KR101991515B1

KR101991515B1 - 열 교환기 조립체

Info

Publication number: KR101991515B1
Application number: KR1020120047426A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 엠. 폴리소토; 도날드 알. 파우트러; 더글라스 씨. 윈터스틴; 주니어 리차드 브이. 쿠퍼; 데이비드 이. 사무엘슨
Original assignee: 말레 인터내셔널 게엠베하
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2019-06-20
Also published as: KR20120125186A; US8408284B2; EP2520887A2; US20120279692A1; CN202709554U; EP2520887B1; EP2520887A3

Abstract

열 교환기는, 출구 공동을 형성하는 출구 헤더/매니폴드와, 출구 공동과 유체 연통하는 출구 튜브와, 열 교환기 코어를 포함하고 있다. 출구 튜브와 출구 공동은 열 교환기 코어 내의 냉매 튜브들 사이에서 냉매 분배를 균등하게 함으로써 열 교환기 코어에 걸친 온도 값 범위를 감소시키도록 협동한다. 열 교환기 헤더/매니폴드의 길이는 미리 결정된 패키징 폭을 위해 증가될 수 있는데, 그 이유는 출구 튜브와 입구 도관이 축방향이 아니라 수직으로 헤더/매니폴드를 빠져나올 수 있어서, 열 교환기 코어 폭이 증가될 수 있기 때문이다. 증가된 열 교환기 코어 폭은 추가의 냉매 튜브가 열 교환기 코어 내에 포함될 수 있게 하여, 열 교환기 조립체를 통한 공기 유동을 위한 감소된 공기 압력 차이와, 열 교환기 조립체의 증가된 열 용량을 제공한다.

Description

열 교환기 조립체 {HEAT EXCHANGER ASSEMBLY}

본 발명은 대체로 열 교환기 조립체에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 열 교환기 코어를 가로지르는 온도 값 범위의 범위 또는 퍼짐(spread)을 감소시키기 위한 열 교환기 내의 특징부에 관한 것이다.

우수한 성능으로 인해, 주거용 공기 조화 적용례를 위해 자동차형(automotive style) 브레이징된 열 교환기들이 개발되고 있다. 이러한 열 교환기의 일례가 2009년 7월 9일에 공개된 비머(Beamer) 등에 의한 미국특허출원 공개공보 2009/0173483호에 개시된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 자동차형 열 교환기들은 일반적으로 헤더들(22, 24) 사이의 유체 연통을 제공하기 위해 유체 통로(28)를 형성하는 복수의 냉매 튜브(26)를 구비한 한 쌍의 헤더(22, 24)를 갖는다. 냉매 튜브들(26)은 이격되어 평행인 관계로 연장되며, 대체로 헤더 축(23, 25)에 수직이다. 한 쌍의 코어 지지부(30)는 냉매 튜브(26)의 외측에 배치되며, 냉매 튜브(26)에 평행하게 이격된 관계로 헤더들(22, 24) 사이에서 연장된다. 코어 지지부(30)는 열 교환기 조립체(20)에 대한 구조적 지지부를 부가하고, 복수의 냉각 핀(cooling fin, 32)을 보호한다. 복수의 냉각 핀(32)은 냉매 튜브들(26)로부터 열을 전달하기 위해 인접한 냉매 튜브들(26) 사이 및 각각의 코어 지지부(30)와 바로 인접한 냉매 튜브들(26) 사이에 배치된다. 복수의 냉매 튜브(26) 및 복수의 냉각 핀(32)은 열 교환기 코어(34)를 형성한다.

도 1은 열 교환기 조립체(20)를 도시하며, 냉매 도관(36)은 축방향으로 헤더 단부 캡(38)을 통해 열 교환기 조립체(20)로 들어간다. 커넥터 튜브(40)가 냉매 도관(36)에 부착되어 냉매 도관(36)과 유체 연통한다. 커넥터 튜브의 축이 헤더 축(23)에 수직이 되도록 요구되는 열 교환기 조립체의 경우, 커넥터 튜브(40)는 헤더 외측에 수직 굽힘부(bend)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같은 냉매 도관(36) 및 커넥터 튜브(40)는 입구 헤더(22)에 설치될 수 있다. 대안적으로, 냉매 도관(36) 및 커넥터 튜브(40)는 출구 헤더(24)에 설치되거나, 입구 헤더(22)와 출구 헤더(24) 모두에 설치될 수 있다. 당업자는 입구 커넥터 튜브(40)의 굽힘 반경이 냉매 압력 차이를 최소화하기 위해 필요한 튜브의 직경, 튜브의 재료 및 커넥터 튜브(40) 내부의 평활도에 의해 대체로 제한되는 것으로 이해한다. 따라서, 커넥터 튜브(40)의 굽힘 반경은 이하 도시된 바와 같이 입구 헤더(22)와 출구 헤더(24)의 길이에 바람직하지 않게 영향을 미치는, 헤더 축(23 또는 25)을 따르는 커넥터 튜브(40)의 유효 길이를 최소화하는데 있어서 종종 제한 인자(limiting factor)가 된다.

일반적인 주거용 공기 조화 시스템에서, 열 교환기 조립체(20)는 열 교환기 코어(34)를 통해 공기 유동을 유도하도록 공기 덕트에 배치된다. 헤더(22, 24)의 길이와 헤더 축(23 또는 25)을 따르는 커넥터 튜브(40)의 유효 길이의 합은 열 교환기 조립체의 패키징 폭(46)을 결정한다(도 1 참조). 패키징 폭(46)은 공기 조화 시스템의 캐비닛 폭에 의해 제한된다.

커넥터 튜브 반경으로 인해, 헤더(22, 24)의 길이는 미리 결정된 패키징 폭(46)을 충족하기 위해 제한된다. 이와 유사하게 감소된 헤더 길이는 열 교환기 코어 폭(48)을 감소시키고, 그로 인해 열 교환기 코어(34)의 영역이 감소된다. 열 교환기 코어 영역의 감소는 열 교환기 조립체의 열 용량을 감소시키는 것과 열 교환기 조립체를 통해 유동하는 공기 압력 차이를 증가시키는 것에 의해 열 교환기 조립체 성능을 저하시키는 것으로 당업자에게 인식될 수 있다. 열 교환기 코어 폭(48)을 감소시키는 것은 일반적으로 열 교환기 코어(34) 내의 냉매 튜브(26)의 개수의 감소를 필요로 한다. 이는 입구 헤더(22)와 출구 헤더(24) 사이의 냉매 압력 차이를 증가시키는데, 이는 대개 열 교환기 성능에도 해로운 것이다. 추가적으로, 열 교환기 코어(34)로 유도되는 공기 유동이 열 교환기 코어(34)를 우회(bypassing)하는 것을 방지하고 커넥터 튜브(40)에 의해 형성된 개방된 영역을 통해 유동하도록 공기 덕트 내에 차단 배플(42)이 요구될 수 있다. 따라서, 열 교환기 코어 폭(48)을 최대화하고 커넥터 튜브(40)의 유효 길이를 최소화하는 것이 바람직할 수 있다.

비머에 의해 개시된 바와 같이, 주거용 공기 조화 및 열 펌프 적용례에 적합한 자동차형 열 교환기들은 일반적으로 자동차용 열 교환기보다 긴 헤더(22, 24)를 갖는다. 증가된 길이는 조립 공정 동안 헤더(22, 24) 안으로 냉매 도관(36)을 삽입하는 것을 더욱 어렵게 만든다. 냉매 도관(36) 또는 냉매 튜브(26)에 대한 손상을 방지하기 위해 냉매 도관(36)은 적절하게 정렬되어야 한다. 이는 제조 작업자의 역할에 상당한 주의를 요하거나 적절한 정렬을 보장하기 위해 특별한 고정구(fixture)를 요한다.

따라서, 제조하기 쉽고 최적화된 열 교환기 코어 영역 및 냉매 분배를 제공하는 열 교환기에 대한 필요성이 남아 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 열 교환기 조립체가 제공된다. 열 교환기 조립체는 입구 헤더 축을 따라 연장되는 입구 공동을 형성하는 입구 헤더를 포함한다. 조립체는 출구 헤더 축을 따라 연장되는 출구 공동을 형성하는 출구 헤더를 또한 포함한다. 출구 헤더는 출구 헤더 축에 실질적으로 수직으로 배향된 개구(opening)를 형성한다. 조립체는 출구 공동과 입구 공동 사이에서 각각 연장되는 복수의 냉매 튜브를 포함하는 열 교환기 코어를 더 포함한다. 출구 공동과 입구 공동은 냉매 튜브를 통해 유체 연통한다. 조립체는 개구에 밀봉가능하게 커플링된 출구 튜브를 포함한다. 출구 튜브와 출구 공동은 열 교환기 코어를 가로지르는 온도 값 범위를 감소시키도록 협동한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 열 교환기 조립체가 제공된다. 열 교환기 조립체는 입구 헤더 축을 따라 연장되는 입구 공동을 형성하는 입구 헤더, 출구 헤더 축을 따라 연장되는 출구 공동을 형성하는 출구 헤더, 및 출구 공동과 입구 공동 사이에서 각각 연장되는 복수의 냉매 튜브를 포함하는 열 교환기 코어를 포함한다. 출구 공동과 입구 공동은 냉매 튜브를 통해 유체 연통한다. 조립체는, 입구 헤더 단부 캡 내에 형성된 구멍(aperture)과 밀봉가능하게 결합되고 입구 공동 안으로 연장하는 입구 도관을 또한 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 열 교환기 조립체가 제공된다. 열 교환기 조립체는 입구 헤더 축을 따라 연장되는 입구 공동을 형성하는 입구 헤더를 포함한다. 입구 헤더는 입구 헤더의 제1 단부에 제1 개구를 형성한다. 입구 헤더는 입구 헤더 단부 캡을 더 포함한다. 입구 헤더 단부 캡은 입구 공동의 외측에 입구 헤더 단부 공동을 형성하기 위해 제1 개구 내에 밀봉 가능하게 결합된다. 조립체는 출구 헤더 축을 따라 연장되는 출구 공동을 형성하는 출구 헤더를 또한 포함한다. 출구 헤더는 출구 헤더 축에 대해 실질적으로 수직으로 배향된 개구를 형성한다. 조립체는 또한 출구 공동과 입구 공동 사이에서 냉매 튜브 축을 따라 각각 연장되는 복수의 냉매 튜브를 포함하는 열 교환기 코어를 더 포함한다. 출구 공동과 입구 공동은 냉매 튜브를 통해 유체 연통한다. 조립체는 또한 복귀 영역과 출구 영역으로 출구 공동을 분리하고 복귀 영역과 출구 영역 사이의 유동에 영향을 주는 출구 도관을 추가로 포함한다. 출구 도관은 복귀 영역과 출구 영역 사이의 유체 연통을 확립하는 복수의 출구 오리피스를 형성한다. 조립체는 또한 개구에 밀봉 가능하게 커플링되고 출구 공동의 출구 영역 내로 연장되는 출구 튜브를 포함하며, 출구 튜브와 출구 영역은 열 교환기 코어를 가로질러 온도 값 범위를 감소시키도록 협동한다. 출구 영역 내에 위치한 출구 튜브 단부는 예리한 모서리를 가진 입구를 형성한다. 예리한 모서리를 가진 입구는 냉매가 출구 공동으로부터 온도 값 범위에 영향을 주는 출구 튜브로 유동할 때 출구 공동과 출구 튜브 사이에 압력 차이를 유발한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점들은 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 더욱 명확해질 것이며, 이하의 설명의 비제한적인 예일 뿐이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예시의 방법으로 설명될 것이다.
도 1은 축방향 커넥터 튜브를 갖는 종래 기술의 열 교환기 조립체이다.
도 2는 일 실시예에 따른 열 교환기 조립체이다.
도 3은 일 실시예에 따른 출구 헤더와 출구 튜브 사이의 이상화된 냉매 유동을 나타내는 다이어그램이다.
도 4는 일 실시예에 따른 정렬 슬롯 내의 입구 도관의 입구 단부의 상세도이다.
도 5는 열 교환기 조립체의 일 실시예와 축방향 커넥터 튜브를 갖는 종래 기술의 열 교환기 조립체의 공기 압력 차이의 비교를 나타내는 그래프이다.
도 6은 열 교환기 조립체의 일 실시예와 축방향 커넥터 튜브를 갖는 종래 기술의 열 교환기 조립체의 열 용량 비교를 나타내는 그래프이다.
도 7은 열 교환기 조립체의 일 실시예와 축방향 커넥터 튜브를 갖는 종래 기술의 열 교환기 조립체의 입구로부터 출구 헤더까지의 압력 차이 비교를 나타내는 그래프이다.
도 8은 열 교환기 조립체의 일 실시예와 축방향 커넥터 튜브를 갖는 종래 기술의 열 교환기 조립체의 온도 값 범위의 비교를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 8에 도시된 온도 값 범위가 얻어지는 시험 조건의 표이다.
도 10은 축방향 커넥터 튜브를 갖는 종래 기술의 열 교환기 조립체의 열 교환 코어의 열 이미지를 도시한다.
도 11은 열 교환기 조립체의 일 실시예의 열 교환기 코어의 열 이미지를 도시한다.

일 실시예에 따르면, 도 2는 입구 헤더 축(123)을 따라 연장되는 입구 공동(124)을 형성하는 입구 헤더(122)를 포함하는 열 교환기 조립체(120)를 도시한다. 출구 헤더(126)는 출구 헤더 축(127)을 따라 연장되는 출구 공동(128)을 형성한다. 입구 헤더 축(123)은 출구 헤더 축(127)에 대해 실질적으로 평행하다. 본원에서, 실질적으로 평행하다는 것은 일반적으로 절대적인 평행의 ±15° 내에 있음을 의미한다. 입구 헤더(122)는 액체로부터 증기로의 변환을 위한 냉매를 수용하기 위한 것이고, 출구 헤더(126)는 냉매 증기를 수집하기 위한 것이다. 이러한 구성의 열 교환기는 일반적으로 증발기로 알려져 있다. 헤더(126)가 증기로부터 액체로의 변환을 위한 냉매 증기를 수용하기 위한 것이고 헤더(122)가 냉매 액체를 수집하기 위한 것인 대안적인 실시예가 고려될 수 있다. 이러한 구성의 열 교환기는 일반적으로 응축기로 알려져 있다.

각각의 헤더(122,126)는 대응하는 헤더 축(123, 127)에 대해 평행하고 실질적으로 편평한 절개된 표면(130)을 포함한다. 본원에서, 실질적으로 편평하다는 것은 일반적으로 절대적으로 편평한 것의 ±5㎜ 내에 있는 것을 의미한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 절개된 표면(130)은 복수의 끝이 잘린 돌출부(132)를 포함하고, 복수의 끝이 잘린 돌출부(132)는 대응하는 공동(124, 128) 내로 연장되며, 이들은 인접한 끝이 잘린 돌출부(132)들 사이에 밸리를 형성하도록 서로 축방향으로 이격되고, 헤더 축(123, 127)에 대해 실질적으로 수직으로 연장되는 복수의 헤더 슬롯(134)을 형성한다.

열 교환기 코어(146)는 출구 공동(128)과 입구 공동(124) 사이에서 이격되고 평행한 관계로 냉매 튜브 축(137)을 따라 각각 연장되는 복수의 냉매 튜브(136)를 포함한다. 출구 공동(128)과 입구 공동(124)은 냉매 튜브(136)를 통해 유체 연통한다. 각각의 냉매 튜브(136)는 냉매 튜브 단부(140)들 사이에서 연장되는 유체 통로(138)를 형성한다. 각각의 유체 통로(138)는 입구 공동(124)으로부터 출구 공동(128)으로 냉매 증기를 운반하기 위해 입구 공동(124) 및 출구 공동(128)과 유체 연통한다. 냉매 튜브 단부(140)는 대체로 각각의 헤더(122, 126)의 헤더 슬롯(134)들 중 하나를 통해 대응하는 공동(124, 128) 안으로 연장된다.

한 쌍의 코어 지지부(142)는, 냉매 튜브(136)의 외측에 배치되고 헤더(122)와 헤더(126) 사이에서 냉매 튜브(136)에 대해 평행하게 이격되어 연장된다. 코어 지지부(142)는 열 교환기 조립체(120)에 구조적 지지부를 부가하고 복수의 냉각 핀(144)을 보호한다. 코어 지지부(142) 및 헤더(122, 126)는 열 교환기 코어(146)의 외부 테두리를 형성한다.

열 교환기 코어(146)는 또한 복수의 냉각 핀(144)을 포함하며, 복수의 냉각 핀(144)은 인접한 냉매 튜브(136)들 사이에 그리고 각각의 코어 지지부(142)와 바로 인접한 냉매 튜브(136) 사이에 배치된다. 냉각 핀(144)은 구불구불한 형태의 핀이거나 본 기술분야에 널리 공지된 임의의 다른 냉각 핀일 수 있다.

비-제한적 실시예에서, 출구 헤더(126)는 출구 헤더 축(127)에 실질적으로 수직으로 배향된 개구(145)를 형성한다. 본 명세서에서, 실질적으로 수직이라는 표현은 절대적인 수직에서 ±15°범위 내를 의미한다. 출구 튜브(148)는 이런 개구(145)에 밀봉 가능하게 연결되며, 출구 헤더(126)에 대해 실질적으로 수직인 것으로 도시되어 있다. 도 1과 달리, 출구 튜브(148)는 출구 헤더(126)의 단부를 지나 연장되지 않는다. 따라서, 출구 튜브(148)와 관련하여, 열 교환기 조립체(120)의 패키징 폭(121)은 출구 헤더(126)의 길이에 대체로 동일하다. 보다 구체적으로 아래에 설명되는 바와 같이, 출구 튜브(148) 및 출구 공동(128)은 협동하여 열 교환기 코어(146)를 가로지르는 온도 값 범위를 감소시킨다. 본 명세서에서, 온도 값 범위는 열 교환기 코어의 표면에서 측정된 가장 높은 온도 값과 가장 낮은 온도 값의 차이에 해당한다.

개구(145)는 출구 헤더 축(127)에 실질적으로 수직인 예리한 모서리를 가진 입구(150)를 형성한다. 출구 공동(128)으로부터 유동하여 예리한 모서리를 가진 입구(150)로 유동하는 냉매가 출구 영역(156)과 출구 튜브(148) 사이에 압력 차이를 유도하는 것이 관찰되었으며, 이런 압력 차이는 온도 값 범위에 영향을 미친다.

예리한 모서리를 가진 입구(150)는 본 기술분야에서 K-인자(K-factor)로도 공지된, 1 보다 큰 유동 마찰 계수(flow ressistance coefficient)를 갖는 것을 특징으로 할 수 있는데, 그 이유는 예리한 모서리를 가진 입구가 출구 영역(156)에서의 냉매 유동에 대해 수직이기 때문이다. 비교를 목적으로, 냉매 유동에 대해 축방향에 따른 배향을 갖는 예리한 모서리를 가진 입구는 약 0.75의 유동 마찰 계수를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 따라서, 열 교환기 조립체(120)의 수직인 출구 구조가 종래의 열 교환기 조립체에서 관찰되는 축방향 출구 구조보다 큰 압력 차이를 나타낼 것으로 예측된다.

도 3에는 출구 공동(128)과 출구 튜브(148) 사이의 바람직한 냉매 유동이 도시되어 있다. 대체로, 상대적으로 작은 반경을 갖는 곡선으로 도시된 유동 경로는 상대적으로 높은 압력 차이를 나타낼 수 있는 영역을 식별하는 것으로 예측된다.

비-제한적인 예로서, 출구 공동과 출구 튜브 사이의 압력 차이는 초당 약 10미터(분당 1985 피트)의 국부 속도에서 15.2 킬로파스칼(평방 인치당 2.2 파운드-힘) 게이지 보다 크다. 또다른 비-제한적인 예에서, 출구 헤더(126)와 출구 튜브(148) 사이의 압력 차이는 약 17.2 킬로파스칼(평방 인치당 2.5 파운드-힘) 게이지일 수 있으며, 여기서 대응하는 질량 유동률은 R-410 냉매에 대해 분당 약 4.7 킬로그램(분당 10.3 파운드-질량)을 가지고, 대응하는 출구 헤더(126) 단면적은 약 572.6 평방 밀리미터를 가지며, 대응하는 출구 튜브(148) 단면적은 약 194.8 평방 밀리미터를 가진다.

도 2에 도시된 바와 같이, 열 교환기 조립체(120)는 또한 출구 공동(128)에 삽입되는 출구 도관(152)을 포함할 수 있고, 이는 출구 공동(128)을 복귀 영역(154)과 출구 영역(156)으로 분리한다. 대체로, 출구 도관(152)은 복귀 영역(154)과 출구 영역(156) 사이에서 냉매 유동 분배에 영향을 미친다. 비-제한적인 실시예에서, 출구 도관(152)은 출구 헤더 축(127)에 대해 실질적으로 평행하다. 출구 도관(152)은 복수의 출구 오리피스(158)를 포함할 수 있고, 복수의 출구 오리피스는 복귀 영역(154)과 출구 영역(156) 사이에 유동 연통을 확립한다. 출구 도관(152)은 출구 도관(152)의 길이를 따라 보다 균일한 냉매 분배를 제공하도록 출구 도관(152)을 따라 압력 차이를 감소시키도록 구성될 수 있다.

도 2에 또한 도시된 바와 같이, 출구 튜브(148)는 출구 공동(128)으로 연장될 수 있다. 이와 같이, 예리한 모서리를 가진 입구(150)는 출구 영역(156) 내에 위치된 출구 튜브 단부(151)에 의해 형성될 수 있다. 이 실시예는 출구 튜브가 출구 영역으로 연장되지 않지만 출구 헤더의 내부 표면과 동일 평면 상에 위치된 경우에 출구 튜브 단부(151)가 필요한 바와 같이 출구 헤더(126)의 외부 외형과 부합하도록 형상화될 것을 필요로 하지 않기 때문에 바람직할 수 있다. 동일 평면 배열(flush arrangement)이 출구 튜브(148)를 출구 헤더(126)에 조립할 시에 특정 고정부를 필요로 할 수 있기 때문에, 도 2에 도시된 배열이 바람직하며, 그 이유는 제조 과정 동안 출구 튜브(148)를 출구 헤더(126)에 부착하기 위한 특정 고정부를 필요로 하지 않을 수 있기 때문이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 입구 헤더(122)는 입구 헤더(122)의 제1 단부(162)에 제1 개구(160)를 형성할 수 있다. 이 실시예에서, 입구 헤더(122)는 입구 헤더 단부 캡(164)을 포함할 수 있다. 입구 헤더 단부 캡(164)은 입구 공동(124)의 외측에 입구 헤더 단부 공동(166)을 형성하도록 제1 개구(160) 내에 밀봉 가능하게 결합될 수 있다. 이러한 입구 헤더 단부 캡(164)은 구멍(168)을 형성할 수 있다.

도 2에 도시된 비-제한적인 실시예에 예시된 바와 같이, 열 교환기 조립체(120)는 또한 입구 공동(124)에 배치되는 입구 도관(170)을 포함할 수 있다. 입구 도관(170)은 입구 헤더 축(123)에 대해 실질적으로 평행하다. 구멍(168)은 입구 헤더 단부 캡(164)을 통해 입구 도관(170)이 통과되도록 대체로 구성된다. 입구 헤더 단부 캡(164)의 구멍(168)은 입구 도관(170)과 밀봉 가능하게 결합된다. 입구 헤더 단부 캡(164)은 입구 도관(170)의 입구 단부(172) 부분을 분리한다. 입구 도관(170)은 복수의 입구 오리피스(174)를 포함할 수 있고, 복수의 입구 오리피스는 입구 도관(170) 내에서 입구 공동(124)과 입구 영역(176) 사이에 유동 연통을 확립한다. 입구 도관(170)과 입구 공동(124)은 협동하여 열 교환기 코어를 가로지르는 온도 값 범위를 감소시킨다.

도 2에 도시된 바와 같이, 입구 단부(172)는 입구 공동(124)에 대해 외부에 있다. 입구 단부(172)는 입구 헤더 축(123)에 실질적으로 수직으로 입구 도관(170)을 배향하는 굽힘부(178)에 의해 입구 오리피스에 커플링될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 입구 헤더 단부 공동(166)에 의해 형성된 정렬 슬롯(180)은 입구 단부(172)를 수용하여 입구 헤더 단부 공동(166) 내의 입구 단부(172)와 정렬하도록 구성될 수 있다. 입구 단부(172)는 입구 헤더(122)의 제1 단부(162)를 넘어서 연장되지 않도록 구성되는 것이 바람직하다. 그러므로, 입구 도관(170)에 대하여, 열 교환기 조립체(120)의 패키징 폭(121)은 입구 헤더(122)의 길이와 대체로 같다. 도 4는 입구 헤더 축(123)에 실질적으로 수직이고 입구 헤더(122) 내의 정렬 슬롯(180) 내에서 위치된 입구 단부(172)의 비제한 예를 예시한다. 도 4는 입구 단부(172)가 입구 헤더(122)의 제1 단부(162)를 넘어서 연장하지 않도록 구성될 수 있다는 것을 또한 도시한다.

도 2에서 도시된 바와 같이, 출구 튜브(148)는 출구 튜브 축(149)을 따라 연장될 수 있다. 출구 튜브 축(149) 및 냉매 튜브 축(137)은 실질적으로 평행하고, 출구 튜브(148)는 한 쌍의 코어 지지부(142)들 중 하나에 대체로 인접한다. 유사하게, 입구 단부(172)는 입구 헤더 축(123)을 따라 연장된다. 입구 헤더 축(123) 및 냉매 튜브 축(137)은 실질적으로 평행하고, 입구 단부(172)는 한 쌍의 코어 지지부(142)들 중 하나에 대체로 인접한다.

계속하여 도 2를 참조하면, 특히 출구 튜브(148) 또는 입구 도관(170) 재료 및 냉매 플럼빙(plumbing) 재료들이 알루미늄 및 구리와 같이 유사하지 않은 재료인 경우에, 열 교환기 조립체(120)는 출구 튜브(148) 또는 입구 도관(170)의 단부에 결합될 수 있는 커넥터 튜브(182)를 또한 포함할 수 있어서 공기 조화기 조립체로부터 열 교환기 조립체(120)까지 냉매 플럼빙을 결합하는 것을 촉진한다. 유사하지 않은 재료가 사용되는 용례들에서, 캡슐제(encapsulant)(184)는 이들 요소들을 부식으로부터 보호하기 위해 출구 튜브(148) 또는 입구 도관(170) 및 커넥터 튜브(182)를 중심으로 배치될 수 있다. 그러나, 당업자라면, 캡슐제가 열 교환기 조립체(120)의 추가적인 실시예들에서 포함될 수 있다는 것을 알 수 있다.

출구 튜브(148) 및 입구 도관(170)이 헤더들(122, 126)의 단부들을 넘어서 연장되지 않도록 열 교환기 조립체(120)가 구성될 수 있기 때문에, 열 교환기 조립체(120)의 패키징 폭(121)은 입구 헤더(122) 또는 출구 헤더(126)의 더 긴 축방향 길이와 대체로 동등하다. 소정의 패키징 폭(121)을 위해, 열 교환기 조립체(120)의 헤더들(122, 126)은, 커넥터 튜브들의 굽힘 반경으로 인하여, 축방향 열 교환기 조립체로 이후에 지칭되는, 도 1에 도시된 바와 같은 축방향 입구 및 출구 튜브들을 갖는 유사한 패키징 폭을 갖는 열 교환기 조립체와 비교하여 폭이 더 넓을 수 있다. 헤더들(122, 126)의 추가 길이는 열 교환기 조립체(120)가 추가적인 냉매 튜브들(136) 및 냉각 핀들(144)을 갖게 하여, 열 교환기 코어 폭(147)을 증가시켜서, 축방향 열 교환기 조립체와 비교하여 열 교환기 코어의 영역을 증가시킨다.

열 교환기 조립체(120)가 공기 조화기 조립체 내의 공기 덕트 내에 위치될 때 공기 유동이 입구 단부(172) 및 출구 튜브(148)에 의해 형성된 개방 영역을 통해 유동하기 때문에, 덕트 내의 공기 유동이 열 교환기 코어(146)를 우회하는 것을 방지하도록 블록킹 배플(blocking baffle)이 사용될 수 있다. 열 교환기 코어 폭(147)을 증가시키는 것은 필요한 블록킹 배플의 크기를 감소시킬 수 있거나 블록킹 배플에 대한 필요를 제거할 수 있다.

증가된 열 교환기 코어 영역을 증가시키는 장점은 도 1에서 도시된 축방향 열 교환기 조립체와 비교할 때 열 교환기 조립체(120)를 통한 소정의 공기 유동 체적에서 열 교환기 코어(146)를 통해 공기 압력 차이를 대체로 감소시키는 것이다. 공기 조화 시스템은 일반적으로 열 교환기를 통해 압력 차이를 발생시키도록 팬 또는 다른 공기 유동 도입 시스템을 사용한다. 이러한 공기 유동 도입 시스템을 위해 필요한 전력은, 이상적으로 P = dp × q 로서 표현되고, 여기서 P는 전력이고, dp는 압력 차이이고, q는 공기 유동 체적이다. 그러므로, 열 교환기 코어(146)를 통한 공기 압력 차이가 감소될 때, 공기 도입 시스템의 전력은 감소될 수 있고 열 교환기 조립체(120)를 통해 축방향 열 교환기 조립체와 동일한 공기 유동 체적을 유지할 수 있다. 감소된 전력 공기 유동 도입 시스템은 낮은 조달 비용 및 작동 비용의 장점을 가질 수 있을 것이다.

도 5는 축방향 열 교환기 조립체와 비교하여 열 교환기 조립체(120)를 통한 공기 유동의 감소된 압력 차이를 예시하는 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 발생된 데이터를 보여준다. 이러한 컴퓨터 시뮬레이션은 이력적으로 실제 시험 결과에 대한 양호한 상관 관계를 도시한다. 상부 굽힘부(202)에 의해 지시된 압력 차이 데이터는 도 1에 도시된 것과 유사한 열 교환기 조립체의 컴퓨터 모델로부터 도출된다. 하부 굽힘부(204)에 의해 지시된 압력 차이 데이터는 도 2에 도시된 것과 유사한 열 교환기 조립체의 컴퓨터 모델로부터 도출된다. 압력 차이는 분당 28.3 내지 45.3 입방미터(cubic meter)의 공기 유동 체적 범위에 걸쳐서 파스칼(Pascals)의 압력 단위들로 도시된다.

열 용량(Q)은 열 교환기로부터의 열 에너지 소산의 비율이다. 열 교환기의 열 용량은 각각의 냉매 튜브(136) 및 냉각 핀(144)이 대체로 균등한 열의 양을 소산하도록 냉매 튜브들(136) 사이의 냉매 분배를 균등화하거나 열 교환기 코어(146)를 통해 유동하는 냉매의 양을 증가시키도록 추가적인 냉매 튜브(136)들 및 냉각 핀(144)들을 추가함으로써 대체로 증가될 수 있다. 열 용량은 열 교환기 코어(146)를 통한 공기 유동 체적을 증가시킴으로써 또한 증가될 수 있다.

미리 정해진 패키징 폭(121)을 위해, 열 교환기 조립체(120)의 구성은, 출구 튜브(148) 및 입구 단부(172)가 축방향 보다는 수직으로 헤더들(122, 126)을 빠져나갈 수 있기 때문에, 헤더들(122, 126)의 길이가 미리 정해진 패키징 폭(121)에 비해 증가될 수 있도록 구성되고, 이에 의해 열 교환기 코어 폭(147)을 증가시킬 수 있다. 증가된 열 교환기 코어 폭(147)은 추가적인 냉매 튜브들(136)이 열 교환기 코어(146) 내에 포함되게 한다. 헤더들(122, 126)의 증가된 길이에 의해 허용된 추가적인 냉매 튜브들(136) 및 냉각 핀들(144)은 추가적인 냉각 핀들(144)에 의해 추가적인 열 에너지 소산을 허용하면서 추가적인 냉매 튜브들(136)을 통해 추가적인 냉매가 유동하도록 대체로 허용함으로써 축방향 열 교환기 조립체와 비교하여 열 교환기 조립체(120)의 열 용량을 증가시킨다.

도 6은 축방향 열 교환기 조립체와 비교하여 열 교환기 조립체(120)의 증가된 열 용량(Q)을 예시하는 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 발생된 데이터를 도시한다. 이러한 컴퓨터 시뮬레이션은 이력적으로 실제 시험 결과들에 대한 상관 관계를 도시한다. 하부 굽힘부(206)에 의해 지시된 열 용량 데이터는 도 1에 도시된 것과 유사한 열 교환기 조립체의 컴퓨터 모델로부터 도출된다. 상부 굽힘부(208)에 의해 지시된 열 용량 데이터는 도 2에 도시된 것과 유사한 열 교환기 조립체의 컴퓨터 모델로부터 도출된다. 열 용량은 분당 28.3 내지 45.3 입방미터(cubic meter)의 공기 유동 체적 범위에 걸쳐서 킬로와트(kilowatts)의 단위들로 도시된다.

또한, 축방향 열 교환기 조립체에 비해, 열 교환기 조립체(120)에 냉매 튜브(136)를 추가하는 것은 대체로 헤더(122, 126) 사이의 압력 차이를 낮추는 기능을 한다. 그러나, 열 교환기 조립체(120)는 대체로 축방향 열 교환기 조립체보다 출구 공동(128)과 출구 튜브(148) 사이에서 큰 압력 차이를 갖는다. 최종적으로는 축방향 열 교환기 조립체에 비해, 열 교환기 조립체(120) 내의 헤더(122, 126) 사이에서 압력 차이가 증가될 수 있다.

도 7은 축방향 열 교환기 조립체에 비해 열 교환기 조립체(120)의 증가된 냉매 압력 차이를 나타내는 실험 데이터를 도시한다. 하부 곡선(210)에 의해 지시되는 압력 차이 데이터는 도 1에 도시된 것과 유사한 열 교환기 조립체에서 얻은 것이다. 상부 곡선(212)에 의해 지시되는 압력 차이 데이터는 도 2에 도시된 것과 유사한 열 교환기 조립체에서 얻은 것이다. 압력 차이는 R-410a 냉매의 분당 3.5 내지 5.5 킬로그램 범위의 질량 유량에 대한 킬로파스칼(게이지) 단위로 도시된다.

출구 공동(128) 및 출구 튜브(148)의 배열로 출구 공동(128)과 출구 튜브(148) 사이에 압력 차이를 증가시킬 수 있다는 점이 예측된다. 임의의 다른 이론을 거론하지 않더라도, 열 교환기 조립체(120) 내의 출구 공동(128)과 출구 튜브(148) 사이에서의 증가된 압력 차이는 온도 값 범위에 영향을 준다는 점을 알 수 있다. 그러므로, 온도 값 범위를 감소시키고 그로 인해 냉매 튜브(136)를 통한 냉매 유동의 분배를 보다 균일하게 제공하기 위해, 압력 차이에 영향을 미치는 특성이 변경될 수 있다. 또한, 각각의 냉매 튜브(136)는 열 교환기 조립체의 에너지가 보다 균일하게 확산되는데 기여할 수 있기 때문에, 온도 값 범위의 감소는 열 용량의 증가에 기여할 수 있다.

도 8은 3개의 상이한 시험 조건 동안 축방향 열 교환기 조립체에 비해 열 교환기 조립체(120)의 온도 값 범위의 비교를 나타내는 실험 데이터를 도시한다. 막대 그래프(214, 216 및 218)는 도 2에 도시된 것과 유사한 열 교환기 조립체의 관측 온도 값 범위를 표시한다. 막대 그래프(220, 222 및 224)는 도 1에 도시된 것과 유사한 열 교환기 조립체의 관측 온도 값 범위를 표시한다. 온도 값 범위는 섭씨 온도 단위로 도시된다. 3개의 시험 조건에 대한 파라미터 및 값은 도 9에 도시된다.

도 10은 도 1에 도시된 것과 유사한 열 교환기 조립체(20)의 열 교환기 코어의 온도 기록 이미지를 나타내는 시험 데이터를 도시한다. 열 교환기 조립체(20)는 출구 헤더(22), 입구 헤더(24) 및 두 개의 헤더(22, 24)와 유압 연통 상태의 복수의 냉매 튜브(26)를 포함한다. 2상 냉매는 입구 헤더(24)로부터 출구 헤더(22)로 연장되는 냉매 튜브(26)로 분배된다. 2상 냉매는 냉매 튜브(26)를 통해 출구 헤더(22)로 유동하기 때문에, 액상(liquid phase)은 대기 공기로부터의 열을 흡수하여 기상(gas phase)으로 변한다. 온도 기록 화상의 음영 영역(230)은 냉매 튜브(26) 내의 액상/기상 영역을 나타내고, 비음영 영역(232)은 냉매의 기상 영역을 나타낸다. 냉매의 기상은 출구 헤더(22)에 수집된다. 증발 열로 인해, 액체에서 기체로의 상변화 중 냉매에 의해 흡수된 열량은 기상 이후 냉매에 의해 흡수된 열량보다 크다. 냉매 튜브 사이에서 냉매 분배가 동일하지 않은 경우, 몇몇 냉매 튜브 내의 냉매는 기상으로 매우 빠르게 변할 수 있어서, 열 흡수성을 감소시킬 수 있다. 이는 열 교환기 조립체의 열용량을 낮출 수 있다. 이상적인 냉매 분배를 갖는 열 교환기 코어는 전체적으로 온도-기록 이미지에서 실질적으로 균등한 음영 영역으로 표시된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 이미지의 상부 우측 코너의 비음영 영역은 열 교환기 조립체(20)의 우측에 있어서 냉매 튜브로의 차선적인 냉매 분배를 나타낸다.

도 11은 도 2에 도시된 것과 유사한 열 교환기 조립체(120)의 열 교환기 코어의 온도-기록 이미지를 나타내는 실험 데이터를 도시한다. 도 11에서 이미지의 음영 영역(234)은 도 10에 도시된 음영 영역(230)보다 더 균등하고, 이는 열 교환기 조립체(120) 내의 냉매 튜브(136)들 사이에서 냉매 분포가 더 균일하고 그로 인해 열 교환기 조립체(20)에 비해 열 교환기 조립체(120)에 대해 열 용량이 증가된 것을 나타낸다.

열 교환기 조립체(120)에서의 임의의 성능 개선은 단지 냉매 튜브(136)의 추가 및 증가된 열 교환기 코어 영역의 증가에 의해 발생하는 점을 알 수 있기 때문에, 온도 값 범위가 감소되는 것은 예측되지 않는다. 냉매 튜브 사이의 냉매 분배를 균일하게 하기 위한 종래의 해결 방안들은, 예컨대 비머에 의해 개시된 바와 같이 출구 헤더를 따르는 압력 차이를 감소시키는 것에 관한 것이었다. 이와 반대로, 본 명세서에 제시된 배열은 출구 헤더(126)를 따라 출구 튜브(148)와 출구 공동(128) 사이의 압력 차이를 증가시킨다.

열 교환기 코어 폭(147)을 증가시키는 것은 입구 헤더 길이도 증가시킨다. 입구 헤더 길이를 증가시키는 것은, 제조 공정 중에 입구 도관(170) 또는 냉매 튜브(136)를 손상시키지 않고 입구 헤더 내에 입구 도관(170)을 설치하는 것을 어렵게 할 수 있다. 입구 도관(170)은, 입구 헤더(122)로 삽입될 때 냉매 튜브 단부(140)와 접촉하지 않는 것을 보장하도록 입구 헤더(122) 내에 적절하게 정렬되어야만 한다. 제조 공정 중에 입구 도관(170)이 입구 헤더(122)로 삽입될 때, 입구 단부(172)는 정렬 슬롯(180)과 정렬된다. 입구 도관(170)이 입구 헤더(122) 내의 적절한 위치에 배치되는 것을 보장하도록 입구 단부(172)는 정렬 슬롯(180) 및 입구 헤더 단부 캡(164)과 협동한다. 스냅 특징부(181)는 정렬 슬롯(180)에 완전히 삽입될 때 입구 단부(172)를 포획하여 이를 제자리에 유지시킨다.

따라서, 출구 튜브(148)를 구비한 출구 헤더(126), 입구 단부(172)를 구비한 입구 헤더(122) 및, 열 교환기 코어(146)를 포함하는 열 교환기 조립체(120)가 제공된다. 제시된 실시예들은 축방향 입구 및 출구 튜브를 구비한 유사한 패키징 폭(121)을 갖는 열 교환기 조립체에 비해 열 교환기 코어(146)에 가로질러 감소된 온도 값 범위를 제공한다. 감소된 온도 값 범위는 열 교환기 코어(146) 내의 냉매 튜브(136) 사이에서 보다 균일한 냉매 분포를 나타내는 지표일 수 있다. 미리 정해진 패키징 폭(121)에 대하여, 출구 튜브(148) 및 입구 단부(172)가 축방향 보다는 수직방향으로 헤더(122, 126)를 떠나가기 때문에 헤더(122, 126)의 길이가 미리 정해진 패키징 폭(121)에 대해 증가될 수 있어서 열 교환기 코어 폭(147)의 증가를 허용하도록, 열 교환기 조립체(120)가 구성된다. 열 교환기 조립체(120)를 통한 공기 유동에 대해 동일한 공기 압력 차이로 공기 유동 부피가 증가되어 열 교환기 조립체 열용량이 증가하는 경우, 열 교환기 코어 폭(147)의 증가는 열 교환기 코어(146) 내에 추가적인 냉매 튜브(136)가 포함되는 것을 허용한다.

본 발명은 바람직한 실시예의 관점에서 기술되었으나, 이에 한정되도록 의도되지 않고, 이후의 청구항에서 규정된 범위로 한정되도록 의도된다.

Claims

열 교환기 조립체이며,
입구 헤더 축을 따라 연장하는 입구 공동을 형성하는 입구 헤더와,
출구 헤더 축을 따라 연장하는 출구 공동을 형성하는 출구 헤더로서, 출구 헤더 축에 실질적으로 수직으로 배향된 개구를 형성하는 출구 헤더와,
출구 공동과 입구 공동 사이에서 각각 연장되는 복수의 냉매 튜브를 포함하는 열 교환기 코어로서, 출구 공동과 입구 공동이 냉매 튜브를 통해 유체 연통하는 열 교환기 코어와,
상기 개구에 밀봉가능하게 커플링된 출구 튜브로서, 출구 튜브와 출구 공동이 열 교환기 코어를 가로지르는 온도 값 범위를 감소시키도록 협동하는 출구 튜브를 포함하고,
출구 공동 내에 위치하는 출구 튜브 단부가 예리한 모서리를 가진 입구를 형성하며, 예리한 모서리를 가진 입구는, 온도 값 범위에 영향을 주는 냉매가 출구 공동으로부터 출구 튜브로 유동할 때, 출구 공동과 출구 튜브 사이의 압력 차이를 유발하는,
열 교환기 조립체.
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제1항에 있어서, 출구 튜브의 상기 예리한 모서리를 가진 입구가 1보다 큰 유동 마찰 계수를 갖는
열 교환기 조립체.
제1항에 있어서, 출구 공동과 출구 튜브 사이의 압력 차이가 초당 10미터의 국부 속도에서 15.2 킬로파스칼 게이지보다 큰
열 교환기 조립체.
제1항에 있어서, 출구 헤더의 단면적이 572.6 평방 밀리미터이며, 출구 튜브의 단면적이 194.8 평방 밀리미터이며, 출구 헤더와 출구 튜브 사이의 압력 차이가 분당 4.7킬로그램의 질량 유량에서 17.2 킬로파스칼 게이지인
열 교환기 조립체.
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제1항에 있어서, 출구 공동을 복귀 영역과 출구 영역으로 분리하여, 그들 사이의 유동에 영향을 주는 출구 도관을 더 포함하는
열 교환기 조립체.
제7항에 있어서, 출구 도관이 복귀 영역과 출구 영역 사이의 유체 연통을 확립하는 복수의 출구 오리피스를 형성하는
열 교환기 조립체.
제1항에 있어서, 입구 헤더가 입구 헤더의 제1 단부에 제1 개구를 형성하며, 상기 입구 헤더는 입구 헤더 단부 캡을 더 포함하며, 입구 헤더 단부 캡은 입구 공동의 외측에 입구 헤더 단부 공동을 형성하기 위해 제1 개구 내에 밀봉가능하게 결합되는
열 교환기 조립체.
제9항에 있어서, 입구 헤더가 입구 헤더 단부 캡 내에 형성된 구멍과 밀봉가능하게 결합되고 입구 공동 내로 연장되는 입구 도관을 더 포함하는
열 교환기 조립체.
제10항에 있어서, 상기 입구 도관이 입구 도관 내의 입구 영역과 상기 입구 공동 사이의 유체 연통을 확립하는 복수의 입구 오리피스를 형성하는
열 교환기 조립체.
제10항에 있어서, 입구 공동의 외부의 입구 도관의 입구 단부는 입구 단부를 입구 헤더 축에 실질적으로 수직으로 배향하는 굽힘부에 의해 입구 오리피스에 커플링되는
열 교환기 조립체.
제12항에 있어서, 상기 입구 단부를 수용하여 입구 단부를 정렬하도록 구성되는 입구 헤더 단부 공동에 의해 형성되는 정렬 슬롯을 더 포함하는
열 교환기 조립체.
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