KR20120044848A - 열교환기 및 그 마이크로채널튜브 - Google Patents

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KR20120044848A
KR20120044848A KR1020100106369A KR20100106369A KR20120044848A KR 20120044848 A KR20120044848 A KR 20120044848A KR 1020100106369 A KR1020100106369 A KR 1020100106369A KR 20100106369 A KR20100106369 A KR 20100106369A KR 20120044848 A KR20120044848 A KR 20120044848A
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microchannel tube
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Abstract

본 발명의 일측면은 평판형 열교환 핀의 측방으로 마이크로채널튜브를 삽입하는 방식을 갖는 배수성과 전열성능이 개선된 열교환기를 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 열교환기는 유입관과 토출관이 연결되고, 수직으로 배치되는 제1헤더와, 상기 제1헤더와 소정 간격을 두고 나란하게 배치되는 제2헤더와, 상기 제1헤더 및 제2헤더 사이에 전열과 후열로 상하간 소정 간격 이격되어 수평하게 배열되고, 마이크로채널(Micro-channel)이 형성된 복수개의 편평형 마이크로채널튜브(Micro-channel Tube)를 포함하여 구성된다.

Description

열교환기 및 그 마이크로채널튜브{Heat Exchanger And Micro-channel Tube For The Same}
본 발명은 배수성과 전열성능이 개선된 공기조화기의 열교환기에 관한 것이다.
열교환기는 공기조화기나 냉장고 등과 같이 냉동사이클을 사용하는 기기에 내장되어 사용되는 장치로써, 서로 이격 되게 배치되어 있는 다수의 핀(Fin)과, 냉매를 안내하며 다수의 핀과 접촉하게 설치되는 냉매 튜브(Tube)를 포함하여, 외부에서 유입된 공기가 핀을 통과하여 열교환하며 냉방운전 또는 난방운전이 이루어지도록 되어 있다.
이러한 열교환기는 핀과 튜브의 형상 및 결합관계에 따라 크게 핀앤 튜브형(Fin & Tube Type) 열교환기와, 평행유동형(Parallel Flow Type) 열교환기로 구분된다.
통상 핀앤 튜브형 열교환기는 프레스 가공한 핀을 적층시키고, 적층된 핀에 다수의 원형 튜브를 압입하는 방식을 사용하고, 평행유동형 열교환기는 납작한 타원 형상의 튜브 사이에 물결 형상(Corrugate)의 핀을 브레이징(Brazing) 접합하는 방식을 사용한다.
일반적으로 평행유동형 열교환기는 열교환 핀앤 튜브형 열교환기에 비해 열교환효율이 우수하나, 응축수의 배수가 원할 하지 않다.
본 발명의 일측면은 배수성과 전열성능이 개선된 핀 마이크로채널 열교환기(FMC : Fin Micro-channel Heat Exchanger)를 제공한다.
더불어, 상기 핀 마이크로채널 열교환기의 최적 설계를 위한 모델을 제공한다.
본 발명의 사상에 따른 열교환기는 유입관과 토출관이 연결되고, 수직으로 배치되는 제1헤더와, 상기 제1헤더와 소정 간격을 두고 나란하게 배치되는 제2헤더와, 상기 제1헤더 및 제2헤더 사이에 전열과 후열로 상하간 소정 간격 이격되어 수평하게 배열되고, 마이크로채널(Micro-channel)이 형성된 복수개의 편평형 마이크로채널튜브(Micro-channel Tube)를 포함한다.
여기서, 상기 전열과 후열의 마이크로채널튜브는 상호 지그재그형으로 배열된다.
한편, 상기 전열과 후열의 마이크로채널튜브는 상호 나란하게 배열될 수 있다.
또한, 상기 마이크로채널튜브의 피치(TP)는 7 mm ≤ TP ≤ 11 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로채널튜브의 두께(Tt)는 2 mm ≤ Tt ≤ 3.5 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로채널튜브의 살두께(Tow)는 0.1 mm ≤ Tow ≤ 0.35 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마이크로채널의 폭(Wc)은 0.5 mm ≤ Wc ≤ 1.5 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유입관은 상기 제1헤더의 하측에 연결되고, 상기 토출관은 상기 제1헤더의 상측에 연결된다.
또한, 상기 제1헤더 및 상기 제2헤더는 각각 전방탱크와 후방탱크를 포함한다.
본 발명의 사상에 따른 열교환기용 마이크로채널튜브는 열교환기용 마이크로채널튜브에 있어서, 수직으로 배치된 제1헤더 및 제2헤더 사이에 전열과 후열로 상하간 소정간격 이격되어 수평하게 배열되고, 상기 마이크로채널튜브의 두께(Tt)는 2 mm ≤ Tt ≤ 3.5 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에서 본 발명의 사상에 따른 열교환기용 마이크로채널튜브는 열교환기용 마이크로채널튜브에 있어서, 수직으로 배치된 제1헤더 및 제2헤더 사이에 전열과 후열로 상하간 소정간격 이격되어 수평하게 배열되고, 상기 마이크로채널튜브의 살두께(Tow)는 0.1 mm ≤ Tow ≤ 0.35 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 측면에서 본 발명의 사상에 따른 열교환기용 마이크로채널튜브는 열교환기용 마이크로채널튜브에 있어서, 수직으로 배치된 제1헤더 및 제2헤더 사이에 전열과 후열로 상하간 소정간격 이격되어 수평하게 배열되고, 상기 마이크로채널의 폭(Wc)은 0.5 mm ≤ Wc ≤ 1.5 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전열과 후열의 마이크로채널튜브는 상호 지그재그형으로 배열된다.
한편, 상기 전열과 후열의 마이크로채널튜브는 상호 나란하게 배열될 수 있다.
본 발명의 사상에 따르면 배수성과 전열성능이 개선된 핀 마이크로채널 열교환기를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 외관을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기의 핀의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2를 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환기의 핀의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환기의 핀의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 5를 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 자른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 열교환기의 핀의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 열교환기의 핀의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 도 8를 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 자른 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제6실시예에 따른 열교환기의 핀의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 튜브의 단면을 도시한 도면이다.
도 12는 튜브의 두께에 따른 열량을 도시한 그래프이다.
도 13은 튜브의 피치에 따른 열량을 도시한 그래프이다.
도 14는 튜브의 살두께에 따른 열량을 도시한 그래프이다.
도 15는 채널의 폭에 따른 열량을 도시한 그래프이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 외관을 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(1)는 제1헤더(10), 제2헤더(20), 마이크로채널튜브(Micro-channel Tube,30) 및 핀(40)을 포함하여 구성된다.
제1헤더(10)와 제2헤더(20)는 상호 소정 간격을 두고 수직으로 배치된다. 상호 마주보는 면에는 마이크로채널튜브(30)의 단면에 대응되는 크기로 절취되어 마이크로채널튜브(30)가 결합하는 튜브결합부(미도시)가 형성되어 있다.
제1헤더(10)와 제2헤더(20)는 각각 격벽에 의해 분할된 전방탱크(11,21)와 후방탱크(12,22)를 포함하고, 전방탱크(11,21)와 후방탱크(12,22)는 각각 배플(13)에 의해 다시 상하로 구획될 수 있다.
제1헤더(10)와 제2헤더(11) 사이에는 제1헤더(10)와 제2헤더(20)를 연통시켜 냉매를 안내하는 마이크로채널튜브(30)가 설치된다.
마이크로채널튜브(30)는 냉매가 지나는 통로이다. 냉매는 공기조화장치(미도시) 내부에서 압축 또는 팽창되면서 순환하며 냉,난방을 가능케 한다.
마이크로채널튜브(30)는 상하로 소정 간격 이격되고, 전열과 후열의 2열로 배열된다. 또한, 전열의 마이크로채널튜브(31)와 후열의 마이크로채널튜브(32)는 상호 지그재그형으로 배열된다. 다만, 도 4에서 보듯이 전열의 마이크로채널튜브(31)와 후열의 마이크로채널튜브(32)가 서로 나란하게 배열되는 것도 가능하다.
한편, 제1헤더(10)에는 냉매를 유입시키는 유입관(11)과, 마이크로채널튜브(30)를 통과하면서 열교환을 마친 냉매가 토출되는 토출관(12)이 연결된다. 제1헤더(10) 내부로 유입되는 냉매가 기체 및 액체의 2상을 갖더라도 중력에 따른 액적이 쌓이는 것을 방지할 수 있도록 유입관(11)은 제1헤더(10)의 하측에 연결되고, 토출관(12)은 제1헤더(10)의 상측에 연결되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기의 핀의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3은 도 2를 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 자른 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 핀(40)의 핀본체(43)는 소정의 폭과 높이를 가지는 판상으로 마련된다. 핀본체(43)는 박막의 사각 판상으로 만들어지는 것이 바람직하다.
핀(40)은 마이크로채널튜브(30)와 접촉되도록 설치되며, 열을 방출 또는 흡수 할 수 있는 부분이 넓어지도록 가급적 넓게 마련되는 것이 바람직하다.
마이크로채널튜브(30) 내부를 흐르는 냉매의 열은 마이크로채널튜브(30)와 핀(40)을 통해 핀(40) 주변을 흐르는 공기로 전달되어 외부로 용이하게 발산된다.
반대로 핀(40) 주변을 흐르는 공기의 열이 핀(40)과 마이크로채널튜브(30)을 통하여 냉매로 전달되는 경우에도 동일하다.
한편, 핀(40)에는 마이크로채널튜브(31,32)가 삽입될 수 있도록 전열과 후열의 슬롯(44,45)이 형성된다. 슬롯(44,45)의 주위에는 슬롯(44,45)에 튜브(31,32)가 용이하게 삽입되고, 접합력이 확보되도록 핀본체(43)와 수직하게 칼라(47)가 형성된다.
핀(40)은 공기의 유동방향과 나란하게 일정한 간격으로 평행하게 배치된다. 이에 의해, 공기는 핀(40)으로부터 저항을 크게 받지 않고 자연스럽게 핀(40) 표면을 스쳐서 유동하며 열교환할 수 있다.
마이크로채널튜브(31)의 전열과 후열이 지그재그형으로 마련된 경우 열교환기용 핀(40)의 전열의 슬롯(44)과 후열의 슬롯(45)도 상호 지그재그형으로 마련된다. 다만, 도 4에서 보듯이 마이크로채널튜브(30)의 전열(31)과 후열(32)이 나란하게 마련되는 경우 핀(40)의 전열의 슬롯(44)과 후열의 슬롯(45) 역시 나란하게 마련되는 것은 당연하다.
상하로 인접한 상기 슬롯(44,45) 사이에는 공기와의 접촉 면적을 크게하여 열전달 효율이 증가하도록 루버(Louver,41,42) 또는 슬릿(Slit,46a,46b)이 형성된다. 물론 루버(41,42)와 슬릿(46a,46b)이 동시에 형성될 수도 있을 것이다. 루버(41)와 슬릿(46a)은 상하로 인접한 전열의 슬롯(44) 사이에 형성되고, 루버(42)와 슬릿(46b)은 상하로 인접한 후열의 슬롯(45) 사이에 형성된다.
전열의 루버(41)와 후열의 루버(42)는 핀(40)의 폭방향으로 상호 대칭되게 마련되고, 핀본체(43)의 일부가 경사지도록 핀본체(43)로부터 일어나 형성된다. 루버(41,42)로 인해 핀(40)을 스쳐서 유동하는 공기의 흐름이 흩뜨러지게 되고, 경계층이 성장하지 않게 되므로 열교환 효율이 증가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환기의 핀의 형상을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 도 5를 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 자른 단면도이다. 도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 열교환기의 핀의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
앞서 설명하였듯이 열교환기의 핀(40)의 상하로 인접한 슬롯(44,45) 사이에 슬릿(46a,46b)이 형성될 수 있다. 공기는 슬릿(46a,46b)의 개방된 부분으로 유입되는 도중에 난류화되어 마이크로채널튜브(30)의 주위를 선회하게 되므로 열교환 효과가 촉진될 수 있다.
본 실시예에서도 전열의 슬롯(44)과 후열의 슬롯(45)은 상호 지그재그로 배열되거나 상호 나란하게 배열될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 열교환기의 핀의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 9는 도 8를 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 자른 단면도이다. 도 10은 본 발명의 제6실시예에 따른 열교환기의 핀의 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 10에서 보듯이 루버(41,42)와 슬릿(46a,46b)이 동시에 형성될 수도 있으며, 전열의 슬롯(44)과 후열의 슬롯(45)은 상호 지그재그로 배열되거나 상호 나란하게 배열될 수 있다. 나머지 구성요소는 다른 실시예와 동일하므로 설명은 생략한다.
한편, 도 11에서 보듯이 마이크로채널튜브(30)는 편평한 형상으로 마련되고, 내부에 냉매를 안내하는 다수의 마이크로채널(Micro-channel,33)이 형성된다.
마이크로채널튜브(30)는 단면이 원형으로 마련될 수도 있지만, 전열면적의 확장을 위해 편평한 형상으로 마련되는 것이 바람직하다.
도 12 내지 도 15는 각각 튜브의 두께, 튜브의 피치, 튜브의 살두께 및 채널의 폭에 따른 열량을 도시한 그래프이다.
상기와 같은 구조를 갖는 열교환기에 있어서, 마이크로채널튜브(30)의 두께(Tt), 마이크로채널튜브(30)의 피치(TP), 마이크로채널튜브(30)의 살두께(Tow) 및 마이크로채널(33)의 폭(Wc)에 따른 성능의 변화를 발견할 수 있다.
도 12에서 보듯이, 마이크로채널튜브(30)의 두께(Tt)가 증가할수록 열량(Q)이 증가함을 알 수 있다. 다만, 마이크로채널튜브(30)의 제작 비용 상승을 고려하면 마이크로채널튜브(30)의 두께(Tt)는 2 mm ≤ Tt ≤ 3.5 mm 의 범위에서 형성되는 것이 바람직하다.
마찬가지로 도 13에서 보듯이, 마이크로채널튜브(30)의 피치(TP)는 7 mm ≤ TP ≤ 11 mm 의 범위에서 형성되는 것이 바람직하다. 전반적으로 마이크로채널튜브(30)의 피치(TP)가 감소할수록 열량(Q)은 증가하는 경향을 보이나, 마이크로채널튜브(30)의 피치(TP)가 대략 7 mm 에 근접하면 열량(Q)은 최대치에 수렴함을 알 수 있다.
도 14에서 보듯이 마이크로채널튜브(30)의 살두께(Tow)는 좁을수록 열량(Q)이 증가하는 편이지만, 대략 마이크로채널튜브(30)의 살두께(Tow)가 0.1 mm 에 근접하는 경우 열량(Q)이 최대치에 수렴한다.
도 15에서 보듯이 마이크로채널(33)의 폭(Wc)이 증가할수록 열량(Q)은 증가하다가 폭(Wc)이 대략 0.5 mm ≤ Wc ≤ 1.5 mm 의 범위일 때 열량(Q)는 최대치를 갖고 이후에는 다시 감소한다.
상술한 바와 같이, 수직으로 배치된 제1헤더 및 제2헤더 사이에 전열과 후열로 상하간 소정간격 이격되어 수평하게 배열되는 열교환기에 있어서, 마이크로채널튜브(30)의 두께(Tt), 마이크로채널튜브(30)의 피치(TP), 마이크로채널튜브(30)의 살두께(Tow) 및 마이크로채널(33)의 폭(Wc)이 상기 범위를 만족하는 경우 열교환기는 배수성을 확보하면서 최적의 성능을 발휘할 수 있다.
이상에서 본 발명을 특정 실시예에 의하여 설명하였으나 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 특허청구범위에 명시된 상기 본 발명의 기술적 사상으로서의 요지를 일탈하지 아니하는 범위 안에서 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1 : 열교환기 10,20 : 제1,제2헤더
11,21 : 제1,제2헤더 전방탱크 12,22 : 제1,제2헤더 후방탱크
13 : 배플 14 : 유입관
15 : 토출관 30 : 마이크로채널튜브
31 : 전열 마이크로채널튜브 32 : 후열 마이크로채널튜브
33 : 마이크로채널 40 : 핀
41,42 : 루버 43 : 핀본체
44,45 : 슬롯 46a,46b : 슬릿
47 : 칼라 FH : 핀의 높이
Tow : 튜브 살두께 TP : 튜브 피치
Tt : 튜브 두께 Wc : 마이크로채널 폭

Claims (14)

  1. 유입관과 토출관이 연결되고, 수직으로 배치되는 제1헤더;
    상기 제1헤더와 소정 간격을 두고 나란하게 배치되는 제2헤더; 및
    상기 제1헤더 및 제2헤더 사이에 전열과 후열로 상하간 소정 간격 이격되어 수평하게 배열되고, 마이크로채널(Micro-channel)이 형성된 복수개의 편평형 마이크로채널튜브(Micro-channel Tube); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전열과 후열의 마이크로채널튜브는 상호 지그재그형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전열과 후열의 마이크로채널튜브는 상호 나란하게 배열되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로채널튜브의 피치(TP)는 7 mm ≤ TP ≤ 11 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로채널튜브의 두께(Tt)는 2 mm ≤ Tt ≤ 3.5 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로채널튜브의 살두께(Tow)는 0.1 mm ≤ Tow ≤ 0.35 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로채널의 폭(Wc)은 0.5 mm ≤ Wc ≤ 1.5 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유입관은 상기 제1헤더의 하측에 연결되고, 상기 토출관은 상기 제1헤더의 상측에 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1헤더 및 상기 제2헤더는 각각 전방탱크와 후방탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 열교환기용 마이크로채널튜브에 있어서,
    수직으로 배치된 제1헤더 및 제2헤더 사이에 전열과 후열로 상하간 소정 간격 이격되어 수평하게 배열되고,
    상기 마이크로채널튜브의 두께(Tt)는 2 mm ≤ Tt ≤ 3.5 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 마이크로채널튜브.
  11. 열교환기용 마이크로채널튜브에 있어서,
    수직으로 배치된 제1헤더 및 제2헤더 사이에 전열과 후열로 상하간 소정 간격 이격되어 수평하게 배열되고,
    상기 마이크로채널튜브의 살두께(Tow)는 0.1 mm ≤ Tow ≤ 0.35 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 마이크로채널튜브.
  12. 열교환기용 마이크로채널튜브에 있어서,
    수직으로 배치된 제1헤더 및 제2헤더 사이에 전열과 후열로 상하간 소정 간격 이격되어 수평하게 배열되고,
    상기 마이크로채널의 폭(Wc)은 0.5 mm ≤ Wc ≤ 1.5 mm 의 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 마이크로채널튜브.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전열과 후열의 마이크로채널튜브는 상호 지그재그형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 마이크로채널튜브.
  14. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전열과 후열의 마이크로채널튜브는 상호 나란하게 배열되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 마이크로채널튜브.
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