KR200359858Y1 - 열 교환기 - Google Patents

Abstract

이 고안은, 열교환기에 채용되는 튜브의 외부 표면을 매끄럽게 가공하면서도 핀의 높이를 튜브의 외경보다 높게 돌출시키는 한편 필요한 경우 내부 표면상에도 별도의 리지를 형성시켜 전체적으로 튜브의 전열 표면적을 최대화하여 열 전달 효율을 높게 하는 열 교환기의 제공을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 이 고안은, 피닝기의 피닝 디스크 및 플러그 사이에 튜브를 위치시킨 상태에서, 상기 피닝 디스크 및 플러그의 상호 압박 작용에 의해 튜브 외부 표면으로부터 연장되게 형성된 하나 이상의 핀을 갖는 전조형 핀 튜브를 브라켓 사이에 배치시켜 구성된 열 교환기에 있어서, 상기 피닝 디스크의 단부를 경사지게 가공 처리하여, 상기 튜브 외부 표면으로부터 연장되는 상기 핀의 높이를 상기 튜브의 외경보다 높게 돌출 형성시킨 것을 특징으로 하는 열 교환기를 제공한다.

상기와 같이 이루어지는 이 고안의 열 교환기에 의하면, 플러그와 외부 피닝 디스크 사이에서 상호 압박 작용을 받는 튜브를 전조 가공하여 튜브의 외부 표면상에서 연장되는 튜브의 외경보다 높은 핀을 매끄럽게 형성하고 플러그의 외부 형상에 변경을 가하면서 내부 표면상에도 나선형의 리지를 형성하는 경우에 전열 표면적을 최대로 확보하여 브라켓에 부착시켜 구성함으로써 냉장고나 자동차 등에서 높은 열 전달 효율을 갖는 핀 튜브를 채용한 열 교환기를 정밀하고도 대량으로 생산할 수 있는 효과가 있다.

Description

열 교환기{The heat exchanger}

이 고안은 외부 표면상에 형성된 하나 이상의 핀(fin)을 전조 가공한 핀 튜브를 채용한 열 교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 튜브의 외부 표면과 필요한 경우 내부 표면도 매끄럽게 가공하면서 전열 표면적이 최대로 되게 하여 냉장고나 자동차 등에 적용할 수 있는 전조형 핀 튜브를 채용한 열 교환기에 관한 것이다.

일반적으로 튜브를 통해 유동하는 유체와 튜브의 외부 주위로 유동하는 유체 사이에 열이 전달되면서 열의 교환이 이루어지도록 하는 열 교환 현상은, 공간가열, 공기조화, 동력발생, 폐열 회수 화학공정 등 많은 공업 분야에서 다양하게 활용되어지고 있다.

이러한 열 교환을 수행하는 열 교환기에 사용되어지는 튜브는, 그 소재 비용에 의해 철재, 알루미늄재가 많이 사용되지만, 용도에 따라서는 내구성 향상을 위해 스텐리스 스틸이나 고효율을 얻기 위하여 열 전도율이 높은 동 등이 사용될 수 있다.

그리고, 이러한 튜브는 그 내부에서 순환되는 고온 또는 저온의 순환 물질(액체 또는 기체임)과 외부의 공기간 온도차에 해당하는 열량만큼을 외부 공기에서흡수 또는 방출하도록 하는 것으로, 이때 내부 또는 외부의 경계를 이루는 튜브의 열 전도율에 따라서도 많은 효율상의 차이를 가지지만, 효율 향상의 결정적인 요인은 튜브와 대기간의 접촉 면적인 튜브의 전열 표면적에 있다.

이로부터 튜브의 열 전달 성능을 개선하기 위한 여러 가지 공지되어 있는 방법 중의 하나로서, 튜브의 열 전달 면적을 증가시키는 방법이 널리 채용되고 있다.

즉, 튜브의 열 전달 면적을 증가시키기 위해 열 교환기에 사용되어지는 튜브의 표면에 부착 또는 형성되는 핀은, 튜브의 전열 표면적을 늘려 열 전달을 향상시키는 역할을 하도록 튜브의 표면에 가공 또는 용접을 통해 형성 또는 부착하게 된다.

이러한 열 교환기에 사용되어지는 튜브의 핀 형성에 관련된 하나의 방법으로서, 튜브가 회전되면서 튜브의 내부 표면에 플러그를 외부 표면에 피닝 디스크를 위치시키고 그 사이에서 튜브를 압박하면, 압박을 받으면서 튜브의 외부 표면을 형성하는 금속, 예를 들면 동과 같은 전성이 뛰어난 금속이 피닝 디스크 사이의 홈 내로 유동되며 튜브 외부 표면상에서 연장되면서 일체로 핀을 형성하게 하는 기술이 개발되어 있다.

그런데, 상기와 같은 열 교환기에 사용되어지는 튜브의 경우에는, 상기 피닝 디스크의 단부가 가공 없이 그대로 사각 형상을 유지하고 있어, 튜브에 일정 압력으로 가해지는 경우에도 튜브 외부 표면의 금속이 다수의 피닝 디스크 단부 사이에서 형성되는 홈 내부로 충분하게 밀려들어가기 어렵게 된다.

이로부터 상기 핀의 높이를 튜브의 외경 높이보다 높게 형성되지 않기 때문에 열 교환 효율이 어느 정도는 이루어지나 전열 표면적의 제한으로 그 이상은 향상되지 않게 되는 문제점이 있었다.

한편, 이러한 열 교환기에 사용되어지는 튜브의 핀 형성에 관련된 다른 방법으로서, 금속재인 소정 규격의 파이프 형상 튜브의 외부 표면상에 소정 간격의 나선상으로 핀을 융착하여 이루어지는 핀 튜브에 있어서, 상기 핀이 두께 0.2㎜~2㎜ 높이 15㎜ 이하인 띠상 소재로 되어 소정의 가압 수단에 의하여 회전 수단으로 회전하는 상기 튜브의 외주에 순차로 3~5㎏/㎠로 압압되면서, 400~600㎑로 가동되는 고주파 용접기의 컨턱터가 상기 튜브의 외부 표면상인 용접 위치와 핀의 접착 부위간에 융착되고 있는 용접점으로부터 3~12㎜ 이격된 위치인 튜브의 외부 표면상 및 핀에 각각 밀착되도록 통전하는 기술이 개발되어 있다.

그런데, 상기와 같은 튜브가 사용되어지는 열 교환기의 경우에는, 튜브와 핀을 별도로 제작한 후에 핀을 튜브의 외부 표면상에 나선 형상으로 감아 용접으로 결합하였기 때문에 튜브를 제작하는 공정과, 핀을 제작하는 공정과, 핀과 튜브를 용접 결합하는 공정의 3단계로 진행되므로 제조 공정이 복잡해지는 문제점이 있었다.

이로부터, 종래 열 교환기의 외관과 종단면을 도시한 도 1a 및 도 1b 에 도시되어 있는 바와 같이, 등록실용신안 제0228935호(열 교환기)에서는 적정 간격 이격되게 배치되고, 수 개의 삽입공(12,22)이 구비되며, 제품의 적정 부위에 설치되는 한 쌍의 지지 브라켓트(10)(20)와, 지그재그 방향으로 다수 회 절곡 형성되어 상기 지지 브라켓트(10)(20)의 삽입공(12,22)에 삽입되어 지지되도록 하는절곡부(33)를 구비하여 상기 지지 브라켓트(10)(20) 사이에 배치되어 열 매체를 이송시키는 튜브(30)를 포함하여 구성된 열 교환기에 있어서, 상기 튜브(30)의 외부 표면상에는 상기 튜브(30)의 일부를 경사지게 절삭한 후 세워 상기 튜브(30)의 외경보다 더 크게 일체로 돌출되게 형성된 핀(32)을 갖게 하여, 공기와 접촉하는 전열 표면적을 보다 많이 확보하여 열 교환 효율을 향상시킴과 아울러 제조 공정을 단축하여 생산성 향상을 도모하는 기술이 제안되어 있다.

그런데, 상기와 같은 열 교환기에 채용된 튜브(30)의 경우에는, 상기 튜브(30)의 일부를 경사지게 절삭한 후 세워 상기 튜브(30)의 외경보다 더 크게 일체로 돌출되게 형성된 핀(32)을 갖게 하여 공기와 접촉하는 전열 표면적을 종래의 튜브의 외부 표면상에서 연장되어 일체로 형성시키는 경우에 비해서는 많이 확보하고,또한, 상기 튜브(30)의 외부 표면을 얇고 경사지게 절삭하므로 각각 별개의 핀(32)을 튜브(30) 외부 표면상에 부착시키는 경우에 비해서는 제조 공정이 단축되지만, 이러한 절삭 가공에 의해 형성된 튜브(30)의 핀(32)은 외부 표면이 거칠고 슬러지가 발생하기 쉬워 유체의 흐름이 원활하지 않게 되어 열 전달 효율이 의도한 것만큼 얻어지지 않게 되는 문제점이 있게된다.

이로부터, 이 고안은 위의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 열교환기에 채용되는 튜브의 외부 표면을 매끄럽게 가공하면서도 핀의 높이를 튜브의 외경보다 높게 돌출시키는 한편 필요한 경우 내부 표면상에도 별도의 리지를 형성시켜 전체적으로 튜브의 전열 표면적을 최대화하여 열 전달 효율을 높게 하는 열 교환기의 제공을 그 목적으로 한다.

도 1a 및 도 1b 는 종래 열 교환기의 외관과 종단면을 도시한 것이고,

도 2 는 이 고안의 실시 예에 따른 열 교환기에 채용되는 전조형 핀 튜브의 일부가 잘려진 상태의 사시도이고,

도 3 은 이 고안의 실시 예에 따른 열 교환기에 채용되는 전조형 핀 튜브가 제조되는 과정을 도시한 것이고,

도 4 는 도 3 의 제조 과정에서 피닝 디스크의 단부 일부분을 확대하여 도시한 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 이 고안의 실시 예에 따른 열 교환기에 채용되는 전조형 핀 튜브

110 : 튜브

120 : 핀

130 : 내부 리지

200 : 피닝기

210 : 피닝 디스크

300 : 플러그

상기의 목적을 달성하기 위해 이 고안은, 피닝기의 피닝 디스크 및 플러그 사이에 튜브를 위치시킨 상태에서, 상기 피닝 디스크 및 플러그의 상호 압박 작용에 의해 튜브 외부 표면으로부터 연장되게 형성된 하나 이상의 핀을 갖는 전조형 핀 튜브를 브라켓 사이에 배치시켜 구성된 열 교환기에 있어서, 상기 피닝 디스크의 단부를 경사지게 가공 처리하여, 상기 튜브 외부 표면으로부터 연장되는 상기 핀의 높이를 상기 튜브의 외경보다 높게 돌출 형성시킨 것을 특징으로 하는 열 교환기를 제공한다.

이러한 피닝 디스크의 단부가 내부로 가면서 두꺼워지게 경사지는 형상에 의해, 상기 피닝 디스크 및 플러그의 상호 압박 작용에 의해 튜브의 외부 둘레에 대해 소정 간격으로 형성되는 핀의 높이를 튜브의 외경보다 더 높게 돌출시키고, 내부에도 리지를 형성하여 종래의 핀형 튜브에 비해 튜브의 내부 및 외부 표면적을 증가시킴으로써 이러한 핀 튜브를 채용한 열 교환기의 열 전달 효율을 크게 할 수 있게된다.

이하에서는, 이 고안의 바람직한 실시 예를 첨부하는 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2 는 이 고안의 실시 예에 따른 열 교환기에 채용된 전조형 핀 튜브의 일부가 잘려진 상태의 사시도이고, 도 3 은 이 고안의 실시 예에 따른 열 교환기에 채용된 전조형 핀 튜브가 제조되는 과정을 도시한 것이고, 도 4 는 도 3 의 제조 과정에서 피닝 디스크의 단부 일부분을 확대하여 도시한 것이다.

일반적으로 전조(form rolling)란, 재료를 금속판 사이에 삽입하고 상대적으로 회전시키는 성형법으로서 나사 또는 톱니바퀴의 성형 등이 이루어지는데, 이러한 전조가공은 절삭가공에 비해 가공 시간이 매우 짧고, 금속의 흐름에 단절이 없어 강도가 우수하여 강한 제품을 만들 수 있는 이점이 있어 이 고안의 실시 예에서는 전조 가공한 핀 튜브를 채용한 열 교환기를 제공한다.

도시된 바와 같이, 이 고안의 실시 예에 따른 열 교환기에 채용되는 전조형 핀 튜브(100)는, 전성이 좋은 동 재질 또는 열 전달 성능이 우수하면서 저가인 철 재질 또는 알루미늄 재질로서 냉매 또는 물 등의 열 매체를 이송시킬 수 있는 튜브(110)와, 이러한 튜브(110)의 외부 둘레에 소정 간격으로 형성된 핀(120)으로 이루어지는데, 이러한 핀(120)의 높이는 상기 튜브(110)의 외경보다 크게 형성시켜 상기 튜브(110)의 외부 표면적을 증가시킨다.

그리고, 상기 튜브(110)의 내부 표면에는 플러그의 외부 표면을 변경시켜 임의의 종류의 패턴 자국을 형성하여 리지(130)를 형성할 수 있는데, 이 경우 상기 튜브(110)의 내부 표면적이 증가되며 상기 튜브(110)의 증가된 전체 표면적에 의해 열 전달 효율도 크게 증가시킬 수 있게된다. 물론 상기 플러그의 외부 표면에 임의의 종류의 패턴 자국을 형성하지 않아도 무관하며 상기 외부 표면상에 형성된 임의의 종류의 패턴 자국은 필요에 따라 선택 가능하다.

이 고안의 실시 예에 따른 열 교환기에 채용되는 전조형 핀 튜브(100)를 채용하여 열을 전달하는 열 교환기는, 도 1a 및 도 1b 에 도시되어 있는 바와 같이, 소정 간격으로 이격되게 배치되는 것으로 한 쌍이 구비되는 지지 브라켓(도면으로 도시하지 않음)의 적정 부위에 상기 전조형 핀 튜브(100)를 설치하는 것에 의해 구성될 수 있다.

상기와 같이, 튜브(110)의 외경보다 핀(120)을 더 크게 튜브(110)와 일체로 돌출되게 전조가공을 통해 형성함으로써, 종래 기술의 문제점으로 지적되고 있는 열 교환 성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 핀(120)을 튜브(110)의 외부 표면상에 일체로 형성하였기 때문에 종래 기술의 문제점으로 지적되고 있는 제조 공정을 단순화시킬 수 있게 된다.

더욱이 종래 기술의 절삭 가공에 의해 튜브(30)상에 형성된 핀(32)의 외표면이 거칠고 슬러지가 발생하기 쉬워 유체의 흐름이 원활하지 않게 되는 문제점이 발생하는 것을 해결하는 과정을 도 3 및 도 4 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

이 고안의 실시 예에 따른 열 교환기에 채용되는 전조형 핀 튜브(100)의 상기 핀(120)은 튜브(110)의 외부 표면으로부터 연장 형성되도록 피닝기(200)와 플러그(300)로 이루어지는 전조가공 공정에 의해 제조될 수 있는데, 도 3 에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 피닝기(200)의 다수 개의 피닝 디스크(210) 및 플러그(300) 사이에는 예를 들면 동과 같은 전성이 있는 금속으로 제조된 튜브(110)를 위치시킨다.

이러한 상태에서, 상기 피닝 디스크(210) 및 플러그(300)의 상호 압박 작용에 의해 튜브(110)의 외부 표면으로부터 연장되게 하나 이상의 핀(120)이 매끄럽게 형성된다.

이 경우 상기 플러그(300)는, 도 2 및 도 3 에 도시되어 있는 바와 같이, 통과되는 상기 튜브(110)의 내부 표면 내로 임의의 종류의 패턴 자국, 예를 들면 하나 이상의 나선형 리지(130)를 형성시킬 수도 있고, 어떠한 패턴 자국의 형성도 하지 않을 수도 있다.

그러한 핀(120)과 필요에 따라 선택되어지는 임의의 패턴인 나선형 리지(130)에 의해 상기 튜브(110)를 통한 원활한 유체 유동과 상기 튜브(110) 사이의 열 전달 효율이 좋아지게 된다.

여기서 상기 피닝 디스크(210)는, 도 4 에서 도시하고 있는 바와 같이, 단부를 경사지게 가공 처리하여 상기 튜브(110) 외부 표면으로부터 연장되는 상기 핀(120)의 높이를 상기 튜브(110)의 외경보다 높게 돌출 형성시킨다.

즉, 상기 피닝 디스크(210)의 단부는, 종래 가공되지 않아 단부가 사각 형상을 이루는 것과 달리 내부로 가면서 두꺼워지게 경사지는 형상을 취함으로써, 상기 피닝 디스크 및 플러그의 상호 압박 작용에 의해 상기 튜브(110)가 회전되면서 플러그(300)과 피닝 디스크(210) 사이에서 압박을 받으면서, 금속이 피닝 디스크(210) 사이의 홈 내로 쉽게 유동되게 하여 상기 튜브(110)의 외부 표면상에 상기 튜브(110)의 외경보다 큰 핀(120)을 형성시킬 수 있게 되는 것이다.

이로부터 상기 튜브(110)는 플러그(300)와 피닝 디스크(210) 사이로 (도 3 에서 볼 때 좌에서 우로) 진행되어 다수의 핀(120)이 튜브(110) 외부 표면상에 매끄럽게 형성되면서 유체의 흐름이 원활해져 열 전달 효율이 좋아지게 되고, 이를 냉장고나 자동차 등에 다양하게 적용할 수 있다.

이 고안은 상기의 실시 예에 한정되지 않으며, 실용신안등록청구범위에 기재되는 고안의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하고, 이러한 변형도 이 고안의 범위 내에 포함된다.

이상에서 상세하게 설명한 바와 같이, 이 고안의 열 교환기에 의하면, 내부 플러그와 외부 피닝 디스크 사이에서 상호 압박 작용을 받는 튜브를 전조 가공하여 튜브의 외부 표면상에서 연장되는 튜브의 외경보다 높은 핀을 매끄럽게 형성하고 플러그의 외부 형상에 변경을 가하면서 내부 표면상에도 나선형의 리지를 형성하는 경우에 전열 표면적을 최대로 확보하여 브라켓에 부착시켜 구성함으로써 냉장고나 자동차 등에서 높은 열 전달 효율을 갖는 핀 튜브를 채용한 열 교환기를 정밀하고도 대량으로 생산할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 피닝기의 피닝 디스크 및 플러그 사이에 튜브를 위치시킨 상태에서, 상기 피닝 디스크 및 플러그의 상호 압박 작용에 의해 튜브 외부 표면으로부터 연장되게 형성된 하나 이상의 핀을 갖는 전조형 핀 튜브를 브라켓 사이에 배치시켜 구성된 열 교환기에 있어서,

   상기 피닝 디스크의 단부를 경사지게 가공 처리하여, 상기 튜브 외부 표면으로부터 연장되는 상기 핀의 높이를 상기 튜브의 외경보다 높게 돌출 형성시킨 것을 특징으로 하는 열 교환기.