KR101797177B1 - 열교환기용 이중관의 제조방법 및 그에 의해 제작된 이중관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기용 이중관에 나선형 와류형성 딤플 구조를 제공하여 전열면적을 증대시켜 외부관을 흐르는 냉매와 내부관을 흐르는 냉매간의 열교환성능을 향상함과 아울러, 이중관에 나선형 와류형성 딤플 구조를 쉽고 용이하게 제작할 수 있도록 하는 열교환기용 이중관의 제조방법 및 그에 의해 제작된 이중관에 관한 것이다. 본 발명은 증발기에서 배출된 저온 저압의 냉매와 응축기에서 배출된 고온 고압의 냉매를 상호 열교환하기 위한 이중관을 갖는 열교환기의 제조방법으로서, 상기 증발기에서 배출된 저온 저압의 냉매가 흐르는 유로를 갖는 내부관을 형성하는 내부관 형성 단계와; 상기 내부관의 양단부 사이를 나선형으로 가공하여 나선형 홈을 형성하는 나선형 홈 가공단계와; 상기 내부관을 감싸면서 상기 응축기에서 배출된 고온 고압의 냉매가 흐르도록 하는 외부관을 형성하는 외부관 형성 단계; 및 상기 나선홈 가공단계를 마친 상기 내부관을 상기 외부관의 내측으로 삽입 고정하여 고온 고압의 냉매가 흐르는 고압유로를 형성하는 냉매 유로 형성단계를 포함하고, 상기 나선형 홈 가공단계에서 상기 나선형 홈은 그 길이방향을 따라 내측으로 고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 체적을 크게 하도록 와류형성용 오목홈 형태로 이루어지며, 상기 와류형성용 오목홈 형태에 의해 상기 고압유로를 따라 흐르는 냉매가 통로에서 와류 현상으로 소용돌이가 발생하도록 이루어짐을 특징으로 하는 열교환기용 이중관의 제조방법을 개시한다.

Description

열교환기용 이중관의 제조방법 및 그에 의해 제작된 이중관 {Double pipe heat exchanger method of maufacturing and the double pipe}

본 발명은 열교환기용 이중관의 제조방법 및 그에 의해 제작된 이중관에 관한 것으로서, 더 상세하게는 열교환기용 이중관에 나선형 와류형성 딤플 구조를 제공하여 전열면적을 증대시켜 외부관을 흐르는 냉매와 내부관을 흐르는 냉매간의 열교환성능을 향상함과 아울러, 이중관에 나선형 와류형성 딤플 구조를 쉽고 용이하게 제작할 수 있도록 하는 열교환기용 이중관의 제조방법 및 그에 의해 제작된 이중관에 관한 것이다.

일반적으로 차량용 공조장치는, 하절기 및 동절기에 자동차 실내를 냉,난방하거나 또는 우천시나 동절기에 윈드 실드에 생성되는 성에 등을 제거하여 운전자가 전후방 시야를 확보할 수 있게 할 목적으로 설치되는 자동차의 내장품이다.

이러한 공조장치는, 통상, 난방시스템과 냉방시스템을 동시에 갖추고 있어서, 외기나 내기를 선택적으로 도입하여 그 공기를 가열 또는 냉각한 다음 자동차의 실내에 송풍함으로써 자동차 실내를 냉,난방하거나 또는 환기한다.

또한 공조장치의 일반적인 냉방시스템은 통상, 냉매를 압축하여 송출하는 압축기(Compressor)(1), 압축기(1)에서 송출되는 고압의 냉매를 응축하는 응축기(Condenser)(2), 응축기(2)에서 응축되어 액화된 냉매를 교축하는 예컨대 팽창밸브(Expansion Valve)(3), 그리고, 상기 팽창밸브(3)에 의해 교축된 저압의 액상 냉매를 차량 실내측으로 송풍되는 공기와 열교환하여 증발시킴으로써 냉매의 증발잠열에 의한 흡열 작용으로 실내에 토출되는 공기를 냉각하는 증발기(Evaporator)(4) 등이 냉매 파이프(5)로 연결되어 이루어진 냉동사이클로 구성되며, 다음과 같은 냉매 순환과정을 통하여 자동차 실내를 냉방 한다.

자동차 공조장치의 냉방스위치가 온(On) 되면, 먼저 압축기가 엔진의 동력으로 구동하면서 저온 저압의 기상 냉매를 흡입,압축하여 고온 고압의 기체 상태로 응축기(2)로 송출하고, 응축기(2)는 그 기상 냉매를 외기와 열 교환하여 고온 고압의 액체로 응축한다. 이어, 응축기(2)에서 고온 고압의 상태로 송출되는 액상 냉매는 팽창밸브(3)의 교축작용으로 급속히 팽창되어 저온 저압의 습포화 상태로 증발기(4)로 보내어지고, 증발기(4)는 그 냉매를 블로어(미도시)가 차량 실내로 송풍하는 공기와 열 교환시킨다. 이에 냉매는 증발기(4)에서 증발하여 저온 저압의 기체 상태로 배출되고 다시 압축기(1)에 흡입되어 상술한 바와 같은 냉동사이클을 재순환하게 된다. 이상의 냉매순환과정에 있어서, 차량 실내의 냉방은 상술한 바와 같이 블로어가 송풍하는 공기가 상기 증발기를 거치면서 증발기 내를 순환하는 액상 냉매의 증발 잠열로 냉각되어 차가워진 상태로 차량 실내에 토출됨으로써 이루어진다.

한편, 상기 응축기(2)와 팽창밸브(3)의 사이에는 기상과 액상의 냉매를 분리하는 리시버드라이어(미도시)가 설치되어 상기 팽창밸브(3)로 액상의 냉매만 공급될 수 있도록 하고 있다.

상술한 바와 같은 냉동사이클을 통해 냉방작용을 하는 공조장치의 냉방효율은 여러 가지 요인들에 의해 결정되는바, 그 중에서도 팽창밸브에 의해 교축되기 직전의 고압 냉매의 과냉도와 증발기에서 배출되는 저압 냉매의 과열도는 각각 냉매 유동성과 증발기에서의 압력 강하량 그리고 증발기의 과열영역(증발기의 냉매 배출구측 일부 영역)과 압축기의 체적효율 등에 영향을 미쳐 공조장치의 냉방효율에 상당한 영향을 주게 된다.

예컨대, 교축되기 전 냉매의 과냉도가 증가하면, 냉매의 비체적이 감소되어 냉매유동이 안정화되고 증발기에서의 냉매 압력강하량이 감소되어 공조장치의 냉방효율이 증대되며 압축기의 동력소모량은 감소한다. 반면, 증발기에서 배출되는 저압 냉매의 과열도가 적정하게 유지되지 않으면, 액상 냉매의 압축기 유입을 방지하기 위해 냉매가 완전히 기화할 수 있게 설정되는 상대적으로 온도가 높은 증발기의 과열영역이 확대되어야하기 때문에 공조장치의 냉방성능이 떨어지게 된다.

따라서, 차량 공조장치들은 일반적으로, 교축되기 전 냉매의 과냉도가 증가하고 증발기에서 배출되는 냉매의 과열도가 적정하게 유지되면 냉방성능이 높아 지게 된다.

이에, 차량 공조장치의 냉방성능을 향상하기 위해 증발기에 유입되기에 앞서 팽창밸브(3)에 의해 교축되는 고온 고압의 액상 냉매를 과냉화하고 증발기(4)에서 배출되는 냉매의 과열도를 적정화할 수 있는 다양한 시도들이 있어 온바, 현재에는, 도 10에 도시된 바와 같이, 팽창밸브(3)에 유입되는 고온 고압의 액상 냉매와 증발기(4)에서 배출되는 저온 저압의 기상 냉매를 상호 열교환 시킴으로써, 교축 전의 고온 고압 액상 냉매를 과냉화하고 증발기(4)로부터 배출되는 저압 냉매의 과열도를 적정화하는 내부 열교환기(10)가 주로 사용되고 있다.

이 내부 열교환기(10)는 팽창밸브(3)에 의해 교축되기 전의 고온 고압 액상냉매와 증발기(4)에서 배출되는 저온 저압의 기상 냉매를 상호 열교환 시킴으로써, 증발기(4)에 유입되는 냉매의 유동을 안정화하고 증발기(4) 내에서의 냉매 압력 강하량을 감소시키며, 액상 냉매의 압축기(1) 유입 방지를 위해 냉매가 완전히 기화할 수 있게 설정되어 온도가 상대적으로 높은 증발기(4)의 과열영역(미도시)을 축소할 수 있게 한다.

따라서, 도 13에 도시된 바와 같이 상기 내부 열교환기(10)가 냉방시스템에 채용되는 경우, 증발기(4)에 유입되는 냉매의 비체적이 줄어 증발기(4)에서의 냉매 압력강하량이 축소되므로 증발기(4)내 각 냉각튜브에서의 냉매 유동을 안정화할 수 있고, 아울러 압축기(1)에 유입되는 냉매를 증발기(4)에서 배출된 이후에 과열화할 수 있으므로 온도가 상대적으로 높아 공조장치의 냉방성능 저하의 요인이 되는 증발기(4)의 과열영역을 축소할 수 있어 공조장치의 냉방효율을 크게 높일 수 있다. 결과적으로 압축기(1), 응축기(2) 및 증발기(4)의 효율화를 도모하여 공조장치의 고효율화 및 소형화에 기여할 수 있다.

도 14에 도시된 바와 같이, 상기 내부 열교환기(10)는 저온 저압의 냉매가 흐르는 내부관(11)과, 상기 내부관(11)의 외주면에 이중관 구조로 결합 됨과 아울러 고온 고압의 냉매가 흐르는 외부관(12)으로 이루어진다.

그리고, 상기 내부관(11)은 벤딩시 유로 면적 변화를 최소화할 수 있도록 나선형파이프로 형성되고, 상기 외부관(12)은 원형파이프로 형성된다.

또한, 상기 외부관(12)의 양단부측에는 냉매가 유입/배출될 수 있도록 입,출구파이프(13)(14)가 결합된다.

여기서, 상기 입구파이프(13)는 상기 응축기(2)와 외부관(12)을 연결하는 냉매파이프이고, 상기 출구파이프(14)는 상기 외부관(12)과 팽창밸브(3)를 연결하는 냉매파이프이다.

또한, 상기 내부관(11)은 상기 증발기(4)에서 압축기(1)를 연결하는 냉매파이프의 특정 부분을 나선형으로 형성하여 이루어진다.

한편, 상기 외부관(12)은 상기 내부관(11)의 외주면에 밀착되게 끼움 결합되며 그 양단부는 내부관(11)의 외주면에 용접된다.

따라서, 상기 응축기(2)에서 토출된 고온 고압의 액상 냉매는 상기 입구파이프(13)를 통해 상기 외부관(12)으로 유입되며, 상기 외부관(12)으로 유입된 냉매는 상기 외부관(12)과 내부관(11)의 사이에 형성된 복수개의 나선형 고압유로(15)를 따라 유동한 후 상기 출구파이프(14)를 통해 상기 팽창밸브(3)로 이동하게 된다.

또한, 상기 증발기(4)에서 토출된 저온 저압의 기상 냉매는 상기 내부관(11)내의 저압유로(16)를 통과하게 되는데, 이때 상기 내부관(11)을 통과하는 냉매와 상기 외부관(12)을 통과하는 냉매가 상호 열 교환하게 된다.

이후, 상기 내부관(11)을 통과한 냉매는 상기 압축기(1)로 유입된다.

그러나, 상기 이중관형 내부 열교환기(10)는, 내부관(11)을 유동하는 저온 저압의 기상 냉매와 외부관(12)을 유동하는 고온 고압의 액상 냉매간의 열전달량이 내부 열교환기(10)의 성능에 큰 영향을 미치게 되는데, 상기 외부관(12)의 경우 나선형 고압유로(15)를 통해 냉매가 나선형으로 유동하는 반면, 상기 내부관(11)의 경우 저압유로(16)를 통해 냉매가 직선형으로 유동하도록 되어 있으면서 전열면적도 작아 열교환성능이 저하되는 문제가 있다.

이로 인해 열교환성능을 증대하기 위해서는 이중관의 길이를 늘려야하는 문제가 있었다.

따라서 내부관 및 외부관의 나선형의 다양한 나선관을 통해 열전달면적을 증대하기 위한 다양한 노력들이 제시되고 있으며, 특히 대체냉매/CO2 규제를 위한 대체냉매적용 공조시스템 내부 열교환기 개발이 필요로 하였다.

KR 공개특허공보 (A) 10-2009-0029889 (2009. 03. 24)

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 외부관을 원형파이프로 형성하고, 내부관은 그루브 형태의 나선형파이프로 형성하되 나선형에 구조에 의해 전열면적이 증대되어 외부관을 유동하는 냉매와 내부관을 유동하는 냉매간의 열교환 성능을 향상할 수 있도록 하는 열교환기용 이중관의 제조방법을 제공하기 위함이다.

본 발명의 다른 목적은 내부관의 나선형 구조를 통한 열교환성능의 향상으로 인해 이중관의 길이를 줄일 수 있도록 하는 열교환기용 이중관의 제조방법을 제공하기 위함이다.

본 발명의 또 다른 목적은 내부관의 나선형 구조에 따른 홈의 깊이, 간격(피치), 홈의 형상, 나선형의 방향을 고려하여 외부관과 내부관의 유로에 따른 냉매간 열교환 성능을 끌어올릴 수 있도록 하는 열교환기용 이중관의 제조방법에 의해 제작된 이중관을 제공하기 위함이다.

본 발명의 또 다른 목적은 냉매가 흐르는 유로에 따른 내부관의 나선형 구조에 따른 파이프의 홈 가공 깊이를 최소화하여 저압 측 관로의 냉매 흐름의 저항을 최소화 할 수 있도록 하는 열교환기용 이중관의 제조방법에 의해 제작된 이중관을 제공하기 위함이다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 증발기에서 배출된 저온 저압의 냉매와 응축기에서 배출된 고온 고압의 냉매를 상호 열교환하기 위한 이중관을 갖는 열교환기의 제조방법으로서, 상기 증발기에서 배출된 저온 저압의 냉매가 흐르는 유로를 갖는 내부관을 형성하는 내부관 형성 단계와; 상기 내부관의 양단부 사이를 나선형으로 가공하여 나선형 홈을 형성하는 나선형 홈 가공단계와; 상기 내부관을 감싸면서 상기 응축기에서 배출된 고온 고압의 냉매가 흐르도록 하는 외부관을 형성하는 외부관 형성 단계; 및 상기 나선홈 가공단계를 마친 상기 내부관을 상기 외부관의 내측으로 삽입 고정하여 고온 고압의 냉매가 흐르는 고압유로를 형성하는 냉매 유로 형성단계를 포함하고, 상기 나선형 홈 가공단계에서 상기 나선형 홈은 그 길이방향을 따라 내측으로 고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 체적을 크게 하도록 와류형성용 오목홈 형태로 이루어지며, 상기 와류형성용 오목홈 형태에 의해 상기 고압유로를 따라 흐르는 냉매가 통로에서 와류 현상으로 소용돌이가 발생하도록 이루어짐을 특징으로 하는 열교환기용 이중관의 제조방법을 개시한다.

또한, 상기 나선홈 가공단계에서 상기 나선형 홈의 와류형성용 오목홈 형태는, 와류형성용 오목홈의 깊이가 1.9mm ~ 2.17mm 사이임을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 나선형 홈의 와류형성용 오목홈 형태는, 와류형성용 오목홈의 깊이는 2.17mm 임을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 나선홈 가공단계에서 상기 나선형 홈의 와류형성용 오목홈 형태는, 고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 체적을 크게 하도록 이중관의 길이 600mm 대비 열교환 길이에서 그 체적비가 18.48 ~ 20.59 사이임을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 나선홈 가공단계에서 상기 나선형 홈의 와류형성용 오목홈 형태는, 냉매가 흐르는 통로에서 나선형 홈의 나선형 1피치당 와류형성용 오목홈의 체적비가 20.59임을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 나선홈 가공단계에서 상기 나선형 홈의 와류형성용 오목홈 형태는 그 내측 절단면이 중앙부는 높고, 상기 중앙부에서 좌우 모서리부 쪽으로 파도 형태의 경사부를 더 가지도록 이루어짐을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 경사부 중, 어느 한쪽의 경사부가 더 깊은 홈 형태임을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여, 제1 항의 방법에 의해 제조된 열교환기용 이중관을 개시한다.

또한, 상기 내부관의 상기 나선형 홈은 그 안쪽으로 고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 유로 체적을 크게 하고, 흐르는 액체에 와류 현상을 줄 수 있는 와류형성용 오목홈으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 내부관의 상기 나선형 홈은 그 안쪽으로 "∪" 자의 공간에 파도 형태의 와류 형상의 오목홈으로 형성되어 고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 유로 체적을 크게 하고, 흐르는 액체에 와류 현상을 줄 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은, 외부관을 원형파이프로 형성하고, 내부관은 그루브 형태의 나선형파이프로 형성하되 나선형의 구조에 의해 전열면적이 증대되어 외부관을 유동하는 냉매와 내부관을 유동하는 냉매 간의 열교환성능을 향상할 수 있도록 한 열교환기 이중관의 제조방범 및 그에 의해 제작된 이중관을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 내부관의 나선형 구조를 통한 열교환성능의 향상으로 인해 이중관의 길이를 줄일 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 내부관의 나선형 구조에 따른 홈의 깊이, 간격(피치), 홈의 형상, 나선형의 방향을 고려하여 외부관과 내부관의 유로에 따른 냉매간 열교환 성능을 끌어올릴 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 냉매가 흐르는 유로에 따른 내부관의 나선형 구조에 따른 파이프의 홈 가공 깊이를 최소화하여 저압 측 관로의 냉매 흐름의 저항을 최소화 할 수 있도록 한다.

또한, 본 발명은 외부관을 원형파이프로 형성하고, 내부관은 나선형파이프로 형성하되 내주면에는 와류 형태의 그루브 홈을 갖는 이중관을 구성함으로써, 상기 와류 형태의 그루브 홈에 의해 전열면적이 증대되어 외부관을 유동하는 냉매와 내부관을 유동하는 냉매 간의 열교환성능을 향상시킬 수 있는 효과가 크다.

또한, 상기한 열교환성능의 향상으로 인해 이중관의 길이를 줄일 수 있고, 이로 인해 냉방시스템을 컴팩트화 할 수 있다.

도 1 내지 도 12는 본 발명에 의한 열교환기용 이중관의 제조방법 및 그에 의해 제작된 이중관에 따른 실시예를 보인 것으로,
도 1은 본 발명에 의한 열교환기용 이중관의 제조방법을 보인 전체 공정도,
도 2는 본 발명에 의한 열교환기용 이중관의 제조방법에 의해 제작된 이중관을 보인 전체 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 이중관을 보인 전체 분해 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 이중관을 보인 전체 정면도,
도 5는 본 발명에 따른 이중관의 내/외부관을 결합한 단면도로서, 단면 요부를 확대한 단면 예시도,
도 6은 본 발명에 따른 열교환기용 이중관을 보인 측면도,
도 7a는 일반적인 형태의 이중관의 요부 측단면을 보인 예시 상태 단면도
도 7b는 본 발명에 따른 이중관의 요부 측단면을 보인 상태 단면도,
도 8a는 일반적인 형태의 이중관의 요부 측단면을 보인 예시도로서, 냉매가 흐르는 유로의 체적면적을 보인 상태 예시도,
도 8b는 본 발명에 따른 이중관의 요부 측단면을 보인 예시도로서, 냉매가 흐르는 유로의 체적면적을 보인 상태도,
도 9는 본 발명에 따른 이중관에서 냉매의 흐름을 보인 상태 작동 예시도,
도 10a는 일반 형태의 이중관에 따른 열교환이 이루어지는 비교 실험 프로그램 예시도,
도 10b는 본 발명의 이중관에 따른 열교환이 이루어지는 비교 실험 프로그램 예시도,
도 11은 일반 형태의 이중관과 본 발명의 이중관에 따른 열교환이 이루어지는 다른 비교 실험 프로그램 예시도
도 12a는 본 발명의 이중관에 따른 시험 데이터에 의한 분석 연구표를 보인 예시도,
도 12b는 본 발명의 이중관에 따른 시험 데이터 분석 연구 그래프를 보안 예시도,
도 13은 종래 공조장치의 일반적인 냉난방시스템을 보인 흐름도,
도 14는 도 13의 냉난방시스템에 설치된 열교환기를 보인 개략 상태도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1 내지 도 12는 본 발명에 의한 열교환기용 이중관의 제조방법 및 그에 의해 제작된 이중관에 따른 실시예를 보인 것이다.

도 1 내지 도 5 및 도 13을 참조하면, 본 발명에 의한 열교환기용 이중관의 제조방법은 증발기(4)에서 배출된 저온 저압의 냉매와 응축기(2)에서 배출된 고온 고압의 냉매를 상호 열교환하기 위한 이중관을 갖는 열교환기의 제조방법으로서, 상기 증발기(4)에서 배출된 저온 저압의 냉매가 흐르는 유로(111)를 갖는 내부관을 형성하는 내부관 형성 단계(S1)와; 상기 내부관(110)의 양단부 사이를 나선형으로 가공하여 나선형 홈(112)을 형성하는 나선형 홈 가공단계(S2)와; 상기 내부관을 감싸면서 상기 응축기(2)에서 배출된 고온 고압의 냉매가 흐르도록 하는 외부관(120)을 형성하는 외부관 형성 단계(S3); 및 상기 나선홈 가공단계를 마친 상기 내부관(110)을 상기 외부관(120)의 내측으로 삽입 고정하여 고온 고압의 냉매가 흐르는 고압유로(121)를 형성하는 냉매 유로 형성단계(S4)를 포함하여 구성된다.

바람직하게는, 상기 나선형 홈 가공단계(S2)에서 상기 나선형 홈(112)은 그 길이방향을 따라 내측으로 고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 체적을 크게 하도록 와류형성용 오목홈 형태로 이루어진다. 이때 상기 와류형성용 오목홈 형태에 의해 상기 고압유로(121)를 따라 흐르는 냉매가 통로에서 와류 현상으로 소용돌이가 발생하도록 할 수 있다.

또한, 상기 나선형 홈 가공단계(S2)에서 상기 나선형 홈(112)의 와류형성용 오목홈 형태는 내부 안쪽으로 일반 나선 파이프 홈의 깊이(D1) 대비 오목홈의 깊이(D2)가 D1<D2로 더 깊게 이루어짐이 바람직하다.

여기서, 상기 나선형 홈(112)의 와류형성용 오목홈 형태는 와류형성용 오목홈의 깊이가 1.9mm ~ 2.17mm 사이에서 이루어지며, 고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 체적을 크게 갖도록 2.17mm 정도가 가장 최적 깊이로 구성됨이 바람직하다.

또한, 상기 나선형 홈 가공단계(S1)에서 상기 나선형 홈(112)의 와류형성용 오목홈 형태는 고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 체적을 크게 하도록 이중관 부 길이 600mm 기준으로 그 체적이 18.48㎥ ~ 20.59㎥ 사이가 적당하며, 고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 체적을 크게 갖기 위해서는 나선형 1피치당 와류형성용 오목홈의 체적이 20.59㎥ 정도가 가장 이상적이다.

또한, 상기 나선형 홈 가공단계(S2)에서 상기 나선형 홈(112)의 와류형성용 오목홈 형태는 그 내측 절단면이 중앙부(112a)는 높고, 상기 중앙부(112a)에서 좌우 모서리부 쪽으로 파도 형태의 경사부(112b)(112c)를 더 가지도록 이루어질 수 있다.

더불어, 상기 경사부(112b)(112c) 중, 어느 한쪽의 경사부가 더 깊은 홈 형태로 구성할 수도 있다.

한편, 본 발명은 상기 열교환기용 이중관의 제조방법에 의해 제작된 이중관을 제공할 수 있다.

상기 이중관(100)은 증발기(4)에서 배출된 저온 저압의 냉매와 응축기(2)에서 배출된 고온 고압의 냉매를 상호 열교환하기 위한 이중관 구조로서, 내부관(110)과 상기 내부관(110)를 감싸는 형태로 결합되는 외부관(120)로 구성된다.

상기 내부관(110)은 상기 증발기(4)에서 배출된 저온 저압의 냉매가 흐르는 유로(111)를 갖도록 형성된다.

상기 외부관(120)은 상기 내부관(110)을 감싸면서 상기 응축기(2)에서 배출된 고온 고압의 냉매가 흐르는 유로(121)를 갖도록 형성된다.

또한, 상기 내부관(110)은 외주면을 따라 유로를 형성하도록 하는 나선형 홈(112)을 가지도록 이루어지되, 상기 나선형 홈(112)은 그 안쪽으로 고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 유로 체적을 크게 하고, 흐르는 액체에 와류 현상을 줄 수 있는 와류형성용 오목홈으로 구성할 수 있다.

도 5를 참조하면, 상기 내부관(110)의 상기 나선형 홈(112)은 그 안쪽으로 "∪" 자의 공간에 파도 형태의 와류 형상의 오목홈으로 형성하여 고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 유로 체적을 크게 하면서도 흐르는 냉매에 와류 현상을 줄 수 있도록 함과 동시에, 오목홈의 파도 형태의 와류 형상에 의해 유로를 흐르는 냉매에 소용돌이가 발생하도록 할 수 있다.

이로써, 일정 깊이와 면적을 갖는 와류성형용 오목홈에 따른 나선형 홈을 통해 흐르는 고압 유로에 따른 열전달면적을 증대하는 것으로, 열교환성능을 증대할 수 있다.

도 7a와 도 7b를 참조하면, 기존의 일반 형태의 내부관(11)에 형성된 나선형 홈(11a)은 그 깊이가 1.9mm 정도이나, 본 발명의 나선형 홈(112)은 그 깊이가 2.17mm 정도로 더 깊은 홈 구조 형태가 바람직하다.

또한 도 7a와 도 7b를 참조하면, 일반적인 이중관으로 결합되는 외부관과 내부관 사이의 유로 대비, 기본 나선 형태의 내부관(11)에 형성된 나선형 홈(11a)은 나선홈 형태의 깊이에 따른 체적(면적)비가 18.48 정도이나, 본 발명에 따른 이중관의 나선형 홈(112)은 깊이에 따른 그 체적(면적)비가 20.59 정도로 안쪽으로 더 넓으면서 깊은 면적 구조로써, 고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 체적(면적)을 더 크게 형성함과 동시에 나선형 홈에 와류형성용 오목 형태를 추가로 구성하여 유로의 체적 효율을 최대한 올릴 수 있도록 구성할 수 있다.

즉, 고온 고압의 유체가 흐르는 공간은 열교환이 가장 많이 발생하는 곳으로, 유로 체적(면적)이 크면 클수록 좋다. 따라서 기본 나선형 홈 대비 체적을 크게 하고, 와류 형태로 유체가 흘러갈 수 있도록 와류형태의 오목홈 형상을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 이는 고온 고압의 유체를 저온 저압의 기체와 정해진 이중관 길이에서 정해진 시간과 압력 안에 최대한 많은 열교환 효율 성능을 높일 수 있다.

다시 말해, 상기 내부관(110)의 나선형 홈(112)에 따른 와유형성용 오목형 형태로서, 나선형 홈의 내부 안쪽으로 더 깊은 체적비를 더 가지도록 형성하여 고압측 열교환면적을 증가할 수 있도록 구성할 수 있다.

더불어, 상기 나선형 홈(112)은 상기 내부관(110)과 외부관(120)의 유로에 따른 냉매간 열전달 성능을 향상시킬 수 있도록 홈 깊이, 홈 간격(피치), 홈의 형상, 나선형의 방향을 고려하는 체적비를 갖는 와류형성용 오목홈 구조가 바람직하다.

이하 본 발명의 의한 열교환기용 이중관의 제조방법 및 그에 의해 제작된 이중관 작용 효과를 설명하며, 상기 구성을 인용하여 설명하면 다음과 같다.

도 9는 본 발명에 따른 이중관에서 냉매의 흐름을 보인 상태 작동 예시도이디.

먼저, 응축기(2)에서 토출된 고온 고압의 액상 냉매는 상기 입구파이프(101)를 통해 상기 외부관(120)으로 유입되며, 상기 외부관(120)으로 유입된 냉매는 상기 외부관(120)과 내부관(110)의 사이에 형성된 수개의 나선형 유로(121)를 따라 유동한 후, 상기 출구파이프(102)를 통해 팽창밸브(3)로 이동하게 된다.

또한, 증발기(4)에서 토출된 저온 저압의 기상 냉매는 상기 내부관(110)내의 유로(111)를 통과하게 되는데, 이때 상기 내부관(110)을 통과하는 냉매와 상기 외부관(120)을 통과하는 냉매가 상호 열교환 하게 된다.

이후, 상기 내부관(110)을 통과한 냉매는 압축기(1)로 유입된다.

이때, 상기 내부 열교환기 이중관(100)은, 내부관(110)을 유동하는 저온 저압의 기상 냉매와 외부관(120)을 유동하는 고온 고압의 액상 냉매간의 열 전달량이 내부 열교환기 이중관(100)의 성능에 큰 영향을 미친다.

즉, 상기 외부관(120)의 경우 나선형의 유로(121)를 통해 냉매가 나선형으로 유동하는 반면, 상기 내부관(110)의 경우 유로(112)를 통해 냉매가 직선형으로 유동하면서 열 교환이 가능하다.

이때. 본 발명에 따른 나선형 홈이 체적효율을 극대화하는 와류형태의 오목홈 구조로서, 저온과 고온의 열순환 작용으로 고온의 열을 최대한 빠르고 많이 낮추도록 할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 이중관의 실험 프로그램에 따른 결과를 설명하면 다음과 같다.

도 10a는 일반 형태의 이중관에 따른 열교환이 이루어지는 비교 실험 프로그램 예시도, 도 10b는 본 발명의 이중관에 따른 열교환이 이루어지는 비교 실험 프로그램 예시도, 도 11은 일반 형태의 이중관과 본 발명의 이중관에 따른 열교환이 이루어지는 다른 비교 실험 프로그램 예시도이고, 도 12a는 본 발명의 이중관에 따른 시험 데이터에 의한 분석 연구표를 보인 예시도이며, 도 12b는 본 발명의 이중관에 따른 시험 데이터 분석 연구 그래프를 보인 예시도이다.

도 10a는 일반 형태의 이중관에 따른 열교환이 이루어지는 비교 실험 프로그램 예시도로, 첫 번째의 일반 형태의 이중관은 상부의 저온 저압의 11℃ 기체와, 고온 고압의 45℃ 유체를 통과시켰을 때 온도 및 압력 변화를 나타내고 있다.

이에 따른, 도 10b는 본 발명에 따른 나선형 홈이 적용된 이중관은 저온 저압의 11℃ 기체와, 고온 고압의 45℃ 유체를 통과시켰을 때의 온도 및 압력 변화를 나타낸 것으로서, 고온/고압의 유체의 온도는 약 -2.597℃가 떨어지고, 압력은 -0.11.1bar 떨어짐을 알 수 있고, 저온/저압의 기체의 온도는 4.525℃ 올라가며, 압력은 -32.7mbar로 떨어짐을 알 수 있다.

또한, 도 11은 일반 형태의 이중관과 본 발명의 이중관에 따른 열 교환이 이루어지는 다른 비교 실험 프로그램 예시도로, 내부관의 나선형의 홈의 골 안쪽의 열전달계수가 실험 프로그램상에서도 홈의 골 안쪽에 파란색이 적을 수 록 열교환율이 높은데, 실험 프로그램상에서도 파란색에서 빨간색으로 갈수록 열 교환율이 더 높아짐을 알 수 있다.

도 12a 내지 12b은 자동차 부품 연구원에서 실시한 분석 연구 및 데이터를 도시한 표 및 그래프로서, 표와 그래프에 나타낸 바와 같이 열 교환율이 기본 나선형 파이프 대비 본 발명에 따른 시험 6을 제외한 모든 시험 대상에서 열 교환율이 좋음을 알 수 있다.

부연 설명하면, 열효율평균(열교환률)은 기본(base) 시료 대비 본 발명의 3번 시료의 열 교환율이 좋음을 표와 그래프를 통해 알 수 있다.

여기서, 고압 압력은 기본 시료 값과 가장 근접한 데이터가 나와야 하고, 열평형은 기준 1%미만, 0%가 가장 좋은 데이터로서, 1%를 넘지 말아야 한다.

결론적으로, 열효율평균, 고압 압력, 열평형의 3가지 조건이 열 효율의 가장 큰 영향을 줄 수 있도록 하는 데이터로 3가지 조건이 가장 잘 맞는 본 발명의 3번 시료가 모든 면에서 열효율이 가장 좋음을 알 수 있다.

더불어, 이중관의 나선형 홈에 따른 와류형성용 오목홈의 형태에 의해 이중관 길이 600mm 대비 열교환 길이 480mm 에서 기준 505W 내부 열교환기에서 0.8% 정도 더 열교환 효율의 증대시키도록 하여 내부 열교환기 성능을 높일 수 있었고, 또한 나선형 홈의 1피치(Spiral 홈이 한 바퀴 도는 거리)의 거리를 40mm에서 거리 30mm로 줄인 경우에도 테스트 결과, 더 좋은 결과를 얻을 수 있었다.

다시 말해, 대체냉매를 사용하는 공조시스템에서 성능향상을 위해 필수적으로 요구되는 상황에서 대체냉매가 기존 냉매보다 증발 잠열이 낮아 시스템 성능을 하락시키지만 고압 저압 사이의 열교환을 일으키는 내부 열교환의 이중관 구조는 이러한 성능 저감을 상쇄시켜 줄 수 있다. 이는 열교환 성능을 높이기 위한 이중관의 나선형 홈의 구조에 따른 외부관을 유동하는 냉매와 내부관을 유동하는 냉매 간의 열교환성능을 향상할 수 있는 매우 중요한 요소로 작용할 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 열교환기용 이중관
101 : 입구파이프
102 : 출구파이프
110 : 내부관
111 : 유로
112 : 나선형 홈
112a :중앙부
112b, 112c : 경사부
120 : 외부관
121 : 유로

Claims (10)

1. 증발기에서 배출된 저온 저압의 냉매와 응축기에서 배출된 고온 고압의 냉매를 상호 열교환하기 위한 이중관을 갖는 열교환기의 제조방법으로서,
   상기 증발기에서 배출된 저온 저압의 냉매가 흐르는 유로를 갖는 내부관(110)을 형성하는 내부관 형성 단계(S1)와; 상기 내부관(110)의 양단부 사이를 나선형으로 가공하여 나선형 홈(112)을 형성하는 나선형 홈 가공단계(S2)와; 상기 내부관(110)을 감싸면서 상기 응축기에서 배출된 고온 고압의 냉매가 흐르도록 하는 외부관(120)을 형성하는 외부관 형성 단계(S3); 및 상기 나선형 홈 가공단계를 마친 상기 내부관(110)을 상기 외부관(120)의 내측으로 삽입 고정하여 고온 고압의 냉매가 흐르는 고압유로를 형성하는 냉매 유로 형성단계(S4)를 포함하여 이루어지며,
   상기 나선형 홈 가공단계(S2)에서,
   상기 나선형 홈(112)은 그 내부 안쪽의 외주면을 따라 깊고 넓은 체적비를 가지도록 오목홈 형태로 형성되어 열교환면적을 증가할 수 있도록 하는 와류형성용 오목홈을 더 가지도록 이루어지되,
   상기 와류형성용 오목홈은 안쪽 내측의 "∪"자의 공간에 그 내측 절단면이 중앙부(112a)는 높고, 상기 중앙부(112a)에서 좌우 모서리부 쪽으로 경사지는 경사부(112b)(112c)를 갖는 파도 형태로서, 상기 경사부(112b)(112c) 중, 어느 한쪽의 경사부가 더 깊은 홈 형태로 구성되어 상기 와류형성용 오목홈을 따라 흐르는 액체에 와류 현상으로 소용돌이가 발생하도록 이루어짐을 특징으로 하는
   열교환기용 이중관의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 나선형 홈 가공단계(S2)에서 상기 나선형 홈(112)의 와류형성용 오목홈 형태는,
   고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 체적을 크게 하도록 이중관 길이 600mm 기준으로, 내/외부관 사이 유로 통로의 체적이 18.48㎥ ~ 20.59㎥ 사이임을 특징으로 하는
   열교환기용 이중관의 제조방법.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1 항의 방법에 의해 제조된 열교환기용 이중관.
   
9. 제8 항에 있어서,
   상기 내부관(110)의 상기 나선형 홈(112)은
   상기 내부관(110)과 외부관(120)의 유로에 따른 냉매간 열교환 성능을 끌어올릴 수 있도록 하는 와류형성용 오목홈 형태로서,
   그 안쪽으로 고온 고압의 액체가 흐르는 곳의 유로 체적을 크게 하고, 흐르는 액체에 와류 현상을 줄 수 있는 와류형성용 오목홈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는
   열교환기용 이중관.
10. 삭제

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