KR102066878B1

KR102066878B1 - 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브

Info

Publication number: KR102066878B1
Application number: KR1020157008453A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 보이틀러; 안드레아스 슈비탈라; 지아닝 카오; 종 루오
Original assignee: 빌란트-베르케악티엔게젤샤프트
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2020-01-16
Also published as: CN102980432A; PL2917674T3; CN104870926B; US9541336B2; PT2917674T; CN104870926A; EP2917674B1; KR20150084778A; HUE049998T2; EP2917674A1; WO2014072046A1; US20150241140A1

Abstract

본 발명은 튜브 본체 및 적어도 하나의 중공 절두체 구조를 포함하는, 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브에 관한 것이다. 상기 튜브 본체의 외부 표면 상에 외부 핀이 간격을 두고 배열되고, 또 2개의 인접한 외부 핀 사이에 내부 핀 홈이 형성된다. 상기 중공 절두체 구조는 상기 내부 핀 홈의 저부에 배열되고 또 측벽에 의해 둘러싸인다. 상기 중공 절두체 구조의 상부는 개구를 구비한다. 상기 측벽은 상기 내부 핀 홈의 저부로부터 안쪽으로 또 상방으로 연장되므로, 상기 개구의 면적은 상기 중공 절두체 구조의 저부 면적보다 더 적다. 상기 측벽의 내부 표면 및 상기 측벽의 외부 표면은 상기 개구에서 교차하여 플랜지(flange)를 형성한다. 바람직하게는, 상기 플랜지는 예리한 코너이고 또 곡률반경은 0 내지 0.01 mm이다. 측벽은 서로 연결된 적어도 2개의 표면에 의해 형성된다. 중공 절두체 구조는 중공 피라미드 절두체 형상, 중공 화산 형상 또는 중공 원뿔 절두체 형상이다. 내부 핀 홈의 높이(Hr) 및 높이(H)는 다음 관계를 만족한다: Hr/H는 0.2보다 크거나 또는 동일하다. 본 발명은 정교하게 설계되고 또 간결한 구조를 이루고 있어 튜브의 외부 표면과 튜브 밖의 액체 사이의 비등계수를 현저하게 향상시키고, 비등시 열전달을 강화시키며 또 대규모 대중화 및 적용에 적합하다

Description

중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브{Evaporation heat transfer tube with a hollow caviity}

본 발명은 열전달 장치 기술분야, 특히 증발열 전달 튜브 기술분야, 특별히 만액식 증발기(flooded evaporator) 및 강하막식 증발기(falling film evaporator)의 열교환 성능을 향상시키기 위하여 사용되는 중공 공동(중공 cavity)을 갖는 증발열 전달 튜브에 관한 것이다.

만액식 증발기는 냉장 및 에어컨디셔너용 칠러(chiller)에 널리 이용되어 왔다. 이들의 대부분은 셸 앤드 튜브식(shell-and-tube) 열교환기이며, 냉매는 튜브 밖의 상 변화에 의해 열을 교환하며 냉매 또는 냉각제 (예컨대 물)는 튜브 내부에 흐르는 것에 의해 열을 교환한다. 대다수의 열저항이 냉매 내부에 존재하는 점에서 개선된 열전달 기술을 이용하는 것이 필요하다. 열전달의 증발 상변화 공정에 대해 설계된 복수의 열전달 튜브가 존재한다.

도 1 내지 도 3은 만액식 증발 향상 표면에 인가되는 전통적 열전달 튜브의 구조를 도시한다. 주요 메카니즘은 만액식 증발의 핵비등 이론을 이용하여 튜브 본체(5)의 외부 표면 상에 핀, 널링, 플레인 롤링(plain rollings)을 형성하고 또 가공(machining)에 의해 튜브 본체(5)의 외부 표면 상에 기포 구조 또는 내부 핀 홈(2)을 형성하여, 열교환을 강화하는 핵비등 코어를 제공한다.

전통적 열전달 튜브의 구조는 다음과 같이 설명된다: 외부 핀(1)은 튜브 본체(5)의 외부 표면 주변에서 나선형으로 연장되는 방식으로 또는 상호 평행한 방식으로 분포되며 또 내부 핀 홈(2)은 2개의 인접한 외부 핀(1) 사이에 원주식(circumferentially)으로 형성된다. 한편, 라이플링(rifling) 암나사(internal threads)(3)는 튜브 본체(5)의 내부 표면 상에 분포되며, 이러한 것은 도 1에 자세하게 도시되어 있다. 또한, 종래 기술에 따르면, 증발 튜브 상에 필요한 다공성 표면을 형성하기 위하여, 보통 외부 핀(1)은 홈을 이루어 상부에 말려져 있을 필요가 있다. 핀 상부 재료의 굽어진 또는 평탄한 확장부(expansion)는 소형 개구(4)를 갖는 덮개를 형성하기 위해 사용된다. 이러한 개구(4)를 갖는 상부가 덮혀진 내부 핀 홈(2)은 핵비등을 통한 열교환에 유리하다. 상세한 구조는 도 2 및 도 3에 도시되어 있다.

도 1에 따라 가공하여 제조하기 위한 열전달 튜브의 변수는 다음과 같다: 튜브 본체(5)는 구리 및 구리 합금, 또는 기타 금속으로 제조될 수 있다; 열전달 튜브의 외경은 16 내지 30 밀리미터이고, 또 튜브의 벽 두께는 1 내지 1.5 밀리미터이다; 특수한 튜브 밀을 이용하여 압출을 실시하며 또 튜브의 내부 및 외부 모두에서 가공을 실시한다. 나선형 외부 핀(1) 및 2개의 인접한 나선형 외부 핀(1) 사이의 내부 핀 홈(2)은 튜브 본체(5)의 외부 표면 상에서 원주식으로 가공된다. 튜브의 외부 표면 상에서 2개의 외부 핀(1) 사이의 축 거리(P)는 0.4 내지 0.7 mm 이다 (P는 1개의 외부 핀(1)의 핀 폭의 중심점에서부터 다른 인접한 외부 핀(1)의 핀 폭의 중심점까지의 거리이다). 핀의 두께는 0.1 내지 0.35 mm이고, 또 핀의 높이는 0.5 내지 2 mm이다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같은 열전달 튜브를 가공한 후, 널링 나이프를 이용하는 것에 의해 노치형(notched) 홈이 형성되어 외부 핀(1)의 상부 재료를 압출할 수 있고, 이어 상대적으로 밀폐된 내부 핀 홈(2)(개구(4)를 가짐) 구조는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 노치형 홈의 저부 재료를 연장하는 것에 의해 형성될 수 있다.

일반적으로, 열전달 튜브는 가능한한 많은 냉매에 의해 표면 상에서 습윤되는 것이 필요하다; 또한, 튜브 표면은 핵비등에 유리한 많은 핵생성 부위(가공된 튜브의 외부 표면 상에서 노치 또는 슬릿(slit)을 형성하는 것에 의해)를 제공하는 것이 필요하다. 최근, 냉장 및 에어콘디셔너의 발전과 더불어, 증발기의 열교환 효율에 대한 요구가 더욱 높아지고, 또 핵비등 열교환이 열전달시 낮은 온도차에서도 실현되는 것이 요구되고 있다. 일반적으로, 열전달에서 온도차가 낮은 경우, 증발열 교환 유형은 대류비등이다. 따라서 열전달 튜브의 표면 구조는 뚜렷한 기포를 갖는 핵비등을 실현하도록 더욱 최적화될 필요가 있다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 종래 기술의 결점을 극복하여 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브를 제공하는 것이다. 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브는 정교하게 설계되고 간결한 구조를 이루고 있어, 튜브의 외부 표면과 튜브 밖의 액체 사이의 비등계수를 현저히 향상시키고, 비등시 열전달을 강화하며 또 대규모 대중화 및 적용에 적합하다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브는 튜브 본체를 포함하고, 상기 튜브 본체의 외부 표면 상에 외부 핀이 간격을 두고 배열되고, 또 2개의 인접한 외부 핀 사이에 내부 핀 홈이 형성되며, 상기 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브는 적어도 하나의 중공 절두체(frustum) 구조를 더 포함하고; 상기 중공 절두체 구조는 상기 내부 핀 홈의 저부에 배열되고 또 상기 중공 절두체 구조는 측벽에 의해 둘러싸이고; 상기 중공 절두체 구조의 상부는 개구를 구비하며; 상기 측벽은 상기 내부 핀 홈의 저부로부터 안쪽으로 또 상방으로 연장되므로 상기 개구의 면적은 상기 중공 절두체 구조의 저부 면적보다 더 적고; 상기 측벽의 내부 표면 및 상기 측벽의 외부 표면은 상기 개구에서 교차하여 플랜지(flange)를 형성한다.

바람직하게는, 상기 플랜지는 예리한 코너(sharp corner)이고 또 상기 예리한 코너의 곡률반경은 0 내지 0.01 mm이다.

바람직하게는, 상기 측벽은 서로 연결된 적어도 2개의 표면에 의해 형성된다.

더욱 바람직하게는, 서로 연결된 2개의 표면은 연결부위에서 교차하여 예리한 코너를 형성하며, 상기 예리한 코너의 곡률반경은 0 내지 0.01 mm이다.

더욱 바람직하게는, 상기 중공 절두체 구조는 중공 피라미드 절두체 형상, 중공 사다리꼴 각뿔대 형상，중공 사면(quadrihedron) 절두체 형상, 중공 화산 형상 또는 중공 원뿔 절두체 형상이다.

바람직하게는, 상기 개구의 형상은 원형, 타원형, 다각형 또는 분화구-형상이다.

바람직하게는, 상기 중공 절두체 구조의 높이는 0.08 내지 0.30 mm이다.

바람직하게는, 상기 중공 절두체 구조의 높이(Hr) 및 상기 내부 핀 홈의 높이(H)는 다음 관계를 만족한다: Hr/H는 0.2보다 크거나 또는 동일하다.

바람직하게는, 상기 외부 핀은 상기 튜브 본체의 외부 표면 주변에 나선형으로 연장되는 방식으로 또는 상호 평행한 방식으로 원주식으로 분포되며; 상기 내부 핀 홈은 상기 튜브 본체 주변에 원주식으로 형성된다.

바람직하게는, 상기 외부 핀은 측면 연장체(laterally elongated body)를 갖고; 상기 외부 핀의 상부는 측면으로 연장하여 상기 측면 연장체를 형성한다.

바람직하게는, 암나사는 상기 튜브 본체의 내부 표면 상에 배치된다.

본 발명의 이점은 다음과 같다:

1. 본 발명의 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브는 튜브 본체 및 적어도 하나의 중공 절두체 구조를 포함한다. 외부 핀은 상기 튜브 본체의 외부 표면 상에 간격을 두고 배치되고 또 내부 핀 홈은 2개의 인접한 외부 핀 사이에서 형성된다. 상기 중공 절두체 구조는 측벽에 의해 둘러싸인다. 상기 중공 절두체 구조의 상부는 개구를 구비한다. 상기 측벽은 상기 내부 핀 홈의 저부로부터 안쪽으로 또 상방으로 연장되므로 상기 개구의 면적은 상기 중공 절두체 구조의 저부 면적보다 더 적다. 상기 벽의 내부 표면 및 상기 측벽의 외부 표면은 개구에서 교차하여 플랜지를 형성한다. 따라서, 플랜지는 공동에서 핵생성 부위(nucleation site를 증가시키고 또 공동에서 액체의 과열 온도를 상승시키는데 유리하다. 따라서 핵비등 열교환이 강화된다. 한편, 중공 절두체 구조를 갖는 경우, 열교환 면적은 증가하므로, 비등 열전달 계수는 더 낮은 온도차에서 현저히 증가된다. 정교하게 설계되고 또 간결한 구조를 이루고 있어, 튜브의 외부 표면과 튜브 밖의 액체 사이의 비등 계수를 현저하게 향상시키고, 비등시 열전달을 강화하고 또 대규모 대중화 및 적용에 적합하다

2. 본 발명의 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브의 측벽은 서로 연결된 적어도 2개의 표면에 의해 형성된다. 서로 연결된 2개의 표면은 연결 부위에서 교차하여 예리한 코너를 형성하고, 또 상기 예리한 코너의 곡률반경은 0 내지 0.01 mm이므로, 공동에서 핵생성 부위를 증가시키고 또 공동 중의 액체의 과열 온도를 증가시키는 것이 유리하며, 따라서 핵비등 열교환이 강화된다. 한편，중공 절두체 구조에 의해, 열교환 면적은 증가한다. 따라서 비등 열전달 계수는 더 낮은 온도차에서 현저하게 증가한다. 정교하게 설계되고 또 간결한 구조를 이루고 있으며 또 튜브의 외부 표면과 튜브 밖의 액체 사이의 비등 계수를 현저하게 향상시키고, 또 비등시 열전달을 강화시키며 또 대규모 대중화 및 적용에 적합하다.

도 1은 핀을 갖는 전통적 열전달 튜브의 제1 실시양태를 도시하는 축 방향의 단면 개략도이다.
도 2는 핀을 갖는 전통적 열전달 튜브의 제2 실시양태를 도시하는 축 방향의 단면 개략도이다.
도 3은 핀을 갖는 전통적 열전달 튜브의 제3 실시양태를 도시하는 축 방향의 단면 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1 실시양태의 개략도의 부분적인 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제2 실시양태의 개략도의 부분적인 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 중공 절두체 구조의 제3 실시양태의 개략적 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 중공 절두체 구조의 제4 실시양태의 개략적 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 만액식 증발기에 이용될 때 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브의 전면 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브 및 종래 기술에 따른 증발열 전달 튜브를 실시하는 것에 의해 결정된, 열 플럭스에 대한 열전달 튜브의 튜브 밖의 비등 열전달 계수의 변화 그래프이다.

바람직한 실시양태의 상세한 설명

기술 내용을 더욱 잘 이해하기 위하여, 본 발명은 하기한 실시양태의 상세한 설명에 의해 더욱 예시된다.

핵비등 메카니즘에 따르면, 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 구조를 기본으로 하여, 측벽(6)에 의해 둘러싸이고 상부에 개구를 갖는 중공 절두체 구조(6)가 내부 핀 홈(2)의 저부(21)에 형성되면 핵비등을 위해 필요한 핵생성 부위를 형성하는 것이 더욱 유리하다는 것이 연구에 의해 밝혀졌다.

도 4는 본 발명의 제1 실시양태에 따른 튜브 본체(5)의 외부 표면 상에서 공동 구조를 도시하는 개략적 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 내부 핀 홈(2)은 이웃하는 외부 핀(1)의 측면 연장체(8)의 상대적 연장에 의해 형성된 상부에 의해 덮여진다. 내부 핀 홈(2)의 저부(21)에서 금형을 통하여 공동의 저부 물질을 압출하는 것에 의해, 측벽(61)에 의해 둘러싸이고 또 상부에서 개구(62)를 갖는 중공 절두체 구조(6)가 형성될 수 있다. 개구(62)의 면적은 저부의 면적보다 더 적다. 특정 형상의 상기 중공 절두체 구조(6)는 끝이 절단된 피라미드이다. 따라서, 개구(62)의 형상은 직사각형이다. 분명히, 개구의 형상은 원형, 타원형 또는 2개의 곡면으로 이루어진 불규칙 다각형과 같은 기타 다각형일 수 있거나 또는 중공 절두체 구조(6)의 상이한 형상으로 인하여 분화구-형상일 수 있다. 다른 관점에서, 측벽(61)은 서로 연결된 4개의 표면(도시되지 않음)에 의해 형성된다. 서로 연결된 2개의 표면은 연결 부위에서 교차하여 예리한 코너를 형성하고, 또 상기 예리한 코너의 곡률반경은 0 내지 0.01 mm, 예컨대 0.005 mm이다. 다른 관점에서, 측벽(61)의 내부 표면 및 외부 표면 측벽(61)은 개구(62)에서 교차하여 플랜지(7)를 형성한다. 플랜지는 예리한 코너이다. 상기 예리한 코너의 곡률 반경은 0 내지 0.01mm, 예컨대 0.005mm이다. 상기 예리한 코너의 특정 곡률 반경은 0 내지 0.01 mm이며, 이는 2개 면이 교차되어 있는 위치가 비연속적 경로 또는 비평탄한 경로에 있어서 예리한 턴(turn)을 형성함을 도시한다. 플랜지(7)는 핵생성 부위 및 공동 중의 액체의 과열 온도를 증가시키는데 유리하다. 따라서 핵비등 열전달이 강화되고 또 열교환 면적이 동시에 증가된다. 따라서, 비등 열전달 계수는 더 낮은 온도차에서 25% 이상 증가된다. 본 발명에 따르면, 내부 핀 홈(2)의 저부(21)에서 중공 절두체 구조(6)의 높이(H1)는 0.08 내지 0.30 mm이다. 다른 관점에서, 내부 핀 홈(2)의 2개 면의 측벽은 중공 절두체 구조(6)의 측벽(61)의 일부가 아니다. 중공 절두체 구조(6)를 둘러싸는 측벽(61)은 내부 핀 홈(2)의 저부(21)에서부터 내부 핀 홈(2)의 상부를 향하여 연장되며 또 내부 핀 홈(2)의 중간까지 수평적으로 가깝게 간다. 다른 관점에서, 중공 절두체 구조(6)의 높이(Hr) (즉, 상술한 H1) 및 내부 핀 홈(2)의 높이(H)는 다음 관계를 만족한다: Hr/H은 0.2보다 크거나 동일하며, 즉 내부 핀 홈(2)의 높이는 외부 핀(1)의 높이이거나 또는 내부 핀 홈(2)의 상부에 있는 개구(4)(즉, 개구(4)는 이웃하는 외부 핀(1)의 측면 연장체(8)의 상대적 연장에 의해 형성된 슬릿임)의 중심점과 내부 핀 홈(2)의 저부(21) (내부 핀 홈(2)의 상부가 연장된 재료의 상부에 의해 덮여 질 때) 사이의 거리이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시양태에 따른 튜브 본체(5)의 외부 표면 상의 공동 구조를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 중공 절두체 구조(6)는 화산과 같은 형상이다. 제조를 실시할 때, 재료가 압출에 의해 형성되기 때문에, 상부에 있는 개구(62)의 에지는 충분히 성형되지 않을 수 있다. 중공 절두체 구조(6)의 형상은 화산과 유사하며, 중공 절두체 구조(6)의 상부의 개구(62)는 하방으로 바깥쪽으로 지그재그 에지로 연장되는 분화구와 유사하다. 중공 절두체 구조(6)가 화산과 유사한 형상이면, 플랜지(7)는 꽃잎 모양의 에지와 유사한 형상이다. 다른 특징은 도 4에 도시된 실시양태와 동일하다.

도 6은 본 발명에 따른 제3 실시양태에 따른 중공 절두체 구조(6)를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 중공 절두체 구조(6)는 절단된 상부를 갖는 중공 사다리꼴 절두체와 같은 형상일 수 있다. 개구(62)의 형상은 직사학형이다.

도 7은 본 발명에 따른 제4 실시양태에 따른 중공 절두체 구조(6)를 개략적으로 도시하는 사시도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 중공 절두체 구조(6)는 절단된 상부를 갖는 중공 원뿔 절두체와 같은 형상일 수 있다. 개구(62)의 형상은 원형이다. 또한, 중공 절두체 구조(6)는 중공 사면 절두체 플랫폼같은 형상일 수 있다. 개구(62)의 형상은 삼각형이다.

본 발명에 따르면, 암나사 (도시되지 않음)는 튜브 내의 열교환 계수를 강화시키기 위하여 프로파일드 맨드렐(profiled mandrel)을 사용하는 것에 의해 튜브 본체(5)의 내부 표면 상에서 가공될 수 있다. 암나사가 많을수록, 나사선 줄 수(number of the starts of the thread)가 많아지고, 또 튜브 내의 열전달 개시능이 더 강력해지는 한편, 튜브 내에 더 많은 유체 저항이 있을 것이다. 따라서, 상술한 제1 실시양태에 따르면, 암나사의 높이는 모두 0.36 mm이고 또 암나사와 축 사이의 각도(C)는 46도이다. 나사선 줄수는 38이다. 이들 암나사는 열전달의 경계층의 두께를 감소시킬 수 있으므로, 대류성 열전달 계수가 증가될 수 있다. 다른 관점에서, 총 열전달 계수는 증가된다.

열교환기에서 본 발명의 작동은 다음과 같다:

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 튜브 본체(5)는 열교환기(9)(증발기)의 튜브 플레이트(10)에 고정된다. 냉매 (예컨대 물)는 물 챔버(11)의 입구(12)로부터 튜브 본체(5)를 통하여 흘러, 튜브 본체 밖의 냉매와 열을 교환한 다음, 물 챔버(11)의 출구(13)로부터 배출된다. 냉매는 입구(14)로부터 열교환기(9)로 흐르며 튜브 본체(5)를 잠기게 한다. 냉매는 튜브의 외부 벽의 가열에 의해 가스로 증발되어 출구(15)로부터 열교환기(9) 밖으로 배출된다. 튜브 내의 냉매는 냉매의 증발이 흡열성이기 때문에 냉각된다. 따라서, 비등 열전달 계수는 냉매의 핵비등의 강화에 유리한 상기 튜브 본체(5)의 외벽 구조 덕분에 효과적으로 증가된다.

그러나, 튜브 본체(5)의 내벽 상에서는, 암나사 구조가 튜브 내의 열교환 계수를 증가시키는데 유리하므로, 전체 열교환 계수를 증가시키고, 결과적으로 열교환기(9)의 성능을 향상시키고 또 금속의 소비를 감소시킨다.

도 9를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브의 비등 열전달의 성능에 대한 시험이 실시된다. 시험된 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브는 제1 실시양태에 따라 제조된다. 튜브 본체(5) 상의 외부 핀(1)은 나사형 핀이다. 외부 핀(1)을 갖는 본체(5)의 외경은 18.89 mm이고; 내부 핀 홈의 높이(H)는 0.62 mm이며 또 폭(W)은 0.522 mm이다. 중공 절두체 구조(6)는 상부가 절단된 피라미드 형상이다. 서로 연결된 측벽(61)의 4개 표면은 연결부위에서 교차하여 4개의 예리한 코너를 형성한다. 상기 예리한 코너의 곡률반경은 0.005 mm이다. 플랜지(7)는 측벽(61)의 냅 표면 및 측벽의 외부 표면에 의해 개구(62)에서 형성된다. 플랜지(7)는 예리한 코너이고 또 상기 예리한 코너의 곡률반경은 0.005 mm이다. 중공 절두체 구조(6)의 높이(H1)는 0.2 mm이고 또 폭은 0.522 mm이다. 암나사는 사다리꼴 나사이고, 높이(h)는 0.36 mm이며 또 나사의 피치는 1.14 mm이다; 나사와 축 사이의 각도(C)는 46도이다; 나사선 줄수는 38이다. 대조적으로, 중공 절두체 구조는 다른 열전달 튜브의 내부 핀 홈(2)의 저부 상에서 가공되지 않는다. 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 시험의 결과는 본 발명에 따라 제조된 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브 및 종래 기술에 따라 제조된 증발열 전달 튜브 사이의 튜브 밖의 비등 열전달 계수의 비교를 나타낸다. 시험 조건은 다음과 같다: 냉매는 R134a 이다; 포화 온도는 14.4℃이고 또 튜브 내측에 있는 물의 유동속도는 1.6m/s 이다. 도면에서, 가로 좌표는 열 유량(W/m²)을 나타내고, 또 세로 좌표는 총 열전달 계수(W/m²K)를 나타낸다. 진한 사각형은 본 발명에 따라 제조된 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브를 나타내는 한편, 진한 삼각형은 종래 기술의 증발열 전달 튜브를 나타낸다. 따라서, 부가된 중공 절두체 구조(6) 덕분에, 본 발명에 따른 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브의 열전달 성능이 종래 기술과 비교하여 분명한 향상을 나타냄을 알 수 있다.

보통, 표면 조도를 증가시키면 핵비등 상태의 열 유량을 현저히 향상시킨다. 그 이유는, 거친 표면이 증기를 포획하는 복수의 공동을 가지고 있어서, 기포의 핵생성을 위한 더 많은 또 더 큰 공간을 제공하기 때문이다. 기포 성장하는 동안, 액체 박막이 내부 핀 홈(2)의 내벽을 따라 형성되며, 이어 상기 액체 박막은 증발에 의해 복수의 증기를 급속하게 생성한다. 내부 핀 홈(2)의 저부(21)에서 중공 절두체 구조(6)를 가공하는 것에 의해, 본 발명은 증발열 전달에 대하여 이하와 같은 이점을 갖는다:

1. 내부 핀 홈(2)의 저부(21)의 조도를 증가시키고 또 표면 면적을 증가시킨다;

2. 중공 절두체 구조(6)에 의해 형성된 예리한 코너에 의해 공동에서 액체 막의 두께를 감소시킨다; 다른 관점에서, 부분 액체 막의 비등을 강화시킨다. 비교 시험은 예리한 코너의 곡률 반경이 0.01 mm 미만이면, 열교환 효과가 매우 분명할 것이고, 5% 이상 증가할 것이라는 것을 나타낸다.

3. 중공 절두체 구조(6)에 의해 공동에서 형성된 슬릿 구조는 핵비등의 중심을 증가시켜서, 전체 공동의 비등 열교환을 강화시키는데 협력하는 이점이 있다.

요컨대, 본 발명의 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브는 정교하게 설계되고 또 간결한 구조를 이루고 있어 튜브의 외부 표면과 튜브 밖의 액체 사이의 비등계수를 현저하게 향상시키고, 비등시 열전달을 강화시키며 또 대규모 대중화 및 적용에 적합하다.

본 명세서에서, 본 발명은 그의 특정 실시양태를 참조하여 기재하였다. 그러나, 본 발명의 정신과 범위에서 벗어나지 않는 한, 다양한 변형과 변이가 가능함이 분명할 것이다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적이기 보다는 예시적인 것으로 간주되어야 한다.

Claims

튜브 본체를 포함하고; 상기 튜브 본체의 외부 표면 상에 외부 핀이 간격을 두고 배열되고, 2개의 인접한 외부 핀 사이에 내부 핀 홈이 형성되어 있고, 상기 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브는 적어도 하나의 중공 절두체(frustum) 구조를 더 포함하고; 상기 중공 절두체 구조는 상기 내부 핀 홈의 저부에 배열되고 상기 중공 절두체 구조는 측벽에 의해 둘러싸이고; 상기 중공 절두체 구조의 상부는 개구를 구비하며; 상기 개구의 면적은 상기 중공 절두체 구조의 저부 면적보다 더 적고; 상기 측벽의 내부 표면 및 상기 측벽의 외부 표면은 상기 개구에서 교차하여 플랜지(flange)를 형성하는, 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브로서,
내부 핀 홈의 2개 면의 측벽은 중공 절두체 구조의 측벽의 일부가 아니고,
중공 절두체 구조를 둘러싸는 측벽은 내부 핀 홈의 저부에서부터 내부 핀 홈의 상부를 향하여 연장되며 내부 핀 홈의 중간까지 수평적으로 가깝게 가고,
상기 측벽의 일부는 상기 내부 핀 홈의 측벽에 인접하는 상기 저부의 에지로부터 연장되는 것을 특징으로 하는, 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브.
제1항에 있어서, 상기 플랜지는 예리한 코너(sharp corner)이고 또 상기 예리한 코너의 곡률반경은 0 내지 0.01 mm인, 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브.
제1항에 있어서, 상기 측벽은 서로 연결된 적어도 2개의 표면에 의해 형성되는, 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브.
제3항에 있어서, 서로 연결된 2개의 표면은 연결부위에서 교차하여 예리한 코너를 형성하며, 상기 예리한 코너의 곡률반경은 0 내지 0.01 mm인, 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브.
제1항에 있어서, 상기 중공 절두체 구조는 중공 피라미드 절두체 형상, 중공 사다리꼴 각뿔대 형상，중공 사면(quadrihedron) 절두체 형상, 중공 화산 형상 또는 중공 원뿔 절두체 형상인, 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브.
제1항에 있어서, 상기 개구의 형상은 원형, 타원형, 다각형 또는 분화구 형상인, 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브.
제1항에 있어서, 상기 중공 절두체 구조의 높이는 0.08 내지 0.30 mm인, 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브.
제1항에 있어서, 상기 중공 절두체 구조의 높이(Hr) 및 상기 내부 핀 홈의 높이(H)는 다음 관계: Hr/H는 0.2보다 크거나 또는 동일함:
을 만족하는, 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브.
제1항에 있어서, 상기 외부 핀은 상기 튜브 본체의 외부 표면 주변에 나선형으로 연장되는 방식으로 또는 상호 평행한 방식으로 원주식으로 분포되며; 상기 내부 핀 홈은 상기 튜브 본체 주변에 원주식으로 형성되는, 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브.
제1항에 있어서, 상기 외부 핀은 측면 연장체(laterally elongated body)를 갖고; 상기 외부 핀의 상부는 측면으로 연장하여 상기 측면 연장체를 형성하는, 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브.
제1항에 있어서, 암나사는 상기 튜브 본체의 내부 표면 상에 배치되는, 중공 공동을 갖는 증발열 전달 튜브.
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