KR0146488B1 - 적층형 열교환기 - Google Patents

Abstract

4패스방식의 적층형 열교환기에 있어서, 온도분포의 불균형을 가급적 없애고, 열교환성능의 향상을 도모하는 것을 목적으로 하고 있으며, 적층방향으로 뻗은 2개의 탱크집단의 한쪽이 가운데 쯤에서 분할되어서 제1연통영역(22)과 제2연통영역(23)으로 구획되어, 제1연통영역(22)에 냉매를 유입하는 입구부(20)를 연통하고 제2연통영역(23)에 냉매를 유출하는 출구부(21)를 연통한다. 제1연통영역(22)을 구성하는 관구성요소의 수를 제2연통영역을 구성하는 관구성요소의 수이상으로 하여 열교환매체의 흐르기 어려운 관구성요소를 없앤다.

Description

적층형 열교환기

제1도는 적층형 열교환기의 실시예를 뜻하며, (a)는 열교환기의 정면도, (b)는 저면도.

제2도는 제1도의 적층형 열교환기에 사용되는 관구성요소를 나타내는 정면도.

제3도는 제1도의 적층형 열교환기의 열교환매체의 흐름을 설명하는 설명도.

제4도는 제1도에 나타낸 적층형 열교환기 직후의 공기온도를 뜻하며, (a)는 열교환기의 상부를 통과한 공기온도를, (b)는 열교환기의 하부를 통과한 공기온도를 각기 나타낸 선도.

제5도는 관구성요소의 표면온도를 나타낸 선도.

제6도는 통과 풍량에 대한 냉방성능에 대한 특성선도.

제7도는 종래의 적층형 열교환기의 열교환매체의 흐름을 설명하는 설명도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:적층형 열교환기 2:핀(fin)

3:관구성요소 4:성형평판

5:탱크 6:U자형통로

18:분할부 20:입구부

21:출구부 22:제1연통영역

23:제2연통영역

본 발명은 자동차용 공기조화장치의 냉각사이클등에 이용되어, 관구성요소와 핀(fin)을 번갈아 여러단으로 적층한 적층형 열교환기, 특히 관구성요소의 한쪽에 한쌍의 탱크가 형성되었고, 열교환매체가 입구부에서 출구부에 이르는 동안에 관구성요소를 2왕복하는 이른바 4패스방식의 적층형 열교환기에 관한 것이다.

이른바 4패스방식의 적층형 열교환기는 예컨대 일본국 특개 소 63-3153호 공보 등에 나타내어 있는 바와 같이, 관구성요소를 핀을 개재하여 다수단으로 적층하고 관구성요소에는 한쪽에 한쌍의 탱크가 형성되었고 이 한쌍의 탱크는 U자형통로에 의하여 연통되어 있어, 서로 이웃하는 관구성요소로 탱크부분을 접합하여 적층방향으로 뻗는 2개의 탱크집단을 형성하였고, 한편의 탱크집단은 도중에서 분할되어서 내부가 2개의 연통영역으로 구획되어, 제7도에 나타낸 바와 같이, 구획된 한편의 연통영역(22)에 입구부(20)가 설치되었고, 다른편의 연통영역(23)에 출구부(21)가 설치되었으며, 입구부(20)에서 유입된 열교환매체는 분할부분으로 부터 입구부측의 관구성요소로 구성된 제1 및 제2패스를 통과하고, 그런 다음, 분할부분으로 부터 출구부측의 관구성요소로 구성된 제3 및 제4패스를 통과하여 출구부(21)에서 유출된다.

그러나 종래의 4패스방식의 열교환기에서는, 열교환매체가 냉매이면 열교환하는 과정에서 냉매는 서서히 기화하여 팽창함으로, 통로단면을 확보하는 관점에서, 분할부분을 경계로하여 입구부측의 관요소의 수를 출구부측보다 적게 하고 있었으나, 본 출원인의 연구에 의하면 열교환매체의 출구부를 관요소의 적층방향의 한쪽 단부에 설치되는 경우에는 제3 및 제4패스를 구성하는 관요소 중에서도 분할부분 부근의 관요소(제7도의 B영역을 구성하는 출구부(21)에서 떨어진 관요소)의 온도가 상승하여, 열교환기 전체로서 대략 균일한 온도분포를 얻을 수 없게 된다는 것을 알게 되었다. 이것은 동일한 관요소를 이용하여 적층하였을 경우에는, 열교환매체는 출구부측에 가까운 관요소를 주로 흐르게 되어, 분할부분 부근의 관요소에는 흐르기 어렵게 되기 때문이다.

그래서, 본 발명에 있어서는 온도분포의 불균형을 가급적 없애고 열교환성능의 한층의 향상을 도모하도록한 적층형 열교환기를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

본 출원인은, 제3 및 제4패스를 구성하는 관요소중에서 출구부측에서 먼 관요소에는 열교환매체가 그다지 좋은 효율로 흐르고 있지 않기 때문에, 출구부에서 먼 부분의 관요소는 제1 및 제2패스를 구성하는 관요소로서 사용한 편이 효율을 향상시킬 수 있음을 발견하고, 이 식견에 따라서 본원 발명의 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명에 관한 열교환매체는 한쪽에 설치된 한쌍의 탱크와 이 한쌍의 탱크를 연통하는 U자형통로 등을 구비한 관구성요소를 핀을 개재하여 여러단으로 적층하여 인접하는 관구성요소의 탱크를 접속하여 적층방향으로 뻗은 2개의 탱크집단을 형성하고, 탱크집단의 한편의 가운데 쯤에서 분할되어서, 제1연통영역과 제2연통영역으로 구획되었고, 탱크집단의 다른편은 분할되는 일이 없이 연통하고 있어, 제2연통영역측의 적층방향의 단부에는 열교환매체를 유입하는 입구부와 유출하는 출구부가 형성되어, 제1연통영역에 입구부를 연통하고, 제2연통영역에 출구부를 연통하여 제1연통영역을 구성하는 관구성요소의 수를 제2연통영역을 구성하는 관구성요소의 수이상으로 하였음에 있다.

따라서, 입구부에서 유입된 열교환매체는 한편의 탱크집단에 형성된 제1연통영역으로 들어가, 이 제1연통영역을 구성하는 관구성요소의 U자형통로를 통하여 다른편의 탱크집단에 안내되어, 이 다른편의 탱크집단을 이동한 다음, 제2연통영역을 구성하는 관구성요소의 U자형통로를 통하여 제2연통영역에 이르러, 출구부에서 유출한다.

이 과정에서, 열교환매체는 제2연통영역을 제1연통영역 보다 작게 함으로써, 제2연통영역을 구성하는 모든 관구성요소에 대하여 대략 균일하게 분배하게 되어 온도분포의 불균형이 적어지게 된다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 따라 설명한다.

제1도에 있어서, 적층형 열교환기(1)는, 예컨대, 핀(2)과 관구성요소(3)를 번갈아 여러단 적층하여, 적층방향의 일단에 열교환매체의 입구부 및 출구부가 설치되어 있는 4패스방식의 증발기이며, 관구성요소(3)는 일부를 제외하고 2장의 성형판(4,4)을 그 주연에서 접합하여 형성되어 있고, 한쪽에 2개의 탱크(5,5)를, 이 탱크(5)에서 타단측에 걸쳐서 열교환매체를 통하는 U자형통로(6)를 각기 구비하고 있다.

성형판(4)은 알루미늄제의 평판을 프레스 가공하여 형성된 것으로, 제2도에도 나타낸 바와 같이, 일단부에 원반형의 2개의 탱크형성용 팽출부(8,8)가 형성됨과 동시에, 이에 이어서, 통로형성용 팽출부(9)가 형성되어 있어, 이 통로로 형성용 팽출부(9)에 2개의 탱크형성용 팽출부(8,8) 사이에서 성형판(4)의 타단 근방까지 뻗는 플랜지(10)가 형성되어 있다. 또, 2개의 탱크형성용 팽출부(8,8)의 사이에는 나중에 설명하는 연통파이프를 장착하기 위한 요부(11)가 설치되어 있으며, 성형판(4)의 타단부에는 납땜하기전의 조립시에 있어서, 핀(2)의 탈락을 방지하기 위한 돌출부품(12)(제1도에 나타내었다)이 설치되어 있다.

탱크형성용 팽출부(8)는 통로형성용 팽출부(9)보다 크게 팽출형성 되었고, 또 플랜지(10)는 성형판 주연의 접합재료와 동일 면상이 되도록 형성되어 있으며, 2개의 성형판(4)이 그 주연에서 접합되면 서로 플랜지(10)도 접합되어 대향하는 탱크형성용 팽출부(8)에 의하여 한쌍의 탱크(5,5)가 구성됨과 동시에 대향하는 통로형성용 팽출부(9)에 의하여 탱크사이를 연결하는 U자형통로(6)가 구성되어 있다.

또, 통로형성용 팽출부(9)에는 열교환 효율을 높이기 위하여 다수의 비이드(bead)(13)가 프레스 가공시에 동시에 형성되어, 각각의 비이드(13)는 2장의 성형판(4,4)이 접합되면, 대향하는 부위에 형성된 비이드와 접합하도록 되어 있다. 이와 같은 비이드(13)는, 제2도에서 볼 수 있는 바와 같이, 원형의 것이라면 좋고, 타원형, 다각형상등, 임의의 형상으로 형성할 수 있으나, 무제한으로 다수 설치되면 U자형통로(6)의 통로저항을 증대하게 되므로, 적당한 밀도로 형성하는 것이 바람직하다.

예컨대, 제2도에 나타낸 바와 같이, 비이드(13)는, 관구성요소(3)의 길이방향과 직교하는 다수의 비이드 행렬 형성되어 있으며, 서로 이웃하는 비이드 행렬에서 비이드수가 다르다. 즉, n단째에 비이드(13)가 일정한 간격으로 3개 설치되어 있다고 하면, n+1단째에 비이드(13)가 같은 간격으로 4개 설치되어 있고, n+2단째에 재차 같은 간격의 비이드(13)가 3개라고 하는 짜임새로 반복 형성되어 있다.

또, 서로 이웃하는 비이드 행렬의 각 비이드(13)는 관구성요소(3)의 길이방향(도면에서 상하방향)으로 투영하였을 경우에 겹쳐지지 않도록 배치되어 있으며, 본 실시예에 있어서는 어떤 비이드(13)로부터 이웃하는 행렬의 가장 근접한 비이드(13)가 관구성요소(3)의 길이방향에 대하여 30도의 기울기가 되도록 배치되어 있다.

또, 중앙으로 부터 한쪽으로 치우진 일정위치에 관구성요소(3a)는 장착요부(11)가 형성되어 있지 않아서, 한편의 탱크(5a)가 다른편의 탱크(5)에 근접하도록 확대되어 있다. 또, 양단의 관구성요소(3b)는, 제2도에 나타낸 성형판(4)에 평판(15)을 접합하여 구성되어 있다.

그리고, 서로 이웃하는 관구성요소(3)는 각각의 성형판(4)의 탱크형성용 팽출부(8)에서 맞대어 있으며, 적층방향(통풍방향에 대하여 직각)으로 뻗는 제1 및 제2의 2개의 탱크집단(16,17)이 형성되어 확대된 탱크(5a)를 포함하는 한편의 탱크집단(16)은 적층방향의 대략 중앙에 위치하는 분할부(18)를 제외하고, (8)에 형성된 연통구멍(19)을 개재하여 각 탱크가 연통하였고, 다른편의 탱크집단(17)은 분할되는 일이 없이 연통구멍(19)을 개재하여 전체탱크가 연통하고 있다.

본 실시예에 있어서, 관구성요소는 21개 적층되었고, 확대된 탱크(5a)를 구비한 관구성요소(3a) 다음에 설명하는 압구부(20) 및 출구부(21)가 형성된 단부측으로 부터 셈하여 17개째에 배치되었고, 분할부(18)는 입구부(20)와 출구부(21)가 형성된 단부측으로 부터 셈하여 10개째와 11개째의 관구성요소(3)가 접합하는 부분에 설치되어 있다. 여기에서 분할부(18)는 접합된 성형판의 한쪽 또는 양쪽에 연통구멍을 형성하지 않는 것으로 구성하여도, 다른 성형판과 같은 성형판을 사용하여 이것들을 접합하는 경우에 연통구멍을 가림판(blind patch)으로 폐쇄하는 구성으로 하여도 좋다.

그리고, 분할부(18)에 의하여 제1탱크집단(16)은 확대탱크(5s)를 포함하는 제1연통영역(22)과, 출구부(21)와 제1연통영역(22)의 사이에 위치하고, 출구부(21)와 직접 연통하는 제2연통영역(23)으로 구획되어, 분할되어 있지 않는 제2탱크집단(17)은, 21개의 탱크(5)가 연통하여 제3연통영역(24)을 구성하고 있다.

입구부(20) 및 출구부(21)는, 확대탱크(5b)로 부터 멀리 떨어진 단부에 설치되었고, 출입구통로 형성용평판(25)을 평판(15)에 바깥쪽으로 부터 접합하여 관구성요소(3)의 길이방향 가운데 쯤에서 탱크측으로 걸쳐서 입구통로(28)와 출구통로(29)를 형성하여 이 출입구통로 형성용평판(25)에 팽창밸브(30)(제3도에 나타나 있다)를 접속하기 위한 접속부(27)를 설치하여 구성하고 있다.

입구통로(28)와 확대탱크(5a)는 그 사이에 배치된 관구성요소(3)의 요부(11)에 끼워붙일수 있는 연통파이프(31)에 의하여 연통할 수 있도록 접속되어 있으며, 제2연통영역(23)과 그 결의 출구통로(29)는 평판(15)에 형성된 관통구멍을 개재하여 연통하고 있다.

그리고, 입구부(20)에서 유입된 열교환매체는, 연통파이프(31)를 통하여 확대탱크(5a)를 구비한 구성요소(3a)에 들어가 제1연통영역(22) 전체에 분산되어 이 제1연통영역(22)에 대응하는 관구성요소의 U자형상통로(6)를 플랜지(10)에 잇따라서 상승한다(제1패스). 그리고, 플랜지(10)의 상방을 U터언하여 하강하고(제2패스) 반대측의 탱크집단(제3연통영역)에 이른다. 그런 다음, 제3연통영역을 구성하는 나머지의 관구성요소에 평행 이동하여, 그 관구성요소의 U자형상통로(6)를 플랜지(10)에 잇따라서 상승한다(제3패스). 그리고, 플랜지(10)의 상방을 U터언하여 하강하고(제4패스), 제2연통영역(23)을 구성하는 탱크에 인도되어 그리고나서 출구부(21)로 부터 유출한다(제3도의 순서도 참조). 이 때문에, 열교환매체의 열은, 제1패스∼제4패스를 구성하는 U자형상통로를 흐르는 과정에서 핀(2)에 전달되어 핀사이를 통과하는 공기와 열교환된다.

제3 및 제4패스를 통하여 제2연통영역(23)에 이르는 열교환매체는 제2연통영역(23)이 적층방향의 일단측에서 출구부(21)와 연통하고 있으므로, 출구부(21)에 가까운 관구성요소를 흐르려 하지만 제1연통영역을 구성하는 관구성요소의 수가 제2연통영역을 구성하는 관구성요소의 수 이상이 되도록 분할부의 위치가 출구부측에 치우쳐 있으므로, 열교환매체는 각 관구성요소에 대략 균일하게 분배된다.

이와 같은 구성의 열교환기(신형)을 입구부(20)와 출구부(21)가 형성된 단부측으로 부터 셈하여 12개째와 13개째의 관구성요소(3)의 접합부분에 분할부(18)가 설치된 열교환기(구형)와 비교하면, 제4도∼제6도에 나타낸 바와 같이 된다. 여기서, 제4도에 있어서, PLACE-NO이라 함은 열교환기 직후의 공기온도를 측정하는 개소를 나타내는 번호이며, 제1도(a)에 나타내는 상부의 ①∼⑥과 하부의 ①∼⑥의 번호에 대응한다. 또, 제5도에 있어서, TUBE-NO이라함은 표면 온도를 측정하는 관구성요소의 번호이며, 제1도(b)에 나타내는 ①∼⑪의 번호에 대응한다. △t는, 온도분포의 불균형, 즉 각 형식마다의 최고온도와 최저온도의 차를 나타내는 것으로 특히 제4도에 있어서는 상부와 하부의 합계 12개소에 의하여 얻어진 최고온도와 최저온도의 차이다.

이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 구형에 있어서는 특히 제3 및 제4패스를 구성하는 관구성요소의 분할부 부근을 통과하는 공기온도나, 그 부분에서의 관구성요소 자체의 온도가 높아져 있음에 대하여, 신형에 있어서는 그 부분에서 다소의 온도상승은 있다고 하지만, 크게 온도분포의 불균형이 없어지게 되어, 대략 균일하게 열교환매체가 분배되어서 열교환된다. 구형에 대하여, 신형에서의 불균형은 △t에 의하여 평가하면 약 60% 개선되었고, 이와 같이 개선되었음에 따라서, 열교환기 전체의 냉방성능은 약 5% 향상한다.

더욱이, 분할부에 위치는, 열교환기의 적층수등에 의하여도 바뀌는 것으로 온도분포를 실측하는등 하여 적당히 결정하는 것이 좋으나, 제1연통영역을 구성하는 관구성요소의 수와 제2연통영역을 구성하는 관구성요소의 수와의 비가, 1:1∼3:1까지의 범위내에서 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 3:1을 한도로 한 것은, 그 이상 분할부(18)를 출구부(21)에 접근시키면, 분할부(18)를 출구부(21)에 접근시키면, 제2연통영역(23)이 좁아져서 통로저항이 반대로 증대하여, 열교환성능이 악화하게 된다.

또, 증발기에 사용하는 관구성요소에 대하여 설명하였으나, 다른 적층형의 열교환기에 있어서도 같은 조건에서 구성하여도 좋고, 이 경우에도 온도분포의 불균형저감, 냉방성능의 향상을 도모하게 됨은 말할 것도 없다. 또한 본 발명은 관구성요소의 탱크를 형체를 달리한 부재로 구성하는 형식의 것이였어도 상관없다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 제1연통영역을 구성하는 관구성요소의 수를 제2연통영역을 구성하는 관구성요소의 수이상으로 하였으므로, 각 구성요소에 열교환매체가 대략 균일하게 분배되어 전체로서 온도분포의 불균형이 적어지게 되어, 열교환성능의 향상을 도모하게 된다.

Claims (8)

1. 관구성요소를 여러 레벨 이상으로 핀에 번갈아서 적층하여 구성된 열교환기에 있어서, 각각의 상기 관구성요소의 일측에는 한쌍의 탱크가 제공되어 있고, 상기 한쌍의 탱크는 U자형상통로를 경유해 서로 연통하고, 인접한 관구성요소에 제공된 탱크들은 적층방향으로 연장한 두개의 탱크집단을 형성하도록 연결되어 있고, 상기 탱크군중 하나가 상기 탱크집단을 제1연통영역과 제2연통영역으로 분할하기 위해 중간이 분할되어 있고, 상기 탱크중 나머지는 분할부를 지니지 않고 직통하고 있으며, 열교환매체를 각각 유입 및 유출하는 입구부와 출구부가 적층방향으로 상기 제2연통영역쪽의 단에 형성되어서 상기 입구부는 상기 제1연통영역과 연통하고 상기 출구부는 상기 제2연통영역과 연통하며, 상기 제1연통영역을 구성하는 관구성요소의 수가 상기 제2연통영역을 구성하는 관요소의 수반 이상으로 한 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 각각의 단의 상기 관구성요소의 외측에는 평판이 구성되어 있고, 상기 입구부 및 상기 출구부는 외측으로 부터 입구/출구통로 형성용판을 상기 평판중 하나에 접착하였고, 팽창밸브를 입, 출통로 형성용 상기판에 연결하는 연결부를 제공하여 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
3. 제2항에 있어서, 상기 입구부와 상기 제1연통영역은 상기 관구성요소의 하단에 제공된 오목부에 고정된 연통파이프를 경유하여 서로 연통하고, 상기 출구부와 제2연통영역은 상기 평판에 형성된 관통구멍을 경유하여 서로 연통하는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
4. 제3항에 있어서, 열교환매체는 상기 유입구로 부터 상기 연통파이프를 통해 이동하여 상기 탱크집단 중 하나에 형성된 상기 제1연통영역에 유입되고 상기 제1연통영역에 속한 상기 관구성요소의 상기 U자형상통로를 통과하고 나머지 상기 탱크집단에 도달한 다음 나머지 상기 탱크집단을 구성하는 관구성요소의 상기 제2연통영역에 속한 상기 관구성요소의 상기 U자형상통로를 위해 이동하여, 상기 제2연통영역에 유입되어 상기 출구부를 통해 흘러나가는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
5. 제1항에 있어서, 21개의 관구성요소가 적층되고 상기 탱크집단 중 하나에 형성된 분할부가 상기 유입구 및 유출구를 형성하는 단으로 부터 세어서 제10번째 및 제11번째 관구성요소가 접착되는 영역에 제공되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
6. 제5항에 있어서, 상기 탱크집단 중 하나에 형성된 상기 분할부는 상기 형성판 중 하나 또는 모두에 상기 관구성요소 사이를 연통하는 연통구멍은 형성하지 않음으로써, 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
7. 제5항에 있어서, 상기 탱크집단 중 하나에 형성된 상기 분할부는 상기 형성관 사이에 가림판을 제공하여 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
8. 제1항에 있어서, 각각의 관구성요소는 주연에 두개의 형성판을 접착하여 구성되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.