KR20150001456A - 딤플이 형성된 핀 및 이를 포함하는 열교환기 - Google Patents

Abstract

딤플이 형성된 핀 및 이를 포함하는 열교환기가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 핀은, 열교환기 내부 또는 외부에 장착되어, 열교환기를 통해 유동하는 유체의 열교환 역할을 수행하는 핀(fin)으로서, 유체의 흐름 방향(30)과 직각 방향으로 형성된 둘 이상의 주름(200)을 포함하는 본체부(100); 및 상기 주름의 측면에 돌출 또는 함몰되어 형성된 둘 이상의 딤플(300);을 포함하되, 열교환기를 통해 유동하는 유체가 상기 딤플(300)에 의해 와류를 형성한다.

Description

딤플이 형성된 핀 및 이를 포함하는 열교환기 {Fin with Dimple and Heat Exchanger Having The Same}

본 발명은 딤플(dimple)이 형성된 핀(fin) 및 이를 포함하는 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 열교환기용 핀에 있어서, 유체의 유속 저하로 인해 발생하는 오염 물질 발생에 의한 열교환 효율 저하를 방지하고 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 특정구조의 딤플을 구비한 열교환기용 핀 및 이를 포함하는 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로, 디젤엔진은 연료의 경제성 및 효율이 가솔린엔진에 비하여 우수하기 때문에 버스, 트럭 등 상용차량과 산업계 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다. 또한, 가까운 미래에 대체연료 자동차 및 전기 자동차가 상용 디젤엔진 차량을 대체할 만한 동력 성능을 가지기 어렵기 때문에, 디젤엔진에 대한 수요는 줄어들지 않을 것으로 기대되고 있다.

현재의 상용 디젤엔진에는 고압분사시스템 채택 및 다단계 분사법이 적용되어, 종래의 기계식 연료분사 시스템에 비해 매연 및 질소산화물의 배출 농도를 현저히 줄이고 있다.

일반적으로, 엔진에서 배출되는 배기 가스 중에는 CO, HC, 및 NOx(질소화합물)등과 같은 유해 성분이 다량 포함되어 있다. 구체적으로, NOx는 산성비, 지구온난화, 인간의 호흡 곤란의 원인 제공 물질로서, 그 양의 저감이 강력히 요구되고 있다. 또한, 엔진 내부의 연소 온도가 높아지면, NOx의 양도 증가하는 특성이 있어, NOx양을 줄이 기 위해 엔진의 연소 온도를 저감시키는 다양한 방법이 개발되어 적용되고 있다.

일반적으로, 오염물질인 NOx의 양을 줄이기 위해 배기 가스 재순환(EGR, Exhaust Gas Recirculation) 시스템을 이용하는 방법이 널리 사용되고 있다. 구체적으로, EGR 시스템은, 연소 후 배출되는 배기 가스의 일부를 흡입 혼합기에 포함시켜 연소실로 유입시킴으로써, 혼합기의 자체 공연 비는 변화시키지 않으면서 혼합기의 밀도를 저하시켜 연소 온도를 저하시키는 역할을 수행한다. 즉, 배기 가스의 일부를 EGR 밸브를 통하여 흡입구에 제공하여 혼합기와 함께 연소 실로 유입시키면, 체적이 변하지 않는 불활성 가스인 배기 가스가 상대적으로 혼합기의 밀도를 저하시켜 화염 전파 속도를 저하시켜 주고, 이는 연소 속도 저하와 더불어 연소 온도 상승을 방지해 NOx의 발생을 억제하게 되는 것이다.

즉, EGR 시스템은 엔진의 운전 상태에 따라 NOx의 양을 저감시킬 필요가 있을 때 활용되는 시스템이다.

이와 더불어, EGR 시스템에는 배기 가스의 온도를 더욱 저하시키도록 EGR 쿨러(coolant)를 추가로 장착한다. 구체적으로, EGR 쿨러는, 배기 가스가 지나는 경로를 감싸 냉각수(Coolant)가 순환하는 구조로 구성되어 있다.

배기가스를 재순환하는 과정에서 뜨거운 배기가스를 냉각시켜야 하므로, 열교환기가 필요하게 되며, 이러한 열교환기 역할을 수행하는 것이 EGR 쿨러이다. EGR 쿨러는, 배기가스의 열을 냉각시켜야 하므로 냉각용량 증대가 필요하다. 종래에는 EGR 쿨러의 냉각용량을 증대시키기 위해 냉각 핀(fin)에 주름 형상을 형성하였다.

도 1 및 도 2에는 종래 기술에 따른 열교환기용 핀의 사시도가 도시되어 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 열교환기용 핀(10, 20)은 금속 소재의 판상형 본체(11)에 다수의 주름(12)을 형성한 구조이다.

다수의 주름(12) 주변을 지나는 유체는, 열교환기용 핀(10)에 형성된 다수의 주름(12)에 의해 열교환이 발생한다. 이러한 열교환 효율을 향상시키기 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 판상형 본체(11)에 웨이브(wave) 형상을 형성하기도 한다.

그러나, 도 1 및 도 2에 도시된 열교환기용 핀(10, 20)은, 다수의 주름(12) 주변을 지나면서 유속이 감소되어 열교환기용 핀(10, 20)에 오염 물질이 부착되거나 퇴적되는 문제점을 가지고 있다. 결과적으로, 오염 물질의 부착 또는 퇴적에 의해 열교환기용 핀(10, 20)의 열교환 효율이 저감되는 문제가 발생한다.

따라서, 열교환기용 핀을 통과하는 유체의 유속 저하로 인해 발생하는 오염 물질 방생에 의한 열교환 효율 저하를 방지하고 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 기술에 대한 필요성이 높은 실정이다.

공개특허공보 제10-2013-0059784호 (2013년 06월 07일 공개)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 유체의 유속 저하로 인해 발생하는 오염 물질 발생에 의한 열교환 효율 저하를 방지하고 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 구조의 열교환기용 핀 및 이를 포함하는 열교환기를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 열교환기용 핀은,

열교환기 내부 또는 외부에 장착되어, 열교환기를 통해 유동하는 유체의 열교환 역할을 수행하는 핀(fin)으로서,

유체의 흐름 방향과 직각 방향으로 형성된 둘 이상의 주름을 포함하는 본체부; 및

상기 주름부의 측면에 돌출 또는 함몰되어 형성된 둘 이상의 딤플;

을 포함하되,

열교환기를 통해 유동하는 유체가 상기 딤플에 의해 와류를 형성할 수 있다.

이 경우, 상기 본체부는, 스테인리스 소재 또는 구리 합금 소재로 구성될 수 있다.

또한, 상기 본체부는 유체의 흐름 방향을 따라 웨이브(wave) 형상을 띠는 구조일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 딤플의 평면 형상은, 삼각형 형상이고,

상기 딤플의 측면 형상은, 유체의 흐름 방향을 따라 기울기가 높아지는 형상일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 딤플의 평면 형상은, 사각형 형상이고,

상기 딤플의 측면 형상은, 유체의 흐름 방향을 따라 기울기가 동일한 형상일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 딤플은 주름부의 측면으로부터 돌출 또는 만입된 형상이고,

돌출된 형상의 딤플과 만입된 형상의 딤플이 서로 교번 배열되어 있는 구조일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 딤플은 주름부의 측면에 하나의 열로 정렬되어 있는 구조일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 딤플은 주름부의 측면에 둘 이상의 열로 정렬되고,

상기 열을 형성하는 딤플들은 서로 교차하는 형태로 배열되어 있는 구조일 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 딤플은, 유체의 흐름 방향과 0 내지 45 도의 각도를 이루며 주름부의 측면에 형성될 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 열교환기용 핀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기를 제공할 수 있으며, 상기 열교환기는 자동차용 EGR 쿨러(exhaust gas recirculation cooler)일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기용 핀은, 특정 구조의 딤플을 구비함으로써, 유체의 유속 저하로 인해 발생하는 오염 물질 발생에 의한 열교환 효율 저하를 방지하고, 결과적으로 열교환기의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 열교환기용 핀의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 열교환기용 핀의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 딤플(dimple)의 측단면도 및 평면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 딤플(dimple)의 측단면도 및 평면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기용 핀의 사시도이다.
도 7은 도 6의 A-A선 절단면도이다.
도 8은 도 6의 B-B선 절단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기용 핀의 사시도이다.
도 10은 도 9의 C-C선 절단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기용 핀의 사시도이다.
도 12는 도 11의 측면 모식도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하지만 본 발명의 범주가 그것에 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명을 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 3에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 열교환기용 핀의 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 딤플의 측단면도 및 평면도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환기용 핀(400)은, 유체의 흐름 방향(30)과 직각 방향으로 형성된 둘 이상의 주름(200)을 포함하는 본체부(100)로 구성될 수 있다. 또한, 둘 이상의 딤플(300)이 주름(200)의 측면에 돌출 형성될 수 있으며, 딤플(300)은 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 열을 형성할 수 있다.

구체적으로, 본체부(100)는 소정의 열교환 효과를 달성할 수 있는 소재라면 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, 스테인리스 소재 또는 구리 합금 소재로 구성될 수 있다.

또한, 본체부(100)는 유체의 흐름 방향(30)을 따라 웨이브(wave) 형상을 띠는 구조일 수 있다.

한편, 딤플(300)의 형상은, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 평면상 사각형 형상일 수 있으며, 유체의 흐름 방향(30)을 따라 길이가 긴 구조(L1 > W1, L1 > W2)일 수 있다. 또한, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 유체의 흐름 방향(30)을 따라 기울기가 동일한 형상(H1 = H2)일 수 있다.

또한, 주름(200)의 측면에 돌출 형성된 딤플(300)은, 유체와 주름(200) 표면의 경계 조건에 의해 발생하는 유체의 유속 감소를 방지할 수 있다. 즉, 딤플(300)은 와류 제너레이터(vortex generator) 역할을 수행함으로써, 열교환기용 핀(400)의 주름(200) 표면에서 유체의 유속을 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 이러한 효과는 열교환기용 핀(400)에 부착되거나 퇴적될 수 있는 오염 물질 발생을 미연에 방지할 수 있다.

도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 딤플의 측단면도 및 평면도가 도시되어 있다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 딤플(300A)의 형상은, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 평면상 삼각형 형상일 수 있으며, 유체의 흐름 방향(30)을 따라 폭이 넓어지는 구조(W4 > W3, L2 > W3)일 수 있다. 또한, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 유체의 흐름 방향(30)을 따라 기울기가 높아지는 형상(H4 > H3) 일 수 있다.

도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기용 핀의 사시도가 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 A-A선 절단면도가 도시되어 있으며, 도 8에는 도 6의 B-B선 절단면도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환기용 핀(400A)은, 주름(200)의 측면으로부터 돌출 또는 만입된 형상의 딤플(310, 320)을 포함하는 구조일 수 있다.

구체적으로, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 딤플(310, 320)은 주름(200)의 측면으로부터 돌출 또는 만입된 형상일 수 있으며, 돌출 형상의 딤플(310)과 만입 형상(320)의 딤플(320)이 교번 배열될 수 있다.

도 9에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기용 핀의 사시도가 도시되어 있고, 도 10에는 도 9의 C-C선 절단면도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환기용 핀(400B)은, 주름(200)의 측면으로부터 돌출 또는 만입된 형상의 딤플(310, 320)을 포함하는 구조일 수 있다.

구체적으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 딤플(310, 320)은 주름(200)의 측면으로부터 돌출 또는 만입된 형상일 수 있으며, 돌출 형상의 딤플(310)과 만입 형상(320)의 딤플(320)이 교번 배열될 수 있으며, 주름과 주름의 각각에 형성된 딤플(310, 320) 사이에서도 교번 배열될 수 있다.

도 11에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기용 핀의 사시도가 도시되어 있고, 도 12에는 도 11의 측면 모식도가 도시되어 있다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환기용 핀(400C)은, 주름(200)의 측면으로부터 돌출된 형상의 딤플(330)을 포함하는 구조일 수 있다.

구체적으로, 딤플(330)은, 도 12에 도시된 바와 같이, 주름(200)의 측면에 세 개의 열(501, 502, 503)로 정렬될 수 있으며, 딤플(330)이 이루는 열은 서로 교차하는 형태로 배열될 수 있다.

따라서, 이러한 배열 구조로 형성된 딤플(330)을 구비하는 열교환기용 핀(400C)은, 도 12에 도시된 바와 같이, 열교환기용 핀(400C) 주변을 유동하는 유체의 유속을 증가시킬 수 있다.

도 13에는 본 발명의 또 다른 실시예에 다른 열교환기용 핀의 측면 모식도가 도시되어 있다.

도 13을 참조하면, 본 실시예에 다른 딤플(340)은, 네 개의 열(504, 505, 506, 507)로 정렬될 수 있으며, 각각의 딤플(340)은 딤플(340) 형성하는 열을 기준으로 소정 각도(θ)만큼 기울어진 구조일 수 있다. 소정 각도(θ)는 유체의 유속을 증가시킬 수 있는 각도라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 바람직하게는 0 내지 45 도 각도일 수 있다.

구체적으로, 상부로부터 첫 번째 열에 위치하는 딤플(340)과 세 번째 열에 위치하는 딤플(340)은 서로 대칭 형태를 이루고 있고, 두 번째 열에 위치하는 딤플(340)과 네 번째 열에 위치하는 딤플(340)도 서로 대칭 형태를 이룰 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 열교환기용 핀은, 특정 구조의 딤플을 구비함으로써, 유체의 유속 저하로 인해 발생하는 오염 물질 발생에 의한 열교환 효율 저하를 방지하고, 결과적으로 열교환기의 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 기술적 이점을 가지게 된다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 종래의 열교환기용 핀(fin)
11: 핀 본체 12: 주름
20: 종래의 열교환기용 핀 30: 유체의 흐름 방향
100: 핀 본체 200: 주름
300: 딤플(dimple) 300A: 딤플
310: 돌출형 딤플 320: 만입형 딤플
330: 돌출형 딤플 340: 돌출형 딤플
400: 열교환기용 핀 400A: 열교환기용 핀
400B: 열교환기용 핀 400C: 열교환기용 핀
400D: 열교환기용 핀

Claims (11)

1. 열교환기 내부 또는 외부에 장착되어, 열교환기를 통해 유동하는 유체의 열교환 역할을 수행하는 핀(fin)으로서,
   유체의 흐름 방향(30)과 직각 방향으로 형성된 둘 이상의 주름(200)을 포함하는 본체부(100); 및
   상기 주름의 측면에 돌출 또는 함몰되어 형성된 둘 이상의 딤플(300);
   을 포함하되,
   열교환기를 통해 유동하는 유체가 상기 딤플(300)에 의해 와류를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 핀.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 본체부는, 스테인리스 소재 또는 구리 합금 소재로 구성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 핀.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 본체부는 유체의 흐름 방향을 따라 웨이브(wave) 형상을 띠는 것을 특징으로 하는 열교환기용 핀.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 딤플의 평면 형상은, 삼각형 형상이고,
   상기 딤플의 측면 형상은, 유체의 흐름 방향을 따라 기울기가 높아지는 형상인 것을 특징으로 하는 열교환기용 핀.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 딤플의 평면 형상은, 사각형 형상이고,
   상기 딤플의 측면 형상은, 유체의 흐름 방향을 따라 기울기가 동일한 형상인 것을 특징으로 하는 열교환기용 핀.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 딤플은 주름의 측면으로부터 돌출 또는 만입된 형상이고,
   돌출된 형상의 딤플과 만입된 형상의 딤플이 서로 교번 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기용 핀.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 딤플은 주름의 측면에 하나의 열로 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기용 핀.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 딤플은 주름의 측면에 둘 이상의 열로 정렬되고,
   상기 열을 형성하는 딤플들은 서로 교차하는 형태로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기용 핀.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 딤플은, 유체의 흐름 방향과 0 내지 45 도의 각도를 이루며 주름의 측면에 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 핀.
   
10. 제 1 항 내지 제 9 항에 따른 핀을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열교환기는, 자동차용 EGR 쿨러(exhaust gas recirculation cooler)인 것을 특징으로 하는 열교환기.
    

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