KR20030038558A - 홈이 형성된 내부 표면을 갖는 개선된 열 전달 튜브 - Google Patents

홈이 형성된 내부 표면을 갖는 개선된 열 전달 튜브 Download PDF

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KR20030038558A
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쏘오스피터
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울버린 튜브, 인크.
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Abstract

튜브(10)의 내부 표면은 주요 세트의 핀들(12)과, 주요 핀들(12)사이의 영역(24) 내에 그리고 주요 핀들(12)에 대해 소정 각도로 위치되는 중간 세트의 핀들(26)을 갖는다. 내부 표면 튜브 모양의 바람직한 실시예에서, 중간 핀들(26)은 주요 핀들(12)에 대하여 그물 같은 외관을 제공하도록 위치 설정된다. 제1 세트의 롤러는 기판(board)의 적어도 일측면 상에 주요 핀들(12) 및 중간 핀들(26) 모양을 생성한다. 제2 세트의 롤러는 성능을 더욱 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 원하는 패턴이 롤러를 사용하여 기판 상에 전사된 후, 기판은 튜브로 형성된 후 용접되어, 최소한 최종 튜브의 내부 표면 모양은 본 발명에 의해 의도되는 바와 같이 중간 핀들을 포함한다.

Description

홈이 형성된 내부 표면을 갖는 개선된 열 전달 튜브 {IMPROVED HEAT TRANSFER TUBE WITH GROOVED INNER SURFACE}
홈이 형성된 내부 표면을 갖춘 열 전달 튜브는 공기 조화 및 냉동을 위한 열 교환기에서 증발기 튜브 또는 응축기 튜브로서 주로 사용된다. 열 전달 튜브에서 그들의 내부 표면상에 "핀"을 교대로 설치하거나 홈을 제공하는 것이 공지되어 있다. 홈들 및 핀들은 튜브 내부로 운반된 냉매와 같은 유체 열 전달 매체의 난류를 향상시키기 위해 협동한다. 이 난류는 열 전달 성능을 향상시킨다. 또한, 홈들 및 핀들은 부가적인 열 전달을 위한 여분의 표면적과 모세관 현상을 제공한다. 이 기본 전제는 위덜스, 쥬니어 등에게 허여된 미국 특허 제3,847,212호에 교시되어 있다.
또한, 상이한 방법에 의해 제작된 내부적으로 향상된 열 교환 튜브 즉, 시임 없는(seamless) 튜브 및 용접된 튜브를 제공하는 것이 기술 분야에 공지되어 있다.시임 없는 튜브는 튜브의 내부 표면 상에 핀들을 생성하기 위해 시임 없는 튜브의 내부를 통해 원형의 홈을 갖춘 부재를 통과시킴으로써 생산된 내부 핀 및 홈들을 포함할 수 있다. 그러나, 최종 핀들의 형상 및 높이는 제작 방법과 원형 부재의 외형에 의해 제한된다. 따라서, 이러한 튜브의 열 전달 잠재력도 또한 제한된다.
그러나, 용접된 튜브는 편평한 작업편을 원형으로 형성하고 튜브를 형성하기 위해 에지를 용접함으로써 얻어진다. 작업편이 편평할 때 형성 전에 작업되기 때문에, 변화하는 핀 높이용 위치, 형상 및 다양한 다른 계수들이 증가된다. 따라서, 이러한 튜브의 열전도 위치는 또한 증가된다.
이러한 튜브 형성 방법은 콘(Kohn) 등에게 허여된 미국 특허 5,704,424호에 개시되어 있다. 콘은 홈이 있는 내부 표면을 갖는 용접된 열 전도 튜브를 개시한다. 설명되고 청구범위 주장된 제조 방법에서, 편평한 금속 기판 재료가 측면 에지가 서로 접촉할 때까지 측방향으로 굴곡된다. 이 때, 기판 재료의 두 에지는 완전한 튜브를 형성하도록 전기적으로 시임 용접된다. 여기서 설명한 바에 따라, 이러한 방법의 장점은 금속 기판이 편평할 때 임의의 내부 핀 또는 홈이 튜브의 일측면 상에 부조 세공되어 설계 특성의 자유도를 증가할 수 있다는 것이다.
이러한 설계 자유도는 열 전도 튜브 설계의 핵심 고려 사항이다. 이는 튜브의 홈 및 핀의 패턴, 형상 및 크기를 변경함으로써, 열 교환 특성을 증가시키기 위한 일반적인 목표이다. 그 때문에, 튜브 제조자들은 대체 설계를 실험하기 위해 많은 비용을 투자했다. 예를 들어, 다키마(Takima) 등에게 허여된 미국 특허 제5,791,405호는 튜브의 내부 표면에 원주 방향으로 연속적으로 형성된 핀을 갖는홈이 있는 내부 표면을 갖는 튜브를 개시한다. 복수개의 구성이 다양한 도면들에 도시된다. 치앙(Chiang) 등에게 허여된 미국 특허 제5,332,034호 및 제5,458,191호 및 가파니(Gaffaney) 등에게 허여된 미국 특허 제5,975,196호는 모두 교차 절삭 설계(cross-cut design)로서 이러한 출원에 참조된 설계의 변형을 개시한다. 핀들은 제1 부조 세공 롤러로 내부 튜브 표면 상에 형성된다. 다음에 제2 부조 세공 롤러는 교차 방향으로 핀을 가로질러 절삭 또는 노치 가공한다. 이러한 공정은 교차 절삭 설계를 형성하기 위해 적어도 두 개의 부조 세공 롤러가 요구되기 때문에 고비용이다. 게다가, 이들 특허의 모든 설계에 개시된 핀들은 비어있는 골 또는 홈에 의해 분리되어 있다. 어떤 설계도 튜브의 열 전도 특성을 향상시키기 위해 이러한 비어 있는 영역을 이용하지 않았다.
이러한 내부 표면 튜브 설계가 튜브의 열 전도 특성을 개선시키기 위한 것을 목적으로 하는 동안, 현존하는 것을 변경하고 열 전도 특성을 향상시키는 새로운 설계를 창조함으로써 튜브 설계를 개선시키기 위한 지속적인 업계의 요구가 있어왔다. 부가로, 이러한 요구는 튜브 상에 빠르게 전도되고 비용 절감적일 수 있는 설계 및 패턴을 창조하기 위해 존재해왔다. 이하에 설명하는 바와 같이, 본 출원인은 열 전도 튜브용의 신규한 형상을 개발하고, 그 결과 열 전도 특성을 상당히 개선시킨다.
본 발명은 공기 조화기, 냉동기 및 다른 이와 같은 장치 내의 열 교환기 및 다른 부품에 사용될 수 있는 열 전달 튜브에 관한 것이다. 본 발명은 특히 개선된 열 전달 성능을 위해 튜브의 내부 표면을 따라 핀(fins)을 형성한 홈이 형성된 내부 표면을 갖춘 열 전달 튜브에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 튜브의 일 실시예의 내부 표면의 사시도이다.
도2는 도1의 삽입 원(2)의 확대된 단면도이다.
도3은 튜브의 내부 표면이 드러나도록 개방되어 펼쳐진 본 발명의 튜브의 일 실시예의 부분 평면도이다.
도4는 주요 핀의 일 실시예를 설명하는, 도3의 선4-4를 따라 취해진 단면도이다.
도5는 중간 핀의 일 실시예를 설명하는, 도3의 선5-5를 따라 취해진 단면도이다.
도6은 주요 및/또는 중간 핀의 형상의 변형예를 보여주는, 도4 및 도5와 유사한 단면도이다.
도7은 주요 및/또는 중간 핀의 형상의 또 다른 변형예를 보여주는, 도4 및 도5와 유사한 단면도이다.
도8은 주요 및/또는 중간 핀의 형상의 또 다른 변형예를 보여주는, 도4 및 도5와 유사한 단면도이다.
도9는 주요 및/또는 중간 핀의 형상의 또 다른 변형예를 보여주는, 도4 및 도5와 유사한 단면도이다.
도10은 주요 및/또는 중간 핀의 형상의 또 다른 변형예를 보여주는, 도4 및 도5와 유사한 단면도이다.
도11은 주요 및/또는 중간 핀 형상의 다른 실시예를 도시하는 도4 및 도5와 유사한 단면도이다.
도12는 중간 핀의 다른 실시예를 도시하는 도5와 유사한 단면도이다.
도13은 튜브의 내부 표면을 노출시키기 위해 개방된 본 발명의 튜브의 다른 실시예의 부분 평면도이다.
도14는 튜브의 내부 표면을 노출시키기 위해 개방된 본 발명의 튜브의 다른 실시예의 부분 평면도이다.
도15는 튜브의 내부 표면을 노출시키기 위해 개방된 본 발명의 튜브의 다른 실시예의 부분 평면도이다.
도16은 튜브의 내부 표면을 노출시키기 위해 개방된 본 발명의 튜브의 다른 실시예의 부분 평면도이다.
도17은 본 발명의 튜브의 다른 실시예의 내부 표면의 부분 사시도이다.
도18은 본 발명의 튜브의 다른 실시예의 내부 표면의 부분 사시도이다.
도19는 본 발명의 튜브의 다른 실시예에 사용되는 핀 형성 롤러의 사시도이다.
도20은 본 발명의 튜브의 단면 형상을 도시하는 도면이다.
도21은 본 발명의 튜브의 다른 단면 형상을 도시하는 도면이다.
도22는 본 발명의 튜브의 다른 단면 형상을 도시하는 도면이다.
도23은 본 발명의 튜브의 다른 단면 형상을 도시하는 도면이다.
도24는 본 발명의 튜브의 다른 단면 형상을 도시하는 도면이다.
도25는 본 발명의 튜브의 다른 단면 형상을 도시하는 도면이다.
도26은 R-22 냉매를 갖는 본 발명의 튜브의 실시예를 사용하는 응축열 전달을 도시하는 그래프이다.
도27은 R-22 냉매를 갖는 본 발명의 튜브의 실시예를 사용하는 응축압 강하를 도시하는 그래프이다.
도28은 R-407 냉매를 갖는 본 발명의 튜브의 실시예를 사용하는 응축열 전달을 도시하는 그래프이다.
도29는 R-407 냉매를 갖는 본 발명의 튜브의 실시예를 사용하는 응축압 강하를 도시하는 그래프이다.
도30은 R-407 냉매를 갖는 본 발명의 튜브의 일실시예의 효율을 도시하는 그래프이다.
도31은 R-22 냉매를 갖는 본 발명의 튜브의 다른 실시예의 효율을 도시하는 그래프이다.
도32는 R-22 냉매를 갖는 본 발명의 튜브의 실시예를 사용하는 응축열 전달을 도시하는 그래프이다.
도33은 R-22 냉매를 갖는 본 발명의 튜브의 실시예를 사용하는 응축압 강하를 도시하는 그래프이다.
일반적으로 설명하면, 본 발명은 개선된 열 전도 튜브와 그 형성 방법을 포함한다. 본 발명의 설계가 금속 기판 상에 부조 세공되고 기판이 형성되어 기판이튜브로 용접된 후에, 주요 핀들에 대한 각도에서 튜브의 내부 표면은 주요 핀들 사이의 영역에 위치한 중간 핀 세트와 주요 핀 세트를 가질 것이다. 중간 핀들이 임의의 패턴으로 배열된 주요 핀들과 함께 사용되는 반면, 내부 표면 튜브 설계의 양호한 실시예에서는, 중간 핀들이 주요 핀들에 대해 위치하여 그리드형(grid-like) 외관으로 된다. 테스트는 본 발명의 중간 핀 설계를 갖는 튜브 특성이 상당히 개선된 것을 나타낸다.
본 발명의 방법은 기판의 적어도 일측면에 주요 핀 및 중간 핀 설계를 생성하기 위한 형상의 제1 세트의 롤러 사이에서 편평한 금속 기판이 롤링 가공된다. 이전의 설계들에서는 부가적인 롤러 세트들을 사용하고 있는 반면, 본 발명의 기본 설계는 단일 롤러 세트를 사용하여 기판 상에 전사될 수도 있다. 그러나, 후속의 롤러 세트들은 기판 대해 부가적인 설계 특징을 부여할 수도 있다. 원하는 패턴이 롤러로 기판 상에 전사된 다음에, 기판은 튜브로 형성되고 용접되며, 그 결과 최소 최종 튜브의 내면 설계는 본 발명에 의해 알 수 있는 바와 같이 중간 핀들을 포함한다.
따라서, 본 발명의 목적은 향상된 열 전달 튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 향상된 열 전달 튜브를 형성하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 중간 핀을 갖는 향상된 열 전달 튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 중간 핀을 갖는 향상된 열 전달 튜브를 형성하는 개선된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상이한 높이, 형상, 피치 및 각도의 기본 및 중간 핀을 포함할 수도 있는 중간 핀을 갖는 향상된 열 전달 튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 하나의 압연 작업으로 형성되는 두 세트의 핀을 갖는 향상된 열 전달 튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 핀 위에 교차하는 방향으로 그리로 적어도 부분적으로는 이를 통해 절결된 절결부를 갖는 적어도 두 세트의 핀을 갖는 향상된 열 전달 튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 개선된 핵비등을 위해 중간 핀의 벽에 의해 부분적으로 형성된 챔버를 갖는 향상된 열전달 튜브를 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들과, 목적들 및 장점들은 도면과 연관하여 취해진 양호한 실시예들의 상세한 설명을 읽음으로써 보다 명백해질 것이다.
기존의 설계와 유사하게, 도1 내지 도3에 도시된 일 실시예에서 본 발명의 튜브(10)의 내부 표면 설계는 튜브(10)의 내부 표면(20)을 따라 서로 평행하게 작동되는 주요 핀(12)들의 세트를 포함한다. 주요 핀(12)들의 단면 형상은 도6 내지 도11에 개시된 바와 같이, 임의의 형상으로 가정될 수 있지만, 양호하게는 각, 직선 측면(14), 둥근 팁(16) 및 측면(14)과 튜브(10)의 내부 표면(20) 사이의 경계면에 둥근 에지(18)를 갖는 삼각형이다.(도4 참조) 주요 핀(Hp)들의 높이는 튜브(10)의 직경과 특정 적용에 따라 결정되지만, 양호하게는 0.010 내지 0.051cm(0.004 내지 0.02inch)이다. 도3에 도시된 바와 같이, 주요 핀(12)들은 튜브(10)의 종방향 축에 대해 0°내지 90°사이의 주요 핀 각(θ)에 위치될 수 있다. 각(θ)은 양호하게는 5°내지 50°사이이며, 더 양호하게는 5° 내지 30°이다.마지막으로, 튜브(10)의 내부 표면(20)을 따라 위치된 주요 핀(12)들의 개수와, 이에 따른 (주요 핀(12)들에 수직하게 취해진 라인을 따라 측정된 두 개의 인접한 주요 핀들의 중심지점 또는 팁 사이의 거리로 형성되는) 주요 핀 피치(Pp)는 주요 핀(12)들의 높이(Hp)와 형상, 주요 핀 각(θ) 및 튜브(10)의 직경에 따라 결정될 수 있다. 또한, 주요 핀 형상, 높이(Hp), 각(θ) 및 피치(Pp)는 적용에 따라 단일 튜브(10) 내에서 변할 수 있다.
종래의 설계와는 다르게, 본 발명의 설계는 튜브의 열 전달 특성을 강화하기 위해 주요 핀(12)들 사이의 빈 공간 또는 홈(24)을 이용한다. 중간 핀(26)은 내부 표면 튜브 설계를 격자형 외관이 되도록 주요 핀(12)들에 의해 형성된 홈(24) 내에 형성된다. 중간 핀들은 유체의 난류와 내부 표면적을 증가시켜 튜브(10)의 열 전달 효율을 증가시킨다. 또한, 본 발명에 의해 고안된 중간 핀 설계는 주요 핀 설계와 동일한 롤러 상에 통합될 수 있어, 튜브(10)의 제조 비용을 감소시킨다.
중간 핀(26)들은 양호하게는 (도3에 도시된 바와 같이) 주요 핀(12)들에 인접하게 접촉하도록 홈(24)의 폭에 연장된다. 주요 핀(12)들과 동일하게, 중간 핀(26)들은 도5 내지 도11에 도시된 바를 포함하지만 제한되지는 않는 다양한 형상으로 가정될 수 있다. 중간 핀(26)들은 도5에 도시된 바와 같이 주요 핀(12)들과 유사한 형상일 수는 있지만, 반드시 그런 것은 아니다. 주요 핀(12)들에서와 같이, 주요 핀(12)들 사이에 위치된 중간 핀(26)들의 개수(및 이에 따라 중간 핀들에 수직하게 취해진 라인을 따라 측정된 두 개의 인접한 중간 핀의 중심점 또는 팁 사이의 거리로 형성되는 중간 핀 피치(Pp))와 중간 핀의 높이(Hi)는 특정 적용에 따라 조절될 수 있다. 중간 핀의 높이(Hi)는 주요 핀의 높이(Hp)를 초과하여 연장될 수 있지만, 반드시 그런 것은 아니다. 도3에 도시된 바와 같이, 중간 핀(26)들은 주요 핀(12)들에 대한 반시계 방향으로부터 측정된 중간 핀 각(β)에 위치된다. 중간 핀 각(β)은 0°보다 큰 임의의 각일 수 있지만, 양호하게는 45°내지 135°이다.
주요 핀에서와 같이, 중간 핀 형상, 높이(Hb), 피치(Pb) 및 각(β)은 튜브(10) 내의 모든 중간 핀(26)에 대해서 일정할 필요는 없지만, 이러한 특징들의 전부 또는 일부가 튜브(10) 내에서 적용에 따라 변화할 수 있다. 예컨대, 도12는 다양한 중간 핀 형상, 높이(HI-1, HI-2, HI-3), 및 피치(PI-1, PI-2)를 구비한 내부 표면 설계를 가지는 전개 튜브(10)의 단면을 도시한다.
도13 내지 도16에 도시된 바와 같이, 중간 핀(26)은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 통합되며 다끼마(Takima) 등에게 허여된 미국 특허 제5,791,405호에 개시된 모든 패턴을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 어떤 패턴으로 배열된 주요 핀(12)과 함께 사용될 수 있다. 예컨대, 도13 내지 도16은 일부 주요 핀(12)이 다른 주요 핀(12)과 비례하는 각으로 배열된 실시예를 도시한다. 도13 및 도14에서, 주요 핀(12)은 교차한다. 유사하게, 도16에서 인접 주요 핀 및 중간 핀이 그에 대해 각을 이루며 배열되는 반면에 주요 핀 및 중간 핀 중의 일부분이 튜브(10)의 길이를 따라서 나열된다. 도15에서, 주요 핀(12)은 교차하지 않지만, 튜브(10)의 내부 표면(20)의 길이를 따라 나열된 채널(50)에 의해 분리된다. 하나 이상의 채널(50)이 튜브(10)의 내부 표면(20)을 따라 제공될 수 있다. 튜브(10) 내로의 채널(50)의 깊이는 적용에 따라서 변화될 수 있다. 또한, 채널(50)의 표면은 매끄러울 수 있지만, 필수적인 것은 아니다. 오히려, 채널의 표면에 요철을 주기 위해 홈, 마루, 및/또는 다른 형상이 제공될 수 있다.
추가적으로, 인접 주요 핀(12)을 연결하는 대신에, 중간 핀(26)은 원뿔형, 피라미드형, 원통형 등과 같은 기하학적 형상이 독립되어 있을 수 있다(도18에 도시됨).
본 기술 분야의 숙련자는 바람직한 열 전달 특성을 얻기 위해 특별한 적용에 내부 표면 튜브 설계를 맞추기 위해 핀 배열, 형상, 높이(HP, HI), 각(θ, α) 및 피치(PP, PI)를 포함하는 주요 핀 및 중간 핀의 내부 표면 튜브 설계 변수를 어떻게 조작하는지 이해할 것이다.
본 발명에 따른 패턴을 가지는 튜브는 본 명세서에서 참조로서 통합되며 콘(Kohn) 등에게 허여된 미국 특허 제5,704,424호에 개시된 것과 같은 본 기술 분야에서 잘 알려진 생산 방법 및 장치를 사용하여 제조될 수 있다. 콘 등에의해 설명된 바와 같이, 전체적으로 금속으로된 평탄 기판이 기판의 상부 및 하부 표면을 부각시키는 롤러 세트 사이를 지나간다. 상기 기판은 그 후 튜브(10)를 형성하기 위해 그 에지부가 맞닿아서 용접될 때까지 순차적인 공정 단계에서 점진적으로 형상화된다. 튜브는 도20 내지 도25에 도시된 것을 포함하는 어떤 형태로도 형성될수 있다. 원형 튜브가 통상적으로 사용되어 왔고 본 발명의 목적에 매우 적합한 반면에, 증진된 열 전달 물성치가 통상적인 원형 튜브보다 도22, 도23 및 도25에 도시된 바와 같이 보다 평탄한 단면 형상을 가지는 튜브(10)를 사용해서 실현되었다. 따라서, 생산의 성형 단계 동안, 그러나 용접 단계 이전에 보다 평탄한 형상을 가지는 튜브(10)를 형성하는 것이 바람직할 것이다. 대안으로써, 튜브(10)는 통상적인 원형으로 형성되고 이어서 튜브(10)의 단면 형상을 평탄화시키기 위해 가압될 수 있다. 해당 기술 분야의 숙련자는 튜브(10)가 본원 명세서에 종속된 도20 내지 25에 도시된 바와 같고, 이에 제한되지 않는 임의의 형상으로 형성될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
튜브(10)(즉, 기판)는 구리 및 구리 합금과 알루미늄 및 알루미늄 합금과 같은 구조적 무결성, 가단성 및 가소성을 포함하는 적합한 물리적 특성을 포함하는 다양한 재료로 제조될 수 있다. 양호한 재료는 탈산 구리이다. 바람직한 튜브 직경에 따라 편평한 기판의 폭이 다양하게 될 것이지만, 표준 3/8" 튜브 외경을 형성하기 위해 대략 3.175cm (1.25인치)의 폭을 갖는 기판이 본 발명용의 일반적인 크기이다.
상기 기판 상에 양호한 패턴을 형성하기 위해, 상기 기판은 (도19에서 볼 수 있듯이) 상부 및 하부 롤러(30, 32)로 구성된 변형 또는 엠보싱 롤러(28)의 제1 세트를 통과한다. 상부 롤러(30)의 패턴은 튜브(10)의 내면에 대한 양호한 제1 및 중간 핀 패턴의 상호 체결식 형태이다. (즉, 상부 롤러의 패턴은 상기 튜브의 엠보싱 패턴과 상호 체결된다.) 마찬가지로, 하부 롤러(32)의 패턴은 (만약 있다면)튜브(10)의 외면의 소정 패턴의 형태와 상호 체결한다. 도19에는 상부 롤러가 본 발명의 상보적으로써 디자인된 중간 핀을 포함하는 패턴을 갖는 한 세트의 롤러(28)를 도시한다.
그러나, 도15에 도시된 실시예에 따른 튜브를 제조하기 위해서는, 하나 이상의 종방향 채널(50)이 롤러의 주연부 주위에 릿지를 갖는 엠보싱 롤러를 갖는 기판의 길이의 적어도 일부를 따라 우선적으로 엠보싱되는 것이 바람직하다는 점을 알아야 한다. 이러한 릿지는 평편 기판에 채널을 형성한다. 상기 롤러에 구비된 복수의 릿지는 기판 상에서 엠보싱된 복수의 채널과 일치한다. 채널 형성 후, 상기 기판은 상기 설명한 것처럼 롤러(28)에 놓여진다. 이러한 방식으로, 상부 롤러(30)의 패턴은 기판의 침하식 채널(50) 상에 엠보싱되지 않는다.
상기 롤러의 패턴은 롤러면의 기계가공 홈으로 구성된다. 이 기술분야의 숙련자들이 명백히 알 수 있듯이, 상기 롤러와 기판 사이의 상호 체결식 형상 관계 때문에, 상기 기판이 롤러를 통과할 때, 롤러의 홈은 기판의 핀을 형성하고 롤러면의 일부는 기판의 홈을 기계식으로 형성하지 않는다. 상기 기판이 사실상 압연되어 용접될 때, 양호한 내부 및 외부 패턴이 튜브에 위치된다.
본 발명에 따라 형성된 튜브의 이점은 상기 튜브의 주요 및 중간 핀 디자인이 롤러 상에 기계 가공될 수 있고, 크로스-컷 디자인과 같은 내부면 튜브 디자인을 생성하는데 종래에 필요로 하는 두 세트의 롤러( 및 일련의 두 개의 엠보싱 단계)와 대립하는 것으로서 단일 롤러를 갖는 기판에 형성된다는 점으로 튜브 성능을 개선한다. 제조 공정으로부터 롤러 세팅 및 엠보싱 단계를 제거하여 튜브의 제조시간 및 비용을 감소시킬 수 있다.
그러나, 단지 하나의 롤러 세트가 본 발명의 주요 및 중간 핀 디자인을 수행하는 데 필요하며, 그 후 및 부가적인 롤러는 기판에 부가적인 디자인 특성을 부과하는 데 사용될 수 있다. 예로써, 제2 세트의 롤러는 핀을 통해 적어도 일부분 그리고 그 이상으로 교차식 컷(38)을 수행하는 데 사용할 수 있어 도17에 도시된 것처럼 크로스-컷 디자인이 될 수 있다.
다른 디자인에서, 주요 및 중간 핀은 챔버의 측벽을 형성한다. 주요 핀의 상부는 전체적이지는 않고 부분적으로 챔버에 인접하거나 측방향으로 확개하도록 예로써 제2 롤러와 함께 가압됨으로써 형성될 수 있다. 또한, 유체가 챔버안으로 유동하게 할 수 있는 작은 개구는 챔버의 상부에 놓인다. 이러한 챔버는 유체의 비등을 융합시키는 것을 강화하여 증발열 전도성을 강화시킨다.
제조 비용을 잠재적으로 감소시키는 것 이외에, 본 발명에 따른 설계를 구비한 튜브들은 또한 종래의 튜브들보다 우수하다. 도26 내지 도29는 내부 표면 튜브 설계내로 중간 핀들을 합체함으로써 획득 가능한 응축 상태에서의 이러한 튜브들의 향상된 성능을 도표로 도시한다. 성능 시험들은 2개의 별도의 냉매(R-407c 및 R-22)들에 대하여 4개의 응축기 튜브들 상에서 수행된다. 다양한 내부 표면 설계를 갖는 다음의 구리 튜브들이 테스트된다.
(1)그 내부 표면을 따라 종방향 축에 소정의 각도로 상호간에 평행한 내부 핀들을 갖춘 공기 조화 및 냉동에서의 증발기 및 응축기 코일들에 대하여 울버린 튜브사에 의해 제조된 이음매가 없거나 용접된 튜브인 "터보-에이(Turbo-A;등록상표)";
(2)증발기 및 응축기 코일들에 대하여 울버린 튜브사에 의해 제조된 크로스-컷 튜브("크로스-컷"이라 지칭함)
(3)본 발명에 따른 중간 핀 설계를 구비하는 튜브("뉴 디자인"이라 지칭함)
(4)본 발명에 따라 설계되어서 주요 및 중간 핀들이 제2 롤러로 크로스-컷되는 중간 핀 설계를 구비하는 튜브("뉴 디자인 X"라 지칭함)
도26 및 도27은 R-22 냉매를 사용하면서 얻은 데이터를 반영한다. 도28 및 도29는 R-407 냉매를 사용하면서 얻어진 데이터를 반영한다. 이러한 그래프들에 의해 표현되는 통상적인 시험 조건들은 다음과 같다.
증발 응축
포화온도35°F(1.67℃) 105°F(40.6℃)
튜브 길이12ft(3.66 m) 12ft(3.66 m)
입구 증기질10% 80%
출구 증기질80% 10%
데이터는 상이한 유동율로 유동하는 냉매에 대하여 얻어졌다. 따라서, 모든 그래프들의 "x" 평면은 질량 플럭스(lb./hr.ft2)로 표시된다. 도26 및 도28은 열 전달 성능을 도시한다. 따라서, 이러한 2개의 그래프들의 "y" 평면은 열 전달 계수(Btu/hr.ft2)로 표시된다. 도27 및 도29는 압력 강하 정보를 도시한다. 따라서,이러한 2개의 그래프들의 "y" 평면은 제곱 인치당 압력(PSI)으로 표시된다.
제오트로픽(zeotropic) 혼합물인 R-407c 냉매에 대한 데이터(도28 및 도29)는 뉴 디자인의 응축 열 전달 성능이 터보-에이(등록 상표)에 대해서 대략 35% 향상되었음을 나타낸다. 또한, 뉴 디자인은 폭넓게 상업적으로 사용되는 튜브들 중 응축 성능에서 앞서가는 선두주자로 현재 간주되는 표준 크로스-컷 설계에 대해 증가된 성능(대략 15%)을 제공한다. 압력 강하 성능면에서, 뉴 디자인은 터보-에이(등록 상표)만큼 양호하게 수행되며, 표준 크로스-컷 설계보다 대략 10% 낮다. 압력 강하는 열 전달 설계에서 매우 중요한 설계 인자이다. 열교환기에서의 현재의 기술에 따르면, 압력 강하에서의 5% 감소는 열 전달 특성에서 10% 만큼 많은 이점을 때때로 제공할 수 있다.
뉴 디자인은 2 상 열 전달에 있어서 흥미로운 현상을 사용한다. 본 발명의 튜브 실시예에서, 유체가 튜브 내부에서 응축하면, 압력 강하는 액체-증기 인터페이스에 의해 주로 조절된다. 열 전달은 액체-고체 인터페이스에 의해 제어된다. 중간 핀은 액체층에 영향을 줌으로써 열 전달을 증가시키지만 압력 강하에는 큰 영향을 주지 않는다. 열 전달과 압력 강하 사이의 관계는 효율 인자에 의해 지배된다.
R-22 냉각제(도26 및 도27)를 사용하여, Turbo-A(등록 상표) 및 크로스컷(Cross-Cut)보다 성능이 나은 뉴 디자인 X(New Design X)는 뉴 디자인이 R-407c 시험에서 했던 것과 동일한 퍼센티지에 근접하도록 열 전달에 대하여 설계된다. 발명자는 유사한 성능이 R-410(a) 또는 R-134(a)와 같은 다른 냉각제 및 다른 유사한 유체를 사용해서는 얻어지지 않는다고 믿을 이유가 없다.
도30 및 도31은 크로스컷 설계의 효율 인자를 뉴 디자인(도30) 및 뉴 디자인 X(도31)의 효율 인자와 비교한다. 효율 인자는 그것이 부가적인 열 전달의 장점 및 부가적인 압력 강하의 결점 모두를 반영하기 때문에 튜브 내부 표면과 연관된 실제 성능의 좋은 척도이다. 일반적으로, 튜브의 효율 인자는 표준 튜브에 걸친 튜브의 압력 강하의 증가량에 의해 나누어진 표준 튜브에 걸친 튜브의 열 전달[이 경우에는 Turbo-A(등록 상표)]의 증가로서 정의된다. 크로스컷에 대하여 도30 및 도31에 그려진 효율 인자는 다음 식에 따라 계산된다.
[크로스컷의 열 전달 / Turbo-A(등록 상표)의 열 전달]
[크로스컷의 압력 강하 / Turbo-A(등록 상표)의 압력 강하]
도30 및 도31에 도시된 뉴 디자인 및 뉴 디자인 X의 효율 인자는 유사하게 계산된다.
도30 및 도31에 도시된 바와 같이, 뉴 디자인 및 뉴 디자인 X의 효율 인자는 모두(하나를 제외하고) "1" 이상이며, 이들 뉴 디자인 모두의 효율이 R-22(도31)응축에서는 40% 만큼, R-407c 응축(도30)에서는 35% 만큼 표준 Turbo-A(등록 상표)보다 더 좋고 효율을 나타낸다. 또한, 뉴 디자인(도30) 및 뉴 디자인 X(도31)에 대하여 도시된 크로스컷(도30 및 도31)의 효율 인자와 비교해서는, 뉴 디자인의 효율이 R-22(도31)응축에서는 20% 만큼, R-407c 응축(도30)에서는 10% 만큼 표준 크로스컷 튜브(등록 상표)보다 더 좋다는 것이 명백하다.
또한, 시험은 도13 및 도15에 도시된 것과 유사한 내부 표면을 갖춘 튜브도Turbo-A(등록 상표)보다 나은 성능을 갖는다는 것을 증명한다. 이러한 실험의 결과는 도13에 따른 내부 표면을 가지는 튜브가 "새로운 설계 2"로 나타내어지고 도15에 따른 내부 표면을 가지는 튜브가 "새로운 설계 3"으로 나타내어지는 도32 및 도33에 도시된다. 도32 및 도33은 전술된 동일한 응축 실험 조건 하에서 R-22 냉매를 사용하여 얻은 데이터를 나타낸다.
도32 및 도33은 열 전달 성능 및 압력 강하를 각각 도시한다. 도32 및 도33에 나타내어진 바와 같은 데이터는 새로운 설계 2 및 새로운 설계 3의 응축 열 전달 성능이 각각 터보-A(등록 상표)에 비해 대략 80% 및 40% 향상되었음을 보여준다. 또한, 새로운 설계 2의 압력 강하가 터보-A(등록 상표)에 비해 증가되는 반면에, 새로운 설계 3은 터보-A(등록 상표)와 유사한 압력 강하를 나타낸다. 이러한 데이터는 터보-A(등록 상표) 튜브를 대신하여 현 시스템에 새로운 설계 3을 합체시킴으로써 현저한 열 전달 이득이 실현될 수 있음을 보여준다. 또한, 패턴이 튜브 상의 일부분[예를 들면, 채널(50)] 상에 형성하는 것을 방지함으로써, 튜브의 단위 길이 당 재료의 양이 감소된다. 이는 소비자에게 있어 현저한 비용 절감을 가져다 준다.
또한, 새로운 설계 2는 재 설계된 시스템에 매우 유용하게 합체될 수도 있다. 이는 공기 조화 설비의 효율을 증가시키려는 최근의 추세에 비추어 특히 중요하다. 새로운 설계 2의 표면을 사용함으로써, 동일한 크기의 설비에서 증가된 성능을 획득하거나 설비의 크기를 감소시킬 수 있다. 따라서, 고가의 재 설계 비용을 감소시키거나 제거하는 것이 가능하다. 또한, 시스템의 크기를 감소시킴으로써, 기부용 금속, 핀용 알루미늄 및 튜브 라인과 같은 다른 부품의 양을 감소시켜서 소비자에게 있어 상당한 비용 절감을 가져다 줄 수 있다.
중간 핀을 가지는 튜브가 가로 절결 및 단일 나선형 리지 설계에 비해 현저한 향상을 나타냄을 알 수 있다. 이러한 새로운 설계는 이 기술 분야의 수준을 향상시킨다. 이 기술 분야의 숙련자에게 있어 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 정신 및 범위 내에서 다양한 변형이 양호한 실시예에 대해 이루어질 수 있음을 알 수 있다.

Claims (34)

  1. 내부 표면과 외부 표면을 포함하는 튜브이며, 상기 내부 표면은 복수개의 주요 핀과, 복수개의 중간 핀과, 인접한 주요 핀에 의해 한정된 복수개의 홈을 포함하며, 복수개의 중간 핀은 복수개의 홈의 적어도 일부의 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는 튜브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 튜브는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  3. 제1항에 있어서, 비금속 재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  4. 제1항에 있어서, 상기 튜브는 원형 단면 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  5. 제1항에 있어서, 상기 튜브의 상기 외부 표면은 매끄러운 것을 특징으로 하는 튜브.
  6. 제1항에 있어서, 상기 튜브의 상기 외부 표면은 등고선 형상을 이루는(contoured) 것을 특징으로 하는 튜브.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 주요 핀의 적어도 일부는 서로 평행하게 배향된 것을 특징으로 하는 튜브.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 주요 핀은 제1 주요 핀 피치를 갖는 제1 인접 주요 핀 세트와, 제2 주요 핀 피치를 갖는 제2 인접 주요 핀 세트를 포함하며, 상기 제1 주요 핀 피치는 상기 제2 주요 핀 피치와 같지 않은 것을 특징으로 하는 튜브.
  9. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 주요 핀의 적어도 일부는 둥근 팁을 갖는 대략 삼각형을 포함한 단면 형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  10. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 주요 핀의 적어도 일부는 대략 직선 단면 형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 주요 핀의 적어도 일부는 보통 만곡된 단면 형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  12. 제1항에 있어서, 종방향 축을 더 포함하며, 상기 복수개의 주요 핀의 적어도 일부는 상기 종방향 축에 대해 소정 각도로 배향된 것을 특징으로 하는 튜브.
  13. 제12항에 있어서, 복수개의 주요 핀의 적어도 일부는 종축에 대해 5°내지 50 °사이의 각도로 배향된 것을 특징으로 하는 튜브.
  14. 제13항에 있어서, 복수개의 주요 핀의 적어도 일부는 종축에 대해 5°내지 30°사이의 각도로 배향된 것을 특징으로 하는 튜브.
  15. 제1항에 있어서, 복수개의 주요 핀의 적어도 일부는 주요 핀의 폭을 가로지르는 절단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  16. 제1항에 있어서, 복수개의 중간 핀의 적어도 일부는 인접한 주요 핀과 접촉하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  17. 제1항에 있어서, 복수개의 중간 핀은 제1 중간 핀 피치를 갖는 제1 인접 중간 핀 세트와, 제2 중간 핀 피치를 갖는 제2 인접 중간 핀 세트를 포함하며, 제1 중간 핀 피치는 제2 중간 핀 피치와 같지 않은 것을 특징으로 하는 튜브.
  18. 제1항에 있어서, 복수개의 중간 핀의 적어도 일부는 주요 핀의 적어도 일부에 대해 소정의 각도로 배향된 것을 특징으로 하는 튜브.
  19. 제18항에 있어서, 복수개의 중간 핀의 적어도 일부는 주요 핀의 적어도 일부에 대해 45°내지 135°사이의 각도로 배향된 것을 특징으로 하는 튜브.
  20. 제1항에 있어서, 복수개의 중간 핀의 적어도 일부는 홈에 위치된 자립형 기하 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  21. 제1항에 있어서, 복수개의 중간 핀의 적어도 일부는 둥근 팁을 갖는 대략 삼각형을 포함하는 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 튜브.
  22. 제1항에 있어서, 복수개의 중간 핀의 적어도 일부는 대략 직선 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 튜브.
  23. 제1항에 있어서, 복수개의 중간 핀의 적어도 일부는 보통 만곡된 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 튜브.
  24. 제1항에 있어서, 복수개의 중간 핀의 적어도 일부는 중간 핀의 폭을 가로지르는 절단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  25. 내부 표면 및 종축을 포함하는 튜브이며, 상기 내부 표면은
    a. 적어도 일부가 서로 평행하게 배향되고 적어도 일부가 종축에 대해 소정각도로 배향된 복수개의 주요 핀과,
    b. 인접 주요 핀에 의해 한정된 복수개의 홈과,
    c. 복수개의 홈의 적어도 일부의 내부에 위치되고 적어도 일부가 주요 핀의 적어도 일부에 대해 소정의 각도로 배향된 복수개의 중간 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  26. 그 내부 표면을 따라 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 튜브 제조 방법이며,
    상기 패턴은 복수개의 주요 핀과, 복수개의 중간 핀과, 인접 주요 핀에 의해 한정된 복수개의 홈을 포함하며, 상기 복수개의 중간 핀은 복수개의 홈의 적어도 일부의 내부에 위치된 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 튜브 제조 방법이며,
    a. 복수개의 주요 핀과, 복수개의 중간 핀과, 인접 주요 핀에 의해 한정된 복수개의 홈을 포함하고 상기 복수개의 중간 핀은 복수개의 홈의 적어도 일부 내부에 위치되는 핀의 패턴을 기판의 표면상에 롤링하도록 핀 형성 롤러 아래에서 기판을 진행시키는 롤링 단계와,
    b. 내부 상에 위치된 패턴을 갖는 원하는 튜브 형상으로 기판을 형성하기 위해 적어도 하나의 형성 롤러를 통해 핀의 패턴이 형성된 기판을 통과시키는 튜브 형성 단계와,
    c. 원하는 튜브 형상으로 기판을 고정하는 기판 고정 단계를 포함하는 것을특징으로 하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 기판 고정 단계는 튜브 형상으로 형성되는 기판의 양측 에지를 가열하고 기판의 양 에지를 접합하는 용접 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제1항에 있어서, 튜브는 대략 타원형 단면 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  30. 제1항에 있어서, 튜브는 호형으로 연결된 2개의 대략 평행한 라인을 포함하는 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 튜브.
  31. 제1항에 있어서, 복수개의 주요 핀은 제1 및 제2 주요 핀 세트를 포함하고, 복수개의 홈은 제1 주요 핀 세트에 의해 한정되는 제1 홈 세트와 제2 주요 핀 세트에 의해 한정되는 제2 홈 세트를 포함하고, 복수개의 중간 핀은 제1 홈 세트의 적어도 일부에 위치되는 제1 중간 핀 세트와 제2 홈 세트의 적어도 일부에 위치되는 제2 중간 핀 세트를 포함하고, 상기 제1 주요 핀 세트는 제2 주요 핀 세트에 대해 소정 각도로 배향된 것을 특징으로 하는 튜브.
  32. 제31항에 있어서, 제1 주요 핀 세트와 제2 주요 핀 세트는 서로 교차하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  33. 제31항에 있어서, 제1 주요 핀 세트와 제2 주요 핀 세트는 튜브의 내부 표면의 길이의 일부를 따라 진행하는 적어도 하나의 채널에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 튜브.
  34. 튜브 제작 방법이며,
    a. 기판의 길이의 적어도 일부를 따라 기판의 표면 상에 적어도 하나의 채널을 형성하도록 채널 형성 롤러 아래에서 소정의 길이를 갖는 기판을 진행시키는 단계와,
    b. 복수개의 주요 핀과, 복수개의 중간 핀과, 인접 주요 핀에 의해 한정되는 복수개의 홈을 포함하고 상기 복수개의 중간 핀은 상기 복수개의 홈의 적어도 일부에 위치되는 핀의 패턴을 기판의 표면 상으로 롤링시키도록 핀 형성 롤러 아래에서 적어도 하나의 채널을 갖는 기판을 진행시키는 단계와,
    c. 적어도 하나의 채널 및 내부에 위치된 패턴을 갖는 원하는 튜브 형상으로 기판을 형성하도록 적어도 하나의 튜브 형성 롤러를 통해 적어도 하나의 채널 및 핀의 패턴이 형성된 기판을 통과시키는 단계와,
    d. 원하는 튜브 형상으로 기판을 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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