KR20150133667A - 수축링을 구비한 핀 튜브 열 교환기 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기와 열교환 매체 사이에 열 교환을 행하는 핀 튜브 열교환기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 핀 튜브 열교환기(Fin Tube Heat Exchanger)는, 순환하는 제1 작동 유체가 통과하기 위한 길이 방향으로 형성된 적어도 하나의 유체 통로 구비한 튜브(Tube)와, 상기 튜브에 밀착 고정되도록 구성된 칼라(Collar)를 구비하는 핀(Fin)과, 잔류 응력에 의해서 칼라를 압박하여 칼라가 튜브에 밀착 고정된 상태를 유지하도록 하기 위한 중공의 실린더 형상의 수축링(Shrink Ring)을 포함한다.또한, 상기 칼라는 단부에 형성된 적어도 하나의 절개 슬릿을 구비할 수 있다. 절개 슬릿은 칼라의 단부에서 반경 방향의 중심을 향하도록 작용하는 외력에 의하여 칼라 단부의 탄성 변형을 용이하게 한다.
이에 대하여, 본 발명에 따른 열교환기는 수축링의 수축에 의해서 칼라와 튜브를 밀착시키고, 수축링에 잔류하는 열응력으로 칼라와 튜브가 밀착된 상태를 유지하도록 한다. 따라서, 확관 불량에 의하여 핀의 칼라와 튜브가 불완전하게 밀착되거나, 열팽창 계수의 차이 또는 열팽창 계수의 변화 등에 의해서 핀의 칼라와 튜브의 밀착부가 부분적으로 박리되는 현상을 방지한다. 따라서, 열전달 성능이 우수한 열교환기를 제공한다.

Description

수축링을 구비한 핀 튜브 열 교환기 및 그 제조 방법{FIN TUBE HEAT EXCHANGER HAVING SHRINK RING AND METHOD FOR MANUFACTURING THE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기와 열교환 매체 사이에 열 교환을 행하는 핀 튜브 열교환기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 핀 튜브 열교환기의 제조방법에 관한 것이다.

공기와 열교환 매체 사이에 열 교환을 행하는 열교환기는, 냉동 시스템의 증발기나 응축기로 사용된다. 냉동 시스템에 사용되는 열교환 매체로, 즉 냉매 또는 작동 유체로 프레온, 질소 등이 있다. 최근에는 프레온을 대체하기 위한 여러가지 냉매가 개발되고 있다. 또한, 증기 동력 발전 시스템에 사용되는 응축기 중에도 공냉식 응축기가 사용되고 있다. 증기 동력 발전 시스템의 공냉식 응축기(Air Cooled Condenser)는 터빈에서 배출된 스팀(Steam)이나 증기(Vapor)를 공기를 사용하여 응축시킨다.

상기와 같은 용도로 사용되는 열 교환기 중에 핀 튜브 방식의 열교환기가 있다. 핀 튜브 열교환기는 작동 유체가 내부의 중공으로 통과하는 튜브(Tube)와, 상기 튜브의 외주면에 결합된 판 형상의 핀(Fin)으로 구성된다. 튜브는 동 또는 동합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 스테인레스 강, 탄소강 등의 열전도가 우수하고 부식에 강한 금속 재료로 제작된다.

또한, 핀은 동 또는 동합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 열전도가 좋은 금속 재료로 제조된다. 핀에는 튜브가 삽입되기 위한 관통 구멍이 형성되어 있고, 관통구멍의 주위에서 연장된 칼라(Collar)를 구비한다. 칼라의 내주면은 관통 구멍에 삽입된 튜브의 외주면과 결합된다. 핀과 튜브의 결합은 브레이징, 솔더링, 용접 등의 방법이나 기계적인 결합 방법이 이용된다.

미국 특허 US 4,780,955에는 핀과 튜브를 기계적으로 결합하는 핀 튜브 열교환기의 제조 장치가 공개되어 있다. 상기 특허 문헌에 공개된 장치는, 칼라가 형성된 핀의 관통구멍으로 튜브를 삽입하고 튜브를 반경 방향으로 확관시킨다. 튜브가 확관되면서 튜브의 외주면이 칼라의 내주면과 밀착되어, 핀과 튜브가 마찰에 의하여 기계적으로 결합된다. 튜브를 확관시키기 위하여 튜브의 중공으로 튜브의 내측 직경보다 큰 직경을 같는 강구을 강제로 밀어 넣는다. 강구는 확장 봉(EXPANDER ROD)의 단부에 고정되어 있고, 확장 봉(EXPANDER ROD)을 튜브의 중공에 삽입하여 튜브를 확관시켜서 핀과 튜브를 고정시킨다.

미국 특허 US 6,513,587 및 미국 특허 US 2009/0044408 A1 에는 핀 튜브 열교환기의 칼라를 형성하는 방법이 공개되어 있다. 상기 특허들에 공개된 칼라의 단부는 길이방향을 따라서 내주면의 직경이 증가하도록 벌려진 나팔 형상의 플레어가 형성되어 있다. 상기 '587 특허에는 칼라의 말단부를 외측으로 벌려서 형성된 나팔 형상의 플레어(FLARE)가 개시되어 있고, 상기 '408 특허에는 칼라의 단부를 내측으로 접어서 형성된 나팔 형상의 플레어가 개시되어 있다. 칼라의 단부에 형성된 플레어는 칼라의 내경이 튜브의 외경보다 크게 확대된 나팔 형상으로 되어 있어서, 튜브가 칼라의 내부로 용이하게 삽입되도록 돕는다. 또한, 이웃하는 핀에 플레어가 접촉하도록 핀들을 조밀하게 배치할 경우, 플레어는 튜브가 삽입된 핀들 사이의 거리를 일정하게 유지하도록 돕는다.

미국 특허 US 4,780,955, 'APPARATUS FOR MAKING A TUBE AND FIN HEAT EXCHANGER' 미국 특허 US 6,513,587, 'FIN COLLAR AND METHOD OF MANUFACTURING' 미국 특허 공개 US 2009/0044408 A1, 'FIN-TUBE HEAT EXAHANGER COLLAR, AND METHOD OF MAKEING SAME' 일본 공개특허공보 평2-13790호, 열교환기의 제조방법

공기와 열교환 매체 사이에 열 교환을 행하는 핀 튜브 열교환기는, 튜브와 튜브에 결합된 핀들의 대류 열전달 계수가 크고, 핀들 사이를 통과하는 공기에 대한 저항이 적을 수록 성능이 우수한다. 또한 열교환기에서 핀들 사이를 통과하는 공기가 국부적으로 속도가 증가하여 열절달율 이상으로 공기 흐름에 대한 저항이 발생하지 않고, 공기의 흐름에서 박리(SEPARATION)가 발생하기 않도록, 핀들의 형상을 설계하고 배치하는 것이 중요하다. 또한, 냉동 시스템의 증발기로 핀 튜브 열교환기가 사용될 경우에는, 공기 중의 수분에 의해서 발생하는 서리(FROST)의 양을 적게 하거나, 용이하게 서리를 제거할 수 있는 핀의 구조가 바람직하다.

공기와 핀 사이의 열전달은 공기와 접촉하는 핀의 면적이 증가할 수록 커진다. 또한, 튜브와 튜브 내부를 흐르는 열전달 매체 사이의 열전달은 튜브 내주면의 면적이 증가할 수록 커진다. 핀과 튜브 사이의 열전달은 핀의 칼라와 튜브의 외주면과 완전히 밀착되어 결합되어 있어야 우수하다. 만약 핀의 칼라와 튜브가 완전히 밀착되지 않은 상태에서 결합되어 있으며, 핀과 튜브 사이의 열전달이 잘 이루어 지지 않아서, 열교환기 전체의 성능이 저하된다.

핀과 튜브를 결합시키는 방법으로, 블레이징, 솔더링, 용접 등의 금속적 결합 방법과, 튜브를 확관하여 튜브와 핀의 칼라가 밀착되어 마찰에 의하여 결합을 유지하도록 하는 기계적인 결합 방법이 사용되고 있다. 튜브의 확관에 의한 기계적인 결합 방법은 금속적인 결합방법에 비하여 작업이 간편하고 비용이 저렴한 장점이 있다.

도 1은 US 2009/0044408 호에 개시된 도 7A 및 7B 의 도면으로, 종래의 튜브를 확관하여 튜브의 외주면과 핀의 칼라의 내주면을 기계적으로 결합하여 열교환기를 제조하는 방법을 나타낸다. 도 1(a)에 도시된 것과 같이 핀(20)의 칼라(22)에 튜브(10)를 삽입하고, 도 1(b)에 도시된 것과 같이 튜브(10)의 중공으로 강구(30)를 밀어 넣어서 튜브(10)를 확관시킨다. 핀(20)은 플레이트(21)와 플레이트(21)에 형성된 구멍의 가장자리에서 연장된 칼라(22)로 구성된다. 튜브(10)가 칼라(22)에 용이하게 삽입되도록 칼라(22)의 내주면(22b)의 직경이 튜브(10)의 외주면(10a)의 직경보다 크게 형성되어 있다. 또한, 칼라(22)의 단부에는 튜브(10)의 삽입을 용이하게 하기 위한 나팔 형상의 플레어(23)가 형성되어 있다. 강구(30)의 직경은 튜브(10)의 내주면(10b) 직경보다 크고 칼라(22)의 내주면(22b)의 직경보다 작으며, 튜브(10)가 확관시켜서 소성 변형이 일어나게 하기 위한 적당한 크기이다. 튜브(10)는 확관에 의해서 튜브(10)는 소성 변형되고, 도 1(b)에 도시된 것과 같이, 튜브(10)의 외주면(11a)과 칼라(22)의 내주면(22b)이 밀착된다.

그러나, 종래의 확관에 의한 기계적인 튜브와 핀의 결합은, 도 2에 도시된 것과 같이, 확관된 튜브(10)의 외주면(11a)과 칼라(22)의 내주면(22b)이 완전히 밀착되지 않는 문제점이 있다. 튜브(10)가 확관 될 경우, 튜브(10)의 외주면(10a)과 칼라(22)의 내주면(22b)이 완전히 밀착되지 않게 되는 원인은 여러 가지가 있다. 첫째, 확관을 위하여 튜브(10)의 내부로 삽입되는 강구(30)가 튜브(10)의 내주면(11b)과 접촉하는 부분의 형상이 대체로 원형이 아니거나, 튜브(10)의 두께가 길이 방향을 따라서 균일하지 않거나 튜브 재질이 균일하지 않은 경우이다. 또한, 튜브(10)의 내주면(10b)의 직경이 길이 방향을 따라서 일정하지 않은 경우이다. 상기와 같은 경우에는 튜브(11)가 강구(30)에 의하여 확관될 때 길이에 따라서 반경 방향으로 확관되는 치수가 불균일하여 칼라(22)의 내주면(22b)의 직경이 일정하더라도 튜브(10)의 외주면(10a)이 밀착되지 않을 수 있다. 둘째, 튜브(10)의 확관 될 때에는 칼라(13)에 밀착되어 있었던 경우라도 튜브(11)와 칼라(13)의 열팽창 계수가 다를 경우이다. 또한, 튜브(10)와 핀(20)이 장시간 사용될 경우 경년 경화(AGE HARDENING)에 의해서 열팽창 계수가 다르게 되는 경우이다. 상기와 같은 경우, 장시간 사용 중에 튜브(10)와 핀(20)이 반복적으로 가열 및 냉각되면, 튜브(10) 또는 칼라(22)에 열응력(THERMAL STRESS)이 잔류하게 되고, 잔류하는 열응력에 의하여 발생하는 변형에 의해서 처음에 확관에 의해서 밀착되었던 튜브의 외주면과 칼라의 내부면이 분리될 수 있다.

상기와 같은 원인으로 튜브의 외주면과 핀의 칼라의 내주면이 밀착되어 있지 않으면, 접촉 열저항에 의해서 튜브로부터 핀으로의 열전달 능력이 저하되어, 전체적으로 열교환기의 성능이 저하 된다.

최근에는 핀 튜브 열교환기의 열전달 성능을 향상하고 경량화를 달성하기 위하여 내부에 복수의 열매체 통로를 구비한 다채널 튜브(MULTI CHANNEL TUBE)를 사용하기도 한다. 그러나 다채널 튜브는 확관에 의하여 핀의 칼라와 밀착시키기가 곤란하여, 핀과 튜브의 결합에 비용이 많이 소요되는 블레이징이나 솔더링 방식으로 결합하고 있다.

한편, 일본 공개특허공보 평2-13790호에는 핀튜브 방식의 열교환기에 있어서, 핀의 칼라에 형상기억합금으로 된 링을 장착하고, 링을 가열하여 형상기억합금으로 된 링을 수축시켜서 핀을 튜브에 고착시키는 방법이 개시되어 있다. 형상기억합금으로 된 링의 내경의 치수를, 핀의 카라의 외경의 치수와, 튜브의 외경의 치수보다 절절히 크게 하여야 한다. 그러나 실제로 핀과 튜브와 형상기억합금으로된 링의 조립시에, 조립이 원활히 되고, 링의 수축에 의하여 핀과 튜브를 고착시키기 위한 치수를 절절히 조절하는 것이 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 확관에 의한 튜브와 핀의 칼라의 결합 방법으로 제조되는 핀 튜브 열교환기의 문제점을 개선하기 위한 것이다.

본 발명의 제1의 목적은, 제조 시에는 물론 장시간 사용한 경우에도, 튜브와 핀의 칼라가 완전히 기계적으로 밀착된 상태를 유지할 수 있는 새로운 구조의 핀 튜브 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2의 목적은, 확관에 의하지 않고 다채널 튜브와 핀의 칼라가 완전하게 기계적으로 밀착되도록 구성된 핀 튜브 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제3의 목적은 다양한 단면 형상을 구비하여 확관에 의하여 밀착이 곤란한 튜브와 핀을 밀착 결합시킬 수 있는 핀 튜브 열교환기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 제4의 목적은 조립을 용이하게 할 수 있는 구조를 갖는 수축링을 구비한 핀 튜브 열교환기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 제5의 목적은 수축링을 구비한 핀 튜브 열교환기의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 핀 튜브 열교환기(Fin Tube Heat Exchanger)는, 순환하는 제1 작동 유체가 통과하기 위한 길이 방향으로 형성된 적어도 하나의 유체 통로 구비한 튜브(Tube)와, 상기 튜브에 밀착 고정된 핀(Fin)을 포함한다. 상기 핀은, 상기 튜브가 삽입되기 위한 관통 구멍을 구비하는 판 형상의 플레이트와, 상기 플레이트의 관통 구멍의 가장자리에서 연장된 칼라를 포함한다. 또한, 상기 핀의 칼라가 튜브에 밀착 고정된 상태를 유지하도록 하기 위한 중공의 실린더 형상의 수축링(Shrink Ring)을 포함한다. 상기 튜브는 상기 핀의 관통구멍에 삽입되어 있고, 상기 핀의 칼라는 상기 수축링의 중공에 삽입되어 있다. 상기 수축링은, 잔류 응력에 의해서 상기 칼라를 압박하여 상기 칼라를 상기 튜브의 외주면에 밀착시키도록 구성되어 있다. 상기 핀의 칼라는, 상기 관통구멍으로 삽입된 상기 튜브의 외주면과 밀착되어, 상기 제1 작동유체와 상기 플레이트와 칼라 주위를 흐르는 제2 작동 유체(공기) 사이에서 열이 효과적으로 교환되도록 한다.

수축링을 열팽창 시킨 후 조립하고 냉각 시켜서 수축링에 잔류 응력이 생성되도록 할 수 있다. 이 경우 수축링은, 일정한 온도 이상으로 가열된 경우 팽창되어 상기 수축링의 중공으로 칼라가 삽입되고, 일정 온도 이하로 냉각된 경우 수축되어 상기 중공으로 칼라가 삽입되지 않는 형상(Shape)과 치수(Dimension)를 구비하고 있다. 예를 들면, 중공의 윤곽(Contour)이 원형으로 된 수축링의 경우, 일정한 온도 이상으로 가열된 경우 열 팽창에 의해서 상기 수축링의 중공의 내주면의 직경이 상기 칼라의 외주면의 직경보다 크게 되고, 일정 온도 이하로 냉각된 경우 수축에 의해서 상기 수축링의 중공의 내주면의 직경이 상기 칼라의 외주면의 직경보다 작게 되도록 구성되어 있다. 따라서, 상기와 같이 구성된 수축링은, 가열에 의해 팽창된 상태에서 중공에 삽입된 칼라를 냉각에 의해 수축되면서 압박하여, 상기 칼라의 내주면과 상기 튜브의 외주면이 밀착 고정된 상태를 유지하도록 한다.

열팽창에 의해서 수축링에 잔류응력이 생성되도록 본 발명에 따른 핀 튜브 열교환기를 조립하는 방법의 일 실시예에 대하여 설명한다. 먼저, 튜브를 핀의 관통구멍에 삽입하여 조립한다. 튜브의 길이방향 단면의 외주면의 윤곽은 관통구멍의 윤곽과 동일한 형상 및 치수로 되어 있다. 다음으로, 수축링을 일정 온도 이상으로 가열하여 팽창시킨다. 실린더는 중공의 실린더 형상으로, 중공의 윤곽이 칼라의 외주면의 윤곽과 동일한 모양을 하고 있으나, 일정 온도 이상으로 가열되면 칼라의 외주면의 윤곽보다 크게 팽창된다. 다음으로, 가열되어 팽창된 상태의 수축링의 중공 내부로 튜부가 삽입되어 있는 핀의 칼라를 삽입한다. 다음으로, 수축링을 냉각시켜서 수축되도록 한다. 수축링은 일정온도 이하로 냉각되면 중공의 윤곽이 칼라의 외주면의 윤곽 보다 작게 수축하여 칼라를 압박하여 칼라를 튜브에 밀착시킨다.

몇몇 실시예에 있어서, 튜브를 핀 수축링 조립체에 강제로 삽입하여 조립할 수도 있다. 튜브를 강제 삽입하여 조립하는 경우, 튜브의 외주면의 윤곽은 수축링의 중공의 윤곽과 동일한 형상이나 크기가 약간 큰 것을 사용한다. 수축링의 중공보다 약간 크기가 큰 튜브가 삽입되면 수축링이 팽창하면서 수축링의 내부에 탄성 변형에 의한 잔류 응력이 생성된다. 수축링의 내부에 생성된 탄성 변형에 의한 잔류응력이 칼라를 압박하여 칼라의 내주면과 튜브의 외주면이 밀착된 상태를 유지한다.

몇몇 실시예에 있어서, 칼라가 삽입된 수축링이 운반이나 보관 또는 튜브와의 조립 시에 칼라로부터 분리되어 탈락되는 것을 방지하도록 칼라에 돌기를 형성하는 것이 바람직하다. 돌기는 칼라의 말단부 근방 외주면에 반경 방향으로 돌출되도록 형성할 수 있다. 또한, 돌기는 칼라의 말단부를 외측으로 말아서 나팔 형상으로 만들거나, 칼라의 말단부를 외측으로 접어서 돌출되도록 형성할 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 수축링은 상기 핀의 칼라의 열팽창 계수 및/또는 튜브의 열팽창 계수보다 작은 열팽창 계수를 갖는 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 수축링의 열팽창 계수가 칼라 및/또는 튜브의 열팽창 계수보다 작으면, 열교환기가 가열된 경우 수축링이 칼라 및/또는 튜브보다 조금 팽창되어 가열된 경우에도 계속 하여 칼라가 튜브에 밀착된 상태를 유지할 수 있다. 또한 수축링의 치수를 적당히 정하여, 열교환기가 일정한 온도 범위 이내로 냉각된 경우에도, 수축링에 잔류하는 열응력이 칼라를 압박하여 튜브의 외주면에 밀착된 상태를 유지할 수 있도록 할 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 튜브와 핀을 조립할 때 조립을 용이하게 하기 위하여 또는 조립 후에 핀과 튜브의 상대 위치가 변하는 것을 방지하기 위하여, 튜브의 외주면에 길이방향을 따라서 적어도 하나의 안내 마루(Guide Ridge)나 안내 홈(Guide Groove)를 형성하는 것이 바람직하다. 안내 마루는 튜브의 외주면에서 돌출되어 길이방향을 따라서 연장되도록 형성한다. 또한 튜브에 안내 마루를 형성할 경우, 핀의 플레이트에 형성된 관통구멍에 안내 마루를 수용하기 위한 안내 홈을 형성한다. 반대로 튜브의 외주면에 안내 홈을 형성한 경우, 핀의 플레이트에 형성된 관통구멍에 안내 홈에 삽입되기 위한 안내 홈을 형성한다.

몇몇 실시예에 있어서, 본 발명에 따른 핀 튜브 열교환기는, 튜브의 내부에 복수의 통로를 구비할 수 있다. 복수의 통로는 순환하는 제1 작동 유체가 튜브의 길이 방향을 따라서 흐르도록 튜브의 내부에 길이 방향을 따라서 형성되어 있다. 상기 복수의 통로 중 적어도 두 개의 통로는 상기 제1 작동유체가 직렬로 흐르도록 튜브의 단부에서 서로 연통되도록 연결 될 수 있다. 복수의 통로 중 입구 통로와 출구 통로를 제외한 나머지 통로의 양단은 모두 이웃하는 통로의 단부와 연통되도록 직렬로 연결되어, 제1 작동 유체가 튜브의 내부를 지그 재그로 순환하면서 흐르도록 할 수 있다. 튜브 내부의 복수의 통로를 직렬로 연결하면, 작동 유체가 튜브 내부를 통과하는 시간을 길게 하여, 상변화가 완전히 일어나도록 하여 열 전달 성능을 향상시킬 수 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 튜브는 단면의 외측 윤곽이 원형 이외에, 계란형, 타원형 등과 같이 각이 지지 않은 볼록한 폐곡선으로 이루어진 것을 사용할 수 있다. 또한, 튜브가 삽입되는 핀의 관통 구멍의 윤곽과 수축링의 중공의 윤곽을 상기 튜브가 용이하게 삽입되도록, 튜브와 동일한 형상의 볼록한 폐곡선으로 형성할 수 있다. 튜브 단면의 외측 윤곽에 직선부나 오목한 곡선부가 있으면, 수축링이 수축에 의하여 칼라를 압박할 때, 튜브 외측 윤곽의 직선부나 오목한 곡선부를 압박할 수 없게 된다. 튜브 단면의 외측 윤곽에 있는 직선부는 수축링 내부에 생성되는 인장 응력의 방향과 수직하게 되므로, 수축링이 튜브의 직선부를 압박할 수 없고, 튜브의 외측 윤곽의 오목한 부분은 수축링과 접촉하지 않으므로 압박할 수 없기 때문이다.

몇몇 실시예에 있어서, 컴팩트하고 열전달 효과가 우수한 열교환기를 제공하기 위하여, 튜브에 복수의 핀을 조립할 수 있다. 튜브에 복수의 핀을 조립할 경우, 각각의 핀에 경사부를 형성하고, 각각의 수축링의 양 단부면에 맞춤 경사면을 형성하여 조립을 용이하게 할 수 있다. 본 실시예의 핀 튜브 열교환기에 있어서, 각각의 핀은 관통구멍의 주위에 관통구멍의 중심축에 대하여 일정한 각도로 경사진 경사부를 포함한다. 또한, 각각의 수축링에는 대응하는 핀의 칼라가 각각 중공의 내부에 삽입되어 있고, 각각의 수축링의 양 단부면에는 각각 핀의 경사부의 경사각와 동일한 각으로 경사진 맞춤 경사면이 형성되어 있다. 또한, 각각의 수축링의 맞춤 경사면은 이웃하는 핀의 경사부와 접촉하도록 배치되어 있다. 또한, 칼라는, 말단으로부터 관통 구멍을 향하여 일정한 길이 만큼 절개되어 형성된 적어도 하나의 절개 슬릿을 포함하는 것이 바람직하다.

몇몇 실시예에 있어서, 핀튜브 열교환기는, 복수의 핀 각각에 형성된 관통구멍에 삽입된 튜브와, 상기 각각의 핀의 관통구멍 가장자리에서 일측으로 연장된 칼라에 장착된 수축링을 포함한다. 각각의 수축링은 잔류 응력에 의하여 장착된 각각의 칼라를 가압하여 튜브와 밀착되도록 한다. 수축링에 잔류응력이 생성되게 하는 방법은 수축링의 내경보다 튜브의 외경에 칼라의 두께를 더한 값이 약간 크게 되도록 하여, 튜브를 삽입할 때 수축링이 탄성 범위에서 약간 팽창되도록 하여 수축링에 잔류응력이 발생되도록 할 수 있다. 즉, 튜브를 억기 끼워 맞춤하여 수축링에 잔류응력이 생성되도록 할 수 있다. 특히, 수축링을 가압에 의하여 팽창시켜서 튜브의 조립을 용이하게 하고, 튜브가 삽입된 후에 수축링에 잔류응력이 생성되도록 하기 위하여, 각각의 수축링의 양 단부면에는 각각 상기 핀의 경사부의 경사각과 대체로 동일한 각으로 경사진 맞춤 경사면이 형성되어 있다. 또한, 각각의 핀에는 관통구멍의 주위에 관통구멍의 중심축선에 대하여 일정한 각도로 경사진 경사부가 형성되어 있다. 조립에 의해서, 상기 각각의 수축링의 맞춤 경사면은 이웃하는 핀의 경사부와 밀착되어 있다.

본 발명의 다른 측면에 의해서, 복수의 핀과 수축링을 구비하는 핀튜브 열교환기의 제조방법이 제공된다. 핀튜브 열교환기의 제조방법은 다음과 같다

먼저, 핀-수축링 조립체를 준비한다. 핀-수축링 조립체는 핀과, 핀에 형성된 관통구멍의 가장자리에서 연장된 칼라에 장착된 수축링을 포함한다. 또한, 핀에는 상기 관통구멍의 주위에 관통구멍의 중심축선에 대하여 일정한 각도로 경사진 경사부가 형성되어 있다. 또한, 수축링의 양 단부면에는 각각 상기 핀의 경사부의 경사각과 대체로 동일한 각으로 경사진 맞춤 경사면이 형성되어 있다.

다음으로, 복수의 핀-수축링 조립체들을, 각각의 수축링들의 중심축선이 대체로 일치하도록 일렬로 배치한다.

다음으로, 일렬로 배치된 핀-수축링 조립체들의 양단에 위치한 핀-수축링 조립체 각각의 수축링을 중심축선 방향으로 가압하여, 각각의 수축링의 경사면이 이웃하는 핀의 경사부와 접촉하고 이웃하는 수축링의 경사면과 맞물리도록 하여, 각각의 수축링들의 중심축선을 일치시키고, 수축링을 반경방향으로 팽창시킨다.

다음으로, 작동 유체가 통과하도록 길이방향으로 형성된 적어도 하나의 유체 통로 구비한 튜브를 복수의 핀-수축링 조립체의 관통구멍으로 삽입한다.

몇몇 실시예에 있어서, 상기 튜브를 삽입하기 전에, 각각의 수축링을 팽창시키기 위하여 각각의 수축링을 가열할 수도 있다. 수축링의 가열은, 복수의 핀-수축링 조립체가 정렬되어 형성되는 연장된 관통구멍 내부로 유도 가열코일을 삽입하고, 수축링에 유도 전류가 생성되도록 상기 유도 가열 코일에 고주파 전원을 인가하여 수축링을 가열할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의해서, 핀 튜브 열교환기의 제조방법이 제공된다. 본 발명에 따른 핀 튜브 열교환기의 제조방법은, 핀-수축링 조립체를 준비하는 단계와, 상기 냉각핀-수축링 조립체의 수축링을 가열하여 팽창시키는 단계와, 상기 팽창된 수축링의 중공으로, 작동 유체가 통과하도록 길이방향으로 형성된 적어도 하나의 유체 통로 구비하고, 외주면의 형상이 상기 칼라와 밀착되도록 구성된 튜브를 삽입하는 단계와, 상기 제1 작동유체와 핀의 주위를 흐르는 제2 작동 유체 사이에 효과적으로 열 교환이 일어나도록 하기 위하여, 중공에 삽입된 핀의 칼라를 잔류 열응력에 의해서 가압하여 칼라가 상기 튜브의 외주면에 밀착되도록, 상기 수축링을 냉각시키는 단계를 포함한다.

핀-수축링 조립체가 복수인 경우, 핀은 상기 각각의 핀은 관통구멍의 주위에 관통구멍의 중심축선에 대하여 일정한 각도로 경사진 경사부를 포함하는 핀을 사용하고, 수축링은 양 단부면에 각각 핀의 경사부의 경사각과 동일한 각으로 경사진 맞춤 경사면이 형성된 수축링을 사용하여 핀-수축링 조립체를 준비한다.

또한, 복수의 핀-수축링 조립체에 튜브를 용이하게 삽입하기 위하여, 상기 복수의 핀-수축링 조립체를 준비하는 단계는, 복수의 핀-수축링 조립체의 양단을 가압하여, 각각의 수축링의 맞춤경사면이 이웃하는 핀의 경사부와 접촉하도록 하고, 수축링들의 중심축선이 일치하도록 정렬시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 복수의 핀-수축링 조립체의 수축링의 중심축선이 일치하도록 정렬되어, 수축링들의 내주면에 의해에 연장된 관통구멍을 형성한 후에, 상기 연장된 관통구멍의 내부로 유도 가열 코일을 삽입하고, 유도 가열코일에 고주파 전원을 인가하여 수축링들을 동시에 가열하여 팽창되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 수축링이 충분히 가열되어 팽창한 경우, 삽입된 유도가열코일을 제거한 후에, 튜브를 연장된 관통구멍 내부로 삽입하고, 수축링을 냉각하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 핀 튜브 열교환기는 종래의 핀 튜브 열교환기에 비하여 다음과 같은 특징 및 유리한 효과를 제공한다.

첫째, 종래의 확관에 의해서 제작된 핀튜브 열교환기는 튜브를 확관에 의하여 소성변형시켜서 기계적으로 칼라와 튜브를 밀착시킨다. 이에 대하여, 본 발명에 따른 열교환기는 수축링의 수축에 의해서 칼라와 튜브를 밀착시키고, 수축링에 잔류하는 열응력으로 칼라와 튜브가 밀착된 상태를 유지하도록 한다. 따라서, 확관 불량에 의하여 칼라와 튜브가 불완전하게 밀착되거나, 시효 경화(AGE HARDENING)나 열팽창 계수의 차이 또는 열팽창 계수의 변화 등에 의해서 칼라와 튜브의 밀착이 부분적으로 깨지는 것을 방지한다. 따라서, 장시간 사용하여도 열전달 성능을 유지할 수 있다.

둘째, 종래의 확관에 의하여 제작된 핀 튜브 열교환기는 튜브의 단면의 형상이 원형인 것만 사용이 가능하다. 이에 대하여, 본 발명에 따른 열교환기는 튜브의 단면의 형상이 타원형, 계란형 등 볼록한 곡면으로 이루어진 다양한 형상을 사용할 수 있다. 특히, 다채널 튜브는 확관 공정으로 핀 튜브 열교환기를 제조하는 데 이용할 수 없었다. 본 발명에 따른 열교환기는 확관 대신에 수축링을 사용하여 다채널 튜브와 핀을 밀착시킬 수 있으므로, 다채널 튜브를 브레이징 공정을 사용하지 않고서 핀 튜브 열교환기 제조에 사용할 수 있다.

셋째, 본 발명에 따른 핀 튜브 열교환기는, 핀과 튜브의 긴밀한 밀착을 유지하여, 열전달 성능이 우수하므로, 열교환기의 사이즈를 작게할 수 있다. 열교환기의 사이즈를 작게 하면, 재료비를 절감할 뿐만 아니라, 제조시에 수반되는 물류, 보관 비용 등을 절감할 수 있다. 또한, 열교환기가 설치되는 공간을 절약할 수도 있다.

넷째, 수축링을 가열하고 냉각시키서 열교환기를 제조하는 공정이, 튜브를 확관하는 공정보다 간편하여 제조 비용을 절약할 수 있다. 특히, 원형 튜브를 확관하여 핀의 칼라를 고정할 경우, 튜브가 지그 재그로 절곡된 상태로 사용되기 때문에, 길이가 긴 원형 튜브를 확관하여 핀을 고정한 상태에서 절곡하여야 한다. 따라서, 확관 및 절곡 설비가 커지고 복잡해 진다. 이에 대하여 본 발명에 따른 열교환기는 수축링을 가열하고 튜브를 삽입하므로 제조 설비가 간단해 진다. 특히, 종래의 다채널 튜브에 핀을 브레이징하여 제조하는 공정에 비교하여, 작업 공정이 간단하고 에너지 비용을 절감할 수 있다.

다섯째, 복수의 핀을 구비한 핀 튜브 열교환기를 제조할 경우, 경사부가 형성된 핀과 맞춤 경사면이 형성된 수축링을 사용하면, 튜브를 조립하기 전에 복수의 수축링의 중심축선을 정렬할 수 있어서 용이하게 조립할 수 있다.

도 1은 종래의 튜브 확관에 의하여 핀의 칼라와 튜브를 결합하는 방법을 나타내는 설명도
도 2는 튜브 확관에 의해서 제조된 열교환기에 있어서 칼라와 튜브의 밀착 불량 상태를 나타내는 설명도
도 3은 본 발명에 따른 열교환기의 일실시예의 사시도
도 4는 도 3에 도시된 실시예의 열교환기의 분해 사시도
도 5는 도 3에 도시된 실시예에 사용된 핀-수축링 조립체의 분해 사시도
도 6은 도 3에 도시된 실시예의 튜브조립체의 분해사시도
도 7(a)는 튜브의 정면도이고, 도 7(b)는 튜브의 후면도
도 8은 본 발명에 따른 열교환기의 조립 순서를 나타내는 설명도
도 9는 본 발명에 따른 열교환기에 사용되는 핀의 다른 실시예의 사시도
도 10은 본 발명에 따른 열교환기에 사용되는 핀의 다른 실시예의 사시도
도 11은 본 발명에 따른 열교환기의 다른 실시예의 사시도
도 12는 도 11에 도시된 실시예의 열교환기의 분해사시도
도 13은 본 발명에 따른 열교환기의 또 다른 실시예의 사시도
도 14는 도 13에 도시된 열교환기에 사용된 튜브 조립체의 분해사시도
도 15는 도 13에 도시된 열교환기에 사용된 핀-수축링 조립체의 분해사시도
도 16는 본 발명에 따른 열교환기의 또 다른 실시예의 사시도
도 17은 본 발명에 따른 핀 튜브 열교환기의 또 다른 실시예의 사시도
도 18은 도 17에 도시된 열교환기에 사용된 튜브 조립체의 분해사시도
도 19는 도 17에 도시된 열교환기에 사용된 핀-수축링 조립체의 분해사시도
도 20은 도 19에 도시된 수축링의 단면도
도 21 - 도 26는 도 17에 도시된 열교환기의 조립 방법을 설명하는 개략도

이하에서는 첨부의 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 열교환기의 일실시예의 사시도이고, 도 4는 분해 사시도이다. 본 실시예의 열교환기(100)는 튜브조립체(110)와 복수의 핀-수축링 조립체(130)를 포함한다. 튜브 조립체(110)는 복수이 핀-수축링 조립체(130)에 삽입되고, 튜브(112)의 외주면이 핀-수축링 조립체(130)와 밀착 고정되어 있다. 또한, 튜브 조립체(110)의 일단에는 한 쌍의 작동유체 연결 튜브(151, 152)가 결합되어 있다.

도 4의 원안의 확대도를 참조하면, 튜브 조립체(110)의 전면에는 전면 플러그(120, Front Plug)가 고정되어 있고, 전면 플러그(120)에는 작동유체 입구(121)와 작동유체 출구(122)가 형성되어 있다. 입구 연결 튜브(151)는 작동유체 입구(121)와 연통되도록 연결되고, 출구 연결 튜브(152)는 작동유체 출구(122)와 연통되도록 연결되어 있다. 작동유체 연결튜브(151, 152)는 각각 전면 플러그(120)의 입구(121)와 출구(122)에 브레이징 공정으로 접합하거나, 연결 튜브(151, 152) 각각의 외주면과 입구(121) 및 출구(122)에 나사를 형성하여 나사 결합 할 수도 있다. 나사 결합 시에는 테프론과 같은 밀봉 부재를 연결 튜브들(151, 152)의 외주면에 감아서 작동유체가 누설되지 않도록 한다.

도 5는 핀-수축링 조립체(130)의 전개 사시도이다. 핀-수축링 조립체(130)는 핀(131)과 수축링(140)을 포함한다. 핀(131)은 관통구멍(134)이 형성된 플레이트(135)와, 관통구멍(134)의 가장자리에서 플레이트의 전방으로 연장된 칼라(132)를 구비한다. 칼라(132)에는 원주 방향을 따라서 90 ° 간격으로 4개의 절개 슬릿(133)이 형성되어 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 절개 슬릿(133)을 1개, 2개, 3개, 5개, 또는 6개가 되도록 형성할 수도 있다. 절개 슬릿(133)은 칼라(132)를 단부로부터 길이방향을 따라서 일정거리 절개하여 형성한다. 절개 슬릿(133)의 길이는 수축링(140)의 길이보다 긴 것이 바람직하다. 절개 슬릿(133)은 플레이트(135)의 전면까지 연장되도록 형성될 수도 있다. 절개 슬릿(133)의 절개 폭(d)은 수축링(140)에 의해서 반경 방향으로 칼라(132)가 수축될 때 서로 겹쳐지지 않도록 적절히 정할 수 있다. 핀(131)의 플레이트(135)와 칼라(132)는 성형에 의해서 일체로 형성할 수 있다. 핀(131)은 열전도가 우수한 금속 재료, 예를 들면 알루미늄 또는 알루미늄 합금, 동 또는 동합금 등을 사용하여 제조하는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 수축링(140)은 중공의 실린더 형상으로, 열전도가 우수한 금속 재료를 사용하여 재조하는 것이 바람직하다. 수축링(140)은 핀(131)보다는 인장 강도가 큰 금속재료를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 녹이 슬지 않은 스테인레스 스틸을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예와 같이 수축링(140)의 중공의 형상이 원형이고, 핀(131)의 관통구멍(134)의 형상이 원형이고, 튜브(112)의 단면의 형상이 원형인 경우, 각각의 구성요소의 직경의 치수를 적절히 정하여 수축링(140)의 잔류 응력에 의하여 칼라(132)가 튜브(112)의 외주면을 압박하도록 할 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에서, 수축링(140)의 내주면의 직경(Dsi)은 칼라(132)의 내주면의 직경(Dfi)보다 약간 작게 되어 있다. 또한, 수축링(140)의 외주면의 직경(Dso)은 칼라(132)의 외주면의 직경(Dfo)보다 약간 크게 되어 있다. 또한, 수축링(140)의 내주면의 양단에는 칼라(132)의 삽입을 용이하게 하기 위하여 모따기(142)가 되어 있다. 수축링(140)의 중심선과 칼라(132)의 중심선을 맞춘 상태에서 수축링(140)을 칼라(132)에 대하여 밀면, 절개 슬릿(133)들에 의해서 분할된 칼라(132)가 반경 방향 내측으로 오무려지면서 수축링(140)의 중공에 자연스럽게 삽입된다. 칼라에는 절개 슬릿(133)이 형성되어 있고, 수축링(140)의 내주면에는 모따기가 형성되어 있기 때문이다.

또한, 핀(131)과 조립된 수축링(140)이 칼라(132)로부터 이탈되는 것을 방지하기 위하여 칼라(132)의 말단부에는 돌기(132c)가 형성되어 있다. 본 실시예의 돌기(132c)는 칼라(132) 말단부 테두리에서 반경 방향 외측으로 돌출되어 원주 방향으로 연장되도록 형성되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 돌기(132c)는 칼라(132) 말단부 외주면의 필요한 위치에 적절한 숫자로 분리되어 형성될 수도 있다. 돌기(132c)는 운반, 보관 또는 조립 작업 시에 수축링(140)이 칼라(132)로부터 이탈되는 것을 방지한다.

도 6은 튜브 조립체의 분해 사시도이고, 도 7(a)는 튜브(112)의 정면도이고, 도 7(b)는 튜브(112)의 후면도이다. 튜브 조립체(110)는 튜브(112)와, 튜브(112)의 전면에 결합된 전면 플러그(120)와, 튜브(112)의 후면에 결합된 후면 플러그(125)를 포함한다. 전면 플러그(120)는 환형의 디스크로서, 작동유체 연결 튜브(151, 152)와 연결되기 위한 한 쌍의 관통 구멍이 형성되어 있다. 한 쌍의 관통구멍은 각각 작동유체 입구(121)와 작동유체 출구(122)로 사용되며, 전면 플러그(120)는 작동유체 입구(121)와 작동유체 출구(122)가 각각 튜브(112)에 형성된 입구 통로와 출구 통로와 연통되도록 튜브(112)의 전면에 결합된다. 후면 플러그(125)는 환형의 디스크로서, 튜브(112)의 후면에 결합되어 튜브(112) 내부에 형성된 통로를 폐쇄한다.

튜브(112)는 실린더 형상으로, 내부에는 길이방향을 따라서 작동유체의 통로로 사용되기 위한 복수의 관통구멍이 형성되어 있다. 본 실시예에는 12 개의 작동유체 통로(도 7(a)에서는 시계방향으로 114a, 114b, 114c, 114d, 114e, 114f, 114g, 114h, 114i, 114j, 114k, 114m, 도 7(b)에서는 반시계 방향으로 114a, 114b, 114c, 114d, 114e, 114f, 114g, 114h, 114i, 114j, 114k, 114m)가 형성되어 있다. 각각의 작동유체 통로들(114a, 114b, 114c, 114d, 114e, 114f, 114g, 114h, 114i, 114j, 114k, 114m)은 원주 방향을 따라서 등간격으로 배치되어 있다. 또한, 튜브(112)의 중심에는 중공(111)이 형성되어 있다. 본 실시예에서 중공(111)은 작동유체 통로로 사용되지는 않으나, 필요시에는 작동유체의 통로로 사용할 수도 있다. 튜브(112)의 전면에서, 작동유체 입구통로(114a)는 전면 플러그(120)의 작동유체 입구(121)와 연통되고, 작동유체 출구통로(114m)는 전면 플러그(120)의 작동유체 출구(122)와 연통된다. 또한, 튜브(112)의 중공으로 히터를 삽입하여, 증발기가 동작할 때 증발기의 핀에 생성된 서리를 용이하게 제거할 수 있다. 히터는 전열히터나 적외선 램프 히터를 사용할 수 있다. 히터를 중공(111)에 삽입하여 튜브(112)와 접촉하도록 설치한 경우, 히터에서 발생한 열이 증발기의 튜브(112)를 통하여 핀(131)으로 직접 전달되기 때문에, 효과적으로 서리를 제거할 수 있다. 또한, 히터를 설치하기 위한 별도의 공간이 필요하지 않아서, 증발기를 컴팩트하게 제조할 수 있다. 적외선 램프 히터를 사용한 경우, 적외선 램프를 보호하기 위한 별도의 구조물이 필요하지 않게 된다.

도 7(a)를 참조하면, 튜브(112)의 전면에는 전면 플러그(120)가 삽입되어 결합되기 위한 일정한 깊이의 전면 환형 홈(112a)이 형성되어 있다. 삽입된 전면 플러그(120)는 입구통로(114a)와 출구통로(114m)를 제외하고, 나머지 작동유체 통로들을 전면에서 폐쇄한다. 도 7(b)를 참조하면, 튜브(112)의 후면에는 후면 플러그(125)가 삽입되어 결합되기 위한 일정한 깊이의 후면 환형 홈(112b)이 형성되어 있다. 삽입된 후면 플러그(125)는 작동유체 통로들(114a, 114b, 114c, 114d, 114e, 114f, 114g, 114h, 114i, 114j, 114k, 114m) 모두를 후면에서 폐쇄한다.

또한 도 7(a)를 참조하면, 튜브(112)의 전면에는 전면 플러그(120)에 의하여 폐쇄된 작동유체 통로 각각을 이웃하는 작동유체 통로와 직렬로 연통되도록 연결하기 위한 일정한 깊이의 연통홈들(115bc, 115de, 115fg, 115hi, 115jk)이 형성되어 있다. 또한 도 7(b)를 참조하면, 튜브(112)의 후면에도 후면 플러그(125)에 의하여 폐쇄된 작동유체 통로 각각을 이웃하는 작동유체 통로와 직렬로 연통되도록 연결하기 위한 일정한 깊이의 연통홈들(116ab, 116cd, 116ef, 116gh, 116ij, 116km)이 형성되어 있다. 따라서, 입구 작동유체 연결 튜브(151)로 공급되는 작동유체는 작동유체 입구(121)를 통하여 튜브(112) 전면의 입구 통로(114a)로 흘러 들어 간다. 입구 통로(114a)를 통과한 작동유체는 시계 방향 순서로 직렬로 연결된 작동유체 통로들을 통과한다(114a-114b-114c-114d-114e-114f-114g-114h-114i-114j-114k-114m 순서로 통과한다). 작동유체 출구 통로(114m)를 통과한 작동유체는 전면 플러그(120)의 작동유체 출구(122)와 연결된 출구 작동유체연결 튜브(152)를 통하여 튜브(112)로부터 배출된다. 튜브 내부의 복수의 통로들이 직렬로 연결되면, 작동 유체가 튜브 내부에서 흐르는 시간이 늘어나서 작동유체의 응축이나 증발과 같은 상변화가 통로 내부를 흐르는 동안 완전히 이루어져서 열교환기의 열 전달 성능이 향상된다. 복수의 채널을 구비한 튜브에는, 튜브의 단면의 형상에 관계없이, 전면 및 후면에서 튜브의 작동유체 통로를 폐쇄하기 위한 전면 및 후면 환형홈을 형성하고, 폐쇄된 작동유체 통로를 연결하기 위한 전면 및 후면 연통홈들을 형성하여 작동유체 통로들을 직렬로 연결할 수 있다.

또한, 도 6 및 도 7을 참조하면, 튜브(112)의 외주면에는 돌출되어 길이방향을 따라서 연장된 한 쌍의 안내 마루(113a, 113b, GUIDE RIDGE)가 형성되어 있다. 안내 마루들(113a, 113b)은 튜브 조립체(110)를 핀-수축링 조립체(130)와의 조립을 용이하게 하기 위한 것이다. 또한, 핀-수축링 조립체(130)가 튜브조립체(110)와 조립된 후에 상대적으로 회전 이동하는 것을 방지한다. 도 4를 참조하면, 핀(131)의 관통구멍(134)에는, 튜브(112)를 삽입할 때, 튜브(112)의 대응하는 안내 마루들(113a, 113b)이 수용되기 위한 한 쌍의 안내홈(134a, 134b)이 형성되어 있다. 본 실시예에 있어서, 안내홈들(134a, 134b)의 위치를 절개 슬릿(133)이 형성된 곳에 배치하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 관통구멍(134)의 가장자리 적당한 위치에 배치할 수 있다. 본 실시예에서 튜브(112)의 외주면의 직경(Dt)은 핀(131)의 관통구멍(124)의 내주면의 직경(Dfi)과 동일하거나 약간 작아서, 수축링(140)이 가열에 의해서 팽창되어 있으면, 튜브(112)를 관통구멍에(124) 용이하게 삽입할 수 있다.

도 10을 참조하여, 튜브 조립체(110)와 핀-수축링 조립체(130)를 조립하여 수축링(140)의 잔류 응력으로 칼라(132)를 튜브(112)에 밀착시키는 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 수축링(140)과 핀(131)의 칼라(132)의 중심선을 맞춘 후에, 수축링(140)을 가압하여, 핀(131)의 칼라(132)가 중심으로 오므려 지면서 탄성 변형되어 수축링(140)의 중공에 삽입되도록 한다. 절개슬릿(133)은 칼라(132)를 분할하여 탄성 변형이 용이하게 한다. 다음으로, 핀-수축링 조립체(130)의 수축링(140)을 가열하여 수축링(140)을 충분히 팽창시킨다. 수축링(140)의 가열에는 전열 히터(Heating Coil)나 유도 가열 장치(Induction heating device)를 사용할 수 있다. 수축링(140)이 가열되며 팽창하게 되고, 수축링(140)의 팽창에 의해서 수축링(140)의 중공에 탄성적으로 오무려져 있던 칼라(132)가 반경방향 외측으로 벌어지게 된다. 다음으로, 수축링(140)이 충분히 가열되어 수축링(140)의 내주면의 직경(Dsi)이 튜브(112)의 외주면의 직경(Dt)보다 커지면, 튜브 조립체(110)를 핀(131)의 관통구멍(134)으로 삽입한다. 튜브 조립체(110)를 삽입한 후에, 수축링(140)을 냉각한다. 수축링(140)은 자연 냉각시킬 수도 있으나, 공기를 불어서 냉각하는 것이 바람직하다. 수축링(140)이 냉각에 의해서 수축될 때, 수축링(140)의 내주면의 직경(Dsi)이 튜브(112)의 외주면의 직경(Dt)보다 크기 때문에(또는 튜브(112)의 직경(Dt)보다 작더라도 튜브(112)에 밀착된 칼라 두께를 더한 직경보다 크기 때문에), 수축링(140)은 가열되기 전의 상태로 완전히 수축되지 못한다. 따라서, 수축링(140)에는 열팽창에 의한 잔류 응력이 생성된다. 따라서, 수축링(140)은 냉각된 상태에서 칼라(134)를 압박하여 칼라(132)의 내주면이 튜브(112)의 외주면과 밀착된 상태를 유지하도록 한다.

당업자는 수축링의 재질과 두께 및 내주면 및 외주면의 직경을 적당히 선택하고, 칼라의 두께 및 튜브의 직경을 고려하면, 수축링에 적절한 열 응력이 잔류하도록 할 수 있다. 냉각 시에 열 응력이 잔류하도록 수축링의 치수를 정하는 데 있어서, 열응력에 의하여 수축링에 소성 변형이 일어나지 않도록 하는 것이 바람직하다. 수축링이 소성 변형되면, 열교환기가 사용되는 환경의 온도에 따라서, 튜브의 외주면과 칼라의 내주면 사이의 밀착이 깨질 수도 있기 때문이다. 반면에, 수축링에 잔류하는 열 응력에 의하여 칼라가 압박되어 튜브의 외주면과 밀착될 때 칼라가 소성 변형되도록 하는 것이 바람직하다. 수축링의 압박에 의해서 칼라가 소성 변형되면 수축링의 온도가 상승하여 팽창에 의하여 잔류 열 응력의 크기가 작아 지더라도, 소성 변형되어 튜브에 밀착된 칼라가 탄성 복원되지 않으므로 칼라가 튜브와 밀착된 상태를 유지하게 된다. 당업자는 수축링과, 튜브와, 핀의 재료 및 치수를 적절히 선정하여 수축링에 적당한 크기의 잔류 열응력이 생성되도록 하고, 열교환기의 사용 온도 범위에서 칼라가 튜브에 밀착된 상태를 유지하도록 할 수 있다.

또한, 튜브 조립체(110)를 핀-수축링 조립체(130)의 관통구멍(134)으로 강제로 삽입하여 탄성 변형에 의한 잔류 응력으로 칼라를 튜브에 밀착되도록 압박할 수도 있다. 튜브(112)를 강제로 핀(131)의 관통구멍(134)로 삽입할 경우, 수축링(140)의 내주면의 직경 큰 직경의 튜브(112)(또는 튜브의 직경에 칼라의 두께를 합한 것이 수축링(140)의 내주면의 직경보다 큰 것)를 사용하여야 한다. 튜브(112)를 강제로 핀(131)의 관통구멍(134)로 삽입할 경우, 수축링(140)은 탄성 변형되면서 직경이 늘어나고, 수축링(140)에 탄성 변형에 의한 응력이 잔류하여, 수축링(140)이 칼라(134)를 압박하여 튜브(112)의 외주면과 밀착되도록 한다.

도 9에는 핀(231)의 다른 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예의 핀(231)은 절개 슬릿(233)이 180 도 간격으로 두 개 형성되어 있고, 플레이트(235)와 만나도록 연장되어 있다. 또한, 칼라(232)의 말단부에 돌기가 형성되어 있지 않다. 도 10 에는 핀(331)의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예의 핀(331)은 절개 슬릿(333)이 180 도 간격으로 두 개 형성되어 있고, 플레이트(335)와 만나도록 연장되어 있다. 또한, 칼라(232)의 말단부를 말아서 형성한 돌기(332c)를 구비하고 있다. 핀은 다양한 형태로 변형이 가능하다. 본 발명에 따른 핀은 칼라에 절개 슬릿이 형성되어 수축링에 의해서 오므려 지면서 수축링의 중공으로 용이하게 삽입될 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 핀은 칼라에 절개 슬릿이 형성되어 있어서, 수축링의 잔류응력에 의해서 압박될 때, 칼라가 수축되더라도 칼라가 접혀지거나 겹처지지 않는다. 따라서, 튜브의 외주면과 칼라 내주면의 밀착을 긴밀하게 유지할 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 열교환기의 다른 실시예이고, 도 12은 도 11에 도시된 실시예의 분해사시도이다. 본 실시예의 열교환기(400)가 도 3에 도시된 열교환기(100)와 다른 점은 튜브 조립체(410)의 튜브(412)가 U-자 형태로 절곡된 점에서 차이가 있다. 또한, 튜브 조립체(410)의 상부 튜브(412-1)와 하부 튜브(412-2)에 에 배치된 각각의 핀-수축링 조립체(430)는 핀의 플레이트가 교대로 엇갈려서 교차하도록 배치되어 있다. 따라서 하부 튜브(412-2)에 배치된 핀 사이의 공간을 통과한 공기가 상부 튜브(412-1)에 배치된 핀 사이의 공간을 통과할 때 절 반씩 분리되어 상부 튜브(412-1)에 배치된 핀들 사이의 공간으로 통과하게 된다. 따라서, 열교환기의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 13은 본 발명에 따른 열교환기의 또 다른 실시예이고, 도 14는 도 13에 도시된 실시예의 튜브 조립체(510)의 분해사시도이다. 본 실시예의 열교환기(500)가 도 3에 도시된 열교환기(100)와 다른 점은 튜브 조립체(510)의 튜브(512)의 외측 윤곽이 원형이 아니고 타원형인 점이다. 몇몇 실시예에 있어서는, 튜브(512) 단면의 외측 윤곽을 각이 지지 않은 볼록한 폐곡선으로 된 다양한 단면 형상으로 할 수 있다. 또한 도시하지는 않았으나, 튜브(512)가 삽입되는 핀-수축링 조립체(530)의 핀에 형성된 관통 구멍의 윤곽도 튜브(512)가 삽입될 수 있도록 튜브와 동일한 형상의 타원형을 하고 있다. 또한, 수축링(540)의 내주면도 타원형으로 되어 있다. 튜브의 단면 형상이 타원형으로 하면 원형의 튜브를 사용한 열교환기보다 컴팩트한 열교환기를 제조할 수 있다. 또한, 타원형 튜브의 단축을 향하여 공기나 열교환 매체가 흐르게 할 경우 사각이나 원형의 튜브를 사용한 경우보다 압력 손실을 줄일 수 있다. 또한, 핀의 칼라와 밀착되는 튜브의 외주면의 면적을 늘려서 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

도 14의 튜브(512)는 복수의 채널을 구비하고, 도 7에 도시된 것과 유사하게, 튜브(512)의 전면 및 후면에는 전면 플러그(520) 및 후면 플러그(525)로 튜브(512)의 작동유체 통로를 폐쇄하기 위한 전면 및 후면 환형홈이 형성되어 있다. 또한, 도 7에 도시된 것과 유사하게, 전면 및 후면 환형홈 각각에는 리브들이 교대로 제거되어 폐쇄된 복수의 작동유체 통로를 직렬로 연결하기 위한 전면 및 후면 연통홈들이 형성되어 있다. 당업자는 본 발명의 실시예로부터 임의의 단면을 갖는 튜브에 형성된 복수의 작동유체 통로를 직렬로 연결하기 위한 다양한 변형을 할 수 있다.

도 15를 참조하면, 핀(531)은 플레이트(535)와, 플레이트(535)에 형성된 타원 형상의 관통 구멍(534)의 가장자리로부터 전방으로 연장된 칼라(532)를 포함한다. 칼라(532)에는 네개의 절개 슬릿(533)이 형성되어 있다. 또한, 칼라(532)의 단부 둘레를 따라서 외주면에서 돌출된 돌기(532c)가 형성되어 있다. 수축링(540)은 칼라(532)와 같은 윤곽의 타원형 중공의 실린더 형상이고, 내주면의 단부에는 모따기(542)가 되어 있다. 수축링(540)의 중공 내주면 윤곽(541)의 치수는, 칼라(532)의 외주면 윤곽(532b)의 치수보다 작게 되어 있다. 즉, 타원 형상의 수축링(540)의 내주면의 장축과 단축의 길이가 칼라(532)의 외주면의 장축 및 단축의 길이보다 약간 작다. 따라서, 칼라(532)가 수축링(540)의 중공으로 삽입될 때, 칼라(532)는 절개 슬릿들(533)에 의해서 내측으로 탄성 변형되면서(오므려지면서) 수축링(540)이 중공으로 삽입되어 핀-수축링 조립체(530)로 조립된다.

도 16는 본 발명에 따른 열교환기의 또 다른 실시예이다. 본 실시예의 열교환기(600)가 도 13에 도시된 실시예와 다른 점은, 튜브 조립체(610)가 지그 재그 형태의 튜브로 이루어져 있다는 점이다. 튜브 조립체(610)는 상부 U-튜브(610-1)와 하부 U-튜브(610-2)와 연결 튜브(610-3)으로 구성된다. 전면 플러그(620)는 상부 U-튜브(610-1의 일단에 결합되어 있고, 후면 플러그(625)는 하부 U-튜브(610-2)의 일단에 결합되어 있다. 연결 튜브(610-3)는 상부 U-튜브(610-1)와 하부 U-튜브(610-2)를 연결한다. 본 실시예의 열교환기(600)는 복수의 U-튜브에 핀-수축링 조립체를 결합하고 연결 튜브로 연결한 점에 특징이 있다. 복수의 U-튜브를 연결튜브로 연결하면, 도 15에 도시된 것과 같이 튜브 조립체(610)는 지그재그 형태로 되고, 상부 U-튜브(610-1) 및 하부 U-튜브(610-2)에 핀-수축링 조립체(630)의 플레이트가 서로 엇갈려서 교차하도록 배치할 수 있다. 따라서 핀의 플레이트의 면적을 넓게 하여, 열교환 성능이 우수하고 컴팩트한 열교환기를 제조할 수 있다.

도 17은 본 발명에 따른 열교환기의 또 다른 실시예이다. 도 17 내지 도 20을 참조하면, 본 실시예의 열교환기(1000)가 도 13에 도시된 열교환기(500)와 다른 점은 튜브(1100)에 형성된 작동유체의 통로가 원형이 아니고 복수의 리브에 의하여 형성된 점이다. 특히, 용이하게 조립이 가능한 컴팩트한 핀 튜브 열교환기를 제공하기 위하여, 경사부(1212)를 포함하는 핀(1210)과 맞춤 경사면들(1221, 1222)이 형성된 수축링(1220)을 사용한 점이다.

도 18 및 도 19를 참조하면, 본 실시예의 열교환기(1000)는 튜브조립체(1100)와 복수의 핀-수축링 조립체(1200)를 포함한다. 튜브 조립체(1100)는 복수이 핀-수축링 조립체(1200)에 삽입되고, 튜브(1110)의 외주면이 핀-수축링 조립체(1200)와 밀착 고정되어 있다. 또한, 튜브 조립체(1100)의 일단에는 순환하는 작동 유체가 공급되어 배출되기 위한 한 쌍의 연결 튜브(1310, 1320)가 결합되어 있다. 튜브(1110)의 전면에는 전면 플러그(1120, Front Plug)가 고정되어 있고, 전면 플러그(1120)에는 작동유체 입구(1121)와 작동유체 출구(1122)가 형성되어 있다. 입구 연결 튜브(1310)는 작동유체 입구(1121)와 연통되도록 연결되고, 출구 연결 튜브(1320)는 작동유체 출구(122)와 연통되도록 연결된다.

도 18에 도시된 튜브(1110)는 복수의 리브에 의해서 형성된 복수의 작동유체 통로가 형성되어 있고, 튜브(1110)의 전면 및 후면에는 전면 플러그(1120) 및 후면 플러그(1140)를 삽입하여 튜브(1110)의 작동유체 통로들을 폐쇄하기 위한 전면 및 후면 환형홈이 형성되어 있다. 또한, 전면 및 후면 환형홈 각각에는 리브들이 교대로 제거되어 폐쇄된 복수의 작동유체 통로를 직렬로 연결하기 위한 전면 및 후면 연통홈들이 형성되어 있다. 당업자는 본 발명의 실시예로부터 리브에 의해서 형성된 복수의 작동유체 통로들을 직렬로 연결하기 위한 다양한 변형을 할 수 있다.

도 19에 도시된 핀(1210)은, 플레이트(1211)와, 플레이트(1211)의 대체로 중앙에 형성된 타원 형상의 관통 구멍(1216)과, 관통구멍(1216)의 가장자리로부터 전방으로 연장된 칼라들(1213a, 1213b, 1213c, 1213d)을 포함한다. 또한, 플레이트(1211)와 관통구멍(1216) 사이에는 일정한 각도로 경사져서 연장된 경사부(1212)가 형성되어 있다. 또한, 칼라들(1213a, 1213b, 1213c, 1213d)의 단부에는 각각 둘레를 따라 외주면에서 돌출된 돌기(1217)가 형성되어 있다.

도 20을 참조하면, 수축링(1220)은 중공의 링형상으로 내주면은 튜브(1110)의 외주면의 윤곽과 같은 타원형으로 되어 있다. 수축링(1220)의 양측 단부면에는 핀(1210)의 경사부(1212)와 동일한 각도으로 경사진 전방/후방 맞춤 경사면(1222, 1221)이 각각 형성되어 있다. 또한, 수축링(1220)의 전방 단부면에는 전방 맞춤 경사면(1222)에서 반경 방향 외측으로 연장된 전방 수직면(1223)이 형성되어 있고, 후방 단부면에는 후방 맞춤 경사면(1221)에서 반경방향 외측으로 연장된 후방 수직면(1223)이 형성되어 있다. 또한, 수축링의 전방 단부면에는 전방 맞춤 경사면(1222)에서 반경방향 내측으로 연장된 절단 수직면(1225)이 형성되어 있다. 절단 수직면(1225)에 의해서 전방 맞춤 경사면(1222)의 길이가 후방 맞춤 경사면(1221)의 길이보다 짧게 되고, 절단 수직면(1225)은 열교환기가 조립될 때 핀(1210)의 칼라들(1213a, 1213b, 1213c, 1213d) 단부에 형성된 돌기(1217)가 수용되기 위한 공간을 제공한다.

수축링(1220)의 중공 내주면(1226) 윤곽의 치수는, 튜브(1100)의 외주면의 윤관의 치수보다는 크고, 칼라들(1213a, 1213b, 1213c, 1213d)의 외주면 윤곽의 치수보다 작게 되어 있다. 타원 형상의 수축링(1220)의 장축과 단축의 길이가 칼라(1213)의 외주면의 장축 및 단축의 길이보다 약간 작다. 따라서, 칼라(1213)가 수축링(1220)의 중공으로 삽입될 때, 칼라(1213)는 절개 슬릿들(1214a, 1214b, 1214c, 1214d)이 형성되어 있기 때문에 내측으로 용이하게 탄성 변형되면서(오므려지면서) 수축링(1220)의 중공으로 삽입되어 핀-수축링 조립체(1200)로 조립된다. 수축링의 내주면의 윤곽의 치수는 튜브와 수축링의 재질 및 열팽창 계수에 따라 적당한 범위를 정할 수 있다. 수축링의 내주면 윤곽의 치수는, 수축링이 가열되어 팽창될 경우 튜브의 외주면의 윤곽의 치수에 칼라의 두께를 더한 치수보다 크게 되고, 수축링이 냉각되어 수축될 경우 튜브의 외주면 윤곽의 치수에 칼라의 두께를 더한 치수보다 작게 되는 범위에 있도록 구성한다.

도 21 내지 도 26을 참조하여, 본 실시예의 열교환기(1000)를 조립하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 핀(1210)과 수축링(1220)을 조립한다(도 21). 도시된 것과 같이, 수축링(1220)의 중공으로 핀(1210)의 칼라들(1213)을 삽입한다. 조립하기 전에 타원 형상의 수축링(1220)의 내주면(1226)의 장축 및 단축의 치수는 칼라들(1213a, 1213b, 1213c, 1213d)에 의해서 형성되는 타원의 외주면의 장축 및 단축의 치수보다 약간 작다. 또한, 칼라들(1213)은 슬릿들(1214)에 의해서 분할되어 있다. 따라서, 도 22에 도시된 것과 같이, 수축링(1220)의 중공에 삽입된 칼라들(1213)은 관통구멍(1216)의 중심을 향하여 탄성 변형되어 약간 오무려진 상태로 삽입된다. 이때, 칼라들(1213)의 단부에 형성된 걸림돌기가 수축링(1220)의 절단 수직면(1225)에 걸려서 조립된 수축링(1220)이 칼라들(1213)로부터 분리되는 것을 방지한다.

다음으로, 복수의 핀-수축링 조립체(1200)의 수축링의 중심 축선이 대체로 동일한 중심 축선에 위치하도록 배열하고, 중심에 관통구멍이 형성된 한 쌍의 가압판(2001, 2002)으로 정렬된 핀-수축링 조립체들을 양측에서 가압한다(도 23). 정렬된 핀-수축링 조립체들을 양측에서 가압하면, 이웃하는 핀-수축링 조립체의 수축링들의 대향하는 후방 맞춤 경사면 및 전방 맞춤 경사면이 핀의 경사부를 사이에 두고서 서로 맞물리게 된다(예를 들면, 첫번째 배치된 수축링(1220-1)의 후방 맞춤 경사면(1221-1)과 대향하는 두번째 배치된 수축링(1220-2)의 전방 맞춤 경사면(1221-2)이 첫번째 배치된 핀(1210-1)을 사이에 두고 서로 맞물리게 된다). 따라서, 핀-수축링 조립체들의 수축링들(1220-1, 1220-2, 1220-3...)은 동일한 중심축선에 정렬된다.

다음으로, 수축링들(1220-1, 1220-2, 1220-3...)을 가열한다(도 24). 수축링의 가열에는 전열히터를 사용할 수 있다. 전열히터를 사용할 경우, 전열히터를 수축링의 외측 둘레에 설치하여 수축링들을 가열할 수 있다. 또한, 수축링을 유도 가열할 수도 있다. 유도 가열을 할 경우, 수축링은 자성체 금속으로 제조하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 페라이트계 스테인레스 스틸을 사용할 수 있다. 수축링을 유도 가열할 경우, 수축링의 외측 둘레에 유도가열코일을 설치하여 수축링을 가열할 수 있다. 도 21d에 도시된 것과 같이, 수축링의 중공에 유도가열코일을 삽입하여 가열할 수 있다. 핀-수축링 조립체들의 각각의 수축링의 중공에 의해서 형성되는 연장된 관통구멍의 내부로 유도가열코일(2003)을 삽입 설치하고, 유도가열코일(2003)에 고주파 전원(2004)을 인가한다. 연장된 관통구멍 내측으로 삽입되는 유도가열코일(2003)은 수축링들(1220-1, 1220-2, 1220-3...1220-5)의 내주면을 따라서 감겨진 것을 사용한다.

다음으로, 수축링들(1220-1, 1220-2, 1220-3...1220-5)이 가열되어, 연장된 관통구멍의 중심을 향하여 오무려진 핀들(1210-1, 1210-2,...1220-5)의 칼라들이 탄성 복원되고, 튜브(1110)를 삽입할 수 있을 정도로 수축링들(1220-1, 1220-2, 1220-3...1220-5)이 팽창되면, 튜브(1110)를 연장된 관통구멍으로 삽입한다(도 25). 도 25와 같이, 유도 가열 코일(2003)이 연장된 관통구멍의 내부에 설치된 경우에는, 유도가열코일(2003)을 연장된 관통구멍으로부터 제거하면서 동시에 튜브(1110)를 삽입한다. 수축링들(1220-1, 1220-2, 1220-3...1220-5)의 내경은 튜브(1110)의 외경보다는 크고, 튜브(1100)의 외경에 핀(1210)의 칼라(1213)의 두께 치수를 더한 치수보다는 작게 제작되어 있다. 따라서 튜브(1110)를 삽일할 때, 수축링들(1220-1, 1220-2, 1220-3...1220-5)의 내주면 치수가 튜브(1110)의 외주면 치수에 칼라들(1213-1, 1213-2,...1213-5)의 두께 치수를 더한 값보다 크게 되도록 수축링들을 가열하여 팽창시킨 후에 튜브(1110)를 삽입한다. 또한, 튜브(1110)를 삽입하기 전에, 한 쌍의 가압판(2001, 2002)의 압력을 증가시켜서, 어느 정도 수축링들이 팽창되도록 할 수 있다. 이웃하는 수축링들의 대향하는 맞춤 경사면들이 핀의 경사부를 사이에 두고 서로 맞물려 있고, 수축링들이 가압될 경우 맞물린 맞춤 경사면들이 쐐기 작용을 하여 수축링들이 어느 정도 탄성 변형되면서 팽창된다.

다음으로, 베이스 튜브의 삽입이 완료되면, 팽창된 수축링들(1220-1, 1220-2, 1220-3...1220-5)은 냉각에 의해서 자연적으로 수축되면서, 대응하는 핀들(1210)의 칼라(1213)를 가압하여 튜브(1110)의 외주면과 밀착시킨다(도 26). 냉각은 강제 냉각을 시킬 수도 있으나, 대기 중에서 자연냉각을 하는 것이 바람직하다. 튜브(1110)가 삽입된 후에 수축링들이 냉각되면, 수축링들은 대응하는 칼라들의 두께에 의해서 원래의 크기로 수축되지 못한다. 따라서, 수축링들의 내부에 열응력이 잔류하게 된다. 수축링에 잔류하는 열응력이 칼라를 가압하여 튜브의 외주면과 밀착되도록 한다. 수축링은 핀 및/또는 튜브보다 열팽창 계수가 작은 것을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 열교환기가 가열될 경우, 수축링이 튜브보다 덜 팽창하므로 튜브와 칼라의 밀착상태를 보다 견고하게 유지할 수 있기 때문이다.

본 발명에 따른 열교환기는, 튜브 삽입 전에 가열에 의해서 팽창된 수축링이, 튜브 삽입 후에 칼라의 두께 때문에 가열 전의 크기로 수축되지 못하기 때문에, 냉각시 수축링의 내부에 잔류 열응력이 생성된다. 따라서, 수축링이 잔류 열응력에 의해서 칼라를 계속 압박하여 칼라가 튜브의 외주면과 밀착된 상태를 유지하도록 한다. 또한, 튜브와 핀의 칼라 사이의 접촉 불량에 의하여 접촉 열저항이 생성되는 것을 방지한다. 결국 본 발명에 의한 열교환기는 접촉 열저항의 생성을 억제하여, 열교환기의 효과를 높일 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 열교환기는 용접이나 브레이징 공정 또는 열전도성 접착제를 사용하지 않고, 핀 튜브 열교환기를 조립에 의해서 제조할 수 있어서, 제조 비용이 저렴하다. 특히 수축링의 잔류 열응력을 이용하여 핀과 튜브를 결합하고 접촉을 유지하도록 구성되어 조립이 간편하여 저렴하게 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 핀 튜브 열교환기는 당업자가 필요에 따라서 튜브, 핀, 수축링의 형태를 변경할 수 있다. 그러나, 수축링의 사용하여 튜브와 핀의 접촉을 유지하고 접촉 열저항을 발생을 억제하는 기술적 사상은 본 발명에 고유한 아이디어로 보호되어야 한다. 또한, 용접이나 브레이징, 또는 열전도성 접착제를 사용하지 않고 수축링을 사용하여 튜브와 핀의 열전달 효과를 개선하려는 기술적 사상도 본 발명에 고유한 아이디어로 보호 되어야 한다.

본 발명에 따른 열교환기는, 냉장고나 에어컨과 같은 냉동시스템의 증발기나 발전시스템의 응축기로 사용될 수 있다. 특히 본 발명에 따른 열교환기는 열전달 성능이 우수하고 컴팩트하여, 자동차의 에어컨에 사용될 경우 자동차의 경량화와 연비 향상에 기여할 수 있다.

110, 1100 튜브 조립체
112, 1110 튜브
113 안내 마루
120, 1120 전면 플러그
125, 1140 후면 플러그
530, 1200 핀-수축링 조립체
131, 1210 핀
132, 1213 칼라
133, 1214 절개 슬릿
140, 1220 수축링

Claims (6)

1. 관통구멍이 형성되어 있고, 상기 관통구멍의 가장자리에서 일측으로 돌출 연장된 칼라를 구비하는 복수의 핀과,
   제1 작동 유체가 통과하도록 길이방향으로 형성된 적어도 하나의 유체 통로 를 구비하고, 상기 복수의 핀의 관통구멍에 삽입된 튜브와,
   중공에 삽입된 각각의 핀의 칼라를 잔류 응력에 의하여 가압하여 상기 튜브와 밀착되도록 각각의 칼라의 핀에 장착된 복수의 수축링을 포함하는 핀튜브 열교환기에 있어서,
   상기 각각의 핀에는 관통구멍의 주위에 관통구멍의 중심축선에 대하여 일정한 각도로 경사진 경사부가 형성되어 있고,
   상기 각각의 수축링의 양 단부면에는 각각 상기 핀의 경사부의 경사각과 대체로 동일한 각으로 경사진 맞춤 경사면이 형성되어 있고,
   각각의 수축링은 이웃하는 핀의 경사부와 접촉하도록 것을 특징으로 하는 수축링을 구비한 핀튜브 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 핀의 칼라는, 말단으로부터 관통 구멍을 향하여 일정한 길이 만큼 절개되어 형성된 적어도 하나의 절개 슬릿을 구비하는 수축링을 구비한 핀 튜브 열교환기.
3. 관통구멍이 형성되어 있고, 상기 관통구멍의 주위에 관통구멍의 중심축선에 대하여 일정한 각도로 경사진 경사부와, 상기 관통구멍의 가장자리에서 일측으로 돌출 연장된 칼라를 구비하는 핀과,
   링 형상으로, 양 단부면에는 각각 상기 핀의 경사부의 경사각과 대체로 동일한 각으로 경사진 맞춤 경사면이 형성되어 있고, 상기 핀의 칼라가 중공의 내부에 삽입되어 상기 핀에 장착된 수축링을 포함하는 복수의 핀-수축링 조립체를 준비하는 핀-수축링 조립체 준비 단계와;
   상기 복수의 핀-수축링 조립체들을, 각각의 수축링들의 중심축선이 대체로 일치하도록 일렬로 배치하는 정렬 단계와;
   일렬로 배치된 핀-수축링 조립체들의 양단에 위치한 핀-수축링 조립체 각각의 수축링을 중심축선 방향으로 가압하여, 각각의 수축링의 경사면이 이웃하는 핀의 경사부와 접촉하고 이웃하는 수축링의 경사면과 맞물리도록 하여, 각각의 수축링들의 중심축선을 일치시키고, 수축링을 반경방향으로 팽창시키는 수축링 가압 단계와;
   작동 유체가 통과하도록 길이방향으로 형성된 적어도 하나의 유체 통로 구비한 튜브를 복수의 핀-수축링 조립체의 관통구멍으로 삽입하는 튜브 삽입 단계;
   를 포함하는 핀 튜브 열교환기의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 핀-수축링 조립체의 각각의 핀의 칼라는, 말단으로부터 관통 구멍을 향하여 일정한 길이 만큼 절개되어 형성된 적어도 하나의 절개 슬릿을 구비하는 핀 튜브 열교환기의 제조 방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 튜브 삽입 단계 전에, 각각의 수축링을 팽창시키기 위하여 각각의 수축링을 가열하는 수축링 가열단계를 더 포함하는 핀 튜브 열교환기의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 수축링 가열 단계는,
   복수의 핀-수축링 조립체가 정렬되어 형성되는 연장된 관통구멍 내부로 유도 가열코일을 삽입하는 단계와,
   수축링에 유도 전류가 생성되도록 상기 유도 가열 코일에 고주파 전원을 인가하는 단계를 더 포함하는 핀 튜브 열교환기의 제조 방법.

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