KR100744487B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 열교환기는 헤더와 탱크로 이루어진 한 쌍의 헤더 파이프와; 상기 헤더 파이프들에 각각 설치되는 유입관 및 유출관과; 양단부가 상기 한쌍의 헤더파이프에 연결된 파이프와 연통되도록 결합되는 튜브들과, 튜브들의 사이에 위치되는 휜을 포함하며 그 폭이 7 내지 15mm 인 코어부와; 상기 각 헤더파이프에 각각 설치되며 액상의 열교환 매체를 헤더 파이프들의 하부로 바이패스시키는 통과공이 형성된 복수개의 배플들;을 포함하며, 상기 튜브의 내측의 높이가 0.5 내지 1.3mm를 가지며, 상기 방열휜의 높이가 4.0 내지 7mm를 가지며, 상기 방열휜의 루버 각 27 내지 40도를 가진 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기{Heat exchanger}

도 1는 종래 열교환기의 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 열교환기의 사시도,

도 3은 도 2에 도시된 배플과 튜브가 결합되는 상태를 도시한 분리 사시도,

도 4는 튜브와 방열휜이 결합된 일부절제 평단면도,

도 5는 코어의 두께와 방열량 관계를 나타내 보인 그래프,

도 6a는 튜부와 휜의 결합관계를 발췌하여 도시한 단면도,

도 6b는 코어의 두께와 열교환매체의 압력 강하 관계를 나타내 보인 그래프,

도 7는 코어의 두께와 외기 압력강하 관계를 나타내 보인 그래프,

도 8은 방열휜의 높이와 방열량 관계를 나타내 보인 그래프,

도 9는 방열휜의 높이와 열교환 매체의 압력 강하 관계를 나타내 보인 그래프,

도 10는 방열휜의 높이와 외기의 압력강하량의 관계를 나타내 보인 그래프,

도 11은 방열휜의 피치와 방열량의 관계를 나타내 보인 그래프,

도 12는 방열휜의 피치와 외기의 압력강하량의 관계를 나타내 보인 그래프,

도 13은 루버의 각도와 방열량의 관계를 나타내 보인 그래프,

도 14는 루버의 피치와 방열량의 관계를 나타내 보인 그래프,

도 15는 튜브의 내측높이와 방열량의 관계를 나타내 보인 그래프,

도 16은 튜브의 내측 높이와 열교환 매체의 압력강하량의 관계를 나타내 보인 그래프.

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더 상세하게는 자동차의 공기조화 장치의 콘텐서등에 이용되는 공기조화 장치용 열교환기에 관한 것이다.

통상적으로 각종 열교환기중 자동차용 공기조화 장치의 콘덴서(condenser)로 이용되는 열교환기는 패러렐 플로우 형(parrallel flow type)이 이용된다.

이러한 페러렐 플루우 타입의 열교환기의 일 실시예를 도 1에 나타내 보였다.

도시된 바와 같이 열교환기(10)은 상호 소정 간격으로 이격되어 평행하게 설치되며 양단부가 엔드캡(11a)(12a)들에 의해 각각 밀폐된 한쌍의 제1,2헤더(11)(12)와, 상기 제1,2헤더(11)(12)에 그 양단부가 각각 고정되는 복수개의 튜브(13)들과, 상기 튜브(13)들에 각각 개지되는 방열휜(14)들을 포함한다. 그리고 상기 제1헤더(11)와 제2헤더(12)에는 각각 유입관(15)과 유출관(16)이 설치되고, 상기 제1,2헤더(11)(12)에는 적어도 하나의 배플(baffles; 미도시)들이 설치되어 상기 유입관(15)로부터 유입된 열교환 매체가 사행(zigzag)을 이루면서 유출관(16)으로 배출될 수 있도록 되어 있다. 이러한 응축기는 기존의 서펜틴형(serpentine type)의 열교환기에 비하여 소형 및 경량화가 가능하여 최근 자동차용 공기조화 장치에 널리 이용되고 있다.

이러한 응축기에 있어서, 기상(vapor-phase)으로 상기 유입관(15)로 유입된 열교환 매체는 입구측으로부터 출구측으로 이동하면서 응축기를 통과하는 외기와 열교환을 통해 기상과 액상이 공존하는 과정을 거쳐 유출관과 인접되는 출구측 영역에서 액상(liquid -phase)으로 변화되어 유출관을 통하여 배출된다.

이와 같이 작동되는 열교환기를 설계함에 있어서, 열교환 매체가 열교환 할 수 있는 전열면적은 증가시키고 열교환 매체측의 압력 강하는 최소화 할 수 있도록 설계하는 것이 중요하다. 열교환 매체의 전열면적, 즉, 열교환 매체가 실제 통과하는 튜브의 유효 단면적을 증대시키는 방안으로 단위튜브 내에 형성되는 내부 통로의 수력직경을 감소시키는 방안과, 단위 튜브는 그대로 유지하면서 열교환 매체의 유통로의 수를 증가시켜 열교환 매체의 전체 유로의 길이를 형성하는 방안을 들 수 있다. 먼저 수력직경을 감소시키는 구성이 미국 특허 제 4,998,580호에 개시되어 있으며, 헤더 파이프에 배플을 설치하여 유로를 상대적으로 길게 형성한 구성이 미국특허 제4,243,094호에 개시되어 있다.

그리고 응축기로 이용되는 열교환기의 설계조건을 감안하여 이를 이루는 각 구성요소의 규격을 한정한 기술적 구성이 미국특허 제5,458,190호에 개시되어 있다.

개시된 열교환기는 공기조화 시스템에 이용되는 응축기가 코어와 헤더를 포함하는데, 상기 코어는 튜브들과, 튜브들의 사이에 위치되는 코러게이트(corrugate)형의 휜(fin)을 포함하는데, 상기 각 튜브의 폭은 6.0 내지 20mm, 튜브의 높이는 1.5 내지 7mm, 냉각매체 흐름통로의 높이가 1.0mm 또는 그 이상, 상기 핀의 높이가 6.0 내지 16mm, 핀 피치 1.6 내지 4.0mm를 이룬다.

상술한 바와 같이 튜브의 폭과 높이 및 핀의 높이와 피치등이 한정함으로써 열교환 효율을 최적화 하고 있으나 열교환기의 유입관을 통하여 유입된 열교환 매체가 액화되면 이 열교환매체는 배플에 의해 구획되며 탱크와 튜브들에 형성되는 열교환 매체 통로를 통과하게 되므로 상대적으로 관내 손실수두가 커진다. 이는 결과적으로 열교환 효율를 저하시키게 된다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열교환이 이루어지는 동안 기상과 액상의 열교환매체 분리가 용이하고, 열교환 매체의 압력 강하를 최소화 할 수 있으며, 열교환 효율을 높일 수 있는 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 공기조화 장치용 열교환기는 헤더와 탱크로 이루어진 한 쌍의 헤더 파이프와;

상기 헤더 파이프들에 각각 설치되는 유입관 및 유출관과;

양단부가 상기 한쌍의 헤더파이프와 연통되도록 결합되는 튜브들과, 튜브들의 사이에 위치되는 휜을 포함하며 그 폭이 7 내지 15mm 인 코어부와;

상기 각 헤더파이프에 각각 설치되며 액상의 열교환 매체를 헤더 파이프들의 하부로 바이패스시키는 통과공이 형성된 복수개의 배플들;을 포함하며,

상기 튜브의 내측의 높이가 0.5 내지 1.3mm를 가지며, 상기 방열휜의 높이 가 4.0 내지 7mm를 가지며, 상기 휜의 루버 각이 27 내지 40도를 가진 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 핀의 피치는 1.6 내지 2.8mm을 가지며, 상기 루버의 피치는 0.6 내지 1.3mm를 가진다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2에는 본 발명에 따른 공기조화 장치용 열교환기의 일 실시예를 나타내 보였다.

도시된 바와 같이 열교환기는 응축기로 이용되는 것으로, 유입관(21)이 설치된 제1헤더파이프(24)와 유출관(23)이 설치된 제2헤더파이프(25)와, 상기 제1,2헤더 파이프(24)(25)에 각각 그 양단부가 고정된 복수개의 튜브(31)들과 이들 튜브(31)들의 사이에 설치되는 방열휜(32)를 포함하며 그 폭이 7 내지 15mm인 코어(30)를 포함한다.

상기 각 제1,2헤더 파이프(24)(25)는 각 튜브(31)의 단부와 결합되는 제1,2헤더(24a),(25a)와, 상기 제1,2헤더(24a)(25a)와 브레이징 접합되는 제1,2탱크(24b)(25b)를 포함한다. 그리고 상기 제1,2헤더 파이프(24)(25)에는 교호적으로 배플(26)들이 설치되어 제1,2헤더 파이프(24)(25)와 튜브(31)들에 의해 형성되는 열교환 매체 통로가 사행을 이루게 되는데, 상기 배플(26)중 적어도 일측의 배플에는 튜브를 통과하면서 액화된 열교환 매체를 바이패스 시키기 위한 바이패스 통로(26a)가 형성된다. 여기에서 상기 배플(26)은 제1,2헤더 파이프(24)(25) 를 이루는 헤더와 탱크의 브레이징 접합시 결합위치를 유지할 수 있도록 탱크에 슬롯을 형성하고, 상기 배플의 외주면에는 돌기를 형성하여 이들을 상호 결합되도록 함이 바람직하다.

상기 코어(30)를 이루는 튜브(31)들은 도 3에 도시된 바와 같이 편상의 편평한 튜브나 압출튜브로 이이루어지는데, 폭(W)는 코어의 폭과 실질적으로 동일한 7 내지 15 mm를 이루며 내측의 높이 즉, 열교환 매체 통로의 높이(H1)는 0.5 내지 1.3mm를 이룬다. 그리고 상기 휜(32)는 박판이 코러게이트(corrugate) 형상으로 형성되며 박판이 절개되어 소정의 각도를 이루는 루버(32a)를 포함한다. 이 휜(32)의 높이(FH)는 4.0 내지 7mm로 형성되고, 코러게이트 형상으로 절곡된 휜(32)의 피치(FP)는 1.6 내지 2.8mm를 이루도록 형성된다. 그리고 상기 박판이 절개되어 이루어진 루버(32a)의 각도는 27 내지 40도를 이루며, 이 루버의 피치(LP)는 0.6 내지 1.3mm를 이룬다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 열교환기의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저 공기조화 시스템에 있어서, 압축기로부터 유입관(21)으로 유입되는 열교환매체는 제1헤더 파이프(24)로 유입된 도 2에 도시된 바와 같이 배플(26)에 의해 구획된 제1,2헤더 파이프(24)(25)와 이들을 연결하는 튜브(31)들을 지그재그로 통과하면서 열교환기의 외부를 통과하는 기류와 열교환이 이루어지게 된다. 이 과정에서 제1헤더파이프에 설치된 유입관과 인접된 튜브(도 2의 A구간)들을 통과한 열교환 매체는 외부와의 열교환이 이루어진 일부가 액화되고, 액화되지 못한 기상의 열교환 매체와 액상의 열교환 매체는 제2헤더 파이프(25)로 유입된 후 도 2의 B 구간에 위치된 튜브들을 통과하게 된다. 이때에 상기 액상의 열교환 매체는 배플(26)에 형성된 통과공(26a)를 통하여 제2헤더파이프(25)의 배출관(23)이 설치된 하부로 바이패스 된다. 따라서 열교환기를 통과하는 열교환 매체가 코어의 A,B,C구간을 통과할 때의 관내 손실수두를 줄일 수 있다. 상술한 바와 같은 열교환기에 있어, 코어(30)의 튜브(31)내를 통과하는 압력강하량이 상대적을 작아지는 것과, 열교환기의 외부 즉, 방열휜과 튜브를 통과하면서의 압력강하량등을 고려하여 상술한 바와 같이 코어(30)의 폭(W)를 7 내지 15mm로 하고, 방열휜(32)의 루버 각도를 27 내지 40도로 함과 아울러 방열휜(32)의 높이(FH)를 4.0내지 7mm 로 하고, 튜브(31)의 내부 높이(H1)를 0.5내지 1.3mm으로 하였을 때에 열교환기의 크기를 최소화 하며 방열효율을 최대화 할 수 있다.

상술한 바와 같이 튜브와 방열휜을 한정에 따른 작용효과는 하기 실험을 통하여 더욱 명확하여 질 것이다.

[실험 1]

본 실험에서는 코어의 폭(W)과 발열량의 관계와, 코어의 폭과 튜브를 통과하는 열교환 매체의 압력강하관계를 실험하여 도 5 및 도 6의 그래프를 얻을 수 있었으며, 코어의 폭(W)과 열교환기의 외부 즉, 코어의 외부를 통과하는 외기의 압력 강하량을 실험하여 도 7의 그래프를 얻을 수 있었다.

도 5에 도시된 코어의 폭과 방열량의 관계를 살펴보면 코어의 폭이 좁아짐에 따라 방열성능이 작아지는데, 그 폭이 7mm 이상 범위에서 목표 방열량이 10,000 ㎉/h 에 도달할 수 있으며, 도 6A, 6B 및 도 7에 도시된 바와 같이 코어의 폭(W)이 7 내지 15mm 때에 압력강하량의 설계범위인 1.5㎏/㎠ 이하이며, 외기의 압력강하량이 14mmAq 이하 임을 알 수 있었다. 그러므로 코어 폭은 7 내지 15mm의 경박 단소형으로 제작할 수 있다.

상기 외기의 압력 강하량은 방열휜의 피치 및 높이가 같을 때에 코어의 폭이 감소하면서 압력강하량이 작아지고 방열량이 저하되므로 방열휜의 높이(FH) 및 방열휜의 피치(FP)등을 고려하여 조정할 수 있다. 이를 고려하여 방열휜의 높이(FH)와 방열량관계 및 방열휜의 높이(FH)와 열교환 매체의 압력손실량을 실험하여 도 8 및 도 9의 그래프를 얻을 수 있었으며, 핀의 높이와 압력 강하량의 관계를 실험하여 도 10의 그래프를 얻을 수 있었다.

상기 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 본 공기조화 시스템에서 요구되는 방열량은 10,000㎉/h 이라 할 때 도 10에 도시된 바와 같이 방열휜의 높이(FH)가 4.0mm 이하에서 외기측 압력강하가 다소 둔화되며 4.0mm 이상에서 외기의 압력강하가 심하게 감소되는 방열휜의 높이와 외기압력강하의 관계와, 도 9에 도시된 바와 같이 핀의 높이가 7mm 이상에서는 열교환 매체의 압력강하가 서서히 증가하는 반면 7mm 이하에서는 급격히 감소하는 것을 고려하여 볼 때에 방열휜의 높이는 4.0 내지 7mm 이하여야 됨을 알 수 있다.

그리고 상기 방열휜의 높이가 한정된 상태에서 방열휜의 피치와 방열량관계 및 휜 피치와 외기의 압력강하량을 실험하여 도 11과 도 12의 그래프를 얻었다. 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이 방열휜의 피치가 작을수록 높은 방열량을 얻을 수 있으나 상기 외기의 유입량은 자동차의 속도 또는 송풍팬의 구동여부에 따라 좌우되는데, 공기측의 압력강하량의 크면 휜의 구동파워를 높여야 하므로 적절한 방열휜의 피치는 1.8mm 이상이나 도 11에 도시된 바와 방열량의 열세구간인 3mm 이상을 제외하고, 외기의 압력손실량을 감안하여 1.8 내지 2.8mm로 함이 바람직하다.

[실험 2]

본 실험에서는 제1실험예에서 한정한 열교환기 즉, 코어의 폭이 7 내지 15mm 이고, 휜의 높이가 4.0 내지 7mm 이며, 휜의 피치가 1.8 내지 2.8mm 인 열교환기에 있어서, 방열휜의 루버 각도와 방열량 및 외기의 압력강하의 관계 및 루버 피치와 방열량과 외기압력 강하량과의 관계를 실험하여 도 13 내지 도 14를 얻을 수 있었다. 또한 방열량은 휜의 피치와 루버 피치와의 상관관계가 있으므로 이에 대한 적절한 피치를 택함으로써 최적의 방열량을 낼 수 있게 한다.

그래프에 나타난 바와 같이 루버의 각도는 방열휜의 피치 관계와 유사한 경향을 보여주고 있는데, 상기 루버의 각도가 27 내지 40도가 적당함을 알 수 있다. 상기 루버 각이 클수록 공기측 압력 강하량이 급격히 증가하나 코어 두께가 박형이므로 이 상승분포를 상쇄시킬 수 있도록 루버 피치를 조정하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 방열휜의 피치와 루버의 피치는 유사한 경향을 보여주고 있는데, 본원 발명에 따르면 코러게이트 형 휜의 루버 피치는 0.6 내지 1.25mm가 적당함을 알 수 있다.

그리고 도 15 및 도16에 도시된 바와 같이 코어(30)의 튜브(31)의 높이와 방 방열량과의 관계 및 압력 강하량의 관계를 고려해 볼때에 열교환 매체의 유로인 튜브의 높이(H1)는 0.5mm 내지 1.3mm로 함이 바람직함을 알 수 있다. 여기에서 상기 튜브의 내측 높이가 작을수록 열매체 압력 강하량이 상승하므로 적당한 유로 길이를 조정하여 최적의 성능을 발휘 할 수 있게 한다.

본 발명은 열교환 매체가 사행으로 흐르면서 응축된 액상을 열교환 매체를 배플에 형성된 통과공을 통하여 바이패스 시킬 수 있는 열교환기에 있어서, 코어 폭과 방열휜의 높이 및 피치와 루버의 각도 및 피치를 한정하여 방열효율을 극대화 시킬 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자들은 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 청구된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (2)

1. 헤더와 탱크로 이루어진 한 쌍의 헤더 파이프와;

   상기 헤더 파이프들에 각각 설치되는 유입관 및 유출관과;

   양단부가 상기 한쌍의 헤더파이프에 연결된 파이프와 연통되도록 결합되는 튜브들과, 튜브들의 들의 사이에 위치되는 휜을 포함하며 그 폭이 7 내지 15mm 인 코어부와;

   상기 각 헤더파이프에 각각 설치되며 액상의 열교환 매체를 헤더 파이프들의 하부로 바이패스시키는 통과공이 형성된 복수개의 배플들;을 포함하며,

   상기 튜브의 내측의 높이가 0.5 내지 1.3mm를 가지며, 상기 방열휜의 높이가 4.0 내지 7mm를 가지며, 상기 방열휜의 루버 27 내지 40도를 가진 것을 그 특징으로 하는 열교환기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 방열휜의 피치는 1.6 내지 2.8mm을 가지며, 상기 루버의 피치는 0.6 내지 1.3mm인 것을 특징으로 하는 열교환기.

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