KR100895483B1

KR100895483B1 - 열교환기용 전열관

Info

Publication number: KR100895483B1
Application number: KR1020060086805A
Authority: KR
Inventors: 쇼이치로 우수이; 고이치 하야시; 다다히로 고토
Original assignee: 우수이 고쿠사이 산교 가부시키가이샤
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2009-05-06
Also published as: US20070056721A1; CN100545571C; DE102006041985B4; KR20070029595A; DE102006041985A1; US7614443B2; JP2007078194A; FR2893403A1; JP4756585B2; CN101368799A; CN1945193A; FR2893403B1

Abstract

본 발명은 배기 가스 유로를 통류하는 고온의 배기 가스가 균일한 유속 분포로써 통류하여, 전열관의 외측을 통류하는 냉각 매체와의 열교환을 효율적으로 촉진하는 열교환기용 전열관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 배기 가스 유로가 되는 내주면의 단면 형상이 편평한 열교환기용 전열관에 있어서, 상기 전열관에 내장되는 핀 구조체는 단면 형상이 대략 직사각형 채널 형상 파형이며 길이 방향으로 소정의 파장으로 파형 주름이 형성된 만곡 곡면을 갖는 파형 핀 구조체로서, 상기 채널 형상 파형의 파폭을 H, 길이 방향에 있어서의 파형 주름 파장을 L, 길이 방향에 있어서의 파형 주름 진폭을 A로 한 경우에, H/L를 0.17∼0.20으로 하고, 또한 H-A에 의해 구해지는 갭(G)과 H의 비(G/H)를 -0.21∼0.19로 하는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기용 전열관{HEAT EXCHANGER TUBE}

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예에 의한 열교환기용 전열관과, 내장된 파형 핀 구조체를 모식적으로 도시한 주요부 확대 사시도.

도 2는 상기 실시예에 있어서의 파형 핀 구조체의 구성 요건을 설명하기 위한 모식적인 평면도.

도 3은 상기 실시예에 있어서의 파형 핀 구조체를 내장한 전열관의 단체(單體)를 도시한 횡단면도.

도 4는 다른 실시예에 의한 전열관 단체를 도시한 횡단면도.

도 5는 본 발명에 관련되는 또 다른 실시예에 있어서, 직사각형 단면의 EGR 가스 유로가 복수단으로 형성된 적층형 열교환기에 있어서의 상기 유로에 파형 핀 구조체가 내장되는 상태를 도시한 주요부 횡단면도.

도 6은 본 발명에 따른 일 실시예에 의한 파형 핀 구조체의 단체를 도시한 주요부 사시도.

도 7은 본 발명에 따른 일 실시예에 의한 전열관 단체를 도시한 일부 절결 사시도.

도 8은 본 발명에 따른 파형 핀 구조체에 있어서의 H/L와 너셀 수(Nusselt's Number)의 비 및 관 마찰 계수의 비의 관계를 도시한 도면.

도 9는 종래의 열교환형 EGR 가스 냉각 장치를 도시하는 것으로서 도 9a는 그 일부 파단 사시도, 도 9b는 이용되는 전열관 단체의 분해 사시도, 도 9c는 상기 전열관 단체의 주요부 횡단면도.

도 10은 다른 종래예의 EGR 가스 냉각 장치 열교환기를 도시하는 것으로서, 도 10a는 그 분해 사시도, 도 10b는 이용되는 파형 핀 구조체 단체의 평면도, 도 10c는 그 핀 구조체의 측면 개략도, 도 10d는 그 핀 구조체의 파의 주기 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 1a : 열교환기용 전열관

1-1, 1a-1 : 내주면

1-2, 1-3, 1a-2, 1a-3 : 유로

2, 2a : 핀 구조체

2-1 : 산면

2-2 : 곡면

3 : 적층형 열교환기

4-1 : 격벽

4-2 : 가스 유로

4-3 : 냉각수 유로

본 발명은, 소위 셸 앤드 튜브(shell-and-tube)형의 배기 가스 냉각 장치에 있어서의 열교환기용 전열관에 관한 것이며, 상세하게는 상기 열교환기에 복수로 배치되어 배기 가스 유로를 형성하는 단면 형상이 편평한 전열관으로서, 상기 전열관의 내주면에 열교환 성능의 향상을 촉구하기 위해 파형 핀(fin) 구조체를 내장하는 동시에, 상기 파형 핀 구조체에 의해 초래되는 열전달 성능과 압력 손실의 밸런스를 도모하기 위해, 파형 핀 구조체 그 자체에 특유의 개량을 실시함으로써, 상기 전열관 내의 배기 가스 유로를 고온의 배기 가스가 균일한 유속 분포로써 통류하여, 상기 전열관의 외측을 통류하는 냉각 매체와의 열교환을 효율적으로 촉진하는 열교환기용 전열관에 관한 것이다.

디젤 엔진의 배기계로부터 배기 가스의 일부를 취출하여 재차 엔진의 흡기계로 복귀시켜, 혼합기에 가하는 방법은 EGR(Exhaust Gas Recirculation: 배기 재순환)로 불리며, NOx(질소 산화물)의 발생을 억제하고, 펌프 손실의 저감이나 연소 가스의 온도 저하에 따른 냉각액으로의 방열 손실의 저감, 작동 가스량·조성 변화에 의한 비열비의 증대와, 그것에 따른 싸이클 효율의 향상 등, 많은 효과를 얻을 수 있다는 점으로부터 디젤 엔진의 배기 가스의 정화나 열효율을 개선하기 위한 유효한 방법으로서 널리 채용되어지고 있다.

그런데, EGR 가스의 온도가 상승하고, EGR 가스량이 증대하면, 그 열작용에 의해 EGR 밸브의 내구성이 열화하여 조기에 파손될 우려가 생기기 때문에, 그 방지책으로서 냉각계를 마련하여 수냉 구조로 해야만 하거나, 흡기 온도의 상승에 따라 충전 효율이 저하하여 연비가 저하하는 현상을 초래한다. 이러한 사태를 회피하기 위해 엔진의 냉각액, 자동차 에어컨용 냉매 또는 냉각풍 등에 의해 EGR 가스를 냉각하는 장치가 이용되고, 특히, 기체인 EGR 가스를 엔진 냉각수로 냉각하는 기-액 열교환 타입의 EGR 가스 냉각 장치가 다수 제안되어 사용되고 있다. 이 기-액 열교환 타입의 EGR 가스 냉각 장치 중에서도 구조가 심플하며 좁은 설치 공간에서도 용이하게 부착이 가능한, 2중관식 열교환 타입의 EGR 가스 냉각 장치에 여전히 변함없는 수요가 있으며, 예컨대 고온의 EGR 가스를 통과시키는 내관의 외측에 액체를 통과시키는 외관을 배치하고, 가스와 액체 사이에서 열교환을 행하는 교환기에 있어서, 내관 내에 금속 콜게이트(corrugate)판이 핀으로서 삽입되어 있는 2중관식 열교환기[예컨대, 일본 특허 공개 평성 제11-23181호 공보(도 1∼4) 참조], 내측에 피냉각 매체를 유통시키는 내관과, 상기 내관의 외주를 이격하여 둘러싸도록 마련된 외관과, 상기 내관의 내부에 배치된 열응력 완화 기능을 갖는 방열핀으로 구성된 2중관식 열교환기[예컨대, 일본 특허 공개 제2000-111277호 공보(도 1∼7) 참조]를 비롯하여, 수많은 2중관식 열교환기가 제안되어 있다.

상기한 바와 같이 여러 가지의 개량이 실시된 핀 구조체를 내장한 2중관식 열교환기에 의하면, 그 구조가 간략하고 콤팩트함에도 불구하고, 그 나름대로 우수한 냉각 효율을 기대할 수 있기 때문에, 소형 자동차 등 설치 공간에 제한이 있는 EGR 가스 냉각용 열교환기로서, 이미 수 많이 실용에 제공되고 있지만, 구조상 콤팩트하기 때문에 통류하는 유체의 절대량에 있어서는 자연히 한계가 있으며, 결과로서 토탈 열교환 효율에 있어서는 미해결 과제가 남겨져 있었다. 이러한 과제를 해소하기 위해서는 구조상 다소 복잡하고 대형화가 부득이하여도, 소위 셸 앤드 튜 브형의 다관식 열교환기를 채용할 수밖에 없으며, 이들의 열교환기에 대해서도 여러 가지 개량이 이루어져 있다. 셸 앤드 튜브형의 다관식 열교환기의 일례로서는, 냉각 재킷을 구성하는 셸 본체 외주부의 일단에 냉각수 입구와, 그 타단에 냉각수 출구가 되는 노즐이 각각 부착되고, 상기 셸 본체에 있어서의 길이 방향의 일단에는 고온의 EGR 가스 도입용이, 타단에는 열교환된 EGR 가스 배출용의 본네트가 각각 일체로서 마련되며, 각각의 본네트의 내측에 부착된 튜브 시트를 사이에 두고, 복수의 편평한 전열관이 간격을 이격하여 부착되며, 상기 편평한 전열관 내를 고온의 EGR 가스가 상기 셸 본체 내를 통류하는 냉각수에 대하여 교차하도록 통류하며, 또한 복수의 편평한 전열관에 의해 형성되는 넓은 전열 면적에 더하여, 상기 편평한 전열관의 내주면에 단면이 コ자형의 플레이트핀을 내장함으로써, 통류하는 EGR 가스류를 세류(細流)화하는 동시에, 그 전열 면적의 한층 높은 증대를 도모하여, 우수한 열교환 효율을 얻을 수 있다는 다관식 열교환기[예컨대, 일본 특허 공개 제2002-107091호 공보(도 1∼3) 참조]가 개시되어 있다.

한편, 상기 셸 앤드 튜브형의 다관식 열교환기에 있어서는 셸 내에 간격을 이격하여 다수 배치되어 전열관 그룹을 형성하는 각 전열관에, 균일한 유량 분포와 유속으로써 피냉각 매체인 EGR 가스를 통류시키는 동시에, 피냉각 매체 및 냉각 매체인 유체들 상호간에 적절히 난류와 교반 작용을 일으키는 것이 열교환 효율을 향상시키는 데에 있어서 큰 요건이 되지만, 도 9a에 도시하는 EGR 가스 냉각 장치에 의하면, 냉각 재킷을 구성하는 셸 본체(30) 내에 복수 배치되어 전열관 그룹을 형성하는 전열관을, 하부(10-6)와 상부 덮개부(10-5)로 이루어지는 상하 조립형의 편 평한 전열관(10)으로 하고, 도 9b에 도시하는 바와 같이 상기 전열관(10)의 내주면에 단면 형상이 대략 직사각형 채널 형상이며, 길이 방향으로 소정의 피치 간격을 두고 파형 주름(20-1)을 갖는 파형 핀(20)이 내장되는 동시에, 상기 편평한 전열관(10)에 있어서의 배기 가스 유로(10-4)면에, 복수의 오목부(10-3)나 볼록부(10-2)를 마련함으로써, 가스의 그을음에 대한 난류 형성부(10-1)가 형성된 열교환기용의 편평한 전열관(10)[예컨대, 일본 특허 공개 제2004-263616호 공보(도 1∼10) 참조]가 제안되어, 상기 편평한 전열관(10)에 있어서의 가스 유로(10-4) 내를 통류하는 EGR 가스에, 주기적인 난류를 일으켜 그을음의 부착을 효과적으로 방지하는 동시에, 상기 전열관(10)의 외주면을 통류하는 냉각수 등의 냉각 매체에 대해서도 효과적인 교반을 촉구하여, 기-액 상호간에 있어서의 열교환 성능의 향상을 도모하는 취지의 보고가 이루어져 있다. 또한, 도 10a에 도시하는 열교환기에 있어서는 배기 가스 유로(30a-1)의 단면 형상이 편평하게 형성되어 복수단으로 적층된 배기 가스 냉각용의 열교환기(40a)가 도시되어 있고, 상기 편평한 배기 가스 유로(30a-1)에 도 10c에 도시하는 바와 같이 횡단면이 대략 직사각형 채널 형상 파형으로 도 10B에 도시하는 바와 같이 길이 방향으로 주름을 갖는 파형 핀 구조체(20a)를 장입하여, 실질적으로 상기 일본 특허 공개 제2004-263616호 공보(도 1∼10)에 유사한 구조의 열교환기가 개시되어 있지만, 본 예에 있어서의 상기 파형 핀 구조체(20a)는 도 10b 및 도 10d에 도시하는 바와 같이, 평면으로부터 본 파형 주름에 해당하는 파의 주기, 즉 파의 능선(稜線)(20a-3) 및 곡선(谷線)(20a-4)의 주기가 가스 입구측(20a-7)의 주기(T1)에 비하여 가스 출구측(20a-6)의 주기(T2)가 길어지도록 형성 되고, 상기 편평한 배기 가스 유로(30a-1)에 각각 장입되어, 파형 핀을 내장한 편평한 전열관에 대체하는 가스 유로로 한 열교환기[예컨대, 일본 특허 공개 제2004-177061호 공보(도 1∼4) 참조]가 제안되어, 배기 가스 출구측에서의 파의 주름의 주기를 입구측보다 길게 완만한 곡면으로 함으로써, 가스의 흐름을 촉진하여 그을음의 퇴적을 방지하는 동시에, 유체의 교반을 촉진하여 열교환 성능을 향상하는 취지가 보고되어 있다.

상기 각 종래 기술에 있어서, 일본 특허 공개 평성 제11-23181호 공보(도 1∼4) 및 일본 특허 공개 제2000-111277호 공보(도 1∼7)에 개시되어 있는 2중관 타입의 EGR 가스 냉각 장치의 경우는, 상기와 같이 구조가 간략하며 콤팩트함에도 불구하고, 그 나름대로 우수한 냉각 효율을 기대할 수 있기 때문에, 소형 자동차 등 설치 공간에 제한이 있는 EGR 가스 냉각용 열교환기로서는 이미 수 많이 실용에 제공되고 있지만, 구조상 콤팩트하기 때문에 통류하는 유체의 절대량에 있어서는 자연히 한계가 있으며, 결과로서 토탈 열교환 효율에 있어서는 미해결 과제가 남겨져 있었다.

이러한 과제를 해소하기 위한 상기 일본 특허 공개 제2002-107091호 공보(도 1∼3) 및 일본 특허 공개 제2004-177061호 공보(도 1∼4)에 있어서의, 셸 앤드 튜브 타입의 다관식 열교환형 EGR 가스 냉각 장치에 있어서는 열교환기용 전열관을 보다 넓은 전열 면적을 갖는 편평한 전열관으로 하고, 상기 편평한 전열관에 단면이 コ자형의 핀 구조체를 내장하거나, 편평한 전열관에 내장하는 콜게이트핀을 단면 형상이 대략 직사각형 채널 형상 파형으로 하는 동시에, 길이 방향으로 파형 주 름이 형성된 파형 핀으로 하고, 게다가 상기 편평한 전열관의 유체 유로면에 복수의 요철을 마련하여 난류 형성부로 하거나, 나아가서는 적층형 열교환기에 있어서의 편평한 가스 유로에 내장하는 파형 핀의 길이 방향의 주름 주기를 가스 입구측에 비하여 출구측에서 길게 하는 등의 개량을 실시하고, 상기 전열관 내에서의 가스 유로를 통류하는 EGR 가스의 흐름에 적절히 난류를 일으켜 상기 관 내에 있어서의 그을음의 퇴적을 방지하거나 혹은 상기 전열관의 외측을 통류하는 냉각수 등의 냉각 매체에 교반 작용을 촉구하여, 기-액 상호간에 있어서의 우수한 열교환 성능을 얻을 수 있었던 취지가 보고되고, 그 일부에 대해서는 이미 실용에 제공되고 있지만, 편평한 전열관 내에 내장되어 상기 관 내를 통류하는 고온 유체와, 상기 관 외를 통류하는 냉각 매체와의 열교환을 효과적으로 촉진할 수 있는 파형 핀 구조체로서의 파의 형태에 대해서는 아직도 그 최적화가 확립되어 있지 않은 것이 실정이며, 실질적으로는 충분한 성능을 얻을 수 없어 더 나은 개선의 여지가 남겨져 있었다.

보다 구체적으로는 전열관 내에서의 전열 면적이 적은 경우에 있어서는, 유속을 올림으로써 전열 성능의 향상을 도모하고자 하지만, 반대로 압력 손실이 커지고, 게다가 유속을 올려 열전달률의 향상을 도모하고자 하기 때문에 유로 내에의 그을음이나 오물의 부착이 성능 열화의 원인이 되며, 압력 손실을 감소시키기 위해 전열관 개수를 늘린 경우에는 전열관 단관(單管) 근처의 전열 성능이 하강하기 때문에, 초기의 성능을 확보하기 위해 열교환기 그 자체의 볼륨이 커지며, 레이아웃 상에 있어서 큰 방해가 되는 등, 새로운 과제가 발생한다.

본 발명은 그러한 유체가 갖는 특유의 그을음 부착성, 점성, 관성에 착안하여, 편평한 전열관 내에 내장되며, EGR 가스 유로를 형성하는 파형 핀 구조체에 있어서의 파형 형태에 대해서, 여러 가지 각도로부터 여러 가지의 실험을 수반하는 검토를 되풀이한 결과, 파형 핀 구조체에 있어서의 가스 유로가 되는 횡단면의 파폭과, 길이 방향으로 형성되는 파형 주름의 파장과, 상기 주름의 곡률 반경을, 각각 특정 범위 내에 형성함으로써, 상기 전열관 내를 통류하는 EGR 가스의 유속과 유량의 최적 평형점을 발견하여, 상기 유로 내에서의 열전달 성능을 고도로 유지하면서, 압력 손실을 최소한으로 한정함으로써, 우수한 열교환 성능을 촉구하고자 한 것이다.

즉, 본 발명은 상기한 과제를 해결하는 것을 소기의 목적으로 하고, 열교환기용의 편평한 전열관에 있어서, EGR 가스 유로를 형성하는 파형 핀 구조체의 파의 형태에 소정의 개량을 더함으로써, 간략한 구조임에도 불구하고 EGR 가스 냉각 장치에 조립되는 열교환기용 전열관에 고온의 EGR 가스를 소정의 유속과 유량으로써 도입하는 것을 가능하게 하고, 상기 전열관 내에 발생하는 그을음의 퇴적이나 오물의 부착을 억제하는 동시에, 우수한 열교환 성능을 얻을 수 있는 EGR 가스 냉각 장치에 있어서의 열교환기용 전열관을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 EGR 가스 냉각 장치에 있어서의 열교환기용 전열관은 배기 가스 유로가 되는 내주면의 단면 형상이 편평한 열교환기용 전열관으로서, 상기 전열관에 내장되는 핀 구조체는 단면 형상이 대략 직사각 형 채널 형상 파형이며 길이 방향으로 소정의 파장으로 파형 주름이 형성된 만곡 곡면을 갖는 파형 핀 구조체이고, 상기 채널 형상 파형의 파폭을 H로, 길이 방향에 있어서의 파형 주름의 파장을 L로 하였을 때에, H/L로 표시되는 값이 0.17∼0.20의 범위 내로 조정되는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 EGR 가스 냉각 장치에 있어서의 열교환기용 전열관은 상기 파형 핀 구조체에서, 길이 방향에 있어서의 파형 주름의 진폭을 A로 하였을 때에, 상기 채널 형상 파형의 파폭(H)과의 차(H-A)에 의해 구해지는 갭(G)의 비로서 G/H로 표시되는 값이 -0.21∼0.19의 범위 내가 되도록 조정되는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 EGR 가스 냉각 장치에 있어서의 열교환기용 전열관은 배기 가스 유로가 되는 내주면의 단면 형상이 편평한 열교환기용 전열관으로서, 상기 전열관에 내장되는 핀 구조체는 단면 형상이 대략 직사각형 채널 형상 파형이며 길이 방향에 소정의 파장으로 파형 주름이 형성된 만곡 곡면을 갖는 파형 핀 구조체이고, 상기 채널 형상 파형의 파폭(H), 길이 방향에 있어서의 파형 주름의 파장(L)과의 비(H/L)가 0.17∼0.20의 범위 내에, 상기 길이 방향에 있어서의 파형 주름의 진폭(A)과 상기 채널 형상 파형의 파폭(H)과의 차(H-A)에 의해 구해지는 갭(G)과의 비로서 G/H로 표시되는 값이 -0.21∼0.19의 범위 내로, 각각 조정되는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명은 또한, 상기 열교환기용 전열관에 있어서, 상기 파형 핀 구조체에서의 파형 주름의 정점에, 상기 파형 핀 구조체에서의 채널 형상 파형의 파폭(H)에 대하여 1.7 H∼2 H의 범위 내에서 곡률 반경(R)이 형성되는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 상기 열교환기용 전열관은 상기 파형 핀 구조체에 있어서의 길이 방향의 만곡 곡면을 갖는 측벽부에, 인접하는 유체 유로 간에 상호 통류 가능하게, 절결부, 슬릿, 관통 구멍 등이 임의의 형태로 마련되는 것을 바람직한 형태로 하는 것이다.

또한, 상기 본 발명에 따른 열교환기용 전열관은 상기 파형 핀 구조체가 금속제 판재로 이루어지며, 그 가공 수단이 프레스 성형, 기어 성형 및 이들의 조합 중에서 적절히 선택되고, 전열관 내주 벽면으로의 접합 수단이 용접, 납땜, 접착, 그 밖의 접합 방법 중에서 적절하게 선택되어, 일체로서 접합되는 것을 바람직한 형태로 하는 것이다.

또한, 상기 본 발명에 따른 열교환기용 전열관은 상기 파형 핀 구조체를 형성하는 금속 판재가 SUS304, SUS304L, SUS316, SUS316L 등의 오스테나이트계 스테인레스 스틸로 이루어지며, 그 판 두께가 0.05∼0.3 mm인 것을 바람직한 형태로 하는 것이다.

또한, 상기 본 발명에 따른 열교환기 전열관은 상기 전열관은 단면 형상이 대략 타원형이면서 레이스 트랙 형상, 또는 단면 형상이 장방형이면서 직사각형 단면으로 형성되는 것을 바람직한 형태로 하는 것이다.

본 발명에 따른 열교환기용 전열관은 배기 가스 유로를 구성하는 상기 전열관의 단면 형상이 편평한 동시에, 상기 편평한 전열관의 내주면에 내장되는 핀 구 조체는 단면 형상이 대략 직사각형 채널 형상 파형이며 길이 방향으로 소정의 파장으로 파형 주름이 형성된 만곡 곡면을 갖는 파형 핀 구조체이고, 상기 채널 형상 파형의 파폭을 H로 하고, 길이 방향에 있어서의 파형 주름의 파장을 L로 한 경우에, H/L로 표시되는 값을 0.17∼0.20의 범위 내로 조정하는 것 및 상기 채널 형상 파형의 파폭(H)과, 상기 길이 방향에 있어서의 파형 주름의 진폭(A)과 상기 H와의 차, 즉 H-A에 의해 구해지는 갭(G)의 비로서 G/H로 표시되는 값을 -0.21∼0.19의 범위 내로 조정하는 것을 기본적 요건으로 하고, 또한, 상기 파형 핀 구조체에 있어서의 파형 주름의 정점에, 상기 파폭(H)에 대하여 1.7 H∼2 H의 범위 내에서 곡율 반경(R)을 형성함으로써, 상기 전열관 내를 특정한 유속을 유지하여 통류하는 배기 가스는 열교환 성능(열전달 계수)이 극대가 되는 시점에서, 압력 손실이 반드시 극대가 되지 않는 영역으로 되는 것을 발견하고, 게다가 상기 파의 정점에 특정한 범위 내에서 곡률 반경(R)을 형성함으로써, 상기 파의 정점에서의 흐름의 박리를 억제하여, 그을음의 퇴적이나 오물의 부착을 미연에 방지한다. 이와 같이 하여 본 발명에 의한 열교환기용 전열관은 단면 형상이 편평한 전열관으로서, 상기 전열관의 내주면에 내장하는 파형 핀 구조체의 횡단면의 파형과, 길이 방향으로 사행(蛇行)하는 파의 주름 형상을, 미리 소정의 범위 내가 되도록 설계값을 정하여 형성함으로써, 우수한 전열 성능으로 효과적인 냉각 성능을 갖는 열교환기를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 효과를 보다 크게 하기 위해서는 열교환기에 배치하는 전열관의 개수를 조정하고, 레이놀즈수(Reynolds number)를 2000 근방으로 하는 것이 바람직하며, 최대라도 5000 이하의 영역에서 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 다른 실시 형태에서도 명백한 바와 같이, 상기 전열관은 종래 공지의 수단 중에서 적절히 선택할 수 있는, 매우 간략한 가공 방법에 의해 용이하게 제작 가능하며, 또한 파형 핀 구조체의 전열관 내주면에의 접합 수단이 용이함에도 불구하고, 얻어지는 효과는 현저히 우수한 것이기 때문에, 이것을 부착한 다관식 열교환기는 EGR 가스 냉각 장치의 소형 경량화를 저비용으로 실현할 수 있는 등, 에너지 절약의 관점에서도 많은 공헌을 기대할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 첨부한 도면과 실시예에 기초하여 더 상세하게, 또한 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이것에 의해 구속되는 것은 아니고, 전열관이나 상기 전열관에 내장되는 파형 핀 구조체의 구조나 형상을 포함하며, 본 발명의 주지 범위 내에서 자유롭게 설계 변경이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시예에 의한 열교환기용 전열관과, 내장된 파형 핀 구조체를 모식적으로 도시하는 주요부 확대 사시도, 도 2는 이 실시예에 있어서의 파형 핀 구조체의 구성 요건을 설명하기 위한 모식적인 평면도, 도 3은 파형 핀 구조체를 내장한 전열관 단체를 도시하는 횡단면도, 도 4는 다른 실시예에 의한 전열관 단체를 도시하는 횡단면도, 도 5는 본 발명에 관련되는 또 다른 실시예에 있어서, 직사각형 단면의 EGR 가스 유로가 복수단 형성된 적층형 열교환기에 있어서의 상기 유로에 파형 핀 구조체가 내장되는 상태를 도시하는 주요부 횡단면도, 도 6은 본 발명에 따른 일 실시예에 의한 파형 핀 구조체 단체를 도시하는 주요부 사시도, 도 7은 본 발명에 따른 일 실시예에 의한 전열관 단체를 도시하는 일부 절결 사시도, 도 8은 본 발명에 있어서의 파형 핀 구조체의 파의 형태에 기초하는 적성값과, 후술하는 너셀 수의 비(Nu/Nu0)와 관 마찰 계수의 비(f/f0)의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.

실시예 1

본 발명에 따른 제1 실시예에 의한 열교환기용 전열관(1)은, 도 1에 그 주요부를 확대하여 도시하는 바와 같이, 단면 형상이 대략 타원형으로 판 두께가 0.5 mm, SUS304L 오스테나이트계 스테인레스 스틸을 소재로 하여 형성된 편평한 관의 내주면(1-1)에, 판 두께가 0.05 mm인 동종의 스테인레스 스틸제 판재에 프레스 성형을 실시함으로써 형성된 파형 핀 구조체(2)를 장입하고, 납땜에 의해 일체로서 접합하여 파형 핀 구조체(2)를 내장하여 이루어지는 전열관(1)을 얻었다. 여기서 본 예에 의한 핀 구조체(2)는 도 1에 도시하는 바와 같이 핀 구조체(2)의 횡단면이 대략 직사각형 채널 형상 파형으로 형성되고, 길이 방향으로는 좌우로 사행하도록 하여 파형 주름이 형성되지만, 이 때, 상기 채널 형상 파형의 파폭(H)은 3.0 mm, 파형 주름의 파장(L)을 16.5 mm로 함으로써, 파폭을 H로 하고, 파형 주름의 파장을 L로 한 경우의 양자의 비(H/L)가 0.182이며, 전술한 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 요건으로서의 (H/L)이 0.17∼0.20의 범위 내에 있는 것을 확인하여 형성하였다.

또한, 본 예에 있어서의 핀 구조체(2)는 상기한 요건에 덧붙여, 도 2에 도시하는 파의 진폭(A)을 3.0 mm로 하여, 상기 파폭(H)과의 차(H-A)에 의해 구해지는 갭(G)과 상기 채널 형상 파폭(H)의 비(G/H)가 0으로, 전술한 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 요건으로서의 (G/H)가 -0.21∼0.19의 범위 내에 속하도록 조정하고, 나아가서는 도 2에 도시하는 바와 같이 길이 방향으로 형성되는 파형 주름의 정점에는 6.0 R의 곡률 반경을 형성하며, 상기 채널 형상 파폭(H)을 기초로 한 곡률 반경(R)이 1.7 H∼2 H의 범위 내가 되도록 조정하였다. 본 실시예에 있어서의 상기 파형 핀 구조체(2)는 파의 형태가 상기 각각의 요건을 만족시키도록 형성되는 동시에, 상기 편평한 전열관(1)의 내주면(1-1)에 그 산면(山面)(2-1) 및 곡면(谷面)(2-2)이 동일면인 상태로 밀착하도록 하여 납땜에 의해 접합되지만, 상기 전열관(1)의 내주면(1-1)과 파형 핀(2)이 밀착 상태로 접합됨으로써, 전열관 유로 내에서 고온 가스의 열이 파형 핀 구조체(2)를 통해 상기 전열관(1)의 외측을 통류하는 냉각수에 효과적으로 열교환된다. 상기한 바와 같이하여 얻어진 본 실시예에 의한 전열관(1) 8개를 열교환기에 설치하고, 레이놀즈수가 2300이 되도록 조정하여 EGR 가스 냉각 장치를 구성하여, EGR 가스 냉각계에서의 가스 유로에 조립하여 냉각 성능 시험을 거친 결과, 상기 전열관 내를 통류하는 고온의 EGR 가스는 파형 핀 구조체(2)의 특정한 파형 곡면을 통해 상기 전열관(1)의 유로(1-2 및 1-3) 내를 소정의 유량과 유속을 유지한 상태로 통류하고, 그 동안에 효과적인 열교환이 촉진되는 동시에, 파형 주름의 정점에 형성된 곡률 반경(R)의 작용에 의해 상기 유로 내에 대량의 그을음의 퇴적이나 극도의 오물의 부착은 거의 보이지 않고, 전열관 외주의 냉각 재킷으로의 열교환이 효율적으로 촉진되며, EGR 가스 출구측으로부터 배출되는 EGR 가스는 소정의 온도 영역까지 냉각되어 있는 것이 확인되었다.

본 실시예에 의한 열교환기용 전열관(1)에 있어서, 내장되는 파형 핀 구조체(2)에 있어서 파 형태의 최적값을 구하기 위해, 여러 가지 검토를 되풀이 하던 중에 도 8의 그래프에 나타내는 바와 같은 지견을 얻을 수 있었다. 즉, 열전달 성 능의 경향을 무차원으로 나타내는 스트레이트 핀(직선형 핀)의 너셀 수(Nu0)와 파형 핀의 너셀 수(Nu)의 비(Nu/Nu0)는 채널 형상 파형의 파폭(H)과 길이 방향에 있어서의 파형 주름의 파장(L)의 비(H/L)가 0.20에서 극대에 도달하지만, 압력 손실의 경향을 무차원으로 나타내는 스트레이트 핀의 관 마찰 계수(f0)와 파형 핀의 관 마찰 계수(f)의 관 마찰 계수비(f/f0)는 H/L의 값이 0.3에서 극대에 도달한다. 따라서, H/L가 0.20을 초과하면 압력 손실을 실용상 사용할 수 없을 정도로 증가하는 데 대하여 열전달 성능이 감소하게 되기 때문에, 이 영역에서의 사양은 의미를 이루지 않는 것이 뒷받침된다. 한편, 제작이 용이한 스트레이트 핀을 갖는 EGR 쿨러와 비교하여 비용면에서 1할, 중량면에서 2할 저감시킨 타입의 것이 요구되는 경우가 있기 때문에, 전열관에 있어서는 4할의 길이 단축을 도모할 필요가 있다. 이러한 전열관의 길이 단축을 도모하기 위해서는 핀의 너셀 수를 7할 향상시켜야 하며, 그러기 위해서는 H/L은 0.17 이상이 필요하다. 그래서 본 발명에 있어서의 파형 핀 구조체(2)에 있어서는 관 마찰 계수비가 낮고 너셀 수의 비가 높은 범위에 있는, 횡단면에 있어서의 채널 형상 파형의 파폭(H)과 길이 방향에 있어서의 파형 주름의 파장(L)의 관계에 있어서, H/L가 0.17∼0.20의 범위 내에서 사용하는 것이 된다. 즉, 도 8에 H/L와 너셀수비 및 관 마찰 계수비의 관계를 도시한 바와 같이, 너셀수비는 H/L가 0.20에서 극대에 도달하는 데 대하여 관 마찰 계수비(f/f0)는 H/L가 0.30에서 극대에 도달한다. 즉, H/L가 0.20을 초과하면 관 마찰 계수비가 증가하는 데 대하여 너셀수비가 감소하기 때문에, 그 영역을 사용하는 의미는 없고, H/L가 0.17보다 작아지면 너셀수비가 저하하여 효율적인 핀으로서의 사용에 적합하지 않 다. 이 때문에, 본 발명에서는 관 마찰 계수비가 낮고 너셀수비가 높게, H/L가 0.17∼0.20인 범위를 사용하는 것으로 한 것이다.

또한, 파형 핀 구조체(2)의 길이 방향에 있어서의 파형 주름의 진폭(A)과 채널 형상 파형의 파폭(H)의 관계에 있어서는, H-A에 의해 구해지는 양자의 갭(G)과 상기 파폭(H)의 비, 즉 G/H가 -0.21∼0.19가 되도록 조정하는 것이 바람직하고, 그 비가 -0.21 미만에서는 압력 손실이 증대하여 실용상 문제가 생길 우려가 있으며, 한편, 0.19를 상회하면 열전달 성능이 극단적으로 저하하여 효율적인 핀으로서의 용도를 다할 수 없게 된다. 또한, 상기 길이 방향으로 형성되는 파형 주름의 정점에는 상기 파폭(H)에 대하여 1.7 H 이상이고, 2.0 H 미만이며 곡률 반경(R)이 형성되지만, 상기 곡률 반경(R)이 1.7 H 미만인 경우에는 파의 정점이 뾰족한 형상이 되기 때문에, 가스의 흐름이 핀 구조체의 벽면으로부터 크게 박리하여, 압력 손실을 증대시키는 동시에, 상기 핀의 벽면에 그을음의 퇴적이나 오물이 부착되기 쉬워지며, 한편, 2.0 H를 초과하면 파형 핀 구조체에 있어서의 파의 접선이 비연속적으로 되어, 파형 형상 그 자체가 성립되지 않게 된다. 한편, 본 발명에 있어서의 상기 전열관을 열교환기에 조립하여 사용하는 경우에는, 그 유속 범위를 최적의 상태로 유지하기 위해, 그 전열관 개수를 적절하게 조정하여 레이놀즈수(Reynolds number)가 2000 근방이 되도록 하는 것이 바람직하며, 최대라도 5000 이하의 영역에서 사용하는 것이 바람직하다.

실시예 2

편평한 전열관(1a)의 형상을 도 4에 도시하는 바와 같이 단면 형상이 장방형 인 직사각형 단면으로 한 것 이외는, 실질적으로 실시예 1과 동일하게 하여 파형 핀 구조체(2)를 내장한 열교환기용 전열관(1a)을 얻어, 실시예 1과 동일한 조건으로 EGR 가스 냉각 장치에 있어서의 냉각 성능 시험을 거친 결과, 실시예 1과 동일한 우수한 성과가 확인되었다.

실시예 3

상기 실시예 2에 있어서의 편평한 전열관(1a)과 대략 동일한 사양의 직사각형 단면을 갖는 EGR 가스 유로(4-2)가 복수단으로 형성된 적층형 열교환기(3)를 준비하고, 도 5에 도시하는 바와 같이 상기 유로(4-2)에 실시예 1과 대략 동일한 사양으로 형성된 핀 구조체(2a)를 장입하여, 냉각수 유로(4-3)를 구획하는 칸막이 벽(4-1)에 납땜에 의해 일체로 하여 접합함으로써, 가스 유로(4-2)에 실질적으로 실시예 1과 동일한 파형 핀 구조체(2a)가 내장된 적층형 열교환기(3)를 얻었다. 얻어진 적층형 열교환기(3)를 실시예 1과 동일한 조건으로 EGR 가스 냉각 장치에 있어서의 냉각 성능 시험을 거친 결과, 실시예 1과 마찬가지로 우수한 성과가 확인되었다.

실시예 4

실시예 1과 동일한 사양의 편평한 전열관(1)을 준비하고, 상기 전열관(1)의 내주면에 내장하는 파형 핀 구조체(2b)로서 채널 형상 파형의 파폭(H)을 3.5 mm, 파형 주름 파장(L)을 20.5 mm로 함으로써, 파폭을 H로 하고 파형 주름 파장을 L로 한 경우의 양자의 비 H/L의 값이 0.171로서 규정된 0.17∼0.20에 있어서의 하한 범위 내에 있는 것을 확인하고, 또한, 본 예에 있어서의 핀 구조체(2b)는 상기한 요 건에 덧붙여 도 2에 도시하는 파의 진폭(A)을 4.2 mm로 하고, 상기 파폭(H)과의 차, 즉 H-A에 의해 구해지는 갭(G)과 상기 채널 형상 파폭(H)의 비(G/H)의 값이 -0.21∼0.19에 있어서도 하한 범위 내에 속하도록 조정하고, 나아가서는 도 2에 도시하는 길이 방향으로 형성되는 파형 주름의 정점에는 6.0 R의 곡률 반경을 형성하여, 상기 채널 형상 파폭(H)을 베이스로 한 곡률 반경(R)에서의 1.7 H∼2 H 중 최소 범위 내에 속하도록 조정하였다.

상기 구성에 의한 핀 구조체(2b)를 상기 전열관(1)에 장입하고, 일체로 하여 접합함으로써 본 실시예에 의한 열교환기용 전열관(1b)을 얻어, 실시예 1과 동일한 조건으로 EGR 가스 냉각 장치에 있어서의 냉각 성능 시험을 거친 결과, 실시예 1과 마찬가지로 우수한 성과가 확인되었다.

실시예 5

본 실시예에 있어서의 파형 핀 구조체(2c)로서, 채널 형상 파형의 파폭(H)을 3.2 mm, 파형 주름의 파장(L)을 16.0 mm로 함으로써, 파폭을 H로 하고, 파형 주름의 파장을 L로 한 경우의 양자의 비 H/L의 값이 0.20로서 규정의 0.17∼0.20에 있어서의 상한 범위 내에 있는 것을 확인하고, 또한, 본 예에 있어서의 핀 구조체(2c)는 상기한 요건에 덧붙여, 도 2에 도시하는 파의 진폭(A)을 2.6 mm로 하고, 상기 파폭(H)과의 차, 즉 H-A에 의해 구해지는 갭(G)과 상기 채널 형상 파형의 파폭(H)의 비(G/H)가 -0.21∼0.19에 있어서도 상한 범위 내에 속하도록 조정하고, 나아가서는 도 2에 도시하는 길이 방향으로 형성되는 파형 주름의 정점에는 6.4 R의 곡률 반경을 형성하여, 상기 채널 형상 파폭(H)을 베이스로 한 곡률 반경(R)에 있 어서의 1.7 H∼2 H 중 최대 범위 내에 속하도록 조정하며, 그외는 상기 실시예 4와 동일하게 하여 열교환기용 전열관(1c)을 얻고, 실시예 1과 동일한 조건으로 EGR 가스 냉각 장치에 있어서의 냉각 성능 시험을 거친 결과, 실시예 4와 마찬가지로 우수한 성과가 확인되었다.

실시예 6

도 6에 도시하는 바와 같이 파형 핀 구조체(2d)의 만곡하는 측벽부(2d-3)에, 인접하는 유체 유로 간에 상호 유통 가능하게 절결부(2d-4)를 형성한 것 이외는 실시예 1과 동일한 구조의 파형 핀 구조체(2d)를 형성하고, 상기 핀 구조체(2d)를 실시예 1과 동일한 편평한 전열관에 내장시켜, 본 실시예에 의한 열교환기용 전열관(1d)을 얻고, 실시예 1과 동일한 조건으로 EGR 가스 냉각 장치에 있어서의 냉각 성능 시험을 거친 결과, 실시예 1과 마찬가지로 우수한 성과가 확인되었다.

상기 각 실시예로부터도 명백한 바와 같이, 본 발명에 의한 열교환기용 전열관은 단면 형상이 대략 타원형 내지는 대략 직사각형 편평관으로서, 상기 편평관의 내주면에서의 EGR 가스 등의 피냉각 매체 유로에, 단면 형상이 대략 직사각형 채널 형상 파형이며 길이 방향으로 소정의 파장으로 파형 주름이 형성된 만곡 곡면을 갖는 파형 핀 구조체가 일체로서 내장되어 열교환기용 전열관을 구성하지만, 본 발명에 따른 상기 전열관은 내장되는 상기 파형 핀 구조체가 상기 채널 형상 파폭을 H, 주름의 파장을 L로 하였을 때에, H/L로 표시되는 값이 0.17∼0.20의 범위 내에 있는 것을 기본적인 요건으로 하고, 덧붙여 상기 주름의 진폭(A)과 상기 파폭(H)의 차(H-A)에 의해 구해지는 갭(G)과 상기 파폭(H)의 비인 G/H가 -0.21∼0.19의 범위 내에 있는 동시에, 상기 주름의 정점에 1.7 H∼2 H의 범위 내에서 곡률 반경(R)이 형성되는 것을 수반적 요건으로 하는 것이며, 이러한 구성의 본 발명의 열교환기용 전열관에 의해, 상기 전열관 내를 통류하는 EGR 가스 등 고온의 배기 가스는 우수한 열전달 성능과 적은 압력 손실이 확보되고, 배기 가스 냉각계에 있어서, 상기 냉각 장치가 갖는 열교환 성능을 최대한으로 발휘하여, 우수한 냉각 효율을 얻을 수 있기 때문에, 에너지 절약면에서도 크게 공헌한다. 또한, 본 발명에 의한 상기 전열관은 내장되는 파형 핀 구조체를 포함하여 매우 간략한 가공 방법에 의해 제작 가능하며, 또한 열교환기에의 부착 수단이 용이함에도 불구하고, 얻어지는 효과는 현저히 우수한 것이기 때문에, 상기 전열관을 부착한 다관식 열교환기는 EGR 가스 냉각 장치 등의 소형 경량화를 저비용으로 실현할 수 있는 등, 상기 기술 분야에 있어서의 열교환기용 전열관으로서 폭 넓게 채용되는 것이 기대된다.

Claims

배기 가스 유로가 되는, 내주면의 단면 형상이 편평한 열교환기용 전열관에 있어서,

상기 전열관에 내장되는 핀 구조체는, 단면 형상이 직사각형 채널 형상 파형이며 길이 방향으로 소정의 파장으로 파형 주름이 형성된 만곡 곡면을 갖는 파형 핀 구조체로서, 상기 채널 형상 파형의 파폭을 H로, 길이 방향에 있어서의 파형 주름의 파장을 L로 하였을 때에, H/L로 표시되는 값이 0.17∼0.20의 범위 내로 조정되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열관.
배기 가스 유로가 되는, 내주면의 단면 형상이 편평한 열교환기용 전열관에 있어서,

상기 전열관에 내장되는 핀 구조체는, 단면 형상이 직사각형 채널 형상 파형이며 길이 방향으로 소정의 파장으로 파형 주름이 형성된 만곡 곡면을 갖는 파형 핀 구조체로서, 상기 채널 형상 파형의 파폭을 H, 길이 방향에 있어서의 파형 주름의 진폭을 A로 하였을 때에 상기 채널 형상 파형의 파폭(H)과의 차(H-A)에 의해 구해지는 갭(G)과의 비로서 G/H로 표시되는 값이 -0.21∼0.19의 범위 내가 되도록 조정되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열관.
배기 가스 유로가 되는, 내주면의 단면 형상이 편평한 열교환기용 전열관에 있어서,

상기 전열관에 내장되는 핀 구조체는 단면 형상이 직사각형 채널 형상 파형이며 길이 방향으로 소정의 파장으로 파형 주름이 형성된 만곡 곡면을 갖는 파형 핀 구조체로서, 상기 채널 형상 파형의 파폭을 H, 길이 방향에 있어서의 파형 주름의 파장을 L로 하였을 때에, H/L로 표시되는 값이 0.17∼0.20의 범위 내로 조정되고, 또한, 길이 방향에 있어서의 파형 주름의 진폭을 A로 하였을 때에, 상기 채널 형상 파형의 파폭(H)과의 차(H-A)에 의해 구해지는 갭(G)과의 비로서 G/H로 표시되는 값이 -0.21∼0.19의 범위 내가 되도록 조정되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파형 핀 구조체에서의 파형 주름의 정점에, 상기 파형 핀 구조체에서의 채널 형상 파형의 파폭(H)에 대하여 1.7 H∼2 H의 범위 내에서 곡률 반경(R)이 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파형 핀 구조체에서의 길이 방향의 만곡 곡면을 갖는 측벽부에, 인접하는 유체 유로 간에 상호 통류 가능하게 절결부, 슬릿, 또는 관통 구멍 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파형 핀 구조체는 금속제 판재로 이루어지며, 그 가공 수단이 프레스 성형, 기어 성형 및 이들의 조합 중에서 선택되고, 전열관 내주 벽면으로의 접합 수단이 용접, 납땜, 점착, 그 밖의 접합 방법 중에서 선택되어, 일체로서 접합되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파형 핀 구조체를 형성하는 금속제 판재는 SUS304, SUS304L, SUS316, 또는 SUS316L 중 어느 하나의 오스테나이트계 스테인레스 스틸로 이루어지며, 그 판 두께가 0.05∼0.3 mm인 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전열관은 단면 형상이 타원형이면서 레이스트랙 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전열관은 단면 형상이 장방형이면서 직사각형 단면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열관.