KR102201142B1

KR102201142B1 - 전열관 및 칠러용 열교환기

Info

Publication number: KR102201142B1
Application number: KR1020190010677A
Authority: KR
Inventors: 최지원; 김홍성; 이요한; 이한춘
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2021-01-08
Also published as: DE112020000551T5; WO2020159175A1; US20220082338A1; KR20200093327A

Abstract

본 발명은 내부에 공간을 가지고 제1방향으로 연장되는 아우터 튜브; 상기 아우터 튜브의 내부의 공간에 배치되고, 상기 아우터 튜브의 내면과의 사이에 냉매가 유동되는 냉매 유동공간을 정의하며, 상기 제1방향으로 연장되는 코어; 및 상기 냉매 유동공간에 배치되고, 중심축이 제1방향과 나란하게 배치된 나선형상을 가지는 저항체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전열관 및 칠러용 열교환기{ Heat transfer pipe and Heat exchanger for chiller }

본 발명은 전열관 및 칠러용 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로, 칠러 시스템은 냉수를 냉수 수요처로 공급하는 것으로서, 냉동 시스템을 순환하는 냉매와, 냉수 수요처와 냉동 시스템의 사이를 순환하는 냉수간에 열교환이 이루어져 냉수를 냉각시키는 것을 특징으로 한다. 이러한 칠러 시스템은 대용량 설비로서, 규모가 큰 건물 등에 설치될 수 있다.

종래 칠러 시스템은 한국등록특허공보 제10-1084477호에 개시된다. 종래 기술에서는 2개의 냉매를 서로 열교환하기 위해 전열관을 사용하는 데, 전열관은 내부에 제1 냉매가 지나가는 공간을 가지고, 전열관의 외면은 제2 냉매와 접촉하여서, 2개의 냉매 사이에 열교환을 시킨다.

이러한, 일반적인 전열관은 전열관의 내부로 유체가 지날 때 액체 또는 기체인 유체가 전열관의 내부 표면에 100% 이상 고르게 접촉 하지 않고 빠르게 통과되어 외부 제2 냉매와 전달이 저하되는 문제점이 존재한다.

또한, 유체는 전열관 내부를 지날 때 장애물의 방해 없이 일정속도로 이동되는 것이므로 유체의 열전달이 표면과 완전히 이루어지지 않은 상태로 이동되어 충분한 열 교환이 이루어지지 않았을 뿐 아니라 유체가 이동할 때 일부는 유동(流動)의 발생이 거의 없이 전열관 내부를 그대로 통과하므로 유체의 내부에 흐르는 열의 전달이 효과적으로 이루어질 수 없었다.

특히, 기존 칠러용 냉매인 R-134a를 친환경 냉매(비가연성, 무독성)인 R1233zd로 변경시 이러한 전열관 성능 매우 저하(40%)되게 되는 문제점이 존재한다.

즉, 친환경 냉매를 사용하기 위해서는 열교환 효율이 매우 우수한 전열관이 필요한 문제점이 존재한다.

한국등록특허공보 제10-1084477호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 친환경 냉매를 사용하면서, 효율이 저하되지 않는 전열관 및 칠러 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 과제는 제조가 용이하고, 동일한 관경에서 열전달 효율이 극대화되는 전열관을 제공하기 위함이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 아우터 튜브 내에 관경을 줄이는 코어와, 난류 및 와류를 형성하는 저항체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 본 발명은 내부에 공간을 가지고 제1방향으로 연장되는 아우터 튜브; 상기 아우터 튜브의 내부의 공간에 배치되고, 상기 아우터 튜브의 내면과의 사이에 냉매가 유동되는 냉매 유동공간을 정의하며, 상기 제1방향으로 연장되는 코어; 및 상기 냉매 유동공간에 배치되고, 중심축이 제1방향과 나란하게 배치된 나선형상을 가지는 저항체를 포함한다.

상기 저항체의 단면은 원형, 타원형 및 다각형 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 저항체의 나선의 피치는 상기 아우터 튜브의 지름 대비 50% 내지 150% 일 수 있다.

상기 저항체의 나선의 중심축은 상기 코어와 중첩되게 배치될 수 있다.

상기 저항체의 단면은 장변과 단변을 포함하는 직사각형이고, 상기 장변의 길이는 상기 아우터 튜브의 지름 대비 10% 내지 50% 일 수 있다.

상기 저항체를 관통하는 복수의 유도홀을 더 포함할 수 있다.

상기 아우터 튜브에 내면에 형성되는 다수의 유도홈을 더 포함할 수 있다.

상기 아우터 튜브에 내면이 함몰되어 형성되고, 중심축이 제1방향과 나란하게 배치된 나선형상을 가지는 유도홈을 더 포함할 수 있다.

상기 유도홈의 깊이는 상기 아우터 튜브의 지름 대비 1% 내지 4%일 수 있다.

상기 코어는 상기 아우터 튜브의 중심에 배치될 수 있다.

상기 코어의 단면 형상은 원형일 수 있다.

상기 코어의 지름은 상기 아우터 튜브의 지름 대비 15% 내지 50% 일 수 있다.

상기 코어와 상기 아우터 튜브를 연결하는 복수의 아암을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 열교환 공간을 가지는 케이스; 상기 케이스에 연결되어 제1 냉매를 상기 열교환 공간으로 공급하는 제1 냉매 공급관; 상기 케이스에 연결되어 상기 열교환 공간 내의 상기 제1 냉매가 토출되는 제1 냉매 토출관; 및 상기 케이스의 상기 열교환 공간에 배치되고, 상기 제1 냉매와 열교환하는 제2 냉매가 흐르는 다수의 전열관을 포함하고, 상기 전열관은 내부에 공간을 가지고 제1방향으로 연장되는 아우터 튜브; 상기 아우터 튜브의 내부의 공간에 배치되고, 상기 아우터 튜브의 내면과의 사이에 냉매가 유동되는 냉매 유동공간을 정의하며, 상기 제1방향으로 연장되는 코어; 및 상기 냉매 유동공간에 배치되고, 중심축이 제1방향과 나란하게 배치된 나선형상을 가지는 저항체를 포함한다.

상기 코어는 상기 아우터 튜브의 중심에 배치될 수 있다.

상기 코어의 단면 형상은 원형일 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 전열관 및 칠러용 열교환기에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.

첫째,　 본 발명은 전열관의 중앙에 코어를 배치하여서, 전열관의 중앙을 통과하는 냉매가 전열관의 외부의 냉매와 열교환하지 못하는 것을 방지하여서, 열교환 효율을 향상시키는 이점이 존재한다.

둘째, 본 발명은 전열관 내부의 외곽영역을 통과하는 냉매의 속도를 저하시키고, 난류 및 와류를 형성하여서, 전열관 외부의 냉매와 열교환 시간 및 효율을 향상시키는 이점이 존재한다.

셋째, 본 발명은 단순하고, 제조가 용이한 구조를 가지는 이점이 존재한다.,

넷째, 본 발명은 친환경 냉매를 사용하면서도, 칠러의 효율이 저하되지 않는 이점이 존재한다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1는 본 발명의 일 실시예에 칠러 시스템을 나타낸 것이다
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기가 서지 미 발생 조건 경우를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기가 서지 발생 조건 경우를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전열관의 사시도이다.
도 6은 도 5의 전열관의 내부를 보인 도면이다.
도 7은 도 5의 전열관의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항체의 사시도, 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저항체의 사시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소들과 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 구성요소의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.

이하, 첨부도면은 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다름과 같다.

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 칠러 시스템을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 칠러 시스템을 도시한 것이다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기(100)는 칠러 시스템의 일부로써 기능할 뿐만 아니라 공기조화기에도 포함될 수 있으며 기체 상태의 물질을 압축하는 기기라면 어디에든 포함될 수 있을 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 칠러 시스템(1)은 냉매를 압축하도록 형성된 압축기(100), 압축기(100)에서 압축된 냉매와 냉각수를 열교환시켜 냉매를 응축시키는 응축기(200), 응축기(200)에서 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창기(300), 팽창기(300)에서 팽창된 냉매와 냉수를 열교환시켜 냉매의 증발과 함께 냉수를 냉각하도록 형성된 증발기(400)를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 칠러 시스템(1)은 응축기(200)에서 압축된 냉매와 냉각수를 사이의 열교환을 통해 냉각수를 가열하는 냉각수유닛(600)과, 증발기(400)에서 팽창된 냉매와 냉수 사이의 열교환을 통해 냉수를 냉각하는 공기조화유닛(500)을 더 포함한다.

응축기(200)는 압축기(100)에서 압축된 고압의 냉매를 냉각수유닛(600)에서 유입되는 냉각수와 열교환하는 장소를 제공한다. 고압의 냉매는 냉각수와의 열교환을 통해 응축된다.

응축기(200)는 쉘-튜브 타입의 열교환기로 구성될 수 있다. 구체적으로, 압축기(100)에서 압축된 고압의 냉매는 응축기연결유로(150)를 통해 응축기(200) 내부 공간에 해당하는 응축공간(230)으로 유입된다. 또한, 응축공간(230) 내부에는 냉각수유닛(600)으로부터 유입되는 냉각수가 흐를 수 있는 냉각수유로(210)를 포함한다. 응축기(200)는 내부에 응축공간(230)을 가지는 응축챔버(201)을 포함한다.

냉각수유로(210)는 냉각수유닛(600)으로부터 냉각수가 유입되는 냉각수유입유로(211)와 냉각수유닛(600)으로 냉각수가 배출되는 냉각수토출유로(212)로 구성된다. 냉각수유입유로(211)로 유입된 냉각수는 응축공간(230) 내부에서 냉매와 열교환을 한 후 응축기(200) 내부 일단 또는 외부에 구비된 냉각수연결유로(240)를 지나 냉각수토출유로(212)로 유입된다.

냉각수유닛(600)과 응축기(200)는 냉각수튜브(220)를 매개로 하여 연결이 된다. 냉각수튜브(220)는 냉각수유닛 (600)과 응축기(200) 사이에 냉각수가 흐르는 통로가 될 뿐만 아니라 외부로 새어나가지 않도록 고무 등의 재질로 구성될 수 있다.

냉각수튜브(220)는 냉각수유입유로(211)와 연결되는 냉각수유입튜브(221)와 냉각수토출유로( 212)와 연결되는 냉각수토출튜브(222)로 구성된다. 냉각수의 흐름을 전체적으로 살펴보면, 냉각수유닛(600)에서 공기 또는 액체와 열교환을 마친 냉각수는 냉각수유입튜브(221)를 통해 응축기(200) 내부로 유입된다. 응축기(200) 내부로 유입된 냉각수는 응축기(200) 내부에 구비된 냉각수유입유로(211), 냉각수연결유로(240), 냉각수토출유로(212)를 차례로 지나면서 응축기(200) 내부로 유입된 냉매와 열교환을 한 후 다시 냉각수토출튜브(222)를 지나 냉각수유닛(600)으로 유입된다.

한편, 응축기(200)에서 열교환을 통해 냉매의 열을 흡수한 냉각수는 냉각수유닛(600)에서 공냉시킬 수 있다. 냉각수유닛(600)은 본체부(630)와 냉각수토출튜브(222)를 통해 열을 흡수한 냉각수가 유입되는 입구인 냉각수유입관(610)과 냉각수유닛(600) 내부에서 냉각된 후 냉각수가 배출되는 출구인 냉각수토출관(620)으로 구성된다.

냉각수유닛(600)은 본체부(630) 내부로 유입된 냉각수를 냉각시키기 위해 공기를 이용할 수 있다. 구체적으로 본체부(630)는 공기의 흐름을 발생시키는 팬이 구비되고 공기가 토출되는 공기토출구(631)와 본체부(630) 내부로 공기를 유입되는 입구에 해당하는 공기흡입구(632)로 구성된다.

공기토출구(631)에서 열교환을 마치고 토출되는 공기는 난방에 이용될 수 있다. 응축기(200)에서 열교환을 마친 냉매는 응축되어 응축공간(230) 하부에 고이게 된다. 고인 냉매는 응축공간(230) 내부에 구비된 냉매박스(250)로 유입된 후 팽창기(300)로 흘러간다.

냉매박스(250)는 냉매유입구(251)로 유입되며, 유입된 냉매는 증발기연결유로(260)로 토출된다. 증발기연결유로(260)는 증발기연결유로유입구 (261)를 포함하며, 증발기연결유로유입구(261)는 냉매박스(250)의 하부에 위치할 수 있다.

증발기(400)는 팽창기(300)에서 팽창된 냉매와 냉수 사이에 열교환이 일어나는 증발공간(430)을 가지는 증발 챔버(401)을 포함한다. 증발기연결유로(260)에서 팽창기(300)를 통과한 냉매는 증발기(400) 내부에 구비된 냉매분사장치(450)와 연결되며, 냉매분사장치(450)에 구비된 냉매분사홀(451)을 지나 증발기(400) 내부로 골고루 퍼지게 된다.

또한 증발기(400) 내부에는 증발기(400) 내부로 냉수가 유입되는 냉수유입유로(411)와 증발기(400) 외부로 냉수가 토출되는 냉수토출유로(412)를 포함하는 냉수유로(410)가 구비된다.

냉수는 증발기(400) 외부에 구비된 공기조화유닛(500)과 연통된 냉수튜브(420)를 통해 유입되거나 토출된다. 냉수튜브(420)는 공기조화유닛(500) 내부의 냉수가 증발기(400)로 향하는 통로인 냉수유입튜브(421)와 증발기(400)에서 열교환을 마친 냉수가 공기조화유닛(500)으로 향하는 통로인 냉수토출튜브(422)로 구성된다. 즉, 냉수유입튜브(421)는 냉수유입유로(411)와 연통되고 냉수토출튜브(422)는 냉수토출유로(412)와 연통된다.

냉수의 흐름을 살펴보면, 공기조화유닛(500), 냉수유입튜브(421), 냉수유입유로(411)를 거쳐 증발기(400)의 내부 일단 또는 증발기(400)의 외부에 구비된 냉수연결유로(440)를 통과한 후, 냉수토출유로(412), 냉수토출튜브(422)를 거쳐 공기조화유닛(500)으로 다시 유입된다.

공기조화유닛(500)은 냉매를 통해 냉수를 냉각시킨다. 냉각된 냉수는 공기조화유닛(500) 내에서 공기의 열을 흡수하여 실내 냉방을 가능하게 한다. 공기조화유닛(500)은 냉수유입튜브(421)과 연통되는 냉수토출관(520)과 냉수토출튜브(422)와 연통되는 냉수유입관(510)을 포함한다. 증발기(400)에서 열교환을 마친 냉매는 압축기연결유로(460)를 통해 압축기(100)로 다시 유입된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기(100)(일명, 터보 압축기)를 도시한 것이다.

도 2에 따른 압축기(100)는, 냉매를 축방향(Ax)으로 흡입하여 원심방향으로 압축하는 하나 이상의 임펠러(120), 임펠러(120) 및 임펠러(120)를 회전시키는 모터(130)가 연결된 회전축(110), 회전축(110)을 공중에서 회전 가능하도록 지지하는 다수개의 자기베어링(141)과 자기베어링(141)을 지지하는 베어링하우징(142)을 포함하는 베어링부(140), 회전축(110)과의 거리를 감지하는 갭센서(70) 및 회전축(110)이 축방향(Ax)으로 진동하는 것을 제한하는 트러스트 베어링(160)을 포함한다.

임펠러(120)는 1단 또는 2단으로 이루어진 것이 일반적이며 다수개의 단으로 이루어져도 무방하다. 회전축(110)에 의해 회전을 하며, 축방향(Ax)으로 유입된 냉매를 원심방향으로 회전에 의해 압축을 함으로써 냉매를 고압으로 만드는 역할을 한다.

모터(130)는 회전축(110)과 별도의 회전축(110)을 가지고 벨트(미도시)에 의해 회전력을 회전축(110)으로 전달하는 구조를 가질 수도 있으나, 본 발명의 일 실시예의 경우, 모터(13)는 스테이터(미도시) 및 로터(112)로 구성되어 회전축(110)을 회전시킨다.

회전축(110)은 임펠러(120) 및 모터(13)와 연결된다. 회전축(110)은 도 2의 좌우 방향으로 연장된다. 이하, 회전축(110)의 축방향(Ax)은 좌우 방향을 의미한다. 회전축(110)은 자기베어링(141) 및 트러스트베어링의 자기력에 의해 움직일 수 있도록 금속을 포함하는 것이 바람직하다.

트러스트 베어링(160)에 의회 회전축(110)읜 축방향(Ax)(좌우방향)의 진동을 방지하기 위해, 회전축(110)이 축방향(Ax)과 수직한 면에서 일정한 면적을 가지는 것이 바람직하다. 구체적으로, 회전축(110)은 트러스트 베어링(160)의 자기력에 의해 회전축(110)을 이동시킬 수 있는 충분한 자기력을 제공하는 회전축날개(111)를 더 포함할 수 있다. 회전축날개(111)는 축방향(Ax)에 수직한 면에서 회전축(110)의 단면적 보다 넓은 면적을 가질 수 있다. 회전축날개(111)는 회전축(110)의 회전 반경 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.

자기베어링(141)과 트러스트 베어링(160)은 도체로 구성되며 코일(143)이 권선되어 있다. 권선된 코일(143)에 흐르는 전류에 의해 자석과 같은 역할을 한다.

자기베어링(141)은 회전축(110)을 중심으로 하여 회전축(110)을 둘러싸도록 다수개가 구비되고, 트러스트 베어링(160)은 회전축(110)의 회전 반경 방향으로 연장되어 구비되는 회전축날개(111)에 인접하도록 구비된다.

자기베어링(141)은 회전축(110)이 공중에 부양된 상태에서 마찰 없이 회전할 수 있도록 한다. 이를 위해 자기베어링(141)은 회전축(110)을 중심으로 적어도 3개 이상이 구비되어야 하며, 각각의 자기베어링(141)은 회전축(110)을 중심으로 균형을 이루어 설치되어야 한다.

본 발명의 일 실시예의 경우, 4개의 자기베어링(141)이 회전축(110)을 중심으로 대칭되도록 구비되며, 각각의 자기베어링(141)에 권선된 코일에 의해 생성된 자기력에 의해 회전축(110)이 공중에 부양하게 된다. 공중에 회전축(110)이 부양되어 회전함으로 인해, 기존에 베어링이 구비된 종래 발명과 달리 마찰로 인해 손실되는 에너지가 줄어들게 된다.

한편, 압축기(100)는 자기베어링(141)을 지지하는 베어링하우징(142)을 더 구비할 수 있다. 자기베어링(141)은 다수개가 구비되며, 회전축(110)과 접촉되지 않도록 간극을 두고 설치된다.

다수개의 자기베어링(141)은 적어도 회전축(110)의 두 지점에 설치된다. 두 지점은 회전축(110)의 길이방향을 따라 서로 다른 지점에 해당한다. 회전축(110)이 직선에 해당하기 때문에 적어도 두 개의 지점에서 회전축(110)을 지탱해야 원주 방면으로의 진동을 방지할 수 있다.

냉매의 흐름을 살펴보면, 압축기(100)연결유로(460)를 통해 압축기(100) 내부로 유입된 냉매가 임펠러(120)의 작용으로 원주 방면으로 압축된 후 응축기연결유로(150)로 토출된다. 압축기(100)연결유로(460)는 임펠러(120)의 회전 방향 과 수직인 방향으로 냉매가 유입될 수 있도록 압축기(100)와 연결된다.

트러스트 베어링(160)은 회전축(110)이 축방향(Ax)의 진동으로 이동하는 것을 제한하고, 서지 발생시에 회전축(110)이 임펠러(120) 방향으로 이동하면서, 압축기(100)의 다른 구성과 회전축(110)의 출동하게 되는 것을 방지한다.

구체적으로, 트러스트 베어링(160)은, 제1트러스트베어링(161)과 제2트러스트베어링(162)으로 구성되며 회전축날개(111)를 회전축(110)의 축방향(Ax)으로 감싸도록 배치된다. 즉, 회전축(110)의 축방향(Ax)으로 제1트러스트베어링(161), 회전축날개(111), 제2트러스트베어링(162)의 순서로 배치된다.

더욱 구체적으로, 제2 트러스트 베어링(162)은 제1 트러스트 베어링(161) 보다 임펠러(120)에 인접하게 위치되고, 제1 트러스트 베어링(161)은 제2 트러스트 베러링 보다 임펠러(120)에서 멀게 위치되고, 제1 트러스트 베어링(161)과 제2 트러스트 베어링(162) 사이에 회전축(110)의 적어도 일부가 위치된다. 바람직하게는, 제1 트러스트 베어링(161)과 제2 트러스트 베어링(162) 사이에 회전축날개(111)가 위치된다.

따라서 제1트러스트베어링(161)과 제2트러스트베어링(162)은 넓은 면적을 가지는 회전축날개(111)와 자기력의 작동에 의해 회전축(110)이 회전축(110) 방향으로 진동하는 것을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

갭센서(70)는 회전축(110)의 축방향(Ax)(좌우방향) 움직임을 측정한다. 물론, 갭센서(70)는 회전축(110)의 상하방향(축방향(Ax)과 직교하는 방향) 움직임을 측정할 수 있다. 물론, 갭센서(70)는 다수의 갭센서(70)를 포함할 수 있다.

예를 들면, 갭센서(70)는 회전축(110)의 상하 방향 움직임을 측정하는 제1 갭센서(710)와 회전축(110)의 좌우 방향 움직임을 측정하는 제2갭센서(720)로 구성된다. 제2 갭센서(720)는 회전축(110)의 축방향(Ax)의 일단에서 축방향(Ax)으로 이격되어 배치될 수 있다.

트러스트 베어링(160)의 힘은 거리의 제곱에 반비례하며, 전류의 제곱에 비례한다. 회전축(110)에 서지발생시 임펠러(120) 방향(우측 방향)으로 추력이 발생하게 된다. 우측 방향으로 발생하는 힘을 트러스트 베어링(160)의 자기력을 이용하여 최대한의 힘으로 축을 당겨야 하는데 회전축(110)의 위치가 2개의 트러스트 베어링(160)의 중간(기준 위치(C0))에 위치되게 되면, 급격한 축 이동에 대응하여 회전축(110)을 빠르게 이동을 기준 위치(C0)로 이동이 어렵게 된다.

회전축(110)에 발생한 임펠러(120) 방향의 추력의 힘은 상당히 강하기 때문에, 기준 위치(C0)에 위치하게 되면, 트러스트 베어링(160)의 자기력을 증가시키기 위해 전류의 공급량을 늘리거나, 트러스트 베어링(160)의 크기를 증가시켜야 하는 문제점이 존재한다.

따라서, 본 발명은 서지 발생이 예상되면 미리 회전축(110)을 추력이 발생되는 방향의 반대방향을 편심시켜 위치되게 하는 것이다.

구체적으로, 제어부(700)는 갭센서(70)로부터 받은 정보에 기반하여 서지 발생 조건을 판단한다. 제어부(700)는 갭센서(70)에 의해 측정되는 회전축(110)의 위치가 정상 위치 범위(-C1~+C1)를 벗어나는 경우 서지 발생 조건으로 판단할 수 있다. 또한, 제어부(700)는 갭센서(70)에 의해 측정되는 회전축(110)의 위치가 정상 위치 범위(-C1~+C1) 내에 위치되는 경우, 서지 미 발생 조건으로 판단할 수 있다.

여기서, 회전축(110)의 정상 위치 범위(-C1~+C1)는, 회전축(110)의 기준 위치(C0)를 기준으로 좌우 방향의 일정 거리 이내의 영역을 의미한다. 회전축(110)의 정상 위치 범위(-C1~+C1)는 회전축(110)의 회전 시에 여러 환경적, 주변적 요인에 의해 회전축(110)이 축방향(Ax)으로 진동되게 되는 데, 이러한 진동이 정상 상태라고 판단되는 범위다. 이러한 정상 위치 범위(-C1~+C1)는 실험적인 값으로, 회전축(110)의 위치의 첨도(Kurtosis) 또는 왜도(Skewness)를 기준으로 정상 위치 범위(-C1~+C1)를 값을 정할 수도 있다. 정상 위치 범위(-C1~+C1)를 정하는 방법은 제한을 두지 않는다.

제어부(700)는 서지 발생 조건이 만족되는 경우, 트러스트 베어링(160)들에 공급되는 전류의 양을 조절하여서, 회전축(110)을 기준 위치(C0)에서 임펠러(120)의 반대방향으로 편심되게 위치시킬 수 있다. 회전축(110)이 편심되는 위치는 회전축날개(111)가 제1트러스트 베어링(160)과 기준 위치(C0) 사이에 위치되는 것을 의미한다.

따라서, 이후에 서지가 발생하여 회전축(110)이 임펠러(120) 방향으로 급속하게 이동하는 완충 시간을 가질 수 있고, 적은 전류량의 증가로 인해 회전축(110)을 정상 위치 범위(-C1~+C1)로 제어하는 것이 용이해 진다.

구체적으로, 제어부(700)는 서지 발생 조건이 만족되는 경우, 제1 및 제2 트러스트 베어링(162) 중 제1 트러스트 베어링(161)에만 전류를 공급할 수 있다. 다른 예로,제어부(700)는 서지 발생 조건이 만족되는 경우, 제1 트러스트 베어링(161)에 공급되는 전류의 양이 제2 트러스트 베어링(162)에 공급되는 전류의 양보다 많게 조절할 수 있다.

제어부(700)는 서지 발생 조건이 만족되어서, 회전축(110)을 임펠러(120)의 반대방향으로 편심킨 후, 일정 시간 동안 회전축(110)의 위치를 편심위치로 고정되게 제어할 수 있다. 즉, 제어부(700)는 회전축(110)이 임펠러(120) 반대방향으로 편심된 후, 서지가 발생하는 경우, 제1 트러스트 베어링(161)으로 공급되는 전류 양을 증가시킬 수 있다. 제어부(700)는 회전축(110)이 임펠러(120) 반대방향으로 편심된 후, 편심 위치를 기준으로 진동 폭이 일정 기준 이하로 유지되는 경우, 회전축(110)을 다시 기준 위치(C0)로 이동시킬 수도 있다.

제어부(700)는 서지 미 발생 조건이 만족되는 경우, 제1 트러스트 베어링(161)에 공급되는 전류의 양과 제2 트러스트 베어링(162)에 공급되는 전류의 양을 동일하게 조절할 수 있다. 또는, 제어부(700)는 서지 미 발생 조건이 만족되는 경우, 상 제1 트러스트 베어링(161) 및 제2 트러스트 베어링(162)에 공급되는 전류의 양을 조절하여서, 회전축(110)이 기준 위치(C0)에 위치되도록 제어할 수 있다.

본 발명의 칠러용 열교환기는 열교환 공간을 가지는 케이스, 케이스에 연결되어 제1 냉매를 열교환 공간으로 공급하는 제1 냉매 공급관, 케이스에 연결되어 열교환 공간 내의 제1 냉매가 토출되는 제1 냉매 토출관, 케이스의 열교환 공간에 배치되고, 제1 냉매와 열교환하는 제2 냉매가 흐르는 다수의 전열관을 포함할 수 있다.

칠러용 열교환기는 상술한 증발기 또는/및 응축기를 포함할 수 있다. 예를 들면, 칠러용 열교환기는 열교환 공간을 가지는 케이스, 케이스에 연결되어 제1 냉매를 열교환 공간으로 공급하는 제1 냉매 공급관, 케이스에 연결되어 열교환 공간 내의 제1 냉매가 토출되는 제1 냉매 토출관, 케이스의 열교환 공간에 배치되고, 제1 냉매와 열교환하는 제2 냉매가 흐르는 다수의 전열관을 포함할 수 있다.

칠러용 열교환기가 응축기인 경우, 케이스는 응축챔버(201)이고, 제1 냉매 공급관은 응축기연결유로(150)이고, 제1 냉매 토출관은 증발기연결유로(260)이고, 전열관은 냉각수유입유로(211) 또는/및 냉각수토출유로(212)일 수 있다.

칠러용 열교환기가 증발기인 경우, 케이스는 증발 챔버(401)이고, 제1 냉매 공급관은 증발기연결유로(260)이고, 제1 냉매 토출관은 압축기연결유로(460)이고, 전열관은 냉수유입유로(411) 또는/및 냉수토출유로(412)이거나, 냉수유입유로(411) 또는/및 냉수토출유로(412)의 적어도 일부일 수 있다.

여기서, 제1 냉매는 물일 수 있고, 제2 냉매는 프레온, R-134a 및 R1233zd 중 어느 하나일 수 있다.

일반적인 전열관은 전열관의 내부로 유체가 지날 때 액체 또는 기체인 유체가 전열관의 내부 표면에 100% 이상 고르게 접촉 하지 않고 빠르게 통과되어 외부 제2 냉매와 전달이 저하되는 문제점이 존재한다.

따라서, 본 발명의 전열관은 상술한 문제점을 해결하여서, 효율이 우수하고, 친환경 냉매를 사용할 수 있는 구성을 가진다.

이하, 본 발명의 전열관에 대해 상술한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전열관의 사시도, 도 6은 도 5의 전열관의 내부를 보인 도면, 도 7은 도 5의 전열관의 단면도, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 저항체(25)의 사시도, 단면도이다.

도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 전열관은 내부에 공간을 가지고 제1방향으로 연장되는 아우터 튜브(21), 아우터 튜브(21)의 내부의 공간에 배치되고, 아우터 튜브(21)의 내면과의 사이에 냉매가 유동되는 냉매 유동공간(22)을 정의하며, 제1방향으로 연장되는 코어(23) 및 냉매 유동공간(22)에 배치되고, 중심축(A1)이 제1방향과 나란하게 배치된 나선형상을 가지는 저항체(25)를 포함한다.

아우터 튜브(21)는 내부에 공간을 가지고 제1방향으로 연장된다. 여기서, 제1방향은 X축 방향으로, 제2 냉매가 유동되는 방향이다. 아우터 튜브(21)는 열전도율이 높은 금속재질이다. 아우터 튜브(21)는 내부를 유동하는 제2 냉매와 외부를 유동하는 제1 냉매 사이의 열교환을 돕는다.

아우터 튜브(21)의 다면 형상(도 5 기준, 이하 단면 형상은 X-Y축 단면을 기준으로 한다)은 내부에 냉매 유동공간(22)을 가지는 원형, 타원형 다각형 일 수 있다. 바람직하게는, 아우터 튜브(21)는 외부 표면적이 넓은 원형이다.

아우터 튜브(21)의 지름은 제한이 없다. 다만, 아우터 튜브(21)가 너무 큰 경우, 열교환 효율이 저하되고, 너무 작은 경우, 열교환 시간이 오래 걸리기 때문에, 아우터 튜브(21)의 지름은 17mm 내지 25mm 일 수 있다. 아우터 튜브(21)의 지름은 19-21mm인 것이 바람직하다.

아우터 튜브(21)는 표면적을 확장하기 위한 다수의 홈 또는 돌기를 가질 수 있다. 예를 들면, 아우터 튜브(21)에 내면에는 다수의 유도홈(21a)이 형성될 수 있다. 유도홈(21a)은 아우터 튜브(21)의 내면이 외측으로 함몰되어 형성된다.

다수의 유도홈(21a)은 아우터 튜브(21)의 내면에 규칙적 또는 불규칙적으로 형성될 수 있다. 이러한 다수의 유도홈(21a)은 제2 냉매와 아우터 튜브(21)의 내면과의 접촉 면적을 향상시킨다.

유도홈(21a)의 깊이가 너무 깊으면 아우터 튜브(21)의 두께가 증가되고, 너무 낮으면, 표면적이 향상되지 못하게 된다. 따라서, 유도홈(21a)의 깊이(H)는 아우터 튜브(21)의 지름 대비 1% 내지 4%인 것이 바람직하다.

또한, 유도홈(21a)은 연속된 하나의 홈으로 구성될 수 있다. 구체적으로, 유도홈(21a)은 아우터 튜브(21)에 내면이 함몰되어 형성되고, 중심축(A1)이 제1방향과 나란하게 배치된 나선형상을 가질 수 있다. 즉, 유도홈(21a)이 제1방향과 나란하게 배치된 중심축(A1)을 중심으로 공전하면서 제1방향으로 나아가는 형상을 가질 수 있다. 다르게 설명하면, 유도홈(21a)은 제1방향에서 보아 시계방향으로 회전하면서, 제1방향으로 전진하는 형상을 가질 수 있다.

코어(23)는 아우터 튜브(21)의 내부의 공간에 배치된다. 코어(23)의 외면과 아우터 튜브(21)의 내면과의 사이에 냉매가 유동되는 냉매 유동공간(22)을 정의된다. 코어(23)의 내부는 제2 냉매가 유동되지 않는 공간으로, 비어있는 공간이거나, 물질에 의해 채워질 수 있다.

코어(23)는 제1방향으로 연장되고, 아우터 튜브(21)와 동일하거나 유사한 길이를 가진다. 코어(23)는 아우터 튜브(21)의 내부의 중심에서 일측으로 편심되어 배치될 수도 있다. 그러나, 저항체(25)의 배치와 아우터 튜브(21)의 중심을 지나가는 냉매가 외부의 냉매가 열교환 거의 되지 않는 것을 해결하기 위해 코어(23)는 아우터 튜브(21)의 중심에 배치될 수 있다. 구체적으로, 코어(23)의 중심은 아우터 튜브(21)의 중심과 일치될 수 있다. 코어(23)는 제1방향으로 연장되고, 아우터 튜브(21)와 나란하게 배치될 수 있다.

코어(23)의 단면 형상은 제한이 없으나, 도 7의 단면 상에서 일정한 면적을 가지는 형상일 수 있다. 코어(23)의 단면 형상은 원형이 바람직하다. 아우터 튜브(21)에의 중심에서 원형을 이루는 공간으로 지나가는 냉매의 냉매효율이 극히 떨어지기 때문에, 코어(23)의 단면 형상이 원형일 때, 냉매의 유동 공간을 크게 제한하지 않고 효율 향상에 도움이 된다. 코어(23)의 경우, 같은 유량이 흐를 때 유동 단면적을 줄이는 역할을 하게 되어 유속이 증가시키고 열량을 증가시키게 된다.

코어(23)의 크기가 너무 작으면, 열교환 효율의 증대가 없고, 크기가 너무 크면 아우터 튜브(21) 내의 냉매의 압력 손실이 너무 커지게 된다. 따라서, 코어(23)의 지름은 아우터 튜브(21)의 지름 대비 15% 내지 50% 인 것이 바람직하다.

코어(23)는 아암(31)들에 의해 아우터 튜브(21)에 내에 위치될 수 있다. 아암(31)은 코어(23)를 아우터 내부의 공간에 위치시키고 그 위치를 고정하게 된다. 아암(31)은 코어(23)와 아우터 튜브(21)를 연결한다. 아암(31)은 코어(23)의 외면과 아우터 튜브(21)의 내면을 연결한다. 아암(31)은 복수 개가 제1방향으로 이격하여 배열될 수 있다.

저항체(25)는 냉매 유동공간(22) 내를 유동하는 냉매에 저항을 가하고, 난류 또는/및 와류를 발생하게 한다. 저항체(25)는 코어(23)를 감싸게 배치될 수 있다. 예를 들면, 저항체(25)는 도 8에 도시된 바와 같이 중심축(A1)이 제1방향과 나란하게 배치된 나선형상을 가질 수 있다.

저항체(25)는 중심축(A1)(코어(23))의 주위를 돌면서, 중심축(A1)(제1 방향)을 따라 전진하는(중심축(A1)에 일단에 점점 멀어지는) 선 형상을 가질 수 있다. 저항체(25)의 나선의 내부에는 코어(23)가 배치될 수 있다.

저항체(25)의 나선의 중심축(A1)은 코어(23)와 중첩되게 배치될 수 있다. 저항체(25)의 나선의 중심축(A1)은 코어(23)의 중심축(A1)과 일치되는 것이 바람직하다. 저항체(25)의 일단은 코어(23)의 외면에 연결되거나, 아우터 튜브(21)의 내면에 연결될 수 있다. 또한, 저항체(25)는 코어(23)와 아우터 튜브(21)에서 이격되고, 서포터(미도시)에 의해 지지될 수 도 있다.

저항체(25)의 나선의 피치가 너무 작거나 크면 와류 또는 난류 형성이 어렵게 되기 대문에, 저항체(25)의 나선이 피치(P)는 아우터 튜브(21)의 지름 대비 50% 내지 150% 인 것이 바람직하다.

저항체(25)의 단면은 원형, 타원형 및 다각형 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 저항체(25)의 단면이 타원형 또는 다각형인 경우, 저항체(25)는 길이방향을 축으로 비틀린(Twisted) 형상을 가질 수 있다.

구체적으로, 저항체(25)의 단면은 장변(25a)과 단변(25b)을 포함하는 직사각형일 수 있다. 장변(25a)의 길이(W1)는 아우터 튜브(21)의 지름 대비 10% 내지 50% 인 것이 바람직하다. 장변(25a)의 길이가 너무 작거나 크면 와류 및 난류를 형성할 수 없기 때문이다.

저항체(25)가 냉매 유동공간(22)을 지나는 냉매의 와류, 난류를 촉진하고, 코어(23)는 냉매 유동공간(22)에서 열교환이 거의 안되는 영역을 없애고, 냉매의 유속을 증가시키므로, 냉매의 열교환 효율을 향상되게 된다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 저항체(25)의 사시도이다.

도 9를 참조하면, 다른 실시예의 저항체(25)는 도 8의 실시예와 비교하면, 복수의 유도홀(26)을 더 포함할 수 있다. 이하, 도 8의 실시예와 차이점을 위주로 설명하고, 도 8의 실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략한다.

복수의 유도홀(26)은 저항체(25)를 관통하여 형성된다. 복수의 유도홀(26)은 저항체(25)에 의해 와류 및 난류가 형성된 냉매에 다시 와류와 난류를 촉진하게 된다. 일부의 냉매는 저항체(25)를 따라 흐르면서 난류 및 와류가 발생하고 다른 일부의 냉매는 복수의 유도홀(26)을 통과하면서 난류 및 와류가 발생하게 된다.

복수의 유도홀(26)은 저항체(25)의 단면이 직사각형인 경우 서로 마주보는 장변(25a)을 관통하여 형성될 수 있다. 복수의 유도홀(26)의 지름은 장변(25a)의 길이 대비 5% 내지 20% 인 것이 바람직하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

20: 전열관 21: 아우터 튜브
23: 코어 25: 저항체
100: 압축기 110: 회전축
120: 임펠러 140: 베어링부
141: 자기베어링 200: 응축기
300: 팽창밸브 400: 증발기
500: 공기조화유닛 600: 냉각수유닛

Claims

내부에 공간을 가지고 제1방향으로 연장되는 아우터 튜브;
상기 아우터 튜브의 내부의 공간에 배치되고, 상기 아우터 튜브의 내면과의 사이에 냉매가 유동되는 냉매 유동공간을 정의하며, 상기 제1방향으로 연장되는 코어; 및
상기 냉매 유동공간에 배치되고, 상기 코어의 주위를 돌며 상기 제1방향으로 전진하는 선 형상을 가지는 저항체를 포함하고,
상기 저항체를 관통하는 복수의 유도홀;
상기 아우터 튜브에 내면이 함몰되어 형성되고, 중심축이 제1방향과 나란하게 배치된 나선형상을 가지는 유도홈; 및
상기 코어와 상기 아우터 튜브를 연결하는 복수의 아암을 더 포함하며,
상기 저항체는 중심축이 상기 제1방향과 나란하게 배치된 나선형상을 가지는 전열관.
제1항에 있어서,
상기 저항체의 단면은,
원형, 타원형 및 다각형 중 적어도 하나를 포함하는 전열관.
제1항에 있어서,
상기 저항체의 나선의 피치는 상기 아우터 튜브의 지름 대비 50% 내지 150% 인 전열관.
제3항에 있어서,
상기 저항체의 나선의 중심축은 상기 코어와 중첩되게 배치되는 전열관.
제4항에 있어서,
상기 저항체의 단면은 장변과 단변을 포함하는 직사각형이고,
상기 장변의 길이는 상기 아우터 튜브의 지름 대비 10% 내지 50% 인 전열관.
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제5항에 있어서,
상기 유도홈의 깊이는 상기 아우터 튜브의 지름 대비 1% 내지 4%인 전열관.
제5항에 있어서,
상기 코어는 상기 아우터 튜브의 중심에 배치되는 전열관.
제5항에 있어서,
상기 코어의 단면 형상은 원형인 전열관.
제11항에 있어서,
상기 코어의 지름은 상기 아우터 튜브의 지름 대비 15% 내지 50% 인 전열관.
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열교환 공간을 가지는 케이스;
상기 케이스에 연결되어 제1 냉매를 상기 열교환 공간으로 공급하는 제1 냉매 공급관;
상기 케이스에 연결되어 상기 열교환 공간 내의 상기 제1 냉매가 토출되는 제1 냉매 토출관; 및
상기 케이스의 상기 열교환 공간에 배치되고, 상기 제1 냉매와 열교환하는 제2 냉매가 흐르는 다수의 전열관을 포함하고,
상기 전열관은,
내부에 공간을 가지고 제1방향으로 연장되는 아우터 튜브;
상기 아우터 튜브의 내부의 공간에 배치되고, 상기 아우터 튜브의 내면과의 사이에 냉매가 유동되는 냉매 유동공간을 정의하며, 상기 제1방향으로 연장되는 코어; 및
상기 냉매 유동공간에 배치되고, 상기 코어의 주위를 돌며 상기 제1방향으로 전진하는 선 형상을 가지는 저항체를 포함하며,
상기 저항체를 관통하는 복수의 유도홀;
상기 아우터 튜브에 내면이 함몰되어 형성되고, 중심축이 제1방향과 나란하게 배치된 나선형상을 가지는 유도홈; 및
상기 코어와 상기 아우터 튜브를 연결하는 복수의 아암을 더 포함하고,
상기 저항체는 중심축이 상기 제1방향과 나란하게 배치된 나선형상을 가지는 칠러용 열교환기.
제14항에 있어서,
상기 저항체의 나선의 중심축은 상기 코어와 중첩되게 배치되는 칠러용 열교환기.
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제15항에 있어서,
상기 코어는 상기 아우터 튜브의 중심에 배치되는 칠러용 열교환기.
제18항에 있어서,
상기 코어의 단면 형상은 원형인 칠러용 열교환기.
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