KR20110004738A - 핀 튜브 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 관의 내부를 흐르는 유체와 관에 부착된 금속판 재질의 방열핀을 지나며 관 외부를 흐르는 유체 사이에 열을 교환하는 열교환기로서, 상기 방열핀의 가장자리가 절곡되어 형성된 제1절곡면 및 상기 제1절곡면에서 일정 거리 이격되어 상기 방열핀의 가장자리가 절곡되어 형성된 제2절곡면를 포함하고 있어서, 열교환기에 유입된 관 외부를 흐르는 유체가 열교환기를 통과하는 공기의 후류에서도 충분한 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것이 특징이다.

관, 방열핀, 절곡면, 열효율

Description

핀 튜브 열교환기{FIN TUBE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 핀 튜브 열교환기에 관한 것으로서, 구체적으로는 열교환기의 관에 부착되는 방열핀의 형상에 관한 것이다.

열교환기는 냉장고나 에어컨 또는 자동차 등 광범위한 분야에서 사용되며, 열에너지를 이용하는 기술분야에서 열교환기의 성능은 열교환기가 장착된 기계의 가격, 성능, 효율, 내구성 등에 영향을 미치는 중요한 요소이다.

그런데, 열교환기 중에서 유체를 대상으로 열전달을 하는 열교환기는 주요 열저항(열흐름을 방해하는 요소)이 관 외측에 있으므로 열저항을 줄이기 위하여 방열핀을 사용하고 있으며, 통상적으로 유체가 흐르는 유체관에 방열핀이 부착되고, 이 방열핀 주위로 유체가 유입되어서, 상기 관 내부의 유체와 방열핀 주위의 유체가 서로 열을 교환하게 된다. 이때 방열핀의 면적을 증가시키면 열전달 양이 증가될 것이나 면적의 증가는 재료비 등 비용이 증가하고 열교환기 전체적인 형상에서 한계가 있을 수밖에 없으므로, 동일한 방열핀의 면적을 가지고서도 열전달 효율을 높일 수 있는 방법이 필요하였다.

일반적으로 관과 방열핀을 사용한 열교환기에서는 관 및 방열핀은 주로 원형 으로 형성되고, 상기 방열핀이 상기 관에 수직으로 부착된 형상으로 사용되었다. 그러나, 이 경우 열교환기로 유입된 유체의 후류, 즉 열교환기로 유입된 유체가 관이나 방열핀과 접촉한 후 지나갈 때 관의 뒷쪽 부분이 열전달 취약구역이다. 이것은 관 을 통과한 후류의 유체에서 발생하는 와류 등에 기인하는 것이다.

그러므로 열교환기의 효율을 높이고 열교환기가 장착되는 기기의 에너지 효율을 높이기 위해서는 상기 원형의 관과 방열핀의 후류에서 발생하는 와류를 최소화하여 열전달 양을 높일 수 있는 방법이 필요하였다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 방열핀의 면적을 효과적으로 사용하면서 열전달의 성능을 높이기 위한 것이다. 구체적으로는 열교환기에 유입된 유체가 열교환기를 통과하면서 후류에서도 충분한 열교환이 이루어질 수 있도록 하는 관과 방열핀의 형상을 제공하는 것이다.

상기 목적을 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 열교환기는 내부에 유체가 흐르는 관 및 상기 관에 형성된 복수개의 방열핀을 구비하여, 관 내부를 흐르는 유체와 상기 방열핀을 지나는 유체 사이에 열을 교환하는 열교환기로서, 상기 방열핀의 가장자리가 절곡되어 형성된 제1절곡면; 및 상기 제1절곡면에서 일정 거리 이격되어 상기 방열핀의 가장자리가 절곡되어 형성된 제2절곡면;을 포함한다.

그리고 상기 방열핀은 일반적으로 금속재질의 얇은 판으로서 상기 관에 수직 하게 형성된다.

또한, 상기 제1절곡면과 제2절곡면은, 상기 방열핀에서 동일한 방향으로 절곡되어 형성되며, 상기 관의 중심축에 수직인 선을 기준으로 서로 대칭으로 형성하는 것을 원칙으로 한다.

상기 제1절곡면과 제2절곡면 사이의 거리는, 열교환기에 유입되는 유체가 흐르는 방향으로 보아 상류에서 하류로 갈수록 짧아지게 형성된다.

상기 제1절곡면 또는 상기 제2절곡면이 상기 방열핀의 상부면과 이루는 각도는 1도부터 90도로 이루어진다.

그리고 상기 방열핀은 원형, 타원형일 수 있고, 또는 마름모형이거나 삼각형일 수 있으며, 제작 가능한 측면에서 라운드나 컷팅처리 될 수도 있다.

또한, 본 발명의 일실시예는, 내부에 유체가 흐르는 관 및 상기 관에 형성된 방열핀을 구비하여, 관을 흐르는 유체와 방열핀을 지나는 유체 사이에 열을 교환하는 열교환기로서, 상기 방열핀은 타원형이며, 상기 타원형 방열핀에서 타원의 장축이 열교환기로 유입되는 유체의 흐름에 수직하게 배치되는 열교환기를 제공할 수 있다.

상기 구성에 의해서, 본 발명에 따른 열교환기에 구비된 상기 절곡면이 열교환기를 지난 유체의 흐름을 열전달 취약구역인 관의 후류로 유체의 흐름을 모아주는 역할을 하기 때문에 관의 후류의 핀 영역에서도 열전달이 원활하게 이루어지고, 결과적으로 열전달 성능이 높아지는 유리한 효과가 발생한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예에 대해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기 일부분의 사시도이며, 도 2는 도 1의 평면도이며, 도 3은 도 2의 A-A 단면도이다.

상기 도 1 내지 도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(100)는 내부에 유체가 흐르는 관(10)과 상기 관에 형성된 복수개의 방열핀(20)을 포함한다. 상기 관(10)의 내부에는 유체가 유동하고 있으며, 상기 관 및 상기 방열핀(20)의 외부에는 또 다른 유체가 흐르고 있어서, 상기 관 내부를 흐르는 유체와 방열핀 외부를 지나는 유체의 온도차에 의해서 서로 열을 교환하게 된다.

그리고 상기 관(10)은 통상적으로 단면이 원형인 원통형으로 이루어지며, 상기 방열핀(20)은 상기 관에 일정한 각도를 이루며 기울어져서 부착될 수도 있으나, 바람직하게는 관에 수직하게 부착된다. 또한, 상기 방열핀은 일반적으로 금속재질로 이루어지고 얇은 판의 형상인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 일 실시예에서는 상기 방열핀(20)의 가장자리에는 일부가 절곡되어 형성된 제1절곡면(30)이 형성된다. 도 2에서 도시된 바와 같이, 상기 제1절곡면(30)은 상기 방열핀의 상부면과 일정한 각도(θ)를 이루도록 절곡되며, 상기 각도는 바람직하게는 1도부터 90도 각도를 이루도록 한다.

그리고 상기 제1절곡면(30)이 형성된 방열핀의 가장자리에서 일정 거리 이격된 위치에 방열핀의 가장자리가 절곡되어 제2절곡면(40)이 형성된다. 이때, 상기 제1절곡면과 제2절곡면은 상기 방열핀의 상측 또는 하측 중 어느 한쪽으로 동일한 방향(도 3a 참고)으로 형성될 수도 있고, 또는 제1절곡면(30)과 제2절곡면(40)이 서로 반대방향(도 3b 참고)으로 절곡된다. 그리고 상기 제1절곡면(30)과 제2절곡면(40)은 상기 관(10)의 중심축에 수직인 선을 기준으로 서로 대칭으로 형성된다. 즉, 도 2에서 도시된 바와 같이, 관의 중심축에 수직한 선 중에서 열교환기로 유입되는 (공기)유체의 흐름에 평행한 선을 기준으로 상기 제1절곡면과 제2절곡면은 서로 대칭인 형상으로 이루어지는 것을 기본으로 하지만, 제1절곡면과 제2절곡면의 각도는 약 10도 이내의 차이를 가질 수 있다. 제1절곡면(30)과 제2절곡면(40)이 서로 반대방향(도 3b 참고)으로 절곡된 경우에도 제1절곡면(30)과 제2절곡면(40)의 절곡된 각도는 서로 다를 수 있다.

또한, 상기 제1절곡면과 제2절곡면 사이의 거리는, 열교환기에 유입되는 유체가 흐르는 방향으로 보아 상류에서 하류로 갈수록 좁아지게 형성된다. 다시 말하면, 서로 대칭인 제1절곡면과 제2절곡면이 유체 흐름방향으로 보아 동일한 거리를 유지하고 있는 것이 아니라, 유체 흐름의 상류측에서는 제1절곡면과 제2절곡면 사이의 폭이 넓고 유체 흐름의 하류측에서는 폭이 좁게 형성된다. 이것은 도 2의 그림을 보면, 열교환기에 유입되는 유체가 입구에서는 이 거리가 D1이며, 이 유체가 방열핀을 떠나는 부위에서는 이 거리가 D2로 표시되어 있고, 이때 D1이 D2보다 큰 관계가 성립한다.

따라서 방열핀(30)으로 유입된 유체가 방열핀을 통과함에 따라 유동의 폭은 D1에서 D2로 점점 감소하게 된다. 그리고 방열핀 상부를 통과하는 유동의 폭이 점점 좁아짐에 따라 유속은 점점 빨라진다. 이렇게 방열핀을 통과하는 유체의 속도가 빨라진 상태로 통과하게 되면, 관이나 방열핀의 뒤쪽 부분(위에서 설명한 열전달 취약구역)으로 유체의 흐름이 모이는 현상이 발생하고, 따라서 열전달이 유동의 후류에서도 원활하게 이루어지고, 결과적으로 열교환기의 효율이 높아지게 되는 것이다.

이것은 도 4에서 유체의 흐름 모습을 보아도 알 수 있다. 도 4a는 원형관과 원형의 방열핀을 가진 열교환기에서 방열핀에 절곡면을 형성하지 않은 경우에, 열교환기를 통과하는 유체의 유동 모습이며, 도 4b는 도 4a와 유사한 열교환기로서 방열핀에 제1절곡면 및 제2절곡면을 형성하여 유체를 통과시킨 경우 유체의 유동 모습이다.

그림을 보면, 원형의 관 후류에 발생하는 와류를 보면 도 4a의 경우에는 와류의 영역(S)이 상대적으로 크게 형성됨을 알 수 있다. 그러나 도 4b를 보면 와류의 영역(S)이 크게 줄어들고 따라서 열전달이 촉진된다.

위와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 방열핀을 사용하면, 열교환기로 유입된 유체가 상류 뿐 아니라 후류에서도 원활한 열교환이 이루어져서 열교환 효율이 상승함을 알 수 있다. 실험에 의하면, 동일한 조건으로 열교환을 실시한 경우 방열핀에 제1 및 제2 절곡면을 형성한 경우가 그렇지 않은 경우보다 열전달 효율이 약 30%이상 상승하였음을 알 수 있었다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 전체적인 모습이다. 상기 관은 내부에 유체가 유동하면서 지그재그 형태로 서로 연결되어 있고, 관의 외주면에 본 발명에 따른 방열핀이 관을 따라 복수개 배치되어 있다. 그리고 방열핀의 제1절 곡면과 제2절곡면 사이의 폭이 큰 쪽이 유체의 입구 쪽을 향하게 배치된다.

위에서는 방열핀의 형상에 대해서 얇은 금속판이며 원형으로 이루어진 경우만을 설명하였다. 즉 원형의 금속판에 제1 및 제2 절곡면을 형성한 경우만을 설명하였다. 그러나 방열핀의 형상이 반드시 여기에 한정될 필요는 없으며, 다른 여러 가지 형상도 가능할 것이다. 도 6 내지 도 9에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기 방열핀의 형상을 보여주는 평면도이다.

도 6에서는 방열핀(60)의 형상이 타원형으로 이루어진 경우를 도시하고 있으며, 타원형의 가장자리에 제1절곡면(62) 및 제2절곡면(63)이 형성되어 있다. 본 실시예에서는 타원형의 방열핀은 타원의 장축이 유체의 흐름에 수직한 방향으로 관에 배치되는 것이 바람직하다.

도 7에서는 방열핀(90) 외주면이 복수개의 곡선으로 이루어진 경우를 도시하고 있으며, 상기 방열핀(90)의 가장자리에 제1절곡면(92) 및 제2절곡면(93)이 형성되어 있다.

도 8에서는 방열핀(70)의 형상이 마름모형으로 이루어진 경우를 도시하고 있으며, 마름모형의 가장자리에 제1절곡면(72) 및 제2절곡면(73)이 형성되어 있다.

도 9에서는 방열핀(80)의 형상이 삼각형으로 이루어진 경우를 도시하고 있으며, 삼각형의 가장자리에 제1절곡면(82) 및 제2절곡면(83)이 형성되어 있다.

도 2와 도 6 내지 도 9의 실시예에서, 방열핀(70, 80)의 가장자리는 라운드나 컷팅 처리될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발 명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기 일부분의 사시도이며,

도 2는 도 1의 평면도이며,

도 3a은 도 2의 A-A 단면도이며 제1절곡면과 제2절곡면이 같은 방향으로 형성된 모습이며,

도 3b는 도 2의 A-A 단면도이며 제1절곡면과 제2절곡면이 다른 방향으로 형성된 모습이며,

도 4a는 열교환기 방열핀의 절곡면이 형성되어 않은 경우 열교환기를 통과하는 유체의 유동 모습이며,

도 4b는 열교환기 방열핀의 절곡면이 형성된 경우 열교환기를 통과하는 유체의 유동 모습이며,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 전체적인 모습이며,

도 6 내지 도 9는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기 방열핀의 평면도이다.

Claims (8)

1. 내부에 유체가 흐르는 관 및 상기 관에 형성된 복수개의 방열핀을 구비하여, 관 내부를 흐르는 유체와 상기 방열핀의 외부를 지나는 유체 사이에 열을 교환하는 열교환기로서,

   상기 방열핀의 가장자리가 절곡되어 형성된 제1절곡면; 및

   상기 제1절곡면에서 일정 거리 이격되어 상기 방열핀의 가장자리가 절곡되어 형성된 제2절곡면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 방열핀은 금속재질의 얇은 판으로서 상기 관에 수직하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1절곡면과 제2절곡면은, 상기 방열핀에서 동일한 방향으로 절곡되어 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제1절곡면과 제2절곡면은, 상기 관의 중심축에 수직인 선을 기준으로 서로 대칭이거나 또는 상기 제1절곡면과 제2절곡면의 절곡된 각도의 차가 10도 이 내인 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1절곡면과 제2절곡면은, 상기 방열핀에서 서로 반대 방향으로 절곡되어 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1절곡면 또는 상기 제2절곡면이 상기 방열핀의 상부면과 이루는 각도는 1도부터 90도인 것을 특징으로 하는 열교환기.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1절곡면과 제2절곡면 사이의 거리는, 상기 방열핀 외부를 지나는 유체가 흐르는 방향으로 보아 상류에서 하류로 갈수록 좁아지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 방열핀은 원형, 타원형, 마름모형 및 삼각형으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 인 것을 특징으로 하는 열교환기.

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