形或增強來產生多個翅片50，進而如下所述，提供多重雙腔泡核沸騰區55。盡管本發明詳細描述的是雙腔泡核沸騰區，也可以想到本發明包括的傳熱管具有多于兩腔的泡核沸騰區。這些區域55，通常指空腔或孔隙，包括通常置于管外表面30上或其下的管結構上的開口56。開口56作為小循環系統來引導液態制冷劑進入回路或通道，以使制冷劑和泡核區相接觸。這種類型的開口一般由在管外裝翅片而產生，通常在翅片頂端形成縱向凹槽或缺口，然后加工外表面使之變形，從而在傳熱管表面上得到平坦的區域，但在翅片根部有通道。
更詳細地說明圖2和圖3，傳熱管10的外表面30在其上形成有多個翅片50。翅片50可以使用傳統的加翅機械以已知的方法制作，例如，可參考授權給Cunningham等人的美國專利4729155。使用的輥軸數量取決于制造因素如管子大小、生產能力等。輥軸按一個合適的增量環繞管子設置，每個輥軸優選地以和管子軸線成一定角度的方向裝配。
更詳細地說明圖7和圖8，加翅盤在管子外表面按壓或加工變形金屬形成翅片50，以及相對較深的凹槽或通道52。可以看出，通道52在翅片50之間形成，并且兩者都環繞傳熱管10。由圖3可以看出，翅片50有一定高度，其由通道52(或凹槽)的內側部分57到翅片的外側表面58處測量。另外，翅片50的數量可以根據不同的應用而變化。翅片高度的優選范圍是0.015到0.060英寸，每英寸翅片數的優選范圍是40到70，但這不構成對本發明的限定。由此可以理解，制作翅片的過程生成了多個第一通道52，如圖7和圖8所示。
翅片成形后，再對每個翅片50的外表面57進行開槽從而得到多個第二通道62。這種開槽可由開槽盤來實現(例如可參見授權給Cunningham的美國專利4729155)。第二通道62位于與第一通道52成一定角度的位置，并與其相互連接，如圖7和圖8所示。美國專利5697430中公開的開槽操作是完成這種開槽操作的適宜的方法，這樣，限定出了第二通道62，并形成了許多凹槽64。
開槽之后，翅片50的外表面57由壓縮盤碾平或彎曲(例如可參見授權給Cunningham的美國專利4729155)。這一步驟碾平或彎曲每個翅片的頂端或頭部，制造出如圖7和圖8所示的外形。可以理解，前述的操作在通道52和62的交界處生成多個孔隙70。這些孔隙70限定出泡核沸騰區，每個泡核沸騰區由孔隙的尺寸來限定。更詳細地，見圖3，第一次碾平或彎曲操作形成了主泡核沸騰空腔72。
碾平之后，翅片50被一個滾壓工具再次滾壓或彎曲。滾壓操作越過碾平的翅片頂端施加作用力。翅片50被用工具彎曲或滾壓從而至少部分地覆蓋翅片凹槽64，這樣就在彎曲的翅片50和翅片凹槽64之間形成了第二泡核沸騰空腔74。第二空腔74在主空腔30上提供額外的翅片面積，以促成更強的對流和泡核沸騰。這樣，孔隙70在通道52和62的交界處生成。每個孔隙70有孔隙開口，其決定蒸汽從沸騰或泡核區溢出的開口尺寸。本發明的優選實施例限定了兩個空腔，主空腔72和第二空腔74，來增強傳熱管的性能。
傳熱管10優選地在翅片(“翅片根部區域”)之間的第一通道52上開凹槽，這樣就在根部表面上形成根部凹槽。開凹槽由根部開槽盤來完成。盡管在根部區域可能要開各種形狀和大小的根部凹槽，但是根部凹槽通常優選地制成梯形。盡管環繞每個凹槽20一周可以形成任何數量的根部凹槽，但一個圓周根部凹槽的推薦個數是至少20到100個，優選47個。另外，根部凹槽26優選的深度范圍是0.0005英寸至0.005英寸，最優值是0.0028英寸。
對傳熱管10的內表面35和外表面30的增強措施增加了傳熱管的總效率，這是通過增加外部(ho)和內部(hi)的傳熱系數來實現，進而增加了總傳熱系數(Uo)，同時降低了從管子一側到另一側的總熱阻(RT)。傳熱管10內表面35的各個參數通過增加流體可能接觸的表面積來增加內部傳熱系數(hi)，并且允許傳熱管10內的流體在傳熱管10的整個管長形成渦流。渦流可以使流體和內表面14處于較好的傳熱接觸狀態，但是避免了過多的湍流，這些湍流將產生不希望有的壓降。
此外，傳熱管外表面30的根部開槽以及彎曲(和傳統的碾平相反)翅片50增加了管外的熱交換，也因此增加了外傳熱系數(ho)。根部凹槽增加了泡核沸騰空腔的大小和表面積以及泡核區的數量，有助于保持表面濕度，這樣在需要的位置就會有表面張力，表面張力有助于促進更薄的膜態沸騰。翅片彎曲的結果是在每個主空腔50上形成了更多的空腔(如第二空腔74)，這些空腔用于向制冷劑傳導更多的熱量，上升的汽泡以對流和/或泡核沸騰的方式脫離第二空腔60，傳熱穿過液體和蒸汽的中間相，其中泡核沸騰取決于熱通量和液體/蒸汽沿傳熱管外表面的運動。本領域技術人員可以想到，外部沸騰系數是泡核沸騰項和對流分量的函數。盡管泡核沸騰是傳熱的主要因素，對流項也很重要，而在溢流式蒸發器制冷機中，對流項是更重要的因素。
本發明的傳熱管10在各方面都勝過美國專利5697430公開的傳熱管(在后面的表格和圖表中稱為“T-BIII管”)，在如今普遍商業化應用的傳熱管中，本發明傳熱管的蒸發性能是最好的。為了對本發明改進的傳熱管10(在后面的表格和圖表中稱為新管)和T-BIII管進行比較，表1列出了新管和T-BIII管的尺寸特征。
表1具有多起點的內部脊狀凸起的銅管的尺寸特征
表2比較了新管和T-BIII管的內部性能參數。在管側水流速度恒為5GPM，平均水溫恒為50°F的條件下對兩種管進行比較。表2是對標稱外徑為3/4英寸的傳熱管進行的比較。
表2具有多起點的內部脊狀凸起的試驗用銅管的管側性能特征
上述數據表明了新管壓降的減少和傳熱效率的增加。由表2和圖11可以看出，相對于具有光滑內壁的管子，在5GPM的恒定流速下，新管的壓降率(Δpe/Δps)比T-BIII管小約5％。由表2和圖10還可以看出，新管的斯坦頓數比(Ste/Sts)比T-BIII管高約2％。壓降和斯坦頓數比可以綜合至傳熱相對壓降的總比率，定義為“效率因子”(η)，和光滑內壁管相比，這是壓降與傳熱的總測量值。流速為5GPM時，新管的效率因子η為0.82，而T-BIII管的為0.78，新管提高了約5％，如圖9所示。流速為7GPM(通常的操作條件)時，效率因子將得到更大的提高。
表3比較了新管和T-BIII管的外部性能參數。管子長8英尺，分別懸吊于溫度低于58.3華氏溫度的制冷劑儲槽中。水流速保持在5.3英尺/秒，入口水溫使所有管子的平均熱通量保持在7000Btu/hr ft2的定值。管子由銅制成，有3/4英寸的標稱外徑，并有相同的壁厚。所有測試中制冷劑均不含油。
表3具有多起點的內部脊狀凸起的試驗用銅管的外側和總的性能特征。
圖11是新管和T-BIII管在HFC-134a制冷劑中不同熱通量Q/Ao下的總傳熱系數Uo的比較圖表。水流速為5GPM，熱通量為7000(Btu/hr ft2)時，新管的總傳熱系數比T-BIII管提高15％(也見表3)。
前面所述是為了說明、解釋和描述本發明的實施例。進一步的修改和改進這些實施例對本領域技術人員是顯而易見的，都將被認為是不脫離本發明要旨或下述權利要求的保護范圍。另外，本領域普通技術人員能夠根據本發明的公開，得到具有獨特外形的翅片，其生成了具有多重空腔的泡核沸騰區，例如雙腔。本發明提供這種獨特外形不需削掉任何金屬來生成孔隙，并且提供一種制造改進的傳熱管的改進的制造方法。然而需要進一步指出的是，在溢流式冷卻器中使用一個或更多這種傳熱管可以提高冷凝卻器的傳熱性能。因此，前述對代表性的優選實施例和本發明的解釋和描述將在權利要求書中闡明。
權利要求
1.一種適于制冷劑蒸發器使用的傳熱管，包括一個外表面，所述外表面包括多個徑向向外延伸的螺旋翅片，相鄰翅片之間延伸有通道，所述翅片被開槽來限定凹槽；至少一個泡核沸騰孔隙，在凹槽和通道交界處形成；翅片被開槽和彎曲以使相鄰翅片形成通道，該通道在相鄰泡核沸騰孔隙之間延伸，由此所述孔隙限定一個主泡核沸騰空腔；以及翅片進一步彎曲以便限定第二泡核沸騰空腔。
2.一種制造傳熱管的方法，該傳熱管用于與制冷劑接觸，其內表面用于與有待再生的冷卻介質接觸，該方法包括(a)在管子內側形成多個螺旋脊狀凸起；(b)在管子外表面形成多個徑向向外延伸的翅片；(c)對所述翅片開凹槽，以便通過在第一方向上形成多個第一凹槽并在第二方向上形成多個第二凹槽來提供一個主泡核沸騰空腔；以及(d)彎曲所述翅片以便提供與所述主泡核沸騰空腔相連通的第二主泡核沸騰空腔，其中，該過程在所述凹槽的交界處限定一個泡核沸騰孔隙，所述孔隙具有一個主空腔和一個第二空腔。
3.一種改進的制冷劑蒸發器，包括一個外殼；包含在所述外殼內的制冷劑；以及包含在所述外殼內并浸入所述制冷劑中的至少一個傳熱管，所述傳熱管包括至少一個限定出主空腔和第二空腔的泡核沸騰孔隙。
全文摘要
本發明提供一種改進的傳熱管及其改進的制造方法和用途。本發明還提供一種制冷劑蒸發器用沸騰管(10)，其上至少具有一個雙腔泡核沸騰區(55)。本發明還提供了一種包括至少一個上述沸騰管的制冷劑蒸發器，以及上述沸騰管的制造方法。
文檔編號F28F13/18GK1826504SQ03808746
公開日2006年8月30日 申請日期2003年4月21日 優先權日2002年4月19日
發明者佩圖爾·托爾斯, 湯米·泰勒 申請人:沃爾弗林管子公司