KR101764113B1 - 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 본 발명은 곡관 파이프의 제1직선부에 제2직선부의 벤딩방향으로 일정영역이 내측으로 돌출되는 돌출부를 형성함으로써 압력강하량 증가 및 데드 존 형성을 방지하며, 유량 분포를 개선하여 열교환효율을 향상할 수 있는 열교환기에 관한 것이다.

Description

열교환기{Heat Exchanger}
본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 본 발명은 곡관 파이프의 제1직선부에 제2직선부의 벤딩방향으로 일정영역이 내측으로 돌출되는 돌출부를 형성함으로써 압력강하량 증가 및 데드 존 형성을 방지하며, 유량 분포를 개선하여 열교환효율을 향상할 수 있는 열교환기에 관한 것이다.
근래 자동차 산업에 있어서 세계적으로 환경과 에너지에 대한 관심이 높아짐에 따라 연비 개선을 위한 연구가 이루어지고 있으며 다양한 소비자의 욕구를 만족시키기 위해 경량화ㆍ소형화 및 고기능화를 위한 연구개발이 꾸준히 이루어지고 있다.
특히 차량용 공조시스템에 있어서, 대개 엔진룸 내부에서 충분한 공간을 확보하기 어려운 실정이기 때문에 상기 차량용 공조시스템을 구성하는 열교환기 등의 구성은 소형이면서도 효율을 높일 수 있는 기능이 요구되고 있다.
열교환기 중 복수개의 플레이트를 이용하는 판형 열교환기는 복수개의 플레이트가 적층되어 열교환매체가 유동되는 공간을 형성하되, 상기 유동부로 열교환매체를 유입하는 입구파이프 및 배출하는 출구파이프를 포함하여 형성된다.
도 1은 상기에서 설명한 종래의 판형 열교환기의 유동 해석 그래프를 나타낸 도면이다.
이 때, 상기 판형 열교환기는 한정된 공간에 구비되므로, 상기 입구파이프 및 출구파이프는 특정 방향으로 대략 90° 각도로 벤딩된 곡관 형태를 갖는 경우가 많다.
이러한 곡관 형태를 갖는 판형 열교환기는 도 1의 확대 부분에 도시한 바와 같이 상기 곡관 형태의 입구파이프 또는 출구파이프의 벤딩된 측에 데드 존(Dead zone)이 발생되며, 이에 따라 열교환매체의 전체 흐름이 원활하지 않은 문제점이 있다.
특히, 위와 같은 데드 존이 형성되는 경우에 압력강하량이 높아지며, 열교환매체의 유량 분배성이 나빠져 전체 열교환기의 열교환성능이 저하될 수밖에 없다.
이에 따라, 소형화가 가능하며, 충분한 내구성을 갖고, 열교환매체의 전체 흐름을 원활히 하여 열교환성능을 향상할 수 있는 열교환기에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 곡관 파이프의 제1직선부에 내측으로 돌출되는 돌출부를 형성하여 압력강하량 증가를 방지하고, 데드 존 형성을 방지하며, 유량 분포를 개선하여 열교환효율을 향상할 수 있는 열교환기를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 압력강하량 및 유량 불균일도를 최소화할 수 있는 돌출부의 높이 및 형성 위치의 수치 범위를 갖는 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 열교환기(1000)는 복수개의 플레이트(100)가 적층되어 내부에 열교환매체 유로를 형성하는 복수개의 플레이트(100); 열교환매체를 유입하는 입구파이프(201) 및 배출하는 출구파이프(202)를 포함하는 열교환기(1000)에 있어서, 상기 열교환기(1000)는 상기 입구파이프(201) 또는 출구파이프(202)가 벤딩됨으로써 상기 플레이트(100)의 상측에 수직하게 형성되는 제1직선부(210)와, 상기 플레이트(100)에 평행하게 형성되는 제2직선부(230)와, 상기 제1직선부(210)와 제2직선부(230)를 연결하도록 완만하게 형성되는 곡선부(220)를 포함하여 형성되며, 상기 제1직선부(210)는 상기 제2직선부(230)의 벤딩방향으로 일정영역이 내측으로 돌출되되, 상기 제2직선부(230)의 중심선(O1)과 평행한 위치에서 최대 돌출 높이(H)를 갖는 돌출부(211)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열교환기(1000)는 상기 입구파이프(201) 또는 출구파이프(202)의 내경(D) 대비 상기 돌출부(211)의 최대 돌출 높이(H)가 0.035 내지 0.11 인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 열교환기(1000)는 상기 돌출부(211)의 형성 길이(L211) 대비 최대 돌출 높이(H)가 0.2 내지 0.4 인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 열교환기(1000)는 상기 제1직선부(210)의 길이(L1) 대비 최상측 플레이트(100)로부터 상기 돌출부(211) 중심까지 길이(L2)가 0.2 내지 0.5 인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 돌출부(211)의 형성 영역은 상기 제1직선부(210)를 상측에서 바라보았을 때, 최대 돌출 부분의 접면이 형성하는 기준선(O2) 영역 이상으로 제1직선부(210) 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
이에 따라, 본 발명의 열교환기는 곡관 파이프의 제1직선부에 내측으로 돌출되는 돌출부를 형성하여 압력강하량 증가를 방지하고, 데드 존 형성을 방지하며, 유량 분포를 개선하여 열교환효율을 향상할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 열교환기 유동 해석 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 열교환기의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 열교환기의 AA' 방향 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 열교환기의 다양한 실시예를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 열교환기의 파이프 내경 대비 돌출부의 최대 돌출 높이에 따른 압력강하량비 및 유량 불균일도비를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 열교환기의 돌출부 길이 대비 최대 돌출 높이에 따른 압력강하량비 및 유량 불균일도비를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 열교환기의 돌출부 형성 위치(제1직선부의 길이 대비 최상측 플레이트로부터 상기 돌출부 중심까지의 길이)에 따른 압력강하량비 및 유량 불균일도비를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 열교환기의 유동 해석 그래프.
이하, 상술한 바와 같은 특징을 가지는 본 발명의 열교환기(1000)를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명의 열교환기(1000)는 플레이트(100), 입구파이프(201) 및 출구파이프(202)를 포함하여 형성되며, 상기 입구파이프(201) 및 출구파이프(202) 중 하나 또는 양측에 모두 돌출부(211)가 형성된다.
상기 플레이트(100)는 내부에 열교환매체가 유동되는 유로를 형성하며, 복수개가 적층되어 적층 방향으로 복수개의 열교환매체 유로를 형성한다.
도 2에서 본 발명의 열교환기(1000)는 상기 플레이트(100)의 적층방향으로 열교환매체 유로를 연결하도록 연통홀(미도시)이 형성되며, 상기 플레이트(100)의 연통홀 형성 위치에 열교환매체가 유입되는 입구파이프(201) 및 배출되는 출구파이프(202)가 연결된다.
다양한 열교환기(1000)의 형태 및 요구 성능에 따라 상기 플레이트(100)의 내부에 이너핀 또는 상기 플레이트(100) 사이에 아우터핀이 구비될 수 있다.
이 때, 본 발명의 열교환기(100)는 상기 입구파이프(201) 및 출구파이프(202) 중 하나 또는 양측은 벤딩 형성되며, 더욱 상세하게, 상기 입구파이프(201) 및 출구파이프(202)는 상기 플레이트(100)의 상측에 수직하게 형성되는 제1직선부(210)와, 상기 플레이트(100)에 평행하게 형성되는 제2직선부(230)와, 상기 제1직선부(210)와 제2직선부(230)를 연결하도록 완만하게 형성되는 곡선부(220)를 포함하여 형성된다.
상기 열교환기(1000)는 한정된 공간을 갖는 엔진룸 내부에 장착되므로 열교환매체의 유동을 위하여 상기 입구파이프(201) 및 출구파이프(202)가 벤딩되는 경우가 많으며, 이에 따라 제1직선부(210) 영역 및 플레이트(100)의 일정 영역에 열교환매체의 흐름이 줄어드는 데드 존이 발생될 수 있다.
본 발명의 열교환기(1000)는 상기 데드 존의 형성을 최소화하기 위한 것으로서, 상기 제1직선부(210)에 돌출부(211)가 형성된다.
이 때, 상기 돌출부(211)는 상기 제2직선부(230)의 벤딩방향으로 일정영역이 내측으로 돌출되되, 상기 제2직선부(230)의 중심선(O1)과 평행한 위치에서 최대 돌출 높이(H)를 갖는다.
도 3을 참조로, 상기 돌출부(211)의 최대 돌출 높이(H)는 상기 돌출부(211)의 형성 영역 중 상기 제1직선부(210) 내측으로 최대로 오목하게 형성된 부분의 높이를 의미하는 것으로서, 상기 제2직선부(230)의 중심선(O1)과 평행한 선을 기준으로 상기 제1직선부(210)의 내면으로부터 상기 돌출부(211) 형성 두께를 포함하는 길이를 의미한다.
즉, 상기 돌출부(211)는 상기 제1직선부(210)에서 상기 입구파이프(201) 또는 출구파이프(202)의 제2직선부(230)가 벤딩되는 측에 형성된다.
도 4는 본 발명의 열교환기(1000)의 단면도로, 다양한 돌출부(211)의 형태를 나타내었다.
도 4 (a)에 도시한 예는 도 2 및 도 3에 도시한 형태의 단면을 나타낸 것으로, 상기 도 4 (a)에 도시한 예는 상기 돌출부(211)가 최대 돌출 높이를 갖는 부분의 접면을 기준선(O2)으로서, 상기 돌출부(211)가 형성된 예를 나타내었다.
이 때, 상기 기준선(O2)은 상기 돌출부(211)의 최대 돌출 부분에서 상기 제2직선부(230)의 중심선(O1)과 수직하게 형성된다.
즉, 본 발명의 열교환기(1000)는 상기 도 4 (a)에 도시한 형태가 상기 돌출부(211)의 최소 면적을 갖도록 형성된 예를 나타낸다.
더욱 상세하게, 상기 돌출부(211)는 상기 제1직선부(210)를 상측에서 바라보았을 때, 상기 최대 돌출 부분의 접면인 기준선(O2)영역 이상으로 상기 제1직선부(210) 둘레를 따라 연장 형성될 수 있다.
도 4 (b) 및 (c)는 상기 돌출부(211)가 상기 도 4 (a)에 도시한 형태보다 넓은 영역으로 형성된 예를 나타낸 것으로서, 또, 도 4 (b)는 상기 도 4 (a)에 도시한 돌출부(211) 양측이 연장되어 상기 제1직선부(210) 둘레의 반 정도 형성되되, 연장 방향 양측으로 점차 돌출 높이가 감소하는 예를 나타내었다.
또한, 상기 도 4 (c)는 상기 제1직선부(210) 둘레를 따라 전체에서 돌출부(211)의 최대 돌출 높이(H)를 갖는 예를 나타내었다.
도 4는 본 발명의 열교환기(1000)에 따른 돌출부(211)의 다양한 실시예들을 나타낸 것으로서, 상기 입구파이프(201) 또는 출구파이프(202)의 소재, 제작 환경, 및 사양 등을 고려하여 더욱 다양하게 형성될 수 있다.
보다 상세하게, 본 발명의 열교환기(1000)는 열교환효율을 높이기 위하여 상기 입구파이프(201) 또는 출구파이프(202)의 내경(D) 대비 상기 돌출부(211)의 최대 돌출 높이(H)가 0.035 내지 0.11인 것이 바람직하다.
상기 돌출부(211)의 최대 돌출 높이(H)가 증가되는 것은 상기 돌출부(211) 형성 영역에서 열교환매체 유동 공간이 줄어드는 것으로서, 내부 압력강하량 및 유량 분포에 직접적인 영향을 끼친다.
도 5는 본 발명에 따른 열교환기(1000)의 파이프 내경(D) 대비 돌출부(211)의 최대 돌출 높이(H)에 따른 압력강하량비 및 유량 불균일도비를 나타낸 그래프로, 상기 입구파이프(201) 또는 출구파이프(202)의 내경(D) 대비 상기 돌출부(211)의 최대 돌출 높이(H)가 증가됨에 따라, 압력강하량비는 감소하다가 다시 증가하는 양상을 보이는데 반해, 유량불균일도비는 점차 감소한다.
이 때, 상기 유량 불균일도는 각 플레이트(100)의 통과유량 표준편차를 나타낸다.
상기 압력강하량비 및 유량불균일도비는 모두 작은 값일수록 열교환효율을 높이는 요소로서, 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 열교환기(1000)는 상기 압력강하량비 및 유량불균일도비의 최적 값을 만족할 수 있도록 상기 입구파이프(201) 또는 출구파이프(202)의 내경(D) 대비 상기 돌출부(211)의 최대 돌출 높이(H)가 0.035 내지 0.11로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 도 6은 본 발명에 따른 열교환기(1000)의 돌출부(211) 길이(L211) 대비 최대 돌출 높이(H)에 따른 압력강하량비 및 유량 불균일도비를 나타낸 그래프로, 도 3을 참조로 상기 돌출부(211) 길이(L211)란, 상기 플레이트(100)의 적층방향(도면에서 상ㆍ하방향)으로 상기 돌출부(211)가 형성되는 길이를 의미하며, 상기 입구파이프(201) 또는 출구파이프(202)의 소재 두께를 포함한다.
도 6에서 확인된 바와 같이, 본 발명의 열교환기(1000)는 상기 돌출부(211)의 형성 길이(L211) 대비 최대 돌출 높이(H)가 0.2 내지 0.4 인 것이 바람직하다.
아울러, 도 7은 본 발명에 따른 열교환기(1000)의 돌출부(211) 형성 위치(제1직선부(210)의 길이(L1) 대비 최상측 플레이트(100)로부터 상기 돌출부(211) 중심까지 길이(L2))에 따른 압력강하량비 및 유량 불균일도비를 나타낸 그래프로, 상기 제1직선부(210)의 길이(L1)를 도 3에 표시하였다.
상기 제1직선부(210)의 길이(L1)는 상기 플레이트(100)의 적층 방향으로 상기 최상측 플레이트(100)로부터 상기 제1직선부(210)의 형성 길이를 의미한다.
도 7에서 확인된 바와 같이, 본 발명의 열교환기(1000)는 상기 제1직선부(210)의 길이(L1) 대비 최상측 플레이트(100)로부터 상기 돌출부(211) 중심까지 길이(L2)가 0.2 내지 0.5 인 것이 바람직하다.
본 발명의 열교환기(1000)는 입구파이프(201) 또는 출구파이프(202)의 제1직선부(210)에 돌출부(211)를 형성하는 간단한 구성을 통해 데드 존 형성 영역을 줄일 수 있으며, 돌출부(211)의 최대 돌출 높이(H), 형성 위치, 및 형태 등의 구체적 수치 범위를 제시함으로써 압력강하량을 최소화하고 유량 균일도를 향상하여 전체 열교환효율을 향상할 수 있는 장점이 있다.
도 8은 본 발명에 따른 열교환기(1000)의 유량 해석 그래프로서, 도 1에 도시한 형태와 동일하되, 위에서 설명한 수치범위를 만족하며 도 2 내지 도 4(a)에 도시한 형태의 돌출부(211)가 형성된 열교환기(1000)를 나타내었다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 열교환기(1000)는 종래 도 1에 도시한 돌출부(211)가 없는 종래 형태에 비하여 데드 존 영역이 감소되고 유량 균일도가 높아짐을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 열교환기
100 : 플레이트
201 : 입구파이프 202 : 출구파이프
210 : 제1직선부 211 : 돌출부
220 : 곡선부
230 : 제2직선부
D　:　내경
L1 : 제1직선부의 길이
L2 : 최상측 플레이트로부터 상기 돌출부 중심까지 길이
L211 : 돌출부 길이
H : 돌출부의 최대 돌출 높이
O1 : 제2직선부의 중심선
O2 : 기준선

Claims (5)

  1. 복수개의 플레이트(100)가 적층되어 내부에 열교환매체 유로를 형성하는 복수개의 플레이트(100); 열교환매체를 유입하는 입구파이프(201) 및 배출하는 출구파이프(202)를 포함하는 열교환기(1000)에 있어서,
    상기 열교환기(1000)는
    상기 입구파이프(201) 또는 출구파이프(202)가 벤딩됨으로써 상기 플레이트(100)의 상측에 수직하게 형성되는 제1직선부(210)와, 상기 플레이트(100)에 평행하게 형성되는 제2직선부(230)와, 상기 제1직선부(210)와 제2직선부(230)를 연결하도록 완만하게 형성되는 곡선부(220)를 포함하여 형성되며,
    상기 제1직선부(210)는 상기 제2직선부(230)의 벤딩방향으로 일정영역이 내측으로 돌출되되, 상기 제2직선부(230)의 중심선(O1)과 평행한 방향으로 상기 제1직선부(210)의 내면으로부터 돌출된 최대 돌출 높이(H)를 갖는 돌출부(211)가 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기(1000)는 상기 입구파이프(201) 또는 출구파이프(202)의 내경(D) 대비 상기 돌출부(211)의 최대 돌출 높이(H)가 0.035 내지 0.11 인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기(1000)는 입구파이프(201) 또는 출구파이프(202)의 소재 두께를 포함하여 상기 제1직선부(210)의 길이방향으로 형성된 상기 돌출부(211)의 형성 길이(L211) 대비 최대 돌출 높이(H)가 0.2 내지 0.4 인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기(1000)는 상기 제1직선부(210)의 길이(L1) 대비 최상측 플레이트(100)로부터 입구파이프(201) 또는 출구파이프(202)의 소재 두께를 포함하여 상기 제1직선부(210)의 길이방향으로 형성된 상기 돌출부(211)의 형성 길이(L211)의 중심까지 길이(L2)가 0.2 내지 0.5 인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
    상기 돌출부(211)의 형성 영역은 상기 제1직선부(210)를 상측에서 바라보았을 때, 최대 돌출 부분의 접면이 형성하는 기준선(O2) 영역 이상으로 제1직선부(210) 둘레를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
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