KR20140099203A - 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크; 상기 한 쌍의 헤더탱크에 양단이 고정되어 열교환매체 유로를 형성하는 복수개의 튜브; 상기 튜브들의 사이에 접하도록 고정되는 복수개의 핀; 및 상기 핀 주변을 통과하는 공기와 접촉되도록 상기 핀에 형성되는 복수개의 루버를 포함하는 열교환기에 있어서, 상기 핀의 폭 방향 중심을 기준으로 루버를 비대칭으로 형성하거나, 핀에 일측 또는 타측으로 비대칭으로 형성되는 루버열들을 핀의 길이 방향으로 번갈아 형성하여 냉각 공기의 흐름을 개선함으로써 방열 성능을 향상시킬 수 있는 열교환기에 관한 것이다.

Description

열교환기 {Heat exchanger}
본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크; 상기 한 쌍의 헤더탱크에 양단이 고정되어 열교환매체 유로를 형성하는 복수개의 튜브; 상기 튜브들의 사이에 접하도록 고정되는 복수개의 핀; 및 상기 핀 주변을 통과하는 공기와 접촉되도록 상기 핀에 형성되는 복수개의 루버를 포함하는 열교환기에 있어서, 상기 핀의 폭 방향 중심을 기준으로 루버를 비대칭으로 형성하거나, 핀에 일측 또는 타측으로 비대칭으로 형성되는 루버열들을 핀의 길이 방향으로 번갈아 형성하여 냉각 공기의 흐름을 개선함으로써 방열 성능을 향상시킬 수 있는 열교환기에 관한 것이다.
열교환기는 온도차가 있는 두 환경 사이에서 한쪽의 열을 흡수하여 다른쪽으로 열을 방출시키는 장치로서, 실내의 열을 흡수하여 외부로 방출할 경우에는 냉방 시스템으로서, 외부의 열을 흡수하여 실내로 방출할 경우에는 난방 시스템으로서 작용하게 된다.
그리고 내연기관이 장착된 차량에서는 엔진의 냉각을 위하여 자동차에는 통상 수냉식 열교환기가 설치된다. 수냉식 열교환기는 워터펌프에 의하여 냉각수가 실린더 블록 및 실린더 헤드를 순환하면서 그 온도를 낮추는 것이며, 냉각수의 방열을 위하여 라디에이터, 냉각팬 및 수온조절기 등이 구비된다.
이때 열교환기는 도 1과 같이 열교환매체가 유입 및 유출되며 열교환매체가 유동되는 헤더탱크(2), 헤더탱크(2)에 연결되어 열교환매체 유로를 형성하는 복수개의 튜브(4) 및 상기 튜브(4)들 사이에 접하여 고정되는 복수개의 핀(5)을 포함하여 이루어진다. 그리고 상기 핀(5)은 튜브(4)들의 사이에 주름진 형태로 형성되어 상기 튜브(4) 사이에 조립된 후 브레이징에 의해 접합되며, 상기 튜브(4)들의 사이로 통과하는 공기와 접촉면적을 높여준다. 그리하여 상기 튜브(4)의 내부를 따라 흐르는 열교환매체와 주변 공기 사이의 열교환 효율을 높여준다.
그리고 상기 핀(5)에는 도 2와 같이 다수의 루버(6, louver)가 형성되어 냉각 공기와의 접촉면적을 최대한으로 증가시킴으로써 상기 튜브(4) 내부로 유동되는 열교환매체와 상기 핀(5)의 주변을 통과하는 냉각 공기 사이의 열교환 효율이 극대화될 수 있도록 구성된다.
이때, 도 2 및 도 3과 같이 상기 루버(6)는 핀(5)을 절개한 다음 절개된 부분을 구부려 성형되고 냉각 공기의 유동 방향을 따라 일정한 간격을 두고 형성되며, 상기 핀(5)의 양면으로 돌출되도록 형성된다. 그런데 루버(6)들의 중심에는 센터 뱅크(5a)가 형성되고 상기 센터 뱅크(5a)를 기준으로 양측의 루버(6)가 대칭으로 형성되며 개수가 동일하게 형성된다.
그런데 이와 같이 핀을 절개한 후 구부려 루버를 형성하기 위해서는 제작 특성상 센터 뱅크를 중심으로 루버의 개수가 양측이 대칭이 되도록 형성해야 하며, 핀의 폭이 제한되므로 열교환 성능을 향상시키기 위해서 루버의 개수를 증가시키는데 어려움이 있다. 즉, 루버의 개수를 증가시켜야 열교환 성능이 향상되는데, 각각의 열교환기 마다 특정한 폭이 정해져 있어 핀의 제한된 폭 내에서 루버의 개수를 증가시키기 어렵다.
또한, 튜브들 사이에 결합되는 핀과 루버들의 냉각 공기에 의한 내압성을 향상시키기 위해서는 센터 뱅크의 폭을 넓게 하거나 핀의 두께 등을 증가시켜 튜브들 사이를 지지하는 강도를 향상시켜야 하나, 열교환 성능을 향상시키면서 동시에 냉각 공기에 의한 내압성을 향상시키기 어려운 문제점이 있다.
또한, 핀(5)의 양단에 측면 지지부(5b)가 형성되며 측면 지지부(5b)의 폭이 센터 뱅크(5a)의 폭보다 크게 형성되는데, 이때 냉각 공기의 유입 방향과 나란하게 형성되는 평면 형태의 측면 지지부(5b)는 루버(6)에 비해 열교환이 덜 일어나기 때문에 냉각 공기가 유입되는 측에 측면 지지부(5b)가 폭이 크게 형성되므로 열교환 효율이 저하되는 단점이 있다.
이와 관련된 종래 기술로는 일본공개특허(2010-054115)인 '증발기'가 개시되어 있다.
JP 2010-054115 A (2010.03.11.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 핀의 폭 방향 중심을 기준으로 센터 뱅크가 편심되도록 형성되고 센터 뱅크를 기준으로 양측 루버의 개수가 다르게 형성되어 냉각 공기의 흐름을 개선함으로써 열교환기의 방열 성능을 향상시킬 수 있는 열교환기를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기는, 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크(100); 상기 한 쌍의 헤더탱크(100)에 양단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하는 복수개의 튜브(200); 상기 튜브(200) 사이에 접하여 고정되는 복수개의 핀(300); 및 상기 핀(300)에 형성되는 복수개의 루버(400); 를 포함하여 이루어지는 열교환기에 있어서, 상기 핀(300)에는 루버(400) 사이에 센터 뱅크(500)가 형성되되, 상기 센터 뱅크(500)는 핀(300)의 폭 방향 중심을 기준으로 편심되게 형성되어 상기 센터 뱅크(500)를 기준으로 양측 루버(400)의 개수가 서로 다르게 형성되며, 상기 센터 뱅크(500)를 기준으로 양측의 루버(400)의 방향이 반대로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센터 뱅크(500)를 기준으로, 상기 루버(400)의 주변을 통과하는 공기와 상기 튜브(200)의 내부에 흐르는 열교환매체의 온도차(ΔT)가 큰 일측에 배치된 상기 루버(400)들의 개수가 타측보다 더 많이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 루버(400)들은 피치(PL)가 동일하게 형성되며, 상기 루버(400)들은 상기 센터 뱅크(500)를 기준으로 양측의 루버(400)의 방향이 반대로 형성되되 상기 핀(300)의 폭 방향에 대하여 기울어진 각도는 동일하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 핀(300)의 폭 방향 양단에는 측면 지지부(510)가 형성되며, 상기 센터 뱅크(500)의 폭(WB)은 상기 측면 지지부(510)들의 폭(WS) 보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 핀(300)은 폭 방향 일측 단부에 표시부(310)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센터 뱅크(500)가 핀(300)의 폭 방향 중심을 기준으로 일측으로 편심된 제1루버열(410)과 타측으로 편심된 제2루버열(420)들이, 상기 핀(300)의 길이 방향을 따라 나란하게 번갈아 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센터 뱅크(500)가 핀(300)의 폭 방향 중심을 기준으로 일측으로 편심된 한 쌍의 제1루버열(410)과 타측으로 편심된 한 쌍의 제2루버열(420)들이, 상기 핀(300)의 길이 방향을 따라 번갈아 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1루버열(410)의 센터 뱅크(500)의 중심과 제2루버열(420)의 센터 뱅크(500)의 중심 사이의 거리(LB)는 루버(400) 피치(PL)의 1배 이상 및 3배 이하(PL×1 ≤ LB ≤ PL×3)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센터 뱅크(500)의 폭(WB)은 루버(400) 피치(PL)의 배수(WB = PL × 정수)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1루버열(410)의 센터 뱅크(500)의 폭과 상기 제2루버열(420)의 센터 뱅크(500)의 폭이 상기 핀(300)의 폭 방향으로 오버랩 되는 것을 특징으로 한다.×
또한, 상기 제1루버열(410)의 센터 뱅크(500)의 폭과 상기 제2루버열(420)의 센터 뱅크(500)의 폭이 상기 핀(300)의 폭 방향으로 오버랩 되지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센터 뱅크(500)를 기준으로 루버(400)의 개수가 적은 쪽의 루버(400)의 각도(α)는 루버(400)의 개수가 많은 쪽의 루버(400)의 각도(β) 보다 크거나 같게{각도(α) ≥ 각도(β)} 형성되며, 상기 각도(α)가 각도(β) 보다 큰 경우에는 아래의 수식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
0.9 x Sinα x 루버 개수(적은쪽) ≤ sinβ x 루버 개수(많은쪽) ≤ 1.1 x Sinα x 루버 개수(적은쪽)
본 발명의 열교환기는, 핀의 폭 방향 중심을 기준으로 센터 뱅크가 편심되도록 형성되고 센터 뱅크를 기준으로 양측 루버의 개수가 다르게 형성되어 냉각 공기의 흐름을 개선함으로써 열교환기의 방열 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 편심되게 형성되는 센터 뱅크에 의해 튜브와 핀을 지지하는 강성이 향상되어 냉각 공기의 유동 압력에 대한 내구성이 향상되는 장점이 있다.
도 1 내지 도 3은 종래의 열교환기를 나타낸 사시도, 부분사시도 및 루버 단면도.
도 4는 본 발명의 열교환기를 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 루버 및 센터 뱅크를 나타난 AA'방향 단면도 및 핀을 나타낸 정면 개략도.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제2실시예 및 제3실시예에 따른 루버 및 센터 뱅크를 나타낸 AA'방향 단면도 및 핀을 나타낸 정면 개략도.
도 8은 본 발명에 따른 루버 및 센터 뱅크를 나타낸 측면 단면도.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 루버 및 센터 뱅크를 나타낸 단면도.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 열교환기를 이용하여 냉각 공기의 풍속 2m/s, 4m/s 및 6m/s에서의 AA'방향 단면상의 온도 분포 및 측면에서 바라본 핀의 온도 분포를 나타낸 사진.
도 13은 냉각 공기 풍속 6m/s에서의 열교환매체의 유량에 따른 종래기술과 본 발명의 열교환기 방열성능을 비교한 그래프.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 열교환기를 나타낸 사시도이며, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 루버 및 센터 뱅크를 나타난 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 열교환기(1000)는, 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크(100); 상기 한 쌍의 헤더탱크(100)에 양단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하는 복수개의 튜브(200); 상기 튜브(200) 사이에 접하여 고정되는 복수개의 핀(300); 및 상기 핀(300)에 형성되는 복수개의 루버(400); 를 포함하여 이루어지는 열교환기에 있어서, 상기 핀(300)에는 루버(400) 사이에 센터 뱅크(500)가 형성되되, 상기 센터 뱅크(500)는 핀(300)의 폭 방향 중심을 기준으로 편심되게 형성되어 상기 센터 뱅크(500)를 기준으로 양측 루버(400)의 개수가 서로 다르게 형성되며, 상기 센터 뱅크(500)를 기준으로 양측의 루버(400)의 방향이 반대로 형성되는 것을 특징으로 한다.
우선, 상기 헤더탱크(100)는 내부에 열교환매체가 저장 및 유동되는 공간이 형성되며, 일정거리 이격되어 한 쌍이 구성된다. 그리고 상기 헤더탱크(100)에는 열교환매체가 유입되는 입구파이프(110) 및 배출되는 출구파이프(120)가 형성된다.
상기 튜브(200)는 상기 한 쌍의 헤더탱크(100)에 양단이 고정되며, 상기 헤더탱크(100)와 연통되어 열교환매체의 유로를 형성하는 부분이다.
상기 핀(300)은 상기 튜브(200)들의 사이에 개재되고 상기 튜브(200)에 접하여 브레이징 등으로 고정되어, 상기 튜브(200) 내부로 유동되는 열교환매체로부터 열을 전달받아 외부로 방출한다.
이때, 상기 핀(300)은 주름진 형태로 또는 지그재그 형태로 절곡되어 방열 면적을 넓힐 수 있도록 형성되며, 본 발명에서 상기 핀(300)은 연속적으로 판재가 절곡되어 산과 골이 형성되는 코러게이트(corrugate) 핀이 사용될 수 있다.
그리고 상기 핀(300)에는 복수개의 루버(400)가 형성되고, 상기 루버(400)는 냉각 공기의 흐름의 방향을 따라 일정한 간격을 두고 복수개가 형성되며, 상기 루버(400)들의 사이는 슬롯 형태의 통기공이 형성되고 그 사이를 냉각 공기가 통과되어 열교환 효율이 증대된다.
또한, 상기 루버(400)는 핀(300)의 일부분을 절개한 후 절곡하여 상기 핀(300) 표면의 양면으로 돌출되도록 형성되고 상기 핀(300)과 일정한 각도를 갖도록 형성되어, 상기 핀(300)의 주변을 통과하는 냉각 공기의 유동 방향을 전환시키거나 방열 면적을 증대시켜 열교환 효율이 향상되도록 구성될 수 있다.
여기에서 도 5(a)와 같이 상기 핀(300)에는 폭 방향으로 나란하게 복수개의 루버(400)가 형성되며, 상기 루버(400) 사이에 센터 뱅크(500)가 형성된다. 이때, 센터 뱅크(500)는 핀(300)의 폭 방향 중심을 기준으로 편심(e)되게 형성되며, 센터 뱅크(500)를 기준으로 폭 방향 양측에 형성되는 루버(400)는 서로 개수가 다르게 형성된다. 그리고 상기 센터 뱅크(500)를 중심으로 하여 양측 루버(400)의 방향이 반대로 형성된다.
즉, 상기 센터 뱅크(500)가 핀(300)의 폭 방향 중심에 형성되지 않고 일측으로 치우치게 형성되어 폭 방향 양측 루버(400)의 개수가 다르게 형성되며, 센터 뱅크(500)를 중심으로 좌측에 형성되는 루버(400)들이 핀(300)을 기준으로 반시계 방향으로 경사지게 형성되면 우측에 형성되는 루버(400)들은 핀(300)을 기준으로 시계방향으로 경사지도록 형성된다.
이때, 핀(300)에 복수개의 루버(400)와 센터 뱅크(500)가 형성된 하나의 열인 루버열(400a)은, 전체 루버열(400a)에 대하여 핀(300)의 중심을 기준으로 센터 뱅크(500)가 일측으로 편심되도록 형성될 수 있다. 즉, 도 5(b)와 같이 센터 뱅크(500)가 핀의 중심(F.C)을 기준으로 좌측으로 편심된 제1루버열(410, type a)들로 성될 수 있다.
그리하면 열교환기의 핀(300)과 루버(400)들 사이를 통과하는 냉각 공기의 흐름이 개선되고 이에 따라 열전달 계수가 향상되어 열교환기의 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명의 열교환기는 핀의 폭 방향 중심을 기준으로 센터 뱅크가 편심되도록 형성되고 센터 뱅크를 기준으로 양측 루버의 개수가 다르게 형성되어 냉각 공기의 흐름을 개선함으로써 열교환기의 방열 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
그리고 센터 뱅크(500)가 일측으로 편심되도록 제작하면, 센터 뱅크(500)를 중심으로 양측의 루버(400)의 개수를 다르게 형성할 수 있다. 즉, 하나의 열에 형성되는 루버(400)의 전체 개수가 12개(짝수)일 경우, 일측에 5개 타측에 7개가 형성되도록 구성될 수 있다. 또한, 루버(400)의 전체 개수가 13개일 경우, 일측에 6개 타측에 7개가 형성되도록 구성될 수 있다.
그리하여 핀(300)의 정해진 폭 내에서 센터 뱅크(500)를 중심으로 양측에 동일하게 6개씩의 루버(400)를 형성하여 전체 루버(400)의 개수가 짝수개(12개)가 되도록 형성하는 것 보다, 루버의 개수를 홀수개(13개)로 형성하고 센터 뱅크(500)를 폭 방향 일측으로 편심되도록 하여 일측에 6개 타측에 7개의 루버(400)가 형성되도록 하는 것이 열교환 성능을 향시킬 수 있다.
이는 실험을 통해 열전달 계수를 측정한 데이터로 확인할 수 있으며, 냉각 공기의 풍속 4m/s, 6m/s이고 좌우 루버의 개수가 같은 경우를 기준으로, 좌우 루버 개수가 다르게 형성되면 열전달 계수가 각각 6.1% 및 6.5% 향상되는 것으로 나타났다.
그리고 상기 센터 뱅크(500)를 기준으로, 상기 루버(400)의 주변을 통과하는 공기와 상기 튜브(200)의 내부에 흐르는 열교환매체의 온도차(ΔT)가 큰 일측에 배치된 상기 루버(400)들의 개수가 타측보다 더 많이 형성될 수 있다.
이는 핀(300)의 폭 방향으로 냉각 공기가 유입되는 측에 루버(400)의 개수가 더 많이 형성되어, 온도차(ΔT)가 큰 쪽에서 더욱 빠르게 열교환이 이루어져 열교환 효율을 향상시킬 수 있기 때문이다. 즉, 냉각 공기는 핀(300)의 폭 방향으로 유동되면서 튜브(200)의 내부에 흐르는 열교환매체와 열교환을 일으켜 냉각 공기의 온도가 상승하게 된다. 그러므로 냉각 공기의 온도가 낮은 냉각 공기의 유입측에 루버(400)의 개수를 많이 형성하여 열교환이 보다 빠르게 이루어질 수 있다.
또한, 상기 루버(400)들은 피치(PL)가 동일하게 형성되며, 상기 루버(400)들은 상기 센터 뱅크(500)를 기준으로 양측의 루버(400)의 방향이 반대로 형성되되 상기 핀(300)의 폭 방향에 대하여 기울어진 각도는 동일하게 형성될 수 있다.
즉, 루버(400)들의 피치(PL)가 동일하게 형성되도록 하고 센터 뱅크(500)를 기준으로 양측 루버(400)가 기울어진 방향은 다르되 기울어진 각도의 크기는 동일하게 형성되도록 할 수 있으며, 이에 따라 핀(300)에 루버(400)를 형성하기 위한 폼롤(form roll)을 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 상기 핀(300)의 폭 방향 양단에는 측면 지지부(510)가 형성되며, 상기 센터 뱅크(500)의 폭(WB)은 상기 측면 지지부(510)들의 폭(WS) 보다 크게 형성될 수 있다.
이는, 냉각 공기가 유입되는 부분인 핀(300)의 폭 방향 단부에 측면 지지부(510)가 형성되되, 측면 지지부(510)의 폭(WS)이 작게 형성되고 센터 뱅크(500)의 폭(WB)이 상대적으로 크게 형성되는 것이다. 이에 따라 센터 뱅크(500)에 의해 튜브(200)들 사이가 지지되는 강도가 향상되고 냉각 공기의 유동 압력에 대한 내구성도 향상되며, 냉각 공기가 유입되는 부분인 핀(300)의 폭 방향 단부에 측면 지지부(510)의 폭이 작게 형성되므로 그 만큼 냉각 공기와 열교환매체의 온도차(ΔT)가 가장 큰 부분에 루버(400)가 가까이 배치될 수 있어 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 핀(300)은 폭 방향 일측 단부에 표시부(310)가 형성될 수 있다.
이는 상기와 같이 전체 루버열(400a)에 대하여 센터 뱅크(500)가 핀(300)의 폭 방향 중심에서 일측으로 편심되게 형성되는 경우, 루버(400)의 개수가 많은측 또는 적은측의 핀(300)의 폭 방향 단부에 표시부(310)를 형성하여 냉각 공기가 유입되는 방향을 구분할 수 있도록 하는 것이다. 이때, 냉각 공기가 유입되는 방향은 열교환기의 열전달 계수가 크게 측정되는 방향으로 선정될 수 있으며, 루버(400)의 개수가 적은 쪽에서 냉각 공기가 유입되도록 할 수도 있으나, 루버(400)의 개수가 많은 쪽에서 냉각 공기가 유입되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 표시부(310)는 핀(300)의 폭 방향 일측 단부에 돌출된 형태의 돌기 또는 오목한 홈 등으로 형성하여 구별이 용이하도록 할 수 있다.
또한, 상기 센터 뱅크(500)가 핀(300)의 폭 방향 중심을 기준으로 일측으로 편심된 제1루버열(410)과 타측으로 편심된 제2루버열(420)들이, 상기 핀(300)의 길이 방향을 따라 나란하게 번갈아 배열될 수 있다.
즉, 도 6(a)와 같이 핀(300)의 길이 방향을 따라 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 복수개의 루버열(400a)들 중, 센터 뱅크(500)가 핀(300)의 폭 방향 중심을 기준으로 일측으로 편심된 제1루버열(410)과 타측으로 편심된 제2루버열(420)이 길이 방향을 따라 서로 교번 배열되도록 형성되는 것이며, 도 6(b)와 같이 센터 뱅크(500)가 핀의 중심(F.C)을 기준으로 좌측으로 편심된 제1루버열(410, type a)과 우측으로 편심된 제2루버열(420, type b)이 번갈아 배치되도록 구성될 수 있다.
그리하여 상기와 같이 루버열(400a)들이 교번되도록 형성하면 핀(300)을 절개 및 절곡하여 루버(400)들을 형성할 때, 핀(300)이 일측으로 휘어지는 것을 방지할 수 있어 핀(300)의 제작을 용이하게 할 수 있다. 즉, 핀(300)을 절개 및 절곡할 때 센터 뱅크(500)가 형성되는 부분을 기준으로 좌우 루버(400)의 개수가 달라 절개 및 절곡되는 슬릿의 수가 다르므로 루버(400)를 형성하기 위한 폼롤(form roll)이 핀(300)의 좌우를 누르는 힘이 다르게 되어 핀(300)이 일측으로 휘어질 수 있기 때문이다.
이때, 상기와 같이 센터 뱅크(500)가 폭 방향으로 다르게 편심되는 제1루버열(410)과 제2루버열(420)을 교번되도록 배열하면, 도 8과 같이 튜브(200)들 사이를 지지하는 센터 뱅크(500)의 폭을 넓게 할 수 있어 튜브와 핀을 지지하는 강성이 향상되어 냉각 공기의 유동 압력에 대한 내구성이 향상되는 장점이 있다.
그리하여 각각의 센터 뱅크의 폭을 넓게 하거나 핀의 두께 등을 증가시키지 않고 열교환 성능을 향상시키면서 튜브들 사이를 지지하는 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 센터 뱅크(500)가 핀(300)의 폭 방향 중심을 기준으로 일측으로 편심된 한 쌍의 제1루버열(410)과 타측으로 편심된 한 쌍의 제2루버열(420)들이 상기 핀(300)의 길이 방향을 따라 번갈아 배열되도록 형성될 수 있다.
즉, 도 7(a)와 같이 센터 뱅크(500)가 폭 방향 일측으로 편심된 제1루버열(410)과 타측으로 편심된 제2루버열(420)이 각각 한 쌍으로 교번 배열되도록 형성되는 것이며, 도 7(b)와 같이 센터 뱅크(500)가 핀의 중심(F.C)을 기준으로 좌측으로 편심된 한 쌍의 제1루버열(410, type a)과 우측으로 편심된 한 쌍의 제2루버열(420, type b)이 번갈아 배치되도록 구성될 수 있다.
그리하여 핀(300)을 절개 및 절곡하여 루버(400)들을 형성할 때, 핀(300)이 일측으로 휘어지는 것을 방지할 수 있어 핀(300)의 제작을 용이하게 할 수 있으며, 또한 핀(300)을 절개 및 절곡하여 루버(400)를 형성하기 위한 폼롤(form roll)의 직경에 맞추어 2열씩 루버(400)가 형성되도록 할 수 있다. 즉, 폼롤의 직경을 특정한 크기 이하로 형성하기 어려우므로, 폼롤의 직경에 맞추어 2열씩 교번되는 형태로 루버(400) 및 센터 뱅크(500)가 형성되도록 할 수 있다.
또한, 상기 제1루버열(410)의 센터 뱅크(500)의 중심과 제2루버열(420)의 센터 뱅크(500)의 중심 사이의 거리(LB)는 루버(400) 피치(PL)의 1배 이상 및 3배 이하(PL×1 ≤ LB ≤ PL×3)로 형성될 수 있다.
이는 도 9와 같이 교번 배열되는 제1루버열(410)과 제2루버열(420)의 센터 뱅크(500) 중심의 폭 방향 거리(LB)가 루버(400) 피치(PL)의 1배 이상 및 3배 이하로 형성되는 것이다. 즉, 센터 뱅크(500)들의 중심의 폭 방향 거리(LB)를 최소한 루버(400) 피치(PL)의 1배 이상으로 형성하여 루버(400) 폭 및 피치가 동일하면서 센터 뱅크(500)를 기준으로 양측의 루버(400) 개수가 다르게 형성하기 용이할 수 있다. 그리고 센터 뱅크(500)가 편심되는 양이 많으면 루버(400)를 형성할 때 상기한 바와 같이 핀(300)이 휘어져 변형될 수 있으므로, 편심되는 센터 뱅크(500) 간의 거리를 루버 피치의 3배 이하로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 센터 뱅크(500)의 폭(WB)은 루버(400) 피치(PL)의 배수(WB = PL × 정수)가 되도록 형성될 수 있다.
이는 센터 뱅크(500)의 폭(WB)을 루버(400) 피치(PL)의 배수(WB = PL × 정수)로 형성함으로써, 핀(300)에 루버(400)를 형성하기 위한 폼롤(form roll)의 블레이드를 용이하게 제작할 수 있도록 하기 위함이다. 즉, 루버(400)의 제작을 위한 슬릿의 간격을 일정하게 할 수 있어, 폼롤의 제작이 용이해지는 장점이 있다.
또한, 상기 제1루버열(410)의 센터 뱅크(500)의 폭과 상기 제2루버열(420)의 센터 뱅크(500)의 폭이 상기 핀(300)의 폭 방향으로 오버랩 되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1루버열(410)의 센터 뱅크(500)의 폭과 상기 제2루버열(420)의 센터 뱅크(500)의 폭이 상기 핀(300)의 폭 방향으로 오버랩 되지 않도록 형성될 수 있다.
즉, 제1루버열(410)의 센터 뱅크(500)와 제2루버열(420)의 센터 뱅크(500)가 편심된 거리를 작게하여 핀(300)의 폭 방향으로 센터 뱅크(500)들이 겹치는 영역(센터 뱅크들이 오버랩 되는 폭, WO)이 형성되도록 할 수 있으며, 센터 뱅크(500)들이 편심된 거리를 크게하여 겹치는 영역(WO)이 없도록 형성할 수도 있다.
또한, 상기 튜브(200)는 내측의 폭 방향 중심에 보강 리브(210)가 형성될 수 있으며, 도 8과 같이 센터 뱅크(500)에 의해 튜브(200)들 사이가 지지되고, 튜브(200)의 내측 중심에 형성되는 보강 리브(210)에 의해 튜브(200)가 지지되므로, 냉각 공기의 유동 압력에 의해 센터 뱅크(500)에 작용하는 수직하중을 보강 리브(210)가 지지할 수 있다.
그리하여 핀 및 루버들의 냉각 공기의 유동 압력에 대한 내구성이 향상되는 장점이 있다.
또한, 상기 센터 뱅크(500)를 기준으로 루버(400)의 개수가 적은 쪽의 루버(400)의 각도(α)는 루버(400)의 개수가 많은 쪽의 루버(400)의 각도(β) 보다 크거나 같게{각도(α) ≥ 각도(β)} 형성되며, 상기 각도(α)가 각도(β) 보다 큰 경우에는 아래의 수식을 만족하도록 이루어질 수 있다.
0.9 x Sinα x 루버 개수(적은쪽) ≤ sinβ x 루버 개수(많은쪽) ≤ 1.1 x Sinα x 루버 개수(적은쪽)
즉, 센터 뱅크(500)를 기준으로 루버(400)의 개수가 적은 쪽과 루버(400)의 개수가 많은 쪽의 냉각 공기 유동이 다르므로, 루버(400)의 개수가 적은 쪽의 각도(α)와 루버(400)의 개수가 많은 쪽의 각도(β)를 서로 다르게 형성하여 냉각 공기의 유동을 원활하게 함으로써 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.
그리고 도 10 내지 도 12는 본 발명의 열교환기를 이용하여 냉각 공기의 풍속 2m/s, 4m/s 및 6m/s에서의 AA'방향 단면상의 온도 분포 및 측면에서 바라본 핀의 온도 분포를 나타낸 사진이다.
도시된 바와 같이 핀의 AA' 단면상에서의 온도 분포를 보면 냉각 공기의 유입측인 우측에서 본 발명의 경우 진하게 파란색으로 나타난 부분이 적고, 핀의 온도 분포를 보면 냉각 공기 유입측인 핀의 우측에서 본 발명의 경우 진하게 파란색으로 나타난 부분이 적은 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 냉각 공기의 유입측에서 열교환이 더욱 활발하게 일어나 냉각 효율이 높은 것을 알 수 있다.
도 13은 냉각 공기 풍속 6m/s에서의 열교환매체의 유량에 따른 종래기술과 본 발명의 열교환기 방열성능을 비교한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 종래 기술 대비 본 발명의 열교환기 방열성능(Q, 세로축)이 열교환기 튜브 내측을 유동하는 열교환매체의 유량(Flow rate, 가로축) 전체 영역에 걸쳐 우위에 있는 것으로 나타났다.
그리고 본 발명의 열교환기는 튜브가 압출성형 또는 절곡(folding)하여 용접(welding)을 통해 형성되고 한 쌍의 헤더탱크에 양단이 고정되며 튜브 사이에 접하여 고정되는 핀 및 핀에 돌출 형성되는 루버로 구성되는 형태의 튜브형 열교환기와, 튜브가 한 쌍의 플레이트가 결합되어 형성되며 복수개의 튜브가 적층되어 구성되는 형태의 적층튜브형(판형) 열교환기에 모두 적용될 수 있다.
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.
1000 : (본 발명의) 열교환기
100 : 헤더탱크
110 : 입구파이프 120 : 출구파이프
200 : 튜브 210 : 보강 리브
300 : 핀 310 : 표시부
400 : 루버
400a : 루버열
410 : 제1루버열 420 : 제2루버열
500 : 센터 뱅크 510 : 측면 지지부
WB : 센터 뱅크의 폭 WS : 측면 지지부의 폭
WO : 센터 뱅크들이 오버랩 되는 폭
PL : 루버의 피치
α : 루버의 개수가 적은 쪽의 루버의 각도
β : 루버의 개수가 많은 쪽의 루버의 각도
F.C : 핀 중심선
B.C : 센터 뱅크 중심선
LB : 센터 뱅크 중심선 간의 거리
e : 편심

Claims (12)

  1. 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크(100); 상기 한 쌍의 헤더탱크(100)에 양단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하는 복수개의 튜브(200); 상기 튜브(200) 사이에 접하여 고정되는 복수개의 핀(300); 및 상기 핀(300)에 형성되는 복수개의 루버(400); 를 포함하여 이루어지는 열교환기에 있어서,
    상기 핀(300)에는 루버(400) 사이에 센터 뱅크(500)가 형성되되, 상기 센터 뱅크(500)는 핀(300)의 폭 방향 중심을 기준으로 편심되게 형성되어 상기 센터 뱅크(500)를 기준으로 양측 루버(400)의 개수가 서로 다르게 형성되며, 상기 센터 뱅크(500)를 기준으로 양측의 루버(400)의 방향이 반대로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센터 뱅크(500)를 기준으로, 상기 루버(400)의 주변을 통과하는 공기와 상기 튜브(200)의 내부에 흐르는 열교환매체의 온도차(ΔT)가 큰 일측에 배치된 상기 루버(400)들의 개수가 타측보다 더 많이 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 루버(400)들은 피치(PL)가 동일하게 형성되며, 상기 루버(400)들은 상기 센터 뱅크(500)를 기준으로 양측의 루버(400)의 방향이 반대로 형성되되 상기 핀(300)의 폭 방향에 대하여 기울어진 각도는 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 핀(300)의 폭 방향 양단에는 측면 지지부(510)가 형성되며, 상기 센터 뱅크(500)의 폭(WB)은 상기 측면 지지부(510)들의 폭(WS) 보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 핀(300)은 폭 방향 일측 단부에 표시부(310)가 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 센터 뱅크(500)가 핀(300)의 폭 방향 중심을 기준으로 일측으로 편심된 제1루버열(410)과 타측으로 편심된 제2루버열(420)들이, 상기 핀(300)의 길이 방향을 따라 나란하게 번갈아 배열되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센터 뱅크(500)가 핀(300)의 폭 방향 중심을 기준으로 일측으로 편심된 한 쌍의 제1루버열(410)과 타측으로 편심된 한 쌍의 제2루버열(420)들이, 상기 핀(300)의 길이 방향을 따라 번갈아 배열되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제1루버열(410)의 센터 뱅크(500)의 중심과 제2루버열(420)의 센터 뱅크(500)의 중심 사이의 거리(LB)는 루버(400) 피치(PL)의 1배 이상 및 3배 이하(PL×1 ≤ LB ≤ PL×3)인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 센터 뱅크(500)의 폭(WB)은 루버(400) 피치(PL)의 배수(WB = PL × 정수)인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제1루버열(410)의 센터 뱅크(500)의 폭과 상기 제2루버열(420)의 센터 뱅크(500)의 폭이 상기 핀(300)의 폭 방향으로 오버랩 되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 제1루버열(410)의 센터 뱅크(500)의 폭과 상기 제2루버열(420)의 센터 뱅크(500)의 폭이 상기 핀(300)의 폭 방향으로 오버랩 되지 않는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 센터 뱅크(500)를 기준으로 루버(400)의 개수가 적은 쪽의 루버(400)의 각도(α)는 루버(400)의 개수가 많은 쪽의 루버(400)의 각도(β) 보다 크거나 같게{각도(α) ≥ 각도(β)} 형성되며, 상기 각도(α)가 각도(β) 보다 큰 경우에는 아래의 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
    0.9 x Sinα x 루버 개수(적은쪽) ≤ sinβ x 루버 개수(많은쪽) ≤ 1.1 x Sinα x 루버 개수(적은쪽)
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