專利名稱：傳熱管以及用于制造該傳熱管的方法及工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在管的內(nèi)表面上具有凸起的傳熱管，和在管的內(nèi)表面上形成凸起的方法及工具。
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種具有增強(qiáng)的內(nèi)表面的傳熱管，以促進(jìn)從一側(cè)向管子另一側(cè)的熱傳遞。傳熱管通常用于某些設(shè)備中，如在冷凍、化學(xué)、石油化工和食品加工工業(yè)中使用的滿液式蒸發(fā)器、降膜式蒸發(fā)器、噴霧式蒸發(fā)器、吸收式冷凍器、冷凝器、直接膨脹式冷卻器和單相冷卻器以及加熱器。在這些應(yīng)用中使用多種傳熱介質(zhì)，其包括但不限定于，純水、水乙二醇混合物、任何類型的冷凍劑(例如R-22、R-134a、R-123等)、氨、石化液體和其他混合物。
理想的傳熱管允許熱量完全不受抑制地從管的內(nèi)部傳遞到管的外部，反之亦然。然而，熱量的這種通過管的自由傳遞一般受到傳熱熱阻的阻礙。管對(duì)傳熱的總熱阻是通過將從管的外部到管的內(nèi)部的各個(gè)熱阻相加來計(jì)算的，或者反之亦然。為提高管的熱交換效率，管制造商一直在努力尋找減小管的總熱阻的方法。一種方法是增強(qiáng)管的外表面，例如通過在外表面形成翅片。作為增強(qiáng)外部管表面的新研究的結(jié)果(見例如專利號(hào)為5697430和5996686的美國(guó)專利)，全部管熱阻只有一小部分屬于管的外部。例如，在滿液式冷凍器中使用的典型蒸發(fā)器，具有增強(qiáng)的外表面和光滑的內(nèi)表面，典型地具有10∶1的內(nèi)外熱阻比。理想地，希望得到1∶1的內(nèi)外熱阻比。因此改進(jìn)管的內(nèi)表面來大大減少管的內(nèi)熱阻并提高管的整體傳熱性能就變得更加重要。
在傳熱管的內(nèi)表面上設(shè)置相互交替的槽和脊是已知的。槽和脊一起增加在管內(nèi)流動(dòng)的流體傳熱介質(zhì)例如水的紊流度。所述紊流度增加靠近內(nèi)部管表面的流體混合，從而減少或?qū)嶋H上消除了流體介質(zhì)靠近管的內(nèi)表面的邊界層堆積。由于管的熱交換熱阻增加，該邊界層熱阻明顯地降低了傳熱性能。槽和脊也為另外的熱交換提供了額外的面積。這種基本的前提在Wither，Jr等人的專利號(hào)為No.3847212的美國(guó)專利中有描述。
可以改變管內(nèi)表面上槽和脊的圖案、外形和尺寸，以進(jìn)一步增強(qiáng)傳熱性能。為此，管制造商已經(jīng)投入大量資金對(duì)可選設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，這些設(shè)計(jì)包括在Takima等人的專利號(hào)為No.5791405的美國(guó)專利、Chiang等人的專利號(hào)為No.5332034和5458191的美國(guó)專利以及Gaffaney等人的專利號(hào)為No.5975196的美國(guó)專利中所公開的。
然而，一般地，已經(jīng)證明增強(qiáng)管的內(nèi)表面比增強(qiáng)外表面要困難的多。而且管的內(nèi)外表面上的大部分增強(qiáng)都是通過鑄造和表面成型而形成的。然而，已經(jīng)可以通過切割管表面從而形成該增強(qiáng)效果。
日本專利申請(qǐng)09108759公開了一種定中心刀片的工具，所述刀片直接在管的內(nèi)表面上切出一連續(xù)的螺旋槽。類似地，日本專利申請(qǐng)10281676公開了一種管脹形塞，該脹形塞配有在管的內(nèi)表面上切割連續(xù)螺旋槽和直立翅片的切割工具。專利號(hào)為No.3753364的美國(guó)專利公開了用切割工具沿著管的內(nèi)表面形成一連續(xù)槽，所述工具切入管的內(nèi)表面并向上彎折材料形成連續(xù)槽。
雖然所有這些管內(nèi)表面設(shè)計(jì)都旨在提高管的傳熱性能，但在工業(yè)界仍需要通過修改那些能增強(qiáng)傳熱性能的已有設(shè)計(jì)和開發(fā)新設(shè)計(jì)來繼續(xù)改進(jìn)上述管設(shè)計(jì)。另外，還需要開發(fā)能更快速、低廉地轉(zhuǎn)印到管上的結(jié)構(gòu)和圖案。如下所述，申請(qǐng)人已經(jīng)開發(fā)出了用于傳熱管的幾何形狀，以及形成這些幾何形狀的工具，并且，其結(jié)果是顯著地提高傳熱性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種改進(jìn)的傳熱管表面和形成其的方法，所述表面可以用于增強(qiáng)管的傳熱性能，該管至少用于所有上述設(shè)備中(即在冷凍、化學(xué)、石油化工和食品加工工業(yè)中使用的滿液式蒸發(fā)器、降膜式蒸發(fā)器、噴霧式蒸發(fā)器、吸收式冷凍器、冷凝器、直接膨脹式冷卻器和單相冷卻器和加熱器)。管的內(nèi)表面由多個(gè)凸起來增強(qiáng)，所述凸起顯著減少管側(cè)熱阻并提高整體傳熱性能。凸起為管內(nèi)的流體流動(dòng)提供了額外的路徑，由此增加了管內(nèi)流動(dòng)的傳熱介質(zhì)的紊流度。這增加了流體混合，以便減少流體介質(zhì)靠近管的內(nèi)表面的邊界層堆積，這種堆積增加了熱阻并因此抑制了傳熱。凸起也為額外的熱交換提供額外的表面積。根據(jù)本發(fā)明形成的凸起能沿著管的內(nèi)表面形成比簡(jiǎn)單脊多達(dá)五倍的表面積。試驗(yàn)表明具有本發(fā)明的凸起的管的性能顯著提高。
本發(fā)明的方法包括使用一種工具，其能簡(jiǎn)易地安裝到已有制造設(shè)備上，所述工具具有切割邊緣以便割斷管內(nèi)表面上的脊以形成脊層，并且具有提升邊緣以便提升脊層以形成凸起。這樣，形成凸起并不用從管的內(nèi)表面去除金屬，因此消除了在該管中會(huì)損壞設(shè)備的廢屑。管的內(nèi)表面上的凸起可以在與形成脊的相同的或不同的操作中形成。
根據(jù)本申請(qǐng)形成的管適用于許多設(shè)備中，包括例如，用于HVAC(采暖、通風(fēng)和空調(diào))、冷凍、化學(xué)、石化和食品加工工業(yè)的設(shè)備。可以改變凸起的物理幾何形狀以使管適應(yīng)具體的設(shè)備和流體介質(zhì)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供改進(jìn)的傳熱管。
本發(fā)明的另一目的是提供一種在其內(nèi)表面上具有凸起的改進(jìn)的傳熱管。
本發(fā)明的另一目的是提供一種形成在內(nèi)表面上具有凸起的改進(jìn)的傳熱管的方法。
本發(fā)明另一目的是提供一種用來形成改進(jìn)的傳熱管的新工具。
本發(fā)明的另一目的是提供一種用來在傳熱管的內(nèi)表面上形成凸起的工具。
通過結(jié)合附圖閱讀下面優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將變得更清楚。


圖1a為本發(fā)明的管的一個(gè)實(shí)施方案的部分形成的內(nèi)表面的局部透視圖。
圖1b為圖1a中箭頭a所示方向的側(cè)視圖。
圖1c為與圖1b類似的側(cè)視圖，不同之處是凸起在不垂直于軸線S的方向中從管的內(nèi)表面凸起。
圖1d為圖1a中箭頭b所示方向的管的正視圖。
圖1e為圖1a所示管的頂視圖。
圖2為本發(fā)明的管的一個(gè)實(shí)施方案的內(nèi)表面的顯微視圖。
圖3為本發(fā)明的管的-可選實(shí)施方案的內(nèi)表面的顯微視圖。
圖4為能用來制造根據(jù)本發(fā)明的管的制造設(shè)備的一個(gè)實(shí)施方案的側(cè)視圖。
圖5為圖4的設(shè)備的透視圖。
圖6a為本發(fā)明的工具的一個(gè)實(shí)施方案的透視圖。
圖6b為圖6a所示工具的側(cè)視圖。
圖6c為圖6b的工具的底視圖。
圖6d為圖6b的工具的頂視圖。
圖7a為本發(fā)明的工具的可選實(shí)施方案的透視圖。
圖7b為圖7a所示工具的側(cè)視圖。
圖7c為圖7b的工具的底視圖。
圖7d為圖7b的工具的頂視圖。
圖8a為本發(fā)明管的可選實(shí)施方案的部分成形內(nèi)表面的局部透視圖，其中橫切脊的深度小于螺旋脊高度。
圖8b為本發(fā)明管的可選實(shí)施方案的部分成形內(nèi)表面的局部透視圖，其中橫切脊的深度大于螺旋脊高度。
圖9a為根據(jù)本發(fā)明的管的另一實(shí)施方案的內(nèi)表面的局部頂視圖。
圖9b為圖9a中箭頭22方向示出的管的正視圖。
圖10a為本發(fā)明的管的內(nèi)表面的局部視圖，示出了工具在g方向中靠近脊用以在g方向中從脊切割凸起。
圖10b為本發(fā)明的管的可選內(nèi)表面的局部視圖，示出了工具在g方向中靠近脊用以在g方向中從脊切割凸起。
圖11a為根據(jù)本發(fā)明的管的內(nèi)表面的示意圖，示出了脊和槽之間的角度方向，其中脊和槽為相反向的螺旋。
圖11b為根據(jù)本發(fā)明的管的內(nèi)表面的示意圖，示出了脊和槽之間的角度方向，其中脊和槽為相同向的螺旋。
圖12為條形圖，比較了多個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的管和根據(jù)本發(fā)明的管的管側(cè)熱交換系數(shù)。
圖13為條形圖，比較了多個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的管和根據(jù)本發(fā)明的管的整體熱交換系數(shù)。
具體實(shí)施例方式
圖1a-e示出了本發(fā)明的管21的一個(gè)實(shí)施方案的部分地成形的內(nèi)表面18。內(nèi)表面18包括多個(gè)凸起2。凸起2由內(nèi)表面18上形成的脊1形成。脊1首先形成在內(nèi)表面18上。隨后切割脊1產(chǎn)生脊層4，隨后提升脊層4以形成凸起2(如圖1a和1b最佳示出的)。如圖6a-d和7a-d所示和下述，可以用工具13來完成所述切割和提升，但這不是必須的。
應(yīng)當(dāng)明白的是，根據(jù)本發(fā)明的管可以用于任何需要將熱量從管的一側(cè)傳遞到管的另一側(cè)的設(shè)備中，例如單相和多相(均為純液體或氣體或液/氣混合體)蒸發(fā)器和冷凝器，但不局限于此。雖然下面的描述為本發(fā)明的管提供理想的尺寸，但本發(fā)明的管決不局限于這些尺寸。管以及凸起2的理想幾何形狀依賴于多個(gè)因素，這些因素中不重要的是流經(jīng)管的流體的屬性。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道如何改變管的內(nèi)表面的幾何形狀以及脊1和凸起2的幾何形狀，以便使得在各種設(shè)備和以各種流體使用的管的傳熱最大化。
脊1以相對(duì)于管的軸線S的螺旋角α形成在內(nèi)表面18上(見圖1a和1e)。螺旋角α可以是0°-90°之間的任何角度，但是優(yōu)選地不超過70°。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解螺旋角α常常依賴，至少部分依賴，所用的流體介質(zhì)。脊1的高度er越大，對(duì)于流經(jīng)管21的流體則通常更粘滯。例如，大于零(優(yōu)選地，但不是必需的，至少為0.001英寸)至管內(nèi)部直徑(Di)25％的高度er通常在用水/乙二醇混合體降低溫度的設(shè)備的管中使用較為理想。對(duì)于這個(gè)應(yīng)用，Di為從管21的內(nèi)表面18測(cè)量的管21的內(nèi)徑。脊1的軸向節(jié)距Pa，r依賴多個(gè)因素，包括螺旋角α、形成在管21的內(nèi)表面18上的脊數(shù)和管21的內(nèi)徑Di。雖然可以用任何節(jié)距Pa，r，優(yōu)選地Pa，r/er為0.002，er/Di的比值優(yōu)選地在約0.001-0.25之間。同樣，然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解這些優(yōu)選的的比值常常依賴于，至少部分依賴于，所用流體介質(zhì)和工作條件(即流體介質(zhì)的溫度)。
脊層4以相對(duì)于軸線s的角θ來切割，該角度優(yōu)選地大約在20°-50°之間，包括且更優(yōu)選的為約30°。凸起2的軸向節(jié)距Pa，p可以是大于零的任一值，除了其他因素以外，一般依賴于在制造過程中工具(下面進(jìn)行描述)和管之間的相對(duì)每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)、制造過程中工具和管之間的相對(duì)軸向進(jìn)給速度以及制造過程中設(shè)置在形成凸起的工具上的刀尖的個(gè)數(shù)。雖然形成的凸起2可以具有任意厚度Sp，厚度Sp優(yōu)選地大約為節(jié)距Pa，p的20-100％。凸起2的高度ep取決于切割深度t(見圖1b，8a和8b)和切割脊層4的角θ。凸起2的高度ep優(yōu)選地為至少與切割深度t一樣大，多達(dá)至切割深度t的三倍。優(yōu)選的但不是必須的，以高度er形成脊1，并將角θ設(shè)置為使得凸起2的高度ep至少大約為脊1高度er的兩倍。這樣，ep/Di的比值優(yōu)選的在約0.002-0.5之間(即，er/Di為er/Di約0.001-0.25的優(yōu)選范圍比值的兩倍)。
圖1a和1b示出切割深度t等于脊1的高度er，因此凸起2的基底40位于管21的內(nèi)表面18上。然而，切割深度t不一定要等于脊高度er。而是，脊1可以僅被部分地割斷(見圖8a)或超出脊1的高度并進(jìn)入管壁3中(見圖8b)。在圖8a中，沒有沿其整個(gè)高度er切割脊1，因此凸起2的基底40比脊1的基底42更遠(yuǎn)離管21的內(nèi)表面18，基底42在內(nèi)表面18上。相反地，圖8b示出了大于脊高度er的切割深度t，因此凸起2的至少一個(gè)壁延伸進(jìn)入管壁3，超出了內(nèi)表面18和脊基底42。
當(dāng)脊層4被提升時(shí)，槽20在相鄰?fù)蛊?之間形成。切割和提升該脊層4，于是槽20在內(nèi)表面18上按與管21的軸線s(見圖1e，11a和圖11b)成角τ定向，該角度優(yōu)選但不一定是必需的在大約80°-100°之間。
凸起2的形狀取決于脊1的形狀和脊1相對(duì)于工具13的移動(dòng)方向的取向。在圖1a-e所示的實(shí)施方案中，凸起2具有四個(gè)側(cè)表面25、一個(gè)斜頂面26(其幫助減少熱傳遞的熱阻)、和一個(gè)大致削尖的尖端28。本發(fā)明的凸起2決不限定于這個(gè)圖解的實(shí)施方案，而是可以按任意形狀形成。而且管21中的凸起2不一定全部是相同的形狀或具有相同的幾何形狀。
不論凸起2的方向是直的(見圖10a)或彎曲或扭曲的(見圖10b)，這取決于在脊1和工具13的移動(dòng)g的方向之間形成的角β。若角β小于90°，凸起2具有相對(duì)直的取向，如圖10a所示。若角β大于90°，凸起2具有更彎曲和/或扭曲的取向，如圖10b所示。
在制造管21的過程中，用工具13切穿脊1并提升產(chǎn)生的脊層4以形成凸起2。但其他的設(shè)備和方法也可以用來形成凸起2?？梢杂萌我饩哂薪Y(jié)構(gòu)完整性的耐金屬切割的材料(例如鋼、碳化物、陶瓷等)來制造工具13，但優(yōu)選的用碳化物制造。圖6a-d和7a-d中示出的工具13的實(shí)施方案一般地具有一工具軸線q、兩個(gè)基底壁30，32和一個(gè)或多個(gè)側(cè)壁34?？卓?6穿過工具13設(shè)置。尖端12形成在工具13的側(cè)壁34上。然而，注意所述尖端可安裝或形成在能按相對(duì)于管21的所需取向支撐所述尖端的任意結(jié)構(gòu)上，這種結(jié)構(gòu)不限定于圖6a-d和7a-d示出的。此外，所述尖端在其支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)可伸縮，這樣在切割過程中的尖端個(gè)數(shù)可方便地改變。
圖6a-d示出了具有單個(gè)尖端12的工具13的一個(gè)實(shí)施方案，圖7a-d示出了具有四個(gè)尖端12的工具13的可選實(shí)施方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，工具13可配備任意數(shù)目的尖端12，這取決定于凸起2的預(yù)定節(jié)距Pa，p。而且每個(gè)尖端的幾何形狀不一定要與單個(gè)工具13上的尖端相同。而是，具有不同幾何形狀的尖端12可設(shè)置在工具13上，以便形成具有不同形狀、取向和其他幾何形狀的凸起。
每個(gè)尖端12由平面A，B和C相交形成。平面A和B相交形成切割邊緣14，其切穿該脊1形成脊層4。平面B以相對(duì)于一個(gè)垂直于工具軸線q(見圖6b)的平面成的角度取向。角定義為90°-θ。這樣角優(yōu)選的在約40°-70°之間，允許切割邊緣14按在約20°-50°之間的期望角度θ切穿脊1。
平面A和C相交形成提升邊緣15，其向上提升脊層4形成凸起2。角1由平面C和一垂直于工具軸線q的平面來限定，該角1確定傾斜角ω(即在一垂直于管21的縱軸的平面與凸起2的縱軸線之間的角)，提升邊緣15以此角度將凸起2提升。角1＝角ω，并且因此，工具13上的角1可以被調(diào)節(jié)以直接影響凸起2的傾斜角ω。傾斜角ω(和角1)優(yōu)選為相對(duì)于與管21縱軸線s垂直的平面成約-45°-45°之間的任意角度的絕對(duì)值。這樣凸起可以與管21(見圖1b)的縱軸s垂直的平面對(duì)齊，或相對(duì)于與管21(見圖1c)的縱軸s垂直的平面向左和向右傾斜。而且，可以用不同的形狀形成尖端12(即不同的尖端上的角1不同)，這樣管21內(nèi)的凸起2可相對(duì)于與管21的縱軸線s垂直的平面按不同的角度(或完全不同)和按不同的方向傾斜。
雖然凸起2的物理尺寸的優(yōu)選范圍已經(jīng)給出，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到可修改工具13的物理尺寸來影響由此獲得的凸起2的物理尺寸。例如，切割邊緣14切入脊1的深度t，并且角影響凸起2的深度ep。因此，可用如下表達(dá)式來調(diào)節(jié)凸起2的深度epep＝t/sin(90-)或，給定＝90-θ，ep＝t/sin(θ)其中t為切割深度；為平面B與垂直于工具軸線q的平面之間的角；以及θ為脊層4相對(duì)于管21的縱軸線s被切割的角。
凸起2的厚度Sp取決于凸起2的節(jié)距Pa，p和角。
因此，可用下述表達(dá)式調(diào)節(jié)厚度SpSp＝Pa，p·sin(90-)或，假設(shè)＝90-θ，
Sp＝Pa，p·sin(θ)其中Pa，p為凸起2的軸向節(jié)距；為平面B與垂直于工具軸q的平面之間的角；以及θ為脊層4相對(duì)于管21的縱軸s被切割的角。
圖4和5示出一個(gè)用于增強(qiáng)管21的表面的可能的機(jī)構(gòu)。這些圖決不限定根據(jù)本發(fā)明的制造管的工藝，而是可以使用任何適合的設(shè)備或設(shè)備組合的管制造工藝。本發(fā)明的管可用多種材料制造，這些材料具有包括結(jié)構(gòu)完整性、延展性和塑性的適合的物理特性，例如銅和銅合金、鋁和鋁合金、黃銅、鈦、鋼和不銹鋼。圖4和5示出三個(gè)在管21上操作來增強(qiáng)管21的外表面的刀軸10。注意，圖4上省略了刀軸10中的一個(gè)。每個(gè)刀軸10包括一具有翅片盤7的工具機(jī)構(gòu)，翅片盤7徑向擠壓成一頭到多頭的具有軸向節(jié)距Pa，o的外部翅片6。所述工具機(jī)構(gòu)包括附加盤，例如凹口(notching)盤或壓平(flattening)盤，以進(jìn)一步增強(qiáng)管21的外表面。此外，雖然只示出了三個(gè)刀軸10，根據(jù)預(yù)定的增強(qiáng)外表面可使用更少或更多的刀軸。然而，注意根據(jù)管的應(yīng)用，管21的外表面可以根本不需要設(shè)置增強(qiáng)部分。
在管21的內(nèi)表面增強(qiáng)的一個(gè)實(shí)施方案中，旋轉(zhuǎn)安裝有芯軸9的刀軸11延伸進(jìn)入管21。工具13通過孔口16安裝在軸11上。螺栓24將工具13固定。可用任何適合的方法將工具13優(yōu)選地相對(duì)于軸11旋轉(zhuǎn)固定。圖6d和7d示出一鍵槽17，鍵槽17設(shè)置在工具13上與軸11上的一(未示出的)凸起互鎖，以相對(duì)于軸11將工具13固定在適當(dāng)位置。
操作時(shí)，管12一般在其移動(dòng)制造過程中旋轉(zhuǎn)。管壁3在芯軸9和翅片盤7之間移動(dòng)，其在管壁3上施加壓力。在壓力下，管壁3的金屬流入翅片盤7之間的槽中，以在管21的外表面上形成翅片6。
芯軸9上設(shè)置有所需內(nèi)表面圖樣的鏡像圖案，這樣在管21和芯軸9配合時(shí)芯軸9會(huì)在管21的內(nèi)表面18上形成預(yù)定的圖樣。如圖1a和圖4所示，所需的內(nèi)表面圖樣包括脊1。在管21的內(nèi)表面18上形成脊1后，管21遇到靠近芯軸9并且位于芯軸9下游的工具13。如前說明的，工具13的一個(gè)或多個(gè)切割邊緣14切穿脊1以便形成脊層4。工具13的一個(gè)或多個(gè)提升邊緣15隨后提升脊層4以便形成凸起2。
當(dāng)凸起2與外部翅片同時(shí)形成并且工具13被固定(即沒有旋轉(zhuǎn)或軸向移動(dòng))時(shí)，管21自動(dòng)地旋轉(zhuǎn)并伴有軸向移動(dòng)。在這種情況中，凸起的軸向節(jié)距Pa，p由下面的公式?jīng)Q定Pa·p=Pa,oZoZi]]>其中Pa，o為外部翅片6的軸向節(jié)距；Zo為管21的外徑上翅片的頭數(shù)；和Zi為工具13上尖端12的個(gè)數(shù)。
為得到特定的凸起軸向節(jié)距Pa，p也可旋轉(zhuǎn)工具13。管21和工具13可按相同的方向旋轉(zhuǎn)，或可選的，管21和工具13按相反方向旋轉(zhuǎn)。為得到預(yù)定的凸起軸向節(jié)距Pa，p軸13所需的旋轉(zhuǎn)(按每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)(RPM))可用下面的公式計(jì)算RPMtool=RPMtube(Pa,o·Zo-Pa,p·Zi)Zi·Pa,p]]>其中RPMtool為管21的旋轉(zhuǎn)頻率；Pa，o為外部翅片6的軸向節(jié)距；Zo為管21的外徑上翅片的頭數(shù)；Pa，p為凸起2的所需軸向節(jié)距；和Zi為工具13上尖端12的個(gè)數(shù)。
如果這個(gè)計(jì)算結(jié)果為負(fù)，則工具13按與管21相同的方向旋轉(zhuǎn)以獲得所需的節(jié)距Pa，p。可選地，如果這個(gè)計(jì)算結(jié)果為正，則工具13按與管21相反的方向旋轉(zhuǎn)以獲得所需的節(jié)距Pa，p。
注意到雖然所示的凸起2的形成是在脊1形成的同一操作中，但是可以用一帶預(yù)成形的內(nèi)脊1的管在分開的操作中由翅片產(chǎn)生凸起2。這通常需要一組件以便使得工具13或管21旋轉(zhuǎn)并沿著管軸線移動(dòng)工具13和管21。而且優(yōu)選地設(shè)置一支撐件來相對(duì)于內(nèi)管表面18確定工具13的中心。
在這種情況下，凸起2的軸向節(jié)距Pa，p被下面的公式限定
Pa，p＝Xa/(RPM·Zi)其中Xa為管21和工具13之間的相對(duì)軸向速度(距離/時(shí)間)；RMP為工具13和管21之間相對(duì)旋轉(zhuǎn)頻率；Pa，p為凸起2的所需軸向節(jié)距；和Zi為工具13上尖端12的個(gè)數(shù)。
這個(gè)公式適合(1)管僅僅軸向移動(dòng)(即不旋轉(zhuǎn))和工具僅僅旋轉(zhuǎn)(即不軸向移動(dòng))時(shí)；(2)管僅僅旋轉(zhuǎn)和工具僅僅軸向移動(dòng)時(shí)；(3)工具旋轉(zhuǎn)并軸向移動(dòng)，但管被固定既不旋轉(zhuǎn)也不軸向移動(dòng)時(shí)；(4)管旋轉(zhuǎn)并軸向移動(dòng)，但工具被固定既不旋轉(zhuǎn)也不軸向移動(dòng)時(shí)；和(5)上述的任意結(jié)合。
借助本發(fā)明的內(nèi)管表面，產(chǎn)生了流體流動(dòng)的附加路徑(在凸起2之間穿過槽20)從而優(yōu)化熱傳遞和壓降。圖9a示出這些流體流經(jīng)管21的附加路徑22。除流體流通路徑23外這些路徑22產(chǎn)生在脊1之間。這些附加路徑22具有相對(duì)于管軸線s的螺旋角α1。角α1是由相鄰脊1形成的凸起2之間的角。圖9b清楚地示出這些形成在凸起2之間地附加路徑22。用下面的表達(dá)式，可通過調(diào)節(jié)凸起2的節(jié)距Pa，p來調(diào)節(jié)螺旋角α1和路徑22穿過管21的取向Pa,p=Pa,r·tan(α)·πDiπDi·(tan(α)+tan(α1))±Pa,r·tan(α)·tan(α1)·Zi]]>其中Pa，r為脊1的軸向節(jié)距；α為脊1至管軸線s的角度；α1為凸起2之間所需的螺旋角；Zi為工具13上尖端12的個(gè)數(shù)；以及Di為從管21的內(nèi)表面18測(cè)量的管21的內(nèi)徑。
如果脊螺旋角α和槽20的角τ都是右手螺旋或左手螺旋(見圖11b)，那么在上述表達(dá)式中應(yīng)當(dāng)使用“[-]”?？蛇x地，如果螺旋角α和槽20的角τ為相反的旋向(見圖11a)，那么在上述表達(dá)式中應(yīng)當(dāng)使用“[+]”。
根據(jù)本發(fā)明制造的管優(yōu)于現(xiàn)有的管。通過展示這些管之間增強(qiáng)因素中的不同，圖12和13圖示了這種管的兩個(gè)示例的增強(qiáng)性能(沸騰管Tube No.25和TubeNo.14)。這些新管(Tube No.25和Tube No.14)的熱傳遞系數(shù)(兩個(gè)管側(cè)邊(見圖12)和全部(見圖13))借助這些增強(qiáng)因素增加而超過了現(xiàn)有的管(Turb-B，Turb-BII和Turb-BIII)。同樣Tube No.25和14僅僅是根據(jù)本發(fā)明的管的示例。根據(jù)本發(fā)明制造的其他類型的管優(yōu)于在各種設(shè)備應(yīng)用的現(xiàn)有的管。
管Turb-B，Turb-BII和Turb-BIII的物理屬性在Thors等人的專利號(hào)為No.5697430的美國(guó)專利的表1和2中描述。Turb-B引作TubeII；Turb-BII引作TubeIII；Turb-BIII引作TubeIVH。Tube No.25和Tube No.14的外表面與Turb-BIII的等同。Tube No.25和Tube No.14與本發(fā)明的一致，并包括如下的物理屬性表1管和脊的尺寸

表2凸起尺寸

此外，用來在Tube No.25和14上形成凸起的工具具有如下特征表3工具尺寸

圖12顯示了Tube No.14的管側(cè)熱傳遞系數(shù)大約是Turb-BIII的1.8倍，TubeNo.25的管側(cè)熱傳遞系數(shù)大約是Turb-BIII的1.3倍，Turb-BIII是目前在蒸發(fā)器設(shè)備中使用最為廣泛的管，并在圖12和13中示為基線。類似地，圖13顯示了Tube No.25的管側(cè)熱傳遞系數(shù)大約是Turb-BIII的1.25倍，Tube No.14的管側(cè)熱傳遞系數(shù)大約是Turb-BIII的1.5倍。
上述的是用于是圖解、解釋和描述本發(fā)明實(shí)施方案的目的。對(duì)于本領(lǐng)域那些技術(shù)人員來講，對(duì)這些實(shí)施方案的進(jìn)一步改變和修改是顯而易見的，并且可以不脫離本發(fā)明的精神或范圍地作出。
權(quán)利要求
1.一種管，其包括內(nèi)表面、外表面、和縱向軸線，其中該內(nèi)表面包括至少一個(gè)從沿該管的該內(nèi)表面形成的脊按切割深度切割成的凸起。
2.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，該脊沿著內(nèi)表面以相對(duì)于縱向軸線的一脊角形成，所述角在約0°和90°之間。
3.如權(quán)利要求2所述的管，其特征在于，所述角優(yōu)選不大于70°。
4.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，所述管具有內(nèi)徑，并且所述脊的高度不大于所述內(nèi)徑的25％。
5.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，所述脊的高度至少為0.001英寸。
6.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，所述管具有內(nèi)徑，并且所述脊具有一高度，其中脊高度和內(nèi)徑的比值至少為0.001。
7.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，還包括多個(gè)脊，其中所述脊具有一軸向節(jié)距和一高度，脊軸向節(jié)距與脊高度的比值至少為0.002。
8.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，至少一個(gè)凸起的高度值不大于切割深度的三倍。
9.如權(quán)利要求8所述的管，其特征在于，至少一個(gè)凸起的高度值至少與切割深度一樣大。
10.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，該管具有一內(nèi)徑，至少一個(gè)凸起具有一高度，其中凸起高度和管內(nèi)徑之間的比值在約0.002和0.5之間。
11.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，至少一個(gè)凸起包括至少三個(gè)側(cè)面和一頂面。
12.如權(quán)利要求11所述的管，其特征在于，該頂面為傾斜的。
13.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，至少一個(gè)凸起具有基本上削尖的尖端。
14.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，至少一個(gè)凸起從內(nèi)表面按基本上垂直于縱向軸線的方向延伸。
15.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，至少一個(gè)凸起從內(nèi)表面按基本上不垂直于縱向軸線的方向延伸。
16.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，至少一個(gè)凸起包括多個(gè)凸起，多個(gè)凸起中的至少一個(gè)從內(nèi)表面按基本上垂直于縱向軸線的方向延伸，并且多個(gè)凸起的至少一個(gè)凸起從內(nèi)表面按基本上不垂直于縱向軸線的方向延伸。
17.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，該脊包括一脊底，并且至少一個(gè)凸起包括至少一個(gè)延伸進(jìn)入該管的內(nèi)表面且超出脊底的壁。
18.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，至少一個(gè)凸起包括一位于管的內(nèi)表面上的凸起基底。
19.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，所述脊包括脊底，并且所述至少一個(gè)凸起包括凸起基底，其中凸起基底位于比脊底更遠(yuǎn)離管的內(nèi)表面的距離處。
20.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，至少一個(gè)凸起包括多個(gè)凸起，并且管還包括在多個(gè)凸起之間以相對(duì)于管的縱軸線成約80°和100°之間的角形成的槽。
21.如權(quán)利要求1所述的管，其特征在于，至少一個(gè)凸起包括多個(gè)凸起，這些凸起具有一節(jié)距且每個(gè)凸起具有一厚度，其中凸起厚度在凸起節(jié)距的約20％和100％之間。
22.一種用于切割管的內(nèi)表面的工具，其包括工具軸線和至少一個(gè)尖端，該尖端至少由第一平面、第二平面和第三平面相交而成，并具有一切割邊緣和一提升邊緣。
23.如權(quán)利要求22所述的工具，其特征在于，所述工具包括碳化物、鋼和陶瓷中的至少一種。
24.如權(quán)利要求22所述的工具，其特征在于，該切割邊緣由第一平面和第二平面相交而成。
25.如權(quán)利要求24所述的工具，其特征在于，第二平面取向成相對(duì)于一垂直于該工具軸線的平面成約40°和70°之間的角度。
26.如權(quán)利要求22所述的工具，其特征在于，該提升邊緣由第一平面和第三平面相交而成。
27.如權(quán)利要求26所述的工具，其特征在于，該第三平面取向成相對(duì)于一垂直于工具軸線的平面成一角度。
28.如權(quán)利要求27所述的工具，其特征在于，所述角為零。
29.如權(quán)利要求27所述的工具，其特征在于，所述角不為零。
30.如權(quán)利要求29所述的工具，其特征在于，所述角不大于約45°。
31.如權(quán)利要求22所述的工具，其特征在于，至少一個(gè)尖端包括多于一個(gè)的尖端。
32.如權(quán)利要求25所述的工具，其特征在于，至少一個(gè)尖端包括至少兩個(gè)尖端，并且第二平面相對(duì)于與至少兩個(gè)尖端的至少兩個(gè)的工具軸線垂直的平面所形成的角不相等。
33.如權(quán)利要求27所述的工具，其特征在于，至少一個(gè)尖端包括至少兩個(gè)尖端，并且第三平面相對(duì)于與至少兩個(gè)尖端的至少兩個(gè)的工具軸線垂直的平面所形成的角不相等。
34.一種制造具有縱向軸線的管的方法，其包括a.以相對(duì)于該縱軸線的一角度切穿沿該管的內(nèi)表面形成的至少一個(gè)脊至一切割深度，以便形成脊層；和b.提升該脊層以便形成凸起，所述凸起具有凸起高度、凸起厚度和凸起節(jié)距。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)脊按相對(duì)于管的縱軸線在約20°和50°之間的角被切穿。
36.如權(quán)利要求35所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)脊按相對(duì)于管的縱軸線約30°的角被切穿。
37.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)脊具有脊高度，切割深度約等于所述脊高度。
38.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)脊具有脊高度，切割深度小于所述脊高度。
39.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，至少一個(gè)脊具有脊高度，切割深度大于所述脊高度。
40.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，提升該脊層以形成凸起包括提升該脊層以使至少一個(gè)凸起沿基本上垂直于縱軸線的方向從內(nèi)表面延伸。
41. 如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，提升該脊層以形成凸起包括提升該脊層以使至少一個(gè)凸起沿基本上不垂直于縱軸線的方向從內(nèi)表面延伸。
42.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，提升該脊層以形成凸起包括提升該脊層以使至少一個(gè)凸起沿基本上垂直于縱軸線的方向從內(nèi)表面延伸，并且至少一個(gè)凸起沿基本上不垂直于縱軸線的方向從內(nèi)表面延伸。
43.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，還包括在管的內(nèi)表面上形成至少一個(gè)脊。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，其特征在于，該脊按相對(duì)于管的縱軸線在約0°和90°之間的角沿內(nèi)表面形成。
45.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，還包括在管的外表面上形成翅片。
46.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，用工具執(zhí)行切割和提升，所述工具包括工具軸線和至少由第一平面、第二平面和第三平面相交而成的至少一個(gè)尖端，該尖端具有一切割邊緣和一提升邊緣。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于，該切割邊緣由第一平面和第二平面相交而成。
48.如權(quán)利要求47所述的方法，其特征在于，該第二平面取向成相對(duì)于一垂直于工具軸線的平面成約40°和70°之間的角度。
49.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于，該提升邊緣由第一平面和第三平面相交而成。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，其特征在于，該第三平面取向成相對(duì)于一垂直于工具軸線的平面成一角度，并且該凸起取向成相對(duì)于一垂直于管的縱軸線的平面成一角度。
51.如權(quán)利要求50所述的方法，其特征在于，該第三平面的角度大約等于凸起的角度。
52.如權(quán)利要求50所述的方法，其特征在于，該第三平面的角度和凸起的角度不大于45°。
53.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于，還包括用ep＝t/sin(90-)或ep＝t/sin(θ)來預(yù)定該凸起高度(ep)，其中t為切割深度；為第二平面與垂直于工具軸線的平面之間的角；和θ為至少一個(gè)脊層相對(duì)于管的縱軸線切穿的角。
54.如權(quán)利要求46所述的方法，其特征在于，還包括用Sp＝Pa，p·sin(90°-)或Sp＝Pa，p·sin(θ)預(yù)定凸起厚度(Sp)，其中Pa，p為凸起節(jié)距；為第二平面與垂直于工具軸的平面之間的角；和θ為至少一個(gè)脊層相對(duì)于管的縱軸線切穿的角。
55.一種增強(qiáng)管的內(nèi)表面的方法，其包括a.將工具安裝到一軸上，所述工具包括工具軸線和至少一個(gè)尖端，所述尖端至少由第一平面、第二平面和第三平面相交而成，并具有一切割邊緣以及一提升邊緣；b.將該工具定位在該管內(nèi)；c.使該管和該工具之間相對(duì)旋轉(zhuǎn)和相對(duì)軸向移動(dòng)，以便至少部分地切穿沿該管的表面形成的至少一個(gè)脊以形成脊層，并提升該脊層以便形成凸起。
56.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于，該管旋轉(zhuǎn)并軸向移動(dòng)，而該工具既不旋轉(zhuǎn)也不軸向移動(dòng)。
57.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于，該工具旋轉(zhuǎn)并軸向移動(dòng)，而該管既不旋轉(zhuǎn)也不軸向移動(dòng)。
58.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于，該管按一方向旋轉(zhuǎn)，該工具按該管的該方向旋轉(zhuǎn)。
59.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于，該管按一方向旋轉(zhuǎn)，該工具按與該管旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)。
60.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于，該管軸向移動(dòng)，該工具旋轉(zhuǎn)。
61.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于，該管旋轉(zhuǎn)，該工具軸向移動(dòng)。
62.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于，還包括在軸上安裝一芯軸以便在管的內(nèi)表面上形成至少一個(gè)脊。
63.如權(quán)利要求55所述的方法，其特征在于，還包括旋轉(zhuǎn)所述軸，其中該工具還包括一鎖定裝置以鎖定該工具與軸一起旋轉(zhuǎn)。
64.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于，所述鎖定裝置包括一槽，該軸包括一與所述槽配合的凸起。
65.一種蒸發(fā)器，其包括如權(quán)利要求1所述的至少一個(gè)管。
66.一種冷凝器，其包括如權(quán)利要求1所述的至少一個(gè)管。
67.一種熱交換器，其包括如權(quán)利要求1所述的至少一個(gè)管。
全文摘要
傳熱管的內(nèi)表面由用多個(gè)凸起(2)來增強(qiáng)傳熱，凸起(2)為在管內(nèi)的流體流動(dòng)提供了附加的路徑，因此增強(qiáng)了在管內(nèi)流動(dòng)的傳熱介質(zhì)的紊流度。這增加了流體混合而減少了靠近管的內(nèi)表面的流體介質(zhì)的邊界層堆積，這種堆積增加了熱阻并因此影響熱傳遞。凸起(2)還為附加熱交換提供了額外的表面積。本發(fā)明的方法包括使用一工具，所述工具能方便的安裝到現(xiàn)有制造設(shè)備上，其具有切割該管的內(nèi)表面上的脊以便產(chǎn)生脊層的切割邊緣，和提升該脊層以形成凸起(2)的提升邊緣。借助這種方法，不用從管的內(nèi)表面上去除金屬就能形成凸起(2)，因此消除了廢屑，這些廢屑會(huì)損傷使用所述管的設(shè)備。
文檔編號(hào)B21C37/20GK1675513SQ03819282
公開日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2003年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月10日
發(fā)明者P·托爾斯, N·佐布科夫 申請(qǐng)人:沃爾弗林管子公司