KR20010084586A - 핀-관형 열교환기용 전열핀 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핀-관형 열교환기용 전열핀 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 핀-관형 열교환기에서 핀부재와 관부재 사이의 결합을 원활하게 유도함과 더불어 열교환기의 제조시 공정의 간편화 내지 자동화를 도모할 수 있도록 하기 위해, 다수개의 얇은 판부재가 다열형태로 배치되어 열교환시 전열면적의 확장을 도모하도록 된 알루미늄재의 핀부재(10)와, 이 다열의 알루미늄재의 핀부재(10)를 각각 층상으로 관통하여 내부에 냉매가 유동하는 통로를 형성하도록 된 구리재의 관부재(20)로 구성되는 핀-관형 열교환기에 있어서, 상기 알루미늄재의 핀부재(10)를 형성하는 평판(14)의 개구부(12)에는 평판(14)으로부터 돌출된 형태의 플랜지면(16,16')이 일체로 형성되고, 상기 구리재의 관부재(20)의 외주면에는 나선형상으로 연속되는 형태의 결합나선홈(22)이 형성되어, 이 결합나선홈(22)상에 플랜지면(16,16')이 나사체결방식으로 결합되는 것을 특징으로 한다.

Description

핀-관형 열교환기용 전열핀 및 이의 제조방법{heat transfer fin for fin-tube heat exchanger and manufacturing method thereof}

본 발명은 공조기기의 핀-관형 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다열형태로 배치되는 핀부재와, 이 핀부재를 층상으로 관통하여 설치되는 다층의 관부재 사이의 결합방식을 변경시킴으로써, 열교환기의 제조공정을 단순화 내지 자동화시킬 수 있도록 함과 더불어 핀부재와 관부재 사이의 결속력도 향상시킬 수 있도록 하는 핀-관형 열교환기용 전열핀 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

근래에 들어 가정용 공조기기의 수요가 급증하게 되면서 정부에서는 에너지 소비효율의 등급제를 시행하여 공조기기의 효율증대에 대한 관심을 유도하고 있는 바, 이와 같은 추세에 따라 공조기기의 에너지효율을 결정짓는 핵심부품 중의 하나인 열교환기의 고효율화에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는 실정이다.

그런데, 최근 진행된 공조기기용 열교환기에 대한 연구는 주로 냉매측과 공기측 열전달계수를 증가시키는 부문에 집중되는 반면에, 열교환기의 실제 시스템에 대한 응용기술에 대하여는 체계적인 연구가 결여되었으며, 업계에서는 주로 경험에 의존하여 열교환기의 설계를 하고 있다.

즉, 일반적인 가정용 공조기기에서의 원형의 동관(cooper tube)과 알루미늄 핀(aluminum fin)으로 이루어진 핀-관형 열교환기의 열전달계수를 촉진시키는 방법으로는 미세핀관과 루버, 슬릿 등을 이용한 열전달 촉진핀으로 대표되는 데, 이 열교환기의 열전달계수를 증가시킴으로써 공조기기의 에너지효율(energy efficiency ratio)을 개선할 수 있으며, 열교환기의 크기를 줄여 외형의 컴팩트화와 풍량을 줄임으로써 간접적인 소음저감의 효과도 구현할 수 있었다.

그러나, 실제 열교환기를 공조기기에 적용함에 있어 동일한 열교환기를 이용하더라도 냉매회로의 설계 및 분기관의 선택 등에 따라 그 성능에는 매우 큰 차이가 있었다.

또한, 공조기기의 성능평가에 있어서 정격상태에서의 냉방능력 및 에너지효율도 중요하지만 과부하, 저온, 이슬맺힘 등의 신뢰성 평가항목도 만족시켜야 한다.

따라서, 냉방능력 및 효율을 최적화시키면서 기타 신뢰성을 만족시키기 위해서는 열교환기의 설계능력이 가장 중요한 변수가 되었으며, 실제 개발단계에서 이 부분에 대한 많은 시행착오를 겪게 되었다.

한편, 공조기기에 사용되는 열교환기는 크게 실외기로 사용되는 응축기와, 실내기로 사용되는 증발기로 대별되는 바, 그 중에서 상기 증발기는 액상의 냉매가 증발하면서 주변의 물이나 공기로부터 열을 흡수하여 냉각을 요하는 물이나 공기로부터 열을 제거하는 장치로서, 라미네이트형과 핀-관형 및 써펜틴형 등으로 구분되어진다.

여기서, 종래의 상기 핀-관형 열교환기는 도 1에 도시된 바와 같이, 다수개의 얇은 판부재가 다층형상으로 이루어져 공기와의 접촉으로 인한 전열면적의 확장을 위한 알루미늄재이면서 평핀(straight fin)의 일종인 핀부재(10)와, 이 알루미늄재의 핀부재(10)를 순차적으로 관통하여 설치되는 다층형의 구리재이면서 열촉진관(heat transfer enhancement tube)의 일종인 관부재(20)로 구성되는 전열핀으로 이루어지는 바, 공기는 상기 구리재의 관부재(20)의 내부로 유동되는 냉매의 유동방향과 수직으로 상기 알루미늄재의 핀부재(10) 사이를 통과하여 유동하면서 열교환을 하도록 되어 있으므로, 상기 핀-관형 열교환기는 각각의 개별 관으로 볼 때에 직교류 열교환기라고 할 수 있다. 실제의 경우에 있어서 핀-관형 열교환기는 열교환기의 성능을 최적화하고 각종 신뢰성을 확보하기 위하여 냉매회로의 구성이 매우 복잡하게 되어 있고, 대체로 직경이 9.52㎜ 또는 7.0㎜의 관을 대부분 사용하고 있다.

한편, 상기 핀-튜브형 열교환기에서 에너지효율과 밀접한 관계가 있는 열저항은 크게 상기 구리재의 관부재(20)내로 유동되는 냉매 및 상기 알루미늄재의 핀부재(10) 사이를 통과하는 공기측의 대류 열저항과, 상기 관부재(20)의 전도 열저항 및, 상기 핀부재(10)와 관부재(20) 사이의 접촉 열저항으로 구분할 수 있는 데, 상기 관부재(20)의 벽의 전도 열저항은 전체 열저항의 1% 미만이므로 무시하는 것이 일반적이다.

그리고, 공기측 열전달계수가 냉매측 열전달계수의 대략 1/40 밖에 안되므로 전열면적의 증가를 위해 상기 관부재(20)의 내/외부에 각각 다양한 형상적인 변화를 주는 바, 이 변화의 일례는 통상적으로 전열면적의 확장을 위한 핀부재(10)의 설치를 들 수 있다.

즉, 구경 9.52㎜의 구리재의 관부재(20)를 사용하는 핀-관형 열교환기의 경우에는 냉매측의 전열면적에 대한 공기측의 전열면적의 비가 대략 20 내지 30배 정도가 되는 데, 이와 같은 수치를 기준으로 보면, 상기 관부재(20)내 냉매 및 공기측의 대류 열저항이 전체 열저항의 대략 50 내지 80%의 비중을 차지하여 가장 크며, 상기 핀부재(10)와 관부재(20) 사이의 접촉 열저항이 전체 열저항의 대략 10내지 20%의 비중을 차지하는 정도이므로, 이로부터 공기측 열전달계수를 증가함으로써 전체 열교환기의 성능을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.

이상에서와 같이, 열교환기의 성능향상을 위해 열전달의 촉진을 위해 핀부재(10) 또는 관부재(20)의 사용을 통한 열전달계수의 증가 또는, 전열면적의 증대나, 풍량의 증가 등의 방안을 고려할 수 있는 데, 이와 같은 방안으로 열교환기의 성능을 향상시킬 경우에 공조기기의 성능을 살펴 보면, 팽창장치의 입구에서 냉매의 과냉각도 및 압축장치의 입구에서 과열도가 일정하도록 팽창장치 및 냉매 봉입량을 조절한다고 가정하면 열교환기의 성능이 향상됨으로써 냉매의 증발 압력 및 응축 압력이 상승하고 냉매 순환량이 증가하여 공조기기의 냉방능력과 소비전력이 동시에 증가한다.

그러나, 일반적으로 냉방능력의 증가폭이 소비전력의 증가폭 보다 크기 때문에 궁극적으로 에너지 소비효율은 약간 증가하지 못했다.

한편, 상기와 같이 열교환기의 에너지효율을 증대를 위해 고안된 핀-관형 열교환기의 전열핀에서 상기 알루미늄재의 핀부재(10)와 구리재의 관부재(20) 사이의 결합을 위해서는 도 2에 도시된 바와 같이, 다수개로 층상으로 배치되는 알루미늄재의 핀부재(10)에 대해 수직한 방향으로 구리재의 관부재(20)가 층상으로 관통되어 삽입된 다음, 이 삽입된 구리재의 관부재(20)의 내부에 직경이 관부재(20) 보다 다소 큰 금속구(30)를 공기압 등을 이용하여 강제로 인입(引入)시켜 관부재(20)의 직경을 확장시킴으로써, 상기 구리재의 관부재(20)의 외주면과 알루미늄재의 핀부재(10) 사이의 결합을 이루도록 되어 있다.

그런데, 상기와 같이 구리재의 관부재(20)의 직경을 확장시켜 핀부재(10)와 관부재(20) 사이의 결합을 유도하는 이른 바 확관공법으로 제조되는 종래의 핀-관형 열교환기의 전열핀에서는 각각의 관부재(20)를 일일이 확관시켜야 함으로 작업성이 좋지 못했으며, 또한 이와 같은 확관공법의 수행시 시간적 내지 경제적 손실 또한 무시할 수 없었다.

그리고, 무엇보다도 상기 핀부재(10)와 관부재(20) 사이를 확관공법으로 결합함에 있어, 상기 관부재(20)의 확관후에도 일부 부분에서는 핀부재(10)와 관부재(20) 사이의 결합이 완전하게 이루어지지 못하고 이격되어 덜렁거림은 물론 핀부재(10)와 관부재(20) 사이의 전열이 제대로 이루어지지 못하는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 단점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 핀-관형 열교환기에서 핀부재와 관부재 사이의 결합을 원활하게 유도함과 더불어 열교환기의 제조시 공정의 간편화 내지 자동화를 도모할 수 있도록 하는 핀-관형 열교환기용 전열핀 및 이의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다수개의 얇은 판부재가 다열형태로 배치되어 열교환시 전열면적의 확장을 도모하도록 된 알루미늄재의 핀부재와, 이 다열의 알루미늄재의 핀부재를 각각 층상으로 관통하여 내부에 냉매가 유동하는 통로를 형성하도록 된 구리재의 관부재로 구성되는 핀-관형 열교환기에 있어서, 상기 알루미늄재의 핀부재를 형성하는 평판의 개구부에는 평판으로부터 돌출된 형태의 플랜지면이 일체로 형성되고, 상기 구리재의 관부재의 외주면에는 나선형상으로 연속되는 형태의 결합나선홈이 형성되어, 이 결합나선홈상에 플랜지면이 나사체결방식으로 결합되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래 핀-관형 열교환기를 개략적으로 도시한 사시도.

도 2는 도 1에 도시된 열교환기에서 핀부재와 관부재 사이의 결합방법을 설명하기 위한 부분단면도.

도 3의 (a),(b)는 본 발명에 따른 핀-관형 열교환기에서 핀부재와 관부재 사이의 결합상태 내지 분해상태를 각각 부분적으로 도시한 측면도.

도 4는 도 3에 도시된 핀부재의 개구부와 플랜지면을 도시한 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10-핀부재 12-개구부

14-평판 16,16'-플랜지면

20-관부재 22-결합나선홈

30-금속구

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 3의 (a),(b)는 본 발명에 따른 핀-관형 열교환기에서 핀부재와 관부재 사이의 결합상태 내지 분해상태를 각각 부분적으로 도시한 측면도인 바, 본 발명의 실시예에 대한 상세한 기술을 위해 종래 열교환기에서 핀부재와 관부재 사이의 결합부위를 도시한 도 2에서와 동일한 참조부위에는 동일한 참조부호를 병기하면서 도시되지 않은 핀-관형 열교환기의 주요 구성요소에 대한 참조부호는 도 1을 참고로 하여 기술하기로 한다.

본 발명에 따른 핀-관형 열교환기의 전열핀은 도면에 도시된 바와 같이, 다수개의 얇은 판부재가 다열형태로 배치되어 공기와의 접촉으로 인한 전열면적을 확장시킴으로써 열전달계수를 증가시키기 위한 알루미늄재의 핀부재(10)와, 이 다열로 배치되는 알루미늄재의 핀부재(10)를 각각 순차적으로 관통하여 층상으로 설치되는 구리재의 관부재(20)로 구성된다.

즉, 상기 알루미늄재의 핀부재(10)는 도 4에 도시된 바와 같이, 중앙이 원형으로 천공된 형태의 개구부(12)를 갖춘 평판(14)과, 이 원형의 개구부(12)의 둘레에서 상기 평판(14)으로부터 수직한 방향으로 직립되게 돌출되도록 형성된 플랜지면(16,16')을 일체로 포함한다.

여기서, 상기 알루미늄재의 핀부재(10)의 플랜지면(16,16')은 상기 평판(14)에 형성된 개구부(12)의 중심부위에서 각각 대향되는 가장자리부위를 향해 길이가 연속적으로 증가되는 형상으로 형성되고, 상기 플랜지면(16,16')의 형성방향은 상기 알루미늄재의 핀부재(10)의 개구부(12)의 중심부위에서 각각 대향되는 가장자리부위를 향해 평판(14)의 전/후면으로 서로 반대방향으로 돌출되도록 형성되어 있다.

또한, 상기 개구부(12)의 대향된 최외측부위로 돌출되게 형성된 플랜지면(16,16')의 돌출길이는 각각 일정하도록 되어 있는 바, 이 플랜지면(16,16')의 돌출길이는 알루미늄재의 핀부재(10)의 두께 보다 대략 10배 정도로 크게 설정함과 더불어 후술되는 구리재의 관부재(20)에 형성되는 결합나선홈(22)의 폭길이와 동일하게 형성하여 상기 구리재의 관부재(20)와의 결합시 결속력을 보장하도록 함이 바람직하다.

한편, 상기 구리재의 관부재(20)에는 이의 외주면상의 표면에 나선형상으로 연속되는 형태의 결합나선홈(22)이 형성되는 데, 이 결합나선홈(22)은 각각 상기 구리재의 관부재(20)의 외주면상에서 등간격으로 일정하게 형성되어 있다.

또한, 상기 결합나선홈(22)은 이의 폭이 상기 알루미늄재의 핀부재(10)의 개구부(12)의 둘레에 형성된 플랜지면(16,16')의 최장돌출거리와 동일하게 형성되어, 상기 알루미늄재의 핀부재(10)의 플랜지면(16,16')을 결합나선홈(22)상에 꼭 맞게 결합시키도록 되어 있다.

그리고, 상기 결합나선홈(22)의 형상은 상기 알루미늄재의 핀부재(10)의 플랜지면(16,16')과의 나사체결시 체결력의 보강과 체결면의 확대로 인한 전열면적의확장을 위해 직각 나선형상으로 형성되어 있다.

즉, 상기 구리재의 관부재(20)에 형성된 결합나선홈(22)은 상기 알루미늄재의 핀부재(10)에 형성된 플랜지면(16,16')과 나사체결방식으로 결합되도록 되어 있는 바, 이를 위해 상기 개구부(12)의 둘레로 평판(14)의 전/후면으로 각각 돌출된 플랜지면(16,16')을 갖춘 알루미늄재의 핀부재(10)는 층상으로 다수개가 일정간격으로 배치된 다음, 상기 개구부(12)의 내부로 구리재의 관부재(20)가 회전하면서 진입하여 상기 알루미늄재의 핀부재(10)의 플랜지면(16,16')과 상기 구리재의 관부재(20)의 결합나선홈(22)이 각각 나사결합방식으로 체결되면 된다.

한편, 본 발명에 따른 핀-관형 열교환기용 전열핀의 제조는, 먼저 상기 알루미늄재의 핀부재(10)를 형성하는 평판(14)상에 원형의 개구부(12)를 다수개소로 천공하는 단계와, 이 천공과정에서 상기 개구부(12)의 내주면상에 형성된 스크랩(scrap)을 개구부(12)의 중심에서 각각 대향되는 가장자리부위를 향해 서로 반대방향으로 절곡하는 단계와, 상기 개구부(12)의 중심에서 각각 대향되는 가장자리부위를 향해 서로 반대방향으로 절곡된 스크랩의 돌출길이가 개구부(12)의 중심에서 가장자리부위로 갈수록 점차 길어지도록 절단하여 플랜지면(16,16')을 형성하는 단계와, 상기 알루미늄재의 핀부재(10)상에 형성된 다수개의 개구부(12)상에 각각 결합되는 상기 다수개의 구리재의 관부재(20)의 외주면상에 각각 나선형의 연속되는 결합나선홈(22)을 형성하는 단계 및, 상기 알루미늄재의 핀부재(10)의 플랜지면(16,16')과 상기 구리재의 관부재(20)상에 형성된 결합나선홈(22)을 각각 나사체결방식으로 결합시키는 단계를 순차적으로 거쳐 이루어지게 된다.

따라서, 상기와 같이 핀-관형 열교환기용 전열핀의 냉각핀에 해당되는 알루미늄재의 핀부재(10)와, 열촉진관에 해당되는 구리재의 관부재(20)가 각각 나사체결방식으로 결합하게 되면, 종래와 같이 알루미늄재의 핀부재(10)와 구리재의 관부재(20)가 결합된 다음 관부재(20)를 확관시켜야 하는 제조공정이 불필요하게 된다.

이 결과, 핀-관형 열교환기용 전열핀의 제조시 상기 알루미늄재의 핀부재(10)와 상기 구리재의 관부재(20)를 별도로 가공한 다음, 조립라인에서 한번에 결합시킬 수 있으므로 제작의 자동화를 도모할 수 있게 된다.

또한, 상기와 같이 핀부재(10)와 관부재(20)가 상호 나사체결방식으로 결합되면, 종래와 같이 확관후 상기 핀부재(10)와 관부재(20) 사이의 결속력이 저하될 수도 있는 문제의 소지도 해소될 수 있게 된다.

이때, 상기 핀부재(10)에 형성된 플랜지면(16,16')은 상기 관부재(20)에 형성된 결합나선홈(22)상에 견고하게 밀착될 수 있으므로, 확실한 전열성능의 발휘도 가능하게 되는 것이다.

그리고, 상기 구리재의 관부재(20)는 이의 외주면상으로 형성된 결합나선홈(22)에 의해 열교환시 외부와 전열될 수 있는 전체 전열표면적이 종래보다 동일한 길이로 대비해 볼 때 대략 20% 정도로 확대될 수 있으므로, 열전달성능이 향상될 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 핀-관형 열교환기용 전열핀 및 이의 제조방법에 의하면, 다열형태로 배치되는 알루미늄재의 핀부재(10)상에 층상으로끼워져 조립되는 구리재의 관부재(20)가 나사체결에 의한 방식으로 결합됨에 따라, 상기 알루미늄재의 핀부재(10)와 구리재의 관부재(20) 사이의 결속력이 보장될 수 있을 뿐만 아니라, 제조시 공정의 자동화를 도모할 수 있어 생산성의 향상을 꾀할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 다수개의 얇은 판부재가 다열형태로 배치되어 열교환시 전열면적의 확장을 도모하도록 된 알루미늄재의 핀부재(10)와, 이 다열의 알루미늄재의 핀부재(10)를 각각 층상으로 관통하여 내부에 냉매가 유동하는 통로를 형성하도록 된 구리재의 관부재(20)로 구성되는 핀-관형 열교환기용 전열핀에 있어서,

   상기 알루미늄재의 핀부재(10)를 형성하는 평판(14)의 개구부(12)에는 평판(14)으로부터 돌출된 형태의 플랜지면(16,16')이 일체로 형성되고, 상기 구리재의 관부재(20)의 외주면에는 나선형상으로 연속되는 형태의 결합나선홈(22)이 형성되어, 이 결합나선홈(22)상에 플랜지면(16,16')이 나사체결방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 핀-관형 열교환기용 전열핀.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 플랜지면(16,16')은 개구부(12)의 중심부위에서 각각 대향되는 가장자리부위를 향해 평판(14)의 전/후면으로 각각 길이가 연속으로 증가되도록 형성된 것을 특징으로 하는 핀-관형 열교환기용 전열핀.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 결합나선홈(22)은 이의 폭이 상기 알루미늄재의 핀부재(10)에 형성된 플랜지면(16,16')의 최외측의 최장돌출길이와 동일하면서 직각나선형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 핀-관형 열교환기용 전열핀.
4. 알루미늄재의 핀부재(10)를 형성하는 평판(14)상에 원형의 개구부(12)를 다수개소로 천공하는 단계와,

   천공후 상기 개구부(12)의 내주면상에 형성된 스크랩을 중심에서 각각 대향되는 가장자리부위를 향해 서로 반대방향으로 절곡하는 단계와,

   상기 개구부(12)의 중심에서 각각 대향되는 가장자리부위를 향해 서로 반대방향으로 절곡된 스크랩의 돌출길이가 개구부(12)의 중심에서 가장자리부위로 갈수록 점차 길어지도록 절단하여 플랜지면(16,16')을 형성하는 단계와,

   구리재의 관부재(20)의 외주면상에 나선형의 연속되는 결합나선홈(22)을 형성하는 단계 및,

   상기 알루미늄재의 핀부재(10)의 플랜지면(16,16')과 상기 구리재의 관부재(20)상에 형성된 결합나선홈(22)을 각각 나사체결방식으로 결합시키는 단계를 포함하여 이루어지는 핀-관형 열교환기용 전열핀의 제조방법.