KR101436999B1

KR101436999B1 - 열교환기

Info

Publication number: KR101436999B1
Application number: KR1020070103325A
Authority: KR
Inventors: 임홍영; 전영하; 오광헌
Original assignee: 한라비스테온공조 주식회사
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2014-09-02
Also published as: KR20090038054A

Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 루버 각도, 루버 피치 및 핀 피치의 관계가 최적화됨으로써 경계층 발달을 억제하여 열교환효율을 높이는 열교환기를 제공함에 있다.

본 발명에 의한 열교환기는, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와; 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과; 상기 튜브(20)의 양측 단부에 결합되어 열교환매체가 유통하는 한 쌍의 헤더탱크(10);를 포함하여 이루어지는 열교환기의 핀(30)에 있어서, 상기 핀(30)에는 상기 핀(30)의 폭 방향으로 평행하며 높이 방향으로 소정 각도 경사지게 구비되어 공기를 통과시키는 다수 개의 루버(31)가 형성되되, 상기 루버(31)는 일 층의 루버(31)들 사이를 통과하여 나온 공기의 흐름이 인접한 다른 층의 루버(31)에 의하여 분기되도록, 상기 인접한 다른 층의 루버(31)를 따라 연장한 선이 상기 일 층의 루버(31)들의 중점 근방에 위치되게 배치되는 것을 특징으로 한다.

열교환기, 핀, 루버, 경계층, 대류 열전달

Description

열교환기 {An Heat Exchanger}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 루버의 위치를 최적화함으로써 열교환성능을 향상시키는 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 열교환 시스템을 제조하기 위한 노력이 있어 왔다.

한편, 통상적으로 열교환 시스템은 주변으로부터 열을 흡수하는 증발기, 냉매를 압축하는 압축기, 주변으로 열을 방출하는 응축기, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브로 구성된다. 냉각 시스템에서는, 상기 증발기로부터 압축기로 유입되는 기체 상태의 냉매는 압축기에서 고온 및 고압으로 압축되고, 상기 압축된 기체 상태의 냉 매가 응축기를 통과하면서 액화되는 과정에서 주변으로 액화열이 방출되며, 상기 액화된 냉매가 다시 팽창밸브를 통과함으로써 저온 및 저압의 습포화 증기 상태가 된 후 다시 증발기로 유입되어 기화하며 주변으로부터 기화열을 흡수함으로써 주변 공기를 냉각하고, 이로써 하나의 냉각 사이클이 이루어진다.

이러한 냉각 시스템에 사용되는 응축기, 증발기 등이 대표적인 열교환기로서, 열교환기 외부의 공기와 열교환기 내부의 열교환매체, 즉 냉매 사이에 보다 효과적으로 열교환을 일으키기 위한 많은 연구가 꾸준히 이루어져 오고 있다. 도 1은 일반적인 열교환기의 사시도로서, 도시된 바와 같이 열교환기는 내부에 열교환매체가 유동하며, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와; 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과; 상기 튜브(20)의 양측 단부에 결합되어 열교환매체가 유통하는 한 쌍의 헤더탱크(10)를 포함하여 이루어진다.

이와 같은 구조의 열교환기는 튜브의 열 수, 냉매의 흐름 방향, 탱크의 위치 등에 따라 다양한 종류가 있으며, 물론 비단 냉각 시스템 뿐만 아니라 히터, 라디에이터 등에도 활용되고 있다. 라디에이터(radiator)는 내연기관에서 발생한 열의 일부를 냉각수를 통해서 대기 속으로 방출하는 장치로서, 내연기관 둘레에 재킷을 구비하고 재킷 내부로 냉각수를 흘려보내어 내연기관에서 발생하는 열을 흡수한 후, 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수는 바로 라디에이터를 통과하면서 냉각되게 된다. 또한, 냉각 시스템을 전위시킨 것이 열펌프 시스템으로, 열펌프 시스템에서는 히터(heater)에서 열교환매체와 열교환하여 따뜻해진 공기를 차량 내부로 불어넣게 된다.

이와 같은 열교환기에서, 상기 핀에서의 열전달을 향상시키기 위하여 루버(louver)가 형성되는 경우가 많이 있다. 보다 상세하게 설명하자면, 루버 사이에 통과하는 공기와 핀 사이의 열전달을 향상시키고자 핀에서 열교환이 일어나는 면 상에 루버를 형성하여, 공기의 흐름에 난류를 발생시킴으로써 열전달을 보다 향상시키도록 한다. 도 2는 다양한 핀들의 단면도를 도시하고 있는데, 도 2(A)는 이와 같은 루버가 형성되지 않은 일반적인 핀의 단면도이며, 도 2(B)는 루버가 형성된 핀의 단면도이다. 도시된 바와 같이 루버가 형성되지 않은 핀이나 또는 형성된 핀 모두 열교환이 일어나는 표면적 자체는 동일하지만, 도 2(B)에 도시된 루버 핀의 경우 루버를 통하여 공기가 빠져나갈 수 있게 형성됨으로써 공기의 흐름에 난류가 발생되기 때문에 루버가 없는 핀에서보다 열전달효율이 훨씬 높아질 수 있게 된다.

핀과 공기 사이의 열교환은 대류 열전달에 의하여 일어나는데, 대류 열전달의 경우 층류 유동(laminar flow)에서보다는 난류 유동(turbulence flow)일 때 훨씬 열전달이 잘 일어난다는 사실은 잘 알려져 있다. 보다 상세히 설명하면, 일반적으로 유체와 고체가 만나서 흐름이 시작되는 부분에는 도 3과 같이 경계층(boundary layer)이 형성된다. 유체가 고체와 만나는 부분, 즉 고체의 표면에서는 유체의 유동 속도는 항상 0이 되며, 고체 표면에서부터 수직 방향으로 올라갈수록 유동 속도의 기울기가 점점 증가하게 되고, 이론적으로 고체 표면에서 수직 방 향으로 무한대 떨어진 위치에서는 고체가 없을 때의 유동 속도(U)로 유체가 유동하게 된다. 이 때, 도 3에 도시된 바와 같이 고체 표면으로부터 수직 방향으로 올라가면서 원래의 유동 속도(U)에 거의 가까워진 지점들을 이은 것이 경계층이다.

이러한 경계층 내부에서는 대류보다는 확산, 즉 유체의 전도에 의하여 열전달이 일어나게 되는데, 유체에 있어서 대류에 의한 열전달이 전도에 의한 열전달보다 훨씬 잘 일어나기 때문에, 열전달 효율을 높이기 위해서는 이와 같은 경계층의 형성을 억제해야만 한다. 루버 핀은 바로 이러한 경계층의 형성을 방지하기 위하여 구비시키는 구조인 것이다.

그런데, 이와 같은 루버 핀이라 해도 루버의 설계에 따라 충분한 효율을 낼 수 없는 경우가 있다. 도 4는 종래의 루버 핀의 단면도로서, 종래의 루버가 형성된 핀(30)을 통과하는 공기의 흐름을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 상하의 루버(31)가 마치 덕트 채널 형상과 같이 구성되는 경우, 유동에 난류를 충분히 발생시키지 못하고 따라서 경계층 발달을 충분히 억제시키지 못하게 될 수 있는 것을 알 수 있다. 따라서 단지 핀(30)에 루버(31)를 형성하는 것만으로는 충분히 열교환효율을 증가시킬 수 없으며, 열교환효율의 증가 효과를 실제로 얻기 위해서는 루버의 구조를 최적화해야 한다는 요구가 당업자들 사이에 꾸준히 있어 왔다.

일본특허공개 제2003-214790호(이하 선행기술)에서 루버의 구조를 최적화한 기술을 개시하고 있다. 그런데, 상기 선행기술에서는 핀 피치 3mm 이하, 루버 피치 0.86mm 이상 등과 같이 고정된 치수를 제시하고 있어, 핀 사양이 변화되는 경우 적용하기 어려울 뿐만 아니라, 본 발명에서와는 달리 상기 선행기술에서는 핀에 형성 되는 응축수가 모여서 흘러내리기가 용이해지도록, 응축수가 흩어지는 것을 방지하기 위한 루버 구조를 제시하고 있어, 경계층 발달 억제를 위한 루버 구조의 최적화 조건은 전혀 제시하지는 못하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 루버 각도, 루버 피치 및 핀 피치의 관계가 최적화됨으로써 경계층 발달을 억제하여 열교환효율을 높이는 열교환기를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기는, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와; 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과; 상기 튜브(20)의 양측 단부에 결합되어 열교환매체가 유통하는 한 쌍의 헤더탱크(10);를 포함하여 이루어지는 열교환기에 있어서, 상기 핀(30)에는 상기 핀(30)의 폭 방향으로 평행하며 높이 방향으로 소정 각도 경사지게 구비되어 공기를 통과시키는 다수 개의 루버(31)가 형성되되, 상기 루버(31)는 일 층의 루버(31)들 사이를 통과하여 나온 공기의 흐름이 인접한 다른 층의 루버(31)에 의하여 분기되도록, 상기 인접한 다른 층의 루버(31)를 따라 연장한 선이 상기 일 층의 루버(31)들과 어긋나게 배치되는 것, 보다 구체적으로는, 상기 인접한 다른 층의 루버(31)를 따라 그은 연장선이 상기 일 층과 만나는 지점(Q)이 상기 일 층의 루버(31)들 사이의 중점이 되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 루버(31)는 하기의 관계식을 만족시키되, 하기 허용 범위(

) 값은 10%인 것을 특징으로 한다.

(F_p는 핀 피치, L_p는 루버 피치, L_a는 루버 각도, min(A, B, …, C)는 A, B, …, C 중에서 가장 작은 값,

는 허용 범위)

본 발명에 의하면, 루버가 형성되는 핀에 있어서, 루버 각도, 루버 피치 및 핀 피치의 관계를 최적화함으로써 루버를 통과하여 흐르는 공기의 유동에 있어서 경계층의 발달을 크게 억제하는 효과가 있으며, 이에 따라 일반적인 루버 핀에서의 열교환효율과 비교하여 본 발명의 최적화 조건에 의하여 설계된 루버 핀에서 훨씬 높은 열교환효율을 얻을 수 있게 되는 큰 효과가 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의한 루버 핀이 증발기에 적용되는 경우, 핀에 형성되는 응축수의 액막 두께가 최소화되어 배수성이 향상되는 효과 또한 있다.

또한, 본 발명에 의하면 루버 각도, 루버 피치 및 핀 피치의 값을 고정하여 설계하는 것이 아니라 이들 변수들 간의 관계를 사용하여 최적화하고 있기 때문에, 핀의 사양이 변화하는 경우에도 손쉽게 루버의 구조를 설계할 수 있어 설계의 용이성을 도모하게 되는 큰 효과가 있다.

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

도 5는 본 발명에 의한 루버 핀의 단면도이다. 본 발명에 의한 루버 핀(30)은, 어떤 루버(31)의 연장선이 다음 층의 루버(31)들 사이 중앙 부위에 위치하도록 설계되어 있다. 보다 상세히 설명하면, 핀(30)의 A층(30a)에 형성된 루버A(31a)의 연장선은, 상기 핀(30)의 B층(30b)에 형성된 루버B(31b) 및 루버C(31c)의 중앙 지점을 통과한다. 따라서, 상기 핀(30)의 B층(30b)에 형성된 상기 루버B(31b) 및 상기 루버C(31c)를 통과하여 나온 공기의 흐름은, 상기 핀(30)의 A층(30a)에서 상기 루버A(31a)에 의해 갈라져 흘러가게 된다. 도 4에 도시된 종래의 루버 구조에서는 공기의 경계층의 영향으로 열교환효율이 낮아지게 되는 문제점이 있었으나, 도 5에 도시된 본 발명의 루버 구조에 의하면 앞선 층에 위치한 루버에서 형성된 공기의 경계층을 효과적으로 파괴할 수 있게 되며, 이에 따라 열전달효율이 크게 증가할 수 있게 된다. 뿐만 아니라, 증발기의 경우 핀(30)에 맺혀 고이게 되는 응축수로 인하여 루버(31) 표면에 형성되는 액막이 효과적으로 제거될 수 있게 됨으로써, 배수성에도 큰 효과가 있게 된다.

도 6은 핀의 설계 변수를 도시하고 있다. 먼저 도 6(A)에는 루버(31)가 형성된 핀(30)의 단면도가 도시되어 있다. 상기 핀(30)은 도시된 바와 같이 각 층이 서 로 평행하게 배치되는 형태로 형성되며, 인접한 두 개의 층으로부터의 거리가 같은 점을 연결한 선을 중심선이라 할 때, 인접한 두 개의 중심선 간의 거리를 핀 피치(즉 핀 간 거리, F_p)라 한다. 도 6(B)에는 루버(31)가 형성된 핀(30)의 한 층을 보다 상세히 도시하고 있다. 인접한 두 개의 루버(31)의 일측 단부 간의 거리를 루버 피치(즉 루버 간 거리, L_p)라 하고, 핀(30)과 루버(31)가 이루는 각도를 루버 각도(L_a)라 한다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 루버(31)가 형성되는 위치가 동일하다 해도 루버 각도(L_a)에 따라 공기의 흐름이 달라질 수 있으며, 또한 루버 각도(L_a)가 동일하다 하더라도 루버 피치(L_p)에 따라 역시 공기의 흐름이 달라질 수 있다. 뿐만 아니라 어떤 핀 피치(F_p)에서는 경계층을 효과적으로 파괴하도록 하는 루버 피치(L_p) 및 루버 각도(L_a)라 해도 핀 피치(F_p)가 달라지면 경계층 파괴 효과가 줄어들 수도 있다. 따라서, 상기 루버 각도(L_a), 루버 피치(L_p) 및 핀 피치(F_p)의 세 가지 설계 변수를 모두 고려하여야만 상기 루버(31)의 설계 조건을 최적화할 수 있다.

도 7은 핀 설계 변수와 방열량비 사이의 관계 그래프이며, 도 8은 핀 설계 변수와 압력강하비 사이의 관계 그래프이다. 핀 피치, 즉 F_p의 단위는 mm이며, 루버 각도, 즉 L_a의 단위는

이다. 일반적으로 핀 피치를 나타내는 단위로서 FPDM도 많 이 사용되며, FPDM의 단위는 fin/decimeter, 즉 10cm에 들어가는 핀의 개수이고, F_p와의 관계는 다음과 같다.

범례에 표시된 바와 같이, 도 7 및 도 8은 다양한 핀 피치(F_p) 및 루버 피치(L_p)에 대하여 루버 각도(L_a)를 변화시켜가면서 측정한 값을 그래프로 표시하고 있다. 도 7 및 도 8을 보면, 핀 피치(F_p), 루버 피치(L_p), 루버 각도(L_a) 즉 설계 변수의 값에 따라 방열량비와 공기 측 압력강하비가 변화하는 것을 알 수 있다. 이 때, 방열량비가 최대가 되면서 공기 측 압력강하비가 낮은 범위를 찾을 수 있는데, 도 7 및 도 8에서 점선으로 표시한 선의 바깥쪽 부분이 이에 해당한다. 점선으로 표시된 선은 대략적으로 그래프의 변곡점에 해당하는 부분이다.

도 7 및 도 8에 (핀 피치(F_p), 루버 피치(L_p))가 각각 (95, 1.05), (90, 1.05), (80, 1.1)인 경우의 데이터들을 강조하여 도시하였으며, 점선으로 표시한 선의 경계값 중 일부를 하기의 표 1에 정리하였다.

F_p	L_p	L_a
1.05	1.05	22	34
1.11	1.05	23	35
1.25	1.1	24.5	37

따라서 본 발명에서는 상기 도 7, 도 8 및 표 1에 표시된 경계값들을 규정할 수 있는 설계 변수들 간의 관계를 찾고자 한다. 먼저,

및

를 하기의 수학식 1과 같이 정의한다.

상기 수학식 1에서, F_p는 핀 피치, L_p는 루버 피치이며, 두 설계 변수의 단위는 모두 mm이다. 상기 수학식 1에서

은 F_p/tan(L_a)를 L_p로 나눈 나머지이며, min 연산자는 min(A, B, …, C)가 [A, B, …, C 중에 가장 작은 값]으로 정의되는 연산자로서, 상기 수학식 1에서

는

과 L_p에서

을 뺀 나머지 중에서 더 작은 값이 된다.

상기

및

의 물리적 의미는 도 9에 도시된 바와 같다. 즉

은, 임의의 층의 루버의 중심으로부터 인접한 층으로 수직선을 내렸을 때 상기 인접한 층과 만나는 지점(이 지점은 물론 상기 인접한 층의 루버 중심이 된다)을 P라 하고, 상기 임의의 층의 루버를 따라 그은 연장선이 상기 인접한 층과 만나는 지점을 Q라 할 때, PQ 내에 들어오는 루버 피치(L_p)만큼을 제외하고 남은 길이가 된다. 또한,

는 루버 피치(L_p)에서 상기

값을 뺀 길이와 상기

중에서 더 작은 값이 된다. 도 9는 상기

및

의 물리적 의미를 보다 잘 나타내기 위하여, 동일한 핀 피치(F_p) 및 루버 피치(L_p)를 가지되 루버 각도(L_a)만을 달리한 두 예시를 도시하였다. 도 9(A)에서는

은 F_p/tan(L_a)와 동일한 값을 가지며, 도 9(B)의 경우에는

의 값은 F_p/tan(L_a)에서 1 루버 피치(L_p)를 뺀 값이 된다.

이와 같이

를 정의하였을 때, 상기 Q점(즉 임의의 층의 루버를 따라 그은 연장선이 인접한 층과 만나는 지점)이 루버들 사이의 중점이 되는 것이 가장 바람직하며, 이 경우 루버 피치(L_p)가

의 두 배가 된다. 이를 수식으로 표현하면 하기의 수학식 2와 같다.

상기 수학식 2는 루버 피치(L_p)가 대략

의 두 배가 된다는 조건을 수식으로 표현한 것으로, 이를 보다 명확한 조건으로 표현하면 다음과 같다.

상기 식에서

는 오차 값으로서,

와 허용 범위(

)를 곱한 값으로 나타난다. 허용 범위(

)는 열교환기의 성능이 최대화되는 범위를 한정한 것으로, 제작공차 및 도면공차를 고려하면 10%가 된다.

상기 수학식 3에서는 루버 피치(L_p)가

의 두 배가 되도록, 즉 Q점이 루버들 사이의 중점이 되도록 하였으나, 물론 반드시 루버 피치(L_p)가

의 두 배가 되 어야만 하는 것은 아니다.

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.

도 1은 일반적인 열교환기의 사시도.

도 2는 일반 핀 및 루버 핀의 단면도.

도 3은 경계층의 개념 설명.

도 4는 종래의 루버 핀의 단면도.

도 5는 본 발명의 루버 핀의 단면도.

도 6은 핀 설계 변수.

도 7은 핀 설계 변수와 방열량비 사이의 관계 그래프.

도 8은 핀 설계 변수와 압력강하비 사이의 관계 그래프.

도 9는 핀 설계 변수들 간의 관계.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

10: 헤더탱크 20: 튜브

30: 핀 31: 루버

Claims

공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와; 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과; 상기 튜브(20)의 양측 단부에 결합되어 열교환매체가 유통하는 한 쌍의 헤더탱크(10);를 포함하여 이루어지는 열교환기에 있어서,

상기 핀(30)에는 상기 핀(30)의 폭 방향으로 평행하며 높이 방향으로 소정 각도 경사지게 구비되어 공기를 통과시키는 다수 개의 루버(31)가 형성되되, 상기 루버(31)는

일 층의 루버(31)들 사이를 통과하여 나온 공기의 흐름이 인접한 다른 층의 루버(31)에 의하여 분기되도록, 상기 인접한 다른 층의 루버(31)를 따라 그은 연장선이 상기 일 층과 만나는 지점(Q)이 상기 일 층의 루버(31)들 사이의 중점이 되며,

상기 루버(31)는 하기의 관계식을 만족시키되, 하기 허용 범위(
) 값은 10%인 것을 특징으로 하는 열교환기.

(F_p는 핀 피치, L_p는 루버 피치, L_a는 루버 각도, min(A, B, …, C)는 A, B, …, C 중에서 가장 작은 값,
는 허용 범위)
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