KR20170016323A

KR20170016323A - 열교환기 코어

Info

Publication number: KR20170016323A
Application number: KR1020167030750A
Authority: KR
Inventors: 타쿠야 분고; 아츠시 오쿠보; 타이지 사카이; 히로타카 우에키; 카즈오 마에가와
Original assignee: 가부시키가이샤 티라도
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2015-05-25
Publication date: 2017-02-13
Also published as: US10309729B2; EP3150951B1; WO2015182782A1; EP3150951A1; RU2016142518A3; KR102360670B1; JPWO2015182782A1; CN106537077A; CN106537077B; RU2679092C2; EP3150951A4; JP6574763B2; US20170153068A1; RU2016142518A

Abstract

코루게이티드 핀형 열교환기에 있어서, 루버의 잘라내기 방향을 한 방향만으로 경사하여 형성하고, 종래형 핀에 대해서 전열 성능을 향상시키는 것. H>Qup/(Qup-1)×ΔH의 식을 만족하도록 하는 것. 여기서, H는 열교환기의 코어 높이, Qup는 통풍부에 있어서의 일방향 루버 핀과 전향 루버 핀과의 산 1개당 열 교환량의 비이며, ΔH는 전향 루버 핀에서 일방향 루버 핀으로 변경한 것에 의한 열교환기 코어의 전열 저하영역의 증가분이다.

Description

열교환기 코어{HEAT EXCHANGER CORE}

본 발명은, 코루게이티드 핀형 열교환기로서 그 핀에 형성된 루버의 방향을 한 방향으로만 잘라내어 형성한 것에 관한 것이다.

코루게이티드 핀형 열교환기는, 편평튜브와 코루게이티드 핀을 서로 번갈아 다수 병렬하여, 튜브 안에 제1유체를 유통시키고, 튜브의 바깥면 쪽 및 코루게이티드 핀에 제2유체를 유통시키는 것이다.

제2유체는 주로 공기 등의 기체이다.

이와 같은 코루게이티드 핀형 열교환기에 있어서, 현재 실용되고 있는 핀은, 중간에 전향(轉向)루버를 배치하고, 그 양쪽에 경사 방향을, 서로 역방향으로 한 루버를 잘라낸 것이다.

다음에, 루버의 방향을 한 방향만으로 한정한 코루게이티드 핀형 열교환기가 하기 특허문헌 1로서 제안되어 있다.

이 열교환기는, 공기류의 유입방향에 대해서, 예각 각도의 일방향 루버가 그 코어 폭의 전체길이에 걸쳐 잘라내어 형성된 것이다. 이 발명에 의하면, 코어 폭 전체길이에 걸쳐서 일방향으로 잘라낸 핀에서는, 그 코어의 상단부 및 하단부의 공기류가 정체되는 것이 지적되어 있다.

그러므로, 이 발명은, 코어의 상, 하에 배치된 탱크와, 핀의 단부와의 사이에 틈새부를 형성하는 스페이서부재를 배치한다, 그러면, 틈새부의 존재에 의해서 핀 내부의 공기류의 정체가 없어져, 공기 저항을 대폭적으로 저감시킬 수 있다고 기재하고 있다.

일본국 공개 특허 특개2006-266574호 공보

그러나, 본 발명자의 유체 해석이나 실험 등의 검토에 의하면, 일방향으로 잘라내진 코루게이티드 핀으로 이루어지는 코어에 있어서는, 그 코어 높이, 코어 폭 및 잘라내는 각도를 조정하여 비로소, 종래형 핀으로 이루어지는 코어보다도 열교환 성능이 향상하는 것임이 밝혀졌다.

본 발명은 이러한 지식과 견해의 의거하여 개발된 것이다.

청구항 1에 기재된 발명은, 유체가 유통하는 핀의 폭방향으로 병렬하여, 모든 루버가 동일방향으로 경사하여 잘라내기 가공된 다수의 코루게이티드 핀(이하, "일방향 핀")과, 다수의 편평튜브가 서로 번갈아 병렬된 열교환기 코어에 있어서,

코어의 높이(H)(mm)와, 유체의 주된 흐름 방향의 루버 잘라내기 폭(W)(mm)과, 루버 잘라내기 각도(θ)가, 하기 부등식(1)을 만족하도록 설정된 것을 특징으로 하는 열교환기 코어이다.

(1)

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본 발명은, 코어의 높이(H)(mm)와, 유체의 주된 흐름 방향의 루버 잘라내기 폭(W)(mm) 및 루버 잘라내기 각도(θ)가, 청구항 1의 부등식(1)을 만족하는 것이며, 코어의 높이(H)가 H＞Qup／(Qup－1)×ΔH이기 때문에, 종래형 핀에 비하여 열교환 성능이 높은 것이 된다.

구체적으로는, 도 6의 W-H곡선에서, 각 루버의 잘라내기 각도(θ)에 있어서, 플롯된 각 점을 연결하는 곡선을 초과하는 범위의 코어 H의 높이를 가진다. 또한, 여기서 루버 잘라내기 폭(W)은, 도 3에 있어서, 일방향 루버가 잘라내진 범위를 말한다.

효과를 얻을 수 있는 이유를 이하에 기재한다.

일방향 핀은, 종래의 전향(轉向) 루버에 대해서 결점 및 장점이 있으며 결점은, 통풍 저하영역(전열(傳熱) 저하영역)의 증가 ΔH이며, 장점은 통풍부에 있어서의 전열의 향상 비(比) Qup이다.

여기서, 장점이 결점을 상회하기 위한 조건은,

Qup×(H-ΔH)/H>1이며,

이 부등식을 변형하면,

H>Qup/(Qup-1)×ΔH가 된다.

도 1은 본 발명의 핀에 의한 공기류와, 종래형 열교환기의 핀에 의한 공기류를 비교하는 설명도이다.
도 2(a)는 본 발명의 공기류의 유통상태를 나타내는 설명도,
도 2(b)는 종래형 열교환기의 공기류 유통상태를 나타내는 설명도이다.
도 3(a)는 본 발명의 열교환기 코어의 루버의 잘라내기 설명도,
도 3(b)는 종래형 열교환기 코어의 루버의 잘라내기 설명도이다.
도 4는 횡축으로 루버 잘라내기 폭(W)을 정하고, 본 발명의 코어와 종래형 코어에 있어서의 주된 전열영역(통풍부)의 열 전달률의 비를 종축으로 정한 실험 데이터이다.
도 5는 횡축으로 루버 잘라내기 폭(W)을 정하고, 종래형 코어에 대한 본 발명의 코어의 전열 저하영역(통풍 저하영역)의 증가분 ΔH를 종축으로 나타낸 그래프이다.
도 6은 횡축으로 루버 잘라내기 폭(W)을 정하고, 종래형 코어에 대해서, 본 발명의 코어의 효과가 있는 코어 높이의 하한을 종축에 나타낸 그래프이다.
도 7은 횡축으로 루버 잘라내기 폭(W)을 정하고, 본 발명의 열교환기 코어와 종래형 열교환기 코어와의 열 교환량의 비율을 종축으로 정한 그래프이다.

다음에, 도면에 의거하여 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.

도 1 내지 도 3은, 본 발명의 열교환기 코어와, 현재 실용화되어 있는 종래형 열교환기 코어와의 비교를 각각 나타낸다.

도 1은 그 열교환기 코어의 종단면 설명도이다. 또, 도 2(a)에 본 발명의 루버에 의한 공기의 유통로를 나타내며, 도 2(b)는 종래형 코어의 공기의 유통로를 나타낸다. 그리고, 도 3(a), 도 3(b)는, 각각의 각 루버의 잘라내기 상태를 나타내는 설명도이다.

본 발명의 열교환기 코어는, 편평튜브와 코루게이티드 핀을 서로 번갈아 병렬하여 코어를 형성한다. 그리고, 이 예에서는, 상, 하에 한 쌍의 탱크(3)를 배치하고, 그 탱크(3)에 편평튜브의 양쪽 단부가 관통한다. 도 1에 있어서, 코어 높이(H)는, 상, 하 한 쌍의 탱크(3) 사이의 이간 거리(한 쌍의 탱크(3) 사이의 공간부 높이)이다. 그 코어의 루버 잘라내기 폭(W)은, 도 3의 코어 폭보다도 핀의 평탄부 길이만큼 짧다.

이 예에 있어서는, 도 2(a), 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 코루게이티드 핀에 일방향 핀만이 경사져서 루버 잘라내기 폭(W)의 범위에 등간격으로 잘라져 있다. 또, 루버 잘라내기 폭(W)의 양쪽에는, 평탄부(6d)가 존재하며, 그 평탄부(6d)에는 하프 루버(half louver)(6c)가 형성되어 있다. 이 하프 루버(6c)의 폭은, 그 이외의 루버(6)의 폭의 절반이다.

그리고, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 일방향 핀(7)에 공기류(1)가 유입되면, 그 일방향 핀(7)의 각 루버(6)에 안내되어, 그 일방향의 유로(4)가 상류쪽으로부터 하류쪽으로 경사진 띠형상으로 형성된다.

이에 대해서, 종래형 핀(8)은, 도 2(b), 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 핀의 폭방향 중앙에 전향 루버(6b)를 가지며, 그 양쪽에 루버의 방향을 변경한 루버(6a)가 병렬된 것이다. 그 전향 루버(6b)의 양쪽에는 하프 루버(6c)가 잘라져 있다.

그리고, 종래형 핀(8)에 공기류(1)가 유입되면, 도 2(b)와 같이, 종래형 핀의 유로(5)가 산형(山形)으로 형성된다.

이와 같이, 본 발명의 대상인 일방향 핀(7)과, 종래형 핀(8)은 그 유로가, 각각 일방향 핀의 유로(4) 및 종래형 핀의 유로(5)와 같이 전혀 다르다.

그것은, 본 발명의 일방향 핀(7)과 종래형 핀(8)과의 구조 형상의 다름에 의거한다. 그리고, 다음의 차이가 발생한다.

먼저, 일방향 핀(7)에서는 종래형 핀(8)에 비해서 보다 많은 루버(6)의 잘라내기가 가능하게 된다. 이것은, 종래형 핀(8)의 전향 루버(6b)를 대신하여, 일방향 루버를 잘라내는 것이 가능하기 때문이다. 이 점에서 본 발명의 코어는, 열 전달률이 향상한다.

다음에, 전향 루버(6b)에 의해서 공기류(1)를 완전히 전향(轉向)시키는 것은 곤란하며, 종래형 핀(8)에서는 전향부 하류 직후에 체류영역이 발생되고 있었으나, 본 발명에 있어서는 그것이 없어진다. 이 점에서도 열 전달률이 향상한다.

도 1에 있어서, 왼쪽에서 유입하는 공기류(1)는, 일방향 핀(7)에서는, 그 실효코어 높이(H₁)의 범위에서 열교환기 코어(2) 내부를 비스듬히 유통한다.

이에 대해서, 종래형 핀(8)의 경우는, 종래형의 실효 코어 높이(H₂)의 범위에서 열교환기 코어(2) 내부에서 산형의 점선과 같이 유통한다. 도 1에서 분명한 바와 같이, 본 발명의 일방향 핀의 실효 코어 높이(H₁)보다도, 종래형의 실효 코어 높이(H₂) 쪽이 높다. 이 때문에, 동 도면에 있어서, 본 발명에서는, 일방향 핀으로 함으로써, 통풍 저하영역의 증가 ΔH가 발생한다. 그리고 ΔH의 영역에 있어서 열 전달률은 저하한다.

그러므로, 먼저, 본 발명자는 도 1에 있어서의 일방향 핀의 실효 코어 높이(H₁)에 있어서의 열 전달률을, 종래형 핀(8)에 대한 비(比)로써 실험적으로 구했다. 도 4가 그 실험 데이터이며, 횡축에 루버 잘라내기 폭(W)을 정하고, 종축에 열 전달률의 비율을 정한다. 그리고, 루버 각도, 20도, 30도, 40도에 있어서 각각 실험을 시도했다.

도 4에서 분명한 바와 같이, 어느 각도에서도 실효 코어 높이(H₁)의 범위에 있어서는, 종래형 루버의 열 전도률보다도 높은 열 전도률의 비율을 나타낸다.

또, 도 7은 루버 잘라내기 폭(W)과 코어 전체의 열 교환량의 비율을 나타낸 것이다.

이들의 데이터를 회귀분석하면,

Qup=Qup(W, θ)=α(W)+β(W, θ)+1을 얻는다.

여기서, α(W)=η/(W-η)이며, η=0.3553(mm)이다. 그리고,

β(W, θ)=ξ/(Wㆍtan²2θ-ξ)이며, ξ=0.5447(mm)이다.

α(W)는 루버 매수 증가의 효과를, β(W, θ)는 전향부(轉向部) 하류 체류영역 소멸 효과를 나타내고 있다.

또, Qup=(통풍부에 있어서의 일방향 핀 산(山) 1개당의 열 교환량)/통풍부에 있어서의 종래형 핀 산 1개당의 열 교환량)이다.

다음에, 본 발명자는 도 1에 나타내는 바와 같이, 일방향 핀으로 함으로써, 종래형의 실효 코어 높이(H₂)에 대해서 로스된 영역 ΔH를 실험적으로 확인하였다. 그것이 도 5이다. 도 5에 있어서, 횡축은 코어의 루버 잘라내기 폭(W)이고, 종축은 일방향 루버로 한 것에 의한 전열 저하영역의 증가분 ΔH이며, 각각 단위는 mm이다.

그리고, 수치 계산에 의한 흐름선을 토대로, 각 루버 각도(θ)에 있어서 회귀분석을 하여,

회귀식 (5)

을 얻었다.

여기서, 일방향 루버의 장점과 결점을 종래형 핀과 비교 고려하면, 그 효과가 나타내는 범위는,

Qup×(H-ΔH)/H>1이다.

그리고, 이 식을 변형하면, H>Qup/(Qup-1)×ΔH가 된다.

도 6에, 이 부등식으로 구한, 일방향 루버의 효과가 있는 코어 높이의 하한(곡선 a3~c3)을 나타냈다.

일례로서, 루버 각도 20도의 경우는, 루버 잘라내기 폭(W)에 대한 그 하한의 값은 a3의 곡선상에 있다.

이 하한치 이상의 코어 높이이면, 종래형의 코어보다도 높은 열교환성능을 얻을 수 있다.

루버 각도 30도 및 40도의 경우에 대해서도 마찬가지다.

따라서, 일방향 루버의 열교환기 코어는, 그 H와 W와 θ를 식(1) H>Qup/(Qup-1)×ΔH를 만족하도록 설정하면 된다.

또한, 본 발명은, 루버 잘라내기 폭(W)이 6~46mm, 루버 잘라내기 각도(θ)가 20도~35도, 루버 피치가 0.5~1.5mm, 핀 피치가 2~5mm로서, 유체를 공기류로 하고, 그 코어 앞면 유속을 2~8m/s로 한 검토로써 얻은 것이다.

그리고, 보다 바람직한 적용조건은, 루버 잘라내기 폭(W)이 6~26mm, 루버 잘라내기 각도(θ)가 20도~30도, 루버 피치가 0.5~1.0mm, 핀 피치가 2~3mm로서, 유체는 공기류이며, 그 코어 앞면 유속은 4~8m/s이다.

1: 공기류
1a: 공기류
2: 열교환기 코어
3: 탱크
4: 일방향 핀의 유로
5: 종래형 핀의 유로
6: 루버
6a: 루버
6b: 전향 루버
6c: 하프 루버
6d: 평탄부
7: 일방향 핀
8: 종래형 핀
H: 코어 높이
W: 루버 잘라내기 폭
θ: 루버 잘라내기 각도

Claims

유체가 유통하는 핀의 폭방향으로 병렬하여, 모든 루버가 동일방향으로 경사하여 잘라내기 가공된 다수의 코루게이티드 핀과, 다수의 편평튜브가 서로 번갈아 병렬된 열교환기 코어에 있어서,
코어의 높이(H)(mm)와, 유체의 주된 흐름 방향의 루버 잘라내기 폭(W)(mm)과, 루버 잘라내기 각도(θ)가, 하기 부등식(1)을 만족하도록 설정된 것을 특징으로 하는 열교환기 코어이다.

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