KR20020028450A - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기에 대한 것으로서, 특히 상기 열교환기의 튜브를 다수개 제거하여 적은 전열면적으로도 냉각매체와 냉매간의 열교환 효율이 향상되고, 제작비가 감소되며, 소형화 및 경량화되는 열교환기가 제공될 수 있도록 한 것이다.

이를 위해 본 발명은 열교환면적이 증가되도록 튜브의 외주에 형성되는 핀(3)과, 서로 일정 간격으로 이격되게 튜브(2)를 다수 단과 복수 열로 상기 핀에 삽입하되, 각 열과 각 단에서 적어도 하나 이상의 튜브가 제거되어 유로가 형성하된 열교환기(1)를 제공하는 것이다.

Description

열교환기{A heat exchanger}

본 발명은 열교환기에 대한 것으로서, 더욱 상세히 말하자면 냉매의 유로를 형성하는 동관 튜브의 배열 구조 개선에 대한 것이다.

일반적으로 열교환기는 공기조화기와 히트 펌프 등에 사용되며, 공기 등의냉각매체를 이용하여 냉매를 응축 또는 증발시키는 장치이다.

이러한 열교환기는 도 1에서 도시된 것과 같이, 냉매의 유로를 형성하는 튜브(2)를 열전달 면적을 증가시키기 위한 판형 핀(3)에 삽입하되, 상기 튜브(2)는 일정 간격으로 이격시켜 다수 단 설치되며, 냉매 유로의 경로가 분지될 수 있도록 다수 단의 튜브를 하나 이상의 열로 형성한다.

한편, 상기 튜브(2) 내에서 유동되는 냉매가 상기 열교환기(1)내의 열교환 과정중 압력 손실 없이 냉매의 응축만이 효율적으로 이루어질 수 있게 모든 유로를 냉매가 지나가도록 튜브(2)를 설계한다.

이러한 구성을 가진 열교환기(1)를 공기조화기에 응축기로 설치되면, 압축기를 통하여 압축된 냉매는 상기 튜브(2) 내를 유동하면서 외부 공기와 열교환되어 응축된다.

한편, 상기 열교환기(1)가 공기조화기에 증발기로 설치될 때, 모세관을 통하여 감압된 냉매가 튜브(2) 내에서 실내 공기와 열교환되어 저온 기냉매로 증발된다.

상기 과정을 살펴보면 열교환기(1)에 냉각 매체가 송풍되어 복수 열로 형성된 튜브(2)를 가진 열교환기(1)일 경우, 냉각 매체는 먼저 전열의 튜브(2)를 지나면서 상기 튜브(2) 내에서 유동되는 냉매의 열을 흡수한 후, 다음 후열의 튜브(2)를 지나면서 냉매의 열과 열교환하여 공기조화기의 외부로 방출된다.

그러나, 상기 전열의 튜브(2)를 지나면서 열교환된 냉각 매체는 온도가 상승되어 있기 때문에 후열의 냉매와 열교환될 때, 후열의 튜브(2) 내에서 유동되는 냉매와 상기 냉각매체 사이의 온도차가 상대적으로 작기 때문에 열교환이 전열보다 적게 이루어져 효과적인 열교환효율의 상승을 기대하기 어렵다.

한편, 상기와 같이 열교환 효율을 향상시키기 위하여 열교환기의 튜브를 다수 열로 형성할 경우, 열교환기의 부피가 증가되어 상기 열교환기가 설치되는 공기조화기의 부피 또한 증가되어야 하므로 공기조화기의 경량화와 소형화를 이루기 어렵다.

그리고, 상기 열교환기의 부피 증가로 인하여 상기 열교환기로 송풍되는 공기의 유동 저항이 커지기 때문에 팬 부하가 증대하여 에너지효율이 감소된다.

또한, 동관으로 형성되는 튜브를 다수 열로 제작할 경우 제작비가 증가되고, 부피 증가로 인하여 다른 공기조화기 또는 공기조화기 펌프와의 공용화가 용이하지 않다.

한편, 공기조화기를 소형을 제작할때, 열교환기의 높이를 낮추기 위하여 튜브(2)의 단을 제거하지 않고 복수 열로 유로를 형성할 경우, 열교환기의 성능이 과대하게 증가하여 시스템이 미스 매칭(mismatching)이 발생된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열교환기의 튜브 배열을 변경하여, 적은 전열면적으로도 냉각매체와 냉매간의 열교환 열량을 증가시켜 열교환효율이 향상되고, 제작비가 감소되는 열교환기가 제공되도록 한 것이다.

도 1은 종래 형태의 유로를 나타내는 사시도

도 2는 내지 도 5는 본 발명에 따른 튜브 구성을 나타내는 각 실시예의 종단면도

도 6은 튜브가 복수 열로 형성된 열교환기를 통과하는 공기의 유동 속도를 나타내는 개략 단면도

도 7은 절곡 형성된 본 발명에 따른 열교환기를 나타내는 사시도

<도면 주요 부분의 부호 설명>

1 : 열교환기 2 : 튜브

3 : 핀 4 : 튜브가 제거된 부분

5 : 데드존

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 열교환면적이 증가되도록 튜브의 외주에 형성되는 핀과, 서로 일정 간격으로 이격되게 튜브를 다수 단과 복수 열로 상기 핀에 삽입하되, 각 열과 각 단에서 적어도 하나 이상의 튜브가 제거되어 유로가 형성하된 열교환기를 제공하는 것이다.

도 2는 내지 도 5는 본 발명에 따른 다양한 튜브 구성을 나타내는 각 실시예의 종단면도이고, 도 6은 튜브가 복수열로 형성된 열교환기를 통과하는 공기의 유동 속도를 나타내는 개략 단면도이며, 도 7은 절곡 형성된 본 발명에 따른 열교환기를 나타내는 사시도이다.

첨부도면에 따라 본 발명의 구성을 설명하면 하기와 같다.

본 발명의 열교환기(1)는 복수개의 판형 핀(3)에 튜브(2)를 경로의 구상에 따라 복수단 다수열 삽입하여 유로를 형성하되, 각 단과 열에서 하나 이상의 튜브를 제거하고, 상기 튜브는 열전달계수가 큰 동관으로 형성된다.

상기 튜브를 연결할 때, 열교환기의 가동중 냉매가 압력 손실 없이 응축만이 효율적으로 이루어질 수 있게 모든 유로를 지나가도록한다.

도 2에 도시된 본 발명에 따른 제 1 실시예와 같이, 튜브(2)로 냉매의 경로를 형성하되, 열교환기(1)의 우측 하단의 나란히 위치한 2단의 튜브(4)를 제거하고, 열교환기(1)의 타측 상단에 나란히 위치한 2단의 튜브(4)를 제거한다.

한편, 도 3은 본 발명에 따른 제 2 실시예로써, 열교환기(1)의 핀(3)에 삽입된 우측 하단의 튜브(2) 삽입 위치를 하나 비워 두고, 타측에서는 상단의 나란히 위치한 튜브(4) 삽입공을 3개를 비워, 상기 튜브를 핀에 삽입하여 냉매의 유로를형성한다.

도 4는 본 발명에 따른 제 3 실시예로써, 튜브(2)를 2열로 상기 평판핀(3)에 삽입하되, 냉매의 경로가 단차되게 흐르도록 상기 우측과 좌측 튜브열에서 서로 엇갈리는 단의 튜브를 하나씩 제거하여 튜브의 배열을 형성한다.

또, 도 5는 본 발명의 제 4 실시예로써, 열교환기(1) 우측 상단의 나란한 3개의 튜브(4)를 제거하고, 마지막 단에서 하나의 튜브(4)를 제거한 후, 좌측에서는 상기 우측의 제거되지 않는 단에 위치된 좌측 열의 튜브의 삽입공에 튜브(4)를 삽입하지 않고 튜브의 유로를 형성한다.

상기한 구성을 가진 본 발명에 따른 열교환기(1)를 분리형 공기조화기의 실외기에 설치하여 응축기로 사용할 경우, 상기 분리형 공기조화기의 실외기에는 냉매를 압축시키는 압축기와, 핀-튜브로 형성된 열교환기와, 열교환기의 냉매가 외부 공기와 열교환될 수 있도록 외부 공기를 송풍시키는 팬과 상기 팬을 구동시키기 위한 실외기에는 설치된다.

즉, 상기 실외기의 하우징 일 측에 상기 열교환기(1)가 설치되고, 상기 열교환기의 타측면에는 팬이 설치되어, 상기 실외기에 형성된 통과공으로 공기가 유입 및 배출된다.

그리고, 상기 분리형 공기조화기의 실내에는 실내 공기로 냉매를 증발시키는 증발기 등이 설치된다.

상기 분리형 공기조화기가 가동되면 상기 압축기는 모터의 회전력을 이용하여 냉매를 고온·고압으로 압축한 후, 상기 압축기와 연결된 응축기로 사용되는 열교환기(1) 측으로 냉매를 배출한다.

상기 고온·고압의 냉매는 본 발명에 따른 튜브 배열을 가진 열교환기내에서 유동하게 되고, 이때 열전달계수가 높은 동관으로 형성된 튜브(2)와 냉매사이에 열교환이 이루어져, 상기 열은 팬의 회전에 따라 송풍되는 냉각 매체의 열과 열교환된다.

상기와 같은 방법으로 열을 교환한 냉매는 응축되어 팽창밸브로 이동되고, 상기 팽창 밸브에서 감압된 후, 상기 증발기에서 저온으로 증발되어 압축기로 유입되는 경로로 순환된다.

이 때, 상기 열교환기(1)를 통과하는 냉각 매체의 유동을 살펴보면 도 6에서 도시된 것과 같다.

즉, 열교환기(1)의 전면 또는 후면에서 공기가 유입될 때, 공기와 먼저 접촉하게 되는 전열의 동관 튜브(2)에 있어서, 공기가 일정 속도로 저항체인 튜브(2)를 통과하게된다.

이에 따라, 튜브(2)의 외주부 45°주변으로 공기가 빠른 속도로 유동하는 반면, 튜브(2)의 후방에는 공기가 유동되지 않는 데드존(5)(dead zone)이 형성된다.

열교환기(1)의 전열과 후열에 형성된 각 단의 튜브(2)는 서로 동일한 위치에 형성되지 않기 때문에 전열 튜브(2)의 45°근처에 형성되는 빠른 공기 유동으로 인하여 전열 튜브(2)와 일정 각도로 삽입된 제 2열의 튜브(2)를 통과하는 공기의 유동 속도는 더 빨라진다.

즉, 2열로 형성된 동관 배열을 가진 열교환기(1)를 살펴볼 때, 공기가 1열을지나면서 각 튜브(2)의 외주부로 공기 유입 수평면에 대하여 일정 각도로 난류가 형성되어 2열의 튜브를 지나는 공기의 유동속도는 초기보다 빨라진다.

반면, 상기 설명과 같이 2열의 튜브(2)를 통과하는 공기의 유동 속도가 빨라도 1열을 통과하면서 상기 냉각 매체는 냉매와 열교환되어 온도가 상승되므로 2열에서는 1열보다 열교환효율이 떨어지게 된다.

이에 따라, 본 발명과 같이 튜브(4)를 다수개 제거하여, 튜브 삽입공을 비워둔채 튜브(2)를 연결하면 1열의 튜브에서 형성되는 냉매와 냉각 매체간의 열교환 열량은 줄어드는 반면, 냉각 매체는 1열의 튜브로 인하여 난류를 형성하게 된다.

즉, 핀과 튜브 및 공기간의 온도차가 같을 때, 공기의 와류로 인하여 2열의 열전달효율이 더 크기 때문에 2열의 동관에 냉매가 흐르지 않는 경우보다, 1열의 동관 내부에 냉매가 흐르지 않는 경우가 열교환효율이 높다는 것을 의미한다.

따라서, 상기와 같은 방법으로 형성된 동관 배열에서 얻을 수 있는 비워둔채 살펴보면 하기와 같다.

도 2에서 제시한, 본 발명에 따른 제 1 실시예에서는 공기와 먼저 접촉하는 전열에서 제거하는 튜브(2)와 동일한 개수의 튜브(2)를 후열에서 제거하여 유로를 형성한 것으로서, 냉매와 공기의 열교환 열량(heat flux)은 7499BTU/h이다.

전열과 후열에서 두개의 동관이 제거된 부분은 열교환 열량(HF)이 0이고, 각 관에 있어서, 전열에서의 열교환 열량이 후열의 열교환열량보다 많다.

도 3의 제 2실시예에서는 후열에서 튜브(2)를 많이 제거한 것으로서, 냉매와 공기의 열교환 열량은 7575BTU/h이다.

도 4는 제 3실시예로써, 튜브(2)의 유로가 소정 기울기를 가지도록 전열과 후열의 튜브 제거위치를 서로 엇갈리게 형성하면, 냉매 와 공기의 열교환 열량은 비교적 높은 7581BTU/h이다.

이는 즉, 전열과 후열에 설치된 각 동관에서의 열교환 열량이 동일하게 나타나기 때문이다.

그리고, 도 5에서 도시된 것은 본 발명에 따른 제 4실시예로써, 공기가 먼저 닿는 전열에서 다수의 튜브(2)를 제거할 경우, 냉매와 공기의 열교환 열량은 가장 놓은 열교환 열량을 보이는 7,612BTU/h이다.

따라서, 전열에서 다수개의 관을 제거하면, 후열 동관에서의 열교환 열량이 전열 동관의 열교환 열량보다 높아지는 것을 보여지고 이는 전체적인 열교환기의 성능을 향상시키게 된다.

이와 같은 실시예에서 알 수 있는 것과 같이, 공기 측과 먼저 접촉되는 1열의 튜브(2)를 많이 제거할 수록 공기의 유동 속도가 빠른 2열에서의 냉매와 공기간의 열교환 열량이 커져 열교환 효율이 향상된다.

이는 즉, 공기조화기를 소형화하기 위해서 열교환기(1)의 단수를 줄이는 대신 열수를 복수열로 형성시킬 때, 공기 측과 먼저 접촉되는 공기 측과 튜브(2)를 다수개 제거함으로써, 과대 응축효과에 의한 시스템과의 미스 매칭을 방지할 수 있다.

한편, 도 7에서 도시된 것은, 열교환기(1)를 일자로 설치하지 않고, 공기조화기의 설치면적에 따라 벤딩하여 ㄴ자형 또는 ㄷ자형등으로 형성하는경우, 전열에3개의 튜브(2)가 제거된 제 4실시예의 열교환기(1)인 경우 관이 제거된 핀(3)부분이 벌어지게 되면, 핀(3)과 핀(3)사이의 간격이 일정하게 유지되지 못하기 때문에 열교환 효율이 떨어지게 된다.

그리고, 후열의 튜브(2)가 연속적으로 3개 제거된 제 2실시예인 경우, 핀(3)이 찌그러져 불량품이 발생된다.

또, 1열과 2열에 연속적으로 2개의 튜브(2)를 제거한 제 1실시예인 경우, 좌측의 열교환기(1) 끝단의 헤어핀(3)을 제거하고 다르게 벤딩하여 양산시의 문제가 발생하게 된다.

반면, 제작상의 벤딩 강도를 가지는 제 3실시예의 경우에는 일정한 간격으로 튜브가 각 단에서 제거되기 때문에 열교환효율이 좋다.

또한, 압축기로부터 열교환기로 과열 증기가 유입되는 경우 전열면적을 상승시키기 위하여 복수열로 튜브를 형성하고, 각 열에서 하나씩의 튜브만을 제거시켜 나머지 각 튜브를 연결시킬 수 있다.

이와 달리 열교환기가 실내에 설치되어 압축기와 팽창밸브의 사이에 설치되고, 팽창밸브로부터 저온·저압의 냉매를 공급받아 실내 공기와 열교환으로 냉매를 증발시키는 경우, 기상과 액상이 혼합된 냉매의 유로가 형성되도록 튜브(2)를 1열로 형성한다.

상기에서 설명한 바와 같이, 당업자라면 요구되는 열교환기의 효율과 설치위치등을 고려하여 튜브의 제거위치와 튜브의 유로 연결 형태등을 다양하게 실시 할 수 있는 것은 이해 가능하다.

본 발명은 열교환기에 형성되는 튜브의 배열 구조를 균일하게 형성하지 않고 하나 이상의 열과 단에서 하나 이상의 튜브를 제거함으로써, 공기의 유동 속도가 높은 위치에서 열교환이 일어나도록 하여 열교환 효율이 향상된다.

그리고, 공기조화기를 소형화 경량화 할 경우, 열교환기의 단의 수를 줄이고 복수열로 열교환기를 형성함에 따라 발생되는 열교환 열량의 미스 매칭은 튜브를 삭제함으로써 조절가능하다.

또, 종래 열교환기에서 요구되는 열교환효율에 따라 동관을 제거하여 유로를 형성하여 열교환 열량을 제어할 수 있으므로 호환성이 향상되고, 이로 인한 제작 비용이 감소된다.

또한, 공기조화기내에 삽입되는 위치에 따라 절곡 되는 열교환기는 각 열에서 엇갈리게 동관을 제거하기 때문에 벤딩 강도가 유지되어 벤딩 작업시 열교환시의 손상이 방지된다.

Claims (6)

1. 열교환면적이 증가되도록 튜브의 외주에 형성되는 핀(3)과,

   서로 일정 간격으로 이격되게 튜브(2)를 다수 단과 복수 열로 상기 핀에 삽입하되, 각 열과 각 단에서 적어도 하나 이상의 튜브가 제거되어 유로가 형성하된 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   튜브가 냉각 매체와 먼저 열교환하게되는 전열과 그 후에 열교환하게 되는 후열로 형성된 튜브 배열로 설치된 열교환기는 전열에서 나란히 다수개의 튜브를 제거하고, 상기 후열에서 하나의 튜브를 제거하여 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 열교환기는 서로 엇갈리는 위치의 각 단이 일정한 방법으로 전열과 후열에서 제거되어 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 열교환기는 전열에서 하나의 튜브가 제거되고, 후열에서 나란한 다수 단의 튜브를 제거하여 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 열교환기는 각 열에서 나란한 다수 단의 튜브를 제거하여 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 제 3 항에 있어서,

   상기 열교환기는 여러가지 형상으로 절곡되는 것을 특징으로 하는 열교환기.