KR100213140B1 - 핀형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더 상세하게는 공기조화기 등에 사용되면서 외부공기와 열교환을 하는 핀형 열교환기에 관한 것이다.

본 발명은 기류가 통과하도록 평행하고 나란하게 설치된 다수의 핀, 적어도 두 개 이상을 열(列)을 이루면서 각 핀에 직각으로 관통되며 그 내부에는 작동유체가 흐르는 파이프, 상기 각 핀에 형성된 슬릿군을 구비하는 핀형 열교환기에 있어서,

상기 슬릿군은 핀의 표리(表裏) 양측으로 돌출됨과 동시에 열을 이루는 파이프(공)들의 중심을 연결한 선에 대하여 각각 대칭이 되며, 기류출구측에서 기류입구측으로 갈수록 열을 이루는 파이프들 사이에 형성된 슬릿의 열 수는 적은 것을 특징으로 하는 구성이다.

Description

핀형 열교환기

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더 상세하게는 공기조화기 등에 사용되면서 외부공기와 열교환을 하는 핀형 열교환기에 관한 것이다.

열교환기란 공기조화기 등과 같은 냉난방장치에 사용되면서 외부공기와 열교환을 하여 외부공기를 고온 또는 저온으로 만드는 장치이다. 핀형 열교환기(1)란 도 1에 도시한 바와같이, 여러번 밴딩된 파이프(3)에 박판형상의 핀(2)이 평행하면서 나란하게 다수 관통,결합된 것이다. 파이프(3)의 내부에는 온도 변화에 따라 상변화를 일으키는 작동유체가 흐르며 이 작동유체와 파이프 외부를 통과하는 공기가 열교환을 하는 것이다. 그리고 각 핀(2)은 파이프로부터 열을 전달받아 공기와 열교환 하는데,핀은 전열면적을 크게하여 열교환량을 증대시키는 기능을 한다.

핀형 열교환기의 각 핀에는 다수의 슬릿(Slit)이 형성된다. 이 슬릿들은 전열면적이 더욱 더 크도록 함과 동시에 공기가 파이프측을 통과하도록 슬릿군(群)을 형성하고 있다. 특히 공기가 파이프의 직후방측으로 통과할 수 있도록 안내한다.

위와같은 기능을 하는 슬릿군이 형성된 종래 핀형 열교환기의 일예로 일본특허공고번호 평6-89995호를 도 2,3에 도시하였다. 이를 설명하면,도 2a는 핀형 열교환기의 핀정면도이고 도 2b는 도 2a의 C-C선 단면도이며, 도 3a는 또 다른 핀형 열교환기의 핀정면도이고 도 3b는 도 3a의 C-C선 단면도이다.

모든 핀(2)에는 파이프가 삽입되는 파이프공(3a)이 다수의 열(列)을 이루도록 형성되고,열을 이루고 있는 각 파이프공들 사이에는 공기의 흐름 방향에 직각이 되도록 다수의 슬릿(Slit)이 형성된다(공기조화기 등에 설치된 팬에 의하여 강제로 흡입된 공기가 핀으로 이루어진 열교환기측으로 유입되어 토출될 때,공기가 유입되는 기류입구측에 배열된 파이프공들이 이루는 열을 둘째열(12)이라 하고 공기가 토출되는 기류출구측에 배열된 파이프공들이 이루는 열을 첫째열(11)이라 한다). 더 상세하게는,핀의 기류입구측에 배열된 둘째열(12)의 각 파이프공들 사이에는 세개의 열을 이루는 슬릿(6a,6b,8,10a,10b,10c;5a,5b,5c,8,9a,9b)이 형성되고,기류 출구측에 배열된 첫째열(11)의 각 파이프공들 사이에는 여섯 개의 열을 이루는 슬릿이 형성된다. 상기 둘째열(12)의 파이프공들 사이에 형성된 슬릿(6a,6b,8,10a,10b,10c; 5a,5b,5c,8,9a,9b)은 핀의 표리(表裏)중 어느 한쪽 방향으로만 돌출되게 형성되고 첫째열(11)에 형성된 슬릿은 핀의 표리양측으로 돌출되게 형성되어 있다. 그리고 둘째열의 슬릿의 형상은 첫째열에 형성된 슬릿중 자신과 같은 방향으로 돌출된 슬릿과 동일한 형상으로 형성되어 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 핀형열교환기는 다음과 같은 단점이 있었다. 상기 파이프공에 파이프를 삽입하고 핀과 파이프를 접촉시키기 위하여 파이프에 볼을 넣어서 파이프를 확관시킨다. 그러나 둘째열(12)의 파이프공들 사이에 형성된 슬릿은 둘째열을 이루는 파이프공의 중심을 연결한 선(A-A)에 대하여 비대칭이다. 이로인해 파이프를 확관시키면 파이프의 확관에 의하여 핀에서 파이프로 작용되는 상대력(力)이 불균형을 이루게 되어 핀과 파이프는 불균일하게 접촉된다. 즉,어느부위는 완전하게 접촉되고 다른 어느부위는 완전하게 접촉되지 않는 현상이 발생하게 되어 파이프에서 핀으로의 전열성능이 저하되는 단점이 있었다.

또한,둘째열의 파이프공 사이에 형성된 슬릿은 핀의 어느 한쪽 방향으로만 돌출되어 있으므로 핀과 핀이 연속적으로 나란하게 설치되었을 때,둘째열의 파이프공 사이에 형성된 슬릿은 인접하는 핀의 면과 인접된다. 그러므로 둘째열의 파이프공 사이에 형성된 슬릿의 상측(또는 하측)을 통과하는 공기는 슬릿의 저항을 적게 받으므로 슬릿과 적게 접촉하게되어 전열성능이 저하되는 단점이 있었다.

본 발명은 상기의 단점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 파이프공에 파이프를 삽입하여 파이프를 확관시킬 때 파이프와 핀이 균일하게 접촉되도록 열을 이루는 파이프공의 중심을 연결한 선에 대하여 대칭되게 슬릿을 형성하여 전열성능을 향상시킬 수 있는 핀형 열교환기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은,핀과 핀사이를 통과하는 공기가 슬릿의 저항을 많이 받도록 슬릿을 핀의 표리 양측으로 형성하여 전열성능을 더욱 향상시킬 수 있는 핀형 열교환기를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 핀에 삽입된 파이프의 직후방으로 더욱 더 많은 공기가 통과할 수 있도록 파이프와 인접되는 슬릿 부위를 파이프와 인접되지 않는 슬릿 부위 보다 높게 형성하여 전열성능을 더욱 더 향상시킬 수 있는 핀형 열교환기를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 열을 이루는 기류입구측의 파이프공들 사이에 형성된 슬릿의 열수를 열을 이루는 기류출구측의 파이프공들 사이에 형성된 슬릿의 열수 보다 적게하여 기류입출구측에서 이루어지는 열교환양을 비슷하게 할 수 있는, 그리하여 압력손실을 저감시키고 전열성능을 더욱 더 향상시킬 수 있는 핀형 열교환기를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 핀형 열교환기의 사시도,

도 2a,2b는 종래 핀형 열교환기의 핀정면도와 측면도,

도 3a,3b는 또 다른 종래 핀형 열교환기의 핀정면도와 측면도,

도 4는 본 발명에 따른 핀형 열교환기의 핀정면도,

도 5a,5b는 도 4의 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 핀형 열교환기의 다른 실시예를 보인 정면도,

도 7a,7b는 도 6의 단면도.

* 도면의주요부분에대한부호의설명 *

1:열교환기, 2:핀, 3:파이프, 3a:파이프공.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기류가 통과하도록 평행하고 나란하게 설치된 다수의 핀, 적어도 두 개 이상을 열(列)을 이루면서 각 핀에 직각으로 관통되며 그 내부에는 작동유체가 흐르는 파이프, 상기 각 핀에 형성된 슬릿군을 구비하는 핀형 열교환기에 있어서,

상기 슬릿군은 핀의 표리(表裏) 양측으로 돌출됨과 동시에 열을 이루는 파이프(공)들의 중심을 연결한 선에 대하여 각각 대칭이 되며, 기류출구측에서 기류입구측으로 갈수록 열을 이루는 파이프들 사이에 형성된 슬릿의 열 수는 적은 것을 특징으로 하는 구성이다.

이하 첨부한 도면에 의하여 본 발명에 따른 핀형 열교환기의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1을 다시한번 설명하면,박판형상의 핀(2)이 나란하고 평행하게 다수개 마련되고 상기 핀(2)에는 파이프가 삽입되는 다수의 파이프공(3a)들이 형성된다. 상기 파이프공(3a)들은 적어도 두 개 이상의 열(列)을 이루도록 규칙적으로 배열된다. 규칙적으로 배열된 상기 파이프공(3a)에 파이프(3)가 삽입되어 밴딩되고 다시 열을 이루는 인접된 파이프공으로 삽입되는데,이로인해 상기 파이프(3)도 두 개 이상의 열을 이루면서 배열된다. 상기 파이프(3)에는 작동유체(냉매 또는 열매)가 흐르는데,작동유체는 파이프 및 핀을 매체로 파이프 및 핀의 외측을 통과하는 공기와 열교환을 한다. 즉,작동유체의 열(고온 또는 저온)이 파이프 및 핀에 전달되고 상기 파이프 및 핀의 면과 공기가 접촉되어 열교환을 하므로,상기 핀(2)은 전열면적을 증대시키는 기능을 한다. 상기 핀(2)에는 전열면적을 더욱 더 증대시킴과 동시에 많은 공기가 파이프측과 접촉하면서 통과되도록 안내하는 슬릿이 군(群)을 이루면서 형성된다.

이를 도 4,5를 참조하여 설명한다. 도 4는 본 발명에 따른 핀형 열교환기의 핀정면도이고,도 5a 및 도 5b는 도 4의 Ⅲ-Ⅲ,Ⅴ-Ⅴ선 단면도이다.

공기조화기 등의 내부에는 공기를 강제로 흡입,토출시키기 위한 팬이 설치된다. 이때,팬에 의하여 공기조화기로 흡입된 공기는 열교환기(핀과 핀사이)를 통과하는데,공기와 최초로 접촉되는 열교환기측을 기류입구측이라 하고 열교환기로 유입된 공기가 열교환기에서 토출되는 측을 기류출구측이라 한다. 그리고 설명의 편의의 위하여 열을 이루면서 배열된 파이프공들중 기류출구측에서 기류입구측으로 가면서 첫째열(11),둘째열(12)이라 한다.

위에서 언급했듯이,각 핀(2)에는 적어도 두 개 이상의 열을 이루는 파이프공(3a)이 형성되고 상기 파이프공에 파이프가 삽입되어 확관된다. 그리고 열을 이루고 있는 파이프공과 파이프공(즉,파이프와 파이프) 사이에는 다수의 슬릿(20,30)이 형성된다. 이때,기류출구측과 인접되어 첫째열(11)을 이루는 파이프공들 사이에는 여섯 개의 열을 이루는 슬릿(21,22,23,24,25,26)이 형성된다. 그리고 기류입구측과 인접된 둘째열(12)의 파이프공들 사이에는 세 개의 열을 이루는 슬릿(31,32,33)이 형성된다. 기류입구측의 슬릿의 열수를 기류출구측의 슬릿의 열수 보다 적게 한 것은, 공기가 기류입출구측에서 균일하게 열교환이 되도록 하기 위함이다. 상세히 설명하면,열교환기의 성능은 열전달양이 동일하면 열교환기를 통과하는 공기의 압력손실이 적을수록 우수하다. 그런데 기류입구측에 많은 슬릿을 형성하여 기류가 많은 열교환을 하도록 하면(전체 열교환의 70∼90％) 기류입구측을 통과한 기류는 굉장히 저온이 된다. 그러면 기류출구측에서는 많은 열교환을 하지 못하게 되는데(전체 열교환의 10∼30％),이로인해 공기의 압력손실이 크게되어 열교환기의 성능이 저하된다. 이를 방지하기 위하여 기류입구측의 슬릿의 열 수를 기류출구측의 슬릿의 열 수 보다 적게 한 것이다. 더욱 바람직하게는 기류입구측 슬릿의 열 수 : 기류출구측 슬릿의 열 수 = 0.5∼0.8 : 1로 하는 것이 바람직하다.

또,상기 첫째열(11)의 파이프공들 사이에 형성된 슬릿군들은 첫째열을 이루는 파이프공의 중심을 연결한 선(F-F)에 대하여 대칭을 이룬다. 그리고 둘째열(12)의 파이프공들 사이에 형성된 슬릿군들도 둘째열의 파이프공 중심을 연결한 선(G-G)에 대하여 대칭을 이룬다. 이 또한 열교환기의 성능을 향상시키기 위함이다. 상세히 설명하면,상기 파이프공(3a)에 파이프를 삽입한 후,파이프와 핀을 접촉시키기 위하여 파이프에 확관볼을 삽입하여 파이프를 확관시킨다. 파이프가 확관되면 파이프와 핀이 접촉하게 되는데,이때 파이프에서 핀에 작용하는 힘에 대한 상대력(力)이 핀에서 파이프로 작용된다. 그런데 각 파이프공의 중심을 기준으로 슬릿이 불균일하게 형성되어 있으면 핀에서 파이프로 작용되는 힘도 균일하지 못하므로 파이프와 핀은 균일하게 접촉되지 못하는 것이다. 즉,접촉불량의 면이 발생하게 되어 열교환성능이 저하된다. 이를 방지하기 위하여 열을 이루는 파이프공들 사이에 형성된 각 슬릿군을 열을 이루는 파이프공의 중심을 연결한 선에 대하여 대칭으로 마련한 것이다.

또,상기 첫째열(11)과 둘째열(12)의 파이프공들 사이에 형성된 슬릿군은 핀(2)의 표리(表裏) 양방향으로 돌출되게 형성된다. 즉,어느 하나의 슬릿이 핀의 상측으로 돌출되어 있다면,인접되는 양측의 슬릿은 핀의 하측으로 돌출되게 마련된다. 이 또한 열교환기의 성능을 향상시키기 위함이다. 상세히 설명하면,핀과 핀이 나란하고 평행하게 설치되어 하나의 열교환기를 이루었을 때,각 핀에 형성된 슬릿들은 상호 지그재그의 순서로 위치된다. 즉,어느 하나의 핀에 형성된 인접된 슬릿과 슬릿 사이에 다른 하나의 핀에 형성된 하나의 슬릿이 위치된다. 그러면 기류입구측을 통하여 기류출구측으로 공기가 통과할 때,공기는 인접된 핀에 각각 형성된 슬릿에 부딪히게 되고 슬릿의 저항에 의하여 핀의 면과도 접촉되면서 통과한다. 즉,공기는 슬릿의 저항에 의하여 슬릿과 슬릿 사이를 통과하여야 하므로 슬릿뿐만 아니라 핀의 많은 면과도 접촉되면서 통과되는 것이다.

또,열을 이루는 파이프공과 파이프공 사이에 형성된 슬릿의 높이는 파이프(즉,파이프공)에 인접될 수 록 더 높아진다. 즉,하나의 단위 슬릿을 예로들어 설명하면,파이프공과 가장 가까이 위치된 슬릿 부위의 높이를 h1이라 하고,파이프공과 가장 멀리 떨어진 슬릿 부위의 높이를 h2라 하면 h1〉h2 되게 형성한다. 이 또한 열교환기의 성능을 향상시키기 위한 것으로,상세히 설명한다. 파이프가 삽입된 핀에 슬릿이 없다면 기류입구측으로 유입된 공기중의 대부분은 기류출구측을 향하고 있는 파이프 측(이하 파이프의 직후방측이라 한다)을 통과하지 못하게 된다. 위와같이 기류가 통과하지 못하는 파이프의 직후방 영역을 사류역(死流域)이라 하는데,상기 슬릿의 안내에 의하여 공기는 어느정도 사류역을 통과하게 된다. 그러나 파이프와 인접된 슬릿 부위의 높이가 파이프의 높이보다 너무 낮게 마련되면,슬릿이 형성되어 있다 하더라도 파이프의 상측 사류역으로는 기류가 통과하지 못하게 된다. 위와같이 파이프의 상측 사류역으로도 많은 공기가 통과하도록 하기 위하여 파이프공와 인접된 슬릿 부위를 파이프공과 떨어진 부위보다 더 높게 형성한 것이다.

도 6,7은 본 발명에 따른 핀형 열교환기의 다른 실시예로서,이를 간단히 설명한다. 도 6은 핀의 정면도이고 도 7a 및 도 7b는 도 6의 Ⅲ-Ⅲ,Ⅴ-Ⅴ선 단면도이다.

이는 기류출구측과 인접된 첫째열(11)의 파이프공들 사이에는 여섯 개의 열을 이루는 슬릿(21,22,23,24,25,26)이 형성되고, 기류입구측과 인접된 둘째열(12)의 파이프공들 사이에는 네 개의 열을 이루는 슬릿(35,36,37,38)이 형성된 것이다. 그리고 첫째열의 파이프공들 사이에 형성된 슬릿군과 둘째열의 파이프공들 사이에 형성된 슬릿군은 첫째열과 둘째열을 이루는 파이프공의 중심을 연결한 선(F-F)(G-G)에 대하여 각각 대칭을 이룬다. 또,첫째열과 둘째열의 파이프공들 사이에 형성된 슬릿군은 핀(2)의 표리(表裏) 양방향으로 돌출되게 형성되며,각 단위슬릿은 파이프에 인접된 부위가 인접되지 않은 부위보다 더 높게 형성된다(h1〉h2). 이는 둘째열에 형성된 슬릿의 열 수를 4개로 마련한 것이며,그 이외의 구성은 도 4,5와 동일하다.

이상에서 설명하듯이 본 발명에 따른 핀형 열교환기는, 열을 이루는 파이프공의 중심을 연결한 선을 기준으로 슬릿이 대칭으로 마련되어 있으므로 파이프를 파이프공에 삽입하여 확관시킬 때 파이프와 파이프공을 이루는 핀의 면은 균일하게 접촉된다. 그러므로 핀과 파이프의 열교환 성능이 향상되는 특징이 있다.

또한,슬릿이 핀의 표리 양측으로 돌출되어 있으므로 공기는 인접된 핀의 각 슬릿 사이를 지그재그로 통과하게 된다. 그러므로 공기는 슬릿 뿐만아니라 핀의 많은 면과도 접촉되므로 열교환성능은 더욱 향상되는 특징이 있다.

또한,파이프공과 인접된 슬릿 부위의 높이는 파이프공과 떨어진 부위보다 적정하게 높게 마련되어 있으므로 파이프의 상측 직후방(사류역)으로 더욱 더 많은 공기가 통과하게 된다. 그러므로 열교환기의 성능은 더욱 더 향상되는 특징이 있다.

또한,기류입구측에 형성된 슬릿 열 수가 기류출구측에 형성된 슬릿의 열 수보다 더 적으므로 기류입출구측에서 이루어지는 열교환량은 비슷하게 된다.그러므로 공기의 압력손실이 저감되어 열교환기의 성능은 더욱 향상되는 것이다.

Claims (3)

1. 기류가 통과하도록 평행하고 나란하게 설치된 다수의 핀과, 적어도 두 개 이상을 열(列)을 이루면서 각 핀에 직각으로 관통되며 그 내부에는 작동유체가 흐르는 파이프를 구비하고, 상기 각 핀에는 열을 이루며 인접하는 상기 파이프 사이에 다수의 슬릿이 복수열을 이루어 형성되어 있는 핀형 열교환기에 있어서,

   상기 슬릿군은 핀의 기류출구측에서 기류입구측으로 갈수록 슬릿의 열수가 적고, 상기 기류출구축과 기류입규축에서 모두 상기 핀의 표리(表裏) 양측으로 돌출되며 각 열을 이루는 상기 파이프의 중심을 연결한 선에 대하여 각각 대칭으로 배열되는 것을 특징으로 하는 핀형 열교환기.
2. 제 1항에 있어서 상기 각 슬릿은 상기 파이프에서 먼 부분으로부터 상기 파이프의 가까운 부분으로 갈수로 그 높이가 높아지는 것을 특징으로 하는 핀형 열교환기.
3. 제 1항에 있어서 상기 기류입구측 슬릿의 열 수와 기류출구측 슬릿의 열 수는 0.5∼0.8 : 1 인 것을 특징으로 하는 핀형 열교환기.

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