KR100518854B1

KR100518854B1 - 열교환기

Info

Publication number: KR100518854B1
Application number: KR10-2003-0061151A
Authority: KR
Inventors: 사용철; 오세윤; 오세기; 장동연; 고철수; 정백영
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-09-02
Filing date: 2003-09-02
Publication date: 2005-09-30
Also published as: US7182127B2; CN1321312C; CN1590945A; JP2005077083A; EP1512931A1; US20050045316A1; KR20050022534A; JP4607470B2; EP1512931B1

Abstract

본 발명에 따른 열교환기는, W자 형상의 코러게이트핀을 구비한 열교환기에 있어서, 특히 튜브가 삽입되는 핀 칼라 주위로 흡입 공기가 지나면서 핀 후단에 발생하는 웨이크(wake)영역을 감소시킬 수 있도록 하는 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 열교환기는, 코러게이트핀이 장착된 열교환기에 있어서, 상기 코러게이트핀은 튜브가 삽입되는 핀 칼라의 전방에서 후방으로 통과하는 공기의 유동을 가이드시키는 공기유동 가이드부를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 열교환기는, 튜브가 삽입되는 핀 칼라 주위로 흡입 공기가 지나면서 핀 후단에 발생하는 웨이크(wake)영역을 감소시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 또 다른 효과로서, 핀 후단에 발생하는 웨이크 (wake)영역이 감소되므로써 흡입공기의 정체현상이 해소되고 유동하는 공기의 저항을 감소시키며, 열교환기의 후열에 위치한 핀으로 유입되는 흡입공기의 유속 분포가 균일하게 형성되므로써 특히 후열을 포함한 전체 열교환 능력을 향상시키는 효과가 있다.

Description

열교환기{Heat exchanger}

본 발명은, W자 형상의 코러게이트핀을 구비한 열교환기에 있어서, 특히 튜브가 삽입되는 핀 칼라 주위로 흡입 공기가 지나면서 튜브 후단에 발생하는 웨이크 (wake)영역을 감소시킬 수 있도록 하는 장치에 관한 것으로서, 튜브가 삽입되는 핀 칼라 주위로 흡입 공기가 지나면서 핀 후단에 발생하는 웨이크(wake)영역을 감소시키고, 핀 칼라 후단에 발생하는 웨이크(wake)영역이 감소되므로써 흡입 공기의 정체현상이 해소되고 유동하는 공기의 저항을 감소시키며, 후열에 위치한 핀으로 유입되는 공기 유속 분포가 균일하게 형성되므로써 특히 특히 후열을 포함한 전체 열교환 능력을 향상시킬 수 있도록 하는 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로, 열펌프식 냉난방 장치는 실내 온도가 고온일 경우에는 냉방기로 사용하게 되고, 반대로 실내 온도가 저온일 경우에는 난방기로 사용케 되어 난방 운전을 하게 된다. 이때 난방 운전을 하는 경우에는 실외기의 열교환기는 증발기로서 작동하게 된다.

도 1은 열펌프식 냉난방 장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 열펌프식 냉난방 장치가 냉방 운전되는 때에는 압축기(1)에서 토출된 냉매가스가 오일 분리기(2)에서 오일과 분리되며, 이렇게 분리된 냉매 가스는 사방 밸브(3)를 지나 실외열교환기(4)로 유입된 후, 팽창 밸브(5)를 거치면서 저온 저압의 냉매 상태로 변화되어 실내 열교환기(6)로 유입된다. 그리고, 상기 실내 열교환기(6)에서 증발된 냉매 가스는 실내 공기와 열 교환된 후, 사방 밸브(3)를 통해 어큐뮬레이터(Accumulator)(7)로 유입되며, 이렇게 어큐뮬레이터(Accumulator)(7)로 유입된 냉매 가스는 압축기(1)로 흡입되면서 연속적으로 순환하게 된다.

다음, 열펌프식 냉난방 장치가 난방 운전되는 때에는 상기 압축기(1)에서 토출된 냉매 가스가 오일 분리기(2)를 지나면서 오일과 분리되며, 이 냉매 가스는 사방 밸브(3)를 거쳐 실내 열교환기(6)로 지나면서 응축되어 실내 공기와 열 교환되고, 이후 냉매는 팽창 밸브(5)를지나면서 저온 저압의 냉매 상태로 변화되어 실외 열교환기(4)를 지나면서 증발된다. 이렇게 증발된 냉매 가스는 사방 밸브(3)를 거쳐 어큐뮬레이터(Accumulator)(7)로 유입된 후, 압축기(1)로 흡입되면서 순환하게 된다.

도 2는 종래 기술에 따른 실외기의 주요 구성품을 나타내는 배치도이고, 도 3은 평판 핀 표면에 서리가 착상한 것을 나타내는 도면이다.

이들 도면을 참조하면, 실외열교환기(4)는 냉매와 외부 공기사이에 열교환을 하는 열교환기(8), 상기 열교환기(8)의 열교환을 원활히 하도록 상기 열교환기 (8)에 외부 공기를 공급해주는 팬(9)등으로 구성된다.

이때 상기의 팬(9)에서 공급되는 외부 공기는 열교환기(8)의 튜브(10)상에 고정된 평판 핀(11)과 평판 핀(11) 사이의 유로를 통과하게 된다. 이때 상기의 실외기가 난방 운전 모드로 작동되는 때에는 상기 열교환기(8)의 튜브(10)에 부착 고정되어 있는 평판 핀(11)의 표면에는 서리가 생성되게 되는데, 이때 상기 평판 핀(11)에 착상되는 서리는 상기 평판 핀(11)의 전단부에서 많이 착상되게 되고 후단부는 적게 착상되게 된다.

도 4는 종래 기술에 따른 코러게이트핀 타잎의 열교환기를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 상기와 같은 열교환기는 튜브(10)에 부착/고정되는 방열핀의 유형에 따라 몇가지로 분류되는데, 그중 코러게이트핀 타입의 열교환기는 W자 형태로 형성된 다수의 코러게이트 핀(12)상에 다수의 튜브(10)가 설치된 구조의 열교환기이다.

여기서, 상기 코러게이트 핀(12)의 경우, 전체 형상이 "W"자와 같이 산부인 고점부(13)와 골부인 저점부(14)가 연속적으로 형성된 구조로 이루어져 있으면서 상기 코러게이트 핀(12)에는 튜브 삽입구(미도시)를 통해 삽착된 튜브(10)를 지지 고정할 수 있도록 관통된 핀 칼라(16)가 일정높이로 돌출 형성되어 있으며, 상기 핀 칼라 외주면 하단에는 코러게이트 핀(12)의 제작시 상기 핀 칼라가 튜브 삽입구와 동심을 이루면서 일정높이로 돌출될 수 있도록 함과 동시에, 공기가 튜브(10) 주위를 감싸는 형태로 유동될 수 있도록 상기 핀 칼라에 대해 동심원 형태의 시이트(15)가 형성되어 있다.

또한, 상기 시이트(15)와 상기 코러게이트 핀(12)의 저점부(14)가 서로 동일한 높이로 형성되어 있어, 전체적으로 상기 코러게이트 핀(12)의 고점부 높이와 저점부 깊이가 동일하게 이루어져 있다. 다시 말하면, 상기 저점부(14)가 상기 시이트(15)면 상에 위치되어, 상기 고점부(13)의 높이와 저점부(14)의 깊이가 동일하게 형성된다.

이와 같이 상기 코러게이트 핀(12)의 고점부 높이와 저점부 깊이가 동일하게 구성된 종래 열교환기(8)로 공기가 유입되게 되면, 코러게이트 핀(12) 표면에 생기는 서리의 두께는 코러게이트 핀(12) 표면에서의 열전달에 비례하게 되고, 튜브(10)와 튜브(10) 사이 영역에서는 유동중인 공기의 속도가 증가하는 고속류가 발생하고, 이로 인하여 열전달계수가 증가하게 되면서 코러게이트 핀(12) 표면에 형성되는 서리층이 빠르게 성장하게 된다.

이와 같이 코러게이트 핀(12) 표면에 서리층이 성장하게 되면, 코러게이트 핀(12)과 소정간격으로 이격된 코러게이트 핀(12) 사이 거리인 공기 통과 면적이 감소하게 되고, 상기와 같이 감소된 공기 통과 면적에 의해 공기의 유속이 더욱 증가되는 현상이 발생하게 되면서 이에 대한 공기의 압력손실은 시간에 따라 증가함과 아울러, 열교환기의 전열량 역시 크게 감소하게 된다.

도 5는 종래 기술에 따른 코러게이트 핀의 구조를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하여, 코러게이트핀을 구비한 종래의 열교환기에 있어서, 튜브주위의 공기의 흐름을 살펴보면, 열교환기의 전면으로 유입된 공기는 튜브와 튜브사이의 통과 면적이 축소되면서 유속이 빨라지게 되고, 이때 열교환기에서 발생하는 압력손실은 공기의 유속과 저점부와 고점부의 높이(H)에 비례하게 된다.

또한, 상대적으로 고속류가 발생하는 튜브와 튜브사이의 영역은 전체 전열면적에 비하여 그 비중이 작기때문에 열전달에 미치는 영향은 적으나, 압력손실에 있어서는 큰 영향을 미치게 된다.

즉, 튜브의 후위에는 저속영역(wake)이 발생하게 되는데, 이렇게 튜브의 후위에 발생하는 저속영역(wake)은 시트부에 저점부가 닿아 있어 튜브 주위를 흐르는 유입된 공기 전부가 튜브 후위로 공급되지 않기 때문에 발생하게 되는 것이다.

따라서 튜브 주위를 돌아 흐르는 유입된 공기는 튜브의 후위에서 정체되게 되고, 이로 인하여 열전달 효율이 극도로 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 튜브가 삽입되는 칼라 주위로 흡입 공기가 지나면서 후단에 발생하는 웨이크(wake)영역을 감소시키므로써 정체현상을 해소하고, 유동하는 공기의 저항을 감소시키며 후열에 위치한 핀으로 유입되는 공기 유속 분포를 균일하게 형성시킴으로써, 특히 후열을 포함한 전체 열교환 능력을 향상시키도록 함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열교환기는, 코러게이트핀이 장착된 열교환기에 있어서, 상기 코러게이트핀은 튜브가 삽입되는 핀 칼라의 전방에서 후방으로 통과하는 공기의 유동을 가이드시키는 공기유동 가이드부를 구비한 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 따른 열교환기의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명에 따른 코러게이트 핀의 공기유동 가이드부 구조를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 코러게이트핀은 튜브가 삽입되는 핀 칼라(16)의 전방에서 후방으로 통과하는 공기의 유동을 가이드시키는 공기유동 가이드부(18)를 구비한 것이 그 특징인 바, 본 발명에 따른 코러게이트핀을 구비한 열교환기의 전면으로 공기가 유입되면, 유입된 공기는 튜브와 튜브사이의 통과 면적이 축소되면서 유속이 빠른 고속류가 발생하게 되고, 이로 인하여 열전달계수가 증가하면서 상기 코러게이트핀의 표면에는 서리층이 성장하게 되고, 튜브의 전방으로 유입된 흡입공기는 공기유동 가이드부(18)에 의하여 가이드되면서 튜브의 후방으로 쉽게 흐르게 된다.

즉, 본 발명에 따른 열교환기에 있어서는, 종래의 기술에 따른 열교환기에서 튜브가 삽입되는 칼라 주위로 흡입 공기가 지나면서 후단에 웨이크(wake)영역이 발생하여 흡입공기의 정체현상이 발생하여 이로 인하여 후열에 위치한 핀으로 유입되는 공기 유속 분포가 불균일하던 것과는 달리, 튜브가 삽입된 칼라 주위로 흡입공기가 지날때 그 후단에 웨이크 영역이 발생하지 않게 되는데, 이는 상기의 공기유동 가이드부(18)에 의하여 튜브의 전방으로 유입된 흡입공기는 공기 유입부를 지나 시트부와 공기 유출부를 가이드 되면서 후열의 핀으로 다시 유입되게 된다.상세히, 상기 코러게이트핀의 공기 유동 가이드부(18)는 상기 핀 칼라(16)의 전방에 형성되는 공기 유입부와, 핀 칼라(16)의 후방에 형성되는 공기 유출부와, 상기 공기 유입부로 유입된 공기가 저점부(14)로 나뉘어지지 않고 전부 공기 유출부로 이동되도록 하는 경사부(17)가 포함된다. 그리고, 상기 공기 유입부와 공기 유출부는 시이트(15) 면 상에 형성된다. 여기서, 상기 경사부(17)는 도 6에 도시된 바와 같이 소정의 높이와 경사를 가지고 이루어진다. 그리고, 상기 도 6의 하측에 도시된 측면도에 도시된 바와 같이 저점부(14)는 시이트(15)면으로부터 소정 높이 이격된 위치에 형성된다. 따라서, 상기 경사부(17)는 저점부와 만나는 지점에서 단절되지 않고 연속적으로 이루어져 웨이크 영역이 형성되지 않는다. 그러나, 종래의 경우는 도 5에 도시된 바와 같이 저점부(14)는 시이트(15)면에 닿아 있기 때문에 경사부(17)는 저점부(14)와 만나는 지점에서 단절된다. 따라서, 핀칼라(16) 주위를 흐르는 공기의 일부는 저점부(14) 쪽으로 분지되어 흐르게 되어 웨이크 영역이 발생된다. 그러나, 본 발명의 경우, 저점부(14)가 시이트(15)면으로부터 소정 높이 이격되어 있으므로, 경사부(17)가 단절되지 아니하여 공기 유입부로 유입된 공기 전부가 상기 경사부(17)를 따라 흘러 공기 유출부로 흘러 나가게 된다.

이를 좀더 상세하게 살펴보면, 튜브의 전방으로 유입된 흡입공기는 튜브의 전방에 형성되는 공기 유입부로 유입되고, 상기 유입된 공기는 공기 유입부에 이어져 형성되는 시트부를 통하여 튜브 주위를 감싸고 통과한 후 이에 이어지는 공기 유출부를 지나서 전열의 핀을 통과하게 되는데, 이렇게 전열의 핀을 통과한 흡입공기는 유동의 정체 없이 진행된 흐름으로써 후열의 핀으로 유입되게 된다.

이때, 공기 유입부에 이어져 형성되는 시트부를 통하여 튜브 주위를 감싸고 통과한 후 공기 유출부를 지나서 전열의 핀을 통과하는 흡입공기가 유동의 정체가 없이 진행되어 후열의 핀으로 전달되도록 하기 위하여서는, 상기 공기 유입부와 공기 유출부는 상기 시이트부와 동일 평면상에 형성되는 것이 바람직한데, 이는 공기 유입부로 유입된 흡입공기가 시트부로 통과하면서 생길수 있는 유동 저항을 최소화 하기 위함이며, 마찬가지로 시트부를 통하여 튜브 주위를 감싸고 통과한 흡입공기가 공기 유출부로 전달될 때 생길수 있는 유동 저항을 최소화 하기 위함이다.

즉, 상기 공기 유입부와 공기 유출부가 상기 시이트부와 동일 평면상에 형성되고, 경사부(17)가 연속적으로 형성됨으로써, 공기 유입부로 유입된 후 시트부를 통하여 튜브 주위를 감싸고 통과한 후 공기 유출부로 빠져나가는 흡입공기는 유동저항이 최소인 상태에서 후열의 핀으로 다시 유입되게 된다.

따라서 후열의 핀으로 유입되는 흡입공기는, 종래의 열교환기에서와는 달리 공기 유속 분포가 균일하게 형성되게 되는데, 이로써 튜브 후위에서의 공기 유동의 정체없이 후열의 핀으로 흡입공기의 유입이 이루어짐에 따라서 특히 후열의 핀에서의 열교환 능력의 저하를 극복할 수 있게 된다.

이로써, 본 발명에 따른 열교환기는 평판 핀을 이용한 종래의 열교환기에서의 문제점인 열교환 능력의 저하를 극복하고, 코러게이트 핀을 이용한 종래의 열교환기에서의 문제점인 후열 핀에서의 공기 유속 분포의 불균일을 해소하므로써, 열교환기 전체 열교환 능력을 제고할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따른 열교환기는, 흡입 공기가 튜브가 삽입되는 칼라 주위로 흡입 공기가 지나면서 후단에 발생하는 웨이크(wake)영역을 감소시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 또 다른 효과로서 칼라 후단에 발생하는 웨이크(wake)영역이 감소되므로써 정체현상이 해소되고 유동하는 공기의 저항을 감소시키며, 후열에 위치한 핀으로 유입되는 공기 유속 분포가 균일하게 형성되므로써 특히 후열의 열교환 능력을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 히트 펌프식 냉난방 장치를 개략적으로 나타낸 구성도.

도 2는 종래 기술에 따른 실외기의 주요 구성품을 나타내는 배치도.

도 3은 평판 핀 표면에 서리가 착상한 것을 나타내는 도면.

도 4는 종래 기술에 따른 코러게이트 핀 타잎의 열교환기를 나타낸 도면.

도 5는 종래 기술에 따른 코러게이트 핀의 구조를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명에 따른 코러게이트 핀의 공기유동 가이드부 구조를 나타낸 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 압축기 2 : 오일분리기 3 : 사방밸브

4 : 실외열교환기기 5 : 팽창밸브 6 : 실내 열교환기

7 : 어큐뮬레이터 8 : 열교환기 9 : 팬

10 : 튜브 11 : 평판 핀 12 : 코러게이트 핀

13 : 고점부 14 : 저점부 15 : 시이트

16 : 핀 칼라 17 : 경사부 18 : 공기유동 가이드부

Claims

저점부와 고점부로 이루어지는 코러게이트핀이 장착된 열교환기에 있어서,

내부에 유체가 흐르는 핀칼라;,

상기 핀칼라의 전방에 형성되는 공기 유입부와, 상기 핀 칼라의 후방에 형성되는 공기 유출부와, 상기 공기 유입부와 공기 유출부를 이어주며, 공기 유입부로 유입된 공기 전부가 공기 유출부로 흐르도록 소정의 곡률과 경사각으로 연속되어 형성되는 경사부로 이루어지는 공기 가이드부;

상기 공기 가이드부가 형성되는 시이트부;가 포함되고,

상기 저점부는 상기 시이트부로부터 소정 높이 이격되는 지점에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
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