KR20040104991A - 적층형 열교환기용 튜브요소 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 핀과 교대로 다수의 단으로 적층하여 적층형 열교환기를 구성하는 튜브요소로서, 상기 튜브요소는 2장의 성형판이 대면접합되어 형성되어 그 내부에는 냉매가 흐르는 냉매통로가 형성되며, 상기 냉매통로에는 각각의 성형판으로부터 경이 작아지면서 경사지게 돌출 형성된 다수의 비드가 형성된 적층형 열교환기의 튜브요소에 있어서, 상기 비드(46)는 튜브요소의 길이방향에 대해 수직으로 다수개가 비드 간격(L)으로 정렬되어 비드열을 이루고, 상기 비드열은 상기 튜브요소의 길이방향을 따라 비드열 간격(G)으로 다수의 비드열을 이루며, 각 비드열의 비드는 인접하는 비드열의 비드간격(L)의 중간에 위치하되, 냉매통로의 폭을 X라 하고, 냉매통로상에서 주기적으로 배열되는 2개의 비드열을 포함하는 통로길이(Y)를 취하여 산출한 내부체적을 V₀이라 하고, 상기 내부체적(V₀)내에 있는 하나의 비드의 체적을 V이라 할 때, L/X = 0.15 ~ 0.3, G/X = 0.07 ~ 0.2, V/V₀= 0.002 ~ 0.02 으로 되어 있으므로, 튜브요소의 크기에 관계없이 적용하여 열교환성능을 향상시킬 수 있다.

Description

적층형 열교환기용 튜브요소{tube element for laminated type heat exchanger}

본 발명은 증발기, 응축기, 히터코어 또는 방열기와 같은 적층형 열교환기에 사용될 수 있는 튜브요소에 관한 것이다.

주름핀과 튜브요소를 교대로 적층시켜 형성하는 열교환기에 있어서, 냉매의 흐름을 분산시키고 동시에 열교환 성능을 향상시키기 위한 수단으로 냉매와의 접촉면적을 증가시키기 위해 엠보싱에 의해 형성된 비드(bead)가 튜브요소의 냉매통로에 형성된다.

튜브요소 내에 비드가 많을수록 튜브요소와 냉매와의 접촉 면적이 커지며, 따라서 열교환 성능이 우수해진다는 것이 공지 기술에서 통상적으로 인정되어 오고 있다. 그러나 만일 비드의 수가 지나치게 증가하면 냉매통로의 통로 면적이 감소하여 통로저항을 증가시키며, 냉매의 유동을 방해하게 된다. 한편, 만일 통로저항을 감소시키기 위해 비드를 작게 만들고 그 수가 감소하면 냉매와의 접촉면적이 비효율적으로 되어 주름핀으로의 열전달 속도가 감소하고 열교환성능이 저하된다.

따라서 이들 모순된 요인들을 고려하여 최적의 형상을 가진 튜브요소에 대한 요구가 있어 왔다. 이러한 요구에 따라 개량된 튜브요소가 한국 특허공개번호 제1995-12024호로 개시되어 있다.

상기 한국 특허공개번호 제1995-12024호는 비드크기, 비드 간격, 튜브 요소의 두께 및 성형판의 두께 사이의 최적 치수관계를 결정하여 형성된 튜브요소로서, 비드의 밑부분의 직경(A) 및 비드의 간격(B)은 2.0mm ≤A ≤3.0mm, 3.5mm ≤B ≤6.3mm로 하고, 튜브요소의 두께(H)와 성형판의 두께(T)는 1.9mm ≤H ≤2.7mm, 0.25mm ≤T ≤0.47mm가 되게 형성하여, 열교환 속도, 통로 저항 및 강도의 최상 결합을 제공하여 이상적인 튜브요소가 실현될 수 있게 한 것이다.

그런데, 종래 기술로 개시된 이상적인 튜브요소는, 비드의 크기와 간격 등을 특정하여 실험적인 방법에 의해 정한 것으로서, 튜브요소의 전체크기에 따른 고려가 없으므로 튜브요소의 전체크기가 작거나 크건 간에 비드의 크기 및 간격은 일정하므로 설계의 변경으로 튜브요소의 크기가 변하게 되면 최적 형상으로 적용하지 못한다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 튜브요소의 크기에 관계없이 적용하여 열교환성능을 향상하는 최적형상의 적층형 열교환기용 튜브요소를 제공하는데 있다.

도1은 본 발명이 적용되는 적층형 열교환기를 나타내는 사시도,

도2는 도1의 튜브요소를 이루는 성형판의 평면도,

도3은 도2에서 화살표 A-A선에 따른 단면도,

도4는 도2에서 화살표 B-B선에 따른 단면도,

도5는 도1의 적층형 열교환기의 냉매 흐름도,

도6는 튜브요소의 비드간격에 관하여 열전달비 및 압력강하비를 나타낸 그래프,

도7는 튜브요소의 비드부피에 관하여 열전달비 및 압력강하비를 나타낸 그래프,

도8은 튜브요소의 비드열 간격에 관하여 열전달비 및 압력강하비를 나타낸 그래프,

도9는 본 발명이 적용된 적층형 열교환기의 시험결과를 토대로 최적화 기법을 사용하여 레이놀즈수에 대한 최적값을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

22 : 튜브요소 24 : 단부튜브요소

26 : 제1탱크부 28 : 제2탱크부

30, 32 : 냉매출입부 34 : 주름핀

42 : 통로용기부 44 : 용착부

46 : 비드 48 : 절곡부

52, 54 : 탱크용기부

본 발명은 핀과 교대로 다수의 단으로 적층하여 적층형 열교환기를 구성하는튜브요소로서, 상기 튜브요소는 2장의 성형판이 대면접합되어 형성되어 그 내부에는 냉매가 흐르는 냉매통로가 형성되며, 상기 냉매통로에는 각각의 성형판으로부터 경이 작아지면서 경사지게 돌출 형성된 다수의 비드가 형성된 적층형 열교환기의 튜브요소에 있어서, 상기 비드는 튜브요소의 길이방향에 대해 수직으로 다수개가 비드 간격(L)으로 정렬되어 비드열을 이루고, 상기 비드열은 상기 튜브요소의 길이방향을 따라 비드열 간격(G)으로 다수의 비드열을 이루며, 각 비드열의 비드는 인접하는 비드열의 비드간격(L)의 중간에 위치하되, 냉매통로의 폭을 X라 하고, 냉매통로상에서 주기적으로 배열되는 2개의 비드열을 포함하는 통로길이(Y)를 취하여 산출한 내부체적을 V₀이라 하고, 상기 내부체적(V₀)내에 있는 하나의 비드의 체적을 V이라 할 때, L/X = 0.15 ~ 0.3, G/X = 0.07 ~ 0.2, V/V₀= 0.002 ~ 0.02 인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도1는 본 발명이 적용된 적층형 열교환기를 나타내는 사시도이다. 도시한 바와 같이, 다수의 튜브요소(22)가 각각 서로 용착되어 그 내부에 형성된 냉매통로의 하, 상부에는 상기 냉매통로에 흐르는 냉매가 모여 흐르도록 제1, 제2탱크부(26, 28)가 형성되며, 열교환기의 양측에는 단부 튜브요소(24)가 용착되고, 상기 단부튜브요소(24)의 일측에는 상기 제1탱크부(26)에 냉매가 출입하도록 냉매출입부(30, 32)가 각각 형성되고, 상기 각 튜브요소(22, 24) 사이에는 상기 냉매통로에 흐르는 냉매와 외부공기가 서로 용이하게 열교환되도록 주름핀(34)이 배설되며, 상기 단부튜브요소(24)의 외측에는 단부주름핀(36)을 개재하여 단부판(38)이 용착된다.

후술하는 냉매 흐름을 유지하도록 도시하지 않은 칸막이 등에 의해 상기 제1탱크부(26)는 3개의 탱크부로 나누어지고 상기 제2탱크부(28)는 2개의 탱크부로 나누어진다.

상기 튜브요소(22) 및 단부튜브요소(24)은, 성형판(22a, 24a)에 의해 그 내부에 공간이 생길 수 있도록 접합형성된 구조이다. 즉, 상기 튜브요소(22)은 두 개의 성형판(22a)이 대면접합하여 형성되고, 상기 단부튜브요소(24)는 성형판(22a, 24a)이 대면접합하여 형성된 것이다.

도2 내지 도4에 도시한 바와 같이, 상기 성형판(22a)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 재질로서, 그 길이방향으로 냉매통로를 형성하도록 통로용기부(42)가 형성되며, 그 가장자리부에는 상기 성형판(22a)이 서로 용착되도록 용착부(44)가 형성되고, 상기 통로용기부(42)에는 냉매 흐름을 와류로 만들도록 엠보싱에 의해 돌출형성된 비드(46)가 형성되며, 상기 용착부(44)에는 가장자리를 따라 절곡부(48)가 형성된 형상이다. 그리고, 상기 비드(46)는 성형판(22a)이 용착되어 튜브요소(22)를 형성할 시에 서로 용착된다.

또한, 상기 성형판(22a)의 하, 상단부에는 상기 탱크부(26, 28)을 형성하도록 탱크용기부(52, 54)가 형성된다. 상기 탱크용기부(52, 54)는 연통구멍(52a, 54a)에 의해 서로 연통되어 상기 탱크부(26, 28)을 형성한다. 상기 탱크용기부(52, 54)에서 서로 인접하는 상기 튜브요소가 용착되는 면은 평탄하게 되어 용착부(52b, 54b)를 이루고 있다. 그리고, 상기 탱크용기부(52, 54)에는 성형판(22a)의 길이방향을 따라 상기 비드(46)보다 다소 긴 비드(56)가 인접하여 형성되어 있다.

도2 및 도4에 도시한 바와 같이, 상기 비드(48)는, 통로용기부(42)의 내면에서 내부를 향하여 경이 작아지면서 소정의 경사각(β)으로 경사지게 돌출 형성되며, 튜브요소의 길이방향에 대해 수직으로 다수개가 비드 간격(L)으로 정렬되어 비드열을 이루고, 상기 비드열은 상기 튜브요소의 길이방향을 따라 비드열 간격(G)으로 다수의 비드열을 이루며, 각 비드열의 비드는 인접하는 비드열의 비드간격(L)의 중간에 위치한다.

상기 성형판(24a)은 냉매출입부가 형성된 부분이 성형판(22a)과 상이하지만, 전체적으로 성형판(22a)와 유사하므로 설명을 생략한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 적층형 열교환기에서, 냉매출입부(30)를 통해 열교환기내로 유입하는 냉매는 제1탱크부(26)의 좌측부, 통로용기부(42)에 의해 형성되는 냉매통로, 제2탱크부(28)의 좌측부, 통로용기부(42)에 의해 형성되는 냉매통로, 제1탱크부(26)의 중간부, 통로용기부(42)에 의해 형성되는 냉매통로, 제2탱크부(28)의 우측부, 통로용기부(42)에 의해 형성되는 냉매통로 및 제1탱크부(26)의 우측부를 순차적으로 지나면서 주름핀(34, 36)에 의해 외부공기와 열교환된 후, 냉매출입부(32)를 통해 유출하게 된다. 이와 같은 열교환기 내부에서의 냉매 흐름이 도5에 도시되어 있다.

도6 내지 도9는 도2에 도시한 바와 같이 비드(46)가 형성된 튜브요소(22) 내부의 열, 유동특성을 시험하여 나타낸 그래프이다. 그래프에서, L은 비드 간격(도2 및 도4에 도시)이고, X는 냉매통로의 폭(도4에 도시)이며, fRe는 비드가 있을 경우에 마찰계수와 레이놀즈수를 곱한 값으로서 압력강하의 지표를 나타내고, (fRe)₀은 비드가 없을 경우에 마찰계수와 레이놀즈 수를 곱한 값으로서 압력강하의 지표를 나타내며, Nu는 비드가 있을 경우에 열전달계수를 무차원화한 누셀트수로서 열전달 지표를 나타내고, Nu₀은 비드가 없을 경우에 열전달계수를 무차원화한 누셀트수로서 열전달지표를 나타내며, V₀는 냉매통로상에서 주기적으로 배열되는 2개의 비드열을 포함하는 통로길이(Y : 도2에 도시)를 취하여 산출한 내부체적을 나타내고, V는 상기 내부체적(V₀)내에 있는 하나의 비드의 체적을 나타낸다.

도6는 비드간격(L)에 관하여 비드가 있을 경우와 없을 경우의 열전달비 및 압력강하비를 나타낸 그래프로서, 심벌 ●(그래프에서는 정원으로 표시)은 열전달비를 나타내고 심벌 ○(그래프에서는 정원으로 표시)은 압력강하비를 나타낸다.

도7는 비드부피(V)에 관하여 비드가 있을 경우와 없을 경우의 열전달비 및 압력강하비를 나타낸 그래프로서, 심벌 ●은 열전달비를 나타내고 심벌 ○은 압력강하비를 나타낸다.

도8은 비드열 간격(G)에 관하여 비드가 있을 경우와 없을 경우의 열전달비 및 압력강하비를 나타낸 그래프로서, 심벌 ●은 열전달비를 나타내고 심벌 ○은 압력강하비를 나타낸다.

상기 시험결과를 토대로 최적화 기법을 사용하여 각 인자의 최적값을 구한 결과, L/X = 0.2, G/X = 0.09, V/V₀= 0.012 일 때 최적의 전열성능을 가지는 것으로 나타났다.

이러한 결과는 도9에 나타난 바와 같이 레이놀즈수가 50 ~ 1500의 범위에서도 변함없는 최적값을 가지고 있음을 알 수 있다. 도9에서 상측 직선은 L/X에 관한 최적값이고, 하측직선은 G/X에 관한 최적값이다.

상기 최적값은 시험의 오차를 감안하면, L/X = 0.15 ~ 0.3, G/X = 0.07 ~ 0.2, V/V₀= 0.002 ~ 0.02 인 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에서는 양측에 탱크 용기부가 형성된 직선 냉매통로를 가지는 튜브요소가 적층되어 이루어진 열교환기를 예로 들어 설명하였으나, U 형의 냉매통로를 가지는 튜브요소가 적층되어 이루어진 열교환기 등에도 적용될 수 있다.

본 발명에 의한 적층형 열교환기용 튜브요소에 의하면, 튜브요소의 크기에 관계없이 적용할 수 있으며, 특히, 자동차용 증발기에 냉매 통로가 상,하로 연통되어 있으며, 단일 열 냉매 흐름을 가진 증발기에 있어서, 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 자동차용 증발기에 냉매 통로가 상,하로 연통되어 있으며, 단일 열 냉매 흐름을 가진 증발기에 있어서, 핀과 교대로 다수의 단으로 적층하여 적층형 열교환기를 구성하는 튜브요소로서, 상기 튜브요소는 2장의 성형판이 대면접합되어 형성되어 그 내부에는 냉매가 흐르는 냉매통로가 형성되며, 상기 냉매통로에는 각각의 성형판으로부터 경이 작아지면서 경사지게 돌출 형성된 다수의 비드가 형성된 적층형 열교환기의 튜브요소에 있어서,

   상기 비드는 튜브요소의 길이방향에 대해 수직으로 다수개가 비드 간격(L)으로 정렬되어 비드열을 이루고, 상기 비드열은 상기 튜브요소의 길이방향을 따라 비드열 간격(G)으로 다수의 비드열을 이루며, 각 비드열의 비드는 인접하는 비드열의 비드간격(L)의 중간에 위치하되,

   냉매통로의 폭을 X라 하고, 냉매통로상에서 주기적으로 배열되는 2개의 비드열을 포함하는 통로길이(Y)를 취하여 산출한 내부체적을 V₀이라 하고, 상기 내부체적(V₀)내에 있는 하나의 비드의 체적을 V이라 할 때,

   L/X = 0.15 ~ 0.3, G/X = 0.07 ~ 0.2, V/V₀= 0.002 ~ 0.02 인 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기의 튜브요소.