KR101103003B1 - 열교환기 및 열교환기용 방열핀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 성능과 저항을 최적화하여 원하는 크기로의 일체형 제조가 가능하도록 함으로써 생산성을 향상시킴과 더불어 유체의 유동 저항을 최소화할 수 있도록 한 새로운 형태의 열교환기용 방열핀 및 이를 적용한 열교환기에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 복수의 산과 골이 반복되게 형성되고, 상기 각 산의 전면 및 후면에는 상기 산과 골이 반복되는 방향을 기준으로 볼 때 반복적으로 교호되면서 내향 절곡되는 복수의 절곡단이 성형되며, 상기 각 절곡단은 좌우로 일부 경사지게 성형되어 유체가 통과되는 통과공이 복수의 산과 골이 반복되는 방향을 따라 관통될 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 열교환기용 방열핀이 제공된다.

열교환판, 일체형 방열핀, 절곡단, 경사

Description

열교환기 및 열교환기용 방열핀{heat-exchanger and turbulator of the heat-exchanger}

본 발명은 열교환기용 방열핀에 관한 것으로써, 더욱 구체적으로는 본 발명은 원하는 크기로의 일체형 제조가 가능하도록 하여 생산성을 향상시킴과 더불어 유체의 유동 저항을 최소화할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 열교환기는 연소열 및 유체 또는 공기의 압축 또는 회전체 등에서 발생하는 열을 냉각시키는 역할을 수행하는 장치이다.

즉, 상기한 열교환기는 열을 냉각시키거나 혹은, 낮은 온도를 높여야 되는 모든 분야에 적용되고 있다.

특히, 종래 일반적인 열교환기의 경우 공기 및 냉각수 또는 오일이 교차되면서 통과되는 각 열교환판들 사이에 별개로 제조된 방열핀(turbulator)이 설치됨으로써, 상기 각 열교환판을 통과하는 공기 혹은, 냉각수 또는 오일이 난류를 발생시키도록 하고, 이로 인해 공기와 냉각수 또는 오일 간의 열교환 성능이 더욱 향상될 수 있도록 구성되고 있다.

상기한 열교환기 중 인터쿨러의 경우는 임펠러에 의해 과급된 공기가 인터쿨 러에 의해 냉각된 후 엔진으로 공급될 수 있도록 함으로써 과급된 공기의 온도 상승에 따른 공기 밀도의 증대 비율 감소로 인한 노킹의 발생 및 충전 효율의 저하를 방지하는 역할을 수행한다.

또한, 상기한 열교환기 중 오일쿨러의 경우는 엔진 또는, 트랜스미션, 유압작동 등에서 발생한 열을 열교환기에 의해 적정온도로 냉각된 후 각 기능부위로 순환되면서 성능을 유지시키는 역할을 수행한다.

이외에도 상기한 열교환기는 유체를 이용한 열교환장치 분야에서 광범위하게 사용되고 있으며, 특히 대형의 열교환기 제작에 있어서는 유체 저항이 축소된 일체형의 방열핀이 요구되고 있는 실정이다.

상기한 방열핀에 대하여는 미국특허 US 6,675,878호 및 국내실용신안공보 공개번호 제2008-6506호 등에 소개되고 있으며, 첨부된 도 1은 상기한 종래의 방열핀을 도시하고 있다.

이를 통해 알 수 있듯이, 종래의 방열핀(20)은 복수의 산(21)과 골(22)이 반복되도록 형성됨과 더불어 상기 각 산(21)에는 복수의 절곡단(23)이 형성되어 이루어진다.

이때, 상기 각 절곡단(23)은 상기 산(21)의 형성 방향을 따라 순차적으로 교호되면서 좌우로 돌출되도록 형성됨과 더불어 산(21)의 형성 방향과는 수직한 방향(각 산과 골이 반복되는 방향)을 따라 순차적으로 교호되면서 전후로 돌출되도록 형성됨으로써, 해당 절곡단(23)들을 통과하게 되는 유체를 난류화시키게 된다.

그러나, 전술한 바와 같은 종래의 방열핀(20)은 유체의 유동 방향이 각 산(21)과 골(22)이 반복되는 방향을 향하도록 설치할 수 없었고, 각 산이 향하는 방향(혹은, 각 골이 향하는 방향)을 향해 유체가 유동되도록 설치될 수밖에 없었다.

즉, 성형 기기의 구조상 한계(성형 기기의 폭 등)로 인해 방열핀(20)은 산(21)과 골(22)이 반복되는 방향을 따라 길게 형성될 수 있을 뿐 상기 산(21)과 골(22)이 반복되는 방향과는 수직한 방향을 따라서는 길게 성형할 수 없었음과 더불어 상기한 구조의 방열핀(20)에 대한 유체의 유동 방향을 각 산(21)과 골(22)이 반복되는 방향을 향하도록 설치할 경우에는 상기 유체의 저항이 너무 커짐에 따라 대형 유압장치용 오일냉각기에는 실질적인 사용이 불가능하였던 것이다.

따라서, 상기 산(21)과 골(22)이 반복되는 방향과는 수직한 방향을 따라 유체가 유동하도록 설치할 수 밖에 없었지만, 이의 경우는 유체의 난류화 성능이 상대적으로 떨어졌던 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 전술한 바와 같이 방열핀(20)을 산(21)과 골(22)이 반복되는 방향과는 수직한 방향으로는 길게 성형할 수 없었기 때문에 방열핀(20)을 일체형으로 형성한 것이 아니라 복수로 분할하여 유체의 유동 방향을 따라 순차적으로 연결하는 조립형으로 구성할 수밖에 없고, 이로 인해 상기 각 방열핀(20)의 설치를 위한 작업 공수의 증가에 따른 작업성의 저하 및 열교환 성능의 저하가 발생되었던 문제점을 가진다.

본 발명은 전술한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 원하는 크기로의 일체형 제조가 가능하도록 하여 생산성을 향상시킴과 더불어 유체의 유동 저항을 최소화할 수 있도록 한 새로운 형태의 열교환기 및 이에 적용되는 열교환기용 방열핀을 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기에 따르면 서로 이격되면서 적층되는 복수의 열교환판; 그리고, 상기 각 열교환판 사이에 제공되며, 일체형을 이루면서 유체의 유동 방향을 따라 복수의 산과 골이 반복되도록 형성되고, 상기 각 산에는 반복적으로 교호되면서 내향 절곡되는 복수의 절곡단이 형성됨과 더불어 상기 각 절곡단에 의해 상기 각 산과 골이 반복되는 방향을 따라 유체가 통과되는 관통공이 형성되어 이루어진 방열핀:을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

여기서, 상기 방열핀의 각 산에 형성되는 절곡단들은 유체의 유동 방향을 기준으로 볼 때 경사진 상태로 내향 절곡되도록 성형됨과 더불어 상기 경사진 절곡단들에 의해 유체가 통과되는 통과공이 형성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 각 절곡단의 경사 각도는 20∼45°범위 내로 결정됨을 특징으로 한다.

그리고, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기용 방열핀에 따르면 복수의 산과 골이 반복되게 형성되고, 상기 각 산의 전면 및 후면에는 상기 산 과 골이 반복되는 방향을 기준으로 볼 때 반복적으로 교호되면서 내향 절곡되는 복수의 절곡단이 성형되며, 상기 각 절곡단은 좌우로 일부 경사지게 성형되어 유체가 통과되는 통과공이 복수의 산과 골이 반복되는 방향을 따라 관통될 수 있도록 구성됨을 특징으로 한다.

여기서, 상기 각 절곡단의 경사 각도는 20∼45°범위 내로 결정됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 각 산에 형성되는 절곡단은 유체가 유동되는 방향인 각 산이 반복되는 방향을 따라 순차적으로 경사 방향이 대칭되게 형성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 각 절곡단은 유체가 유동되는 방향인 상기 각 산과 골이 반복되는 방향의 중앙측을 기준으로 볼 때 좌측편의 절곡단 및 우측편의 절곡단들이 서로 대칭되는 방향으로 경사지도록 형성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 산과 골은 유체의 유입 방향 혹은, 유동 방향을 기준으로 볼 때 경사지게 형성됨을 특징으로 하며, 이때 상기 복수의 산과 골이 이루는 경사 각도는 10∼30°범위 내로 결정됨과 더불어 상기 각 절곡단의 경사 각도는 20∼45°범위 내로 결정됨을 특징으로 한다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 열교환기용 방열핀은 유체의 유동 방향을 따라 산과 골이 반복되는 형상으로 배치할 수 있기 때문에 원하는 길이에 상관없이 일체형으로의 제조가 가능하며, 이로 인해 해당 방열핀을 설치하는 조립 과정이 단축될 수 있게 되어 작업성의 향상을 이룰 수 있게 된 효과를 가진다.

특히, 본 발명에 따른 열교환기용 방열핀은 경사진 형태의 절곡단에 의해 유체의 난류화가 종래 방열의 설치 구조에 비해 더욱 향상될 수 있게 된 효과를 가진다.

이하, 본 발명의 열교환기 및 이에 적용되는 열교환기용 방열핀에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도 2 내지 도 14를 참조하여 설명하도록 한다.

먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기는 첨부된 도 2와 같이 크게 열교환판(100) 및 방열핀(200)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 열교환판(100)은 유체와 열교환됨과 더불어 상기한 유체의 유동을 안내하는 일련의 구성으로써, 복수로 제공됨과 더불어 그 각각은 상하로 서로 이격된 상태로 적층되도록 구성된다.

이와 함께, 상기 각 열교환판(100) 간의 사이 중 유체의 유동 방향을 기준으로볼 때 양측편에는 서로 간의 이격 거리를 일정하게 유지함과 더불어 유체의 흐름을 구획하기 위한 구획바(110)가 개재된다.

이때, 상기한 구획바(110)는 상기 각 열교환판(100) 사이에 형성되는 유체의 유동 경로수에 따라 둘 혹은, 셋 이상 제공된다. 즉, 첨부된 도 3 및 도 4와 같이 각 열교환판(100) 사이의 유체 유동 경로가 하나일 경우에는 상기 각 열교환판(100)의 양측(도면상 상측 및 하측)에 각각 하나씩 제공되고, 첨부된 도 5 및 도 6과 같이 각 열교환판(100) 사이의 유체 유동 경로가 둘일 경우에는 상기 각 유체 유동 경로 간의 사이에 하나가 더 추가적으로 제공됨과 더불어 상기 각 구획 바(110)들의 사이에는 방열핀(200)이 각각 제공되는 것이다.

다음으로, 상기 방열핀(200)은 상기 각 열교환판(100) 사이에 제공되면서 상기 각 열교환판(100) 사이를 통과하는 유체에 난류성을 부여하여 열교환 효과를 향상시키는 일련의 구성이다.

상기한 방열핀(200)의 구조에 대하여 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

우선, 상기 방열핀(200)은 복수의 산(210)과 골(220)이 반복되는 형상으로 형성되며, 상기 각 산(210)에는 복수의 절곡단(230) 및 관통공(240)이 형성되어 이루어진다.

이때, 상기 절곡단(230)들은 랜싱(lancing) 가공 등에 의해 상기 산(210)의 일부를 하향 절곡시켜 형성되는 부위로써, 상기 산(210)과 골(220)이 반복되는 방향을 기준으로 볼 때 상기 각 산(210)의 전면 및 후면에 반복적으로 교호되면서 내향 절곡됨과 더불어 좌우로 일부 경사지게 성형된다.

이에 따라, 상기한 각 산(210)에는 상기 경사진 형상의 절곡단(230)들에 의해 유체가 통과될 수 있는 통과공(240)이 형성되며, 이러한 통과공(240)은 각 산(210)과 골(220)이 반복되는 방향을 향하여 관통되는 상태를 이루게 된다. 이는, 첨부된 도 7에 도시한 바와 같다.

특히, 본 발명의 실시예에서는 상기 각 절곡단(230)들의 경사 각도(α)가 20∼45°의 각도 범위를 이루도록 결정됨을 제시한다. 즉, 각 절곡단(230)의 절곡 방향이 상기 산(210)의 형성 방향을 기준으로 볼 때 20∼45°만큼 경사지도록 성형되 는 것이다. 이는, 첨부된 도 3의 확대도에 도시한 바와 같다.

이러한 경사 각도의 범위에 대한 한정은 유체의 유동 저항을 최소화하면서도 난류화의 향상을 얻을 수 있도록 함과 더불어 원활한 성형이 가능하도록 하기 위함이다.

만일, 상기 각 절곡단(230)들의 경사 각도가 20°이하의 범위일 경우 해당 산(210)의 전면 및 후면에 의한 유체의 유동을 가로막는 부위가 큼에 따라 상기 유체 유동에 따른 저항이 커지는 문제점이 야기되고, 상기 각 절곡단(230)들의 경사 각도가 45° 이상의 범위일 경우에도 동일하게 유체 유동에 따른 저항이 커지며, 그 성형의 어려움을 가진다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 상기한 방열핀(200)이 분리형으로 상기 각 열교환판(100) 사이에 제공되는 것이 아니라 각 열교환판(100) 사이의 유체 유동 방향을 따라 일체형을 이루면서 제공됨을 제시한다.

이는, 첨부된 도 3 및 도 5와 같이 본 발명의 실시예에 따른 방열핀(200)을 각 열교환판(100) 사이에 유체의 유동 방향을 기준으로 볼 때 각 산(210)과 골(220)이 반복되도록 배치됨으로써 가능하다.

즉, 롤(roll) 가공이나 여타 금형 가공의 경우 산(210)과 골(220)이 반복되는 방향을 따라 성형이 진행됨을 고려할 때 유체의 유동 방향이 상기 산(210)과 골(220)이 반복되는 방향을 향할 수 있도록 함으로써 일체형으로의 제조가 가능하게 되는 것이다.

특히, 상기와 같이 방열핀(200)을 일체형으로 제조할 수 있기 때문에 각 열 교환판(100) 사이에 방열핀(200)을 설치하는 작업이 한 번으로 완료될 수 있게 되며, 이로 인한 작업 시간의 단축을 얻을 수 있게 된다.

하기에서는, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기용 방열핀에 의한 열교환 과정을 설명하도록 한다.

우선, 외부로부터 열교환기의 유체 유입측을 통해 유입된 유체는 상기 각 열교환판(100) 사이를 통과하게 된다.

이때, 상기한 유체는 상기 각 열교환판(100) 사이에 개재된 방열핀(200)을 통과하게 되며, 이러한 방열핀(200)의 통과 과정에서 난류화되면서 열교환판(100)과의 더욱 원활한 열교환이 이루어지게 된다.

즉, 상기 유체는 방열핀(200)의 각 산(210)에 형성된 절곡단(230)의 안내를 받아 상기 절곡단(230)들이 경사지게 성형됨에 따라 형성된 관통공(240)을 통과하게 되고, 이러한 관통공(240)을 따라 유동되면서 난류화되어 열교환판과의 열교환이 수행되는 것이다.

그리고, 상기와 같은 일련의 과정을 통해 각 열교환판(100) 사이의 방열핀(200)을 통과한 유체는 열교환기의 유체 유출측을 통해 외부로 배출된다.

한편, 본 발명에 따른 방열핀(200)의 형상은 전술한 실시예에서와 같이 각 절곡단(230)들의 경사 방향이 동일한 방향으로만 형성되는 것으로 한정되지는 않는다.

예컨대, 첨부된 도 8과 같이 각 산(210)에 형성되는 절곡단(230)들이 유체가 유동되는 방향인 각 산(210)이 반복되는 방향을 따라 순차적으로 경사 방향이 대칭 되게 형성할 수도 있는 것이다.

즉, 최초의 산(210)에 형성되는 절곡단(230)들의 경사 방향이 후방으로 갈수록 좌측으로 경사지게 형성된다면 그 다음 열의 산(210)에 형성되는 절곡단(230)들의 경사 방향은 후방으로 갈수록 우측으로 경사지게 형성되도록 하는 것이다.

이로 인해, 유체의 난류화가 더욱 향상될 수 있게 된다.

또한, 첨부된 도 9와 같이 상기 각 절곡단(230)들은 유체가 유동되는 방향인 상기 각 산(210)과 골(220)이 반복되는 방향의 중앙측을 기준으로 볼 때 좌측편의 절곡단(230) 및 우측편의 절곡단(230)들이 서로 대칭되는 방향으로 경사지도록 형성할 수도 있다.

즉, 방열핀(200)의 중앙측 부위를 기준으로 볼 때 좌측편에 형성되는 절곡단(230)들의 경사 방향은 후방으로 갈수록 좌측으로 경사지게 형성된다면 우측편에 형성되는 절곡단(230)들의 경사 방향은 후방으로 갈수록 우측으로 경사지게 형성되도록 하는 것이다.

이로 인해, 유체의 난류화가 더욱 향상될 수 있게 된다.

또한, 첨부된 도 10과 같이 본 발명에 따른 방열핀(200)은 복수의 산(210)과 골(220)이 유체의 유입 방향 혹은, 유동 방향을 기준으로 볼 때 경사지게 형성되도록 구성할 수도 있다.

즉, 상기한 산(210)과 골(220)의 추가적인 경사로 인해 통과공(240)은 상기한 경사 및 각 절곡단(230)이 이루는 경사 등 이중 경사 구조를 가지게 되고, 이로 인해 유체의 난류화는 더욱 향상될 수 있게 된다.

이때, 상기 복수의 산(210)과 골(220)이 이루는 경사 각도는 10∼30°범위 내로 결정됨과 더불어 상기 각 절곡단(230)의 경사 각도는 20∼45°범위 내로 결정됨이 바람직하다.

만일, 상기 각 산(210)과 골(230)이 이루는 경사 각도가 10°에 비해 작을 경우에는 이중 경사 구조에 따른 난류화의 향상 효과가 극히 미미하고, 상기 경사 각도가 30°에 비해 클 경우에는 통과공(240)의 과도한 경사로 인해 유체의 원활한 유동이 이루어지지 않을 수 있다는 문제점이 야기될 수 있기 때문에 산(210)과 골(220) 및 절곡단(230)의 경사는 전술한 범위대로 결정되도록 함이 가장 바람직한 것이다.

한편, 첨부된 도 11 및 도 12는 본 발명에 따른 방열핀의 성형을 위한 일 예를 나타내고 있다.

즉, 첨부된 도 11과 같이 절곡단(230)의 성형을 위한 툴(tool)(300)을 원자재의 투입 방향과 수직하게 설치하는 일반적인 방법으로 방열핀(200)을 성형하면 된다.

만일, 첨부된 도 10과 같이 방열핀(200)을 이루는 복수의 산(210)과 골(220)을 유체의 유입 방향 혹은, 유동 방향을 기준으로 볼 때 경사지게 형성하고자 할 경우에는 첨부된 도 12와 같이 절곡단(230)의 성형을 위한 툴(tool)(300)을 경사지게 설치하여 성형하면 된다.

또한, 툴(300)을 통과한 방열핀의 진행 방향이 경사지게 이루어진다면 첨부된 도 13 및 도 14와 같은 배치 구조를 통해 성형하면 된다.

이렇듯, 본 발명에 따른 방열핀(200)은 다양한 방법으로의 성형이 가능하다.

도 1은 종래의 일반적인 열교환기용 방열핀을 설명하기 위해 나타낸 사시도

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기의 구조를 설명하기 위해 나타낸 분해 사시도

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기의 구조를 설명하기 위해 나타낸 평면도

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기의 구조를 설명하기 위해 나타낸 측단면도

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기의 구조에 대한 다른 예를 설명하기 위해 나타낸 평면도

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기의 구조에 대한 다른 예를 설명하기 위해 나타낸 측단면도

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기용 방열핀의 구조를 설명하기 위해 나타낸 요부 확대 사시도

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기용 방열핀을 설명하기 위해 나타낸 평면도

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기용 방열핀을 설명하기 위해 나타낸 평면도

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기용 방열핀을 설명하기 위해 나타낸 평면도

도 11 내지 도 14는 본 발명에 따른 방열핀을 성형하는 방법의 설명을 위한 상태도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100. 열교환판 110. 구획바

200. 방열핀 210. 산

220. 골 230. 절곡단

240. 관통공 300. 툴

Claims (9)

1. 서로 이격되면서 적층되는 복수의 열교환판; 그리고,

   상기 각 열교환판 사이에 제공되며, 일체형을 이루면서 유체의 유동 방향을 따라 복수의 산과 골이 반복되도록 형성되고, 상기 각 산의 전면 및 후면에는 상기 산과 골이 반복되는 방향을 기준으로 볼 때 상기 각 산의 전면 및 후면에 반복적으로 교호되면서 내향 절곡됨과 동시에 좌우로 경사지게 형성된 복수의 절곡단이 형성됨과 더불어 상기 각 경사진 절곡단들에 의해 상기 각 산과 골이 반복되는 방향을 따라 유체가 통과되는 관통공이 형성되어 이루어진 방열핀:을 포함하며,

   상기 각 절곡단이 이루는 좌우의 경사 각도는 20∼45°범위 내로 결정됨을 특징으로 하는 열교환기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 유체의 유동 방향을 따라 복수의 산과 골이 반복되게 형성되고,

   상기 각 산의 전면 및 후면에는 상기 산과 골이 반복되는 방향을 기준으로 볼 때 반복적으로 교호되면서 내향 절곡되는 복수의 절곡단이 성형되며,

   상기 각 절곡단은 상기 산과 골이 반복되는 방향을 기준으로 볼 때 좌우로 20∼45°범위로 경사지게 성형되어 유체가 통과되는 관통공이 복수의 산과 골이 반복되는 방향을 따라 관통될 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 열교환기용 방열핀.
5. 삭제
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 각 산에 형성되는 절곡단은 유체가 유동되는 방향인 각 산이 반복되는 방향을 따라 순차적으로 경사 방향이 대칭되게 형성됨을 특징으로 하는 열교환기용 방열핀.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 각 절곡단은 유체가 유동되는 방향인 상기 각 산과 골이 반복되는 방향의 중앙측을 기준으로 볼 때 좌측편의 절곡단 및 우측편의 절곡단들이 서로 대칭되는 방향으로 경사지도록 형성됨을 특징으로 하는 열교환기용 방열핀.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 복수의 산과 골은 유체의 유입 방향 혹은, 유동 방향을 기준으로 볼 때 경사지게 형성됨을 특징으로 하는 열교환기용 방열핀.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 복수의 산과 골이 이루는 경사 각도는 10∼30°범위 내로 결정됨을 특징으로 하는 열교환기용 방열핀.

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