KR100442806B1

KR100442806B1 - 열교환기

Info

Publication number: KR100442806B1
Application number: KR10-2002-0007586A
Authority: KR
Inventors: 박인규; 최현주; 김우현
Original assignee: 위니아만도 주식회사
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2004-08-04
Also published as: KR20030067408A

Abstract

본 발명은 통기저항을 줄이고 경계층의 성장을 막으면서 전열관 후류의 사공간을 감소시켜 전열성능을 높이고자 전열관의 중심선을 기준으로 바람이 불어오는 유입측과 바람의 불어가는 유출측에 각각 3열씩의 절단돌기를 배치하되, 이중 유입측과 유출측의 내측 절단돌기는 단일체로, 외측 절단돌기는 각기 2개로 분할된 분리체로 구성하고, 내측 절단돌기와 외측 절단돌기 간에 배치되는 중간 절단돌기의 경우, 유입측은 2개로 분할된 분리체로, 유출측은 하나의 단일체로 구성한 열교환기에 관한 것으로, 이 열교환기의 경우, 기류 유입측의 절단돌기군 중 외측 절단돌기(111, 111')와 중간 절단돌기(112, 112')는 2개의 분할체로 형성되고, 내측 절단돌기(113)는 단일체로 형성되며, 이중 외측 절단돌기(111, 111') 및 중간 절단돌기(112, 112')의 제 1입상부(111a, 111a'; 112a, 112a')는 기류방향(ℓ)과 평행하고 제 2입상부(111b, 111b'; 112b, 112b')는 전열관(102)의 접선방향과 평행하며; 기류 유출측의 절단돌기군 중 외측 절단돌기(116, 116')는 전열관(102)의 중심선(C-C)을 기준으로 기류 유입측의 외측 절단돌기(111, 111')와 대칭을 이루면서 2개의 분할체로 형성되고, 제 1입상부(116a, 116a')는 기류방향(ℓ)과 평행하고 제 2입상부(116b, 116b')는 전열관(102)의 접선방향과 평행하며, 중간 절단돌기(115)와 내측 절단돌기(114)는 각기 단일체로 형성되며, 이중 중간 절단돌기(115)의 양 입상부(115a, 115b)는 외측 절단돌기(116, 116')의 제 2입상부(116b, 116b')와 마찬가지로 전열관(102)의 접선방향과 평행하며 내측 절단돌기(114)의 양입상부(114a, 114b)는 기류방향(ℓ)과 평행하게 구성된다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전열관의 중심선을 기준으로 바람이 불어오는 유입측과 바람이 불어 나가는 유출측의 절단돌기 구조를다르게 구성하여 압력 강하를 줄이면서 증발성능을 향상시킬 수 있는 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 건물의 실내공간은 거주자의 호흡 등과 같은 내부요인에 의해서 오염되므로, 주기적으로 외부의 신선한 공기를 공급해줄 필요가 있다.

또한, 더운 여름철이나 추운 겨울철에는 실내를 적정 온도로 냉방 및 난방시켜야 하며, 사람들이 활동하기에 적합하도록 적정한 습도를 유지한다.

이를 위해서 대부분의 건물에서는 공기조화기가 설치되어 있다.

공기조화기 중에서 대표적인 것으로는 액체가 증발할 때의 주위의 열을 흡수하는 현상을 이용하여 실내를 냉방하는 에어컨이 있다.

에어컨은 냉매를 고온/고압의 가스형태로 압축하는 압축기와, 압축된 고온/고압의 냉매를 액화시키는 응축기와, 팽창밸브에 의해 팽창된 냉매를 증발시키는 열교환기로 구성되어 있으며, 열교환기를 통과하면서 열교환된 냉각공기는 송풍기 조립체 내의 송풍팬에 의해 냉방이 필요한 실내로 강제 송풍된다.

이런 종류의 열교환기는 U벤드에 의해 서로 접속된 구리 등의 전열관과 알루미늄 등의 핀(Fin)으로 이루어져 있으며, 전열관의 내부를 통과하는 유체와 핀 사이로 유입되는 공기가 냉매와 열교환되면서 냉각되는 구조를 갖고 있다.

열교환기에 있어서, 최근에는 소형화 및 고성능화가 요구되고 있으나, 전열 성능의 저하 및 소음발생의 문제가 수반된다.

따라서, 열교환기의 소형화 및 고성능화를 달성하면서 전열성능의 향상 및 소음의 저감을 도모하려는 시도가 있었다.

1988년 10월 28일 출원되어 1991년 5월 17일 등록된 국내 특허 제1991-3071호에는 전열성능을 향상시키면서 동시에 소음 저감을 도모하려는 열교환기가 개시되어 있다.

상기 특허에 개시된 열교환기의 핀 형상은 도 1에 도시한 바와 같은 구조를 갖는다.

즉, 평판 형상핀(1)에 일정간격으로 버어링된 핀칼라(12)에 전열관(2)이 삽입되어 있으며, 화살표(A)방향으로 바람이 유입된다.

상기 핀(1)은, 단(段)방향으로 인접하는 2개의 전열관(2)의 사이에 기류 A의 바람이 불어오는 유입측에 3열, 바람이 불어가는 유출측에 3열, 총 6열의 절단돌기편으로 이루어진 절단돌기군을 가진다.

6열의 절단돌기편중, 기류 최상류단과 최하류단 열의 절단돌기편은 각각 중앙의 분할평탄부(3a)에 의해서 분리된 2개의 절단돌기편(14)와 (24)로 구성되고, 다른 열의 절단돌기편은 각각 1개의 절단돌기편(4)으로 구성되어 있다. 6열의 절단돌기편의 각 개구부(8), (18), (28)는 기류방향(ℓ)에 대하여 수직이다.

또 각 절단돌기편(4), (14), (24)의 전열관(2)쪽의 입상부(5), (6), (15), (25)는, 전열관(2)의 접선(m)과 평행으로 뻗는 선에 대략 따르는 방향으로 경사각도를 설정하고, 기류 상류단 또는 하류단의 각각 2개의 절단돌기편(14, 24)의 중앙부쪽의 입상부(16, 26)은 입상부(15, 25)에 각각 평행하게 하고, 절단돌기편(14, 24)가 평행 4변형으로 되어있다.

6열의 절단돌기편은 각각 중간 평탄부(3b)를 사이에 두고, 핀(1)의 표면쪽과뒷면쪽에 교대로 절단돌기가 형성되어 있다.

상기 구성에 의하면, 공기와 핀 표면 사이의 열전달률을 향상시켜 열교환 효율을 높일 수 있는 효과를 기대할 수는 있으나, 여전히 소음이 발생되며 증발성능의 향상에도 한계가 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 전열관의 중심선을 기준으로 바람이 불어오는 유입측과 바람의 불어가는 유출측의 절단돌기 구조를 다르게 구성하여 압력 강하를 줄이면서 증발성능을 향상시킬 수 있는 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 열교환기의 핀 형상을 보인 평면도,

도 2는 본 발명에 따른 열교환기의 핀 형상을 보인 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 열교환기의 핀 형상을 보인 평면도,

도 4는 도 3에서 선 Ⅳ-Ⅳ를 따라 취한 단면도,

도 5는 도 3에서 선 Ⅴ-Ⅴ를 따라 취한 단면도.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣

100:핀 102:전열관

111, 111', 116, 116':외측 절단돌기 112, 115:중간 절단돌기

113, 114:내측 절단돌기 100a:분할 평탄부

100b:중간 평탄부 118:개구

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기는 일정간격으로 평행하게 배치되고, 그 사이를 공기가 흐르는 다수의 평판형 핀과, 이 각 평판형 핀에 직각으로 삽입되고 내부에 유체가 지나는 전열관을 기류의 통과방향에 대하여 직각방향으로 복수개 구비되어 있으며, 2개의 전열관 사이에는 이 전열관의 열의 중심선에 대하여, 기류 유입측 절단돌기군과 기류 유출측 절단돌기군이 배치되고, 이들 2개의 절단돌기군 사이에는 사이 전열관의 중심선상에 위치하는 중앙평탄부가 형성되고, 양단이 핀면으로부터 돌출한 입상부와, 이 양 입상부 사이에 가교부로 구성된 각 각 절단돌기는 상기 핀면에 대하여 표면쪽과 이면쪽이 교대로 돌출해서 형성되고, 상기 각 절단돌기 사이에는 중간 평탄부가 형성되고, 상기 각 절단돌기는 상기 중간 평탄부를 사이에 두고 평행으로 인접하게 배치되는 열교환기에 있어서, 상기 기류 유입측의 절단돌기군 중 외측 절단돌기와 중간 절단돌기는 2개의 분할체로 형성되고, 내측 절단돌기는 단일체로 형성되며, 이중 외측 절단돌기 및 중간 절단돌기의 제 1입상부는 기류방향과 평행하고 제 2입상부는 전열관의 접선과 평행하며; 상기 기류 유출측의 절단돌기군 중 외측 절단돌기는 전열관의 중심선을 기준으로 상기 기류 유입측의 외측 절단돌기와 대칭을 이루면서 2개의 분할체로 형성되고, 제 1입상부는 기류방향과 평행하고 제 2입상부는 전열관의 접선방향과 평행하며, 중간 절단돌기와 내측 절단돌기는 각기 단일체로 형성되며, 이중 중간 절단돌기의 양 입상부는 상기 외측 절단돌기의 제 2입상부와 마찬가지로 전열관의 접선방향과 평행하며 상기 내측 절단돌기의 양 입상부는 기류방향과 평행한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 열교환기의 핀 형상을 보인 사시도, 도 3은 본 발명에 따른 열교환기의 핀 형상을 보인 평면도, 도 4는 도 3에서 선 Ⅳ-Ⅳ를 따라 취한 단면도 및 도 5는 도 3에서 선 Ⅴ-Ⅴ를 따라 취한 단면도이다.

본 발명에 따른 열교환기의 핀 형상은 도 2에 도시한 바와 같은 구조를 갖는다.

즉, 평판 형상핀(100)에는 일정 간격을 두고 전열관(102)이 삽입되어 있으며, 화살표(A)방향으로 바람이 유입되어 냉매와 열교환된다.

즉, 다수의 평판 핀(100)이 일정한 간격으로 평행하게 배치되고, 내부에 유체가 지나는 다수의 전열관(102)은 각 평판형 핀(100)에 직각으로 삽입되어 있다.

본 발명의 평판형 핀(100)에 있어서, 2개의 전열관(102)사이에는 기류(A)의 바람이 불어오는 유입측과 바람이 불어가는 유출측에 각각 3열씩 총 6열의 절단돌기가 형성된다.

여기에서, 유입측은 전열관(102) 열의 중심선(C-C)을 기준으로 하여, 기류(A)가 불어오는 쪽(도 2와 도 3에서 아래쪽)을 가리키며, 유출측은 전열관(102) 열의 중심선(C-C)을 기준으로 하여, 기류(A)가 불어나가는 쪽(도 2와 도 3에서 위쪽)을 가리킨다.

기류 유입측 절단돌기군(111, 111'; 112, 112'; 113)과 기류 유출측 절단돌기군(114; 115; 116, 116')의 사이에는 전열관(102)의 중심선상에 위치하는 중앙평탄부(100a)가 형성되어 있다.

각 절단돌기(중앙의 113; 114를 예로 들면)는 양단이 핀면으로부터 돌출한 입상부(113a, 113b; 114a, 114b)와, 2개의 입상부(113a, 113b; 114a, 114b)사이의 가교부로 구성된다.

또, 각 절단돌기는 상기 핀면에 대하여 표면쪽과 이면쪽이 교대로 돌출해서 형성되거나 표면쪽이나 이면쪽 어느 한방향으로 모두 돌출해서 형성된다.

즉, 도 2와 도 5에 상세하게 도시된 바와 같이, 핀면의 표면쪽에는 하단으로부터 차례대로 제 1열 절단돌기(111, 111'), 제 3열 절단돌기(113), 제 5열 절단돌기(115)가 형성되고, 이면쪽에는 제 2열 절단돌기(112, 112')를 비롯하여, 제 4열 절단돌기(114), 제 6열 절단돌기(116, 116')가 형성되어 있다.

각 절단돌기 사이에는 중간 평탄부(100b)가 형성되고, 6열의 절단돌기는 이 중간 평탄부(100b)를 사이에 두고 평행으로 인접하게 배치된다.

기류 유입측 절단돌기군(111, 111'; 112, 112'; 113)의 구성을 보다 상세히 살펴보면, 전열관(102)의 중심선(C-C)과 가깝게 위치하는 내측 절단돌기(113)와, 가장 전방의 기류 유입측에 위치하는 외측 절단돌기(111, 111')와, 내측 절단돌기(113)와 외측 절단돌기(111, 111')의 사이에 위치하는 중간 절단돌기(112, 112')로 이루어져 있다.

이중에서, 외측 절단돌기(111, 111')와 중간 절단돌기(112, 112')는 2개의 분할체로 형성되고, 내측 절단돌기(113)는 단일체로 형성되며, 이중 외측 절단돌기(111, 111') 및 중간 절단돌기(112, 112')의 제 1입상부(111a, 111a'; 112a, 112a')는 기류방향(ℓ)과 평행하고 제 2입상부(111b, 111b'; 112b, 112b')는 전열관(102)의 접선방향과 평행하게 형성된다.

또한, 유출측 절단돌기군(114; 115; 116, 116')의 구성을 보면, 전열관(102)의 중심선(C-C)과 가깝게 위치하는 내측 절단돌기(114)와, 가장 후방의 기류 유출측에 위치하는 외측 절단돌기(116, 116')와, 내측 절단돌기(114)와 외측 절단돌기(116, 116')의 사이에 위치하는 중간 절단돌기(115)로 이루어져 있다.

이중에서 외측 절단돌기(116, 116')는 전열관(102)의 중심선(C-C)을 기준으로 상기 기류 유입측의 외측 절단돌기(111, 111')와 대칭을 이루면서 2개의 분할체로 형성되고, 제 1입상부(116a, 116a')는 기류방향(ℓ)과 평행하고 제 2입상부(116b, 116b')는 전열관(102)의 접선방향과 평행하게 형성된다.

또, 중간 절단돌기(115)와 내측 절단돌기(114)는 각기 단일체로 형성되며, 중간 절단돌기(115)의 양 입상부(115a, 115b)는 상기 외측 절단돌기(116, 116')의 제 2입상부(116b, 116b')와 마찬가지로 전열관(102)의 접선방향과 평행하며 상기 내측 절단돌기(114)의 양 입상부(114a, 114b)는 기류방향(ℓ)과 평행하게 형성된다.

이상과 같이 구성된 본 발명은, 공기입구측으로부터 제 1열 및 제 2열(111,111';112,112')로 양분하여 유입되는 공기가 전열관(102)과 핀(100)의 베이스면으로 균일하게 흐르도록 하여 열전달을 향상시키고, 유출측의 절단돌기(115)를 단일체로 구성하여 양분된 돌기인 경우에 초래하는 양분된 돌기 사이에 위치하는 베이스면에서 유동경계층의 계속적인 성장으로 인해 열전달이 저하되는 것을 막도록 한다.

또한, 베이스면에서 돌기부의 입상부로 연결되는 부위의 표면상태를 확대하여 관측하면 베이스 표면으로부터 뜯겨져 돌기부의 입상부로 융기되는 형태이기 때문에 베이스 표면으로부터 입상부가 많을수록 공기유동에 저항을 주는 표면거칠기가 상대적으로 많아지며 입상부의 핀면도 유선과 일치하지 않고 구부러진 형상을 하여 통기저항을 증가시킨다.

따라서, 통기저항을 감소시키고자 입상부의 수가 최소가 되는 2개로 구성되도록 유출측 중간 절단돌기(115)를 단일체로 형성하였으며, 상기 유출측 중간 절단돌기(115)를 단일체로 구성한 또 다른 효과는 응축수의 원활한 배출을 통하여 공기유량 감소와 응축수의 비산을 방지하게 된다.

즉, 응축수가 생기는 습코일 상태에서는 돌기부가 분할될수록 돌기부의 표면장력에 의하여 응축수가 돌기부의 통기구에 갇혀 응축수의 배출이 어렵게 되는데, 이는 통기저항의 급격한 증가에 의해 공기유량 감소를 초래하여 냉방성능이 크게 떨어뜨리게 되는데, 본 발명은 유출측 중간 절단돌기(115)를 단일체로 하여 응축수가 원활하게 배출되도록 한다.

그리고, 유출구의 전열관 위에 발생하는 사공간은 유동 압력손실 및 열전달 손실을 초래하므로, 사공간을 최소화하여 통기저항과 열전달 효율저하를 줄여야 하는데, 본 발명은 유출측 중간 절단돌기(115) 다음에 위치하는 외측 절단돌기(116,116')를 전열관 후류의 사공간을 줄이는 위치에 구성시키고자 제 2입상부(116b,116b')를 전열관에 근접시켰다.

이러한 경우 단일체로 구성하면 가교부의 길이 증가에 따른 가교부의 강성이 취약해져 가교부가 휘어지거나 유동공기에 떨리는 현상 즉, 이상소음이 발생하게 되므로, 전열관 후류의 사공간을 중리고자 외측 절단돌기(116,116')는 2개의 분할체로 하여 가교부의 강성을 유지하도록 하였다.

본 발명의 실시예에서, 전열관이 기류방향과 평행하게 1열로 구성된 예를 보이고 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 전열관이 기류방향과 평행하게 다열로 구성된 경우에도 본 발명에 따른 절단돌기 형상은 각 전열관을 나누는 중심선을 기준으로 서로 대칭되게 다열로 형성될 수 있음은 당연하다 하겠다.

이상으로 설명한 본 발명에 의하면, 공기입구측으로부터 1열과 2열의 전열관의 중심선을 기준으로 바람이 불어오는 유입측과 바람의 불어가는 유출측에 각각 3열씩의 절단돌기를 배치하되, 이중 유입측과 유출측의 내측 절단돌기는 단일체로, 외측 절단돌기는 각기 2개로 분할된 분리체로 구성하고, 내측 절단돌기와 외측 절단돌기 간에 배치되는 중간 절단돌기의 경우, 유입측은 2개로 분할된 분리체로, 유출측은 단일체로 구성함으로써, 압력강하를 줄일 수 있어 풍량을 증대시킬 수 있으며, 공기와 핀 표면 사이의 열전달률을 높여 증발성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims

일정간격으로 평행하게 배치되고, 그 사이를 공기가 흐르는 다수의 평판형 핀과, 이 각 평판형 핀에 직각으로 삽입되고 내부에 유체가 지나는 전열관을 기류의 통과방향에 대하여 직각방향으로 복수개 구비되어 있으며, 2개의 전열관 사이에는 이 전열관의 열의 중심선에 대하여, 기류 유입측 절단돌기군과 기류 유출측 절단돌기군이 배치되고, 이들 2개의 절단돌기군 사이에는 사이 전열관의 중심선상에 위치하는 중앙평탄부가 형성되고, 양단이 핀면으로부터 돌출한 입상부와, 이 양 입상부 사이에 가교부로 구성된 각 각 절단돌기는 상기 핀면에 대하여 표면쪽과 이면쪽이 교대로 돌출해서 형성되고, 상기 각 절단돌기 사이에는 중간 평탄부가 형성되고, 상기 각 절단돌기는 상기 중간 평탄부를 사이에 두고 평행으로 인접하게 배치되는 열교환기에 있어서,

상기 기류 유입측의 절단돌기군 중 외측 절단돌기(111, 111')와 중간 절단돌기(112, 112')는 2개의 분할체로 형성되고, 내측 절단돌기(113)는 단일체로 형성되며, 이중 외측 절단돌기(111, 111') 및 중간 절단돌기(112, 112')의 제 1입상부(111a, 111a'; 112a, 112a')는 기류방향(ℓ)과 평행하고 제 2입상부(111b, 111b'; 112b, 112b')는 전열관(102)의 접선방향과 평행하며;

상기 기류 유출측의 절단돌기군 중 외측 절단돌기(116, 116')는 전열관(102)의 중심선(C-C)을 기준으로 상기 기류 유입측의 외측 절단돌기(111, 111')와 대칭을 이루면서 2개의 분할체로 형성되고, 제 1입상부(116a, 116a')는 기류방향(ℓ)과평행하고 제 2입상부(116b, 116b')는 전열관(102)의 접선방향과 평행하며, 중간 절단돌기(115)와 내측 절단돌기(114)는 각기 단일체로 형성되며, 이중 중간 절단돌기(115)의 양 입상부(115a, 115b)는 상기 외측 절단돌기(116, 116')의 제 2입상부(116b, 116b')와 마찬가지로 전열관(102)의 접선방향과 평행하며 상기 내측 절단돌기(114)의 양 입상부(114a, 114b)는 기류방향(ℓ)과 평행한 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1항에 있어서,

상기 기류 유입측의 양 외측 절단돌기(111, 111')의 제 1입상부(111a, 111a')사이의 간격은 상기 양 중간 절단돌기(112, 112')의 제 1입상부(112a, 112a')사이의 간격보다 크게 형성됨으로써, 양 외측 절단돌기(111, 111') 및 중간 절단돌기(112, 112')의 제 2입상부(111b, 111b'; 112b, 112b')가 전열관(102)과 대략 동일한 거리를 두고 근접되게 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1항에 있어서,

상기 기류 유입측의 중간 절단돌기(112, 112')의 제 2입상부(112b, 112b')와 기류 유출측의 중간 절단돌기(115, 115')의 양 입상부(115a, 115b)는 각기 전열관(102)과 대략 동일한 거리를 두고 근접되게 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1항에 있어서,

상기 각 절단돌기는 핀면에 대하여 표면쪽과 이면쪽에 교대로 돌출해서 형성되거나 절단돌기 모두가 표면쪽 혹은 이면쪽 어느 한쪽의 동일한 방향으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1항에 있어서,

상기 전열관(102)이 기류방향과 평행하게 2열로 구성된 열교환기인 경우, 각각의 절단돌기 형상은 1열과 2열 전열관 사이의 중심선을 기준으로 대칭을 이루며 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.