KR101689647B1 - 이종 유동을 갖는 다채널 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 가열, 통기, 공기조화 및 냉각(HVAC&R) 시스템 및 열교환기들이 제공되는데, 이들은 외부 유체와 먼저 접촉하는 튜브들의 테두리들 근처에서 다채널 튜브들 내에서 냉각제의 유동을 증진시키도록 설계된 다채널 튜브 구성들을 포함한다. 튜브 구성들은 가변 단면과 간격 그리고 크기의 유동 경로들을 포함한다. 인써트들, 차단 판들, 슬리이브들, 주름진 구간들 및 짜부라뜨린 구간들과 같은 유동 기구들이 외부 유체와 먼저 접촉하는 튜브들의 테두리들 근처에서 유동에 도움이 되도록 유동 경로와 함께 채용될 것이다.
이종 유동, 다채널, 열교환기, 튜브, 유동 경로, 가열, 통기, 공기조화, 냉각

Description

이종 유동을 갖는 다채널 열교환기{MULTICHANNEL HEAT EXCHANGER WITH DISSIMILAR FLOW}
본 발명은 다채널 튜브들의 폭에 걸쳐서 이종 유동을 갖는 다채널 열교환기에 관한 것이다.
열교환기들은 가열, 통풍, 공기조화 및 냉방((HVAC&R) 장치들에서 사용된다. 다채널 열교환기들은 일반적으로 열교환기를 통해서 냉각제를 유동시키기 위한 다채널 튜브들을 포함한다. 각각의 다채널 튜브는 개별적인 유동 채널들 또는 경로들을 포함할 것이다. 유동 경로들 내에 포함된 냉각제와 튜브들을 위를 지나는 외부 유체 사이의 열교환을 용이하게 하기 위해서 튜브들 사이에는 핀들이 위치할 것이다. 또한, 다채널 열교환기들이 주거용 장치들과 같은 소형 용적톤수 장치들 또는 산업용 냉각장치들과 같은 대형 용적톤수 장치들에서 사용될 것이다.
다채널 열교환기들 내에서의 열전달은 일반적으로 열교환기를 통과하는 외부 유체의 유동에 의해서 파생된다. 통상적으로, 유체가 열교환기를 통과함에 따라서 (예를 들면, 튜브들 위를 지남), 유체는 개별적인 다채널 튜브들과 접촉하고 각각의 튜브를 가로질러서 유동하여, 튜브의 선단 테두리(leading edge)와 먼저 접촉하고 튜브의 폭을 가로질러서 유동한 다음, 튜브의 후단 테두리(trailing edge)와 마지막으로 접촉하게 된다. 외부 유체와 냉각제 사이의 열전달은 다른 것들중에서 다채널 튜브들의 내부를 유동하는 냉각제와 다채널 튜브들을 가로질러서 유동하는 외부 유체 사이의 온도차에 의존한다. 예를 들면, 증발기에 있어서, 공기와 같은 외부 유체는 다채널 튜브들 위로 유동할 것이다. 다채널 튜브들 내에서 유동하는 냉각제는 일반적으로 공기보다 더 냉각되고, 따라서 공기로부터 열을 흡수하게 된다. 열교환은 열교환기를 빠져나가는 냉각된 공기와 열교환기 내에서 유동하는 더워진 냉각제를 생성하게될 것이다. 응축기를 채용하는 예에 있어서, 공기와 같은 외부 유체는 일반적으로 공기보다 더워진 냉각제와 접촉하는 다채널 튜브들 위로 유동할 것이다. 공기가 튜브들을 가로질러서 유동함에 따라, 내부 냉각제는 공기로 열을 전달한다. 열교환으로 인하여 열교환기를 빠져나가는 공기는 더워지고 열교환기 내에서 유동하는 냉각제는 차가워질 것이다.
증발기와 응축기 응용 모두에 있어서, 튜브들을 가로질러서 유동하는 외부 유체와 튜브들의 내부를 유동하는 내부 냉각제 사이의 최대 온도차가 튜브들의 선단 테두리에서 일반적으로 존재하게 된다. 외부 유체가 튜브들의 폭을 가로질러서 유동함에 따라서, 외부 유체 온도를 내부 냉각제의 온도에 근접하게 하는 열교환이 발생한다. 그러므로, 외부 유체가 이미 얼마간의 열을 흡수하였거나 또는 내부 냉각제의 내외로 얼마간의 열을 전달하였기 때문에 튜브들의 후단 테두리에서는 약한 열교환이 일어나게 된다.
본 발명은 가열, 통기, 공기조화 및 냉각(HVAC&R) 시스템 및 열교환기들을 제공하고, 이들은 외부 유체와 먼저 접촉하는 튜브들의 테두리들 근처에서 다채널 튜브들 내에서 냉각제의 유동을 증진시키도록 설계된 다채널 튜브 구성들을 포함한다. 튜브 구성들은 가변 단면과 간격 그리고 크기의 유동 경로들을 포함한다. 인써트들, 차단 판들, 슬리이브들, 주름진 구간들 및 짜부라뜨린 구간들과 같은 유동 기구들이 외부 유체와 먼저 접촉하는 튜브들의 테두리들 근처에서 유동에 도움이 되도록 유동 경로와 함께 채용될 것이다.
본 발명은 제 1 매니폴드, 제 2 매니폴드, 상기 매니폴드들과 유체 연결되는 다수의 다채널 튜브들, 각각의 다채널 튜브 내에 종방향으로 배치된 다수의 대체로 평행한 유동 경로들을 구비한 열교환기에 관한 것이다. 다채널 튜브들은 선단 테두리로부터 후단 테두리로 연장되는 폭 치수를 가로질러서 유동하는 외부 유체를 수용하도록 구성되고, 유동 경로들은 선단 테두리 근처에서 각각의 다채널 튜브 내에서 내부 유체의 유동에 도움을 주도록 구성된다. 최하의 증기 질을 갖는 튜브의 단부 근처에서 유동 제어기구가 다채널 튜브 내에 포함될 것이다.
본 발명은 열교환기용 다채널 튜브에 관한 것이다. 튜브는 외부 유체와 접촉하도록 구성된 선단 테두리, 상기 선단 테두리와 접촉한 후에 외부 유체와 접촉하도록 구성된 후단 테두리, 그리고 튜브의 길이를 따라서 연장되는 둘 또는 그 이상의 대체적으로 평행한 유동 경로들을 포함한다. 유동 경로들은 선단 테두리 근처에서 튜브 내에서 내부 유체의 제 1 유동과 후단 테두리 근처에서 튜브 내에서 내부 유체의 제 2 유동을 실행하도록 구성된다. 제 2 유동은 제 1 유동에 비해서 줄어든다.
본 발명은 또한 열교환기들과 다채널 튜브들을 채용하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 가열, 통기, 공기조화 및 냉각(HVAC&R) 시스템 및 열교환기들을 제공하고, 외부 유체와 먼저 접촉하는 튜브들의 테두리들 근처에서 다채널 튜브들 내에서 냉각제의 유동을 증진시키도록 설계된 다채널 튜브를 제공할 수 있다.
또한, 인써트들, 차단 판들, 슬리이브들, 주름진 구간들 및 짜부라뜨린 구간들과 같은 유동 기구들이 외부 유체와 먼저 접촉하는 튜브들의 테두리들 근처에서 유동에 도움이 되도록 한다.
도 1 내지 도 3은 열교환기에 대한 예시적인 응용사례를 나타낸 도면이다. 그러한 장치들은 일반적으로 HVAC&R 분야와 그 분야 밖 모두에서 적용될 수 있다. 그러나 현재 고려되는 응용사례에 있어서 열교환기들은 주거용, 상업용, 광 산업용, 산업용 그리고 주택, 빌딩, 구조물 등과 같이 일정 용량이나 밀폐공간을 가열 혹은 냉각을 위한 다른 응용분야에서 사용될 것이다. 또한, 열교환기들은 다양한 유체들의 기본적인 냉각과 가열을 위한 적절한 용처에서 산업용으로 사용될 것이다. 도 1은 주거용 가열 및 냉각장치를 나타낸 도면이다. 일반적으로, 주택(10)은 실내 유닛(14)을 실외 유닛(16)에 작동 가능하게 연결하는 냉각제 도관(12)을 포함할 것이다. 실내 유닛(14)은 다용도실, 다락방, 지하실 등에 위치할 것이다. 실외 유닛(16)은 통상적으로 주택(10)의 일측에 인접하여 위치하며, 장치 부붐들을 보호하고 나뭇잎들과 다른 오염물질들이 유닛으로 들어가는 것을 방지하기 위하여 덮개가 씌워진다. 냉각제 도관(12)은 실내 유닛(14)과 실외 유닛(16) 사이에서 냉각제를 이송하는데, 통상적으로는 일방향으로 액체 냉각제를 주로 이송하고 반대 방향으로는 증기화된 냉각제를 주로 이송한다.
도 1에 도시된 장치가 공기 조화기로서 작동하는 경우에, 실외 유닛(16)에 있는 코일은 실내 유닛(14)으로부터 냉각제 도관들(12)중 하나를 거쳐서 실외 유닛(16)으로 유동하는 증기화된 냉각제를 재응축하기 위한 응축기로서 기능한다. 이러한 응용사례에 있어서, 실내 유닛의 코일은 참조부호 18로 기재되어 있는데, 증발기 코일로서 기능한다. 증발기 코일(18)은 액체 냉각제(팽창장치_도시되지 않음_에 의해서 팽창됨)를 수용하며, 그것을 실외 유닛(16)으로 복귀시키기 전에 냉각제 를 증발시킨다.
실외 유닛(16)은 유닛의 측면을 향하는 화살표로 나타낸 바와 같이 그것의 측면을 통해서 외기를 빨아들이고, 팬(도시되지 않음)에 의해서 외부 유닛 코일을 통해 공기를 강제 송풍하고, 외부 유닛의 위쪽 화살표로 나타낸 바와 같이 그 공기를 배출시킨다. 공기 조화기로서 작동하는 경우에, 공기는 외부 유닛 내에 있는 응축기 코일에 의해서 가열되고, 유닛의 측면으로 들어가는 공기보다는 높은 온도로 유닛의 상부를 통해 배출된다. 공기는 실내 코일(18)에 걸쳐서 송풍되고 화살표로 나타낸 바와 같이 배관(20)에 들어가서 배관(20)으로부터 배출되는 방식으로 배관(20)에 의해서 주택(10)에서 순환된다. 전체 장치는 서모스탯(22) 또는 다른 제어장치나 시스템(예를 들어, 컴퓨터, 디지탈 혹은 아날로그 컨트롤러 등)에 의해서 설정됨에 따라서 원하는 온도를 유지하도록 작동한다. 주택 내부에서 감지된 온도가 서모스탯의 설정온도보다 높은 경우(그보다 약간 큰 수치 포함하여), 공기 조화기는 주택을 통해서 순환하는 추가 공기를 냉각시키기 위해 작동하게될 것이다. 온도가 설정값에 도달하는 경우(그보다 약간 작은 수치 포함하여), 유닛은 냉각 사이클을 일시적으로 멈추게될 것이다.
도 1에 도시된 유닛이 히트펌프로서 작동하는 경우, 코일들의 역할은 간단하게 뒤바뀐다. 즉, 실외 유닛(16)은 냉각제를 증발시키도록 증발기로서 작용하게 되고, 이에 의해서 공기가 실외 유닛 코일을 통과함에 따라 실외 유닛(16)으로 들어가는 공기가 냉각된다. 실내 코일(18)은 그것을 통해서 송풍되는 공기의 흐름을 수용하게될 것이며, 냉각제를 응축시킴에 의해서 공기를 가열하게될 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 유닛들중 하나, 이 경우 실외 유닛(16)의 부분 분해도를 나타낸다. 일반적으로, 상기 유닛은 덮개, 팬 어셈블리, 팬 구동모터 등으로 구성된 상부 어셈블리(24)를 포함할 것이다. 도 2에 있어서, 팬과 팬 구동모터는 덮개에 의해서 둘러싸여서 감추어져 있기 때문에 보이지 않는다. 실외 코일(26)은 이러한 덮개 내에 수용되고, 압축기, 팽창장치, 제어회로와 같은 다른 장치 부품을 에워싸거나 적어도 부분적으로 에워싸도록 배치된다.
도 3은 다른 예시적은 응용사례, 이 경우에는 빌딩 환경운영을 위한 HVAC&R 시스템을 나타낸 도면이다. 빌딩(28)은 통상적으로 빌딩이나 그 근처에 또는 설비실이나 지하실 내에 배치되는장치에 의해서 냉각된다.
냉각기(30)는 물을 냉각시키도록 냉각사이클을 실행하는 공랭식 장치이다. 물은 물 도관(32)을 통해서 빌딩(28)으로 순환된다. 물 도관들은 빌딩의 개별적인 층이나 구간별로 에어 핸들러(34)에 연결된다. 에어 핸들러들은 실외 흡입구(38)로부터 공기를 취입하기에 적합한 배관(36)에 또한 연결된다.
냉각기(30)는 상기한 바와 같이 냉각제를 증발 및 응축하기 위한 열교환기들을 포함하며, 에어 핸들러들로 순환되는 물을 냉각시킨다. 에어 핸들러들에서 물을 수용하는 추가적인 코일들을 통한 공기 취입은 물의 온도를 증가시키게 되고 순환된 공기의 온도를 떨어뜨리게 된다. 냉각된 공기는 추가적인 배관을 통해서 빌딩 내 여러 위치들로 이송된다. 궁극적으로, 공기의 분배는 냉각된 공기를 사무실, 아파트, 복도 및 빌딩내 다른 내부공간으로 운반하는 디퓨저들로 이루어진다. 많은 응용사례에 있어서, 서모스탯이나 다른 명령 장치들(도 3에는 도시되지 않음)은 구 조물 내의 여러위치들에서 원하는 온도를 유지하기 위해 개별적인 에어 핸들러 및 배관을 통해서 그리고 그로부터의 공기유동을 제어하는 기능을 수행하게될 것이다.
도 4는 다채널 튜브 열교환기들을 채용할 공기 조화시스템(40)을 나타낸 도면이다. 냉각제는 폐 냉각루프 내에서 시스템(40)을 통해서 유동한다. 냉각제는 열을 흡수하고 추출하는 소정의 유체가될 것이다. 예를 들면, 냉각제는 하이드로플루오로카본(hydrofluorocarbon; HFC) 기지 R-410A, R-407C, or R-134a이거나, 또는 카본 다이옥사이드(R-744) 혹은 암모니아 (R-717)가 될 것이다. 공기 조화시스템(40)은 공기 조화시스템으로 하여금 환경을 소정의 온도로 냉각시킬 수 있게 하는 제어장치(44)를 포함한다.
시스템(40)은 응축기(46), 압축기(48), 팽창장치(50) 및 증발기(52)를 통해서 폐 냉각루프(42) 내에서 냉각제를 순환시킴으로서 환경을 냉각시킨다. 냉각제는 고압 고온의 증기로서 응축기(46)로 들어가고, 응축기의 다채널 튜브들을 통해서 유동한다. 모터(56)에 의해서 구동되는 팬(54)은 다채널 튜브들에 걸쳐서 공기를 뽑아낸다. 팬은 튜브들에 걸쳐서 공기를 밀어내거나 끌어당긴다. 공기가 튜브들에 걸쳐서 유동함에 따라, 냉각제 증기로부터 공기로 열전달이 이루어지고, 그리하여 가열된 공기(58)가 생성되며, 결국에는 냉각제 증기가 액체로 응축된다. 그러면 액체 냉각제는 팽창장치(50) 내로 유동하고, 여기에서 액체 냉각제는 낮은 압력과 낮은 온도의 액체로 팽창하게 된다. 통상적으로, 팽창장치(50)는 열팽창밸브(TXV)가 될 것이나, 다른 예시적인 실시 예들에 따르면, 팽창장치는 오리피스나 모세관이 될 수도 있다. 냉각제가 팽창장치를 빠져나간 후에, 몇몇 증기 냉각제가 액체 냉각 제에 추가하여 존재할 것이다.
팽창장치(50)로부터 배출된 냉각제는 증발기(52)로 들어가고 증발기 다채널 튜브들을 통해서 유동하게 된다. 모터(62)에 의해서 구동되는 팬(60)은 다채널 튜브들에 걸쳐서 공기를 뽑아낸다. 공기가 튜브들에 걸쳐서 유동함에 따라, 공기로부터 냉각제 액체로 열전달이 이루어지고, 그리하여 냉각된 공기(64)가 생성되며, 결국에는 냉각제 액체가 증기로 증발하게 된다. 몇몇 실시 예들에 따르면, 팬은 다채널 튜브들에 걸쳐서 유체를 뽑아내는 펌프로 대체될 수 있다.
그러면 냉각제는 저압과 저온 증기로서 압축기(48)로 유동하게 된다. 압축기(48)는 냉각제 증기에 대하여 유용한 부피를 감소시키고, 그 결과 증기 냉각제의 압력과 온도가 증가하게 된다. 압축기는 스크루 압축기, 왕복 압축기, 로터리 압축기, 스윙 링크 압축기, 스크롤 압축기 혹은 터빈 압축기와 같은 소정의 적당한 압축기가 될 것이다. 압축기(48)는 가변속 드라이브(VSD)나 직류 혹은 교류 파워 소오스로부터 동력을 전달받는 모터(66)에 의해서 구동된다. 바람직한 실시 예에 따르면, 비록 몇몇 응용사례에 있어서 가변 전압이나 가변 주파수 드라이브에 의해서 구동될 수 있을 지라도, 모터(66)는 교류 전력 소오스로부터 고정 라인 전압과 주파수를 수용한다. 모터는 스위치드 릴럭턴스(SR) 모터, 유도 전동기, 일렉트로니컬리 커뮤테이티드 퍼머넌트 마그네트 모터(ECM) 혹은 다른 적당한 모터 형식이 될 것이다. 냉각제는 고온과 고압 증기로서 압축기(48)를 빠져나가는데, 이는 응축기로 들어가서 다시 냉각 사이클을 시작하도록 대기하게 된다.
제어장치(44)는 제어 회로(68), 입력장치(70) 및 온도 센서(72)를 포함하며, 냉각 사이클의 작동을 제어한다. 제어회로(68)는 응축기 팬(54), 증발기 팬(60) 및 압축기(48)를 각각 구동시키는 모터들(56,62,66)에 연결된다. 제어회로(68)는 공기조화장치를 구동시키는 모터들(56,62,66)을 언제 작동시킬지 결정하기 위해서 입력장치(70)와 센서(72)로부터 수신된 정보를 사용한다. 몇몇 응용사례에 있어서, 입력장치는 종래의 서모스탯이 될 수 있다. 그러나, 입력장치는 서모스탯으로 한정되는 것은 아니며, 보다 일반적으로는 고정 설정값 또는 가변 설정값의 소정 소오스가 채용될 수 있다. 이들은 장치가 수신하는 온도관련 신호를 수동으로 혹은 자동으로 설정하는 로컬 혹은 원격 명령장치, 컴퓨터 장치와 프로세서들, 기계적, 전기적 및 전자기적 장치들을 포함할 것이다.
예를 들면, 주거용 공기 조화장치에 있어서, 입력장치는 제어회로에 온도 설정값을 제공하는 프로그래밍 가능한 24-V 서모스탯이될 수 있다. 센서(72)는 주위 공기온도를 결정하고 제어회로(68)로 온도를 제공한다. 그러면, 제어회로(68)는 센서로부터 수신한 온도를 입력장치로부터 수신된 온도 설정값과 비교한다. 만일 온도가 설정값보다 높으면, 제어회로(68)는 공기조화장치(40)를 구동시키기 위해서 모터들(56,62,66)을 턴-온(turn on) 시키게될 것이다. 제어회로는 공기 조화장치를 통제하기 위하여 하드웨어 혹은 소프트웨어 제어 알고리즘을 실행할 것이다. 바람직한 실시 예들에 따르면, 제어 회로는 아날로그 디지털(A/D) 변환기, 마이크로프로세서, 비휘발성 메모리, 및 인터페이스 보드를 포함할 수 있다. 물론, 냉각제, 열교환기, 유입구와 배출구 온도 등의 온도와 압력을 감지하는 추가적인 압력 및/온도 변환기들 혹은 스위치들과 같은 다른 장치들이 시스템에 포함될 수 있다.
도 5는 다채널 튜브 열교환기들을 채용할 히트 펌프 시스템(74)을 나타낸 도면이다. 히트 펌프는 가열과 냉각을 위해서 사용되기 때문에, 냉각제는 가역적인 냉각/가열 루프(76)를 통해서 유동한다. 냉각제는 열을 흡수하고 추출하는 소정의 유체가될 것이다. 가열 및 냉각 작동은 제어장치(78)에 의해서 통제된다.
히트 펌프 시스템(74)은 열교환기로서 작동하는 내부 코일(80)과 외부 코일(82)을 포함한다. 코일들은 히트펌프 작동 모드에 따라서 증발기나 응축기로서 기능하게될 것이다. 예를 들면, 히트펌프 시스템(74)이 냉각(혹은 "AC") 모드로 작동하는 경우, 외부 코일(80)은 응축기로서 기능하여 외부 공기로 열을 방출하는 반면, 내부 코일(82)은 증발기로서 기능하여 내부 공기로부터 열을 흡수하게 된다. 히트펌프 시스템(74)이 가열모드로 작동하는 경우, 외부 코일(80)은 증발기로서 기능하여 외부 공기로부터 열을 흡수하는 반면, 내부 코일(82)은 응축기로서 기능하여 내부 공기로부터 열을 방출하게 된다. 냉각제 유동의 방향을 제어하기 위해서 코일들 사이에 리버싱 밸브(84)가 위치하며, 이에 의해서 가열모드와 냉각모드 사이에서 히트펌프를 스위치절환시키게 된다.
히트펌프 시스템(74)은 냉각제가 증발기로 들어가기전에 냉각제의 압력과 온도를 감소시키기 위한 2개의 조정장치(metering devices)(86,88)를 또한 포함한다. 조정장치들은 증발기로 들어가는 냉각제 유동을 또한 조절하고, 그래서 증발기로 들어가는 냉각제의 양은 증발기를 빠져나가는 냉각제의 양과 같거나 혹은 거의 같게된다. 사용된 조정장치는 히트펌프 작동모드에 의존하게 된다. 예를 들면, 히트펌프 시스템(74)이 냉각모드로 작동하는 경우, 냉각제는 조정장치(86)를 바이패 스하여 증발기로서 작용하는 내부 코일(82)로 들어가기 전에 조정장치(88)를 통해서 유동하게 된다. 다른 예에 있어서, 히트펌프 시스템(74)이 가열모드로 작동하는 경우, 냉각제는 조정장치(88)를 바이패스하여 증발기로서 작용하는 외부 코일(80)로 들어가기 전에 조정장치(86)를 통해서 유동하게 된다. 다른 바람직한 실시 예들에 따르면, 단일의 조정장치가 가열모드와 냉각모드용으로 사용될 수도 있다. 조정장치는 통상적으로 열팽창 밸브(TXV)이거나 또는 오리피스나 모세관들이 될 수 있다.
냉각제는 낮은 온도와 압력의 유체로서 가열모드에서는 외부 코일(80)이 되고 냉각모드에서는 내부 코일(82)이 되는 증발기로 들어간다. 조정장치(86 또는 88)에서 발생하는 팽창과정의 결과로서 몇몇 증기 냉각제가 존재하게될 것이다. 냉각제는 증발기에서 다채널 튜브들을 통해서 유동하며, 냉각제를 증기로 변화시키는 공기로부터 열을 흡수하게 된다. 냉각 모드에 있어서, 실내 공기는 다채널 튜브들에 걸쳐서 유동하고, 탈습된다. 공기로부터 비롯된 습기는 다채널 튜브들의 외부면 상에 응축되어 결과적으로는 공기로부터 제거된다.
증발기를 빠져나간 후에, 냉각제는 리버싱 밸브(84)를 통과하여 압축기(90) 내로 유동하게 된다. 압축기(90)는 냉각제 증기의 부피를 감소시키고, 그 결과 증기의 압력과 온도가 증가하게 된다. 압축기는 스크루 압축기, 왕복 압축기, 로터리 압축기, 스윙 링크 압축기, 스크롤 압축기 혹은 터빈 압축기와 같은 소정의 적당한 압축기가 될 것이다.
압축기(90)로부터 배출되는 증가된 온도와 압력의 증기 냉각제는 응축기로 유동하게 되고, 그것의 위치는 히트펌프 모드에 의해서 결정된다. 냉각모드에 있어서, 냉각제는 (응축기로서 작용하는)코일(80) 내로 유동하게 된다. 모터(94)에 의해서 구동되는 팬(92)은 냉각제 증기를 함유하는 다채널 튜브들에 걸쳐서 유동하는 공기를 뽑아낸다. 몇몇 실시 예들에 따르면, 팬은 다채널 튜브들에 걸쳐서 유체를 뽑아내는 펌프로 대체될 수 있다. 냉각제로부터 나오는 열은 외부 공기로 전달되고, 결국에는 냉각제가 액체로 응축된다. 가열모드에 있어서, 냉각제는 (응축기로서 작용하는)코일(82)내로 유동하게 된다. 모터(98) 의해서 구동되는 팬(96)은 냉각제 증기를 함유하는 다채널 튜브들에 걸쳐서 유동하는 공기를 뽑아낸다. 냉각제로부터 나오는 열은 내부 공기로 전달되고, 결국에는 냉각제가 액체로 응축된다.
응축기를 빠져나간 후에, 냉각제는 조정장치(가열모드에서는 86, 냉각모드에서는 88)를 통해서 유동하게 되고, 공정이 다시 시작되는 증발기(가열모드에서는 외부코일(80), 냉각모드에서는 내부코일(82))로 복귀한다.
가열 및 냉각모드에 있어서, 모터(100)는 압축기(90)를 구동시키고, 가역적인 냉각/가열 루프(76)를 통해서 냉각제를 순환시킨다. 모터는 AC 혹은 DC 전력원으로부터 또는 가변속 드라이브(VSD)로부터 직접적으로 전력을 받게될 것이다. 모터는 스위치드 릴럭턴스(SR) 모터, 유도 전동기, 일렉트로니컬리 커뮤테이티드 퍼머넌트 마그네트 모터(ECM) 혹은 다른 적당한 모터 형식이 될 것이다.
모터(100)의 작동은 제어회로(102)에 의해서 제어된다. 제어회로(102)는 입력장치(104)와 센서(106,108,110)로부터 정보를 수신하고, 냉각모드와 가열모드 모두에서 히트펌프 시스템(74)의 작동을 제어하기 위하여 그 정보를 사용한다. 예를 들면, 냉각 모드에 있어서, 입력장치(104)는 제어회로(102)로 온도 설정값을 제공한다. 센서(110)는 주위 실내 공기온도를 측정하고 그 측정값을 제어회로(102)로 제공한다. 그러면 제어회로(102)는 주위온도를 온도 설정값과 비교하고 만일 공기온도가 온도 설정값보다 높으면 냉각장치를 구동시키기 위해 압축기 모터(100)와 팬 모터들(94,98)을 결합시킨다. 가열모드에 있어서, 제어회로(102)는 센서(110)로부터 송출된 공기온도를 입력장치(104)로부터 송출된 온도 설정값과 비교하고 만일 공기온도가 온도 설정값보다 낮으면 가열장치를 구동시키기 위해 모터들(94,98,100)을 결합시킨다.
제어회로(102)는 가열모드와 냉각모드 사이에서 히트펌프 시스템(74)을 스위치절환시키기 위해 입력장치(104)로부터 수신된 정보들 또한 사용한다. 예를 들면, 만일 입력장치(104)가 냉각모드로 설정되면, 제어회로(102)는 리버싱 밸브(84)를 공기 조화 위치(114)에 설정하도록 솔레노이드(112)에 신호를 보내게될 것이다. 결과적으로, 냉각제는 다음과 같이 가역적인 루프(76)를 통해서 유동하게될 것이다; 냉각제는 압축기(90)를 빠져나간다음 외부 코일(80)에서 응축되고, 조정장치(88)에 의해서 팽창되며, 내부 코일(82)에 의해서 증발된다. 만일 입력장치가 가열모드로 설정되면, 제어회로(102)는 리버싱 밸브(84)를 히트펌프 위치(116)에 설정하도록 솔레노이드(112)에 신호를 보내게될 것이다. 결과적으로, 냉각제는 다음과 같이 가역적인 루프(76)를 통해서 유동하게될 것이다; 냉각제는 압축기(90)를 빠져나간다음 내부 코일(80)에서 응축되고, 조정장치(86)에 의해서 팽창되며, 외부 코일(82)에 의해서 증발된다.
제어회로는 히트펌프 시스템(74)을 통제하기 위하여 하드웨어 혹은 소프트웨어 제어 알고리즘을 실행할 것이다. 바람직한 실시 예들에 따르면, 제어 회로는 아날로그 디지털(A/D) 변환기, 마이크로프로세서, 비휘발성 메모리, 및 인터페이스 보드를 포함할 수 있다.
제어회로는 시스템이 가열모드에서 작동하는 경우에 제상(defrost) 사이클을 또한 개시하게될 것이다. 실외 온도가 결빙온도에 도달하는 경우, 외부 코일(80) 쪽으로 향하는 외부 공기중의 습기가 응축되어 코일 상에서 결빙될 것이다. 센서(106)는 외부 공기 온도를 측정하며, 센서(108)는 외부 코일(80)의 온도를 측정한다. 이러한 센서들은 제상 사이클을 언제 개시해야 하는지를 결정하는 제어회로로 온도 정보를 제공한다. 예를 들면, 만일 센서(106,108)가 제어회로로 결빙 이하의 온도를 제공하면, 시스템(74)은 제상 모드에 들어가게 된다. 제상모드에 있어서, 솔레노이드(112)는 리버싱 밸브(84)를 공기 조화 위치(114)에 설정하도록 작동하고, 모터(94)는 다채널 튜브들을 통해서 유동하는 공기를 단속하도록 정지된다. 그러면 시스템(74)은 외부 코일(80)을 통해서 유동하는 증가된 온도와 압력의 냉각제가 코일의 성에를 제거할 때까지 냉각모드로 작동한다. 코일(80)로부터 성에가 제거되는 것을 센서(108)가 감지하면, 제어회로(102)는 리버싱 밸브(84)를 히트펌프 위치(146)로 복귀시킨다. 해당 기술분야의 숙련된 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 제상 사이클은 많은 다른 시간과 온도 조합하에서 발생하도록 설정할 수 있다.
도 6은 도 4에 도시된 공기조화 시스템(40)이나 도 5에 도시된 히트펌프 시 스템(70)에서 사용될 수 있는 예시적인 열교환기의 사시도이다. 예시적인 열교환기는 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 응축기(46), 증발기(52), 외부 코일(80) 또는 내부 코일(82)을 포함할 것이다. 유사하거나 다른 시스템들에서도 알 수 있는 바와 같이, 열교환기는 냉각기 혹은 다른 열교환 응용의 일부로서 사용될 수 있다. 열교환기는 다채널 튜브들(124)에 의해서 연결된 매니폴드들(120,122)을 포함한다. 비록 도 6에는 30개의 튜브들이 도시되어 있지만, 튜브들의 수는 가변적이다. 매니폴드들과 튜브들은 알루미늄이나 양호한 열전달을 증진시키는 다른 재료로 구성될 수 있다. 냉각제는 제 1 튜브들(126)의 세트를 통해서 매니폴드(120)로부터 매니폴드(122)로 유동한다. 그러면 냉각제는 제 2 튜브들(128)의 세트를 통해서 반대방향으로 매니폴드(120)로 복귀하게 된다. 제 1 튜브들은 제 2 튜브들과 동일한 구성을 가지거나 혹은 제 1 튜브들은 제 2 튜브들과는 다른 구성을 가질 것이다. 다른 바람직한 실시 예들에 따르면, 열교환기는 약 90도 각도로 회전되고, 그래서 다채널 튜브들은 상부 매니폴드와 하부 매니폴드 사이에서 수직하게 연장된다. 또한, 열교환기는 수직선에 대하여 일정각도로 경사질 것이다. 비록 다채널 튜브들이 타원형상을 갖는 것으로 도시되었지만, 튜브들은 직사각형, 정사각형, 원형, 달걀모양, 타원모양(ellipse), 삼각형, 사다리꼴모양 혹은 평행사변형 모양의 단면적을 갖는 튜브들과 같이 소정의 형상을 가질 수 있다. 예시적인 실시 예들에 따르면, 튜브들은 0.5 mm 내지 3 mm 범위의 높이와 18 mm 내지 25 mm 범위의 폭을 갖는 타원모양의 단면형상을 가질 것이다. 열교환기는 단일 평면이나 슬래브로 제공되거나, 혹은 구부러진 부분, 모서리, 만곡부등을 포함할 수도 있음을 알 수 있을 것이다.
바람직한 실시 예들에 따르면, 제 1 튜브들의 구성은 제 2 튜브들의 구성과는 다르다. 튜브들은 각각의 구간에서 다르다. 예를 들면, 튜브들은 제 1 구간이 직사각형을 이루는 곳의 튜브들과 제 2 구간이 타원형을 이루는 곳의 튜브들은 동일한 단면을 갖게될 것이다. 도 11 내지 도 28을 참조하여 하기에서 설명하는 바와 같이 튜브들의 내부 구성은 튜브 구간들 내에서 그리고 구간들에 걸쳐서 가변적이고, 그리하여 내부 유동 경로들은 다른 구성들을 가지거나 혹은 거기에 포함된 다양한 유동 제어기구들을 구비하게 된다.
냉각제는 유입구(130)를 통해서 열교환기로 들어가고 배출구(132)를 통해서 열교환기로부터 빠져나간다. 비록 도 6에는 매니폴드(120)의 상부에 있는 유입구와 매니폴드(120)의 하부에 있는 배출구가 도시되었지만, 유입구와 배출구 위치는 서로 뒤바뀔 수 있고, 따라서 유체는 바닥으로 들어가서 상부로 빠져나오게 된다. 유체는 또한 매니폴드의 바닥, 측면 또는 상부면에 위치한 다수의 유입구와 배출구들을 통해서 유입되고 배출될 수 있다. 배플들(134)은 매니폴드(120)의 유입구와 배출구 부분을 분리시킨다. 비록 이중 배플(134)이 도시되어 있지만, 유입구와 배출구 부분의 분리를 위해서 하나 또는 그 이상의 배플들중 소정 갯수가 채용될 수 있다. 다른 예시적인 실시 예들에 따르면 유입구와 배출구는 별도의 매니폴드에 포함될 수 있고 이는 결국 배플의 필요성을 제거하게 될 수도 있음을 알 수 있다.
핀들(136)은 튜브들과 환경 사이에서 열전달을 증진하기 위해 다채널 튜브들(124) 사이에 위치한다. 예시적인 실시예에 따르면, 핀들은 알루미늄으로 구성되고, 튜브들에 납땜되거나 다른 방식으로 결합되고, 냉각제의 유동방향에 대하여 대 체적으로 수직하게 배치된다. 그러나, 다른 예시적인 실시 예들에 따르면, 핀들은 열전달을 용이하게 하는 다른 재료로 제조될 수 있고, 냉각제의 유동에 대하여 평행하게 혹은 가변 각도로 연장될 것이다. 핀들은 미늘살(louvered) 핀들, 주름진 (crimped) 핀들 혹은 다른 적당한 형식의 핀이될 것이다.
공기와 같은 외부 유체가 화살표(138)로 나타낸 바와 같이 다채널 튜브들(124)을 가로질러서 유동하는 경우, 튜브들(124) 내에서 유동하는 냉각제와 외부 유체 사이에서 열전달이 일어난다. 통상적으로, 여기에서는 공기로서 도시된 외부 유체는 다채널 튜브들(124)의 상부와 하부에 접촉하는 핀들(136)을 통해서 유동한다. 외부유체는 먼저 선단 테두리(140)에서 다채널 튜브들(124)과 먼저 접촉하고, 다음에는 튜브들의 폭을 가로질러서 유동하며, 마지막으로는 튜브들의 후단 테두리(142)와 접촉한다. 외부유체가 튜브들을 가로질러서 유동함에 따라서, 열이 튜브들로부터 외부 유체의 여기저기로 전달된다. 예를 들면, 응축기에 있어서, 외부 유체는 다채널 튜브들 내에서 유동하는 유체보다 더 냉각된다. 외부 유체가 다채널 튜브의 선단 테두리에 접촉함에 따라서, 열은 다채널 튜브 내에 있는 냉각제로부터 외부 유체로 전달된다. 결과적으로, 외부 유체는 다채널 튜브들을 통과함에 따라서 가열되고 다채널 튜브들 내에서 유동하는 냉각제는 냉각된다. 증발기에 있어서, 외부 유체는 다채널 튜브들 내에서 유동하는 냉각제보다 높은 온도를 갖는다. 결과적으로, 외부 유체가 다채널 튜브의 선단 테두리에 접촉함에 따라서, 외부 유체로부터 전달된 열은 냉각제를 가열하도록 튜브 내에서 유동하는 냉각제로 전달된다. 열이 냉각제로 전달되기 때문에 다채널 튜브들을 떠나는 외부 유체는 냉각된다.
도 7은 도 6에 도시된 튜브들(124)과 핀들(136)의 상세 사시도로서, 튜브들과 핀들을 단면으로도 보여주는 도면이다. 화살표(138)로 나타낸 외부 유체는 핀들(136)을 통과하고 튜브들(124)의 폭(A)을 가로질러 유동하며, 튜브들의 상부면과 하부면에 접촉한다. 핀들(136)은 튜브들(124) 내에서 유동하는 냉각제와 튜브들을 가로질러서 유동하는 외부 유체 사이에서 열전달을 증진시키는 기능을 수행한다. 여기에서는 공기로서 도시된 외부유체는 먼저 선단 테두리(140)와 접촉하고, 튜브(124)의 폭(A)을 가로질러서 유동하며, 마지막으로는 후단 테두리(142)와 접촉한다. 냉각제는 유동 경로들(144)을 통해서 다채널 튜브들(124) 내에서 공기 흐름(138)의 방향에 대체적으로 수직한 방향으로 유동한다. 각각의 튜브(124)는 외부 유체(138)가 통과하는 폭(A)을 갖는다. 각각의 튜브(124)는 폭(A) 보다 훨씬 작은 높이(B)를 또한 갖는다. 외부유체가 다채널들의 폭(A)을 가로질러서 유동함에 따라서, 열이 냉각제와 외부 유체 사이로 전달된다. 외부 유체와 냉각제 사이에서는 열전달이 없거나 최소로 일어나기 때문에, 냉각제와 외부 유체 사이의 온도차는 통상적으로 선단 테두리(140)에서 최대가 된다. 특히, 외부유체가 폭(A)을 가로질러서 유동함에 따라서, 유체는 튜브들 내에서 냉각제로부터 열을 흡수하거나 혹은 냉각제로 열을 전달한다. 열전달로 인하여, 외부 유체의 온도는 유체가 폭을 가로질러서 유동함에 따라서 냉각제의 온도에 근접하게 된다. 그러므로, 튜브들의 선단 테두리(140)(온도차가 일반적으로 최대)에서는 후단 테두리(142)(온도차가 일반적으로 최소)에서보다 열전달이 잘 일어난다.
도 8은 도 6의 열교환기의 일부 부품들을 나타낸 도면으로서, 보다 상세한 분해도로서 보여주는 도면이다. 각각의 매니폴드(도 8에 도시된 매니폴드(120))는 캡(146)에 의해서 밀폐된 개방 단부들을 갖는 관형상 구조물이다. 개구부들이나 틈새들(148)은 종래의 천공작업에 의해서 매니폴드에 형성된다. 그러면 다채널들(124)이 평행한 패턴으로 개구들(148) 내로 삽입된다. 튜브들의 단부(150)는 개구들(148) 내로 삽입되고, 그래서 유체는 매니폴드로부터 튜브들 내의 유동 경로들 내로 유동하게 된다. 매니폴드 내로 튜브들을 삽입하는 동안에, 선단 테두리(140)와 후단 테두리(142)는 튜브들의 배향에 의해서 결정될 것이다. 몇몇 제조공정에 있어서, 선단 테두리와 후단 테두리는 각각의 튜브의 선단 테두리와 후단 테두리가 삽입과정 동안에 평행하게 정렬될 수 있게 스탬핑과 같은 공정을 사용하여 튜브에 새겨지게 될 것이다. 공기나 물과 같은 외부 유체와 튜브들 내에서 유동하는 냉각제 사이의 열전달을 증진하기 위해서 핀들(136)이 튜브들(124) 사이에 삽입될 것이다.
도 9는 응축기에 포함된 다채널 튜브(124)용 온도 프로파일(152)을 나타낸 도면이다. 온도 프로파일(152)은 다채널 튜브(124)의 폭(A)에 걸쳐서 온도변화를 나타낸 것이다. X-축(154)은 튜브 폭(A)에 걸친 거리를 나타내며, Y-축(156)은 튜브(124) 내에 있는 냉각제와 튜브(124)를 가로질러서 유동하는 외부 유체의 온도를 나타낸다. 외부 유체의 온도는 공기 온도(158)로 나타내어지고, 냉각제의 온도는 응축 온도(160)로 나타내어진다. 선단 테두리(140)에서, 공기 온도(158)는 응축 온도(160) 보다 낮다. 공기가 폭(A)을 가로질러서 유동함에 따라, 공기는 튜브(124) 내에서 유동하는 냉각제로부터 받은 열에 의해서 가열된다. 결과적으로, 공기의 온 도는 폭(A)을 가로질러서 증가하고, 그래서 후단 테두리(142)에서 공기 온도(158)는 선단 테두리(140)에서보다 크다. 응축 온도(160)는 어느정도 일정하게 유지되는데, 이것은 폭(A)에 걸쳐서 감소하는 빗금친 영역으로 나타낸 온도차(162)를 야기함에 주목해야 한다. 온도차(162)는 응축온도(160)와 공기 온도(158) 사이에서의 온도차를 나타낸다. 열전달은 온도차(162)의 함수이기 때문에, 온도차(162)가 커지는 곳인 선단 테두리(140) 근처에서 열전달이 보다 잘 이루어진다.
도 9는 또한 다채널 튜브(124)의 폭(A)을 가로지르는 유동 경로(144)의 내부 구성을 나타낸 도면이다. 내부 구성은 온도 프로파일(152)에 대한 열전달을 최대화하도록 의도된 것이다. 유동 경로들(144)은 일정한 간격(C)만큼 서로 이격되며, 유동 경로들의 크기는 공기 유동(138)의 방향으로 폭(A)에 걸쳐서 감소한다. 유동 경로들(164)은 선단 테두리(140) 근처에 위치하고, 반경(D)로 나타낸 제 1의 크기를 갖는다. 유동 경로들(166)은 선단 테두리(140)로부터 떨어져서 위치하고, 반경(E)로 나타낸 제 2의 크기를 갖는다. 반경(E)은 반경(D)보다 작고 그 결과 유동 경로들(166)은 유동 경로들(164)보다 작은 유동 면적을 갖는다는 사실에 주목해야 한다. 유동 경로들(168)은 선단 테두리(140)로부터 최대로 멀리 떨어져서 위치하고, 반경(F)로 나타낸 제 3의 크기를 갖는다. 반경(F)은 반경(D,E,F) 중에서 최소이고, 그 결과 유동 경로들(168)은 튜브(124) 내에서 최소의 유동면적을 갖는다. 결과적으로, 유동 경로들(164,166,168)이 선단 테두리(140)로부터 멀리 떨어져서 위치함에 따라서, 유동 경로들의 크기, 결과적으로는 유동 경로들 내의 유동 면적이 감소하게 된다. 선단 테두리(140)에 인접하게 위치한 유동 경로들(164)은 최대의 유동 면적을 가지므로 최대량의 냉각제를 수용할 수 있는 반면에, 선단 테두리(140)로부터 가장 멀리 떨어져서 위치한 유동 경로들(168)은 최소의 유동 면적을 가지므로 최소량의 냉각제를 수용할 수 있게 된다.
그러므로, 튜브는 온도차(162)가 최대인 선단 테두리(140) 근처에서 냉각제를 보다 잘 유동할 수 있게 한다.
도 10은 다채널 튜브가 증발기로서 기능하는 열교환기에서 사용되는 경우에 다채널 튜브(124)용 온도 프로파일(170)을 나타낸 도면이다. 온도 프로파일(170)은 다채널 튜브(124)의 폭(A)에 걸쳐서 온도변화를 나타낸 것이다. X-축(154)은 튜브 폭(A)에 걸친 거리를 나타내며, Y-축(156)은 냉각제의 온도와 여기에서는 공기인 외부 유체의 온도를 나타낸다. 빗금친 부분으로 나타낸 온도차(162)는 튜브들(124) 위로 유동하는 공기와 튜브(124) 내에서 유동하는 냉각제 사이의 온도차를 나타낸다. 튜브(124)가 증발기 내에 위치하고 있기 때문에, 증발온도(172)는 냉각제의 온도를 나타낸다. 공기의 온도는 온도 프로파일(170)을 공기 온도(158)로서 나타낸다. 공기가 화살표 138로 나타낸 바와 같이 튜브(124)을 가로질러서 유동함에 따라서, 공기의 온도는 증발온도(172)에 근접하게 감소한다. 예를 들면, 온도 프로파일(170)에 도시된 바와 같이, 공기 온도(158)가 증발 온도(172) 보다 훨씬 높은 경우에 공기 유동(138)은 선단 테두리(140)와 먼저 접촉한다. 공기가 폭(A)을 가로질러서 유동함에 따라, 공기는 튜브 내에서 유동하는 냉각제로 열을 방출한다. 결과적으로, 공기는 폭(A)에 걸쳐서 감소하는 온도로 냉각된다. 온도 프로파일(170)로 나타낸 바와 같이, 후단 테두리(142)에서의 공기 온도(158)는 선단 테두리(140)에 서의 공기 온도(158)보다 훨씬 낮다. 증발 온도(172)는 폭(A)에 걸쳐서 비교적 일정하게 유지된다. 공기가 폭(A)에 걸쳐서 유동함에 따라 공기 온도(158)는 증발 온도(172)에 근접하기 때문에, 온도차(162)는 폭(A)에 걸쳐서 감소하게 된다. 결과적으로, 튜브들의 선단 테두리(140)(온도차가 최대)에서는 후단 테두리(142)(온도차가 최소)에서보다 열전달이 잘 일어난다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 동일한 내부 튜브 구성이 응축기와 증발기 모두에서 사용될 수 있다. 도 10에 채용된 튜브 구성은 도 9에 채용된 동일한 튜브 구성이다. 도 10에 있어서, 선단 테두리(140)에 근접하여 위치하는 유동 경로(164)는 최대 반경을 가지므로 결과적으로는 최대 유동 영역을 갖게되어, 선단 테두리(140) 근처에서 보다 많은 냉각제가 유동할 수 있게 된다. 유동 경로들(164,166,168)이 선단 테두리(140)로부터 떨어져서 위치함에 따라서, 그들의 크기는 감소한다. 예를 들면, 유동 경로들(168)은 후단 테두리(142)에 근접하여 위치하고 최소 반경(F)을 가지며, 그 결과 후단 테두리(142) 근처에서 최소량의 유체 유동이 발생한다. 튜브(124)가 응축기(도 9 참조)에 사용되고 튜브(124)가 증발기(도 10 참조)에 사용되는 경우에, 선단 테두리(140)는 최대 유동 경로들에 근접한 튜브의 테두리이다. 응축기들과 증발기들 사이에서 선단 테두리 위치의 일관성으로 인하여 제조과정중에 튜브들에 선단 테두리와 후단 테두리를 특정하도록 표시할 수 있게 된다. 비록 3개의 다른 크기를 갖는 유동 경로들이 도 9와 도 10에 도시되어 있지만, 튜브 내에서 다른 크기의 유동 경로들의 갯수는 가변적이다. 예를 들면, 예시적인 실시 예들에 따르면, 5개의 각기 다른 크기를 갖는 유동 경로들이 제공될 수도 있다. 또한, 각각의 크기의 유동 경로들의 갯수는 사용된 냉각제, 열교환기의 위치, 튜브 표면적 및 핀 높이와 같은 열교환기의 특정 성질들에 기초하여 변할 수 있다.
도 11 내지 도 16은 다채널들을 위한 대안적인 유동 경로 구성들을 나타낸 도면이다. 이 도면들은 유동 경로들에 대한 예시적인 단면 형상들, 유동 경로들 사이에서 사용될 예시적인 간격 그리고 유동 경로들에 대하여 채용될 예시적인 크기를 나타낸다. 그러나 도면들을 통해서 도시된 형상이나 간격은 제한되는 것이 아니며 다른 적합한 형상, 크기, 간격 및 이들의 조합이 제공될 수 있음을 주목하여야 한다.
도 11은 선단 테두리(140) 근처에 유동을 집중시키도록 구성된 유동 경로들을 갖는 대안적인 튜브(174)를 나타낸 것이다. 유동 경로들(176,178,180)의 각각은 일정한 공간(G)으로 이격된다. 그러나, 유동 경로들(176,178,180)의 크기는 선단 테두리(140) 근처에 유동을 집중시키도록 폭(A)에 걸쳐서 감소한다. 예를 들면, 유동 경로들(176)은 선단 테두리(140)에 근접하여 위치하고, 높이(H)와 길이(J)의 타원형 개구를 갖는다. 타원형상은 비교적 많은 양의 유동이 유동 경로(176)를 통해서 흐를수 있게 한다. 유동 경로들(178)은 튜브의 중간에 배치되고 반경(K)의 원형 단면을 갖는다. 유동 경로들(178)은 유동 경로들(176) 보다는 작은 단면적을 갖는다. 유동 경로들(180)은 후단 테두리(142)에 근접하여 위치하고, 반경(K) 보다 작은 반경(L)의 원형 단면을 갖는다. 유동 경로들(180)은 최소 단면적을 가지며, 따라서 가장 적은 양의 유동을 허용하게 된다.
도 12는 튜브의 선단 테두리 근처에 유동을 집중시키도록 구성된 유동 경로들을 갖는 대안적인 튜브(182)를 나타낸 것이다. 유동 경로들(184,186,188,190) 모두는 일정한 간격(M)만큼 서로 이격된다. 그런데, 유동 경로들(184, 186, 188, 190)은 유동 경로들이 후단 테두리(142)에 근접하여 위치함에 따라서 감소하는 각각 다른 단면적과 형상을 갖는다. 유동 경로들(184)은 선단 테두리(140)에 근접하여 위치하고, 비교적 큰 단면적을 갖는 원형 개구를 구비한다. 유동 경로들(186)은 튜브의 중간 근처에 배치되고, 유동 경로(184)의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 사각형상의 개구를 구비한다. 유동 경로들(188)은 유동 경로들(186)의 우측에 위치하고, 더욱 작은 단면적을 갖는다. 유동 경로들(188)은 유동 경로들(186)의 사각형상 개구와 유사한 크기의 나비넥타이 모양의 단면을 가지나, 상부와 바닥에서 사각형의 중앙부분들은 이러한 유동 경로들의 단면적을 줄이도록 움푹 들어가 있다. 이렇게 움푹 들어간 부분들은 이러한 유동 경로들에 대하여 마찰 압력 저하를 증가시키는 기능을 하게 된다. 유동 경로(190)는 선단 테두리에 근접하여 위치하고, 최소 단면적을 갖는다. 외부 단면은 유동 경로들(186)의 사각형상 개구부들에 유사한 크기를 가지나, 유동 경로들(190)은 사각형의 모든 4개 면들로부터 안쪽으로 움푹들어간 부분들을 가지면서 유동 경로의 길이에 걸쳐서 연장된다. 움푹 들어간 부분들은 유동 경로(190)의 단면적을 감소시키고 유동 경로(190)의 마찰 압력저하를 증가시키기 위한 것이다. 유동 경로들(184, 186, 188, 190) 각각은 선단 테두리(140)로부터 후단 테두리(142)로 폭(A)에 걸쳐서 유동 경로들(184, 186, 188, 190)의 단면적을 감소시키도록 의도된 다른 형상의 기구들을 갖는다. 결과적으로, 온도 차(162)(도 9와 10 참조)가 최대인 선단 테두리(140) 근처에서 냉각제를 보다 잘 유동할 수 있게 한다.
도 13은 반경(N)으로 나타낸 일정 크기의 유동 경로들(194)을 포함하는 다른 대안적인 튜브 구성(192)을 보여주는 도면이다. 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같은 유동 경로들의 크기를 변화시키는 대신에, 유동 경로들(194) 사이의 간격은 후단 테두리(142)를 따라서 점진적으로 증가한다. 증가된 간격은 일정 크기(N)의 유동 경로들을 이용하는 반면에 선단 테두리(140) 근처에 유동을 집중시키도록 의도된 것이다. 선단 테두리(140) 근처에 배치된 유동 경로들은 제 1 공간(P)만큼 서로 이격된다. 튜브의 중앙 근처에 위치된 유동 경로들은 거리(P)보다 큰 거리(Q)만큼 떨어져서 배치된다. 후단 테두리(142)에 인접한 유동 경로들은 거리(P)와 (Q) 보다 큰 거리(R)만큼 떨어져서 배치된다. 비록 3개의 거리(P,Q,R)가 도 13에 도시되어 있지만, 소정 갯수의 거리들이 유동 경로들 사이에서 간격을 띄우기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 예시적인 실시 예에 따르면, 4개의 다른 간격들이 사용될 수 있으며, 이들의 각각은 선단 테두리를 향하도록 위치한 이전 간격의 2배가 된다.
도 13에 도시된 점차 감소하는 간격은 또한 다양한 단면 형상들의 유동 경로들과 함께 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 14는 높이(S)와 폭(T)에 의해서 한정된 일정한 크기의 직사각형 단면을 갖는 유동 경로들(198)을 나타낸다. 유동 경로들(198) 사이의 간격은 유동 경로들이 후단 테두리(142)에 근접하여 위치함에 따라서 증가한다. 선단 테두리(140) 근처에 배치된 유동 경로는 거리(U)만큼 서로 이격된다. 튜브의 중앙 근처에 위치된 유동 경로들은 거리(U)의 2배가 되는 거리(V)만 큼 이격된다. 후단 테두리를 향하는 다음의 유동 경로들은 거리(W)만큼 이격되고, 후단 테두리(142)에 근접하여 배치된 유동 경로는 거리(X)만큼 이격된다. 거리(U, V, W, X)는 선단 테두리(140)로부터 후단 테두리(142)로 연장되는 폭을 가로질러서 증가한다. 결과적으로, 선단 테두리(140) 근처에서 냉각제를 보다 잘 유동할 수 있게 하기 위하여 유동 경로들은 선단 테두리(140) 근처에 위치하게 된다.
도 15와 16은 유동 경로들의 크기와 튜브 폭에 걸친 간격을 변화시키는 대안적인 튜브 구성들을 나타낸 도면이다. 일반적으로, 선단 테두리(140)로부터 후단 테두리(142)로 향할수록 간격은 증가하고 크기는 감소한다. 도 15는 크기가 감소하는 원형의 단면을 갖는 유동 경로들을 구비한 대안적인 튜브(200)를 나타낸 것이다. 유동 경로들(202)은 반경(Y)로 나타낸 제 1 단면적을 가지며, 간격(AB)만큼 서로 이격된다. 유동 경로들(204)은 튜브의 중앙 근처에 배치되고 반경(Z)로 나타낸 작은 단면적을 갖는다. 유동 경로들(204)은 거리(AB)보다 큰 거리(AC)만큼 서로 이격된다. 유동 경로들(204) 사이의 큰 거리(AC)와 작은 단면적은 선단 테두리(140) 근처보다는 튜브의 중앙 근처에서 적은 유동을 야기하게 된다. 유동 경로들(206)은 후단 테두리(142)에 근접하여 배치되고, 반경(AA)으로 나타낸 최소 단면적을 갖는다. 유동 경로들(206)은 최대 거리(AD)만큼 서로 이격된다. 유동 경로들 사이의 증가된 간격과 유동 경로들의 감소된 크기 모두는 선단 테두리(140) 근처에 유동을 집중시키도록 의도된 것이다.
도 16은 유동 경로들 사이의 증가된 간격과 유동 경로들의 감소된 크기 뿐만아니라, 유동 경로들의 가변적인 단면 형상들을 제공하기 위해서 채용된 다른 대안 적인 튜브(208)를 나타낸 도면이다. 유동 경로(210)는 선단 테두리(140) 최인근에 위치하고, 튜브(208) 내에서 유동 경로들의 최대 단면적을 제공하는 타원형상을 갖는다. 유동 경로(210)는 거리(AE)만큼 유동 경로(212)와 이격된다. 거리(AE)는 튜브(208) 내에서 채용된 최소 거리이다. 유동 경로(210)의 우측에는 원형 단면을 갖는 2개의 유동 경로들(212)이 형성되는데, 이들은 유동 경로(210)보다 작은 단면적을 제공한다. 유동 경로들(212)은 거리(AB)보다 약간 큰 거리(AF)만큼 서로 이격된다. 유동 경로(210)의 우측에는 정사각형 단면을 갖는 유동 경로(214)가 형성되는데, 이는 유동 경로(210)보다 작은 단면적을 제공한다 유동 경로(214)는 거리(AF)보다 큰 거리(AG)만큼 서로 이격된다. 유동 경로(210)의 우측에는 나비넥타이 모양의 단면을 갖는 유동 경로(216)가 형성되는데, 이는 유동 경로(214)의 단면적보다 작은 단면적을 제공한다 유동 경로(216)는 이전의 거리(AE,AF,AG) 보다 큰 거리(AF)만큼 이격된다. 마지막으로, 유동 경로(218)는 후단 테두리(142) 최인근에 위치한다. 유동 경로(218)는 최소 단면을 가지며, 개구들의 상부, 바닥, 우측 및 좌측을 따라서 움푹들어간 부분들을 포함한다. 유동 경로(218)는 최대 거리(AI)만큼 서로 이격된다. 증가된 간격, 변하는 형상 및 감소하는 단면적은 선단 테두리(140) 근처에 유동을 집중시키도록 의도된 것이다.
도 9 내지 도 16은 유동 경로들 사이의 간격, 유동 경로 형상 및 단면적들을 변화시킴으로써 튜브들의 선단 테두리 근처에 냉각제 유동을 집중시키기 위한 튜브 구성을 나타낸 것이다. 이러한 구성들은 제조과정 동안에 튜브들이 압출되거나 형성되는 경우에 채용될 것이다. 예를 들면, 다른 크기와 형상의 유동 채널들은 유동 경로들을 형성하기 위해서 다른 압출 다이들이 사용되는 압출 공정에 의해서 제조되는 동안에 생성될 것이다. 예시적인 실시 예들에 따르면, 튜브들은 제조과정중에 선단 테두리 및/또는 후단 테두리를 특정하도록 각인되거나 새겨질 것이다.
도 17 내지 도 28은 제조과정 동안에 혹은 현존 튜브들의 변형에 의한 제조후에 채용될 수 있는 선단 테두리 근처의 유동을 위한 튜브 구성들을 나타낸 것이다. 도 17은 일정간 한격(AJ)으로 이격된 유동 경로들(144)을 갖는 대안적인 튜브(220)를 나타낸 것이다. 유동 경로들의 각각은 개구(224)로 나타낸 일정한 크기를 갖는다. 유동 경로(138)는 선단 테두리(140)로부터 후단 테두리(142) 쪽으로 튜브 위를 통과한다. 후단 테두리(142) 근처에 위치한 개구들(224) 내로 그들의 크기를 줄이도록 인써트들(222)이 삽입될 것이다. 인써트들(122)은 후단 테두리(142) 근처에 배치된 유동 경로들의 크기를 줄여서 선단 테두리(140) 근처에 유동이 집중되도록 의도된 것이다. 예시적인 실시 예들에 따르면, 제조과정 동안에 인써트들(222)이 튜브 내로 삽입되고 납땜이나 다른 결합공정과 같은 공정을 통해서 튜브들에 고정된다. 다른 예시적인 실시 예들에 따르면, 현존 튜브는 유동 경로들 내에 인써트(222)를 위치시킴으로서 변형될 수 있다. 인써트들을 포함하는 유동 경로들의 갯수는 사용된 냉각제, 튜브 내의 유량, 튜브 내의 유동 경로들의 갯수와 같은 특정 열교환기의 성질들에 기초하여 변할 수 있다. 인써트들을 포함하는 유동 경로들의 갯수는 또한 열교환기 내에 있는 튜브들 사이에서 변할 수 있다. 예를 들면, 튜브들이 상대적으로 적은 공기 유동을 수용하는 바닥 근처에 위치한 열교환기에 있어서, 보다 많은 갯수의 인써트들이 바닥 튜브들에 사용될 것이다.
인써트들은 튜브의 각 단부에 위치할 것이다. 그러나, 현재 고려중인 실시 예에 따르면, 인써트들은 최하 증기 질을 갖는 튜브의 단부, 즉, 냉각제에서 최하 비율의 증기를 함유하는 튜브의 단부에 위치할 것이다. 예를 들면, 증발기에 있어서, 냉각제는 통상적으로 액상으로 튜브에 들어간다. 냉각제가 튜브의 길이를 통해서 유동함에 따라, 튜브 위로 유동하는 고온의 공기로부터 열을 흡수하여 액체가 기체 상태로 변하게 된다. 결과적으로, 튜브의 흡입구 측은 최대의 액체를 포함하므로 최하의 증기 질을 갖게 된다. 그러므로, 증발기로서 기능하는 열교환기에서 튜브가 사용되는 경우에, 인써트들은 튜브들의 흡입구 측에 삽입될 것이다. 다른 한편으로, 응축기에서, 냉각제는 주로 기상으로 튜브들 내로 들어가게 된다. 냉각제 증기는 튜브들 위로 유동하는 차가운 공기에 의해서 냉각되는데, 그 결과 증기는 액체로 응축된다. 결과적으로, 응축기에 있어서, 튜브의 배출구 측은 최대량의 액체를 포함하여 최하의 증기 질을 갖게 된다. 그 결과, 인써트들은 응축기를 위한 튜브 유동 경로들의 배출구 측에 위치할 것이다.
도 18은 도 17에 사용된 인써트(222)의 상세 사시도이다. 인써트들(222)은 길이(AK)의 몸체(226)를 포함한다. 삽입되는 경우, 몸체(226)는 다채널 튜브의 유동 경로들 내로 연장된다. 인써트들(222)은 유동 경로 개구들 보다 큰 단면을 갖는 헤드(228)를 또한 포함한다. 상대적으로 큰 크기로 인하여 헤드(228)는 유동 경로 개구들(224)(도 17 참조)로부터 돌출하게 된다. 헤드(228)는 인써트(222)에 대한 지지를 또한 제공하며, 인써트(222)가 유동 경로 내로 너무 슬라이딩되는 것을 방지한다. 헤드(228)는 몸체(226)를 통해서 연장되는 경로(232)와 연통하는 개 구(230)를 포함한다. 경로(232)는 인써트(222) 내에서 냉각제의 유동을 가능하게 하며, 유동 경로 개구들 보다 작은 반경(AL)을 갖는다. 작은 반경은 인써트가 유동 경로 내에 삽입되는 경우에 유동 면적을 줄이게 된다. 길이(AK)와 반경(AL)은 다채널 내에서 얼마나 많은 제한이 필요한가에 따라서 가변적이다. 인써트는 유동 경로들에 납땜되거나 다른 방식으로 결합되는 알루미늄이나 다른 적당한 재료로 구성될 수 있다.
도 19는 다채널 튜브의 유동 경로들 내로 삽입되는 대안적인 인써트(234)를 나타낸 도면이다. 인써트(234)는 몸체(236), 헤드(238) 및 테이퍼진 단부(240)를 포함한다. 테이퍼진 단부(240)는 유동 경로 내로의 삽입을 용이하게 한다. 헤드(238)는 유동 경로보다 큰 단면적을 가지므로 인써트(234)로 하여금 유동 경로로부터 돌출하게 하며, 유동 경로의 크기르 제한하도록 몸체(236)의 일부는 유동 경로 내로 삽입된다. 몸체(236)는 유동 경로 내로 삽입될 길이(AM)를 갖는다. 그러나, 예시적인 실시 예에 따르면, 전체 길이는 유동 경로 내에 잘 맞지 않을 수 있다. 테이퍼진 부분(240)은 공통의 인써트가 다양한 유동 경로 크기에 대하여 사용될 수 있게 하며, 인써트는 유동 경로 개구의 크기에 따라서 다양한 양으로 삽입될 것이다. 인써트(234)는 유동 경로 크기의 감소를 가능하게 하도록 유동 경로 개구 보다 작은 개구(242)를 포함한다. 경로(244)는 인써트 내에서 냉각제의 유동을 가능하게 하도록 개구(242)로부터 인써트의 단부로 연장된다. 비록 도 19 내지 도 20은 원형 단면의 인써트들을 나타내었지만, 인써트들은 유동 경로들 내에 끼워 맞추어지는 소정 형상의 단면을 가질 수 있다. 예를 들면, 정사각형상의 단면을 갖는 인써트들이 정사각형상의 단면을 갖는 유동 경로들 내로 삽입될 수 있다.
도 20은 인써트(234)를 채용하는 대안적인 튜브 구성(245)를 나타낸 것이다. 장착 브래킷(246)은 유동 경로(144) 내에 인써트(234)를 배치하도록 사용될 것이다. 예시적인 실시 예들에 따르면, 브래킷은 알루미늄으로 제조될 수 있고, 유동 경로들 내로 삽입되기 전에 인써트에 납땜되거나 다른 방식으로 결합될 수 있다. 브래킷은 삽입과정 동안에 인써트들에 대한 정렬과 안정성을 제공한다. 브래킷(246)은 튜브의 전면(250) 상에 배치될 후면(248)을 포함한다. 브래킷은 인써트에 영구적으로 부착될 수 있고, 인써트가 유동 경로들 내로 삽입되는 경우에 튜브에 결합될 수 있다. 그러나, 다른 예시적인 실시 예들에 따르면, 브래킷은 인써트가 유동 경로들 내에 위치한 후에 인써트들로부터 제거가 가능하다.
도 21은 브래킷(246)의 상세 사시도이다. 브래킷(246)은 인써트들을 위한 리세스를 제공하는 홈들(252)을 포함한다. 홈들(252)은 유동 경로들 내에서 위치선정하는 동안에 인써트들에 안정성을 부여하고 인써트들의 정렬을 용이하게 할 것이다. 브래킷은 도 18에 도시된 인써트(222) 뿐만아니라 대안적인 인써트(234)와 함께 사용될 수 있다.
도 22는 선단 테두리(140) 근처에서 유동을 증진시키도록 유동 경로들(144)의 크기를 변화시키기 위한 판(256)을 채용한 대안적인 튜브 구성(254)을 나타낸 도면이다. 유동 경로들(144)의 크기를 변화시키기 위해서, 판(256)은 유동 경로들(144)의 몇몇과 중첩되는 방식으로 튜브에 납땜되거나 다른 방식으로 결합될 수 있다. 판의 후면(258)은 튜브의 전면(260)에 부착될 수 있다. 판(256)은 유동 경로 개구들(264)의 크기와 간격에 따라서 변하는 각기 다른 크기와 간격들을 갖는 개구들(262)을 포함한다. 예를 들면, 다중 유동 채널들을 에워싸며 이러한 유동 채널들의 전체 단면을 통해서 유동할 수 있게 하도록 선단 테두리(140) 근처에서 튜브 위로 큰 개구가 위치될 것이며, 반면에 다중 유동 채널들을 중첩켜서 유동을 위한 단면적을 감소시키기 위하여 후단 테두리(142) 근처에서 튜브 위로 작은 개구가 위치될 것이다. 도시된 바와 같이, 판(256)은 일정한 간격(AP)만큼 이격된 일정한 크기의 유동 경로(144)를 갖는 튜브와 함께 사용될 것이다. 그러나, 다른 예시적인 실시 예들에 따르면, 판은 도 16 내지 도 19에 도시된 바와 같이 가변적인 간격, 단면 및 크기의 내부 튜브 구성들로서 채용될 수 있다. 비록 판은 튜브의 단부 위로 삽입되지만, 현재 고려중인 실시 예에 따르면, 판은 최하 증기 질을 갖는 튜브의 단부 위로 삽입될 수도 있다.
도 23은 튜브에 마주대하여 배치된 판(256)을 갖는 튜브 구성(254)을 나타낸 도면이다. 판에 형성된 제 1 개구(264)는 선단 테두리(140)에 근접하여 배치된 첫번째 2개의 유동 경로들(264)을 커버한다. 비교적 큰 크기의 개구(264)는 2개의 제 1 유동 경로들의 전체 영역이 선단 테두리(140) 근처 튜브 내에서 냉각제 유동을 위해 사용될 수 있게 한다. 판(256)은 개별적인 유동 경로 개구들(264)과 정렬되지 않는 제 2 개구들(268)을 또한 포함한다. 비록 제 2 개구들(268)은 유동 개구들(264)과 비교적 동일한 크기를 갖지만, 제 2 개구들(268)은 개구들(264) 사이 중앙에 위치하고, 그래서 냉각제 유동에 유용한 단면적을 줄이도록 제 2 개구들(268)이 유동 경로 개구들(264)을 부분적으로 막게 된다. 판 개구들(262, 266, 268)은 거리(AQ)만큼 이격되는데, 이는 판 개구들(262, 266, 268)이 유동 개구들(264)과 완벽하게 정렬되지는 않지만 중첩될 수 있게 한다. 점선으로 나타낸 바와 같이, 몇개의 유동 개구들(264)이 판(256)에 의해서 부분적으로 막힌다. 막힌 개구들은 대체로 후단 테두리(142) 근처에 위치하는 반면, 막히지 않은 개구들은 선단 테두리(140) 근처에 대체로 위치한다. 결과적으로, 후단 테두리(142) 근처의 개구들은 유동에 유용한 줄어든 단면적을 가지며, 그에 따라서 선단 테두리(140) 근처에서 유동을 증진하는 튜브 구성이 형성된다. 비록 2개의 다른 크기의 개구들이 도 23에 도시되었지만, 판은 다양한 크기의 소정 갯수의 개구들을 갖게될 것이다. 예를 들면, 판은 선단 테두리 근처의 유동 경로와 직접적으로 정렬하는 개구들을 가지며, 후단 테두리 근처의 개구들은 유동 경로 개구들보다는 작다.
판은 도 9 내지 도 16에 도시된 것들과 같이 선단 테두리 근처에서 유동을 증진시키도록 구성된 유동 경로들을 포함하는 다채널 튜브들을 커스터마이즈하기 위해서 사용될 것이다. 도 24는 각기 다른 크기와 단면의 유동 경로들(274,276,278)을 포함하는 튜브(124)를 커스터마이즈하는데 판(272)이 사용되는 대안적인 구성(270)을 나타낸 도면이다. 유동 경로들(274,276,278)은 선단 테두리(140) 근처에서 냉각제 유동을 증진시키도록 구성된다. 유동 경로들(274)은 선단 테두리(140) 근처에 위치하고, 원형의 단면과 비교적 큰 크기를 갖는다. 유동 경로들(276)은 튜브의 중간에 배치되고 원형의 단면을 갖지만, 제 1 유동 경로들(274) 보다는 작은 크기를 갖는다. 제 3 유동 경로들(278)이 후단 테두리(142) 근처에 위치하고, 직사각형의 단면과 비교적 작은 크기를 갖는다. 판(272)은 냉각제가 판(272)을 통과하여 유동 경로(274,276,278) 내로 유동할 수 있도록 구성된 개구들(280,282,290)을 포함한다. 제 1 개구(280)는 냉각제가 4개의 제 1 유동 경로들(274) 내로 유동할 수 있도록 구성된다. 제 2 개구(282)는 냉각제가 제 2 유동 경로들(276) 내로 유동할 수 있도록 정렬된다. 제 3 개구(290)는 부분적으로 막힌 제 3 유동 경로들(278)과 정렬되고, 그래서 냉각제는 이러한 유동 경로들의 일부를 통해서만 유동하게 될 것이다. 판 개구들(280,282,290)은 후단 테두리(142) 근처에 위치된 유동 채널들(274)을 부분적으로 막아서 선단 테두리(140) 근처에서 유동을 증진시키도록 구성된다. 다른 예시적인 실시 예들에 따르면, 판은 유동 경로들과 정렬하고 및/또는 부분적으로 유동 경로들을 막도록 구성된 다양한 크기와 간격의 소정 갯수의 개구들을 갖게될 것이다.
도 25는 특정한 유동 경로들을 부분적으로 막도록 설계된 대안적인 판(294)을 채용하는 대안적 구성(292)을 나타낸 도면이다. 판(294)은 선단 테두리(140) 근처에 배치된 비교적 작은 높이(AS)로부터 후단 테두리(142) 근처에 배치된 비교적 큰 높이(AT)로 폭(A)에 걸쳐서 높이가 점진적으로 증가한다. 점진적으로 증가하는 높이는 판(294)으로 하여금 선단 테두리(140)로부터 후단 테두리(142)로 점점 커지는 양으로 유동 채널들(144)을 막을 수 있게 한다. 이러한 방식에 있어서, 선단 테두리(140) 근처에 위치한 유동 채널들은 부분적으로 혹은 완전히 막히지 않은 상태로 유지되는 반면에, 후단 테두리(142) 근처에 위치한 유동 채널들은 선단 테두리(140) 근처에서 유동을 증진시키기 위해 유동 채널들을 보다 막도록 구성된다. 판(294)은 도 9 내지 도 16에 이미 도시한 다양한 단면, 간격 및 크기의 튜브들 뿐 만아니라, 도 25에 도시된 바와 같은 일정한 크기, 단면 및 간격의 유동 채널들을 포함하는 튜브들과 함께 사용될 것이다. 또한, 판의 높이(AS,AT)는 필요한 양의 막힘에 따라서 변할 수 있다. 비록 판(294)은 도 25에서 튜브의 상부와 정렬되는 것으로 도시되었지만, 다른 예시적인 실시 예들에 따르면, 판은 튜브의 바닥과 정렬될 수도 있다.
도 26은 선단 테두리(140) 근처에서 유체 유동을 증진시키도록 사용되는 대안적인 구성(296)을 나타낸 도면이다. 도 22 내지 도 25에 도시된 바와 같은 판 대신에, 슬리이브(298)가 튜브의 단부(300) 위로 위치할 것이다. 슬리이브(298)는 튜브의 외부를 에워싸며, 슬리이브(298)와 튜브 사이에 추가적인 안정성과 단단한 결합을 제공할 것이다. 슬리이브(298)는 슬리이브(298)가 튜브의 외부를 에워쌀 수 있도록 하기 위하여 속이 빈 내부 용적(301)을 포함한다. 전면(302)은 슬리이브(298)을 통해서 그리고 튜브 내에 포함된 유동 경로 개구들(306) 내로 통해서 냉각제가 유동할 수 있게 하는 개구들(304)을 포함할 것이다. 슬리이브 개구들(304)은 선단 테두리(140) 근처에서 유동을 증진시키도록 유동 개구들(306)과 정렬되고 부분적으로 이들을 막도록 구성될 것이다. 슬리이브(298)는 슬리이브(298)와 튜브 사이에서 중첩의 양을 결정하는 길이(AU)를 포함한다. 예를 들면, 길이(AU)가 증가함에 따라서, 슬리이브(298)는 튜브를 보다 에워싸게 된다. 길이(AU)는 슬리이브에 필요한 지지에 따라서 변할 수 있다. 슬리이브는 알루미늄이나 다른 적당한 재료로 구성될 수 있고, 튜브 위로 느슨하게 위치하거나 또는 튜브에 납땜되거나 결합될 수 있다. 전면(302)은 도 22 내지 도 25에 도시된 판들에 의해서 나 타내어진 것들과 같이 다양한 구성의 개구들을 포함할 것이다. 몇몇 예시적인 실시 예들에 따르면, 개구들은 선단 테두리 근처에서 유체 유동을 증진하기 위해 다양한 단면, 간격 및 크기들을 가질 수 있다.
도 27 및 28은 튜브의 구간들이 유동 제어기구로서 작동하는 선단 테두리 근처에서 유동을 증진시키기 위한 대안적인 구성들을 나타낸 도면이다. 도 27은 주름진 구간(310)을 포함하는 대안적인 튜브(308)를 나타낸 것이다. 주름진 구간(310)에서, 원 유동 경로들(314)로부터 주름진 유동 경로들(316)로 유동 경로들을 변환시키도록 움푹 들어간 부분들(312)이 유동 경로들(144) 내로 만들어진다. 튜브는 선단 테두리(140) 근처에 위치한 원 유동 경로들(314)을 포함하는데, 이들은 정사각형 단면을 갖는다. 주름진 유동 경로들(316)은 후단 테두리(142) 근처에 위치하고, 나비 넥타이 모양의 단면을 형성하는 움푹 들어간 부분(312)을 포함한다. 나비 넥타이 모양의 단면은 원 유동 경로들(314) 보다 주름진 유동 경로들(316)에 대하여 훨씬 작은 단면 및 유동 영역을 제공한다. 작은 단면 및 유동 영역은 선단 테두리(140) 근처에서 원 유동 경로들(314) 내에 냉각제 유동을 증지시키기 위해서 설계되었다. 나비 넥타이 모양의 단면은 길이(AV)에 걸쳐서 튜브를 통해 연장된다. 예시적인 실시 예에 따르면, 길이(AV)는 튜브의 전체 길이로 연장될 수 있다. 그러나, 다른 예시적인 실시 예에 따르면, 길이(AV)는 튜브의 단지 일부분에 걸쳐서 연장될 수도 있다. 현재 고려중인 실시 예에 있어서, 길이(AV)는 튜브의 낮은 증기 질 단부 근처에서 튜브의 일부 내에서 연장된다. 알 수 있는 바와 같이, 튜브의 낮은 증기 질 단부는 증발기나 응축기로서 기능하는 열교환기 내에 튜브가 위치하는 지 혹은 아닌지에 따라서 가변적이다. 예를 들면, 증발기에 있어서, 튜브의 흡입구 측은 많은 양의 액체를 함유하므로 최하의 증기 질을 갖게 된다. 그러므로, 증발기에 있어서, 길이(AV)는 튜브의 흡입구 측 근처로 연장될 수 있다. 응축기에 있어서, 튜브의 배출구 측은 최대량의 액체를 포함하므로 최하의 증기 질을 갖게 된다. 그 결과, 응축기에 있어서, 길이(AV)는 튜브의 배출구 측 근처로 연장될 수 있다.
주름진 구간은 튜브의 제조과정 동안에 만들어지거나, 또는 현존 튜브는 이미 제조되거나 및/또는 열교환기 내에 포함된 튜브를 커스터마이즈하도록 주름을 형성함으로써 변형될 수 있다. 주름진 구간은 유동 경로들 내에 움푹들어간 부분들을 만들어내도록 다이프레스 등과 같은 공구를 사용하여 형성될 것이다. 움푹들어간 부분의 각도는 선단 테두리 근처에서 유동을 증진시키는데 필요한 크기 감소에 따라서 변하게될 것이다.
도 28은 선단 테두리(140) 근처에서 유동을 증진시키는 짜부러진 구간(320)을 포함하는 대안적인 튜브(318)를 나타낸 도면이다. 튜브(318)는 원 유동 경로들(322) 및 짜부라뜨린(crushed) 구간(320) 내에 포함된 주름진 유동 경로들(324)을 포함한다. 원 유동 경로들(322)은 짜부라뜨린 유동 경로들(324) 보다 큰 단면적을 갖는다. 짜부라뜨린 구간(320)에 있어서, 길이(AW)에 걸쳐서 연장되는 튜브의 일부분은 짜부라뜨린 유동 경로(324)의 크기를 줄이도록 가압되거나 평평해진다. 몇몇 예시적인 실시 예들에 따르면, 짜부라뜨린 구간은 튜브의 전체 길이를 따라서 연장될 수 있고, 반면에 다른 예시적인 실시 예들에 따르면, 짜부라뜨린 구간은 튜브의 낮은 증기 질 단부 근처에 위치된 길이(AW)에 걸쳐서 연장될 수도 있다. 짜부 라뜨린 구간(320)은 변형되지않은 높이(AY)로부터 감소된 높이(AZ)로 튜브의 높이를 줄이는 기능을 수행한다. 감소된 높이(AZ)는 열교환기의 개별적인 특성들에 따라서 변할 수 있다. 짜부라뜨린 폭(AX)은 짜부라뜨린 개구들(324)의 원하는 갯수에 따라서 변할 수 있다. 짜부라뜨린 구간(320)은 짜부라뜨린 유동 경로들(324)을 생성하는데, 이들은 후단 테두리(142)로 접근할수록 크기가 크게 감소하고 선단 테두리(140) 근처에 유동을 집중하도록 의도된 것이다.
튜브 구성들의 소정 조합은 튜브의 선단 테두리 근처에서 유동을 증진시키도록 현존 기술들에 따라서 사용될 수 있다. 예를 들면, 튜브들은 도 9 내지 도 16에 도시된 바와 같이 다양한 크기, 단면 및 간격의 유동 경로들을 포함할 것이다. 이 튜브들은 도 17 내지 도 26에 도시된 인써트 또는 차단 판이나 슬리이브들을 사용하여 한층 변형될 수 있다. 몇몇 예시적인 실시 예들에 따르면, 도 22에 도시된 튜브와 같이 일정한 크기와 간격을 갖는 튜브들은 도 22 내지 도 26에 도시된 바와 같은 차단 판이나 슬리이브에 의해서 변형될 수 있다. 다른 예시적인 실시 예들에 따르면, 일정한 단면과 간격의 튜브들은 튜브의 구간 내에 포함된 유동 제어기구를 제공하도록 주름지거나 또는 짜부러뜨릴 수도 있다. 튜브에 수행된 변형들이나 채용된 구성들은 열교환기의 개별적인 특성들에 따라서 변할 수 있다.
도 9 내지 도 28에 도시된 튜브 구성들은 다양한 열교환기들 및 열교환기들을 포함하는 HVAC&R 장치들에 응용될 수 있다. 그런데, 그 구성들은 특별히 냉각제와 외부 유체 사이의 온도차가 튜브의 후단 테두리보다는 튜브의 선단 테두리에서 훨씬 큰, 증발기 및/또는 응축기들로서 기능하는, 열교환기들에 대하여 적합하다. 튜브 구성들은 선단 테두리 근처에 존재하는 큰 온도차를 이용하여 선단 테두리 근처에서 냉각제의 유동을 증진시키도록 의도된 것이다.
열교환기 튜브들이 유동을 튜브들로 분배하고 튜브들로부터 유동을 수집하는 다수의 유동 경로들을 매니폴드들 사이에 포함하는 배열들을 언급하기 위하여, 현재의 설명에서는 용어 "다채널" 튜브들 또는 "다채널 열교환기"를 사용하고 있음을 주목하여야 한다. 다른 용어들의 갯수는 유사한 배열들에 대하여 해당 기술분야에서 사용될 것이다. 그러한 대안적인 용어들은 "마이크로채널"과 "마이크로포트"를 포함할 것이다. 용어 "마이크로채널"은 마이크로미터 이하의 크기인 유체 통로들을 구비한 튜브들을 함축하는 것으로서 종종 사용된다. 그런데, 현재 설명에서 그러한 용어들은 특별히 크거나 작은 치수 임계치들을 갖도록 의도된 것은 아니다. 여기에서 실시예들을 설명하고 주장하기 위해서 사용된 용어 "다채널"은 모든 그러한 크기들을 커버하도록 의도된 것이다. 해당 기술분야에서 때때로 사용되는 다른 용어들은 "평행 유동"과 "납땜 알루미늄"을 포함한다. 그러나, 모든 그러한 배열들과 구조들은 용어 "다채널"의 영역 내에 포함되도록 의도된 것이다. 일반적으로, 그러한 "다채널" 튜브들은 폭을 따라서 배치되거나 또는 다소 평평한 평면형 튜브의 평면에 배치된 유동 채널들을 포함할 것이며, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에서 다시 명기하지 않는한 어느 특정한 기하학으로 제한하도록 의도된 것은 아니다.
비록 본 발명의 단지 몇몇 특징과 실시 예들이 설명되었지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에서 재인용된 대상물의 장점들 및 새로운 기술들로부터 벗어남이 없이 많은 변경들(예를 들면, 여러가지 요소들의 크기, 치수, 구 조, 형상 및 비율, 매개변수들의 값(예를 들면, 온도, 압력 등), 장착 배열들, 재료의 사용, 색상, 배향 등)이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.　 소정 공정들이나 방법 단계들의 순서는 대안적인 실시 예에 따라서 변화되거나 순서가 바뀔 수 있다. 　그러므로, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 사상 및 영역 내에 있는 모든 그러한 변형예와 실시 예를 포괄하도록 의도된 것임을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 예시적인 실시 예들의 간략한 설명을 제공하기 위해서, 실제 실행의 모든 특징들이 기술되지 않았음을 알 수 있을 것이다(예를 들면, 본 발명을 수행하기 위한 현재 최선의 모드에 관련없는 사항들, 또는 청구된 발명을 가능하게 하는데 관련이 없는 사항들). 그러한 실제적인 실행의 개발에 있어서 엔지니어링 혹은 디자인 프로젝트에서와 같이 다수의 실행 특정 결정들이 이루어졌음을 알 수 있을 것이다. 그러한 개발 노력은 복잡하고 시간이 많이 소모되지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 명세서를 통해서 실험을 거치지 않고서도 설계, 조립 및 제조에 착수할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따라서 열교환기를 채용하는 타입의 예시적인 주거용 공기조화 또는 히트펌프 장치의 사시도이다.
도 2는 장치 부품들의 일부를 노출시키도록 들어올린 상부 어셈블리를 구비하는 도 1의 장치의 외부 유닛의 부분 분해도이다.
도 3은 본 발명에 따라서 열교환기들을 또한 채용하는 빌딩을 냉각시키기 위해 냉각기와 에어 핸들러를 채용한 예시적인 상업용 또는 산업용 HVAC&R 시스템의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따라서 하나 또는 그 이상의 열교환기를 채용하는 예시적인 공기조화 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따라서 하나 또는 그 이상의 열교환기를 채용하는 예시적인 히트펌프 장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따라서 다채널 튜브들을 포함하는 예시적인 열교환기의 사시도이다.
도 7은 도 6의 열교환기에 채용된 다채널 튜브들과 핀들의 구간의 상세 사시도이다.
도 8은 도 6의 열교환기의 일부의 부분 분해 상세 사시도로서, 구성 부품들을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따라서 응축기에서 기능하는 다채널 튜브의 폭을 가로지르는 대응 온도 프로파일 아래에 묘사된 일정 간격에 의해서 분리된 가변 유동 면적 들을 갖는 예시적인 다채널 튜브의 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따라서 증발기에서 기능하는 다채널 튜브의 폭을 가로지르는 대응 온도 프로파일 아래에 묘사된 도 9에 도시된 예시적인 다채널 튜브의 단면도이다.
도 11은 일정한 간격으로 분리된 가변 유동 면적들을 갖는 유동 경로들을 보여주는 도면으로서, 도 6의 열교환기에 채용되는 예시적인 다채널 튜브의 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따라서 일정한 간격으로 분리된 가변 유동 면적들을 갖는 유동 경로들을 보여주는 도면으로서, 또 다른 예시적인 다채널 튜브의 단면도이다.
도 13은 증가한 간격으로 분리된 일정 크기의 유동 경로들을 보여주는 도면으로서 예시적인 다채널 튜브의 단면도이다.
도 14는 증가한 간격으로 분리된 일정 크기의 유동 경로들을 보여주는 도면으로서 또 다른 예시적인 다채널 튜브의 단면도이다.
도 15는 증가한 간격으로 분리된 가변 크기의 유동 경로들을 보여주는 도면으로서 예시적인 다채널 튜브의 단면도이다.
도 16은 증가한 간격으로 분리된 가변 단면과 크기의 유동 경로들을 보여주는 도면으로서 예시적인 다채널 튜브의 단면도이다.
도 17은 유동 경로들 내에 삽입된 유동 제어기구를 포함하는 예시적인 다채널 튜브의 상세 사시도이다.
도 18은 도 17에 채용된 유동 제어기구의 상세 사시도이다.
도 19는 예시적인 다채널 튜브 내로 삽입될 또 다른 유동 제어기구의 상세 사시도이다.
도 20은 유동 경로들 내에 삽입된 도 19의 유동 제어기구를 포함하는 예시적인 다채널 튜브의 상세 사시도이다.
도 21은 도 20의 유동 제어기구를 삽입하도록 사용될 브래킷의 상세 사시도이다.
도 22는 예시적인 다채널 튜브에 채용될 또 다른 유동 제어기구의 분해 사시도이다.
도 23은 다채널 튜브의 단부에 배치된 도 22에 도시한 유동 제어기구의 상세 사시도이다.
도 24는 다채널 튜브의 단부에 배치된 또 다른 유동 제어기구의 상세 사시도이다.
도 25는 다채널 튜브의 단부에 배치된 또 다른 유동 제어기구의 상세 사시도이다.
도 26은 다채널 튜브의 단부를 감싸게될 또 다른 유동 제어기구의 분해 사시도이다.
도 27은 튜브의 구간을 둘러싸는 유동 제어기구를 포함하는 예시적인 다채널 튜브의 상세 사시도이다.
도 28은 예시적인 다채널 튜브의 섹션 내에 포함될 또 다른 유동 제어기구의 상세 사시도이다.

Claims (25)

  1. 열교환기로서,
    제 1 매니폴드;
    제 2 매니폴드;
    상기 제 1 매니폴드 및 상기 제 2 매니폴드와 유체 연결되는 다수의 다채널 튜브들 - 상기 다채널 튜브들은 선단 테두리(leading edge)로부터 후단 테두리(trailing edge)로 연장되는 폭 치수를 가로질러서 유동하는 외부 유체를 수용하도록 구성됨 - ; 그리고
    각각의 다채널 튜브 내에 배치되고 각각의 다채널 튜브를 통해서 종방향으로 연장되는 다수의 대체적으로 평행한 유동 경로들과, 상기 다수의 다채널 튜브들 중 적어도 하나의 단부를 에워싸는 슬리이브를 포함하고,
    상기 슬리이브는 상기 적어도 하나의 다채널 튜브 내 내부 유체의 유동이 상기 선단 테두리 근처에서 유리하도록 구성되는 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서, 작동중에 상기 유동경로들을 통해서 유동하는 내부 유체로 혹은 그로부터 열을 전달하기 위해서 상기 다채널 튜브들 사이에 배치된 핀들을 포함하는 열교환기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 선단 테두리 근처에 배치된 제 1 유동 경로는 상기 후단 테두리 근처에 배치된 제 2 유동 경로와는 다른 단면형상을 갖는 열교환기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 선단 테두리 근처에 배치된 제 1 유동 경로의 제1단면적은 상기 후단 테두리 근처에 배치된 제 2 유동 경로의 제2단면적 보다 큰 열교환기.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 제 1 유동 경로는 상기 선단 테두리 근처에 배치되고, 제 2 유동 경로는 상기 후단 테두리 근처에 배치되며, 상기 제 2 유동 경로가 상기 제 1 유동 경로보다 작아지도록 그것의 크기를 줄이기 위해 상기 제 2 유동 경로는 상기 슬리이브에 의하여 부분적으로 막힌 개구를 갖는 열교환기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 유동 경로들은 제 1의 거리만큼 이격되어 상기 선단 테두리 근처에 배치된 다수의 제 1 유동 경로들, 및 상기 제 1의 거리보다 큰 제 2의 거리만큼 이격되어 상기 후단 테두리 근처에 배치된 다수의 제 2 유동 경로들을 포함하는 열교환기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 유동 경로들 사이의 거리는 상기 선단 테두리로부터 상기 후단 테두리로 상기 튜브의 폭을 따라서 증가하는 열교환기.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 유동 경로들의 단면적은 상기 선단 테두리로부터 상기 후단 테두리로 상기 튜브의 폭을 따라서 감소하는 열교환기.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 선단 테두리 근처의 튜브의 높이는 상기 후단 테두리 근처의 튜브의 높이보다 큰 열교환기.
  11. 열교환기용 다채널 튜브로서,
    외부 유체와 접촉하도록 구성된 선단 테두리;
    외부 유체가 상기 선단 테두리와 접촉한 후에 외부 유체와 접촉하도록 구성된 후단 테두리; 그리고
    상기 선단 테두리 근처에서 상기 튜브 내에서 내부 유체의 제 1 유동과 상기 후단 테두리 근처에서 상기 튜브 내에서 내부 유체의 제 2 유동을 실행하도록 구성되고,
    길이방향으로 연장된 둘 또는 그 이상의 대체적으로 평행한 유동 경로들을 포함하고,
    상기 둘 또는 그 이상의 대체적으로 평행한 유동 경로들 중 적어도 하나의 유동 경로는 상기 후단 테두리 근처에 위치하는 테이퍼진 인써트를 가지며, 상기 둘 또는 그 이상의 대체적으로 평행한 유동 경로들은 상기 선단 테두리 근처에서 상기 튜브 내에서 내부 유체의 유동을 형성하고, 상기 테이퍼진 인써트는 상기 튜브 내에서 내부 유체의 유동이 상기 후단 테두리 근처에서 감소되도록 구성되는 열교환기용 다채널 튜브.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 선단 테두리 근처에 배치된 제 1 유동 경로는 상기 후단 테두리 근처에 배치된 제 2 유동 경로와는 다른 단면형상을 갖는 열교환기용 다채널 튜브.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 선단 테두리 근처에 배치된 제 1 유동 경로의 제1단면적은 상기 후단 테두리 근처에 배치된 테이퍼진 인써트를 갖는 적어도 하나의 유동 경로의 제2단면적 보다 큰 열교환기용 다채널 튜브.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 선단 테두리 근처에 배치된 다수의 제 1 유동 경로들은 제 1의 거리만큼 이격되고, 상기 후단 테두리 근처에 배치된 다수의 제 2 유동 경로들은 상기 제 1의 거리보다 큰 제 2의 거리만큼 이격된 열교환기용 다채널 튜브.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 유체로 혹은 유체로부터의 열교환을 증진시키기 위한 방법으로서,
    열교환기의 제 1 매니폴드 내로 내부 유체를 도입하는 단계로, 상기 제 1 매니폴드는 다수의 채널 튜브들과 유체 연결되고, 각각의 다채널 튜브는 그들의 길이를 따라서 연장되는 다수의 대체적으로 평행한 유동 경로들을 각각 포함하며, 상기 다수의 대체적으로 평행한 유동 경로들 중 적어도 하나의 유동 경로는 후단 테두리 근처에 위치하는 테이퍼진 인써트를 포함하고, 상기 테이퍼진 인써트는 상기 적어도 하나의 유동 경로의 크기를 감소시키도록 구성되며;
    선단 테두리로부터 후단 테두리로 상기 다채널 튜브들을 가로질러서 외부 유체를 유동시키는 단계;
    상기 선단 테두리 근처에서 유동을 집중시키는 상기 유동 경로들을 통해서 내부 유체를 유동시키는 단계; 그리고
    제 2 매니폴드에서 내부 유체를 수집하는 단계;
    를 포함하는 방법.
  25. 기상의 냉각제를 압축하도록 구성된 압축기;
    압축된 냉각제를 수용하여 응축시키도록 구성된 응축기;
    응축된 냉각제의 압력을 감소시키도록 구성된 팽창장치; 그리고
    냉각제를 상기 압축기로 복귀시키기 전에 증발시키도록 구성된 증발기;를 포함하며,
    상기 응축기와 상기 증발기 중 적어도 하나는 제 1 매니폴드, 제 2 매니폴드, 상기 제 1 매니폴드 및 상기 제 2 매니폴드와 유체 연결되는 다수의 다채널 튜브들을 구비한 열교환기를 구비하고, 상기 다채널 튜브들은 선단 테두리로부터 후단 테두리로 연장되는 각각의 다채널 튜브의 폭 치수를 가로질러서 유동하는 외부 유체를 수용하도록 구성되고, 각각의 다채널 튜브 내에 배치되어 각각의 다채널 튜브를 통해서 종방향으로 연장되는 다수의 대체적으로 평행한 유동 경로들을 포함하며,
    상기 다수의 대체적으로 평행한 유동 경로들 중 제 1 유동 경로는 제 1 인써트를 포함하고, 상기 다수의 대체적으로 평행한 유동 경로들 중 제 2 유동 경로는 제 2 인써트를 포함하고, 상기 제 1 인써트와 상기 제 2 인써트는 장착 브라켓에 의하여 서로 연결되고, 상기 제 1 인써트와 상기 제 2 인써트는 각각 상기 제 1 유동 경로 및 상기 제 2 유동 경로의 크기를 감소시키도록 구성되며,
    상기 제 1 유동 경로 및 상기 제 2 유동 경로들은 상기 선단 테두리 근처에서 각각의 다채널 튜브 내에서 내부 유체의 유동을 증진시키도록 구성된 시스템.
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