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KR101543522B1 - 열교환기용 납작관 및 이를 구비하는 열교환기 - Google Patents

열교환기용 납작관 및 이를 구비하는 열교환기 Download PDF

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KR101543522B1
KR101543522B1 KR1020140008682A KR20140008682A KR101543522B1 KR 101543522 B1 KR101543522 B1 KR 101543522B1 KR 1020140008682 A KR1020140008682 A KR 1020140008682A KR 20140008682 A KR20140008682 A KR 20140008682A KR 101543522 B1 KR101543522 B1 KR 101543522B1
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medium passage
wall
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강희찬
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군산대학교산학협력단
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

본 발명은 열교환기용 납작관 및 이를 구비하는 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열매체의 유동을 균일하게 형성시키는 열교환기용 납작관 및 이를 구비하는 열교환기에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 내부에 열매체 통로를 형성하고 납작한 형태로 길게 연장되는 외벽; 및 상기 열매체 통로를 폭방향을 따라서 차례대로 위치하는 둘 이상의 단위 유로로 구획하는 하나 이상의 격벽을 포함하며, 상기 격벽에는 이웃한 두 단위 유로를 연통시키는 적어도 하나의 통로구멍이 마련되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 납작관 및 이를 구비하는 열교환기가 제공된다.

Description

열교환기용 납작관 및 이를 구비하는 열교환기 {FLATE TUBE FOR HEAT EXCHANGER AND HEAT EXCHANGER WITH THE SAME}
본 발명은 열교환기용 납작관 및 이를 구비하는 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열매체의 유동을 균일하게 형성시키는 열교환기용 납작관 및 이를 구비하는 열교환기에 관한 것이다.
열교환기는 냉매와 같은 열매체가 열전도 효율이 높은 재질로 이루어진 관을 지나면서 온도가 높은 유체로부터 온도가 낮은 유체로 열이 전달되도록 작용한다. 최근에는 열매체가 통과하는 관으로서 열교환 성능이 우수한 납작관의 사용이 증가하고 있다. 열교환기에 사용되는 납작관 내부에 격벽을 설치하여 수력직경을 작게 하고 내압성과 열전달 성능을 향상시키고 있다. 하지만, 종래의 납작관에서는 격벽에 의해 분리된 각 유로 사이에서 유동 불균형이 발생하고, 이러한 유동 불균형은 전체적으로 열교환 효율을 저하시킨다.
격벽이 있는 납작관, 다수의 배관 다발의 구조를 가지고 있는 열교환기에서 각 관의 수력직경, 관마찰계수, 단면형상을 완전히 동일하게 하는 것은 매우 어렵다. 또한 관의 형상이 동일하다고 하더라도 각 관의 입구와 출구 사이의 차압과 입구와 출구의 형상이 다를수 있어서 실제적으로 유동 불균형이 존재한다. 에어컨 증발기와 응축기와 같은 액체와 기체의 2상 유동이 존재하는 경우 각 관에서 기체의 비율 즉, 기공률이 균일하지 않으며 이 요소도 유동의 불균일에 중요한 원인이 된다. 따라서 실제 열교환기에서는 다수의 관다발에서 유동의 불균일이 상존하며 이는 펌프 소요동력의 증가와 열전달의 감소를 초래한다.
본 발명의 목적은 납작관 내의 각 유로에서의 유동이 균일하게 형성하여 열매체의 이송 동력을 저감하고 열교환 효율을 향상시키는 열교환기용 납작관 및 이를 구비하는 열교환기를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,
내부에 열매체 통로를 형성하고 납작한 형태로 길게 연장되는 외벽; 및 상기 열매체 통로를 폭방향을 따라서 차례대로 위치하는 둘 이상의 단위 유로로 구획하는 하나 이상의 격벽을 포함하며, 상기 격벽에는 이웃한 두 단위 유로를 연통시키는 적어도 하나의 통로구멍이 마련되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 납작관이 제공된다.
상기 통로구멍은 상기 격벽에 유동 방향을 따라서 닫힌 관의 길이/수력직경이 10배 내지 200배 이내에서 주기적으로 다수 개 형성될 수 있다.
상기 둘 이상의 단위 유로는 상기 격벽에 의해 동일한 폭을 갖도록 구획될 수 있다.
상기 격벽은 하나이며, 상기 하나의 격벽은 폭방향을 따라서 일측에 치우쳐서 위치할 수 있다.
상기 격벽은 다수 개 마련되고, 상기 통로구멍은 격벽 각각에 흐름 방향을 따라서 다수 개 형성되며, 상기 통로구멍은 엇갈림 배열, 정방형 배열 또는 경사 배열될 수 있다.
상기 외벽에는 상기 열매체 통로로 돌출된 다수의 돌기가 형성될 수 있다.
상기 다수의 돌기는 상기 외벽에 엠보싱 가공에 의한 요철부에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면,
유입 헤더; 배출 헤더; 및 병렬로 배치되어서 상기 유입 헤더와 상기 배출 헤더를를 연결하고 내부에 열매체 통로가 형성된 연결관을 포함하며, 상기 연결관은 상기한 열교환기용 납작관인 것을 특징으로 하는 열교환기가 제공된다.
상기 열교환기는 이웃한 두 연결관 사이에 접합된 방열핀을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 납작관 내의 격벽에 유동 방향을 따라서 배치되어서 이웃한 유로를 연통시키는 통로구멍이 마련되므로, 유로 사이의 압력 차이가 해소되어서 유동 불균형이 해소된다. 그에 따라, 열교환 효율이 향상되며, 압력 강하가 낮아져서 펌프의 소요 동력이 감소되고, 열교환기 전체 크기를 줄일 수 있어서 재료비가 절감된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 납작관을 구비하는 열교환기를 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 납작관을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 납작관을 A-A선을 따라 절단하여 도시한 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 납작관의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 납작관을 도시한 정면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 납작관을 도시한 정면도이다.
도 7은 열매체 두 통로를 흐르는 유량의 비에 따른 총열전달률의 변화의 예를 도시한 그래프이다.
도 8은 열매체 통로의 닫힌 관의 길이/수력직경에 대한 펌프의 소요 동력의 변화의 예를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 통로구멍의 엇갈림 배열을 납작관을 A-A선을 따라 절단하여 도시한 단면도이다.
도 10은 도 발명의 또 다른 실시예에 따른 통로구멍의 정사각형 배열을 납작관을 A-A선을 따라 절단하여 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 통로구멍의 경사 배열을 납작관을 A-A선을 따라 절단하여 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 열교환기(100)는 유입 헤더(110)와, 배출 헤더(120)와, 다수의 연결관(130)과, 다수의 방열핀(190)을 포함한다. 냉매와 같은 열매체는 유입 헤더(110), 연결관(130) 및 배출 헤더(120)를 차례로 통과하며, 연결관(130)을 지나면서 열교환이 이루어진다. 열교환기(100)는 열전도 효율이 높은 금속 재질로 이루어진다.
유입 헤더(110)는 길게 연장된 관 형태이다. 유입 헤더(110)의 내부에는 길게 연장된 유입로(110a)로 마련된다. 유입 헤더(110)의 일단에는 유입로(110a)와 이어지는 유입관(111)이 연결된다. 유입관(111)을 통해 유입로(110a)로 냉매와 같은 열매체가 유입된다.
배출 헤더(120)는 길게 연장된 관 형태이다. 배출 헤더(120)는 유입 헤더(110)와 나란하게 배치된다. 배출 헤더(120)의 내부에는 길게 연장된 배출로(120a)가 마련된다. 배출 헤더(120)의 일단에는 배출로(120a)와 이어지는 배출관(121)이 연결된다. 배출관(121)을 통해 배출로(120a)의 열매체가 배출된다.
다수의 연결관(130)은 일정 간격을 두고 이격된 상태로 병렬로 배치되며, 유입 헤더(110)와 배출 헤더(120)를 연결한다. 열매체는 다수의 연결관(130)을 지나면서 열교환된다. 다수의 연결관(130)은 동일한 구성으로 이루어진다. 이웃하는 두 연결관(130)들 사이에는 열매체와 열교환되는 다른 유체가 통과하는 유체 통로(101)가 마련된다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 연결관(130)으로는 높이(h)에 비해 폭(w)이 훨씬 긴 납작관이 사용된다. 연결관(130)은 외벽(140)과, 다수의 격벽(145)을 구비한다. 연결관(130)의 내부에는 열매체가 흐르는 열매체 통로(131)가 형성된다.
외벽(140)은 납작한 형태로 길게 연장된다. 외벽(140)은 높이방향을 따라서 서로 이격되어서 마주보는 제1, 제2 외벽부(150, 160)와, 두 외벽부(150, 160)의 폭방향 양단(151, 161)(152, 162)을 각각 연결하는 제1, 제2 연결부(170, 180)를 구비한다.
두 외벽부(150, 160)는 편평형 직사각형의 판 형태를 갖는다. 두 외벽부(150, 160)는 높이방향을 따라서 서로 이격되어서 마주보도록 평행하게 배치된다. 두 외벽부(150, 160)에는 엠보싱 가공으로 형성된 다수의 요철부(141)가 형성된다. 다수의 요철부(141)는 연결관(130)의 내부, 즉 열매체 통로 안쪽으로 돌출된 돌기(142)를 형성한다. 돌기(142)는 열매체 통로(131)를 흐르는 열매체가 난류를 형성하도록 하여 열교환 효율을 높인다. 연결관(130)의 외벽부(150, 160)는 이웃하는 다른 연결관(130)의 외벽부(150, 160)와 마주보도록 다수의 연결관(130)이 배치된다.
제1 연결부(170)는 두 외벽부(150, 160)에서 서로 인접하는 폭방향 두 단부(151, 161)을 연결하며, 제2 연결부(180)는 두 외벽부(150, 160)에서 서로 인접하는 폭방향 나머지 두 단부(152, 162)를 연결한다.
다수의 격벽(145)은 연결관(130)의 내부에 형성되는 열매체 통로(131)를 폭방향을 따라서 차례대로 위치하는 다수의 단위 유로(132a, 132b, 132c, 132d, 132e)로 구획한다. 각 격벽(145)의 상단(146)과 하단(147) 각각은 두 외벽부(150, 160)와 연결된다. 본 실시예에서는 5개의 격벽(145)이 폭방향을 따라서 등간격으로 배치되는 것으로 설명한다. 격벽(145)에는 격벽(145)을 사이에 두고 양측에 위치하는 두 단위 유로(132a, 132b)(132b, 132c)(132c, 132d)(132d, 132e)를 연통시키는 통로구멍(146)이 연결관(130)의 길이방향을 따라서 다수 개 위치한다. 통로구멍(146)은 흐름방향으로 닫힌 관의 길이(L) 이후에 다른 통로구멍이 설치되어 있다. 통로구멍(146)에 의해 이웃한 두 단위 유로(132a, 132b)(132b, 132c)(132c, 132d)(132d, 132e)의 압력 불균형이 해소되어서 열매체 통로(131) 전체의 유동이 균일하게 된다. 또한, 통로구멍(146)은 선단효과를 제공하여 열전달 성능이 향상된다. 그에 따라, 열매체의 유동에서 압력 강하가 낮아져서 펌프의 소요 동력이 감소될 수 있다. 그리고, 평균열전달계수가 증가하여 열전달 성능이 향상될 수 있다. 또한, 열교환기의 크기를 작게 할 수 있어서 재료비가 절감된다. 상기와 같은 효과를 극대화하기 위하여 통로구멍(146)은 닫힌 관의 길이(L)/수력직경(D)이 20배 내지 200배 이내에서 주기적으로 열린 구조로 형성되는 것이 바람직하다
다수의 방열핀(190)은 이웃하는 두 연결관(130)의 사이에 형성된 유체 통로(101)에 위치한다. 방열핀(190)은 지그재그 형태를 갖도록 절곡된 판재로서, 두 연결관(130)의 외면에 융착되어 전열면적을 확장시킨다.
이제, 도면을 참조하여 상기 실시예의 작용을 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 열교환 대상 유체인 제1 유체(본 실시예에서는 냉매와 같은 열매체)가 유입관(111)을 통해 유입 헤더(110)의 유입로(110a)로 유입된다. 유입로(110a)로 공급된 제1 유체는 다수의 연결관(130)을 지나 배출 헤더(120)의 배출로(120a)로 유입된 후, 배출관(121)을 통해 배출된다. 제1 유체는 다수의 연결관(130)을 지나면서 다수의 연결관(130)들 사이를 통과하는 제2 유체와 열교환된다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 제1 유체는 연결관(130)의 내부에 형성된 각 단위 유로(132a, 132b, 132c, 132d, 132e)를 통해 연결관(130)을 통과하게 된다. 각 단위 유로(132a, 132b, 132c, 132d, 132e)를 통과하는 제1 유체는 격벽(145)에 형성된 통로구멍(146)에 의해 각 유동이 균일하게 형성된다. 그에 따라, 종래의 격벽을 구비하는 납작관 형태의 연결관에서 발생하는 유동의 불균일 문제가 해소된다.
도 7은 열매체 두 통로를 흐르는 유량의 비에 따른 총열전달률의 예를 도시한 그래프이다. 이 경우 열매체는 물이고 연결관의 양단(131, 131a)의 압력이 같다고 할 경우 열매체의 통로(131)의 직경 또는 수력직경에 따라 열매체의 유속이 다르다. 즉 열매체 통로의 수력직경이 증가할수록 열매체에 의한 마찰이 감소하여 유속은 증가한다. 열매체의 유속이 증가하면 열전달량은 증가하는 측면이 있다. 열매체의 통로가 두 개라고 할 경우 최적의 열전달은 두 수력직경이 동일할 경우에 달성할 수 있다. 수력직경이 다른 경우 유속이 달라지고 이 유속의 불균형은 총열전달률의 저감을 초래한다.
도 8은 수력직경에 대한 열매체 통로의 닫힌 관의 길이의 비와 펌프의 소요 동력의 변화의 예를 도시한 그래프이다. 닫힌 관의 길이가 증가할수록 유속의 비는 확대된다. 그러나 닫힌 관의 길이가 감소하면 열매체 통로에서 동압의 손실이 발생한다. 따라서 열매체 통로의 수가 증가하며 이는 동일한 전열관의 길이에 대하여 펌프 소요 동력의 증가를 의미한다. 도 8에서 보는 바와 같이 물을 매체로 하는 경우 열매체 통로의 닫힌 관의 길이의 비가 10 이상이면 펌프 소요 동력은 급격히 감소한다. 따라서 열매체 통로의 닫힌 관의 길이의 비는 10 이상이 적당하다.
상기 실시예에서는 5개의 격벽(150)이 폭방향을 따라서 등간격으로 배치되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 이와는 달리 다수의 격벽이 등간격이 아닌 서로 다른 이격거리를 두고 위치하거나, 도 5에 도시된 바와 같이, 하나의 격벽(250)이 연결관(230)의 내부에 형성된 열매체 통로(231)를 폭방향을 따라 2등분하도록 폭방향 중앙에 위치하거나, 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 격벽(350)이 연결관(330) 내부에 형성된 열매체 통로(331)에서 폭방향 일측에 치우쳐서 위치할 수 있다.
도 9 내지 도 11에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 통로구멍의 배열을 도시한 단면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이 연결관(430)은 엇갈림 배열로 배치되는 통로구멍(446)을 구비하는 것이 바람직하지만, 제작 공정상 도 10에 도시된 바와 같이 연결관(530)은 정사각형 배열로 배치되는 통로구멍(546)이나 도 11에 도시된 바와 같인 연결관(630)은 경사 배열로 배치되는 통로구멍(646)를 구비하여 유동 분배를 개선할 수 있다.
이상 실시예들을 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예들은 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100 : 열교환기 101 : 유체 통로
110 : 유입 헤더 110a : 유입로
111 : 유입관 120 : 배출 헤더
120a : 배출로 121 : 배출관
130 : 연결관 131 : 열매체 통로
132a, 132b, 132c, 132d, 132e : 단위 유로
140 : 외벽 141 : 요철부
142 : 돌기 145 : 격벽
146 : 통로구멍 150 : 제1 외벽부
160 : 제2 외벽부 170 : 제1 연결부
180 : 제2 연결부 190 : 방열핀

Claims (9)

  1. 내부에 열매체 통로를 형성하고 납작한 형태로 길게 연장되는 외벽; 및
    상기 열매체 통로를 폭방향을 따라서 차례대로 위치하는 둘 이상의 단위 유로로 구획하는 하나 이상의 격벽을 포함하며,
    상기 격벽에는 이웃한 두 단위 유로를 연통시키는 다수의 통로구멍이 흐름방향을 따라서 주기적으로 배치되도록 마련되며,
    상기 격벽에서 흐름방향을 따라 이웃한 두 관통구멍 사이의 거리(L)인 닫힌 관의 길이는 상기 열매체 통로의 수력직경보다 10배 이상이며,
    상기 외벽에는 상기 열매체 통로로 돌출된 다수의 돌기가 형성되며,
    상기 다수의 돌기는 상기 외벽에 엠보싱 가공에 의한 요철부에 의해 형성되는 열교환용 납작관.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 둘 이상의 단위 유로는 상기 격벽에 의해 동일한 폭을 갖도록 구획되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 납작관.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 격벽은 하나이며, 상기 하나의 격벽은 폭방향을 따라서 일측에 치우쳐서 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 납작관.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 격벽은 다수 개 마련되고,
    상기 통로구멍은 엇갈림 배열, 정방형 배열 또는 경사 배열되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 열교환기용 납작관.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 유입 헤더;
    배출 헤더; 및
    병렬로 배치되어서 상기 유입 헤더와 상기 배출 헤더를 연결하고 내부에 열매체 통로가 형성된 연결관을 포함하며,
    상기 연결관은 청구항 1 및 청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 하나의 청구항에 기재된 열교환기용 납작관인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    이웃한 두 연결관 사이에 융착된 방열핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
KR1020140008682A 2014-01-24 2014-01-24 열교환기용 납작관 및 이를 구비하는 열교환기 KR101543522B1 (ko)

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