KR20190097632A - 공기압 손실을 저감한 세경관 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핀-튜브형 열교환기에 있어서 전열관의 직경을 축소하여 열교환을 향상시킬 수 있는 세경관 열교환기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 세경관 열교환기는 복수의 전열관과, 상기 전열관의 길이 방향과 나란하게 상기 전열관의 양측면에 일체로 형성되는 열전달핀을 포함한다. 전열관의 양측 길이 방향 단부는 열전달핀으로부터 돌출되어 결합부를 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 세경관 열교환기는 압출을 통해서 제조될 수 있으며, 판재를 프레스 가공하여 판재에 반원형 단면을 가지는 반원관부를 형성한 후, 한 쌍의 판재를 반원관부가 마주하게 합착하여, 반원관부가 전열관을 구성하고 나머지 평판부가 열전달핀을 구성하도록 할 수 있다.

Description

공기압 손실을 저감한 세경관 열교환기{Small diameter tube heat exchanger with reduced air pressure loss}

본 발명은 열교환기의 팬 동력을 저감할 수 있는 세경관 열교환기에 관한 것이다.

최근 에너지 등급에 대응 목적으로 팬 동력을 저감할 수 있는 열교환기에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

열교환기에 적용되는 팬의 소모 에너지를 절감하기 위해서는 열교환기에서 공기압 손실을 감소시키는 것이 필요하다.

이를 위한 방법으로는 열교환기의 전열관의 외경을 수밀리미터 수준으로 세경화하는 방법과, 전열관의 형상을 납작하게 형성하는 방법이 있다.

도 1은 일반적인 원형관 열교환기의 구조를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 원형관 열교환기(10)는 복층으로 적층되는 열전달핀(12)과, 적층된 열전달핀(12)을 관통하는 전열관(14)을 포함한다.

전열관(14)의 내부로는 냉매가 유동하고, 냉매의 열이 '전열관->열전달핀->공기'로 전달된다.

그런데, 원형관 열교환기(10)의 전열관(14)은 직경 4mm 이하로는 제작이 어려우며, 또한 전열관(14)과 열전달핀(12) 사이의 접촉 저항(접촉부에서 발생하는 열전달 저항)을 감소시키기 위해서는 전열관(14)의 외경을 확관하는 확관 공정이 필수적이다.

확관 공정은 확관볼을 전열관의 내부에 삽입하는 방식으로 이루어지는데 공정이 까다로운 문제점을 가지고 있었다.

전열관의 직경이 감소할 수록 단위 체적당 열교환량이 상승하고, 공기압력 손실이 감소하지만 직경이 감소할수록 공정의 난이도가 높아져 가공비용과 설비 투자 비용이 많이 필요한 문제점을 가지고 있었다.

도 2는 일반적인 마이크로채널 열교환기를 나타낸 도면이다.

마이크로채널 열교환기(20)는 납작한 단면 형상을 가지는 마이크로채널 파이프(24)를 적용하여, 열교환 효율을 향상시키는 구조를 가진다.

또한, 마이크로채널 열교환기(20)는 열전달핀(22)과 마이크로채널 파이프(24)를 브레이징으로 접합하여 접촉 저항을 감소시키는 구조를 가진다.

그런데, 마이크로채널 열교환기(20)는 부하를 고려한 열교환량에 따라 설계함에 있어서 한계를 가진다. 왜냐하면 마이크로채널 열교환기(20)는 복수의 열로 구성하기가 어려워 1열의 구조로 제작되기 때문이다.

따라서 설치 공간에 제약이 있을 경우 설계가 곤란하고 제조 단가가 상대적으로 높은 단점을 가지고 있다.

또한, 마이크로 채널 파이프의 높이를 낮게 하는 것에도 한계를 가지고 있어서, 마이크로 채널 파이프의 높이를 1mm 이하로 제작하기는 실질적으로 불가능한 한계를 가지고 있었다.

본 발명의 목적은 핀-튜브형 열교환기에 있어서 전열관의 직경을 축소하여 열교환을 향상시킬 수 있는 열교환기를 제공함에 있다.

본 발명의 목적은 직경이 2mm 이하인 극 세경관을 이용한 핀 튜브 열교환기 구조를 제공함에 있다.

본 발명의 목적은 전열관을 확관하지 않고 전열관과 열전달핀을 일제화할 수 있는 열교환기 구조를 제공함에 있다.

본 발명에 따른 세경관 열교환기는 단일 부재를 이용하여 전열관과 열전달핀을 일체로 형성할 수 있는 구조를 제공한다.

본 발명에 따른 세경관 열교환기는 복수의 전열관과, 상기 전열관의 길이 방향과 나란하게 상기 전열관의 양측면에 일체로 형성되는 열전달핀을 포함한다.

이 때, 전열관의 양측 길이 방향 단부는 열전달핀으로부터 돌출되어 결합부를 형성하는 것이 바람직하다.

이러한 세경관 열교환기는 압출을 통해서 제조될 수 있으며, 판재를 프레스 가공하여 판재에 반원형 단면을 가지는 반원관부를 형성한 후, 한 쌍의 판재를 반원관부가 마주하게 합착하여, 반원관부가 전열관을 구성하고 나머지 평판부가 열전달핀을 구성하도록 할 수 있다.

또한, 반원관부가 합착되어 형성된 전열관의 내부에 독립적인 파이프 형상을 가지는 내부전열관을 더 포함할 수 있다.

다른 실시형태로는, 반원관부와 평판부가 형성된 판재에 복수의 전열관을 부착하여 구성할 수도 있다.

본 발명에 따른 세경관 열교환기는 전열관의 외경을 2mm 이하의 크기로 구현이 가능하며, 이 경우 일반적인 원형관 열교환기(전열관 외경 5mm)에 비하여 공기 압력 손실을 60% 수준으로 저감할 수 있다.

본 발명에 따른 열교환기는 금속박판만을 이용하여 열전달핀과 전열관을 일체로 형성할 수 있는 효과를 가져온다. 이로부터 전열관과 열전달핀 사이의 접촉 저항이 존재하지 않으므로 전체적인 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기는 전열관을 확관하지 않고 열전달핀과 전열관을 일체화할 수 있는 구조를 제공함으로써, 전열관의 직경을 2mm 미만으로 제작할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 세경관 열교환기는 전열관이 2mm 이내의 외경을 가지도록 제조할 수 있고, 이 경우 전열관의 직경이 5mm인 일반적인 원형관 열교환기에 비하여 공기 압력 손실을 60% 수준으로 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기는 전열관의 직경이 작아 열전달핀 사이를 흐르는 공기의 흐름 저항과 공기의 압력 손실을 저감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기는 핀-튜브의 열수를 자유롭게 증감할 수 있어서 부하에 대응하는 설계가 용이한 장점을 가진다.

도 1은 일반적인 원형관 열교환기의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적인 마이크로채널 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 세경관 열교환기의 열전달핀과 전열관의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명에 제1실시예에 따른 세경관 열교환기의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 세경관 열교환기의 접합 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 세경관 열교환기의 접합 구조를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 세경관 열교환기의 접합 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 세경관 열교환기가 헤더를 이용하여 복수의 열로 구성된 실시예를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 세경관 열교환기가 복수의 열로 구성된 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 세경관 열교환기가 복수의 열로 구성된 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명에 다른 세경관 열교환기가 복수의 열로 구성된 또 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 세경관 열교환기가 다기관을 이용하여 복수의 열로 구성된 실시예를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 공기압 손실을 저감한 세경관 열교환기에 대해, 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구용적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 열전달핀 사이로 흐르는 공기의 저항을 감소시키기 위하여 전열관의 직경을 작게한 열교환기를 제공하기 위한 것이다. 전열관의 직경을 축소하면 공기압 손실이 감소하여 열교환기에 부가되는 팬의 동력 사용을 절감할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 세경관 열교환기의 열전달핀과 전열관의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 세경관 열교환기의 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 세경관 열교환기(100)는 나란하게 배열된 복수의 전열관(110)과, 상기 전열관(110)에 일체로 연결된 열전달핀(120)을 포함한다.

전열관(110)의 길이 방향과 열전달핀(120)의 평면 방향은 서로 나란하게 배치된다. 다시말해, 열전달핀(120)의 평면방향 중심이 복수의 전열관(120)의 내부를 가로지르게 배열되는 것이다.

본 발명에 따른 세경관 열교환기(100)는 전열관(110)의 외경이 2mm 이내 수준으로 적용되는 것으로, 전열관(110)의 표면과 열전달핀(120)의 표면이 나란하게 배치되더라도 열전달핀(120)의 사이를 흐르는 공기의 흐름 저항이 낮아 압력 손실을 낮출 수 있다. 따라서, 더 작은 용량의 송풍팬을 이용하더라도 충분한 열교환 효과를 얻을 수 있게 된다.

전열관(110)의 양단은 열전달핀(120)보다 길게 연장되어 열전달핀(120)으로부터 돌출된 형태인 것이 바람직하다. 전열관(110)의 돌출된 부분은 결합부(112)가 되어 후술하는 헤더 또는 다기관에 연결된다.

이러한 형태의 열교환기는 압출 또는 사출 방법을 이용하여 복수개의 전열관(110)과 복수개의 열전달핀(120)이 단일소재로 일체화된 제품으로 제조할 수 있다.

압출 공정만을 수행하게 되면 전열관(110)의 길이와 열전달핀(120)의 길이가 동하게 제조되므로, 결합부(122) 구간에 형성된 열전달핀은 후속 공정을 통해서 절단하여 제거되는 것이 바람직하다.

전열관(110)과 열전달핀(120)의 재질로는 열전도율이 우수한 금속재질이 적용될 수 있으며, 열전도성이 우수한 합성수지 재질 또는 합성수지 재질에 열전도성이 우수한 전도성 필러를 첨가한 재질이 적용될 수 있다.

도시한 실시예의 경우 전열관(110)의 단면이 원형인 것으로 도시되어 있으나, 압출을 통하여 제조하는 경우 전열관(110)의 단면을 타원형 또는 다각형 형상으로도 제조가 가능하다.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 세경관 열교환기의 접합 구조를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제2실시예에 따른 세경관 열교환기는 한 쌍의 판재(200)을 접합하여 열전달핀과 전열관을 형성하는 구조를 제공한다.

도시한 바와 같이, 한 쌍의 판재(200)는 전열관을 형성하며 반원형의 단면을 가지는 반원관부(210)와, 상기 반원관부(210)의 길이 방향 양측에 일체로 연결되는 평판부(220)를 포함한다.

한 쌍의 반원관부(210)가 접합되어 하나의 전열관을 형성하며, 두장의 평판부(220)가 접합되어 열전달핀을 형성하게 된다.

이러한 구조는 금속 박판을 프레스 가공하여 반원관부(210)를 성형한 후, 반원관부(210)의 오목홈이 서로 마주하게 접합하는 방식으로 제조될 수 있다. 이 때 금속재질간의 접합은 기밀성 확보를 위하여 브레이징 방법을 이용할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 세경관 열교환기의 접합 구조를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제3실시예에 따른 세경관 열교환기는 제2실시예에 따른 판재(200)의 사이에 내부전열관(230)이 배치되는 구조를 제공한다.

내부전열관(230)은 독립된 파이프 형태로 제조된 후, 박판의 반원관부(210) 사이에 배치된다. 일반적인 원형관 열교환기의 경우 도 1에 도시된 바와 같이 열전달핀이 전열관을 가로지르는 방향으로 적층되므로, 열전달핀과 전열관 사이의 접촉 저항(접촉 부위에서 발생하는 열전달의 저항)을 감소시키기 위하여 전열관을 확관하는 공정이 필수적이기 때문에, 전열관의 직경을 2mm 이하로 제조하기가 매우 어렵다.

왜냐하면 전열관의 내부에 확관볼을 삽입하여 전열관을 확관해야 하는데 전열관의 직경이 작아지면 확관볼 삽입이 어렵고 제작설비에 과도한 부하가 인가되는 문제점이 있기 때문이다.

반면에, 본원발명의 경우 내부전열관(230)이 판재에 형성된 반원관부(210) 사이에 배치되는 구조로 내부전열관(230)의 확관이 필요치 않으므로, 내부전열관(230)의 외경을 2mm 이하로 적용할 수 있다.

제3실시예는 제2실시예에 비하여 열교환효율은 다소 감소되나, 냉매의 누설을 방지하는 기밀성은 더 우수한 장점을 가진다.

도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 세경관 열교환기의 접합 구조를 나타낸 도면이다.

본 발명의 제4실시예는 앞서 설명한 제2실시예와 제3실시예의 중간 형태로 볼 수 있다. 내부전열관(230)은 독립된 파이프로 구성하고, 이를 단일의 판재(200)에 접합하는 구조이다.

이러한 구조는 단일의 평판부(220)가 열전달핀을 구성하므로, 열전달 효과가 우수하며 냉매는 독립된 파이프 형태의 내부전열관(230)을 통해 흐르게 되므로 기밀성도 우수한 장점을 가진다.

다만, 이러한 구조는 직경이 작은 내부전열관(230)과 판재의 반원관부(210)를 브레이징으로 부착해야 하므로 평판부만을 부착하는 것에 비하여 공정이 다소 까다롭다.

도 8은 본 발명에 따른 세경관 열교환기가 헤더를 이용하여 복수의 열로 구성된 실시예를 나타낸 것이다.

앞서 설명한 도 3 내지 도 7에 세경관 열교환기를 단위 열교환기라 칭하면, 본 실시예는 단위 열교환기를 복수의 열로 구성한 것이다.

도시된 바와 같이, 단위 열교환기(100)의 결합부(112)를 상부 헤더(310)와 하부 헤더(320)에 각각 연결하여, 복수의 열을 구비하는 열교환기를 구성할 수 있다.

상부 헤더(310)와 하부 헤더(320)는 내부에 분배챔버(미도시)를 구비한다. 각 단위 열교환기의 결합부(112)는 상기 분배챔버와 연결된다. 또한 분배챔버는 다른 장치의 배관과 연결될 수 있는 연결관(312,322)(또는 연결홀)과 연통된다.

예를 들어, 상부 헤더(310)로 냉매가 공급되고, 하부 헤더(320)로 냉매가 배출되는 구조인 경우 냉매는 상부 헤더(310)의 연결관(312)을 통해서 상부 헤더(310) 내부의 분배챔버로 이동하고, 상기 분배챔버를 통해서 각각의 전열관(110)으로 유동하게 된다. 복수의 전열관(110)을 통과한 냉매는 하부 헤더(320)의 분배챔버로 모여진 후, 하부 헤더의 연결관(322)을 통해서 배출된다.

도 9 내지 도 11은 본 발명에 따른 세경관 열교환기가 복수의 열로 구성된 실시예를 나타낸 단면도이다.

도 9의 실시예는 단위 열교환기(100)의 전열관(110)이 서로 나란하게 배치된 형태를 나타낸 것이고, 도 10의 실시예는 단위 열교환기(100)의 전열관(110)이 서로 어긋나게 배치된 형태를 나타낸 것이며, 도 11은 전열관(110')이 타원형 모양으로 형성되고, 서로 나란하게 배치된 형태를 나타낸 것이다.

도 12는 본 발명에 따른 세경관 열교환기가 다기관을 이용하여 복수의 열로 구성된 실시예를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 단위 열교환기(100)를 복수개 배열하고 각 단위 열교환기(100)의 결합부(112)를 상부 다기관(330)과 하부 다기관(340)에 연결할 수 있다.

상부 다기관(330)과 하부 다기관(340)은 외부 배관으로 연결되는 주배관과(332,342)과, 주배관(332,342)에서 복수로 분기된 분기관(334,344)을 구비한다.

냉매가 하부 다기관(340)으로 유입되는 경우를 살펴보면, 하부 다기관(340)의 주배관(342)을 통해서 유입된 냉매는 하부 다기관(340)의 분기관(344)에서 분기된 후, 하부 결합부(112)를 통하여 단위 열교환기(100)의 전열관(110)으로 유입되고, 상부 결합부(112)로 배출된다. 상부 결합부(112)를 통해 배출된 냉매는 상부 다기관(330)의 분기관(334)으로 유입된 후, 상부 다기관(330)의 주배관(332)를 통해서 배출된다.

본 발명에 따른 세경관 열교환기는 전열관과 열전달핀이 단일부재 또는 단일 판재로 일체로 형성되어 있어서, 열전달핀과 전열관 사이의 열전달 성능이 우수한 효과를 가진다.

또한, 본 발명에 따른 세경관 열교환기는 전열관이 2mm 이내의 외경을 가지도록 제조할 수 있고, 이 경우 전열관의 직경이 5mm인 일반적인 원형관 열교환기에 비하여 공기 압력 손실을 60% 수준으로 감소시킬 수 있는 효과를 가져온다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 공기압 손실을 저감한 세경관 열교환기를 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.

100 : 열교환기
110, 110' : 전열관
112 : 결합부
120 : 열전달핀
200 : 판재(박판)
210 : 반원관부
220 : 평판부
310 : 상부 헤더
320 : 하부 헤더
312, 322 : 연결관
330 : 상부 다기관
340 : 하부 다기관
332, 342 : 주배관
334, 344 : 분기관

Claims (10)

1. 나란하게 배열된 복수의 전열관;
   상기 전열관의 길이 방향과 나란하게 상기 전열관에 일체로 연결된 열전달핀;을 포함하며,
   상기 전열관의 길이방향 양측 단부는 상기 열전달핀으로 돌출되어 결합부를 형성하는 열교환기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전열관과 상기 열전달핀은 평판부와 반원관부를 구비하는 한 쌍의 판재가 접합되어 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 접합된 반원관부의 내부에 독립적인 파이프로 형성된 내부전열관이 배치된 열교환기.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 전열관은 복수의 독립적인 파이프로 구성되고,
   상기 열전달핀은 평판부와 상기 파이프 외측면의 적어도 일부 구간에 접합되는 반원관부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
5. 나란하게 배열된 복수의 전열관과, 상기 전열관의 길이 방향과 나란하게 상기 전열관에 일체로 연결된 열전달핀을 포함하되, 상기 열전달핀의 길이는 상기 전열관의 길이보다 짧게 형성되어, 상기 전열관의 양측 단부는 상기 열전달핀으로부터 돌출되어 결합부를 형성하는 단위 열교환기;
   상기 단위 열교환기 복수개가 나란하게 배열되고, 상기 단위 열교환기의 상단과 하단은 각각 상부 헤더와 하부 헤더에 결합된 열교환기.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 상부 헤더 및 상기 하부 헤더는
   연결관과 상기 단위 열교환기의 결합부를 연결하는 분배챔버를 구비하는 열교환기.
   
7. 나란하게 배열된 복수의 전열관과, 상기 전열관의 길이 방향과 나란하게 상기 전열관에 일체로 연결된 열전달핀을 포함하되, 상기 열전달핀의 길이는 상기 전열관의 길이보다 짧게 형성되어, 상기 전열관의 양측 단부는 상기 열전달핀으로부터 돌출되어 결합부를 형성하는 단위 열교환기;
   상기 단위 열교환기 복수개가 나란하게 배열되고, 상기 단위 열교환기의 상단과 하단은 각각 상부 다기관과 하부 다기관에 결합된 열교환기.
   
8. 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 단위 열교환기는 전열관이 인접 단위 열교환기의 전열관과 어긋나게 배열된 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
9. 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 단위 열교환기의 전열관은 유로 단면이 타원형 또는 다각형 형상인 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
10. 제 5 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 단위 열교환기의 전열관의 외경은 2mm 이하인 것을 특징으로 하는 열교환기.

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