KR100382523B1 - 마이크로 멀티채널 열교환기의 튜브 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 튜브 내부의 채널의 단면적을 변경하여 열교환 효율을 보다 높이도록 한 마이크로 멀티채널 열교환기의 튜브 구조에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 열교환기는 중공이 형성되어 냉매가 유입되는 하부헤더(1)와; 상기 하부헤더(1)와 동일한 형상이며 하부헤더(1)와 대향하도록 상부에 위치하는 상부헤더(2)와; 상기 상부헤더(2)와 하부헤더(1) 사이에 배치됨과 함께 상기 두 헤더(1,2)의 길이방향과 수직하도록 길게 형성되고, 그 내부에는 중공인 각 채널(5)이 유동공기의 입구측에서 출구측을 따라 다른 단면적을 갖도록 배열되고, 상기 두 헤더(1,2)에 양단부가 연통되도록 고정되어 각 채널(5)을 흐르는 냉매가 고르게 증발되도록 하는 튜브(4)와; 상기 각 튜브(4) 사이에 구비된 다수개의 핀(6)을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 멀티채널 열교환기의 튜브 구조를 제공한다.

Description

마이크로 멀티채널 열교환기의 튜브 구조{a tube structure of a micro-multi channel heat exchanger}

본 발명은 마이크로 멀티채널 열교환기의 튜브 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 튜브 내부에 형성된 채널의 단면적을 변경하여 열전달 효율을 보다 증가 시키도록 한 것이다.

일반적으로 열교환기는 실내의 온도를 높이거나 낮추는 냉방기 및 난방기 등의 공기조화기에 사용된다.

이하, 종래의 열교환기에 관해 참조도면 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 열교환기를 상세히 나타낸 분해사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ단면도이고, 도 3은 도 1의 단면에서 튜브의 길이에 따른 유동공기의 온도변화 및 튜브의 표면온도를 나타낸 그래프이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 열교환기는 하부헤더(1)의 상부에 대응되도록 위치하는 상부헤더(2)와, 상기 상부헤더(2)와 하부헤더(1) 사이에 위치하는 다수개의 튜브(4)와, 상기 각 튜브(4) 사이에 위치하는 핀(6)으로 구성된다.

상기 하부헤더(1)는 원통형으로 형성되어 내부에 중공이 형성되고, 그 외형을 이루는 외주부의 일측부에는 튜브(4)를 삽입하여 고정하도록 다수개의 헤더홀(3)이 하부헤더(1)의 길이방향을 따라 등간격으로 형성되어 있다.

한편, 헤더의 길이방향은 하부헤더(1)의 원형 단면에 대해 수직한 방향을 말하고, 튜브(4)의 길이방향은 두 헤더(1,2)에 고정된 양단부 사이의 거리에 평행한 방향을 말한다.

상기 하부헤더(1)와 대응되도록 상부에 위치하는 상부헤더(2)는 상기 하부헤더(1)와 동일한 형상을 갖는다.

상기 각 튜브(4)는 각 헤더홀(3)에 튜브(4)의 길이방향 양단부가 고정되어 헤더(1,2)의 길이방향으로 나란하게 배열된다.

한편, 유동공기는 두 헤더(1,2)의 길이방향의 축을 잇는 면을 향해 일정한 경사를 가지도록 유동하여 각 튜브(4)와 두 헤더(1,2) 사이를 통과한다.

상기 튜브(4)는 두 헤더(1,2)에 고정된 양끝단부 사이의 거리인 길이와, 유동공기의 방향에 수직한 거리인 두께를 갖고, 유동공기의 흐름방향과 평행한 거리인 폭을 갖는다.

상기 튜브(4)는 두 헤더(1,2)에 수용될 수 있는 정도의 폭과 얇은 두께를 갖는 직사각형 형상의 판형으로서, 내부에는 중공인 다수개의 채널(5)이 형성되어 있다.

또한, 상기 각 튜브(4)의 폭이 유동공기의 흐름방향에 평행하도록 각 튜브(4)가 두 헤더(1,2)에 고정된다.

튜브(4)의 길이방향에 대해 수직하도록 미세한 단면적을 가짐과 함께 튜브(4)의 길이방향으로 길게 형성되는 다수개의 채널(5)은 유동공기의 흐름방향을 따라 순차적으로 배열되도록 형성된다.

특히, 상기 각 채널(5)은 유동공기의 흐름방향을 따라 동일한 단면적을 갖도록 배열된다.

이와 같이 형성된 튜브(4)는 두 헤더(1,2)에 양끝단부가 고정되어 헤더(1,2)에 형성된 중공과 연통되어 있다.

상기 각 튜브(4) 사이에는 유동공기가 통과할 수 있는 공간을 형성하도록 각 핀(6)이 설치된다.

즉, 각 핀(6)은 얇은 두께를 가진 판형으로서 여러번 지그재그로 절곡되어 각 튜브(4) 사이에 설치된다.

상기 핀(6)은 여러 가지 형상을 가지며 고정될 수 있지만, 일반적으로 유동공기의 흐름저항이 최소화 되도록 공간을 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 구조를 갖는 열교환기에 있어서, 상기 하부헤더(1)의 중공을 따라 유입된 냉매는 각 채널(5)을 통과하면서 유동공기와 열교환되고, 이 열교환에 의해 증발된 냉매는 상부헤더(2)로 유입된다.

그러나, 이와 같은 구조를 갖는 열교환기는 다음과 같은 문제점을 안고 있다.

도 3을 참조하면, 냉매의 증발로 인하여 열교환기의 튜브(4)의 표면은 계속해서 약 8℃를 유지하므로 이를 등온상태로 가정한다.

또한, 실내의 공기온도를 27℃로 가정한다면, 상기 열교환기는 유동공기의 입구측 온도가 27℃로 되고, 냉매와의 열교환에 의한 출구측 유동공기의 온도가 14℃로 된다.

유동공기의 입구측 첫번째 채널과 유동공기간의 온도차가 19℃이고, 출구측 첫번째 채널과 유동공기간의 온도차는 6℃이다.

열역학 법칙에 따르면, 열전달량은 온도차와 접촉면적에 비례하게 되므로,상기 튜브(4) 내부에 형성된 유동공기 입구측의 채널과 출구측의 채널 사이의 열전달량은 약 3배의 차이가 난다.

이에 따라, 상기 유동공기의 흐름방향과 평행하게 배열된 각 채널(5)에 있어서, 상기 열전달량에 의해 입구측의 채널로 유동하는 냉매가 출구측의 채널로 유동하는 냉매에 비하여 빨리 증발하게 된다.

도 3에 나타난 바와 같이, 공기온도를 나타낸 곡선은 튜브(4)의 입구측에서는 기울기가 완만하고, 입구측의 특정 채널(5)부터 출구측의 채널까지는 거의 동일한 기울기를 유지하고 있는 볼록한 곡선형인 것을 알 수 있다.

입구측 채널의 냉매가 타 채널에 비해 빨리 증발하게 되면 입구측 채널 내부의 유동저항이 증가하게 되고 입구측 채널로 유입되는 냉매량이 감소하게 된다.

따라서, 입구측의 열전달량이 감소하게되고 도 3과 같이 입구측 공기온도의 강하는 감소한다.

또한, 상기 상부헤더(2)를 흐르는 냉매의 압력은 상부헤더(2) 내에서는 거의 균일하고, 하부헤더(1)에 들어오는 냉매의 압력도 하부헤더(1) 내부에서는 거의 균일하다.

상기 입구측 채널은 냉매 증발로 인하여 기상영역이 증가하고, 채널(5)내에서의 압력 강하도 증가한다.

출구측 채널의 압력강하는 상대적으로 감소하게 되어 상기 튜브(4)의 각 채널(5)마다 압력강하차가 발생한다.

반면, 열교환기 시스템 내부는 동일한 압력강하를 유지하게 되도록 냉매유량이 변화하게 되므로, 출구측 채널로 보다 많은 냉매가 공급되어 입구측 및 출구측 채널의 압력강하는 비슷해지게 된다.

이는 입구측 채널의 열교환 효율을 상당히 감소시키므로, 실질적으로 열교환 작용을 수행하는 튜브(4)의 공기유동방향의 길이 구간은 튜브(4)의 폭보다 짧아지게 된다.

이와 같이, 열교환기의 입구측 채널부분에서는 열교환 효율이 저감되므로, 열교환기의 전체적으로는 효율이 매우 떨어지는 문제점이 있다.

상술한 제반 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 튜브의 구조를 개선하여 열교환기 전체를 보다 효율적으로 이용함으로써 열교환 효율을 증대시키는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 종래 열교환기를 상세히 나타낸 분해사시도.

도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ단면도.

도 3은 도 1의 단면에서 튜브의 길이에 따른 유동공기의 온도변화 및 튜브의 표면온도를 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명의 튜브의 단면을 나타낸 단면도.

도 5는 도 4의 단면에서 튜브의 길이에 따른 유동공기의 온도변화 및 튜브의 표면온도를 나타낸 그래프.

도 6은 도 4의 단면에서 튜브의 공기 유동방향 길이에 따른 채널의 단면적비를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 하부헤더 2 : 상부헤더

3 : 헤더홀 4 : 튜브

5 : 채널 6 : 핀

상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 열교환기는 중공이 형성되어 냉매가 유입되는 하부헤더와; 상기 하부헤더와 동일한 형상이며 하부헤더와 대향하도록 상부에 위치하는 상부헤더와; 상기 상부헤더와 하부헤더 사이에 배치됨과 함께 상기 두 헤더의 길이방향과 수직하도록 길게 형성되고, 그 내부에는 중공인 다수개의 채널이 유동공기의 입구측에서 출구측을 따라 다른 단면적을 갖도록 배열되고, 상기 두 헤더에 양단부가 연통되도록 고정되어 각 채널을 흐르는 냉매가 고르게 증발되도록 하는 튜브와; 상기 각 튜브 사이에 구비된 다수개의 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 멀티채널 열교환기의 튜브 구조를 제공한다.

본 발명은 전술한 종래의 열교환기와 전체적인 구성이 거의 동일하므로, 동일한 부분에 관해서는 동일한 도번을 부여하고 동일한 구성에 있어서는 그 설명을 생략하기로 한다.

다만, 본 발명의 특징부에 관하여는 참조도면 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 튜브의 길이방향에 수직한 단면을 나타낸 단면도이고, 도 5는 도 4의 단면에서 튜브의 길이에 따른 유동공기의 온도변화 및 튜브의 표면온도를 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 4의 단면에서 튜브의 공기 유동방향 길이에 따른 채널의 단면적비를 나타낸 그래프이다.

도 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기는 중공이 형성되어 냉매가 유입되는 하부헤더(1)와; 상기 하부헤더(1)와 동일한 형상이며 하부헤더(1)와 대향하도록 상부에 위치하는 상부헤더(2)와; 상기 상부헤더(2)와 하부헤더(1) 사이에 배치됨과 함께 상기 두 헤더(1,2)의 길이방향과 수직하도록 길게 형성되고, 그 내부에는 중공인 다수개의 채널(5)이 유동공기의 입구측에서 출구측을 따라 다른 단면적을 갖도록 배열되고, 상기 두 헤더(1,2)에 양단부가 연통되도록 고정되어 각 채널(5)에 흐르는 냉매가 고르게 증발되도록 하는 튜브(4)와; 상기 각 튜브(4) 사이에 적용된 다수개의 핀(6)으로 구성되어 있다.

이하, 본 발명의 특징부에 관한 구조 및 작용에 관해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4을 참조하면, 상기 각 채널(5)은 유동공기의 입구측에서 출구측을 따라단면적이 다르게 형성되어 있다.

상기 단면은 다각형의 형상을 가지거나 원형의 형상을 가질 수 있다.

상기 각 채널(5)이 유동공기의 흐름방향으로 보다 긴 길이를 갖는 직사각형의 단면을 가지면 공기유동에 의한 열교환기 공기측 압력손실은 저감할 수 있으므로 직사각형의 단면을 갖는 것이 보다 바람직하다.

상기 채널(5)의 단면적은 유동공기의 입구측에서 출구측으로 순차적으로 작은 단면을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 일반적으로 열교환 효율은 온도차와 접촉면적에 비례한다.

그러므로, 상기 튜브(4)의 각 채널(5)은 단면적비가 유동공기의 입구측에서 출구측으로 갈수록 입구측과 유출측간의 온도차비와 같은 비율로 작아지게 형성되는 것이 보다 바람직하다.

종래 열교환기의 유동공기 입구측의 온도차가 19℃이며 출구측의 온도차가 6℃일 경우의 예를 들면 다음과 같다.

도 6에 나타난 바와 같이, 유동공기의 출구측 첫번째 채널의 단면적비를 1로 하면 입구측의 첫 번째 채널의 단면적비는 19/4로 형성되는 것이 바람직하다.

그러나, 도 3의 공기온도의 변화를 나타낸 곡선은 거의 직선에 가까우므로 도 6의 단면적비의 변화를 나타낸 곡선은 직선으로 나타낸 것이다.

이와 같은 단면적비로 형성된 튜브(4) 구조가 적용된 열교환기를 종래 열교환기의 조건과 동일한 조건으로 시험하면 다음과 같다.

도 5에 나타난 바와 같이, 열교환기의 표면온도 및 입구측 유동공기의 온도차는 19℃이고, 상기 표면온도 및 출구측 유동공기의 온도차는 4℃이다.

이는 유동공기의 입구측 채널은 단면적이 넓게 형성되어 냉매의 유동량이 많으나, 상기 입구측에서 출구측 채널로 갈수록 단면적은 점점 작아져 냉매의 유동량을 감소시킨다.

결과적으로, 열교환 효율이 높은 입구측 채널에는 냉매의 유동량을 종래보다 증가시켜 많은 양의 냉매를 공급해주므로써, 열교환 효율이 높은 부분에서 보다 많은 열교환이 일어나도록 한 것이다.

또한, 열교환 효율이 낮은 출구측 채널에는 냉매의 유동량을 종래보다 감소시켜 이에 대응하는 열교환이 일어나도록 한 것이다.

각 채널(5)의 단면적비와 온도차비가 비례하도록 설계된 열교환기는 튜브(4)내의 각 채널(5)에서 냉매의 증발속도가 동일하여 기화된 냉매로 인한 저항이 동일해진다.

이는, 하부헤더(1)의 압력이 각 채널(5)의 하단부에서 균일하게 작용하고 상부헤더(2)의 압력이 각 채널(5)의 상단부에서 각각 균일하게 작용하는 것으로 가정하면, 상기 각 채널(5)에서 냉매의 증발속도 균일화에 유리하여 각 채널(5)마다 동일한 압력이 형성되기 때문이다.

또한, 각 채널(5)마다 동일한 압력이 형성되어 압력차가 없게되어 냉매의 흐름이 원활해지고, 이로 인하여 열교환기의 전체를 보다 효율적으로 이용할 수 있는 장점이 있다.

또한, 이로 인하여 종래와 같은 용량을 가진 열교환기를 제조하는 데 있어보다 소형화시킬 수 있는 장점이 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 튜브내에서 냉매의 증발속도를 동일하게 하여 냉매의 유동저항을 저감하고, 상기 유동저항의 저감으로 인하여 열교환기 전체가 보다 효율적으로 이용되도록 하는 효과가 있다.

이로 인해 종래와 동일한 용량을 갖는 열교환기를 보다 소형화할 수 있다.

Claims (3)

1. 중공이 형성되어 냉매가 유입되는 하부헤더와;

   상기 하부헤더와 동일한 형상이며 하부헤더와 대향하도록 상부에 위치하는 상부헤더와;

   상기 상부헤더와 하부헤더 사이에 배치됨과 함께 상기 두 헤더의 길이방향과 수직하도록 길게 형성되고, 그 내부에는 중공인 다수개의 채널이 유동공기의 입구측에서 출구측으로 갈수록 일정한 비율로 작아지는 단면적을 갖도록 배열되고, 상기 두 헤더에 양단부가 연통되도록 되어 각 채널을 흐르는 냉매가 고르게 증발되도록 하는 튜브와;

   상기 튜브 사이에 적용된 다수개의 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 멀티채널 열교환기의 튜브 구조.
2. 삭제
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 튜브의 채널은 단면적비가 유동공기의 입구측에서 출구측으로의 갈수록 입구측과 출구측간의 온도차비와 같은 비율로 작아지는 것을 특징으로 하는 열교환기의 튜브 구조.