KR102512052B1

KR102512052B1 - 열교환기

Info

Publication number: KR102512052B1
Application number: KR1020150173921A
Authority: KR
Inventors: 이창욱; 오수진
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2015-12-08
Filing date: 2015-12-08
Publication date: 2023-03-20
Also published as: US10048011B2; CN107014117A; KR20170067351A; US20170160016A1; EP3179191A1; CN107014117B

Abstract

본 발명은 기존 열교환기의 배플 일부 또는 전부를 특별한 구성을 가진 가이드부로 대체함으로써, 냉매의 압력강하를 줄일 수 있는 열교환기에 관한 것이다.
본 발명에 의한 열교환기는 냉매가 유동하는 다수의 튜브, 다수의 튜브가 삽입되며, 냉매와 유체간의 열교환이 이루어지도록 하는 다수의 방열핀, 다수의 튜브의 적어도 일측에 결합되며, 냉매의 유동공간을 형성하는 헤더 및 헤더에 구비되어 유동공간을 구획하고, 헤더로부터 튜브로 냉매를 가이드하는 가이드부를 포함하고, 가이드부는, 헤더의 내측에 결합되고, 개구부가 형성된 지지부 및 개구부를 개폐할 수 있도록 이동가능하게 배치된 이동부를 포함하며, 이동부는 냉매 중 액상냉매에 의해 이동가능한 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열교환기에 관한 것이다.

공기 조화기는 소정공간의 공기를 용도, 목적에 따라 가장 적합한 상태로 유지하기 위한 기기이다. 특히, 내부의 냉매는 압축기, 응축기, 팽창기 및 증발기를 순환하면서 상(Phase) 변화를 거치게 된다. 이 경우, 응축기와 증발기로 사용되는 장치가 열교환기이다.

일반적으로 열교환기는 열교환사이클을 구성하는 부품으로, 내부를 유동하는 냉매와 외부의 유체간에 열교환이 이루어짐에 따라, 냉매를 응축 또는 증발시키는 역할을 한다.

이와 같은 열교환기는 그 형상에 따라서 크게 핀 앤 튜브 타입과 마이크로채널 타입으로 구분된다. 상기 핀 앤 튜브 타입의 열교환기는, 다 수개의 핀 및 다 수개의 핀을 관통하는 원형 또는 이와 유사한 형상의 튜브를 포함할 수 있다. 또한, 상기 마이크로채널 타입의 열교환기는, 냉매가 유동하는 다수의 플랫튜브와 다수의 플랫튜브 사이에 구비된 핀을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 핀 앤 튜브 타입의 열교환기 및 마이크로채널 타입의 열교환기는 모두 튜브 또는 플랫튜브 내부를 유동하는 냉매와 외부의 유체가 열교환되고, 다 수개의 핀은 튜브 또는 플랫튜브의 내부를 유동하는 냉매와 외부의 유체와의 열교환 면적을 증가시킴으로써, 냉매의 열교환 효율을 증대시키는 효과가 있다.

이러한 열교환기는 냉방 사이클의 일 구성으로써 공기조화기에 사용될 수 있는데, 열교환기는 공기조화기의 운전모드에 따라 냉매를 응축시키기 위한 응축기 또는 냉매를 증발시키기 위한 증발기로서 작용될 수 있다. 일 예로, 열교환기가 공기조화기의 냉방운전에서 응축기로 사용되는 경우, 공기조화기가 난방운전하는 경우에는 증발기로 사용될 수 있다.

도 1은 종래의 열교환기를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 열교환기(1)는 다수의 플랫튜브(4), 상기 다수의 플랫튜브(4)에 결합되는 복 수의 헤더 및 상기 다수의 플랫튜브(4)와 연결되는 다수의 방열핀(5)을 포함할 수 있다.

상세히, 상기 다수의 플랫튜브(4)는 내부에 냉매가 유동할 수 있는 유로가 형성되고, 일단이 상기 복 수의 헤더 중 제1 헤더(2)에 결합될 수 있다. 또한, 상기 다수의 플랫튜브(4)의 타단이 상기 복 수의 헤더 중 제2 헤더(3)에 결합될 수 있다.

상기 제1 헤더(2)에는 냉매가 상기 열교환기(1)로 유입될 수 있도록 냉매가 유입되는 유로를 제공하는 냉매유입부와, 상기 열교환기(1) 내부에서 열교환이 이루어진 냉매가 외부로 유출될 수 있는 냉매유출부가 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 헤더(2)와 상기 제2 헤더(3)의 내부에는 냉매의 유동을 가이드하는 다수의 배플(8)이 제공된다. 상세히, 상기 배플(8)은 상기 제1 헤더(2) 및 상기 제2 헤더(3)의 내부에 고정되도록 배치되고, 상기 제1 헤더(2) 또는 상기 제2 헤더(3) 내부의 냉매는 상기 배플(8)에 의하여 유동방향이 전환되고, 이에 따라 냉매가 상기 플랫튜브(4)로 유동될 수 있다.

또한, 상기 열교환기(1)로 유입되는 냉매는 액상냉매와 기상냉매가 혼합된 2상 상태인 반면에, 상기 열교환기(1)로부터 유출되기 직전의 냉매는 기상냉매 또는 건도가 매우 높은 2상 상태의 냉매일 수 있다. 즉, 상기 플랫튜브(4) 내부를 유동하는 냉매는 액상냉매 및 기상냉매가 소정의 비율로 혼합되어 있는 2상 상태의 냉매일 수 있다.

기존의 열교환기에 대한 선행기술을 아래와 같이 제안된다.

[선행문헌]

1. 출원번호 10-2000-0061954호 (공개일자 : 2002.05.02), 발명의 명칭 : 공기조화기용 응축기.

그런데, 선행기술과 같은 열교환기는 다음과 같은 문제가 있다.

상기 플랫튜브에 2상 상태의 냉매가 유동하는 경우, 상기 플랫튜브 내에서 2상 상태의 냉매에 의한 마찰저항이 발생하고, 냉매와 상기 플랫튜브 간의 마찰, 특히 액냉매와 플랫튜브간의 마찰에 의해 소음이 발생하는 문제가 있다.

또한, 상기 플랫튜브와 냉매 간의 마찰저항에 의해, 냉매의 압력손실이 발생하는 문제가 있다.

또한, 내부의 냉매에 압력손실이 발생되는 경우, 열교환기의 열교환 효율이 저하됨에 따라, 공기조화기의 전체적인 냉방 효율이 떨어지는 문제가 있다.

또한, 2상 상태의 냉매 중 액상냉매는 이미 응축된 상태로 열교환이 불필요함에도 불구하고, 튜브를 통과하면서 열교환됨에 따라, 열교환기의 열교환 효율이 떨어지는 문제가 있다. 특히, 다수의 열교환 튜브가 상하 방향으로 배치되는 경우, 액냉매와 기상냉매간에 비중 차이에 의하여 하부의 열교환 튜브에는 액냉매가 유동하고 상부의 열교환 튜브에는 기상냉매가 유동하는 현상이 발생된다. 이 경우, 상기 하부의 열교환 튜브를 통한 열교환 성능이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 열교환기 내에 유동하는 2상 상태의 냉매 중 액상냉매가 튜브를 통과하지 않고, 헤더 하단으로 신속히 유동되도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 액상냉매가 튜브를 통과하지 않게 됨에 따라, 튜브 내에 응축이 필요한 기상냉매만이 통과되게 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 튜브 내부를 통과하는 액상냉매의 양이 줄어듬에 따라, 냉매와 튜브간의 마찰에 의해 발생하는 소음을 줄이는 것을 목적으로 한다.

또한, 열교환이 불필요한 액상냉매가 튜브를 통과하지 않음에 따라, 마찰저항이 줄어들어 열교환기 내부의 냉매에 의해 발생되는 압력손실을 줄이는 것을 목적으로 한다.

또한, 냉매의 압력 손실이 줄어듬에 따라, 열교환기의 열교환효율을 높이는 것을 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기는, 냉매가 유동하는 다 수의 튜브; 상기 다 수의 튜브가 삽입되며결합되며, 냉매와 유체간의 열교환이 이루어지도록 하는 다 수의 방열핀; 상기 다 수의 튜브의 적어도 일측에 결합되며, 냉매의 유동공간을 형성하는 헤더부; 및 상기 헤더부에 구비되어 상기 유동공간을 구획하고,의 내부에 구비되어, 냉매의 유동을 가이드 하는 상기 헤더부로부터 상기 튜브로 냉매를 가이드하는 가이드부를 포함할 수 있다.

특히, 상기 가이드부는, 상기 헤더의 내측에 결합제공되고, 냉매가 통과할 수 있는 개구부가 형성된 지지부; 및 상기 지지부의 일측에 이동 가능하게 구비되어, 상기 개구부를 선택적으로 개방할 수 있는 이동부를 포함할 수 있고, 상기 이동부의 이동에 따라 일부 냉매는 상기 다 수의 튜브를 거치지 않고 바로 상기 헤더의 하부로 이동할 수 있다.

상기와 같은 구성을 이루는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 열교환기 내에 유동하는 2상 상태의 냉매 중 액상냉매가 튜브를 통과하지 않고, 헤더 하단으로 신속히 유동됨에 따라, 튜브 내에 응축이 필요한 기상냉매만이 통과되는 효과가 있다.

둘째, 튜브 내에 기상냉매만이 통과함에 따라, 2상 상태의 냉매 유동에 따른 냉매와 튜브간의 마찰저항이 줄어들고, 이에 따라 마찰소음이 저감되는 효과가 있다.

셋째, 냉매와 튜브간의 마찰저항이 줄어들게 되어, 냉매의 압력강하가 일어나지 않고, 이에 따라 열교환 효율이 높아지는 효과가 있다.

넷째, 튜브를 통과하는 냉매 중, 튜브 내부에 열교환이 불필요한 액상냉매의 양은 줄어들고, 동시에 열교환이 필요한 기상냉매의 양은 증가함에 따라, 냉매의 열교환 효율이 높아지는 효과가 있다.

도 1은 종래의 열교환기의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 사시도.
도 3은 도 2의 I-I’의 단면도.
도 4는 도 2의 II-II’의 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 구성 중 가이드부의 분해도.
도 6은 도 4의 A 부분의 확대도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 가이드부의 동작을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 헤더에 배플이 형성된 열교환기의 정단면도.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구조나 방법에 한정되지 않는다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열교환기의 사시도이고, 도 3은 도 2의 I-I’의 단면도이며, 도 4는 도 2의 II-II’의 단면도이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 구성 중 가이드부의 분해도이고, 도 6은 도 4의 A 부분의 확대도이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 가이드부의 동작을 도시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 헤더에 배플이 형성된 열교환기의 정단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조 하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(10)는 헤더(50, 60), 다수의 튜브(20) 및 다수의 방열핀(30)을 포함할 수 있다.

상기 헤더(50, 60)는 상하방향 또는 수직방향으로 소정의 길이만큼 연장되어, 상기 다수의 튜브(20) 양 단에 결합됨으로써, 상기 다수의 튜브(20)를 고정할 수 있다.

상세히, 상기 헤더(50, 60)는 상기 다수의 튜브(20) 일단에 결합하는 제1 헤더(50)와 상기 다수의 튜브(20) 타단에 결합하는 제2 헤더(60)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 헤더(50, 60)에는 냉매가 상기 열교환기(10)로 유입되거나, 상기 열교환기(10)로부터 유출되도록 하는 제1 입출부(51) 및 제2 입출부(55)가 형성될 수 있다. 상세히, 상기 제1 헤더(50)에는 상기 제1 입출부(51) 및 제2 입출부(55)가 형성될 수 있다.

상기 제1 입출부(51)는 상기 제1 헤더(50)의 상부 측면에 연결될 수 있고, 상기 제2 입출부(55)는 상기 제1 헤더(50)의 하부 측면에 연결될 수 있다.

일 예로, 상기 열교환기(10)가 응축기로서 기능하는 경우, 냉매는 상기 제1 입출부(51)에서 유입되어 상기 다수의 튜브(20)를 통해 중력방향으로 유동하면서 응축된 뒤, 상기 제2 입출부(55)를 통해 유출될 수 있다. 즉, 냉매는 상기 제1 입출부(51)로부터 상기 제2 입출부(55)를 향하여 하방으로 유동될 수 있다.

반면에, 상기 열교환기(10)가 증발기로서 기능하는 경우, 냉매는 상기 제2 입출부(55)에서 유입되어 상기 다수의 튜브(20)를 통해 중력 반대방향으로 유동하면서 증발된 뒤, 상기 제1 입출부(51)를 통해 유출될 수 있다. 즉, 냉매는 상기 제2 입출부(55)로부터 상기 제1 입출부(51)를 향하여 상방으로 유동될 수 있다.

상기 다수의 튜브(20)는 상기 헤더(50, 60)에 결합되어, 가로방향 또는 수평방향으로 소정의 길이만큼 연장된 형상으로, 내부에 냉매가 유동할 수 있는 유로가 형성될 수 있다. 상세히, 상기 다수의 튜브(20)는 상기 제1 헤더(50) 및 상기 제2 헤더(60) 사이에서 상기 헤더(50, 60)의 연장방향 즉, 수직 또는 상하방향으로 소정의 간격을 가지도록 이격될 수 있다. 이에 의해, 냉매는 상기 다수의 튜브(20) 내부에 형성된 유로를 통해 상기 헤더(50, 60)를 거쳐 상기 제1 입출부(51) 또는 상기 제2 입출부(55)로 유출될 수 있다.

또한, 상기 다수의 튜브(20) 각각은 외관을 형성하는 튜브바디(21) 및 상기 튜브바디(21) 내부에 다수의 냉매유로(25)가 형성되도록 하는 구획리브(22)를 포함할 수 있다. 상기 다수의 튜브(20)의 내부로 유입되는 냉매는 상기 다수의 냉매유로(25)로 고르게 분배되어 유동할 수 있다. 또한, 상기 다수의 방열핀(30)에는 상기 다수의 튜브(20)가 관통되어 결합할 수 있도록 관통홀(32)이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 헤더(50) 및 상기 제2 헤더(60) 내부 구조에 의해, 냉매의 유동공간이 규정될 수 있다. 상기 제1 헤더(50) 또는 상기 제2 헤더(60) 내부의 냉매는 상기 다수의 튜브(20)로 유입되고, 상기 다수의 튜브(20) 내부 유로를 유동하는 냉매는 상기 제1 헤더(50) 또는 제2 헤더(60)에서 방향이 전환될 수 있다.

일 예로, 상기 제1 입출부(51)를 통해 유입되어, 상기 다수의 튜브(20)를 통하여 우측방향으로 유동하는 냉매는, 상기 제2 헤더(60)에서 방향이 전환되어 상기 다수의 튜브(20)를 통해 좌측방향으로 유동되며, 좌측방향으로 유동된 냉매는 상기 제1 헤더(50)에서 방향이 전환되어 다시 우측방향으로 유동될 수 있다. 상기 냉매는 제1 헤더(50) 및 상기 제2 헤더(60)를 따라 좌우로 방향이 전환되면서 유동되기 때문에, 상기 제1 헤더(50) 또는 상기 제2 헤더(60)는 “리턴 헤더”라 명명할 수 있다.

도 8을 참조하면, 상기 헤더(50, 60)의 내부에는, 상기 냉매의 유동을 가이드하는 배플(200)(Baffle)부와, 상기 냉매의 유동을 가이드함과 동시에 냉매의 과냉정도에 따라 냉매의 일부를 상기 다수의 튜브(20)를 거치지 않고 바로 하방으로 배출시킬 수 있는 가이드부(100)가 포함될 수 있다. 즉, 냉매의 유동방향의 전환은 상기 배플(200)과 상기 가이드부(100)에 의해 형성될 수 있다.

상세히, 상기 배플(200)은 상기 헤더(50, 60)의 내부에 배치되어, 상기 헤더(50, 60)에 유입된 냉매가 상기 다수의 튜브(20)를 유동하도록 가이드할 수 있다. 일 예로, 상기 배플(200)은 상기 제1 입출부(51)가 연결된 상기 제1 헤더(50)의 상부공간(50a)을 형성하기 위해, 상기 제1 헤더(50)의 내부에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1 입출부(51)가 연결된 상기 제1 헤더(50) 내부를 L1의 길이만큼 차폐함으로써, L1의 길이만큼의 상기 제1 헤더(50) 내부공간의 냉매를 연결된 다수의 튜브(20)로 보내거나, L1 길이만큼의 상기 제1 헤더(50) 내부공간에 연결된 다수의 튜브(20)로부터 냉매를 받을 수 있다.

또한, 상기 배플(200)은 상기 제2 입출부(55)가 연결된 상기 제1 헤더(50)의 하부공간(50b)을 형성하기 위해, 상기 제1 헤더(50)의 내부에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제2 입출부(55)가 연결된 상기 제1 헤더(50) 내부를 L2의 길이만큼 차폐함으로써, 상기 열교환기(10)가 응축기로 작용하는 경우, L2의 길이만큼의 상기 제1 헤더(50) 내부공간의 냉매를 연결된 다수의 튜브(20)로 보내거나, L2 길이만큼의 상기 제1 헤더(50) 내부공간에 연결된 다수의 튜브(20)로부터 냉매를 받을 수 있다.

상기 가이드부(100)는 상기 헤더(50, 60) 내부에 배치되어, 상기 냉매의 유동을 가이드함과 동시에 냉매의 과냉정도에 따라 액상냉매(300)를 상기 다수의 튜브(20)를 거치지 않고 바로 하방으로 배출시킬 수 있다. 즉, 상기 가이드부(100)는 하나 이상 제공되며, 상기 헤더(50, 60)의 길이 방향으로 서로 이격되도록 제공될 수 있다.

또한, 상기 제1 헤더(50)의 내부공간은 상기 배플(200) 및 상기 가이드부(100)에 의해 다수의 유동공간으로 구획될 수 있고, 상기 제2 헤더(60)의 내부공간은 상기 가이드부(100)에 의해 다수의 유동공간으로 구획될 수 있다.

상세히, 상기 가이드부(100)는 상기 제1 헤더(50)와 상기 제2 헤더(60)의 내부에 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 배플(200)과 상기 가이드부(100)에 의해, 냉매는 구획된 상기 유동공간에 의해 상기 제1 헤더(50)로부터 상기 다수의 튜브(20) 및 상기 제2 헤더(60)로 유동할 수 있고, 또한, 상기 제2 헤더(60)로 유동한 냉매는 구획된 유동공간에 의해 상기 다수의 튜브(20) 및 상기 제1 헤더(50)로 유동할 수 있다. 즉, 상기 배플(200)과 상기 가이드부(100)에 의하여, 상기 다수의 튜브(20)를 따라 흐르는 냉매의 유로는 S형상의 미앤더 라인(meander line)을 형성할 수 있다. 상기 다수의 튜브(20)를 따라 흐르는 냉매의 유로가 미앤더 라인을 형성함에 따라, 냉매의 열교환 시간이 증대됨으로써, 열교환 효율이 높아질 수 있다.

따라서, 아래에서는, 제1 헤더(50) 내부에 제1 배플(200), 제1 가이드부(100) 및 제2 배플(200)이 차례로 배치되고, 제2 헤더(60) 내부에는 복 수의 제2 가이드부(100)가 제2 헤더(60) 길이방향으로 이격된 구성을 예로 설명한다. 다만, 이러한 구성은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(10)의 예시일 뿐, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 배플(200)은 상기 가이드부(100)로 대체될 수 있고, 이 경우, 상기 열교환기(10)는 상기 제1 헤더(50) 내부에는 복 수의 제1 가이드부(100)가 배치되고, 상기 제2 헤더(60) 내부에는 복 수의 제2 가이드부(100)가 배치될 수 있다.

또한, 상기 제1 배플(200)과 상기 제2 배플(200)은 배치위치를 제외한 나머지 구성은 동일하고, 상기 제1 가이드부(100) 및 상기 제2 가이드부(100) 역시 배치위치를 제외한 나머지 구성은 동일한 바, 부호는 동일하게 기재한다.

열교환기(10)가 응축기로 작용하는 경우, 냉매는 상기 제1 입출부(51)로 유입되어, 상기 제1 배플(200)에 의해 차폐된 상기 제1 헤더(50) 공간에 연결된 다수의 튜브(20)를 따라 오른쪽으로 유동하고, 상기 제2 가이드부(100)에 의해 차폐된 상기 제2 헤더(60) 공간에 연결된 다수의 튜브(20)를 따라 다시 왼쪽방향으로 유동하며, 다시, 제1 가이드부(100)에 의해 차폐된 상기 제1 헤더(50)의 두 번째 공간으로부터 오른쪽으로 유동하면서 미앤더 라인의 유로를 따라 이동할 수 있다. 또한, 이렇게 냉매가 이동하면서 다수의 튜브(20) 내부에서 다수의 방열핀(30)에 의해 열교환되어, 액상냉매(300)로 응축될 수 있고, 상기 제2 입출부(55)를 통해 외부로 배출될 수 있다.

도 4 및 도 8에서는 여섯 방향의 유로를 가진 열교환기(10)를 개시하였으나, 이에 한정되지 않고, 유로의 숫자는 변경가능하며, 이에 따라 상기 가이드부(100)의 개수 역시 변경될 수 있다.

또한, 상기 열교환기(10)의 상부에서 하부쪽으로 갈수록, 상기 냉매가 일 방향으로 통과하는 다수의 튜브(20)의 수는 점점 줄어들거나, 유동 체적이 점점 작아질 수 있다.

상세히, 상기 열교환기(10)가 응축기로써 기능하는 경우, 상기 제1 입출부(51)로 유입되는 냉매는 기상 또는 건도가 높은 2상 상태의 냉매이며, 상기 제2 입출부(55)를 통하여 배출되는 냉매는 액상 또는 건도가 낮은 2상 상태의 냉매일 수 있다. 따라서, 상기 제1 입출부(51)를 통해 유입된 냉매는 상기 열교환기(10)를 통과하는 과정에서 밀도가 커지고, 비체적은 낮아질 수 있다.

또한, 상기 열교환기(10)가 증발기로써 기능하는 경우에는 상기 제2 입출부(55)를 통해 유입된 액상 냉매가 상기 열교환기(10)를 통과하는 과정에서 기상냉매로 변화할 수 있다. 즉, 제2 입출부(55)를 통해 유입된 냉매는 상기 열교환기(10)를 통과하는 과정에서 밀도가 낮아짐과 더불어, 비체적은 커질 수 있다.

따라서, 비체적이 큰 기상냉매 또는 건도가 높은 2상상태의 냉매가 통과하는 상기 헤더(50, 60)의 상부쪽에 결합된 상기 다수의 튜브(20)의 수는 비체적이 작은 액상냉매(300) 또는 건도가 낮은 2상상태의 냉매가 통과하는 상기 헤더(50, 60)의 하부쪽에 결합된 상기 다수의 튜브(20)의 수보다 클 수 있다.

일 예로, 도 4와 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제1 헤더(50)와 상기 제2 헤더(60)의 상부공간(50a), 즉 L1 길이만큼의 공간에 결합된 튜브(20)의 개수는 상기 제1 헤더(50)와 상기 제2 헤더(60)의 하부공간(50b), 즉 L2 길이만큼의 공간에 결합된 튜브(20)의 개수보다 클 수 있다. 또한, 상부에서 하부로 갈수록 상기 튜브(20)의 개수가 점진적으로 줄어들 수 있다.

이는, 기상냉매가 액상냉매(300)에 비해 비체적이 크기 때문에, 상부에서 하부로 갈수록 액상냉매(300)가 증가되는 점을 고려하여, 기상냉매의 열교환 효율을 높이기 위함이다.

아래에서는 상기 가이드부(100)의 구성에 대하여 자세히 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(10)의 구성 중 가이드부(100)의 분해도이다.

도 5를 참조하면, 상기 가이드부(100)는 지지부(120) 및 이동부(110)를 포함할 수 있다.

상기 이동부(110)는 상기 지지부(120)에 안착되거나, 또는 상기 지지부(120)로부터 이격되도록 이동할 수 있다. 상세히, 상기 이동부(110)는 상기 냉매의 부력에 의해 이동할 수 있다. 더욱 상세히, 상기 이동부(110)는 상기 헤더(50, 60) 내부공간을 유동하는 냉매가 과냉각되어 액상냉매(300) 형태를 띄는 경우에, 상기 액상냉매(300)에 의해 부유되어 상기 지지부(120)로부터 이격될 수 있다.

이 경우, 상기 이동부(110)는 상기 냉매보다 밀도가 낮은 물질로 구성될 수 있다. 상세히, 상기 이동부(110)는 액상냉매(300)보다 밀도가 낮은 물질로 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 기상냉매가 상기 헤더(50, 60) 내부공간에 유동하는 경우에는 상기 이동부(110)가 상기 지지부(120)에 안착되고, 상기 액상냉매(300)가 상기 헤더(50, 60) 내부공간에 유동하는 경우에 상기 이동부(110)는 상기 액상냉매(300)에 의해 부유됨으로써, 상기 지지부(120)로부터 이격될 수 있다. 또한, 상기 이동부(110)는 구 형태일 수 있다. 다만, 이에 한정되지는 않고 원기둥 형태일 수도 있다.

상기 지지부(120)는 상기 헤더(50, 60)의 내부에 배치되어, 상기 이동부(110)를 지지할 수 있다. 상세히, 상기 지지부(120)는 개구부(122)부가 형성될 수 있고, 냉매가 상기 개구부(122)를 통해 이동할 수 있다. 상세히, 상기 지지부(120)는 상기 개구부(122)부를 규정하는 내주면(121b)과, 상기 헤더(50, 60)의 내면에 접하는 외주면(121a)을 포함할 수 있다.

상기 외주면(121a)은 상기 헤더(50, 60)의 내주면(121b)에 접함으로써, 상기 헤더(50, 60)의 내부에 결합될 수 있다. 상세히, 상기 지지부(120)의 상기 외주면(121a)은 상기 헤더(50, 60)의 내주면(121b)에 대응되는 형태로 형성되어, 상기 외주면(121a)이 상기 헤더(50, 60)의 내주면(121b)에 면접촉할 수 있다. 즉, 상기 헤더(50, 60)의 일측 내면이 원형이고, 상기 헤더(50, 60)의 타측 내면이 직선인 경우, 상기 지지부(120)의 외주면(121a) 일측은 원형의 형상으로 형성되고, 상기 지지부(120)의 외주면(121a) 타측은 직선형태로 형성될 수 있다.

상기 개구부(122)부는 상기 지지부(120)에 상하방향으로 개구부(122)되도록 형성되어, 상기 헤더(50, 60)의 내부에 존재하는 액상냉매(300)가 상하방향으로 유동할 수 있는 유로를 제공한다. 또한, 상기 개구부(122)부는 상기 이동부(110)가 안착될 수 있고, 이 경우 상기 이동부(110)에 의해 상기 개구부(122)부는 차폐될 수 있다. 즉, 상기 이동부(110)의 외면 일부는 상기 개구부(122)부에 삽입되는 형태로 형성되어, 상기 개구부(122)부를 개폐할 수 있고, 상기 개구부(122)부를 통해 이동하는 냉매의 유동을 제어할 수 있다. 이러한 동작에 대해서는 아래에서 상세히 설명한다.

일 예로, 상기 이동부(110)가 지름의 길이가 d1인 구 형태로 형성된 경우, 상기 지지부(120)에 형성된 상기 개구부(122)부는 지름의 길이가 d2인 원형태로 형성될 수 있다. 이 경우, d1의 길이가 d2의 길이보다 클 수 있다. 즉, 상기 이동부(110)의 지름 크기가 상기 개구부(122)부의 지름 크기보다 크기 때문에, 상기 이동부(110)의 일부가 상기 개구부(122)부에 끼워질 수 있고, 이 경우 상기 개구부(122)부가 상기 이동부(110)에 의해 차폐될 수 있다.

또한, 상기 이동부(110)가 원기둥 형태인 경우, 원기둥 지름길이가 상기 지지부(120)에 형성된 상기 개구부(122)부의 지름길이보다 클 수 있다. 이에 따라, 상기 이동부(110)는 상기 지지부(120)의 상부에 안착될 수 있다.

아래에서는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(10)의 작동에 대해 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 명세서에서는 상기 열교환기(10)가 응축기로 기능하는 경우에 대해 설명하기 위해, 상기 제1 입출부(51)를 유입부(51)로, 상기 제2 입출부(55)를 유출부(55)로 설명한다.

상기 열교환기(10)가 응축기로 작용하는 경우, 상기 열교환기(10)는 압축기로부터 압축된 기상냉매를 유입하여 응축하고, 응축된 액상냉매(300)를 유출시킬 수 있다.

상세히, 냉매는 상기 유입부(51)를 통하여 상기 열교환기(10)로 유입된다. 상기 열교환기(10)로 유입된 냉매는 상기 다수의 튜브(20)를 통과하는 과정에서 상기 다수의 방열핀(30)에 의해 외부 유체와 열교환할 수 있다.

냉매가 열교환되는 과정에서 기상냉매 중 적어도 일부는 액상냉매(300)로 상변화하고, 이에 따라 냉매는 유동 중에 기상냉매와 액상냉매(300)가 혼합된 2상 상태가 될 수 있다. 또한, 냉매가 상기 다수의 튜브(20)를 순환하는 경로가 길어질수록 냉매 중 액상냉매(300)의 비율이 커지게 되어, 냉매는 저건도의 2상 상태를 가지게 된다.

한편, 다수의 튜브(20)에 2상 상태의 냉매가 통과하게 되면, 다수의 튜브(20)와 냉매간의 마찰저항이 커지게 되고, 이에 따라 냉매의 압력강하가 증가하여 열전달 성능이 저하됨과 동시에, 소음이 발생하는 문제점이 발생하게 된다. 또한, 다수의 튜브(20) 내에 2상 상태의 냉매 중 액상냉매(300)는 이미 응축이 완료된 냉매이기 때문에 열교환의 필요성이 낮음에도 불구하고, 다수의 튜브(20)를 계속 유동하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(10)는 상기 다수의 튜브(20)를 유동하는 냉매 중 액상냉매(300)를 분리하여 상기 제1 헤더(50)의 하부로 모이게 함으로써, 상기 다수의 튜브(20)에서 기상냉매만이 열교환될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

상세히, 2상 상태의 냉매가 상기 제1 헤더(50), 상기 다수의 튜브(20) 및 상기 제2 헤더(60)를 이동하는 경우, 상기 가이드부(100)의 상기 이동부(110)가 상기 2상 상태의 냉매 중 액상냉매(300)에 의해 부유될 수 있다.

일 예로, 2상 상태의 냉매가 도 3의 A 부분을 통과하는 경우에 대해서 도 7을 참조하여 설명한다.

도 7을 참조하면, 2상 상태의 냉매가 다수의 튜브(20)를 통과하여 상기 제2 헤더(60)로 유동한 경우, 2상 상태의 냉매 중 액상냉매(300)가 중력에 의해 하방으로 이동한다. 이에 의해, 액상냉매(300)가 상기 제2 가이드부(100) 방향으로 이동하게 된다.

액상냉매(300)가 상기 제2 가이드부(100)로 이동하면, 상기 제2 가이드부(100)의 상기 이동부(110)가 상기 액상냉매(300)에 의해 상방으로 부유되면서, 상기 지지부(120)로부터 이격된다. 이 경우, 상기 이동부(110)가 이격되면서 상기 지지부(120)의 상기 개구부(122)부가 열리고, 상기 액상냉매(300)는 중력에 의해 상기 개구부(122)부를 통하여 하방으로 이동한다. 또한, 2상 상태의 냉매 중 기상냉매는 상기 다수의 튜브(20)로 이동하면서 상기 다수의 방열핀(30)에 의해 열교환될 수 있다. 이에 따라, 냉매 중 기상냉매만이 상기 다수의 튜브(20)로 이동하고, 액상냉매(300)는 상기 개구부(122)부를 통해 상기 헤드부의 하방으로 이동하게 된다.

즉, 액상냉매(300)는 상기 다수의 튜브(20)를 통과하지 않고, 바로 상기 헤더(50, 60)의 하단부에서 모여진 상태에서 상기 제2 입출부(55)를 통하여 외부로 배출될 수 있다.

냉매의 속도 (m/s)	기존 배플 적용시 냉매 측 압력강하값(kPa)	실시예의 가이드부 적용 시 냉매측 압력강하값(kPa)	상대오차 (%)	효과 (%)
1.2	23.53	18.87	80	20
1.6	31.77	25.69	81	19
2.0	39.90	30.63	77	23

표 1은 본 발명의 실시예에 다른 열교환기 내부의 냉매 측 압력강하값과, 기존의 열교환기 내부의 냉매 측 압력강하값을 비교한 그래프이다.

표 1을 참조하면, 냉매의 속도가 1.2m/s인 경우, 기존의 열교환기 내부의 냉매 측 압력강하값은 23.53kPa이고, 실시예의 가이드부 적용 시 냉매 측 압력강하값은 18.87kPa으로, 기존 대비 약 20% 낮은 압력강하값을 나타내었다.

또한, 냉매의 속도가 1.6m/s인 경우, 기존의 열교환기 내부의 냉매 측 압력강하값은 31.77kPa이고, 실시예의 가이드부 적용 시 냉매 측 압력강하값은 25.69kPa으로, 기존 대비 약 19% 낮은 압력강하값을 나타내었으며, 냉매의 속도가 2.0m/s인 경우, 기존의 열교환기 내부의 냉매 측 압력강하값은 39.90kPa이고, 실시예의 가이드부 적용 시 냉매 측 압력강하값은 30.63kPa으로, 기존 대비 약 23% 낮은 압력강하값을 나타내었다.

냉매의 속도가 높아질수록, 압력강하값은 높게 나타났으나, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 경우, 기존의 열교환기와 대비하여 전체적으로 평균 20%정도 압력강하값이 낮아지는 효과가 있는 것을 확인할 수 있다.

즉, 본 실시예에 따른 열교환기의 경우, 상기 다수의 튜브를 통해 이동하던 액상냉매가 상기 지지부의 개구부를 통해 상기 헤더 하부로 바로 유동됨에 따라, 다수의 튜브와 냉매간의 마찰저항이 발생하지 않게 되고, 이에 따라 압력강하가 줄어드는 효과가 있다.

또한, 마찰저항이 발생하지 않음에 따라 소음이 줄어듬과 동시에, 압력강하가 줄어듬에 따라 열교환 효율이 좋아지는 효과가 있다.

Claims

냉매가 유동하는 다 수의 튜브;
상기 다 수의 튜브가 결합되며, 냉매와 유체간의 열교환이 이루어지도록 하는 다 수의 방열핀;
상기 다 수의 튜브가 적어도 일측에 결합되며, 냉매의 유동공간을 형성하는 헤더; 및
상기 헤더의 내부에 구비되어, 냉매의 유동을 가이드 하는 가이드부를 포함하고,
상기 헤더는 상기 헤더의 최상단에 연결된 상기 튜브의 개수가 상기 헤더의 최하단에 연결된 상기 튜브의 개수보다 크도록 형성되고,
상기 가이드부는,
상기 헤더의 내측에 제공되고, 상기 유동공간에서 중력방향으로 유동하는 액상 냉매가 통과할 수 있는 개구부가 형성된 지지부; 및
상기 개구부의 상측에 이동가능하게 구비되어, 상기 액상 냉매의 존부에 따라 상기 개구부를 선택적으로 개방할 수 있는 이동부를 포함하며,
상기 개구부는 상기 액상 냉매에 의한 부력으로 이동되는 상기 이동부에 의하여, 상기 액상 냉매의 통과가 허용되도록 개방되는 열교환기.
제 1 항에 있어서,
상기 헤더는 수직 방향으로 연장되고, 상기 다수의 튜브는 수평 방향으로 연장되어 상기 헤더에 결합되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
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제 1 항에 있어서,
상기 이동부는 상기 헤더로 유입된 냉매 중 액상 냉매의 밀도보다 낮은 밀도를 가진 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 지지부는,
상기 개구부를 규정하는 내주면; 및
상기 헤더의 내면에 접하는 외주면을 포함하는 열교환기.
제 8 항에 있어서,
상기 개구부는 원형으로 형성되고, 상기 이동부는 구형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 9 항에 있어서,
상기 이동부의 지름길이는 상기 개구부의 지름길이보다 큰 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 1 항에 있어서,
상기 헤더 내부에 배치되어, 상기 냉매의 유동공간을 구획하는 복 수의 배플을 더 포함하고,
상기 가이드부는 상기 복 수의 배플 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 11 항에 있어서,
상기 헤더는,
상기 헤더의 상측에 배치되어, 냉매가 유입되는 유입부; 및
상기 헤더의 하측에 배치되어, 냉매가 유출되는 유출부를 포함하는 열교환기.
제 12 항에 있어서,
상기 복 수의 배플은,
상기 헤더의 상부에 배치되어, 상기 유입부를 통해 유입된 냉매를 상기 다 수의 튜브로 가이드하는 제1 배플; 및
상기 헤더의 하부에 배치되어, 상기 다 수의 튜브를 유동한 냉매를 상기 유출부로 가이드하는 제2 배플을 포함하는 열교환기.
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