KR19990074780A - 냉동사이클장치의 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉동사이클장치의 열교환기에 관한 것으로, 냉매가 흐르는 냉매 튜브(1)의 외측에 일정 간격을 두고 다수의 핀(2)을 배치하고, 이들 각 핀(2)에는 (-)전극을 인가하며, 상기 핀(2) 사이에는 (+)전극을 인가한 다수의 전극플레이트(3)를 각각 설치하여서 된 것으로서, 일정 간격으로 중첩 배치된 다수개의 핀(2) 사이에 전기장을 형성하기 위한 다수의 전극플레이트(3)를 설치하고, 상기 핀(2) 간의 거리를 넓혀주므로써 제상주기가 현저히 연장되어 열교환기의 전체 소비전력량을 최소화할 수 있으며, 상기 핀(2)의 개수를 현저히 줄일 수 있게 되어 이에 따른 공기 유동저항이 현저히 저감될 수 있게 한 냉동사이클장치의 열교환기에 관한 것이다.

Description

냉동사이클장치의 열교환기

본 발명은 냉동사이클장치의 열교환기에 관한 것으로, 특히 냉각팬 구동방식에 의한 강제대류시 열교환기의 표면에 착상되는 성에를 제거하기 위한 제상주기를 크게 함과 아울러 압력손실을 저감하여, 냉동사이클장치의 전체 소비전력량을 최소화하고, 시스템의 소음을 최소화할 수 있도록 된 냉동사이클장치의 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로, 냉동사이클장치의 열교환기는 냉장고의 증발기 및 응축기 또는 에어컨 등에 적용하여 사용되는 열전달 수단을 총칭하는 것으로서, 상기 열교환기 주변을 유동하는 공기와의 접촉에 의하여 그 표면에는 성에가 착상되거나 또는 유동소음이 발생하게 된다.

예컨데, 종래의 냉장고용 증발기는 그 온도가 주위공기의 온도에 비해 현저히 낮은 -28℃ 정도를 유지하게 되므로, 일정기간이 경과한 후에는 주위공기 내에 함유된 습기가 상기 증발기의 표면에 응축되어 착상된다. 상기 증발기 표면에 착상이 진행됨에 따라 공기유로가 점진적으로 차단되어 열전달량이 지속적으로 저하되고, 결국에는 공기유로를 완전히 차단하여 냉동 및 냉장효율을 상실하게 되며, 이러한 현상을 방지하기 위하여 상기 증발기에는 일반적으로 제상히터가 부착되어 있으며, 냉동사이클장치가 일정기간 동안 작동된 후, 상기 제상히터를 일정시간 가동하여 상기 증발기 표면에 부착된 성에를 녹일 수 있도록 되어 있다. 상기 제상히터는 성에가 축적되어 증발기의 핀을 완전히 막았을 때 가동되어 완전 제상이 이루어질 때까지 계속 작동된 후, 그 동작을 멈추게 되는데, 이때 상기 제상히터가 소비하는 전력량은 냉장고 전체 소비전력량의 10% 정도를 차지하게 되며, 또한 제상완료 후 발생한 온도부하를 제거하여 냉장고가 정상적인 온도를 유지하기까지 소비되는 전력량을 감안하면 훨씬 더 많은 양의 전력이 소모된다.

이와 같은 열전달 성능을 향상시키기 위한 종래 냉장고의 증발기는 도 1에 도시한 바와 같이, 소정형상의 냉매 튜브(1)에 핀(2)을 접합한 구조로 되어 있으며, 상기 핀(2)의 면적 및 핀 간의 거리는 열전달 성능에 민감한 영향을 미치게 된다. 종래의 증발기에 있어서 핀(2) 간의 거리는 5mm, 7mm, 12mm 정도를 유지하고 있으며, 이러한 핀(2) 간격 상태에서 착상이 진행되어 공기유로를 완전 차단하게 되기 까지는 대략 40분 정도가 소요된다.

한편, 종래의 에어컨에서는 냉각팬을 통해 유동하는 공기가 열교환기의 표면에 충돌하면서 유동소음이 발생하게 되는데, 이러한 공기 유동소음을 저감시키기 위해서는 무엇보다 냉각팬의 특성을 향상시키는 것이 중요하다. 즉, 고전압 고풍량 하에서도 냉각팬의 소음이 작아져야 하며, 또한 시스템 내에서의 공기 유동저항이 작아져야 한다. 이와 같은 종래 에어컨의 공기 유동저항을 형성하게 되는 부분은 주로 그릴부와, 공기 유로저항 및 열교환기 등의 3곳으로 분류할 수 있다.

먼저, 상기 그릴부의 공기 유동저항은 운동부로부터 격리시켜 안정성을 도모하고 있으며, 이를 위하여 유로상의 그릴은 촘촘한 메쉬형상을 이루고 있으므로 이 부분에 대한 더 이상의 저항 감소는 기대하기 어렵다. 또한, 상기 공기 유로저항은 유동형태의 관찰을 통하여 저항 감소가 가능하다. 그러나, 상기 그릴부 및 공기유로의 저항은 에어컨에서 발생하는 유동저항의 약 30% 이내를 차지하고 있으므로 이들의 저항 감소효과 만으로 전체 시스템에 대한 소음을 억제하기에는 불충분하며, 이에 반하여 상기 열교환기는 공기 유동저항의 약 70%를 차지하는 것이다.

이러한 종래의 에어컨용 열교환기는 상기 냉장고용 증발기의 구조와 같이, 냉매가 흐르는 냉매 튜브(1)와, 이 냉매 튜브(1)의 외측에 일정 간격을 두고 끼워져 중첩 배치된 다수의 핀(2)으로 구성되어 있다.

상기 열교환기의 통과 공기의 유동저항을 줄이기 위한 종래의 방법으로는 핀(2)의 개수를 감소시키는 것이 가장 이상적이나, 이 경우에는 열전달 성능이 저하되므로 그 차선책으로서 핀(2)의 형상을 변화시키는 방법을 적용하고 있다.

상기에서 살펴 본 바와 같이, 종래 냉동사이클장치의 열교환기는 그 구조상 제상주기가 40분 정도로 매우 짧으므로 이에 따라 전체 소비전력량이 증가하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 상기 열교환기는 핀(2) 형상의 변화에 의한 공기 유동저항의 저감 방법에 있어서도, 그 열전달 과정에서 상기 핀(2)의 압력손실이 저감됨과 아울러 열전달 성능이 저하될 수 있으므로, 만족스러운 효과를 얻기에 불충분하다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 냉각팬 구동방식에 의한 강제대류시 열교환기의 표면에 착상되는 성에를 제거하기 위한 제상주기를 크게 함과 아울러 압력손실을 저감하여, 냉동사이클장치의 전체 소비전력량을 최소화하고, 시스템의 소음을 최소화할 수 있도록 된 냉동사이클장치의 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 냉동사이클장치의 열교환기에 대한 개략적인 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 냉동사이클장치의 열교환기에 대한 전기수력학적 열전달 원리를 설명하기 위한 개념도,

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 열교환기에 있어서, (-)전극을 인가한 핀과 (+)전극을 인가한 전극플레이트 간의 거리를 각각 L1 및 L2로 변화를 주었을 경우에 열전달 성능을 각각 설명하기 위한 열유동 상태도,

도 4a 및 도 4b는 소정의 전원이 공급될 때 적용 전압에 따른 열전달 용량의 변화를 도시한 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 냉동사이클장치의 열교환기에 대한 개략적인 사시도,

도 6은 본 발명의 열교환기에 적용된 전극플레이트의 구조를 도시한 사시도이다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

1 ; 냉매 튜브 2 ; 핀

3 ; 전극플레이트 3a ; 설치홈

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉장사이클장치의 열교환기는 냉각팬의 구동에 의하여 외부 공기가 강제대류되는 방식에 있어서, 냉매가 흐르는 튜브의 외측에 일정 간격을 두고 배치된 다수의 핀 간에 각각 전기장을 가하여 외부의 착상 입자가 (-)전극으로부터 (+)전극 방향으로 유동되는 전기수력학 원리를 냉장고의 증발기에 적용하므로써 능동적인 열전달 성능이 발휘될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 냉매가 흐르는 튜브의 외측에 일정 간격을 두고 배치된 다수의 핀 간에 각각 전기장을 가하여 외부의 공기가 상기 핀의 표면에서 열유동 교란을 유발하는 전기수력학 원리를 에어컨의 열교환기에 적용하므로써 능동적인 열전달 성능을 촉진시켜 공기저항이 저감될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2 내지 도 3b와 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉동사이클장치의 열교환기는 냉매가 흐르는 냉매 튜브(1)의 외측에 일정 간격을 두고 다수의 핀(2)을 배치하고, 이들 각 핀(2)에는 (-)전극을 인가하며, 상기 핀(2) 사이에는 (+)전극을 인가한 다수의 전극플레이트(3)를 각각 설치하여, 상기 핀(2)의 표면에 착상된 성에가 전기장의 방향을 따라 (-)전극으로부터 (+)전극 방향으로 분출 유동될 수 있게 함과 아울러, 외부의 공기가 상기 핀(2)의 표면에서 열유동 교란에 의한 활성화 상태를 유지할 수 있게 한 것이다.

상기 핀(2) 간의 거리는 도 3b에 도시한 바와 같이, 종래의 것에 비해 3배 정도 넓게 배치하므로써 제상주기를 연장시킬 수 있으며, 상기 핀(2) 및 전극플레이트(3)에는 직류 또는 교류 전원이 인가된다.

상기 전극플레이트(3)는 도 6에 도시한 바와 같이, 그 몸체부에 상,하로 설치홈(3a)을 형성하고, 이 설치홈(3a)을 통해 상기 냉매 튜브(1)를 삽입할 수 있도록 되어 있다. 즉, 상기 냉매 튜브(1)의 외측에 설치가 용이하도록 "E" 자형의 구조를 이루고, 상기 핀(2)은 종래의 것에 비해 그 면적을 1/4 내지 1/10 정도로 감축시킨 구조를 이루며, 상기 냉매 튜브(1)는 접지되어 있다. 상기 냉매 튜브(1)는 냉각팬의 구동에 따른 강제대류 방식의 열교환시에 적용된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 열교환기의 제상 및 소음저감 원리를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 냉동사이클장치의 열교환기에 대한 전기수력학적 열전달 원리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 3a 및 도 3b는 (-)전극을 인가한 핀(2)과 (+)전극을 인가한 전극플레이트(3) 간의 거리를 각각 L1 및 L2로 변화를 주었을 경우에 열전달 성능을 각각 설명하기 위한 열유동 상태도이며, 도 4a 및 도 4b는 소정의 전원이 공급될 때 적용 전압에 따른 열전달 용량의 변화를 도시한 그래프이다.

본 발명은 상기 핀(2)의 표면에 열유동 교란 및 분출 현상이 발생하게 되며, 이는 열전달계수를 상승시키게 되는 원인이 된다. 즉, 강제대류가 일어나는 단상류에 전기유압다이내믹(EHD; Electrohydrodynamic) 원리를 적용하게 되면 열전달계수가 3배 이상 증가하게 된다. 여기서, EHD는 열전달이 이루어지는 표면에 전기장을 가하게 되면 열유동에 교란을 유발하여 열전달 성능을 촉진시키는 기술이다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 열전달계수가 3배 이상 증가하므로 동일 열전달 성능을 기준으로 하여 볼 때 상기 핀(1)의 면적을 1/3배로 축소할 수 있게 되며, 열교환기의 핀(2) 간의 거리를 L1에서 L2로 연장 가능할 수 있으므로 제상주기를 3배 이상 길게 할 수 있는 것이다.

즉, 도 3a에서와 같이 상기 핀(2)과 전극플레이트(3) 간의 거리가 L1으로 비교적 좁게 형성된 경우에는, 코로나윈드(Corona Wind) 현상에 의해 외부의 공기입자가 교란되는 효과가 발생하고, 도 3b에서와 같이 상기 핀(2)과 전극플레이트(3) 간의 거리가 L2로 비교적 넓게 형성된 경우에는, 코로나윈드 현상에 의해 외부의 공기입자가 교란됨과 아울러, 그 입자가 상기 전극플레이트(3) 쪽으로 분출 유동되는 효과가 발생하여 열전달 성능을 촉진할 수 있게 된다.

한편, 공기유동에 소음발생의 문제에 있어서는, 상기한 바와 같이 열전달 성능이 향상됨에 따라 상기 열교환기의 열전달부에 해당하는 핀(2)의 개수를 대폭 감소시킬 수 있게 되므로써, 공기 유동저항에 의한 소음을 현저히 저감시킬 수 있다.

이러한 원리를 적용하면 열전달계수가 대략 4 내지 10배 증가하므로 동일 열전달 성능을 기준으로 하여 볼 때 상기 핀(2)의 면적을 1/4 내지 1/10배로 축소할 수 있게 된다. 따라서 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이 열교환기의 핀간 거리를 연장 가능하게 되어 그 만큼의 공기 유동저항을 저감할 수 있는 것이다.

상기 핀(2) 간의 거리가 멀어진 상태에서 상기 핀(2)의 사이에는 전극플레이트(3)가 삽입 설치되어 공기 유동저항을 증가시킬 수 있으나, 상기 전극플레이트(3)로 인해 상기 핀(2)의 표면에 전기장이 발생하여 열전달이 촉진된다는 점을 감안하여 볼 때 무시해도 좋을 정도로 미미한 값이라 할 수 있다.

즉, 열교환기의 면적을 1/4 내지 1/10배로 줄일 경우에 냉각팬측의 압력 손실은 상기 핀(2) 자체에 의한 공기저항의 1/16 내지 1/100배로 줄어들게 되며, 그 압력손실은 종래의 경우에 비해 5% 미만으로 감소되고, 여기에 상기 튜브(1)의 영향도 고려하게 되면 약 40% 이상의 압력손실이 감소하는 효과가 있다.

따라서, 냉각팬에 걸리는 부하가 감소되므로써 소음이 현저히 줄어 들게 되는 것이다. 실제로 상기 냉각팬의 특성에 따라 다소의 차이는 있으나, 유동소음이 약 6 dBA 정도감소하게 되고, 냉각팬의 구동을 위한 모우터의 소비전력도 40% 정도 감소된다.

상기의 EHD 원리를 자연대류에 적용할 경우에도 역시 열전달계수를 상승시키게 되며, 상기 열교환기의 온도를 저하시킬 수 있으므로 소비전력을 저감시켜 준다. 도한, 공기조화기의 히트펌프에 적용하는 경우에도 역시 제상주기를 연장할 수 있게 된다.

상기와 같은 구성및 작용에 의해 기대할 수 있는 본 발명의 효과는 다음과 같다.

본 발명에 따른 냉동사이클장치의 열교환기는 일정 간격으로 중첩 배치된 다수개의 핀(2) 사이에 전기장을 형성하기 위한 다수의 전극플레이트(3)를 설치하고, 상기 핀(2) 간의 거리를 넓혀주므로써 제상주기가 현저히 연장되어 열교환기의 전체 소비전력량을 최소화할 수 있으며, 상기 핀(2)의 개수를 현저히 줄일 수 있게 되어 이에 따른 공기 유동저항이 현저히 저감될 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 냉각팬의 구동에 의하여 외부 공기가 강제대류되는 방식에 있어서, 냉매가 흐르는 냉매 튜브의 외측에 일정 간격을 두고 배치된 다수의 핀 간에 각각 전기장을 가하여 외부의 착상 입자가 (-)전극으로부터 (+)전극 방향으로 유동되는 전기수력학 원리를 냉장고의 증발기에 적용하므로써 능동적인 열전달 성능이 발휘될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치의 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각 핀에 (-)전극을 각각 연결하고, 상기 핀 사이에는 (+)전극과 연결되는 다수의 전극 플레이트를 각각 설치하여, 상기 핀의 표면에 착상된 성에가 전기장의 방향을 따라 분출 유동될 수 있게 한 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치의 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 핀 간의 거리를 3배 증가시켜 제상주기를 연장시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치의 열교환기.
4. 냉각팬의 구동에 의하여 외부 공기가 강제대류되는 방식에 있어서, 냉매가 흐르는 냉매 튜브의 외측에 일정 간격을 두고 배치된 다수의 핀 간에 각각 전기장을 가하여 외부의 공기가 상기 핀의 표면에서 열유동 교란을 유발하는 전기수력학 원리를 에어컨의 열교환기에 적용하므로써 능동적인 열전달 성능을 촉진시켜 공기저항이 저감될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치의 열교환기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 각 핀에 (-)전극을 각각 연결하고, 상기 핀 사이에는 (+)전극과 연결되는 다수의 전극플레이트를 각각 설치하여, 외부의 공기가 상기 핀의 표면에서 열유동 교란에 의한 활성화 상태를 유지할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치의 열교환기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 핀 및 전극플레이트에는 직류 또는 교류 전원이 인가될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치의 열교환기.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 전극플레이트는 상기 냉매 튜브의 외측에 설치가 용이하도록 "E" 자형의 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치의 열교환기.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 핀은 그 면적이 1/4 내지 1/10 정도로 감축 설계되어 공기저항이 저감될 수 있게 한 것을 특징으로 하는 냉동사이클장치의 열교환기.