WO2015178684A1 - 수축링을 구비한 핀 튜브 열 교환기 및 그 제조 방법 - Google Patents

수축링을 구비한 핀 튜브 열 교환기 및 그 제조 방법 Download PDF

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WO2015178684A1
WO2015178684A1 PCT/KR2015/005058 KR2015005058W WO2015178684A1 WO 2015178684 A1 WO2015178684 A1 WO 2015178684A1 KR 2015005058 W KR2015005058 W KR 2015005058W WO 2015178684 A1 WO2015178684 A1 WO 2015178684A1
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WO
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tube
collar
ring
pin
fin
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PCT/KR2015/005058
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English (en)
French (fr)
Inventor
조한용
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조한용
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/26—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass heat exchangers or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F28F1/30—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means being attachable to the element

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger, and more particularly to a fin tube heat exchanger that performs heat exchange between air and a heat exchange medium.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a fin tube heat exchanger.
  • the heat exchanger which performs heat exchange between air and a heat exchange medium is used as an evaporator or a condenser of a refrigeration system.
  • Heat exchange media used in refrigeration systems ie refrigerants or working fluids, include freon, nitrogen and the like. Recently, various refrigerants have been developed to replace Freon.
  • Air-cooled condensers are also used among the condensers used in steam power generation systems. The air cooled condenser of the steam power generation system condenses steam or vapor from the turbine using air.
  • the fin tube heat exchanger is composed of a tube (Tube) through which the working fluid passes through the hollow inside, and a plate-shaped fin coupled to the outer circumferential surface of the tube.
  • the tube is made of a metal material with excellent thermal conductivity and corrosion resistance, such as copper or copper alloy, aluminum or aluminum alloy, stainless steel and carbon steel.
  • the fins are also made of a metal material with good thermal conductivity, such as copper or copper alloy, aluminum or aluminum alloy.
  • the pin is formed with a through hole for inserting the tube, and has a collar extending around the through hole. The inner circumferential surface of the collar is engaged with the outer circumferential surface of the tube inserted into the through hole.
  • the joining of the pin and tube may be done by brazing, soldering, welding, or mechanical joining.
  • U.S. Patent 4,780,955 discloses a device for manufacturing a fin tube heat exchanger that mechanically combines fins and tubes.
  • the device disclosed in this patent document inserts a tube into a through hole of a collared pin and radially expands the tube. As the tube is expanded, the outer circumferential surface of the tube is in close contact with the inner circumferential surface of the collar, and the pin and the tube are mechanically coupled by friction.
  • a steel ball having a diameter larger than the inner diameter of the tube is forced into the hollow of the tube. The steel ball is fixed to the end of the expansion rod (EXPANDER ROD), and the expansion rod (EXPANDER ROD) is inserted into the hollow of the tube to expand the tube to secure the pin and the tube.
  • US 6,513,587 and US 2009/0044408 A1 disclose a method of forming a collar of a fin tube heat exchanger.
  • the end of the collar disclosed in the above patents is formed with a flared flared flared that increase the diameter of the inner circumferential surface along the longitudinal direction.
  • the '587 patent discloses a flared flared formed by spreading the distal end of the collar outward
  • the' 408 patent discloses a flared flare formed by folding the end of the collar inward.
  • the flare formed at the end of the collar has a trumpet shape in which the inner diameter of the collar is enlarged larger than the outer diameter of the tube, thereby helping the tube to be easily inserted into the collar.
  • the flares help the tube to maintain a constant distance between the inserted pins.
  • Fin tube heat exchangers that perform heat exchange between air and the heat exchange medium have a higher convective heat transfer coefficient of the tube and the fins coupled to the tube, and the lower the resistance to air passing between the fins, the better the performance.
  • the shape of the fins is designed so that the air passing between the fins in the heat exchanger is locally increased in speed so that there is no resistance to the air flow above the heat transfer rate, and no separation occurs in the air flow. It is important to place.
  • the fin tube heat exchanger is used as the evaporator of the refrigeration system, it is desirable to have a fin structure in which the amount of frost generated by moisture in the air is reduced or the frost can be easily removed.
  • the heat transfer between the air and the fin increases as the area of the fin in contact with the air increases.
  • the heat transfer between the tube and the heat transfer medium flowing through the tube increases as the area of the inner circumferential surface of the tube increases.
  • the heat transfer between the fin and the tube is excellent only when it is in close contact with the collar of the fin and the outer circumferential surface of the tube. If the collar and the tube of the fin is not in close contact with each other, and the heat transfer between the fin and the tube is poor, the performance of the entire heat exchanger is reduced.
  • metal bonding methods such as blazing, soldering, and welding
  • a mechanical joining method in which the tube is expanded and the collar of the tube and the pin are in close contact with each other to maintain the bond by friction.
  • Mechanical joining by tube expansion has the advantage of easy operation and low cost compared to metallic joining.
  • FIGS. 7A and 7B disclosed in US 2009/0044408, which illustrates a method of manufacturing a heat exchanger by mechanically joining the outer circumferential surface of the tube and the inner circumferential surface of the collar of the fin by expanding a conventional tube.
  • the pin 20 consists of a plate 21 and a collar 22 extending from the edge of a hole formed in the plate 21.
  • the diameter of the inner circumferential surface 22b of the collar 22 is larger than the diameter of the outer circumferential surface 10a of the tube 10 so that the tube 10 is easily inserted into the collar 22.
  • a trumpet flare 23 is formed at the end of the collar 22 to facilitate insertion of the tube 10.
  • the diameter of the steel ball 30 is larger than the diameter of the inner circumferential surface 10b of the tube 10 and smaller than the diameter of the inner circumferential surface 22b of the collar 22, and is a suitable size for expanding the tube 10 so that plastic deformation occurs.
  • the tube 10 is plastically deformed by expansion of the tube 10, and as shown in FIG. 1B, the outer circumferential surface 11a of the tube 10 and the inner circumferential surface 22b of the collar 22 come into close contact with each other. .
  • the outer peripheral surface 11a of the expanded tube 10 and the inner peripheral surface 22b of the collar 22 are not completely in contact with each other, as shown in FIG. 2.
  • the outer circumferential surface 10a of the tube 10 and the inner circumferential surface 22b of the collar 22 not to come into close contact with each other.
  • the shape of the portion where the steel ball 30 inserted into the tube 10 for contact with the inner circumferential surface 11b of the tube 10 is not generally circular, or the thickness of the tube 10 is in the longitudinal direction. In this case, the material is not uniform or the tube material is not uniform.
  • the diameter of the inner peripheral surface 10b of the tube 10 is not constant along a longitudinal direction.
  • the radially expanded dimension along the length is uneven, so that even if the diameter of the inner peripheral surface 22b of the collar 22 is constant, The outer circumferential surface 10a may not be in close contact.
  • the thermal expansion coefficients of the tube 11 and the collar 13 are different even when the tube 10 is in close contact with the collar 13.
  • the thermal expansion coefficient is different due to age hardening.
  • the thermal stress remains in the tube 10 or the collar 22, and the remaining thermal stress remains. Deformation caused by the separation of the outer peripheral surface of the tube that was initially in close contact with the expansion tube and the inner surface of the collar can be separated.
  • a multi channel tube (MULTI CHANNEL TUBE) having a plurality of heat medium passages therein is used.
  • MULTI CHANNEL TUBE multi channel tube
  • the multi-channel tube is difficult to be in close contact with the collar of the pin by expansion pipe, and the coupling is performed by a blazing or soldering method that requires a high cost for coupling the pin and the tube.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 2-13790 discloses a fin tube type heat exchanger, in which a ring made of a shape memory alloy is attached to a collar of a fin, and the ring is heated to shrink a ring made of a shape memory alloy to form a tube.
  • a method of adhering to is disclosed.
  • the dimension of the inner diameter of the ring of shape memory alloy should be larger than the dimension of the outer diameter of the collar and the outer diameter of the tube.
  • the present invention is to improve the problem of the fin tube heat exchanger produced by the method of coupling the tube and fin collar by expansion.
  • a first object of the present invention is to provide a fin tube heat exchanger having a new structure capable of maintaining a state in which the tube and fin collar are completely mechanically adhered to each other, even when used for a long time during manufacture.
  • a fourth object of the present invention is to provide a fin tube heat exchanger having a shrink ring having a structure that can facilitate assembly.
  • a fifth object of the present invention is to provide a method for manufacturing a fin tube heat exchanger having a shrink ring.
  • Fin Tube Heat Exchanger is a tube (Tube) having at least one fluid passage formed in the longitudinal direction for the passage of the first working fluid to circulate, and the fin tightly fixed to the tube (Fin).
  • the pin includes a plate-shaped plate having a through hole for inserting the tube and a collar extending from an edge of the through hole of the plate.
  • the collar of the pin includes a hollow cylindrical shrink ring (Shrink Ring) to maintain a tightly fixed state to the tube.
  • the tube is inserted into the through hole of the pin, and the collar of the pin is inserted into the hollow of the shrink ring.
  • the shrinkage ring is configured to press the collar by residual stress and to bring the collar into close contact with the outer circumferential surface of the tube.
  • the collar of the pin is in close contact with the outer circumferential surface of the tube inserted into the through hole, so that heat is effectively exchanged between the first working fluid and the second working fluid (air) flowing around the plate and the collar.
  • the shrinkage ring can be thermally expanded, then assembled and cooled to produce residual stresses in the shrinkage ring.
  • the shrink ring is expanded when the heating is above a certain temperature and the collar is inserted into the hollow of the shrink ring, and when the cooling is below a certain temperature, the shrink ring is not shaped and the collar is not inserted into the hollow.
  • Dimension For example, in the case of a shrink ring in which the hollow contour is circular, the diameter of the hollow inner circumferential surface of the shrink ring is larger than the diameter of the outer circumferential surface of the collar when it is heated above a predetermined temperature by thermal expansion.
  • the contraction ring configured as described above compresses the collar inserted into the hollow while being inflated by heating while being contracted by cooling to maintain the inner circumferential surface of the collar and the outer circumferential surface of the tube in close contact with each other.
  • the tube is inserted into the through hole of the pin and assembled.
  • the contour of the outer circumferential surface of the longitudinal cross section of the tube has the same shape and dimensions as the contour of the through hole.
  • the shrinkage ring is heated to a predetermined temperature or more and expanded.
  • the cylinder has a hollow cylindrical shape, and the hollow outline has the same shape as the outline of the outer circumferential surface of the collar, but when it is heated above a predetermined temperature, the cylinder expands larger than the outline of the outer circumferential surface of the collar.
  • the collar of the pin into which the tub is inserted is inserted into the hollow of the shrinkage ring in a heated and expanded state.
  • the shrinkage ring is cooled to shrink.
  • the hollow outline shrinks smaller than the outline of the outer circumferential surface of the collar to press the collar to bring the collar into close contact with the tube.
  • the tube may be assembled by forcibly inserting it into the pin shrink ring assembly.
  • the contour of the outer circumferential surface of the tube uses the same shape or size as that of the hollow contour of the shrink ring.
  • the shrinkage ring expands to generate residual stress due to elastic deformation inside the shrinkage ring. Residual stress due to elastic deformation generated inside the shrinkage ring presses the collar so that the inner circumferential surface of the collar and the outer circumferential surface of the tube remain in close contact with each other.
  • the protrusion may be formed to protrude radially on the outer peripheral surface near the distal end of the collar. Further, the protrusion may be rolled outward to make a trumpet shape, or may be formed to protrude outward from the end of the collar.
  • the shrink ring preferably uses a material having a coefficient of thermal expansion that is less than the coefficient of thermal expansion of the collar of the fin and / or the coefficient of thermal expansion of the tube. If the coefficient of thermal expansion of the shrink ring is less than the coefficient of thermal expansion of the collar and / or tube, the collar will remain in close contact with the tube if the heat exchanger is heated, even if the shrink ring is slightly expanded than the collar and / or tube. Can be.
  • the size of the shrinkage ring may be appropriately determined so that even when the heat exchanger is cooled within a predetermined temperature range, the thermal stress remaining in the shrinkage ring may press the collar to maintain the state in close contact with the outer circumferential surface of the tube.
  • guide grooves are preferable.
  • the guide floor is formed to protrude from the outer circumferential surface of the tube and extend along the longitudinal direction.
  • a guide groove for accommodating the guide floor is formed in the through hole formed in the plate of the pin.
  • the guide groove for insertion into the guide groove is formed in the through hole formed in the plate of the pin.
  • the fin tube heat exchanger according to the present invention may have a plurality of passages inside the tube.
  • the plurality of passages are formed along the longitudinal direction inside the tube such that the circulating first working fluid flows along the longitudinal direction of the tube.
  • At least two passages of the plurality of passages may be connected to communicate with each other at the end of the tube such that the first working fluid flows in series.
  • Both ends of the remaining passages except the inlet passage and the outlet passage of the plurality of passages may be connected in series so as to communicate with the ends of the neighboring passages, such that the first working fluid may flow while circulating the inside of the tube in a zigzag.
  • the tube may be one in which the outer contour of the cross section is formed of an unconvex, convex closed curve, such as an oval, oval, or the like, in addition to a circular shape. Further, the contour of the through-hole of the pin into which the tube is inserted and the hollow contour of the shrinkage ring can be formed into a convex closed curve of the same shape as the tube so that the tube can be easily inserted. If the outer contour of the tube section has a straight portion or a concave curved portion, when the shrinkage ring presses the collar by contraction, it becomes impossible to press the straight portion or the concave curved portion of the tube outer contour.
  • the shrink ring Since the straight portion at the outer contour of the tube section is perpendicular to the direction of the tensile stress generated inside the shrink ring, the shrink ring cannot press the straight portion of the tube and the concave portion of the outer contour of the tube does not contact the shrink ring. Because you can not press.
  • a plurality of fins may be assembled in the tube to provide a heat exchanger that is compact and has excellent heat transfer effects.
  • each fin includes an inclined portion inclined at a predetermined angle with respect to the central axis of the through hole around the through hole.
  • each of the shrinkage rings is provided with a collar of a corresponding pin, respectively, inside the hollow, and on each end face of each of the shrinkage rings, a custom inclined surface inclined at an angle equal to the inclination angle of the inclined portion of the pin is formed.
  • the custom inclined surface of each contraction ring is arranged to be in contact with the inclined portion of the neighboring pin.
  • the collar preferably includes at least one incision slit formed by cutting a predetermined length from the end toward the through hole.
  • the fin tube heat exchanger includes a tube inserted into a through hole formed in each of the plurality of fins, and a shrink ring mounted to a collar extending to one side from the edge of the through hole of each fin.
  • Each shrink ring presses on each collar mounted by residual stresses to bring it into close contact with the tube. Residual stress is generated in the shrink ring by adding the thickness of the collar to the outer diameter of the tube rather than the inner diameter of the shrink ring so that the shrink ring expands slightly in the elastic range when inserting the tube. Residual stress can be generated. That is, the tube can be fit-fitted so that residual stress is generated in the shrinkage ring.
  • the inclination angle of the inclined portion of the pin respectively on both end faces of the shrinkage ring is inclined at approximately the same angle as.
  • Each pin is formed with an inclined portion inclined at a predetermined angle with respect to the center axis of the through hole around the through hole.
  • a method of manufacturing a fin tube heat exchanger having a plurality of fins and a shrink ring is provided.
  • Manufacturing method of fin tube heat exchanger is as follows.
  • the pin-shrink ring assembly includes a pin and a shrink ring mounted to a collar extending from the edge of the through hole formed in the pin. Further, the pin is formed with an inclined portion inclined at a predetermined angle with respect to the center axis of the through hole around the through hole. In addition, each end surface of the shrinkage ring is formed with a bevel inclined surface inclined at substantially the same angle as the inclination angle of the inclined portion of the pin.
  • the plurality of pin-shrink ring assemblies are arranged in a line such that the center axis of the respective shrink rings is generally coincident.
  • a tube with at least one fluid passageway formed in the longitudinal direction to allow the working fluid to pass is inserted into the through hole of the plurality of pin-shrink ring assemblies.
  • each shrink ring may be heated to inflate each shrink ring.
  • Heating of the shrinkage ring is performed by inserting an induction heating coil into an extended through hole in which a plurality of pin-shrinkage ring assemblies are aligned and applying a high frequency power to the induction heating coil so that an induction current is generated in the shrinkage ring.
  • the ring can be heated.
  • a method of manufacturing a fin tube heat exchanger comprises the steps of preparing a fin-shrink ring assembly, heating and expanding the shrink ring of the cooling fin-shrink ring assembly, and the hollow of the expanded shrink ring.
  • Inserting a tube configured to have at least one fluid passageway formed in a longitudinal direction to allow a working fluid to pass therethrough, the tube having an outer circumferential surface configured to be in close contact with the collar, and a second working fluid flowing around the first working fluid and the pin; Cooling the shrinkage ring to press the collar of the pin inserted into the hollow by residual thermal stress so that the collar adheres to the outer circumferential surface of the tube in order to effectively exchange heat therebetween.
  • the pins use pins each of which includes an inclined portion that is inclined at an angle with respect to the center axis of the through-holes around the through-holes, and the shrink ring is provided at both end faces.
  • the method further comprises the step of bringing the inclined surface into contact with the inclined portion of the neighboring pin and aligning the center axis of the shrinkage rings to coincide.
  • the center axis of the shrink ring of the plurality of pin-shrink ring assemblies is aligned so as to form a through hole extended by the inner circumferential surface of the shrink rings, and then insert an induction heating coil into the inside of the extended through hole.
  • Fin tube heat exchanger according to the present invention provides the following features and advantageous effects compared to the conventional fin tube heat exchanger.
  • the fin tube heat exchanger manufactured by the conventional expansion pipe mechanically closes the collar and the tube by plastically deforming the tube by the expansion pipe.
  • the heat exchanger according to the present invention is in close contact with the collar and the tube by the contraction of the shrinkage ring, to maintain the state in which the collar and the tube close to the thermal stress remaining in the shrinkage ring. Therefore, the collar and the tube are incompletely adhered due to the expansion defect, or the adhesion between the collar and the tube is partially broken due to age hardening, a difference in the coefficient of thermal expansion, or a change in the coefficient of thermal expansion. Therefore, even when used for a long time, the heat transfer performance can be maintained.
  • the fin tube heat exchanger manufactured by the conventional expansion pipe can be used only if the cross-sectional shape of the tube is circular.
  • the heat exchanger according to the present invention can use a variety of shapes consisting of convex curved surfaces, such as oval, egg-shaped cross section of the tube.
  • multichannel tubes could not be used to manufacture fin tube heat exchangers with expansion processes. Since the heat exchanger according to the present invention can closely contact the multichannel tube and the fin by using a shrink ring instead of the expansion pipe, the multichannel tube can be used for the fin tube heat exchanger manufacture without using a brazing process.
  • the fin tube heat exchanger according to the present invention maintains close contact between the fin and the tube, and has excellent heat transfer performance, so that the size of the heat exchanger can be reduced.
  • the size of the heat exchanger not only the material cost can be reduced, but also the logistics, storage cost, and the like that are involved in manufacturing can be reduced.
  • the space in which the heat exchanger is installed can be saved.
  • the process of manufacturing the heat exchanger by heating and cooling the shrinkage ring is simpler than the process of expanding the tube, thereby reducing the manufacturing cost.
  • the heat exchanger according to the present invention heats the shrinkage ring and inserts the tube, thereby simplifying the manufacturing equipment.
  • the work process is simple and the energy cost can be reduced.
  • 1 is an explanatory diagram showing a method of joining a tube of a pin and a tube by a conventional tube expansion tube;
  • FIG. 2 is an explanatory diagram showing a state of poor adhesion between a collar and a tube in a heat exchanger manufactured by tube expansion;
  • FIG. 3 is a perspective view of one embodiment of a heat exchanger according to the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the heat exchanger of the embodiment shown in FIG. 3;
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the pin-shrink ring assembly used in the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the tube assembly of the embodiment shown in FIG.
  • Figure 7 (a) is a front view of the tube
  • Figure 7 (b) is a rear view of the tube
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing an assembling procedure of a heat exchanger according to the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view of another embodiment of a fin used in a heat exchanger according to the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view of another embodiment of a fin used in a heat exchanger according to the present invention.
  • FIG. 11 is a perspective view of another embodiment of a heat exchanger according to the present invention.
  • FIG. 12 is an exploded perspective view of the heat exchanger of the embodiment shown in FIG. 11;
  • FIG. 13 is a perspective view of another embodiment of a heat exchanger according to the present invention.
  • FIG. 14 is an exploded perspective view of the tube assembly used in the heat exchanger shown in FIG.
  • FIG. 15 is an exploded perspective view of the fin-shrink ring assembly used in the heat exchanger shown in FIG.
  • FIG. 16 is a perspective view of another embodiment of a heat exchanger according to the present invention.
  • FIG. 17 is a perspective view of another embodiment of a fin tube heat exchanger according to the present invention.
  • FIG. 18 is an exploded perspective view of the tube assembly used in the heat exchanger shown in FIG. 17.
  • FIG. 19 is an exploded perspective view of the fin-shrink ring assembly used in the heat exchanger shown in FIG.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of the shrinkage ring shown in FIG.
  • 21-26 is a schematic diagram illustrating a method of assembling the heat exchanger shown in FIG. 17.
  • FIG 3 is a perspective view of one embodiment of a heat exchanger according to the present invention
  • Figure 4 is an exploded perspective view.
  • the heat exchanger 100 of the present embodiment includes a tube assembly 110 and a plurality of fin-shrink ring assemblies 130.
  • a plurality of tube assemblies 110 are inserted into the pin-shrink ring assembly 130, and the outer circumferential surface of the tube 112 is tightly fixed to the pin-shrink ring assembly 130.
  • a pair of working fluid connection tubes 151 and 152 are coupled to one end of the tube assembly 110.
  • the front plug 120 is fixed to the front surface of the tube assembly 110, and the working fluid inlet 121 and the working fluid outlet 122 are fixed to the front plug 120.
  • the inlet connection tube 151 is connected in communication with the working fluid inlet 121
  • the outlet connection tube 152 is connected in communication with the working fluid outlet 122.
  • the working fluid connecting tubes 151 and 152 are respectively bonded to the inlet 121 and the outlet 122 of the front plug 120 by the brazing process, or the outer circumferential surface and the inlet 121 and the outlet of each of the connecting tubes 151 and 152, respectively. It is also possible to screw to form a screw 122.
  • a sealing member such as Teflon is wound around the outer circumferential surfaces of the connection tubes 151 and 152 so that the working fluid does not leak.
  • the pin-shrink ring assembly 130 includes a pin 131 and a shrink ring 140.
  • the pin 131 has a plate 135 with a through hole 134 formed therein and a collar 132 extending forward of the plate at the edge of the through hole 134.
  • Four cutting slits 133 are formed in the collar 132 at 90 ° intervals along the circumferential direction.
  • the incision slits 133 may be formed to be one, two, three, five, or six.
  • the cutting slit 133 is formed by cutting the collar 132 a predetermined distance along the longitudinal direction from the end.
  • the length of the cutting slit 133 is preferably longer than the length of the shrink ring 140.
  • the cutting slit 133 may be formed to extend to the front of the plate 135.
  • the cutting width d of the cutting slit 133 may be appropriately determined so as not to overlap each other when the collar 132 is contracted in the radial direction by the shrink ring 140.
  • the plate 135 and the collar 132 of the pin 131 may be integrally formed by molding.
  • Fin 131 is preferably manufactured using a metal material having excellent thermal conductivity, for example, aluminum or aluminum alloy, copper or copper alloy, but is not limited thereto.
  • Shrinkage ring 140 is a hollow cylindrical shape, it is preferable to manufacture using a metal material excellent in thermal conductivity.
  • Shrinkage ring 140 is preferably a metal material having a greater tensile strength than the pin 131.
  • stainless steel that is not rusted may be used, but is not limited thereto.
  • the hollow shape of the shrinkage ring 140 is circular, the shape of the through hole 134 of the pin 131 is circular, and the shape of the cross section of the tube 112 is circular, as in this embodiment, the respective configurations
  • the diameter of the element may be appropriately sized so that the collar 132 urges the outer circumferential surface of the tube 112 by the residual stress of the shrink ring 140.
  • the diameter Dsi of the inner circumferential surface of the shrinkage ring 140 is slightly smaller than the diameter Dfi of the inner circumferential surface of the collar 132.
  • the diameter Dso of the outer circumferential surface of the shrinkage ring 140 is slightly larger than the diameter Dfo of the outer circumferential surface of the collar 132.
  • both ends of the inner circumferential surface of the shrinkage ring 140 are chamfered 142 to facilitate the insertion of the collar 132.
  • the collar 132 divided by the incision slits 133 is radially inward. It is naturally inserted into the hollow of the shrinkage ring 140 while being soaked. This is because the incision slit 133 is formed on the collar, and a chamfer is formed on the inner circumferential surface of the shrinkage ring 140.
  • a protrusion 132c is formed at the distal end of the collar 132 to prevent the shrink ring 140 assembled with the pin 131 from being separated from the collar 132.
  • the protrusion 132c of the present embodiment is formed to protrude radially outward from the edge of the end of the collar 132 and extend in the circumferential direction, but is not limited thereto.
  • the projections 132c may be formed separately by numbers appropriate for the required position of the outer peripheral surface of the distal end of the collar 132. The protrusion 132c prevents the shrink ring 140 from being separated from the collar 132 during transportation, storage or assembly.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the tube assembly
  • FIG. 7A is a front view of the tube 112
  • FIG. 7B is a rear view of the tube 112.
  • the tube assembly 110 includes a tube 112, a front plug 120 coupled to the front side of the tube 112, and a rear plug 125 coupled to the rear side of the tube 112.
  • the front plug 120 is an annular disk and has a pair of through holes for connecting with the working fluid connection tubes 151 and 152. A pair of through holes are used as the working fluid inlet 121 and the working fluid outlet 122, respectively, and the front plug 120 has the working fluid inlet 121 and the working fluid outlet 122 at the tube 112, respectively. It is coupled to the front surface of the tube 112 to communicate with the formed inlet and outlet passages.
  • the back plug 125 is an annular disk, which is coupled to the back of the tube 112 to close the passage formed inside the tube 112.
  • the tube 112 has a cylindrical shape, and a plurality of through holes are formed therein for use as a passage of the working fluid along the longitudinal direction.
  • there are 12 working fluid passages (114a, 114b, 114c, 114d, 114e, 114f, 114g, 114h, 114i, 114j, 114k, 114m, and half in FIG. 7 (b) clockwise in FIG. 7 (a)).
  • 114a, 114b, 114c, 114d, 114e, 114f, 114g, 114h, 114i, 114j, 114k, 114m) are formed clockwise.
  • Each of the working fluid passages 114a, 114b, 114c, 114d, 114e, 114f, 114g, 114h, 114i, 114j, 114k, 114m is arranged at equal intervals along the circumferential direction.
  • a hollow 111 is formed at the center of the tube 112.
  • the hollow 111 is not used as a working fluid passage, but may be used as a passage of the working fluid if necessary.
  • the working fluid inlet passage 114a communicates with the working fluid inlet 121 of the front plug 120, and the working fluid outlet passage 114m is the working fluid outlet of the front plug 120. 122).
  • the heater may be an electric heater or an infrared lamp heater.
  • the heater is inserted into the hollow 111 to be in contact with the tube 112, since the heat generated from the heater is directly transferred to the fin 131 through the tube 112 of the evaporator, frost can be effectively removed.
  • the evaporator can be manufactured compactly. If an infrared lamp heater is used, no separate structure is needed to protect the infrared lamp.
  • the front surface of the tube 112 is formed with a front annular groove 112a having a constant depth for inserting and coupling the front plug 120.
  • the inserted front plug 120 closes the remaining working fluid passages from the front, except for the inlet passage 114a and the outlet passage 114m.
  • the rear surface of the tube 112 has a rear annular groove 112 b having a constant depth for the rear plug 125 to be inserted and coupled thereto.
  • the inserted rear plug 125 closes all of the working fluid passageways 114a, 114b, 114c, 114d, 114e, 114f, 114g, 114h, 114i, 114j, 114k, 114m from the rear.
  • the front of the tube 112 has a constant depth of communication grooves for connecting each of the working fluid passages closed by the front plug 120 to be in series communication with a neighboring working fluid passage.
  • 115bc, 115de, 115fg, 115hi, 115jk are formed.
  • communication grooves having a constant depth for connecting each of the working fluid passages closed by the rear plug 125 to the neighboring working fluid passage in series are also connected to the rear surface of the tube 112. (116ab, 116cd, 116ef, 116gh, 116ij, 116km) are formed.
  • the working fluid supplied to the inlet working fluid connecting tube 151 flows into the inlet passage 114a in front of the tube 112 through the working fluid inlet 121.
  • the working fluid passing through the inlet passage 114a passes through the working fluid passages connected in series in a clockwise order (114a-114b-114c-114d-114e-114f-114g-114h-114i-114j-114k-114m). Passes).
  • the working fluid passing through the working fluid outlet passage 114m is discharged from the tube 112 through an outlet working fluid connecting tube 152 connected to the working fluid outlet 122 of the front plug 120.
  • a pair of guide floors 113a, 113b and GUIDE RIDGE are formed on the outer circumferential surface of the tube 112 and extend along the longitudinal direction.
  • the guide floors 113a, 113b are for facilitating the assembly of the tube assembly 110 with the pin-shrink ring assembly 130.
  • the pin-shrink ring assembly 130 is prevented from relatively rotating after being assembled with the tube assembly 110.
  • a pair of guides for receiving corresponding guide floors 113a and 113b of the tube 112 are received. Grooves 134a and 134b are formed.
  • the positions of the guide grooves 134a and 134b are disposed where the cutting slits 133 are formed, but the present invention is not limited thereto, and the guide grooves 134a and 134b may be disposed at appropriate edges of the through hole 134.
  • the diameter Dt of the outer circumferential surface of the tube 112 is equal to or slightly smaller than the diameter Dfi of the inner circumferential surface of the through hole 124 of the pin 131, so that the shrink ring 140 is expanded by heating. If there is, the tube 112 can be easily inserted into the through hole 124.
  • the collar 132 of the pin 131 is elastically deformed while being pinched to the center It is to be inserted into the hollow of the shrink ring (140).
  • the incision slit 133 divides the collar 132 to facilitate elastic deformation.
  • the shrink ring 140 of the pin-shrink ring assembly 130 is heated to sufficiently inflate the shrink ring 140.
  • a heating coil or an induction heating device may be used to heat the contraction ring 140.
  • the contraction ring 140 is heated and expands, and the collar 132, which is elastically recessed in the hollow of the contraction ring 140, is opened radially outward by the expansion of the contraction ring 140.
  • the tube assembly 110 may be connected to the fin 131. Insert into the through hole (134).
  • the shrink ring 140 is cooled.
  • the shrinkage ring 140 may be naturally cooled, but is preferably cooled by blowing air.
  • the shrink ring 140 is contracted by cooling, the diameter Dsi of the inner circumferential surface of the shrink ring 140 is larger than the diameter Dt of the outer circumferential surface of the tube 112 (or the diameter Dt of the tube 112).
  • the shrink ring 140 is not fully retracted to the state before it is heated.
  • the shrinkage ring 140 generates residual stress due to thermal expansion. Therefore, the contraction ring 140 presses the collar 134 in the cooled state to maintain the inner circumferential surface of the collar 132 in close contact with the outer circumferential surface of the tube 112.
  • the collar it is preferable to cause the collar to plastically deform when the collar is pressed by the thermal stress remaining in the shrinkage ring and in close contact with the outer circumferential surface of the tube.
  • the collar is plastically deformed by the compression of the shrinkage ring, even if the temperature of the shrinkage ring rises and the magnitude of the residual thermal stress decreases due to expansion, the collar closely adheres to the tube because the collar closely adhered to the tube is not elastically restored. State is maintained.
  • Those skilled in the art will properly select the material and dimensions of the shrinkage ring, tube, and fin to produce residual thermal stresses of the appropriate size for the shrinkage ring and to maintain the collar in close contact with the tube over the operating temperature range of the heat exchanger. Can be.
  • the tube assembly 110 may be forcibly inserted into the through-hole 134 of the pin-shrink ring assembly 130 to urge the collar to closely adhere to the tube with the residual stress caused by the elastic deformation.
  • the diameter of the inner circumferential surface of the shrinkage ring 140 and the larger diameter of the tube 112 Larger than the diameter of the inner circumferential surface of the shrinkage ring 140).
  • the shrinkage ring 140 When the tube 112 is forcibly inserted into the through hole 134 of the pin 131, the shrinkage ring 140 is elastically deformed while the diameter thereof is increased, and the stress due to the elastic deformation remains in the shrinkage ring 140.
  • the contraction ring 140 presses the collar 134 to be in close contact with the outer circumferential surface of the tube 112.
  • FIG. 9 illustrates another embodiment of the pin 231.
  • two incision slits 233 are formed at intervals of 180 degrees and extend to meet the plate 235. Further, no protrusion is formed at the distal end of the collar 232.
  • 10 illustrates another embodiment of the pin 331.
  • the pin 331 of the present embodiment has two incision slits 333 formed at intervals of 180 degrees, and extends to meet the plate 335.
  • the protrusion 332c formed by rolling the terminal part of the collar 232 is provided.
  • Pins can be modified in a variety of forms. The pin according to the present invention can be easily inserted into the hollow of the contraction ring while being formed by the incision slit in the collar is retracted by the contraction ring.
  • the pin according to the present invention is formed with a cutting slit in the collar, so that when the collar is pressed by the residual stress of the shrinkage ring, the collar is not folded or overlapping. Therefore, the close contact between the outer peripheral surface of the tube and the inner peripheral surface of the collar can be maintained closely.
  • FIG. 11 is another embodiment of a heat exchanger according to the present invention
  • FIG. 12 is an exploded perspective view of the embodiment shown in FIG. 11.
  • the heat exchanger 400 of the present embodiment differs from the heat exchanger 100 illustrated in FIG. 3 in that the tube 412 of the tube assembly 410 is bent in a U-shape.
  • each of the pin-shrink ring assemblies 430 disposed in the upper tube 412-1 and the lower tube 412-2 of the tube assembly 410 is arranged so that the plates of the pins alternate alternately. . Therefore, when the air passing through the space between the fins disposed in the lower tube 412-2 passes through the space between the fins disposed in the upper tube 412-1, the air is separated in half and separated into the upper tube 412-1. Passes through the space between the arranged pins. Therefore, the performance of a heat exchanger can be improved.
  • FIG. 13 is another embodiment of a heat exchanger according to the present invention
  • FIG. 14 is an exploded perspective view of the tube assembly 510 of the embodiment shown in FIG.
  • the heat exchanger 500 of the present embodiment differs from the heat exchanger 100 shown in FIG. 3 in that the outer contour of the tube 512 of the tube assembly 510 is not circular but elliptical.
  • the outer contour of the cross section of the tube 512 can be of various cross-sectional shapes of unconvex, convex closed curves.
  • the contour of the through hole formed in the pin of the pin-shrink ring assembly 530 into which the tube 512 is inserted also has the same shape as the tube so that the tube 512 can be inserted into an oval shape.
  • the inner peripheral surface of the shrinkage ring 540 is also oval. If the cross-sectional shape of the tube is oval, a compact heat exchanger can be manufactured than a heat exchanger using a circular tube. In addition, when the air or the heat exchange medium flows toward the short axis of the elliptical tube, the pressure loss can be reduced than when using a square or round tube. In addition, by increasing the area of the outer peripheral surface of the tube in close contact with the collar of the fin can improve heat exchange performance.
  • the tube 512 of FIG. 14 has a plurality of channels, and similar to that shown in FIG. 7, the front and back of the tube 512 have a front plug 520 and a rear plug 525 of the tube 512.
  • Front and rear annular grooves are formed to close the working fluid passageway.
  • each of the front and rear annular grooves are formed with front and rear communication grooves for connecting the plurality of closed working fluid passage in series with the ribs alternately removed.
  • the pin 531 includes a plate 535 and a collar 532 extending forward from an edge of an elliptical through hole 534 formed in the plate 535.
  • Four incision slits 533 are formed in the collar 532.
  • the protrusion 532c which protrudes from the outer peripheral surface along the periphery of the edge part of the collar 532 is formed.
  • the shrinkage ring 540 is an elliptical hollow cylindrical shape having the same contour as the collar 532, and has a chamfer 542 at the end of the inner circumferential surface.
  • the size of the hollow inner circumferential surface contour 541 of the shrink ring 540 is smaller than that of the outer circumferential surface contour 532b of the collar 532.
  • the length of the major axis and the minor axis of the inner circumferential surface of the oval-shaped contraction ring 540 is slightly smaller than the length of the major axis and the minor axis of the outer circumferential surface of the collar 532.
  • the heat exchanger 600 of the present embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 13 in that the tube assembly 610 is made of a zigzag tube.
  • the tube assembly 610 is composed of an upper U-tube 610-1, a lower U-tube 610-2, and a connecting tube 610-3.
  • Front plug 620 is coupled to one end of upper U-tube 610-1 and rear plug 625 is coupled to one end of lower U-tube 610-2. Connects the upper U-tube 610-1 and the lower U-tube 610-2.
  • the heat exchanger 600 of the present embodiment couples the pin-shrink ring assembly to the plurality of U-tubes and connects them to the connecting tube.
  • the tube assembly 610 When a plurality of U-tubes are connected by connecting tubes, the tube assembly 610 is zigzag as shown in Fig. 15, and the upper U-tube 610-1 and the lower U are shown in FIG.
  • the plates of the pin-shrink ring assembly 630 can be alternately intersected with each other on the tube 610-2. Therefore, the plate of the fin can be widened to produce a compact heat exchanger having excellent heat exchange performance. have.
  • 17 is another embodiment of a heat exchanger according to the present invention.
  • the heat exchanger 1000 of the present embodiment is different from the heat exchanger 500 shown in FIG. 13 is that the passage of the working fluid formed in the tube 1100 is not circular, but a plurality of ribs Formed point.
  • a fin 1210 including an inclined portion 1212 and a contraction ring 1220 having custom inclined surfaces 1221 and 1222 are used.
  • the heat exchanger 1000 of the present embodiment includes a tube assembly 1100 and a plurality of fin-shrink ring assemblies 1200.
  • a plurality of tube assemblies 1100 are inserted into the pin-shrink ring assembly 1200, and the outer circumferential surface of the tube 1110 is tightly fixed to the pin-shrink ring assembly 1200.
  • a pair of connecting tubes 1310 and 1320 for supplying and discharging the circulating working fluid are coupled to one end of the tube assembly 1100.
  • a front plug 1120 is fixed to the front surface of the tube 1110, and a working fluid inlet 1121 and a working fluid outlet 1122 are formed in the front plug 1120.
  • the inlet connection tube 1310 is connected in communication with the working fluid inlet 1121, and the outlet connection tube 1320 is connected in communication with the working fluid outlet 122.
  • the tube 1110 illustrated in FIG. 18 has a plurality of working fluid passages formed by a plurality of ribs, and the front and rear plugs 1120 and the rear plug 1140 are inserted into the front and rear surfaces of the tube 1110 and the tube is inserted.
  • Front and rear annular grooves are formed to close the working fluid passages of 1110.
  • each of the front and rear annular grooves are formed with front and rear communication grooves for connecting the plurality of closed working fluid passages in series by alternately removing the ribs.
  • the pin 1210 shown in FIG. 19 includes a plate 1211, an elliptical through hole 1216 formed generally in the center of the plate 1211, and collars extending forward from an edge of the through hole 1216. (1213a, 1213b, 1213c, 1213d).
  • an inclined portion 1212 is formed between the plate 1211 and the through hole 1216 to be inclined at a predetermined angle.
  • protrusions 1217 protruding from the outer circumferential surface of the collars 1213a, 1213b, 1213c, and 1213d are formed along the periphery, respectively.
  • the shrinkage ring 1220 has a hollow ring shape, and the inner circumferential surface thereof has an elliptical shape, such as the outline of the outer circumferential surface of the tube 1110.
  • front / rear fitting inclined surfaces 1222 and 1221 are inclined at the same angle as the inclined portion 1212 of the pin 1210, respectively.
  • the front end surface of the contraction ring 1220 is formed with a front vertical surface 1223 extending radially outward from the front alignment inclined surface 1222, the rear end surface is radially outward from the rear alignment inclined surface 1221.
  • An extended rear vertical surface 1223 is formed.
  • the front end surface of the shrinkage ring is formed with a cutting vertical surface 1225 extending radially inward from the front fit inclined surface 1222.
  • the cutting vertical plane 1225 causes the length of the front fit slope 1222 to be shorter than the length of the rear fit slope 1221, and the cutting vertical plane 1225 is the collars 1213a and 1213b of the fin 1210 when the heat exchanger is assembled. 1213c and 1213d provide a space for accommodating the projection 1217 formed at the end.
  • the dimension of the hollow inner circumferential surface 1226 contour of the shrink ring 1220 is larger than that of the limbus of the outer circumferential surface of the tube 1100 and smaller than the dimension of the outer circumferential surface contours of the collars 1213a, 1213b, 1213c, and 1213d.
  • the length of the major and minor axes of the oval-shaped contraction ring 1220 is slightly smaller than the major and minor axis lengths of the outer circumferential surface of the collar 1213. Therefore, when the collar 1213 is inserted into the hollow of the contraction ring 1220, the collar 1213 is easily elastically deformed inwardly because the incision slits 1214a, 1214b, 1214c, and 1214d are formed.
  • the dimension of the contour of the inner circumferential surface of the shrinkage ring can be determined in an appropriate range depending on the material of the tube and the shrinkage ring and the coefficient of thermal expansion.
  • the dimension of the contour of the inner circumferential surface of the shrink ring is larger than the dimension of the contour of the outer circumferential surface of the tube when the shrink ring is heated and expanded, and the dimension of the contour of the outer circumferential surface of the tube when the shrink ring cools and shrinks. It is comprised so that the thickness of a collar may become smaller than the dimension which added.
  • the pin 1210 and the shrink ring 1220 are assembled (FIG. 21).
  • the collars 1213 of the pin 1210 are inserted into the hollow of the shrink ring 1220.
  • the dimensions of the major and minor axes of the inner circumferential surface 1226 of the oval-shaped contraction ring 1220 are slightly smaller than the dimensions of the major and minor axes of the outer circumferential surface of the ellipse formed by the collars 1213a, 1213b, 1213c, and 1213d.
  • the collars 1213 are divided by slits 1214. Accordingly, as shown in FIG.
  • the collars 1213 inserted into the hollow of the contraction ring 1220 are elastically deformed toward the center of the through hole 1216 and inserted in a slightly recessed state. At this time, the locking projection formed at the ends of the collars 1213 is caught by the cutting vertical surface 1225 of the shrink ring 1220 to prevent the assembled shrink ring 1220 from being separated from the collars 1213.
  • Pressing the aligned pin-shrink ring assemblies on both sides causes the opposing back and inclined inclined surfaces of the shrink rings of the neighboring pin-shrink ring assembly to engage each other with the inclined portion of the pin in between (eg, first The pin 1210-1 with the front alignment inclined surface 1221-2 of the second arranged contraction ring 1220-2 facing the rear alignment inclined surface 1221-1 of the disposed shrinkage ring 1220-1. Interlock with each other).
  • the shrink rings 1220-1, 1220-2, 1220-3... Of the pin-shrink ring assemblies are aligned with the same central axis.
  • the shrink rings 1220-1, 1220-2, 1220-3... are heated (FIG. 24).
  • An electrothermal heater can be used for heating the shrinkage ring.
  • the heat transfer heater may be installed around the outer side of the shrinkage ring to heat the shrinkage rings.
  • inductively heat the shrink ring In induction heating, the shrinkage ring is preferably made of magnetic metal. For example, ferritic stainless steel can be used.
  • an induction heating coil may be installed around the outer side of the shrinkage ring to heat the shrinkage ring. As shown in Figure 21d, it can be heated by inserting the induction heating coil in the hollow of the shrinkage ring.
  • An induction heating coil 2003 is inserted into an elongated through hole formed by the hollow of each contraction ring of the pin-shrink ring assemblies, and a high frequency power source 2004 is applied to the induction heating coil 2003.
  • the induction heating coil 2003 inserted into the extended through hole uses a coil wound along the inner circumferential surface of the contraction rings 1220-1, 1220-2, 1220-3.
  • the shrinking rings 1220-1, 1220-2, 1220-3 .. 1220-5 are heated to pinch 1210-1, 1210-2 toward the center of the extended through hole.
  • the collars of 1220-5) are elastically restored and the shrink rings 1220-1, 1220-2, 1220-3 ... 1220-5 are inflated enough to insert the tube 1110, the tube 1110 is inserted into the extended through hole (FIG. 25).
  • the induction heating coil 2003 is installed inside the extended through hole
  • the tube 1110 is inserted at the same time while removing the induction heating coil 2003 from the extended through hole.
  • the tube 1110 is larger than the outer diameter of the tube 1110, and the collar 1213 of the pin 1210 at the outer diameter of the tube 1100. It is made smaller than the size plus the thickness dimension.
  • the inner circumferential dimension of the shrinkage rings 1220-1, 1220-2, 1220-3 ... 1220-5 is equal to the collar 1213-1 at the outer circumferential dimension of the tube 1110. 1213-2, ... 1213-5) and the tube 1110 is inserted after heating and expanding the shrinkage rings to be larger than the sum of the thickness dimensions.
  • the pressure of the pair of pressure plates 2001 and 2002 may be increased to allow the shrinkage rings to expand to some extent.
  • Opposing custom inclined surfaces of neighboring shrink rings are interlocked with the inclined portion of the pin, and when the shrink rings are pressurized, the engaged custom inclined surfaces act as wedges and the shrink rings are inflated to some extent by elastic deformation.
  • the expanded shrinkage rings 1220-1, 1220-2, 1220-3... 1220-5 contract naturally by cooling, corresponding pins 1210.
  • the collar 1213 is pressed to closely contact the outer circumferential surface of the tube 1110 (FIG. 26). Cooling may be forced cooling, but natural cooling in the atmosphere is preferred. If the shrinkage rings are cooled after the tube 1110 is inserted, the shrinkage rings are not retracted to their original size by the thickness of the corresponding collars. Therefore, thermal stress remains inside the shrinkage rings. The thermal stress remaining in the shrinkage ring presses the collar to bring it into close contact with the outer circumferential surface of the tube.
  • the shrinkage ring has a smaller coefficient of thermal expansion than the fins and / or the tube. This is because when the heat exchanger is heated, the shrinkage ring expands less than the tube, so that the tight contact between the tube and the collar can be maintained.
  • the heat exchanger according to the present invention generates residual thermal stresses inside the shrinkage ring upon cooling because the shrinkage ring expanded by heating before tube insertion cannot shrink to its size prior to heating due to the thickness of the collar after tube insertion.
  • the shrink ring continues to press the collar by residual thermal stress so that the collar remains in close contact with the outer circumferential surface of the tube.
  • contact heat resistance is prevented from being generated due to a poor contact between the tube and the collar of the fin.
  • the heat exchanger according to the present invention can suppress the generation of contact thermal resistance, thereby enhancing the effect of the heat exchanger.
  • the heat exchanger according to the present invention can be produced by assembling a fin tube heat exchanger without using a welding or brazing process or a thermally conductive adhesive, so that the manufacturing cost is low.
  • the residual thermal stress of the shrinkage ring is configured to combine the pin and the tube to maintain contact can be manufactured easily and inexpensively.
  • Fin tube heat exchanger can change the shape of the tube, fin, shrink ring as required by those skilled in the art.
  • the technical idea of maintaining the contact between the tube and the fin by using a shrink ring and suppressing the generation of contact thermal resistance should be protected by the idea inherent in the present invention.
  • the technical idea to improve the heat transfer effect of the tube and fin by using a shrink ring without welding, brazing, or a thermally conductive adhesive should also be protected by ideas unique to the present invention.
  • the heat exchanger according to the present invention may be used as an evaporator of a refrigeration system such as a refrigerator or an air conditioner or a condenser of a power generation system.
  • a refrigeration system such as a refrigerator or an air conditioner or a condenser of a power generation system.
  • the heat exchanger according to the present invention is excellent in heat transfer performance and compact, and when used in the air conditioner of the vehicle can contribute to the weight reduction and fuel efficiency of the vehicle.

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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
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.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
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.
[부호의 설명]
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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