KR20080026737A

KR20080026737A - 열교환기

Info

Publication number: KR20080026737A
Application number: KR1020060091660A
Authority: KR
Inventors: 전영하; 김기홍; 이정재
Original assignee: 한라공조주식회사
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2008-03-26
Also published as: US20090314475A1; WO2008035887A1; CN101517345B; KR101250771B1; CN101517345A

Abstract

본 발명은 열교환성능을 증가시키기 위하여 튜브 내의 유동에 난류가 형성되도록 하는 열교환기에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 저유량 조건에서 조기에 난류를 형성시켜 줌으로써 최적의 열교환성능을 확보할 수 있게 해 주는 열교환기를 제공함에 있다.

본 발명의 열교환기는, 내부에 열교환매체가 유동하며, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와; 열교환매체가 유입되고 유입된 열교환매체를 상기 복수 개의 튜브(20)에 분배하는 입구탱크(11)와; 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과; 상기 튜브(20) 내를 이동하는 열교환매체가 모이며, 모여진 열교환매체를 배출하는 출구탱크(12)를 구비한 열교환기(100)에 있어서, 상기 튜브(20)에는 내측 방향으로 돌출된 딤플(21)이 형성되며, 상기 딤플(21)의 총 단면적(A _dimple)은 각각의 딤플(21)의 폭(d)과 딤플(21)의 깊이(h)의 곱의 총합으로 표현되고, 상기 튜브(20)의 단면적은 상기 튜브(20)의 길이(L)와 상기 튜브(20)의 높이(H)의 곱으로 표현될 때, 하기와 같은 관계식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

열교환기, 튜브, 딤플, 돌기, 치수, 형상, 열교환, 방열, 성능, 효율, 난류

Description

열교환기 {A Heat Exchanger}

도 1은 차량의 일반적인 냉난방시스템의 개념도.

도 2는 열교환기의 사시도.

도 3은 딤플 구조가 형성된 튜브의 사시도 및 단면도.

도 4는 딤플 구조가 형성된 튜브의 제작 방법의 일실시예.

도 5는 튜브 및 딤플의 치수.

도 6은 열교환기의 유효면적.

도 7은 각 인자에 대한 유효면적당 열교환성능 그래프.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100: 열교환기 10: 탱크

11: 입구탱크 12: 출구탱크

20: 튜브 30: 핀

21: 딤플 22: 격벽

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환성능을 증가시키기 위하여 튜브 내의 유동에 난류가 형성되도록 하는 딤플 구조가 형성된 튜브가 적용되는 열교환기에 관한 것이다.

도 1은 차량의 일반적인 냉각시스템을 도시한 개념도이다. 차량용 엔진(1)은 항상 고온, 고압의 가스를 점화, 연소시키므로 그대로 방치할 경우 과열되어 상기 엔진(1)을 구성하는 금속재가 녹게 되어 실린더와 피스톤 등에 심각한 손상을 미칠 수가 있다. 이를 방지하기 위하여 상기 도 1에서와 같이 차량용 엔진(1)의 실린더 주위에 냉각수가 저장된 물재킷(미도시)을 설치하고 물펌프(5)를 이용하여 상기 냉각수를 라디에이터(2) 또는 히터코어(3)로 경유시켜 순환 냉각시키며, 냉난방의 용도에 따라 바이패스회로(6)를 통하여 히터코어(3)를 경유시키지 않고 바로 복귀시킬 수도 있다. 이 때 서모스탯(4)은 냉각수가 흐르는 통로에 설치되어 엔진(1)을 경유한 상기 냉각수의 온도에 따라 개폐의 정도를 조절하여 엔진(1)의 과열을 막는 조절기구 역할을 한다.

이 때, 상기 라디에이터(2)는 엔진으로 순환하면서 엔진의 열을 전달받는 냉각수가 유동할 때 공기에 의해 냉각수의 열이 방열되도록 하는 열교환장치의 일종으로서, 차량의 엔진룸에 장착되며 중앙부에 상기 라디에이터 코어에 바람을 불어주기 위한 냉각팬이 장착된다. 또한, 히터코어(3)는 자동차의 공기조화장치의 일부분으로 엔진(1)을 순환하며 연소시 발생된 열을 흡수한 고온의 냉각수를 이용하여 자동차의 실내에 따뜻한 공기를 공급될 수 있도록 하는 열교환장치의 일종으로서, 엔진(1)의 열에 의해 가열된 고온의 냉각수를 히터코어(3)의 튜브 및 핀을 통과시켜 외부에서 공급된 공기와 열교환을 하고 이로 인해 따뜻해진 공기를 자동차의 실내로 공급하는 역할을 하는 장치이다.

차량의 실내를 보다 잘 난방하기 위해서는 상기 히터코어의 열교환성능이 증대되어야 함은 당연하다. 그런데 실제 차량의 내부에 열교환기가 장착되는 경우에 있어서, 열교환성능을 증대시키고자 하여도 엔진룸 내부의 공간이 제한되어 있을 뿐만 아니라 다른 부품들과의 연계 때문에 열교환기의 크기, 열교환매체의 유통구 위치 등과 같은 열교환기의 기본적인 구조를 변경할 수 없는 경우가 많다. 이와 같이 열교환기의 기본적인 구조를 변경하지 않는 범위 내에서 방열량을 증가시키기 위해서, 통상적으로는 열교환기에서 실제 열교환이 일어나는 부분인 튜브의 유로단면적을 증가시켜 튜브 내를 흐르는 유량을 증가시키는 설계를 채용한다. 그런데, 이와 같이 유로단면적이 증가하면 저유량 조건에서 층류 유동이 발생되어 방열량이 감소되는 문제가 발생한다. JP 1996-136176(이하 선행기술)에서는 튜브와 핀의 적절한 수치한정을 통해 방열 성능 향상을 도모하고자 하였다. 상기 선행기술에서는 60km/h 주행 시와 아이들링 시의 현격한 난방 성능의 차이를 줄이고자 60km/h 이하 영역에서 항상 층류 영역을 유지하여 난방 필링성을 개선하기는 하였으나, 상기와 같이 저유량 조건에서 층류 유동이 발생되어 열교환성능이 저하되는 문제점을 개선하지는 못하였다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 저유량 조건에서 조기에 난류를 형성시켜 줌으로써 최적의 열교환성능을 확보할 수 있게 해 주는 열교환기를 제공함에 있다. 또한 본 발명의 또다른 목적은 상기 최적의 열교환성능을 만족하도록 열교환기 튜브 각 구성 요소들의 바람직한 설계 범위를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기는, 내부에 열교환매체가 유동하며, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와; 열교환매체가 유입되고 유입된 열교환매체를 상기 복수 개의 튜브(20)에 분배하는 입구탱크(11)와; 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과; 상기 튜브(20) 내를 이동하는 열교환매체가 모이며, 모여진 열교환매체를 배출하는 출구탱크(12)를 구비한 열교환기(100)에 있어서, 상기 튜브(20)에는 내측 방향으로 돌출된 딤플(21)이 형성되며, 상기 딤플(21)의 총 단면적(A _dimple)은 각각의 딤플(21)의 폭(d)과 딤플(21)의 깊이(h)의 곱의 총합으로 표현되고, 상기 튜브(20)의 단면적은 상기 튜브(20)의 길이(L)와 상기 튜브(20)의 높이(H)의 곱으로 표현될 때, 하기와 같은 관계식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 딤플(21)의 깊이(h) 및 상기 튜브(20)의 높이(H)의 치수는 하기와 같은 관계식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 튜브(20)의 상하부에는 상기 튜브(20)의 폭 방향의 동일선상에 상기 딤플(21)이 복수 개 배열된 딤플열이 구성되며, 상기 튜브(20)의 상부 딤플열과 상기 튜브(20)의 하부 딤플열은 상기 튜브(20)의 길이 방향으로 교대로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 상부 딤플열과 상기 하부 딤플열의 딤플(21)은 상기 튜브(20)의 폭 방향 단면에서 볼 때 중복되지 않도록 배치되며, 상부 딤플열의 이웃하는 딤플(21) 사이에 상기 하부 딤플열의 딤플(21) 중 하나가 배치되고, 하부 딤플열의 이웃하는 딤플(21) 사이에 상기 상부 딤플열의 딤플(21) 중 하나가 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 튜브(20)의 상부 딤플열의 딤플(21)의 개수와 상기 튜브(20)의 하부 딤플열의 딤플(21)의 개수는 동일한 것을 특징으로 한다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 열교환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 열교환기의 사시도이다. 열교환기(100)는 내부에 열교환매체가 유동하며, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와 상기 튜브(20)의 양측 단부에 결합되는 탱크(10)를 구비한다. 이 때, 상기 탱크(10)는 열교환매체가 유입되고 유입된 열교환매체를 상기 복수 개의 튜브(20)에 분배하는 입구탱크(11)와 상기 튜브(20) 내를 이동하는 열교환매체가 모이며 모여진 열교환매체를 배출하는 출구탱크(12)로 구분된다. 또한, 상기 튜브(20) 사이에는 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)이 구비된다. 상기 탱크(10)들 중 입구탱크(11)의 유입구를 통해 열교환매체가 유입되면, 상기 열교환매체는 튜브(20)를 통해 출구탱크(12)로 흘러가서 모였다가 상기 출구탱크(12)의 배출구를 통해 배출되게 된다. 열교환매체가 상기 튜브(20)를 따라 흐르는 과정에서, 상기 튜브(20) 및 상기 튜브(20)들 사이에 개재되어 있는 핀(30)을 통해 상기 튜브(20) 내에 수용된 열교환매체와 외부 공기가 열교환을 일으키게 된다.

열교환기에서 일어나는 열교환현상을 간략히 정리하면 다음과 같다. 튜브(20) 내부의 열교환매체와 튜브(20) 내부면 간에 대류에 의한 열교환이 발생되고, 상기 열이 전도에 의해 튜브(20)의 내부면에서 외부면 및 핀(30)으로 전달되며, 상기 튜브(20) 외부면 및 핀(30) 면과 접촉하는 외부 공기로 대류에 의한 열교환이 일어나 최종적으로는 열교환매체와 외부 공기 간의 열교환이 이루어지게 되는 것이다. 상술한 과정으로 알 수 있듯이 열교환기에서의 열교환은 대부분 대류 열교환에 의해 결정되는데, 대류 열교환에서 열교환량은 접촉면적 및 유속에 의해 결정된다. 특히, 튜브(20) 내의 열교환매체로부터 튜브(20)로의 열교환은 상기 열교환매체의 유동이 난류일 경우 훨씬 원활하게 이루어지게 된다. 따라서 고의적으로 튜브(20) 내 열교환매체의 유동에 난류를 발생시켜 주는 구조를 가지게 하면 이론적으로 열교환성능이 증가하게 될 것을 쉽게 알 수 있다.

도 3은 본 발명에 의한 딤플 구조가 형성된 튜브의 사시도 및 단면도이다. 튜브(20)에는 내측 방향으로 돌출되어 형성되는 딤플(21)과 튜브(20) 내부를 튜브(20)의 길이 방향으로 구획하는 격벽(22)이 형성된다. 상기 딤플(21)은 상술한 바와 같이 튜브(20)의 내부에 수용된 열교환매체의 유동에 난류를 발생시켜 주는 역할을 한다. 도 3(B)는 도 3(A)에 도시된 튜브(20)의 A-A' 단면이며 도 3(C)는 B-B' 단면이다. 보다 상세히 설명하자면, 상기 튜브(20)의 상하부에는 상기 튜브(20)의 폭 방향의 동일선상에 상기 딤플(21)이 복수 개 배열된 딤플열이 구성되며, 상기 튜브(20)의 상부 딤플열과 상기 튜브(20)의 하부 딤플열은 상기 튜브(20)의 길이 방향으로 교대로 배치되어 있다. 또한, 상기 상부 딤플열과 상기 하부 딤플열의 딤플(21)은 상기 튜브(20)의 폭 방향 단면에서 볼 때 중복되지 않도록 배치된다. 즉, 도시된 바와 같이 상부 딤플열의 이웃하는 딤플(21) 사이에 상기 하부 딤플열의 딤플(21) 중 하나가 배치되고, 하부 딤플열의 이웃하는 딤플(21) 사이에 상기 상부 딤플열의 딤플(21) 중 하나가 배치되도록 함으로써 상기 상부 딤플열과 하부 딤플열의 각 딤플(21)들이 서로 중복되지 않도록 한다. 또한, 상기 튜브(20)의 상부 딤플열의 딤플(21)의 개수와 상기 튜브(20)의 하부 딤플열의 딤플(21)의 개수는 동일한 것이 바람직하다. 이와 같은 식으로 딤플(21)들이 배열됨으로써 난류가 더 잘 발생되게 된다.

이와 같은 딤플 배열과 격벽을 가진 튜브를 제작하는 방법의 일실시예가 도 4에 도시되어 있다. 도 4(A)에 도시된 바와 같이 튜브(20)의 원자재(금속판 등)에 프레싱 등의 공정을 이용하여 딤플(21)을 형성시킨다. 도 4(A)와 도 4(B)를 대비하여 보면, A 부분은 튜브(20)의 하면이 되고, C₁ 및 C₂ 부분은 절곡되어 튜브(20)의 옆면을 형성하며, B₁ 및 B₂ 부분은 튜브(20)의 상면을 형성하고, D₁ 및 D₂ 부분은 B₁과 B₂의 경계선에서 만나 하부로 절곡되어 들어감으로써 격벽(22)을 형성하게 된다는 것을 알 수 있다. 이와 같이 절곡에 의해 튜브를 제작하게 되면, 상면(A)과 하면(B₁ 및 B₂)이 서로 마주보게 되기 때문에, 처음 원자재에 딤플(21)을 형성할 때 모든 딤플(21)이 같은 방향으로 돌출되도록 하면 완성된 튜브(20)에서는 모든 딤플(21)이 내측 방향으로 돌출되는 형태로 형성되게 된다. 물론 본 실시예에서 제시하는 방법이 아닌 다른 방법으로 딤플(21) 또는 딤플(21) 및 격벽(22)이 형성된 튜브를 제작하여도 무방하다.

도 5는 튜브 및 딤플의 치수를 도시하고 있다. 튜브(20)의 폭은 L, 높이는 H로 표시하며, 각 딤플(21)에 대하여 딤플(21)의 폭은 d _i 로, 높이(깊이)는 h _i 로 표시하기로 하면, 다수 개의 딤플(21)이 형성된 튜브(20)에서 특정 위치의 단면에 대하여 딤플(21)들의 단면적들을 모두 합한 값은 하기의 수학식 1과 같이 표현된다. 하 기의 수학식 1에서 A _dimple은 총 딤플(21)의 근사 단면적이며, N은 단면당 딤플(21)의 개수이고, d _i 및 h _i 는 각각 i번째 딤플(21)의 폭 및 깊이를 나타낸다.

이론적 및 실험적으로 딤플 구조를 가지는 튜브에 있어서 유효면적당 열교환성능에 직접적인 영향을 미쳐 특정 상관관계를 나타내는 딤플 및 튜브의 치수는 하기의 수학식 2와 같이 나타난다.

실제 열교환은 외부 공기가 튜브(20)들 사이를 통과하는 과정에서 튜브(20) 내의 열교환매체와 상기 외부 공기 간에 발생하게 되기 때문에, 사실상 열교환이 일어나는 부분은 외부 공기 유동 방향과 수직인 튜브(20) 및 핀(30)의 면적이 된다. 이 면적이 바로 도 6에 도시된 바와 같은 유효면적 S _eff이며, 열교환기의 크기에 관계없이 열교환성능을 표현될 수 있도록 하기 위해 열교환성능의 평가는 상기 유효면적 S _eff에 대하여 구한다. 실제로 발생된 열교환양을 Q라고 할 때, 유효면적당 열교환양 Q _Ae는 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

본 발명에서는 유효면적당 열교환성능을 최대화할 수 있는 튜브(20)와 딤플(21) 사이의 치수 관계를 제안하고자 하는 것을 목적으로 하고 있기 때문에, 실제 차량에서의 요구조건인 유효면적당 열교환양 Q ₀를 기준으로 유효면적당 열교환성능을 평가한다. 유효면적당 열교환성능 η는 하기의 수학식 4와 같이 나타난다.

도 7은 각 인자들에 대한 열교환성능을 도시한 그래프로, 도 7(A)는 A _dimple/L×H에 대한 η의 변화를, 도 7(B)는 h/H에 대한 η의 변화를 각각 도시하고 있다. A _dimple 값이 크다는 것은 물리적으로 튜브의 단면당 딤플이 많이 형성되어 있다는 것을 의미하며, 딤플이 많이 있을수록 난류의 발생이 더 잘 이루어지게 된다. 그러나 딤플이 지나치게 많이 형성되어 있어 상기 A _dimple 값이 튜브 단면적(L×H)에 접근하게 되면, 열교환매체가 유동가능한 유로의 단면적이 지나치게 작아지게 되어 열교환매체의 유동이 원활하게 이루어지지 못한다. 이와 같이 유로저항이 너무 커지게 되는 경우에는 오히려 열교환계수가 줄어들게 되어 열교환성능이 떨어지게 된다. 따라서 상기 A _dimple 값은 튜브(20)의 단면적(L×H)과 적절한 비를 이루고 있어야 한다는 것을 알 수 있다. 도 7(A)는 이와 같은 경향이 실제로 실험적으로 확인되는 것을 보여주고 있다. 도 7(A)의 그래프에서 볼 때 A _dimple/L×H 값이 8.80 내지 13.60이 되도록 하면 유효면적당 열교환성능 η가 최적화된다. 따라서 이로부터 유효면적당 열교환성능을 최적화하기 위한 단면당 튜브 및 딤플 형상의 치수 사이의 관계를 도출할 수 있게 된다.

도 7(B)는 딤플의 깊이 h와 튜브의 높이 H의 관계에 대한 유효면적당 열교환성능 η의 변화를 도시하고 있다. 역시 h/H에 대하여 상기 비율이 커짐에 따라(즉 딤플의 깊이가 상대적으로 커짐에 따라) 열교환성능이 점점 증가하다가 어느 기점을 지나면 다시 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타나고 있다. 즉 도 7(B)의 그래프에서 볼 때 h/H 값이 0.25 내지 0.4가 되도록 하면 유효면적당 열교환성능 η가 최적화된다. 이와 같이 상기 도 7(A) 및 도 7(B)의 그래프에 의해 어떤 튜브에 대하여 상기 튜브의 폭과 높이에 따라 유효면적당 열교환성능을 최적화하기 위한 딤플의 적절한 폭과 깊이 치수를 설계할 수 있게 된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 열교환기 튜브 내에서의 열교환매체 유동의 유량 조건이 불리할 경우에도 항상 난류가 조기에 발생되게 해 줌으로써 열교환성능을 증가시켜 주는 효과가 있으며, 이에 따라 전 유량 조건에서 최적의 열교환성능을 확보할 수 있게 해 주는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 의하면 유체의 유동 특성을 조정함으로써 최적의 열교환성능을 얻을 수 있게 하는 딤플의 형상 및 치수를 쉽게 설계할 수 있게 해 주는 효과가 있으며, 이에 따라 설계에 따르는 노력, 비용, 시간 등이 크게 절약되는 효과가 있다.

Claims

내부에 열교환매체가 유동하며, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와; 열교환매체가 유입되고 유입된 열교환매체를 상기 복수 개의 튜브(20)에 분배하는 입구탱크(11)와; 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과; 상기 튜브(20) 내를 이동하는 열교환매체가 모이며, 모여진 열교환매체를 배출하는 출구탱크(12)를 구비한 열교환기(100)에 있어서,

상기 튜브(20)에는 내측 방향으로 돌출된 딤플(21)이 형성되며, 상기 딤플(21)의 총 단면적(A _dimple)은 각각의 딤플(21)의 폭(d)과 딤플(21)의 깊이(h)의 곱의 총합으로 표현되고,

상기 튜브(20)의 단면적은 상기 튜브(20)의 길이(L)와 상기 튜브(20)의 높이(H)의 곱으로 표현될 때,

하기와 같은 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1항에 있어서,

상기 딤플(21)의 깊이(h) 및 상기 튜브(20)의 높이(H)의 치수는 하기와 같은 관계식을 만족하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 튜브(20)의 상하부에는 상기 튜브(20)의 폭 방향의 동일선상에 상기 딤플(21)이 복수 개 배열된 딤플열이 구성되며, 상기 튜브(20)의 상부 딤플열과 상기 튜브(20)의 하부 딤플열은 상기 튜브(20)의 길이 방향으로 교대로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 3항에 있어서,

상기 상부 딤플열과 상기 하부 딤플열의 딤플(21)은 상기 튜브(20)의 폭 방향 단면에서 볼 때 중복되지 않도록 배치되며, 상부 딤플열의 이웃하는 딤플(21) 사이에 상기 하부 딤플열의 딤플(21) 중 하나가 배치되고, 하부 딤플열의 이웃하는 딤플(21) 사이에 상기 상부 딤플열의 딤플(21) 중 하나가 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 3항에 있어서,

상기 튜브(20)의 상부 딤플열의 딤플(21)의 개수와 상기 튜브(20)의 하부 딤플열의 딤플(21)의 개수는 동일한 것을 특징으로 하는 열교환기.