KR100729705B1 - 냉동사이클용 열교환기 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉동사이클용 열교환기 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저압저온의 냉매증기를 고압고온으로 압축하여 주변과의 열교환으로 응축시킨 뒤, 응축된 냉매액을 팽창시켜 주변과의 열교환으로 증발시킴으로써 냉방이나 난방 등을 수행하는 냉동사이클에 사용되는 열교환기의 구조에 관한 것이다.

본 발명은 통상의 냉동사이클용 열교환기에 있어서, U자형의 외관과, 상기 U자형 외관의 내부에 설치되는 다수 개의 내관으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 따르면, 간단한 구조로 제작이 용이하면서도 다수 개의 내관을 사용하여 표면적을 넓혀 열교환 효율이 매우 뛰어나므로 냉, 난방 성능을 향상시켜 주고 소비전력도 절감시킬 수 있다는 뛰어난 효과를 갖는다.

냉동사이클, 열교환기, 팬, U자형 관

Description

냉동사이클용 열교환기 구조{Heat exchanger for refrigeration cycle}

도 1은 본 발명에 따른 냉동사이클용 열교환기 구조의 사시도.

도 2는 도 1에 나타낸 냉동사이클용 열교환기 구조의 분해 사시도.

도 3은 본 발명에 른 냉동사이클용 열교환기 중 캡의 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 냉동사일클용 열교환기의 다른 실시예를 나타낸 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 냉동사이클용 열교환기 구조가 냉방기에 장착된 상태를 개략적으로 나타낸 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10: 입구관 15: 출구관

20: 제 1분기관 23: 제 2분기관

25: 개구부 30: 직선관

40: U자형 벤딩관 50: 캡

55: 구멍 60: 내관

70: 벤딩관 80: U자형 외관

100: 열교환기 110: 압축기

120: 실외열교환기 130: 압력유지밸브

140: 팽창밸브 150: 실내열교환기

160: 실외팬 170: 실내팬

본 발명은 냉동사이클용 열교환기의 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저압저온의 냉매증기를 고압고온으로 압축하여 주변과의 열교환으로 응축시킨 뒤, 응축된 냉매액을 팽창시켜 주변과의 열교환으로 증발시킴으로써 냉방이나 난방 등을 수행하는 냉동사이클에 사용되는 열교환기 구조에 관한 것이다.

일반적으로 냉동사이클은 시스템 내의 온도와 압력 변화를 통해 냉매 물질의 상 변화를 유도하여 냉매의 상 변화에 따른 증발잠열 또는 응축잠열에 의해 실내의 온도를 적절히 유지시켜주거나 제빙과 같은 냉동기능을 수행하는 것으로서, 용도에 따라 냉방기나 히트펌프 등의 공기조절기와 냉동기 및 제빙기 등으로 나뉜다.

증기 압축 냉동사이클(이하 "냉동사이클"로 약칭함)은 압축기(compressor), 응축기(condenser), 팽창밸브(expansion valve) 및 증발기(evaporator)들이 관로에 의해 순차적으로 연결되어 폐회로를 구성하는 시스템이다.

저압저온의 포화증기 상태인 냉매는 압축기에서 등엔트로피 과정을 통해 응 축에 필요한 고압고온의 과열증기상태로 압축되고, 응축기로 들어가 일정압력에서 주변공기와의 열교환으로 방열됨으로써 고압의 포화액으로 응축된다. 응축된 냉매는 팽창밸브를 지나면서 교축작용(throttling)에 의해 저압저온의 습증기 상태로 변한 뒤, 증발기를 지나면서 주변공기로부터 증발잠열을 흡수하여 증발함으로써 포화상태가 된 후 다시 압축기로 들어가 전술한 사이클을 반복하게 된다.

예컨데, 공기조절장치 중의 냉방기는 단순히 냉동사이클의 증발기를 실내에 배치하고, 응축기는 실외에 배치하여 냉매가 증발하면서 실내공기로부터 흡수하는 증발잠열만을 이용하여 냉방만을 행하는 장치이다.

반면, 히트펌프는 냉동사이클의 증발기를 실내에 배치하고, 응축기를 실외에 배치한 후, 사방밸브(4-way valve)를 이용하여 냉매흐름을 필요에 따라 전환시킴으로써 응축기와 증발기의 역할변경을 단행하여 냉매가 증발하면서 흡수하는 증발잠열과 액화되면서 방출하는 응축잠열로 실내를 냉방하거나 난방하도록 된 장치이다.

한편, 냉동사이클의 성능은 압축기가 저압저온의 냉매를 고압고온 상태로 압축할 때 소요되는 일에 대한 증발기에서의 흡수열량 또는 응축기에서의 방출열량의 비인 성능계수(COP)로 나타낸다.

따라서, 냉방기나 히트펌프 등이 우수한 성능을 발휘하기 위해서는 냉매 1kg이 증발할 때 흡수하는 열량을 나타내는 냉동효과 또는 방출열량을 크게 하거나, 압축기의 소요일량을 작게 하여 성능계수를 크게 해야 한다.

그러나, 냉동효과의 증가분 내지는 그 이상으로 압축일량도 함께 증가한다면 오히려 성능계수가 나빠지거나 소비전력만 증가시키게 되므로 성능계수는 냉매의 물성 등 제반사항을 고려하여 시스템에 알맞게 개선해야 한다.

특히, 히트펌프의 난방운전의 경우 겨울철의 낮은 외기온도로 인해 냉매가 증발잠열을 충분히 흡수하지 못하여 증발불량이 야기되고, 이로 인해 저압냉매의 건포화도가 낮아져 습압축에 의한 압축불량이 발생됨은 물론 흡입냉매의 비체적이 커져 응축열 발생량이 줄어 충분한 난방성능을 기대하기 어려웠다. 뿐만 아니라, 압축기에 과부하가 걸려 소손의 우려가 있고, 그 일량이 커져 전력소모도 증가하게 된다.

이러한, 상기의 문제점들을 해결하기 위해 최근에는 성능계수를 향상시키기 위해 냉동사이클의 실외열교환기(응축기)와 실내열교환기(증발기) 사이에 보조 열교환기나 열교환기를 설치하는 방법이 실시되고 있는데, 그 일실시예로 본 출원인이 출원한 국내등록특허 10-0496376에는 소정길이와 형태로 구성되어 일단이 실외열교환기의 출구쪽에 연결되고 타단이 팽창밸브의 입구쪽에 연결되는 내부관, 이 내부관을 동심으로 수용하며 일단이 실내열교환기의 출구쪽에 연결되고 타단이 압축기의 입구쪽에 연결되는 외부관 및 이 외부관을 감싸는 단열커버로 이루어져 고압의 액냉매와 저압의 증기냉매를 열교환시키는 보조 열교환기유닛의 구성이 게재되어 있다.

하지만, 상기의 구성은 내부관이 단일관으로 되어있어, 표면적이 좁기 때문에 원하는 만큼의 성능계수를 향상시키기 위해서는 차지하는 부피가 커진다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 열교환기의 내부관을 직경이 작은 다수 개의 내관으로 구성하여 표면적을 넓힘으로써 열교환 효율을 높일 수 있는 냉동사이클용 열교환기의 구조를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 열교환기의 형상을 U자형으로 제조하여 냉동사이클 내에서 차지하는 부피를 줄일 수 있을 뿐만아니라, 간단한 구성으로 제조가 용이한 냉동사이클용 열교환기의 구조를 제공함에 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 통상의 냉동싸이클용 열교환기에 있어서, U자형의 외관과, 상기 U자형 외관의 내부에 설치되는 다수 개의 내관으로 구성되고, 상기 U자형 외관 내측 벽면의 표면적과, 상기 다수 개의 내관 외측 벽면의 표면적의 비는 1:1.5에서 1:2 인 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 U자형 외관은, U자형 벤딩관과, 상기 U자형 벤딩관에 결합되는 2개의 직선관과, 상기 직선관에 결합되는 상부가 개구된 ┻자형 제 1,2분기관과, 상기 제 1,2분기관에 결합되는 입구관과 출구관으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 제 2분기관의 개구부에는 히터가 매설된 벤딩관이 연장 설치된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 입구관과 출구관의 내부에는 다수 개의 구멍이 뚫린 캡이 설치 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캡에는 다수 개의 내관이 결합되는 것을 특징으로 한다.

삭제

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명에 따른 냉동사이클용 열교환기 구조의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 냉동사이클용 열교환기 구조의 사시도를 나타낸 것이고, 도 2는 도 1에 나타낸 냉동사이클용 열교환기 구조의 분해 사시도를 나타낸 것이며, 도 3은 본 발명에 따른 냉동사이클용 열교환기 중 캡의 평면도를 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명에 따른 냉동사일클용 열교환기의 다른 실시예를 나타낸 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 냉동사이클용 열교환기 구조가 냉방기에 장착된 상태를 개략적으로 나타낸 회로도를 나타낸 것이다.

우선, 본 발명에 따른 냉동사이클용 열교환기 구조는 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이 크게 U자형의 외관(80)과, 상기 U자형 외관(80)의 내부에 설치되는 다수 개의 내관(60)으로 구성되어 있다. 보다 상세하게는 상기 U자형 외관(80)은 다시 U자형 벤딩관(40)과, 상기 U자형 벤딩관(40)에 평행하게 결합되는 두 개의 직선관(30)과, 상기 두 개의 직선관(30)에 연이어 각각 결합되는 상부 중앙에 개구부(25)가 형성된 ┻자 형상의 제 1,2분기관(20,23)과, 상기 제 1,2분기관(20,23)의 단부에 결합되는 입출구관(10, 15)으로 구성되고, 다수 개의 내관(60)은 표면에 내관(60)의 개수에 대응되게 구멍(55)이 형성된 캡(50)에 밀폐 결합되어 상기 U자형 외관(80)의 내부로 삽입된다.

상기 열교환기(100)의 제작과정을 도 2를 참조로 하여 간단히 살펴보면, 우선 다수 개의 내관(60)을 결합하기 위한 내관(60) 조립용 캡(50)을 프레스 작업으로 열교환기(100) 한 개당 두 개씩을 제작한다.

이 때, 상기 캡(50)에는 내관(60)과의 결합을 위해 내관(60)에 대응되는 개수 만큼의 구멍(55)이 형성되는데, 상기 구멍(55)은 내관(60) 외측 벽면의 표면적이 최대가 되게 하기 위하여, 내관(60)이 캡(50)에 결합되었을 때 내관(60)끼리 맞닿는 일이 없도록 적정거리 이격되어 형성되도록 하여 냉매의 흐름이 원활히 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 캡(50)은 도 3에 나타낸 바와 같이 냉난방 능력에 알맞은 크기로 제작하는데 도 3의 l(a)에 나타낸 것은 3R/T용 열교환기(100)에 사용되는 것이고, 도 3의 (b)에 나타낸 것이 5R/T용 열교환기(100)에 사용되는 것으로 자세한 사항은 후술하겠다.

다음으로 다수 개의 내관(60)을 상기 캡(50)에 형성된 구멍(55)에 맞추어 결합시킨 후 용접하여 단단히 고정시키고, 상기 다수 개의 내관(60)이 결합된 캡(50)을 입출구관(10, 15)에 각각 삽입하여 용접한 후, 순서대로 ┻자형 제 1,2분기관(20, 23), 직선관(30), U자형 벤딩관(40)을 결합하여 용접작업을 하면 본 발명에 따른 냉동사이클용 열교환기 구조가 완성되는 것이다.

여기에서, 상기 U자형 외관(80)의 내측 벽면의 표면적과, 다수 개의 내관(60)의 외측 벽면의 표면적의 비(이 때, 상기 다수 개의 내관(60)의 외측 벽면의 표면적은 각각의 내관(60)의 외측 벽면의 표면적을 모두 합한 것을 의미함)는 1:1.5 ~ 1:2 사이의 비율을 이루도록 하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 비율이 1:1.5 보다 작으면(예를 들면 1:1), 원하는 만큼의 열교환 효율 향상을 얻을 수가 없고, 1:2 보다 크면(예를 들면 1:2.5), 상기 U자형 외관(80)의 내부에서 상기 다수 개의 내관(60)이 차지하는 비율이 너무 커져 열교환 냉매가 원활히 흐르는데 지장을 주기 때문이다. 따라서, 도 3 (a), (b)에 나타낸 바와 같이 3R/T용 열교환기(100)(내경: 32.32mm)에는 14개의 내관(60)(외경: 4mm)이 사용되고, 5R/T용 열교환기(100)(내경: 38.48mm)에는 18개의 내관(60)(외경: 4mm)이 사용되는 것이 가장 좋은 효율을 보일 수 있고, 본 출원인의 시험 결과 종래의 단일형 내관을 사용한 열교환기보다, 본 발명에 따른 열교환기의 효율이 냉방시 약 21.3% , 난방시 약 32.9%의 열교환 효율 향상을 보임을 알 수 있었다.

여기에서 상기 내관(60)의 외경을 4mm 로 한정하는 이유는 외경이 4mm 보다 작을 경우, 자칫 모세관 현상이 발생하여 열교환 효율이 현저히 떨어질 수 있고, 4mm 보다 클 경우 내관(60)이 차지하는 단면적에 비해 표면적이 넓지 않아 열교환 효율이 떨어지기 때문이다.

그리고, 도 4는 본 발명에 따른 냉동사이클용 열교환기 구조의 다른 실시예를 나타낸 것으로 도 1에 나타난 열교환기(100)의 제 2분기관(23)의 상부 개구부(25)에 막대 형상의 히터(21)가 매설된 벤딩관(70)이 연장 설치된 것이다. 상기 히터(21)는 실외기온이 증발온도 이하로 과도하게 내려간 혹한기에 선택적으로 동작되어 저압저온 냉매증기의 부족한 열량을 보상해 주기 위한 것으로 열량손실을 줄이기 위해 벤딩관(70) 내부에 매설한 것이다. 따라서, 상기 벤딩관(70)은 제 2분기관(23)의 개구부(25)의 역할을 대신할 수 있도록 끝단부에 상부의 중앙에 개구부(25)가 형성된 ┻자형상의 제 3분기관(24)이 결합되어 있다.

다음으로 도 5를 참고로 하여 본 발명에 따른 냉동사이클용 열교환기 구조의 냉방기에 장착된 상태를 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명에 따른 냉동사이클용 열교환기 구조는 기본적으로 열교환기(100)가 실외열교환기(120)와 실내열교환기(150) 사이에 설치되어 응축된 중온의 액냉매와 증발된 저온의 증기냉매를 상호 열교환 시켜주는 것으로 보다 상세하게는 압축기(110)에서 응축에 필요한 고압고온으로 압축된 냉매가스는 실외열교환기(120)를 통과하면서 실외팬(160)에 의한 기류와 열교환하여 잠열을 방출함으로써 고압중운의 습증기 상태로 응축된다.

응축된 고압중온의 냉매액은 유로가 축소된 압력유지밸브(130)를 지나면서 압력과 온도가 적절히 낮아져 중압중온 상태로 변한다. 이와 같이 중압중온으로 변한 냉매액은 열교환기(100)의 ┻자형 제 1분기관(20)의 상부 개구부(25)를 통하여 유입되어 열교환이 이루어진다. 상기 열교환기(100)를 지나면서 압력과 온도가 낮아진 냉매액은 ┻자형 제 2분기관(23)의 상부 개구부(25)를 통해 나와 팽창밸브(140)를 지나면서 수축되어 저압저온으로 변하는데, 이 때 팽창밸브(140) 전후의 압력 및 온도의 차이가 표면적이 넓어진 다수 개의 내관(60)의 효과로 인해 종래보다 현저히 줄어들게 된다. 따라서, 팽창된 대부분의 냉매가 실내열교환기(150)를 지나면서 실내팬(170)에 의한 기류로부터 증발잠열을 흡수하게 되어 냉동효과가 크 게 증가하는 것이다.

다음, 증발된 저압저온의 증기냉매는 다시 열교환기(100)의 입구관(10)을 통해 유입되어 중압중온의 냉매액과 열교환하여 과열증기로 변한 뒤, 출구관(15)을 통해 다시 압축기(110)로 들어가고 이러한 과정을 반복하게 되는 것이다.

상술한 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만 본 발명은 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.

상기와 같은 본 발명에 따른 냉동사이클용 열교환기 구조에 의하면, 열교환기의 내관을 다수 개의 직경이 작은 관들로 구성하여 표면적을 높임으로써, 열교환 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 열교환기가 차지하는 부피를 현저히 줄일 수 있고, 냉방기나 냉동기의 냉동효과를 증가시키면서 성능계수를 향상시킬 수 있음은 물론, 히트펌프의 냉,난방 성능을 동시에 향상시켜 소비전력을 절감시킬 수 있는 뛰어난 효과를 갖는다.

Claims (7)

1. 통상의 냉동싸이클용 열교환기에 있어서,

   U자형의 외관과, 상기 U자형 외관의 내부에 설치되는 다수 개의 내관으로 구성되고,

   상기 U자형 외관 내측 벽면의 표면적과, 상기 다수 개의 내관 외측 벽면의 표면적의 비는 1:1.5에서 1:2 인 것을 특징으로 하는 냉동싸이클용 열교환기 구조.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 U자형 외관은,

   U자형 벤딩관과, 상기 U자형 벤딩관에 결합되는 2개의 직선관과, 상기 직선관에 결합되는 상부가 개구된 ┻자형 제 1,2분기관과, 상기 제 1,2분기관에 결합되는 입구관과 출구관으로 구성된 것을 특징으로 하는 냉동싸이클용 열교환기의 구조.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 제 2분기관의 개구부에는 히터가 매설된 벤딩관이 연장 설치된 것을 특징으로 하는 냉동싸이클용 열교환기의 구조.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 입구관과 출구관의 내부에는 다수 개의 구멍이 뚫린 캡이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉동싸이클용 열교환기의 구조.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 캡에는 다수 개의 내관이 결합되는 것을 특징으로 하는 냉동싸이클용 열교환기 구조.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 내관의 직경은 4mm 인 것을 특징으로 하는 냉동사이클용 열교환기 구조.
7. 삭제

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