KR20140121596A - 루버 핀형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 특히 루버 핀(louver fin)을 구비하는 열교환기에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 교대로 번갈아 위치하도록 배열된 유로 형성부와 루버 핀을 포함하며, 상기 루버 핀은 다수의 루버가 형성되고 기체의 유로를 형성하는 다수의 방열판부와, 상기 다수의 방열판부를 연결하며 상기 방열판부의 일측으로 돌출된 제1 연결부와, 상기 다수의 방열판부를 연결하며 상기 방열판부의 타측으로 돌출된 제2 연결부를 구비하며, 상기 유로 형성부는 상기 제1 연결부 또는 제2 연결부에 접합된 다수의 튜브 부재를 구비하는 루버 핀형 열교환기가 제공된다.

Description

루버 핀형 열교환기 {LOUVER FIN TYPE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 특히 루버 핀(louver fin)을 구비하는 루버 핀형 열교환기에 관한 것이다.

루버 핀은 열교환 효율을 극대화하기 위하여 핀의 상하층간으로 공기를 유동시켜 열교환면적을 크게 하기 위한 것으로서 비늘 형상으로 된 루버를 핀의 방열면에 형성시킨 것이다.

도 1에는 루버 핀을 구비하는 종래의 열교환기의 일예가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 열교환기(10)는 내부에 유체 통로를 제공하고 평행하게 연장되면서 이격된 다수의 납작형 튜브(12)와, 납작형 튜브(12)의 사이에 접합된 루버 핀(11)을 구비한다. 납작형 튜브(12)와 루버 핀(11)에는 브레이징, 용접, 접착과 같은 방식으로 형성된 접합부(13)가 마련된다. 납작형 튜브(12)의 경우 통상적으로 성형이 용이한 알루미늄 재질이 사용된다. 연료 전지, 공기냉각응축기, 담수설비, 방열기 등에서는 그 사용 환경 상 알루미늄 대신 스테인리스 스틸과 같은 금속이 사용되는데, 스테인리스 스틸, 철재관과 같이 성형이 용이하지 않은 소재로 납작형 튜브를 제작하는 것은 비용이 매우 많이 들기 때문에, 높은 열교환 효율에도 불구하고 연료 전지, 공기냉각응축기 등에 루버 핀형 열교환기를 사용하는 것은 매우 제한적이며, 기술적으로 극복해야 할 부분이 많았다.

본 발명의 목적은 다수의 원형 튜브를 이용하는 루버 핀형 열교환기를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 다수의 원형 튜브를 이용하면서 열교환 향상된 열교환 효율을 제공하는 루버 핀형 열교환기를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 재료의 선택 폭을 넓힐 수 있는 루버 핀형 열교환기를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 배수 성능이 우수한 루버 핀형 열교환기를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,

교대로 번갈아 위치하도록 배열된 유로 형성부와 루버 핀을 포함하며, 상기 루버 핀은 다수의 루버가 형성되고 기체의 유로를 형성하는 다수의 방열판부와, 상기 다수의 방열판부를 연결하며 상기 방열판부의 일측으로 돌출된 제1 연결부와, 상기 다수의 방열판부를 연결하며 상기 방열판부의 타측으로 돌출된 제2 연결부를 구비하며, 상기 유로 형성부는 상기 제1 연결부 또는 제2 연결부에 접합된 다수의 튜브 부재를 구비하는 루버 핀형 열교환기가 제공된다.

기체의 흐름방향의 깊이(Pd)에 대한 상기 튜브 부재의 전체 길이(nD₀)의 비가 0.7보다 큰 것이 바람직하다.

상기 다수의 튜브 부재가 상기 루버 핀의 상기 제1 연결부 또는 제2 연결부와 접합되는 부분에는 상기 튜브 부재와 상기 두 연결부 중 적어도 어느 하나에 다른 하나가 안착되는 안착 홈이 형성될 수 있다.

상기 안착 홈은 상기 튜브 부재에 형성되며, 이때 상기 연결부의 곡률반경에 대한 상기 안착 홈의 곡률반경의 비가 3 이내인 것이 바람직하다.

상기 안착 홈은 상기 연결부에 형성되며, 이때 상기 튜브 부재의 곡률반경에 대한 상기 안착 홈의 곡률반경의 비가 3 이내인 것이 바람지하다.

상기 튜브 부재의 외면에는 상기 연결부가 안착되도록 나선형 홈이 형성될 수 있다.

상기 튜브 부재의 재질은 스테인리스 스틸, 스틸, 티타늄일 수 있다. 튜브와 루버 핀의 재료는 서로 다를 수 있다.

상기 튜브 부재는 원형 단면일 수 있다.

본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 루버 핀과 원형 튜브의 접합부가 접합 홈에 의해 면접촉 또는 접촉면적이 증가하도록 구성되므로 접합력이 우수하고 열전달 효율이 향상된다. 또한, 종래의 납작한 형태의 튜브 대신 다수의 원형 튜브가 사용되므로 성형성에 따른 소재의 제약으로부터 더욱 자유로워질 수 있다. 그리고, 다수의 튜브 사이에 형성된 공간을 통해 배수가 용이하게 이루어지므로 위생상태가 개선된다.

도 1은 루버 핀을 구비하는 종래의 열교환기의 일예를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 루버 핀형 열교환기의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 루버 핀에 형성된 루버의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 열교환기의 측면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 열교환기와 도 1에 도시된 종래의 열교환기에서 루버 핀 주위의 유동을 보여주는 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 열교환기에서 핀 깊이에 대한 다수 튜브의 비에 따른 열전달계수의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 도 2에 도시된 튜브와 루버 핀의 접합부의 곡률의 효과의 기하학적 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 2에 도시된 튜브와 루버 핀의 접합부의 곡률에 따른 접합길이를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 루버 핀형 열교환기의 도시한 측면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 루버 핀형 열교환기의 사시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 열교환기의 일부를 정면도로 도시한 도면이다.
도 12는 도 10에 도시된 열교환기의 배수성을 도 1에 도시된 종래의 열교환기와 비교하여 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 루버 핀형 열교환기가 도시되어 있다. 열교환기(100)는 교대로 번갈아 배열된 유로 형성부(120)와, 루버 핀(110)을 포함한다. 도 2에서는 열 교환기(100)가 두 유로 형성부(120)의 사이에 하나의 루버 핀(110)이 개재되어 형성된 도시되어 있으나, 이는 설명을 위하여 단순화 시킨 것으로서, 대부분은 다수의 유로 형성부(120)와 다수의 루버 핀(110)이 교대로 배열된 구조로 이루어진다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 루버 핀(110)은 판 부재가 파형을 갖도록 순차적으로 절곡된 형태로서, 평행하게 배열되어서 이웃한 것과 서로 마주보게 되는 다수의 방열판부(111)와, 인접한 두 방열판부(111)를 연결하며 다수의 방열판부(111)에 대해 일측 바깥쪽으로 돌출된 다수의 제1 연결부(112)와, 타측 바깥쪽으로 돌출된 다수의 제2 연결부(113)를 구비한다. 그에 따라, 제1 연결부(112)와, 방열판부(111)와, 제2 연결부(113)가 순서대로 교대로 이어지게 된다. 이웃한 두 방열판부(111)의 사이에 형성된 공간으로 기체가 흐르게 된다. 각 방열판부(111)에는 기체 흐름 방향을 따라서 일측에 마련된 다수의 제1 루버(114)와 타측에 마련된 다수의 제2 루버(115)가 형성되어 있다. 제1 루버(114)와 제2 루버의 형성 방향은 서로 반대이다.

유로 형성부(120)는 다수의 튜브 부재(121)를 구비한다. 다수의 튜브 부재(121)는 일 평면 상에서 서로 평행하게 연장되어서 병렬로 배치된다. 튜브 부재(121)는 대체로 원형 단면을 갖는 원형 튜브로서, 외면에는 루버 핀(110)의 다수의 제1 연결부(112)에 대응하여 형성된 다수의 제1 접합 홈(122)와, 다수의 제2 연결부(113)에 대응하여 형성된 제2 접합 홈(123)이 마련된다. 제1 접합 홈(122)에는 루버 핀(110)의 돌출된 제1 연결부(112)의 끝단부가 수용되어 면접촉하면서 용접과 같은 방법으로 접합된다. 제2 접합 홈(123)에는 루버 핀(110)의 돌출된 제2 연결부(113)의 끝단부가 수용되어 면접촉하면서 용접과 같은 방법으로 접합된다. 각 접합 홈(122, 123)에 의해 튜브 부재(121)가 루버 핀(110)과 면접촉하면서 접합되므로, 접촉열저항이 감소하여 열전달 효율이 크게 향상된다. 각 접합 홈(122, 123)은 튜브 부재(121)의 내부에서는 안으로 돌출된 형태를 갖게 된다. 본 실시예에서는 튜브 부재(121)로서, 납작한 형태의 튜브로 제작하기 어려운 스테인리스 스틸이나 기타 다른 특수 금속이 사용되는 것으로 설명한다. 따라서, 스테인레스 스틸, 아연 도금과, 티타늄과 같이 성형이 쉽지 않은 소재를 루버 핀(110)에 적용하는 것이 가능하게 된다. 튜브 부재(121)의 내부 통로를 통해 유체가 흐른다. 튜브 부재(121)를 통해 흐르는 유체의 흐름 방향은 루버 핀(110)을 통해 흐르는 기체의 흐름 방향과 직각을 이룬다. 튜브 부재(121)를 통해 흐르는 유체와 루버 핀(110)을 통해 흐르는 기체 사이에 열교환이 이루어지게 된다. 이때, 튜브 부재(121)를 통해 흐르는 유체에는 접합 홈(122, 123)에 의한 난류가 형성되어서 열전달 효율이 향상된다.

도 5에는 도 2에 도시된 열교환기(100)에서 공기 흐름의 유동장에 대한 수치계산 결과가 도 1에 도시된 종래의 열교환기(10)와 비교하여 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 도 1에 도시된 바와 같이 납작한 형태의 튜브(12)를 사용하는 열교환기(10)에서는, 입구에서 유입되는 공기는 납작형 튜브(12)를 따라 평행하게 흐르는 단조로운 유동(61)을 형성한다. 하지만, 도 2에 도시된 다수의 튜브 부재(121)를 사용하는 열교환기(100)에서는, 튜브 부재(121) 사이에 와류(62)를 형성하여 공기 흐름에 혼합 및 교반 작용을 통하여 열전달을 촉진하게 된다.

도 6은 도 1에 도시된 납작한 형태의 튜브(12)를 도 2에 도시된 다수의 튜브 부재(121)를 교체하는 경우에 가능한 열전달 향상에 대한 결과를 보여준다. 도 6에서 가로축은 기체의 흐름방향의 깊이(Pd)에 대한 n개의 튜브의 전체 길이(nD₀)의 비를 나타내며, 세로축은 납작한 형태의 튜브를 사용하는 경우의 공기측 열전달계수(h₀)에 대한 다수의 튜브 부재(121)를 사용하는 경우의 열전달계수(h)의 비를 나타낸다. 즉, 가로축은 튜브 부재(121)의 촘촘한 정도를 나타내며, 세로축은 열전달 정도를 나타낸다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 촘촘하게 n개의 튜브 부재(121)를 사용하는 경우(nD₀/Pd>0.7)에 단순하게 납작한 형태의 튜브를 사용하는 경우보다 열전달이 촉진되는 것을 알 수 있다. 듬성듬성하게 튜브 부재(121)를 사용하는 경우(nD₀/Pd>0.5)에는 튜브 부재(121)에서 루버 핀(110)으로 열전달 통로가 축소되어서 핀효율이 감소된다. 따라서 튜브 부재(121)의 수는 nD₀/Pd>0.7가 되도록 사용되는 것이 바람직하다.

도 7은 튜브 부재(121)와 루버 핀(110)의 접합부의 기하학적 형상을 도시한 도면이다. r₁은 튜브 부재(121)에 형성된 제1 접합 홈(122, 123)의 곡률 반경이며, r₂는 루버 핀(110)의 제1 연결부(112)와 제2 연결부(113)의 곡률 반경이다. 용접재는 튜브 부재(121)에 형성된 접합 홈(122, 123)과, 루버 핀(110)의 연결부(112, 113)이 만나는 면의 홈으로 모세관 현상에 의하여 스며든다. 스며드는 최소 간극 h_min은 모재와 용접재 및 용가재에 따른다. 도 8은 통상의 접합에서 최소 간극(h_m 0.1mm)에 대한 접합률에 대한 그래프이다. 도 8에서 접합률은 접합부의 곡률의 비(r₂/r₁)와 튜브의 직경의 함수이며, 곡률이 증가함에 따라 접합률은 급격히 감소한다. 따라서 곡률의 비(r₂/r₁)는 3 이하인 것이 바람직하다. 도 8에서 D₀는 튜브의 외경을 의미한다.

도 9에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기가 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 열교환기(200)는 루버 핀(110)과, 루버 핀(110)에 접합된 다수의 튜브 부재(221)를 구비한다. 루버 핀(110)은 도 2에 도시된 실시예에서의 루버 핀(110)과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 튜브 부재(221)는 그 길이방향을 따라 연장되는 나선형 홈(222)을 구비한다. 나선형 홈(222)에 루버 핀(110)의 제1 접합 홈(112)과 제2 접합 홈(113)이 각각 면접촉하며 접합된다. 이러한 나선형 홈(222)이 형성된 튜브 부재(221)를 사용함으로써 다양한 크기의 루버 핀(110)에 대해 용이하게 적용되어 결합될 수 있으며, 튜브 부재(221)의 내부에는 연속된 돌출부가 형성되어서 난류 형성에 따른 열전달 효율 향상을 기대할 수 있게 된다.

도 10에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 루버 핀형 열교환기가 도시되어 있다. 도 10을 참조하면, 열교환기(300)는 루버 핀(310)과, 다수의 튜브 부재(321)를 구비하는 유로 형성부(320)를 포함한다. 루버 핀(310)은 도 2에 도시된 루버 핀(110)과 대체로 유사한 형태를 갖는데, 다수의 방열판부(311)와, 제1 연결부(312)와, 제2 연결부(313)를 구비한다. 제1 연결부(312)에는 튜브 부재(321)의 측면이 안착되도록 형성된 제1 접합 홈(도면 부호 미부여)이 마련되고 제2 연결부(313)에는 튜브 부재(321)의 측면이 안착되도록 형성된 제2 접합 홈(도 12의 314)이 마련된다. 그 외의 구성은 도 2에 도시된 실시예의 열교환기와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 12는 도 10에 도시된 열교환기(300)의 배수 능력을 도 1에 도시된 열교환기(10)와 비교한 것이다. 도12에서 □는 도 1의 열교환기의 배수 능력을 나타낸 것이며, △는 도 10에 도시된 열교환기(300)의 배수 능력을 나타낸 것이다. 도 12로부터 알 수 있는 바와 같이, 다수 튜브 부재(321) 사이의 공간으로 물이 배수되어서 도 10에 도시된 열교환기(300)의 배수성이 훨씬 우수하다. 그에 따라, 응축된 잔류수가 감소되어서 열교환기의 기체 측에서 위생상태가 개선되고, 냄새 발생이 감소하여 쾌적성이 향상된다.

상기 실시예들에서는 다수의 튜브 부재와 루버 핀의 면접촉을 위하여 형성되는 접합 홈이 튜브 부재와 루버 핀 중 어느 하나에만 구비되는 것으로 설명하였으나, 이와는 달리 튜브 부재와 루버 핀 모두에 구비될 수도 있으며 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

이상 실시예들을 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예들은 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

100 : 열교환기 110 : 루버 핀
111 : 방열판부 112 : 제1 연결부
113 : 제2 연결부 120 : 유로 형성부
121 : 튜브 부재 122 : 제1 접합 홈
123 : 제2 접합 홈

Claims (8)

1. 교대로 번갈아 위치하도록 배열된 유로 형성부와 루버 핀을 포함하며,
   상기 루버 핀은 다수의 루버가 형성되고 기체의 유로를 형성하는 다수의 방열판부와, 상기 다수의 방열판부를 연결하며 상기 방열판부의 일측으로 돌출된 제1 연결부와, 상기 다수의 방열판부를 연결하며 상기 방열판부의 타측으로 돌출된 제2 연결부를 구비하며,
   상기 유로 형성부는 상기 제1 연결부 또는 제2 연결부에 접합된 다수의 튜브 부재를 구비하는 루버 핀형 열교환기.
2. 청구항 1에 있어서,
   기체의 흐름방향의 깊이(Pd)에 대한 상기 튜브 부재의 전체 길이(nD₀)의 비가 0.7보다 큰 것을 특징으로 하는 루버 핀형 열교환기.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 다수의 튜브 부재가 상기 루버 핀의 상기 제1 연결부 또는 제2 연결부와 접합되는 부분에는 상기 튜브 부재와 상기 두 연결부 중 적어도 어느 하나에 다른 하나가 안착되는 안착 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 루버 핀형 열교환기.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 안착 홈은 상기 튜브 부재에 형성되며, 상기 연결부의 곡률반경에 대한 상기 안착 홈의 곡률반경의 비가 3 이내인 것을 특징으로 하는 루버 핀형 열교환기.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 안착 홈은 상기 연결부에 형성되며, 상기 튜브 부재의 곡률반경에 대한 상기 안착 홈의 곡률반경의 비가 3 이내인 것을 특징으로 하는 루버 핀형 열교환기.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 튜브 부재의 외면에는 상기 연결부가 안착되도록 나선형 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 루버 핀형 열교환기.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 튜브 부재의 재질은 스테인리스 스틸, 아연 도금관 또는 티타늄인 것을 특징으로 하는 루버 핀형 열교환기.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 튜브 부재는 원형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 루버 핀형 열교환기.

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