KR20090048352A - 열교환기 - Google Patents

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KR20090048352A
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Abstract

본 발명은 열교환기 내에서 유로를 변경시키기 위하여 구비되는 연통홀의 위치 및 크기를 최적화한 열교환기에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 냉매의 유동 방향을 변경시키기 위하여 구비되는 연통홀의 위치 및 크기를 최적화하며, 또한 연통홀의 구조를 단순화시킴으로써 설계 및 제작 비용을 절감하고, 더불어 냉매의 유동을 개선시켜 온도 분포를 고르게 함으로써 열교환성능이 향상되는 열교환기를 제공함에 있다.
본 발명의 열교환기는, 길이 방향의 양단부가 폐쇄되어 내부에 냉매유로 공간을 형성하되 상기 냉매유로 공간을 폭 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 격벽(11) 및 상기 냉매유로 공간을 길이 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 구획부재(12)를 포함하여 이루어지며, 일정 거리 이격되어 나란히 배치되는 한 쌍의 헤더탱크(10); 상기 헤더탱크(10)에 양단이 삽입 고정되어 냉매유로를 형성하는 복수 개의 튜브(20); 및 상기 튜브(20) 사이에 개재되는 복수 개의 핀(30); 을 포함하여 이루어지는 열교환기(100)에 있어서, 상기 구획부재(12) 및 이와 인접한 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부와의 사이 영역에 배치된 상기 격벽(11) 상에 연통홀(15)이 형성되며, 상기 구획부재(12)로부터 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부까지의 거리를 100%라 할 때, 0~50%의 범위, 65~100%의 범위, 0~50%의 범위 및 65~100%의 범위 중 선택되는 어느 하나의 범위에 해당하는 상기 격벽(11) 상의 위치에 1개 이상 4개 이하 형성되는 것을 특징으로 한다.
열교환기, 증발기, 격벽, 연통홀, 냉매 유로, 방열량, 내구성, 온도 분포

Description

열교환기 {A Heat Exchanger}
본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환기 내에서 유로를 변경시키기 위하여 구비되는 연통홀의 위치 및 크기를 최적화한 열교환기에 관한 것이다.
세계적으로 에너지 및 환경 문제에 관한 관심사가 커져 감에 따라, 최근 자동차 생산 산업에 있어서 연비를 포함한 각 부품의 효율 개선이 꾸준히 이루어지고 있으며, 또한 다양한 소비자의 욕구를 만족시키기 위하여 자동차 외관의 형태 역시 다양화되고 있는 추세이다. 이러한 경향에 따라, 차량의 각 부품들은 점차로 경량화ㆍ소형화 및 고기능화를 위한 꾸준한 연구 개발이 이루어지고 있다. 특히 차량용 냉각장치에 있어서, 대개 엔진룸 내부에서 충분한 공간을 확보하기 어려운 실정이기 때문에 작은 크기를 가지면서도 높은 효율을 가지는 열교환 시스템을 제조하기 위한 노력이 있어 왔다.
한편, 통상적으로 열교환 시스템은 주변으로부터 열을 흡수하는 증발기, 냉매를 압축하는 압축기, 주변으로 열을 방출하는 응축기, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브로 구성된다. 냉각 시스템에서는, 상기 증발기로부터 압축기로 유입되는 기체 상 태의 냉매는 압축기에서 고온 및 고압으로 압축되고, 상기 압축된 기체 상태의 냉매가 응축기를 통과하면서 액화되는 과정에서 주변으로 액화열이 방출되며, 상기 액화된 냉매가 다시 팽창밸브를 통과함으로써 저온 및 저압의 습포화 증기 상태가 된 후 다시 증발기로 유입되어 기화하게 되어 사이클을 이루게 되며, 실질적인 냉각 작용은 액체 상태의 냉매가 주변에서 기화열만큼의 열량을 흡수하여 기화되는 증발기에 의해 일어나게 된다. 이와 같은 열교환 시스템에서의 응축기 및 증발기가 일반적으로 열교환기의 범주에 포함되는 부품이다.
도 1은 일반적인 열교환기의 사시도이다. 도시된 바와 같이 열교환기(100)는, 한 쌍의 헤더탱크(10), 복수 개의 튜브(20) 및 복수 개의 핀(30)으로 이루어진다. 상기 헤더탱크(10)는, 폭 방향으로 연장되고 길이 방향으로 배열되는 복수 개의 튜브삽입홀(13)이 상면 또는 하면에 형성되며, 엔드캡(14)에 의해 길이 방향의 양 끝이 폐쇄되고, 내부 공간에 냉매유로를 형성하되 상기 냉매유로 공간을 길이 방향으로 구획하는 적어도 1개 이상의 격벽(11) 및 상기 냉매유로 공간을 폭 방향으로 구획하는 적어도 1개 이상의 구획부재(12)을 포함하여 이루어진다. 또한 상기 튜브(20)는 상기 헤더탱크(10)의 상기 튜브삽입홀(13)에 양단이 삽입 고정되어 냉매유로를 형성하며, 상기 핀(30)은 상기 튜브(20) 사이에 개재되어 열교환성능을 높이게 된다.
도 2는 이와 같은 열교환기 내에서의 냉매 흐름을 도시하고 있다. 도 2(A)는 열교환기를 단순화하여 도시하고 열교환기에서의 냉매의 흐름을 화살표로 표시하였으며, 도 2(B)는 냉매의 흐름을 보다 잘 나타내기 위해 2열로 되어 있는 헤더탱 크(10)의 각 열을 분리하고 튜브는 생략하여 도시하였다. 도시된 바와 같이, 하부 헤더탱크 제1열(10b1) 및 하부 헤더탱크 제2열(10b2)은 구획부재(12)에 의하여 냉매유로 공간이 구획되어 있다. 먼저 하부 헤더탱크 제1열(10b1)의 구획부재(12) 앞쪽 공간으로 유입된 냉매는, 튜브를 통해 상부 헤더탱크 제1열(10a1)로 이동한다. 상부 헤더탱크 제1열(10a1)에 유입된 냉매는, 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 일측으로만 냉매가 유입되게 되기 때문에 나머지 빈 공간 쪽, 즉 화살표로 표시된 방향으로 냉매가 이동하며, 이동된 냉매는 또한 튜브를 통해 하부 헤더탱크 제1열(10b1)의 구획부재(12) 뒤쪽 공간으로 유입된다.
하부 헤더탱크 제1열(10b1) 및 하부 헤더탱크 제2열(10b2)은, 구획부재(12) 뒤쪽에서 서로 연통홀(15')에 의해 연통되어 있으며, 따라서 상기 하부 헤더탱크 제1열(10b1)로 유입된 냉매는 상기 연통홀(15')을 통해 상기 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 구획부재(12) 뒤쪽으로 이동된다. 이후 냉매는 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 구획부재(12) 뒤쪽 공간 - 상부 헤더탱크 제2열(10a2) - 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 구획부재(12) 앞쪽 공간을 거쳐 외부로 배출된다.
그런데, 이와 같은 냉매의 유동 방향을 갖는 열교환기에서, 상기 연통홀의 설계에 있어서 여러 가지 문제점들이 있어 왔다. 연통홀의 설계와 관련되어 개시된 종래기술로 일본특허공개 제2002-071283호(이하 선행기술)가 있다. 도 3은 상기 선행기술에 의한 열교환기의 단면도 및 사시도로서, 도시된 바와 같이 상기 선행기술 에서는 튜브 하나당 한 개의 연통홀이 구비되도록 하고 있다. 그런데, 이와 같이 튜브 하나당 한 개의 연통홀이 구비되도록 하면, 홀의 개수가 많아져서 구조가 매우 복잡해지며 이에 따라 제작 단가가 상승하게 되는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 냉매 유동의 불균일로 인한 데드존이 발생할 가능성이 높아지며 이에 따라 온도 분포가 불균일해져 열교환기의 열교환성능을 저하시키는 악영향마저 발생시킨다. 뿐만 아니라, 튜브나 핀의 규격이 변경되는데 일일이 맞추어 연통홀도 새로 설계되어야 하는 등의 불편함도 있었다. 더불어, 튜브 위치마다 연통홀이 존재함으로써 홀의 개수가 많아 내구성이 크게 떨어지는 문제점 역시 발생하였다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 냉매의 유동 방향을 변경시키기 위하여 구비되는 연통홀의 위치 및 크기를 최적화하는 열교환기를 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 연통홀의 구조를 단순화시킴으로써 설계 및 제작 비용을 절감하고, 더불어 냉매의 유동을 개선시켜 온도 분포를 고르게 함으로써 열교환성능이 향상되는 열교환기를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기는, 길이 방향의 양단부가 폐쇄되어 내부에 냉매유로 공간을 형성하되 상기 냉매유로 공간을 폭 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 격벽(11) 및 상기 냉매유로 공간을 길이 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 구획부재(12)를 포함하여 이루어지며, 일정 거리 이격되어 나란히 배치되는 한 쌍의 헤더탱크(10); 상기 헤더탱크(10)에 양단이 삽입 고정되어 냉매유로를 형성하는 복수 개의 튜브(20); 및 상기 튜브(20) 사이에 개재되는 복수 개의 핀(30); 을 포함하여 이루어지는 열교환기(100)에 있어서, 상기 구획부재(12) 및 이와 인접한 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부와의 사이 영역에 배치된 상기 격벽(11) 상에 연통홀(15)이 형성되며, 상기 구획부재(12)로부터 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부까지의 거리를 100%라 할 때, 0~50%의 범위에 해 당하는 상기 격벽(11) 상의 위치에 1개 이상 4개 이하 형성되는 것을 특징으로 한다.
또는 본 발명의 열교환기는, 길이 방향의 양단부가 폐쇄되어 내부에 냉매유로 공간을 형성하되 상기 냉매유로 공간을 폭 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 격벽(11) 및 상기 냉매유로 공간을 길이 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 구획부재(12)를 포함하여 이루어지며, 일정 거리 이격되어 나란히 배치되는 한 쌍의 헤더탱크(10); 상기 헤더탱크(10)에 양단이 삽입 고정되어 냉매유로를 형성하는 복수 개의 튜브(20); 및 상기 튜브(20) 사이에 개재되는 복수 개의 핀(30); 을 포함하여 이루어지는 열교환기(100)에 있어서, 상기 구획부재(12) 및 이와 인접한 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부와의 사이 영역에 배치된 상기 격벽(11) 상에 연통홀(15)이 형성되며, 상기 구획부재(12)로부터 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부까지의 거리를 100%라 할 때, 65~100%의 범위에 해당하는 상기 격벽(11) 상의 위치에 1개 이상 4개 이하 형성되는 것을 특징으로 한다.
또는 본 발명의 열교환기는, 길이 방향의 양단부가 폐쇄되어 내부에 냉매유로 공간을 형성하되 상기 냉매유로 공간을 폭 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 격벽(11) 및 상기 냉매유로 공간을 길이 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 구획부재(12)를 포함하여 이루어지며, 일정 거리 이격되어 나란히 배치되는 한 쌍의 헤더탱크(10); 상기 헤더탱크(10)에 양단이 삽입 고정되어 냉매유로를 형성하는 복수 개의 튜브(20); 및 상기 튜브(20) 사이에 개재되는 복수 개의 핀(30); 을 포함하여 이루어지는 열교환기(100)에 있어서, 상기 구획부재(12) 및 이와 인접 한 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부와의 사이 영역에 배치된 상기 격벽(11) 상에 연통홀(15)이 형성되며, 상기 구획부재(12)로부터 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부까지의 거리를 100%라 할 때, 0~50%의 범위 및 65~100%의 범위에 해당하는 상기 격벽(11) 상의 위치에 1개 이상 4개 이하 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구획부재(12)는 한 쌍의 상기 헤더탱크(10) 중 선택되는 일측의 헤더탱크(10) 측에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 헤더탱크(10)는 양단부가 엔드캡(14)에 의해 폐쇄되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구획부재(12)는 상기 격벽(11)에 의해 분할 형성된 복수의 냉매유로 공간 내부에 각각 배치되되, 각 냉매유로의 동일한 위치에 나란히 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연통홀(15)은 연통홀 면적(S)/탱크 단면적(ST)의 비 값이 70~240%의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 연통홀(15)은 연통홀 면적(S)/탱크 단면적(ST)의 비 값이 70~160%의 범위 내에 있는 것이 더 바람직하다.
또한, 상기 연통홀(15)은 연통홀 벽의 단면적(St)이 7~20mm2의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 격벽(11)의 두께는 2mm이며, 상기 연통홀(15)은 연통홀(15) 간의 간격이 3.5~10mm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
또한 이 때, 상기 구획부재(12a)는 상기 상부 헤더탱크(10a1, 10a2) 내부에 위치하고, 상기 연통홀(15a)은 상부 격벽(11a) 상에 위치하며, 상기 열교환기 내의 냉매 흐름은, 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 구획부재(12a) 앞쪽 공간으로 유입되어, 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제1열(10b1) - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 구획부재(12a) 뒤쪽 공간 - 연통홀(15a) - 상부 헤더탱크 제2열(10a2)의 구획부재(12a) 뒤쪽 공간 - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제2열(10b2) - 튜브(20)를 순차적으로 통과하여 상부 헤더탱크 제2열(10a2)의 구획부재(12a) 앞쪽 공간을 거쳐 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 구획부재(12b)는 상기 하부 헤더탱크(10b1, 10b2) 내부에 위치하고, 상기 연통홀(15b)은 하부 격벽(11b) 상에 위치하며, 상기 열교환기 내의 냉매 흐름은, 하부 헤더탱크 제1열(10b1)의 구획부재(12b) 앞쪽 공간으로 유입되어, 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제1열(10a1) - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제1열(10b1)의 구획부재(12b) 뒤쪽 공간 - 연통홀(15b) - 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 구획부재(12b) 뒤쪽 공간 - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제2열(10a2) - 튜브(20)를 순차적으로 통과하여 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 구획부재(12b) 앞쪽 공간을 거쳐 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 구획부재(12a)는 상부 및 하부 구획부재(12c1, 12c2)로 이루어지며, 각각이 상기 상부 헤더탱크(10a1, 10a2) 및 상기 하부 헤더탱크(10b1, 10b2) 내부에 각각 위치하고, 상기 연통홀(15c)은 상기 하부 헤더탱크의 냉매 입출구 측의 반대편 단부 및 이와 인접한 하부 구획부재(12c2) 사이 위치의 하부 격벽(11b) 상에 위치하며, 상기 열교환기 내의 냉매 흐름은, 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 상부 구획부재(12c1) 앞쪽 공간으로 유입되어, 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 상부 구 획부재(12c1) 앞쪽 공간 - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제1열(10b1)의 하부 구획부재(12c2) 앞쪽 공간 - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 상부 구획부재(12c1) 뒤쪽 공간 - 연통홀(15c) - 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 하부 구획부재(12c2) 뒤쪽 공간 - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제2열(10a2)의 상부 구획부재(12c1) 뒤쪽 공간 - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 하부 구획부재(12c2) 앞쪽 공간 - 튜브(20)를 순차적으로 통과하여 상부 헤더탱크 제2열(10a2)의 상부 구획부재(12c1) 앞쪽 공간을 거쳐 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 열교환기는, 길이 방향의 양단부가 폐쇄되어 내부에 냉매유로 공간을 형성하되 상기 냉매유로 공간을 폭 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 격벽(11) 및 상기 냉매유로 공간을 길이 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 구획부재(12)를 포함하여 이루어지며, 일정 거리 이격되어 나란히 배치되는 한 쌍의 헤더탱크(10); 상기 헤더탱크(10)에 양단이 삽입 고정되어 냉매유로를 형성하는 복수 개의 튜브(20); 및 상기 튜브(20) 사이에 개재되는 복수 개의 핀(30); 을 포함하여 이루어지는 열교환기(100)에 있어서, 상기 구획부재(12) 및 이와 인접한 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부와의 사이 영역에 배치된 상기 격벽(11) 상에 연통홀(15)이 형성되며, 연통홀 면적(S)/탱크 단면적(ST)의 비 값이 70~240%의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 연통홀(15)은 연통홀 면적(S)/탱크 단면적(ST)의 비 값이 70~160%의 범위 내에 있는 것이 더 바람직하다.
또한, 상기 연통홀(15)은 연통홀 벽의 단면적(St)이 7~20mm2의 범위 내에 있 는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 격벽(11)의 두께는 2mm이며, 상기 연통홀(15)은 연통홀(15) 간의 간격이 3.5~10mm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 연통홀의 구조가 단순화됨으로써 설계가 간편해지고 제작이 용이해지는 큰 효과가 있으며, 이에 따라 설계 및 제작에 드는 비용이 크게 절감되는 효과가 있다. 또한, 데드존의 발생을 억제하여 냉매가 고르게 분포되도록 냉매의 유동을 개선시킴으로써 온도 분포 역시 고르게 이루어지게 되는 효과가 있으며, 물론 이에 따라 열교환기의 열교환성능이 크게 상승되는 큰 효과가 있다.
더불어, 종래에는 튜브 위치마다 연통홀이 위치함으로써 연통홀의 구조가 튜브의 개수에 직접적인 영향을 받았던 반명, 본 발명에 의하면 연통홀의 구조가 튜브의 개수 등에 큰 영향을 받지 않기 때문에, 튜브 및 핀의 구조가 변경된다 해도 이에 맞추어 연통홀의 구조를 변경할 필요가 없거나, 또는 변경이 매우 간편하여 새로운 제품의 생산이 훨씬 용이해지게 되는 큰 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 종래에는 헤더탱크의 내부 격벽에 연통홀이 많이 존재함으로써 연통홀들 간의 내벽에 응력이 집중되어 파손이 일어나기 쉬워서 내구성이 떨어지게 되었던 문제점이 있었던 것을 해결하여, 연통홀의 크기 및 위치를 최적화함으로써 냉매를 원활히 유통시키면서도 응력의 집중을 막도록 하여 제품의 내구성을 극대화하는 큰 효과 또한 있다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 열교환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 의한 열교환기 및 연통홀 구조를 도시한 것으로, 도 2(A)와 같이 단순화하여 도시하였다. 도 4a는 본 발명에 의한 연통홀 구조의 제1실시예이며, 도 4b는 제2실시예이며, 도 4c는 제 3실시예이다. 상술한 바와 같이 열교환기는 냉매를 외부의 공기와 열교환시켜 상태를 바꾸어(증발기의 경우 액상에서 기상, 응축기의 경우 기상에서 액상 등) 배출하는데, 이와 같은 열교환이 효과적으로 일어나도록 하기 위해서는 코어, 즉 튜브와 핀으로 이루어지는 부분의 온도 분포가 균일하게 이루어지는 것이 바람직하며, 그러기 위해서 냉매의 유동 경로를 개선할 필요가 있다. 본 발명의 세 실시예는 이와 같이 냉매의 유동 경로를 개선한 것으로, 하기에 각 실시예에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저 도 4a의 제1실시예에 대하여 설명한다. 제1실시예에서는 냉매는 상부 헤더탱크 제1열(10a1)로 유입되고 상부 헤더탱크 제2열(10a2)로 배출되며, 구획부재(12a)는 상부 헤더탱크(10a1, 10a2) 내부에 위치하고, 연통홀(15a)은 상기 상부 헤더탱크 내부에 위치하는 상부 격벽(11a) 상에 위치한다. 먼저 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 구획부재(12a) 앞쪽 공간으로 유입된 냉매는, 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 구획부재(12a) 앞쪽 공간 - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제1열(10b1) - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 구획부재(12a) 뒤쪽 공간을 거친 후, 연 통홀(15a)을 통과하여 상부 헤더탱크 제2열(10a2)의 구획부재(12a) 뒤쪽 공간으로 유입된다. 연통홀(15a)을 통과한 냉매는, 상부 헤더탱크 제2열(10a2)의 구획부재(12a) 뒤쪽 공간 - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제2열(10b2) - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제2열(10a2)의 구획부재(12a) 앞쪽 공간을 거쳐 외부로 배출된다.
도 4b의 제2실시예에서는, 냉매는 하부 헤더탱크 제1열(10b1)로 유입되고 하부 헤더탱크 제2열(10b2)로 배출되며, 구획부재(12b)는 하부 헤더탱크(10b1, 10b2) 내부에 위치하고, 연통홀(15b)은 상기 하부 헤더탱크 내부에 위치하는 하부 격벽(11b) 상에 위치한다. 냉매는 먼저 하부 헤더탱크 제1열(10b1)의 구획부재(12b) 앞쪽 공간으로 유입되어, 하부 헤더탱크 제1열(10b1)의 구획부재(12b) 앞쪽 공간 - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제1열(10a1) - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제1열(10b1)의 구획부재(12b) 뒤쪽 공간을 거친 후, 연통홀(15b)을 통과하여 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 구획부재(12b) 뒤쪽 공간으로 유입된다. 연통홀(15b)을 통과한 냉매는, 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 구획부재(12b) 뒤쪽 공간 - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제2열(10a2) - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 구획부재(12b) 앞쪽 공간을 거쳐 외부로 배출되게 된다.
도 4c의 제3실시예에서는, 냉매는 상부 헤더탱크 제1열(10a1)로 유입되고 상부 헤더탱크 제2열(10a2)로 배출되며, 상부 및 하부 구획부재(12c1, 12c2)는 상부 헤더탱크(10a1, 10a2) 및 하부 헤더탱크(10b1, 10b2) 내부에 각각 위치하고, 연통홀(15c)은 상기 하부 헤더탱크의 냉매 입출구 측의 반대편 단부 및 이와 인접한 하부 구획부재(12c2) 사이 위치의 하부 격벽(11b) 상에 위치한다. 냉매는 먼저 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 상부 구획부재(12c1) 앞쪽 공간으로 유입되어, 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 상부 구획부재(12c1) 앞쪽 공간 - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제1열(10b1)의 하부 구획부재(12c2) 앞쪽 공간 - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 상부 구획부재(12c1) 뒤쪽 공간을 거친 후, 연통홀(15c)을 통과하여 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 하부 구획부재(12c2) 뒤쪽 공간으로 유입된다. 연통홀(15a)을 통과한 냉매는, 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 하부 구획부재(12c2) 뒤쪽 공간 - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제2열(10a2)의 상부 구획부재(12c1) 뒤쪽 공간 - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 하부 구획부재(12c2) 앞쪽 공간 - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제2열(10a2)의 상부 구획부재(12c1) 앞쪽 공간을 거쳐 외부로 배출된다.
상기 제1실시예, 제2실시예 및 제3실시예는 냉매의 입출구 위치, 구획부재의 위치 및 연통홀이 존재하는 격벽의 위치에 차이가 있을 뿐 기본적인 구성은 비슷하므로, 이하에서 세 실시예에서 공통적으로 해당될 경우 격벽은 도면부호 11로, 구획부재는 도면부호 12로, 연통홀은 도면부호 15로 표기한다.
종래의 연통홀(15')은 격벽(11) 상에 각각의 튜브 위치마다 하나씩 형성되어 있었으나, 본 발명의 연통홀(15)은 격벽(11)의 일부에 단일 개 또는 적어도 1개 이상이 튜브 피치(튜브와 튜브의 사이 간격) 이상의 크기로 형성되게 된다. 이와 같이 연통홀(15)이 단순화됨으로써 먼저 제작 경비를 절감할 수 있으며 코어 크기, 튜브 및 핀의 사양이 변경되었을 때에도 연통홀(15)을 유연하게 구성하여 설치할 수 있다. 뿐만 아니라 연통홀(15)의 위치, 개수, 크기를 최적화함으로써 종래의 연 통홀(15')을 갖는 열교환기보다 방열량 및 코어의 온도 분포 특성을 향상시킬 수 있다. 하기에 본 발명의 연통홀(15)의 위치, 개수, 크기 등을 최적화하는 과정을 설명한다. 하기에 기재된 실험 결과는 다양한 열교환기들 중 증발기에서의 실험 결과들로서, 따라서 본 발명에 의한 열교환기가 증발기로 사용될 경우 최상의 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 연통홀 위치와 압력강하량 및 방열량 간의 관계 그래프이다. 가로축은 하부 헤더탱크의 구획부재(12) 뒤쪽 공간에 위치하는 격벽(11) 상의 연통홀 위치로서, 도 11에 도시되어 정의된 바와 같이, 연통홀 위치가 0%인 부분은 구획부재(12)이 위치하는 부분이며, 100%인 부분은 엔드캡(14)이 위치하여 공간을 밀봉하는 부분이다. 도시된 바와 같이 연통홀(15)의 위치가 0~50% 사이에 있을 때 방열량이 감소하지 않으므로 연통홀(15)은 구획부재(12)로부터 0~50% 사이에 위치하도록 하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 또한, 엔드캡(14) 쪽에 연통홀을 위치시키고자 할 경우, 엔드캡(14) 쪽에서 0~35% 사이, 즉 구획부재(12)로부터 65~100% 사이의 위치에 연통홀(15)이 위치되도록 하는 것이 바람직하다.
그런데, 연통홀(15)이 1개로만 형성될 경우 연통홀(15)의 크기가 너무 커져서 내구성이 떨어지게 될 위험이 있고, 다수 개로 형성될 경우 설계 및 제작의 난해함이 높아져 종래에 비해 개선된 점이 없어지게 된다. 따라서 연통홀의 개수를 적절하게 설정하여야 한다.
도 6은 연통홀 개수와 압력강하량 및 방열량 간의 관계 그래프로서, A1, A2, A3는 연통홀의 크기를 나타내는 것으로, 연통홀의 크기는 A3 > A2 > A1 순이다. 상술한 바와 같이 본 발명은 연통홀(15)을 단순화함으로써 설계 및 제작을 용이하게 하면서도 열교환기의 성능을 높이고자 하는 것이 목적인 바, 도 6에 도시된 그래프에서, 연통홀의 개수가 4개보다 많아지는 경우 방열량이 급격하게 줄어드는 경향으로 볼 때, 연통홀(15)의 개수는 4개 이하인 것이 바람직하다. 또한 격벽(11)의 내구성을 고려하여 연통홀(15)이 적어도 1개 이상 형성되도록 할 수 있으며, 따라서 연통홀의 개수는 1~4개가 되도록 하는 것이 바람직하다.
도 6에서는 또한, 연통홀(15)의 크기를 변화시키면서 성능 특성을 조사하였는데, 도시된 바와 같이 연통홀(15)의 크기가 작을수록 냉매 측 압력강하량이 증가하는 경향이 있다. 따라서 연통홀(15)의 크기를 적절하게 설정하여야 한다.
도 7은 연통홀 면적/헤더탱크 단면적과 열교환기 출구 공기 온도분포 및 방열량 간의 관계 그래프이며, 도 8은 열교환기 코어의 온도분포의 한 예이다. 연통홀 면적이란 도 4에서 S부분에 해당하며, 헤더탱크(10) 단면적이란 도 4에서 ST부분에 해당한다. 연통홀 면적을 보다 명확히 정의하자면, 도 12에 도시된 바와 같이, 적어도 하나 이상의 연통홀들이 형성될 경우 연통홀들 각각의 면적(도 12에서 S1, S2, …, Si)들의 합(∑Si)이 바로 연통홀 면적 S가 된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 연통홀 면적/헤더탱크 단면적의 비가 커질수록 열교환기 출구의 공기 온도 분포가 점점 증가하는데, 특히 연통홀 면적/헤더탱크 단면적의 비 값이 150% 정도가 되는 지점부터 열교환기 출구 공기 온도가 급격히 상승하여 코어 온도 분포가 악화되는 것(4℃ 이상)을 알 수 있다. 또한, 방열량은 연통홀 면적/헤더탱크 단면적의 비 값이 70~240% 정도일 때 가장 크게 나타나고 있다. 따라서, 연통홀(15)의 크기는 헤더탱크(10) 단면적의 70~240% 가 되도록 하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 연통홀 면적/헤더탱크 단면적의 비 값이 열교환기 출구 공기 온도 분포가 균일하게 되는 비율인 70~160%가 되도록 한다.
마지막으로, 상술한 바와 같이 연통홀(15)의 개수가 적어지고 크기가 커지게 됨에 따라 격벽(11)의 내구성이 저하되게 되는 문제점을 피하기 위하여, 연통홀(15)의 벽 두께(즉 격벽(11)의 벽 두께)를 적절하게 설정하여야 한다.
도 9는 연통홀 벽의 단면적과 파괴압력(혹은 내구압력) 간의 관계 그래프이며, 도 10은 헤더탱크의 구조해석 결과를 시각적으로 표현한 도면이다. 연통홀 벽의 단면적이란 도 10에서 St부분에 해당한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 연통홀 벽의 단면적이 커질수록 견딜 수 있는 파괴압력 크기도 증가한다. 이 때, 최소한의 열교환기 내구성을 확보하기 위해서는 20kg/cm2의 파괴압력을 견딜 수 있어야 하므로, 연통홀(15) 벽의 최소 단면적은 약 7mm2 이상이어야 한다. 한편, 내구성을 높이 기 위해서는 연통홀(15) 벽의 단면적(도 10의 St)이 클수록 좋겠으나, 연통홀(15) 벽의 단면적이 클수록 연통홀(15)의 크기(도 4의 S)가 작아지게 되며, 따라서 연통홀(15)을 단순화시키기 어려울 뿐만 아니라 냉매 측 압력강하량이 증가하게 되고, 더불어 경제적인 관점에서도 불량한 특성을 보이게 된다. 이러한 관점에서, 연통홀(15) 벽의 단면적은 20mm2 이하인 것이 바람직하다. 따라서 격벽(11)의 두께, 즉 연통홀(15) 벽의 두께가 2mm라면, 최소 단면적에 대등한 연통홀(15) 간의 벽 간격은 3.5~10mm의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
도 5 내지 도 10을 통해 연통홀의 위치, 개수, 크기, 간격 최적화 과정을 정리하면, 본 발명의 연통홀(15)은, 헤더탱크의 구획부재(12) 뒤쪽 공간 격벽(11) 상에서, 구획부재(12)에서 엔드캡(14)까지의 거리를 100%로 할 때 0~50% 또는 65~100%의 범위 내에 위치하고, 1~4개로 형성되며, 연통홀 면적(S)/헤더탱크 단면적(ST)의 비 값이 70~160%의 범위 내에 있는 크기로 형성되고, 연통홀(15) 벽의 단면적(St)이 7~20mm2의 범위 내에 있도록 하는 간격만큼 이격되어 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 연통홀(15)이 형성됨으로써 방열 성능을 극대화시키면서도 내구성이 높으며, 또한 연통홀 구조가 단순화됨으로써 설계, 제작 및 구조 변경이 용이해지게 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.
도 1은 일반적인 열교환기의 사시도.
도 2는 일반적인 열교환기 내에서의 냉매 흐름.
도 3은 종래기술에 의한 열교환기 및 연통홀 구조.
도 4는 본 발명에 의한 열교환기 및 연통홀 구조.
도 5는 연통홀 위치와 압력강하량 및 방열량 간의 관계 그래프.
도 6은 연통홀 개수와 압력강하량 및 방열량 간의 관계 그래프.
도 7은 연통홀 면적/헤더탱크 단면적과 열교환기 출구 공기 온도분포 및 방열량 간의 관계 그래프.
도 8은 열교환기 코어의 온도분포의 한 예.
도 9는 연통홀 벽의 단면적과 파괴압력 간의 관계 그래프.
도 10은 헤더탱크의 구조해석 결과를 시각적으로 표현한 도면.
도 11은 연통홀 위치 정의를 위한 참조도.
도 12는 연통홀 면적 정의를 위한 참조도.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
10: 헤더탱크
10a1: 상부 헤더탱크 제1열 10a2: 상부 헤더탱크 제2열
10b1: 하부 헤더탱크 제1열 10b2: 하부 헤더탱크 제2열
11: 격벽 12: 구획부재
13: 튜브삽입홀 14: 엔드캡
15', 15: 연통홀
20: 튜브 30: 핀

Claims (17)

  1. 길이 방향의 양단부가 폐쇄되어 내부에 냉매유로 공간을 형성하되 상기 냉매유로 공간을 폭 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 격벽(11) 및 상기 냉매유로 공간을 길이 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 구획부재(12)를 포함하여 이루어지며, 일정 거리 이격되어 나란히 배치되는 한 쌍의 헤더탱크(10); 상기 헤더탱크(10)에 양단이 삽입 고정되어 냉매유로를 형성하는 복수 개의 튜브(20); 및 상기 튜브(20) 사이에 개재되는 복수 개의 핀(30); 을 포함하여 이루어지는 열교환기(100)에 있어서,
    상기 구획부재(12) 및 이와 인접한 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부와의 사이 영역에 배치된 상기 격벽(11) 상에 연통홀(15)이 형성되며,
    상기 구획부재(12)로부터 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부까지의 거리를 100%라 할 때, 0~50%의 범위에 해당하는 상기 격벽(11) 상의 위치에 1개 이상 4개 이하 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 길이 방향의 양단부가 폐쇄되어 내부에 냉매유로 공간을 형성하되 상기 냉매유로 공간을 폭 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 격벽(11) 및 상기 냉매유로 공간을 길이 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 구획부재(12)를 포함하여 이루어지며, 일정 거리 이격되어 나란히 배치되는 한 쌍의 헤더탱크(10); 상기 헤 더탱크(10)에 양단이 삽입 고정되어 냉매유로를 형성하는 복수 개의 튜브(20); 및 상기 튜브(20) 사이에 개재되는 복수 개의 핀(30); 을 포함하여 이루어지는 열교환기(100)에 있어서,
    상기 구획부재(12) 및 이와 인접한 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부와의 사이 영역에 배치된 상기 격벽(11) 상에 연통홀(15)이 형성되며,
    상기 구획부재(12)로부터 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부까지의 거리를 100%라 할 때, 65~100%의 범위에 해당하는 상기 격벽(11) 상의 위치에 1개 이상 4개 이하 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 길이 방향의 양단부가 폐쇄되어 내부에 냉매유로 공간을 형성하되 상기 냉매유로 공간을 폭 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 격벽(11) 및 상기 냉매유로 공간을 길이 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 구획부재(12)를 포함하여 이루어지며, 일정 거리 이격되어 나란히 배치되는 한 쌍의 헤더탱크(10); 상기 헤더탱크(10)에 양단이 삽입 고정되어 냉매유로를 형성하는 복수 개의 튜브(20); 및 상기 튜브(20) 사이에 개재되는 복수 개의 핀(30); 을 포함하여 이루어지는 열교환기(100)에 있어서,
    상기 구획부재(12) 및 이와 인접한 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부와의 사이 영역에 배치된 상기 격벽(11) 상에 연통홀(15)이 형성되며,
    상기 구획부재(12)로부터 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부까지의 거리를 100% 라 할 때, 0~50%의 범위 및 65~100%의 범위에 해당하는 상기 격벽(11) 상의 위치에 1개 이상 4개 이하 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 구획부재(12)는
    한 쌍의 상기 헤더탱크(10) 중 선택되는 일측의 헤더탱크(10) 측에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 헤더탱크(10)는
    양단부가 엔드캡(14)에 의해 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 구획부재(12)는
    상기 격벽(11)에 의해 분할 형성된 복수의 냉매유로 공간 내부에 각각 배치되되, 각 냉매유로의 동일한 위치에 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 연통홀(15)은
    연통홀 면적(S)/탱크 단면적(ST)의 비 값이 70~240%의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 연통홀(15)은
    연통홀 면적(S)/탱크 단면적(ST)의 비 값이 70~160%의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제 1항 내지 제 3항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 연통홀(15)은
    연통홀 벽의 단면적(St)이 7~20mm2의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 격벽(11)의 두께는 2mm이며, 상기 연통홀(15)은
    연통홀(15) 간의 간격이 3.5~10mm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 구획부재(12a)는 상기 상부 헤더탱크(10a1, 10a2) 내부에 위치하고, 상기 연통홀(15a)은 상부 격벽(11a) 상에 위치하며,
    상기 열교환기 내의 냉매 흐름은, 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 구획부재(12a) 앞쪽 공간으로 유입되어, 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제1열(10b1) - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 구획부재(12a) 뒤쪽 공간 - 연통홀(15a) - 상부 헤더탱크 제2열(10a2)의 구획부재(12a) 뒤쪽 공간 - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제2열(10b2) - 튜브(20)를 순차적으로 통과하여 상부 헤더탱크 제2열(10a2)의 구획부재(12a) 앞쪽 공간을 거쳐 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 구획부재(12b)는 상기 하부 헤더탱크(10b1, 10b2) 내부에 위치하고, 상기 연통홀(15b)은 하부 격벽(11b) 상에 위치하며,
    상기 열교환기 내의 냉매 흐름은, 하부 헤더탱크 제1열(10b1)의 구획부재(12b) 앞쪽 공간으로 유입되어, 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제1열(10a1) - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제1열(10b1)의 구획부재(12b) 뒤쪽 공간 - 연통홀(15b) - 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 구획부재(12b) 뒤쪽 공간 - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제2열(10a2) - 튜브(20)를 순차적으로 통과하여 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 구획부재(12b) 앞쪽 공간을 거쳐 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 구획부재(12a)는 상부 및 하부 구획부재(12c1, 12c2)로 이루어지며, 각각이 상기 상부 헤더탱크(10a1, 10a2) 및 상기 하부 헤더탱크(10b1, 10b2) 내부에 각각 위치하고, 상기 연통홀(15c)은 상기 하부 헤더탱크의 냉매 입출구 측의 반대편 단부 및 이와 인접한 하부 구획부재(12c2) 사이 위치의 하부 격벽(11b) 상에 위치하며,
    상기 열교환기 내의 냉매 흐름은, 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 상부 구획부재(12c1) 앞쪽 공간으로 유입되어, 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 상부 구획부재(12c1) 앞쪽 공간 - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제1열(10b1)의 하부 구획부재(12c2) 앞쪽 공간 - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제1열(10a1)의 상부 구획부재(12c1) 뒤쪽 공간 - 연통홀(15c) - 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 하부 구획부재(12c2) 뒤쪽 공간 - 튜브(20) - 상부 헤더탱크 제2열(10a2)의 상부 구획부재(12c1) 뒤쪽 공간 - 튜브(20) - 하부 헤더탱크 제2열(10b2)의 하부 구획부재(12c2) 앞쪽 공간 - 튜브(20)를 순차적으로 통과하여 상부 헤더탱크 제2열(10a2)의 상부 구획부재(12c1) 앞쪽 공간을 거쳐 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  14. 길이 방향의 양단부가 폐쇄되어 내부에 냉매유로 공간을 형성하되 상기 냉매유로 공간을 폭 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 격벽(11) 및 상기 냉매유로 공간을 길이 방향을 따라 구획하는 적어도 1개 이상의 구획부재(12)를 포함하여 이루어지며, 일정 거리 이격되어 나란히 배치되는 한 쌍의 헤더탱크(10); 상기 헤더탱크(10)에 양단이 삽입 고정되어 냉매유로를 형성하는 복수 개의 튜브(20); 및 상기 튜브(20) 사이에 개재되는 복수 개의 핀(30); 을 포함하여 이루어지는 열교환기(100)에 있어서,
    상기 구획부재(12) 및 이와 인접한 상기 헤더탱크(10)의 일측 단부와의 사이 영역에 배치된 상기 격벽(11) 상에 연통홀(15)이 형성되며,
    연통홀 면적(S)/탱크 단면적(ST)의 비 값이 70~240%의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 연통홀(15)은
    연통홀 면적(S)/탱크 단면적(ST)의 비 값이 70~160%의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 연통홀(15)은
    연통홀 벽의 단면적(St)이 7~20mm2의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 격벽(11)의 두께는 2mm이며, 상기 연통홀(15)은
    연통홀(15) 간의 간격이 3.5~10mm의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
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