KR20010038568A - 공조시스템용 열교환기 장치 - Google Patents

Abstract

공조시스템용 열교환기 장치는 중앙의 제 1 열교환기 요소(12)와, 한 쌍의 외부의 제 2 열교환기 요소(11)를 포함하며, 이들 요소는 열전달 액체가 흐르는 하나 이상의 유동 통로(18)를 한정한다. 다수의 열전 유니트(17)는 열이 중앙 제 1 열교환기 요소에서 각각의 외부 제 2 열교환기 요소로 전달될 수 있도록 외부의 제 2 열교환기 요소(11)와 중앙의 제 1 열교환기 요소(12) 사이에 나란히 그리고 샌드위치 형태로 배열된다. 유동 통로(18)는 판상 금속으로 만들어지고 이들 요소 내에 한정되는 공동 내에 배열되는 인서트(19, 20)에 의해 형성된다. 각각의 인서트(19, 20)는 파상 단면 형상을 취하며, 유동 통로는 그러한 파상 형성부의 길이방향으로 연장된다.

Description

공조시스템용 열교환기 장치{A HEAT EXCHANGER DEVICE FOR AN AIR CONDITIONING SYSTEM}

본 발명은 차량의 캐빈과 같은 작은 공간의 공기를 냉각하기 위한 공조시스템용 열교환기 장치에 관한 것이다.

WO 97/22486에 개시된 형태로 된 그러한 열교환기 장치는 열전달 액체가 흐르는 하나 이상의 유동 통로를 각각 한정하는 열교환기 요소와, 열전도 접촉이 이루어질 수 있도록 열교환기 요소 사이에 나란히 그리고 샌드위치 형태로 배열된 펠티에 소자 따위의 다수의 열전 유니트를 포함한다.

그러한 열교환기 요소가 이용가능한 공간이 제한된 자동차 또는 그밖의 차량의 캐빈을 냉각하는데 사용되는 경우, 열교환기 장치의 설치공간을 최소화하는 것이 무엇보다도 중요하다.

이것은 중앙의 제 1 열교환기 요소와, 한 쌍의 외부의 제 2 열교환기 요소를 포함하며, 열전 유니트가 열이 중앙 제 1 열교환기 요소에서 각각의 외부 제 2 열교환기 요소로 전달될 수 있도록 외부의 제 2 열교환기 요소와 중앙의 제 1 열교환기 요소 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 본 발명에 따른 열교환기 장치에 의해 달성된다. 두 층의 열전 유니트를 갖는 그러한 열교환기 장치는 대응하는 용량을 갖는 공지된 형태의 유사한 장치보다 더욱 작게 만들어질 수도 있다.

본 발명의 또다른 목적은 전력 소모에 있어서 가열장치의 냉각 용량을 최소화할 수 있도록 상기한 형태의 열교환기 장치의 효율을 증가시키는 것이다. 따라서, 본 발명은 공조시스템용 열교환기 장치로서, 내부에 열전달 액체가 흐르는 다수의 유동 통로를 한정하는 제 1 및 제 2 열교환기 요소와, 제 1 및 제 2 열교환기 요소 사이에 나란히 그리고 샌드위치 형태로 배열된 다수의 열전 유니트를 포함하는 열교환기 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 열교환기 장치는 유동 통로가 판상 금속으로 만들어지고 열교환기 요소 내에 한정된 공동 내에 배열되는 인서트에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

논의되는 형태의 열교환기장치의 냉각 용량은, 제 1 및 제 2 열교환기 요소를 통해 흐르는 열전달 액체의 온도 차가 증가할 때 크게 감소한다는 점을 발견하였다. 온도차가 60 - 70℃일 때 냉각 용량은 거의 0으로 감소된다. 열교환기 장치의 전력 소모는 상기 온도차의 영향을 받지 않는다. 따라서, 열교환기 장치의 효율을 최적화하기 위해서는, 열전달표면과 액체 사이의 온도차가 가능한 한 작게 유지되어야 한다. 이것은 열교환기 장치가 5 - 8 ℃의 낮은 온도차와 적절한 압력손실 하에서 비교적 높은, 예를 들어 80 - 100 kW의 열 부하를 제거할 수 있어야 한다는 것을 의미한다.

이들 요건은 열교환기 요소를 통해 흐르는 열전달 액체와 이들 요소 사이에 샌드위치 형태로 배열된 열전 유니트 사이에서 매우 효과적인 열전달을 허용하는 본 발명에 따른 열교환기 장치에 의해 충족된다.

열전 유니트가 각각 중앙 제 1 열교환기 요소 및 외부 제 2 열교환기 요소 사이에서 샌드위치 형태로 배열되는 두 층으로 배열될 때, 열교환기 요소의 유동 통로는 판상 금속으로 만들어지고 이들 요소 내에 한정되는 공동 내에 배열되는 인서트에 의해 형성된다.

인서트는 예를 들어 스테인리스강, 구리, 황동, 알루미늄, 은, 또는 그 합금 따위의 열전도성이 우수한 판상 금속으로부터 프레스 또는 스탬핑에 의해 형성된다. 일례로서, 각각의 인서트는 파상 단면 형상을 취하며, 유동 통로는 그러한 파상 형성부의 길이방향으로 연장된다. 특히 바람직한 실시예에 있어서, 각각의 파상 형성부는 그에 의해 형성되는 유동 통로의 길이방향으로 연장되는 파상부로 분할되며, 일련의 파상부는 가로방향으로 오프셋된다.

그러한 파상 인서트의 파상 형성부의 높이가 증가하면 열교환기 장치의 효율은 감소한다는 사실을 발견하였다. 그러나, 둘 이상의 층 내에서 유동 통로를 한정하기 위하여, 두개 이상의 인서트는 상기 각각의 공동 내에서 적층하면 효율이 증가한다. 적층된 인서트에 의해 한정되는 유동 통로의 높이를 감소시키고자 할 때에는 둘 이상의 층 내에서 공동 연장되는 다수의 유동 통로를 한정하기 위하여 파상 인서트의 한 쌍의 인접한 가로 파상 산부가 인접한 파상 인서트의 파상 골부의 바닥면과 접촉 결합상태로 배열될 수도 있다.

열교환기 요소는 열교환기 요소의 양쪽 또는 양쪽 끝에 배치된 열전달 액체 입구 및 출구를 구비할 수도 있다. 이 경우, 유동 통로는 입구 및 출구와 각각 소통하는 매니폴드 챔버 사이에서 직선 형태로 연장될 수도 있다. 그러나, 경우에 따라서는 열교환기 요소중 적어도 어느 하나의 동일한 쪽에 위치한 열전달 액체 입구 및 출구를 갖춘 것이 바람직하다. 유동 통로는 입구와 소통하는 제 1 부분과, 제 1 부분과 공동 연장되는 제 2 부분과, 입구 및 출구 부분을 상호 연결하는 연결 부분으로 구성된다.

대체로, 열교환기 요소는 삼각형, 사각형, 육각형, 원형 또는 타원형의 적절한 형상을 취한다. 바람직한 실시예에서, 각각의 열교환기 요소는 가늘고 긴, 바람직하게는 장방형의 형상을 취한다. 따라서, 각각의 열교환기 요소는 블록 형상을 취한다.

일례로서, 각각의 열교환기 요소는 대향하는 평면상의 밀봉 표면을 한정하는 장방형의 프레임 부재와, 덮개 부재 사이의 공동을 한정하기 위하여 프레임 부재의 밀봉 표면과 밀봉상태로 결합하는 다수의 덮개 부재를 포함한다. 그러나, 바람직한 실시예에 있어서, 열교환기 요소중 적어도 하나는 측면을 갖춘 편평한 열교환기 몸체와, 상기 측면 내에 형성된 함몰부 또는 리세스에 의해 형성되는 공동과, 상기 함몰부 또는 리세스를 덮고 밀봉하는 덮개 부재를 포함한다.

열교환기 요소가 장방형 또는 그와 유사한 형상을 취할 때, 유동 통로의 연결부는 제 1 및 제 2 부분에 직각으로 연장된다. 더욱이, 액체 입구 및 출구는 유동 통로의 입구 및 출구 부분과 동일한 방향으로 연장되는 입구 및 출구에 대해 가로로 연장되는 연결 통로를 통해 각각 제 1 및 제 2 유동 통로에 연결될 수도 있다.

인서트는 각각 제 1, 제 2, 및 연결 유동 통로 부분에 대응하는 인서트 부분을 포함하며, 입구 및/또는 출구 유동 통로 부분에 대응하는 인서트 부분과 연결 유동 통로에 대응하는 인서트 부분과의 인접 가장자리는 각각의 유동 통로 부분에 의해 한정되는 유동 통로의 방향과 예각을 형성한다. 따라서, 인서트 부분을 비스듬히 절단함으로써, 그 사이에 소정의 각, 예컨대 90도가 형성되는 유동 통로 부분을 한정할 수 있다. 따라서, 상기 인접 가장자리는 대략 90도 만큼 유동 통로 방향을 변경하기 위하여 각각의 유동 통로 방향의 보완 각도를 형성하게 된다.

도 1은 상부 덮개 부분이 제거된 본 발명에 따른 열교환기의 제 1 실시예의 평면도이다.

도 2는 도 1에 도시한 실시예의 측면도이다.

도 3은 도 1에 대응하는 도면으로, 본 발명에 따른 열교환기 장치의 제 2 실시예의 평면도이다.

도 4는 도 3에 도시한 실시예의 측면도이다.

도 5 및 도 6은 덮개 부분이 제거된 본 발명에 따른 열교환기 장치의 제 3 실시예의 열교환기 요소의 평면도이다.

도 7은 열교환기 장치의 열교환기 요소 내에 배열된 인서트의 형상을 보인 일부 확대 단면도이다.

도 8은 7에 도시한 형상의 인서트가 차례로 적층된 상태를 보인 일부 단면도이다.

도 9는 본 발명에 따른 열교환기를 포함하는 공조시스템의 개략도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 WO 97/22468에 개시되어 있고 도 9에 개략적으로 도시된 형태의 공조시스템 따위의 자동차 또는 기타 차량용 공조 시스템에서 사용될 수 있는 열교환기 장치(10)를 개략적으로 보인 것이다. 열교환기 장치(10)는 알루미늄 등의 금속으로 만들어진 한 쌍의 판상 요소(11, 12)를 포함하고 있다. 얕은 U형상의 함몰부 또는 리세스(13)가 요소(11, 12)의 측면에 각각 형성되어 있다. 열교환기 요소(11, 12) 내에 공동을 형성하기 위하여 함몰부는 도시되지 않은 덮개판에 의해 가리워질 수도 있다. 각각의 열교환기 요소(11, 12)는 예를 들어 부동 첨가제가 함유된 물 또는 적절히 낮은 결빙점을 갖는 수성 액체일 수 있는 열전달 액체 입구(14) 및 출구(15)를 구비하고 있다. 각각의 입구(14) 및 출구(15)는 열교환기 요소 내에 형성된 U형상의 함몰부(13) 또는 공동의 자유 단부와 소통한다.

도 1 및 도 2에 도시한 실시예에서, 한 쌍의 열교환기 요소는 볼트(16) 또는 다른 풀림가능한 조임수단에 의해 함께 고정된다. 다수의 판상 펠티에 소자(17)는 위에서 언급한 바 있는 WO 97/22486에 개시된 바와 같은 방식으로 열교환기 요소(11, 12)의 덮개판 사이에 샌드위치 형태로 배열되어 있다. 따라서, 도 1 및 도 2에 도시한 열교환기 장치는 이 종래의 국제출원의 도 2 내지 도 6에 대해 WO 97/22486에 개시된 것에 대응하지만, 액체 유동 통로가 열교환기 장치(10)의 각각의 열교환기 요소(11, 12) 내에 형성되는 점에 있어서 차이가 있다.

본 발명에 따른 열교환기 장치에 있어서, 액체 입구(14)에서 출구(15)까지 연장되는 다수의 공동 연장 유동 통로(18)가, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, U형상의 함몰부(3) 내에 형성되어 있다. 공동 연장 유동 통로(18)는 구리 또는 구리 합금 따위의 열전도성이 우수한 판상 금속으로 만들어진 개별적인 인서트 부분(19, 20)에 의해 형성된다. 도 7 및 도 8에 상세히 도시한 바와 같이, 인서트 부분은 파상 산부(21)와 골부(22)를 갖춘 파상 단면 형상을 취할 수도 있다. 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 각각의 인서트 부분(19, 20)의 산부(21)는 간격 "d"에 의해 가로로 오프셋된 연속하는 길이로 분할됨으로써 열교환기의 효율이 향상될 수 있다. 그렇지 않으면, 미늘살이 달린 판상 핀 인서트 따위의 인서트 부분이 사용될 수도 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 인서트 부분(20)은 직각 삼각형의 형태를 취한다. 인접한 사변(23)에서 한정된 유동 통로의 방향은 두번 90도 시프트됨으로써 유동 방향이 반대로 된다.

도 1 및 도 2에 도시한 실시예에서, 열교환기 요소(11)는 "고온 열교환기"일 수도 있고, 그 입구(14) 및 출구(15)가 도 9에 도시한 바와 같이 자동차의 방열기에 연결될 수도 있다. 열교환기 요소(12)는 도 9에 도시한 캐빈 공기 냉각기에 입구 및 출구가 연결된 "저온 열교환기"일 수도 있다.

본 발명에 따른 열교환기 장치의 다른 실시예의 설명에 있어서 도 1 및 도 2에 도시한 부분 및 요소에 대응하는 부분 및 요소에는 동일한 도면부호를 부여한다.

도 3 및 도 4는 도 1 및 도 2에 도시한 것보다 소형인 열교환기 장치(10)의 변형 실시예를 보인 것이다. 도 3 및 도 4에 도시한 열교환기 장치는 중앙에 배열된 한개의 "저온" 열교환기 요소(12)와, 두개의 "고온" 열교환기 요소(11)를 포함하고 있다. 펠티에 소자(17)는 중앙 열교환기 요소(12) 및 각각의 외부 열교환기 요소(11) 사이에 샌드위치 형태로 배열되어 있다. 열교환기 요소(11, 12)는 각각 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 바와 같은 방식으로 도 3에 도시한 바와 같이 배열된 인서트 부분을 갖춘 공동을 포함하고 있다. 배열된 펠티에 소자(17)의 저온쪽은 중앙 열교환기 요소(11)와 접촉하고 있는 반면, 펠티에 소자(17)의 고온쪽은 외부 열교환기 요소(11)와 접촉하고 있다. 중앙 열교환기 요소(12)의 입구 및 출구는 캐빈 공기 냉각기(도 9)에 연결되어 있고, 두개의 열교환기 요소(11)는 병렬로 연결되어 있지만 자동차의 방열기와 직렬로 연결되는 것이 바람직하다.

도 4에 도시한 실시예에서, 액체 입구(14) 및 출구(15)는 반대방향으로 연장되어 있다. 용이한 설치를 위해 단지 일방향으로 연장되는 입구 및 출구를 갖는 것이 바람직하다. 이것은 중앙 열교환기 요소(12)의 방향을 반대로 하고 외부 열교환기 요소(11)의 입구(14) 및 출구(15)를 약간 바깥쪽으로 구부림으로써 달성된다. 그렇지 않으면, 도 4에 도시한 열교환기 장치 내의 중앙 열교환기 요소(12)를 도 6에 도시한 바와 같은 열교환기 요소로 대체함으로써 달성될 수도 있다. 외부 열교환기 요소(11)는 도 3 및 도 5에 도시한 형태로 이루어질 수도 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 입구 및 출구가 열교환기 요소(11)의 반대쪽에서 유동 통로와 소통할 수 있도록 액체 입구(14) 및 출구(15)의 가로 간격이 증가되어 있다. 이것은 앞에서 설명한 바와 같이 유동 방향을 90도 시프트함으로써 얻어진다.

파상 인서트 부분(19, 20)의 기하학과 관련된 한가지 가장 중요한 파라미터는 도 7에 도시한 간격 "d"이고, 최적치는 0.8 - 1.2 mm인 것을 발견하였다. 인서트 부분(19, 20)의 파상부 또는 핀의 높이 및 길이는 그다지 중요하지 않다. 높이가 증가하면 열전달면적이 커질뿐만 아니라 압력 강하도 감소한다. 그러나, 4 내지 12 mm 사이에서 높이가 변동하는 경우 전체 공조시스템의 총효율은 거의 변하지 않는다. 이것은 높이가 증가하고 따라서 열전달면적이 증가하면 (최대 10,000 W/m2K의) 매우 높은 열전달계수로 인해 비교적 낮은 파상부인 경우에도 0.3의 값을 초과하지 않는 파상면의 핀 효율을 감소시키기 때문이다. 실제적인 이유로, 열교환기 요소 내에서 한정되는 공동의 높이는 6 - 10 mm보다 작아서는 안된다. 따라서, 인서트를 두 개(도 8) 이상 쌓아올리는 것이 바람직하다. 도 8에 도시한 바와 같이, 유동 통로(18)의 두 층을 한정하기 위하여, 상부 인서트의 골부(22)가 하부 인서트의 한 쌍의 인접한 산부(21)와 결합할 수 있도록 배열되는 것이 바람직하다. 일례로서, 여섯개의 펠티에 소자가 중앙 "저온" 열교환기 요소(12) 및 각각의 외부 "고온" 열교환기 요소(11) 사이에 나란히 샌드위치 형태로 배열될 수 있다.

위에서 설명한 실시예는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 여러가지로 변형 및 변경이 가능하다. 본 발명은 본 명세서에서 참고자료로 인용되는 본원인의 국제특허출원 WO 97/22486에 개시된 열교환기 장치를 개량한 것이다.

본 발명에 따르면 열교환기 장치의 설치공간을 최소화할 수 있고, 열교환기 장치의 효율을 증가시키는 것이 가능하다.

Claims (17)

1. 열전달 액체가 흐르는 하나 이상의 유동 통로를 각각 한정하는 열교환기 요소와, 열전도 접촉이 이루어질 수 있도록 열교환기 요소 사이에 나란히 그리고 샌드위치 형태로 배열된 다수의 열전 유니트를 포함하는 공조시스템용 열교환기 장치에 있어서, 중앙의 제 1 열교환기 요소와, 한 쌍의 외부의 제 2 열교환기 요소를 포함하며, 상기 열전 유니트는 열이 중앙 제 1 열교환기 요소에서 각각의 외부 제 2 열교환기 요소로 전달될 수 있도록 외부의 제 2 열교환기 요소와 중앙의 제 1 열교환기 요소 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
2. 내부에 열전달 액체가 흐르는 다수의 유동 통로를 한정하는 제 1 및 제 2 열교환기 요소와, 제 1 및 제 2 열교환기 요소 사이에 나란히 그리고 샌드위치 형태로 배열된 다수의 열전 유니트를 포함하는 공조시스템용 열교환기 장치에 있어서, 유동 통로가 판상 금속으로 만들어지고 열교환기 요소 내에 한정된 공동 내에 배열되는 인서트에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
3. 제2항에 있어서, 중앙의 제 1 열교환기 요소와, 한 쌍의 외부의 제 2 열교환기 요소를 포함하며, 상기 열전 유니트는 열이 중앙 제 1 열교환기 요소에서 각각의 외부 제 2 열교환기 요소로 전달될 수 있도록 외부의 제 2 열교환기 요소와 중앙의 제 1 열교환기 요소 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
4. 제1항에 있어서, 열교환기 요소의 유동 통로는 판상 금속으로 만들어지고 이들 요소 내에 한정되는 공동 내에 배열되는 인서트에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
5. 제2항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 각각의 인서트는 파상 단면 형상을 취하며, 유동 통로는 그러한 파상 형성부의 길이방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
6. 제5항에 있어서, 각각의 파상 형성부는 그에 의해 형성되는 유동 통로의 길이방향으로 연장되는 파상부로 분할되며, 일련의 파상부는 가로방향으로 오프셋되는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
7. 제2항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 둘 이상의 층 내에서 유동 통로를 한정하기 위하여, 두개 이상의 인서트는 상기 각각의 공동 내에서 적층되는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
8. 제5항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 둘 이상의 층 내에서 공동 연장되는 다수의 유동 통로를 한정하기 위하여 파상 인서트의 한 쌍의 인접한 가로 파상 산부가 인접한 파상 인서트의 파상 골부의 바닥면과 접촉 결합상태로 배열되는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
9. 제1항 내지 제8항중 어느 한 항에 있어서, 열교환기 요소중 적어도 어느 하나는 열교환기 요소의 동일한 쪽에 위치한 열전달 액체 입구 및 출구를 구비하며, 유동 통로는 입구와 소통하는 제 1 부분과, 제 1 부분과 공동 연장되는 제 2 부분과, 입구 및 출구 부분을 상호 연결하는 연결 부분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
10. 제1항 내지 제9항중 어느 한 항에 있어서, 각각의 열교환기 요소는 가늘고 긴, 바람직하게는 장방형의 형상을 취하는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
11. 제1항 내지 제10항중 어느 한 항에 있어서, 각각의 열교환기 요소는 편평한 블록 형상을 취하는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
12. 제2항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서, 열교환기 요소중 적어도 하나는 측면을 갖춘 편평한 열교환기 몸체와, 상기 측면 내에 형성된 함몰부 또는 리세스에 의해 형성되는 공동과, 상기 함몰부 또는 리세스를 덮고 밀봉하는 덮개 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
13. 제9항 내지 제12항중 어느 한 항에 있어서, 유동 통로의 연결부는 제 1 및 제 2 부분에 직각으로 연장되는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
14. 제9항 내지 제13항중 어느 한 항에 있어서, 입구 및 출구는 유동 통로의 입구 및 출구 부분과 동일한 방향으로 연장되는 입구 및 출구에 대해 가로로 연장되는 연결 통로를 통해 각각 제 1 및 제 2 유동 통로에 연결되는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
15. 제9항 내지 제14항중 어느 한 항에 있어서, 인서트는 각각 제 1, 제 2, 및 연결 유동 통로 부분에 대응하는 인서트 부분을 포함하며, 입구 및/또는 출구 유동 통로 부분에 대응하는 인서트 부분과 연결 유동 통로에 대응하는 인서트 부분과의 인접 가장자리는 각각의 유동 통로 부분에 의해 한정되는 유동 통로의 방향과 예각을 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 인접 가장자리는 대략 90도 만큼 유동 통로 방향을 변경하기 위하여 각각의 유동 통로 방향의 보완 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.
17. 제1항 내지 제16항중 어느 한 항에 있어서, 차량 캐빈용 공조 시스템에 사용되는 것을 특징으로 하는 열교환기 장치.