KR20140103522A - 핀-튜브 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핀을 통과하는 유동 공기의 압력강하를 최소화하는 핀-튜브 열교환기를 개시하기 위해 열의 전도효율에 따라 코루게이트 형으로 배치되는 핀의 루버 성형을 선택적으로 한다. 따라서, 평면상의 플레인핀(112)을 작동유체 흐름의 입구부(102)에서는 공기 흐름의 하류부(108)에 형성하고, 작동유체 흐름의 출구부(104)에서는 공기 흐름의 상류부(106)에 형성함으로써, 유동공기에 압력강하가 이루어지는 것을 최소화한다.

Description

핀-튜브 열교환기{Fin-tube Heat Exchanger}

본 발명은 핀-튜브 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 핀에 루버 성형을 선택적으로 하여 핀을 통과하는 유동 공기의 압력강하를 최소화하도록 구성하는 핀-튜브 열교환기에 관한 것이다.

차량 내 열교환기는 온도가 높은 유체로부터 온도가 낮은 유체에 열을 전달하고, 그로 인한 유체의 가열 또는 냉각을 목적으로 한다. 예를 들어, 열교환기 중 라디에이터는 엔진에 의해 열을 흡수한 고온의 냉각수가 열교환기의 튜브를 통과하면서 외부에서 유입된 저온의 공기와 서로 열교환하도록 하여, 상승한 온도의 공기를 실내로 공급하는 역할을 한다.

상기와 같은 열의 전달은 전도현상과 대류현상에 의해 일어난다. 전도에 의한 전열은 균일하지 않은 온도를 지닌 복수의 물체가 접촉하였을 때 열이 전달되는 현상이고, 물체의 온도 차이에 비례하여 나타난다. 그리고 대류에 의한 전열현상은 기체 또는 액체의 유체를 통해 일어나며 상기 유체가 전열면에 지속적으로 접촉하여 열교환을 행한다. 따라서 유체의 운동이 활발할수록 전열량이 많아지기 때문에, 유체의 유로에 와류를 형성함으로써 전열의 효율을 높일 수 있다.

열교환기는 구조에 따라 다양한 종류를 나뉘는데, 본 발명은 그 중 핀-튜브 (Fin-tube) 열교환기에 관한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 핀-튜브 열교환기는 한 쌍의 탱크(20)와 한 쌍의 헤더(30)가 결합 설치되어 헤더탱크(10)를 이루고, 한 쌍의 헤더탱크(10) 사이를 가로질러 배열되는 다층의 튜브(40), 그리고 상기 다층의 튜브(40) 사이에 설치된 복수의 핀(50)을 포함하여 이루어져 있다.

핀-튜브 열교환기의 전열 과정은 다음과 같다. 작동유체(working fluid)가 한 쪽의 탱크(20)와 헤더(30)의 내부로 유입되고, 다단의 튜브(40)를 통과한다. 상기 작동유체로부터 열을 전달받은 다단의 튜브(40)는 튜브(40) 사이에 설치된 핀(50)으로 열을 전도한다. 이때, 외부에서 유입된 공기가 복수의 핀(50)을 지나가면서 대류현상에 의한 열의 전도가 상기 핀(50)과 유입공기 사이에 이루어지게 되는 것이다.

도 2에는 핀(50)의 사시도가 도시되어 있다. 상기 핀(50)은 상기 복수의 튜브(40)의 사이에 코루게이트(Corrugate)형으로 배치된 상태에서 양쪽의 튜브(40)에 브레이징 접합 된다. 코루게이트형 핀(50)은 사각형 평판을 주름지게 형성하여 접은 구조로, 차지하는 공간 대비 표면적의 비를 최대화하여 방열면적을 확장시킨다. 주름 형성시 생성된 만곡부(52)는 핀(50)의 상하에 위치한 튜브와 직접적인 접합을 하는 부분으로, 튜브와의 열 전도가 이루어지는 곳이다.

그리고 상기 핀(50)에는 외측으로 절곡된 복수의 루버(Louver)(54) 또는 슬릿(Slit)이 일렬로 성형 되어있다. 이하, 루버(54) 또는 슬릿을 루버(54)라고 통칭한다. 유동공기가 루버(54) 사이를 통과하며 이동시 와류가 형성되어, 유동공기와 핀(50) 사이에 대류에 의한 열 전도현상이 활발하게 일어날 수 있다. 통상 상기 루버(54)는 상기 핀(50)의 중앙부를 향해 좌우대칭된 경사를 이루어 공기의 체류 시간을 증대하도록 형성된다.

다음은 작동유체가 튜브 내를 이동함에 따른 열전도효율의 변화에 대하여 설명한다.

열전도효율이 가장 높은, 즉 작동유체와 유동공기와의 온도 차이가 가장 큰 영역은 작동유체가 유입되는 튜브의 유입구 부분과 유동공기의 상류층이 만나는 영역이다. 상기 작동유체가 상기 튜브 내에서 이동할수록, 작동유체의 온도는 열교환에 의해 유동공기의 온도와 비슷해진다. 그리고 작동유체가 튜브에서 배출되기 전 마지막 지점에 이르러서는 열교환 현상이 극히 미미해지는 온도의 평형을 이루게 된다.

또한, 유동공기가 핀의 상류측에서 하류측으로 이동할 때도 동일하게 열교환에 의한 온도의 변화가 발생한다. 따라서, 핀의 상류측을 거쳐 하류로 흐른 유동공기의 온도는 작동유체의 온도와 비슷하거나 평형을 이루므로 핀의 하류에서는 열교환 효율이 감소한다.

그러나 상기와 같은 종래의 구조에 있어서는, 튜브를 통과하는 작동유체 및 루버를 통과하는 유동공기의 온도 차이에 대한 고려 없이, 핀의 전 영역에 루버가 성형된다. 루버는 공기에 난류를 형성하여 공기와 핀의 열교환을 증대시키는 장점을 지닌반면, 압력강하를 유발하여 유동공기의 흐름에 대한 통기 저항의 원인이 되는 단점을 가진다. 따라서, 열교환이 일어나지 않거나 미미한 부분에 루버를 형성하는 것은 불필요한 압력강하를 유발하여 전체 열교환 과정의 효율성을 저해한다는 단점이 제기된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열교환기 핀의 루버 성형을 선택적으로 하여 유동공기의 압력강하를 최소화하도록 구성되는 핀-튜브 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 작동유체가 통과하고 다단으로 배치되는 복수 개의 튜브와, 작동유체와의 열교환을 위하여 상기 튜브 사이에 코루게이트 형으로 배치되는 복수 개의 핀을 포함하는 열교환기에 있어서, 상기 핀은 평면상의 플레인핀을 포함하여 구성되고, 상기 플레인핀은 작동유체 흐름의 입구부에서는 공기 흐름의 하류부에 형성되고, 작동유체 흐름의 출구부에서는 공기 흐름의 상류부에 형성되는 것을 기본적인 기술적 특징으로 하고 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 핀은 루버 또는 슬릿이 성형된 루버핀 부분을 포함하여 구성되고, 상기 루버핀이 상기 플레인핀이 형성된 영역과 공기 흐름 방향에 대하여 대칭된 영역에 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 플레인핀이 형성된 영역과 공기 흐름 방향에 대하여 대칭된 영역은 상기 입구부와 출구부 사이에 형성된 중간영역에 비하여 루버 또는 슬릿의 밀도를 높게 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 또 다른 방법으로서, 작동유체가 통과하고 다단으로 배치되는 복수 개의 튜브와, 작동유체와의 열교환을 위하여 상기 튜브 사이에 코루게이트 형으로 배치되는 복수 개의 핀을 포함하는 열교환기에 있어서, 작동유체 흐름의 입구부에서는 공기 흐름의 하류부가 상류부에 비하여 루버 또는 슬릿의 밀도를 낮게 형성하고, 작동유체 흐름의 출구부에서는 공기 흐름 방향의 상류부가 하류부에 비하여 루버 또는 슬릿의 밀도를 낮게 형성하는 것을 기본적인 기술적 특징으로 한다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 핀-튜브 열교환기는 열교환효율에 따라 루버핀과 플레인핀을 선택적으로 배치함으로써 불필요한 루버성형으로 인한 압력강하를 감소할 수 있는 장점이 기대된다.

도 1은 종래의 핀-튜브 타입의 열교환기를 도시한 사시도.
도 2은 종래의 핀을 도시한 사시도.
도 3는 본 발명에 의한 핀-튜브 타입의 열교환기의 핀의 제 1 실시예를 도시한 평면도.
도 4는 본 발명에 의한 핀-튜브 타입의 열교환기의 핀의 제 2 실시예를 도시한 평면도.

다음에는 도면에 도시된 실시예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.

도 3에는 본 발명에 의한 핀-튜브 타입 열교환기의 핀(100)의 제 1 실시예가 도시되어 있다. 도면에 도시된 바에 의하면, 작동유체의 흐름 방향에 대하여 튜브(미도시)의 유입구로부터 일정영역까지 접촉된 핀의 구획을 핀의 입구부(102), 그리고 작동유체의 흐름 방향에 대하여 튜브의 일정영역으로부터 배출구까지 접촉되어 있는 핀의 구획을 핀의 출구부(103)라고 한다. 일례로 상기 입구부(102)와 출구부(103)의 일정영역은 상기 작동유체의 유입구 또는 배출구로부터 핀의 중앙 또는 그 이하가 될 수 있다. 그리고 상기 입구부(102)와 출구부(103) 사이에 형성된 핀의 구획을 중간영역(104)이라고 한다.

또한, 유동공기의 흐름 방향에 대하여 유동공기의 유입부로부터 핀의 일정영역을 핀의 상류부(106), 그리고 유동공기의 흐름 방향에 대하여 핀의 일정영역으로부터 유동공기의 배출부 사이의 일정 구획을 핀의 하류부(108)라고 한다. 일례로 상기 상류부(106)와 하류부(108)의 일정영역은 상기 유동공기의 유입부 또는 배출부로부터 핀의 중앙 또는 그 이하가 될 수 있다.

그리고 루버핀(110)은 루버 성형을 한 핀이고 플레인핀(112)은 루버의 성형을 하지 않은 평면상의 핀이다. 상기 플레인핀(112) 설치시 루버의 부재로 인해 유동 공기 내 압력강하를 감소할 수 있는 것이 장점이나, 유동공기가 체류하는 시간이 상대적으로 적어지기 때문에 대류에 의한 열전도현상이 약해진다는 단점이 있다.

다음은 상기 루버핀(110)과 플레인핀(112)을 형성하기 위한, 바람직한 구성을 설명한다. 작동유체가 고온이고 유동공기가 저온일 경우, 유입되는 작동유체의 온도는 핀의 입구부(102)에서 가장 높다. 이후 작동유체가 튜브의 배출구가 위치한 출구부(103) 쪽으로 흘러 갈수록 작동유체의 열은 상기 튜브와 핀을 거쳐 저온의 유동공기에 전달된다. 즉, 작동유체의 온도는 흐름 방향에 따라 계속 감소하게 된다. 따라서, 핀 출구부(103)의 일정 구간에서는 작동유체의 온도와 유동공기의 온도의 차이가 미미하거나 평형을 이루게 되므로 열전달 효율이 극히 낮아지거나 사라진다. 이에, 상기 핀 출구부(103)의 일정 부분에 대하여는 루버의 성형을 하지 않는 플레인핀(112)으로 형성을 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기와 동일하게 작동유체가 고온이고 유동공기가 저온일 경우, 유동공기는 상기 핀의 상류부(106)에서 하류부(108)으로 이동하면서 점차 열을 전달받아 고온의 상태가 된다. 특히 상류부(106)가 고온일수록 열교환을 한 유동공기가 온도가 급상승한 상태로 하류부(108)에 도달한다. 따라서 핀의 입구부(102)의 상류부(106)을 통과한 유동공기는 급격히 고온이 되어, 입구부(102)의 하류부(108)에 도달한 유동공기의 온도와 작동유체의 온도는 그 차이가 미미하거나 평형을 이루게 된다. 즉, 핀 입구부(102)의 하류부(108) 구간에서는 열전달 효율이 극히 낮아지거나 사라진다. 결과적으로 상기 입구부(102)의 하류부(108)에 대하여는 루버의 성형을 하지 않는 플레인핀(112)으로 구성하는 것이 유동공기의 압력강하 방지 차원에서 더욱 바람직할 것이다.

결론적으로, 도 3에서 도시된 바와 같이 상기 핀(100)에 루버를 선택적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따르면, 상기 플레인핀(112)의 위치는 핀의 입구부(102)의 하류부(108) 그리고 출구부(103)의 상류부(106)에 배치되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 구성은 열교환을 하는 유동공기와 작동유체의 온도차가 상대적으로 가장 작은 곳을 선택하여 루버의 성형을 하지 않는 것으로, 공기 유동시 발생하는 압력강하를 최소화하는 것에 목적을 둔다.

도 4에서는 본 발명에 의한 핀-튜브 타입의 열교환기의 핀의 제 2 실시예의 평면도가 도시되어 있다. 도 4에 따르면, 상기 플레인핀(112)이 형성된 영역과 공기 흐름 방향에 대하여 대칭된 영역, 즉 핀의 입구부(102)의 상류부(106)와 출구부(103)의 하류부(108)에 루버핀(110)이 형성되어 있다. 그리고 상기 루버핀(110)이 형성된 영역은 입구부(102)와 출구부(103) 사이에 형성된 중간영역(104)에 비하여 루버의 밀도가 높게 형성된다. 이는 단위면적당 형성된 루버의 개수가 상대적으로 많다는 것을 의미하며, 이에 유동공기의 체류 시간과 와류 형성이 증대되어 중간영역(104)보다 높은 열교환이 발생할 것으로 기대된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면, 루버 성형을 하지 않는 플레인핀(112)이 핀(100)의 일정영역에 배치되어 있다. 그러나 본 발명은 상기 플레인핀(112)을 형성하는 영역에, 기존의 루버핀보다 루버의 밀도가 감소된 루버핀을 설치하는 구조도 포함한다. 단위면적당 형성된 루버의 개수가 본래 루버핀(110)의 루버 개수보다 적은 핀을 설치하면, 유동공기의 압력강하가 감소 되는 효과가 있다. 동시에, 일정 수의 루버가 형성되어 있으므로 플레인핀(112)을 형성할 때보다 유동공기의 체류 시간과 와류 형성이 증대되어 열교환 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 핀-튜브 열교환기는 열교환기 핀의 루버 성형을 선택적으로 하여 유동 공기의 압력강하를 최소화하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 다른 여러 가지 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 보호범위는 첨부한 특허청구의 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

100 ..... 핀
102 ..... 입구부
104 ..... 출구부
105 ..... 중간영역
106 ..... 상류부
108 ..... 하류부
110 ..... 루버핀
112 ..... 플레인핀

Claims (4)

1. 작동유체가 통과하고 다단으로 배치되는 복수 개의 튜브와, 작동유체와의 열교환을 위하여 상기 튜브 사이에 코루게이트 형으로 배치되는 복수 개의 핀(100)을 포함하는 열교환기에 있어서;
   상기 핀(100)은 평면상의 플레인핀(112)을 포함하여 구성되고;
   상기 플레인핀(112)은 작동유체 흐름의 입구부(102)에서는 공기 흐름의 하류부(108)에 형성되고, 작동유체 흐름의 출구부(104)에서는 공기 흐름의 상류부(106)에 형성되는 것을 특징으로 하는 핀-튜브 열교환기.　
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 핀(100)은 루버 또는 슬릿이 성형된 루버핀(110) 부분을 포함하여 구성되고;
   상기 루버핀(110)이 상기 플레인핀(112)이 형성된 영역과 공기 흐름 방향에 대하여 대칭된 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 핀-튜브 열교환기.　
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 플레인핀(112)이 형성된 영역과 공기 흐름 방향에 대하여 대칭된 영역은 상기 입구부(102)와 출구부(103) 사이에 형성된 중간영역(104)에 비하여 루버 또는 슬릿의 밀도를 높게 형성하는 것을 특징으로 하는 핀-튜브 열교환기.
4. 작동유체가 통과하고 다단으로 배치되는 복수 개의 튜브와, 작동유체와의 열교환을 위하여 상기 튜브 사이에 코루게이트 형으로 배치되는 복수 개의 핀(100)을 포함하는 열교환기에 있어서;
   작동유체 흐름의 입구부(102)에서는 공기 흐름의 하류부(108)가 상류부(106)에 비하여 루버 또는 슬릿의 밀도를 낮게 형성하고, 작동유체 흐름의 출구부(103)에서는 공기 흐름 방향의 상류부(106)가 하류부(108)에 비하여 루버 또는 슬릿의 밀도를 낮게 형성하는 것을 특징으로 하는 핀-튜브 열교환기.

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