KR100388676B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 각 슬릿부 사이의 간격이 적절하게 되도록 배치하여서 열교환 성능을 증대시킨 핀을 구비한 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 열교환기는 종방향으로 이격된 홀(16)들의 사이에는 적어도 2개 이상의 행을 이루어 배치되는 복수의 슬릿부(11)(12)(13)(14)가 형성되며, 각각의 행을 이루는 상기 복수의 슬릿부는 각 홀(16)의 외주연을 따라 배치되어 각 홀의 외주연으로부터 서로 일정한 간격으로 이격된다. 슬릿부의 각 열과 열 사이의 간격(Pt)은 슬릿부의 폭(St)에 대하여 대략 1.5∼2.5배의 크기를 갖도록 배치된다. 또한, 홀로부터 핀의 끝단에 이르는 길이(D)는 홀의 반지름(R)에 대하여 대략 1.2∼1.5배의 크기를 갖도록 한다. 핀의 표면에는 적어도 1개 이상의 비드(15)가 종방향을 따라 형성된다. 비드의 폭은 슬릿부의 폭(St)보다는 크고, 각 슬릿부의 열과 열 사이의 간격(Pt)보다는 작게 형성된다.

Description

열교환기{Heat Exchanger}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더 상세하게는 열교환기의 핀의 구조를 개선하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 냉동사이클 또는 히트펌프(heat pump)에 적용되는 열교환기는 군을 이루어 배치된 전열관들과 이 전열관들에 수직으로 배열되는 다수의 열교환 핀으로 구성되어서, 전열관들과 열교환 핀들의 외부를 통과하는 공기와 전열관들의 내부를 흐르는 작동유체 사이에 열교환이 이루어지도록 하는 장치이다.

도 1은 종래의 열교환기를 도시한 것이다. 이에 도시된 바와 같이, 종래의 열교환기는 작동유체가 흐르도록 하는 전열관(2)들과 이 전열관(2)들에 수직으로 일정간격 이격되어 배열되는 다수의 박판형상의 핀(1)을 구비하여 이루어진다.

전열관(2)들은 일정공간에 많은 양의 작동유체가 유동하여 열교환이 이루어질 수 있도록 오(伍)와 열(列)을 이루어 배치되며, 핀(1)들은 그 표면에 상기 전열관(2)들을 관통시킬 수 있는 다수의 홀(5)(도 4 참조)들이 형성되어 전열관(2)들이 결합되도록 한다. 전열관(2)들은 U 형상의 벤딩관(2a)들을 통해 서로 연결되어 작동유체가 상기 전열관(2)들을 차례로 통과하게 된다.

핀(1)들은 전열면적을 증대시켜서 전열관(2)의 내부를 흐르는 작동유체와 열교환기의 외부를 유동하는 외부 공기와의 열교환량을 증대시키는 역할을 하게 된다. 즉, 핀(1)들은 외부 공기의 유동방향과 평행하게 되도록 배치되며, 전열관(2)들을 통하여 고온의 작동유체로부터 열을 전달받아 외부 공기와 열교환을 하거나, 이와 반대로 외부 공기로부터 열을 빼앗아 전열관(2)들을 통하여 저온의 작동유체에 전달하도록 하는 것이다.

도 1에는 전열관(2)들이 2개의 열을 이루어 배치되는 것이 도시되어 있는데, 각 열의 전열관(2)들은 서로 엇갈리게 위치하여 외부 공기와의 열교환이 보다 잘 이루어지도록 한다.

도 2는 상기와 같이 구성된 종래의 열교환기에 있어서, 각 핀(1)의 주위에서 외부 공기의 유동에 따른 온도 경계층(3)이 형성되는 것을 도시한 것이다. 이에 도시된 바와 같이, 외부 공기가 핀(1)을 따라 흐를 때, 화살표로 표시된 외부 공기의 유동방향(A)과 수평하게 놓여지는 핀(1)의 주위에는 이 핀(1)에 의해 온도 경계층(3)이 형성된다. 이 온도 경계층(3)의 두께는 기류의 유입부로부터의 거리의 제곱근에 비례하여 두꺼워지기 때문에, 기류와의 열전달율은 기류의 유입부로부터의 거리가 증가함에 따라 현저히 감소하게 되어서 열교환기의 열교환 효율을 저감시키게 된다. 따라서, 열교환기의 성능을 증대시키기 위해서는 이 온도 경계층(3)의 두께를 감소시켜야만 하는 것이다.

또한, 전열관(2)의 주위를 유동하는 기류의 특성에 의해서도 열교환 성능이 좌우되는데, 도 3은 이러한 전열관(2)의 주위에서의 공기 유동에 따른 유동 분리영역이 형성되는 것을 도시한 것이다. 외부 공기가 화살표로 표시된 방향(A)으로 저속으로 유동하는 경우에, 전열관(2)의 표면의 막힘 부분, 즉 외부 공기와 접촉하게되는 전면 부분(2b)의 반대 부분(2c)에서는 이 전열관(2)에 의해 유동분리가 발생하여서 기류와 접촉하지 않는 사류(死流)영역(4)이 존재하게 된다. 이 사류영역(4)이 형성되는 각도(θ)는 전열관(2)의 수평축(X-X)을 중심으로 하여 대략 70∼80°로 된다. 이러한 사류영역(4)이 커짐에 따라서 외부 공기와의 열전달 효율이 현저히 저하됨으로써 열교환기의 전체적인 전열성능도 함께 저하되는 것이다.

한편, 상기와 같은 종래의 열교환기에서의 기류 특성에 기인한 열교환 효율이 저하되는 것을 개선하기 위해서 핀들의 표면에 다수의 슬릿부를 형성시킨 열교환기가 개발되어 있다.

도 4와 도 5는 이러한 슬릿부를 구비한 종래의 열교환기의 핀을 도시한 것이다. 이에 도시된 바와 같이, 각 핀(1)에는 전열관(2)을 수직으로 관통시키기 위한 홀(5)이 종방향으로, 그리고 2열을 이루어 배치되어 있으며, 수직으로 이격된 각 홀(5)들의 사이에는 공기의 유동방향에 직각이 되도록 다수의 슬릿부(6)(7)(8)(9)가 형성되어 있다. 이 다수의 슬릿부에 의해 도 2에 도시된 온도 경계층(3)의 두께가 감소하게 되고, 기류의 난류화를 촉진하여 전열관(2)에서의 사류영역(4)(도 3 참조)이 감소함으로써, 슬릿부가 형성되지 않은 핀이 구비된 열교환기에 비해 열교환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

그러나, 상기와 같은 다수의 슬릿부를 구비한 종래의 열교환기는 각 슬릿부(6)가 횡방향으로 서로 근접하여 배치되는 구조로 이루어지기 때문에, 열교환 효율을 높이는데 한계가 있다. 즉, 각 슬릿부(7)(8)(9)들이 서로 충분한 간격으로 이격되어 있지 않으므로, 기류의 입구측에 배치된 슬릿부(6)에서는 온도경계층(3)이 얇게 형성되어 전열성능을 높일 수 있지만, 이 슬릿부(6)의 후방에 배치되는 슬릿부(7)(8)(9)들이 서로 충분히 이격되지 않아서 각 슬릿부가 이전의 슬릿부에 의해 형성된 온도 경계층(3)의 영역내에 위치하게 되므로, 이 슬릿부들에 의해 전열성능이 증가하는 효과보다는 압력강하량이 증가하게 되어 전체적인 열교환기의 성능이 감소될 수 있는 것이다.

또한, 각 슬릿부 사이의 간격이 충분히 떨어지지 않게 되면, 핀(1)의 표면에 형성된 응축수가 원활히 흘러 내리지 않고 핀(1)의 표면에 쌓여지게 되어서 외부 공기의 유동 저항이 증가하게 되고, 이에 따라 열교환을 위한 외부 공기의 풍량이 감소하게 된다. 그리고, 열교환기의 표면에 착상되는 경우에는 상기 구조에 의해 제상이 제대로 수행되지 않게 된다.

더욱, 종래의 열교환기에 있어서, 슬릿부(6)(7)(8)(9)들이 전열관(2)의 외주연의 곡면에서 일정간격 이격되도록 배치되지 않고 평행하게 위치하여서, 전열관(2)의 후방에는 기류가 도달하지 않는 사류영역(4)이 발생하게 되어 열전달 효율의 상승을 기대할 수 없는 것이다.

부가하여, 종래기술에 따른 열교환기는 박판형의 핀에 다수의 슬릿부가 형성된 구조에 의해 핀의 강도가 약화되기 때문에, 열교환기의 생산과 조립과정에서, 그리고 설치과정에서 핀이 쉽게 구부려져서 공기의 유동을 방해하게 되는 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의목적은 각 슬릿부 사이의 간격이 적절하게 되도록 배치하여서 열교환 성능을 증대시킨 핀을 구비한 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 핀의 전열면적이 적절하게 되도록 하여서 열교환 성능을 더욱 증대시킨 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 복수의 열을 이루어 배치된 슬릿부들을 전열관의 외주면을 따라 일정간격으로 이격되도록 배치하여서 열교환 성능을 더욱 더 증대시킨 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 핀의 표면에 비드(bead)를 형성시켜서 전열면적의 증가에 따른 열교환 성능의 향상과 함께 핀의 강도를 증대시킨 열교환기를 제공하는 것이다.

도 1은 다수의 핀이 구비된 일반적인 열교환기의 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 핀에서의 공기 유동에 따른 온도경계층을 나타낸 도면이다.

도 3은 도 1에 도시된 전열관에서의 공기 유동에 따른 유동 분리영역을 나타낸 도면이다.

도 4는 종래기술에 따른 슬릿부가 형성된 열교환기의 핀을 도시한 평면도이다.

도 5는 도 4의 선 IV-IV를 따라 취해진 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 슬릿부를 구비한 열교환기의 핀을 도시한 평면도이다.

도 7은 도 6의 선 VI-VI를 따라 취해진 단면도이다.

도 8은 도 6의 일부를 발췌하여 도시한 확대도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

2...전열관 3...온도 경계층

4...사류영역 10...핀

11,12,13,14...슬릿부 15...비드

16...홀

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 작동유체가 흐르도록 하는 전열관들과, 이 전열관들에 수직으로 배열되는 다수의 핀을 구비한 열교환기에 있어서,

상기 핀에는 상기 전열관들을 수용하기 위해 종방향으로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 홀이 형성되며, 종방향으로 이격된 상기 홀들의 사이에는 적어도 2개 이상의 행을 이루어 배치되는 복수의 슬릿부가 형성되며, 각각의 행을 이루는 상기 복수의 슬릿부는 상기 각 홀의 외주연을 따라 배치되어 상기 각 홀의 외주연으로부터 서로 일정한 간격으로 이격되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기는 복수의 슬릿부가 적어도 2개 이상의 열을 이루어 형성되고, 각각의 열은 서로 일정간격을 이루어 배치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 슬릿부의 각 열과 열 사이의 간격은 각 슬릿부의 폭에 대하여 대략 1.5∼2.5배의 크기를 갖도록 한다.

바람직하게, 각 홀로부터 상기 핀의 끝단에 이르는 길이는 각 홀의 반지름에 대하여 대략 1.2∼1.5배의 크기를 갖도록 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기는 핀의 표면에 적어도 1개 이상의 비드가 종방향을 따라 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 비드는 종방향으로 형성된 상기 홀들의 양측에 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 비드의 폭은 슬릿부의 폭보다는 크고, 각 슬릿부의 열과 열사이의 간격보다는 작게 형성되는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.

도 6은 본 발명에 따른 열교환기를 구성하는 하나의 핀(10)의 구조를 도시한 것이다. 이에 도시된 바와 같이, 핀(10)에는 종방향으로 2개의 열을 이루어 다수의 홀(16)이 형성되어서 전열관(2)(도 7참조)들이 이 핀(10)을 수직으로 관통하여 설치되도록 한다. 또한 외부 공기와의 열교환 면적이 증대되도록 2열로 형성된 홀(16)들은 서로 엇갈리게 배치되어 있다. 종방향으로 이웃하는 홀(16)의 사이에는 본 발명에 따른 슬릿부(11)(12)(13)(14)들이 커팅가공에 의해 형성되어 있다. 이 슬릿부(11)(12)(13)(14)들은 각 홀(16)과 홀(16)의 사이에서 2개의 행과 4개의 열을 이루어 배치된다. 한편, 본 발명의 실시예에서는 슬릿부들이 2개의 행과 4개의 열을 이루어 배치되는 것으로 예시되어 있는데, 이러한 행과 열의 수는 전열관(2)과 핀(10)의 크기에 비례하여 많아지거나 적어질 수 있다.

종방향으로 2열로 배치된 홀(16)들의 각 열의 양측으로는 전열면적을 증대시키는 한편, 얇은 판으로 만들어지는 핀(10)의 강도를 보강하기 위한 비드(15)들이 종방향으로, 그리고 연속적으로 형성되어 있다. 따라서, 슬릿부(11)(12)(13)(14)들은 이 한 쌍의 비드(15)들의 사이에 위치하게 된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 이 비드(15)들의 높이는 슬릿부들의 높이보다 낮게 형성되어서 공기의 유동이 슬릿부들을 거쳐서 흐를 수 있도록 한다.

도 8은 본 발명에 따른 슬릿부들과 비드들의 배치구조를 상세하게 나타내기 위하여 도시된 것이다. 이에 도시된 바와 같이, 슬릿부들은 전열관(2)을 삽입시키기 위한 이웃하는 홀들의 사이에서 2개의 행과 4개의 열을 이루어 배치된다. 상측의 행을 이루는 슬릿부(11a)(12a)(13a)(14a)들은 상측의 홀(16a)의 외주연을 따라 일정간격으로 이격되도록 배치되고, 마찬가지로 하측의 행을 이루는 슬릿부(11b)(12b)(13b)(14b)들은 하측의 홀(16b)의 외주연을 따라 일정간격으로 이격되도록 배치된다. 따라서, 상측의 행을 이루는 슬릿부(11a)(12a)(13a)(14a)들은 V자의 형상을 이루게 되며, 하측의 행을 이루는 슬릿부(11b)(12b)(13b)(14b)들은 역V자 형상을 이루게 된다. 또한, 2개의 행을 이루는 슬릿부들은 그 사이를 가로지르는 선(B-B)에 대하여 대칭을 이루게 되고, 홀(16a)(16b)들의 종방향의 중심선(C-C)에 대해서도 대칭을 이루게 된다.

상기와 같은 슬릿부들의 배치구조에 의해 전열관(2)들의 주위로 공기의 흐름을 유도하여 충분한 열교환이 이루어지게 됨과 동시에, 전열관(2)의 하류측 부위에서 발생하는 사류영역(4)(도 3 참조)을 없앨 수 있게 되는 것이다.

이 슬릿부들의 양측에는 종방향으로 연속적으로 형성된 비드(15)들이 배치된다. 이 비드(15)들은 2열을 이루는 전열관(2)을 위한 홀(16)들의 각 열의 양측에 2개씩 배치되므로, 전체적으로는 4개의 비드(15)가 배치되는 것이다(도 6 참조).

각 슬릿부는 대략 동일한 폭(St)을 가지며, 횡방향으로, 즉 각 열과 열 사이의 슬릿부의 간격(Pt)도 대략 동일하게 배치된다. 또한, 슬릿부들에 의한 공기의 난류화에 기인한 열교환 성능을 최대로 하는 반면에, 슬릿부들에 의한 유동저항을 최소로 하기 위하여 슬릿부의 간격(Pt)은 슬릿부의 폭(St)에 대하여 대략 1.5∼2.5배의 범위로 하여 배치된다. 이러한 배치구조에 의해 슬릿의 수가 많아서 유동저항이 증가하여 풍량이 떨어지거나, 슬릿의 수가 적어서 슬릿의 효과를 충분히 얻지 못하는 종래의 열교환기의 단점이 해결되는 것이다.

또한, 핀(10)의 폭을 최적화하기 위하여 핀(10)의 끝단에서 홀(16)까지의 길이(D)는 홀(16)의 반지름(R)에 대하여 대략 1.2∼1.5배의 범위가 되도록 한다. 이러한 배치구조에 의해 핀의 폭이 커서 열교환 효율에 비해 유동손실이 증가하게 되거나, 핀의 폭이 작아서 충분한 열교환 성능이 발휘되지 않는 종래의 열교환기의 단점이 해결되는 것이다.

또한, 얇은 판으로 만들어지는 핀(10)의 강도를 증대시킴과 동시에, 전열면적을 증가시키기 위해 형성되는 비드(15)의 폭이 너무 크게 되면 기류의 압력강하량이 증가하여 열교환기의 성능을 떨어뜨리는 요인이 된다. 이를 감안하여 본 발명에 따른 비드(15)의 폭(Bt)은 슬릿부의 폭(St)보다는 크고, 슬릿부들 사이의 간격(Pt)보다는 작도록 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 열교환기의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본원에 따른 열교환기가 설치된 냉동사이클 또는 히트펌프(heat pump)가 작동하여 응축기로 기능하는 그 열교환기의 전열관(2)의 내부를 통하여 냉매가 흐르게 되면, 이 냉매로부터 발산되는 열이 전열관(2)과 핀(10)으로 전달되게 된다. 이와 동시에, 도 8의 화살표 A로 표시된 바와 같이, 송풍팬(미도시)에 의해 외부의 공기가 열교환기로 유입되어 전열관(2)과 핀(10)을 냉각시키게 된다. 즉, 핀(10)과 평행하게 유입되는 외부 공기는 먼저, 핀(10)의 표면에 형성된 비드(15)를 거쳐서 슬릿부들을 통과하고, 다시 다른 쪽의 비드(15)를 거쳐서 유동하게 된다. 또한, 전열관(2)을 향해 유입되는 공기는 이 전열관(2)의 외주연을 따라 흐르게 된다. 이때, 공기는 슬릿부들에 의해서 난류의 흐름을 형성하게 된다. 또한, 유입된 공기는 상측의 열을 형성하는 슬릿부(11a)(12a)(13a)(14a)에 의해서는 상측에 배치된 전열관의 외주연을 따라 흐르도록 안내되는 한편으로, 하측의 열을 형성하는 슬릿부 (11b)(12b)(13b)(14b)에 의해서는 하측에 배치된 전열관의 외주연을 따라 흐르도록 안내된다. 이러한 흐름에 의해, 전열관(2)의 하류측의 부분에도 기류가 전달되어서 열교환이 이루어지게 된다.

상기와 같이 유동된 공기는 다른 열의 전열관이 형성된 부분으로 이동하게되어 상기와 동일한 기류를 형성하게 된다.

한편, 본원의 열교환기가 증발기로 사용되는 경우에는 외부 공기로부터 전달되는 열이 핀(10)과 전열관(2)을 통하여 전열관(2)의 내부를 유동하는 냉매에 전달되는데, 공기의 흐름과 작용은 상기와 동일하게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기는 슬릿부가 전열관의 외주연을 따라 배치되어 전열관의 전면과 후면 모두에 기류를 유도할 수 있기 때문에, 열교환기의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 열교환기는 각 슬릿부 사이의 간격이 적절하게 배치된 구조를 제공하기 때문에, 온도 경계층에 따른 영향을 저감시키고 공기의 난류화를 효과적으로 유도할 수 있어서 기류의 압력강하량을 최소로 함과 동시에, 열교환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 상기에 의해 냉매의 증발에 의해 발생하는 응축수를 원활하게 배출시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 적절한 전열면적을 가지는 열교환기를 제공함으로써 기류의 압력강하를 최소로 하면서 열교환 효율을 극대화시킬 수 있게 되는 것이다.

부가하여, 핀의 표면에 비드를 형성시킴으로써 전열면적의 증가에 따른 열교환 성능의 향상과 함께 핀의 강도가 증대되기 때문에, 제품의 생산과 설치시에 발생하는 핀의 파손이나 휘어짐을 방지할 수 있다.

Claims (7)

1. 작동유체가 흐르도록 하는 전열관들과, 이 전열관들에 수직으로 배열되는 다수의 핀을 구비한 열교환기에 있어서,

   상기 핀에는 상기 전열관들을 수용하기 위해 종방향으로 일정간격 이격되어 배치되는 다수의 홀이 형성되고, 종방향으로 이격된 상기 홀들의 사이에는 적어도 2개 이상의 열과 행을 이루어 배치되는 복수의 슬릿부가 형성되며,

   각각의 행을 이루는 상기 복수의 슬릿부는 상기 각 홀의 외주연을 따라 배치되어 상기 각 홀의 외주연으로부터 서로 일정한 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 슬릿부의 각 열과 열 사이의 간격은 상기 각 슬릿부의 폭에 대하여 대략 1.5∼2.5배의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 홀로부터 상기 핀의 끝단에 이르는 길이는 상기 각 홀의 반지름에 대하여 대략 1.2∼1.5배의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 핀의 표면에는 적어도 1개 이상의 비드가 종방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 비드는 종방향으로 형성된 상기 홀들의 양측에 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 비드의 폭은 상기 슬릿부의 폭보다는 크고, 상기 각 슬릿부의 횡방향의 간격보다는 작게 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.