KR102268484B1 - 열교환기 - Google Patents

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KR102268484B1
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지안롱 지앙
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Abstract

열교환기는 열교환기의 일단에 위치하는 혼합 및 재분배 헤더(20); 및 혼합 및 재분배 헤더(20)와 소통되는 다수의 열교환관(30)을 포함한다. 서로 소통되는 상부 공동(21) 및 하부 공동(22)이 혼합 및 재분배 헤더(20) 내에 배치된다. 먼저 열교환기에 들어간 유체는 혼합 및 재분배 헤더(20)의 하부 공동(22)의 일 부분으로 유입된 후, 혼합 및 재분배 헤더(20)의 상부 공동(21)에서 수집되어 혼합되고, 하부 공동(22)의 다른 부분에 분배되며, 하부 공동(22)과 소통되는 열교환관들(30)을 통해 토출된다. 상부 공동(21)의 단면적은 하부 공동(22)의 단면적과 같거나 더 크다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}
본 출원은 출원번호 201410230981.9 및 "열교환기"라는 발명의 명칭으로 2014년 5월 28일에 출원된 중국 특허 출원의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용이 본원에 참조로 포함된다.
본 발명은 난방, 환기, 및 공조, 자동차, 냉장, 및 수송의 분야에 관한 것으로, 특히 증발기, 응축기, 또는 물탱크 등을 위한 열교환기에 관한 것이다.
일반적인 가정용 또는 상업용 공조 시스템의 열교환기에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 유입/토출관(1, 2)이 있고; 양단에 있는 헤더들(3)이 냉매의 분배 및 수집을 담당하고; 작은 채널들이 내부에 있는 평판관들(4)이 헤더들(3)의 슬롯들에 의해 헤더들(3)에 삽입되며, 냉매가 순환할 때 냉매와 공기 사이의 열전달을 담당한다. 평판관들 사이의 방열핀들(5)이 열교환 효과의 증진을 담당한다. 송풍기에 의해 송풍된 공기가 핀들(5) 및 평판관들(4)을 지나 흐를 때, 공기와 냉매 사이의 온도차는 이 두 매체 사이의 열전달을 야기한다. 응축기 응용의 경우, 공기가 흐르면, 공기는 열을 흡수하고 토출된다. 증발기 응용의 경우, 공기가 흐르면, 이는 열을 배출하고 토출된다.
증발기 및 열펌프 응용의 경우, 이들은 응축수뿐만 아니라 성에의 형성 및 용융의 문제를 수반하기 때문에, 배수를 용이하게 하기 위해, 열교환기는 평판관들이 수직 방향으로 배치되는 반면 헤더들이 수평 방향으로 배치되도록 위치할 것이다. 각각의 평판관에서 냉매의 유속의 균형을 이루기 위해, 도관이 헤더 내에 추가되되, 더 양호한 열교환 효과를 얻기 위해 실제 상황에 따라 상이한 슬롯들이 도관에 형성된다.
더 양호한 열교환 면적을 얻기 위해, (도 2에 도시된 바와 같이) 2개의 열교환기가 사용될 수 있다. 축열기 응용과 같은 몇몇 제한된 공간 응용, 및 자동차 공조 열교환기와 물탱크가 평행하게 놓인 응용 등에서는, 2개 이상의 열교환기가 또한 사용될 것이다.
이러한 종래의 열교환기의 경우, 냉매가 유동 방향으로 흐르며 열교환을 겪음에 따라 냉매측 온도가 변화하는 반면, 유입 공기의 온도는 일정하다; 이는 열교환기 효율의 불균형을 초래할 것이다. 특히 통류 송풍기 응용의 경우, 이와 같은 온도차는 토출 공기의 온도의 심각한 불균일성을 초래할 것이며, 그에 따라 사용자는 사용 중에 상당히 감소된 쾌적함을 경험하게 된다.
균형을 이룬 토출 공기 온도를 얻기 위해, 설계상 2개의 열교환기가 종종 채택될 것이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 2개의 열교환기 중 하나는 유입 열교환기인 반면, 다른 하나는 토출 열교환기이다. 공기가 2개의 열교환기를 통해 흐르면, 공기 온도가 혼합되어, 더 양호한 토출 공기 온도가 얻어진다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 특히 트윈 통류 송풍기들(7)을 이용한 실내기 응용의 경우: (도 5에 도시된 바와 같이) 단일 열교환기의 공조 공기 토출구의 상부와 하부 사이의 온도차가 크기 때문에, 쾌적함이 감소할 것이고; 그에 따라 (도 6에 도시된 바와 같이) 2개의 열교환기가 종종 사용될 것이다. 더 균일한 토출 공기 온도를 얻을 수 있지만, 2개의 열교환기의 비용이 높으며 공정 난이도가 높고; 아울러, 헤더들 사이의 조인트에 연결관들(8)을 제공하는 것은 열교환 면적을 감소시킬 것이다.
상기 내용을 고려하면, 상기 언급된 문제점들을 적어도 부분적으로 해결할 수 있는 신규의 열교환기를 제공할 필요성이 명확히 존재한다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 상기 언급된 문제점들 및 결함들 중 적어도 하나의 양태를 해결하는 데에 있다.
본 발명의 일 양태에서,
열교환기의 일단에 있는 혼합 및 재분배 헤더;
혼합 및 재분배 헤더와 소통되는 다수의 열교환관을 포함하고,
서로 소통되는 상부 공동 및 하부 공동이 혼합 및 재분배 헤더 내에 배치되며; 먼저 열교환기에 들어간 유체는 혼합 및 재분배 헤더의 하부 공동의 일 부분으로 유입된 후, 혼합 및 재분배 헤더의 상부 공동에서 수집되어 혼합되고, 하부 공동의 다른 부분에 분배되며, 하부 공동과 소통되는 열교환관을 통해 토출되되, 상부 공동의 단면적은 하부 공동의 단면적과 같거나 더 큰 것인, 열교환기를 제공한다.
바람직하게, 상부 공동 및 하부 공동은 칸막이에 의해 분리되고, 상부 공동은 적어도 2개의 하위-공동으로 분할되되, 적어도 2개의 하위-공동 중 2개가 점프관을 통해 서로 소통된다.
바람직하게, 상부 공동은 분리 요소들에 의해 적어도 3개의 하위-공동으로 분할되되, 적어도 3개의 하위-공동 중 3개가 점프관들을 통해 서로 소통된다.
바람직하게, 상부 공동은 3개의 하위-공동으로 분할되되,
3개의 하위-공동 중 좌단 하위-공동과 중간 하위-공동 사이의 소통을 구축하는 제1 점프관은 일단이 좌단 하위-공동의 중간 위치에 위치하며 타단이 중간 하위-공동의 중간 위치에 위치하고;
3개의 하위-공동 중 우단 하위-공동과 중간 하위-공동 사이의 소통을 구축하는 제2 점프관은 일단이 우단 하위-공동의 중간 위치에 위치하며 타단이 중간 하위-공동의 중간 위치에 위치하고, 제1 점프관 및 제2 점프관은 인접한 위치 또는 동일한 위치에서 중간 하위-공동에 연결된다.
바람직하게, 상부 공동과 하부 공동 사이의 벽면들은 구멍들 및/또는 슬롯들을 통해 소통되되, 하부 공동은 적어도 3개의 하위-공동으로 분할된다.
바람직하게, 상부 공동 및 하부 공동은 모두 3개의 하위-공동으로 분할되되, 상부 공동의 하위-공동들은 하부 공동의 하위-공동들과 대응하여 소통된다.
바람직하게, 상부 공동과 하부 공동 사이의 벽면 상의 중간 구역은 열교환기의 유입 공동과 대응하여 소통되고, 그 양단 구역은 각각 열교환기의 토출 공동들과 대응하여 소통되며, 양단 구역에 있는 벽면은 중간 구역에 있는 벽면보다 더 작은 크기의 구멍들 또는 슬롯들을 구비한다.
바람직하게, 양단 구역 중 좌단 구역, 중간 구역, 및 양단 구역 중 우단 구역에 구비된 구멍들 및/또는 슬롯들의 단면적의 합은 각각 S1, S2, 및 S3이고, 평판관들의 길이 방향에 수직인 방향으로 이들의 길이는 각각 L1, L2, 및 L3으로 설정되며, 하기 조건들 중 적어도 하나가 충족된다:
L2/((L1+L3)/2) = 0.8~1.2,
L1/L3 = 0.8~1.2;
S2는 S1 또는 S3의 1~2배;
(S1/S3)/(L1/L3) = 0.9~1.1.
바람직하게, 열교환기는 또한 열교환관들을 통해 혼합 및 재분배 헤더와 소통되는 유입 헤더 및 토출 헤더 또는 유입/토출 헤더를 포함한다.
바람직하게, 분배관이 유입 헤더 또는 유입/토출 헤더의 유입 공동 내에 배치되고, 수집관이 토출 헤더 또는 유입/토출 헤더의 토출 공동 내에 배치된다.
바람직하게, 상부 공동 및 하부 공동은 일체형 구조 또는 결합형 구조이고, 유입 공동 및 토출 공동에 연결되는 열교환관들의 개수의 비율은 0.8 내지 1.2의 범위이며, 열교환관들은 평판관들이다.
본 발명의 다른 양태에서,
열교환기의 일단에 있는 혼합 및 재분배 헤더;
혼합 및 재분배 헤더와 소통되는 다수의 열교환관을 포함하고,
수집/분배관이 혼합 및 재분배 헤더에 삽입되고, 삽입된 수집/분배관의 공동의 일 부분은 열교환기의 유입 공동으로부터의 유체가 이에 들어가게 하는 반면, 삽입된 수집/분배관의 공동의 나머지 부분은 유체를 수집하여 혼합하고 이를 혼합 및 재분배 헤더의 공동에 분배하고,
삽입된 수집/분배관의 공동의 단면적은 혼합 및 재분배 헤더의 (수집/분배관의 공동을 제외한) 나머지 공동의 단면적과 같거나 더 큰 것인, 열교환기를 제공한다.
바람직하게, 혼합 및 재분배 헤더는 적어도 2개의 공동으로 분할되고; 이 공동들 중 하나에서, 삽입된 수집/분배관의 일 부분은 유입 공동으로부터 혼합 및 재분배 헤더로 들어가는 유체를 수집하며, 삽입된 수집/분배관의 다른 부분은 적어도 2개의 공동 중 다른 하나에 유체를 분배한다.
바람직하게, 혼합 및 재분배 헤더는 3개의 공동으로 분할되되, 3개의 공동 중 중간 공동은 열교환기의 유입 공동과 소통되고, 3개의 공동 중 양단 공동은 열교환기의 토출 공동과 소통된다.
바람직하게, 삽입된 수집/분배관은 나란히 배치되는 2개의 수집/분배관이며, 2개의 수집/분배관은 모두 혼합 및 재분배 헤더의 중간 공동에서 구멍들 또는 슬롯들을 구비하고; 2개의 수집/분배관 중 하나는 혼합 및 재분배 헤더의 좌단 공동에서 구멍들 또는 슬롯들을 구비하는 반면, 다른 하나는 혼합 및 재분배 헤더의 우단 공동에서 구멍들 또는 슬롯들을 구비한다.
바람직하게, 삽입된 수집/분배관은 혼합 및 재분배 헤더의 외부에 위치하여 증가된 유로를 갖기 위해 중간 구역에서 절곡되거나 절곡된다.
바람직하게, 삽입된 수집/분배관의 직경은 중간 공동 내에서 또는 절곡점에서 감소한다.
본 발명의 이러한 및/또는 다른 양태들 및 이점들은 첨부 도면과 함께 바람직한 구현예들의 후술하는 설명에 의해 명확해지며 이해하기 쉽게 될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 열교환기의 도면 및 평판관과 헤더 사이의 조인트의 부분 확대도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 2개의 열교환기의 단면도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 2개의 열교환기의 다른 예의 도면이다.
도 4는 종래 기술에 따른 2개의 열교환기의 다른 예의 도면이다.
도 5는 종래 기술의 트윈 통류 송풍기를 이용한 단일 열교환기의 도면이다.
도 6은 종래 기술의 트윈 통류 송풍기를 이용한 2개의 열교환기의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 열교환기의 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 열교환기의 혼합 및 재분배 헤더를 조립하는 방식의 3가지 상이한 예의 부분 확대도들을 도시한다.
도 9는 도 8에 도시된 혼합 및 재분배 헤더에 구멍들 및 슬롯들을 배치하는 방식의 3가지 상이한 예의 도면들을 도시한다.
도 10은 도 7에 도시된 열교환기의 혼합 및 재분배 헤더의 상부 공동 및 하부 공동의 상이한 단면 비율에 대한 기액 분배의 도면들을 도시한다.
도 11은 도 7에 도시된 열교환기의 혼합 및 재분배 헤더의 칸막이에서의 구멍들 및/또는 슬롯들의 분배의 도면들을 도시한다.
도 12는 본 발명의 다른 구현예에 따른 열교환기의 도면이다.
도 13a는 점프관들이 중간 위치들에 배치되어 있는 도 12에 도시된 열교환기의 도면이다.
도 13b는 도 13a에 도시된 열교환기에서의 점프관들의 배치의 평면도이다.
도 14는 도 12에 도시된 열교환기의 유입/토출 헤더에 삽입되는 수집/분배관 및 수집관들의 부분도이다.
도 15는 본 발명의 다른 구현예에 따른 열교환기의 혼합 및 재분배 헤더에 삽입되는 수집/분배관의 도면이다.
도 16은 도 15에 도시된 열교환기에 삽입되는 2개의 수집/분배관의 부분도 및 평면도이다.
도 17은 직경이 감소된 수집/분배관을 구비한 도 15에 도시된 열교환기의 부분도이다.
본 발명의 기술적 해결방안이 첨부된 도 7 내지 도 17과 함께 구현예들에 의해 이하에 보다 상세히 설명된다. 본 설명에서, 동일하거나 유사한 참조 번호는 동일하거나 유사한 구성요소를 가리킨다. 첨부 도면을 참조한 본 발명의 구현예들의 후술하는 설명은 본 발명의 전체 발명의 개념을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 열교환기를 도시하는 도 7을 특히 참조한다. 열교환기는 열교환기의 일단에 있는 혼합 및 재분배 헤더(20), 및 혼합 및 재분배 헤더(20)와 소통되는 다수의 열교환관(30)을 포함한다. 이 구현예에서, 도 7에 도시된 열교환기는 또한 유입/토출 헤더(10) 및 핀들(40)을 포함한다. 유입/토출 헤더(10)는 일체형, 또는 분리형, 즉 별개의 유입 및 토출 공동을 구비한 2개의 독립적인 부품으로 설계될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
유입/토출 헤더(10)는 열교환기의 하단에 배치되고, 혼합 및 재분배 헤더(20)는 열교환기의 상단에 배치되며, (평판관과 같은) 다수의 열교환관(30)은 유입/토출 헤더(10)와 혼합 및 재분배 헤더(20) 사이에 배치된다. 이 구현예에서, 서로 소통되는 상부 공동 및 하부 공동이 혼합 및 재분배 헤더(20) 내에 배치되며; 먼저 열교환기에 들어간 유체는 혼합 및 재분배 헤더(20)의 하부 공동의 일 부분으로 유입된 후, 혼합 및 재분배 헤더(20)의 상부 공동에서 수집되어 혼합되고, 하부 공동의 다른 부분에 분배되며, 하부 공동과 소통되는 열교환관을 통해 토출되되, 상부 공동의 단면적은 하부 공동의 단면적과 같거나 더 크다.
도면에 도시된 바와 같이, 혼합 및 재분배 헤더(20)는 2개의 공동의 형태를 취한다; 예컨대, 칸막이(52)가 혼합 및 재분배 헤더(20)의 길이 방향(즉, 도 7의 도면의 평면에서 좌우 방향)으로 구비되고, 그에 따라 칸막이(52)는 혼합 및 재분배 헤더(20)의 공동을 서로 소통되는 상부 공동(21) 및 하부 공동(22)으로 분할한다. 상부 공동(21) 및 하부 공동(22)은 일체형 구조 또는 결합형 구조를 가질 수 있다.
특히 도 8을 참조하면, (좌에서 우로) 첫 번째 및 두 번째 도면은 모두 상부 공동(21) 및 하부 공동(22)이 일체형 구조를 가지는 형태를 도시하되, 첫 번째 도면에서는 상부 공동(21) 및 하부 공동(22)이 하나의 구멍(53)을 통해 소통되는 반면, 두 번째 도면에서는 상부 공동(21) 및 하부 공동(22)이 2개의 구멍(53)을 통해 소통된다는 차이점이 있다. (좌에서 우로) 세 번째 도면은 상부 공동(21) 및 하부 공동(22)이 결합형 구조를 가지는 형태를 도시하되, 상부 공동(21) 및 하부 공동(22)은 하나의 구멍(53)을 통해 소통된다.
다시 말하면, 상부 공동(21)과 하부 공동(22) 사이의 벽면은 소통을 달성하기 위해 다수의 구멍 및/슬롯을 구비할 수 있지만, 특정 방식이 도 9에 도시된 특정 형태에 제한되는 것은 아니다. 도 9를 참조하면, 상부 공동(21)과 하부 공동(22) 사이에 소통을 달성하는 방식은 도 9에 도시된 예에 제한되지 않는다. 당업자는 두 공동 사이의 소통을 달성하기 위해 필요시 상이한 형태 및/또는 상이한 개수의 구멍 및/또는 슬롯을 제공할 수 있다. 그러므로, 상부 공동(21)은 하부 공동(22)으로부터 냉매를 수집하여 혼합하는 기능을 실현한다. 도 9는 칸막이(52)에 슬롯들 및/또는 구멍들을 배치하는 방식의 3가지 예를 도시한다. 도 9의 (위에서 아래로) 첫 번째 도면에서는, 구멍들(53)의 행(row)이 칸막이(52)에 소정의 간격으로 구비되고; 두 번째 도면에서는, 칸막이(52)의 길이 방향에 평행한 방향(도 9의 도면의 평면에서 좌우 방향)으로 연장되는 다수의 슬롯(53'; 도면에서는 3개의 슬롯)의 행이 칸막이(52)에 구비되며; 세 번째 도면에서는, 구멍들(53) 및 슬롯들(53')의 조합이 칸막이(52)에 구비된다. 즉, 하나의 행의 형태의 다수의 구멍(53)이 칸막이(52)의 좌우단에 구비되고, 칸막이(52)의 폭 방향(도 9의 도면의 평면에서 상하 방향)으로 연장되는 다수의 슬롯(53'; 도면에서는 5개의 슬롯)이 중간 위치에 구비된다.
종래 기술에서, 냉매는 평판관의 토출구에서 기액 분리를 경험할 것이다; 이는 분배에 바람직하지 않다. 이와 같은 기액 분리가 더 이상 일어나지 않도록 보장하기 위해, 본 발명에서는, (도 10에 도시된 바와 같이) 상부 공동(21)의 단면적이 하부 공동(22)의 단면적과 같거나 더 크도록 설계된다. 이는, 2상 상태의 냉매가 작은 유동 면적으로부터 큰 유동 면적으로 들어가면, 유속이 급격히 감소할 것이며, 2상(기체 및 액체)의 분리가 쉽게 일어나고, 중력의 작용으로 인해 공동의 하부에 더 많은 액체가 있고 공동의 상부에 더 많은 기체가 있을 것이기 때문이다. 하부 공동이 너무 크면, 냉매가 상부 공동의 분배 구멍들/슬롯들로부터 고속으로 배출될지라도, 하부 공동 내의 공간이 크기 때문에 기액 분리가 여전히 쉽게 일어날 것이며(균일하게 혼합된 2상 냉매가 고속으로 배출될지라도 기액분리가 쉽게 일어난다), 너무 많은 액체가 하부 공동에 수집되면, 이 역시 불균일한 분배를 초래할 것이다.
하부 공동이 너무 작으면, 기액 분리가 상부 공동 내에서 일어났을지라도, 액체는 중력의 작용으로 인해 상부 공동의 저면에 위치할 것이며; 분사 구멍들/슬롯들이 저면에 분포되고, 고속 분사가 그 인근에서 시작되면, 액상 냉매가 다시 분산될 것이며, 매우 양호한 혼합 효과가 발생할 것이고; 이와 같은 분배 효과 역시 매우 양호할 것이다.
도 7에 도시된 예에서, 유입/토출 헤더(10)는, 유입/토출 헤더(10)의 길이 방향에 수직인 방향(즉, 도 7의 도면의 평면에서 상하 방향)으로 배치되는 분리 요소들(51)에 의해, 나란히 배치되는 3개의 공동, 즉 토출 공동(11, 13)과 유입 공동(12)으로 분할된다. 토출 공동(11) 및 토출 공동(13)은 각각 유입/토출 헤더(10)의 양단에 위치하며, 각각 토출관들(11', 13')과 연결된다. 유입 공동(12)은 토출 공동(11)과 토출 공동(13) 사이에 위치하며 유입관(12')과 연결된다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 화살표에 의해 나타낸 바와 같이, 유입관(12')으로부터 유입 공동(12)으로 들어간 후에, 냉매(미도시)와 같은 유체는 유입 공동에 연결되는 평판관들(30)을 통해 혼합 및 재분배 헤더(20)로 흐르고, 헤더에서 혼합된 후에, 냉매는 혼합 및 재분배 헤더(20)의 양단에 분배되고, 다음으로 양단에 연결되는 평판관들(30)을 통해 유입/토출 헤더(10)의 토출 공동들(11, 13)로 각각 유입되며, 마지막으로 토출관들(11', 13')을 통해 열교환기로부터 토출된다.
이 구현예에서, 유입 공동(12)에 연결되는 평판관들의 개수는 A1로 설정되고, 토출 공동(11)에 연결되는 평판관들의 개수는 A2로 설정되며, 토출 공동(13)에 연결되는 평판관들의 개수는 A3으로 설정된다. 열교환기에서 유입/토출 공동들(11~13)에 연결되는 평판관들(30)의 개수는: 임의의 2개의 공동에 연결되는 평판관들의 개수들의 비율(즉, A1, A2, 및 A3 중 임의의 2개의 비율)이 토출 공기의 균일성을 보장하기 위해 0.8 내지 1.2의 범위가 되도록, 일반적으로 설정된다. 따라서, 도 6에 도시된 송풍기 형태에서, 전체 열교환기는 중간에서 분할되고, 각각의 절반부는 유입 구역 평판관 및 토출 구역 평판관을 구비하며 유동 방향은 하나가 상향, 하나가 하향이고; 송풍기에 의한 혼합 후에, 공기 토출구의 높이 방향으로 매우 양호한 균일한 온도를 얻을 수 있다.
토출 공기의 더 양호한 균일성을 달성하기 위해, 전체 열교환기의 관들의 냉매를 균일하게 분배하고, 열교환기 표면 온도를 균일한 패턴으로 분배할 필요가 있다. 종래 기술의 종래 해결방안은: 평판관들로 들어가는 공동 구역에서 냉매의 유속을 더 높게 만들지만, 평판관 토출구들에서 공동 구역의 유동 저항을 인위적으로 증가시켜서, 분배에 영향을 미치는 유동 저항이 더 양호한 분배 효과를 얻기 위해 비중(specific weight)을 낮출 수 있게 하는 것이다.
그러나, 비교하자면, 도 7에 도시된 열교환기에서는, 냉매가 중간에서 혼합 및 재분배 헤더(20)에 들어가기 때문에, 이는 열교환기의 양측에 있는 평판관 구역들에 다시 분배되어야 한다. 그러므로, 본 발명에서는, 혼합 및 재분배 헤더(20)에서 냉매의 균일한 분배가 중요하게 된다.
다시 도 7을 참조하면, 하부 공동(22)에는, 분리 요소들(51)이 혼합 및 재분배 헤더(20)의 길이 방향에 수직인 방향(즉, 도면의 평면에서 상하 방향)으로 배치되고, 하부 공동(22)은 3개의 하위-공동, 즉 제1 하위-공동(221), 제2 하위-공동(222), 및 제3 하위-공동(223)으로 분할된다. 제2 하위-공동(222)은 상부 공동(21)의 중간 구역과 소통되며, 평판관들에 의해 유입 공동(12)과 소통된다. 제1 하위-공동(221)은 상부 공동(21)의 좌단 공동 구역과 소통되며, 평판관들에 의해 토출 공동(11)과 소통된다. 제3 하위-공동(223)은 상부 공동(21)의 우단 공동 구역과 소통되며, 평판관들에 의해 토출 공동(13)과 소통된다.
따라서, 유입 공동(12)으로부터의 냉매는 제2 하위-공동(222)으로 흐른 후, 구멍들(53) 및/또는 슬롯들(53')(미도시)을 통해 상부 공동(21)으로 유입되고, 다음으로 상부 공동(21)의 양단으로 흐르고, 다시 구멍들(53) 및/또는 슬롯들(53')을 통해 제1 하위-공동(221) 및 제3 하위-공동(223)에 분배된 후, 평판관들(30)을 통해 토출 공동들(11, 13)로 흐르고, 마지막으로 열교환기로부터 토출된다.
후술하는 설명은 혼합 및 재분배 헤더(20)의 중간 구역에서 양단에 분배되는 냉매의 균일한 분배를 개선하기 위한 본 발명의 방법을 중점적으로 다룬다.
혼합 및 재분배 헤더(20)의 중간 구역에서 양단에 분배되는 냉매의 균일한 분배를 달성하기 위해, 중간 구역의 칸막이(52)의 벽면의 구멍들 또는 슬롯들보다 더 작은 구멍들(53) 및/또는 슬롯들(53')이 (도 11에 도시된 바와 같이) 상부 공동(21)의 양단 구역의 칸막이(52)의 벽면에 구비될 수 있다. 이와 같은 배치는 냉매가 하부 공동(22)으로 흐를 때 더 큰 저항에 직면하게 할 수 있고, 상부 공동에서 압력 강하의 균형을 이룰 수 있으므로, 상부 공동의 압력 강하의 비균일성에 의해 야기되는 양측에서의 냉매 유동의 비균일성을 감소시킨다.
냉매의 균일한 분배 및 균일한 토출 공기 온도를 보장하기 위해, 본 발명은 양단 구역 중 좌단 구역, 중간 구역, 및 양단 구역 중 우단 구역의 구멍들 및/또는 슬롯들의 단면적의 합이 각각 S1, S2, 및 S3이고, 평판관들(30)의 길이 방향에 수직인 방향으로 이 3개의 공동 구역의 길이가 각각 L1, L2, 및 L3인 배치를 채택하되, 혼합 및 재분배 헤더 내의 배치는 하기 조건들 중 적어도 하나를 충족해야 한다:
L2/((L1+L3)/2) = 0.8~1.2, L1/L3 = 0.8~1.2; S2는 S1 또는 S3의 1~2배; (S1/S3)/(L1/L3) = 0.9~1.1.
물론, 이상적으로, 방정식들의 모든 비율은 1이다. 헤더의 길이 내에 수용될 수 있는 평판관들의 개수가 반드시 3의 배수인 것은 아니며, 게다가, 소정의 응용들에서, 송풍기는 열교환기의 중심선 상에 있지 않을 수 있고; 그에 따라 비율이 더 작은 변동값으로 설정되는 것이 또한 실현 가능하다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 열교환기를 도시한 도 12를 참조한다. 이 열교환기는 도 7에 도시된 열교환기의 변형이다. 그러므로, 이 열교환기의 구조 및 원리는 도 7에 도시된 열교환기의 구조 및 원리와 실질적으로 동일하되, 혼합 및 재분배 헤더의 설계가 상이하다는 차이점이 있다. 차이점은 이하에 상세히 설명되고; 동일한 특징은 여기서 반복되지 않을 것이다.
이 구현예에서, 상부 공동 및 하부 공동은 혼합 및 재분배 헤더에 사용될 뿐만 아니라, 분리 요소들(51)에 의해 차단된다. 상부 공동(21)은 또한 도면의 평면에서 상하 방향으로 배치되는 분리 요소들(51)에 의해 3개의 하위-공동, 즉 제1 하위-공동(211), 제2 하위-공동(212), 및 제3 하위-공동(213)으로 분할된다. 이 3개의 공동은 또한 각각 구멍들(53) 및/또는 슬롯들(53')에 의해 하부 공동의 3개의 하위-공동과 소통된다. 즉, 상부 공동의 제1 하위-공동(211)은 하부 공동의 제1 하위-공동(221)과 소통되고, 상부 공동의 제2 하위-공동(212)은 하부 공동의 제2 하위-공동(222)과 소통되며, 상부 공동의 제3 하위-공동(213)은 하부 공동의 제3 하위-공동(223)과 소통된다. 이때, 제2 하위-공동(212)은 각각 점프관들(54', 54")을 통해 제1 및 제3 하위-공동(211, 213)과 소통되고, 그에 따라 좌우단에 분배되는 냉매의 유로의 유동 저항을 증가시킴으로써, 양단에 분배되는 냉매의 양을 더 균일하게 만들 수 있다. 특히, 제2 하위-공동(212)은 상부 공동의 중간 구역이며, 제1 및 제3 하위-공동(211, 213)은 각각 상부 공동(21)의 좌단 구역 및 우단 구역이다.
도 13a를 참조하면, 추가적인 분배 효과를 얻기 위해, 점프관과 같은 각각의 연결관의 양단은 이에 의해 연결되는 2개의 하위-공동의 중간에 인접한 위치에 위치할 수 있고, 좌우 점프관은 중간 구역 공동에서 서로 인접하게 위치하거나 동일한 위치에 위치한다. 즉, 제1 점프관(54')은 일단이 상부 공동의 제1 하위-공동(211)의 중간 위치에 위치하며, 타단이 제2 하위-공동(212)의 중간 위치에 위치한다. 제2 점프관(54")은 일단이 상부 공동의 제2 하위-공동(212)의 중간 위치에 위치하며, 타단이 제3 하위-공동(213)의 중간 위치에 위치한다. 바람직하게, 제1 점프관(54') 및 제2 점프관(54")은 (도 13b에 도시된 바와 같이) 인접한 위치 또는 동일한 위치에서 제2 하위-공동(212)에 연결된다. 그러므로, 냉매가 중간 공동으로부터 양측으로 분배될 때, 2개의 점프관이 동일한 크기를 가지며 거의 동일한 위치에 배치되기 때문에, 2개의 점프관은 냉매의 동일한 유속을 용이하게 얻을 수 있다. 이는 양단 공동의 냉매가 평판관들에 들어갈 때 더 균일하게 분배되도록 보장한다.
상기 예는 단지 3개의 하위-공동이 있는 경우에 관한 것임을 이해할 수 있다. 더 적거나 더 많은 하위-공동이 구비된다면, 당업자는 임의의 2개의 하위-공동을 연결하기 위해 필요시 점프관들의 위치를 설정할 수 있다.
바람직하게, (도 14에 도시된 바와 같이) 더 양호한 분배 효과를 얻기 위해, 분배관(14) 및 수집관들(15)이 또한 열교환기의 유입/토출 헤더(10) 내에 배치될 수 있다. 여기서, 유입/토출 헤더(10)는 단일 헤더이기 때문에, 분배관(14) 및 수집관(15)은 하나의 도관으로 설계될 수 있지만, 필요시 2개의 별개 부품으로 설계될 수도 있음은 물론이다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 열교환기를 도시한 도 15를 참조한다. 이 열교환기는 도 7에 도시된 열교환기의 변형이다. 그러므로, 도 15에 도시된 열교환기의 구조 및 원리는 도 7에 도시된 열교환기의 구조 및 원리와 실질적으로 동일하되, 수집/분배관(70)이 혼합 및 재분배 헤더(20)에 삽입된다는 차이점이 있다. (도 15에 도시된 바와 같이) 수집/분배관(70)을 삽입함으로써, 혼합 및 재분배 헤더(20)에서 더 양호한 분배 효과를 또한 달성할 수 있되, 수집/분배관(70)은 (전술한 바와 같이) 상기 언급된 3개의 공동 각각에서 다수의 구멍 또는 슬롯을 구비한다는 것을 이해할 수 있다. 차이점은 이하에 상세히 설명되고; 동일한 특징은 여기서 반복되지 않을 것이다.
이 예에서, 삽입된 수집/분배관(70)의 공동의 일 부분은 열교환기의 유입 공동으로부터의 유체가 이에 들어가게 하는 반면, 삽입된 수집/분배관(70)의 공동의 나머지 부분은 유체를 수집하여 혼합하고 이를 혼합 및 재분배 헤더의 공동에 분배한다. 삽입된 수집/분배관(70)의 공동의 단면적은 혼합 및 재분배 헤더의 (수집/분배관의 공동을 제외한) 나머지 공동의 단면적과 같거나 더 크다.
도 15에서 알 수 있는 바와 같이, 냉매의 더 양호한 혼합 및 분배를 달성하기 위해, 혼합 및 재분배 헤더(20)는 분리 요소들(51)에 의해 3개의 상호 독립적인 하위-공동, 즉 제1 하위-공동(221), 제2 하위-공동(222), 및 제3 하위-공동(223)으로 분할된다. 제1 하위-공동(221) 및 제3 하위-공동(223)은 좌우단에 있는 공동들인 반면, 제2 하위-공동(222)은 중간 공동이다.
혼합 및 재분배 헤더(20)의 중간 구역으로부터 양단 구역으로 흐르는 냉매의 양을 평균하기 위해, 혼합 및 재분배 헤더(20)에 2개의 수집/분배관을 삽입하는 것이 또한 가능하다. 도 16을 참조하면, 제1 수집/분배관(71; 수집/분배관들(70) 중 하나)은 혼합 및 재분배 헤더(20)의 제1 및 제2 하위-공동(221, 222)에서 구멍들(53) 또는 슬롯들(53')을 구비한다. 제2 수집/분배관(72; 분배관들 중 하나)은 제2 및 제3 하위-공동(222, 223)에서 구멍들 또는 슬롯들을 구비한다. 제1 수집/분배관(71)은 제3 하위-공동(223)에서 구멍들 또는 슬롯들을 구비하지 않는다. 즉, 제3 하위-공동(223)과 소통되지 않는다. 제2 수집/분배관(72)은 제1 하위-공동(221)에서 구멍들 또는 슬롯들을 구비하지 않는다. 즉, 제1 하위-공동(221)과 소통되지 않는다.
유체(즉, 냉매)가 유입/토출 헤더(10)의 유입 공동(12)으로부터 제2 하위-공동(222)으로 흘러서 혼합되었을 때, 이는 구멍들(53) 또는 슬롯들(53')을 통해 제1 및 제2 수집/분배관(71, 72)으로 유입된 후, 각각 대응하는 수집/분배관(71, 72)의 구멍들(53) 또는 슬롯들(53')에 의해 제1 및 제3 하위-공동(221, 223)에 분배되고, 다음으로 각각 평판관들(30)을 통해 유입/토출 헤더(10)의 토출 공동들(11, 13)로 유입된 후, 마지막으로 토출관들(11', 13')을 통해 열교환기로부터 토출된다.
헤더에 수집/분배관을 삽입하는 것은 냉매 분배를 개선할 수 있지만, 양단으로의 냉매의 분배가 중간 구역에서 수행될 때, 비균일한 분배가 크게든 적게든 여전히 일어날 것이다. 유동 저항을 증가시킴으로써 분배의 균형을 이루는 문제를 해결하기 위해, 칸막이(51)에서 수집/분배관(70)의 유로를 인위적으로 증가시킬 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 삽입된 수집/분배관(70)은 혼합 및 재분배 헤더(20)의 외부에 위치하여 증가된 유로를 갖기 위해 중간 구역에서 또는 중간 공동과 좌우단 공동 사이의 분리 요소들(51)에서 절곡된다. 이에 기초하여, 수집/분배관(70)의 직경을 감소시킴으로써, 예컨대 중간 구역에 있는 위치에서 수집/분배관(70)의 직경을 감소시킴으로써, 좌우로의 냉매의 유동의 균형을 또한 이룰 수 있다.
종래 기술에서 더 균일한 토출 공기 온도를 얻기 위해 2개의 열교환기를 사용하지만, 2개의 열교환기는 몇몇 결점을 가진다:
1. 단일 열교환기에 비해, 동일한 두께의 다수의 열교환기는 더 많은 헤더를 사용하므로, 비용이 더 높다.
2. 분배는 더 넓은 코어에 의해 더 어려워지고, 마찬가지로 균일한 토출 공기 온도는 비균일한 분배로 얻어질 수 없다.
3. 더 많은 연결관이 있고, 공정 요건이 더 엄격하고 복잡하다.
4. 연결관들은 소정량의 공간을 차지하므로, 열교환 면적에 영향을 미친다.
5. 냉매 유로가 더 길고, 그에 따라 유동 저항이 더 커질 것이다.
6. 냉매는 열교환 중에 상변화를 겪고; 순환 단면 배치가 합리적이지 않다.
본 발명은 하기 특징들 및 이점들을 가진다:
1. 열펌프형 열교환기의 경우, 2루프 유로 배치가 구비될 수 있고, 더 짧은 코어 배치의 경우, 더 경제적인 유속이 얻어질 수 있다. 2개 이상의 공동이 2루프 중간 헤더 내부에 구비되고, 더 양호한 재분배 효과가 중력 및 구멍들 또는 슬롯들의 위치를 통해 얻어질 수 있다.
2. 단일 열교환기 상에서, 중간을 유입 구역으로 설계하고 양단을 토출 구역으로 설계함으로써, 실내 공조기의 공기 토출구에서 균일한 토출 공기 온도를 얻어 공조의 쾌적함을 증가시킬 수 있다.
3. 2개의 열교환기에 비해, 상기 언급된 기능들이 실현될 뿐만 아니라:
a) 비용이 더 낮고;
b) 제품이 더 적은 용접 조인트를 구비하여 제품의 제조성이 증가되고,
c) 토출 공기 온도가 더 균일하다.
전술한 내용은 본 발명의 일부 구현예들에 불과하다. 당업자들은 본원의 전체 발명의 개념의 원리 및 정신을 벗어남 없이 이 구현예들에 대한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 범주는 청구범위 및 그 균등물에 의해 정의된다.

Claims (17)

  1. 열교환기의 일단에 있는 혼합 및 재분배 헤더;
    상기 혼합 및 재분배 헤더와 소통되는 다수의 열교환관을 포함하고,
    서로 소통되는 상부 공동 및 하부 공동이 상기 혼합 및 재분배 헤더 내에 배치되며; 먼저 상기 열교환기에 들어간 유체는 상기 혼합 및 재분배 헤더의 상기 하부 공동의 일 부분으로 유입된 후, 상기 혼합 및 재분배 헤더의 상기 상부 공동에서 수집되어 혼합되고, 상기 하부 공동의 다른 부분에 분배되며, 상기 하부 공동과 소통되는 열교환관을 통해 토출되되, 상기 상부 공동의 단면적은 상기 하부 공동의 단면적과 같거나 더 크고,
    상기 상부 공동은 분리 요소들에 의해 적어도 3개의 하위-공동으로 분할되되,
    상기 적어도 3개의 하위-공동은 제1 하위-공동, 제2 하위-공동, 및 제3 하위-공동을 포함하고,
    상기 제2 하위-공동은 상기 제1 하위-공동 및 상기 제3 하위-공동 사이 중앙에 위치되고,
    상기 제2 하위-공동은 제1 점프관을 통해 상기 제1 하위-공동에 소통되고,
    상기 제2 하위-공동은 제2 점프관을 통해 상기 제3 하위-공동에 소통되는, 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 공동 및 하부 공동은 칸막이에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 점프관은 일단이 상기 제1 하위-공동의 중간 위치에 위치하며 타단이 상기 제2 하위-공동의 중간 위치에 위치하고;
    상기 제2 점프관은 일단이 상기 제3 하위-공동의 중간 위치에 위치하며 타단이 상기 제2 하위-공동의 중간 위치에 위치하고, 상기 제1 점프관 및 제2 점프관은 인접한 위치 또는 동일한 위치에서 상기 제2 하위-공동에 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 상부 공동과 하부 공동 사이의 상기 칸막이의 벽면들은 구멍들 및/또는 슬롯들을 통해 소통되되, 상기 하부 공동은 적어도 3개의 하위-공동으로 분할되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부 공동의 상기 하위-공동들은 상기 하부 공동의 상기 하위-공동들과 대응하여 소통되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상부 공동과 하부 공동 사이의 상기 칸막이의 벽면 상의 중간 구역은 상기 열교환기의 유입 공동과 대응하여 소통되고, 그 양단 구역은 각각 상기 열교환기의 토출 공동들과 대응하여 소통되며, 상기 양단 구역에 있는 상기 벽면은 상기 중간 구역에 있는 상기 벽면보다 더 작은 크기의 구멍들 또는 슬롯들을 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 양단 구역 중 좌단 구역, 중간 구역, 및 상기 양단 구역 중 우단 구역에 구비된 상기 구멍들 및/또는 슬롯들의 단면적의 합은 각각 S1, S2, 및 S3이고, 상기 열교환관들의 길이 방향에 수직인 방향으로 이들의 길이는 각각 L1, L2, 및 L3으로 설정되며, 하기 조건들 중 적어도 하나가 충족되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
    L2/((L1+L3)/2) = 0.8~1.2,
    L1/L3 = 0.8~1.2;
    S2는 S1 또는 S3의 1~2배;
    (S1/S3)/(L1/L3) = 0.9~1.1.
  9. 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기는 또한 열교환관들을 통해 상기 혼합 및 재분배 헤더와 소통되는 유입 헤더 및 토출 헤더 또는 유입/토출 헤더를 포함하되, 상기 열교환관들은 평판관들인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제9항에 있어서,
    분배관이 상기 유입 헤더 또는 유입/토출 헤더의 유입 공동 내에 배치되고, 수집관이 상기 토출 헤더 또는 유입/토출 헤더의 토출 공동 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 상부 공동 및 하부 공동은 일체형 구조 또는 결합형 구조이고, 상기 유입 공동 및 토출 공동에 연결되는 상기 열교환관들의 개수의 비율은 0.8 내지 1.2의 범위이며, 상기 열교환관들은 평판관들인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 삭제
  13. 삭제
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  15. 삭제
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  17. 삭제
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