KR20150127954A - 열교환기용 루버 핀 및 이를 구비하는 루버 핀형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기용 루버 핀 및 이를 구비하는 루버 핀형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배수 성능과 열전달 성능을 향상시키는 열교환기용 루버 핀 및 이를 구비하는 루버 핀형 열교환기에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 루버가 형성되고 기준축선을 따라서 이격된 상태로 일렬로 배치되어서 기체가 지나가는 다수의 기체 채널을 형성하는 다수의 평판부; 상기 다수의 평판부 중 이웃한 두 평판부의 일측을 연결하는 다수의 제1 연결부; 상기 다수의 평판부 중 이웃한 두 평판부의 타측을 연결하는 다수의 제2 연결부; 및 상기 두 연결부에 형성된 딤플을 포함하며, 상기 다수의 평판부는 상기 기준축선에 대하여 동일한 방향으로 경사져서 기울어지며, 상기 딤플은 상기 기체 채널 쪽으로 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 루버 핀 및 이를 구비하는 루버 핀형 열교환기가 제공된다.

Description

열교환기용 루버 핀 및 이를 구비하는 루버 핀형 열교환기 {LOUVER FIN FOR HEAT EXCHANGER AND LOUVER FIN TYPE HEAT EXCHANGER HAVING THE SAME}

본 발명은 열교환기용 루버 핀 및 이를 구비하는 루버 핀형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배수 성능과 열전달 성능을 향상시키는 열교환기용 루버 핀 및 이를 구비하는 루버 핀형 열교환기에 관한 것이다.

도 1에는 종래의 루버 핀형 열교환기의 일 예가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 평행하게 배치되는 다수의 납작형 튜브(11)와, 납작형 튜브(11)의 사이에 접합된 루버 핀(12)을 구비한다. 루버 핀(12)은 열교환 효율을 극대화하기 위하여 방열면에 루버(13)를 형성시킨 것이다. 일반적으로 튜브(11)에는 열전달이 잘 되는 유체가 화살표 방향으로 흐르며, 루버 핀(12)에는 열전달이 잘 되지 않는 기체가 화살표 방향으로 흐르면서, 튜브(11)를 지나는 유체와 루버 핀(12)을 지나는 기체 사이에 열교환이 이루어진다.

루버 핀형 열교환기에서 루버의 수, 폭, 기울기 및 배치는 열전달 성능, 기체 흐름에 대한 유동 저항, 배수 성능, 서리 현상, 오염물질의 막힘, 팬(fan) 동력, 중량, 생산선, 금형의 내구성 등에 영향을 미친다.

루버 핀형 열교환기에서 열교환은 루버가 형성된 부분에서 루버가 형성되지 않은 부분에서 보다 열전달이 잘 된다. 그러나 루버 핀형 열교환기에서 루버 핀의 입구로 유입된 기체가 루버가 없는 가장자리로 쏠리는 현상이 발생한다. 이러한 유동의 불균형은 루버 핀 전체의 효과적 활용을 방해한다. 또한, 루버 핀의 표면에 발생한 응축수는 기체 흐름의 압력강하를 증가시키고, 열전달을 감소시키며, 과부하시 빙결 발생의 가능성을 높이며, 공기조화 공간으로 날려 유입되거나 유기물과 함께 부패되어서 냄새를 발생시키기 때문에 신속하게 제거되는 것이 바람직하다. 이를 위하여 종래에는 루버 핀 열교환기의 근처에 UV 램프나 히터 등 별도의 장치 설치하는 경우가 있는데, 이는 전체 시스템의 크기와 비용을 증가시킨다는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 배수 성능과 열전달 성능을 향상시키는 열교환기용 루버 핀 및 이를 위한 루버 핀형 열교환기를 제공하는 것이다.

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

루버가 형성되고 기준축선을 따라서 이격된 상태로 일렬로 배치되어서 기체가 지나가는 다수의 기체 채널을 형성하는 다수의 평판부; 상기 다수의 평판부 중 이웃한 두 평판부의 일측을 연결하는 다수의 제1 연결부; 상기 다수의 평판부 중 이웃한 두 평판부의 타측을 연결하는 다수의 제2 연결부; 및 상기 두 연결부에 형성된 딤플을 포함하며, 상기 다수의 평판부는 상기 기준축선에 대하여 동일한 방향으로 경사져서 기울어지며, 상기 딤플은 상기 기체 채널 쪽으로 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 루버 핀이 제공된다.

상기 딤플은 상기 연결부에 상기 연결부의 연장 방향을 따라서 다수 개가 형성되며, 그 간격은 점점 좁아질 수 있다.

상기 딤플은 상기 연결부에 상기 연결부의 연장 방향을 따라서 다수 개가 형성되며, 그 깊이는 점점 깊어질 수 있다.

상기 딤플은 상기 연결부의 연장 방향을 따라 가면서 깊어지도록 형성될 수 있다.

상기 딤플에는 상기 기체 채널과 외부를 연통시키는 개구부가 형성될 수 있다.

상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부는 바깥쪽으로 호 형상으로 돌출된 것일 수 있다.

상기 다수의 제1 연결부는 하나의 평면 상에 놓이고, 상기 다수의 제2 연결부는 또 다른 하나의 평면 상에 놓일 수 있다.

상기 평판부의 경사각(a)은 3도 내지 45도일 수 있다.

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

상기 열교환기용 루버 핀; 및 상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부에 결합된 튜브를 포함하는 루버 핀형 열교환기가 제공된다.

상기 튜브는 납작관 형태일 수 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면,

병렬로 평행하게 배치되는 납작관 형태의 다수의 튜브; 및 상기 다수의 튜브 중 이웃한 두 튜브 사이에 연장되고 루버가 형성된 다수의 평판부를 구비하는 루버 핀을 포함하며, 상기 다수의 평판부는 상기 튜브에 대하여 경사지게 동일한 방향으로 기울어지며, 상기 튜브와 상기 루버 핀이 결합되는 부분에 배수용 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 루버 핀형 열교환기가 제공된다.

상기 루버 핀은 둘 이상이며, 인접한 두 루버 핀은 그 사이에 위치하는 튜브를 기준으로 대칭인 형태로 각 평판부가 경사지게 배치될 수 있다.

본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 루버 핀의 평판부가 튜브에 대하여 경사지게 형성되고, 튜브와 접합되는 연결부에 딤플이 마련되므로, 열전달 성능과 배수 성능이 향상된다. 배수 성능이 향상되므로 응축된 잔류수가 감소되어서 열교환기의 기체 측에서 위생상태가 개선되고, 냄새 발생이 감소하여 쾌적성이 향상된다.

도 1은 종래의 루버 핀형 열교환기의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 루버 핀형 열교환기의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 루버 핀형 열교환기의 측면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 루버 핀형 열교환기의 평면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 루버 핀의 사시도로서 일부 구간을 도시한 것이다.
도 6은 도 5에 도시된 루버 핀의 제1 연결부를 절단하여 도시한 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 루버 핀에 형성된 루버의 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시된 루버 핀의 다른 예를 도시한 단면도이다.
도 9는 도 2에 도시된 루버 핀의 또 다른 예를 도시한 단면도이다.
도 10은 도 2에 도시된 루버 핀의 또 다른 예를 도시한 단면도이다.
도 11a와 도 11b는 도 2에 도시된 루버 핀의 또 다른 예를 도시한 단면도 및 측면도이다.
도 12는 도 2에 도시된 루버 핀의 또 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 13은 루버 핀의 경사각도와 응축수의 두께 관계를 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 루버 핀형 열교환기의 측면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 루버 핀형 열교환기가 도시되어 있다. 루버 핀형 열교환기(100)는 교대로 번갈아 배열된 다수의 튜브(110)와 다수의 루버 핀(120)을 포함한다. 본 실시예에서는 루버 핀형 열교환기(100)가 5개의 튜브(110)와, 4개의 루버 핀(120)으로 이루어지는 것으로 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 튜브와 루버 핀의 수는 적절히 변경될 수 있으며, 이 또한 당연히 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 이하, 루버 핀형 열교환기(100)의 특징적 구성을 명확하게 설명하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 x-y-z 직교좌표계가 도입된다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 튜브(110)는 직선으로 연장된 납작관 형태로서, z축과 평행하게 연장되고, 양면이 x축과 직교하도록 배치된다. 다수의 튜브(110)는 x축을 따라서 등간격으로 이격된 상태로 차례대로 위치한다. 그에 따라, 이웃하는 두 튜브(110)는 이격된 상태로 서로 대향하게 된다. 각 튜브(110)의 내부에는 유체(일반적으로 물 또는 냉매)가 도 2에 도시된 화살표와 같이 z축과 평행하게 흐르면서 각 튜브(110)의 외부를 도 2에 도시된 화살표와 같이 y축과 평행하게 지나가는 기체와 열교환한다. 이웃하는 두 튜브(110)의 사이에는 루버 핀(120)이 위치한다. 본 실시예에선 튜브는 알루미늄 재질인 것으로 설명한다.

루버 핀(120) 각각은 이웃하는 두 튜브(110)의 사이에서 이웃하는 두 튜브(110)에 접합된다. 도 2 내지 도 7을 참조하면, 루버 핀(120)은 판 부재가 파형을 갖도록 순차적으로 반복 절곡된 형태로서, 다수의 평판부(121)와, 다수의 제1 연결부(122)와, 다수의 제2 연결부(123)와, 두 연결부(122, 123) 각각에 형성된 다수의 딤플(126)을 구비한다. 루버 핀(120)은 연속적으로 이어진 평판부(121)-제1 연결부(122)-평판부(121)-제2 연결부(123)의 구조가 반복되는 형상이다. 루버 핀(120)은 열전도율이 높고 성형이 용이한 금속 재질로 이루어지는 것이 바람직한데, 본 실시예에서는 알루미늄 재질인 것으로 설명한다.

다수의 평판부(121)는 z축과 평행하게 연장되는 기준축선(A)를 따라서 차례대로 배치되며, 이웃하는 두 평판부(121)는 이격된 상태로 서로 대향한다. 이웃한 두 평판부(121)의 사이에 기체가 통과하는 기체 채널(121a)이 형성되며, 기체 채널(121a)은 y축 방향을 따라서 연장되도록 다수의 평판부(121)가 배치된다. 다수의 평판부(121)는 기준축선(A)에 대하여 모두 동일한 방향으로 경사지게 기울어져 있다. 본 실시예에서는 평판부(121)가 기준축선(A)과 직각인 면(B)과 이루는 경사각(a)이 30도인 것으로 설명하는데, 본 발명은 경사각(a)을 30도로 제한하지 않는다. 평판부(121)가 경사지게 형성됨으로써 배수 성능이 향상된다. 각 평판부(121)에는 기체 흐름 방향을 따라서 일측에 마련되는 제1 루버(124)와 타측에 마련된 다수의 제2 루버(125)가 형성되어 있다. 제1 루버(124)와 제2 루버(125)의 형성 방향은 도 7에 잘 나타나 있는 바와 같이 서로 반대이다.

평판부(121)가 이루는 경사각(a)이 증가할수록 배수 성능은 우수하다. 또한 경사각(a)이 증가할 수록 응축수의 막두께가 감소한다. 응축수의 막두께는 딤플의 크기와 관련이 있다. 도 13은 루버의 각도에 따른 핀 위에 형성되는 응축수의 무차원 두께를 도시한 그래프이다. 통상의 루버 핀의 경사각은 1도 이내로 수평에 가까우며 경사각이 3도 이상이면 배수 능력은 약 3배 정도 증가하고 액막두께는 70% 이상이 감소한다. 경사각이 과도하면 납작관의 수직방향(x 방향)의 힘에 취약하여 제작에 어려움을 초래할 수 있다. 따라서 본 실시예의 경사각(a)은 3도 이상 45도 이하가 적당하다.

제1 연결부(122)는 이웃한 두 평판부(110)의 일측을 연결하며 원호 형태로 바깥쪽으로 돌출된다. 다수의 제1 연결부(122)는 기준축선(A)과 평행하게 하나의 평면 상에 위치하여, 튜브(110)의 일면에 접합된다. 그에 따라, 평판부(121)는 튜브(110)에 대하여 경사지게 기울어진다.

제2 연결부(123)는 이웃하는 두 평판부(110)의 타측을 연결하며 원호 형태로 바깥쪽으로 돌출된다. 다수의 제2 연결부(123)는 기준축선(A)과 평행하게 연장되는 하나의 평면 상에 위치하여, 튜브(110)의 일면에 접합된다. 그에 따라, 평판부(121)는 튜브(110)에 대하여 경사지게 기울어진다.

딤플(126)은 제1 연결부(122)와 제2 연결부(123)에 형성된다. 딤플(126)은 제1 연결부(122)와 제2 연결부(123)에 동일한 구성으로 형성되므로, 여기서는 제1 연결부(122)에 형성된 딤플(126)에 대해서만 상세하게 설명한다. 딤플(126)은 제1 연결부(122)의 연장 방향을 따라서 등간격으로 배치된다. 딤플(126)은 제1 연결부(122)의 일부 구간 양단을 절개한 후 해당 구간을 안쪽으로 가압하여 형성될 수 있다. 딤플(126)에 의해 유체 채널(121a)을 지나는 기체 흐름에 난류가 형성되고 기체를 열전달 성능이 우수한 루버(124, 125) 쪽으로 안내하여, 전체적인 열전달 성능이 향상된다. 또한, 딤플(126)은 도 4에 잘 도시되어 있는 바와 같이, 튜브(110)와 이격된 틈(126a)을 제공한다. 이 틈(126a)은 배수용 통로로서 기능하여 열교환기(100)의 전체적인 배수 성능을 향상시킨다. 딤플(126)의 양단에는 개구부(126b, 126c)가 마련된다. 이 개구부(126b, 126c)를 통해 딤플(126)과 튜브(110) 사이에 형성된 틈(126a)으로 기체가 유입될 수 있으며, 배수도 가능하게 된다. 이론적으로 딤플(126)의 깊이(d)는 클수록 열전달 성능을 향상시키지만, 루버(124, 125)와의 관계를 고려할 때, 루버(124, 125)가 형성된 영역을 침범하지 않도록 그 깊이가 조절되는 것이 바람직하다. 딤플(126)이 루버(124, 125)가 형성된 영역을 핀피치 이상 과도하게 침범하여 형성되면, 루버(124, 125)의 열전달 성능을 저하시키기 때문이다.

루버 핀은 유입단에서 유입되는 기체와 튜브를 통과하는 유체 사이의 온도차가 커서 상대적으로 열전달량과 유입 기체의 온도 변화량이 크다. 그러나 기체가 배출되는 배출단 쪽으로 갈수록 기체와 튜브를 통과하는 유체 사이의 온도차가 작아서 유입단 쪽보다 기체의 온도 변화가 작다. 따라서 배출단 쪽에서 열전달이 촉진되도록 딤플을 형성하면 동일한 팬 동력에 대해 열전달이 상승하는 효과를 얻을 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위한 예가 도 8 내지 도 11b에 도시되어 있다.

도 8을 참조하면, 루버 핀(220)은 제1 연결부(122)와 제2 연결부(123)에 형성된 다수의 딤플(226)을 구비한다. 제1 연결부(122)와 제2 연결부(123) 각각에는 다수의 딤플(226)이 그 연장 방향을 따라서 배치되는데, 화살표로 도시된 기체 흐름 방향을 따라 갈수록 두 딤플(226) 사이의 간격이 좁아진다. 이와 같이 기체 흐름 하류 쪽에서 두 딤플(226) 사이의 거리가 좁아지므로 하류 쪽에서 열교환이 더 촉진될 수 있다. 그 외의 구성은 도 6에 도시된 루버 핀(120)과 동일하다.

도 9를 참조하면, 루퍼 핀(320)은 제1 연결부(122)와 제2 연결부(123)에 형성된 다수의 딤플(326)을 구비한다. 제1 연결부(122)와 제2 연결부(123) 각각에는 다수의 딤플(326)이 그 연장 방향을 따라서 배치되는데, 각 딤플(326)은 기체 흐름 방향을 따라 갈수록 깊어지도록 형성된다. 그에 따라 하류 쪽에서 열교환이 더 촉진될 수 있다. 그 외의 구성은 도 6에 도시된 루버 핀(120)과 동일하다.

도 10을 참조하면, 루버 핀(420)은 제1 연결부(122)와 제2 연결부(123)에 형성된 다수의 딤플(426)을 구비한다. 제1 연결부(122)와 제2 연결부(123) 각각에는 다수의 딤플(426)이 그 연장 방향을 따라서 배치되는데, 하류 쪽에 위치하는 딤플(426)이 상류 쪽에 위치하는 딤플(426)보다 더 깊게 형성된다. 그에 따라 하류 쪽에서 열교환이 더 촉진될 수 있다. 그 외의 구성은 도 6에 도시된 루버 핀(120)과 동일하다.

도 11a와 도 11b를 참조하면, 루버 핀(520)은 제1 연결부(122)와 제2 연결부(123)에 형성된 다수의 딤플(526)을 구비한다. 제1 연결부(122)와 제2 연결부(123) 각각에는 다수의 딤플(526)이 그 연장 방향을 따라서 배치되는데, 화살표로 도시된 기체 흐름 방향을 따라 갈수록 두 딤플(526) 사이의 간격이 좁아진다. 또한, 각 딤플(526)은 기체 흐름 방향을 따라 갈수록 깊어지고 폭이 넓어지도록 형성된다. 딤플(526)은 하류로 갈수록 커지는 대체로 삼각형의 단면 형상을 가지며, 하류 쪽 끝 부분만이 개방된다. 그 외의 구성은 도 6에 도시된 루버 핀(120)과 동일하다.

도 12에는 도 2에 도시된 루버 핀의 또 다른 예를 도시되어 있다. 도 12를 참조하면, 루버 핀(520)은 다수의 딤플(626)를 구비한다. 다수의 딤플(626)은 어떠한 개구부도 구비하지 않는다는 점을 제외하면 도 5에 도시된 실시예와 동일하다.

도 14는 납작관(210)을 중심으로 루버 핀(221)의 경사각(a)이 대칭이 되도록 배치한 실시예를 도시한 것이다. 납작관의 길이가 긴 경우 도 2와 같이 경사각(a)이 한 방향으로 배치된 경우 응축수가 한 방향으로 누증되는 경향이 있다. 즉, 응축수는 루버 핀의 아랫방향 즉 도 2의 x 방향으로 누증되면 이는 공기 흐름의 불균일을 초래할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 도 14에 도시된 바와 같이 납작관(210)을 중심으로 경사각(a)이 대칭이 되도록 루버 핀(221)이 배치되면 응축수의 누증을 억제하는 효과가 있다.

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 : 튜브
120 : 루버 핀 121 : 평판부
122 : 제1 연결부 123 : 제2 연결부
126 : 딤플

Claims (12)

1. 루버가 형성되고 기준축선을 따라서 이격된 상태로 일렬로 배치되어서 기체가 지나가는 다수의 기체 채널을 형성하는 다수의 평판부(121);
   상기 다수의 평판부 중 이웃한 두 평판부의 일측을 연결하는 다수의 제1 연결부(122);
   상기 다수의 평판부 중 이웃한 두 평판부의 타측을 연결하는 다수의 제2 연결부(123); 및
   상기 두 연결부에 형성된 딤플(126)을 포함하며,
   상기 다수의 평판부는 상기 기준축선에 대하여 동일한 방향으로 경사져서 기울어지며, 상기 딤플은 상기 기체 채널 쪽으로 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 루버 핀.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 딤플은 상기 연결부에 상기 연결부의 연장 방향을 따라서 다수 개가 형성되며, 그 간격은 점점 좁아지는 것을 특징으로 하는 열교환기용 루버 핀.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 딤플은 상기 연결부에 상기 연결부의 연장 방향을 따라서 다수 개가 형성되며, 그 깊이는 점점 깊어지는 것을 특징으로 하는 열교환기용 루버 핀.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 딤플은 상기 연결부의 연장 방향을 따라 가면서 깊어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 루버 핀.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 딤플에는 상기 기체 채널과 외부를 연통시키는 개구부가 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 루버 핀.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부는 바깥쪽으로 호 형상으로 돌출된 것을 특징으로 하는 열교환기용 루버 핀.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 다수의 제1 연결부는 하나의 평면 상에 놓이고, 상기 다수의 제2 연결부는 또 다른 하나의 평면 상에 놓이는 것을 특징으로 하는 열교환기용 루버 핀.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 평판부의 경사각(a)은 3도 내지 45도인 것을 특징으로 하는 열교환기용 루버 핀.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 하나의 청구항에 기재된 열교환기용 루버 핀; 및
   상기 제1 연결부와 상기 제2 연결부에 결합된 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 루버 핀형 열교환기.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 튜브는 납작관 형태인 것을 특징으로 하는 루버 핀형 열교환기.
11. 병렬로 평행하게 배치되는 납작관 형태의 다수의 튜브; 및
    상기 다수의 튜브 중 이웃한 두 튜브 사이에 연장되고 루버가 형성된 다수의 평판부를 구비하는 루버 핀을 포함하며,
    상기 다수의 평판부는 상기 튜브에 대하여 경사지게 동일한 방향으로 기울어지며, 상기 튜브와 상기 루버 핀이 결합되는 부분에 배수용 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 루버 핀형 열교환기.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 루버 핀은 둘 이상이며, 인접한 두 루버 핀은 그 사이에 위치하는 튜브를 기준으로 대칭인 형태로 각 평판부가 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 루버 핀형 열교환기.

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