KR20110025633A - 유동 분쇄기를 구비한 열교환기와 그 작동방법 - Google Patents

Abstract

열교환기는 길이를 정의하는 제1단과 제2단을 구비하고, 길이에 대해 횡방향으로 횡단면을 구비한다. 제1단에 설치되는 인입 오리피스를 통해 유체가 제1유동 방향으로 탱크로 이동하고, 인입 오리피스는 제1유동 방향에 대해서 횡방향으로 횡단면을 갖는다. 볼륨 영역은 인입 오리피스의 횡단면 주변 영역으로부터 탱크의 횡단면 주변 영역으로 선형적으로 연장되는 경계에 의해서 한정된다. 복수 개의 관은 제1유동 방향에 대해서 평행하지 않은 각도로 제2유동 방향에 따라 유체 유동을 배출한다. 유동 변환기는 볼륨 영역 내에 위치하고, 유체의 일부를 볼륨 영역으로부터 안내하며, 인입 포트에서 인입된 전체 유체 유동을 복수 개의 관으로 실질적으로 균일하게 분배한다.

Description

유동 분쇄기를 구비한 열교환기와 그 작동방법{Heat Exchanging Having Flow Disruptor And Method Of Operating The Same}

본 발명은 열교환기에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 열전달 유체의 일정한 배분을 위한 내부 유동의 이동 기능을 구비한 열교환기에 관한 것이다.

통상적으로 사용되는 열교환기(예를 들어, 내연기관의 라디에이터)의 구성 방법 중에 하나는 서로 겹쳐진 편평한 복수 개의 평행한 튜브와 주름진 핀이 접착되는 열교환기 코어(core)에 의존한다. 그러한 열교환기는 튜브를 관통해서 이동하는 제1유체(엔진 냉매, 예를 들어)와 주름진 핀 구조를 통해 튜브를 통과하는 제2유체(예를 들어 공기) 사이에 열교환이 이루어지는 방식으로 기능한다.

그러한 열교환기를 통과하는 제1유체의 누설을 막기 위해서, 튜브는 일반적으로 헤더 플레이트에 고정되고, 헤더 플레이트는 각각 차례로 탱크에 고정된다. 제1유체는 인입 포트를 통해서 탱크 중에 하나로 인입되고(인입 탱크), 배출 포트를 통해서 탱크 중에 다른 하나(배출 탱크)에서 배출된다. 그래서 인입 탱크는 인입 포트로부터 튜브로 유체를 분배하는 메니폴드(manifold)로 기능한다.

열교환기의 열전달 효율을 향상시키기 위해서, 복수 개의 튜브 사이에 제1유체가 고르게 분배되도록 하는 것이 필요하다. 다양한 경우에서 인입 탱크와 인입 포트의 설계는 가능하다면 튜브 사이에 유체의 분배를 일정하게 하는 방향으로 이루어진다. 그러나 많은 경우에 시스템 내의 다양한 부품들에 의해서 열교환기에 부과되는 제한 사항에 의해서 구현의 어려움이 있다. 특별히 인입 포트는 유체의 분배가 균일하게 이루어지기 어렵도록 하는 위치에 형성되어야 할 필요가 있는 경우도 있다. 또 다른 경우에는 유체가 높은 속도로 인입 탱크로 인입되도록 하는 관의 크기를 요구할 정도로, 유체관의 사용가능한 공간에 관련한 제한이 있을 수 있고, 이러한 경우에는 유체를 균일하게 분배시키기 어렵다.

인입 포트가 튜브의 축방향에 대해 평행하게 배치될 때에, 튜브에서 유체 분배는 유입 탱크 내에 위치하는 배플 플레이트에 의해서 향상되어, 인입 포트를 통해서 탱크로 인입되는 유체에 작용할 수 있다. 배플 플레이트는 유체가 인입 포트에 인접한 부분에서 튜브를 통해서 불균일하게 이동하는 것을 방지한다. 이러한 타입의 열교환기에서 유체의 분배에 관련된 문제의 해결 방법은 미국 특허 5,186,249에 자세하게 기술되어 있다.

발명자는 상술한 것과 같은 배플은 인입 포트가 튜브의 축방향에 수직한 방향으로 위치할 때에는 열교환기 튜브를 관통하는 유체의 불균일한 배분을 적절히 방지하지 못한다는 점에 문제가 있다는 것을 알아냈다.

인입 포트의 유체의 단면적이 유체의 이동 속도에 비해서 상대적으로 충분히 작은 경우에 유체가 난류 유동 흐름으로 인입 탱크로 이동하기 때문에, 이러한 경우에 상술한 문제는 더욱 문제가 될 수 있다. 그래서, 성능 향상을 위한 여지가 충분히 있다.

본 발명은 그 사이에서 탱크의 길이를 한정하는 제1단과 제2단을 구비하는 탱크, 상기 제1단에 위치하고, 제1유동 방향으로 유체 유동을 탱크로 인입시키는 커넥터, 상기 제1단에 인접한 제1위치와 상기 제2단에 인접한 제2위치의 사이에서 탱크의 길이를 따라 배치되고, 각각의 튜브가 수용되고, 상기 제1유동 방향에 대해서 평행하지 않은 각도를 갖는 제2유동 방향으로 탱크로부터 유체 유동을 배출하는 복수 개의 튜브 슬롯 및 상기 제1위치와 상기 제2위치의 사이인 제3위치에서 탱크에 설치되고, 유체 유동 중 일부를 상기 제1유동 방향으로 이동하지 않도록 안내하고, 인입되는 유체 유동이 복수 개의 튜브의 각각으로 실질적으로 균등하게 분배되도록 하며, 상기 제1유동 방향에 대해서 횡방향으로 연장된 적어도 하나의 돌출부를 구비하는 유동 변환기를 포함하는 열교환기를 제공한다.

또한 그 사이에서 탱크의 길이를 한정하는 제1단과 제2단, 길이에 대한 횡방향으로 탱크의 횡단면을 정의하는 탱크, 상기 탱크의 제1단을 통해 유체를 탱크로 제1유동 방향에 따라 인입시키고, 상기 제1유동 방향에 횡방향인 횡단면을 갖는 인입 오리피스, 상기 제1단으로부터 소정 거리만큼 연장되고, 상기 인입 오리피스의 주변 횡단면으로부터 상기 소정 거리 만큼 탱크의 주변 횡단면까지 선형적으로 연장되는 경계에 의해서 정의되는 볼륨 영역, 상기 탱크의 길이를 따라 배치되고, 상기 제1유동 방향에 대해 평행하지 않는 각도를 갖는 제2유동 방향으로 탱크로부터 유체 유동이 배출되도록 하는 복수 개의 관 중에 하나를 수용하는 복수 개의 구멍 및 탱크의 상기 볼륨 영역 내에 위치해서 상기 볼륨 영역에서 유체 유동의 일부를 안내하고, 전체 유체 유동을 복수 개의 관으로 실질적으로 균일하게 분해하는 유동 변환기를 포함하는 열교환기를 제공한다.

더 나아가 그 사이에서 탱크의 길이를 정의하는 제1단과 제2단을 구비하고, 탱크의 횡단면을 정의하는 적어도 하나의 벽을 구비하는 탱크, 상기 탱크의 상기 제1단에 위치하는 인입 포트, 탱크의 길이를 따라 탱크의 벽에서 배치되는 복수 개의 튜브 슬롯 및 적어도 하나의 벽에 위치하고, 탱크의 길이를 따라 상기 제1단으로부터 제1거리 만큼 떨어진 위치에 배치되며, 유체의 일부를 상기 인입 포트로부터 적어도 하나의 튜브 슬롯에 안내하는 복수 개의 유동 변환기를 포함하고, 상기 적어도 하나의 튜브 슬롯은 탱크 길이를 따라 상기 제1단으로부터 제2거리에 위치하며, 상기 제2거리는 상기 제1거리보다 짧은 것을 특징으로 하는 열교환기를 제공한다.

본 발명의 다른 기능, 측면, 목적, 이익은 명세서와 첨부된 도면을 이해한 후에는 자명하게 변형하는 것이 가능하다.

열교환기 내에서 각각의 튜브를 통과하는 유체의 양을 실질적으로 균일하게 분배하여, 전체적으로 열교환기의 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예로부터 효과를 얻을 수 있는 열교환기의 사시도.
도 2는 도 1의 열교환기의 부분을 도시한 사시도.
도 3은 유체 흐름이 갑작스럽게 팽창할 때에 통상적인 유체의 유동 흐름을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 효과 없이 도 1의 열교환기의 내부에 속도 프로파일을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예로부터 효과를 얻을 수 있는 열교환기의 내부에 유체 볼륨을 도시한 부분 사시도.
도 6은 본 발명의 실시예에서 사용가능한 인입 탱크의 부분 사시도.
도 7은 도 2의 VII-VII 선을 따른 부분 횡단면이 절개된 사시도.
도 8은 본 발명의 실시예의 효과가 적용된 예를 그렇지 않은 예와 유체 유동 분배의 측면에서 비교한 그래프.

본 출원은 2009년 9월 4일에 출원된 미국 예비출원 61/239,916에 대해서 우선권을 주장하고, 관련 명세서에 기재된 모든 내용은 본 출원에서 우선권을 주장한다.

본 발명의 모든 실시예를 구체적으로 설명하기 전에, 본 발명은 이하 설명에서 기재된 구성요소의 구조나 배치, 이하 도면에서 예시된 내용에 대해서 한정되지 않는다. 본 발명은 다양한 방법으로 구현되거나 실행되거나, 다양한 실시예가 있을 수 있다. 또한, 여기서 사용된 용어나 표현은 설명을 위해서 사용된 것에 불과하고, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다. "포함한다", "구비한다", "갖는다" 외에 다양한 표현들은 이하 서술된 구성요소들을 마련할 수 있다는 의미이고, 부수적인 구성요소는 물론 균등한 구성요소까지 제공할 수 있다. "설치된다", "연결된다", "지지된다", "고정된다" 외에 다양한 표현들은 광범위하게 사용될 수 있고, 설치, 연결, 지지, 결합에 관련된 직간접적인 표현을 포함한다. 더 나아가 "연결된다", "결합된다"는 물리적이나 기계적인 연결이나 결합의 관계에 대해서 한정하지 않는다.

도 1은 예를 들어, 내연 기관에 대한 냉각수를 냉각하기 위한 라디에이터에서 사용될 수 있는 열교환기에 관한 실시예를 설명한다. 설명된 열교환기는 뒤얽힌 핀 4가 상호 배치된 평행하게 편평한 열교환기 튜브 3을 복수 개 포함하는 열교환기 코어 2를 포함한다. 이런 타입의 열교환기의 전형적인 예에서, 냉각수는 열교환기 튜브 3을 관통해서 이동하고, 공기는 핀 4를 관통해서 이동한다. 다른 실시예에서, 열교환기 코어 2는 그 사이에서 작용 유체에 대한 이동 통로를 형성하는 포개진 플레이트를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예는 그 사이에서 이동 통로를 형성하는 포개진 플레이트가 열교환기 코어 2를 형성하는 뒤얽힌 핀들 사이에서 번갈아가면서 상호 배치될 수 있다. 예시된 실시예는 튜브 3과 핀 4를 구비하는 열교환기 코어 2를 포함하는 반면에, 본 발명은 다양한 타입의 열교환기 코어가 결합된 형태로 사용될 수 있다.

튜브 3은 (도 2에서 가장 잘 도시됨) 각각의 헤더 플레이트 5에서 튜브 슬롯 10이나 복수 개의 구멍에 의해서 튜브 3의 반대편 끝단에서 한 쌍의 헤더 플레이트 5에 밀폐되도록 장착되고, 튜브 3은 유체(예를 들어, 냉각수)에 대한 누설 방지 통로를 인입 탱크 6으로부터 배출 탱크 7까지 제공할 수 있다. 인입 탱크 6과 배출 탱크 7은 헤더 플레이트 5 중에 하나에 밀폐되도록 결합될 수 있다. 대신에, 인입 탱크 6과 배출 탱크 7, 헤더 플레이트 5는 통합적으로 형성되어, 튜브 슬롯 10은 탱크의 벽으로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 튜브 3과 헤더 플레이트 5는 알루미늄과 같은 납땜되거나, 용접가능한 부재를 이용해서 결합되어서, 헤더 플레이트 5로 튜브 3의 장착은 납땜, 용접 등의 방식으로 이루어질 수 있다. 다른 실시에에서 탱크 6, 7 중 어느 하나 또는 모두는 알려진 바와 같이 폴리머(polymer)의 재질로 이루어지는 것이 가능하다. 헤더 플레이트 5는 적절한 폴리머로 이루어질 수 있다. 튜브 3은 에폭시(epoxy)와 같은 접착제를 이용해서 튜브 슬롯 10에 밀폐되도록 체결될 수 있다.

열교환기 1의 인입 탱크 6은 인접한 일단 22와 멀리 떨어진 타단 23을 포함한다. 인입 탱크 6의 횡단면(수력 직경 d₂를 결정)과 주변 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 인입 탱크 6은 인접한 일단 22에 인입 커넥터 8을 포함해서, 냉각수 유동이 인입 탱크 6의 내부 볼륨으로 유입되도록 하는 유체 인입 포트를 제공한다. 인입 탱크 6의 인접한 일단과 멀리 떨어진 타단은 예시된 실시예를 설명하기 위해서 정의된 것이고, 인입 커넥터 8을 구비한 인입 탱크 6의 끝단은 멀리 떨어진 타단에 위치하는 것이 가능하다. 인입 포트를 정의하는 오리피스와 커넥터 8의 주변 형상과 횡단면(수력 직경 d₁을 결정)은 다양한 실시예에서 변형될 수 있고, 탱크 6의 인접한 일단 22에 대해서 커넥터 8이 소정의 각도로 위치할 수 있다. 커넥터 8이 인입 탱크 6의 일단 22에 대해서 설치되는 각도는 탱크 6으로 이동하는 유체의 최초 이동방향을 결정한다.

열교환기 1이 작동하는 동안, 인입 탱크 6에 대한 튜브 3의 배치는 탱크 6으로부터 이동하는 유체의 제2방향을 정의한다. 통상적으로, 본 밟명은 제2이동 방향과 제2이동 방향이 서로에 대해서 평행하지 않은 각도로 이동하는 열교환기 1을 제공한다. 본 발명의 실시예에 대해서, 제1방향과 제2방향은 서로에 대해서 45에서 135도의 각도를 이룰 수 있다. 예시된 실시예처럼, 제2이동 방향이 커넥터 8에 의해서 정의된 제1이동 방향에 대략 수직하도록 튜브 3을 배치할 수 있다.

열교환기 1의 배출 탱크 7은 배출 커넥터 9를 포함하고, 배출 커넥터 9는 튜브 3으로부터 배출 탱크 7로 유입된 유체를 열교환기 1로부터 배출할 수 있다. 특정한 실시예에서, 도 1의 실시예에서 도시된 바와 같이, 커넥터 9의 장착은 튜브 3에 의해서 정의된 유동 방향에 평행할 수 있다. 다른 실시예에서, 배출 커넥터 9는 인입 커넥터 8과 평행하게 장착되는 것이 바람직하다. 다른 실시예에서, 커넥터 9는 하나 또는 그 이상의 튜브 3에 대해서 다양한 방식으로 설치될 수 있고, 예를 들어, 인접한 튜브 3을 관통하는 유체에 의해서 정의되는 유동 방향에 대해서 수직하지 않도록, 또는 평행하지 않도록 설치되거나, 커넥터 9가 인접한 튜브 3에 대해서 아치형상이나 다른 비선형적으로 장착되는 것이 가능하다.

인입 커넥터 8을 관통해서 열교환기 1의 인입 탱크 6로 인입되는 유체 흐름의 전형적인 과정은 도 3에 가장 잘 도시된다. 수력 직경 d₁ 을 갖는 제1유동 통로 15를 관통해서 이동하는 유체 흐름 19는 d₁보다 실질적으로 큰 수력 직경 d₂를 갖는 제2유동 통로로 갑작스럽게 팽창하고, 제트 영역(jet region) 17은 제1유동 통로의 주변으로부터 제2유동 통로의 길이 L을 따라 연장된 제2유동 통로의 주변으로 형성된 경계를 따라 전개된다. 강한 소용돌이 20으로 분해되는 경계면에 의해서 제트 영역 17은 잔존하는 미디엄 18로부터 분리된다. 소정 거리를 넘어서면, 제트 영역 17은 통로 16의 전체 횡단면으로 확장되고, 유동 19는 본질적으로 균일한 유동으로 유동 통로 16을 관통해서 연속적으로 이동한다. 제트 17의 길이는 전형적으로 제2유동 통로 16의 수력 직경에 관련되고, 대략 수력 직경의 수 배와 동일할 수 있다. 이러한 유동 흐름은 유체 역학 분야에서 널리 알려져 있고, 1994년에 CRC Press에서 영어로 발간된 Handbook of Hydraulic Resistance(3rd edition) by I.E.Idelchik과 같은 유체 역학 서적에 자세하게 서술되어 있다.

도 1과 도 2의 열교환기 1에 있어서, 제트 영역은 각각의 튜브 3의 사이에서 유체 유동의 분배에 예측하지 않은 효과가 발생할 수 있다. (도 7에 도시된 바와 같이) 적어도 몇 개의 튜브 슬롯 10이 제트 길이 L보다 탱크 인입 포트에 가깝게 위치할 때에 튜브 슬롯 10에 대응되는 튜브 3으로 인입되는 유체의 볼륨이, 만일 유동이 튜브 3의 전체로 더욱 균일하게 분배된다면 튜브 3으로 인입되는 유체의 볼륨 보다 실질적으로 작을 수 있다는 사실을 알아냈다. 또한, 제트 길이 L을 넘어서거나 제트 길이 L에 위치한 튜브 3으로 인입되는 유체 볼륨은 만일 유동이 튜브 3의 전체에 더욱 균일하게 분배된다면 이러한 튜브가 제공받는 것보다 더 많이 제공받을 수 있다. 결론적으로, 인입 탱크 6에 유체의 볼륨은 열교환기 코어 2의 튜브 3에 불균일하게 분배되어서, 열교환기 1의 작동 효율을 감소시킨다.

자동차 라디에이터의 통상적인 작동 조건하에서 내부 유동 분배 기능이 부족한 열교환기 1을 통해 유체 유동의 수치해석을 해보면, 제트 영역은 인입 탱크 6에서 실제로 전개된다. 도 4는 인입 커넥터 8로부터 탱크 6의 볼륨으로 확장되는 유체 흐름의 속도 등고선을 도시한다. 도 4의 등고선에서, 회색의 다양한 채색 부분 사이의 경계를 정의하는 각각의 선은 일정한 유체 속도 크기의 선을 의미한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 잔존하는 유체 미디엄(medium) 18로부터 분리된 고속의 제트 17과 같이 유체는 인입 탱크 6으로 확장되고, 유체 미디엄 18이 탱크 6의 전체 횡단면을 실질적으로 채울 때까지 제트는 길이 L 동안 확장된다. 길이 L의 아래쪽에 위치한 탱크 6의 영역 12에서, 유체는 더욱 균일한 유동 속도를 갖는다. 도 4의 등고선에 의해서 도시된 것과 같은 통상적인 작동 조건에서, 길이 L은 인입 탱크 6의 수력 직경의 대략 두 배와 동일하다. 다른 통상적인 작동 조건에서, 수력 직경에 대한 길이 L의 비율은 두 배보다 크거나 작을 수 있고, 많은 경우에서 한 배 또는 다섯 배까지의 범위에 있을 수 있다.

열교환기 1의 인입 탱크의 제트 영역 볼륨 내에 유동 변환기를 배치하는 것에 의해서, 열교환 튜브 3의 각각을 따라 또는 각각의 사이에서 유동 분배는 크게 향상될 수 있다. 도 5에 자세히 도시된 것처럼, 제트 영역 17은 열교환기 1의 인입 탱크 6의 내부 볼륨을 점유하는 유체 볼륨 12의 내에서 정의되고, 유체 볼륨 12는 인입 포트 11을 통해서 유체 흐름 24를 전달받고, 유체 흐름 24는 인입 포트 11에 의해서 정의된 유동 방향에서 유체 볼륨 12로 인입된다. 유체 유동 24는 예를 들어, 도 1과 도 2에서 도시된 것처럼 인입 커넥터 8을 통해 인입 포트 11로 전달된다.

도 5에 도시된 것처럼, 통상적인 준원추형(frushoconical) 영역 17은 인입 포트 11, 인입 포트 11로부터 거리 L 만큼 떨어져 있고 인입 포트 11에 의해서 정의되는 유동 방향에 실질적으로 수직한 평면에 위치하는 유체 볼륨 12의 횡단면 14, 인입 포트 11로부터 선택된 횡단면 14에 교차하는 탱크 벽의 내면까지 선형적으로 연장되는 혼합된 경계에 의해서 경계지워지는 것으로 정의될 수 있다. 통상적으로 준원추형 볼륨 영역 17로 형성되는 반면에, 다른 실시예에서는 영역 17은 다양한 형태와 특징(즉 꼭대기가 절단된 피라미드나 더욱 불규칙적인 형상)을 가질 수 있는데, 왜냐하면 영역 17의 형상과 특징은 적어도 부분적으로 인입 포트 11의 크기와 형상, 그것 자체가 다양한 형상(즉, 원형, 사각형, 타원형 등등)을 가질 수 있기 때문이고, 선택된 횡단면 14의 위치에서 탱크의 횡단면 크기와 형상에 의해서 정의될 수 있다.

도 6에 의해서 예시된 발명의 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 돌출부 21을 구비하는 유동 변환기는 볼륨 영역 17(도 6에는 명시적으로 도시되지 않음) 내에 위치할 수 있다. 탱크에 유체 유동의 속도 프로파일을 변경하는 것에 의해서, 돌출부 21은 제1방향으로 탱크 6에 유입되는 유체 유동을 다른 방향으로 변환할 수 있다. 다른 실시예에서, 돌출부 21은 영역 17의 외부에 대해서 인입 포트 11로부터 직선의 유체 유동 통로에서 볼륨 영역 17 내부로 유체의 일부가 이동하도록 할 수 있다. 그러한 돌출부 21을 구비하는 열교환기 1에 따른 유동의 수치해석을 하면, 열교환기 코어 2를 통한 유체 유동의 분배 기능이 향상되었음을 확인할 수 있다. 한 실시예에서, 돌출부 21은 인입 포트 11로부터 볼륨 영역 17의 횡단면 14까지 직선(또는 적어도 상대적인 직선)이 없도록 크기나 위치가 설계될 수 있다. 다시 말해서, 실질적으로 인입 포트 11로부터 횡단면 14로 선형적으로 확장되는 유체 유동 경로는 돌출부 21의 하나 또는 그 이상에 의해서 변형된다.

다른 실시예에서, 도 6에 도시된 것처럼, 돌출부 21은 인입 포트 11로부터 제1거리 만큼 떨어진 열에 배치되는 제1그룹을 포함할 수 있고, 인입 포트 11로부터 다른 거리인 제2거리에 위치한 열에 배치되는 제2그룹을 더 포함할 수 있다. 제1그룹과 제2그룹을 포함하는 돌출부 21을 배치하는 것이 바람직한데, 결과적으로 제1그룹에 돌출부 21 중에 하나를 제2그룹에 돌출부 중에 하나에 연결하는 선은 실질적으로 인입 포트 11을 통해 유입되는 유동의 방향에 평행하지 않게 된다. 다른 실시예에서, 돌출부 21은 쐐기를 형성하도록 배치되어서, 하나의 돌출부는 인입 포트(탱크의 길이를 따라 소정 거리 만큼 위치한 점)에 다른 두 개의 돌출부 21 보다 가깝게 위치할 수 있다. 다른 실시예에서, 인입 포트 11의 횡단면 내의 모든 점으로부터 제1돌출부 12을 연결하는 제1선은 동일한 점으로부터 제2돌출부 21로 이어진 제2선과 평행하지 않다. 또 다른 실시예에서, 동일한 점에서 제3돌출부 21로 이어진 제3선은 제1선 및 제2선과 평행하지 않다.

다른 실시예에서는 위에서 설명된 바처럼, 돌출부 21은 통상적으로 원통형의 형상으로 이루어질 수 있다. 그러나 다른 실시예에서, 돌출부 21은 사각형, 직사각형, 삼각형, 육각형, 에어 포일 형상이나 다른 형상으로 이루어질 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 돌출부 21은 길이 축이나 차원을 따라 인접한 일단과 멀리 떨어진 타단의 사이에서 확장되는 실질적으로 일정한 횡단면 형상을 갖는 것이 가능하고, 또 다른 실시예에서는 하나 또는 그 이상의 돌출부 21은 테이퍼지거나, 굽혀지거나, 완곡되어 일단과 타단 사이에서 일정한 횡단면 형상을 갖지 않도록 할 수 있다. 예시된 실시예에서, 돌출부 21은 탱크의 반대편 벽 사이에 탱크의 내부를 가로질러서 완벽하게 연장되지 않는 반면에, 다른 실시예에서, 하나 또는 그 이상의 돌출부 21은 탱크 6의 전체 폭을 실질적으로 가로지르도록 연장될 수 있다. 예시된 실시예에서, 돌출부 21의 각각의 길이 방향 차원은 다른 돌출부 21의 길이방향 차원에 평행하고, 다른 실시예에서 돌출부 21은 하나의 길이 방향 차원이 다른 것의 차원에 평행하지 않도록 위치할 수 있다.

도 6에 도시된 예에서, 전체적으로 돌출부 21은 탱크 6의 하나의 공통 벽에서 수직하고, 제1유동 방향에 횡방향으로 내측으로 연장된다. 다른 실시예에서, 돌출부 21은 탱크 6의 두 개 또는 그 이상의 다른 벽으로부터 내측으로 연장될 수 있다. 부가적으로, 하나 또는 그 이상의 돌출부 21은 90도가 아닌 다른 각도로 벽으로부터 연장될 수 있다. 다른 실시예에서, 탱크 6은 실질적으로 원통형으로 이루어질 수 있고, 돌출부 21은 탱크의 벽으로부터 내측으로 연장되어서, 탱크 6의 중심 길이 방향 축을 향하는 범위나 실질적으로 일정한 거리가 인접한 돌출부 12과 인접한 돌출부 21의 양단의 사이에서 유지될 수 있다.

발명의 다른 실시예에서, 유동 변환기는 홀을 구비하는 하나 또는 그 이상의 플레이트와 같은 형태를 가지거나, 제1유동 방향에 일반적으로 평행하지 않는 평면으로 볼륨 영역 17 내부에 위치하는 하나 또는 그 이상의 스크린으로 이루어질 수 있다. 특정 실시예는 상술한 구성요소를 복수 개 구비할 수 있고, 크기, 형상, 방향에 있어서 변형을 가할 수 있다. 어떤 실시예에서, 유동 변환기는 탱크의 벽에 일체로 형성될 수 있다.

도 7의 실시예에 도시된 것처럼, 헤더 5에 하나 또는 그 이상의 튜브 슬롯 10이 인입 포트 11에 거리 L 보다 가깝게 위치하면, 본 발명은 (도 7에 명확성을 위해 제거된) 열교환기 코어 2의 튜브 3으로의 유동 분배가 향상될 수 있다. 그러한 실시예에서, 돌출부 21은 거리 L에 도달하기 전에 제트 영역에서 인입 포트 11을 통해 유입되는 유체 흐름의 일부를 제어하고, 그것에 의해서 인입 포트 11에 가장 근접한 튜브로 이동하는 유체의 양을 증가시킨다. 반대로, 유체 흐름의 다른 부분은 돌출부 21의 주변에서 이동되고, 횡단면 14를 통해서 제트 영역 17을 벗어나서, 다른 부분에 위치하는 튜브 3에는 유체가 적절하게 공급될 수 있다.

도 8의 그래프는 수치 해석에서 예상되는 것처럼, 도 6과 도 7에 도시된 유동 변환기가 있는 경우와 없는 경우의 열교환기 1의 실시예에 대해서 튜브 사이에서 유동 분배를 비교한다. 표준화된 유동 비율(normalized flow rate)은 이론적으로 완벽하게 분배된 유동 비율에 의해서 나누어진 개별 튜브의 유동 비율이고, 완벽하게 분배된 열교환기는 모든 튜브가 일정한 표준화된 유동 비율을 갖는다. 예시된 것처럼, 돌출부 21을 구비하는 열교환기는 인입 포트 11에 인접한 튜브 3으로 더 많은 유체가 이동될 수 있어서, 그러한 튜브 3의 표준화된 유동 비율이 완벽한 분배에 보다 가까운 값으로 향상시킬 수 있다. 그러한 방식으로, 인입 포트 11로부터 멀리 떨어진 튜브 3에 과부하가 발생하는 문제는 실질적으로 해결될 수 있다. 유동 변환기를 구비한 결과로 인해서 향상된 유체 분배는 열교환기의 성능을 향상시킨다.

본 발명의 특정한 기능과 구성요소의 다양한 변형은 본 발명의 특정한 실시예에서 설명된다. 상술한 실시예에 관련되어 불일치하거나 부합하지 않는 기능, 구성요소, 작동 방식을 제외하고는, 특정한 실시예에 관해서 기재된 대체적인 기능, 구성요소, 작동 방식은 다른 실시예에도 적용될 수 있다.

상술하거나 도면에 예시된 실시예는 오직 예시로 제시되었고, 본 발명의 의도나 개념에 대한 한정을 위해서 서술되지 않았다. 마찬가지로, 각각의 구성요소, 해당 기능이나 배치는 본 발명의 개념이나 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해서 변형될 수 있을 것이다.

1: 열교환기 2: 열교환기 코어

Claims (26)

1. 그 사이에서 탱크의 길이를 한정하는 제1단과 제2단을 구비하는 탱크;
   상기 제1단에 위치하고, 제1유동 방향으로 유체 유동을 탱크로 인입시키는 커넥터;
   상기 제1단에 인접한 제1위치와 상기 제2단에 인접한 제2위치의 사이에서 탱크의 길이를 따라 배치되고, 각각의 튜브가 수용되고, 상기 제1유동 방향에 대해서 평행하지 않은 각도를 갖는 제2유동 방향으로 탱크로부터 유체 유동을 배출하는 복수 개의 튜브 슬롯; 및
   상기 제1위치와 상기 제2위치의 사이인 제3위치에서 탱크에 설치되고, 유체 유동 중 일부를 상기 제1유동 방향으로 이동하지 않도록 안내하고, 인입되는 유체 유동이 복수 개의 튜브의 각각으로 실질적으로 균등하게 분배되도록 하며, 상기 제1유동 방향에 대해서 횡방향으로 연장된 적어도 하나의 돌출부를 구비하는 유동 변환기;를 포함하는 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유동 변환기는 상기 제1단과 상기 제2단의 사이에서 연장되는 탱크 벽에 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 유동 변환기는 복수 개의 연장된 돌출부로 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 복수 개의 연장된 돌출부는 쐐기를 형성하도록 배치되어 제1돌출부는 적어도 다른 두 개의 돌출부보다 인입 포트에 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1유동 방향과 상기 제2유동 방향의 사이에 평행하지 않은 각도는 45도에서 135도의 사이로 한정되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1유동 방향과 상기 제2유동 방향의 사이에 평행하지 않은 각도는 대략 90도인 것을 특징으로 하는 열교환기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 유동 변환기는 상기 커넥터로부터 상기 복수 개의 슬롯을 각각 연결하는 직선의 유체 유동 통로가 발생하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
8. 그 사이에서 탱크의 길이를 한정하는 제1단과 제2단, 길이에 대한 횡방향으로 탱크의 횡단면을 정의하는 탱크;
   상기 탱크의 제1단을 통해 유체를 탱크로 제1유동 방향에 따라 인입시키고, 상기 제1유동 방향에 횡방향인 횡단면을 갖는 인입 오리피스;
   상기 제1단으로부터 소정 거리만큼 연장되고, 상기 인입 오리피스의 주변 횡단면으로부터 상기 소정 거리 만큼 탱크의 주변 횡단면까지 선형적으로 연장되는 경계에 의해서 정의되는 볼륨 영역;
   상기 탱크의 길이를 따라 배치되고, 상기 제1유동 방향에 대해 평행하지 않는 각도를 갖는 제2유동 방향으로 탱크로부터 유체 유동이 배출되도록 하는 복수 개의 관 중에 하나를 수용하는 복수 개의 구멍; 및
   탱크의 상기 볼륨 영역 내에 위치해서 상기 볼륨 영역에서 유체 유동의 일부를 안내하고, 전체 유체 유동을 복수 개의 관으로 실질적으로 균일하게 분해하는 유동 변환기;를 포함하는 열교환기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 소정 거리는 상기 탱크의 수력 직경의 한 배에서 다섯 배의 사이의 값이고,
   상기 탱크의 수력 직경은 탱크의 횡단면에 의해서 정의되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
10. 제8항에 있어서,
    상기 유동 변환기는 상기 인입 오리피스에서 상기 소정 거리에 위치한 탱크의 횡단면으로 직선의 유체 유동 통로가 발생하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
11. 제10항에 있어서,
    상기 유동 변환기는 복수 개의 연장된 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
12. 제11항에 있어서,
    상기 복수 개의 연장된 돌출부 각각은 상기 제1유동 방향에 대해 횡방향으로 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
13. 제12항에 있어서,
    상기 복수 개의 연장된 돌출부는 쐐기를 이루도록 배치되어, 제1돌출부는 적어도 다른 두 개의 돌출부보다 인입 포트에 가깝게 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
14. 제11항에 있어서,
    상기 연장된 돌출부는 원통형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환기.
15. 제8항에 있어서,
    상기 유동 변환기는 탱크의 벽에 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
16. 제8항에 있어서,
    상기 탱크는 플라스틱 재질로 이루어지고, 상기 유동 변확기는 상기 탱크와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
17. 제8항에 있어서,
    상기 제1유동 방향과 상기 제2유동 방향의 사이에 평행하지 않은 각도는 45도에서 135도의 사이로 한정되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
18. 제8항에 있어서,
    상기 제1유동 방향과 상기 제2유동 방향의 사이에 평행하지 않은 각도는 대략 90도인 것을 특징으로 하는 열교환기.
19. 제8항에 있어서,
    상기 복수 개의 구멍은 상기 제1단으로부터 상기 제2단으로 탱크의 벽을 따라 실질적으로 일렬로 배치된 것을 특징으로 하는 열교환기.
20. 제8항에 있어서,
    상기 탱크의 수력 직경은 상기 인입 오리피스의 수력 직경의 두 배이상 크고, 상기 탱크의 수력 직경과 상기 인입 오리피스의 수력 직경은 각각의 횡단면에 의해서 정의되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
21. 그 사이에서 탱크의 길이를 정의하는 제1단과 제2단을 구비하고, 탱크의 횡단면을 정의하는 적어도 하나의 벽을 구비하는 탱크;
    상기 탱크의 상기 제1단에 위치하는 인입 포트;
    탱크의 길이를 따라 탱크의 벽에서 배치되는 복수 개의 튜브 슬롯; 및
    적어도 하나의 벽에 위치하고, 탱크의 길이를 따라 상기 제1단으로부터 제1거리 만큼 떨어진 위치에 배치되며, 유체의 일부를 상기 인입 포트로부터 적어도 하나의 튜브 슬롯에 안내하는 복수 개의 유동 변환기;를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 튜브 슬롯은 탱크 길이를 따라 상기 제1단으로부터 제2거리에 위치하며, 상기 제2거리는 상기 제1거리보다 짧은 것을 특징으로 하는 열교환기.
22. 제21항에 있어서,
    상기 복수 개의 돌출부는 엇갈리게 배치되어, 제1돌출부는 적어도 두 개의 다른 돌출부보다 상기 인입 포트에 가깝게 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
23. 제21항에 있어서,
    상기 복수 개의 돌출부 각각은 위치하는 적어도 하나의 벽에 횡방향으로 연장된 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
24. 제23항에 있어서,
    복수 개의 돌출부는 상기 탱크와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
25. 제21항에 있어서,
    상기 제1거리는 탱크의 수력 직경의 한 배에서 다섯 배의 사이의 값을 갖고,
    탱크의 수력 직경은 탱크의 횡단면에 의해서 정의되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
26. 제21항에 있어서,
    복수 개의 튜브 슬롯은 탱크의 적어도 하나의 벽에 밀폐되도록 결합된 헤더 플레이트에 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
    

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