KR102023994B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 열교환기는, 열교환 유체의 유로를 형성하며, 표면에 초발수층을 갖는 배관; 및 상기 배관의 둘레에 결합되고, 표면에 윤활층을 갖는 복수의 핀(fin)을 포함한다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 응축수 맺힘과 착상을 방지할 수 있는 구조를 통해 보다 향상된 열교환 성능을 갖는 열교환기에 관한 것이다.

열교환기는 사용 목적에 따라 저온 유체의 증발을 목적으로 하는 증발기, 증기의 응축을 목적으로 하는 응축기로 구분될 수 있다. 증발기와 응축기는 압축기 및 팽창기와 함께 냉동사이클을 구성한다. 상기 냉동사이클은 냉장고 또는 공기조화기 등의 전자 제품에 널리 사용되고 있다.

전자 제품에 설치되는 열교환기는 대기 또는 전자 제품 내부의 공기와 열교환을 하게 된다. 열교환 과정에서 열교환기 주변의 온도를 이슬점보다 낮은 온도로 낮추는 경우가 빈번하게 발생한다. 이에 따라 열교환기 주변의 온도가 응축되어 열교환기의 표면에 맺히게 되고, 더 나아가서는 열교환기의 표면에 서리(또는 성에)가 맺히게 된다. 이러한 현상을 각각 응축수(또는 이슬) 맺힘 또는 착상이라고 한다.

응축수 맺힘과 착상 현상은 열교환기의 성능에 영향을 미친다. 열전도율은 열전달 면적에 비례하는데, 응축수와 서리가 열교환기의 열교환 면적 감소 효과를 일으키기 때문이다. 또한 대기나 전자 제품 내부의 공기를 냉각해야 할 열교환기가 응축수나 서리를 추가 냉각하기 때문이다. 따라서 열교환기의 성능을 향상시키기 위해서는, 열교환기 표면에 응축수 맺힘이나 착상을 방지하고, 이미 생성된 응축수나 서리를 신속하게 제거해 주어야 한다.

응축수를 제거하기 위해 열교환기의 핀(fin)에 대한 구조적 개선과 발수 처리를 한 사례가 있다. 예를 들어 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0061765호(2015.06.05.)에는 핀이 요철 형상을 갖고, 상기 핀의 표면에 발수성 단분자층을 형성한 구성이 개시되어 있다.

그러나 아무런 처리가 되지 않은 핀의 표면에 비해 발수 처리된 핀의 표면에는 상대적으로 큰 물방울이 맺히게 되고, 브리징(bridging) 현상(물방울의 크기가 커져 인접한 두 핀에 모두 접촉되는 현상)을 일으키게 된다. 이로 인해 빠르게 착상이 진행되어 차폐압손을 증가시키고, 제상에도 어려움이 발생한다. 응축수를 제거하기 위해 고안된 구조가 오히려 고밀도의 서리를 형성하기에 용이한 조건으로 변화될 우려가 있는 것이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0061765호(2015.06.05.)

본 발명의 목적은 열교환기의 표면에 맺힌 응축수를 빠르게 배출하여 착상으로 확대되는 문제, 열교환기의 성능 저하를 일으키는 문제를 해결할 수 있는 구성을 제안하기 위한 것이다.

본 발명의 목적은 배관의 표면과 핀의 표면에 응축수를 빠르게 제거할 수 있는 특성을 부여하여, 브리징 현상(물방울의 크기가 커져 인접한 두 핀에 모두 접촉되거나 핀과 배관에 모두 접촉되는 현상)을 방지할 수 있는 구조의 열교환기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 열교환기는, 열교환 유체의 유로를 형성하며, 표면에 초발수층을 갖는 배관; 및 상기 배관의 둘레에 결합되고, 표면에 윤활층을 갖는 복수의 핀(fin)을 포함한다.

상기 초발수층은 물방울과 150° 이상의 접촉각을 형성하도록 이루어진다.

상기 윤활층은 수평 방향에 대해 5°의 경사를 형성하면 표면의 물방울을 흐르게 할 수 있도록 상기 수평 방향을 기준으로 5°이하의 미끄럼각을 갖는다.

상기 복수의 핀은 각각 서로 반대 방향을 향하는 제1면과 제2면을 구비하고, 상기 윤활층은 각 핀의 제1면과 제2면에 모두 형성된다.

상기 초발수층을 갖는 배관은 상기 열교환기의 하단부에 배치된다.

상기 열교환기는 표면에 윤활층을 갖는 배관을 더 포함하고, 상기 윤활층을 갖는 배관은 상기 열교환기의 상단부에 배치된다.

상기 배관은, 상기 복수의 핀을 관통하는 제1 부분; 및 상기 복수의 핀 중 최외곽에 배치되는 것의 외측으로 노출되며, 두 제1 부분을 서로 연결하는 곡선 형태의 제2 부분을 포함하고, 상기 초발수층은 상기 제1 부분의 표면에 형성된다.

상기 윤활층을 형성하는 윤활유의 동점성 계수는 80 내지 90 cts다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 초발수층으로부터 제공되는 낮은 응착력으로 인해 열교환기의 표면에서 물방울의 크기 성장을 억제할 수 있으며, 물방울이 성장하기 전에 물방울을 제거할 수 있다.

또한 본 발명은 윤활층으로부터 제공되는 미끄럼 특성으로 인해 열교환기의 표면에 맺힌 물방울을 신속하게 흘러내리게 할 수 있다.

본 발명은 응축수의 브리징 현상을 방지하여 열교환기의 표면에 서리가 맺히는 착상 현상을 억제할 수 있다. 나아가 본 발명은 착상을 제거하기 위한 제상 운전의 빈도수 및 제상 시간을 감소시킬 수 있으며, 열교환기를 포함하는 시스템의 소비전력을 절약할 수 있다.

본 발명에 의하면 배관에 형성되는 초발수층과 핀에 형성되는 윤활층의 협동 효과를 통해 물방울의 크기가 성장하기 전에 신속하게 열교환기로부터 제거되는 효과를 얻을 수 있다.

나아가 배관의 초발수층과 핀의 윤활층은 협동 효과를 통해 브리징 현상을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명과 관련된 열교환기의 일 예를 보인 사시도다.
도 2는 도 1에 도시된 열교환기의 일 부분을 확대 도시한 개념도다.
도 3a 내지 도 3c는 열교환기에 맺힌 응축수의 배출 과정을 보인 개념도들이다.

이하, 본 발명에 관련된 열교환기에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일, 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명과 관련된 열교환기(100)의 일 예를 보인 사시도다.

열교환기(100)는 배관(110)과 핀(120)을 포함한다.

배관(110)은 열교환 유체의 유로를 형성한다. 열교환 유체란 예를 들어 냉매가 될 수 있다. 배관(110)은 후술하는 핀(120)을 직선 방향으로 통과하면서, 핀(120)의 외측에서 방향을 바꾸어 다시 핀(120)의 내측으로 되돌아오는 구조를 형성한다.

핀(120)은 열교환 면적을 확장하여 열교환기(100)의 열교환 효율을 향상시키기 위한 것이다. 핀(120)은 배관(110)의 둘레에 결합된다. 핀(120)은 평평한 판의 형태로 형성된다. 핀(120)은 복수로 구비되며, 각각의 핀(120)은 서로 이격되게 배치된다.

도 1에는 열교환기(100)의 내부와 외부를 흐르는 유체가 표시되어 있다. R은 배관(110)의 내부를 흐르는 냉매를 가리킨다. A는 배관(110)과 핀(120)을 통해 냉매와 열교환하게 되는 공기를 가리킨다. 그리고 C는 열교환기(100)의 표면에 맺히는 응축수를 가리킨다.

U와 L은 각각 열교환기(100)의 상단부와 하단부를 가리킨다.

이하에서는 본 발명의 핀(120)과 배관(110)의 구조에 대하여 설명한다.

도 2는 도 1에 도시된 열교환기의 일 부분을 확대 도시한 개념도다.

배관(110)은 구리 또는 알루미늄 등의 금속 소재로 이루어진다. 배관(110)은 표면에 초발수층(111a)을 갖는다. 여기서 배관(110)의 표면이란 배관(110)의 외측 표면을 가리킨다.

발수란 물이 닿았을 때 물이 스며들지 않고 흘러내리게 하는 성질을 의미한다. 초발수란 발수 성질이 극대화된 것을 의미한다. 발수와 초발수는 표면에 맺힌 물방울과의 접촉각에 의해 구분될 수 있다.

초발수층(111a)은 물방울과 140° 이상의 접촉각을 형성하고, 바람직하게는 물방울과 150° 이상의 접촉각을 형성한다. 이에 반해 발수층은 초발수층(111a)보다 작은 접촉각을 형성한다. 초발수층(111a)이 발수층에 비해 큰 접촉각을 형성한다는 것은 초발수층(111a)에 맺히는 물방울의 크기가 발수층에 맺히는 물방울의 크기보다 작다는 것을 의미한다.

또한, 배관(110)의 표면에 형성된 초발수층(111a)은 물에 대한 낮은 응착력을 갖는다. 응착력이란 서로 달라붙는 두 물질의 분자 사이에 작용하는 힘을 가리킨다. 초발수층(111a)이 물에 대한 낮은 응착력을 갖기 때문에, 배관(110)의 표면에 맺힌 응축수는 배관(110)의 표면에 퍼지는 것이 아니라 물방울을 형성하여 즉각적으로 흘러내리게 된다.

작은 물방울이 초발수층(111a)을 타고 즉각적으로 흘러내리게 되면 열교환기의 표면에 착상을 방지할 수 있다. 착상은 열교환기의 표면에 맺힌 물방울이 냉각되어 형성되므로, 초발수층(111a)에 의해 상대적으로 작은 물방울이 즉각적으로 흘러내리게 되면, 냉각에 의해 서리를 형성하게 될 소스가 없어지기 때문이다.

앞서 도 1에서 도시된 바와 같이 열교환기에는 복수의 배관(110)이 구비될 수 있다. 이 경우 초발수층(111a)은 열교환기의 하단부에 배치되는 배관(110)의 표면에 형성될 수 있다(도 1에서 L 부분). 착상과 브리징 현상은 주로 열교환기의 하단부에서 시작되며, 서리는 하단부에서 상단부를 향해 성장되는 경우가 대다수이기 때문이다. 물방울이 열교환기의 하단부로 흘러내리게 되면 초발수층(111a)의 낮은 응착력으로 인해 열교환기의 밑으로 빠르게 배출될 수 있다.

상단부의 배관(110)은 구리 또는 알루미늄 소재를 그대로 사용하는 것도 무방하고, 표면에 윤활층(120a)을 형성하는 것도 가능하다.

각 배관(110)은 제1 부분(111)과 제2 부분(112)으로 구분될 수 있다.

제1 부분(111)은 복수의 핀(120)을 관통하는 부분이다. 제1 부분(111)은 주로 직선 형태를 갖는다. 제2 부분(112)은 복수의 핀(120) 중 최외곽에 배치되는 것의 외측으로 노출되는 부분이다. 제2 부분(112)은 두 제1 부분(111)을 서로 연결하기 때문에 곡선 형태를 갖는다.

초발수층(111a)은 제1 부분(111)의 표면에 형성되는 것이 바람직하다. 후술하게 될 협동 효과는 배관(110)의 제1 부분(111)과 핀(120) 사이에서 발생하게 되며, 제2 부분(112)은 착상 지연이나 제상 효율에 상대적으로 큰 영향을 미치지 않기 때문이다. 따라서 제2 부분(112)은 구리 또는 알루미늄 소재를 그대로 사용하는 것도 무방하다.

핀(120)은 표면에 윤활층(120a)을 갖는다.

윤활이란 미끄러운 성질을 가리킨다. 윤활층(120a)의 미끄러운 정도는 미끄럼각에 의해 설명될 수 있다.

미끄럼각(angle of slide)이란 수평 방향을 기준으로 평면을 기울어지게 할 때 상기 평면 위에 존재하는 액체가 흘러내리기 시작하는 경사를 의미한다. 예를 들어 수평 방향을 기준으로 평면을 10° 기울어지게 했을 때 상기 평면 위의 액체가 비로소 흘러내리기 시작한다면, 이 평면의 미끄럼각은 10°라고 할 수 있다.

핀(120)의 표면에 형성되는 윤활층(120a)은 수평 방향을 기준으로 10° 이하의 미끄럼각을 가지며, 바람직하게는 수평 방향을 기준으로 5° 이하의 미끄럼각을 갖는다. 윤활층(120a)이 5° 이하의 미끄럼각을 갖는다면, 핀(120)이 수평 방향에 대해 5°의 경사를 형성하는 것 만으로 윤활층(120a)의 표면에 맺힌 물방울이 흘러내리게 된다.

본 발명에서 윤활층(120a)을 형성하는 윤활유의 동점성 계수(coefficient of kinematic viscosity 또는 dynamic viscosity)는 80 내지 90cts(centistokes)로 설정된다. 윤활유의 동점성 계수는 윤활층(120a)을 형성하는 제작 환경과 관련이 있다. 동점성 계수의 값이 80cts보다 작으면 윤활층(120a)을 형성하는 과정에서 윤활유가 쉽게 휘발되는 문제가 있다. 반대로 동점성 계수의 값이 90cts보다 크면 윤활층(120a)의 제작성이 크게 떨어지게 된다.

윤활층(120a)이 물방울과 형성하는 접촉각은 약 120°이다. 따라서 윤활층(120a)의 표면에는 초발수층(111a)의 표면보다 큰 물방울이 맺히게 된다. 그러나 윤활층(120a)은 매우 작은 미끄럼각을 갖기 때문에 윤활층(120a)에 맺힌 물방울은 빠르게 윤활층(120a)을 타고 흘러 내려간다. 이에 따라 윤활층(120a)으로부터 신속하게 물방울이 제거되는 효과를 얻을 수 있다.

응축수로 인해 착상이 진행된 경우에도, 윤활층(120a)의 미끄럼 특성으로 인해 제상 과정에서 생성된 물방울이 윤활층(120a)을 타고 신속하게 흘러내리므로, 얼음의 2차 성장을 억제할 수 있다.

열교환기가 서리 생성 환경에 지속적으로 노출되면, 초발수층(111a)이나 윤활층(120a) 중 어느 하나만으로는 착상을 완전히 방지하기 어려울 수 있다. 특히 열교환기가 서리 생성 환경에 지속적으로 노출되면, 초발수층(111a)의 표면에 맺힌 응축수의 크기가 커져 큰 물방울을 형성할 수 있다.

그러나 핀(120)이 배관(110)의 둘레에 결합되고 배관(110)은 핀(120)을 관통하는 구조의 열교환기에서, 배관(110)에 초발수층(111a)이 형성되고 핀(120)에 윤활층(120a)이 형성되면, 초발수층(111a)과 윤활층(120a)의 협동 효과를 기대할 수 있다.

초발수층(111a)의 표면에 맺힌 물방울의 크기가 커지게 되면, 이 물방울이 인접한 핀(120)의 윤활층(120a)에 쉽게 접하게 된다. 초발수층(111a)의 응착력이 윤활층(120a)의 응착력보다 작기 때문이다. 이 경우 물방울은 윤활층(120a)으로부터 제공되는 윤활 특성과 물방울에 가중되는 무게에 의해 빠르게 흘러내리게 되고, 열교환기의 표면으로부터 제거될 수 있는 것이다. 나아가 작은 물방울로 인해 야기되는 물방울의 비산 문제가 방지될 수 있으며, 초발수층(111a)과 윤활층(120a)의 표면에 잔수가 남지 않으므로 잔수에 의한 2차 착상의 문제도 예방할 수 있다.

만약 본 발명과 달리 배관(110)과 핀(120) 중 어느 하나에 발수 처리가 되고 다른 하나에 친수 처리가 된다면, 발수 처리된 표면에 맺힌 물방울이 친수 처리된 표면에 접하면서 친수 처리된 표면에 넓게 퍼지게 된다. 이때 물방울은 일부만 흘러내리게 되어 잔수가 발수 처리된 표면에 남게 된다. 이 구조는 2차 착상을 예방할 수 없는 것이다.

또한 핀(120)의 양측에서 배관(110)의 초발수층(111a)과 협동 효과를 기대하기 위해서는 각 핀(120)의 양면에 윤활층(120a)이 형성되어야 한다. 이를테면 핀(120)은 각각 서로 반대 방향을 향하는 제1면과 제2면을 구비하고, 윤활층(120a)은 상기 핀(120)의 제1면과 제2면에 모두 형성된다.

도 3a 내지 도 3c는 열교환기에 맺힌 응축수의 배출 과정을 보인 개념도들이다.

배관의 제1 부분(111)의 표면에 맺힌 물방울은 제1 부분(111)의 표면에 형성된 초발수층과의 낮은 응착력에 의해 즉각적으로 흘러내리게 된다. 제1 부분(111)의 표면에 맺힌 물방울은 거대 물방울을 형성하지 않고, 미세한 물방울인 채로 중력 방향으로 흘러내린다. 제1 부분(111)의 표면에 형성된 초발수층은 물방울과 150° 이상의 접촉각을 형성하기 때문이다. 따라서 배관을 따라 형성될 수 있는 브리징 현상이 방지될 수 있다.

핀(120)의 표면에 맺힌 물방울은 핀(120)의 표면에 형성된 윤활층의 윤활 특성에 의해 빠르게 흘러내리게 된다. 윤활층의 접촉각은 120°정도로 초발수층에 비해 작다. 따라서 핀(120)의 표면에는 제1 부분(111)의 표면에 맺히는 물방울보다 큰 크기의 물방울이 맺힐 수 있다. 그러나 윤활층은 5° 이하의 매우 작은 미끄럼각을 가지므로, 윤활층에 맺힌 물방울은 빠르게 미끄러져 내려간다. 이에 따라 물방울이 매우 빠르게 열교환기의 하단으로 배출되는 효과를 얻을 수 있다. 설령 윤활층의 미끄럼 특성으로 인해 핀(120)의 표면에 잔류하는 응축수가 거의 없으므로, 2차 착상을 예방할 수 있다.

일부 물방울은 제1 부분(111)의 표면과 핀(120)의 표면에 모두 접하게 맺힐 수 있다. 이 경우에는 초발수층과 윤활층의 협동 효과를 얻을 수 있다. 제1 부분(111)의 표면에 형성된 초발수층에 의해 물방울의 크기는 상대적으로 작고, 윤활층에 의해 제공되는 미끄럼 특성으로 인해 이 작은 물방울은 빠르게 열교환기의 하단으로 흘러내린다. 따라서 작은 물방울로 인해 발생하는 비산 문제가 예방될 수 있다.

이상에서 설명된 열교환기는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (8)

1. 열교환 유체의 유로를 형성하는 배관; 및
   상기 배관의 둘레에 결합되고, 표면에 윤활층을 갖는 복수의 핀(fin)을 포함하고,
   상기 배관은,
   표면에 초발수층을 가지며, 열교환기의 하단부에 배치되는 하단 배관;
   표면에 윤활층을 가지며, 상기 열교환기의 상단부에 배치되는 상단 배관; 및
   표면에 초발수층을 가지며, 높이 방향에서 상기 하단 배관과 상기 상단 배관의 사이에 배치되는 적어도 하나의 중간 배관을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 초발수층은 물방울과 150° 이상의 접촉각을 형성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 윤활층은 수평 방향에 대해 5°의 경사를 형성하면 표면의 물방울을 흐르게 할 수 있도록 상기 수평 방향을 기준으로 5°이하의 미끄럼각을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 핀은 각각 서로 반대 방향을 향하는 제1면과 제2면을 구비하고,
   상기 윤활층은 각 핀의 제1면과 제2면에 모두 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 배관은,
   상기 복수의 핀을 관통하는 제1 부분; 및
   상기 복수의 핀 중 최외곽에 배치되는 것의 외측으로 노출되며, 두 제1 부분을 서로 연결하는 곡선 형태의 제2 부분을 포함하고,
   상기 초발수층은 상기 제1 부분의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
8. 제1항에 있어서,
   상기 윤활층을 형성하는 윤활유의 동점성 계수는 80 내지 90 cts인 것을 특징으로 하는 열교환기.
   

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