KR20010090808A - 다면체 배열식 열전달 튜브 - Google Patents

다면체 배열식 열전달 튜브 Download PDF

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KR20010090808A
KR20010090808A KR1020017005497A KR20017005497A KR20010090808A KR 20010090808 A KR20010090808 A KR 20010090808A KR 1020017005497 A KR1020017005497 A KR 1020017005497A KR 20017005497 A KR20017005497 A KR 20017005497A KR 20010090808 A KR20010090808 A KR 20010090808A
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벤네트도날드엘.
탕리앙유
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추후
오토쿰푸 코퍼 프랭클린 인코포레이티드
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element

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Abstract

본 발명은 튜브의 열전달 성능을 강화시도록 형성된 내측면을 구비하는 열교환기 튜브에 관한 것이다. 내측 강화부는 튜브의 내벽으로부터 돌출된 다수의 다면체를 구비한다. 이 다면체는 다면체 축선에 대략 평행하게 배치된 제 1 및 제 2 평면을 구비한다. 또 다면체는 튜브의 종축선에 비스듬하게 배치된 제 3 및 제 4 표면을 구비한다. 완성된 표면은 튜브의 내부 표면적과 표면의 난류특성을 증가시켜, 튜브의 열전달 성능을 향상시킨다.

Description

다면체 배열식 열전달 튜브 {POLYHEDRAL ARRAY HEAT TRANSFER TUBE}
표면 강화부 (enhancement) 를 갖춘 튜브의 열전달 성능은 편평한 벽을 갖춘 튜브보다 뛰어난 것으로 당업자에게 공지되어 있다. 리브, 핀(fin), 코팅, 삽입물 등을 포함하는 표면 강화부는 튜브의 내측면과 외측면 모두에 적용되어 왔다. 모든 강화부 설계는 튜브의 열전달 표면적을 증가시키려는 것이다. 또한, 대부분의 설계는 유체의 혼합을 촉진하고 튜브 표면의 경계층을 파괴하기 위하여, 튜브를 통과하거나 튜브 위로 흐르는 유체에 난류를 조장하는 것을 꾀하고 있다.
엔진냉각은 물론, 공기조화 및 냉방을 위한 대부분의 열교환기는 평판 핀(plate fin) 및 튜브의 형식으로 이루어진다. 그러한 열교환기에서는, 튜브의 외부에 부착되는 플레이트 핀을 사용함으로써 튜브의 외부를 강화시킨다. 또한 열교환기 튜브는 튜브의 내측면을 변형시킨 형태의 내부 열교환기 강화부를 종종 구비한다.
전형적인 평판 핀 및 튜브식의 공기조화 및 냉방용 열교환기 내의 튜브의 전체 길이의 상당 부분 내에는, 냉매가 액체와 증기의 양 상태로 존재한다. 소정의 유속 이하에서 밀도의 변화로 인하여, 액체냉매는 튜브의 바닥을 따라서 흐르며 증기냉매는 튜브의 상부를 따라서 흐른다. 예컨대, 응축 작업시에 튜브의 상부영역으로부터 액체의 배수를 조장하거나, 또는 증발 작업시에 모세관작용에 의해 액체가 벽 내에서 튜브를 흘러 올라가도록 조장함으로써, 두 상태에 있는 유체들간의 상호 혼합을 향상시키게 되면, 튜브의 열전달 성능이 향상된다.
또한, 하나의 시스템의 모든 열교환기에는 동일한 유형의 튜브를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 열전달 튜브는 응축과 증발 작업 모두에서 만족스럽게 작동하여야 한다.
열교환기의 제조비를 감소시키기 위하여, 성능은 유지하면서 열전달 튜브의 중량을 감소시키는 것도 바람직하다.
따라서, 응축과 증발의 양 작업을 위한 적절한 성능을 부여하며 실수요자에게 실용적이며 경제적인 특징들을 제공하는 열전달 튜브가 요구된다.
본 발명은 열교환기 내에 사용되는 튜브에 관한 것이며, 특히 튜브의 열전달 성능을 강화시킬 수 있는 내측면을 갖춘 열교환기 튜브에 관한 것이다.
도 1 은 튜브의 일부분을 절취한 본 발명의 열교환기 튜브의 측면도이고,
도 2 는 본 발명의 열교환기 튜브의 벽의 일구역의 사시도이고,
도 3 은 도 1 의 선 3-3을 통해 취한 본 발명의 열교환기 튜브의 벽의 단면도이고,
도 4 는 튜브가 응축작업에 이용될 때 종래의 튜브와 비교한 본 발명의 튜브의 상대적인 성능을 나타낸 그래프이고, 그리고
도 5 는 압력강하와 관련하여 종래의 튜브와 비교한 본 발명의 튜브의 상대적인 성능을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 열교환기 튜브는, 동일한 중량인 경우에는 종래의 튜브보다 뛰어난 열전달 성능을 제공하며, 중량이 적은 경우에는 종래의 튜브와 동일한 열전달 성능을 제공하도록 열전달 성능이 강화되었으며, 또한 종래의 튜브보다 뛰어난 압력강하 성능을 갖는 튜브를 제공함으로써 전술한 필요성을 만족시킨다.
본 발명의 열교환기 튜브는 튜브의 열전달 성능을 강화시키도록 구성된 내측면을 갖는다. 바람직한 실시예에 있어서, 내부 강화부는 튜브의 내벽으로부터 돌출된 다수의 다면체 (polyhedron) 를 구비한다. 바람직한 실시예에 있어서,다면체는 튜브의 종축선에 거의 평행하게 여러 열로 배치된다. 그러나, 이러한 열은 약 40 도까지 종축선으로부터 편향될 수도 있다. 다면체는 다면체 축선에 거의 평행하게 배치되는 제 1 및 제 2 평면을 갖는다. 또한 다면체는 튜브의 종축선에 비스듬하게 배치되는 제 3 및 제 4 평면을 갖는다. 최종 표면은 튜브의 내부 표면적을 증가시켜, 튜브의 열전달 성능을 증가시킨다. 또한, 다면체는 튜브 내의 유동 조건을 촉진시켜, 마찬가지로 열전달을 촉진시킨다.
본 발명의 튜브는 구리 또는 구리합금 스트립을 튜브의 형태로 롤성형 (roll forming) 및 시임용접 (seam welding) 하는 동안 상기 스트립의 한 표면 위에 보강부 패턴을 롤엠보싱 (roll embossing) 함으로써 상기 스트립으로부터 제조될 수 있다. 그러한 제조공정은 복잡한 내부 강화식 열전달 튜브를 신속하고 경제적으로 제조할 수 있게 한다.
본 명세서의 전반에 걸쳐, 용어 '다면체 (polyhedron)'가 사용되며 대략 편평한 표면들로 형성된 고형물로서 규정된다.
도 1을 먼저 참조하면, 튜브 (10) 는 구리, 구리합금, 또는 기타 열전도성 재료로 형성되는 것이 바람직하다. 튜브 (10) 는 외경, 내경 및 상응하는 벽두께를 갖는 원통형인 것이 바람직하다. 내측면은 내측면 강화부 (13) 를 갖고 형성되는 것이 바람직하다. 구리 또는 구리합금 스트립을 튜브 (10) 의 형태로 롤성형 및 시임용접하기 전에 강화부 패턴 (13) 을 상기 스트립의 한쪽 표면 위에 롤엠보싱함으로써, 본 발명의 열교환기 튜브 (10) 를 형성하는 것이 바람직하다.
도 2 에서, 표면 강화부 (13) 는 벽 (16) 의 일부에 대하여 도시된다. 다수의 다면체 (19) 가 벽 (16) 으로부터 바깥쪽으로 돌출한다. 이들 다면체 (19) 는 튜브 (10) 의 종축선을 따라서 배치되는 것이 바람직하지만, 대략 0 내지 40 도의 각도로 상기 종축선으로부터 편향될 수도 있다. 각도가 0 도인 경우, 제 1 평면 (22) 및 제 2 평면 (25) 은 튜브 (10) 의 종축선에 거의 평행하다. 제 3 평면 (28) 및 제 4 평면 (31) 은 종축선에 비스듬하게 배치된다. 제 3 및 제 4 평면 (28 및 31) 과 종축선 사이의 상기 입사각은 β이다. β는 대략 5 내지 90 도일 수 있지만, 5 내지 40 도가 바람직하다.
다면체 (19) 는 인접한 열 (row) 들의 중심선 사이의 거리 (d) 를 두고 벽 (16) 상에 배치된다. 거리 (d) 는 0.011 인치 내지 0.037 인치 범위 내일 수 있지만, 0.015 인치 내지 0.027 인치가 바람직하다. 제 3 평면 (28) 과 제 4 평면(31) 사이에서 측정된 다면체 (19) 의 최대 길이는 ℓ이다. 이 길이 ℓ은 0.005 내지 0.025 인치일 수 있지만, 대략 0.0145 인치가 바람직하다. 다면체 (19) 에 인접한 오목부 (32) 는 D 의 깊이까지 파여진다. D 는 -0.001 내지 0.001 인치의 범위이지만, 0.0005 인치가 바람직하다 (여기서, 음의 값은 튜브의 내벽 위쪽의 거리를 나타낸다).
평면들 (28 및 31) 은 각도 (ℓ1) 를 형성하는데, 이 각도는 20 내지 50 도의 범위이며, 대략 44 도가 바람직하다.
도 3을 참조하면, 다면체 (19) 는 높이 (H) 및 최대 폭 (w) 을 갖는다. 폭 (w) 은 0.004 내지 0.01 인치의 범위이고, 0.0056 인치가 바람직하다. 다면체 (19) 는 대향하는 표면 (22) 과 표면 (25) 사이의 각도 (ℓ2) 를 갖는다. 각도 (ℓ2) 는 10 내지 50 도의 범위이며, 대략 15 도가 바람직하다. 튜브의 모든 치수에 있어서, 360도 원호당 다면체의 수는 피치 또는 전술한 d 에 의해 결정된다.
최소 유동 저항과 일치되는 최적의 열전달을 위하여, 본 발명을 채용한 튜브는 전술한 바와 같은 특징과 하기의 변수를 갖는 내부 강화부를 구비하여야 한다: 다면체의 다면체 축선 (99) 은 튜브의 종축선으로부터 0 내지 40 도의 각도로 배치하여야 하며; 튜브의 내경에 대한 다면체 높이 (H) 의 비는 0.015 내지 0.04 이어야 한다. 종축선과 제 3 및 제 4 평면 (28 및 31) 사이의 입사각 (β) 은 5 도 내지 40 도 사이어야 한다. 다면체 (19) 에 인접한 오목부 (32) 는 -0.001 내지0.001 인치, 바람직하게는 0.0005 인치로 벽 (16) 의 내측면 내로 연장되어야 한다 (음값은 튜브의 내벽 위쪽의 거리를 나타냄). 대향의 평면들 (28 및 31) 사이의 각도 (ℓ1) 는 20 내지 50 도의 범위이어야 하며, 44 도가 바람직하다. 또한, 다면체 (19) 의 높이 (H) 에 대한 다면체들 (19) 사이의 공간의 단면적 (S; 도 3 참조) 의 비는 0.1 mm 내지 0.6 mm 사이이어야 한다. 다면체의 높이 (H) 는 변화시키지 않으면서 다면체들 (19) 사이의 단면적을 증가시키면, 상기 높이에 대한 단면적 (S) 의 비가 증가하고, 또한 튜브의 중량과 소요비용이 감소한다.
다면체 (19; 도 2 참조) 는 두 개의 패턴이 내벽 (16) 에 엠보싱된 후에 남겨진 재료로 형성된다. 제 1 패턴은 튜브 (10) 의 종축선을 따라 만들어지는 것이 바람직하며 다면체 (19) 의 길이를 결정하지만, 전술한 바와 같이 40 도까지 편향될 수도 있다. 제 2 패턴은 종축선에 비스듬하며 다면체 (19) 의 폭을 결정한다. 제 2 패턴은 튜브 (10) 의 내벽 (16) 내로 제 1 패턴보다 더 깊게 파여지는 것이 바람직하다. 최종 표면 강화부 (13) 는 내벽 (16) 의 평방인치당 2,400 내지 4,400 개의 다면체 (19) 로 형성되는 것이 바람직하다. 2,400 내지 4,400 개가 바람직하더라도, 평방인치당 2,000 내지 10,000 개의 다면체가 형성될 수도 있다.
강화부 (13) 는 적절한 임의의 공정에 의해 튜브 벽 (16) 의 내측에 형성될 수 있다. 자동화 고속 공정을 이용하여 시임용접되는 금속 튜브의 제조에 있어서, 효과적인 방법은, 금속 스트립을 원형단면으로 롤성형하고 튜브 (10) 로 시임용접하기 이전에 상기 스트립의 한쪽 표면에 롤엠보싱을 함으로써 강화부 패턴(13) 을 형성하는 것이다. 이는, 금속 스트립을 튜브로 롤성형 및 시임용접하기 위한 제조라인 내에 차례로 두 개의 롤엠보싱 스테이션 (station) 을 설치함으로써 달성될 수 있다. 상기 스테이션은, 가공되지 않은 금속 스트립을 공급하는 소스와 스트립이 관형상으로 롤성형되는 제조라인의 부분 사이에 배치될 수 있다. 각각의 엠보싱 스테이션은 저마다의 패턴 강화부 롤러와 뒷받침 롤러를 구비한다. 각각의 스테이션 내의 뒤받침 롤러 및 패턴 롤러는 적당한 수단 (도시 생략) 에 의한 충분한 힘으로 서로 가압되어, 롤러의 한쪽면에 있는 패턴 표면이 스트립의 일측면의 표면에 찍혀져 다면체의 종방향 측면을 형성한다. 제 3 및 제 4 표면 (28 및 31) 은 다면체 (19) 를 가압하는 일련의 융기 돌출부를 갖춘 제 2 롤러에 의해 형성될 것이다.
튜브가 롤엠보싱, 롤성형 및 시임용접에 의해 제조되는 경우, 완성된 튜브 (10) 의 용접선을 따라서 소정의 영역이 존재할 가능성이 있는데, 이 영역은 제조공정의 속성으로 인해 주변 튜브 (10) 의 잔류물 둘레에 부족한 강화부 구성을 갖거나, 또는 상이한 강화부 구성을 갖는다. 이러한 상이한 구성을 갖는 영역은 튜브 (10) 의 열적 성능 또는 유동 성능에 그다지 나쁜 영향을 미치지 않는다.
도 4 를 참조하면, h 는 열전달계수를, IE 는 내부 강화부를 갖춘 튜브를, 그리고 "평탄 (smooth)" 은 편평한 튜브를 나타낸다. 도 4 내의 곡선들은 튜브를 통과하는 냉매 (R-22) 의 일정 범위의 질량유동에 있어서, 평탄한 내측면을 갖는 튜브와 비교한 세 개의 상이한 내부 강화 튜브의 상대 응축성 (h(IE)/h(평탄)) 을 도시한다. 튜브 (A) 는 0.264 mm 의 S/H 비, 15 도의 β각도, 및 튜브의 종축선에 거의 평행하게 배향된 여러 열의 다면체를 갖는 본 발명의 일실시예이다. 튜브 (B) 는 미국특허 제 4,658,892 호에 개시된 튜브와 유사한 나선형 내부 리브를 갖춘 종래의 튜브를 나타낸다. 튜브 (C) 는 0.506 mm 의 S/H 비, 15 도의 β각도, 및 튜브의 종축선에 거의 평행하게 배향된 여러 열의 다면체를 갖는 본 발명의 다른 실시예이다.
도 4 의 그래프는 넓은 범위의 유동에 걸쳐서, 튜브 (A) 의 성능이 튜브 (B) 의 성능보다 뛰어남을 나타내는 동시에, 튜브 (C) 의 성능은 튜브 (B) 의 성능과 거의 동일함을 나타낸다. 튜브 (A) 는 튜브 (B) 와 동일한 중량을 갖도록 설계되며, 튜브 (C) 는 튜브 (B) 보다 중량이 가볍게 설계된다. 따라서, 본 발명은 동일한 중량에서는 더 나은 성능을 제공하고 감소된 중량에서는 동일한 성능을 제공하기 때문에, 실수요자의 비용을 절감시킨다.
도 5 를 참조하면, 곡선들은 튜브를 통과하는 냉매 (R-22) 의 일정 범위의 질량유동에 있어서, 전술한 튜브 (A, B 및 C) 의 압력 강하에 관한 상대 성능을 도시한다. 도 5 의 그래프는, 튜브 (A) 가 튜브 (B) 에 비해 비교적 소량의 압력강하의 증가를 가지며, 튜브 (C) 는 넓은 범위의 냉매 (R-22) 유속에 걸쳐 튜브 (B) 에 비해 상당한 양의 압력강하의 감소를 가짐을 나타낸다.
따라서, 본 발명의 튜브는 자체 제조공정을 복잡하게 만들지 않으면서 실수요자에게 뛰어난 성능을 제공한다.
본 발명이 바람직한 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 이는 본 발명의 범위를 기재된 특정의 형태로 제한하려는 의도가 아니며, 오히려 첨부된 청구의 범위에 의해 한정되는 본 발명의 요지 내에 포함될 수 있는 대안물, 변형물 및 등가물을 포함한다.

Claims (23)

  1. 열교환기 튜브로서,
    내경을 한정하는 내측면을 구비하며 종축선을 갖는 관형 부재, 및
    상기 내측면에 형성되는 다수의 다면체를 포함하며,
    상기 다면체 각각은 4 개의 대향 측면과 소정의 높이를 가지고, 상기 다면체는 서로에 대향인 제 1 및 제 2 표면과 그리고 서로에 대해 대향으로 기울어져서 상기 종축선에 비스듬하게 배치되는 제 3 및 제 4 표면을 가지는 열교환기 튜브.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다면체는 다면체 축선을 따라 배치되며, 상기 다면체 축선은 상기 관형 부재의 종축선으로부터 0 내지 40 도의 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 및 제 4 표면이 상기 종축선과 교차하는 각도는 5 내지 40 도인 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 및 제 4 표면에 인접한 내측면의 일부분은 상기 내측면의 나머지 부분보다 낮게 오목하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 오목부는 상기 내측면 위쪽으로 0.001 인치부터 상기 내측면 아래쪽으로 0.001 인치까지의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  6. 제 1 항에 있어서, 인접하는 다면체들은 단면적 (S) 을 갖는 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 다면체의 높이에 대한 상기 단면적의 비는 0.1 mm 내지 0.6 mm 인 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  8. 제 1 항에 있어서, 인접한 다면체의 열의 사이의 거리는 대략 0.011 내지 0.037 인치인 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  9. 제 8 항에 있어서, 평방인치당 2,000 내지 10,000 개의 다면체가 존재하는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  10. 제 1 항에 있어서, 평방인치당 대략 2,400 내지 4,400 개의 다면체가 존재하는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  11. 제 1 항에 있어서, 다면체의 인접한 제 3 표면과 제 4 표면 사이의 꼭지점각은 20 내지 50 도인 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  12. 제 1 항에 있어서, 인접한 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 각도는 10 내지 50 도인 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  13. 열교환기 튜브로서,
    내경을 한정하는 내측면을 구비하며 종축선을 갖는 관형 부재, 및
    상기 내측면에 형성되는 다수의 다면체를 포함하며,
    상기 다면체 각각은 4 개의 대향 측면과 소정의 높이를 가지며, 상기 다면체는 서로에 대향인 제 1 및 제 2 표면과 그리고 서로에 대해 대향으로 기울어져서 상기 종축선에 비스듬하게 배치되는 제 3 및 제 4 표면을 가지고, 상기 다면체는 단면적 (S) 을 갖는 인접한 다면체들 사이의 공간을 형성하고, 상기 높이에 대한 상기 단면적의 비는 0.1 mm 내지 0.6 mm 인 열교환기 튜브.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 다면체는 다면체 축선을 따라 배치되며, 상기 다면체 축선은 상기 관형 부재의 종축선으로부터 0 내지 40 도의 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 제 3 및 제 4 표면이 상기 종축선과 교차하는 각도는 5 내지 40 도인 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 제 3 및 제 4 표면에 인접한 내측면의 일부분은 상기 내측면의 나머지 부분보다 낮게 오목하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 오목부는 상기 내측면 위쪽으로 0.001 인치부터 상기 내측면 아래쪽으로 0.001 인치까지의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  18. 제 13 항에 있어서, 인접한 다면체의 열의 사이의 거리는 대략 0.011 내지 0.037 인치인 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  19. 제 13 항에 있어서, 평방인치당 2,000 내지 10,000 개의 다면체가 존재하는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  20. 제 13 항에 있어서, 평방인치당 대략 2,400 내지 4,400 개의 다면체가 존재하는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  21. 제 13 항에 있어서, 다면체의 인접한 제 3 표면과 제 4 표면 사이의 꼭지점각은 20 내지 50 도인 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  22. 제 13 항에 있어서, 인접한 제 1 표면과 제 2 표면 사이의 각도는 10 내지 50 도인 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
  23. 열교환기 튜브로서,
    내경을 한정하는 내측면을 구비하며 종축선을 갖는 관형 부재, 및
    상기 내측면에 형성되는 다수의 다면체를 포함하며,
    상기 다면체 각각은 4 개의 대향 측면과 소정의 높이를 가지며 상기 종축선에 거의 평행하게 연장되어 여러 줄로 배치되고, 상기 다면체는 서로에 대향으로 상기 종축선에 거의 평행하게 연장되는 제 1 및 제 2 표면과 그리고 서로에 대해 대향으로 기울어져서 상기 종축선에 비스듬하게 배치되는 제 3 및 제 4 표면을 가지고, 상기 다면체는 다면체 축선을 따라 배치되며, 상기 다면체 축선은 상기 관형 부재의 종축선으로부터 0 내지 40 도의 각도로 배치되고, 상기 제 3 및 제 4 표면이 상기 종축선과 교차하는 각도는 5 내지 40 도이며, 상기 다면체는 소정 단면적을 갖는 인접한 다면체들 사이의 공간을 형성하고, 상기 높이에 대한 상기 단면적의 비는 0.1 mm 내지 0.6 mm 이며, 튜브의 평방인치당 2,000 내지 10,000 개의 다면체가 배치되는 열교환기 튜브.
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