KR100667702B1 - 이산화탄소 냉매용 열교환기의 헤더 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 이산화탄소 냉매용 열교환기의 헤더는, 상호 평행하게 이격되어 배치되고 양단부가 밀폐된 두 개의 헤더사이에 복수개의 납작튜브가 연통되어 그 내부에 이산화탄소가 유동하는 이산화탄소 냉매용 열교환기에 있어서, 상기 헤더(30)는, 압출가공에 의해 장공 단면형의 내부공간이 형성된 파이프(34)와, 상기 파이프의 내부공간을 양분하도록 상기 장공 단면의 중앙을 가로막으면서 파이프의 길이방향으로 끼워진 분리판(36)으로 이루어져 있으므로, 헤더의 내용적의 감소를 줄이면서 내압성을 높이고 브레이징성을 높일 수 있다는 효과가 있다.

Description

이산화탄소 냉매용 열교환기의 헤더{Header of Heat Exchanger using CO2 refrigerant}

도1은 종래 이산화탄소 냉매용 열교환기를 나타내는 사시도,

도2 및 도3는 종래 이산화탄소 냉매용 열교환기의 제1, 제2헤더를 나타내는 분리 사시도,

도4는 본 발명에 의한 이산화탄소 냉매용 열교환기의 헤더의 개략 단면도(일부),

도5는 도4에서 화살표 A-A선에 따른 단면도,

도6은 도4에서 화살표 B-B선에 따른 단면도,

도7은 도4의 분리판을 나타내는 평면도,

도8는 본 발명이 적용된 헤더에서 삽입홈의 다른 예를 나타내는 단면도,

도9은 본 발명이 적용된 헤더에서 내부공간의 다른 예를 나타내는 단면도(연통구멍부위 단면),

도10은 본 발명이 적용된 헤더에서 내부공간의 다른 예를 나타내는 단면도(납작튜브부위 단면)

도11은 본 발명이 적용된 헤더에서 삽입홈의 또 다른 예를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

30 : 헤더 32 : 캡

34 : 파이프 34a : 내부공간

34b : 안내홈 36 : 분리판

36a : 연통구멍 36b : 도피홈

50 : 납작튜브

본 발명은 이산화탄소 냉매용 열교환기의 헤더에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 온도가 높은 유체와 온도가 낮은 유체가 열교환기 벽면을 통해 높은 온도에서 낮은 온도로 열을 전달함으로써 열교환을 행하는 장치이다. 이러한 열교환기를 구성요소로 하는 에어컨 시스템의 작동매체로 HFC냉매가 주로 사용되어 왔으나, 이러한 HFC냉매는 지구 온난화의 주요 요인 중의 하나로 인식되어 그 사용에 대한 규제가 점차 확대되고 있다. 이러한 상황 하에서, HFC 냉매를 대체할 차세대 이산화탄소 냉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 차세대 냉매의 대표주자인 이산화탄소는, 지구 온난화 지수(GWP)가 HFC-R134a의 약1300분의 1에 해당되며, 작동 압축비가 낮아 압축효율이 우수하고, 열전달 성능이 매우 우수하여 2차 유체인 공기의 입구온도와 냉매의 출구온도 사이의 온도차이가 기존의 냉매에 비해 훨씬 작아질 수 있으므로 겨울철 낮은 외기 온 도에서도 열을 뽑아 쓸 수 있으므로 여름철에는 냉방, 겨울철에는 난방 역할을 수행하는 히트펌프에도 적용가능하며, 체적냉방능력(증발잠열 x 기체밀도)이 기존의 냉매인 R134a의 7 ~ 8배에 달하기 때문에 압축기의 용량을 크게 줄일 수 있으며, 표면장력이 작아서 비등 열전달이 우수하고, 정압비열이 크고 점도가 낮아 열전달 성능이 뛰어나므로 냉매로서 우수한 열역학적 특성을 갖고 있다.

이산화탄소를 냉매로 사용하는 열교환기는 멀티 패스(multi-pass) 방식과 멀티 슬랩(multi-slab) 방식의 두가지 형태로 크게 구분할 수 있다.

멀티 패스 방식은 헤더 내에 다수의 배플을 개재하여 튜브를 통해 유동하는 냉매의 패스 수를 증가시키는 것으로, 이는 열교환기 내에서의 냉매의 분포도는 좋으나 냉매가 쿨링될 때 냉매인 이산화탄소는 열교환기 내에서 응축과정이 없이 계속적으로 온도가 하강하게 되고, 이에 따라 열교환기 전체에서의 온도편차가 심해져 튜브와 핀을 통해 열교환기 표면을 따라 자체적으로 열흐름이 발생하는 문제가 생기게 된다. 이러한 열흐름은 냉매가 외부 유입공기와 열교환하는 것을 방해하게 되고 자연히 열교환성능을 감소시키게 된다.

멀티 슬랩 방식은 튜브가 배열된 열을 복수개로 하여 냉매가 이 튜브 열을 지남에 따라 열교환을 행하도록 하는 것으로, 이는 상기 멀티 패스 방식과 같은 열흐름은 차단할 수 있어 이산화탄소와 같은 고압에서 작동하는 냉매를 사용하는 열교환기에 있어서는 보다 우수한 구조로 알려져 있다. 그러나 이러한 멀티 슬랩방식의 열교환기는 각 슬랩을 연통하도록 파이프를 부착하여야 하나, 이는 고압에 취약한 구조를 갖는다. 또한 열교환기 내에서의 냉매의 분포가 상기 멀티 패스 방식에 비해 다소 떨어질 수 있다. 따라서 종래에는 상기 이산화탄소의 냉매 특성을 고려하지 않고 단지 높은 작동압력만을 견딜 수 있도록 열교환기의 두께를 크게 한 것을 이산화탄소용 열교환기로 사용하여 왔다.

이러한 멀티 슬랩 방식의 이산화탄소 냉매용 열교환기(1)는 도1에 도시한 바와 같이, 상호 평행하게 이격되어 배치되고 양단부가 밀폐된 제1, 제2헤더(10)(20)와, 상기 제1, 제2헤더(10)(20)를 상호 연통되도록 연결하는 복수개의 튜브(2)와, 상기 튜브(2) 들 사이에 설치된 복수개의 방열핀(4)으로 구성되며, 상기 제1헤더(10)에는 냉매가 유입되는 냉매유입관(6)과 냉매가 유출되는 냉매유출관(8)이 구비된다.

도2에 도시한 바와 같이, 상기 제1헤더(10)는 복수개의 유로(14a)(15a) 사이에 형성됨과 아울러 상기 각 유로(14a)(15a)를 구분하는 일정한 두께의 제1격벽(17)을 갖는 헤더요소(12)와, 상기 헤더요소(12)의 각 유로(14a)(15a) 및 제1격벽(17)과 대향되는 유로(14b)(15b)와 제2격벽(18)이 형성된 헤더요소(13)를 상호 결합하여 상기 제1, 제2격벽(17)(18)에 의해 서로 독립된 제1, 제2단일유로(14)(15)를 가지며 상 하부는 캡(11)에 의해 밀폐되게 된다. 상기 헤더요소(13)에는 튜브(2)에 연통하는 튜브홀(16)이 형성된다.

도3에 도시한 바와 같이, 상기 제2헤더(20)는 복수개의 유로(24a)(25a) 사이에 형성됨과 아울러 상기 각 유로(24a)(25a)를 구분하는 일정한 두께의 제1격벽(27)을 갖는 헤더요소(22)와, 상기 헤더요소(22)의 각 유로(24a)(25a) 및 제1격벽(27)과 대향하는 유로(24b)(25b)와 제2격벽(28)이 형성된 헤더요소(23)를 상호 결 합하여 상기 제1, 제2격벽(27, 28)에 의해 서로 독립된 제1, 제2단일유로(24)(25)를 가지며 상하부가 캡(21)에 의해 밀폐되어 상기 제1헤더(10)와 소정간격 이격되어 평행하게 배치되고, 상기 제3, 제4단일유로(24)(25)를 서로 연통시키는 연통홀(29)이 구비된다. 상기 헤더요소(23)에는 튜브(2)에 연통하는 튜브홀(26)이 형성된다.

이러한 이산화탄소용 냉매용 열교환기는 기존의 HFC-R134a 냉매용 열교환기에 비해 약 10정도의 고압에서 작동되므로 높은 내압성을 요구하고 있다. 이러한 요구에 따라 종래 이산화탄소 냉매용 열교환기는 그 헤더에서 냉매가 유동할 수 있는 구멍의 치수를 최소화하거나 헤더 내측에 별도의 부재를 삽입하여 내용적을 최소화하는 방법으로 내압성을 확보하고 있다.

그런데, 헤더의 내용적을 최소화하는 방법으로 제조되는 헤더의 소재 두께의 편차가 크기 때문에 브레이징할 때에 브레이징성이 저하한다는 문제점이 있었다. 또한 헤더의 내측에 별도의 부재를 삽입할 때에는 부재를 헤더에 밀착시켜야만 내압성이 확보될 수 있으나, 실제의 제조공정에서 살두께의 편차가 커서 브레이징성이 낮다는 문제점이 있었다. 또한 헤더 소재의 사량이 많아져 원가가 상승하고 중량이 증가한다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 헤더의 내용적의 감소가 크지 않아 압력강하를 최소화하면서, 내압성을 확보하고, 브레이징성을 높일 수 있는 이산화탄소 냉매용 열교환기의 헤더를 제공하는 데 있다.

본 발명에 의한 이산화탄소 냉매용 열교환기의 헤더는, 상호 평행하게 이격되어 배치되고 양단부가 밀폐된 두 개의 헤더사이에 복수개의 납작튜브가 연통되어 그 내부에 이산화탄소가 유동하는 이산화탄소 냉매용 열교환기에 있어서, 상기 헤더는, 압출가공에 의해 장공 단면형의 내부공간이 형성된 파이프와, 상기 파이프의 내부공간을 양분하도록 상기 장공 단면의 중앙을 가로막으면서 파이프의 길이방향으로 끼워진 분리판으로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.

상기 분리판에는 파이프의 양분된 내부공간이 연통하도록 분리판의 길이방향으로 따라 다수의 연통구멍이 형성되어 있는 한편 상기 납작 튜브의 단부가 헤더의 내부로 돌출하여 끼워지도록 분리판의 일측 가장자리를 따라 도피홈이 형성되어 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

본 발명은 전체적으로 도1에 도시한 바와 같이 상호 평행하게 이격되어 배치되고 양단부가 밀폐된 두 개의 헤더사이에 복수개의 납작튜브가 연통되어 그 내부에 이산화탄소가 유동하는 이산화탄소 냉매용 열교환기에 적용된다. 도4에 도시한 바와 같이, 이하에서는 일측 헤더(30)의 일부만 도시하여 예를 들어 설명한다.

도4 내지 도6에 도시한 바와 같이, 헤더(30)에는 그 길이방향으로 방열핀(40)을 사이에 두고 소정의 간격으로 납작튜브(50)가 끼워져 조립되며, 상기 헤더(30)의 단부에는 캡(32)이 결합된다.

상기 헤더(30)는, 압출가공에 의해 장공 단면형의 내부공간(34a)이 형성된 파이프(34)와, 상기 파이프(34)의 내부공간을 양분하도록 상기 장공 단면의 중앙을 가로막으면서 파이프의 길이방향으로 끼워진 분리판(36)을 구비하며, 상기 파이프(34)의 단부에는 상기 캡(32)이 끼워져 밀폐된다.

상기 파이프(34)의 내면 중간에는 상기 분리판(36)이 끼워지도록 안내홈(34b)이 형성되어 있다. 상기 안내홈(34b)은 도8에 도시한 바와 같이 내부공간(134a)의 내면 중앙에 돌기(134c)가 양측에 형성되어 그 중간에 안내홈(134b)이 형성되어 이루어지는 파이프(134)에 형성되어 있을 수도 있다.

또한 다른 실시예의 파이프(234)는 도9 및 10에 도시한 바와 같이, 그 내부공간(234a)이 파형의 면을 이루는 장공단면형으로 이루어 질 수도 있다. 파이프(234)에 형성된 안내홈(234b)에 분리판(36)이 끼워지는 구성은 도5 및 도6의 구성과 동일하다. 그리고, 안내홈은 도11에 도시한 바와 같이 내부공간(334a)의 내면 중앙에 돌기(334c)가 양측에 형성되어 그 중간에 안내홈(334b)이 형성되어 이루어지는 파이프(334)에 형성되어 있을 수도 있다.

상기 납작튜브(50)는 그 내부에 다수의 냉매통과구멍(52)이 폭방향을 따라 소정간격으로 형성된 공지의 구조이다.

상기 분리판(36)은 그 양면에 용접재(Clad재)가 코팅된 부재로서, 그 두께는 1.0 ~ 2.0mm로 되어 있는데, 상기 파이프(34)의 양분된 내부공간이 연통하도록 분리판의 길이방향을 따라 다수의 연통구멍(36a)이 형성되어 있는 한편 상기 납작 튜브(50)의 단부가 헤더의 내부로 돌출하여 끼워지도록 분리판의 일측 가장자리를 따 라 도피홈(36b)이 형성된 구조이다.

이와 같이 헤더의 내부공간을 양분하는 분리판(36)이 끼워져 용착되는 구조는 헤더 전체적으로 소재 두께를 절감 및 균일한 소재두께로 브레이징성을 향상할 수 있으며, 헤더의 내용적을 크게 하면서 내압성을 확보할 수 있다. 또한 헤더의 내용적을 종래의 헤더보다 크게 하여 제작할 수 있으므로 열교환기의 압력강하를 개선하게 된다.

본 발명에 의한 이산화탄소 냉매용 열교환기의 헤더에 의하면, 헤더의 내용적을 감소시키지 않기 때문에 열교환기의 압력강하를 최소화할 수 있으며, 내압성이 높고 브레이징성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 상호 평행하게 이격되어 배치되고 양단부가 밀폐된 두 개의 헤더사이에 복수개의 납작튜브가 연통되어 그 내부에 이산화탄소가 유동하는 이산화탄소 냉매용 열교환기에 있어서,

   상기 헤더는, 압출가공에 의해 장공 단면형의 내부공간이 형성된 파이프와, 상기 파이프의 내부공간을 양분하도록 상기 장공 단면의 중앙을 가로막으면서 파이프의 길이방향으로 끼워진 분리판으로 이루어지되,

   상기 분리판에는 파이프의 양분된 내부공간이 연통하도록 분리판의 길이방향을 따라 다수의 연통구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 냉매용 열교환기의 헤더.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 분리판에는 상기 납작튜브의 단부가 헤더의 내부로 돌출하여 끼워지도록 분리판의 일측 가장자리를 따라 도피홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 냉매용 열교환기의 헤더.

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