用于熱交換器的管道結構的制作方法
【專利說明】用于熱交換器的管道結構技術背景
[0001]本文所公開的主題涉及熱交換器。更具體來說，本發明涉及用于熱交換器的改進的管道結構。
[0002]—種經簡化的典型蒸汽壓縮制冷循環包括蒸發器、壓縮機、冷凝器以及膨脹裝置。制冷劑流就是穿過吸入管線到壓縮機的低壓制冷劑蒸汽。壓縮的制冷劑蒸汽栗送到連接至冷凝器的排放管線。液體管線接收從冷凝器離開的液態制冷劑，并將其引導至膨脹裝置。將兩相制冷劑返回至蒸發器，由此完成循環。
[0003]蒸汽壓縮循環中的主要部件中的兩個是蒸發器和冷凝器熱交換器。最常使用的熱交換器類型是圓管板翅(RTPF)構造類型。過去，在這種熱交換器中，管道由銅制成，而翅片則通常由鋁制成。熱交換器的熱性能(即，將熱量從一個介質傳遞至另一介質的能力)與其熱阻總和成反比例。對于使用管道內制冷劑和在外部翅片側上的空氣的典型暖通空調以及制冷(HVAC&R)應用，空氣側熱阻占50%至70%，，而制冷劑側熱阻為20%至40%，并且金屬電阻相對小且僅占6%至10%。由于對將HVAC&R裝置制造成更緊湊且更具有成本效益的持續市場壓力和規章要求，已付出了大量努力來致力于改進制冷劑側以及空氣側的熱交換器性能。
[0004]RTPF熱交換器中使用的內部增強圓管允許通過改進制冷劑側傳熱來使熱交換器的熱性能顯著增強。這些管道通常通過擠出或拉制工藝來制造，并且機械地膨脹到翅片組中，以確保管道與翅片之間良好的金屬間接觸。對于Cu合金而言，內部開槽(IG)管道技術是成熟的，從而允許通過拉制工藝來制造出螺旋形增強部輪廓，并且允許在不顯著損壞管道內增強部的情況下膨脹。近年，HVAC&R工業開始從Cu向Al轉移，這主要是出于成本原因。Al合金具有固有地不同的機械特性，并且通常通過擠出制造工藝而生產的Al IG管道具有軸向的增強部，所述軸向的增強部不如螺旋配置那樣先進，促使管道的整個內周邊被液態制冷劑以及處于制冷劑質量流量的擴展范圍下的更有效的環形制冷劑流弄濕。因此，用于Al管道的內增強部要求更高的次級至初級傳熱表面比率以及更緊湊的內部增強帶翅片的表面，所述帶翅片的表面連同更軟Al材料一起對膨脹工藝形成重大挑戰。
[0005]發明概述
[0006]在一個實施例中，一種熱交換器包括:多個翅片；以及供流體從中穿過的多根管道，所述多根管道延伸穿過所述多個翅片并且徑向膨脹成與所述多個翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外徑、內徑以及多個凸脊，所述多個凸脊從所述內徑向內延伸到所述管道的內部中。管道內表面積增強比率乘以所述管道外徑與管壁厚度的比率等于或大于約30.0。
[0007]在另一實施例中，一種熱交換器包括:多個翅片；以及供流體從中穿過的多根管道，所述多根管道延伸穿過所述多個翅片并且徑向膨脹成與所述多個翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外徑、內徑以及多個凸脊，所述多個凸脊從所述內徑向內延伸到所述管道的內部中。限定于管道內表面增強部之間的單位長度的內部自由容積除以所述管道外徑的平方值等于或大于0.040。
[0008]在又一實施例中，一種熱交換器包括:多個翅片；以及供流體從中穿過的多根管道，所述多根管道延伸穿過所述多個翅片并且徑向膨脹成與所述多個翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外徑、內徑以及多個凸脊，所述多個凸脊從所述內徑向內延伸到所述管道的內部中。所述管道外徑與所述管道內徑的比率小于或等于約1.185。
[0009]在另一實施例中，一種熱交換器包括:多個翅片；以及供流體從中穿過的多根管道，所述多根管道延伸穿過所述多個翅片并且徑向膨脹成與所述多個翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外徑、內徑以及多個凸脊，所述多個凸脊從所述內徑向內延伸到所述管道的內部中。每個凸脊頂部寬度與所述管道內徑的比率乘以所述多個凸脊中的凸脊數量等于或大于約1.60。
[0010]在又一實施例中，一種熱交換器包括:多個翅片；以及供流體從中穿過的多根管道，所述多根管道延伸穿過所述多個翅片并且徑向膨脹成與所述多個翅片形成干涉配合。所述多根管道中的至少一根管道包括外徑、內徑以及多個凸脊，所述多個凸脊從所述內徑向內延伸到所述管道的內部中。凸脊橫截面積與內徑的平方值的比率等于或大于約
0.0014，并且凸脊高度與內徑的比率等于或大于約0.045。
[0011]結合附圖，將從以下描述更為清楚這些和其它優點及特征。
[0012]附圖簡述
[0013]在本說明書結論處的權利要求書中具體指出并明確要求保護被視為是本發明的主題。結合附圖，將從以下詳細描述清楚本發明的前述和其它特征及優點，在附圖中:
[0014]圖1是熱交換器的實施例的示意圖；
[0015]圖2是熱交換器管道的實施例的局部橫截面圖；
[0016]圖3是熱交換器管道的實施例的透視圖；以及
[0017]圖4是熱交換器管道的另一實施例的局部橫截面圖。
[0018]【具體實施方式】參考附圖通過實例來解釋本發明的實施例及優點和特征。
【具體實施方式】
[0019]圖1中示出了圓管板翅(RTPF)熱交換器10的實施例，諸如用作為蒸發器或冷凝器的那種。RTPF熱交換器10包括多根管道12以及多個翅片14。所述多根管道12運送流體，例如制冷劑。熱能在流體與穿過多個翅片14的空氣之間進行交換。在一些實施例中，管道12可以由鋁或鋁合金通過例如擠出或拉制工藝來形成，而其它實施例中，管道12可由其它材料(例如銅、Cu-N1、鋼或塑料)形成。在制造熱交換器10時，管道12插入到翅片14中的開口 16中，并且通過例如被插入到管道12內部的一個或多個插塞(bullet)進行機械膨脹。管道12的膨脹確保管道12對翅片14的充分接觸用于傳熱目的，并且還將管道12相對于翅片14固定于熱交換器10中的預先確定位置。
[0020]圖2示出熱交換器10的管道12的局部橫截面圖。管道12包括延伸到管道12的內部20中的多個增強部或凸脊18。如圖3所示，管道12具有外徑22和內徑24，其中凸脊18 (也稱為管道內翅片或增強部)從內徑24向內延伸到管道12的內部20中。凸脊18沿管道12的長度26延伸。在一些實施例中，凸脊18大致軸向延伸，而其它實施例中，凸脊18以相對于管道軸線28的螺旋角度30沿管道12成螺旋地延伸。另外，凸脊18具有在凸脊18的基部38處的基部寬度32、在尖端40或者說是凸脊18的最徑向向內的部分處的頂部寬度34、以及在相鄰凸脊18的基部間隔于相鄰凸脊18之間的溝槽寬度36。另外，每個凸脊18從基部38向尖端40延伸，從而限定凸脊高度42，并且每個凸脊18的側部44可匯聚成凸脊角度46，即所謂的凸脊18頂角。參考圖4，應當了解，在一些實施例中，每個凸脊18包括介于尖端40與側部44之間的頂部圓角52。在這些實施例中，頂部寬度34在本文中限定為沿尖端40到尖端40與側部44之間的理論相交部分的距離。類似地，在一些實施例中，基部圓角54可以將側部44與溝槽56連接起來。基部寬度32和溝槽寬度36是使用側部44與溝槽56之間的理論交點類似地限定的。應當了解，雖然本文中描述了具有內徑和外徑的圓管，但也可將本發明應用于具有非圓橫截面的管道12。
[0021]本文所描述的管道12和凸脊18的具體特征都與管道12的膨脹后狀態、或管道12和凸脊18在管道12已膨脹而將管道12固定至翅片14之后的尺寸和特征有關。
[0022]膨脹的管道12的實施例具有內表面積或單位長度的內表面積，其限定為:
[0023](I) A = N* [2h/cos ( a/2)+a+c]
[0024]其中A =單位長度的表面積
[0025]N =管道中的凸脊數量
[0026]h=凸脊高度42
[0027]α =凸脊角度46
[0028]a =凸脊頂部寬度34以及
[0029]C=溝槽寬度36。
[0030]未增強的管道12具有單位長度內表面積A。當A除以ID時，其結果即表面增強比率ζ。在管道12設計的實施例中，ζ與管道壁厚48與外徑22的比率有關，其表達為:
[0031](2) ζ 彡 30.0*(Tw/0D)
[0032]其中Tw =壁厚48以及
[0033]OD=外徑 22。
[0034]在膨脹后狀態下滿足這個要求的管道12實現管道12對翅片14的充分干涉，以實現熱性能并將管道12固定至翅片14上，同時確保由于管道12的內表面(諸如溝槽36和凸脊18結構)形變而造成的熱性能退化最小。
[0035]帶凸脊的區域或介于凸脊18之間的單獨區域內的液體層分布和容納與這個區域的大小直接有關，并對管道12內的單相或兩相制冷劑流的傳熱系數或熱阻有直接影響。管道12的單位長度的內部自由容積S或者說是限定于凸脊18之間的內部20的部分可表達為:
[0036](3) S = N*h2* (c/h+tan ( α /2))
[0037]針對軸向