專利名稱：帶交叉槽的傳熱管及其制造方法
技術領域：
本發明涉及熱交換器用傳熱管，具體地說，是涉及對為提高傳熱管的流動特性及傳熱特性而內面形成有交叉槽的傳熱管的改進。
用于空氣調節機或制冷機等的蒸發管、冷凝管或加熱管等的熱交換器中，要采用傳熱管，該傳熱管通過其內部的氟利昂等制冷劑與流經管外部的流體進行熱交換，而進行蒸發或冷凝。從高效率化、節省能量等方面考慮，在這種傳熱管的內面形成槽。
即，在管的內面形成微細的三角形或梯形的螺旋狀槽，槽內部的表面張力及螺旋狀槽產生的紊流效果促進制冷劑在管內部沿著管的縱方向流動。將這種傳熱管用于冷凝器時，槽間的突起部使制冷劑流體的紊流活躍，提高冷凝特性，這時，該突起部起到冷凝核的作用。反之，將這種傳熱管用于蒸發器時，槽的邊緣攪拌制冷劑流體，提高供給到傳熱管內部的制冷劑流體的蒸發特性，這時，該槽邊緣起到產生氣泡的蒸發核的作用。
在1987年4月21日頒發給Shinohara等人的美國專利第4658892號中，揭示了一種傳熱管，該傳熱管是在基本不增加管內部流體壓力損失的范圍內，在管內面上連續形成較深的槽。其中，槽的深度Hf相對于管的內徑Di之比Hf/Di為0.002至0.03，槽的螺旋角度相對于管軸是7°～30°。各個槽形成部分的斷面積S相對于深度Hf之比為為0.15至0.40，位于各槽之間的脊部斷面內的頂角的范圍為30°～60°。
上述Shinohara等人的專利揭示的傳熱管中，供給到傳熱管內的制冷劑流體借助于連續形成的螺旋狀，沿著螺旋狀槽擴散到傳熱管內面的大部分范圍。因此，金屬表面與制冷劑流體不能直接接觸，具有冷凝效率低的缺點。
為了更加提高傳熱特性，現有技術中提出了另一種傳熱管(見1988年3月29日頌發給Sato等人的美國專利第4733698號)，該傳熱管中備有多個以預定角度與螺旋狀槽交叉、并以一定間隔形成的副槽。例如，如圖9所示的帶交叉槽的傳熱管中，備有以一定的角度與螺旋狀槽11交叉、以大于螺旋狀槽的螺旋角的角度傾斜的副槽12。
該帶交叉槽的傳熱管，因為有副槽12而增加了內部表面積，熱傳遞效率提高。另外，不僅管內部的邊緣增加，而且，由于副槽相對于管軸方向比螺旋狀槽更加傾斜，所以，對制冷劑流體的攪拌作用更加強。這樣，因為具有制冷劑流體的蒸發特性提高等優點，所以，其使用范圍逐漸擴大。
但是，現有的帶交叉槽傳熱管，如圖9B及圖9C所示，形成在突起部13與突起部13之間的副槽12中，在突起部13的下流側背面產生渦流。該渦流抵抗制冷劑流體在管內部的長度方向流動，渦流產生區域的傳熱性能降低。
另外，在制造上述傳熱管時，先軋制成形成螺旋狀槽11后，再軋制成形副槽12，所以，如圖9B所示，在副槽的軋制成形時，在已經加工成形的螺旋狀槽11上，產生突出部14。該種方法突出部14增加流體阻力，降低螺旋狀槽的紊流效果。因此，現有的帶交叉槽傳熱管，雖然具有高的傳熱性能，但是管內部的壓力損失顯著增加。
為了解決上述問題，日本公開特許公報第94-14778號揭示了一種傳熱管。該傳熱管內面沿長度方向，以一定的深度H、一定的間距P設置了直線狀的矩形或倒梯形第1槽，同時，設置了多個比第1槽淺的呈螺旋狀交叉的第2槽，第1槽的槽底寬度S相對于槽間距P之比為S/P＜1/2，槽深度L相對于第1槽的槽寬S之比為L/S＞1/2。
如前所述，即使傳熱性能增大，但壓力損失增加時，使管內制冷劑流體流動的動力就要增加。因此，現有的傳熱管存在有，其傳熱性能與能量效率成半比的缺陷。
本發明是鑒于上述問題而作出的，其目的在于提供一種帶交叉槽的傳熱管及其制造方法，該傳熱管能提高傳熱性能而不增加壓力損失。
為了實現上述目的，本發明提供一種帶交叉槽的傳熱管，在圓形斷面金屬管的整個內周面，形成多個彼此平行且相對管縱軸具有一定螺旋角度的螺旋狀槽，還形成以一定的角度與螺旋狀槽交叉的副槽，其特征在于，上述螺旋狀槽相對于管縱軸的螺旋角度α為10°～40°，最好為18°～25°；副槽相對于螺旋狀槽的交叉角β為75°～105°，最好為90°；上述副槽具有基本上垂直于管縱軸的垂直壁和相對于管縱軸以一定角度傾斜的傾斜壁；上述突起部上層面寬度相對于副槽的上層開口部寬度之比為0.2至1.0。
上述垂直壁和傾斜壁的傾斜角相對于管縱軸最好為90°～105°及30°～60°。上述副槽的深度相對于螺旋狀槽深度之比最好為0.5～1.0。
為了實現上述目的，本發明還提供一種帶交叉槽傳熱管的制造方法，在圓形斷面金屬管的整個內周面，形成平行的三角形或倒梯形螺旋狀槽，該螺旋狀槽相對于管的縱方向具有一定的螺旋角，還形成以預定的角度與螺旋狀槽交叉的副槽，該副槽具有比上述預定螺旋角度大的角度，其特征在于有以下步驟在預定寬度的金屬板材上成形副槽的步驟；在已成形了副槽的金屬板材上成形螺旋狀槽的步驟；以成形有槽的表面朝著內側的狀態，將已成形了副槽和螺旋狀槽的金屬板材成形為預定直徑的管狀；將成形為管狀的金屬板材的兩側焊接而最終制成管。
圖1是表示本發明傳熱管內面上形成的交叉槽形狀的放大立體圖。
圖2是圖1所示傳熱管的平面圖。
圖3是沿圖2中III-III線的剖面圖，表示螺旋狀槽的剖面形狀。
圖4是沿圖2中IV-IV線的剖面圖，表示副槽的形狀。
圖5是概略地表示本發明的帶內面槽傳熱管制造方法的圖。
圖6～圖8是分別表示本發明較好實施例的傳熱管與現有傳熱管的蒸發傳熱性能、冷凝傳熱性能及壓力損失的曲線圖。
圖9是表示現有的一種帶交叉槽傳熱管的圖，圖9A是概略的立體圖，圖9B是平面圖，圖9C是沿圖9B中A-A線的剖面圖。
下面，參照附圖詳細說明本發明的實施例。
本發明的帶交叉槽傳熱管是斷面為圓形的金屬管，在管的整個內面形成多個螺旋狀槽1，這些螺旋狀槽1彼此平行，并相對于管縱軸成一定的螺旋角度α。如圖3所示，螺旋狀槽1的斷面形狀是倒梯形。另外，上述帶交叉槽傳熱管還備有多個副槽2，這些副槽2彼此平行，并以一定的角度β與螺旋狀槽1交叉。如圖4所示，副槽的斷面形狀基本上是直角三角形，具有比螺旋狀槽的螺旋角度大的螺旋角度。由螺旋狀槽1和副槽2在管內面形成多個梯形的微細突起部3。
傳熱管的材質是銅及銅合金、鋁及鋁合金等通常的材質。可根據用途適當選擇制作管所用的金屬板材的寬度及厚度。
如圖5所示，是先成形副槽2后，再成形螺旋狀槽1，螺旋狀槽1的斷面形狀與一般的帶交叉槽傳熱管同樣，是三角形或梯形，螺旋狀槽1相對于管縱軸的螺旋角度α、即相對于制冷劑流體流動方向的角度是10°～40°，最好為18°～25°。如果螺旋狀槽的傾斜角α小于10°，則不容易得到螺旋狀槽的紊流效果，對制冷劑流體的紊流效果降低，傳熱性能差。反之，如果螺旋角度α大于40°，則螺旋狀槽對流體的阻力急增，壓力損失增大。
螺旋狀槽間的間距P最好為0.2～0.7mm。如果槽的間距P過大，則螺旋狀槽的形成密度小，提高制冷劑流體流動性及傳熱性能的效果減低。反之，如果槽的間距過小，則槽的形成困難。因此，內徑為1cm左右的一般傳熱管，該間距最好在0.2至0.7mm的范圍內。
螺旋狀槽1的深度Hf相對于管內徑Di之比Hf/Di，最好在0.02至0.05的范圍內。當螺旋狀槽的深度與管內徑之比為0.02以下時，沒有螺旋狀槽的效果，得不到螺旋狀槽產生的表面張力及紊流效果。反之，當Hf/Di為0.05以上時，螺旋狀槽對流體的阻力增大，流動性降低。
本發明中，可防止連續螺旋狀槽導致的制冷劑流體廣泛擴散，同時為了更加提高螺旋狀槽的使制冷劑流體紊流及攪拌效果，還形成多個與螺旋狀槽1交叉的、彼此平行的副槽2。如圖2所示，螺旋狀槽1與副槽2的交叉角β，以在75°～105°的范圍內為宜，最好互成直角。
副槽2相對于管軸方向、即相對于制冷劑流體的流動方向，其下流側背面2″的傾斜角γ2比螺旋狀槽1的上流側前面2′的傾斜角γ1小。如圖4所示，上流側前面2′的傾斜角γ1與制冷劑流體的流動方向約成直角，最好在90°～105°的范圍內，下流側背面2″的傾斜角γ2最好在30°～60°的范圍內。
由于上述構造，對于制冷劑流體，傾斜角很大的上流側前面2′產生比現有技術顯著大的紊流及攪拌作用。由于下流側背面2″的傾斜角緩，所以，如后所述地，制冷劑流體越過突起部3流動時，沿著下流側背面2″緩緩地移動，這樣，在下流側背面2″不產生渦流。因此，根據本發明，能使現有帶交叉槽傳熱管的存在問題、即壓力損失減小到最小程度。
如圖4所示，突起部3的上面寬度A相對于副槽2的上開口部寬度B之比A/B，最好在0.2至1.0的范圍內。如果A/B小于0.2、即突起部3的上面寬度A過小，則在副槽2形成后加工螺旋狀槽時，突起部3的前面2′朝上流側傾。從而不容易把副槽的傾斜角加工成所需的角度。反之，如果A/B大于1.0、即突起部的上面寬度A過大，則液膜擴散到突起部上面，冷凝性能降低。
螺旋狀槽的深度Hf與副槽的深度最好相同。如果副槽比螺旋狀槽深，則對螺旋狀槽的紊流效果及槽內部的表面張力產生的流動性有不良影響。因此，副槽的深度應不大于螺旋狀槽的深度H/Hf≤1.0。如果副槽的深度過分小于螺旋狀槽的深度，則與一般的帶螺旋狀槽管相比，傳熱性能沒有大的差異。因此，至少應為螺旋狀槽深度的1/2以上H/Hf≥0.5。
下面，參照圖5說明本發明帶交叉槽傳熱管的制造方法。本發明帶交叉槽傳熱管的制造方法與一般的電焊接式傳熱管制造方法沒有特別的不同。(見日本公開特許公報第94-234014號)。但是，本發明方法的特征是，即先成形副槽后，再成形螺旋狀槽。而一般的帶交叉槽傳熱管的制造方法，是先成形螺旋狀槽后，再成形副槽，這樣，加工副槽時，在螺旋狀槽內側形成突出部，對制冷劑流體的流動性有不良影響。而本發明的方法則可有效地防止該不良影響。
本發明的制造方法是，先把具有所需寬度的金屬板材5通過輥6，以一定的間距形成副槽2，再通過輥7，以一定的間距形成螺旋狀槽1。在各輥6、7處，以預定的角度，形成與各槽的形狀對應的突起部。如前所述，副槽是約直角三角形，所以，在螺旋狀槽的成形時，從壓入部的金屬流動幾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，也不會降低螺旋狀槽的提高流動性效果。另外，在副槽上突出的尖銳突出部，有效地阻止冷卻流體的擴散，提高冷凝性能。
在金屬板材上成形了副槽和螺旋狀槽后，使形成有槽的面朝著內面地，將該板材通過一級或多級成形輥8，成形成為預定直徑的管狀。然后，用感應線圈9進行高頻焊接，把金屬板材的兩邊焊接而形成管。最后，根據需要，把已焊接成形的管通過定形輥10，將管外周面形狀形成為正圓形。將制作成的帶交叉槽管卷成螺旋形或切斷成預定長度，便最后完成了管的制作。
如上述構造的本發明的帶交叉槽傳熱管，由于形成了與螺旋狀槽成預定角度的副槽，所以，可以克服現有技術中的連續螺旋狀槽的缺點、即流體沿著螺旋狀槽廣泛擴散到傳熱管內面的大部分，金屬表面與制冷劑流體不直接接觸而降低冷凝效率。另外，如前所述，副槽的形狀是，任一個側壁相對于縱軸幾乎是直角，另一個側壁以一定的角度傾斜。因此，制冷劑流體沿著傾斜壁平滑地流動，抑制突起部下流側背面處產生渦流，可防止因渦流引起的流動阻力增加及傳熱性能惡化。由于垂直壁對流體的紊流及攪拌作用最大，所以，能提高傳熱性能。另外，由于在副槽與副槽之間的突起部的下部寬度大，所以，在傳熱管的使用時，即使進行擴管作業，槽或突起部破損的可能性小。
由于先加工副槽，后加工螺旋狀槽，所以，能防止在螺旋狀槽的內側形成突出部，從而有效地防止對制冷劑流體的流動性的不良影響。另外，在副槽上突出的尖銳突出部能有效地阻止流體的擴散，可提高蒸發性能。
為了確認本發明帶交叉槽傳熱管的效果，做了一個實驗，圖6至圖8即表示該實驗結果的曲線圖，是銅制的內徑為9.52mm的本發明帶交叉槽傳熱管的蒸發/冷凝性能及壓力損失值與同一內徑的現有技術中的無槽傳熱管(光滑管)、帶螺旋狀槽傳熱管及帶交叉槽傳熱管的比較曲線圖。實驗所用的本發明帶交叉槽傳熱管的螺旋狀槽的螺旋角度α是18°，副槽相對于螺旋狀槽的交叉角β是90°，螺旋狀槽的間距P是0.24mm，螺旋狀槽的深度相對于管內徑之比Hf/Di為0.025，副槽的深度相對螺旋狀槽深度之比H/Hf為0.8，副槽的垂直壁傾斜角γ1是90°，傾斜壁的傾斜角γ2是30°，突起部3的上面寬度A相對于副槽的上開口部寬度B之比A/B為0.5。用上述傳熱管制作雙重管型的熱交換器，使制冷劑R22流入管內部，測定各種性能。
從圖6和圖7的傳熱性能實驗結果可知，使用本發明的帶交叉槽傳熱管時，傳熱性能與現有的帶交叉槽傳熱管幾乎相同，是光滑管的約3倍，是螺旋狀槽管的約1.5倍以上，特別是冷凝性能比現有的帶交叉槽傳熱管顯著提高。
從圖8的管內部壓力損失實驗結果可知，雖然傳熱性能提高，但管內部壓力損失與現有的帶螺旋狀槽傳熱管類似，比現有的帶交叉槽傳熱管顯著減少。
從上述可知，本發明的帶交叉槽傳熱管及其制造方法，能不增加管內部的壓力損失，大幅度地提高蒸發性能及冷凝性能等的傳熱性能。因此，可提高冷凝器、蒸發器及加熱管等的熱交換器的性能，不僅節約能量，而且能使熱交換器小型化、輕量化及降低制造成本。
權利要求
1.一種帶交叉槽的傳熱管，在圓形斷面的金屬管整個內周面，形成多個彼此平行且相對管縱軸具有一定螺旋角度的螺旋狀槽，還形成以一定的角度與螺旋狀槽交叉的副槽，其特征在于，上述螺旋狀槽相對于縱軸的螺旋角度(α)為10°～40°，副槽相對于螺旋狀槽的交叉角(β)為75°～105°；上述副槽具有基本上垂直于管縱軸的垂直壁和相對于管縱軸以一定角度傾斜的傾斜壁；上述突起部上面寬度(A)相對于副槽的上開口部寬度(B)之比(A/B)為0.2至1.0。
2.如權利要求1所述的帶交叉槽傳熱管，其特征在于，上述垂直壁傾斜角(γ1)和傾斜壁的傾斜角(γ2)相對于管縱軸分別為90°～105°及30°～60°。
3.如權利要求1所述的帶交叉槽傳熱管，其特征在于，上述副槽的深度(H)相對于螺旋狀槽的深度(Hf)之比(H/Hf)為0.5～1.0。
4.如權利要求1所述的帶交叉槽傳熱管，其特征在于，上述螺旋狀槽相對于管縱軸的螺旋角度為18°～25°，上述副槽相對于螺旋狀槽的交叉角是90°。
5.帶交叉槽傳熱管的制造方法，在圓形斷面金屬管的整個內周面，形成平行的三角形或倒梯形螺旋狀槽，該螺旋狀槽相對于管的縱方向具有一定的螺旋角，還形成以預定的角度與螺旋狀槽交叉的副槽，該副槽具有比上述預定螺旋角度大的角度，其特征在于有以下步驟在預定寬度的金屬板材上成形副槽的步驟；在已成形了副槽的金屬板材上成形螺旋狀槽的步驟；以成形有槽的表面朝著內側的狀態，將已成形了副槽和螺旋狀槽的金屬板材成形為預定直徑的管狀；將成形為管狀的金屬板材的兩側焊接而最終制成管。
6.如權利要求5所述的帶交叉槽傳熱管制造方法，其特征在于，螺旋狀槽相對于管縱軸的螺旋角度(α)為10°～40°，最好為18°～25°，副槽相對于螺旋狀槽的交叉角(β)為75°～105°，最好為90°。
7.如權利要求5所述的帶交叉槽傳熱管制造方法，其特征在于，上述副槽具有基本上垂直于管縱軸的垂直壁和相對于管縱軸以一定角度傾斜的傾斜壁；上述垂直壁傾斜角(γ1)和傾斜壁的傾斜角(γ2)相對于管縱軸分別為90°～105°及30°～60°。
全文摘要
本發明涉及用于制冷、空調的內面形成有槽的傳熱管及其制造方法。本發明傳熱管的螺旋狀槽的螺旋角度α為10°～40°,副槽相對于螺旋狀槽的交叉角度β為75°～105°,副槽的深度相對螺旋狀槽深度之比(H/Hf)為0.5～1.0,副槽的垂直壁傾斜角γ
文檔編號F28F1/40GK1180160SQ9711687
公開日1998年4月29日 申請日期1997年9月3日 優先權日1996年9月13日
發明者金炳坤, 郭吉淳 申請人:株式會社豐山