KR102048356B1 - 냉매 배관과, 이를 포함하는 핀형 열교환기 및 공기조화기 - Google Patents

냉매 배관과, 이를 포함하는 핀형 열교환기 및 공기조화기 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 냉매가 유동하는 냉매 배관에 있어서, 냉매 배관의 내주면에 구비되는 요철을 포함하며, 요철은 내주면으로부터 돌출 형성된 볼록부 및 볼록부에 비하여 상대적으로 오목하게 형성된 오목부를 포함하며, 볼록부는 내주면을 기준으로 경사를 가지도록 구비되는 냉매 배관에 관한 것이다.
본 발명을 통해, 냉매와 외기 사이의 열교환 효율은 향상되고 압력손실은 최소화되어 냉방 효율이 향상된다.

Description

냉매 배관과, 이를 포함하는 핀형 열교환기 및 공기조화기{Refrigerant pipe, and fin type heat exchanger and air conditioner comprising the same}
본 발명은 냉매 배관과, 이를 포함하는 핀형 열교환기 및 공기조화기에 관한 것이다.
냉매 배관은, 일반적으로 공기조화기나 냉장고와 같이 냉매 사이클을 이용하여 냉난방 또는 냉방을 수행하는 장치에서 사용된다.
냉매 사이클은 일반적으로 압축-응축-팽창-증발의 일련의 사이클로 구성된다. 여기서, 냉매 사이클의 응축과 증발은 열교환기에 의해 이루어진다.
열교환기는, 내부에 냉매가 유동하는 냉매 배관과, 상기 냉매 배관으로 외기를 불어주는 송풍팬을 포함한다. 이와 같은 구조를 통해, 송풍팬에 의해 냉매 배관의 외면을 통과한 외기는 냉매 배관의 내부를 유동하는 냉매와 열교환하게 된다.
한편, 등록실용신안공보 20-0295420에는 외기와 냉매 사이의 열교환 효율을 향상시키기 위해 다수의 그루브를 구비한 열교환기가 개시된다.
등록실용신안공보 20-0295420의 도 4e를 도시한 도 1을 참조하면, 냉매 배관(1)의 내주면에 구비된 다수의 그루브(2)는 상호 간에 이격 배치되어 상기 냉매 배관(1) 내부를 유동하는 냉매에 난류를 발생시키기는 하지만 그만큼 큰 압력손실을 유발하는 문제가 있다.
(특허문헌 1) KR20-0295420 Y1
본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자, 냉매와 외기 사이의 열교환 효율은향상시키고 압력손실은 최소화하는 냉매 배관을 제공하고자 한다.
또한, 상기한 냉매 배관을 포함하는 핀형 열교환기, 및 공기조화기를 제공하고자 한다.
본 발명은, 냉매가 유동하는 냉매 배관에 있어서, 상기 냉매 배관의 내주면에 구비되는 요철을 포함하고, 상기 요철은 상기 내주면으로부터 돌출 형성된 볼록부 및 상기 볼록부에 비하여 상대적으로 오목하게 형성된 오목부를 포함하고, 상기 볼록부 및 상기 오목부는 상기 내주면에 다수 개 구비되고, 상기 다수 개의 볼록부 및 오목부는 교번 배열되고, 상기 볼록부는 상기 내주면을 기준으로 경사를 가지고, 상기 볼록부의 단면은 타원의 일부의 형상을 가지고, 상기 볼록부는 상기 냉매 배관의 길이 방향으로 나선형을 이루며 곡면으로 연장되고, 상기 볼록부가 상기 냉매 배관의 내주면으로부터 돌출되기 시작하는 지점에서 상기 볼록부에 접하는 가상의 선이 제 1,2 가상선과, 상기 제 1,2 가상선을 연결하는 제 3 가상선은 이등변 삼각형을 이루고, 상기 제 3 가상선이 상기 제 1,2 가상선과 만나는 두 점 사이의 거리를 이등분하는 점과, 상기 제 1,2 가상선의 교점을 연결하는 가상선인 중심선과, 상기 냉매배관의 내주면을 연장하는 가상의 선인 연장선이 이루는 각도는 40°초과 내지 90°미만이고, 상기 볼록부는, 상기 볼록부가 상기 내주면을 기준으로 수직방향으로 구비되는 경우와 비교할 때 상기 오목부의 면적 감소가 10% 미만이 되도록 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통해, 냉매와 외기 사이의 열교환 효율은 향상되고 압력손실은 최소화되어 냉방 효율이 향상된다.
도 1은, 종래의 그루브를 포함하는 냉매 배관을 도시하는 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일례에 따른 공기조화기를 도시하는 구성도이다.
도 3은, 본 발명의 일례에 따른 핀형 열교환기의 열교환부를 도시하는 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 일례에 따른 냉매 배관을 도시하는 사시도이다.
도 5는, 도 4의 A 부분을 확대하여 도시한 부분 확대도이다.
도 6은, 요철의 볼록부의 꺾임각과 볼록부 사이의 면적, 및 꺾임각과 볼록부의 둘레길이 간의 상관관계를 도시한 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 일례에 따른 공기조화기의 구조를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일례에 따른 공기조화기를 도시하는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일례에 따른 공기조화기는 압축기(10), 응축기(20), 팽창부(30), 및 증발기(40)를 포함할 수 있다.
압축기(10)는, 냉매를 고온고압의 상태로 압축하여 토출하는 역할을 한다.
응축기(20)는, 압축기(10)로부터 토출된 고온고압의 냉매를 외기와 열교환시키는 역할을 한다. 따라서, 응축기(20)는, 외기를 유동시키기 위한 송풍팬(미도시)을 포함할 수 있다. 송풍팬에 의해 야기된 외기와 열교환을 한 응축기(20)의 냉매는 응축된다.
팽창부(30)는, 응축기(20)에서 응축된 냉매를 팽창시키는 역할을 한다.
증발기(40)는, 팽창부(30)에서 팽창된 냉매를 외기와 열교환시키는 역할을 한다. 따라서, 증발기(40)는, 응축기(20)와 마찬가지로 외기를 유동시키기 위한 송풍팬을 포함할 수 있다. 송풍팬에 의해 야기된 외기와 열교환을 한 증발기(40)의 냉매는 증발된다.
증발기(40)에 의해 증발된 냉매는 다시 압축기(10)로 유입되어 압축-응축-팽창-증발의 일련의 냉매 사이클이 완성된다.
여기서, 응축기(20) 및 증발기(40)는 모두 열교환기에 의할 수 있으며, 열교환기는 일례로서 핀형 열교환기일 수 있다.
이에 대하여는 도 3과 함께 이하에서 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일례에 따른 핀형 열교환기의 열교환부를 도시하는 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일례에 따른 핀형 열교환기는, 송풍팬(미도시) 및 열교환부(50)를 포함할 수 있다.
송풍팬은, 후술할 열교환부(50)에 외기를 불어주는 역할을 한다.
열교환부(50)에서는, 송풍팬에 의해 야기된 외기와 열교환부(50)를 유동하는 냉매 사이의 열교환이 발생한다.
열교환부(50)는, 일례로서 유입관(101), 냉매 배관(100), 핀(60), 및 배출관(102)을 포함할 수 있다.
유입관(101)은 냉매가 유입되는 배관이다.
냉매 배관(100)은 유입관(101)을 통해 유입된 냉매가 유동하는 배관이다. 냉매 배관(100)은, 일례로서 도 3에 도시된 바와 같이 다수가 구비될 수 있으며, U자관(100a)에 의해 다수의 냉매 배관(100)이 연결될 수 있다.
핀(60)은 다수가 구비되어 냉매 배관(100)에 연결된다. 핀(60)은, 일례로서 냉매 배관(100)과 직교된 형태로 냉매 배관(100)이 삽입될 수 있는 삽입홀(미도시)을 포함한다. 핀(60)은 이와 같이 냉매 배관(100)과 연결되어 냉매 배관(100) 내부를 유동하는 냉매의 열을 전달받는다. 즉, 냉매의 열은 냉매 배관(100)으로 전달되고, 냉매 배관(100)의 열은 핀(60)으로 전달되며, 핀(60)으로 전달된 열은 외기와 열교환하게 되는 것이다. 따라서, 핀(60)을 포함하는 핀형 열교환기가 핀(60)이 없는 열교환기와 비교했을 때 열교환 면적이 넓어 열교환 효율이 향상되는 장점이 있다.
배출관(102)은 냉매 배관(100) 및 핀(60)에 의해 외기와 열교환을 마친 냉매가 배출되는 배관이다.
이하에서는 본 발명의 일례에 따른 냉매 배관에 대하여 도면을 참조하여 상세히 ㅍ설명한다.
도 4는 본 발명의 일례에 따른 냉매 배관을 도시하는 사시도이며, 도 5는 도 4의 A 부분을 확대하여 도시한 부분 확대도이다. 또한, 도 6은 요철의 볼록부의 꺾임각과 볼록부 사이의 면적, 및 꺾임각과 볼록부의 둘레길이 간의 상관관계를 도시한 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일례에 따른 냉매 배관(100)은 내부에 냉매가 유동한다.
냉매 배관(100)은, 일례로서 알루미늄으로 제조될 수 있다. 이 경우, 냉매 배관(100)의 내주면에 요철(110)을 형성하는 것이 용이한 장점이 있다.
또한, 냉매 배관(100)은 일례로서 구리로 제조될 수 있다. 이 경우, 냉매 배관(100)의 열전달 성능이 우수한 장점이 있다.
따라서, 증발기(도 1의 40 참조)의 열전달 성능이 응축기(도 1의 20 참조)의 열전달 성능 보다 냉매 사이클의 열효율에 미치는 영향이 상대적으로 크다는 점을 고려할때, 증발기(40)의 냉매 배관(100)은 구리로 제조하고, 응축기(20)의 냉매 배관(100)은 알루미늄으로 제조할 수 있다.
본 발명의 일례에 따른 냉매 배관(100)은 내주면에 구비된 요철(110)을 포함할 수 있다.
요철(110)은, 볼록부(111) 및 오목부(112)를 포함할 수 있다.
볼록부(111)는 냉매 배관(100)의 내주면으로부터 돌출된 형상이며, 오목부(112)는 볼록부(111)에 비하여 상대적으로 오목하게 형성된다. 즉, 볼록부(111)는 돌기로 호칭될 수 있으며, 오목부(112)는 상기 내주면으로부터 돌출된 돌기에 비하여 상대적으로 오목하게 보이는 내주면 부분을 호칭하는 것일 수 있다.
볼록부(111)의 형상은, 일례로서 사다리꼴일 수 있다. 이 경우, 후술할 볼록부(111)의 형상이 타원의 일부인 경우와 비교하여 설계가 용이한 장점이 있다. 이는, 볼록부(111)의 형상이 사다리꼴인 경우 냉매가 요철(110)을 유동하면서 발생하는 압력 손실이나 볼록부(111)의 둘레길이(열전달 면적) 등을 구하는 것이 용이하기 때문이다. 또한, 볼록부(111)의 형상이 사다리꼴인 경우 설계한 형상 그대로 제조하는 것도 용이한 장점이 있다.
또한, 볼록부(111)의 형상은, 일례로서 타원의 일부일 수 있다. 이 경우, 타원의 일부의 형상을 갖는 볼록부(111)를 유동하는 냉매의 압력 손실이 볼록부(111)의 형상이 사다리꼴인 경우와 비교하여 적게 발생하는 장점이 있다.
도 5를 참조하면, 볼록부(111)는 밑폭(a), 윗폭(b), 높이(h), 및 꺾임각(α)에 의해 형상이 결정된다.
설명에 앞서, 냉매배관(100)의 내주면을 연장하는 가상의 선을 연장선(l), 볼록부(111)가 냉매배관(100)의 내주면으로부터 돌출되기 시작하는 지점에서 볼록부(111)에 접하는 가상의 선을 제 1 가상선(l1) 및 제 2 가상선(l2), 제 1 가상선(l1) 및 제 2 가상선(l2)를 연결하며 제 1 가상선(l1) 및 제 2 가상선(l2)과 함께 이등변 삼각형을 형성하는 가상의 선을 제 3 가상선(l3), 및 제 1 가상선(l1)과 제 2 가상선(l2)의 교점과 제 3 가상선(l3)을 이등분하는 점을 연결한 가상의 선을 중심선(c)이라 정의한다.
또한, 밑폭(a)은 볼록부(111)가 냉매 배관(100)의 내주면으로부터 돌출되기 시작하는 지점에서의 볼록부(111)의 길이를 의미한다. 윗폭(b)은, 냉매 배관(100)의 내주면으로부터 돌출된 볼록부(111)의 임의의 지점에서의 폭을 의미한다. 여기서, 임의의 지점은 볼록부(111)의 곡률이 변화되기 시작하는 지점일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 높이(h)는, 냉매 배관(100)의 내주면으로부터 볼록부(111)가 최대로 돌출된 부분까지의 수직 길이를 의미한다. 꺾임각(α)은, 상기 연장선(l)과 상기 중심선(c)이 이루는 각도를 의미한다. 따라서, 꺾임각(α)은 볼록부(111)가 냉매배관(100)의 내주면을 기준으로 얼마나 기울어지게 배치되었는지를 의미한다.
볼록부(111)는, 일례로서 볼록부의 중심을 가르는 가상의 중심선(c)과 냉매 배관(100)의 내주면을 연결하는 가상의 선인 연장선(l)이 이루는 각도가 40°초과 내지 90°미만이 되도록 냉매 배관(100)의 내주면 상에 구비된다.
도 6을 참조하면, 꺾임각(α)이 40°초과 내지 90°미만인 경우에는, 볼록부(111) 사이의 면적이 꺾임각(α)이 90°인 경우의 90%를 초과함을 알 수 있다. 그러나, 꺾임각(α)이 30°인 경우에는 볼록부(111) 사이의 면적이 꺾임각(α)이 90°인 경우의 90%에 미치지 못함을 알 수 있다. 다시 말해, 꺾임각(α)이 40°초과 내지 90°미만인 경우에는 꺾임각(α)이 90°인 경우와 비교하여 볼록부(111) 사이의 면적이 10% 미만으로 감소하지만, 꺾임각(α)이 30°인 경우에는 꺾임각(α)이 90°인 경우와 비교하여 볼록부(111) 사이의 면적이 10% 이상 감소하는 것이다.
여기서, 볼록부(111) 사이의 면적은 오목부(112)의 면적을 의미하므로, 볼록부(111) 사이의 면적 감소는 오목부(112)의 면적 감소를 의미한다. 다시 말해, 오목부(112)의 면적 감소는 볼록부(111)의 면적 증가를 의미한다. 다만, 도 6에서는 볼록부(111)의 밑폭(a) 및 높이(h)는 일정하게 유지된 상태에서 꺾임각(α)만이 변화된 다수의 볼록부(111)를 비교한 것이므로, 볼록부(111)의 면적 증가는 볼록부(111)가 냉매 배관(100)의 내주면을 기준으로 점점 더 많이 누워있는 형태로 배치됨을 의미한다. 볼록부(111)가 냉매 배관(100)의 내주면을 기준으로 점점 더 많이 누워있는 형태가 될수록 볼록부(111)의 윗폭(b)은 감소하여 보다 날씬한 형태의 돌기로 형성된다.
특히, 꺾임각(α)이 30°인 경우, 오목부(112)의 면적 감소가 10% 이상 발생하여 볼록부(111)는 냉매 배관(100)의 내주면을 기준으로 극히 누워있는 형태가 되며 이에 따라 윗폭(b)도 극히 감소하게 된다.
이와 같이, 꺾임각(α)이 30°인 볼록부(111)를 유동하는 냉매는 유속이 극히 증가하게 되며 그에 따라 압력 손실도 커져 꺾임각(α)이 90°인 볼록부(111) 보다도 냉방 효율에 오히려 불리함을 다수의 실험을 통해 확인하였다.
즉, 볼록부(111) 및 오목부(112)가 냉매 배관(100)의 내주면에 다수 개가 구비된 상태에서, 볼록부(111)의 꺾임각(α)이 90°인 경우와 비교했을 때 오목부(112)의 면적 감소가 10% 이상이 되면 볼록부(111)의 꺾임각(α)이 90°인 경우 보다 냉방 효율에 오히려 불리하다는 것이다.
다시 말해, 볼록부(111)의 꺾임각(α)이 90°인 경우와 비교했을 때 오목부(112)의 면적 감소가 10% 미만인 경우라면 볼록부(111)의 꺾임각(α)이 90°인 경우 보다 냉방 효율 면에서 향상된 효과를 갖는다는 것을 확인한 것이다.
위와 같이, 꺾임각(α)이 40°초과 내지 90°미만인 경우에 꺾임각(α)이 90°인 경우 보다 냉방 효율에서 유리한 이유는, 볼록부(111)의 둘레의 길이가 더 길어지기 때문이다. 도 6을 참조하면, 꺾임각(α)이 90°보다 작아질수록 볼록부(111)의 둘레의 길이는 더 길어짐을 알 수 있다. 볼록부(111)의 둘레의 길이가 길어질수록 냉매와 냉매 배관(100) 사이의 열교환 면적이 넓어지는 결과가 되므로 열교환 효율이 향상된다.
또한, 볼록부(111)는 냉매 배관(100)의 길이 방향으로 나선형을 이루며 연장될 수 있다. 이 경우, 볼록부(111)가 냉매 배관(100)의 길이 방향으로 곧게 연장되는 것과 비교하여 하기의 장점을 갖는다. 나선형으로 연장된 볼록부(111)는, 상대적으로 냉매의 유동이 적어 냉매 배관(100)의 하부에만 냉매가 흐르는 경우에도 냉매 배관(100)의 상부까지 냉매가 흐를 수 있도록 유도한다. 즉, 요철(110)의 오목부(112)를 따라 흐르는 냉매는 나선형으로 연장된 오목부(112)를 따라 하부에서 상부로 상부에서 하부로 회전하며 유동하게 되는 것이다. 이는 냉매 배관(100)을 유동하는 냉매가 유동하는 과정에서 냉매 배관(100)의 내주면에 고르게 분포되며 유동함을 의미하며, 이는 냉매의 액막 두께가 전체적으로 얇아짐을 의미하므로 열저항이 줄어드는 효과도 기대할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일례에 따른 냉매 배관을 유동하는 냉매의 유동을 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일례에 따른 냉매 배관(100)은 내주면에 다수의 요철(110)을 구비한다. 요철(110)은 볼록부(111) 및 오목부(112)를 포함한다. 여기서, 볼록부(111)는 냉매 배관(100)의 내주면을 기준으로 경사지게 구비된다. 일례로서, 볼록부(111)의 꺾임각(α)은 40°초과 내지 90°미만이다. 또한, 볼록부(111)는 냉매 배관(100)의 길이 방향으로 나선형으로 연장된다.
본 발명의 일례에 따른 냉매 배관(100)에 유입된 냉매는 다수의 오목부(112)로 유입되어 유동한다. 이 경우, 요철(110)이 구비되지 않은 냉매 배관(100)과 비교하여 열교환 면적이 넓어진 결과가 되어 열교환 효율이 향상된다. 특히, 냉매 배관(100)의 하부에 위치하는 오목부(112)로 유입된 냉매는 냉매 배관(100)을 유동하면서 나선형으로 연장된 오목부(112)에 의해 냉매 배관(100)의 상부로 유동하게 된다. 이 경우, 냉매의 유동량이 많지 않은 경우에도 냉매 배관(100) 전체를 고르게 사용하는 결과가 되어 열교환 효율의 상승은 극대화된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : 냉매 배관 110 : 요철
111 : 볼록부 112 : 오목부

Claims (10)

  1. 냉매가 유동하는 냉매 배관에 있어서,
    상기 냉매 배관의 내주면에 구비되는 요철을 포함하고,
    상기 요철은 상기 내주면으로부터 돌출 형성된 볼록부 및 상기 볼록부에 비하여 상대적으로 오목하게 형성된 오목부를 포함하고,
    상기 볼록부 및 상기 오목부는 상기 내주면에 다수 개 구비되고,
    상기 다수 개의 볼록부 및 오목부는 교번 배열되고,
    상기 볼록부는 상기 내주면을 기준으로 경사를 가지고,
    상기 볼록부의 단면은 타원의 일부의 형상을 가지고,
    상기 볼록부는 상기 냉매 배관의 길이 방향으로 나선형을 이루며 곡면으로 연장되고,
    상기 볼록부가 상기 냉매 배관의 내주면으로부터 돌출되기 시작하는 지점에서 상기 볼록부에 접하는 가상의 선이 제 1,2 가상선과, 상기 제 1,2 가상선을 연결하는 제 3 가상선은 이등변 삼각형을 이루고,
    상기 제 3 가상선이 상기 제 1,2 가상선과 만나는 두 점 사이의 거리를 이등분하는 점과, 상기 제 1,2 가상선의 교점을 연결하는 가상선인 중심선과, 상기 냉매배관의 내주면을 연장하는 가상의 선인 연장선이 이루는 각도는 40°초과 내지 90°미만이고,
    상기 볼록부는, 상기 볼록부가 상기 내주면을 기준으로 수직방향으로 구비되는 경우와 비교할 때 상기 오목부의 면적 감소가 10% 미만이 되도록 구비되는 것을 특징으로 하는,
    냉매배관.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 볼록부는,
    볼록부가 상기 내주면을 기준으로 수직방향으로 구비되는 경우와 비교할 때, 밑폭 및 높이는 동일하지만 둘레 길이는 더 길도록 구비되는,
    냉매 배관.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 냉매 배관; 및
    상기 냉매 배관에 연결된 다수의 핀을 포함하는,
    핀형 열교환기.
  9. 제 1 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 냉매 배관은 구리로 제조되며,
    상기 구리로 제조된 냉매 배관이 공기조화기의 증발기에 구비되는,
    공기조화기.
  10. 제 1 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 냉매 배관은 알루미늄으로 제조되며,
    상기 알루미늄으로 제조된 냉매 배관이 공기조화기의 응축기에 구비되는,
    공기조화기.
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