KR0140626B1 - 열교환기의 열교환구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기조화기에서 열원인 전열관으로의 기류유입을 집중시켜 열전달능력을 향상시키는 동시에 공기유동방향의 하부측 스트립수를 증가시켜 난류화를 더욱 극대화하여 전열성능을 향상시키고자 발명한 열교환기의 열교환구조에 관한 것으로, 설정된 간격마다 다수 적충되어 열전도되도록 하는 열교환핀(10)과, 열교환핀(10)에 대하여 직각으로 관통되어 이송되는 냉매가 열교환되도록 하는 전열관(20)으로 구성된 열교환기에 있어서, 전열관(20)사이의 중간부를 기준으로 상호 대칭되게 양측단을 기류방향과 설정된 각도로 형성하여 전열관(20)으로 공기가 많이 유입되도록 열교환핀(10)에 다수의 스트립(11)이 돌출형성되는 입구측(12a)과, 전열관(20) 주위를 통과한 공기의 유속을 증가시켜 열교환을 높이도록 하고 전열관(20) 후방에서 발생하는 유동정체를 방지하도록 열교환핀(10)에 다수의 스트립(11)이 돌출형성되어 입구측(12a)보다 큰 각도로 출구측(12b)을 형성하여 X자형의 스트립부(A)로 구성한 것이다.

Description

열교환기의 열교환구조

제1도는 종래 열교환기의 사시도

제2도는 종래 열교환기의 측면도

제3도는 제2도의 스트립부의 평단면도

제4도는 제2도의 전열 스트립부의 요부를 발췌한 정면도

제5도는 제2도의 후열 스트립부의 요부를 발췌한 정면도

제6도는 본 발명 열교환기의 측면도

제7도는 제6도의 평면도

제8도는 본 발명 다른 실시예로써, 열교환기의 측면도

제9도는 제8도의 A-A선 단면도

제10도는 제8도의 B-B선 단면도

* 도면중 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 열교환핀11 : 스트립

11a : 양측벽12a : 입구측

12b : 출구측20 : 전열관

본 발명은 공기조화기에 사용되는 열교환기의 열교환핀에 관한 것으로, 특히 열원인 전열관으로의 기류유입을 집중시켜 열전달능력을 향상시키는 동시에 공기유동 방향의 하부측 스트립수를 증가시켜 난류화를 더욱 극대화하여 전열성능을 향상시키고자 발명한 열교환기의 열교환구조에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 제1도와 같이, 설정된 간격마다 다수 적층되어 열전도 되도록 하는 열교환핀(10)과, 열교환핀(10)에 대하여 직각으로 관통되어 이송되는 냉매가 열교환되도록 하는 전열관(20)으로 구성되어 있다.

이러한 열교환기는 전열관(20)에서 열교환핀(10)으로 열이 전달되는 전도현상과, 열교환핀(10)에 공기로 열이 전달되는 대류현상으로 열교환이 이루어지고 있다.

그런데, 종래에는 공기와의 열교환을 촉진하기 위하여 제2도 내지 제5도와 같이, 각 열교환핀(10)의 면상에 전, 후방향으로 스트립(11)을 각각 절곡하여 돌출되게 하였다.

상기 스트립(11)은, 2열로 설정된 간격마다 지그재그로 배열된 전열관(20) 사이마다 양측 전열관(20)의 중심선상의 중간으로 부터 양측방향(전열관방향)으로 향하여 순차적으로 스트립(11)의 갯수를 늘려 일정한 각도로 경사지게 X자형으로 설치하여 기류의 원활한 흐름을 유도하도록 하였다.

또, 전열(첫번째 열)의 스트립부(A)와 후열(두번째 열)의 스트립부(B)의 형상을 각각 다르게 구성하였으며, 스트립(11)의 높이는 열교환핀(10)의 칼라높이(h)의 1/2로 돌출되게 형성하였다.

따라서 열교환기의 열교환은, 고온의 냉매가 흐르는 전열관(20)에서 열교환핀(10)으로 열전도되며, 열교환핀(10)은 그 자체와 다수의 스트립(11)에 열전도된 상태에서 열교환핀(10)과, 열교환핀(10)에 돌출된 스트립(11) 내부로 공기가 통과하면서 대류작용에 의하여 공기로 열이 방출되도록 하는 것이다.

그런데 실제 가정용 공기조화기의 전방에 유입되는 공기속도가 1.5-1.0m/s 이기 때문에 X자형 스트립부(A)/(B)를 통과하여 전열관(20) 주위로 유입될 때 공기유속을 빠르게 하는 것보다 유입되는 공기양을 증가시키는 것이 보다 효율적이다.

그런데 전열관(20) 주위의 기류유동을 원활하게 하는 에어펜스역할을 하는 스트립(11)의 양측벽(11a)은 X자형 스트립부(A)(B)로 인해 열교환핀(10)면으로 기류를 낭비하게 되는 문제점이 있었다.

특히, 스트립부(A)의 좌, 우측으로 부터 유입되는 공기의 흐름을 원활하게 할 수 있으나, 대부분 스트립부(A)의 전방으로 유입되기 때문에 기류의 충돌로 인한 압력손실이 더욱 증가하게 되는 문제점이 있다.

또한, X자형 스트립부(A)(B)에 의하여 전열관(20) 부분으로 유입되는 기류유입구 면적이 축소되어 유입량이 줄어드므로 1차 열교환을 하는 전열관(20)에서의 열전달 성능이 현저히 낮아지는 문제점이 있었다.

특히, X자형 스트립부(A)(B)는 전열관(20)으로 부터 진행하여 1차 열교환을 원활히 수행하는 스트립(11)과, 스트립(11)의 절곡으로 인하여 형성된 절취홈에 의하여 열의 단속부분이 많이 형성되므로 기류의 낭비가 많고 2차적 열교환을 하는 전도효과가 취약해지며, 더우기 스트립(11)수를 늘리는 것은 기류의 난류촉진이외에 압력손실을 더욱 증대시키는 문제점이 있어 오히려 자체성능을 감소하게 되는 문제점이 있었다.

따라서 열교환핀(10)은 돌출된 스트립부(A)에 의하여 공기흐름을 차단하는 부분이 많아 자체 압력손실을 항상 가지고 있으므로, 1차 열교환을 하는 전열관(20)에서의 열전달성능을 증대시키는 것이 무엇보다도 중요하다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 열원인 전열관으로의 기류유입을 집중시켜 열전달능력을 향상시키는 동시에 공기유동방향의 하부측 스트립수를 증가시켜 난류화를 더욱 극대화하여 전열성능을 향상시키도록 발명한 열교환기의 열교환구조를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 설정된 간격마다 다수 적층되어 열전도되도록 하는 열교환핀과, 열교환핀에 대하여 직각으로 관통되어 이송되는 냉매가 열교환되도록 하는 전열관으로 구성된 열교환기에 있어서, 전열관사이의 중간부를 기준으로 상호 대칭되게 양측단을 기류방향과 설정된 각도로 형성하여 전열관으로 공기가 많이 유입되도록 열교환핀에 다수의 스트립이 돌출형성되는 입구측과, 전열관주위를 통과한 공기의 유속을 증가시켜 열교환을 높이도록 하고 전열관후방에서 발생하는 유동정체를 방지하도록 열교환핀에 다수의 스트립이 돌출형성되어 입구측보다 큰 각도로 출구측을 형성하여 X자형의 스트립부로 열교환기의 열교환구조를 구성한 것이 본 발명의 기본적인 특징이다.

상기 입구측의 각도(θ₁)는 0⁰ θ10⁰의 범위내로 하고, 출구측의 각도(θ₁)는 30⁰ θ42⁰의 범위내로 형성한다.

상기 스트립의 돌출높이는 열교환핀의 칼라높이(h)의 1/2 - 3/5h의 높이로 돌출되게 한다.

상기 스트립부의 배열은, 이웃하는 전열관사이의 중심선을 기준으로 입구측 스트립은 2-1-1 순으로, 출구측 스트립은 2-3-3 순으로 배열하거나, 전열관사이의 중간부를 중심으로 상, 하 대칭되게 스트립부의 중간부를 분리되게 한다.

상기 스트립부는 2-3-3- 순으로 배열된 출구측 스트립중 3-3 순으로 배열된 양측 끝단의 스트립의 길이를 동일하게 각각 평행으로 형성한다.

상기 열교환핀의 양측면에 난류믹싱효과와 경계층선단효과의 극대화를 위하여 다수의 스트립을 교호로 엇갈리게 배열한다.

이하 본 발명을 첨부도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도면 제6도 및 제7도는 본 발명의 실시예로써, 설정된 간격마다 다수 적층되어 열전도되도록 하는 열교환핀(10)과, 열교환핀(10)에 대하여 직각으로 관통되어 이송되는 냉매가 열교환되도록 하는 전열관(20)으로 구성된 열교환기에 있어서, 전열관(20)사이의 중간부를 기준으로 상호 대칭되게 양측단을 기류방향과 설정된 각도로 형성하여 전열관(20)으로 공기가 많이 유입되도록 열교환핀(10)에 다수의 스트립(11)이 돌출형성되는 입구측(12a)과, 전열관(20) 주위를 통과한 공기의 유속을 증가시켜 열교환을 높이도록 하고 전열관(20) 후방에서 발생하는 유동정체를 방지하도록 열교환핀(10)에 다수의 스트립(11)이 돌출형성되어 입구측(12a) 보다 큰 각도로 출구측(12b)을 형성하여 X자형의 스트립부(A)로 열교환기의 열교환구조를 구성한 것이 본 발명의 기본적인 특징이다.

상기 입구측(12a)의 각도(θ₁)는 0⁰ θ10⁰의 범위내로 하고, 출구측(12b)의 각도(θ₁)는 30⁰ θ₂ 42⁰의 범위내로 형성한다.

상기 스트립(11)의 돌출높이는 제7도에 도시된 바와같이 열교환핀(10)의 칼라높이(h)의 1/2 - 3/5h의 높이로 돌출되게 한다.

상기 스트립부(A)의 배열은 이웃하는 전열관(20) 사이의 중심선을 기준으로 입구측(12a)의 스트립(11)은 2-1-1 순으로, 출구측(12b)의 스트립(11)은 2-3-3- 순으로 배열하거나, 제8도 내지 제10도와 같이, 전열관(20) 사이의 중간부를 중심으로 상, 하 대칭되게 스트립부(A)의 중간부를 분리되게 한다.

상기 스트립부(A)는 2-3-3 순으로 배열된 출구측(12b)의 스트립(11)중 3-3 순으로 배열된 양측 끝단의 스트립(11)의 길이(ℓ)를 동일하게 각각 평행으로 형성한다.

상기 열교환핀(10)의 양측면에 제8도 내지 제10도와 같이 난류믹싱효과와 경계층선단효과의 극대화를 위하여 다수의 스트립(11)을 교호로 엇갈리게 배열한다.

이와같이 구성된 본 발명의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

압축기는, 전열관(20)내로 흐르는 고온의 냉매는 각 열교환핀(10)에 전달되어 전열관(20)을 중심으로 점착적으로 퍼져나가 자연스럽게 열전도흐름방향으로 열전달되며, 이때 열전도흐름방향으로 돌출형성된 스트립부(A)의 각 스트립(11)에 자연스럽고 신속하게 연절달되므로 열의 흐름을 방해하지 않게 되는 것이다.

이때, 설정된 간격으로 적층된 각 열교환핀(10) 사이로 통과하게 되는 공기는 각 열교환핀(10)과 스트립(11)에 전도된 열과 대류작용에 의하여 열교환이 이루어 지게 되는 것이다.

또, 스트립(11)은 입구측(12a)의 각도(θ₁)를 0⁰ θ10⁰의 범위내로 형성하여 전열관(20)으로 공기가 많이 유입되는 것이며, 또 출구측(12b)의 각도(θ₁)는 30⁰ θ₂ 42⁰의 범위내로 형성하여 전열관(20)주위를 통과한 공기의 유속을 증가시켜 열교환을 높이도록 하고 전열관(20) 후방에서 발생하는 유동정체를 방지할 수가 있는 것이다.

즉, 이웃하는 전열관(20) 사이에 소정의 스트립(11)을 가공하며 기류방향으로 부터 열교환핀(10)의 입구측(12a)의 스트립(11)수를 2-1-1순으로 형성하고, 출구측(12b)의 스트립(11)수를 2-3-3순으로 구성시켜 주므로서 단계적으로 기류를 분산시켜 경계층의 선단효과를 극대화할 수가 있는 것이다.

또, 기류유입방향인 입구측(12a)의 각도(θ₁)는 열교환핀(10)의 스트립(11)의 양측벽을 0⁰ θ10⁰의 범위내로 하고, 출구부(12b)의 각도(θ₁)는 30⁰ θ42⁰의 범위내로 형성하여 주므로서 입구측(12a) 기류의 대폭확대와, 출구측(12b)의 유동정체를 방지하여 열전달효율을 증가시키게 되는 것이다.

특히, 입구측(12a)보다 스트립(11)수를 출구측(12b)에 확대하므로서 2열배열시 2열측 전열관(20)의 열전달 상승효과를 극대화하였으며, 스트립(11)의 내측벽(11a)의 하부선을 잇는 선분과 스트립(11)의 외측벽(11b)을 잇는 선분이 평행하도록 그 길이(ℓ)를 동일하게 형성하여 전방에서 유입되는 공기의 흐름방향과 동일한 방향(양측벽은 제외)으로 유입하도록 하므로서 2열에서의 공기유입효과를 극대화할 수가 있는 것이다.

그런데, 가정용 열교환기는 풍속이 1.0-1.5m/s 밖에 되지 않기 때문에 기존에 사용된 X자형 스트립부의 에어펜스효과를 거의 얻을 수가 없다.

즉, 입구측(12a)의 스트립(11)의 양측벽을 전열관(20) 부근에 아주 가까이 구성하여 목부효과(유속의 빠름)를 높여 열전달을 증가시키는 데는 한계가 있다.

따라서, 본 발명은 공기입구측(12a)의 스트립(11)의 양측벽을 서로 멀리 구성시키므로서 유입되는 공기유속을 높이는 효과보다는 열원인 전열관 (20)과 직접 접촉하는 공기의 양을 대폭 증대시켜 1차 열전달을 수행하고, 2차로 출구측(12b)은 스트립(11)의 양측벽의 각도를 크게 형성하여 전열관(20)과 측벽사이의 간격을 좁게하여 유속을 증대시켜 전열관(20)의 출구측(12b)에서 발생할 지도 모르는 유동정체 효과를 제거할 수가 있는 것이다.

즉, 입구측(12a)은 많은 공기량이 유입되게 하고, 출구측(12b)은 공기유속을 증가시켜 열원인 전열관(20)으로 부터의 열교환효율을 증대시킨다.

따라서 유입되는 기류를 스트립(11)의 입구측(12a)과 출구측(12b)에 의하여 전열관(20) 주위로 안내하여 주므로 열원인 전열관(20)과의 1차 열교환을 최대로 할수가 있는 것이며, 또한 스트립(11)의 측벽(11a)을 타고 흐르므로 기류의 흐름이 원활하게 하여 압력손실을 감소시킬 수가 있는 것이다.

즉, 스트립(11)으로 인한 경계층선단효과와 난류효과로 인해 열교환핀(10)면으로 전달된 대류전달효과는 열교환핀(10)면을 지나 전열관(20)으로 전달되어 열교환 효율을 증대시킬 수가 있는 것이다.

또한, 스트립(11)의 출구측(12b)에 의하여 기류흐름을 전열관(20) 주위로 에워쌓게 되므로 전열관(20)의 후방에서 발생할지도 모르는 유동정체현상을 방지할 수가 있으며, 중간에 설치한 스트립(11)의 형상은 경계층 선단효과를 극대화할 수가 있는 것이다.

또, 풍속이 1.0-1.5m/s이고 전방에서 직각으로 유입되는 공기량이 대다수를 점하고 있기 때문에 출구측(12b)의 스트립(11)중 3-3으로 배열된 것중에서 중간부의 스트립(11) 측벽은 공기류 방향과 직각으로 설치되어 있어 전열관(20)이 2열로 엇갈림배열로 설치는 경우 후열의 전열관으로 2차 공기를 직접 받도록 할 수가 있는 것이다.

그리고 스트립(11)수는 기류를 분리하기 위해서 입구측(12a)은 적게 출구측(12b)은 다수개로 설치하여 난류믹싱효과와 경계측선단효과를 강화하였으며, 열교환핀(10)면을 기준으로 입, 출구측(12a)(12b)의 스트립(11) 수를 각각 다르게 구성하므로서 난류촉진, 경계층선단효과등의 열전달효과를 극대화하였다.

또한, 스트립(11)의 높이는 기존의 핀칼라높이(h)의 1/2인 반면 본 발명에서는 에어펜스효과를 극대화하기 위해서는 1/2 - 3/5로 하므로서 공기가 전열관주위를 원활히 흐르도록 안내할 수가 있는 것이다.

그리고 본 발명의 다른 실시예로써, 제8도 내지 제10도와 같이 기류의 입구측(12a)의 각도(θ₁)와 출구측(12b)의 각도(θ₂)는 동일하게 하고, 이웃하는 전열관(20) 사이의 중간부를 기준으로 하여 양측으로 대칭되게 2등분하고, 열교환핀(10)의 양측면에 형성되는 스트립(11)을 엇갈림배열하므로서 난류믹싱효과를 극대화하고 각 스트립(11) 사이를 열교환핀(10) 면을 그대로 유지하므로서 전도효과를 극대화할 수 있는 것이다.

특히, 열교환핀(10)면을 따라 그대로 이동하는 기류는 엇갈림배열로 이루어지는 2열의 전열관(20)에 직접 접촉할 수 있어 2열의 열교환 증대효과에도 기여할 수 있는 것이다.

이와같이 본 발명은 입구측 스트립측벽을 전열관주위로 부터 멀리 설치하여 열원인 전열관과 직접 접촉하는 공기양을 대폭 증대시켜 1차적인 열전달을 수행하며 출구측은 측벽의 설치각을 크게하여 목부효과를 발생시켜 전열관의 후방에서 발생할지도 모르는 유동정체효과를 해소시킬 수가 있는 것이며, 또한 출구측으로 갈수록 스트립수를 많이 설치하여 난류믹싱효과와 경계층선단효과를 극대화시키고, 기류흐름을 원활히 하도록 스트립을 배치하여 주므로서 기류의 유동저항을 감소시켜 압력손실의 감소효과를 얻을 수가 있는 것이다.

Claims (7)

1. 설정된 간격마다 다수 적층되어 열전도되도록 하는 열교환핀과, 열교환핀에 대하여 직각으로 관통되어 이송되는 냉매가 열교환되도록 하는 전열관으로 구성된 열교환기에 있어서, 전열관사이의 중간부를 기준으로 상호 대칭되게 양측단을 기류방향과 설정된 각도로 형성하여 전열관으로 공기가 많이 유입되도록 열교환핀에 다수의 스트립이 돌출형성되는 입구측과, 전열관주위를 통과한 공기의 유속을 증가시켜 열교환을 높이도록 하고 전열관후방에서 발생하는 유동정체를 방지하도록 열교환핀에 다수의 스트립이 돌출형성되어 입구측보다 큰 각도로 출구측을 형성하여 X자형의 스트립부로 구성한 것을 특징으로 하는 열교환기의 열교환구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 입구측의 각도(θ₁)는 0⁰ θ10⁰의 범위내로 하고, 출구측의 각도(θ₂)는 30⁰ θ₂ 42⁰의 범위내로 형성한 것을 특징으로 하는 열교환기의 열교환구조.
3. 제1항에 있어서, 상기 스트립의 돌출높이는 열교환핀의 칼라높이(h)의 1/2-3/5h의 높이로 돌출되게 한 것을 특징으로 하는 열교환기의 열교환구조.
4. 제1항에 있어서, 상기 스트립부의 배열은, 이웃하는 전열관사이의 중심선을 기준으로 입구측 스트립은 2-1-1 순으로, 출구측 스트립은 2-3-3 순으로 배열한 것을 특징으로 하는 열교환기의 열교환구조.
5. 제1항에 있어서, 상기 스트립부의 배열은, 전열관사이의 중간부를 중심으로 상, 하 대칭되게 스트립부의 중간부를 분리되게 한 것을 특징으로 하는 열교환기의 열교환구조.
6. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 스트립부는 2-3-3 순으로 배열된 출구측 스트립중 3-3 순으로 배열된 양측 끝단의 스트립의 길이를 동일하게 각각 평행으로 형성한 것을 특징으로 하는 열교환기의 열교환구조.
7. 제1항에 있어서, 상기 열교환핀의 양측면에 난류믹싱효과와 경계층선단효과의 극대화를 위하여 다수의 스트립을 교호로 엇갈리게 배열한 것을 특징으로 하는 열교환기의 열교환구조.