KR100300640B1

KR100300640B1 - 비공비 혼합냉매용 전열관을 사용한 냉동사이클

Info

Publication number: KR100300640B1
Application number: KR1019990001944A
Authority: KR
Inventors: 이토마사아키; 우치다마리; 구도미츠오; 후쿠시마도시히코; 오타니다다오
Original assignee: 가나이 쓰도무; 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼; 하라 세이지; 히다찌 덴센 가부시끼가이샤
Priority date: 1994-07-01
Filing date: 1999-01-22
Publication date: 2001-09-22
Also published as: CN1082178C; US6018963A; JPH0875384A; CN1122444A; TW335443B; MY130596A

Abstract

비공비 혼합냉매를 작동유체로 하는 냉동기나 공조기에 사용되는 냉동사이클에 관한 것으로서, 비공비 혼합냉매가 사용되는 전열관에 대해서 높은 전열성능을 갖는 전열관을 사용한 냉동사이클을 제공하기 위해, 압축기, 압축기와 접속된 제1 열교환기, 한쪽 끝부에 있어서 팽창수단을 거쳐 제1 열교환기와 접속되고 또한 다른쪽 끝부에 있어서 압축기와 접속된 제2 열교환기 및 냉동사이클내를 순환하는 비공비 혼합냉매를 포함하는 냉동사이클로서, 적어도 1개의 제1 열교환기의 적어도 1개의 전열관의 내면에 관축에 대해서 10도∼20도의 비틀림각도로 연장하는 여러개의 나선형 융기 및 이 융기와 교차하는 2차 홈이 마련되고, 전열관의 내경을 D_i로 했을 때 융기는 피치P_f1을 갖고, P_f1/D_i의 비는 0. 05∼0. 1의 범위내이며, 2차 홈의 깊이H_f2는 융기의 높이H_f1의 40∼100%의 범위내로 설정되는 구성으로 하였다.

이러한 구성으로 하는 것에 의해, 높은 전열성능을 갖는 전열관을 제공할 수가 있고 동작계수가 높은 냉동기 및 공조기를 제공할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

비공비 혼합냉매용 전열관을 사용한 냉동사이클{REFRIGERATION CYCLE FOR USING A HEAT TRANSFER TUBE FOR A ZEOTROPIC REFRIGERANT MIXTURE}

본 발명은 비공비(zeotropic) 혼합냉매를 작동유체로 하는 냉동기나 공조기에 사용되는 냉동사이클에 관한 것으로서, 특히 교차핀(cross-fin) 튜브형 열교환기의 응축기 또는 증발기 또는 그것에 사용되는데 적합한 전열관에 관한 것이다.

종래, 공기조화기 등에 사용되었던 냉매HCFC-22는 최근 환경파괴의 원인으로되고, 특히 그 냉매의 대기로의 방출은 지구를 둘러싸고 있는 오존층에 미치는 영향이 크기 때문에 그의 대체냉매가 여러가지로 연구되어 왔다.

그리고, 단일 냉매로는 대체냉매로서 사용하기 곤란하다는 것이 판명되어 2종류 또는 3종류의 비공비 혼합냉매의 적용이 고려되었다.

그러나, 『HFC계 비공비 혼합냉매의 수평홈이 마련된 관내 응축열 전달율』(제30회 일본 전열 심포지움 강연논문집 Vol. 1, P. 337∼P. 339, 1993년 5월 26일 발행)에 개시된 바와 같이, 비공비의 냉매를 사용하는 전열관에 대해서 종래의 단일 냉매에 자주 사용되고 있던 수평관이나 도 5에 도시된 바와 같이 비틀림각도가 1종류인 홈을 갖는 내면 나선형 홈이 마련된 관의 구성에 있어서 실제의 사이클을 실용화하기 위해서는 그의 특유의 현상인 전열성능의 저하가 문제로 되어 새로운 구성에 의해 열교환기에서의 성능향상을 도모하는 것이 중요한 과제로 되었다.

즉, 종래의 싱글홈(1종류의 홈)을 갖는 내면 나선형홈이 마련된 관은 단일 냉매에 대해서 우수한 전열성능을 나타내지만, HCFC-22의 대체냉매로서 유력시되고 있는 HFC계의 2종류 또는 3종류의 비공비 혼합냉매에 대해서는 단일 냉매를 사용했을 때만큼의 효과가 얻어지지 않는다는 것이 확인되었다.

도 9는 종래의 내면 나선형홈이 마련된 관을 사용했을 때의 응축열 전달율의 실험결과를 도시한 도면으로서, 곡선a가 단일 냉매에 대한 실험결과이고 곡선b가 비공비 혼합냉매에 대한 실험결과이다. 확실히, 비공비 혼합냉매의 응축열 전달율은 단일 냉매에서의 열전달율보다 저하하고 있다. 이 도면의 비공비 혼합냉매는 HFC-32, HFC-125, HFC-134a를 각각 30wt%, 10wt%, 60wt%씩 혼합한 것을 사용하고 있다.

본 발명의 제1의 목적은 비공비 혼합냉매가 사용되는 전열관에 대해서 높은 전열성능을 갖는 전열관을 사용한 냉동사이클을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2의 목적은 비공비 혼합냉매가 사용되는 전열관에 대해서 높은 전열성능을 갖는 열교환기 또는 공기조화기를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예의 교차핀 튜브형 열교환기의 일부분을 도시한 사시도,

도 2는 종래의 열교환기에 사용되고 있는 전열관의 횡단면도,

도 3은 제1 실시예의 전열관의 종단면도,

도 4는 제1 실시예의 전열관의 변경예의 종단면도,

도 5는 종래의 나선형 홈이 마련된 관의 종단면도,

도 6은 종래의 나선형 홈이 마련된 관의 일부를 도시한 횡단면도,

도 7은 비공비 혼합냉매의 기체-액체 평형선도,

도 8은 제1 실시예의 독립된 돌기를 흐르는 비공비 혼합냉매의 농도경계층과 유선을 도시한 전열관의 종단면도,

도 9는 종래의 나선형 홈이 마련된 관에 있어서의 단일 냉매 및 비공비 혼합냉매와 제1 실시예에 있어서의 비공비 혼합냉매의 열전달율 비교도,

도 10은 본 발명의 제2 실시예의 전열관의 종단면도,

도 11은 제2 실시예의 전열관의 일부를 도시한 사시도,

도 12는 종래의 나선형 홈이 마련된 관에 있어서의 단일 냉매 및 비공비 혼합냉매와 제2 실시예에 있어서의 비공비 혼합냉매의 응축열 전달율 비교도,

도 13은 종래의 나선형 홈이 마련된 관에 있어서의 단일 냉매 및 비공비 혼합냉매와 제2 실시예에 있어서의 비공비 혼합냉매의 증발열 전달율 비교도,

도 14는 본 발명의 제3 실시예인 전열관의 종단면도,

도 15는 도 14의 제3 실시예의 변형예를 도시한 전열관의 종단면도,

도 16은 제3 실시예에 있어서 스프링코일을 삽입한 전열관을 비공비 혼합냉매에 적용한 결과를 도시한 도면,

도 17은 횡축에 공기유속을 취하고 종축에 열통과율을 취하며 각종 열교환기의 성능을 비교해서 도시한 도면,

도 18은 횡축에 냉매의 질량속도를 취하고 종축에 냉매측 열전달율을 취하며 각종 열교환기의 성능을 비교해서 도시한 도면,

도 19는 히트펌프식 냉동사이클의 계통도,

도 20은 종래의 공조기와 본 발명의 공조기의 성능 비교도.

상기 제1의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 전열관은 [1] 비공비 혼합냉매를 사용한 냉동사이클의 응축기 및 증발기(이하, 양자를 총칭해서 열교환기라고 한다)의 적어도 1개에 사용되는 전열관에 있어서, 내면의 홈에 교차부분을 마련한 것을 특징으로 하는 것이다.

또, [2] 비공비 혼합냉매를 사용한 냉동사이클의 적어도 1개의 열교환기에 사용되는 전열관에 있어서, 내면에 여러개의 독립된 돌기를 마련한 것을 특징으로 하는 것이다.

또, [3] 비공비 혼합냉매를 사용한 냉동사이클의 적어도 1개의 열교환기에 사용되는 전열관에 있어서, 내면의 홈에 적어도 1개의 스프링을 마련한 것을 특징으로 하는 것이다.

또, [4] 비공비 혼합냉매를 사용한 냉동사이클의 적어도 1개의 열교환기에 사용되는 전열관에 있어서, 내면에 교차하는 스프링을 마련한 것을 특징으로 하는 것이다.

또, [5] 비공비 혼합냉매를 사용한 냉동사이클의 적어도 1개의 열교환기에 사용되는 전열관에 있어서, 내면에 여러개의 나선형 융기(ridges or ribs)를 마련함과 동시에 이 융기와 교차하는 2차 홈을 마련한 것을 특징으로 하는 것이다.

또, [6] 비공비 혼합냉매를 사용한 냉동사이클의 적어도 1개의 열교환기에 사용되는 전열관에 있어서, 비공비 혼합냉매의 농도경계층을 분단시키고 확산저항을 저감시키기 위해 관 내면의 증기류중 또는 액체막(液膜)중으로 돌출한 3차원 돌기, 분단핀 또는 루버핀(louvered fins)을 마련한 것을 특징으로 하는 것이다.

또, [7] 비공비 혼합냉매를 사용한 냉동사이클의 적어도 1개의 열교환기에 사용되는 전열관에 있어서, 내면에 관축에 대해서 비틀림각도가 10∼20도인 여러개의 나선형 융기를 마련함과 동시에, 전열관의 내경을 D_i로 했을 때 융기의 피치 P_f1을 D_i와의 비로 P_f1/D_i=0. 05∼0. 1의 범위로 설정하고, 또한 상기 융기와 교차하는 2차 홈의 깊이H_f2를 상기 융기의 높이H_f1에 대해서 40∼100%의 범위로 설정한 것을 특징으로 하는 것이다.

또, [8] 상기 융기와 교차하는 2차 홈의 잘라냄 폭W_f2를 상기 융기의 정상부 폭W_t와 융기의 바닥부 폭W_b사이로 설정한 것이다.

상기 제2의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 열교환기는 [9] 비공비 혼합냉매를 사용한 냉동사이클의 응축기 및 증발기의 적어도 1개에 있어서, 여러개의 핀을 거의 평행하게 배치함과 동시에, 상기 [1]항 내지 [7]항중의 어느 한항에 기재된 전열관을 상기 핀에 관통시키고 밀착시켜 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.

또, [10] 비공비 혼합냉매를 사용한 냉동사이클의 적어도 1개의 열교환기에 있어서, 여러개의 핀을 대략 평행하게 배치함과 동시에, 전열관에 유체의 압력을 작용시켜 관을 확대(擴管)하고 상기 핀과 상기 [9]항에 기재된 전열관을 밀착시켜서 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.

또, [11] 비공비 혼합냉매를 사용한 냉동사이클의 적어도 1개의 열교환기의 조립방법에 있어서, 상기 응축기 또는 증발기가 교차핀 튜브형 열교환기로서 상기 [9]항에 기재된 전열관을 핀에 관통시키고, 전열관내에 유체의 압력을 작용시켜서 관을 확대하고, 상기 핀과 전열관을 밀착시킨 것을 특징으로 하는 열교환기의 조립방법이다.

또, [12] 냉동기 및 공조기에서는 비공비 혼합냉매를 사용한 냉동사이클로 구성한 냉동기 및 공조기에 있어서, 상기 냉동사이클을 구성하는 적어도 1개의 열교환기에 상기 [9]항 또는 [10]항에 기재된 열교환기로 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.

상기와 같이 구성하고 있으므로, 관 내면의 증기류중 또는 액체막중으로 돌출한 3차원 돌기, 분단핀 또는 루버핀 등에 의해서 그의 선단에서 새로운 농도경계층을 발달시킬 수 있고 확산저항을 저감시킬 수가 있다. 그 결과, 비공비 혼합냉매에 대해서 높은 열전달율을 갖는 전열관을 실현할 수 있다.

또, 본 발명에 의하면 비공비 혼합냉매용 전열관에 있어서 내면의 홈에 교차부분을 마련한 것 또는 내면에 여러개의 독립된 돌기를 마련한 것에 의해서, 관내를 흐르는 비공비 혼합냉매의 교반작용을 촉진시키고, 비공비 혼합냉매 내에서 발생하는 농도분포의 불균일을 저감하는 효과와의 상승작용에 의해서 비공비 혼합냉매에 대해 높은 열전단율을 갖는 전열관을 실현할 수가 있다.

또, 상술한 전열관을 사용하는 것에 의해서 높은 냉매측 열전달율을 갖는 비공비 혼합냉매용 열교환기를 실현할 수 있다.

또, 이 열교환기를 사용하는 것에 의해서, 효율이 높고 또한 소형인 비공비 혼합냉매용 냉동기 및 공조기를 실현할 수가 있다.

본 발명의 제1 실시예와 그의 변경예를 도 1∼도 9에 따라 설명한다. 도 1은 제1 실시예의 교차핀 튜브형 열교환기의 일부분을 도시한 사시도, 도 2는 종래의 열교환기에 사용되고 있는 전열관의 횡단면도, 도 3 및 도 4는 각각 제1 실시예 및 그의 변경예의 전열관의 종단면도, 도 5는 종래의 나선형 홈이 마련된 관의 종단면도, 도 6은 종래의 나선형 홈이 마련된 관의 일부를 도시한 종단면도, 도 7은 비공비 혼합냉매의 기체-액체(氣液)평형선도, 도 8은 제1 실시예의 독립된 돌기를 흐르는 비공비 혼합냉매의 농도경계층과 유선을 도시한 전열관의 종단면도, 도 9는 종래의 나선형 홈이 마련된 관에 있어서의 단일 냉매및 비공비 혼합냉매와 제1 실시예에 있어서의 비공비 혼합냉매에서의 열전달율 비교도이다.

도 1은 본 발명에 의한 열교환기의 제1 실시예의 일부분을 도시한 도면으로서, 이 제1 실시예의 열교환기는 대략 평행하게 여러개의 핀(7)이 배치되고, 이 핀(7)을 관통해서 전열관(8)이 여러개 삽입되어 있다. 핀(7)의 표면에는 전열관(8) 사이에 핀(7)을 잘라 융기시키는 것에 의해 형성되는 루버(louvers)(9)가 마련되어 있고, 도시하지 않은 핀에 의해 화살표(6)으로 나타낸 바와 같이 핀(7)과 평행한 방향에서 송풍된 공기가 핀(7) 및 루버(9)를 흐른다. 한편, 전열관(8)내는 비공비 혼합냉매가 흐르고 공기와 열교환을 실행한다.

전열관(8)의 내면에는 도 3의 제1 실시예 또는 도 4의 제1 실시예의 변경예에 도시된 바와 같이, 관벽(5)로부터 융기해서 형성된 독립 돌기(3)이 마련되어 있다. 이 독립된 돌기(3)은 도 3에 도시한 바와 같이 관벽(5)에 교차홈(1)을 형성해서 돌기부분을 마련하는 것에 의해서 형성하거나, 도 4에 도시한 바와 같이 관벽(5)를 교차형상으로 깎아 마름모꼴 형상의 돌기를 형성할 수도 있다. 또, 도시하고 있지는 않지만, 전열관(8)의 외벽을 누르는 것에 의해서도 형성할 수 있다.

여기서, 본 실시예의 전열관의 작용 및 효과를 설명하기 전에, 종래의 내면 나선형 홈이 마련된 관에 대해서 도 5 및 도 6을 사용해서 설명한다. 도 5에 도시한 바와 같, 관벽(5)에는 나선형으로 홈(1a)가 마련되어 있고, 일반적으로 관 내경은 6∼10㎜, 홈 깊이는 0. 1∼0. 3㎜, 홈 피치는 0. 1∼0. 3㎜, 나선형 홈(1a)의 각도는 0∼25도이며, 홈(1a)의 형상은 사다리꼴 형상이고, 핀 선단 각도는 30∼40도로 형성되어 있다. 이 나선형 홈이 마련된 관내를 예를 들면 HFC-32와 HFC-134a의 2종류의 혼합냉매가 흘러 응축되는 경우를 고려한다.

횡축에 한쪽의 냉매, 여기에서는 HFC-32의 몰농도(%)를 취하고 종축에는 온도를 취한 비공비 혼합냉매의 기체-액체 평형선도인 도 7에 도시한 곡선V는 이슬점 곡선이라고 불리며, 응축을 개시하는 온도를 나타낸다. 도 7에 있어서 나머지 몰농도(%)는 다른 냉매, HFC-134a의 것을 나타낸다. 곡선V보다 상측에 있어서비공비 혼합냉매는 기체 상태로 있다. 또, 곡선L은 비등점(끓는 점)곡선이라고 불리며, 이 곡선L보다 하측에 있어서 비공비 혼합냉매는 액체 상태로 있다. HFC-32의 몰농도가 C의 상태에 있는 비공비 혼합냉매가 기체상태C1에서 점차 냉각되어 액체상태로 되는 과정을 고려한다. C1의 상태의 증기가 냉각되어 온도T2로 되면 이슬점 온도에 도달하여 응축이 시작되고, 온도가 T3보다 저하하여 온도T4에 이르러 응축이 완료한다.

이와 같이, 비공비 혼합냉매에서는 응축온도가 일정하지 않고 임의의 범위를 변화시키는 특징이 있고, 또 응축되는 액체의 농도와 그대로 남는 증기의 농도가 다르다는 특징이 있다. 즉, 도 7에 도시한 바와 같이 온도가 T3일 때 혼합냉매의 HFC-32의 농도는 C로 되지 않고, 혼합냉매는 HFC-32의 몰농도(%)가 B인 응축액과 HFC-32의 몰농도(%)가 D인 증기로 분리되어 버린다. 이와 같은 특성을 갖는 비공비 혼합냉매를 도 5에 도시한 나선형 홈이 마련된 관내를 흐르게 한 경우, 응축성능은 저하한다.

그 이유는 다음과 같이 설명된다. HFC-32는 HFC-134a에 비해 쉽게 응축되지 않는 성질을 갖고 있다. 이 때문에, 응축면에서는 HFC-134a의 농도가 높은 혼합냉매가 응축해서 액체로 되고, HFC-32의 농도가 높은 혼합냉매는 증기로서 남게 된다. 그 결과, 기체-액체 계면에서는 농도분포가 발생하고, 특히 증기측의 HFC-32의 농도가 높은 영역(이것을 이하 농도경계층이라고 한다)은 관 중심부에 존재하는 HFC-32의 농도가 C인 혼합냉매의 증기의 응축을 저해하는 작용을 하므로 응축성능이 저하한다. 나선형 홈이 마련된 관에 있어서 도 5에 도시한 바와같이, 관벽(5) 근방의 냉매가스는 나선형 홈(1a), 홈과 홈 사이의 융기(10)을 따라 이동되어 나선형 홈(1a) 방향으로 흐른다. 비공비 혼합냉매인 경우에는 비교적 쉽게 응축되는 냉매와 비교적 쉽게 응축되지 않는 냉매가 혼재하므로, 비교적 쉽게 응축되는 냉매가 먼저 응축해서 액체로 되고 비교적 쉽게 응축되지 않는 냉매는 가스 상태로 남아 농도경계층을 형성한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 내면에 나선형 홈이 마련된 관내의 농도경계층(11)은 나선형 홈(1a)를 따라서 형성된다. 도 6에 도시한 바와 같이 농도경계층(11)은 연속해서 형성되기 때문에 도 5에 점선으로 도시한 바와 같이 점차 두껍게 된다. 이것에 의해, 이 농도경계층은 비교적 쉽게 응축되는 냉매가 관벽(5)로 확산되는 것을 방지하는 기능을 한다. 특히, 도 6에 도시한 바와 같이 저온이고 또한 저속인 홈부에 있어서 비응축가스의 축적이 현저하게 되어 응축되는 가스의 확산저항층으로 되고, 기체의 응축을 저해하고 비공비 혼합냉매의 열전달율이 저하한다.

본 실시예의 전열관에는 상기와 같이 홈과 홈 사이의 융기(10)은 교차부분에 의해서 분단된 독립 돌기(3)을 마련하고 있다. 이와 관련해서, 단일 냉매를 대상으로 한 것이기는 하지만, 2종류의 홈이 교차하는 교차홈이 마련된 관이 일본국 특허공개공보 평성3-234302호에 개시되어 있다. 단일 냉매용의 전열관으로서는 그밖에 각종 내부형상을 갖는 전열관이 제안되고 있다.

비공비 혼합냉매용 전열관 형상으로서 어떠한 내부형상의 것이 가장 효율이 양호하게 되는가는 종래 불명확하였지만, 이하의 실시예에서 알 수 있는 바와 같이 교차홈을 마련하는 것이 좋다는 것이 본 발명자들의 연구에 의해서 판명되었다.

이하, 상세하게 설명한다.

본 실시예에서는 돌기(3)을 마련하고 있으므로, 이 독립된 돌기(3)에는 냉매 증기의 흐름 또는 냉매 액체막내의 흐름이 충돌한다. 그 때문에, 도 8에 도시한 바와 같이 농도경계층(12)는 독립된 각 돌기(3)의 선단에서 개별적으로 발달하므로, 농도경계층의 두께가 얇아진다. 그 결과, 냉매농도의 확산저항이 저감되어 높은 물질전달율이 얻어진다. 또, 독립된 돌기(3)은 비공비 혼합냉매의 증기와 응축액의 흐름을 교반하는 효과가 있다.

1예로서 도 9에는 종래의 나선형 홈이 마련된 관에 있어서의 비공비 혼합냉매에서의 응축열 전달율을 곡선b로 나타내고, 본 실시예의 전열관에 있어서의 비공비 혼합냉매에서의 응축열 전달율을 곡선c로 나타내고 있지만, 이 도 9에서 알 수 있는 바와 같이 본 실시예의 전열관의 비공비 혼합냉매에 있어서의 응축열 전달율은 종래의 나선형 홈이 마련된 관의 그것보다 높은 성능으로 된다.

이상의 설명에서는 열교환기의 응축기에 대해서 기술하였지만, 증발기로서 사용한 경우에도 비공비 혼합냉매의 액체에서 발생하는 농도경계층이 독립된 돌기에 의해 분단되고, 또 이 돌기에 의해서 농도경계층이 교반되므로 증발의 경우에도 높은 열전달율을 얻을 수가 있다.

본 발명의 제2 실시예를 도 10∼도 13을 사용해서 설명한다. 도 10은 제2 실시예의 전열관의 횡단면도, 도 11은 본 실시예의 전열관의 일부를 도시한 사시도, 도 12 및 도 13은 각각 실험결과를 도시한 도면이다.

제2 실시예의 돌기는 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 융기(10)이피치P_f1및 높이H_f1로 형성되어 있고, 이 융기(10)에 교차부를 형성하기 위한 2차 홈(10a)가 깊이H_f2로 형성되어 있다. 또, 융기(10)을 형성하는 1차 홈은 비틀림각도α로, 2차 홈은 이 융기(10)과 교차해서 교차각도β로 형성되어 있다.

여기서, 실험 등을 실행한 결과, 일반적인 전열관의 관 내경D_i는 D_i=3. 0∼7. 0㎜이고, 이 전열관의 경우 융기(10)의 높이는 관 내경D_i와의 비로 H_f1/D_i=0. 03∼0. 1정도가 바람직하며, 융기(10)이 형성되는 피치P_f1은 관 내경D_i와의 비로 P_f1/D_i=0. 05∼0. 1정도가 적합하다. 또, 2차홈의 깊이H_f2는 융기(10)을 형성하는 1차 홈의 높이H_f1의 40∼100%인 범위가 바람직하다. 2차 홈의 깊이H_f2를 이와 같이 설정하는 이유는 2차 홈의 깊이H_f2가 너무 얕으면 액체막이 계면을 교반하는 효과가 감소하기 때문이며, 또 응축액이 2차 홈을 따라 배출되는 것을 방해하기 때문이다. 이와 같이, 2차 홈의 깊이H_f2가 너무 얕으면, 비공비 혼합냉매에 대한 전열촉진효과가 얻어지지 않게 된다. 또한, 열교환기의 성능을 변경시키는 경우에는 융기(10)이 형성되는 피치P_f1을 좁게 할 수도 있고 넓게 할 수도 있다.

또, 2차 홈의 잘라냄 폭W_f2는 융기(10)의 단면형상에도 영향을 미친다. 예를 들면, 융기(10)의 단면형상이 장방형에 가깝고 또 융기(10)의 높이를 일정하게 한 경우를 상정한다. 융기(10)의 바닥부 폭W_b와 융기(10)의 정상부 폭W_t의 비W_t/W_b가 1에 가까운 경우에는 W_f2를 W_b보다 크게 하면 2차 홈을 형성하지 않은 경우에 비해 외관상의 전열면적이 감소한다. 이 때문에, W_f2는 W_t∼W_b사이로 설정하는 것이 바람직하다. 2차 홈의 잘라냄 폭의 형상은 직사각형, V자형 등 어떠한 형상이어도 좋고, 융기(10)을 부분적으로 경사지게 하는 것에 의해서 오목부를 마련할 수도 있다.

융기(10)을 형성하는 1차 홈의 높이H_f1이 일정한 경우, 융기(10)의 바닥부 폭W_b와 융기(10)의 정상부 폭W_t의 비 W_t/W_b가 0. 5이하인 것이 바람직하다. 융기(10)의 단면형상을 이와 같은 구조로 하는 것에 의해서, 전열면적을 저감시키지 않고 융기(10)과 융기(10)으로 둘러싸인 홈부의 단면적을 증대시킬 수가 있다.

또, 1차 홈에 대해서 2차 홈이 교차하는 각도β는 1차 홈이 비틀림각도α=10∼20도로 비틀려 있는 경우, 1차 홈의 비틀림각도α의 1. 5배∼4배인 것이 바람직하다.

이와 같이 구성한 경우의 비공비 혼합냉매의 성능측정결과를 도 12 및 도 13에 도시한다. 도 12는 횡축에 냉매 질량속도를 취하고 종축에 평균 응축열 전달율을 취해서 각종 전열관의 성능비교를 도시한 도면이고, 도 13은 횡축에 냉매 질량속도를 취하고 종축에 열 유속10㎾/㎡, 건조도 0. 6에서의 국소 증발열 전달율을 취해서 각종 전열관의 성능비교를 도시한 도면이다. 도 12 및 도 13에서 알 수 있는 바와 같이, 제2 실시예의 전열관은 비공비 혼합냉매를 사용한 경우, 종래의 나선형 홈이 마련된 관이 현저하게 저하하는데 비해, 점선으로 나타낸 단일 냉매 HCFC-22와 종래의 나선형 홈이 마련된 관의 성능에 가까운 값을 나타낸다. 또, 평활관과 비교해서 2배 이상의 성능 향상을 도모할 수가 있다. 또한, 제2 실시예에서 융기(10)의 바닥부는 연속적으로 형성되고, 교차부가 마련되어 있는 예를 설명했지만, 도 3 및 도 4에 도시한 제1 실시예 및 그의 변경예에 있어서도 이와 같이 형성해도 좋다.

본 발명의 제3 실시예를 도 14 내지 도 16을 사용해서 설명한다. 도 14는 제3 실시예의 종단면도, 도 15는 도 14의 제3 실시예의 변경예를 도시한 종단면도, 도 16은 실험결과를 도시한 도면이다.

비공비 혼합냉매를 적용한 경우, 전열관 내면에 교차부분을 마련하거나 또는 독립된 돌기를 형성시키는 것과 마찬가지 효과를 얻는 그밖의 방법으로서는 내면 홈이 마련된 관(23)내에 스프링모양의 삽입물을 설치하는 것이 고려된다. 도 14는 그의 1예를 도시한 것으로서, 내면 홈의 비틀림방향과 스프링의 감기방향을 동일한 방향으로 설정하는 경우에는 양자가 교차하는 각도를 크게 설정하고 있고, 또 내면 홈의 비틀림방향과 스프링의 감기방향이 다른 경우에는 많은 교차부분이 형성되도록 스프링의 감기피치를 결정하고 있다. 또, 도 15에 도시한 바와 같이 내면 평활관에 감기방향이 다른 2개 이상의 스프링(19), (20)을 삽입하는 것에 의해서 전열관내에 교차부분을 마련해도 좋다. 스프링(19), (20)을 전열관 내벽에 밀착시킨 경우, 스프링(19), (20)은 오목볼록이 있는 전열관 면과 마찬가지 효과를 얻을 수 있으므로 냉매의 교반효과 및 열전달을 기대할 수 있다. 또, 전열관 내경보다 작은 직경으로 감은 스프링을 1점 또는 수개의 점에서 고정시키는 것에 의해,냉매의 흐름에 의해 스프링에 진동이 발생하거나 벽면 근방의 냉매를 교란시킬 수 있으므로, 비공비 혼합냉매를 사용한 경우에 발생하는 확산저항을 저감한다는 효과를 기대할 수 있다.

또, 응축과정에서는 응축액을 스프링을 따라 배출시키는 효과가 얻어지고, 증발과정에 있어서는 스프링이 액체의 교반을 촉진시켜 기포의 발생과 이탈을 돕는 효과를 갖기 때문에 증발 전열특성을 향상시킬 수가 있다.

실험결과의 1예로서 핀 높이가 0. 15㎜, 비틀림각도가 18도인 내면 홈이 마련된 관내에 선직경(wire diameter)t=0. 3㎜, 피치p= 3. 0㎜, 코일 외경Dc=6. 0㎜인 스프링코일을 삽입한 전열관을 비공비 혼합냉매에 적용한 결과를 도 16에 도시한다. 도 16에 있어서 횡축에는 건조도를 나타내고, 종축에는 국소 열전달율을 나타내고 있다. 도 16에 있어서 좌단측이 응축기의 입구를 나타내고 우단측이 응축기의 출구를 나타내며, 이 도면으로부터 상변화가 진행하고 건조도가 작아짐에 따라서 열전달율도 저하한다는 것을 알 수 있다. 도 16중에 도시한 내면 홈이 마련된 관의 열전달율에 비해서 스프링을 삽입한 경우에는 열교환기 출구 부근에서 성능이 향상되고 있다. 단층류인 경우에는 스프링피치p와 스프링의 소자선(element wire) 직경d에 있어서 p/d=10∼20일 때 효과는 최대로 되는 것으로 되어 있지만, 이 비공비 혼합냉매를 사용한 실험결과에서는 p/d=10일 때 최대로 되었다.

스프링코일은 단선(單線)이어도 좋고 뒤틀린 선 형상이어도 좋고, 또 이중스프링과 같이 긴쪽방향으로 가늘게 감거나 또는 구부리거나 해도 좋다. 또, 긴쪽방향으로 선의 직경을 변화시키거나 또는 변형시킨 것을 사용해도 좋다. 스프링의 감기(卷取)피치는 전장에 걸쳐서 피치를 일정하게 하는 경우 이외에 부분적으로 변화시키거나 냉매의 흐름방향을 따라 서서히 변형시켜도 좋고, 이와 같이 냉매의 상태에 따라서 스프링을 가공하는 것에 의해서 열교환기 전장에 걸쳐서 성능을 향상시킬 수가 있다.

다음에, 열교환기에 대해서 설명한다. 도 1에 도시한 열교환기는 이와 같은 전열관으로 구성하고 있으므로, 비공비 혼합냉매를 사용한 경우에는 종래의 열교환기에 비해 열교환기의 성능이 향상한다. 열교환기의 총합적인 전열성능을 나타내는 것으로서 열통과율이 있다. 열통과율에는 공기측 열전달율, 냉매측 전달율, 접촉열 저항 등이 영향을 미친다. 도 17에 있어서 횡축에는 공기유속을 취하고 종축에는 열통과율을 취해서 각종 열교환기의 성능을 비교하여 도시하였다. 도 17에 있어서 곡선a2는 종래의 나선형 홈이 마련된 관에 단일 냉매 HCFC-22를 흐르게 한 경우, 곡선 b2는 종래의 나선형 홈이 마련된 관에 비공비 혼합냉매를 흐르게 한 경우, 곡선c2는 본 발명에 의한 전열관을 사용한 열교환기에 비공비 혼합냉매를 흐르게 한 경우를 각각 나타내고 있다. 이 도 17에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 나선형 홈이 마련된 관에서는 비공비 혼합냉매를 사용하면 성능이 현저하게 저하하지만, 본 발명의 전열관에서는 단일 냉매 HCFC-22에 가까운 열통과율을 얻을 수가 있다.

또, 본 발명에 의한 전열관을 도 1에 도시한 바와 같은 교차핀 튜브형 열교환기로서 조립하는 경우, 전열관과 핀을 밀착시킬 필요가 있다. 종래는 전열관을 심봉(맨드릴)에 의해 기계적으로 확대하는 경우가 많았지만, 본 발명에 의한 전열관의 경우 전열관 내면은 복잡한 형상을 하고 있기 때문에 기계적으로 관을 확대하면 변형하므로, 성능이 대폭으로 저하하는 것이 우려된다. 도 18은 본 발명에 의한 전열관의 확대방법의 차이에 따른 냉매측 열전달율의 차이를 도시한 도면으로서, 곡선c는 관 확대전의 성능을, 곡선d는 액압(fluid pressure)으로 관을 확대한 후의 성능을, 곡선e는 기계적으로 관을 확대한 후의 성능을 나타내고 있다. 도 18에서 액압에 의한 관 확대방법에서는 관 확대전의 성능과 대략 동등한 성능을 유지할 수 있기 때문에, 본 실시예와 같이 복잡한 형상의 것에는 액압에 의한 관 확대방법을 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 액압에 의한 관 확대방법이라는 것은 전열관을 핀으로 관통시키고, 전열관내에 유체의 압력을 작용시켜서 관을 확대하며, 핀과 전열관을 밀착시키는 방법이다.

다음에, 본 발명에 의한 열교환기를 비공비 혼합냉매를 사용한 공기조화기에 적용한 경우에 대해서 설명한다. 도 19는 비공비 혼합냉매를 사용한 히트펌프식 냉동사이클의 구성을 도시한 도면이다. 냉방운전시에는 실내 열교환기(17)이 증발기로서 기능하고 실외열교환기(15)가 응축기로서 기능한다. 또, 난방운전시에는 실내열교환기(17)이 응축기로서 기능하고 실외열교환기(15)가 증발기로서 기능한다. 이 실내열교환기와 실외열교환기 모두에 본 실시예의 열교환기를 적용한 경우와 종래의 열교환기를 적용한 경우의 냉방시와 난방시에 있어서의 성능을 동작계수 비로 도 20에 도시한다. 여기서, 동작계수(COP)는 냉방능력 또는 난방능력을 전체 전기입력으로 나눈 값에 의해 정의되는 것이고, 동작계수의 비라는 것은 종래의 열교환기에 단일 냉매인 HCFC-22를 사용했을 때의 동작계수의 값을 기준으로 하고 비공비 혼합냉매로서 3종류의 냉매HFC-32, HFC-125, HFC-134a를 각각 30wt%, 10wt%, 60wt%씩 혼합한 혼합냉매를 사용했을 때의 동작계수의 비(%)이다. 도 20에서 알 수 있는 바와 같이, 종래의 공기조화기에서는 비공비 혼합냉매를 사용한 경우 성능이 크게 저하하지만, 본 실시예의 공기조화기에서는 성능을 단일 냉매일 때와 동등하게 할 수가 있다.

이상 기술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 비공비 혼합냉매를 사용한 냉동사이클의 응축기 또는 증발기의 열교환기에 사용되는 전열관에 있어서 관 내면의 증기류중 또는 액체막중으로 돌출한 3차원 돌기, 분단핀 또는 루버핀 등에 의해서 그의 선단에서 새로운 농도경계층을 발달시키는 것에 의해서 확산저항을 저감시킬 수가 있다. 그 결과, 비공비 혼합냉매를 사용한 경우에 높은 전열성능을 갖는 전열관을 제공할 수가 있다.

또, 본 발명에 의하면 혼합냉매용의 교차홈이 마련된 전열관 내의 홈에 교차부분을 마련하거나 또는 내면에 여러개의 독립된 돌기를 마련했으므로, 비공비 혼합냉매 내에서 발생하는 농도분포의 불균일을 저감할 수 있음과 동시에 액체막내의 교반작용이 촉진된다. 그 결과, 높은 열전달율을 갖는 비공비 혼합냉매용 전열관을 제공할 수가 있다. 이 효과는 도 9에 도시한 예에서 알 수 있는 바와 같이, 질량속도의 광범위에 걸쳐서 열전달율이 향상되고 있다는 것을 알 수 있다.

또, 본 발명에 의하면 비공비 혼합냉매를 사용한 냉동사이클에 있어서도 냉매측 열전달율을 높게 유지할 수 있으므로, 높은 전열성능을 갖는 비공비 혼합냉매용 열교환기를 제공할 수가 있다.

또, 본 발명의 열교환기를 사용하는 것에 의해서 동작계수(COP)가 높은 냉동기 및 공조기를 제공할 수가 있다.

Claims

압축기,

상기 압축기와 접속된 제1 열교환기,

한쪽 끝부에 있어서 팽창밸브를 거쳐 상기 제1 열교환기와 접속되고 또한 다른쪽 끝부에 있어서 상기 압축기와 접속된 제2 열교환기를 포함하는 냉동사이클로서,

상기 제1 열교환기와 제2 열교환기 중의 적어도 한쪽의 열교환기의 적어도 1개의 전열관은 그의 내면에 관축에 대해서 10도∼20도의 비틀림각도로 연장하는 여러개의 나선형 융기 및 이 융기와 교차하는 2차 홈이 마련되고,

상기 융기는 그의 피치P_f1을 상기 전열관의 내경을 D_i로 했을 때 P_f1/D_i의 비가 0. 05∼0. 1의 범위내로 되도록 설정하고,

상기 2차 홈은 그의 깊이H_f2를 상기 융기의 높이H_f1에 대해서 40%∼100%의 범위로 설정하고,

또 2차 홈의 폭W_f2를 상기 융기의 정상부의 폭W_t와 융기의 바닥부 폭W_b사이로 설정하며,

상기 2차홈의 단면형상이 2차홈이 없는 경우의 열전달면적보다 큰 열전달면적을 갖는 2차홈을 융기에 마련하는 것을 특징으로 하는 냉동사이클.
압축기,

상기 압축기와 접속된 제1 열교환기,

한쪽 끝부에 있어서 팽창밸브를 거쳐 상기 제1 열교환기와 접속되고 또한 다른쪽 끝부에 있어서 상기 압축기와 접속된 제2 열교환기 및

냉동사이클내를 순환하는 비공비 혼합냉매를 포함하는 냉동사이클로서,

상기 제1 열교환기와 제2 열교환기 중의 적어도 한쪽의 열교환기의 적어도 1개의 전열관은 그의 내면에 여러개의 나선형 융기 및 이 융기와 교차하는 2차 홈이 마련되고,

상기 2차 홈의 폭W_f2를 상기 융기의 정상부 폭W_t와 상기 융기의 바닥부 폭W_b사이로 설정하며,

상기 2차홈의 단면형상이 2차홈이 없는 경우의 열전달면적보다 큰 열전달면적을 갖는 2차홈을 융기에 마련하는 것을 특징으로 하는 냉동사이클.