KR20210105222A

KR20210105222A - 다열 열교환기

Info

Publication number: KR20210105222A
Application number: KR1020200019915A
Authority: KR
Inventors: 윤한길; 백승수; 이상옥
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2021-08-26

Abstract

본 발명은 다열 열교환기에 관한 것으로, 본 발명의 목적은, 짝수 열로 배치되는 복수 개의 튜브를 통해 열교환매체가 유통되도록 형성되는 다열 열교환기에서, 코어 간 열교환매체 흐름이 발생되는 부분 즉 전환유통경로의 체적을 비약적으로 저감하는 새로운 구조를 도입하여, 종래에 전환유통경로 체적이 과도하게 큼에 따라 발생되는 여러 문제를 원천적으로 해결하는 다열 열교환기를 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 전환유통경로를 포함하는 헤더탱크의 부품 수를 줄임으로써 제조 공정 개수 역시 줄임에 따라 결과적으로 생산단가를 크게 저감할 수 있는 다열 열교환기를 제공함에 있다.

Description

다열 열교환기 {Multi-pipe heat exchanger}

본 발명은 다열 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 짝수 열로 배치되는 복수 개의 튜브를 통해 열교환매체가 유통되도록 형성되는 다열 열교환기에서 코어 간 열교환매체 흐름을 원활하게 하도록 헤더탱크 구조가 개선되는 다열 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 엔진 룸 내에는 엔진 등과 같은 구동을 위한 부품뿐만 아니라, 엔진 등과 같은 차량 내 각 부품을 냉각하거나 또는 차량 실내의 공기 온도를 조절하기 위한 라디에이터, 인터쿨러, 증발기, 응축기 등과 같은 다양한 열교환기들이 구비된다. 이와 같은 열교환기들은 일반적으로 내부에 열교환매체가 유통하며, 열교환기 내부의 열교환매체와 열교환기 외부의 공기가 서로 열교환함으로써 냉각 또는 방열이 이루어지게 된다.

열교환기는 튜브 타입, 플레이트 타입 등 다양한 형태가 널리 사용된다. 일반적인 튜브 타입 열교환기는, 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크 및 상기 헤더탱크에 양단이 고정되어 냉매의 유로를 형성하는 복수 개의 튜브를 포함한다. 튜브는 1열로 배열될 수도 있지만, 열교환성능 향상 등을 목적으로 2열 이상의 다열로 배열될 수도 있다. 한국특허공개 제2017-0042138호("다열 열교환기", 2017.04.18., 이하 '선행문헌 1') 등에는 이러한 튜브 타입의 다열 열교환기의 예기가 잘 개시되어 있다. 한편 튜브도 다양한 형태로 형성될 수 있는데, 일반적으로는 튜브 내에 열교환매체의 유통경로가 단일 개 형성되지만, 튜브 내에 격벽이 형성되는 등의 구조를 통하여 튜브 내에 열교환매체의 유통경로가 복수 개 형성될 수도 있다. 한국특허공개 제2009-0103154호("열교환기용 튜브 제조장치의 압착롤러와 이를 구비하는 열교환기용 튜브 제조장치 및 열교환기용 튜브", 2009.10.01., 이하 '선행문헌 2') 등에 이와 같은 다열 튜브의 예시가 잘 개시되어 있다.

도 1은 튜브 타입 다열 열교환기의 한 실시예를 도시하고 있다. 도 1에 도시된 열교환기는, 일반적인 튜브 타입 열교환기와 마찬가지로, 헤더(11) 및 탱크(12)가 결합되어 함체 형태로 형성되며 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크(10), 상기 헤더탱크(10)에 양단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하는 복수 개의 튜브(20)를 포함한다. 이 때 상기 튜브(20) 내에 열교환매체의 유통경로가 단일 개 형성되는 경우, 다열 열교환기를 형성하려면 상기 튜브(20) 자체를 다열로 배열하면 된다. 또는 상기 튜브(20)가 그 내부에 열교환매체의 유통경로가 복수 개 형성되는 다열 튜브일 경우, 상기 튜브(20) 자체는 1열로 배열되도록 하여도 열교환기 자체는 다열 열교환기로서 형성될 수 있다.

상기 헤더탱크(10)의 구체적인 구성을 보다 상세히 설명하자면, 상기 헤더탱크(10)는 도 1 하단에 도시된 단면도에 보이는 바와 같이, 상기 튜브(20)가 끼워지는 상기 헤더(11) 및 상기 헤더(11)와 결합되어 열교환매체가 유통될 수 있도록 내부공간을 형성하는 상기 탱크(12)를 포함한다. 즉 헤더탱크는 일반적으로 헤더 및 탱크, 2개의 부품이 결합되어 만들어진다. 이 때 헤더 및 탱크 각각의 부품을 제조하고 이를 결합하기 위한 공정 개수가 과도하게 많아 생산단가의 과도한 상승요인이 되는 문제가 있다.

한편 도 2는 다열 열교환기에서의 열교환매체 유통경로의 한 실시예를 도시하고 있다. 일반적으로 열교환기에서 외부 공기와 주로 열교환을 일으키는 부분은 튜브들로 이루어지는 부분으로, 이 부분을 코어(core)라 칭하는데, 다열 열교환기의 경우 튜브가 다중으로 되어 있으므로 코어 역시 다중으로 형성된다. 따라서 다열 열교환기에서는, 열교환매체가 하나의 코어에서 다른 코어로 넘어가는 유통경로가 반드시 존재한다. 이러한 유통경로를 전환유통경로라 할 때, 전환유통경로는 도 2에서 점선 동그라미로 표시된 부분과 같이 항상 헤더탱크 부분에 형성된다.

그런데, 전환유통경로가 헤더탱크 부분에 형성되기 때문에 발생되는 다양한 문제점들이 있다. 먼저, 헤더탱크는 튜브에 비해 당연히 내부체적이 큰데, 열교환매체가 그다지 많이 유통되지 않는 조건 즉 저부하조건에서는 열교환매체가 전환유통경로가 형성되는 헤더탱크에 정체되는 현상이 발생한다. 이처럼 열교환매체가 정체되면, 정체된 열교환매체로 인해 과냉이 감소하여, 결과적으로 전체적인 공조시스템의 효율을 저하시키는 문제가 있다. 뿐만 아니라 이처럼 과냉이 감소함에 따라 튜브 입구의 열교환매체가 2상(기상/액상)이 되며, 이러한 2상의 열교환매체가 유통됨에 따라 소음이 커질 우려 또한 있다. 뿐만 아니라 이처럼 열교환매체가 전환유통경로를 지나는 과정에서, 튜브 ?? 헤더탱크 ?? 튜브로 이동하면서 유로면적이 급격하게 확대 및 축소되는데, 이에 따라 압력강하가 과도하게 커져 단품 성능에 악영향을 미침과 동시에 헤더탱크 내부의 정압변화로 인해 열교환매체의 분배 역시 불량해진다. 더불어 헤더탱크의 내부체적이 과도하게 큼으로 인하여 열교환기에 충진해야 하는 열교환매체의 충진량 또한 불필요하게 많아지는 문제도 있다.

이처럼, 전환유통경로가 과도하게 내부체적이 큰 헤더탱크 상에 형성됨에 따라, 저부하 조건에서 열교환매체 정체, 과냉 감소로 인한 열교환효율 저하 및 소음 증가, 유로면적의 급격한 변화에 따른 압력강하, 압력강하에 따른 부품 손상 및 열교환매체 분배 불량, 열교환매체 충진량의 과도한 증가 등 매우 다양한 문제가 발생하며, 이를 해소하기 위한 개선 설계가 반드시 필요한 실정이다.

1. 한국특허공개 제2017-0042138호("다열 열교환기", 2017.04.18.)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 짝수 열로 배치되는 복수 개의 튜브를 통해 열교환매체가 유통되도록 형성되는 다열 열교환기에서, 코어 간 열교환매체 흐름이 발생되는 부분 즉 전환유통경로의 체적을 비약적으로 저감하는 새로운 구조를 도입하여, 종래에 전환유통경로 체적이 과도하게 큼에 따라 발생되는 여러 문제를 원천적으로 해결하는 다열 열교환기를 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 전환유통경로를 포함하는 헤더탱크의 부품 수를 줄임으로써 제조 공정 개수 역시 줄임에 따라 결과적으로 생산단가를 크게 저감할 수 있는 다열 열교환기를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다열 열교환기(100)는, 헤더(111) 및 탱크(112)가 결합되어 함체 형태로 형성되며 열교환매체의 유입구 및 배출구가 형성되는 수용탱크(110); 상기 헤더(111)에 일단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하며, 내부에 적어도 하나의 열구획부(121)가 형성되어 다열의 내부유로가 형성되는 복수 개의 다열튜브(120); 상기 다열튜브(120)의 타단이 끼워지고 상기 다열튜브(120)의 내부유로와 연통되도록 상기 다열튜브(120) 반대쪽으로 함몰 형성되는 복수 개의 튜브인서트(131)가 형성되는 전환탱크(130); 를 포함할 수 있다.

이 때 상기 튜브인서트(131)는, 내부공간 중 전체 또는 일부가 상기 다열튜브(120) 타단 외면에 상응하는 형태로 형성되어 상기 다열튜브(120)의 타단이 끼워지는 튜브끼움공간(S)을 형성할 수 있다.

또한 이 때 상기 튜브인서트(131)는, 내부공간 중 상기 튜브끼움공간(S) 외의 나머지 일부가 상기 다열튜브(120)의 어느 한 열의 내부유로에서 다른 열의 내부유로로 열교환매체가 유통되는 전환유통경로(V)를 형성할 수 있다.

또한 상기 전환유통경로(V)는, 너비방향 양측끝단은 상기 다열튜브(120) 타단의 너비방향 양측끝단과 만나며, 너비방향 중간부분은 상기 다열튜브(120) 타단과 이격된 형태로 형성될 수 있다.

또한 상기 전환탱크(130)는, 상기 튜브인서트(131) 사이에 상기 다열튜브(120) 쪽으로 돌출 형성되어 상기 다열튜브(120)를 안내하는 복수 개의 가이드리브(132)를 더 포함할 수 있다.

이 때 상기 가이드리브(132)는, 한 쌍의 상기 튜브인서트(131) 사이에 적어도 하나가 형성되되, 한 쌍의 상기 튜브인서트(131) 사이에 복수 개가 형성되는 경우, 상기 다열튜브(131) 내에 형성되는 내부유로 열의 개수에 상응하는 개수로 형성되어 너비방향으로 이격 배치될 수 있다.

또한 상기 전환탱크(130)는, 한 쌍의 상기 튜브인서트(131) 사이에 복수 개의 상기 가이드리브(132)가 형성되는 경우, 상기 가이드리브(132) 사이 위치에 통공 형태로 형성되어 응축수를 배출하는 복수 개의 응축수배수홀(133)을 포함할 수 있다.

또한 상기 다열튜브(120)는, 열교환면적을 늘리도록 내부유로 내에 형성되는 복수 개의 튜브격벽(122)을 포함할 수 있다.

또한 상기 수용탱크(110)는, 상기 다열튜브(131) 내에 형성되는 내부유로 열에 상응하도록 내부공간을 너비방향으로 구획하는 탱크격벽(113)을 포함하며, 상기 헤더(111)에 형성되어 상기 다열튜브(120)의 일단이 끼워지는 복수 개의 튜브삽입홀이 상기 다열튜브 내에 형성되는 내부유로 열에 상응하도록 너비방향으로 다열 배치될 수 있다.

또한 상기 다열튜브(120)는, 상기 다열튜브(120) 일단이 다열로 형성된 상기 튜브삽입홀에 끼움 가능하도록 상기 튜브삽입홀 열들 사이 공간에 상응하는 위치에 형성되는 조립용홈(123)을 포함할 수 있다.

또한 상기 수용탱크(110)는, 상기 탱크격벽(113)에 의해 구획된 내부공간 중 상기 유입구와 연통되는 내부공간 내에 구비되며, 상기 유입구에 연결되며 측면에 복수 개의 배출홀이 형성된 파이프 형태로 형성되어, 복수 개의 상기 다열튜브(120)로 열교환매체를 분배하여 공급하는 분배관(114)를 포함할 수 있다.

또한 상기 수용탱크(110)는, 내부공간을 길이방향으로 구획하는 구획배플(115)을 포함할 수 있다.

또한 상기 다열 열교환기(100)는, 짝수 개의 열을 가지도록 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 짝수 열로 배치되는 복수 개의 튜브를 통해 열교환매체가 유통되도록 형성되는 다열 열교환기에서, 코어 간 열교환매체 전환이 발생되는 부분 즉 전환유통경로를 포함하는 헤더탱크의 구조를 개선하여, 전환유통경로의 체적을 비약적으로 저감하는 효과가 있다. 이에 따라 본 발명에 의하면, 전환유통경로 체적이 과도하게 큼에 따라 발생되는 여러 문제들, 즉 저부하 조건에서 열교환매체 정체, 과냉 감소로 인한 열교환효율 저하 및 소음 증가, 유로면적의 급격한 변화에 따른 압력강하, 압력강하에 따른 부품 손상 및 열교환매체 분배 불량, 열교환매체 충진량의 과도한 증가 등의 문제들이 원천적으로 해소되는 큰 효과가 있다.

또한 본 발명에 의하면, 이처럼 전환유통경로의 체적이 줄어듦에 따라 열교환기 자체의 전체적인 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다. 이는 열교환기가 설치되는 차량 엔진룸의 공간활용성을 극대화하는 효과 또한 불러온다.

더불어 본 발명에 의하면, 이러한 새로운 구조를 도입함에 따라 전환유통경로를 포함하는 헤더탱크의 부품 수를 2개에서 1개로 줄이는 효과가 있다. 이러한 부품 수 저감은 조립 공정을 삭제할 수 있는 등 제조 공정 개수 역시 줄일 수 있게 되며, 결과적으로 생산단가를 크게 저감하는 경제적인 효과 또한 있다.

도 1은 튜브 타입 다열 열교환기의 한 실시예.
도 2는 다열 열교환기에서의 열교환매체 유통경로의 한 실시예.
도 3은 본 발명의 다열 열교환기의 조립사시도.
도 4는 본 발명의 다열 열교환기의 한 실시예의 분해사시도.
도 5는 본 발명의 다열 열교환기의 다른 실시예의 분해사시도.
도 6은 본 발명의 다열 열교환기의 또다른 실시예의 분해사시도.
도 7은 본 발명의 다열튜브의 단면도.
도 8은 본 발명의 다열튜브의 측면도.
도 9는 본 발명의 전환탱크의 상면도.
도 10은 본 발명의 전환탱크의 하면도.
도 11은 본 발명의 전환탱크의 측면도.
도 12는 본 발명의 다열튜브 및 전환탱크의 하측조립사시도.
도 13은 본 발명의 다열 열교환기의 2pass 유통경로.
도 14는 본 발명의 다열 열교환기의 4pass 유통경로.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 다열 열교환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

[1] 본 발명의 다열 열교환기의 전체적인 구성

도 3은 본 발명의 다열 열교환기의 조립사시도를 도시하고 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다열 열교환기(100)는 수용탱크(110), 다열튜브(120), 전환탱크(130)를 포함한다. 이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.

상기 수용탱크(110)는 헤더(111) 및 탱크(112)가 결합되어 함체 형태로 형성되며 열교환매체의 유입구 및 배출구가 형성된다. 상기 수용탱크(110)는 상술한 바와 같이 종래의 일반적인 열교환기에 구비되는 헤더탱크과 동일한 형태이다. 도면 상에서는 상기 수용탱크(110)가 상측 / 상기 전환탱크(130)가 하측에 배치되는 것으로 도시되나, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 상기 수용탱크(110)가 하측 / 상기 전환탱크(130)가 상측에 배치되도록 하거나, 또는 상기 수용탱크(110)가 좌측 / 상기 전환탱크(130)가 우측, 상기 수용탱크(110)가 우측 / 상기 전환탱크(130)가 좌측 등과 같이 배치되도록 할 수도 있다.

상기 다열튜브(120)는 상기 헤더(111)에 일단이 고정되고 상기 전환탱크(130)에 타단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성한다. 상기 다열튜브(120)는 내부에 적어도 하나의 열구획부(121)가 형성되어 다열의 내부유로가 형성되도록 형성된다. 상기 다열튜브(120)는 금형을 통해 압출되어 제작되는 압출튜브일 수도 있고, 플레이트가 절곡됨으로써 내부공간을 전후로 격리 구획하는 격벽이 형성되는 절첩튜브(folded tube)일 수도 있다. 상기 다열튜브(120)의 구체적인 구성, 특히 여러 탱크들과의 연결관계와 관련된 구체적인 구성은 이후 [2] 본 발명의 다열튜브의 세부적인 구성에서 보다 상세히 설명한다.

상기 전환탱크(130)는 복수 개의 상기 다열튜브(120)에 상응하는 복수 개의 튜브인서트(131)가 형성된다. 상기 튜브인서트(131)에는 상기 다열튜브(120)의 타단이 끼워지며, 또한 상기 다열튜브(120)의 내부유로와 연통되도록 상기 다열튜브(120) 반대쪽으로 함몰 형성되어 소정의 내부공간을 형성한다. 이 때 상기 전환탱크(130)는, 단일 개의 판재가 프레스되어 만들어지는 1개의 부품만으로 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이, 종래에는 1쌍의 헤더탱크가 모두 헤더 및 탱크가 결합된 형태, 즉 서로 동일한 형태로 이루어졌다. 반면 본 발명에서는 상기 전환탱크(130)가 단일 판재로 형성되는 단일 개의 부품으로 이루어짐에 따라, 종래에 헤더 및 탱크 2개의 부품이 조립되어 이루어져야 하는 헤더탱크를 적용하는 경우에 비하여, 부품 수 및 제조 공정 개수를 저감할 수 있게 된다. 물론 이에 따라 결과적으로 생산단가를 저감하는 경제적인 효과 또한 얻을 수 있다. 상기 전환탱크(130)의 구체적인 구성, 또한 이러한 구성으로 인하여 얻을 수 있는 구체적인 효과는 이후 [3] 본 발명의 전환탱크의 세부적인 구성에서 보다 상세히 설명한다.

이하에서는 상기 다열 열교환기(100) 내부에서의 열교환매체 경로 설계를 위한 여러 부가적인 부품들에 대하여 간략히 설명한다.

도 4는 본 발명의 다열 열교환기의 한 실시예의 분해사시도를 도시한다. 즉, 도 3의 상기 다열 열교환기(100)의 조립사시도에서, 상기 수용탱크(110)의 헤더(111)를 삭제하여 상기 수용탱크(110) 내부가 보이게 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 수용탱크(110)는, 상기 다열튜브(131) 내에 형성되는 내부유로 열에 상응하도록 내부공간을 너비방향으로 구획하는 탱크격벽(113)을 포함한다. 상기 탱크격벽(113)은 열교환매체 경로 설계에 따라 상기 수용탱크(110) 전체에 걸쳐 완전히 막힌 형태로 형성될 수도 있고, 또는 적절한 부분에 통공이 형성되어 상기 수용탱크(110) 내에서도 일부 영역에서 코어 간 전환유통경로가 형성되도록 할 수도 있다.

도 5는 본 발명의 다열 열교환기의 다른 실시예의 분해사시도를 도시한다. 역시 도 4와 마찬가지로, 도 3의 상기 다열 열교환기(100)의 조립사시도에서, 상기 수용탱크(110)의 헤더(111)를 삭제하여 상기 수용탱크(110) 내부가 보이게 도시한 것이다. 도 5의 실시예는 열교환매체 경로 설계 자체는 도 4의 실시예와 동일하되, 상기 수용탱크(110)로 유입된 열교환매체가 상기 다열튜브(131) 전체에 잘 분배되도록 하는 분배관(114)을 더 포함하는 실시예이다. 상기 분배관(114)은 도시된 바와 같이 상기 탱크격벽(113)에 의해 구획된 내부공간 중 상기 유입구와 연통되는 내부공간 내에 구비되며, 상기 유입구에 연결되며 측면에 복수 개의 배출홀이 형성된 파이프 형태로 형성되어, 복수 개의 상기 다열튜브(120)로 열교환매체를 분배하여 공급하는 역할을 한다.

도 6은 본 발명의 다열 열교환기의 또다른 실시예의 분해사시도를 도시한다. 역시 도 4, 5와 마찬가지로, 도 3의 상기 다열 열교환기(100)의 조립사시도에서, 상기 수용탱크(110)의 헤더(111)를 삭제하여 상기 수용탱크(110) 내부가 보이게 도시한 것이다. 도 6의 실시예는 도 4, 5의 실시예와 열교환매체 경로를 다르게 설계한 것으로, 원하는 설계대로의 경로 형성을 위하여 내부공간을 길이방향으로 구획하는 구획배플(115)을 포함하고 있다.

[2] 본 발명의 다열튜브의 세부적인 구성

이하에서는 상기 다열튜브(120)의 구체적인 구성을 보다 상세히 설명한다.

도 7은 본 발명의 다열튜브의 단면도를 도시하고 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 다열튜브(120)는 내부에 적어도 하나의 열구획부(121)가 형성되어 다열의 내부유로가 형성된다. 도 7에서는, 상기 열구획부(121)가 1개 형성되어 1열, 2열 즉 두 개 열의 내부유로가 형성되는 예시가 도시되고 있다. 더불어 상기 다열튜브(120) 내에는, 도 7에 도시된 바와 같이 열교환면적을 늘리도록 내부유로 내에 형성되는 복수 개의 튜브격벽(122)이 더 형성될 수 있다.

본 발명의 다열 열교환기(100)에서는, 일반적으로 내부유로가 단일 개 형성되는 튜브를 다열로 배치하는 대신 내부유로가 다열로 형성되는 튜브를 단열로 배치한다. 이와 같이 하는 이유는, 상기 다열튜브(120) 타단이 끼워지는 상기 튜브인서트(131) 구조 때문이다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 튜브인서트(131)는 상기 다열튜브(120) 반대쪽으로 함몰 형성되는 형태로 형성되는데, 튜브가 다열로 배치되게 되면 상기 튜브인서트(131)에 튜브가 끼워지더라도 튜브 열들 사이의 공간은 개방되어 버린다. 따라서 본 발명에서는 내부유로가 다열로 형성되는 상기 다열튜브(120)를 사용하는 것이다.

이 때 내부유로들이 서로 너무 가깝게 형성되어 있으면, 각 열의 내부유로에 흐르는 열교환매체들 간에 열교환을 일으키게 되어 전체적인 열교환성능이 오히려 떨어질 수 있다. 따라서 본 발명의 상기 다열튜브(120)에서는, 도 7의 단면도에 도시된 바와 같이, 상기 열구획부(121)가 튜브 두께에 비해 상당히 큰 두께를 가지고 형성되도록 한다. 한편 이처럼 내부에 열구획부(121)가 형성되어 다열의 내부유로를 가지는 형태의 튜브는, 앞서 설명한 바와 같이 금형을 통해 압출되어 제작되는 압출튜브일 수도 있고, 플레이트가 절곡됨으로써 내부공간을 전후로 격리 구획하는 격벽이 형성되는 절첩튜브일 수도 있다. 압출튜브의 경우에는 단면 형상, 격벽 두께 등을 사용자가 원하는 대로 다양하게 만들 수 있다. 반면 절첩튜브의 경우 튜브 내부에 상기 열구획부(121)나 상기 튜브격벽(122)과 같은 격벽 구조를 만들기 위해서는 튜브 재료인 판재를 여러 번 접게 되는데, 이러한 점을 고려할 때 격벽 구조의 두께는 튜브 판재 두께의 2배, 4배 등과 같은 정도로밖에는 만들지 못하는 한계가 있다. 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 다열튜브(120)에서는 상기 열구획부(121)가 내부유로 간 열교환을 방지할 수 있도록 적절히 두껍게 형성되는 것이 바람직하며, 이러한 형상을 원활하게 구현하기 위해서는 상기 다열튜브(120)가 압출튜브인 것이 바람직하다.

한편 상기 수용탱크(110)에는 상기 헤더(111)에 형성되어 상기 다열튜브(120)의 일단이 끼워지는 복수 개의 튜브삽입홀이 상기 다열튜브 내에 형성되는 내부유로 열에 상응하도록 너비방향으로 다열 배치된다. 물론 이 때 상기 탱크격벽(113)은 상기 튜브삽입홀 열들의 사이에 배치되게 된다.

앞서 설명한 바와 같이 상기 수용탱크(110)는 종래의 열교환기와 유사한 형태로 이루어지며, 종래의 열교환기에서는 이처럼 헤더 상에 튜브삽입홀이 다열로 형성되는 경우 튜브도 다열로 배치하는 것이 일반적이다. 그러나 본 발명에서는, 상술한 바와 같이 튜브 내에 내부유로가 다열로 형성되는 상기 다열튜브(120)를 사용하며, 상기 다열튜브(120) 자체는 단일 개의 열만 형성하게 된다. 그런데, 이처럼 상기 다열튜브(120) 자체는 단일 열로 배치되고, 상기 튜브삽입홀은 너비방향으로 소정거리 이격된 다열로 배치될 때, 상기 다열튜브(120)의 일단을 상기 튜브삽입홀에 끼워 고정하는 것이 난해해질 수 있다.

이러한 문제를 해결하여 상기 다열튜브(120) 일단이 다열로 형성된 상기 튜브삽입홀에 끼움 가능하도록, 본 발명에서는 상기 다열튜브(120)의 일단에 상기 튜브삽입홀 열들 사이 공간에 상응하는 위치에 조립용홈(123)이 형성되게 한다. 도 8은 본 발명의 다열튜브의 측면도로서, 상기 조립용홈(123)이 형성된 쪽이 상기 수용탱크(110)에 끼워지도록 한다면 상기 수용탱크(110)에 형성된 상기 튜브삽입홀이 다열로 배치된다 하여도 조립에 아무 문제가 없음을 직관적으로 쉽게 알 수 있다.

[3] 본 발명의 전환탱크의 세부적인 구성

이하에서는 상기 전환탱크(130)의 구체적인 구성을 보다 상세히 설명한다.

도 9 및 도 10은 각각 본 발명의 전환탱크의 상면도 및 하면도이며, 도 11은 본 발명의 전환탱크의 측면도이다. 또한 도 12는 각각 본 발명의 다열튜브 및 전환탱크의 하측분해사시도 및 하측조립사시도이다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 전환탱크(130)는 단일 개의 판재로만 형성되는 단일 부품으로서, 상기 다열튜브(120)의 타단이 끼워지도록 복수 개의 튜브인서트(131)가 형성된다. 상기 튜브인서트(131)는 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이 상기 다열튜브(120) 반대쪽으로 함몰 형성되는데, 이러한 함몰된 부분이 내부공간을 형성하게 된다. 이러한 내부공간 중 전체 또는 일부가 상기 다열튜브(120) 타단 외면에 상응하는 형태로 형성되어 상기 다열튜브(120)의 타단이 끼워지는 튜브끼움공간(S)을 형성한다. 또한 내부공간 중 상기 튜브끼움공간(S) 외의 나머지 일부가 상기 다열튜브(120)의 어느 한 열의 내부유로에서 다른 열의 내부유로로 열교환매체가 유통되는 전환유통경로(V)를 형성한다.

도 12에는 상기 튜브인서트(131)가 상기 튜브끼움공간(S) 및 상기 전환유통경로(V)를 모두 가지고 있는 경우만이 도시되어 있으나, 열교환매체의 경로 설계에 따라 열 간 열교환매체 이동을 규제하고자 하는 부분이 있을 수 있으며, 이러한 부분에서는 상기 튜브인서트(131)는 상기 튜브끼움공간(S)만 가지게 하면 된다. 즉 상기 튜브인서트(131)가 상기 튜브끼움공간(S)만 가지고 있을 경우, 상기 다열튜브(120)의 타단은 상기 튜브인서트(131)에 끼워져 완전히 폐쇄되므로, 열교환매체가 하나의 열에서 다른 열로 넘어가지 못하게(즉 열교환매체가 코어 간 전환이 되지 못하게) 규제되는 것이다. 물론 이처럼 열교환매체가 코어 간 전환이 되지 못하게 하는 부분에 해당하는 상기 다열튜브(120)는 열교환매체를 수용하기만 할 뿐으로 열교환에 기여하지 못하는 더미(dummy)튜브가 된다. 이러한 더미튜브가 다수 형성될수록 전체 열교환성능이 떨어지게 되므로 이러한 구조는 최대한 지양되어야 하겠으나, 경로 설계에 따라 이처럼 코어 간 전환을 규제해야 하는 경우가 필요할 수도 있다. 이 때 본 발명에서는, 상기 튜브인서트(131)가 상기 튜브끼움공간(S)만 가지도록 만들면 되며, 이는 단지 프레스 금형 중 선택되는 일부의 형태만 조절하면 되어 실현하기도 매우 용이하다. 즉 본 발명에서는 상기 튜브인서트(131)가 상기 튜브끼움공간(S)만 가지도록 하거나 또는 상기 튜브끼움공간(S) 및 상기 전환유통경로(V) 모두를 가지도록 하는 식으로, 얼마든지 원하는 대로 열교환기 내 열교환매체 경로를 설계 및 실현할 수 있다. 물론 상기 전환탱크(130)의 주목적은 상기 다열튜브(120)의 다열 내부유로 중 하나의 열에서 다른 열로 열교환매체가 넘어가게 하는 것이므로, 거의 대부분의 경우 도 12에 도시된 바와 같이 상기 튜브인서트(131)는 상기 튜브끼움공간(S) 및 상기 전환유통경로(V)를 가지는 형태로 형성될 수 있다.

상기 전환유통경로(V)는, 도시된 바와 같이 상기 다열튜브(120)의 내부유로와 연통되며, 따라서 다열 내부유로 중 하나의 열에서 열교환매체가 흘러나오게 되면, 이 열교환매체는 상기 전환유통경로(V)를 따라 흘러가서 자연스럽게 다른 열로 흘러들어가게 된다. 이 때 상기 전환유통경로(V)는, 도시된 바와 같이 열교환매체를 코어 간 전환시키는 데 꼭 필요한 정도의 내부체적을 가지도록 형성된다. 종래에는 한 쌍의 헤더탱크가 서로 동일한 형태로 이루어졌으므로, 열교환매체가 코어 간 열교환매체 전환이 발생되는(즉 한 열에서 다른 열로 넘어가는 전환유통경로가 형성되는) 헤더탱크 쪽에서는, 전환유통경로 체적이 과도하게 큼에 따라 다음과 같은 여러 문제들이 있었다. 즉 저부하 조건에서 열교환매체 정체, 과냉 감소로 인한 열교환효율 저하 및 소음 증가, 유로면적의 급격한 변화에 따른 압력강하, 압력강하에 따른 부품 손상 및 열교환매체 분배 불량, 열교환매체 충진량의 과도한 증가 등의 문제들이 바로 그것이다. 그러나 본 발명에서는, 상술한 바와 같은 상기 튜브인서트(131)의 구성을 통해 상기 전환유통경로(V)의 내부체적을 종래에 비해 비약적으로 저감할 수 있으며, 이에 따라 상술한 수많은 문제들이 일시에 원천적으로 해결된다.

이처럼 상기 전환유통경로(V)는 상기 다열튜브(120)의 내부유로의 한 열에서 다른 열로 열교환매체를 유통시키기 위한 공간이다. 이 때 상기 전환유통경로(V)의 형상이 상기 튜브끼움공간(S)의 형상과 동일하게 형성된다면, 상기 전환유통경로(V) 공간으로 상기 다열튜브(120)가 설계치 이상으로 삽입되어, 극단적으로는 상기 다열튜브(120)가 상기 전환유통경로(V)를 막아버리게 될 우려가 있다.

이러한 문제를 방지하기 위하여, 상기 전환유통경로(V)는, 도 12 등에 도시된 바와 같이, 너비방향 양측끝단은 상기 다열튜브(120) 타단의 너비방향 양측끝단과 만나도록 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 형상이 적용됨으로써, 상기 다열튜브(120)는 상기 전환유통경로(V)의 너비방향 양측끝단에 의해 설계치 이상으로 삽입되지 못하고 적절하게 규제될 수 있으며, 따라서 상기 전환유통경로(V)를 막아버릴 우려를 배제할 수 있다. 물론 나머지 부분, 즉 너비방향 중간부분은 역시 도 12 등에 도시된 바와 같이 상기 다열튜브(120) 타단과 이격된 형태로 형성되어 열교환매체가 원활하게 흐를 수 있는 적절한 공간을 형성하면 된다. 가장 바람직하게는, 너비방향 중간부분 일부는 상기 다열튜브(120) 타단과 평행하게 형성되고, 너비방향 양측끝단에서부터 이 평평한 중간부분까지는 적절히 경사지게 내려오는 형태로 형성되어, 즉 도 12 등에 도시된 바와 같이 상기 전환유통경로(V)가 전면에서 볼 때 위쪽이 넓은 사다리꼴 형태로 형성되게 할 수 있다.

한편 상기 전환탱크(130)는, 상기 튜브인서트(131) 사이에 상기 다열튜브(120) 쪽으로 돌출 형성되어 상기 다열튜브(120)를 안내하는 복수 개의 가이드리브(132)를 더 포함할 수 있다. 상기 가이드리브(132)는 상기 튜브인서트(131)로 상기 다열튜브(120)를 안정적으로 안내하는 역할을 원활하게 수행하기 위해서 한 쌍의 상기 튜브인서트(131) 사이에 하나만 형성되어도 물론 무방하다. 도 9 등에서는, 상기 가이드리브(132)가 한 쌍의 상기 튜브인서트(131) 사이에 복수 개가 형성되는 실시예를 도시하고 있는데, 이 경우 상기 가이드리브(132)는, 상기 다열튜브(131) 내에 형성되는 내부유로 열의 개수에 상응하는 개수로 형성되어 너비방향으로 이격 배치된다.

또한 상기 전환탱크(130)는, 상술한 바와 같이 한 쌍의 상기 튜브인서트(131) 사이에 복수 개의 상기 가이드리브(132)가 형성되는 경우, 상기 가이드리브(132) 사이 위치에 통공 형태로 형성되어 응축수를 배출하는 복수 개의 응축수배수홀(133)을 포함할 수 있다. 상기 다열 열교환기(100)가 증발기일 경우 상기 다열튜브(120) 내의 열교환매체는 외부 공기와 열교환함으로써 온도가 떨어지는데, 이에 따라 상기 다열튜브(120)의 외면에는 공기 중의 습기가 응축하여 물방울이 맺힐 수 있다. 이러한 응축수가 상기 다열튜브(120)의 외면에 지나치게 많이 달라붙어 있으면 열교환성능을 떨어뜨릴 우려가 있으나, 일반적으로 물방울이 시간이 지남에 따가 점점 커지다가 자연적으로 흘러내리면서 제거되므로 크게 문제가 되지는 않는다. 다만 이러한 응축수가 열교환기 하단에 고여있게 될 경우 열교환성능의 저하 뿐 아니라 악취 등의 원인이 될 수 있다. 열교환기의 너비방향 양측은 개방되어 있기 때문에 응축수가 쉽게 배출될 수 있으나, 다열 열교환기에서 열들 사이의 부분에 고인 응축수는 상대적으로 잘 배출되지 못할 수 있다. 이 때 이 위치에 상기 응축수배출홀(133)이 형성됨으로써, 열교환기 하단으로 흘러간 응축수가 원활하게 외부로 배출될 수 있게 된다.

[4] 다열 열교환기의 열교환매체 유통경로 설계 예시

도 13은 본 발명의 다열 열교환기의 2pass 유통경로의 한 예시를 도시하고 있다. 앞서의 도 4 및 도 5의 분해사시도로 제시된 다열 열교환기가 이러한 유통경로를 채용한 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 수용탱크(110)는 상기 탱크격벽(113)에 의해 1열 및 2열로 내부공간이 격리 구획된다. 상측에 배치된 상기 수용탱크(110) 1열로 유입된 열교환매체는, 상기 수용탱크(110) 전체에 걸쳐 상기 다열튜브(120) 1열을 통해 하측에 배치된 상기 전환탱크(130)로 흘러가며, 이것이 ①경로가 된다. 상기 전환탱크(130)로 흘러간 열교환매체는 상기 다열튜브(120) 2열로 흘러들어가 상기 수용탱크(110) 2열까지 올라가며, 이것이 ②경로가 된다. 이렇게 상기 수용탱크(110) 2열로 모인 열교환매체가 배출됨으로써 상기 다열 열교환기(100) 내 열교환매체의 경로가 완성된다.

도 14는 본 발명의 다열 열교환기의 4pass 유통경로의 한 예시를 도시하고 있다. 앞서의 도 6의 분해사시도로 제시된 다열 열교환기가 이러한 유통경로를 채용한 것이다. 도시된 바와 같이, 상기 수용탱크(110)는 상기 탱크격벽(113)에 의해 1열 및 2열로 내부공간이 격리 구획되며, 또한 상기 수용탱크(110) 1열은 상기 구획배플(115)에 의해 좌측 및 우측으로 내부공간이 격리 구획된다. 상측에 배치된 상기 수용탱크(110) 1열 좌측공간으로 유입된 열교환매체는, 상기 수용탱크(110) 1열 좌측공간 전체에 걸쳐 상기 다열튜브(120) 1열 좌측공간을 통해 하측에 배치된 상기 전환탱크(130) 2열 좌측공간으로 흘러가며, 이것이 ①경로가 된다. 상기 전환탱크(130) 2열 좌측공간으로 흘러간 열교환매체는 상기 다열튜브(120) 2열 좌측공간으로 흘러들어가 상기 수용탱크(110) 2열 좌측공간까지 올라가며, 이것이 ②경로가 된다. 상기 수용탱크(110) 2열 좌측공간에서 우측공간으로 흘러간 열교환매체는, 상기 다열튜브(120) 2열 우측공간을 통해 하측에 배치된 상기 전환탱크(130) 1열 우측공간으로 흘러가며, 이것이 ③경로가 된다. 상기 전환탱크(130) 1열 우측공간으로 흘러간 열교환매체는 상기 다열튜브(120) 1열 우측공간으로 흘러들어가 상기 수용탱크(110) 1열 우측공간까지 올라가며, 이것이 ④경로가 된다. 이렇게 상기 수용탱크(110) 2열 우측공간으로 모인 열교환매체가 배출됨으로써 상기 다열 열교환기(100) 내 열교환매체의 경로가 완성된다.

도 3 내지 도 14의 예시에서, 상기 다열 열교환기(100)는 2열로 형성되는 것으로 나타나나, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 한편 도 13 및 도 14의 예시에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 전환탱크(130)는 열교환매체가 1열에서 2열로 또는 2열에서 1열로 넘어가게 해 주는 역할을 하는 것이다. 또한 앞서의 도면들 등에 나타난 상기 전환탱크(130)의 형상으로부터 직관적으로 알 수 있는 바와 같이, 상기 전환탱크(130)는 탱크 연장방향으로의 열교환매체 흐름이 발생하지 않는다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 다열 열교환기(100)가 홀수 개의 열로 형성될 경우 어느 하나의 열은 열교환매체가 흐르지 못하고 단지 갇히게 되는 영역이 되어버린다. 따라서 이러한 점을 고려할 때, 본 발명의 다열 열교환기(100)는, 짝수 개의 열을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.

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.

100 : 다열 열교환기 110 : 수용탱크
111 : 헤더 112 : 탱크
113 : 탱크격벽 114 : 분배관
115 : 구획배플
120 : 다열튜브 121 : 열구획부
122 : 튜브격벽 123 : 조립용홈
130 : 전환탱크 131 : 튜브인서트
132 : 가이드리브 133 : 응축수배수홀
S : 튜브끼움공간 V : 전환유통경로

Claims

헤더 및 탱크가 결합되어 함체 형태로 형성되며 열교환매체의 유입구 및 배출구가 형성되는 수용탱크;
상기 헤더에 일단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하며, 내부에 적어도 하나의 열구획부가 형성되어 다열의 내부유로가 형성되는 복수 개의 다열튜브;
상기 다열튜브의 타단이 끼워지고 상기 다열튜브의 내부유로와 연통되도록 상기 다열튜브 반대쪽으로 함몰 형성되는 복수 개의 튜브인서트가 형성되는 전환탱크;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 다열 열교환기.
제 1항에 있어서, 상기 튜브인서트는,
내부공간 중 전체 또는 일부가 상기 다열튜브 타단 외면에 상응하는 형태로 형성되어 상기 다열튜브의 타단이 끼워지는 튜브끼움공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 다열 열교환기.
제 2항에 있어서, 상기 튜브인서트는,
내부공간 중 상기 튜브끼움공간 외의 나머지 일부가 상기 다열튜브의 어느 한 열의 내부유로에서 다른 열의 내부유로로 열교환매체가 유통되는 전환유통경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 다열 열교환기.
제 3항에 있어서, 상기 전환유통경로는,
너비방향 양측끝단은 상기 다열튜브 타단의 너비방향 양측끝단과 만나며,
너비방향 중간부분은 상기 다열튜브 타단과 이격된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 다열 열교환기.
제 1항에 있어서, 상기 전환탱크는,
상기 튜브인서트 사이에 상기 다열튜브 쪽으로 돌출 형성되어 상기 다열튜브를 안내하는 복수 개의 가이드리브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다열 열교환기.
제 5항에 있어서, 상기 가이드리브는,
한 쌍의 상기 튜브인서트 사이에 적어도 하나가 형성되되,
한 쌍의 상기 튜브인서트 사이에 복수 개가 형성되는 경우, 상기 다열튜브 내에 형성되는 내부유로 열의 개수에 상응하는 개수로 형성되어 너비방향으로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 다열 열교환기.
제 6항에 있어서, 상기 전환탱크는,
한 쌍의 상기 튜브인서트 사이에 복수 개의 상기 가이드리브가 형성되는 경우, 상기 가이드리브 사이 위치에 통공 형태로 형성되어 응축수를 배출하는 복수 개의 응축수배수홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 다열 열교환기.
제 1항에 있어서, 상기 다열튜브는,
열교환면적을 늘리도록 내부유로 내에 형성되는 복수 개의 튜브격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 다열 열교환기.
제 1항에 있어서, 상기 수용탱크는,
상기 다열튜브 내에 형성되는 내부유로 열에 상응하도록 내부공간을 너비방향으로 구획하는 탱크격벽을 포함하며,
상기 헤더에 형성되어 상기 다열튜브의 일단이 끼워지는 복수 개의 튜브삽입홀이 상기 다열튜브 내에 형성되는 내부유로 열에 상응하도록 너비방향으로 다열 배치되는 것을 특징으로 하는 다열 열교환기.
제 9항에 있어서, 상기 다열튜브는,
상기 다열튜브 일단이 다열로 형성된 상기 튜브삽입홀에 끼움 가능하도록 상기 튜브삽입홀 열들 사이 공간에 상응하는 위치에 형성되는 조립용홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 다열 열교환기.
제 9항에 있어서, 상기 수용탱크는,
상기 탱크격벽에 의해 구획된 내부공간 중 상기 유입구와 연통되는 내부공간 내에 구비되며, 상기 유입구에 연결되며 측면에 복수 개의 배출홀이 형성된 파이프 형태로 형성되어, 복수 개의 상기 다열튜브로 열교환매체를 분배하여 공급하는 분배관를 포함하는 것을 특징으로 하는 다열 열교환기.
제 9항에 있어서, 상기 수용탱크는,
내부공간을 길이방향으로 구획하는 구획배플을 포함하는 것을 특징으로 하는 다열 열교환기.
제 1항에 있어서, 상기 다열 열교환기는,
짝수 개의 열을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다열 열교환기.