KR100480112B1 - 열교환기의 냉매유동 안내장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기의 냉매유동 안내장치에 관한 것으로, 본 발명은 통체로 형성하는 헤더와, 헤더의 길이 방향에 수직한 방향으로 연통하도록 냉매유로를 상기 헤더에 결합하는 플랫튜브를 포함한 열교환기에 있어서, 헤더는 플랫튜브의 냉매유로를 전류유로와 후류유로로 양분할 수 있도록 내부공간을 종방향으로 구획하는 종방향격리판을 적어도 한 개 이상 설치함으로써, 응축기로 사용할 때와 증발기로 사용할 때 냉매의 유동방향을 적절하게 변경하면서 냉매의 응축효과와 증발효과를 향상하고 이를 통해 열교환기의 성능을 높일 수 있다.

Description

열교환기의 냉매유동 안내장치{GUIDE DEVICE FOR REFRIGERANT FLOW OF REGENERATOR}

본 발명은 열교환기에서 냉매를 분배하는 헤더에 관한 것으로, 특히 열교환기를 증발기로 사용할 때와 응축기로 사용할 때의 냉매순환유로를 달리하는 열교환기의 냉매유동 안내장치에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 압축기와 응축기와 팽창기구 그리고 증발기로 이루어지는 냉동사이클장치에서 응축기와 증발기를 포괄적으로 이르는 것으로, 주위의 온도와 열을 서로 교환하면서 전열매체인 냉매를 액상에서 기상으로 또는 기상에서 액상으로 전환시키고 이 과정에서 생기는 흡수열 또는 방출열을 이용하여 냉방이나 난방 또는 냉장이나 온장으로 활용하도록 하는 것이다.

이러한 열교환기는 그 형상에 따라 구분할 수 있는데, 그 중 가장 널리 알려진 열교환기로는 냉매관에 다수 개의 냉각핀을 삽입하는 이른 바 '핀 앤 튜브' 타입이 있다. 이는 주로 냉장고와 같은 가전제품에서 증발기로 활용하는 것으로 냉매는 냉매관을 순환하면서 그 냉매관의 벽면을 통해 외부와 열교환을 수행하되 냉매관의 외주면에 얇은 다수 개의 냉각핀을 밀착 결합함으로써 공기와의 접촉면적을 넓혀 열교환 효율을 극대화하는 것이다.

평판형 열교환기는 패널 모양의 튜브 안에 소정의 냉매유로를 형성하는 것으로 이는 냉매가 열교환기 몸체의 냉매유로를 순환하면서 외부와 열교환을 수행하는 것이다.

마이크로 채널 타입은 냉매가 들어오는 입구측과 빠져나가는 출구측을 긴 관체로 형성하고 그 양쪽 긴 관체의 사이를 복수 개의 냉매유로(채널)를 내설한 플랫튜브들로 중간중간을 연결하여 입구측 관체로 유입하는 냉매가 상기한 각각의 플랫튜브로 적절하게 배분되어 통과한 후 출구측 관체에서 합쳐 유출되는 것이다.

도 1 및 도 2는 종래 마이크로 채널 타입의 열교환기를 보인 사시도 및 정면도이다.

이에 도시한 바와 같이 종래 마이크로 채널 열교환기는, 입구를 압축기의 토출구와 연결하거나 또는 팽창기구에 연결하여 냉매를 후술할 각 플랫튜브의 채널로 분산하였다가 모으는 복수 개의 헤더(1)(2)와, 헤더(1)(2) 사이에 직각 방향으로 연결하여 헤더로 유입한 냉매를 분산하면서 외부와 열교환시키는 플랫튜브(3)들과, 플랫튜브(3)들 사이에 접촉 결합하여 공기와의 접촉면적을 확대하는 냉각핀(4)으로 구성하고 있다.

헤더(1)(2)는 입구측 헤더와 출구측 헤더로 구분하고, 각 헤더(1)(2)는 시작단에서 끝단까지 동일한 형상과 동일한 단면적으로 형성하고 있다.

플랫튜브(3)는 그 내부에 냉매유로인 복수 개의 채널(미도시)을 일렬로 관통 형성하는 사각 단면 형상으로 형성하고, 그 양단은 헤더(1)(2)의 튜브장착구(미도시)에 삽입하여 용접으로 고정하고 있다.

냉각핀(4)은 긴 직사각형 모양의 얇은 알루미늄판을 파형 모양으로 다수 회 굽혀 그 변곡점 부위를 상기한 플랫튜브(3)의 양측 대응면에 접합 결합하고 있다.

상기와 같은 종래 마이크로 채널 열교환기를 히트펌프의 응축기와 증발기로 활용하는 경우는 다음과 같이 동작한다.

먼저, 히트펌프에 마이크로 채널 타입의 열교환기를 적용하는 경우에는 헤더(1)(2)내 냉매가 플랫튜브(3)로 골고루 분배될 수 있도록 상기한 헤더(1)(2)를 양쪽에 세우고 그 사이에 플랫튜브(3)를 지면과 평행하게 설치하게 된다.

이런 상태에서 응축기로 활용하는 경우에는 냉매를 도 2의 실선화살표와 같이 우측 헤더(2)의 상단에서 중력방향쪽으로 공급한 후에 플랫튜브(3)를 거치면서 냉각핀(4)을 통해 외부와 열교환하여 기체상태의 냉매를 액체상태로 변환시키고 이후 도면의 좌측 헤더(1)의 하단을 통해 냉동사이클장치의 팽창기구로 전달되도록 한다.

반면, 증발기로 활용하는 경우에는 냉매를 도 2의 점선화살표와 같이 좌측 헤더(1)의 하단에서 중력 반대방향으로 공급한 후에 플랫튜브(3)를 거치면서 냉각핀(4)을 통해 외부와 열교환하여 액체상태의 냉매를 기체상태로 변환시키고 이후 도면의 우측 헤더(2)의 상단을 통해 냉동사이클장치의 압축기로 전달되도록 한다.

한편 헤더(1)(2)는 열교환기의 크기에 따라 도 2에서와 같이 단순 원통형으로 형성할 수도 있고 도 3에서와 같이 중간에 횡형 격리판(5)을 설치할 수도 있다. 이는 열교환기가 소형인 경우에는 헤더(1)(2)내 냉매의 압력분포가 대체로 균일하여 특히 증발기로 활용할 때 액체냉매와 아울러 기체냉매가 혼합되어 헤더(1)내로 유입하더라도 이 혼합냉매가 각각의 플랫튜브(3)로 균등하게 배분되는데 반해, 열교환기가 대형인 경우에는 헤더(1)내 혼합냉매의 압력분포가 불균일하여 액체냉매와 기체냉매가 분배정도가 불균등할 수 있다.

이를 감안하여 도 3에서와 같이 열교환기가 대형인 경우에는 헤더(1)(2)의 중간중간에 횡형 격리판(5)을 설치하여 헤더(1)(2)의 내부공간을 적정하게 구획함으로써 냉매의 압력을 높여 액체냉매와 기체냉매를 균등하게 분배할 수 있도록 하는 것은 물론 냉매의 유동속도를 높여 압축기 성능을 높이는 것이었다.

그러나 상기와 같은 종래 마이크로 채널 타입 열교환기에 있어서 플랫튜브(3)를 하나씩 놓고 헤더(1)(2)내 냉매가 각 플랫튜브(3)마다의 채널로 동시에 유입하게 되는데, 이는 각 플랫튜브(3)가 길이방향의 중심선을 기준으로 할 때 공기 유동방향에 대해 전위측에 위치하는 전반부가 후반부에 비해 공기와 먼저 접촉하고 이에 따라 후반부 채널을 통과하는 냉매는 전반부 채널을 통과하는 냉매에 비해 상대적으로 열전달 성능이 저하하여 결국 열교환기의 전체 성능이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 마이크로 채널 타입의 열교환기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 히트펌프에 사용할 경우 각 플랫튜브마다의 채널로 유입하는 냉매의 열전달 성능을 높일 수 있는 열교환기의 냉매유동 안내장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 통체로 형성하는 헤더와, 헤더의 길이 방향에 수직한 방향으로 연통하도록 냉매유로를 상기 헤더에 결합하는 플랫튜브를 포함한 열교환기에 있어서, 헤더는 플랫튜브의 냉매유로를 전류유로와 후류유로로 양분할 수 있도록 내부공간을 종방향으로 구획하는 종방향격리판을 적어도 한 개 이상 설치한 것을 특징으로 하는 열교환기의 냉매유동 안내장치를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 열교환기의 냉매유동 안내장치를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명 마이크로 채널 타입의 열교환기를 보인 사시도이고, 도 5는 본 발명 마이크로 채널 타입의 열교환기에서 종방향격리판과 횡방향격리판을 분해하여 보인 사시도이며, 도 6 및 도 7은 본 발명 마이크로 채널 타입의 열교환기에서 플랫튜브와 격리판의 각 결합구조를 평면에서 보인 횡단면도이고, 도 8은 본 발명 마이크로 채널 타입의 열교환기를 응축기로 사용할 때의 냉매순환유로를 보인 개략도이며, 도 9는 본 발명 마이크로 채널 타입의 열교환기를 증발기로 사용할 때의 냉매순환유로를 보인 개략도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 마이크로 채널 열교환기는, 냉동사이클장치의 압축기와 냉매관으로 연결하여 지면에 대해 수직으로 설치하는 제1 헤더(11)와, 제1 헤더(11)와 평행하게 수직으로 설치하는 제2 헤더(12)와, 제1 헤더(11)와 제2 헤더(12)에 양단이 연통하도록 지면에 대해 수평으로 설치하여 상기 제1 헤더(11)로 유입한 냉매를 분산한 후 제2 헤더(12)를 거쳐 다시 제1 헤더(11)로 복귀하도록 유도하면서 외부와 열교환시키는 플랫튜브(13)들과, 플랫튜브(13)들 사이에 접촉 결합하여 공기와의 접촉면적을 확대하는 냉각핀(14)과, 제1 헤더(11)와 제2 헤더(12)의 내부에 역시 수직으로 설치하여 그 제1 헤더(11)와 제2 헤더(12)의 내부공간을 공기의 유동방향을 기준으로 할 때 전위측 공간(S1)과 후위측 공간(S2)으로 양분하는 종방향격리판(15)으로 구성한다.

제1 헤더(11)는 원통형으로 형성하여 그 내부에 상기한 종방향격리판(15)을 수직으로 설치하고 열교환기가 대형인 경우에는 중간중간에 횡방향격리판(16)을 함께 설치한다. 횡방향격리판(16)은 제1 헤더(11)의 전체를 종단하도록 형성하는 것으로 도 5에서와 같이 그 직경이 제1 헤더(11)의 내경과 거의 동일한 원판형으로 형성하여 외주면 일 측에 종방향격리판(15)을 삽입하는 맞춰끼움홈(16a)을 형성하고 이에 대응하는 종방향격리판(15)에도 상기한 맞춰끼움홈(15a)을 형성한다.

또, 제1 헤더(11)는 상기한 종방향격리판(15)을 중심으로 공기의 유동방향을 기준으로 할 때 전위측 공간(S1)과 후위측 공간(S2)을 각각 별도의 냉매관(미도시)으로 연결하는 것이 바람직하다. 즉, 열교환기를 응축기로 활용하는 경우에는 후위측(S2)을 압축기의 토출측에 연결하는 반면 증발기로 활용하는 경우에는 전위측(S1)을 응축기의 출구 또는 팽창기구의 출구에 연결한다.

또, 제1 헤더(11)의 외주면 일측에는 도 6 및 도 7에서와 같이 상기한 플랫튜브(13)를 삽입 결합하기 위한 튜브삽입구(11a)를 수직으로 층층이 형성한다. 튜브삽입구(11a)는 플랫튜브(3)의 모양과 동일하도록 수평방향으로 긴 직사각형 모양으로 형성한다.

제2 헤더(12)는 상기한 제1 헤더(11)와 마찬가지로 원통형으로 형성하고 그 양단은 플랫튜브(13)를 통과한 냉매가 다시 제1 헤더(11)로 유도되도록 막힌 구조로 형성하며, 그 내부에는 종방향으로 상단에서 약 2/3 지점까지 종방향 격리판(15)을 설치한다. 그리고 종방향 격리판(15)의 하단에는 상기한 횡방향 격리판(16)을 설치한다.

또, 제1 헤더(11)의 튜브삽입구(11a)와 대향하는 외주면에는 제1 헤더(11)의 튜브삽입구(11a)와 동일한 형성으로 튜브삽입구(미도시)를 층층이 형성한다.

플랫튜브(13)는 도 6 및 도 7에서와 같이 그 내부에 냉매유로인 복수 개의 채널(13a)을 일렬로 관통 형성하는 사각 단면 형상으로 형성하고 각 헤더(11)(12)의 튜브삽입구(11a)(미도시)에 삽입하는 양단의 중앙부에는 도 6에서와 같이 종방향격리판(15)의 측면에 삽입하도록 격리판삽입홈(13b)을 음각지게 형성한다. 격리판삽입홈(13b)의 양측에는 상기한 채널(13a)을 냉매의 유동순서에 따라 편의상 구분하는 전류유로와 후류유로를 동일한 개수로 형성하는 것이 바람직하다.

냉각핀(14)은 긴 직사각형 모양의 얇은 알루미늄판을 파형 모양으로 다수 회 굽혀 그 변곡점 부위를 상기한 플랫튜브(13)의 양측 대응면에 접합 결합한다.

종방향격리판(15)은 소정의 두께와 제1,제2 헤더(11)(12)의 내경과 거의 동일한 폭을 가지는 사각판 모양으로 형성하여 상기한 제1 헤더(11)와 제2 헤더(12)의 내부에 수직으로 삽입 결합하는 것으로, 도 6에서와 같이 플랫튜브(13)의 단부에 격리판삽입홈(13b)을 형성하는 경우에는 종방향격리판(15)의 측면을 편평하게 형성하는 반면 도 7에서와 같이 상기한 플랫튜브(13)의 단부를 편평하게 형성하는 경우에는 종방향격리판(15)의 측면에 플랫튜브삽입홈(15b)을 음각지게 형성한다.

도면중 미설명 부호인 h1 및 h2는 냉매입출구이다.

상기와 같은 본 발명 마이크로 채널 열교환기를 히트펌프의 응축기와 증발기로 활용하는 경우는 다음과 같이 동작한다.

먼저, 응축기로 활용하는 경우에는 도 8에서와 같이 압축기의 토출관에서 연결한 냉매관(미도시)을 통해 가스상태의 냉매가 공기의 유동방향을 기준으로 할 때 제1 헤더(11)의 후위측 공간(S2)으로 유입하고 이 냉매는 후위측 공간(S2)에 연통한 플랫튜브(13)의 채널(13a)(공기유동방향을 기준으로 하면 후위측 채널)을 통해 제2 헤더(12)로 유입하며 이 냉매는 다시 상기한 플랫튜브(13)의 나머지 채널(13a)(공기유동방향을 기준으로 전위측 채널)을 통해 제1 헤더(11)의 전위측 공간(S1)으로 유입하였다가 그 전위측 공간(S1)에 연결한 냉매관(미도시)을 통해 팽창기구로 전달된다. 즉, 각 플랫튜브(13)를 놓고 보면 공기유동방향에 대해 전방에 형성한 채널이 후류유로(F2)가 되고 후방에 형성한 채널이 전류유로(F1)가 된다.

이렇게 하여 플랫튜브(13)의 후위측 채널(13a)인 전류유로(F1)를 통과하는 냉매는 공기와 열교환하여 1차로 응축된 다음에 상기한 플랫튜브(13)의 전위측 유로인 후류유로(F2)를 통과하면서 다시 공기와 열교환하여 2차로 응축되어 공기와의 열전달 성능이 향상된다. 이는, 난방기의 입장에서도 후위측 채널인 전류유로(F1)를 통과하면서 더워진 공기가 전위측 채널인 후류유로(F2)를 통과하면서 다시 데펴져 난방효과도 높아진다.

다음, 상기한 열교환기를 증발기로 활용하는 경우는 도 9에서와 같다. 즉, 압축기의 토출관을 거친후 팽창기구에서 연결한 냉매관(미도시)을 통해 액체상태(일부 기체상태의 냉매가 혼재)의 냉매가 공기의 유동방향을 기준으로 할 때 제1 헤더(11)의 전위측 공간(S1)으로 유입하고 이 냉매는 전위측 공간(S1)에 연통한 플랫튜브(13)의 채널(13a)(공기유동방향을 기준으로 하면 전위측 채널)을 통해 제2 헤더(12)로 유입하며 이 냉매는 다시 상기한 플랫튜브(13)의 나머지 채널(공기유동방향을 기준으로 후위측 채널)을 통해 제1 헤더(11)의 후위측 공간(S2)으로 유입하였다가 그 후위측 공간(S2)에 연결한 냉매관(미도시)을 통해 압축기의 흡입구로 전달된다. 즉, 각 플랫튜브(13)를 놓고 보면 공기유동방향에 대해 전방에 형성한 채널(13a)이 전류유로(F1)가 되고 후방에 형성한 채널이 후류유로(F2)가 된다.

이렇게 하여 플랫튜브(13)의 전위측 채널(13a)인 전류유로(F1)를 통과하는 냉매는 공기와 열교환하여 1차로 증발된 다음에 상기한 플랫튜브(13)의 후위측 채널(13a)인 후류유로(F2)를 통과하면서 다시 공기와 열교환하여 2차로 증발되어 공기와의 열전달 성능이 향상된다. 이는, 냉방기의 입장에서도 전위측 유로인 전류유로(F1)를 통과하면서 냉각된 공기가 후위측 유로인 후류유로(F2)를 통과하면서 다시 냉각되어 냉방효과도 높아진다.

한편, 본 발명에 의한 열교환기의 변형예가 있는 경우는 다음과 같다.

즉, 전술한 일례들에서는 플랫튜브(13)와 종방향격리판(15)의 상호 접촉면 중에서 어느 한 쪽에 삽입홈(13b)(15b)을 형성하는 것이었으나, 본 변형예는 도 10에서와 같이 각각의 플랫튜브(13)를 전위측 플랫튜브(13A)와 후위측 플랫튜브(13B)로 양분 형성하여 그 전위측 플랫튜브(13A)와 후위측 플랫튜브(13B)를 종방향격리판(15)을 사이에 두고 양쪽에 결합하는 것이다.

이 경우, 플랫튜브(13)나 종방향격리판(15)에 삽입홈을 형성하지 않음에 따라 각 플랫튜브(13)와 종방향격리판(15)의 제작이 용이하고 각 삽입홈에 플랫튜브(13)나 종방향격리판(15)을 맞춰 삽입할 필요가 없어 조립성을 높일 수 있다.

본 발명에 의한 열교환기의 냉매유도 안내장치는, 입구측 헤더의 내부공간을 전위측 공간과 후위측 공간으로 양분하는 종방향격리판을 설치하고 응축기의 경우는 후위측 공간을 입구로 전위측 공간을 출구로 연결하는 반면 증발기의 경우는 전위측 공간을 입구로 후위측 공간을 출구로 연결함으로써, 응축기로 사용할 때와 증발기로 사용할 때 냉매의 유동방향을 적절하게 변경하면서 냉매의 응축효과와 증발효과를 향상하고 이를 통해 열교환기의 성능을 높일 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 마이크로 채널 타입의 열교환기를 보인 사시도 및 종단면도.

도 3은 종래 마이크로 채널 타입의 열교환기에 대한 변형예를 보인 종단면도.

도 4는 본 발명 마이크로 채널 타입의 열교환기를 보인 사시도.

도 5는 본 발명 마이크로 채널 타입의 열교환기에서 종방향격리판과 횡방향격리판을 분해하여 보인 사시도.

도 6 및 도 7은 본 발명 마이크로 채널 타입의 열교환기에서 플랫튜브와 격리판의 각 결합구조를 평면에서 보인 횡단면도.

도 8은 본 발명 마이크로 채널 타입의 열교환기를 응축기로 사용할 때의 냉매순환유로를 보인 개략도.

도 9는 본 발명 마이크로 채널 타입의 열교환기를 증발기로 사용할 때의 냉매순환유로를 보인 개략도.

도 10은 본 발명 마이크로 채널 타입의 열교환기에 대한 다른 실시예를 평면에서 보인 횡단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

11 : 제1 헤더 11a : 튜브장착구

12 : 제2 헤더 13 : 플랫튜브

13A : 전위측 플랫튜브 13B : 후위측 플랫튜브

13a : 채널 13b : 격리판삽입홈

14 : 냉각핀 15 : 종방향격리판

15a : 맞춰끼움홈 15b : 플랫튜브삽입홈

16 : 횡방향격리판 16a : 맞춰끼움홈

F1,F2 : 전류유로,후류유로 S1,S2 : 전위측,후위측 공간

Claims (6)

1. 통체로 형성하는 헤더와, 헤더의 길이 방향에 수직한 방향으로 연통하도록 냉매유로를 상기 헤더에 결합하는 플랫튜브를 포함한 열교환기에 있어서,

   헤더는 그 내부에 플랫튜브의 냉매유로를 전류유로와 후류유로로 양분할 수 있도록 내부공간을 종방향으로 구획하는 종방향격리판을 적어도 한 개 이상 설치하고, 그 종방향격리판을 사이에 두고 공기의 유동방향에 대해 전후 양측에 각각 전류측 플랫튜브와 후류측 플랫튜브를 설치하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 냉매유동 안내장치.
2. 제1항에 있어서,

   헤더의 내부에는 그 헤더의 길이방향 플랫튜브의 층간을 나누어 냉매를 플랫튜브를 따라 좌우로 순환하도면서 이동하도록 하는 횡방향격리판을 더 설치한 것을 특징으로 하는 열교환기의 냉매유도 안내장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   플랫튜브의 전류유로는 응축기일 경우에는 공기의 유동방향을 기준으로 후위에 위치하는 반면 증발기일 경우에는 공기의 유동방향을 기준으로 전위에 위치하도록 냉매관을 연결하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 냉매유동 안내장치.