KR100690891B1 - 건조기용 열교환기 및 이를 이용한 응축식 건조기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건조기 내부의 습공기가 순환하여 유동하도록 양단이 개방되어 있고 단면이 직사각형의 덕트 형태인 다수의 튜브와 외부 공기가 유동하는 다수의 핀 구조물이 교대로 적층된 형태의 열교환기로서, 상기 핀 구조물은 평판형 금속을 지그재그 방식으로 반복적으로 절곡하여 형성된 다수의 공기 유로와, 상기 공기 유로의 표면에 형성된 다수의 핀으로 구성되며, 상기 핀은 상기 공기 유로 표면의 일부분을 절단하여 상기 표면에 대하여 경사진 채로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 건조기용 열교환기를 제공한다. 본 발명에 따르면, 열교환기의 열교환 면적 및 열교환 확률이 증가되어, 이를 채용한 건조기의 건조 효율을 향상시킬 수 있으며, 제조 비용을 낮출 수 있다.

건조기, 열교환기, 루버핀

Description

건조기용 열교환기 및 이를 이용한 응축식 건조기{HEAT EXCHANGER FOR A DRIER AND CONDENSING TYPE DRIER UTILIZING THE SAME}

도 1a는 의류 건조기의 일례를 도시한 단면도.

도 1b는 도 1a의 의류 건조기의 평면도.

도 2는 열교환기의 일례를 보인 사시도.

도 3은 본 발명의 열교환기의 구성 부품을 도시한 전개도.

도 4는 본 발명의 열교환기의 열교환부의 적층 구조를 보인 사시도.

도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 열교환기의 핀 구조물의 상세 구조를 보인 모식도.

도 6은 본 발명에 따른 열교환기의 핀 구조물의 실제 사진

도 7은 본 발명에 따른 열교환기의 열전달 성능을 보여주는 그래프.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

30:열교환부 32:튜브

34:핀 구조물 35:금속판

36:핀 37:공기 유로

본 발명은 건조기용 열교환기에 관한 것으로, 상세하게는 열전달 면적과 열전달 확률을 향상시킨 새로운 구조의 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로, 건조겸용 세탁기 또는 의류건조기 등의 건조 기기는 히터에 의해 생성된 열풍을 드럼내로 송풍하여 건조대상물에 대한 건조를 수행하며, 건조대상물을 건조시킴에 따라 발생되는 습공기의 처리방식에 따라 크게 배기 방식과 응축 방식으로 나뉘어진다.

배기 방식의 경우 드럼으로부터 배출된 습공기를 건조기 외부로 배출하고, 응축 방식에서는 드럼으로부터 배출된 습공기를 응축기에서 응축시켜 수분을 제거하고 수분이 제거된 건조공기는 다시 드럼으로 보내어 재순환시킨다.

응축식 건조기는 일반적으로 세탁물을 건조시키는 드럼, 이물질을 걸러내는 필터, 열교환을 통해 세탁물의 수분을 제거하는 열교환부(또는 응축기), 유동을 일으켜 건조를 용이하게 하는 팬, 더운 바람을 만들어 건조를 단축시키는 히터, 각 부품을 연결하는 배관 등으로 이루어진다.

응축 방식의 건조기의 일례를 도 1a 및 1b에 도시하였다. 도 1a 및 도 1b에서 화살표 Ⅰ은 외기의 흐름을 나타내며, 화살표 Ⅱ는 순환공기의 흐름을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 전방면에 도어(12)가 설치된 본체(10) 내부에 건조대상물이 수용되는 드럼(11)이 회전가능하게 설치되어 있다. 상기 드럼(11)은 본체(10) 하부에 설치된 모터(17)에 의해 벨트(19)로 연결되어 회동하도록 구성된다.

그리고, 상기 본체(10) 하부에는 드럼(11)을 통해 순환하는 고온 다습한 공기를 응축시켜 수분을 제거함으로써 순환공기를 건조한 상태로 만들어주는 열교환기(또는 응축기)(13)가 설치되어 있다. 이 열교환기(13)의 전방부와 후방부는 상기 드럼(11)의 전방과 후방에 각각 연결된 순환덕트(14)에 연결되어, 드럼(11)을 통해 배출된 공기가 상기 열교환기(13)를 지나 다시 드럼(11)으로 유입될 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 순환덕트(14)에는 열교환기(13)를 통과한 공기를 가열하여 주는 히터(15) 및 상기 순환덕트(14)를 통해 공기를 강제 순환시키는 순환팬(16)이 설치되는데, 상기 순환팬(16)은 상기 드럼(11)을 구동시키는 모터(17)의 다른 축에 연결되어 구동된다.

상기 순환덕트(14)를 통해 순환하는 공기를 상기 열교환기(13)에서 열교환에 의해 응축시켜 주기 위해서는 열교환기(13)로 외부의 차가운 공기가 공급되어야 하므로, 이를 위해 상기 열교환기(13)의 일측에는 본체(10) 외부와 연결된 외기 공급 덕트(18)가 연결되고, 상기 외기 공급덕트(18)가 연결된 열교환기(13)의 반대측에는 상기 외기 공급덕트(18)를 통해 외부 공기를 강제 흡입하여 본체(10) 내로 배출시키는 냉각팬(20) 및 냉각팬 구동모터(21)가 설치된다. 미설명부호 22는 상기 드럼(11)의 전방을 통해 순환덕트(14)로 배출되는 공기로부터 실밥 등의 이물질을 걸러 내는 필터이다. 상기 열교환기(13)의 하부에는 응축과정에서 생성되어 낙하된 응축수를 채집하는 물받이(미도시)가 설치되며, 이 물받이에 채집된 응축수를 응축수 저장탱크(2)로 보내기 위한 펌프(23)가 설치되어 있다.

건조기의 목적은 세탁물을 빠른 시간에 적은 소비 전력으로 건조시키는 것이다. 소비 전력을 감소시키고 건조 시간 단축을 동시에 만족시키기 위하여 히터 용량이나 팬의 용량을 증대하는 방법이 있으나 이에 따른 추가적인 비용 부담 및 소비 전력 상승에 따른 전기료 상승, 소음 증가 등의 이유로 문제가 있다.

이와 같은 문제점에 대한 대안으로 열교환기의 효율을 높이는 방안이 있다. 응축식 의류 건조기 또는 건조 겸용 세탁기에 사용되는 열교환기의 일례를 도 2에 도시하였다. 도시한 바와 같은 열교환기는 외부 공기 유입부(13a)로 유입된 건조 공기가 열교환기 내부에 습공기 유입부(13b)에 순환적으로 유입되는 습공기와 열교환을 하게 되며, 이 과정에서 열교환기 내부 표면에 열교환에 따른 습공기가 응축되어 물방울이 맺히게 된다. 응축식 건조기에서 열교환기는 건조 효율에 중요한 영향을 미치는 핵심 부품이라고 할 수 있으며, 열교환 효율을 높이기 위한 새로운 구조의 열교환기의 필요성이 크게 대두되고 있다.

건조기용 열교환기에 있어서, 열교환 효율을 높이기 위해서는 외부 유입 공기와 내부 순환 공기 사이에 더 많은 열전달이 이루어지도록 하여야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 열전달 면적 및 열교환 확률을 향상시킨 새로운 구조의 열교환기를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 제조 비용이 저렴하고 생산성이 우수한 열교환기를 제공하는데 있다.

뿐만 아니라, 본 발명의 또 다른 목적은 효율이 향상된 열교환기를 사용하여 건조기의 건조 효율을 개선시키는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 건조기 내부의 습공기가 순환하여 유동하도록 양단이 개방되어 있고 단면이 직사각형의 덕트 형태인 다수의 튜브와 외부 공기가 유동하는 다수의 핀 구조물이 교대로 적층된 형태의 열교환기로서, 상기 핀 구조물은 평판형 금속을 지그재그 방식으로 반복적으로 절곡하여 형성된 다수의 공기 유로와, 상기 공기 유로의 표면에 형성된 다수의 핀으로 구성되며, 상기 핀은 상기 공기 유로 표면의 일부분을 절단하여 상기 표면에 대하여 경사진 채로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 건조기용 열교환기를 제공한다.

상기 공기 유로 표면에 형성된 다수의 핀은 상기 표면에 경사진 각도가 서로 다른 적어도 두 개의 그룹으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 캐비넷 내부에 회전이 가능하도록 설치된 드럼과; 습공기를 외부에서 유입된 공기와의 열교환을 통해 습기를 응축시키는 열교환기와; 공기의 유동을 일으키는 팬; 그리고 순환 공기에 고온의 열을 가하는 열원을 포함하여 구성되며, 상기 열교환기는 습공기가 순환하여 유동하는 다수의 튜브와, 외부 공기가 유동하는 다수의 핀 구조물이 교대로 적층되어 형성되며, 상기 핀 구조물은 평판형 금속을 지그재그 방식으로 반복적으로 절곡하여 형성된 다수의 공기 유로와, 상기 공기 유로의 표면에 형성된 다수의 핀으로 구성되고, 상기 핀은 상기 공기 유로 표면의 일부분을 절단하여 상기 표면에 대하여 경사진 채로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는 응축식 건조기를 제공한다.

본 발명에 따른 열교환기는 건조기 내부에서 순환하는 내부 (습)공기와 건조 기 외부에서 유입되는 (건조)공기 사이에 열전달이 원활하게 이루어지도록 열전달 면적이 크고, 외부 유입 공기가 열교환기 내부에서 난류로 유도되어 열교환의 확률을 더욱 높임으로써 궁극적으로는 열교환기의 효율을 향상시킨다.

실제 열교환 성능 평가 실험에서 본 발명에 따른 열교환기의 효율이 15% 이상 향상된 것으로 나타났다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 열교환기의 구성 부품들이 도시되어 있다.

먼저, 열교환부(30)는 다수의 튜브(32)와 다수의 핀 구조물(34)이 교대로 적층하여 형성된다. 상기 튜브(32)는 양단이 개방되어 있고 단면이 직사각형인 덕트 구조이다. 상기 튜브(32)의 개방된 양단에는 건조기 내부의 순환 공기가 유동하는 배관(미도시)이 각각 연결된다.

상기 핀 구조물(34)은 지그재그 방식으로 반복적으로 절곡 형성된 구조물과 이 구조물 표면에 형성된 다수의 핀으로 구성된다.

상기 튜브(32)와 핀 구조물(34)은 두께가 얇은 각각의 층이 반복적으로 적층되어 하나의 열교환부를 이룬다. 이와 같이 반복적인 적층 구조를 형성함으로써 열전달 면적을 크게 할 수 있다. 도 4를 참조하면, 각각의 튜브(32)와 핀 구조물(34)이 적층되는 과정이 모식적으로 나타나 있다.

상기 튜브(32)와 핀 구조물(34)의 재질은 열전달 특성이 우수한 금속이며, 주로 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 선호된다.

한편, 상기 열교환부(30)의 전면 및 후면에는 전면 덮개(40)와 후면 덮개(42)가 각각 결합된다. 상기 전면 덮개(40)와 후면 덮개(42)는 열교환부(30)가 건 조기 내부의 배관이나 기타 부품들과 결합하기에 용이하도록 결합 매개 기능을 한다. 전면 덮개(40)와 후면 덮개(42)의 재질은 ABS-GF 등의 플라스틱 계열이며, 주로 사출 성형의 방법으로 형성된다. 상기 전면 덮개(40)와 후면 덮개(42)가 열교환부(30)의 양단에 결합하는 부위에는 공기의 누설이 없도록 밀봉 부재를 더 형성할 수도 있다.

상기 핀 구조물(34)은 금속 판을 지그재그 형태로 절곡하여 공기 유로를 형성하고, 공기 유로 표면에는 다수의 루버핀(louver fin)을 형성한다.

상기 핀 구조물(34)은 예를 들어 금속 평판을 지그재그 형태로 접어 외관으로 볼 때 두께, 폭, 길이가 일정한 직육면체 구조로 형성한다. 지그재그 형태로 금속 평판을 접으면 골과 골이 반복되는 구조물이 형성되며, 이 구조물의 위 아래에 각각 튜브(32) 표면이 맞닿아 접합된다. 따라서, 상기 골은 외부 공기가 유입되어 열교환을 거친 후 다시 빠져 나가는 통로, 즉 외부 공기의 공기 유로가 된다.

공기 유로 표면에는 일련의 다수의 핀들이 연속적으로 형성된다. 상기 핀들은 상기 공기 유로 표면의 적어도 일면에, 바람직하게는 공기 유로를 형성한 표면의 양 면에 형성한다. 상기 다수의 핀은 공기 유로 표면에 대하여 각도를 이룬 채 경사지도록 형성되며, 이를 위하여 공기 유로 표면의 일부분을 절단하여 공기 유로 표면과 각도를 이루도록 돌출시켜 성형하는 것이 바람직하다.

이러한 성형 과정은 금속 평판에 대하여 핀에 해당하는 부분을 일부 절단하고, 다수의 공기 유로가 형성되도록 지그재그 방식으로 반복적으로 절곡하는 단계로 이루어질 수 있다. 이 과정은 자동화된 기계를 사용하여 한 번의 연속적인 공정 으로 마무리 할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 열교환기의 핀 구조물(34)의 구체적인 형태로서 도 4에서 A, B 및 C 방향에서 바라본 구조를 각각 도 5a 내지 5c에 도시하였다.

절곡 형성된 금속판(35)의 공기 유로(37) 표면에는 다수의 핀(36)이 형성되어 있다. 이러한 핀(36)은 금속판의 일부분을 절단하여 공기 유로(37) 표면에 대하여 일정한 각도로 경사진 채로 돌출되도록 하여 형성한다. 마치 물고기의 비늘 모양과 같이 형성된 상기 핀(36)들은 열교환기로 유입되는 외부 공기가 접촉하여 열교환기 내부에 순환하는 공기와 열전달이 일어나는 매개체로 작용한다.

본 발명에 따른 열교환기의 핀 구조물(34)은 다수의 핀(36)을 간단한 구조로 형성하기 때문에 제조상의 편리함이 있다. 예를 들어, 상기 핀(36)은 공기 유로(37) 상의 금속 표면을 펀칭 등의 방법으로 일부분을 절단하여 금속 표면에 대하여 경사져 돌출되도록 형성할 수 있을 것이다.

상기 다수의 핀(36)은 하나의 공기 유로 면에 대하여 경사진 각도가 서로 다른 적어도 두 개의 그룹으로 형성하는 것이 바람직하다. 공기 유로를 통하여 유동하는 외부 공기는 튜브를 통하여 순환적으로 진행하는 건조기의 내부 습공기와 열전달을 하게 되는데, 열전달이 더욱 효과적으로 이루어지기 위해서는 외부 공기가 상기 핀 구조물 내부에서 가급적 난류를 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 공기 유로 표면에 형성되는 다수의 핀을 그 경사 방향이 다르게 형성하게 되면 열교환기로 유입되는 외부 공기가 핀 구조물의 공기 유로를 지나면서 흐름이 분산되어 난류 유동(turbulent flow)을 일으키게 된다. 이와 같은 난류 유동은 핀 구조물 의 공기 유로를 지나는 외부 공기가 튜브를 지나는 고온의 습공기로부터 열을 취득할 수 있는 확률을 더욱 높이게 되며, 결국 열교환기의 열교환 성능의 향상을 가져온다. 도 5b 및 5c에, 경사진 방향이 서로 다른 두 개의 핀 그룹(36a, 36b)이 예시적으로 도시하였다. 도 6은 완성된 실제 핀 구조물의 사진이다.

본 발명에 따른 열교환기에 있어서, 핀 구조물의 구조와 관련된 형태적 요소는 열교환 성능에 많은 영향을 미칠 수 있다.

예를 들어, 상기 핀(36)들은 공기 유로(37) 상의 금속 표면(35)에 대하여 돌출되는 정도를 0.4 - 0.7 mm 범위로 하는 것이 좋다. 돌출 정도가 너무 작으면 외부 공기의 접촉이 원할하지 않을 수 있으며, 돌출 정도가 너무 크면 유입된 외부 공기의 유동 마찰이 커져 소음이 증가할 수 있다.

한편, 각각의 핀과 핀 사이의 간격은 1 - 3 mm, 바람직하게는 1.5 - 2.5 mm로 형성하는 것이 좋다. 상기 간격이 너무 작으면 외부 공기의 유동 마찰이 커질 수 있으며, 반대로 간격이 너무 크면 열전달 확률이 감소하게 된다.

상기 핀 구조물(34)의 두께는 핀 구조물과 적층하여 결합되는 튜브(32)와의 관계를 고려하여 결정되는데, 반복하여 적층되는 정도에 따라 변화될 수 있으나, 8 - 10 mm 범위의 두께가 바람직하다. 튜브는 열전달 확률을 높이기 위하여 핀 구조물 보다는 두께를 작게 하는 것이 좋다.

핀 구조물(34)의 절곡된 형태에서 각 공기 유로(37) 표면 간의 거리, 즉 핀 구조물의 피치(pitch) 역시 너무 크거나 작지 않도록 형성하는 것이 바람직하다. 피치가 너무 크게 되면 열교환 확율이 낮아지므로 열전달 특성이 떨어지며, 피치가 너무 작게 되면 열교환 확율은 높아지지만 공기 유로에 형성된 다수의 핀들에 의하여 외부 공기의 유동이 큰 저항을 받게 되므로 열교환기 동작시 소음이 증가할 수 있다.

본 발명에 따른 열교환기에서 핀 구조물의 공기 유로의 적정한 피치의 범위로 3 - 6 mm 가 바람직하다.

공기 유로의 피치를 변화시켜 열전달 성능을 측정한 결과를 도 7에 도시하였다. 상기 결과에는 비교예로서 본 발명과 달리 오프셋 핀 구조의 공기 유로를 갖는 핀 구조물에 대하여 열전달 성능을 조사하여 그 결과를 함께 도시하였다.

상기 측정은 루버핀이 형성된 공기 유로의 피치를 각각 4 mm로 한 경우와 5 mm로 한 경우의 열전달 특성을 조사하였다.

열전달 정도는 다음의 식에 따라 계산하였다.

Q = m·c_p·ΔT (건조 상태)

Q = m·Δh (습한 상태)

위 식에서 열전달 정도, 즉 열량 변화(Q)는 건조 공기에 대해서는 유동 공기의 질량(m)과, 공기의 정압 비열(c_p) 및 온도 변화(ΔT)의 곱으로 구하였으며, 습공기에 대해서는 유동 공기의 질량(m)과 공기의 엔탈피 변화량(Δh)의 곱으로 구하였다.

상기 결과로부터 핀 구조에 있어서 특히 공기 유로의 피치를 달리했을 때 열교환 성능이 차이가 있음을 확인할 수 있다. 또한, 오프셋 핀 구조의 열교환기에 비하여 본 발명에 따른 루버핀 구조의 열교환기의 열교환 성능이 15% 정도 증가한 것을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 열전달 면적 및 열전달 확률이 증가되어 열교환기의 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 열교환기는 건조기에 적용되어 건조 효율을 상승시킬 뿐만 아니라, 열교환기 제조 비용의 절감으로 건조기의 단가를 낮추어 제품 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 건조기 내부의 습공기가 순환하여 유동하도록 양단이 개방되어 있고 단면이 직사각형의 덕트 형태인 다수의 튜브와 외부 공기가 유동하는 다수의 핀 구조물이 교대로 적층된 형태의 열교환기로서,

   상기 핀 구조물은 평판형 금속을 지그재그 방식으로 반복적으로 절곡하여 형성된 다수의 공기 유로와, 상기 공기 유로의 표면에 형성된 다수의 핀으로 구성되며,

   상기 핀은 상기 공기 유로 표면의 일부분을 절단하여 상기 표면에 대하여 경사진 채로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는

   건조기용 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 공기 유로 표면에 형성된 다수의 핀은 상기 표면에 경사진 각도가 서로 다른 적어도 두 개의 그룹으로 이루어지는 건조기용 열교환기.
3. 제1항에 있어서, 상기 핀 구조물의 높이는 8 - 10 mm 범위인 건조기용 열교환기.
4. 제1항에 있어서, 상기 핀 구조물에서 공기 유로간의 피치(pitch)는 3 - 6 mm 범위인 건조기용 열교환기.
5. 제1항에 있어서, 상기 다수의 핀이 공기 유로 표면에 대하여 돌출되는 정도는 0.4 - 0.7 mm 범위인 건조기용 열교환기.
6. 제1항에 있어서, 상기 다수의 핀에서 각 핀 사이의 간격은 1 - 3 mm 범위인 건조기용 열교환기.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 튜브는 단면이 직사각형인 것을 특징으로 하는 건조기용 열교환기.
8. 캐비넷 내부에 회전이 가능하도록 설치된 드럼과;

   습공기를 외부에서 유입된 공기와의 열교환을 통해 습기를 응축시키는 열교환기와;

   공기의 유동을 일으키는 팬;

   순환 공기에 고온의 열을 가하는 열원을 포함하여 구성되며,

   상기 열교환기는

   습공기가 순환하여 유동하는 다수의 튜브와,

   외부 공기가 유동하는 다수의 핀 구조물이 교대로 적층되어 형성되며,

   상기 핀 구조물은 평판형 금속을 지그재그 방식으로 반복적으로 절곡하여 형성된 다수의 공기 유로와, 상기 공기 유로의 표면에 형성된 다수의 핀으로 구성되고,

   상기 핀은 상기 공기 유로 표면의 일부분을 절단하여 상기 표면에 대하여 경사진 채로 돌출되어 있는 것을 특징으로 하는

   응축식 건조기.

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