KR19980021031A

KR19980021031A - 교차홈 형성 전열관 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR19980021031A
Application number: KR1019960039757A
Authority: KR
Inventors: 김병호; 곽길순
Original assignee: 정훈보; 주식회사 풍산
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1996-09-13
Publication date: 1998-06-25
Also published as: JPH10103887A; US6026892A; CN1180160A; KR100245383B1; JP3049692B2; CN1125310C

Abstract

본 발명은 냉동, 공조용으로 사용되는 내면홈 형성 전열관 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 교차홈이 형성되어 있는 전열관의 유동 특성 및 전열 특성을 향상시키기 위한 개량에 관한 것으로, 금속 판재의 표면에 다수의 평행한 부홈을 먼저 압연 형성한 후, 상기 부홈에 대하여 일정 각도로 교차하는 다수의 평행한 나선홈을 압연 형성하고, 상기 홈들이 형성되어 있는 면이 내측을 향하도록 상기 판재를 원형으로 성형하여 용접하되, 상기 부홈의 일측벽은 관벽에 거의 수직 방향이 되게 형성시키고 타측벽은 관벽에 대해 일정 각도 경사지게 형성시키는 것을 특징으로 한다.

Description

교차홈 형성 전열관 및 그 제조 방법

제 1 도는 전열관의 내면에 형성되는 교차홈의 형상을 나타내는 확대 사시도.

제 2 도는 동 전열관의 전개 상태의 일부분을 나타내는 평면도.

제 3 도는 제 2 도의 B-B'선 단면도로 나선홈의 단면 형상을 나타내는 도면.

제 4 도는 제 2 도의 C-C'선 단면도로 부홈의 형상을 나타내는 도면.

제 5 도는 본 발명에 따른 내면홈 형성 전열관의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 도면.

제 6 도 내지 제 8 도는 본 발명의 일 실시예에 따른 전열관과 종래의 전열관의 증발 전열 성능, 응축 전열 성능 및 압력 손실을 각각 나타내는 도표.

제 9 도는 종래의 교차홈 형성 전열관의 일례를 나타내는 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 나선홈2 : 교차홈

2' : 수직벽2 : 경사벽

3 : 돌기부6 : 부홈 형성 롤

7 : 나선홈 형성 롤8 : 설형 롤

9 : 유도 코일10 : 정형 롤

본 발명은 냉동, 공조용으로 사용되는 내면홈 형성 전열관 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 교차홈이 형성되어 있는 전열관의 유동 특성 및 전열관 특성을 향상시키기 위한 개량에 관한 것이다.

공기조화기나 냉동기 등의 증발관, 응축관 또는 히트 파이프 등에 사용되는 열교환기에는, 관 내부의 프레온 등의 냉매를 관 외부를 흐르는 유체와 열교환시킴으로서 증발 또는 응축시키기 위한 전열관이 사용되고 있는 바, 이와 같은 전열관으로는, 고효율화, 성에너지의 관점에서, 주로 내면홈 형성 전열관이 사용되고 있다.

즉, 관의 내면에 미세한 삼각형 또는 사다리꼴 형상의 나선상홈을 형성시킨 전열관을 사용함으로서, 홈내의 표면 장력 및 나선상 홈에 의한 환류 효과에 의해 관 내 유체의 길이 방향의 유동이 촉진됨과 동시에, 응축기로 사용시 홈간 돌기부에 의해 열매체 증기의 난류가 활발하게 이루어져 돌기부가 응축핵으로 작용하게 되어 응축 특성이 향상되고, 증발기로 사용시에는 홈 내의 에지(edge)에 의한 열매체 액체의 교반이 활발해짐으로 인해 홈내의 에지가 기포를 발생시키는 증발핵으로 작용하게 되어 전열관 내에 공급되는 열매체 액체의 증발 특성이 향상되게 된다.

또한, 최근에는 상기 나선홈 형성 전열관의 전열 특성을 더욱 향상시키기 위한 것으로, 제 9 도에 예시되어 있는 바와 같이, 나선홈(11)에 대해 일정 각도로 교차하며 관축 방향에 대해 나선홈에 비해 큰 각도로 경사진 부홈(12)을 더 형성시킨 교차홈 형성 전열관이 개발되어 사용되고 있다. 교차홈 형성 전열관을 사용하게 되면, 부홈(12)에 의해 내부 표면적이 증가함에 따라 열전달율의 상승이 가해지게 되며, 나선홈(11)이 단속적으로 형성됨으로서, 종래의 나선홈 형성 전열관에 있어서 나선홈이 연속됨으로 인해 나선홈을 따라 전열관 내면의 대부분에 응축액이 넓게 퍼져 금속 표면과 열매체 기체가 직접적으로 접촉할 수 없게 됨으로서 발생되는 응축 효율 저하를 억제할 수 있게 되고, 또 홈내 에지가 증가할 뿐만 아니라 부홈이 관축에 대해 나선홈 보다 더욱 경사지게 형성되어 열매체 액체의 교반이 더욱 활발해 짐으로 인해 열매체 액체의 증발 특성이 향상되는 등의 이점이 있으므로 그 사용 범위가 점차 확대되고 있다.

그러나, 종래의 교차홈 형성 전열관은, 제 9 도 (C)에 도시되어 있는 바와 같이, 나선홈(11)에 대해 일정 각도로 교차하는 부홈(12) 사이 돌기부(13)의 하류 직후방에 와류가 발생되어 관내 열매체 유체의 길이 방향 유동에 대한 저항으로 작용하게 되고 와류 발생 지역의 전열 성능이 악화되게 되며, 또한 종래에는 나선홈(11)을 먼저 압연 성형한 후 부홈(12)을 압연 성형함으로 인해, 제 9 도 (B)에 예시되어 있는 바와 같이, 부홈의 압연 성형시 이미 가공되어 있는 나선홈(11) 측으로 돌출부(14)가 생성되게 되어, 유체 저항이 증대되고 나선홈에 의한 환류효과가 저하되었다.

즉, 종래의 교차홈 형성 전열관은 높은 전열 성능을 나타내는 반면에, 관내 압력 손실이 현저히 증대된다는 문제점이 있었다.

이와 같이, 전열 성능이 증대되더라도 압력 손실이 증대되면, 관내부에 열매체 유체를 유동시키는데 필요한 동력이 증대되어 에너지 효율이 저하되므로 전열 성능의 향상이 무의미하게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 압력 손실을 증대시키지 않으면서 전열 성능을 향상시킬 수 있는 교차홈 형성 전열관 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 금속 판재의 표면에 다수의 평행한 부홈을 먼저 압연 형성한 후, 상기 부홈에 대하여 일정 각도로 교차하는 다수의 평행한 나선홈을 압연 형성하고, 상기 홈들이 형성되어 있는 면이 내측을 향하도록 상기 판재를 원형으로 성형하여 용접하되, 상기 부홈의 일측벽은 관벽에 거의 수직 방향이 되게 형성시키기고 타측벽은 관벽에 대해 일정 각도 경사지게 형성시키는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 나선홈 형성 전열관의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

제 1 도 내지 제 5 도는 본 발명의 일 실시예 따른 교차홈 형성 전열관 내면의 교차홈을 나타내는 도면으로, 제 1 도는 전열관의 내면에 형성되는 교차홈의 형상을 나타내는 확대 사시도, 제 2 도는 동 전열관의 전개 상태의 일부분을 나타내는 평면도, 제 3 도는 제 2 도의 B-B'선 단면도로 나선홈의 단면 형상을 나타내는 도면, 제 4 도는 제 2 도의 C-C'선 단면도로 부홈의 형상을 나타내는 도면이며, 제 5 도는 본 발명에 따른 내면홈 형성 전열관의 제조방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 교차홈 형성 전열관은 원형 단면의 금속관으로 그 내주면 전역에 걸쳐서 관의 길이 방향에 대하여 일정각도(α) 경사지게 대략 삼각형 또는 사다리꼴 단면 형상의 나선홈(1)이 평행하게 형성되어 있고, 나선홈(1)에 대해 일정 각도로 교차하며 관축 방향에 대해 나선홈에 비해 큰 각도로 경사진 대략 직각 삼각형 단면 형상의 부홈(2)이 평행하게 형성되어 있으며, 각각의 나선홈(1)과 부홈(2)의 각 측벽에 의해 관의 내주면에는 사다리꼴 형상의 미세한 돌기부(3)가 다수 형성되게 된다.

전열관의 재질은 동 및 동합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금 등 종래로부터 사용되는 재질을 사용하며, 관의 제작에 사용되는 금속 판재의 폭 및 두께는 용도에 따라 적당한 것을 선택하여 사용한다.

나선홈(1)은 제 5 도에 도시되어 있는 바와 같이 부홈(2)이 먼저 성형된 후 성형되는 바, 그 단면 형상은 일반적인 교차홈 전열관과 같이 대략 삼각형 또는 사다리꼴 형상이며, 나선홈(1)의 관축에 대한 경사 각도(α) 즉, 열매체 유체의 흐름 방향에 대한 경사각은 10°~40°, 바람직하게는 18°~25°가 되도록 형성하며, 홈간의 간격(p)은 0.2~0.7mm가 되도록 형성한다. 나선홈의 경사각(α)이 10°보다 작으면 나선홈에 의한 환류 효과를 기대하기 어렵고, 열매 유체에 대한 난류 발생효과가 저하되어 전열 성능이 떨어지게 되며, 40°보다 커지면 나선홈에 의한 유체 저항이 급속히 증가하여 압력 손실이 커지게 된다. 나선홈 간의 간격(p1)이 너무 크면 나선홈의 형성 밀도가 작아져 나선홈에 의한 유동성 향상 및 전열 성능의 상승 효과가 감소되고, 너무 작으면 홈의 형성이 곤란하게 되므로, 내경 1 cm 내외의 일반적인 전열관의 경우 0.2 내지 0.7 mm 범위에서 적당한 값을 선택하여 사용한다.

또, 관의 내경(Di)에 대한 나선홈(1)의 깊이(Hf)의 비율(Hf/Di)은 0.02 내지 0.05의 값을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 나선홈의 깊이가 관의 내경에 비해 너무 작아 그 비율이 0.02 이하가 되면, 나선홈의 형성이 무의미해져 나선홈에 의한 표면 장력 및 환류 효과를 기대하기 어려우며, 나선홈의 깊이가 관의 내경의 0.05배 이상이 되면 나선홈에 의한 유체 저항이 커지게 되어 유동성이 저하된다.

부홈(2)은 나선홈이 연속됨으로 인해 응축액이 넓게 퍼지는 것을 방지하고, 나선홈에 열매체 증기의 난류 효과 및 열매체 액체의 교반 효과를 더욱 활발하게 하기 위해, 관축 방향 즉, 열매 유체의 유동 방향에 대해 나선홈(1)에 비해 훨씬 큰 경사각을 갖으며 나선홈(1)과 교차되도록 형성된다. 따라서, 부홈(2)은 나선홈(1)에 대해 거의 직각 방향이 되도록 형성하는 것이 바람직한 바, 나선홈과 부홈의 교차각(β)는 75°내지 105°가 되도록 형성한다.

부홈(2)은 일측벽은 관벽에 대해 즉, 열매 유체의 유동 방향에 거의 직각이 되도록 하여 열매 유체에 대한 난류 발생 및 교반 작용을 최대로 할 수 있도록 하고, 타측벽은 관벽에 대해 일정각도 경사지게 형성함으로써 교차홈 전열관의 압력 손실의 주원인인 돌기부 후방의 와류 발생을 최소화할 수 있도록 한다. 제 4 도는 부홈(2)의 형상을 나타내는 도면으로, 수직벽(2')의 홈 외측으로의 경사각(γ₁)은 열매 유체의 유동 방향에 거의 직각이 되도록 즉, 0°~15°의 범위로 하며, 경사벽(2)의 관벽에 대한 경사각(γ₂)는 30°~60°의 범위로 한다.

또, 부홈(2)의 상단 개구부의 폭(B)과 부홈 사이 돌기부(3)의 상단면의 폭(A)의 비(A/B)는 0.2 이상 1.0 이하가 되도록 한다. 돌기부(3) 상단면의 폭(A)이 너무 작아 부홈(2)의 상단 개구부의 폭(B)의 0.2 미만인 경우 부홈 형성 후 나선홈 가공시 돌출부가 부홈의 수직벽(2')측으로 경사지게 되는 등의 이유로 부홈의 경사각을 원하는 각도로 가공하기 어렵게 되며, 돌기부 상단면의 폭(A)이 너무 커서 부홈의 상단 개구부의 폭(B)의 1.0 이상이 되면 액막이 돌기부 상단면 까지 넓게 퍼지게 되어 응축 성능이 저하된다.

나선홈의 깊이(Hf)와 부홈의 깊이(H)는 동일하게 형성하는 것이 바람직하되, 부홈이 나선홈보다 더 깊으면 나선홈에 의한 환류 효과 및 홈내 표면 장력에 의한 유동성 향상 작용에 악영향을 미치게 되므로 부홈의 깊이가 나선홈의 깊이보다 더 깊지 않도록 하며(H/Hf≤1.0), 부홈의 깊이가 나선홈의 깊이에 비해 너무 작으면 일반적인 나선홈 형성관과 전열 성능에 큰 차이가 없게 되므로 적어도 나선홈 깊이의 1/2 이상(H/Hf≥0.5)이 되도록 한다.

다음에는, 상기와 같은 내면 형상을 갖는 교차홈 형성 전열관의 제조 방법을 제 5 도를 참조하여 설명한다. 본 발명에 따른 교차홈 형성 전열관의 제조 방법은 일반적인 전기 용접식 전열관의 제조 방법과 크게 다를바 없으나, 부홈을 먼저 성형시킨 후 나선홈을 형성시킴으로서, 일반적인 교차홈 형성 전열관 제조 방법 즉, 나선홈을 먼저 성형한 후 부홈을 성형하는 방법을 따를 경우 부홈 가공시 나선홈 내측으로 돌출부가 돌출되어 열매 유체의 유동성에 악영향을 미치게 되는 것을 효과적으로 방지한다는데 특징이 있는 바, 그 공정을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 소요로 하는 직경의 전열관의 제작에 알맞는 폭을 가진 금속 판재(5)를 부홈 형성 로울(6)에 통과시켜 부홈(2)을 먼저 형성시킨 후, 연속하여 나선홈 형성 로울(7)을 통과시켜 나선홈(1)을 형성시킨다. 각각의 롤(6, 7)에는 각 홈의 형상에 대응하는 돌기부가 소정의 각도로 형성되어 있다. 이때, 부홈의 형상이 상기한 바와 같이 대략 직각 삼각형의 형상이기 때문에 나선홈 형성시 압입부로부터의 금속 유동이 대략 사다리꼴 형상의 돌기부(3)의 형성에 주로 기여하게 되며, 부홈측으로 어느 정도 돌출부가 돌출된다 하더라도 나선홈에 의한 유동성 상승 효과를 저하시키지 않게 된다. 더욱이 부홈측에 돌출되는 예리한 돌출부는 응축액의 퍼짐을 효과적으로 저지하게 되어 응축 성능을 향상시키게 된다.

다음에, 부홈 및 나선홈의 형성이 완료된 금속 판재를 홈이 형성되어 있는 면이 내측을 향하도록 하여 일단 또는 다단계의 성형롤(8)을 통과시켜 소요 직경의 관 형상으로 성형한 후, 유도 코일(9)에 의한 고주파 용접 등에 의해 금속 판재의 양단을 용접하여 관을 형성시킨다. 이후, 필요에 따라 용접 성형된 관을 정형롤(10)에 통과시켜 관의 외주면의 형상이 진원이 되도록 정형한 후, 제작 완료된 교차관을 코일상으로 감거나 소용 길이로 절단함으로서, 교차관의 제작이 완료되게 된다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 교차홈 전열관에 의하면, 나선홈에 대하여 소정각도로 부홈이 형성되어 있기 때문에 나선홈이 연속됨으로 인해 나선홈을 따라 전열관 내면의 대부분에 응축액이 넓게 퍼져 금속 표면과 열매체 기체가 직접적으로 접촉할 수 없게 됨으로서 발생되는 응축 효율 저하를 억제할 수 있게 되고, 더욱이 부홈의 형상이, 전술한 바와 같이, 일측 벽은 관벽에 대해 직각인 수직벽으로, 타측벽은 일정각도 경사지게 형성되어 있는 경사벽으로 형성되어 있음으로 인해, 상기 경사벽을 따라 열매 유체가 원활하게 흐르게 되어 돌기부 하류 직후방의 와류 발생이 억제되므로 와류 발생에 따른 유동 저항 증가 및 전열 성능 악화를 방지할 수 있게 되며, 수직벽에 의해 열매 유체에 대한 난류 발생 및 교반 작용을 최대로 할 수 있게 되어 전열 성능이 상승되며, 부홈사이 돌기부의 하부 폭이 넓게 형성되기 때문에 전열관의 사용시 확관 작업을 하더라도 홈이나 돌기부가 파손될 가능성이 적어지게 된다.

또한, 부홈을 먼저 가공한 후 나선홈을 가공함에 따라, 나선홈 내측으로 돌출부가 돌출되어 열매 유체의 유동성에 악영향을 미치게 되는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 되며, 부홈측에 돌출되는 예리한 돌출부는 응축액이 퍼짐을 효과적으로 저지하게 되어 증발 성능을 향상시키는데 기여하게 된다.

제 6 도 내지 제 8 도는 본 발명에 따른 교차홈 전열관의 효과를 확인하기 위해 실시한 실험 결과의 일례를 나타낸 것으로, 동으로 제작된 내경 9.52 mm의 본 발명에 따른 교차홈 전열관의 증발, 응축 전열 성능 및 압력 손실값을 동일 내경의 종래의 평활관, 나선홈관 및 교차홈관과 비교한 것을 도시하고 있다. 실험에 사용된 본 발명의 교차홈 전열관의 나선홈의 경사 각도 α는 18°, 부홈의 나선홈에 대한 교차각 β는 90°, 나선홈의 피치 p는 0.24 mm, 나선홈의 깊이와 내경의 비(Hf/Di)는 0.025, 부홈과 나선홈의 깊이비(H/Hf)는 0.8, 부홈의 수직벽의 경사각 γ₁은 0°, 즉 수직벽을 관벽에 대해 직각이 되게 형성하였으며, 경사벽의 경사각 γ₂는 30°, 부홈의 상단 개구부의 폭(B)과 부홈 사이 돌기부(3)의 상단면의 폭(A)의 비(A/B)는 0.5가 되도록 형성하였으며, 이 전열관을 사용하여 이중관식 열교환기를 제작하고 관내에 냉매 R22를 유입시켜 각각의 성능을 측정하였다.

제 6 도와 제 7 도의 전열 성능 실험 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 교차홈 전열관을 사용한 경우 전열 성능은, 종래의 교차홈 전열관과 같이, 평활관의 약 3배, 나선홈관의 약 1.5배 이상 향상되며, 특히 응축 성능은 종래의 교차홈 전열관보다도 현저하게 향상되었다.

또한, 제 8 도의 관내 압력 손실에 대한 실험 결과로부터 알 수 있듯이, 전열성능이 향상됨에도 불구하고 관내 압력 손실은 종래의 나선홈 전열관의 경우와 거의 비슷하며, 종래의 교차홈 전열관에 비해 현저히 감소됨을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 교차홈 전열관 및 그 제조 방법에 의하면, 관내 압력 손실을 증대시키지 않으면서 증발 성능 및 응축 성능 등의 절연 성능을 대폭적으로 향상시킬 수 있게 되므로, 응축기, 증발기, 및 히트 파이프 등의 열교환기의 성능을 향상시켜 에너지를 절약할 수 있게 되며, 또한, 열교환기의 소형화, 경량화 및 원가 절감을 가능하게 하는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

Claims

원형 단면의 금속관의 내주면 전역에 걸쳐서 관의 길이 방향에 대하여 일정각도 경사지게 나선홈이 평행하게 형성되어 있고, 나선홈에 대해 일정 각도로 교차하는 부홈이 형성되어 있는 교차홈 형성 전열관에 있어서, 상기 나선홈의 관축 방향에 대한 경사 각(α)는 10°~40°이고, 상기 부홈의 상기 나선홈에 대한 교차각(β)는 75°내지 105°이며, 상기 부홈은 관벽에 대해 거의 수직인 수직벽과 관벽에 대해 일정 각도 경사진 경사벽으로 형성되는데, 상기 수직벽의 부홈 외측으로의 경사각(γ₁)은 0°~15°, 상기 경사벽의 관벽에 대한 경사각(γ₂)는 30°~60°이며, 상기 부홈의 상단 개구부의 폭(B)과 부홈 사이 돌기부의 상단면 폭(A)의 비(A/B)는 0.2~1.0이고, 상기 부홈의 깊이와 상기 나선홈의 깊이(Hf)의 비(H/Hf)는 0.5~1.0인 것을 특징으로 하는 교차홈 형성 전열관.
원형 단면의 금속관의 내주면 전역에 걸쳐서 관의 길이 방향에 대하여 일정각도 경사지게 대략 삼각형 또는 사다리꼴 단면 형상의 나선홈이 평행하게 형성되어 있고, 나선홈에 대해 일정 각도로 교차하며 관축 방향에 대해 나선홈에 비해 큰 각도로 경사진 부홈이 형성되어 있는 교차홈 형성 전열관의 제조 방법에 있어서, 소요로 하는 직경의 전열관의 제작에 알맞는 폭을 가진 금속 판재를 부홈 형성 로울에 통과시켜 부홈을 먼저 형성시키는 단계와, 부홈이 형성되어 있는 금속 판재를 나선홈 형성 로울을 통과시켜 나선홈을 형성시키는 단계와, 부홈 및 나선홈의 형성이 완료된 금속 판재를 홈이 형성되어 있는 면이 내측을 향하도록 하여 성형롤을 통과시켜 소요 직경의 관 형상으로 성형하는 단계와, 상기 성형된 금속 판재의 양단을 용접하여 관을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 교차홈 형성 전열관의 제조 방법.