KR960005784B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

열교환기

제 1 도는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 임의 길이를 나타내기 위해 부분적으로 절개한 정면도.

제 2 도는 제 1 도에 도시된 열교환기에 대한 설명을 간단히 하기 위해 플레이트 3쌍만을 나타낸 열교환기의 분해사시도.

제 3 도는 제 2 도의 3-3선에 따른 결합 돌기부 쌍의 단면도.

제 4 도는 제 2 도에서 원(4)으로 표시된 1개의 돌기부를 나타낸 도면.

제 5 도는 제 2 도에 도시된 화살표(5)에 따르는 핀 스트립의 한 레그를 도시하는 정면도.

제 6 도는 제 2 도의 6-6선에 따른 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 열교환기 12 : 상부플레이트

16 : 하부 플레이트쌍 18 : 핀 스트립

24 : 니플 26 : 유동헤더

28 : 보스 34 : 하프 돌기부

38 : 돌기부

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 특히 자동차의 엔진 오일, 변속기 유체 및 파워 스티어링 유체와 같은 점성 유체를 냉각시키기 위한 공냉식 열교환기에 관한 것이다.

엔진 오일과 변속기 유체, 트랜스액슬 유체 또는 작동액과 같은 고점성-저열전도성 유체의 액체-공기 열교환을 위해 채용된 종래의 열교환기는 다음과 같이 세가지 설계사양으로 제조되어 왔다. 그 첫 번째 설계사양은 1개 이상의 관형채널이 일체형 내부 핀(fin)과 압출성형된 압축튜브와 핀의 디자인으로, 이러한 구성은 열교환기에 의한 유체 저항과 압력 강하가 비교적 낮아지는 경향이 있지만, 열교환기를 통해 흐르는 유체를 체적당 열전달률은 일반적으로 비교적 낮다. 또한, 튜브내의 일체형 내부 핀의 깊이는 실제로 한정되어 있고 이러한 형태의 열교환기의 중량은 비교적 크다는 단점이 있다.

두 번째 설계사양은 각 튜브의 내부에 위치하면서 그 튜브의 외부와 접촉되는 망상 금속판 터뷸라이저(expanded metal turbulizer)를 구비하는 압출성형 또는 용접시임튜브의 뱅크로 구성된 디자인으로, 이런 형태의 열교환기는 일반적으로 상기 튜브의 내부에 있는 터뷸라이저에 의해 유액 흐름이 보다 크게 교란되기 때문에 통상적으로 열전달률이 높으나, 튜브를 통해 흐르는 유액의 흐름에 있어서, 유체 저항 또는 압력 강하는 바람직하지 않게 높고, 터뷸라이저의 사용으로 열교환기의 제조비용이 높아지게 된다.

상기와 같은 액체-공기 열교환기의 세번째의 일반적인 디자인은 플레이트 및 핀의 디자인으로서, 망상 금속판 터뷸라이저가 긴 결합 플레이트쌍 사이에 설치되는 바, 이러한 형태의 열교환기는 매우 높은 유체저항이 발생될 뿐만 아니라 터뷸라이저를 삽입하기 위한 단계가 필요하게 되고, 더욱이 터뷸라이저와 플레이트의 양호한 결합을 얻기 위한 단계가 필요하게 되어 제조비용이 높아진다.

이에 대해 공기조절 증발기의 같이 터뷸라이저를 구비하지 않는 플레이트 및 핀형 열교환기가 자동차의 다른 응용장치에 이용되고 있는 바, 그러한 장치는 예컨대 1984년 9월 11일자로 특허허여된 미합중국 특허 제4,770,455호(DEMETRIO B.SACCA)에 소개되어 있다. 여기서, 이 발명은 유로판에 비스듬히 기울어져 서로 겹쳐진 리브열을 구비하는 플레이트쌍이 복수개 적층되어 형성된 열교환기를 소개한 것으로, 이러한 기술에서는 플레이트쌍을 통과하는 우회 또는 유로를 제공하고 있다. 그런데, 상기한 방식의 장치는 냉매의 기화에는 적합하지만, 예컨대 엔진오일 또는 작동액과 같은 고점성-저열전도성 유체에는 허용되지 않는다. 왜냐하면, 이러한 형태의 열교환기를 통과하는 압력 강하는 허용할 수 없을 정도로 높기 때문이다.

그리고, 터뷸라이저가 구비되지 않은 적층 플레이트쌍을 이용한 자동차의 공기조절증발기에 대한 다른 예가 1986년 7월 15일자로 특허허여된 미합중국 특허 제4,600,053호(R.L.PATEL et al.)에 소개되어 있는 바, 이 특허기술에서는 열교환기의 열전달계수를 증진시키기 위해 서로 다른 결합비드가 겹쳐진 복수의 열로 배열된 구조가 소개되어 있다. 그러나, 이것은 냉매를 기화시키기 위한 공기조절증발기이기 때문에, 유체 저항 및 압력 강하와는 크게 관련이 없으므로, 이러한 형태의 열교환기는 엔진오일 또는 작동액과 같은 고점성-저열전도성 유체에는 사용할 수 없다. 왜냐하면, 열교환기에 의한 압력강하가 허용할 수 없는 정도로 높고, 즉 열교환기의 열전달효율이 매우 낮고, 또한 다른 결합비드는 엔진오일과 작동액에 대한 충분한 소용돌이 또는 난류를 발생시키지 못한다는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 종래기술상의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 플레이트내에 형성되면서 서로 겹쳐지지 않고 균등한 간격을 갖는 결합돌기부를 사용하여 높은 비율의 열전달 효율/액체 측압 강화와 높은 비율의 열전달효율/중량을 달성하는 플레이트 및 핀형 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 각각 평면 중앙부와, 이 중앙부의 평면위쪽에 위치하는 동일 평면상의 돌출형 주변모서리부와, 상기 중앙부의 평면아래에 위치하는 대향하는 동일평면상의 엔드보스를 갖춘 다수의 긴 플레이트로 구성되는 열교환기에 있어서, 상기 플레이트는 다수의 적층쌍에서 전면이 맞대어진 형태로 배열되고, 상기 보수는 그 내부에 개구부를 형성하여 플레이트쌍을 통해 유체가 흐르도록 플레이트의 각 단부에 각각의 헤드를 형성시키며, 상기 중앙부는 상기 주변모서리부의 평면에 대해 연장되면서 균등한 간격으로 떨어져서 위치하는 다수의 돌기부를 갖추고 있고, 각 플레이트 쌍의 주변 모서리부와 돌기부는 상호 결합되어 있으며, 상기 돌기부는 플레이트의 세로 또는 가로방향으로 상호 겹치지 않도록 일정한 공간을 갖고서 형성되어 있으며, 각 플레이트쌍 사이에 위치하면서 각 플레이트의 평면중앙부와 접촉됨과 동시에 앤드보스 사이에 연장되는 파형 핀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기를 제공한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

제 1 도는 본 발명에 따른 열교환기를 도시한 것으로, 도면중 참조부호(10)는 열교환기로서, 상부 플레이트쌍(12), 복수의 중간 플레이트쌍(14) 및 하부 플레이트쌍(16)을 포함하는 다수의 적층 플레이트쌍을 구비하고 있다. 또, 핀 스트립(18)은 인접하는 플레이트쌍 사이에 설치되어 있고, 상부 마운팅 플레이트(20)는 상부 플레이트(12)에 부착되어 있으며, 하부 마운팅 플레이트(22)는 하부 플레이트쌍(16)에 부착되어 있다.

상기 상부 마운팅 플레이트(20)는 다음에 설명하는 바와 같이 각 플레이트쌍의 보스(28)에 의해 형성된 유동헤더(26 ; flow header)와 연통하는 니플(24)을 포함하고 있고, 상기 니플(24)중 하나는 유체 주입구로서 작용하는 반면, 다른 하나의 유체의 배출구로서 작용하게 된다. 필요한 경우에는, 해당 분야의 숙련공에게 명백한 바와 같이, 마운팅 플레이트(20,22)는 제거될 수 있고, 또 다른 주입 및 배출수단이 유동헤더(26) 사이의 유체흐름에 대해 채용될 수 있다.

이어서, 특히 제 2 도, 제 3 도 및 제 4 도를 참조하여 설명하면, 중간 플레이트쌍(14;명료화를 위해 제 2 도에서는 1개의 중간 플레이트만이 도시되어 있음) 상호전면이 맞대어져 배열된 동일형상의 긴 플레이트(30)를 포함하고, 각 플레이트(30)는 평면중앙부(22)와 이 평면중앙부(32)의 평면위쪽에 위치하는 동일평면상의 돌출형 주변모서리부(34)와, 상기한 바와 같이 플레이트(30)가 위로 향하도록 위치하는 경우에는 평면중앙부(32)의 평면아래에 위치하는 반면에, 플레이트(30)가 아래로 향하도록 위치하는 경우에는 상기 평면중앙부(32)의 평면위쪽에 위치하는 동일평면상의 대향 엔드보스(28)를 포함하고 있으며, 그 중 보스(28)는 그 내부에 형성된 개구부(36)를 갖추고 있어서, 다수의 플레이트쌍(14)이 수직으로 적층되는 경우, 상기 플레이트쌍의 각 단부에서의 보스(28)는 플레이트쌍을 통해 유체가 같은 평행으로 흐르도록 하기 위한 유동헤더(26)를 형성하게 된다(제 1 도 참조).

이어, 제 3 도와 제 4 도를 참조해서 설명하면, 상기 평면중앙부(32)는 일정한 간격을 두고서 형성된 다수의 돌기부(38)를 갖처어 형성되고, 상기 주변모서리부(34)의 평면에 대해 내향으로 연장되며, 상기 돌기부(38)와 주변모서리부(34)는 플레이트쌍이 조립되는 경우 상호 결합된다. 상기 돌기부(38)는 일반적으로 평평한 상부면(40)과 수직측벽(42)을 갖추고 있으므로, 상기 결합돌기부(38)는 플레이트쌍 내부에서 대칭형 블런트 사이디드(blunt-sided) 유동제한부를 형성하게 된다. 여기서, "수직"이란 용어는 수직측벽(42)에 관련하여 사용될 지라도, 상기 플레이트(30)를 형성하기 위한 도면 및 공구의 필요조건에 적합하도록 어느 정도 각도를 형성해야 한다. 그러나, 수직측벽(42)의 각도가 10°를 초과해서는 안되고, 또 평평한 상부면(40)은 플레이트를 제조하는데 사용되는 재료의 두께에 따라 플레이트(30)의 제조시에 다소 원형상으로 될 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 설명에서는 이러한 "수직측벽"과 "평면상부"의 용어는 상기한 바와 같이 약간의 각도를 형성하는 수직부와 약간의 원형상을 말한다. 그리고, 상기 돌기부(38)는 양각세공에 의해 평면중앙부(32)내에 형성된다.

제 2 도에서 잘 알 수 있는 바와 같이, 상기 돌기부(38)는 종방향 열로 배치되어 있으면서 일정한 간격으로 떨어져 있거나 최소한 나란하게 위치되어 있으므로, 인접하는 열의 돌기부에 대해 종방향 또는 횡방향으로 중첩되지 않는다. 따라서, 종방향 열은 돌기부의 열 사이에 종방향 유로를 제공하게 되고, 또 이들 돌기부(38)는 평면이 원형상으로 되어 있고, 상호 일정한 간격을 두고서 떨어져서, 다이아몬드 형태로 위치되어 있으며, 인접한 세 개의 돌기부가 등변 삼각형의 장점에 배치된다.

그리고, 상기 평면중앙부(32)의 주변모서리부에는 하프 돌기부(44)가 그 평면중앙부(32)내에 부분적으로 형성됨과 동시에 상기 주변모서리부(34)내에도 부분적으로 형성되어 있는데, 이러한 하프 돌기부(44)는 상기 평면중앙부(32)내에서 인접하는 정상크기의 돌기부(38)로부터 등거리로 일정한 간격을 갖도록 배치되어 있음과 동시에 상기한 바와같이 등변 삼각형의 간격을 유지하게 된다.

그리고, 상기 돌기부(38,44)의 수가 증가함에 따라 돌기부 사이의 간격은 감소하게 되어, 플레이트(30)의 열저항이 감소되거나, 열전달효율 또는 성능이 증진되고, 또한 돌기부의 수량 증가와 그 돌기부 사이에서의 간격의 감소에 의해 열교환기에서의 유체저항 또는 압력강하가 증대된다. 이러한 관점에서 본 실시예에서는, 소정의 열교환기의 압력강하 한계치에 대하여 돌기부의 수가 최대로 설정되어 있다.

다시 제 2 도를 참조해서 설명하면, 상부 플레이트쌍(12)와 하부 플레이트쌍(16)은 마운팅 플레이트(20,22)에 인접한 긴 플레이트(46)를 갖추고 있는데, 이 플레이트(46)는 상기 보스(28)가 제거된 점을 제외하고는 상기 플레이트(30)와 동일한 형상으로 되어 있어서, 마운팅 플레이트(20,22)의 결합면에 대해 인접하여 고정된다. 또, 하부 마운팅 플레이트(22)는 인접하는 플레이트(46)내에 개구부(36)를 커버하므로 배플로서의 역할을 하게 되고, 상기 상부 마운팅 플레이트(20)는 배플과 유사한 방식으로 작용하므로, 유체가 1개의 니플(24)을 통해 하향으로 흘러서 헤더(26)내에 유입되게 되므로 모든 플레이트쌍을 통해 평행한 형태로 대향하는 헤더내에 유입된 다음, 다른 니플(24)를 통해 유출된다.

다음에, 제 2 도, 제 5 도 및 제 6 도를 참조해서 설명하면, 파형 핀 스프립(18)은 그 내부에 형성된 다수의 횡방향(48;transverse louver)를 갖추고 있는데, 이 횡방향 루버는 핀(18)을 통과하는 유체의 흐름에 대해 수직으로 배치되어 있다. 여기서, 이 횡방향 루버(48)은 핀의 주변측부를 향해 길이가 감소된다는 점에 유의해야 한다. 이 경우, 횡방향 루버(48)에 대한 핀의 횡방향 열흐름을 증진시킴으로써, 상기 돌기부(38.44)에 의해 평면중앙부(32)에 형성된 오목부에 대해 걸쳐 있는 핀들을 통해 열전달이 증진된다.

또, 열교환기(10)의 조립체는 이들 사이에 배치된 핀 스프립(18)을 갖춘 플레이트쌍)(12,14,16)의 적층구조체를 포함하고, 이어 마운팅 플레이트(20,22)가 부가된 다음 전체의 조립체가 노에 의한 경납땜에 의해 모든 접촉면이 결합된다.

본 발명의 실시예에서 플레이트(30,46)는 그 위에 형성된 알루미늄 납땜 합금 피복재 또는 층을 갖춘 알루미늄으로 형성되고, 핀 스프립(18)은 순 알루미늄으로 형성되며, 상기 마운팅 플레이트(20,22)는 순 알루미늄이나 인접한 플레이트(46)에 납땜할 수 있는 기타 재질로 형성된다.

그리고, 본 실시예에서 플레이트(30,46)는 약 28㎝의 길이, 약 2㎝의 폭으로 형성되어 있으면서, 약 0.05㎝의 두께로 된 알루미늄 판재로 형성되어 있다. 또, 상기 핀 스프립(18)은 소정의 적당한 알루미늄 피복재(aluminum finning material)로 형성되는데, 이 핀 스프립(18)은 전형적으로 2㎝의 폭, 22㎝의 길이, 0.5㎝의 높이로 되어 있다.

한편, 상기한 본 발명은 본 발명의 기술적 요지를 이탈하지 않는 상태에서 그 구조를 여러가지로 변행해서 실시할 수 있는 바, 예컨대 열교환기(10)에 대해서는 길이, 폭 혹은 높이의 조절이 가능하게 되고, 또 상기한 바와 같이 마운팅 플레이트(20,22)를 제거할 수도 있는 한편 열교환기를 통하는 유체의 흐름을 지정하는 다른 수단으로 대체할 수 있다. 또한 하부 플레이트쌍(16)의 플레이트(46)는 개구부(36)가 형성되지 않는 형태호도 제조가 가능한 바, 만일 포텐셜 리크에 관한 문제가 발생되면, 그와 같이 개구부가 형성되지 않은 구조가 바람직하게 된다. 그러나, 상기한 구성에서는 열교환기(10)에 대해 단 2가지 형태의 플레이트가 제조되도록 요구된 방법이었지만, 배플이 유로나 회로를 변경시키거나, 특별한 요구에 적합하도록 열교환기의 열전달 및 압력강하 특성을 변화시키도록 열교환기내에 결합될 수 있고, 또한 예컨대, 스텐레스강이나 황동과 같은 다른 재료들도 열교환기에 대해 사용될 수 있으며, 각 돌기부의 크기와 배열(간격)도 상기한 파라미터로부터 다소 변화될 수 있다.

이상에서 설명한 바와같이, 본 발명에 따르면 터뷸라이저가 필요하지 않으면서 제조가 용이한 고성능의 공기-액체열교환기를 제공하게 된다.

Claims (10)

1. 각각 평면 중앙부와, 이 중앙부의 평면위쪽에 위치하는 동일 평면상의 돌출형 주변모서리부와, 상기 중앙부의 평면 아래에 위치하는 대향하는 동일평면상의 엔드보슬 갖춘 다수의 긴 플레이트로 구성되는 열교환기에 있어서, 상기 플레이트는 다수의 적층쌍에서 전면이 맞대어진 형태로 배열되고, 상기 보스는 그 내부에 개구부를 형성하여 플레이트쌍을 통해 유체가 흐르도록 플레이트의 각 단부에 각각의 헤드를 형성시키며, 상기 중앙부는 상기 주변모서리부의 평면에 대해 연장되면서 균등한 간격으로 떨어져서 위치하는 다수의 돌기부를 갖추고 있고, 각 플레이트쌍의 주변 모서리부와 돌기부는 상호 결합되어 있으며, 상기 돌기부는 플레이트의 세로 또는 가로방향으로 상호 겹치지 않도록 일정한 공간을 갖고서 형성되어 있으며, 각 플레이트쌍 사이에 위치하면서 각 플레이트의 평면중앙부와 접촉됨과 동시에 엔드보스 사이에 연장되는 파형 핀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 평면 중앙부내의 돌기부는 수직 측벽과 평평한 상부면을 구비하여, 결합 돌기부가 대칭형 블런트 사이디드(blunt-sided) 유동 제한부를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 중앙부와 주변모서리부에 부분적으로 형성되어 있으면서 상기 중앙부내의 인접하는 돌기부로부터 등거리로 간격져 있는 하프 돌기부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌기부는 돌기부의 열사이에 종방향 유로를 제공하도록 일정한 간격을 유지하는 종방향 열에 배치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌기부는 평면이 원형인 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌기부는 다이어몬드 형태로 배열되고, 인접하는 3개의 돌기부는 등변 삼각형의 정점에 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 파형 핀은 그 핀을 경유하는 유체의 흐름에 대해 수직적으로 배치된 횡방향 루버와 함께 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 루버는 핀의 주변측부를 향해 길이가 감소되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 및 하부 플레이트쌍에 고착되면서 각 플레이트의 단부에서 액체의 흐름을 헤더로 인입하거나 그 헤더로부터 배출되도록 제어하는 배플로서 작용하는 마운팅 플레이트가 더 구비된 것을 특징으로 하는 열교환기.
10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌기부의 수는 열교환기를 통해 소정의 압력강하를 초과하지 않는 범위에서 최대화되는 것을 특징으로 하는 열교환기.

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