KR20160104276A

KR20160104276A - 대향유동 형식의 열교환기 코어 및 그 열교환기 코어를 갖는 수랭식 열교환기 및 열교환방법

Info

Publication number: KR20160104276A
Application number: KR1020150027058A
Authority: KR
Inventors: 전창덕
Original assignee: 한국교통대학교산학협력단
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2015-02-26
Publication date: 2016-09-05
Also published as: KR101656176B1

Abstract

본 발명은 대향류 형식의 수랭식 열교환기 및 열교환방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 수랭식 열교환기에 있어서, 제1유체가 유입되는 유입공과 제1유체가 토출되는 토출공을 갖는 제1헤더와, 제1헤더와 이격되어 설치되는 제2헤더와, 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이에 구비되어 내부로 상기 제1유체가 유입되어 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이를 번갈아 가며 유동되며 서로 특정간격 이격되어 배치되는 다수의 마이크로 채널관과, 상기 마이크로 채널관 각각의 이격공간 사이에 구비되며 길이방향이 상기 마이크로 채널관의 길이방향과 평행하며 내부로 제2유체가 길이방향을 따라 유동되는 휜을 포함하는 열교환기 코어; 상기 열교환기 코어 상부측에 구비되며 상기 제1헤더의 유출공과 대응되는 위치에 구비되는 제1유체유입단과, 상기 제1헤더의 토출공과 대응되는 위치에 구비되는 제1유체토출단과, 제2유체가 유입되는 제2유체 유입부와, 상기 휜의 길이방향을 따라 유동된 제2유체가 토출되는 제2유체토출부를 갖는 상부 커버; 및 상기 열교환기 코어의 하부측에 구비되어 체결부재에 의해 상기 상부커버와 체결되는 하부커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기에 관한 것이다.

Description

대향유동 형식의 열교환기 코어 및 그 열교환기 코어를 갖는 수랭식 열교환기 및 열교환방법{Watercooled heat exchanger with counter flow type}

본 발명은 대향류 형식의 수랭식 열교환기 및 열교환방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 자동차 및 가정용으로 널리 사용되는 평행류 형식(parallel flow type)의 공랭식 열교환기를 응용하여 두 유체의 유동형식이 대향류 형식(counter flow type)이 되도록 함으로써 열전달 성능을 향상시킨 수랭식 열교환기에 관한 것이다.

도 1은 종래 PF(parallel flow) 열교환기(1)의 사시도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, PF 열교환기는 자동차 및 가정용 공랭식 열교환기로 널리 사용되고 있으며, 튜브는 마이크로채널관(micro-channel tube, 2)으로 구비되고, 휜(fin, 3)은 루버휜(louvered fin)을 적용하여 일반적으로 사용한다. 그리고, 냉매가 유입, 토출되는 헤더(4)를 포함하여 구성되어 있다.

이러한 PF 열교환기는 성능이 우수할 뿐만 아니라 대량생산되고 있어 제조원가 또한 매우 저렴하다. 따라서 원관(round tube)을 사용하는 기존의 공랭식 열교환기는 이러한 형식의 열교환기로 점차 대체되고 있다.

수랭식(액체-액체) 열교환기를 개발함에 있어서 PF 열교환기를 이용하면 제조원가를 낮출 수 있어 이에 대한 연구가 많이 진행되어 왔으며 관련 특허 또한 다수 출원되었다.

도 2는 종래 휜-마이크로 튜브 수랭식 열교환기(10)의 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 3은 도 2의 A부분의 분해 사시도를 도시한 것이다.

즉, 도 2는 기존 발명(열교환기, 출원번호 : 10-2011-0016531)의 한 예로 휜-마이크로 채널관 열교환기(10)를 사이에 두고 앞뒤로 쉘부(제1커버(11)와 제2커버(14))를 두어 마이크로 튜브로 구성된 마이크로 채널관(2)을 따라 흐르는 액체(냉매, a)와 휜(3)을 통과하는 액체(냉각수, b)가 서로 직교류(cross flow)하면서 열전달이 일어나도록 구성한 기술이다.

그러나 이러한 종래 기술은 유동형식이 직교류 형식이어서 대향류(counter flow) 형식의 열교환기 보다 전열 성능이 좋지 않은 단점을 가지고 있으며 직교류 유동을 만들기 위하여 튜브 앞과 뒤에 배플(15)이 구비된 유체(물) 통로(도 3의 제1커버(11), 제2커버(14))가 있어야 한다는 것이다.

그러므로 열교환기 체적이 커져 설치공간을 많이 차지하고, 중량도 함께 증가하며 무엇보다도 열교환기 내부 표면적이 증가해 내압성이 좋지 않은 문제점을 가지고 있다.

대한민국 공개특허 제2012-0097143호 대한민국 등록특허 제0943573호 일본 공개특허 제2012-097920호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 마이크로 채널관과 채널관 사이에 삽입되는 휜(fin)을 종래 공랭식 열교환기 제작방법과는 달리 길이 방향으로 용접, 설치함으로써 두 유체가 채널관 폭(W) 내에서 대향 유동하면서 서로 열을 수수할 수 있도록 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기 및 열교환방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 냉각수가 마이크로 채널관에 직교하여 흐르는 기존의 열교환기와 달리 열교환기 코어 앞면과 뒷면 전체에 냉각수 통로를 설치할 필요가 없으므로 열교환기 체적 및 중량 감소 그리고 내압성을 향상시킬 수 있는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기 및 열교환방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제2유체유입부의 바닥면에는 제2유체분배기가 구비되어 유입된 제2유체(냉각수)가 튜브와 튜브 사이의 휜 공간으로 잘 분배되도록 할 수 있고, 열교환기로 유입된 제2유체는 하부커버의 양 끝단에 비대칭 형상으로 설치된 반원주 형상의 제2유체통로를 통해 하단에서 상단으로 또는 그 반대방향으로 유동할 수 있어, 제2유체 흐름을 원활하게 하여 제2유체의 유동 손실을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 사각형 유동통로 형상보다 체적당 표면적 비를 줄일 수 있으므로 기존의 열교환기보다 내압성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기 및 열교환방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 냉각수인 제2유체와 냉매인 제1유체는 완벽하게 대향유동을 하기 때문에 기존의 열교환기보다 전열 성능을 향상시킬 수 있고, 제1유체와 제2유체의 흐름이 열교환기 코어 공간에서 대부분 일어나기 때문에 기존 열교환기보다 크기를 대폭 줄일 수 있는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기 및 열교환방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 종래기술보다 상부와 하부에 냉각수 통로를 구비할 필요가 없어 열교환기 크기를 작게 만들 수 있어 재료비 절약, 공정 감소, 중량감소, 내압성을 향상시킬 수 있고, 유동형식이 대향유동이므로 전열성능을 개선할 수 있는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기 및 열교환방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 수랭식 열교환기 코어에 있어서, 제1유체가 유입되는 유입공과 제1유체가 토출되는 토출공을 갖는 제1헤더; 제1헤더와 이격되어 설치되는 제2헤더; 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이에 구비되어 내부로 상기 제1유체가 유입되어 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이를 번갈아 가며 유동되며 서로 특정간격 이격되어 배치되는 다수의 마이크로 채널관; 및 상기 마이크로 채널관 각각의 이격공간 사이에 구비되며, 길이방향이 상기 마이크로 채널관의 길이방향과 평행하며 내부로 제2유체가 길이방향을 따라 유동되는 휜;을 포함하여, 상기 제1유체와 상기 제2유체가 서로 대향되는 방향으로 유동되어 열교환되는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 열교환기 코어로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 휜은 지그재그 형태로 만곡 또는 절곡되어 구성되며, 만곡면과 절곡면의 길이방향은 상기 휜의 길이방향과 상기 마이크로 채널관의 길이방향과 평행되도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 제1헤더 및 상기 제2헤더 내부에 적어도 하나 구비되어 상기 제1유체가 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이를 번갈아 가며 유동되도록 가이드 하는 배플을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 휜의 일측 끝단 각각은 상기 제1헤더와 특정간격 이격되고, 상기 휜의 타측 끝단 각각은 상기 제2헤더와 특정간격 이격되도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 제1유체는 냉매이고, 상기 제2유체는 냉각수인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 수랭식 열교환기 코어를 이용한 열교환방법에 있어서, 제1헤더의 유입공을 통해 제1유체가 제1헤더로 유입되는 단계; 상기 제1헤더와 제2헤더 사이에 구비되는 마이크로 채널관 내부로 상기 제1유체가 유입되어 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이를 번갈아 가며 유동되는 단계; 상기 제1헤더의 토출공으로 상기 제1유체가 토출되는 단계; 및 상기 제1헤더로 유입되는 단계, 상기 유동되는 단계 및 상기 제1유체가 토출되는 단계와 동시에, 상기 마이크로 채널관 각각의 이격공간 사이에 구비되며, 길이방향이 상기 마이크로 채널관의 길이방향과 평행한 휜 내부로 제2유체가 길이방향을 따라 유동되는 단계를 포함하여, 상기 제1유체와 상기 제2유체가 서로 대향되는 방향으로 유동되어 열교환되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 휜은 지그재그 형태로 만곡 또는 절곡되어 구성되며, 만곡면과 절곡면의 길이방향은 상기 휜의 길이방향과 상기 마이크로 채널관의 길이방향과 평행되도록 구성되어, 상기 제2유체는 상기 제1유체의 유동과 대향되는 방향으로 유동되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은, 수랭식 열교환기에 있어서, 제1유체가 유입되는 유입공과 제1유체가 토출되는 토출공을 갖는 제1헤더와, 제1헤더와 이격되어 설치되는 제2헤더와, 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이에 구비되어 내부로 상기 제1유체가 유입되어 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이를 번갈아 가며 유동되며 서로 특정간격 이격되어 배치되는 다수의 마이크로 채널관과, 상기 마이크로 채널관 각각의 이격공간 사이에 구비되며 길이방향이 상기 마이크로 채널관의 길이방향과 평행하며 내부로 제2유체가 길이방향을 따라 유동되는 휜을 포함하는 열교환기 코어; 상기 열교환기 코어 상부측에 구비되며 상기 제1헤더의 유출공과 대응되는 위치에 구비되는 제1유체유입단과, 상기 제1헤더의 토출공과 대응되는 위치에 구비되는 제1유체토출단과, 제2유체가 유입되는 제2유체 유입부와, 상기 휜의 길이방향을 따라 유동된 제2유체가 토출되는 제2유체토출부를 갖는 상부 커버; 및 상기 열교환기 코어의 하부측에 구비되어 체결부재에 의해 상기 상부커버와 체결되는 하부커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 제1유체유입단은 상기 상부커버의 일측면 상단에 구비되고, 상기 제1유체토출단은 상기 상부커버의 타측면 상단에 구비되며, 상기 제2유체유입부는 상기 상부커버의 상부면 타측 상단에 구비되고, 상기 제2유체토출부는 상기 상부커버의 상부면 일측 상단에 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 제2유체유입부가 구비된 상기 상부커버의 바닥면에 구비되는 제2유체분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 상부커버의 하부면과 상기 하부커버의 상부면에 형성되어 상기 제2유체가 상기 휜의 길이방향을 따라 유동되도록 가이드 하는 제2유체가이드부재를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 하부커버에 구비되어, 상기 휜의 길이방향을 따라 유동하는 제2유체의 유동방향을 제2헤더측에서 제1헤더측 방향으로 또는 제1헤더측에서 제2헤더측방향으로 선회시키기 위한 제2유체통로를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제2유체통로를 하부측으로 볼록하게 돌출된 반원형 단면으로 구성되어, 상기 제2유체의 유동을 선회시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 휜의 일측 끝단 각각은 상기 제1헤더와 특정간격 이격되고, 상기 휜의 타측 끝단 각각은 상기 제2헤더와 특정간격 이격되도록 구성되어, 상기 제2유체유입부를 통해 유입된 제2유체는 이격된 공간을 거쳐 상기 휜으로 유입되고, 상기 이격된 공간 측에 상기 제2유체통로가 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1헤더 및 상기 제2헤더 내부에 배플이 적어도 하나 구비되어 상기 제1유체가 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이를 번갈아 가며 유동되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제4목적은, 수랭식 열교환기를 이용한 열교환방법에 있어서, 상부커버의 제1유체유입단과 제1헤더의 유입공을 통해 제1유체가 제1헤더로 유입되는 단계; 상기 제1헤더와 제2헤더 사이에 구비되는 마이크로 채널관 내부로 상기 제1유체가 유입되어 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이를 번갈아 가며 유동되는 단계; 상기 제1헤더의 토출공과 상기 상부커버의 제1유체토출단을 통해 상기 제1유체가 토출되는 단계; 및 상기 제1헤더로 유입되는 단계, 상기 유동되는 단계 및 상기 제1유체가 토출되는 단계와 동시에, 상기 상부커버의 제2유체 유입부를 통해, 상기 마이크로 채널관 각각의 이격공간 사이에 구비되며 길이방향이 상기 마이크로 채널관의 길이방향과 평행한 휜 내부로 제2유체가 유입되어, 상기 휜의 길이방향을 따라 제2유체가 상기 제1헤더측과 상기 제2헤더측을 번갈아 가며 유동되고, 상기 상부커버의 제2유체 토출부를 통해 제2유체가 토출되는 단계를 포함하여, 상기 제1유체와 상기 제2유체가 서로 대향되는 방향으로 유동되어 열교환되는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 마이크로 채널관과 채널관 사이에 삽입되는 휜(fin)을 종래 공랭식 열교환기 제작방법과는 달리 길이 방향으로 용접, 설치함으로써 두 유체가 채널관 폭(W) 내에서 대향 유동하면서 서로 열을 수수할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 냉각수가 마이크로 채널관에 직교하여 흐르는 기존의 열교환기와 달리 열교환기 코어 앞면과 뒷면 전체에 냉각수 통로를 설치할 필요가 없으므로 열교환기 체적 및 중량 감소 그리고 내압성을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제2유체유입부의 바닥면에는 제2유체분배기가 구비되어 유입된 제2유체(냉각수)가 튜브와 튜브 사이의 휜 공간으로 잘 분배되도록 할 수 있고, 열교환기로 유입된 제2유체는 하부커버의 양 끝단에 비대칭 형상으로 설치된 반원주 형상의 제2유체통로를 통해 하단에서 상단으로 또는 그 반대방향으로 유동할 수 있어, 제2유체 흐름을 원활하게 하여 제2유체의 유동 손실을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 사각형 유동통로 형상보다 체적당 표면적 비를 줄일 수 있으므로 기존의 열교환기보다 내압성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 냉각수인 제2유체와 냉매인 제1유체는 완벽하게 대향유동을 하기 때문에 기존의 열교환기보다 전열 성능을 향상시킬 수 있고, 제1유체와 제2유체의 흐름이 열교환기 코어 공간에서 대부분 일어나기 때문에 기존 열교환기보다 크기를 대폭 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 종래기술보다 상부와 하부에 냉각수 통로를 구비할 필요가 없어 열교환기 크기를 작게 만들 수 있어 재료비 절약, 공정 감소, 중량감소, 내압성을 향상시킬 수 있고, 유동형식이 대향유동이므로 전열성능을 개선할 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 PF 열교환기의 사시도,
도 2는 종래 휜-마이크로 튜브 수랭식 열교환기의 사시도,
도 3은 도 2의 A부분의 분해 사시도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대향유동 형식의 수랭식 열교환기의 열교환기 코어의 부분 사시도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 대향유동 형식의 수랭식 열교환기의 분해 사시도,
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 대향유동 형식의 수랭식 열교환기의 열교환기 코어의 평면도,
도 6b는 도 6a의 B부분의 확대 사시도,
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 상부커버의 상단측 사시도,
도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 상부커버의 하단측 사시도,
도 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 제2유체분배기의 사시도,
도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 제2유체분배기의 단면도,
도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 하부커버의 상단측 사시도,
도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 하부커버의 하단측 사시도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 제1유체와 제2유체의 유동경로를 나타낸 대향유동 형식의 수랭식 열교환기의 투시 사시도,
도 10은 종래 직교류 형식의 수랭식 열교환기와 본 발명의 일실시예에 따른 대향유동 형식의 수랭식 열교환기의 제1유체, 제2유체의 유동경로를 나타낸 비교 단면도를 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 대향유동 형식의 수랭식 열교환기(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대향유동 형식의 수랭식 열교환기(100)의 열교환기 코어(110)의 부분 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 대향유동 형식의 수랭식 열교환기(100)의 분해 사시도를 도시한 것이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 대향유동 형식의 수랭식 열교환기(100)는, 전체적으로 열교환기 코어(110)와 커버부를 포함하여 구성됨을 알 수 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기 코어(110)는 다수의 마이크로 채널관(2)과, 마이크로 채널관(2) 사이 공간에 결합되는 휜(3) 및 마이크로 채널관(2) 각각의 일단에 결합되는 제1헤더(20)와 마이크로 채널관(2) 각각의 타단에 결합되는 제2헤더(30)를 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 채널관(2)의 내부에는 다수의 마이크로 튜브를 구비하고 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 휜(3)은, 각각의 마이크로 채널관(2)의 사이 공간에 설치되며, 휜(3)의 길이방향과 마이크로 채널관(2)의 길이방향이 평행하게 구성되게 된다.

따라서, 휜(3)과 마이크로 채널관(2)의 길이방향이 평행하도록 구성됨에 따라, 후에 설명되는 바와 같이, 제1헤더(20)를 통해 마이크로 채널관(2) 내로 유입되는 제1유체(a)와, 상부커버(40)의 제2유체유입부(41)를 통해 휜(3) 내로 유입되는 제2유체가 서로 반대방향으로 대향류(counter flow) 형식으로 유동되게 됨으로써, 열교환효율을 증대시킬 수 있게 된다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 휜(3)은 종래와 다르게, 길이방향이 마이크로 채널관(2)의 길이방향과 평행되게 구성되며 지그재그 형태로 만곡 또는 절곡된 형태를 갖는다.

도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 대향유동 형식의 수랭식 열교환기의 열교환기 코어(110)의 평면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 6b는 도 6a의 B부분의 확대 사시도를 도시한 것이다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기 코어(110)는 다수의 마이크로 채널관(2)과, 이러한 마이크로 채널관(2) 사이 공간에 설치되는 휜(3)을 포함하고, 마이크로 채널관(2) 각각의 일단과 결합되는 제1헤더(20)와 타단에 결합되는 제2헤더(30)를 포함하고 있음을 알 수 있다.

제1헤더(20)와 제2헤더(30)는 기본적으로 중공관 형태로 구성될 수 있으며, 제1헤더(20)는 일단에 유입공(21)과 타단에 토출공(22)이 형성된 개방관 형태를 갖고 있으며, 제2헤더(30)는 양단이 폐쇄면으로 구성되어 진다.

또한, 마이크로 채널관(2)과 휜(3)의 길이방향은 서로 평행하며, 마이크로 채널관(2)의 길이는 휜(3)의 길이보다 크게 구성되어, 후에 설명되는 바와 같이, 상부커버(40)의 제2유체유입부(41)를 통해 유입된 제2유체(b)는 휜(3)의 길이방향을 따라 유동하여 제2유체토출부(43)를 통해 토출되게 된다.

또한, 후에 설명되는 바와 같이, 하부커버(50)에는 제2유체 가이드부재(46)와 제2유체통로(51)를 구비하여, 제2유체(b)가 휜(3)을 길이방향을 따라 방향이 선회되어 지그재그 형태로 유동될 수 있으며, 도 6a에 도시된 바와 같이, 제1헤더(20)와 제2헤더(30)에 배플(15)이 구비되어, 제2유체(b)의 유동방향과 대향 형식으로 제1유체(a)가 마이크로 채널관(2)의 길이방향을 따라 유동되게 되어, 언제나 제1유체(a)와 제2유체(b)가 마이크로 채널관(2)의 폭 내에서 대향 유동하면서 서로 열을 교환할 수 있게 된다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 대향유동 형식의 수랭식 열교환기(100)는, 제1유체(a)인 냉매와 제2유체(b)의 입출구부가 설치된 상부커버(40)와 제2유체통로(51) 및 제2유체가이드부재(46)가 구비된 하부커버(50) 사이에, 마이크로 채널관(2) 사이에 설치되며 마이크로 채널관(2)의 길이방향과 길이방향이 평행인 휜(3)을 갖는 열교환기 코어(110)를 삽입하고 체결부재(52)인 볼트와 너트로 상부커버(40)와 하부커버(50)를 결합하게 됨을 알 수 있다.

따라서 제2유체(b)가 마이크로 채널관(2)에 직교하여 흐르는 기존의 열교환기와 달리 열교환기 코어 앞면과 뒷면 전체에 냉각수 통로를 설치할 필요가 없으므로 열교환기 체적 및 중량 감소 그리고 내압성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기 코어(110)의 휜(3)은 제1헤더(20), 제2헤더(30) 각각으로부터 D 만큼의 이격거리를 갖도록 짧게 제작하며 이격거리(D))는 상부커버(40)에 구비된 제2유체유입부(41)와 제2유체토출부(43)의 관 내경의 0.5 ~ 1.0배 범위를 갖도록 함이 바람직하다.

도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 상부커버(40)의 상단측 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 상부커버(40)의 하단측 사시도를 도시한 것이다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 상부커버(40)의 상부면 일측에는 제2유체유입부(41)가 구비되어 제2유체(b)가 휜(3)의 길이방향을 따라 지그재그로 유동하게 된 후, 상부면 타측에 형성된 제2유체토출부(43)를 통해 토출되게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상부커버(40)의 일측면에는 제1유체유입단(44)이 형성되어 있다. 그리고, 상부커버(40)의 타측면에는 제1유체토출단(45)이 형성되게 되며, 이러한 제1유체유입단(44)과 제1유체토출단(45) 사이에 제1헤더(20)가 위치하게 된다.

따라서, 제1유체유입단(44)과 제1헤더(20)의 유입공(21)을 통해 유입된 제1유체(a)는 마이크로 채널관(2)의 마이크로 튜브의 길이방향을 따라 배플(15)에 의해 제2헤더(30)와 지그재그 형태로 유동한 후, 제1헤더(20)의 토출공(22)과 제1유체토출단(45)을 통해 토출되게 된다.

도 7c는 본 발명의 일실시예에 따른 제2유체분배기(42)의 사시도를 도싯한 것이다. 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 제2유체분배기(42)의 단면도를 도시한 것이다.

도 7b, 도 7c 및 도 7d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 제2유체유입부(41)가 구비된 상부커버(40)의 하부면 측에 제2유체분배기(42)가 구비될 수 있음을 알 수 있다.

따라서, 제2유체(b)가 휜(3)의 끝단과 헤더, 마이크로 채널관(2) 사이의 공간으로 효율적으로 분배되어 휜(3)의 길이방향을 따라 유동될 수 있게 된다.

그리고, 도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 하부커버(50)의 상단측 사시도를 도시한 것이다. 그리고, 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 하부커버(50)의 하단측 사시도를 도시한 것이다.

도 7b, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 상부커버(40)의 하부면 그리고, 하부커버(50)의 상부면에는 제2유체 가이드부재(46)가 형성되어 있으며, 하부커버(50)에는 하부로 볼록하게 형성되어 제2유체(b)의 방향을 선회할 수 있도록 구성된 제2유체 통로(51)가 구비되게 됨을 알 수 있다.

따라서, 열교환기 코어(110)로 유입된 제2유체(b)는 하부커버(50)의 양 끝단에 비대칭 형상으로 설치된 반원주 형상의 제2유체통로(51)를 통해 하단에서 상단으로 또는 상단에서 하단방향으로 선회하여 유동할 수 있다.

이러한 반원주 형상의 제2유체통로(51)는 냉각수 흐름을 원활하게 하여 제2유체(b)의 유동 손실을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 사각형 유동통로 형상보다 체적당 표면적 비를 줄일 수 있으므로 기존의 열교환기보다 내압성을 획기적으로 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 제2유체(b)의 유동은 도 8a에 도시된 바와 같이, 상부커버(40) 상부면에 구비된 제2유체유입부(41)를 통해 냉각수인 제2유체(b)가 내부로 유입되어 상부커버(40)와 하부커버(50)에 형성된 제2유체가이드부재(46)에 의해 휜(3)의 길이방향을 따라 상단에서 하단 방향으로 유동되고, 하부커버(50)의 하단일측에 구비된 제2유체통로(51)에 의해 방향이 선회되어 휜(3)의 길이방향을 따라 하단에서 상단 방향으로 유동되며, 또한, 하부커버(50)의 상단에 구비된 제2유체통로(51)에 의해 방향이 다시 선회되어 휜(3)의 길이방향을 따라 상단에서 하단방향으로 유동되고, 하부커버(50)의 하단타측에 구비된 제2유체통로(51)에 의해 방향이 다시 선회되어 휜(3)의 길이방향을 따라 하단에서 상단방향으로 유동된 후, 상부커버(40)에 구비된 제2유체 토출부(43)를 통해 토출되게 된다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 제1유체(a)와 제2유체(b)의 유동경로를 나타낸 대향유동 형식의 수랭식 열교환기(100)의 투시 사시도를 도시한 것이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 냉매인 제1유체(a)는 상부커버(40)의 제1유체유입단(44)과 제1헤더(20)의 유입공(21)을 통해 열교환기 코어(110)의 제1헤더(20)측으로 유입되어 마이크로 채널관(2)의 내부로 상단에서 하단 방향으로 유동되게 되며, 제2헤더(30)로 유입된 제1유체(a)는 배플(15)에 의해 방향이 선회되어 하단에서 상단방향으로 유동되게 되고, 다시 제1헤더(20)로 유입된 제1유체(a)는 배플(15)에 의해 다시 방향이 선회되어 상단에서 하단방향으로 유동되고, 제2헤더(30)로 유입된 제1유체(a)는 다시 방향이 선회되어 하단에서 상단방향으로 유동된 후, 제1헤더(20)의 토출공(22)과 상부커버(40)의 제1유체토출단(45)을 통해 토출되게 됨을 알 수 있다.

도 9에 도시한 바와 같이 제2유체(b)인 냉각수와 제1유체(a)인 냉매는 열교환기 코어(110) 내에서 완벽하게 서로 반대 방향으로 대향유동을 하기 때문에 기존의 열교환기보다 전열 성능을 향상시킬 수 있고, 제1유체(a)와 제2유체(b)의 흐름이 열교환기 코어(110) 공간에서 대부분 일어나기 때문에 기존 열교환기보다 크기를 대폭 줄일 수 있게 됨을 알 수 있다.

도 10은 종래 직교류 형식의 수랭식 열교환기(100)와 본 발명의 일실시예에 따른 대향유동 형식의 수랭식 열교환기(100)의 제1유체(a), 제2유체(b)의 유동경로를 나타낸 비교 단면도를 도시한 것이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 대향유동 형식의 수랭식 열교환기(100)는 종래기술보다 상단측과 하단측에 냉각수 통로와 배플 등을 갖는 커버부를 별도로 구비할 필요가 없어 열교환기 크기를 작게 만들 수 있어 재료비 절약, 공정 감소, 중량감소, 내압성을 향상시킬 수 있고, 유동형식이 대향유동이므로 전열성능을 개선할 수 있게 됨을 알 수 있다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:PF 열교환기
2:마이크로 채널관
3:휜
4:헤더
10:종래 수랭식 열교환기
11:제1커버
12:제1유입구
13:제1유출구
14:제2커버
15:배플
16:제2유입구
17:제2유출구
20:제1헤더
21:유입공
22:토출공
30:제2헤더
40:상부커버
41:제2유체유입부
42:제2유체분배기
43:제2유체토출부
44:제1유체유입단
45:제1유체토출단
46:제2유체가이드부재
50:하부커버
51:제2유체통로
52:체결부재
100:대향유동 형식의 수랭식 열교환기
110:열교환기 코어
a:제1유체
b:제2유체

Claims

수랭식 열교환기 코어에 있어서,
제1유체가 유입되는 유입공과 제1유체가 토출되는 토출공을 갖는 제1헤더;
제1헤더와 이격되어 설치되는 제2헤더;
상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이에 구비되어 내부로 상기 제1유체가 유입되어 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이를 번갈아 가며 유동되며 서로 특정간격 이격되어 배치되는 다수의 마이크로 채널관; 및
상기 마이크로 채널관 각각의 이격공간 사이에 구비되며, 길이방향이 상기 마이크로 채널관의 길이방향과 평행하며 내부로 제2유체가 길이방향을 따라 유동되는 휜;을 포함하여,
상기 제1유체와 상기 제2유체가 서로 대향되는 방향으로 유동되어 열교환되는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 열교환기 코어.
제 1항에 있어서,
상기 휜은 지그재그 형태로 만곡 또는 절곡되어 구성되며,
만곡면과 절곡면의 길이방향은 상기 휜의 길이방향과 상기 마이크로 채널관의 길이방향과 평행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 열교환기 코어.
제 2항에 있어서,
상기 제1헤더 및 상기 제2헤더 내부에 적어도 하나 구비되어 상기 제1유체가 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이를 번갈아 가며 유동되도록 가이드 하는 배플을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 열교환기 코어.
제 3항에 있어서,
상기 휜의 일측 끝단 각각은 상기 제1헤더와 특정간격 이격되고, 상기 휜의 타측 끝단 각각은 상기 제2헤더와 특정간격 이격되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 열교환기 코어.
제 1항에 있어서,
상기 제1유체는 냉매이고, 상기 제2유체는 냉각수인 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 열교환기 코어.
수랭식 열교환기 코어를 이용한 열교환방법에 있어서,
제1헤더의 유입공을 통해 제1유체가 제1헤더로 유입되는 단계;
상기 제1헤더와 제2헤더 사이에 구비되는 마이크로 채널관 내부로 상기 제1유체가 유입되어 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이를 번갈아 가며 유동되는 단계;
상기 제1헤더의 토출공으로 상기 제1유체가 토출되는 단계; 및
상기 제1헤더로 유입되는 단계, 상기 유동되는 단계 및 상기 제1유체가 토출되는 단계와 동시에, 상기 마이크로 채널관 각각의 이격공간 사이에 구비되며, 길이방향이 상기 마이크로 채널관의 길이방향과 평행한 휜 내부로 제2유체가 길이방향을 따라 유동되는 단계를 포함하여,
상기 제1유체와 상기 제2유체가 서로 대향되는 방향으로 유동되어 열교환되는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환방법.
제 6항에 있어서,
상기 휜은 지그재그 형태로 만곡 또는 절곡되어 구성되며, 만곡면과 절곡면의 길이방향은 상기 휜의 길이방향과 상기 마이크로 채널관의 길이방향과 평행되도록 구성되어, 상기 제2유체는 상기 제1유체의 유동과 대향되는 방향으로 유동되는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환방법.
수랭식 열교환기에 있어서,
제1유체가 유입되는 유입공과 제1유체가 토출되는 토출공을 갖는 제1헤더와, 제1헤더와 이격되어 설치되는 제2헤더와, 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이에 구비되어 내부로 상기 제1유체가 유입되어 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이를 번갈아 가며 유동되며 서로 특정간격 이격되어 배치되는 다수의 마이크로 채널관과, 상기 마이크로 채널관 각각의 이격공간 사이에 구비되며 길이방향이 상기 마이크로 채널관의 길이방향과 평행하며 내부로 제2유체가 길이방향을 따라 유동되는 휜을 포함하는 열교환기 코어;
상기 열교환기 코어 상부측에 구비되며 상기 제1헤더의 유출공과 대응되는 위치에 구비되는 제1유체유입단과, 상기 제1헤더의 토출공과 대응되는 위치에 구비되는 제1유체토출단과, 제2유체가 유입되는 제2유체 유입부와, 상기 휜의 길이방향을 따라 유동된 제2유체가 토출되는 제2유체토출부를 갖는 상부 커버; 및
상기 열교환기 코어의 하부측에 구비되어 체결부재에 의해 상기 상부커버와 체결되는 하부커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기.
제 8항에 있어서,
상기 제1유체유입단은 상기 상부커버의 일측면 상단에 구비되고, 상기 제1유체토출단은 상기 상부커버의 타측면 상단에 구비되며,
상기 제2유체유입부는 상기 상부커버의 상부면 타측 상단에 구비되고, 상기 제2유체토출부는 상기 상부커버의 상부면 일측 상단에 구비되는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기.
제 9항에 있어서,
상기 제2유체유입부가 구비된 상기 상부커버의 바닥면에 구비되는 제2유체분배기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기.
제 10항에 있어서,
상기 상부커버의 하부면과 상기 하부커버의 상부면에 형성되어 상기 제2유체가 상기 휜의 길이방향을 따라 유동되도록 가이드 하는 제2유체가이드부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기.
제 11항에 있어서,
상기 하부커버에 구비되어, 상기 휜의 길이방향을 따라 유동하는 제2유체의 유동방향을 제2헤더측에서 제1헤더측 방향으로 또는 제1헤더측에서 제2헤더측방향으로 선회시키기 위한 제2유체통로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기.
제 12항에 있어서,
상기 제2유체통로를 하부측으로 볼록하게 돌출된 반원형 단면으로 구성되어, 상기 제2유체의 유동을 선회시키는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기.
제 13항에 있어서,
상기 휜의 일측 끝단 각각은 상기 제1헤더와 특정간격 이격되고, 상기 휜의 타측 끝단 각각은 상기 제2헤더와 특정간격 이격되도록 구성되어,
상기 제2유체유입부를 통해 유입된 제2유체는 이격된 공간을 거쳐 상기 휜으로 유입되고,
상기 이격된 공간 측에 상기 제2유체통로가 구비되는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기.
제 14항에 있어서,
상기 제1헤더 및 상기 제2헤더 내부에 배플이 적어도 하나 구비되어 상기 제1유체가 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이를 번갈아 가며 유동되도록 하는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환기.
수랭식 열교환기를 이용한 열교환방법에 있어서,
상부커버의 제1유체유입단과 제1헤더의 유입공을 통해 제1유체가 제1헤더로 유입되는 단계;
상기 제1헤더와 제2헤더 사이에 구비되는 마이크로 채널관 내부로 상기 제1유체가 유입되어 상기 제1헤더와 상기 제2헤더 사이를 번갈아 가며 유동되는 단계;
상기 제1헤더의 토출공과 상기 상부커버의 제1유체토출단을 통해 상기 제1유체가 토출되는 단계; 및
상기 제1헤더로 유입되는 단계, 상기 유동되는 단계 및 상기 제1유체가 토출되는 단계와 동시에, 상기 상부커버의 제2유체 유입부를 통해, 상기 마이크로 채널관 각각의 이격공간 사이에 구비되며 길이방향이 상기 마이크로 채널관의 길이방향과 평행한 휜 내부로 제2유체가 유입되어, 상기 휜의 길이방향을 따라 제2유체가 상기 제1헤더측과 상기 제2헤더측을 번갈아 가며 유동되고, 상기 상부커버의 제2유체 토출부를 통해 제2유체가 토출되는 단계를 포함하여,
상기 제1유체와 상기 제2유체가 서로 대향되는 방향으로 유동되어 열교환되는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환방법.
제 16항에 있어서,
상기 제2유체유입부가 구비된 상기 상부커버의 바닥면에 구비되는 제2유체분배기에 의해 상기 제2유체가 상기 휜과 상기 제1헤더 사이 공간 측으로 분배되어 유입되는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환방법.
제 17항에 있어서,
상기 상부커버의 하부면과 상기 하부커버의 상부면에 형성된 제2유체가이드부재에 의해, 상기 제2유체가 상기 휜의 길이방향을 따라 유동되도록 가이드 하는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환방법.
제 18항에 있어서,
상기 하부커버에 구비된 제2유체통로에 의해, 상기 휜의 길이방향을 따라 유동하는 제2유체의 유동방향을 제2헤더측에서 제1헤더측 방향으로 또는 제1헤더측에서 제2헤더측방향으로 선회시키는 것을 특징으로 하는 대향유동 형식의 수랭식 열교환방법.