KR101502590B1 - 열교환 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환시스템에 관한 것으로서, 냉매를 압축하는 압축기와, 압축기의 토출구와 접속되어 압축된 냉매에 혼합된 오일을 분리하는 유분리기와, 유분리기를 거친 냉매를 응축시키는 제1열교환기와, 제1열교환기를 거친 냉매를 팽창시키는 팽창밸브와, 팽창밸브를 거친 냉매를 증발시키며 증발된 냉매를 압축기로 이송시킬 수 있도록 된 제2열교환기를 구비하고, 제1열교환기 또는 제2열교환기는 액상의 냉매가 수용되는 제1공간을 형성하는 하부헤더와, 일단이 하부헤더와 접속되어 상방으로 연장되되 제1공간과 연통되는 중공을 갖으며 하부헤더에 상호 이격되게 설치된 다수의 전열관과, 전열관의 타단과 접속되어 기체상의 냉매가 수용되는 제2공간을 형성하며 하부헤더에 대해 위치에너지가 높게 하부헤더에 대해 수직상으로 이격되게 배치되는 상부헤더를 구비하고, 하부헤더와 상부헤더는 각각 냉매의 순환경로에 대응되게 배관되어 있다. 이러한 열교환 시스템에 의하면, 하부 헤더와 상부헤더 사이에 수직상으로 다수개 연결된 전열관 구조의 증발기 또는 응축기에 의해 상변화 과정을 거치는 액상의 냉매는 자중에 의해 하부헤더에 모이고, 기체상의 냉매는 상부 헤더에 모이면서 전열관을 통해 상변화된 냉매가 유통되기 때문에 냉매의 순환 효율 및 열교환 효율을 향상시킬 수 있고 구조도 단순화되는 장점을 제공한다.

Description

열교환 시스템{Heat exchange system}

본 발명은 열교환시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉매의 순환시 순환 압력을 저감시켜 열교환 성능을 향상시킬 수 있도록 된 열교환 시스템에 관한 것이다.

일반적인 냉동, 냉장 또는 공기 조화기용 열교환 시스템은 고온, 고압으로 압축된 냉매 가스를 응축기에서 외기와의 열교환으로 액화시킨 뒤, 팽창밸브(expansion valve)를 통해 저압으로 변화시키고, 이후 증발기에서 내기와의 열교환으로 기화시킴으로써 흡수되는 냉매의 기화열에 의해 냉각 작용을 수행할 수 있도록 되어 있다.

또한, 히프펌프 열교환 시스템의 경우 응축기와 가온대상 수관을 통해 열교한 할 수 있도록 되어 있다.

이러한 열교환 시스템에서 응축기 또는 증발기는 대부분 냉매가 이송되는 동관을 지그재그 형태로 U자가 교번으로 반복 연결된 형태로 연장시키고, 동관 외측에 전열핀을 갖는 구조로 형성된 것이 사용되고 있다.

이러한 구조의 증발기는 국내 공개특허 제10-1999-018262호 등 다양하게 게시되어 있다.

그런데, 지그재그 형태로 동관을 연장시켜 증발 또는 응축용으로 적용하는 경우 충분한 열교환을 위해 요구되는 동관의 길이가 길어지고, 동관 내에 잔류하는 액상의 냉매에 의해 냉매 이송 저항을 유발하여 냉매 순환 효율이 떨어지는 단점이 있다.

또한, 증발기의 경우 잔여 냉매액이 이송 압력에 밀려 압축기로 흡입되어 지는 경우가 발생하며, 이 경우 압축기가 손상될 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 냉매액은 자중에 의해 하부로 모이고, 냉매가스는 상부에 모일 수 있으면서 외부와의 열교환에 의해 상변화 과정을 거치는 가스 또는 액체가 수직상으로 유통될 수 있게 하여 열교환 효율을 상승시키고 냉매 순환효율을 높일 수 있는 열교환 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열교환 시스템은 냉매를 압축하는 압축기와; 상기 압축기의 토출구와 접속되어 압축된 냉매에 혼합된 오일을 분리하는 유분리기와; 상기 유분리기를 거친 냉매를 응축시키는 제1열교환기와; 상기 제1열교환기를 거친 냉매를 팽창시키는 팽창밸브와; 상기 팽창밸브를 거친 냉매를 증발시키며 증발된 냉매를 상기 압축기로 이송시킬 수 있도록 된 제2열교환기;를 구비하고, 상기 제1열교환기 또는 상기 제2열교환기는 액상의 냉매가 수용되는 제1공간을 형성하는 하부헤더와; 일단이 상기 하부헤더와 접속되어 상방으로 연장되되 상기 제1공간과 연통되는 중공을 갖으며 상기 하부헤더에 상호 이격되게 설치된 다수의 전열관과; 상기 전열관의 타단과 접속되어 기체상의 냉매가 수용되는 제2공간을 형성하며 상기 하부헤더에 대해 위치에너지가 높게 상기 하부헤더에 대해 수직상으로 이격되게 배치되는 상부헤더;를 구비하고, 상기 하부헤더와 상기 상부헤더는 각각 상기 냉매의 순환경로에 대응되게 배관되어 있다.

바람직하게는 상기 하부헤더에는 상기 냉매보다 비중이 큰 오일을 회수할 수 있도록 바닥면에 하방으로 인입된 제1오일회수실이 마련되어 있고, 상기 제1오일회수실은 수용된 오일을 상기 압축기로 송출할 수 있도록 배관되어 있다.

또한, 상기 하부헤더의 하부에는 상호 이격되게 마련되어 상기 제1공간과 연통되는 복수 개의 하부출입구가 마련되어 있고, 상기 복수 개의 하부출입구는 제1가지관들과 각각 접속되어 있으며, 상기 제1가지관들은 하나의 제1공통관을 통해 상기 냉매가 순환되는 배관과 접속되어 있고, 상기 상부헤더의 상부에는 상호 이격되게 마련되어 상기 제2공간과 연통되는 복수 개의 상부출입구가 형성되어 있고, 상기 복수 개의 상부출입구는 제2가지관들과 각각 접속되어 있으며, 상기 제2가지관들은 하나의 제2공통관을 통해 상기 냉매가 순환되는 배관과 접속되어 있다.

본 발명에 따른 열교환 시스템에 의하면, 하부 헤더와 상부헤더 사이에 수직상으로 다수개 연결된 전열관 구조의 증발기 또는 응축기에 의해 상변화 과정을 거치는 액상의 냉매는 자중에 의해 하부헤더에 모이고, 기체상의 냉매는 상부 헤더에 모이면서 전열관을 통해 상변화된 냉매가 유통되기 때문에 냉매의 순환 효율 및 열교환 효율을 향상시킬 수 있고 구조도 단순화되는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환 시스템을 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 제1 및 제2열교환기의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 열교환 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환 시스템을 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 증발기 및 응축기의 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 열교환 시스템(100)은 압축기(110), 유분리기(120), 4방밸브(130), 제1열교환기(140a), 제2열교환기(140b)를 구비한다.

이하의 설명에서는 설명의 편의를 위해 도시된 4방 밸브(130)의 현재 접속 경로를 기준으로 냉매 순환경로를 형성하는 제1 내지 제7순환관(171 내지 177)을 통해 냉매가 순환될 때 제1열교환기(140a)는 응축기로서 작동하고, 제2열교환기(140b)에 대해서는 증발기로서 작동하는 냉동사이클을 기준으로 설명한다.

압축기(110)는 냉매를 압축하여 토출구와 연결된 제1순환관(171)을 통해 토출한다.

유분리기(120)는 압축기(110)에 의해 압축되어 제1순환관(171)을 통해 유입된 냉매에 혼합된 오일을 분리하고, 분리된 오일은 회수관(122)을 통해 압축기(110)로 송출하고, 냉매는 제1순환관(172)을 통해 송출할 수 있도록 되어 있다.

4방밸브(130)는 제1열교환기(140a)와 제2열교환기(140b)의 냉동사이클에서의 역할을 바꿀 수 있도록 냉매의 순환경로를 조정할 수 있도록 설치되어 있다.

즉, 도시된 예에서 4방밸브(130)는 유분리기(120)의 제2순환관(172)과 4방밸브(130)로부터 제1열교환기(140a)로 이어지는 제3순환관(173)이 상호 접속되고, 제2열교환기(140b)의 냉매 출력측에 접속된 제6순환관(176)과 압축기(110)의 냉매 인입 측 배관인 제7순환관(177)이 상호 연결되어 있고, 이 경우는 냉매는 제1열교환기(140a)로부터 제2열교환기(140b)로 거쳐 압축기(110)로 이어지는 냉매 순환경로를 따라 순환된다.

이와는 다르게 4방밸브(130)의 접속위치를 변경시켜 유분리기(120)로부터 연장된 제2순환관(172)과 제2열교환기(140b)의 냉매 출력측에 접속된 제6순환관(176)이 상호 접속되고, 제1열교환기(140a)로 이어지는 제3순환관(173)이 압축기(110)의 냉매 인입측에 해당하는 제7순환관(177)과 상호 연결되면, 냉매는 제2열교환기(140b)로부터 제1열교환기(140a) 및 압축기(110)로 이어지는 순환경로를 따라 순환되며 제2열교환기(140b)에서는 응축과정이 이루어지고, 제1열교환기(140a)에서는 증발과정이 이루어진다.

제1열교환기(140a)는 제3순환관(132)을 통해 유입된 냉매를 열교환에 의해 냉매를 응축시키고, 응축된 냉매를 제4순환관(174)을 통해 팽창밸브(150)로 이송시킬 수 있도록 설치되어 있다.

팽창밸브(150)는 유입된 냉매를 팽창에 의해 저압으로 변환시켜 제5순환관(175)을 통해 제2열교환기(140a)로 송출할 수 있도록 설치되어 있다.

제2열교환기(140b)는 팽창밸브(150)로부터 제5순환관(175)을 통해 유입된 냉매를 증발시켜 제6순환관(176) 및 제7순환관(177)을 통해 압축기(110)로 이송할 수 있도록 되어 있다.

제2열교환기(140b)는 외부 공기와의 열교환이 더 활발히 일어나도록 송풍기(160)가 구비되어 있다.

이러한 구조에서 제1열교환기(140a) 및 제2열교환기(140b)는 냉매 사이클에 따라 냉매의 인입 및 인출 위치만 바뀔뿐 동일 구조로 되어 있어, 세부 구성요소에 대해서는 동일 참조부호로 표기하여 설명한다.

제1 및 제2 열교환기(140a)(140b)는 하부헤더(141), 상부헤더(142) 및 다수의 전열관(143)을 갖는 구조로 되어 있다.

하부헤더(141)는 액상의 냉매가 수용될 수 있게 내부에 제1공간이 형성된 구조로 되어 있다.

하부헤더(141)는 수직방향의 폭보다 수평방향의 길이가 길게 형성되어 있다.

전열관(143)은 일단이 하부헤더(141)의 상단에 접속되어 수직상의 상방으로 연장되되 제1공간과 연통되는 속이빈 중공(143a)을 갖는 파이프 형태로 형성되어 있다.

전열관(143)들은 하부헤더(141)에 상호 이격되게 다수개 마련되어 있다.

상부헤더(142)는 전열관(143)들의 타단과 접속되며 하부헤더(141)에 대해 상방으로 이격되게 마련되어 있고, 기체상의 냉매가 수용될 수 있는 제2공간이 내부에 형성되어 있다.

상부헤더(142)도 하부헤더(141)에 대응되게 수평방향의 길이가 수직방향의 폭보다 길게 형성되어 있다.

상부헤더(142)는 하부헤더(141)에 대해 위치 에어지가 높게 설치된다. 즉, 하부헤더(141)측이 지면 또는 설치 대상면에 지지되게 설치되면 상부헤더(142)는 지면 또는 설치 대상면에 대해 수직상으로 하부헤더(141)로부터 멀어지는 방향에 위치되게 설치된다.

또한, 하부헤더(141)의 제1공간과, 전열관(143) 및 상부헤더(142)의 제2공간은 상호 연통되게 되어 있다.

전열관(143)들은 외기와의 전열효과를 높일 수 있도록 외측에 방열판(145)이 결합되어 있다.

하부헤더(141), 상부헤더(142) 및 전열관(143)은 알루미늄 소재로 형성된 것이 바람직하다.

또한, 냉매의 분배 효율을 높이기 위해 하부헤더(141)의 하부에는 상호 이격되게 마련되어 제1공간(141a)과 연통되는 복수 개의 하부출입구(146)가 마련되어 있고, 복수 개의 하부출입구(146)는 제1가지관(147)들과 각각 접속되어 있으며, 제1가지관(147)들은 하나의 제1공통관(148)을 통해 접속되어 있다.

제1공통관(148)은 제1열교환기(140a)의 경우 제4순환관(174)과 접속되어 있고, 제2열교환기(140b)의 경우 제5순환관(175)과 접속되어 있다.

한편, 상부헤더(142)의 상부에도 상호 이격되게 마련되어 제2공간(142a)과 연통 되는 복수 개의 상부출입구(149)가 형성되어 있고, 복수 개의 상부출입구(149)는 제2가지관(150)들과 각각 접속되어 있으며, 제2가지관(150)들은 하나의 제2공통관(151)을 통해 접속되어 있다.

제2공통관(148)은 제1열교환기(140a)의 경우 제3순환관(173)과 접속되어 있고, 제2열교환기(140b)의 경우 제6순환관(176)과 접속되어 있다.

이러한 구조에 의하면, 복수개의 상부출입구(149) 및 복수개의 하부출입구(146)를 통해 다수의 전열관(143)에 냉매가 골고루 분배될 수 있다.

또한, 하부헤더(141)에는 냉매보다 비중이 큰 오일을 회수할 수 있도록 바닥면에 하방으로 인입된 오일회수실(144)이 마련되어 있고, 오일회수실(144)은 수용된 오일을 압축기(110)로 송출할 수 있도록 회수관(126)을 통해 배관되어 있다.

하부헤더(141)에 냉매와 함께 유입된 오일은 냉매에 비해 상대적으로 비중이 무거워 오일회수실(144)에 용이하게 모일 수 있다.

도시되지는 않았지만 회수관(126)에는 전자 밸브가 설치되어 설정된 오일 회수 조건 예를 들면 가동시간이 설정된 회수주기에 도달할 때마다 전자밸브를 개방하여 오일이 회수되도록 구축하는 것이 바람직하다.

한편, 본 열교환 시스템(100)에서 히트 펌프로서 이용하는 예를 설명하기 위해 참조부호 191은 제1열교환기(140a)와 열교환이 이루어지도록 배관된 수관이고, 참조부호 192는 수관내의 물을 펌핑하는 펌프가 도시되어 있고, 도시된 예와 다르게 수관 및 펌프가 생략될 수 있음은 물론이다.

이러한 열교환 시스템(110)에서 압축기(110)를 거친 고온 고압의 냉매는 제3순환관(173)을 통해 응축기 역할을 하는 제1열교환기(140a)의 상부헤더(142)로 유입되고, 유입된 냉매 중 액화된 냉매는 자중에 의해 전열관(143)을 통해 하부헤더(141)에 모이게 되고 액화되지 않은 냉매는 상부헤더(142) 또는 전열관(143)에 머무르게 된다. 따라서, 압축기(110)로부터 제1열교환기(140a)로 냉매가 이송시 상부헤더(142)는 주로 기체상의 냉매가 존재하여 냉매의 이송 저항이 액상에 비해 훨씬 저감된다.

또한, 팽창밸브(150)를 거친 저온 저압의 액상의 냉매는 제5순환관(173)을 통해 증발기 역할을 하는 제2열교환기(140b)의 하부헤더(141)로 유입되고, 유입된 냉매 중 기화된 냉매는 전열관(143) 및 상부헤더(142)를 통해 제6순환관(176)으로 배출되고, 기화되지 않은 냉매는 하부헤더(141)에 머무르게 된다. 따라서, 제2열교환기(140b)로부터 압축기(110)로 이송되는 냉매에 액상의 냉매가 거의 포함되질 않아 압축기(110)의 손상을 억제할 수 있고, 냉매 순환효율 및 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

100: 열교환 시스템 110: 압축기
120: 유분리기 140a: 제1열교환기
140b: 제2열교환기 141: 하부헤더
142: 상부헤더 143: 전열관
150: 팽창밸브

Claims (3)

1. 냉매를 압축하는 압축기와;
   상기 압축기의 토출구와 접속되어 압축된 냉매에 혼합된 오일을 분리하는 유분리기와;
   상기 유분리기를 거친 냉매를 응축시키는 제1열교환기와;
   상기 제1열교환기를 거친 냉매를 팽창시키는 팽창밸브와;
   상기 팽창밸브를 거친 냉매를 증발시키며 증발된 냉매를 상기 압축기로 이송시킬 수 있도록 된 제2열교환기;를 구비하고,
   상기 제1열교환기 또는 상기 제2열교환기는
   액상의 냉매가 수용되는 제1공간을 형성하는 하부헤더와;
   일단이 상기 하부헤더와 접속되어 상방으로 연장되되 상기 제1공간과 연통되는 중공을 갖으며 상기 하부헤더에 상호 이격되게 설치된 다수의 전열관과;
   상기 전열관의 타단과 접속되어 기체상의 냉매가 수용되는 제2공간을 형성하며 상기 하부헤더에 대해 위치에너지가 높게 상기 하부헤더에 대해 수직상으로 이격되게 배치되는 상부헤더;를 구비하고,
   상기 하부헤더와 상기 상부헤더는 각각 상기 냉매의 순환경로에 대응되게 배관되어 있고,
   상기 하부헤더에는 상기 냉매보다 비중이 큰 오일을 회수할 수 있도록 바닥면에 하방으로 인입된 제1오일회수실이 마련되어 있고, 상기 제1오일회수실은 수용된 오일을 상기 압축기로 송출할 수 있도록 배관되어 있으며,
   상기 하부헤더의 하부에는 상호 이격되게 마련되어 상기 제1공간과 연통되는 복수 개의 하부출입구가 마련되어 있고, 상기 복수 개의 하부출입구는 제1가지관들과 각각 접속되어 있으며, 상기 제1가지관들은 하나의 제1공통관을 통해 상기 냉매가 순환되는 배관과 접속되어 있고,
   상기 상부헤더의 상부에는 상호 이격되게 마련되어 상기 제2공간과 연통되는 복수 개의 상부출입구가 형성되어 있고, 상기 복수 개의 상부출입구는 제2가지관들과 각각 접속되어 있으며, 상기 제2가지관들은 하나의 제2공통관을 통해 상기 냉매가 순환되는 배관과 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환 시스템.
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