KR0169185B1 - 열전달튜브 - Google Patents

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KR0169185B1
KR0169185B1 KR1019950024290A KR19950024290A KR0169185B1 KR 0169185 B1 KR0169185 B1 KR 0169185B1 KR 1019950024290 A KR1019950024290 A KR 1019950024290A KR 19950024290 A KR19950024290 A KR 19950024290A KR 0169185 B1 KR0169185 B1 KR 0169185B1
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티. 헤이스카넨 한누
엘. 리그스 제랄드
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Abstract

본 발명은 튜브의 열 전달 성능을 향상시키며 작업성 또한 개선시키는 내부면을 갖는 열 전달 튜브 및 그러한 튜브의 제조 방법에 관한 것이다. 내부 면은 튜브의 길이방향 축에 소정 각도로 연장된 다수의 리브를 갖는다. 리브에 대해 소정 각도로 연장된 평행 노치 패턴은 리브를 통해 튜브 벽의 주 내부면 내로 연장된다. 튜브는 편평 금속 스트립의 한 면 상에 리브 및 노치 패턴을 압연 엠보싱한후, 엣지가 길이방향 심을 형성하는 스트립을 내부에 엠보싱된 패턴을 갖는 튜브 형상으로 스트립을 성형한 후, 양호하게는 튜브를 형성하도록 길이방향 심을 따라 엣지를 용접 연결함으로써 제조될 수 있다. 양호한 실시예에서, 내면의 노치는 튜브의 용접 구역 내로 연장된다. 리브 및 노치의 패턴은 튜브의 전체 내부 면적을 증가시키며 또한 열 전달 성능을 향상시키는 튜브 내의 냉매의 유동을 위한 상태를 향상시킨다. 노치는 또한 튜브가 확장될 때 튜브 벽의 균열의 형성을 방지하는 기능을 한다.

Description

열 전달 튜브
제1도는 본 발명의 열 전달 튜브의 사시도.
제2도는 본 발명의 열 전달 튜브의 단면도.
제3도는 본 발명의 열 전달 튜브를 제조하는 방법의 개략도.
제4도는 표면 개선부를 갖는 금속 스트립의 한 부분의 예시적 단면도.
제5도는 열 전달 튜브의 벽의 한 부분의 예시적 단면도.
제6도는 표면 개선부를 갖는 금속 스트립의 예시적 평면도.
제7도는 열 전달 튜브의 벽의 한 부분의 예시적 평면도.
제8도는 본 발명의 열 전달 튜브 벽의 한 부분의 사시도.
제9도는 본 발명의 열 전달 튜브 벽의 한 부분의 평면도.
제10도는 제9도의 선 Ⅹ-Ⅹ를 따라 취한 본 발명의 열 전달 튜브의 벽의 단면도.
제11도는 제9도의 선 XI-XI을 따라 취한 본 발명의 열 전달 튜브의 벽의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
50 : 튜브 51 : 벽
52 : 개선부 53 : 리브
54 : 노치
본 발명은 일반적으로 튜브 내부 유체와 튜브 외부 유체 사이에 열을 전달하는 열 교환기에 사용되는 튜브 및 그러한 튜브의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 종래 기술의 튜브와 비교할 때 튜브의 열 전달 성능을 향상시키며 작업성을 개선시킬 수 있는 내면을 갖는 열 전달 튜브에 관한 것이다. 그러한 튜브는 공조, 냉동(AC&R: air conditioning, & refrigeration) 또는 이와 유사한 시스템의 열교환기에 사용하기에 적합하다.
일반적으로, 표면 개선부(surface enhancements)를 갖는 튜브의 열 전달 성능은 매끄러운 벽의 튜브 보다 우수하다. 리브, 핀(fin). 피막 및 인서트(insert) 등을 포함하는 매우 다양한 표면 개선부가 내부 및 외부 튜브 면에 적용되었다. 거의 모든 개선부 설계에서는 공통적으로 튜브의 열 전달 표면적을 증가시키려는 시도가 있었다. 대부분의 표면 개선부 설계에서는 튜브 표면의 경계층(boundarylayer)을 파괴하여 유체 혼합을 촉진시키기 위해 튜브를 통해 또는 튜브 위로 유동하는 유체 내의 난류 형성의 촉진을 도모한다.
엔진 냉각뿐만 아니라 대부분의 AC&R 열 교환기는 판형 핀(plate fin) 및 튜브 형상으로 되어 있다. 그러한 열 교환기에서, 튜브 외부에 부착된 판형 핀을 사용함으로써 튜브 외부가 개선된다. 열 전달 튜브는 흔히 튜브의 내면이 변형된 형태의 내부 열 전달 개선부를 갖는다. 현재 사용 중인 매우 효과적인 내면 개선부는 튜브의 종축에 거의 평행하게 튜브 내벽으로부터 연장된 리브의 패턴이다. 그러한 튜브는 양호한 열 전달 성능을 가질 뿐만 아니라, 특히, 금속 스트립의 한 면에 개선부 패턴을 롤 엠보싱(roll embossing)처리한 후 스트립을 튜브 형상으로 롤 성형(roll forming)하여 시임(seam)을 용접함으로써, 제조가 비교적 용이하다.
통상의 튜브형 열 교환기에서는, 많은 튜브 조인트가 있다. 이들 조인트는, 확장부(flared section)의 내경이 튜브의 원래 외경 보다 약간 크도록 제1 튜브의 단부를 확장함으로써 통상 제조된다. 그 후, 제2 튜브의 단부는 제1 튜브의 확장부 내로 삽입되어 경납땜(brazing), 용접 또는 연납땜(soldering) 등의 공정에 의해 두 개의 튜브가 연결된다.
통상의 튜브 단부 확장 방법은 확장 공구(belling or flaring)를 튜브 내로 삽입하는 것과 같은 기계적인 수단에 의한다. 이 확장 공정은 튜브 벽에 응력을 부과한다. 이 응력은 일반적으로 AC&R 열 교환기에 사용되는 튜브와 같이 특히 튜브가 동 또는 동 합금과 같이 비교적 연질인 금속으로 제조되는 경우에 튜브 벽을 균열(split)을 야기시킬 수 있다. 심각한 균열(split)을 갖는 확장된 단부를 갖는 튜브는 도려내어져야 한다. 균열 문제는 상술한 종방향 리브를 갖는 튜브에 특히 현저하다.
본 발명의 열 전달 튜브는 튜브의 열 전달 성능을 향상시키도록 구형된 내면을 갖는다. 내부 개선부는 리브형(ribbed) 내면으로 되어 있다. 평행 노치 패턴이 리브 내로 및 리브를 통해 그리고 튜브 내벽 내로 가압되어 리브들 사이의 튜브 내벽에 노치가 형성되도록 되어 있다. 개선된 표면은 튜브의 내부 표면적을 증가시켜 튜브의 열 전달 성능을 증가시킨다. 또한, 개선된 표면은 튜브 내의 유동 상태를 촉진시켜 튜브의 열 전달 성능을 증가시킨다. 또한, 노치는 튜브 벽의 균열 전파를 방지하여 튜브가 확장되는 능력을 향상시킨다.
또한, 본 발명은 동 또는 동 합금 스트립의 한 면 상의 개선된 표면을 롤 엠보싱함으로써 튜브를 제조하는 방법을 포함한다. 다음에, 스트립은 튜브 내부 상에 개선된 표면을 갖는 튜브로 롤 성형되어 시임 용접된다. 그러한 제조 공정에 의해 신속하고 경제적으로 튜브를 제조할 수 있다.
첨부 도면은 본 명세서의 일부를 형성한다. 첨부도면 전반에 걸쳐서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다.
제1도는 본 발명의 열 전달 튜브의 전체 사시도이다. 튜브(50)는 내부 표면개선부(52)가 형성된 튜브 벽(51)을 갖는다. 튜브(50)와 동일 직경의 제2 튜브가 확장부 내에 삽입되어 조인트를 형성할 수 있도록 튜브(50)에는 확장부가 성형된다.
제2도는 열 전달 튜브(50)의 단면도를 도시하고 있다. 명료성을 돕기 위해 표면 개선부(52, 제1도)의 하나의 리브(53) 및 하나의 노치(54)만이 제2도에 도시되어 있으나, 본 발명의 튜브에서는, 서로 평행한 다수의 리브(53)가 튜브(50)의 벽(51)으로부터 연장된다. 리브(53)는 튜브 종축(aT)으로부터 각도 α로 경사져 있다. 노치(54)는 리브(53) 내로 및 그를 통해 그리고 또 벽(51) 내로 연장된다. 노치(54)는 튜브 종축(aT)으로부터 각도 β로 경사져 있다. 튜브(10)는 리브들 사이의 튜브 내면으로부터 측정된 내경(D)을 갖는다.
제3도는 본 발명의 제조 방법을 개략적으로 도시하고 있다. 본 방법에서, 스트립이 원형 단면으로 롤 성형되어(roll formed) 튜브로 시임 용접되기 전, 롤 엠보싱에 의해 금속 스트립의 한 면 상에 개선부(52)가 형성된다. 두 개의 롤 엠보싱 스테이션(10, 20)은 미가공된 금속 스트립의 공급원과 스트립이 튜브 형상으로 롤 성형되는 생산 라인 부분 사이의 생산 라인에 위치된다. 각 엠보싱 스테이션은 패턴 개선부 롤러(11, 21) 및 받침 롤러(12, 22)를 갖는다. 각 스테이션의 받침 롤러 및 패턴 롤러(patterned roller)는 적절한 수단(도시되지 않음)에 의해 충분한 힘으로 서로 가압되어 롤러(11)의 표면(13)이 스트립(30)의 한 쪽 표면으로 압박되게 되며, 이에 따라 스트립 상에 개선부(31)를 형성한다. 패턴 표면(13)은 마무리된 튜브의 표면 개선부의 리브가 형성된 부분에 대해 경면 대칭을 이룬다. 롤러(21) 상의 패턴 표면(23)은 개선부 패턴(31)내로 가압되어 마무리된 튜브의 노치부를 형성하는 일련의 융기 돌기부를 갖는다.
개선부 패턴(31)은 스트립(30)의 연부로 연장되지 않으나 패턴 표면(23, patterned surface)에 의해 형성된 노치는 스트립의 연부로 연장된다. 제4도 및 제6도 그리고 제5도 및 제7도는 개선된 스트립이 튜브로 롤 성형되어 시임 용접될 때 발생되는 것을 각각 도시하고 있다. 제4도는 스트립(30)의 단면도이다. 제6도는 스트립(30)의 평면도이다. 스트립(30)의 한 연부에는 용접 구역(33')가 있으며 다른 연부에는 용접 구역(33'')이 있다. 패턴 표면(23)에 의해 형성된 노치(제3도)는 용접 구역(33', 33'')을 포함하는 스트립의 전체 폭에 대해 연장된다. 롤성형 및 시임 용접 후에, 스트립(30)은 튜브(50)로 제조된다. 제5도는 튜브가 시임 용접부의 직경방향 대향 선을 따라 종방향으로 절단된 후 전개된 경우의 튜브(50)의 단면도이며 제7도는 평면도이다. 튜브(50)는 튜브를 통해 연장된 용접 비드(35)를 갖는 단일 용접 구역(33)을 갖는다. 용접 공정은 스트립(30)/튜브(50)의 금속을 용융시키고 변형시켜 용접 비드(35)에는 노치가 없으나 용접 공정 중 용융되지 않는 용접 구역(33) 부분에는 노치가 있다.
제8도는 표면 개선부(52)의 상세를 도시하는 열 전달 튜브(50)의 벽(51) 부분의 사시도이다. 다수의 리브(53)가 벽(51)으로부터 외향 연장된다. 일련의 노치(54)가 리브를 따라 간격을 두고 형성되어 벽(51) 내로 연장된다. 노치가 리브 내에 형성되면서 변위된 재료는 리브의 각 노치(54) 주위로 소정 리브(53)의 각 측면으로부터 외향 돌출된 돌기(55)로서 남아 있다. 돌기는 튜브를 통해 유동하는 유체에 노출되는 튜브의 표면적을 증가시키며 튜브 내면 근처의 유체 유동 내에 난류를 촉진시키기 때문에, 돌기는 튜브의 열 전달 성능에 좋은 영향을 미친다.
제9도는 튜브(50)의 벽(51)의 일부분의 평면도이다. 이 도면은 리브 및 벽(51)내로 압입된 노치(54)를 갖는 벽 상에 배치된 리브(53)를 도시하고 있다. 노치와 튜브 종축 사이의 각도는 β이다.
제10도는 제9도의 선Ⅹ-Ⅹ을 통해 취한 벽(51)의 단면도이다. 제10도는 리브(53)가 높이(Hr)를 가지며, 벽(51)이 리브를 제외한 두께(Tw)를 가지며, 노치 패턴이 벽(51) 내로 깊이(Dnw) 만큼 연장되는 것을 도시하고 있다.
제11도는 제9도의 선XI-XI을 따른 벽(51)의 단면도이다. 제11도는 노치(54)가 리브(53)를 통해서 벽 내로 깊이(Dnw)로 압입된 것을 도시하고 있다.
최소의 유체 유동 저항 및 최적의 열 전달을 갖기 위해, 본 발명을 구체화한 16㎜(5/8in)이하의 공칭 외경을 갖는 튜브는 이하의 변수를 갖는 상술된 바와 같은 형상의 내부 개선부를 갖는다.
a. 리브와 튜브의 종축 사이의 각도는 0˚(즉, 튜브의 축에 대체로 평행) 와 35˚ 사이이다.
0˚〈α〈35˚
b. 노치 축과 튜브의 종축 사이의 각도는 15˚와 90˚ 사이이다.
15˚〈β〈90˚
c. 리브 높이 대 튜브의 내경의 비율은 0.010과 0.050 사이이다.
0.010 〈 Hr/Di〈 0.050
d. 노치는 리브를 완전히 통과하여 튜브 벽의 주요 부분 내로 침투되어야 하며, 노치의 튜브 내로의 침투 깊이는 벽 두께의 50% 이하이다.
Dnw/ Tw〈 0.050

Claims (4)

  1. 종축(aT)을 갖는 벽(51)과, 용접 비드(35)를 포함하고 이 용접 비드의 양 측면 상에서 외향 연장된 종방향 연장 용접 구역(33)을 갖는 내면을 구비한 열전달 튜브(50)에 있어서, 상기 용접 구역 외측의 벽의 내면 상에 형성된 다수의 종방향 연장 리브(53) 및 상기 용접 구역의 내측 및 외측의 내면과 상기 다수의 리브(53)를 통해 연장되어 형성되는 다수의 평행 노치(54)로 이루어진 개선부 패턴(31)을 포함하고, 상기 노치는 용접 비드를 통과해서 연장되는 것을 특징으로 하는 열 전달 튜브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리브와 상기 종축 사이의 각도(α)는 0˚와 35˚사이인 것을 특징으로 하는 열 전달 튜브.
  3. 제1항에 있어서, 상기 노치와 상기 종축 사이의 각도(β)는 15˚와 90˚ 사이인 것을 특징으로 하는 열 전달 튜브.
  4. 제1항에 있어서, 상기 튜브는 내경(Di)을 가지며 상기 리브는 리브 높이(Hr)를 가지며 상기 리브 높이 대 상기 튜브 내경의 비율(Hr/Di)은 0.010과 0.050 사이인 것을 특징으로 하는 열 전달 튜브.
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