KR101408899B1 - Heat Exchanger for a Vehicle - Google Patents
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Abstract
본 발명은 차량용 열교환기에 관한 것으로 보다 구체적으로는 자체 중량을 감소시켜 생산원가를 절감시키면서도 실제 차량에 장착된 경우에 냉각수측의 압력강하로 인한 손실을 저감시킴과 함께 방열성능을 향상시킨 고효율 박형 라디에이터에 관한 것이다. The present invention relates to a vehicle heat exchanger, and more particularly, to a heat exchanger for a vehicle, and more particularly, to a heat exchanger for a vehicle, which is capable of reducing a production cost by reducing its own weight and reducing loss due to pressure drop on a cooling water side, .
본 발명의 열교환기는 냉각수의 온도에 따라 개폐가 조절되는 서모스탯 및 물펌프에 의하여 엔진으로부터 공급되는 냉각수를 공급하거나, 냉각된 냉각수가 엔진측으로 배출되는 한 쌍의 탱크와; 상기 냉각수가 공급되는 일측의 탱크와 결합되는 일측의 헤더와, 일단부가 상기 헤더와 구조적으로 연통 체결되며 차량의 주행풍 방향과 평행하게 다수 병렬 배치되는 열교환 튜브, 및 상기 열교환 튜브의 타단부에 구조적으로 연통 체결되어 상기 엔진으로 냉각수가 배출되는 타측의 탱크와 결합되는 헤더, 및 상기 열교환 튜브 사이에 접합 고정되는 핀으로 구성되는 코어부; 를 포함하여 구성되어 상기 엔진에 의하여 가열된 냉각수를 차량의 전방부로 유입되는 공기와 열교환하여 냉각시키는 차량용 열교환기에 있어서, 상기 열교환기의 코어의 폭(Td)은 12~15 mm 이고, 코어부의 최외각의 튜브간의 거리가 300~600 mm 이며, 상기 코어부를 유통하는 냉각수는 부동액과 물의 조성비가 1:1이고, 유량이 60~80 리터/min 일 때, 상기 냉각수의 유동은 완전히 발달된 난류영역인 것을 특징으로 한다. The heat exchanger of the present invention includes a pair of tanks for supplying cooling water supplied from an engine by a thermostat and a water pump whose opening and closing are controlled according to the temperature of the cooling water, A header connected to one side of the tank to which the cooling water is supplied, a heat exchange tube having one end structurally communicated with the header and arranged in parallel with the running wind direction of the vehicle, A header connected to the other tank through which the cooling water is discharged to the engine, and a pin fixedly connected between the heat exchange tubes; Wherein a width Td of the core of the heat exchanger is 12 mm to 15 mm and a width of the core of the core portion is 12 mm to 15 mm, The cooling water flowing through the core portion has a flow rate of about 60 to about 80 liters / min, and the flow rate of the cooling water is in a fully developed turbulent flow region .
또한, 본 발명의 열교환기는 상기 냉각수의 유량이 60~80 리터/min 이고 온 도가 100℃일 때, 상기 냉각수의 유동은 레이놀즈수 2,100 이상이며, 유량이 40리터/min 이하에서 층류에서 난류로의 천이가 발생하는 것을 특징으로 하며, 이 때 상기 열교환기의 출구 측 냉각수의 압력강하량은 150 mmHg 이하인 것을 특징으로 한다.In the heat exchanger of the present invention, when the flow rate of the cooling water is 60 to 80 liters / min and the temperature is 100 占 폚, the flow of the cooling water has a Reynolds number of 2,100 or more and the flow rate is 40 liters / Wherein a pressure drop of the cooling water at the outlet side of the heat exchanger is 150 mmHg or less.
Description
본 발명은 차량용 열교환기에 관한 것으로 보다 구체적으로는 자체 중량을 감소시켜 생산원가를 절감시키면서도 실제 차량에 장착된 경우에 냉각수측의 압력강하로 인한 손실을 저감시킴과 함께 방열성능을 향상시킨 고효율 박형 라디에이터에 관한 것이다. The present invention relates to a vehicle heat exchanger, and more particularly, to a heat exchanger for a vehicle, and more particularly, to a heat exchanger for a vehicle, which is capable of reducing a production cost by reducing its own weight and reducing loss due to pressure drop on a cooling water side, .
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 수 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.1 is a conceptual diagram showing a general cooling system of a vehicle. Since the vehicle engine 1 always ignites and burns high-temperature and high-pressure gas, when it is left untouched, the metallic material constituting the engine 1 is melted and may seriously damage the cylinder and the piston. 1, a water jacket (not shown) in which cooling water is stored around the cylinder of the vehicle engine 1 is installed and the cooling water is supplied to the
도 2(a), (b)는 일반적인 라디에이터의 사시도 및 분해도이다. 상기 라디에이터는 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. 2 (a) and 2 (b) are a perspective view and an exploded view of a general radiator. The radiator is a kind of heat exchanger that circulates the engine and circulates the heat of the engine when the cooling water flows through the radiator. The radiator is installed in the engine room of the vehicle and blows air to the radiator core A cooling fan is provided for supplying the cooling air.
상기 라디에이터는 통상 열전도효과가 뛰어난 알루미늄으로 제작되며 특히 열교환 튜브 및 핀의 제원에 따라 방열성능이 좌우되는 특성을 갖는다. 즉 동일한 코어를 갖는 라디에이터라도 튜브와 핀의 높이를 줄이면 방열성능은 이론적으로 향상되지만, 핀의 높이가 너무 낮아지면 이물질이 핀 사이에 걸리거나 적층되어 송풍에 방해가 되고 또한 튜브의 높이가 너무 작아지면 부동액이나 반응물로 인하여 생성되는 이물질이 튜브 내측에 적층되어 유로를 막는 현상이 발생하여 오히려 열전달 성능의 저하를 가져올 우려가 있다. 이 경우 튜브와 핀의 개수가 많아지므로 라디에이터 구조의 안정성과 제조 시 생산성 측면에서 매우 불리하게 되는 문제점이 발생할 수도 있다. The radiator is generally made of aluminum having a superior heat conduction effect, and has a characteristic that the heat radiation performance depends on the specifications of the heat exchange tube and the fin. That is, even if the radiator has the same core, reducing the height of the tube and the fin improves the theoretical heat dissipation performance. However, if the height of the fin is too low, the foreign matter is caught or piled up between the fins, There is a possibility that the foreign matter generated due to the surface antifreezing liquid or the reactant is piled up inside the tube to block the flow path, which may result in deterioration of the heat transfer performance. In this case, since the number of tubes and the number of pins increases, the stability of the radiator structure and the manufacturing productivity may be disadvantageously deteriorated.
종래 선행기술로서 미국특허 제4,332,293호(1982. 6. 1)의 경우 2열 또는 3열의 튜브배열을 갖는 라디에이터에서 공기 흐름방향으로의 핀의 길이가 길어짐에 따라 발생하는 공기저항과 이에 따른 열전달성능의 감소를 극복하기 위하여 한정된 코어 설치공간의 범위 내에 설치되는 라디에이터의 제원으로서 공기의 흐름방향으로의 핀의 길이를 12mm 내지 23mm 로 하고, 핀의 피치를 1.5mm 내지 3.3mm 로 하며, 튜브의 피치를 8.5mm 내지 14mm로 한다는 수치범위를 제시하고 있다. U.S. Patent No. 4,332,293 issued Jun. 1, 1982 discloses a radiator having two or three rows of tubes arranged in a tube arrangement, and the air resistance resulting from the increase of the length of the fin in the air flow direction and the heat transfer performance The length of the fin in the air flow direction is set to 12 to 23 mm, the pitch of the fin is set to 1.5 to 3.3 mm, and the pitch of the tube To 8.5 mm to 14 mm.
그러나 종래의 라디에이터는 공기가 지나가는 튜브 외측의 방열성능에 초점을 맞추었으며 또한 냉각수측 압력강하를 방지하기 위하여 튜브의 내경을 작지 않게 하여 동시에 공기 측 압력강하량을 고려하여 핀의 높이를 비교적 크게 설정하는 경향을 보여주고 있다. 일반적인 라디에이터의 경우 열전달에 의한 방열량은 공기 측의 열대류에 의해 주로 일어나지만 그 구성요소의 구조변경 정도에 비하여 방열특성의 변화량은 그리 크지 않은 반면 열교환 튜브 내에서의 열대류에 의한 방열량은 전체 방열량에서 차지하는 비율은 낮으나 그 구성요소의 구조변경 정도에 따른 방열량이 민감하게 변화하며 그 변화량 또한 상대적으로 크다는 점을 간과하는 경우가 있었다. 또한 라디에이터의 열교환 튜브 내의 냉각수유동의 난류영역으로 발달될 경우 뒤따르게 되는 튜브벽면에서 발생하는 표면전단응력의 증가로 인한 압력손실의 영향을 자세하게 파악하지 못하고 있었다.However, the conventional radiator focuses on the heat radiation performance outside the tube through which the air passes. In order to prevent the pressure drop on the cooling water side, the inner diameter of the tube is made small and the height of the fin is set to be relatively large considering the air- Trends. In the case of a general radiator, the amount of heat radiation due to heat transfer is mainly caused by the heat flow on the air side, but the amount of change in heat radiation characteristics is not large compared with the degree of structural change of the component. On the other hand, , But it is overlooked that the amount of heat change is sensitive to the degree of structural change of the component and the amount of change is also relatively large. In addition, when the turbulent flow region of the cooling water flow in the heat exchanger tube of the radiator is developed, the influence of the pressure loss due to the increase of the surface shear stress occurring in the tube wall surface succeeded to grasp in detail.
이와 같이 종래의 라디에이터들은 공기측의 방열성능과 함께 냉각수측의 압력강하량을 동시에 고려하지 못하였고 특히 평탄한 노면이 아닌 경사면이 많은 고산지역이나, 냉대 또는 한 대지역과 같이 양호하지 아니한 운행조건에서의 바람직한 열교환기 튜브의 설계방향을 제시하는데 어느 정도 한계를 노정하고 있었다.As described above, the conventional radiators can not simultaneously consider the heat radiation performance on the air side and the pressure drop amount on the cooling water side. Particularly, in the case of a high mountain area where there are many slopes, There is a limit to some extent in designing a desirable design of the heat exchanger tube.
이는 결국 라디에이터 튜브 내부의 냉각수 유동과 내면으로의 열전달특성에 대한 깊이 있는 관찰과 보다 효율적인 방열성능을 갖는 라디에이터에 대한 연구와 실험을 더욱 요구하게 되었다.As a result, it is required to study and experiment on radiators with in-depth observation of cooling water flow inside the radiator tube and heat transfer characteristics to the inner surface and more efficient heat radiation performance.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 자체중량을 줄여 생산원가를 절감시키면서도 실제 차량에 장착된 경우에 냉각수측의 압력강하로 인한 손실을 저감시킴과 함께 방열성능을 향상시킨 차량용 열교환기, 즉 고효율 박형 라디에이터를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to reduce the cost of production by reducing its own weight and reduce loss due to pressure drop on the cooling water side when mounted on an actual vehicle, The present invention is to provide a vehicle heat exchanger, that is, a highly efficient thin radiator.
본 발명의 다른 목적은 차량의 악조건 운행모드인 등판모드에 해당하는 냉각수 유량영역에서 라디에이터의 방열성능의 향상과 동시에 냉각수측 압력강하량을 저감할 수 있는 최적의 설계조건을 제시하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an optimal design condition for improving the heat radiation performance of the radiator and reducing the amount of pressure drop on the cooling water side in the cooling water flow rate region corresponding to the back plate mode which is the bad running mode of the vehicle.
본 발명의 또 다른 목적은 종래 라디에이터의 방열성능 및 냉각수측의 압력강하량과 비교할 때 폭이 크고 중량이 무거운 종래의 라이데이터의 방열성능을 유지하면서 동시에 냉각수측의 압력강하량도 종래 라디에이터와 거의 동일한 수준으로 유지할 수 있는 저중량의 박형 라디에이터의 설계조건을 제시하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a radiator which is capable of maintaining the heat dissipation performance of the conventional radiator having a large width and a heavy weight when compared with the heat radiating performance of the conventional radiator and the pressure drop amount of the cooling water, The design conditions of a low-weight thin radiator that can be maintained at a minimum.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 최적의 설계범위를 만족하도록 라디에이터의 주요 구성요소 각각의 바람직한 설계범위를 제시하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a preferred design range for each of the major components of the radiator to meet the optimum design range.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 열교환기는 냉각수의 온도에 따라 개폐가 조절되는 서모스탯 및 물펌프에 의하여 엔진으로부터 공급되는 냉각수를 공급하거나, 냉각된 냉각수가 엔진측으로 배출되는 한 쌍의 탱크와; 상기 냉각수가 공급되는 일측의 탱크와 결합되는 일측의 헤더와, 일단부가 상기 헤더와 구조적으로 연통 체결되며 차량의 주행풍 방향과 평행하게 다수 병렬 배치되는 열교환 튜브, 및 상기 열교환 튜브의 타단부에 구조적으로 연통 체결되어 상기 엔진으로 냉각수가 배출되는 타측의 탱크와 결합되는 헤더, 및 상기 열교환 튜브 사이에 접합 고정되는 핀으로 구성되는 코어부; 를 포함하여 구성되어 상기 엔진에 의하여 가열된 냉각수를 차량의 전방부로 유입되는 공기와 열교환하여 냉각시키는 차량용 열교환기에 있어서, 상기 열교환기의 코어의 폭(Td)은 12~15 mm 이고, 코어부의 최외각의 튜브간의 거리가 300~600 mm 이며, 상기 코어부를 유통하는 냉각수는 부동액과 물의 조성비가 1:1이고, 유량이 60~80 리터/min 일 때, 상기 냉각수의 유동은 완전히 발달된 난류영역인 것을 특징으로 한다. In order to attain the above object, the heat exchanger of the present invention is characterized in that a cooling water supplied from an engine is supplied by a thermostat and a water pump whose opening and closing are controlled according to the temperature of the cooling water, or a pair of tanks Wow; A header connected to one side of the tank to which the cooling water is supplied, a heat exchange tube having one end structurally communicated with the header and arranged in parallel with the running wind direction of the vehicle, A header connected to the other tank through which the cooling water is discharged to the engine, and a pin fixedly connected between the heat exchange tubes; Wherein a width Td of the core of the heat exchanger is 12 mm to 15 mm and a width of the core of the core portion is 12 mm to 15 mm, The cooling water flowing through the core portion has a flow rate of about 60 to about 80 liters / min, and the flow rate of the cooling water is in a fully developed turbulent flow region .
또한, 본 발명의 열교환기는 상기 냉각수의 유량이 60~80 리터/min 이고 온도가 100℃일 때, 상기 냉각수의 유동은 레이놀즈수 2,100 이상이며, 유량이 40리터/min 이하에서 층류에서 난류로의 천이가 발생하는 것을 특징으로 한다. In the heat exchanger of the present invention, when the flow rate of the cooling water is 60 to 80 liters / min and the temperature is 100 ° C, the flow of the cooling water has a Reynolds number of 2,100 or more. When the flow rate is 40 liters / min or less, And a transition occurs.
또한, 본 발명의 열교환기는 상기 냉각수의 유량이 60~80 리터/min 이고 온도가 100℃일 때, 출구 측 냉각수의 압력강하량은 150 mmHg 이하인 것을 특징으로 한다.The heat exchanger of the present invention is characterized in that when the flow rate of the cooling water is 60 to 80 liters / min and the temperature is 100 ° C, the pressure drop of the outlet side cooling water is 150 mmHg or less.
또한, 상기 튜브의 외측 폭 Th는 1.60~2.10 mm 인 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하기로는 1.70~1.90 mm 이다.Further, the outer width Th of the tube is 1.60 to 2.10 mm, and more preferably 1.70 to 1.90 mm.
또한, 상기 튜브의 소재 두께 Tth는 중량 및 압력강하량의 저감을 위하여 0.15~0.24 mm 인 것이 바람직하다.The material thickness Tth of the tube is preferably 0.15 to 0.24 mm in order to reduce weight and pressure drop amount.
또한, 상기 핀의 높이 Fh는 5.3~5.8 mm 인 것을 특징으로 하며, 중량감소와 함께 방열량의 극대를 위하여 핀의 두께는 0.05~0.06 mm 인 것이 바람직하다.Further, the height Fh of the fin is in the range of 5.3 to 5.8 mm, and the thickness of the fin is preferably 0.05 to 0.06 mm in order to maximize the amount of heat dissipation along with the weight reduction.
또한, 본 발명의 열교환기는 튜브의 내면에 딤플이 없는 플랫 타입인 것을 특징으로 하며, 크로스 플로우 타입(Cross flow type)인 것이 바람직하다.Further, the heat exchanger of the present invention is characterized by being a flat type having no dimple on the inner surface of the tube, and is preferably a cross flow type.
라디에이터의 경우 열전달에 의한 방열량은 공기 측의 열대류에 의한 것이 가장 큰 부분을 차지하지만 그 구성요소의 구조변경 정도에 따른 방열특성의 변화량은 그리 크지 않은 반면, 고온 측인 열교환 튜브 내에서의 열대류에 의한 방열량은 전체 방열량에서 차지하는 비율은 낮지만 그 구성요소의 구조변경 정도에 따른 방열량의 변동이 민감하게 나타되며 그 변화량 또한 상대적으로 커서 라디에이터의 제원과 이에 따른 방열성능을 결정하게 된다. In the case of the radiator, the amount of heat radiation due to heat transfer is the largest part due to the air flow, but the variation of the heat radiation characteristics is not so large depending on the degree of structural change of the component. On the other hand, The amount of heat dissipated by the heat dissipation unit is low, but the variation of the heat dissipation amount depending on the degree of structural change of the component is sensitive, and the amount of the heat dissipation is also relatively large, thereby determining the specifications of the radiator and the heat dissipation performance thereof.
특히 라디에이터를 구성하는 복수의 튜브는 대체로 납작한 형상의 덕트(duct)로 되어 있어 그 내부를 흐르는 냉각수의 유동은 오픈되지 않은 덕트유동으로 분류할 수 있으며, 이러한 덕트내의 유동은 덕트 벽면의 조도 또는 입구유동 안의 유동변동과 같은 요인에 의해 많은 영향을 받지만 주요인자는 레이놀즈수(Reynolds No.)이다. 일반적으로 원형 덕트의 경우 레이놀즈수가 약 2,300 에 이르면 유동은 ‘덩어리’ 또는 ‘퍼프’를 형성하기 시작하며 난류의 영역으로 접어들기 시작하는 것으로 알려져 있다. 본 발명자들의 실험에 의하면 본 발명에 따르는 라디에이터에 채용되는 열교환 튜브와 같이 일 측 방향의 폭이 상대적으로 매우 넓은 플랫(flat)한 단면을 갖는 덕트의 경우에는 레이놀즈수 약 2,100 근처에서 유동이 층류(laminar flow)에서 난류(turbulent flow)로 천이하는 것으로 밝혀졌다. 그리고 유동조건에 의하여 덕트 내의 유동이 레이놀즈수 2,100을 상회하여 완전히 발달된 난류가 되면 유동의 운동량 및 에너지의 전달을 촉진시키게 되며 특히 대류열전달계수의 큰 증가를 수반하여 결국 열교환기의 방열성능의 향상을 가져오게 된다. Particularly, the plurality of tubes constituting the radiator are generally formed as flat ducts, so that the flow of cooling water flowing in the ducts can be classified into a duct flow which is not opened, The main factor is the Reynolds number, which is influenced by factors such as flow fluctuations in the flow. In general, for a circular duct, the flow starts to form a "lump" or "puff" when the Reynolds number reaches about 2,300 and it is known to begin to enter turbulence. According to the experiment of the present inventors, in the case of a duct having a flat section having a relatively wide width in one direction such as a heat exchange tube used in the radiator according to the present invention, laminar flow to turbulent flow. And, if the flow in the duct exceeds the Reynolds number of 2,100 due to the flow condition, the fully developed turbulence promotes the transfer of the momentum and energy of the flow. Especially, the increase of the convective heat transfer coefficient increases the heat radiation performance of the heat exchanger .
한편 열교환기와 같이 유동의 경로가 비교적 긴 튜브내의 유동의 경우에는 유동의 경로에 의해 발생하는 압력의 손실은 물펌프의 소모동력의 증가를 초래하여 차량연비가 저하되므로 튜브내 유동의 난류요건 못지않게 압력손실요건을 고려하지 않으면 아니 된다. 상기와 같은 압력손실은 열교환기 및 튜브의 제원에 의한 영향과 유동의 특성에 의한 영향으로 나누어 생각하여볼 수 있다. 그런데 본 발명에서와 같은 크로스 플로우 타입의 라디에이터와 같이 튜브의 단면적이 일정한 직관인 경우에는 열교환기 및 튜브의 제원에 의한 영향보다도 튜브내의 냉각수 유동이 난류가 되면 튜브의 벽면에서 표면전단응력이 증가하게 되어 압력손실의 변동을 좌우하는 요인으로 작용한다. 그러므로 냉각수 유동의 난류화를 촉진시키기 위하여 열교환기 튜브의 표면에 딤플과 같은 구성을 부가할 수도 있으나 이 경우 딤플의 존재로 인한 냉각수 측 저항이 커져 난류화에 의한 이득을 상쇄하게 되어 결과적으로 코어폭이 12~15mm의 범위를 갖는 박형 라디에이터에서 이득이 없게 될 수도 있다.On the other hand, in the case of a flow in a tube having a relatively long flow path such as a heat exchanger, the loss of pressure caused by the flow path causes an increase in consumption power of the water pump, thereby lowering the fuel efficiency of the vehicle. The pressure loss requirement must be taken into consideration. The above-mentioned pressure loss can be considered by dividing by the effect of the heat exchanger and the tube and the influence of the flow characteristics. However, when the cross-sectional area of the tube is constant, as in the cross-flow type radiator of the present invention, when the flow of cooling water in the tube becomes more turbulent than the influence of the heat exchanger and the tube, the surface shear stress increases at the wall surface of the tube And it is a factor that affects the fluctuation of the pressure loss. Therefore, in order to promote the turbulence of the cooling water flow, a dimple-like structure may be added to the surface of the heat exchanger tube. In this case, however, the resistance of the cooling water due to the presence of the dimples becomes large, This may result in no gain in a thin radiator with a range of 12 to 15 mm.
따라서 공조시스템의 효율향상을 위한 열교환기의 설계에 있어서는 열교환기 자체의 방열특성 뿐만 아니라 냉각수측 저항에 의한 물펌프의 소모동력 증가로 인한 동력원의 손실과 차량연비의 저하도 동시에 고려할 필요가 있다. Therefore, in designing the heat exchanger to improve the efficiency of the air conditioning system, it is necessary to consider not only the heat radiation characteristics of the heat exchanger itself but also the loss of the power source due to the increase of the power consumption of the water pump due to the cooling water resistance and the reduction of the fuel efficiency of the vehicle.
본 발명에서는 이와 같이 열교환기 자체의 방열특성향상을 위하여 열교환기 튜브 내를 흐르는 냉각수 유동의 난류화조건과 동시에 압력손실의 영향을 고려하여 보다 효율적인 냉각시스템을 위한 열교환기의 설계제원을 제시하고자 한다. In the present invention, in order to improve the heat dissipation characteristics of the heat exchanger itself, the present invention proposes a design specification of a heat exchanger for a more efficient cooling system considering the turbulence condition of the cooling water flowing in the heat exchanger tube and the influence of the pressure loss .
그리고 본 발명의 라디에이터는 도 2(a)(b)와 같이 열교환 튜브가 수직방향으로 배열된 다운 플로우 타입(Down flow type) 또는 도 3(a)(b)와 같이 열교환 튜브가 수평방향으로 배열된 크로스 플로우 타입(Cross flow type) 모두에 적용 가능하며 특히 튜브 내의 유속이 상대적으로 빠른 크로스 플로우 타입의 열교환기에서 보다 유리한 성능을 발휘한다.The radiator according to the present invention can be applied to a down flow type in which heat exchange tubes are arranged in a vertical direction as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), or a heat exchange tube in which heat exchange tubes are arranged in a horizontal direction The present invention is applicable to both of the cross flow type and especially to the cross flow type heat exchanger having a relatively high flow rate in the tube.
상기한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 본 발명의 라디에이터는 자체의 중량을 줄이면서도 방열성능을 향상시킴과 동시에 압력강하량을 줄일 수 있는 박형 라디에이터로서 차량의 저중량화 및 연비증가와 차량의 레이아웃(layout) 설정에 유리한 장점을 갖는다.According to the present invention, the radiator of the present invention is a thin radiator which can reduce the weight of the radiator itself and improve the heat radiation performance and reduce the amount of pressure drop, layout setting.
특히 본 발명에 따른 라디에이터는 등판모드를 포함하여 차량의 악조건 주행조건인 통상 냉각수유량 60~80리터/분의 운행영역에서 방열성능을 향상시킴과 동시에 압력강하량을 줄일 수 있는 작용효과를 갖는다.Particularly, the radiator according to the present invention has an effect of improving the heat radiation performance and reducing the amount of pressure drop in the travel region of the normal cooling water flow rate of 60 to 80 liters / minute, which is the bad running condition of the vehicle, including the back plate mode.
또한 본 발명은 라디에이터의 방열특성과 압력강하량 특성을 상호 보완하는 최적의 설계범위를 가이드라인을 제시한다는데 큰 기술적 의의를 갖는다. Further, the present invention has a great technical significance in that it provides a guideline for an optimal design range to complement the radiating characteristics and the pressure drop characteristics of the radiator.
나아가, 냉각시스템 측면에서 코어의 두께를 얇게 함으로써 동일 레이아웃에서 쿨링팬과의 간격을 더욱 이격시키는 효과를 갖게 하여 공기측 효율을 향상시킬 수 있는 작용효과를 발휘한다.Furthermore, by reducing the thickness of the core on the side of the cooling system, it is possible to provide an effect of further increasing the spacing between the cooling fan and the cooling fan in the same layout, thereby improving the efficiency on the air side.
이하 도면을 참조하여 자세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a detailed description will be given with reference to the drawings.
도 4는 기존의 라디에이터들과 본 발명에 의한 라디에이터의 방열특성 및 압력강하량 특성을 도시한 비교그래프이며, 선행기술 A와 B는 각각 기존의 2가지 종류의 라디에이터들에 대한 방열특성과 압력강하특성을 보여준다. 상기 도 4의 시험조건은 코어부를 유통하는 냉각수는 부동액과 물의 조성비가 1:1이고, 온도가 100℃이며, 유입공기의 온도는 40℃ 이며, 동일 코어의 전면 면적이 636*485인 경우의 라디에이터에 대한 것이다. 그리고 본 발명에 따른 라디에이터는 코어의 폭(Td)이 12~15 mm 이고, 코어의 높이는 300~600 mm 로 설정하였다. 이와 같이 상기 코어의 폭(Td)을 12~15 mm 로 한정한 것은 라디에이터 구성품 패키지의 최소화와 공기 측 압력강하의 저하를 이루기 위한 것이다. 그리고 핀의 두께는 0.05~0.06 mm 로 하여 라디에이터 전체 중량의 증가를 방지하면서도 방열량의 극대화를 시도하였다.4 is a comparative graph showing heat dissipation characteristics and pressure drop characteristics of conventional radiators and radiators according to the present invention. Prior arts A and B are respectively a heat dissipation characteristic and a pressure drop characteristic for two types of radiators, Lt; / RTI > 4, the cooling water flowing through the core portion has a composition ratio of antifreeze and water of 1: 1, a temperature of 100 ° C, an inlet air temperature of 40 ° C, and a front surface area of the same core of 636 * 485 It is about the radiator. In the radiator according to the present invention, the width Td of the core is set to 12 to 15 mm, and the height of the core is set to 300 to 600 mm. The reason for limiting the width Td of the core to 12 to 15 mm is to minimize the radiator component package and to reduce the air-side pressure drop. And the thickness of the pin is 0.05 ~ 0.06 mm, so that the total weight of the radiator is prevented from increasing while maximizing the amount of heat dissipation.
본 발명에 따른 라디에이터는 등판모드를 포함하여 차량의 악조건 주행조건과 실주행조건에서 냉각수유량 60~80리터/분의 운행영역을 주요구간으로 하고 이를 포함한 영역에서의 방열성능을 향상시킴과 동시에 압력강하량을 줄일 수 있는 작용효과를 갖는다. The radiator according to the present invention includes a back plate mode, which is provided with a traveling region of a cooling water flow rate of 60 to 80 liters / minute as a main section in a bad condition running condition and a traveling condition of the vehicle, and improves the heat radiation performance in a region including the traveling region, Can be reduced.
먼저 A의 기존 라디에이터의 경우에는 압력강하특성은 양호하나 냉각수유량이 60리터/분 근처에서 그래프곡선의 변곡점이 존재하는 점으로부터 천이가 시작되 고 있음을 알 수 있으며, 즉 본 발명의 관심영역인 냉각수유량 60~80리터/min 영역에서 층류에서 난류로 천이가 일어나므로 완전히 발달되지 않은 난류영역을 형성하고 있음을 알 수 있다. 따라서 이와 같이 천이영역이 냉각수유량 60리터/min 근처에 형성됨으로써 본 발명에 비하여 방열성능이 저하되는 현상을 보여준다. 이와 같이 기존의 A의 라디에이터의 방열특성이 상기 조건에서 저하되는 경향을 보여주는 이유는 튜브의 폭을 본 발명의 경우에 비해 크게 하여 많은 냉각수량을 흐르게 하였으나 그 만큼 난류로의 천이가 늦어지기 때문이다. 즉, 방열량의 경우 60~80리터/min 이외의 구간에서는 많은 냉각수량을 흐르도록 하여 본 발명과 대비하여 동등하거나 또는 그 이상이지만, 방열성능이 특히 중요한 60~80리터/min 에서는 오히려 천이영역의 존재로 인하여 방열량이 본 발명의 라디에이터보다 떨어지는 것이다. 본 발명은 이러한 종래의 라디에이터보다 얇은 폭을 유지하면서도 가혹조건의 운행영역인60~80리터/min 범위에서는 종래의 두꺼운 라디에이터에 비하여 상대적으로 우수한 성능을 발휘하게 되는 것이다.In the case of the conventional radiator of A, although the pressure drop characteristic is good, it can be seen that the transition starts from the point where the inflection point of the graph curve exists near the cooling water flow rate of 60 liters / minute. That is, It can be seen that the transition from laminar flow to turbulent flow occurs in the region of the cooling water flow rate of 60 to 80 liters / min, thus forming a completely undeveloped turbulent region. Thus, since the transition region is formed near the cooling water flow rate of 60 liters / min, the heat dissipation performance is lowered compared to the present invention. The reason why the heat dissipation characteristics of the conventional A radiator is lowered under the above conditions is because the width of the tube is made larger than that of the present invention and a large amount of cooling water is flowed, . That is, when the amount of heat radiation is 60 to 80 liters / min, the amount of cooling water flows in a range other than 60 to 80 liters / min, which is equal to or greater than that of the present invention. The radiating amount is lower than that of the radiator of the present invention. The present invention can exhibit relatively superior performance as compared with the conventional thick radiator in a range of 60 to 80 liters / min, which is a traveling range of severe conditions, while maintaining a thinner width than such a conventional radiator.
한편 B의 또 다른 기존 라디에이터의 경우에는 냉각수유량이 60리터/분 영역 이전에서 천이가 일어나 60~80리터/분 영역에서는 완전히 발달된 난류영역을 형성하고 있으므로, 절대값 수치는 떨어지지만 상대적인 방열특성은 대체적으로 양호하다는 점을 알 수 있다. 그러나 압력강하특성을 보면 여타 라디에이터에 비하여 전 유량영역에서 상대적으로 매우 높은 압력손실을 보이고 있음을 확인할 수 있다. 그리고 이와 같이 기존의 B의 라디에이터의 경우 방열특성은 비교적 양호하나 압력강하량이 상대적으로 높게 나타나는 이유는, 라디에이터를 실제 차량에 장착할 때 냉 각수측의 압력강하가 차량의 연비에 미치는 영향을 간과한 점도 있겠으나, 튜브의 내측유로(b)가 본 발명의 라디에이터보다 작게 설정되어 압력강하가 과도하게 발생한다는 점에 기인하는 것으로 보인다. On the other hand, in the case of another conventional radiator of B, since the cooling water flow is shifted before the region of 60 liters / minute and the fully developed turbulent region is formed in the region of 60 to 80 liters / minute, the absolute value is decreased, Are generally good. However, it can be seen that the pressure drop characteristic shows a relatively high pressure loss in the entire flow region as compared with other radiators. In the case of the conventional B radiator, the heat dissipation characteristic is comparatively good, but the pressure drop is relatively high because, when the radiator is mounted on the actual vehicle, the influence of the pressure drop of the cooling water on the fuel efficiency of the vehicle is overlooked However, it seems that the inner passage (b) of the tube is set to be smaller than that of the radiator of the present invention, resulting in excessive pressure drop.
이에 비하여 본 발명에 따른 라디에이터의 경우에는 냉각수유량이 60~80리터/분 영역에서 완전히 발달된 난류영역을 형성하고 있으며, 압력강하특성 역시 양호한 분포를 보여준다. 특히 여기서 중요한 점은, 본 발명에 따른 라디에이터는 냉각수유량이 40리터/분 이하인 영역에서 천이가 일어나도록 설계됨으로써 가혹조건 운행을 위한 관심영역인 냉각수유량 60~80리터/분 영역에서 완전히 발달된 난류영역을 이루도록 구성됨과 동시에 위 영역에서의 압력강하량이 150 mmHg 이하를 유지하고 있다는 점이다.On the other hand, in the case of the radiator according to the present invention, the fully developed turbulent region is formed in the range of the cooling water flow rate of 60 to 80 liters / minute, and the pressure drop characteristic is also well distributed. Particularly important here is that the radiator according to the present invention is designed so that the transition occurs in a region where the flow rate of the cooling water is 40 liters / minute or less, whereby the fully developed turbulence in the region of the cooling water flow rate of 60 to 80 liters / And the pressure drop in the upper region is maintained at 150 mmHg or lower.
도 5는 라디에이터의 튜브 및 핀의 결합모습을 확대하여 보여주는 사시도이며, b는 튜브의 내측 폭이고 Td는 튜브의 외측 높이이며 코어의 폭에 해당한다. 5 is a perspective view showing an enlarged view of the coupling of the tube and the fin of the radiator, b is the inner width of the tube, and Td is the outer height of the tube and corresponds to the width of the core.
도 6은 본 발명에서 튜브의 높이 Th가 각각 1.60mm, 1.80mm, 및 2.10mm인 경우에 대하여 핀의 높이 Fh에 따른 라디에이터의 방열량 및 압력강하의 변화를 보여주는 그래프이며, 여기서 Q 는 라디에이터의 방열량, Q0 는 엔진 냉각을 위한 라디에이터의 최소요구 방열량이다. 즉 도 6에서 좌측의 수직축은 Q/Q0 값으로 최소요구방열량 대비 방열량을 나타낸 것이고, 우측의 수직축은 튜브 내의 냉각수측의 압력강하량을 나타낸다. 이 때 그래프에서 실선은 방열량비를 가리키며, 점선은 냉각수측의 압력강하량을 가리킨다. 본 발명의 라디에이터에서 핀의 높이 Fh는 상기 도 6 의 그래프로부터 바람직한 범위를 정할 수 있다. FIG. 6 is a graph showing changes in the amount of heat radiation and pressure drop of the radiator according to the height Fh of the fin in the case where the tube heights Th are 1.60 mm, 1.80 mm, and 2.10 mm, respectively, , Q 0 Is the minimum required heat dissipation of the radiator for engine cooling. 6, the vertical axis on the left side is Q / Q 0 And the vertical axis on the right side indicates the amount of pressure drop on the cooling water side in the tube. In this case, the solid line in the graph indicates the heat release rate, and the dotted line indicates the pressure drop on the cooling water side. The height Fh of the fin in the radiator of the present invention can be set in a preferable range from the graph of FIG.
앞서 제기한 시험조건에서 차량이 등판운전 시 핀의 높이 Fh가 5.3~5.8mm의 범위를 벗어나는 경우 냉각수유동이 층류영역 또는 천이영역으로 이동할 수 있어 최적의 운행조건을 만족하는 적절한 방열량을 얻기가 어려워지며 또한 핀의 두께를 얇게 하는 경우 핀이 좌굴될 우려가 있다. If the height Fh of the pin is out of the range of 5.3 ~ 5.8mm, the cooling water flow can move to the laminar flow region or the transition region during the backing operation under the test conditions mentioned above, so that it is difficult to obtain an appropriate heat radiation amount satisfying the optimum operating condition And the pins may buckle when the thickness of the pins is reduced.
또한 핀의 높이 Fh가 5.3mm 미만에서는 적층되는 핀 및 튜브의 개수가 과다하게 많아져서 라디에이터의 중량이 크게 증가하게 되며 핀과 튜브가 공기유동에 저항으로 작용하게 된다. 설상가상으로 핀의 밀도가 높아져서 실제 차량의 운행조건에서는 이물질이 과다하게 적층되어 라디에이터를 통과하는 공기가 원활하게 유통되지 못한다는 문제점이 발생한다. 따라서 핀의 높이 Fh는 상기 요구조건과 도 6의 특성을 참조하여 방열량은 충분히 높은 값을 유지하면서도 튜브 내에서의 압력강하가 급격히 증가하지 않는 범위로서 5.3mm ≤ Fh ≤ 5.8mm 의 범위를 바람직한 영역으로 설정하였다. If the height Fh of the pin is less than 5.3 mm, the number of piled pins and tubes increases excessively, which increases the weight of the radiator, and the pin and the tube act as resistance to the air flow. The densities of the pins are increased so that the foreign substances are excessively stacked under the operating conditions of the actual vehicle and the air passing through the radiator can not be smoothly circulated. Therefore, the height Fh of the pin is in the range of 5.3 mm < Fh < RTI ID = 0.0 > ≤ 5.8 mm was set as a preferable area.
도 7은 본 발명에서 핀의 높이 Fh가 각각 5.3mm, 5.5mm, 및 5.8mm인 경우에 대하여 튜브의 높이 Th에 따른 라디에이터의 방열량 및 압력강하의 변화를 보여주는 그래프이다. 본 발명의 라디에이터에서 튜브의 높이 Th는 상기 도 7의 그래프로부터 바람직한 범위를 정할 수 있다. 즉 튜브의 높이 Th가 2.10mm 를 초과하는 경우에는 튜브 내를 유동하는 냉각수가 난류화하기 어려워서 방열량이 최소요구 방열량 미만으로 떨어지게 되며, 요구 방열량을 만족시키기 위해서는 튜브 내에 딤플과 같은 별도의 난류화 촉진수단을 형성시키는 공정이 추가되어야만 하는 문제점이 있다.7 is a graph showing changes in the amount of heat radiation and pressure drop of the radiator according to the height Th of the tube when the height Fh of the fins is 5.3 mm, 5.5 mm, and 5.8 mm, respectively, in the present invention. In the radiator of the present invention, the height Th of the tube can be set in a preferable range from the graph of FIG. That is, when the height Th of the tube exceeds 2.10 mm, the cooling water flowing in the tube is difficult to be turbulent, so that the amount of heat radiation falls below the minimum required heat radiation amount. In order to satisfy the required heat radiation amount, There is a problem that a step of forming a means must be added.
반대로 1.60mm 미만인 경우에는 튜브 내의 냉각수측의 압력강하량이 급격히 증가하여 상기 냉각수의 순환을 위하여 과도한 동력을 필요로 한다는 문제점이 발생한다. 따라서 본 발명에서 튜브의 높이 Th는 상기 요구조건과 도 6의 특성을 참조하여 방열량은 충분히 높은 값을 유지하면서도 튜브 내에서의 압력강하가 급격히 증가하지 않는 범위로서 1.60mm ≤ Th ≤ 2.10mm 의 범위가 적당하며, 보다 바람직하기로는 1.70mm ≤ Th ≤ 1.90mm 이다.On the contrary, when the diameter is less than 1.60 mm, the amount of pressure drop on the side of the cooling water in the tube increases sharply and excessive power is required for circulation of the cooling water. Therefore, in the present invention, the height Th of the tube refers to the above requirement and the characteristics of Fig. 6, and the heat radiation amount is 1.60 mm < Th ≤ 2.10 mm, and more preferably 1.70 mm ≤ Th ? 1.90 mm.
도 8은 본 발명에서 튜브의 두께 Tth에 따른 라디에이터의 방열량 및 압력강하의 변화를 보여주는 그래프이다. 본 발명의 라디에이터에서 튜브의 두께 Tth는 상기 도 8의 그래프로부터 바람직한 범위를 정할 수 있다. 즉 튜브의 두께 Tth가 두꺼워지면 라디에이터의 중량이 증가할 뿐만 아니라 튜브 내의 냉각수측 압력강하량이 크게 상승하게 되어 냉각수의 순환을 위하여 과도한 동력이 필요하게 되는 문제점이 있고, 반면에 튜브의 두께 Tth가 0.15mm 미만인 경우에는 소재가 너무 얇아지므로 제조공정에서 냉각수를 주입할 때 튜브가 변형될 우려가 매우 높고 또한 내압성에 문제가 생겨 파열되거나 또는 코어에 적층된 핀이 찌그러질 수도 있다. 이에 본 발명에서 튜브의 두께 Tth는 상기 요구조건과 도 7의 특성으로부터 방열량은 충분히 높은 값을 유지하면서도 튜브 내에서의 압력강하가 급격히 증가하지 않는 범위로서 0.15mm ≤ Tth ≤ 0.24mm 범위가 바람직하다. FIG. 8 is a graph showing changes in heat release amount and pressure drop of the radiator according to the thickness Tth of the tube in the present invention. FIG. The thickness Tth of the tube in the radiator of the present invention can be set within a preferable range from the graph of FIG. That is, when the thickness Tth of the tube is increased, the weight of the radiator is increased, and the amount of pressure drop on the cooling water side in the tube is greatly increased. Thus, excessive power is required for circulating the cooling water. On the other hand, mm, the material becomes too thin. Therefore, when the cooling water is injected in the manufacturing process, there is a high possibility that the tube is deformed. Also, there is a problem in the pressure resistance and the rupture or the pin stacked on the core may be distorted. Therefore, in the present invention, the thickness Tth of the tube is in the range of 0.15 mm < = Tth ? 0.24 mm is preferable.
본 발명은 이와 같이 방열특성 요구조건과 압력강하량 요구조건을 동시에 만족하며 나아가 라디에이터의 저중량화를 도모하는 바람직한 튜브 및 핀의 설계조건을 제시하였다. The present invention proposes a design condition of a preferable tube and a pin that simultaneously satisfy the requirements for the heat dissipation characteristics and the pressure drop requirements and further reduce the weight of the radiator.
도 1은 일반적인 차량의 냉각시스템을 나타내는 개념도이다.1 is a conceptual view showing a cooling system of a general vehicle.
도 2(a), (b)는 일반적인 열교환기인 다운 플로우 타입 라디에이터를 나타내는 사시도이다.2 (a) and 2 (b) are perspective views showing a downflow type radiator as a general heat exchanger.
도 3(a), (b)는 일반적인 열교환기인 크로스 플로우 타입 라디에이터를 나타내는 사시도이다.3 (a) and 3 (b) are perspective views showing a cross-flow type radiator as a general heat exchanger.
도 4는 본 발명에 따른 라디에이터와 종래 라디에이터의 방열특성 및 압력강하특성을 보여주는 그래프이다.4 is a graph showing heat dissipation characteristics and pressure drop characteristics of a radiator and a conventional radiator according to the present invention.
도 5는 라디에이터의 튜브 및 핀의 결합모습을 확대하여 보여주는 사시도이다.Fig. 5 is an enlarged perspective view of a tube and a pin of the radiator. Fig.
도 6은 본 발명에서 핀의 높이에 따른 라디에이터의 방열량과 압력강하의 변화를 보여주는 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing changes in heat radiation amount and pressure drop of the radiator according to the height of the fin in the present invention. FIG.
도 7은 본 발명에서 튜브의 외측 폭에 따른 라디에이터의 방열량과 압력강하의 변화를 보여주는 그래프이다.7 is a graph showing changes in the amount of heat radiation and the pressure drop of the radiator according to the outer width of the tube in the present invention.
도 8은 본 발명에서 튜브의 소재 두께에 따른 라디에이터의 방열량과 압력강하의 변화를 보여주는 그래프이다.8 is a graph showing changes in the amount of heat radiation and pressure drop of the radiator according to the thickness of the material of the tube in the present invention.
※ 주요 도면부호의 설명※ Explanation of Main Drawings
10 : 라디에이터 헤더 10: Radiator header
20 : 라디에이터의 열교환 튜브20: Heat exchanger tube of radiator
30 : 라디에이터의 핀30: Pins of the radiator
40, 50 : 탱크40, 50: tank
60 : 코어부60: core part
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