KR20210001185A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3D 프린팅을 이용하여 적층 방식으로 제조된 열교환기에 관한 것이다.The present invention relates to a heat exchanger, and more particularly, to a heat exchanger manufactured in a lamination method using 3D printing.
일반적으로 차량에는 다양한 공조 시스템, 냉각 시스템 등이 설치된다. 대략적으로 구분하자면, 공조 시스템은 차량 탑승자가 존재하는 실내 공간의 공기 온도, 습도 등을 조절하기 위한 냉난방 모듈들을 포함하며, 냉각 시스템은 엔진, 모터 등과 같은 장치들이 과열되지 않도록 냉각하는 모듈들을 포함한다. 이러한 다양한 모듈들은 냉매, 냉각수 등과 같은 열교환매체를 순환시키면서 열을 옮김으로써 원하는 냉방, 난방, 냉각 등의 작용을 구현하도록 이루어진다.In general, various air conditioning systems and cooling systems are installed in vehicles. To be roughly divided, the air conditioning system includes cooling and heating modules for adjusting the air temperature and humidity of the indoor space in which the vehicle occupant exists, and the cooling system includes modules for cooling devices such as engines and motors to prevent overheating. . These various modules transfer heat while circulating a heat exchange medium such as refrigerant and cooling water to implement desired cooling, heating, cooling, and the like.
이와 같은 공조 또는 냉각 시스템은 다양한 열교환기를 포함하는데, 이러한 열교환기들 중 내부에 냉각하고자 하는 열교환매체(예를 들어 냉매, 냉각수, 오일 등)가 유통되며 외부에 공기가 송풍되어 열교환매체를 냉각하는 공랭식 열교환기들이 있다. 공랭식 열교환기란, 열교환기 내부의 열교환매체와 열교환기 외부의 공기 간에 열교환을 시킴으로써 열교환매체를 냉각하면서 공기를 가열하거나 또는 반대로 열교환매체를 가열하면서 공기를 냉각하는 방식으로 운용되는 열교환기를 칭한다. 일반적으로 이러한 공랭식 열교환기는, 유입되거나 배출되는 열교환매체를 모아 수용하는 한 쌍의 탱크와, 탱크들 사이에 연결되어 열교환매체를 유통시키면서 외부와 열교환하는 복수 개의 튜브들을 포함하여 구성된다. 튜브들 사이에는 외부 공기와의 열교환면적을 넓히기 위해 다양한 형상의 핀이 개재 구비되기도 한다.Such an air conditioning or cooling system includes various heat exchangers. Among these heat exchangers, a heat exchange medium to be cooled (for example, refrigerant, cooling water, oil, etc.) is circulated and air is blown to the outside to cool the heat exchange medium. There are air-cooled heat exchangers. The air-cooled heat exchanger refers to a heat exchanger operated in a manner that heats air while cooling the heat exchange medium by performing heat exchange between the heat exchange medium inside the heat exchanger and air outside the heat exchanger, or conversely, heating the heat exchange medium and cooling air. In general, such an air-cooled heat exchanger includes a pair of tanks for collecting and accommodating a heat exchange medium that is introduced or discharged, and a plurality of tubes that are connected between the tanks and exchange heat with the outside while circulating the heat exchange medium. Fins of various shapes may be interposed between the tubes to increase the heat exchange area with external air.
한편 3D 프린팅이란 프린터를 이용하여 3D 형상을 제조하는 기술을 말하는 것으로, 기본적으로 3차원의 입체 형상을 복수 개의 평면으로 분해하여 각각의 평면을 층층이 쌓아올리는 방식으로 이루어진다. 즉 현재 대부분의 3D 프린터는 적층 방식을 사용하고 있으며, 재료에 따라 플라스틱을 녹여서 층층이 쌓아 형태를 만드는 방법, 금속을 용접하여 형태를 만드는 방법, 액체로 된 물질에 레이저를 쏘아 굳혀서 형태를 만드는 방법 등 다양한 방법이 사용된다.Meanwhile, 3D printing refers to a technology for manufacturing a 3D shape using a printer. Basically, a three-dimensional three-dimensional shape is decomposed into a plurality of planes, and each plane is stacked layer by layer. In other words, most 3D printers currently use the lamination method, and depending on the material, plastics are melted to create a form by stacking layers, a method to form a form by welding metal, a method to form a form by firing a laser on a liquid material, etc. Various methods are used.
3D 프린팅 기술은 매우 복잡한 형상의 물체를 높은 재현성 및 생산성으로 제조해 낼 수 있는 큰 장점이 있다. 앞서 설명한 열교환기 역시 상당히 복잡한 형상으로서, 탱크, 튜브, 핀 등 각각의 별개의 부품을 만들어 서로 조립하는 과정에서 불량이 발생하기도 하고, 이러한 작업을 잘 수행할 수 있는 비싸고 복잡한 생산설비나 오랜 경험을 쌓은 숙련공을 필요로 하는 등, 생산성을 더 높이는데 한계를 주는 요소가 많다. 이에 따라 최근 새롭게 대두되고 있는 3D 프린팅 기술을 열교환기 생산 분야에 적용하고자 하는 시도가 있어 왔다.3D printing technology has a great advantage of being able to manufacture objects of very complex shapes with high reproducibility and productivity. The heat exchanger described above is also a fairly complex shape, and defects sometimes occur in the process of assembling each separate parts such as tanks, tubes, fins, etc., and expensive and complex production facilities or long experience to perform these tasks well. There are many factors that limit productivity, such as requiring accumulated skilled workers. Accordingly, there have been attempts to apply the recently emerging 3D printing technology to the heat exchanger production field.
미국특허공개 제2018-0250747호("Additively manufactured heat exchangers", 2018.09.06.)에는, 적층 제조에 유리하도록 매니폴드(탱크) 단면이 정마름모 형상으로 된 3D 프린팅 적층 방식의 열교환기를 개시하고 있다. 일반적인 3D 프린팅 적층 방식 제조 과정에서, 제작 방향 하단에 구조물이 없는 경우 임의로 서포트용 구조물을 설치한 후 제작 완료 후 제거하는 방식을 사용한다. 다만 45도 각도로 적층 시에는 서포트용 구조물 없이도 형상을 구현하는 것이 가능하기 때문에, 상기 선행문헌에서는 매니폴드 단면을 정마름모 형상이 되도록 한 것이다.U.S. Patent Publication No. 2018-0250747 ("Additively manufactured heat exchangers", 2018.09.06.) discloses a 3D printed laminated heat exchanger in which the manifold (tank) cross-section has a square rhombus shape to be advantageous for additive manufacturing. . In the general 3D printing lamination method manufacturing process, if there is no structure at the bottom of the manufacturing direction, a structure for support is arbitrarily installed and then removed after completion of manufacturing. However, when stacking at an angle of 45 degrees, it is possible to implement a shape without a support structure, so in the prior literature, the manifold cross section is made to have a square rhombus shape.
그러나 상기 선행문헌에 따르면 열교환기의 너비를 증가시키고자 할 때 다음과 같은 문제점이 있다. 상기 선행문헌에서는 3D 적층식 제작이 용이하게 하기 위하여, 매니폴드의 단면이 정마름모, 즉 정사각형을 45도 돌린 형태로 형성되게 하였다. 매니폴드의 연장방향을 열교환기의 길이방향, 튜브의 연장방향을 열교환기의 높이방향, 길이방향 및 높이방향에 수직한 방향을 열교환기의 너비방향이라 할 때, 상기 선행문헌에서의 매니폴드는 길이방향에 수직한 단면이 마름모 형상이 된다. 이 때 열교환기의 너비를 증가시키면, 매니폴드의 너비 뿐 아니라 높이까지 함께 증가하게 된다. 한편 열교환기에서 실질적으로 열교환이 일어나는 부분은 튜브 부분으로, 일반적으로 튜브들이 열을 이루고 있는 부분을 열교환기 코어(core)라고 한다. 열교환기의 전체 면적은 엔진룸 내 가용 공간에 따라 결정되므로 대개는 미리 결정된 제한이 있다. 그런데 매니폴드 즉 탱크 부분의 높이가 불필요하게 증가하면, 결과적으로 열교환기 코어 부분의 면적이 좁아지게 되며, 이는 결과적으로 열교환기의 열전달면적을 감소시켜 열교환성능을 저하시키는 문제가 있다.However, according to the prior literature, there are the following problems when trying to increase the width of the heat exchanger. In the prior literature, in order to facilitate 3D lamination manufacturing, the cross section of the manifold is formed in a form in which a square, that is, a square is turned 45 degrees. When the extension direction of the manifold is the longitudinal direction of the heat exchanger, the extension direction of the tube is the height direction, the longitudinal direction and the direction perpendicular to the height direction of the heat exchanger are the width direction of the heat exchanger. The cross section perpendicular to the longitudinal direction becomes a rhombus shape. At this time, if the width of the heat exchanger is increased, not only the width of the manifold but also the height is increased. Meanwhile, in the heat exchanger, a portion in which heat exchange occurs substantially is a tube portion, and a portion in which the tubes form heat is generally referred to as a heat exchanger core. Since the total area of the heat exchanger is determined by the available space in the engine room, there is usually a predetermined limit. However, if the height of the manifold, that is, the tank portion is unnecessarily increased, the area of the core portion of the heat exchanger becomes narrow as a result, which consequently decreases the heat transfer area of the heat exchanger, thereby reducing the heat exchange performance.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 3D 프린팅 적층 방식으로 제조되기에 용이한 형상이면서도 열교환성능을 극대화할 수 있는 구조를 가지는, 3D 프린팅 열교환기를 제공함에 있다. 보다 구체적으로는, 열교환기 내부에서의 유동이 고르게 배분되게 함과 동시에 열교환기 코어의 면적을 증대시키는 형상을 가짐으로써, 궁극적으로 열교환성능을 증대시키는, 3D 프린팅 열교환기를 제공함에 있다.Accordingly, the present invention was conceived to solve the problems of the prior art as described above, and an object of the present invention is to have a structure that can maximize heat exchange performance while having a shape that is easy to be manufactured by a 3D printing lamination method, 3D To provide a printing heat exchanger. More specifically, it is intended to provide a 3D printed heat exchanger that has a shape that increases the area of the heat exchanger core while allowing the flow inside the heat exchanger to be evenly distributed, and ultimately increases heat exchange performance.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기(100)는, 일정거리 이격되어 나란하게 형성되며 유입구(111)로 열교환매체를 유입받거나 배출구(112)로 열교환매체를 배출하는 한 쌍의 매니폴드(110); 한 쌍의 상기 매니폴드(110)에 양단이 고정되어 열교환매체를 유통시켜 열교환영역을 형성하는 복수 개의 튜브(120); 를 포함하여 이루어지되, 상기 유입구(111) 또는 상기 배출구(112)는 상기 매니폴드(110)의 연장방향으로 최끝단에 위치하며, 상기 매니폴드(110) 내에서 열교환매체의 유량이 최대가 되는 위치를 최대유량위치, 상기 최대유량위치에서 상기 매니폴드(110)의 연장방향을 따라 가장 먼 위치를 최소유량위치라 할 때, 상기 매니폴드(110)는, 상기 최대유량위치에서의 단면적이 가장 크고, 상기 최소유량위치에서의 단면적이 가장 작도록 형성된다. 또한 상기 열교환기(100)는, 3D 프린팅 적층 방식으로 제조될 수 있다.The
이 때 상기 매니폴드(110)는, 열교환매체의 유량이 상기 최대유량위치에서 상기 최소유량위치까지 점진적으로 감소하는 양상에 비례하도록, 상기 매니폴드(110)의 단면적이 상기 최대유량위치에서 상기 최소유량위치까지 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.At this time, the
또는 본 발명의 열교환기(100)는, 일정거리 이격되어 나란하게 형성되며 유입구(111)로 열교환매체를 유입받거나 배출구(112)로 열교환매체를 배출하는 한 쌍의 매니폴드(110); 한 쌍의 상기 매니폴드(110)에 양단이 고정되어 열교환매체를 유통시켜 열교환영역을 형성하는 복수 개의 튜브(120); 를 포함하여 이루어지되, 상기 유입구(111) 또는 상기 배출구(112)는 상기 매니폴드(110)의 연장방향으로 중간지점에 위치하며, 상기 매니폴드(110) 내에서 열교환매체의 유량이 최대가 되는 위치를 최대유량위치, 상기 최대유량위치에서 상기 매니폴드(110)의 연장방향을 따라 일측으로 가장 먼 위치를 일측최소유량위치, 상기 최대유량위치에서 상기 매니폴드(110)의 연장방향을 따라 타측으로 가장 먼 위치를 타측최소유량위치라 할 때, 상기 매니폴드(110)는, 상기 최대유량위치에서의 단면적이 가장 크고, 상기 일측최소유량위치 또는 상기 타측최소유량위치에서의 단면적이 가장 작도록 형성된다. 또한 상기 열교환기(100)는, 3D 프린팅 적층 방식으로 제조될 수 있다.Alternatively, the
이 때 상기 매니폴드(110)는, 열교환매체의 유량이 상기 최대유량위치에서 상기 일측최소유량위치까지 또는 상기 최대유량위치에서 상기 타측최소유량위치까지 점진적으로 감소하는 양상에 비례하도록, 상기 매니폴드(110)의 단면적이 상기 최대유량위치에서 상기 일측최소유량위치까지 또는 상기 최대유량위치에서 상기 타측최소유량위치까지 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.At this time, the
또한 상기 매니폴드(110)는, 상기 매니폴드(110)의 연장방향을 상기 열교환기(100)의 길이방향, 상기 튜브(120)의 연장방향을 상기 열교환기(100)의 높이방향, 상기 길이방향 및 상기 높이방향에 수직한 방향을 상기 열교환기(100)의 너비방향이라 할 때, 길이방향을 따라 단면적이 점진적으로 변화하도록 형성될 수 있다. 이 때 상기 매니폴드(110)는, 길이방향을 따라 너비가 일정하되 높이가 변화함으로써 단면적이 점진적으로 변화하도록 형성될 수 있다. 또한 이 때 상기 열교환기(100)는, 길이방향을 따라 높이가 일정하게 형성될 수 있다.In addition, the
또한 상기 열교환기(100)는, 상기 매니폴드(110) 상에 상기 유입구(111) 또는 상기 배출구(112)가 형성되는 경우, 상기 유입구(111) 또는 상기 배출구(112)의 위치에 상기 최대유량위치가 형성될 수 있다. 또한 상기 열교환기(100)는, 적어도 2개의 열교환영역을 가지는 경우, 열교환매체가 하나의 열교환영역에서 다른 하나의 열교환영역으로 넘어가는 위치에 상기 최대유량위치가 형성될 수 있다.In addition, the
본 발명에 의하면, 열교환기가 3D 프린팅 적층 방식으로 제조되기에 용이한 형상이면서도 열교환성능을 극대화할 수 있는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 열교환기는, 매니폴드 단면은 일반적인 열교환기의 탱크와 유사하게 대략 직사각형 형태를 이루되, 본 발명에서는 열교환매체의 유량이 최대가 되는 위치에서 최소가 되는 위치까지 매니폴드의 단면적, 특히 높이만이 점진적으로 감소하는 형태로 이루어지게 한다. 이에 따라 본 발명에 의하면, 매니폴드 단면적의 변화를 통해 열교환기 내부에서의 유동이 고르게 배분되게 함과 동시에 열교환기 코어의 면적을 증대시키는 형상을 가짐으로써, 궁극적으로 열교환성능을 증대시키는 큰 효과가 있다.According to the present invention, the heat exchanger has a shape that is easy to be manufactured by a 3D printing lamination method, and has a great effect of maximizing heat exchange performance. More specifically, in the heat exchanger of the present invention, the cross section of the manifold has a substantially rectangular shape similar to that of a tank of a general heat exchanger, but in the present invention, the manifold from the position where the flow rate of the heat exchange medium is maximum to the minimum is Only the cross-sectional area, in particular the height, is made in a progressively decreasing form. Accordingly, according to the present invention, the flow in the heat exchanger is evenly distributed through the change in the cross-sectional area of the manifold, and at the same time, it has a shape that increases the area of the heat exchanger core, thereby ultimately increasing the heat exchange performance. have.
뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 열교환기가 기본적으로 3D 프린팅 적층 방식으로 제조되기 때문에, 3D 프린팅 적층 방식 제조의 장점, 즉 재현성 및 생산성을 극대화할 수 있다는 효과 또한 있다.In addition, according to the present invention, since the heat exchanger is basically manufactured in a 3D printing lamination method, there is also an effect of maximizing reproducibility and productivity of the 3D printing lamination method manufacturing.
도 1은 일반적인 열교환기의 사시도.
도 2는 일반적인 열교환기 매니폴드에서의 내부 유동 양상.
도 3은 본 발명의 열교환기의 제1실시예의 정면도.
도 4는 본 발명의 열교환기의 제1실시예의 사시도.
도 5는 본 발명의 열교환기의 제1실시예의 3D 프린팅 적층 제조 과정 설명.
도 6은 본 발명의 열교환기의 제2실시예의 정면도.
도 7은 본 발명의 열교환기의 제3실시예의 정면도.
도 8은 본 발명의 열교환기의 제4실시예의 정면도.1 is a perspective view of a general heat exchanger.
Figure 2 is a general heat exchanger manifold internal flow pattern.
3 is a front view of a first embodiment of the heat exchanger of the present invention.
4 is a perspective view of a first embodiment of the heat exchanger of the present invention.
5 is a 3D printing additive manufacturing process in the first embodiment of the heat exchanger of the present invention.
6 is a front view of a second embodiment of the heat exchanger of the present invention.
7 is a front view of a third embodiment of the heat exchanger of the present invention.
8 is a front view of a fourth embodiment of the heat exchanger of the present invention.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 열교환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a heat exchanger according to the present invention having the configuration as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 일반적인 열교환기의 사시도를, 도 2는 일반적인 열교환기 매니폴드에서의 내부 유동 양상을 각각 도시하고 있다. 즉 도 2는 도 1의 열교환기의 정면도에 내부 유동 양상까지 함께 도시한 것이다. 도 2에 잘 나타나 있는 바와 같이, 일반적으로 매니폴드로 유입되거나 배출되는 열교환매체의 유량은, 유입구 또는 배출구 위치에서 최대가 되고, 여기에서 멀어질수록 점점 감소한다. 그런데 실제로 열교환기에서의 열교환은, 열교환매체가 어느 하나의 매니폴드에서 다른 하나의 매니폴드로 이동할 때, 즉 열교환매체가 튜브를 흐를 때 주로 일어나게 된다. 즉 매니폴드 내 열교환매체 유량이 현저하게 줄어드는 부분에서는 튜브로 흘러가는 열교환매체의 유량 역시 현저하게 줄어들며, 이는 열교환기 전체적인 열교환성능 저하의 원인이 된다.FIG. 1 is a perspective view of a general heat exchanger, and FIG. 2 shows an internal flow pattern in a general heat exchanger manifold. That is, FIG. 2 is a front view of the heat exchanger of FIG. 1 and also shows an internal flow pattern. As shown in Fig. 2, in general, the flow rate of the heat exchange medium flowing into or out of the manifold becomes maximum at the inlet or outlet position, and gradually decreases as the distance increases. However, in reality, heat exchange in the heat exchanger mainly occurs when the heat exchange medium moves from one manifold to another, that is, when the heat exchange medium flows through the tube. That is, in a portion where the flow rate of the heat exchange medium in the manifold is significantly reduced, the flow rate of the heat exchange medium flowing to the tube is also significantly reduced, which causes the overall heat exchange performance to deteriorate.
본 발명에서는, 이와 같이 냉매가 고르게 배분되지 못함으로써 발생되는 열교환성능 저하를 매니폴드 형상 개선을 통해 해결하고자 한다. 또한 이러한 매니폴드의 형상 개선을 설계함에 있어서, 3D 프린팅 적층 방식으로 제조되기에도 유리한 형상이 되도록 하는 점을 더 고려한다.In the present invention, the reduction in heat exchange performance caused by the inability to distribute the refrigerant evenly is to be solved by improving the shape of the manifold. In addition, in designing the shape improvement of such a manifold, it is further considered that the shape is advantageous even when manufactured by 3D printing lamination method.
[제1실시예][First embodiment]
도 3은 본 발명의 열교환기의 제1실시예의 정면도를, 도 4는 본 발명의 열교환기의 제1실시예의 사시도를 각각 도시하고 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열교환기(100)는, 기본적으로 열교환기로서의 구성, 즉 매니폴드(110) 및 튜브(120)를 당연히 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 매니폴드(110)는 한 쌍이 일정거리 이격되어 나란하게 형성되며, 유입구(111)로 열교환매체를 유입받거나 배출구(112)로 열교환매체를 배출한다. 상기 튜브(120)는 한 쌍의 상기 매니폴드(110)에 양단이 고정되도록 복수 개가 열을 이루어 배치되며, 특히 열교환매체를 유통시켜 열교환영역을 형성한다.3 is a front view of the first embodiment of the heat exchanger of the present invention, and Figure 4 is a perspective view of the first embodiment of the heat exchanger of the present invention. 3 and 4, the
제1실시예에 따른 상기 열교환기(100)에서는, 한 쌍의 상기 매니폴드(110) 중 어느 하나의 상기 매니폴드(110)에 상기 유입구(111)가 형성되고, 나머지 하나의 상기 매니폴드(110)에 상기 배출구(112)가 형성된다. 또한 상기 유입구(111) 또는 상기 배출구(112)는, 상기 매니폴드(110)의 연장방향으로 최끝단에 위치하는데, 제1실시예에서는 상기 유입구(111) 및 상기 배출구(112)가 동일한 방향에 형성된다.In the
상기 매니폴드(110) 내에서 열교환매체의 유량이 최대가 되는 위치를 최대유량위치, 상기 최대유량위치에서 상기 매니폴드(110)의 연장방향을 따라 가장 먼 위치를 최소유량위치라 한다. 도 3에서 최대유량위치는 MAX, 최소유량위치는 MIN으로 표시되어 있다. 제1실시예에서는 모든 상기 매니폴드(110) 상에 상기 유입구(111) 또는 상기 배출구(112)가 형성되기 때문에, 상기 유입구(111) 또는 상기 배출구(112)의 위치에 상기 최대유량위치가 형성된다.A position at which the flow rate of the heat exchange medium is maximum in the manifold 110 is referred to as a maximum flow rate position, and a position farthest from the maximum flow rate position along the extending direction of the manifold 110 is referred to as a minimum flow rate position. In Fig. 3, the maximum flow rate position is indicated as MAX, and the minimum flow rate position is indicated by MIN. In the first embodiment, since the
앞서 도 2를 환기하면, 최대유량위치에서 최소유량위치까지 열교환매체가 흘러가면서 유량이 점진적으로 감소하는데, 종래의 매니폴드는 매니폴드 연장방향으로 단면적이 일정하게 형성되었으므로, 최소유량위치 부근에서는 실질적으로 매니폴드 내에 불필요하게 비어있는 잉여공간이 발생하였다.2, the flow rate gradually decreases as the heat exchange medium flows from the maximum flow rate position to the minimum flow rate position. Since the conventional manifold has a uniform cross-sectional area in the manifold extension direction, it is substantially near the minimum flow rate position. As a result, an unnecessarily empty excess space occurred in the manifold.
이 때 본 발명에서는 상기 매니폴드(110)가, 상기 최대유량위치에서의 단면적이 가장 크고, 상기 최소유량위치에서의 단면적이 가장 작도록 형성되게 한다. 특히 열교환매체의 유량이 상기 최대유량위치에서 상기 최소유량위치까지 점진적으로 감소하는 양상에 비례하도록, 상기 매니폴드(110)의 단면적이 상기 최대유량위치에서 상기 최소유량위치까지 점진적으로 감소하도록 형성되게 함으로써, 상술한 바와 같은 잉여공간을 완전히 삭제할 수 있다.In this case, in the present invention, the manifold 110 is formed to have the largest cross-sectional area at the maximum flow rate position and the smallest cross-sectional area at the minimum flow rate position. In particular, the cross-sectional area of the manifold 110 is formed to gradually decrease from the maximum flow rate position to the minimum flow rate position so that the flow rate of the heat exchange medium gradually decreases from the maximum flow rate position to the minimum flow rate position. By doing so, the excess space as described above can be completely deleted.
상기 매니폴드(110)의 연장방향을 상기 열교환기(100)의 길이방향, 상기 튜브(120)의 연장방향을 상기 열교환기(100)의 높이방향, 상기 길이방향 및 상기 높이방향에 수직한 방향을 상기 열교환기(100)의 너비방향이라 할 때, 상기 매니폴드(110)는 길이방향을 따라 단면적이 점진적으로 변화한다. 특히 본 발명에서는, 상기 매니폴드(110)가 길이방향을 따라 너비가 일정하되 높이가 변화함으로써 단면적이 점진적으로 변화하도록 형성되게 한다. 또한 이 때, 도 4에 잘 도시된 바와 같이, 상기 열교환기(100)은 길이방향을 따라 높이가 일정하게 형성되게 한다.The extension direction of the manifold 110 is a longitudinal direction of the
이와 같은 형상을 가짐에 따라, 상기 최대유량위치 부근에서의 상기 튜부(120)의 높이는 종래의 열교환기의 튜브 높이와 동일하되, 상기 최소유량위치 부근에서의 상기 튜브(120)의 높이는 (상기 매니폴드(110)의 높이가 작아지는 만큼) 종래의 열교환기의 튜브 높이보다 커진다. 이처럼 본 발명의 형상 설계에 따르면, 열교환매체의 유량이 줄어드는 대신 열교환면적이 늘어나면서, 유량 감소에 의한 열교환성능 손실을 어느 정도 보상할 수 있게 된다.With such a shape, the height of the
더불어 본 발명의 열교환기(100)는 앞서 설명한 바와 같이 3D 프린팅 적층 방식으로 제조된다. 이 때 상술한 바와 같은 형상으로 만들어지는 경우 3D 프린팅 적층 방식의 제조에 상당히 유리하다. 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다.In addition, the
일반적으로 3D 프린팅 적층 방식으로 입체형상 제조 시, 하방에 아무런 구조물이 없으면 별도의 서포트용 구조물을 설치하여 주어야 하며, 나중에 전체 형상이 완성된 다음 서포트용 구조물을 제거해야 한다. 그러나 수직 하방에 구조물이 없다 해도 근접한 위치에 구조물이 있다면 별도의 서포트용 구조물이 존재하지 않아도 형상을 만들 수 있다.In general, when manufacturing a three-dimensional shape by 3D printing lamination method, if there is no structure underneath, a separate support structure must be installed, and after the entire shape is completed, the support structure must be removed. However, even if there is no structure below the vertical, if there is a structure in a nearby location, a shape can be made without a separate support structure.
도 5는 본 발명의 열교환기의 제1실시예의 3D 프린팅 적층 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5의 입체형상은 제1실시예 도 4에서 상측에 배치되는 상기 매니폴드(110)에 상응하는 것으로서, 이해를 쉽게 하기 위하여 좀더 과장하여 도시한 것이다. 3D 프린팅 적층 제조는, 도 5(A)에 도시된 바와 같이 제조하고자 하는 형상을 높이방향으로 복수 개의 층으로 나누어 각 층의 형상을 쌓아올리는 식으로 제조가 이루어진다. 이 때 본 발명에서는 상기 매니폴드(110)의 높이가 점진적으로 변화하기 때문에, 도 5(B)에 도시된 바와 같이, 제조하고자 하는 층의 수직 하방에 구조물이 없다 해도, 직전 단계에 적층된 층이 근접한 위치에 구조물을 형성하고 있으므로, 이를 서포트로 삼아 원하는 면을 적층할 수 있다. 도 5는, 제조하고자 하는 층과 직전 단계에 적층된 층을 상면에서 도시한 것으로, 직전 단계에 적층된 층이 제조하고자 하는 층을 지지하는 영역을 표시하였다. 이를 통해 직관적으로도, 본 발명의 상기 매니폴드(110) 형상이 3D 프린팅 적층 방식으로 제조되기에 매우 적합하다는 것을 알 수 있다.5 is a view for explaining a 3D printing additive manufacturing process of the first embodiment of the heat exchanger of the present invention. The three-dimensional shape of FIG. 5 corresponds to the manifold 110 disposed on the upper side in FIG. 4 of the first embodiment, and is shown more exaggerated for easier understanding. 3D printing lamination manufacturing is performed by dividing the shape to be manufactured into a plurality of layers in the height direction and stacking the shapes of each layer as shown in FIG. 5(A). At this time, in the present invention, since the height of the manifold 110 gradually changes, as shown in FIG. 5(B), even if there is no structure vertically below the layer to be manufactured, the layer stacked in the previous step Since the structure is formed at this close position, the desired surface can be stacked using this as a support. FIG. 5 shows the layer to be manufactured and the layer stacked in the immediately preceding step from the top, and indicates a region where the layer stacked in the immediately preceding step supports the layer to be manufactured. Through this intuitively, it can be seen that the shape of the
[제2실시예][Second Example]
도 6은 본 발명의 열교환기의 제2실시예의 정면도를 도시하고 있다. 제1실시예에서 상기 유입구(111) 및 상기 배출구(112)가 동일한 방향에 형성되던 것과는 달리, 제2실시예에 따른 상기 열교환기(100)에서는 상기 유입구(111) 및 상기 배출구(112)가 서로 반대 방향에 형성된다.6 shows a front view of a second embodiment of the heat exchanger of the present invention. Unlike in the first embodiment in which the
그 외의 구성에 있어서는 제1실시예와 동일하므로, 여기에서 설명되지 않은 것은 제1실시예의 설명을 따르는 것으로 간주하며, 더 이상의 설명은 생략한다.Other configurations are the same as those of the first embodiment, so that what is not described here is considered to follow the description of the first embodiment, and further description is omitted.
[제3실시예][Third Example]
도 7은 본 발명의 열교환기의 제3실시예의 정면도를 도시하고 있다. 제3실시예에 따른 상기 열교환기(100)에서는, 제1, 2실시예에서와는 달리, 상기 유입구(111) 또는 상기 배출구(112)는 상기 매니폴드(110)의 연장방향으로 중간지점에 위치한다. 따라서 이 때에는 최소유량위치를 하나로만 결정짓지 못할 수 있다.7 shows a front view of a third embodiment of the heat exchanger of the present invention. In the
상기 매니폴드(110) 내에서 열교환매체의 유량이 최대가 되는 위치를 최대유량위치, 상기 최대유량위치에서 상기 매니폴드(110)의 연장방향을 따라 일측으로 가장 먼 위치를 일측최소유량위치, 상기 최대유량위치에서 상기 매니폴드(110)의 연장방향을 따라 타측으로 가장 먼 위치를 타측최소유량위치라 한다. 도 7에서 최대유량위치는 MAX, 일측최소유량위치는 MIN1, 타측최소유량위치는 MIN2로 표시되어 있다.A position at which the flow rate of the heat exchange medium is maximum in the manifold 110 is a maximum flow rate, and a position farthest from the maximum flow rate to one side along the extending direction of the manifold 110 is a minimum flow rate on one side, and the A position farthest from the maximum flow position to the other side along the extending direction of the manifold 110 is referred to as the other minimum flow rate position. In Fig. 7, the maximum flow rate position is indicated as MAX, the minimum flow rate position on one side is indicated by MIN1, and the minimum flow rate position on the other side is indicated by MIN2.
이 때 본 발명에서는 상기 매니폴드(110)가, 상기 최대유량위치에서의 단면적이 가장 크고, 상기 일측최소유량위치 또는 상기 타측최소유량위치에서의 단면적이 가장 작도록 형성되게 한다. 특히 열교환매체의 유량이 상기 최대유량위치에서 상기 일측최소유량위치까지 또는 상기 최대유량위치에서 상기 타측최소유량위치까지 점진적으로 감소하는 양상에 비례하도록, 상기 매니폴드(110)의 단면적이 상기 최대유량위치에서 상기 일측최소유량위치까지 또는 상기 최대유량위치에서 상기 타측최소유량위치까지 점진적으로 감소하도록 형성되게 함으로써, 역시 상술한 바와 같은 잉여공간을 완전히 삭제할 수 있다.In this case, in the present invention, the manifold 110 is formed to have the largest cross-sectional area at the maximum flow rate position and the smallest cross-sectional area at the one side minimum flow rate position or the other side minimum flow rate position. In particular, the cross-sectional area of the manifold 110 is in proportion to the aspect that the flow rate of the heat exchange medium gradually decreases from the maximum flow rate position to the one side minimum flow rate position or from the maximum flow rate position to the other minimum flow rate position. By forming such that it gradually decreases from the position to the minimum flow rate position on the one side or from the maximum flow rate position to the minimum flow rate position on the other side, the excess space as described above can also be completely eliminated.
그 외의 구성에 있어서는 제1실시예와 동일하므로, 여기에서 설명되지 않은 것은 제1실시예의 설명을 따르는 것으로 간주하며, 더 이상의 설명은 생략한다.Other configurations are the same as those of the first embodiment, so that what is not described here is considered to follow the description of the first embodiment, and further description is omitted.
[제4실시예][Fourth Example]
도 8은 본 발명의 열교환기의 제4실시예의 정면도를 도시하고 있다. 제4실시예에 따른 상기 열교환기(100)는, 열교환영역이 2개로 나뉘어 있다. 이 경우 한 쌍의 상기 매니폴드 중 어느 하나의 상기 매니폴드(110)에 상기 유입구(111) 및 상기 배출구(112)가 모두 형성되며, 나머지 하나의 상기 매니폴드(110)에는 상기 유입구(111) 또는 상기 배출구(112)가 형성되지 않는다. 앞서 제1, 2, 3실시예에서는 상기 유입구(111) 또는 상기 배출구(112)의 위치에 상기 최대유량위치가 형성되었으나, 도 8을 기준으로 할 때 하측에 배치되는 상기 매니폴드(110)에는 상기 유입구(111) 또는 상기 배출구(112)가 형성되지 않으므로 이러한 기준으로 상기 최대유량위치를 결정할 수 없다.8 shows a front view of a fourth embodiment of the heat exchanger of the present invention. In the
그러나 이 경우에는, 열교환매체가 하나의 열교환영역에서 나머지 하나의 열교환영역으로 넘어가는 위치에서 열교환매체의 유량이 최대가 될 것임을 쉽게 알 수 있으며, 또한 종래의 일반적인 열교환기에서도 이러한 유동 양상이 확인됨이 잘 알려져 있다. 즉 제4실시예에서와 같이 상기 열교환기(100)이 적어도 2개의 열교환영역을 가지는 경우, 열교환매체가 하나의 열교환영역에서 다른 하나의 열교환영역으로 넘어가는 위치에 상기 최대유량위치가 형성된다.However, in this case, it can be easily seen that the flow rate of the heat exchange medium will be maximum at the position where the heat exchange medium passes from one heat exchange region to the other heat exchange region, and this flow pattern is also confirmed in a conventional general heat exchanger. This is well known. That is, as in the fourth embodiment, when the
그 외의 구성에 있어서는 제1실시예와 동일하므로, 여기에서 설명되지 않은 것은 제1실시예의 설명을 따르는 것으로 간주하며, 더 이상의 설명은 생략한다.Other configurations are the same as those of the first embodiment, so that what is not described here is considered to follow the description of the first embodiment, and further description is omitted.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the scope of application thereof is diverse, as well as anyone with ordinary knowledge in the field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, various modifications are possible.
100: 3D 프린팅 열교환기
110: 매니폴드
111: 유입구
112: 배출구
120: 튜브100: 3D printing heat exchanger 110: manifold
111: inlet 112: outlet
120: tube
Claims (11)
상기 매니폴드(110) 내에서 열교환매체의 유량이 최대가 되는 위치를 최대유량위치, 상기 최대유량위치에서 상기 매니폴드(110)의 연장방향을 따라 가장 먼 위치를 최소유량위치라 할 때,
상기 매니폴드(110)는, 상기 최대유량위치에서의 단면적이 가장 크고, 상기 최소유량위치에서의 단면적이 가장 작도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
A pair of manifolds 110 that are spaced apart from each other by a certain distance and are formed in parallel and receive the heat exchange medium through the inlet 111 or discharge the heat exchange medium through the outlet 112; A plurality of tubes 120 fixed at both ends of the pair of manifolds 110 to circulate a heat exchange medium to form a heat exchange area; Including, the inlet 111 or the outlet 112 is located at the most end in the extending direction of the manifold 110,
When the position at which the flow rate of the heat exchange medium is maximum in the manifold 110 is the maximum flow rate position, and the position farthest from the maximum flow rate position along the extension direction of the manifold 110 is the minimum flow rate position,
The manifold (110) is a heat exchanger, characterized in that formed such that the cross-sectional area at the maximum flow rate position is largest and the cross-sectional area at the minimum flow rate position is smallest.
상기 열교환기는 3D 프린팅 적층 방식으로 제조되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
The method of claim 1,
The heat exchanger is a heat exchanger, characterized in that manufactured by 3D printing lamination method.
열교환매체의 유량이 상기 최대유량위치에서 상기 최소유량위치까지 점진적으로 감소하는 양상에 비례하도록,
상기 매니폴드(110)의 단면적이 상기 최대유량위치에서 상기 최소유량위치까지 점진적으로 감소하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
The method of claim 2, wherein the manifold (110),
So that the flow rate of the heat exchange medium gradually decreases from the maximum flow rate position to the minimum flow rate position,
Heat exchanger, characterized in that the cross-sectional area of the manifold 110 is formed to gradually decrease from the maximum flow rate position to the minimum flow rate position.
상기 매니폴드(110) 내에서 열교환매체의 유량이 최대가 되는 위치를 최대유량위치, 상기 최대유량위치에서 상기 매니폴드(110)의 연장방향을 따라 일측으로 가장 먼 위치를 일측최소유량위치, 상기 최대유량위치에서 상기 매니폴드(110)의 연장방향을 따라 타측으로 가장 먼 위치를 타측최소유량위치라 할 때,
상기 매니폴드(110)는, 상기 최대유량위치에서의 단면적이 가장 크고, 상기 일측최소유량위치 또는 상기 타측최소유량위치에서의 단면적이 가장 작도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
A pair of manifolds 110 that are spaced apart from each other by a certain distance and are formed in parallel and receive the heat exchange medium through the inlet 111 or discharge the heat exchange medium through the outlet 112; A plurality of tubes 120 fixed at both ends of the pair of manifolds 110 to circulate a heat exchange medium to form a heat exchange area; Including, the inlet 111 or the outlet 112 is located at an intermediate point in the extending direction of the manifold 110,
A position at which the flow rate of the heat exchange medium is maximum in the manifold 110 is a maximum flow rate position, and a position farthest from the maximum flow rate position to one side along the extending direction of the manifold 110 is a minimum flow rate position on one side, the When the position farthest from the maximum flow rate position to the other side along the extension direction of the manifold 110 is the other minimum flow rate position,
The manifold 110 is a heat exchanger, characterized in that the cross-sectional area at the maximum flow rate position is the largest, and the cross-sectional area at the one side minimum flow rate position or the other side minimum flow rate position is the smallest.
상기 열교환기는 3D 프린팅 적층 방식으로 제조되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
The method of claim 4,
The heat exchanger, characterized in that the heat exchanger is manufactured by a 3D printing lamination method.
열교환매체의 유량이 상기 최대유량위치에서 상기 일측최소유량위치까지 또는 상기 최대유량위치에서 상기 타측최소유량위치까지 점진적으로 감소하는 양상에 비례하도록,
상기 매니폴드(110)의 단면적이 상기 최대유량위치에서 상기 일측최소유량위치까지 또는 상기 최대유량위치에서 상기 타측최소유량위치까지 점진적으로 감소하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
The method of claim 5, wherein the manifold (110),
So that the flow rate of the heat exchange medium gradually decreases from the maximum flow rate position to the one side minimum flow rate position or from the maximum flow rate position to the other side minimum flow rate position,
A heat exchanger, characterized in that the cross-sectional area of the manifold 110 is formed to gradually decrease from the maximum flow rate position to the one side minimum flow rate position or from the maximum flow rate position to the other minimum flow rate position.
상기 매니폴드(110)의 연장방향을 상기 열교환기(100)의 길이방향, 상기 튜브(120)의 연장방향을 상기 열교환기(100)의 높이방향, 상기 길이방향 및 상기 높이방향에 수직한 방향을 상기 열교환기(100)의 너비방향이라 할 때,
길이방향을 따라 단면적이 점진적으로 변화하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
The method of claim 5 or 6, wherein the manifold (110),
The extension direction of the manifold 110 is a longitudinal direction of the heat exchanger 100, and the extension direction of the tube 120 is a height direction of the heat exchanger 100, a direction perpendicular to the longitudinal direction and the height direction. When is referred to as the width direction of the heat exchanger 100,
Heat exchanger, characterized in that the cross-sectional area is formed to gradually change along the longitudinal direction.
길이방향을 따라 너비가 일정하되 높이가 변화함으로써 단면적이 점진적으로 변화하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
The method of claim 7, wherein the manifold (110),
A heat exchanger, characterized in that the width is constant along the longitudinal direction, but the cross-sectional area is formed to gradually change by changing the height.
길이방향을 따라 높이가 일정하게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
The method of claim 7, wherein the heat exchanger (100),
Heat exchanger, characterized in that the height is formed constant along the longitudinal direction.
상기 매니폴드(110) 상에 상기 유입구(111) 또는 상기 배출구(112)가 형성되는 경우,
상기 유입구(111) 또는 상기 배출구(112)의 위치에 상기 최대유량위치가 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
The method of claim 1 or 4, wherein the heat exchanger (100),
When the inlet 111 or the outlet 112 is formed on the manifold 110,
A heat exchanger, characterized in that the maximum flow rate is formed at a location of the inlet 111 or the outlet 112.
적어도 2개의 열교환영역을 가지는 경우,
열교환매체가 하나의 열교환영역에서 다른 하나의 열교환영역으로 넘어가는 위치에 상기 최대유량위치가 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.The method of claim 1 or 4, wherein the heat exchanger (100),
If you have at least two heat exchange zones,
The heat exchanger, characterized in that the maximum flow rate position is formed at a position where the heat exchange medium passes from one heat exchange region to another.
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1. 미국특허공개 제2018-0250747호("Additively manufactured heat exchangers", 2018.09.06.) |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |