KR20030019683A - 열교환기 - Google Patents

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KR20030019683A
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Abstract

본 발명은, 적어도 하나 이상의 탱크 및 열교환 매개 유체의 유로를 형성하는 상호 이격되어 적층된 튜브를 구비하며, 상기 인접한 튜브 사이로 외부 유체가 요철형 유로를 따라 통과하도록 상기 튜브의 외면에 소정 패턴의 비드들이 형성된 열교환기에 있어서, 튜브의 내부에는 코루게이트(corugate) 형상의 내부 휜(inner fin)이 개재되며, 내부 휜의 골과 골 사이의 튜브 내면에는 튜브의 길이 방향을 따라 열교환 매개 유체의 난류화를 촉진하는 내면 딤플이 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기{Heat exchanger}
본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 튜브 외면에 방열 휜이 없이도 필요한 열전달 성능 달성이 가능한 열교환기에 관한 것이다.
통상적으로 열교환기는 온도가 다른 두 개의 유체를 직접 또는 간접으로 접촉시켜 열을 교환하는 장치로서, 그 내부에 열교환 매체가 유동할 수 있는 통로부를 구비하여, 열교환 매체가 통로부를 흐르는 동안 외부의 공기와 열교환을 행할 수 있도록 디자인된 장치이다. 자동차의 공기조화 시스템에서도 열교환기는 필수적으로 사용되고 있다.
열교환기는 열교환 매체로서 사용되는 냉매의 종류 및 열교환기 내부에서 발생하는 내부 압력에 따라 다양한 방식이 개발되어 왔으며, 대표적으로 휜 튜브 타입(fin tube type), 서펜틴 타입(serpentine type), 드론 컵 타입(drawn-cup type), 패러랠 플로우 타입(parallel flow type)등이 있다.
도 1은 종래의 드론 컵 타입 열교환기의 일예를 나타낸 사시도이다.
도면을 참조하면, 종래의 드론 컵 타입 열교환기(10)는 상부에 컵(17,18)이 형성된 두 장의 플레이트(12,13)가 상호 결합되어, 열교환 매개 유체가 흐르는 통로와 그 단부에 탱크(19)가 마련된 튜브(11)를 형성하고, 상기 튜브(11)를 복수개 적층하여 구성한다. 상기 적층되는 각 튜브(11) 사이에는 방열 휜(16)이 설치된다. 그리고, 상기 탱크(19)에는 열교환 매개 유체를 탱크(19)로 공급 및 배출하기 위한유입구(14) 및 배출구(15)가 설치된다.
상기한 바와 같이 종래의 열교환기는 외부 유체와 열교환 매개 유체와의 열전달율 향상을 위해 방열 휜(16)이 설치되므로 열교환기 전체의 조립성을 악화시킨다. 따라서 방열 휜(16)이 열교환기의 생산성 향상 및 소형화에 저해 요인으로 인식되고 있다.
상기한 문제점의 해결 방안으로서 일본 특허공개번호 제2000-205785호와 같은 방열 휜이 없는 열교환기가 제안되었다. 그러나 상기 발명은 열교환 매개 유체의 유동 통로가 연통된 직선형의 좁은 사출부에 의해 형성되어 있고, 부분적으로 형성된 돌기부에 의해 난류화가 촉진될 뿐이어서 열교환 매개 유체의 열전달 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 외면에 다수의 돌출된 비드를 형성한 튜브를 인접 적층하여 외부 유체의 유로를 형성함으로써 방열 휜이 필요 없는 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 또한 튜브의 내부에 내부 휜을 설치하고 튜브의 내면에 딤플을 형성하여 열교환 매개 유체의 난류화를 촉진함으로써 열전달 성능이 향상된 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 열교환기의 일예를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명 열교환기의 부분 절개 사시도.
도 3a 및 3b는 본 발명 열교환기의 튜브를 구성하는 제 1 플레이트의 일 실시예를 나타낸 평면도 및 단면도.
도 4a 및 4b는 본 발명 열교환기의 튜브를 구성하는 제 2 플레이트의 일 실시예를 나타낸 평면도 및 단면도.
도 5a는 도 3a 및 4a의 플레이트들이 중첩된 상태를 도시한 평면도.
도 5b는 본 발명 열교환기의 부분 단면도로서 외부 유체의 유로를 함께 나타낸 도면.
도 6은 본 발명 열교환기의 튜브를 구성하는 플레이트의 다른 실시예를 나타낸 평면도.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
10,100..열교환기11,110..튜브
12,13,111,112,200,210..플레이트113,201,211..비드
114,202,212..접합돌기115,220..내부 휜
116,205,215..딤플
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열교환기는, 적어도 하나 이상의 탱크 및 열교환 매개 유체의 유로를 형성하는 상호 이격되어 적층된 튜브를 구비하며, 상기 인접한 튜브 사이로 외부 유체가 요철형 유로를 따라 통과하도록 상기 튜브의 외면에 소정 패턴의 비드들이 형성된 열교환기에 있어서, 상기 튜브의 내부에는 코루게이트(corugate) 형상의 내부 휜(inner fin)이 개재되며, 상기 내부 휜의 골과 골 사이의 튜브 내면에는 상기 튜브의 길이 방향을 따라 열교환 매개 유체의 난류화를 촉진하는 내면 딤플이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 튜브는 한 쌍의 평평한 제 1 및 제 2 플레이트의 에지를 서로 접합하여 형성하며, 상기 제 1 플레이트에는, 외부 유체 유입 방향을 따라 임의로 정한 일 라인을 제 1 라인이라 할 때, 홀수 번째 라인에 n 개의 비드가, 짝수 번째 라인에 n-2 개의 비드가 일정 간격으로 배열되고, 상기 제 2 플레이트에는, 상기 제 1 플레이트의 제 1 라인과 대응하는 위치에 있는 일 라인을 제 1 라인이라 할 때, 홀수 번째 라인에 n-2 개의 비드가, 짝수 번째 라인에 n 개의 비드가 일정 간격으로 배열됨으로써, 상기 제 1 플레이트에 배열된 비드가, 인접하는 타 튜브를 이루는 제 2 플레이트에 배열된 비드 사이에 위치하도록 함이 바람직하다.
상기 비드는 외부 유체 유입 방향과 소정의 각도로 경사진 타원 또는 뱅크(bank) 형상으로 형성되거나, 튜브의 외주면에 파형을 이루며 배열되도록 함이 바람직하다.
상기 인접하는 튜브들의 상호 대향되는 면에는 상호 접합되는 적어도 하나의 접합돌기가 각각 형성되며, 상기 접합돌기의 높이(h2)는 상기 비드의 높이(h1) 이상으로 하는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 열교환기를 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명 열교환기의 일 실시예에 대한 부분 절단 사시도를 나타낸 것이다. 도면을 참조하면, 열교환기(100)는 오목부가 형성된 제 1 및 제 2 플레이트(111,112)를 오목한 면이 상호 마주보도록 위치시키고 에지(117)를 서로 접합하여 이루어진 튜브(110)를 적층하여 만든다. 제 1 및 제 2 플레이트(111,112)의 상하부에는 통공인 컵(118)이 형성되어 있어 상기 플레이트의 접합에 의해 탱크(119)를 형성한다. 상기 탱크(119)에는 열교환 매개 유체의 유입구(121) 및 배출구(122)가 연결된다.
플레이트들(111,112)의 접합으로 형성된 튜브의 내부공간은 열교환 매개 유체의 유로를 형성한다. 상기 내부공간에는 내부 휜(115)이 개재되어 상기 열교환 매개 유체의 흐름를 난류화하여 열전달을 촉진한다. 다양한 형태의 내부 휜(115)이 사용될 수 있으나 유체의 유동을 차단하지 않도록 코러케이트형 휜을 그 웨이브가 튜브의 길이방향에 수직하도록 설치하는 것이 바람직하다.
튜브의 내면에는 내부 휜(115)의 웨이브 사이마다 딤플(116)이 형성된다. 구체적으로 설명하면, 제 1 플레이트(111)의 절단면을 기준으로 할 때, 그 내면 위에 내부 휜(115)의 웨이브가 위치하며 상기 웨이브의 골과 이웃하는 골 사이의 내면 상에 딤플(116)이 위치한다. 마찬가지로, 제 2 플레이트(112)의 절단면을 기준으로 할 때, 내부 휜(115) 웨이브의 골과 골 사이의 내면 상에 딤플(116)이 위치한다. 상기 딤플(116)들은 플레이트(111,112)의 내면 위로 흐르는 열교환 매개 유체를 난류화한다.
튜브의 외면에는 타원 형상의 돌출된 비드(113)들이 일정 패턴으로 형성되어 있다. 도면상에서 보면, 앞에 위치한 튜브를 형성하는 제 2 플레이트(112)에 형성된 비드(113)와 뒤에 위치한 튜브를 형성하는 제 1 플레이트(111)에 형성된 비드(113)가 교호적으로 배열되고, 상기 비드(113)들의 연합에 의해 인접하는 튜브 사이, 구체적으로는 앞에 위치한 튜브의 제 2 플레이트(112)와 뒤에 위치한 튜브의 제 1 플레이트(111) 사이를 통과하는 외부 유체가 요철형 유로를 따라 흐르게 된다. 각 플레이트(111,112)의 중앙부 소정 위치에는 접합돌기(114)가 형성되어 있다. 상기 접합돌기(114)는 인접한 플레이트에 형성된 접합돌기와 서로 접합하여 인접한 튜브간 간격을 일정하게 유지시켜 외부 유체 유로의 변형을 막는다.
상기한 열교환기의 작동을 설명하면, 열교환 매개 유체가 유입구(121)를 통해 탱크(119)를 거쳐 튜브(112)의 내부공간으로 진입한다. 튜브(112)의 내부공간에서 난류화되며 흐르는 열교환 매개 유체는 인접하는 양 튜브 사이의 요철형 유로를 따라 흐르는 외부 유체와 열교환을 한다. 열교환을 마친 열교환 매개 유체는 다시 탱크(119)를 거쳐 배출구(122)를 통해 배출된다.
도 3a 및 3b는 본 발명 열교환기의 튜브를 구성하는 제 1 플레이트의 일 실시예를 나타낸 평면도 및 단면도이다. 도면을 참조하면, 제 1 플레이트(200)는 돌출된 비드(201)와 접합돌기(202)가 형성된 외면, 상하에 각각 탱크를 형성하는 컵(204), 및 제 2 플레이트와 접합되는 에지(203)를 구비한다. 상기 비드(201)는 타원 형상이며 외부 유체의 진입방향과 일정 각도로 경사져 있다. 동일한 패턴의 비드(201)가 플레이트(200) 전체에 배열되어 있으나 생략되었다. 도면에 도시되진않았으나 상기 타원형 대신 돌출된 뱅크(bank)의 형상으로 비드를 형성할 수도 있다. 상기 비드(201)들의 배열에 의해 형성된 라인은 외부 유체의 진입방향에 평행하게 연장된 직선을 이루며 상기 라인들이 플레이트(200)의 길이방향으로 복수 개 서로 평행하게 배열된다. 상기 라인들 가운데 임의의 일 라인, 바람직하게는 플레이트(200)에서 제일 위에 형성된 라인을 제 1 라인이라 하면, 홀수 번째 라인에는 n 개, 짝수 번째 라인에는 n-2 개의 비드(201)가 일정 간격으로 배열된다. 이에 의해 일 라인에 배열된 비드는 인접하는 라인에 배열된 비드와 대각선상에 놓여진다.
도면에서 나타난 바와 같이, 외부 유체가 플레이트(200)의 측면으로부터 라인 사이로 진입하면 일부는 진행방향과 같은 수평방향으로, 일부는 타원의 경사방향과 같이 상향으로 이동한다. 플레이트(200)의 중앙을 기준으로 그 우측의 비드(201)는 하향 경사를 이루고 있으므로 일부 유체는 다시 하향으로 이동한다. 이에 따라 외부 유체가 플레이트(200)를 직선 최단 경로로 통과하는 것이 방지된다.
플레이트(200)의 중앙부에는 접합돌기가 형성되어 있으며 그 수는 유체의 흐름을 방해하지 않으면서도 조립시나 작동중에 플레이트(200)의 변형이 발생되지 않도록 정해진다.
도 4a 및 4b는 도 3a 및 3b의 제 1 플레이트(200)에 대응하는 제 2 플레이트(210)를 나타낸 평면도 및 단면도이다. 제 1 플레이트(200)와 마찬가지로 제 2 플레이트(210)도 경사진 타원형의 돌출된 비드(211)와 접합돌기(212)가 형성된 외면, 상하에 각각 탱크를 형성하는 컵(214), 및 제 1 플레이트와 접합되는 에지(213)를 구비하며, 상기 비드(211)는 도시되진 않았으나 플레이트(210) 전체에 배열된다. 제 1 플레이트(200)의 제 1 라인에 대응하는 제 2 플레이트(210)상의 일 라인을 제 1 라인이라 하면, 홀수 번째의 라인에는 n-2 개의 비드(211)가, 짝수 번째 라인에는 n 개의 비드(211)가 일정 간격으로 배열된다. 상기한 배열로 인해 제 1 플레이트(200)와 제 2 플레이트(210)가 인접 적층된 경우 제 1 플레이트(200)의 비드(201) 사이에는 제 2 플레이트(210)의 비드(211)가 위치하고, 제 2 플레이트(210)의 비드(211) 사이에는 제 1 플레이트(200)의 비드(201)가 위치하여 요철형 유로를 형성한다. 접합돌기(212)는 인접 제 1 플레이트(200)의 접합돌기(202)에 대응하는 위치에 형성되어 서로 접합된다.
도 3b는 도 3a의 A-A에 따른 단면도이며, 도 4b는 도 4b의 B-B에 따른 단면도이다. 각 플레이트(200,210)의 내면의 딤플(205,215)은 도 2에서 상술한 바와 같이, 내부 휜(미도시)의 골과 골 사이에 형성된다. 각 플레이트(200,210)에서 접합돌기(202,212)의 높이(h2)는 비드(201,211)의 높이(h1) 이상으로 형성된다. 그렇지 않을 경우 인접하는 제 1 및 제 2 플레이트의 비드(201,211)가 서로 맞닿게 되거나 그렇지 않다 하더라도 비드(201,211) 사이로 형성되는 요철형 유로가 너무 좁아서 외부 유체가 그 사이로 흐를 수 없는 경우가 발생될 수 있다.
도 5a는 도 3a 및 4a의 플레이트들(200,210)이 중첩된 상태를 도시한 평면도이고, 도 5b는 도 3b 및 도 4b의 플레이트(200,210)들의 에지(203,213)가 서로 접합되어 튜브를 형성하고 이들이 적층되어 요철형 유로를 형성한 것을 나타낸 부분 단면도이다. 튜브의 내부에는 도 2에서 상술한 바와 같이 코러케이트형 휜(220)이설치되고 그 웨이브의 골과 골 사이에는 딤플(205,215)이 형성되며, 열교환 매개 유체는 지면을 관통하는 방향으로 흐름을 알 수 있다. 튜브를 형성하는 제 1 플레이트(200)는 인접하는 튜브의 제 2 플레이트(210)와 접합돌기(202,212)끼리 서로 접합되어 적절한 거리를 유지한다. 이로 인해 튜브 사이로 진입하는 외부 유체, 특히 도 3a에서 비드(201)들에 의해 형성된 라인과 동일선상으로 진입하는 외부 유체는 도 5b의 화살표에서 나타낸 바와 같은 요철형 유로를 따라 튜브사이를 통과한다. 도면상에 접합돌기(202,212)에 의한 접합부에서 유체는 옆으로 비켜서 흐르며 점선은 이를 나타낸다.
도 6은 본 발명 열교환기의 튜브를 구성하는 플레이트의 다른 실시예를 나타낸 평면도이다. 도면을 참조하면, 플레이트(250)의 비드(251)는 원형이며 웨이브형 라인을 이루며 배열되어 있다. 동일한 패턴의 비드(251)가 플레이트(250) 전체에 배열되어 있으나 생략되었다. 이에 따라 라인 사이로 진입하는 외부 유체는 화살표로 나타낸 바와 같이 복잡한 경로를 통해 진행한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 열교환기는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 인접 튜브 사이에 개재되는 방열 휜을 제거함으로써 열교환기의 조립성을 좋게 하여 생산성을 향상시키고, 열교환기의 소형화에 장애 요인을 제거할 수 있다.
둘째, 튜브의 외면에 형성된 복수의 비드가 외부 유체가 요철형 유로를 따라 흐르도록 함으로써 외부 유체가 튜브에 접촉하는 면적을 넓혀 열교환 효율이 향상될 수 있다.
셋째, 튜브의 내부에 휜을 설치하고 딤플을 형성하여 열교환 매개 유체의 난류화를 촉진함으로써, 열교환 효율이 향상될 수 있다.
넷째, 인접하는 튜브의 대응하는 위치에 형성된 접합돌기를 서로 접합하여 튜브간 일정 거리를 유지하도록 함으로써 열교환기의 조립 및 작동 시에 외부 유체의 유로가 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 적어도 하나 이상의 탱크 및 열교환 매개 유체의 유로를 형성하는 상호 이격되어 적층된 튜브를 구비하며, 상기 인접한 튜브 사이로 외부 유체가 요철형 유로를 따라 통과하도록 상기 튜브의 외면에 소정 패턴의 비드들이 형성된 열교환기에 있어서,
    상기 튜브의 내부에는 코루게이트(corugate) 형상의 내부 휜(inner fin)이 개재되며,
    상기 내부 휜의 골과 골 사이의 튜브 내면에는 상기 튜브의 길이 방향을 따라 열교환 매개 유체의 난류화를 촉진하는 내면 딤플이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브는 한 쌍의 평평한 제 1 및 제 2 플레이트의 에지를 서로 접합하여 형성하며,
    상기 제 1 플레이트에는, 외부 유체 유입 방향을 따라 임의로 정한 일 라인을 제 1 라인이라 할 때, 홀수 번째 라인에 n 개의 비드가, 짝수 번째 라인에 n-2 개의 비드가 일정 간격으로 배열되고,
    상기 제 2 플레이트에는, 상기 제 1 플레이트의 제 1 라인과 대응하는 위치에 있는 일 라인을 제 1 라인이라 할 때, 홀수 번째 라인에 n-2 개의 비드가, 짝수 번째 라인에 n 개의 비드가 일정 간격으로 배열됨으로써,
    상기 제 1 플레이트에 배열된 비드가, 인접하는 타 튜브를 이루는 제 2 플레이트에 배열된 비드 사이에 위치함을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 비드는 외부 유체 유입 방향과 소정의 각도로 경사진 타원 또는 뱅크(bank) 형상인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 비드는 튜브의 외주면에 파형을 이루며 배열되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 인접하는 튜브들의 상호 대향되는 면에는 상호 접합되는 적어도 하나의 접합돌기가 각각 형성되며,
    상기 접합돌기의 높이(h2)는 상기 비드의 높이(h1) 이상인 것을 특징으로 하는 열교환기.
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