KR20020065840A - 열 교환기 - Google Patents

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KR20020065840A
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로저스씨.제임스
그로맨크레이그
로빈슨에드워드
미엘케리차드
와틀렛조나단피.
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Abstract

둥근 튜브 판 핀 열 교환기에서 발견된 열 교환 비효율성이 제1 및 제2 헤더(20, 22)와 상기 헤더(20, 22) 사이에서 연장되는 적어도 하나의 평평한 튜브(24, 70)를 포함하는 알루미늄 열 교환기에서 제거된다. 복수의 일반적으로 평행한 튜브 런이 형성되고, 각각은 대향 에지를 갖는다. 복수의 판 핀(26, 50)은 스택으로 배열되고, 각각은 복수의 개방 단부 슬롯(34)을 갖는데 각각의 튜브 런(24, 70)에 대해 한 슬롯씩 갖는다. 각각의 튜브 런(24, 70)은 대응 슬롯(34) 내에 포개어지고, 튜브 런의 에지(40) 하나를 갖는 핀(26, 50)은 대응 핀(26)으로부터 외향으로 연장된다. 조립체는 함께 브레이즈된다.

Description

열 교환기 {HEAT EXCHANGER}
발명의 분야
본 발명은 열 교환기에 관한 것으로서, 특히 브레이즈된 알루미늄 판 핀 열 교환기에 관한 것이다.
발명의 배경
높은 애스펙트비(aspect ratio)(폭 대 높이의 비)를 가진 열 교환기에 있어서, 비용을 최소화하기 위해서 튜브 런(tube run)을 일반적으로 수평인 평면 내에 위치시키는 것이 종종 필요하다. 그러한 열 교환기의 대표적인 것이 오프-하이웨이(off-highway) 차량의 공기조화 시스템, 레크리에이션(recreational) 차량용 공기조화 시스템, 및 트럭 냉동 시스템에서 발견될 수 있는 기화기(evaporator)및 응축기(condenser)이다. 특히 기화기로서 사용될 때, 수평 튜브 배치와 결합된 종래의 뱀형 루버가 형성된 핀은 핀들 사이에 물을 가두는 것으로 인해 물 배수의 문제를 제공한다. 즉, 공기 흐름을 막고 효율을 상당히 방해할 결빙을 막기 위해서 열 교환기 상에 응축되는 습기를 배수하는 설비를 만드는 것이 기화기 응용에 필요하다.
이러한 고려 및 기타 다른 고려의 결과로서, 종래 높은 애스팩트비의 기화기 및 다른 열 교환기가 둥근 튜브 판 핀 기술을 사용하여 생산되었다. 물이 핀 아래로, 튜브 주위로 또한 열 교환기의 바닥을 통해서 밖으로 배수되도록 허용하기 위해서 튜브는 수평으로 하였고 판 핀은 수직으로 향하였다. 그러나, 브레이즈된(brazed) 병렬 흐름형 열 교환기와 비교할 때, 둥근 튜브 판 핀 열 교환기의 성능은 세가지 중요한 면에서 단점을 갖는다.
첫째, 둥근 튜브는 실질적으로 공기가 통과하는 열 교환기의 전방 영역을 차단한다. 그 결과, 불량한 공기 측 열 전달이 발생한다.
두 번째 문제점은 그러한 열 교환기에 종래 사용된 튜브와 판 핀 사이의 기계식 결합이 튜브와 핀 사이의 밀접하고 양호한 열 교환 접촉을 신뢰성 있게 제공할 수 없으며, 그 결과, 불량한 핀-튜브 결합이 종종 열 전달을 감소시킨다는 것이다.
세 번째 문제는 둥근 튜브의 사용은 상대적으로 큰 핀 높이(핀 높이가 2개의 인접한 튜브의 중심선들 사이의 핀의 길이이다)를 요구한다는 것이다. 이러한 큰 유효 핀 높이는 불량한 핀 효율을 발생시킨다.
열 교환기에서 가끔 발생하는 또 다른 문제는 일반적으로 바람직하지 않게 낮은 공기 측 면적이다. 충분한 면적의 부족은 푸우리에 법칙을 간단히 검토해보면 쉽게 알 수 있듯이 공기 측에서의 열 전달을 방해한다. 따라서, 핀 높이를 불량한 핀 효율이 발생하는 점까지 증가시키지 않고도 공기 측 표면 면적을 증가시키는 것이 바람직하다.
본 발명은 위의 문제들 중에서 하나 이상을 극복하는 것이다.
본 발명의 한가지 중요한 과제는 브레이징 공정 동안에 고정을 위한 요구사항을 제거하는 열 교환기를 제조하는 신규의 개량된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 중요한 과제는 수평 튜브 런을 가진 열 교환기에 수직으로 배열된 판 핀을 사용하는 신규의 개량된 열 교환기를 제공하는 것이며, 특히, 튜브와 핀 사이의 경계에서 불량한 열 전달을 회피하기 위해 튜브와 판 핀 사이에 우수한 접착이 제공된 열 교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 세 번째 중요한 과제는 열 교환기의 공기 측의 열 전달의 효율을 개량하기 위해서 바람직하지 않게 핀 높이를 증가시키지 않고도 공기 측 면적을 최대화하는 판 핀을 사용하는 신규의 개량된 열 교환기를 제공하는 것이다.
위에서 언급된 제1 중요한 과제를 달성하는 본 발명의 예시된 실시예는
(가) 대폭과 소폭을 가진 평평한 열 교환기 튜브의 복수의 일반적으로 평행한 튜브 런을 제공하는 단계, 및
(나) 튜브 런의 수효와 대략 같은 복수의 튜브 슬롯을 각각 가지며, 각각의슬롯은 관련된 핀의 에지로 개방되며,
(i) 상기 슬롯 내에 수용되는 튜브 런의 단면 형상에 대응하는 형상,
(ii) 상기 슬롯 내에 수용되는 튜브 런의 대폭보다 작은 깊이, 및
(iii) 상기 슬롯 내에 수용되는 튜브 런의 소폭과 같거나 약간 작은 폭
을 갖는 복수의 판 핀을 제공하는 단계
를 가진 열 교환기 제조 방법을 포함한다.
상기 방법은
(다) 각각의 튜브 런의 에지가 튜브 런이 수용되는 슬롯으로부터 일정 거리 연장되도록 각각의 핀 내의 대응 슬롯 내에 튜브 런을 꼭 맞게 장착하는 단계,
(라) 상기 단계 (다)로부터 발생하는 조립체를 상기 튜브 런 에지가 지지 표면과 접촉하고 상기 판 핀이 상기 튜브 런 위로 연장되는 상태에서 상기 지지 표면 상에 위치시키는 단계, 및
(마) 상기 조립체가 상기 지지 표면 상에 있는 동안에 또한 상기 핀과 상기 튜브 런을 조립된 관계로 유지하는 브레이징 고정구조가 없는 상태에서 상기 핀을 상기 튜브 런에 브레이징하기에 충분한 온도 하에 상기 조립체를 두는 단계
를 포함한다.
한 실시예에 있어서, 상기 튜브 런은 뱀형의 튜브의 직선 부분에 의해 한정되고, 본 발명의 다른 실시예에서 상기 튜브 런은 각각 튜빙의 직선 조각에 의해 한정된다.
본 발명의 한 실시예에서, 상기 튜브 런의 단면은 눈물 방울 형상이고, 다른실시예에서 상기 튜브 런의 단면은 타원형이다.
위에서 설명된 제2 중요한 과제에 따라서, 제1 및 제2 헤더들, 및 상기 헤더들 사이에 연장되며 상기 헤더들과 유체 연통하고, 서로 이격된 관계로 복수의 일반적으로 평행한 튜브 런을 한정하는 적어도 하나의 평평한 튜브를 포함하는 알루미늄 열 교환기가 제공되었다. 각각의 상기 튜브 런은 튜브 대폭을 한정하는 대향 에지들과 튜브 소폭을 한정하는 상호연결 측벽들과 복수의 내부 포트들을 갖는다. 복수의 판 핀은 스택 내에 배열되고, 각각의 판 핀은 각각의 튜브 런에 대해 하나씩 복수의 개방 단부 튜브 런 수용 슬롯을 갖는다. 각각의 슬롯은 슬롯 내에 수용되는 튜브 런의 단면의 형상에 일반적으로 대응되는 형상과, 상기 대응 튜브 런의 소폭과 같거나 약간 작은 폭과, 상기 대응 튜브 런의 대폭보다 약간 작은 깊이를 갖는다. 각각의 상기 튜브 런은 상기 핀 내의 대응 슬롯 내에 포개어지며, 각각의 튜브 런의 상기 에지들 중의 하나는 상기 대응 핀의 외향으로 위치된다. 상기 헤더들, 상기 튜브 런들 및 상기 핀들은 브레이즈된 조립체를 구성한다.
한 실시예에 있어서, 상기 판 핀은 기다랗고, 상기 슬롯은 상기 판 핀의 한 연장된 에지로 개방된다. 상기 판 핀의 다른 기다란 에지는 상기 슬롯에 의해 차단되지 않는다.
한 실시예에 있어서, 보강 비드는 상기 다른 기다란 에지와 상기 슬롯 사이에 위치된다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 판 핀은 기다랗고, 상기 슬롯은 상기 판 핀의 연장된 에지들 둘 다로 개방된다.
그러한 한 실시예에 있어서, 상기 기다란 에지들 중의 한 에지로 개방된 상기 슬롯은 상기 다른 에지로 개방된 상기 슬롯과 정렬된다.
한 실시예에 있어서, 상기 튜브 런은 U-형 튜브의 다리들에 의해 한정되고, 각각의 U-형 튜브의 상기 다리들 중의 하나는 상기 판 핀의 한 연장된 에지로 개방되는 슬롯 내에 배치되고, 상기 다른 다리는 상기 판 핀의 상기 다른 기다란 에지로 개방되는 슬롯 내에 배치된다.
그러한 실시예에 있어서, 상기 U-형 튜브들 중의 각각의 튜브의 상기 다리들 중의 각각의 다리는 대응 U-형 튜브의 만곡부에 바로 인접하여 90o의 뒤틀림부를 포함하는 것이 양호하다.
상기 설명된 제3 과제에 따라서, 평평한 다중 포트 튜빙으로 형성된 복수의 일반적으로 평행한 튜브 런, 및 적층된 관계로 있으며 상기 튜브 런들을 수용하기에 충분한 이격된 개구들을 가진 복수의 판 핀을 포함하는 열 교환기 코어가 제공되었다. 상기 튜브 런은 상기 개구에 배치되며 상기 개구 주위의 상기 판 핀에 브레이즈된 대폭을 갖고, 상기 개구들 사이의 상기 판 핀의 부분은 상기 대폭에 대하여 일반적으로 횡방향으로 활형이어서 인접 개구들 사이의 간격을 증가시킬 필요 없이 개구들 사이의 핀의 표면적을 증가시킨다.
한 실시예에 있어서, 상기 판 핀 내의 개구는 핀의 한 에지로부터 핀으로 연장된다.
다른 과제 및 장점은 첨부된 도면과 연관되어 취해진 다음의 설명으로부터명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 열 교환기의 한 실시예의 측면도이다.
도 2는 도 1의 대략 2-2선을 따라 취해진 도 1의 실시예의 단면도이다.
도 3은 도 1의 대략 3-3선을 따라 취해진 도 1의 실시예의 단면도이다.
도 4는 도 2와 유사하지만 본 발명의 수정된 실시예의 단면도이다.
도 5는 도 3과 유사하지만 도 4에 도시된 실시예의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예의 측면도이다.
도 7은 도 6의 대략 7-7선을 따라 취해진 단면도이다.
도 8은 도 6의 대략 8-8선을 따라 취해진 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 수정된 실시예의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 어느 실시예에도 사용된 매우 양호한 판 핀 구성의 부분 단면도이다.
도 11은 도 10과 유사하지만 판 핀의 옵션으로서의 다소 덜 양호한 실시예의 부분 단면도이다.
도 12는 눈물 방울 모양의 튜브를 사용하는 본 발명의 실시예의 부분 단면도이다.
도 13은 도 12의 대략 13-13선을 따라 취해진 단면도이다.
도 14는 4개의 서로 다른 여러 가지의 핀들, 즉, 모두 평평한 다중 포트 튜브를 사용하는, 종래의 뱀형 핀 구성, 도 10의 판 핀, 도 11의 판 핀, 및 종래의 평판 핀 구성의 상대적 성능을 도시하는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
20, 22: 헤더 24, 56, 90: 튜브
26, 50: 핀 34, 94: 슬롯
36, 38: 에지 D: 대폭
d: 소폭
본 발명을 예시하는 실시예가 수평 튜브 런 및 수직 연장되는 판 핀을 가진 열 교환기에 관하여 자주 도면과 관련하여 설명될 것이다. 그러나, 청구범위에 표현된 것을 제외하고는 어떠한 것도 상기 실시예에 제한을 두고자 하는 것이 아니다. 유사하게, 열 교환기의 부품이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 된 것이 양호하지만, 활형 판 핀의 사용 및/또는 슬롯되고 핀의 한 쪽으로 개방된 판 핀의 사용 등 본 발명의 여러 가지 성능 강화 특징이 비-알루미늄 열 교환기에 효율성 있게 사용될 수 있으며, 여기에서도 또한 첨부된 청구범위에 표현된 바를 제외하고는 알루미늄 열 교환기로 제한하고자 의도되지 않았다.
본 발명에 따라 제조된 열 교환기의 제1 실시예가 도 1 내지 도 3에 도시되었으며, 서로 평행하고 이격된 한 쌍의 수직 연장되는 헤더(20, 22)를 포함하는 것으로 도시되었다. 헤더(20, 22)는 양호하게 시트 알루미늄으로부터 형성되고 용접되거나 단순히 압출된 중공 실린더이지만, 필요하면 용접 또는 브레이징에 의해 형성된 다수의 조각으로 된 헤더일 수 있다.
개별 조각의 튜빙의 직선부로서 형성된 평평한 다중-포트 튜브(24)는 헤더(20, 22) 사이에서 연장되고 헤더(20, 22)와 유체 연통된다. 튜브(24)는 압출에 의해 형성될 수 있거나 삽입물이 제공된 용접된 튜브일 수 있다.
일련의 알루미늄 판 핀(26)이 헤더(20, 22) 사이에서 튜브(24)에 장착된다. 대표적이 실시예에서, 핀(26)의 밀도는 필요에 따라서 더 크거나 더 작은 밀도가이용될 수 있으나 인치당 약 20 핀일 것이다.
양호하게, 각각의 튜브 런(24) 사이에서, 핀(26)은 도 3에 가장 잘 도시되었듯이 종래의 패턴의 루버(28)를 포함한다.
도 3은 또한 복수의 내부 포트(30)를 가진 튜브(24)를 도시한다. 통상적으로, 각각의 포트의 수력학적 직경은 약 0.070 인치보다 크지 않을 것이고, 더욱 양호하게는 0.050 인치 이하일 것이다. 그러나, 효율이 주요 관심사가 아니라면 더욱 큰 수력학적 직경이 사용될 수 있다. 도 3에 도시된 특정한 평평한 튜브는 평평한 외부 측벽(32)을 가진 평평한 타원체의 형태이며, 평평한 외부 측벽(32) 사이의 간격은 통상적으로 튜브 소폭(minor dimension) 이라고 지칭된다. 이것은 도 3에서"d"로서 도시되었다. 각각의 튜브(24)의 만곡된 단부 또는 에지 사이의 거리는 통상적으로 튜브 대폭이라고 지칭되며 도 3에서 "D"로서 도시되었다.
핀(26)은 도 1 및 도2에 도시되었듯이 스택으로 배열되었으며, 스택 내의 각각의 핀은 핀(26)의 한 에지(36)로 개방되는 일련의 슬롯(34)을 갖는다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서 핀(26)의 반대측 에지(38)는 차단되지 않는다.
슬롯(34)은 튜브 메이저 크기보다 통상적으로 튜브(24)의 둥근 에지(40)의 곡률반경과 거의 같은 양만큼 작은 깊이를 갖는다. 슬롯(34)은 다르게는 각각의 튜브(24)의 단면에 대응하지만 통상적으로 약간 작은 모양을 가져서 슬롯(34)의 에지가 튜브(24)의 측벽(32)을 견고하게 둘러싸는 것을 보장한다. 다시 말해서, 슬롯(34)의 폭은 양호하게 튜브 마이너 크기 "d"보다 약간 작다.
튜브(24)가 알루미늄으로 형성될 때, 헤더(20, 22) 및 핀(26)도 알루미늄으로 형성될 것이다. 양호하게, 헤더(20, 22) 및 핀(26)은 브레이즈 합금의 외부 피복(cladding)을 가지며, 튜브(24)는 압출된 알루미늄이다. 또는, 튜브(24)는 용접될 수 있고 그 위에 외부 알루미늄 브레이즈 합금 피복을 가져서 헤더(20, 22)와의 견고하고 브레이즈된 결합을 형성하고 또한 핀(26)과 양호한 접착을 형성한다.
도 1에 도시된 열 교환기를 조립하는 데에 있어서, 튜브(24)는 헤더(20, 22)내의 정렬된 슬롯(도시되지 않음)내로 삽입되고, 판 핀(26)의 스택이 튜브(24)에 적용된다. 또는, 핀(26)은 헤더(20, 22)의 적용 전에 튜브에 적용될 수도 있다. 어떤 경우에도, 앞에서 언급하였듯이 튜브(24)와 슬롯(34)의 상대적 크기로 인해서, 튜브 에지(40)는 핀(26)의 에지(36)를 지나서 연장될 것이다. 이러한 결과로, 그렇게 형성된 코어는 튜브(24)의 에지(40)가 지지를 위해서 평평한 표면과 접촉한 상태로 평평한 표면상에 위치될 수 있다. 코어는 브레이징 오븐(연속적일 수도 있고 연속적이 아닐 수도 있다)내에 위치될 수 있으며, 온도는 브레이징 온도로 상승된다. 통상적인 구성에서, 핀(26)은 튜브(24)의 벽보다 얇을 것이기 때문에, 핀(26)이 베이스 메탈(base metal)의 용융 온도에 접근하여 유연하게 되기 시작할 때, 핀(26)은 중력의 작용을 통해서 도 3에 도시된 위치에 정착될 것인데, 이 때에 이러한 결과를 발생시키기 위해서 어떠한 특수한 고정(fixturing)을 할 필요가 없다. 브레이징이 일어날 것이고, 냉각되면, 어셈블리가 도 3에 도시된 바와 같이 나타날 것인데, 스택 내의 모든 핀(26)은 서로 정렬된다. 이 공정은 완성된 제품에서 핀의 보기 흉하고 따라서 바람직하지 않은 오정렬을 회피할 뿐 만 아니라 브레이징 공정 동안에 핀을 튜브에 대하여 정위치에 유지하는 고정장치의 필요성을 제거하여 제조공정을 현저히 단순화한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 실시예는 단일 튜브 로우(row) 열 교환기를 도시한다. 도 4 및 도 5는 열 교환기 내에 2개의 튜브 로우를 제공하는 실시예를 도시한다. 간결성을 위해서, 동일한 부품은 디시 설명되지 않을 것이며 동일한 도면부호가 부여될 것이다. 도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서, 헤더(20, 22)가 각각 2개씩 사용되는데, 각각의 튜브 로우에 대해서 하나씩 사용된다. 2개의 로우의 튜브(24)가 사용되고 또한 판 핀(50)의 스택이 사용된다. 도 4 및 도 5에 도시된 실시예에서, 슬롯(34)은 2개의 로우로 형성되며, 한 로우의 개구는 핀의 한 에지(52P에 형성되고, 다른 로우의 개구는 핀(50)의 대향 에지(54)에 형성된다. 슬롯(34)은 앞에서 언급한 동일한 방법으로 튜브(24)에 대하여 크기가 정해지고, 여기에서도 인접한 튜브(24)들 사이에 루버(28)가 제공된다. 조립은 앞에서 언급된 바와 같으며, 적절한 연관 작업(plumbing)에 의해 로우들은 수력학적 병렬 및 직렬로 배열될 수 있거나 필요시에는 2개의 다른 유체들에 대해 냉각을 제공하도록 사용될 수도 있다.
어떤 경우에는, 헤더들(20)들과 같이 2개의 인접한 헤더들이 2개의 로우의 튜브(24)를 수용하는 단일의 더욱 큰 헤더로 대치될 수도 있다. 그러한 경우에, 헤더(22)들 중의 하나에는 입구(inlet)가 제공될 것이고 다른 헤더(22)에는 출구(outlet)가 제공될 것이다.
본 발명의 또 다른 실시예가 도 6 내지 도 8에 도시된다. 이 실시예에서, 2개의 튜브 로우가 형성되며, 그것들은 수력학적 직렬로 연결된다. 여기에서도, 유사한 부품들은 간결성을 위해서 다시 설명되지 않을 것이며 앞에서 사용된 것과 동일한 도면부호가 주어질 것이다. 도 6 내지 도 8의 실시예에서, 도 1 내지 도 3에 도시된 것과 상당히 유사한 열 교환기가 핀(26)의 한 에지(36)에만 개방된 슬롯(34)이 제공된 핀(26)을 사용하여 형성된다. 이 실시예에서, 튜브(56)는 헤더(20, 22)들 사이에서 연장된다. 그러나, 튜브(56)는 동일한 전방 면적을 가진 열 교환기에 대해 도 1 내지 도 3의 실시예에서 도시된 것보다 현저히 길고, 2개의 스택의 핀(26)이 사용된다. 각각의 스택은 헤더(20, 22) 중의 대응되는 헤더에 맞대어져서 열 교환기의 핀이 없는 것을 특징으로 하는 중심에 일반적으로 도면부호 58이 부여된 갭을 남긴다.
앞에서 언급된 방법을 사용하여 열 교환기를 조립 및 브레이징 하기 전에, 각각의 갭(58)의 중심부(60)는 2개의 스택의 핀(26) 중의 각각의 스택으로부터 합병되는 각각의 튜브(56)의 부분에 대하여 90o까지 회전되어 상기 스택들의 핀 중의 각각의 스택에 가까이 인접하는 굽힘부(62)를 형성한다. 각각의 갭(58)의 중심부(60)는 도 7에 도시된 바와 같이 뒤틀림이 없다. 부품들은 조립되고 브레이즈되며, 그 후에 2개의 헤더들(20, 22)들은 2개의 뒤틀림부(62) 사이에 180o활형부(64)를 형성하도록 도 7에 도시된 바와 같이 서로 접촉될 수 있다. 따라서, 튜브(56)는 U-형이며, 다리(66)는 직선적이고 헤더(20, 22) 중의 대응되는 헤더 내의 뒤틀림부 사이에서 연장되고, U의 만곡부는 갭(58)의 중심부(60)에 의해 한정되며 활형부(64)를 한정한다.
도 6 및 도 8에 도시된 실시예는 단지 2개의 로우의 튜브만 사용하지만, 어떠한 원하는 수효의 로우의 튜브도 단순히 갭의 수효를 증가시키고 각각의 갭(58)에 뒤틀림부(62)와 만곡부(64)를 제공함으로써 동일한 방법으로 제공될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예로서, 도 6 및 도 8에 도시된 실시예에 따라 제조된 3-로우 구성은 2개의 갭(58)에 의해 분리된 3개의 스택의 핀(26)을 가질 것이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 경우에, 단일 튜브(70)가 복수의 직선 런을 갖도록 뱀 형상으로 형성되며, 도 9에는 8개의 그러한 런이 있다. 헤더(20, 22)는 단일 튜브(70)의 단부들에 위치되며, 직선 런(72)에는 핀(26) 등 핀이 장착된다. 물론, 도 9에 따른 2-로우 열 교환기가 의도되었다면, 도 4 및 도 5의 실시예에 사용된 핀(50)이 추가적인 한 튜브(70)와 함께 사용될 수 있다.
도 10은 본 발명에 사용된 매우 양호한 형태의 핀(26, 50)을 도시한다. 이 실시예의 핀(26, 50)은 도 10에 도시된 바와 같이 활형이며, 이격 다리(82)와 함께 종래의 루버(80)를 포함한다. 도 10의 핀 슬롯(34)(도시되지 않음)은 플렌지가 없으며 튜브(24, 56)의 측벽(32)과 맞댄다. 이 지점에서, 브레이징 공정 동안에, 에지(84)는 상기 공정 또는 종래의 브레이징 공정이 사용될 때 튜브(24, 56)의 평평한 측부(32)와 양호한 접착을 형성할 것이다. 핀(26, 50)이 활형이고 일정한 탄성을 제공하여 에지(84)로 하여금 측벽(32)에 대하여 압착되게 한다는 사실을 주목하는 것이 관심사이다. 더욱이, 에지(84)상에 플렌지가 없는 것은 공기 측 자유 흐름 면적(air side free flow area)을 증가시켜서 향상된 공기 측 열 전달 계수에 기여한다.
도 11은 본 발명에 사용될 수 있는 핀(26, 40)의 약간 덜 양호한 실시예를 도시한다. 이 특정한 실시예에서, 극단적으로 작은 플렌지(88)가 핀 내의 슬롯(34)의 경계를 이루고 튜브(24, 56)의 평평한 측부(32)와 맞댄다.
여기에서도 또한, 도 11의 실시예에서, 핀(26, 50)은 활형이다. 이 특징의 중요성은 활형 핀이 핀 높이를 증가시킴이 없이 공기 측 표면(air side surface)을 증가시킨다는 것인데, 즉, 만곡된 핀의 사용을 통해 공기 측 표면적이 증가되는 동안에도 동일한 수효의 튜브(24, 56)가 주어진 전방 면적에 장착될 수 있다. 따라서, 면적의 증가는 동일한 수효의 튜브(24, 56)가 사용될 수 있기 때문에 제2 유체 측에서의 손실이 없으면서 공기 측에서의 열 전달을 향상시킨다. 더욱이, 루버의 길이 역시 증가되어 난류 및 열 전달을 증가시킨다. 도 10에 도시된 실시예의 공기 측 성능(air side performance)은 도 11의 실시예의 공기 측 성능보다 약간 크고, 종래의 크기의 플렌지를 가진 튜브의 공기 측 성능보다는 현저히 양호한데, 그 이유는 그러한 플렌지가 열 교환기를 통한 이용가능한 공기 측 자유 흐름 면적을 감소시키기 때문이라는 것을 주목하여야 한다.
도 12는 본 발명에 사용될 수 있는 또 다른 종류의 평평한 튜브를 도시한다. 특히, 튜브는 다중 포트(92)를 가진 눈물 방울 형상 튜브(90)이다. 여기에서도, 핀(26, 50)내의 슬롯(94)은 튜브(90)를 꼭 맞게 수용하도록 되어 있는데, 즉, 슬롯(94)은 튜브(90)의 대폭보다 약간 작은 깊이와 튜브(90)의 단면과 유사한 모양의 영역을 갖는다. 이 실시예에서, 슬롯(94)의 폭은 튜브(90)의 소폭과 동일하거나 그 보다 약간 작게 만들어질 수 있다.
필요하면, 도 12에 도시된 실시예에서, 또는 다른 실시예에서, 각각의 핀(26, 50)의 길이를 따라 연장되는 하나 이상의 연장된 보강 리브(100)가 사용될 있다. 보강 리브는 도 12 및 도 13 둘 다에 도시되었다. 도 4 및 도 5의 실시예의 경우에, 보강 리브는 핀의 중심에, 2개의 로우의 슬롯 사이에 위치될 것이다. 보강 기능에 추가하여, 리브(100)는 열 교환기가 기화기로서 사용될 때 응축 배수를 강화한다.
도면에는 도시되지 않았으나. 도 4 내지 도 9에 도시된 바와 같은 다중 튜브 로우 실시예에서, 한 로우 내의 튜브는 하나 이상의 다른 로우 내의 튜브에 대하여 엇갈릴 수도 있다. 더욱이, 어떤 경우에는, 튜브 대폭이 핀의 종방향 축에 대해 90o가 아닌 어떤 각도로 경사지게 하는 것이 바람직할 수 있다.
이제 도 14를 참조하면, 이 도면은 도 10 및 도 11에 도시된 핀 구성을 포함해서 여러 가지 핀 구성에 대한 시험 결과를 도시한다. 표준 공기 표면 속도는 (가) 화씨 1도당 평방 피트당 btu로 표시된 유입 온도 차이에 대한 열 속(heat flux)에 대하여, (나) 인치를 단위로 한 수두로 표시된 공기측 압력 강하에 대하여 도시되었다. 본 발명의 만곡된 핀은 종래의 뱀 형상 핀과 양호하게 필적하며 판 핀 열 교환기에서 발생하였던 접착 문제가 본 발명에 의해 해결되는 것을 보여준다는 것을 알 수 있을 것이다. 특히, 종래의 평판 핀의 경우에, 본 발명에 따라 제조된 핀에 대한 열 교환 성능은 현저한 장점을 갖는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한 도 10의 핀은 열 전달의 측면과 더욱 적은 공기 측 압력 강하를 제공하는 측면 둘다에서 도 11의 핀에 대해 장점을 보여준다.
본 발명은 높은 드랙(drag)을 제공하는 즉 공기 측 압력 강하를 증가시키는 둥근 튜브를 제거하고 통상적으로 그러한 열 교환기에서 발견되는 기계식 접착을 제거하는 열 교환기를 제공한다. 더욱이, 본 발명은 상대적으로 작은 핀 높이를 허용하여 큰 핀 높이에서 발생하는 효율의 손실을 회피한다. 본 발명의 열 교환기가 많은 서로 다른 여러 가지 응용에 적합하지만, 그것은 특히 보강 리브를 갖고 튜브들 사이에 갭을 가진 수직 판 핀을 사용하는 것이 통상적으로 냉동 또는 공기 조화 시스템에 사용되는 기화기에서 발생하는 응축의 우수한 배수를 제공한다는 점에서 기화기로서 장점을 갖고 사용된다.
핀(한편으로는 26, 한편으로는 50)이 더 넓은 핀의 양쪽에 단순히 스탬핑 동작을 반복함으로써 동일한 다이를 사용하여 제조될 수 있다는 점에서 제조가 단순화된다. 더욱이, 튜브의 둥근 에지(40)로 하여금 핀의 에지(36, 52, 54)를 약간 지나 연장되도록 허용함으로써 제공되는 독특한 장점은 핀을 공통 평판에 위치시키기 위해 설계된 브레이징 고정구를 사용하지 않고도 부품의 브레이징을 허용한다.
만곡된 핀을 사용하면 핀 높이를 증가시키지 않고도 공기 측 표면적을 증가시키며 고유한 탄성의 추가적 장점을 제공하여 핀 내의 슬롯의 에지로 하여금 튜브의 측벽(32)을 견고히 껴안게 함으로써 브레이징 동안에 양호한 접착을 더욱 확실히 한다.

Claims (30)

  1. 열 교환기 제조 방법에 있어서,
    (가) 대폭과 소폭을 가진 평평한 열 교환 튜브의 복수의 일반적으로 평행한 튜브 런을 제공하는 단계,
    (나) 튜브 런의 수효와 대략 같은 복수의 튜브 슬롯을 각각 갖고, 각각의 슬롯은 관련된 핀의 에지로 개방되며,
    (i) 상기 슬롯 내에 수용되는 튜브 런의 단면 형상에 대응하는 형상,
    (ii) 상기 슬롯 내에 수용되는 튜브 런의 대폭보다 작은 깊이, 및
    (iii) 상기 슬롯 내에 수용되는 튜브 런의 소폭과 같거나 약간 작은 폭
    을 갖는 복수의 판 핀을 제공하는 단계,
    (다) 각각의 튜브 런의 에지가 튜브 런이 수용되는 슬롯으로부터 일정 거리 연장되도록 각각의 핀 내의 대응 슬롯 내에 튜브 런을 꼭 맞게 장착하는 단계,
    (라) 상기 단계 (다)로부터 발생하는 조립체를 상기 튜브 런 에지가 지지 표면과 접촉하고 상기 판 핀이 상기 튜브 런 위로 연장되는 상태에서 상기 지지 표면 상에 위치시키는 단계, 및
    (마) 상기 조립체가 상기 지지 표면 상에 있는 동안에 또한 상기 핀과 상기 튜브 런을 조립된 관계로 유지하는 브레이징 고정구조가 없는 상태에서 상기 핀을 상기 튜브 런에 브레이징하기에 충분한 온도 하에 상기 조립체를 두는 단계
    를 포함하는 열 교환기 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 튜브 런은 뱀형의 튜브의 직선 부분에 의해 한정되는 열 교환기 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 튜브 런은 각각 튜빙의 직선 조각에 의해 한정되는 열 교환기 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 튜브 런의 단면은 눈물 방울 형상인 열 교환기 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 튜브 런의 단면은 타원형인 열 교환기 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 핀은 상기 슬롯 사이의 위치에서 만곡된 열 교환기 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 핀과 튜브 런은 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금으로 형성되는 열 교환기 제조 방법.
  8. 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금 열 교환기 제조 방법에 있어서,
    (가) 각각의 튜브 런의 에지가 튜브가 수용되는 슬롯으로부터 짧은 거리 연장되도록, 단부가 개방된 슬롯을 가진 복수의 판 핀을 상기 슬롯과 동일한 단면 형상을 가진 복수의 튜브 런에 조립하는 단계,
    (나) 상기 단계 (가)로부터 발생하는 조립체를 상기 튜브 런 에지가 상기 지지 표면과 접촉하고 상기 핀은 상기 지지 표면 위에 있으며 접촉하지 않는 상태에서 상기 지지 표면 상에 위치시키는 단계,
    (다) 상기 알루미늄 브레이즈 합금을 상기 튜브 런과 상기 핀의 경계에 위치시키는 단계, 및
    (라) 상기 튜브 런 및 핀을 조립된 관계로 유지하는 브레이징 고정구조가 없는 상태에서, 상기 핀이 중력 하에 상기 튜브 런 상에 정착되도록 허용하기에 충분한 시간 동안, 상기 단계들로부터 발생하는 조립체를 알루미늄 브레이징 온도 하에 두는 단계
    를 포함하는 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금 열 교환기 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단계 (다)는 상기 단계 (가)의 수행 전에 상기 핀 및 튜브 런 중의 하나 또는 둘 다를 상기 알루미늄 브레이즈 합금으로 피복(cladding)함으로써 수행되는 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금 열 교환기 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 튜브 런은 대폭과 소폭을 가진 평평한 튜빙으로 되고, 상기 슬롯은 상기 대폭보다 약간 작은 깊이를 가진 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금 열 교환기 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 슬롯들 사이에 만곡부를 가진 핀을 제공하는 단계를 포함하는 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금 열 교환기 제조 방법.
  12. 열 교환기 제조 방법에 있어서,
    (가) 각각의 튜브 런의 에지가 튜브가 수용되는 슬롯으로부터 짧은 거리 연장되도록, 단부가 개방된 슬롯을 가진 복수의 판 핀을 상기 슬롯과 동일한 단면 형상을 가진 복수의 튜브 런에 조립하는 단계,
    (나) 상기 단계 (가)로부터 발생하는 조립체를 상기 튜브 런 에지가 상기 지지 표면과 접촉하고 상기 핀은 상기 지지 표면 위에 있으며 접촉하지 않는 상태에서 상기 지지 표면 상에 위치시키는 단계, 및
    (다) 상기 튜브 런 및 핀을 조립된 관계로 유지하는 브레이징 고정구조가 없는 상태에서, 상기 핀이 중력 하에 상기 튜브 런 상에 정착되도록 허용하기에 충분한 시간 동안, 상기 단계들로부터 발생하는 조립체를 브레이징 온도 하에 두는 단계
    를 포함하는 열 교환기 제조 방법.
  13. 알루미늄 열 교환기에 있어서,
    제1 및 제2 헤더들,
    상기 헤더들 사이에 연장되며 상기 헤더들과 유체 연통하고, 서로 이격된 관계로 복수의 일반적으로 평행한 튜브 런을 한정하는 적어도 하나의 평평한 튜브로서, 각각의 상기 튜브 런은 튜브 대폭을 한정하는 대향 에지들과 튜브 소폭을 한정하는 상호연결 측벽들과 복수의 내부 포트들을 가진, 상기 적어도 하나의 평평한 튜브,
    스택 내에 배열되고, 각각의 튜브 런에 대해 하나씩 복수의 개방 단부 튜브 런 수용 슬롯을 각각 가진 복수의 판 핀으로서, 각각의 슬롯은 슬롯 내에 수용되는 튜브 런의 단면의 형상에 일반적으로 대응되는 형상과, 상기 대응 튜브 런의 소폭과 같거나 약간 작은 폭과, 상기 대응 튜브 런의 대폭보다 약간 작은 깊이를 갖고, 각각의 상기 튜브 런은 상기 핀 내의 대응 슬롯 내에 포개어지며, 각각의 튜브 런의 상기 에지들 중의 하나는 상기 대응 핀의 외향으로 위치되는, 상기 복수의 판 핀
    을 포함하며,
    상기 헤더들, 상기 튜브 런들 및 상기 핀들은 브레이즈된 조립체를 구성하는알루미늄 열 교환기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 튜브 런은 개별적 튜브에 의해 한정되는 알루미늄 열 교환기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 튜브 런은 적어도 하나의 뱀형 튜브에 의해 한정되는 알루미늄 열 교환기.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 슬롯은 상기 튜브 런에 브레이즈된 플랜지에 의해 적어도 부분적으로 경계지어진 알루미늄 열 교환기.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 슬롯은 상기 튜브 런에 브레이즈된 플랜지 없는 에지를 갖는 알루미늄 열 교환기.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 핀은 상기 슬롯 사이의 위치에서 만곡된 알루미늄 열 교환기.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 판 핀은 기다랗고, 상기 슬롯은 상기 판 핀의 한 기다란 에지로 개방되며, 다른 기다란 에지는 상기 슬롯에 의해 차단되지 않는 알루미늄 열 교환기.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 다른 기다란 에지와 상기 슬롯 사이에 보강 비드(stiffening bead)를 포함하는 알루미늄 열 교환기.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 판 핀은 기다랗고, 상기 슬롯은 상기 판 핀의 기다란 에지들 둘 다로 개방되는 알루미늄 열 교환기.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 기다란 에지들 중의 한 에지로 개방된 상기 슬롯은 상기 기다란 에지들 중의 다른 에지로 개방된 상기 슬롯과 정렬되는 알루미늄 열 교환기.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 한 기다란 에지로 개방된 슬롯과 상기 다른 기다란 에지로 개방된 슬롯 사이에 위치된 상기 판 핀의 기다란 방향으로 연장되고 차단되지 않은 밴드를 포함하는 알루미늄 열 교환기.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 튜브 런은 U-형 튜브의 다리들에 의해 한정되고, 각각의 U-형 튜브의 상기 다리들 중의 하나는 상기 판 핀의 한 기다란 에지로 개방되는 슬롯 내에 배치되고, 상기 다른 다리는 상기 다른 기다란 에지로 개방되는 슬롯 내에 배치되는 알루미늄 열 교환기.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 기다란 에지들 중의 대향 에지들로 개방되는 상기 슬롯들은 정렬되고, 각각의 상기 U-형 튜브의 상기 다리들은 상기 슬롯들 중의 정렬된 슬롯들 내에 위치되는 알루미늄 열 교환기.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 U-형 튜브들 중의 각각의 튜브의 상기 다리들 중의 각각의 다리는 대응 U-형 튜브의 만곡부에 바로 인접하여 90o까지의 각도의 굽혀진 뒤틀림부를 포함하는 알루미늄 열 교환기.
  27. 제13항에 있어서,
    상기 평행 튜브 런은 복수의 U-형 튜브에 의해 한정되고, 각각의 튜브는 만곡부에 의해 연결된 2개의 평행한 다리를 가지며, 2개의 세트의 상기 판 핀이 있고, 한 세트는 상기 다리들의 대응하는 첫 번째 다리들 상에 배치되며, 다른 세트는 상기 다리들의 대응하는 다른 다리들 상에 배치되는 알루미늄 열 교환기.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 U-형 튜브들 중의 각각의 튜브의 상기 다리들 중의 각각의 다리는 대응 U-형 튜브의 만곡부에 바로 인접하여 90o의 뒤틀림부를 포함하는 알루미늄 열 교환기.
  29. 열 교환기 코어에 있어서,
    평평한 다중 포트 튜빙으로 형성된 복수의 일반적으로 평행한 튜브 런, 및
    적층된 관계로 있으며 상기 튜브 런들을 수용하기에 충분한 이격된 개구들을 가진 복수의 판 핀을 포함하며,
    상기 튜브 런은 상기 개구에 배치되며 상기 개구 주위의 상기 판 핀에 브레이즈된 대폭을 갖고,
    상기 개구들 사이의 상기 판 핀의 부분은 상기 대폭에 대하여 일반적으로 횡방향으로 활형이어서 인접 개구들 사이의 간격을 증가시킬 필요 없이 개구들 사이의 핀의 표면적을 증가시키는 열 교환기 코어.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 개구는 핀의 한 에지로부터 핀 내로 연장되는 슬롯인 열 교환기 코어.
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