KR20050024988A

KR20050024988A - 급냉식 열교환기

Info

Publication number: KR20050024988A
Application number: KR1020030062271A
Authority: KR
Inventors: 채종생
Original assignee: (주) 비에프티
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2005-03-11

Abstract

본 발명은 에어컨, 냉동기 등의 냉매 응축기용 수냉식 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각수의 증발 잠열을 최대로 활용하여 냉각 효율을 높일 수 있도록 하기 위하여, 내부에 다수의 냉매유로가 일체로 형성되고 상하로 배열된 납작한 형태의 냉매튜브 사이에 냉각수 및 공기의 접촉면적을 넓히기 위해 판 형상의 휜(fin)을 절곡하여 설치하되 짧아진 냉매유로로 인한 냉매의 액화시간 부족을 보완하기 위해서 출구 냉매관의 일측에 보조탱크를 연통되게 설치한 것을 특징으로 하는 급냉식 열교환기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 급냉식 열교환기는 내부에 다수의 냉매유로가 형성된 납작한 냉매튜브와, 상하로 배열된 상기 납작한 냉매튜브 사이에 브레이징된 휜과, 상기 냉매튜브의 일측에 설치되어 냉매유로에 냉매를 주입하기 위한 입구헤더와, 상기 입구헤더로 냉매를 유도하기 위한 입구 냉매관과, 상기 냉매튜브의 타측에 설치되어 냉각된 냉매를 배출하기 위한 출구헤더와, 상기 출구헤더에서 배출되는 냉매를 유도하기 위한 출구 냉매관과, 상기 출구 냉매관에 설치되어 소정 크기의 밀폐된 공간을 형성하는 보조탱크와, 상기 보조탱크의 하부에 설치되어 액화가 완료된 냉매를 배출하는 액관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

급냉식 열교환기{Rapid cooling heat exchanger}

일반적으로 에어컨이나 냉동기 등은 증발코일(열교환기), 증발팬 및 모세관으로 이루어진 증발기와 응축코일(열교환기), 응축팬 및 압축기로 구성된 응축기를 포함하여 구성되어 있다. 그리고 상기 응축기의 열교환기는 냉매를 액화시키는 방식에 따라 공냉식 열교환기와 수냉식 열교환기로 구분할 수 있다. 즉 공냉식 열교환기는 냉매가 지나가는 냉매튜브의 주위로 공기를 통과시켜 응축시키는 것으로서 충분한 냉각능력을 확보하기 위하여 다량의 휜(fin)이 구비되어 있고, 수냉식 열교환기는 냉매가 지나가는 냉매튜브를 냉각수로 냉각시키는 것으로 냉각수를 공급하기 위한 살수기와 증발된 수증기를 배출시키기 위한 배풍기가 구비되어 있다. 일반적으로 수냉식 열교환기는 공기에 비해 열용량이 커서 냉매유로를 짧게 할 수 있고 소음도 작기 때문에 일체형 에어컨에 주로 사용되고 있다.

즉, 도1에서 보는 바와 같이, 종래의 수냉식 열교환기(1)는 냉매가 유동하는 냉매튜브(3)가 다단 수평으로 절곡되어 설치되고, 그 상부에는 냉각수를 공급하기 위한 살수기(4)가 설치되며, 그 위에는 상기 냉매튜브(3)를 통과한 다습한 공기를 외부로 배출시키기 위한 배풍기(6)가 설치되어 있다. 따라서 상기 살수기(4)에서 살수된 냉각수는 냉매가 유동하는 냉매튜브(3)와 접촉되어 하부로 흐르고 상기 배풍기(6)는 냉매튜브(3)와 접촉되어 증발된 수증기를 외부로 배출시킨다.

그러나 종래 기술에 따른 열교환기(1)는 냉각수와 배출공기가 대향류, 즉 냉각수는 하향하고 배출공기는 상향하기 때문에 냉매튜브에 의해 가열된 배출공기가 하향하는 냉각수를 가열시키고, 증발된 수증기를 배출시키는 배풍기가 열교환기의 상부에 설치됨으로 그 흡입저항이 커서 냉매튜브의 주변에 고속의 공기흐름을 형성할 수 없으며 냉매튜브와 냉각수 또는 공기와의 접촉 면적이 협소하여 냉각효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한 종래의 열교환기는 냉각효율이 좋지 못하기 때문에 냉매튜브 또는 냉매유로가 길어져서 열교환기의 소형화 및 경량화가 어려운 문제점이 있었다.

한편, 최근에는 실내기 및 실외기가 일체로 이루어진 일체형 소형 에어컨에 대한 수요가 급증하고 있는 실정이다.

이에 따라 본 발명은 종래 기술의 문제점 및 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 주된 목적은 크기가 작고 가벼우며 조용한 냉매응축기용 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명은 또한 냉매응축기의 냉각효율을 증대시켜 소형화 및 경량화가 가능하도록 하기 위해서 냉매튜브와 냉각수 및 공기의 접촉면적을 최대로 하는 동시에 상부에서 공급되는 냉각수와 송풍기에 의해 송풍되는 공기가 직교하도록 한 급냉식 열교환기를 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 열교환기의 냉매유로가 짧아짐으로 인하여 냉각된 냉매에 포함된 기체상태의 냉매를 분리시킬 수 있도록 보조탱크가 구비된 급냉식 열교환기를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열교환기는, 내부에 다수의 냉매유로가 형성된 납작한 냉매튜브와, 상하로 배열된 상기 납작한 냉매튜브 사이에 브레이징된 휜과, 상기 냉매튜브의 일측에 설치되어 냉매유로에 냉매를 주입하기 위한 입구헤더와, 상기 입구헤더로 냉매를 유도하기 위한 입구 냉매관과, 상기 냉매튜브의 타측에 설치되어 냉각된 냉매를 배출하기 위한 출구헤더와, 상기 출구헤더에서 배출되는 냉매를 유도하기 위한 출구 냉매관과, 상기 출구 냉매관에 설치되어 소정 크기의 밀폐된 공간을 형성하는 보조탱크와, 상기 보조탱크의 하부에 설치되어 액화가 완료된 냉매를 배출하는 액관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 보조탱크는 상기 출구 냉매관의 단부를 감싸도록 설치되고 냉각된 냉매를 기체와 액체 냉매로 분리할 수 있도록 소정 크기의 밀폐된 공간을 가지며 그 하단부쪽에는 냉매를 배출하는 액관이 설치된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 급냉식 열교환기를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 먼저, 도2는 본 발명에 따른 급냉식 열교환기(10)의 바람직한 실시예를 보여주는 사시도이다. 도시된 바와 같이, 납작한 형태의 냉매튜브(15)가 좌우방향으로 절곡되어 다단으로 형성되어 있고, 상하 다단으로 배치된 상기 냉매튜브(15) 사이에는 파형의 휜(20)이 브레이징되어 있다.

이때 상기 납작한 형태의 냉매튜브(15)는 도3의 확대 단면도에서 보는 바와 같이, 내부에 다수의 냉매유로(12)가 일렬로 형성되어 있는 납작한 형태의 알루미늄 튜브이다. 이와 같이 본 발명에 따른 냉매튜브(15)는 전체 냉매유로(12)의 표면적이 확대되므로 그 속을 흐르는 냉매와 상기 냉매튜브(15)의 외부로 흐르는 냉각수 또는 공기와의 접촉 면적이 최대로 된다. 또한 상기 냉매튜브(15)의 외부에 용접되어 있는 휜(20)은 알루미늄 등의 얇은 금속판으로서 그 표면에는 공기가 유동할 수 있도록 위한 다수의 절개홈(24)이 형성되어 있다. 또한 상기 휜(20)은 파형 상으로 절곡되어 상하의 마루가 상기 냉매튜브(15)의 표면에 일체로 브레이징되어 있으며 상기 휜(20)의 마루(골)와 마루(골) 사이의 간격은 송풍기에서 불어오는 공기가 빠른 속도록 지나갈 수 있도록 충분히 이격되어 있다.

다시 도2를 참조하면, 상기 납작한 냉매튜브(15)의 일측 단부에는 도시되지 않는 압축기에서 공급되는 냉매를 상기 냉매튜브(15)의 냉매유로(12)로 주입하기 위한 입구헤더(14)가 설치되어 있고, 상기 입구헤더(14)의 일측에는 냉매를 유도하기 위한 입구 냉매관(13)이 설치되어 있다. 그리고 상기 냉매튜브(15)의 하부 타단부에는 냉각된 냉매를 배출하기 위한 출구헤더(16)가 설치되어 있고, 상기 출구헤더(16)의 일측에는 배출되는 냉매를 유도하기 위한 출구 냉매관(17)이 형성되어 있다.

그리고 상기 출구 냉매관(17)의 단부에는 소정 크기의 보조탱크(30)가 연통되게 설치되어 있는데, 상기 보조탱크(30)는 상기 출구 냉매관(17)의 단부를 감싸도록 설치되고 냉각된 냉매를 일정 시간동안 체류시켜 기체 냉매를 액화시킬 수 있도록 충분한 크기의 밀폐된 공간부(31)를 갖는다. 또한 상기 보조탱크(30)의 하단부에는 액화된 냉매를 도시되지 않는 증발기로 배출하기 위한 액관(18)이 설치되어 있다.

따라서 상기 출구 냉매관(17)을 통해 상기 보조탱크(30)의 공간부(31)로 유입된 기체 및 액체냉매는 중력에 의해 기체냉매는 상부로 액체냉매는 하부로 각각 분리되고, 시간의 경과에 따라 상부에 위치된 기체 냉매는 빠른 속도로 액화가 일어나고 하부의 액화된 냉매는 액관(18)을 통해 계속적으로 배출되기 때문에 상기 보조탱크(30)의 공간부(31)에는 압력과 온도에 따라 일정 높이의 냉매층이 형성되게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 급냉식 열교환기는 냉매와 냉각수의 접촉면적을 최대화하고 냉매튜브(15) 주위에 고속의 공기흐름이 형성되도록 함으로써 냉각수의 증발량을 증대시켜 증발잠열을 이용하여 냉각효율이 크게 향상되도록 한 것이다. 이에 따라 본 발명에 따른 급냉식 열교환기는 종래의 열교환기에 비해 매우 짧은 시간 내에 냉매를 냉각시키게 되므로 냉각된 냉매 중에 기체상태의 냉매가 포함되게 된다. 따라서 출구 냉매관(17)의 일측에 기체 상태의 냉매를 분리시키고 충분히 액화시킨 후에 배출시킬 수 있도록 보조탱크(30)가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

한편, 도4는 본 발명에 따른 급냉식 열교환기(10)의 다른 실시예를 보여주는 개략적인 정면도로서, 도시된 바와 같이, 다수의 납작한 형태의 냉매튜브(15)가 평행하게 다단으로 형성되어 있고, 상하 다단으로 배치된 상기 냉매튜브(15) 사이에는 파형의 휜(20)이 브레이징(용접)되어 있으며, 상기 다수의 납작한 냉매튜브(15)의 양단에는 입출헤더(41)와 유로변경헤더(43)가 설치되어 있고, 상기 입출헤더(41)의 상하부에는 냉매를 유도하기 위한 입구 냉매관(13)과 냉매를 배출을 유도하기 위한 출구 냉매관(17)가 각각 설치되어 있으며, 상기 입출헤더(41)와 유로변경헤더(43)에는 다수의 냉매차단벽(45)이 소정 간격으로 이격되게 설치되어 있다. 그리고 상기 출구 냉매관(17)의 단부에는 소정 크기의 보조탱크(30)가 연통되게 설치되어 있다.

이어, 도5는 본 발명에 따른 급냉식 열교환기(10)에 적용되는 다양한 형태의 납작한 냉매튜브(15)를 보여주는 단면도로서, (A)는 냉매유로(12)의 내부 표면적을 넓히기 위해서 냉매유로(12)의 내주면에 다수의 돌출부(33)를 일체로 형성한 것이고, (B)는 냉매유로(12)의 상하면에 소정 길이로 돌출된 돌부(34)를 일체로 형성한 것이며, (C)는 냉매유로(12)의 중심에 X자 형태의 격벽(35)을 일체로 형성한 것이다.

그리고 도6은 본 발명에 따른 급냉식 열교환기(10)에 사용되는 다양한 형태의 휜(20)을 보여주는 것으로서, 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 휜(20)은 얇은 알루미늄 판에 다수의 절개홈(22)을 형성한 것으로서, 특히 휜(20)의 마루와 마루(또는 골과 골)의 폭(W)이 종래의 공냉식 열교환기의 휜보다 넓은 것이 특징이다. 즉, 종래의 공냉식 열교환기는 휜과 휜 사이로 공기만 유통되기 때문에 그 폭이 1∼3mm이하이면 충분하였으나, 본 발명에 따른 급냉식 열교환기는 휜과 휜 사이로 공기가 유통될 뿐만 아니라 상부에서 공급되는 냉각수가 원활하게 흐를 수 있어야 하므로 그 폭이 6∼9mm 이상으로 넓어지는 것이 바람직하다. 또한 냉매튜브(15)와의 접촉력을 좋게 하고 냉각수의 흐름을 원활하게 하기 위하여 상하부에 수평 접촉면(26)이 형성된 사다리꼴이나 사각 형태로 절곡되는 것이 가능하다. 또한 본 발명에 따른 상기 휜(20)에 형성되는 절개홈(22)은 도7에 도시된 바와 같이, 수평 또는 수직방향으로 형성될 수 있고 바람직하게는 상하 또는 좌우로 교호적으로 절곡된다.

이하에서는 본 발명에 따른 급냉식 열교환기가 채용된 냉매응축장치(50)를 통해 본 발명에 따른 급냉식 열교환기(10)의 작용을 살펴본다.

도8에서 보는 바와 같이, 상기 냉매응축장치(50)는 소정의 케이스(53) 내부에 형성된 열교환실(51)에 상기 급냉식 열교환기(10)가 수직하게 설치되어 있고 그 상부에는 냉각수를 공급하기 위한 살수기(81)가 나란하게 설치되어 있다. 그리고 상기 케이스(53)의 일측에는 상기 열교환기(10) 쪽으로 외부 공기를 불어주기 위한 송풍기(60)가 설치되어 있고 상기 케이스(53)의 타측 상부에는 상기 열교환기(10)를 통과한 다습한 공기가 배출되는 배기구(55)가 형성되어 있다. 또한 상기 케이스(53)의 하부에는 열교환기(10)에서 사용된 냉각수가 저장되는 저수조(83)가 설치되어 있고 상기 저수조(83)에는 냉각수를 순환시키기 위한 순환펌프(84)가 설치되어 있다. 그리고 미설명 부호 91은 압축기, 93은 모세관이고, 94는 증발기 이다.

따라서 상기 압축기(91)에서 고온 고압으로 압축된 냉매는 상기 열교환기(10)의 냉매 입구관(13)으로 유입되어 납작한 냉매튜브(15)의 내부 냉매유로(12)를 따라 하단 방향으로 지그재그로 흐르면서 외부의 냉각수 및 공기와 열교환하여 액화가 진행된다. 그리고 상기 냉매튜브(15)를 따라 하부로 흘러온 냉매는 냉매 배출관(17)을 통해 상기 보조탱크(30)로 유입된다. 그리고 상기 보조탱크(30)로 유입된 기체 및 액체냉매는 일정 시간동안 체류하면서 기체상태의 냉매가 액화되어 그 하단에 설치된 액관(18)을 통해 배출되어 상기 모세관(93)을 통하면서 교축팽창이 시작되고 팽창이 시작된 냉매는 증발기(94)로 유입되어 액체에서 기체로 상변화하면서 주위의 공기등을 냉각시킨다. 그리고 기화된 냉매는 다시 압축기(91)로 유입되어 고온 고압의 냉매로 압축되어 열교환기(10)로 보내짐으로써 냉매 사이클이 완성된다.

이때 상기 열교환기(10) 상부에 설치된 살수기(81)에 의해 살수되는 냉각수는 냉매튜브(15)와 휜(20)을 따라 아래로 흘러내리면서 열교환기를 냉각시키게 된다. 그리고 상기 송풍기(60)에서 송풍되는 공기는 상기 열교환기(10)와 직교하면서 고속의 공기흐름을 형성하여 열교환기(10)의 표면을 따라 흐르는 냉각수를 비산 증발시키게 된다. 이때 발생한 증발잠열은 냉매의 냉각효율을 크게 향상시켜 주는 역할을 한다. 이어서 송풍되는 공기에 의해 비산되는 물방울은 케이스(53)의 경사진 내벽(57)에 부딪혀서 응집되어 중력에 의해 아래로 흘러내리게 되고 수증기 등의 기체는 배기구(55)를 통하여 외부로 배출되어 진다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 급냉식 열교환기는 냉매튜브와 냉각수 및 공기의 접촉면적을 최대로 하는 동시에 상부에서 공급되는 냉각수와 송풍기에 의해 송풍되는 공기가 직교하도록 하고 냉매튜브 주변에 고속의 공기 흐름을 형성하여 냉각수의 증발을 촉진시킴으로써 크기가 작고 가벼우며 냉매를 신속하게 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 냉각된 냉매에 포함된 기체상태의 냉매를 분리시켜 액화시킬 수 있는 보조탱크가 구비되어 냉매유로가 짧아짐으로 인하여 기체상태의 냉매가 증발기로 공급되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도1은 종래의 수냉식 열교환기의 일예를 보여주는 개략적인 구성도,

도2는 본 발명에 따른 급냉식 열교환기의 바람직한 실시예를 보여주는 개략적인 사시도,

도3은 본 발명에 따른 급냉식 열교환기의 냉매튜브와 휜의 구조를 보여주는 부분 확대 단면도,

도4는 본 발명에 따른 급냉식 열교환기의 다른 실시예를 보여주는 개략적인 구성도,

도5는 본 발명에 따른 급냉식 열교환기에 적용되는 다양한 형태의 냉매튜브를 보여주는 단면도,

도6은 본 발명에 따른 급냉식 열교환기에 적용되는 다양한 형태의 휜을 보여주는 개략적인 사시도,

도7은 본 발명에 따른 휜에 관통되게 형성된 절개홈을 보여주는 단면도,

도8은 본 발명에 따른 급냉식 열교환기가 채용된 냉매응축기를 보여주는 개략적인 구성도이다.

****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명****

10 : 급냉식 열교환기 12 : 냉매유로

13 : 입구 냉매관 14 : 입구헤더

15 : 냉매튜브 16 : 출구헤더

17 : 출구 냉매관 18 : 액관

20 : 휜 22 : 절개홈

30 : 보조탱크 31 : 공간부

Claims

내부에 다수의 냉매유로가 형성된 납작한 냉매튜브와,

상하로 배열된 상기 납작한 냉매튜브 사이에 브레이징된 휜과,

상기 냉매튜브의 일측에 설치되어 냉매유로에 냉매를 주입하기 위한 입구헤더와,

상기 입구헤더로 냉매를 유도하기 위한 입구 냉매관과,

상기 냉매튜브의 타측에 설치되어 냉각된 냉매를 배출하기 위한 출구헤더와,

상기 출구헤더에서 배출되는 냉매를 유도하기 위한 출구 냉매관과,

상기 출구 냉매관에 설치되어 소정 크기의 밀폐된 공간을 형성하는 보조탱크와,

상기 보조탱크의 하부에 설치되어 액화가 완료된 냉매를 배출하는 액관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 급냉식 열교환기.
제1항에 있어서,

상기 보조탱크는 상기 출구 냉매관의 단부를 감싸도록 설치되고 냉각된 냉매를 기체와 액체 냉매로 분리할 수 있도록 소정 크기의 밀폐된 공간을 가지며 그 하단부쪽에는 냉매를 배출하는 액관이 설치된 것을 특징으로 하는 급냉식 열교환기.
제1항에 있어서,

상기 냉매튜브에 형성된 냉매유로의 내주면에는 내부 표면적을 넓히기 위해서 다수의 돌출부 또는 돌부가 형성된 것을 특징으로 하는 급냉식 열교환기.
제1항에 있어서,

상기 냉매튜브에 형성된 냉매유로의 내부에는 내부 표면적을 넓히기 위해서 X자 형태의 격벽이 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 급냉식 열교환기.
제1항에 있어서,

상기 휜은 다수의 절개홈이 형성되어 있고 마루와 마루(또는 골과 골) 사이의 폭(W)은 공기뿐만 아니라 냉각수의 흐름이 원활하도록 종래의 공냉식 열교환기의 휜보다 두배이상 넓은 것을 특징으로 하는 급냉식 열교환기.
제5항에 있어서,

상기 휜의 마루와 마루 사이의 폭은 6∼9mm 이상인 것을 특징으로 하는 급냉식 열교환기.
제5항 또는 제6항에 있어서,

상기 휜은 냉매튜브와의 접촉력을 좋게 하고 냉각수의 흐름을 원활하게 하기 위하여 상하부에 수평 접촉면이 형성되어 사다리꼴 또는 사각형태로 절곡된 것을 특징으로 하는 급냉식 열교환기.