KR20130138668A - 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명은 제1 말단부와, 제2 말단부와, 제1 말단부와 제2 말단부 사이의 중앙부를 구비하고, 제1 말단부와 제2 말단부를 연통하도록 형성된 제1 통로와, 제1 통로의 내주면에 길이 방향을 따라 복수의 나선형 리브들이 형성되어 있으며, 금속으로 되어 있는 외측관과; 외측관의 바깥으로 그 제1 말단부와 제2 말단부가 돌출되도록 외측관에 삽입되어 있는 내측관을 포함한다. 외측관의 제1 및 제2 말단부 각각과 이웃하는 외측관의 내주면에 복수의 나선형 리브들이 제거되어 있는 리브제거구간이 형성되어 있고, 각각의 리브제거구간은 중심부보다 직경이 증가되어 있는 확관부와 중심부보다 직경이 감소되어 있는 축관부를 구비한다. 확관부에는 제1 통로와 연통되도록 관통구멍이 형성되어 있고, 축관부는 제1 통로를 밀폐하도록 내측관의 외주면과 브레이징에 의하여 접합되어 있다.본 발명에 의하면, 외측관의 축관에 의하여 외측관과 내측관을 간단한 구조로 블레이징할 수 있으므로 생산비를 크게 절감할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있으며, 접합 불량이 방지되어 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 압출에 의하여 외측관과 내측관 각각의 내주면에 나선형 리브가 형성되어 전열면적이 증가되고, 유체의 유동길이가 증가되어 열교환 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 유체의 도입과 배출을 위하여 연결관이 접속되는 부분이 확관되어 직경이 증가되므로, 유체의 흐름이 원활해져 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기{DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER WITH SPIRAL LIB}
본 발명은 이중관식 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외측관의 축관(Swaging)에 의하여 외측관과 내측관을 간단한 구조로 블레이징(Brazing)할 수 있고 외측관의 내주면에 나선형 리브(Spiral/Helical rib)가 형성되어 열교환 성능을 향상시킬 수 있으며 외측관의 확관(Pipe expanding)에 의하여 유체의 유동성을 향상시킬 수 있는 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
열교환기는 온도가 높은 유체로부터 전열벽(Heat transfer wall)을 통해서 온도가 낮은 유체에 열을 전달하는 장치로 가열기, 냉각기, 증발기, 응축기 등에 사용되고 있으며, 다관식(Multi-tube), 이중관식(Double pipe), 핀관식(Fin tube type), 코일관식(Coil tube type), 소용돌이형(Spiral type), 평판형(Plate type) 등 다양한 형태와 구조로 개발되어 있다.
이중관식 열교환기는 내측관(Inner pipe)이 외측관(Outer pipe) 속에 동심원을 이루도록 삽입되어 구성된다. 유체는 열교환을 위하여 외측관과 내측관 사이의 통로(Passage)와 내측관 각각에 공급된다. 이중관식 열교환기는 그 구조가 비교적 간단하고, 가격이 저렴하며, 전열면적의 증가를 위하여 직렬 또는 병렬로 같은 치수의 것을 연결하여 구성할 수 있다.
미국특허 제5,740,857호의 이중관식 열교환기에는 폐유체 전달관(Waste liquid transmission pipe)이 저장관(Reservoir pipe) 속에 동심원으로 삽입되어 있는 기술이 개시되어 있다. 커플링(Coupling)이 전달관과 저장관의 양쪽 말단부 각각에 결합되어 있다.
미국특허 제6,098,704호의 이중관식 열교환기에는 외측관과 내측관이 일체형으로 구성되어 있는 기술이 개시되어 있다. 내측관은 외측관보다 길게 형성되어 있고, 내측관의 말단부는 외측관 밖으로 돌출되어 있다. 헤더(Header)가 외측관의 말단부와 이웃하는 외측관과 내측관의 외주면에 결합되어 있다. 연결관(Connecting pipe)이 외측관과 내측관 사이의 통로와 연통되도록 헤더에 결합되어 있다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 이중관식 열교환기는 외측관과 내측관의 양단에 별도의 커플링 또는 헤더를 결합해야 하므로, 구조와 제조공정이 복잡해져 생산비가 상승되고, 생산성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 헤더는 브레이징(Brazing)에 의하여 접합해야 하나, 내측관과 헤더 사이에 접합 불량이 발생되는 단점이 있다.
한편, 한국 공개특허 제10-2010-0111610호 "이중관 및 이를 구비한 열교환기"에는 복수의 리브들이 내측관과 외측관 각각의 내주면에 길이 방향을 따라 직선형으로 형성되어 있는 리브 관(Rib pipe)의 구성이 개시되어 있다. 외측관의 리브들은 내측관의 외주면에 접촉되어 있다. 리브들은 외측관과 내측관 사이의 열전도성을 향상시키게 된다. 그러나 내측관과 헤더의 접합으로 인하여 생산비가 상승되고, 생산성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 내측관과 헤더 사이의 접합 불량을 해결하지 못하는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 이중관식 열교환기의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 구조와 제조공정이 단순해져 생산비를 절감할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있는 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 외측관의 축관과 블레이징에 의하여 접합 불량을 방지할 수 있는 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 압출에 의하여 외측관과 내측관 각각의 내주면에 나선형 리브가 형성되어 전열면적이 증가되고, 유체의 유동길이가 증가되어 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 유체의 도입과 배출을 위하여 연결관이 접속되는 외측관의 외주면이 확관되어 유체의 유동성을 향상시킬 수 있는 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 말단부와, 제2 말단부와, 제1 말단부와 제2 말단부 사이의 중앙부를 구비하고, 제1 말단부와 제2 말단부를 연통하도록 형성된 제1 통로와, 제1 통로의 내주면에 길이 방향을 따라 복수의 나선형 리브들이 형성되어 있으며, 금속으로 되어 있는 외측관과; 외측관의 바깥으로 그 제1 말단부와 제2 말단부가 돌출되도록 외측관에 삽입되어 있는 내측관을 포함한다. 외측관의 제1 및 제2 말단부 각각과 이웃하는 외측관의 내주면에 복수의 나선형 리브들이 제거되어 있는 리브제거구간이 형성되어 있고, 각각의 리브제거구간은 중심부보다 직경이 증가되어 있는 확관부와 중심부보다 직경이 감소되어 있는 축관부를 구비한다. 확관부에는 제1 통로와 연통되도록 관통구멍이 형성되어 있고, 축관부는 제1 통로를 밀폐하도록 내측관의 외주면과 브레이징에 의하여 접합되어 있다.
또한, 내측관의 양단부에 복수의 리브의 제거에 의하여 리브제거구간이 형성되어 있고, 내측관의 리브 각각은 나선형 리브로 형성되어 있으며, 외측관의 나선형 리브와 내측관의 나선형 리브는 그 나선 방향이 서로 반대 방향으로 형성되어 있다.
본 발명에 따른 이중관식 열교환기는 외측관의 축관에 의하여 외측관과 내측관을 간단한 구조로 블레이징할 수 있으므로, 제조공정이 단순해져 생산비를 크게 절감할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 축관부의 내주면과 내측관의 외주면이 브레이징에 의하여 기밀이 유지되도록 접합되므로, 접합 불량이 방지되어 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 압출에 의하여 외측관과 내측관 각각의 내주면에 나선형 리브가 형성되어 전열면적이 증가되고, 유체의 유동길이가 증가되어 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 유체의 도입과 배출을 위하여 연결관이 접속되는 부분이 확관되어 직경이 증가되므로, 유체의 흐름이 원활해져 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이중관식 열교환기의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이중관식 열교환기에서 외측관을 절제하여 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 이중관식 열교환기에서 외측관과 내측관을 나타낸 사시도이다.
도 6은 도 5의 외측관을 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 이중관식 열교환기에서 외측관의 나선형 리브들을 제거한 상태를 설명하기 위하여 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 이중관식 열교환기에서 외측관의 축관을 설명하기 위하여 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 이중관식 열교환기에서 외측관, 내측관과 제1 및 제2 연결관이 가조립되어 있는 상태를 설명하기 위하여 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 이중관식 열교환기가 절곡되어 있는 구성의 일례를 나타낸 정면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 이중관식 열교환기에서 외측관에 널링을 형성하는 상태를 설명하기 위하여 나타낸 정면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 이중관식 열교환기에서 널링의 압연을 설명하기 위하여 부분적으로 나타낸 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 이중관식 열교환기에서 외측관에 그루브가 형성되어 있는 구성을 나타낸 정면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 이중관식 열교환기에서 내측관의 나선형 리브가 제거되어 있는 구성을 나타낸 단면도이다.
도 15는 본 발명에 따른 이중관식 열교환기의 다른 실시예의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 16은 도 15에서 외측관의 확관을 설명하기 위하여 나타낸 단면도이다.
도 17은 도 16에서 외측관의 축관을 설명하기 위하여 나타낸 단면도이다.
도 18은 본 발명에 따른 이중관식 열교환기에서 외측관의 압출장치의 구성을 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
도 19는 도 18에 보이는 다이스 유닛의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 20은 도 19에 보이는 다이스 유닛의 구성을 나타낸 정면도이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 이중관식 열교환기에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이중관식 열교환기(10)는 외측관(20)을 구비한다. 외측관(20)은 제1 통로(22), 제1 말단부(24)와 제2 말단부(26)를 갖는 중공관(Hollow pipe)으로 구성되어 있으며, 열전도성이 우수한 금속소재, 예를 들어 알루미늄합금, 동합금의 압출(Extrusion)에 의하여 선형으로 제조된다.
복수의 나선형 리브(28)들이 외측관(20)의 내주면에 길이 방향을 따라 형성되어 있다. 나선형 리브(28)들은 그 나선 방향이 반시계 방향으로 형성되는 왼나선으로 이루어져 있다. 외측관(20)의 제1 및 제2 말단부(24, 26)에 배치되어 있는 나선형 리브(28)들이 제거되어 있는 한 쌍의 리브제거구간(30a, 30b)들이 형성되어 있다. 즉, 리브제거구간(30a, 30b)들은 외측관(20)의 양쪽 말단으로부터 나선형 리브(28)들을 일정한 길이로 제거하여 형성한다. 리브제거구간(30a, 30b)들의 일부분은 축관에 의하여 지름이 감소되어 있는 한 쌍의 축관부(Swaged portion: 32a, 32b)들로 형성된다. 한 쌍의 축관부(32a, 32b)들은 지름의 감소에 의하여 외측관(20)에서 직경이 제일 작은 소경부로 된다.
중앙부(32c)가 제1 및 제2 말단부(24, 26), 즉 축관부(32a, 32b)들 사이에 배치되어 있다. 중앙부(32c)의 직경은 축관부(32a, 32b)들의 직경보다 크게 형성되어 있다. 축관부(32a, 32b)들과 중앙부(32c)는 한 쌍의 테이퍼부(32d, 32e)들 각각에 의하여 연결되어 있다. 한 쌍의 관통구멍(34a, 34b)들이 제1 통로(22)와 연통되도록 축관부(32a, 32b)들과 이웃하는 외측관(20)의 외주면에 형성되어 있다. 관통구멍(34a, 34b)들은 리브제거구간(30a, 30b)들이 형성되어 있는 부분에 배치되도록 외측관(20)의 외주면에 형성되어 있다. 도 1과 도 4에 관통구멍(34a, 34b)들은 서로 반대 방향으로 형성되어 있는 것이 도시되어 있으나, 관통구멍(34a, 34b)들은 같은 방향으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 이중관식 열교환기(10)는 외측관(20) 속에 삽입되어 있는 내측관(40)을 구비한다. 내측관(40)은 제2 통로(42), 제1 말단부(44)와 제2 말단부(46)를 갖는 중공관으로 구성되어 있으며, 금속소재의 압출에 의하여 선형으로 제조된다. 내측관(40)은 외측관(20)보다 길게 형성되어 있고, 내측관(40)의 제1 및 제2 말단부(44, 46)는 외측관(20) 밖으로 돌출되어 있다.
복수의 나선형 리브(48)들이 내측관(40)의 내주면에 길이 방향을 따라 형성되어 있다. 나선형 리브(48)들은 그 나선 방향이 시계 방향으로 형성되는 오른나선으로 이루어져 있다. 본 실시예에 있어서, 제1 통로(22)의 나선형 리브(28)들과 제2 통로(42)의 나선형 리브(48)들은 그 나선 방향이 동일한 방향으로 형성될 수도 있다. 또한, 나선형 리브(48)들은 내측관(40)의 내주면에 길이 방향을 따라 형성되어 있는 직선형 리브로 구성될 수 있다. 내측관(40)의 외주면은 나선형 리브(28)들과 축관부(32a, 32b)들의 내주면에 접촉되어 있다. 축관부(32a, 32b)들의 내주면은 내측관(40)의 외주면에 브레이징되어 기밀이 유지되도록 접합된다.
제1 연결관(50)과 제2 연결관(52)이 관통구멍(34a, 34b)들 각각에 제1 통로(22)와 연통되도록 접속되어 있다. 제1 연결관(50)은 유체의 도입을 위한 유입관으로 되고, 제2 연결관(52)은 유체의 배출을 위한 배출관으로 될 수 있다. 열매체(Heating media)는 누설에 의한 위험을 방지하기 위하여 내측관(40)의 제2 통로(42)에 공급되는 것이 일반적이다. 냉각수(Cooling water) 등의 냉각매체(Cooling media)는 외측관(20)과 내측관(40) 사이의 제1 통로(22)에 공급된다. 열매체와 냉각매체는 내측관(40)을 사이에 두고 열교환을 한다. 제1 통로(22)의 나선형 리브(28)들과 제2 통로(42)의 나선형 리브(48)들에 의하여 전열면적이 증가되고, 유체의 유동길이가 증가되어 열교환 성능이 향상된다. 또한, 나선형 리브(28, 48)들에 의하여 유체가 난류를 형성하면서 열교환 성능이 향상된다.
한편, 본 발명에 따른 이중관식 열교환기(10)는 잘 알려져 있는 바와 같이, 냉동시스템(Refrigeration system)에서 열교환을 수행하게 된다. 냉동시스템은 증발기(Evaporator), 압축기(Compressor), 응축기(Condenser)와 팽창밸브(Expansion valve)를 구비한다. 압축기의 작동에 의하여 고온고압의 냉매가 응축기에 보내진다. 응축기는 고온고압의 냉매를 응축하여 액화시킨 후 제1 연결관(50)을 통하여 제1 통로(22)에 보낸다. 고온고압의 액체냉매는 제1 통로(22)를 따라 흘러 제2 연결관(52)을 통하여 팽창밸브로 보내진다. 고온고압의 액체냉매는 팽창밸브에서 팽창되어 증발기로 보내진다. 증발기에서는 냉매가 증발하면서 열을 흡수하여 저온저압의 냉매증기로 된다. 저온저압의 냉매증기는 제2 통로(42)로 보내져 제2 통로(42)를 따라 흐르게 된다. 제1 통로(22)에 흐르는 고온고압의 냉매와 제2 통로(42)를 흐르는 저온저압의 냉매증기 사이에 열교환이 이루어지고, 저온저압의 냉매증기는 과포화 상태의 냉매로 되어 다시 압축기로 보내져서 순환된다. 저온저압의 냉매증기가 제1 연결관(50)으로부터 제2 연결관(52)을 향하여 흐르고, 고온고압의 냉매가 제2 말단부(44)로부터 제1 말단부(42)를 향하여 흐르게 되면, 저온저압의 냉매증기와 고온고압의 냉매가 동일한 나선 방향의 흐름을 가지면서 원활한 흐름을 유지하게 된다.
지금부터는, 이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 이중관식 열교환기에 대한 제조방법을 설명한다.
도 5와 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 외측관(20)과 내측관(40)은 압출에 의하여 성형하여 준비한다. 복수의 나선형 리브(28, 48)들이 압출에 의하여 외측관(20)과 내측관(40) 각각의 내주면에 길이 방향을 따라 형성되어 있다. 도 5에 나선형 리브(28, 48)들은 네 개가 등간격으로 형성되어 있는 것이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 나선형 리브(28, 48)들의 개수 및 위치는 필요에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 바람직하기로, 나선형 리브(28, 48)들은 여덟 개가 외측관(20)과 내측관(40) 각각의 내주면에 등간격으로 형성된다.
도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 외측관(20)의 제1 및 제2 말단부(24, 26)와 이웃하는 외측관(20)의 내주면에서 나선형 리브(28)들의 일부를 제거하여 한 쌍의 리브제거구간(30a, 30b)들을 형성한다. 나선형 리브(28)들은 제1 및 제2 말단부(24, 26)로부터 제1 통로(22)의 중앙을 향하여 일정 길이를 절단에 의하여 제거한다. 나선형 리브(28)들은 선반(Lathe)의 절삭가공에 의하여 간단하게 제거할 수 있다.
도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 나선형 리브(28)들의 제거에 의하여 리브제거구간(30a, 30b)들을 형성한 후, 리브제거구간(30a, 30b)들이 형성되어 있는 제1 및 제2 말단부(24, 26)와 이웃하는 외측관(20)의 외주면을 축관하여 한 쌍의 축관부(32a, 32b)들을 형성한다. 외측관(20)의 축관은 축관기(Swaging machine)에 의하여 실시할 수 있다. 외측관(20)의 축관이 완료된 후, 축관부(32a, 32b)들 각각과 이웃하는 외측관(20)의 외주면에 한 쌍의 관통구멍(34a, 34b)들을 제1 통로(22)와 연통되도록 형성한다. 관통구멍(34a, 34b)들은 리브제거구간(30a, 30b)들에 배치되도록 형성되어 있다. 본 실시예에 있어서, 관통구멍(34a, 34b)들은 리브제거구간(30a, 30b)들에 형성되어 있는 것을 도시하고 설명하였으나, 관통구멍(34a, 34b)들은 나선형 리브(28)들이 형성되어 있는 외측관(20)의 외주면에 나선형 리브(28)들을 회피하도록 형성될 수도 있다. 관통구멍(34a, 34b)들은 프레스의 펀칭(Punching), 피어싱머신(Piercing machine), 드릴링머신(Drilling machine)의 구멍뚫기에 의하여 실시할 수 있다.
도 1과 도 9를 참조하면, 외측관(20)의 제1 통로(22)에 내측관(40)을 삽입하여 가조립한다. 내측관(40)의 제1 및 제2 말단부(44, 46)는 외측관(20) 밖으로 돌출되도록 외측관(20) 속에 삽입되어 있다. 내측관(40)의 외주면은 나선형 리브(28)들의 내주면에 지지되어 있다. 이때, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 축관부(32a, 32b)들의 내주면과 내측관(40)의 외주면 사이에 브레이징을 위하여 브레이징 용가재(Brazing filler metal: 60)를 충전한다.
또한, 외측관(20)의 관통구멍(34a, 34b)들에 제1 및 제2 연결관(50, 52)을 삽입하여 가조립한다. 관통구멍(34a, 34b)들의 내주면과 제1 및 제2 연결관(50, 52)의 외주면 사이에 브레이징을 위하여 브레이징 용가재(62)를 각각 충전한다. 본 실시예에 있어서, 제1 및 제2 연결관(50, 52)은 유체의 유입관과 배출관으로 대체될 수 있다. 이 경우, 유입관과 배출관은 관통구멍(34a, 34b)들에 별도의 공정을 통하여 결합할 수 있다.
외측관(20), 내측관(40), 제1 연결관(50)과 제2 연결관(52)의 가조립이 완료되면, 이 가조립품을 브레이징 로(Brazing furnace)에 투입하여 브레이징을 실시한다. 브레이징은 가조립품을 컨베이어(Conveyor)에 의하여 브레이징 로 안에서 운반하면서 실시할 수 있다. 브레이징이 완료되면, 브레이징 로에서 가조립품을 꺼내서 냉각한다.
마지막으로, 도 10에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 이중관식 열교환기(10)는 가열기, 냉각기, 증발기, 응축기 등의 구성을 위하여 일정 형태로 절곡(Bending)할 수 있다. 이중관식 열교환기(10)의 절곡은 절곡기(Bending machine)에 의하여 실시할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 이중관식 열교환기(10)는 나선형 리브(28)들의 일부를 제거한 후 축관하여 내측관(40)과 브레이징하여 제조함으로써, 구조가 단순해지고, 제조공정이 간단해져 생산비를 절감할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 축관부(32a, 32b)의 내주면이 내측관(40)의 외주면에 브레이징되어 접합이 양호하게 유지되므로, 접합 불량이 방지되어 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 이중관식 열교환기(10)는 내측관(40)의 외주면에 표면적의 증가를 위하여 형성되어 있는 널링(Knurling: 70)을 추가로 구비한다. 널링(70)은 외측관(20) 속에 내측관(40)을 삽입하기 전에 리브(28)들과 접촉할 수 있도록 내측관(40)의 외주면에 형성한다. 도 11에 널링(70)은 다이아몬드 널링으로 형성되어 있는 것이 도시되어 있으나, 널링(70)은 직선 널링으로 형성될 수도 있다. 널링(70)은 선반에서 널링툴(Knurling tool: 72)을 사용하여 전조(Form rolling)나 선삭(Lathe turning)에 의하여 형성할 수 있다. 널링(70)은 전조에 의하여 실시하는 것이 바람직하다.
도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 이중관식 열교환기(10)에서 널링(70)은 압연기에 의하여 평탄하게 압연(Rolling)되어 있다. 널링(70)은 복수의 산(70a)들과 복수의 골(70b)들을 구비한다. 산(70a)들은 압연에 의하여 평탄하게 변형된다. 변형되어 있는 산(70a)들의 계면에 의하여 내측관(40)의 표면적이 증가된다. 내측관(40)의 표면적이 증가되면, 열전도 면적이 넓어진다. 특히, 널링(70)이 전조에 의하여 형성되어 있는 경우, 널링(70)이 평탄하게 압연되는 것에 의하여 내측관(40)의 두께 변화가 최소화되어 강성을 유지시킬 수 있다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 이중관식 열교환기(10)는 복수의 리브(28)와 접촉되는 내측관(40)의 외주면에 표면적의 증가를 위하여 그루브(Groove: 80)가 추가로 형성되어 있다. 그루브(80)는 외측관(20) 속에 내측관(40)을 삽입하기 전에 리브(28)들과 접촉할 수 있도록 내측관(40)의 외주면에 형성한다. 그루브(80)의 가공은 선반의 선삭에 의하여 형성할 수 있다. 도 13에 그루브(80)는 내측관(40)의 외주면에 나선형으로 형성되어 있는 것이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 그루브(80)는 내측관(40)의 축 방향 또는 반경 방향을 따라 직선형으로 형성되거나 세레이션(Serration)으로 형성될 수 있다. 그루브(80)의 형성에 의하여 내측관(40)의 열전도 면적이 넓어진다.
도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 이중관식 열교환기는 내측관(40)의 제1 및 제2 말단부(44, 46)에 배치되어 있는 나선형 리브(48)들이 제거되어 있는 한 쌍의 리브제거구간(48a, 48b)들이 형성되어 있다. 즉, 리브제거구간(48a, 48b)들은 내측관(40)의 양쪽 말단으로부터 나선형 리브(48)들을 일정한 길이로 제거하여 형성한다. 리브제거구간(48a, 48b)들에는 유체의 통로를 형성하는 파이프가 끼워져 접속된다.
도 15 내지 도 17에 본 발명에 따른 이중관식 열교환기의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 15 내지 도 17을 참조하면, 다른 실시예의 이중관식 열교환기(10a)는 앞에서 설명한 이중관식 열교환기(10)와 기본적으로 동일하게 구성되어 있으므로, 동일한 구성은 동일한 부호를 부여하고, 자세한 구성 및 설명은 생략한다.
다른 실시예의 이중관식 열교환기(10a)는 외측관(20)의 제1 및 제2 말단부(24, 26) 각각으로부터 간격을 두고 한 쌍의 리브제거구간(30a, 30b)들 각각의 일부분의 확관에 의하여 한 쌍의 확관부(36a, 36b)들이 형성되어 있다. 확관부(36a, 36b)들의 직경은 중앙부(32c)의 직경보다 크다. 확관부(36a, 36b)의 확관은 확관기(Pipe expanding machine)에 의하여 실시할 수 있다. 확관부(36a, 36b)들과 중앙부(32c)는 한 쌍의 테이퍼부(32f, 32g)들 각각에 의하여 연결되어 있다.
한 쌍의 축관부(32a, 32b)들은 외측관(20)의 제1 및 제2 말단부(24, 26) 각각에 이웃하는 한 쌍의 리브제거구간(30a, 30b)들의 나머지 부분의 축관에 의하여 형성되어 있다. 즉, 작업자는 리부제거구간(30a, 30b)들의 일부분에 확관부(36a, 36b)들을 형성한 후, 그 나머지 부분에 축관부(32a, 32b)들을 형성한다. 확관부(36a, 36b)들은 실질적으로 외측관(20)에서 직경이 가장 큰 대경부로 된다. 중앙부(32c)는 확관부(36a, 36b)들과 축관부(32a, 32b)들 사이의 직경을 갖는 중경부로 된다. 한 쌍의 관통구멍(34a, 34b)들이 유체의 흐름을 위하여 확관부(36a, 36b)들 각각의 외주면에 제1 통로(22)와 연통되도록 형성되어 있다. 도 17에 내측관(40)의 내주면에 리브들이 형성되어 있지 않은 것이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 내측관(40)의 내주면에는 복수의 나선형 리브들이나 복수의 직선형 리브들이 형성될 수 있다.
이와 같이 다른 실시예의 이중관식 열교환기(10a)는 제1 통로(22)의 나선형 리브(28)들에 의하여 전열면적이 증가되고, 유체의 유동길이가 증가되어 열교환 성능이 향상된다. 또한, 확관부(36a, 36b)의 형성에 의하여 확관부(36a, 36b)의 내주면과 내측관(40)의 외주면 사이에서 제1 통로(22)의 단면적이 넓어지게 된다. 따라서 관통구멍(34a, 34b)들 각각에 접속되어 있는 제1 및 제2 연결관(50, 52)을 통한 유체의 도입과 배출이 원활해져 유동성이 향상되고, 열교환 성능이 향상된다.
도 18 내지 도 20에 본 발명에 따른 이중관식 열교환기에서 외측관을 압출하는 나선형 리브 관의 압출장치가 도시되어 있다. 도 18과 도 19를 참조하면, 나선형 리브 관의 압출장치(100)는 빌릿(Billet: 2), 예를 들면 알루미늄합금을 공급하기 위한 컨테이너(Container: 110)와 램(Ram: 120)을 구비한다. 빌릿(2)의 수용을 위하여 체임버(Chamber: 112)가 컨테이너(110)의 중앙에 형성되어 있다. 컨테이너(110)는 빌릿(2)의 유동을 위하여 히터(Heater: 114)의 작동에 의하여 빌릿(2)을 가열 및 온도를 유지한다. 빌릿(2)은 가열장치의 작동에 의하여 미리 가열된 후, 장입장치의 작동에 의하여 컨테이너(110)의 체임버(112)에 장입되게 된다.
램(120)은 체임버(112) 안의 빌릿(2)을 가압하여 체임버(112) 밖으로 배출한다. 램(120)은 스템(Stem)으로 부르고 있으며, 유압식 램으로 구성되어 있다. 도 18에 램(120)은 전방 압출(Forward extrusion) 방식으로 빌릿(2)을 밀어내는 것이 도시되어 있으나, 램(120)은 후방 압출(Inverted extrusion) 방식으로 빌릿(2)을 밀어내는 것으로 구성될 수 있다.
도 18 내지 도 20을 참조하면, 본 발명에 따른 나선형 리브 관의 압출장치는 컨테이너(110)로부터 나오는 빌릿(2)을 외측관(20)로 압출하기 위한 다이스 유닛(Dies: 130)을 구비한다. 다이스 유닛(130)은 케이싱(Casing: 140), 다이스(Dies: 150)와 맨드릴(160)로 구성되어 있다.
단(142)을 갖는 보어(144)가 케이싱(140)의 중앙에 형성되어 있다. 다이스(150)는 단(142)에 지지되도록 보어(144)의 중앙에 설치되어 있다. 외측관(20)의 압출을 위한 구멍(Hole: 152)이 다이스(120)의 중앙에 형성되어 있다. 맨드릴(160)은 구멍(152)과 동심을 이루도록 구멍(152)의 중앙에 설치되어 있다. 구멍(152)의 내주면과 맨드릴(160)의 외주면 사이에 외측관(20)의 압출을 위한 간격(154)이 유지되어 있다. 나선형 리브(28)들의 성형을 위한 복수의 나선형 그루브(Spiral/Helical groove: 162)들이 맨드릴(160)의 외주면에 원주 방향을 따라 형성되어 있다. 맨드릴(160)은 빌릿(2)의 유동저항을 감소시키기 위하여 상류에서 하류로 갈수록 단면적이 넓어지는 원추 모양으로 형성되어 있다. 구멍(152)의 내주면과 맨드릴(160)의 상류 외주면은 복수의 리브(164)들에 의하여 연결되어 있다. 리브(164)들은 반경 방향을 따라 등간격으로 배열되어 있다.
플래튼(Platen: 170)이 케이싱(140)을 지지하도록 설치되어 있다. 외측관(20)의 이송을 위하여 보어(172)가 플래튼(170)의 중앙에 형성되어 있다. 다이스 유닛(130)은 케이싱(140)이 플래튼(170)에 지지되는 것에 의하여 컨테이너(110)와 플래튼(170) 사이에 고정적으로 설치된다.
본 발명에 따른 나선형 리브 관 압출장치(100)는 외측관(20)의 선단을 잡아당기는 풀러(Puller: 180)를 구비한다. 풀러(180)는 캐리지(Carriage: 182), 리니어 액추에이터(Linear actuator: 184), 클램핑 유닛(Clamping unit: 186)과 모터(Motor: 188)로 구성되어 있다.
도 18과 도 19에 화살표 "A"로 나타낸 바와 같이, 캐리지(182)는 다이스 유닛(130)의 전방에 직선이송할 수 있도록 배치되어 있다. 리니어 액추에이터(184)는 캐리지(182)를 직선이송시킬 수 있는 구동력을 제공한다. 캐리지(182)의 직선이송을 리니어 액추에이터(184)는 다양한 형태와 구조로 구성될 수 있다. 리니어 액추에이터(184)는 구동력을 제공하는 서보모터와, 서보모터의 구동력에 의하여 회전하는 리드스크루(Lead screw)와, 리드스크루를 따라 나사운동하며 캐리지(182)에 고정되는 볼부시(Ball bush)와, 캐리지(182)의 직선이송을 가이드하는 리니어가이드(Linear guide)로 구성될 수 있다. 리니어 액추에이터(184)는 구동원으로 에어실린더(Air cylinder)나 유압실린더에 의하여 캐리지(182)를 직선이송시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 리니어 액추에이터(184)는 체인전동장치나 벨트전동장치에 의하여 캐리지(182)를 직선이송시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 리니어 액추에이터(184)는 서보모터, 랙과 피니언(Rack and pinon)과 리니어가이드에 의하여 캐리지(182)를 직선이송시킬 수 있도록 구성될 수 있다.
클램핑 유닛(186)은 다이스 유닛(130)으로부터 압출되는 외측관(20)의 선단을 클램핑할 수 있도록 캐리지(182)의 후방에 배치되어 있다. 클램핑 유닛(186)은 액추에이터(186a)와 액추에이터(186a)의 작동에 의하여 외측관(20)을 클램핑하는 한 쌍의 조(Jaw: 186b)들로 구성되어 있다. 도 18과 도 19에 화살표 "B"로 나타낸 바와 같이, 모터(188)는 클램핑 유닛(186)을 나선형 리브(28)들의 회전 방향으로 회전시킬 수 있도록 클램핑 유닛(186)과 연결되어 있고 캐리지(182)의 후방에 설치되어 있다. 모터(188)는 전기모터나 유압모터로 구성될 수 있다.
도 18에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 나선형 리브 관의 압출장치(100)는 다이스 유닛(130)으로부터 압출되는 외측관(20)을 이송시키는 롤러 컨베이어(Roller conveyor: 190)를 구비한다. 롤러 컨베이어(190)는 프레임(192)과 프레임(192)에 회전할 수 있도록 장착되어 있는 복수의 롤러(Roller: 194)들로 구성되어 있다. 롤러(194)들은 외측관(20)을 구름운동(Rolling motion)에 의하여 이송한다.
본 발명에 따른 나선형 리브 관의 압출장치(100)는 다이스 유닛(130)과 풀러(180) 사이에 외측관(20)의 사이징(Sizing)을 위하여 설치되어 있는 사이징 다이스 유닛(200)을 구비한다. 사이징 다이스 유닛(200)은 케이싱(210)과 사이징 다이스(220)로 구성되어 있다. 단(212)을 갖는 보어(214)가 케이싱(210)의 중앙에 형성되어 있다. 사이징 다이스(220)는 단(212)에 지지되도록 보어(214)의 중앙에 설치되어 있다. 외측관(20)의 사이징을 위한 구멍(222)이 다이스(220)의 중앙에 형성되어 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 나선형 리브 관의 압출장치(100)에 있어서, 도 18을 참조하면, 컨테이너(110)의 체임버(112)에 수용되어 있는 빌릿(2)은 컨테이너(110)의 가열에 의하여 유동성을 보유하게 된다. 이때, 빌릿(2)은 용융점의 50~70%의 온도로 가열된다. 따라서 빌릿(2)은 반응고 상태(Semi-solid state)로 되어 유동성을 갖게 된다. 램(120)은 컨테이너(110)의 체임버(112)에 수용되어 있는 빌릿(2)을 35~700Mpa로 가압하여 체임버(112) 밖으로 밀어낸다.
계속해서, 유동성을 갖는 빌릿(2)은 다이스(150)의 구멍(152)으로 유입된 후, 구멍(152)의 내주면과 맨드릴(160)의 외주면 사이에 형성되어 있는 간격(154)을 통과하여 구멍(152) 밖으로 압출된다. 또한, 빌릿(2)은 맨드릴(160)의 나선형 그루브(163)들을 따라 유동되면서 보어(14)의 내주면에 복수의 나선형 리브(28)들을 형성하게 된다.
클램핑 유닛(186)의 조(186b)들은 액추에이터(186a)의 작동에 의하여 구멍(152) 밖으로 나오는 외측관(20)의 선단을 클램핑한다. 외측관(20)의 선단이 클램핑 유닛(186)에 의하여 클램핑되면, 모터(188)가 구동되어 클램핑 유닛(186)과 함께 클램핑되어 있는 외측관(20)이 회전된다. 램(120)의 압출력에만 의존되어 외측관(20)을 압출하는 경우, 나선형 리브(28)들을 원활하게 압출할 수 없다.
본 발명에 따른 나선형 리브 관의 압출장치(100)는 외측관(20)을 회전시킴과 동시에 리니어 액추에이터(184)의 작동에 의하여 캐리지(182)를 다이스(150)로부터 멀어지는 방향으로 직선이송시켜 외측관(20)을 회전 이송시킴으로써, 나선형 리브(28)들이 제1 통로(22)의 내주면에 원활하고 정확히 성형되게 한다. 롤러(194)들은 구름운동에 의하여 이송되는 외측관(20)을 지지하여 외측관(20)의 휨변형을 방지하고 이송을 원활하게 유도한다.
계속해서, 외측관(20)는 풀러(180)의 작동에 의하여 다이스 유닛(130)으로부터 당겨지면서 사이징 다이스(220)의 구멍(222)을 통과하게 되고, 외측관(20)의 외주면은 축관(Swaging)된다. 마지막으로, 외측관(20)는 절단기(Cutting machine)에 의하여 소요의 길이로 절단하여 본 발명에 따른 이중관식 열교환기(10)의 제조에 사용한다.
한편, 본 발명에 따른 나선형 리브 관의 압출장치(100)에 있어서 내측관(40)의 압출은 외측관(20)의 압출과 반대 방향으로 맨드릴의 나선형 그루브들을 형성한 후, 내측관(40)을 외측관(20)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전시키면서 직선이송시켜 제조할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
10, 10a: 열교환기 20: 외측관
22: 제1 통로 28: 나선형 리브
30a, 30b: 리브제거구간 32a, 32b: 축관부
32c, 32d, 32e, 32f: 테이퍼부 34a, 34b: 관통구멍
36a, 36b: 확관부 40: 내측관
42: 제2 통로 48: 나선형 리브
50: 제1 연결관 52: 제2 연결관
60, 62: 브레이징 용가재 70: 널링
80: 그루브 100: 압출장치
110: 컨테이너 120: 램
130: 다이스 유닛 140: 케이싱
150: 다이스 152: 구멍
154: 간격 160: 맨드릴
162: 나선형 그루브 164: 리브
170: 플래튼 180: 풀러
182: 캐리지 184: 리니어 액추에이터
186: 클램핑 유닛 188: 모터
190: 롤러 컨베이어 200: 사이징 다이스 유닛
220: 사이징 다이스

Claims (7)

  1. 제1 말단부와, 제2 말단부와, 상기 제1 말단부와 상기 제2 말단부 사이의 중앙부를 구비하고, 상기 제1 말단부와 상기 제2 말단부를 연통하도록 형성된 제1 통로와, 상기 제1 통로의 내주면에 길이 방향을 따라 복수의 나선형 리브들이 형성되어 있으며, 금속으로 되어 있는 외측관과;
    상기 외측관의 바깥으로 그 제1 말단부와 제2 말단부가 돌출되도록 상기 외측관에 삽입되어 있는 내측관을 포함하고,
    상기 외측관의 제1 및 제2 말단부 각각과 이웃하는 상기 외측관의 내주면에 상기 복수의 나선형 리브들이 제거되어 있는 리브제거구간이 형성되어 있고, 상기 각각의 리브제거구간은 상기 중심부보다 직경이 증가되어 있는 확관부와 상기 중심부보다 직경이 감소되어 있는 축관부를 구비하고,
    상기 확관부에는 상기 제1 통로와 연통되도록 관통구멍이 형성되어 있고,
    상기 축관부는 상기 제1 통로를 밀폐하도록 상기 내측관의 외주면과 브레이징에 의하여 접합되어 있는 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내측관은 제2 통로를 구비하고, 상기 제2 통로의 내주면에 형성되어 있는 복수의 리브들을 더 구비하는 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내측관의 양단부 각각에 상기 복수의 리브들의 제거에 의하여 리브제거구간이 형성되어 있는 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기.
  4. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 내측관의 복수의 리브들 각각은 나선형 리브로 형성되어 있는 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외측관의 복수의 나선형 리브들과 접촉되는 상기 내측관의 외주면에 표면적을 증가시키기 위한 널링이 더 형성되어 있는 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 널링은 평탄하게 압연되어 있는 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외측관의 복수의 나선형 리브들과 접촉되는 상기 내측관의 외주면에 표면적을 증가시키기 위한 그루브가 더 형성되어 있는 나선형 리브를 구비하는 이중관식 열교환기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2015121327A1 (en) * 2014-02-12 2015-08-20 Eaton Industrial IP GmbH & Co. KG Heat exchanger
KR102086833B1 (ko) 2019-08-02 2020-03-09 고민정 삼중관식 열교환기
US11225843B2 (en) 2019-08-01 2022-01-18 Saudi Arabian Oil Company Composite dual channel drill pipes and method of manufacture

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