KR100314186B1 - 증발기용 트라이 튜브 열교환기 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 증발기의 열전달 성능을 향상시키기 위한 증발기용 트라이 튜브 열교환기에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 공기의 유동방향에 직각 방향으로 다수의 루버를 형성한 핀과, 공기와의 접촉면적이 많아지도록 타원형으로 구성된 냉매관을 포함한 것을 특징으로 하며,

이에 따라, 공기와 냉매관이 접촉함에 있어 공기의 흐름이 유선화되어 후류의 사영역이 최소화되고 공기의 실질 열전달면적이 증대됨으로써 공기와 냉매 사이의 열전달 효율이 향상되며, 동일 조건일 경우 그 전장 길이를 짧게 구현할 수 있고, 각 관의 절곡시 그 곡률경을 크게 구현할 수 있어 원활한 냉동 사이클이 가능해지는 이점이 있다.

Description

증발기용 트라이 튜브 열교환기{Tri-tube type heat exchanger for Evaporator}

본 발명은 냉장고용 증발기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 증발기의 열전달 성능을 향상시키기 위한 증발기용 트라이 튜브 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로, 냉장고의 냉동실 후면에는 냉동사이클의 작동시 팬의 송풍에 의해 공기를 강제로 유입시켜 이 공기와 냉매 사이의 열교환을 통해 냉기를 발생시키는 증발기가 설치되며, 따라서 냉장고의 증발기로는 작은 부피에도 큰 열전달 성능을 나타내는 열교환기가 요구된다.

이러한 냉장고의 증발기로는 도 1과 같은 장치가 있다.

도 1에 제시된 트라이 튜브 열교환기를 종래 냉장고용 증발기의 한 예로서 설명한다.

종래 트라이 튜브 열교환기는 도 1에 도시된 바와 같이, 3개의 전열관(1a)(1b)(1c)과, 각 전열관(1a)(1b)(1c)의 사이에 형성된 핀(2)으로 이루어진다.

3개의 전열관(1) 중 외곽측의 관들은 냉매가 유동하는 좌/우 냉매관(1a)(1b)으로 구성되며, 중앙부의 나머지 관은 제상시 일정량의 열을 발산하기 위한 제상관(1c)으로 구성된다.

또한, 냉매관(1a)(1b) 및 제상관(1c)으로는 통상 원형관을 사용하게 되며, 냉장고 등의 제한된 공간내에 장착하기 위해 뱀 형상으로 구불구불하게 절곡·구성하게 되는데, 그 절곡부의 곡률경은 냉매의 압력 강하 방지를 위해 최소한 냉매관 직경의 3배 이상이 되어야 한다.

각 전열관(1a)(1b)(1c)을 연결하는 핀(2)에는 도 2와 같이 공기의 방향을 유도하기 위한 다수의 루버(3)가 성형되며, 구불구불하게 절곡되어 있는 각 전열관(1a)(1b)(1c)은 상하로 브라켓(4)에 지지되고, 우측 냉매관(1b)의 단부에는 냉장고의 주위 환경 조건별 부하 대응을 위한 저장 탱크(Storage tank) 역할 및 수액 분리 역할을 하는 어큐뮬레이터(5)가 연결된다.

이와 같이 이루어진 종래 기술에 따른 트라이 튜브 열교환기는 도면상에 도시되지 않은 송풍팬에 의한 공기의 유입으로 냉매관(1a)(1b) 내부를 유동하는 냉매와 이 공기 사이의 상호 열교환을 수행하게 되며, 이러한 열교환 과정에서 냉매는 공기로부터 열을 얻거나 빼앗기게 되고, 반대로 공기는 냉매에 열을 주거나 빼앗는 관계가 된다.

즉, 트라이 튜브 열교환기를 냉장고의 증발기로 적용할 경우에는 공기가 냉매와의 열교환 과정에서 열을 빼앗겨 냉기가 되며, 이러한 냉기가 냉장고의 냉동실 또는 냉장실에 공급되는 것이다.

이때, 냉매는 좌측의 냉매관(1a)을 통해 유입되어 구불구불하게 절곡되어 있는 냉매관(1a) 내부를 유동하게 되며, 전체를 흐르며 최종적으로 우측의 냉매관(1b) 출구에 있는 어큐뮬레이터(5)를 거쳐 나가도록 되어 있다.

한편, 핀(2)에는 다수의 루버(3)를 형성하여 공기와 냉매 사이의 열전달을 촉진하게 되는데, 루버(3)는 핀(2)의 표면을 지나는 공기의 유동 방향을 루버(3) 방향으로 유도하여 공기가 루버(3) 사이를 흘러가게 함으로써 공기의 열교환기 통과거리를 길게 하여 공기와 냉매 사이의 열전달 성능을 향상시키는 역할을 하게 된다.

이러한 과정에서 증발기의 표면 온도는 통상 -36℃ 이하까지 내려가게 되며, 유입되는 공기가 냉동실의 공기뿐만 아니라 냉장실의 습한 공기와 혼합되어 들어가므로 증발기로 유입되는 순간 응축되어 증발기의 표면에 착상된다.

따라서, 냉장고용 증발기의 표면에는 시간의 경과에 따라 착상이 지속되어 결국 일정시간 경과후에는 착상된 것을 제거시켜 주어야 하며, 이를 위해 트라이 튜브 열교환기의 중앙부에 있는 제상관(1c)을 가동하게 된다.

제상관(1c)은 전기 가열식 히터로서, 이를 가동하게 되면 일정량의 열이 발산되어 증발기 표면의 서리층을 녹일 수 있다.

이러한 트라이 튜브형 증발기는 냉장고의 협소한 공간내에 장착되어야 하므로 그 열전달 면적이 제한되며, 이를 극복하기 위해서는 단위 체적당 열전달 면적을 많이 확보한 열교환기가 요구된다.

따라서, 요구되는 성능을 유지하기 위해서는 많은 수의 절곡이 이루어져야 하므로 절곡부의 직경이 작아질 수밖에 없다.

이와 같이 전열관의 절곡부 직경이 작아지게 되면 냉매의 압력 강하를 유발하게 되어 원활한 냉동 사이클을 구현할 수 없는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 점을 감안하여 제안된 것으로, 냉매관을 통과하는 공기의 유로를 증가시켜 열전달 효율을 향상시키도록 한 증발기용 트라이 튜브 열교환기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 트라이 튜브 열교환기의 구성도로서,

도 1a는 정면도이고,

도 1b는 단면도이고,

도 2는 루버 핀의 작용 설명도이고,

도 3은 본 발명에 따른 트라이 튜브 열교환기의 단면도이고,

도 4는 본 발명에 따른 냉매관과 종래 냉매관의 공기 접촉 면적을 비교한 도면으로서,

도 4a는 원형관의 경우이고,

도 4b는 타원형관의 경우이고,

도 5는 본 발명에 따른 타원형관의 열전달 특성을 나타낸 그래프로서,

도 5a는 압력 강하에 대한 풍속의 변화를 나타낸 그래프이고,

도 5b는 풍속에 따른 열전달 계수의 변화를 나타낸 그래프이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1a', 1b' : 냉매관 1c : 제상관

2 : 핀 3 : 루버

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 증발기용 트라이 튜브 열교환기는, 냉매가 유동하는 좌/우의 냉매관 및 제상을 위한 제상관으로 이루어진 3개의 튜브와, 각 튜브를 연결하는 핀을 포함한 트라이 튜브 열교환기에 있어서:

(1) 상기 핀은 공기의 유동방향에 직각 방향으로 형성된 다수의 루버를 포함하며;

(2) 상기 냉매관은 공기와의 접촉면적이 많아지도록 타원형으로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하기로, 상기 냉매관은 상기 튜브의 배열 방향을 기준으로 종장형으로 구성되며; 그 장축 대 단축의 비는 1.5 : 1로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하기로, 상기 좌측 냉매관과 상기 제상관의 사이에 형성된 루버는 각 튜브의 배열방향을 기준으로 상기 제상관과 상기 우측 냉매관의 사이에 형성된 루버와 반대방향으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 하면, 루버의 형상에 의해 공기의 유동 경계층에 의한 열저항이 최소화되며, 냉매관이 타원형으로 구성되어 공기가 보다 넓은 면에서 냉매관과 접촉하게 된다.

그 결과, 공기와 냉매가 보다 넓은 면에서 열교환되어 열전달 효율이 향상되며, 이를 증발기에 적용시에는 관 절곡부의 직경을 크게 할 수 있어 냉매의 압력 강하가 방지되므로 원활한 냉동 사이클을 구현할 수 있는 이점이 있다.

그리고, 본 발명의 실시 예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 가장 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

이 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 증발기용 트라이 튜브 열교환기의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

또한, 설명에 사용되는 도면에 있어서, 도 1 및 도 2와 같은 구성성분에 관해서는 동일한 번호를 부여하여 표시하고 그 중복되는 설명을 생략하는 것도 있다.

도 3은 본 발명에 따른 트라이 튜브 열교환기의 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 냉매관과 종래 냉매관의 공기 접촉 면적을 비교한 도면으로서, 도 4a는 원형관의 경우이고, 도 4b는 타원형관의 경우이고, 도 5는 본 발명에 따른 타원형관의 열전달 특성을 나타낸 그래프로서, 도 5a는 압력 강하에 대한 풍속의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 5b는 풍속에 따른 열전달 계수의 변화를 나타낸 그래프이다.

본 실시 예에 따른 증발기용 트라이 튜브 열교환기는 단위 체적당 전열면적을 넓히기 위한 것으로, 도 3과 같이 좌/우측 냉매관(1a')(1b')을 타원형상으로 구성한 것이 특징이다. 즉, 각 냉매관(1a')(1b')을 전열관(1a')(1b')(1c)의 배열라인을 기준으로 종장형으로 구성한 것인데, 그 세장비(장축/단축)는 약 1.5 : 1 정도로 함이 바람직하다.

이는, 세장비가 1.5 미만이면 원형에 가깝게 되어 본 발명에 따른 효과가 반감되며, 1.5보다 크게되면 관 내부의 내압성이 저하되기 때문이다.

또한, 핀(2)의 루버(3)는 공기의 유동방향과 직각 방향으로 구성하여 유동 경계층에 의한 열저항을 줄이는 구조로 함이 바람직하며, 루버(3)의 폭은 5∼10㎜의 범위내에 있도록 하여 열저항과 착상에 의한 영향을 동시에 커버하도록 한다.

아울러, 좌측 냉매관(1a')과 제상관(1c)의 사이에 형성된 루버(3)와, 제상관(1c)과 우측 냉매관(1b')의 사이에 형성된 루버(3)가 각 전열관(1a')(1b')(1c)의 배열방향을 기준으로 반대방향을 갖도록 하여 제작시 전/후면의 뒤바뀜 방지와 공기 유동시 난류를 발생시켜 열전달 촉진을 도모한다.

이러한 상태에서 냉장고 등의 제한된 공간내에 장착하기 위해 각 전열관(1a')(1b')(1c)을 구불구불하게 절곡·구성하게 되는데, 그 절곡부의 곡률경은 냉매의 압력 강하 방지를 위해 최소한 냉매관(1a')(1b') 직경의 3배 이상이 되어야 한다.

또한, 벤딩 작업시 핀(2)의 일그러짐을 방지하기 위해 루버(3)는 30∼50°범위의 기울기를 갖도록 하여 냉매관(1a')(1b')의 관경을 벗어나지 않도록 한다.

이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 증발기용 트라이 튜브 열교환기의 동작은 다음과 같다.

먼저, 도 4a에 도시된 원형관의 경우 외부공기의 최초 접촉면에서는 열교환면적이 넓어 열교환에 유리하며, 냉매관(1a)(1b) 내부를 흐르는 냉매에 대해 그 내압성은 인정되지만 유입공기의 유입방향 반대면에 형성되는 사영역(死領域)이 크게 형성되어 전체면에서는 냉매와 유입공기와의 열교환 면적이 작게 형성됨을 알 수 있다.

이에 반해, 도 4b에 도시된 타원형관의 경우에는 냉매관(1a')(1b') 내부를 흐르는 냉매에 대해서는 원형관에 비해 그 내압성은 떨어지지만, 공기측에서 보면 그 유로가 유선화되어 관 후류에 나타나는 사영역(死領域)이 원형관에 비해 크게 감소됨에 따라 보다 많은 부분에서 공기와 냉매관(1a')(1b')이 접촉할 수 있으므로 실질 열전달 면적이 원형관에 비해 크게 증가하게 되며, 풍속을 증가시켜 압력 손실도 줄일 수 있는 구조가 된다.

도 5는 이러한 타원형관의 열전달 특성을 나타낸 그래프로서, 도 5a와 같이 동일 압력 조건일 때 원형관에 비해 타원형관은 풍속면에서 약 40%정도 증가된 것을 알 수 있고, 이러한 풍속의 차이를 도 5b와 같이 열전달 계수에 적용하였을 경우에는 공기측 열전달 계수가 약 27%정도 증가된 것을 알 수 있다.

이러한 결과를 통하여 동일 조건일 경우 열교환기의 길이를 짧게 할 수 있을뿐만 아니라 각 관의 절곡시 그 곡률경을 크게 할 수 있어 원활한 냉동 사이클을 구현할 수 있게 된다.

그러나, 증발기의 압력은 통상 5기압 정도가 되며, 이로 인해 세장비가 증가하게 되면 관 내부의 내압성이 떨어져 원형으로 복귀하려는 힘이 강하게 작용되므로 타원형관을 구현함에 있어 상기한 바를 고려한 적절한 세장비를 설정함이 바람직하다.

한편, 비교 예로서 종래의 기술, 즉 다시 말해서 냉매관으로 원형관을 채용하여 공기의 관 접촉면적이 작고 후류에 사영역이 존재하게 되는 것과 달리, 본 발명은 냉매관으로 타원형관을 채용하여 공기의 유로를 증대시킴과 아울러 후류의 사영역을 최소화할 수 있어 공기의 실질 열전달면적을 크게 넓히게 된다.

이 결과에서, 본 발명에 의하면 공기 유로가 증대됨에 따라 열전달면적이 증가되어 공기와 냉매 사이의 열전달 효율이 향상되며, 따라서 작은 부피에도 큰 열전달 성능을 나타낼 수 있어 동일 조건일 경우 그 전장 길이를 짧게 구현할 수 있으며, 각 관의 절곡시 그 곡률경을 크게 구현할 수 있어 원활한 냉동 사이클이 가능해지는 이점이 있다.

그리고, 상기에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명 및 도시되었지만 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.

이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

상술한 설명으로부터 분명한 것은, 본 발명은 냉매관으로 타원형관을 채용함으로써 공기의 흐름이 유선화되어 후류의 사영역이 최소화되고 공기의 실질 열전달면적이 증대된다.

따라서, 공기와 냉매 사이의 열전달 효율이 향상되며, 동일 조건일 경우 그 전장 길이를 짧게 구현할 수 있고, 각 관의 절곡시 그 곡률경을 크게 구현할 수 있어 원활한 냉동 사이클이 가능해지는 효과가 있다는 것이다.

Claims (2)

1. 냉매가 유동하는 좌/우의 냉매관 및 제상을 위한 제상관으로 이루어진 3개의 튜브와, 각 튜브를 연결하는 핀을 포함한 트라이 튜브 열교환기에 있어서:

   상기 핀은 공기의 유동방향에 직각 방향으로 형성된 다수의 루버를 포함하며;

   상기 냉매관은 공기와의 접촉면적이 많아지도록 타원형으로 구성되고,

   상기 냉매관은 상기 튜브의 배열방향을 기준으로 종장형으로 구성되며, 그 장축과 단축이 1.5 : 1로 구성되는 것을 특징으로 하는 증발기용 트라이 튜브 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 좌측 냉매관과 상기 제상관의 사이에 형성된 루버는 각 튜브의 배열방향을 기준으로 상기 제상관과 상기 우측 냉매관의 사이에 형성된 루버와 반대방향으로 구성된 것을 특징으로 하는 증발기용 트라이 튜브 열교환기.