專利名稱：用于制造強化傳熱表面的方法及工具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及強化傳熱表面以及一種用于制造強化傳熱表面的方法及工具。
背景技術：
本發(fā)明涉及強化傳熱表面，其有助于從該表面的一側向另一側的熱傳遞。傳熱表面通常用于某些設備中，如在冷凍、化學、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、吸收式制冷機、冷凝器、直接膨脹式冷卻器和單相冷卻器以及加熱器。在這些應用中使用的多種傳熱介質(zhì)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、石化液體和其它混合物。
一些類型的傳熱表面借助液體吸收熱量而發(fā)生相變來工作。因此，傳熱表面通常設置有用于強化沸騰或蒸發(fā)的表面。通常公知的是，一表面的傳熱性能可通過增加在沸騰表面上的成核位置、通過在單相傳熱表面靠近誘導攪動、或通過增加冷凝表面上的面積和表面張力效應來增強。一種強化沸騰或蒸發(fā)的方法是借助燒結、輻射-熔化、或滾壓邊緣方法在傳熱表面上形成多孔層從而使得傳熱表面粗糙化。已知的是，具有這種多孔層的傳熱表面展示出優(yōu)于光滑表面的傳熱特性。然而，由上述方法形成的孔穴或小室的尺寸小，并且包含在沸騰液體中的雜質(zhì)可能堵塞孔穴或小室，從而降低傳熱表面的傳熱性能。此外，由于所形成的孔穴或小室在尺寸或大小上不均勻，因此沿傳熱表面的傳熱性能可能改變。另外，設置有沸騰或蒸發(fā)表面的已知的傳熱管通常需要多個步驟或加工工序以制成最終的傳熱表面。
傳熱管制造商投入了大量的財力對代替結構進行實驗，它們披露在授權給Nakajima等人的美國專利No.4561497、授權給Daikoku等人的美國專利No.4602681、授權給Nakayama等人的美國專利No.4606405、授權給Kuwahara等人的美國專利No.4653163、授權給Sasaki等人的美國專利No.4678029、授權給Lin的美國專利No.4794984、授權給Angeli的美國專利No.5351397中。
雖然所有這些傳熱表面設計都旨在提高管的傳熱性能，但在工業(yè)界仍需要通過改變那些能增強傳熱性能的已有設計和開發(fā)新設計來繼續(xù)改進上述管設計。另外，還需要開發(fā)能更快速、低廉地轉(zhuǎn)制到管上的結構和圖案。如下所述，本發(fā)明的傳熱表面的幾何形狀以及形成這些幾何形狀的工具顯著地提高了傳熱性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供一種改進的傳熱表面，該傳熱表面可例如形成在管上，并且還提供了一種形成傳熱表面的方法，所述傳熱表面可以用于增強管的傳熱性能，該管至少可用于所有的上述應用場合中(即在冷凍、化學、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、吸收式制冷機、冷凝器、直接膨脹式冷卻器和單相冷卻器和加熱器)。傳熱表面由多個腔來增強，所述腔顯著地降低了從一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的轉(zhuǎn)變時間，例如從沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)檎舭l(fā)。這些腔建立了在管內(nèi)用于流體流動的附加路徑，并且由此增加了管內(nèi)流動的傳熱介質(zhì)的紊流度。形成腔的凸起還提供了用于附加熱交換的額外表面面積。試驗表明具有依據(jù)本發(fā)明的傳熱管的性能顯著提高。
本發(fā)明的特定實施例包括一種使用一可簡易地安裝到已有制造設備上的工具的方法，所述工具具有希望形成在管表面上的凹槽圖案的鏡像形式。本發(fā)明的特定實施例還包括使用一可簡易地安裝到已有制造設備上的工具，所述工具具有切割邊緣以便切入管表面，并且具有提升邊緣以便提升管表面以形成凸起。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損壞設備的廢屑。最后，本發(fā)明的特定實施例包括使用一可簡易地安裝到已有制造設備上的工具，例如芯軸，以便使得凸起的末端平整或彎曲。在管表面上的凹槽、凸起、和平整的末端在相同或不同的操作工序中形成。在本發(fā)明的特定實施例中，三個工具固定在單個軸上，并且管表面在一個操作工序中形成。
根據(jù)本發(fā)明形成的管適用于許多設備中，包括例如，用于HVAC(采暖、通風和空調(diào))、冷凍、化學、石化和食品加工工業(yè)的設備?？梢愿淖兺蛊鸬奈锢韼缀涡螤钜允构苓m應具體的設備和流體介質(zhì)。


通過結合附圖閱讀下面優(yōu)選實施方案的詳細描述，本發(fā)明的這些和其它特征、目的和優(yōu)點將變得更清楚。在附圖中圖1是位于依據(jù)本發(fā)明的實施例的傳熱管的內(nèi)徑上的部分形成的沸騰表面的立體圖。
圖2A是圖1所示的實施例的部分形成的沸騰表面的立體圖。
圖2B是圖2A所示的部分形成的沸騰表面的顯微視圖。
圖2C是圖2A所示的部分形成的沸騰表面的截面圖。
圖3A是依據(jù)本發(fā)明的替代實施例的傳熱管的內(nèi)徑上的沸騰表面的立體圖。
圖3B是圖3A所示的沸騰表面的截面圖。
圖3C是圖3A所示的沸騰表面的頂視顯微視圖。
圖3D是圖3A所示的沸騰表面的截面的顯微視圖。
圖4A是依據(jù)本發(fā)明的替代實施例的傳熱管的內(nèi)徑上的沸騰表面的立體圖。
圖4B是圖4A所示的傳熱管的截面圖。
圖5A是依據(jù)本發(fā)明的替代實施例的傳熱管的內(nèi)徑上的沸騰表面的立體圖。
圖5B是圖5A所示的沸騰表面的截面的顯微視圖。
圖5C是圖5A所示的沸騰表面的截面圖。
圖6是依據(jù)本發(fā)明的實施例的工具的立體圖。
圖7A是依據(jù)本發(fā)明的替代實施例的工具的立體圖。
圖7B是圖7A所示的工具的側視圖。
圖7C是圖7A所示的工具的底視平面圖。
圖7D是圖7A所示的工具的頂視平面圖。
圖8A是依據(jù)本發(fā)明的另一實施例的工具的立體圖。
圖8B是圖8A所示的工具的側視圖。
圖8C是圖8A所示的工具的底視平面圖。
圖8D是圖8A所示的工具的頂視平面圖。
圖9A是依據(jù)本發(fā)明的另一實施例的工具的立體圖。
圖9B是由圖9所示的工具制成的沸騰表面的立體9C是圖9所示的沸騰表面的顯微視圖。
圖10是用于制造依據(jù)本發(fā)明的傳熱管的制造設備的實施例的立體圖。
圖11是依據(jù)本發(fā)明的另一實施例的工具的立體圖。
圖12A是依據(jù)本發(fā)明的替代實施例的傳熱管的內(nèi)徑上的沸騰表面的立體圖。
圖12B是圖12A所示的沸騰表面的截面的顯微視圖。
圖13A是借助本發(fā)明的實施例的切割刀尖制成的沸騰表面的截面圖。
圖13B是借助本發(fā)明的替代實施例的切割/提升刀尖制成的沸騰表面的截面圖。
圖13C是依據(jù)本發(fā)明的實施例的用于制成圖13A和13B所示的沸騰表面的切割/提升刀尖的截面圖。
圖13D是依據(jù)本發(fā)明的實施例的用于制成圖13A和13B所示的沸騰表面的切割/提升刀尖的立體圖。
圖14是對于熱通量的縱橫比的效果的曲線圖。
圖15是對于熱通量的每英寸凸起(翅片)的效果的曲線圖。
圖16是帶有微小翅片的銅傳熱表面的不同類型的熱通量的比較曲線圖。
具體實施例方式
應當理解的是，根據(jù)本發(fā)明的管通常可以用于任何需要將熱量從管的一側傳遞到管的另一側的設備中，例如多相(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。相反，管的理想幾何形狀依賴于多個因素，這些因素中不重要的因素是流經(jīng)管的流體的屬性。本領域技術人員應當知道如何改變管的內(nèi)表面的幾何形狀，以便使得在各種設備和以各種流體使用的管的傳熱最大化。另外，盡管在附圖中傳熱表面形成在管的內(nèi)表面上，但是應當理解該傳熱表面也適于在管的外表面上使用，或在平表面上使用，例如用于微型電子裝置。
如圖1所示，本發(fā)明的特定實施例包括在管100的內(nèi)表面104上帶有主凹槽108的傳熱表面。本領域的普通技術人員應當理解，主凹槽108的數(shù)量可基于使用傳熱表面的應用場合并且基于所使用的流體介質(zhì)而改變。主凹槽108以相對于管的軸線S的(未示出的)螺旋角α形成在內(nèi)表面104上。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°。本領域技術人員將容易理解螺旋角α常常取決于所用的流體介質(zhì)，至少部分地取決于所用的流體介質(zhì)。
通常主凹槽108的深度越大，對于流經(jīng)管100的流體則更粘滯。例如，大于零而且小于管壁102的厚度的深度通常是所希望的。對于該應用而言，管壁102的厚度是從內(nèi)表面104到外表面108測量的。
主凹槽108的軸向節(jié)距取決于多個因素，其中包括螺旋角α、形成在管100的內(nèi)表面104上的主凹槽108的數(shù)量、和管100的內(nèi)徑。對于該應用而言，內(nèi)徑是從管100的內(nèi)表面104開始測量的。0.5-5.0毫米的軸向節(jié)距通常是所希望的，包括1.5毫米。
本發(fā)明的特定實施例還包括凸起或翅片110。凸起110可以被切割并從內(nèi)表面104上提升而形成，如圖2A-2C所示。凸起110優(yōu)選為相對于軸線s呈一角度θ。凸起110的高度ep取決于切割深度t和切割內(nèi)表面104的角度θ。凸起110的高度ep優(yōu)選地為至少與切割深度t一樣大。優(yōu)選的是，切割/提升工具300的深度大于主凹槽108的深度。
凸起110的軸向節(jié)距Pa，p可以是大于零的任一值，并且在多種因素中，軸向節(jié)距Pa，p通常取決于在制造過程中切割/提升工具300和管100之間的相對每分鐘轉(zhuǎn)動次數(shù)、制造過程中切割/提升工具300和管100之間相對的軸向進給速度、以及制造過程中設置在用于形成凸起110的切割/提升工具300上的刀尖(tip)的數(shù)量。優(yōu)選的是，凸起110的軸向節(jié)距Pa，p在0.05-5.0毫米之間。軸向節(jié)距Pa，p和高度基本上取決于凸起的數(shù)量，其高度ep隨凸起數(shù)量的增加而下降。
凸起110的形狀取決于內(nèi)表面104的形狀以及在相對于切割/提升工具300的移動方向切割主凹槽108之后內(nèi)表面104的取向。在圖2A-2B所示的實施方案中，凸起110具有四個側表面120、一個斜頂面122(其有助于減少熱傳遞的熱阻)、和一個大致削尖的尖端124。
凸起110的末端124可選地被壓平以便形成沸騰腔114，如圖3A-3D所示?；蛘撸蛊?10的末端124可彎曲以便形成沸騰腔114，如圖4A-4B所示。在其它實施例中，凸起110的末端124可加厚以便形成沸騰腔114。在另外的實施例中，凸起110可朝向彼此傾斜以便形成沸騰腔114，如圖5A-5B所示。本領域的普通技術人員應當理解，凸起110的末端124可保持大致直的形狀(不彎曲或壓平)并且大致垂直管100的內(nèi)表面104，如果冷凝表面需要的話。然而，需要的是沸騰表面或蒸發(fā)表面，形成沸騰腔114可明顯地增大沸騰表面的效率。形成沸騰腔114可形成用于流體流動的路徑并且增強從液體到沸騰或從沸騰到蒸氣的轉(zhuǎn)變。
然而，本發(fā)明的凸起110決不限于所示的實施例，而是可形成為任何的形狀。另外，在管100內(nèi)的凸起110不必具有相同的形狀或具有相同的幾何形狀。
如圖2A所示，副凹槽112位于相鄰的凸起110之間。副凹槽112定向成相對于管100的軸線s呈一(未示出的)角度τ。角度τ可以是大約80°-100°之間的任何角度。優(yōu)選的是，角度τ為大約90°。副凹槽112的深度在主凹槽108的深度與凸起110的高度深度之間。優(yōu)選的是，副凹槽112的深度大于主凹槽108的深度。
本發(fā)明的特定實施例還包括用于在管上制成沸騰表面的方法和工具。例如如圖6所示的開槽工具200在形成主凹槽108時特別有用。開槽工具200具有大于管100內(nèi)徑的外徑，以便當經(jīng)管100拉出或推入時形成主凹槽108。開槽工具200還包括用于裝接到(如圖10所示的)軸130上的孔口202。
如圖7A-7D和圖8A-8D所示，切割/提升工具300可用于形成凸起110和副凹槽112。切割/提升工具300由結構整體性可承受金屬切割的任何材料(例如鋼、碳化物、陶瓷等)制成，但優(yōu)選的用碳化物來制造。圖7A-7D和圖8A-8D中示出的切割/提升工具300的實施方案大致具有一工具軸線q、兩個基壁312、和一個或多個側壁314?？卓?08穿過切割/提升工具300。刀尖302形成在切割/提升工具300的側壁314上。然而，應當注意所述刀尖302可安裝或形成在能按相對于管100的所需取向支撐所述刀尖302的任意結構上，并且這種結構不限定于圖7A-7D和圖8A-8D示出的。此外，所述刀尖302在其支撐結構內(nèi)可伸縮，以便在切割過程中所使用的刀尖的個數(shù)可方便地改變。
圖7A-7D示出了具有單個刀尖302的切割/提升工具300的一個實施方案，圖8A-8D示出了具有四個刀尖12的切割/提升工具300的可選實施方案。本領域技術人員應當理解，切割/提升工具300可配備任意數(shù)目的刀尖302，這取決定于凸起110的所需節(jié)距Pa，p。而且，每個刀尖302的幾何形狀不一定要與單個切割/提升工具300上的刀尖302相同。相反，具有不同幾何形狀的刀尖302可設置在切割/提升工具300上，以便形成具有不同形狀、取向和其它幾何形狀的凸起110。
每個刀尖302由平面A，B和C相交形成。平面A和B相交形成切割邊緣304，其切入內(nèi)表面104以便形成層，從而作為形成凸起110的第一步驟。平面B以相對于一個垂直于工具軸線q(見圖7B)的平面成的角度取向。角定義為90°-θ。這樣，角優(yōu)選的在大約40°-70°之間，允許切割邊緣14按在大約20°-50°之間的期望角度θ切穿內(nèi)表面104。
平面A和C相交形成提升邊緣306，其向上提升內(nèi)表面104以形成凸起110。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(即在一垂直于管的縱軸線s的平面與凸起110的縱軸線之間的角)，提升邊緣15以此角度使得凸起110提升。角1＝角ω，并且因此，在切割/提升工具300上的角1可以被調(diào)節(jié)以直接影響凸起110的傾斜角ω。傾斜角ω(和角1)優(yōu)選為相對于一與管縱軸線s垂直的平面成約-45°-45°之間的任意角度的絕對值。這樣，凸起110可以與管100的縱軸線s垂直的平面對齊，或相對于與管100的縱軸線s垂直的平面向左和向右傾斜。而且，可以形成不同形狀的刀尖12(即，在不同的刀尖上的角1不同)，并且，這樣管100內(nèi)的凸起110可相對于一與管100的縱軸線s垂直的平面按不同的角度(或不存在該角度)和按不同的方向傾斜。
例如，如圖13所示，切割/提升工具300可按兩個不同角度設置有切割刀尖(cutting tip)。在帶有四個切割刀尖的切割/提升工具300中，兩對切割刀尖318、320可用于形成具有傾斜凸起110的沸騰表面，如圖5A-5C所示。為了形成這種表面，相鄰的切割刀尖318、320必須具有不同的角1。改變凸起120的傾斜角可獲得在沸騰腔114的開口116處的凸起120之間的特定間隙g，其影響沿該內(nèi)表面104的彎曲的流體流動。
因此，該間隙g可由以下公式來計算而獲得 其中，
p是凸起110的軸向節(jié)距；為平面B與一垂直于工具軸線q的平面之間的角；1是該工具300的平面C與一垂直于工具軸線q的平面之間的角；以及t為切割深度。
雖然凸起110的物理尺寸的優(yōu)選數(shù)值范圍已經(jīng)給出，本領域技術人員應當認識到可修改切割/提升工具300的物理尺寸來影響由此獲得的凸起110的物理尺寸。例如，切割邊緣304切入內(nèi)表面104的深度t，并且角影響凸起110的深度ep。因此，可用如下表達式來調(diào)節(jié)凸起110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為相對于管100的縱軸線s切割所述層的角。
凸起110的厚度Sp取決于凸起110的節(jié)距Pa，p和角。因此，可用下述表達式調(diào)節(jié)厚度SpSp＝Pa，p·sin(90-)或，給定＝90-θ，Sp＝Pa，p·sin(θ)其中Pa，p為凸起110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為相對于管100的縱軸線s切割所述內(nèi)表面104的角。
在本發(fā)明的特定實施例中，凸起110的末端124借助使用壓平工具400被壓平或彎曲，如圖10所示。該壓平工具400的直徑優(yōu)選為大于在內(nèi)表面104上的凸起110的直徑。因此，當壓平工具400被推入或拉出管100時，凸起110的末端124被壓平或彎曲。壓平工具400包括用于裝接到軸130上的孔口402。
在其它實施例中，在不使用壓平工具400的情況下，凸起110的末端124可獲得與圖3A-3B所示的壓平或彎曲的末端124相似的形狀。例如，切割/提升工具300可設置有形成凸起110的刀尖302，其形狀與如圖4A-4B所示的被壓平的凸起末端124相似。在其它實施例中，切割/提升工具300可設置有用于壓平如圖9B所示的凸起110的末端124的刀尖316。如圖9A所示的切割/提升工具300可用于形成如圖9B-9C所示的沸騰表面。
在傳熱表面上使用的沸騰表面還可通過形成帶有加厚末端124的凸起110來獲得。如圖12A-12B所示，帶有加厚末端124的傳熱表面可用于形成沸騰腔114。參照圖13A-13B，帶有加厚末端124的凸起110可通過以下公式來獲得 其中2是切割邊緣的第一位置的投影與工具進給方向之間的角；3是切割邊緣的第二位置的投影與工具進給方向之間的角；t為切割的完全深度；以及t1為對于切割邊緣的第一位置的切割深度，隨后形成的凸起末端124如圖13B所示，并且間隙g可由以下公式計算 如果以下公式成立 則凸起末端124如圖13B所示，并且間隙g可由以下公式計算g＝p·cos(3-2)·(1-sin(2)-cos(2)·(tg(3-2)).
圖13C-13D示出了可用于形成帶有加厚末端124的凸起110的切割/提升工具300。
圖10示出一個用于使得管100的表面強化傳熱的可用的制造機構。這些圖決不限定根據(jù)本發(fā)明的制造管100的工藝，而是可以使用借助任何適合的設備或設備組合的管制造工藝。本發(fā)明的管100可用多種材料制造，這些材料具有包括結構完整性、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。
在管100的內(nèi)表面104強化的一個實施方案中，經(jīng)孔口402可旋轉(zhuǎn)地安裝有壓平工具400的軸130延伸進入管100。切割/提升工具300通過孔口308安裝在軸130上。開槽工具200經(jīng)孔口202安裝到軸130上。螺栓132將三個工具200、300、400固定就位。優(yōu)選的是，可用任何適合的方式將工具200、300、400相對于軸11的旋轉(zhuǎn)進行鎖定。圖7D和8D示出了一鍵槽310，該鍵槽設置在切割/提升工具300上與軸11上的一(未示出的)凸起互鎖，以相對于軸130將切割/提升工具300固定在適當位置。
盡管未示出，當本發(fā)明的方法和/或工具用于制造管的內(nèi)表面時，制造機構可包括用于強化管的外表面的刀軸。每個刀軸包括一具有形成翅片的盤的工具機構，翅片盤徑向地擠壓成一頭到多頭的具有軸向節(jié)距Pa，o的外部翅片。所述工具機構包括附加盤，例如形成凹口的盤或壓平盤，以進一步對管的外表面進行強化傳熱。然而，應當注意根據(jù)管的應用場合，管的外表面可以根本不需要設置增強傳熱的部分。在操作時，管壁在芯軸與刀軸之間移動，壓力施加在管壁上。
開槽工具200上設置有所希望的內(nèi)表面圖案的鏡像圖樣，因此當管100與開槽工具200接合時，開槽工具200會在管100的內(nèi)表面104上形成所需的圖案。所需的內(nèi)表面圖案包括主凹槽108，如圖1所示。在管100的內(nèi)表面104上形成主凹槽108后，管100遇到靠近開槽工具200并且位于開槽工具200下游的切割/提升工具300。如前說明的，切割/提升工具300的一個或多個切割邊緣304切穿內(nèi)表面104以便形成凸起110。
當凸起110與外部翅片同時形成并且切割/提升工具300被固定(即沒有旋轉(zhuǎn)或軸向移動)時，管100自動地旋轉(zhuǎn)并伴有軸向移動。在這種情況中，凸起110的軸向節(jié)距Pa，p由下面的公式?jīng)Q定Pa,p=Pa,o·ZoZi]]>其中Pa，o為外部翅片的軸向節(jié)距；Zo為管的外徑上翅片的頭數(shù)；和Zi為切割/提升工具300上刀尖302的個數(shù)。
為獲得到特定的凸起軸向節(jié)距Pa，p，也可旋轉(zhuǎn)切割/提升工具300。管100和切割/提升工具300可按相同的方向旋轉(zhuǎn)，或可選的，管100和切割/提升工具300按相反方向旋轉(zhuǎn)。為獲得到預定的凸起軸向節(jié)距Pa，p，切割/提升工具300所需的旋轉(zhuǎn)(按每分鐘轉(zhuǎn)動次數(shù)(RPM))可用下面的公式計算RPMtool=RPMtube(Pa,o·Zo-Pa,p·Zi)Zi·Pa,p]]>其中RPMtool為管100的旋轉(zhuǎn)頻率；Pa，o為外部翅片的軸向節(jié)距；Zo為管的外徑上翅片的頭數(shù)；Pa，p為凸起110的所需軸向節(jié)距；和Zi為切割/提升工具300上刀尖302的個數(shù)。
如果這個計算結果為負，則切割/提升工具300按與管100相同的方向旋轉(zhuǎn)以獲得所需的節(jié)距Pa，p。或者，如果這個計算結果為正，則切割/提升工具300按與管100相反的方向旋轉(zhuǎn)以獲得所需的節(jié)距Pa，p。
應當注意到，雖然所示的凸起110的形成是在形成主凹槽108的同一操作工序中實現(xiàn)的，但是可以用一帶預成形的主凹槽108的管在與形成主凹槽108的操作分開的操作工序中制成凸起110。這通常需要一組件以便使得切割/提升工具300或管100旋轉(zhuǎn)并沿著管軸線移動切割/提升工具300和管100。而且，優(yōu)選地設置一(未示出的)支撐件來相對于內(nèi)管表面104確定切割/提升工具300的中心。
在這種情況下，凸起110的軸向節(jié)距Pa，p由下面的公式限定Pa，p＝Xa/(RPM·Zi)其中Xa為管100和切割/提升工具300之間的相對軸向速度(距離/時間)；RMP為切割/提升工具300和管100之間相對旋轉(zhuǎn)頻率；Pa，p為凸起110的所需軸向節(jié)距；和Zi為切割/提升工具300上刀尖12的個數(shù)。
這個公式適合(1)管100僅僅軸向移動(即不旋轉(zhuǎn))和切割/提升工具300僅僅旋轉(zhuǎn)(即不軸向移動)時；(2)管100僅僅旋轉(zhuǎn)而切割/提升工具300僅僅軸向移動時；(3)切割/提升工具300旋轉(zhuǎn)并軸向移動，而管100被固定既不旋轉(zhuǎn)也不軸向移動時；(4)管100旋轉(zhuǎn)并軸向移動，而切割/提升工具300被固定既不旋轉(zhuǎn)也不軸向移動時；和(5)上述的任意結合。
借助本發(fā)明的內(nèi)管表面104，產(chǎn)生了流體流動的附加路徑(在凸起110之間穿過副凹槽112)從而優(yōu)化熱傳遞和壓降。圖5C示出了這些用于流體流經(jīng)管100的附加路徑。這些路徑附加于形成在主凹槽108之間的流體流通路徑。這些附加路徑具有相對于管軸線s的螺旋角α1。角α1是由相鄰主凹槽108形成的凸起110之間的角。用下面的表達式可通過調(diào)節(jié)凸起110的節(jié)距Pa，p來調(diào)節(jié)螺旋角α1和經(jīng)管100的路徑128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為主凹槽108的軸向節(jié)距；α為主凹槽108至管軸線s的角度；α1為凸起110之間所需的螺旋角；Zi為在切割/提升工具300上的刀尖302的個數(shù)；以及Di為從管100的內(nèi)表面18測量的管1001的內(nèi)徑。
依據(jù)本發(fā)明制成的管100優(yōu)于現(xiàn)有的管。圖14-16的曲線示出了依據(jù)本發(fā)明的實施例的傳熱表面的強化性能。圖14示出了對于熱通量的縱橫比的效果。圖15是對于熱通量的每英寸凸起(翅片)的效果。圖16是帶有微小翅片的銅傳熱表面的不同類型的熱通量的比較。X軸表示熱通量(W/cm2)，Y軸表示溫度改變減去壁(wall)溫度減去主體(bulk)溫度(ΔT(℃)-Twall-Tbulk)。
平滑線表示HFE-7100的鉑絲檢測。實心圓表示由帶有銀焊料的粗糙化的銅制成的管。開的正方形表示在管上的鎳鉻合金表面。淺的X表示依據(jù)本發(fā)明的實施例制成的管樣品。十字表示依據(jù)本發(fā)明的替代實施例制成的管樣品。深的X表示依據(jù)本發(fā)明的替代實施例制成的管樣品。星表示依據(jù)本發(fā)明的替代實施例制成的管樣品。深的閉合圓表示依據(jù)本發(fā)明的替代實施例制成的管樣品。閉合的菱形表示依據(jù)本發(fā)明的替代實施例制成的管樣品。帶有半陰影標記的實線表示依據(jù)本發(fā)明的另一替代實施例制成的管樣品。帶有陰影標記的實線表示依據(jù)本發(fā)明的另一替代實施例制成的管樣品。
進行實驗的傳熱表面是每英寸大致具有185個凸起的平的銅表面。凸起的高度大約為0.024英寸(0.6096毫米)，厚度大約為0.0027英寸(0.0688毫米)。本發(fā)明的傳熱表面的效率是粗糙銅板的大約八倍，并且是多孔銅制品的大約兩倍。
上述的描述是用于是圖解、解釋和說明本發(fā)明實施方案的目的。對于本領域那些技術人員來講，對這些實施方案的進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)表面包括至少一個凸起，所述凸起由以下形成具有主凹槽切割深度的至少兩個主凹槽；和具有副凹槽切割深度的至少一個副凹槽，該副凹槽切割深度至少與所述至少兩個主凹槽中的每一主凹槽的主凹槽切割深度一樣大；其中，主凹槽、凸起、和副凹槽形成一沸騰腔。
2.一種制造具有一縱向軸線的管的方法，其包括a.以相對于該縱向軸線的一角度切入該管的內(nèi)表面至一切割深度，以便形成主凹槽；b.以相對于該縱向軸線的一角度切入該內(nèi)表面至一切割深度以切成副凹槽，從而形成內(nèi)表面層；c.提升該內(nèi)表面層以便形成具有凸起高度、凸起厚度、和凸起節(jié)距的凸起。
3.一種強化管的內(nèi)表面的方法，其包括a.將一工具安裝到軸上，該工具包括工具軸線和至少一個刀尖，該刀尖至少由第一平面、第二平面、和第三平面相交形成，并且具有切割邊緣和提升邊緣；b.在該管中定位該工具；c.實現(xiàn)在該管與該工具之間的相對旋轉(zhuǎn)和相對軸向運動，以便至少部分地切入該管的內(nèi)表面，從而形成多個層和凹槽并提升所述層以形成凸起。
全文摘要
本發(fā)明涉及強化傳熱表面和用于制成強化傳熱表面的方法和工具。特定實施例包括沸騰表面，其包括多個主凹槽、凸起和副凹槽以便形成沸騰腔。沸騰表面借助使用一用于切割管內(nèi)表面的工具來形成。該工具具有工具軸線和至少一個刀尖，該刀尖帶有切割邊緣和提升邊緣。還披露了用于制造沸騰表面的方法，其包括切入管的內(nèi)表面以便形成主凹槽，以便切割并提升該內(nèi)表面從而形成凸起和副凹槽。
文檔編號B21C37/20GK1898520SQ200480038922
公開日2007年1月17日 申請日期2004年10月25日 優(yōu)先權日2003年10月23日
發(fā)明者P·托爾斯, N·佐布科夫 申請人:沃爾弗林管子公司