KR100242760B1 - 플레이트핀 타입 열교환기 - Google Patents

Abstract

인접한 플레이트핀 사이에서 간격을 유지하기 위한 간격 유지부는 공기의 유동방향에 수직한 방향으로 소정거리만큼 루버의 가장자리측으로부터 떨어져 위치되며, 공기의 유동방향에서 튜브의 하류측에 배치된다. 이와같은 식으로, 인접한 플레이트핀 사이의 공기 유동은 간격 유지부에 의해 교란되지 않고 루버를 통하여 흐르므로써 열교환 성능을 향상시키기 위한 루버의 효과가 충분히 유지될 수 있다.

Description

플레이트핀 타입 열교환기

본 발명은 예를들면 차량용 내연기관의 냉각수를 냉각하기 위한 방열기로서 이용될 수 있는 플레이트-핀 타입 열교환기에 관한 것이다.

종래에는 예를들면 일본국 특개소58-127092호에 기술된 플레이트핀 타입 열교환기가 이미 알려진 바 있다. 상기 플레이트핀 타입 열교환기는 복수의 플레이트핀과, 상기 플레이트핀을 관통하는 복수의 튜브와, 상기 튜브의 상하부 양 단부에 각각 배치된 상부 및 하부탱크를 포함한다. 상기 플레이트핀은 복수의 플레이트핀이 적층될 때, 각각 인접한 한 쌍의 플레이트핀 사이에 소정거리(즉, 핀 피치)만큼 간격을 유지하기 위한 간격 유지부가 구비되어 있다.

도4 내지 6에서 도시한 종래 타입의 플레이트핀(100)은 상기 플레이트핀(100)을 관통하는 튜브(101)와, 상기 플레이트핀(100) 상에 형성된 루버(103) 및 간격유지부(105)를 가지고 있다. 도4에 도시한 바와 같이 상기 튜브(101)는 열교환 유체로서 공기 유동방향(W)에 수직한 두 개의 평행한 라인에 배치되며, 상기 루버(103)는 각각 인접한 한쌍의 튜브(101)사이에 형성된 공기유동방향(W)을 향한 면이 절단되어 있다. 상기 간격유지부(105)는 전면 가장자리측(공기유동방향(W)의 상류측)과, 후면 가장자리측 및 공기유동방향에서 플레이트핀의 중앙부에 각각 형성된다.

도5에 도시한 바와 같이, 상기 전면라인튜브(101)와 후면라인튜브(101)는 플레이트핀(100)의 길이방향으로 루버(103)가 함께 엇갈리게 형성된다. 또한, 도6에 도시한 바와 같이, 튜브 각각은 원형 단면을 가진다.

그러나, 종래에서의 플레이트핀 타입 열교환기는 도4 내지 6에 도시한 바와 같이, 간격유지부(105)가 공기 유동방향에서 상기 루버(103)의 상류측에 형성되므로, 공기 유동은 루버(103)안으로 공기가 흐르기 전에 간격유지부(105)에 의해 교란된다. 상기 루버(103)는 공기가 플레이트핀의 간격을 통과할 때 야기되는 공기 경계층을 분배하고 열교환능력을 증가시키기 위해 사용된다.

상기 루버(103)안으로 공기가 흐르기 전에 간격유지부(105)에 의해 공기 유동이 교란될 때, 상기 루버(103)는 충분한 효과를 얻을 수 없다. 또한, 상기 간격유지부(105)가 공기유동방향(W)으로 루버(103)의 상류 및 하류측에 형성되기 때문에, 상기 루버(103)가 플레이트핀(100)의 가장자리측까지 연장할 수 없다. 이에 따라, 열교환능력을 향상시키기 위한 복수의 루버(103)를 증가시키기가 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 루버가 충분한 효과를 발휘할 수 없으며, 상기 루버가 형성된 영역이 제한되는 문제점을 해결할 수 있는 플레이트핀 타입 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 차량용 방열기를 도시한 정면도;

도2는 제1 실시예에 따른 플레이트핀(Plate fin)을 도시한 부분 평면도;

도3은 제1 실시예에 따른 튜브와 플레이트핀을 도시한 부분 정면도;

도4는 종래 기술에 따른 플레이트핀의 부분 평면도;

도5는 종래 기술에 따른 플레이트핀의 부분 평면도;

도6은 종래 기술에 따른 플레이트핀의 부분 평면도;

도7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플레이트핀을 도시한 부분 평면도;

도8은 종래 기술에 따른 플레이트핀의 부분 평면도;

도9는 종래 기술에 따른 플레이트핀의 부분 평면도;

도10은 간격 유지부가 없는 플레이트핀을 도시한 부분 평면도;

도11은 도9에 도시한 플레이트핀이 사용될 때 공기유동의 육안 실험 결과를 도시한 개략도;

도12는 도8에 도시한 플레이트핀이 사용될 때 공기유동의 육안 실험 결과를 도시한 개략도;

도13은 도10에 도시한 플레이트핀이 사용될 때 공기유동의 육안 실험 결과를 도시한 개략도;

도14는 제2 실시예의 플레이트핀이 사용될 때 공기유동의 육안 실험 결과를 도시한 개략도;

도15는 도7 내지 도10에 도시한 각각의 플레이트핀의 정면측과 후면측 사이의 압력강하와 공기속도 사이의 관계를 도시한 그래프도;

도16은 도7 내지 도10에 도시한 각각의 플레이트핀의 열 전달율비(%)와 간격유지부의 편향된 거리(L)사이의 관계를 도시한 그래프도;

도17은 도7 내지 도10에 도시한 각각의 플레이트핀의 실차 성능비율(Qv)과 방열비율(Qw), 공기측 압력강하 비율(ΔPa), 간격유지부의 편향된 거리(L) 사이의 관계를 도시한 그래프도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 튜브 12 : 플레이트핀

14 : 헤더 플레이트 16 : 상부탱크

18 : 하부탱크 20 : 캡

22 : 입구 24 : 출구

26 : 루버 27 : 루버의 가장자리부

28 : 간격유지부

본 발명에 따르면, 인접한 각 쌍의 플레이트핀 사이에서 간격을 유지하기 위한 유지부는, 인접한 한 쌍의 튜브 사이에 배치되도록 제1 유체의 흐름방향에 직각을 이루는 방향으로 플레이트핀내에 있는 루버의 가장자리측으로부터 소정거리만큼 떨어져 위치한다.

그러므로, 플레이트핀 사이의 공기흐름은 유지부에 의한 교란됨이 없이 루버를 통하여 흐르며, 또한 열교환능력을 향상시키기 위한 루버의 효과는 충분하게 유지될 수 있다. 또한, 루버가 형성된 영역이 증가될 수 있음에 따라, 전체의 열교환기의 능률은 향상될 수 있다.

바람직하게, 유지부는 제1 유체의 유동방향을 따라서 튜브 중앙을 통과하는 라인에 배치된다.

상기 유지부는 제1 유체의 유동방향에서 튜브의 상류측 또는 하류측에 배치될 수 있다.

더욱 바람직하게, 상기 플레이트핀 및 튜브는 알루미늄 합금으로 제조되며, 상기 튜브와 플레이트핀은 튜브가 플레이트핀에 형성된 홀안으로 삽입된 후에 상기 튜브를 확장시키므로써 서로 연결된다.

본 발명의 잇점 및 부가적인 목적은 첨부된 도면과 함께 참조되었을 때, 다음의 바람직한 실시예의 상세한 설명에 따라서 더욱 쉽고 명확해질 것이다

본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 하기에 상세히 설명한다.

차량용 방열기를 위해 이용되는 본 발명의 제1 실시예를 설명한다.

도1은 차량용 방열기를 도시한 정면도를 나타낸다. 알루미늄 합금으로 제조된 복수의 튜브(10)는 두 개의 평행한 라인에 배치되며, 알루미늄 합금으로 제조된 플레이트핀(12)은 상기 튜브(10)가 플레이트핀(12)에 형성된 홀안으로 삽입된 후에 상기 튜브(10)를 확장시키므로써 튜브(10)의 외주에 연결된다. 상기 각 튜브(10)의 양단부는 두 개의 헤더 플레이트(14)에 연결되며, 상부탱크(16)와 하부탱크(18)는 각각 예를들면, 코킹방법에 의해 헤더 플레이트(14)에 고정된다.

상기 상부탱크(16)에는 방열기에 냉각수를 수용하기 위한 캡(20)과, 엔진(도시하지 않음)에서 방열기로 냉각수를 도입시키기 위한 입구(22)가 형성된다.

상기 하부탱크(18)에는 튜브(10)를 통하여 하부탱크(18)로 모여진 냉각수를 엔진으로 배출하기 위한 출구(24)가 형성된다.

도2 및 도3에 도시한 바와 같이, 복수의 플레이트핀(12)은 튜브(10)의 세로방향으로 적층됨과 동시에 그들 사이에 소정의 간격을 유지한다. 상기 튜브(10)는 각각 횡단면된 타원형상을 가지며, 정면라인 튜브(10)(즉, 공기유동방향(W)에서의 상류측 튜브) 및 후면라인 튜브(10)(즉, 공기유동방향에서의 하류측 튜브)를 형성하기 위해 공기유동방향(W)에 수직한 두 개의 평행한 라인에 배치된다. 인접한 각 쌍의 튜브(10) 사이의 동일한 라인에 배치되며, 플레이트핀(12)의 전면 가장자리에 의해 야기되는 경계 흐름을 분배하기 위한 루버(26)는 열교환 능률을 증가시키기 위해 형성된다. 상기 루버(26)는 플레이트핀(12)의 전면 가장자리측에서 후면 가장자리측으로 연속적으로 형성된다.

상기 간격유지부(28)는 공기유동방향(W)으로 전면라인 튜브(10)의 상류측과, 전면라인 튜브(10)와 후면라인 튜브(10)의 사이 및 공기유동방향(W)으로 후면라인 튜브(10)의 하류측에 각각 형성된다. 상기 플레이트핀(12)은 도2에서 좌우방향으로 간격 유지부(28)가 형성되도록 절단하여 돌출된다. 도3에 도시한 바와 같이, 플레이트핀(12)의 하부 표면에 접촉하는 간격유지부(28)는 적층방향으로 인접한 각 쌍의 플레이트핀(12) 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위해 그의 바로 상부에 배치된다.

플레이트핀(12)로부터 돌출된 각 간격유지부(28)의 높이는 균일하게 제조된다. 또한, 도2에 도시한 바와 같이 상기 유지부는 플레이트핀(12)의 수직방향내에서 루버(26)의 가장자리측과 간격유지부(28) 사이에 소정 거리(L')를 가지도록 루버로부터 분리된다.

다음에, 본 발명의 제1 실시예의 작동을 설명한다.

고온을 가지는 냉각수는 상기 엔진으로부터 입구(22)를 통하여 상부탱크(16)로 흐르며, 각각의 튜브(10)안으로 분배된다. 각 튜브(10)를 통과하는 냉각수는 플레이트핀(12) 사이를 통과하는 공기유동에 의해 열교환을 수행하므로써 냉각된다. 열교환되고 있는 저온 냉각수는 하부탱크(18)로 도입되며, 출구(24)로부터 엔진에 이르도록 리턴한다.

상기 플레이트핀(12) 사이의 공기 경로는 도2에서 화살표로 도시한 방향(W)으로 흐른다. 상기 공기는 간격유지부(28)에 의해 교란됨이 없이 루버(26)를 통하여 흐른다. 즉, 간격유지부(28)에 의해 교란된 공기는 루버(26)를 통과하는 공기의 흐름에 대하여 악영향을 미치지 않는다.

또한, 공기는 간격유지부(28)에 의해 튜브(10) 둘레로 원활하게 흐르므로써 튜브(10)의 열교환능력은 향상된다.

도7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플레이트핀(12)을 나타낸다.

제1 실시예에서, 상기 튜브(10)는 두 개의 평행한 라인에 배치된다. 그러나, 제2 실시예에서 상기 튜브(10)는 공기유동방향(W)에 수직한 하나의 일직선 라인에 배치되며, 간격 유지부(28)는 공기유동방향(W)내에서 튜브(10)의 상류측 및 하류측에 배치된다. 다른 구성은 제1 실시예와 유사하다.

본 발명의 효과를 확인하기 위해, 발명자는 도8 및 도9에 도시된 종래의 타입 플레이트핀과 도10에 도시된 간격유지부가 없는 플레이트핀을 실험적으로 도시하였으며, 도8 내지 10에 도시된 각 플레이트핀과 본 발명의 제2 실시예의 플레이트핀이 사용되었을 때 공기 유동의 가시화 실험이 수행되었다. 실험결과는 도11 내지 도14에 각각 도시하였다. 도8 및 도9에 도시한 종래 타입 플레이트핀에서는 공기 유동이 교란되며, 또한 도13에 도시한 간격유지부가 없는 플레이트핀에서의 공기 유동과 비교해서 간격유지부(28)의 하류측에서 크게 구불구불하므로서 상기 루버(26)의 효과를 저하시키고 있다. 도14에 도시한 바와 같이, 제2 실시예의 플레이트핀(12)에서 간격유지부(28)에 의해 야기되는 공기유동교란은 루버(26)상에서 악영향을 받지 않으며, 루버(26)를 통과하는 공기유동은 구불구불하지 않으므로, 간격유지부(28)가 없는 플레이트핀과 비슷한 효과를 얻을 수 있다. 그러므로, 본 발명의 제2 실시예에 따라서 루버(26)를 통과하는 공기의 유동은 균일하게 형성되며, 루버(26)의 효과는 충분하게 유지될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 효과는 도15 내지 도17을 참조하여 기술한다. 도15 내지 도17에서, (A)는 도8에 도시한 플레이트핀을 나타내며, (B)는 도9에서 플레이트핀을 나타내며, (C)는 도10에서 플레이트핀을 나타내며, (D)는 본 발명의 제2 실시예의 플레이트핀을 나타낸다.

도15는 공기 유동방향(W)에서 플레이트핀(12)의 전면측과 후면측 사이의 압력강하를 나타낸다. 도15에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예의 플레이트핀(12)은 도8 및 도9에 도시된 종래의 플레이트핀과 비교해서 작은 압력 손실을 가진다. 압력 손실이 증가될 때, 공기유동의 교란과 구불구불함은 손쉽게 야기된다.

또한, 간격유지부(28)에 의해 공기의 유동은 줄어들며, 또한 튜브(10)의 전면측에서 원활해지므로써 튜브(10)의 표면상에서 열전달율이 증가한다. 간격유지부(28)의 효과를 확인하기 위해, 본 발명자는 도16에 나타낸 바와 같이 비교 실험을 수행하였다. 도7 및 도8에 도시한 바와 같이, 플레이트핀(12)의 수직방향에서 각 간격유지부(28)의 길이는 fp로써 나타내었으며, 간격유지부(28)의 중앙과 간격유지부에 인접한 튜브(10)의 중앙 사이의 플레이트핀(12)의 수직방향에서 편향된 거리는 L로써 나타내었다. 본 발명의 제1 및 제2 실시예에서 편향된 거리(L)은 제로(zero)이다. 도16에서 간격유지부가 없는 플레이트핀은 기본적으로 기준이 된다. 즉, 튜브 표면의 열전달율은 간격유지부(28)가 없는 플레이트핀에서 100%로 설정된다. 도16에 도시한 바와 같이 제2 실시예에서 플레이트핀(12)의 튜브(10) 표면의 열전달율은 도8 및 도9에서 나타낸 종래의 플레이트핀(100)보다 더 크다.

또한, 도17에 도시한 바와 같이, 간격유지부가 없는 플레이트핀은 기본적으로 기준이 되며, 또한 제2 실시예의 플레이트핀과 도8 및 도9에서 나타낸 종래의 플레이트핀 사이의 비교실험이 수행되었다. 그 결과로써, 도8 및 도9에 도시한 종래의 플레이트핀과 비교해서 제2 실시예에 따르면, 공기측 압력강하율은 감소되며, 방열 비율은 증가되며, 또한 실차 성능비율은 증가된다.

비록 본 발명이 첨부도면을 참조한 바람직한 실시예와 관련하여 충분히 설명되었다 할지라도, 여러가지 변형이나 변경은 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자로부터 보다 명백해진다는 것이 주시될 것이다. 그러한 변형이나 변경은 부가된 특허청구범위에서 규정된 바와 같이 본 발명의 범주내에 포함되므로써 이해될 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 간격유지부가 루버의 전측 가장자리로부터 소정거리만큼 간격을 둔 상태에서 열교환유체 흐름 상류측에 설치되므로써 플레이트핀 사이의 공기 유동은 간격 유지부에 방해되지 않고 루버를 통하여 흐르며, 이 결과 열교환 성능을 향상시키기 위한 루버의 효과는 충분히 유지될 수 있는 효과를 가진다.

Claims (13)

1. 인접한 각 쌍의 플레이트핀 사이에서 제1 유체가 통과하는 소정의 간격을 가지도록 서로 적층되는 복수의 플레이트핀;

   상기 간격을 유지하기 위해 인접한 각 쌍의 플레이트핀 사이에 형성되는 유지부; 및

   제1 유체의 유동방향에 직각이 되도록 연속하여 배열되며, 상기 플레이트핀의 적층방향으로 플레이트핀을 관통하는 제2 유체가 흐르는 복수의 튜브를 포함하며,

   복수의 루버가 상기 플레이트핀을 관통하는 인접한 각 쌍의 튜브 사이에서 상기 각각의 플레이트핀에 형성되고, 상기 루버가 상기 제1 유체의 유동과 대향하도록 상기 플레이트핀의 상류 가장자리측으로부터 하류가장자리측을 향하여 절단되고 돌출되며,

   상기 유지부가 인접한 한 쌍의 튜브 사이에 배치되도록 제1 유체의 유동방향에 수직한 방향으로 소정거리만큼 상기 루버의 가장자리측과 떨어져 위치된 것을 특징으로 하는 제1 유체와 제2 유체사이의 열교환을 위한 플레이트핀 타입 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 유지부가 상기 제1 유체의 유동방향에 따라 튜브의 중앙을 통과하는 라인에 배치된 것을 특징으로 하는 플레이트핀 타입 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 유지부가 상기 튜브의 상류측에 형성된 것을 특징으로 하는 플레이트핀 타입 열교환기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 유지부가 상기 튜브의 하류측에 형성된 것을 특징으로 하는 플레이트핀 타입 열교환기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 튜브가 제1 유체의 유동방향에 수직한 두개의 평행한 라인에 배치된 것을 특징으로 하는 플레이트핀 타입 열교환기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 플레이트핀 및 튜브가 알루미늄 합금으로 제조된 것을 특징으로 하는 플레이트핀 타입 열교환기.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 플레이트핀에 형성된 홀안으로 상기 튜브가 삽입된 후에 상기 튜브를 확장시키므로써 상기 튜브 및 플레이트핀이 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 플레이트핀 타입 열교환기.
8. 인접한 각 쌍의 플레이트핀 사이에서 제1 유체가 통과하는 소정의 간격을 가지도록 서로 적층되는 복수의 플레이트핀;

   상기 간격을 유지하기 위해 인접한 각 쌍의 플레이트핀 사이에 형성되는 유지부; 및

   제1 유체의 유동방향에 직각이 되도록 연속하여 배열되며, 상기 플레이트핀의 적층방향으로 플레이트핀을 관통하는 제2 유체가 흐르는 복수의 튜브를 포함하며,

   복수의 루버가 상기 플레이트핀을 관통하는 인접한 각 쌍의 튜브 사이에서 상기 각각의 플레이트핀에 형성되고, 상기 루버가 상기 제1 유체의 유동과 대향하도록 상기 플레이트핀의 상류 가장자리측으로부터 하류가장자리측을 향하여 절단되고 돌출되며,

   상기 유지부가 인접한 한 쌍의 튜브 사이에 배치되도록 제1 유체의 유동방향에 수직한 방향으로 소정거리만큼 상기 루버의 가장자리측과 떨어져 위치된 것과 같은 방식으로 상기 유지부 및 튜브가 제1 유체의 유동에 따라 일직선 라인에 연속하여 배치되도록 한 것을 특징으로 하는 제1 유체와 제2 유체사이의 열교환을 위한 플레이트핀 타입 열교환기.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 유지부가 상기 튜브의 상류측에 형성된 것을 특징으로 하는 플레이트핀 타입 열교환기.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 유지부가 상기 튜브의 하류측에 형성된 것을 특징으로 하는 플레이트핀 타입 열교환기.
11. 제 8 항에 있어서,

    상기 튜브가 제1 유체의 유동방향에 수직한 두개의 평행한 라인에 배치된 것을 특징으로 하는 플레이트핀 타입 열교환기.
12. 제 8 항에 있어서,

    상기 플레이트핀 및 튜브가 알루미늄 합금으로 제조된 것을 특징으로 하는 플레이트핀 타입 열교환기.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 플레이트핀에 형성된 홀안으로 상기 튜브가 삽입된 후에 상기 튜브를 확장시키므로써 상기 튜브 및 플레이트핀이 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 플레이트핀 타입 열교환기.

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