KR20030072601A - 열 교환기용 편평 튜브의 내측 핀 및 증발기 - Google Patents

열 교환기용 편평 튜브의 내측 핀 및 증발기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 주름형 단면을 가지며 편평 튜브(22A) 내에 수용되는 금속 플레이트를 포함하고, 그의 모든 리지(51) 및 모든 홈(52)이 납땜에 의해 편평 튜브(22A)의 내부면에 결합 가능한, 열 교환기용 편평 튜브(22A)의 내측 핀(5)에 관한 것이다. 내측 핀(5)의 리지(51) 및 홈(52) 중 적어도 하나는 납땜될 측면에 대향하는 측면을 향해 지향된 난류 촉진 돌출부(53)를 구비한다. 난류 촉진 돌출부(53)는 돌출부의 후방 측면 상에 형성된 오목부(54)와 편평 튜브(22A)의 내부면 사이에 생성될 간극이 납땜 재료(6)로 충전될 수 있도록 치수 설정된다. 편평 튜브(22A)를 통과하는 유체는 돌출부(53)에 의해 더 큰 난류 상태로 유동하게 되며, 이에 의해 향상된 열 전달 효율을 성취한다.

Description

열 교환기용 편평 튜브의 내측 핀 및 증발기{INNER FIN FOR HEAT EXCHANGER FLAT TUBES AND EVAPORATOR}
차량 에어컨용 증발기에 있어서, 냉매에 증가된 열 전달 면적을 제공하여 향상된 성능을 성취하기 위해 편평 튜브 내에 내측 핀을 배열하는 것이 종래 행해져 왔다.
공지된 이러한 내측 핀의 일례는 편평 튜브 내에 수용된 주름형 단면의 금속 시트를 포함하는 내측 핀이다. 내측 핀은 모든 리지(rigde)와 홈(furrow)이 편평 튜브의 내부면에 납땜되어 있다.
개시된 내측 핀은 리지와 홈 사이의 간격, 즉 핀 피치를 감소시킴으로써 증가된 열 전달 면적을 제공하는 반면, 더욱 감소된 핀 피치를 갖는 내측 핀을 제조하는데 있어 어려움에 직면한다. 또한, 실현되는 경우에도, 더욱 감소된 핀 피치는 이에 따른 향상된 효과를 성취할 수 없는 것으로 판명되었다.
본 발명의 목적은 주름형 단면의 금속 시트를 포함하며 핀 피치를 감소시키지 않고 더욱 향상된 열 전달 효율을 성취하도록 적용되는 열 교환기용 편평 튜브의 내측 핀을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 상기 내측 핀이 사용되며 이에 의해 성능이 향상되는 증발기를 제공하는 것이다.
관련 출원
본 출원은 미국 35 U.S.C. §111(b)에 따라 2001년 7월 23일 출원된 미국 임시 출원 제60/306,851호의 출원일의 35 U.S.C. §119(e)(1)에 따른 이익을 청구하는 35 U.S.C. §111(a)하에 출원된 미국 출원에 대응한다.
본 발명은 열 교환기용 편평 튜브의 내측 핀에 관한 것이며, 예컨대 차량 에어컨용 증발기로서 사용하기 위해 적용되며 이러한 내측 핀이 내부에 통합되어 있는 증발기에 관한 것이다.
도1은 차량 에어컨용 적층형 증발기인, 본 발명의 일 실시예를 도시하는 사시도.
도2는 튜브 요소를 구성하는 두 개의 접시형 플레이트 및 이 플레이트의 내부에 제공되는 내측 핀을 도시하는 사시도.
도3의 (a)는 내측 핀의 측면도이고, (b)는 내측 핀의 단면도.
도4의 (a)는 편평 튜브부 내에 수용된 상태의 내측 핀을 도시하는 부분 확대 단면도이고, (b)는 (a)의 선 b-b를 따라 취한 부분 확대 종단면도.
도5는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 도면으로서, (a)는 내측 핀의 측면도이고, (b)는 내측 핀의 단면도.
본 발명은 주름형 단면을 갖는 금속 플레이트를 포함하고 편평 튜브 내에 수용되며 그의 모든 리지 및 모든 홈이 납땜에 의해 편평 튜브의 내부면에 결합 가능한 열 교환기용 편평 튜브의 내측 핀을 제공하며, 상기 내측 핀은, 리지 및 홈 중 적어도 하나가, 납땜될 측면에 대향하는 측면을 향해 지향된 난류 촉진 돌출부를 구비하고, 상기 난류 촉진 돌출부는 상기 돌출부의 후방 측면 상에 형성된 오목부와 편평 튜브의 내부면 사이에 생성될 간극이 납땜 재료로 충전될 수 있도록 치수 설정되는 것을 특징으로 한다.
내측 핀의 모든 리지 및 모든 홈 중 적어도 하나가, 납땜될 측면에 대향하는 측면을 향해 지향된 난류 촉진 돌출부를 구비하는 경우, 내측 핀이 수용되어 있는 편평 튜브를 통과하는 유체는 돌출부에 의해 더 큰 난류 상태로 유동하게 되어 더욱 높은 열 전달 효율이 성취된다. 더욱이, 난류 촉진 돌출부는 돌출부의 후방 측면 상에 형성된 오목부와 편평 튜브의 내부면 사이에 생성될 간극이 납땜 재료로충전될 수 있도록 치수 설정되기 때문에, 내측 핀에 의해 편평 튜브 내에 형성되고 튜브의 폭방향으로 평행하게 배열된 복수의 유체 채널은 서로 연통하는 것이 방지되며 유동 저항 증가를 수반하지 않는다. 따라서, 본 발명의 열 교환기용 편평 튜브의 내측 핀은 핀 피치를 감소시키지 않고 난류 촉진 돌출부에 의해 열 교환 효율이 향상된다.
난류 촉진 돌출부는 후술하는 2차 효과를 생성한다. 금속 시트로 제조되는 이러한 내측 핀의 다수는 스택(stack)의 형태로 적층 배열된 상태로 일시적으로 저장되지만, 핀들은 서로 긴밀 접촉 상태로 유지되는 경우 분리되기 어려우며, 열 교환기 조립시에 문제를 발생시킬 가능성이 있다. 내측 핀들이 이러한 돌출부를 구비하면, 내측 핀은 다수로 적층되는 경우에도 서로 긴밀 접촉하지 않고 유지된다. 다음, 내측 핀은 스택으로부터 하나씩 취출이 용이하여 열 교환기 조립시에 높은 효율을 보장한다. 긴밀 접촉 방지 효과의 관점에서, 돌출부가 적어도 내측 핀의 대향 에지 부근에서 리지 및/또는 홈에 형성되어, 핀들이 다수로 적층되는 경우에도 하나씩 용이하게 분리되는 것이 바람직하다.
본 발명의 열 교환기용 편평 튜브의 내측 핀에 있어서, 난류 촉진 돌출부는 내측 핀의 종방향으로 1 내지 1.5mm의 치수를 가지며 0.2 내지 0.4mm의 높이를 갖는다.
돌출부가 내측 핀의 종방향으로 1mm 미만 및 0.2mm 미만의 높이로 치수 설정되면, 열 교환 효율의 향상에 기여할 수 있는 이러한 난류가 유체 내에 발생될 수 없다. 다른 한편으로, 돌출부가 내측 핀의 길이를 따라 1.5mm 초과 및 0.4mm 초과의 높이로 치수 설정되면, 돌출부의 후방 측면 상의 오목부와 편평 튜브의 내부면 사이의 간극을 납땜 재료로 충전하는 것이 실패할 가능성이 있으며, 과잉 유동 저항이 제공될 수 있다.
난류 촉진 돌출부는 내측 핀의 폭방향에 대해 임의적으로 제공될 수 있고, 또는 예컨대 매 3개의 홈마다의 소정 간격으로 형성될 수도 있다. 하나 또는 복수의 난류 촉진 돌출부가 하나의 리지 또는 홈에 형성될 수도 있다. 복수의 돌출부가 제공되는 경우에는, 복수의 돌출부는 한정된 피치 또는 임의적으로 배열될 수도 있다. 복수의 돌출부가 하나의 리지 또는 홈에 형성되는 경우, 과잉 유동 저항을 회피하기 위해 돌출부의 개수 및 피치를 결정할 필요가 있다.
내측 핀은 일반적으로 롤 성형(roll forming)에 의해 준비된다. 이 경우, 돌출부는 대응 부분에 각각 돌기 및 공동을 갖는 한 쌍의 성형 롤을 사용하여 내측 핀 자체의 성형과 동시에 형성될 수 있다.
본 발명의 내측 핀을 내부에 수용하기 위한 열 교환기의 사용을 위한 편평 튜브는 특히 한정되는 것은 아니지만, 예컨대 전기 저항 용접 튜브, 또는 편평 튜브 형성부를 각각 구비하고 서로 면대면(face-to-face) 결합되는 한 쌍의 접시형 플레이트를 포함하는 편평 튜브부일 수 있다. 편평 튜브부의 경우, 본 발명의 내측 핀은, 격벽 리지와 상기 격벽 리지의 대향 측면들에 위치되며 편평 튜브 형성부를 각각 구비하며 면대면 배열 형태로 서로 결합되는 한 쌍의 접시형 플레이트에 의해 형성된 두 개의 편평 튜브부의 각각에 배치된다. 두 개의 내측 핀은, 두 개의 접시형 플레이트의 격벽 리지들 사이에 개재된 조인트부에 의해 서로 일체로 형성된 인접 에지를 가질 수도 있다.
내측 핀의 리지 및 홈은 예컨대 납땜 시트로부터 내측 핀 및 편평 튜브 중 적어도 하나를 준비하고 시트면을 클래딩(cladding)하는 납땜 재료를 사용함으로써 편평 튜브의 내부면에 납땜된다. 그러나, 일반적으로, 편평 튜브만이 납땜 시트로 제조된다.
본 발명은 복수의 편평 튜브를 포함하는 증발기를 또한 제공하며, 각각의 편평 튜브는 본 발명의 내측 핀이 내부에 수용되어 있고, 내측 핀은 그의 모든 리지 및 모든 홈이 편평 튜브의 내부면에 납땜되어 있다.
내측 핀의 난류 촉진 돌출부는 편평 튜브를 통해 유동하는 냉매와, 냉각되어 편평 튜브의 외부로 유출되는 공기 사이의 열 교환 효율을 향상시킴으로써, 증발기가 우수한 성능을 나타낼 수 있게 한다.
본 발명에 따른 증발기는, 편평 튜브 형성 리세스부를 각각 구비하며 면대면 배열 형태로 서로 결합되는 한 쌍의 접시형 플레이트에 의해 형성된 편평 튜브부에 의해 제공된 편평 튜브를 포함하는 적층형 증발기일 수 있다.
도1 내지 도4는 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 도시된 실시예는 차량 에어컨용 적층형 증발기에 사용하기에 적합하다.
도1은 차량 에어컨용 전체 적층형 증발기를 도시한다. 증발기(1)는, 외측 핀(3)에 의해 서로 결합되고 서로 대면하여 결합된 한 쌍의 접시형 플레이트(20, 20A)를 각각 구비하는 복수의 튜브 요소(2, 2A)를 포함하는 증발기 코어(10)를 갖는다. 증발기 코어(10)는 측방향으로 나란히 배열된 복수의 전방 편평 튜브부(22A)와, 측방향으로 나란히 배열된 복수의 후방 편평 튜브부(22A)와, 전방 편평 튜브부(22A)의 상단부 및 하단부를 연통 상태로 상호 연결시키기 위한 전방 상측 헤더(22B) 및 전방 하측 헤더(22B), 및 후방 편평 튜브부(22A)의 상단부 및 하단부를 연통 상태로 상호 연결시키기 위한 후방 상측 헤더(22B) 및 후방 하측 헤더(22B)를 포함하며, 상기 부품들은 좌측 단부의 튜브 요소 이외의 튜브 요소(2)에 의해 제공된다. 좌측 단부의 튜브 요소(2A)는 냉매 유입 통로(201)와 냉매 유출 통로(202)를 갖는다. 상기 튜브 요소(2A)의 외측면에 부착된 파이프 결합 블록(4)은 냉매 유입 파이프 연결 개구(41) 및 냉매 유출 파이프 연결 개구(42)를 갖는다. 격벽(도시 생략)이 헤더(22B) 내의 필요 부분에 제공된다. 유입 파이프 연결개구(41)와 유입 통로(201)를 경유하여, 냉매가 후방 상측 헤더(22B)의 좌측 단부 내로 유입되고, 그 후 소정 패턴으로 모든 헤더(22B) 및 편평 튜브부(22A)를 통해 유동한 후, 전방 상측 헤더(22B)의 좌측 단부로부터 유출되고 유출 통로(202) 및 유출 파이프 연결 개구(42)를 경유하여 배출된다.
도2는 좌측 단부의 튜브 요소(2A) 이외의 튜브 요소(2)의 각각을 구성하는 두 개의 접시형 플레이트(20) 및 이들 플레이트(20)에 의해 수용된 내측 핀(5)을 도시한다. 접시형 플레이트(20)는 그의 대향 표면들에 걸쳐 납땜 재료가 클래딩되는 납땜 시트로부터 준비된다. 각각의 접시형 플레이트(20)는 그의 길이방향 중앙부에 수직 격벽 리지(21)를 가져서 리지(21)의 전방 및 후방 측면에 각각 편평 튜브 형성 리세스부(22)를 제공한다. 접시형 플레이트(20)는 전방 및 후방 튜브 형성 리세스부(22)의 상단부 및 하단부와 일체형인 헤더 형성 리세스부(23)를 또한 갖는다. 냉매 통과 구멍(24)이 리세스부(23)의 저부벽에 형성된다. 그러나, 몇몇 접시형 플레이트(20)의 필요 헤더 형성 리세스부(23)의 저부벽에는 구멍(24)이 형성되어 있지 않다. 상기 저부벽은 격벽을 제공한다. 두 개의 접시형 플레이트 (20)는 면대면으로 서로 결합되어, 전방 및 후방의 두 개의 편평 튜브부(22A)가 형성된다. 두 개의 내측 핀(5)은 상기 두 개의 튜브부(22A) 내에 각각 배열되며 본 발명을 구체화한다. 두 개의 내측 핀(5)은, 두 개의 접시형 플레이트(20)의 격벽 리지(21) 사이에 개재된 조인트부(50)에 의해 서로 일체로 형성된 인접 에지를 갖는다.
도2 내지 도4를 참조하면, 본 발명의 내측 핀(5)은, 주름형 단면을 가지며롤 성형에 의해 형성된 알루미늄 합금 시트를 포함한다. 내측 핀(5)은 편평 튜브부(22A) 내에 수용되고, 모든 리지(51) 및 모든 홈(52)은 납땜에 의해 편평 튜브부(22A)의 내부면에 결합된다. 내측 핀(5)은 튜브부(22A)의 내부에 전후방으로부터 나란히 배열된 복수의 냉매 채널(221)을 형성한다. 도3 및 도4에 도시한 바와 같이, 내측 핀(5)의 복수의 홈(52)은 상기 홈들의 납땜면에 대향하는 방향을 향해 지향된 난류 촉진 돌출부(53)를 구비한다.
이러한 내측 핀(5)은 주름형 단면의 알루미늄 합금 시트를 규정 길이로 절단함으로써 형성되고, 그 후 층으로 적층된 상태로 일시적으로 저장된다. 이 상태에서, 인접 내측 핀(5)은 난류 촉진 돌출부(53)의 존재에 의해 서로 긴밀 접촉하지 않고 유지된다. 따라서, 내측 핀(5)은 증발기(1)의 조립시에 효율적인 작업을 보장하기 위해 용이하게 스택으로부터 하나씩 취출 가능하다.
도3에 도시한 전방 및 후방 내측 핀(5) 각각에서, 난류 촉진 돌출부(53)를 구비한 홈(52)의 개수는 5개이다. 이 개수는 핀의 모든 리지(51) 및 모든 홈(52)의 총 개수(=23)의 약 1/5이다. 돌출부(53)를 구비한 5개의 홈(52)은 도3에 도시한 바와 같이 내측 핀의 폭방향에 대해 임의적으로 배열된다. 5개의 홈(52) 각각은 1개 내지 5개의 돌출부(53)를 갖는다.
도4의 (b)를 참조하면, 돌출부(53)의 후방 측면 상에 형성된 오목부(54)와 편평 튜브부(22A)의 내부면 사이에 생성된 간극은 납땜 재료(6)로 충전된다. [납땜 재료는 도4의 (a)에는 도시되어 있지 않다.] 난류 촉진 돌출부(53)는 내측 핀의 길이를 따라 1mm의 치수(A)이며 0.4mm의 높이(B)이다.
전술한 증발기(1)에서, 편평 튜브부(22A) 내의 냉매 채널(221)을 통해 유동하는 냉매는 비등 상태에 있고 따라서 일반적으로 난류인 반면, 내측 핀(5) 내에 형성된 난류 촉진 돌출부(53)는 더 큰 난류를 생성시키며 이에 의해 향상된 열 전달 효율을 성취한다. 냉매는 다른 채널(221) 내로 편향되지 않고 각각의 냉매 채널(221)을 통해 직진 유동한다. 이는 유동에 대한 저항 감소를 초래한다.
도5는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 도5를 참조하면, 조인트부(50)에 의해 서로 일체로 제조된 전방 및 후방 내측 핀(5) 각각은 핀의 전방 및 후방 에지 부근에 위치된 3개의 홈(52) 내에 형성된 난류 촉진 돌출부(53)를 갖는다. 1개 내지 3개의 돌출부(53)가 3개의 홈(52)의 각각에 형성된다. 이 특징을 제외하면, 제2 실시예는 도1 내지 도4에 도시한 제1 실시예와 동일하다.
전술한 실시예들은 단지 예시적인 예이다. 본 발명은 첨부된 청구범위에 설명된 바와 같은 본 발명의 요지로부터 일탈되지 않고 적합하게 변경됨으로써 실시될 수 있는 것은 물론이다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 내측 핀이 내부에 배열되어 있는 편평 튜브를 포함하는 열 교환기의 효율을 향상시키는데 유용하다. 본 발명은 차량 에어컨용 증발기와 같은 증발기의 효율을 향상시키는데 특히 유용하다.

Claims (4)

  1. 주름형 단면을 갖는 금속 플레이트를 포함하고 편평 튜브 내에 수용되며 그의 모든 리지 및 모든 홈이 납땜에 의해 상기 편평 튜브의 내부면에 결합 가능한 열 교환기용 편평 튜브의 내측 핀에 있어서,
    상기 리지 및 홈 중 적어도 하나는, 납땜될 측면에 대향하는 측면을 향해 지향된 난류 촉진 돌출부를 구비하며, 상기 난류 촉진 돌출부는 상기 돌출부의 후방 측면 상에 형성된 오목부와 상기 편평 튜브의 내부면 사이에 생성될 간극이 납땜 재료로 충전될 수 있도록 치수 설정되는 것을 특징으로 하는 열 교환기용 편평 튜브의 내측 핀.
  2. 제1항에 있어서, 상기 난류 촉진 돌출부는 상기 내측 핀의 종방향으로 1 내지 1.5mm의 치수 및 0.2 내지 0.4mm의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 열 교환기용 편평 튜브의 내측 핀.
  3. 복수의 편평 튜브를 포함하고, 이들 편평 튜브 각각이 제1항 또는 제2항에 따른 내측 핀을 내부에 수용하고 있고, 상기 내측 핀의 모든 리지 및 모든 홈이 상기 편평 튜브의 내부면에 납땜되어 있는 것을 특징으로 하는 증발기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 편평 튜브는 접시형 플레이트의 쌍에 의해 형성된 편평 튜브부에 의해 제공되며, 상기 접시형 플레이트의 각각의 쌍은 서로 대면하여 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 증발기.
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