KR20130002996A

KR20130002996A - 유체용 제품, 이러한 제품의 제조 방법 및 용도

Info

Publication number: KR20130002996A
Application number: KR20127023682A
Authority: KR
Inventors: 한스-요아힘 크라우트쉬크; 요아힘 휠스트룽
Original assignee: 티센크룹 니로스타 게엠베하; 티센크루프 스틸 유럽 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2013-01-08
Also published as: PL2534382T3; DE102010007570A1; AU2011214491B2; JP2013519845A; AU2011214491A1; ZA201206000B; JP5727520B2; RU2012138405A; BR112012019917A2; CA2789231A1; CN102803750B; EP2534382B1; MX2012009354A; US20130125992A1; US9188287B2; HUE054254T2; ES2863627T3; EP2534382A1; WO2011098383A1; CN102803750A

Abstract

본 발명은 흐름 방향(S)으로 흐르는 유체와 접촉하도록 제공되는 적어도 하나의 표면 세그먼트(A)를 갖는 유체용 제품으로서, 상기 유체와 접촉하는 세그먼트(A)에서는 특정 길이(L1, L2) 및 형상의 리브(1,1',1")가 형성되고, 이웃한 리브(1,1',1")는 이들 사이에서 각각의 경우마다 골(8,8')의 경계를 정하는 것인 유체용 제품, 이러한 제품의 제조 방법 및 용도에 관한 것이다. 본 발명에 따른 제품은 더욱 개선된 흐름 특성을 가지고서 경제적으로 제조될 수 있다. 이는 각각의 경우마다 골(8,8')의 경계를 정하는 적어도 두 개의 리브(1,1',1")가 하나의 그룹(G,G')에서 통합되어 있고, 적어도 두 개의 그룹(G, G')이 존재하고, 각각의 그룹이 유체의 흐름 방향(S)에 대한 직교 방향으로 바라본 때 그에 인접하게 배열되는 각각의 그룹(G,G')으로부터 골(8,8')에 의해 분리되고, 각각의 그룹(G,G')을 서로 분리하는 골(12,12')의 높이 프로파일이, 그룹(G,G')을 서로 분리하는 골(12,12')에 이웃한 그룹(G,G')의 리브(1,1',1")에 의해 경계가 정해지는 골의 높이 프로파일과 각각의 경우마다 다른 경우에 달성된다.

Description

유체용 제품, 이러한 제품의 제조 방법 및 용도{PRODUCT FOR FLUIDIC APPLICATIONS, METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF, AND USE OF SUCH A PRODUCT}

본 발명은 흐름 방향으로 흐르는 유체와 접촉하도록 제공되는 적어도 하나의 표면 세그먼트(surface segment)를 갖는 유체용 제품에 관한 것으로서, 상기 유체와 접촉하는 세그먼트에서는 특정 길이 및 형상의 리브(rib)들이 형성되고, 그 이웃한 리브들은 그들 사이에서 각각의 경우마다 골(valley)의 경계를 정하는 것인 유체용 제품에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 제품의 제조 방법 및 용도에 관한 것이다.

위에서 언급한 유형의 제품은 예를 들어 시트, 파이프 또는 이로부터 제조한 기타 유체용 제품인데, 실제 사용시 이러한 제품을 통해 또는 그 위를 유동성 매질이 흐른다. 이러한 제품은 예를 들어 태양열 장치용 열교환기의 제조에서 사용되거나, 가정용 및 공업용 장치에서 사용되는 흡입 장치용 흡입 파이프로서 사용되거나, 기타 용도로 사용된다. 최적 에너지 사용을 위하여, 이러한 용도 및 유사한 용도에서의 한 가지 필수적인 구성 목적은 유체 손실을 최소로 감소시키는 것이다.

본 발명에 따른 제품 위를 흐르는 유체는 물, 기름, 현탁액 또는 분산액과 같은 액체일 수 있으며, 공기, 산소, 질소, 알곤 등과 같은 기체 또는 기체 혼합물일 수 있다. 그 유체는 동일 상들의 혼합물일 수 있고 기체-액체 혼합물 또는 입자-유체 혼합물 또는 입자-기체 흐름과 같은 다중상 매질일 수도 있다. 개개의 상 부분들은 농도차를 가질 수 있다. 또한, 유체의 상 내에서 또는 상들의 사이에서 물질 교환이 일어날 수 있다.

파이프, 시트 및 시트 필름, 일반적으로는 시트 필름의 제조에 사용되는 공정은 아주 다양하다. 강재 또는 경금속 재료로 이루어진 시트, 시트 필름 및 필름은 보통 제조 공정시 열간 또는 냉간 압연된다. 이러한 제품이 부식 민감성 재료로 이루어지는 경우, 이들은 일반적으로 코팅되기도 한다. 부식 저항성이 아닌 강재로 이루어진 시트는 보통 아연, 주석, 아연-마그네슘이 코팅된다. 그에 부가하여 또는 그 대신에, 페인트 층이 도포될 수 있다.

시트 금속으로부터 유체용으로 적합한 파이프의 제조시, 그 시트는 보통은 슬롯(slot) 형태로 형성된다. 다음에, 그 슬롯은 용접 공정에 의해 밀폐된다. 대안적으로, 둥근 주조물로부터 파이프가 이음매 없이 제조될 수 있다.

유체용 부품의 제조를 위한 모든 알려진 공정들의 공통적인 특징은 종래 기술에 따라 제조되는 제품들의 표면 구조가 하기의 특징을 갖는다는 것이다.

- 그 표면 구조가 확률론적 특성이 있고 불명확하게만 설명된다. 표면 형상 및 거칠기를 설명하기 위하여, 산술 평균 거칠기(Ra), 최대 거칠기 깊이(Ry), 평균 거칠기 깊이(Rz) 등과 같은 통계적인 평균 값이 사용된다.

- 시트의 제조시, 시트의 표면 형상 및 거칠기는 그 시트의 열간 또는 냉간 압연에 사용되는 작업 롤의 조도에 영향을 받을 수 있다. 따라서, 해당하는 롤 조도가공(roll texturing)에 따라 위에서 언급한 중요한 값들이 영향을 받음으로써, 그 표면의 시각적인 모양, 딥 드로잉 및 압착과 같은 후속 성형 단계에서의 인쇄성 또는 변형 거동이 영향을 받을 수 있다. 그러나, 이러한 방식으로 발생될 수 있는 표면 구조는 실질적으로 확률론적인 상태로 남아있다.

- 제품 표면의 유체 거동에 필수적인 주요한 특성을 설명하기 위하여, 보통은 조도(sand roughness), 마찰계수 X, 저항 계수(resistance count) 및 유사한 실험적으로 결정되는 주요한 값들과 같은 특정의 중요한 값들이 사용되어 각 경우마다 흐름 하에서 표면에서 발생하는 마찰 및 압력 손실을 설명한다. 관련된 중요한 값들은 흐름의 특성(층류, 난류)에 일차적으로 영향을 받고 각각의 경우마다 유체와 접촉하는 제품의 제조에서 사용된 재료 및 공정에 이차적으로 영향을 받는다. 따라서, 새로운 롤러 표면인 길이방향의 이음 용접부를 갖는 강재 파이프의 경우, 등가 조도 k에 대한 값은 일반적으로 0.04 내지 0.1 mm의 범위이다(확률적).

자원의 효율적인 사용 및 에너지(본 발명에서는 전기, 펌프 동력, 연료 등)의 환경 및 기후 친화적인 사용을 위하여, 유체가 흐르는 부품에서의 흐름 손실을 최소화하는 것이 특히 중요하다. 파이프를 통해 또는 물체 주위에 유체를 전달하는데 필요한 에너지는 유체 접촉에 노출되는 개개 부품의 세그먼트, 즉 유체가 흐르는 파이프의 내면 또는 유체가 흐르는 물체의 각각의 벽에 의해 유체에서 발생되는 마찰 손실에 의존한다. 부품과 유체의 상대적 운동을 위하여, 적어도 그들 사이의 우세한 마찰이 극복되어야 한다.

유체 운반 파이프의 경우, 한 가지 요인은 유체가 그 파이프를 통해 속도 v로 흐르는 때 발생하는 압력 손실 Dp 이다. 물체의 주위를 흐르는 유체의 경우, 마찰 계수 cw가 비교 에너지 값으로서 흔히 사용된다.

유체가 그를 통해 흐르거나 그 주위를 흐르는 부품에서의 마찰 손실은 대체로, 접촉 영역에서는 유체와 부품의 세그먼트 사이의 상대 속도가 제로에 해당하기 때문에 발생한다. 따라서 파이프 흐름의 경우, 부품의 각각의 세그먼트에서의 유체 속도와 흐름 사이에서, 속도 프로파일은 파이프 내벽에서의 제로와 파이프의 중심부에서의 최대 속도의 범위를 형성한다. 물체 주위를 흐르는 유체의 경우, 해당하는 속도 프로파일은 각각의 부품에서의 "제로 속도" 내지 각각의 부품으로부터 떨어져 놓이는 외부 영역에서의 최대 흐름 속도의 범위를 초래한다.

유체와 부품 사이의 접촉 영역에서, 특징적인 흐름 영역이 형성되는데, 이는 에너지 손실과 유체와 벽/물체 사이의 열 또는 물질 전달을 결정하는 계면층으로 알려져 있다. 관찰 부위 및 흐름 형태(층류 또는 난류)에 따라, 층류(laminar) 계면층, 전이 영역 및 난류(turbulence) 계면층이 발생한다(유량의 경우 및 온도 및 물질 농도의 경우). 그 공간의 정도 및 층류에서 난류로의 변화의 부위는 조도 k에 따라 결정될 수 있다.

처음에 언급한 바와 같이, 조도 k는 보통은 확률론적인 값으로서 제조 과정에 따라 결정된다. 시트가 열간 및 냉간 압연에 의해 제조되는 경우, 그 롤의 압연 파라미터 및 표면 조도는 최종 시트의 조도에 결정적인 영향을 미친다.

마찰 손실 및 열전달 감소의 또 다른 요인은 부품의 적셔진 벽과 접촉하는 흐름 영역으로부터의 입자 또는 소적(droplet) 운반에 따른 침착물(deposit)이다. 침착 매커니즘은 일차적으로는 화학적, 야금학적 또는 열역학적 규칙성에 의해 결정되고 이차적으로는 표면 조도에 의해 결정된다.

냉각 과정, 가열 과정 또는 입사 복사선에 의한, 벽과 이를 따라 흐르는 유체로의 열전달은 그 벽에서의 유체 거동에 직접 영향을 미친다. 따라서, 특히 그 열교환은 관련 유체의 점도에 영향을 미친다. 열이 접촉 표면의 영역에 공급 또는 방산되는 결과로서, 벽에 근접한 영역과 그 벽으로부터 떨어진 영향받지 않는 영역 사이에 점도 구배가 형성된다. 태양열 또는 유사한 용도의 경우, 이러한 구배의 형성은 관련 물체의 전체 열전달 거동에 영향을 미친다.

독일 공개 특허 공보 DE 36 09 541 Al호는 난류 흐름이 있는 표면, 예를 들어 파이프의 내면의 흐름 저항성은 감소될 수 있는데, 관련 물체의 표면상에서, 흐름 방향으로 놓이는 리브(rib)들은 예리한 에지를 갖는 리브에 의해 서로 분리되도록 형성되기 때문이라는 것을 개시하고 있다. 그 리브들은 다수의 엇갈린 리브 그룹들로 배열되는데, 각각의 그룹은 흐름 방향에 대하여 직교하거나 비스듬하게 배열되고 서로 이격되는 다수의 리브들로 구성된다. 유체의 흐름 방향으로 연속적으로 배열되는 리브 그룹들의 리브는 흐름 방향의 측면으로 서로 상쇄되도록 배열될 수 있다. 동시에, 개개의 엇갈린 리브 그룹들의 리브들은 흐름 방향으로 짧은 연장부를 갖는다. 흐름 방향에 직교하게 배열된 이웃한 리브들은 그들 사이에서 홈의 형태로 형성된 골의 경계를 정하는데, 이웃한 리브로의 전이부는 홈의 형태로 둥굴게 된다. 그 엇갈린 배열은 상기 표면 구조의 효과에 결정적인 것으로 간주된다. 엇갈린 상쇄부를 갖도록 배열된 짧은 리브의 표적화된 형성은 벽에 근접한 영역에서의 흐름 저항을 최소화하는데 있어서 특히 효과적이다.

유럽 공개 특허 공보 EP 1 925 779 Al호는 그 주위 또는 그 위를 유체가 흐르는 표면에 상어피부 효과(sharkskin effect)를 생성하는 표면 구조를 제공하는 경우, 상기 유체가 흐르는 표면에서의 흐름 저항이 감소될 수 있고, 특히 흐름 장치의 효율이 추가로 증가될 수 있다는 것을 개시하고 있다. 이는 특히 그 표면을 식각하여 재료를 제거하거나 관련 표면상에 원하는 구조를 형성하는 코팅제를 도포함으로써 달성된다.

위에서 설명한 종래 기술과 관련하여, 본 발명의 목적은 더욱 개선된 흐름 특성을 가지고서 경제적으로 제조될 수 있는 제품, 이의 제조 방법 및 이러한 제품의 특히 유용한 용도를 제공함에 있다.

상기 제품에 관하여, 이러한 목적은 이러한 제품이 청구항 1에 따라 형성되는 본 발명에 따라 달성된다.

상기 방법에 관하여, 상기 과제에 대한 본 발명에 따른 해결 방안은 본 발명에 따라 발생된 표면 구조가 유체와 접촉하는 제품의 각각의 세그먼트에서 성형 단계시 엠보싱된다는 것이다.

본 발명에 따른 제품은 유체를 운반하는 파이프의 제조에 특히 유리하게 사용될 수 있다. 그의 특별한 흐름 특성 때문에, 본 발명에 따라 제조된 파이프는 열교환기 등과 같은 태양열 장치에서 사용하기에 특히 적당하다.

본 발명의 유리한 개선사항은 종속항에 제시되어 있고 아래에 설명된다.

본 발명에 따른 제품은 그 표면 세그먼트들 중 적어도 하나가 흐름 방향으로 흐르는 유체와 접촉하는 유체 용도로 실제적인 사용을 위해 제공된다. 상기 언급된 종래 기술에 따르면, 유체와 접촉하는 세그먼트에서는, 특정 길이 및 형상의 리브가 형성되는데, 그의 이웃한 리브들은 각각의 경우마다 그들 사이에서 골의 경계를 정한다.

대표적으로 본 발명에 따른 제품은 금속 재료로 이루어진 시트 또는 호일, 특히 충분히 높은 내부식성을 갖는 시트로서, 실제 사용시 유체가 그에 상대적으로 이동함에 따라 발생하는 파이프 또는 기타 유체용 제품의 제조에 사용된다.

본 발명에 따라서, 이러한 제품의 표면은

- 각각의 경우마다 그들 사이에서 경계가 정해지는 골을 갖는 적어도 두 개의 리브가 적어도 두개의 리브를 갖는 그룹으로 일제히 분류되고,

- 흐름 방향에 대한 직교 방향으로 보았을 때, 각각의 그룹은 이에 이웃하게 배열된 각각의 그룹으로부터 골에 의해 분리되고,

- 각각의 그룹들을 서로 분리하는 골의 높이 프로파일은, 그 그룹들을 서로 분리하는 골에 이웃한 그룹들의 리브들에 의해 경계가 정해지는 골들의 높이 프로파일과 각각의 경우마다 다르도록 구성된다.

본 발명에 따른 제품에 있어서, 이러한 표면상에 형성된 리브들 및 이들 사이의 골은 동일 형상의 더욱 긴 부분이 없고 균등하게 배열되지만, 별개의 구성의 리브들 및 골들의 표적된 분류 및 배치에 따라, 대규모로 재현가능하고 경제적으로 일차적으로 제작되고 흐름 손실을 최소화하는 관점에서 이차적으로 최적화될 수 있는 표면 구조가 생성되도록 상기 리브 및 골이 형성된다.

이러한 최적화는 그룹들의 이웃한 골들과 상이한 형상을 갖는 그룹들의 사이에 골들이 놓이는 본 발명에 따른 리브들 및 골들의 분류에 의하여, 표면에 근접한 흐름에서 난류의 발생이 특히 효과적으로 방지된다는 점에서 달성된다. 놀랍게도, 종래 기술에서 편리한 것으로 판단된 상어피부 효과의 방식으로 표면 구조의 엇갈린 배열은 그다지 효과적이지 않지만, 리브들 및 골들의 분리된 형태를 갖는 리브들 및 골들의 비교적 무질서한 배열은 특히 바람직한 흐름 거동을 제공하는 것으로 확인되었다.

본 발명에 따른 표면 구조를 형성하는 특별한 이점은 리브들 및 골들로 이루어진 그룹들의 배열의 본 발명에 따라 제공된 패턴은 그 그룹들을 분리하는 골들의 별개의 형태에도 불구하고, 기계에 의해 용이하고 신뢰가능하고 재현가능하게 제작될 수 있다. 본 발명에 따른 제품이 금속 시트인 경우, 본 발명에 따른 표면 구조는 예를 들어, 네커티브 엠보싱을 갖는 로울러의 사용을 통해 압연 단계에서 시트의 표면에서 용이하게 엠보싱될 수 있다.

따라서, 본 발명에서는, 적어도 그에 마주하여 흐르는 유체에 직접 노출되는 영역에서, 그의 흐름 저항성이 최적화되는 표면을 갖는 제품이 이용가능하다. 명백히, 본 발명에 따라 구성된 표면의 정도는 유체와 접촉하는 제품의 세그먼트로만 제한되지 않는다. 오히려, 본 발명에 따른 표면 구조는 예를 들어 제조 공학적 측면에서 적당한 경우 그 제품의 전체 표면에 걸쳐서 연장될 수도 있다.

각각의 용도에 따라, 유체와 접촉하는 그의 표면의 영역에서, 본 발명에 따른 제품은 리브들 및 골들의 그룹이 형성되는 세그먼트, 및 이러한 그룹들이 존재하지 않아서 특히 평탄하게 형성되거나 별개의 구조를 갖지 않는 세그먼트를 포함하는 경우가 있을 수도 있다. 따라서, 유체가 적셔진 제품의 표면상에, 본 발명에 따라 형성된 리브들 및 골들의 그룹을 갖는 세그먼트 및 다르게 형성된 세그먼트를 번갈아 연속하여 배열하는 것을 생각할 수 있다. 또한, 평탄하게 형성된 세그먼트에서는, 리브들 및 골들의 분리된 그룹들을 갖는 본 발명에 따라 형성된 세그먼트들이 배열될 수 있다.

본 발명에 따라 형성된 표면 구조의 결과, 유체가 흐르는 부품(파이프) 또는 유체가 그 주위 또는 그 위를 흐르는 물체에서는, 흐름 저항에 대한 최적 조건이 생긴다. 따라서, 본 발명에 따른 양태는 예를 들어 흐름 계면층의 두께, 온도 계면층의 두께, 벽 흐름이 층류에서 난류로 변하는 전이 영역의 위치 및 정도, 유체와 이것이 마주 흐르는 벽 세그먼트 사이의 열전달 거동, 유체와 이것이 흐르는 벽 부분 사이의 물질 전달 거동, 벽에 근접한 영역과 벽에 근접한 영역 외측의 비교란(undisturbed) 흐름의 혼합 과정, 표면과 접촉한 유체에서의 입자 또는 소적 거동, 벽에 근접한 영역에서 유체의 특성 및 마찰 손실의 최적화를 가능하게 한다.

두 개의 이웃한 그룹들을 서로 분리하는 골의 높이 프로파일과 그 그룹의 이웃한 골들의 높이 프로파일의 편차는 서로 이웃하게 배열되는 그룹들을 서로 분리하는 골의 바닥부가 그룹들을 분리하는 골에 이웃한 그룹들의 골의 바닥부 보다 낮아지게 하는 경우 가장 간단한 방식으로 달성될 수 있다. 또한, 높이 프로파일의 편차는 두 개의 그룹을 분리하는 골이 오목 곡면을 가지면서 그 그룹들의 이웃한 골들이 볼록 곡면을 가지게 하는 것으로 구성될 수 있다. 또한, 두 개의 이웃한 그룹들을 분리하는 골에는 도랑 또는 리브가 제공되면서 그 그룹들의 이웃한 골은 균일하게 평탄한 표면을 갖는 것을 생각할 수도 있다.

표면에 근접한 난류의 발생이 억제될 수 있는 효과는 각각의 그룹의 적어도 하나의 리브가 그 그룹의 다른 리브들 보다 높이가 큰 경우, 즉 특정 그룹의 적어도 두 개의 리브들이 상이한 높이를 갖는 경우 더욱 증가될 수 있다.

흐름 방향을 가로질러 보았을 때 서로 인접한 두 개의 그룹들을 서로 분리하는 골의 바닥부를 기준으로, 본 발명에 따른 제품에서 리브의 높이는 대표적으로 10 내지 2000 ㎛의 범위이다.

본 발명에 따른 표면 구조에서, 리브들과 이들이 경계를 정하는 골들로 이루어진 그룹들이 유체의 흐름 방향으로 보았을 때 서로 상쇄되도록 배열되는 경우, 이러한 배열은 벽에 근접한 층류의 발생을 회피하는데 기여한다. 이러한 그룹들의 배열의 경우, 흐름 층들의 특히 집중적인 교환이 일어나서, 특히 유체가 흐르는 표면 세그먼트와 유체 사이의 열전달이 긍정적으로 영향을 받는다.

흐름 거동 및 열전달에 대한 또 다른 바람직한 효과는 유체의 흐름 방향으로 보았을때 서로의 후방에 놓이는 그룹들 또는 유체의 흐름 방향을 가로질러 보았을 때 서로의 후방에 놓이는 그룹들이 서로 이격되게 배열되는 경우에 달성될 수 있다. 공간에 의해 길이가 결정된 후 대표적으로 평탄한 공간 영역에서 적용가능한 경우에 발생하는 계면층 흐름들은 그 상이한 흐름 층들의 교환의 결과로서 그 형태 및 방향을 변화시키는 리브들 및 골들의 그룹을 만족시킨다. 이러한 효과는 서로 이격되게 배열되는 두 개의 그룹들 사이에 존재하는 간격 영역의 바닥부가 각각의 간격 영역에 이웃한 그룹들의 골들의 바닥부보다 낮거나 유체의 흐름 방향으로 보았을 때 서로의 이후에 배열되는 그룹들이 흐름 방향에 직교하게 보았을 때 서로 상쇄되게 배치되는 경우에 특히 강하다. 동일한 목적은 적어도 두 개의 그룹이 이들에 이웃한 그룹들 중 하나와 상이한 간격을 갖는 경우에 달성된다.

그룹들의 간격을 둔 배열에 의해 달성된 본 발명에 따른 미세구조 외에도, 흐름 거동의 최적화의 측면에서 긍정적인 표면의 미세한 구조는 각각의 그룹이 적어도 두 개의 서브그룹들을 포함하는 경우에 달성될 수 있는데, 상기 서브그룹들은 각각 적어도 두 개의 리브 및 이들 리브에 의해 경계가 정해지는 골들을 포함하고, 유체의 흐름 방향에 수직한 방향으로 보았을 때 분리 골에 의해 서로 분리된다. 각각의 서브그룹들을 서로 분리하는 골의 높이 프로파일은 서브그룹들을 서로 분리하는 골에 인접한 서브그룹들의 리브에 의해 경계가 정해지는 골들의 높이 프로파일과 다르기 때문에, 유체 측면에서 본 발명에 따른 바람직한 리브 및 골의 엠보싱은 미세 구조에서도 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 표면 구조는 리브들과 이들에 의해 경계가 정해지는 골들로 구성되는 그룹 및 이의 서브그룹들이 각각 직사각형 영역을 덮는 경우에 제조 기술의 측면에서 특히 간단하게 제조될 수 있다. 개개의 그룹 및 서브그룹들이 압연 또는 유사한 성형 공정을 통해 제품의 표면에 새겨지는 경우, 그 그룹들의 배열은 특정의 반복 패턴을 따르는 것이 특히 바람직하다. 그 그룹들이 서브그룹들을 포함하는 경우, 이들은 십자형으로 배열될 수 있거나 이들이 덮고 있는 영역의 중심점이 삼각형의 모서리점을 형성하도록 배열될 수 있다.

그룹으로 분류된 서브그룹들의 영역에서 난류를 가능하면 회피하기 위하여, 그 서브그룹들중 적어도 두 개는 서로 상이한 높이 프로파일을 갖는 것이 적당할 수 있다.

일반적으로, 서브그룹을 포함하지 않는 그룹들 또는 그의 서브그룹들은 각각 10 x 10 ㎛² 내지 2000 x 2000 ㎛²의 면적을 덮는다. 몇 개의 서브그룹들이 하나의 그룹으로 합쳐지는 경우, 이러한 그룹은 실질적으로 더욱 큰 면적을 덮을 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 제품의 경우, 실제 사용시 유체 흐름에 노출되는 세그먼트에서, 적어도 두 개의 리브와 이들 사이에 있는 골을 갖는 그룹을 포함하는 표면 구조가 새겨지는데, 그 그룹에 의해 덮여지는 영역의 길이 및 폭은 일반적으로는 10 내지 2000 ㎛에 달하고 그 리브들중 적어도 하나는 높이가 10 내지 2000 ㎛이고, 그 그룹의 리브들은 적어도 하나의 골에 의해 서로 연결되고 이러한 골은 두 개의 이웃한 그룹 사이에 놓이는 골의 바닥부보다 높은 적어도 하나의 영역을 포함한다.

유체가 마주 흐르는 리브들의 말단면들의 영역에서 난류의 발생을 방지하기 위하여, 관련 말단면을 모서리를 깍거나 둥글게 하는 것이 유용할 수 있다. 이러한 목적의 경우, 흐름 이탈을 방지하기 위하여 하류측 리브면을 모서리를 깍거나 둥글게할 수 있다. 또한, 비교적 넓은 말단면 접촉 표면으로부터 흐름 방향으로 바라본 리브의 측면이 서로를 향해 진행하거나 리브의 더욱 좁은 하류측 말단면의 방향으로 점차로 가늘어지는 것이 유체의 측면에서 바람직할 수 있다.

대표적으로, 본 발명에 따른 제품은 스테인리스강 스트립 또는 슬릿 스트립(slit strip)과 같은 압연을 통해 제조한 평탄한 강재 제품이다.

이하, 구체예를 보여주는 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 도면에서,
도 la 내지 도 1f는 본 발명에 따른 표면 구조에서 형성된 리브의 여러 가지가능한 단면 형상을 도시한다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명에 따른 표면 구조에서 형성된 리브의 여러 가지가능한 형상을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따라 표면 구조에서 형성된 리브들의 여러 가지 가능한 형상을 도시한다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명에 따른 표면 구조의 그룹들의 여러 가지 높이 프로파일을 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 표면 구조의 그룹들의 여러 가지 배열을 도시하는 사시도이다.
도 6a 및 도 6b는 시트 강재 제품의 여러 가지 표면을 도시하는 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 표면 구조를 도시하는 사시도이다.
도 8a 내지 도 8d는 표면 구조의 여러 가지 서브그룹을 포함하는 그룹을 각각 도시하는 평면도이다.
도 9는 열교환기용 파이프를 도시하는 단면도이다.

도 1a 내지 도 1f는 예를 들어 열간 및 냉간 압연된 스테인리스 강판의 형태로 존재하는 제품(P)의 표면 구조에서 엠보싱된 리브(1)의 여러 가지 가능한 단면 형상을 도시한다. 리브(1)의 두께(a) 및 높이(b)는 각각 0 내지 2000 ㎛의 범위이면서, 리브(1)의 측면(2,3)과 기부면(4)이 이루는 각(γ1,γ2)은 0°내지 125°일 수 있다. 각도 (γ1,γ2)는 동일하거나 또는 동일하지 않을 수 있다.

리브의 루프면(5)은 평탄하거나(도 1a 내지 도 1c) 또는 오목 곡면(도 1e) 또는 볼록 곡면일 수 있다. 0 내지 2000 ㎛의 범위의 리브(1)의 측면(3,4)에의 전이 반경부(rl, r2)는 동일하거나 다르게 형성될 수 있다. 또한, 선단부에서 예각을 가지면서 측면(3,4)이 서로를 향하는 리브(1; 도 1d)를 형성하여 삼각형 단면 형태를 생성하도록 하거나, 두드러진 측면부가 없지만 오목한 곡면의 루프면(5)을 갖는 리브(1; 도 1f)를 사용하는 것도 생각할 수 있다.

단면 프로파일은 두께(a), 높이(b), 각도(γ1,γ2) 및 반경(r1, r2)의 측면에서 점차적으로(선형 또는 비선형) 증가 또는 감소하여 흐름 방향(S)의 프로파일 변화를 달성할 수 있다.

흐름 방향(S)에서, 리브(1)는 직선 경로 또는 곡면 또는 다중 곡면을 가질 수 있다. 또한, 리브(1)의 단면 형태를 흐름 방향(S)에서 1회 이상 변화시키는 것도 생각할 수 있다.

도 2a 내지 도 2d에서 도시한 바와 같이, 흐름 방향으로 서로의 후방에 배열되는 리브(1,1',1")는 각각의 유체의 흐름 방향(S)으로 상이한 길이(L1, L2), 루프면(5)의 상이한 높이 경로, 및 상이한 각도(α1, α2)로 모서리가 깍인 말단면 접촉면(6) 및 하류측 표면을 갖는다. 또한, 흐름 방향(S)에서 연속적인 리브(1,1',1")들 사이의 거리(D1, D2)는 서로 다를 수 있다. 또한, 명백한 루프면이 없지만 접촉면(6) 및 하류측면(7)이 서로 직접 접하는 리브 형상도 생각할 수 있다(도 2b, 도 2c).

흐름 방향(S)으로 바라본 리브(1,1',1")는 일정 두께(a)를 가질 수 있다. 또한, 그 길이(L1,L2)에 걸쳐서 리브(1,1',1")의 두께(a)를 변화시키는 것도 가능하다. 도 3a 및 도 3b에서 도시된 바와 같이, 흐름 방향(S)에서 바라본 리브(1,1',1")는 접촉면(6)의 영역에서의 큰 두께(a)로부터 하류측면(7)의 영역에서 작은 두께(a')까지 점차로 작아질 수 있다. 이 경우, 리브(1)의 측면(2,3)은 하류측면(7)의 방향으로 서로를 향해 진행할 수 있다. 또한, 리브(1,1',1")의 두께는 리브(1,1',1")의 각각의 길이(L1,L2)에 걸쳐서 일정하거나 다를 수 있다. 따라서, 흐름 방향(S)에서의 높이(b)는 접촉 표면(6)의 영역에서의 작은 높이(b')로부터 하류측 표면의 영역에서의 큰 높이(b")까지 증가할 수 있거나 그 반대일 수 있다.

또한, 흐름 방향(S)으로 바라본 리브(1,1',1")는 곡면을 취하거나 다중 곡면을 갖는 것이 바람직할 수 있다.

그룹(G)에서 합쳐진 리브(1,1',1")는 그들 사이에서 각각의 경우마다, 리브(1,1',1")를 서로 연결하는 골(8,8',8")의 경계를 정한다. 예를 들어, 각각의 골(8,8',8")은 볼록 곡면(도 4a), 오목 곡면(도 4b), 메뚜기형 단면(도 4d) 또는 평평한 바닥부(9)를 가질 수 있고 예리한 가장자리(10) 또는 연속적인 곡면형상의 홈(11)에서 이웃한 리브들로 변형된다. 또한, 각각의 골(8')은 계단식으로 서로 이후에 상이한 높이(b, b')의 두 개의 리브(1,1',1") 사이에 존재하는 평탄역의 형태로 형성될 수도 있다(도 4c).

각각의 그룹(G)은 적어도 두 개의 리브(1,1',1")를 포함한다. 하나의 그룹의 리브(1,1',1")는 동일한 높이(b)를 가질 수 있다(도 4a, 도 4b). 또한, 그룹(G)의 적어도 하나의 리브(1')는 다른 그룹의 높이(b)와 상이한 높이(b')를 갖는 것이 적당할 수도 있다(도 4c 내지 도 4h).

각각의 그룹(G,G')의 크기에 따라, 흐름 방향(S)에 직교하는 방향(X)으로 측정한 그룹(G)들 사이의 거리(q,q')는 5 ㎛ 내지 10 mm의 범위일 수 있다. 그 거리(q,q')는 직교 방향(X)으로 배열된 이웃한 그룹(G,G')의 모든 쌍들에 대하여 동일할 수 있거나 다를 수 있다. 이들은 임의의 기능에 따라 특정의 특성을 국소적으로 설정할 수 있다.

두 개의 이웃한 그룹(G,G')사이에 존재하는 골(12,12')은 평탄하게 형성될 수 있거나 평면과 상이한 높이 프로파일을 가질 수 있다. 각각의 그룹(G,G')을 분리하는 골(12,12')의 높이 프로파일은 그룹(G,G')을 서로 분리하는 골(12,12')에 이웃한 그룹(G,G')의 리브(1,1')에 의해 경계가 정해지는 골(8,8')의 높이 프로파일과 다르다.

흐름 방향(S)으로 바라본 때, 그룹(G,G')들은 서로 연속적으로 배열될 수 있거나(도 5a), 직교방향(X)으로 서로 상쇄되도록 배열될 수 있다(도 5b). 상쇄 배열의 경우, 상쇄(V)는 모든 그룹(G,G') 마다 동일할 필요는 없고, 국소적으로 특정 특성을 설정하도록 다를 수도 있다.

또한, 도 5a, 도 5b에서 도사된 바와 같이, 그룹(G, G')은 흐름 방향(S)을 따라 거리(Z)만큼 서로 간격을 둘 수 있다. 또한, 이러한 필요성은 일정할 필요는 없고, 국소적으로 특정 특성을 설정하기 위하여 흐름 방향(S)으로 서로에 이웃한 각각의 쌍의 그룹(G,G')마다 상이할 수 있다. 직교 방향(X)에서 그룹(G,G')을 분리하는 골(12,12')과 마찬가지로, 그러한 방향으로 간격을 둔 그룹(G,G')사이에 존재하는 간격 영역(13,13')은 평탄하게 형성될 수 있거나 국소적으로 표면의 특정 특성을 설정하도록 형상될 수 있다. 각각의 국소적인 조건에 따라, 골(12,12') 및 간격 영역(13,13')은 일치할 수 있다. 이는 예를 들어 그룹(G,G') 및 간격 영역(13,13') 또는 그룹을 분리하는 골(12,12')이 체크판의 형태로 번갈아 배열되는 경우이다.

스테인리스 강판의 형태로 존재하는 제품(P)은 그룹(G,G')이 없고 평탄하게 크게 형성되는 표면 세그먼트(A')를 가질 수 있다. 그룹(G,G')이 위치하는 제품(P)의 표면의 세그먼트(A)는 두 개의 평탄한 표면 세그먼트(A') 사이의 각각의 부위 및 제품(P)의 전체 폭(B)에 걸쳐서 연장될 수 있거나(도 6a), 평탄한 표면 세그먼트(A')에서 분리된 상태로 배열될 수 있다(도 6b).

제품(P)의 특정 세그먼트(A)에서 본 발명에 따른 표면 구조를 형성함으로써, 정의된 특성이 위치 특이적으로 엠보싱될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 표면 구조를 새김으로써, 특정의 열 또는 물질 전달 거동, 특정의 압력 손실, 특정의 마찰 효과 또는 특정의 광학적 효과, 예를 들어 태양 복사의 방출 또는 흡수를 국소적으로 또는 위치 특이적으로 설정하는 것이 가능하다.

그룹(G,G')은 각각 그룹(G,G')과 동일한 방식으로 서로에 대하여 배열되는 서브그룹(U,U',U")을 포함할 수 있다. 그룹(G,G')의 서브그룹(U,U',U")은 흐름 방향(S)으로 서로의 후방에 배치되거나 직교 방향(X)으로 서로의 후방에 배치될 수 있다. 직교 방향(X)으로 서로 이웃한 서브그룹(U,U',U")을 분리하는 골은 평탄할 수 있거나(즉, 구조체가 없음) 높이 프로파일을 가질 수 있는데, 그 최대 높이는 이웃한 서브그룹의 골의 높이보다 작다.

도 8a 및 도 8b에서 나타낸 바와 같이, 그룹(G, G')은 2개, 3개, 4개, 5개 또는 그 이상의 서브그룹(U,U',U")으로 이루어질 수 있는데, 각각의 그룹(G,G')은 흐름 방향(S) 및 직교 방향(X)으로 인접한 그룹(G,G')으로부터의 거리(p,p' 또는 Z)를 갖는다. 그룹(G,G')으로 구성되는 미세구조에서 그룹(G,G')을 분리하는 골(12,12')과 마찬가지로, 서브그룹(U,U',U")(직교방향 X)과 간격 영역(흐름 방향 S)사이에 존재하는 골 및 간격 영역(13,13')은 평탄할 수 있거나, 임의의 기능에 의해 설명되는 평탄한 프로파일을 가질 수 있다. 그러나 여기서도, 서브그룹을 분리하는 골 및 이들 사이에 존재하는 간격 영역의 높이 프로파일은 서브그룹의 리브의 것보다 높지 않다.

그룹(G,G')로 통합된 서브그룹((U,U',U")은 동일하게 형성되거나 상이하게 형성되어 제품(P)의 위에서 흐르는 유체의 특정 흐름 거동에 특이적인 방식으로 국소적으로 영향을 줄 수 있다. 명료를 위해 도 9에서 스케일로 도시하지 않은 열교환기용 파이프(14)는 원형 단면을 갖는 슬롯 형상으로 맨드릴 둘레에서 제1 제조 단계에서 구부려진 제품(P)으로부터 얻은 절단 시트로 이루어진다. 다음에, 상기 슬롯 형상의 접합 슬롯이 레이저 용접을 통해 이음매(15)에 의해 밀폐된다.

그의 외측면(16) 및 그의 내면(17)상에서, 파이프(14)는 본 발명에 따른 표면 구조를 갖는다. 물 또는 또 다른 열교환 매체가 흐르는 파이프(14)의 내면(17)에서, 이러한 표면 구조는 흐름 저항을 감소시키면서 파이프의 벽으로부터 열교환 매체에의 최적 열전달을 가능하게 한다. 그러나, 파이프(14)의 외면상에 형성된 표면 구조는 최적 열흡수능을 발생한다. 이러한 방식으로, 본 발명에 따른 표면 구조를 사용하면, 파이프(14)를 때리는 복사 에너지가 파이프(14)에 높은 효율로 흡수되고 파이프(14)를 통해 흐르는 매체에 방산된다.

1,1',1": 리브
2,3: 리브(1,1',1")의 측면
4: 리브(1,1',1")의 기부면
5: 리브(1,1',1")의 루프면
6: 리브(1,1',1")의 접촉면
7: 리브(1,1',1")의 하류측 표면
8,8',8": 그룹(G,G')의 리브(1,1',1") 사이의 골
9: 골(8,8',8")의 바닥부
10: 가장자리
11: 홈
12,12': 두 개의 이웃한 그룹(G,G')을 분리하는 골
13,13': 간격 영역
14: 파이프
15: 용접 이음부
16: 파이프(14)의 외면
17: 파이프(14)의 내면
α1, α2: 각도
γ1, γ2: 각도
a,a': 리브(1,1',1")의 두께
b,b',b": 리브(1,1',1")의 높이
A': 표면 세그먼트
A: 그룹(G,G')이 위치하는 제품(P)의 표면의 세그먼트
B: 제품(P)의 폭
D1,D2: 흐름 방향에서 연속적인 리브(1,1',1") 사이의 거리
G,G': 리브 그룹
L1,L2: 리브(1,1',1")의 길이
q,q': 그룹(G.G')의 간격
P: 제품(스테인리스 강판)
r1,r2: 전이 반경
S: 유체의 흐름 방향
U,U',U": 그룹(G,G')의 서브그룹
V: 상쇄
X: 흐름방향(S)에 대한 직교 방향
Z: 거리

Claims

흐름 방향(S)으로 흐르는 유체와 접촉하도록 제공되는 적어도 하나의 표면 세그먼트(A)를 갖는 유체용 제품으로서, 상기 유체와 접촉하는 세그먼트(A)에서는 특정 길이(L1,L2) 및 형상의 리브(1,1',1")가 형성되고 이웃한 리브(1,1',1")는 이들 사이에서 각각의 경우마다 골(8,8')의 경계를 정하는 것인 유체용 제품에 있어서,
- 각각의 경우마다 골(8,8')의 경계를 정하는 적어도 두 개의 리브(1,1',1")가 하나의 그룹(G,G')에서 통합되어 있고,
- 적어도 두 개의 그룹(G, G')이 존재하고,
- 각각의 그룹은 유체의 흐름 방향(S)에 대한 직교 방향으로 바라본 때 그에 인접하게 배열되는 각각의 그룹(G,G')으로부터 골(8,8')에 의해 분리되고,
- 각각의 그룹(G,G')을 서로 분리하는 골(12,12')의 높이 프로파일은, 그룹(G,G')을 서로 분리하는 골(12,12')에 이웃한 그룹(G,G')의 리브(1,1',1")에 의해 경계가 정해지는 골의 높이 프로파일과 각각의 경우마다 다른 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
제1항에 있어서,
서로 인접하게 배열된 그룹(G,G')을 각각의 경우마다 분리하는 골(12,12')의 바닥부는 그들을 분리하는 골(12,12')에 인접한 그룹(G,G')의 골(8,8')의 바닥부보다 낮은 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 그룹(G, G')은 유체의 흐름 방향(S)으로 보았을 때 서로 상쇄되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
유체의 흐름 방향(S)으로 보았을 때 서로의 후방에 놓이는 그룹(G,G')은 서로 거리(Z)를 두고 배열되는 것을 배열되는 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
제4항에 있어서,
흐름 방향(S)으로 서로 간격을 두고 배열되는 그룹(G,G') 사이에 존재하는 간격 영역(13,13')의 바닥부는 각각의 간격 영역(13,13')에 이웃한 그룹(G,G')의 골(8,8')의 바닥부 보다 낮은 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
유체의 흐름 방향(S)으로 보았을 때 서로의 후방에 배열되는 그룹(G,G')은 흐름 방향(S)에 직교하는 방향으로 서로 상쇄되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
그룹(G,G')은 유체의 흐름 방향(S)으로 서로의 후방에 연속적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
그룹(G,G')의 적어도 2개의 리브는 이웃한 그룹(G,G')으로부터 이들을 분리하는 골(12,12')의 바닥부를 중심으로 서로 다른 높이(b,b',b")를 갖는 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
그룹(G,G')의 각각은 적어도 두 개의 서브그룹(U,U',U")을 포함하고, 상기 서브그룹은 각각 적어도 두 개의 리브(1,1'1")와 이들 리브(1,1'1")에 의해 경계가 정해지는 골(8,8')을 포함하고, 유체의 흐름 방향(S)으로 바라본 때 분리용 골(8,8')에 의해 서로 분리되는 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
제9항에 있어서,
각각의 서브그룹(U,U'U")을 서로 분리하는 골의 높이 프로파일은, 서브그룹(U,U',U")을 서로 분리하는 골에 인접한 서브그룹(U,U'U")의 리브(1,1',1")에 의해 경계가 정해지는 골의 높이 프로파일과 각각의 경우마다 다른 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
제10항에 있어서,
상기 서브그룹(U,U',U") 중 적어도 두 개는 서로 다른 높이 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
선행 청구상들 중 어느 한 항에 있어서,
두 개 초과의 그룹(G,G')이 존재하고, 적어도 두 개의 그룹(G,G')은 각각의 경우마다 그들에 인접한 그룹(G,G')들 중 하나로부터의 상이한 거리(p,p',Z)를 갖는 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유체와 접촉하는 그의 표면에서는, 리브(1,1'1") 및 골(8,8')이 형성되어 있는 세그먼트(A)가 형성되고, 평탄하게 형성되는 세그먼트(A')가 존재하는 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제품은 평탄한 강재 제품인 것을 특징으로 하는 유체용 제품.
선행 청구항들 중 어느 한 항에 따라 형성된 제품(P)의 제조 방법에 있어서, 상기 표면 구조는 유체와 접촉하는 제품(P)의 각각의 세그먼트(A)에서 성형 단계시 엠보싱되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
유체를 운반하는 파이프(14)의 제조를 위한, 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따라 형성된 제품(P)의 용도.