KR101386616B1 - 냉동 사이클의 열교환기 - Google Patents

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테루마사 마츠모토
다카시 치노
마코토 쿠사마
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테루마사 마츠모토
다카시 치노
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이와오 미치토시
마코토 쿠사마
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Abstract

본 발명은 현행 냉동 사이클의 열교환기의 구리제 석션 파이프 및 구리제 캐필러리 튜브 대신에, 석션 파이프와 캐필러리 튜브의 소재를 비용이 저렴한 알루미늄재로 하고, 나아가 사행 가공이 용이한 냉동 사이클의 열교환기를 제공한다.
더욱 구체적으로, 캐필러리 튜브를 JIS 규격 3000계 합금에서 선택되는 알루미늄 합금제 캐필러리 튜브로 하고, 석션 파이프를 JIS 규격 1000계 알루미늄에서 선택되는 알루미늄제 석션 파이프로 하면서, 동시에 캐필러리 튜브의 외표면과 석션 파이프의 외표면이 용융 상태로 접합되거나, 특히, 파이버 레이저 빔 조사에 의해 용융 상태로 접합된 냉동 사이클의 열교환기를 제공하며 이를 탑재한 냉장고를 제공한다.

Description

냉동 사이클의 열교환기{HEAT EXCHANGER FOR REFRIGERATION CYCLE}
본 발명은 예를 들어 냉장고 등의 냉동 사이클의 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 냉장고는 압축기에서 토출된 냉매가 순차적으로 응축기, 캐필러리 튜브(capillary tube), 증발기, 석션 파이프(suction pipe)를 지나, 다시 압축기로 되돌아오는 냉동 사이클을 구성한다.
압축기에서 압축된 냉매는 고온 고압 가스가 되어 응축기로 보내지고 여기서 방열하여 액화된다. 액화된 냉매는 캐필러리 튜브를 통과하여 증발기로 보내진다. 캐필러리 튜브에서 증발기로 보내지는 액화된 냉매는 증발기로 기화됨으로써 주위의 열을 빼앗아 냉기를 만들어낸다. 기화된 냉매는 석션 파이프를 통과하여 압축기로 되돌아와 다시 압축된다.
이러한 냉동 사이클에 있어서 캐필러리 튜브를 통과하는 냉매는 비교적 고온이다. 냉각 성능을 향상시키기 위해서는 캐필러리 튜브에서 증발기로 유입되는 냉매의 온도를 낮추는 것이 유효하다. 이를 위해, 비교적 저온의 냉매가 흐르는 석션 파이프를 캐필러리 튜브와 접촉시키는 방법이 알려져 있다. 즉, 석션 파이프의 냉매와 캐필러리 튜브의 냉매 사이에서 열교환시킴으로써 캐필러리 튜브를 흐르는 냉매의 온도를 저하시키는 것이다. 이러한 냉동 사이클의 열교환기로서의 캐필러리 튜브와 석션 파이프의 접합방법으로는 캐필러리 튜브와 석션 파이프를 병렬로 붙인 상태로 솔더링하는 방법이 자주 채용되고 있다.
현행의 캐필러리 튜브는 대략 내경(內徑)이 φ0.6mm∼φ0.8mm 정도, 외경(外徑)이 φ2.0mm∼φ3.0mm 정도인 가는 관이고, 한편, 석션 파이프는 대략 내경이 φ4.5mm∼φ6.5mm 정도, 외경이 φ6.0mm∼φ8.0mm 정도인 둥근 관으로 구성되어 있다. 또한 캐필러리 튜브와 석션 파이프의 길이는 냉장고의 크기에 따라서도 다르지만, 대략 2,000∼5,000mm 정도이다.
일본을 비롯하여 전세계에서 시판되고 있는 냉장고에 탑재되어 있는 냉동 사이클의 열교환기는 구리제 석션 파이프와 구리제 캐필러리 튜브가 각각의 외표면이 열적으로 접촉되도록 솔더링에 의해 일체적으로 접합된 것이다. 구리제 석션 파이프와 구리제 캐필러리 튜브는 열교환성이 좋고, 내식성이 뛰어나며, 솔더링에 의해 용이하게 일체적으로 접합할 수 있다는 등의 이유로 인해 현재에 이르기까지 실용되고 있다.
제조업의 세계에서 제품의 비용 절감은 영원한 과제이다. 냉동 사이클의 열교환기의 비용 절감을 실현할 수 있다면, 제품으로서의 냉장고의 비용 절감을 실현할 수 있다. 제품으로서의 냉장고의 비용 절감을 실현하기 위해서는 열교환기로서의 기능, 품질이 허용 범위 내에서 현행과 비교해서 손색이 없을 것이 요구된다. 또한 열교환기 자체를 개량함으로써 냉동 사이클 시스템으로서의 구조를 변경하거나, 또는 냉장고 전체의 구조를 부득이하게 변경하게 되는 일은 피해야 한다. 이를 위해서는 개량한 열교환기가 현행의 열교환기와 실질적으로 같은 구조, 즉 열교환기를 구성하는 석션 파이프와 캐필러리 튜브의 형상(파이프나 튜브의 내경, 외경, 길이)이 허용 범위 내에서 동등할 것이 요구된다.
본 발명자들은 현행의 냉동 사이클의 열교환기의 구리제 석션 파이프와 구리제 캐필러리 튜브 대신에, 석션 파이프와 캐필러리 튜브의 소재로서 알루미늄재질을 사용할 수 있다면 현행의 냉동 사이클의 열교환기로서의 기능, 품질이 허용 범위 내에서 손색되지 않고 또는 현행의 냉동 사이클의 열교환기와 실질적으로 동일한 구조이며, 다시 말해, 비용 절감이 가능한 냉동 사이클의 열교환기를 제공하는 것이 가능할 것이라고 판단하여 특허문헌 1의 발명을 제안한 바 있다.
특허문헌 1에는 캐필러리 튜브와 석션 파이프의 소재가 모두 알루미늄재이고, 캐필러리 튜브의 외표면과 석션 파이프의 외표면과의 접합 부위가 Al-Si 합금 또는 Zn-Al 합금에서 선택되는 브레이징재가 용융되어 필렛(fillet)이 형성되어 있는 냉동 사이클의 열교환기 및 그 제조방법이 제안된 바 있다.
또한, 특허문헌 1에는 알루미늄재제 석션 파이프와 알루미늄재제 캐필러리 튜브 각각의 외표면을 압접시킨 상태로 하고, 석션 파이프와 캐필러리 튜브 전체에 열적 영향을 가능한 한 주지 않도록 접합 부위를 미소 스폿 열원으로 단시간에 가열함으로써, 지름이 가는 캐필러리 튜브가 가열 오버되어 변형 내지는 용해 손상되는 일이 없는, 열교환성이 좋은 냉동 사이클의 열교환기를 제조할 수 있다고 기재되어 있다. 구체적으로는 열원으로서 레이저빔을 이용해서, 석션 파이프와 캐필러리 튜브 각각의 외표면을 압접시킨 상태로 레이저 용접하여, 각각의 외표면을 용융 상태로 접합한다.
국제공개 제2012/050085호 팜플릿
냉동 사이클에 있어서, 캐필러리 튜브와 석션 파이프의 외표면이 서로 열적으로 접촉되어 있는 부분, 즉 열교환 거리를 길게 할 수 있다면 증발기의 냉동 능력이 증대하여 소비 전력을 저감할 수 있다는 이점이 있다. 열교환기를 구불구불하게 해서 컴팩트하게 할 수 있다면, 냉장고와 같이 한정된 스페이스 내에서도 열교환 거리를 길게 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 현행 냉동 사이클의 열교환기의 구리제 석션 파이프 및 구리제 캐필러리 튜브 대신에, 석션 파이프와 캐필러리 튜브의 소재를 비용이 저렴한 알루미늄재로 하고, 나아가 사행(蛇行; meandering) 가공이 용이한 냉동 사이클의 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명자 등은 예의 검토한 결과, 석션 파이프의 소재로는 알루미늄재 중에서 열 전도도가 가장 높고 가공성, 내식성, 용접성 등이 뛰어난 JIS 규격 1000계 알루미늄을 선택하고, 직경이 보다 작은 캐필러리 튜브의 소재로는 JIS 규격 1000계 알루미늄이 가지는 가공성, 내식성을 저하시키지 않고 강도를 증가시키면서 열 전도성, 용접성이 양호한 알루미늄 합금 선택을 착안하여, 본 발명을 안출하였다.
즉, 본 발명에 따른 냉동 사이클의 열교환기는 압축기에서 토출된 냉매를 응축기, 캐필러리 튜브, 증발기, 석션 파이프 및 상기 압축기에 순차 순환하도록 구성되며, 상기 캐필러리 튜브의 외표면과 상기 석션 파이프의 외표면이 서로 열적으로 접촉되어 있는 냉동 사이클의 열교환기로서, 상기 캐필러리 튜브는 JIS 규격 3000계 합금에서 선택되는 알루미늄 합금제 캐필러리 튜브이고, 상기 석션 파이프는 JIS 규격 1000계 알루미늄에서 선택되는 알루미늄제 석션 파이프이면서, 동시에 캐필러리 튜브의 외표면과 상기 석션 파이프의 외표면이 용융 상태로 접합된 것임을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명에 따른 냉동 사이클의 열교환기는 압축기에서 토출된 냉매를 응축기, 캐필러리 튜브, 증발기, 석션 파이프 및 상기 압축기에 순차 순환하도록 구성되며, 상기 캐필러리 튜브의 외표면과 상기 석션 파이프의 외표면이 서로 열적으로 접촉되어 있는 냉동 사이클의 열교환기에 있어서, 상기 캐필러리 튜브가 JIS 규격 3000계 합금에서 선택되는 알루미늄 합금제 캐필러리 튜브이고, 상기 석션 파이프는 JIS 규격 1000계 알루미늄에서 선택되는 알루미늄제 석션 파이프이면서, 동시에 상기 캐필러리 튜브의 외표면과 상기 석션 파이프의 외표면이 파이버 레이저 빔 조사에 의해 용융 상태로 접합된 것임을 특징으로 하는 것이다.
나아가, 본 발명은 이상의 냉동 사이클의 열교환기들을 탑재한 냉장고를 제공한다.
본 발명에 의하면, 현행 냉동 사이클의 열교환기로서의 기능, 품질이 허용 범위 내에서 손색이 없고, 또한 현행 냉동 사이클의 열교환기와 실질적으로 같은 구조, 즉 열교환기를 구성하는 석션 파이프와 캐필러리 튜브의 형상(파이프나 튜브의 내경, 외경, 길이)이 허용 범위 내에서 동등하면서, 석션 파이프와 캐필러리 튜브의 소재를 비용이 저렴한 알루미늄재로 하고, 나아가 사행 가공이 용이한 냉동 사이클의 열교환기를 제공할 수 있었다.
도 1은 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 냉동 사이클의 기본적인 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 열교환기를 나타내는 사시도이고,
도 3은 파이버 레이저 용접기의 개념도이고,
도 4는 누름 롤러에 의해 석션 파이프와 캐필러리 튜브의 외표면을 압접시키고 있는 것을 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명에 따른 열교환기의 제조방법을 설명하기 위한 모식도이고,
도 6은 사행 가공된 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 냉동 사이클을 탑재한 냉장고의 개략도이고,
도 7은 도 6에 나타내는 사행 가공된 본 발명에 따른 열교환기를 확대한 개략도이다.
본 명세서에서는 JIS 규격 3000계 합금에서 선택되는 알루미늄 합금제 캐필러리 튜브(103)를 간단히 캐필러리 튜브(103)라고 기재하고, JIS 규격 1000계 알루미늄에서 선택되는 알루미늄제 석션 파이프(105)를 간단히 석션 파이프(105)라고 기재하는 경우도 있다.
이하, 도면에 기초하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 열교환기를 이용한 냉동 사이클의 기본적인 구성도이다. 도 1에 나타내는 냉동 사이클은 냉매를 흡입하여 토출하는 압축기(101)와 일단(一端)이 압축기(101)의 냉매 토출측에 접속된 응축기(102)와, 일단이 응축기(102)의 타단(他端)에 접속된 캐필러리 튜브(103)와 일단이 이 캐필러리 튜브(103)의 타단에 접속된 증발기(104)와, 일단이 증발기(104)의 타단에 접속되고 타단을 압축기(101)의 냉매 흡입측에 접속한 석션 파이프(105)를 구비하고 있다. 이 냉동 사이클에 있어서, JIS 규격 1000계 알루미늄에서 선택되는 알루미늄제 석션 파이프(105)와 JIS 규격 3000계 합금에서 선택되는 알루미늄 합금제 캐필러리 튜브(103) 각각의 외표면을 열적으로 접촉시킴으로써 본 발명에 따른 냉동 사이클의 열교환기(106)가 형성된다. JIS 규격 3000계 합금에서 선택되는 알루미늄 합금제 캐필러리 튜브(103)의 외표면과 JIS 규격 1000계 알루미늄에서 선택되는 알루미늄제 석션 파이프(105)의 외표면은 용융 상태로 접합된 것이다.
본 발명에 따른 냉동 사이클은 증발기(104)와 석션 파이프(105) 사이에 증발한 기체 냉매와 액체 냉매를 분리하여 기체 냉매를 압축기(101)를 향하게 하는 기능을 갖춘 어큐뮬레이터(accumulator), 응축기(102)와 캐필러리 튜브(103) 사이에 수분 제거를 위한 드라이어 등을 구비할 수 있다.
압축기(101)에서 압축된 냉매는 고온 고압 가스가 되어 응축기(102)로 보내지고, 여기서 방열하여 액화된다. 액화된 냉매는 캐필러리 튜브(103)를 통과하여 감압되어 증발기(104)로 보내지고, 여기서 액화된 냉매가 증발함에 따라 주위의 열을 빼앗고, 이 결과 주위의 공기를 냉각한다. 증발한 저온 냉매는 석션 파이프(105)를 통과하여 압축기(101)로 되돌아와 다시 압축된다. 사용하는 냉매로는 지구온난화 계수가 작은 시클로펜탄, 이소부탄 등의 탄화수소계 냉매가 바람직하다.
이상과 같이 구성된 냉동 사이클에 있어서, 캐필러리 튜브(103)와 석션 파이프(105)가 서로 열적으로 접촉되어 있으므로, 캐필러리 튜브(103) 안을 유통하는 액상 냉매는 석션 파이프(105) 안을 유통하는 저온 냉매에 의해 냉각되기 때문에 냉각 효율의 향상이 도모된다.
도 2는 본 발명에 따른 열교환기를 나타내는 사시도이다. 이 열교환기(106)에 있어서 석션 파이프(105)의 외표면과 캐필러리 튜브(103)의 외표면의 접합 부위는 각각의 외표면이 용융된 상태로 접합되어 있으므로, 캐필러리 튜브(103)와 석션 파이프(105)는 서로 열적으로 접촉된 상태로 되어 있다. 구체적으로는, 캐필러리 튜브(103)의 외표면과 석션 파이프(105)의 외표면의 접합 부위는 레이저빔 조사에 의해 각각의 외표면이 용융된 상태로 접합되어 있다.
본 발명에 따른 열교환기(106)를 구성하는 캐필러리 튜브(103)의 소재는 JIS 규격 3000계 합금에서 선택되는 알루미늄 합금이고, 석션 파이프(105)의 소재는 JIS 규격 1000계 알루미늄에서 선택되는 것이다. 캐필러리 튜브에 사용하는 JIS 규격 3000계 합금에서 선택되는 알루미늄 합금으로는 A3003, A3004, A3103, A3104 등이다. 또한 석션 파이프에 사용하는 JIS 규격 1000계 알루미늄으로는 A1050, A1070, A1100, A1200 등이다.
본 발명에 따른 열교환기(106)를 구성하는 캐필러리 튜브(103)의 내경, 외경, 길이, 및 석션 파이프(105)의 내경, 외경, 길이는 특별히 제한되지 않으며, 가정용, 업무용 등의 냉장고에 사용되는 것과 같은 정도이면 된다. 캐필러리 튜브(103)로는 대략 내경이 φ0.6mm∼φ0.8mm 정도, 외경이 φ2.0mm∼φ3.0mm 정도인 가는 관을 사용할 수 있다. 또한 석션 파이프(105)로는 대략 내경이 φ4.5mm∼φ6.5mm 정도, 외경이 φ6.0mm∼φ8.0mm 정도인 둥근 관을 사용할 수 있다. 캐필러리 튜브(103)와 석션 파이프(105)의 길이는 본 발명에 따른 열교환기를 적용하는 냉장고의 크기에 따라서도 다르지만 대략 2,000∼5,000mm 정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열교환기(106)를 제조할 때에 이용하는 레이저 용접기의 개념도이다. 여기서는, 레이저 용접기로서 파이버 레이저 용접기를 예시하고 있다. 부호 301은 파이버 레이저 본체이고, 부호 302는 광섬유(파이버 지름 φ), 부호 303은 레이저빔 방사 유닛이다. 레이저빔 방사 유닛(303)에 유도된 레이저빔(LB)(도면 중 파선으로 나타내는 선)은 렌즈(L1)(초점거리 f1)에 의해 평행 빔화되고 이어서 렌즈(L2)(초점거리 f2)에 의해 집광(集光)되어, 레이저빔(LB)에 대하여 한 방향으로 이동하는 피(被)가공물(405)(도 4에서 설명함)에 소정 스폿 지름의 레이저빔(LB)이 조사되도록 구성되어 있다.
한편, 피가공물(405)은 누름 롤러(401, 402)로 눌러지면서 석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103) 각각의 외표면이 압접된 상태에 있지만(도 4를 참조), 여기서는 간략화하여 도시하였다. 이 도면에서는 피가공물(405)이 화살표(→)로 나타내는 방향(도면 좌측에서 우측방향)으로 이동하고 있는 것으로 한다. 부호 308은 질소 봄베(bombe)이고, 부호 307은 질소 가스 분사 노즐이다. 레이저 용접은 피가공물(405)의 산화를 막기 위해 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 사용할 수도 있다.
도 4는 누름 지그인 누름 롤러(401, 402)에 의해 피가공물(405)(석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103)를 병렬로 붙인 상태를 말함)을 눌러 석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103) 각각의 외표면을 압접시키고 있는 상태를 나타내는 도면이다. 도 4(a)는 측면에서 본 도면이고, 도 4(b)는 평면도이다.
누름 롤러(401)는 석션 파이프(105)의 측면을 캐필러리 튜브(103)를 향해 누르도록 구성되어 있다. 누름 롤러(401)는 석션 파이프(105)의 외경에 맞춘 원호형상의 홈이 형성된 홈이 있는 롤러로 되어 있다. 누름 롤러(402)는 캐필러리 튜브(103)의 측면을 석션 파이프(105)를 향해 누르도록 구성되어 있다. 누름 롤러(402)는 캐필러리 튜브(103)의 외경에 맞춘 원호형상의 홈이 형성된 홈이 있는 롤러로 되어 있다. 부호 403은 누름 롤러(401)의 샤프트이고, 부호 404는 누름 롤러(402)의 샤프트이다. 샤프트(403), 샤프트(404)의 양쪽, 또는 어느 한쪽은 도시하지 않은 하우징에 축방향과 수직방향(석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103) 각각의 중심점을 지나는 선의 방향)으로 위치 조정 가능하게 고정되어 있다.
도 4에서는 적절한 간격으로 마련한 2쌍의 누름 롤러(401, 402)로 피가공물(405)을 눌러 석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103) 각각의 외표면을 압접시키고 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 1쌍의 누름 롤러(401, 402)로 피가공물(405)을 눌러 석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103) 각각의 외표면을 압접시켜도 된다. 누름 롤러(401, 402)의 소재로는 구리, 놋쇠, 알루미늄 등의 열도전성이 좋은 것, 혹은 우레탄 등의 폴리머를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기를 제조하기 위해서는 먼저, JIS 규격 1000계 알루미늄에서 선택되는 알루미늄제 석션 파이프(105)와 JIS 규격 3000계 합금에서 선택되는 알루미늄 합금제 캐필러리 튜브(103)를 병렬로 붙인 상태로 누름 지그로 눌러, 석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103) 각각의 외표면을 압접시킨 상태로 한다. 이어서 석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103) 각각의 외표면을 압접시킨 상태로 레이저빔에 대하여 상대적으로 이동시키면서, 석션 파이프(105)의 외표면과 캐필러리 튜브(103)의 외표면의 접합 부위에 레이저빔을 조사함으로써 접합 부위인 각각의 외표면을 용융하여, 석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103)의 외표면을 접합하면 된다.
여기서, 「JIS 규격 1000계 알루미늄에서 선택되는 알루미늄제 석션 파이프(105)와 JIS 규격 3000계 합금에서 선택되는 알루미늄 합금제 캐필러리 튜브(103)를 병렬로 붙인 상태」란, 도 4 및 도 5에서 나타내는 바와 같이, 석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103) 각각의 외표면이 접하도록 나란히 놓은 것을 의미한다.
도 5는 본 발명에 따른 열교환기의 제조방법을 설명하기 위한 모식도이며, 도 5(a)는 측면에서 본 도면이고, 도 5(b)는 평면도이다. 1쌍의 누름 롤러(401, 402)로 피가공물(405)을 누르면서 석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103) 각각의 외표면을 압접하고, 질소 가스를 분사하면서 레이저 용접하고 있는 모습을 나타내고 있다. 이 피가공물(405)은 레이저빔(LB)에 대하여 화살표(←) 방향(도면 우측에서 좌측방향)으로 이동하고 있다. 피가공물(405)의 이동 속도는 파이버 레이저의 출력이 클수록 빨리 할 수 있지만, 기준으로서 파이버 레이저의 피크 출력이 1000W 정도에서 대략 3m/분∼5m/분 정도이다.
피가공물(405)에 대한 레이저빔(LB)의 조사 방향은 피가공물(405)로부터 되돌아오는 광을 피하기 위해, 피가공물(405)에 대하여 비스듬한 방향에서 조사하는 것이 바람직하다. 레이저빔 방사 유닛(303)의 기울기는 피가공물 이동방향의 상류측으로 기울어져 있거나(레이저빔(LB)이 피가공물(405)의 진행방향 전방측을 향해 조사되고 있음), 또는 피가공물 이동방향의 하류측으로 기울어져 있거나(레이저빔(LB)이 피가공물(405)의 진행방향 후방측을 향해 조사되고 있음) 어느 것이어도 된다.
피가공물(405)에 대한 레이저빔(LB)의 조사 위치는 1쌍의 누름 롤러(401, 402)가 피가공물(405)을 누르고 있는 위치에서부터 피가공물 이동방향의 하류측 직후의 범위가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1쌍의 누름 롤러(401, 402)가 피가공물(405)을 누르고 있는 위치이다. 또한 2쌍의 누름 롤러(401, 402)로 피가공물(405)을 눌러 석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103) 각각의 외표면을 압접시킬 경우에는, 레이저빔(LB)의 조사 위치는 피가공물 이동방향의 하류측에 위치하는 누름 롤러(401, 402)가 피가공물(405)을 누르고 있는 위치에서부터 피가공물 이동방향의 하류측 직후의 범위가 바람직하다. 보다 바람직하게는 피가공물 이동방향의 하류측에 위치하는 누름 롤러(401, 402)가 피가공물(405)을 누르고 있는 위치이다.
한편 도 5(b)에서는, 레이저빔(LB)의 조사 위치는 1쌍의 누름 롤러(401, 402)가 피가공물(405)을 누르는 위치의 피가공물 이동방향의 하류측 직후보다 더 하류측인 것처럼 도시되어 있다. 이것은 레이저빔 방사 유닛(303)과 질소 가스 분사 노즐(307)을 편의상 동일 평면에서 그리기 위함이다.
질소 가스 분사 노즐(307)에서 분사하는 질소 가스의 피가공물(405)에 대한 분사 위치는 레이저빔(LB)의 조사 위치와 거의 같은 위치가 바람직하다. 또한 질소 가스의 분사방향은 피가공물(405)의 이동방향과 같은 방향이 바람직하다. 이러한 방향으로 질소 가스를 분사함으로써, 용접 직후의 접합부도 질소 가스 분위기로 덮이게 되어 산소로부터 보다 확실하게 차단할 수 있다. 질소 가스의 가스 유량은 대략 10l/분(매분 10리터) 정도이다. 한편, 도 5(b)에서 석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103)의 접촉부에서의 ××××× 부호는 레이저빔 용접에 의해 석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103) 각각의 외표면이 용융되어 접합되어 있는 상태를 나타내고 있다.
도 6은 사행 가공된 본 발명에 따른 열교환기(106)를 이용한 냉동 사이클을 탑재한 냉장고의 개략도이다. 부호 601은 냉장고 본체를 나타내고, 부호 602는 냉장고 본체의 제1 천장면부를 나타내고, 부호 603은 제2 천장면부를 나타낸다. 압축기(101)는 제2 천장면부(603)의 일부에 배치되고, 응축기는 제1 천장면부(602)의 일부에 배치되어 있다. 압축기(101)에서 압축된 냉매는 고온 고압 가스가 되어 냉매 토출부(도시하지 않음)에서 접속 배관(604)을 지나, 압축기(101)보다 위쪽에 배치된 응축기(102)로 보내진다. 고온 고압의 냉매는 응축기(102)에서 냉장고 본체(601)의 위쪽 공기와 열교환되어 방열되어 응축 액화된다. 응축 액화된 냉매는 캐필러리 튜브(103)로 보내지고, 캐필러리 튜브(103)와 석션 파이프(105) 각각의 외표면이 용융되어 접합되어 있는 부위(편의상, 도면에서는 106으로 나타냄)에서 열교환하면서 감압되어, 압축기(101)보다 아래쪽에 배치된 증발기(104)에 도달한다. 증발기(104)는, 증발기(104) 내의 냉매의 증발 작용에 의해 냉각된 공기는 도시하지 않은 냉각용 팬에 의해 냉장실이나 냉동실로 유입되어 각각의 실을 냉각한다. 증발기(104) 내에서 주위로부터 증발 잠열을 빼앗아 증발한 냉매는 증발기(104)의 냉매 출구부(y)에 마련된 어큐뮬레이터(도시하지 않음)를 거쳐 석션 파이프(105)를 지나 압축기(101)로 빨아 들여진다.
도 7은 도 6에 나타내는 바와 같이 냉장고 본체(601)에 배치된 사행 가공된 본 발명에 따른 열교환기(106)를 확대한 개략도이다. 도면 중, a는 캐필러리 튜브(103)의 냉매 입구부이고, b는 냉매 출구부이다. 도면 중 c는 석션 파이프의 냉매 입구부이고, d는 냉매 출구부이다. 캐필러리 튜브(103)의 냉매 입구부(a)는 응축기(102)에 접속되어 있는 드라이어(도시하지 않음)의 냉매 출구부에 접속되어 있다. 캐필러리 튜브(103)의 냉매 출구부(b)는 증발기(104)의 냉매 입구부(도 6에서 x로 나타냄)에 접속되어 있다. 석션 파이프(105)의 냉매 입구부(c)는 도 6에서도 도시하지 않은 어큐뮬레이터의 냉매 출구부에 접속되어 있다. 석션 파이프(105)의 냉매 출구부(d)는 압축기(101)의 냉매 흡입부(도시하지 않음)에 접속되어 있다.
본 발명에 따른 열교환기(106)는 캐필러리 튜브(103)와 석션 파이프(105)의 양단부를 남기고 각각의 외표면이 용융되어 접합되어 있다. 캐필러리 튜브(103)의 외표면과 열교환시키는 석션 파이프(105)의 외표면이 접합되어 있는 길이는 서로의 열교환을 효율적으로 실시하여 냉동 사이클의 효율을 향상시키기 위해서, 캐필러리 튜브(103) 길이의 거의 80% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 열교환기(106)를 구성하는 캐필러리 튜브(103)의 소재로서 JIS 규격 3000계 합금에서 선택되는 알루미늄 합금을 채용하고, 석션 파이프(105)의 소재로서 JIS 규격 1000계 알루미늄을 채용하고 있으므로, 도 7에 나타내는 것과 같은 사행 가공된 열교환기를 용이하게 얻을 수 있다. 임의 형상의 사행 가공은 벤더(bender)를 이용해서 통상적인 방법에 따라 용이하게 실시할 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기(106)는 도 7에 나타내는 것과 같은 사행 가공된 열교환기로 함으로써, 냉장고 본체(601) 높이의 몇 배 길이의 열교환기로 할 수 있으므로, 캐필러리 튜브(103)를 유통하는 액상 냉매는 석션 파이프(105)를 유통하는 저온 냉매에 의해 충분히 냉각할 수 있다.
캐필러리 튜브와 석션 파이프가 열적으로 접촉되어 있는 길이가 길면 길수록 열교환을 효율적으로 실시할 수 있으므로 냉장고에 적용하는 열교환기는 길수록 바람직하다. 또한 응축기 근방의 공기는 응축기와의 열교환에 의해 뜨거워져 있으므로, 증발기는 가능한 한 응축기에서 떨어진 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 그를 위해서는, 냉장고로서는 도 6에 나타내는 바와 같이, 압축기(101)를 냉장고 본체(601)의 천장면 일부에 배치하고, 응축기(102)는 압축기(101)보다 위쪽에 배치하는 동시에, 증발기(104)를 압축기(101)보다 아래쪽(구체적으로는 냉장고 본체(601)의 하부)에 배치하는 구조로 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 석션 파이프와 캐필러리 튜브의 소재를 종래의 구리에 비해 대폭으로 비용이 저렴한 알루미늄재로 하고, 나아가 사행 가공이 용이한 냉동 사이클의 열교환기를 제공할 수 있다. 따라서, 구불구불하게 해서 컴팩트하게 가공할 수 있는 본 발명에 따른 열교환기(106)는 열교환기의 길이를 냉장고 본체 높이의 몇 배, 바람직하게는 2∼3배로 하여, 도 6에 나타내는 것과 같은 압축기(101)를 냉장고 본체(601)의 천장면 일부에 배치하고, 응축기(102)는 압축기(101)보다 위쪽에 배치하는 동시에, 증발기(104)를 압축기(101)보다 아래쪽(구체적으로는 냉장고 본체(601)의 하부)에 배치하는 구조로 하는 냉장고에 적용하는 것이 바람직하다.
파이버 레이저 용접장치를 이용해서, 석션 파이프로서 A1070, 캐필러리 튜브로서 A3103을 이용해서 본 발명에 따른 열교환기를 제작하였다.
석션 파이프;
외경: φ6.4mm, 두께: 0.7mm, 내경: φ5mm, 길이: 3540mm
캐필러리 튜브
외경: φ2mm, 두께: 0.65mm, 내경: φ0.7mm, 길이: 3660mm
파이버 레이저 용접기
발진 파장: 1070∼1100nm, 광섬유(302)의 파이버 지름: φ0.1mm, 렌즈(L1)의 초점거리(f1): 100mm, 렌즈(L2)의 초점거리(f2): 200mm, 레이저빔 스폿 지름: φ0.2mm, 피크 출력: 800W,
레이저빔 스폿 지름: φ0.2mm로 초점위치를 피가공물(405)의 표면으로 하고, 레이저빔(LB)의 스폿 중심은 석션 파이프(105)와 캐필러리 튜브(103)가 접하는 선을 기준으로 해서, 0.05mm만큼 석션 파이프측에 치우친 위치로 조정하고, 피가공물(405)에 대한 피가공물 이동방향에 있어서의 레이저빔(LB)의 조사 위치는, 누름 롤러(401, 402)가 피가공물(405)을 누르고 있는 위치로 조정하였다. 누름 롤러(401, 402)의 소재는 구리제로 하였다. 피가공물(405)의 이동 속도를 50mm/초로 하였다. 또한 실드 가스로서 유량이 10l/분(매분 10리터)의 질소 가스를 이용해서 피가공물(405)의 이동방향과 같은 방향으로 분사하였다.
이렇게 해서 얻어진 열교환기를 벤더를 이용하여 통상적인 방법에 따라, 도 7에 나타내는 것과 같은 사행 가공된 열교환기를 제작하였다.
본 발명에 따른 열교환기는 냉장고 등에 이용할 수 있다.
103 캐필러리 튜브
105 석션 파이프
106 열교환기
303 레이저빔 방사 유닛
307 질소 가스 분사 노즐
LB 레이저빔
401,402 누름 롤러
405 피가공물
601 냉장고 본체

Claims (3)

  1. 압축기에서 토출된 냉매를 응축기, 캐필러리 튜브, 증발기, 석션 파이프 및 상기 압축기에 순차 순환하도록 구성되며, 상기 캐필러리 튜브의 외표면과 상기 석션 파이프의 외표면이 서로 열적으로 접촉되어 있는 냉동 사이클의 열교환기에 있어서,
    상기 캐필러리 튜브가 JIS 규격 3000계 합금에서 선택되는 알루미늄 합금제 캐필러리 튜브이며, 상기 석션 파이프가 JIS 규격 1000계 알루미늄에서 선택되는 알루미늄제 석션 파이프이고,
    상기 캐필러리 튜브의 외표면과 상기 석션 파이프의 외표면이 용융된 상태로 접합되고,
    상기 캐필러리 튜브의 외표면과 상기 석션 파이프의 외표면이 용융된 상태로 접합된 것이 사행 가공된 것을 특징으로 하는 냉동 사이클의 열교환기.
  2. 압축기에서 토출된 냉매를 응축기, 캐필러리 튜브, 증발기, 석션 파이프 및 상기 압축기에 순차 순환하도록 구성되며, 상기 캐필러리 튜브의 외표면과 상기 석션 파이프의 외표면이 서로 열적으로 접촉되어 있는 냉동 사이클의 열교환기에 있어서,
    상기 캐필러리 튜브가 JIS 규격 3000계 합금에서 선택되는 알루미늄 합금제 캐필러리 튜브이고, 상기 석션 파이프는 JIS 규격 1000계 알루미늄에서 선택되는 알루미늄제 석션 파이프이고,
    상기 캐필러리 튜브의 외표면과 상기 석션 파이프의 외표면이 파이버 레이저 빔 조사에 의해 용융된 상태로 접합되고,
    상기 캐필러리 튜브의 외표면과 상기 석션 파이프의 외표면이 파이버 레이저 빔 조사에 의해 용융된 상태로 접합된 것이 사행 가공된 것을 특징으로 하는 냉동 사이클의 열교환기.
  3. 제1항 또는 제2항의 냉동 사이클의 열교환기를 탑재한 것을 특징으로 하는 냉장고.
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WO2024111733A1 (ko) * 2022-11-25 2024-05-30 삼원동관(주) 냉동사이클용 일체형 파이프의 제조 시스템 및 제조 방법

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