KR20110075143A - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 헤더탱크, 튜브, 핀을 갖는 열교환기에 관한 것이다.

본 발명의 열교환기는, 열교환매체가 유동되는 열교환매체유로를 형성하는 헤더탱크; 상기 헤더탱크와 연결되고 열교환매체가 유동되는 열교환매체유동로가 형성된 복수 개의 튜브: 및 상기 튜브 사이에 개재되는 복수 개의 핀;을 포함하여 구성되어 있되 각각의 튜브와 튜브 사이에는 높이(h)가 다른 복수 개의 핀이 겹쳐서 위치되어 있다.

따라서 헤더탱크나 튜브 등을 변화없이 제한된 공간 내에서 열교환 효율이 극대화되는 효과가 있다.

열교환기, 라디에이터, 인터쿨러, 핀, 겹침

Description

열교환기{THE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 차량에 설치되는 라디에이터나 인터쿨러 등의 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 헤더탱크, 튜브, 핀을 갖는 열교환기에 관한 것이다.

차량에는 다양한 형태의 열교환기가 구비되어 있다.

예를 들어 설명하면, 일반적으로 내연기관은 공급되는 연료를 압축하여 고온·고압의 상태에서 점화·연소시킨다.

이에 따라 내연기관에서는 상당한 열이 발생되는데 이를 방치하면 피스톤 또는 실린더 등 엔진을 구성하는 부재들이 과열되어 그 기능을 온전히 수행할 수 없게 된다.

따라서 일반적으로 엔진의 실린더 주위에 물재킷을 설치하고 그 속에 냉각수 등의 열교환매체를 순환시켜 과열된 엔진을 냉각시키게 된다.

그러나 열교환매체 역시 그대로 두면 끓어서 엔진을 냉각시킬 수 없게 되므로 차량의 전방에 열교환기의 일종인 라디에이터를 설치하여 주행풍이나 팬을 통해 송풍시켜 데워진 열교환매체를 냉각시킨다.

한편, 차량에는 차종에 따라 엔진의 출력을 높이기 위하여 외부공기를 흡입하여 터빈을 돌리고, 그로 인해 발생하는 고온의 압축공기를 실린더 안에 공급하는 장치인 과급기(Turbo charger)를 구비하고 있다.

그런데, 과급기에 의해 급속히 압축된 공기는 온도가 높아져 팽창하고, 산소 밀도가 떨어져 결과적으로 실린더 안의 충전효율을 저하시킨다.

이를 보완하기 위하여 차량에 인터쿨러(Intercooler)가 설치되며, 이 인터쿨러를 이용하여 과급기에 의해 급속히 압축된 고온의 공기를 냉각함으로써 공기 밀도를 올려 실린더의 흡입효율을 높이고, 엔진의 연소효율을 향상시켜 연비가 높아질 뿐만 아니라, 이산화탄소 배출도 크게 줄어들도록 하고 있다.

일반적으로 라디에이터나 인터클러와 같은 열교환기는 도 1과 같이 나란하게 배열되고 내부에 열교환매체 유동로가 형성된 복수 개의 튜브(1)를 가지고 있다.

또, 튜브(1) 사이에 개재되는 복수 개의 핀(2)을 가지고 있다.

또, 튜브(1)의 양단에 배치되고 내부에 열교환매체가 유동되는 열교환매체 유로가 형성된 헤더탱크(3)를 가지고 있다.

또, 다수 개의 핀(2) 중 가장 바깥쪽에 위치되는 핀을 지지해 주는 형태로 설치되는 서포트(4)를 가지고 있다.

상기와 같이 이루어진 라디에이터에는 입구파이프를 통해 열교환매체가 유입되는데, 입구파이프로 유입된 열교환매체는 일측의 헤더탱크를 거쳐 튜브로 이동된다.

또, 튜브로 이동된 열교환매체는 타측의 헤더탱크를 거쳐 출구파이프로 배출된다.

이 과정에서 고온의 열교환매체는 저온의 외기와 열교환되어 냉각된다.

상기 핀은 인접하는 튜브 사이에 개재되어 공기와 접하는 면적을 증가시켜 열교환 효율을 증가시키는 열교환기의 주요 구성요소인데 이러한 열교환기용 핀에 있어서도 방열성능을 최대화하기 위한 연구, 개발이 이어져 왔다.

핀은 열교환 효율을 증가시키기 위해 파형이 연속된 형태를 이루고 있다.

열교환 효율을 증가시키기 위한 핀으로서 루버 핀(Louver Fin)이 있는데, 루버 핀은 핀의 상, 하층간으로 공기를 유동시켜 열교환 면적을 크게 하기 위한 것으로서 비늘 형상으로 된 루버를 빗면에 형성시킨 구조이다.

루버 핀은 순환 유체가 흐르는 튜브와 접촉하여 튜브와 열교환 함과 아울러 그 표면에 접촉하는 공기와 열교환 함으로써 튜브 내 순환 유체와 공기 사이의 열교환 효율을 높이는 것으로서, 열전도율이 높고 비표면적(比表面積)이 클수록 열교환 효율이 높아지는 구조이다..

루버 핀은 통상 알루미늄과 같이 열전도율이 높고 성형하기 쉬운 재질의 금속으로 구현되며, 특히 유체의 유동에 저항을 주지 않으면서 비표면적을 극대화할수 있는 파형의 박판구조로 제조된다.

그리고, 파형을 이루는 각 빗면(斜面)에는 일부가 절개된 후 그 절개된 부분이 공기유동방향에 대하여 비스듬히 꺾임으로써 루버 핀에 입사되는 공기를 유도하여 절개된 틈을 통해 교차하여 흐르게 하는 비늘 형상의 루버들이 공기 유동방향을 따라 등간격으로 배열되게 형성된다.

즉, 공기가 루버 방향을 따라 곡선을 그리며 유동하도록 하는 것이다.

그런데 상기와 같은 루버 핀을 사용하더라도 열교환 효율을 높이는데는 한계가 있었다.

이것은 제한된 공간에 핀을 위치시킬 수 있는 것에 한계가 있는 것으로 지적되어 왔기 때문이다.

종래에는 튜브와 튜브 사이에 핀을 설치함에 있어 도 2와 같이 한 개의 핀 만을 위치시키고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하려는 것으로서, 더욱 상세하게는 핀의 설치상태만을 변경시켜 열교환 효율을 높일 수 있는 열교환기의 구조를 제공하려는데 목적이 있다.

본 발명에서는 열교환기를 구현함에 있어 헤더탱크, 튜브, 핀을 포함하여 구성된 형태로 구현하되 튜브와 튜브 사이에 핀이 위치됨에 있어 파형의 높이가 다른 복수 개의 핀이 겹쳐서 위치되도록 함으로써 헤더탱크나 튜브 등을 변화시키지 않고 핀의 변화를 통해서 제한된 공간 내에서 열교환 효율을 극대화한다.

이러한 본 발명의 열교환기는, 열교환매체가 유동되는 열교환매체유로를 형성하는 헤더탱크를 갖는다.

또, 헤더탱크와 연결되고 열교환매체가 유동되는 열교환매체유동로가 형성된 복수 개의 튜브를 갖는다.

또, 튜브 사이에 개재되는 복수 개의 핀을 갖는다.

또, 각각의 튜브와 튜브 사이에는 높이(h)가 다른 복수 개의 핀이 겹쳐서 위치되어 있다.

본 발명의 열교환기는, 헤더탱크, 튜브, 핀을 포함하여 구성되어 있되 튜브와 튜브 사이에 핀이 위치됨에 있어 높이(파형의 높이)가 다른 복수 개의 핀이 겹쳐서 위치되어 있어 헤더탱크나 튜브 등을 변화없이 제한된 공간 내에서 열교환 효율이 극대화되는 효과가 있다.

본 발명에 있어서, 파형의 높이가 가장 큰 핀의 상, 하에 파형의 높이가 작은 핀이 겹쳐서 위치된 경우 공기의 원활한 흐름이 가능하고 열교환 효율이 우수하여 바람직하다.

이러한 경우 파형의 높이가 작은 핀이 갖는 파형의 최대 높이와 파형의 높이가 큰 핀이 가지는 파형의 최대 높이의 비율은 1 : 2인 경우 열교환 효율이 더욱 우수하다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 핀을 갖는 열교환기에 관한 것이다.

따라서 본 발명의 열교환기는 종래기술에서와 같이 열교환매체가 유동되는 열교환매체유로를 형성하는 헤더탱크(3)를 갖는다.(이러한 헤더탱크는 헤더와 가스 켓과 탱크로 이루어져 있는 것이 바람직하다.)

또, 헤더탱크(3)와 연결되고 열교환매체가 유동되는 열교환매체유동로가 형성된 복수개의 튜브(1)를 갖는다.

또, 튜브(1) 사이에 개재되는 핀(22)을 갖는다.

그런데 본 발명은 핀의 설치상태만을 변경시켜 열교환 효율을 높일 수 있는 열교환기의 구조를 제공하려는 목적을 갖는다.

이를 위한 구조로서 본 출원의 발명자는, 각각의 튜브(1)와 튜브(1) 사이에는 높이(h)가 다른 복수 개의 핀(21, 22, 23)이 겹쳐서 위치되는 구조를 안출하였다.

즉, 각각의 튜브(1)와 튜브(1) 사이에 위치된 핀(21, 22, 23)은 파형의 높이(h)가 다른 또 다른 핀(22, 23, 21)과 겹쳐서 위치되도록 하는 것이다.(핀의 높이(h)라 함은 핀이 갖는 파형의 높이(h)를 의미하는 것으로서 이는 관련 분야에서 일반적으로 사용되는 용어이다.)

파형의 높이(h)가 다른 핀이 겹쳐져야 하는 이유는 파형의 높이가 같으면 하나의 핀이 갖는 빗면과 이웃된 또 다른 핀이 갖는 빗면이 완전히 접촉되거나 공간이 생기더라도 미미한 수준에 불과하기 때문에 본 발명의 목적을 달성할 수 없기 때문이다.

즉, 본 발명에서는 겹쳐지는 핀과 핀 사이에 공간(40)이 확보되도록 함으로써 열교환 면적을 넓혀 열교환 효율이 우수하도록 하는 것이다.

본 발명에서와 같이 파형의 높이(h)가 다른 핀(21, 22, 23)이 겹쳐지는 경우 핀과 핀 사이에 공간(40)이 확보되는데 이러한 공간은 공기의 소통이 원활한 형태로 형성된다.

이러한 본 발명의 기술적 사상은 통상의 핀에 적용할 수 있을 뿐만 아니라 루버를 갖는 루버 핀에도 적용 가능하다.

이러한 경우 각각의 튜브(1)와 튜브(1) 사이에 위치된 복수 개의 핀(21, 22, 23)은 겹쳐지는 다른 핀(22, 23, 21)과 접하지 않는 부분에 루버(21a, 22a, 23a)가 형성된 루버핀이 되도록 한다.

본 발명에 있어서, 핀(21, 22, 23)과 핀(22, 23, 21)이 겹쳐짐에 있어 도 3과 같이 파형의 높이(h)가 가장 큰 핀(22)의 상, 하에 파형의 높이가 작은 핀(21, 23)이 겹쳐서 위치되는 것이 바람직하다.

이는 비교적 균일하고 공기의 흐름도 원활한 공간(40)의 확보가 가능하기 때문이다.

이때 파형의 높이(h)가 작은 핀(21, 23)이 갖는 파형의 높이와 파형의 높이가 큰 핀(22)이 가지는 파형의 높이 비율은 1 : 2 정도가 바람직하다.

본 발명에 있어서, 겹쳐지는 핀의 수는 파형의 주기(L), 루버의 형성 여부, 파형의 높이(h) 등에 따라 차이가 있지만 통상의 구조를 갖는 차량용 열교환기의 경우 3개 정도가 바람직하다.

본 발명에 있어서, 각각의 튜브(1)와 튜브(1) 사이에 위치된 복수 개의 핀(21, 22, 23)은 모두 동일한 에프피디엠(FPDM : fin pitch per decimeter)을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

(에프피디엠(FPDM : fin pitch per decimeter)이란 핀의 굴곡부의 밀도를 의미한다.)

본 발명에 있어서, 각각의 튜브(1)와 튜브(1) 사이에 위치된 복수 개의 핀(21, 22, 23)은 각각 형성되어 있는 산과 산이 서로 접촉되거나 골과 골이 서로 접촉되도록 겹쳐서 위치되는 것이 바람직하다.

일반적으로 핀의 굴곡을 산과 골로 표현하고 있는데 산(2HW)은 위쪽에 형성된 굴곡을 의미하고 골(2LW)은 아래쪽에 형성된 굴곡을 의미한다.

도 1은 열교환기의 한 종류인 통상의 라디에이터를 도시한 개략도

도 2는 종래의 열교환기에서 튜브와 튜브 사이에 위치된 핀의 설치상태를 설명하기 위한 개략도

도 3은 본 발명의 열교환기에서 튜브와 튜브 사이에 위치된 핀의 설치상태를 설명하기 위한 개략도

도 4는 본 발명에서 튜브와 튜브 사이에 위치된 핀이 루버를 갖는 루버핀인 경우를 설명하기 위한 개략도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1. 튜브 2. 핀

2HW. 산 2LW. 골

3. 헤더탱크 4. 서포트

21, 22, 23. 핀 21a, 22a, 23a. 루버

40. 공간

Claims (4)

1. 열교환매체가 유동되는 열교환매체유로를 형성하는 헤더탱크(3);

   상기 헤더탱크(3)와 연결되고 열교환매체가 유동되는 열교환매체유동로가 형성된 복수 개의 튜브(1): 및

   상기 튜브(1)와 튜브(1) 사이에 개재된 핀(22);을 포함하여 구성된 열교환기에 있어서,

   각각의 튜브(1)와 튜브(1) 사이에는 높이(h)가 다른 복수 개의 핀(21, 22, 23)이 겹쳐서 위치된 것을 특징으로 하는, 열교환기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 각각의 튜브(1)와 튜브(1) 사이에 위치된 복수 개의 핀(21, 22, 23)은 각각 형성되어 있는 산과 산이 서로 접촉되거나 골과 골이 서로 접촉되도록 겹쳐서 위치된 것을 특징으로 하는, 열교환기.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 각각의 튜브(1)와 튜브(1) 사이에 위치된 복수 개의 핀(21, 22, 23)은 모두 동일한 에프피디엠(FPDM : fin pitch per decimeter)을 갖는 것을 특징으로 하는, 열교환기.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 각각의 튜브(1)와 튜브(1) 사이에 위치된 복수 개의 핀(21, 22, 23)은 겹쳐지는 다른 핀(22, 23, 21)과 접하지 않는 부분에 루버가 형성된 루버핀인 것을 특징으로 하는, 열교환기.

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