KR100338913B1 - 냉장고 - Google Patents

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KR100338913B1
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

냉장고 증발기는, 복수개의 직선도관부와 복수개의 곡선도관부가 꾸불꾸불한 구조로 형성되어 있고, 상기 각각의 직선도관부는 적어도 하나의 다른 직선도관부와 예각으로 연결된다. 직선도관부는 인접해서 평행 배열된 다수의 편평한 행으로 배열된다. 증발기 단면적의 약 25 - 50 퍼센트는 상기 도관 또는 적절한 고정 핀에 의해서 점유되지 않는다. 증발기의 일단에 배치된 교차 흐름 송풍기는 공기가 증발기의 표면을 따라 종방향으로 흐를 수 있게한다.

Description

냉장고
본 발명은 열 교환기에 관한 것으로, 특히 튜빙(tubing)의 인접한 직선 도관이 평행하지 않은 확산형(spread) 또는 나팔꽃형(flared) 사행형(蛇行形, serpentine) 형태를 갖는 냉장고 증발기에 관한 것이다.
가정용 냉장고는 전형적으로 단순한 증기 압축 사이클 상에서 동작한다. 이러한 사이클은 일렬로 접속되고 냉매로 충전되는 압축기, 응축기, 팽창 장치 및 증발기를 포함한다. 이 증발기는 증발기 주위를 지나는 공기로부터 증발기를 관통해서 흐르는 냉매로 열을 전달함으로써 냉매를 증발시키는 특별한 유형의 열교환기이다. 하나 이상의 냉각실을 냉각하기 위하여 냉각 공기가 사용된다. 증기 압축 사이클용 냉장고 증발기는 몇 가지 기능적인 필요조건을 충족해야 한다. 이 조건 중 가장 중요한 것은 하기와 같다.
우선, 증발기는 열적인 면에서 효율적이어야 한다. 즉, 증발기 내부를 흐르는 냉매는 증발기 주위를 흐르는 공기의 온도보다 크게 낮지 않은 포화 온도에서 존재해야 한다. 이는, 냉매의 포화 온도가 높으면 높을수록, 냉각 사이클의 효율이 커지기 때문이다. 따라서, 증발기 출구 포화 온도는 시스템의 열 효율을 나타낸다.
다음으로, 증발기는 냉각중인 공기의 제습(除濕)에 효과적이어야 한다. 공기가 충분히 제습되지 않으면, 냉장실내의 각종 표면상에 물 방울이 형성되고 냉동실내의 각종 표면상에 얼음이 형성될 것이다. 증발기는 공기가 증발기 위를 통과 할 때 공기중의 습기를 응축시킴으로써 공기를 제습한다. 효과적인 제습을 위해서는공기의 증발기 우회가 최소화되어야 한다.
응축된 습기가 증발기 표면의 선단측에 성에 또는 얼음을 형성하기 때문에,효과적인 증발기라면 실질적으로 공기 흐름을 방해하지 않고도 상당량의 얼음을 축적할 수 있어야 한다. 증발기 표면상의 얼음 축적이 결국에는 실질적인 사이클 효율 저하를 야기할 것이다. 따라서 대부분의 냉장고에는 증발기의 성에를 제거하기 위해서 주기적으로 작동하는 저항 가열기가 제공된다. 성에 제거에 사용되는 에너지는 종속적이다. 성에를 제거하는 열의 대부분이 성에를 녹이기보다는 오히려 성에가 덮이지 않은 표면으로 불가피하게 돌러지기 때문에 성에 제거를 자주 하면 냉장고 에너지 사용이 증대된다. 그러므로 바람직한 증발기는 성에 제거가 필요하기 전에 상당량의 얼음을 축적할 수 있는 것이다.
마지막으로, 증발기는 냉각되는 공간을 점유하기 때문에 콤팩트하게 설계되어야 한다. 캐비넷 크기 및 에너지 사용이 동일하다고 할 때, 증발기 및 그와 연관된 구성요소(즉, 팬, 성에 제거 가열기, 덕트 등)가 커질수록 유용할 수 있는 식품 저장 공간이 줄어든다.
제 1A 도 및 제 1B 도는 냉동실(12)과 냉장실(14)을 수용하는 외측 캐비넷 (11)을 구비하는 종래의 상부 장착형(top mount) 냉장고(10)를 도시하며 냉동실 (12)이 냉장실(14) 위로 배치된다. 통상의 증발기(15) 주위로 공기를 순환시킴으로써 냉동실(12)은 빙점 온도 아래로 유지되고 냉장실(14)은 식품 보존 온도(즉, 통상 빙점 이상이지만 식품을 보존하기에는 충분히 낮은 온도)로 유지된다. 증발기 (15)는 다수의 연장된 직선 튜브 세그먼트(straight tube segment)(22)와 다수의궤환 곡선 튜브 세그먼트(return bent tube segment)(24)를 사행형 코일 배열로 갖는 소정 길이의 튜빙이다. 직선 튜브 세그먼트(22)는 냉매가 그 곳을 통하여 흐를 수 있도록 연속하여 접속되며, 각각의 직선 튜브 세그먼트(22)의 출구는 곡선 튜브 세그먼트(24)에 의해 다음 직선 튜브 세그먼트(22)의 입구에 접속된다. 직선 튜브 세그먼트(22)는 대체로 밀접하게 이격되고 서로 평행하다. 곡선 튜브 세그먼트의 일부는 제 1A 도에 도시한 3열과 같은 직선 튜브 세그먼트의 추가 열을 규정하도록 다른 평면에서 만곡되어 있다. 증발기 튜빙에는 통상 튜브의 단위 길이당 열교환을 향상시키기 위해 휜(fin)이 제공된다.
증발기(15)는 냉동실(12)내에 위치한 증발기 챔버(16)내에 배치되며, 증발기 (15)는 냉동실(12)을 가로질러 길게 연장된다. 증발기 챔버(16)는 증발기 챔버(16)와 냉동실(12)의 나머지 부분을 분리하는 수직 연장 전방 패널(17)과, 실질적으로 평행한 측벽(18)과, 냉장고(10)의 내측 후방 라이너(19)에 의해 형성된다. 따라서, 증발기 챔버(16)는 냉동실(12) 후방의 상하 전체 부분을 차지한다. 증발기(15)는 증발기 챔버(16)내에서 각각의 측벽(18)에 부착된 한 쌍의 실질적으로 평행한 단부 채널 내의 해당 개구내에 유지된 각각의 궤환 곡선 튜브 세그먼트(24)에 의해 지지된다. 각각의 단부 채널은 아연도금 강 또는 알루미늄으로 형성될 수 있다. 단부 채널은 냉장고(10)의 냉동 라이너에 장착되도록 그내에 장착 구멍을 가질 수도 있다. 라이너는 부착을 가능하게 하는 특별한 리셉터클(receptacle) 또는 지지부를 가질 수도 있다.
모터 구동식 축류 팬(axial fan)(20)이 팬의 회전 축선이 전방 패널(17)에수직이 되도록 증발기 챔버(16)의 상부에 위치한다. 팬(20)은 냉각된 공기를 증발기 챔버(16)의 전방 패널(17)의 개구(21)를 통해 냉동실(12)내로 배출시킨다. 일부 공기는 당해 분야에 공지된 방식으로 통로(도시하지 않음)를 통해 냉장실(14)로 흐른다. 냉각 공기의 이러한 분할로 인해 냉동실(12)이 빙점 온도 아래에서 유지되고 냉장실(14)은 식품 보존 온도에서 유지된다. 팬(20)은 또한 냉동실(12) 및 냉장실(14)로부터 증발기 챔버(16)의 하부로 공기를 배출시킨다. 따라서, 복귀 공 기는 증발기(15) 위에서 수직으로 횡단하는 방식으로 흐른다. 이러한 횡단 공기 흐름은 증발기(15)의 기다란 직선 튜브 세그먼트(22)에 실질적으로 수직이다. 증발기(15)를 지나 흐른 후에, 공기 흐름 방향은 먼저 팬(20)에 의해 좌측으로 90°구부러지고 우측으로 180°구부러진 후 개구(21)를 통해 흐르게 된다. 따라서, 공 기 흐름은 증발기(15)를 지나고 개구(21)를 통과할 때 총 270°의 각으로 구부러져 야 한다.
이러한 구성은 입구 및 출구 플레넘(plenum)을 위한 상당한 공간을 필요로 하며 어떠한 열전달 이점도 제공하지 않는 입구 및 배출 압력 강하를 초래한다. 제 1A 도에 도시한 바와 같이, 플레넘 및 팬 공간은 거의 증발기(15)만큼의 증발기 챔버 용적을 점유한다. 또한, 성에는 증발기(15)의 최하부상에서만 생성되는 경향이 있다. 이는 습한 복귀 공기가 증발기(15)의 하부와 처음으로 접촉하기 때문이며, 습기의 대부분 또는 모두가 공기로부터 즉각 제거되고 증발기(15)의 최하부상에 성에로서 퇴적된다. 공기가 증발기(15) 주위를 계속해서 통과함에 따라, 공기에는 습기가 거의 또는 전혀 남지 않게 되어 증발기(15)의 상부에는 성에가 거의 또는 전혀 형성되지 않는다. 이러한 균일하지 않은 성에 분포는 성에가 신속하게 형성되는 경향이 있으며 성에 제거가 빈번하게 필요하다는 것을 의미한다.
따라서, 대량의 성에를 축적할 수 있는 에너지 효율이 좋고 콤팩트한 냉장고증발기가 요구된다.
상술한 요구는 사행형 배열로 다수의 직선 튜브 세그먼트와 다수의 곡선 튜브 세그먼트를 갖는 기다란 튜브를 포함하는 증발기를 제공하는 본 발명에 의해 충족된다. 각각의 직선 튜브 세그먼트는 곡선 튜브 세그먼트중의 하나에 의해 적어도 하나의 다른 직선 튜브 세그먼트에 비평행 관계(non-parallel relation)로 연결된다. 비평행 관계로 2개의 직선 튜브 세그먼트를 연결하는 각각의 곡선 튜브 세그먼트는 예각을 헝성한다. 직선 튜브 세그먼트는 적어도 하나의 평면 열 및 바람직하게는 3개 정도의 다수의 인접하고 평행한 평면 열로 배열된다. 증발기의 단면적의 약 25 내지 50%는 부착될 수 있는 임의의 휜을 구비하는 튜빙에 의해서 점유되지 않는다. 증발기는 냉장고의 냉동실내에 위치한 증발기 챔버내에 배치된다. 직교류 송풍기(cross flow blower)가 증발기 챔버내에 증발기의 일 단부에 배치되어 공기가 종방향으로 증발기를 지나 흐르게 한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점은 첨부 도면과 관련된 하기의 상세한 설명과 첨부된 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 요지는 명세서의 결론부에 상세히 지적되고 구별되게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부 도면과 관련된 하기의 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이다.
도면에 있어서, 전체 도면을 통하여 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타내며, 제 2A 도 내지 제 2C 도는 냉동실(104) 및 냉장실(106)을 수용하는 외측 캐비넷(102)을 구비하는 냉장고(100)를 도시한다. 냉동실(104)이 냉장실(106) 위에 배치된 것으로 도시되나, 본 발명은 이러한 구조에 한정되지는 않는다. 본 발명은 널리 공지되어 있는 양쪽 문 열림형(side-by-side) 형태를 비롯한 많은 다른 유형의 냉장고에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명이 특히 가정용 냉장고에 적용될지라도, 이에 한정되지는 않으며 공기조화기와 같은 다른 열 교환 응용예에 대하여 사용될 수 있다.
본 발명의 대상인 증발기(108) 주위로 공기를 순환시킴으로써 냉동실(104)은빙점 온도 아래로 유지되고, 냉장실(106)은 식품 보존 온도로 유지된다. 증발기 (108)는 연속하여 연결된 다수의 기다란 직선 튜브 세그먼트(110) 및 다수의 궤환 곡선 튜브 세그먼트(112)를 갖도록 사행형 코일로 굽어지는 기다란 튜브를 포함하는 열 교환기이다. 증발기 튜빙은 뒤로 굽어져서 적어도 하나의 평면이고 수직으로 연장되는 직선 튜브 세그먼트(110)의 열을 규정한다. 궤환 곡선 튜브(112)의 일부는 직선 튜브 세그먼트(110)의 추가 평면 열을 형성하도록 다른 평면에서 굽어질 수 있다(제 2A 도 및 제 2C 도에 그러한 열이 3개 도시됨). 직선 튜브 세그먼트의 수직 열은 평행하고 나란한 관계로 위치되어 수평으로 적층된다. 각각의 직선 튜브 세그먼트(110)의 출구는 궤환 곡선 튜브 세그먼트(112)중의 하나에 의해 다음 직선튜브 세그먼트(110)의 입구에 접속된다. 증발기(108)는 나팔꽃형 또는 확산형 사행형 형태를 갖는다는 점에서 종래의 증발기와 상이하다. 즉, 사행형 형태는 나팔꽃형 또는 확산형으로 벌어져 궤환 곡선부가 완전한 180°가 되지 않는다. 그에 따라, 각 열내의 인접한 직선 튜브 세그먼트는 예각으로 연결되어 비평행 관계를 규정하게 된다.
증발기(108)는 증발기 챔버(114)내에 배치되는데, 증발기 챔버(114)는, 반드시 그러할 필요는 없지만, 냉동실(104)의 상측 후방에 위치되는 것이 바람직하다.증발기 챔버(114)는 냉동실(104)의 2개의 실질적으로 평행한 측벽(116)과, 냉동실 (104)의 후방벽(118)과, 증발기 챔버(114)를 냉동실(104)의 잔여 부분과 분리하는 L자형상의 전방 패널 부재(120)로 규정된다. 전방 패널 부재(120)[증발기(108)를 더욱 잘 도시하기 위하여 제 2B 도에서는 생략됨]는 냉동실(104) 후방벽(118)의 대략 중간으로부터 외향으로 연장되는 수평 연장부와 후방벽(118)에 가까운 평면에서 수평 연장부의 말단부로부터 냉동실(104)의 상부까지 연장되는 수직 연장부를 갖는다. 따라서, 증발기 챔버(114)는 냉동실(104)의 전체 폭에 걸쳐 연장되지만, 냉동실(104)의 높이의 대략 절반의 높이와 냉동실(108)의 깊이의 일부만을 포함한다.
증발기(108)는 대응하는 증발기 챔버(114)의 치수와 실질적으로 동일한 폭 (W)와 깊이(D)를 갖지만, 증발기(108)의 길이(L)는 증발기 챔버(114)의 폭보다 약간 작다. 직교류 송풍기(122) 및 이 송풍기(122)를 구동하는 모터(124)는 냉동실 (104)의 측벽(116)과 증발기(108)의 일 단부 사이에 남아있는 공간에 위치한다. 직교류 송풍기[또한 횡류 송풍기(transverse flow blower)로도 공지됨]는 공기가 장치의 회전 축선에 평행하지 않고 수직 방향으로 송풍된다는 점에서 축류 팬 (axial fan)과 상이하다. 따라서, 직교류 송풍기(122)와 모터(124)의 회전 축선이 증발기챔버(114)내에 수직으로 배치될 수 있으므로, 보다 적은 공간을 사용하게 된다. 또한 직교류 송풍기는 증발기(108)의 거의 전체 폭에 걸쳐 있기 때문에 축류 펜보다 더 균일한 속도 분포를 제공한다.
송풍기(122)는 공기가 증발기(108)를 지나 냉동실(104) 전체를 통해 순환되 게 한다. 상세하게는, 송풍기(122)는 냉동실(104)로부터 전방 패널 부재(120)의 좌측에 위치한 입구 개구(126)(제 2C 도에 도시됨)를 통해 공기를 유입하고 전방 패널 부재(120)의 우측에 위치한 출구 개구(128)를 통해 냉동실(104)로 공기를 방출한다. 따라서, 제 2C 도에 도시한 바와 같이 복귀 공기는 좌측에서 우측으로 진행하는 방식으로 증발기(108)를 지나 수평으로 흐른다. 그렇기 때문에 송풍기(12a)는 종방향 공기 흐름을 생성한다. 즉, 공기는 증발기(108)의 길이를 가로지르지 않고 사실상 증발기(108)의 길이를 따라서 흐른다. 제 2B 도에 도시한 바와 같이, 증발기(108) 주위로 흐르는 공기는 각 열내의 인접한 직선 튜브 세그먼트 (110)에 의해 형성되는 "쐐기형상"중의 하나로 들어간다. 증발기의 길이를 따른 임의의 지점에서 , 공기는 직선 튜브 세그먼트(110) 중의 하나를 가로질러서, 인접한 직선 튜브 세그먼트(110)로 형성되는 또 하나의 "쐐기형상"으로 유입된 후 증발기 공간을 빠져나온다. 따라서 각각의 에어 포켓(air pocket)이 튜브 세그먼트 중 단지 하나를 지나 통과한다는 것을 알 수 있다.
증발기(108) 주위를 통과한 후, 공기는 냉동실(104)로 송풍되기 위해 90°로굽어질 필요가 있다. 냉각 공기의 일부는 당해 분야에 공지되어 있는 방식으로 냉동실(104)로부터 통로(도시하지 않음)를 통해서 냉장실(106)로 흐른다[이와 마찬가지로 복귀 공기의 일부는 냉장실(106)로부터 유입됨]. 이러한 냉각 공기의 분할로 인해 냉동실(104)은 빙점 온도 아래로 유지되고 냉장실(106)은 식품 보존 온도로 유지된다.
제 2A 도 내지 제 2C 도에 도시한 바와 같이, 증발기(108)는 6개의 직선 튜브 세그먼트(110)를 한 열로 하여 3개의 열로 된 총 18개의 직선 튜브 세그먼트 (110)를 포함한다. 본 발명은 6개의 직선 튜브 세그먼트에 한정되지는 않으며, 대 체로 전체 크기가 유사한 종래의 증발기 코일보다 적은 수의 직선 튜브 세그먼트를 갖는다. 이에 비하여, 제 1A 도 및 제 1B 도에 도시한 종래기술의 증발기(15)는 8 개의 평행한 직선 튜브 세그먼트(22)를 한 열로 하여 3개의 열로 된 총 24개의 직선 튜브 세그먼트(22)를 포함한다. 보다 적은 수의 직선 튜브 세그먼트로 인해 증발기(108)는 전체 폭이 커지지 않고 벌어질 수 있으며, 이는 또한 전체 튜빙 길이가 줄어드는 것을 의미한다. 그러나, 보다 상세하게 후술하게 될 바와 같이, 본 발명의 성능은 신규한 구성의 증가된 열전달 계수로 인해 저하되지는 않는다.
폭 제한 이외에도, 직선 튜브 세그먼트(110)가 벌어질 수 있는 정도는 그에 따른 개방 영역의 양, 즉 튜빙의 "튜브 용적"에 의해서 점유되지 않는 전체 증발기 단면적의 비율에 의해서 조절된다. 본 명세서에서 사용된 "튜브 용적(tube volume)"이라는 용어는 단순히 외부 휜이 없을 때 실제 튜빙에 의해 규정되는 공간을 지칭한다. 또는, 외부에 휜이 형성된 튜브의 경우, "튜브 용적"이라는 용어는 휜의 외측 팁(tip)에 의해 규정되는 경계 내부의 공간을 지칭한다. 개방 영역은 증발기의 길이를 따르는 임의의 지점에서 본질적으로 동일할 것이다. 허용 성능에 있어서, 확산형 형태에 의해 형성되는 개방 영역은 대략 25 내지 50%의 범위내에 있어야 한다. 개방 영역이 대략 25% 아래에 있다면, 공기측 압력 강하가 너무 크게 되고, 개방 영역이 약 50%보다 크면, 불충분한 열전달 체적 또는 너무 작은 공기 속도로 인해 증발기 성능이 저하된다. 개방 영역의 바람직한 범위를 제공하기 위해서, 인접한 직선 튜브 세그먼트의 각각의 쌍 사이에 형성된 예각은 약 3 내지 25°사이의 범위이어야 하며, 통상적인 치수의 증발기에 있어서 약 4 내지 9°사이가 바람직하다. 상기 언급한 통상적인 치수는 약 20 내지 24인치의 길이와 7.5 내지 12인치의 폭(열당 6개의 직선 튜브 세그먼트를 기준으로 함)을 지칭한다.
사행형 증발기(108)는 당해 분야에 주지된 바와 같이 응축기(도시하지 않음)로부터 팽창 장치(도시하지 않음)를 경유하여 첫 번째의 연장된 직선 튜브 세그먼트(110)중의 일 단부에 접속된 입구 튜브(130)를 통해 공급되는 냉매를 갖는다. 첫 번째의 직선 튜브 세그먼트(110)로부터, 냉매는 나머지 직선 튜브 세그먼트(110) 및 궤환 곡선 튜브 세그먼트(112)를 통과하여 출구 튜브(132)에 접속된 마지막 직선 튜브 세그먼트(110)로 연속하여 흐른다. 당해 분야에 공지된 바와 같이 냉매는 증발기로부터 출구 튜브(132)를 통과하여 압축기(도시하지 않음)로 흐른다.
증발기(108)를 통하는 냉매의 흐름을 제 3 도를 참조하여 나타낸다. 냉매는 입구 튜브(130)로부터 후방 열의 가장 위쪽 직선 튜브 세그먼트(110)로 흐른다. 그 후 냉매는 후방 열의 직선 튜브 세그먼트(110)와 궤환 곡선 튜브 세그먼트(112)를 통해 후방 열내의 가장 아래쪽 직선 튜브 세그먼트에 도달할 때까찌 아래쪽으로 흐른다. 그 곳에서, 냉매는 수평으로 배향된 곡선 튜브 세그먼트(112)를 통해 중간열의 가장 아래쪽 직선 튜브 세그먼트(110)로 흐르고, 그 후 중간 열 튜브 세그먼트를 통해 위쪽으로 흐른다. 냉매는 중간 열의 가장 위쪽 직선 튜브 세그먼트(110)로부터 또 하나의 수평으로 배향된 궤환 곡선 튜브 세그먼트(112)를 통해 전방 열의 가장 위쪽 직선 튜브 세그먼트(110)로 흐른다. 그 후 냉매는 전방 열의 튜브 세그먼트를 통해 아래쪽으로 흐른다. 전방 열의 가장 아래쪽 직선 튜브 세그먼트 (110)가 출구 튜브(132)에 접속되어 있어 냉매는 증발기(108)로부터 빠져나올 수 있다.
이러한 냉매 흐름 구조가 현재 바람직하며 증발기(108)를 통한 압력 강하로 인해 최적 성능을 제공하게 된다. 또한, 이러한 흐름 구조는 튜브 세그먼트의 최종 열내에 냉매의 "하향흐름(downflow)"을 제공한다. 하향흐름 배열로 인해 과도한 냉매가 증발기(108) 밖으로 중력으로 인해 배출될 수 있다. 그러나, 다른 냉매 흐름 구조도 채용될 수 있다. 예컨대, 냉매 흐름 경로는 상술한 바와 반대가 될 수 있다. 즉, 냉매는 튜브(132)를 통해 유입되고 튜브(130)를 통해 유출될 수 있다. 이 경우에 있어서, 증발기(108)는 튜브의 최종 열을 통해서 냉매의 "상향흐름"을 제공한다. 냉매의 이런 상향 흐름은 압축기의 입구에서 액체 냉매의 슬러깅 (slugging)을 최소화하는 경향이 있다.
증발기 튜빙은 우수한 열전도성을 갖는 알루미늄 등의 재료로 제조된다. 당해 분야에 공지된 바와 같이, 증발기 튜빙에는 튜빙의 단위 길이당 공기측 열전달을 증가시키기 위한 휜이 제공되는 것이 바람직하며, 그에 따라 필요한 튜빙의 양을 감소시킬 수 있다. 휜의 바람직한 일 형태는 이른바 스파인 휜(spine fin)이다.스파인 휜 튜빙은 통상 전단되지 않은 견부에 부착되는 다수의 얇고 폭이 좁은 휜을 제공하기 위해 절곡 및 전단되는 알루미늄 또는 다른 재료의 연속 스트립 (strip)을 제공함으로써 제조된다. 이 견부는 양호한 열전달 관계로 튜빙 둘레에 나선형으로 권취된다. 이 방법에 있어서, 휜은 튜브로부터 반경방향으로 떨어져 돌출하도록 분리된다. 공기측 표면이 너무 작아 두꺼운 경계층을 발달시킬 수 없고(따라서, 열전달 계수는 항상 높음), 공기 흐름이 매우 난류여서, 그에 따라 예외적인 공기 혼합이 되기 때문에, 스파인 휜 튜빙은 특별히 양호한 공기측 열전달 표면을 제공한다.
내부에 휜이 형성된 튜빙(internally-finned tubing)(도시하지 않음)이 냉매측 열전달을 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 증발기 튜빙을 통하는 냉매의 흐름은 통상적으로 튜빙의 하부를 따라서 흐르는 액체 냉매와 튜빙의 상부를 따라서 흐르는 기체 냉매로 층을 이룬다. 상 변화는 액체 표면으로부터의 필름 기화(film vaporization)를 통해 이루어진다. 층상류(stratified flow)의 두꺼운 필름 및 작은 표면적과 조합된 냉매의 낮은 전도성 때문에 비교적 불량한 냉매측 열전달이 발 생한다. 나선형으로 형성된 내부 휜은 층상류를 분쇄하며 튜빙의 내측 표면을 따르는 액채 냉매의 환형 필름을 형성하는 경향이 있다. 환형 필름이 얇을수록 층상류에 발생하는 것보다 큰 표면적을 제공하며, 그에 따라 냉매측 열전달을 증가시킬 수 있다. 내부 휜을 사용하는 것이 본 발명의 특별한 이점이 된다.
도시를 용이하게 하기 위해, 대부분의 도면에서 스파인 휜 튜빙은 원통형 튜빙으로서 도시되어 있다. 제 2D 도 및 제 6 도의 정면도에 있어서, 스파인 휜 요소는 연장된 직선 튜브 세그먼트(110)의 작은 부분만을 따라서 연장되는 것으로 도시되며, 궤환 곡선 튜브 세그먼트(112)상에는 어떠한 스파인 휜 요소도 도시되지 않는다. 그러나, 스파인 휜 요소는 직선 튜브 세그먼트(110) 뿐만 아니라 궤환 곡선 튜브 세그먼트(112)를 포함하는 증발기의 전체 길이를 따라서 제공되는 것이 바람직하다. 궤환 곡선 튜브 세그민트(112)상의 다수의 스파인 휜이 증발기(108)형성시 구부러지거나 압착될 수 있음이 이해되어야 한다. 이는 증발기 작동에 실질적인 영향을 미치지 않는다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 증발기는 제 2A 도 내지 제 2C 도에 도시한 것과는 다른 수의 직선 튜브 세그먼트를 포함할 수 있다. 직선 튜브 세그먼트의 다른 확산형 사행형 형태가 또한 가능하다. 예를 들면, 제 4 도는 5개의 직선 튜브 세그먼트(110)를 한 열로 하여 4개의 열로 된 총 20개의 직선 튜브 세그먼트(110)를 갖는 실시예를 도시한다. 입구 튜브(130) 및 출구 튜브(132)는 각각 후방 및 전방 열의 가장 위쪽 직선 튜브 세그먼트에 접속된다. 제 5 도는 2개의 직선 튜브 세그먼트(110)를 한 열로 하여 9개의 수평으로 연장되는 열로 된 총 18개의 직선 튜브 세그먼트(110)를 갖는 실시예를 도시한다. 인접한 열은 수평방향 대신에 수직방향으로 쌓인다. 입구 튜브(130)는 상측 열의 좌측 직선 튜브 세그먼트에 접속되고, 출구 튜브(132)는 하측 열의 우측 직선 튜브 세그먼트에 접속된다. 제 4 도 및 제 5 도에서 종방향 공기 흐름 방향은 화살표로 지시된다. 각각의 변형 실시예는 도시한 것과 유사한 길이, 폭 및 깊이를 갖도륵 형성되며, 그에 따라 대략 동일한 양의 냉각 공간을 점유한다.
또한, 본 발명의 증발기는 상부 장착형 냉장고에 한정되지 않으며 양쪽문 열림형(side-by-side) 냉장고, 즉 냉장실 및 냉동실이 나란히 위치한 냉장고와 같은 다른 유형에도 적용될 수 있다. 이 경우에 있어서, 냉동실은 상부 장착형 냉동실 보다 더 연장된 형상을 가지며 수직으로 연장되도록 배향한다. 제 6 도는 냉동실 (204)과 냉동실(204)에 인접한 냉장실(206)을 수용하는 외측 캐비넷(2O2)을 갖는 양쪽문 열림형 냉장고(200)를 도시한다. 확산형 사행형 증발기(208)는 제 6 도에 도시된 바와 같이 그 길이가 수직으로 연장되도록 냉동실(206)의 상측 후방 부분에 위치되는 것이 바람직하다. 증발기(208)는 수직 배향을 제외하고는 기본적으로 상 부 장착형 실시예의 증발기(108)와 동일하다. 직교류 송풍기(222) 및 이와 연동된 모터(224)는 증발기(208)위에 배치된다. 송풍기(222)는 증발기(208)를 지나는 상 향 및 종방향 공기의 흐름을 생성한다.
종방향 공기 흐름을 갖는 확산형 사행형 증발기(108)를 사용함으로써 많은 장점이 실현된다. 첫째로, 공기가 차가운 증발기 표면을 거의 또는 전혀 우회할 수 없기 때문에, 이 구성은 공기에 대한 우수한 제습 효과를 제공한다. 또한 본 발명은 성에 축적에 중요한 이점을 제공한다. 성에가 증발기 표면의 일부 부분에만 신속하게 생기는 종래의 증발기와는 달리, 각각의 에어 포켓이 한 튜브 세그먼트 및 튜브 세그먼트 중의 단지 하나를 지나 통과하기 때문에, 본 발명은 증발기 튜빙의 대부분을 습한 복귀 공기에 노출시킨다. 따라서 성에는 거의 모든 증발기 표면의 선단측에 고르게 축적된다. 이러한 균일한 성에 분포는 성에 제거가 빈번하게 요구되지 않는다는 것을 의미한다.
본 발명의 증발기 시스템은 동등한 성능을 제공하면서도 확산형 형태에도 불구하고 실제로 종래 시스템보다 작은 공간을 사용한다. 본 발명은 두 가지 주된 이유 때문에 보다 콤팩트하게 설계된다. 첫째로, 직교류 송풍기(122)와 종방향 공기 흐름 구조를 사용하기 때문에, 송풍기, 덕트 및 공기 플레넘에 필요한 공간이 보다 줄어들게 된다. 직교류 송풍기(122)는 냉동실(104)로의 공기의 송풍시 종래 시스템에 의한 270°굽힘 대신 단 한번의 90°굽힘을 수행한다. 따라서, 필요한 덕트 공간이 더욱 줄어들게 된다.
둘째로, 증발기(108)는 종래의 증발기로다 적은 전체 튜빙 길이를 필요로 하나 보다 효율적인 열전달로 인해 동일한 냉각 능력을 제공한다(짧은 튜빙을 사용함으로써 증발기의 단가를 낮추는 부가적인 이점이 제공된다). 동일한 공기 흐름 속에 있어서, 공기가 통과하는 단면적이 횡방향 흐름에 비해 종방향 공기 흐름에서 현저하게 작기 때문에 증발기(108)를 지나는 공기의 속도가 종래의 시스템보다 크게 된다. 대류 열전달 계수가 공기 속도에 정비례하므로, 속도가 높을수록 보다 큰 열전달율이 발생한다.
이는 공지된 열전달 관계식에 의해 다음과 같이 수학적으로 표시된다.
Q = UA△T (1)
여기서, Q는 공기로부터 튜빙내의 냉매로의 전체 열전달율이고, A는 열교환면적, 즉 공기에 노출된 튜빙의 면적이고, U는 총 열전달 계수이며, △T는 공기와냉매 사이에 온도차이다. 총 열전달 계수는 다음과 같이 정의된다.
여기서, hext는 튜빙의 외부 대류 열전달 계수이고, △x는 튜빙의 두께이고, k는 튜빙의 열전도율이며, hint는 튜빙의 내부 대류 열전달 계수이다.
식(2)으로부터, 외부 대류 열전달 계수(hext)의 증가(증가된 공기의 속도에 기인함)가 총 열전달 계수(U)를 증가시키는 것을 알 수 있다. 총 열전달 계수(U)의 증가로 인해 전체 열전달율(Q)을 감소시킴 없이 열전달 면적(A)의 감소가 가능하다. 이러한 이유로, 본 발명의 증발기는 보다 짧은 튜빙을 이용하여 동등한 성능을 달성할 수 있다. 식(2)은 또한 본 발명에 있어서 내부 휜이 특히 유용한 이유를 설명한다. 외부 대류 열전달 계수(hext)가 증가된 공기 속도로 인해 상당히 커짐에 따라, 식(2)의 분모의 항(1/hext)은 영에 근접하게 된다. 이 경우에 있어서, 내부 대류 열전달 계수(hint)의 증가는 항(1/hext)이 그렇게 작지 않을지라도 총 열전달 계수(U)에서의 큰 증가를 가져온다.
상술한 본 발명의 이점은 2개의 종래의 증발기와 본 발명의 확산형 사행형 형태를 실행하는 3개의 증발기에 대한 비교 데이터를 제공하는 표 1을 참조하여 예시된다. 증발기(1)는 제 1A 도 및 제 1B 도와 관련하여 기술된 유형의 종래의 폐쇄된 확산형 사행형 증발기이며 상부 장착형 냉장고에 주로 사용된다. 이 증발기는 8개의 직선 튜브 세그먼트를 일 열로 하여 3개의 열로 된 총 24개의 직선 튜브 세그먼트로 형성된 48피트 길이의 튜빙을 포함한다. 각각의 직선 튜브 세그먼트 길이는 24인치이다. 냉매는 전방 열의 상부에서 유입하며 처음에는 하향으로 흐른다. 냉매 흐름은 중간 열에서는 상향이고 후방 열에서는 하향이며 바닥에서 유출한다. 공기 흐름은 직선 튜브 세그먼트에 대해서 상향 수직이며 증발기의 바닥에서 튜브 곡선 공간으로 유입될 수 있으나, 상부에서 직선 튜브 세그먼트 영역내로만 강제된다.
증발기(2A, 2B)는 모두 종래의 레이스트랙(racetrack)형 증발기이다. 레이스트랙형 증발기는 양쪽문 열림형 냉장고에서 사용되도록 수직으로 설치된 타원형 (oval) 코일에 나선형으로 권취된 스파인 휜 튜빙을 포함한다. 증발기(2A, 2B)는 물리적 구성이 동일하며, 유일한 차이점은 증발기(2A)는 냉매가 상향 흐름이고 증발기(2B)는 냉매가 하향 흐름이라는 것이다. 두 경우에 있어서, 공기 흐름은 상향이다. 시험된 증발기는 42개의 180°의 굽힘부를 가지며 굽힘부 사이의 길이는 9.8인치이고 증발기의 폭은 3.1인치이다. 우회 공기를 감소시키기 위해, 대체로 모든 제 2 열로부터 하나의 튜브가 타원형 형태의 개방된 중앙을 향해 밀려나와 있거나 빠져나와 있다.
증발기(3)는 제 2A 도 내지 제 2C 도에서 도시한 확산형 사행형 증발기이며상부 장착형 냉장고에 사용되도록 수평으로 설치된다. 이 증발기는 6개의 직선 튜브 세그먼트를 한 열로 하여 3열로 된 총 18개의 직선 튜브 세그먼트로 형성된 31.5피트 길이의 튜빙을 포함한다. 각각의 직선 튜브 세그먼트의 길이는 21.5인치이다. 공기 흐름은 증발기에 대해서 종방향이다. 냉매 흐름은 제 2A도 내지 제 2C도와 관련하여 기술한 바와 같다.
증발기(4)는 증발기(3)와 동일한 물리적 구조를 가지나 양쪽문 열림형 냉장고에서 사용되도록 수직으로 설치된다. 증발기의 수직 위치설정 때문에, 공기는 종방향 공기 흐름 패턴을 달성하기 위해 상향으로 흐르며, 냉매는 중력이 작용하는 방향으로 흐르거나 중력이 작용하는 반대 방향으로 흐른다.
증발기(5)는 양쪽문 열림형 냉장고에 사용되도록 수직으로 설치된 또 하나의확산형 사행형 증발기이다. 증발기(5)는 양쪽문 열림형 냉장고에서 통상적으로 이용가능한 공간을 최대한으로 이용하기 위해 증발기(4)와 다른 치수를 갖는다. 상세하게는 증발기(5)는 7개의 직선 튜브 세그먼트를 한 열로 하여 3열로 형성된 총 21개의 직선 튜브 세그먼트로 형성된 33피트 길이의 튜빙을 포함한다. 각각의 직선 튜브 세그먼트의 길이는 19인치이다. 증발기(5)는 증발기(3, 4)보다 폭은 넓지만 길이는 짧다. 공기 및 냉매의 흐름은 증발기(4)와 동일하다.
시험된 각각의 증발기는 0.375인치의 외경을 갖는 알루미늄 스파인 휜을 포함한다. 스파인 휜을 포함한 전체 직경은 1.08인치이다. 각각의 증발기는 17.5 lbm/hr 냉매(R-12) 흐름, 8℉의 입구 공기 온도에서의 55 ACFM 공기 흐름 및 포화증기 출구 조건에서 작동되었다.
표 1에 있어서, 시스템 용적은 증발기 코일, 주요 공기 덕트 및, 에어 무버 (air mover)에 필요한 용적을 지칭한다. 시스템 용적은 냉장실에 덕트를 제공하는 용적은 포함하지 않는다. 열전달 목적은 중요 공기 흐름에 노출되는 증발기 코일 용적 부분에 근거한다. 성에 면적은 습한 복귀 공기의 흐름에 노출되는 각각의 증발기의 면적이며, 모든 실효 튜브의 선단측이 활발하게 동결되는 것으로 가정된다.타원형 코일의 중앙 위로 상당한 정도의 공기가 우회하기 때문에, 증발기(2A, 2B)의 성에 면적은 분명치 않다. 성에 면적은 약 30 in2인 증발기(2A, 2B)의 정면 면적(frontal area)(즉, 공기 흐름에 수직인 면적)보다 큰 것으로 공지되어 있다.
[표 1]
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 특징을 실행하는 증발기는 현저하게 큰 성에 면적을 제공하면서도 종래의 증발기에 필적하는 성능을 갖는다[비록 증발기(2A, 2B)의 성에 면적이 분명치 않더라도, 증발기(3, 4, 5)의 성에 면적보다 상당히 작게 될 것이다]. 증발기(3, 4, 5)는 상당히 작은 튜빙 길이를 가지며 증발기(1)의 코일 용적에 상당하고 증발기(2A, 2B)의 코일 용적보다 훨씬 작은 코일 용적을 형성한다. 각각의 종래의 증발기에서 90%미만이 열전달에 포함되는 것에 비교해 볼 때, 실제로 증발기(3, 4, 5)의 코일 용적의 100%가 활발하게 열전달에 포함된다. 본 발명의 증발기의 총 시스템 용적은 종래의 증발기의 시스템 용적보다 현저하게 작다. 확장형 사행형 증발기의 공기의 우회는 증발기(2A, 2B)의 공기 우회보다 확실히 양호하며 적어도 증발기(1)만큼 양호하다.
적어도 동등한 성능을 제공하면서도 종래의 증발기보다 작은 냉동 공간을 점유하는 냉장고 증발기를 기술하였다. 이 증발기는 또한 공기 제습 및 성에 축적에대한 기능적 필요성 면에서 우수하다.
본 발명의 특정한 실시예가 기술되었지만, 첨부된 청구범위에 규정된 본 발명의 정신과 범주를 벗어나지 않고 다양한 변형이 행해질 수 있음이 당해 분야의 통상의 지식을 가진 사람들에게는 명백할 것이다.
제 1A 도는 종레의 증발기 시스템을 갖는 냉장고의 부분 측단면도,
제 1B 도는 종래의 증발기 시스템을 갖는 냉장고의 부분 정단면도,
제 2A 도는 본 발명의 증발기 시스템을 갖는 냉장고의 부분 측단면도,
제 2B 도는 본 발명의 증발기 시스템을 갖는 냉장고의 부분 정단면도,
제 2C 도는 본 발명의 증발기 시스템을 갖는 냉장고의 부분 평단면도,
제 3 도는 본 발명의 증발기의 사시도,
제 4 도는 본 발명의 증발기의 제 2 실시예의 사시도,
제 5 도는 본 발명의 증발기의 제 3 실시예의 사시도,
제 6 도는 본 발명의 증발기 시스템을 갖는 양쪽 문 열림형(side-by-side) 냉장고의 부분 정단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 : 냉장고 104 : 냉동실
106 : 냉장실 108 : 증발기
10 : 직선 튜브 세그먼트 112 : 제환 곡선 튜브 세그먼트
증발기 챔버 122 : 직교류 송풍기

Claims (5)

  1. 냉장고(100)에 있어서,
    상측 후방 부분을 갖는 냉동실(104)과,
    상기 냉동실의 상기 상측 후방 부분내에 완전히 위치하는 증발기 챔버(114) 와,
    상기 증발기 챔버내에 배치되고 다수의 직선 튜브 세그먼트(110)와 다수의 곡선 튜브 세그먼트(112)를 사행형 배열로 갖는 기다란 튜브를 구비하는 증발기 (108)로서, 상기 곡선 튜브 세그먼트의 각각이 2개의 상기 직선 튜브 세그먼트를 연결하고, 상기 직선 튜브 세그먼트의 각각이 상기 곡선 튜브 세그먼트 중의 하나 에 의해 적어도 하나의 다른 상기 직선 튜브 세그먼트에 예각으로 연결되어 인접한 직선 튜브 세그먼트와 비평행 관계를 형성하는 것을 특징으로 하는, 상기 증발기 (108)와,
    공기가 상기 증발기의 직선 튜브 세그먼트를 종방향으로 흐르도록 상기 증발 기 챔버내에 상기 증발기의 일 단부에 배치되고, 상기 증발기 챔버내에 수직으로 배치되는 회전 축선을 갖는 직교류 송풍기(cross flow blower)(122)를 포함하는 냉장고.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 직선 튜브 세그먼트(11)가 적어도 하나의 평면 열로 배열되는 냉장고.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 직선 튜브 세그먼트(110)가 다수의 평면 열로 배열되고, 상기 평면 열이 인접하고 서로 평행하게 배열되는 냉장고.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 평면 열이 3개 있는 냉장고.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기다란 튜브가 튜브 용적을 규정하고 상기 증발기의 단면적의 25 내지 50%가 상기 튜브 용적에 의해 점유되지 않는 냉장고.
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