KR100641242B1 - 건조기용 열교환기 및 그 제조방법, 이를 이용한 응축식건조기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 습공기가 순환하여 유동하는 덕트 형태의 다수의 튜브와, 상기 다수의 튜브와 교대로 적층되며 외부 공기가 유동하는 다수의 핀 구조물을 포함하며, 상기 튜브와 상기 핀 구조물은 클래드재를 매개로 하여 적어도 일부분이 접촉하는 것을 특징으로 하는 건조기용 열교환기를 제공한다. 상기 클래드재는 상기 튜브 및 핀 구조물의 녹는점 보다 낮은 녹는점을 갖는 물질을 사용한다. 본 발명에 따르면 열교환기의 구조 및 제조 공정을 개선하여 열전달 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 열교환기 제조 비용을 절감할 수 있어 이를 채용한 건조기나 건조 겸용 세탁기의 단가를 크게 낮출 수 있다.

건조기, 열교환기, 브레이징, 클래드재

Description

건조기용 열교환기 및 그 제조방법, 이를 이용한 응축식 건조기{HEAT EXCHANGER FOR A DRIER, CONDENSING TYPE DRIER UTILIZING THE SAME, MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1a는 의류 건조기의 일례를 도시한 단면도.

도 1b는 도 1a의 의류 건조기의 평면도.

도 2는 열교환기의 일례를 보인 사시도.

도 3은 본 발명의 열교환기의 구성 부품을 도시한 전개도.

도 4는 본 발명의 열교환기의 열교환부의 적층 구조를 보인 사시도.

도 5a는 본 발명의 열교환기의 열교환부 구조를 보인 단면도.

도 5b는 튜브 표면에 클래드재가 도포된 모습을 보인 단면도.

도 6는 본 발명에 따른 열교환기 제조 공정의 예를 보인 공정도.

도 7은 본 발명에 따른 열교환기의 핀 구조물의 실제 사진

도 8은 본 발명에 따른 열교환기의 열전달 성능을 보여주는 그래프.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

30:열교환부 32:튜브

34:핀 구조물 50:클래드재

본 발명은 건조기용 열교환기에 관한 것으로, 상세하게는 열전달 특성을 향상시킨 새로운 구조의 열교환기 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 건조겸용 세탁기 또는 의류건조기 등의 건조 기기는 히터에 의해 생성된 열풍을 드럼내로 송풍하여 건조대상물에 대한 건조를 수행하며, 건조대상물을 건조시킴에 따라 발생되는 습공기의 처리방식에 따라 크게 배기 방식과 응축 방식으로 나뉘어진다.

배기 방식의 경우 드럼으로부터 배출된 습공기를 건조기 외부로 배출하고, 응축 방식에서는 드럼으로부터 배출된 습공기를 응축기에서 응축시켜 수분을 제거하고 수분이 제거된 건조공기는 다시 드럼으로 보내어 재순환시킨다.

응축식 건조기는 일반적으로 세탁물을 건조시키는 드럼, 이물질을 걸러내는 필터, 세탁물의 수분을 열교환을 통해 제거하는 열교환부(또는 응축기), 유동을 일으켜 건조를 용이하게 하는 팬, 더운 바람을 만들어 건조를 단축시키는 히터, 각 부품을 연결하는 배관 등으로 이루어진다.

응축 방식의 건조기의 일례를 도 1a 및 1b에 도시하였다. 도 1a 및 도 1b에서 화살표 Ⅰ은 외기의 흐름을 나타내며, 화살표 Ⅱ는 순환공기의 흐름을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 전방면에 도어(12)가 설치된 본체(10) 내부에 건조대상물이 수용되는 드럼(11)이 회전가능하게 설치되어 있다. 상기 드럼(11)은 본체(10) 하부에 설치된 모터(17)에 의해 벨트(19)로 연결되어 회동하도록 구성된다.

그리고, 상기 본체(10) 하부에는 드럼(11)을 통해 순환하는 고온 다습한 공기를 응축시켜 수분을 제거함으로써 순환공기를 건조한 상태로 만들어주는 열교환기(또는 응축기)(13)가 설치되어 있다. 이 열교환기(13)의 전방부와 후방부는 상기 드럼(11)의 전방과 후방에 각각 연결된 순환덕트(14)에 연결되어, 드럼(11)을 통해 배출된 공기가 상기 열교환기(13)를 지나 다시 드럼(11)으로 유입될 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 순환덕트(14)에는 열교환기(13)를 통과한 공기를 가열하여 주는 히터(15) 및 상기 순환덕트(14)를 통해 공기를 강제 순환시키는 순환팬(16)이 설치되는데, 상기 순환팬(16)은 상기 드럼(11)을 구동시키는 모터(17)의 다른 축에 연결되어 구동된다.

상기 순환덕트(14)를 통해 순환하는 공기를 상기 열교환기(13)에서 열교환에 의해 응축시켜 주기 위해서는 열교환기(13)로 외부의 차가운 공기가 공급되어야 하므로, 이를 위해 상기 열교환기(13)의 일측에는 본체(10) 외부와 연결된 외기 공급 덕트(18)가 연결되고, 상기 외기 공급덕트(18)가 연결된 열교환기(13)의 반대측에는 상기 외기 공급덕트(18)를 통해 외부 공기를 강제 흡입하여 본체(10) 내로 배출시키는 냉각팬(20) 및 냉각팬 구동모터(21)가 설치된다. 미설명부호 22는 상기 드럼(11)의 전방을 통해 순환덕트(14)로 배출되는 공기로부터 실밥 등의 이물질을 걸러 내는 필터이다. 상기 열교환기(13)의 하부에는 응축과정에서 생성되어 낙하된 응축수를 채집하는 물받이(미도시)가 설치되며, 이 물받이에 채집된 응축수를 응축 수 저장탱크(2)로 보내기 위한 펌프(23)가 설치되어 있다.

건조기의 목적은 세탁물을 빠른 시간에 적은 소비 전력으로 건조시키는 것이다. 소비 전력을 감소시키고 건조 시간 단축을 동시에 만족시키기 위하여 히터 용량이나 팬의 용량을 증대하는 방법이 있으나 이에 따른 추가적인 비용 부담 및 소비 전력 상승에 따른 전기료 상승, 소음 증가 등의 이유로 문제가 있다.

이와 같은 문제점에 대한 대안으로 열교환기의 효율을 높이는 방안이 있다. 응축식 의류 건조기 또는 건조 겸용 세탁기에 사용되는 열교환기의 일례를 도 2에 도시하였다. 도시한 바와 같은 열교환기는 외부 공기 유입부(13a)로 유입된 건조 공기가 열교환기 내부에 습공기 유입부(13b)에 순환적으로 유입되는 습공기와 열교환을 하게 되며, 이 과정에서 열교환기 내부 표면에 열교환에 따른 습공기가 응축되어 물방울이 맺히게 된다. 응축식 건조기에서 열교환기는 건조 효율에 중요한 영향을 미치는 핵심 부품이라고 할 수 있으며, 열교환 효율을 높이기 위한 새로운 구조의 열교환기의 필요성이 크게 대두되고 있다.

본 발명의 목적은 열교환 효율이 향상된 건조기용 열교환기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 열교환기 효율 향상을 통하여 건조기 또는 건조 겸용 세탁기의 건조 효율을 향상시키는 것이다.

본 발명은 습공기가 순환하여 유동하는 덕트 형태의 다수의 튜브와, 상기 다 수의 튜브와 교대로 적층되며 외부 공기가 유동하는 다수의 핀 구조물을 포함하며, 상기 튜브와 상기 핀 구조물은 클래드재를 매개로 하여 적어도 일부분이 접촉하는 것을 특징으로 하는 건조기용 열교환기를 제공한다.

상기 튜브는 양단이 개방되고 단면이 직사각 형태이며, 상기 핀 구조물은 외부 공기가 유동하는 다수의 공기 유로를 포함하고 상기 공기 유로 표면에는 다수의 핀이 형성되어 있다.

상기 클래드재는 상기 튜브 및 핀 구조물의 녹는점 보다 낮은 녹는점을 갖는 물질을 사용하며, 예를 들어 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 물질이 사용될 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 열교환기를 포함하는 응축식 건조기 또는 건조 겸용 세탁기를 제공한다.

본 발명은 또한 양단이 개방된 덕트 형태의 다수의 튜브 표면에 클래드재를 도포하고, 표면에 다수의 핀이 형성된 다수의 공기 유로를 포함하는 핀 구조물을 상기 튜브와 접촉시키고, 상기 튜브와 핀 구조물에 열을 가하여 상기 클래드재를 매개로 하여 상기 튜브와 핀 구조물의 적어도 일부분을 접합시키는 것을 특징으로 하는 건조기용 열교환기 제조 방법을 제공한다.

상기 클래드재는 1 mm 이하, 바람직하게는 0.5 mm 이하, 더욱 바람직하게는 0.1 mm 이하의 두께로 튜브 표면에 도포한다.

상기 튜브와 핀 구조물의 접합은 상기 클래드재의 녹는점 이상, 그리고 상기 튜브 및 핀 구조물의 녹는점 미만의 온도에서 수행한다.

이하, 도면을 참조하여 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

열교환부(30)는 다수의 튜브(32)와 다수의 핀 구조물(34)이 교대로 적층하여 형성된다. 상기 튜브(32)는 양단이 개방되어 있고 단면이 직사각형인 덕트 구조이다. 상기 튜브(32)의 개방된 양단에는 건조기 내부의 순환 공기가 유동하는 배관(미도시)이 각각 연결된다.

상기 핀 구조물(34)은 지그재그 방식으로 반복적으로 절곡 형성된 구조물과 이 구조물 표면에 형성된 다수의 핀으로 구성된다.

상기 튜브(32)와 핀 구조물(34)은 두께가 얇은 각각의 층이 반복적으로 적층되어 하나의 열교환부를 이룬다. 이와 같이 반복적인 적층 구조를 형성함으로써 열전달 면적을 크게 할 수 있다. 도 4를 참조하면, 각각의 튜브(32)와 핀 구조물(34)이 적층되는 과정이 모식적으로 나타나 있다.

상기 튜브(32)와 핀 구조물(34)의 재질은 열전달 특성이 우수한 금속이며, 주로 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 선호된다.

한편, 상기 열교환부(30)의 전면 및 후면에는 전면 덮개(40)와 후면 덮개(42)가 각각 결합된다. 상기 전면 덮개(40)와 후면 덮개(42)는 열교환부(30)가 건조기 내부의 배관이나 기타 부품들과 결합하기에 용이하도록 결합 매개 기능을 한다. 전면 덮개(40)와 후면 덮개(42)의 재질은 ABS-GF 등의 플라스틱 계열이며, 주로 사출 성형의 방법으로 형성된다. 상기 전면 덮개(40)와 후면 덮개(42)가 열교환부(30)의 양단에 결합하는 부위에는 공기의 누설이 없도록 밀봉 부재를 더 형성할 수도 있다.

상기 핀 구조물(34)은 금속 판을 지그재그 형태로 절곡하여 공기 유로를 형성하고, 공기 유로 표면에는 다수의 핀을 형성한다.

상기 핀 구조물(34)은 예를 들어 금속 평판을 지그재그 형태로 접어 외관으로 볼 때 두께, 폭, 길이가 일정한 직육면체 구조로 형성한다. 지그재그 형태로 금속 평판을 접으면 골과 골이 반복되는 구조물이 형성되며, 이 구조물의 위 아래에 각각 튜브(32) 표면이 맞닿아 접합된다. 따라서, 상기 골은 외부 공기가 유입되어 열교환을 거친 후 다시 빠져 나가는 통로, 즉 외부 공기의 공기 유로가 된다.

상기 튜브(32)와 핀 구조물(34)의 접합은 열교환기의 열전달 측면에서 가장 중요한 요소라고 할 수 있다. 따라서, 가능한 열전달이 최대로 이루어지도록 하여야 한다. 상기 핀 구조물(34)은 다수의 반복된 절곡 구조를 이루고 있어 튜브(32)와 접촉하는 부위가 크지 않으므로 접촉 부위에 열전달이 원할히 이루어지도록 하는 것이 열교환기 성능 향상에 관건이라고 할 수 있다.

금속간의 접합에는 여러 가지 방법이 있으나, 상기 튜브(32)와 핀 구조물(34) 간의 접합부가 넓지 않기 때문에 접착물을 매개로 하여 양 자를 접합할 수 있을 것이다. 그러나, 접착물은 통상 접착력을 갖는 고분자 물질이 일반적이며, 이러한 접착물은 열전달 특성이 좋지 못하여, 열전달을 방해하는 저항 요소로 작용한다.

따라서, 본 발명에서는 튜브(32)와 핀 구조물(34) 사이에 열전달 특성이 우수한 금속 성분을 포함하는 클래드재를 매개로 하여 양 자를 접합한다.

도 5a에 모식적으로 도시한 바와 같이 튜브(32)와 핀 구조물의 접합 부위 (36)는 상대적으로 면적이 매우 작으며, 거의 무시할 정도의 두께로 클래드재가 존재한다.

클래드재는 금속 성분을 함유하면서 접착성 및 휘발성이 있는 기타 성분을 포함할 수 있다. 이러한 클래드재(50)를 도 5b에 도시한 바와 같이 튜브(32)의 적어도 일면에 도포하여 접합의 매개 역할을 하도록 한다. 도면상에는 편의상 클래드재(50)의 두께가 상대적으로 크게 도시되었으나, 실제로는 매우 얇은 두께, 1 mm 이하, 바람직하게는 0.5 mm 이하, 더욱 바람직하게는 0.1 mm 이하로 도포한다.

그 다음 핀 구조물(34)을 튜브(32)에 도 4에 도시한 바와 같이 적층시켜 열교환부(30)를 형성하고 이후 접합 공정을 수행한다.

본 발명에 따른 튜브(32)와 핀 구조물(34)의 접합 공정을 도 6에 도시하였다. 적절한 형태로 튜브와 핀 구조물을 성형하여 준비하고, 튜브의 적어도 일면에 상기 튜브와 핀 구조물의 녹는점 보다 녹는점이 낮은 재질의 클래드재를 도포한다. 예를 들어, 상기 튜브와 핀 구조물로 알루미늄을 사용하는 경우 클래드재는 알루미늄의 녹는점인 550℃ 보다 낮은 녹는점을 갖는 구성 물질을 포함시킨다. 그 다음, 튜브와 핀 구조물의 적층을 통해 열교환부를 형성하고, 열교환부 적층체를 브레이징(brazing) 로(furnace)에 장입한 후 한번에 열을 가하여 열교환부를 구성하는 각각의 튜브 및 핀 구조물을 서로 접합시킨다.

브레이징 과정에서 가해지는 온도는 상기 클래드재의 녹는점 이상 상기 튜브 및 핀 구조물의 녹는점 이하로 유지한다. 이에 따라 클래드재는 용융되어 튜브와 핀 구조물을 순간적으로 접합시키지만, 튜브와 핀 구조물 자체는 열에 의한 손상이 없다.

도 7는 본 발명에 따라 실제로 제작된 열교환기 제품의 열교환부의 측면을 도시하고 있다. 튜브와 핀 구조물 사이에는 극히 얇은 두께의 클래드재가 결합을 매개하고 있으며, 실질적으로는 튜브와 핀 구조물이 강하게 결합되었을 뿐 클래드재는 거의 남아 있지 않게 된다. 튜브와 핀 구조물 간의 열전달을 방해하는 저항층이 거의 없는 것으로 확인되었다. 따라서, 열전달 특성의 큰 향상을 기대할 수 있다. 또한, 클래드재를 매개로 브레이징 접합하는 공정은 매우 짧은 시간, 예를 들면 수분 정도의 시간만이 소요되어 열교환기 제조 공정을 크게 단순화시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 실제로 사용되는 클래드재의 양이 극히 적어 재료적 측면에서도 경제성이 크다.

본 발명에 따른 열교환기의 특성 향상 결과는 다음과 같이 이론적으로 확인할 수 있다. 열전달을 방해하는 저항을 R이라고 할 때, 저항은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

R = k·t/A

여기서 k는 비례상수, t는 두께, A는 면적이다.

만일, 튜브와 핀 구조물 사이의 접합을 위한 접합층이 존재할 때 열전달을 방해하는 총 저항(R_total)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

R_total = R_i + R_m

여기서, R_i 는 튜브 및 핀 구조물 자체의 열전달 특성에 관계되는 저항이며, R_m 는 접합을 매개하는 접합층의 열저항이다. 예를 들어 튜브 및 핀 구조물로 알루미늄을 사용하고(두께는 0.05 mm), 상기 접합층에 사용된 물질이 에폭시일 경우, 전체 저항은

R_total = 0.004 K/W + 0.0005 K/W = 0.0045 K/W

이와 같은 이론적인 고찰로부터, 접합을 매개하는 접합층에 의한 열전달을 가로막는 저항이 있음을 알 수 있으며, 접합 매개층이 거의 없다면 적어도 약 10% 정도의 열전달 향상을 얻을 수 있게 된다.

본 발명에 따른 열교환기의 열전달 특성 향상을 확인하기 위하여, 에폭시 접합 방식으로 제작된 열교환기의 열전달 특성과 비교하였다.

도 8은 열전달 성능 평가 결과를 보여주는 것으로 본 발명에 따라 브레이징 방식으로 접합된 열교환기의 경우 에폭시 접합에 의한 열교환기에 비하여 전달되는 열량이 많으며 열전달 특성이 약 10% 정도 향상된 것으로 확인되었다.

본 발명에 따르면 열교환기의 구조 및 제조 공정을 개선하여 열전달 특성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 열교환기 제조 비용을 절감할 수 있어 이를 채용한 건조기나 건조 겸용 세탁기의 단가를 크게 낮출 수 있다.

Claims (10)

1. 습공기가 순환하여 유동하는 덕트 형태의 다수의 튜브와,

   상기 다수의 튜브와 교대로 적층되며 외부 공기가 유동하는 다수의 핀 구조물을 포함하며,

   상기 튜브와 상기 핀 구조물은 클래드재를 매개로 하여 적어도 일부분이 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 건조기용 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 튜브는 양단이 개방되고 단면이 직사각 형태인 건조기용 열교환기.
3. 제1항에 있어서, 상기 핀 구조물은 외부 공기가 유동하는 다수의 공기 유로를 포함하며, 상기 공기 유로 표면에는 다수의 핀이 형성되어 있는 건조기용 열교환기.
4. 제1항에 있어서, 상기 클래드재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 건조기용 열교환기.
5. 제1항에 있어서, 상기 클래드재의 녹는점은 상기 튜브 및 핀 구조물의 녹는점 보다 낮은 것을 특징으로 하는 건조기용 열교환기.
6. 제1항의 열교환기를 포함하는 응축식 건조기.
7. 양단이 개방된 덕트 형태의 다수의 튜브 표면에 클래드재를 도포하고,

   표면에 다수의 핀이 형성된 다수의 공기 유로를 포함하는 핀 구조물을 상기 튜브와 접촉시키고,

   상기 튜브와 핀 구조물에 열을 가하여 상기 클래드재를 매개로 하여 상기 튜브와 핀 구조물의 적어도 일부분을 접합시키는 것을 특징으로 하는

   건조기용 열교환기 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 클래드재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 건조기용 열교환기 제조 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 클래드재는 1 mm 이하의 두께로 도포하는 건조기용 열교환기 제조 방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 튜브와 핀 구조물의 접합은 상기 클래드재의 녹는점 이상, 그리고 상기 튜브 및 핀 구조물의 녹는점 미만의 온도에서 수행하는 건조기용 열교환기 제조 방법.

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