KR101109634B1 - 열교환기 내장형 어큐뮬레이터 - Google Patents

열교환기 내장형 어큐뮬레이터 Download PDF

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KR101109634B1
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refrigerant
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김무근
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인제대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 열교환기 내장형 어큐뮬레이터에 관한 것으로, 본 발명의 열교환기 내장형 어큐뮬레이터은, 어큐뮬레이터 하우징과; 상기 어큐뮬레이터 하우징 내부에 설치되며 상단부와 하단부가 개방되게 형성된 원통형의 몸체와, 상기 몸체 내측에 서로 연결되게 형성되며 상하 방향으로 개방되게 형성된 다각형의 횡단면을 갖는 하니컴(honeycomb) 형태의 열전달체와, 상기 열전달체를 상하방향으로 관통하도록 설치되며 냉매가 유동하는 복수개의 관의 외면이 접촉되게 삽입되는 복수개의 관삽입구를 구비한 금속 재질의 열교환기와; 상기 열교환기의 관삽입구에 'U' 형태로 삽입 결합되며, 냉각사이클의 응축기로부터 공급된 고압의 냉매가 유동하는 고압측 냉매관과; 상기 어큐뮬레이터 하우징의 하부를 통해 삽입되어 상기 열교환기의 관삽입구를 관통하며, 상단부가 개방되게 형성되어 냉각사이클의 증발기로부터 공급되는 저압의 냉매를 어큐뮬레이터 하우징 내부로 토출하는 저압측 냉매관과; 상단부가 상기 열교환기의 상측에서 개방되게 형성되며, 상기 열교환기의 관삽입구에 삽입되어 상기 어큐뮬레이터 하우징 내의 냉매가스를의 압축기로 안내하는 냉각가스 배출관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기 내장형 어큐뮬레이터{Accumulator Embedded with Honeycomb Type Heat Exchanger}
본 발명은 어큐뮬레이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 응축기를 통과한 고압측 냉매를 어큐뮬레이터를 통과시켜 저압측 냉매와 열교환시킴으로써 액상 냉매의 기화를 촉진하여 기상의 냉매 가스만이 압축기로 유도될 수 있도록 하는 열교환기 내장형 어큐뮬레이터에 관한 것이다.
이산화탄소 등을 냉매로 하는 초임계 증기 압축식 냉동 사이클에 있어서, 냉방 능력을 증대시키기 위한 목적이나, 압축기에 의한 액 압축을 방지하기 위한 목적으로 응축기를 거친 고압 냉매와 압축기에 흡입되는 저압 냉매를 열교환시키는 보조 열교환기를 사용하는 방안이 마련되고 있다.
이와 같은 보조 열교환기를 냉각시스템에 추가로 설치하게 되면, 냉각시스템의 배관의 복잡화에 따른 조립 작업의 어려움, 냉각시스템의 대형화, 적재성 불량 등의 문제가 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 보조 열교환기를 어큐뮬레이터 내에 설치되는 열교환기 내장형 어큐뮬레이터(AHE: Accumulator Heat Exchanger)가 제안되고 있다.
종래에 제안된 열교환기 내장형 어큐뮬레이터들의 대부분은 저압 냉매가 유동하는 관과 고압 냉매가 유동하는 관을 서로 맞접촉시키고, 상기 각 관들의 외면에 판상으로 된 복수개의 휜(fin)을 부착시켜 열교환 면적을 증대시킨 구조로 이루어진다.
그러나, 이러한 구조의 열교환기 내장형 어큐뮬레이터는 냉매 관들 간의 접촉 영역을 통해서만 열전달이 이루어지므로 열교환 효율이 낮은 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로 본 발명의 목적은 열전달 면적을 증대시킴으로써 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 열교환기 내장형 어큐뮬레이터를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 어큐뮬레이터 하우징과; 상기 어큐뮬레이터 하우징 내부에 설치되며 상단부와 하단부가 개방되게 형성된 원통형의 몸체와, 상기 몸체 내측에 서로 연결되게 형성되며 상하 방향으로 개방되게 형성된 다각형의 횡단면을 갖는 하니컴(honeycomb) 형태의 열전달체와, 상기 열전달체를 상하방향으로 관통하도록 설치되며 냉매가 유동하는 복수개의 관의 외면이 접촉되게 삽입되는 복수개의 관삽입구를 구비한 금속 재질의 열교환기와; 상기 열교환기의 관삽입구에 'U' 형태로 삽입 결합되며, 냉각사이클의 응축기로부터 공급된 고압의 냉매가 유동하는 고압측 냉매관과; 상기 어큐뮬레이터 하우징의 하부를 통해 삽입되어 상기 열교환기의 관삽입구를 관통하며, 상단부가 개방되게 형성되어 냉각사이클의 증발기로부터 공급되는 저압의 냉매를 어큐뮬레이터 하우징 내부로 토출하는 저압측 냉매관과; 상단부가 상기 열교환기의 상측에서 개방되게 형성되며, 상기 열교환기의 관삽입구에 삽입되어 상기 어큐뮬레이터 하우징 내의 냉매가스를의 압축기로 안내하는 냉각가스 배출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 내장형 어큐뮬레이터를 제공한다.
본 발명에 따르면, 증발기로부터 보내어진 냉매에 포함된 액상 냉매가 저압측 냉매관을 통과하면서 1차적으로 열교환되어 기화되고, 토출된 후 열교환기의 열전달체 사이를 통과할 때 2차적으로 열교환되어 기화되며, 냉매가스 배출구 내에서 최종적으로 열교환되어 기화된다. 따라서, 냉매가스 배출구를 통해서는 기화된 냉매 가스만이 보내지게 된다.
또한, 고압측 냉매관을 유동하는 고압 냉매가 어큐뮬레이터 내의 열교환기를 통과하면서 열교환되어 온도가 낮아지게 되므로 과냉각도를 증가시킬 수 있으며, 증발기에서 토출된 냉매가 어큐뮬레이터 내의 열교환기에서 열교환되어 온도가 상승하게 되므로 과열도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열교환기 내장형 어큐뮬레이터가 적용되는 냉각사이클의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기 내장형 어큐뮬레이터의 종단면도이다.
도 3은 도 2의 I-I 선 단면도이다.
도 4는 도 2의 열교환기 내장형 어큐뮬레이터의 냉매관과 열교환기의 결합 상태를 나타내기 위하여 냉매관 부분을 따라 절단하여 펼친 요부 종단면도이다.
도 5는 도 3과 대응하는 도면으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기 내장형 어큐뮬레이터의 횡단면도이다.
도 6은 도 3과 대응하는 도면으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기 내장형 어큐뮬레이터의 횡단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열교환기 내장형 어큐뮬레이터의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 열교환기 내장형 어큐뮬레이터가 적용되는 냉각사이클의 구성을 개략적으로 나타낸 것으로, 냉각사이클은 냉매를 고온고압으로 압축하여 토출하는 압축기(1)와, 상기 압축기(1)에서 토출된 냉매의 열교환이 이루어지는 응축기(2)와, 상기 응축기(2)로부터 토출된 고압의 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(3)와, 상기 팽창밸브(3)를 통과한 냉매의 열교환이 이루어지는 증발기(4)와, 상기 증발기(4)를 통과한 저압의 냉매를 공급받아 압축기 작동유와 액상 냉매 및 기상 냉매를 분리하여 기상의 냉매 가스만을 상기 압축기(1)로 보내는 어큐뮬레이터(10)를 포함한 구성으로 이루어진다.
여기서, 상기 응축기(2)의 고압측 냉매를 팽창밸브(3)로 보내는 고압측 냉매관(40)은 상기 어큐뮬레이터(10) 내부에 마련된 열교환기(30)를 통과한다.
상기 어큐뮬레이터(10)는 상기 응축기(2)를 통과한 고압의 냉매의 열을 이용하여 증발기(4)를 통과한 냉매 중의 액상 냉매의 기화를 촉진함으로써 기상의 냉매 가스만 압축기(1)로 공급될 수 있도록 함과 더불어 응축기(2) 출구에서의 과냉각도를 증가시키고 증발기(4) 출구에서의 과열도를 증가시키기 위한 열교환기(30)를 구비한다.
도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 어큐뮬레이터(10)의 구성 및 작용에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 어큐뮬레이터(10)는 대략 원통형의 통 형상으로 이루어진 어큐뮬레이터 하우징(20)과, 상기 어큐뮬레이터 하우징(20) 내부에 설치되는 금속 재질의 열교환기(30)와, 상기 열교환기(30)의 관삽입구(33)에 'U' 형태로 삽입 결합되며 양단부가 각각 응축기(2)(도 1참조)의 출구단 및 팽창밸브(3)(도 1참조)의 입구단에 연결되는 고압측 냉매관(40)과, 상기 열교환기(30)에 삽입 결합되며 외측단이 증발기(4)(도 1참조)의 출구단에 연결되는 저압측 냉매관(50)과, 상기 열교환기(30)에 삽입 결합되며 외측단이 압축기(1)(도 1참조)의 입구단에 연결되는 냉매가스 배출관(60)을 포함한 구성으로 이루어진다.
상기 열교환기(30)는 상기 어큐뮬레이터 하우징(20) 내부에 고정되게 설치되며 상단부와 하단부가 개방되게 형성된 원통형의 몸체(31)와, 상기 몸체(31)의 내측에 서로 연결되게 형성되며 상하 방향으로 개방되게 형성된 다각형(이 실시예에서 육각형)의 횡단면을 갖는 하니컴(honeycomb) 형태의 열전달체(32)와, 상기 열전달체(32)를 상하방향으로 관통하도록 설치되며 상기 고압측 냉매관(40)과 저압측 냉매관(50) 및 냉매가스 배출관(60)들이 각각 삽입되는 복수개의 관삽입구(33)를 구비한 구성으로 이루어진다.
상기 고압측 냉매관(40)과 저압측 냉매관(50) 및 냉매가스 배출관(60)들은 외면이 상기 관삽입구(33)의 내면에 접촉되게 장착되어 관삽입구(33)를 통해서 열을 전달받거나 열을 전달한다.
상기 열전달체(32)는 열전도도가 우수한 금속 재질의 다각기둥(이 실시예에서 육각기둥) 형태로 이루어져, 복수개의 열전달체(32)들이 서로 연이어서 접촉하도록 설치되어 하니컴(honeycomb) 구조를 이룬다. 상기와 같이 열전달체(32)가 하니컴 구조를 이루게 되면, 기존의 평판 휜(fin) 구조의 열교환기에 비하여 우수한 열전달 성능을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 상기 저압측 냉매관(50)에서 토출된 액상 냉매 및 압축기 작동유가 열전달체(32)를 원활하게 통과하면서 낙하하게 되어 압축기 작동유를 어큐뮬레이터 하우징(20)의 하부에 쉽게 포집할 수 있는 이점이 있다.
이 실시예에서 상기 열전달체(32)는 육각형의 하니컴 형태로 이루어졌지만, 도 5에 도시한 것과 같이 복수개의 평판들을 서로 이어붙여 사각기둥 형태로 만들 수도 있을 것이다.
상기 관삽입구(33)는 상부 및 하부가 개방된 원통형의 관으로 이루어진다. 이 실시예에서 상기 관삽입구(33)는 금속 재질의 내측관(33a)과, 상기 내측관(33a)의 외측에 일정 간격 이격되게 설치되는 금속 재질의 외측관(33b)으로 이루어진 2중관 구조이며, 상기 내측관(33a)과 외측관(33b) 사이에는 열전달 및 축열 작용을 하는 열전달물질(33c)이 충전된 구조로 이루어진다. 상기 관삽입구(33)들의 내측관(33a)의 내경은 상기 고압측 냉매관(40) 또는 저압측 냉매관(50) 또는 냉매가스 배출관(60)의 외경과 거의 일치하는 크기로 이루어져, 관삽입구(33)의 내측관(33a)의 내면과 상기 냉매관들의 외면은 전체적으로 접촉하게 된다.
상기 고압측 냉매관(40) 또는 저압측 냉매관(50) 또는 냉매가스 배출관(60)의 외면과 관삽입구(33)의 내면 간의 밀착력을 더욱 증대시키기 위하여 도 6에 도시한 것과 같이 상기 관삽입구(33)를 서로 분할된 2개의 반원통형 관 형태로 만들어, 상기 열전달체(32)의 탄성 작용에 의해 관삽입구(33)의 내면이 상기 고압측 냉매관(40) 또는 저압측 냉매관(50) 또는 냉매가스 배출관(60)의 외면에 견고하게 밀착되도록 할 수도 있을 것이다.
상기 고압측 냉매관(40)은 상기 열교환기(30)의 관삽입구(33)에 'U' 형태로 삽입 결합되어 열교환기(30)에 열을 전달한다.
그리고, 상기 저압측 냉매관(50)은 어큐뮬레이터 하우징(20)의 하단부를 통해 상기 열교환기(30)에 결합된다. 상기 저압측 냉매관(50)의 상단부는 개방되게 형성되어 냉각사이클의 증발기(4)(도 1참조)로부터 공급되는 저압의 냉매를 어큐뮬레이터 하우징(20) 내부로 토출한다. 상기 저압측 냉매관(50)을 통해 토출되는 액상 냉매와 압축기 작동유 등의 이물질이 냉매가스 배출관(60)으로 유입되는 것을 방지하기 위하여 상기 저압측 냉매관(50)의 상단부는 상기 냉각가스 배출관(60)의 반대 방향을 향하도록 절곡되게 형성된 것이 바람직하다.
상기 냉각가스 배출관(60)은 상기 열교환기(30)를 U자형으로 관통하면서 결합된다. 상기 냉각가스 배출관(60)의 상단부는 열교환기(30)의 상측에서 개방되게 형성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 어큐뮬레이터는 다음과 같이 작동한다.
응축기(2)를 통과한 고압의 냉매는 상기 고압측 냉매관(40)을 통해 어큐뮬레이터 하우징(20) 내로 유입된다. 상기 고압측 냉매관(40)을 통해 유동하는 상대적으로 고온인 고압 냉매는 어큐뮬레이터 하우징(20) 내의 열교환기(30)를 통과하면서 고압측 냉매관(40)과 접하고 있는 관삽입구(33)에 열을 전달한다.
상기 관삽입구(33)에 전달된 열은 관삽입구(33)와 접해 있는 열전달체(32)로 전달된 후 점차적으로 주변부로 전달되면서 열교환기(30)의 전체 온도가 상승하게 된다. 이 때, 상기 관삽입구(33)는 열전달물질(33c)이 내장된 2중관 구조로 되어 있으므로 열전달물질(33c)에 의한 우수한 열전달 효과와 더불어 축열 효과를 얻을 수 있다.
한편, 상기 저압측 냉매관(50)을 통해서 상대적으로 저온인 저압 냉매가 토출된다. 이 때, 상기 저압측 냉매관(50)이 열교환기(30)를 통과하게 되므로 저압 냉매 중의 액상 냉매의 일부가 기화되어 외부로 토출된다.
상기 저압측 냉매관(50)을 통해 어큐뮬레이터 하우징(20) 내로 토출된 저압 냉매 중 기상 냉매는 냉매가스 배출관(60) 내로 유입되고, 액상 냉매와 압축기 작동유는 열교환기(30)의 열전달체(32)를 타고 흘러내린다. 이 때, 액상 냉매의 일부가 가열된 열전달체(32)에 의해 기화된다. 기화되지 않은 액상 냉매 및 압축기 작동유 등은 어큐뮬레이터 하우징(20)의 하부로 낙하하여 포집된다.
상기 어큐뮬레이터 하우징(20) 내의 기화된 냉매 가스는 냉매가스 배출관(60)을 통해서 압축기(1)로 보내어진다. 이 때, 미세한 액상 냉매가 냉매가스 배출관(60)으로 함께 유입될 수 있는데, 상기 냉매가스 배출관(60)이 열교환기(30)를 U자형으로 통과하도록 되어 있기 때문에 냉매가스 배출관(60) 내로 유입된 액상의 냉매가 열교환기(30)를 통과하면서 기화된다.
이와 같이 본 발명의 어큐뮬레이터는 증발기(4)로부터 보내어진 냉매에 포함된 액상 냉매가 저압측 냉매관(50)을 통과하면서 1차적으로 열교환되어 기화되고, 토출된 후 열교환기(30)의 열전달체(32) 사이를 통과할 때 2차적으로 열교환되어 기화되며, 냉매가스 배출관(60) 내에서 최종적으로 열교환되어 기화된다. 따라서, 냉매가스 배출관(60)을 통해서 기화된 냉매 가스만이 보내지게 된다.
또한, 고압측 냉매관(40)을 유동하는 고압 냉매가 상기 열교환기(30)를 통과하면서 열교환되어 온도가 낮아지게 되므로 과냉각도를 증가시킬 수 있다.
한편, 전술한 실시예에서 상기 고압측 냉매관(40)과 저압측 냉매관(50) 및 냉매가스 배출관(60)은 원형관으로 이루어진 것으로 예시되었지만, 열전달체(32)와의 접촉을 용이하게 하고 접촉 면적을 증대시킬 수 있도록 하기 위하여 대략 직육면체 형태나 트랙 형태의 관 등으로 형성할 수도 있을 것이다.
본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
1 : 압축기 2 : 응축기
3 : 팽창밸브 4 : 증발기
10 : 어큐뮬레이터 20 : 어큐뮬레이터 하우징
30 : 열교환기 31 : 몸체
32 : 열전달체 33 : 관삽입구
33a : 내측관 33b : 외측관
33c : 열전달물질 40 : 고압측 냉매관
50 : 저압측 냉매관 60 : 냉매가스 배출관

Claims (4)

  1. 어큐뮬레이터 하우징(20)과;
    상기 어큐뮬레이터 하우징 내부에 설치되며 상단부와 하단부가 개방되게 형성된 원통형의 몸체(31)와, 상기 몸체 내측에 서로 연결되게 형성되며 상하 방향으로 개방되게 형성된 다각형의 횡단면을 갖는 하니컴(honeycomb) 형태의 열전달체(32)와, 상기 열전달체를 상하방향으로 관통하도록 설치되며 냉매가 유동하는 복수개의 관의 외면이 접촉되게 삽입되는 복수개의 관삽입구(33)를 구비한 금속 재질의 열교환기(30)와;
    상기 열교환기(30)의 관삽입구(33)에 'U' 형태로 삽입 결합되며, 냉각사이클의 응축기(2)로부터 공급된 고압의 냉매가 유동하는 고압측 냉매관(40)과;
    상기 어큐뮬레이터 하우징(20)의 하부를 통해 삽입되어 상기 열교환기(30)의 관삽입구(33)를 관통하며, 상단부가 개방되게 형성되어 냉각사이클의 증발기로부터 공급되는 저압의 냉매를 어큐뮬레이터 하우징 내부로 토출하는 저압측 냉매관(50)과;
    상단부가 상기 열교환기(30)의 상측에서 개방되게 형성되며, 상기 열교환기(30)의 관삽입구(33)에 삽입되어 상기 어큐뮬레이터 하우징(20) 내의 냉매가스를의 압축기로 안내하는 냉각가스 배출관(60)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 내장형 어큐뮬레이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 관삽입구(33)는 금속 재질의 내측관(33a)과, 상기 내측관(33a)의 외측에 일정 간격 이격되게 설치되는 금속 재질의 외측관(33b)으로 이루어진 2중관 구조이며, 상기 내측관(33a)과 외측관(33b) 사이에는 열전달 및 축열 작용을 하는 열전달물질(33c)이 충전된 것을 특징으로 하는 열교환기 내장형 어큐뮬레이터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관삽입구(33)는 서로 분할된 2개의 반원통형 관 형태로 이루어져 상기 고압측 냉매관(40) 또는 저압측 냉매관(50) 또는 냉매가스 배출관(60)의 외면에 밀착되는 것을 특징으로 하는 열교환기 내장형 어큐뮬레이터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉각가스 배출관(60)은 상기 열교환기(30)를 'U' 자형으로 통과하며; 상기 저압측 냉매관(50)의 상단부는 상기 냉각가스 배출관(60)의 반대 방향을 향하도록 절곡되게 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기 내장형 어큐뮬레이터.
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