KR100859730B1

KR100859730B1 - 복합 열교환기

Info

Publication number: KR100859730B1
Application number: KR1020020040661A
Authority: KR
Inventors: 장길상
Original assignee: 한라공조주식회사
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2008-09-23
Also published as: KR20040006388A

Abstract

본 발명에 따르면, 복합 열교환기는 한쌍의 헤더 파이프와 이들의 헤더 파이프에 양단부가 각각 연결되며 소정간격 이격되는 복수개의 튜브들과, 상기 튜브들에 개재되는 방열휜을 포함하는 적어도 두 개의 열교환 유니트와; 상기 각 열교환 유니트의 인접하는 헤더파이프들 결합하는 헤더 조인트부재와, 인접하는 헤더 파이프들에 결합되어 헤더 조인트 부재를 감싸는 캡을 포함한다.

Description

복합 열교환기{Duplex heat exchanger}

도 1은 본 발명에 따른 열교환기에 냉매로 사용되는 이산화탄소 냉동 사이클의 P-h 그래프를 도시한 도면,

도 2는 종래 복합 열교환기의 사시도

도 3은 본 발명에 따른 복합 열교환기의 사시도,

도 4는 도 3에 도시된 결합수단을 나타내 보인 분리 사시도,

도 5는 헤더 파이프에 헤더 조인트 부재와 캡이 결합된 상태를 도시한 단면도,

도 6은 결합수단의 다른 실시예를 도시한 분리 사시도,

도 7은 도 6의 결합수단이 헤더 파이프에 결합된 상태를 도시한 단면도,

도 8은 본 발명에 따른 결합수단의 다른 실시예를 도시한 분리 사시도,

도 9는 본 발명에 따른 복합 열교환기의 다른 실시예를 도시한 분리 사시도,

도 10 및 도 11은 헤더 조인트부재와 캡의 다른 실시예를 도시한 단면도.

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 냉매로 사용하는 것으로서, 탱크와 결합되는 엔드 캡의 구조가 개선된 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 온도가 높은 유체로부터 전열벽(傳熱壁)을 통해서 온도가 낮은 유체에 열을 전달하는 장치이다. 이러한 열교환기의 형식에서 가장 일반적으로 사용되는 것은 금속관을 전열벽으로 하는 것으로, 이 형식에는 주수식(注水式) ·이중관식 ·핀붙이 다관식 ·투관형식(透管型式) 등이 있다.

이러한 열교환기를 구성요소로 하는 에어컨 시스템의 작동 매체로 지금까지는 주로 프레온 계열의 냉매가 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 프레온 계열의 냉매는 지구 온난화의 주요 요인 중의 하나로 인식되어 그 사용에 대한 규제가 점차 확대되어 왔다. 이러한 상황 하에서, 프레온 계열의 냉매를 대체할 차세대 냉매의 대표 주자로서 이산화탄소 냉매에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되어 왔다.

이산화탄소는 첫째, 작동 압축비가 낮아 압축 효율이 우수하며, 둘째, 열전달 특성이 매우 우수하여 2차 유체인 공기의 입구 온도와 냉매의 출구 온도 사이의 차이가 기존의 냉매에 비해 훨씬 작아 냉매로서의 이점이 클 뿐만 아니라 히트펌프에도 적용 가능성이 크다.

또한, 이산화탄소는 체적냉방능력(증발잠열×기체밀도)이 기존의 냉매인 R134a의 7 내지 8배 이므로 에어컨 유닛을 크게 줄일 수 있으며, 표면 장력이 작아 비등 열전달이 우수하고, 비열이 크고 액체 점도가 낮아 냉매로서 우수한 열역학적 특성을 갖고 있다. 또한, 작동 압력이 기존에 비해 5 ~ 6 배 높아, 유동 통로를 미세하게 형성하는 데 따른 시스템상의 냉매의 압력 강하에 대한 손실이 기존 냉매에 비해 상대적으로 현저하게 작게 되는 바, 이산화탄소 냉매의 유동 통로로 열교환 성능이 우수한 미세 채널을 사용할 수 있다.

더욱이, 이산화탄소의 냉동 사이클은, 도 1에 도시된 바와 같이, 임계 압력(critical pressure)을 벗어나 구동된다. 도면을 참조하면, 가스쿨러 내에서 냉매가 쿨링될 때(2→3), 기체에 가까운 물질이 액체에 가까운 물질로 변함에 따라 온도가 하강하는 특징이 있다. 따라서, 가스쿨러 입구부의 온도가 출구부의 온도보다 높아서 압출튜브와 방열휜을 통해 열전달이 발생하게 되는 바, 이러한 압출튜브와 방열휜을 통한 열전달을 감소시킬 필요가 있다. 또한, 가스쿨러의 출구부에서 냉매 온도가 외부에서 유입되는 유체의 온도에 가깝게 낮으면 낮을수록 냉방 성능이 우수해지는 특성이 있다. 예컨대, 도 1에 있어서, 가스쿨러의 출구부에서 온도가 40℃일 때, 사이클은 1→2→3→4→1인데 비해, 가스쿨러의 출구부에서 온도가 20℃일 때는, 사이클이 1→2→3'→4'→1로 되어 증발기측 냉방 효과가 Q1에서 Q2로 크게 증가됨을 알 수 있다. 따라서, 성능계수(coefficient of performance, Q/W)가 가스쿨러의 출구부의 온도에 따라 크게 달라지는 특성이 있다.

그러나, 이산화탄소의 냉동 사이클은 초임계(transcritical) 압력 사이클이기 때문에 증발 압력뿐만 아니라 응축 압력이 기존의 사이클에 비해 5배 내지 6배(약 100 ~ 130 bar) 높으므로 이산화탄소를 냉매로 사용하기 위해서는 현재 사용 중인 증발기와 응축기를 이러한 높은 압력에 견딜 수 있도록 재설계 하여야 한다.

종래의 차량 에어컨 증발기 중 드론컵 타입(drawn-cup type) 증발기는 고압에 견딜 수 없기 때문에 이산화탄소를 냉매로 사용할 수 없고, 또한 종래의 가스쿨 러에 이산화탄소를 냉매로 사용하면, 열교환기 내의 과도한 온도 편차로 인해, 외부 유입 공기와 열전달이 이루어지지 못하고 열교환기 표면을 통해 열흐름이 발생하여 성능 감소의 주원인이 된다. 종래에는 이러한 냉매 특성을 고려하지 않고 사형(蛇形 serpentine) 열교환기의 두께를 크게 하여 이산화탄소를 냉매로 사용하는 것이 일반적이었다. 그러나, 상기한 종래의 열교환기는 그 두께가 두꺼워서 열교환 성능이 떨어지고 가격 상승의 원인이 될 뿐만 아니라 공기측의 압력 강하가 크게 되는 문제점이 있었다.

한편, 상기와 같은 초임계 냉매 사이클에서 가스 쿨러 냉매는 낮은 온도까지 떨어지기가 어려우므로 다단계의 쿨링이 유리하다. 예컨대, 이산화탄소를 이용한 시스템의 한 단계의 열교환기에 비하여 다단계의 쿨링이 효율을 5% 이상 증대 시킬 수 있다는 실험 결과가 있다. 미국 특허 US 6,021,846와 US 5,743,328 및 US5,529,116에는 이러한 열교환기 즉, 복식 열교환기의 일예들이 개시되어 있다.

특히 미국특허 US 5,743,328호에 개시된 복식 열교환기(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 공기의 흐름 방향으로 복수개의 열교환 유니트(15)(15')들이 병열로 설치된다. 상기 열교환 유니트(15)(15')들은 각각 상호 평행하게 배열된 복수개의 튜브(11)(11')들과, 이 인접하는 튜브들의 사이에 설치되는 방열휜(12)(12')들과, 상기 튜브(11)(11')의 양단부와 결합되어 각각 열교환 매체 통로를 형성하는 헤더(13)(13')들을 포함한다. 상기 열교환 유니트(15)(15')는 열교환 매체를 공급하기 위한 공급관(16) 및 배출관(16')들에 의해 병렬로 연결된다.

상술한 바와 같이 구성된 열교환기(10)는 열교환 유니트(15)(15')를 이루는 헤더(13)(13')에 별도의 엔트캡(14)을 각각 설치하여야 하고, 열교환 유니트(15)(15')들 사이의 간격을 유지시킴과 아울러 이들을 지지하기 위한 별도의 고정장치가 필요하다. 따라서 부품수가 증가하고, 조립성이 떨어져 생산성의 향상을 도모할 수 없는 문제점이 있다.

그리고 미국 특허 US 5,720,341호에는 열교환 매체 통로의 튜브 및 탱크를 형성하는 이루는 플레이트형 관상 부재가 적층되어 이루어진 복식 열교환기가 개시되어 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이산화탄소를 냉매로 사용할 경우에 필요한 높은 가스쿨링 및 증발 압력을 견딜 수 있는 구조를 가지며 열교환 유니트들을 견고하게 고정할 수 있는 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 부품수의 절감, 조립성이 좋아 생산성의 향상을 모호할 수 있으며, 소형화가 가능하고 열교환 효율이 향상된 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 열교환기는,

한쌍의 헤더 파이프와 이들의 헤더 파이프에 양단부가 각각 연결되며 소정간격 이격 되는 복수개의 튜브들과, 상기 튜브들에 개재되는 방열휜을 포함하는 적어도 두 개의 열교환 유니트와;

상기 각 열교환 유니트의 인접하는 헤더파이프들 결합하는 헤더 조인트부 재와, 상기 인접하는 헤더 파이프들에 결합되어 헤더 조인트 부재를 감싸는 캡을 포함하여 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 헤더 조인트 부재는 각각의 헤더파이프에 삽입되며 중공부를 가지는 삽입부들과, 상기 삽입부들을 상호 연결하는 연결부를 포함한다. 그리고 상기 삽입부 사이의 연결부로부터 연장되어 결합되는 헤더 파이프의 외주면에 접합되는 적어도 하나의 보강부재를 사용함이 바람직하다.

또한 상기 캡의 내주면에 삽입부의 중공부를 연통시키는 통로가 형성되거나 상기 캡은 상기 각 중공부에 삽입되어 이를 밀폐하는 밀폐부들이 형성될 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열교환기를 도시한 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기는 적어도 두 개의 제1,2열교환 유니트(30)(40)가 공기의 흐름 방향으로 설치되어 열교환 매체를 냉각시킬 수 있도록 구성된다.

상기 제1,2열교환 유니트(30)(40)는 각각 제1,2 상부 헤더 파이프(31)(41)와, 이와 평행하게 설치되는 제1,2하부 헤더 파이프(32)(42)와, 상기 제1,2상하부 헤더 파이프(31,32) (41,42)에 그 양단부가 연통되며 상호 평행한 튜브(33),(43)들과, 상기 튜브(33,33),(43)(43)들의 사이에 설치되는 방열휜(34)(44)들을 포함한다. 그리고 상기 제1,2열교환 유니트(30)(40)의 제1,2상부 헤더파이프(31)(41)의 양단부와 상기 제1,2하부 헤더파이프(32)(42)의 양단부는 제1,2상하부 헤더파이프(31)(41),(32)(42)의 간격을 유지하도록 지지하며 이들을 연통시키는 결합수단을 구비한다.

상기 결합수단은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제1,2상부 또는 하부 헤더 파이프(31)(41)의 양단부에 각각 결합되며 중공부(51)(52)를 가지는 삽입부(53)(54)와 이들을 연결하는 연결부(55)를 구비한 헤더 조인트부재(50)와 상기 제1,2상부 또는 하부 헤더파이프(31)(41)의 단부에 결합되어 상기 헤더 조인트 부재(50)를 감싸는 캡(60)을 포함한다. 상기 중공부(51)(52)를 가지는 삽입부(53)(54)의 외주면은 제1,2상부 또는 헤더 파이프(31,41)(32,42)와 삽입이 원활하게 이루어지고 브레이징 접합시 접합에 따른 효율을 높이기 위하여 테이퍼가 형성된다.

그리고 상기 캡(60)의 내면에는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 제1,2상부 또는 하부 헤더 파이프를 상기 삽입부(53)(54)의 중공부를 통하여 연통시키는 통로(61)가 형성된다. 상기 통로(61)는 캡(60)의 내면 전체에 형성될 수 있으며, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 캡(60) 내면의 일부에 그루부가 형성되어 제1,2상하부 탱크를 연통시킬 수 있다.

한편, 상기 제1,2상부 또는 하부헤더 파이프를 상호 연통시키지 않을 경우에도 8에 도시된 바와 같이 캡(60')에 상기 삽입부(53)(54)의 중공부(51)(52)에 삽입되는 밀폐부(65)가 형성될 수 있다. 그리고 상기 열교환 유니트(30)(40)의 내부는 고압의 열교환 매체가 흐르게 되므로 상기 헤더 조인트 부재(50)가 제1,2상부 또는 하부 헤더 파이프로부터 분리될 우려가 있으므로 상기 연결부(55)에는 상기 제1,2헤더 파이프들의 적어도 일측에 용접되는 보강부재(56)가 형성될 수 있다. 상기 보강부재는 연결부(55)와 일체로 형성된 것을 실시예로 설명하였으나 이에 한정되지 않고 별도로 제작하여 헤더 파이프(31)(41)로부터 헤더 조인트 부재(50)가 이탈되는 것을 방지할 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능함은 당연하다.

상기와 같이 구성된 열교환기의 구성에 있어서, 상기 제1,2열교환 유니트가 병렬로 연결되거나 직열로 연결되어 열교환 매체 통로를 형성하는 경우 제1,2 상부 또는 하부 헤더 파이프에 통로를 구획하는 배플을 설치하거나 상기 제1,2 상부 또는 하부 헤더 파이프의 단부를 헤더 조인트부재(50)와 캡(60)(60')를 이용하여 연통시키거나 차단하여 열교환 매체의 흐름통로를 변화시킬 수 있다.

도 9 및 도 10에는 세 개의 열교환 유니트(71)(72)(73)가 공기의 흐름 방향에 대해 근접되게 설치되며 세 개의 삽입부를 가지는 헤더 조인트 부재(74)와 캡(75)을 구비한다. 상기와 같이 열교환 유니트(71-73)가 세 개로 이루어진 경우 도 11에 도시된 바와 같이 캡(75)의 내면에 두 개의 헤더 파이프를 연결할 수 있도록 통로(75a)가 형성될 수 있으며, 하나의 헤더 파이프를 밀폐할 수 있도록 삽입부(75b)가 형성될 수 있다. 여기에서 상기 캡(75)의 형상은 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고 상기 헤더 파이프 내에 설치되는 배플들에 의해 유로가 열교환 매체의 흐름 패턴에 따라 변형될 수 있다.

이하에 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 열교환기의 작용을 설명한다.

도 3을 참조하여 열교환기의 내부를 흐르는 열교환 매체인 이산화탄소 냉매의 경로를 살펴보면, 제1상부 헤더 파이프(31)에 연결된 공급관(81)을 통하여 외부로부터 유입된 이산화탄소 냉매는, 먼저 상기 제1상부 헤더 파이프(31)의 내부를 통해 유입되고 유입된 열교환 매체는 내부에 형성된 배플(31a)에 의해 차단됨으로써 더 이상 유동되지 못하게 된다. 따라서, 제1상부헤더 파이프(31) 내부의 열교환 매체는 튜브들을 통하여 제1하부 헤더 파이프(32) 측으로 하강하게 되고, 제1하부 헤더 파이프(32)를 따라 이동한 후 튜브들을 통하여 배플에 의해 구획된 제1 상부 헤더 파이프(31) 측으로 이동된다. 이와 같이 이동된 열교환매체는 제1상부 헤더 파이프(31)와 헤더 조인트 부재(50)의 중공부 및 캡의 통로를 통하여 인접하는 제1상부 헤더 파이프(41)로 유입된다. 이와 같이 유입된 열교환 매체는 제2상부 헤더 파이프(41)의 내부에 설치된 배플(41a)에 의해 차단됨으로써 더 이상 유동되지 못하게 된다. 따라서, 열교환 매체는 제2상부 헤더 파이프(41)와 연통되는 튜브들을 통하여 제2하부 헤더 파이프(42) 측으로 하강된 후 제2하부 헤더 파이프(42)를 따라 이동한 후 튜브들을 통하여 배플에 의해 구획된 제2 상부 헤더 파이프(41) 측으로 이동되는데, 이 이동과정에서 열교환기를 통과하는 공기와 열교환이 이루어진 후 배출관(82)을 통하여 외부로 배출된다.

상술한 바와 같은 열교환기의 유동경로는 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고 제1,2상하부 헤더 파이프에 선택적으로 설치되는 배플의 위치 및 캡에 형성된 통로를 이용하여 다양한 형태로 변형가능함은 물론이다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 열교환기의 효과는 다음과 같 다.

첫째; 이상의 냉매 유동 경로에서 알 수 있듯이, 공급관을 통해 유입된 높은 온도의 열교환 매체는 공기의 흐름방향에 대해 전면에 설치된 열교환 유니트를 통과한 후 후방에 설치된 열교환 유니트를 통과하게 되므로 열교환 효율을 높일 수 있다.

둘째; 상기 열교환기는 열교환 유니트들이 헤더 조인트 부재들에 의해 연결되어 있으므로 열교환기의 구조적 강도를 높일 수 있으며, 열교환 유니들의 간격을 대폭 줄일 수 있어 열교환기의 콤팩트화가 가능하다.

셋째; 열교환 유니트들의 상부 또는 하부 헤더 파이프들이 헤더 조인트 부재들을 감싸는 캡의 내면에 형성된 통로를 이용하여 연통시키게 되므로 별도의 관상 연결통로를 형성할 필요가 없으며, 조립성이 향상되어 생산성의 향상을 도모할 수 있다.

넷째; 상기 열교환기는 고압에 견딜 수 있는 진원 형상의 단면을 갖는 제1,2상하부 헤더파이프를 구비하고, 헤더 조인트 부재에 헤더 파이프와 결합되는 연결부가 형성되어 있으므로 이산화탄소를 냉매로 사용하는 열교환기에서 요구되는 고압의 가스쿨링 압력을 견딜 수 있게 된다.

다섯째, 본 발명에 따른 열교환기에 냉매로 사용되는 이산화탄소는 체적냉방능력(증발잠열 × 기체밀도)이 기존의 냉매인 R134a의 7 내지 8배이므로 성능계수가 우수하면서도 냉동 시스템의 소형화가 가능하여 가스쿨러로는 물론 증발기로도 사용될 수 있으며, 이에 의해 히트 펌프시에도 고압에 견딜 수 있는 우수한 열교환 성능을 가질 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

한쌍의 헤더 파이프와 이들의 헤더 파이프에 양단부가 각각 연결되며 소정간격 이격되는 복수개의 튜브들과, 상기 튜브들에 개재되는 방열휜을 포함하는 적어도 두 개의 열교환 유니트와;

상기 각 열교환 유니트의 인접하는 헤더파이프들을 결합하는 헤더 조인트부재와, 상기 인접하는 헤더 파이프들에 결합되어 헤더 조인트 부재를 감싸는 캡을 포함하며,

상기 헤더 조인트 부재는 각각의 헤더파이프에 삽입되며 중공부를 가지는 삽입부들과, 상기 삽입부들을 상호 연결하는 연결부와, 상기 삽입부 사이의 연결부로부터 연장되어 결합되는 헤더 파이프의 외주면에 접합되는 적어도 하나의 보강부재를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
삭제
제1항에 있어서,

상기 캡의 내주면에 삽입부의 중공부를 연통시키는 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
제1항에 있어서,

상기 캡은 상기 각 중공부에 삽입되어 이를 밀폐하는 밀폐부들을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.