KR20040104439A - 고효율, 저소음 열교환기용 루버핀 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기에서 기체와 방열핀사이의 열교환 성능을 높이기 위한 개선된 루버핀의 구조에 관한 것이다. 본 발명의 루버핀은, 종래의 모든 루버가 동일한 루버각과 루버피치로 구성된 루버핀을 개선하여, 기체의 유입부에서부터 첫 루버 혹은 첫 루버에서 순차적으로 루버의 각과 길이를 차등적으로 변화시켜 기체가 루버핀을 통과하면서 발생하는 루버유동을 보다 이상적인 루버유동에 가깝게 한다. 따라서, 본 발명의 루버핀 열교환기의 열교환 효율은 종래의 규칙적인 구조의 루버핀 열교환기에 비하여 비약적으로 증가하여 열교환기의 부피를 보다 소형화할 수 있을 뿐만 아니라 기체의 마찰 항력을 감소시켜 주입되는 기체의 압력이 낮더라도 효율적인 열교환이 가능하여 열교환시 발생하는 소음을 현저히 감소시킬 수 있다.

Description

고효율, 저소음 열교환기용 루버핀 및 그 제조방법{Louver Fin for Heat Exchanger with High Effective and Low Noise, and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 냉매 통로에 박형 압출 튜브를 사용하고 튜브의 양단에 냉매 회로를 형성하는 헤더(HEADER)를 압입하여 방열핀과 동시에 브레이징하여 제조하는 열교환기(1a)와 다수의 박판을 관통하며 열전달 매체를 운반하는 다수의 튜브를 갖는 크로스 핀 튜브 열교환기(1b)등 각종 열교환기에 관한 것이다.

상기 열교환기는 냉각형 또는 가열형 용도로 일반적으로 가전용 에어컨 열교환기, 제습기용 열교환기, SHOW CASE용 열교환기, AIR DRYER 열교환기, 반도체, 통신기기 냉각용 열교환기, 컴퓨터 CPU냉각용 열교환기, 2륜차, 4륜차용 오일쿨러, 산업용 오일쿨러 등에 사용된다. 이러한 열교환기는 일반적으로 서로 평행하게 이격 배치되어 열을 교환하기 위한 핀의 기능을 갖는 다수의 금속 박판과 박판에 열전달 매체의 열을 전달하기 위한 다수의 튜브를 구비한다. 열전달 매체는 튜브를 통하여 순환되도록 펌프에 의하여 압송된다. 열교환될 유체 즉, 공기는 튜브의 사이로 강제 주입되며, 순환되는 열전달 매체와 공기 사이의 열교환은 박판과 튜브의 표면을 통하여 이루어진다.

기체와 액체를 작동유체로 사용하는 열교환기의 경우 전열성능은 핀 표면과 공기와의 열전달에 크게 좌우된다. 평면인 핀 사이를 흐르는 기류에는 흐름의 경계층이 생겨, 이 경계층은 핀 선단부에 하류측으로 감에 따라서 두껍게 발달하고, 대향하는 양 핀면에 발생하는 경계층은 핀선단보다 약간 하류위치에서 합치한다. 이 경계층내의 열전달은 난기류역의 열전달에 비교해서 현저하게 저하된다. 상기 경계층의 발생을 방지하고 열전달을 향상시키기 위해, 플레이트핀에 루우버형상의 규칙적인 절결부를 일으킨 것을 복수개 형성한 루버핀에서는 새로운 경계층이 불연속적으로 이어진 각각의 루버에서 발달, 성장, 소멸함으로서 연속적인 표면의 경우보다 경계층의 두께가 평균적으로 얇아 전열면에서의 전열 성능이 향상되므로 단위 부피당 전열 면적비가 큰 고밀도 형상이 절대적으로 필요한 곳에는 압력손실이 상대적으로 크더라도 루버핀이 사용된다.

일반적인 열교환기에 적용되는 루버형상은 일정한 레이놀즈수(Reynolds number)에서 최대의 전열성능을 발휘하는 루버각(θ)과 루버피치(Lp)대 핀피치(Fp)를 적용하여 모두 동일하게 결정된다. 여기서 루버핀에서의 전열성능은 "Web"에 의해 정의된 아래의 식 '기체의 무차원 유동효율(flow efficiency)'에 따라 결정되는데,

이는 실제 기체의 루버유동(6)이 이상적인 기체의 루버유동(4)에 가까울수록 열교환기의 전열성능이 좋아짐을 나타낸다. 하지만 종래의 모든 루버의 각과 피치가 일정한 루버핀(3b)의 경우 기체가 열교환기에 강제 주입되면서 일정구간동안 루버유동일 발생하지 않다가 점차 루버 유동에 가까워진다(6). 따라서 전열성능은 루버유동이 발생하지 않는 구간의 횡단거리의 비율만큼 낮아지게 된다.

또한 전열성능을 높이기 위하여 전체 루버의 각은 더 이상 전열성능이 증가하지 않는 임계각까지 증가시킨 형상으로 루버핀을 제조하게 되므로 기체의 마찰 항력이 커지게 된다. 따라서 기체의 압력손실을 고려하여 보다 풍압이 높은 팬을 사용하게 되므로 소음 또한 커지게 된다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 기체의 유동이 종래의 루버핀에 비하여 이상적인 루버유동(4)에 더욱 가까게 함으로 단위 부피당전열 면적비가 큰 고밀도 형상의 열교환장치의 구조 및 그 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 기체의 유입부에서 최초 혹은 가까운 순서대로 점차적으로 루버의 각과 피치를 변경(3a)함으로 그 이후 루버의 경우 종래의 루버에 비하여 더 작은 루버각으로 동등하거나 더 뛰어난 전열성능을 발휘하여 기체의 마찰 항력을 줄이고 열교환장비의 동작소음을 획기적으로 감소시키는 데에 그 목적이 있다.

도 1은 냉매 통로인 튜브(1)와 루버핀(2)으로 구성된 열교환기에서 냉매와 기체사이의 열교환부분의 사시도이다.

도 2는 도 1의 일부 루버핀(A)의 확대 단면도로 기체의 이상적인 루버유동(4)과 본 발명으로 개선된 루버유동(5), 그리고 종래 루버핀에서의 루버유동(6)을 도시하였다.

도 3은 도 2의 일부영역(B)을 확대한 단면도로 본 발명으로 개선된 루버핀(3a)과 종래의 루버핀(3b)의 구조적인 차이를 도시하였다.

본 발명에 따른 열교환기는, 냉각매체와 기체의 열교환이 발생하는 핀부분에 루버를 형성함에 있어서, 하나의 금속박판 핀 위에 있는 다수의 루버가 서로 모두 동일한 각과 피치로 구성되지 않고 기체가 강제 주입되는 부분에서부터 첫 번째 루버 혹은 첫 번째 루버부터 순차적으로 몇 개의 루버가 그 종속하는 루버에 비하여 루버각 또는 루버피치가 증가되거나 두 가지 모두가 증가된 형태인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기와 그 제조방법이 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 규등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1a는 긴 박판에 기체와의 열교환이 발생하는 상기의 개선된 루버(3)가 다수 병설된 루버핀(2)이 서로 평행하도록 이격 성형되어 냉매가 압송되는 박형 압출 튜브(1)에 브레이징 되어 있으며, 도 1b는 상기의 개선된 루버(3)가 다수 병설된 루버핀(2)이 서로 평행하도록 이격 배치되며 이를 냉매가 흐르는 튜브가 관통하여 열접촉하게 구성되어있다. 각각의 튜브는 서로 병렬 혹은 직렬 연결되어 있으며 이를 통하여 순환되도록 펌프등으로 냉매가 압송되며, 도 1a와 도 1b에 도시된 핀(2)과 튜브(1)에서 기체와 열교환을 하게 된다. 이때 전열 성능은 루버각과 루버피치대 핀피치의 조합뿐만 아니라. 루버(3)의 형상에 따른 유동효율과 이에 연관되어 형성되는 경계층의 두께에 크게 의존한다.

도 2는 서로 평행하게 이격 배치된 루버핀의 일부(A) 단면도를 도시한 것으로 강제 주입되는 기체가 루버를 지나며 형성되는 유동을 이상적인 기체의 루버유동(4)과 본 발명으로 개선된 기체의 유동(5), 종래 루버핀에서 기체의 유동(6)으로 도시 하였다. 상기의 기체 유동 중 실제 유동(5)(6)은 도 3의 개선된 루버구조(3a)와 종래의 루버구조(3b)의 차이에서 기인한다.

도 3a의 공기 강제 주입부분에서 첫 번째 루버각(θ+α)은 도 3b의 종래 루버각(θ) 보다 α만큼 더 크며, 두 번째 루버각(θ+α´)은 종래의 루버각(θ) 보다 α´만큼 더 크다. 또한, 공기 강제 주입부분에서 첫 번째 루버피치(Lp/2+β)는 종래의 루버피치(Lp/2) 보다 β만큼 더 크며, 두 번째 루버피치(Lp/2+β´)는 종래의 루버피치(Lp/2) 보다 β´만큼 더 크다.

각과 피치가 증가된 루버에 의하여 루버핀과 평행하게 강제 주입된 기체의 방향은 종속하는 다수 루버의 각(θ)에 더욱 근접해지므로 기체의 유동은 종래의 루버핀 열교환기 보다 이상적인 루버유동에 가까워지며 유동효율과 전열성능이 증가 된다. 또한 본 발명의 루버핀은 공기 주입부분의 일부 루버를 제외한 종속된 루버의 각을 종래의 루버각보다 더 작게하여도 종래의 루버핀과 동일하거나 더 뛰어난 전열능력을 가진다.

도 3c는 기체가 주입되는 방향에서 최초의 핀을 루버형태로 성형함에 있어서도 동일하게 본 발명이 적용할 수 있으며 또한 어떠한 형태의 열교환장비에도 루버핀이 사용되는 경우 동일하게 본 발명이 적용될 수 있음을 설명하기 위하여 도시한 것이다.

본 발명의 열교환기는, 기체의 주입 방향에서 처음 혹은 처음부터 순차적으로 일정 수의 루버를 종속되는 다수의 루버에 비하여 그 각이나 피치를 증가시키는 구조로 루버핀 내부의 기체가 이상적인 루버유동에 가까워짐으로 유동효율과 전열성능이 급격하게 증가한다. 따라서 에너지 자원의 고갈 및 에너지 소비의 증가 추세로 인하여 산업 전반에 걸쳐 요구되는 소형, 에너지 절약형, 즉 고효율의 열교환기의 생산이 가능하게 된다.

또한 종래의 루버핀에 비하여 루버각을 줄일 수 있으므로 본 발명의 루버핀이 적용된 열교환기는 기체의 마찰항력이 획기적으로 줄어들게 되므로 주입되는 기체의 압력을 조절하여 열교환기의 동작소음을 현저히 줄일 수 있다.

Claims (3)

1. 기체의 주입구에서 부터 첫 번째 혹은 첫 번째에서 순차적으로 몇개의 루버가 종속하는 다수의 루버에 비하여 루버각이 더 큰 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 기체의 주입구에서 부터 첫 번째 혹은 첫 번째에서 순차적으로 몇개의 루버가 종속하는 다수의 루버에 비하여 루버피치가 더 큰 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제 1항과 제 2항의 특징을 함께 구비한 열교환기.