KR20040101283A - 가역적인 열교환기용 홈 형성 관 - Google Patents

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KR20040101283A
KR20040101283A KR10-2004-7014125A KR20047014125A KR20040101283A KR 20040101283 A KR20040101283 A KR 20040101283A KR 20047014125 A KR20047014125 A KR 20047014125A KR 20040101283 A KR20040101283 A KR 20040101283A
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Abstract

본 발명은 외경 De을 갖는 홈 형성 금속관(1)에 관한 것이다. 본 발명의 상기 관은 꼭지각 α, 높이 H, 베이스의 폭 LN및 헬리컬 각도 β를 지닌 N개의 헬리컬 리브(2)에 의해 내부에 홈이 형성되어 있으며, 상기 연속 리브들이 LR+LN과 일치하는 피치 P를 가지면서 폭 LR의 평탄한 바닥의 홈(3)에 의해 분리되어 있다. 상기 관은, a) 상기 외경(De)은 4 내지 20mm 이고, b) 상기 리브의 개수는 46개 내지 98개이며, c) 상기 리브 높이(H)는 0.18mm 내지 0.40mm 이고, d) 상기 꼭지각(α)은 15°내지 30°이고, e) 상기 헬리컬 각도(β)는 18°내지 35°인 것을 특징으로 한다. 상기 관은 증발 및 응축 양자에서의 높은 열전달 계수와, 낮은 압력 손실 및 가능한 가장 가벼운 관을 얻기 위해 사용될 수 있다.

Description

가역적인 열교환기용 홈 형성 관{SLOTTED TUBE WITH REVERSIBLE USAGE FOR HEAT EXCHANGERS}
열교환기에 사용되는 홈 형성 관(grooved tube)의 기하학적 모양에 관한 수많은 문헌들이 발표되어 있다.
예컨대, 이하의 특징들을 갖는 삼각형 또는 사다리꼴형 홈 형성 관을 개시하는 특허 출원 EP-A2-0 148 609호를 하나의 예로 들 수 있다.
- 0.02 내지 0.03의 H/Di 비, 여기서 H는 홈의 깊이[또는 리브(rib)의 높이], Di는 홈 형성 관의 내경이고,
- 7 내지 30°의 관 축을 기준으로 하는 헬리컬 각도 β이고,
- 0.15 내지 0.40의 S/H 비, 여기서 S는 홈의 단면을 지칭하고,
- 30 내지 60°의 리브의 꼭지각 α,
이러한 관의 특징들은 상전이(phase transition) 유체에 적합하며, 관의 성능은 유체가 증발할 때 또는 유체가 응축할 때 명확하게 분석된다.
일본 특허 출원 제57-580088호에는 H가 0.02 내지 0.2mm 이고, 각도 β가 4 내지 15°인 V형 홈 형성 관이 개시되어 있다.
이와 유사한 관들이 일본 특허 출원 제57-58094호에 개시되어 있다.
일본 특허 출원 제52-38663호에는 H가 0.02 내지 0.2mm 이며, 피치 P가 0.1 내지 0.5mm 이고, 그리고 각도 β가 4 내지 15°인 V형 또는 U형 홈 형성 관이 개시되어 있다.
미국 특허 제4,044,797호에는 전술한 관과 유사한 V형 또는 U형 홈 형성 관이 개시되어 있다.
일본 특허 제55-180186호에는 H가 0.15 내지 0.25mm 이며, 피치 P가 0.56mm 이고, 꼭지각 α가 통상 73°(이 특허에서는 각도를 θ로 표기함)이며, 각도 β가 30°이고, 그리고 평균 두께가 0.44mm 인 사다리꼴형 홈과 삼각형 리브를 지닌 관이 개시되어 있다.
미국 특허 제4,545,428호 및 제4,480,684호에는 H가 0.1 내지 0.6mm 이며, 피치 P가 0.2 내지 0.6mm 이고, 꼭지각 α가 50 내지 100°이며, 그리고 헬리컬 각도 β가 16 내지 35°인 V형 홈 및 삼각형의 리브를 지닌 관이 개시되어 있다.
일본 특허 제62-25959호에는 홈 깊이 H가 0.2 내지 0.5mm 이며, 피치 P가 0.3 내지 1.5mm 이고, 평균 홈의 폭이 적어도 평균 리브 폭과 동일한 사다리꼴형 홈과 리브를 지닌 관이 개시되어 있다. 일례로, 상기 피치 P는 0.70이고 헬리컬 각도 β는 10°이다.
마지막으로, 본 출원인 명의의 유럽 특허 EP-B1-701 680호에는 교환기 내에서 관과 조립체의 틀이 잡히게 한 후 향상된 성능을 얻기 위해 통상적으로 평탄한 바닥의 홈과, 상이한 높이(H), 5 내지 50°의 헬리컬 각도(β), 30 내지 60°의 꼭지각(α)을 지닌 리브로 구성되는 홈 형성 관이 개시되어 있다.
일반적으로, 관을 정의하는 수단(H, P, α, β, 홈 및 리브의 형상 등)을 조합하여 선택함으로써 초래되는 관의 기술적인 성능, 그리고 경제적인 성능은 이하의 사항과 관련한 네 가지의 요건을 충족시켜야 한다.
- 첫째, 열전달(열교환 계수)과 관련되는 특징, 즉 홈 형성 관은 홈이 형성되어 있지 않은 관보다 매우 우수하기 때문에, 동일한 열교환에서 홈 형성 관의 길이가 홈이 형성되어 있지 않는 관의 길이보다 짧게 된다는 특징.
- 둘째, 압력 손실과 관련되는 특징, 즉 낮은 압력 손실은 낮은 동력, 작은 사이즈 및 저비용의 펌프 또는 압축기를 사용할 수 있게 하는 특징.
- 셋째, 통상적으로 사용된 합금의 형태, 또는 단위 길이당 관의 중량을 결정하고 나아가 비용에 영향을 미치는 관의 평균 두께에 관련된 기계적 특성과 관련되는 특징.
- 넷째, 제작자로 하여금 관의 비용을 결정하는 데 주요한 역할을 하는 관의 산업적 실행 가능성 및 생산성.
종래 기술로부터 초래되는 첫 번째 문제점은, 홈 형성 관의 일반적인 목적이 열교환 및 압력 손실의 감소를 최적화시키는 것이라고 가정하면, 이를 달성하기 위해 많은 수의, 매우 광범위한 기술 사상이 존재한다는 것이다.
두 번째 문제점은, 전술한 각각의 기술 사상이 주로 광범위한 가능성(possibility)을 제공하며, 변수가 상대적으로 광범위한 수치에 의해 대체적으로 정의된다는 것이다.
끝으로, 전술한 기술 사상들은 상술하자면 통상 냉동 회로에서 증발되거나 응축되는 냉각제와의 열교환과 관련된 것이며, 그 냉각제는 상이한 증발 및 응축 거동을 갖는다는 점. 현재까지, 전술한 기술 사상들은 응축 또는 증발 중 어느 한 경우에 동작하는 교환기용 홈 형성 관에 관한 것이다.
결정적으로는, 당업자는 전술한 광범위하고 가끔 모순되는 데이터로부터 종래 기술의 본질을 이끌어내는 데 있어서 이전부터 상당한 어려움을 겪어 왔다.
그러나, 당업자는, 도 1에 도시한 바와 같은 삼각형의 리브를 구비하며 통상적으로 시판 중인 관이 보통 다음과 같은 특징을 갖는 것으로 알고 있다. 즉, 외경 De = 12mm, 리브의 높이 H = 0.25mm, 관의 벽두께 Tf = 0.35mm, 리브의 수 N = 65, 헬리컬 각도 β= 15°, 꼭지각 α=55°.
본 발명은 열교환기 관의 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면 증발/응축 모드 및 가역 모드(reversible mode)로 작동하는 열교환기의 분야에 관한 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 관을 규정하기 사용된 상이한 변수들의 의미를 나타내는 도면이다.
도 1a는 헬리컬 각도(β)를 보여주기 위해 관의 축을 따라 부분 절단하여 도시한 홈 형성 관(1)의 일부를 나타내는 부분 단면도이다.
도 1b는 높이 H의 연속된 리브(2)를 포함하는 관의 케이스를 도시하기 위해 관의 축에 수직하게 부분 절단하여 도시한 홈 형성 관(1)의 부분 단면도이며, 상기 리브는 폭 LR을 갖는 대략 사다리꼴 형상의 홈(3)에 의해 분리되며 베이스의 폭 LN과 꼭지각 α를 갖는 대략 삼각형 형상이며, 여기서 LR은 2개의 리브의 홈 사이의 거리를 의미한다. 상기 관은 두께 Tf, 외경 De, 내경 Di, 그리고 LR+LN과 일치하는 피치 P를 갖는다.
도 2a 내지 도 2c는 직경(De)이 8mm이고, 두께(Tf)가 0.26mm 인 관의 부분 단면을 도시하고 있으며, 여기서 리브는, 예컨대 본 발명의 일 실시예에 따라 각각 상이한 크기로, 높이 H1, 높이 H2＜H1를 갖는 사다리꼴 모양의 변형된 형태로 형성되어 있다.
도 2a에는 "200㎛"의 크기의 홈(3)에 의해 분리되어 있는 3개의 완전한 리브(2)와 2개의 부분적인 리브가 도시되어 있으며,
도 2b에는 "100㎛"의 크기의 2개의 완전한 리브가 도시되어 있고,
도 2c에는 "50㎛"의 크기의 1개의 완전한 리브가 도시되어 있다.
도 3은 본 발명에 따라 9.52mm의 직경(De)과 0.30mm의 두께(Tf)를 갖는 관의 부분적인 단면을 도시하고 있다.
도 4의 곡선들은 유체 R22에 의한 30℃에서의 응축 시에, X축 상의 유체 유량(G)(단위 kg/m2ㆍs)에 대한 Y축 상의 교환 계수(Hi)(단위 W/m2ㆍK)의 함수 관계를 나타내고 있다.
도 5의 곡선들은 유체 R22에 의한 0℃에서의 증발 시에, X축 상의 유체 유량(G)(단위 kg/m2ㆍs)에 대한 Y축 상의 교환 계수(Hi)(단위 W/m2ㆍK)의 함수 관계를 나타내고 있다.
이러한 곡선들은 본 발명에 따른 관(도 3에 E로 언급함)과, 종래 기술에 따른 관("A", "C", "D" 및 "S"로 언급함)에 대응하는 것이며, 상기 모든 관들은 9.52mm의 동일한 외경(De)을 가진다. 이하의 실시예들을 참조할 수 있다.
도 6 및 도 7은 핀들 사이에 순환하는 전면 공기 속도(단위 m/s)를 X축으로 하고 관 및 핀을 배터리의 와트(Watt)로 측정한 냉동 교환 능력을 Y축으로 하는 함수 관계를 나타내고 있다.
이러한 곡선들은 본 발명에 따른 관(도 2a 내지 도 2c에서 E로 언급함)과, 종래 기술에 따른 관("A", "B" 및 "S"로 언급함)에 대응하는 것이며, 상기 모든 관들은 8.00mm 의 동일한 외경(De)을 가진다. 이하의 실시예들을 참조할 수 있다.
도 8에 도시된 배터리(4)는 De=9.52의 관(1)으로 형성되어 있고, 단위 인치 당 12개의 핀(5) 밀도를 가지면서 400mm ×400mm ×65mm의 치수를 갖는 유닛을 형성하며, 배터리(4)는 3열로 16개의 홈 형성 관(1)을 포함하며, 냉각제는 R22이다.
도 6은 23.5℃의 공기 유입 온도와 36℃의 냉각제(R22) 응축 온도를 갖는 상태에서 전술한 바와 같이 동일한 배터리에서의 응축 측정치를 나타낸 그래프이다.
도 7은 26.5℃의 공기 유입 온도와 6℃의 냉각제(R22) 증발 온도를 갖는 상태에서 전술한 바와 같이 동일한 배터리에서의 증발 측정치를 나타낸 그래프이다.
도 8은 시험을 위해 사용된 핀(5)을 갖는 관(1)의 배터리(4)의 개략적인 사시도이다.
도 9는 평활한 관(S)과, 본 발명에 따른 관(E)과, 종래 기술에 따른 관(A, B) 등의 상이한 관들을 시험하기 위하여 카발리니 인자(Cavallini factor)를 X축으로 하고, 1.25m/s의 기준 공기 속도에서 도 7의 배터리의 증발 냉동 능력에서의 이득(gain)을 Y축으로 하는 함수 관계를 도식적으로 나타낸 그래프이다.
도 10은 냉각제 R407C의 증기의 중량 퍼센트를 X축으로 하고, 상기 냉각제를 이용한 증발 시에 관들에 작용하는 교환 계수(Hi)(단위 W/m2·K)를 Y축으로 하는 함수 관계를 나타낸 그래프이며, 증발 온도는 5℃이다. 상기 측정은 9.52mm와 동일한 직경(De)의 관에서 도면에 도시된 바와 같은 냉각제 R407C의 열 유량(kW/m2)과 100 또는 200 kg/m2의 질량 유량으로 행하였다.
도 11은 이하에 개략적으로 설명되어 있는 축방향의 반대의 홈(30)이 설치되어 있는 본 발명에 따른 홈 형성 관의 내면의 일부의 도면이다.
시장 수요를 충족시키기 위해, 본 발명의 목적은 가역적인 용례를 갖는 교환기용 관, 즉 증발 및 응축 모두에 있어서, 즉 예컨대 공기 또는 제2 유체를 가열하는 가열 수단에서의 가열과 예컨대 공기 조화 유닛에서의 냉각 중 어느 하나를 위하여 상전이(phase transition) 냉각제와 함께 사용될 수 있는 관 또는 교환기를 제공하는 데 있다.
보다 구체적으로 말하면, 본 발명은 냉각제 증발 모드와 응축 모드에서의 열적 성능 사이에서 우수한 절충점을 제공할 뿐만 아니라 추가적으로 증발과 응축 양자의 관점에서 본질적으로 높은 성능을 나타내는 관에 관한 것이다.
따라서, 본원 출원인은, 단위 미터당 상대적으로 작은 중량을 갖고 증발과 응축 양자의 관점에서 높은 열교환 성능을 갖는 경제적인 관 및 교환기를 발명하였다.
본 발명에 따르면, 증발 혹은 응축 모드로, 또는 가역 모드로 동작하는 열교환기의 제작을 위해 통상적으로 사용되며, 홈의 바닥에서의 두께가 Tf이고, 외경이 De이며 상전이 냉각제를 이용하는 홈 형성 금속관으로서, 상기 관에는 꼭지각 α, 높이 H, 베이스 폭 LN및 헬리컬 각도 β를 갖는 N개의 헬리컬 리브에 의해 내부에 홈이 형성되어 있으며, 2개의 연속된 리브들이 LR+LN과 동등한 피치 P를 가지면서 폭 LR의 통상적으로 평탄한 바닥 홈에 의해 분리되어 있으며,
증발 또는 응축을 위한 특정의 관과 관련하여 추가의 비용을 유발하지 않으면서 증발 및 응축 양자에서의 열전달 계수가 높고, 압력 손실이 작은 동시에 가능한 한 경량인 관을 얻기 위하여,
a) 상기 외경(De)은 4 내지 20mm 이고,
b) 상기 리브의 개수(N)는 특히 상기 외경(De)의 함수로서 46 내지 98개이며,
c) 상기 리브 높이(H)는 특히 상기 외경(De)의 함수로서 0.18mm 내지 0.40mm이며,
d) 상기 꼭지각(α)은 15°내지 30°이고,
e) 상기 헬리컬 각도(β)는 18°내지 35°인 것을 특징으로 한다.
이하의 연구에 따라, 본원 출원인은 전술한 모든 특징들과 수단의 조합에 의해 전술한 문제점을 해소하는 데 성공하였다.
상기 a)에서 정의한 특징은 본 발명에 따른 관의 응용 대상과 관련한 분야에서 관의 외경(De)의 범위를 한정한다.
홈의 개수(N)와, 이에 따라 대응 피치(P)와 관련 있는 상기 b)에서 정의한 특징은 상기 개수가 비교적 많아야 하는 것으로 상술하고 있다. 핀 형성 배터리(finned battery)를 이용한 본 출원인의 시험에 의하면, 이러한 홈의 수는 교환기의 열적 성능에 지대한 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.
이러한 방법으로, 예컨대 관 직경(De)이 9.52mm의 경우:
- 상기 개수(N)가 46 미만일 때, 교환기의 성능이 현저하게 떨어지는 것으로 관측되었고,
- 상기 개수(N)의 상한치와 관련해서는, 이 상한치는 본질적으로 기술적이고 실용적이며, 홈 형성 관을 위한 기술적인 제작 가능성에 의존하므로, 상기 상한치는 관의 직경(De)에 따라 변화 및 증가한다.
관 직경(De)이 12mm인 경우, 리브의 수(N)가 98이면 증발 및 응축 시에 교환기의 높은 열적 성능을 보증하는 것으로 관측되었다.
리브의 높이(H) 또는 홈의 깊이와 관련한 상기 특징 c)에 있어서, H의 한계는 이하의 관측 결과이다:
- H가 0.40mm를 초과하는 값을 갖는 경우에, 매우 높은 리브를 제작하는 것이 쉽지 않기 때문에 기술적 용이성이 낮은 것으로 관측되었고, 압력 손실의 증가가 또한 관측되었으며,
- H가 0.20mm 미만의 값을 갖는 경우에, 열교환 성능은 과도하게 감소되어 불충분하게 되는 것으로 관측되었다.
상기 높이(H)는 관의 직경에 따라 변할 수 있으며, 관의 직경이 클수록 더 높은 리브를 갖는 것이 바람직하다.
꼭지각(α)과 관련한 상기 특징 d)는 비교적 좁은 범위(15-30°)에서 그리고 비교적 작은 꼭지각(α) 값을 갖도록 선택되어야 하는 것으로 규정하고 있다.
먼저, 작은 꼭지각(α)의 값은 열전달 성능을 향상시켜 압력 손실을 낮추고 단위 미터 당 관의 중량을 감소시키는 데 바람직할 수 있다. 가장 작은 각도(α)는 사다리꼴 리브를 이용하면 얻어진다.
그러나, 하한치는 높은 생산성을 유지하기 위해 본 발명에 따른 홈 형성 관의 제작과 본질적으로 관련되어 있다.
헬리컬 각도(β)와 관련되는 상기 특징 e)는, 상기 각도가 본 발명의 문제점을 해소하기 위해 적어도 18°이상이어야 하고, 특히 소정의 냉각제, 예컨대 냉각제 R134a를 이용하는 경우에 압력 손실의 현저한 증가에 기인하여 최대 35°이하로 되어야 하는 것으로 설명하고 있다.
홈의 바닥에서의 관의 두께(Tf)에 있어서, 이 두께는 충분한 기계적 특성, 특히 내압(內壓)에 대한 저항, 최대의 재료 저장성(preservation), 이에 따라 최적의 재료비와, 가장 작은 미터 당 중량을 동시에 얻도록 직경(De)의 함수로서 변경될 수 있다. 이러한 두께(Tf)는 9.55mm의 직경(De)의 관에 대해서는 0.28mm, 그리고 12.7mm의 직경(De)의 관에 대해서는 0.35mm 이다.
전술한 모든 수단은 증발 및 응용 시에 열교환 계수가 높고, 압력 손실이 작은 동시에 가장 경량인 관을 얻기 위하여, 관의 선택, 특히 상전이 냉각제를 이용하는 교환기에 적합한 특정의 관을 선택할 수 있게 한다.
도 2a 내지 도 2c에 도시된 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 리브는 높이 H1 = H, 높이 H2 = aㆍH1인 연속 리브로 형성될 수 있으며, 여기서 a는 0.6 내지 0.9, 양호하게는 0.70 내지 0.85 이며, 도 2a 내지 도 2c에서는 0.75에 근사한 값으로 되어 있다.
통상적으로, 상기 도면에 도시된 바와 같이, 상기 연속 리브는 통상 평탄한 홈의 바닥에 의해 분리되는 높이 H1의 리브와 높이 H2의 리브가 하나씩 번갈아 구성되어도 좋다.
그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 홈 형성 관은 도 2a 내지 도 2c에 도시된 것과 같이 리브의 높이를 번갈아 반드시 달리할 필요는 없으며, 리브의 높이를 개략적으로 동일하게 만들 수 있다.
통상적으로, 직경(De)이 9.52mm인 관의 경우, 다음과 같은 치수를 가질 수 있다. 즉,
- 0.18 내지 0.3mm 의 높이(H),
- 및/또는 75개 미만, 양호하게는 64개 내지 70개 범위 내의 N.
이와 유사하게, 직경(De)이 적어도 9.55mm인 관의 경우, 다음과 같은 치수를 가질 수 있다. 즉,
- 0.25 내지 0.40mm 의 높이(H),
- 70개 내지 98개 범위의 N.
꼭지각(α)과 관련하여, 꼭지각(α)의 양호한 범위는 20°내지 28°일 수 있으며, 이를 보다 더 한정하면 기계적 성능의 관점에서의 요구 사항과 배터리 핀에 관을 부착하는 것과 관련한 관점에서 관의 팽창 시의 요구 사항 사이에서 최상의 절충점을 제공하도록 22°내지 25°일 수 있다.
헬리컬 각도(β)와 관련하여, 헬리컬 각도(β)의 양호한 범위는 22° 내지 30°일 수 있으며, 이를 보다 더 한정하면 기계적 성능의 관점에서의 요구 사항과 압력 손실과 관련한 관점에서의 요구 사항 사이에서 최상의 절충점을 제공하도록 25°내지 28°이다. 전술한 각도는 내경(Di)에 따라 변할 수 있으며, 2.40°/mm 보다 큰 β/Di 비, 양호하게는 3°/mm 보다 큰 β/Di 비를 가지는 것이 바람직하다고 밝혀졌다.
양호하게는, 상기 리브는 도 2c에 도시된 바와 같이 폭 LN의 베이스와, 사이에 상기 꼭지각 α를 이루는 측부 에지에 의해 연결된 상부를 갖는 "사다리꼴" 형상의 프로파일을 지니며, 상기 상부는, 상기 베이스에 평행하지만, 가능하게는 상기 베이스에 대해 경사져 있는 대략 평탄한 중앙 부분을 포함한다.
경우에 따라, 상기 사다리꼴의 작은 측면을 형성하는 상기 리브의 상기 상부는 둥근 에지를 포함할 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는데, 즉 매우 작은 곡률 반경을 지닌 에지를 포함할 수 있으며, 상기 변들은 상기 측부 에지에 대해 상기 상부의 연결부를 형성한다.
상기 둥근 에지는 통상 40㎛ 내지 110㎛ 범위, 양호하게는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 50㎛ 내지 80㎛의 곡률 반경을 가질 수 있다. 곡률 반경의 상기 범위는 관의 열적 성능과 관의 실행 가능성 사이의 절충점과 상응하며, 더 작은 곡률 반경을 지닌 관을 제조하도록 의도된 공구가 마모되는 경향이 있다.
상기 에지들을 도 3에 도시된 바와 같이 둥글게 하지 않을 때, 상기 곡률 반경은 통상 50㎛ 미만, 심지어 20㎛ 미만일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 홈의 평탄한 바닥의 폭 LR과 상기 리브의 상기 베이스의 폭 LN은 LR= b·LN가 되도록 설정될 수 있으며, 여기서 b는 1 내지 2 범위, 양호하게는 단위 미터당 상대적으로 작은 중량을 나타내는 관을 얻기 위하여 1.1 내지 1.8 범위에 속한다.
통상적으로, 그리고 도 2a 내지 도 2c 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 리브 및 상기 홈의 상기 평탄한 바닥은 50㎛ 미만, 양호하게는 20㎛ 미만의 곡률 반경으로 연결될 수 있다. 이 경우에, 냉각제 액체 막이 관의 내벽으로부터 양호하게 분리되는 것으로 보이는데, 이는 열교환에 유리한 것이다.
본 발명에 따른 관은 축방향 홈이 없을 경우에도, 적어도 3.1에 해당하는 카발리니 인자를 나타낼 수 있다. 이러한 관들은 적어도 3.5, 양호하게는 적어도4.0과 같은 카발리니 인자를 나타낼 수 있다.
교환 계수 평가 모델에서 수반된 카발리니 인자 Rx2^(RxㆍRx)는 다음과 같이 순수 기하학적 인자이다. 즉,
[[2ㆍNㆍHㆍ(1-Sin(α/2))/(πㆍDiㆍCos(α/2))+1]/Cosβ]^2
카발리니 인자를 더욱 증가시키기 위해 그리고 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 관들은 둥근 상부를 지닌 통상 삼각형의 프로파일을 갖는 상기 리브의 노치 내에 형성되는 축방향 홈(30)을 또한 포함할 수 있으며, 상기 상부는 25 내지 65°의 각도(γ)를 보이고, 상기 하부 또는 상부는 상기 홈의 바닥 부분으로부터 0 내지 0.2mm 범위의 거리(h)에 있다.
이러한 축방향 홈은 상기 리브를 축방향으로 홈 형성 휠(grooving wheel)을 통과시킴으로써 형성할 때 얻어질 수 있다.
본 발명에 따른 홈 형성 관은 구리 및 구리 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 구성될 수 있다. 이러한 관들은 통상적으로 관에 홈을 형성함으로써 얻어질 수도 있고, 응용 가능하다면 용접 관을 형성한 후에 금속 스트립(strip)에 평탄한 홈을 형성으로써 얻어질 수도 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 관을 사용하는 열교환기에 관한 것이다.
상기 열교환기는 상기 관의 일부에서 상기 관과 접촉 상태로 있는 열교환용 핀을 포함할 수 있으며, 여기서 접촉 상태로 있지 않는 부분에서 상기 핀들과 상기 관들 사이의 최대 거리는 0.01mm 미만, 양호하게는 0.005mm 미만이다.
또한, 본 발명은 가역적인 공기 조화 유닛이나 냉각기로서의 다관 열교환기를 위한 본 발명에 따른 관과 교환기의 사용에 관한 것이다.
실시예
Ⅰ - 관의 제조
8.0mm 또는 9.52mm의 외경을 지닌 구리 관에 대해 시험을 행하였다.
8.0mm 의 직경(De)을 갖도록 도 2a 내지 도 2c에 따라, 그리고 9.52mm의 직경(De)을 갖도록 도 3에 따라 본 발명의 관 "E"을 제작하였으며, 이와 함께 종래 기술에 따라 응축용으로 채용되는 높은 헬리컬 각도 β(적어도 20°와 동등한)를 갖는 비교예의 관 "S" 또는 평활한 관 "C", "D"와, 종래 기술에 따라 증발용으로 채용되는 높은 꼭지각 α(적어도 40°와 동등한)와 낮은 헬리컬 각도 β(18°이하)를 갖는 비교예의 관 "A" 및 "B"를 제작하였다.
상기 관 "E", "A", "B", "C"는 평활한 구리 관(즉, 관 "S")에 홈을 형성함으로써 제작하였으며, 이에 반해 관 "D"는 용접 관을 형성한 후에 금속 스트립에 평탄 홈을 형성함으로써 제작하였다.
9.52mm의 외경(De)을 갖는 구리 관에 대해 다수의 시험을 행하였다. 이들 관들은 아래의 표 1에 기재한 특징을 보여 주었다.
관의 형태 H(mm) 각도 α 각도 β N 리브 형태 Tf(mm) LR/LN
도 3에 따른 관 E 0.20 25 25 66 사다리꼴 0.30 2.3
B 0.20-0.17 40 16 74 번갈아삼각형 0.30 1.88
A 0.20 50 18 60 삼각형 0.30 2.00
C 0.20 40 30 60 삼각형 0.30 1.94
D 0.20 15 20 72 교번 이중 리브* 0.30 3.66
S --- --- --- --- 평활한 관 0.30 ---
* 관의 축에 대해 -20°의 각도만큼 경사진 제2 홈에 의해 분리되며 +20°와 동일한 헬리컬 각도(β)를 지닌 72개의 메인 리브로, 상기 홈의 깊이는 대략 메인 리브의 높이와 일치함.
8.0mm의 외경(De)을 갖는 구리 관에 대해 다수의 시험을 행하였다. 이들 관들은 아래의 표 2에 기재한 특징을 보여 주었다.
관의 형태 H(mm) 각도 α 각도 β N 리브 형태 Tf(mm) LR/LN
도 3에 따른 관 E 0.20-0.16 21 18 46 교번삼각형 0.26 2.5
B 0.18-0.16 40 18 64 교번삼각형 0.26 2.38
A 0.18 40 18 50 삼각형 0.26 2.33
S --- --- --- --- 평활한 관 0.3 ---
Ⅱ - 배터리 또는 교환기의 제조
핀 칼라(collar) 내에 관을 배치하고 원추형 맨드렐(mandrel)을 이용하여 관을 팽창시켜 관을 칼라의 가장자리에 대하여 압박함으로써, 전술한 관들을 사용하여 도 8에 따라 핀 형성 배터리를 제작하였다. 이러한 배터리는 단위 인치 당 12개의 핀 밀도를 갖는 400mm ×400mm ×65mm의 치수의 유닛을 형성하며, 상기 배터리는 3열의 16개의 관을 포함하며, 냉각제는 R22이다.
Ⅲ - 얻어진 결과
도 4 내지 도 7, 그리고 도 9 및 도 10은 본 발명의 상이한 결과들을 도시하고 있다.
Ⅲ-1 관에 대하여 얻어진 결과
A) 직경(De)이 9.52mm와 동일한 관에 대해 냉각제 R22를 이용한 응축에서 얻어진 결과:
관 => 특성 도 3에 따른 관 E A C D S
중량 g/m 89 93.5 95 95 78
압력 손실 dp** 2500 ±100 --- 2400 ±100 3000 ±100
카발리니인자 3.94 2.72 3.53 --- 1
평균 교환계수 Hi* 6850 ±50 4950 ±50 6300 ±50 6000 ±50 2850 ±50
* 350 kg/m2ㆍs과 동등한 유체 유량(G)에 대한 교환 계수 Hi(단위 W/m2·K)
측정 조건: 온도 30°, 관의 길이 6m, 그리고 유체 유량(G)은 350 kg/m2ㆍs 와 동등함
** 350 kg/m2ㆍs 과 동등한 유체 유량에 대하여 측정한 압력 손실(단위 Pa/m)
B) 직경(De)이 8.00mm와 동일한 관에 대해 냉각제 R22를 이용한 증발에서 얻어진 결과:
관 => 특성 도 3에 따른 관 E B A S
중량 g/m 66 68 66 -
압력 손실 dp** 6700 ±100 8000 ±100 7000 ±100 5800 ±100
카발리니인자 3.13 3.02 2.68 1
평균 교환계수 Hi* 10500 ±100 9500 ±100 8500 ±100 4500 ±100
* 200 kg/m2ㆍs과 동등한 유체 유량(G)에 대한 교환 계수 Hi(단위 W/m2·K)
측정 조건: 온도 0°, 관 길이 3m, 플럭스 10 내지 12 kW/m2ㆍK, 증기 적정 농도(titre) 0.2 내지 0.9, 그리고 유체 유량(G)은 200 kg/m2ㆍs 와 동등함
** 200 kg/m2ㆍs과 동등한 유체 유량에 대하여 측정한 압력 손실(단위 Pa/m)
C) 직경(De)이 9.52mm와 동일한 관에 대해 냉각제 R407C를 이용한 증발에서 얻어진 결과:
관 => 특성 도 3에 따른 관 E B
중량 g/m 89 92.3
카발리니 인자 3.94 3.3
압력 손실 dP* 600 ±40 700 ±40
국부적인 교환 계수 Hi* 6000 ±100 2500 ±100
압력 손실 dP** 1200 ±40 1200 ±40
평균 교환 계수 Hi** 11000 ±100 300 ±100
측정 조건: 온도 5°, 그리고 플럭스 12 kW/m2ㆍK (도 10 참조)
* 100 kg/m2·s과 동등한 유체 유량(G)에 대한 교환 계수 Hi(단위 W/m2ㆍK)과 압력 손실 dP(단위 Pa/m), 그리고 평균 증기 적정 농도는 0.6
** 200 kg/m2ㆍs과 동등한 유체 유량(G)에 대한 교환 계수 Hi(단위 W/m2ㆍK)과 압력 손실 dP(단위 Pa/m), 그리고 평균 증기 적정 농도 0.3
Ⅲ-2 배터리에 대해 얻어진 결과
배터리 특징 E B A S
응축 용량*(와트) 도 6 5025 ±150 4230 ±127 4100 ±164 4050 ±121
증발 용량**(와트) 도 7 4650 ±140 4350 ±175 4200 ±90 4050 ±121
* 전면의 공기 속도를 2.8m/s와 동등하게 취할 경우
** 전면의 공기 속도를 1.5m/s와 동등하게 취할 경우
Ⅳ - 결론
전술한 모든 결과는 본 발명에 따른 관과 교환기 또는 관 배터리들이 증발 및 응축 양자에 있어서 종래 기술의 대응하는 제품에 비해 우수한 특징을 제공한다는 것을 보여주었다.
그 결과, 놀랍게도, 본 발명의 관은 증발 및 응축 성능에서 보다 우수한 절충점을 나타낼 뿐만 아니라 높은 증발에 사용된 종래 기술의 관과 응축에 사용된 종래 기술의 관에 비해 절대적인 조건에서 우수한 성능을 제공하였는데, 실제로는 이것이 가장 관심 대상이다.
추가로, 단위 미터 당 중량에 관하여, 본 발명에 따른 관을 이용하여 얻은 수치는 동일한 직경과 동일한 두께(Tf)에서 취한 종래 기술에 따른 관에 대하여 3.7 내지 6.7% 범위의 이득에 해당하며, 이는 매우 중요한 것으로 고려된다.
끝으로, 본 발명에 따른 관(타입 E)은 통상적으로 B 타입의 관에 적용되는 것과 유사한 홈 형성 속도(적어도 80 m/min)에서, 평활하고 홈이 형성되지 않은 구리 관을 고출력으로 형성함으로써 유리하게 제조될 수 있다.
본 발명의 장점
본 발명은 현저한 장점을 제공한다.
다시 말해서, 첫째, 본 발명에 따라 얻은 관과 배터리는 높은 고유 성능을 제공한다.
둘째, 이러한 성능은 증발 및 응축 양자에 있어서 우수하기 때문에 두 가지의 용례 모두에 대해 동일한 관을 이용할 수 있다.
또한, 상기 관들은 단위 미터당 중량이 비교적 작으며, 이는 실용적인 관점과, 재료비가 비교적 작기 때문에 경제적인 관점 양자에서 매우 유리하다.
마지막으로, 본 발명에 따른 관들은 특수한 제조 수단을 필요로 하지 않는다. 이들은 표준 장비로, 특히 표준 생산 속도로 제작할 수 있다.
도면 부호
홈 형성 관 - - - 1
리브 - - - 2
홈 - - - 3
축방향 홈 - - - 30
배터리 - - - 4
핀 - - - 5

Claims (21)

  1. 증발 혹은 응축 모드로, 또는 가역 모드로 동작하는 열교환기의 제작을 위해 통상적으로 사용되며, 상전이(相轉移) 냉각제를 이용하며, 홈의 바닥에서의 두께가 Tf이고, 외경이 De인 홈 형성 금속관(1)으로서,
    상기 관에는 꼭지각 α, 높이 H, 베이스의 폭 LN및 헬리컬 각도 β를 갖는 N개의 헬리컬 리브(2)에 의해 내부에 홈이 형성되어 있으며, 2개의 연속 리브들이 LR+LN과 동등한 피치 P를 가지면서 폭 LR의 통상적으로 평탄한 바닥 홈(3)에 의해 분리되어 있으며,
    증발 및 응축 양자에서의 열전달 계수가 높고, 압력 손실이 작은 동시에 가능한한 경량인 관을 얻기 위하여,
    a) 상기 외경(De)은 4 내지 20mm 이고,
    b) 상기 리브의 개수(N)는 특히 상기 외경(De)의 함수로서 46개 내지 98개 이며,
    c) 상기 리브 높이(H)는 특히 상기 외경(De)의 함수로서 0.18mm 내지 0.40mm 이고,
    d) 상기 꼭지각(α)은 15°내지 30°이고,
    e) 상기 헬리컬 각도(β)는 18°내지 35°인 것인 홈 형성 금속 관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 리브는 높이 H1 = H, 높이 H2 = aㆍH1(여기서 a는 0.6 내지 0.9)인 연속된 리브를 형성하는 것인 홈 형성 금속 관.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연속된 리브는, 통상 평탄한 홈 바닥에 의해 분리되는 높이 H1인 리브와 높이 H2인 리브가 번갈아 있는 것인 홈 형성 금속 관.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직경(De)이 9.55mm 이하인 경우에,
    - H는 0.18 내지 0.3mm, 양호하게는 0.20 내지 0.25mm의 범위이고,
    - 및/또는 N은 75개 미만, 양호하게는 64개 내지 70개의 범위인 것인 홈 형성 금속 관.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직경(De)이 9.55mm 이상인 경우,
    - H는 0.25 내지 0.40mm의 범위이고,
    - N은 70개 내지 98개의 범위인 것인 홈 형성 금속 관.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 꼭지각(α)은 20°내지 28°의 범위인 것인 홈 형성 금속 관.
  7. 제6항에 있어서, 상기 꼭지각(α)은 22°내지 25°의 범위인 것인 홈 형성 금속 관.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 헬리컬 각도(β)는 22°내지 30°의 범위인 것인 홈 형성 금속 관.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 헬리컬 각도(β)는 25°내지 28°의 범위인 것인 홈 형성 금속 관.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리브는 베이스와 상부를 갖는 "사다리꼴" 형상의 프로파일을 가지며, 상기 상부는, 상기 베이스에 평행하지만 가능하게는 상기 베이스에 대해 경사져 있는 대략 평탄한 중앙 부분을 포함하는 것인 홈 형성 금속 관.
  11. 제10항에 있어서, 상기 사다리꼴의 작은 측면을 형성하는 상기 리브의 상기 상부는 둥근 에지를 포함하는 것인 홈 형성 금속 관.
  12. 제11항에 있어서, 상기 둥근 상부, 즉 상기 둥근 에지들은 통상 40㎛ 내지 110㎛ 범위, 양호하게는 50㎛ 내지 80㎛ 범위의 곡률 반경을 포함하는 것인 홈 형성 금속 관.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 홈의 평탄한 바닥의 폭 LR과 상기 리브의 상기 베이스의 폭 LN은 LR= bㆍLN(여기서 b는 1 내지 2 범위, 양호하게는 1.10 내지 1.8 범위에 속함)가 되도록 설정될 수 있는 것인 홈 형성 금속 관.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 리브 및 상기 홈의 상기 평탄한 바닥은 50㎛ 미만, 양호하게는 20㎛ 미만의 곡률 반경으로 연결되는 것인 홈 형성 금속 관.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 3.1과 동일한 카발리니 인자(Cavallini factor)를 나타내는 것인 홈 형성 금속 관.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 카발리니 인자는 적어도 3.5와 동일한, 양호하게는 적어도 4.0과 동일한 것인 홈 형성 금속 관.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 둥근 상부를 지닌 통상 삼각형의 프로파일을 갖도록 상기 리브 노치 내에 형성되는 축방향의 홈을 더 포함하며,상기 상부는 25 내지 65°의 각도(γ)를 나타내고, 상기 하부 또는 상부는 상기 홈의 바닥 부분으로부터 0 내지 0.2mm 범위의 거리(h)에 있는 것인 홈 형성 금속 관.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 구리 및 구리 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 제조되는 것인 홈 형성 금속 관.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 통상적으로 관에 홈을 형성함으로써, 또는 적용 가능한 경우에, 용접 관을 형성한 후에 금속 스트립(strip)에 평탄 홈을 형성함으로써 얻어지는 것인 홈 형성 금속 관.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 홈 형성 금속 관을 이용하는 것인 열교환기.
  21. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 홈 형성 금속 관과 제20항 또는 제21항에 따른 열교환기를 가역적인 공기 조화 유닛 및 냉각기로서의 다관형 열교환기로 사용하는 용도.
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