KR100365667B1 - 금속핀튜브 - Google Patents

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Abstract

외측에 일체로 형성되어 나선형으로 연장하며, 상기 n의 핀 리드들이 튜브 외주에 균일하게 분포되어 튜브 시작부에서 시작되도록 된 다수의 핀들을 포함하는 열 교환기용 금속 핀 튜브가 개시된다. 핀 튜브는 n ≥ 4 의 다수의 시작부들에서 나란하게 배치된 적어도 2개의 핀 리드 시작부근 (A1,A2) 또는 (A3,A4) 또는 ( ‥‥)을 가지는 적어도 하나의 그룹이 형성된다. 본 발명의 방법에서는 핀 튜브의 경제적인 제조 방식을 제공한다.

Description

금속 핀 튜브
본 발명은 금속 핀 튜브에 관한 것으로, 더 구체적으로는 외측면에서 나선형으로 연장하는 다수의 일체형 핀들을 포함하는 열 교환기용 핀 튜브에 관한 것이다.
외측면에서 나선형으로 연장하는 하나 이상의 핀들을 가진 핀 튜브들은 공구 축위에 배열된 압연 디스크들을 가진 압연 공구에 의해 튜브 벽에서 바깥쪽으로 압연되어 형성된다(미국 특허 제 1 865 575호 및 제 3 327 512호 및 제 1도 참조).
반면에, 로드, 더 정확하게는 두꺼운 벽을 가진 튜브 상에서 나사 압연(thread rolling)하는 경우, 대향하게 배열된 2개의 압연 공구들을 가진 장치가 종종 사용된다. 핀 튜브들을 압연하기 위해 튜브 외주 둘레에 균일하게 분포된 3개 또는 4개의 압연 공구들을 가진 장치가 사용된다(제 2a 및 2b도 참조).
핀 튜브의 열 전달 특성은 핀을 형성함으로써 얻어지는 표면 영역의 확장에 달려있다. 따라서, 핀 튜브의 핀 공간은 지난 수년동안 점점더 감소되어 왔다. 그러므로, 핀을 형성함으로써 얻어지는 표면 영역은 계속 증가되고 있다. 핀 간격 0.63mm(m당 1574개의 핀들에 상당함)인 상태에서, 평탄한 튜브 영역의 약 4배 정도의 표면 영역이 얻어진다. 상 변화, 즉 증발기 및 응축기에서 함께 이용되는 경우, 특히 핀 간격이 작은 튜브들에서는 표면 장력 및 모세관 효과에 의해 부가적인 열전달 증강이 얻어진다.
본 발명의 목적은 핀 튜브의 경제적인 제조 방법을 이용하여 종래의 핀 튜브의 열 전달 성능을 개선시키는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, n≥4인 다수의 핀 시작부들에, 적어도 2개의 나란하게 배향된 핀 시작부 (A1,A2) 또는 (A3,A4) 또는 (‥‥)를가진 1개 이상의 그룹이 형성된다.
이하, 본 발명의 핀 튜브의 경제적인 제조 방법을 설명한다.
본 발명의 핀 튜브의 바람직한 실시예에 따르면, 2개, 3개 또는 4개의 핀 시작부들의 그룹들이 각각 형성된다.
예컨대, 3개의 압연 공구와 6개의 압연 시작부를 가진 장치에서는, 결과적으로 제 3a도에 도시된 바와같이, 나란하게 배향된 2개의 핀 시작부들로 구성된 3개의 그룹들이 형성된다. 이와 대조적으로, 각각 단일의 핀 시작부와 6개의 압연 공구들을 이용하는 종래의 장치에서는, 단지 6개의 핀 형성 시작부들만이 얻어진다(제 3b도 참조).
본 발명은, 핀 팁들이 외측에서 업셋되어 단부를 두껍게 구성하고, 홈이 파여지게되며, 공동을 형성하도록 홈을 분할한 후에 측면으로 구부러지거나 업셋될 수 있는, 고성능 핀 튜브들에 특히 적합하다.
본 발명의 핀 튜브들의 핀 공간은 tR=0.25-1.50mm 정도가 바람직하고 핀 높이는 hR≤l.60mm 가 바람직하다.
열전달을 증강시키기 위해, 독창적으로 구성된 핀 튜브의 외측을 다른 구조로 된 튜브의 내측과 연계시킬 수 있다. 이를 위해, 튜브의 내측면이 나선형으로 연장하는 내측 핀들을 가지며, 내측 핀에 대해 수직하게 측정된 핀 공간 ti=0.5-3mm, 핀 높이 hi=0.2-0.5mm및 핀의 나선각 θ =25-70° 가 바람직한 것으로 제안되어 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 내측 핀(9)의 피치 각 θ =5-25 ° , 튜브의 내경에 대한 내측핀(9)의 높이의 관계 hi/Di=0.02-0.03, 내측 핀들(9)사이의 중간의 측면 간격 W=0.15-40mm 및 내측 핀의 정점각(vertex angle) γ =30-60° 이다(W 및 γ 는 튜브 축선에 대해 수직하게 배향된 단면에서 측정된다).
또 다른 실시예에 따르면, 튜브의 내측면이 단속적으로 형성될수 있는 파형부들을 가지며 튜브의 길이방향에서 본 파형부의 간격은, 핀 간격 tR및 핀 시작부의 개수 n에 의해 정해진다.
튜브의 내측면에 돌출부를 형성하는 것도 바람직한데, 그 돌출부는 대향하여 교차하는 2개의 내측 나선형 핀들에 의해 형성된다.
본 발명의 다른 요지는 본 발명의 핀 튜브의 제조 방법을 제공하는 것이다.
핀들은 튜브의 외측 표면 위의 1개의 시작부에서 최초로 압연된다. 압연 장치의 성능을 개선시키기 위해서는, 압연 속도 Wwalz 를 고려해야 한다. 압연 속도는 하기와 같이 계산된다.
상기 식에서, Wwalz는 압연 속도, α 는 리드각 또는 경사각, Dsch는 가장 큰 압연 디스크의 직경 및 W는 공구 축의 속도이다.
속도 W의 증가는 기술적으로 한계가 있다. Dsch는, 인접한 공구 축의 압연 디스크들이 작동중에 서로 접촉하지 않는 조건으로 최대 직경이 정해지게 되므로, 기하학적 한계가 있다.
따라서, Wwalz의 증가는 리드각 또는 경사각 α를 통해서만 얻어질 수 있다. tan α 는 하기 식으로 확정된다.
상기 식에서, n은 핀 시작부의 개수, tR은 핀 간격 및 DKem은 핀 튜브의 코어 직경이다. 따라서, 핀 칫수(간격 및 코어 직경)가 미리 주어진 상태에서, 리드각 또는 경사각은 핀 형성 시작부의 개수를 증가시킴에 의해서만 확대될 수 있다.
처음에는, 핀 튜브들이 2개의 시작부에서 3개의 압연 공구를 이용하는 압연 장치상에서 압연되었다(미국 특허 제 3 383 893호 참조).
그 후에, 상기 장치에서 3개의 시작부에 의한 압연이 실행되었다. (미국 특허 제 3 481 394호 참조). 또한, 이 특허에서는 6개의 압연 공구들을 가진 장치를 이용하여 6개의 시작부에 의한 압연 가능성을 언급하고 있다. 상기 특허에서는, 모든 압연 공구들이 하나의 공통 핀 리드에서 진행되거나 (1개 또는 2개의 시작부에 의한 압연) 또는 경계선의 경우에 각 압연 공구가 분리된 핀 시작부를 형성(3개 또는 4개의 시작부에 의한 압연)하는 기술을 특징으로 하고 있다. 이 방법에서는, 각 압연 공구가 최대 하나의 핀 형성 시작부 만을 제조하는 것으로 가정되어 있으므로한계에 도달하게 된다.
본 발명의 방법은, 소망하는 시작부의 개수 n이, 1개 또는 여러 개의 압연 공구들이 각각 하나 이상의 핀 형성 시작부를 제조하도록 압연 공구들의 현재 개수 N에 대해 조정되는, 즉 항상 n > N 으로 되는 방식을 특징으로 한다.
본 발명의 방법은 적어도, 하나의 압연 공구가 하나 이상의 핀 형성 시작부를 제조할 수 있다는 사실에 근거하고 있다. 따라서, 핀 튜브의 압연 중에 시작부의 개수가 현재까지 가능했던 레벨을 넘어 크게 증가된다. 이로써 본 발명에서는 압연 장치의 제조 능력을 배가시킬 수 있다. 시작부 개수의 최대 한계는 상기 장치에 의해 성취가능한 리드각 또는 경사각에 달려있지만, 셀프 로크 형태이다. 본 발명의 방법의 특정 실시예들에 따르면, 각 압연 공구는 2개, 3개 또는 4개의 핀 형성 시작부를 제조한다.
이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
제 1 도는 본 발명의 핀 튜브(1)를 개략적으로 나타낸 단면도이며, 그 핀 튜브의 외측에는 핀들(2)이 일체로 형성되어 나선형으로 연장되고, 그 핀들 사이에는 홈(3)이 형성된다. 핀들(2)은 높이 hR를 가지며, 핀 간격(핀 중앙에서 핀 중앙까지의 간격)은 tR로 나타내고 있다.
본 발명의 핀 튜브(1)는 제 1도 및 2b도에 도시된 장치에 의한 압연 작동(본 발명에 참고로 포함된 미국 특허 제 1 865 575호 및 제 3 327 512호 참조)에 의해제조된다.
압연 공구(5)를 형성하도록 모두 통합된 N=4의 공구 홀더 (4)(41/42/43/44)로 구성된 장치가 이용된다(제 1 도는 1개의 공구 홀더(4)만을 도시하고 있다. 그러나, 3개의 공구 홀더 또는 4개 이상의 공구 홀더(4)를 이용할수도 있다.). 공구 홀더(4)는 각각 핀 튜브(1)의 외주 둘레에 β =360° /N으로 떨어져 배열된다. 공구 홀더(4)는 통상 반경방향으로 이동하도록 지지된다. 공구 홀더는 고정된 압연 헤드(도시 안됨)에 배열된다(다른 변형예에 따르면, 튜브는 축방향으로만 이동되고 압연 헤드가 회전한다).
평탄한 표면을 가진 튜브(1')가 화살표 방향(X)으로 장치 내로 이동하여 그 튜브의 외주 둘레에 배열된 압연 공구 또는 회전 공구(5)에 의해 회전 가능하게 구동되며, 압연 공구(5)의 축(6)은 튜브 축선에 대해 리드각 또는 경사각 및 테이퍼각을 이루며 연장한다. 축(6)의 리드각 α 은 관계식 2에 따라 소망하는 시작부 개수 n에 대응하여 조정된다. 압연 공구(5)는 축(6)상에 나란하게 배열된 여러 개의 압연 디스크들(7)로써 종래의 방식대로 구성되며, 그 압연 디스크들의 직경은 화살표 방향(X)으로 갈수록 증가된다. 원주 방향으로 배열된 압연 공구들(5)이 평탄한 표면을 가진 튜브(1')의 튜브 벽에서 밖으로 나선형으로 연장하는 핀들(2)을 형성하며, 이때 평탄한 표면을 가진 튜브(1')는 프로파일된 압연 맨드릴(8)에 의해 안쪽으로 지지된다. 따라서, 참조부호(9)로 나타낸 나선형으로 연장하는 핀들이 튜브의 안쪽면에 동시에 형성된다.
압연 방법은, 압연 디스크가 튜브 벽으로 몰입되어 들어갈 때 압연 디스크 결합이 그룹으로 발생되기 때문에 튜브 외주, 더 정확하게는 핀이 형성된 튜브 부분과 핀이 형성되지 않은 튜브 부분 사이의 전이 영역상에서 분명하게 알아낼 수 있다. 제 3도는 6개의 압연 시작부를 이용하는 종래의 압연 방법과 본 발명의 압연 방법의 차이점을 개략적으로 나타내고 있다. 제 3a도에 따르면, 각각 튜브 외주 상에 균일하게 분포되어 나란하게 배향된 2개의 핀 시작부 (A1,A2) 또는 (A3,A4) 또는 (A5,A6)(도시 안됨)로 된 3개의 그룹이 있고, 한편 제 3b도에 따르면, 튜브 외주 상에 배열된 6개의 개별적인 핀 시작부들 A1,A2,A3,A4,A5,A6(A4-A6는 도시안됨)이 도시되어 있다(또한, 제 3a 도, 및 3b도는 현재의 참조 부호에 아랫 첨자를 부기하여 사용하고 있다).
수치적 실시예
4개의 압연 공구(5)를 가진 장치를 이용하여 핀 피치 tR=0.53mm의 핀 튜브(1)가 상기한 방법에 따라 8개의 핀 시작부에서 제조되었다. 이러한 타입의 튜브에서, 핀 직경 D=19mm, 핀 높이 hR=0.95mm이다. 핀 튜브의 내측 면에서의 동일한 작동에 의해 나선형 내측 핀 구조가 제조되었으며 대략 40개의 내측 핀들(9)이 튜브 축선에 대해 나선각 θ =45°로 연장된다.
다른 예에서는, 전술한 바와 유사한 내측구조를 가지며 피치 tR=0.64mm의 핀 튜브(1)를 8개의 압연 시작부를 기초로 하고 있다.
제 4도는 핀들의 팁들이 T자형 핀 팁(2')을 형성하도록 업셋되어 있는 압연 장치를 도시하고 있다. 이를 위해, 업셋되어 있는 1개의 디스크(10)가 공구 홀더(4)에 추가로 포함된다.
튜브(1)의 내측 구조를 설명하도록, 제 5 도는 튜브 축선에 대해 수직한 평면에서의 튜브의 부분 단면을 나타내고 있으며 , 핀 직경 D, 내부 직경 Di, 핀 높이 hi, 평균 측면 간격 W, 및 내측 핀(9)의 정점(vertex)각(γ )이 도시되어 있다.
제 1 도는 본 발명의 핀 형성 공구의 길이 방향 단면도,
제 2(a)도 및 2(b)도는 2개의 공구 홀더의 단부도,
제 3(a)도 및 3(b)도는 예시적인 공구 및 튜브를 나타낸 도면,
제 4 도는 핀 팁의 표면영역을 확장하기 위한 다른 핀 형성 공구의 단면도, 및
제 5 도는 외측 및 내측 핀들을 가진 튜브의 확대도이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
1,1 ' : 핀 튜브 2,9 : 핀
3 : 홈 4 : 공구 홀더
5 : 압연 공구 6 : 축
7,10 : 압연 디스크 8 : 압연 맨드릴

Claims (30)

  1. 외측에 일체로 형성되어 나선형으로 연장하는 다수의 핀들을 포함하는 금속 핀 튜브로서, 상기 핀들은 개수가 적어도 4개로 되어 있고, 상기 튜브 외주에 균일하게 떨어져 있는 핀 형성 시작부 위치들에서 시작되며, 상기 튜브 외측의 외주에 있는 상기 핀 형성 시작부와 동일한 위치에서 시작되는, 나란하게 배치된 나선형 핀들의 적어도 하나의 그룹이 형성되는 금속 핀 튜브.
  2. 제 1항에 있어서, 각각 2개의 핀 형성 시작부들의 그룹들이 형성되는 금속 핀 튜브.
  3. 제 1 항에 있어서, 각각 3개의 핀 형성 시작부들의 그룹들이 형성되는 금속 핀 튜브.
  4. 제 1 항에 있어서, 각각 4개의 핀 형성 시작부들의 그룹들이 형성되는 금속 핀 튜브.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 핀들의 팁들이 업셋되어 두꺼운 단부들을 형성하는 금속 핀 튜브.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 핀들의 팁들이 오목하게 파여있는 금속 핀 튜브.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 팁들은 분할되거나 측면으로 구부려지거나 업셋되어 공동을 형성하는 금속 핀 튜브.
  8. 제 1 항에 있어서, 핀 간격 tR=0.25-1.50mm 이고 핀 높이 hR≤1.60mm 인 금속 핀 튜브.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 튜브는 나선형으로 연장하는 내측 핀을 가지는 금속 핀 튜브.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 내측 핀에 대해 수직하게 측정된 상기 내측 핀의 간격 ti=0.5-3mm, 상기 내측 핀의 높이 hi=0.2-0.5mm 이고 상기 내측 핀의 나선각 θ =25-70°인 금속 핀 튜브.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 내즉 핀의 나선 각 θ =5-25° , 상기 내측 핀의 내경에 대한 높이의 관계 hi/Di=0.02-0.03, 상기 내측 핀의 중간의 측면 간격 W=0.15-0.40mm 이고 상기 내측 핀의 정점각 γ =30-60° 인 금속 핀 튜브.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 튜브는 내측면에 파형부를 가지는 금속 핀 튜브.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 파형부는 단속적으로 형성되는 금속 핀 튜브.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 파형부들 사이의 축방향 간격은 핀 간격 tR및 핀 시작부의 개수 n 에 의해 정해지는 금속 핀 튜브.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 튜브는 그의 내측면에 돌출부를 가지며, 상기 돌출부는 대향하게 교차하는 2개의 내측 나선형 시스템들에 의해 형성되는 금속 핀 튜브.
  16. a)핀 재료를 압연 작동에 의해 튜브 벽에서 반경방향 바깥쪽으로 이동시킴으로써 평탄한 표면을 가진 튜브의 외측면에 나선형으로 연장하는 핀들을 형성하는 단계;
    b) 상기 압연 작동중에, 나란하게 배치된 서로 다른 직경의 여러개의 압연 디스크들로 구성되며, 상기 튜브 벽으로 반경방향으로 압축될 수 있고 그의 축들은 핀 형성 중에 상기 튜브 축선에 대해 소망하는 핀 형성 시작부 개수 n에 대응하는 소정 리드각 α 로 배열되는, 상기 튜브 상에 놓여지는 적어도 2개의 압연 공구를 이용하는 단계;
    c) 상기 평탄한 표면을 가진 튜브를 그 아래에 놓여있는 압연 맨드릴 상에 지지하는 단계;
    d) 상기 핀들을 비변형된 평탄한 표면의 튜브에서 밖으로 높이가 증가된 상태로 형성하도록 상기 핀들이 제조될 때와 일치하는 압연력으로 상기 핀 튜브를 회전시키거나 축방향으로 전진시키는 단계; 및
    e) 1개 이상의 압연 공구들이 1개 이상의 핀 형성 시작부를 제조하도록 상기 압연 공구들의 현재 개수가 N인 경우 n>N으로 되도록 핀 형성 시작부의 개수 n을 선택하는 단계들로 구성되는 핀 튜브 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 각 압연 공구가 2개의 핀 형성 시작부들을 제조하는 핀 튜브 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 각 압연 공구가 3개의 핀 형성 시작부들을 제조하는 핀 튜브 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 각 압연 공구가 4개의 핀 형성 시작부들을 제조하는 핀 튜브 제조 방법.
  20. 제 16 항에 있어서, 상기 핀 팁들이 적어도 하나의 단계에서 반경방향 힘에 의해 변형되는 핀 튜브 제조 방법.
  21. 제 16 항에 있어서, 적어도 1개의 노치 디스크에 의해 노치들이 상기 핀 팁들 내로 압축되는 핀 튜브 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 핀 팁들은 핀들의 방향으로 분할되어 축방향 힘에 의해 구부려지고 반경방향 힘에 의해 변형되는 핀 튜브 제조 방법.
  23. 제 16 항에 있어서, 상기 평탄한 표면의 튜브는 프로파일된 압연 맨드릴에 의해 지지되는 핀 튜브 제조 방법.
  24. 제 16 항에 있어서, 상기 핀들을 형성한 후에 펀들 사이의 홈이 연속으로 반경방향 힘에 의해 안쪽으로 압축되며, 그 영역에서는 내측 맨드릴로써 지지되지 않게 됨으로써 파형부를 형성하는 튜브 벽재료가 상기 튜브의 내측으로 이동되어 지는 핀 튜브 제조 방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 사용되고 있는 모든 압연 공구들이 파형 디스크를 가지는 것이 아닌 핀 튜브 제조 방법.
  26. 제 21 항에 있어서, 상기 핀 팁들이 핀들의 방향으로 분할되는 핀 튜브 제조 방법.
  27. 제 21 항에 있어서, 상기 핀 팁들이 축방향 힘에 의해 구부려지는 핀 튜브 제조 방법.
  28. 제 21 항에 있어서, 상기 핀 팁들이 반경방향 힘에 의해 변형되는 핀 튜브 제조 방법.
  29. 제 16 항에 있어서, 상기 핀들을 형성한 후에 반경방향 힘에 의해 안쪽으로 압축되는 지점들에서만 핀들 사이의 홈이 형성되고, 그 영역에서는 내측 맨드릴로써 지지되지 않게 됨으로써 파형부를 형성하는 튜브 벽 재료가 상기 튜브의 내측으로 이동되어 지는 핀 튜브 제조 방법.
  30. 제 29 항에 있어서, 사용되고 있는 모든 압연 공구들이 파형 디스그를 가지는 것이 아닌 핀 튜브 제조 방법.
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