KR101208922B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 튜브와 탱크의 형상 및 크기를 개선함으로써 방열 성능을 향상시킨 열교환기에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은 열교환기를 구성하는 각 단품들 간의 치수 사이의 관계를 도출하여 설계에 적용함으로써 튜브와 탱크의 형상 및 크기를 개선하여 열교환성능을 최적화하는 열교환기를 제공함에 있다.

본 발명의 열교환기는, 내부에 열교환매체가 유동하며, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와; 열교환매체가 유입되고 유입된 열교환매체를 상기 복수 개의 튜브(20)에 분배하는 입구탱크(11)와; 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과; 상기 튜브(20) 내를 이동하는 열교환매체가 모이며, 모여진 열교환매체를 배출하는 출구탱크(12)를 구비한 열교환기(100)에 있어서, 상기 열교환기는 히터코어이며, 상기 열교환매체는 냉각수이고, 상기 튜브(20)의 단면적(S _tube)과 상기 입구탱크(11) 또는 출구탱크(12)의 단면적(S _tank)의 치수는 하기와 같은 관계식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

1열, 1-way, 열교환기, 치수, 형상, 열교환, 방열, 성능, 효율

Description

열교환기 {A Heat Exchanger}

도 1은 차량의 일반적인 냉난방시스템의 개념도.

도 2는 열교환기의 사시도.

도 3은 열교환기의 탱크 유로단면적.

도 4는 열교환기의 튜브 유로단면적.

도 5는 열교환기의 탱크 길이 및 유효면적.

도 6은 각 인자에 대한 유효면적당 열교환성능 그래프.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100: 열교환기 10: 탱크

11: 입구탱크 12: 출구탱크

20: 튜브 30: 핀

본 발명은 열교환기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 튜브와 탱크의 형상 및 크기를 개선함으로써 방열 성능을 향상시킨 열교환기에 관한 것이다.

도 1은 차량의 일반적인 냉각시스템을 도시한 개념도이다. 차량용 엔진(1)은 항상 고온, 고압의 가스를 점화, 연소시키므로 그대로 방치할 경우 과열되어 상기 엔진(1)을 구성하는 금속재가 녹게 되어 실린더와 피스톤 등에 심각한 손상을 미칠 수가 있다. 이를 방지하기 위하여 상기 도 1에서와 같이 차량용 엔진(1)의 실린더 주위에 냉각수가 저장된 물재킷(미도시)을 설치하고 물펌프(5)를 이용하여 상기 냉각수를 라디에이터(2) 또는 히터코어(3)로 경유시켜 순환 냉각시키며, 냉난방의 용도에 따라 바이패스회로(6)를 통하여 히터코어(3)를 경유시키지 않고 바로 복귀시킬 수도 있다. 이 때 서모스탯(4)은 냉각수가 흐르는 통로에 설치되어 엔진(1)을 경유한 상기 냉각수의 온도에 따라 개폐의 정도를 조절하여 엔진(1)의 과열을 막는 조절기구 역할을 한다.

이 때, 상기 라디에이터(2)는 엔진으로 순환하면서 엔진의 열을 전달받는 냉각수가 유동할 때 공기에 의해 냉각수의 열이 방열되도록 하는 열교환장치의 일종으로서, 차량의 엔진룸에 장착되며 중앙부에 상기 라디에이터 코어에 바람을 불어주기 위한 냉각팬이 장착된다. 또한, 히터코어(3)는 자동차의 공기조화장치의 일부분으로 엔진(1)을 순환하며 연소시 발생된 열을 흡수한 고온의 냉각수를 이용하여 자동차의 실내에 따뜻한 공기를 공급될 수 있도록 하는 열교환장치의 일종으로서, 엔진(1)의 열에 의해 가열된 고온의 냉각수를 히터코어(3)의 튜브 및 핀을 통과시켜 외부에서 공급된 공기와 열교환을 하고 이로 인해 따뜻해진 공기를 자동차의 실 내로 공급하는 역할을 하는 장치이다.

차량의 실내를 보다 잘 난방하기 위해서는 상기 히터코어의 열교환성능이 증대되어야 함은 당연하다. 따라서 열교환이 보다 잘 일어나기 위해서는 열교환이 일어나는 면적이 넓어야 한다는 기본적인 원리를 이용하여, 열교환기를 구성하는 튜브, 핀 및 탱크의 치수 및 형상을 변화시킴으로써 열교환성능을 증대하려는 노력이 많이 이루어지고 있다. 이에 더불어, 열교환기 내부에 수용되어 있는 열교환매체와 열교환기 외부를 통과하는 주변 매체 사이에서 서로 간에 열을 신속하게 전달할 수 있도록 열전도도가 높은 소재를 열교환기의 소재로 사용함으로써 열교환성능을 증대시킬 수도 있다. 이러한 각 단품들의 각 치수, 형상 및 소재를 변화시키는 것은 기본적으로 열교환성능에 직접적인 연관이 있는 열교환계수의 크기를 증가시키는 데 목적이 있다. 그런데, 각 단품들의 표면적이 넓어질수록 열교환이 보다 잘 일어나기는 하겠으나 상기 열교환기들이 장착되는 공간에는 한계가 있기 때문에 전체적인 부피에 제한이 있게 되는, 즉 제한된 부피 안에서 최대한 표면적을 넓혀야만 한다는 과제를 해결하여야 한다. 또한, 상술한 바와 같이 열교환면적을 넓힐 경우 특히 열교환매체가 직접 수용되는 튜브와 같은 경우 유로단면적이 줄어들게 된다. 이와 같이 유로단면적이 줄어들면 유속 및 압력강하량이 증가하게 되어 열교환계수가 증가하게 되지만, 유로단면적의 감소폭이 너무 커지게 되면 압력강하량이 지나치게 증가하여 오히려 열교환계수가 감소되는 경향이 나타난다. 따라서 단품의 표면적을 넓히기 위해 단순히 열교환매체 유로단면적을 줄이기만 해서는 열교환성능을 최적화하기 어렵다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 헤더탱크와 열교환튜브의 유체변통 관련 치수의 변화 및 유체의 분배흐름 변화에 따른 열교환성능과의 관계를 도출하여 적용함으로써 튜브와 탱크의 형상 및 크기를 개선하여 열교환성능을 최적화하는 열교환기를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기는, 내부에 열교환매체가 유동하며, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와; 열교환매체가 유입되고 유입된 열교환매체를 상기 복수 개의 튜브(20)에 분배하는 입구탱크(11)와; 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과; 상기 튜브(20) 내를 이동하는 열교환매체가 모이며, 모여진 열교환매체를 배출하는 출구탱크(12)를 구비한 열교환기(100)에 있어서, 상기 열교환기는 히터코어이며, 상기 열교환매체는 냉각수이고, 상기 튜브(20)의 단면적(S _tube)과 상기 입구탱크(11) 또는 출구탱크(12)의 단면적(S _tank)의 치수는 하기와 같은 관계식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 입구탱크(11) 또는 출구탱크(12)의 체적(V _tank)과 상기 튜브(20)의 열수와 상기 튜브(20) 단면적의 곱으로 산출되는 상기 튜브(20)의 총단면적(A _tube)의 치수는 하기와 같은 관계식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 열교환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 열교환기의 사시도이다. 내부에 열교환매체가 유동하며, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와 상기 튜브(20)의 양측 단부에 결합되는 탱크(10)를 구비한다. 이 때, 상기 탱크(10)는 열교환매체가 유입되고 유입된 열교환매체를 상기 복수 개의 튜브(20)에 분배하는 입구탱크(11)와 상기 튜브(20) 내를 이동하는 열교환매체가 모이며 모여진 열교환매체를 배출하는 출구탱크(12)로 구분된다. 또한, 상기 튜브(20) 사이에는 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)이 구비된다. 상기 탱크(10)들 중 입구탱크(11)의 유입구를 통해 열교환매체가 유입되면, 상기 열교환매체는 튜브(20)를 통해 출구탱크(12)로 흘러가서 모였다가 상기 출구탱크(12)의 배출구를 통 해 배출되게 된다. 열교환매체가 상기 튜브(20)를 따라 흐르는 과정에서, 상기 튜브(20) 및 상기 튜브(20)들 사이에 개재되어 있는 핀(30)을 통해 상기 튜브(20) 내에 수용된 열교환매체와 외부 공기가 열교환을 일으키게 된다. 즉 실질적으로 열교환이 일어나는 부분은 튜브(20) 및 핀(30), 특히 튜브(20)가 공기와 만나는 영역이며, 따라서 튜브(20)의 형상 및 치수는 열교환기(100) 전체의 열교환성능에 크게 영향을 미친다.

종래기술에서 설명한 바와 같이 탱크(10)와 튜브(20) 각각의 단품에 대하여 열교환성능을 최대화할 수 있는 최적 형상 및 치수를 구한다 해도 상기 각 단품들이 결합되어 형성되는 열교환기(100) 자체의 열교환성능이 최적이 되지는 않는다. 상술한 바와 같이 열교환매체는 먼저 탱크(10)로 유입된 후 튜브(20)를 따라 흐르게 되므로, 상기 탱크(10)와 튜브(20) 각각의 형상 및 치수는 서로 특정한 관계를 형성하게 된다.

열교환기에서 일어나는 열교환현상을 간략히 정리하면 다음과 같다. 튜브(20) 내부의 열교환매체와 튜브(20) 내부면 간에 대류에 의한 열교환이 발생되고, 상기 열이 전도에 의해 튜브(20)의 내부면에서 외부면 및 핀(30)으로 전달되며, 상기 튜브(20) 외부면 및 핀(30) 면과 접촉하는 외부 공기로 대류에 의한 열교환이 일어나 최종적으로는 열교환매체와 외부 공기 간의 열교환이 이루어지게 되는 것이다. 상술한 과정으로 알 수 있듯이 열교환기에서의 열교환은 대부분 대류 열교환에 의해 결정되는데, 대류 열교환에서 열교환량은 접촉면적 및 유속에 의해 결정된다. 접촉면적의 측면에서 볼 때, 열교환기에서는 실질적으로 열교환이 일어나는 튜브(20) 및 핀(30)이 외부 공기와 접촉하는 면적을 넓힐수록 좋으며, 또한 유속 측면에서 볼 때 상기 튜브(20)로 흘러들어가는 열교환매체의 유속이 클수록 좋다.

도 3 및 도 4는 열교환성능에 영향을 끼치는 각 인자들을 도시한 것으로, S _tank는 도 3에 도시된 바와 같은 영역의 면적, 즉 탱크(10)의 유로단면적이며, S _tube는 도 4에 도시된 바와 같은 영역의 면적, 즉 튜브(20)의 유로단면적이다. 도 3 및 도 4를 보아 알 수 있듯이 튜브(20)의 유로단면적 S _tube는 일반적으로 탱크(10)의 유로단면적 S _tank보다 훨씬 작은데, 이러한 유로단면적의 감소로 인하여 탱크(10)에서 튜브(20)로 이동하면서 열교환매체의 유속이 증가하게 된다. 유체의 유동에서 유속은 압력과 직접적인 관계가 있기 때문에 유속이 증가함에 따라 압력강하량 역시 증가하게 된다. 즉 탱크(10)와 튜브(20)의 유로단면적 차이가 커질수록 유속의 증가로 인하여 열교환성능이 증가할 것이라는 것을 알 수 있다. 그런데, 실제로 유로단면적의 감소폭이 지나치게 커질 경우에는 유동 자체가 원활하게 일어나지 않으며 압력강하량이 지나치게 증가함에 따라 오히려 열교환성능이 떨어지게 된다.

이론적 및 실험적으로 열교환기(100)에 있어서 유효면적당 열교환성능에 직접적인 영향을 미쳐 특정 상관관계를 나타내는 탱크(10) 및 튜브(20)의 인자는 하기의 수학식 1과 같이 나타난다.

상기 수학식 1에서 S _tank는 도 3에 도시된 탱크(10)의 유로단면적이고, S _tube는 도 4에 도시된 튜브(20)의 유로단면적이며, V _tank는 탱크(10)의 체적을 나타내고, A _tube는 튜브(20)들의 총 유로단면적, 즉 튜브(20)의 총단면적(overall area)을 나타낸다. 또한, 탱크(10)의 체적 V _tank는 도 5에 도시된 탱크(10)의 길이 l _tank를 상기 탱크(10)의 유로단면적(S _tank)에 곱한 값으로 구할 수 있으며, 튜브(20) 총단면적 A _tube는 각 튜브(20)의 유로단면적에 튜브(20)의 열수 N을 곱한 값으로 구할 수 있다. 하기의 수학식 2는 상기 인자들 간의 관계를 나타내고 있다.

또한, 상술한 바와 같이 실제 열교환은 외부 공기가 튜브(20)들 사이를 통과하는 과정에서 튜브(20) 내의 열교환매체와 상기 외부 공기 간에 발생하게 되기 때문에, 사실상 열교환이 일어나는 부분은 외부 공기 유동 방향과 수직인 튜브(20) 및 핀(30)의 면적이 된다. 이 면적이 바로 도 5에 도시된 바와 같은 유효면적 S _eff이며, 열교환기의 크기에 관계없이 열교환성능을 표현될 수 있도록 하기 위해 열교 환성능의 평가는 상기 유효면적 S _eff에 대하여 구한다. 실제로 발생된 열교환양을 Q라고 할 때, 유효면적당 열교환양 Q _Ae는 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

본 발명에서는 유효면적당 열교환성능을 최대화할 수 있는 탱크(10)와 튜브(20) 사이의 치수 관계를 제안하고자 하는 것을 목적으로 하고 있기 때문에, 실제 차량에서의 요구조건인 유효면적당 열교환양 Q ₀를 기준으로 유효면적당 열교환성능을 평가한다. 유효면적당 열교환성능 η는 하기의 수학식 4와 같이 나타난다.

도 6은 각 인자들에 대한 열교환성능을 도시한 그래프로, 도 6(A)는 S _tube/S _tank에 대한 η의 변화를, 도 6(B)는 V _tank/A _tube에 대한 η의 변화를 각각 도시하고 있으며, 상기 그래프에서 면적의 단위는 cm², 체적의 단위는 cm³, 열량의 단위는 kcal/hr이다. 도시된 바와 같이 S _tube/S _tank에 대해서는 유효면적당 열교환성능 η가 점점 증가하다가 어느 기점을 지나면 다시 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타난다. 이것은 유로단면적 차이가 커짐에 따라 열교환계수가 증가하다가, 유로단면 적 차이가 어느 기점을 지나면 압력강하량 증가에 의한 열교환계수의 감소 영향이 더 커지게 되는 현상을 반영하고 있다. 도 6(A)의 그래프에서 볼 때 S _tube/S _tank 값이 0.04 내지 0.06이 되도록 하면 유효면적당 열교환성능 η가 최적화된다. 따라서 이로부터 유효면적당 열교환성능을 최적화하기 위한 단일 개의 튜브 및 탱크 간의 치수 사이의 관계를 도출할 수 있게 된다.

또한, 도 6(B)에 도시된 바와 같이 V _tank/A _tube에 대해서도 역시 유효면적당 열교환성능 η가 점점 증가하다가 어느 기점을 지나면 다시 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타나고 있다. 즉 도 6(B)의 그래프에서 볼 때 V _tank/A _tube 값이 150 내지 230이 되도록 하면 유효면적당 열교환성능 η가 최적화된다. 상기 도 6(A)에 도시된 그래프가 단일 개의 튜브와 탱크 간의 치수 사이의 관계를 나타내고 있다면, 도 6(B)의 그래프는 이를 열교환기 전체로 확장한 것으로, 이로부터 유효면적당 열교환성능을 최적화하기 위한 열교환기 전체의 치수 관계를 도출할 수 있게 된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 헤더탱크와 열교환튜브의 유체변통 관련 치수의 변화 및 유체의 분배흐름 변화에 따른 열교환성능의 관계로부터 최적의 치수를 이끌어냄으로써 단품들 각각의 열교환성능 뿐 아니라 열교환기 전체의 열교환성능을 최대로 증대시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면 최적의 열교환성능을 갖는 열교환기를 설계하기가 매우 용이하여 이에 따르는 노력, 비용, 시간 등이 크게 절약되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 내부에 열교환매체가 유동하며, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와; 열교환매체가 유입되고 유입된 열교환매체를 상기 복수 개의 튜브(20)에 분배하는 입구탱크(11)와; 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과; 상기 튜브(20) 내를 이동하는 열교환매체가 모이며, 모여진 열교환매체를 배출하는 출구탱크(12)를 구비한 열교환기(100)에 있어서,

   상기 열교환기는 히터코어이며, 상기 열교환매체는 냉각수이고,

   상기 튜브(20)의 단면적(S _tube)과 상기 입구탱크(11) 또는 출구탱크(12)의 단면적(S _tank)의 치수는 하기와 같은 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 열교환기.

   
2. 제 1항에 있어서,

   상기 입구탱크(11) 또는 출구탱크(12)의 체적(V _tank)과 상기 튜브(20)의 열수와 상기 튜브(20) 단면적의 곱으로 산출되는 상기 튜브(20)의 총단면적(A _tube)의 치수는 하기와 같은 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 열교환기.

   

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