KR100882525B1 - 다관 열교환부형 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 급탕열교환기형 고압 냉매시스템에 관한 것으로, 특히 물이 다관 열교환파이프로 통과하면서 냉매관의 냉매와 열교환하는 방식에 관한 것으로, 열전달 면적을 증가시킴으로써 열교환 능력을 향상시킬 수 있으며, 설치장소에 구애받지 않는 다관 열교환부형 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템에 관한 것이다.
본 발명은 가변용량 압축기와, 이 압축기의 토출구로부터 토출된 이산화탄소를 냉각시키는 가스쿨러와, 상기 가스쿨러에 의해 냉각된 냉매를 팽창시켜 증발잠열을 흡수하는 증발기와, 상기 가스쿨러와 증발기 사이의 연결관에 설치된 가변식 팽창밸브와, 가스쿨러 출구측 냉매와 증발기 출구측 냉매를 열교환시키는 내부열교환기를 포함하여 이루어진 고압 냉매시스템에 있어서, 상기 압축기를 나온 고온의 냉매를 급탕용으로 사용하기 위한 급탕열교환기를 더 구비하되,
상기 급탕열교환기는 냉매가 이동하는 냉매관, 상기 냉매와 열교환하는 물 입출구가 형성된 열교환부, 상기 냉매관과 열교환부를 분리하는 분리 케이싱을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
고압 냉매시스템, 헬리컬 코일, 열교환기
Description
본 발명은 급탕열교환기를 구비한 고압 냉매시스템에 관한 것으로, 특히 물이 다관 열교환파이프로 통과하면서 냉매관의 냉매와 열교환하는 방식에 관한 것으로, 열전달 면적을 증가시킴으로써 열교환 능력을 향상시킬 수 있으며, 설치장소에 구애받지 않는 다관 열교환부를 구비한 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템에 관한 것이다.
일반적으로 프레온가스로 불리는 CFC냉매는 오존층을 파괴하는 것으로 알려져 국내외적으로 환경문제로 대두되고 있고, 이를 최소화할 수 있는 새로운 대체 냉매를 선진국을 중심으로 개발하여 가전제품에 적용하고 있다.
상기와 같은 대체 냉매중에 이산화탄소(CO2)는 우수한 안정성, 무취, 무독, 비부식성, 비연소, 비폭발성의 물질로서 윤활유와 양호한 상용성이 있고, 다른 냉매에 비해 가스의 비체적이 작아서 소형 에어컨 시스템 제작이 용이한 장점이 있다.
또한, 이산화탄소의 가장 큰 특징으로는 높은 증기압력과 낮은 임계온도를 가지는 것이다.
상기의 높은 증기압력과 낮은 임계온도를 가지는 특성에 의해 이산화탄소 냉매시스템에서는 임계압력보다 낮은 압력에서 열을 흡수하고, 임계압력보다 높은(초임계상태) 압력에서 열을 방출하는 초임계싸이클을 구성하며, 주요 구성요소로는 압축기, 가스 쿨러, 내부열교환기, 팽창밸브, 증발기 등으로 이루어져 있다.
본 발명은 이산화탄소와 같은 고압 냉매 시스템에 적용되는 열교환기에 대한 선행기술로는 특허공개 제1997-0047733호(1997.07.26) 『 열교환기』 및 특허공개 제1989-0000114호(1989.03.11) 『의료용 열교환기』가 있는데,
특허공개 제1997-0047733호(1997.07.26)의 경우에는 열매체가 흐르는 케이싱 내의 공간부에 튜브가 배치되고, 이 튜브 내에는 상기 케이싱의 일측에 결합된 유체유입관으로 유입된 유체가 통과하여 유체배출관을 배출되는 과정에서 케이싱 내로 열매체의 교환이 이루어질 수 있도록 된 열교환기에 있어서, 상기 튜브 내의 열매체가 흐르는 다수개의 세관을 삽입설치하여 세관 내를 흐르는 유체와의 접촉면적을 극대화시킴으로써 열교환기의 열효율을 극대화시키는 것이나, 상기 특허의 경우에는 케이싱 내의 튜브 내에 열매체가 흐르는 다수개의 세관과 유체와 열접촉 면적을 케이싱 내의 튜브와 다수관의 세관 사이에서 열교환이 이루어질 경우에는 튜브에 압력 부하가 걸리는 점과 이중 열교환 방식이 아닌 3중으로 이루어진 열교환기로 열교환하는 방식이라 열교환 효율이 떨어지는 문제점이 있으며, 특히 이산화탄소와 같이 고압 냉매를 사용한 열교환방식에는 유용하지 않은 문제점이 있다.
특허공개 제1989-0000114호(1989.03.11)의 경우에는 모세관 타입의 열교환기에 관한 것으로서, 냉매와 열매체가 열교환 하는데 있어 열매체가 모세관으로 이동하면서 열교환하는 방식을 취하고 있으나, 상기와 같이 모세관방식으로 열교환 할 경우에는 열접촉 면적을 증가시킬 수 있으나 압력강하 현상이 발생하여 이산화탄소와 같이 고압 냉매를 사용한 열교환방식에는 유용하지 않은 점이 있다.
상기와 같은 대체 냉매중에 이산화탄소(CO2)는 우수한 안정성, 무취, 무독, 비부식성, 비연소, 비폭발성의 물질로서 윤활유와 양호한 상용성이 있고, 다른 냉매에 비해 가스의 비체적이 작아서 소형 에어컨 시스템 제작이 용이한 장점이 있다.
또한, 이산화탄소의 가장 큰 특징으로는 높은 증기압력과 낮은 임계온도를 가지는 것이다.
상기의 높은 증기압력과 낮은 임계온도를 가지는 특성에 의해 이산화탄소 냉매시스템에서는 임계압력보다 낮은 압력에서 열을 흡수하고, 임계압력보다 높은(초임계상태) 압력에서 열을 방출하는 초임계싸이클을 구성하며, 주요 구성요소로는 압축기, 가스 쿨러, 내부열교환기, 팽창밸브, 증발기 등으로 이루어져 있다.
본 발명은 이산화탄소와 같은 고압 냉매 시스템에 적용되는 열교환기에 대한 선행기술로는 특허공개 제1997-0047733호(1997.07.26) 『 열교환기』 및 특허공개 제1989-0000114호(1989.03.11) 『의료용 열교환기』가 있는데,
특허공개 제1997-0047733호(1997.07.26)의 경우에는 열매체가 흐르는 케이싱 내의 공간부에 튜브가 배치되고, 이 튜브 내에는 상기 케이싱의 일측에 결합된 유체유입관으로 유입된 유체가 통과하여 유체배출관을 배출되는 과정에서 케이싱 내로 열매체의 교환이 이루어질 수 있도록 된 열교환기에 있어서, 상기 튜브 내의 열매체가 흐르는 다수개의 세관을 삽입설치하여 세관 내를 흐르는 유체와의 접촉면적을 극대화시킴으로써 열교환기의 열효율을 극대화시키는 것이나, 상기 특허의 경우에는 케이싱 내의 튜브 내에 열매체가 흐르는 다수개의 세관과 유체와 열접촉 면적을 케이싱 내의 튜브와 다수관의 세관 사이에서 열교환이 이루어질 경우에는 튜브에 압력 부하가 걸리는 점과 이중 열교환 방식이 아닌 3중으로 이루어진 열교환기로 열교환하는 방식이라 열교환 효율이 떨어지는 문제점이 있으며, 특히 이산화탄소와 같이 고압 냉매를 사용한 열교환방식에는 유용하지 않은 문제점이 있다.
특허공개 제1989-0000114호(1989.03.11)의 경우에는 모세관 타입의 열교환기에 관한 것으로서, 냉매와 열매체가 열교환 하는데 있어 열매체가 모세관으로 이동하면서 열교환하는 방식을 취하고 있으나, 상기와 같이 모세관방식으로 열교환 할 경우에는 열접촉 면적을 증가시킬 수 있으나 압력강하 현상이 발생하여 이산화탄소와 같이 고압 냉매를 사용한 열교환방식에는 유용하지 않은 점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 달성하기 위한 것으로,
본 발명의 목적은 냉매와 물의 열전달 면적을 증가시킴으로써 열교환 능력을 향상시킬 수 있으며, 설치장소에 구애받지 않는 것이며,
본 발명의 다른 목적은 내부열교환기, 인터쿨러, 체크밸브 및 4방변을 에너지 효율을 높일 수 있는 구성을 채용한 고압 냉매 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 냉매와 물의 열전달 면적을 증가시킴으로써 열교환 능력을 향상시킬 수 있으며, 설치장소에 구애받지 않는 것이며,
본 발명의 다른 목적은 내부열교환기, 인터쿨러, 체크밸브 및 4방변을 에너지 효율을 높일 수 있는 구성을 채용한 고압 냉매 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위한 것으로,
본 발명은 가변용량 압축기와, 이 압축기의 토출구로부터 토출된 이산화탄소를 냉각시키는 가스쿨러와, 상기 가스쿨러에 의해 냉각된 냉매를 팽창시켜 증발잠열을 흡수하는 증발기와, 상기 가스쿨러와 증발기 사이의 연결관에 설치된 가변식 팽창밸브와, 가스쿨러 출구측 냉매와 증발기 출구측 냉매를 열교환시키는 내부열교환기를 포함하여 이루어진 고압 냉매시스템에 있어서, 상기 압축기를 나온 고온의 냉매를 급탕용으로 사용하기 위한 급탕열교환기를 더 구비하되,
상기 급탕열교환기는 냉매가 이동하는 냉매관, 상기 냉매와 열교환하는 물 입출구가 형성된 열교환부, 상기 냉매관과 열교환부를 분리하는 분리 케이싱을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 분리케이싱과 냉매관 사이에는 체결부재로 결합된 것을 특징으로 하고, 상기 분리 케이싱 내부에는 물이 열교환하기 위한 다관 열교환파이프가 유입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 고정수단은 열교환부의 내주면에 밀착되도록 형성되고, 냉매관 및 열교환파이프가 관통되는 관통구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 냉매관은 분리 케이싱 내를 관통하여 열교환부까지 연장 삽입된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 열교환부의 일단부와 타단부에는 압력 상승에 의한 과부하 현상을 방지하기 위한 압력상승방지부를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 압축기는 제1단 압축기 및 제2단 압축기로 이루어지고, 상기 제1단 압축기에서 압축된 냉매는 인터쿨러에 의하여 1차 냉각되고, 1차 냉각된 냉매는 제2단 압축기에서 2차로 압축되고, 상기 인터쿨러는 가스쿨러에 일체로 형성되고, 상기 인터쿨러는 가스쿨러 전면적의 10-20%가 되도록 설계된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 내부열교환기는 이중관 형태의 다관 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 압축기로부터 토출된 냉매의 흐름을 제어하는 적어도 하나 이상의 4방변이 더 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 다관 열교환부를 구비한 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템.
또한, 본 발명의 가스쿨러와 내부 열교환기 사이에는 체크밸브가 더 장착되어 냉매의 역류를 방지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 가변용량 압축기와, 이 압축기의 토출구로부터 토출된 이산화탄소를 냉각시키는 가스쿨러와, 상기 가스쿨러에 의해 냉각된 냉매를 팽창시켜 증발잠열을 흡수하는 증발기와, 상기 가스쿨러와 증발기 사이의 연결관에 설치된 가변식 팽창밸브와, 가스쿨러 출구측 냉매와 증발기 출구측 냉매를 열교환시키는 내부열교환기를 포함하여 이루어진 고압 냉매시스템에 있어서, 상기 압축기를 나온 고온의 냉매를 급탕용으로 사용하기 위한 급탕열교환기를 더 구비하되,
상기 급탕열교환기는 냉매가 이동하는 냉매관, 상기 냉매와 열교환하는 물 입출구가 형성된 열교환부, 상기 냉매관과 열교환부를 분리하는 분리 케이싱을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 분리케이싱과 냉매관 사이에는 체결부재로 결합된 것을 특징으로 하고, 상기 분리 케이싱 내부에는 물이 열교환하기 위한 다관 열교환파이프가 유입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 고정수단은 열교환부의 내주면에 밀착되도록 형성되고, 냉매관 및 열교환파이프가 관통되는 관통구멍이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 냉매관은 분리 케이싱 내를 관통하여 열교환부까지 연장 삽입된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 열교환부의 일단부와 타단부에는 압력 상승에 의한 과부하 현상을 방지하기 위한 압력상승방지부를 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 압축기는 제1단 압축기 및 제2단 압축기로 이루어지고, 상기 제1단 압축기에서 압축된 냉매는 인터쿨러에 의하여 1차 냉각되고, 1차 냉각된 냉매는 제2단 압축기에서 2차로 압축되고, 상기 인터쿨러는 가스쿨러에 일체로 형성되고, 상기 인터쿨러는 가스쿨러 전면적의 10-20%가 되도록 설계된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 내부열교환기는 이중관 형태의 다관 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 압축기로부터 토출된 냉매의 흐름을 제어하는 적어도 하나 이상의 4방변이 더 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 다관 열교환부를 구비한 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템.
또한, 본 발명의 가스쿨러와 내부 열교환기 사이에는 체크밸브가 더 장착되어 냉매의 역류를 방지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 물이 다관의 열교환파이프로 통과하면서 냉매관의 냉매와 열교환하는 방식에 관한 것으로, 열전달 면적을 증가시킴으로써 열교환 능력을 향상시킬 수 있으며, 설치장소에 구애받지 않으며,
또한, 내부열교환기, 인터쿨러, 체크밸브 및 4방변의 구성을 변경함으로써 전체적인 시스템 효율을 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.
또한, 내부열교환기, 인터쿨러, 체크밸브 및 4방변의 구성을 변경함으로써 전체적인 시스템 효율을 향상을 도모할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도 1 내지 8에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 냉방시의 냉매시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 가변용량 압축기(10)와, 압축기를 나온 고온의 냉매와 열교환하기 위한 급탕 열교환기(20) , 이 급탕 열교환기의 토출구로부터 토출된 이산화탄소를 냉각시키는 가스쿨러(30)와, 상기 가스쿨러에 의해 냉각된 냉매를 팽창시켜 증발잠열을 흡수하는 증발기(50)와, 상기 가스쿨러와 증발기 사이의 연결관에 설치된 가변식 팽창밸브(40)와, 가스쿨러 출구측 냉매와 증발기 출구측 냉매를 열교환시키는 내부열교환기(70), 상기 압축기로부터 토출된 냉매의 흐름을 제어하는 적어도 하나 이상의 4방변(90)을 포함하여 이루어진다.
상기 가스쿨러(30)와 내부 열교환기(70) 사이에는 체크밸브(42)가 더 장착되어 냉매의 역류를 방지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 압축기(10)로부터 토출된 냉매의 흐름을 제어하는 4방변(90)은 가스쿨러(30)와 압축기(10), 증발기(50)와 압축기(10) 사이에 설치되고, 상기 4방변(90)의 경우에는 실내 열교환기의 동일한 개수로 설치되고, 4방변은 상기 압축기로부터 토출된 냉매가 가스쿨러로 유동되게 한다.
상기 4방변(90)은 압축기 및 실외기를 추가적으로 구비하지 않고도 실내 열교환기(건조기)가 각각 냉방 또는 난방 운전을 개별적으로 할 수 있는 효과가 있다.
도 2는 본 발명에 의한 급탕 열교환기의 조립사시도이고, 도 2b는 도 2a의 분해사시도이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 급탕열교환기(20)는 냉매가 이동하는 냉매관(22), 상기 냉매와 열교환하는 물 입출구가 형성된 열교환부(24), 상기 냉매관(22)과 열교환부(24)를 분리하는 분리 케이싱(26)을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 의한 냉매관(22)은 분리케이싱(26)을 관통하여 열교환부(24) 전단부까지 연장설치되고, 상기 냉매관(22)과 분리케이싱(26)은 기밀성을 보장하기 위하여 체결부재(28)로 연결된다.
상기 체결부재(28)는 길이 방향으로 일정한 단턱이 형성되어 있으며, 상기 분리케이싱(26)에는 상기 단부와 대등하는 요홈부가 형성되어 있다.
상기 체결부재(28)에는 냉매관(22)이 관통하기 위한 구멍이 형성되어 있으며, 이 구멍을 관통하여 냉매관(22)이 삽입 설치된다.
상기 체결부재(28)와 분리케이싱(26)은 용접에 의하여 기밀성을 보장하는데, 기밀성을 보장하기 위한 방법으로는 본 발명에서는 도시하지는 않았지만 패킹을 삽입한 후 나사 볼트 체결방식으로 하는 것도 가능하다.
상기 분리케이싱(26)은 냉매와 물이 최초로 열교환되는 부분으로서, 분리케이싱(26)은 입구 및 출구가 각각 형성되어 있으며, 상기 분리케이싱(26) 내부에는 물이 열교환하기 위하여 열교환부(24)의 다관 열교환파이프가 삽입 설치된다. 상기 분리케이싱(26)의 입구를 통과한 물은 분리케이싱(26) 내의 공간부로 유입되어 냉매관(22)을 흐르는 냉매와 최초로 열교환되고, 상기 1차적으로 열교환된 물은 다관 열교환 파이프로 분배되어 공급되면서 열교환부(24)의 열교환파이프에서 2차적으로 열교환된다.
상기 열교환부(24)의 전단부 내지 후단부에는 다관의 열교환 파이프 및 냉매관을 고정하기 위한 고정수단(24a)이 장착되는데, 상기 고정수단(24a)은 열교환부(24)의 내면 형상과 동일하게 형성되어 열교환부(24)의 내면에 밀착되게 장착되고, 상기 다관의 열교환 파이프가 관통되는 관통구멍(24b)이 형성된다.
상기 냉매관(22)은 분리케이싱(26)을 관통하고, 상술한 바와 같이 고정수단(24a)의 중앙에 형성된 관통구멍(24b)에 고정된다. 상기 고정수단(24a)의 관통구멍(24b)을 관통한 냉매관(22)은 일정길이방향으로 일정부분 연장 설치된 이후에는 냉매가 직접 열교환부(24)에서 다관의 열교환파이프에서 열교환된다.
상기 냉매관(22)이 직접 열교환부(24)에서 열교환하는 부분에는 열교환부(24)의 내주면이 감소되고, 상기 열교환부(24)의 일단부와 타단부 소정의 위치에는 압력 상승에 의한 과부하 현상을 방지하기 위한 비스듬히 경사가 형성된 압력상승방지부(29)가 형성되어 있다. 냉매가 열교환부(24)에 들어가 열교환할 때 단면적이 급격히 감소하게 되고, 단면적 감소에 따른 급 압력상승을 방지하기 위하여 길이방향으로 상광 하협의 경사가 형성된 압력상승방지부(29)를 형성하는 것이다.
도 4는 도 1에서 도시되지 않은 인터쿨링 과정을 도입하고 있으며, 압축기(10)는 도 4에 도시된 바와 같이 냉매를 2단 압축하는 2단 압축기로 이루어져 있고, 또한 1단 압축시의 냉매를 냉각하는 인터쿨러(60)를 포함하여 이루어진다.
도 4에 도시된 냉매시스템은 증발기를 거친 냉매가 제1단 압축기를 거치고, 상기 1단 압축기를 거친 냉매는 인터쿨러(60)를 거쳐 중간 냉각되고, 상기 인터쿨러를 거친 냉매는 2단 압축기를 거쳐 가스쿨러(30)를 거치게 된다.
상기 인터쿨러(60)는 가스쿨러(30)에 일체형으로 형성되어 있으며, 상기 인터쿨러와 가스쿨러가 일체형으로 형성되는 방식은 도 5a, 도 5b에 도시되어 있다.
도 5a에는 인터쿨러(60)를 가스쿨러(30)에 길이방향으로 일체로 형성한 상태를 도시하고 있으며, 도 5b는 인터쿨러(60)가 가스쿨러(30)의 단부의 일정부분에 겹치게 형성된 상태를 도시하고 있다.
도 5b에 도시된 겹침상태의 열교환기 형태의 경우에는 가스쿨러 및 인터쿨러는 상호간 바람에 의하여 서로 간섭을 받기 때문에 도 5a에 도시된 수평상태의 열교환기를 채택하는 것이 바람직하다.
또한, 도 5a 및 도 5b에 도시된 가스쿨러의 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이, 유입된 냉매를 수용하는 헤더(32), 상기 입구 헤더(32)에서 분기되는 다수개의 분지관(34)으로 이루어진 분배부, 상기 분배부에서 분배된 가스가 유입되는 열교환부재(36)로 이루어지되, 상기 열교환부재(36)는 루버핀, 상기 루버핀 사이에 장착되는 열교환 파이프, 상기 열교환 파이프를 통해 열교환된 냉매가 모여 다음 공정으로 이동되는 출구 헤더(38)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 가스쿨러(30)의 분배부는 고압의 냉매가 균등히 분배되도록 입구 헤더에서 별도의 분배관으로 이루어지되, 상기 분배관은 일정간격으로 이격 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 증발기의 구성은 가스쿨러의 구성과 동일하다.
상기 인터쿨러(60)는 가스쿨러(30)와 동일한 구성으로 이루어져 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 인터쿨러와 가스쿨러와 열교환하도록 하나의 송풍팬(F)이 설치된다.
상기 인터쿨러(60) 및 가스쿨러(30)는 도 5c에 도시된 바와 같이, 인터쿨러 및 가스쿨러의 열교환관이 공유하는 마이크로 튜브(82), 상기 마이크로 튜브(82) 내부에 삽입된 루버핀(84)으로 고정되어 일체로 형성된다.
도 4에 도시된 바와 같이 이산화탄소 히트펌프 시스템 COP 향상을 위하여 2단 압축기를 적용할 경우, 저압단에서 압축 후 냉매를 중간 냉각하면 고압단에서 토출 냉매의 온도를 저감시킬 수 있고, 압축기의 소비동력을 감소시킬 수 있다. 이를 위해 별도의 냉각장치로 인터쿨러가 필요한데, 열원으로는 외기를 사용하게 되므로 실외기와 유사한 형태를 가지게 된다. 실외기(가스쿨러)에는 고압단의 토출냉매가 냉각되고, 인터쿨러에서는 저압단에서 토출된 냉매를 냉각하여 고압단으로 공급된다.
인터쿨러의 설치 위치가 실외기와 동일하고, 실외기에 인터쿨러를 위한 별도의 공간을 새롭게 확보하기 어려우므로 실외기의 일부를 인터쿨러에 할애하게 하는 것이 바람직하다.
이 경우 실외기는 기존에 비하여 축소된 전면적을 갖게 되며 실외기와 인터쿨러의 면적비를 적절하게 할당하여야 하고, 인터쿨러는 가스쿨러와 대비하여 볼 경우에 체적비가 10-20%로 하는 것이 바람직하고, 합리적인 체적비는 다음으로부터 계산된다.
-다 음-
(1) 실외기(가스쿨러)
실외기가 냉방시 가스쿨러로 작동하는 경우에는 튜브직경, path(회로)수, 핀 간격의 대표적인 6가지 조합의 경우에 대하여 전면적을 변화시켰을 때 필요한 공기의 전면속을 계산하였다.
전면적이 감소하면 열교환면적이 감소하고, 풍량이 감소하므로, 필요한 공기의 전면속은 증가하게 된다.
핀간격이 작을수록 필요한 전면속은 작으며, 튜브직경이 클수록 열전달면적의 증가로 필요한 전면속은 작아지는 경향을 발견할 수 있다. 전면적이 80%인 경우 약 2m/s 정도의 전면속이 필요한 것으로 나타났다.
냉매측 압력손실은 전면적이 클 경우 냉매 유로가 길어지기 때문에 증가하는 경향을 보이며, 예상할 수 있듯이 path(회로)수 증가와 튜브 직경 증가에 따라 작은 압력손실을 보인다.
공기측 압력손실의 경우 전면적이 감소하게 되면 필요 전면속이 증가하므로 증가하는 경향을 보이며, 핀간격이 다른 경우에도 비슷한 압력손실을 보인다. 이는 열전달면적의 차이로 인해 핀간격이 넓을 경우 필요 전면속이 증가하게 되기 때문으로 여겨진다.
(2) 실외기 인터쿨러
실외기의 일부면적을 이용하여 인터쿨러로 사용할 경우의 성능해석을 수행하였다.
인터쿨러의 입구조건이 되는 압축기 저압단의 출구조건은 7500kPa, 80℃로 일정하다고 가정하였다. path(회로)수, 관경, 전면속의 대표적인 경우에 대하여 인터쿨러가 실외기에서 차지하는 전면적의 비를 바꾸어 가며 성능해석을 수행하여 인터쿨러 출구온도, 냉매측 압력손실을 계산해 보았다.
인터쿨러의 면적비가 증가하게 되면 인터쿨러 출구온도를 낮출 수 있으므로, 고압단의 냉매 입구온도가 낮아져 압축기 소비동력을 줄일 수 있다. 그러나 정해진 실외기 면적에서 가스쿨러의 면적이 감소하게 되므로 가스쿨러의 성능저하로 가스쿨러 출구 냉매온도를 증가시켜 성능이 나빠지는 반대 효과도 있게 된다. 따라서 무조건 인터쿨러의 면적비를 높인다고 성능이 좋아지지는 않으며, 가스쿨러 출구온도의 변화에 대한 COP의 민감도(sensitivity)는 1℃당 3%를 보이는 반면, 인터쿨러 출구온도의 변화에 대해선 ℃당 0.2%를 보인다. 상기 실험을 반복한 결과 최대 성능계수를 가지는 최적의 면적비가 존재하며, 약 15%의 인터쿨러 면적비에서 최대 성능계수를 가진다.
인터쿨러 면적비가 15% 이상인 경우 냉매 출구온도를 40℃ 이하로 유지할 수 있는 것을 알 수 있다.
냉매측 압력손실은 면적비가 클수록 냉매유로가 길어지므로 증가하는 경향을 보인다.
본 발명에 있어 상기 가스쿨러(30), 증발기는 도 6a 내지도 6d에 개시된 바와 같이, 유입된 냉매를 수용하는 입구 헤더(32), 상기 입구 헤더에서 분기되는 다수개의 분지관(34)로 이루어진 분배부, 상기 분배부에서 분배된 가스가 유입되는 열교환부재(36)로 이루어지되, 상기 열교환부재는 루버핀(미도시), 상기 루버핀 사이에 장착되는 열교환 파이프(36a), 상기 열교환 파이프를 통해 열교환된 냉매가 모여 다음 공정으로 이동되는 출구 헤더(38)를 포함하여 이루어지고, 상기 가스쿨러, 증발기의 분배부는 고압의 냉매가 균등히 분배되도록 입구 헤더에서 별도의 분배관으로 이루어지되, 상기 분배관은 일정간격으로 이격 형성되어 있다.
또한, 상기 분배관은 고압 냉매의 흐름을 원활히 하기 위하여 1단 절곡 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 분배부 형상을 개선하고, 분배기로부터 각 path(회로)간의 분배관의 길이를 최대한 동일하게 분배부를 설치하였으며, 냉매 분배관 내의 압력손실 분균일에 의한 영향을 최소화하기 위해 열교환기를 4 path(회로)에서 3 path(회로) 변경한 것을 추가하여 분배 성능 실험의 기준을 증발기의 냉매 유량에 따른 냉매 분배 성능을 기준으로 하여 다음과 같이 시행하였다.
(1) 3path(회로) 26단 증발기의 냉매 유량에 따른 냉매 분배 성능
도 7a 및 도 7b에 도시된 3path(회로) 26단 증발기에서 열교환기 전면의 풍속을 1.75m/s 유지하면서 냉매 유량을 50, 62.5, 75, 82, 90 g/s 로 변화를 주어 분배 성능 실험을 수행하였고, 이때 유량이 75g/s일 때 가장 분배 성능이 좋았으며, 하단부 1번 path(회로)에서 과열구간이 긴 것으로 나타났다. 2번, 3번 path(회로)에는 적절하게 냉매가 분배되고 있는 것으로 여겨진다.
(2) 4path(회로) 열교환기 분배 성능
3path(회로) 열교환기에 적용한 분배부를 4path(회로) 열교환기에 설치하여 분배성능을 실험하였으며, 저유량일 경우 1번과 4번 path(회로)에서 분배 성능이 좋지 않았으나, 유량이 증가하면 분배 성능이 개선됨을 확인할 수 있다.
또한, 4path(회로) 26단 열 교환기의 기준유량(75g/s) 일 때, 전면속을 변화시키며 분배성능을 실험하였으며, 3path(회로)일 경우와 유사하게 1번 path(회로)를 제외하고는 양호한 분배 성능을 보이는 것으로 나타났다.
따라서, 열교환파이프는 3path(회로) 26단 또는 4path(회로) 26단 구조로 하는 것이 바람직하다.
상기 내부열교환기(70)는 도 8a, b에 도시된 것과 같이 이중관 형태의 다관 내지 다관 구조로 이루어지게 하는 것이 바람직하고, 상기와 같이 내부열교환기를 통해 고압 냉매와 저압 냉매가 열교환을 할 경우에는 도 8c와 같이 과냉각 구간의 냉매와 과열 구간의 냉매가 상호 열교환을 하게 된다.
본 발명에서는 도 8a, b에 도시된 것과 같이 이중관 형태의 내부열교환기를 사용하는데, 본 발명의 내부 열교환기는 도 8a에 도시된 것과 같이 고압 냉매가 유입되는 외피관(72), 저압 냉매가 반대로 유입되어 열교환되는 내피관(74), 상기 외피관(72) 및 내피관(74)은 직선으로 연장되는 연장부(76) 및 벤딩부(78)로 이루어지고,
상기 외피관(72)은 내부열교환기(70) 단부에서 수직으로 분기되는 분기파이프(75)를 더 포함하여 이루어지고, 상기 분기파이프(75)와 외피관(72)을 고정하여 주는 고정부재(77)를 포함하여 이루어진다.
상기 외피관(72)의 내부에는 내피관(74)이 삽입되기 위한 적어도 3개 이상의 고정돌기를 포함하도록 사출되고, 상기 고정돌기 사이로 내피관이 삽입된다.
상기 분기파이프(75)와 외피관(72)을 고정해주는 고정부재(77)는 외피관(72) 일정부위 돌출된 돌출관(77a)인 것이 바람직하고, 상기 돌출관(77a)에 분기파이프(75)를 삽입한 후 브레이징 용접하여 제작하는 것이 바람직하다.
도 8b는 다관 형태의 내부열교환기를 도시한 것으로서, 3관 형태라는 것을 제조하고는 도 8a와 동일하다.
상기와 같은 이중관식 내부열교환기는 열교환 방식을 평형류에 비하여 대향류로 하는 것이 열전달 특성에서 유리하고, 열교환기의 길이, 다관형태의 열교환기에서 관의 수가 많을수록 열전달 효과가 상승하나 그에 따른 압력강하가 커지는 문제점이 존재하므로, 일정 간격으로 벤딩부를 형성하는 것이 바람직하고, 시스템의 용량에 맞게 내부 열교환기의 길이 및 관 개수를 선정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 상기 냉동사이클을 도 1 내지 8에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
냉매는 압축기, 가스쿨러, 팽창밸브 그리고 증발기를 순차적으로 통과하면서 차실내로 공급되는 외기와 열교환을 수행하게 되는바, 먼저 압축기에서는 기체 상태의 냉매를 액화되기 쉬운 고온,고압의 기체 상태로 2단 압축하며, 이단 압축공정 중에 냉매는 가스쿨러와 일체로 형성된 인터쿨러에서 중간 냉각된다. 2단 압축공정을 거친 냉매는 가스쿨러를 통과하면서 초임계상태에서 열을 방출하고, 본 발명의 내부열교환기의 외피관을 통과한 후 팽창밸브로 유동하게 된다.
여기서 압축기를 통과한 고온의 냉매를 이용하여 급탕을 하고자 할 경우에는 다관 열교환부를 구비한 급탕 열교환기를 사용하여 고온의 냉매와 열교환하면서 물을 데워서 사용하는 것이다.
여기서 상기 냉매는 가스쿨러를 거치면서 액체 상태로 상변화되어 팽창밸브로 유입되는 것이다. 계속해서, 액체 상태로 상변화된 냉매는 팽창밸브의 교축 작용에 의해 저온,저압의 습포화 증기 상태로 변화되어 증발기로 유입되고, 증발기로 유입된 냉매는 주변의 공기로부터 증발에 필요한 열(증발잠열)을 흡수하여 스스로 증발함 과 아울러 기체 상태로 변화한 다음 본 발명의 내부열교환기의 저압의 내피관을 통과하면서 고압의 외피관을 통과하는 냉매와 상호 열교환된 후, 압축기로 유입되는 사이클을 반복적으로 수행하게 된다.
즉, 가스쿨러에서 토출된 냉매는 증발기에서 토출된 냉매에 열을 발산하여 냉각되고, 본 발명의 내부열교환기에서 냉각된 냉매는 완전한 액체상태가 되어 팽창밸브로 유입되어 감압팽창된다.
또한, 증발기에서 증발된 냉매는 가스쿨러에서 토출된 냉매와 본 발명의 내 부열교환기에서 상호 열교환에 의해 가열되어 압축기로 복귀하게 된다.
따라서, 가스쿨러에서 토출된 냉매를 본 발명의 내부열교환기에서 과냉시켜 완전한 액체상태의 냉매를 팽창밸브로 유입시킴으로써 팽창밸브의 오작동을 방지하게 되어 에어컨 시스템이 불안정해지는 문제를 예방할 수가 있다.
또한, 증발기에서 냉매의 증발이 원활하게 이루어지지 않아 냉매의 건도가 낮은 상태로 토출 된다고 하더라도 본 발명의 내부열교환기를 통과 하면서 가스쿨러에서 토출된 냉매와 상호 열교환하여 재차 가열되어 건도가 향상된 상태로 압축기로 유입됨으로써, 압축기의 수명을 연장할 수 있음과 동시에 에어컨의 냉방성능 및 효율 또한 증가시킬 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 고압 냉매시스템을 반대방향으로 회전하면 고압 히팅 시스템이 형성되는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
본 발명의 냉방시의 냉매시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 가변용량 압축기(10)와, 압축기를 나온 고온의 냉매와 열교환하기 위한 급탕 열교환기(20) , 이 급탕 열교환기의 토출구로부터 토출된 이산화탄소를 냉각시키는 가스쿨러(30)와, 상기 가스쿨러에 의해 냉각된 냉매를 팽창시켜 증발잠열을 흡수하는 증발기(50)와, 상기 가스쿨러와 증발기 사이의 연결관에 설치된 가변식 팽창밸브(40)와, 가스쿨러 출구측 냉매와 증발기 출구측 냉매를 열교환시키는 내부열교환기(70), 상기 압축기로부터 토출된 냉매의 흐름을 제어하는 적어도 하나 이상의 4방변(90)을 포함하여 이루어진다.
상기 가스쿨러(30)와 내부 열교환기(70) 사이에는 체크밸브(42)가 더 장착되어 냉매의 역류를 방지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 압축기(10)로부터 토출된 냉매의 흐름을 제어하는 4방변(90)은 가스쿨러(30)와 압축기(10), 증발기(50)와 압축기(10) 사이에 설치되고, 상기 4방변(90)의 경우에는 실내 열교환기의 동일한 개수로 설치되고, 4방변은 상기 압축기로부터 토출된 냉매가 가스쿨러로 유동되게 한다.
상기 4방변(90)은 압축기 및 실외기를 추가적으로 구비하지 않고도 실내 열교환기(건조기)가 각각 냉방 또는 난방 운전을 개별적으로 할 수 있는 효과가 있다.
도 2는 본 발명에 의한 급탕 열교환기의 조립사시도이고, 도 2b는 도 2a의 분해사시도이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 급탕열교환기(20)는 냉매가 이동하는 냉매관(22), 상기 냉매와 열교환하는 물 입출구가 형성된 열교환부(24), 상기 냉매관(22)과 열교환부(24)를 분리하는 분리 케이싱(26)을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 의한 냉매관(22)은 분리케이싱(26)을 관통하여 열교환부(24) 전단부까지 연장설치되고, 상기 냉매관(22)과 분리케이싱(26)은 기밀성을 보장하기 위하여 체결부재(28)로 연결된다.
상기 체결부재(28)는 길이 방향으로 일정한 단턱이 형성되어 있으며, 상기 분리케이싱(26)에는 상기 단부와 대등하는 요홈부가 형성되어 있다.
상기 체결부재(28)에는 냉매관(22)이 관통하기 위한 구멍이 형성되어 있으며, 이 구멍을 관통하여 냉매관(22)이 삽입 설치된다.
상기 체결부재(28)와 분리케이싱(26)은 용접에 의하여 기밀성을 보장하는데, 기밀성을 보장하기 위한 방법으로는 본 발명에서는 도시하지는 않았지만 패킹을 삽입한 후 나사 볼트 체결방식으로 하는 것도 가능하다.
상기 분리케이싱(26)은 냉매와 물이 최초로 열교환되는 부분으로서, 분리케이싱(26)은 입구 및 출구가 각각 형성되어 있으며, 상기 분리케이싱(26) 내부에는 물이 열교환하기 위하여 열교환부(24)의 다관 열교환파이프가 삽입 설치된다. 상기 분리케이싱(26)의 입구를 통과한 물은 분리케이싱(26) 내의 공간부로 유입되어 냉매관(22)을 흐르는 냉매와 최초로 열교환되고, 상기 1차적으로 열교환된 물은 다관 열교환 파이프로 분배되어 공급되면서 열교환부(24)의 열교환파이프에서 2차적으로 열교환된다.
상기 열교환부(24)의 전단부 내지 후단부에는 다관의 열교환 파이프 및 냉매관을 고정하기 위한 고정수단(24a)이 장착되는데, 상기 고정수단(24a)은 열교환부(24)의 내면 형상과 동일하게 형성되어 열교환부(24)의 내면에 밀착되게 장착되고, 상기 다관의 열교환 파이프가 관통되는 관통구멍(24b)이 형성된다.
상기 냉매관(22)은 분리케이싱(26)을 관통하고, 상술한 바와 같이 고정수단(24a)의 중앙에 형성된 관통구멍(24b)에 고정된다. 상기 고정수단(24a)의 관통구멍(24b)을 관통한 냉매관(22)은 일정길이방향으로 일정부분 연장 설치된 이후에는 냉매가 직접 열교환부(24)에서 다관의 열교환파이프에서 열교환된다.
상기 냉매관(22)이 직접 열교환부(24)에서 열교환하는 부분에는 열교환부(24)의 내주면이 감소되고, 상기 열교환부(24)의 일단부와 타단부 소정의 위치에는 압력 상승에 의한 과부하 현상을 방지하기 위한 비스듬히 경사가 형성된 압력상승방지부(29)가 형성되어 있다. 냉매가 열교환부(24)에 들어가 열교환할 때 단면적이 급격히 감소하게 되고, 단면적 감소에 따른 급 압력상승을 방지하기 위하여 길이방향으로 상광 하협의 경사가 형성된 압력상승방지부(29)를 형성하는 것이다.
도 4는 도 1에서 도시되지 않은 인터쿨링 과정을 도입하고 있으며, 압축기(10)는 도 4에 도시된 바와 같이 냉매를 2단 압축하는 2단 압축기로 이루어져 있고, 또한 1단 압축시의 냉매를 냉각하는 인터쿨러(60)를 포함하여 이루어진다.
도 4에 도시된 냉매시스템은 증발기를 거친 냉매가 제1단 압축기를 거치고, 상기 1단 압축기를 거친 냉매는 인터쿨러(60)를 거쳐 중간 냉각되고, 상기 인터쿨러를 거친 냉매는 2단 압축기를 거쳐 가스쿨러(30)를 거치게 된다.
상기 인터쿨러(60)는 가스쿨러(30)에 일체형으로 형성되어 있으며, 상기 인터쿨러와 가스쿨러가 일체형으로 형성되는 방식은 도 5a, 도 5b에 도시되어 있다.
도 5a에는 인터쿨러(60)를 가스쿨러(30)에 길이방향으로 일체로 형성한 상태를 도시하고 있으며, 도 5b는 인터쿨러(60)가 가스쿨러(30)의 단부의 일정부분에 겹치게 형성된 상태를 도시하고 있다.
도 5b에 도시된 겹침상태의 열교환기 형태의 경우에는 가스쿨러 및 인터쿨러는 상호간 바람에 의하여 서로 간섭을 받기 때문에 도 5a에 도시된 수평상태의 열교환기를 채택하는 것이 바람직하다.
또한, 도 5a 및 도 5b에 도시된 가스쿨러의 경우에는 도 6에 도시된 바와 같이, 유입된 냉매를 수용하는 헤더(32), 상기 입구 헤더(32)에서 분기되는 다수개의 분지관(34)으로 이루어진 분배부, 상기 분배부에서 분배된 가스가 유입되는 열교환부재(36)로 이루어지되, 상기 열교환부재(36)는 루버핀, 상기 루버핀 사이에 장착되는 열교환 파이프, 상기 열교환 파이프를 통해 열교환된 냉매가 모여 다음 공정으로 이동되는 출구 헤더(38)를 포함하여 이루어져 있다.
상기 가스쿨러(30)의 분배부는 고압의 냉매가 균등히 분배되도록 입구 헤더에서 별도의 분배관으로 이루어지되, 상기 분배관은 일정간격으로 이격 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 증발기의 구성은 가스쿨러의 구성과 동일하다.
상기 인터쿨러(60)는 가스쿨러(30)와 동일한 구성으로 이루어져 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 인터쿨러와 가스쿨러와 열교환하도록 하나의 송풍팬(F)이 설치된다.
상기 인터쿨러(60) 및 가스쿨러(30)는 도 5c에 도시된 바와 같이, 인터쿨러 및 가스쿨러의 열교환관이 공유하는 마이크로 튜브(82), 상기 마이크로 튜브(82) 내부에 삽입된 루버핀(84)으로 고정되어 일체로 형성된다.
도 4에 도시된 바와 같이 이산화탄소 히트펌프 시스템 COP 향상을 위하여 2단 압축기를 적용할 경우, 저압단에서 압축 후 냉매를 중간 냉각하면 고압단에서 토출 냉매의 온도를 저감시킬 수 있고, 압축기의 소비동력을 감소시킬 수 있다. 이를 위해 별도의 냉각장치로 인터쿨러가 필요한데, 열원으로는 외기를 사용하게 되므로 실외기와 유사한 형태를 가지게 된다. 실외기(가스쿨러)에는 고압단의 토출냉매가 냉각되고, 인터쿨러에서는 저압단에서 토출된 냉매를 냉각하여 고압단으로 공급된다.
인터쿨러의 설치 위치가 실외기와 동일하고, 실외기에 인터쿨러를 위한 별도의 공간을 새롭게 확보하기 어려우므로 실외기의 일부를 인터쿨러에 할애하게 하는 것이 바람직하다.
이 경우 실외기는 기존에 비하여 축소된 전면적을 갖게 되며 실외기와 인터쿨러의 면적비를 적절하게 할당하여야 하고, 인터쿨러는 가스쿨러와 대비하여 볼 경우에 체적비가 10-20%로 하는 것이 바람직하고, 합리적인 체적비는 다음으로부터 계산된다.
-다 음-
(1) 실외기(가스쿨러)
실외기가 냉방시 가스쿨러로 작동하는 경우에는 튜브직경, path(회로)수, 핀 간격의 대표적인 6가지 조합의 경우에 대하여 전면적을 변화시켰을 때 필요한 공기의 전면속을 계산하였다.
전면적이 감소하면 열교환면적이 감소하고, 풍량이 감소하므로, 필요한 공기의 전면속은 증가하게 된다.
핀간격이 작을수록 필요한 전면속은 작으며, 튜브직경이 클수록 열전달면적의 증가로 필요한 전면속은 작아지는 경향을 발견할 수 있다. 전면적이 80%인 경우 약 2m/s 정도의 전면속이 필요한 것으로 나타났다.
냉매측 압력손실은 전면적이 클 경우 냉매 유로가 길어지기 때문에 증가하는 경향을 보이며, 예상할 수 있듯이 path(회로)수 증가와 튜브 직경 증가에 따라 작은 압력손실을 보인다.
공기측 압력손실의 경우 전면적이 감소하게 되면 필요 전면속이 증가하므로 증가하는 경향을 보이며, 핀간격이 다른 경우에도 비슷한 압력손실을 보인다. 이는 열전달면적의 차이로 인해 핀간격이 넓을 경우 필요 전면속이 증가하게 되기 때문으로 여겨진다.
(2) 실외기 인터쿨러
실외기의 일부면적을 이용하여 인터쿨러로 사용할 경우의 성능해석을 수행하였다.
인터쿨러의 입구조건이 되는 압축기 저압단의 출구조건은 7500kPa, 80℃로 일정하다고 가정하였다. path(회로)수, 관경, 전면속의 대표적인 경우에 대하여 인터쿨러가 실외기에서 차지하는 전면적의 비를 바꾸어 가며 성능해석을 수행하여 인터쿨러 출구온도, 냉매측 압력손실을 계산해 보았다.
인터쿨러의 면적비가 증가하게 되면 인터쿨러 출구온도를 낮출 수 있으므로, 고압단의 냉매 입구온도가 낮아져 압축기 소비동력을 줄일 수 있다. 그러나 정해진 실외기 면적에서 가스쿨러의 면적이 감소하게 되므로 가스쿨러의 성능저하로 가스쿨러 출구 냉매온도를 증가시켜 성능이 나빠지는 반대 효과도 있게 된다. 따라서 무조건 인터쿨러의 면적비를 높인다고 성능이 좋아지지는 않으며, 가스쿨러 출구온도의 변화에 대한 COP의 민감도(sensitivity)는 1℃당 3%를 보이는 반면, 인터쿨러 출구온도의 변화에 대해선 ℃당 0.2%를 보인다. 상기 실험을 반복한 결과 최대 성능계수를 가지는 최적의 면적비가 존재하며, 약 15%의 인터쿨러 면적비에서 최대 성능계수를 가진다.
인터쿨러 면적비가 15% 이상인 경우 냉매 출구온도를 40℃ 이하로 유지할 수 있는 것을 알 수 있다.
냉매측 압력손실은 면적비가 클수록 냉매유로가 길어지므로 증가하는 경향을 보인다.
본 발명에 있어 상기 가스쿨러(30), 증발기는 도 6a 내지도 6d에 개시된 바와 같이, 유입된 냉매를 수용하는 입구 헤더(32), 상기 입구 헤더에서 분기되는 다수개의 분지관(34)로 이루어진 분배부, 상기 분배부에서 분배된 가스가 유입되는 열교환부재(36)로 이루어지되, 상기 열교환부재는 루버핀(미도시), 상기 루버핀 사이에 장착되는 열교환 파이프(36a), 상기 열교환 파이프를 통해 열교환된 냉매가 모여 다음 공정으로 이동되는 출구 헤더(38)를 포함하여 이루어지고, 상기 가스쿨러, 증발기의 분배부는 고압의 냉매가 균등히 분배되도록 입구 헤더에서 별도의 분배관으로 이루어지되, 상기 분배관은 일정간격으로 이격 형성되어 있다.
또한, 상기 분배관은 고압 냉매의 흐름을 원활히 하기 위하여 1단 절곡 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 분배부 형상을 개선하고, 분배기로부터 각 path(회로)간의 분배관의 길이를 최대한 동일하게 분배부를 설치하였으며, 냉매 분배관 내의 압력손실 분균일에 의한 영향을 최소화하기 위해 열교환기를 4 path(회로)에서 3 path(회로) 변경한 것을 추가하여 분배 성능 실험의 기준을 증발기의 냉매 유량에 따른 냉매 분배 성능을 기준으로 하여 다음과 같이 시행하였다.
(1) 3path(회로) 26단 증발기의 냉매 유량에 따른 냉매 분배 성능
도 7a 및 도 7b에 도시된 3path(회로) 26단 증발기에서 열교환기 전면의 풍속을 1.75m/s 유지하면서 냉매 유량을 50, 62.5, 75, 82, 90 g/s 로 변화를 주어 분배 성능 실험을 수행하였고, 이때 유량이 75g/s일 때 가장 분배 성능이 좋았으며, 하단부 1번 path(회로)에서 과열구간이 긴 것으로 나타났다. 2번, 3번 path(회로)에는 적절하게 냉매가 분배되고 있는 것으로 여겨진다.
(2) 4path(회로) 열교환기 분배 성능
3path(회로) 열교환기에 적용한 분배부를 4path(회로) 열교환기에 설치하여 분배성능을 실험하였으며, 저유량일 경우 1번과 4번 path(회로)에서 분배 성능이 좋지 않았으나, 유량이 증가하면 분배 성능이 개선됨을 확인할 수 있다.
또한, 4path(회로) 26단 열 교환기의 기준유량(75g/s) 일 때, 전면속을 변화시키며 분배성능을 실험하였으며, 3path(회로)일 경우와 유사하게 1번 path(회로)를 제외하고는 양호한 분배 성능을 보이는 것으로 나타났다.
따라서, 열교환파이프는 3path(회로) 26단 또는 4path(회로) 26단 구조로 하는 것이 바람직하다.
상기 내부열교환기(70)는 도 8a, b에 도시된 것과 같이 이중관 형태의 다관 내지 다관 구조로 이루어지게 하는 것이 바람직하고, 상기와 같이 내부열교환기를 통해 고압 냉매와 저압 냉매가 열교환을 할 경우에는 도 8c와 같이 과냉각 구간의 냉매와 과열 구간의 냉매가 상호 열교환을 하게 된다.
본 발명에서는 도 8a, b에 도시된 것과 같이 이중관 형태의 내부열교환기를 사용하는데, 본 발명의 내부 열교환기는 도 8a에 도시된 것과 같이 고압 냉매가 유입되는 외피관(72), 저압 냉매가 반대로 유입되어 열교환되는 내피관(74), 상기 외피관(72) 및 내피관(74)은 직선으로 연장되는 연장부(76) 및 벤딩부(78)로 이루어지고,
상기 외피관(72)은 내부열교환기(70) 단부에서 수직으로 분기되는 분기파이프(75)를 더 포함하여 이루어지고, 상기 분기파이프(75)와 외피관(72)을 고정하여 주는 고정부재(77)를 포함하여 이루어진다.
상기 외피관(72)의 내부에는 내피관(74)이 삽입되기 위한 적어도 3개 이상의 고정돌기를 포함하도록 사출되고, 상기 고정돌기 사이로 내피관이 삽입된다.
상기 분기파이프(75)와 외피관(72)을 고정해주는 고정부재(77)는 외피관(72) 일정부위 돌출된 돌출관(77a)인 것이 바람직하고, 상기 돌출관(77a)에 분기파이프(75)를 삽입한 후 브레이징 용접하여 제작하는 것이 바람직하다.
도 8b는 다관 형태의 내부열교환기를 도시한 것으로서, 3관 형태라는 것을 제조하고는 도 8a와 동일하다.
상기와 같은 이중관식 내부열교환기는 열교환 방식을 평형류에 비하여 대향류로 하는 것이 열전달 특성에서 유리하고, 열교환기의 길이, 다관형태의 열교환기에서 관의 수가 많을수록 열전달 효과가 상승하나 그에 따른 압력강하가 커지는 문제점이 존재하므로, 일정 간격으로 벤딩부를 형성하는 것이 바람직하고, 시스템의 용량에 맞게 내부 열교환기의 길이 및 관 개수를 선정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 상기 냉동사이클을 도 1 내지 8에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
냉매는 압축기, 가스쿨러, 팽창밸브 그리고 증발기를 순차적으로 통과하면서 차실내로 공급되는 외기와 열교환을 수행하게 되는바, 먼저 압축기에서는 기체 상태의 냉매를 액화되기 쉬운 고온,고압의 기체 상태로 2단 압축하며, 이단 압축공정 중에 냉매는 가스쿨러와 일체로 형성된 인터쿨러에서 중간 냉각된다. 2단 압축공정을 거친 냉매는 가스쿨러를 통과하면서 초임계상태에서 열을 방출하고, 본 발명의 내부열교환기의 외피관을 통과한 후 팽창밸브로 유동하게 된다.
여기서 압축기를 통과한 고온의 냉매를 이용하여 급탕을 하고자 할 경우에는 다관 열교환부를 구비한 급탕 열교환기를 사용하여 고온의 냉매와 열교환하면서 물을 데워서 사용하는 것이다.
여기서 상기 냉매는 가스쿨러를 거치면서 액체 상태로 상변화되어 팽창밸브로 유입되는 것이다. 계속해서, 액체 상태로 상변화된 냉매는 팽창밸브의 교축 작용에 의해 저온,저압의 습포화 증기 상태로 변화되어 증발기로 유입되고, 증발기로 유입된 냉매는 주변의 공기로부터 증발에 필요한 열(증발잠열)을 흡수하여 스스로 증발함 과 아울러 기체 상태로 변화한 다음 본 발명의 내부열교환기의 저압의 내피관을 통과하면서 고압의 외피관을 통과하는 냉매와 상호 열교환된 후, 압축기로 유입되는 사이클을 반복적으로 수행하게 된다.
즉, 가스쿨러에서 토출된 냉매는 증발기에서 토출된 냉매에 열을 발산하여 냉각되고, 본 발명의 내부열교환기에서 냉각된 냉매는 완전한 액체상태가 되어 팽창밸브로 유입되어 감압팽창된다.
또한, 증발기에서 증발된 냉매는 가스쿨러에서 토출된 냉매와 본 발명의 내 부열교환기에서 상호 열교환에 의해 가열되어 압축기로 복귀하게 된다.
따라서, 가스쿨러에서 토출된 냉매를 본 발명의 내부열교환기에서 과냉시켜 완전한 액체상태의 냉매를 팽창밸브로 유입시킴으로써 팽창밸브의 오작동을 방지하게 되어 에어컨 시스템이 불안정해지는 문제를 예방할 수가 있다.
또한, 증발기에서 냉매의 증발이 원활하게 이루어지지 않아 냉매의 건도가 낮은 상태로 토출 된다고 하더라도 본 발명의 내부열교환기를 통과 하면서 가스쿨러에서 토출된 냉매와 상호 열교환하여 재차 가열되어 건도가 향상된 상태로 압축기로 유입됨으로써, 압축기의 수명을 연장할 수 있음과 동시에 에어컨의 냉방성능 및 효율 또한 증가시킬 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 고압 냉매시스템을 반대방향으로 회전하면 고압 히팅 시스템이 형성되는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 고압 냉매시스템의 전체적인 개념도.
도 2a는 본 발명에 의한 급탕 열교환기의 조립사시도, 도 2b는 도 2a의 분해사시도.
도 3은 도 2에 도시된 급탕 열교환기의 단면도.
도 4는 도 1의 시스템에 2단 압축 및 중간 냉각 과정을 도입한 개념도.
도 5a에는 인터쿨러를 가스쿨러에 길이방향으로 일체로 형성한 상태를 나타낸 도이고, 도 5b는 인터쿨러가 가스쿨러의 단부의 일정부분에 겹치게 형성된 상태를 도이고, 도 5c는 인터쿨러와 가스쿨러가 일체로 형성된 상태를 나타내는 도.
도 6a는 가스쿨러 도면, 도 6b는 또 다른 실시예의 가스쿨러 도면, 도 6c는 증발기 도면, 도 6d는 또 다른 실시예의 증발기 도면.
도 7a는 분배 성능 실험에 사용된 열교환기 및 분배기의 측면도, 도 7b는 분배 성능 실험에 사용된 열교환기 및 분배기의 평면도.
도 8은 내부열교환기의 사시도 및 단면도로서, 도 8a는 이중관 형태의 단관 내부열교환기를 나타내는 도면이고, 도 8b는 다관 내부 열교환기를 나타내는 도면이고, 도 8c는 고압 냉매와 저압 냉매가 내부열교환기를 통하여 열교환할 경우의 PH선도.
*도면의 주요 부호에 대한 설명*
100: 냉매시스템 10: 압축기
20: 급탕 열교환기 22: 냉매관
24: 열교환부 24a: 고정수단
24b: 관통구멍 26: 분리케이싱
28: 체결부재 29: 압력상승방지부
30: 가스쿨러 32: 헤더
34: 분기관 36: 열교환부재
36a: 열교환파이프 38: 출구헤더
40: 팽창밸브 50: 증발기
60: 인터쿨러 70: 내부열교환기
72: 외피관 74: 내피관
75: 분기파이프 76: 연장부
77: 고정부재 77a: 돌출관
78: 벤딩부 82: 마이크로튜브
84: 루버핀 90: 4방변
F: 송풍팬
도 2a는 본 발명에 의한 급탕 열교환기의 조립사시도, 도 2b는 도 2a의 분해사시도.
도 3은 도 2에 도시된 급탕 열교환기의 단면도.
도 4는 도 1의 시스템에 2단 압축 및 중간 냉각 과정을 도입한 개념도.
도 5a에는 인터쿨러를 가스쿨러에 길이방향으로 일체로 형성한 상태를 나타낸 도이고, 도 5b는 인터쿨러가 가스쿨러의 단부의 일정부분에 겹치게 형성된 상태를 도이고, 도 5c는 인터쿨러와 가스쿨러가 일체로 형성된 상태를 나타내는 도.
도 6a는 가스쿨러 도면, 도 6b는 또 다른 실시예의 가스쿨러 도면, 도 6c는 증발기 도면, 도 6d는 또 다른 실시예의 증발기 도면.
도 7a는 분배 성능 실험에 사용된 열교환기 및 분배기의 측면도, 도 7b는 분배 성능 실험에 사용된 열교환기 및 분배기의 평면도.
도 8은 내부열교환기의 사시도 및 단면도로서, 도 8a는 이중관 형태의 단관 내부열교환기를 나타내는 도면이고, 도 8b는 다관 내부 열교환기를 나타내는 도면이고, 도 8c는 고압 냉매와 저압 냉매가 내부열교환기를 통하여 열교환할 경우의 PH선도.
*도면의 주요 부호에 대한 설명*
100: 냉매시스템 10: 압축기
20: 급탕 열교환기 22: 냉매관
24: 열교환부 24a: 고정수단
24b: 관통구멍 26: 분리케이싱
28: 체결부재 29: 압력상승방지부
30: 가스쿨러 32: 헤더
34: 분기관 36: 열교환부재
36a: 열교환파이프 38: 출구헤더
40: 팽창밸브 50: 증발기
60: 인터쿨러 70: 내부열교환기
72: 외피관 74: 내피관
75: 분기파이프 76: 연장부
77: 고정부재 77a: 돌출관
78: 벤딩부 82: 마이크로튜브
84: 루버핀 90: 4방변
F: 송풍팬
Claims (11)
- 가변용량 압축기와, 이 압축기의 토출구로부터 토출된 이산화탄소를 냉각시키는 가스쿨러와, 상기 가스쿨러에 의해 냉각된 냉매를 팽창시켜 증발잠열을 흡수하는 증발기와, 상기 가스쿨러와 증발기 사이의 연결관에 설치된 가변식 팽창밸브와, 가스쿨러 출구측 냉매와 증발기 출구측 냉매를 열교환시키는 내부열교환기를 포함하여 이루어진 고압 냉매시스템에 있어서,상기 압축기를 나온 고온의 냉매를 급탕용으로 사용하기 위한 급탕열교환기를 더 구비하되,상기 급탕열교환기는 냉매가 이동하는 냉매관, 상기 냉매와 열교환하는 물 입출구가 형성된 열교환부, 상기 냉매관과 열교환부를 분리하는 분리 케이싱을 포함하여 이루어지고,상기 내부열교환기는 고압 냉매가 유입되는 외피관, 저압 냉매가 반대로 유입되어 열교환되는 내피관, 상기 내피관 및 내피관은 직선으로 연장되는 연장부 및 벤딩부를 포함하여 이루어지고,상기 외피관은 내부열교환기 단부에서 수직으로 분기되는 분기파이프를 더 포함하여 이루어지고, 상기 분기파이프와 외피관을 고정하여 주는 고정부재로 이루어지고,상기 외피관의 내부에는 내피관이 삽입되기 위한 3개 이상의 고정돌기가 형성되어 있고, 상기 고정돌기 사이로 내피관이 삽입되고,상기 고정부재는 외피관의 일정부위에서 돌출된 돌출관이고, 상기 돌출관에 분기파이프가 삽입 설치되고,상기 분리케이싱과 냉매관은 체결부재로 결합되고,상기 분리케이싱은 입구 및 출구가 각각 형성되어 있으며, 상기 분리케이싱 내부에는 물이 열교환하기 위하여 열교환부의 다관 열교환파이프가 삽입 설치되어,상기 분리케이싱의 입구를 통과한 물은 분리케이싱 내의 공간부로 유입되어 냉매관을 흐르는 냉매와 최초로 열교환되고, 상기 1차적으로 열교환된 물은 다관 열교환 파이프로 분배되어 공급되면서 열교환부의 열교환파이프에서 2차적으로 열교환되고,상기 열교환부의 전단 및 후단에는 상기 열교환파이프 및 냉매관을 고정하기 위한 고정수단이 장착되고,상기 고정수단은 열교환부의 내주면에 밀착되도록 형성되고, 열교환파이프가 관통되는 관통구멍이 형성되고,상기 냉매관은 분리 케이싱 내를 관통하여 열교환부까지 연장 삽입된 것을 특징으로 하는 다관 열교환부형 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템.
- 제1항에 있어서,상기 가스쿨러는 유입된 냉매를 수용하는 헤더, 상기 입구 헤더에서 분기되는 다수개의 분지관으로 이루어진 분배부, 상기 분배부에서 분배된 가스가 유입되는 열교환부재로 이루어지고,상기 열교환부재는 루버핀, 상기 루버핀 사이에 장착되는 열교환 파이프, 상기 열교환 파이프를 통해 열교환된 냉매가 모여 다음 공정으로 이동되는 출구 헤더를 포함하여 이루어져 있고,상기 분배부는 고압의 냉매가 균등히 분배되도록 입구 헤더에서 별도의 분배관으로 이루어지고, 상기 분배관은 일정간격으로 이격 형성되고, 상기 분배관은 고압 냉매의 흐름을 원활히 하기 위하여 1단 절곡 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다관 열교환부형 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 열교환부의 일단부와 타단부에는 상기 열교환부(24)의 일단부와 타단부 소정의 위치에는 압력 상승에 의한 과부하 현상을 방지하기 위한 비스듬히 경사가 형성된 압력상승방지부를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다관 열교환부형 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템.
- 제1항 또는 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 압축기는 제1단 압축기 및 제2단 압축기로 이루어지고, 상기 제1단 압축기에서 압축된 냉매는 인터쿨러에 의하여 1차 냉각되고, 1차 냉각된 냉매는 제2단 압축기에서 2차로 압축되고, 상기 인터쿨러는 가스쿨러에 일체로 형성되고, 상기 인터쿨러는 가스쿨러 전면적의 10-20%가 되도록 설계된 것을 특징으로 하는 다관 열교환부형 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템.
- 삭제
- 제1항 또는 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 압축기로부터 토출된 냉매의 흐름을 제어하는 적어도 하나 이상의 4방변이 더 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 다관 열교환부형 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템.
- 제1항 또는 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 가스쿨러와 내부 열교환기 사이에는 체크밸브가 더 장착되어 냉매의 역류를 방지하는 것을 특징으로 하는 다관 열교환부형 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020070068354A KR100882525B1 (ko) | 2007-07-06 | 2007-07-06 | 다관 열교환부형 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020070068354A KR100882525B1 (ko) | 2007-07-06 | 2007-07-06 | 다관 열교환부형 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템 |
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|---|---|
| KR20090004273A KR20090004273A (ko) | 2009-01-12 |
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|---|---|---|---|
| KR1020070068354A KR100882525B1 (ko) | 2007-07-06 | 2007-07-06 | 다관 열교환부형 급탕 열교환기를 구비한 고압 냉매시스템 |
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|---|---|
| KR (1) | KR100882525B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101606270B1 (ko) * | 2014-07-07 | 2016-03-24 | 엘지전자 주식회사 | 과냉각기와 이를 구비한 공기조화기 |
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|---|---|---|---|---|
| KR102074780B1 (ko) * | 2017-06-26 | 2020-02-07 | 엘지전자 주식회사 | 냉동시스템 |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JPS574684U (ko) * | 1980-06-07 | 1982-01-11 | ||
| JP2005106405A (ja) * | 2003-09-30 | 2005-04-21 | Sanyo Electric Co Ltd | 熱交換器及びそれを用いた冷媒サイクル装置 |
| KR20050074066A (ko) * | 2004-01-13 | 2005-07-18 | 삼성전자주식회사 | 냉난방시스템 |
-
2007
- 2007-07-06 KR KR1020070068354A patent/KR100882525B1/ko active IP Right Grant
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| KR101606270B1 (ko) * | 2014-07-07 | 2016-03-24 | 엘지전자 주식회사 | 과냉각기와 이를 구비한 공기조화기 |
| US9797658B2 (en) | 2014-07-07 | 2017-10-24 | Lg Electronics Inc. | Subcooler and air conditioner including the same |
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