KR100709421B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 열교환기는 공기의 유동 방향을 기준으로 앞쪽에 놓이며, 냉매가 유동되는 전열관이 제공되는 전열열교환기; 및 상기 전열열교환기의 후방에 놓이며, 상기 전열관과 엇갈리게 배치되는 후열관이 제공되는 후열열교환기가 포함되며, 상기 전열관의 직경은 상기 후열관의 직경 보다 작게 형성되고, 상기 전열열교환기의 폭(L1)은 후열열교환기의 폭(L2) 보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해서, 다열(多列)로 제공되는 열교환기의 구성이 최적화 됨으로써, 열교환기로 송풍되는 공기의 저항이 줄어들어 공기의 송풍량이 늘어나는 장점이 있다. 또한, 전열 열교환기의 공기 저항이 줄어들어 열교환의 성능이 개선된다.

또한, 전열 열교환기와 후열 열교환기의 열교환 성능이 동일하게 맞추어져서 관로 내부를 유동하는 냉매의 건도 변화에 적절히 대응할 수 있도록 함으로써, 냉매의 비가역 손실이 줄어들어서, 냉동 시스템의 시스템 효율이 개선되는 장점이 있다.

열교환기, 다열, 관경

Description

열교환기{Heat exchanger}

도 1은 본 발명에 따른 냉동 시스템의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 열교환기의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

60 : 전열열교환기 61 : 전열관 62 : 전열핀

70 : 후열열교환기 71 : 후열관 72 : 후열핀

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 상세하게는 냉동 시스템의 열교환기 구조에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 열교환기의 구조가 개선됨으로써, 열교환 효율이 증진되고 나아가서 냉동 시스템의 전체적인 효율이 개선되는 열교환기에 관한 것이다.

냉매가 사용되는 일반적인 냉동 시스템은 냉매가 압축되는 압축기와, 상기 압축기에 의해서 압축되는 냉매가 응축되는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 냉매가 팽창되는 팽창기와, 상기 팽창기에서 팽창되는 냉매가 증발되는 증발기로 형성된다. 상기 응축기와 증발기는 외부에서 송풍되는 공기에 의해서 열교환이 수행 되도록 하는 열교환기로서, 열교환기를 이루는 관로의 외부에 공기가 강제 송풍되도록 함으로써, 냉매가 응축되거나 증발되도록 한다.

상기 열교환기는 냉동 시스템의 용량이 증가됨에 따라서 열교환기의 부피가 더욱 커지게 된다. 다시 말하면, 보다 길고 큰 관로를 통하여 냉매가 흘러서 열교환이 이루어져야 되기 때문에, 관로의 길이가 그만큼 길어지는 문제가 있는 것이다. 이러한 문제점을 어느 정도 해소하기 위하여 근래들어서는 다층구조의 열교환기가 제안되고 있다.

상세하게는, 송풍팬을 기준으로 하여 전(前)열(列)에 형성되는 전열 열교환기와, 상기 전열 열교환기의 후열에 형성되는 후(後)열(列) 열교환기가 단일의 형태로 집합되는 형태로 구성되는 열교환기가 제안되고 있다.

그러나, 그러한 다층 열교환기는 전열 열교환기와 후열 열교환기 간의 열전달효율이 다른 문제점이 있다. 상세하게는, 전열 열교환기는 상기 송풍팬과 인접되기 때문에 풍속이 높아서 열전달이 신속하게 이루어지지만, 후열 열교환기는 상기 송풍팬과 멀리 떨어져 있기 때문에 풍속이 낮아서 열전달이 신속하게 이루어지지 못하는 것이다.

이와 같이, 전열 열교환기와 후열 열교환기의 열전달 효율이 달라지면, 각 열의 열교환기의 전열량이 차이나는 문제가 발생된다.

이와 같이 전열량의 차이가 발생되면 관로의 내부를 유동하는 냉매가 연속적으로 상변화를 일으키지 못하게 되어, 냉매의 비가역 손실이 증가되므로 전체적으로 냉매의 손실이 증가되는 문제점이 있다. 다시 말하면, 관로 내부를 유동하는 냉 매의 건도에 변화에 따라서 열교환기가 적절히 대응하지 못하게 되는 문제가 발생되는 것이다.

본 발명은 상기되는 문제점을 개선하기 위하여 제안되는 것으로서, 다열(列)로 제공되는 열교환기의 구성을 최적화 함으로써, 전열 열교환기로 송풍되는 공기의 저항이 줄어들어 공기의 송풍량이 늘어나도록 하는 열교환기를 제안하는 것을 목적으로 한다.

또한, 전열 열교환기에 의한 공기 저항이 줄어들도록 함으로써, 전체적으로 열교환기의 열교환 성능이 향상되도록 하는 열교환기를 제안하는 것을 목적으로 한다.

또한, 전열 열교환기와 후열 열교환기의 열교환 성능이 동일하게 맞추어져서 관로 내부를 유동하는 냉매의 건도 변화에 적절히 대응할 수 있도록 함으로써, 냉매의 순환 중에 발생되는 비가역 손실이 줄어들도록 하는 열교환기를 제안하는 것을 목적으로 한다.

상기되는 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열교환기는 공기의 유동 방향을 기준으로 앞쪽에 놓이며, 냉매가 유동되는 전열관이 제공되는 전열열교환기; 및 상기 전열열교환기의 후방에 놓이며, 상기 전열관과 엇갈리게 배치되는 후열관이 제공되는 후열열교환기가 포함되며, 상기 전열관의 직경은 상기 후열관의 직경 보다 작게 형성되고, 상기 전열열교환기의 폭(L1)은 후열열교환기의 폭(L2) 보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기되는 열교환기에 의해서 다열 구조로 열교환기가 사용될 때, 열교환기로 유동되는 공기의 저항이 줄어들어 열교환 효율이 상승되는 장점이 있다. 또한, 전열과 후열의 열교환기의 열전달 성능이 동일하게 되어 관로 내부를 유동하는 냉매의 건도변화에 적절히 대응할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이하의 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 냉동 시스템의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 냉매가 압축되는 압축기(10)와, 상기 압축기(10)에서 압축된 냉매가 응축되는 제 1 열교환기(20)와, 상기 제 1 열교환기(20)에서 응축된 냉매가 팽창되는 팽창기(30)와, 상기 팽창기(30)에서 팽창된 냉매가 증발되는 제 2 열교환기(40)가 포함된다. 또한, 상기 제 1 열교환기(20)는 제 1 팬(51)에 의해서 공기에 의한 대류 열교환이 수행되고, 상기 제 2 열교환기(40)는 제 2 팬(52)에 의해서 공기에 의한 대류 열교환이 수행된다.

한편, 상기 제 1 열교환기(20)는 상기 제 1 팬(51)을 마주보는 전방에 형성되는 제 1 전(前)열(列)열교환기(22)와, 상기 제 1 전열열교환기의 후방에 놓이는 제 1 후(後)열(列)열교환기(21)로 구분된다. 다시 말하면, 상기 제 1 팬(51)에 의해서 강제 송풍된 공기는 상기 제 1 전열열교환기(22)와 먼저 열교환이 수행된 뒤에, 상기 제 1 후열열교환기(21)와 열교환이 수행된다.

또한, 상기 제 2 열교환기(40)는 상기 제 2 팬(52)을 마주보는 전방에 형성 되는 제 2 전열열교환기(41)와, 상기 제 2 전열열교환기의 후방에 놓이는 제 2 후열열교환기(42)로 구분된다. 다시 말하면, 상기 제 2 팬(52)에 의해서 강제 송풍된 공기는 상기 제 2 전열열교환기(41)과 먼저 열교환이 수행된 뒤에, 상기 제 2 후열열교환기(42)와 열교환이 수행되는 것이다.

한편, 본 발명의 일특징으로서, 상기 제 1 전열열교환기(22)는 상기 제 1 후열열교환기(21)에 비하여 관로의 직경이 작고, 열교환기의 폭이 작은 것을 특징으로 한다. 마찬가지로, 상기 제 2 전열열교환기(41)는 상기 제 2 후열열교환기(42)에 비하여 관로의 직경이 작고, 열교환기의 폭이 작게 제공된다.

이와 같이 팬(51)(52)으로부터 송풍되는 공기가 먼저 닿는 측의 전열열교환기(22)(41)가, 후열열교환기(21)(42)보다 관로의 직경과 열교환기의 폭이 작게 제작됨으로써, 송풍되는 공기에 가하여지는 유동 저항이 줄어들기 때문에, 대류 열교환의 성능이 개선될 수 있다. 다시 말하면, 상기 전열열교환기(22)(41)의 관로직경이 작고 폭이 작기 때문에, 통과되는 공기가 별다른 저항이 없이 신속하게 통과하면서 열교환이 수행될 수 있고, 후열열교환기(21)(42)에도 팬(51)(52)에서 송풍되는 공기가 고풍속으로 비교적 많이 다다를 수 있기 때문에 대류 열교환이 충분히 수행될 수 있는 것이다.

한편, 상기 응축기(20)로 유입되는 냉매는 고온고압으로 압축된 냉매가 응축되어 건도가 감소된다. 그러므로, 압축기에서 토출되는 냉매는 관로의 직경이 큰 제 1 후열열교환기(21)로 유입되고, 응축기에서 토출되는 냉매는 관로의 직경이 작은 제 1 전열열교환기(22)로 토출되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 팽창기(30)에 서 팽창된 냉매는 관로의 직경이 작은 제 2 전열열교환기(41)로 유입된 뒤에 건도가 증가된 뒤에 관로의 직경이 큰 제 2 후열열교환기(42)로 유출되는 것이 바람직하다.

이와 같이 관로의 직경이 작은 전열열교환기(22)(41)와 관로의 직경이 큰 후열열교환기(21)(42) 각각의 연결상태를 최적화함으로써, 냉매의 건도변화에 적극적으로 대처할 수 있다. 다시 말하면, 응축기(20)와 증발기(40)를 유동하는 냉매의 건도변화에 따라서, 건도가 높을 때에는 관로의 직경이 큰 관로를 유동하도록 하고 건도가 낮을 때에는 관로의 직경이 작은 관로를 유동하도록 함으로써, 냉매의 상태변화에 따라서 적절히 대응하여 관로 내부에서 과압을 방지하고 냉동 시스템의 효율이 높아지도록 할 수 있다.

설명되는 바와 같은 냉동 시스템의 동작을 냉매의 유동방향을 기준으로 상세하게 설명한다.

먼저, 압축기(10)에 의해서 압축된 냉매는 고압의 기상 냉매가 된 상태에서 제 1 후열열교환기(21)로 먼저 유입되고, 제 1 후열열교환기(21)에 의해서 대류열교환이 수행된 뒤에, 제 1 전열열교환기(22)로 유입되어 열교환이 수행된다.

이 과정을 보다 상세하게 설명하면, 제 1 후열열교환기(21)로 기상의 냉매가 유입되어서 열교환이 수행되면 서서히 액상의 냉매로 상변화가 일어나게 된다. 이 과정에 의해서 결국 냉매의 부피가 줄어들기 때문에, 제 1 전열열교환기(22)로 냉매가 이동된 뒤에는 냉매의 부피는 상당량 줄어들어 있게 된다. 그러므로, 제 1 전열열교환기(22)는 제 1 후열열교환기(21)에 비하여 관경이 작다 하더라도 관로 내 부의 냉매압이 그다지 높지 않기 때문에, 냉매 누설이나 시스템의 불안전등의 문제는 발생되지 않는다.

상기 제 1 열교환기(20)에 의해서 응축이 된 뒤에는 팽창기(30)에 의해서 팽창된 뒤에, 제 2 열교환기(40)로 유입된다. 이때에는 제 2 열교환기(40) 중에서도 제 2 전열열교환기(41)로 먼저 유입되어 대류 열교환이 수행된 뒤에, 제 2 후열열교환기(42)로 유입되어 열교환이 수행된다.

이 과정을 보다 상세하게 설명하면, 팽창기(30)에 의해서 팽창된 냉매는 비록 습증기의 상태이지만 액상의 냉매가 많이 포함된 상태로서 부피가 작다. 그러므로, 관경이 작은 제 2 전열열교환기(41)로 유입되더라도 냉매압이 그다지 높아지지 않기 때문에, 냉매 누설이나 시스템의 불안전등의 문제는 없다. 그리고, 냉매가 상기 제 2 전열열교환기(41)에 의해서 열을 흡수하여 기상으로 상변화되어 부피가 증가된 뒤에는, 관경이 큰 제 2 후열열교환기(42)로 유입되어 냉매의 부피 증가에 대비할 수 있도록 한다.

상기 제 2 열교환기(40)에 의해서 증발이 수행된 뒤에는 다시금 압축기(10)로 흡입되어 압축되는 과정이 다시 수행된다.

상기되는 냉동 시스템의 동작을 다시 한번 살펴보면, 열교환기(20)(40)는 관경이 다른 두개의 부분으로 각각 구분되고, 관경이 큰 열교환기는 열교환기의 전열열교환기에 사용되고, 관경이 작은 열교환기는 후열열교환기에 사용되도록 한다. 그리고, 기상의 부피가 큰 냉매가 열교환기로 유입될 때에는 관경이 큰 후열열교환기로 유입되도록 하고, 액상의 부피가 작은 냉매가 열교환기로 유입될 때에는 관경 이 작은 전열열교환기로 유입되도록 한다.

이와 같은 냉매 흐름에 의해서 열교환기 내부를 유동하는 냉매의 부피에 적극적으로 대응하는 과정으로 냉매가 유동되도록 하고 있다. 다시 말하면, 열교환기의 관로 내부에서 상변화가 일어나는 중에 냉매의 부피 변화를 감안하여 관로의 직경을 구분하여 배치하고 있고, 이와 같이 배치됨으로써 관로를 보다 효율적으로 사용할 수 있게 되는 장점을 얻을 수 있다.

이와 같은 냉동 시스템은 비록 사방변등과 같은 유로절환구조에 의해서 냉매의 유동방향이 역전되어서, 냉동 시스템에서 응축기(20)로 사용되었던 열교환기가 증발기로 사용되고, 증발기(40)로 사용되었던 열교환기가 응축기로 사용되더라도 동일하다. 다시 말하면, 각각의 열교환기에 있어서 관경의 연결상태를 동일하게 되는 것이다.

이하에서는 상기 열교환기의 구체적인 형상에 대해서 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 열교환기의 단면도이다.

도 2를 참조하여 본 발명에 따른 열교환기의 구조를 상세하게 설명하면, 전열열교환기(60)와 후열열교환기(70)가 각각 전후로 배치되어 있고, 상기 전열열교환기(60)는 도 1에 제시되는 제 1, 2 전열열교환기(22)(41)로 이해될 수 있고, 상기 후열열교환기(70)는 도 1에 제시되는 제 1, 2 후열열교환기(21)(42)와 대응될 수 있다. 그리고, 상기 전열열교환기(60)에는 냉매가 유동되는 전열관(61)과, 상기 전열관(61)에서 방열되는 열이 신속하게 전달되도록 하는 전열핀(62)이 형성되고, 후열열교환기(70)도 마찬가지로 후열관(71)과 후열핀(72)이 포함된다.

한편, 상기 전열열교환기(60)와 후열열교환기(70)는 열전달의 효율이 개선되도록 하기 위하여, 특정 형식으로 상대적인 구조를 가지게 된다.

상세하게는, 전열열교환기(60)를 통과하는 풍량의 저하를 억제하여 후열열교환기(70)로 많은 풍량이 고풍속으로 미치도록 하기 위하여, 상기 전열열교환기(60)는 상기 후열열교환기(70)에 비하여 두께가 얇게 형성된다. 다시 말하면, 전열열교환기(60)의 폭과 후열열교환기(70)의 폭은 하기되는 수학식 1의 관계로 제안된다.

1〈 L2/L1〈 1.5, 여기서 L1은 전열열교환기의 폭이고, L2는 후열열교환기의 폭이다.

그리고, 상기 전열열교환기와 후열열교환기의 폭은 각각 10~20mm로 제공된다.

이와 같이 전열열교환기(60)와 후열열교환기(70)의 폭이 제안됨으로써, 전열열교환기를 통과한 바람은 풍속의 저감없이 후열열교환기(70)에 미칠 수 있게 된다.

또한, 전열열교환기(60)의 내부를 유동하는 냉매의 양에 비하여 후열열교환기(70)의 내부를 유동하는 냉매의 양이 작도록 하기 위하여, 상기 전열관(61)의 직경과 상기 후열관(71)의 직경은 하기되는 수학식 2로 제안된다.

D2/D1=1.3~1.5, 여기서 D1은 전열관의 직경이고, D2는 후열관의 직경이다.

그리고, 상기 전열관의 직경은 4.9~5.5mm이고, 후열관의 직경은 6.9~7.5mm의 범위로 제공된다.

그리고, 상기 전열관(61) 및 후열관(71)의 전열관 간의 거리(PS)는 20~22mm의 거리로 제안된다.

상기되는 구조를 참조하면, 전열열교환기(60)를 통하여 유동되는 공기에 저항이 낮아지기 때문에 보다 많은 풍량이 후열열교환기(70)에 미칠 수 있는 장점이 있다. 나아가서 전체적으로 열교환기(60)(70)에 의한 공기의 저항이 줄어들기 때문에, 전체적인 공기의 유동저항이 줄어드는 장점이 있다.

또한, 전열관(61)이 후열관(71)에 비하여 직경이 작기 때문에, 후열관에 보다 많은 부피의 냉매가 흐를 수 있게 된다. 그러므로, 건도가 낮은 냉매는 전열관(61)을 흐르고 건도가 높은 냉매는 후열관(71)을 흐를 수 있게 되기 때문에, 냉매의 유동에 적극적으로 대처할 수 있다. 나아가서, 냉매의 부피상태에 따라서 적극적으로 대응할 수 있기 때문에, 냉동 시스템의 시스템 효율이 개선되는 장점을 얻을 수 있다.

또한, 전열열교환기(60) 및 후열열교환기(70)의 열전달 성능이 균등하게 유지되는 장점이 있다.

본 발명에 의해서, 다열(多列)로 제공되는 열교환기의 구성이 최적화 됨으로써, 열교환기로 송풍되는 공기의 저항이 줄어들어 공기의 송풍량이 늘어나는 장점이 있다.

또한, 전열 열교환기의 공기 저항이 줄어들어 열교환의 성능이 개선된다.

또한, 전열 열교환기와 후열 열교환기의 열교환 성능이 동일하게 맞추어져서 관로 내부를 유동하는 냉매의 건도 변화에 적절히 대응할 수 있도록 함으로써, 냉매의 비가역 손실이 줄어들어서, 냉동 시스템의 시스템 효율이 개선되는 장점이 있다.

Claims (7)

1. 공기의 유동 방향을 기준으로 앞쪽에 놓이며, 냉매가 유동되는 전열관이 제공되는 전열열교환기; 및

   상기 전열열교환기의 후방에 놓이며, 상기 전열관과 엇갈리게 배치되는 후열관이 제공되는 후열열교환기가 포함되며,

   상기 전열관의 직경은 상기 후열관의 직경 보다 작게 형성되고,

   상기 전열열교환기의 폭(L1)은 후열열교환기의 폭(L2) 보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전열관의 관경과 상기 후열관의 관경은 수학식,

   D2/D1=1.3~1.5(상기 D1은 상기 전열관의 관경이고, 상기 D2는 상기 후열관의 관경이다.)

   으로 제공되는 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전열관의 관경은 4.9~5.5mm인 열교환기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 후열관의 관경은 6.9~7.5mm인 열교환기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 전열열교환기의 폭(L1)과 후열열교환기의 폭(L2)은 수학식,

   1〈 L2/L1〈 1.5

   으로 제공되는 열교환기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 전열열교환기 및 상기 후열열교환기의 폭은 10~20mm인 열교환기.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 전열관 및 후열관의 관 간의 거리는 20~22mm인 열교환기.

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