KR101200597B1 - 복합 전열관, 이를 이용한 열교환기 및 열교환 시스템 - Google Patents

복합 전열관, 이를 이용한 열교환기 및 열교환 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 복합 전열관은 서로 다른 물리적 특성을 갖는 이종 금속 파이프를 접합하여 일체화한 후 내측면에 릿지를 형성하고, 외측면에 돌기를 형성함으로써 단일 금속 파이프가 갖는 물리적 한계를 극복하고, 유체와의 전열 면적을 증대시켜 전열 성능을 1차로 높였다. 또한, 복합 전열관의 비접촉율을 30% 이하로 설정하여 복합 전열관의 방사상 열전달율을 최적화함으로써 복합 전열관의 전열 성능을 2차로 높였다.

Description

복합 전열관, 이를 이용한 열교환기 및 열교환 시스템{A complex pipe for transferring heat, heat exchanging system and heat exchanger using the same}
본 발명은 열교환기에 사용되는 전열관에 관한 것으로서, 특히 서로 다른 물리적 특성을 갖는 금속 물질이 복합된 복합 전열관에 관한 것이다.
일반적으로, 산업설비, 냉난방 설비, 각종 기계장치 등에는 열교환 작용을 수행하기 위한 열교환 시스템이 구비되어 있다. 이러한 열교환 시스템에는 열 교환을 위한 금속관으로서 전열관이 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 냉매 증기의 액체 용해도가 온도, 압력에 따라 달라지는 원리를 이용한 흡수식 냉동기의 흡수기 및 증발기에는 냉각수와 흡수액간 및 냉수와 냉매간의 열교환을 위해 전열관을 사용한다. 또한, 터보 냉동기의 증발기에도 냉수와 냉매(R134a)의 열교환을 위해 전열관을 사용하고 있다.
초기의 전열관은 단일 금속(예를 들어, 구리 또는 구리 합금)으로만 이루어져 있었고, 열교환 능력을 높이기 위해 전열관의 외부면에 돌기나 금속핀 등을 형성하였다. 예를 들어, 대한민국 등록 특허 제 0518695 호, 대한민국 등록특허 제 0707682 호, 대한민국 공개특허 제 2007-63073 호, 대한민국 공개특허 제 2009-98526 호 및 대한민국 공개특허 제 2010-21215 호 등에는 단일 금속으로 이루어진 전열관의 열교환 능력을 높이기 위한 다양한 방안들이 소개되어 있다.
대표적인 방법으로는 전열관의 외부면에는 전열핀이나 돌기를 형성하고, 내부면에는 트위스트 형태의 릿지나 나사형 돌기를 형성하는 것이다.
그러나, 이렇게 전열관을 구리나 구리합금만으로 구성할 경우, 구리나 구리합금 자체가 갖는 고유한 특성으로 인해 여러가지 문제점이 나타나게 된다. 구리나 구리합금은 탁월한 내식성, 우수한 열전도성 및 여러가지 우수한 기계적 특성을 구비하고 있지만, 풍부한 자원이 아니기 때문에 가격이 높고, 비중이 높아 중량이 무겁다는 단점을 가지고 있다. 풍부한 자원으로 인한 낮은 비용과 경량이라는 장점 때문에 알루미늄이나 알루미늄 합금이 구리의 제 1의 대체재로서 부상하고 있다. 그러나, 알루미늄이나 알루미늄 합금은 강도, 내식성, 열전도성 및 기타 열악한 기계적 특성이 모두 구리에 비해 등급이 낮다.
따라서, 최근에는 이러한 구리와 알루미늄이 함께 적용된 복합 금속관이 등장하고 있다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제 2009-23349 호(이하, '특허 문헌 1'로 약칭한다)는 파이프의 내부 금속층은 구리로 이루어지고, 파이프의 외부 금속층은 알루미늄으로 이루어진 구리/알루미늄 복합 파이프를 제안한다.
또한, 상기 특허문헌 1과 같은 복합 파이프의 전열 성능을 높이기 위해, 특허문헌 2(일본 공개특허 제 2000-146304 호)는 외부 금속층의 표면에 다수의 핀(fin)산을 형성한 핀 튜브 형태의 전열관을 개시하고 있고, 특허문헌 3(일본 특개평6-198376 호)은 외부 금속층의 외주면에 스파이럴 모양의 핀을 일체로 형성하고, 이 스파이럴 모양의 핀에 복수 줄기의 슬릿을 나선형으로 형성한 전열관을 개시하고 있다.
그러나, 상기 특허문헌 2 및 특허문헌 3의 경우, 복합 전열관의 외부 금속층의 표면에만 전열 성능을 촉진하기 위한 전열핀을 형성하고 있기 때문에 전열 성능의 확대에 한계가 있다.
따라서, 전열관의 내측면에도 전열 면적의 확대와 유체에 대한 유동저항의 증대 및 난류 효과를 얻을 수 있는 릿지(ridge)의 형성과 같은 구조의 변화가 필요하다.
이와 같이, 복합 전열관의 외부면 뿐만 아니라 내부면에도 릿지를 형성하게 되면, 도 1과 같이 내부 금속층(11)과 외부 금속층(12)의 경계면(13)에 다수의 틈새(14)(gap)가 발생하게 된다. 이러한 틈새의 존재는 전열관의 내부를 흐르는 유체와 전열관의 외부를 흐르는 유체간의 열전달 성능을 떨어뜨리게 한다. 따라서, 복합 전열관의 내부 금속층과 외부 금속층의 경계면에 존재하는 틈새의 크기를 제어하는 것이 복합 전열관의 전열 성능을 높이는데 매우 중요하다. 본 발명자들은 이러한 기술적 배경에서 출발하여 복합 전열관의 경계면에 존재하는 틈새의 크기(비접촉율)와 복합 전열관의 열전달율간의 상호 관계에 대하여 연구하였다.
연구 결과, 복합 전열관의 열전달율은 복합 전열관의 경계면 비접촉율에 대해 반비례 관계로 종속되어 있으며, 특정 비접촉율의 근처에서 열전달율이 급격하게 나빠지는 것을 알게 되었다.
본 발명은 이러한 기술적 동기와 배경으로부터 도출된 것으로서, 본 발명은 적어도 둘 이상의 이종 금속이 겹쳐진 복합 전열관을 구성하되, 복합 전열관의 외부면 뿐만 아니라 내부면의 표면 구조를 변경하여 전열 성능을 최대화하는 것을 제 1의 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 복합 전열관의 내부 금속층과 외부 금속층이 맞닿는 경계면에 존재하는 비접촉율을 조절하여 복합 전열관의 반경 방향의 열전달율을 최적화하는 것을 제 2의 기술적 과제로 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타난 구성과 구성의 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 복합 전열관은, 외측 표면에 적어도 하나 이상의 돌기가 형성되어 있고, Al 및 Cu 중 어느 하나 또는 이들의 합금인 제 1 금속 재질로 이루어지며 강성이 60 ~ 130 GPa를 형성하는 제 1 관체와; 상기 제 1 관체의 내측에 끼워져 접합 되고, 상기 제 1 금속 재질과는 다른 물리적 특성을 갖는 Cu, Ti 및 SUS 중 어느 하나 또는 이들의 합금인 제 2 금속 재질로 이루어지며 내측 표면에 적어도 하나 이상의 릿지가 형성되고 강성이 100 ~ 200GPa를 형성하는 제 2 관체; 및 상기 제 1 관체와 상기 제 2 관체가 서로 맞닿는 경계면을 포함하고; 하기 수학식으로 정의되는 상기 경계면에 존재하는 틈새(gap)로 인한 비접촉율이 30% 이하를 만족하는 것을 특징으로 하는 복합 전열관.
비접촉율(%) =
Figure 112012044925258-pat00013

여기서, L은 복합 전열관의 경계면에 존재하는 틈새의 원주길이의 총합을 나타내고, r'는 경계면의 반경을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 서로 다른 물리적 특성을 갖는 이종의 금속 파이프를 끼워서 접합하고 있기 때문에 단일한 금속이 갖는 물리적 특성의 한계를 극복하고 있다.
또한, 복합 전열관의 외부면에 돌출부를 형성할 뿐만 아니라 내부면에도 릿지를 형성함으로써 복합 전열관의 내,외부에서 유체와 맞닿는 면적과 유동저항을 증가시켜 전열 성능을 극대화하고 있다.
또한, 복합 전열관의 외부 금속층과 내부 금속층이 맞닿는 경계면에서 발생하는 틈새로 인한 비접촉율을 적절히 제어함으로써 복합 전열관의 방사상(radial) 열전달율을 최적화하고 있다.
따라서, 본 발명에 따른 복합 전열관은 구리나 구리 합금만으로 구성되는 단일 전열관에 비해 낮은 원가와 경량이라는 장점을 가짐과 동시에 알루미늄이나 알루미늄 합금만으로 구성되는 단일 전열관에 비해서도 우수한 내식성 및 우수한 전도성을 가지게 된다. 또한, 본 발명의 복합 전열관은 기존의 복합 전열관에 비해서 전열 성능이 월등하게 우수하다.
본 명세서에 첨부되는 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술할 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 외부 금속층과 내부 금속층간의 경계면에 존재하는 다수의 틈새를 과장되게 표현하고 있는 복합 전열관의 횡 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 복합 전열관의 종 단면도이다.
도 3은 복합 전열관의 경계면에 대한 확대도이다.
도 4는 복합 전열관의 비접촉율을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 복합 전열관 샘플로부터 틈새의 원주길이의 총합의 평균을 산출하기 위한 도면이다.
도 6은 비접촉율과 열전달율의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 본 발명의 구성을 설명하기에 앞서 본 명세서에 등장하는 다수의 새로운 용어에 대해 정의하기로 한다.
본 명세서에 등장하는 '복합 전열관'은 적어도 두개 이상의 금속관을 접합하여 형성한 복합 파이프를 의미한다. 이때, 서로 접합되는 금속 물질은 상호간의 물리적 약점을 보완하기 위한 금속 물질로부터 선택된다.
'비접촉율'은 복합 전열관의 외부 금속층과 내부 금속층이 맞닿는 경계면에 존재하는 틈새로 인해 외부 금속층과 내부 금속층이 열적으로 이격되는 정도를 나타내는 것으로서, 아래의 수학식 1로 정의된다.
Figure 112010085803414-pat00002
여기서, 상기 L은 경계면에 존재하는 틈새들의 원주길이의 총합을 나타내고, r'는 경계면의 반경을 나타낸다.
'열교환기'는 복합 전열관을 채택하여 복합 전열관의 내부를 통과하여 흐르는 유체와 복합 전열관의 외부로 흐르는 유체간의 열전달을 통해 열교환을 달성하는 모든 장치를 통칭하는 의미로 사용되었다. 본 발명의 열교환기의 예로는 흡수식 냉동기의 흡수기나 증발기 또는 터보 냉동기의 증발기, 히트 펌프식 열교환기, 핀 튜브식 열교환기 등을 들 수 있다.
또한, 열교환 시스템은 산업설비, 냉난방 설비, 각종 기계장치 등에 상기 열교환기를 사용하여 열교환 작용을 수행하는 시스템으로서, 대표적으로, 흡수식 냉동기나 터보 냉동기 등을 들 수 있다.
또한, 본 명세서에 사용되는 '관체'는 내부 공간을 통해 유체를 운반하기 위해 물리적으로 가공된 파이프를 의미한다.
도 2는 본 발명에 따른 복합 전열관의 종 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 복합 전열관(20)은 제 1 관체(22)와 제 2 관체(21)가 결합되어 있는 이중관이다. 상기 제 2 관체(21)는 상기 제 1 관체(22)의 내측에 끼워져서 접합되고, 제 1 및 제 2 관체(22 및 21)가 맞닿는 지점에는 경계면(23)이 형성된다. 이상적으로, 상기 제 1 및 제 2 관체(22 및 21)는 서로 긴밀하게 결합되어서 상기 경계면(23)에 틈새가 발생하지 않아야 한다. 그러나, 제 1 관체(22)와 제 2 관체(21)를 각기 별개로 제작한 후 물리적으로 접합하는 공정상 경계면(23)에서 발생하는 틈새를 완전히 없애는 것은 용이한 일이 아니다.
상기 제 1 관체(22)와 상기 제 2 관체(21)는 서로 다른 물리적 특성을 갖는 이종 금속물질로 이루어진다. 상기 제 1 관체(22)를 구성하는 금속 물질은 Al 또는 그 합금, Cu 또는 그 합금 및 이들의 합금중 선택된 어느 하나로 이루어지고, 상기 제 2 관체(21)를 구성하는 금속물질은 Cu 또는 그 합금, Ti 또는 그 합금, SUS 또는 그 합금 및 이들의 합금중 선택된 어느 하나로 이루어진다.
상기 제 1 관체(22)의 외측면에는 유체와의 접촉 표면적을 증가시키기 위한 다수의 돌기(25)가 형성되어 있다. 따라서, 제 1 관체(22)는 돌기(25)의 형성이 용이하도록 그 강성(Young's Modulus)이 60~130GPa을 갖는 것이 바람직하다. 만약, 제 1 관체(22)의 강성이 60GPa를 하회하게 되면, 외부 핀 생성시 전열 성능을 향상시키기 위해서는 핀과 전열관 표면에 일정한 각도가 이루어지도록 만들어야 하는데 이것이 어려워지게 된다. 또한, 상기 제 1 관체(22)의 강성이 130GPa를 상회하게 되면, 돌기를 원활하게 형성하는 것이 어렵다.
상기 제 1 관체(22)의 외측면에 돌기를 형성하는 구체적인 공정은 대한민국 공개특허 제 2007-63073 호, 대한민국 등록특허 제 0518695 호, 대한민국 등록특허 제 707682 호 및 대한민국 공개특허 제 2009-98526 호 등을 참작하는 것에 의해 생략한다.
또한, 상기 제 2 관체(21)의 내측면에는 내부를 흐르는 유체와의 접촉 표면적을 증가시키기 위한 다수의 릿지(ridge)(24)가 형성되어 있다. 따라서, 제 2 관체(21)는 릿지(24)의 형성이 용이하도록 그 강성(Young's Modulus)이 100~200GPa을 갖는 것이 바람직하다. 만약, 제 2 관체(21)의 강성이 100GPa를 하회하게 되면, 재질이 너무 물러서 원하는 형상대로 제작하는 것이 어렵고, 200GPa를 상회하게 되면, 릿지를 원활하게 형성하는 것이 어렵다.
상기 제 2 관체(21)의 내측면에 릿지를 형성하는 구체적인 공정은 대한민국 공개특허 제 2007-63073 호, 대한민국 등록특허 제 0518695 호, 대한민국 등록특허 제 707682 호 및 대한민국 공개특허 제 2009-98526 호 등을 참작하는 것에 의해 생략한다.
이와 같이, 복합 전열관(20)의 제 1 관체(22)의 외측면과 제 2 관체(21)의 내측면에 각각 돌기와 릿지를 형성하는 것에 의해 제 1 및 제 2 관체(22 및 21)와 유체 사이의 전열 면적이 확대되어 상기 특허문헌 1 내지 특허문헌 3에 개시된 기존의 복합 전열관에 비해 전열관의 열전달 효율을 대폭 증대시키는 것이 가능해진다.
또한, 도 2를 참조하면, 서로 다른 이종 금속 파이프가 접합되어 형성되는 본 발명과 같은 복합 전열관(20)은 이종 금속 파이프가 접합하는 경계면(23)에 다수의 틈새(30)가 발생하게 된다.
도 3은 상기 틈새(30)를 현미경을 통해 1,000배 확대한 확대도이다. 도 3을 참조하면, 이 틈새(30)는 경계면(23)의 원주를 따라 길게 연장되는 부정형의 슬릿으로서, 틈새의 원주 길이가 ℓ'이고, 직선 길이가 ℓ이며, 반경 방향의 폭이 d이다. 상기 원주 길이 ℓ'와, 상기 직선 길이 ℓ은 거의 동일하다. 또한, 상기 반경 방향의 폭 d는 대략 1 ~ 10㎛ 정도로 상기 원주 길이 ℓ'나 상기 직선 길이 ℓ에 비해서 무시할 수 있을 정도로 매우 작다.
이와 같이, 복합 전열관의 경계면(23)의 틈새(30)는 제 2 관체(21)를 제 1 관체(22)에 끼워서 확관하여 접합하는 과정에서 물리적으로 발생하는 갭이기 때문에 반경 방향의 폭이 매우 좁은 길다란 부정형의 슬릿 모양을 갖게 된다. 따라서, 상기 틈새(30)의 반경 방향의 폭(d)이 복합 전열관의 반경 방향의 열전달 성능에 미치는 영향은 무시해도 좋을 정도로 낮다. 반면에, 틈새(30)의 원주 길이(ℓ'), 즉, 직선 길이(ℓ)는 반경 방향의 열전달 성능에 크게 영향을 미치게 된다.
따라서, 본 발명자들은 복합 전열관의 반경 방향의 열전달 성능(즉, 열전달율)과 복합 전열관의 경계면(23)에 존재하는 틈새들의 원주길이 간의 관계를 하기 수학식 1과 같이 모델링 하였다.
먼저, 복합 전열관의 열전달율에 영향을 미치는 경계면의 틈새의 존재를 비접촉율을 통해 묘사하였다. 이 비접촉율은 제 1 관체(22)와 제 2 관체(21)가 물리적으로 및/또는 열적으로 접합되지 못하고 이격되어 있는 정도를 나타내는 것이다. 따라서, 이 비접촉율이 높다는 것은 제 1 관체(22)와 제 2 관체(21)가 열적으로 크게 이격되어 있는 상태를 나타내고, 당연히 반경 방향의 열전달율은 낮아지게 될 것이다.
도 4를 참조하면, 반경 r'를 갖는 복합 전열관(20)의 경계면(23)에는 다수의 틈새(G1 ~ G6)가 존재하고, 이 틈새들의 원주 길이(ℓ')에 대응하는 직선 길이는 각각 ℓ1~ℓ6라고 정의한다. 이때, 비접촉율(%)은 아래의 수학식 1을 만족한다.
[수학식 1]
Figure 112010085803414-pat00003
여기서, L은 복합 전열관의 경계면에 존재하는 틈새의 원주길이의 총합을 나타내고, r'는 경계면의 반경을 나타낸다.
만약, 도 4와 같이 복합 전열관의 경계면에 모두 6개의 틈새가 존재한다면, 상기 수학식 1의 L은 다음의 식을 만족하게 된다.
L = ℓ1+ℓ2+ℓ3+ℓ4+ℓ5+ℓ6
이때, 틈새의 원주길이(ℓ')는 틈새의 직선길이(ℓ)와 실질적으로 동일하기 때문에 구별하지 않았다.
본 발명자들은 상기 수학식 1로 정의되는 비접촉율(%)이 복합 전열관의 방사상 열전달율과 대략 반비례의 관계에 놓여 있으며, 특정 비접촉율에서 열전달율이 급격하게 변화한다는 사실을 알게 되었다. 즉, 상기 비접촉율(%)이 30%를 전,후로 열전달율이 급격하게 변화한다는 사실을 알게 되었다.
따라서, 본 발명의 복합 전열관은 그 비접촉율이 30% 이하인 것을 특징으로한다. 만약, 복합 전열관의 비접촉율이 30%를 상회하게 되면, 열전달율이 7,000W/㎡K 이하가 되어 바람직하지 않다. 또한, 비접촉율에 대한 하한치는 특별히 한정하지는 않았으나, 음의 값을 가질 수 없으며, 0이라면 가장 이상적이다.
지금까지, 복합 전열관의 예로서 서로 다른 물리적 특성을 갖는 2개의 금속이 접합된 이중 금속관을 살펴보았으나 본 발명이 반드시 이러한 예로 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기본적인 기술사상을 해하지 않는 범위내에서 삼중 또는 사중 금속관 등도 본 발명의 복합 전열관의 실시예중의 하나가 될 것이다.
다음으로, 상술한 구성을 갖는 본 발명의 복합 전열관을 제조하는 방법을 살펴보기로 한다.
먼저, 제 2 관체(22)용 제 2 금속 파이프와 제 1 관체(21)용 제 1 금속 파이프를 준비하고, 제 2 금속 파이프의 내부 공간에 제 1 금속 파이프를 끼워 관통시킨다. 제 2 금속 파이프내에 제 1 금속 파이프가 끼워진 상태에서 열을 가하여 연성 상태로 만들고, 여기에 일정한 직경을 갖는 틀을 통과시키는 인발 과정을 통해 원하는 형태의 외경을 갖는 민 무늬 튜브(Bare Tube)를 제작한다. 이 민 무늬 튜브를 만들 때, 경계면에 존재하는 틈새의 크기와 수준이 결정된다. 이렇게 제작된 민 무늬 튜브의 내부에는 헬릭스(helix) 형태를 갖는 코어를 넣고, 외부에는 돌기를 형성시키는 3개의 롤러를 위치시킨 상태에서 일정한 속도로 파이프를 돌리면서 민 무늬 튜브를 잡아당긴다. 이에 따라, 상기 튜브의 내부면에는 상기 코어의 모양과 동일한 형태의 헬릭스 모양의 릿지가 생성되고, 상기 튜브의 외부면에는 다수의 돌기 모양의 형상이 만들어진다. 이렇게 하여, 도 2와 같은 제 1 관체(21)와 제 2 관체(22)로 이루어진 복합 전열관이 완성된다.
이하에서, 복합 전열관의 비접촉율(%)과 열전달율간의 상호 관계를 실험을 통해 설명한다.
1. 복합 전열관 샘플의 제작
외경이 19.05mm이고, 두께가 0.5mm인 구리 파이프와 외경이 21.5mm이고, 두께가 1mm인 알루미늄 파이프를 준비한다. 준비된 구리 파이프를 알루미늄 파이프내에 끼워 관통시킨 후, 확관 공정을 통해 민 무늬 튜브를 제작한다. 이렇게 제작된 민 무늬 튜브에 내측면 릿지 형성공정과 외측면 돌기 형성공정을 동시에 수행하여복수의 복합 전열관 샘플을 완성한다. 이때, 확관 공정시의 가압력을 달리하거나 릿지나 돌기 형성 공정시 가압력 등을 조절하는 것에 의해 경계면에 형성되는 틈새의 수와 크기를 조절하였다. 이렇게 틈새의 수와 크기가 조절된 11개의 복합 전열관 샘플을 제작한 후 각각에 대해 비접촉율과 열전달율을 측정하였다.
2. 비접촉율(%)의 계산
제작된 복합 전열관 샘플들에 대해 도 5와 같이 중심부와 양 끝단부를 각각 절단한 후, 절단된 경계면을 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 관찰하여 틈새(gap)의 직선길이를 모두 측정하였다. 이렇게 측정된 틈새의 직선길이를 모두 합산하여 중심부와 양 끝단부에서의 틈새의 원주길이의 총합(L1, L2, L3)을 산출한다. 이렇게 산출된 중심부와 양 끝단부에서의 틈새의 원주길이의 총합을 이용하여 평균치(Lavg)를 산출하고, 이를 상기 수학식 1에 대입하는 것에 의해 비접촉율(%)을 구한다. 이때, 보다 정밀한 측정을 위해 절단 부위를 3곳(중심부와 양 끝단부) 이상으로 잡을 수도 있다.
3. 열전달율의 측정
열전달율은 U(Overall Heat-transfer coefficient)라고 정의하는 총열전달계수로 계산한다. 이를 위해서 냉동기와 동일한 냉매 환경을 조성해줄 수 있는 열교환기 실험장치를 이용한다. 열교환기 실험장치 내부에서 열교환하는 냉매의 포화온도, 냉매와 열교환하는 물의 입출구 온도를 측정하여 이를 토대로 열량(Q)를 계산한다. 이렇게 계산된 열량과, 전열관의 표면적 A 및 하기 식 (1)의 대수평균온도차(△TLMTD)를 식 (2)에 대입하는 것에 의해 총열전달계수(U)를 구한다.
Figure 112010085803414-pat00004
_______ (1)
Figure 112010085803414-pat00005
_________________(2)
여기서, Q는 냉매와 물이 상호 열교환하는 열량[kW]을 나타내고, △T1은 냉각수 입구 온도(응축관) 또는 냉수 입구 온도(증발관)를 나타내고, △T2은 냉각수 출구 온도(응축관) 또는 냉수 출구 온도(증발관)을 나타내고, △TLMTD는 대수평균온도차(LMTD : Log Mean Temperature Difference)를 나타내며, A는 전열관의 표면적을 나타낸다.
4. 비접촉율과 열전달율의 상호 관계
상기에서 산출한 11개의 복합 전열관 샘플에 대한 비접촉율과 열전달율을 정리하면 아래의 표 1과 같다.
비접촉율 (%) 열전달율 [W/㎡K]
0.0 7923
5.0 7815
10.4 7753
14.8 7503
20.1 7214
25.3 7167
30.3 6926
35.2 5279
40.7 3561
44.9 2938
51.6 1750
상기 표 1의 결과를 토대로 비접촉율(%)과 열전달율의 상호 관계를 그래프로 표현하면 도 6과 같다.
도 6을 참조하면, 복합 전열관의 비접촉율이 0일 때, 가장 양호한 방사방향의 열전달율을 나타내었다. 그러나, 복합 전열관의 비접촉율이 증가함에 따라 열전달율은 기울기 S1으로 서서히 감소하다가 비접촉율(%)이 30%에 도달하는 순간 열전달율이 기울기 S2로 급격하게 감소한다. 즉, 비접촉율(%)이 30%에 도달하는 지점이 변곡 구간임을 확인할 수 있다.
따라서, 복합 전열관을 제작함에 있어서, 제 1 관체와 제 2 관체의 두께나 제 1 관체와 제 2 관체의 확관시 가압력이나 릿지 형성이나 돌기 형성시의 압력 등을 적절히 조절하여 비접촉율(%)을 30% 이하로 설계하게 되면, 복합 전열관의 열전달율이 최적화됨을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 복합 전열관은 흡수식 냉동기의 흡수기나 증발기 또는 터보 냉동기의 증발기 등과 같이 전열 파이프를 이용하는 모든 열교환기에 적용 가능하다. 또한, 산업설비, 냉난방 설비, 각종 기계장치 등에 본 발명에 따른 열교환기를 사용하여 열교환 시스템을 구축할 수 있다. 대표적으로는, 흡수식 냉동기나 터보 냉동기 등을 들 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 복합 전열관은 서로 다른 물리적 특성을 갖는 이종 금속 파이프를 접합하여 일체화한 후 내측면에 릿지를 형성하고, 외측면에 돌기를 형성함으로써 단일 금속 파이프가 갖는 물리적 한계를 극복하고, 유체와의 전열 면적을 증대시켜 전열 성능을 1차로 높였다. 또한, 복합 전열관의 비접촉율을 30% 이하로 설정하여 복합 전열관의 방사상 열전달율을 최적화함으로써 복합 전열관의 전열 성능을 2차로 높였다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나,본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (7)

  1. 외측 표면에 적어도 하나 이상의 돌기가 형성되어 있고, Al 및 Cu 중 어느 하나 또는 이들의 합금인 제 1 금속 재질로 이루어지며 강성이 60 ~ 130 GPa를 형성하는 제 1 관체와;
    상기 제 1 관체의 내측에 끼워져 접합 되고, 상기 제 1 금속 재질과는 다른 물리적 특성을 갖는 Cu, Ti 및 SUS 중 어느 하나 또는 이들의 합금인 제 2 금속 재질로 이루어지며 내측 표면에 적어도 하나 이상의 릿지가 형성되고 강성이 100 ~ 200GPa를 형성하는 제 2 관체; 및
    상기 제 1 관체와 상기 제 2 관체가 서로 맞닿는 경계면을 포함하고;
    하기 수학식으로 정의되는 상기 경계면에 존재하는 틈새(gap)로 인한 비접촉율이 30% 이하를 만족하는 것을 특징으로 하는 복합 전열관.
    비접촉율(%) =
    Figure 112012044925258-pat00006

    여기서, L은 복합 전열관의 경계면에 존재하는 틈새의 원주길이의 총합을 나타내고, r'는 경계면의 반경을 나타낸다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1의 복합 전열관을 포함하는 열교환기.
  7. 청구항 6의 열교환기를 이용하여 열교환을 수행하는 열교환 시스템.
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