KR100741011B1

KR100741011B1 - 스프링 휜 형태의 전열관을 구비한 미니 채널 열교환기

Info

Publication number: KR100741011B1
Application number: KR1020060018819A
Authority: KR
Inventors: 김종수; 임용빈; 이기택
Original assignee: 부경대학교 산학협력단
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2007-07-19

Abstract

본 발명은, 열교환을 위한 전열관에 있어서, 파이프 형태의 전열튜브 및 상기 전열튜브의 외주면을 따라 나선상으로 권회되는 코일스프링 형태의 휜을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 이에 의하여 열전달 계수 및 전열면적을 대폭 상승시킬 수 있는 새로운 구조의 전열관 및 이를 구비한 미니 채널 열교환기를 제공하게 된다.

미니채널, 열교환기, 전열관, 코일스프링

Description

스프링 휜 형태의 전열관을 구비한 미니 채널 열교환기{MINI CHANNEL HEAT EXCHANGER}

도 1은 본 발명의 일 실시례에 의한 스프링 휜 형태의 전열관이 구비된 미니 채널 열교환기의 개념도,

도 2는 스프링 휜으로 사용되는 스프링의 측면도,

도 3은 스프링 휜이 전열튜브에 장착되는 상태를 도시한 개념 종단면도 및 측면도,

도 4는 스프링 휜 형태의 전열관의 측면도,

도 5는 전열관과 인입 헤드의 연결 방법을 비교하기 위한 실시례 A, 실시례 B, 실시례 C의 연결 형태를 도시한 것,

도 6은 3가지 헤더 형상에서의 유동양식을 나타낸 사진들,

도 7a 및 도 7b는 3가지 헤더 형상에 따른 액상분배와 기상분배의 특성을 보여주기 위한 그래프.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

110 : 인입 헤더

120 : 전열관 121 : 전열튜브

122 : 스프링 휜

130 : 배출 헤더

본 발명은 휜 튜브 형태의 전열관에 있어서, 휜의 형태를 코일스프링을 이용하여 구현한 전열관 및 이러한 스프링 휜 형태의 전열관이 채택된 미니 채널 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 작동 유체와 주위의 열전달이 이루어지므로, 전열 시스템의 효율을 결정하는 중요한 요소이다.

최근 열교환기 분야에 있어 열 및 물질 전달율을 향상시키고, 고 발열량을 제어하기 위하여 전열관의 수력직경이 감소하는 추세이며, 이는 유효전열면적의 극대화, 난류효과의 상승, 가공성의 향상, 유연성 등 세관만이 가질 수 있는 여러 가지 전열 성능상의 장점 때문에 그 적용 범위는 점점 넓어질 전망이다.

이와 같이 매우 작은 직경의 미니채널을 전열관으로 사용할 경우, 관로측의 압력손실이 증가하므로 냉매 유로를 몇 개로 분지시킨 다분지 증발기가 이용되고 있다. 이러한 형태의 미니 채널 다분지 열교환기는 에어컨용 증발기 등으로 이용됨으로써 냉매의 충전량을 감소시켜, 생산원가를 보다 절감할 수 있고 전열성능을 향 상시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다.

그러나 이와 같이 매우 작은 직경을 가진 전열관을 제작할 경우, 종래의 일반적인 휜-튜브 형태의 전열관은, 튜브의 매우 작은 직경으로 인하여 일반적인 휜과 튜브의 접합 방식을 이용하기가 어려웠다. 특히 일반적인 전열 튜브의 확관에 의하여 전열 튜브와 휜을 접합하는 방식을 매우 작은 직경을 가진 전열관에 적용할 경우, 전열 튜브의 확관시 전열 튜브의 매우 얇은 두께로 인하여 전열 튜브의 손상이 발생하는 사례가 빈번하였다.

또한 일반적으로 헤더형(header type)의 다분지 증발기의 경우 각 지관으로 냉매 유량분배의 현저한 불균등이 발생되어 액상이 많이 분배된 지관에서는 전부 증발되지 않고 일부가 액의 상태로 나가게 되는 등, 각 지관 전열관에 있어서의 전열성능의 불균형이 발생되어 증발기 전체의 성능을 저하시키는 큰 요인으로 지적되고 있다.

본 발명은 상기와 같이 매우 작은 직경의 전열관에 적용될 수 있는 새로운 형태의 휜 전열관을 제안하며, 또한 이러한 휜 전열관이 채택된 새로운 형태의 미니 채널 열교환기를 제공하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 열교환을 위한 전열관에 있어서, 파이프 형태의 전열튜브 및 상기 전열튜브의 외주면을 따라 나선상으로 권회되는 코일스프링 형태의 휜을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기에서 전열튜브의 내경은 4mm이하인 것이 바람직하며, 내경의 최소값은 유체의 압력손실 등을 감안하여 설계될 수 있다.

본 발명의 다른 사상으로, 인입 헤더, 배출 헤더, 상기 인입 헤더와 상기 배출 헤더 사이에 마련되어 열교환을 수행하는 전열관을 포함하여 이루어지는 미니 채널 열교환기에 있어서, 상기 전열관은 제1항의 스프링 휜 형태의 전열관인 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 전열관은 상기 인입 헤더에 상기 인입 헤더의 내경 깊이만큼 삽입되되, 상기 인입 헤드에 삽입된 상기 전열관의 선단부는 삼각형 형태를 이루는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 일 실시례에 따라 그 구성과 작용을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시례에 의한 스프링 휜 형태의 전열관이 구비된 미니 채널 열교환기의 개념도이며, 도 2는 스프링 휜으로 사용되는 코일스프링의 측면도이며, 도 3은 스프링 휜이 전열튜브에 장착되는 상태를 도시한 개념 종단면도 및 측면도이며, 도 4는 스프링 휜 형태의 전열관의 측면도이다.

본 미니 채널 열교환기는 냉매가 유입되는 인입 헤더(110), 냉매가 유출되는 배출 헤더(130), 인입 헤더(110)와 배출 헤더(130) 사이에 마련되어 열교환을 수행 하는 전열관(120)으로 이루어진다.

전열관(120)은 파이프 형태의 전열튜브(121)와 상기 전열튜브(121)의 외주면을 따라 나선상으로 권회되는 코일스프링 형태의 휜(122)으로 이루어진다.

휜(122)으로 사용된 코일스프링은 도 2에 도시된 바와 같이 직경 0.5mm의 동 세선(copper wire) 8.4m를 가공하여 제작된 내경 0.9mm, 외경 1.9mm, 길이 0.98m의 코일스프링이며, 전열튜브(121)에 나선상으로 권회되는 스프링 휜의 휜 피치(pitch)는 1.9mm이다. 그러나 이러한 코일스프링 등의 구체적인 수치는 실시례에 따라 변경될 수 있다.

스프링 휜(122)과 전열튜브의 접촉 저항을 줄이기 위하여, 전열관 표면을 은납으로 두께 0.1mm로 코팅하고, 코일스프링의 양단을 장력 감김(tension wounding)으로 전열튜브(121)에 부착하여 고정한 후, 열풍기로 가열함으로써 휜(122)과 전열튜브(121)가 용접(brazing)되어 접합되도록 한 것이다.

이와 같이 제작된 스프링 휜 형태의 전열관과 종래의 일반적인 휜 튜브형 전열관의 전열면적 밀도를 비교하기 위하여 본 발명의 스프링 휜 형태의 전열관을 구비한 헤더형 열교환기와 종래의 일반적인 휜 튜브형 전열관을 구비한 열교환기를 각각 제작하여 그 성능을 비교하였다.

구 분	Size (LxHxT) [mm]	volume [m³]	heat transfer area [m²]	heat transfer area per same volume	heat transfer area density [m²/m³]
스프링 휜 형태	352x250x5.6	38.8 x 10^-5	0.832	161%	2,146
종래의 일반적인 휜 튜브	200x310x20	1.24 x 10^-3	1.657	100%	1,337

상기와 같이 단위체적당 전열면적으로 정의되는 전열면적 밀도는 본 발명의 경우 2,146 m²/m³로서, 내경 5mm의 전열관을 적용한 종래의 일반적인 휜-튜브형 열교환기의 전열면적 밀도 1,337 m²/m³와 비교하면 약 161%가 증가하였다.

이와 같이 코일스프링 형태의 스프링 휜은 스프링을 전열관의 공기측 표면에 원주 방향으로 감아 전열면적을 증가시킨다.

또한 각각의 휜이 단속표면(interrupted surface)을 제공함으로써 난류를 촉진하여 휜 선단으로부터 성장하는 온도 및 속도 경계층의 성장을 억제하고 얇게 만들 수 있으며, 휜 부근에서의 2차 유동과 경계층 박리로 인한 유체의 혼합효과로 열전달을 향상시킬 수 있다.

상기와 같이 코일스프링이 전열튜브의 외주면을 따라 나선상으로 권회된 전열관은, 종래의 일반적인 전열관에 비하여 열전달 계수가 향상되며, 또한 동 세선(copper wire)을 코일스프링 형상으로 제작하여 공기측 휜으로 적용함으로써 냉매측과 공기측의 전열면적을 대폭 향상시킬 수 있다.

한편, 전열관과 인입 헤드의 연결 방법에 따른 효과를 비교하기 위하여 다음과 같이 실험을 하였다.

도 5는 전열관과 인입 헤드의 연결 방법을 비교하기 위한 실시례 A, 실시례 B, 실시례 C의 연결 형태를 도시한 것이다.

인입 헤더는 내경 5mm, 외경 7mm, 그리고 길이 80mm이며, 분지관 즉 각 전열관은 내경 1.5mm, 외경 3mm, 길이 850mm이다.

시험 유체가 유입되는 인입 헤더의 입구측을 상류로, 인입 헤더의 끝단부를 하류로 정의하며, 인입 헤더에 연결되는 지관은 상류 측으로부터 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 1번 지관, 2번 지관, 3번 지관,......,10번 지관으로 구분하였다.

헤더 형태 A의 경우에는 인입 헤더에 지관을 삽입하지 않았고, 헤더 형태 B의 경우에는 헤더 내경 기준 1/2깊이인 2.5mm를 삽입하였다. 헤더 형태 C는 지관을 헤더 내경 깊이인 5mm를 삽입하였으며, 삽입된 지관의 선단부는 삼각형 형태를(구체적으로는 선단부가 45°로 테이퍼지도록) 이루도록 하였다.

이러한 상태에서 인입 헤더에, 공기 압축기로부터 공급되는 기상의 공기와 항온수조에 연결된 수펌프(water pump)로부터 공급되는 액상의 물을 믹서로 혼합시킨 후, 액상과 기상이 혼합된 시험유체를 인입 헤더에 공급하였다.

동작변수로서 시험부 입구 건도(x=0.1, 0.2, 0.3)와 입구 질량 유속(50, 100, 150, 200 kg/m²s)조건을 변화시켰다.

도 6은 3가지 헤더 형상에서의 유동양식을 나타낸 사진이다.

헤더 형태 A에서는 물과 공기가 완전히 분리된 slug, stratified, wavy 형태의 유동 양식을 볼 수 있다. 이런 유동양식의 경우 관성력이 큰 액상은 헤더 하부측 지관으로, 기상은 헤더 상부측 지관으로 편중되어 유입되는 불균등 유량 분배 현상이 발생하였다. 즉, 헤더 형태 A의 경우 기상의 대부분이 헤더 상부측 채널로 흐르며 액상의 대부분은 헤더 하부측 채널로 유입된다.

헤더 형태 B에서는 삽입지관(전열관)이 인입 헤더 내부에서 이상 유동의 장애물로 작용하여, 삽입된 지관 부근에서 국부적인 순환이 발생한다. 이는 액상의 관성력을 감소시키기 때문에 헤더 A에 비하여 불균등 분배 현상이 감소하였다.

지관 끝을 45°로 절단하여 헤더 직경 깊이로 지관을 삽입한 헤더 형태 C의 경우, 지관의 삽입 깊이가 깊어짐에 따라 이상류의 국부 순환이 더욱 활발해지고, 물과 공기의 혼합으로 인한 와류(vortex)가 발생함에 따라 헤더 내의 이상 유동 방식은 균질유동(homogeneous flow)으로 변화되었다.

도 7a 및 도 7b는 입구건도 x=0.1, 0.3, 입구질량유속은 G=50, 100 kg/m²s에서 3가지 헤더형상에 따른 액상분배와 기상분배의 특성을 보여주고 있다.

도 7a를 참고하여 액상 유량 분배를 살피면, 헤더 A, B에서는 헤더 중간부분과 끝 부분으로의 액상 유량 불균등 분배가 발생하였으며, 지관의 삽입 깊이가 깊을 수록 액상 유량 분배가 향상되었다. 특히 헤더 C의 경우에는 액상 유량 분배의 불균등 분배 현상이 현저히 감소되었다.

도 7b를 참고하여 기상 유량 분배를 살피면, 헤더 형상이 액상 유량 분배에 미치는 영향에 비하여 크지는 않았지만, 기상분배에서도 형상 C가 가장 우수함을 알 수 있다.

상기의 실시례는 본 발명의 바람직한 실시례일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상은 당업자에 의하여 다양하게 변형 내지 조정되어 실시될 수 있다. 이러한 변형 내지 조정이 본 발명의 기술적 사상을 이용한다면 이는 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

상기와 같이 본 발명은 코일스프링이 전열튜브의 외주면을 따라 나선상으로 권회된 전열관을 제공하며, 이에 의하여 열전달 계수 및 전열면적을 대폭 상승시킬 수 있는 새로운 구조의 전열관 및 이를 구비한 미니 채널 열교환기를 제공하게 된다.

Claims

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인입 헤더, 배출 헤더, 상기 인입 헤더와 상기 배출 헤더 사이에 마련되어 열교환을 수행하는 전열관을 포함하여 이루어지는 미니 채널 열교환기에 있어서,

상기 전열관은 파이프 형태의 전열튜브 및 상기 전열튜브의 외주면을 따라 나선상으로 권회되는 코일스프링 형태의 휜을 포함하여 이루어지며,

상기 전열관은 상기 인입 헤더와 직각을 이루면서 상기 인입 헤더의 내경 깊이만큼 상기 인입 헤더에 삽입되되,

상기 인입 헤더에 삽입된 상기 전열관의 선단부는 상기 인입 헤더의 하류측에 테이퍼가 형성되어 삼각형 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 미니 채널 열교환기.