KR100360845B1 - 열 교환기에서 냉매관과 휜의 결합 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 교환기에서 냉매관과 휜의 접촉 저항을 최소화 시킬 수 있는 냉장고용 증발기에서 냉매관과 휜의 결합방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 열 교환기에서 냉매관과 휜의 결합방법은, 냉매관에 95%의 알루미늄과 5%의 아연을 포함하는 금속막의 중간 매질을 도포하는 단계와; 재질은 알루미늄 계열이며 공극율은 90% 이상인 폼 휜(Foam Fin)을 상기 냉매관과 체결하는 단계와; 상기 체결된 냉매관과 상기 폼 휜을 상기 중간 매질이 용융되는 온도까지 가열하는 단계로 이루어진다. 본 발명에서 사용된 폼 휜은 단위 부피당 매우 큰 표면적 비를 가지고 있고, 경량의 고 열전도성 물질이며 기계적인 강도와 가공성이 우수하므로 열 교환기의 컴팩트화가 가능하기 때문에 전체 열 교환기 제품 크기를 약 50% 정도 저감시킬 수 있으며, 재료비도 약 50% 정도 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

열 교환기에서 냉매관과 휜의 결합 방법{Method of Combining Tubes and Fins in Heat Exchanger}

본 발명은 열 교환기에에 관한 것으로서, 특히 증발기의 냉매관과 휜의 접촉 저항을 최소화시킴과 동시에 상기 냉매관과 상기 휜을 결합하되 기계적 강도도 우수한 상태로 유지토록 하기 위한 열 교환기에서 냉매관과 휜의 결합 방법에 관한 것이다.

일반적으로 냉장고는 식품 같은 물건을 낮은 온도에서 저장·보관하는 장치로서, 크게 저장실과 냉각장치로 이루어진다. 이와 같은 냉장고는 냉각방법에 따라 저장실 상부에 얼음덩이를 넣고 내부를 차게 하는 얼음 냉장고와, 프레온이 증발기 속에서 기화(氣化)하여, 저장실 내의 열을 흡수, 냉각하고, 기화한 프레온은 압축되어 응축기(凝縮機)로 보내어져 방열(放熱)·액화(液化)하는 전기 냉장고와, 암모니아 수용액을 냉매로 하는 흡수 냉동기를 사용하는 가스 냉장고와, 펠티에 소자를 이용하여 전류방향에 따라 냉·온용으로 사용할 수 있는 전자식 냉장고 등으로 나눌 수 있다.

이와같이 모든 냉장고에는 냉매를 어떤 것을 사용하던지 반드시 냉매의 증발을 통하여 잠열과 현열 교환을 실행하는 열 교환기가 제공되어야한다.

도 1은 일반적인 평휜을 사용한 열 교환기이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 열 교환기에서는 증발기의 냉매 입구관을 통하여 냉매가 유입되며, 유입된 냉매는 수평의 뱀 형상 또는 S자 형상이 반복적으로 이루어진 냉매관을 통하여 증발기의 냉매 출구관으로 토출 된다. 이 과정에서 냉매는 주변의 온도에 따라 증발과정을 거치며 잠열과 현열 교환을 통한 열교환을 실시한다. 이때, 냉매 출구관을 거친 냉매는 냉매 저장 탱크 역할과 수-액 분리 역할을 하는 어큐뮤레이터(Accumulator)를 거친다.

그러나, 도 1에 도시된 일반적인 열 교환기는 다음과 같은 문제점을 지니고 있었다.

먼저, 도 1에 도시된 열 교환기는 냉매를 분배하는 다수개의 관이 휜과 결합된 확관된 구조이기 때문에 관과 휜의 접촉면 사이에 공극이 생기기 쉽다. 따라서, 열 교환기의 착/제상시 발생되는 수분이 공극 사이로 침투하기 쉽고, 침투된 수분의 착상으로 생성되는 부피가 팽창된 공극은 휜과 냉매관의 접촉 열 저항을 점점 더 크게 한다.

도 2는 종래의 루버드 휜을 사용한 열 교환기의 구조를 보인 평면도이다. 도 2에 도시된 종래의 열 교환기는 냉매가 흐르는 냉매관과, 이를 공기중으로 방열시키는데 효과를 증진시키는 루버드 휜(21)로 구성된다. 이와 같은 구성을 갖는 열 교환기에서 루버드 휜(21)은 기체측의 열전달 계수가 현저히 낮은 것을 보상하기 위하여 기체측에 넓은 열 전달 면적을 갖기 때문에 사용되었다.

그러나, 도 2에 도시된 종래의 열 교환기에 사용된 루버드 휜은 제조 공정이 복잡하고, 구조적으로 기계적인 강도가 낮은 문제점이 있었다. 따라서, 낮은 압력 강하, 높은 열 전달 성능, 구조적인 강도 및 단순한 제조 공정을 갖는 새로운 개념의 열 교환기의 개발이 요구되고 있는 추세이다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하고 동일 분야의 추세에 부응하고자 창출된 것으로서, 열 교환기에서 냉매관과 휜의 접촉 저항을 최소화 시킴과 동시에 냉매관과 휜을 결합하되 기계적 강도도 우수한 상태로 유지토록 하기 위한, 열 교환기에서 냉매관과 휜의 결합방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가능한 컴팩트한 열 교환기를 제공할 수 있는 열 교환기에서 냉매관과 휜의 결합방법을 제공하기 위한 것이다.

도 1은 일반적인 평휜을 사용한 열 교환기의 구조를 보인 평면도.

도 2는 종래의 루버드 휜을 사용한 열 교환기의 구조를 보인 평면도.

도 3은 본 발명에 따른 폼 휜과 냉매관의 결합 방법을 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 폼 휜과 냉매관이 결합된 상태를 보인 도면.

도 5는 본 발명에 따른 열 교환기에서 열 전달 유동 경로를 설명하기 위한 도면.

도 6은 도 5에서 보인 열 전달 경로의 열 전달 저항의 등가 회도도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

31 ...... 막

32 ...... 냉매관

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열 교환기에서 냉매관과 휜의 결합방법은, 냉매관에 95%의 알루미늄과 5%의 아연을 포함하는 금속막의 중간 매질을 도포하는 단계와; 재질은 알루미늄 계열이며 공극율은 90% 이상인 폼 휜(Foam Fin)을 상기 냉매관과 체결하는 단계와; 상기 체결된 냉매관과 상기 폼 휜을 상기 중간 매질이 용융되는 온도까지 가열하는 단계로 이루어진다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열 교환기에서 냉매관과 휜의 결합 절차를 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 폼 휜과 냉매관의 결합 방법을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에서 폼 휜은 열전달 면적의 확대와 유동 교란에 의한 열전달 계수 증가의 효과를 동시에 얻을 수 있기 때문에 냉매관(32)의 냉매로부터 많은 열량을 방열시킬 수가 있다.

이때, 열 교환기에서의 열 전달 유동 경로는 도 5에 도시된 바와 같다. 도 5에서, 열전달 계수는 아래의 수학식 1로 표시될 수 있으며, 열전달 계수는 아래의 수학식 2 로 표시될 수 있다.

즉, 수학식 2에서는 전체 열 전달 저항은 관 내측의 열저항과 관 두께에 의한 저항과 관 외측에 의한 저항의 합으로 결정되는 것을 보이고 있다. 또한, 도 6은 도 5에서 보인 열 전달 경로의 열 전달 저항의 등가 회로도이다. 도 6에서 R_contact가 결국 냉매관과 휜의 접촉 저항을 의미하는 것이다.

일반적으로 접촉 열저항은 공기측 열 저항에 치명적인 요소이다. 따라서, 본 발명에서는 이런 문제를 해결하기 위하여 10 계열의 95%의 순수 알루미늄(Al)와 5%의 아연(Zn)이 합유된 금속막(31)을 냉매관(32)에 도포한다. 이때의 금속막(31)은 중간 매질로서 압연 판재 또는 코팅막을 이용한다.

이어, 도 3에 도시된 바와 같이 폼 휜을 냉매관(32)의 직경만큼 천공한 후 냉매관(32)을 폼 휜(Foam Fin)에 체결한 상태에서 노(furnace)에서 중간 매질이 용융되는 온도인 670℃까지 가열한다. 도 4는 냉매관을 폼 휜(Foam Fin)에 체결한 상태에서 노(furnace)에서 670℃까지 가열한 상태를 나타낸 도면이다. 따라서, 도포된 알루미늄 혼합 피막의 융용 접합에 의해 금속 접합되기 때문에 냉매관(32)과 폼 휜간의 접촉 열저항은 "0"이 된다.

본 발명에서는 폼 휜의 공극율(즉, 실제 매질 질량/체적 질량)은 먼지 등의 오염물질을 고려해서 90% 이상이며, 재질은 알루미늄(Al 6101) 계열을 사용한다.

또한, 알루미늄 재질의 냉매관과 폼 휜을 결합시키는 중간 매질은 95%의 알루미늄(Al 1050)과 5%의 아연(Zn)을 주성분으로 하였다.

이상과 같은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 본 발명에서 사용된 폼휜은 단위 부피당 매우 큰 표면적 비를 가지고 있고, 경량의 고 열전도성 물질이며 기계적인 강도와 가공성이 우수하므로 열 교환기의 컴팩트화가 가능하다. 따라서, 전체 열 교환기 제품 크기를 약 50% 정도 저감시킬 수 있으며, 재료비도 약 50% 정도 절감시킬 수 있는 효과를 제공한다. 본 발명에 따른 실험 결과에 따르면, 냉열관과 휜이 본 발명에서와 같이 결합하는 경우, 종래의 루버드 휜을 사용한 증발기보다 약 35~120% 까지 공기측 성능 향상이 가능하다.

Claims (3)

1. 냉매관에 95%의 알루미늄과 5%의 아연을 포함하는 금속막의 중간 매질을 도포하는 단계와;

   재질은 알루미늄 계열이며 공극율은 90% 이상인 폼 휜(Foam Fin)을 상기 냉매관과 체결하는 단계와;

   상기 체결된 냉매관과 상기 폼 휜을 상기 중간 매질이 용융되는 온도까지 가열하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 열 교환기에서 냉매관과 휜의 결합 방법.
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