CN1062951C - 小尺寸的传热管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种小尺寸传热管由3至6mm外径的金属管制成，金属管的内表面上沿螺旋形方向或管轴方向连续制有槽，每个槽的槽深H为0.15(H＜0.25mm，槽底宽W₁为0.10≤W₁，0.20mm管的底壁厚及其外径之比t/D为0.025≤t/D0.075。制造这种小尺寸传热管的方法有下述步骤，把一个开槽的芯杆插入外径为4.5mm或更大外径的金属管中，对管外表面进行旋转或轴延，同时让管沿管轴移动，由此在管内表面上制成螺旋方向或管轴方向的槽，每个槽的脊底宽与底壁厚之比W₂/t为0.2至1.5，槽深H为0.15至0.30mm，槽底宽W₁为0.15至0.50mm，然后再对管至少进行一次无芯杆的压延，以获得要求的小尺寸传热管。

Description

小尺寸的传热管及其制造方法

本发明涉及的是用于冰箱、空调器或类似装置中的热交换器的小尺寸传热管以及这种传热管的制造方法。

目前，迫切需要一种既省能量又不占空间的热泵式空调器。根据这种需要，就要求制造一种高效紧凑的热交换器作为主要部件。

在热泵式空调器中，最常使用的是叉型翅片式热交换器。这种叉型翅片式热交换器的制造方式如下：把传热管插入其表面开有可与空气进行热交换的百叶窗或类似设备的铝翅片中，这种铝翅片中还有通孔，使传热管可以插入。再把膨胀芯杆插入传热管中使管子扩大，从而让传热管的外表面与铝翅片相接触。把这种结构组装到热交换器的主件中后就完成了制造方法。当使用叉型翅片式热交换器时，氟里昂之类的制冷剂就进入传热管中。

光滑的管子用作传统的热交换器，然而近来研究了内部开槽的管子。这种管子的内表面上开有大量的致密螺旋槽。用了这种管子，则可改善内部传热性能，因而可以改善热交换器的性能。所以，目前已广泛地使用了外径为9.53mm和7.00mm的内部开槽管子。

近来又迫切需要更紧凑的热交换器，为满足这些需要，研制出了用外径为4mm左右的传热管制作的紧凑热交换器。在这种情况下，本发明者揭示了一种小尺寸的传热管，它公开在尚未审查的日本专利申请文件No.62-98200中。

但是，简单地使用小尺寸传热管可使内部压降增加，且无助于提高热交换器的性能。为了更有效地使用小尺寸管子，就必须研制出一种具有最佳槽形的高性能的小传热管。

另外，当传热管膨胀并被组装在热交换器中时，传热管内表面上所形成的脊部就会变形。如果壁厚是恒定的，则随管径的减少管内表面上的脊部的变形也就更厉害，这样就造成槽的变形。通常已知，槽深对传热管的传热性能影响很大。所以，为了改善热交换器的效率，必须使由槽的变形而使热传导性能受到的影响降到最小。

在制造这种内部开槽的小尺寸管子时，如果用类似于传统制造方法的方法生产非常细的管子，则管子就会在开槽过程中破裂。

但是，如果开槽方法用于制造外径很大的管子而且该管子在大的直径减小率下插入小尺寸管子时，如图1所示就会在传热管1的外表面上形成细的凹陷2，或在传热管的外表面上常常出现金属面的伤痕。所以，用这种方法不适于制造这种管子。

本发明的目的就是要提供一种内部开槽的小尺寸的管子。该管子的内部传热性能极高，并可使管子组装在热交换器中受到膨胀时槽的变形为最小。

用外径为3至6mm的金属管制成的小传热管来完成本发明目的，该金属管的内表面沿螺旋形方向或沿管轴方向连续开槽，每个槽的槽深H限定为0.15＜H＜0.25mm，槽底宽度W₁限定为0.10≤W₁≤0.20mm，金属管的底壁厚相对于金属管外径之比t/D为0.025≤t/D≤0.075。

本发明的另一个目的是提供一种有效地获得内部开槽管子、特别是获得小尺寸传热管的制造方法，这种管子具有好的传热性能，并在直径减小的过程中它的金属面不会出现变形和伤痕。

该目的可以由制造小尺寸传热管的方法来完成，该方法的步骤是：先在外径不小于4.5mm的金属管中插入开槽的芯杆，然后对金属管的外表面作旋转或压延，同时使金属管沿管轴方向移动，这样就会在金属管的内表面上沿螺旋形或沿管轴方向连续形成槽，每个槽的脊底宽和底壁厚之比W₂/t限定为0.2至1.5，槽深H限定为0.15至0.30mm，槽底宽W₁限定为0.15至0.50mm，再对金属管去掉芯杆后至少进行一次压延，使直径减小，该直径减小率为20至40％，这样就可获得小尺寸传热管，该管的槽深H限定为0.15＜H＜0.25mm，槽底宽W₁限定为0.10≤W₁≤0.20mm，金属管底壁厚相对于金属管外径的比t/D限定为0.025≤t/D≤0.075。

本发明的其他目的和优点将由下面的描述中发现，从该描述中有部分目的和优点是很显然的，或通过实施本发明可以看到这些目的和优点。本发明的目的和优点还可以由从属权利要求专门指出的方法和组合得以实现和完成。

下面结合构成主要特征的附图描述本发明的较佳实施例。这些附图与上面的基本描述和下面给出的较佳实施例的详细描述一起用来解释本发明的原理。

图1和图2分别为说明传统制造方法制得的传热管的主要部份的剖视图：

图3A和图3B为解释本发明在制造小尺寸传热管方法时所用的旋转件的视图；

图4为用本发明制造方法制得的传热管主要部份的剖视图；

图5为曲线图，它表示金属表面上的伤痕数与本发明实施例的小尺寸传热管脊底宽相对于底壁厚之比之间的关系：

图6为曲线图，它表示直径减小率与直径减小过程前后的槽底宽和脊底宽的宽度减小比之间的关系。

图7为曲线图，它表示直径减小率与直径减小过程前后的槽深减小率之比之间的关系：

图8为曲线图，它表示直径减小率与直径减小过程前后的壁厚增加之比之间的关系；

图9为曲线图，它表示制冷剂流速与蒸发过程中内部压降之间的关系：

图10为曲线图，它表示制冷剂的流速与冷凝过程中内部压降之间的关系：

图11为曲线图，它表示槽底宽W₁和蒸发过程中内部传热系数之间的关系：

图12为曲线图，它表示槽底宽W₁和冷凝过程中内部传热系数之间的关系：

图13为曲线图，它表示槽深和内部传热系数之间的关系；

图14为曲线图，它表示槽变形量与底壁厚和管外径之比之间的关系：和

图15为曲线图，它表示槽变形量和蒸发过程中内部传热系数之间的关系。

基于下述理由，本发明的小尺寸传热管的外径D选为3至6mm。如果外径D小于3mm，就难以形成具有预定形状的槽。与此相反，外径D超过6mm就无助于减小热交换器的尺寸。

另外，槽深H选为0.15＜H＜0.25mm，槽底宽W₁为0.10至0.20mm可使传热性能最佳，同时还能保证它与普通内部开槽管具有相同的可加工性和成本。

此外，底壁厚t相对于管外径D来讲，应满足0.025≤t/D≤0.075，以便使由槽变形引起的传热性能降低减到最小。应注意的是，脊的顶角最好取20°＜α＜50°。

在本发明的制造方法中，基于下述理由应使脊底宽与底壁厚的比W₂/t限定到0.2至1.5。如果比值W₂/t小于0.2，因为脊底宽相对于普通加工过程中设定的底壁厚来讲太小了，所以就不能进行开槽工序。如果比值W₂/t超过1.5，则底壁厚与脊底宽相比就大为减小，这样在开槽工序以后，以直径减小速率为20至40％进行直径减小的工序中在管的外表面就会出现凹陷，或者常常会引起金属面的划伤或发生类似情况。

通常，在将圆截面管的直径减小的过程中，作用在圆周方向上的力是衡定的。在加工内部开槽管时，由于脊和槽的壁厚不同，单位面积上的圆周力也就会改变。据此，直径减小工序中壁厚的增加比也就稍许发生变化。如果所加工的管子的槽形是脊底宽与底壁厚相比较较大时，对应于脊4的外表面部份就会出现凹陷2，或者金属表面上的伤痕3就会延伸到管壁内，这正如图1和2所示。开槽工序以后直径的减小率限定在40％或更低，以便使出现的伤痕的量抑制在不会对加工出现任何问题的水平上。然而，直径减小率小于20％会使小尺寸管的直径减小工序中的有利特性削弱，该小尺寸管在单位时间中的加工重量较小，即在形成槽以后由于减少小尺寸管子的直径而增加加工重量的特性。

按照本发明制造小尺寸管的方法中，金属管的外径基于下述理由限定为4.5mm或更高。如果外径小于4.5mm，则开槽过程所需要的牵引力超过管子的断裂负荷，这样就会阻止开槽工作。

考虑到在把直径减小20至40％的工序中的减小比为1.05至1.2，金属管内表面上制成的每个槽的槽深限定为0.15至0.30mm，以使成品后的槽深为0.15＜H＜0.25mm。另外，金属管内表面上制成的每个槽的槽底宽考虑到直径减小率为20至40％的直径减小过程中的减小比为0.7至0.4，所以把它限定为0.15至0.50mm，以使成品后的槽宽为0.10≤W₁≤0.20mm。

下面对本发明的实施例进行描述。

图3A和3B分别表示用于制造本发明小尺寸传热管的旋转件。参照图3A，把一个可移动的芯杆31插入金属管30中，一个可移动的模具32设置成能对金属管进行压延。另外，把一个开槽的芯杆33由可动芯杆31保持在金属管30中的预定位置。开槽芯杆33的外部装有旋转轮34。图3B所示旋转件装置除了旋转轮34处所用的是旋转球35以外其余的均与图3A所示的旋转件装置相同。参照图3A，β表示导角。

使用该旋转件，就可对含磷脱氧铜管作旋转工序。因而，就可制得如图4所示的断面的各种内部开槽的管子，其长度约为1000m。每根管的槽深为0.1至0.3mm，底壁厚为0.2至0.35mm，脊底宽与底壁厚之间的比值W₂/t为0.2至2.0。参照图4，标号W₁表示槽底宽，α表示脊的顶角。其次，对各根要制成小传热管的管子进行减少率为38％的直径减少工艺，该管的外径为4mm，槽深为0.09至0.25mm。

对每根小尺寸传热管外表面上的伤痕数进行检查。图5示出了检查结果。应注意的是，当比值W₂/t小于0.2时，不要进行开槽。如图5所示，当比值W₂/t大于1.5时，伤痕数迅速增加。因此，就要求脊底宽与底壁厚之间的比值W₂/t为0.2至1.5。

此外，用外径为4.5至7.5mm的开槽芯杆对外径为5.5至9.53mm的管子进行旋转工艺就可制造各种尺寸的内部开槽的管子。对每根开了槽的管子去掉芯杆后至少进行一次压延，从而完成直径减少率为20至40％的直径减小工序，这样就制得外径为3至6mm的小尺寸传热管。图6至图8分别表示直径减小比与直径减小工艺前后的槽底宽和脊底宽的宽度减小比(直径减小工艺以前的宽度与直径减小以后的宽度之比)之间的关系、直径减小率和直径减小工艺前后槽深的减小比(直径减小工艺以前的槽深与直径减小以后的槽深之比)之间的关系、和直径减小率与直径减小工艺前后壁厚的增加比(直径减小工艺以前的壁厚与直径减小工艺以后的壁厚之比)之间的关系。

参照图6，槽底宽度和脊底宽的减小比值随着直径减小率的升高而降低。参见图7，槽深的减小比值随直径减小率的升高而升高。参见图8，壁厚的增加比值随直径减小率的升高而降低。从这些结果可以看出，为了获得需要的槽形，直径的减小率应设定在20至40％。

然后，使含磷的脱氧铜管进行旋转，于是制得各种尺寸的内部开槽的管子。每根管子的外径为6.5mm，槽深为0.1至0.22mm，底壁厚为0.22至0.29mm，槽底宽W₁为0.125至0.625mm。通过减径拔管工艺对每根内部开了槽的管子作了直径减小率为38％的直径减小工序以后，就可以制得外径为4mm、槽深为0.09至0.19mm、底壁厚为0.23至0.30mm、槽底宽为0.05至0.25mm的小尺寸传热管。表1描述了一些具有代表性的小尺寸传热管的尺寸。

              表    1No. 外径D 最小内径 槽数  导角   槽深    槽底宽

(mm)     (mm)       (°)β H(mm)  W₁(mm)1. 4.00    3.14   50     2    0.15   0.052. 4.00    3.16   50     8    0.15   0.063. 4.00    3.24   50     19   0.09   0.074. 4.00    3.16   40     8    0.15   0.125. 4.00    3.14   36     8    0.14   0.156. 4.00    3.16   36     8    0.19   0.157. 4.00    3.40   -      -     -       -

对每根小尺寸传热管的内部传热特性均作了估算。应当注意的是，每根管子的内部传热性能是用下列方法测量的。把每根小尺寸传热管组装在双管式热交换器中，使氟里昂R-22在传热管中流动，而使冷却水或冷凝水在管外流动。在下面的表2和表3所示的测量条件下，就测得了蒸发过程或冷凝过程中的内部传热系数和内部压降。

                表  2

入口处的制冷剂压力：   1.8MPa

入口处的制冷剂的过热：  35℃

出口处的制冷剂的过冷：   5℃

入口处的冷却温度：      25，30，35，40℃

制冷剂流速：            400Kg/m²s

水速：                  2.4m/s

试验管长度：            1m

制冷剂型号：            R-22

                表3

出口处的制冷剂压力：    0.39MPa

入口处的参数：          0.21

出口处的制冷剂过热：    5℃

入口处的冷却水温度；    10，15，20，25℃

制冷剂流速：            400Kg/m²s

水速：                  1.6m/s

试验管长度：            1m

制冷剂型号：            R-22

图9和图10分别表示在蒸发过程和冷凝过程中制冷剂流速与内部压降之间的关系。如图10所示，在冷凝过程中，由于槽的影响，本发明的小尺寸传热管中的内部压力降是光滑管中的内部压力降的1.8倍。但是，对于不同的槽形，例如不同的槽深不总存在不同的压力降。另外，如图9所示，在蒸发过程中，不同槽形的压力降只有很小的差异。即本发明的小尺寸传热管中的内部压力降为光滑管的内部压力降的1.4倍。

图11和图12分别表示蒸发过程和冷凝过程中槽底宽W₁和内部传热系数之间的关系。在这种情况下，制冷剂的流速设定为400Kg/m²s。如图11所示，如果槽深增加，就有近似值W₁=0.1-0.2mm。如果槽数增加而槽深不变，则传热管内表面的周长就增加，因而传热性能就可得到改善。然而，如果槽数过份增加，槽底宽度就迅速减小，这就难以在管中形成液体膜。结果，每个槽中总是充满液体，因而内部传热性能就降低。即具有选定的传热管的内表面的周长值和每个槽有约为0.1至0.2mm的液体膜。

图13为内部传热性能的最大值相对于图11和图12得到的每种槽深之间的关系。如图13所示，在冷凝过程中，内部传热系数基本上与槽深成正比地增大，反之，在蒸发过程中，内部传热系数在槽深H=0.15mm或更高处有急剧上升的倾向。此外，基于蒸发过程中的压力降是光滑管中的1.8倍，本发明的小尺寸传热管的内部传热性能至少为光滑管的二倍。所以，就要求设定的槽深H＞0.15mm。如果设定的槽深H＞0.15mm，为了改善内部传热性能，槽底宽应该为0.10≤W₁≤0.20mm，这就如图11和12所示。用这种设定值，在冷凝过程中就可获得比光滑管高近一倍的内部传热特性。而且，在蒸发过程中，内部传热性能可以比H≤0.15mm时的传热性能改善许多。

用上述相同的方法，就可制造出外径为4mm、槽数为36、槽深为0.22mm和槽底宽为0.15mm的小尺寸传热管，而其底壁厚可作不同的变化。此后，将每根小尺寸传热管作退火处理，再把一根外径比管的最小内径大0.6mm的膨胀芯杆沿管轴方向插入管中，从而使管子胀大。图14示出了槽的变形量△h(管子胀开前后各槽深之间的差)和底壁厚与外径之比之间的关系。如图14所示，槽的变形量随底壁厚度的增加而增加。当t/D≤0.025时，底壁厚减少过多，所以开槽时管子发生破裂。

然后，用与上述相同的方法，对管子膨胀以后测量每一根小尺寸传热管的内部传热性能。因此，图15示出了蒸发过程中内部传热系数与槽变形量△h之间的关系。此外，图15还示出了具有与根据图11和图12所得到的管子膨胀以后的槽深相同的槽深的小尺寸传热管的最大内部传热性能，如图15所示，当△h＜0.04时，膨胀过程之后，内部传热性能随槽深的减少而变坏。当△h＞0.04时随着槽深减少，每个脊的变形很大，其横截面基本呈梯形状，此时内部传热性能的减弱强于由槽深减少引起的传热性能的减弱，即这种槽交了形的管子的内部传热性能远小于有槽管子的性能，该管的每个槽的槽深相同，而且槽形也合适。

因此，如图14所示，当槽变形量△h=0.04、t/D=0.075时，底壁厚与管外径的比值t/D就应为0.025≤t/D≤0.075。

根据本发明的小尺寸传热管，可以使内部传热系数大大提高。另外，当管子胀开与肋片紧紧接触时，就可以把由于槽变形引起的性能变差减到最小。这就可以制造紧凑热交换器，这种热交换器比常规热交换器小得多，而且效率更高。此外，根据本发明的制造方法，就可以造出高传热性能的传热管，特别是可以造出小的传热管，而且还可避免在金属面上出现凹陷和伤痕。

本领域的技术人员还可以很容易地想到其他优点和改进。所以，本发明在很大范围内并不局限于本文所述的特例、有代表性的设备和描述的实施例。因而，它可以进行各种改进，但并不超出从属权利要求及其等同物所限定的本发明一般概念的精神或范围。

Claims (5)

1．一种小尺寸的传热管，它包括具有外径为3至6mm的金属管，在所述金属管的内表面上沿螺旋形方向或沿管轴方向连续开有槽，其特征在于，

所述的每个槽的槽深H限定为0.15＜H＜0.25mm，槽底宽W₁，限定为0.10≤W₁≤0.20mm，其中所述金属管的底壁厚与所述金属管的外径之比t/D为0.025≤t／D≤0.075。

2．根据权利要求1所述的小尺寸传热管，其特征在于各个槽路之间的脊的横断面的顶角为20至50度。

3．根据权利要求1所述的小尺寸传热管，其特征在于所述小尺寸管的所述槽相对于管轴的导角小于20度。

4．根据权利要求1所述的小尺寸传热管，其特征在于所述的小尺寸管由铜制成。

5．一种制造小尺寸传热管的方法，其步骤包括：先把带槽芯杆插入外径不小于4.5mm的金属管中-所述带槽芯杆具有基本上与所述金属管的内径相同的外径-再对所述金属管的外表面进行旋转或压延，同时使所述金属管沿管轴方向移动，由此在所述金属管的内表面上沿螺旋方向或沿管轴方向连续制成槽，所述每个槽的脊底宽与底壁厚之比W₂/t限定为0.2至1.5，槽深H限定为0.15至0.30mm，槽底宽W₁限定为0.15至0.50mm，然后对所述金属管至少进行一次无芯杆的压延，使其承受直径减小率为20至40％的直径减小工序，这样就可获得槽深H为0.15＜H＜0.25mm、槽底宽W₁为0.10≤W₁≤0.20mm、所述金属管的底壁厚与所述金属管的外径之比t/D为0.025≤t/D≤0.075的小尺寸传热管。

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