KR101116759B1

KR101116759B1 - 열교환기

Info

Publication number: KR101116759B1
Application number: KR1020097015562A
Authority: KR
Inventors: 나오키 시카조노; 겐타로 후쿠다
Original assignee: 고쿠리츠다이가쿠호우진 도쿄다이가쿠
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2008-01-22
Publication date: 2012-03-14
Also published as: EP2108911A1; EP2108911B1; JP4958184B2; US9891008B2; JPWO2008090872A1; KR20090096639A; WO2008090872A1; EP2108911A4; JP2012137288A; US20100071886A1; CN101589285A; JP5388043B2; CN101589285B

Abstract

각 핀(30)을, 산부(山部)나 골부(谷部)의 연속되는 선이 공기의 주요한 흐름에 대하여 10도 내지 60도의 범위가 되어 공기의 주요한 흐름에 따른 되접어 꺾음 간격(W)의 되접어 꺾음선에서 대칭으로 되접어 꺾도록, 산부(34)와 골부(36)에 의한 물결형의 진폭(a)과 핀 피치(p)의 비(a/p)가, 1.3×Re^-0.5＜a/p＜0.2가 되도록, 되접어 꺾음 간격(W)과 물결형의 파장(z)의 비(W/z)가, 0.25＜W/z＜2.0이 되도록, 산부(34)의 정점부나 골부(36)의 바닥부의 곡률 반경(r)과 물결형의 파장(z)의 비(r/z)가, 0.25＜r/z가 되도록, 물결형의 단면의 경사각(α)이 25도 이상이 되도록 형성한다. 이것에 의하여, 열교환기의 열 전달률을 양호한 것으로 할 수 있고, 열교환기를 소형화할 수 있다.

Description

열교환기 {HEAT EXCHANGER}

본 발명은, 열교환기에 관한 것으로, 자세하게는, 적어도 2개의 대향하는 전열부재의 사이에 유체를 유통시킴으로써 열교환을 행하는 열교환기에 관한 것이다.

종래, 이 종류의 열교환기로서는, 냉매를 유통시키는 복수의 편평 튜브와, 각 튜브 사이에 설치된 콜게이트 핀을 구비하는 차량 탑재용의 콜게이트 핀 튜브 열교환기가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 또, 크로스 핀 튜브 열교환기에서, 복수의 핀으로서 가는 슬릿이 핀에 가공된 슬릿 핀을 사용하는 것이나(예를 들면, 특허문헌 2 참조), 공기 흐름 방향에 수직인 물결형 요철을 실시한 물결형 핀을 사용하는 것(예를 들면, 특허문헌 3 참조), 공기의 흐름에 대하여 30도의 각도로 V자형으로 물결형 요철을 설치한 V자형 물결형 핀을 사용하는 것(예를 들면, 특허문헌 4 참조) 등이 제안되어 있다. 이들 열교환기는, 핀의 형상을 연구함으로써, 핀 튜브 열교환기의 전열 촉진을 도모하고 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특개2001-167782호 공보

[특허문헌 2]

일본국 특개2003-161588호 공보

[특허문헌 3]

일본국 특개2000-193389호 공보

[특허문헌 4]

일본국 특개평1-219497호 공보

그러나, 상기의 슬릿 핀을 사용하는 열교환기나 물결형 핀을 사용하는 열교환기에서는, 열 전달률은 향상하나, 돌기나 부분 컷팅 등에 의한 공기 흐름의 박리나 국소적인 증속에 의하여 열 전달률 이상으로 통풍 저항이 증대한 경우가 있다. 또, 이러한 열교환기를 냉동 사이클의 증발기로서 사용할 때에는, 공기 중의 수증기가 이슬이나 서리가 되어 열교환기에 부착되어, 슬릿의 사이에 응축수나 서리가 눈막힘을 일으켜, 공기의 흐름을 저해하는 경우도 생긴다. 상기의 V자형 물결형 핀을 사용하는 열교환기에서는, 돌기나 부분 컷팅 등에 의한 공기 흐름의 박리나 국소적인 증속은 생기지 않으나, V자형의 물결형 요철의 형상에 의해서는 열 전달률이 낮은 경우가 생기거나, 통풍 저항이 커지는 경우도 생긴다.

본 발명의 열교환기는, V자형 물결형 핀을 사용하는 열교환기에서, 더욱 적정한 물결형상의 요철을 형성함으로써, 열교환 효율이 높은 고성능이고 소형의 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 열교환기는, 상기의 목적을 달성하기 위하여 이하의 수단을 채용하였다.

본 발명의 열교환기는, 적어도 2개의 대향하는 전열부재의 사이에 유체를 유통시킴으로써 열교환을 행하는 열교환기에 있어서, 상기 대향하는 전열부재는, 상기 유체를 유통시키는 전열면에 상기 유체의 주요한 흐름과의 이루는 각이 10도 내지 60도의 범위 내의 각도로 당해 주요한 흐름에 따른 소정 간격의 되접어 꺾음선에서 대칭으로 되접어 꺾는 물결형상의 요철을 가지고, 상기 물결형상의 요철의 진폭을 a, 당해 대향하는 전열부재의 전열면의 간격인 피치를 p, 벌크 유속과 피치에 의하여 정의되는 레이놀즈수를 Re라 할 때에, 1.3×Re^-0.5＜a/p＜0.2의 부등식을 만족하도록 상기 물결형상의 요철이 형성되어 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 본 발명의 열교환기에서는, 대향하는 전열부재를, 상기의 부등식을 만족하도록 물결형상의 요철을 형성하여 배치함으로써, 유체의 유통시에 생기는 2차 흐름의 소용돌이를, 대향하는 전열부재의 전열면의 영향을 받지 않고 전열 촉진에 유효한 2차 흐름 성분으로서 기능시킬 수 있다. 이 결과, 열교환 효율이 더욱 높은 고성능이고 소형의 열교환기로 할 수 있다.

이렇게 한 본 발명의 열교환기에서, 상기 대향하는 전열부재는, 상기 되접어 꺾음선의 상기 소정 간격을 W, 상기 물결형상의 요철의 파장을 z라 할 때에, 0.25＜W/z＜2.0의 부등식을 만족하도록 상기 물결형상의 요철이 형성되어 이루어지는 것으로 할 수도 있다. 이렇게 하면, 2차 흐름 성분이 이동하는 스팬(span)방향 거리와 대향하는 전열부재의 전열면에 대한 수직방향 거리의 비가 커지는 것을 억제할 수 있어, 전열 촉진에 유효한 2차 흐름 성분을 크게 유지시킬 수 있다. 이 결과, 열교환 효율이 더욱 높은 고성능이고 소형의 열교환기로 할 수 있다.

또, 본 발명의 열교환기에서, 상기 대향하는 전열부재는, 상기 물결형상의 요철의 정점부 및/또는 바닥부의 곡률 반경을 r, 상기 물결형상의 요철의 파장을 z라 할 때에, 0.25＜r/z의 부등식을 만족하도록 상기 물결형상의 요철이 형성되어 이루어지는 것으로 할 수도 있다. 이렇게 하면, 물결형상의 요철에서의 볼록부를 타고 넘는 흐름의 국소적 증속을 억제할 수 있어, 통풍 저항의 증대를 억제할 수 있다. 이 결과, 열교환 효율이 더욱 높은 고성능이고 소형의 열교환기로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 열교환기에서, 상기 대향하는 전열부재는, 상기 물결형상의 요철의 단면에서의 경사면의 경사각이 25도 이상이 되도록 상기 물결형상의 요철이 형성되어 이루어지는 것으로 할 수도 있다. 이렇게 하면, 물결형상의 요철에 따른 2차 흐름 성분을 강하게 할 수 있고, 이것에 의하여, 전열에 기여하는 2차 흐름을 유효하게 발생시킬 수 있음과 동시에 물결형상의 요철의 단면에서의 경사면의 전열에 유효하게 작용하는 영역의 면적을 늘릴 수 있다. 이 결과, 열교환 효율이 더욱 높은 고성능이고 소형의 열교환기로 할 수 있다.

또는, 본 발명의 열교환기에서, 상기 대향하는 전열부재는, 상기 유체의 흐름에 대하여 대략 직교하는 복수의 면으로 분단된 복수의 전열 소부재에 의하여 형성되어 이루어지는 것으로 할 수도 있다. 이렇게 하면, 전열 촉진에 유효한 2차 흐름을 촉진함과 동시에 경계층의 발달을 분단부에서 차단함으로써 높은 열전도율을 달성할 수 있다. 이 결과, 열교환 효율이 더욱 높은 고성능이고 소형의 열교환기로 할 수 있다.

또, 본 발명의 열교환기에서, 열교환 매체의 유로로서 평행하게 배치된 복수의 전열관을 구비하고, 상기 대향하는 전열부재는, 상기 복수의 전열관과 열교환 가능하게 직교하도록 평행하게 소정 거리의 간격으로 겹치도록 설치되어 이루어지는 복수의 핀 부재로서 형성되어 이루어지는 것으로 할 수도 있다. 이렇게 하면, 열교환 효율이 더욱 높은 고성능이고 소형의 핀 튜브식의 열교환기로 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)의 구성의 개략을 나타내는 구성도,

도 2는 도 1에서의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)의 A-A 단면을 나타내는 단면도,

도 3은 골판 형상의 평판에 유속이 작은 일정한 흐름의 공기를 도입하였을 때에 평판 상에 생기는 공기의 2차 흐름과 온도에 의한 등고선을 나타내는 설명도,

도 4는 진폭 피치비(a/p)와 레이놀즈수(Re)와 열 전달률의 향상률(h/hplate)의 관계를 구한 계산 결과를 나타내는 설명도,

도 5는 열 전달률이 비교예의 2배 이상이 되는 진폭 피치비(a/p)와 레이놀즈수(Re)의 관계를 구한 계산 결과를 나타내는 설명도,

도 6은 진폭 피치비(a/p)와 콜번(colburn)의 j 인자와 통풍에 대한 마찰계수(f)의 비인 전열 마찰비(j/f)의 향상률{(j/f)/(j/fplate)}의 관계를 구한 계산 결과를 나타내는 설명도,

도 7은 간격 파장비(W/z)와 열 전달률의 향상률(h/hplate)의 관계를 구한 계 산 결과를 나타내는 설명도,

도 8은 곡률 반경 파장비(r/z)와 열 전달률의 향상률(h/hplate)의 관계를 구한 계산 결과를 나타내는 설명도,

도 9는 경사각(α)과 열 전달률의 향상률(h/hplate)의 관계를 구한 계산 결과를 나타내는 설명도,

도 10은 변형예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20B)의 구성의 개략을 나타내는 구성도,

도 11은 도 10의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20B)의 B-B 단면을 나타내는 단면도이다.

다음에, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 실시예를 이용하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예로서의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)의 구성의 개략을 나타내는 구성도이고, 도 2는 도 1에서의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)의 A-A 단면을 나타내는 단면도이다. 또한, 도 2는, 단면을 확대하여 나타내는 관계상, 전열관(22a)으로부터 전열관(22b)의 범위를 나타내고 있다. 실시예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)는, 도면에 나타내는 바와 같이, 열교환 매체의 통로를 이루는 평행하게 배치된 복수의 전열관(22a～22c)과, 이 복수의 전열관(22a～22c)에 대략 수직으로 배치된 복수의 핀(30)에 의하여 구성되어 있다.

복수의 전열관(22a～22c)은, 열교환 매체, 예를 들면 냉각수나 냉각 오일 등의 냉각용 액체, 냉동 사이클에 사용되는 냉매 등의 매체를 우회류 또는 분류하기 위하여 평행하게 또한 냉각용 공기의 흐름과는 대략 수직이 되도록 배치되어 있다.

복수의 핀(30)은, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 도 1에서 1점 쇄선으로 나타내는 복수의 굴곡하는 산부(볼록부)(34)와, 이 복수의 산부(34)의 사이에 개재하는 2점 쇄선으로 나타내는 복수의 굴곡하는 골부(오목부)(36)가 형성된 복수의 물결형상의 평판부재로서 구성되어 있고, 각 핀(30)은, 전열관(22a～22c)의 열교환 매체의 흐름 방향과는 대략 수직으로 인접하는 핀(30)은 동일한 간격으로 대략 평행이 되도록 전열관(22a～22c)에 설치되어 있다. 실시예에서는, 도 1에서, 복수의 전열관(22a～22c)과 복수의 핀(30)에 의하여, 상부측에 공기의 유입부가 구성되고, 하부측에 공기의 유출부가 구성되어, 각 전열관(22a～22c)의 사이에 공기의 통로가 구성된다.

각 핀(30)의 복수의 산부(34)와 골부(36)는, 산부(34)나 골부(36)의 연속되는 선(1점 쇄선, 2점 쇄선)이 공기의 주요한 흐름에 대하여 이루어지는 각(γ)이 10도 내지 60도의 범위 내의 각도, 예를 들면 30도가 되도록, 또한, 공기의 주요한 흐름에 따른 소정 간격(되접어 꺾음 간격)(W)의 되접어 꺾음선(도 1에서는, 1점 쇄선이나 2점 쇄선의 굴곡부를 연속하는 도시 생략한 선)에서 대칭으로 되접어 꺾도록 형성되어 있다. 이와 같이, 산부(34)나 골부(36)의 연속되는 선(1점 쇄선, 2점 쇄선)과 공기의 흐름(주요한 흐름)이 이루는 각(γ)이 10도 내지 60도의 범위 내의 각도가 되도록 핀(30)을 형성하는 것은, 공기의 2차 흐름을 유효하게 발생시키기 위함이다. 도 3에 골판 형상의 평판에 유속이 작은 일정한 흐름의 공기를 도입하였을 때에 평판 상에 생기는 공기의 2차 흐름(화살표)과 온도에 의한 등고선을 나타 낸다. 도면에 나타내는 바와 같이, 산부(34)나 골부(36)에 의하여 강한 2차 흐름이 발생하고, 또한 벽면 부근에서 큰 온도 구배가 발생하는 것을 알 수 있다. 실시예에서는, 산부(34)나 골부(36)의 연속되는 선(파선, 1점 쇄선)과 공기의 주요한 흐름이 이루는 각(γ)을 30도로 한 것은, 이 2차 흐름을 유효하게 발생시키기 위함이다. 이 이루는 각(γ)은, 너무 작으면 공기의 흐름에 유효한 2차 흐름을 발생시킬 수 없고, 너무 크면 공기가 산부(34)나 골부(36)를 따라 흐를 수 없어 박리나 국소적인 증속이 발생하여 통풍 저항이 증대한다. 따라서, 이루는 각(γ)은, 공기의 2차 흐름을 발생시키기 위해서는 예각의 범위 내에서 10도 내지 60도가 바람직하고, 15도 내지 45도가 더욱 바람직하며, 25도 내지 35도가 더욱 이상적이다. 이 때문에, 실시예에서는, 이루는 각(γ)으로서 30도를 이용하였다. 또한, 공기의 흐름이 작을 때에는, 공기의 흐름의 주류는 산부(34)나 골부(36)가 없는 단순한 평판일 때의 주요한 흐름과 대략 동일하게 유지하면서, 산부(34)나 골부(36)에 의한 2차 흐름을 유효하게 발생시킬 수 있다. 여기서, 실시예에서는, 이루는 각(γ)은 30도로 일정하게 하였으나, 이 이루는 각(γ)은 일정할 필요는 없고, 산부(34)와 골부(36)가 곡선이 되도록 변화시키는 것으로 하여도 상관없다.

실시예에서는, 각 핀(30)을, 산부(34)와 골부(36)에 의한 물결형의 진폭(a)(도 2 참조)과 각 핀(30)의 간격인 핀 피치(p)(도 2 참조)와의 비인 진폭 피치비(a/p)가 다음 수학식 (1)의 부등식의 범위 내가 되도록 각 핀(30)을 형성함과 동시에 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)를 맞붙였다. 여기서, 수학식 (1)에서, 「Re」는 레이놀즈수이고, 벌크 유속(u)과 핀 피치(p)를 이용하면 Re=up/υ[υ는 동점성(動粘性) 계수]에 의하여 나타내진다. 수학식 (1)의 좌측의 부등식은, 진폭 피치비(a/p)가 1.3×Re^-0.5보다 큰 범위에서, 산부(34)와 골부(36)에 의한 물결형이 형성된 실시예의 핀(30)에서의 열 전달률(h)과 산부(34)와 골부(36)에 의한 물결형이 형성되지 않는 평판에 의하여 형성된 핀에서의 열 전달률(hplate)의 비로서 계산되는 향상률(h/hplate)이 2.0 이상이 되는 계산 결과에 의거한다. 도 4에 진폭 피치비(a/p)와 레이놀즈수(Re)와 열 전달률의 향상률(h/hplate)의 관계를 구한 계산 결과를 나타내고, 도 5에 열 전달률이 비교예의 2배 이상이 되는 진폭 피치비(a/p)와 레이놀즈수(Re)의 관계를 구한 계산 결과를 나타낸다. 도 4의 결과로부터 레이놀즈수(Re)에 대하여 최적의 진폭 피치비(a/p)가 존재하는 것을 알 수 있고, 도 5의 결과로부터 수학식 (1)의 좌측의 부등식을 유도할 수 있음을 알 수 있다. 수학식 (1)의 우측의 부등식은, 진폭 피치비(a/p)가 0.2보다 작은 범위에서, 통풍 저항의 증가의 영향을 억제하여 전열 성능이 양호해지는 계산 결과에 의거한다. 도 6에 진폭 피치비(a/p)와 콜번의 j 인자와 통풍에 대한 마찰계수(f)와의 비인 전열 마찰비(j/f)의 비교예의 핀에 있어서의 전열 마찰비(j/fplate)의 비인 향상률{(j/f)/(j/fplate)}과의 관계를 구한 계산 결과를 나타낸다. 여기서, 콜번의 j 인자는 열 전달률의 무차원수이다. 따라서, 전열 마찰비(j/f)는, 전열성능과 통풍 저항의 비가 되기 때문에, 이 비가 클수록 열교환기로서의 성능이 높은 것이 된다. 도 6으로부터 명확한 바와 같이, 진폭 피치비(a/p)가 0.2보다 작은 범위에서 전열 마찰비의 향상률{(j/f)/(j/fplate)}을 0.8 이상으로 할 수 있고, 진폭 피치비(a/p)가 0.2보다 커지면, 통풍 저항의 증가의 영향이 커져 열교환기로서의 성능은 저하함을 알 수 있다. 또한, 물결형의 진폭(a)은 반드시 일정할 필요는 없고, 진폭 피치비(a/p)로 하였을 때에 전체의 평균값이 수학식 (1)의 범위 내에 있으면 된다.

1.3×Re^-0.5＜a/p＜0.2

또, 실시예에서는, 각 핀(30)을, 산부(34)나 골부(36)의 연속되는 선(1점 쇄선, 2점 쇄선)을 공기의 주요한 흐름에 대하여 대칭으로 되접어 꺾는 간격인 되접어 꺾음 간격(W)(도 1 참조)과 산부(34)와 골부(36)로 이루어지는 물결형의 파장(z)(도 2 참조)과의 비인 간격 파장비(W/z)가 다음 수학식 (2)에 나타내는 바와 같이 0.25보다 크고 2.0보다 작은 범위 내가 되도록 형성하였다. 이것은, 간격 파장비(W/z)가 0.25보다 크고 2.0보다 작은 범위에서, 실시예의 핀(30)에서의 열 전달률(h)과 비교예의 핀에서의 열 전달률(hplate)의 비인 향상률(h/hplate)이 양호해지는 계산 결과에 의거한다. 도 7에 간격 파장비(W/z)와 열 전달률의 향상률(h/hplate)의 관계를 구한 계산 결과를 나타낸다. 도면에 나타내는 바와 같이, 간격 파장비(W/z)가 0.25보다 크고 2.0보다 작은 범위에서 열 전달률의 향상률(h/hplate)이 양호한 것을 알 수 있다. 또한, 도 7로부터, 간격 파장비(W/z)는, 0.25보다 크고 2.0보다 작은 것이 바람직하고, 0.5보다 크고 2.0보다 작은 것이 더욱 바람직하며, 0.7보다 크고 1.5보다 작은 것이 더욱 바람직한 것을 알 수 있다. 또한, 물결형의 파장(z)은 반드시 일정할 필요는 없고, 간격 파장비(W/z)로 하였을 때에 전체의 평균값이 수학식 (2)의 범위 내에 있으면 된다.

0.25＜W/z＜2.0

또한, 실시예에서는, 각 핀(30)을, 산부(34)의 정점부나 골부(36)의 바닥부의 곡률 반경(r)(도 2 참조)과 산부(34)와 골부(36)로 이루어지는 물결형의 파장(z)의 비인 곡률 반경 파장비(r/z)가 다음 수학식 (3)에 나타내는 바와 같이 0.25보다 큰 범위 내가 되도록 형성하였다. 이것은, 곡률 반경 파장비(r/z)가 0.25보다 큰 범위에서, 실시예의 핀(30)에서의 열 전달률(h)과 비교예의 핀에서의 열 전달률(hplate)의 비인 향상률(h/hplate)이 양호해지는 계산 결과에 의거한다. 도 8에 곡률 반경 파장비(r/z)와 열 전달률의 향상률(h/hplate)의 관계를 구한 계산 결과를 나타낸다. 산부(34)의 정점부나 골부(36)의 바닥부의 곡률 반경(r)은, 공기가 산부(34)나 골부(36)를 타고 넘을 때의 공기의 흐름의 국소적 증속에 관련을 가지는 것이 되고, 이 국소적 증속을 억제함으로써 통풍 저항의 증대를 억제할 수 있기 때문에, 곡률 반경(r)의 적정한 범위가 존재하는 것이 된다. 곡률 반경 파장비(r/z)는, 이 곡률 반경(r)의 적정한 범위를 파장(z)과의 관계로 구한 것이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 곡률 반경 파장비(r/z)가 0.25보다 큰 범위에서 열 전달률의 향상률(h/hplate)이 양호한 것을 알 수 있다. 또한, 도 8로부터, 곡률 반경 파장비(r/z)는, 0.25보다 큰 것이 바람직하고, 0.35보다 큰 것이 더욱 바람직하며, 0.5보다 큰 것이 더욱 바람직한 것을 알 수 있다. 또한, 곡률 반경(r)은 반드시 일정할 필요는 없고, 곡률 반경 파장비(r/z)로 하였을 때에 전체의 평균값이 수학식 (3)의 범위 내에 있으면 된다.

0.25＜r/z

아울러, 실시예에서는, 각 핀(30)을, 산부(34)와 골부(36)에 의한 물결형의 단면의 경사각(α)(도 2 참조)이 25도 이상이 되도록 형성하였다. 이것은, 경사각(α)이 25도 이상인 범위에서, 실시예의 핀(30)에서의 열 전달률(h)과 비교예의 핀에서의 열 전달률(hplate)의 비인 향상률(h/hplate)이 양호해지는 계산 결과에 의거한다. 이것은, 산부(34)와 골부(36)에 의한 물결형에 따른 공기의 흐름을 강하게 하여 전열에 기여하는 2차 흐름을 유효하게 발생시킬 수 있기 때문이다. 도 9에 경사각(α)과 열 전달률의 향상률(h/hplate)의 관계를 구한 계산 결과를 나타낸다. 도면에 나타내는 바와 같이, 경사각(α)이 25도 이상의 범위에서 열 전달률의 향상률(h/hplate)이 양호한 것을 알 수 있다. 또한, 도 9로부터, 경사각(α)은, 25도 이상으로 하는 것이 바람직하고, 30도 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하며, 40도 이상으로 하는 것이 더욱 바람직한 것을 알 수 있다.

이상 설명한 실시예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)에 의하면, 산부(34)나 골부(36)의 연속되는 선(1점 쇄선, 2점 쇄선)이 공기의 주요한 흐름에 대하여 이루는 각(γ)이 10도 내지 60도의 범위 중의 소정각(예를 들면 30도)이 되도록, 또한，공기의 주요한 흐름에 따른 소정 간격(되접어 꺾음 간격)(W)의 되접어 꺾음선에서 대칭으로 되접어 꺾도록 각 핀(30)을 형성함으로써, 공기의 흐름에 유효한 2차 흐름을 발생시켜 전열효율을 향상시키고, 전체로서의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다. 이 결과, 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)의 소형화를 도모할 수 있다. 또, 핀(30)에 산부(34)와 골부(36)에 의한 물결을 형성하기 때문에, 핀의 부분 컷팅도 없고, 핀과 핀의 간격도 좁아지는 경우가 없기 때문에, 공기의 흐름의 박리나 국소적인 증속을 억제할 수 있다.

또, 실시예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)에 의하면, 산부(34)와 골부(36)에 의한 물결형의 진폭(a)과 각 핀(30)의 간격인 핀 피치(p)의 비인 진폭 피치비(a/p)가 상기의 수학식 (1)의 부등식의 범위 내가 되도록 각 핀(30)을 형성함과 동시에 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)를 맞붙이는 것으로 하였기 때문에, 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)의 열 전달률을 양호한 것으로 할 수 있다. 이 결과, 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)를 더욱 소형화할 수 있다.

또한, 실시예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)에 의하면, 산부(34)나 골부(36)의 연속되는 선을 공기의 주요한 흐름에 대하여 대칭으로 되접어 꺾는 되접어 꺾음 간격(W)과 산부(34)와 골부(36)로 이루어지는 물결형의 파장(z)의 비인 간격 파장비(W/z)가 상기의 수학식 (2)에 나타내는 바와 같이 0.25보다 크고 2.0보다 작은 범위 내가 되도록 각 핀(30)을 형성하였기 때문에, 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)의 열 전달률을 양호한 것으로 할 수 있다. 이 결과, 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)를 더욱 소형화할 수 있다.

더불어, 실시예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)에 의하면, 산부(34)의 정점부나 골부(36)의 바닥부의 곡률 반경(r)과 산부(34)와 골부(36)로 이루어지는 물결형의 파장(z)과의 비인 곡률 반경 파장비(r/z)가 상기의 수학식 (3)에 나타내는 바와 같이 0.25보다 큰 범위 내가 되도록 핀(30)을 형성하였기 때문에, 공기가 산부(34)나 골부(36)를 타고 넘을 때의 공기의 흐름의 국소적 증속을 억제하여, 통풍 저항의 증대를 억제할 수 있다. 이 결과, 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)를 더욱 고성능인 것으로 할 수 있다.

또, 실시예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)에 의하면, 산부(34)와 골부(36)에 의한 물결형의 단면의 경사각(α)이 25도 이상이 되도록 핀(30)을 형성하였기 때문에, 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)의 열 전달률을 양호한 것으로 할 수 있다. 이 결과, 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)를 더욱 소형화할 수 있다.

실시예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)에서는, 산부(34)나 골부(36)의 연속되는 선을 공기의 주요한 흐름에 대하여 대칭으로 되접어 꺾는 되접어 꺾음 간격(W)과 산부(34)와 골부(36)로 이루어지는 물결형의 파장(z)과의 비인 간격 파장비(W/z)가 상기의 수학식 (2)에 나타내는 바와 같이 0.25보다 크고 2.0보다 작은 범위 내가 되도록 각 핀(30)을 형성하는 것으로 하였으나, 간격 파장비(W/z)가 0.25보다 크고 2.0보다 작은 범위 내로는 되지 않도록 각 핀(30)을 형성하는 것으로 하여도 상관없다.

실시예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)에서는, 산부(34)의 정점부나 골부(36)의 바닥부의 곡률 반경(r)과 산부(34)와 골부(36)로 이루어지는 물결형의 파장(z)과의 비인 곡률 반경 파장비(r/z)가 0.25보다 큰 범위 내가 되도록 핀(30)을 형성하는 것으로 하였으나, 곡률 반경 파장비(r/z)가 0.25보다 작은 범위 내가 되도록 핀(30)을 형성하는 것으로 하여도 상관없다.

실시예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)에서는, 산부(34)와 골부(36)에 의한 물결형의 단면의 경사각(α)이 25도 이상이 되도록 핀(30)을 형성하는 것으로 하였으나, 경사각(α)이 25도 미만이 되도록 핀(30)을 형성하는 것으로 하여도 상관없다.

실시예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)에서는, 단일의 판형상 부재에서 산부(34)나 골부(36)의 연속되는 선이 공기의 주요한 흐름에 대하여 30도가 되도록, 또한, 공기의 주요한 흐름에 따른 소정 간격(되접어 꺾음 간격)(W)의 되접어 꺾음선에서 대칭으로 되접어 꺾도록 각 핀(30)을 형성하는 것으로 하였으나，도 10 및 도 11의 변형예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20B)에 나타내는 바와 같이, 공기의 흐름에 대하여 직행하는 복수의 단면으로 분단된 복수의 핀부재(30a～30f)에 의하여 각 핀(30B)을 구성하는 것으로 하여도 된다. 여기서, 도 11은, 도 10의 변형예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20B)의 B-B 단면을 나타내는 단면도이다. 이와 같이 공기의 흐름 방향으로 핀을 분단하여 이루어지는 복수의 핀부재(30a～30f)에 의하여 각 핀(30B)을 구성함으로써, 온도 경계층의 발달을 억제할 수 있다. 또, 산부(34)와 골부(36)로 이루어지는 물결형 요철의 효과에 의하여 더욱 유효한 2차 흐름이 발생하기 때문에, 높은 전열 성능을 얻을 수 있다.

실시예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)에서는, 복수의 전열관(22a～22c)의 내부를 유통하는 열교환 매체와 공기에 의하여 열교환하는 것으로 하였으나, 복수의 전열관(22a～22c)의 내부를 유통하는 열교환 매체와 공기 이외의 유체(예를 들면, 액체나 기체)와 열교환하는 것으로 하여도 된다.

실시예에서는, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태의 일 실시예로서 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)로서 설명하였으나, 크로스 핀 튜브 열교환기의 형태로 하는 등, 콜게이트 핀 튜브 열교환기의 형태로 하지 않는 것으로 하여도 된다. 예를 들면, 실시예의 콜게이트 핀 튜브 열교환기(20)로부터 모든 핀(30)을 제거하고, 복수의 전열관의 인접하는 전열관과 대향하는 전열면에, 실시예의 핀(30)과 같이, 산부나 골부의 연속되는 선이 공기의 주요한 흐름에 대하여 10도 내지 60도의 범위 내의 각도가 되도록, 또한, 공기의 주요한 흐름에 따른 소정 간격의 되접어 꺾음선에서 대칭으로 되접어 꺾도록 산부와 골부로 이루어지는 물결형의 요철을 형성하는 것으로 하여도 된다. 이와 같이, 적어도 2개의 대향하는 전열부재의 사이에 유체를 유통시킴으로써 열교환을 행하는 열교환기에서의 전열부재의 유체의 통로를 형성하는 면을 전열면으로 하여 유체의 주요한 흐름과의 이루는 각이 10도 내지 60도의 범위 내의 각도로 주요한 흐름에 따른 소정 간격의 되접어 꺾음선에서 대칭으로 되접어 꺾는 물결형상의 요철을 형성하고, 이 형성한 물결형상의 요철의 진폭과 인접하는 전열부재의 전열면의 간격의 비가 상기의 수학식 (1)의 부등식을 만족하도록 하면, 어떠한 전열부재의 전열면에 적용하는 것으로 하여도 상관없다.

이상, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 대하여 실시예를 사용하여 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 하등 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서, 여러가지 형태로 실시할 수 있는 것은 물론이다.

본 발명은, 열교환기의 제조산업 등에 이용 가능하다.

Claims

적어도 2개의 대향하는 전열부재의 사이에 유체를 유통시킴으로써 열교환을 행하는 열교환기에 있어서,

상기 대향하는 전열부재는, 상기 유체를 유통시키는 전열면에 상기 유체의 주요한 흐름과의 이루는 각이 10도 내지 60도의 범위 내의 각도로 당해 주요한 흐름에 따른 소정 간격의 되접어 꺾음선에서 대칭으로 되접어 꺾는 물결형상의 요철을 가지고, 상기 물결형상의 요철의 진폭을 a, 당해 대향하는 전열부재의 전열면의 간격인 피치를 p, 벌크 유속과 피치에 의하여 정의되는 레이놀즈수를 Re라 할 때에 수학식 (1)의 부등식을 만족하도록 상기 물결형상의 요철이 형성되어 배치되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.

[수학식 1]

1.3×Re^-0.5＜a/p＜0.2
제 1항에 있어서,

상기 대향하는 전열부재는, 상기 되접어 꺾음선의 상기 소정 간격을 W, 상기 물결형상의 요철의 파장을 z라 할 때에 수학식 (2)의 부등식을 만족하도록 상기 물결형상의 요철이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.

[수학식 2]

0.25＜W/z＜2.0
제 1항에 있어서,

상기 대향하는 전열부재는, 상기 물결형상의 요철의 정점부 및 바닥부 중 하나 이상의 곡률 반경을 r, 상기 물결형상의 요철의 파장을 z라 할 때에 수학식 (3)의 부등식을 만족하도록 상기 물결형상의 요철이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.

[수학식 3]

0.25＜r/z
제 1항에 있어서,

상기 대향하는 전열부재는, 상기 물결형상의 요철의 단면에서의 경사면의 경사각이 25도 이상이 되도록 상기 물결형상의 요철이 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1항에 있어서,

상기 대향하는 전열부재는, 상기 유체의 흐름에 대하여 직교하는 복수의 면에서 분단된 복수의 핀부재에 의하여 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1항에 있어서,

열교환 매체의 유로로서 평행하게 배치된 복수의 전열관을 구비하고,

상기 대향하는 전열부재는, 상기 복수의 전열관과 열교환 가능하게 직교하도록 평행하게 소정 거리의 간격으로 겹치도록 설치되어 이루어지는 복수의 핀부재로서 형성되어 이루어지는 열교환기.