KR200352336Y1 - 유체열교환기의 열전달핀 및 유체열교환기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 선박 및 육상용 차량의 엔진오일의 냉각뿐만 아니라 유체를 냉각 또는 가열하기 위한 유체열교환기에 관한 것으로, 유체 입·출구와 상기 유체 입·출구 사이에 다단으로 적층되어 형성되는 튜브플레이트를 포함하는 유체열교환기의 열전달핀에 있어서, 상기 튜브플레이트의 길이방향으로 서로 연결되어 평행하게 배열되는 다수개의 열전달핀 단위셀을 포함하여 구성되어 상기 튜브플레이트 내부의 상·하면과 접촉하도록 상기 튜브플레이트 내부에 삽입되는 것으로서, 상기 단위셀의 양측면에는 볼록부와 오목부가 상기 튜브플레이트의 폭방향으로 번갈아 배열되어 오일통과공이 형성되며, 일측면에 형성되는 상기 볼록부와 오목부는 타측면에 형성되는 상기 오목부와 볼록부에 각각 마주하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유체열교환기의 열전달핀 및 상기 열전달핀을 내장한 유체열교환기가 제공된다.

Description

유체열교환기의 열전달핀 및 유체열교환기 {HEAT TRANSFER FIN OF A HEAT EXCHANGER AND A HEAT EXCHANGER USING THE SAME}

본 고안은 유체간의 열전달을 위한 유체열교환기의 열전달핀에 관한 것으로, 보다 상세하게는 튜브플레이트 내부에 삽입되어 유체간의 간접적인 열전달 방식에 의하여 오일 등의 유체의 온도를 상승 또는 하강시키기 위한 열전달핀에 관한 것이다.

일반적으로 선박, 육상용 차량 또는 다양한 산업기계 등에서는 엔진오일, 미션오일 등이 중요한 기능적 역할을 담당하고 있는데, 예를들면 선박 또는 차량의 엔진오일은 피스톤 실린더, 크랭크 샤프트 등의 기계부품의 윤활 및 연소가스가 실린더내로 유입되는 것을 방지하는 실링의 역할도 한다. 아울러, 엔진오일은 엔진 실린더, 피스톤, 밸브 및 기타 기계적 작동요소들의 냉각에도 관여한다.

엔진오일은 일반적으로 80℃ 정도의 온도를 유지하는 것이 그 기능적인 측면에서 가장 바람직한 것으로 알려져 있다. 엔진오일은 온도가 정상 이상으로 높아지면 산화가 촉진되고 카본을 형성한다. 뿐만 아니라, 첨가제의 효과가 줄어들고 점도가 낮아져 윤활성이 크게 저하되며 이에 따라 오일의 소비가 증가한다. 또한 저온에서는 점도가 커서 각 윤활부에 충분한 양의 오일이 공급되지 않아 각 기계적 구성요소들간의 심한 마모와 소음이 발생하게 된다.

따라서, 오일의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 오일냉각기가 필요하게 되고 이러한 오일냉각기의 형상과 구조는 현재까지 매우 다양한 것이 알려져 있다. 상기 오일냉각기는 크게 원통형과 튜브플레이트를 이용한 적층형 오일냉각기가 있는데, 원통형 오일냉각기의 경우 열전달 접촉면이 작아서 오일의 냉각효율이 떨어지므로 별도의 보조 오일냉각기를 장착해야 한다는 문제점이 있다. 또한 종래의 적층형 오일 냉각기의 경우에는 상기 튜브플레이트 내부에 파형 또는 호형의 조밀한 냉각핀을 삽입하고 오일이 상기 냉각핀에 형성된 오일통과공을 통과하게 하여 냉각되도록 하였다.

그러나, 종래의 파형 또는 호형의 냉각핀을 이용하여 열전달하는 경우에 냉각핀이 지나치게 조밀하게 구성되어 오일이 상기 냉각핀에 형성된 오일통과공을 지나는 동안 마찰등으로 인한 압력손실이 크다는 문제가 있다. 이러한 유동오일의 압력감소는 외부에 연결된 오일펌프에 무리를 주게되고 유체가 기계적구성요소의 각 부분에 원활하게 공급되지 못하게 된다. 따라서, 이를 막기위하여 별도의 바이패스를 두어 오일의 압력의 떨어지는 것을 방지해야 하는 불편이 있었다.

또한 종래의 파형 또는 호형의 냉각핀의 경우 상기 튜브플레이트의 상·하부와의 접촉면적이 작아 연전달효율이 떨어진다는 단점이 있었다.

본 고안은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 고안의 목적은 열전달 접촉면적을 증가시킴과 동시에 유체의 난류유동을 촉진시켜 열전달효율을 증가시킬 수 있도록 고안된 유체열교환기용 열전달핀을 제공하고자 하는데 있다.

아울러, 본 고안에서는 열전달핀의 조밀도와 유체통과공의 크기가 적절한 크기로 설계되어 튜브플레이트 내부를 유동하는 유체의 압력손실을 줄일 수 있도록 고안된 개선된 열전달핀을 제공하고자 한다.

도 1은 본 고안의 열전달핀이 내장된 본 고안의 바람직한 제 1실시예에 따른 유체열교환기의 사시도.

도 2는 도 1의 정면도.

도 3은 본 고안의 열전달핀이 내장된 본 고안의 바람직한 제 2실시예에 따른 유체열교환기의 정면도.

도 4는 본 고안에 따른 열전달핀의 구조를 보인 부분 사시도.

도 5는 도 4의 절단선 V-V를 따라 절단한 절단면도.

도 6은 도 4의 절단선 VI-VI를 따라 절단하여 간략화한 절단면도.

도 7은 본 고안에 따른 열전달핀을 내장한 유체열교환기의 일예를 보인 부분단면도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 유체열교환기 112 : 유체 입구

114 : 유체 출구 116 : 튜브플레이트

120 : 열전달핀 단위셀 122 : 오목부

124 : 볼록부 126 : 단위셀 상판

128 : 단위셀 연결부 130 : 열전달핀

140 : 유체통과공 150 : 파형 핀

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 고안에서는, 튜브플레이트 적층식 유체열교환기의 열전달핀에 있어서, 상기 튜브플레이트의 길이방향으로 서로 연결되어 평행하게 배열되는 다수개의 열전달핀 단위셀을 포함하여 구성되어 상기 튜브플레이트 내부의 상·하면과 접촉하도록 상기 튜브플레이트 내부에 삽입되는 것으로서,

상기 단위셀의 양측면에는 볼록부와 오목부가 상기 튜브플레이트의 폭방향으로 번갈아 배열되어 오일통과공이 형성되며, 일측면에 형성되는 상기 볼록부와 오목부는 타측면에 형성되는 상기 오목부와 볼록부에 각각 마주하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유체열교환기의 열전달핀이 제공된다.

상기에 있어서, 상기 열전달핀의 상·하면은 상기 튜브플레이트 내부의 상·하면에 각각 브레이징 접합되는 것이 바람직하며, 상기 열전달핀은 스테인레스,철,알루미늄, 알루미늄합금, 구리, 구리합금 및 티타늄 중에서 선택되는 어느 하나의재질로 이루어진 박판으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 고안은 또한 유체 입·출구와, 상기 유체 입·출구 상간에 다단으로 적층되고 서로 이격하여 형성되는 튜브플레이트와, 상기 적층된 각각의 튜브플레이트의 내부에는 상기 열전달핀이 삽입되는 것을 특징으로 하는 유체열교환기를 제공한다.

상기에 있어서, 서로 이격하여 적층되는 상기 튜브플레이트의 상간에는 파형의 핀이 상기 튜브플레이트의 외면에 접촉하도록 더 구비될 수 있으며, 상기 유체열교환기는 목적하는 바에 따라 오일냉각기 또는 오일히터로 사용될 수 있으며, 또한 난방용수 히터나 응축기 등으로 사용될 수 도 있다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 고안의 구성과 작동원리를 보다 상세하게 설명한다. 이하의 도면에서는 동일한 참조번호는 동일한 기능과 작동을 하는 동일한 부재를 의미하는 것으로 한다.

도 1은 본 고안의 열전달핀이 내장된 본 고안의 바람직한 제 1실시예에 따른 유체열교환기의 사시도이고 도 2는 도 1의 정면도이다.

도시한 바와 같이, 상기 유체열교환기(100)의 양측면에는 유체의 입·출구(112, 114)가 형성되고 상기 유체 입·출구 상간에는 다수개의 튜브플레이트(116)가 서로 이격공간을 유지하면서 적층된다. 이러한 모양의 유체열교환기(100)는 대개의 경우 오일의 냉각 또는 가열용으로 사용될 수 있으나, 그 목적에 따라서는 난방수 등의 가열에 사용될 수도 있다. 상기 유체열교환기(100)는 그 용도에 따라 튜브플레이트의 크기와 적층되는 단수를 다양하게 변경하여 사용할 수 있다는 장점이 있다.

전술한 바와 같이 본 고안은 오일의 냉각 또는 가열은 물론이고 난방용수 등의 가열등에도 공통적으로 적용될 수 있으므로, 이하에서는 설명의 편의상 오일을 냉각하는 오일냉각기의 용도로서 사용되는 경우를 중심으로 하여 설명한다.

도면에서 검은색으로 표시된 화살표는 튜브플레이트 내부를 유동하는 오일의 흐름을 나타낸 것이고 백색의 화살표는 상기 오일과 직각방향으로 유동하여 상기 오일을 냉각시키기 위한 냉각수의 유동방향을 나타낸 것이다. 상기 유체열교환기(100)를 오일 또는 난방용수의 가열용으로 사용하는 경우에는 상기 냉각수 대신 고온의 스팀 또는 온수를 상기 백색의 화살표 방향으로 통과시킬 수도 있다.

도 3은 본 고안의 열전달핀이 내장된 본 고안의 바람직한 제 2실시예에 따른 유체열교환기의 정면도이다. 본 실시예는 상기 튜브플레이트(116)의 상간에 금속제의 파형의 핀(150)을 삽입하여 냉각수나 고온의 스팀으로 인한 열교환면적을 증가시켜 열전달효율을 증가시키도록 구성된다.

도 4는 본 고안에 따른 열전달핀의 구조를 보인 부분 사시도이다. 도시한 바와 같이, 본 고안의 열전달핀(130)은 상기 튜브플레이트(116)의 내부에 삽입되어 상기 튜브플레이트(116) 내부의 상·하부 플레이트(116A, 116B)에 접촉되는 것으로서, 다수개의 열전달핀 단위셀(120)로 구성되며 상기 열전달핀 단위셀(120)의 양측면에는 다수개의 오목부(122) 및 볼록부(124)가 형성된다. 보다 상세하게 그 구조를 설명하면, 상기 열전달핀 단위셀(120)의 양측면에는 오목부(122)와 볼록부(124)가 번갈아 교대로 반복되어 형성되어 상기 튜브플레이트(116)의 폭방향으로 배열된다. 상기 열전달핀 단위셀(120)의 일측면에 형성되는 오목부(122) 및 볼록부(124)는 각각 상기 열전달핀 단위셀(120)의 타측면에 형성되는 볼록부(124) 및 오목부(122)에 대향하여 형성된다. 상기 열전달핀 단위셀(120)의 일측면의 오목부(122) 및 볼록부(124)는 각각 상기 열전달핀 단위셀(120)의 타측면의 볼록부(124) 및 오목부(122)와 단위셀 상판(126)에 의하여 연결되며 인접한 열절단핀 단위셀(120)간은 단위셀 연결부(128)에 의하여 연결된다. 상기한 구조를 가지는 열전달핀(130)은 통상적으로 한개의 금속제 박판에 압력을 가하여 프레싱 또는 엠보싱가공 등을 하여 일체로 형성된다. 도면에서 백색 화살표는 오일의 유동방향을 나타낸 것이다.

전술한 튜브플레이트(116)는 일반적으로 별개의 상· 하부 플레이트(116A, 116B)를 브레이징 등의 방법으로 금속접합하여 형성되는데, 상기 단위셀 상판(126)은 상기 상부플레이트(116A)에, 그리고 상기 단위셀 연결부(128)은 상기 하부플레이트(116B)에 접착된다. 따라서, 상기 튜브플레이트(116) 내부를 유동하는 오일의 열에너지가 상기 열전달핀(130)으로 열전달되고 이때 전달된 열에너지는 다시 냉각수와 접촉하는 상기 튜브플레이트(116)에 전달되어 냉각수의 온도를 상승시키게 된다. 이는 열역학법칙에 따라 열은 고온에서 저온으로 방향성을 가지고 흐른다는 원리를 이용한 것이다.

상기 열전달핀은 스테인레스,철,알루미늄, 알루미늄합금, 구리,구리합금 및 티타늄 중에서 선택되는 어느 하나의 재질로 이루어진 박판으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 열전도율이 우수한 구리합금이나 스테인레스 등으로 형성되는 것이바람직하다.

도 5는 도 4의 절단선 V-V를 따라 절단한 절단면도이다. 도시한 바와 같이, 상기 열전달핀(130)의 상부와 하부는 각각 상기 튜브플레이트(116)의 상부플레이트(116A) 및 하부플레이트(116B)에 접착하여 형성된다. 상기 열전달핀(130)은 일반적으로 상기 열전달핀(130)과 상기 튜브플레이트(116)사이에 용융 용가제를 집어넣고 가열한 후 냉각시켜 접합하는 브레이징방법을 사용하여 상기 튜브플레이트(116)에 접착한다. 도시한 바와 같이, 상기 인접한 오목부(122)와 볼록부(124) 사이에는 오일이 관통할 수 있는 유체통과공(140)이 형성된다. 상기 유체통과공(140)을 순차적으로 통과하면서 고온의 오일은 냉각수와의 간접적인 열전달로 인하여 서서히 그 온도가 하강하게 된다.

본 고안에 의하면 상기 인접한 오목부(122)와 볼록부(124) 사이의 오일통과공(140)이 비교적 크게 확관된 구조를 가지고 있어서, 오일의 유속이 크게 줄어들지 않으면서도 효율적인 열전달이 가능하게 되며, 아울러 오일이 유동하는 동안 압력의 손실폭도 크게 줄어들게 된다. 따라서, 일정한 송출능력을 가지는 오일펌프로 엔진 등 각 기계적 구성요소들에 압력손실이 없이 원활하게 오일을 송출할 수 있게 되는 것이다. 게다가, 본 고안의 열전달핀(130)에 의하면 유동하는 오일이 상기 유체통과공(140)을 통과하면서 상기 튜프플레이트(116)의 폭방향 및 길이방향으로 와류를 형성하므로 오일 자체의 대류에 의한 열전달도 활발하게 일어나 전체적으로 열교환기의 열전달효율을 향상시킬 수 있게 된다.

도 6은 도 4의 절단선 VI-VI를 따라 절단하여 간략화한 절단면도이다. 도면에서 도시한 화살표는 오일은 흐름을 예시적으로 나타낸 것이다. 이에 의하면 상기 오일 입구(112)를 통과한 고온의 오일은 전방 또는 좌우 측방향으로 상기 유체통과공(140)을 통과하면서 다른 유체통과공(140)을 통과한 주변의 오일과 섞이면서 대류에 의한 열전달을 하게 된다. 따라서, 본 고안에 의하면 오일자체의 대류에 의한 열전달과 상기 열전달핀(130)과의 전도에 의한 열전달이 동시에 일어나게 된다. 그리하여 전체적으로는 열전달효율이 상승하게 된다.

도 7은 본 고안에 따른 열전달핀을 내장한 유체열교환기의 일예를 보인 부분단면도이다. 도시한 바와 같이, 상기 튜브플레이트(116) 내부에는 열전달핀(130)이 삽입되며, 상기 튜브플레이트(116) 상호간의 이격공간에는 파형의 핀(150)이 삽입된다. 본 고안에 따른 유체열교환기(100)를 오일냉각기로 사용하는 경우에는 상기 튜브플레이트(116)내부에는 고온의 오일이 흐르고, 상기 튜브플레이트(116) 상간에 형성되는 파형의 핀(150)에는 냉각수가 흐르면서 열교환을 하게 된다. 상기 유체열교환기(100)를 오일히터로 사용하는 경우에는 상기 튜브플레이트(116) 내부에는 저온의 오일이 흐르게 되고, 상기 파형의 핀(150)에는 고온의 증기(steam)가 흐르면서 열교환을 하게 된다. 이와는 달리 상기 유체열교환기(100)가 난방용수를 가열하기 위한 용도로 사용되는 경우에는 상기 튜브플레이트(116) 내부에는 저온의 물이 흐르게 되고, 상기 튜브플레이트(116)의 외부에는 고온의 증기가 흐르면서 열교환을 하게 될 것이다. 이 경우에는 오일을 가열 또는 냉각하는 경우보다 유체열교환기의 사이즈가 더 커지는 것이 보통일 것이다.

이상은 본 고안의 바람직한 실시예를 기준으로 본 고안의 기술적사상을 기술하였으나, 본 고안의 기술적범위는 이에 한정되는 것은 아니며 본 고안의 기술적사상의 범주내에서 다양한 변형이 가능하다 할 것이다.

이상에서 기술한 본 고안에 따른 유체열교환기의 열전달핀에 의하면, 열전달핀의 접촉면적이 증가하고 유체통과공을 통과한 오일의 와류운동으로 인하여 열전달효율이 상승하게 된다. 아울러, 확장된 유체통과공으로 인하여 오일의 유동속도의 급저하 및 열전달핀의 벽면과의 마찰로 인한 유동에너지, 즉 압력의 손실을 줄일 수 있게 된다. 또한, 본 고안의 열전달핀을 내장한 유체열교환기는 오일의 냉각 또는 가열, 난방용수의 가열이나 응축기 등에 다양하게 적용될 수 있어 그 활용도가 높다는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 튜브플레이트 적층식 유체열교환기의 열전달핀에 있어서,

   상기 튜브플레이트의 길이방향으로 서로 연결되어 평행하게 배열되는 다수개의 열전달핀 단위셀을 포함하여 구성되어 상기 튜브플레이트 내부의 상·하면과 접촉하도록 상기 튜브플레이트 내부에 삽입되는 것으로서,

   상기 단위셀의 양측면에는 볼록부와 오목부가 상기 튜브플레이트의 폭방향으로 번갈아 배열되어 오일통과공이 형성되며, 일측면에 형성되는 상기 볼록부와 오목부는 타측면에 형성되는 상기 오목부와 볼록부에 각각 마주하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유체열교환기의 열전달핀.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 열전달핀의 상·하면은 상기 튜브플레이트 내부의 상·하면에 각각 브레이징 접합되는 것을 특징으로 하는 유체열교환기의 열전달핀.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 열전달핀은 스테인레스,철,알루미늄, 알루미늄합금, 구리, 구리합금 및 티타늄중에서 선택되는 어느 하나의 재질로 이루어진 박판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 유체열교환기의 열전달핀.
4. 유체 입·출구와;

   상기 유체 입·출구 상간에 다단으로 적층되고 서로 이격하여 형성되는 튜브플레이트와;

   상기 적층된 각각의 튜브플레이트의 내부에는 제 1항 내지 제3항 중에서 선택되는 어느 하나의 열전달핀이 삽입되는 것을 특징으로 하는 유체열교환기.
5. 제 4항에 있어서,

   서로 이격하여 적층되는 상기 튜브플레이트의 상간에는 파형의 핀이 상기 튜브플레이트의 외면에 접촉하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 유체열교환기.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 유체열교환기는 오일냉각기, 오일히터, 난방용수 히터 및 응축기 중에서 선택되는 어느하나인 것을 특징으로 하는 유체열교환기.