KR20190047957A - 열교환 효율 향상을 위한 냉각팬 및 덕트 구조물 - Google Patents

Abstract

열교환 효율 향상을 위한 냉각팬 및 덕트 구조물은 냉각공기를 제공하는 블로우 팬 및 상기 블로우 팬에서 제공한 냉각공기가 유동되는 복수의 튜브들을 포함하는 덕트를 포함하고, 상기 튜브들 각각에는 상기 유동되는 냉각공기를 외부로 배출시키는 복수의 공기통과공들이 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

열교환 효율 향상을 위한 냉각팬 및 덕트 구조물 {STRUCTURE OF A COOLING PAN AND A DUCT FOR IMPROVEMENT OF HEAT EXCHANGE EFFICIENCY}

본 발명은 냉각팬 및 덕트 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환기의 냉각을 위한 냉각공기의 불균일 유동장을 균일 유동 특성으로 조성할 수 있으며, 열교환기의 온도 분포에 따라 열교환 효율과 관계된 유속을 차등화할 수 있는 열교환 효율 향상을 위한 냉각팬 및 덕트 구조물에 관한 것이다.

현재 철도차량에 쓰이는 공기압축기는 제동설비의 작동 및 공압식 출입문 작동을 위한 동력원으로 쓰이는 압축공기를 생산하고 있다. 이 때, 최대 10bar 까지 가압되는 압축공기는 토출 온도가 200도를 상회하므로 압축효율을 높이기 위해 인터쿨러 형태의 열교환기가 쓰이고 있으며, 이는 도 1a에 도시된 바와 같다.

이러한 열교환기는 압축공기의 유동이 발생하는 튜브와 열교환 효과를 증대하기 위한 핀 구조물이 브레이징 공법을 튜브 외부에 부착된 형태로 제작되고 있다. 그리하여, 냉각공기는 이러한 핀-튜브 형태의 열교환기 내부에서 튜브를 따라 고온고압 공기가 흐르며 외부에서 회전 팬을 활용하여 대기 공기를 순환시켜 열교환기를 통과할 때 열교환기의 열을 흡수하여 배출한다.

그러나, 대한민국 공개특허 제2001-0098289호, 대한민국 공개특허 제2006-0083497호 등에서와 같이, 회전 팬을 이용하여 냉각공기의 유동을 형성하는 경우, 회전 팬의 구조 특성으로 인해 냉각공기 유동 형성이 불균일한 문제가 있다.

즉, 도 1b의 유속분포 시험 결과를 통해 확인되는 바와 같이, 회전 팬의 중심영역에서는 냉각공기의 유동이 거의 없으며, 팬의 가장자리영역에서만 냉각공기 유동이 형성되어, 냉각공기가 열교환기 내에 일정한 유속이 아닌 불균일 유속을 형성하여, 실제 열교환기 발생하는 부분은 국한되어 있으며, 그에 따라 열교환 효율이 저하되고 열교환기의 사이즈가 커져야 하는 단점이 있다.

한편, 열교환기 내에 균일한 냉각공기의 유동장이 형성된다 하더라도, 압축공기 특성에 의해 열교환기 내 고온부에서의 열교환 효율이 저온부에서 보다 훨씬 높게 나타나며, 이에 따라 열교환 효율이 일정하지 못한 문제가 있다.

대한민국 공개특허 제2001-0098289호 대한민국 공개특허 제2006-0083497호

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 냉각공기의 유동장을 균일화하고 이와 동시에 압축공기의 온도를 고려한 냉각공기의 유속을 차등화하여 열교환기의 냉각효율을 향상시킬 수 있는 열교환 효율 향상을 위한 냉각팬 및 덕트 구조물에 관한 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 열교환 효율 향상을 위한 냉각팬 및 덕트 구조물은 냉각공기를 제공하는 블로우 팬 및 상기 블로우 팬에서 제공한 냉각공기가 유동되는 복수의 튜브들을 포함하는 덕트를 포함하고, 상기 튜브들 각각에는 상기 유동되는 냉각공기를 외부로 배출시키는 복수의 공기통과공들이 형성된 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 공기통과공들 각각은 원형 또는 타원형으로 형상으로 형성되어 열교환기 방향으로 개구될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 공기통과공들은 상기 냉각공기가 유동되는 방향으로 갈수록 점차적으로 크기가 감소되며 배열될 수 있다.

일 실시예에서, 압축공기는 열교환기 내부에서 상기 공기통과공들의 크기가 감소하는 방향으로 유동될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 튜브들 각각은 열교환기 내부에서 압축공기가 유동되는 방향을 따라 연장되며, 상기 튜브들은 상기 연장방향에 수직인 방향으로 소정거리 이격되며 복수개가 배열될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 튜브들의 일단은 서로 연결되고, 상기 튜브들의 서로 연결된 일단과 상기 블로우 팬을 연결하여 냉각공기가 제공되는 제1 연결관을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 튜브들 중 서로 인접한 튜브들의 타단을 서로 연결하는 제2 연결관들을 더 포함하며, 상기 제2 연결관에는 상기 공기통과공들이 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제2 연결관들 각각은 'U'자 형상을 가질 수 있다.

본 실시예들에 의하면, 종래의 공기압축기의 열교환기에 쓰이고 있는 회전 팬 타입의 냉각팬 대신 밀폐형 타입의 블로우 팬을 구성함에 따라, 블로우 팬에 의해 공급되는 냉각 공기의 유동장을 균일하게 형성할 수 있다.

특히, 블로우 팬은 밀폐형으로 형성되기 때문에 개방형 회전팬 보다 소음 및 진동 성능이 우수하며, 냉각공기가 열교환기에 전달되기 전에 외부로 유출되는 형상을 최소화 할 수 있다.

또한, 열교환기 온도 분포에 맞게 고온 영역에서 냉각공기의 유량을 높게 하고 저온 영역으로 갈수록 유량을 줄일 수 있어 열교환 효율을 향상시킬 수 있으며, 이와 같이 압축공기 유동의 온도 특성에 따라 냉각공기의 유량을 조절함에 따라, 열교환기 내부의 모든 영역에서 열교환 성능을 확보할 수 있다.

나아가, 열교환 효율을 증가시킴으로써 이에 따라 열교환기의 사이즈 축소가 가능하여 열교환 시스템의 경량화가 가능하다.

도 1a는 종래의 인터쿨러 형태의 열교환기를 도시한 모식도이다.
도 1b는 종래의 회전 팬의 유속분포 시험 결과를 도시한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환 효율 향상을 위한 냉각팬 및 덕트 구조물을 도시한 모식도이다.
도 3은 도 2의 열교환 효율 향상을 위한 냉각팬 및 덕트 구조물에서 복수의 튜브들이 열교환기의 전측에 설치된 상태를 도시한 사시도이다.
도 4a는 종래의 열교환기에서 냉각공기의 유동장 영역을 도시한 이미지이다.
도 4b는 도 2의 열교환 효율 향상을 위한 냉각팬 및 덕트 구조물에서 제공한 냉각공기의 유동장 영역을 도시한 이미지이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 열교환 효율 향상을 위한 냉각팬 및 덕트 구조물을 도시한 모식도이고, 도 3은 도 2의 열교환 효율 향상을 위한 냉각팬 및 덕트 구조물에서 복수의 튜브들이 열교환기의 전측에 설치된 상태를 도시한 사시도이고, 도 4a는 종래의 열교환기에서 냉각공기의 유동장 영역을 도시한 이미지이고, 도 4b는 도 2의 열교환 효율 향상을 위한 냉각팬 및 덕트 구조물에서 제공한 냉각공기의 유동장 영역을 도시한 이미지이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 냉각팬 및 덕트 구조물(10)은 블로우 팬(100) 및 덕트(200)를 포함한다.

상기 블로우 팬(100)은 냉각공기를 상기 덕트(200)의 내부로 제공하는 것으로, 상기 블로우 팬(100)을 회전 구동시키는 별도의 모터(미도시)에 의해 회전하게 된다.

상기 블로우 팬(100)은 밀폐형으로 형성되어 개방형 회전팬 보다 소음 및 진동 성능이 우수하며, 상기 냉각공기가 열교환기(50)에 전달되기 전에 외부로 유출되는 현상을 최소화 할 수 있다.

상기 블로우 팬(100)에서 제공하는 상기 냉각공기는 상기 덕트(200)의 유로를 따라 유동하여 상기 열교환기(50) 내부의 압축공기를 냉각시킨다.

여기서, 상기 덕트(200)는 상기 냉각공기가 유동되는 복수의 튜브들(210)을 포함한다.

상기 튜브들(210) 각각은 상기 열교환기(50) 내부에서 압축공기가 유동되는 방향을 따라 연장되며, 상기 튜브들(210)은 상기 연장방향에 수직인 방향으로소정거리 이격되며 복수개가 배열된다.

또한, 상기 튜브들(210) 각각에는 상기 냉각공기가 유동되는 방향으로 배열되어 상기 유동되는 냉각공기를 외부로 배출시키는 복수의 공기통과공들(211)이 형성된다.

그리하여, 상기 냉각공기는 상기 공기통과공들(211)을 통과하여 상기 열교환기(50) 내부로 유입되어 상기 냉각공기의 유동방향과 동일한 방향으로 유동되는 상기 압축공기를 냉각시키게 된다.

한편, 이 경우, 상기 공기통과공들(211)은 서로 일정한 간격으로 배열되고, 원형 또는 타원형으로 형성되어 상기 열교환기(50) 방향으로 개구되며, 상기 공기통과공들(211)의 형성 개수 및 위치는 다양하게 변경될 수 있다.

이러한 상기 공기통과공들(211)의 구조는 유입하는 상기 냉각공기가 상기 열교환기(50) 내에 와류를 형성하는데 기여하며, 상기 냉각공기의 유동을 원활하게 하여 보다 효율적인 열전달이 가능하도록 한다.

또한, 상기 공기통과공들(211)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 냉각공기가 유동되는 방향으로 갈수록 점차적으로 크기가 감소되며 배열된다. 즉, 상기 공기통과공들(211)은 상기 튜브들(210) 각각의 길이방향을 따라 일단에서 타단으로 가면서, 상기 냉각공기가 유동되는 방향으로 점차적으로 크기가 축소된다.

이 경우, 상기 압축공기는 상기 열교환기(50) 내부에서 상기 공기통과공들(211)의 크기가 감소하는 방향으로 유동된다.

도 3을 참조하면, 고온의 상기 압축공기는 상기 열교환기(50)의 입구(51)를 통해 상기 열교환기(50)의 내부로 유입되어 상기 공기통과공들(211)을 통과한 상기 냉각공기와의 열 교환에 의해 냉각된 후 상기 열교환기(50)의 출구(52)를 통해 배출된다. 즉, 여기서 상기 압축공기의 온도는 상기 입구(51) 부분에서 상기 출구(52) 부분에 비하여 상대적으로 높게 형성된다.

따라서, 상기 압축공기의 유입 방향을 기준으로 전측에 위치하는 상기 튜브들(210)의 전측 부분은 후측에 위치하는 후측 부분에 비하여 상대적으로 고온의 상기 압축공기와 먼저 접하여 열 교환이 이루어지게 된다.

이때, 상기 공기통과공들(211)은 전술한 바와 같이, 상기 공기가 유동되는 방향으로 갈수록 점차적으로 크기가 축소되어 배열된다. 즉, 상기 튜브들(210)의 전측 부분에 위치한 상기 공기통과공들(211)의 직경이 상기 후측 부분에 위치한 상기 공기통과공들(211)의 직경보다 크게 형성됨에 따라, 상기 공기통과공들(211)을 통과하는 상기 냉각공기의 유량은 전측 부분에서 후측 부분에 비하여 상대적으로 크며 상기 후측 부분으로 갈수록 점차적으로 유량이 줄어든다.

그리하여, 상기 입구(51) 부분에서 상대적으로 높은 온도를 갖는 상기 압축공기에 대하여 상대적으로 많은 양의 냉각공기를 제공할 수 있고, 이에 따라 상기 압축공기에 대한 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 블루우 팬(100)으로부터 근접한 부분에서 외부로 유출되는 냉각공기의 양을 상대적으로 많도록 유지하여, 상기 냉각공기의 흐름을 보다 원활히 하고 상기 냉각공기의 유량을 증대시킬 수 있으며, 이와 같이 상기 냉각공기의 유량이 증가함에 따라, 상기 압축공기와의 열전달이 충분히 이루어지도록 하여 전체 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 블로우 팬(100)에 의해 유입되는 상기 냉각공기의 유속은 유동되면서 점차적으로 떨어지므로 상기 전측 부분에서 상기 후측 부분에 비하여 빠르게 형성되며, 상기 후측 부분으로 갈수록 점차적으로 유속이 감소한다.

이에 따라, 상기 압축공기는 상기 전측 부분에서 상대적으로 유속이 빠르고 유량이 많은 상기 냉각공기와의 열 교환을 수행할 수 있다.

이와 같이, 상기 압축공기의 유동 방향을 따라 배열되는 상기 공기통과공들(211)의 개구면적을 조절함에 따라 상기 냉각공기의 유량 및 유속을 차등적으로 구성할 수 있으며, 상기 튜브들(210)의 전측 부분에서 상기 후측 부분에 비하여 열교환이 활발히 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 상기 압축공기와 먼저 만나는 부분에서 상기 냉각공기의 흐름을 보다 원활히 하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있으며, 고온영역에서의 상기 압축공기의 온도를 효과적으로 낮춰 고온 영역에서의 열교환 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 튜브들(210)의 일단은 서로 연결된 형태이며, 상기 튜브들(210) 및 상기 블로우 팬(100)은 제1 연결관(310)을 통해 연결된다. 즉, 상기 제1 연결관(310)은 상기 블로우 팬(100)의 일단에 연결되고 연장되어 상기 튜브들(210)의 서로 연결된 일단과 연결된다. 그리하여, 상기 튜브들(210)의 모든 일단은 상기 제1 연결관(310)과 연결되어 냉각공기를 제공받는다.

상기 튜브들(210) 각각의 끝단(즉, 타단)에는 상기 튜브들(210) 중 서로 인접한 튜브들의 타단을 서로 연결하여 상기 튜브들(210)을 하나의 관으로 연결시키는 제2 연결관들(320)이 구비된다.

즉, 상기 제2 연결관들(320)은 서로 인접한 한 쌍의 튜브들의 타단을 연결하며, 상기 튜브들의 타단은 한 쌍씩만 서로 연결된다. 또한, 상기 제2 연결관들(320)에도 앞서 설명한 공기통과공들(211)이 형성된다.

여기서, 상기 제2 연결관들(320)은 상기 튜브들(210) 각각을 유동하는 상기 냉각 공기의 압력 강하를 최소화하기 위해 적절 곡률을 가지는 형태로 구성된다. 예를 들어, 상기 제2 연결관들(320)은 도시된 바와 같이 'U'자형으로 형성될 수 있다.

이와 같이, 상기 제2 연결관들(320)을 통해 상기 복수의 튜브들(210)을 하나의 관으로 형성함에 따라, 상기 블로우 팬(100)으로부터 상기 튜브들(210) 내부로 유입되는 상기 냉각 공기가 전부 상기 공기통과공들(211)을 통해 외부로 빠져나갈 수 있으며, 상기 튜브들(210)의 끝단 및 상기 끝단과 연결된 상기 제2 연결관들(320) 각각에서 균일 압력이 발생되기 때문에 상기 튜브들(210) 간의 총 유량이 일정하게 유지될 수 있다.

따라서, 전체 유량을 일정하게 유지하면서도 상기 압축공기가 머무는 고온부 영역에 유량과 유속을 집중할 수 있는 효과가 있어 전체적인 열전달 효율은 향상시킬 수 있다.

또한, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 튜브들(210)은 서로 균일한 간격으로 배열되며 연장되므로, 전체적으로 본 실시예에 의해 제공되는 냉각공기의 유동장 영역은 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기(50)의 영역 전체를 커버할 수 있도록 확장될 수 있다.

이는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 종래 구조에서, 열교환기의 중심을 기준으로 원형 영역의 냉각공기 유동장 영역을 형성하는 것과 대비하여 영역이 확대되어, 보다 균일하고 효과적인 냉각을 수행할 수 있는 효과를 가져올 수 있다.

본 실시예들에 의하면, 기존의 공기압축기의 열교환기에 쓰이고 있는 회전 팬 타입의 냉각팬 대신 밀폐형 타입의 블로우 팬을 구성함에 따라, 블로우 팬에 의해 공급되는 냉각 공기의 유동장을 균일하게 형성할 수 있다.

특히, 블로우 팬은 밀폐형으로 형성되기 때문에 개방형 회전팬 보다 소음 및 진동 성능이 우수하며, 냉각공기가 열교환기에 전달되기 전에 외부로 유출되는 형상을 최소화 할 수 있다.

또한, 열교환기 온도 분포에 맞게 고온 영역에서 냉각공기의 유량을 높게 하고 저온 영역으로 갈수록 유량을 줄일 수 있어 열교환 효율을 향상시킬 수 있으며, 이와 같이 압축공기 유동의 온도 특성에 따라 냉각공기의 유량을 조절함에 따라, 열교환기 내부의 모든 영역에서 열교환 성능을 확보할 수 있다.

나아가, 열교환 효율을 증가시킴으로써 이에 따라 열교환기의 사이즈 축소가 가능하여 열교환 시스템의 경량화가 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 블로우 팬 200 : 덕트
210 : 튜브들 211 : 공기통과공들
310 : 제1 연결관 320 : 제2 연결관

Claims (8)

1. 냉각공기를 제공하는 블로우 팬; 및
   상기 블로우 팬에서 제공한 냉각공기가 유동되는 복수의 튜브들을 포함하는 덕트를 포함하고,
   상기 튜브들 각각에는,
   상기 유동되는 냉각공기를 외부로 배출시키는 복수의 공기통과공들이 형성된 것을 특징으로 하는 냉각팬 및 덕트 구조물.
2. 제1항에 있어서, 상기 공기통과공들 각각은,
   원형 또는 타원형으로 형상으로 형성되어 열교환기 방향으로 개구되는 것을 특징으로 하는 냉각팬 및 덕트 구조물.
3. 제1항에 있어서, 상기 공기통과공들은,
   상기 냉각공기가 유동되는 방향으로 갈수록 점차적으로 크기가 감소되며 배열되는 것을 특징으로 하는 냉각팬 및 덕트 구조물.
4. 제3항에 있어서,
   압축공기는 열교환기 내부에서 상기 공기통과공들의 크기가 감소하는 방향으로 유동되는 것을 특징으로 하는 냉각팬 및 덕트 구조물.
5. 제1항에 있어서,
   상기 튜브들 각각은 열교환기 내부에서 압축공기가 유동되는 방향을 따라 연장되며,
   상기 튜브들은 상기 연장방향에 수직인 방향으로 소정거리 이격되며 복수개가 배열되는 것을 특징으로 하는 냉각팬 및 덕트 구조물.
6. 제5항에 있어서,
   상기 튜브들의 일단은 서로 연결되고,
   상기 튜브들의 서로 연결된 일단과 상기 블로우 팬을 연결하여 냉각공기가 제공되는 제1 연결관을 더 포함하는 냉각팬 및 덕트 구조물.
7. 제6항에 있어서,
   상기 튜브들 중 서로 인접한 튜브들의 타단을 서로 연결하는 제2 연결관들을 더 포함하며,
   상기 제2 연결관에는 상기 공기통과공들이 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각팬 및 덕트 구조물.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제2 연결관들 각각은 'U'자 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 냉각팬 및 덕트 구조물.

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