KR101294109B1 - 나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 핀 파이프의 내부에 나선형 유도편이 삽입되어 열 교환 효율을 최대한 높여줄 수 있도록 한 발명에 관한 것이다.
일반적으로 열교환기 중에서 핀 파이프형 열교환기와 방열핀을 이용한 열교환장치는 핀 파이프형 열교환기 내부를 지나는 유체(流體, fluid)의 열을 외부의 방열핀을 통해 공기 중에 발산하여 열 교환이 이루어지도록 하는 것으로서 냉동기나 에어컨과 같은 공기조화기의 응축기나 증발기, 자동차의 라디에이터, 전자부품 냉각용 히트싱크(heat sink)등에 널리 사용되는 장치이다.
전술한 본 발명의 특징은, 핀 파이프(10)의 외부에 나선형 방열핀(11)이 일체로 형성된 열교환기(1)에 있어서, 상기 핀 파이프(10)의 내부에는 나선형 유도편(20)이 삽입되고, 유도편(20)은 평판을 트위스트 하여 나선형으로 형성한 것을 특징으로 하는 나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프형 열교환기에 의하여 달성될 수 있는 것이다.

Description

나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프형 열교환기{finned pipe heat exchanger inserted with twist ribbon}

본 발명은 나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 핀 파이프형 열교환기의 내부에 나선형 유도편이 삽입되어 열교환면적과 열 교환 시간을 증가시켜 효율을 최대한 높여줄 수 있도록 한 발명에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기 중에서 핀 파이프형 열교환기와 방열핀을 이용한 열교환장치는 핀 파이프형 열교환기 내부를 지나는 유체(流體, fluid)의 열을 외부의 방열핀을 통해 공기 중에 발산하여 열 교환이 이루어지도록 하는 것으로서 냉동기나 에어컨과 같은 공기조화기의 응축기나 증발기, 자동차의 라디에이터, 전자부품 냉각용 히트싱크(heat sink)등에 널리 사용되는 장치이다.

이중에서도 핀 파이프형 열교환기를 전조가공하고 인발(引拔)하여 방열핀이 일체로 형성되도록 한 열교환기는 열 전달효율이 높아 공조기기나 라디에이터에 주로 사용된다.

그러나, 방열핀이 일체로 형성된 열교환기는 핀 파이프형 열교환기의 내부로 유체가 지날 때 액체 또는 기체인 유체가 핀 파이프형 열교환기 내부 표면에 100% 이상 고르게 접촉 하지 않고 빠르게 통과되어 외부 방열핀과 열전달이 저하되는 것이 기존 열교환기에 가장 커다란 문제점으로 볼 수 있다.

즉, 유체 덩어리인 유관(Tube of flow)의 표면에 잔류하는 열은 핀 파이프형 열교환기로 잘 전달되지만 유관(Tube of flow)의 내부 중심에 있는 열은 전달이 잘 이루어지지 않아 열 전달효율을 높여줄 수 없었다. 앞으로 유체 덩어리인 유관을 유체라 칭한다.

또한, 유체는 핀 파이프형 열교환기 내부를 지날 때 장애물의 방해 없이 일정속도로 이동되는 것이므로 유체의 열전달이 표면과 완전히 이루어지지 않은 상태로 이동되어 충분한 열 교환이 이루어지지 않았을 뿐 아니라 유체가 이동할 때 일부는 유동(流動)의 발생이 거의 없이 핀 파이프형 열교환기 내부를 그대로 통과하므로 유체의 내부에 흐르는 열의 전달이 효과적으로 이루어질 수 없었다.

본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 창안한 것으로서, 그 목적은 핀 파이프형 열교환기의 내부에 나선형 유도편을 삽입하여 유체가 회전과 와류를 동시에 하도록 유도하여 열교환기의 내부 표면과 접촉면적 및 접촉시간을 최대로 증가시키는 유체의 유동(流動)을 강제로 발생시키고, 유체의 흐름을 조절하여 효율적인 열교환이 이루어질 수 있는 나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프형 열교환기를 제공함에 있는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 핀 파이프(10)의 외부에 나선형 방열핀(11)이 일체로 형성된 열교환기(1)에 있어서, 상기 핀 파이프(10)의 내부에는 유도편(20)이 삽입되고, 상기 유도편(20)은 평판을 트위스트 하여 나선형으로 형성되며, 상기 유도편(20)의 나선형으로 꼬여진 익편(21)의 외측 가장자리에는 홈(21a)이 형성되고, 상기 홈(21a)은 한 개, 두 개 또는 세 개의 익편(21)들을 건너서 형성되며, 상기 나선형 유도편(20)의 선단은 트위스트가 이루어지지 않은 평면 수직편(22)으로 구성되어 핀 파이프(10)로 유입된 유체가 양측으로 분할되어 진입된 후 나선형 와류 및 회전을 형성하여 이동되며, 상기 유도편(20)은 접촉부에 금속파우더가 입혀진 상태로 핀 파이프(10)의 내부에 삽입되고, 핀 파이프(10)에 열을 가하여 금속파우더를 용융(熔融)시켜 접합되도록 한 것을 특징으로 하는 나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프형 열교환기에 의하여 달성될 수 있는 것이다.

이상에서 상술한 바와 같은 본 발명은, 상기 나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프(10)로 유입된 유체(流體)가 나선형 와류(渦流) 및 회전을 일으키면서 이동되어 열매체(熱媒體)에는 상당한 유동(流動)과 내부 표면 접촉이 증가되고 접촉시간이 연장되므로 유체의 내·외부에 잔류하는 열이 고속적으로 고르게 섞이면서 나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프(10)에 전달되어 방열핀(11)을 통해 발산되는 열의 전달이 효율적으로 이루어지는 고효율의 열교환기를 구현할 수 있다. 동시에 와류(渦流)와 내부 표면 방향으로 회전을 일으키면서 이동되는 유체는 직선이동에 비하여 나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프(10) 내부에서 상당히 지연되면서 이동되는 것이므로 외부의 핀과 충분한 열 교환이 이루어진 상태로 이동되어 열 교환효율이 높고 대외 경쟁력이 우수한 고효율·고기능성의 나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프형 열교환기를 제공할 수 있는 등의 이점이 있는 것이다. 여기서 유체의 점성도와 온도강하에 따라 유도편의 회전수를 조절하여 이동속도는 조정이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시예를 예시한 일부단면 사시도,
도 2는 본 발명의 일실시예를 예시한 단면도,
도 3은 본 발명의 일실시예를 예시한 정면도,
도 4는 본 발명에 의한 유도편을 예시한 사시도,
도 5는 본 발명에 의한 유도편의 다른 실시예를 예시한 정면도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예를 예시한 일부단면 사시도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 예시한 사시도,
도 8은 본 발명에 의한 유도편의 또 다른 실시예를 예시한 사시도,
도 9는 본 발명에 의한 열교환기가 라디에이터에 적용된 상태를 예시한 정면 도,
도 10은 본 발명에 의한 열교환기가 인터쿨러에 적용된 상태를 예시한 정면 도,
도 11은 본 발명과 일반 핀 파이프의 공기를 냉각시키는 경우 비교도,
도 12는 본 발명과 일반 핀 파이프의 물을 냉각시키는 경우 비교도.

이하, 상기한 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지는 도 4에서 도시한 바와 같이, 유체(流體)가 이동되는 핀 파이프(10)의 외부에는 나선형 방열핀(11)이 형성되고, 방열핀(11)은 전조가공에 의한 작업방법에 의하여 핀 파이프(10)의 표면을 인발(引拔)하여 방열핀(11)이 일체로 형성된다.

물론, 전술한 구성으로 이루어진 핀 파이프형 열교환기(1)는 이미 알려진 공지의 기술사상이다.

그러나, 본 발명에 있어서, 가장 중요한 특징은 상기 핀 파이프(10)의 내부에 삽입되는 나선형 유도편(20)의 구성에 있다.

즉, 상기 핀 파이프(10)의 내부에는 나선형 유도편(20)이 삽입되어 있고, 유도편(20)은 평판(Al, Cu, Plastic,..)을 트위스트 하여 나선형으로 성형한 것이다.

상기 유도편(20)은 금속일 경우 접촉부에 금속파우더가 입혀진 상태로 핀 파이프(10)의 내부에 삽입되고, 핀 파이프(10)에 열을 가하여 금속파우더를 용융(熔融)시켜 접합하는 용접방법(알루미늄 브레이징)을 사용하였다. 이 때 유도편(20)은 유체를 회전 및 와류를 시키는 역할을 하여 유체의 속도 제한을 하는 중요한 역할을 하면서 또한 유도편(20) 역시 외부 핀 파이프(10)와 용접되어 있으므로 외부 방열핀(11)을 통해 유체의 열을 외부로 방출하기 때문에 극대화한 열교환 구조이다.

상기 나선형 유도편(20)의 선단은 트위스트가 이루어지지 않은 평면 수직편(22)으로 구성되어 핀 파이프(10)로 유입된 유체가 양측으로 분할된 상태로 안정적인 진입을 이루고 이후 나선형 와류(渦流)와 회전하여 핀 파이프(10) 내부표면을 최대로 접촉하면서 또한 유도편(20) 면에서도 열교환을 일으키면서 이동하여 열교환을 극대화한다.

전술한 구성으로 이루어진 본 발명은, 상기 핀 파이프(10)로 유입된 유체(流體)가 나선형 와류(渦流) 및 회전을 일으키면서 이동되어 열매체(熱媒體)에는 상당한 유동(流動)이 발생되므로 유체의 내·외부에 잔류하는 열이 고르게 섞이면서 핀 파이프(10)에 전달되어 방열핀(11)을 통해 발산되는 것이므로 열의 전달이 효과적으로 이루어져 열 교환효율을 높여줄 수 있는 동시에 와류(渦流) 및 회전을 일으키면서 이동되는 유체는 직선이동에 비하여 나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프(10) 내부에서 상당히 지연되면서 이동되는 것이므로 충분한 외부와 열 교환이 이루어진 상태로 이동되어 열 교환효율이 높은 고품질·고기능성의 나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프형 열교환기를 제공할 수 있는 것으로서 열교환기의 대외 경쟁력을 최대한 높여줄 수 있는 것이다.

한편, 경우에 따라서는 도 5와 도 6에서 도시한 바와 같이, 상기 유도편(20)에서 나선형으로 꼬여진 익편(21)의 외측 가장자리에는 "V"형 또는 "U"형의 홈(21a)을 형성하여 사용할 수 있다. 상기 홈(21a)들은 한 개, 두 개 또는 세 개의 익편(21)들을 건너서 형성되도록 하여 유체의 흐름과 와류현상 촉진을 조절할 수 있도록 구성하였다.

상기 익편(21)에 형성된 "V"형 홈(21a)은 와류와 회전을 일으키는 유체를 보다 분산시켜 유동(流動)의 발생을 촉진시키므로 유체의 열이 고르게 잘 전달되어 외부로 신속하게 교환되도록 하는 한편, 유체의 종류와 점성에 따라 홈(21a)의 수와 깊이를 다르게 하면 유체의 흐르는 속도를 적절하게 조절할 수 있도록 하는 역할을 한다.

본 발명의 핀 파이프와 일반 핀 파이프의 냉각정도를 표 1과 같이 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 비교하였다.

파이프의 길이는 200㎜, 익편(21)의 간격은 A-Type은 10㎜, B-Type은 20㎜이며, 방열핀(11)의 간격은 3㎜, 소재는 알루미늄으로 하여 비교하였다.

조 건		Inlet Temp(℃)	Outlet Temp(℃)	△T(℃)
공 기	일반파이프	180	132.0	48.0
	A-Type 유도편	180	87.8	92.2
	A-Type 유도편	180	65.6	114.4
물	일반파이프	80	78.8	1.2
	A-Type 유도편	80	77.3	2.7
	A-Type 유도편	80	75.0	5.0

이와 같이 본 발명에 의한 핀 파이프가 효율이 좋은 것으로 나타났다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

1 : 열교환기
10 : 핀 파이프
11 : 방열핀
20 : 유도편
21 : 익편
21a : 홈
22 : 수직편

Claims (3)

1. 핀 파이프(10)의 외부에 나선형 방열핀(11)이 일체로 형성된 열교환기(1)에 있어서,
   상기 핀 파이프(10)의 내부에는 유도편(20)이 삽입되고, 상기 유도편(20)은 평판을 트위스트 하여 나선형으로 형성되며, 상기 유도편(20)의 나선형으로 꼬여진 익편(21)의 외측 가장자리에는 홈(21a)이 형성되고, 상기 홈(21a)은 한 개, 두 개 또는 세 개의 익편(21)들을 건너서 형성되며, 상기 나선형 유도편(20)의 선단은 트위스트가 이루어지지 않은 평면 수직편(22)으로 구성되어 핀 파이프(10)로 유입된 유체가 양측으로 분할되어 진입된 후 나선형 와류 및 회전을 형성하여 이동되며, 상기 유도편(20)은 접촉부에 금속파우더가 입혀진 상태로 핀 파이프(10)의 내부에 삽입되고, 핀 파이프(10)에 열을 가하여 금속파우더를 용융(熔融)시켜 접합되도록 한 것을 특징으로 하는 나선형 유도편이 삽입된 핀 파이프형 열교환기.
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