CN101180143A - 用于制造传热性能得到增强的传热表面的工具 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于增强传热管道表面的传热性能的经过改进的工具组件。所述工具组件包括杆，所述杆具有切割尖端且被置于杆导中，所述杆导被可滑动地置于设置在工具保持器中的轴杆中。在平衡状态下，所述切割尖端并未从所述工具保持器中延伸出来。当力被施加到所述杆导上时，所述杆导沿所述工具保持器中的所述轴杆在第一方向上移动，从而导致暴露出用于增强所述管道表面的传热性能的所述切割尖端。当力从所述杆导上被去除时，所述杆导沿所述轴杆在与所述第一方向相对的方向上移动从而将所述切割尖端收回所述工具保持器内。通过这种方式，保护了处于不使用状态下的所述尖端。

Description

用于制造传热性能得到增强的传热表面的工具
对相关申请的交叉参考
本申请要求于2005年3月25日申请的序列号为No.60/665,528的美国申请的权利，所述美国申请的整体内容在此作为参考而被引用。
技术领域
本发明主要涉及一种用于形成传热性能得到增强的传热表面的工具和方法。
背景技术
本发明涉及传热性能得到增强的传热表面，如传热管道的表面(且特别是内表面)，所述传热性能得到增强的传热表面有利于从表面的一侧向另一侧进行传热。传热管道通常被用于在制冷、化学、石化以及食品加工工业中所使用的设备，如泛滥式蒸发器、降膜式蒸发器、喷雾蒸发器、吸收式冷冻器、冷凝器、直接蒸发冷却器以及单相冷却器和加热器中。多种传热介质可被用于这些应用情况中，所述多种传热介质包括，但不限于，纯水、水和乙二醇的混合物、任何类型的制冷剂(如R-22、R-134a、R-123等)、氨、石化流体和其它混合物。
理想的传热管道将会允许热量完全不受限制地从管道内部流至管道外部且反之亦然。然而，传热阻力通常会妨碍热量这样自由地流动穿过管道。管道对传热的总阻力是通过将从管道外侧至内侧或反之亦然的各个阻力相加而计算出来的。为了改进管道的传热效率，管道制造商致力于研究发现降低管道的总阻力的方式。一种这样的方式是例如通过在外表面上形成翅片而增强管道外表面的传热性能。作为用于增强外管道表面传热性能的近期进展的结果(参见例如美国专利Nos.5,697,430和5,996,686)，总的管道阻力中仅有一小部分可归因于管道外侧带来的阻力。例如，在溢流式冷冻器中使用的具有传热性能得到增强的外表面但具有平滑的内表面的典型蒸发器管道所具有的内阻力：外阻力之比通常为10∶1。理想情况下希望获得比率为1∶1的内侧阻力与外侧阻力之比。因此，对管道内表面进行改进从而显著地降低管道侧阻力并改进管道的总传热性能变得更为重要。
设置内表面上具有交替的沟槽和脊部的传热管道是已公知的。沟槽和脊部协同作用从而增强了在管道内进行传输的流体传热介质如水的紊流。该紊流增强了在接近内管道表面的位置处进行的流体混合从而减轻或事实上消除了流体介质在接近管道内表面的位置处产生的边界层积聚。边界层热阻力由于增加了管道的传热阻力而大大降低了传热性能。沟槽和脊部还提供了用于进行附加传热的额外表面区域。在授权给Withers，Jr.等的美国专利No.3,847,212中教导了该基本前提。
内管道表面上的沟槽和脊部的图案、形状和尺寸可产生变化以便进一步提高热交换性能。为此目的，管道制造商支出了大量费用以便试验采用其它可选的设计，这包括授权给Takima等的美国专利No.5,791,405、授权给Chiang等的美国专利Nos.5,332,034和5,458,191以及授权给Gaffaney等的美国专利No.5,975,196中披露的那些设计。
此外，一些类型的传热表面通过利用液体相变吸收热量而发挥作用。因此，传热表面通常包括用于增强沸腾或汽化的表面。通常已公知的是，可通过增加沸腾表面上的泡核部位、通过在单相传热表面附近引入搅拌或通过增加冷凝表面上的面积和表面张力效应而增强表面的传热性能。一种增强沸腾或蒸发的方法是通过进行烧结、辐射-熔化或轧边方法而在传热表面上形成多孔层从而对所述传热表面进行粗糙化。具有这种多孔层的传热表面已公知地呈现出比平滑表面更好的传热特征。然而，采用上述方法形成的空隙或隔室较小且沸腾液体中包含的杂质可能会阻塞所述空隙或隔室从而降低表面的传热性能。此外，由于所形成的空隙或隔室具有不均匀的尺寸或尺度，因此传热性能可能沿表面有所变化。此外，包含沸腾或蒸发表面的已公知传热管道通常需要用工具进行多个步骤或道次以便形成最终的表面。
管道制造商支出了大量费用以便试验采用其它可选的设计，这包括授权给Nakajima等的美国专利No.4,561,497、授权给Daikoku等的美国专利No.4,602,681、授权给Nakayama等的美国专利No.4,606,405、授权给Kuwahara等的美国专利No.4,653,163、授权给Sasaki等的美国专利No.4,678,029、授权给Lin的美国专利No.4,794,984以及授权给Angeli的美国专利No.5,351,397中披露的那些设计。
尽管所有这些表面设计旨在改进表面的传热性能，但工业上仍需要通过改进已有的设计并产生增强传热性能的新设计从而进一步改进管道设计。此外，还需要形成可更迅速地且以更成本有效的方式被转移到传热表面上的设计和图案。如下文中所述，本发明的传热表面的几何结构以及形成所述几何结构的工具显著地改进了传热性能。
发明内容
本发明涉及一种工具组件，所述工具组件可用于改进传热表面，例如可形成于管道上的表面，并由此增强在至少所有上述应用(即在制冷、化学、石化以及食品加工工业中所使用的泛滥式蒸发器、降膜式蒸发器、喷雾蒸发器、吸收式冷冻器、冷凝器、直接蒸发冷却器以及单相冷却器和加热器)中所使用的管道的传热性能。
所述工具组件包括杆，所述杆具有被成形以便形成所需表面且被置于工具保持器中的尖端。所述工具组件被构造以使得在使用时所述尖端从所述保持器中延伸出来以便对所述管道表面进行切割，但在完成切割时所述尖端缩回所述工具保持器内。通过这种方式，防止了所述尖端在不使用时受到切损或变钝。所述杆优选由碳化物制成。可获得的最坚固碳化物仅以杆的形式存在。因此，对于本发明的杆构型而言，所述尖端可由最坚固的现有材料形成以便进行切割。所述杆的尖端可具有不同的几何结构以便形成不同表面。然而，无论所述杆的尖端具有何种几何结构，在必须更换所述杆之前可对所述杆的尖端进行多次重新成形。这样就显著地降低了工具加工和材料成本。此外，所述杆可从所述工具组件上被去除。因此，当尖端受到切损或变钝时，所述杆可被去除以便对其尖端进行重新成形或连同所述尖端一起被更换。
所述工具组件可被用于在所述管道表面上形成多个突部以便显著地降低管道侧阻力并改进总的传热性能。所述突部形成了用于所述管道内的流体流的附加路径并由此增强了在所述管道内流动的传热介质的紊流。这样就促进了流体混合从而减轻了流体介质在接近管道的内表面处产生的边界层积聚现象，这种积聚增加了阻力且因此阻碍了传热。所述突部还提供了额外的表面区域以便进行附加的传热。与通过简单的脊部所实现的表面区域相比，根据本发明形成的突部可导致沿管道的内表面形成多五倍的表面区域。
所述工具组件还可用于形成显著减少了从一个相态向下一个相态转变例如从单相向蒸发转变的转变时间的多个腔体。所述腔体导致在所述腔体内产生了薄膜沸腾，且在所述传热系数与膜厚成反比的情况下由此增强了传热。形成腔体的突部还提供了额外的表面区域以便进行附加的热交换。
本发明的方法包括利用所述工具组件，所述工具组件可易于被添加到现有的制造设备上，并且使切割尖端切割通过位于所述管道表面上的脊部或者直接切割进入所述管道表面内以便形成多个层并且提升所述层从而形成突部。通过这种方式使得在不用从所述管道的内表面上去除金属的情况下形成所述突部，由此消除了可能损伤利用所述管道的设备的碎片。最后，所述方法还可包括使所述突部的尖端变平或弯曲。可在同一操作或不同操作中在所述管道表面上形成所述沟槽、突部和变平的尖端。
所述工具组件可被用于增强传热管道的内表面或外表面的传热性能或可被用于平的传热表面上，例如用于冷却微电子器件的平的传热表面。这些表面可适用于多种应用中，这包括例如用于HVAC、制冷、化学、石化以及食品加工工业中的应用。所述突部的物理几何结构可产生变化以便使管道适于特定应用和流体介质。
附图说明
图1a是本发明的管道的一个实施例的部分成形的内表面的局部透视图；
图1b是图1a所示的管道沿箭头a的方向的侧视图；
图1c是除了突部沿并非垂直于管道轴线s的方向从管道内表面突出以外与图1b相似的侧视图；
图1d是图1a所示的管道沿箭头b的方向的前视图；
图1e是图1a所示的管道的顶部平面图；
图2是本发明的管道的一个实施例的内表面的显微照片；
图3是本发明的管道的另一可选实施例的内表面的显微照片；
图4是可用于制造根据本发明的管道的制造设备的一个实施例的侧视图；
图5是图4所示的设备的透视图；
图6a是本发明的工具的一个实施例的透视图；
图6b是图6a所示的工具的侧视图；
图6c是图6b所示的工具的底部平面图；
图6d是图6b所示的工具的顶部平面图；
图7a是本发明的工具的另一可选实施例的透视图；
图7b是图7a所示的工具的侧视图；
图7c是图7b所示的工具的底部平面图；
图7d是图7b所示的工具的顶部平面图；
图8a是本发明的管道的另一可选实施例的部分成形的内表面的局部透视图，其中切割通过脊部的切口深度小于脊部高度；
图8b是本发明的管道的另一可选实施例的部分成形的内表面的局部透视图，其中切割通过脊部的切口深度大于脊部高度；
图9a是根据本发明的管道的另一实施例的内表面的局部顶部平面图；
图9b是图9a所示的管道沿箭头22的方向的视图；
图10a是本发明的管道的内表面的局部视图，如图所示，工具沿方向g接近脊部以便沿方向g从脊部切割突部；
图10b是本发明的管道的另一可选内表面的局部视图，如图所示，工具沿方向g接近脊部以便沿方向g从脊部切割突部；
图11a是根据本发明的管道的内表面的示意图，图中示出了脊部与沟槽之间的角取向，由此脊部和沟槽呈反向螺旋(opposite handhelix)关系；
图11b是根据本发明的管道的内表面的示意图，图中示出了脊部与沟槽之间的角取向，由此脊部和沟槽呈同向螺旋(same hand helix)关系；
图12是将现有技术的多种管道的管道侧传热系数与根据本发明的管道的管道侧传热系数进行对比的柱状图；
图13是将现有技术的多种管道的总的传热系数与根据本发明的管道的总的传热系数进行对比的柱状图；
图14是位于根据本发明的一个实施例的传热管道的内径上的部分成形的沸腾表面的局部透视图；
图15A是图14所示的实施例的部分成形的沸腾表面的局部透视图；
图15B是图15A所示的部分成形的沸腾表面的透视图的显微照片；
图15C是图15A所示的部分成形的沸腾表面的剖视图；
图16A是位于根据本发明的另一可选实施例的传热管道的内径上的沸腾表面的局部透视图；
图16B是图16A所示的管道的剖视图；
图16C是图16A所示的沸腾表面的顶部平面图的显微照片；
图16D是图16A所示的沸腾表面的剖面的显微照片；
图17A是位于根据本发明的另一可选实施例的传热管道的内径上的沸腾表面的局部透视图；
图17B是图17A所示的管道的剖视图；
图18A是位于根据本发明的另一可选实施例的传热管道的内径上的沸腾表面的局部透视图；
图18B是图18A所示的沸腾表面的剖面的显微照片；
图18C是图18A所示的沸腾表面的剖视图；
图19是开槽工具的透视图；
图20A是根据本发明的另一实施例的工具的透视图；
图20B是由图20A所示的工具形成的沸腾表面的透视图；
图20C是图20B所示的沸腾表面的显微照片；
图21是可用于制造根据本发明的传热管道的制造设备的一个实施例的透视图；
图22是根据本发明的另一实施例的工具的透视图；
图23A是位于根据本发明的另一可选实施例的传热管道的内径上的沸腾表面的剖视图；
图23B是图23A所示的沸腾表面的显微照片；
图24A是由根据本发明的一个实施例的工具形成的沸腾表面的剖视图；
图24B是由根据本发明的另一可选实施例的工具形成的沸腾表面的剖视图；
图24C是可用于形成图24A和图24B所示的沸腾表面的根据本发明的一个实施例的工具尖端的透视图；
图24D是图24C所示的工具尖端的另一可选透视图；
图25是具有缩进尖端的本发明的另一可选工具实施例的透视图；
图26是具有暴露尖端的图25所示的实施例的透视图；
图27是图25和图26所示的实施例的杆的透视图；
图28是图25和图26所示的实施例的杆导的透视图；
图29是图28所示的杆导的另一可选透视图；
图30是位于图28和图29所示的杆导中的图27所示的杆的透视图；
图31是位于图28和图29所示的杆导中且通过螺钉被紧固在所述杆导中的图27所示的杆的透视图；
图32是图25和图26所示的实施例的工具保持器的透视图；
图33是图32所示的工具保持器的另一可选透视图；和
图34是位于图32和图33所示的工具保持器中的图30和图31所示的杆/杆导组件的透视图。
具体实施方式
应该理解：根据本发明的管道通常可用于需要将热量从管道的一侧传递至管道的另一侧的任何应用中，例如多相(纯液体或气体或液体/气体混合物)蒸发器和冷凝器，但并不限于这些应用。尽管下面的描述提供了本发明的管道所希望具有的尺寸，但本发明的管道绝不旨在限于那些尺寸。而是，所希望提供的管道的几何结构将取决于多种因素，其中并非最次要的因素是流动通过管道的流体性质。本领域的技术人员易于理解如何改变管道表面的几何结构以便使用于各种应用中的且通过各种流体进行的传热最大化。此外，尽管图中示出的表面是在位于管道内表面上时呈现出的状态，但应该理解：该表面适用于管道的外表面上或例如微电子器件中使用的平的表面上。
图1a-e示出了本发明的管道21的一个实施例的部分成形的内表面。内表面18包括多个突部2。突部2由成形于内表面18上的脊部1形成。脊部1首先被成形于内表面18上，成形方式例如为，但不限于，变形、切割、拉削或挤压。脊部1随后被切割以便形成脊部层4，所述脊部层随后被提升以形成突部2(如图1a和1b最佳示出地)。该切割和提升步骤可以，但并非必须地，利用图6a-d和图7a-d所示的工具13或图25-34所示的工具组件510完成，下面将会对所述工具和工具组件进行描述。
脊部1以与管道轴线s成螺旋角α的角度被成形于内表面18上(参见图1a和图1e)。螺旋角α可以是介于0°与90°之间的任何角度，但优选不超过70°。本领域的技术人员将易于理解，优选的螺旋角α将通常取决于，至少部分地取决于，所使用的流体介质。通常情况下，流动通过管道2 1的液体的粘度越大，脊部1的高度er应该越高。例如，对于与低温下的高粘度液体一起使用的管道样品而言，通常希望具有大于零(优选为，但并非必须为，至少0.001英寸)直至管道内径(Di)的25％的高度er。对于本申请的目的而言，Di是从管道21的内表面18测得的管道21内径。脊部1的轴向节距Pa，r取决于多种因素，这包括螺旋角α、成形于管道21的内表面18上的脊部1的数量以及管道21的内径Di。尽管可利用任何节距Pa，r，但Pa，r/er之比优选为至少0.002，且er/Di之比优选介于约0.001-0.25之间。然而，此外，本领域的技术人员将易于理解，这些优选的比值将通常取决于，至少部分地取决于，所使用的流体介质和运行条件(例如流体介质的温度)。
脊部层4与轴线s成角度θ地被切割，所述角度优选介于约20°-50°之间，该角度范围包括端点在内，且更优选为约30°。突部2的轴向节距Pa，p可以是大于零的任何值且通常将尤其取决于制造过程中工具(下面将对所述工具进行讨论)与管道之间每分钟的相对转数、制造过程中工具与管道之间的相对轴向进给速率以及设置在制造过程中用于形成突部的工具上的尖端数量。尽管所得到的突部2可具有任何厚度Sp，但厚度Sp优选为节距Pa，p的大约20-100％。突部2的高度ep取决于脊部层4被切割的切割深度t(如图1b、图8a和图8b所示)和所处的角度θ。突部2的高度ep优选具有至少与切割深度t一样大直至切割深度t的三倍的值。优选但并非必须地，形成具有高度er的脊部1且将切割角度θ设置为具有将会导致突部2的高度ep为脊部1的高度er的至少约两倍的值。因此，ep/Di的比值优选介于约0.002-0.5之间(即，ep/Di是优选范围为约0.001-0.25的比值er/Di的两倍)。
如图1a和图1b所示，切割深度t等于脊部1的高度er从而使得突部2的底部40位于管道21的内表面18上。然而，切割深度t不需要等于脊部高度er。而是，脊部1可仅被部分地切割通过脊部1(参见图8a)或超出脊部1的高度并切入管道壁部3内(参见图8b)。在图8a中，脊部1未被切割通过其整个高度er，这使得突部2的底部40被置于与脊部1的底部42相比距离管道21的内表面18更远的位置处，所述底部42位于内表面18上。相反地，图8b示出了超出脊部高度er的切割深度t，这使得突部2的至少一个壁部延伸进入管道壁部3内，超出了内表面18和脊部的底部42。
当脊部层4被提升时，在相邻的突部2之间形成了沟槽20。脊部层4被切割和提升以使得沟槽20在内表面18上具有与管道21的轴线s成角度τ的取向(参见图1e、图11a和图11b)，所述角度优选但并非必须介于约80°-100°之间。
突部2的形状取决于脊部1的形状和脊部1相对于工具13的移动方向所具有的取向。在图1a-e所示的实施例中，突部2具有四个侧表面25、倾斜的顶表面26(这有助于降低传热的阻力)以及大体上尖锐的尖端28。然而，本发明的突部2绝不旨在限于该示出的实施例，而是可成形为任何形状。此外，管道21中的突部2不需要都具有相同的形状或具有相同的几何结构。
突部2的取向是直的(参见图10a)或是弯曲的或是扭曲的(参见图10b)要取决于在脊部1与工具13的移动方向g之间形成的角度β。如果角度β小于90°，突部2将具有相对直的取向，例如图10a所示的取向。如果角度β大于90°，则突部2将具有更弯曲和/或扭曲的取向，例如图10b所示的取向。
工具13可被用于切割通过脊部1并提升所得到的脊部层4以便形成突部2。然而，还可利用其它装置和方法形成突部2。工具13可由具有结构整体性以便耐受金属切割的任何材料(例如钢、碳化物、陶瓷等)制成，但优选由碳化物制成。如图6a-d和图7a-d所示的工具13的实施例通常具有工具轴线q、两个底壁30和32以及一个或多个侧壁34。设置了通过工具13的孔16。在工具13的侧壁34上形成了尖端12。然而，应该注意到，尖端可被安装或成形于可沿相对于管道21的所需取向支承尖端的任何结构上且这种结构不限于图6a-d和图7a-d所披露的结构。此外，尖端可缩回其支承结构内，以使得可易于改变切割工艺中所使用的尖端数量。
图6a-d示出了具有单个尖端12的工具13的一个实施例。图7a-d示出了具有四个尖端12的工具13的另一可选实施例。本领域的技术人员将会理解到，工具13可根据突部2的所需节距Pa，p而配备有任何数量的尖端12。此外，对于单个工具13上的尖端而言，每个尖端的几何结构并不必须相同。而是，可在工具13上设置用于形成具有不同形状、取向和其它几何结构的突部的具有不同几何结构的尖端12。
每个尖端12是通过平面A、B和C的相交而形成的。平面A和B相交形成了切割通过脊部1以便形成脊部层4的切割边缘14。平面B具有相对于与工具轴线q垂直的平面成角度的取向(参见图6b)。角度被限定为90°-θ的角度。因此，角度优选介于约40°-70°之间以便允许切割边缘14以介于约20°-50°之间的所希望的角度θ切削通过脊部1。
平面A和C相交形成了向上提升脊部层4以便形成突部2的提升边缘15。由平面C和与工具轴线q垂直的平面限定出的角度1决定了突部2被提升边缘15提升所处的倾斜角度ω(介于垂直于管道21的纵向轴线s的平面与突部2的纵向轴线之间的角度(参见图1c))。由于角度1＝角度ω，且因此使得可调节工具13上的角度1以便直接影响突部2的倾斜角度ω。倾斜角度ω(和角度1)相对于与管道21的纵向轴线s垂直的平面优选具有介于约-45°至45°之间的任何角度的绝对值。通过这种方式，突部可与垂直于管道21的纵向轴线s的平面对齐(参见图1b)或相对于与管道21的纵向轴线s垂直的平面向左和向右倾斜(参见图1c)。此外，尖端12可被成形以便具有不同的几何结构(即，不同尖端上的角度1可以有所不同)，且因此可使得管道21内的突部2相对于与管道21的纵向轴线s垂直的平面呈不同角度倾斜(或根本不倾斜)和沿不同方向倾斜。
尽管已经对突部2的物理尺寸值的优选范围进行了说明，但本领域的技术人员将易于认识到，可改变工具13的物理尺寸以便影响所得突部2的物理尺寸。例如，切割边缘14切割进入脊部1内的深度t和角度影响了突部2的高度ep。因此，可利用下面的表达式调节突部2的高度ep，
ep＝t/sin(90-)
或者，在＝90-θ的情况下，
ep＝t/sin(θ)
其中：
t是切割深度；
是平面B与垂直于工具轴线q的平面之间的角度；并且
θ是脊部层4相对于管道21的纵向轴线s被切割时所处的角度。突部2的厚度Sp取决于突部2的节距Pa，p和角度。因此，可利用下面的表达式调节厚度Sp，
SP＝Pa，p·sin(90-)
或者，在＝9 0-θ的情况下，
Sp＝Pa，p·sin(θ)
其中：
Pa，p是突部2的轴向节距；
是平面B与垂直于工具轴线q的平面之间的角度；并且
θ是脊部层4相对于管道21的纵向轴线s被切割时所处的角度。
图4和图5示出了用于改进管道21的表面的一种可能的制造装置。这些图绝不旨在限制制造根据本发明的管道所采用的工艺，而是可利用那些利用任何适当设备或设备构型的任何管道制造工艺。本发明的管道可由具有适当的物理性质的多种材料例如铜和铜合金、铝和铝合金、黄铜、钛、钢和不锈钢制成，所述适当的物理性质包括结构整体性、延展性和塑性。图4和图5示出了作用于管道21上以便改进管道21的外表面的三个柄轴10。应该注意到，图4中省去了其中的一个柄轴10。每个柄轴10包括具有鳍状圆盘7的工具装置，所述鳍状圆盘从一个裂口外侧翅片开始沿径向挤压形成具有轴向节距Pa，o的多个裂口(start)外侧翅片。工具装置可包括附加的圆盘，如切槽或整平圆盘，以便进一步改进管道21的外表面。此外，尽管图中示出了仅三个柄轴10，但可根据所需的外表面改进利用更少或更多的心轴。然而，应该注意到，根据管道应用情况，根本不需要在管道21的外表面上提供表面改进。
在改进管道21的内表面18的一种典型方式中，其上旋转地安装有心轴9的心轴轴杆11延伸进入管道21内。工具13通过孔16被安装到轴杆11上。螺栓24将工具13紧固在适当位置处。工具13优选通过任何适当装置被锁定以便与轴杆11一起旋转。图6d和图7d示出了键槽17，所述键槽可被设置在工具13上以便与轴杆11上的突部(未示出)相互锁定从而相对于轴杆11将工具13固定在适当位置处。
在运行中，管道21通常在经过制造工艺时进行旋转。管壁3在心轴9与鳍状圆盘7之间移动，所述心轴和鳍状圆盘在管壁3上施加压力。在压力下，管壁3的金属流入鳍状圆盘7之间的沟槽内以便在管道的外表面上形成翅片6。
在心轴9上设置所需内表面图案的镜像图案，从而使得当管道21与心轴9接合时，心轴9将形成管道21的具有所需图案的内表面18。所希望的内表面图案包括脊部1，如图1a和图4所示。当在管道21的内表面18上形成脊部1之后，管道21与被置于邻近心轴9的位置处且位于所述心轴下游的工具13相触碰。如前所述，工具13的一个或多个切割边缘14切割通过脊部1以便形成脊部层4。工具13的一个或多个提升边缘15随后提升脊部层4以便形成突部2。
当突部2与外侧翅片同时形成且工具13被固定(即，不进行旋转或沿轴向移动)时，管道21自动旋转且进行轴向移动。在这种情况下，突部的轴向节距Pa，p由下面的公式决定：
P a , p = P a , o · Z o Z i
其中：
Pa，o是外侧翅片6的轴向节距；
Zo是位于管道21的外径上的翅片裂口的数量；并且
Zi是工具13上的尖端12的数量。
为了获得特定的突部轴向节距Pa，p，工具13也可进行旋转。管道21和工具13可沿相同的方向旋转，或另一种可选方式是，管道21和工具13可进行旋转，但却是沿相对的方向进行旋转。为了获得预定的轴向突部节距Pa，p，可利用下面的公式计算工具13所需进行的旋转(每分钟的转数(RPM))：
RPM tool = RPM tube ( P a , o · Z o - P a , p · Z i ) Z i · P a , p
其中：
RPMtube是管道21的旋转频率；
Pa，o是外侧翅片6的轴向节距；
Zo是位于管道21的外径上的翅片裂口的数量；
Pa，p是希望为突部2提供的轴向节距；并且
Zi是工具13上的尖端12的数量。
如果该计算结果为负，则工具13应该沿与管道21相同的方向进行旋转以便获得所需节距Pa，p。另一种可选方式是，如果该计算结果为正，则工具13应该沿与管道21相对的方向进行旋转以便获得所需节距Pa，p。
应该注意，尽管描述的是在相同的操作中实现突部2的形成与脊部1的形成，但可在与形成翅片相独立的操作中利用具有预成形内脊部1的管道制造突部2。这通常需要组件以便使工具13或管道21进行旋转并且使工具13或管道21沿管道轴线移动。此外，优选设置支承件以便使工具13相对于内管道表面18位于中心。
在这种情况下，突部2的轴向节距Pa，p由下面的公式决定：
Pa，p＝Xa/(RPM·Zi)
其中：
Xa是管道21与工具13之间的相对轴向速度(距离/时间)；
RMP是工具13与管道21之间的相对旋转频率；
Pa，p是希望为突部2提供的轴向节距；并且
Zi是工具13上的尖端12的数量。
当(1)管道仅沿轴向移动(即不进行旋转)且工具仅进行旋转(即不沿轴向移动)；(2)管道仅进行旋转且工具仅沿轴向移动；(3)工具进行旋转且沿轴向移动，但管道沿旋转方向和轴向均被固定；(4)管道进行旋转且沿轴向移动，但工具沿旋转方向和轴向均被固定；以及(5)出现上述情况的任何组合情况时，利用该公式是适当的。
对于本发明的内管道表面而言，(在突部2之间通过沟槽20)形成了用于流体流的附加路径以便优化传热和压力降。图9a示出了用于使流体行进通过管道21的这些附加路径22。这些路径22是除了在脊部1之间形成的流体流路径23以外的路径。这些附加的路径22相对于管道轴线s成螺旋角α1。角度α1是介于由相邻脊部1形成的突部2之间的角度。图9b清晰地示出了在突部2之间形成的这些附加路径22。可通过利用下列表达式调节突部2的节距Pa，p而调节螺旋角α1且因此调节通过管道21的路径22的取向。
P a , p = P a , r · tan ( α ) · π D i π D i · ( tan ( α ) + tan ( α 1 ) ) ± P a , r · tan ( α ) · tan ( α 1 ) · Z i
其中：
Pa，r是脊部1的轴向节距；
α是脊部1与管道轴线s所成的角度；
α1是突部2之间的所希望的螺旋角；
Zi是工具13上的尖端12的数量；并且
Di是从管道21的内表面18测得的管道21的内径。
如果脊部螺旋角α和沟槽20的角度τ都是右向螺旋或左向螺旋(参见图11b)，则上面的表达式中应当使用“[-]”号。另一种可选方式是，如果脊部螺旋角α和沟槽20的角度τ是反向螺旋(参见图11a)，则上面的表达式中应当使用“[+]”号。
具有上述表面的管道要优于现有管道。在图12和图13中借助于证实这些管道之间在增强因子方面的差别而图示性地示出了这种管道的两个实例(沸腾管道的管道No.25和管道No.14)的增强性能。增强因子是这些新管道(管道No.25和管道No.14)的传热系数(既有管道侧传热系数(参见图12)也有总的传热系数(参见图13))与现有管道(Turbo-B、Turbo-BII和Turbo-BIII)相比所增加的因子。然而，同样地，管道No.25和管道No.14仅是根据本发明的管道的实例。根据本发明制造的其它类型的管道在多种应用方面都优于现有管道。
在授权给Thors等的美国专利No.5,697,430的表1和表2中对Turbo-B、Turbo-BII和Turbo-BIII管道的物理特征进行了描述。Turbo-B被称作管道II；Turbo-BII被称作管道III；且Turbo-BIII被称作管道IVH。管道No.25和管道No.14的外表面与Turbo-BIII的外表面相同。管道No.25和管道No.14的内表面是根据本发明制成的且包括下列物理特征：
表1管道和脊部尺寸
管道No.25  管道No.14
管道的外径(英寸) 0.750  0.750
管道的内径Di(英寸) 0.645  0.650
内脊部的数量 85  34
内脊部的螺旋角α(度) 20  49
内脊部的高度er(英寸) 0.0085  0.016
内脊部的轴向节距Pa，r(英寸) 0.065  0.052
Pa，r/er 7.65  3.25
er/Di 0.0132  0.025
表2突部尺寸
管道No.25  管道No.14
突部高度ep(英寸) 0.014  0.030
突部的轴向节距Pa，p(英寸) 0.0167  0.0144
突部厚度Sp(英寸) 0.0083  0.007
切割进入脊部内的切口深度t(英寸) 0.007  0.015
此外，用于在管道No.25和管道No.14上形成突部的工具具有下列特征：
表3工具尺寸
管道No.25  管道No.14
切割尖端的数量Zi 3  1
角度(度) 60°  60°
角度ω(度) 2°  2°
角度τ(度) 89.5 °  89.6°
角度β(度) 69.5°  40.6°
外径翅片裂口的数量 3  N/A
工具每分钟的转数 0  1014
管道每分钟的转数 1924  0
 Xa(英寸/分钟) 96.2  14.7
如图12所示，管道No.14的管道侧传热系数是Turbo-BIII的约1.8倍，且管道No.25的管道侧传热系数是Turbo-BIII的约1.3倍，所述Turbo-BIII目前是蒸发器应用中使用的最为普遍的管道且被示作图12和图13中的基线。相似地，如图13所示，管道No.25的总的传热系数是Turbo-BIII的约1.25倍，且管道No.14的总的传热系数是Turbo-BIII的约1.5倍。
如图14所示，本发明的其它实施例包括具有位于管道100的内表面104上的初级沟槽108的传热表面，所述管道还具有外表面106和管壁102。正如本领域的技术人员易于理解地，初级沟槽108的数量可根据利用传热表面的应用情况且根据所使用的流体介质而产生变化。可通过任何方法形成初级沟槽108，所述方法包括，但不限于，切割、变形、拉削或挤压。初级沟槽108以与管道100的轴线s成螺旋角α(未示出)的角度被成形于内表面104上。螺旋角α可以是介于0°与90°之间的任何角度，但优选不超过70°。本领域的技术人员将易于理解，优选的螺旋角α将通常取决于，至少部分地取决于，所使用的流体介质。
初级沟槽108的轴向节距取决于多种因素，这包括螺旋角α、在管道100的内表面104上形成的初级沟槽108的数量以及管道100的内径。对于本申请的目的而言，内径是从管道100的内表面104测得的。优选采用0.01英寸至无限大(如果初级沟槽108平行于管道轴线s进行延伸)的轴向节距。
本发明的某些实施例还包括突部或翅片110。突部110可从内表面104上被切割和提升，如图15A-C所示。突部110优选与管道100的轴线s成角度θ地被切割(参见图15C)。突部110的高度ep取决于内表面104被切割的切割深度t和所处的角度θ。突部110的高度ep总是具有大于切割深度t的值。切割深度t优选大于初级沟槽108的深度。然而，切割深度t也可小于或等于初级沟槽108的深度。
突部110的轴向节距Pa，p可以是大于零的任何值且通常尤其取决于制造过程中在用于形成突部110的工具(例如上述工具13或下面所述的变型的工具300、325和350或者可缩回的工具组件510)与管道100之间每分钟的相对转数、制造过程中在用于形成突部110的工具与管道100之间的相对轴向进给速率以及在制造过程中设置在用于形成突部110的工具上的切割尖端的数量。突部110优选具有介于0.00197英寸与0.197英寸之间的轴向节距Pa，p。轴向节距Pa，p和高度将通常取决于突部的数量，所述高度ep随着Pa，p的减少而减少。
突部110的形状取决于内表面104的形状和在已经切割出初级沟槽108之后内表面104相对于用于形成突部110的工具的移动方向所具有的取向。在图15A-C所示的实施例中，突部110具有四个侧表面120、倾斜顶表面122和大体上尖锐的尖端124。
突部110的尖端124可选地可变平以便形成沸腾腔体114，如图16A-D所示。另一种可选方式是，突部110的尖端124可被弯曲以便形成沸腾腔体114，如图17A-B所示。在其他实施例中，突部110的尖端124可变厚以便形成沸腾腔体114，如图23A-B所示。在另外其它的实施例中，突部110可朝向彼此成一定角度，例如图18A-C所示，以便形成沸腾腔体14。本领域的技术人员将易于理解，如果需要冷凝表面的话，则突部110的尖端124可保持大体上直(不弯曲或变平)的形式且大体上垂直于管道100的内表面104。然而，如果需要沸腾或蒸发表面，则形成沸腾腔体114可大大提高沸腾表面的效率。沸腾腔体114的形成使得形成了用于流体流的路径并促进了从液体向蒸汽的转化。
然而，本发明的突部110绝不旨在限于所示的实施例，而是可被成形为任何形状。此外，管道100中的突部110不必须具有相同的形状或具有相同的几何结构。
如图15A所示，次级沟槽112可位于相邻的突部110之间。次级沟槽112具有相对于管道100的轴线s成角度τ(未示出)的取向。角度τ可以是介于约80°与100°之间的任何角度。角度τ优选为约90°。
本发明的某些实施例还包括用于在管道上制造沸腾表面的方法和工具。例如图19所示的开槽工具200特别适用于形成初级沟槽108。开槽工具200具有大于管道100内径的外径，从而使得当所述工具被拉动或推动通过管道100时形成初级沟槽108。开槽工具200还包括用于附接到轴130(如图21所示)上的孔202。
图6A-D和图7A-D所示的工具13可按照如上所述的方式被用于形成突部110和次级沟槽112。尽管已经描述了突部110的物理尺寸值的优选范围，但本领域的技术人员将认识到，可改变工具13的物理尺寸以便影响所得突部110的物理尺寸。例如，切割边缘14切割进入内表面104内的深度t和角度影响了突部110的高度ep。因此，可利用下面的表达式调节突部110的高度ep：
ep＝t/sin(90-)
或者，在＝90-θ的情况下，
ep＝t/sin(θ)
其中：
t是切割深度；
是平面B与垂直于工具轴线q的平面之间的角度；并且
θ是层相对于管道100的纵向轴线s被切割时所处的角度。
突部110的厚度Sp取决于突部110的节距Pa，p和角度。因此，可利用下面的表达式调节厚度Sp：
Sp＝Pa，p·sin(90-)
或者，在＝90-θ的情况下，
Sp＝Pa，p·sin(θ)
其中：
Pa，p是突部110的轴向节距；
是平面B与垂直于工具轴线q的平面之间的角度；并且
θ是内表面104相对于管道100的纵向轴线s被切割时所处的角度。
另一种可选方式是，工具13可产生变型以便形成多种不同表面。如上所述，单个工具13上的尖端无需具有相同的几何结构。例如，图22示出了变型的工具300，所述工具具有几何结构不同的两对尖端318、320以便形成例如图18A-C所示的具有倾斜突部110的沸腾表面。为了形成这种表面，相邻尖端318、320被成形以便具有不同的角度1(所述角度决定了突部110被提升所处的倾斜角度ω)。改变突部110的倾斜角度ω是可能的，从而在位于沸腾腔体114的开口116处的突部120之间获得了特定间隙g，这影响了沿表面104的弯曲流体流s。
因此，所获得的间隙g可被计算如下：
Figure S2006800179922D00181
其中：
p是突部110的轴向节距；
是平面B与垂直于工具轴线q的平面之间的角度
1是平面C与垂直于工具轴线q的平面之间的工具300的角度；
并且
t是切割深度。
在本发明的某些实施例中，可利用变平工具400使突部110的尖端124变平或弯曲(例如图16A-D所示)，如图21所示。变平工具400所具有的直径优选大于位于内表面104上的突部110的直径。因此，当变平工具400被推动或拉动通过管道100时，使得突部110的尖端124弯曲或变平。变平工具400包括用于附接到轴杆130上的孔402。
在其它的实施例中，可在不利用变平工具400的情况下使突部110的尖端124获得与图16A-D所示的变平或弯曲的尖端124相似的形状。例如，工具13可产生变型以便包括除了切割和提升突部的尖端12以外的用于使突部110的尖端124变平的一个或多个尖端。例如，如图20A所示的可要不然具有与工具13相同的几何结构的变型工具325包括在形成突部后使突部弯曲或变平的变平尖端316。变型的工具325可被用于形成例如图17A-B和图20B-C所示的沸腾表面。
还可通过形成具有变厚尖端124的突部110而形成在传热表面上使用的沸腾表面。如图23A-B所示，具有变厚尖端124的传热表面可被用于形成沸腾腔体114。图24C-D示出了可用于形成具有变厚尖端124的突部110的工具13的变型实施例350。
在这些实施例中，变型的工具350的尖端302包括两个切割边缘360、370、具有相对于垂直于工具轴线q的平面成角度β2的取向的第一切割边缘360和具有相对于垂直于工具轴线q的平面成角度β3的取向的第二切割边缘370(角度β2和β3与图6b所示的角度类似)。通过调节角度β2和β3对脊部1或管道表面104被切割时所处的角度θ进行调节并因此对突部的所得形状进行调节。通过以两个角度切入脊部1或管道表面104内，可以形成图23A-B和图24A-B所示的具有更薄的轴杆和更厚的尖端的突部。
结合图24A-B，可利用下列公式获得具有变厚的尖端124的突部110：
Figure S2006800179922D00191
其中：
2是切割边缘的第一部位的突出部与工具进给方向之间的角度(2＝90°-β2)；
3是切割边缘的第二部位的突出部与工具进给方向之间的角度(3＝90°-β3)；
t是切割全长；并且
t1是切割边缘的第一部位的切割深度，则突部尖端124将如图24A所示，且间隙g可计算如下：
Figure S2006800179922D00201
如果下式成立：
Figure S2006800179922D00202
则突部尖端1 24将如图24B所示且间隙g可计算如下：
g＝p·cos(3-2)·(1-sin(2)-cos(2)·(tg(3-2)).
图21示出了用于改进管道100的表面的一种可能的制造装置。这些图绝不旨在限制制造根据本发明的管道100所利用的工艺，而是可利用那些利用了任何适当设备或设备构型的任何管道制造工艺。本发明的管道100可由具有适当的物理性质的多种材料如铜和铜合金、铝和铝合金、黄铜、钛、钢和不锈钢制成，所述物理性质包括结构整体性、延展性和塑性。
在用于改进管道100的内表面104的一种典型方式中，轴杆130延伸进入管道100内，变平工具400通过孔402被安装到所述轴杆上。工具13通过孔16被安装到轴杆130上。本领域的技术人员将易于理解，根据需要形成的表面，可利用变型的工具300、325或350代替工具13和/或去除变平工具400。开槽工具200通过孔202被可旋转地安装到轴杆130上。螺栓132将所有三个工具200、13、400紧固在轴杆130上。工具13和400优选被任何适当装置锁定以便与轴杆130一起旋转。图6B和图7B示出了可被设置在工具13上以便与位于轴杆上的突部(未示出)相互锁定从而将工具13相对于轴杆130固定在适当位置处的键槽17。
尽管未示出，但当利用本发明的方法和/或工具形成管道内表面时，制造装置可包括如上所述且如图5所示的可用于改进管道外表面的柄轴。每个柄轴10通常包括具有鳍状圆盘7的工具装置，所述鳍状圆盘从一个裂口外侧翅片开始沿径向挤压形成具有轴向节距Pa，o的多个裂口(start)外侧翅片。工具装置可包括附加的圆盘，如切槽或整平圆盘，以便进一步改进管道外表面。然而，应该注意到，根据管道应用情况，根本不需要在管道外表面上提供表面的改进。在操作中，管壁在心轴与柄轴之间移动，这使得将压力施加在管壁上。
所需内表面图案的镜像图案被设置在开槽工具200上，从而使得当管道100与开槽工具200接合时，开槽工具200将形成管道100的具有所需图案的内表面104。所希望的内表面104包括如图14所示的初级沟槽108。当在管道100的内表面104上形成初级沟槽108之后，管道100与被置于邻近开槽工具200的位置处且位于所述开槽工具下游的工具13相触碰。工具13的一个或多个切割边缘14切割通过内表面104。工具13的一个或多个提升边缘15随后提升内表面104以便形成突部110。
当突部110与外侧翅片同时形成且工具13被固定(即，不进行旋转或沿轴向移动)时，管道100自动旋转且进行轴向移动。在这种情况下，突部110的轴向节距Pa，p由下面的公式决定：
P a , p = P a , o · Z o Z i
其中：
Pa，o是外侧翅片的轴向节距；
Zo是位于管道外径上的翅片裂口的数量；并且
Zi是工具13上的尖端12的数量。
为了获得特定的突部轴向节距Pa，p，工具13还可进行旋转。管道100和工具13可沿相同方向旋转，或另一种可选方式是，管道100和工具13可进行旋转，但却是沿相对的方向进行旋转。为了获得预定的轴向突部节距Pa，p，可利用下面的公式计算工具13所需进行的旋转(每分钟的转数(RPM))：
RPM tool = RPM tube ( P a , o · Z o - P a , p · Z i ) Z i · P a , p
其中：
RPMtube是管道100的旋转频率；
Pa，o是外翅片的轴向节距；
Zo是位于管道外径上的翅片裂口的数量；
Pa，p是希望为突部110提供的轴向节距；并且
Zi是工具13上的尖端12的数量。
如果该计算的结果为负，则工具13应该沿与管道100相同的方向进行旋转以便获得所需节距Pa，p。另一种可选方式是，如果该计算的结果为正，则工具13应该沿与管道100相对的方向旋转以便获得所需节距Pa，p。
应该注意，尽管描述的是在相同的操作中实现突部110的形成与初级沟槽108的形成，但可在与形成初级沟槽108相独立的操作中通过利用具有预成形初级沟槽108的管道100制造突部110。这通常需要组件使工具13或管道100进行旋转并且使工具13或管道100沿管道轴线移动。此外，优选设置支承件(未示出)以便使工具13相对于内管道表面104位于中心。
在这种情况下，突部110的轴向节距Pa，p由下面的公式决定：
Pa，p＝Xa/(RPM·Zi)
其中：
Xa是管道100与工具13之间的相对轴向速度(距离/时间)；
RPM是工具13与管道100之间的相对旋转频率；
Pa，p是希望为突部110提供的轴向节距；并且
Zi是工具13上的尖端12的数量。
当(1)管道100仅沿轴向移动(即不进行旋转)且工具13仅进行旋转(即不沿轴向移动)；(2)管道100仅进行旋转且工具13仅沿轴向移动；(3)工具进行旋转且沿轴向移动，但管道100沿旋转方向和轴向均被固定；(4)管道100进行旋转且沿轴向移动，但工具13沿旋转方向和轴向均被固定；以及(5)出现上述情况的任何组合情况时，利用该公式是适当的。
对于本发明的内管道表面104而言，通过次级沟槽112形成了用于流体流的附加路径以便优化传热和压力降。图15A示出了用于使流体行进通过管道100的这些附加路径。这些路径是除了在初级沟槽108之间形成的流体流路径以外的路径。这些附加的路径相对于管道轴线s成螺旋角α1。角度α1是介于由相邻初级沟槽108形成的突部110之间的角度。可通过利用下列表达式调节突部110的节距Pa，p而调节螺旋角α1且因此调节通过管道100的这些附加路径的取向
P a , p = P a , r · tan ( α ) · π D i π D i · ( tan ( α ) + tan ( α 1 ) ) ± P a , r · tan ( α ) · tan ( α 1 ) · Z i
其中：
Pa，r是初级沟槽108的轴向节距；
α是初级沟槽108与管道轴线s所成的角度；
α1是突部110之间的所希望的螺旋角；
Zi是工具13上的尖端12的数量；并且
Di是从管道100的内表面104测得的管道100的内径。
图25-34示出了可用于形成上述传热表面的另一种工具组件510。该工具组件包括杆512，所述杆具有用于在传热管道的表面(且特别是内表面)上形成突部的尖端514(参见图27)。杆512可由具有结构整体性以便耐受金属切割的任何材料(例如钢、碳化物、陶瓷等)制成，但优选由碳化物(如碳化钨)制成。尖端514优选，但并非必须，一体地成形于杆512的端部上。尖端514的几何结构优选，但并非必须，与如图6a-d所示并在上面结合该图所述的工具13的尖端12相同。
杆512滑动进入具有头端518和尾端520且设有尺寸适于接收杆512的轴杆杆522(如图30-31所示)的杆导516(如图28-29所示)。轴杆杆522优选延伸通过杆导516以便使得在杆导516的头端518和尾端520处或接近所述头端和尾端的位置处都具有开口。尖端514从位于杆导516的头端518处的轴杆522的开口延伸出来。在杆512滑动进入杆导516内之后，螺钉524(如图25-26最佳示出地)可接合在位于杆导516的尾端520处的轴杆522的开口中。通过调节螺钉524而调节尖端514从位于杆导516的头端518处的轴杆522的开口延伸出来的量。尖端514的延伸量将进一步决定尖端514切割进入脊部1或管道内表面104内的切割深度(t)。第二螺钉528可被***沿杆导516的长度设置的螺纹孔530(如图30-31所示，所述螺纹孔位于杆导516的头端518处)内。该第二螺钉528将杆512(且因此将尖端514的延伸部)相对于杆导516锁定在适当位置处。
杆导516的头端518优选设有定中心平面532。在使用过程中，定中心平面532与要被切割尖端514切割的脊部1的顶部或者管道内表面104接触。通过这种接触，定中心平面532使得在内表面改进过程中保持工具组件510位于管道内的中心位置处。
杆导516随后被***最佳地如图32-33示出的工具保持器534内。工具保持器534包括头部部分536和限定出工具保持器的纵向轴线(未示出)的杆部分544。头部部分536具有外壁542(图中示出的外壁为圆柱形但所述外壁可具有任何适当形状)且设有大体上延伸通过头部部分536的长度的中空轴杆546。每根轴杆546优选具有位于头部部分536的顶壁540处或接近所述顶壁的位置处以及位于头部部分536的底壁538处或接近所述底壁的位置处的开口。每根轴杆546的轴线相对于工具保持器534的纵向轴线的定位角度在优选0°至90°的范围内，该角度范围包括端点在内。轴杆546的尺寸适于接收杆导516(以及杆512)，所述杆导(以及杆)滑动进入位于工具保持器534上的轴杆546内，如图34所示。
根据特定应用中需要使用的尖端514的数量，工具保持器534可设有任何数量的中空轴杆546。根据脊部突部的所需节距(Pa，p)，并非所有的中空轴杆546都需要被杆导516和杆512占据。此外，设置在工具保持器534中的杆512上的尖端514的几何结构并不需要是相同的。而是，具有不同的几何结构以便形成具有不同形状、取向和其它几何结构的突部的尖端514可被设置在工具保持器534中。例如，正如上面结合图18A-C和图22所述地，提供具有不同角度1的尖端14将导致产生具有不同倾斜角度ω的突部。通过这种方式，可利用工具组件510形成具有如图18A-C所示的倾斜突部的沸腾表面。
此外，正如上面结合图23A-B和图24A-D所述地，通过提供具有多条切割边缘的尖端302，可形成具有变厚尖端124的突部以便形成泡核沸滕腔体。
现在参见图25-26，垫圈548和心轴550被螺合到工具保持器534的杆部部分544上。垫圈548包括底部552，多个叉部554从所述底部延伸出来。垫圈548的叉部554被定位成面对工具保持器534的头部部分536的底壁538。工具保持器534的头部部分536的顶壁540优选设有螺纹孔556，杆558被螺合在所述螺纹孔中。(安装在杆558上)的尺寸调整隔板560被定位在邻近工具保持器534的头部部分536的位置处，且偏压元件(在这种情况下为弹簧562，所述弹簧也被安装在杆558上)被定位在邻近尺寸调整隔板560的位置处。偏压元件可具有任何结构(包括，但不限于，弹簧，所述弹簧包括板簧、盘簧、螺旋弹簧、卷簧、Z形弹簧等)且由能够进行压缩和扩张的任何材料(包括，但不限于橡胶、金属、塑料等)制成。螺母564被螺合在杆558的端部上从而将弹簧562和尺寸调整隔板560固定在工具组件510上。应该注意，具有头部和轴杆的螺钉(未示出)可易于代替杆558和螺母564。
当进行组装时，每个杆导516的头端518与尺寸调整隔板560接触且每个杆导516的尾端522与垫圈548的底部552接触。工具保持器534的杆部部分544的远端设有螺纹566，以使得工具组件510可被螺合到杆导的端部上(所述端部可被固定或进行旋转)，所述端部在图25-26所示的组件被附接到其上的情况下延伸通过管道内部以便改进管道表面。
在平衡状态下(如图25所示)，(被固定在杆导516中的)尖端514并未延伸超出工具保持器534的头部部分536的外壁542且因此受到保护。在使用过程中，心轴550在管道内表面上形成脊部，所述脊部被尖端514进一步切割和提升从而形成所需突部。本领域的技术人员应该理解，心轴550可被(如图19所示的)开槽工具200代替以便在管道表面上形成沟槽108(而不是脊部1)(当然是在将力施加到工具组件510上以便实现尖端514从工具保持器534中的暴露的情况下)。尖端514随后将切割进入管壁104(而不是直立脊部1)内以便形成如图15A所示的突部。
在该过程中，心轴550(或开槽工具200)接靠在垫圈548上，所述垫圈进一步接靠在杆导516上。在这种压力下，杆导516沿工具保持器534的与其相应的中空轴杆546朝向尺寸调整隔板560滑动。特别是，垫圈548的底部552在杆导516的尾端520上施加力并沿轴杆546推动所述尾端。通过这种方式，尖端514被推动超出工具保持器534的头部部分536的外壁542(如图26所示)并被暴露出来以便切割和提升脊部1或内管道表面104从而形成上面结合图1a-c和图15a-c所述的突部。杆导516接靠在尺寸调整隔板560上，所述尺寸调整隔板进一步压缩弹簧562。位于垫圈548上的叉部554与工具保持器534的头部部分536的底壁538之间的接触阻止了杆导516进行进一步的移动。因此，垫圈叉部554的高度控制了杆导516(且因此是尖端514)相对于工具保持器534被推动的量且因此影响了尖端514暴露出的量以及因此所导致的尖端514切割进入管道表面内的切割深度(t)。可易于在工具组件510上代替地使用具有高度不同的叉部554的垫圈548并利用所述垫圈准确地控制尖端514将延伸超出工具保持器534的头部部分536的外壁542的程度以及因此导致的尖端514的切割深度(t)。
在通过尖端514进行切割和提升之后，新形成的突部与尺寸调整隔板560接触，这调整了由尖端514切割出的突部的高度。尺寸调整隔板560使过高的突部变平直至其达到特定高度。可易于通过在工具组件510上代替地使用具有不同直径的隔板560而调节突部的高度。隔板560还可用于使所得的突部中的一些或全部突部变平从而形成例如图16A-D、图17A-B和图20B-C所示的泡核沸腾腔体。另一种可选方式是，也可将包括具有变平尖端316(如图20所示)的几何结构的尖端514的杆512***工具保持器内。通过这种方式，被置于工具保持器中的杆的尖端(或多个尖端)还可实现变平功能。
当完成形成突部的过程且不再在垫圈548上施加力时，被压缩的弹簧562导致组件510回复其平衡状态(如图25所示)，这意味着弹簧562使尺寸调整隔板560受力从而将杆导516推回，直至尺寸调整隔板560与工具保持器534的头部部分536的顶壁540接触。通过这种方式，杆导516沿轴杆546滑动从而使尖端514缩回到工具保持器534的外壁542内。
在力被施加到工具组件510的不同部件上的情况下，垫圈548、工具保持器534、杆导516和尺寸调整隔板560应该优选由能够在受到这种力作用时保持其结构的材料制成。例如，这些部件可由金属制成，这包括碳化物、钢等。
为了去除工具组件510，仅需要通过拧松工具保持器534的杆部部分544的远端而从杆导上拧下所述工具组件(未示出)。然而，工具组件510通常将被紧固地固定在杆导上且因此使得可能难以拧下所述工具组件。如果用手拧下工具组件的话，则拧下工具组件510所需的力可能导致对工具组件510产生损伤。因此，优选(但并非必须)在工具保持器534的外壁542中设置孔568。装置可被***孔568中，并利用扭矩拧下工具组件510。
该工具组件510的设计带来了多个优点。如果杆512上的尖端514被磨损，则杆512可易于被去除以便进行重新成形或更换整个杆512。可通过从杆导516上去除螺钉524或528并使杆512从杆导516中滑动出来而从杆导516上去除包含磨损尖端514的杆512。另一种可选方式是，可从工具保持器534上去除整个杆导516。另一种方式是，位于现有杆512上的尖端514可被重新成形并被返回杆导516上或者可将具有新尖端514的新的杆512***杆导516内。该工具设计的另一优点在于，在必须更换杆512之前可对杆512上的尖端514进行多次重新成形。这大大降低了工具加工和材料成本。此外，如上所述，通过利用具有不同叉部554的高度以便调节在使用过程中尖端514从工具保持器534中伸出的程度多少或者通过调节尖端514从其相应的杆导516中延伸出来的程度的垫圈548，使得工具组件510可易于被用在具有不同壁厚的管道上。
上文的目的在于对本发明的实施例进行示出、说明和描述。本领域的技术人员将易于理解对这些实施例作出的进一步变型和调整且可在不偏离本发明的精神或下面的权利要求书的范围的情况下作出这些变型和调整。

Claims (22)

1.一种用于切割金属的工具组件，所述工具组件包括：
a.包括纵向轴线、外部顶壁、外部底壁、外部外壁和至少一根大体上中空的轴杆的保持器，其中所述至少一根轴杆延伸通过所述保持器并且包括第一开口和第二开口；
b.至少一个杆组件，所述杆组件包括：
i.具有头端和尾端的杆导；
ii.杆，所述杆具有被成形以便具有尖端几何结构的尖端并被置于所述杆导中，其中所述尖端从所述杆导的所述头端延伸出来，
其中所述至少一个杆组件被置于所述保持器的所述至少一根轴杆中且其中所述杆导的所述头端能够从所述至少一根轴杆的所述第一开口延伸出来且其中所述杆导的所述尾端能够从所述至少一根轴杆的所述第二开口延伸出来；
c.垫圈，所述垫圈被置于大体上邻近所述保持器的所述外部底壁的位置处且适于在力被施加在所述垫圈上时将压力施加到所述杆导的所述尾端上，从而导致所述至少一个杆组件沿所述至少一根轴杆移动一定距离且所述尖端延伸超出所述保持器的所述外壁；
d.隔板，所述隔板被置于大体上邻近所述保持器的所述外部顶壁的位置处且适于将压力施加到所述杆导的所述头端上，从而导致所述至少一个杆组件沿所述至少一根轴杆的至少一部分移动从而使所述尖端缩回所述保持器的所述外壁内；和
e.偏压元件，所述偏压元件被置于大体上邻近所述隔板的位置处。
2.根据权利要求1所述的工具组件，其中所述至少一根轴杆相对于所述保持器的所述纵向轴线以介于0°-90°范围之间的角度进行延伸，所述范围包括端点在内。
3.根据权利要求1所述的工具组件，其中所述杆在所述杆导中的位置是可调节的。
4.根据权利要求1所述的工具组件，其中所述杆可从所述杆导上被去除。
5.根据权利要求4所述的工具组件，其中所述杆的所述尖端可被重新成形并重新置于所述杆导中。
6.根据权利要求1所述的工具组件，其中所述尖端适于通过切割和提升金属而在管道的内表面上形成突部。
7.根据权利要求6所述的工具组件，其中所述尖端几何结构包括至少一条切割边缘。
8.根据权利要求7所述的工具组件，其中所述尖端几何结构包括至少两条切割边缘。
9.根据权利要求6所述的工具组件，其中所述尖端几何结构包括至少一条提升边缘。
10.根据权利要求1所述的工具组件，其中所述至少一个杆组件包括多个杆组件。
11.根据权利要求10所述的工具组件，其中所述多个杆组件中的至少两个杆组件的所述杆的所述尖端的尖端几何结构是不同的。
12.根据权利要求1所述的工具组件，其中所述至少一个杆组件可从所述保持器中被去除。
13.根据权利要求1所述的工具组件，其中所述垫圈包括底部和具有一定高度并从所述底部延伸出来的至少一个叉部，其中所述底部适于将压力施加到所述杆导的所述尾端上且其中所述至少一个叉部的所述高度至少部分地控制了所述杆组件沿所述至少一根轴杆移动的距离。
14.根据权利要求1所述的工具组件，其中所述偏压元件适于在力被松弛从而在所述隔板上施加扩张力时产生扩张。
15.根据权利要求1所述的工具组件，其中所述偏压元件包括弹簧。
16.一种具有通过根据权利要求1所述的工具组件而得到增强的内表面的管道。
17.根据权利要求16所述的管道，其中所述管道包括突部。
18.根据权利要求17所述的管道，其中使所述突部变平、弯曲或相对于彼此倾斜以便形成泡核沸腾腔体。
19.一种增强管道内表面传热性能的方法，所述方法包括：
a.提供工具组件，所述工具组件包括：
(i)包括纵向轴线、外部顶壁、外部底壁、外部外壁和至少一根大体上中空的轴杆的保持器，其中所述至少一根轴杆延伸通过所述保持器并且包括第一开口和第二开口；
(ii)至少一个杆组件，所述杆组件包括：
具有头端和尾端的杆导；
杆，所述杆具有被成形以便具有尖端几何结构的尖端并被置于所述杆导中，其中所述尖端从所述杆导的所述头端延伸出来，
其中所述至少一个杆组件被置于所述保持器的所述至少一根轴杆中且其中所述杆导的所述头端能够从所述至少一根轴杆的所述第一开口延伸出来且其中所述杆导的所述尾端能够从所述至少一根轴杆的所述第二开口延伸出来；
(iii)垫圈，所述垫圈被置于大体上邻近所述保持器的所述外部底壁的位置处且适于在力被施加在所述垫圈上时将压力施加到所述杆导的所述尾端上，从而导致所述至少一个杆组件沿所述至少一根轴杆移动一定距离且所述尖端延伸超出所述保持器的所述外壁；
(iv)隔板，所述隔板被置于大体上邻近所述保持器的所述外部顶壁的位置处且适于将压力施加到所述杆导的所述头端上，从而导致所述至少一个杆组件沿所述至少一根轴杆的至少一部分移动从而使所述尖端缩回所述保持器的所述外壁内；和
(v)偏压元件，所述偏压元件被置于大体上邻近所述隔板的位置处；
b.将所述工具组件置于所述管道中；
c.导致在所述管道与所述工具组件之间进行相对旋转和相对轴向移动；并且
d.通过所述尖端在所述管道的所述内表面上形成突部。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括在所述垫圈上施加力，其中所述力导致所述垫圈将压力施加到所述杆导的所述尾端上，从而导致所述至少一个杆组件沿所述至少一根轴杆移动一定距离且所述尖端延伸超出所述保持器的所述外壁。
21.根据权利要求19所述的方法，进一步包括使所述突部变平、使所述突部弯曲或者使相邻突部相对于彼此倾斜从而形成泡核沸腾腔体。
22.根据权利要求19所述的方法，进一步包括从所述工具保持器中去除所述杆、对所述杆的所述尖端进行重新成形并且将所述杆重新置于所述工具保持器中。
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