KR100511380B1 - 험프형플레이트핀열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 플레이트핀(plate fin) 열교환기는, 험프형 플레이트핀의 적층에 대략 직각으로 관통하여 배치되는 복수의 튜브를 가진다. 플레이트핀은 튜브를 수용하는 복수의 개구를 가진다. 이들 개구는 열에 배치되고, 개구를 둘러싸는 주름이 없는 콜러(collar)에 의하여 형성된다. 길고 짧은 다수의 사다리꼴 보강비드가 플레이트에 일체로 되어 개구의 열사이에 배치된다. 개구의 열은 플레이트핀의 아크형 험프의 열과 일치한다.

Description

험프형 플레이트핀 열교환기 {HUMPED PLATE FIN HEAT EXCHANGE}

본 발명은 플레이트핀 열교환기, 특히 이러한 열교환기에 사용된 험프형(humped) 플레이트핀에 관한 것이다.

플레이트핀 열교환기는 잘 알려져 있다. 일반적으로 그들은 평행으로 이격된 다수의 적층 플레이트로 제조된 코어를 포함한다. 플레이트는 정렬된 개구를 가지고, 이를 관통하여 튜브가 플레이트의 평면에 대하여 일반적으로 직각으로 배치된다. 튜브는 상호 연통되어 제1 유체를 열교환기를 통하여 반송한다. 제2 유체, 일반적으로 공기는 적층 플레이트 사이로 흐른다. 핀과 튜브를 통한 열교환에 의하여 이들 유체 사이에 열교환이 발생한다.

플레이트핀을 둘러싸는 유체에 노출된 플레이트핀의 표면적을 최대로 하고, 이 유체의 난류를 증대함으로써 열교환의 증대가 달성될 수 있다. 이것은 도 1에 나타낸 바와 같이, 플레이트핀(10)에 요철의 파형부를 형성함으로써 실행된다. 도 2는 종래기술의 파형부(11)를 나타낸다. 이 방식으로 표면적을 증대하는 데는 플레이트핀의 성능을 저감시킬 수도 있다는 다수의 결점이 있다. 이들 결점은, 파형부(11)로 인하여 하나의 평면내에 플레이트핀(10)의 박형화 증대, 코어의 구성중 손상에 대한 민감성 증가, 및 불균일한 코어 형성의 상당한 가능성을 포함한다. 이들 결점은 각각 제조비용의 증가 및/또는 열교환기의 효율을 저감할 수 있다.

튜브와 핀 사이의 연결이 열교환성능에 영향을 주는 다른 요인이다. 튜브와 핀을 밀착연결하면 열교환기의 성능이 향상된다. 따라서, 튜브의 핀에의 양호한 접합, 예를 들면 양호한 납땜조인트가 매우 바람직하다.

다수의 플레이트핀 열교환기에서는, 튜브(12)를 플레이트에 정렬된 튜브개구(13)를 통하여 밀어넣는다. 일단 밀어넣으면, 튜브는 이른바 "불릿(bullet)"을 밀어넣거나 또는 심봉을 각 튜브를 통하여 넣음으로써 기계적으로 확대된다. 따라서, 튜브의 측벽이 주위의 핀에 비탄성적으로 근접하게 되어 양호하게 접합된 조인트의 형성이 가능하게 되고, 이로써 핀-튜브의 계면에 걸쳐 열교환이 양호하게 된다.

그러나 어떤 경우에는 튜브의 확장은 실행할 수 없거나 또는 불가능하기도 하다. 예를 들면, 수백개의 튜브(12)를 가지는 종래기술의 다수 열의 열교환기에 있어서는, 튜브의 수가 많기 때문에 이 튜브의 확장은 전혀 실행할 수 없다. 튜브가 딤플면을 가지거나, 그렇지 않으면 내부 난류수단 또는 보강웨브가 배치되는 경우, 불릿은 딤플을 편평하게 하여 그들이 제공하는 난류수단 효과를 없애거나 또는 웨브를 파손하여 그들이 제공하는 내압에 대한 강도를 약화시키지 않고는 튜브를 통하여 밀어넣을 수 없다. 따라서, 양호한 납땜으로 튜브를 핀에 확실하게 결합하는 데 필요한 다른 방안이 시도되고 있다.

예를 들면, 종래기술의 플레이트핀 개구는 콜러(14)에 의하여 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸일 수 있다. 도 3에 나타낸 종래기술의 콜러(14)는, 이 콜러(14)가 핀(10)과 만나는 곳에 주름이 생긴다. 이들 주름(15)은 플레이트핀(10)의 콜러(14)가 튜브(12)의 외주와 완전하게 접하는 것을 방해하고, 이것은 접하지 않는 곳에 땜납 또는 땜질메탈이 없으므로 열교환기 코어의 성능이 저하될 수 있다.

이들 및 다른 이유로 볼 때, 종래기술의 열교환기의 성능은 소정의 크기, 중량 및 제조비용에 대하여 완전하게 만족스럽지는 않다.

본 발명은 상기 과제중 하나 이상을 해소하는 것이다.

본 발명의 목적은, 소정의 크기의 종래기술의 열교환기와 대체할 수 있고, 종래기술의 유니트에 비하여 열전달 성능이 보다 큰 열교환기를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은, 대체가능한 종래기술의 열교환기보다 중량이 적은 소정의 크기 및 성능레벨의 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 플레이트핀의 튜브개구를 둘러싸는 콜러가 종래기술의 플레이트핀보다 주름이 적은 플레이트핀 열교환기를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은, 종래기술의 플레이트핀으로 구성된 코어를 대체하는 신규의 코어 구성의 다양한 선택을 제조자에게 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 핀의 강성의 감소없이 표면적이 증가된 플레이트핀으로 구성된 플레이트핀 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일양태에 있어서, 복수의 튜브 및 플레이트핀을 가지는 플레이트핀 열교환기로서, 각 플레이트핀은, 최소한 2개의 이격된 열에 배치된 복수의 아크형 변형부와, 그 안에 배치된 복수의 튜브개구를 가지는 플레이트핀 열교환기를 개시(開示)한다. 플레이트핀은 또한 아크형 변형부 사이에 배치된 사다리꼴 단면의 복수의 보강비드(bead)를 가진다.

본 발명은 다음에 개시된 특정의 열교환기에 한정되는 것이 아니고, 다음에 개시된 칫수는 단지 예시 및 이해를 용이하게 하려는 것임을 이해하여야 한다.

다음에, 본 발명의 실시예에 대하여 도면에 따라서 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 일실시예의 열교환기(16)를 도 4에 나타내고, 이것은 다수의 적층 플레이트핀(20)을 관통하여 배치되는 복수의 튜브(18)를 포함하는 코어를 가진다. 튜브(18)는 헤더 및 탱크(도시하지 않음)에 의하여 상호 연통하여 배치되어, 소스로부터의 제1 유체를 수용하는 입구 및 제1 유체를 튜브(18)로부터 열교환기의 외측으로 배출하는 출구를 가지는 튜브(18)의 관통로가 형성된다.

일실시예에 있어서, 튜브(18)의 장축의 크기는 0.625"(5/8"), 단축의 크기는 0.076"이고, 평활한 튜브 또는 높이 0.014"의 딤플을 가진 요철의 튜브일 수 있다. 그러나, 당해 기술분야의 숙련자는 크기를 원하는 대로 다르게 하여 사용할 수 있음을 용이하게 알 것이다. 튜브(18)는 상호 평행이고, 일반적으로 이것에 직각인 다수의 적층 플레이트핀(20)을 관통하여 배치된다. 튜브(18)는 전형적으로 그들의 측면에 딤플(도시하지 않음)을 가진다. 딤플은 튜브의 중심에 향하여 볼록하게 형성되고, 그 안에 흐르는 제1 유체에 난류를 유도한다. 물론, 난류가 증가하면 열교환이 향상된다는 것은 잘 알려져 있다. 그러나, 편평한 튜브, 즉 딤플이 없는 튜브도 또한 사용될 수 있고, 본 발명의 하나의 양태로 사용하기 위하여 특히 고안된 것임을 인식하여야 한다.

플레이트핀은 험프형 플레이트핀(20)으로서 두께 약 0.003"의 구리판으로 제조되고, 전체 플레이트핀(20)의 표면에 걸쳐서 동일하게 이격된 열(24)에 정렬된 다수의 아크형 변형부(22)를 가진다(도 5 참조). 아크형 변형부(22)는 롤링 및/또는 스탬핑공정에 의하여 형성된 험프이고, 중심점에 대하여 반경 0.3125" 및 플레이트핀(20)의 평면상에 높은 점 0.076"을 가진다(도 6 참조).

튜브개구(28)는 아크형 열(24)내에 균일한 간격으로 배치된다. 튜브개구(28)는 0.3853"만큼 서로 이격되고, 대응하는 튜브(18)의 크기와 같아 밀착되게 끼워진다. 도 5에 있어서, 각 튜브개구(28)는 장축의 크기가 0.6300±0.0020", 단축의 크기가 0.080±0.0020"이다. 플레이트핀튜브는 밀착되게 끼워져 연결되고, 플레이트핀(20)의 콜러(30)는 튜브(18)와 대략 동일면이다. 즉, 개구(28)내의 각 튜브(18)와 콜러(30)는 외주에서 접하는 것이 바람직하다.

튜브개구(28)는 플레이트핀(20)에 따라서 스탬핑다이를 롤링함으로써 형성되어, 도 6에 나타낸 바와 같이 튜브개구(28) 및 이를 둘러싸는 콜러(30)를 스탬프한다. 스탬핑공정중에, 플레이트핀(20)의 일부가 플레이트핀(20)의 평면으로부터 벤드되어 콜러(30)로서 작용한다. 콜러(30)는 주름이 없는 것이 필수이고, 개구(28)의 측면 전체에 따라서 배치된다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 개구의 장축에 따라서 아크형 열(24)의 형상에 따라서 콜러(30)가 배치된다. 콜러(30)의 단축의 부분(31)은, 플레이트핀(20)의 평면으로부터 일반적으로 3각형상, 실질적으로는 도 9에 나타낸 바와 같이 플레이트핀(20)의 전체평면에 직각으로 하향하여 배치된다.

사다리꼴 단면을 가진 일련의 피라미드형상의 보강비드가 플레이트핀(20)의 아크형 열(24) 사이에 배치된다. 짧은 보강비드(42) 및 긴 보강비드(44)가 아크형 열(24)사이의 열(40)에 배치되고, 플레이트핀(20) 평면 0.0160" + 0.0020" 위에 배치된다. 짧은 보강비드(42)는 0.0880" × 0.2473"의 장방형 베이스와 0.1993" × 0.0400"의 캡을 가지고, 긴 보강비드(44)는 0.3389" × 0.0780"의 베이스와 0.2909" × 0.0300"의 캡을 가진다. 길고 짧은 보강비드(42, 44) 양자 모두는 아크형 열(24)사이의 열(40)에 배치된다(도 7 참조). 긴 보강비드(44)는 튜브개구(18)의 장축에 평행으로 길이방향으로 배치되고, 짧은 보강비드(42)는 긴 보강비드(44)에 직각으로 그리고 그 사이에 배치된다.

튜브(18)는 플레이트핀(20)의 튜브개구(28)를 통하여 다음과 같이 삽입된다. 먼저, 수개의 플레이트핀(20)을 코어 구성중에 그들을 지지하는 핀지그에 배치한다. 대응하는 튜브개구(28)가 정렬되도록 핀(20)을 정렬한다. 다음에, 튜브(18)를 정렬된 튜브개구(28)에 밀어넣고, 험프형 핀의 볼록면측으로부터 삽입된다. 전술한 바의 튜브개구(28) 및 튜브(18)의 크기로 인하여, 튜브-플레이트핀 연결이 밀착 결합하여 이루어진다. 아크형 변형부(22)에 설정된 튜브개구(28) 둘레에 콜러를 형성하여 실질적으로 주름이 없는 콜러(30)를 제공한다. 이로써, 콜러(30)는 튜브(18)와 연속으로 접한 상태로 배치된다. 이렇게 연결함으로써 열교환기 코어의 안정성을 증대시키고, 이러한 구성을 가진 코어의 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 열교환기 코어의 향상된 열교환성능은, 컴퓨터 열교환모델 및 테스트 결과에 의하여 확인된다. 도 10 내지 도 12에서의 그래프는 종래기술의 플레이트핀(도 1 참조)을 가진 열교환기 코어의 성능을 전술한 험프형 플레이트핀(20)(도 5 참조)을 가진 것과를 비교한 그래프이다. 특히, 각 그래프는 종래기술의 7개의 튜브열 플레이트핀(커브 A)으로 구성된 열교환기와 험프형 4개 및 5개의 튜브열 플레이트핀(20)을 가진 열교환기의 열교환성능을 비교한 그래프이다. 험프형 플레이트핀(20)을 사용하는 열교환기는 평탄한 튜브(PT) 및 딤플이 있는 튜브(DT) 모두를 가지는 것으로서 다음과 같다.

컴퓨터로 구한 데이터포인트를 "0"로 나타내고, 실제의 테스트데이터로부터 취한 데이터포인트를 "+"로 나타낸다.

열교환성능을 품질관리 btu(QCBTU)로 도 10 내지 도 12에 나타낸다. QCBTU값은 3개의 표준 팬커브(fan curve)의 각각에 대한 동작점에서 배제된 열량을 함께 가함으로써 구해진다. 배제된 열량은, 냉매의 평균온도와 공기의 유입온도간의 차이인 100℉의 유입온도포텐셜에 따른다. 얻어진 QCBTU는 코어의 전반적인 성능을 나타내는 하나의 값이고, 100℉ 포텐셜에서 BTU/min/Ft² 표면적으로 나타낸다. 유체의 타입 및 총 유량은 비교될 각각의 코어타입에 대하여 동일하여야 한다.

임의의 소정 수의 튜브열(24) 및 인치당 핀(FPI)에 있어서, 험프형 플레이트 핀부재(20)를 가지는 코어의 열교환성능이 종래기술의 핀부재(10)로 구성된 코어의 열교환성능보다 양호함을 주목하여야 한다. 또한, 인치당 핀의 수가 증가할 때, 어느 쪽의 핀으로 제조되거나 코어의 열교환성능이 향상된다. 인치당 핀의 수가 증가할 때, 신규의 험프형 플레이트핀(20)의 구성을 가진 코어는 종래기술(도 1 참조)의 구성을 가진 것에 비하여 열교환성능이 크게 향상됨을 나타낸다.

데이터로부터, 본 발명의 험프형 플레이트핀부재(20)가 종래기술의 플레이트핀(10)에 비하여 임의의 소정의 코어구성으로도 열교환성능이 높게 달성됨을 나타낸다.

또한, 도 10 내지 도 12에서는 물의 유량이 많을 때 딤플이 있는 튜브를 사용하면 성능이 약간 향상됨을 나타낸다. 도 13은 한 면에는 딤플(50)을, 다른 면에는 딤플(52)을 가지는 평탄한 튜브(12)를 나타낸다. 딤플(50, 52)은 튜브의 외측에서 오목하다. 또한, 한 면의 딤플(50)은 다른 면의 딤플(52)에 대하여 어긋나도록 배열되고, 열교환유체를 튜브내의 꼬불꼬불한 경로를 흐르게 하여 난류를 증대시킨다. 그러나, 50/50 에틸렌 글리콜/물을 냉매로서 사용할 때, 성능은 실질적으로, 특히 유량이 적을 때는 딤플이 있는 튜브의 사용으로 향상된다. 어떠한 결합의 핀/튜브를 라디에이터용으로 사용하더라도 이들 결론은 유지된다.

이들 커브는, 종래기술의 라디에이터코어를 본 발명의 험프형 플레이트핀(20)으로 구성된 코어로 대체할 때 동일하거나 또는 보다 양호한 성능을 달성하는 여러 가지 선택이 제조자에게 개방되어 있음을 나타낸다. 예를 들어 도 11에서는, 50/50 에틸렌 글리콜/물의 192 lbs/Min의 유량을 가지는 인치당 11개의 핀의 종래 기술의 코어는 인치당 9개의 핀 4열의 편평한 튜브코어 또는 인치당 7개의 핀 5열의 편평한 튜브코어로 대체할 수 있다. 딤플이 있는 튜브를 사용하는 경우, 인치당 핀의 수 및 튜브열의 수는 더 저감될 수 있다. 이에 따른 코어는 종래기술의 코어보다 더 얇고 더 경량일 수 있다. 이것은 또한 제조 및 운송비용이 확실하게 저감된다.

전술한 바에 의하면, 본 발명에 따른 험프형 플레이트핀으로 제조된 열교환기는 종래기술에 비하여 많은 이점을 제공함을 알 것이다. 먼저, 험프형 핀으로 구성된 열교환기는 동일한 크기 및 중량의 종래기술의 열교환기와 대체할 수 있고, 종래기술의 유니트보다 더 양호한 열전달성능을 제공한다. 또한, 소정의 열교환기 성능레벨의 험프형 핀 열교환기는 동일한 성능의 종래기술의 열교환기에 비하여 중량이 더 가볍다. 또한, 험프형 플레이트핀 구성은, 플레이트핀을 가로질러 연장되는 파형부가 아니고 보강비드를 사용하기 때문에, 험프형 플레이트핀은 종래기술의 플레이트핀에 비하여 안정성 및 강성이 더 높다. 이것은 열교환기 구성 중에 발생하는 코어의 결함 및 지연을 감소하게 된다. 이들 보강비드는 또한 제2 유체의 난류를 증대시킬 수도 있다.

전술한 특정 실시예에 대한 개시는 본 발명에 따른 광범위한 개념을 예시하려는 것이다.

도 1은 통상 사용되는 종래기술의 플레이트핀(plate fin)의 평면도이다.

도 2는 도 1의 선 2-2에 따른 단면도이다.

도 3은 도 1의 선 3-3에 따른 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따라서 제조된 열교환기 코어의 도면이다.

도 5는 본 발명에 따라서 제조된 플레이트핀의 평면도이다.

도 6은 도 5의 선 6-6에 따른 단면도이다.

도 7은 도 5의 선 7-7에 따른 단면도이다.

도 8은 도 6에 나타낸 하나의 콜러(collar)의 확대도이다.

도 9는 도 5의 선 9-9에 따른 단면도이다.

도 10은 인치당 핀의 수가 변할 때, 각종 코어의 전체적인 열교환기 성능을 튜브에 물을 통과시켜 비교한 그래프이다.

도 11은 50/50 에틸렌 글리콜/물 혼합물이 제1 유량일 때의 도 10에 나타낸 동일한 비교의 그래프이다.

도 12는 50/50 에틸렌 글리콜/물 혼합물이 제2 유량일 때의 도 10 및 도 11에 나타낸 동일한 비교의 그래프이다.

도 13은 딤플이 있는 튜브의 일부평면도이다.

Claims (7)

1. 복수의 튜브 및 복수의 플레이트핀으로 이루어지는 플레이트핀 열교환기로서, 상기 플레이트핀은,

   상기 플레이트핀에 길이방향으로 실질적으로 걸쳐서 최소한 2개의 이격된 열에 배치되고, 상기 튜브를 수용하는 형상의 콜러(collar)가 있는 복수의 튜브개구를 가지는 복수의 아크형 변형부 및

   상기 튜브개구의 열사이의 상기 핀내에 서로 직각으로 배열되는 복수의 보강비드

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 플레이트핀 열교환기.
2. 제1항에서,

   상기 각 튜브개구는 상기 콜러에 의하여 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 플레이트핀 열교환기.
3. 제1항에서,

   상기 보강비드는 상기 플레이트핀의 평면으로부터 융기되어 있는 것을 특징으로 하는 플레이트핀 열교환기.
4. 제2항에서,

   상기 튜브는 딤플을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 플레이트핀 열교환기.
5. 복수의 튜브 및 복수의 플레이트핀으로 이루어지는 플레이트핀 열교환기로서, 상기 플레이트핀은,

   플레이트핀에 길이방향으로 실질적으로 걸쳐서 최소한 2개의 이격된 열에 배치되고, 상기 튜브를 수용하는 장단의 축을 가진 복수의 타원형상의 콜러가 있고, 각 열에 따라서 동일한 간격으로 이격되는 튜브개구를 가지는 복수의 아크형 변형부 및

   상기 튜브개구의 열사이의 열에 배치되고, 상기 튜브개구의 장축에 대해 일반적으로 평행하게 배치된 긴 보강비드와, 상기 긴 보강비드에 대해 직각으로 상기 긴 보강비드 사이에 배치된 짧은 보강비드를 포함하는 사다리꼴 단면의 복수의 보강비드

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 플레이트핀 열교환기.
6. 제5항에서,

   상기 짧은 보강비드는 인접하는 튜브열의 상기 튜브개구 사이에 배치되고, 상기 긴 보강비드는 상기 인접하는 아크형 열 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 플레이트핀 열교환기.
7. 제5항에서,

   상기 튜브는 딤플을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 플레이트핀 열교환기.

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