KR20000042839A - 열교환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형상 및 중량이 작은 2차 열교환기를 갖으며, 증발기 내의 드라이 아웃구간을 작게 하면서 단상증기와의 열전달 구간이 증발기 외부에 형성되도록 함으로써 증발기 내에서 드라이 아웃과 단상증기에 의한 열전달 면적을 줄이도록 하는 열교환장치에 관한 것이다.

본 발명은 냉매를 순환시키는 냉동싸이클에서 감압수단의 상류에 설치되어 응축영역으로 된 응축기 및 상기 감압수단의 하류에 설치되어 증발영역으로 된 증발기에 있어서, 상기 감압수단에서 유출된 냉매의 증발영역으로 된 증발유로를 갖고, 냉매와 공기를 열교환하는 증발기; 상기 응축기에서 유출된 냉매의 유로인 응축배관과, 상기 증발기에서 유출한 냉매의 유로인 증발배관과를 갖으며, 상기 응축배관의 냉매와 상기 증발배관의 냉매를 열교환시키는 2차열교환기; 상기 2차열교환기의 출구배관에 상기 2차열교환기에서 유출된 냉매의 과열도를 얻기 위한 열량을 공급하는 발열수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환장치

본 발명은 자동차용 공기조화장치 등의 냉동싸이클에 이용되는 열교환장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 공기조화장치 등에 이용되는 냉동싸이클은 압축기, 응축기, 수액기, 팽창변, 증발기 등으로 구성되어 있고, 이 밀폐된 회로에 냉매를 순환시킴으로써 증발기의 냉매와 실내의 공기에서 열교환을 행하여 실내를 냉각하고 있다.

상기 냉동싸이클에 있어서 팽창변을 통해 단열팽창한 냉매는 가스와 액과의 2상류의 상태로 되어 증발기에 들어가고, 여기서 외부로 부터 열을 흡수하여 기화하며, 등온증발을 계속하여 실내공기의 냉각작용을 행하고, 팽창한 냉매는 과열증기로 되어 압축기로 흡입된다.

그런데 일반적인 에어컨 시스템은 압축기의 보호와 시스템의 안정적인 성능을 위하여 압축기 입구측의 냉매상태를 과열증기 상태로 한다. 이러한 과열증기는 증발기내에서 이루어지며 보통의 팽창밸브 시스템에서 약 5-10℃가 적절하다.

증발기 출구측의 과열도를 작게 하면 방열성능은 증가하나 압축기에 액냉매가 유입될 가능성이 있으며 과열도를 크게 하면 냉매의 비체적이 커져 성능의 안정성은 있으나 냉방능력은 감소하게 된다.

이것은 냉매의 과열이 증발기 내에서 이루어지기 때문인데 증발기는 2상의 냉매를 받아들여 외부의 공기로부터 흡열하여 증발하고 완전히 증발된 포화증기는 증발기 내에서 계속 열을 받아 과열상태가 되어 증발기 출구를 나가게 된다. 팽창밸브는 이러한 증발기 출구의 냉매상태를 미리 설정된 과열도와 비교하여 과열도가 작으면 냉매량을 줄이고 과열도가 크면 냉매량을 증가시켜 일정한 과열도가 되도록 냉매량을 조절한다.

증발기는 액냉매의 증발잠열을 이용해 공기의 온도를 낮추는 역할을 한다. 그러나 냉매의 과열도를 맞추기 위하여 증발기의 일정부분은 기상의 냉매와 공기가 열교환하도록 해야한다. 이렇게 냉매의 과열을 위해 증발기가 할애해야 하는 열교환 면적은 전체의 약 11%정도이다.

냉매는 증발할 때 건도에 따라 열전달 계수가 달라진다. 일반적으로 냉매가 증발기에 유입되어 열교환을 마치고 증발기 출구를 나갈 때 까지 전형적인 공조장치에서 증발기로 유입되는 냉매의 건도는 20-30% 정도 유입되어 증발을 시작한다. 증기의 유속이 빨라 액막을 열전달 표면으로 밀어내는 환상유동에서 열전달이 가장 활발하게 일어나며, 증발이 진행될수록 액막의 두께는 얇아지고 건도의 증가와 함께 열전달 계수도 증가한다(도 7참조). 열전달 계수는 건도 범위 55-76%에서 최고치에 이른다. 증발이 진행될수록 액맥의 두께는 점차 얇아지며 냉매 액상의 표면장력보다 기상의 높은 속도에 의한 전달력이 커지면 액막은 열전달 벽에서 떨어져 나간다.

이러한 현상이 드라이 아웃(dry out)이며, 이때는 건도의 증가와 함께 열전달이 급속히 감소한다. 그리고 액냉매가 모두 증발하면 단상의 증기가 외부 공기로부터 열을 받아 과열증기가 되어 증발기를 빠져 나간다. 이러한 과정중 열전달이 급속히 감소하는 드라이 아웃구역 이후는 전체 증발기의 약 23% 정도이다.

따라서 좋은 증발기는 드라이 아웃과 단상증기에 의한 열전달 면적을 줄이는 것이다. 증발기는 상기와 같이 표면의 온도가 달라지며 이것은 토출공기온도 또한 불균일하게 되는 것이다.

증발기의 설계와는 별도로 증발기의 성능 향상을 위해 제안된 것이 리퀴드 오버 피딩시스템(LOF;Liquid over feeding system)이다.

이 LOF시스템은 증발기내의 드라이 아웃 구간과 단상 증기에 의한 과열구간을 응축기의 고온을 이용하여 별도의 열교환기에서 이루어지도록 하고 증발기는 동일한 압력온도의 2상 냉매의 증발만이 일어나도록 하는 것이다.

그러나 이러한 시스템은 증발기 출구온도 조건에 따라 냉매량을 제어하는 기구가 없이 어큐뮬레이터와 오리피스(CCOT형)를 사용하는 에어컨 시스템에 적합하다. 이것은 냉매량을 증발기의 용량보다 과도하게 보내도 어큐뮬레이터에 의해 단상의 증기만을 압축기로 보내는 어큐뮬레이터형 에어컨 시스템의 냉매의 과열도를 팽창밸브의 냉매조절에만 의지하는 TXV형보다 안정성이 크기 때문일 것이다.

LOF시스템은 과열증기의 냉매를 압축기에 보내기 위해서 냉매량을 조절해야 하는 문제점이 있다. 즉 연속적으로 설치된 증발기와 2차 열교환기 내에서 냉매를 설정된 과열도까지 올려야 한다. 이것은 열전달율이 플로우 보일링(Flow boiling)에 비해 상당히 작은 드라이 아웃 구간과 단상증기와의 열전달 구간을 역시 증발기와 2열교환기 내에 두어야 한다는 것을 의미한다.

TXV시스템에서 압축기로 들어가는 냉매의 상태를 포화증기의 상태로 제어하는 것은 헌팅(Hunting)이나 압축기의 액압축의 염려가 있으므로 사실상 불가능하다. 그러므로 결국 열전달이 떨어지는 단상증기에 의한 열전달 면적이 다시 고려되어야 하므로 진정한 LOF시스템 구현이 힘들다.

따라서 2차 열교환기의 크기를 크게 하면 원하는 과열도를 얻을 수는 있지만 불필요하게 큰 응축기의 과냉각이 얻어지며 열전달이 활발한 구간도 2차 열교환기로 움직이게 될 수 있다.

이러한 점을 감안하여 일본국 특개평 5-149650호에서는 도 4와 같이 팽창변에서 유출한 냉매의 증발영역으로 된 증발유로를 갖고, 냉매와 공기를 열교환하는 적층형 증발기(11)와, 증발기로의 입구냉매(12)와 증발기에서의 출구냉매(13)를 열교환시킨 2차열교환기(14)와, 증발기와 2차열교환기를 접속하는 접속수단을 구비한 열교환장치를 제안하였다.

이러한 종래기술에 대한 작용을 도 5와 함께 설명한다. 도 5는 냉매싸이클에서의 냉매의 상태를 표시한 몰리엘선도로써 몰리엘선도상에 주요점a-e에 대응하는 위치를 도 2에 점 a-e로 표시한다. 압축기에 의해 압축된 고압의 냉매는 응축기에서 방열하고 가스냉매에서 점a에서 점b사이에서 액냉매로 상변화한 후 팽창밸브에 의해 단열팽창한다.

이 기냉매는 증발기(11)에서 공기와 열교환되어 점 d까지 증발을 개시하고, 이 냉매는 점d의 기액 2상상태로 2차열교환기(14)에서 입구냉매와 출구냉매사이의 열교환에 의해 과열증기된 후 압축기로 송출된다.

그러나 이 열교환장치에 의하면 2차열교환기의 크기를 줄일 수는 있지만 열전달율이 플로우 보일링(Flow boiling)에 비해 상당히 작은 드라이 아웃 구간과 단상증기와의 열전달 구간을 역시 증발기와 2차열교환기 내에 두어야 하는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위하여 형상 및 중량이 작은 2차 열교환기를 갖도록 하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 드라이 아웃 구간을 작게 하면서 단상증기와의 열전달 구간이 증발기 외부에 형성되도록 함으로써 증발기 내에서 드라이 아웃과 단상증기에 의한 열전달 면적을 줄이도록 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 냉매를 순환시키는 냉동싸이클에서 감압수단의 상류에 설치되어 응축영역으로 된 응축기 및 상기 감압수단의 하류에 설치되어 증발영역으로 된 증발기에 있어서, 상기 감압수단에서 유출된 냉매의 증발영역으로 된 증발유로를 갖고, 냉매와 공기를 열교환하는 증발기; 상기 응축기에서 유출된 냉매의 유로인 응축배관과, 상기 증발기에서 유출한 냉매의 유로인 증발배관과를 갖으며, 상기 응축배관의 냉매와 상기 증발배관의 냉매를 열교환시키는 2차열교환기; 상기 2차열교환기의 출구배관에 상기 2차열교환기에서 유출된 냉매의 과열도를 얻기 위한 열량을 공급하는 발열수단;을 포함한다.

상기 구성을 갖는 본 발명의 열교환장치에서는 감압수단에서 유출하는 냉매가 증발기에 도입된다. 이 증발기에서 냉매가 증발함에 따라 저온으로 되고, 냉매와 공기가 열교환을 행한다. 그리고 증발기를 통과하는 냉매는 증발기의 증발배관을 통과함으로써 응축기에서 유출되는 응축배관을 통과하는 냉매와 열교환한다. 즉, 증발배관의 냉매는 응축배관의 냉매를 냉각하고, 그것에 의해 증발기에 들어오는 기체와 액체와의 2상상태의 냉매는 액상상태로 된다. 따라서 증발배관의 냉매는 응축배관의 냉매에 의해 가열되어 재차 포화증기상태로 2차열교환기에서 유출되며, 2차 열교환기에서 유출된 냉매가 과열도가 낮을 경우 발열수단에 의해 열량을 공급받은 후 충분한 과열도를 갖고 압축기로 유입된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉동싸이클을 보인 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 몰리엘선도,

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 증발기 내의 드라이 아웃구간을 설명하기 위한 설명도,

도 4는 종래 열교환장치의 개략도,

도 5는 종래 열교환장치에 따른 몰리엘선도,

도 6은 종래 증발기 내의 드라이 아웃구간 및 단상증기 구간을 설명하기 위한 설명도,

도 7은 냉매의 건도에 따른 전형적인 열전달율의 변화를 보인 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1;냉동싸이클 2;압축기

3;응축기 4;팽창밸브

5;증발기 6;2차열교환기

6a;응축배관 6b;증발배관

6d;출구배관 7;히터

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 의거하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 실시예의 열교환장치의 개략도이다. 전체 부호 1은 냉동싸이클을 도시하고 있다.

냉동싸이클(1)은 기상의 냉매를 압축하는 압축기(2), 압축된 냉매를 응축하는 응축기(3), 응축된 냉매를 단열팽창하는 팽창밸브(4), 단열팽창된 냉매를 공기와 열교환시키는 증발기(5)와, 응축냉매와 증발냉매를 열교환하는 2차열교환기(6) 및 2차열교환기(6)에서 유출된 냉매를 설정된 온도로 과열시키는 히터(7)를 구비한다.

2차열교환기(6)는 응축기(3)의 출구측에 접속된 응축배관(6a)과 증발기(5)의 출구측에 접속된 증발배관(6b)과, 응축배관(6a)의 주위를 둘러싸도록 배치되는 구조를 갖는 열교환기 본체(6c)를 갖으며, 또한 열교환기 본체(6c)에는 압축기(2)와 연결되는 출구배관(6d)을 갖는다.

여기서, 2차열교환기(6)의 크기는 일정한 방열량만 갖도록 설계한다. 즉, 압축기 회전수; 2000rpm, 액냉매량; 약140kg/h, 응축기 압력; 13-15kgf/cm², 증발기 압력; 2.0 - 3.0 13-15kgf/cm²의 정상적인 작동조건을 갖고, 이때의 증발기 입구의 건도를 20%로 하려면 필요한 과냉도는 15-27℃정도이며, 응축기 자체에서 생긴 과냉도 약6℃를 제외하면 추가 과냉도는 9-21℃정도이다. 이러한 과냉도를 얻기 위한 2차열교환기(6)의 필요 발열량은 Q = m * dh = 140kg/h * 6Kcal/kg = 1400kcal/h이며, 이러한 방열량에 맞추어 2차열교환기를 설계할 필요가 있다.

또한 증발기측의 엔탈피 차이를 크게 하기 위하여 응축기(3)의 과냉각 영역을 크게 하되 증발기 입구측의 건도가 너무 작지 않도록 응축기의 과냉각 영역을 설계한다. 응축기의 과냉각은 증발기의 냉매 증발잠열에 의해 이루어지므로 증발기 내에서 열전달이 감소하는 드라이 아웃 구간의 일정건도 이상의 냉매와 열교환이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 증발기 내에서 냉매의 열전달이 상당히 낮은 건도 85% 이상의 냉매만을 이용하여 응축기의 과냉도를 크게 하면 증발기는 열전달율이 가장 좋은 건도 범위 20-85% 내에서 작동시킬 수 있다. 따라서 2차 열교환기의 크기는 응축기의 과냉도가 15-30℃가 되도록 설계한다.

더욱이 압축기 보호와 안정적인 시스템 작동을 위해 증발기 출구의 과열도는 5-10℃가 되도록 한다. 2차열교환기(6)에서 유출되는 냉매는 포화증기상태이므로 이 상태로부터 원하는 과열도를 얻기까지 냉매가 필요한 열량은 다음과 같다.

Q = m * dh = 140kg/h * (1-2kcal/kg) = 140-280kcal/h = 163-327W. 따라서 출구배관(6d)의 관로상에는 압축기(2)로 유입되는 냉매가 설정온도보다 낮을 경우 발열하는 히터(7)를 설치하게 되는데, 이때의 히터(7)는 약 200W 정도의 발열량을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

히터(7)는 사용자의 부주의에 의한 과열을 방지하고 안정적인 성능을 보증하기 위하여 온도가 높아지면 히터의 저항이 커져 전류를 감소시키는 PTC특성을 가진 히터가 바람직하다.

여기서, 히터(7)는 에어컨의 작동과 함께 동작하도록 전기적인 회로를 구성하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 냉동싸이클(1)는 도 1에 도시한 바와 같이 응축기(3)에서 열교환기(6)의 응축배관(6a)을 통해 송출된 냉매는, 증발기(5)로 보내지며, 증발기(5)에 유입된 냉매는 증발하면서 증발배관(6b)을 경유하여 열교환기 본체(6c)로 유입된 후 출구배관(6d)을 통해 압축기(2)로 송출된다.

이상과 같이 구성된 열교환기(1) 작용을 도 2와 함께 설명한다. 도 2는 냉매싸이클에서의 냉매의 상태를 표시한 몰리엘선도로써 몰리엘선도상에 주요점a-f에 대응하는 위치를 도 2에 점 a-f로 표시한다. 압축기(2)에 의해 압축된 고압의 냉매는 응축기(3)에서 방열하고 가스냉매에서 점a에서 점b사이에서 액냉매로 상변화한 후 팽창밸브(4)에 의해 단열팽창한다.

이 기냉매는 증발기(5)에서 공기와 열교환되어 점 d까지 증발을 개시하고, 이 증발냉매는 2차열교환기(6)에서 응축냉매와 열교환되어 점e까지 포화증기상태인 과열증기로 되며, 이 과열증기상태인 냉매는 히터(7)에 의해 점e와 점f사이에서 필요한 열량을 공급받아 설정된 과열도까지 온도가 상승한 후 압축기(2)로 송출된다.

이상 설명한 바와 같이 종래 연속적으로 설치된 증발기와 2차열교환기 내에서 냉매를 설정된 과열도까지 상승시킴에 따라 열전달이 감소하는 드라이 아웃 구간과 단상증기와의 열전달 구간을 증발기와 2차열교환기내에 두어야 하므로(도 6참조) 증발기 내에서 열전달이 감소하여 열교환성능이 저하되었으나 본 발명의 실시예에 의하면 포화증기 상태인 냉매를 별도의 히터에 의해 외부로부터 열량을 공급받도록 함으로써 증발기 내에서 드라이 아웃 구간과 단상증기에 의해 열전달 면적을 줄일 수 있어(도 3참조) 증발기의 열교환량을 증대시킬 수 있고 또한 포화증기상태인 냉매를 과열증기 상태로 압축기에 공급할 수 있어 시스템성능 및 안정성을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 2차열교환기의 출구배관에 히터를 설치하여 냉매의 과열도를 조절함으로써 증발기 내의 드라이 아웃구간을 줄여 열전달 면적을 줄임과 동시에 단상증기구간을 2차열교환기와 히터사이에 형성할 수 있다.

인로인해 본 발명은 소형화된 2차열교환기에 의해서도 응축기의 과냉각을 제어할 수 있고 증발기 내에서 열전달이 감소하는 드라이 아웃구간의 일정건도 이상의 냉매와 열교환을 이룰 수 있어 전체적인 시스템 성능을 향상시키고 압축기의 액압축을 방지할 수 있다.

Claims (3)

1. 냉매를 순환시키는 냉동싸이클에서 감압수단의 상류에 설치되어 응축영역으로 된 응축기 및 상기 감압수단의 하류에 설치되어 증발영역으로 된 증발기에 있어서,

   상기 감압수단에 유출한 냉매의 증발영역으로 되는 증발유로를 갖고, 냉매와 공기와를 열교환하는 냉매공기간 열교환부와,

   상기 냉매 공기간 열교환부에 유입된 냉매의 유로인 입구배관과, 상기 냉매공기간 열교환부에서 유출한 냉매의 유로인 출구배관과를 갖으며, 상기 입구배관의 냉매와 상기 출구배관의 냉매와를 교환시키는 냉매열교환부와를 구비함과 동시에,

   상기 입구배관과 상기 출구배관이 일측이 타측을 포함하는 이중관으로 된 것을 특징으로 하는 열교환장치.

   상기 감압수단에서 유출된 냉매의 증발영역으로 된 증발유로를 갖고, 냉매와 외부 공기를 열교환시키는 증발기;

   상기 응축기에서 유출된 냉매의 유로인 응축배관과, 상기 증발기에서 유출한 냉매의 유로인 증발배관과를 갖으며, 상기 응축배관의 냉매와 상기 증발배관의 냉매를 열교환시키는 2차열교환기;

   상기 2차열교환기의 출구배관에 상기 냉매간 열교환부에서 유출된 냉매의 과열도를 얻기 위한 열량을 공급하는 발열수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 발열수단은 에어컨 작동과 연동되게 함을 특징으로 하는 열교환장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 발열수단은 냉매의 과열도에 따라 동기하는 정의 온도계수를 갖는 PTC특성을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환장치.