KR20030035513A

KR20030035513A - 이산화탄소용 열교환기

Info

Publication number: KR20030035513A
Application number: KR1020010067614A
Authority: KR
Inventors: 이준강; 장길상; 한인철; 박창호; 안황재
Original assignee: 한라공조주식회사
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2003-05-09
Also published as: KR100638488B1

Abstract

본 발명은 이산화탄소를 냉매로 사용하는 열교환기로서, 상호 평행하게 이격되어 배치되고 양 단부가 밀폐된 제1,2헤더파이프와, 상기 제1,2헤더파이프에 형성된 복수개의 슬롯들에 각각 삽입되어 이들을 연결하는 상호 평행한 복수개의 압출튜브들과, 상기 압출튜브들 사이에 설치된 복수개의 휜들을 구비하는 열교환기로서, 상기 각 제1,2헤더파이프의 내부에는 그 길이를 따라 냉매의 흐름을 유도하는 상호 독립된 한 쌍의 통로가 형성되고, 상기 압출튜브들은 상기 제1헤더파이프의 어느 한 통로와 이에 대응되는 상기 제2헤더파이프의 한 통로를 연결하는 복수개의 제1압출튜브들 및 상기 제1헤더파이프의 다른 한 통로와 이에 대응되는 상기 제2헤더파이프의 나머지 한 통로를 연결하는 복수개의 제2압출튜브들로 이루어지고, 상기 제1압출튜브 및 제2압출튜브 사이에는 소정의 갭이 형성되고, 상기 제1헤더파이프에는 외부로부터 유입되는 상기 냉매가 통과하는 유입구와 외부로 유출되는 상기 냉매가 통과하는 유출구가 형성되고, 상기 제2헤더파이프의 내부에는 상기 상호 독립된 한 쌍의 통로를 연통시키는 적어도 하나의 리턴홀이 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

이산화탄소용 열교환기{Heat exchanger for using CO2 as a refrigerant}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 냉매로 사용하는 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 온도가 높은 유체로부터 전열벽(傳熱壁)을 통해서 온도가 낮은 유체에 열을 전달하는 장치이다. 이러한 열교환기의 형식에서 가장 일반적으로 사용되는 것은 금속관을 전열벽으로 하는 것으로, 이 형식에는 주수식(注水式) ·이중관식 ·핀붙이 다관식 ·투관형식(透管型式) 등이 있다.

이러한 열교환기를 구성요소로 하는 에어컨 시스템의 작동 매체로 지금까지는 주로 HFC 냉매가 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 HFC 냉매는 지구 온난화의 주요 요인 중의 하나로 인식되어 그 사용에 대한 규제가 점차 확대되어 왔다. 이러한 상황 하에서, HFC 냉매를 대체할 차세대 냉매의 대표 주자로서 이산화탄소 냉매에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되어 왔다.

이산화탄소는 첫째, 작동 압축비가 낮아 압축 효율이 우수하며, 둘째, 열전달 특성이 매우 우수하여 2차 유체인 공기의 입구 온도와 냉매의 출구 온도 사이의 차이가 기존의 냉매에 비해 훨씬 작아 냉매로서의 이점이 클 뿐만 아니라 히트펌프에도 적용 가능성이 크다.

또한, 이산화탄소는 체적냉방능력(증발잠열 ×기체밀도)이 기존의 냉매인 R134a의 7배 내지 8배 이므로 압축기의 토출체적을 크게 줄일 수 있으며, 표면 장력이 작아 비등열전달이 우수하고, 비열이 크고 액체 점도가 낮아 냉매로서 우수한 열역학적 특성을 갖고 있다. 또한, 작동 압력이 기존 냉매에 비해 6배 내지 10배 정도로서 매우 높아, 유동 통로를 미세하게 형성하는데 따른 시스템상의 냉매의 압력 강하에 대한 손실이 기존 냉매에 비해 상대적으로 현저하게 작게 되는 바, 이산화탄소 냉매의 유동 통로로 열교환 성능이 우수한 미세 채널을 사용할 수 있다.

더욱이, 이산화탄소의 냉동 사이클은, 도 1에 도시된 바와 같이, 임계 압력(critical pressure)을 벗어나 구동된다. 도면을 참조하면, 개스쿨러 내에서 냉매가 쿨링될 때(2 →3), 기체에 가까운 물질이 액체에 가까운 물질로 변함에 따라 온도가 하강하는 특징이 있다. 따라서, 개스쿨러 입구부의 온도가 출구부의 온도보다 높아서 압출튜브와 방열휜을 통해 개스쿨러의 고온부에서 저온부로 열전달이 발생하게 되는 바, 이러한 압출튜브와 방열휜을 통한 열전달을 감소시킬 필요가 있다. 또한, 개스쿨러의 출구부에서 냉매 온도가 외부에서 유입되는 유체의 온도에 가깝게 낮으면 낮을수록 냉방 성능이 우수해지는 특성이 있다. 예컨대, 도 1에 있어서, 개스쿨러의 출구부에서 온도가 40℃일 때, 사이클은 1 →2 →3 →4 →1인 데 비해, 개스쿨러의 출구부에서 온도가 20℃일 때는, 사이클이 1 →2 →3' →4' →1로 되어 증발기측 냉방 효과가 Q1에서 Q2로 크게 증가됨을 알 수 있다. 따라서, 성능계수(coefficient of performance, Q/W)가 개스쿨러의 출구부의 온도에 따라 크게 달라지는 특성이 있다.

그러나, 이산화탄소의 냉동 사이클은 초임계(transcritical) 압력 사이클이기 때문에 증발 압력뿐만 아니라 응축 압력이 기존의 사이클에 비해 6배 내지 10배(개스쿨링 압력이 약 100 ~ 130 bar임) 높으므로 이산화탄소를 냉매로 사용하기 위해서는 현재 사용 중인 증발기와 응축기를 이러한 높은 압력에 견딜 수 있도록 재설계 하여야 하는 문제점이 있다.

종래의 차량 에어컨 증발기 중 라미네이트형(laminate type) 증발기는 고압에 견딜 수 없기 때문에 이산화탄소를 냉매로 사용하는 것에는 적용할 수 없다.

또한 종래의 응축기 중 피에프형(parallel flow type) 응축기도 높은 작동 압력으로 인해 이산화탄소를 냉매로 하는 열교환기로 사용할 경우 재설계가 필요하다. 더욱이, 종래의 피에프형 응축기는 튜브의 열(row)수가 한 개인 단일 슬랩 방식으로서 성능 향상을 위하여 복수개의 배플을 추가함으로써 냉매의 유동 경로를 멀티 패스로 한 단일 슬랩의 멀티 패스(multi-pass) 방식을 채용하고 있었다. 그러나, 이산화탄소를 냉매로 하는 열교환기에 있어서는 열교환기 내의 이산화탄소가 입구측과 출구측의 과도한 온도 편차로 인해 외부 유입 공기와 열전달이 잘 이루어지지 못하고 열교환기 자체의 온도가 높은 부분과 온도가 낮은 부분간의 열전달이 발생하여 성능이 감소되는 요인이 되므로 이산화탄소를 냉매로 사용하는 열교환기로는 상기 열교환기 자체의 표면을 통한 열흐름을 차단하기 위하여 상기 단일 슬랩 방식보다는 멀티 슬랩(multi-slab) 방식을 채용하는 것이 더욱 적합하다.

따라서 종래에는 상기 이산화탄소의 냉매 특성을 고려하지 않고 단지 높은 작동 압력만을 견딜 수 있도록 종래의 서펜틴형(serpentine type) 열교환기의 두께를 크게 한 것을 이산화탄소용 열교환기로 사용하여 왔다. 그러나, 상기 두께만을 크게 한 서펜틴형 열교환기는 압력강하가 크고 튜브내의 냉매 분포가 균일하지 못하여 열교환 성능이 떨어지며 제조비용이 높게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 이산화탄소를 냉매로 사용할 경우에 필요한 높은 개스쿨링 압력 및 증발 압력을 견딜 수 있는 구조를 갖는 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 종래의 열교환기의 구조를 크게 변경하지 않으면서도 이산화탄소를 냉매로 사용할 수 있는 구조를 갖는 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 이산화탄소 냉매가 헤더파이프에서 원활하게 연통되도록 하는 구조를 갖는 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 높은 작동 압력을 갖는 이산화탄소 냉매에 견딜 수 있는 새로운 구조의 헤더파이프를 갖는 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 멀티 슬랩형(multi-slab type) 열교환기에 적용할 수 있는 헤더파이프를 갖는 열교환기를 제공하는 것이다.

도 1은 이산화탄소 냉동 사이클의 P-h 선도를 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열교환기를 도시한 사시도.

도 3a는 도 2의 제1헤더파이프를 도시한 사시도.

도 3b는 도 2의 제1헤더파이프의 Ⅰ-Ⅰ단면을 도시한 평면도.

도 4a는 도 2의 제2헤더파이프를 도시한 분리 사시도.

도 4b는 도 2의 제2헤더파이프의 Ⅱ-Ⅱ단면을 도시한 평면도.

도 5 내지 도 8은 도 2의 제2헤더파이프의 다른 실시예들을 도시한 분리 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10, 20 : 제1,2헤더파이프 11, 21 : 엔드캡

12, 14 : 제1헤더파이프의 내부 통로

13, 23 : 슬롯 15, 25 : 코킹 결합 부분

17, 27 : 제1,2헤더파이프의 헤더

18, 28 : 제1,2헤더파이프의 탱크

22, 24 : 제2헤더파이프의 내부 통로

29 : 리턴홀 30 : 유입구

40 : 유출구 50 : 압출튜브

50a, 50b : 제1,2압출튜브 60 : 휜

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 열교환기는 상호 평행하게 이격되어 배치되고 양 단부가 밀폐된 제1,2헤더파이프와, 상기 제1,2헤더파이프에 형성된 복수개의 슬롯들에 각각 삽입되어 이들을 연결하는 상호 평행한 복수개의 압출튜브들과, 상기 압출튜브들 사이에 설치된 복수개의 휜들을 구비하는 열교환기로서:

상기 각 제1,2헤더파이프의 내부에는 그 길이를 따라 냉매의 흐름을 유도하는 상호 독립된 한 쌍의 통로가 형성되고;

상기 압출튜브들은 상기 제1헤더파이프의 어느 한 통로와 이에 대응되는 상기 제2헤더파이프의 한 통로를 연결하는 복수개의 제1압출튜브들 및 상기 제1헤더파이프의 다른 한 통로와 이에 대응되는 상기 제2헤더파이프의 나머지 한 통로를 연결하는 복수개의 제2압출튜브들로 이루어지고;

상기 제1압출튜브 및 제2압출튜브 사이에는 소정의 갭이 형성되고;

상기 제1헤더파이프에는 외부로부터 유입되는 상기 냉매가 통과하는 유입구와 외부로 유출되는 상기 냉매가 통과하는 유출구가 형성되고;

상기 제2헤더파이프의 내부에는 상기 상호 독립된 한 쌍의 통로를 연통시키는 적어도 하나의 리턴홀이 형성된 것을; 특징으로 한다.

또한, 상기 각 제1,2헤더파이프의 내부의 각 통로는 둥근 형상의 횡단면을 갖는 것이 바람직하다.

더욱이, 상기 각 제1,2헤더파이프 내부의 한 쌍의 통로를 상호 독립되게 하는 부분의 횡단면 두께는 나머지 부분의 횡단면 두께보다 두꺼운 것이 바람직하다.

바람직하게는 상기 각 제1,2헤더파이프 내부의 한 쌍의 통로를 상호 독립되게 하는 부분의 횡단면 두께는 나머지 부분의 횡단면 두께보다 1.3배지 내지 1.7배이다.

게다가, 상기 리턴홀은 원형 또는 장방형의 구멍 형상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 복수개의 리턴홀들은 유입구를 통해 유입된 냉매가 처음으로 도달하는 제2헤더파이프의 상부쪽으로 갈수록 상대적으로 서로 가깝게 인접하는 위치들에 형성되고 그 하부쪽으로 갈수록 상대적으로 서로 멀게 인접하는 위치들에 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 유입구 및 유출구는 상기 제1헤더파이프의 서로 다른 통로에 각각 형성되고, 상기 제1헤더파이프의 유입구가 형성된 통로의 내부에는 적어도 한 개의 배플이 구비되며, 상기 제1헤더파이프의 유입구가 형성되지 않은 다른 통로의 내부 및 상기 제2헤더파이프의 각 통로 내부에 적어도 한 개의 배플이 구비됨으로써 멀티 패스의 냉매 유동 경로가 형성되도록 한 것이 바람직하다.

또한, 상기 유입구 및 유출구는 상기 제1헤더파이프의 한 쌍의 통로 중 어느 한 통로에 형성되고, 상기 제1헤더파이프의 유입구 및 유출구가 형성된 통로의 내부에는 적어도 한 개의 배플이 구비되고 상기 제1헤더파이프의 다른 통로 내부에는 배플이 구비되어 있지 않거나 적어도 한 개의 배플이 구비되고, 상기 제2헤더파이프의 각 통로 내부에는 적어도 한 개의 배플이 구비됨으로써 멀티 패스의 냉매 유동 경로가 형성되도록 한 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 열교환기는 상호 평행하게 이격되어 배치되고 양 단부가 밀폐된 제1,2헤더파이프와, 상기 제1,2헤더파이프를 연결하는 상호 평행한 복수개의 압출튜브들과, 상기 압출튜브들 사이에 설치된 복수개의 휜들을 구비하는 열교환기로서:

상기 각 제1,2헤더파이프는 그 길이를 따라 냉매의 흐름을 유도하는 상호 독립된 한 쌍의 통로를 내부에 형성하도록 결합된 헤더와 탱크를 구비하고;

상기 압출튜브들은 상기 제1,2헤더파이프의 각 헤더에 형성된 복수개의 슬롯들에 삽입되어 상기 제1,2헤더파이프를 상호 연결하고;

상기 제2헤더파이프 내부에는 그 내부의 상호 독립된 한 쌍의 통로를 연통시키는 적어도 하나의 리턴홀이 형성된 것을; 특징으로 한다.

또한, 상기 각 제1,2헤더파이프의 헤더와 탱크는 내부의 상호 독립된 각 통로가 둥근 형상의 횡단면을 갖도록 결합된 것이 바람직하다.

더욱이, 상기 각 제1,2헤더파이프는 프레스 가공된 헤더와 압출 가공된 탱크가 상호 브레이징된 것이 바람직하다.

게다가, 상기 각 제1,2헤더파이프는 그 헤더와 탱크가 코킹결합에 의해 결합된 부분을 적어도 한 개 이상 구비한 것이 바람직하다.

또한, 상기 헤더와 탱크가 코킹결합에 의해 결합된 부분은 상기 헤더와 탱크의 길이 전체에 걸쳐서 이루어져 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 각 제1,2헤더파이프 내부의 한 쌍의 통로를 상호 독립되게 하는 부분의 횡단면 두께는 나머지 부분의 횡단면 두께보다 두꺼운 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 각 제1,2헤더파이프 내부의 한 쌍의 통로를 상호 독립되게 하는 부분의 횡단면 두께는 나머지 부분의 횡단면 두께의 1.3배 내지 1.7배이다.

또한, 상기 리턴홀들은 상기 제2헤더파이프의 헤더와 탱크가 결합된 부분에 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 리턴홀들은 상기 제2헤더파이프의 내부의 한 쌍의 통로를 상호 독립시키는 헤더 부분 또는 탱크 부분에 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 리턴홀은 원형 또는 장방형의 구멍 형상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 유입구 및 유출구는 상기 제1헤더파이프의 서로 다른 통로에 각각 형성되고, 상기 제1헤더파이프의 유입구가 형성된 통로의 내부에는 적어도 한 개의 배플이 구비되며, 상기 제1헤더파이프의 유입구가 형성되지 않은 다른 통로의 내부 및 상기 제2헤더파이프의 각 통로 내부에는 적어도 한 개의 배플이 구비됨으로써 멀티 패스의 냉매 유동 경로가 형성되도록 한 것이 바람직하다.

또한, 상기 유입구 및 유출구는 상기 제1헤더파이프의 한 쌍의 통로 중 어느한 통로에 형성되고, 상기 제1헤더파이프의 유입구 및 유출구가 형성된 통로의 내부에는 적어도 한 개의 배플이 구비되고 상기 제1헤더파이프의 다른 통로 내부에는 배플이 구비되어 있지 않거나 적어도 한 개의 배플이 구비되고, 상기 제2헤더파이프의 각 통로 내부에는 적어도 한 개의 배플이 구비됨으로써 멀티 패스의 냉매 유동 경로가 형성되도록 한 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열교환기를 도시한 사시도이며, 도 3a는 도 2에 도시된 열교환기의 제1헤더파이프의 일부를 발췌하여 도시한 사시도이고, 도 3b는 도 2에 도시된 열교환기의 제1헤더파이프의 Ⅰ-Ⅰ단면을 도시한 평면도이고, 도 4a는 도 2에 도시된 열교환기의 제2헤더파이프를 도시한 분리 사시도이고, 도 4b는 도 2에 도시된 열교환기의 제2헤더파이프의 Ⅱ-Ⅱ단면을 도시한 사시도이다.

도 2 내지 도 4b를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 열교환기는 상호 평행하게 이격되어 배치되고 양 단부가 밀폐된 제1,2헤더파이프(10)(20)와, 상기 제1,2헤더파이프(10)(20)를 연결하는 상호 평행한 복수개의 압출튜브들(50)과, 상기 압출튜브들(50) 사이에 설치된 복수개의 휜들(60)을 구비한다.

상기 각 제1,2헤더파이프(10)(20)의 양 단부는 각각 엔드캡들(11)(21)에 의하여 밀폐되는 것이 바람직하다.

상기 제1헤더파이프(10)(20)는 그 길이를 따라 냉매의 흐름을 유도하는 상호 독립된 한 쌍의 통로(12)(14)를 내부에 형성하도록 결합된 헤더(17)와 탱크(18)를 구비한다. 또한, 상기 제2헤더파이프(20)는 그 길이를 따라 냉매의 흐름을 유도하는 상호 독립된 한 쌍의 통로(22)(24)를 내부에 형성하도록 결합된 헤더(27)와 탱크(28)를 구비한다. 상기 각 제1,2헤더파이프(10)(20)의 내부의 각 통로(12)(14)(22)(24)는 어떤 형상의 횡단면이든 가질 수 있지만, 이산화탄소 냉매의 큰 작동 압력에 잘 견딜 수 있도록 하기 위해서는 가능한 한 둥근 형상의 횡단면을 갖는 것이 바람직하다.

상기 각 제1,2헤더파이프(10)는 도 3a 및 도 4a에 각각 도시된 바와 같이 복수개의 슬롯들(13)(23)이 형성된 헤더(17)(27)와 이에 결합되는 탱크(18)(28)로 이루어진다. 상기 헤더(17)(27)와 탱크(18)(28)는 어떤 방법으로 제조된 것이든 무방하지만, 내부 통로(12)(14)의 횡단면의 형상을 둥근 형상으로 하기 위해서는 가능한 한 상기 헤더(17)(27)는 프레스 가공된 것이고 상기 탱크(18)(28)는 압출 가공된 것이며 도 3b 및 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 헤더(17)(27)의 단부가 상기 탱크(18)(28)의 단부 안쪽에 완전히 안착되도록 양자를 브레이징하여 결합시키는 것이 바람직하다. 종래의 열교환기에 있어서는 본 실시예와 달리 헤더와 탱크 모두 프레스 가공된 것이고 탱크의 단부가 헤더의 단부 안쪽에 안착되도록 양자를 결합하고 냉매 유동 통로의 횡단면이 진원에 가까운 원형이 되지 않았는데, 이러한 구조에서는 프레스 가공으로 인해 헤더와 탱크의 상호 안착되는 부분이 완전히 밀착되지 않아 작동 압력이 큰 이산화탄소 냉매를 사용할 경우 탱크와 헤더의 결합부가높은 압력을 견디지 못하고 파괴될 염려가 높다. 그러나 본 실시예와 같은 구조에서는 탱크를 압출 성형하므로 헤더가 안착되는 탱크 부분을 헤더가 완전히 밀착될 수 있도록 성형할 수 있어서 이러한 염려가 거의 없게 된다. 예컨대, 헤더의 양 단부(17')(27')가 직선에 가깝도록 프레스 가공되고 이 양 단부(17')(27')가 안착되는 탱크의 양 단부(18')(28')도 직선에 가깝도록 압출 성형한 다음 양자를 결합할 경우 밀착력이 더욱 커지게 된다.

또한, 상기 각 제1,2헤더파이프(10)(20)의 헤더(17)(27)와 탱크(18)(28)는 브레이징에 의해서만 결합될 수도 있지만, 도 3b와 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 각 제1,2헤더파이프(10)(20)에서는 그 헤더(17)(27)와 탱크(18)(28)가 코킹 결합에 의해 결합된 부분(15)(25)을 갖고 있는 것이 바람직하다. 이러한 코킹 결합된 부분(15)(25)은 헤더(17)(27)와 탱크(18)(28)의 결합력을 증가시켜 브레이징성을 우수하게 하여 제1,2헤더파이프(10)(20)가 이산화탄소 냉매의 높은 작동 압력을 보다 잘 견딜 수 있게 한다.

상기 코킹 결합된 부분(15)(25)은 헤더(17)(27)와 탱크(18)(28)의 각 결합부위에 모두 형성할 수도 있지만, 코킹 결합 공정의 용이성을 위해서는 도 3b 및 도 4b에 도시된 바와 같이 헤더(17)(27)와 탱크(18)(28)의 결합부위 중 양 내부 통로(12)(14)(22)(24)를 독립되게 하는 가운데 부분의 결합부위에만 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 코킹 결합된 부분(15)(25)은 제1,2헤더파이프(10)(20)의 길이 전체 중 일부에만 형성되도록 할 수 있지만, 제조 공정상의 용이성을 위해서는 가능한 한 제1,2헤더파이프(10)(20)의 길이 전체에 걸쳐 코킹 결합부분(15)(25)이 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 각 제1,2헤더파이프(10)(20) 내부의 한 쌍의 통로(12)(14)(22)(24)를 상호 독립되게 하는 부분(16)(26)의 횡단면 두께(t1)는 나머지 부분의 횡단면 두께(t2)보다 두꺼운 것이 바람직하다. 상기 각 제1,2헤더파이프(10)(20) 내부의 각 통로(12)(14)(22)(24) 내의 이산화탄소 냉매가 헤더파이프에 미치는 압력은 모든 방향에 있어서 동일하게 되므로 한 쌍의 통로(12)(14)(22)(24)를 상호 독립되게 하는 부분(16)(26)의 결합부분은 다른 결합부분들보다 두 배정도의 힘을 받게 되어 결합이 파괴될 염려도 그 만큼 커지게 된다. 따라서 상기 부분(16)(26)의 횡단면 두께를 나머지 부분의 횡단면 두께보다 두껍게 하여 결합부위를 크게 함으로써 상기 부분(16)(26)이 나머지 부분과 동일하게 이산화탄소 냉매의 높은 작동 압력을 견딜 수 있도록 한다. 더욱 바람직하게는, 상기 한 쌍의 통로(12)(14)(22)(24)를 상호 독립되게 하는 부분(16)(26)의 횡단면 두께(t1)는 나머지 부분의 횡단면 두께(t2)의 1.3배 내지 1.7배가 되도록 하는 것이다.

상기 제1헤더파이프(10)에는 외부로부터 유입되는 냉매가 통과하는 유입구(30)와 외부로 유출되는 상기 냉매가 통과하는 유출구(40)가 형성된다. 본 실시예에서는 단일 패스(single-pass) 방식의 열교환기이므로 도 2에 도시된 바와 같이 상기 유입구(30) 및 유출구(40)가 상기 제1헤더파이프(10)의 서로 다른 내부 통로(12)(14)에 각각 형성되어 있다. 그러나 상기 유입구(30) 및 유출구(40)는 멀티 패스 방식에 있어서는 냉매의 유동 경로를 어떻게 잡느냐에 따라 상기 제1헤더파이프(10)의 서로 다른 내부 통로(12)(14)에 형성될 수도 있고 동일한 내부통로(12)에 형성될 수도 있다.

상기 제2헤더파이프(20) 내부에는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 그 내부의 상호 독립된 한 쌍의 통로(22)(24)를 연통시키는 적어도 하나의 리턴홀(29)이 형성된다.

상기 리턴홀(29)은 상기 제2헤더파이프(20)의 헤더(27)와 탱크(28)의 결합에 의하여 형성된다. 즉, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제2헤더파이프(20) 내부의 한 쌍의 통로(22)(24)를 상호 독립시키는 탱크(28)의 부분(26)에 장방형의 복수개의 홈을 형성한 다음 이를 헤더(27)와 결합함으로써 리턴홀(29)을 형성시킨다.

상기 리턴홀(29)은 장방형으로 한정되지 않고 원형 등 어떤 형상으로든 될 수 있다.

또한, 상기 리턴홀(29)은 도 5에 도시된 바와 같이 한 개의 긴 장방형으로 형성할 수 있다. 이와 같이 리턴홀(29)을 형성할 경우 통로(22)와 통로(24)간의 냉매 연통이 보다 원활하게 이루어지는 장점이 있다.

이러한 리턴홀들(29)의 크기는 이산화탄소 냉매의 압력을 견딜 수 있으면서도 동시에 그 연통이 원활하게 이루어지는 범위 내에서 다양하게 할 수 있다.

더욱이, 상기 리턴홀(29)이 복수개일 경우에는 도 4a에 도시된 바와 같이 유입구(12)를 통해 유입된 냉매가 처음으로 도달하는 제2헤더파이프(20)의 상부쪽으로 갈수록 상대적으로 서로 가깝게 인접하는 위치들에 형성되고 그 하부쪽으로 갈수록 상대적으로 서로 멀게 인접하는 위치들에 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 제2헤더파이프(20)의 상부쪽으로 갈수록 리턴홀들(29)간의 간격이 상대적으로 좁게되고 하부쪽으로 갈수록 리턴홀들(29)간의 간격이 상대적으로 넓게 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 이산화탄소 냉매의 경우 기체에 가까운 물질에서 액체에 가까운 물질로 온도가 하강할 때에 밀도가 급격히 비선형적으로 증가하여 비중이 커지므로 이산환탄소 냉매가 제2헤더파이프(20)의 하부쪽에 집중되게 된다. 따라서 상기와 같이 제2헤더파이프(20)의 상부쪽에 리턴홀들(29)을 조밀하게 형성하여 제2헤더파이프(20) 내의 한 쌍의 통로들(22)(24) 간에 냉매 연통이 제2헤더파이프(20)의 길이 전체에 걸쳐서 고르게 분포되어 원활하게 이루어지면 열교환기 전체에 있어서 냉매 분포가 양호하게 되어 성능 향상을 도모할 수 있게 된다.

상기 리턴홀들(29)은 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 상기 제2헤더파이프(20)의 내부의 한 쌍의 통로(22)(24)를 상호 독립시키는 부분(26) 중 헤더(27)와 탱크(28)의 어느 한 부분에만 형성될 수도 있고, 양자에 각각 별도로 형성될 수도 있다. 이러한 경우에는 제2헤더파이프(20)에 있어서 헤더(27)와 탱크(28)의 결합 부위가 상호 완전히 접촉하게 되고 리턴홀들(29)로 인한 부분적인 비접촉 부분이 생기지 않게 됨으로써 헤더(27)와 탱크(28)의 결합력을 더욱 향상시킬 수 있게 된다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 내부 통로들(22)(24)을 상호 독립시키는 부분을 이루며 상기 리턴홀들(29)이 형성되는 헤더(27) 중간의 돌출부분(26)은 상기 헤더(27)를 프레스 가공하여서는 형성될 수 없지만, 이 경우에는 상기 헤더(27)를 압출 가공에 의하여 형성함으로써 상기 돌출부분도 동시에 형성되게 할 수 있다.

상기 압출튜브들(50)은 상기 제1,2헤더파이프(10)(20)의 각 헤더(17)(27)에 형성된 복수개의 슬롯들(13)(23)에 삽입되어 상기 제1,2헤더파이프(10)(20)를 상호연결한다.

상기 압출튜브들(50)은 상기 제1헤더파이프(10)의 한 통로(12)와 이에 대응되는 상기 제2헤더파이프(20)의 한 통로(22)를 연결하는 복수개의 제1압출튜브들(50a) 및 상기 제1헤더파이프(10)의 다른 한 통로(14)와 이에 대응되는 상기 제2헤더파이프(20)의 나머지 한 통로(24)를 연결하는 복수개의 제2압출튜브들(50b)로 이루어진다.

또한, 상기 제1압출튜브(50a) 및 제2압출튜브(50b) 사이에는 소정의 갭이 형성되도록 상기 압출튜브들(50a)(50b) 사이에 간격을 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 이산화탄소 열교환기의 핀과 튜브를 통한 자체 열전달을 최소화하여 대폭적인 성능 향상을 꾀할 수 있게 된다.

본 실시예에 따른 열교환기에서는 열전달 성능이 우수한 수력직경이 0.5mm 내지 1.0mm인 미세흐름관(51)을 갖는 압출튜브들(50)을 채용하였다. 다만, 본 발명에 따른 열교환기에 있어서는 반드시 이러한 범위 내의 수력직경을 갖는 미세흐름관(51)의 압출튜브들(50)에 한정되지 않으며 본 발명의 범위 내에서 다양한 수력직경을 갖는 미세흐름관을 갖는 압출튜브들이 채용될 수 있다. 나아가서 본 발명에 따른 이산화탄소용 열교환기에서는 튜브들이 압출튜브들인 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 본 발명의 범위에 포함되는 한 압출튜브 이외의 튜브들도 채용될 수 있음은 물론이다.

본 실시예에 따른 이산화탄소용 열교환기를 차량에 장착할 때에는 상기 유출구(40)가 형성된 제1헤더파이프(10)와 연통되는 제2압출튜브들(50b)이 외부 공기와먼저 접하게 한 다음 제1압출튜브들(50a)을 거쳐 나가도록 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 온도 접근성(temperature approach), 즉 외부 공기의 입구 온도와 냉매의 출구 온도 사이의 차이를 최소화하여 이산화탄소용 열교환기의 성능 향상을 도모할 수 있게 된다. 이와 같은 열교환기의 차량 장착 위치는 본 실시예에 대하여 국한되는 것은 아니며 본 발명에 따른 모든 열교환기에 있어서도 동일하게 적용될 수 있다.

본 실시예에서는 투 패스의 멀티 슬랩 방식을 채택한 이산화탄소용 열교환기에 관한 것에 한정되어 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되지는 않고 스리 패스(three-pass)의 멀티 슬랩 방식을 채택한 것일 수 있고 그 이상의 패스를 갖는 멀티 슬랩 방식을 채택한 것일 수도 있다.

상기 실시예들은 모두 제1,2헤더파이프(10)(20)의 각각이 헤더(17)(27)와 탱크(18)(28)의 결합에 의하여 형성된 것에 관한 것이지만, 본 발명에 따른 이산화탄소용 열교환기는 이에 한정되지 않고, 제1,2헤더파이프가 헤더와 탱크의 결합이 아닌 일체로 형성된 것일 수 있다.

즉, 본 발명은 제1,2헤더파이프를 헤더와 탱크의 결합이 아닌 일체로 형성된 것으로서 그 밖의 점에서는 상기 실시예들과 실질적으로 동일한 구성을 갖는 이산화탄소용 열교환기도 포함한다.

이와 같이 제1,2헤더파이프를 일체형 헤더파이프로 할 경우에는 이산화탄소 냉매의 높은 작동 압력에 더욱 잘 견딜 수 있게 된다.

본 발명의 열교환기는 이산화탄소를 냉매로 사용할 경우에 주로 적용되는 것이지만 반드시 이에 한정되지는 않고 종래의 냉매에 대하여서도 적용될 수 있는 것임은 물론이다.

이하, 상기한 구성을 갖는 본 발명의 열교환기의 작용을 설명한다.

도 2에 도시된 화살표 F에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 열교환기에 있어서 먼저, 유입구(30)를 통해 유입된 이산화탄소 냉매는 제1헤더파이프(10)의 내부 통로(12)로부터 그에 형성된 슬롯들(도 3의 13)에 삽입되어 제2헤더파이프(20)의 내부 통로(22)와 연결된 제1압출튜브들(50a)을 거쳐 제2헤더파이프(20)의 내부 통로(22)로 유동되게 된다. 이와 같이 제2헤더파이프(20)의 내부 통로(22)로 유입되는 과정에서 이산화탄소 냉매는 제1압출튜브들(50a) 및 휜들(60)를 통해 외부 공기와 열교환을 이루게 된다. 한편, 제2헤더파이프(20)의 내부 통로(22)로 유입된 이산화탄소 냉매는 리턴홀들(도 4의 29)을 통해 인접한 동일 헤더파이프(20)의 내부 통로(24)로 리턴된다. 그 다음 이산화탄소 냉매는 제2헤더파이프(20)의 내부 통로(24)로부터 그에 형성된 슬롯들(도 4의 23)에 삽입되고 제1헤더파이프(10)의 내부 통로(14)와 연결된 제2압출튜브들(50b)을 거쳐 다시 제1헤더파이프(10)의 내부 통로(14)로 유입되게 된다. 이와 같이 제1헤더파이프(10)의 내부 통로(14)로 유입되는 과정에서 이산화탄소 냉매는 다시 한 번 더 제2압출튜브들(50b) 및 휜들(60)을 통해 외부 공기와 열교환을 하게 된다. 이러한 과정을 거치면서 이산화탄소 냉매의 출구 온도는 외부 유입 공기의 입구 온도에 매우 가깝게 접근하게 된다. 한편, 제1헤더파이프(10)의 내부 통로(14)에 유입된 이산화탄소 냉매는 유출구(40)를 통해 외부로 유출되게 된다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 열교환기가 갖는 효과는 다음과 같다.

첫째, 본 발명에 따른 열교환기는 일체로 성형된 헤더파이프 또는 횡단면이 둥근 형상인 내부 통로를 갖도록 헤더와 탱크가 결합된 헤더파이프를 채용함으로써 이산화탄소를 냉매로 사용할 경우에 필요한 높은 개스쿨링 압력 및 증발 압력을 견딜 수 있는 효과를 거둘수 있게 된다.

둘째, 본 발명에 따른 열교환기는 헤더파이프를 구성하는 헤더와 탱크가 둥근 형상의 횡단면을 갖는 내부 통로들을 형성하도록 결합되거나 또는 상호 완전히 밀착 결합되도록 하는 구조를 갖게 됨으로써 종래의 열교환기의 구조를 크게 변경하지 않으면서도 이산화탄소 냉매의 높은 작동 압력에 견딜 수 있는 효과를 달성할 수 있게 된다.

셋째, 본 발명에 따른 열교환기는 헤더파이프의 내부 통로를 상호 독립시키는 부분에 소정 형상의 리턴홀들을 형성함으로써 헤더파이프에서의 이산화탄소의 냉매 연통이 원활하게 이루어지거나 냉매의 분포가 고르게 되도록 하여 전체적으로 열교환기의 대폭적인 성능 향상을 도모할 수 있다.

넷째, 본 발명에 따른 열교환기는 헤더파이프내에 냉매 연통이 가능하게 하는 리턴홀들을 형성함으로써 멀티 슬랩 방식의 열교환기에 있어서 이산화탄소의 연통이 원활하게 이루어지거나 냉매의 분포가 고르게 되도록 하는 효과를 도모할 수 있다.

다섯째, 본 발명에 따른 열교환기에 채용된 헤더파이프의 구조는 멀티 슬랩 방식의 열교환기는 물론 멀티 패스 방식의 열교환기에도 적용될 수 있는 바, 열교환기의 전체적인 가로 세로 길이는 줄이고 폭은 넓게 함으로써 이산화탄소용 증발기에도 사용할 수 있고 따라서 이산화탄소용 히트 펌프에 개스 쿨러와 증발기로서 동시에 사용할 수 있다.

여섯째, 본 발명에 따른 열교환기의 구조는 이산화탄소를 냉매로 사용하는 열교환기는 물론 다른 냉매를 사용하는 열교환기에도 적용될 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

상호 평행하게 이격되어 배치되고 양 단부가 밀폐된 제1,2헤더파이프와, 상기 제1,2헤더파이프에 형성된 복수개의 슬롯들에 각각 삽입되어 이들을 연결하는 상호 평행한 복수개의 압출튜브들과, 상기 압출튜브들 사이에 설치된 복수개의 휜들을 구비하는 열교환기로서:

상기 각 제1,2헤더파이프의 내부에는 그 길이를 따라 냉매의 흐름을 유도하는 상호 독립된 한 쌍의 통로가 형성되고;

상기 압출튜브들은 상기 제1헤더파이프의 어느 한 통로와 이에 대응되는 상기 제2헤더파이프의 한 통로를 연결하는 복수개의 제1압출튜브들 및 상기 제1헤더파이프의 다른 한 통로와 이에 대응되는 상기 제2헤더파이프의 나머지 한 통로를 연결하는 복수개의 제2압출튜브들로 이루어지고;

상기 제1압출튜브 및 제2압출튜브 사이에는 소정의 갭이 형성되고;

상기 제1헤더파이프에는 외부로부터 유입되는 상기 냉매가 통과하는 유입구와 외부로 유출되는 상기 냉매가 통과하는 유출구가 형성되고;

상기 제2헤더파이프의 내부에는 상기 상호 독립된 한 쌍의 통로를 연통시키는 적어도 하나의 리턴홀이 형성된 것을; 특징으로 하는 열교환기.
제1항에 있어서 상기 각 제1,2헤더파이프의 내부의 각 통로는 둥근 형상의 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제1항에 있어서 상기 각 제1,2헤더파이프 내부의 한 쌍의 통로를 상호 독립되게 하는 부분의 횡단면 두께는 나머지 부분의 횡단면 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 열교환기.
제3항에 있어서 상기 각 제1,2헤더파이프 내부의 한 쌍의 통로를 상호 독립되게 하는 부분의 횡단면 두께는 나머지 부분의 횡단면 두께의 1.3배 내지 1.7배인 것을 특징으로 하는 열교환기.
제1항에 있어서 상기 리턴홀은 원형의 구멍 형상인 것을 특징으로 하는 열교환기.
제1항에 있어서 상기 리턴홀은 장방형의 구멍 형상인 것을 특징으로 하는 열교환기.
제1항, 제5항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서 상기 복수개의 리턴홀들은 유입구를 통해 유입된 냉매가 처음으로 도달하는 제2헤더파이프의 상부쪽으로 갈수록 상대적으로 서로 가깝게 인접하는 위치들에 형성되고 그 하부쪽으로 갈수록 상대적으로 서로 멀게 인접하는 위치들에 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
상호 평행하게 이격되어 배치되고 양 단부가 밀폐된 제1,2헤더파이프와, 상기 제1,2헤더파이프를 연결하는 상호 평행한 복수개의 압출튜브들과, 상기 압출튜브들 사이에 설치된 복수개의 휜들을 구비하는 열교환기로서:

상기 각 제1,2헤더파이프는 그 길이를 따라 냉매의 흐름을 유도하는 상호 독립된 한 쌍의 통로를 내부에 형성하도록 결합된 헤더와 탱크를 구비하고;

상기 압출튜브들은 상기 제1,2헤더파이프의 각 헤더에 형성된 복수개의 슬롯들에 삽입되어 상기 제1,2헤더파이프를 상호 연결하고;

상기 압출튜브들은 상기 제1헤더파이프의 어느 한 통로와 이에 대응되는 상기 제2헤더파이프의 한 통로를 연결하는 복수개의 제1압출튜브들 및 상기 제1헤더파이프의 다른 한 통로와 이에 대응되는 상기 제2헤더파이프의 나머지 한 통로를 연결하는 복수개의 제2압출튜브들로 이루어지고;

상기 제1압출튜브 및 제2압출튜브 사이에는 소정의 갭이 형성되고;

상기 제1헤더파이프에는 외부로부터 유입되는 상기 냉매가 통과하는 유입구와 외부로 유출되는 상기 냉매가 통과하는 유출구가 형성되고;

상기 제2헤더파이프 내부에는 그 내부의 상호 독립된 한 쌍의 통로를 연통시키는 적어도 하나의 리턴홀이 형성된 것을; 특징으로 하는 열교환기.
제8항에 있어서 상기 각 제1,2헤더파이프의 헤더와 탱크는 내부의 상호 독립된 각 통로가 둥근 형상의 횡단면을 갖도록 결합된 것을 특징으로 하는 열교환기.
제8항에 있어서 상기 각 제1,2헤더파이프는 프레스 가공된 헤더와 압출 가공된 탱크가 상호 브레이징된 것을 특징으로 하는 열교환기.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서 상기 각 제1,2헤더파이프는 그 헤더와 탱크가 코킹결합에 의해 결합된 부분을 적어도 한 개 이상 구비한 것을 특징으로 하는 열교환기.
제11항에 있어서 상기 헤더와 탱크가 코킹결합에 의해 결합된 부분은 상기헤더와 탱크의 길이 전체에 걸쳐서 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제8항에 있어서 상기 각 제1,2헤더파이프 내부의 한 쌍의 통로를 상호 독립되게 하는 부분의 횡단면 두께는 나머지 부분의 횡단면 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 열교환기.
제13항에 있어서 상기 각 제1,2헤더파이프 내부의 한 쌍의 통로를 상호 독립되게 하는 부분의 횡단면 두께는 나머지 부분의 횡단면 두께의 1.3배 내지 1.7배인 것을 특징으로 하는 열교환기.
제8항에 있어서 상기 리턴홀들은 상기 제2헤더파이프의 헤더와 탱크의 결합에 의하여 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
제8항에 있어서 상기 리턴홀들은 상기 제2헤더파이프의 내부의 한 쌍의 통로를 상호 독립시키는 헤더와 탱크 부분 중 헤더 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
제8항에 있어서 상기 리턴홀들은 상기 제2헤더파이프의 내부의 한 쌍의 통로를 상호 독립시키는 헤더와 탱크 부분 중 탱크 부분에 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
제8항 또는 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서 상기 리턴홀은 원형의 구멍 형상인 것을 특징으로 하는 열교환기.
제8항 또는 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서 상기 리턴홀은 장방형의 구멍 형상인 것을 특징으로 하는 열교환기.
제8항 또는 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서 상기 복수개의 리턴홀들은 유입구를 통해 유입된 냉매가 처음으로 도달하는 제2헤더파이프의 상부쪽으로 갈수록 상대적으로 서로 가깝게 인접하는 위치들에 형성되고 그 하부쪽으로 갈수록 상대적으로 서로 멀게 인접하는 위치들에 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.