KR0143730B1 - 열교환기 튜브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열이 튜브를 통해 유동하는 유체와 튜브의 외부에서 유동하는 유체 사이에 전달되고 튜브 바깥쪽의 유체가 열전달 과정 중 비등하는 열 교환기에 사용하는 튜브에 관한 것이다. 튜브는 그 외부면으로부터 연장되는 하나 이상의 외부 핀 회선을 갖는다. 핀 회선들의 각 측면을 따라 일정 간격으로 핀 측면으로 부터 연장되는 견부 노치들이 있다. 인접한 핀 회선 사이의 홈 공간은 주연상에 간격을 두고 위치된 상승된 치들을 갖는다. 핀 회선들은 튜브면으로부터 직각이 아니고 경사지게 연장되고, 하나의 회선이 인접한 홈 위에 위치하나 인접한 이웃핀 회선과 접촉되지는 않으면서 개구 틈을 갖는 재진입 비등 공동을 형성한다. 한 실시예에서 개구 틈은 튜브의 주연 주위로 완전히 연장된다. 다른 실시예에서 휘어진 핀 회선들은 튜브의 주연 주위로 간격을 두고 만입되어 핀 회선이 인접한 이웃에 가까이 접근되고 만입부의 근처에서 틈을 폐쇄하게 한다.

Description

열교환기 튜브

제1도는 본 발명에 의한 열교환기 튜브의 외부면의 일부분의 사시도.

제2도는 본 발명에 의한 열교환기 튜브의 외부면의 일부분의 단면도.

제3도는 제조의 중간 단계에서의 본 발명에 의한 열교환기 튜브의 외부면의 제4도의 선 3-3을 따라 취한 부분 단면도.

제4도는 제조의 중간 단계에서의 본 발명에 의한 열교환기 튜브의 외부면의 제3도의 선 4-4를 따라 취한 부분 단면도

제5도는 튜브가 제조되는 점진적 단계들을 도시한 본 발명에 의한 열교환기 튜브의 개략도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10:튜브 11:벽

12:외부면 21:핀 회선

22:뿌리 23:본체

24:선단 25:견부

31:홈 32:치

41:노치 42:돌출부

본 발명은 일반적으로 열교환기 튜브에 관한 것이다. 자세하게는, 본 발명은 침지되는 액체의 증발에 사용되는 열교환기 튜브의 외부면 형상에 관한 것이다.

많은 종류의 공기 조화 및 냉동 시스템이 셸 및 튜브형 증발기를 포함한다. 셸 및 튜브형 증발기는 다수의 튜브들이 단일 셸내에 내장되는 열교환기이다. 튜브들은 통상 유체가 냉각되는 열교환기를 통해 다수의 평행 유동로를 제공하도록 배열된다. 튜브들은 열교환기 셸을 통해 유동하는 냉매에 침지된다. 유체는 튜브들의 벽을 통한 열전달에 의해 냉각된다. 전달된 열은 튜브들의 외부면과 접촉하는 냉매를 증발시킨다. 그러한 증발기의 열전달 용량은 개개의 튜브의 열전달 특성에 의해 주로 결정된다. 개개의 튜브의 외부 형상은 총 열전달 특성을 얻는 데 중요하다.

열교환기 튜브의 열전달 성능을 향상시키는 여러가지 공지된 방법들이 있다. 이들중 하나는 튜브면의 열전달 면적을 증가시키는 것이고 또 하나는 비등 유체와 접촉하는 튜브 포면의 핵비등을 증진시키는 것이다. 핵비등 과정에서 가열된 표면으로부터 전달된 열은 표면과 접촉하는 액체를 증발시키고 증기는 기포를 형성한다. 표면으로부터의 열은 기포를 둘러싸는 액체를 증발시키고 기포는 커진다. 기포가 충분히 커지면 표면장력이 극복되어 기포는 표면으로부터 자유롭게 된다. 기포가 표면을 벗어남에 따라 액체가 기포가 비운 공간으로 유입되어 그 공간에 남아있는 증기는 또 하나의 기포를 형성하기 위해 증발될 부가적인 액체의 공급원을 갖는다. 표면에서의 기포의 연속적인 형성, 기포의 표면으로부터의 해방 및 표면이 다시 젖는 것은, 떠올라서 액체와 섞이는 증기 기포의 대류 효과와 함께 열전달 표면의 열전달율을 향상시킨다.

핵비등 과정이 증기를 포획하는 장소를 제공하고 증기 기포의 형성을 촉진시키는 핵형성 장소를 갖도록 열전달 표면의 형상을 구성함으로써 증진될 수 있다는 것이 잘 알려져 있다. 예를 들어 열전달 표면을 단순히 거칠게 하는 것도 다른 점에서는 같은 매끄러운 표면에 비해 표면 열전달 특성을 향상시킬 수 있는 핵형성 장소를 제공한다.

비등하는 액체 냉매에서, 예를 들어 공기 조화 또는 냉동 시스템의 증발기에서, 재진입형 핵형성 장소들은 기포의 기둥들을 형성하여 양호한 열전달 특성을 갖게한다. 재진입형 핵형성 장소는 공동의 개구가 표면하 공동의 크기보다 작은 표면 공동이다. 주위 유체의 과잉 유입이 재진입형 핵형성 장소를 넘치게 하여 불화성화시킬 수 있다. 열전달 표면의 형상을 상대적으로 큰 연통 표면하 채널들과 상대적으로 작은 표면 개구들을 갖도록 형성함으로써, 증기 포획 또는 핵형성 장소의 범람이 감소되거나 방지될 수 있어 표면의 열전달 특성이 향상된다.

본 발명은 튜브 외부면의 면적을 증가시키고 핵비등을 촉진하는 핵형성 장소로서의 재진입 공동들을 제공함으로써 향상된 열전달 성능을 제공하는 형상의 외부면을 갖는 열전달 튜브를 제공한다.

튜브는 외부면으로부터 연장되는 하나 이상의 핀 회선을 갖는다. 핀 회선들의 각 측면 견부면을 따라 간격을 두고 노치들이 견부면에 찍혀지고 노치 돌출부들이 핀 견부들로부터 연장된다. 인접 핀 회선 사이의 홈 공간에는 곳곳에 상승된 치가 있다. 핀 회선들은 튜브면으로부터 직각이 아니고 인접한 이웃 회선 위로 휘어져 연장된다. 한 실시예에서 핀 회선은 인접한 이웃과 접촉되지는 않고 틈이 남아 증발된 액체의 기포가 튜브면으로부터 탈출할 수 있게 한다. 다른 실시예에서 튜브의 주연상 곳곳의 밀폐 만입부들이 인접한 핀 회선들을 밀폐 만입부의 영역에서 접촉하게 한다. 그러므로 튜브 외부면의 형상은 유체에 노출되어 접촉하는 표면적을 증가시킨다. 또한 상기 형상은 핵비등을 촉진시키는 재진입 공동을 제공한다. 튜브의 상기 양 특징이 튜브의 열전달 성능을 향상시킨다.

첨부 도면에서 동일한 참조 부호는 동일한 부품을 나타낸다.

제1도는 본 발명에 따라 제조된 열 교환기 튜브(10)의 일부분의 사시도이다. 핀 회선(21)들이 튜브(10)의 세로축을 따라 나선상으로 그리고 튜브(10)의 벽(11)의 외부변(12)으로부터 반경 방향 외측으로 연장된다. 인접한 핀 회선들 사이에는 홈(31)이 있다. 튜브에는 하나 또는 다수의 핀 회선들이 있을 수 있다. 이런 종류의 열교환기 튜브의 통상적인 제조 방법은 튜브 벽을 내부 맨드릴과 외부 핀 형성 공구 사이로 압연하는 것이다. 이 방법이 사용될 때 외부 핀 형성 공구의 수와 설치가 핀 회선의 수를 결정한다.

핀 회선(21)은 외부면(12)에 연결된 뿌리(22)와, 본체(23)과 선단(24)를 갖는다. 본체(23)의 외부면은 견부(25)이다. 각 핀 회선은 인접 홈(31) 위로 기울어져 홈을 덮어 표면과 채널을 형성한다. 견부(25)를 따라 간격을 두고 노치(41)들이 있다. 노치가 제조 공정 중 노치 형성 공구에 의해 형성될 때 노치 형성 공구는 본체(23)으로부터 재료를 이동시킬 수 있다. 이동된 재료는 노치(41)의 뿌리(22)에 가장 가까운 부분에서 견부(25)로부터 연장되는 돌출부(42)를 형성한다. 홈(31) 내에서 다수의 치(32)가 외부면(12)로부터 연장된다. 본 발명의 한 실시예에서 튜브의 주연상의 곳곳에 밀폐 만입부(51)들이 있다.

제2도는 본 발명의 열교환기 튜브의 외부면의 일부분의 단면도이다. 제2도에서 다수의 핀 회선(21)들이 튜브(10)의 외부면(22)로부터 연장된다. 외부면의 대부분의 위에서 핀 회선의 선단(24)는 인접한 이웃에 접촉하지는 않게 경사진다. 그러므로 선단(24) 및 인접 핀 회선 사이에는 폭(G)를 갖는 개구 틈이 있다. (제1도의) 밀폐 만입부(51)의 영역에서 선단(24')은 그 이웃과 거의 접촉 또는 접촉하여 아주 작은 개구 틈을 남기거나 개구 틈을 남기지 않는다.

제3도 및 제4도는 핀 회선의 형상을 상세하게 도시한다. 이 도면들은 핀 회선(21)이 구부려지기 전의 중간 제조 단계의 튜브(10)을 도시한다. 외부면(12) 위로 높이(H_t)로 연장되는 치(32)들이 인접한 핀 회선(21)들 사이의 홈(31)에 위치된다. 핀 회선(21)의 양 견부(25)에는 곳곳에 견부 노치(41)들이 있다. 노치는 깊이(D_n)으로 핀 회선 내로 연장된다. 제조 중 견부 노치를 만들기 위해 이동되는 재료는 핀 뿌리(22)에 가장 가까운 노치(41)의 단부에서 견부(25)로부터 돌출도니다. 노치와 노치 돌출부의 존재는 핵비등을 촉진시킬 뿐 아니라 튜브(10)의 외부 표면적을 증가시킨다. 제3도에는 노치(41)과 치(32)가 정렬된 것으로 도시되어 있으나 실제로 반드시 그렇지는 않으며 특히 이들이 제조 공정중 다른 단계에서 튜브에 형성될 때 그러하다.

제5도는 본 발명의 열교환기 튜브가 압연 과정에 의한 제조중 여러 단계의 모습들을 개략적으로 도시하여 튜브의 형상의 이해를 돕게 한 도면이다. 제5도에서 튜브(10)은 6개의 영역으로 나뉘어 도시되어 있다. 영역(A)는 가공을 받기 전의 튜브를 도시한다. 튜브를 제조하는 제1단계는 핀 회선(21)을 벽(11)로 압연하고, 인접한 핀 회선 사이에 홈(31)을 남기는 것이다. 그러면 튜브는 영역(B)에 도시된 것 같이 된다. 제2단계에서 치(32)들이 홈(31)에 성형된다[영역(C)]. 제3단계에서 견부 노치(41)과 돌출부(42)가 핀 회선(21)에 형성된다[영역(D)]. 핀 회선(21)이 휘어져 홈(31)을 덮게 되나 인접한 회선과 접촉하지는 않는다[영역(E)]. 마지막으로 본 발명의 한 실시예에서, 영역(E)에 도시된 바와 같이 밀폐 만입부(51)들이 튜브(10)의 주연의 곳곳에 형성되어 인접한 핀 사이의 틈이 각 만입부(51)의 근처에서 폐쇄되게 할 수 있다.

본 발명의 튜브가 어떤 기하학적 및 치수 관계로 만들어질 때 최적의 열전달 성능 및 제조성이 얻어질 수 있다. 최적의 핀 피치는 0.36 내지 0.64㎜(0.014 내지 0.025 inch)이다. 인접한 핀 회선 사이의 틈의 폭(G)는 0.025 내지 0.203㎜(0.001 내지 0.008 inch) 사이이어야 한다. 홈내의 치의 높이(H_t)는 0.051 내지 0.178㎜(0.002 내지 0.007 inch) 사이이어야 한다. 회선의 1회전마다 25 내지 250개의 치가 있어야 한다. 핀 회선 견부의 노치의 최대 깊이(D_n)는 약 0.051㎜(0.002 inch)이어야 한다. 그리고 회선의 1회전마다 25 내지 250개가 노치가 있어야 한다. 밀폐 만입부를 갖는 본 발명의 실시예에서는 회선의 1회전마다 40 내지 80개의 만입부가 있어야 한다.

Claims (10)

1. 튜브(10)의 내부를 유동하는 유체와 튜브의 외부면(12)와 접촉하는 비등 유체 사이의 열전달을 위한 것이며, 상기 튜브의 세로축을 따라 나선상으로 그리고 상기 외부변으로부터 방사상으로 연장되고 상기 외부면에 연결된 뿌리(22)와 상기 뿌리로부터 연장되고 2개의 대향 견부(25)를 갖는 본체(23)과 상기 본체로부터 연장되는 선단(24)를 구비한 상기 외부면상에 형성된 적어도 하나의 핀 회선(21)과, 인접한 상기 핀 회선 사이에 형성된 상기 외부면의 홈(31)을 포함하는 열교환기 튜브(10)에 있어서, 상기 견부들내의 노치(41)들과, 상기 홈 내에서 상기 외부면으로부터 연장되는 상승된 치(32)들을 포함하고, 상기 선단이 선단 및 인접한 상기 핀 회선 사이의 개구를 갖는 표면하 채널을 형성하기 위해 인접 홈을 덮도록 휘어지는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
2. 제1항에 있어서, 핀 피치가 0.36 내지 0.64㎜(0.014 내지 0.025 inch) 사이인 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
3. 제1항에 있어서, 상기 개구 틈(G)가 0.025 내지 0.203㎜(0.001 내지 0.008 inch) 사이인 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
4. 제1항에 있어서, 상기 상승된 치가 상기 외부면위로 0.051 내지 0.178㎜(0.002 내지 0.007 inch)로 연장되는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
5. 제1항에 있어서, 1회전의 회선당 상기 홈내에 25 내지 250개의 상기 치들이 있는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
6. 제1항에 있어서, 각 노치에서 상기 견부들로부터 연장되는 돌출부(42)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
7. 제1항에 있어서, 상기 노치(41)들이 최대 0.051㎜(0.002 inch)의 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
8. 제1항에 있어서, 1회전의 회선당 25 내지 250개의 상기 노치가 있는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
9. 제1항에 있어서, 상기 핀 회선을 따라 1회전 상기 선단이 인접 회전 회선의 견부에 근접하기에 충분히 기울어진 곳에 밀폐 만입부(51)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
10. 제9항에 있어서, 1회전의 회선당 40 내지 80개의 상기 밀폐 만입부가 있는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.