KR101304867B1

KR101304867B1 - 열교환기

Info

Publication number: KR101304867B1
Application number: KR1020070040153A
Authority: KR
Inventors: 전영하; 김기홍; 이정재
Original assignee: 한라비스테온공조 주식회사
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2013-09-06
Also published as: KR20080095537A

Abstract

본 발명은 차량용 냉각 장치에 사용되는 열교환기에 있어서, 탱크 내부에서의 열교환매체 흐름 특성을 개선함으로써 열교환 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 열교환기에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 열교환기에 있어서 열교환매체가 벤딩된 파이프를 통과하면서 얻게 된 관성력에 의해 헤더탱크 내에서 열교환매체의 불균일한 유동이 발생되는 문제점을 배플을 이용한 매우 간단한 구조로서 해결하는 열교환기를 제공함에 있다.

열교환기, 1-way type, 배플, 관성력, 열교환매체, 분배, 온도 분포

Description

열교환기 {An Heat Exchanger}

도 1은 종래의 열교환기의 사시도.

도 2는 종래의 열교환기 내부에서의 이론적인 열교환매체 유동 경로.

도 3은 종래의 열교환기 내부에서의 실제 열교환매체 유동 경로.

도 4는 본 발명에 의한 열교환기의 분해사시도.

도 5는 본 발명에 의한 열교환기의 유입헤더탱크의 상면도.

도 6은 종래 및 본 발명의 열교환기 유입헤더탱크 내부에서의 열교환매체 유동 경로.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100: (종래의) 열교환기 10: 헤더탱크

11: 유입헤더탱크 11a: 유입구

12: 배출헤더탱크 12a: 배출구

20: 튜브 30: 핀

1000: (본 발명의) 열교환기

110: 유입헤더탱크 111: 유입구

120: 배출헤더탱크 121: 배출구

200: 튜브 300: 핀

400: 파이프 500: 배플

본 발명은 열교환기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 차량용 냉각 장치에 사용되는 열교환기에 있어서, 탱크 내부에서의 열교환매체 흐름 특성을 개선함으로써 열교환 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 열교환기에 관한 것이다.

세계적으로 에너지 및 환경 문제에 관한 관심사가 커져 감에 따라, 최근 자동차 생산 산업에 있어서 연비를 포함한 각 파트의 효율 개선이 꾸준히 이루어지고 있으며, 또한 다양한 소비자의 욕구를 만족시키기 위하여 자동차 외관의 형태 역시 다양화되고 있는 추세이다. 이러한 경향에 따라, 차량의 각 부품들은 점차로 경량화ㆍ소형화 및 고기능화를 위한 꾸준한 연구 개발이 이루어지고 있다. 특히 차량용 냉각장치에 있어서, 대개 엔진룸 내부에서 충분한 공간을 확보하기 어려운 실정이기 때문에 작은 크기를 가지면서도 높은 효율을 가지는 열교환기를 제조하기 위한 노력이 있어 왔다.

열교환기는 일반적으로 열교환매체의 유입 및 배출이 이루어지는 한 쌍의 헤 더탱크와, 상기 헤더탱크들을 연결하여 열교환매체를 그 내부로 유통시키면서 열교환을 이루어지게 하는 튜브로 구성된다. 도 1은 통상적인 열교환기를 도시하고 있다. 열교환기(100)는, 내부에 열교환매체가 유동하며, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 일렬로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와; 유입구(11a)를 통해 열교환매체가 유입되고 유입된 열교환매체를 상기 복수 개의 튜브(20)에 분배하는 유입헤더탱크(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 배출구(12a)를 통해 배출하는 배출헤더탱크(12)로 이루어진다.

도 2는 이러한 열교환기 내부에서의 열교환매체 유동 경로를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 열교환매체는 유입헤더탱크(11)의 유입구(11a)를 통해 유입되며, 유입헤더탱크(11)의 상부와 연결된 튜브(20, 미도시)를 따라 상향 이동하여 배출헤더탱크(12)의 내부로 모이며, 배출헤더탱크(12)로 모여진 열교환매체는 배출구(12a)를 통해 배출되게 된다. 그런데, 실제 열교환매체의 유동 형태는 도 2에 도시된 이론적인 유동 형태와는 그 양상이 다른 경향이 있다.

도 3은 종래의 두 열교환기 내부에서의 실제 열교환매체 유동 경로를 도시하고 있다. 상기 열교환기들은 실제로 사용되고 있는 제품들로서, 도 3(A)에 도시된 열교환기의 두께보다 도 3(B)에 도시된 열교환기의 두께가 더 크다. 먼저 도 3(A)의 얇은 열교환기를 보면, 하부에 위치한 유입헤더탱크(11)로 열교환매체가 유입될 때, 벤딩(bending)되어 있는 파이프(40)를 통과하면서 얻었던 관성력 때문에 유입 헤더탱크(11)의 벽면에 열교환매체가 부딪히게 되고, 이에 따라 유입헤더탱크(11)의 유입구(11a) 반대편 끝단부에서 유동이 한 쪽으로 치우치게 된다. 이와 같이 편향된 유동은 역시 도시된 바와 같이 유입헤더탱크(11)의 끝단부에서 역류 현상을 발생시키게 되며, 이에 따라 끝단부 쪽의 튜브(20)로 열교환매체가 분배되는 것을 방해하게 된다. 도 3(B)에 도시된 바에 의하면, 두꺼운 열교환기에서도 역시 이와 같은 현상이 발생할 뿐만 아니라 얇은 열교환기에서보다 이러한 열교환매체의 관성력에 의한 영향이 보다 강한 것을 알 수 있다.

이와 같이 열교환매체의 튜브(20)로의 분배가 원활하게 이루어지지 않으면, 열교환기(100) 전체적으로의 온도 분포가 고르지 않게 되며, 이는 열교환기(100)의 열교환성능을 떨어뜨리는 원인이 된다. 따라서 열교환매체의 고른 분포를 달성시킬 수 있는 구조의 개선이 절실히 필요하다. 종래에는 열교환기의 온도 분포 특성을 향상시키기 위하여, 유입구(11a)와 파이프(40)가 연결되는 부분에 구조물을 부착하거나, 헤더탱크의 체적에 변화를 줌으로써 전 튜브 입구에서의 압력을 고르게 하는 등의 방법을 사용하여 열교환매체의 분배를 고르게 하려는 시도가 있어 왔다. 그런데, 유입구와 파이프의 연결부에 구조물을 부착하는 방법은, 유입구 측의 구조물로 인한 무리한 압력 강하가 일어나게 되어 실제 차량에 적용하였을 때 오히려 성능이 떨어지게 되는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 제품의 부품이 늘어나게 되므로 조립 공정이 복잡해지고 제품 비용이 상승하게 되는 문제점이 부가적으로 발생하였다. 또한, 헤더탱크의 체적을 변화시키는 방법은 오히려 관성력이 더욱 발달할 가능성이 있어 온도 분포 특성의 개선에 있어서는 한계가 있을 뿐만 아니라, 현재 자동차 관련 제품의 추세인 제품의 경량화 및 컴팩트화에 반하는 방법이므로 실제 적용에 있어 적절치 않다는 사실이 알려져 왔다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 열교환기에 있어서 열교환매체가 벤딩된 파이프를 통과하면서 얻게 된 관성력에 의해 헤더탱크 내에서 열교환매체의 불균일한 유동이 발생되는 문제점을 배플을 이용한 매우 간단한 구조로서 해결하는 열교환기를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기는, 내부에 열교환매체가 유동하며, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 일렬로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(200)와; 유입구(111)를 통해 열교환매체가 유입되고 유입된 열교환매체를 상기 복수 개의 튜브(200)에 분배하는 유입헤더탱크(110)와; 상기 튜브(20) 사이에 개재되어 상기 튜브(200) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(300)과; 상기 튜브(200) 내를 이동하는 열교환매체가 모이며, 모여진 열교환매체를 배출구(121)를 통해 배출하는 배출헤더탱크(120)로 이루어지는 열교환기(1000)에 있어서, 상기 유입구(111)에는 벤딩된 파이프(400)를 통하여 열교환매체가 유입되며, 상기 유입헤더탱크(110)의 내부에는, 열교환매체의 유동 방향을 안내 하도록, 상기 유입헤더탱크(110)의 소정 위치에 상기 유입헤더탱크(110)의 길이 방향에 대하여 소정의 기움각(

)을 가진 배플(500, 500')이 구비되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 배플(500)은 상기 유입헤더탱크(110)의 길이 방향으로 상기 유입구(111)로부터 상기 유입헤더탱크(110)의 길이 방향 중간보다 먼 쪽에 형성되며, 상기 배플(500)의 기움각(

)은 상기 파이프(400)의 벤딩 방향 반대쪽을 향하는 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 배플(500')은 상기 유입헤더탱크(110)의 길이 방향으로 상기 유입구(111)로부터 상기 유입헤더탱크(110)의 길이 방향 중간 이내에 형성되며, 상기 배플(500')의 기움각(

)은 상기 파이프(400)의 벤딩 방향을 향하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배플(500, 500')의 기움각(

)은 상기 유입구(111)에서 먼 쪽 배플(500)의 기움각이 상기 유입구(111)에서 가까운 쪽 배플(500')의 기움각보다 같거나 큰 것을 특징으로 한다.

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

도 4는 본 발명에 의한 열교환기의 분해사시도이며, 도 5는 본 발명의 열교환기의 유입헤더탱크의 상면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 열교환기 (1000)는, 내부에 열교환매체가 유동하며, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 일렬로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(200)와; 유입구(111)를 통해 열교환매체가 유입되고 유입된 열교환매체를 상기 복수 개의 튜브(200)에 분배하는 유입헤더탱크(110)와; 상기 튜브(20) 사이에 개재되어 상기 튜브(200) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(300)과; 상기 튜브(200) 내를 이동하는 열교환매체가 모이며, 모여진 열교환매체를 배출구(121)를 통해 배출하는 배출헤더탱크(120)로 구성되되, 상기 유입헤더탱크(110)의 내부에는 열교환매체의 유동 방향을 안내하는 배플(500)이 구비되어 있다.

상기 배플(500)이 구비된 형태를 보다 명확히 도시한 것이 도 5이다. 상기배플(500)은, 유입헤더탱크(110)의 유입구(111) 반대쪽 끝단부 쪽으로 편향된 위치에 구비된다. 또한, 상기 배플(500)은 상기 유입헤더탱크(110)의 길이 방향에 대하여 소정 크기의 기움각(

)를 가지도록 배치된다. 본 발명은 열교환매체가 관성력에 의해 유입헤더탱크(110)의 유입구(111) 반대쪽 끝단부에서 유동 방향이 불균일해지는 영향을 최소화하고자 하는 데 목적이 있으므로, 상기 기움각(

)은 상기 유입구(111)와 연결되는 파이프(400)의 벤딩 방향과 반대쪽을 향하도록 되어야 함은 자명하다.

도 6은 종래 및 본 발명의 열교환기 유입헤더탱크 내부에서의 열교환매체 유동 경로를 단순화하여 도시한 것이다. 도 6(A)에 도시된 바와 같이 종래의 열교환기 유입헤더탱크(11) 내부에서는, 파이프(40)의 벤딩에 의하여 관성력을 얻게 된 열교환매체가, 유입되면서 유입헤더탱크(11) 내부 벽면의 제1충돌영역(D₁)에 부딪히게 되고, 이에 따라 열교환매체의 유동 방향이 비틀리면서 또다시 유입헤더탱크(11) 내부 벽면의 제2충돌영역(D₂)에 부딪히며, 이에 따라 유입헤더탱크(11)의 유입구(11a) 반대쪽 끝단부 영역에서는 열교환매체의 역류 현상이 발생된다. 특히, 이와 같이 역류의 발생에 의하여 도 6(A)에 P로 표시된 영역에서 열교환매체의 유량이 부족해지게 되며, 이에 따라 열교환매체의 분산이 고르지 못하게 되어 열교환기의 성능을 하락시키게 된다.

도 6(B)에 도시된 본 발명에 의한 열교환기 유입헤더탱크(110)의 내부에서도, 파이프(400)의 벤딩에 의하여 관성력을 얻게 된 열교환매체가 역시 유입헤더탱크(110) 내부 벽면의 제1충돌영역(D₁₀)에 부딪히게 된다. 그러나, 본 발명에 의한 열교환기에서는, 상기 제1충돌영역(D10)에 부딪힌 후 도 6(A)에서의 제2충돌영역을 향해 가기 전 위치에 배플(500)이 구비되어 있음으로써, 열교환매체 흐름의 비틀림을 바로잡도록 안내한다. 따라서 본 발명에 의한 열교환기의 유입헤더탱크(110)에서는 도 6(A)의 P 영역에 해당하는 부분에서 유량이 부족해지는 현상이 원천적으로 발생하지 않게 된다. 따라서 전체적으로는 열교환매체의 분산이 적절하게 이루어지게 되며, 그러므로 종래에 상기 유입헤더탱크(110)의 유입구(111) 반대쪽 끝단부에서 발생하던 역류가 발생하지 않고 열교환매체가 적절히 분산되어 튜브(200)로 유입될 수 있게 된다.

도 6(C)는 본 발명의 다른 실시예이다. 본 실시예에서는 상기 열교환매체가 제1충돌영역(D₁₀)에 도달하기 이전에 유동의 방향을 안내하는 위치에 배플(500')이 구비되도록 하고 있다. 도 6(C)에서와 같이 배플(500')이 구비되는 경우 보다 빨리 열교환매체의 고른 분산이 이루어지게 되며, 따라서 역시 헤더탱크(110) 유입구(111) 반대쪽 끝단부에서의 역류를 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 도 6(B)와 같은 형태의 배플(500)과 도 6(C)와 같은 형태의 배플(500')을 동시에 구비하도록 하여도 무방하다.

상기 도 3을 참고하여 보면, 파이프(40)의 벤딩 각이 클수록, 또한 열교환기(100)의 두께가 두꺼워서 유로가 커질수록 관성력의 영향이 크게 작용한다는 것을 알 수 있다.

이에 따라 상기 배플(500)의 개수는, 도 5 및 도 6의 실시예에서는 2개가 구비되도록 하였으나, 상기 열교환기(1000)의 두께, 즉 관성력의 영향에 따라 적절히 조절되어 설계될 수 있다.

더불어 상기 배플(500)의 기움각(

)은 파이프(400)의 벤딩 정도, 즉 열교환매체가 얻게 된 관성력의 크기 정도에 따라 적절히 조절되어 설계될 수 있다. 이 때, 도 6(B)와 같이 유입구(111)에서 먼 쪽에 편향되어 구비되는 배플(500)의 경우에는, 상기 배플(500)의 기움각(

)은 상기 파이프(400)의 벤딩 방향 반대쪽을 향해 기울어지도록 한다. 또한, 도 6(C)와 같이 유입구(111)에서 먼 쪽에 편향되어 구비되는 배플(500')의 경우에는, 상기 배플(500)의 기움각(

)은 상기 파이프(400)의 벤딩 방향을 향해 기울어지도록 한다.

상기 배플(500, 500')의 기움각()은 15?? 내지 45??의 범위 내에 있는 것이 바람직하며, 또한 상기 배플(500, 500')이 두 열이 구비되는 경우, 상기 유입구(111)에서 먼 쪽 배플(500)의 기움각은 상기 유입구(111)에 가까운 쪽 배플(500')의 기움각보다 같거나 크게 설계되는 것이 바람직하다.

또한, 도 6(B)와 같이 유입구(111)에서 먼 쪽에 편향되어 구비되는 배플(500)의 경우에는, 상기 제1충돌영역(D10) 및 도 6(A)에 표시된 위치에 해당하는 제2충돌영역(본 발명에서는 물론 제2충돌영역이 존재하지 않는다) 사이에 위치하는 것이 적절하므로, 상기 배플(500)은 상기 유입헤더탱크(110)의 길이 방향으로 중간보다 먼 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 더불어, 도 6(C)와 같이 유입구(111)에서 가까운 쪽에 편향되어 구비되는 배플(500')의 경우에는, 상기 제1충돌영역(D₁₀) 앞부분에 위치하는 것이 적절하므로, 상기 배플(500)은 상기 유입헤더탱크(110)의 길이 방향으로 중간 이내의 위치에 배치되는 것이 바람직하다.

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, 간단한 구조의 배플을 유입헤더탱크 내부에 구비시킴으로써, 열교환매체의 관성력에 의한 역류 현상 발생 및 열교환매체 분포의 불량함을 크게 개선시키는 효과가 있다. 따라서 유입헤더탱크로부터 튜브로 열교환매체가 유입되는 과정에서 열교환매체의 고른 분배가 달성될 수 있게 되며, 이에 따라 열교환기의 열교환성능이 크게 향상되는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 본 발명에 의하면 일반적으로 사용되는 열교환기의 외부 형상에는 전혀 변화가 없기 때문에 종래에 관성력 감소를 위해 헤더탱크의 체적을 변화시킴으로써 발생했던 열교환성능의 감소와 같은 현상이 원천적으로 발생하지 않으며, 더불어 본 발명의 관성력 감소 구조는 매우 간단한 구조의 설계를 채용하고 있기 때문에 제품의 제작 비용 상승 및 조립 공정 증가가 거의 발생하지 않아 매우 경제적인 효과가 있다.

Claims

내부에 열교환매체가 유동하며, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 일렬로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(200)와; 유입구(111)를 통해 열교환매체가 유입되고 유입된 열교환매체를 상기 복수 개의 튜브(200)에 분배하는 유입헤더탱크(110)와; 상기 튜브(20) 사이에 개재되어 상기 튜브(200) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(300)과; 상기 튜브(200) 내를 이동하는 열교환매체가 모이며, 모여진 열교환매체를 배출구(121)를 통해 배출하는 배출헤더탱크(120)로 이루어지는 열교환기(1000)에 있어서,

상기 유입구(111)에는 벤딩된 파이프(400)를 통하여 열교환매체가 유입되며, 상기 유입헤더탱크(110)의 내부에는, 열교환매체의 유동 방향을 안내하도록, 상기 유입헤더탱크(110)의 소정 위치에 상기 유입헤더탱크(110)의 길이 방향에 대하여 소정의 기움각(θ)을 가진 배플(500, 500')이 구비되되,

상기 배플(500)은 판면이 상기 튜브(200)의 연장 방향과 평행하게 배치되고,

상기 배플(500)은, 상기 유입헤더탱크(110)의 길이 방향으로 상기 유입구(111)로부터 상기 유입헤더탱크(110)의 길이 방향 중간보다 먼 쪽에 형성될 때, 상기 배플(500)의 기움각(θ)은 상기 파이프(400)의 벤딩 방향 반대쪽을 향하고,

상기 배플(500')은, 상기 유입헤더탱크(110)의 길이 방향으로 상기 유입구(111)로부터 상기 유입헤더탱크(110)의 길이 방향 중간 이내에 형성될 때, 상기 배플(500')의 기움각(θ)은 상기 파이프(400)의 벤딩 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
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제 1항에 있어서, 상기 배플(500, 500')의 기움각(θ)은

상기 유입구(111)에서 먼 쪽 배플(500)의 기움각이 상기 유입구(111)에서 가까운 쪽 배플(500')의 기움각보다 같거나 큰 것을 특징으로 하는 열교환기.