KR20050058253A - 넘김 고비 냉각 사이클에서 작동유를 초임계 냉각시키는열교환기 - Google Patents

넘김 고비 냉각 사이클에서 작동유를 초임계 냉각시키는열교환기 Download PDF

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Abstract

넘김 고비 냉각 시스템(12)의 냉매를 초임계 냉각시키는 열교환기(10)는, 한 쌍의 기다란 헤더(20, 22), 상기 헤더(20, 22)의 길이방향 축(24, 26)을 따라 나란히 이격된 복수의 기다란 튜브(28), 및 상기 튜브의 인접하는 쌍 사이에 연장되는 파형 핀(30)을 포함한다. 상기 튜브 각각은 상기 튜브(28)의 적어도 두 개의 평행인 다리(36)를 형성하도록 포개지며 편평한 단면을 갖는다. 상기 튜브(28)의 상기 평행인 다리(36)는 서로 이격되고, 상기 평행인 다리 각각의 치수가 큰쪽(D)이 공통면 내에 위치되는 것이 바람직하다. 상기 핀(30) 각각은 상기 평행인 다리(36)와 평행으로 연장되며 상기 인접하는 튜브 각각의 상기 평행인 다리 사이에 위치되는 교호하는 탭(40) 및 기다란 분리부(42)를 포함하여 상기 각각의 핀(30)의 폭(W)을 상기 탭(40)에 의하여 서로 연결되는 복수의 개별 핀 부재(44)로 분리시킨다. 상기 핀 부재(44) 각각은 상기 인접하는 튜브(28) 각각의 상기 평행인 다리(36) 중 하나를 따라 연장된다.

Description

넘김 고비 냉각 사이클에서 작동유를 초임계 냉각시키는 열교환기 {HEAT EXCHANGER FOR PROVIDING SUPERCRITICAL COOLING OF A WORKING FLUID IN A TRANSCRITICAL COOLING CYCLE}
본 발명은 열교환기, 보다 구체적으로는 넘김 고비(transcritical) 냉각 사이클에서 작동유를 초임계(supercritical) 냉각시키는 열교환기에 관한 것이다.
한 가지 일반적인 형태의 열교환기는 튜브 및 상호연결 핀(fin)으로 제조된 이른바 "코어"를 포함한다. 제1 유체는 코어의 튜브를 통과하는 한편, 제2 유체는 핀과 튜브 사이의 공간 내에서 코어 자체를 통과한다. 일반적으로, 튜브의 대향하는 말단은 한 쌍의 평행 매니폴드 또는 "탱크"에 연결되고, 매니폴드 중 하나는 유체를 튜브 내측으로 향하게 하는 입구 매니폴드이며 다른 하나의 매니폴드는 유체를 튜브 외측으로 향하게 하는 출구 매니폴드이다.
이러한 일반적인 유형의 열교환기는, 모두가 차량에 사용될 수 있는 라디에이터(radiator), 응축기(condenser), 증발기(evaporator), 장입 공기 냉각기(charge air cooler), 오일 냉각기(oil cooler) 등과 같은 다양한 용도로 사용된다. 이러한 유형의 열교환기 중 한 가지 일반적인 형태는 편평한 멀티-포트 튜브를 통하여 냉매가 열교환기를 통과하는 평행 흐름 열교환기로 공지되어 있다. 일반적으로, 편평한 튜브는 직선이며, 매니폴드는 튜브의 대향하는 말단을 수용하도록 열교환기의 대향하는 측면 상에 이격된다. 그러나, 각각의 튜브가 두 개의 평행인 다리를 갖는 이른바 "헤어 핀" 튜브의 형상을 갖도록 편평한 튜브를 만곡시켜, 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드가 튜브의 말단을 수용하도록 차례로 배치된 것도 공지되어 있다. 이러한 구조 중 한 가지는 호시노 등에 허여된 미합중국 특허 제5,531,268호에 도시되어 있다. 제5,531,268호 특허에 도시된 구조는 원하는 용도에는 적합할 수 있지만, 항상 개선의 여지가 있다. 또한, 상기 구조는 이산화탄소(CO2)와 같은 냉매를 초임계 냉각시키는 가스 냉각기가 요구되는 넘김 고비 냉각 사이클과 같이 높은 동작 압력에 좌우되는 공기 조절 시스템에 사용하기에는 적합하지 않거나 또는 최적이 아닐 수 있다.
CFC12 및 적게는 HFC134a와 같은 수많은 종래의 냉매 사용과 관련하여 환경에 대한 관심이 증대됨으로써. 특히 차량 용도의 넘김 고비 CO2 시스템을 고려하게 되었다. 상기 시스템에 냉매로서 사용된 CO2는 처음에 대기로부터 얻을 수 있고, 그 결과 시스템으로부터 대기 중으로 다시 누출되는 경우, 대기성 CO2 함유량의 순 증가는 없을 수 있다. 또한, CO2는 온실 효과 면에서 바람직하지 않지만, 오존층에는 영향을 미치지 않고, 누출로 인하여 대기성 CO2 함유량의 순 증가는 없을 수 있기 때문에 온실 효과를 증가시키지는 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 열교환기를 포함하는 냉각 시스템을 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 열교환기의 정면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 열교환기의 측면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 열교환기의 평면도이다.
도 5는 도 3의 선 5-5를 따라 절취한 일부 확대 단면도이다.
도 6은 도 1 내지 도 5에 도시된 열교환기에 사용된 튜브의 일부 확대 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 열교환기에 사용된 튜브 및 핀을 도시한 사시도이다.
본 발명의 목적은 새롭고 개선된 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 넘김 고비 냉각 사이클에서 작동유를 초임계 냉각시키기에 적합한 개선된 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예는 넘김 고비 냉각 사이클에서 작동유를 초임계 냉각시키는 열교환기에서 전술한 목적 중 적어도 일부를 달성한다. 열교환기는 서로 실질적으로 평행으로 배치된 길이방향 축을 갖는 한 쌍의 기다란 헤더, 헤더의 길이방향 축을 따라 나란히 이격된 복수의 기다란 튜브, 및 튜브의 인접하는 쌍 사이에 연장되는 파형 핀(serpentine fin)을 포함하고, 상기 튜브 각각은 튜브의 적어도 두 개의 평행인 다리를 형성하도록 포개져서 작동유가 하나의 헤더로부터 다른 하나의 헤더로 적어도 두 개의 평행인 유로를 통하여 연속적으로 흐르며, 핀 각각은 인접하는 튜브의 평행인 다리와 평행으로 연장되는 길이를 갖는다. 튜브 각각은 치수가 큰쪽 및 치수가 작은쪽으로 이루어진 편평한 단면을 갖는다. 튜브 각각의 평행인 다리의 치수가 큰쪽은 헤더의 길이방향 축을 실질적으로 가로지르는 공통면 내에 위치된다. 튜브 각각은 헤더 사이로 작동유가 이송되도록 헤더 하나에 연결된 제1 말단 및 다른 헤더에 연결된 제2 말단을 갖는다.
하나의 형태에 있어서, 파형 핀 각각은 인접하는 튜브의 평행인 다리를 가로질러 연장되는 횡방향 폭을 갖는다. 핀 각각은 평행인 다리와 평행으로 연장되는 복수의 교호하는 탭 및 기다란 분리부를 포함하고, 인접하는 튜브의 평행인 다리 사이에 위치된 탭 및 분리부는 각각의 핀의 폭을 탭에 의하여 서로 연결되는 복수의 개별 핀 부재로 분리시킨다. 핀 부재 각각은 인접하는 튜브 각각의 평행인 다리 중 하나를 따라 대응하여 연장된다.
하나의 형태에 있어서, 튜브 각각의 평행인 다리는 서로 이격된다.
하나의 형태에 있어서, 튜브 각각은 튜브의 적어도 세 개의 평행인 다리를 형성하도록 적어도 2회 포개져서 작동유가 헤더 하나로부터 다른 헤더로 적어도 세 개의 평행인 유로를 통하여 연속적으로 흐른다.
하나의 형태에 있어서, 튜브 각각은 0.015인치 내지 0.040인치 범위의 유체 직경을 갖는 멀티포트 튜브이다.
하나의 형태에 있어서, 튜브 각각의 치수가 큰쪽은 0.500인치 이하이고, 치수가 작은쪽은 0.100인치 이하이다.
하나의 형태에 있어서, 핀 각각은 튜브 하나로부터 인접하는 다른 하나의 튜브로 연장되는, 헤더의 길이방향 축과 평행인 핀 높이를 갖고, 튜브의 치수가 큰쪽은 핀 높이보다 높지 않다.
하나의 형태에 있어서, 튜브의 치수가 큰쪽은 튜브 말단이 헤더에 연결된 지점에서 헤더의 길이방향 축과 평행으로 연장된다.
다른 목적 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 기재하는 다음의 상세한 설명으로부터 명백하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1을 참조하면, 넘김 고비 냉각 사이클을 동작시키는 기본적인 냉각 시스템(12)을 포함하는 본 발명에 따른 열교환기(10)가 도시되어 있다. 열교환기(10)는 열교환기(10)의 핀쪽 상에서 공기 흐름(A)와 같은 매체에 열을 가하지 않음으로써 냉각 시스템(12)의 작동유 또는 CO2와 같은 냉매를 초임계 냉각시키는 가스 냉각기(13) 형태로 도시되어 있다. 냉각 시스템(12)은 열교환기(10), 열교환기(10)에 전달하기 위하여 가스상 냉매를 초임계 압력까지 압축하는 응축기(14), 냉매 중 적어도 일부가 액상으로 유입되도록 열교환기(10)로부터 수용된 냉매의 압력을 감소시키는 팽창 장치(16), 한 가지 매체로부터 냉매에 열을 전달하여 냉매를 액상으로부터 가스상으로 변경시키는 증발기(17), 어큐물레이터(18)(옵션), 및 열교환기(10)로부터 배출되는 냉매로부터 증발기(17) 또는, 사용된 경우, 어큐물레이터(18)로부터 배출되는 냉매로 열을 전달하는 흡입라인 열교환기(19)를 포함한다. 열교환기(10)는 다른 유형의 냉각 시스템, 즉 넘김 고비 냉각 사이클을 수행하는 다른 구성의 냉각 시스템에 사용할 수 있고, 특허청구범위에 특정하게 정의되지 않는 한 도 1에 도시된 소정의 냉각 시스템에 사용되는 것으로 한정되는 것은 아니라는 점에 유의해야 한다. 또한, 상기 열교환기(10)는 가스 냉각기(13)로서 사용될 때 바람직하고, 또한 넘김 고비 냉각 사이클에서 사용되는 가의 여부에 상관없이 다른 용도, 즉 응축기 또는 증발기로 사용되는 경우에도 바람직할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 열교환기(10)는 서로 실질적으로 평행으로 배치된, 길이방향 축(24, 26)을 각각 갖는 한 쌍의 기다란 튜브형 헤더(20, 22), 헤더(20, 22)의 길이방향 축(24, 26)을 따라 나란히 이격된 복수의 기다란 튜브(28), 및 인접하는 쌍의 튜브(28) 사이에 연장되는 파형 핀(30)을 포함한다. 예시된 실시예에 있어서, 각각의 핀(30)은 튜브(28)의 길이(L)에 걸쳐 연장되지만 길이의 중간부는 간략하게 예시하기 위하여 도 2에 도시되어 있지 않다는 점에 유의해야 한다. 핀(30)은 루버(louver)형으로 되는 것이 바람직하다. 도 3에 도시된 바와 같이, 튜브(28) 각각은 냉매가 헤더(20, 22) 사이로 전달되도록 헤더(20)에 연결된 제1 말단(31) 및 헤더(22)에 연결된 제2 말단(32)을 갖는다.
튜브(28) 각각은, 도 5에 도시된 바와 같이, 치수가 큰쪽(D) 및 치수가 작은쪽(d)으로 이루어진 편평한 단면을 갖는다. 튜브(28) 각각은 멀티포트 튜브가 바람직하며, 유체 직경이 0.015인치 내지 0.045인치 범위인 멀티포트 튜브가 매우 바람직하다. 이 점에 있어서, 도 5에는 6개의 포트(34)가 도시되어 있지만, 일부 응용에서는 멀티포트 튜브(28) 각각에 6개 이상 또는 이하의 포트(34)를 포함하는 것이 바람직할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들면, 바람직한 일 실시예에서 튜브 각각은 4개의 포트(34)를 갖는다. 바람직한 일 실시예에 있어서, 튜브는 넘김 고비 CO2 냉각 시스템의 가스 냉각기로서의 동작에 요구될 수 있는, 70℉ 주위 온도에서 적어도 6500 PSI의 파열 압력에 견딜 수 있는 구조를 갖는다.
바람직하기로는, 튜브(28) 각각의 치수가 큰쪽(D)은 공칭 0.500인치 이하이고 치수가 작은쪽(d)은 공칭 0.100인치 이하이지만, 일부 바람직한 실시예에서는 치수가 작은쪽(d)은 공칭 0.060인치 이하이고 치수가 큰쪽(D)은 공칭 0.320인치 이하이다. 이 점에 있어서, 치수가 큰쪽(D)을 감소시키는 것이 여러 가지 장점을 제공할 수 있다. 예를 들면, 튜브(28) 각각은 적어도 두 개의 평행인 다리(36)를 포함하기 때문에, 열교환기(10)의 깊이는 치수가 큰쪽(D)의 크기에 따라 상당히 좌우되며, 치수가 큰쪽(D)을 감소시키면 함께 감소된다. 또한, 헤더(20, 22)의 치수는 튜브 말단(31, 32)의 치수가 큰쪽(D)이 도 1 내지 도 4에 도시된 평행인 구조보다 말단(31, 32)이 헤더(20, 22)에 연결되어 있는 지점에서 헤더(20, 22)의 길이방향 축(24, 26)을 가로질러 연장되는 구조에서 감소될 수 있다. 또한, 헤더(20, 22)의 길이는 튜브 말단(31, 32)의 치수가 큰쪽(D)이, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 헤더(20, 22)의 길이방향 축(24, 26)과 평행으로 연장되는 구조에서 감소될 수 있다. 최종적으로, 치수가 큰쪽(D)이 감소됨으로써 일부 바람직한 실시예에서는 핀의 높이가 감소될 수 있다. 그러나, 핀의 높이가 큰 경우 공기측 효율에 대하여 장점을 제공할 수 있다는 점에 유의해야 한다.
도 3, 도 4 및 도 6에서 잘 알 수 있는 바와 같이, 튜브(28) 각각은 냉매가 헤더(20)로부터 헤드(22)로 적어도 두 개의 평행인 유로(38)를 통하여 연속적으로 흐를 수 있도록 튜브(28)의 적어도 두 개의 평행인 다리(36)를 형성하기 위하여 포개진다. 이 점에 있어서, 입구 및 출구 헤더(20, 22)는 열교환기(10)가 가스 냉각기로서 동작할 때 열교환기(10)의 핀측 상의 유체 흐름에 대하여 역류 구성으로 동작하도록 선택되는 것이 바람직하다. 평행인 다리의 각 쌍은 치수가 큰쪽(D)이 폴드부(39) 위치에서 가로지르는 방향보다 축(26, 24)과 평행으로 연장되도록 폴드부(39) 위치의 다리(36)에 대하여 90°선회된 폴드부(39)에 의하여 접합된다. 폴드부(39)는, 다리(36)를 폴드부(39) 위치에 있는 튜브(28) 부분에 대하여 90°먼저 선회시킨 다음, 튜브를 폴드부(39) 위치에서 대략 180°만곡시켜 폴드부(39)를 형성함으로써 형성되는 것이 바람직하다. 이 점에 있어서, 각각의 다리(36)의 폴드부(39)에 대한 90°선회는 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이 동일 방향이거나, 또는 어떤 구조가 열교환기(10)의 특정 용도에 가장 바람직한 가에 따라 반대 방향일 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 도 6에서 잘 알 수 있는 바와 같이, 각 튜브(28)의 평행인 다리(36)는, 평행인 다리(36) 각각의 치수가 큰쪽(D)이 헤더(20, 22)의 길이방향 축(24, 26)을 실질적으로 가로지르는, 도 2 및 도 5에 쇄선(P)으로 예시된, 공통면에 위치된 상태로 거리(X)만큼 서로 이격되는 것이 바람직하다. 이로써, 치수가 큰쪽(D)이 매체가 핀(30)을 통과하여 흐르는 방향과 평행으로 연장될 수 있다. 간격(X)이 하나의 다리(36)로부터 다른 하나의 다리로 열 전달을 감소시키고, 이것은 냉매가 튜브(28)를 통하여 하나의 헤더(20)로부터 다른 하나의 헤더(22)로 흐를 때 냉매의 온도가 실질적으로 변할 수 있기 때문에 열교환기(10)가 초임계 냉각시키는 경우에 바람직할 수 있다. 거리(X)는 열교환기(10)를 납땜하는 도중에 납땜 재료에 의하여 인접하는 평행인 다리(36) 사이의 공간이 최소화되거나 또는 폐쇄되지 않도록 하기에는 충분하지만, 열교환기(10)의 깊이를 심하게 증가시킬 정도로 크지 않는 것이 바람직하다. 각 튜브(28)의 인접하는 평행인 다리(36)는 서로 이격되는 것이 바람직하지만, 일부 용도에서는 상기 공간이 요구되지 않거나 또는 바람직하지 않을 수 있다.
도 1 및 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 핀(30)은 인접하는 튜브(28) 사이의 공간과 동일한 핀 높이(H), 즉 하나의 튜브(28)로부터 헤더(20, 22)의 길이방향 축(24, 26)과 평행인 인접하는 튜브(28)로 연장되는 핀 높이(H)를 갖는다. 튜브(28)의 치수가 큰쪽(D)은 핀 높이(H)보다 높지 않는 것이 바람직하다. 이로써, 각각의 튜브 말단(31, 32)이 평행인 다리(36)에 대하여 90°선회될 수 있고, 말단(31, 32)의 치수가 큰쪽(D)이, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 튜브 말단(31, 32)이 헤더(20, 22)에 연결되는 지점에서 헤더(20, 22)의 길이방향 축(24, 26)과 평행으로 연장되도록 튜브 말단이 다리로부터 연장된다. 이것은 헤더(20, 22)의 직경이 가능한 작은 것을 요구하는 넘김 고비 냉각 시스템에 사용되는 가스 냉각기와 같은 고압 응용에는 중요할 수 있다. 치수가 큰쪽(D)이 헤더(20, 22) 어느 하나의 내경보다 더 큰 구조를 고려해 볼 수 있다. 치수가 큰쪽(D)이 튜브 말단(31, 32)이 헤더(20, 22)에 연결되어 있는 헤더(20, 22)의 길이방향 축(24, 26)과 평행으로 연장될 수 있도록 함으로써, 각각의 튜브(28)의 치수가 큰쪽(D)이 헤더(20, 22) 중 어느 하나의 내경보다 더 클 수 있다. 튜브 말단(31, 32)의 치수가 큰쪽(D)이, 튜브 말단(31, 32)이 헤더(20, 22)에 연결되어 있는 지점에서 헤더(20, 22)의 길이방향 축(24, 26)과 평행으로 연장되는 것이 바람직하지만, 상기 위치에서 치수가 큰쪽(D)을 다른 배향으로 하는 것도 일부 응용에서는 바람직할 수 있다. 예를 들면, 일부 응용에서는 튜브 말단(31, 32)의 치수가 큰쪽(D)이, 튜브 말단(31, 32)이 헤더(20, 22)에 연결되어 있는 지점에서 길이방향 축(24, 26)과 횡방향으로 연장되도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
전술한 바와 같이, 파형 핀(30) 각각은 인접하는 튜브(28)의 평행인 다리(36)와 평행으로 연장되는 길이(L), 및 도 4에서 잘 알 수 있는 바와 같이, 인접하는 튜브(28)의 평행인 다리(36)를 가로질러 연장되는 횡방향 폭(W)을 갖는다. 예시를 위하여, 도 5에는 튜브(28)의 세 개의 다리(36)가 도시되어 있고, 도 7에는 각각의 튜브(28)가 단지 두 개의 평행인 다리(36)를 갖는 열교환기(10)용의 핀(30)이 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 각각의 핀(30)은 복수의 교호하는 탭(40), 및 평행인 다리(36)와 평행으로 연장되며 인접하는 튜브(28) 의 평행인 다리(36) 사이에 위치되어 각각의 핀(30)의 폭(W)을 탭(40)에 의하여 두 개 이상의 각기 다른 서로 연결된 핀 스트립 또는 부재(44)로 분리시키는 기다란 분리부(42)를 포함한다. 각각의 핀 부재(44)는 각각의 인접하는 튜브(28)의 평행인 다리(36) 중 하나에 대응하여 이를 따라 연장된다. 분리부(42)는 일반적으로 직선이며, 서로 대면하고 매체가 핀(30)을 통과하는 방향을 일반적으로 가로지르는 대향 에지(45)를 갖는다. 도 7에는 튜브(28)용 핀(30)이 두 개의 평행인 다리(36)를 갖는 것으로 예시되어 있지만, 탭(40), 분리부(42), 및 핀 부재(44)를 포함하는 상기 구조는 각각의 튜브(28)가 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 두 개 이상의 평행인 다리(36)를 갖는 열교환기(10)에 사용된다는 점에 유의해야 한다. 상기 구조에서, 각각의 핀(30)은 평행인 다리(36) 모두를 가로질러 연장되고, 핀 부재(44)는 각각의 인접하는 튜브(28)의 평행인 다리(36) 각각에 대응하여 이를 따라 연장되며, 탭(40) 및 분리부(42)는 각각의 핀 부재(44) 사이에 제공되는 것이 바람직하다.
각각의 핀(30)의 교호하는 탭(40)은 핀 부재(44)가 서로 상대적으로 이동하는 것을 제한함으로써 각각의 핀(30)이 열교환기(10)를 제조하는 도중에 단일체로서 유지되고, 또한, 핀 부재(44)를 서로 정렬된 상태로 유지하여 열교환기의 핀측에서의 압력 강하를 최소화시킨다. 기다란 분리부(42)의 목적은 각각의 평행인 다리(36)와 결합된 핀 부재(44) 사이에 열전달을 차단 또는 최소화시킴으로써 각각의 평행인 다리(36)로부터 각 튜브(28)의 임의의 인접하는 평행인 다리(36)로의 열 전달을 최소화시키기 위한 것이다. 이것은 열교환기(10)로 유입되는 작동유 온도가 열교환기(10)로부터 배출되는 작동유의 원하는 온도와 현저하게 차이가 나는 도 2 내지 도 4에 도시된 가스 냉각기(13)와 같은 용도에 바람직하다. 루버형이 아닌 높이가 단지 10%인 핀(30)(일반적으로 루버형 핀임)에 있어서, 평행인 다리(36) 사이의 총 열전달의 40% 이상이 핀을 통해 전달, 즉 공기 내로 배출되지 않는 것으로 계산되었다. 일부 경우에, 열교환기(10)의 고온측 핀(30)으로부터 수용된 열은 열교환기(10)의 냉온측 핀(30)을 냉온측 튜브(28)를 통과하는 작동유보다 실제로 더 고온으로 할 수 있고, 이는 작동유가 열교환기(10)로부터 배출되기 전에 작동유 내로 열이 전달되는 바람직하지 않은 상황을 야기하게 된다. 따라서, 기다란 분리부(42) 각각을 핀(30)의 길이를 따라 가능한 차단없이 연장시키고, 탭(40)의 개수 및 크기를 핀 부재(44) 각각이 제조 도중에 분리되지 않으며, 핀(30) 각각의 핀 부재(44) 사이가 제조 도중에 허용가능한 정렬 상태를 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
전술한 설명으로부터, 탭(40) 및 기다란 분리부(42)는 여러 가지 구조가 가능하다는 점에 유의해야 한다. 예를 들면, 알루미늄으로 제조된 핀(30)의 일 실시예에 있어서, 핀(30)이 포개지지 않은 상태로, 각각의 탭(40)은 핀(30)의 길이를 따라 대략 0.020인치 연장되며, 알루미늄으로 제조된 핀(30)의 기다란 분리부(42) 각각은 포개지지 않은 핀(30)의 길이를 따라 대략 8.0인치 연장된다. 핀(30)의 바람직한 일 실시예에 있어서, 탭(40) 및 분리부(44)는 포개지지 않은 상태의 핀(30)의 길이와 평행으로 연장되는 길이를 갖고, 분리부(42)의 길이 대 탭(40)의 길이와의 비율은 200 내지 600의 범위이다. 도 7에 도시된 바와 같은 다른 예에서, 각각의 기다란 분리부(42)는 폴드부(46)의 10 내지 14개에 걸쳐 탭(40) 하나로부터 핀(30)이 포개진 상태에 있는 다음 탭(40)으로 차단없이 연장된다.
탭(40) 및 분리부(42)는 여러 가지 방식으로 형성될 수 있지만, 분리부(42)는 핀(30)을 형성하는 도중에 핀 재료를 제거하지 않아도 되는 핀 재료 내에 커트 또는 슬릿으로서 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 커트 또는 슬릿을 형성하는 한 가지 방식은 핀(30)이 시트재 스트립으로 형성될 때 핀(30)에 간단한 커트가 형겅되도록 핀 롤 다이 내에 스필리터 디스크를 사용한다. 스플릿은 각각의 핀 부재(44)가 핀(30)의 인접하는 핀 부재(44)에 부착된 상태를 확실하게 유지하도록 탭(40)을 형성하는 매 회전 시에 디스크의 일부를 제거할 수 있다. 이로써 핀 표면의 손실없이 핀(30) 내에 물리적인 커트 또는 슬릿을 제공한다. 상기 구조에 있어서, 에지(45)는 확실하지는 않지만 가상으로 서로 접한다. 핀 부재(44)가 납땜 도중에 함께 납땜될 수 있다는 점이 문제이다. 이러한 문제를 최소화하기 위한 방법으로서 납땜 재료를 핀(30) 상에 클래딩하기 보다, 납땜 재료를 핀(30)과 접하는 튜브 다리(36)의 측벽 상에 위치시킨다. 다른 방법으로서 탭(40)으로부터 멀리 떨어진 위치에서 핀(30)의 인접하는 핀 부재(44)를 오프셋하고, 이는 핀을 클래딩 할 수 있다. 다른 방법은 약간 이격된 슬릿에 의하여 형성된 에지(45)를 만곡시켜 매우 작은 루버를 형성하고, 이것 또한 핀을 클래딩 할 수 있다. 또 다른 방법은 핀 부재(44)를 서로 더 분리시키기 위하여 탭(40) 각각을 코인한다. 또한, 상기 마지막 방법도 또한 핀을 클래딩할 수 있다. 슬릿이 바람직하지만, 일부 응용에서는 분리부(42)는 핀(30) 내에 형성될 때 핀 재료를 제거하지 않아도 되는 슬롯으로서 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이 점에 있어서, 슬롯은 핀(30)의 폭(W)과 평행인 수천 인치의 폭을 충분하게 가질 수 있다.
핀(30)이 탭 (40) 및 분리부(44)를 포함하는 것이 바람직하지만, 일부 응용에서는 탭(40) 및 분리부(42)는 바람직하지 않거나 또는 요구되지 않을 수 있다.
핀(30)은 루버형이 바람직하지만, 여러 가지 형태가 공지되어 있다. 루버의 정확한 구조는 특정 응용의 파라미터, 예를 들면, 열교환기(10)의 핀측 상의 유체, 열교환기(10)의 핀측 상의 압력 강하, 튜브(28) 각각의 평행인 다리(36) 개수, 각각의 튜브(28) 내의 평행인 다리가 홀수개 인가 또는 짝수개 인가의 여부에 크게 죄우된다.
시스템(12)의 가스 냉각기(13)로서 동작할 때, 열교환기(10)는 냉매를 초임계 냉각시키는 것이 일반적이지만, 주위 온도가 임계 온도 이하인 동작 조건이 있을 수 있고, 이 경우 열교환기(10)는 냉매를 초임계 냉각시키는 응축기로서 동작한다는 점에 유의해야 한다.
도 3에서 잘 알 수 있는 바와 같이, 예시된 열교환기(10)는 튜브(28) 각각에 대하여 12개의 평행인 다리(36)를 포함한다. 그러나, 열교환기(10)의 각 용도에 대한 평행인 다리의 최적의 개수는 특정 용도에 대한 소정의 파라미터, 예를 들면, 시스템(12)의 작동유, 열교환기(10)가 반드시 패킹되어야 하는 엔빌로우프 및 환경, 및 열교환기의 기능, 즉 가스 냉각기, 응축기, 또는 AC 또는 히트 펌프 시스템 용의 증발기에 크게 좌우된다는 점에 유의해야 한다. 예를 들면, 일부 응용에서는 튜브(28) 각각에 대하여 단지 두 개 또는 세 개의 평행인 다리(36)를 갖는 것이 바람직할 수 있다.
다른 옵션으로서, 하나 이상의 배플을 헤더(20, 22) 어느 하나 또는 양쪽 모두에 제공하여 냉매를 헤더(20)로부터 튜브(28)의 서브세트를 통해 헤더(22)로 향하게 한 다음, 튜브(28)의 상이한 서브세트 등을 통해 헤더(20)로 복귀시키고, 각각의 특정 응용에 의하여 요구된 성능을 제공하도록 하나의 헤더로부터 다른 헤더로 가능한 여러 개의 유로가 요구될 수 있다.
바람직한 일 실시예에 있어서, 헤더(20, 22), 튜브(28), 및 핀(30) 모두는 알루미늄으로 제조되고 적절한 납땜 재료로 납땝된다. 그러나, 일부 응용에서는 다른 적합한 재료가 특정 응용의 파라미터에 의하여 요구되는 이들 구성품으로 사용될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
또한, 도 1 내지 도 3에 예시된 열교환기(10)는 헤더(20, 22)의 길이방향 축(24, 26)은 수평방향으로 연장되고, 튜브(28)의 평행인 다리(36)는 수직방향으로 연장되는 것으로 도시되어 있지만, 일부 응용에서는 열교환기(10)가 상이한 배향, 즉 축(24, 26)은 수직방향으로 연장되고 평행인 다리(36)는 수평방향으로 연장되도록 하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 도 1 내지 도 3에 예시된 열교환기(10)의 헤더(20, 22)는 열교환기(10)의 동일한 쪽에 위치되어 있지만, 일부 응용에서는 헤더(20, 22)가 열교환기(10)의 대향하는 쪽에 위치되는 것이 바람직할 수 있다. 열교환기(10)의 동일한 쪽에 헤더(20, 22)가 위치된 구조는 각각의 튜브(28)마다 짝수 개의 평행인 다리(36)를 각각 갖는 것이 일반적인 반면, 열교환기(10)의 대향하는 쪽에 헤더(20, 22)가 위치된 구조는 각각의 튜브(28)마다 홀수 개의 평행인 닥리(36)를 갖는 것이 일반적이다. 물론, 특정 응용에서 원하는 경우, 탱크에 끼워진 헤드 플레이트가 튜브형 헤더(20, 22)로 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 넘김 고비 냉각 사이클에서 작동유를 초임계 냉각시키는 열교환기에 있어서,
    서로 실질적으로 평행으로 배치된 길이방향 축을 갖는 한 쌍의 기다란 헤더,
    상기 헤더의 길이방향 축을 따라 나란히 이격된 복수의 기다란 튜브, 및
    상기 튜브의 인접하는 쌍 사이에 연장되는 파형 핀(serpentine fin)
    을 포함하고,
    상기 튜브 각각은 치수가 큰쪽 및 치수가 작은쪽으로 이루어진 편평한 단면을 가지며,
    상기 튜브 각각은 헤더 사이로 작동유가 이송되도록 상기 헤더 중 하나에 연결된 제1 말단 및 상기 헤더 중 다른 하나에 연결된 제2 말단을 갖고,
    상기 튜브 각각은 작동유가 하나의 헤더로부터 다른 하나의 헤더로 적어도 두 개의 평행인 유로를 통하여 연속적으로 흐르도록 상기 튜브의 적어도 두 개의 평행인 다리를 형성하도록 포개지며,
    상기 튜브 각각의 상기 평행인 다리는 상기 평행인 다리 각각의 치수가 큰쪽이 상기 헤더의 길이방향 축을 실질적으로 가로지르는 공통면 내에 위치된 상태로 서로 이격되고,
    상기 파형 핀 각각은 상기 인접하는 튜브의 상기 평행인 다리와 평행으로 연장되는 길이 및 상기 인접하는 튜브의 상기 적어도 두 개의 평행인 다리를 가로질러 연장되는 횡방향 폭을 가지며,
    상기 파형 핀 각각은 상기 평행인 다리와 평행으로 연장되는 복수의 교호하는 탭 및 기다란 분리부를 포함하고,
    상기 인접하는 튜브의 상기 평행인 다리 사이에 위치된 탭 및 분리부는 상기 각각의 핀의 폭을 상기 탭에 의하여 서로 연결되는 복수의 개별 핀 부재로 분리시키며,
    상기 핀 부재 각각은 상기 인접하는 튜브 각각의 상기 평행인 다리 중 하나를 따라 대응하여 연장되는
    열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 튜브 각각의 치수가 큰쪽은 0.500인치 이하이며, 치수가 작은쪽은 0.100인치 이하인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 튜브 각각의 치수가 큰쪽은 0.320인치 이하이며, 치수가 작은쪽은 0.060인치 이하인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 튜브 각각은 상기 작동유가 상기 헤더 중 하나의 헤더로부터 다른 하나의 헤더로 적어도 세 개의 평행인 유로를 통해 연속적으로 흐르도록 상기 튜브의 적어도 세 개의 평행인 다리가 형성되도록 적어도 2회 포개지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 핀 각각은 상기 튜브 중 하나의 튜브로부터 상기 튜브 중 인접하는 다른 하나의 튜브로 연장되며 상기 헤더의 길이방향 축과 평행인 핀 높이를 갖고, 상기 튜브의 치수가 큰쪽은 상기 핀 높이보다 더 크지 않는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 튜브 말단 각각의 치수가 큰쪽은 상기 튜브 말단이 상기 헤더에 연결된 위치에서 상기 헤더의 길이방향 축과 평행으로 연장되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 핀의 상기 분리부는 상기 핀을 형성할 때 핀 재료를 제거하지 않아도 되는 슬릿인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 핀의 상기 분리부는 상기 핀을 형성할 때 핀 재료를 제거하지 않아도 되는 슬롯인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제1항에 있어서,
    포개지지 않은 상태에 있는 상기 핀 중 적어도 하나의 핀에 있어서, 상기 분리부 및 상기 탭은 상기 핀의 길이와 평행으로 연장되는 길이를 갖고, 상기 분리부의 길이 대 상기 탭의 길이의 비율은 200 내지 600의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 튜브 중 적어도 하나는 0.015인치 내지 0.040인치의 범위 내에 있는 유체 직경을 갖는 멀티포트 튜브인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 넘김 고비 냉각 사이클에서 작동유를 초임계 냉각시키는 열교환기에 있어서,
    서로 실질적으로 평행으로 배치된 길이방향 축을 갖는 한 쌍의 기다란 헤더,
    상기 헤더의 길이방향 축을 따라 나란히 이격된 복수의 기다란 튜브, 및
    상기 튜브의 인접하는 쌍 사이에 연장되는 파형 핀
    을 포함하고,
    상기 튜브 각각은 치수가 큰쪽 및 치수가 작은쪽으로 이루어진 편평한 단면을 가지며,
    상기 튜브 각각은 헤더 사이로 작동유가 이송되도록 상기 헤더 중 하나에 연결된 제1 말단 및 상기 헤더 중 다른 하나에 연결된 제2 말단을 갖고,
    상기 튜브 각각은 작동유가 하나의 헤더로부터 다른 하나의 헤더로 적어도 두 개의 평행인 유로를 통하여 연속적으로 흐르도록 상기 튜브의 적어도 두 개의 평행인 다리를 형성하도록 포개지며,
    상기 튜브 각각의 상기 평행인 다리는 상기 헤더의 길이방향 축을 실질적으로 가로지르는 공통면 내에 위치된 상기 평행인 다리 각각의 치수가 큰쪽을 갖고,
    상기 파형 핀 각각은 상기 인접하는 튜브의 상기 평행인 다리와 평행으로 연장되는 길이 및 상기 인접하는 튜브의 상기 적어도 두 개의 평행인 다리를 가로질러 연장되는 횡방향 폭을 가지며,
    상기 파형 핀 각각은 상기 평행인 다리와 평행으로 연장되는 복수의 교호하는 탭 및 기다란 분리부를 포함하고,
    상기 인접하는 튜브 각각의 상기 평행인 다리 사이에 위치된 탭 및 분리부는 상기 각각의 핀의 폭을 상기 탭에 의하여 서로 연결되는 복수의 개별 핀 부재로 분리시키며,
    상기 핀 부재 각각은 상기 인접하는 튜브 각각의 상기 평행인 다리 중 하나를 따라 대응하여 연장되는
    열교환기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 튜브 각각의 치수가 큰쪽은 0.500인치 이하이며, 치수가 작은쪽은 0.100인치 이하인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 튜브 각각의 치수가 큰쪽은 0.320인치 이하이며, 치수가 작은쪽은 0.060인치 이하인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 튜브 각각은 상기 작동유가 상기 헤더 중 하나의 헤더로부터 다른 하나의 헤더로 적어도 세 개의 평행인 유로를 통해 연속적으로 흐르도록 상기 튜브의 적어도 세 개의 평행인 다리가 형성되도록 적어도 2회 포개지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 튜브 말단 각각의 치수가 큰쪽은 상기 튜브 말단이 상기 헤더에 연결된 위치에서 상기 헤더의 길이방향 축과 평행으로 연장되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 핀의 상기 분리부는 상기 핀을 형성할 때 핀 재료를 제거하지 않아도 되는 슬릿인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  17. 제11항에 있어서,
    포개지지 않은 상태에 있는 상기 핀 중 적어도 하나의 핀에 있어서, 상기 분리부 및 상기 탭은 상기 핀의 길이와 평행으로 연장되는 길이를 갖고, 상기 분리부의 길이 대 상기 탭의 길이의 비율은 200 내지 600의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  18. 넘김 고비 냉각 사이클에서 작동유를 초임계 냉각시키는 열교환기에 있어서,
    서로 실질적으로 평행으로 배치된 길이방향 축을 갖는 한 쌍의 기다란 헤더,
    상기 헤더의 길이방향 축을 따라 나란히 이격된 복수의 기다란 튜브, 및
    상기 튜브의 인접하는 쌍 사이에 연장되는 파형 핀
    을 포함하고,
    상기 튜브 각각은 치수가 큰쪽 및 치수가 작은쪽으로 이루어진 편평한 단면을 가지며,
    상기 튜브 각각의 치수가 큰쪽은 0.500인치 이하이며, 치수가 작은쪽은 0.100인치 이하이고,
    상기 튜브 각각은 헤더 사이로 작동유가 이송되도록 상기 헤더 중 하나에 연결된 제1 말단 및 상기 헤더 중 다른 하나에 연결된 제2 말단을 가지며,
    상기 튜브 각각은 작동유가 하나의 헤더로부터 다른 하나의 헤더로 적어도 두 개의 평행인 유로를 통하여 연속적으로 흐르도록 상기 튜브의 적어도 두 개의 평행인 다리를 형성하도록 포개지고,
    상기 튜브 각각의 상기 평행인 다리는 상기 헤더의 길이방향 축을 실질적으로 가로지르는 공통면 내에 위치된 상기 평행인 다리 각각의 치수가 큰쪽을 갖고,
    상기 파형 핀 각각은 상기 인접하는 튜브의 상기 평행인 다리와 평행으로 연장되는 길이를 갖는
    열교환기.
  19. 넘김 고비 냉각 사이클에서 작동유를 초임계 냉각시키는 열교환기에 있어서,
    서로 실질적으로 평행으로 배치된 길이방향 축을 갖는 한 쌍의 기다란 헤더,
    상기 헤더의 길이방향 축을 따라 나란히 이격된 복수의 기다란 튜브, 및
    상기 튜브의 인접하는 쌍 사이에 연장되는 파형 핀
    을 포함하고,
    상기 튜브 각각은 헤더 사이로 작동유가 이송되도록 상기 헤더 중 하나에 연결된 제1 말단 및 상기 헤더 중 다른 하나에 연결된 제2 말단을 가지며,
    상기 튜브 각각은 작동유가 하나의 헤더로부터 다른 하나의 헤더로 적어도 세 개의 평행인 유로를 통하여 연속적으로 흐르도록 상기 튜브의 적어도 세 개의 평행인 다리를 형성하도록 포개지고,
    상기 튜브 각각의 상기 평행인 다리는 상기 헤더의 길이방향 축을 실질적으로 가로지르는 공통면 내에 위치된 상기 평행인 다리 각각의 치수가 큰쪽을 가지며,
    상기 파형 핀 각각은 상기 인접하는 튜브의 상기 평행인 다리와 평행으로 연장되는 길이를 갖는
    열교환기.
  20. 넘김 고비 냉각 사이클에서 작동유를 초임계 냉각시키는 열교환기에 있어서,
    서로 실질적으로 평행으로 배치된 길이방향 축을 갖는 한 쌍의 기다란 헤더,
    상기 헤더의 길이방향 축을 따라 나란히 이격된 복수의 기다란 튜브, 및
    상기 튜브의 인접하는 쌍 사이에 연장되는 파형 핀
    을 포함하고,
    상기 튜브 각각은 치수가 큰쪽 및 치수가 작은쪽으로 이루어진 편평한 단면을 가지며,
    상기 튜브 각각은 0.015인치 내지 0.040인치 범위 내의 유체 직경을 갖는 멀티포트 튜브이고,
    상기 튜브 각각은 헤더 사이로 작동유가 이송되도록 상기 헤더 중 하나에 연결된 제1 말단 및 상기 헤더 중 다른 하나에 연결된 제2 말단을 가지며,
    상기 튜브 각각은 작동유가 하나의 헤더로부터 다른 하나의 헤더로 적어도 두 개의 평행인 유로를 통하여 연속적으로 흐르도록 상기 튜브의 적어도 두 개의 평행인 다리를 형성하도록 포개지고,
    상기 튜브 각각의 상기 평행인 다리는 상기 헤더의 길이방향 축을 실질적으로 가로지르는 공통면 내에 위치된 상기 평행인 다리 각각의 치수가 큰쪽을 가지며,
    상기 파형 핀 각각은 상기 인접하는 튜브의 상기 평행인 다리와 평행으로 연장되는 길이를 갖는
    열교환기.
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