CN117583851B - 铲片式换热器及其加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了铲片式换热器及其加工工艺，所述铲片式换热器包括管体和散热片阵列，管体包括直管段和弯头段，散热片阵列布置在直管段的两侧外壁，相邻两个直管段的两端通过弯头段连接；散热片阵列由W形铲片组成，相邻两个直管段一侧的散热片阵列相互接触；所述加工工艺，包括管坯体制作、管坯体削边、管坯体切初端、铲片、切尾端及拼装等步骤。本发明首次提出横向为W折板状、高度方向为小角度弧形走向的W形铲片，该散热阵列结构稳固，且形成折线式散热通道，大幅增加散热面积，提高散热效率；加工工艺通过改变W形铲刀头的铲刀方向，即可快速完成切初端、铲片及切尾端的操作，适宜自动化流水线生产，且所得铲片的散热结构参数可调整。
Description
技术领域
本发明涉及换热器及其加工技术领域，尤其涉及铲片式换热器及其加工工艺。
背景技术
铲片式换热器在传热领域得到广泛的应用，所谓铲片是以一个单一的纯铜块或铝块，铲削成一个整体的鳍形片传热材料，中间没有任何接头，从而在有限的空间内创造了大的散热面积；且铲齿能将散热片做得较薄（比切割型材的散热器更薄），片与片之间的间距小可以达到0.8mm，因此，铲片式换热器的散热质量和效率十分可靠；同时加工工艺很简单，成本较低。
但又局限于铲片加工工艺，现有铲片式换热器一般采用平面散热片的阵列结构，平面散热片几何结构过于简单，且由于厚度较薄（为了提高散热效率，散热片切削较薄），其硬度较低，受冲击力易弯折、变形甚至损坏，因此为了保证散热器的结构稳固性，需要对现有铲片结构进行改进。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，将现有平面散热片改装为异形折线结构的W形散热，并为了实现该种结构研发新型的铲刀及铲削加工方法，即提出了铲片式换热器及其加工工艺。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明首先提出一种铲片式换热器，包括管体和散热片阵列，管体包括直管段和弯头段，散热片阵列布置在直管段的两侧外壁，弯头段外壁不设置散热片阵列，可用于安装固定铲片式换热器，多个直管段等距平行设置，相邻两个直管段的两端通过弯头段连接；
散热片阵列由沿直管段长度方向等距分布的W形铲片组成，W形铲片沿厚度方向的剖面为W形条状结构，W形铲片的高度方向呈现弧形坡度；
相邻两个直管段一侧的散热片阵列相互接触，即两个W形铲片一端面相互接触，构成一个弧形的W形楞片结构，避免采用现有铲片交互插接结构，在侧向受力时，两个接触的W形铲片相互抵紧可限制变形，在正面受力时，由于W形铲片为弯折状，冲击力受角度分散不易变形，因此本发明提出的新型铲片结构彻底改变现有铲片散热器不耐冲击的弊端。
优选地，直管段为扁平的直管结构，散热片阵列设置在直管段较宽的两外壁，以提高散热面积。
优选地，直管段和弯头段通过焊接或一体成型的方式进行连接，当选择一体成型的直管段和弯头段，需要在直管段外壁加工完散热片阵列后，再进行折弯处理出弯头段，此工艺较难，本厂仅在较软的铜管上做出成功试验，铝管及铁管均采用分体焊接结构。
优选地，W形铲片的厚度为0.7-3mm，可根据需要散热要求及安装条件进行设计。
优选地，散热片阵列中相邻两个W形铲片的间距为0.5-5mm，可根据铲削加工工艺来控制。
本发明还提出前述铲片式换热器对应的加工工艺，包括以下步骤：
S1、管坯体制作：
筛选长方体状的金属锭材，在金属锭材端面中心钻孔，并将孔壁随后在孔内壁加热至1200-1300℃，并在管内壁涂施润滑粉，进行坯料扩孔，扩出方形孔，冷却即得管坯体；
S2、管坯体削边：
管坯体其中两侧壁为薄壁，另外两侧壁为厚壁，预留出进行切削的厚度，对管坯体厚壁宽度方向的两侧边进行切削，削边是为了使W形铲片的宽度小于直管段宽度，起到保护W形铲片的作用；
S3、管坯体切初端：
工具为W形铲刀头，W形铲刀头主体为扁平块结构，W形铲刀头上表面的上刃边和下表面的下刃边均为W形，且上刃边和下刃边为平行设置，上刃边到下刃边成斜坡设置的切削面，坡度为20-40°；
切端①步，采用宽度与管坯体厚壁宽度相同的W形铲刀头，W形铲刀头水平进刀，对管坯体厚壁一端进行切割并使其卷曲，并使进刀部位与管坯体内壁间距等于管坯体薄壁厚度，从而形成新管壁；
切端②步，再将W形铲刀头从管坯体厚壁上方进刀，到切端①步形成的切口为止，除去废块，形成一个弧形的切削面，切削面的坡度为40-60°，进刀方向为弧形，且进刀方向与停刀方向夹角为5-10°，便于形成高度方向带一定弧度的W形铲片；
S4、铲片：
铲片①步，与切端②步平行位置的进刀方向和进刀位置，在管坯体厚壁一端切削出一定厚度的铲片，停刀后将W形铲刀头竖直缓慢抬升，通过刃部将铲片直立，即形成W形铲片；
铲片②步，重复铲片①步，依次切削出多个等距分布的W形铲片；
铲片③步，当管坯体厚壁原长度方向仅剩一个W形铲片厚度时，改变W形铲刀头位置和进刀方向，即下刀位置为垂直向下且刃部背向其他W形铲片，逐渐转动改变W形铲刀头方向，使其运动轨迹与W形铲片高度方向的弧形一致，即生成最后一个W形铲片；
S5、切尾端：
切端③步，与切端①步的进刀方向相反，W形铲刀头水平进刀，对管坯体厚壁另一端进行切割，直至铲片③步最后一个W形铲片的底端停刀，除去废块，即得散热片阵列；
S6、拼装：
重复S2-S5，对管坯体另一厚壁进行加工，即得两侧均带散热片阵列的直管段；
通过弯头段焊接相邻直管段的两端，形成蛇形的管体，焊接过程中需要使相邻两个直管段一侧的两组W形铲片端面相互接触并抵紧，形成较为稳固的阵列结构。
优选地，坯料扩孔需要多轮多次扩孔，即扩孔头尺寸逐渐增大，每次坯料扩孔采用2500吨立式扩孔机进行扩孔，热扩孔速度160-230mm/s，扩孔比1.15-1.41。
优选地，W形铲刀头上刃边和下刃边的拐角处均经过圆角处理，且上刃边的直线段和下刃边对应的直线段形成一个平面，即W形铲刀头刃部的切削面由4个斜置的平面及之间的圆角面共同组成，便于切削走料的平滑性。
需要说明的是，在所述S2-S6的过程中，管坯体内部填充金属型材，便于固定管坯体且避免管材在加工过程中变形。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.针对现有平面式散热铲片之结构易弯曲变形乃至受损的弊端，本发明首次提出W形铲片的新型结构，在正面受力时，由于W形铲片为弯折状，冲击力受角度分散不易变形；
2.针对现有相邻管道的平面式散热铲片在组装时采用交互插接结构，往往会存在散热铲片弯折接触并形成不同大小的通风孔道，并存在藏污纳垢以及通风孔道堵塞的风险，本发明进一步将W形铲片设计为横向为W折板状、高度方向为小角度（5-10°）的弧形走向，且相邻两个直管段一侧的散热片阵列相互接触，即两个W形铲片一端面相互接触，构成一个弧形的W形楞片结构，两个接触的W形铲片相互抵紧可限制变形；使本发明的散热阵列结构稳固，且形成折线式散热通道，大幅增加散热面积，提高散热效率。
3.为实现以上新型结构，本发明还提出专门的W形铲刀头及对应的加工工艺，该工艺结合了无缝管材加工过程和铲片加工特点，通过改变W形铲刀头的铲刀方向，即可快速完成切初端、铲片及切尾端的操作，适宜自动化流水线生产，且所得铲片的散热结构参数（如厚度、间距及弧度）可调整，适用范围广，值得推广。
附图说明
图1为本发明提出的铲片式换热器的立体图；
图2为本发明提出的铲片式换热器的侧视图；
图3为本发明提出的铲片式换热器中W形铲片的阵列结构图；
图4为本发明提出的铲片式换热器的加工工艺所用W形铲刀头的结构图；
图5为本发明提出的铲片式换热器的加工工艺的流程图。
图中：管体1、直管段101、弯头段102、散热片阵列2、W形铲片201、W形铲刀头3。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
参照图1-3，铲片式换热器，包括管体1和散热片阵列2，管体1包括直管段101和弯头段102，散热片阵列2布置在直管段101的两侧外壁，弯头段102外壁不设置散热片阵列2，可用于安装固定铲片式换热器，多个直管段101等距平行设置，相邻两个直管段101的两端通过弯头段102连接；
散热片阵列2由沿直管段101长度方向等距分布的W形铲片201组成，W形铲片201沿厚度方向的剖面为W形条状结构，W形铲片201的高度方向呈现弧形坡度；
相邻两个直管段101一侧的散热片阵列2相互接触，即两个W形铲片201一端面相互接触，构成一个弧形的W形楞片结构，避免采用现有铲片交互插接结构，在侧向受力时，两个接触的W形铲片201相互抵紧可限制变形，在正面受力时，由于W形铲片201为弯折状，冲击力受角度分散不易变形，因此本发明提出的新型铲片结构彻底改变现有铲片散热器不耐冲击的弊端。
其中，直管段101为扁平的直管结构，散热片阵列2设置在直管段101较宽的两外壁，以提高散热面积。
其中，直管段101和弯头段102通过焊接或一体成型的方式进行连接，当选择一体成型的直管段101和弯头段102，需要在直管段101外壁加工完散热片阵列2后，再进行折弯处理出弯头段102，此工艺较难，本厂仅在较软的铜管上做出成功试验，铝管及铁管均采用分体焊接结构。
其中，W形铲片201的厚度为0.7-3mm，可根据需要散热要求及安装条件进行设计。
其中，散热片阵列2中相邻两个W形铲片201的间距为0.5-5mm，可根据铲削加工工艺来控制。
实施例2：
本发明还提出实施例1所述铲片式换热器对应的加工工艺，包括以下步骤：
S1、管坯体制作：
筛选长方体状的金属锭材本发明选用不锈钢锭，参照无缝钢管的制作工艺，在金属锭材端面中心钻孔，并将孔壁随后在孔内壁加热至1200-1300℃，并在管内壁涂施润滑粉，进行坯料扩孔，采用2500吨立式扩孔机进行扩孔，热扩孔速度160-230mm/s，扩孔比1.08-1.41，扩出方形孔，冷却即得管坯体；
S2、管坯体削边：
管坯体其中两侧壁为薄壁，另外两侧壁为厚壁，预留出进行切削的厚度，对管坯体厚壁宽度方向的两侧边进行切削，削边是为了使W形铲片201的宽度小于直管段101宽度，起到保护W形铲片201的作用；
S3、管坯体切初端：
如图4所示，工具为W形铲刀头3，W形铲刀头3主体为扁平块结构，W形铲刀头3上表面的上刃边和下表面的下刃边均为W形，且上刃边和下刃边为平行设置，上刃边到下刃边成斜坡设置的切削面，坡度为20-40°；
如图5所示的切端①步，采用宽度与管坯体厚壁宽度相同的W形铲刀头3，W形铲刀头3水平进刀，对管坯体厚壁一端进行切割并使其卷曲，并使进刀部位与管坯体内壁间距等于管坯体薄壁厚度，从而形成新管壁；
如图5所示的切端②步，再将W形铲刀头3从管坯体厚壁上方进刀，到切端①步形成的切口为止，除去废块，形成一个弧形的切削面，切削面的坡度为40-60°以上下W齿的直线边形成的平面计算坡度，进刀方向为弧形，且进刀方向与停刀方向夹角为5-10°，便于形成高度方向带一定弧度的W形铲片201；
S4、铲片：
如图5所示的铲片①步，与切端②步平行位置的进刀方向和进刀位置，在管坯体厚壁一端切削出一定厚度的铲片，停刀后将W形铲刀头3竖直缓慢抬升，通过刃部将铲片直立，即形成W形铲片201；
如图5所示的铲片②步，重复铲片①步，依次切削出多个等距分布的W形铲片201；
如图5所示的铲片③步，当管坯体厚壁原长度方向仅剩一个W形铲片201厚度时，改变W形铲刀头3位置和进刀方向，即下刀位置为垂直向下且刃部背向其他W形铲片201，逐渐转动改变W形铲刀头3方向，使其运动轨迹与W形铲片201高度方向的弧形一致，即生成最后一个W形铲片201；
S5、切尾端：
如图5所示的切端③步，与切端①步的进刀方向相反，W形铲刀头3水平进刀，对管坯体厚壁另一端进行切割，直至铲片③步最后一个W形铲片201的底端停刀，除去废块，即得散热片阵列2；
S6、拼装：
重复S2-S5，对管坯体另一厚壁进行加工，即得两侧均带散热片阵列2的直管段101；
通过弯头段102焊接相邻直管段101的两端，形成蛇形的管体1，焊接过程中需要使相邻两个直管段101一侧的两组W形铲片201端面相互接触并抵紧，形成较为稳固的阵列结构。
其中，坯料扩孔需要多轮多次扩孔，即扩孔头尺寸逐渐增大，每次坯料扩孔采用2500吨立式扩孔机进行扩孔，热扩孔速度160-230mm/s，扩孔比1.15-1.41。
其中，W形铲刀头3上刃边和下刃边的拐角处均经过圆角处理，且上刃边的直线段和下刃边对应的直线段形成一个平面，即W形铲刀头3刃部的切削面由4个斜置的平面及之间的圆角面共同组成，便于切削走料的平滑性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.铲片式换热器，包括管体（1）和散热片阵列（2），其特征在于，所述管体（1）包括直管段（101）和弯头段（102），所述散热片阵列（2）布置在直管段（101）的两侧外壁，多个所述直管段（101）等距平行设置，相邻两个所述直管段（101）的两端通过弯头段（102）连接；
所述散热片阵列（2）由沿直管段（101）长度方向等距分布的W形铲片（201）组成，所述W形铲片（201）沿厚度方向的剖面为W形条状结构，所述W形铲片（201）的高度方向呈现弧形坡度；
相邻两个所述直管段（101）一侧的散热片阵列（2）相互接触，即两个W形铲片（201）一端面相互接触，构成一个弧形的W形楞片结构；
所述铲片式换热器的加工工艺包括以下步骤：
S1、管坯体制作：
筛选长方体状的金属锭材，在金属锭材端面中心钻孔，并将孔壁随后在孔内壁加热至1200-1300℃，并在管内壁涂施润滑粉，进行坯料扩孔，扩出方形孔，冷却即得管坯体；
S2、管坯体削边：
管坯体其中两侧壁为薄壁，另外两侧壁为厚壁，预留出进行切削的厚度，对管坯体厚壁宽度方向的两侧边进行切削，削边是为了使W形铲片（201）的宽度小于直管段（101）宽度，起到保护W形铲片（201）的作用；
S3、管坯体切初端：
工具为W形铲刀头（3），W形铲刀头（3）主体为扁平块结构，W形铲刀头（3）上表面的上刃边和下表面的下刃边均为W形，且上刃边和下刃边为平行设置，上刃边到下刃边成斜坡设置的切削面，坡度为20-40°；
切端①步，采用宽度与管坯体厚壁宽度相同的W形铲刀头（3），W形铲刀头（3）水平进刀，对管坯体厚壁一端进行切割并使其卷曲，并使进刀部位与管坯体内壁间距等于管坯体薄壁厚度，从而形成新管壁；
切端②步，再将W形铲刀头（3）从管坯体厚壁上方进刀，到切端①步形成的切口为止，除去废块，形成一个弧形的切削面，切削面的坡度为40-60°，进刀方向为弧形，且进刀方向与停刀方向夹角为5-10°，便于形成高度方向带一定弧度的W形铲片（201）；
S4、铲片：
铲片①步，与切端②步平行位置的进刀方向和进刀位置，在管坯体厚壁一端切削出一定厚度的铲片，停刀后将W形铲刀头（3）竖直缓慢抬升，通过刃部将铲片直立，即形成W形铲片（201）；
铲片②步，重复铲片①步，依次切削出多个等距分布的W形铲片（201）；
铲片③步，当管坯体厚壁原长度方向仅剩一个W形铲片（201）厚度时，改变W形铲刀头（3）位置和进刀方向，即下刀位置为垂直向下且刃部背向其他W形铲片（201），逐渐转动改变W形铲刀头（3）方向，使其运动轨迹与W形铲片（201）高度方向的弧形一致，即生成最后一个W形铲片（201）；
S5、切尾端：
切端③步，与切端①步的进刀方向相反，W形铲刀头（3）水平进刀，对管坯体厚壁另一端进行切割，直至铲片③步最后一个W形铲片（201）的底端停刀，除去废块，即得散热片阵列（2）；
S6、拼装：
重复S2-S5，对管坯体另一厚壁进行加工，即得两侧均带散热片阵列（2）的直管段（101）；
通过弯头段（102）焊接相邻直管段（101）的两端，形成蛇形的管体（1），焊接过程中需要使相邻两个所述直管段（101）一侧的两组W形铲片（201）端面相互接触并抵紧，形成较为稳固的阵列结构。
2.根据权利要求1所述的铲片式换热器，其特征在于，所述直管段（101）为扁平的直管结构，所述散热片阵列（2）设置在直管段（101）较宽的两外壁。
3.根据权利要求1所述的铲片式换热器，其特征在于，所述直管段（101）和弯头段（102）通过焊接或一体成型的方式进行连接。
4.根据权利要求1所述的铲片式换热器，其特征在于，所述W形铲片（201）的厚度为0.7-3mm。
5.根据权利要求1所述的铲片式换热器，其特征在于，所述散热片阵列（2）中相邻两个W形铲片（201）的间距为0.5-5mm。
6.根据权利要求1所述的铲片式换热器，其特征在于，所述坯料扩孔需要多轮多次扩孔，即扩孔头尺寸逐渐增大，每次坯料扩孔采用2500吨立式扩孔机进行扩孔，热扩孔速度160-230mm/s，扩孔比1.15-1.41。
7.根据权利要求1所述的铲片式换热器，其特征在于，所述W形铲刀头（3）上刃边和下刃边的拐角处均经过圆角处理，且上刃边的直线段和下刃边对应的直线段形成一个平面，即W形铲刀头（3）刃部的切削面由4个斜置的平面及之间的圆角面共同组成，便于切削走料的平滑性。
8.根据权利要求1所述的铲片式换热器，其特征在于，在所述S2-S6的过程中，管坯体内部填充金属型材，便于固定管坯体且避免管材在加工过程中变形。
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