KR100228503B1

KR100228503B1 - 적층형 열교환기용 튜브엘리멘트

Info

Publication number: KR100228503B1
Application number: KR1019940027061A
Authority: KR
Inventors: 구니히꼬 니시시다; 요시히사 에또오
Original assignee: 오타 유다카; 가부시키가이샤 젝셀
Priority date: 1993-10-22
Filing date: 1994-10-22
Publication date: 1999-11-01
Also published as: EP0650024A1; EP0650024B1; DE69413173D1; DE69413173T2

Abstract

비드폭 A, 비드간격 B, 튜브엘리멘트 두께 H 및 성형판 두께를 T가 2.0 A3.0, 3.5 B6.3, 1.9H2.7, 0.25 T0.47범위내에 있도록 결정된다.

이 범위내에서 통로저항, 열 교환성능, 강도 등이 최적의 균형을 이루는 이상적인 튜브엘리멘트를 제공하는 것이 가능하다. 열 교환매체통로가 형성되는 방향에 직각으로 달리는 다수의 비드열이 튜브엘리멘트에 설치되며 비드는 인접한 비드열내에 서로 다른 간격으로 위치되도록 형성되거나 비드가 형성되지 않는 영역이 비드열내에서 상이하며 이 영역이 연속체를 형성하도록 위치된다. 이러한 구조에 의해 사수역내에 형성된 비드의 수가 감소되며 통로저항이 감소되어서 열교환매체의 유동이 향상된다.

Description

적층형 열교환기용 튜브엘리멘트

제1도는 정면도 A, 저면도 B를 보여주는 적층형 열교환기 실시예의 예시도.

제2도는 제1도의 적층형 열교환기에 사용되는 튜브엘리멘트를 구성하는 성형판(형식 1)의 정면도.

제3도는 제1도의 적층형 열교환기내 열교환매체의 유동을 보여주는 예시도.

제4도는 튜브엘리멘트내의 리드를 보여주는 확대 단면도.

제5(a), 5(b), 5(c)도는 비드형태, 비드크기 A 및 비드간격 B 간의 관계를 나타내는 예시도.

제6(a)도는 비드크기가 변했을 때 열 교환성능과 통로저항의 비 변화를 보여주는 특성도.

제6(b)도는 비드간격이 변했을 때 열 교환성능과 통로저항의 비 변화를 보여주는 특성도.

제6(c)도는 튜브엘리멘트 두께가 변했을 때 열 교환성능과 통로저항의 비 변화를 보여 주는 특성도.

제7도는 적층형 열교환기에 사용되는 튜브엘리멘트를 구성하는 성형판(형식 2)의 예시도.

제8도는 적층형 열교환기에 사용되는 튜브엘리멘트를 구성하는 성형판(형식 3)의 예시도.

제9도는 튜브엘리멘트의 성능을 측정하기 위해 사용되는 장치의 예시도.

제10(a)도는 물의 유속이 5 cc/sec일 때 형식 1 튜브엘리멘트의 온도 분포도.

제10(b)도는 물의 유속이 5 cc/sec일 때 형식 2 튜브엘리멘트의 온도 분포도.

제10(c)도는 물의 유속이 5 cc/sec일 때 형식 3 튜브엘리멘트의 온도 분포도.

제11(a)도는 물의 유속이 10 cc/sec일 때 형식 1 튜브엘리멘트의 온도 분포도.

제11(b)도는 물의 유속이 10 cc/sec일 때 형식 2 튜브엘리멘트의 온도 분포도.

제11(c)도는 물의 유속이 10 cc/sec일 때 형식 3 튜브엘리멘트의 온도 분포도.

제12(a)도는 물의 유속이 20 cc/sec일 때 형식 1 튜브엘리멘트의 온도 분포도.

제12(b)도는 물의 유속이 20 cc/sec일 때 형식 2 튜브엘리멘트의 온도 분포도.

제12(c)도는 물의 유속이 20 cc/sec일 때 형식 3 튜브엘리멘트의 온도 분포도.

제13도는 방해물을 지나는 유체 유동의 예시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 열교환기 2 : 핀

3 : 튜브엘리멘트 4 : 성형판

5 : 탱크 7 : 열교환매체통로

10 : 돌출부 21 : 통로

[산업상 이용분야]

본 발명은 증발기, 응축기, 히터코어 또는 방열기와 같은 적층형 열교환기(laminated heat exchanger)에 사용될 수 있는 튜브엘리멘트에 관한 것이다.

[종래의 기술]

핀(fin)과 튜브엘리멘트를 교대로 적층시켜 형성되는 종래의 열교환기에 있어서, 열 교환매체의 흐름을 분산시키고 동시에 열교환성능을 향상시키기 위한 수단으로 열교환매체와의 접촉면적을 증가시키기 위해 비드(bead)가 튜브엘리멘트의 열교환매체 통로에 형성된다. 이 출원은 예를 들면 일본 특개소 제 63-153397 호에 공개된 것처럼 다수의 둥근 비드가 튜브엘리멘트를 구성하는 성형판(formed plate)으로 프레스 성형된 튜브엘리멘트를 또한 사용한다. 공지 기술의 튜브엘리멘트 제품은 비드직경 3.8, 최소 비드간격 7.0, 튜브엘리멘트 두께 2.9및 성형판의 두께 0.57를 갖는다. 이 출원인에 의한 조사에 따르면, 원형 또는 타원형 비드를 사용하는 다른 회사의 제품의 경우 비드직경 또는 단경은 3.54.8범위, 튜브엘리멘트 직경은 2.83.4범위, 성형판의 판두께는 0.40.57범위이내이다. 본 출원인들이 자료를 갖고 있지 않는 비드 간격을 제외하면, 본 출원인들의 튜브엘리멘트는 이 범위내에 있다.

[발명이 해결하고자 하는 과제]

튜브엘리멘트내에 비드가 많을수록 튜브엘리멘트와 열 교환매체와의 접촉면적이 커지며, 따라서 열 교환성능이 우수해진다는 것이 공지기술에서 통상적으로 인정되어 오고 있다. 그러나, 만일 비드의 수가 지나치게 증가하면 열교환매체통로의 통로면적이 감소하여 통로저항을 증가시키며, 열 교환매체의 유동을 방해하게 된다. 역으로, 만일 통로저항을 감소시키기 위해 비드를 작게 만들고 그 수가 감소하면 열교환매체와의 접촉면적이 비효율적으로 되어 핀으로의 역전달속도가 감소하고 열교환성능이 악화될 것이다. 그러나, 이들 모순된 요인들을 고려하여 열교환 성능이 뛰어난 소형 열교환기에 대한 수요에 부응해야 할 것이다. 또한 튜브 엘리멘트의 개량이 필수적이다.

제13도에 보인 것처럼, 다수의 장애물(A)이 유체의 통로방향에 연속적으로 위치되는 경우 장애물(A)과 접촉하는 유체의 유동은 장애물(A)의 측방향으로 방향이 바뀌며 장애물들과 충돌하지 않도록 연속하는 장애물 사이로 유동하려 할 것이므로 소위 사수역(死水域, dead water region)을 만들게 된다. 상기의 공지기술에 따른 튜브엘리멘트의 경우 사수역에 있기 때문에 열교환과정에 충분히 기여하지 않는 다수의 비드들이 있게될 것으로 유추된다. 사수역의 비드는 쓸데없을 뿐만 아니라 통로저항을 증가시키므로 제거되어야만 한다. 열교환 매체가 최소의 통로저항으로 가능한한 통로를 관통하도록 하여 열 교환기를 개량하는 것이 바람직하다.

더욱이 상기의 사수역 문제외에 열 교환매체의 유동은 최단통로를 취하게 되며, 제2도에 보인 튜브엘리멘트에서처럼 U형 열교환매체통로(7)가 제공된 튜브 엘리멘트의 경우 열 교환매체는 중앙의 돌출부(10)를 따라 이동하게 된다. 비드는 공지의 튜브엘리멘트에 일관된 밀도로 전통로에 형성되므로 전통로에 걸쳐 통로저항은 동일하다. 따라서 열 교환매체는 돌출부를 따라 이동하여 튜브엘리멘트의 상측과 같은 곳에 열 교환매체가 정체된 영역을 남기게 된다.

이 모든것들은 튜브엘리멘트내의 비드배열에 개선의 여지가 있음을 나타내는 것이다.

본 발명의 목적은 효율을 향상시키고 소형 열교환기를 제조할 수 있는 튜브 엘리멘트를 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 열 교환성능을 개선시키도록 사수역에서의 비드수를 감소시킬 필요성 및 통로저항을 조절하여 유체유동을 분산시킬 필요성을 고려한 개량된 비드 배열을 갖는 튜브엘리멘트를 제공하는 것이다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

본 출원은 후술하는 요소들을 고려하여 비드크기, 비드간격, 튜브엘리멘트 두께 및 성형판 두께간의 최적 치수 관계를 결정한다 :

(1)비드크기가 클수록 통로저항은 커지고 비드크기가 작을수록 통로저항은 직아진다. 그러나 비드크기가 너무 작으면, 열교환성능은 상대적으로 감소한다.

(2)비드간격이 작을수록 비드의 수가 증가하며 따라서 통로저항이 증가한다. 역으로 비드간격이 커지면 비드의 수는 감소하여 상대적으로 열교환성능을 감소시킨다.

(3)튜브엘리멘트의 두께가 작을수록 열 교환매체통로가 좁아져서 통로저항을 증가, 시키며, 튜브엘리멘트의 두께가 클수록 통로저항은 작아진다. 그러나 후자의 경우, 열 교환매체는 충분한 열교환없이 통과하므로 열교환성능이 악화된다.

(4)열 교환속도는 성형판의 두께 감소로 향상되나 내식특성 및 강도가 감소한다. 만일 성형판의 두께는 증가하고 튜브엘리멘트의 두께는 동일하다면, 열 교환매체 통로를 좁아져서 통로저항은 증가한다.

요약하면, 비드의 폭 A 및 비드의 간격 B는 2.0 A3.0, 3.5B6.3가 되도록 유동통로내의 돌출부로 튜브엘리멘트에 형성된 비드와 두 성형판을 하나씩 인접시켜서 열 교환매체를 위한 유체통로가 형성되며 튜브 엘리멘트와 핀이 다수의 열에 걸쳐 교대로 적층된 적층형 열교환기용 튜브엘리멘트에 관한 것이다.

또한, 튜브엘리멘트 두께 H 및 성형판 두께 T는 1.9 H2.7, 0.25 T0.47범위에 있게 된다.

비드폭 A, 비드간격 B, 튜브엘리멘트 두께 H 및 성형판 두께 T를 위한 최적 치수관계를 이렇게 정함으로써 열 교환속도, 통로저항 및 강도의 최상결합을 제공하는 이상적인 튜브엘리멘트가 실현될 수 있으며, 따라서 t보다 소형의 열교환기 제조를 가능하게 하며 열교환성능을 최대로 할 수 있게 된다.

상기의 구조외에, 열 교환매체의 유체통로 방향을 직각으로 가로지르는 다수의 비드열(row)에 비드사이의 간격이 다르며 서로 인접하여 위치하는 비드열이 설치되되 유체통로가 형성되는 방향으로 각 비드뒤에 생성되는 저압존(zone)이 뒤따르는 비드와 충돌하지 않는 방식으로 인접한 비드열내의 비드들이 배열된다. 또는, 튜브엘리멘트가 유체통로 방향을 직각으로 가로지르는 다수의 비드열에 비드가 존재하는 부분이 있으며 서로 인접하여 위치하는 비드열이 설치되어, 비드가 존재하지 않은 부분이 연속체를 형성하는 구조를 가질 수도 있다.

이러한 구조를 가질 경우, 비드가 형성되지 않는 부분때문에 최적 치수 관계를 벗어나더라도 비드 배열은 사수역 및 통로저항을 감소시켜 열 교환매체를 전통로에 걸쳐 균일하게 분포시킴므로써 정체영역을 제거한다. 따라서 열교환성능은 비드가 형성되지 않는 면적의 증가 때문에 더욱 증가된다.

또한 이러한 구조들을 조합시킴으로써, 최적비드형태 및 최적비드 배열을 제공하는 튜브엘리멘트가 얻어질 수 있다.

상기 및 기타의 본 발명 특성이 바람직한 실시예를 예시한 첨부도면과 관련하여 상세한 설명에 의해 당업자에게 잘 이해되질 것이다.

[실시예]

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

제1도에서 적층형 열교환기(1)는 핀(2)과 튜브엘리멘트(3)가 다수의 열에 걸쳐서 교대로 적층된 4-패스형 증발기이다. 각 튜브엘리멘트(3)는 2장의 성형판(4)을 그 주변 변부를 접착시켜 형성되며 공기유동의 상류측 및 하류측 단부에 한쌍의 탱크(5)가 설치된다. 또한 탱크(5)로부터 타단부로 열교환매체를 흐르게 하는 열교환매체통로(7)가 설치된다.

각 성형판(4)은, 제2도에 표시한 바와 같이, 알루미늄판을 프레스 성형하여 만들어지는데, 일단부에 탱크를 형성하기 위한 두개의 용기형 연장부(8)와 이 연장부(8)에 연속하여 통로를 형성하는 연장부(9)가 형성된다. 탱크를 형성하기 위한 두개의 연장부(8)사이로 부터 성형판의 타단부 근방까지 연장되는 돌출부(10)가 통로를 형성하는 연장부(9)에 형성된다. 또한 후술될 연결파이프 착설을 위한 장착요부(11)가 연장부(8)사이에 설치되며 성형판(4)의 일단부에는 돌출피스(piece)(12)(제1도 참조)가 경납땜전에 설치되어 조립중 핀(2)의 탈락을 방지한다. 각 연장부(8)는 연장부(9)보다 더 부풀어 오른다. 성형판(4)의 주변부가 접착될 때 돌출부(10)가 반대쪽 돌출부와 접착되어서 돌출부(10)는 튜브엘리멘트(3)의 타단부에 가까운 부분을 제외한 부분에 열교환매체통로(7)를 분할하여서 U형 통로를 형성한다.

인접하는 튜브엘리멘트(3)의 탱크(5)는 각 성형판(4)의 연장부(8)에서 상호 접하며, 적층방향으로 대략 중앙부에서 일측으로 위치되는 블라인드형(blind-type) 탱크(5a)를 제외하고는 연장부(8)에 형성된 연결홀(13)을 통해 상호 연결된다.

또한, 중앙부로부터 일측을 향해 특정 위치에 위치되는 튜브엘리멘트(3a)에는 상기의 장착요부(11)가 설치되지 않으며, 블라인드형 탱크(5a)가 설치되는 쪽의 탱크(5b)의 하나가 반대측 탱크에 인접위치하도록 연장된다. 이 연장된 탱크(5b)는 장착요부(11)에 착설되는 연결파이프(15)와 연결된다. 또한, 연장된 탱크(5b)로 부터 가장 멀리 위치한 적층방향으로의 열교환기 일단부에 출입구(16)가 설치된다. 이 출입구(16)에는 팽창밸브를 위한 연결부(17), 연결부(17)와 블라인드 탱크가 설치되는 쪽의 탱크를 연결시키는 연결통로(18)및 연결파이프(15)에 연결되는 연결통로(19)가 차례로 설치된다.

이 구조에서, 열 교환매체는 연결통로의 하나, 예를 들면 출입구(16)에 연결된 연결통로(19)를 통하여 유입된다. 유입된 열 교환매체는 연결파이프(15)및 연장된 탱크(5b)를 경유하여 블라인형 탱크(5a)쪽의 탱크(5)의 일부로 흐른후 돌출부(10)를 따라 열 교환매체통로(7)의 상방으로 흐르며 돌출부(10)의 정상에서 유턴(u-turn)을 하여 하방으로 흘러 최종적으로 블라인드형 탱크(5a)의 반대쪽에 있는 탱크에 도달한다. 그후 열 교환매체는 약 반으로 분리되어 있는 다른 탱크(5)로 수평으로 이동한다. 그후 열 교환매체는 다시 돌출부(11)를 따라 통로(7)의 상방으로 흐르며, 돌출부(10)정상에서 유턴하여 하방으로 흐른다. 최종적으로 열 교환매체는 연결통로(18)를 경유하여 블라인드형 탱크(5a)가 설치된 쪽에 위치한 탱크(5)로 부터 유출된다(제3도의 유동경로를 참조바람). 이 때문에 열 교환매체의 열은 매체가 통로(7)를 유동하는 동안 핀(2)으로 전달되며 이 핀의 열은 핀 사이를 지나가는 공기와 열교환된다.

비드(20)는 성형판(4)의 일부로 프레스 성형된다. 제2도에 보인 성형판(4)의 경우, 다수의 비드열에 통로(7)를 지나는 열 교환매체의 유동방향에 수직으로 배치하도록 형성하였으며, 각 비드열에는 일정간격으로 위치되는 다수의 비드(20)가 설치된다. 도면에서 n열이 4개의 비드로 구성되면 n + 1열은 5개의 비드로 구성되고, n + 2열은 4개의 비드로 구성되는 식이나, 비드는 서로 인접하되 유동경로(도면에서 수직방향)가 형성되는 방향으로 각 비드뒤에 생성되는 저압존이 그 다음의 비드와 충돌하지 않도록 비드열내에 위치된다. 모든 비드열내의 비드는 유동경로가 형성되는 방향으로 각 비드뒤에 생성되는 저압존에 끼워넣어지도록 위치된다. 결국 비드(20)는 균일밀도로 형성된다.

제4도에 보인 것처럼, 비드(20)는 성형판의 내부면으로 부터 열교환매체통로(7)의 내측으로 돌출한다. 비드들은 통로(7)를 지나는 열교환매체의 열교환 성능을 향상시키기 위해 인접한 성형판의 비드들에 접착된다. 튜브엘리멘트(3)에서, 성형판(4)이 통로(7)의 내측으로 돌출하기 시작하는 점에서 시작한다고 생각되는 각 비드 밑부분 간격(이후 비드크기라 칭함)을 A 로, 상호 가장 인접한 비드사이의 간격(이후 비드간격이라 칭함)을 B로, 열교환매체통로를 구성하는 튜브엘리멘트의 두께를 H로, 성형판 두께를 T로 나타내면, 이들의 범위의 2.0 A3.0, 3.5 B6.3, 1.9 H2.7, 0.25 T0.47이다.

예를 들면, 절두원추형을 갖는 원형 비드들이 제2도에 보인 것처럼 배열될 때(제5(a)도는 확대한 것임), 즉 다수의 비드가 열 교환매체 통로가 형성되는 방향에 직각인 방향으로 달리는 n열에 간격 b로 설치되며, n + 1열의 비드가 그 각각이 n열의 가장 가까운 비드로 부터 일정 거리에 위치하는 방식으로 간격 b로 설치될 때 비드 밑부분의 직경은 A, 상기 간격 b는 B가 된다. 제5(a)도의 비드가 제5(b)도에 보인 것처럼 계란형 비드로 대체된 경우, 또는 비드가 제5(c)도에 보인 것처럼 위치될 때, 여러 비드 중심부(즉, 장경과 단경이 교차하는 위치)사이의 최단거리는 B가 된다.

일반적으로 말해서, 열교환성능을 가능한한 크게 튜브엘리멘트(3)내의 열교환 매체통로(7)의 통로저항은 가능한한 최소화하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 비드 크기(A)가 증가할 때 통로저항은 증가하나 비드크기가 감소하면 통로 저항은 감소한다. 그러나, 비드크기가 지나치게 작으면 열교환성능은 상대적으로 감소한다. 또한 비드간격(B)이 작아지면 비드의 수가 증가하고 통로 저항을 크게하며, 비드 간격이 커지면 비드의 수는 감소하고 상대적으로 통로저항을 감소시키나 동시에 열교환성능을 감소시킨다. 또한 튜브엘리멘트(3)의 두께에 있어, 두께가 작을수록 교환매체통로(7)가 좁아져 통로저항을 증가시키며, 두께가 커질수록 통로 저항은 감소한다. 그러나 공기가 지나가는 통로가 작을수록 열 교환성능은 감소한다.

또한 성형판(4)의 두께가 작아질 수록 열 교환매체통로(7)가 넓어질 수 있어서 열교환성 능을 증가시킨다. 그러나 만일 판두께가 너무 작아지면, 강도 및 내식 특성과 관련된 문제가 발생한다. 역으로 판두께가 증가하면 열교환매체통로(7)가 좁아져서 통로저항을 증가시킨다. 이 모든 것은 성형판의 두께를 제외하면 열 교환성능과 통로저항 사이의 관계를 튜브엘리멘트(3)를 평가하는 지표로 사용될 수 있음을 의미한다.

이 평가는 열교환성능/통로저항을 세로축에, 비드크기, 비드간격 및 튜브엘리멘트 두께를 각각 가로축에 위치시켜서 얻어질 수 있으며 제6도에 나타내었다. 지표(열교환성능/통로저항)는 비드크기가 2.5, 비드간격이 4.8, 튜브 엘리멘트 두께가 2.4일 때는 100으로 했다.

비드크기의 경우, 제6(a)도에 보인 것처럼 비드크기가 2.5보다 작거나 커지면 지표는 작아진다. 그러나 비드카 작아질수록 성형이 어려워지며 동시에 열교환성능이 악화되므로 A ≥ 2일 것이 필요하다. 또한 비드크기가 커질수록 통로저항은 커지며, 공지 기술에서 흔한 3.8로 비드크기가 증가되면 좋은 지표가 달성될 수 없음을 유의하고 따라서 비드크기의 상한은 비드크기의 하한과 동일한 지표 또는 그 보다 나은 지표를 사용하여 결정되며, 참고로 A3.0로 결정된다.

비드간격의 경우, 제6(b)도에 보인 것처럼, 비드간격이 4.8보다 작거나 커지면 지표는 작아진다. 결국 바람직한 지표는 3.5 6.3범위의 간격내에 있을 때 얻어진다. B가 작아질수록 성형이 어려워지며 동시에 통로저항이 커지므로 B는 3.5이상일 필요가 있다. 바람직하게는 성형시 약간의 공차를 감안하여 3.8가 좋다. 또한 B 가 커지면 통로저항은 감소하나 열 교환성능 역시 감소할 것이다. 따라서 비드간격의 상한은 비드간격의 하한값(3.5)과 동일하거나 그 보다 나은 지표를 사용하여 6.3이하로 결정된다. 비드간격의 하한값(3.8)과 동일하거나 그 보다 나은 지표를 이용하여 비드간격의 상한을 정하는 경우 5.8이하이다.

제6(c)도에 보인 것처럼 두께(H)가 2.4보다 작거나 커지면 튜브엘리멘트의 지표는 감소한다. H가 작아질수록 성형이 어려워짐과 동시에 열교환성능이 감소하므로 H 는 1.9이상일 필요가 있다. 성형시 공차를 감안하면 2.0이상이 바람직하다. 또한 두께(H)가 커질수록 통로저항은 작아지나 열교환성능 역시 작아진다. 따라서 두께(H)의 상한은 두께의 하한값과 동일하거나 그 보다 낳은 지표를 사용하여 H2.7, 바람직하게는 H2.6로 결정된다.

성형판의 경우, 앞에서 언급한 것처럼, 최적판두께(T)는 성형판의 강도와 내식특성 및 통로저항을 고려하여 정할 필요가 있다. 따라서, 강도와 내식 특성을 고려하여 하한은 T ≥ 0.25로 통로저항 증가에 따른 열교환성능 악화를 고려하여 상한은 T0.47로 결정할 것이 필요하다.

결국, 상기 조건 범위가 얻어지는 튜브엘리멘트는 두 요구조건, 즉 열교환성능의 향상 및 통로저항의 감소를 고려하여 최적으로 균형시킨 튜브엘리멘트가 될 것이다. 또한, 강도 및 기타의 사항을 고려할 경우, 튜브엘리멘트는 공지의 튜브엘리멘트를 사용하는 것보다 훨씬 소형이며 경량인 열교환기를 제공하는 것을 가능하게 한다.

제7도는 튜브엘리멘트(3)를 구성하는 성형판(4)의 다른 실시예(제 2 실시예)보여준다. 여기서 비드(20)는 열 교환매체통로(7)가 형성되는 방향을 수직으로 가로지르는 다수의 비드열내에 형성되며, 비드가 위치되는 간격은 인접한 비드열과 다르다. 이 실시예에서 5개의 비드가 n열에 L1의 동일 간격으로 표면에 제공되며, n + 1 열에는 3개의 비드가 L2의 동일 간격으로 제공되며 n + 2 열에는 5 개의 비드가 다시 L1 간격으로 제공되고 n + 3 열에는 L2 간격으로 3 개의 비드가 제공되는 식이다. 간단히 말해, 동일 간격 L1 으로 비드가 제공되는 비드열과 동일 간격 L2 로 리드가 제공되는 비드열이 교대로 형성된다. 또한, 간격 L2는 L1길이의 두배이다.

다른 모든 비드열내의 비드는 열 교환매체통로(7)가 형성되는 방향(도면상의 수직방향)으로 비드뒤에 생성되는 저압존 사이에 위치하는 식으로 위치된다. 이 실시예에서, 인접한 열내의 주어진 비드에 가장 가까운 비드가 주어진 비드로 부터 열교환매체통로(7)가 형성되는 방향으로 30°의 경사지게 비드가 위치된다. 결과적으로 30°각도에서 보았을 때 일정 패턴의 비드군들이 나타나며, 이 때 비드는 간격 a 및 b로 교대로 배열된다.

튜브엘리멘트(3)를 구성하는 성형판(4)는 제8도에 보인 실시예(제3실시예)의 구조를 가지며, 이때 비드가 없는 부분이 열교환매체통로(7)가 형성되는 방향을 직각으로 가로지르는 서로 인접한 비드열내의 다른 위치에 존재한다. 서로 인접한 비드열내의 비드가 형성되지 않는 이 부분은 통로(21)를 형성하도록 연결되며, 이때 비드는 열 교환매체통로(7)가 형성되는 방향과는 다른 방향에 존재한다. 이 실시예에서는 비드(20)가 형성되지 않는 부분(틈)은 비드가 일관되게 형성되는 공지기술의 튜브엘리멘트와 반대로 열 교환매체통로(7)가 형성되는 방향에 30°각도 방향으로 서로 연속적으로 연결된다.

결국, 제2 및 제3실시예에서 사수역에 위치되는 비드의 수가 감소되며, 통로저항이 작은 부분이 열 교환성능의 감소없이 열교환매체통로(7)의 전체에 걸쳐 생성된다. 낮은 통로저항를 갖는 부분으로의 열 교환매체의 분포가 향상되어 정체를 피하며 열 교환매체를 튜브엘리멘트의 전체에 걸쳐 분포시킨다. 더욱이 비드를 감소시키는 바로 그것에 의해 열교환성능의 향상이 달성될 수 있다.

본 출원인은 상기의 비드 배열을 특성으로 하는 튜브엘리멘트를 비드가 일정 밀도로 제공되는 튜브엘리멘트와 비교하여 평가하기 위한 실험을 실시했다.

다음의 튜브엘리멘트들이 실험되었다. 비드가 일정밀도로 제공되는 제2도에 보인 형식의 튜브엘리멘트(이하 형식 1이라 칭함), 제2실시예의 튜브엘리멘트(이하 형식 2라 칭함)및 제3실시예의 튜브엘리멘트(이하 형식 3이라 칭함). 제9도에 보인 것처럼 가열판(22)이 연장부(9)표면의 한쪽 전체에 걸쳐 실리콘 접착제로 부착된다.

그후 단열물질(30)이 전조립체위에 위치되며 교류 전원이 가열판(22)에 연결되어 일정량의 열을 튜브엘리멘트에 균일하게 공급한다. 다음으로, 일정량의 물이 500길이의 유입 파이프(23)를 경유해 튜브엘리멘트로 공급된다. 물은 한 탱크로부터 열 교환매체통로를 지나 다음 탱크로 흘러서 유출파이프(24)로 방출된다. 유입파이프(23)를 통해 공급된 수량은 유량계(25)로 조절되며 유량의 유속은 5 cc/sec, 10 cc/sec 및 20 cc/sec로 조절되었다. 서로 상이한 유속에서의 튜브엘리멘트의 표면 온도가 측정되었다. 결과는 제1012도에 나타내었다. 제1012도에서는 수치는 온도(섭씨)를 나타낸다.

또한 유속은 5 cc/sec, 10 cc/sec 및 20 cc/sec로 변화시켰으며 유입 및 유출시의 온도차이는 성형판(4)의 유입 및 유출구에 설치된 열전대(26, 27)로부터 판독기(29)로 측정되었다. 결과는 표 1에 나타내었다.

[표 1]

또한 유입 및 유출구에서의 압력은 튜브엘리멘트(3)내 물의 유동저항(mmHg)을 정하기 위해 유입 및 유출파이프(23, 24)에 형성된 유입 및 유출정지 압력공(31, 32)을 통해 압력계(33)로 측정되었다. 결과는 표 2에 나타내었다.

[표 2]

또한 열교근매체통로(7)가 형성된 방향과 이 방향의 직각방향 사이의 열교환 상의 불일치 정도를 결정하기 위해 유체의 유동방향과 그 직각방향 사이의 온도차이(섭씨)가 튜브엘리멘트(3) 표면(가열판이 설치된 쪽의 반대쪽 표면)의 특정위치(24의 위치)에 제공된 열전대(29)로 측정되었다. 결과는 표 3에 나타내었다.

[표 3]

유입 및 유출구 사이의 온도차이는 차이가 커질수록 더 적극적인 열교환이 행해짐을 타나내며, 실험결과는 온도차이가 심하지는 않지만 형식 1보다 형식 2 및 3에서 더 큰 것을 보여준다. 형식 1의 경우 온도차이는 형식 2와 비교됐을 때 5 cc/sec 및 20 cc/sec의 유속에서 더 컸다.

물의 유동저항의 경우, 5 cc/sec에서 형식 1보다 형식 2 및 3에서 더 컸으나, 10 cc/sec 및 20 cc/sec에서 형식 2 및 3이 더 작았다. 따라서 실제 열교환기의 유속을 약 10 cc/sec로 생각할 때, 형식 2 및 3이 보다 낮은 유동저항을 갖는 것으로 결론낼 수 있다. 또한 물의 유동저항은 형식 2보다 형식 3에서 더 낮았음을 유의해야 한다.

제10~12도의 등온선은 수평(열교환매체통로에 직각)인 것이 바람직하다. 즉, 표 3에서의 온도차이를 최소화하는 것이 바람직한데 이는 열교환이 일관성 있게 행해짐을 의미한다. 이런점에서 볼때, 형식 2 및 3이 형식 1보다 좋다.

결론적으로, 실험으로 부터 얻어진 자료는 형식 2 및 3의 열교환특성이 이 형식들의 비드수가 형식 1의 비드수 보다 작음에도 불구하고 향상되었음을 나타내며, 형식 2 및 3 의 튜브엘리멘트에서 사수역내의 비드수가 감소되어 형식 1에서 보다 열 교환매체를 정체부분이 없이 통로의 전체에 걸쳐 보다 완전히 분포시킬 수 있는 비드배열이 실현되었다고 말할 수 있다.

이 모든 것으로 부터 비드크기 A, 서로 가장 인접한 이웃 비드간의 비드간격 B, 튜브엘리멘트 두께 H 및 성형판의 두께 T가 2.0 A3.0, 3.5 B6.3, 1.9H2.7, 0.25 T0.47범위내에 있을 때 제7도 및 8도에 보인 것처럼 비드의 수가 감소되며, 비드가 비드의 수가 감소되는 부분에서 치수범위를 벗어나더라도 열교환특성은 상기 실험에서 보인 것처럼 향상되며, 또한 수가 감소된 비드의 부가적 효과가 열교환성능을 향상시킨다고 결론지을 수 있다.

이 실시예들에서 증발기 사용된 튜브엘리멘트가 설명되었지만 동일 조건을 만족시키는 튜브엘리멘트가 히터코어, 응축기, 방열기 등의 적층형 열교환의 모든 형태에 사용될 수 있으며 보다 높은 열교환성능 및 소형화가 본 출원에서 또한 실현될 수 있음은 당연하다. 또한 본 발명은 탱크 부위가 튜브엘리멘트의 일부 또는 별도유닛으로 튜브엘리멘트에 착설되는 경우에도 응용될 수 있다.

Claims

핀과 교대로 다수의 단으로 적층하여 적층형 열 교환기를 구성하는 튜브엘리멘트로서, 이 튜브엘리멘트는 2장의 성형판을 대면접합시켜서 형성되고, 그 긴쪽 방향의 일단부에 형성된 한쌍의 탱크와, 이 한쌍의 탱크사이로부터 상기 긴쪽 방향의 타단부 근방까지 연장하는 돌출부와, 이 돌출부의 주위에 형성함과 동시에 상기 한쌍의 탱크부를 연통하는 열 교환매체의 유로를 지니고, 이 유로에는 각각의 성형판으로부터 돌출되게 형성한 다수의 비드가 형성되는 것에 있어서, 한개의 비드열은, 상기 튜브엘리멘트의 긴쪽 방향에 수직으로 제1간격을 두고 나열되는 다수의 비드에 따라서 구성되고, 상기 한개의 비드열에 인접하는 비드열은, 상기 튜브엘리엔트의 긴쪽방향에 수직으로 상기 제1간격보다도 큰 제2간격을 두고 나열되는 다수의 비드에 따라서 구성되고, 상기 한개의 비드열과 그것에 인접하는 비드열은, 상기 돌출부에 따라 한쌍의 탱크 근방으로부터 상기 긴쪽 방향 일단부까지 교대로 배치함과 동시에 상기 비드의 경사방향 간격이 균일하며, 상기 돌출부의 연장선으로서, 상기 돌출부의 긴쪽 방향일단부와 상기 튜브엘리멘트의 타단부와의 사이의 부분에는, 이 튜브 엘리멘트의 짧은쪽 방향에 대략 긴 타원형상의 비드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기용 튜브엘리멘트.
제1항에 있어서, 비드열을 구성하는 비드의 폭(A) 및 비드의 피치(B)는 2.0 A3.03.5 B6.3의 범위내로 하는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기용 튜브엘리멘트.
제1항에 있어서, 튜브엘리멘트의 적층방향의 두께(H)및 성형판의 두께(T)는 1.9 H2.70.25 T0.47의 범위내로 하는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기용 튜브엘리멘트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 비드열을 구성하는 비드는, 모두 원형 형상인 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기용 튜브엘리멘트.
제1항 또는 제2항에 있어서, 비드열을 구성하는 비드는 모두 대략 타원형상인 것을 특징으로 하는 적출형 열교환기용 튜브엘리멘트.
핀과 교대로 다수의 단으로 적출하여 적층형 열교환기를 구성하는 튜브엘리멘트로서, 이 튜브엘리멘트는 2장의 성형판을 대면접합시켜서 형성되고, 그 긴쪽 방향의 일단부에 형성된 한쌍의 탱크와, 이 한쌍의 탱크 사이로부터 상기 긴쪽 방향의 타단부 근방까지 연장하는 돌출부와, 이 돌출부의 주위에 형성함과 동시에 상기 한쌍의 탱크부를 연통하는 열 교환매체 유로를 지니고, 이 유로에는 각각의 성형판으로부터 돌출되게 형성한 다수의 비드가 형성되는 것에 있어서, 비드열은 튜브엘리멘트의 긴쪽 방향에 수직으로 배치된 다수의 비드에 따라서 구성됨과 동시에, 이 비드열은 소정의 위치에 비드가 형성되지 않은 간격을 두고, 상기 비드열은 상기 돌출부에 따라 한쌍의 탱크 근방으로부터 상기 긴쪽 방향 일단부까지 배치되어서, 상기 비드열의 비드가 형성되어 있지 않은 틈이 경사 방향으로 연속하여, 비드가 존재하지 않은 통로가 다수 형성되었으며, 상기 돌출부의 연장선상으로서, 이 돌출부의 긴쪽 방향 일단부와 상기 튜브엘리멘트의 타단부와의 사이의 부분에는, 상기 튜브엘리멘트의 짧은쪽 방향으로 대략 긴 타원 형상의 비드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기용 튜브엘리멘트.
제6항에 있어서, 비드열을 구성하는 비드의 폭(A)및 비드의 피치(B)는 2.0 A3.03.5 B6.3의 범위내로 하는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기용 튜브엘리멘트.
제6항에 있어서 튜브엘리멘트의 적층방향의 두께(H) 및 성형판의 두께(T)는 1.9 H2.70.25 T0.47의 범위내로 하는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기용 튜브엘리멘트.
제6항 또는 제7항에 있어서, 비드열을 구성하는 비드는 모두 원형 형상인 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기용 튜브엘리멘트.
제6항 또는 제7항에 있어서, 비드열을 구성하는 비드는 모두 대략 타원형상인 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기용 튜브엘리멘트.
제6항에 있어서, 비드가 존재하지 않은 통로는, 튜브엘리멘트의 긴쪽 방향에 대하여 30°경사진 방향으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기용 튜브엘리멘트.