KR102074514B1 - 열교환기용 분지관 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 U자 형상으로 절곡되어 서로 대칭되는 유로를 가지는 한 쌍의 지관과, 상기 지관의 중심에서 일체로 연결되며 상기 지관의 직경보다 상대적으로 큰 직경을 가지는 합류관을 포함하는 분지관의 제조방법에 있어서, 소재관을 마련하고, 마련된 소재관의 길이를 절단하는 단계와, 상기 소재관을 U자 형상으로 벤딩 가공하는 단계와, 최종 분지관의 형상에 대응하는 금형의 내부에 U자 형상으로 벤딩된 소재관을 배치하는 단계와, 상기 금형에 구속된 소재관의 내부로 압력 유체를 주입하여 소재관의 중앙부분에서 합류관이 압출되도록 하는 단계와, 합류관의 단부를 절단하는 단계를 포함하는 열교환기용 분지관 제조방법을 제공한다.

Description

열교환기용 분지관 및 그 제조방법{Y tube for heat exchanger and manufacturing method thereof}

본 발명은 원형관 열교환기에 사용되는 분지관 및 그 제조방법에 관한 것이다.

원형관 열교환기는 복수의 전열관을 흐르는 냉매와 전열관의 외부를 흐르는 공기를 열교환시키는 장치이다.

원형관 열교환기의 열교환 효율은 냉매의 측면에서 살펴보면, 전열관의 내부를 흐를때 발생하는 압력 손실이 주요한 요소이다. 또한 공기의 측면에서 살펴보면 전열관의 외부를 통과할 때 발생하는 공기압 손실이 주요한 요소이다.

또한, 단위 체적당 열교환 효율을 향상시키기 위해서는 전열관의 직경이 작은 것이 유리하다.

도 1은 일반적인 원형관 열교환기를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 원형관 열교환기는 유입측 헤더(22)와 유출측 헤더(24)와 이들을 병렬로 연결하는 복수의 전열관(25)을 포함한다. 각각의 헤더(22,24)와 전열관(25)은 연결관(10)을 통하여 연결된다.

그런데, 이러한 구조는 전열관과 헤더(22,24)의 유로 단면적의 차이가 커서 냉매가 전열관(25)에서 헤더(24)로 유입될 때 압력 손실이 크게 발생하는 문제점을 가지고 있었다.

도 2는 분지관을 이용한 원형관 열교환기를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이 분지관을 이용한 원형관 열교환기는 헤더(22,24)와 복수의 전열관(25)을 분지관(100)으로 연결하되, 분지관의 단면적 보다 합류관의 단면적을 크게 함으로써, 냉매가 전열관(25)에서 헤더(24)로 유입될 때 발생하는 압력 손실을 저감할 수 있다.

도 1과 같은 형태의 열교환기에서 발생하는 냉매의 압력손실 100% 라고 하면, 도 2와 같이 분지관을 적용할 경우 냉매의 압력 손실은 92% 수준으로 낮아지게 된다.

그런데, 분지관의 제조 공정이 까다로워 제조 공정에서 불량 발생이 많은 문제점을 가지고 있었다.

관련선행문헌으로는 일본 공개특허 2011-247571호 (공개일자 2011년 12월 8일) '열교환 장치 및 이에 이용하는 연락관'이 있다.

상기 선행문헌은 냉매의 압력 손실을 저감하는 분지관의 구성에 관하여 개시하고 있으나, 이러한 분지관을 제조하기 위한 구체적인 방법에 관해서는 개시되어 있지 않다.

열교환기에 사용되는 전열관의 직경이 수mm 수준이고, 전열관의 두께 0.5mm 이한 것을 고려하면, 이러한 형상을 가지는 연락관을 양산성 있게 제조하기는 어려운 실정이었다.

일본 공개특허 2011-247571호 (공개일자 2011년 12월 8일)

본 발명의 목적은 열교환기의 효율을 향상시킬 수 있는 분지관을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 열교환기의 내부에서 발생하는 냉매의 압력 손실을 저감할 수 있도록 하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 정확한 형상을 가지는 열교환기용 분기관의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 불량 발생율을 감소시키고 공정을 단순화한 열교환기용 분기관의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 U자 형상으로 절곡되어 서로 대칭되는 유로를 가지는 한 쌍의 지관;과, 상기 지관의 중심에서 일체로 연결되며 상기 지관의 직경보다 상대적으로 큰 직경을 가지는 합류관;을 포함하되, 상기 합류관의 길이가 전체 길이의 20% 이상인 열교환기용 분지관을 제공한다.

상기 한 쌍의 지관의 직선구간 내측중심과, 상기 합류관의 내측중심을 연결하는 사이각이 85~95 범위인 것이 바람직하다.

상기 분지관의 하부에 전열관과의 결합 길이를 설정하는 스토퍼링을 구비하면 더욱 바람직하다.

상기 한 쌍의 지관의 중심 사이의 간격은 상기 분지관의 직경의 2배 내지 5배 범위인 것이 바람직하다. 지관에 결합되는 전열관을 통과하는 공기와의 열교환 효율을 위한 것이다.

상기 합류관의 길이는 10mm 이상이 되도록 하여, 합류관과 열교환기 헤더의 용접에 자동용접장치를 이용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명은 U자 형상으로 절곡되어 서로 대칭되는 유로를 가지는 한 쌍의 지관과, 상기 지관의 중심에서 일체로 연결되며 상기 지관의 직경보다 상대적으로 큰 직경을 가지는 합류관을 포함하는 분지관의 제조방법에 있어서, 소재관을 마련하고, 마련된 소재관의 길이를 절단하는 단계와, 상기 소재관을 U자 형상으로 벤딩 가공하는 단계와, 최종 분지관의 형상에 대응하는 금형의 내부에 U자 형상으로 벤딩된 소재관을 배치하는 단계와, 상기 금형에 구속된 소재관의 내부로 압력 유체를 주입하여 소재관의 중앙부분에서 합류관이 압출되도록 하는 단계와, 합류관의 단부를 절단하는 단계를 포함하는 열교환기용 분지관 제조방법을 제공한다.

상기 소재관으로는 벤딩 가공되는 중앙부와 양측부가 이종 재질인 이종 접합관이 적용될 수 있으며, 단일 재질의 소재관이 적용될 수도 있다.

본 발명에 따른 분지관을 적용하면 열교환기를 흐르는 냉매의 압력 손실을 저감할 수 있는 효과를 가져온다.,

또한, 본 발명은 작은 직경을 가지는 분지관을 높은 정밀도로 제조할 수 있는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 자동화 기기를 이용하여 헤더와 용접이 가능한 분지관을 제공한다.

본 발명에 따른 열교환기용 분지관 제조방법은 벤딩 가공 후, 금형에 구속된 상태에서 액압 성형을 통하여 합류관이 압출 성형 되므로, 성형 불량 발생을 대폭 저감할 수 있다. 아울러 벤딩 가공에서 불량이 발생한 경우 불량이 발생한 소재는 액압 성형의 단계를 수행하지 않게 되므로, 불량 발생에 따른 공정 손실을 절감하는 효과도 가져온다.

도 1은 일반적인 원형관 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 2는 분지관을 이용한 원형관 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 열교환기용 분지관을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 열교환기용 분지관의 형상과 규격을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 종래의 열교환기용 분지관을 제조하는 공정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 열교환기용 분지관을 제조하는 공정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기용 분지관과 그 제조를 위한 소재관을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 열교환기용 분지관 및 그 제조방법에 대해, 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구용적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 3은 본 발명에 따른 열교환기용 분지관을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 열교환기용 분지관의 형상과 규격을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 열교환기용 분지관(100)은 U자 형상으로 절곡되어 서로 대칭되는 유로를 가지는 한 쌍의 지관(120)과, 상기 지관(120)의 중심에서 일체로 연결된 합류관(110)을 포함한다.

지관(120)은 중심선이 곡선인 벤딩구간(121)과 중심선이 직선인 직선구간(122)을 포함한다. 벤딩구간(121)은 후술하는 제조 공정에 있어서 벤딩 가공에 의하여 굽혀지는 구간이다.

합류관(110)의 직경(d1)은 지관(120)의 직경보다 크게 형성되는 것이 바람직하다. 분지관(100)이 압력 손실을 저감의 효과를 가지기 위해서는 합류관(110)의 직경이 지관(120)의 직경보다 크게 형성되어야 한다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기용 분지관(100)은 도면을 기준으로 상부의 합류관(110)과, 상기 합류관(110)에서 연결되어 양측으로 분기되는 한 쌍의 지관(120)을 포함한다.

본 발명에 따른 분지관(100)은 합류관(110)의 축 중심에 대하여 좌우 대칭 형상을 가진다.

분지관(100)을 흐르는 냉매의 압력 손실을 저감하기 위해서는 지관(120)에서 합류관(110)으로 연결되는 곡선 구간의 형상이 매우 중요하다.

곡선 구간의 형상은 분지관의 직선구간이 시작하는 중심과, 합류관의 직선구간이 시작하는 중심을 연결하는 두 선분의 사이각에 의하여 정해질 수 있다.

이 부분의 각도(θ)는 85~95°범위, 더욱 바람직하게는 90°내외 인 것이 바람직하다. 각도가 상기 범위보다 커지게 되면 지관에서 합류관으로 흐르는 냉매의 유로 저항이 커지는 문제점이 있다.

반대로 각도가 상기 범위보다 작아지게 되면 합류관(110)이 압출되는 부분의 소재에 과도한 변형이 가해지기 때문에 합류관(110)의 두께를 확보하기 곤란한 문제점이 발생한다.

또한 분지관의 전체 길이를 L이라 하고, 합류관의 길이를 L1이라 할 때, L/L1은 5 이하가 되는 것이 바람직하다. 또한 절대적인 길이로는 합류관의 길이는 10mm 이상 확보하는 것이 바람직하다. 앞서 살펴본 바와 같이 합류관은 헤더에 결합되어야 하는데, 합류관의 길이가 10mm 미만이 되면 자동 용접설비를 적용할 수 없기 때문이다.

한편, 지관(120)의 중심사이의 간격(G)은 지관의 직경의 2배에서 5배 사이인 것이 바람직하다.

지관의 중심 사이의 간격은 전열관을 통과하는 공기의 압력 손실과 관련되며, 또한 열교환기의 전체 크기에 영향을 준다.

지관의 중심사이의 간격이 지관의 직경의 2배 미만이면 전열관 사이의 간격이 좁아서, 전열관을 통과하는 공기의 압력 손실이 증가하고 또한 충분한 열교환 효과를 얻을 수 없다.

반대로 지관 중심사이의 간격의 지관의 직경의 5배를 초과하며, 공기의 압력 손실을 감소하나 열교환기의 크기가 지나치게 커지는 단점을 가진다.

도 5는 종래의 열교환기용 분지관을 제조하는 공정을 나타낸 도면이다.

열교환기용 분지관은 액압 성형 방법으로 제조될 수 있다.

도시한 바와 같이, 소재관(90)을 절단한 후, 절단되 소재관(90)을 금형에 장착하고, 소재관의 양단에 압력을 인가하여 합류관이 소재관의 중앙부에서 압출 형성되도록 한다. 다음으로 압출관의후, 분지관을 U자 형상으로 벤딩 가공한 후 스토퍼링(150)일 형성한다. 스토퍼링(150)은 별도로 분지관에 부착되거나, 분지관을 국부적으로 확관하여 형성할 수 있다.

스토퍼링(150)은 전열관을 분지관에 결합시킬 때 전열관의 결합 길이를 용이하게 조절할 수 있도록 하는 역할을 수행한다.

그런데, 종래의 이러한 제조 방법은 확관 성형을 한 후에 분지관의 벤딩 가공을 수행하기 때문에, 벤딩 가공시 합류관 부분이 공정에 간섭을 주는 문제점을 가지고 있다.

그로 인하여, 벤딩 가공후에 제품의 치수 정밀도를 확보하기 어려운 문제점을 가지고 있었다.

왜냐하면, 분지관의 규격 중에서 매우 중요한 사항은 합류관이 U자형 분지관의 정 중앙에 배치되어 합류관의 길이 방향과 두개의 분지관의 길이 방향이 평행하게 형성되어야 하는데, 벤딩 과정에서 벤딩 가공의 중심점에서 오차가 발생할 경우 합류관이 분지관의 중심에서 벗어나기 때문이다.

아울러, 액압 성형을 한 후 다시 벤딩 가공을 수행한 후에야 성형 불량을 확인할 수 있어서, 불량 발생으로 비용 손실이 매우 큰 문제점을 가지고 있었다.

도 6은 본 발명에 따른 열교환기용 분지관을 제조하는 공정을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기용 분지관 제조방법은 소재관을 마련하고, 소재관의 길이를 절단하는 단계와, 소재관을 U자 형상으로 벤딩 가공하는 단계와, 최종 분지관의 형상에 대응하는 금형의 내부에 U자 형상으로 벤딩된 소재관을 배치하는 단계와, 소재관의 내부로 압력 유체를 주입하여 소재관의 중앙부분에서 합류관이 압출되도록 하는 단계와, 합류관의 단부를 절단하고 스토퍼링을 형성하는 단계로 이루어진다.

이 때, 압력 유체로는 물을 사용하는 것이 바람직하다. 이는 환경 오염의 측면과 공정의 편의성을 위한 것이다.

이러한 제조 방법은 소재관(90)을 벤딩 가공한 후에 액압 성형을 수행하기 때문에, 벤딩 가공시에는 직선관을 이용하게 된다. 따라서 종래 기술과 비교하면 합류관의 간섭 없이 벤딩 가공을 수행할 수 있기 때문에, 작업성이 우수하고 치수 정밀도 확보에 용이한 효과를 가진다.

또한, U자 형상의 소재관을 분지관 형상의 금형(60)에 배치한 후 액압 성형을 수행하기 때문에, 액압 성형 공정에서 성형 불량 발생을 대폭 저감할 수 있다.

금형이 정확한 형상을 가지고 있고, 그 내부에서 소재관의 합류관이 압출로 형성되기 때문에 분기관과 합류관의 형상 정밀도가 매우 우수하게 된다.

한편, 합류관을 액압 성형을 통한 압축 형태로 형성하게 되므로, 합류관의 소재 두께가 지관에서 멀어질 수록 박형화 되므로, 합류관 형상의 금형의 외경이 일정하더라도 합류관의 내경은 단부로 갈수록 확대되는 형태로 제조된다.

따라서, 지관에서 합류관을 통해 헤더로 유입되는 냉매의 압력 손실을 더욱 저감할 수 있는 효과를 가져온다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기용 분지관과 그 제조를 위한 소재관을 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 열교환기용 분지관은 이종 접합 소재관(90')을 이용하여 제조할 수도 있다.

도시된 바와 같이, 중앙부(91)와 양측부(92)가 서로 다른 이종 재질의 소재관을 이용하여 제조할 수 있다.

중앙부(91)는 굽힙 가공과, 액압 성형에 의하여 소재에 변형이 발생하는 구간이나, 양측부(92)는 가공에 의하여 변형되지 않는 구간이다.

따라서, 중앙부(92)에만 국부적으로 가공성이 우수한 재질을 적용된 이종 재질 소재관을 이용하여 제조원가를 절감하고, 성형성을 향상시킬 수 있다.

예를 들어, 중앙부(92)는 연신율이 우수한 탄소강을 적용하고, 양측부는 열교환 성능을 위하여 구리재질의 관을 적용할 수 있다.

또한, 용접성을 고려하여, 중앙부는 헤더와 동종의 재질을 적용할 수도 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 열교환기용 분지관 및 그 제조방법을 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

100 : 분지관
110 : 합류관
120 : 지관
121 : 벤딩구간
122 : 직선구간
150 : 스토퍼링
50,60 : 금형
90.90' : 소재관

Claims (10)

1. U자 형상으로 절곡되어 서로 대칭되는 유로를 가지는 한 쌍의 지관;
   상기 지관의 중심에서 일체로 연결되며 상기 지관의 직경보다 상대적으로 큰 직경을 가지는 합류관;을 포함하되,
   상기 합류관은 중앙부분과 양측부가 서로 다른 이종 재질을 압출하여 형성되며,
   상기 합류관의 길이가 전체 길이의 20% 이상인 열교환기용 분지관.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 지관의 직선구간 내측중심과, 상기 합류관의 내측중심을 연결하는 사이각이 85~95°범위인 것을 특징으로 하는 열교환기용 분지관.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 분지관의 하부에 전열관과의 결합 길이를 설정하는 스토퍼링을 구비하는 열교환기용 분지관.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 지관의 중심 사이의 간격은 상기 분지관의 직경의 2배 내지 5배 범위인 것을 특징으로 하는 열교환기용 분지관.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 합류관의 길이는 10mm 이상인 것을 특징으로 하는 열교환기용 분지관.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 합류관과 상기 지관은 이종 금속 재질인 것을 특징으로 하는 열교환기용 분지관.
   
7. U자 형상으로 절곡되어 서로 대칭되는 유로를 가지는 한 쌍의 지관과, 상기 지관의 중심에서 일체로 연결되며 상기 지관의 직경보다 상대적으로 큰 직경을 가지는 합류관을 포함하는 분지관의 제조방법에 있어서,
   벤딩 가공되는 중앙부와 양측부가 이종 재질인 이종 접합의 소재관을 마련하고, 마련된 소재관의 길이를 절단하는 단계와,
   상기 소재관을 U자 형상으로 벤딩 가공하는 단계와,
   최종 분지관의 형상에 대응하는 금형의 내부에 U자 형상으로 벤딩된 소재관을 배치하는 단계와,
   상기 금형에 구속된 소재관의 내부로 압력 유체를 주입하여 소재관의 중앙부분에서 합류관이 압출되도록 하는 단계와,
   합류관의 단부를 절단하는 단계를 포함하는 열교환기용 분지관 제조방법.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 압력 유체로 물을 이용하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 분지관 제조방법.
   
9. 삭제
10. 제 7 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 지관의 하부에 스토퍼링을 형성하는 공정을 더 포함하는 열교환기용 분지관 제조방법.

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