KR20220101402A - 핀튜브 열교환기 - Google Patents

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KR20220101402A
KR20220101402A KR1020210003366A KR20210003366A KR20220101402A KR 20220101402 A KR20220101402 A KR 20220101402A KR 1020210003366 A KR1020210003366 A KR 1020210003366A KR 20210003366 A KR20210003366 A KR 20210003366A KR 20220101402 A KR20220101402 A KR 20220101402A
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tube
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heat exchanger
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KR1020210003366A
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이요한
박태균
최지원
이한춘
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 핀튜브 열교환기에 관한 것으로, 본 발명의 핀튜브 열교환기는, 일방향으로 이격 배열되는 복수의 핀; 및 길게 연장되어 상기 복수의 핀을 관통하고, 내부에 열 교환 매체가 유동하는 복수의 튜브를 포함하고, 상기 복수의 핀과 복수의 튜브 사이에 공기가 유동 가능한 유동공간이 형성되고, 상기 유동공간은, 상기 핀의 일측에서보다 타측에서 더 넓을 수 있다.

Description

핀튜브 열교환기{FIN TUBE HEAT EXCHANGER}
본 발명은 핀튜브 열교환기에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 일측과 타측의 열교환량과 공기 압력손실이 다른 핀튜브 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 열교환기는, 압축기, 응축기, 팽창기구 및 증발기로 이루어지는 냉동 사이클 장치에서 응축기나 증발기로 사용될 수 있다. 열교환기는 차량이나 냉장고 또는 공기조화기 등에 설치될 수 있으며, 냉매를 공기와 열교환 시킬 수 있다.
열교환기는 핀튜브형 열교환기, 마이크로 채널형 열교환기 등으로 구분될 수 있다. 열교환기는 냉매가 통과하는 튜브와, 튜브에 연결되어 튜브로 냉매를 분배하는 헤더를 포함할 수 있다.
핀튜브형 열교환기의 경우, 열교환용 핀과 냉매가 통과하는 튜브가 결합될 있다. 그리고, 상기 핀과 튜브의 사이에 공기가 통과하는 유동공간이 구비될 수 있다. 공기는 핀과 튜브 사이를 통과하면서, 튜브를 유동하는 냉매와 열교환할 수 있다.
핀튜브 열교환기는, 공기의 유동방향을 따라 튜브가 복수의 열로 구비될 수 있다. 핀튜브 열교환기를 통과하는 공기는, 전열 측으로 유입되어, 상기 후열 측으로 배출될 수 있다. 이와 관련된 종래기술 중 하나인, 대한민국 공개특허공보 제 10-2015-0047027호는, 전열 열교환부 측으로 공기가 유입되어 후열 열교환부 측을 통과하는 열교환기를 개시한다.
한편, 종래기술의 경우, 공기가 전열 측으로부터 후열 측을 항해 유동하면서 냉매와 열교환될 때, 공기와 냉매 사이의 열교환량은, 전열 측에서 최대이며, 후열 측으로 공기가 가까워질수록, 열교환량이 점차 줄어든다(도 13 및 도 14 참조). 즉, 종래에는, 튜브 열의 증가에 따른 열교환량의 증가량이 현저하게 감소하였다.
그럼에도 불구하고, 전열 측과 후열 측의 핀튜브의 형상을 동일하게 설계하여, 후열 측에서의 열교환 효율은 낮고 공기 압력손실은 높은 문제가 있었다.
대한민국 공개특허공보 제 10-2015-0047027호(공개일자 2015년05월04일)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전술한 문제점을 해결하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는, 낮은 공기 압력 손실을 가지면서 최적의 열교환 효율을 가지는 핀 형상을 가진 핀튜브 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는, 일측과 타측에서 열교환량이 다른 핀튜브 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는, 일측과 타측에서 공기 얍력 손실이 다른 핀튜브 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 핀튜브 열교환기는, 일방향으로 이격 배열되는 복수의 핀; 및 길게 연장되어 상기 복수의 핀을 관통하고, 내부에 열 교환 매체가 유동하는 복수의 튜브를 포함하고, 상기 복수의 핀과 복수의 튜브 사이에 공기가 유동 가능한 유동공간이 형성되고, 상기 유동공간은, 상기 핀의 일측에서보다 타측에서 더 넓을 수 있다.
이에 따라, 복수의 열이 구비된 핀튜브 열교환기에서 낮은 공기 압력 손실을 가지면서, 최적의 열교환효율을 가질 수 있다.
상기 핀은, 상기 튜브가 삽입되는 복수의 핀칼라; 상기 핀칼라의 외주면으로부터 반경 외측방향으로 평평하게 연장된 평탄부; 상기 평탄부로부터 외측으로 경사지게 연장된 내측경사부; 및 상기 내측경사부의 외측에 배치되어 상기 내측경사부와 연결되고, 상기 공기의 유동방향에 대하여 경사지게 복수회 벤딩되어, 복수의 마루와 골을 형성하는 외측경사부를 포함할 수 있다.
상기 튜브의 길이방향에서, 어느 한 핀을 기준으로, 상기 평탄부로부터 상기 마루까지의 수평한 거리(H1)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 작을 수 있다.
상기 튜브의 길이방향에서, 상기 복수의 핀 중 어느 핀의 마루로부터, 상기 어느 핀에 인접한 다른 핀의 평탄부까지의 거리(H3)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 클 수 있다.
상기 튜브의 길이방향을 따라 상기 내측경사부가 경사지게 연장된 길이(Ls)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 길 수 있다.
상기 공기의 유동방향에서, 상기 내측경사부의 폭(W)은, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 작을 수 있다.
상기 골은, 상기 골이 연장된 방향에서, 상기 튜브와 중첩되는 내측골; 및 상기 골이 연장된 방향에서, 상기 튜브의 외측에 배치되는 외측골을 포함하고, 상기 마루는, 상기 마루가 연장된 방향에서, 상기 내측골과 외측골의 사이에 배치될 수 있다.
상기 공기의 유동방향에서, 상기 내측골과 마루 사이의 거리(P1)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 작을 수 있다.
상기 공기의 유동방향에서, 상기 마루와 외측골 사이의 거리(P2)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 클 수 있다.
상기 튜브의 길이방향에서, 상기 어느 한 핀을 기준으로, 상기 내측골으로부터 상기 마루까지의 거리(H2)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 작을 수 있다.
상기 마루와 상기 외측골을 연결하는 외측경사면 부분이 상기 공기의 유동방향에 대하여 이루는 각도(theta 1)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 작을 수 있다.
상기 유동공간은, 상기 핀의 일측으로부터 타측으로 향할수록 점진적으로 넓어질 수 있다.
상기 핀은, 상기 튜브 사이에 돌출되고, 공기가 통과하도록 절개된 복수의 핀슬릿을 포함하고, 단위 면적당 상기 복수의 핀슬릿이 차지하는 면적은, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 작을 수 있다.
단위 면적당 상기 핀슬릿의 갯수는, 상기 핀의 일측 부근에서보다, 상기 핀의 타측 부근에서 더 적을 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 핀튜브 열교환기에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 열교환효율과 공기압손이 동시에 개선되는 핀 형상을 가지는 핀튜브열교환기를 제공할 수 있다.
둘째, 타측에서보다 열교환 효율이 높은 일측에서, 열교환량이 보다 크도록 설계된 핀튜브 열교환기를 제공할 수 있다.
셋째, 일측에서보다 열교환 효율이 낮은 타측에서, 열교환량은 보다 낮되, 공기의 유동 손실이 저감되도록 설계된 핀튜브 열교환기를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핀튜브 열교환기의 사시도.
도 2는 핀(10)을 y축 방향에서 바라본 평면도.
도 3은 단위 핀(10U)의 사시도.
도 4는 단위 핀(10U)을 z축 방향에서 바라본 평면도.
도 5는 복수로 배열된 핀(10)의 사시도.
도 6(a)는 도 5의 I-I'를 따라 절개한 복수의 핀(10)과 튜브(20)를 z축 방향에서 바라본 단면도. 도 6(b)는 도 5의 복수의 핀(10)과 튜브(20)를 z축 방향에서 바라본 평면도.
도 7(a)는 도 6(a)의 일 실시예에 따른 핀(10)인 제1 핀(10a)에 대한 단면도. 도 7(b)는 도 6(b)의 일 실시예에 따른 핀(10)인 제2 핀(10b)에 대한 평면도.
도 8(a)는 도 6(a)의 또 다른 실시예에 따른 핀(10)인 제2 핀(10b)에 대한 단면도. 도 8(b)는 도 6(b)의 또 다른 실시예에 따른 핀(10)인 제2 핀(10b)에 대한 평면도.
도 9는 본 발명의 제1 핀(10a)과 제2 핀(10b)의 일 실시예에 따른 수치에 대하여 나타낸 표.
도 10은 본 발명의 제1 핀(10a)과 제2 핀(10b)의 일 실시예에 따른 수치와, 비교 대상인 제3 핀(10c)의 일례에 대한 수치를 나타낸 표.
도 11은 도 10의 수치에 따른 제1 핀(10a), 제2 핀(10b) 및 제3 핀(10c)에 대한 공기의 유동 해석을 나타낸 것.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 핀튜브 열교환기에 대한 사시도.
도 13은 종래의 핀튜브 열교환기의 핀을 y축에서 바라본 평면도.
도 14는 종래의 핀튜브 열교환기의 핀이 열수가 많아짐에 따른 열교환량을 나타낸 그래프.
도 15는 도 12의 제1 실시예에 따른 핀(10)을 y축에서 바라본 평면도. 구체적으로, 상기 핀(10)은, 일측에 제1 핀(10a)이 적용되고, 타측에 제2 핀(10b)이 적용됨.
도 16은 도 15의 핀(10)을 z축에서 바라본 평면도.
도 17은 도 12의 제2 실시예에 따른 핀(10)을 y축에서 바라본 평면도.
도 18은 도 17의 핀(10)을 z축에서 바라본 평면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소들과 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 구성요소의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 본 발명의 실시예에 따른 핀튜브 열교환기를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
이하, 도면에 도시된 좌표계에 대하여 정의한다. x축 방향은 전후방향으로 정의될 수 있다. x축 방향은 공기의 유동방향과 동일할 수 있다. x축 방향은 복수의 튜브(20)가 형성하는 열(column)이 배열되는 방향과 동일할 수 있다. y축 방향은 좌우방향으로 정의될 수 있다. y축 방향은 핀(10)의 배열방향과 동일할 수 있다. y축 방향은 튜브(20)의 길이방향과 동일할 수 있다. z축 방향은 상하방향으로 정의될 수 있다. z축 방향은 튜브(20)가 형성하는 열(column)의 방향과 동일할 수 있다. z축 방향은 골(142, 143)과 마루(141)가 연장되는 방향과 동일할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하면, 핀튜브 열교환기는 복수의 핀(10)과 복수의 튜브(20)를 포함할 수 있다. 복수의 핀(10)은 y축 방향으로 이격 배열될 수 있다. 복수의 핀(10)은 서로 평행하게 배치될 수 있다.
튜브(20)는, y축 방향으로 길게 연장되어 복수의 핀(10)을 관통할 수 있다. 복수의 튜브(20)는 z축 방향으로 배열되어 열을 형성할 수 있다.
열 교환 매체는 튜브(20)의 내부를 유동할 수 있다. 튜브(20)의 유입구(20a)로 유입된 열 교환 매체는, 튜브(20) 내부를 통과한 뒤 배출구(20b)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 열 교환 매체는, 튜브(20) 내부를 통과하며 복수의 핀(10)에 열을 전달할 수 있다.
공기는 복수의 핀(10)과 복수의 튜브(20)의 사이에 형성된 유동공간을 통과할 수 있다. 공기는, 유동공간을 통과하며, 핀(10) 및 튜브(20)를 통해 열 교환 매체와 열교환할 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하면, 핀칼라(11)는 핀(10)에 복수로 형성될 수 있다. 핀칼라(11)는 원통 형상으로 형성될 수 있다. 핀칼라(11)는 핀(10)으로부터 튜브(20)의 길이방향으로 돌출되어 연장될 수 있다.
튜브 삽입구(111)는 핀칼라(11)의 내측에 형성될 수 있다. 튜브(20)는 핀칼라(11)에 형성된 튜브 삽입구(111)에 삽입될 수 있다. 유로(21)는 튜브(20)의 내측에 형성되어 열 교환 매체가 유동할 수 있다.
핀칼라(11)는 z축 방향을 따라 복수로 배열되어 하나의 튜브 열(C)을 형성할 수 있다. 튜브 열(C)은, 복수의 단위핀(10U)이 z축 방향으로 배열되어 형성될 수 있다. 핀칼라(11)가 형성한 튜브 열(C)은 공기의 유동방향을 따라 배열되어 복수의 튜브 열(C)을 형성할 수 있다.
전열(C1)은 후열(C2)보다 공기의 유입방향에 인접하게 배치될 수 있다. 후열(C2)은 전열(C1)보다 후류에 배치될 수 있다. 핀튜브 열교환기를 통과하는 공기는 전열(C1) 측으로 유입되어 후열(C2) 측으로 배출될 수 있다.
평탄부(12)는 핀칼라(11)의 외주면으로부터 반경 외측방향으로 평평하게 연장되어 형성될 수 있다. 평탄부(12)는 공기의 유동방향에 대하여 평행하게 형성될 수 있다. 평탄부(12)는 핀칼라(11)에 대하여 수직하게 형성될 수 있다. 평탄부(12)는 링 형상을 가질 수 있다. 평탄부(12)의 내주단은 핀칼라(11)의 외주면에 일체로 형성될 수 있다.
내측경사부(13)는 평탄부(12)로부터 외측으로 경사지게 연장되어 형성될 수 있다. 내측경사부(13)는 공기의 유동방향에 대하여 경사지게 형성될 수 있다. 내측경사부(13)는 평탄부(12)를 둘러쌀 수 있다. 내측경사부(13)는 핀칼라(11)의 길이방향을 따라 평탄부(12)의 외주단으로부터 반경 외측방향으로 연장될 수 있다.
외측경사부(14)는 내측경사부(13)의 외측에 배치되어 내측경사부(13)를 둘러쌀 수 있다. 외측경사부(14)는 내측경사부(13)의 외측에 연결될 수 있다.
외측경사부(14)는 공기의 유동방향에 대하여 복수회 벤딩될 수 있다. 외측경사부(14)는 복수회 벤딩되어 복수의 마루(141)와 골(142, 143)을 형성할 수 있다. 내측경사부(13)는 마루(141)에 인접한 외측경사부(14) 부분에서 경계선(141a)을 형성할 수 있다.
마루(141) 및 골(142, 143)은 각각 z축 방향을 따라 연장될 수 있다. 복수의 마루(141)와 골(142, 143)은 공기의 유동방향을 따라 배열될 수 있다.
도 4를 참조하면, z축 방향에서 바라볼 때, 마루(141)는 공기의 유동방향을 따라, 핀칼라(11)를 중심으로 대칭으로 배치될 수 있다.
골은(142, 143)은, 내측골(142)과 외측골(143)을 포함할 수 있다.
내측골(142)은, 상기 내측골(142)이 연장된 방향인 z축 방향에서, 튜브(20)와 중첩될 수 있다. 내측골(142)은, 상기 내측골(142)을 연장한 가상의 선이 튜브(20)를 관통하도록 배치될 수 있다.
외측골(143)은, 상기 외측골(143)이 연장된 방향인 z축 방향에서, 튜브(20)의 외측에 배치될 수 있다. 외측골(143)은, 상기 외측골(143)을 연장한 가상의 선이 튜브(20)의 외측에 위치하도록 배치될 수 있다.
마루(141)는, 상기 마루(141)가 연장된 방향인 z축 방향에서, 내측골(142)과 외측골(143)의 사이에 배치될 수 있다. 마루(141)는, 상기 마루(141)가 연장된 방향에서, 튜브(20)의 외측에 배치될 수 있다.
마루(141)는, 상기 마루(141)가 연장된 방향에서, 핀칼라(11)를 중심으로 대칭으로 배치될 수 있다. 외측골(143)은, 상기 외측골(143)이 연장된 방향에서, 핀칼라(11)를 중심으로 대칭으로 배치될 수 있다. 내측골(142)은, 상기 내측골(142)이 연장된 방향에서, 핀칼라(11)의 중심에 인접하게 배치될 수 있다.
외측경사면(14)은, 외측골(143)으로부터 외측으로 평탄부(12)와 평행하게 연장된 엣지부(144)를 포함할 수 있다. 외측경사면(14)은, 엣지부(144)를 포함하지 않을 수도 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 복수의 핀(10)은, 튜브(20)의 길이방향을 따라 배열될 수 있다. 복수의 핀(10)은 서로 나란하게 배치될 수 있다. 유동공간(A)은 복수의 핀(10) 사이에 형성될 수 있다. 공기는 유동공간(A)을 통과하며, 핀(10)을 통해 열 교환 매체와 열교환할 수 있다.
복수의 핀(10) 중 어느 하나의 핀(10)에 형성된 핀칼라(11)는, 복수의 핀(10) 중 다른 하나의 핀(10)에 형성된 핀칼라(11)와 접촉/결합될 수 있다. 일례로, 복수의 핀(10) 간의 간격은, 핀칼라(11)가 핀(10)으로부터 돌출된 길이에 따라 조절될 수 있다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 후술하는 수치들은 z축 방향에서 바라볼 때를 기준으로한다.
D1은, 튜브(20)의 직경으로 정의될 수 있다.
D2는, 공기의 유동방향에서, 평탄부(12)의 폭으로 정의될 수 있다. D2는 평탄부(12)의 외경으로 정의될 수 있다.
t는, 핀(10)의 두께로 정의될 수 있다.
S는, 공기의 유동방향에서, 단위 핀(10U)의 폭으로 정의될 수 있다(도 2 및 도 3 참조). S는, 공기의 유동방향에서, 외측골(143) 사이의 거리로 정의될 수 있다.
R은, 마루(141) 및 골(142, 143)의 연장방향인 z축 방향에서, 단위 핀(10U)의 길이로 정의될 수 있다(도 2 및 도 3 참조).
L은, 튜브(20)의 길이방향에서, 복수의 핀(10) 중 어느 한 핀(10)의 평탄부(12)로부터, 상기 어느 한 핀(10)에 인접한 다른 핀(10)의 평탄부(12)까지의 거리로 정의될 수 있다. L은, 튜브(20)의 길이방향에서, 복수의 핀(10) 중 어느 한 핀(10)의 마루(141)로부터, 상기 어느 한 핀(10)에 인접한 다른 핀(10)의 마루(141)까지의 거리로 정의될 수 있다. L은, 각각의 핀(10)에 형성된 핀칼라(11)가 상하방향으로 연장된 길이에 따라 결정될 수 있다.
H1은, 튜브(20)의 길이방향에서, 어느 한 핀(10)을 기준으로, 평탄부(12)로부터 마루(141)까지의 거리로 정의될 수 있다.
H2는, 튜브(20)의 길이방향에서, 어느 한 핀(10)을 기준으로, 내측골(142)으로부터 마루(141)까지의 거리로 정의될 수 있다.
H3는, 튜브(20)의 길이방향에서, 복수의 핀(10) 중 어느 핀(10)의 마루(141)로부터, 상기 어느 핀(10)에 인접한 다른 핀(10)의 평탄부(12)까지의 거리로 정의될 수 있다.
Ls는, 튜브(20)의 길이방향을 따라, 내측경사부(13)가 경사지게 연장된 길이로 정의될 수 있다.
W는, 공기의 유동방향에서, 내측경사부(13)의 폭으로 정의될 수 있다. 내측경사부(13)의 폭은, 공기의 유동방향에서, 내측경사부(13)의 경계선(141a) 사이의 최대 거리로 정의할 수 있다.
P1은, 공기의 유동방향에서, 내측골(142)과 마루(141) 사이의 거리로 정의될 수 있다.
P2는, 공기의 유동방향에서, 마루(141)와 외측골(143) 사이의 거리로 정의될 수 있다.
P3는, 공기의 유동방향에서, 외측골(143)으로부터 엣지부(144)의 끝단까지의 거리로 정의될 수 있다. P3는 0일 수 있다.
theta 1은, 마루(141)와 외측골(143)을 연결하는 외측경사면(14) 부분이 공기의 유동방향에 대하여 이루는 각도로 정의될 수 있다.
theta 2는, 내측경사면(13)이 공기의 유동방향에 대하여 이루는 각도로 정의될 수 있다.
theta 3는, 내측골(142)과 마루(141)를 연결하는 외측경사면(14) 부분이 공기의 유동방향에 대하여 이루는 각도로 정의될 수 있다.
theta 1, theta 2, theta 3는, 90도 미만의 예각일 수 있다. theta 1은, theta 2 보다 작을 수 있다. 그리고, theta 3는, theta 1보다 작을 수 있다.
도 9(a)는, 제1 핀(10a)과 제2 핀(10b)의 어느 한 실시예에 따른 수치이다. 도 7, 8 및 9(a)를 참조하면, 제1 핀(10a)과 제2 핀(10b)의 튜브(20)의 직경(D1)은 서로 동일할 수 있다.
제1 핀(10a)과 제2 핀(10b)의 평탄부(12)의 외경(D2)은 서로 동일할 수 있다.
제1 핀(10a)과 제2 핀(10b)의 두께(t)는 서로 동일할 수 있다.
공기의 유동방향에서, 단위 핀(10U)의 폭(S)은, 제1 핀(10a)과 제2 핀(10b) 서로 동일할 수 있다.
마루(141) 및 골(142, 143)이 연장된 방향에서, 단위 핀(10U)의 길이(R)는, 제1 핀(10a)과 제2 핀(10b) 서로 동일할 수 있다.
도 9(b)는, 제1 핀(10a)과 제2 핀(10b)의 어느 한 실시예에 따른 수치이다. 도 7, 8 및 9(b)를 참조하면, L은, FPI(fins per inch)에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 11FPI의 핀(10)의 경우, L은 2.31mm 일 수 있다. 예를 들어, 16FPI의 핀(10)의 경우, L은 1.59mm 일 수 있다. 예를 들어, 18FPI의 핀(10)의 경우, L은 1.41mm 일 수 있다.
튜브(20)의 길이방향에서, 어느 한 핀(10)을 기준으로, 평탄부(12)로부터 마루(141)까지의 거리(H1)는, 제1 핀(10a)에서보다, 제2 핀(10b)에서 더 작을 수 있다.
튜브(20)의 길이방향에서, 어느 한 핀(10)을 기준으로, 내측골(142)으로부터 마루(141)까지의 거리(H1)는, 제1 핀(10a)에서보다, 제2 핀(10b)에서 더 작을 수 있다.
튜브(20)의 길이방향에서, 복수의 핀(10) 중 어느 핀(10)의 마루(141)로부터, 상기 어느 핀(10)에 인접한 다른 핀(10)의 평탄부(12)까지의 거리(H3)는, 제1 핀(10a)에서보다, 제2 핀(10b)에서 더 작을 수 있다. H3는 H3 = L-H1의 관계를 만족할 수 있다.
공기의 유동방향에서, 내측골(142)과 마루(141) 사이의 거리(P1)는, 제1 핀(10a)에서보다, 제2 핀(10b)에서 더 작을 수 있다.
공기의 유동방향에서, 마루(141)와 외측골(143) 사이의 거리(P2)는, 제1 핀(10a)에서보다, 제2 핀(10b)에서 더 클 수 있다.
P1과 P2의 합은, 제1 핀(10a)에서와 제2 핀(10b)에서 서로 동일할 수 있다. S는 S = 2(P1+P2)의 관계를 만족할 수 있다.
마루(141)와 외측골(143)을 연결하는 외측경사면(14) 부분이 공기의 유동방향에 대하여 이루는 각도(theta 1)는, 제1 핀(10a)에서보다, 제2 핀(10b)에서 더 작을 수 있다.
내측경사면(13)이 공기의 유동방향에 대하여 이루는 각도(theta 2)는, 제1 핀(10a)에서와 제2 핀(10b)에서 서로 동일할 수 있다.
내측골(142)과 마루(141)를 연결하는 외측경사면(14) 부분이 공기의 유동방향에 대하여 이루는 각도(theta 3)는, 제1 핀(10a)에서보다, 제2 핀(10b)에서 더 작을 수 있다.
이에 따라, 튜브(20)의 직경(D1), 핀(10)의 FPI, 핀(10)의 두께(t) 등이 동일한 조건에서, 제1 핀(10a)은 전열면적이 제2 핀(10b)보다 더 넓을 수 있다. 제2 핀(10b)은 제1 핀(10a)보다 전열면적이 좁지만, 유동공간(A)이 더 넓을 수 있다.
이에 따라, 튜브(20)의 직경(D1), 핀(10)의 FPI, 핀(10)의 두께(t) 등이 동일한 조건에서, 제1 핀(10a)은 제2 핀(10b)보다 열교환 효율이 더 좋을 수 있다.
이에 따라, 튜브(20)의 직경(D1), 핀(10)의 FPI, 핀(10)의 두께(t) 등이 동일한 조건에서, 제2 핀(10b)은 제1 핀(10a)보다 공기 압력 손실이 더 작을 수 있다.
도 10(a) 및 도 10(b)은, 11FPI를 기준으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 핀(10a) 및 제2 핀(10b)과, 비교 대상인 제3 핀(10c)을 비교하기 위하여 수치를 도시하였다. 그리고, 도 11은, 제1 핀(10a), 제2 핀(10b) 및 제3 핀(10c)에 대한 유동 해석을 나타낸 도면이다.
도 10 (a) 및 도 10 (b)를 참조하면, 제1 핀(10a)은 다음의 수식 1을 만족하나, 수식 2를 만족하지 않을 수 있다. 그리고, 제2 핀(10b)은 수식 1과 수식 2를 만족할 수 있다. 또한, 제3 핀(10c)은 수식 1 및 수식 2를 만족하지 않을 수 있다. 그리고, 상기 제1 핀(10a)과 제2 핀(10b)는, H2값이 H1보다 작을 수 있다.
(1) 수식 1: (H1/P1+H2/P2) < (L+D2+t)/24
(2) 수식 2: (H1/P1+H2/P2) < (L+D2+t)/30
상기 수식 1 및 수식 2를 모두 만족하지 않는 제3 핀(10c)은, 수식 1 및 수식 2를 만족하는 제1 핀(10a) 및 제2 핀(10b)에 비하여 상대적으로 열교환 효율이 작고, 압력손실이 클 수 있다(도 10 및 도 11 참조).
한편, 수식 1을 만족하나, 수식 2를 만족하지 않는 제1 핀(10a)은, 제2 핀(10b)에 비하여 상대적으로 열교환효율이 좋을 수 있다. 반대로, 수식 1 및 수식 2를 만족하는 제2 핀(10b)은, 제1 핀(10a)에 비하여 상대적으로 공기에 대한 압력 손실이 작을 수 있다(도 10 및 도 11 참조).
상기 제1 핀(10a)의 경우, H2 < H1 < 2(H2)의 관계를 만족할 수 있다.
상기 제2 핀(10b)의 경우, 2(H2) < H1의 관계를 만족할 수 있다.
정리하면, 제1 및 제2 핀(10a, 10b)은, 제3 핀(10c)에 비하여 열교환효율과 공기에 대한 압력 손실이 모두 높을 수 있다.
그리고, 제1 핀(10a)은, 제2 핀(10b)에 비하여 열교환효율이 좋을 수 있다.
그리고, 제2 핀(10b)은, 제1 핀(10a)에 비하여 공기에 대한 압력 손실이 작을 수 있다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 핀튜브 열교환기는, 복수의 핀튜브 열(C)을 구비할 수 있다. 도 13에 따른 핀튜브 열교환기는, 전열(FC)과 후열(RC)의 단위 핀(10U)이 서로 동일할 수 있다. 도 13에 따른 핀튜브 열교환기의 경우, 공기가 전열(CF)로부터 후열(EF)로 향할수록 핀튜브 열(C)의 증가에 따른 열교환량의 증가량이 현저하게 줄어드는 문제가 있다(도 14 참조).
도 15 및 16를 참조하면, 위 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 다른 핀튜브 열교환기는, 복수의 핀(10)과 복수의 튜브(20) 사이에 공기가 유동가능한 유동공간(A)이 형성되고, 상기 유동공간(A)은 핀(10)의 일측에서 타측에서 더 넓을 수 있다. 핀(10)의 일측은 전열(FC) 측, 핀(10)의 타측은 후열(RC) 측을 의미할 수 있다.
핀(10)의 일측에는 제1 핀(10a)이 구비될 수 있고, 핀(10)의 타측에는 제2 핀(10b)이 구비될 수 있다.
이에 따라, 핀(10)의 일측의 전열면적은 핀(10)의 타측보다 더 넓을 수 있다. 핀(10)의 타측은, 핀(10)의 일측보다 전열면적이 좁지만, 유동공간(A)이 더 넓을 수 있다.
이에 따라, 열교환 효율이 낮은 핀(10)의 타측에서 공기의 압손을 감소시키고, 효율을 증가시킬 수 있다.
경우에 따라, 제1 핀(10a)과 제2 핀(10b)이 구비되는 열의 개수는 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 핀(10)의 일측에는 제1 핀(10a)이 5열로 구비되고, 핀(10)의 타측에는 제2 핀(b)이 3열로 구비될 수 있다.
한편, 유동공간(A)은, 핀(10)의 일측으로부터 타측으로 향할수록 점진적으로 넓어질 수도 있다.
예를 들어, 수치가 서로 다른 복수의 단위 핀(10U)이 핀(10)의 일측으로부터 타측으로 배열될 수 있다. 상기 단위 핀(10U)은, 핀(10)의 일측으로부터 타측으로 향할수록, 제1 핀(10a)에 가까운 수치에서 제2 핀(10b)에 가까운 수치를 가지도록 수치가 점진적으로 변형될 수 있다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 핀(10)은, 복수의 튜브삽입구(31)를 포함하며, 복수의 튜브삽입구(32)에는 튜브(20)가 삽입될 수 있다. 핀(10)은, 복수의 튜브(20) 및/또는 튜브삽입구(32) 사이에 돌출되고, 공기가 통과하도록 절개된 복수의 핀슬릿(32)을 포함할 수 있다. 핀슬릿(32)은 튜브(20)의 길이방향 및 공기의 유동방향에 수직한 방향인 z축 방향으로 길게 연장된 형상을 가질 수 있다.
단위 면적당 복수의 핀슬릿(32)이 차지하는 면적은, 핀(10)의 일측에서보다, 핀(10)의 타측에서 더 작을 수 있다. 핀(10)의 일측은 전열(FC) 측, 핀(10)의 타측은 후열(RC) 측을 의미할 수 있다.
단위 면적당 핀슬릿(32)의 갯수는, 핀(10)의 일측 부근에서보다, 상기 핀의 타측 부근에서 더 적을 수 있다.
이에 따라, 핀(10)의 일측의 전열면적은 핀(10)의 타측보다 더 넓을 수 있다. 핀(10)의 타측은, 핀(10)의 일측보다 전열면적이 좁지만, 유동공간(A)이 더 넓을 수 있다.
이에 따라, 열교환 효율이 낮은 핀(10)의 타측에서 공기의 압손을 감소시키고, 효율을 증가시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
10: 핀
11: 핀칼라
12: 평탄부
13: 내측경사부
14: 외측경사부
141: 마루
142: 내측골
143: 외측골
20: 튜브

Claims (14)

  1. 일방향으로 이격 배열되는 복수의 핀; 및
    길게 연장되어 상기 복수의 핀을 관통하고, 내부에 열 교환 매체가 유동하는 복수의 튜브를 포함하고,
    상기 복수의 핀과 복수의 튜브 사이에 공기가 유동 가능한 유동공간이 형성되고,
    상기 유동공간은, 상기 핀의 일측에서보다 타측에서 더 넓은 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 핀은,
    상기 튜브가 삽입되는 복수의 핀칼라;
    상기 핀칼라의 외주면으로부터 반경 외측방향으로 평평하게 연장된 평탄부;
    상기 평탄부로부터 외측으로 경사지게 연장된 내측경사부; 및
    상기 내측경사부의 외측에 배치되어 상기 내측경사부와 연결되고, 상기 공기의 유동방향에 대하여 경사지게 복수회 벤딩되어, 복수의 마루와 골을 형성하는 외측경사부를 포함하는 열교환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 튜브의 길이방향에서, 어느 한 핀을 기준으로, 상기 평탄부로부터 상기 마루까지의 수평한 거리(H1)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 작은 열교환기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 튜브의 길이방향에서, 상기 복수의 핀 중 어느 핀의 마루로부터, 상기 어느 핀에 인접한 다른 핀의 평탄부까지의 거리(H3)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 큰 열교환기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 튜브의 길이방향을 따라 상기 내측경사부가 경사지게 연장된 길이(Ls)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 긴 열교환기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 공기의 유동방향에서, 상기 내측경사부의 폭(W)은, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 작은 열교환기.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 골은,
    상기 골이 연장된 방향에서, 상기 튜브와 중첩되는 내측골; 및
    상기 골이 연장된 방향에서, 상기 튜브의 외측에 배치되는 외측골을 포함하고,
    상기 마루는,
    상기 마루가 연장된 방향에서, 상기 내측골과 외측골의 사이에 배치되는 열교환기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 공기의 유동방향에서, 상기 내측골과 마루 사이의 거리(P1)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 작은 열교환기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 공기의 유동방향에서, 상기 마루와 외측골 사이의 거리(P2)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 큰 열교환기.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 튜브의 길이방향에서, 상기 어느 한 핀을 기준으로, 상기 내측골으로부터 상기 마루까지의 거리(H2)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 작은 열교환기.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 마루와 상기 외측골을 연결하는 외측경사면 부분이 상기 공기의 유동방향에 대하여 이루는 각도(theta 1)는, 상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 작은 열교환기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동공간은,
    상기 핀의 일측으로부터 타측으로 향할수록 점진적으로 넓어지는 열교환기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 핀은,
    상기 튜브 사이에 돌출되고, 공기가 통과하도록 절개된 복수의 핀슬릿을 포함하고,
    단위 면적당 상기 복수의 핀슬릿이 차지하는 면적은,
    상기 핀의 일측에서보다, 상기 핀의 타측에서 더 작은 열교환기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    단위 면적당 상기 핀슬릿의 갯수는,
    상기 핀의 일측 부근에서보다, 상기 핀의 타측 부근에서 더 적은 열교환기.
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