KR100407637B1 - 열교환기용 압출튜브 및 이 압출튜브의 제작장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉매유로가 강화벽에 의해 수 개로 구획되어 있는 다중 유로를 갖는 열교환기용 압출튜브에 있어서 적어도 강화벽의 표면을 그 길이방향에 대해 파형으로 형성 하므로써 열교환효율의 향상을 도모할 수 있는 고효율 압출튜브와, 이러한 압출튜브를 제작하기 위한 장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은 냉매유로를 갖도록 간격을 두고 대응 결합된 상·하부벽과, 이들 벽간을 수직으로 연결하는 복수의 격벽으로 구성된 열교환기용 압출튜브에 있어서; 상기 격벽(28)의 두께를 설정두께범위에서 길이방향으로 불규칙하게 형성하여 격벽(28)의 길이방향을 따라 파형벽면이 형성되도록 하고, 격벽(28)의 두께 가변 형태가 그 길이방향을 따라 주기적으로 반복된 패턴을 이루도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 원자재 공급수단(40)으로부터 용융상태의 원자재가 도입되는 원자재 도입홀(44)이 축방향으로 관통 형성된 원자재 도입부재(42); 상기 원자재 도입홀(44)에 억지 삽입되어 고정상태를 유지하며 중앙부에 확장형 슬롯(48)이 형성된 압출다이(46); 상기 원자재 도입홀(44)내에 끼움 결합되며 상기 확장형 슬롯(48)의 입구(48a)측에 치(51)가 위치하게 설치되는 만드렐(50); 및 상기 만드렐(50)을 전후진 시켜주는 전후진동력수단(60)을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

열교환기용 압출튜브 및 이 압출튜브의 제작장치{extrusion tube for heat exchanger and production device for extrusion tube}

본 발명은 냉매유로가 강화벽에 의해 수 개로 구획되어 있는 다중 유로를 갖는 열교환기용 압출튜브에 있어서 적어도 강화벽의 표면을 그 길이방향에 대해 파형으로 형성 하므로써 열교환효율의 향상을 도모할 수 있는 고효율 압출튜브와, 이러한 압출튜브를 제작하기 위한 장치에 관한 것이다.

예를 들어 자동차용 응축 열교환기는 압축기에서 토출되는 고온,고압의 기상냉매를 도입하여 외부공기와의 열교환을 통해 응축한 다음, 응축된 액상의 냉매를 팽창수단(expansion means)을 거쳐 증발기(evaporator)로 토출시키는 기능을 수행하는 장치로서, 최근들어 자동차 관련부품이 소형, 경량화되는 추세에 있음에 따라 컴팩트하면서도 열교환성능이 우수한 다양한 형태의 고효율 응축기가 개발되고 있다. 이에 대한 대표적인 것으로는, 각각의 내부에 형성된 다중유로를 갖는 복수의 평활튜브(flat tube)들 사이에 파형핀(corrugate fin)을 개재하고, 각각의 평활튜브의 양단을 통형상을 이루는 한 쌍의 헤더에 연통,접속시킴으로써, 유입파이프에 의해 응축기로 도입된 냉매가 이들 헤더와 튜브에 의해 형성되는 유로를 통해 유동하면서 외부공기과 열교환되도록 한 병렬유동형 응축기(parallel flow type condenser)가 잘 알려져 있다.

도 1을 통해 이를 보다 상세히 설명하면, 응축 열교환기는 제 1헤더(1), 제 2헤더(3), 다수의 평활튜브(5), 및 인접하는 평활튜브 사이에 개재되는 다수의 파형핀(7)으로 구성된다. 상기 각 평활튜브(5)의 양단부는 상기 제 1헤더(1)와 제 2헤더(3)에 접속,연통되고, 이 평활튜브가 접속되는 상기 헤더들 내부에 적어도 하나의 배플들이 설치되어 있어, 각각 다수의 평활튜브(5)에 의해 이루어지는 복수의 유통로(pass)를 정하게 된다. 따라서, 냉매는 응축기 내부를 지그재그 형태(zigzag pattern)로 흐르게 된다. 이러한 형태의 응축 열교환기는 이전의 서펜틴형(serpentine type) 응축 열교환기 보다 소형, 경량화되면서 고성능화를 실현한 것으로 최근의 자동차용 공조장치에는 대부분 이러한 형태의 응축 열교환기가 일반적으로 적용되고 있다.

통상적으로, 냉매튜브를 설계함에 있어서, 불균일한 표면을 갖는 냉매튜브의 열전달성능이 매끈한 표면을 갖는 냉매튜브보다 우수하다는 것은 공지된 사실이다. 이에 리브, 핀, 코팅 및 인서트등을 포함하는 다양한 표면개선이 냉매튜브의 내부 및 외부면에 모두 응용되어왔다. 특히 거의 모든 냉매튜브는 열전달 표면적을 증가시키려는 공통적인 노력이 시도되어 왔으며, 또한 대부분의 냉매튜브의 내외부를 통하는 유체의 난류촉진을 시도하므로써 유체의 혼합과 냉매튜브의 표면 경계층의 파괴를 보다 증진시키고 있다.

이러한 개선의 시도는 전열면적의 확장과 연관되는데, 냉매가 실제로 통과하는 냉매튜브의 유효 유로단면적을 증대시키는 방안으로는 단위튜브 내부에 형성되는 내부 유체통로(inside fluid paths)의 수력직경(hydraulic diameter)을 감소시키는 방안과 단위튜브는 그대로 두고 냉매의 유통로의 수를 증가시킴으로써 냉매의 전체 유로 길이를 길게 형성하는 방안을 들 수 있다. 특히, 수력직경을 감소시키기 위한 방안의 하나로, 미합중국 특허 제4,998,580호에 개시되어 있는 바와 같이 각각의 튜브 내측에 물결형상의 스페이서(spacer)를 내장시켜 다수의 유체 유동로(fluid flow paths)를 형성하고 각 유체 유동로의 수력직경을 작게 형성하는 방안이 있으나, 이는 유체 유동로의 수력직경이 작아지는 만큼 그에 상응하는 냉매의 통과저항(refrigerant passage resistant)을 증가시키기 때문에 냉매측의 과도한 압력강하를 유발시키게 되며, 또 하나, 별도의 부품인 스페이서의 추가로 인해 이를 설치하기 위한 공정의 증가와 부품의 증가로 인해 생산성 및 경제성에서 불리한 조건으로 작용된다.

이를 개선하기 위해, 국내특허출원 제1999-25832호에 따르면, 도 2에서와 같이 압출튜브(5)의 강화벽(9) 표면에 다수의 요철부(11)를 형성하므로써 미국특허의 스페이서와 같은 효과를 얻을 수 있도록 하였다. 하지만, 이 형태는 요철부(11)가 그 길이방향을 따라 일정하게 형성되어 있으므로 유체의 난류촉진에 한계가 있어열효율면에서 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 압출방식 의한 열교환기용 튜브에 있어서, 유체의 진행방향으로 난류를 촉진할 수 있도록 튜브의 길이방향으로 파형유로를 갖는 열교환기용 압출튜브를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 파형유로를 갖는 압출튜브를 제작하기 위한 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 응축 열교환기의 일반적인 구성도

도 2는 종래 압출튜브의 일실시예

도 3은 본 발명에 따른 압출튜브의 사시도

도 4는 도 3의 A-A선 단면도

도 5는 본 발명에 따른 압출튜브를 제작하기 위한 장치의 분리사시도

도 6은 도 5의 결합상태 단면도

도 7a, 7b는 확장형 슬롯과 만드렐의 결합상태 정면도

도 8a는 만드렐이 전진된 상태의 측면도

도 8b는 만드렐이 후진된 상태의 측면도

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

20; 압출튜브 22; 상부벽 24; 하부벽

26; 냉매유로 28;격벽 30; 마이크로 핀

40; 원자재공급수단 42; 원자재 도입부재

44; 원자재 도입홀 46; 압출다이 48; 확장형 슬롯

48a; 확장형 슬롯의 입구 50; 만드렐

60; 전후진동력수단 62; 고정스페이서

66; 관통홀

68; 튜브배출관 69; 플랜지부

70; 튜브배출홀 72; 작동로드

74; 연결스페이서 76; 덮개

77; 패킹부재 78; 실린더

80; 챔버 82; 제 1인렛 및 아웃렛포트

84; 제 2인렛 및 아웃렛포트 84; 피스톤

제시된 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기용 압출튜브는 상하부벽간을 연결하는 다수의 격벽두께를 일정한 설정범위내에서 가변시켜 길이방향으로 파형면을 가지도록 하므로써 유체의 진행방향에 대한 난류촉진을 유도하고, 냉매의 통과저항이 증가되지 않는 범위내에서 수력직경을 감소시켜 압출튜브의 유효유로 단면적을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 파형유로를 갖는 압출튜브의 제작장치는 압출력에 의해 취출구를 통과하는 용융상태의 원자재에 대해 만드렐을 일정한 유격범위에서 전후진 시킴에 따라 불규칙한 두께의 격벽을 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 열교환기용 압출튜브의 사시도이고, 도 4는 도 3의 A-A선 단면도로서, 압출튜브(20)는 상부벽(22)과 하부벽(24)이 사이에 냉매유로(26)가 확보되도록 대응되게 일체로 되고, 상하부벽(22,24)의 사이에는 이들을 연결하면서 상기 냉매유로(26)를 분할하는 수 개의 격벽(28)이 일정간격을 두고 형성되어 있다.

이로부터 상기 격벽(28)은 그 두께를 설정두께 범위내에서 길이방향을 향해 불규칙하게 형성하므로써 격벽(28)의 길이방향의 임의 지점마다의 두께차에 의한 파형벽면을 형성하게 된다. 아울러, 상기 격벽(28)의 두께변화에 있어서 격벽의 길이방향에 대해 일정한 패턴을 유지한다. 예를 들면 도 4에서와 같이 두께가 두껍고 얇은 형태가 주기적으로 반복되는 것이 그것이다.

이러한 파형벽면은 각 냉매유로(26)를 통하는 유체의 난류를 유발시켜 전열효율을 향상시킬 수 있게 된다. 이때, 상기 격벽(28)은 상하부벽(22,24)간의 간격을 유지하기 위한 강도보강의 역할을 함을 감안할 때, 지나치게 얇게 할 경우 강도보강력이 미약해질 우려가 있으므로 설정된 범위내에서 두께의 가변 범위를 조절해야 한다. 설정두께범위는 강도보강을 위한 기존의 역할을 유지하기 위한 최소 두께범위와 압력강하가 발생하는 최대 두께범위내에서 적절히 설정해야 할 것이다. 특히, 수력직경의 범위를 0.015 ~ 0.07인치(inch)로 설정하게 되면 상기한 조건을 공통적으로 만족하게 된다.

상기한 수력직경은0.015 ~ 0.07인치 범위에서 압출튜브(20)의 길이방향에 대해 연속적으로 변화되는데, 이는 격벽(28)의 파형면에 의해 기인된다.

참고로, 수력직경은 원의 형상이 아닌 유동을 원의 형상 단면의 지름으로 환산하여 계산되는 것으로 수력직경 Dh는 다음식으로 표현된다. Dh=4A/P(A:튜브의 단면적, P:접수길이).

그리고, 상부벽(22)과 하부벽(24)의 내면에는 불규칙한 모양과 크기를 갖는 마이크로 핀(30)이 형성되어 상기한 파형의 격벽(28)과 함께 유체의 난류화 및 혼합화에 의한 전열효과를 배가시키게 된다.

아울러, 상기 압출튜브(20)의 내부 및 외부 표면은 내부식성을 위해 코팅처리되어 있다.

한편, 상기과 같은 파형유로를 갖는 열교환기용 압출튜브를 제작하기 위한 장치를 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 압출튜브 제작장치는 원자재 공급수단(40)으로부터 용융상태의 원자재가 도입되는 원자재 도입홀(44)이 축방향으로 관통 형성된 원자재 도입부재(42)와; 상기 원자재 도입홀(44)에 억지 삽입되어 고정상태를 유지하며 중앙부에 확장형 슬롯(48)이 형성된 압출다이(46)와; 상기 원자재 도입홀(44)내에 끼움 결합되며 상기 확장형 슬롯(48)의 입구(48a)측에 치(齒:51)가 위치하게 설치되는 만드렐(50)과; 상기 만드렐(50)을 전후진 시켜주는 전후진동력수단(60)을 포함하여 구성된다.

상기 전후진동력수단(60)은 원자재 도입부재(42)의 후방에 밀착된 상태로 원자재 공급수단(40)과 결합되어 원자재 도입부재(42)의 유동을 방지하며, 중앙에는 상기 원자재 도입홀(44)과 연통하는 축방향의 관통홀(66)을 갖는 고정스페이서(62); 상기 고정스페이서(62)의 후방에 밀착되게 설치되어 후방으로 연장되어 있으며, 중앙에는 상기 고정스페이서(62)의 관통홀(66)과 연통되는 튜브 배출홀(70)을 갖는 튜브 배출관(68); 상기 원자재 도입부재(42), 고정스페이서(62), 튜브 배출관(68)의 플랜지부(69)를 연속적으로 관통하여 플랜지부(69)의 후방에서 나사 결합되며, 원자재 도입부재(42)의 원자재 도입홀(44)에 삽입되는 부분의 길이(ℓ1)가 원자재 도입홀(44)의 깊이(ℓ2)보다 작게 되어 그 길이 편차범위(ℓ2-ℓ1)에서 슬라이딩 가능하게 설치된 복수의 작동로드(72); 상기 튜브 배출관(68)의 외주상에 설치되며, 연결스페이서(74)에 의해 고정스페이서(62)와 결합되고, 덮개(76)와 패킹부재(77)에 의해 기밀이 유지된 챔버(80)를 가지며, 전방측에 위치하면서 유압이 도입 및 배출되는 제 1인렛 및 아웃렛포트(82)와 후방측에 위치하면서 제 1인렛 및 아웃렛포트와 동일한 역할을 하는 제 2인렛 및 아웃렛포트(84)를 각각 갖는 실린더(78); 및 상기 실린더(78)의 챔버(80)내에 위치하고, 상기 튜브 배출관(68)과 일체로 되어 상기 챔버(80)내의 유압에 의해 축방향으로 슬라이딩 되는 피스톤(86)으로 구성된다.

그리고, 상기 작동로드(72)의 원자재 도입부재(42)에 삽입되는 부분의 직경은 고정스페이서(62)의 작동로드 관통홀(63)의 공경에 비해 크게 형성하므로써 작동로드(72)가 고정스페이서(62)에 의해 후방유동거리를 제한받게 된다.

따라서, 상기 부품들이 취합된 상태에서 실린더(78)의 전방측에 위치한 제 1 인렛 및 아웃렛포트(82)로 유압이 공급되면 반대측의 제2 인렛 및 아웃렛포트(84)로 유압이 배출됨에 따른 실린더 내부의 유압 불균형에 의해 챔버(80)내에 위치하는 피스톤(86)이 전방유압에 의해 후퇴하므로써 피스톤에 연결된 튜브 배출관(68), 작동로드(72), 이 작동로드에 끼움 결합된 만드렐(50)이 작동로드(72)의 원자재 도입홀(44)로의 삽입부분의 길이(ℓ1)가 원자재 도입홀(44)의 깊이(ℓ2) 보다 작음에 따라 이들간의 길이편차(ℓ2-ℓ1) 만큼 후퇴한다. 반대로 실린더(78)의 후방에 위치한 제 2인렛 및 아웃렛포트(84)로 유압이 도입되면 반대쪽의 제 1인렛 및 아웃렛포트(82)로 유압이 배출됨에 따른 실린더 내부의 유압 불균형에 의해 챔버(80)내에 위치하는 피스톤(86)이 후방유압에 의해 전진하면서 이 피스톤에 연결된 튜브 배출관(68), 작동로드(72), 만드렐(50)이 전진하게 된다. 이러한 전후진은 일정간격을 두고 지속적으로 이루어져 만드렐(50)을 위치적으로 불규칙하게 하므로써 이를 통하는 압출튜브의 격벽(28) 두께를 길이방향을 따라 불규칙하게 할 수 있는 것이다.

참고로, 도 7a, 7b는 확장형 슬롯과 만드렐의 결합상태도로서, 만드렐(50)의 각 치(51)간의 간격(d)에 의해 압출튜브(20)의 격벽(28)을 형성하게 되며, 치들의 외면과 확장형 슬롯(48)간의 간격에 의해 압출튜브(20)의 외곽두께를 형성하게 된다.

또한, 각 치(51)의 상하면에 형성된 홈(51a)에 의해 마이크로 핀(30)이 형성된다.

계속해서, 도 8a 및 8b를 참조하면, 도 8a와 같이 치(51)가 전진된 상태에서는 확장형 슬롯(48)과 치(51) 사이에 수직틈새(vt)만이 형성되므로 이 경우에는 상대적으로 격벽(28)의 두께가 얇은 형태로 형성되고, 도 8b와 같이 치(51)가 후진된 상태에서는 확장형 슬롯(48)과 치(51) 사이에 수직틈새(vt)와 수평틈새(ht)가 동시에 형성되므로 이 경우에는 격벽(28)의 두께가 두꺼운 형태로 형성되므로 치(51)를 갖는 만드렐(50)을 주기적으로 전후진 시킬 경우 격벽(28) 및 마이크로 핀(30)의 형태를 불규칙한 굴곡형상으로 형성할 수 있게 된다. 아울러, 치(51)의 최대 전진위치를 치(51)의 선단과 확장형 슬롯(48)의 입구단이 거의 일치하게 하고, 최대 후진 위치를 상기에 제시된 바 있는 수력직경에 상응하게 설정하게 되면 격벽(28)의 최소 두께와 최대 두께를 적절하게 설정할 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 압출에 의해 제작되는 튜브의 격벽 두께를 길이방향으로 가변되게 형성하므로써, 튜브의 내부를 흐르는 작동유체의 난류촉진을 유도하여 열교환효율의 향상을 가져온다.

아울러, 이러한 압출튜브의 형상개선이 가능함에 따라 수력직경을 적절한 범위내에서 줄이므로써 최적의 전열면적을 확보할 수 있어 열교환성능에 효율성을 기할 수 있다.

Claims (6)

1. 냉매유로를 갖도록 간격을 두고 대응 결합된 상·하부벽과, 이들 벽간을 수직으로 연결하는 복수의 격벽으로 구성된 열교환기용 압출튜브에 있어서; 상기 격벽(28)의 두께를 설정두께범위에서 길이방향으로 불규칙하게 형성하여 격벽(28)의 길이방향을 따라 파형벽면이 형성되도록 하고, 격벽(28)의 두께 가변 형태가 그 길이방향을 따라 주기적으로 반복된 패턴을 이루도록 한 것을 특징으로 하는 열교환기용 압출튜브.
2. 제 1항에 있어서, 냉매유로(26)의 수력직경(Dh)이 0.015 ~ 0.07인치(inch) 범위에서 냉매유로의 임의의 지점마다 불규칙 한 것을 특징으로 하는 열교환기용 압출튜브.
3. 제 1항에 있어서, 상기 상부벽(22)과 하부벽(24)의 내면에는 불규칙한 크기와 형상을 갖는 마이크로 핀(30)이 형성된 것을 더 포함함을 특징으로 하는 열교환기용 압출튜브.
4. 원자재 공급수단(40)으로부터 용융상태의 원자재가 도입되는 원자재 도입홀(44)이 축방향으로 관통 형성된 원자재 도입부재(42); 상기 원자재 도입홀(44)에 억지 삽입되어 고정상태를 유지하며 중앙부에 확장형 슬롯(48)이 형성된 압출다이(46); 상기 원자재 도입홀(44)내에 끼움 결합되며 상기 확장형 슬롯(48)의 입구(48a)측에 치(51)가 위치하게 설치되는 만드렐(50); 및 상기 만드렐(50)을 전후진 시켜주는 전후진동력수단(60)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 파형유로를 갖는 압출튜브의 제작장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 전후진동력수단(60)은 원자재 도입부재(42)의 후방에 밀착된 상태로 원자재 공급수단(40)과 결합되어 원자재 도입부재(42)의 유동을 방지하며, 중앙에는 상기 원자재 도입홀(44)과 연통하는 축방향의 관통홀(66)을 갖는 고정스페이서(62); 상기 고정스페이서(62)의 후방에 밀착되게 설치되어 후방으로 연장되어 있으며, 중앙에는 상기 고정스페이서(62)의 관통홀(66)과 연통되는 튜브 배출홀(70)을 갖는 튜브 배출관(68); 상기 원자재 도입부재(42), 고정스페이서(62), 튜브 배출관(68)의 플랜지부(69)를 연속적으로 관통하여 플랜지부(69)의 후방에서 나사 결합되며, 원자재 도입부재(42)의 원자재 도입홀(44)에 삽입되는 부분의 길이(ℓ1)가 원자재 도입홀(44)의 깊이(ℓ2)보다 작게 되어 그 길이 편차범위(ℓ2-ℓ1)에서 슬라이딩 가능하게 설치된 복수의 작동로드(72); 상기 튜브 배출관(68)의 외주상에 설치되며, 연결스페이서(74)에 의해 고정스페이서(62)와 결합되고, 덮개(76)에 의해 기밀이 유지된 챔버(80)를 가지며, 전방측에 위치하면서 유압이 도입 및 배출되는 제 1인렛 및 아웃렛포트(82)와 후방측에 위치하면서 제 1인렛 및 아웃렛포트와 동일한 역할을 하는 제 2인렛 및 아웃렛포트(84)를 각각 갖는 실린더(78); 및 상기 실린더(78)의 챔버(80)내에 위치하고, 상기 튜브배출관(68)에 결합되어 챔버(80)내의 유압에 의해 축방향으로 슬라이딩 되는 피스톤(86)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 파형유로를 갖는 압출튜브의 제작장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 작동로드(72)의 원자재 도입부재(42)에 삽입되는 부분의 직경은 고정스페이서(62)의 작동로드 관통홀(63)의 공경에 비해 크게 형성된 것을 특징으로 하는 파형유로를 갖는 압출튜브의 제작장치.