KR20150030201A

KR20150030201A - 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관 및 그것을 사용한 핀·앤드·튜브형 열 교환기

Info

Publication number: KR20150030201A
Application number: KR20147034624A
Authority: KR
Inventors: 시로 가키야마; 미키네 사사자키
Original assignee: 가부시키가이샤 유에이씨제이
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2015-03-19
Also published as: JP6360791B2; WO2013187156A1; CN104380026A; JPWO2013187156A1

Abstract

냉매측의 열 전달률을 효과적으로 향상시킬 수 있는 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관과, 그것을 사용한 핀·앤드·튜브형 열 교환기를 제공하는 것.
알루미늄 혹은 그 합금으로 이루어지는 편평 다공관 (14) 에 형성되는 사다리꼴 형상의 구멍 (20) 을, 윗변 길이가 아랫변 길이의 1/2 이하가 되도록 함과 함께, 구멍의 높이를 전열관 두께의 0.5 ∼ 0.8 배로 하고, 또한 구멍의 단면적의 4 배를 구멍의 변의 길이의 합으로 나눔으로써 정의되는 수력 직경：D 와 구멍의 높이：h 의 비 (D/h) 가 0.40 ∼ 0.85 의 범위 내가 되도록 구성하고, 그러한 편평 다공관 (14) 과 알루미늄 혹은 그 합금으로 이루어지는 핀 (12) 을 조립하여, 핀·앤드·튜브형 열 교환기 (10) 를 구성하였다.

Description

핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관 및 그것을 사용한 핀·앤드·튜브형 열 교환기{HEAT TRANSFER PIPE FOR FIN-AND-TUBE TYPE HEAT EXCHANGER, AND FIN-AND-TUBE TYPE HEAT EXCHANGER}

본 발명은, 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관 및 그것을 사용한 핀·앤드·튜브형 열 교환기에 관한 것이고, 특히, 가정용 에어콘이나 패키지 에어콘 등의 공조기에 있어서의 핀·앤드·튜브형 열 교환기에 바람직하게 사용되는 전열관과, 그것을 사용한 핀·앤드·튜브형 열 교환기에 관한 것이다.

종래부터 가정용 에어콘이나 자동차용 에어콘, 패키지 에어콘 등의 공조용 기기 외에 냉장고, 히트 펌프식 급탕기 등에는 증발기 또는 응축기로서 작동하는 열 교환기가 사용되고 있고, 그 중에서도, 가정용 실내 에어콘이나 업무용 패키지 에어콘에 있어서는, 전열관에 핀을 조립하여 이루어지는 구조의 핀·앤드·튜브형 열 교환기가 가장 일반적으로 사용되어 오고 있다.

그리고, 최근에는, 오존층 보호나 지구 온난화 방지 등의 관점에서, 종래의 프레온계 냉매 대신 온난화 계수가 낮은 자연 냉매를 이용한 열 교환기의 개발도 이루어져 오고 있고, 그 중에서도, 탄산 가스를 주체로 하는 냉매를 사용한 급탕기가 주목되어 그 개발이 이루어져 오고 있는데, 그러한 급탕기에 있어서의 공기 열 교환기에도 상기와 마찬가지의 핀·앤드·튜브형 열 교환기가 사용되고 있다.

그런데, 이러한 핀·앤드·튜브형 열 교환기는, 일반적으로, 소정의 가공이 실시된 핀 (외면 핀) 과 전열관을 사용하여, 그들 핀과 전열관을 접합시켜 이루어지는 구조에 있어서 실용화되어 오고 있다. 그리고, 그러한 구조로 된 열 교환기에 있어서는, 전열관 내에 냉매를 유통시키는 한편, 전열관에 대해 직각인 방향으로, 핀을 따라 열 교환 유체로서의 공기를 흘림으로써, 냉매와 공기 사이에서 열 교환이 실시되도록 되어 있는 것이다.

또, 그러한 핀·앤드·튜브형 열 교환기에서 사용되는 전열관의 하나로서, 편평한 형상의 관 내부를 복수의 격벽에 의해 복수의 유로로 분할하여 이루어지는 구조를 갖는 편평 다공관이 알려져 있다. 그리고, 이 편평 다공관에는, 통상, 알루미늄 혹은 알루미늄 합금을 포트홀 압출하여 얻어지는 것이 사용되고 있는 것인데, 그러한 편평 다공관의 단면 형상으로는, 예를 들어, 일본 공개특허공보 평6-142755호 (특허문헌 1) 에서 명시되어 있는 바와 같이, 관 내부의 유로를 사각형상으로 하고 있는 것이 일반적으로 자주 사용되고 있다. 또한, 그러한 편평 다공관에 있어서 열 교환 효율을 향상시키려면 유로의 표면적을 늘리는 것이 유효한 점에서, 일본 공개특허공보 평5-222480호 (특허문헌 2) 에 있어서는, 사각형상으로 된 구멍의 내면에 미소한 요철을 다수 형성하여 표면적을 증가시키는 구조가 명시되어 있다. 이와 같이 유로의 표면적을 증대시킴으로써 구멍 내부를 유통하는 냉매와 구멍 표면의 접촉 면적을 증대시켜, 냉매측의 열 전달률, 즉, 냉매와 전열관 사이의 열 전달률을 향상시키는 것에 의해 열 교환 효율의 향상을 도모하는 것이다.

그러나, 알루미늄 혹은 알루미늄 합금으로부터 포트홀 압출 등의 압출 성형으로 편평 다공관을 형성하는 경우에는, 구멍의 내면에 형성되는 요철의 크기를 충분히 작게 할 수 없기 때문에, 표면적을 충분히 증대시킬 수 없는 것이다. 특히, 열 교환기를 소형화하거나 할 목적을 위해 편평 다공관을 작게 한 경우에는, 형성되는 구멍도 작아지기 때문에, 그러한 요철의 형성으로 인한 표면적 증가에 기초하는 바의 열 전달률 향상 효과는 충분하다고는 할 수 없는 것이었다.

또, 전술한 특허문헌 1 (일본 공개특허공보 평6-142755호) 의 도 9(c) 나, 일본 공개특허공보 평9-72680호 (특허문헌 3) 에는, 편평 다공관의 구멍 형상을 삼각형 단면 형상으로 한 것이 명시되어 있다. 즉, 특허문헌 1 에 있어서는, 다공관의 압출 성형을 실시할 때에, 다공관 압출용 다이스의 수명 연장이나, 제품으로서 치수나 정밀도의 향상이 목적으로 되어 있는 것이고, 그러한 다공관 압출용 다이스를 사용하여 제작되는 다공관의 구멍 형상의 일례로서 삼각형 단면 형상의 것이 예시되어 있는 것에 지나지 않는다. 또, 특허문헌 2 는, 압연 또는 압축에 의해 소정의 두께와 평탄한 표면을 얻음과 함께, 가공 경화에 의해 인장 강도를 개선하여, 적정한 경도와 탄력성을 부여할 수 있도록 한 다공 편평관에 관한 것이고, 그러한 특성을 얻을 수 있는 다공 편평관의 구조로서, 구멍 형상이 이등변 삼각형의 단면 형상으로 된 것이 명시되어 있다.

그러나, 그들 특허문헌 1, 3 에서 명시되어 있는 편평 다공관에 있어서는, 단지 압출 가공에 의해 형성되는 다공관의 구멍 형상을 삼각형 단면 형상으로 한 것 뿐이거나, 다공관의 경도나 탄력성을 개선하기 위해 그 구멍 형상을 이등변 삼각형의 단면 형상으로 하고 있는 것에 불과한 것이었다. 즉, 삼각형의 구체적인 형상에 대해서나 전열관의 열 전달률에 대해서는 전혀 검토되어 있는 것은 아니었던 것이다. 또한, 그와 같이 압출 가공에 의해 편평 다공관에 형성되는 구멍을 삼각형 형상으로 한 경우에 있어서는, 압출 가공시의 메탈 플로우가 잘 되지 않아, 목적으로 하는 삼각형 형상의 구멍을 형성하기 어렵다는 제조상의 문제가 내재되어 있는 것이다.

일본 공개특허공보 평6-142755호 일본 공개특허공보 평5-222480호 일본 공개특허공보 평9-72680호

여기에 있어서 본 발명은 이러한 사정을 배경으로 행해진 것으로서, 그 해결 과제로 하는 바는, 냉매측의 열 전달률을 효과적으로 향상시킬 수 있음과 함께, 압출 가공성도 우수한 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관을 제공하는 것에 있고, 또, 그러한 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관을 사용하여 제작된 공기 조화기용 등의 핀·앤드·튜브형 열 교환기를 제공하는 것도 그 해결 과제로 하고 있다.

그리고, 본 발명에 있어서는, 이와 같은 과제의 해결을 위해, 알루미늄 혹은 그 합금으로 이루어지는 핀이 조립되는 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관으로서, 알루미늄 혹은 그 합금으로 이루어지는, 전체적으로 편평한 단면 형상의 다공관으로 구성되며, 또한 그 다공관에 형성된 관축 방향으로 연장되는 사다리꼴 단면 형상의 다수의 구멍이, 폭 방향으로 이간되어 서로 평행하게 배열되어 이루어짐과 함께, 이러한 구멍의 윗변 길이는 아랫변 길이의 1/2 이하이고, 또한 그 구멍의 높이는, 아랫변 길이와 동등 이상이며, 또한 그 다공관 두께의 0.5 ∼ 0.8 배이고, 그리고 이러한 구멍의 단면적의 4 배를 그 구멍의 변의 길이의 합으로 나눔으로써 정의되는 수력 직경：D 와 그 구멍의 높이：h 의 비 (D/h) 가 0.40 ∼ 0.85 의 범위 내가 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관을 그 요지로 하는 것이다.

또한, 이러한 본 발명에 따른 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관의 바람직한 양태 중 하나에 있어서는, 상기 다공관에 형성된 다수의 구멍의 이웃하는 것은, 서로 상하 역전된 사다리꼴 단면 형상이 되는 관계에 있어서 배치 형성되어 있다.

또, 본 발명에 따른 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관의 다른 바람직한 양태 중 하나에 있어서는, 상기 구멍의 횡단면 형상은 등각사다리꼴 형상이며, 또 다른 바람직한 양태 중 하나에 있어서는, 상기 구멍의 횡단면 형상은, 아랫변과 일방의 각 (脚) 의 내각이 90°가 되는 사다리꼴 형상이다.

또한, 본 발명에 있어서는, 알루미늄 혹은 그 합금으로 이루어지는 핀과, 알루미늄 혹은 그 합금으로 이루어지는, 전체적으로 편평한 단면 형상의 다공관을 조립하여 이루어지는 핀·앤드·튜브형 열 교환기로서, 상기 다공관이, 관축 방향으로 연장되는 사다리꼴 단면 형상의 다수의 구멍을, 폭 방향으로 이간하여 서로 평행하게 배열하여 구성되어 있음과 함께, 이러한 구멍의 윗변 길이는 아랫변 길이의 1/2 이하이고, 또한 그 구멍의 높이는, 아랫변 길이와 동등 이상이며, 또한 그 다공관 두께의 0.5 ∼ 0.8 배이고, 그리고 이러한 구멍의 단면적의 4 배를 그 구멍의 변의 길이의 합으로 나눔으로써 정의되는 수력 직경：D 와 그 구멍의 높이：h 의 비 (D/h) 가 0.40 ∼ 0.85 의 범위 내가 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 핀·앤드·튜브형 열 교환기도 그 요지로 하고 있다.

또, 그러한 본 발명에 따른 핀·앤드·튜브형 열 교환기의 바람직한 양태 중 하나에 의하면, 상기 핀으로서 사각형의 판상 핀을 사용함과 함께, 그 판상 핀의 일단에 개구되도록 형성된 소정 길이의 슬릿 내에 상기 다공관을 끼워 넣고 고정시킴으로써, 그들 다공관과 판상 핀이 조립되게 된다.

그리고 또, 본 발명에 따른 핀·앤드·튜브형 열 교환기의 다른 바람직한 양태 중 하나에 있어서는, 상기 핀으로서 파형 형상의 코루게이트 핀을 사용함과 함께, 그 코루게이트 핀의 복수와 상기 다공관의 복수가 교대로 적층되어 서로 접합됨으로써 조립되게 된다.

따라서, 이와 같은 본 발명에 따른 구성으로 된 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관에 의하면, 사다리꼴 단면 형상으로 된 구멍이, 그 사다리꼴 형상에 있어서의 윗변과 아랫변의 길이의 비율이나 그 구멍 높이와 전열관 두께의 비율, 나아가서는, 이러한 구멍의 단면적의 4 배를 그 구멍의 변의 길이의 합으로 나눔으로써 정의되는 수력 직경：D 와 그 구멍의 높이：h 의 비 (D/h) 를 적절한 범위로 설정하여 형성되어 있는 점에서, 전열관의 구멍 내부를 냉매가 흐를 때에, 사다리꼴 단면 형상의 밑변 (아랫변) 과 각 사이에 끼인 부위 중 각도가 작은 부분이나, 아랫변의 1/2 이하의 길이로 된 윗변과 2 개의 각 사이에 끼인 부위 등, 구멍의 좁은 부분을 냉매가 유통함으로써, 냉매의 단위 체적당 접촉하는 다공관 내면의 면적이 증가하여, 냉매와 전열관 사이의 열 전달률, 즉 전열관의 열 교환 효율을 효과적으로 향상시키는 것이 가능해지는 것이다. 게다가, 그러한 구멍의 좁은 부분을 냉매가 통과함으로써, 국소적인 유동 상태를 야기할 수 있기 때문에, 보다 효과적으로 열 교환 효율을 높이는 것이 가능해지는 것이다.

또한, 이러한 본 발명에 따른 구성으로 된 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관에 있어서는, 구멍 형상이 사다리꼴 형상으로 되어 있는 점에서, 압출 가공에 의해 전열관을 제조할 때에, 삼각형상의 구멍으로 된 편평 다공관을 제조하는 것보다 메탈 플로우를 발생시키기 쉬워, 압출 가공성을 유리하게 향상시킬 수 있는 것이다.

그리고, 이와 같은 구성으로 된 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관을 사용하여 제작된 핀·앤드·튜브형 열 교환기에 있어서는, 전열관에 있어서 냉매측의 열 전달률이 유리하게 향상되어 있는 점에서, 높은 열 교환 성능을 발휘함과 함께, 열 교환기의 소형화나 경량화, 나아가서는 제조 비용의 저감과 같은 효과가 유리하게 발휘되게 된다.

도 1 은, 본 발명에 따른 핀·앤드·튜브형 열 교환기의 일례를 나타내는 사시 설명도이다.
도 2 는, 도 1 에 나타내어지는 핀·앤드·튜브형 열 교환기를 구성하는 핀을 나타내는 사시 설명도이다.
도 3 은, 도 1 에 나타내어지는 핀·앤드·튜브형 열 교환기를 구성하는 편평 다공관의 횡단면의 일부를 확대하여 나타내는 단면 설명도이다.
도 4 는, 실시예에 있어서 사용된, 열 교환 성능 평가용 핀·앤드·튜브형 열 교환기를 개략적으로 나타내는 정면 설명도이다.
도 5 의 (b) 는, 실시예에 있어서 사용된 열 교환기를 구성하기 위해 준비한 편평 다공관의 횡단면을 나타내는 설명도로서, 도 5 의 (b) 의 (a) 는 구멍 형상이 등각사다리꼴 형상인 것을, 도 5 의 (b) 의 (b) 는 구멍 형상이 밑변과 일방의 각의 내각이 직각으로 된 사다리꼴 형상인 것을, 도 5 의 (b) 의 (c) 는 도 5 의 (b) 의 (b) 와는 치수가 다른 사다리꼴 형상인 것을 각각 나타내고 있다.
도 6 은, 실시예에 있어서 비교를 위해 사용된 열 교환기를 구성하기 위해 준비한 편평 다공관의 횡단면을 나타내는 설명도로서, 도 6 의 (a) 는 사각형 형상의 구멍 형상의 것을, 도 6 의 (b) 는 원형 형상의 구멍 형상의 것을 각각 나타내고 있다.
도 7 은, 실시예에 있어서 비교를 위해 사용된 열 교환기를 구성하기 위해 추가로 준비한 편평 다공관의 횡단면을 나타내는 설명도로서, 도 7 의 (a) 및 도 7 의 (b) 는 각각 본 발명 규격 외의 사다리꼴 형상의 구멍 형상을 갖는 것을 나타내고 있다.

이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 명시하기 위해, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명하는 것으로 한다.

먼저, 도 1 에는, 본 발명에 따른 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관을 사용한 핀·앤드·튜브형 열 교환기의 실시형태 중 하나가 사시도의 형태에 있어서 개략적으로 나타내어져 있다. 그곳에 있어서, 열 교환기 (10) 는, 서로 평행하게 또한 일정 거리를 두고 배치된 복수 장의 핀 (12) 에 대해, 2 개의 편평 다공관 (14, 14) 이, 이러한 핀 (12) 에 형성된 슬릿상의 조립공 (16) 에 삽입, 고착됨으로써 구성되어 있다.

보다 상세하게는, 핀 (12) 은, 종래와 마찬가지로, 알루미늄 혹은 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속 재료, 예를 들어 JIS 호칭이 A1000 계, A3000 계, A7000 계 등인 알루미늄 재질로 형성된, 도 2 에도 나타내어져 있는 바와 같이, 사각형의 평면 형상을 띤 박육의 판상 핀으로 구성되어 있다. 또, 이러한 핀 (12) 에는, 편평 다공관 (14) 이 조립되는 조립공 (16) 이, 직사각형 형상의 핀 (12) 의 일단으로부터 핀 (12) 의 폭 방향 (도 2 에 있어서는 좌우 방향) 으로 연장되는 슬릿으로서 형성되어 있다. 또한, 이러한 조립공 (16) 둘레에는, 소정 높이의 칼라부 (18) 가, 핀 (12) 과 일체적으로 형성되어, U 자 형상에 있어서 세워 형성되어 있다.

한편, 편평 다공관 (14) 은, 잘 알려져 있는 바와 같이, 알루미늄 혹은 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속 재료, 예를 들어 JIS 호칭이 A1000 계, A3000 계, A6000 계 등인 알루미늄 재질로 형성된, 여기서는, 관축 방향으로 연장되는 10 개의 구멍 (20) 이 형성되어 이루어지는, 편평 형상을 띠는 다공관으로 구성되어 있다. 그곳에 있어서, 구멍 (20) 은, 관축과 수직인 방향에 있어서의 단면, 소위 횡단면의 일부를 확대한 도 3 에도 나타내어지는 바와 같이, 사다리꼴의 단면 형상을 띠고 있고, 그 사다리꼴의 2 개의 밑변 중 윗변 길이：a 가 아랫변 길이：b 의 1/2 이하로 되어 있음과 함께, 높이：h 가 아랫변 길이：b 와 동등 이상으로 되고, 또한, 이러한 구멍의 높이：h 가 편평 다공관 (14) 의 두께：H 의 0.5 ∼ 0.8 배의 길이가 되도록 되어 있다. 그리고, 여기서는, 이러한 구멍 (20) 의 사다리꼴 형상은, 구멍의 높이：h 와 아랫변 길이：b 가 동일한 길이로 되고, 윗변 길이：a 가 아랫변 길이：b 의 1/2 의 길이로 됨과 함께, 각각의 밑변 (윗변, 아랫변) 의 양단의 내각이 동등한 각도로 된 등각사다리꼴 형상으로 되어 있다. 또한, 그러한 형상으로 된 구멍 (20) 의, 이웃하는 구멍 (20) 끼리는, 도시된 바와 같이, 각각, 상하 방향이 반전된 형태에 있어서, 편평 다공관 (14) 의 폭 방향으로 소정간격을 두고 서로 평행하게 배열되어 있다.

또한, 그러한 구멍 (20) 에 있어서는, 그 단면적의 4 배를 구멍의 변의 길이의 합으로 나눔으로써 정의되는 수력 직경：D 와 구멍의 높이：h 의 비 (D/h) 가 0.40 ∼ 0.85 의 범위 내가 되도록 구성되어 있다. 즉, 여기서는, 구멍 (20) 은, 구멍 높이 (h) 와 아랫변 길이 (b) 가 동일하고, 윗변 길이 (a) 가 아랫변 길이 (b) 의 1/2 로 된 등각사다리꼴 형상인 점에서, D/h ＝ 0.84 가 되어, 상기에서 규정되는 D/h 의 범위 내가 되도록 구성되어 있는 것이다.

이와 같이, 편평 다공관 (14) 의 구멍 (20) 의 구멍 형상을, 사다리꼴의 윗변 길이：a 와 아랫변 길이：b 와 구멍의 높이：h, 및 편평 다공관 (14) 의 두께：H 의 비율, 나아가서는 수력 직경：D 와 구멍의 높이：h 의 비 (D/h) 를 상기 범위 내의 값이 되도록 설정함으로써, 구멍 (20) 의 좁은 부분을 냉매가 효과적으로 통과하게 되어, 냉매의 단위 체적당 접촉되는 구멍 내면의 면적이 증가하여, 냉매와 전열관 사이의 열 전달률이 유리하게 향상되게 된다. 또, 그러한 구멍 (20) 의 좁은 부분을 냉매가 통과함으로써 국소적인 유동 상태가 발생하기 때문에, 보다 효과적으로 열 전달률을 높이는 것도 가능해지는 것이다.

그런데, 상기의 편평 다공관 (14) 에 있어서, 윗변 길이 (a) 가 아랫변 길이 (b) 의 1/2 을 초과하거나, 구멍 높이 (h) 가 아랫변 길이 (b) 보다 작아진 경우에는, 냉매가 구멍 (20) 내를 통과하기 쉬워지기 때문에, 냉매와 전열관 사이의 열전달이 충분히 잘 실시되지 않게 된다. 또, 구멍 높이 (h) 가 전열관의 두께 (H) 의 0.5 배 미만이 되면, 구멍이 지나치게 작아져 버려 제조가 곤란해져 버리는 문제를 발생시킨다. 한편, 구멍 높이 (h) 가 전열관의 두께 (H) 의 0.8 배보다 크게 된 경우에 있어서도, 편평 다공관 (14) 의 상하의 두께가 지나치게 얇아져 버려, 제조가 곤란해져 버리는 것이다. 또한, 구멍 (20) 의 사다리꼴 형상의 윗변 길이 (a) 는, 바람직하게는 0.1 ㎜ 이상으로 되게 된다. 이는, 이러한 길이 (a) 가 0.1 ㎜ 보다 작게 되면, 압출 가공시의 메탈 플로우가 악화되어, 목적으로 하는 편평 다공관의 제조가 곤란해져 버리기 때문이다.

또한, 수력 직경：D 와 구멍 높이：h 의 관계에 있어서도, 이러한 D/h 의 값이 0.40 보다 작아지는 경우에 있어서는, 구멍 (20) 이 지나치게 작아져 버려 편평 다공관의 제조가 곤란해져 버리기 때문에, 실용적이지 않게 되어 버리게 된다. 한편, D/h 의 값이 0.85 보다 커지는 경우에는, 냉매의 단위 체적당 접촉 면적의 증가가 충분하지 않게 되어, 열 전달률의 향상 효과가 유리하게 잘 발휘되지 않게 되는 것이다.

그리고, 그러한 편평 다공관 (14) 과 핀 (12) 을 사용하여, 이러한 핀 (12) 의 복수 장을, 각각에 형성된 조립공 (16) 을 일치시킨 상태 하에 있어서, 서로 평행하게 또한 일정 거리를 두도록 배치시키고, 그 일치시킨 조립공 (16) 내에 편평 다공관 (14) 을 끼워 넣고 고정적으로 조립함으로써, 목적으로 하는 핀·앤드·튜브형 열 교환기 (10) 가 구성되는 것이다. 또한, 이 편평 다공관 (14) 과 핀 (12) 의 고정적인 조립은, 잘 알려져 있는 바와 같이, 박아넣기나 납땜에 의한 접합, 혹은 접착제에 의한 고착 등, 공지된 각종 수법에 의해 실시되어 일체적인 핀·앤드·튜브형 열 교환기로서 완성되게 된다. 또, 그러한 핀·앤드·튜브형 열 교환기를 구성하는 전열관인 편평 다공관 (14) 의 각각의 양 단부는, 여기서는 도시되지 않은 헤더에 각각 접속되고, 편평 다공관 (14) 의 10 개의 구멍 (20), 즉, 관축 방향으로 연장되는 냉매가 유통되는 10 개의 유로가, 냉매의 입구측과 출구측에 있어서 각각 한데 모여져 핀·앤드·튜브형 열 교환기 (10) 로 되어 있는 것이다.

따라서, 이와 같은 본 발명에 따른 구성으로 된 핀·앤드·튜브형 열 교환기 (10) 에 있어서는, 편평 다공관 (14) 에 형성된 구멍 (20) 의 형상이 단순히 냉매와 구멍 내면의 접촉 면적을 증대시킬 뿐만 아니라, 냉매의 단위 체적당 접촉 면적을 증대시켜, 냉매측의 열 전달률을 유리하게 향상시킬 수 있는 사다리꼴 형상으로 되어 있는 점에서, 편평 다공관 (14) 에 있어서, 관 내를 유통하는 냉매와 전열관 사이의 열 교환 효율이 효과적으로 향상되고, 그 결과, 열 교환기 (10) 의 열 교환 성능을 유리하게 높일 수 있는 것이다. 또, 이러한 편평 다공관 (14) 에 형성된 구멍 (20) 이 사다리꼴 형상으로 되어 있는 것에 의해, 압출 가공시에 메탈 플로우가 악화되어 가공성이 저하되어 버리는 것과 같은 문제가 유리하게 해소 내지는 회피되고, 이로써 높은 압출 가공성이 발휘되게 되는 것이다. 또한, 그와 같이 높은 열 전달률을 발휘하는 편평 다공관 (14) 을 사용하는 것에 의해, 열 교환기 (10) 를 소형, 경량화할 수 있음과 함께, 제조 비용의 저감과 같은 효과도 유리하게 발휘되게 된다.

이상, 본 발명의 대표적인 실시형태 중 하나에 대해 상세히 서술해 왔지만, 그것은 어디까지나 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 그러한 실시형태에 관련된 구체적인 기술 (記述) 에 의해 전혀 한정적으로 해석되는 것은 아님이 이해되어야 할 것이다.

예를 들어, 전술한 실시형태에 있어서는, 판상의 핀 (12) 에 형성된 조립공 (16) 에 편평 다공관 (14) 이 조립되어 구성되는 핀·앤드·튜브형의 열 교환기 (10) 를 예시하였지만, 예를 들어, 도 4 에 나타내어지는 바와 같은, 편평 다공관 (22, 22) 사이에 코루게이트상 (파상) 의 핀 (24) 을 조립하여 구성된, 코루게이트 핀식의 핀·앤드·튜브형 열 교환기 (30) 로 할 수도 있다.

또, 편평 다공관 (14) 에 형성되는 구멍 (20) 의 형상은, 상기 실시형태에 있어서는, 구멍 높이 (h) 와 아랫변 (b) 길이가 동일함과 함께, 윗변 길이 (a) 가 아랫변 길이 (b) 의 1/2 로 되며, 또한 각각의 밑변의 양단의 내각이 동등한 각도로 된 등각사다리꼴 형상으로 되어 있지만, 수력 직경：D 와 구멍의 높이：h 의 비 (D/h) 가, 본 발명에 있어서의 규정 범위 내로 되는 사다리꼴 형상이면, 예시한 등각사다리꼴 이외에도, 밑변 (아랫변) 의 양단의 내각의 각도가 상이한 사다리꼴이나, 밑변 (아랫변) 과 일방의 각의 내각이 직각으로 된 사다리꼴 등, 각종 사다리꼴 형상이 적절히 선택되게 된다. 또한, 예시한 사다리꼴 형상에 있어서는, 사다리꼴의 각각의 변 (밑변, 각) 이 직선상으로 되어 있었지만, D/h 가 전술한 관계를 만족하는 것이면, 소정의 곡률 반경을 가진 원호상의 변으로 할 수도 있다.

또한, 이러한 구멍 (20) 의 내표면은, 여기서는 평탄한 면으로 하고 있었지만, 미소한 요철 (홈이나 돌조) 을 형성한 면이어도 된다. 그러한 요철을 형성 함으로써, 단위 체적당 냉매와 구멍 (20) 의 표면의 접촉 면적을 더욱 증대시켜, 냉매와 전열관의 열 전달률을 보다 효과적으로 향상시키는 것이 가능해진다.

그 밖에 일일이 열거하지는 않지만, 본 발명이 당업자의 지식에 기초하여 다양한 변경, 수정, 개량 등을 더한 양태에 있어서 실시되는 것이고, 또 그러한 실시의 양태가 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 한 모두 본 발명의 범주에 속하는 것인 것은 말할 필요도 없는 바이다.

실시예

이하에 본 발명의 대표적인 실시예를 나타내어, 본 발명을 더욱 구체적으로 명시하는 것으로 하는데, 본 발명이 그러한 실시예의 기재에 의해 아무런 제약도 받는 것이 아님은 말할 필요도 없는 바이다.

먼저, 본 발명에 따른 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관으로서, 알루미늄 합금 (JIS A3003) 을 압출 가공함으로써, 도 5 의 (b) 의 (a) 에 나타내어지는 바와 같은 단면 형상을 띠는, 폭 (W)：16 ㎜, 두께 (H)：1.9 ㎜, 구멍 수：12 의 압출 편평 다공관 (40) 을 준비하고, 이것을 전열관 No.1 로 하였다. 이러한 전열관 No.1 에 형성된 12 개의 구멍 (42) 의 형상은, 윗변 (a)：0.6 ㎜, 아랫변 (b)：1.2 ㎜, 높이 (h)：1.2 ㎜ (전열관 두께의 0.63 배) 의 등각사다리꼴이 되도록 하였다. 그 밖에, 수력 직경 등의 각 제원은, 하기 표 1 에 나타내는 바와 같이 하였다. 또한, 하기 표 1 에 있어서, 구멍 높이 (h) 는, 편평 다공관 (40) 의 두께 방향에 있어서의 구멍의 높이를, 유로 면적은, 축 방향과 수직인 단면에 있어서의 구멍 1 개당 구멍 부분의 단면적을, 윤변 길이는, 단면에 있어서의 구멍 1 개당 구멍의 변의 길이를, 각각 나타내고 있다.

또, 본 발명에 따른 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관의 다른 예로서, 도 5 의 (b) 의 (b) 및 도 5 의 (b) 의 (c) 에 나타내어지는 바와 같은 단면 형상의 편평 다공관 (44, 46) 을 준비하고, 각각, 전열관 No.2, 전열관 No.3 으로 하였다. 여기서, 전열관 No.2 는, 폭 (W)：16 ㎜, 두께 (H)：1.9 ㎜, 구멍 수：20 의 압출 편평 다공관이며, 그 구멍 형상은, 윗변：0.1 ㎜, 아랫변：0.7 ㎜, 높이：1.5 ㎜ (전열관 두께의 0.79 배), 밑변 (아랫변) 과 일방의 각의 내각이 90°가 되는 사다리꼴 형상으로 하였다. 또, 전열관 No.3 은, 폭 (W)：16 ㎜, 두께 (H)：1.9 ㎜, 구멍 수：14 의 압출 편평 다공관이며, 그 구멍 형상은, 윗변：0.4 ㎜, 아랫변：0.7 ㎜, 높이：1.5 ㎜, 밑변과 일방의 각의 내각이 90°가 되는 사다리꼴 형상으로 하였다. 즉, 전열관 2, 3 은, 전열관 1 과 폭 (W) 과 두께 (H) 가 동일하지만, 구멍 형상과 구멍 수가 상이한 편평 다공관으로 되어 있다. 또한, 이러한 전열관 No.2, 3 은, 전열관 No.1 과 마찬가지로, 알루미늄 합금 (JIS A3003) 을 압출 가공함으로써 제작하였다. 또, 그들 전열관 No.2, 3 에 있어서의 유로 면적이나 수력 직경 등의 각 제원은, 하기 표 1 에 함께 나타냈다.

그리고, 비교를 위한 전열관으로서, 도 6 의 (a) 에 나타내어지는 바와 같은, 구멍 형상이 사각형 (1 변의 길이：1 ㎜ 의 정방형) 의 편평 다공관 (50) 과, 도 6 의 (b) 에 나타내어지는 바와 같은, 구멍 형상이 원형 (직경：1.2 ㎜ 의 원) 의 편평 다공관 (52) 을 준비하고, 각각, 전열관 No.4, 전열관 No.5 로 하였다. 또한, 구멍 형상이 사다리꼴 형상이지만, D/h 의 값이 본 발명의 범위 외인 것으로 하여, 도 7 의 (a) 및 도 7 의 (b) 에 나타내어지는 바와 같은 구멍 형상으로 된 편평 다공관 (54, 56) 을 준비하고, 각각, 전열관 No.6, 전열관 No.7 로 하였다. 여기서, 전열관 No.6 의 구멍 형상은, 윗변：0.2 ㎜, 아랫변：0.5 ㎜, 높이：1.5 ㎜ (전열관 두께의 0.79 배) 이고, 밑변과 일방의 각의 내각이 90°가 되는 사다리꼴 형상으로 하였다. 또, 전열관 No.7 의 구멍 형상은, 윗변：0.8 ㎜, 아랫변：1.2 ㎜, 높이：1.2 ㎜ (전열관 두께의 0.63 배) 이고, 밑변과 일방의 각의 내각이 90°가 되는 사다리꼴 형상으로 하였다. 또한, 그들 전열관 No.4 ∼ 7 에 관해서도, 전열관 No.1 ∼ 3 과 마찬가지로, 알루미늄 합금 (JIS A3003) 을 압출 가공함으로써 제작하고, 그 폭이나 두께는 모두 전열관 No.1 과 동일한, 폭 (W)：16 ㎜, 두께 (H)：1.9 ㎜ 로 하였다. 단, 구멍 수에 있어서는, 전열관 No.4, 5, 7 은 12 개, 전열관 No.6 은 18 개로 하였다. 또, 그들 전열관 No.4 ∼ 7 에 있어서의 유로 면적이나 수력 직경 등의 각 제원은, 하기 표 1 에 함께 나타냈다.

그리고, 이와 같이 준비된 각각의 편평 다공관 (전열관 No.1 ∼ 7) 을 사용하여, 도 4 에 나타내어지는 바와 같이, 편평 다공관 (22) 이 서로 평행하게 복수 배열되고, 이웃하는 편평 다공관 (22, 22) 사이에, 파형 형상으로 성형 가공된 코루게이트 핀 (24) 이 접합되어 이루어지는 열 교환기 (30) 를, 각각, 열 교환기 No.1 ∼ 7 로서 제작하였다. 또한, 이러한 열 교환기 (30) 에 있어서, 배열된 편평 다공관 (22) 의 양단은, 각각 헤더 (26) 에 접속되고, 편평 다공관 (22) 의 축 방향으로 연장되는 각각의 구멍 (유로) 이, 냉매의 입구측과 출구측에 있어서 각각 한데 모여져, 냉매의 유로가 형성되어 있다. 또, 여기서 제작한 각각의 열 교환기 (30) 에 있어서, 핀 (24) 은, 모두, 심재에 JIS A3703 계 합금, 피재에 JIS A4045 계 합금을 사용한 브레이징 시트를 코루게이트상으로 가공한 것을 사용하고, 1 개의 열 교환기를 제작함에 있어서 75 개의 편평 다공관 (24) 을 사용하였다. 또한, 그러한 핀 (24) 과 편평 다공관 (22) 의 접합은, 목적으로 하는 열 교환기 (30) 의 형상으로 적층하여 조립한 핀 (24) 과 편평 다공관 (22) 의 조립체를, 납땜로 내에서 (최고 도달 온도) 600 ℃ 에서 3 분간 가열 유지한 후 냉각시킴으로써, 핀 (24) 과 편평 다공관 (22) 이 납땜 접합되도록 하였다. 그리고, 헤더 (26, 26) 사이의 편평 다공관 (22) 의 길이는 610 ㎜ 가 되도록 하고, 열 교환기 (30) 의 전체 크기는, 폭：650 ㎜, 높이：610 ㎜ 가 되도록 하였다.

그 후, 이와 같이 준비된 열 교환기 No.1 ∼ 7 을 사용하여, 각각의 열 교환기의 단체 (單體) 성능 평가 시험을 실시하였다. 시험 방법은, 각 열 교환기를, 항온 항습 시험실 내에 형성된 풍동 (風洞) 장치에 설치하고, 시험실 내의 공기 온도 (건구：35 ℃, 습구：24 ℃), 풍속 (1.5 m/s) 에 대해, 냉매 (R-410A) 를, 열 교환기 입구 온도：64 ℃ (SH ＝ 20 K), 응축 온도：44 ℃, 열 교환기 출구 온도：39 ℃ (SC ＝ 5 K) 의 조건으로 설정하고, 공기와 냉매의 열 균형이 잡힌 상태의 열 교환량을 각각 측정하였다. 각 열 교환기에 있어서의 시험 결과를 하기 표 2 에 나타낸다. 또한, 이러한 표 2 에 나타낸 시험 결과는, 편평 다공관의 구멍 형상이 사각형인 열 교환기 No.4 의 열 교환량을 100 으로 한 경우에 대한 비율에 있어서 나타내어져 있다.

이상의 결과로부터, 유로 면적이 대략 동일하지만, 편평 다공관에 형성되는 구멍 형상이 상이한 열 교환기 No.1, 4, 5 의 대비에 있어서, 본 발명에 따른 사다리꼴 형상의 구멍 형상으로 된 열 교환기 No.1 은, 구멍 형상이 사각형 형상으로 된 열 교환기 No.4 나 원 형상으로 된 열 교환기 No.5 보다 크게 응축 성능을 향상시키는 것이 확인되었다. 또, 구멍 형상이 사다리꼴 형상으로 되고, 수력 직경：D 와 구멍의 높이：h 의 비：D/h 가 본 발명의 범위 내인 편평 다공관 40, 44, 46 을 사용하여 구성된 각각의 열 교환기 No.1, 열 교환기 No.2 및 열 교환기 No.3 은 모두, 편평 다공관의 구멍 형상이 일반적인 사각형으로 된 열 교환기 No.4 보다 2 ％ 이상의 열 교환 성능 향상이 확인되었다. 한편, 구멍 형상이 사다리꼴 형상이지만, D/h 가 본 발명의 범위 외인 열 교환기 No.6, 7 에 관해서는, 구멍 형상이 사각형 형상 (정방형) 으로 된 열 교환기 No.4 보다 성능이 저하되어 있어, 구멍 형상을 사다리꼴로 하는 것에 의한 편평 다공관에 있어서의 냉매측의 열 전달률의 향상 효과가 효과적으로 발휘되지 않는 것이 확인되었다.

10 : 열 교환기
12 : 핀
14 : 편평 다공관
16 : 조립공
18 : 칼라부
20 : 구멍

Claims

알루미늄 혹은 그 합금으로 이루어지는 핀이 조립되는 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관으로서,
알루미늄 혹은 그 합금으로 이루어지는, 전체적으로 편평한 단면 형상의 다공관으로 구성되며, 또한 그 다공관에 형성된 관축 방향으로 연장되는 사다리꼴 단면 형상의 다수의 구멍이, 폭 방향으로 이간되어 서로 평행하게 배열되어 이루어짐과 함께, 이러한 구멍의 윗변 길이는 아랫변 길이의 1/2 이하이고, 또한 그 구멍의 높이는, 아랫변 길이와 동등 이상이며, 또한 그 다공관 두께의 0.5 ∼ 0.8 배이고, 그리고 이러한 구멍의 단면적의 4 배를 그 구멍의 변의 길이의 합으로 나눔으로써 정의되는 수력 직경：D 와 그 구멍의 높이：h 의 비 (D/h) 가 0.40 ∼ 0.85 의 범위 내가 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관.
제 1 항에 있어서,
상기 다공관에 형성된 다수의 구멍의 이웃하는 것이, 서로 상하 역전된 사다리꼴 단면 형상이 되는 관계에 있어서 배치 형성되어 있는 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 구멍의 횡단면 형상이 등각사다리꼴 형상인 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 구멍의 횡단면 형상이, 아랫변과 일방의 각 (脚) 의 내각이 90°가 되는 사다리꼴 형상인 핀·앤드·튜브형 열 교환기용 전열관.
알루미늄 혹은 그 합금으로 이루어지는 핀과, 알루미늄 혹은 그 합금으로 이루어지는, 전체적으로 편평한 단면 형상의 다공관을 조립하여 이루어지는 핀·앤드·튜브형 열 교환기로서,
상기 다공관이, 관축 방향으로 연장되는 사다리꼴 단면 형상의 다수의 구멍을, 폭 방향으로 이간하여 서로 평행하게 배열하여 구성되어 있음과 함께, 이러한 구멍의 윗변 길이는 아랫변 길이의 1/2 이하이고, 또한 그 구멍의 높이는, 아랫변 길이와 동등 이상이며, 또한 그 다공관 두께의 0.5 ∼ 0.8 배이고, 그리고 이러한 구멍의 단면적의 4 배를 그 구멍의 변의 길이의 합으로 나눔으로써 정의되는 수력 직경：D 와 그 구멍의 높이：h 의 비 (D/h) 가 0.40 ∼ 0.85 의 범위 내가 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 핀·앤드·튜브형 열 교환기.
제 5 항에 있어서,
상기 핀으로서 사각형의 판상 핀을 사용함과 함께, 그 판상 핀의 일단에 개구되도록 형성된 소정 길이의 슬릿 내에 상기 다공관을 끼워 넣고 고정시킴으로써, 그들 다공관과 판상 핀이 조립되어 있는 핀·앤드·튜브형 열 교환기.
제 5 항에 있어서,
상기 핀으로서 파형 형상의 코루게이트 핀을 사용함과 함께, 그 코루게이트 핀의 복수와 상기 다공관의 복수가 교대로 적층되어 서로 접합됨으로써 조립되어 있는 핀·앤드·튜브형 열 교환기.