KR20060113927A - 향상된 열전달 표면을 제조하기 위한 방법 및 공구 - Google Patents

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울버린 튜브, 인크.
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Abstract

본 발명은 향상된 열전달 표면 및 향상된 열전달 표면을 만들기 위한 방법에 관한 것이다. 몇몇 실시예들은 비등 공동을 형성하기 위해 복수의 1차 홈, 돌출부, 및 2차 홈을 포함하는 비등 표면을 포함한다. 비등 표면은 튜브의 내측 표면을 절삭하기 위한 공구를 사용함으로써 형성될 수 있다. 공구는 공구 축과, 절삭날 및 상승날을 갖는 적어도 하나의 팁을 갖는다. 비등 표면을 만들기 위한 방법도 개시되며, 방법은 1차 홈을 형성하기 위해 튜브의 내측 표면을 통해 절삭하고, 그 다음 돌출부 및 2차 홈을 형성하기 위해 내측 표면을 절삭하여 상승시키는 단계를 포함한다.
열전달 표면, 비등 표면, 비등 공동, 돌출부, 1차 홈, 2차 홈

Description

향상된 열전달 표면을 제조하기 위한 방법 및 공구 {Method and Tool for Making Enhanced Heat Transfer Surfaces}
본 발명은 향상된 열전달 표면과, 향상된 열전달 표면을 형성하기 위한 방법 및 공구에 관한 것이다.
본 출원은 2003년 10월 28일에 출원된 미국 출원 번호 제60/514,148호의 우선권을 청구한다.
본 발명은 표면의 일 측면으로부터 타 측면으로의 열전달을 용이하게 하는 향상된 열전달 표면에 관한 것이다. 열전달 표면은 예를 들어 냉장, 화학, 석유 화학, 및 식료품 처리 산업에서 사용되는 만액식 증발기, 하강 막형 증발기, 분무 증발기, 흡수식 냉각기, 응축기, 직접 팽창 냉각기, 및 단상 냉각기 및 가열기와 같은 장비 내에서 일반적으로 사용된다. 순수한 물, 물-글리콜 혼합물, (R-22, R-134a, R-123 등과 같은) 임의의 유형의 냉매, 암모니아, 석유 화학 유체, 및 다른 혼합물을 포함하지만 그에 제한되는 않는 다양한 열전달 매체가 이러한 용도에서 사용될 수 있다.
몇몇 유형의 열전달 표면은 열을 흡수하기 위해 액체의 상 변화를 이용함으로써 작용한다. 따라서, 열전달 표면은 종종 비등 또는 증발을 향상시키기 위한 표면을 포함한다. 표면의 열전달 성능은 비등 표면 상에서 핵생성 부위를 증가시킴으로써, 단상 열전달 표면 근방에서 교반을 유도함으로써, 또는 응축 표면 상에서 면적 및 표면 장력 효과를 증가시킴으로서 향상될 수 있다는 것은 이미 공지된 것이다. 비등 또는 증발을 향상시키기 위한 한 가지 방법은 열전달 표면을 그 위에 다공성 층을 형성하도록 소결, 방사선 용융 또는 에징(edging) 방법에 의해 거칠게 하는 것이다. 그러한 다공성 층을 갖는 열전달 표면은 매끄러운 표면보다 더 양호한 열전달 특징을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그러나, 전술한 방법에 의해 형성된 공극 또는 셀들은 작고, 비등액 내에 함유된 불순물이 이들을 막아서 표면의 열전달 성능이 훼손될 수 있다. 추가적으로, 형성된 공극 또는 셀들이 크기 또는 치수가 불균일하므로, 열전달 성능은 표면을 따라 변할 수 있다. 또한, 비등 또는 증발 표면을 포함하는 공지된 열전달 튜브는 종종 최종 표면을 생성하기 위해 공구에 의한 복수의 단계 또는 과정을 요구한다.
튜브 제조자들은 나까지마 등의 미국 특허 제4,561,497호, 다이꼬꾸 등의 미국 특허 제4,602,681호, 나까야마 등의 미국 특허 제4,606,405호, 구와하라 등의 미국 특허 제4,653,163호, 사사끼 등의 미국 특허 제4,678,029호, 린의 미국 특허 제4,794,984호, 및 안젤리의 미국 특허 제5,351,397호에 개시된 것을 포함하는 다른 설계로 실험하는데 많은 비용을 지출했다.
이러한 표면 설계 모두가 표면의 열전달 성능을 개선하는 것을 목적으로 하지만, 기존의 설계를 변경하고 열전달 성능을 향상시키는 새로운 설계를 창작함으로써 튜브 설계를 계속 개선하기 위한 필요성이 업계에 남아 있다. 추가적으로, 더욱 신속하고 비용 효과적으로 튜브 표면 상으로 전달될 수 있는 설계 및 패턴을 창작하기 위한 필요성도 존재한다. 후술되는 바와 같이, 본 발명의 열전달 표면의 기하학적 특징과, 그러한 기하학적 특징을 형성하기 위한 공구는 열전달 성능을 현저하게 개선했다.
본 발명의 실시예들은 전술한 용도(즉, 냉장, 화학, 석유 화학, 및 식료품 처리 산업에서 사용되는 만액식 증발기, 하강 막형 증발기, 분무 증발기, 흡수식 냉각기, 응축기, 직접 팽창 냉각기, 및 단상 냉각기 및 가열기)의 적어도 전부에서 사용되는 튜브의 열전달 성능을 향상시키는데 사용될 수 있는, 튜브 상에 형성될 수 있는 바와 같은 개선된 열전달 표면 및 그의 형성 방법을 제공한다. 표면은 하나의 상으로부터 다음 상으로 이동하기 위한, 예를 들어 비등으로부터 증발로 이동하기 위한 전이 시간을 현저하게 감소시키는 복수의 공동에 의해 향상된다. 공동들은 튜브 내에 유체 유동을 위한 추가의 경로를 생성하고, 이에 의해 튜브 내에서 유동하는 열전달 매체의 난류를 향상시킨다. 공동을 생성하는 돌출부도 추가의 열전달을 위한 여분의 표면적을 제공한다. 테스트는 본 발명의 실시예에 따른 튜브의 성능이 현저하게 향상된 것을 보여준다.
본 발명의 몇몇 실시예들은 튜브 표면 상에 형성되기 원하는 홈의 패턴의 거울상(mirror image)을 갖는, 기존의 제조 장비에 쉽게 추가될 수 있는 공구를 사용하기 위한 방법을 포함한다. 본 발명의 몇몇 실시예들은 또한 튜브의 표면을 통해 절삭하기 위한 절삭날 및 돌출부를 형성하도록 튜브의 표면을 상승시키기 위한 상승날을 갖는, 기존의 제조 장비에 쉽게 추가될 수 있는 공구를 사용하는 것을 포함한다. 이러한 방식으로, 돌출부는 튜브의 내측 표면으로부터의 금속의 제거가 없이 형성되고, 이에 의해 튜브가 내부에서 사용되는 장비를 손상시킬 수 있는 파편을 제거한다. 마지막으로, 본 발명의 몇몇 실시예들은 맨드릴과 같은, 돌출부의 팁을 편평화하거나 구부리기 위해 기존의 제조 장비에 쉽게 추가될 수 있는 공구를 사용하는 것을 포함한다. 튜브 표면 상의 홈, 돌출부 및 편평화된 팁은 동일하거나 다른 작업에서 형성될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에서, 3개의 공구가 단일 샤프트 상에 고정되고, 튜브 표면들은 1회 공정에서 형성된다.
본 발명의 실시예에 따라 형성된 열전달 표면들은 열전달 튜브의 내측 또는 외측 표면 상에서 사용될 수 있거나, 미세 전자 부품을 냉각시키도록 사용되는 바와 같이 편평 열전달 표면 상에서 사용될 수 있다. 그러한 표면들은 예를 들어 HVAC, 냉장, 화학, 석유 화학, 및 식료품 처리 산업에서 사용하기 위한 용도를 포함하는 복수의 용도에서 적합할 수 있다. 돌출부의 물리적인 기하학적 특징은 튜브를 특정 용도 및 유체 매체에 맞추도록 변경될 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전달 튜브의 내경부 상에 부분적으로 형성된 비등 표면의 사시도이다.
도2a는 도1의 실시예의 부분적으로 형성된 비등 표면의 사시도이다.
도2b는 도2a의 부분적으로 형성된 비등 표면의 사시도의 현미경 사진이다.
도2c는 도2a의 부분적으로 형성된 비등 표면의 단면도이다.
도3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달 튜브의 내경부 상의 비등 표면의 사시도이다.
도3b는 도3a에 도시된 튜브의 단면도이다.
도3c는 도3a의 비등 표면의 평면도의 현미경 사진이다.
도3d는 도3a의 비등 표면의 단면의 현미경 사진이다.
도4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달 튜브의 내경부 상의 비등 표면의 사시도이다.
도4b는 도4a에 도시된 튜브의 단면도이다.
도5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달 튜브의 내경부 상의 비등 표면의 사시도이다.
도5b는 도5a의 비등 표면의 단면의 현미경 사진이다.
도5c는 도5a의 비등 표면의 단면도이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공구의 사시도이다.
도7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공구의 사시도이다.
도7b는 도7a에 도시된 공구의 측면도이다.
도7c는 도7a의 공구의 저면도이다.
도7d는 도7a의 공구의 평면도이다.
도8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공구의 사시도이다.
도8b는 도8a에 도시된 공구의 측면도이다.
도8c는 도8a의 공구의 저면도이다.
도8d는 도8a의 공구의 평면도이다
도9a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공구의 사시도이다.
도9b는 도9의 공구에 의해 형성된 비등 표면의 사시도이다.
도9c는 도9의 비등 표면의 현미경 사진이다.
도10은 본 발명에 따른 열전달 튜브를 제작하는데 사용될 수 있는 제조 장비의 일 실시예의 사시도이다.
도11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공구의 사시도이다.
도12a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달 튜브의 내경부 상의 비등 표면의 사시도이다.
도12b는 도12a의 비등 표면의 단면의 현미경 사진이다.
도13a는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 팁에 의해 형성된 비등 표면의 단면도이다.
도13b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 절삭/상승 팁에 의해 형성된 비등 표면의 단면도이다.
도13c는 도13a 및 도13b의 비등 표면을 형성하는데 사용될 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭/상승 팁의 단면도이다.
도13d는 도13a 및 도13b의 비등 표면을 형성하는데 사용될 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 절삭/상승 팁의 사시도이다.
도14는 열속에 대한 종횡비의 효과를 도시하는 그래프이다.
도15는 열속에 대한 인치당 돌출부[핀(fin)]의 효과를 도시하는 그래프이다.
도16은 상이한 유형의 미세 핀형 구리 열전달 표면들의 열속을 비교하는 그래프이다.
본 발명에 따른 튜브는 통상 다상(순수한 액체 또는 기체 또는 기액 혼합물) 증발기 및 응축기에서와 같이 열이 튜브의 일 측면으로부터 튜브의 타 측면으로 전달될 필요가 있는 임의의 용도에서 유용하지만 그에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 다음의 설명이 본 발명의 튜브에 대한 바람직한 치수를 제공하지만, 본 발명의 튜브는 그러한 치수로 제한되도록 의도되지 않는다. 오히려, 튜브의 바람직한 기하학적 특징은 많은 인자에 의존할 것이고, 그 중에서 튜브를 통해 유동하는 유체의 특성이 적지 않게 중요하다. 당업자는 다양한 용도에서 그리고 다양한 유체와 함께 사용되는 열전달을 최대화하기 위해 튜브의 표면의 기하학적 특징을 어떻게 변경할 지를 이해할 것이다. 또한, 도면은 튜브의 내측 표면 상에서 발견되는 표면을 도시하지만, 표면은 튜브의 외측 표면 또는 미세 전자 부품에서와 같이 편평 표면 상에서 사용하기에 적합하다는 것을 이해해야 한다.
도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 몇몇 실시예들은 튜브(100)의 내측 표면(104) 상에 1차 홈(108)을 갖는 열전달 표면을 포함한다. 당업자는 1차 홈(108)들의 개수는 열전달 표면이 사용되는 용도에 따라 그리고 사용되는 유체 매체에 따라 변할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 1차 홈(108)들은 절삭, 변형, 브로칭(broaching), 또는 압출을 포함하지만 그에 제한되지 않는 임의의 방법에 의해 형성될 수 있다. 1차 홈(108)들은 튜브(100)의 축(s)에 대해 (도시되지 않은) 나 선 각도(α)로 내측 표면(104) 상에 형성된다. 나선 각도(α)는 0° 내지 90°사이의 임의의 각도일 수 있지만, 양호하게는 70°를 초과하지 않는다. 당업자는 양호한 나선 각도(α)가 사용되는 유체 매체에 적어도 부분적으로 의존하는 것을 쉽게 이해할 것이다.
1차 홈(108)의 깊이는 통상 튜브(100)를 통해 유동하는 액체가 더 점성일 수록 더 커야 한다. 예를 들어, 0보다 크지만 튜브 벽(102)의 두께보다 작은 깊이가 통상 바람직할 것이다. 이러한 적용의 목적으로, 튜브 벽(102)의 두께는 내측 표면(104)으로부터 외측 표면(106)으로 측정된다.
1차 홈(108)들의 축방향 피치는 나선 각도(α), 튜브(100)의 내측 표면(104) 상에 형성된 1차 홈(108)들의 개수, 및 튜브(100)의 내경을 포함한 많은 인자에 의존한다. 이러한 적용의 목적으로, 내경은 튜브(100)의 내측 표면(104)으로부터 측정된다. 0.5 내지 5.0 mm의 축방향 피치가 통상 1.5 mm에서 바람직하다.
본 발명의 몇몇 실시예들은 돌출부 또는 핀(110)을 또한 포함한다. 돌출부(110)는 도2a 내지 도2c에 도시된 바와 같이 내측 표면(104)으로부터 절삭되어 상승될 수 있다. 돌출부(110)는 양호하게는 튜브(100)의 축(s)에 대해 각도(θ)를 이룬다. 돌출부(110)의 높이(ep)는 절삭 깊이(t) 및 내측 표면(104)이 절삭된 각도(θ)에 의존한다. 돌출부(110)의 높이(ep)는 양호하게는 적어도 절삭 깊이(t)에서 절삭 깊이(t)의 3배까지의 값이다. 양호하게는, 절삭/상승 공구(300)의 깊이는 1차 홈(108)의 깊이보다 더 크다.
돌출부(110)들의 축방향 피치(Pa,p)는 0보다 더 큰 임의의 값일 수 있고, 통상 다른 인자들 중에서, 제조 중의 절삭/상승 공구(300)와 튜브(100) 사이의 분당 상대 회전수, 제조 중의 절삭/상승 공구(300)와 튜브(100) 사이의 상대 축방향 공급 속도, 및 제조 중에 돌출부(110)를 형성하는데 사용되는 절삭/상승 공구(300) 상에 제공된 팁(302)의 개수에 의존할 것이다. 양호하게는, 돌출부(110)들은 0.05 내지 5.0 mm 사이의 축방향 피치(Pa,p)를 갖는다. 축방향 피치(Pa,p) 및 높이는 통상 돌출부의 개수에 의존할 것이고, 높이(ep)는 돌출부의 개수가 증가함에 따라 감소한다.
돌출부(110)의 형상은 1차 홈(108)들이 절삭/상승 공구(300)의 이동 방향에 대해 절삭된 후의 내측 표면(104)의 형상 및 내측 표면(104)의 배향에 의존한다. 도2a 및 도2b의 실시예에서, 돌출부(110)는 4개의 측표면(120), (열전달에 대한 저항을 감소시키는 것을 돕는) 경사진 상부 표면(122), 및 대체로 예리한 팁(124)을 갖는다.
돌출부(110)의 팁(124)은 도3a 내지 도3d에 도시된 바와 같이, 비등 공동(114)을 생성하도록 편평화될 수 있다. 또는, 돌출부(110)의 팁(124)은 도4a 및 도4b에 도시된 바와 같이, 비등 공동(114)을 생성하도록 구부러질 수 있다. 다른 실시예에서, 돌출부(110)의 팁(124)은 비등 공동(114)을 생성하도록 두꺼워질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 돌출부(110)들은 비등 공동(114)을 생성하도록 도5a 및 도5b에 도시된 바와 같이 서로를 향해 각도를 이룰 수 있다. 당업자는 응축 표 면이 필요하면, 돌출부(110)의 팁(124)이 (구부러지거나 편평화되지 않은) 대체로 직선이며 튜브(100)의 내측 표면(104)에 대해 대체로 직교하여 유지될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 비등 또는 증발 표면이 필요하면, 비등 공동(114)의 생성은 비등 표면의 효율을 실질적으로 증가시킬 수 있다. 비등 공동(114)의 생성은 유체 유동을 위한 경로를 생성하고, 액체로부터 비등으로 또는 비등으로부터 증기로의 전이를 증가시킨다.
본 발명의 돌출부(110)는 예시된 실시예로 제한되도록 의도되지 않았고, 임의의 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 튜브(100) 내의 돌출부(110)들은 동일한 형상이거나 동일한 기하학적 특징을 가질 필요는 없다.
도2a에 도시된 바와 같이, 2차 홈(112)이 인접한 돌출부(110)들 사이에 위치될 수 있다. 2차 홈(112)들은 튜브(100)의 축(s)에 대해 (도시되지 않은) 각도(τ)로 배향될 수 있다. 각도(τ)는 대략 80° 내지 100° 사이의 각도일 수 있다. 양호하게는, 각도(τ)는 대략 90°이다. 2차 홈(112)의 깊이는 1차 홈(108)의 깊이와 돌출부(110)의 높이 사이이다. 양호하게는, 2차 홈(112)의 깊이는 1차 홈(108)의 깊이보다 더 크다.
본 발명의 몇몇 실시예들은 튜브 상에 비등 표면을 만들기 위한 방법 및 공구를 또한 포함한다. 도6에 도시된 바와 같은 홈 형성 공구(200)는 1차 홈(108)을 형성하는데 특히 유용하다. 홈 형성 공구(200)는 튜브(100)의 내경보다 더 큰 외경을 가져서, 튜브(100)를 통해 밀거나 당겨질 때, 1차 홈(108)이 형성된다. 홈 형성 공구(200)는 (도10에 도시된) 샤프트(130)에 부착하기 위한 개구(202)를 또한 포함한다.
도7a 내지 도7d 및 도8a 내지 도8d에 도시된 절삭/상승 공구(300)는 돌출부(110) 및 2차 홈(112)을 형성하는데 사용될 수 있다. 절삭/상승 공구(300)는 금속 절삭을 견디기 위한 구조적인 무결성을 갖는 임의의 재료(예를 들어, 강철, 카바이드, 세라믹 등)로부터 만들어질 수 있지만, 양호하게는 카바이드로 만들어진다. 도7a 내지 도7d 및 도8a 내지 도8d에 도시된 절삭/상승 공구(300)의 실시예는 통상 공구 축(q), 2개의 기부 벽(312), 및 하나 이상의 측벽(314)을 갖는다. 개구(308)가 절삭/상승 공구(300)를 통해 위치된다. 팁(302)들이 절삭/상승 공구(300)의 측벽(314) 상에 형성된다. 그러나, 팁(302)들은 튜브(100)에 대해 원하는 배향으로 팁(302)을 지지할 수 있는 임의의 구조물 상에 장착되거나 형성될 수 있으며, 그러한 구조는 도7a 내지 도7d 및 도8a 내지 도8d에 개시된 것으로 제한되지 않는 것을 알아야 한다. 또한, 팁(302)들은 절삭 공정에서 사용되는 팁(302)들의 개수가 쉽게 변할 수 있도록 그들의 지지 구조물 내에서 후퇴 가능할 수 있다.
도7a 내지 도7d는 단일 팁(302)을 갖는 절삭/상승 공구(300)의 일 실시예를 도시한다. 도8a 내지 도8d는 4개의 팁(302)을 갖는 절삭/상승 공구(300)의 다른 실시예를 도시한다. 당업자는 절삭/상승 공구(300)가 원하는 피치(Pa,p)에 따라 임의의 개수의 팁(302)을 갖출 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 각각의 팁(302)의 기하학적 특징은 단일 절삭/상승 공구(300) 상의 팁(302)들에 대해 동일할 필요는 없다. 오히려, 상이한 형상, 배향, 및 다른 기하학적 특징을 갖는 돌출 부(110)들을 형성하기 위해 상이한 기하학적 특징을 갖는 팁(302)들이 절삭/상승 공구(300) 상에 제공될 수 있다.
각각의 팁(302)은 평면(A, B, C)들의 교차부에 의해 형성된다. 평면(A, B)들의 교차부는 돌출부(110)를 형성하는 제1 단계로서 층들을 형성하기 위해 내측 표면(104)을 통해 절삭하는 절삭날(304)을 형성한다. 평면(B)은 공구 축(q)에 대해 직교하는 평면에 대해 각도(φ)로 배향된다 (도7b 참조). 각도(φ)는 90°- θ로서 정의된다. 따라서, 각도(φ)는 양호하게는 절삭날(304)이 대략 20° 내지 50° 사이의 바람직한 각도(θ)로 내측 표면(104)을 통해 얇게 잘라내는 것을 허용하도록 대략 40° 내지 70° 사이이다.
평면(A, C)들의 교차부는 돌출부(110)를 형성하기 위해 내측 표면(104)을 상방으로 상승시키는 상승날(306)을 형성한다. 각도(φ1)는 평면(C)과 공구 축(q)에 대해 직교하는 평면에 의해 한정된다. 각도(φ1)는 돌출부(110)가 상승날(306)에 의해 상승되는 기울기 각도(ω; 튜브의 종축에 대해 직교하는 평면과 돌출부(110)의 종축의 평면 사이의 각도)를 결정한다. 각도(φ1) = 각도(ω)이고, 따라서 절삭/상승 공구(300) 상의 각도(φ1)는 돌출부(110)의 기울기 각도(ω)에 직접 영향을 주도록 조정될 수 있다. 기울기 각도(ω) [및 각도(φ1)]는 양호하게는 튜브의 종축에 대해 직교하는 평면에 대해 대략 -45° 내지 45° 사이의 임의의 각도의 절대값이다. 이러한 방식으로, 돌출부(110)들은 튜브의 종축에 대해 직교하는 평면과 정렬되거나, 튜브(100)의 종축에 대해 직교하는 평면에 대해 좌측 및 우측으로 기울어질 수 있다. 또한, 팁(302)들은 상이한 기하학적 특징을 갖도록 형성될 수 있고 (즉, 각도(φ1)는 상이한 팁(302) 상에서 상이할 수 있고), 따라서 튜브(100) 내의 돌출부(110)들은 상이한 각도로 그리고 튜브(100)의 종축에 대해 직교하는 평면에 대해 상이한 방향으로 기울어지거나 (전혀 기울어지지 않을) 수 있다.
예를 들어, 도13에 도시된 바와 같이, 절삭/상승 공구(300)는 2개의 상이한 각도의 절삭 팁들을 포함할 수 있다. 4개의 절삭 팁을 갖는 절삭/상승 공구(300) 상에서, 두 쌍의 절삭 팁(318, 320)들이 도5a 내지 도5c에 도시된 바와 같이, 기울어진 돌출부(110)를 갖는 비등 표면을 생성하는데 사용될 수 있다. 그러한 표면을 생성하기 위해, 이웃하는 팁(318, 320)들은 상이한 각도(φ1)를 가져야 한다. 돌출부(120)들의 기울기 각도를 변경하는 것은 비등 공동(114)의 개방부(116)에서 돌출부(120)들 사이의 특정 갭(g)을 얻기 위해 가능하고, 이는 표면(104)을 따른 만곡된 유체 유동(s)에 영향을 미친다.
따라서, 얻어지는 갭(g)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112006034846050-PCT00001
여기서,
p는 돌출부(110)들의 축방향 피치이고,
φ는 평면(B)과 공구 축(q)에 대해 직교하는 평면 사이의 각도이고,
φ1은 평면(C)과 공구 축(q)에 대해 직교하는 평면 사이의 공구(300)의 각도이고,
t는 절삭 깊이이다.
돌출부(110)의 물리적인 치수에 대한 값의 양호한 범위가 확정되었지만, 당업자는 절삭/상승 공구(300)의 물리적인 치수는 결과적인 돌출부(110)의 물리적인 치수에 영향을 주도록 변형될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 절삭날(304)이 내측 표면(104) 내로 절삭하는 깊이(t)와 각도(φ)는 돌출부(110)의 높이(ep)에 영향을 미친다. 그러므로, 돌출부(110)의 높이(ep)는 다음의 수식을 사용하여 조정될 수 있다.
ep = t/sin(90 - φ)
또는, φ = 90 - θ로 주어지면,
ep = t/sin(θ)
여기서, t는 절삭 깊이이고,
φ는 평면(B)과 공구 축(q)에 대해 직교하는 평면 사이의 각도이고,
θ는 층이 튜브(100)의 종축(s)에 대해 절삭되는 각도이다.
돌출부(110)의 두께(Sp)는 돌출부(110)들의 피치(Pa,p) 및 각도(φ)에 의존한다. 그러므로, 두께(Sp)는 다음의 수식을 사용하여 조정될 수 있다.
Sp = Pa,p·sin(90 - φ)
또는, φ = 90 - θ로 주어지면,
Sp = Pa,p·sin(θ)
여기서,
Pa,p는 돌출부(110)들의 축방향 피치이고,
φ는 평면(B)과 공구 축(q)에 대해 직교하는 평면 사이의 각도이고,
θ는 내측 표면(104)이 튜브(100)의 종축(s)에 대해 절삭되는 각도이다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 돌출부(110)의 팁(124)은 도10에 도시된 편평화 공구(400)를 사용하여 편평화되거나 구부러진다. 편평화 공구(400)는 양호하게는 내측 표면(104) 상의 돌출부(110)의 직경보다 더 큰 직경을 갖는다. 따라서, 편평화 공구(400)가 튜브(100)를 통해 밀고 당겨질 때, 돌출부(110)의 팁(124)은 구부러지거나 편평화된다. 편평화 공구(400)는 샤프트(130)를 부착시키기 위한 개구(402)를 포함한다.
다른 실시예에서, 돌출부(110)의 팁(124)은 편평화 공구(400)를 사용하지 않고서 도3a 및 도3b에 도시된 편평화되거나 구부러진 팁(124)과 유사한 형상을 달성할 수 있다. 예를 들어, 절삭/상승 공구(300)는 도4a 및 도4b에 도시된 바와 같이, 편평화된 돌출부 팁(124)과 유사한 형상을 갖는 돌출부(110)를 생성할 수 있는 팁(302)을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 절삭/상승 공구(300)는 도9b에 도시된 바와 같이, 돌출부(110)의 팁(124)을 편평화하기 위한 팁(316)을 포함할 수 있다. 도9a에 도시된 바와 같은 절삭/상승 공구(300)가 도9b 및 도9c에 도시된 것과 같은 비등 표면을 생성하는데 사용될 수 있다.
열전달 표면 상에서 사용하기 위한 비등 표면은 두꺼워진 팁(124)을 갖는 돌출부(110)를 생성함으로써 달성될 수도 있다. 도12a 및 도12b에 도시된 바와 같이, 두꺼워진 팁(124)을 갖는 열전달 표면은 비등 공동(114)을 생성하는데 사용될 수 있다. 두꺼워진 팁(124)을 갖는 돌출부(110)는 도13a 및 도13b를 참조하여 다음의 공식을 사용하여 얻어질 수 있다.
Figure 112006034846050-PCT00002
여기서,
φ2는 절삭날의 제1 측면의 돌출부와 공구 공급 방향 사이의 각도이고,
φ3는 절삭날의 제2 측면의 돌출부와 공구 공급 방향 사이의 각도이고,
t는 전체 절삭 깊이이고,
t1은 절삭날의 제1 측면에 대한 절삭 깊이이고, 그 다음 돌출부 팁(124)은 도13b에 도시된 바와 같을 것이고, 갭(g)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112006034846050-PCT00003
다음이 참이면,
Figure 112006034846050-PCT00004
돌출부 팁(124)은 도13b에 도시된 바와 같을 것이고, 갭(g)은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112006034846050-PCT00005
도13c 및 도13d는 두꺼워진 팁(124)을 갖는 돌출부(110)를 생성하는데 사용될 수 있는 절삭/상승 공구(300)의 일 실시예를 도시한다.
도10은 튜브(100)의 표면을 향상시키기 위한 한 가지 가능한 제조 배열을 도시한다. 이러한 도면은 본 발명에 따른 튜브(100)가 제조되는 공정을 제한하도록 의도되지 않으며, 오히려 임의의 적합한 장비 또는 장비의 구성을 사용하는 임의의 튜브 제조 공정이 사용될 수 있다. 본 발명의 튜브(100)는 예를 들어 구리 및 구리 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금, 청동, 티타늄, 강철 및 스테인리스강과 같이, 구조적인 무결성, 가단성 및 가소성을 포함하는 적합한 물성을 지닌 다양한 재료로부터 만들어질 수 있다.
튜브(100)의 내측 표면(104)을 향상시키기 위한 방법의 일례로, 편평화 공구(400)가 개구(402)를 통해 그 위에 회전 가능하게 장착되는 샤프트(130)가 튜브(100) 내로 연장된다. 절삭/상승 공구(300)는 개구(308)를 통해 샤프트(130) 상으로 장착된다. 홈 형성 공구(200)가 개구(202)를 통해 샤프트(130) 상으로 장착된다. 볼트(132)가 모든 3개의 공구(200, 300, 400)를 제 위치에 고정시킨다. 공구(200, 300, 400)들은 양호하게는 임의의 적합한 수단에 의해 샤프트(130)와 회전식으로 로킹된다. 도7d 및 도8d는 절삭/상승 공구(300)를 샤프트(130)에 대한 위 치 내로 고정시키기 위해 (도시되지 않은) 샤프트 상의 돌출부와 로킹하도록 절삭/상승 공구(300) 상에 제공될 수 있는 키 홈(310)을 도시한다.
도시되지는 않았지만, 본 발명의 방법 및/또는 공구가 튜브의 내측 표면을 생성하는데 사용될 때, 제조 배열은 튜브의 외측 표면을 향상시키는데 사용될 수 있는 아버(arbor)를 포함할 수 있다. 각각의 아버는 통상 축방향 피치(Pa,o)를 갖는 하나 내지 복수의 시작 외부 핀을 반경방향으로 압출하는 핀 형성 디스크를 갖는 공구 배열을 포함한다. 공구 배열은 튜브의 외측 표면을 더욱 향상시키기 위해, 노치 형성 또는 편평화 디스크와 같은 추가의 디스크를 포함할 수 있다. 그러나, 튜브 용도에 따라, 향상부가 튜브의 외측 표면 상에 제공될 필요가 없다는 것을 알아야 한다. 작업 시에, 튜브 벽은 맨드릴과 아버 사이에서 이동하고, 이는 튜브 벽 상에 압력을 가한다.
원하는 내측 표면 패턴의 거울상이 홈 형성 공구(200) 상에 제공되어, 홈 형성 공구(200)는 튜브(100)가 홈 형성 공구(200)와 맞물릴 때 원하는 패턴을 구비한 튜브(100)의 내측 표면(104)을 형성할 것이다. 바람직한 내측 표면(104)은 도1에 도시된 바와 같이 1차 홈(108)을 포함한다. 튜브(100)의 내측 표면(104) 상에서의 1차 홈(108)의 형성 후에, 튜브(100)는 홈 형성 공구(200)의 하류에 인접하여 위치된 절삭/상승 공구(300)와 만난다. 절삭/상승 공구(300)의 절삭날(304)(들)은 내측 표면(104)을 통해 절삭한다. 절삭/상승 공구(300)의 상승날(306)(들)은 그 다음 내측 표면(104)을 상승시켜서 돌출부(110)를 형성한다.
돌출부(110)들이 외부 핀 형성과 동시에 형성되고 절삭/상승 공구(300)가 고정되면 (즉, 회전 또는 축방향으로 이동하지 않으면), 튜브(100)는 자동으로 회전하고 축방향으로 이동한다. 이러한 경우에, 돌출부(110)들의 축방향 피치(Pa,p)는 다음의 공식에 의해 결정된다.
Figure 112006034846050-PCT00006
여기서,
Pa,o는 외부 핀들의 축방향 피치이고,
Zo는 튜브의 외경부 상의 핀 시작부의 개수이고,
Zi는 절삭/상승 공구(300) 상의 팁(302)의 개수이다.
특정 돌출부 축방향 피치(Pa,p)를 얻기 위해, 절삭/상승 공구(300)도 회전될 수 있다. 튜브(100) 및 절삭/상승 공구(300)는 동일한 방향으로 회전할 수 있거나, 또는 튜브(100) 및 절삭/상승 공구(300)는 반대 방향으로 회전할 수 있다. 소정의 축방향 돌출부 피치(Pa,p)를 얻기 위해, 절삭/상승 공구(300)의 [분당 회전수(RPM)에서의] 필요한 회전은 다음의 공식을 사용하여 계산될 수 있다.
Figure 112006034846050-PCT00007
여기서,
RPMtube는 튜브(100)의 회전 주파수이고,
Pa,o는 외측 핀들의 축방향 피치이고,
Zo는 튜브의 외경부 상의 핀 시작부의 개수이고,
Pa,p는 돌출부(110)들의 바람직한 축방향 피치이고,
Zi는 절삭/상승 공구(300) 상의 팁(302)의 개수이다.
이러한 계산 결과가 음수이면, 절삭/상승 공구(300)는 원하는 피치(Pa,p)를 얻기 위해 튜브(100)와 동일한 방향으로 회전해야 한다. 또는, 이러한 계산 결과가 양수이면, 절삭/상승 공구(300)는 원하는 피치(Pa,p)를 얻기 위해 튜브(100)와 반대 방향으로 회전해야 한다.
돌출부(110)의 형성이 1차 홈(108)의 형성과 동일한 작업으로 도시되어 있지만, 돌출부(110)는 미리 형성된 1차 홈(108)을 갖는 튜브(100)를 사용함으로써 1차 홈(108)과 분리된 작업에서 제작될 수 있다. 이는 통상 절삭/상승 공구(300) 또는 튜브(100)를 회전시키고 절삭/상승 공구(300) 또는 튜브(100)를 튜브 축을 따라 이동시키기 위한 조립체를 요구한다. 또한, (도시되지 않은) 지지부가 양호하게는 절삭/상승 공구(300)를 내측 튜브 표면(14)에 대해 중심 설정하도록 제공된다.
이러한 경우에, 돌출부(110)들의 축방향 피치(Pa,p)는 다음의 공식에 의해 지배된다.
Pa,p = Xa/(RPM·Zi)
여기서,
Xa는 튜브(100)와 절삭/상승 공구(300) 사이의 축방향 상대 속도(거리/시간)이고,
RMP는 절삭/상승 공구(300)와 튜브(100) 사이의 상대 회전 주파수이고,
Pa,p는 돌출부(110)들의 바람직한 축방향 피치이고,
Zi는 절삭/상승 공구(300) 상의 팁(302)의 개수이다.
이러한 공식은 (1) 튜브(100)가 축방향으로만 이동하고 (즉, 회전하지 않고) 절삭/상승 공구(300)만 회전하고 (즉, 축방향으로 이동하지 않고), (2) 튜브(100)만 회전하고 절삭/상승 공구(300)가 축방향으로만 이동하고, (3) 절삭/상승 공구(300)가 회전하며 축방향으로 이동하지만 튜브(100)는 회전 및 축방향으로 고정되고, (4) 튜브(100)가 회전하며 축방향으로 이동하지만 공구(10)는 회전 및 축방향으로 고정되고, (5) 상기의 임의의 조합의 경우에 적합하다.
본 발명의 내측 튜브 표면(104)에서, 유체 유동을 위한 추가의 경로가 열전달 및 압력 강하를 최적화하기 위해 [2차 홈(112)들을 통해 돌출부(110)들 사이에서] 생성된다. 도5c는 튜브(100)를 통해 이동하는 유체를 위한 이러한 추가의 경로를 도시한다. 이러한 경로들은 1차 홈(108)들 사이에서 생성된 유체 유동 경로에 추가된다. 이러한 추가적인 경로는 튜브 축(s)에 대해 나선 각도(α1)를 갖는 다. 각도(α1)는 인접한 1차 홈(108)들로부터 형성된 돌출부(110)들 사이의 각도이다. 나선 각도(α1)와 튜브(100)를 통한 경로(128)들의 배향은 다음의 수식을 사용하여 돌출부(110)들의 피치(Pa,p)를 조정함으로써 조정될 수 있다.
Figure 112006034846050-PCT00008
여기서,
Pa,r은 1차 홈(108)들의 축방향 피치이고,
α는 튜브 축(s)에 대한 1차 홈(108)의 각도이고,
α1은 돌출부(110)들 사이의 바람직한 나선 각도이고,
Zi는 절삭/상승 공구(300) 상의 팁(302)의 개수이고,
Di는 튜브(100)의 내측 표면(104)으로부터 측정된 튜브(100)의 내경이다.
본 발명에 따라 만들어진 튜브(100)는 기존 튜브의 성능을 능가한다. 도14 내지 도16은 본 발명의 실시예에 따른 열전달 표면의 향상된 성능을 그래프로 도시한다. 도14는 열속에 대한 종횡비의 효과를 도시한다. 도15는 열속에 대한 인치당 돌출부(핀)의 효과를 도시한다. 도16은 상이한 유형의 미세 핀형 구리 열전달 표면들의 열속을 비교한다. X축은 열속(W/cm2)을 도시하고, Y축은 온도 변화 - 벽의 온도 - 전체의 온도(ΔT(℃) - Twall - Tbulk)를 도시한다.
매끄러운 선은 HFE-7100에 의한 백금선 테스트를 표시한다. 속이 찬 원은 은 납땜으로 거칠어진 구리로 만들어진 튜브를 나타낸다. 개방된 사각형은 튜브 상의 니크롬 표면을 타나낸다. 밝은 X는 본 발명의 일 실시예에 따라 만들어진 튜브의 샘플을 표시한다. 십자는 본 발명의 다른 실시예에 따라 만들어진 튜브의 샘플을 표시한다. 어두운 X는 본 발명의 다른 실시예에 따라 만들어진 튜브의 샘플을 표시한다. 별표는 본 발명의 다른 실시예에 따라 만들어진 튜브의 샘플을 표시한다. 어둡게 폐쇄된 원은 본 발명의 다른 실시예에 따라 만들어진 튜브의 샘플을 표시한다. 폐쇄된 다이아몬드는 본 발명의 다른 실시예에 따라 만들어진 튜브의 샘플을 표시한다. 절반 해치 부호가 있는 실선은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 만들어진 튜브의 샘플을 표시한다. 해치 부호가 있는 실선은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 만들어진 튜브의 샘플을 표시한다.
테스트된 열전달 표면은 인치당 대략 185개의 돌출부를 갖는 편평 구리 표면이었다. 돌출부는 높이가 대략 0.024 인치(0.6096 mm) 그리고 두께가 0.0027 인치(0.0688 mm)였다. 본 발명의 열전달 표면은 거친 구리판보다 대략 8배가 효과적이며, 구리 발포체의 대략 2배의 효과이다.
상기 설명은 본 발명의 다양한 실시예 및 관련 구조를 설명하기 위해 제공되었다. 다양한 변형, 추가, 및 생략이 본 발명의 범주 및 취지로부터 벗어나지 않고서 이러한 실시예에 및/또는 구조에 대해 이루어질 수 있다.

Claims (3)

  1. 내측 표면, 외측 표면, 및 종축을 포함하는 튜브이고,
    내측 표면은 1차 홈 절삭 깊이를 갖는 적어도 2개의 1차 홈과, 적어도 2개의 1차 홈들 각각의 1차 홈 절삭 깊이와 적어도 동일한 2차 홈 절삭 깊이를 갖는 적어도 하나의 2차 홈에 의해 형성된 적어도 하나의 돌출부를 포함하고,
    1차 홈, 돌출부, 및 2차 홈은 비등 공동을 형성하는 튜브.
  2. 종축을 갖는 튜브를 제조하는 방법이며,
    a. 1차 홈을 형성하기 위한 절삭 깊이 및 종축에 대한 각도로 튜브의 내측 표면을 통해 절삭하는 단계와,
    b. 내측 표면 층을 형성하기 위한 절삭 깊이 및 종축에 대한 각도로 내측 표면을 통해 2차 홈을 절삭하는 단계와,
    c. 돌출부 높이, 돌출부 두께, 및 돌출부 피치를 갖는 돌출부들을 형성하기 위해 내측 표면 층을 상승시키는 단계를 포함하는 방법.
  3. 튜브의 내측 표면을 향상시키는 방법이며,
    a. 적어도 제1 평면, 제2 평면, 및 제3 평면의 교차부에 의해 형성되어 절삭날 및 상승날을 갖는 적어도 하나의 팁 및 공구 축을 포함하는 공구를 샤프트 상으로 장착하는 단계와,
    b. 공구를 튜브 내에 위치시키는 단계와,
    c. 층 및 홈을 형성하기 위해 튜브의 내측 표면을 통해 적어도 부분적으로 절삭하고 돌출부를 형성하기 위해 층을 상승시키도록 튜브와 공구 사이에서 상대 회전 및 상대 축방향 이동을 초래하는 단계를 포함하는 방법.
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