KR20100004780A - 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 실시예는 열교환기에 관한 것이다.
실시예의 열교환기는 냉매가 유동하는 다수의 냉매 튜브; 및 상기 다수의 냉매 튜브가 관통하는 하나 이상의 핀이 포함되며, 상기 냉매 튜브는, 공기의 유동 방향을 기준으로 전열 튜브와 후열 튜브가 포함되며, 상기 전열 튜브의 직경은 상기 후열 튜브의 직경 보다 작은 것을 특징으로 한다.
열교환기

Description

열교환기{Heat exchanger}
본 실시예는 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 열교환기는 내부의 냉매와 외부 유체가 열교환되도록 하는 장치이다. 상기 열교환기는 크게 핀-튜브 타입의 열교환기와 마이크로채널 튜브 타입의열교환기로 구분될 수 있다.
상기 핀-튜브 타입의 열교환기는 다수의 핀과 상기 다수의 핀을 관통하는 다수의 냉매 튜브가 포함된다. 그리고, 공기는 상기 핀 들 사이를 유동하면서 상기 튜브 내부의 냉매와 열교환된다.
상기 냉매 튜브는, 상기 냉매 튜브를 유동하는 냉매의 유동 면적이 커지도록 하기 위하여 공기의 유동 방향을 기준으로 다수의 전열 튜브와 다수의 후열 튜브로 구성될 수 있으며, 상기 다수의 전열 튜브와 상기 다수의 후열 튜브는 공기의 유동이 원활하도록 지그 재그로 배치된다.
본 실시예의 목적은 공기의 유동이 원활히 이루어지도록 하는 열교환기를 제안하는 것에 있다.
본 실시예의 다른 목적은 컴팩트해지면서도 열교환 성능이 향상되는 열교환기를 제안하는 것에 있다.
일 측면에 따른 열교환기는, 냉매가 유동하는 다수의 냉매 튜브; 및 상기 다수의 냉매 튜브가 관통하는 하나 이상의 핀이 포함되며, 상기 냉매 튜브는, 공기의 유동 방향을 기준으로 전열 튜브와 후열 튜브가 포함되며, 상기 전열 튜브의 직경은 상기 후열 튜브의 직경 보다 작은 것을 특징으로 한다.
제안되는 실시예에 의하면, 상기 전열 튜브의 직경이 상기 후열 튜브의 직경보다 작게 형성되므로, 상기 전열 튜브에 의한 공기의 유동 저항이 감소되고, 상기 전열 튜브 후방의 wake 영역이 감소된다. 그리고, 공기의 유동 저항이 감소됨에 따라 공기의 풍량이 증가되고, 공기의 유동 소음이 저감되는 장점이 있다.
또한, 상기 핀의 전단으로부터 상기 전열 튜브 중심까지의 거리가 상기 핀의 후단으로부터 상기 후열 튜브 중심까지의 거리 보다 작게 형성되므로, 전체적인 핀의 폭이 줄어들게 되므로, 열교환기가 컴팩트해질 수 있게 된다.
이하에서는 도면을 참조하여 실시예에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 열교환기의 구성을 보여주는 사시도이고, 도 2는 제 1 실시예에 따른 열교환기의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환기(1)에는, 냉매가 유동하는 다수의 냉매 튜브(10)와, 상기 다수의 냉매 튜브(10)가 관통하는 다수의 핀(20)이 포함된다.
상세히, 상기 다수의 냉매 튜브(10)에는, 공기의 유동 방향을 기준으로 전측에 위치되는 다수의 전열 튜브(11)와, 상기 다수의 전열 튜브(11)의 후방에 위치되는 다수의 후열 튜브(12)가 포함된다.
상기 다수의 전열 튜브(11)는 공기의 유동 방향과 수직한 방향으로 일정 간격으로 이격되어 배치된다. 상기 다수의 후열 튜브(12) 또한 공기의 유동 방향과 수직한 방향으로 일정 간격 이격되어 배치된다.
그리고, 상기 다수의 전열 튜브(11)와 상기 다수의 후열 튜브(12)는 서로 지그재그 방식으로 배치된다. 즉, 상기 각 전열 튜브(11)는 두 개의 후열 튜브(120 사이에 위치된다.
상기 다수의 핀(20)은 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 하나의 핀(20)에 상기 전열 튜브(11) 및 상기 후열 튜브(12)가 관통한다.
한편, 상기 열교환기(1)를 통과하는 공기의 유동이 원활해지도록, 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)은 상기 후열 튜브(12)의 직경(D2) 보다 작게 형성된다.
상세히, 상기 전열 튜브(11)의 전방에서 상기 각 핀(20) 사이로 유입된 공기 중 일부는 상기 전열 튜브(11) 주위를 통과한 후 상기 후열 튜브(12) 측으로 이동한 후에 상기 후열 튜브(12)의 후방으로 배출된다. 반면, 공기 중 다른 일부는 상기 전열 튜브(11)의 인접한 후방에서 머무르게 된다.
여기서, 상기 전열 튜브(11)의 후방에서 공기가 머무르는(정체되는) 영역을 wake 영역이라 한다. 상기 wake 영역에서 정체되는 공기의 양이 많을수록(또는 wake 영역이 클 수록) 공기의 유동이 원활하지 않게 된다.
따라서, 본 실시예에서는 상기 전열 튜브(11)의 직경이 상기 후열 튜브(12)의 직경 보다 작게 형성함으로써, wake 영역에서 머무르는 공기의 양(또는 wake 영역의 크기)이 줄어들도록 하여 공기의 유동이 원활해지도록 한다.
이처럼 공기의 유동이 원활해지는 경우, 공기와 냉매의 열교환이 원활히 이루어지게 되므로, 열교환기의 열교환 성능이 형상될 수 있게 된다.
이 때, 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)과 상기 후열 튜브(12)의 직경(D2)의 비는
1: 1.1~1.5
를 만족한다.
여기서, 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)과 상기 후열 튜브(12)의 직경(D2)의 비(D2/D1)가 1.1 보다 작은 경우에는 상기 전열 튜브(11)의 직경과 상기 후열 튜브(12)의 직경이 거의 동일해지므로 wake 영역의 공기의 감소 효과가 달성되기 어렵고, 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)과 상기 후열 튜브(12)의 직경(D2)의 비(D2/D1)가 1.5 보다 커지는 경우에는 상기 전열 튜브(11)를 유동하는 냉매의 양 이 상기 후열 튜브(12)의 냉매 양 보다 현저하게 줄어들게 되어 열교환 성능이 저하되는 문제가 있게 된다.
한편, 공기의 유동 방향을 기준으로 공기와 처음 만나는 부분인 상기 핀(20)의 전단으로부터 상기 전열 튜브(11)의 중심까지의 거리를 L1이라하고, 상기 핀(20)의 후단으로부터 상기 후열 튜브(12)의 중심까지의 거리를 L2라고 하고, 상기 전열 튜브(11)의 중심과 상기 후열 튜브(12)의 중심 간의 수평 거리를 R이라 할 때,
상기 열교환기(1)는, R/L1 = 2.0 ~ 2.5를 만족하고, R/L2 = 1.7 ~ 2.2를 만족하도록 형성된다.
그리고, 상기 열교환기(1)의 전체 사이즈가 줄어들도록 하기 위하여, 상기 핀(20)의 전단으로부터 상기 전열 튜브(11)의 중심까지의 거리(L1)는 상기 핀(20)의 후단으로부터 상기 후열 튜브(12)의 중심까지의 거리(L2) 보다 작게 형성된다. 그리고, 상기 L1과 L2는, L2/L1= 1.1 ~ 1.5 를 만족한다.
또한, R과, L1 및 L2는 R=L1+L2를 만족한다.
따라서, 상기 핀(20) 전체적으로 볼 때, 2L1은 전열핀으로 이해될 수 있고, 2L2는 후열핀으로 이해될 수 있다.
한편, 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)과 상기 핀(20)의 전단으로부터 상기 전열 튜브(11)의 중심까지의 거리(L1)는 2L1-D1< 4.5mm의 관계를 만족한다.
그리고, 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)은 4.5mm~5.5mm의 범위 내에서 형성될 수 있으며, 일 례로 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)이 5mm인 경우 상기 2L1은 9.5mm 보다 작게 형성될 것이다.
그리고, 상기 후열 튜브(12)의 직경(D2)과 상기 핀(20)의 후단으로부터 상기 후열 튜브의 중심까지의 거리(L2)는 2L2-D2< 4.5mm 의 관계를 만족한다.
그리고, 상기 후열 튜브(12)의 직경(D2)은 6.5mm~7.5mm의 범위 내에서 형성될 수 있으며, 일 례로 상기 전열 튜브(12)의 직경(D2)이 7mm인 경우 이러한 경우 상기 2L2는 11.5mm 보다 작게 형성될 것이다.
이와 같은 본 실시예에 의하면, 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)이 상기 후열 튜브(12)의 직경(D2)보다 작게 형성되므로, 상기 전열 튜브(11)에 의한 공기의 유동 저항이 감소되고, 상기 전열 튜브(11) 후방의 wake 영역이 감소된다. 그리고, 공기의 유동 저항이 감소됨에 따라 공기의 풍량이 증가되고, 공기의 유동 소음이 저감되는 장점이 있다.
또한, 상기 핀(20)의 전단으로부터 상기 전열 튜브(11) 중심까지의 거리가 상기 핀(20)의 후단으로부터 상기 후열 튜브(12) 중심까지의 거리 보다 작게 형성되므로, 전체적인 핀의 폭이 줄어들게 되므로, 열교환기가 컴팩트해질 수 있게 된다.
도 3은 종래의 열교환기 구조와 본 실시예의 열교환기의 공기 속도에 따라 핀 효율을 비교하는 그래프이고, 도 4 및 도 5는 핀 폭에 따른 전열 성능과 압력 손실을 보여주는 그래프이다.
도 4는 전열 튜브의 직경이 D1, 일 례로 5mm인 경우의 그래프이고, 도 5는 후열 튜브의 직경이 D2, 일 례로 7mm인 경우의 그래프이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 가로축은 공기 속도를 나타내고, 세로 축은 핀 효율을 나타낸다. 그리고, 그래프 A는 일 례로 전열 튜브의 직경이 5mm이고, 후열 튜브의 직경이 7mm이며, 2L1(전열핀)은 9mm이고, 2L2(후열핀)는 11mm(전체 핀의 폭은 20mm)인 열교환기의 실험 결과이다.
그래프 B는 일 례로 전열 튜브(11) 및 후열 튜브(12)의 직경이 각각 7mm이고, 핀 폭은 2L1(전열핀) 및 2L2(후열핀)가 각각 11mm인 열교환기의 실험결과이다.
그리고, 그래프 B에서 공기 속도 1m/s 일 때의 핀 효율을 100%이라고 가정할 때, 2L1이 2L2 보다 줄어들고, 전열 튜브의 직경이 후열 튜브의 직경 보다 줄어드는 경우(그래프 A) 대략 35%의 핀 효율이 향상되는 것을 알 수 있다.
도 4를 참조하면, 전열핀(2L1)의 폭이 9mm 일 때의 압력 손실 및 전열 성능을 100%라 가정할 때, 전열핀의 폭이 9mm 보다 작아질수록 전열 성능 및 압력 손실이 감소하게 되고, 전열핀의 폭이 9mm 보다 커질수록 전열 성능은 큰 변화가 없으나, 압력 손실은 증가되는 것을 알 수 있다.
따라서, 전열 튜브의 직경이 5mm일 때, 전열핀의 폭이 9mm 전후로 형성되면, 전열 성능은 유지되면서, 압력 손실이 증가되는 것이 방지될 수 있다.
도 5를 참조하면, 전열핀(2L2)의 폭이 11mm일 때의 압력 손실 및 전열 성능을 100%라 가정할 때, 전열핀의 폭이 11mm보다 작아질수록 전열 성능 및 압력 손실이 감소하게 되고, 전열핀의 폭이 11mm보다 커질수록 전열 성능은 큰 변화가 없으나, 압력 손실은 증가되는 것을 알 수 있다.
따라서, 후열 튜브의 직경이 7mm일 때, 후열핀의 폭이 11mm 전후로 형성되 면, 전열 성능은 유지되면서, 압력 손실이 증가되는 것이 방지된다.
결론적으로, 본 실시예에서 처럼 전열 튜브의 직경이 후열 튜브의 직경 보다 작게 형성되는 경우 전열 튜브의 후방의 wake 영역이 감소될 수 있고, 전열핀이 후열핀의 폭 보다 작게 형성되는 경우에도 전열 성능이 유지될 수 있으므로, 전체적으로 열교환기의 사이즈를 줄이면서 열교환 성능이 향상될 수 있다.
도 6은 제 2 실시예에 따른 열교환기의 구성을 보여주는 사시도이고, 도 7는 제 2 실시예에 따른 열교환기의 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예의 열교환기에는 다수의 전열 튜브(11) 및 다수의 후열 튜브(12)와, 상기 다수의 전열 튜브(11)가 관통하는 다수의 전열핀(30)과, 상기 다수의 후열 튜브(12)가 관통되는 다수의 후열핀(40)이 포함된다.
상세히, 상기 전열핀(30)과 상기 후열핀(40)은 이격되어 배치된다. 즉, 상기 전열 튜브(11)와 후열 튜브(12)는 별개의 핀을 관통한다.
그리고, 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)은 상기 후열 튜브(12)의 직경(D2)보다 작게 형성되며, 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)과 상기 후열 튜브의 직경(D2)의 비는 1: 1.1~1.5 를 만족한다.
상기 전열 튜브(11)의 직경을 작게 형성하는 이유는 제 1 실시예에서 설명한 바와 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 공기의 유동 방향과 나란한 방향인 상기 전열핀(30)의 폭(W1)은 상기 후열핀(470)의 폭(W2) 보다 작게 형성된다.
그리고, W1와 W2의 비는 1: 1.1~1.5를 만족한다.
이와 같이 상기 전열 튜브(11)의 직경이 상기 후열 튜브(12)의 직경 보다 작게 형성되고, 상기 전열핀(30)의 폭이 상기 후열핀(40)의 폭보다 작게 형성됨에 따라 상기 열교환기가 컴팩트해지는 장점이 있다.
한편, 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)과 상기 전열핀(30)의 폭(W1)은
1.6 < W1/D1 < 2.2를 만족하고,
상기 후열 튜브(12)의 직경(D2)과 상기 후열핀(40)의 폭(W2)은
1.4 < W2/D2 < 2.0을 만족한다.
그리고, 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)과 상기 전열핀(30)의 폭(W1)은
W1-D1< 4.5mm의 관계를 만족한다.
그리고, 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)은 4.5mm~5.5mm 범위 내에서 형성될 수 있고, 일 례로 상기 전열 튜브(11)의 직경(D1)이 5mm로 형성되는 경우, 상기 전열핀(30)의 폭은 9.5mm 보다 작게 형성될 것이다.
또한, 상기 후열 튜브(12)의 직경(D2)과 상기 후열핀(40)의 폭(W2)은
W2-D2<4.5mm의 관계를 만족한다.
그리고, 상기 후열 튜브(12)의 직경(D2)은 6.5mm~7.5mm 범위 내에서 형성될 수 있고, 일 례로 상기 후열 튜브(12)의 직경(D2)이 7mm로 형성되는 경우, 상기 후열핀(40)의 폭은 11.5mm 보다 작게 형성될 것이다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 열교환기의 구성을 보여주는 사시도.
도 2는 제 1 실시예에 따른 열교환기의 단면도.
도 3은 종래의 열교환기 구조와 본 실시예의 열교환기의 공기 속도에 따라 핀 효율을 비교하는 그래프.
도 4 및 도 5는 핀 폭에 따른 전열 성능과 압력 손실을 보여주는 그래프.
도 6은 제 2 실시예에 따른 열교환기의 구성을 보여주는 사시도.
도 7은 제 2 실시예에 따른 열교환기의 단면도.

Claims (15)

  1. 냉매가 유동하는 다수의 냉매 튜브; 및
    상기 다수의 냉매 튜브가 관통하는 하나 이상의 핀이 포함되며,
    상기 냉매 튜브는, 공기의 유동 방향을 기준으로 전열 튜브와 후열 튜브가 포함되며, 상기 전열 튜브의 직경은 상기 후열 튜브의 직경 보다 작은 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하나의 핀에 상기 전열 튜브 및 상기 후열 튜브가 관통하는 열교환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전열 튜브의 직경(D1)과 상기 후열 튜브의 직경(D2)의 비는, 1: 1.1~1.5인 열교환기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    공기의 유동 방향을 기준으로, 상기 핀의 전단으로부터 상기 전열 튜브 중심까지의 수평 거리를 L1, 상기 핀의 후단으로부터 상기 후열 튜브 중심까지의 수평 거리를 L2, 상기 전열 튜브의 중심과 상기 후열 튜브의 중심의 수평 거리를 R이라 할 때,
    L1과 R의 비는 1: 2.0~2.5,
    L2와 R의 비는 1: 1.7~2.2
    인 열교환기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 핀의 후단으로부터 상기 후열 튜브 중심까지의 수평 거리 L2는 상기 핀의 전단으로부터 상기 전열 튜브 중심까지의 수평 거리 L1 보다 큰 열교환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    L1과 L2의 비는, 1: 1.1~1.5인 열교환기.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 핀의 전단으로부터 상기 전열 튜브 중심까지의 수평 거리를 L1, 상기 핀의 후단으로부터 상기 후열 튜브 중심까지의 수평 거리를 L2라 할 때,
    2L1-D1<4.5mm,
    2L2-D2<4.5mm
    를 만족하는 열교환기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    D1은 4.5mm ~ 5.5mm를 만족하고, D2는 6.5mm ~ 7. 5mm를 만족하는 열교환기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 핀은,
    상기 전열 튜브가 관통하는 전열핀과,
    상기 후열 튜브가 관통하는 후열핀이 포함되는 열교환기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전열 튜브의 직경(D1)과 상기 후열 튜브의 직경(D2)의 비는, 1: 1.1~1.5인 열교환기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전열 튜브의 직경을 D1, 상기 후열 튜브의 직경을 D2, 상기 전열핀의 폭을 W1, 상기 후열핀의 폭을 W2라 할 때,
    1.6 < W1/D1< 2.2 및
    1.4 < W2/D2 < 2.0 을 만족하는 열교환기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전열핀의 폭은 상기 후열핀의 폭 보다 작은 열교환기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전열핀의 폭(W1)과 상기 후열핀의 폭(W2)의 비는, 1: 1.1~1.5인 열교환 기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    W1-D1< 4.5mm, W2-D2< 4.5mm 를 만족하는 열교환기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    D1은 4.5mm ~ 5.5mm를 만족하고, D2는 6.5mm ~ 7. 5mm를 만족하는 열교환기.
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