KR20120026834A

KR20120026834A - 열교환기

Info

Publication number: KR20120026834A
Application number: KR1020100088986A
Authority: KR
Inventors: 이홍열; 박정상; 최상혁
Original assignee: 주식회사 두원공조
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2012-03-20

Abstract

본 발명은, 직사각형의 박스형상으로 내부에 제1수용공간이 형성되어 제1유체를 수용하고, 제1유체가 유입되는 제1유입구와 유입구로부터 유입된 제1유체가 유출되는 제1유출구가 형성되어 있는 쉘부, 쉘부의 측부에 위치하고, 외부로부터 제2유체를 공급받기 위한 제2유입구와, 제2유체를 외부로 유출하기 위한 제2유출구가 형성되어 있는 헤더부 및 납작한 튜브형상으로, 내부에 제2수용공간이 형성되고 단부가 헤더부에 연통되게 결합하여 제2수용공간으로 제2유체가 유입되고, 종방향에 대하여 서로 이격되게 배열되고 쉘부의 길이방향으로 관통삽입되는 복수 개의 튜브들을 포함하는 열교환기를 제공한다.
따라서, 전체적으로 컴팩트하고, 작은 부피로도 우수한 열전달효과를 얻을 수 있는 구조이며, 상기 제2유체의 유속, 유동방향 및 출구온도 등을 조절하여 열전달효과를 향상시킬 수 있다.

Description

열교환기 {Heat exchanger}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 컴팩트하고 열전달효과가 좋은 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 온도가 서로 다른 유체를 직접 또는 간접으로 접촉시켜 열교환을 시키는 장치로써, 냉각 또는 가열을 목적으로 자동차, 냉장고, 건축물, 공기조화기, 석유화학공업, 일반화학공업 및 파워 플랜트(Power Plant) 등에 널리 이용되고 있다.

상기와 같이 다양한 산업분야에 사용되는 쉘 및 튜브형 열교환기에 대하여 살펴보면, 이러한 쉘 및 튜브형 열교환기는, 제1유체가 유입 및 유출되는 헤더와, 상기 헤더와 연통되게 설치된 복수 개의 튜브들과, 상기 튜브와 열교환되게 결합하여 상기 제1유체와 열교환되는 제2유체가 유입되도록 쉘로 이루어져 있다.

그런데, 상기한 종래의 쉘 및 튜브형 열교환기는 컴팩트(compact)한 구조가 아니기 때문에, 전체적으로 부피가 클 뿐만 아니라 작동유체간의 열전달이 원활하게 이루어지지 않고 또한 각 튜브와 쉘간의 고른 열교환이 이루어지지 않아 열전달 효과가 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은, 컴팩트한 구조를 가지고 있으며, 열전달효과가 우수한 열교환기를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 직사각형의 박스형상으로 내부에 제1수용공간이 형성되어 제1유체를 수용하고, 상기 제1유체가 유입되는 제1유입구와 상기 유입구로부터 유입된 상기 제1유체가 유출되는 제1유출구가 형성되어 있는 쉘부, 상기 쉘부의 측부에 위치하고, 외부로부터 제2유체를 공급받기 위한 제2유입구와, 상기 제2유체를 외부로 유출하기 위한 제2유출구가 형성되어 있는 헤더부 및 납작한 튜브형상으로, 내부에 제2수용공간이 형성되고 단부가 상기 헤더부에 연통되게 결합하여 상기 제2수용공간으로 상기 제2유체가 유입되고, 종방향에 대하여 서로 이격되게 배열되고 상기 쉘부의 길이방향으로 관통삽입되는 복수 개의 튜브들을 포함하는 열교환기를 제공한다.

따라서, 본 발명은, 전체적으로 컴팩트하고, 작은 부피로도 우수한 열전달효과를 얻을 수 있는 구조이며, 상기 제2유체의 유속, 유동방향 및 출구온도 등을 조절하여 열전달효과를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 열교환기의 정면도이다.
도 3은 도 1의 튜브를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 1의 헤더부의 다른 실시예를 나타내는 사시도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기는, 쉘부(100)와, 헤더부(210,220)와, 튜브(300)들과, 배플(400;410,420,430)들을 포함한다.

상기 쉘부(100)는, 종단면 및 횡단면이 직사각형의 박스형상으로, 상세하게는, 종단면 형상은 수직한 방향에 대하여 긴 직사각형의 형상이고, 횡단면 형상은 수평한 방향에 대하여 긴 직사각형의 형상이다.

또한, 상기 쉘부(100)는, 내부에 제1수용공간(110)이 형성되어 제1유체(1)를 수용한다. 상기 쉘부(100)는 상기 제1유체(1)가 유입되는 제1유입구(122)와, 상기 유입구로부터 유입된 상기 제1유체(1)가 유출되는 제1유출구(124)가 형성되어 있다.

여기서, 상기 제1유입구(122)와 상기 제1유출구(124)는 상기 쉘부(100)의 전방 또는 후방에 위치하고, 상세하게는 상기 제1유입구(122)는 전방의 일측단부 하측에 위치하고, 상기 제1유출구(124)는 전방의 타측단부 상측에 위치할 수 있다. 하지만, 이는 일 실시예로, 상기 제1유입구(122)와 상기 제1유출구(124)는 설계에 따라 상기한 전방에 모두 형성시킴은 물론 전방 및 후방에 각각 분리하여 형성할 수 있으며, 그 형성위치도 다양하게 변경가능하다.

상기 헤더부(210,220)는, 원통 관형상으로 상부 및 하부는 밀폐되고 내부로는 제2유체(2)가 수용된다. 상기 헤더부(210,220)는 외부로부터 제2유체(2)를 공급받기 위한 제2유입구(211)와, 상기 제2유체(2)를 외부로 유출하기 위한 제2유출구(221)가 형성되어 있다.

상기 헤더부(210,220)는, 한 쌍이 구비되어, 상기 쉘부(100)의 측부, 상세하게는 상기 쉘부(100)의 횡방향 양측부에 각각 위치하며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

도 3을 참조하면, 상기 튜브(300)들은, 각각 납작한 튜브형상으로, 종단면 및 횡단면 형상이 납작한 장방형 형상이며, 내부에 제2수용공간(310)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 튜브(300)의 상기 제2수용공간(310)은, 복수 개의 분할공간(311,312)들로 구획되어 형성되어 있다.

한편, 상기 튜브(300)들 사이에는 상기 튜브(300)의 전열면적을 증가시키기 위한 방열핀(320)이 구비되어 있다. 상기 방열핀(320)은 지그재그형상으로 형성되어, 상측 및 하측이 상기 튜브(300)들의 하면 및 상면과 접촉된다. 본 실시에에서는 상기 방열핀(320)을 지그재그형상으로 형성된 것을 실시예로 하였으나, 이외 복수 개의 핀들을 상기 튜브(300)에 접촉되게 할 수 있는 등 상기 튜브(300)의 전열면적을 증가시킬 수 있는 구조라면 다양한 실시예가 가능하다.

상기 튜브(300)들은, 복수 개가 종방향에 대하여 서로 이격되게 배열 및 정렬되고 상기 쉘부(100)의 길이방향으로 관통삽입되어 있다. 그리고, 상기 튜브(300)들은 양단부가 상기 한 쌍의 헤더부(210,220)의 일측에 연통되게 결합되어 있으며, 이에 따라 상기 튜브(300)들의 제2수용공간(310)으로 상기 제2유체(2)가 유입 및 유동한다.

상기 배플(Baffle, 400;410,420,430)은, 상기 쉘부(100)의 제1수용공간(110)에 설치되어, 상기 제1유체(1)의 흐름을 바꾸는 역할을 한다. 상기 배플(400;410,420,430)은, 상기 제1수용공간(110)을 복수 개의 패스(pass partition)로 형성되도록 복수개가 상기 쉘부(100)의 내부에 서로 이격되게 배치되어 있다.

상세하게는, 상기 복수 개의 배플(410,420,430)들은, 상기 제1유체(1)의 흐름을 상기 쉘부(100)의 길이방향에 대하여 사행(meandering)되도록 안내하기 위하여, 상기 길이방향으로 서로 일정간격을 갖고 상기 쉘부(100)의 폭방향 양측 내측면에 지그재그형식으로 교대로 배치되어 있다. 여기서, 상기 배플(410,420,430)은, 상기 쉘부(100)의 용량, 형상 및 데드존(dead zone)이 발생하지 않도록 각 설계에 따라 그 개수와 이격거리를 다양하게 할 수 있다. 또한 상기 배플(410,420,430)은, 본 실시예에서는 상기 쉘부(100)의 내측면에 대하여 직각방향에 대하여 설치되었지만, 상기 제1유체(1)의 흐름의 사행정도를 더욱 크게 하기 위하여 상기 쉘부(100)의 내측면에 대하여 경사지게 설치할 수 있는 등 다양한 실시예가 가능하다.

한편, 상기 헤더부(210,220) 및 상기 제2유체(2)의 유동흐름에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.

상기 헤더부(210,220)는 상기 쉘부(100)의 횡방향 일측에 위치하고 상기 튜브(300)들의 일단부에 연통되게 결합하는 제1헤더부(210)와, 상기 쉘부(100)의 횡방향 타측에 위치하고, 상기 튜브(300)들의 타단부에 연통되게 결합하는 제2헤더부(220)를 포함한다.

여기서, 상기 제1헤더부(210)는, 상기 제2유입구(211)가 형성되어 외부로부터 상기 제2유체(2)를 공급받고, 상기 제2헤더부(220)는 상기 제2유출구(221; 도 2참조)가 형성되어 상기 제2유체(2)를 유출한다. 이에 따라, 상기 튜브(300)들의 내부로 유동하는 상기 제2유체(2)는 상기 제1헤더부(210)에서 상기 제2헤더부(220)로 일방향으로 유동한다.

반면, 도 4를 참조하면, 상기 헤더부(210,220)는, 상기 쉘부(100)의 횡방향 일측에 위치하고 상기 튜브(300)들의 일단부에 연통되게 결합하는 제3헤더부(210a)와, 상기 쉘부(100)의 횡방향 타측에 위치하고 상기 튜브(300)들의 타단부에 연통되게 결합하는 제4헤더부(220a)와, 상기 제3헤더부(210a)의 내부에 구비되는 격판(213)을 포함한다.

여기서, 상기 제3헤더부(210a)는, 상기 제2유입구(211)와 상기 제2유출구(221)가 종방향에 대하여 상측과 하측으로 서로 이격되게 각각 형성되어, 상기 제2유체(2)의 유입 및 유출이 이루어진다. 이때, 상기 격판(213)은, 상기 제2유입구(211)와 상기 제2유출구(221) 사이에 위치하여, 상기 제3헤더부(210a) 내에서의 상기 제2유체(2)의 유동 및 유출이 구획되어 이루어지게 한다. 이에 따라, 상기 튜브(300)들의 내부로 유동하는 상기 제2유체(2)는 상기 제3헤더부(210a)에서 상기 제4헤더부(220a)로 유동하고, 그런 다음 상기 제4헤더부(220a)에서 상기 제3헤더부(210a)로 유동하여 왕복방향으로 유동한다. 여기서, 속이 빈 화살표는 상기 제1유체의 흐름을 나타내며, 속이 찬 화살표는 상기 제2유체의 흐름을 나타낸다.

상기한 바와 같이, 본 실시예는 상기 헤더부(210,220)의 제2유입구(211) 및 제2유출구(221)의 위치를 달리하여, 상기 제2유체(2)의 다양한 흐름을 유도할 수 있어, 열전달효과의 조절은 물론 다양한 설계가 가능한 구조이다.

한편, 본 실시예의 열교환기는 차량용 열교환기로 적용되는 것이 바람직하며, 이러한 경우 상기 제1유체(1)는 차량의 엔진을 순환하는 냉각수이고, 상기 제2유체(2)는, 차량용 공기조화장치에서 압축기로부터 유출되는 냉매이다. 하지만, 본 실시예에 따른 열교환기는 상기한 차량용 열교환기뿐만 아니라, 서로 다른 두 유체의 열교환을 위한 것이라면 모두 적용가능하며, 상기 제1유체(1)와 상기 제2유체(2)도 상기한 냉각수와 냉매가 아닌, 물과 기상의 공기 등 다양하게 적용가능하다.

또한, 본 실시예는, 상기 쉘부(100), 튜브(300)들, 헤더부(210,220) 및 격판(213) 등 주요구성을 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 재질로 형성하고 브레이징(brazing) 등을 통하여 간편하게 제작할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 실시예는, 장방형의 박스형상인 쉘부(100)와, 상기 쉘부(100)의 횡방향 양측에 각각 구비된 헤더부(210,220)와, 상기 쉘부(100)에 관통삽입되는 복수 개의 튜브(300)들로 이루어진 구조이기 때문에 전체적으로 컴팩트한 구조를 가지며, 아울러 상기 복수 개의 튜브(300)들이 상기 쉘부(100)에 종방향으로 규칙적으로 배열되고 횡방향으로 관통삽입되는 구조이기 때문에, 작은 부피로도 우수한 열전달효과를 얻을 수 있는 구조이다. 또한, 본 실시예는, 상기 쉘부(100)의 제1수용공간(110)을 복수 개의 패스로 나누기 위한 복수 개의 배플(400;410,420,430)들을 구비하여, 상기 제2유체(2)의 유속, 유동방향 및 출구온도 등을 조절하여 열전달효과를 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100... 쉘부 210,220,210a,220a... 제1,제2,제3,제4헤더부
300... 튜브 400... 배플
500... 열교환기

Claims

직사각형의 박스형상으로 내부에 제1수용공간이 형성되어 제1유체를 수용하고, 상기 제1유체가 유입되는 제1유입구와 상기 유입구로부터 유입된 상기 제1유체가 유출되는 제1유출구가 형성되어 있는 쉘부;
상기 쉘부의 측부에 위치하고, 외부로부터 제2유체를 공급받기 위한 제2유입구와, 상기 제2유체를 외부로 유출하기 위한 제2유출구가 형성되어 있는 헤더부; 및
납작한 튜브형상으로, 내부에 제2수용공간이 형성되고 단부가 상기 헤더부에 연통되게 결합하여 상기 제2수용공간으로 상기 제2유체가 유입되고, 종방향에 대하여 서로 이격되게 배열되고 상기 쉘부의 길이방향으로 관통 삽입되는 복수 개의 튜브들을 포함하는 열교환기.
청구항 1에 있어서,
상기 쉘부는,
상기 제1유체의 흐름을 바꾸기 위해, 상기 제1수용공간을 복수 개의 패스(pass partition)로 형성되도록 상기 쉘부의 내부에 서로 이격되게 배치된 복수 개의 배플(Baffle)들을 더 포함하는 열교환기.
청구항 2에 있어서,
상기 복수 개의 배플들은,
상기 제1유체의 흐름을 상기 쉘부의 길이방향에 대하여 사행(meandering)되도록 안내하기 위하여, 상기 길이방향으로 서로 일정간격을 갖고 상기 쉘부의 폭방향 양측 내측면에 지그재그형식으로 교대로 배치되는 열교환기.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1유체는, 차량의 엔진을 순환하는 냉각수이고,
상기 제2유체는, 차량용 공기조화장치에서 압축기로부터 유출되는 냉매인 열교환기.
청구항 4에 있어서,
상기 헤더부는,
상기 쉘부의 일측에 위치하고 상기 튜브들의 일단부에 연통되게 결합하며, 상기 제2유입구가 형성되어 외부로부터 상기 제2유체를 공급받는 제1헤더부와,
상기 쉘부의 타측에 위치하고 상기 튜브들의 타단부에 연통되게 결합하며, 상기 제2유출구가 형성되어 상기 제2유체를 유출하는 제2헤더부를 포함하여,
상기 튜브들의 내부로 유동하는 상기 제2유체는 상기 제1헤더부에서 상기 제2헤더부로 유동하는 열교환기.
청구항 4에 있어서,
상기 헤더부는,
상기 쉘부의 일측에 위치하고, 상기 튜브들의 일단부에 연통되게 결합하며, 상기 제2유입구와 상기 제2유출구가 각각 형성되어 있으며, 상기 제2유입구와 상기 제2유출구 사이에 위치하는 격판을 구비하는 제3헤더부와,
상기 쉘부의 타측에 위치하고 상기 튜브들의 타단부에 연통되게 결합하는 제4헤더부를 포함하여,
상기 튜브들의 내부로 유동하는 상기 제2유체는 상기 제3헤더부에서 상기 제4헤더부로 유동하고, 그런 다음 상기 제4헤더부에서 상기 제3헤더부로 유동하는 열교환기.
청구항 4에 있어서,
상기 쉘부는, 박스형상으로, 종단면 형상은 수직한 방향에 대하여 긴 직사각형의 형상이고, 횡단면 형상은 수평한 방향에 대하여 긴 직사각형의 형상이며, 상기 제1유입구와 상기 제1유출구는 전방 또는 후방에 위치하고,
상기 헤더부는, 원통형상으로, 한 쌍이 구비되어 상기 쉘부의 횡방향의 양측부에 각각 위치하고,
상기 튜브들은, 종단면 및 횡단면 형상이 납작한 장방형의 튜브형상으로, 상기 쉘부의 종방향으로 이격되게 정렬되고 상기 쉘부의 횡방향으로 관통 삽입되는 열교환기.
청구항 7에 있어서,
상기 튜브들 사이에는 상기 튜브의 전열면적을 증가시키기 위한 방열핀을 더 구비하는 열교환기.
청구항 7에 있어서,
상기 튜브의 상기 제2수용공간은,
복수 개의 분할공간들로 구획되어 형성된 열교환기.