KR20070072213A - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 열교환기는 복수개의 마이크로채널튜브; 상기 마이크로채널튜브의 양 단부에 형성되는 헤더; 상기 헤더와 연결되는 관로; 및 상기 헤더 중의 적어도 어느 하나에 형성되어 각각의 마이크로채널튜브로 유입되는 냉매의 양이 조절되도록 하는 냉매량 조정구조가 포함된다.

본 발명의 열교환기에 의해서 동일한 크기의 열교환기에 대하여 열교환 면적이 증대되고, 전체적으로 냉동 시스템의 성능을 향상시키고, 열교환기의 크기가 줄어들고, 열교환기 관로 내부에 초임계상의 냉매가 유동되는 경우에는, 냉매의 온도상태에 따라서 적절한 위치에 냉매관로가 위치될 수 있어서 냉매의 열교환 성능이 증대되는 장점이 있다.

열교환기

Description

열교환기{Heat exchanger}

도 1은 본 발명의 사상에 따른 열교환기의 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 열교환기의 측면도.

도 3은 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'의 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 헤더의 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 헤더의 동작을 설명하는 도면.

도 6은 본 발명의 다른 실시예를 따른 열교환기의 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 전열 열교환기 2 : 후열 열교환기 3 : 전열측 상부헤더

4 : 전열측 하부헤더 5 : 후열측 상부헤더 6 : 후열측 하부헤더

10 : 마이크로채널튜브 11 : 팬

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 상세하게는 열교환 효율이 증진되는 열교환기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 마이크로채널튜브가 적용되는 열교환기에서 열교환 성능이 개선되고, 초임계상(supercritical phase)에서 유동하는 냉매 에 적합한 열교환기에 관한 것이다.

열교환기의 대표적인 예로는 냉매와 그 냉매와 열교환이 수행되는 공기와의 상호 열수수 작용에 의해서 열교환이 수행되도록 기기가 있다. 이와 같은 열교환기는 공조기 또는 냉동기 등과 같은 기기에 장착되어 널리 사용되고 있다.

상기 열교환기는 작은 부피의 열교환기에 의해서 많은 양의 열교환이 수행되도록 하는 것이 중요한 요구조건이다. 상기 요구조건이 만족되도록 하기 위하여, 일반적인 열교환기는 냉매가 유동하는 냉매튜브와 상기 냉매튜브의 접촉되는 핀(fin)이 제공되는 것이 일반적이고, 상기 핀은 다수 개가 나란하게 병렬적으로 나열되어 제공되도록 한다.

이와 같은 일반적인 구성에도 불구하고 열교환기의 열교환 성능이 좋지 못하기 때문에, 근래들어서는 다수의 채널이 단일의 냉매튜브에 형성되는 마이크로채널튜브도 제안되고 있다. 그러나, 상기 마이크로채널튜브가 적용되더라도 충분한 열교환성능을 얻기에는 문제가 있다.

또한, 일반적으로 상기 마이크로채널튜브가 좌우로 연장되는 형태의 열교환기는, 마이크로채널튜브가 좌우방향으로 연장된 상태에서 열교환기의 좌우 양 단부에 헤더가 제공되고, 헤더는 군집되는 복수개의 마이크로채널튜브로 한꺼번에 냉매를 유동시키게 된다. 이와 같이 구성되는 마이크로채널튜브 열교환기의 경우에는 냉매가 유동되는 마이크로채널튜브 각각을 통하여 유동되는 냉매의 양이 균일하지 않기 때문에, 열교환량이 떨어지는 문제가 있다.

상기되는 배경하에서 본원발명은 마이크로채널튜브 열교환기의 열교환성능이 개선되도록 다량의 열교환이 수행되도록 하는 열교환기를 제안한다.

또한, 열교환기를 흐르는 냉매의 유동구조가 개선되도록 함으로써, 냉매가 열교환기의 전체면적에 대하여 고르게 유동하여, 튜브를 흐르는 냉매와 공기와의 열교환 성능이 개선되는 열교환기를 제안한다.

또한, 동일한 부피에 대한 열교환의 양이 증대되어 열교환기의 크기가 작아져서 열교환기가 장착되는 기기의 전체크기가 작아지는 열교환기를 제안한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열교환기는 복수개의 마이크로채널튜브; 상기 마이크로채널튜브의 양 단부에 형성되는 헤더; 상기 헤더와 연결되는 관로; 및 상기 헤더 중의 적어도 어느 하나에 형성되어 각각의 마이크로채널튜브로 유입되는 냉매의 양이 조절되도록 하는 냉매량 조정구조가 포함된다.

다른 측면에 따른 본 발명의 열교환기는 제 1 열교환기; 유출측이 상기 제 1 열교환기의 유입측에 연결되는 제 2 열교환기; 상기 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기의 유입측과 유출측에 제공되는 헤더; 및 팬을 기준으로 상기 제 1 열교환기는 제 2 열교환기의 전방에 놓여서, 상기 제 2 열교환기를 거치면서 냉각된 냉매가 상기 제 1 열교환기로 유입되도록 하여 열교환 성능이 향상되도록 하는 것을 특징으로 한다.

제안되는 바와 같은 열교환기에 의해서 열교환기의 크기가 작아질 수 있고, 열교환기의 내부에서 냉매의 분배가 효율적으로 됨으로써 열교환 성능이 한층 더 개선되는 장점을 얻을 수 있다. 또한, 이산화탄소와 같이 초임계상에서 유동하는 냉매의 냉동시스템의 경우에 더욱 바람직하게 적용가능한 장점이 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제안되는 바와 같은 실시예로 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제 및 추가등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 사상에 따른 열교환기의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 열교환기에는 공기유동을 일으키는 팬(11)을 바라보는 쪽에 형성되는 전열 열교환기(1)와, 상기 전열 열교환기(1)의 후방에 형성되는 후열 열교환기(2)가 포함된다. 물론, 상기 전열 열교환기(1)는 상기 팬(11)과 가까와서 상기 팬(11)에서 송풍되는 공기가 바로 유입되고, 상기 후열 열교환기(2)는 상기 전열 열교환기(1)를 통과한 공기가 후차적으로 통과되는 쪽의 열교환기이다.

상기 전열 열교환기(1)에는 상하방향으로 연장되는 복수개의 마이크로채널튜브(10)와, 상기 마이크로채널튜브(10)의 상단부에 형성되는 전열측 상부헤더(3)와, 상기 마이크로채널튜브(10)의 하단부에 형성되는 전열측 하부헤더(4)와, 상기 전열측 상부헤더(3)에서 연장되어 냉매가 유출되는 유출관(9)이 포함된다. 그리고, 상기 후열 열교환기(2)에는 상하방향으로 연장되는 복수개의 마이크로채널튜브(10)와, 상기 마이크로채널튜브(10)의 상단부에 형성되는 후열측 상부헤더(5)와, 상기 마이크로채널튜브(10)의 하단부에 형성되는 후열측 하부헤더(6)와, 상기 후열측 상부헤더(5)로 연장되어 냉매가 유입되는 유입관(8)이 포함된다. 그리고, 상기 후열측 하부헤더(6)와 전열측 하부헤더(4)를 상호 간에 연결하는 연결관(7)이 포함된다.

설명되는 바와 같은 열교환기의 동작을 도 2에 제시되는 열교환기의 측면도를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 열교환기는 전체적으로 후열 열교환기(2)로 유입된 냉매가 일차적으로 열교환이 수행된 다음에, 연결관(7)을 통하여 전열 열교환기(1)로 유입되어 이차적으로 열교환이 수행되도록 하는 구조이다.

이와 같이 후열 열교환기(2)로 먼저 냉매가 유입되는 형태로 제공되어 있기 때문에, 초임계상(supercritical phase)에서 유동하는 냉매에 대한 열교환 성능이 개선되는 장점을 얻을 수 있는데, 이에 대하여 상세하게 설명한다.

근래들어서는 CFC와 같은 환경파괴적인 냉매를 대신하여 대기오염에 영향을 주지 않는 친환경적인 냉매에 대한 수요가 증가하고 있는데, 이 중에서도 이산화탄소가 각광을 받고 있다. 상기 이산화탄소는 임계온도가 낮기 때문에 응축과정(열방출과정으로 이해될 수 있다)이 초임계영역에서 이루어지고, 초임계영역에서 이산화탄소가 응축과정은 가스쿨러 내부를 유동하는 이산화탄소의 온도변화를 동반하게 된다. 이는 일반적인 냉매가 상변화과정을 거치면서 등온등압으로 응축과정을 거치는 것과는 대비적으로 이해된다.

이와 같이 이산화탄소의 응축과정은 변온과정을 거치기 때문에, 이에 맞추어 열교환기의 열교환 성능을 향상시키기 위해서는, 열교환이 일어나지 않아서 공기와 온도차가 큰 냉매는 공기와 나중에 열교환되고, 어느 정도 열교환이 일어나서 공기와 온도차가 작은 냉매는 공기와 먼저 열교환되는 것이 바람직하다. 이는 열교환이 일어나는 유체간에는 서로 대향하여 흐르는 것이 열교환 성능의 향상을 위하여 바람직하기 때문이다.

이러한 배경하에서 상기 후열 열교환기(2)에는 응축되지 아니한 냉매가 유입되는 유입관(8)이 연결되고, 상기 전열 열교환기(1)에는 상기 후열 열교환기(2)를 통과하면서 어느 정도 응축되어 온도가 상승된 냉매가 흐른 다음에 유출관(9)을 통하여 유출되는 것이다.

이와 같은 구성에 의해서 초임계상에서 유동하는 냉매의 비가역 손실이 감소되어 열교환기의 열교환 효율이 상승되고, 열교환기의 크기가 감소되는 장점을 얻을 수 있다.

도 3은 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'의 단면도로서, 도 3을 참조하면 상기 마이크로채널튜브(10)는 내부에 냉매가 유동하는 다수개의 채널(12)이 나란하게 형성되는 형태이다. 그리고, 상기 마이크로채널튜브(10)는 상기 전열 열교환기(1)와 후열 열교환기(2)에 상하방향으로 길게 다수개가 중첩되어 놓인다.

한편, 중첩되는 복수개의 마이크로채널튜브(10) 각각을 유동하는 냉매는 그 양이 균등하게 흐르거나 적어도 마이크로채널튜브(10)별로 조절된 양의 냉매가 유동하는데, 이는 상기 헤더(3)(4)(5)(6)에 형성되는 냉매분배구조에 기인한 것이다. 이와 같이 복수개의 마이크로채널튜브(10) 내부를 유동하는 냉매의 양이 조절됨으 로써, 예를 들어 균등분할됨으로써, 상기 팬(11)으로부터 송풍된 공기와의 열교환시에 열교환의 효율이 상승되는 장점을 얻을 수 있다. 다시 말하면, 헤더의 양측 단부와 정렬되는 마이크로채널튜브(10)에도, 헤더의 중앙부와 정렬되는 마이크로채널튜브(10)와 동일하거나 비슷한 양의 냉매가 유동되기 때문에, 열교환 성능이 개선되는 장점을 얻을 수 있게 되는 것이다.

만약, 마이크로채널튜브(10) 별로 서로 다른 양의 냉매가 흐르는 경우에는 각 마이크로채널튜브(10) 별로 그 내부를 유동하는 냉매의 냉각량이 달라지기 때문에, 종국적으로 냉매의 온도와 냉매의 열교환량이 달라지게 된다. 이와 같은 냉매의 온도변화는 열교환에 대한 비가역성을 증대시켜서 열교환 성능을 떨어뜨리게 된다.

이와 같이 각 마이크로채널튜브(10)별로 동일한 양의 냉매가 유동되는 것은 상기 마이크로채널튜브(10)의 단부에 형성되는 헤더(3)(4)(5)(6)의 내부구조 의해서 달성되는데, 이하에서는 상기 마이크로채널튜브(10) 별로 동일한 양의 냉매가 유동되도록 하는 냉매량 조정구조를 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 헤더의 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 헤더의 동작을 설명하는 도면으로서, 이들 도면에는 상기 후열측 상부헤더(5)를 예로들어 설명을 하고 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 헤더(20)는 하우징의 내부가 분리판(22)에 의해서 상하 두 공간으로 구획되고, 상기 분리판(22)으로 구획되는 상측 공간에 관로(21)로 유입되는 냉매가 일차적으로 모인 뒤에 냉매분배구조에 의해서 적절한 양씩 냉매가 분배된다. 이를 위하여 상기 분리판(22)에는 크기가 다른 개공(25)(26)이 복수개 형성된다.

상세하게, 상기 분리판(22)의 상부공간은 상기 관로(21)를 통하여 유입되는 냉매가 일차적으로 집합되는 집합공간(23)을 이루고, 상기 분리판(22)의 하부공간은 상기 개공(25)(26)을 통하여 유입된 냉매가 각각의 마이크로채널튜브(10)로 유입되기 전에 분리되는 분리공간(24)을 이룬다. 상기 분리공간(24)은 각각의 마이크로채널튜브(10)로 냉매가 유입되기 전에 분리되어 모이는 공간을 이룬다. 그러므로, 상기 개공(25)(26)별로 독립적으로 제공되어 어느 하나의 분리공간(24) 내부에 모인 냉매는, 특정의 분리공간(24)과 연결되는 마이크로채널튜브(10)들 로만 유동하게 된다.

또한, 상기 개공에는 상기 관로(21)와 인접되는 위치에 형성되는 내측 개공(25)과, 상기 관로(21)와 먼 곳에 형성되는 외측 개공(25)이 포함된다. 상기 내측 개공(25)은 상기 관로(21)와 인접되는 위치에 형성되어서, 상기 관로(21)로부터 유입되는 냉매가 바로 유입될 수 있을 뿐만 아니라, 상기 관로(21)를 통하여 유입된 냉매가 먼 이동거리 없이 바로 내측 개공(25)으로 유입될 수 있기 때문에, 개공의 크기가 작게 제공된다. 상기 외측 개공(26)은 그 반대되는 이유로 인하여 개공의 크기가 크게 제공된다. 이와 같은 개공(25)(26)의 크기 차이로 인하여 각각의 개공(25)(26)을 통하여 유동될 수 있는 냉매의 양이 균일하게 조절될 수 있는 장점이 있다.

결국, 각각의 분리공간(24)의 유입측에 형성되는 개공(25)(26)의 크기 차이 로 인하여 분리공간(24)으로 유입되는 냉매의 양이 차이가 나게 되는데, 이는 개공(25)(26)의 크기가 동일할 때 관로(21)와의 상대적인 거리로 인하여 서로 달리 유입될 수 있는 냉매의 양을 다시금 조절하여, 각각의 개공(25)(26)을 통하여 유입되는 냉매의 양이 서로 같아지도록 하는 역할을 수행하게 되는 것이다. 이와 같은 개공의 상호관계로 인하여 각각의 분리공간(24)으로 유입되는 냉매의 양이 균일하게 맞추어질 수 있고, 적어도 개공(25)(26)의 상대적인 크기 차이로 인하여 각각의 개공(25)(26)을 통하여 유동하는 냉매의 양이 조절될 수 있는 것은 당연하다.

도 4 및 도 5에서 제시되는 헤더(20)의 구조는 상기 후열 열교환기(2)의 후열측 상부헤더(5)를 예로들어 설명을 하고 있다. 그러나, 도면에 제시되는 바와 같은 상기 헤더(20)의 구조는 후열측 상부헤더(5)에 제한되지 아니하고, 후열측 하부헤더(6), 전열측 상부헤더(3) 및 전열측 하부헤더(4)도 동일한 구조로 이루어질 수 있다. 물론 상기 후열측 하부헤더(6)와 전열측 하부헤더(4)의 내부 구조는 상기 후열측 상부헤더(5)와 대칭되는 구조로 제공되는 것은 당연하게 짐작될 것이다.

설명되는 바와 같이 복수 개의 상기 헤더(20)에 냉매량 조정구조가 제시됨으로써, 각각의 마이크로채널튜브(10)의 내부를 유동하는 냉매의 양이 더욱 정확하게 조절되는 장점을 얻을 수 있다. 그리고, 어느 하나의 헤더(20)에 가하여지는 냉매의 유동저항이 감소되어, 냉매의 비가역손실이 줄어드는 장점을 얻을 수 있다.

설명되는 바와 같은 열교환기에 의해서 열교환기에 형성되는 마이크로채널튜브 전부에 적정한 양의 냉매가 유입되어 냉매의 열교환에 사용되고, 냉매의 열교환 효율이 증진될 수 있다. 그러므로, 동일한 크기의 열교환기에 대하여 열교환 면적 이 증대되는 효과를 얻을 수 있고, 나아가서 냉동 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 이와 같은 열교환 면적이 증대되기 때문에, 열교환기의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.

이 뿐만 아니라, 각 마이크로채널튜브로 가하여지는 풍량 및 풍속이 서로 다른 경우에는 상기 개공(25)(26)의 크기를 조절함으로써, 풍량 및 풍속이 크게 미치는 마이크로채널튜브에는 보다 많은 양의 냉매가 유동되도록 하고, 풍량 및 풍속이 작게 미치는 마이크로채널튜브에는 보다 작은 양의 냉매가 유동되도록 함으로써, 열교환기의 열교환 성능이 더욱 증대되도록 할 수 있다.

또한, 제안되는 바와 같은 본 발명의 열교환기 관로 내부에 초임계상의 냉매가 유동되는 경우에는, 냉매의 온도상태에 따라서 적절한 위치에 냉매관로가 위치될 수 있다. 다시 말하면, 냉매의 온도가 높은 때에는 냉매가 열교환기의 후열 열교환기(2) 내부를 유동하고, 냉매의 온도가 낮은 때에는 냉매가 열교환기의 전열 열교환기(1) 내부를 유동하도록 할 수 있는 것이다. 이와 같이 구성됨으로써, 냉매와 공기가 서로 대향류로 흐르게 됨으로써, 냉매의 비가역손실이 감소되고, 냉매의 열교환 성능이 개선되는 장점을 얻을 수 있다. 특히, 이러한 경우는 본 발명의 열교환기가 가스쿨러에 사용되는 경우임은 당연하게 짐작될 것이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예를 설명하는 열교환기의 사시도이다.

본 발명의 다른 실시예는 다른 부분은 원 실시예와 동일하고, 상기 연결관(7)의 구성이 달라지는 것이 특징적으로 다르다. 그러므로, 본 실시예의 설명에 있어서 구체적으로 제시되지 아니한 부분은 원 실시예의 설명을 원용하도록 하고 구 체적인 설명은 생략하도록 한다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에는 상기 연결관(7)의 구성이 없는 것을 특징으로 한다. 다시 말하면, 상기 후열측 하부헤더(6)와 전열측 하부헤더(4)가 단일의 몸체를 이루고, 각각의 분리공간이 서로 연결되는 형태로 제공되어 결국 일체형의 하부헤더(30)를 이루게 된다. 이 상태에서 상기 후열 열교환기(2)에서 토출된 냉매가 전열 열교환기(1)의 유입측으로 유동되는 것은 물론이다.

이와 같은 구성에 의해서 열교환기의 구성이 간단해지고, 제작이 편리해지는 장점을 얻을 수 있고, 관로의 길이가 짧아져서 관로손실이 줄어들고, 냉매의 비가역성이 줄어들어서 열교환성능이 개선되는 장점을 더 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로서, 상기 냉매분배구조는 냉매가 각 마이크로채널튜브별로 동일한 양의 냉매가 흐르는 것이 아니라, 적정한 양의 냉매가 서로 간에 분배되도록 할 수도 있다. 예를 들어, 열교환기의 중심부에는 강한 풍속이 미치기 때문에 열교환량이 많아질 수 있는데, 이 때에는 중앙부의 마이크로채널튜브로 많은 양의 냉매가 흐르도록 할 수 있는 것이다.

본 발명의 열교환기에 의해서 동일한 크기의 열교환기에 대하여 열교환 면적이 증대되고, 전체적으로 냉동 시스템의 성능을 향상시키고, 열교환기의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 이산화탄소 냉동 사이클과 같이 열교환기 관로 내부에 초임계상의 냉매가 유동되는 경우에는, 냉매의 온도상태에 따라서 적절한 위치에 냉매관로가 위 치될 수 있기 때문에, 냉매의 비가역손실이 감소되고, 냉매의 열교환 성능이 개선되는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 복수개의 마이크로채널튜브;

   상기 마이크로채널튜브의 양 단부에 형성되는 헤더;

   상기 헤더와 연결되는 관로; 및

   상기 헤더 중의 적어도 어느 하나에 형성되어 각각의 마이크로채널튜브로 유입되는 냉매의 양이 조절되도록 하는 냉매량 조정구조가 포함되는 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉매량 조정구조에는 상기 마이크로채널튜브의 유입측 또는 유출측과 연결되는 크기가 다른 개공이 포함되는 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 헤더에는 냉매가 모인 상태로 수용되는 집합공간과, 냉매가 상기 마이크고채널튜브와 연결되기 직전에 서로 분리되는 분리공간이 제공되고,

   상기 집합공간과 상기 분리공간을 분리하는 분리판에는 상기 분리공간으로 유입되는 냉매의 양을 조절하기 위한 크기가 서로 다른 개공이 형성되는 열교환기.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 개공 중에서 상기 관로와 가까운 위치에 형성되는 개공은 크기가 작고, 상기 관로와 먼 위치에 형성되는 개공은 크기가 큰 열교환기.
5. 제 1 열교환기;

   유출측이 상기 제 1 열교환기의 유입측에 연결되는 제 2 열교환기;

   상기 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기의 유입측과 유출측에 제공되는 헤더; 및

   상기 제 1 열교환기 및 제 2 열교환기의 내부에는 초임계상의 냉매가 유동하고, 팬을 기준으로 상기 제 1 열교환기는 제 2 열교환기의 전방에 놓여서, 상기 제 2 열교환기를 거치면서 냉각된 냉매가 상기 제 1 열교환기로 유입되도록 하여 열교환 성능이 향상되도록 하는 열교환기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제 1 열교환기 및/또는 제 2 열교환기의 내부를 유동하는 냉매는 초임계상인 열교환기.

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