KR20040103259A - 적층형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적층형 열교환기에 관한 것으로서, 특히 탱크에서 튜브로 유입되는 작동유체 유로의 입구부를 저항이 적어지도록 확관시켜 입구측의 압력손실을 최소화시키고 작동유체의 유동분배성을 향상시킴으로써, 열교환성능을 증대시키도록 한 적층형 열교환기에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 상하단부에 각각 슬로트(Slot, 11d)를 갖는 홀컵 (Hole Cup, 11a, 11b)이 형성되어 있고 중앙부에는 다수의 비드(11c)들이 엠보싱(Embossing) 가공된 두 장의 플레이트(11)를 브레이징 접합에 의해 상호결합시킨 튜브(12)를 복수로 적층하여 작동유체가 흐르는 유로(14) 및 상·하부탱크 (15, 16)를 형성하고, 상기 적층된 각 튜브(12) 사이에 코루게이트 (Corugate)형 방열핀(13)을 개재하고, 상기 튜브(12)의 최외각을 엔드 플레이트(19)로 결합한 적층형 열교환기에 있어서, 상기 유로(14)의 입구부위가 탱크측 방향으로 상광하협이 되도록 경사진 구조 또는 그 입구부위가 사각형태의 단차진 구조로 확관된 것을 특징으로 하고, 또한 그 확관크기를 작동유체가 유입되어 유동하는 방향으로 점차 다르게 한 것을 특징으로 한다.

Description

적층형 열교환기{Multilayered Heat Exchanger}

본 발명은 적층형 열교환기에 관한 것으로서, 특히 작동유체가 작동유체유입관을 통하여 튜브의 유로 입구로 유입될 때, 그 유로 입구측에서의 작동유체의 압력손실을 최소화시켜 작동유체의 유동분배성을 향상시키도록 유로 입구부위를 확관시킨 적층형 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 적층형 열교환기는, 한쌍의 플레이트가 서로 접합되어 형성된 튜브들과 방열핀이 교대로 적층되어 이루어지며, 상하 양쪽에 탱크가 설치된 양탱크식 및 상, 하중 어느 한쪽에 탱크가 설치된 편탱크식으로 구분할 수 있다. 상기 탱크에는 열교환기의 정면쪽으로 작동유체의 유입 및 배출을 위하여 작동유체 유입관 및 작동유체 유출관이 연결되어 있으며, 이와같은 형태의 열교환기는 각종 공기조화장치, 특히 자동차용 공기조화장치에 많이 사용되고 있다.

그 일례로서, 도1 내지 도4에 종래의 적층형 열교환기를 도시하고 있다.

먼저 도1과 도3을 참조하면, 이 적층형 열교환기(10)는, 상하단부에 각각 슬로트(Slot, 11d)를 갖는 홀컵(Hole Cup, 11a, 11b)이 형성되어 있고 중앙부에는 다수의 비드(11c)들이 엠보싱(Embossing) 가공된 두 장의 플레이트(11)를 브레이징 접합에 의해 상호결합시킨 튜브(12)를 복수로 적층하여 작동유체가 흐르는 유로 (14) 및 그 상·하부탱크(15, 16)를 형성하고, 상기 적층된 각 튜브(12) 사이에 코루게이트(Corugate)형 방열핀(13)을 개재하고, 튜브(12)의 최외각을 엔드 플레이트(End Plate, 19)로 결합한 구조로 이루어져 있다. 또한, 상부탱크(15)에는 작동유체를 탱크로 유입하기 위한 작동유체 유입관(17)이, 하부탱크(16)에는 작동유체를 배출하기 위한 작동유체 유출관(18)이 연결되어 있다.

이러한 구조로 된 종래의 적층형 열교환기(10)에서, 냉매 또는 냉각수 등의 작동유체가 작동유체 유입관(17)을 통하여 작동유체 유입관측 튜브(12)의 상부탱크 (15)에 유입되면, 작동유체는 슬로트(11d)를 통해 인접한 튜브(12)의 탱크로 유동함과 동시에, 상기 튜브(12)내에 형성된 다수개의 비드(11c)사이로 하강하게 된다. 이 과정에서 작동유체는 외부공기와 열교환을 하고, 하부탱크(16)측의 슬로트(11d)를 거쳐 작동유체 유출관(18)을 통하여 배출된다.

그러나, 상기한 종래의 적층형 열교환기(10)는 튜브 소재의 두께가 대략 0.4mm 이하이고, 또한 도2 및 도4에 도시된 바와 같이 작동유체가 유입되는 튜브(12)의 유로(14) 입구부위(입구폭, d1)도 작기 때문에, 작동유체가 유입관(17)를 통하여 상기 유로(14)측으로 초기 유입되는 과정에서, 작동유체의 유동저항성이 커지게 되어 유입유량이 감소됨으로써 각 튜브간에 온도편차가 발생함은 물론, 튜브 유입부의 압력손실이 상승하게 된다는 문제점이 있었다.

다시말해서, 종래와 같이 작동유체가 유입되는 유로(14)의 입구부위가 작게 되면, 작동유체의 통과유량이 작아지게 되고, 그에 따라 작동유체의 유동저항성이 증대되어, 작동유체의 유량분배가 불균일하게 됨으로써, 열교환성능까지 저하되는 문제점이 있었다.

더욱이, 여러개의 튜브(12)의 유로(14)의 입구부위가 작동유체 유동방향으로동일한 단면적을 갖기 때문에, 작동유체 유입관(17)측의 유로(14)에만 작동유체가 편중되어 유동하고 그로부터 원거리로 갈수록 작동유체의 유속이 점차적으로 감속됨으로써, 작동유체가 튜브 내부를 균일하게 유동하지 못하게 되어, 결국 튜브마다 열교환성능이 달라진다는 문제점이 발생하였다.

따라서, 본 발명의 일반적인 목적은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 작동유체가 유입되는 튜브의 유로 입구부위를 유체저항이 작아지도록 하여 압력손실 및 온도편차를 최소화시킴으로써 작동유체의 유량분배를 균일화시키고, 이에 의해 열교환성능을 증대시킬 수 있도록 하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 작동유체 유입관을 통하여 유입된 작동유체를 작동유체 유동방향으로 균일한 유속으로 흐르게 하여 각각의 튜브를 통과하는 작동유체량을 동일하게 유지시킴으로써 열교환성능을 향상시킬 수 있도록 하는 데 있다.

도1은 종래의 적층형 열교환기를 도시한 사시도.

도2는 도1에서의 A-A선 단면도.

도3은 도1에 있어서 튜브를 이루는 제1 및 제2 플레이트를 도시한 정면도.

도4은 도1의 부분 확대 횡단면도.

도5는 본 발명의 제1 실시예에 따라 튜브의 유로단면이 경사진 구조로 확관된 상태를 나타내는 탱크의 부분 확대 단면도.

도6은 도5에서의 B-B선 단면도.

도7은 본 발명의 제2 실시예에 따라 튜브의 입구 유로단면이 단차진 구조로 확관된 상태를 나타내는 단면도.

도8은 본 발명의 제3 실시예에 따라 튜브의 유로 입구부위의 확관크기를 작동유체의 유동방향으로 점차 크게 한 예를 나타내는 부분 단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 ... 적층형 열교환기 11 ... 플레이트(Plate)

12 ... 튜브(Tube) 13 ... 방열핀

14 ... 유로 15 ... 상부탱크

16 ... 하부탱크 19 ... 엔드플레이트(End Plate)

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상하단부에 각각 슬로트를 갖는 홀컵이 형성되어 있고 중앙부에는 다수의 비드들이 엠보싱 가공된 두 장의 플레이트를 브레이징 접합에 의해 상호결합시킨 튜브를 복수로 적층하여 작동유체가 흐르는 유로 및 상·하부탱크를 형성하고, 상기 적층된 각 튜브 사이에 코루게이트형 방열핀을 개재하고, 상기 튜브의 최외각을 엔드 플레이트로 결합한 적층형 열교환기에 있어서, 상기 작동유체 유로의 입구부위는 상부탱크측 또는 하부탱크측 방향으로 확관된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 적층형 열교환기에 있어서, 상기 작동유체 유로의 입구부위의 확관은, 상부탱크 또는 하부탱크측 방향으로 상광하협(上廣下狹)이 되도록 경사지게 된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 적층형 열교환기에 있어서, 상기 작동유체 유로의 입구부위의 확관은, 상부탱크 또는 하부탱크측 방향으로 사각형태로 단차지게 된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 적층형 열교환기에 있어서, 상기 작동유체는, 상부탱크측으로 유입되며, 상기 작동유체 유로의 입구부위의 확관크기는, 작동유체 유동방향으로 점차 증대되도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 적층형 열교환기에 있어서, 상기 작동유체는, 하부탱크측으로 유입되며, 상기 작동유체 유로의 입구부위의 확관크기는, 작동유체 유동방향으로 점차 감소되도록 한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 열교환기는 도1에 도시된 바와 같이, 각각 두 장의 플레이트 (11)가 브레이징 접합되어 작동유체 유로(14)가 형성된 다수의 튜브(12)를 갖고, 이 튜브(12)의 상, 하단부에 각각 한쌍의 탱크(15, 16)가 형성되어 있고, 이 한쌍의 탱크(15, 16)에 작동유체 유입 및 유출을 위한 작동유체 유입관(17) 및 작동유체 유출관(18)이 연결된 종래의 적층형 열교환기의 경우를 예로 들어 설명하고 있으므로, 이하에서는 종래의 구성과 동일한 구성에 대하여는 동일한 도면부호를 병기하고, 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 본 발명은, 여기에 도시하지는 않았지만, 작동유체를 순환시키기 위한 상·하부 탱크와, 작동유체의 유입 및 유출을 위하여 상기 상·하부 탱크에 연결된 작동유체 유입관 및 작동유체 유출관과, 상기 상·하부탱크와 결합되며 그 저면에 다수개의 관통공이 형성된 상·하부 헤더와, 상·하부 헤더의 다수개의 관통공에 양단부가 삽입고정되어 내부에 작동유체의 유로가 형성된 다수개의 튜브와, 이들 튜브 사이에 적층되는 방열핀으로 구성된 통상의 적층형 열교환기에도 동일하게 적용될 수가 있다.

도5는 본 발명의 제1 실시예에 따라 작동유체가 상부탱크로부터 작동유체 유로(14)로 유입되는 입구부위가 확관된 상태를 나타내는 부분 확대 단면도이고, 도6은 도5에서의 B-B선 단면도를 도시한 것이다.

도6에 도시된 바와 같이, 본 발명은 작동유체 유로(14)의 입구부위가 상부탱크(15)측 방향으로 상광하협(上廣下狹)이 되도록 경사진 구조로 확관되어 있으며, 상기 경사부위는 도5에 도시된 바와 같이 그 중앙이 외부로 볼록하게 만곡된 형상으로 되어 있다. 특히 도6을 참조하면, 본 발명에 의한 작동유체 유로(14)는 작동유체가 상부탱크(15)를 통하여 튜브(12)로 초기 유입되는 부위, 즉 입구폭 (d2)이 도1의 입구폭(d1)보다 넓게 확관된 구조를 갖고 있다.

이러한 구성에 의하면, 작동유체가 작동유체 유입관(17)를 통하여 튜브(12)의 작동유체 유로(14)로 유입시, 그 작동유체 유로(14)의 입구부위가 넓음으로 인하여 유동저항을 덜 받게 되고, 그에 따라 작동유체 유로(14) 입구측의 유량압력손실이 최소화됨으로써, 각 튜브(12)내로 흐르는 작동유체의 유량분배가 균일하게 이루어진다.

도7은 본 발명의 제2 실시예에 의한 종단면도로서, 작동유체 유로(14)의 입구부위가 상부탱크(15)측 방향으로 사각형태의 단차진 구조를 갖는다는 것을 제외하고는 상술한 도5 및 도6에 도시된 구조의 유로와 동일한 작용을 갖는다.

제1 실시예 및 제2 실시예에 의한 작동유체 유로의 입구부위 확관은 소정의 확관용 도구를 작동유체 유로의 입구부위에 삽입함으로써 이루어지며, 그 확관작업은 상기 확관용 도구가 작동유체 유로의 입구부위에서 자유롭게 출입이 가능할 정도로 하여 행하는 것이 좋다.

도8은 본 발명의 제3 실시예로서, 작동유체 유로의 입구부위를 상기 제1 실시예 또는 제2 실시예와 같이 확관함에 있어서, 그 확관크기를 작동유체 유동방향으로 점차적으로 크게 한 구조의 부분 단면도를 도시한 것이다.

일반적으로, 작동유체는 작동유체 유입관(17)을 통하여 상부탱크(15)내로 유입될때, 그 작동유체 유입관(17)측에 근접한 탱크(15)에 집중된다. 따라서, 그곳에 집중된 작동유체는 중력에 의해 수직으로 하강하게 되고, 나머지 일부는 상부탱크(15)측으로 유동하게 되는데, 상기 작동유체 유입관(17)로부터 원거리쪽으로 갈수록 유체량이 점차 줄어들게 된다. 이 때문에, 탱크(15)와 연통된 각 튜브(12)간에 내부압력의 편차가 발생하게 되고, 각 튜브(12)를 통과하는 작동유체량이 균일하게 분배되지 않게 되어, 결과적으로 열교환효율이 저하하게 된다.

이에, 제3 실시예에서는 상술한 바와 같이 작동유체 유로의 입구부위를 확관함에 있어서, 작동유체 유입관(17)측의 탱크(15)로부터 원거리쪽의 탱크(15)측으로 갈수록 그 확관크기를 크게 형성한 것이다.

이러한 구조에 의하면, 도8에 도시된 바와 같이 작동유체 유입관(17)에 가장 근접한 탱크(15)에서 원거리쪽의 탱크(15)로 갈수록 그 탱크(15)와 연통된 작동유체 유로(14)의 경사진 입구부위가 점차 증가되기 때문에, 초기 유입되는 작동유체 의 일부는 확관크기가 작은 입구부위를 통하여 수직으로 유동하고, 나머지 일부는 점차적으로 확관크기가 큰 입구부위를 통하여 유동하게 됨에 따라, 작동유체 유동방향으로 작동유체의 유속이 균일하게 되고 각 튜브(12)를 통과하는 작동유체의 통과량도 균일하게 분포됨으로써 열교환성능을 향상시킬 수가 있다.

한편, 상기 제1 실시예 내지 제3 실시예는 작동유체 유입관이 상부탱크측에 연결된 구조의 예를 설명한 것이나, 상기 작동유체 유입관이 하부탱크측에 연결된 구조에도 동일하게 적용할 수가 있다. 단, 이 경우에는 작동유체 유입관이 하부탱크측에 연결되어 있기 때문에, 상기 제3 실시예와는 반대로, 작동유체 유로(14)의 입구부위의 확관크기를 작동유체 유동방향으로 점차 감소시키는 것이 바람직하다.

이는 하부탱크측에 연결된 작동유체 유입관을 통하여 초기 유입되는 작동유체가 상부탱크방향으로 위로 유동함에 있어서, 관성력의 작용에 의해 상기 작동유체 유입관으로부터 원거리쪽에 위치한 작동유체 유로(14)의 입구부위로 작동유체가 편중되어 작동유체량이 균일하게 분배되지 않기 때문에, 상술한 바와 같이 작동유체를 균일하게 분배하여 유동시키기 위한 것이다.

더욱이, 본 발명의 실시예들은 상하 양쪽에 탱크가 설치된 양탱크식 적층형열교환기에 대하여 설명하였으나, 상, 하중 어느 한쪽에 탱크가 설치된 편탱크식 적층형 열교환기에도 적용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 앞서 설명한 바와 같이 튜브와 탱크가 별도로 형성된 열교환기의 경우에도 적용할 수 있다.

이러한 구조의 열교환기에 있어서는, 작동유체가 작동유체 유입관을 통하여 상부 탱크로 유동하면서 튜브로 분배되어 통과하게 되므로, 그 튜브의 선단부를 상기 제1 실시예 내지 제3 실시예에서 예시된 바와 같이 소정의 확관도구를 이용하여 확관시킴으로써, 종전에 비하여 작동유체의 통과저항을 최소화하여 작동유체의 유동량을 균일하게 분배할 수가 있다.

이와 같이, 본 발명에 의하면, 탱크와 연통되는 작동유체 유로의 입구부위가 작은 구조의 적층형 열교환기에 있어서, 작동유체가 유입되는 유로의 입구부위를 확관시킴으로써, 작동유체의 통과저항을 최소화시킬 수 있고, 그에 따라 상기 입구부위에서의 작동유체의 유입손실을 감소시켜 작동유체의 유량분배를 균일화시킬 수 있으므로, 최적의 열교환성능을 발휘할 수가 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 작동유체 유로의 입구부위를 확관함에 있어서 그 확관크기를 작동유체 유동방향으로 점차적으로 크게 또는 작게함으로써, 작동유체의 유속을 균일하게 하여 각각의 튜브를 통과하는 작동유체량을 동일하게 유지시킬 수가 있고, 이에 따라 각 튜브간의 온도편차를 감소시켜 열교환효율을 증대시킬 수가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 아니하며, 당업자라면 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지로 그 변형과 응용이 가능할 것이다.

Claims (5)

1. 상하단부에 각각 슬로트(Slot, 11d)를 갖는 홀컵 (Hole Cup, 11a, 11b)이 형성되어 있고 중앙부에는 다수의 비드(11c)들이 엠보싱(Embossing) 가공된 두 장의 플레이트(11)를 브레이징 접합에 의해 상호결합시킨 튜브(12)를 복수로 적층하여 작동유체가 흐르는 유로(14) 및 상·하부탱크(15, 16)를 형성하고, 상기 적층된 각 튜브(12) 사이에 코루게이트(Corugate)형 방열핀(13)을 개재하고, 상기 튜브(12)의 최외각을 엔드 플레이트(19)로 결합한 적층형 열교환기에 있어서,

   상기 작동유체 유로(14)의 입구부위는 상부탱크(15) 또는 하부탱크(16)측 방향으로 확관된 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 작동유체 유로(14)의 입구부위의 확관은, 상부탱크(15) 또는 하부탱크(16)측 방향으로 상광하협(上廣下狹)이 되도록 경사지게 된 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
3. 제1항에 있어서,

   상기 작동유체 유로(14)의 입구부위의 확관은, 상부탱크(15) 또는 하부탱크(16)측 방향으로 사각형태로 단차지게 된 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한항에 있어서,

   상기 작동유체는, 상부탱크(15)측으로 유입되며, 상기 작동유체 유로(14)의 입구부위의 확관크기는, 작동유체 유동방향으로 점차 증대되도록 한 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
5. 제1항 내지 제3항중 어느 한항에 있어서,

   상기 작동유체는, 하부탱크(16)측으로 유입되며, 상기 작동유체 유로(14)의 입구부위의 확관크기는, 작동유체 유동방향으로 점차 감소되도록 한 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.