KR100790382B1 - 열교환기용 튜브의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이산화탄소와 같이 고압하에서 작동하며, 열전달 성능이 우수한 유체를 냉매로 사용하는 열교환기에서 이러한 냉매의 열적 특성을 살릴 수 있으면서, 동시에 기존 응축기의 제조 설비를 크게 변경하지 않고도 제조가 가능한 열교환기용 튜브의 제조방법을 제공하기 위한 것으로, 연속라인으로 내부에 길이방향을 따라 냉매 흐름관이 형성된 적어도 둘 이상의 튜브 몸체와 상기 튜브 몸체들 사이를 연결하는 브릿지를 일체로 형성하는 압출 단계와, 상기 브릿지에 그 길이방향을 따라 일정간격으로 관통공을 형성하는 천공 단계와, 상기 일체형 튜브를 소정 길이로 절단하되, 상기 관통공이 형성된 부분에서 절단하는 절단 단계와, 상기 절단된 일체형 튜브의 양단부를 가공하는 후가공 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환기용 일체형 튜브의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 기존의 설비를 이용하여 손쉽게 일체형 튜브를 제조할 수 있다.

Description

열교환기용 튜브의 제조방법{Manufacturing method of tube for heat exchanger}

도 1은 본 발명에 의해 제조된 튜브를 구비한 열교환기의 사시도.

도 2는 본 발명에 의해 제조된 열교환기용 튜브의 부분 사시도.

도 3은 본 발명에 의해 제조된 튜브를 구비한 열교환기의 단면도.

도 4a 내지 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 튜브의 제조과정을 나타내는 도면.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 제 1헤더 파이프 12,14: 제 1,2격실

20: 제 2헤더 파이프 22,24: 제 3,4격실

11,21: 캡 30: 냉매 유입관

40: 냉매 유출관 50: 방열 튜브

52: 제 1튜브 54: 제 2튜브

56: 브릿지 58: 관통공

60: 방열핀

본 발명은 열교환기의 튜브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소와 같이 초임계압력의 냉동사이클을 갖는 유체를 냉매로 사용하는 열교환기의 튜브 및 이의 제조방법과 상기 튜브를 구비한 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 온도가 높은 유체와 온도가 낮은 유체가 열교환기 벽면을 통해 높은 온도에서 낮은 온도로 열을 전달함으로써 열교환을 행하는 장치이다. 이러한 열교환기를 구성요소로 하는 에어컨 시스템의 작동 매체로 지금까지는 주로 HFC 냉매가 사용되어 왔으나, 이러한 HFC 냉매는 지구 온난화의 주요 요인 중의 하나로 인식되어 그 사용에 대한 규제가 점차 확대되고 있다. 이러한 상황 하에서, HFC 냉매를 대체할 차세대 냉매로서 이산화탄소 냉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 차세대 냉매의 대표주자인 이산화탄소는 지구 온난화 지수(GWP)가 대표적인 HFC냉매인 R134a의 약 1300분의 1에 해당되며, 그 외에도 냉매로서 다음과 같은 장점을 가지고 있다. 곧, 작동 압축비가 낮아 압축 효율이 우수하다는 점과, 열전달 성능이 매우 우수하여 2차 유체인 공기의 입구 온도와 냉매의 출구 온도 사이의 온도 차이가 기존의 냉매에 비해 훨씬 작아질 수 있다는 것이다. 이러한 장점을 이용하여 겨울철 낮은 외기 온도에서도 열을 뽑아 쓸 수 있으므로 여름철에는 냉방, 겨울철에는 난방 역할을 수행하는 히트펌프에도 적용 가능하다.

또한, 이산화탄소는 체적냉방능력(증발잠열×기체밀도)이 기존의 냉매인 R134a의 7 내지 8배에 달하기 때문에 압축기의 용량을 크게 줄일 수 있으며, 표면 장력이 작아서 비등열전달이 우수하고, 정압비열이 크고 점도가 낮아 열전달 성능이 뛰어나므로 냉매로서 우수한 열역학적 특성을 갖고 있다. 또한, 냉동사이클의 측면에서 살펴보면 작동 압력이 기존에 비해 6 ~ 8 배(약 100 ~ 130 bar) 높아서, 열교환기 내부에서의 냉매의 압력 강하로 인한 손실이 기존 냉매에 비해 상대적으로 작게 되는 바, 압력강하는 크지만 열전달 성능이 우수한 것으로 알려진 미세관을 구비한 열교환기 튜브를 사용할 수 있다.

한편 이산화탄소를 냉매로 사용하는 열교환기는 크게 2가지 형태로 구분할 수 있는 데, 곧 멀티 패스(multi-pass)방식과 멀티 슬랩(multi-slab)방식이 그것이다.

멀티 패스 방식은 헤더 탱크 내에 다수의 배플을 개재하여 튜브를 통해 유동되는 냉매의 패스 수를 증가시키는 것으로, 이는 열교환기 내에서의 냉매의 분포도는 좋으나 냉매가 쿨링될 때 냉매인 이산화탄소는 열교환기 내에서 응축과정이 없어 계속적으로 온도가 하강하게 되고, 이에 따라 열교환기 전체에서의 온도편차가 심해져 튜브와 핀을 통해 열교환기 표면을 따라 자체적으로 열흐름이 발생하는 문제가 생기게 된다. 이러한 열흐름은 냉매가 외부 유입공기와 열교환하는 것을 방해하게 되고 자연히 열교환 성능을 감소시키게 된다.

멀티 슬랩 방식은 튜브가 배열된 열을 복수개로 하여 냉매가 이 튜브 열을 지남에 따라 열교환을 행하도록 하는 것으로, 이는 상기 멀티 패스 방식과 같은 열흐름은 차단할 수 있어 이산화탄소를 냉매로 사용하는 열교환기에 보다 효과적이다.

그런데, 이러한 멀티 슬랩 방식의 열교환기에 있어서, 열교환기 헤더 탱크의 독립된 냉매 통로는 각각 개별적으로 연통시켜야 하기 때문에 이를 별도의 튜브로 연결하였다.

따라서 별개의 튜브 열을 갖는 열교환기를 제작하기 위해서는 이를 조립하는 데 작업공수가 많이 소요되는 문제가 있었다.

따라서 이를 일체형으로 제조할 필요가 제기되었으며, 또한 기존 응축기 튜브의 제조 설비를 이용해 손쉽게 제조할 수 있는 방법이 고안될 필요가 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 이산화탄소와 같이 고압하에서 작동하며, 열전달 성능이 우수한 유체를 냉매로 사용하는 열교환기에서 이러한 냉매의 열적 특성을 살릴 수 있으면서, 동시에 기존 응축기의 제조 설비를 크게 변경하지 않고도 제조가 가능한 열교환기용 튜브의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연속라인으로 내부에 길이방향을 따라 냉매 흐름관이 형성된 적어도 둘 이상의 튜브 몸체와 상기 튜브 몸체들 사이를 연결하는 브릿지를 일체로 형성하는 압출 단계와, 상기 브릿지에 그 길이방향을 따라 일정간격으로 관통공을 형성하는 천공 단계와, 상기 일체형 튜브를 소정 길이로 절단하되, 상기 관통공이 형성된 부분에서 절단하는 절단 단계와, 상기 절단된 일체형 튜브의 양단부를 가공하는 후가공 단계를 포함하여 이루어진 것 을 특징으로 하는 열교환기용 일체형 튜브의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 후가공 단계는 상기 튜브 몸체의 양단부를 상기 튜브 몸체가 삽입되는 열교환기용 헤더 파이프의 튜브 홀 형상에 대응하는 형상으로 가공하는 것일 수 있으며, 이렇게 형성된 일체형 튜브에 있어 상기 브릿지는 상기 튜브 몸체보다 얇게 형성되도록 할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 의해 제조된 열교환기용 튜브의 구조를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의해 제조된 일체형 튜브를 채용한 이산화탄소용 열교환기의 구조를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명에 의해 제조된 일체형 튜브를 나타내는 사시도이며, 도 3은 상기 도 1과 같이 본 발명에 의해 제조된 일체형 튜브가 상기 이산화탄소용 열교환기에 장착된 상태를 나타내는 도면이다.

도 2를 참고로 우선 본 발명에 의해 제조된 튜브의 구조를 살펴보면, 본 발명에 의해 제조된 열교환기용 튜브는 내부로 냉매가 흐를 수 있도록 미세관(51)을 각각 구비한 튜브(52)(54)가 브릿지(56)에 의해 연결되도록 한다. 각 튜브(52)(54)를 흐르는 냉매의 방향은 반대가 된다. 따라서, 각 튜브(52)(54)를 흐르는 냉매의 온도는 다를 수 있다.

한편, 브릿지(56)에는 튜브(52)(54)의 길이방향을 따라 다수 개의 관통공(58)이 형성되는 데, 이 관통공(58)은 상기 튜브들(52)(54)간의 온도차로 말 미암아 열교환이 일어나는 것을 방지하기 위한 것이다. 이러한 튜브의 단부는 열교환기의 헤더 파이프에 형성된 튜브홀에 삽입되는 바, 이 삽입되는 튜브의 양단부의 내측부(59)는 상기 헤더 파이프의 튜브홀의 형상에 대응되도록 형성되어 있다.

이러한 구조의 튜브는 도 1과 같은 열교환기에 장착될 수 있다. 도 1에 도시한 열교환기는 서로 독립된 제1,2 격실(12)(14)을 갖는 제 1헤더 파이프(10)와, 이 제 1 헤더 파이프와 평행하게 배치되며, 서로 연통된 제3,4 격실(22)(24)을 갖는 제 2헤더 파이프(20)를 구비한다. 본 발명에 의해 제조된 튜브(50)는 이 헤더 파이프들(10)(20)의 격실들을 개별적으로 연통시켜 주는 것으로, 제 1헤더 파이프(10)의 제 1 격실(12)과 제 2헤더 파이프(20)의 제 3 격실(22)을 제 1튜브(52)로 이루어진 튜브열들이 서로 연통시키고, 제 1헤더 파이프(10)의 제 2 격실(14)과 제 2헤더 파이프(20)의 제 2 격실(24)을 제 2튜브(54)로 이루어진 튜브열들이 서로 연통시킨다. 각 헤더 파이프(10)(20)의 단부는 캡(11)(21)으로 밀봉되어 있다. 그리고, 제 1헤더 파이프(10)의 제 1격실(12)에는 냉매가 유입되는 냉매 유입관(30)이 설치되고, 제 2 격실(14)의 하단에는 열교환을 끝낸 냉매가 빠져나갈 수 있도록 냉매 유출관(40)이 설치된다. 각 튜브들 사이에는 방열 핀(60)이 설치되어 열교환 효율을 증진시킨다.

이러한 구조의 열교환기는 냉매 유입관(30)으로부터 유입된 냉매가 제 1격실(12)을 지나 제 1튜브(52)로 이루어진 튜브열들을 지나면서 1차로 열교환을 수행하게 된다. 그리고, 냉매는 제 2헤더 탱크(20)에서 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 연통 홀(25)을 통해 제 4격실(24)로 흘러, 제 2튜브(54)로 이루어진 튜브열 들을 지나면서 2차로 열교환을 수행하게 된다.

이렇게 열교환기 내에서 각 튜브 열마다 별도의 열교환을 수행하기 때문에 각 튜브들을 각 헤더 파이프의 격실에 별도로 연결하나, 이는 조립 공정이 복잡해 지는 문제가 있게 된다. 따라서, 본 발명과 같이 브릿지(56)에 의해 연결된 튜브를 사용하면 작업공수를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 조립 공정도 훨씬 간편해 지게 된다. 이때, 1차 열교환과 2차 열교환을 수행하는 냉매의 온도는 서로 다르게 되므로, 상기 브릿지(56)를 통해 열교환이 일어나는 것을 방지하기 위해, 이 브릿지(56)에 소정 간격으로 관통공(58)을 형성하는 것이다.

다음으로 이러한 구성을 갖는 열교환기용 튜브를 제조하는 방법에 대해 설명한다.

먼저, 도 4a에서 볼 수 있는 바와 같이 내부로 냉매가 흐를 수 있도록 다수의 미세관(51)을 구비한 제 1튜브(52)와 제 2튜브(54) 및 이들을 연결하는 브릿지(56)를 연속라인으로 압출에 의해 일체로 형성한다. 이 때, 상기 브릿지(56)는 제 1,2튜브(52)(54)보다 얇게 형성하도록 하는 것이 바람직하다. 이는 상기 제 1,2튜브(52)(54)간의 열교환을 보다 줄이도록 하기 위한 것이다.

이렇게 형성된 튜브의 브릿지(56)에, 도 4b에서 볼 수 있는 바와 소정 간격으로 관통공(58)을 천공하고, 이를 원하는 길이만큼 절단한다. 절단할 때에는 그 양 단부가 상기 관통공(58)에 위치하도록 해야 한다. 이는 튜브를 헤더 파이프에 삽입할 수 있도록 하기 위한 것이다.

도 4c에는 절단된 튜브의 단부를 나타낸 것인데, 그림에서 볼 수 있듯이, 브 릿지(56)에 형성된 관통공(58)의 양 측면은 제 1,2튜브(52)(54)의 측면과 정확히 일치하지 않게 된다. 이러한 상태로 헤더 파이프의 튜브 홀에 삽입하게 되면, 삽입시 찍힘이 발생하여 파이프에 흠이 생길 수 있고, 또 브레이징 실패를 야기하게 된다. 따라서, 튜브의 양 단부를 후가공에 의해 매끄럽게 해주는 공정이 필요하게 된다. 그림과 같이, 튜브 홀의 형상이 타원형일 경우에는 도 4c와 같이 라운딩기(70)(72)에 의해 단부를 라운딩 처리해 주어야 한다. 특히, 튜브의 내측면 단부(59)는 라운딩에 의해 도 4d와 같이 매끄럽게 해 주어야 한다.

이상 설명한 튜브는 별도의 열교환을 수행하는 두 개의 튜브열을 구비한 열교환기에 대해 설명하였으나, 이외에 복수의 튜브열을 구비한 멀티 슬랩 방식의 열교환기에도 동일하게 적용할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 이산화탄소용 열교환기에 있어 복수의 튜브열을 단일의 공정으로 조립할 수 있으며, 이 튜브열을 기존의 설비를 가지고도 손쉽게 제조할 수 있어, 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명한 것이나, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게는 다양한 변형 및 다른 실시예가 가능하다는 점이 이해될 것이다. 따라서 본원 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서 정해질 것이다.

Claims (3)

1. 연속라인으로 내부에 길이방향을 따라 냉매 흐름관이 형성된 적어도 둘 이상의 튜브 몸체와 상기 튜브 몸체들 사이를 연결하는 브릿지를 일체로 형성하는 압출 단계;

   상기 브릿지에 그 길이방향을 따라 일정간격으로 관통공을 형성하는 천공 단계;

   상기 일체형 튜브를 소정 길이로 절단하되, 상기 관통공이 형성된 부분에서 절단하는 절단 단계; 및

   상기 절단된 일체형 튜브의 양단부를 가공하는 후가공 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환기용 일체형 튜브의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 후가공 단계는 상기 튜브 몸체의 양단부를 상기 튜브 몸체가 삽입되는 열교환기용 헤더 파이프의 튜브 홀 형상에 대응하는 형상으로 가공하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 일체형 튜브의 제조방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 압출 단계에서 상기 브릿지는 상기 튜브 몸체보다 얇게 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 튜브의 제조방법.

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