KR100442119B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로,

본 발명에 따른 열교환기는, 양단이 폐쇄된 중공 기둥형으로 형성되어 있으며, 냉매 출입관이 결합되어 있는 제1 및 제2 헤더와; 일단 개구부는 상기 제1 헤더의 측벽에 결합되며, 타단 개구부는 상기 제2 헤더의 측벽에 결합되어, 어느 일측의 헤더에 유입된 냉매가 타측 헤더로 전달되는 통로가 되는 다수의 열교환 튜브와; 상기 열교환 튜브 각각의 상기 제1 헤더측 단부 측벽에 일단부가 결합되어 있는 분배 튜브와; 중공형으로 형성되어 일측에는 냉매 출입관이 결합되어 있으며, 타측에는 상기 분배 튜브의 타단부가 결합되는 분배기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 바, 본 발명에 의하면, 냉난방 공기조화기가 냉동 사이클로 작동되느냐 히트 펌프 사이클로 작동되느냐에 무관하게, 비체적이 큰 증기 상태의 냉매는 헤더의 냉매 출입관을 통해서만 순환되며, 열교환기측으로 유입되는 액체 상태 냉매는 분배기 및 분배 튜브를 통해 열교환 튜브에 균등하게 유입되고, 열교환기로부터 배출되는 액체상태 냉매는 헤더의 냉매출입관을 통해 배출되어 관로 저항을 최대한 적게 받도록 냉난방 사이클을 구성할 수 있게 되므로, 냉난방 공기 조화기의 냉방 효율 및 난방 효율을 동시에 향상시켜 장치의 소형화를 가능케 함과 동시에 냉난방 기능 전환에 따른 배관계의 고장을 방지할 수 있게 된다.

Description

열교환기{Heat Exchanger}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 특히, 냉난방 공기조화기의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 열교환기에 관한 것이다.

잘 알려져 있는 바와 같이, 증기압축식 냉동 시스템은 역사이클로 작동되는 경우 히트 펌프로서 작용하게 되는 바, 냉동 사이클 및 히트 펌프 사이클을 단일 장치로 구현할 수 있도록 한 냉난방 공기 조화기를 설치하는 경우 냉방기와 히터를 별도로 설치하지 않고도 실내의 냉방 및 난방을 선택적으로 수행할 수 있어, 한정된 실내 공간을 효율적으로 활용할 수 있게 되므로, 최근 들어 그 보급이 크게 증대되고 있다.

도 1 및 도 2는 히트 펌프식 냉난방 공기조화기의 작동 사이클을 나타내는 개념도로, 도 1은 냉방 작동시 냉매의 순환 경로를, 도 2는 난방 작동시 냉매의 순환경로를 나타내고 있는 바, 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(1)로부터 토출되는 냉매가 사방 밸브(2)를 통해 실외 열교환기(3), 팽창 밸브(4), 실내 열교환기(5) 순으로 순환되는 경우, 실내 열교환기(5)가 증발기로 작용하여, 실내 열교환기로 유입되는 저온의 액체 상태 냉매가 실내 열교환기 내부를 흐르는 동안 실내의 열을 흡수하여 기체 상태로 증발되는 과정에 의해 실내의 냉방이 이루어지게 되며, 도 2에 도시된 바와 같이, 사방 밸브가 전환되어 압축기(1)로부터 토출되는 냉매가 사방 밸브(2)를 통해 실내 열교환기(5), 팽창 밸브(4), 실외 열교환기(3) 순으로 순환되는 경우, 실내 열교환기가 응축기로 작용하게 되며, 실내 열교환기로 유입되는 고온의 기체 상태 냉매가 실내 열교환기 내부를 흐르는 동안 실내측으로 열을 방출하며 응축되는 과정에 의해 실내의 난방이 이루어지게 된다.

이와 같이 냉난방 공기 조화기에 사용되는 실내 열교환기 및 실외 열교환기는 하절기 냉방 작동시 증발기와 응축기로 각각 작용하게 되는 바, 기체상태의 냉매가 유입되어 액체 상태의 냉매로 배출되는 실외 열교환기(3)는 원통형의 헤더(31)와 헤더(32) 사이를 프레임(34)에 고정되어 있는 다수의 튜브(33)로 연결하고, 튜브와 튜브 사이에 열교환 핀(도시 안함)을 설치하여 구성되나, 증발기로 작용하는 실내 열교환기(5)의 경우, 유입구측에 헤더를 설치하게 되면, 팽창 밸브(4)를 통해 실내 열교환기(5)의 유입구측 헤더에 유입된 액체 상태의 냉매가 중력에 의해 헤더의 하부에 고임으로서 헤더 상부의 튜브측으로는 액냉매가 공급되지 않아 냉방 효율이 낮아지게 되므로, 이를 방지하기 위해 실내 열교환기의 유입측에는 헤더를 사용하지 않고, 헤더보다는 그 높이 및 체적이 작아 액냉매의 편중이 없는 분배기(51)를 통해 각각의 튜브로 액 냉매가 균등하게 유입되도록 구성되어 있다.

상기한 바와 같이, 종래의 냉난방 공기 조화기는, 실외 열교환기로는 유입 및 유출측 양측에 헤더가 설치되어 있는 열교환기가 사용되고, 하절기에 증발기로사용되는 실내 열교환기로는 유입측에는 분배기가 배출측에는 헤더가 설치되어 있는 열교환기가 사용되는 것이 일반적인 바, 이와 같은 구성에 의하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 여름철 냉방시에는 증발기로 작용하는 실내 열교환기(5) 측으로 유입되는 액냉매가 분배기(51)를 거쳐 각 튜브에 균등하게 공급되므로 냉방 효율을 높일수 있게 되나, 이를 도 2에 도시된 바와 같이 겨울철 난방용으로 전환하는 경우, 응축기로 작용하는 실내 열교환기(5)로는 고온-고압의 기체 상태 냉매가 유입되어 고온-고압의 액체 상태로 유출되게 되며, 증발기로 작용하는 실외 열교환기(3)로는 팽창 밸브(4)를 통과하여 저온-저압의 액체 상태로 된 냉매가 유입되어 기체 상태의 냉매로 유출되게 되는 바, 실외 열교환기(3)의 유입측 헤더(32)로 유입된 액체 상태의 냉매가 중력에 의해 헤더의 하부에 고임으로서 헤더 상부의 튜브측으로는 액냉매가 공급되지 않아 액냉매와 외기와의 열교환이 충분히 일어나지 못할 뿐만 아니라, 실내 열교환기(5)의 유출측이 되는 미세관로 및 저체적의 분배기(51)로 인해 실내 열교환기로부터 유출되는 고압 액냉매에 대한 관로 저항이 증대되어, 난방 효율이 극히 낮아진다는 문제점이 있었다.

또한, 냉난방 기능 전환시 냉매 가스 진출입 배관과 냉매액 진출입 배관의 역할이 바뀌어, 가스관이 액관이 되고 액관이 가스관이 됨으로 인해 냉매 상태에 따른 최적의 배관 특성을 구비하기 곤란 하였으며 그에 따라 냉매의 흐름이 원활하게 이루어지지 못해 고장이 자주 발생한다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 특히 냉난방 공기조화기에 적용되어, 냉방 효율 및 난방 효율을 획기적으로 향상시켜 장치의 소형화를가능케 함과 동시에 냉난방 기능 전환에 따른 배관계의 고장을 방지할 수 있도록 하기 위한 열교환기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 냉난방 공기조화기의 냉방 작동시의 냉매 순환 경로를 나타내는 개념도.

도 2는 냉난방 공기조화기의 난방 작동시의 냉매 순환 경로를 나타내는 개념도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 외관 사시도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 요부 절단 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 열교환기가 적용된 냉난방 공기조화기의 냉방 작동시의 냉매 순환 경로를 나타내는 개념도.

도 6은 본 발명에 따른 열교환기가 적용된 냉난방 공기조화기의 난방 작동시의 냉매 순환 경로를 나타내는 개념도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : 제1 헤더 120 : 제2 헤더

130 : 열교환 튜브 140 : 분배 튜브

150 : 분배기

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열교환기는, 양단이 폐쇄된 중공 기둥형으로 형성되어 있으며, 냉매 출입관이 결합되어 있는 제1 및 제2 헤더와; 일단 개구부는 상기 제1 헤더의 측벽에 결합되며, 타단 개구부는 상기 제2 헤더의 측벽에 결합되어, 어느 일측의 헤더에 유입된 냉매가 타측 헤더로 전달되는 통로가 되는 다수의 열교환 튜브와; 상기 열교환 튜브 각각의 상기 제1 헤더측 단부 측벽에 일단부가 결합되어 있는 분배 튜브와; 중공형으로 형성되어 일측에는 냉매 출입관이 결합되어 있으며, 타측에는 상기 분배 튜브의 타단부가 결합되는 분배기;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 열교환기는 냉난방 공기조화기의 실내 열교환기나 실외 열교환기 또는 양자에 바람직하게 적용되는 것으로, 본 발명에 의하면, 냉난방 공기조화기가 냉동 사이클로 작동되느냐 히트 펌프 사이클로 작동되느냐에 무관하게, 비체적이 큰 증기 상태의 냉매는 헤더의 냉매 출입관을 통해서만 순환되며, 열교환기측으로 유입되는 액체 상태 냉매는 분배기 및 분배 튜브를 통해 열교환 튜브에 균등하게 유입되고, 열교환기로부터 배출되는 액체상태 냉매는 헤더의 냉매출입관을 통해 배출되어 관로 저항을 최대한 적게 받도록 냉난방 사이클을 구성할 수 있게 되므로, 냉난방 공기 조화기의 냉방 효율 및 난방 효율을 동시에향상시켜 장치의 소형화를 가능케 함과 동시에 냉난방 기능 전환에 따른 배관계의 고장을 방지할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기의 외관 사시도, 도 4는 요부 절단 사시도를 각각 나타내는 바, 본 발명에 따른 열교환기는, 양단이 폐쇄된 중공 기둥형으로 형성되어 있으며 그 단부에 냉매 출입관(111, 121)이 결합되어 있는 제1 및 제2 헤더(110, 120)와, 일단 개구부는 제1 헤더(110)의 측벽에 결합되며 타단 개구부는 제2 헤더(120)의 측벽에 결합되어 어느 일측의 헤더에 유입된 냉매가 타측 헤더로 전달되는 통로가 되는 다수의 열교환 튜브(130)와, 열교환 튜브 각각의 상기 제1 헤더측 단부 측벽에 일단부가 결합되어 있는 분배 튜브(140)와, 중공형으로 형성되어 일측에는 냉매 출입관(151)이 결합되어 있으며 타측에는 상기 분배 튜브의 타단부가 결합되는 분배기(150)로 구성된다.

열교환 튜브(130)는 잘 알려진 바와 같이 냉매와 외부 공기와의 열교환이 가능하도록 냉매의 통로 역할을 하는 것으로 외부 공기와 충분한 열교환이 일어날 수 있도록 적당한 횟수로 절곡되어 있으며, 일반적인 열교환기와 마찬가지로 열교환 튜브와 열교환 튜브 사이에는 열교환 면적을 증대시키기 위한 핀이 배치된다.

본 실시예에서는 양단의 개구가 동일 방향을 향하도록 절곡되어 제1 및 제2 헤더가 열교환기의 동일 측면에 배치되어 있는 예를 나타내었으나, 열교환 튜브의 양단 개구가 반대 방향을 향하도록 절곡되는 경우 제1 및 제2 헤더가 열교환기의서로 반대측에 배치됨은 물론이다.

본 발명의 열교환기가 바람직하게 적용되는 경우(이에 대한 설명은 후술함) 제2 헤더(120) 측으로는 기체 상태의 냉매가 유입 또는 유출되게 되는 바, 제2 헤더의 냉매 출입관(121)은 비체적이 큰 기체 냉매의 유동이 원할히 이루어질 수 있도록 헤더의 상부에 비교적 큰 직경으로 형성하는 것이 바람직하며, 제1 헤더(110)의 냉매 출입관(111)을 통해서는 액체 상태의 냉매가 유출되게 되므로 냉매 출입관(111)을 헤더의 하부에 비교적 작은 직경으로 형성하는 것이 바람직하다.

분배기(150)는 액냉매의 편중 현상이 없도록, 분배 튜브(140)들이 결합될 수 있는 있는 정도의 비교적 작은 체적으로 형성되는 바, 반구형 또는 대략 원추형으로 형성되어 반구면 또는 원추형의 좁은면에는 냉매 출입관(151)을 결합하고, 원형 평면 또는 넓은면에는 분배 튜브(140)를 결합하는 것이 바람직하며, 본 실시예는 분배기(150)를 별도로 설치한 예를 들었으나, 제 1헤더(110)의 내부 공간부 일측에 격벽을 설치함으로서 분배기를 제1 헤더와 일체로 형성하는 것도 물론 가능하다.

도 5 및 도 6은 이상과 같이 구성되는 본 발명에 따른 열교환기를 냉난방 공기 조화기의 실내 열교환기 및 실외 열교환기에 적용한 실시예를 나타내는 도면으로, 이를 참조하여 본 발명의 작용을 보다 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 5는 냉방 작동시의 냉매 순환 경로를 나타내는 도면으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 압축기(1)로부터 토출되는 냉매는 사방 밸브(2)를 통해 실외 열교환기(100a), 팽창 밸브(4b), 실내 열교환기(100b) 순으로 순환되어, 실외 열교환기(100a)는 응축기로 작용하고, 실내 열교환기(100b)는 증발기로 작용하게 된다.

이를 좀더 상세히 설명하면, 먼저, 압축기(1)로부터 토출되는 고온-고압의 기체상태 냉매는, 냉방 모드로 절환되어 있는 사방 밸브(2) 및 실외 열교환기의 냉매 출입관(121a)을 통해 실외 열교환기의 제2 헤더(120a)에 수집되어 열교환 튜브(130a)로 공급되며, 각각의 열교환 튜브(130a)를 통과하는 동안 외기와의 열교환에 의해 중온-고압의 액체 상태로 변환된다.

실외 열교환기(100a)의 각각의 열교환 튜브는 제1 헤더(110a)에 연통되어 있으며, 동시에 분배 튜브(140a)에 의해 각기 분기되어 분배기(150a)와 연통되어 있으나, 분배기의 냉매 출입관(151a) 측에는 냉매의 유출에 대해 패쇄되는 방향으로 체크 밸브(164)가 설치되어 있고, 제1 헤더(110a)의 냉매 출입관(111a) 측에는 냉매의 유출에 대해 개방되는 방향으로 체크 밸브(161)가 설치되어 있으므로, 열교환 튜브(130a)로부터 유출되는 중온-고압의 액체상태 냉매는, 분배 튜브(140a)-분배기(150a)를 통과하는 경로에 비해 관로 저항이 훨씬 적은 제1 헤더(110a)-냉매출입관(111a)를 통해 팽창 밸브(4b)측으로 공급될 수 있게 되며, 냉매 출입관(111a)이 제1 헤더(110a)의 하부에 설치되어 있으므로 팽창 밸브 측으로는 액상 냉매만이 원활하게 공급되게 된다.

실외 열교환기(100a)를 통과하여 중온-고압의 액체 상태로 된 냉매는 팽창 밸브(4b) 또는 모세관을 통과하며 교축 팽창되어 저온-저압의 액체 상태(실제로는 약간의 기체가 포함되어 있는 습증기 상태)로 변환되어 체크 밸브(162), 분배기(151b) 및 분배 튜브(140b)를 통해 실내 열교환기(100b)의 열교환 튜브(130b) 각각으로 균등하게 유입되게 되며, 실내 열교환기로 유입된 저온의 액상 냉매는 열교환 튜브(130b)를 통과하며 실내 공기와 열교환하여 증발됨으로서 저압 기체 상태로 되어 제2 헤더(120b) 및 냉매 출입관(121b)를 통해 압축기(1)로 흡입된다.

한편, 도 6는 난방 작동시의 냉매 순환 경로를 나타내는 도면으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 압축기(1)로부터 토출되는 냉매는 사방 밸브(2)를 통해 실내 열교환기(100b), 팽창 밸브(4a), 실외 열교환기(100a) 순으로 순환되어, 실내 열교환기(100b)는 응축기로 작용하고, 실외 열교환기(100a)는 증발기로 작용하게 된다.

난방 경우 역시, 응축기로 작용하는 실내 열교환기(100b)측으로 유입되는 기체상태의 냉매는 제2 헤더(120b)를 통해 각각의 열교환 튜브(130b)로 분배되며, 실내 열교환기(100b)로부터 유출되는 액상 냉매는 관로 저항을 최소화 할 수 있도록 제1 헤더(110b)를 거쳐 팽창 밸브(4a)측으로 공급되게 된다.

또한, 증발기로 작용하는 실외 열교환기(100a)측으로 유입되는 액상 냉매는 분배기(150a), 분배 튜브(140a)를 거쳐 각각의 열교환 튜브(130a)로 균등하게 공급되며, 실외 열교환기(100a)로부터 유출되는 기상 냉매는 제2 헤더(120a)에 수십되어 냉매 출입관(121)을 통해 압축기로 흡입되게 된다.

즉, 본 적용예에 의하면, 냉난방 공히, 액상 냉매의 열교환기로부터의 배출과, 기체상태 냉매의 흡입 및 배출은 헤더를 통해 이루어짐으로서 냉매 흐름에 대한 관로 저항을 최소화시킬 수 있게 되며, 열교 환기 측으로 흡입되는 액상 냉매는 분배기 및 분배 튜브를 통해 열교환 튜브에 균등하게 공급됨으로서 액상 냉매의 편중에 의한 열교환 효율 저하를 확실히 방지할 수 있게 된다.

본 발명의 열교환기를 냉난방 공조기에 실제 적용하여 실험하여 본 결과, 냉방 효율이 상승됨은 물론이고, 특히, 동일 용량의 냉방 효과를 나타내는 종래의 공조기에 비해 겨울철 난방을 보다 확실하게 수행할 수 있게 됨을 확인할 수 있었다,

상기 적용예는 실내 열교환기 및 실외 열교환기 모두에 본 발명에 따른 열교환기를 설치한 것을 나타내고 있으나, 본 발명에 따른 열교환기를 양 열교환기 중 어느 일측 특히, 실내 열교환기에만 적용하는 것도 물론 가능하다.

상기와 같이 본 발명에 따른 열교환기에 의하면, 냉난방 공기조화기가 냉동 사이클로 작동되느냐 히트 펌프 사이클로 작동되느냐에 무관하게, 비체적이 큰 증기 상태의 냉매는 헤더의 냉매 출입관을 통해서만 순환되며, 열교환기측으로 유입되는 액체 상태 냉매는 분배기 및 분배 튜브를 통해 열교환 튜브에 균등하게 유입되고, 열교환기로부터 배출되는 액체상태 냉매는 헤더의 냉매출입관을 통해 배출되어 관로 저항을 최대한 적게 받도록 냉난방 사이클을 구성할 수 있게 되므로, 냉난방 공기 조화기의 냉방 효율 및 난방 효율을 동시에 향상시켜 장치의 소형화를 가능하게 하며, 냉난방 기능 전환에 따른 배관계의 고장을 방지할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 양단이 폐쇄된 중공 기둥형으로 형성되어 있으며, 냉매 출입관이 결합되어 있는 제1 및 제2 헤더와;

   일단 개구부는 상기 제1 헤더의 측벽에 결합되며, 타단 개구부는 상기 제2 헤더의 측벽에 결합되어, 어느 일측의 헤더에 유입된 냉매가 타측 헤더로 전달되는 통로가 되는 다수의 열교환 튜브와;

   상기 열교환 튜브 각각의 상기 제1 헤더측 단부 측벽에 일단부가 결합되어 있는 분배 튜브와;

   중공형으로 형성되어 일측에는 냉매 출입관이 결합되어 있으며, 타측에는 상기 분배 튜브의 타단부가 결합되는 분배기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 헤더의 냉매출입관의 직경이 제2 헤더의 냉매 출입관의 직경보다 작게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 헤더의 냉매출입관은 상기 제1 헤더의 하부에 결합되고, 상기 제2 헤더의 냉매 출입관은 상기 제2 헤더의 상부에 결합되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 상기 제1 헤더의 냉매 출입관에는 냉매의 유출에 대해서는 개방되고 냉매의 유입에 대해서는 폐쇄 상태가 되는 밸브체가 결합되어 있으며, 상기 분배기의 냉매 출입관에는 냉매의 유입에 대해서는 개방되고 냉매의 유출에 대해서는 폐쇄 상태가 되는 밸브체가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.