KR0124811B1 - 열교환기 튜브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 튜브의 열전달 성능을 향상시키는 내부 표면을 갖는 열교환기 튜브에 관한 것이다. 내부 표면은 튜브의 세로축에 사실상 평행하게 배열된 리브들을 갖는다. 리브들은 세로축에 경사진 각도로 교차되어 파여진 평행 노치들로된 패턴을 갖는다. 리브 및 노치로 된 상기 패턴은 튜브의 총 내부 표면적을 증가시키고 또한 튜브 내의 냉매 유도 조건을 향상시켜 열전달 성능을 좋게 한다.

Description

열교환기 튜브

제1도는 본 발명에 의한 열교환기 튜브의 사시도.

제2도는 본 발명에 의한 열교환기 튜브의 사시도.

제3도는 본 발명에 의한 열교환기 벽의 일부분의 사시도.

제4도는 본 발명에 의한 열교환기 벽의 일부분의 사시도.

제5도는 제4도의 선 Ⅴ-Ⅴ를 따라 취한 본 발명에 의한 열교환기 튜브의 벽의 단면도.

제6도는 제4도의 선 Ⅵ-Ⅵ를 따라 취한 본 발명에 의한 열교환기 튜브의 벽의 단면도.

제7도는 본 발명에 의한 열교환기 튜브의 제조 방법의 개량도.

제8도는 튜브가 증발 설비에 사용될 때 2개의 종래 기술에 의한 튜브와 비교한 본 발명에 의한 튜브의 상대 성능을 나타내는 그래프.

제9도는 튜브가 응축 설비에 사용될때 2개의 종래 기술에 의한 튜브와 비교한 본 발명에 의한 튜브의 상대 성능을 나타내는 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 롤 엠보싱 스테이션11,21 : 패턴 롤러

12,22 : 백 롤러30 : 금속 스트립

50 : 튜브51 : 벽

52 : 향상된 튜브 표면53 : 리브

54 : 노치

본 발명은 일반적으로 튜브안의 유체와 튜브 바깥의 유체 사이의 열전달용 열교환기에 사용되는 튜브에 관한 것이다. 더 자세하게는, 본 발명은 튜브의 열전달성능을 향상시킬 수 있는 내부 표면을 갖는 열교환기 튜브에 관한 것이다. 그러한 튜브는 공기 조화, 냉동[air conditioning, refrigeration(ACR)]또는 유사한 시스템의 열교환기에 사용하기에 적합하다.

열전달 튜브의 설계자들은 개선된 표면을 갖는 튜브의 열전달 성능이 매끈한 벽을 갖는 튜브보다 우수하다는 것을 오랫동안 인식해왔다. 리브, 핀, 코팅 및 인서트등을 포함하는 다양한 표면 개선이 튜브의 내부 및 외부 표면 모두에 응용되었다. 상기 리브 등은 단지 일부의 예시일 뿐이다. 거의 모든 개선 설계에 공통된 것은 튜브의 열전달 표면적을 증가시키려는 시도이다. 대부분의 설계는 또한 관을 통하는 관위의 유체 유동에 난류의 촉진을 시도하여 유체의 혼합과 튜브의 표면의 경계층의 파괴를 증진시킨다.

대부분의 ACR 및 엔진 냉각용 열교환기는 플레이트 핀(plate pin) 및 튜브 형태이다. 이러한 열교환기에서 튜브는 그 외부에 부착된 플레이트 핀의 사용에 의해 외부적으로 개량된다. 또한 빈번히 열교환기 튜브는 튜브의 내부 표면의 수정 형태로 내부 열전달이 향상된다.

그 명칭에서 암시되듯이 응축기를 통해 유동하는 유체는 기체에서 액체로의 상변화를 일으키고 증발기를 통해 유동하는 유체는 유체에서 기체로의 상변화를 일으킨다. 두 형태 모두의 열교환기가 증기압축 ACR 시스템에 필요하다. 제조경비를 절감하고 획득 및 비축을 용이하게 하기 위해, 한 시스템의 모든 열교환기에 동일한 형태의 튜브가 사용되는 것이 바람직하다. 그러나 한 응용분야에서의 상용에 최적화된 열교환기 튜브는 다른 응용분야에 사용될 때는 같은 성능을 낼 수 없는 경우가 빈번하다. 이러한 상황하의 소정 시스템에서 최대 성능을 얻기 위해서는 각각의 기능적 응용 분야에 대해 하나씩, 두가지 형태의 튜브를 사용하는 것이 필요할 것이다. 그러나 소정의 열교환기가 두 기능 모두를 반드시 수행해야 하는 ACR 시스템이 적어도 하나가 있다. 즉 가역 증기 압축 또는 열펌프형(heat pump type) 공기 조화 시스템이다. 그러한 시스템에서 소정의 열교환기를 단일 기능에 대해 최적화하는 것은 불가능하며 열교환기는 두 기능 모두를 양호하게 수행할 수 있어야 한다.

향상된 열전달 성능을 얻고 제조를 단순화하고 경비를 절감하기 위해서는 응축 및 증발 응용 모두에서 좋은 성능을 갖는 향상된 열전달 내부 표면을 갖는 열전달 튜브가 필요하다. 내부 열전달 표면은 용이하게 염가로 생산되기에 적합하여야 한다.

통상적인 플레이트 핀 튜브 형 ACR 열 교환기의 튜브의 총 길이의 사당한 부분에서 냉매 유동을 혼합 상태이다. 즉 냉매는 액체 및 증발 기체 상태 모두로 존재한다. 밀도의 차이때문에 액체 냉매는 튜브의 바닥을 따라 흐르고, 증기 냉매는 상부를 따라 흐른다. 튜브는 열전달 성능은, 예를 들면 응축 응용에서의 튜브의 상부 구역으로부터의 액체의 배수를 촉진시키거나 또는 증발 응용에서 액체가 튜브 내부벽을 모세관 작용에 의해 위로 유동하도록 촉진시킴으로써, 두 상태의 유체 사이의 향상된 상호혼합이 일어나면 개선된다.

본 발명의 열교환기 튜브는 튜브의 열전달 성능을 향상시키는 형상으로 된 내부 표면을 갖는다. 향상된 점은 튜브의 세로축에 사실상 평행한 리브들이 형성된 내부 표면이다. 리브는 튜브의 세로축에 경사진 각도로 찍힌 평행 노치들로 된 패턴을 갖는다. 상기 표면은 튜브의 내부 표면적을 증가시킴으로써 튜브의 열전달 성능을 증가시킨다. 또한 노치가 형성된 리브는 튜브 내의 유동 조건을 향상시켜 열 전달 향상시킨다. 향상된 형상은 응축 및 증발 응용 모두에서 열전달 성능을 향상시킨다. 본 발명에 의한 튜브로 구성된 플레이트 핀 및 튜브형 열교환기의, 유체 유동이 혼합된 상태이고 높은 증기 함량을 갖는 구역에서, 상기 형태는 튜브의 내부 표면의 난류 유동을 촉진시켜 열전달 성능을 향상시키는 역할을 한다. 증기 함량이 낮은 열교환기의 구역에서 상기 형태는 응축 환경에서의 응축액 배수와 증발 환경에서의 튜브벽에서의 액체의 상향 모세관 이동을 모두 촉진시킨다.

본 발명에 의한 튜브는 동 또는 동 합금 스트립으로부터, 스트립을 롤 성형하고 시임 용접하여 튜브로 만들기 전에, 스트립의 한 표면에 향상된 패턴을 롤 엠보싱하여 제조하는데 적절하다. 그러한 제조 공정은 향상된 내부를 갖는 열전달 튜브의 신속하고 경제적인 생산을 가능하게 한다.

첨부 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 부품을 의미한다.

제1도는 본 발명에 의한 열교환기 튜브를 전체적으로 등척으로 도시한다. 튜브(50)은 향상된 내부 표면(52)가 성형되는 튜브 벽(51)을 갖는다.

제2도는 열교환기 튜브(50)을 단면으로 도시한다. (제1도의) 향상된 표면(52)의 단지 하나의 리브(53)만이 명확한 도시를 제2도에 도시되어 있으나, 본 발명의 튜브에서는 서로 평행한 다수의 리브(53)들이 튜브(50)의 벽(51)로부터 외측으로 연장된다. 리브(53)은 튜브의 세로축(a_T)와 각도(α)만큼 경사져 있다. 튜브(50)은 튜브의 내부 표면에서 측정했을때 리브들 사이에 내경(D_i)를 갖는다.

제3도는 향상된 표면(52)를 상세히 도시한 열교환기 튜브(50)의 벽(51)의 일부분의 사시도이다. 다수의 리브(53)들이 벽(51)로부터 돌출된다. 일련의 노치(54)들이 리브를 따라 일정 간격으로 형성된다. 이하에 설명되는 바와 같이 노치(54)는 롤링(rolling) 공정에 의해 리브(53)에 형성된다. 노치의 형성에 의해 밀려난 재료는 그 리브의 각 노치(54) 주위의 리브(53)의 각 측면으로부터 외측으로 돌출하는 돌출부(55)로 남겨진다. 이들 돌출부는, 튜브를 통해 유동하는 유체에 노출된 튜브의 표면적을 증가시키고 또한 튜브 내부 표면 근처의 유체 유동에 난류를 촉진시키므로 튜브의 열전달 성능에 유리한 효과를 갖는다.

제4도는 튜브(50)의 벽(51)의 일부분의 평면도이다. 이 도면은 벽에 리브 간격(S_r)로 배치된 리브(53)을 도시한다. 노치(54)는 노치 간격(S_n)으로 리브내에 파여진다. 노치와 리브 사이의 교차 각도는 β이다.

제5도는 제4도의 선 Ⅴ-Ⅴ를 따라 취한 벽(51)의 단면도이다. 이 도면에는 높이(H_r)과 리브 간격(S_r)을 갖는 리브(53)들이 도시되어 있다.

제6도는 제4도의 선 Ⅵ-Ⅵ을 따라 취한 벽(51)의 단면도이다. 제6도에서 노치(54)는 대향 노치면(56) 사이의 각도(γ)를 갖고 리브(54)에 깊이(D_n)으로 파여있다. 인접한 노치 사이의 간격은 S_n이다.

최소의 유체 유동 저항과 동시에 최적의 열전달을 위해, 20mm(3/4inch)이하의 공칭 외경을 갖는 본 발명에 의한 튜브는 전술한 특징과 이하의 변수들을 갖는 향상된 내부를 가져야 한다:

a. 리브의 축은 튜브의 세로축에 사실상 평행하여야 한다. 즉, α0°;

b. 튜브의 내경에 대한 리브 높이의 비는 0.02 내지 0.04사이여야 한다. 즉 0.02≤H_r/D_i≤0.04;

c. 리브 축과 노치 축 사이의 교차 각도는 20°내지 90°사이여야 한다. 즉 20°≤β≤90°;

d. 리브 내의 노치들 사이의 간격과 튜브 내경 사이의 비는 0.025 내지 0.07 사이여야 한다. 즉 0.025≤S_n≤0.07;

e. 노치의 깊이는 리브 높이의 40 내지 100%이어야 한다. 즉 0.4≤D_n/H_r≤1.0; 및

f. 노치의 대향면 사이의 각도는 90°이하이여야 한다. 즉 γ≤90°.

향상된 표면(52)는 임의의 적절한 공정에 의해 튜브 벽(51)의 내부에 형성될 수 있다. 현대의 자동화된 고속 공정에 의한 시임 용접 금속 튜브 제조시, 효과적인 방법은 스트립이 원형 단면으로 롤 성형되고 튜브로 시임 용접되기 전에 향상된 패턴을 롤 엠보싱에 의해 금속 스트립의 한 표면에 가공하는 것이다. 제7도는 이 방법을 도시한다. 2개의 롤 엠보싱 스테이션(10,20)이 금속 스트립(30)을 튜브로 롤 성형하고 시임 용접하는 생산 라인에서, 가공되지 않은 금속 스트립의 공급원과 스트립이 튜브형으로 롤 성형되는 생산 라인의 부분 사이에 위치된다. 각 엠보싱 스테이션은 향상된 패턴 롤러(11,21)과 백 롤러(12,22)를 갖는다. 각 스테이션의 백 롤러 및 패턴 롤러는 (도시되지 않은) 적절한 수단에 의해 충분한 힘으로 가압되어, 예를 들어 롤러(11)의 패턴 표면(13)이 스트립(30)의 한쪽 표면에 찍히게 하여, 스트립에 향상된 패턴(31)을 형성한다. 패턴 표면(13)은 완성된 튜브의 향상된 표면의 축방향 리브 성형부의 거울상(mirror image)이다. 롤러(21)의 패턴 표면(23)은 패턴 표면(13)에 의해 성형된 리브로 가압되어 완성된 튜브의 리브에 노치를 형성하는 일련의 상승 돌출부를 갖는다.

튜브가 롤 엠보싱, 롤 성형 및 시임 용접에 의해 제조된 경우, 제조 공정의 특성 때문에 튜브의 내부 주연의 나머지에는 있는 향상된 형상이 없거나 다른 향상된 형상을 갖는 영역이나 완성된 튜브의 용접선을 따라 있을 가능성이 있다. 상기 다른 형상의 영역은 튜브의 열적 또는 유체 유동 성능에 어떤 의미있는 방식으로 악영향을 미치지는 않는다.

본 발명에 의한 튜브는 종래 기술에 의한 열전달 튜브에 비해 증발 및 응축 열교환기 모두에서 성능상의 장점을 갖는다. 제8도의 곡선(A)는 튜브를 통하는 냉매의 질량 유동 속도(G, LB/H-FT2)의 소정 범위에서, 평탄한 내부 표면을 갖는 튜브와 비교된 본 발명에 의한 튜브의 상대 증발 성능[H(GR)/H(SMOOTH)]를 도시한다. 이와 비교로서 곡선(B)는 종방향 리브를 가지나 노치가 없는 튜브의 같은 상대 성능을 도시하고, 곡선(C)는 나선형 내부 리브를 갖는 종래의 통상적인 튜브의 같은 상대 성능을 도시한다. 제8도의 그래프는 본 발명에 의한 증발 성능이 넓은 범위의 유동율에서 종래의 튜브들에 비해 월등한 것을 나타낸다.

제8도에서와 같은 방식으로, 제9도의 곡선(A)는 튜브를 통하여 냉매의 질량 유동 속도의 일정 범위에서 평탄한 내부 표면을 갖는 튜브와 비교된 본 발명에 의한 튜브의 상대 응축 성능을 나타낸다. 곡선(B)는 종방향으로 리브가 형성되나 노치는 가지지 않는 튜브의 같은 상대 성능을 나타내고, 곡선(C)는 통상적인 나선형 리브를 갖는 튜브에 대한 같은 상대 성능을 나타낸다. 제9도의 그래프는 본 발명에 의한 튜브의 응축 성능이 넓은 범위의 유동율에서 종래의 튜브들에 비해 월등한 것을 나타낸다.

Claims (6)

1. 내부 표면을 갖는 벽(51)과, 내경(D_i)와, 세로축(a_T)와, 상기 내부 표면에 성형되며 각각이 2개의 대향 표면과 높이(H_r)을 갖고 상기 세로축에 사실상 평행하게 연장되는 다수의 리브(53)을 포함하는 열교환기 튜브에 있어서, 상기 세로축에 경사진 각도(β)로 상기 리브 높이의 적어도 40%의 깊이(D_n)으로 상기 리브에 파여진 평행 노치(54)들의 패턴을 포함하고, 각 노치는 서로 경사지고 마주보는 대향 제1 및 제2면(56)을 갖고 상기 제1면이 상기 제2면에 가장 가까운 상기 노치의 일부분은 상기 내부면에 근접하고, 상기 튜브 내경에 대한 상기 리브 높이의 비가 0.02 내지 0.04 사이이고, 리브의 노치들 사이의 간격(Sn)과 상기 튜브 내경 사이의 비가 0.025 내지 0.07사이인 것을 특징으로 하는 열교환 튜브.
2. 제1항에 있어서, 상기 노치의 대향면(56)들 사이의 각(γ)가 90°이하인 것을 특징으로 하는 열교환 튜브.
3. 제1항에 있어서, 상기 노치 패턴이 상기 리브들과 교차하는 각도(β)가 20°내지 90°사이인 것을 특징으로 하는 열교환 튜브.
4. 제3항에 있어서, 상기 교차각(β)가 45°인 것을 특징으로 하는 열교환 튜브.
5. 제1항에 있어서, 노치가 상기 리브에 성형됨에 따라 리브로부터 밀려나는 재료로 구성된 돌출부(55)가 상기 리브의 각 노치의 근처에서 상기 리브의 상기 대향 측면들로부터 외측으로 연장되는 것을 특징으로하는 열교환 튜브.
6. 제1항에 있어서, 상기 리브들이 상기 열전달 튜브 내부 표면 주위에 사실상 동일한 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 열교환 튜브.