KR20020094620A

KR20020094620A - 열교환기

Info

Publication number: KR20020094620A
Application number: KR1020010032948A
Authority: KR
Inventors: 오광헌; 장정우
Original assignee: 한라공조주식회사
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2002-12-18
Also published as: KR100744486B1

Abstract

열교환기를 개시한다. 본 발명은 열교환매체가 순환하는 다수개의 유동로가 형성된 튜브와, 튜브사이에 설치되는 방열휜과, 튜브에 결합되어 열교환매체가 연통되는 통로를 가지는 탱크부를 구비하고, 유동로 사이에 형성되는 웨브의 두께에 대한 튜브의 폭방향에 해당되는 유동로 가장자리로 형성되는 벽의 두께비가 1 내지 1.5로서 열교환매체의 유로면적을 증대시키고, 내구성을 확보하게 된다.

Description

열교환기{Heat exchanger}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열교환매체의 유로저항에 따른 튜브의 구조를 개선한 열교환기에 관한 것이다.

통상적으로 자동차용 공기조화장치에 사용되는 열교환기는 방열특성 및 열교환매체의 유동상태에 따라 휜과 튜브 타입(fin tube type)과, 서페틴 타입(serpentine type)과, 드론컵 타입(drawn cup type)과, 패러렐 플로우 타입(parallel flow type)등 여러 가지 타입으로 분류할 수 있다.

이러한 대부분의 열교환기는 열교환매체를 방열휜과 접촉된 튜브의 내부로 통과시켜 튜브 및 방열휜의 표면과 접촉되는 유동공기와 열교환이 이루어지도록 되어 있다. 따라서, 튜브의 구조는 내부를 통과하는 열교환매체와의 열교환이 잘 이루어지도록 구성되어 있다.

종래의 튜브는 열교환매체의 통로를 제공하는 복수개의 유동로를 가지고 있는데, 그 단면을 절단하여 볼 때 유동로의 사이에 형성되는 웨브(web)와, 유동로의 양 가장자리에 형성되는 벽(wall) 두께가 동일하다. 이러한 구조를 가지고 있더라도 유동로를 따라서 유동하는 열교환매체의 유로저항에 충분하게 견딜수가 있었다.

그런데, 최근의 열교환기는 박형화됨에 따라 튜브의 폭도 공히 작아지게 됨으로써, 열교환매체가 유동하는 통로의 면적도 작아지게 된다. 열교환매체는 유동로의 면적에 큰 영향을 받게 됨으로, 튜브의 유동통로를 최대한 확대시키는 것이 필요하다. 또한, 유동저항의 증가로 인한 튜브의 파괴압력을 감소시킬 수 있도록 최적의 설계가 요구된다고 할 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열교환매체의 유로저항에 견딜 수 있도록 튜브의 웨브와 벽두께비를 최적의 상태로 설계한 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기를 도시한 사시도,

도 2는 도 1의 튜브를 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절제하여 도시한 사시도,

도 3은 본 발명의 웹두께에 따른 파괴압력을 도시한 그래프.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브를 도시한 정면도,

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 튜브를 도시한 정면도,

도 6은 본 발명의 웹과 벽 두께비에 따른 파괴압력비를 도시한 그래프,

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 웹과 벽 두께변화에 따른 파괴압력비를 도시한 그래프,

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 웹과 벽 두께변화에 따른 파괴압력비를 도시한 그래프,

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 웹과 벽 두께변화에 따른 파괴압력비를 도시한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10...열교환기11,12...헤더파이프

13...튜브14...방열휜

21...본체부22...유동로

23...웹24...벽

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 열교환기는,

열교환매체가 그 내부를 따라 순환하는 다수개의 유동로가 형성된 튜브와, 상기 튜브사이에 설치되어 방열면적을 넓히는 방열휜과, 상기 튜브에 결합되어 상기 열교환매체가 연통되는 통로를 가지는 탱크부를 구비하는 열교환기에 있어서,

상기 유동로 사이에 형성되는 웨브의 두께에 대한 튜브의 폭방향에 해당되는 유동로 가장자리로 형성되는 벽의 두께비가 1 내지 1.5인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 튜브의 폭이 7 내지 16 밀리미터일 경우에는 상기 웨브의 두께는 0.2 내지 0.4 밀리미터 정도인 것을 특징으로 한다.

게다가, 동일한 개수의 유동로를 가지는 경우에는 파괴압력에 대한 내구성을 증가시키기 위하여 튜브의 폭을 상대적으로 감소시키도록 형성된 것을 특징으로 한다.

나아가, 동일한 폭을 가지는 튜브의 경우에는 유로면적을 확대하기 위하여유동로의 개수를 상대적으로 증가시키도록 형성된 것을 특징으로 한다.

더욱이, 동일한 두께의 웨브를 가지는 경우에는 파괴압력에 대한 내구성을 증가시키기 위하여 유동로의 개수를 상대적으로 증가시키도록 형성된 것을 특징으로 한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 열교환기의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기(10)의 일 예를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 열교환기(10)는 상호 평행하게 설치되는 복수개의 헤더파이프(11)(12)와, 상기 헤더파이프(11)(12)에 양단부가 연통가능하도록 결합되어 열교환매체가 유동하는 다수개의 튜브(13)를 포함한다. 상기 각각의 튜브(13) 사이에는 열교환매체의 방열면적을 넓히기 위하여 방열휜(14)이 개재되어 있다. 다. 여기서, 상기 튜브(11)는 열교환매체의 유로저항을 최소화시킬 수 있도록 설계되어 있다.

도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 튜브(20)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 튜브(20)는 대략 판상으로 된 본체부(21)를 포함한다. 상기 본체부(21)에는 열교환매체가 유동할 수 있는 유동로(22)가 형성되어 있다. 상기 유동로(22)는 상기 본체부(21)의 폭방향으로 등간격으로 적어도 하나이상 형성되어 있다. 상기 유동로(22) 사이에는 이들의 간격을 유지시켜주고, 열교환매체가 순환하는 통로를 제공하도록 상기 본체부(21)의 길이방향으로 웨브(23)가 형성되어 있다.

본 발명의 특징에 따르면, 상기 웨브(23)의 두께는 상기 본체부(21)의 폭방향으로 상기 유동로(22)의 양 가장자리에 형성된 벽(24) 두께보다 두껍게 형성되어 있고, 그 두께는 상기 유동로(22)의 내부를 유동하는 열교환매체의 저항으로 인한 튜브(20)의 파괴압력(burst pressure)에 견딜 수 있는 치수이다.

최근에는, 열교환기의 박형화에 따라서 튜브(20)도 소형화되고 있다. 이에 따라, 상기 튜브(20)의 유로면적이 작아지기 때문에 열교환매체의 유로저항은 커지게 된다. 이러한 유로저항을 감소시키기 위해서는 내압이 견디는 범위내에서 상기 웨브(23) 또는 벽(24) 두께비를 조절해야 한다.

즉, 상기 본체부(21)의 폭 D₁이 7 내지 16 밀리미터라고 하면, 상기 웨브(23)의 두께 D₂는 벽(24)의 두께 D₃보다 두껍게 형성하여야 상기 유동로(22)를 유동하는 열교환매체의 저항을 감소시키고,내압성을 유지시킬 수가 있다. 또한, 상기 웨브(23)의 두께 D₂는 대략 0.2 밀리미터이상이다.

도 3은 본 발명에 따른 웨브 두께에 따른 파괴압력을 도시한 그래프이다.

이때, X축은 웨브의 두께(단위:mm)를 나타낸 것이고, Y축은 열교환기의 내구성에 요구되는 파괴압력(단위:kg/cm²)을 나타낸 것이다. 그리고, 튜브의 폭은 7 내지 16 밀리미터인 경우이다.

그래프를 참조하면, A선을 기준으로 했을 때, B선은 A선에 비하여 유동로의 개수가 많은 경우이고, C선은 A선에 비하여 유동로의 개수가 적은 경우이다.

A,B,C 선을 비교하여 보면, 웨브의 두께가 얇은 경우보다 두꺼울수록 파괴압력에 대하여 선형적으로 내구성이 증가하는 것을 알 수 있다. 상기 튜브의 폭을 가지는 열교환기의 내구성에 요구되는 파괴압력은 대략 85 kg/cm²이상이어야 하는데, 이에 해당되는 웨브의 두께는 그래프에서 R 영역에 해당되는 0.2 이상이고, 0.4 밀리미터 이하이여야 한다.

웨브의 두께가 0.2 밀리미터 이하인 경우에는 열교환기에서 요구되는 파괴압력을 만족시키지 못하고, 반면에, 웨브의 두께가 0.4 밀리미터 이상인 경우에는 내구성은 충족시키지만, 유로면적 확보가 어렵게 되는 단점이 있다.

또한, 동일한 웨브의 두께를 가지고 있을 경우라도, 튜브가 유동로의 개수에 따라서 파괴압력에 견디는 경우가 다르다. 즉, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 동일한 폭을 가지는 튜브에 있어서, 웨브의 두께인 W₁과 W₂는 동일하지만, 유동로의 개수가 많은 부분(41)을 가지는 튜브가 유동로의 개수가 적은 부분(51)을 가지는 튜브보다 파괴압력에 대한 내구성이 우수하다. 또한, 유동로의 개수가 많은 부분(41)을 가지는 튜브는 유동로의 폭 W₃이 유동로의 개수가 적은 부분(41)을 가지는 튜브의 폭 W₄다 적게 형성된다.

다시 도 3과 연관하여 설명하면, 동일한 웨브의 두께를 가진 경우에 파괴압력을 비교하면, 기준선인 A선보다 유동로의 개수가 많은 경우에 해당되는 B선은 파괴압력에 대한 내구성이 증가되고, 반대로 A선보다 유동로의 개수가 적은 경우에 해당되는 C곡선은 파괴압력에 대한 내구성이 감소함을 알 수 있다.

결과적으로, 웨브의 두께가 두꺼울수록 파괴압력에 대한 내구성이 증가하고,동일한 웨브의 두께를 가질 경우에는 유동로의 개수가 많은 것이 유로면적을 확장시키고, 높은 파괴압력을 나타낸다.

도 6은 본 발명에 따른 웨브와 벽의 두께변화에 대한 파괴압력을 도시한 것이다.

이때, X축은 웨브와 벽의 두께비를 나타낸 것이고, Y축은 열교환기의 내구성에 요구되는 파괴압력비를 나타낸 것이다. 그리고, 벽의 두께는 0.25 밀리미터이고, 기준파괴압력값은 85 kg/cm²이며, 유동로의 개수는 공히 4개이다.

그래프를 참조하면, D선은 튜브의 폭이 7 밀리미터이다. 웨브의 두께가 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 밀리미터로서, 0.05 밀리미터 간격으로 넓게 형성시켰다. 이러한 경우에 파괴압력값은 각각 91.80, 113.83, 135.86, 157.89 kg/cm²로 변화하였다. 이에 따른 웨브와 벽의 두께비(웨브의 두께/벽의 두께)가 1.0, 1.20, 1.40, 1.60으로 변화하게 되면, 파괴압력비(파괴압력/기준파괴압력)는 각각 1.08, 1.34, 1.60, 1.86로 변화한다. 이처럼, 웨브와 벽의 두께비에 따른 파괴압력비는 벽에 대하여 웨브의 두께가 증대할수록 상대적으로 파괴압력비가 선형적으로 증가함을 알 수 있다.

특히, 웨브와 벽의 두께비가 1.0 보다 크고, 1.5 보다 적을 경우에는 파괴압력비가 1.0 이상으로 열교환매체의 유동저항에 따른 파괴압력을 만족시킨다. 웨브와 벽의 두께비가 1.0보다 작을 경우에는 웨브의 두께가 상대적으로 얇아지게 되어서 파괴압력값이 저하된다. 반면에, 웨브와 벽의 두께비가 1.5보다 클 경우에는 웨브의 두께가 상대적으로 커지게 되어서 유로면적을 확보하는 것이 어렵다.

E선은 튜브의 폭이 9 밀리미터인 경우이다. 웨브의 두께를 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 밀리미터로 형성시키게 되면, 파괴압력값은 각각 71.40, 88.53, 105.67, 122.80kg/cm²로 변화하였다. 이에 따라, 웨브와 벽의 두께비가 1.0, 1.20, 1.40, 160으로 변화하게 되면, 파괴압력비는 0.84, 1.04, 1.24, 1.44로 변화한다. 웨브와 벽의 두께비가 증가함에 따라 파괴압력비가 선형적으로 증가하는 반면에, D곡선의 경우보다는 파괴압력비가 낮음을 알 수 있다.

F선은 튜브의 폭이 12 밀리미터인 경우이다. 웨브의 두께가 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 밀리미터로 넓어지게 되면, 파괴압력값은 각각 53.55, 66.4, 79.25, 92.1 kg/cm²로 변화하였다. 이에 따라, 웨브와 벽의 두께비가 1.0, 1.20, 1.40, 1.60으로 변화하게 되면, 파괴압력비는 각각 0.63, 0.78, 0.93, 1.08로 변화한다. 이처럼, 웨브두께/벽두께비와 파괴압력/기준파괴압력비는 비례하여 선형적으로 증가하게 된다.

결론적으로, 웨브 두께에 대한 벽 두께의 비율이 1 내지 1.5 일경우에는 실제파괴압력에 대한 기준압력파괴압력 비율이 비례하여 선형적으로 증가하게 되어서, 만족할 만한 적정 파괴압력값을 유지한다는 것을 알 수 있다. 그리고, 웨브와 벽의 두께비가 1 이하인 경우에는 파괴압력값이 저하되고, 두께비가 1.5 이상일 경우에는 유로면적의 확보가 어렵다. 또한, 상술한 실험예에서처럼 박형화된 튜브의 폭이 7 내지 12 밀리미터인 경우에는 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 동일한 수의 유동로를 가지는 튜브의 폭이 작아질수록 파괴압력에 대한 기준파괴압력값이 증가된다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 튜브의 웨브와 벽의 두께비에 따른 파괴압력비를 도시한 것이다.

이때, X축은 웨브와 벽의 두께비를 나타낸 것이고, Y축은 파괴압력비를 나타낸 것이다.그리고, 튜브의 폭은 12 밀리미터이고, 벽의 두께는 0.25 밀리미터이고, 기준파괴 압력값은 85 kg/cm²이다.

그래프를 참조하면, G선은 유동로의 수가 4개인 경우이다. 웨브의 두께가 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 밀리미터로 0.05 밀리미터 간격으로 넓게 형성시켰다. 이러한 경우에 파괴압력값은 각각 53.55, 66.40, 79.25, 92.10 kg/cm²를 나타내였다. 이에 따른 웨브와 벽의 두께비(웨브의 두께/벽의 두께)가 1.0, 1.20, 1.40, 1.60으로 변화하게 되면, 파괴압력비(파괴압력/기준파괴압력)는 각각 0.63, 0.78, 0.93, 1.08로 변화한다.

H선은 유동로의 수가 5개인 경우이다. 웨브의 두께를 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 밀리미터로 형성시키게 되면, 파괴압력값은 각각 69.65, 82.50, 95.35, 108.20 kg/cm²로 변화하였다. 이에 따라, 웨브와 벽의 두께비가 1.0, 1.20, 1.40, 160으로 변화하게 되면, 파괴압력비는 0.82, 0.97, 1.12, 1.27로 변화한다.

I선은 유동로의 수가 6개인 경우이다. 웨브의 두께가 0.25, 0.3, 0.35, 0.4밀리미터로 넓어지게 되면, 파괴압력값은 각각 85.75, 98.60, 111.45, 124.3 kg/cm²로 변화하였다. 이에 따라, 웨브와 벽의 두께비가 1.0, 1.20, 1.40, 1.60으로 변화하게 되면, 파괴압력비는 각각 1.01, 1.16, 1.31, 1.46로 변화한다.

이처럼, 웨브와 벽의 두께비가 증가함에 따라 파괴압력비가 비례하여 선형적으로 증가하게 되고, 동일한 폭을 가지는 튜브의 경우에는 유동로의 수가 증가할수록 상대적으로 파괴압력비가 증가함을 알 수 있다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 튜브의 웨브와 벽의 두께비에 따른 파괴압력비를 도시한 것이다.

이때, 다른 조건은 제1 실시예와 동일하며, 튜브의 폭은 9 밀리미터이다.

그래프를 참조하면, J선은 유동로의 수가 3개인 경우이다. 웨브의 두께가 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 밀리미터로 형성시키면, 파괴압력값은 47.60, 66.10, 84.53, 98.24 kg/cm²이다. 이에 따른 웨브와 벽의 두께비가 1.0, 1.20, 1.40, 1.60으로 변화하게 되면, 파괴압력비는 각각 0.56, 0.78, 0.99, 1.16로 변화한다.

K선은 유동로의 수가 4개인 경우이다. 웨브의 두께를 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 밀리미터로 형성시키게 되면, 파괴압력값은 각각 71.40, 88.53, 105.67, 122.80 kg/cm²로 변화하였다. 이에 따라, 웨브와 벽의 두께비가 1.0, 1.20, 1.40, 160으로 변화하게 되면, 파괴압력비는 0.84, 1.04, 1.24, 1.44로 변화한다.

L선은 유동로의 수가 5개인 경우이다. 웨브의 두께가 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 밀리미터로 넓어지게 되면, 파괴압력값은 각각 92.87, 110.00, 127.13, 144.27kg/cm²로 변화하였다. 이에 따라, 웨브와 벽의 두께비가 1.0, 1.20, 1.40, 1.60으로 변화하게 되면, 파괴압력비는 각각 1.09, 1.29, 1.50, 1.70로 변화한다.

이처럼, 웨브와 벽의 두께비가 증가함에 따라 파괴압력비가 이에 비례하여 증가하고, 유동로의 수가 증가할수록 파괴압력비가 증가하게 된다. 또한, 튜브의 폭이 12 밀리미터인 경우보다 9 밀리미터인 경우가 상대적으로 웨브와 벽의 두께비에 대한 파괴압력비가 증가함을 알 수 있다.

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 튜브의 웨브와 벽의 두께비에 따른 파괴압력비를 도시한 것이다.

이때, 다른 조건은 제1 실시예와 동일하며, 튜브의 폭은 7 밀리미터이다.

그래프를 참조하면, M선은 유동로의 수가 2개인 경우이다. 웨브의 두께가 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 밀리미터로 형성시키면, 파괴압력값은 30.60, 51.0, 73.36, 91.57 kg/cm²이다. 이에 따른 웨브와 벽의 두께비가 1.0, 1.20, 1.40, 1.60으로 변화하게 되면, 파괴압력비는 각각 0.36, 0.60, 0.86, 1.08로 변화한다.

K선은 유동로의 수가 3개인 경우이다. 웨브의 두께를 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 밀리미터로 형성시키게 되면, 파괴압력값은 각각 61.20, 84.99, 108.69, 126.31 kg/cm²로 변화하였다. 이에 따라, 웨브와 벽의 두께비가 1.0, 1.20, 1.40, 160으로 변화하게 되면, 파괴압력비는 0.72, 1.00, 1.28, 1.49로 변화한다.

L선은 유동로의 수가 4개인 경우이다. 웨브의 두께가 0.25, 0.3, 0.35, 0.4 밀리미터로 넓어지게 되면, 파괴압력값은 각각 91.80, 113.83, 135.86, 157.89kg/cm²로 변화하였다. 이에 따라, 웨브와 벽의 두께비가 1.0, 1.20, 1.40, 1.60으로 변화하게 되면, 파괴압력비는 각각 1.08, 1.34, 1.60, 1.86로 변화한다.

이처럼, 웨브와 벽의 두께비가 증가함에 따라 파괴압력비가 이에 비례하여 증가하고, 유동로의 수가 증가할수록 파괴압력비가 증가하게 된다. 또한, 튜브의 폭이 작을 경우가 클 경우보다 웨브와 벽의 두께비에 대한 파괴압력비가 상대적으로 증가함을 알 수 있다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명의 열교환기는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 튜브의 유동로 사이에 형성되는 웨브의 두께를 유동로 양측의 벽두께보다 두껍게 하고, 적정한 두께와 개수를 가지도록 설계함으로써 튜브의 내부를 유동하는 열교환매체의 유로저항에 대한 견딜 수 있는 파괴압력이 최대화되어서 열교환기의 성능을 향상시킬 수 있다.

둘째, 웨브와 웨브의 상대적인 두께비를 조절하여 튜브의 유동로를 형성하게 됨으로써, 최적의 유로면적을 확보할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

열교환매체가 그 내부를 따라 순환하는 다수개의 유동로가 형성된 튜브와, 상기 튜브사이에 설치되어 방열면적을 넓히는 방열휜과, 상기 튜브에 결합되어 상기 열교환매체가 연통되는 통로를 가지는 탱크부를 구비하는 열교환기에 있어서,

상기 유동로 사이에 형성되는 웨브의 두께에 대한 튜브의 폭방향에 해당되는 유동로 가장자리로 형성되는 벽의 두께비가 1 내지 1.5인 것을 특징으로 하는 열교환기.
제1항에 있어서,

상기 튜브의 폭이 7 내지 16 밀리미터일 경우에는 상기 웨브의 두께는 0.2 내지 0.4 밀리미터 정도인 것을 특징으로 하는 열교환기.
제1또는제2항에 있어서,

동일한 개수의 유동로를 가지는 경우에는 파괴압력에 대한 내구성을 증가시키기 위하여 튜브의 폭을 상대적으로 감소시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
제1또는제2항에 있어서,

동일한 폭을 가지는 튜브의 경우에는 유로면적을 확대하기 위하여 유동로의 개수를 상대적으로 증가시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
제1또는제2항에 있어서,

동일한 두께의 웨브를 가지는 경우에는 파괴압력에 대한 내구성을 증가시키기 위하여 유동로의 개수를 상대적으로 증가시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.