KR20070073165A - 열교환기 및 이를 사용하는 공기 조화기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서리의 착상 현상을 억제할 수 있는 다공성 물질로 코팅된 냉각핀을 갖는 열교환기를 구비하는 공기 조화기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 열교환기는 냉매가 흐르는 배관과, 상기 배관의 주변에 부설되어 상기 냉매와 외부 공기와의 열교환을 가능하게 하며 다공성 물질로 표면이 코팅되어 있는 냉각핀으로 구성된다.

상기의 열교환기를 사용하는 경우, 냉각핀에서의 서리 적상 현상을 억제함으로써, 열교환기의 효율을 개선할 수 있다.

열교환기, 다공성물질, 냉각핀, 냉매관, 공기조화기

Description

열교환기 및 이를 사용하는 공기 조화기{Heat exchanger and an air conditioner utilizing it}

도 1은 종래의 일반적인 실외기의 개략적인 내부사시도.

도 2는 도 1에 도시된 종래 실외 열교환기의 확대 외관도.

도 3과 도 4는 열교환기를 구성하는 일반적인 냉매관과 냉매핀의 구조도.

도 5는 본 발명에서 제안하는 다공성 물질로 코팅된 열교환기 냉각핀의 단면도.

도 6은 냉각핀에 코팅된 물질의 종류에 따라서 수분(또는 수증기)의 계면 접촉각이 어떻게 변하는가를 설명하는 도면.

도 7은 일반 냉각핀과, 친수성 처리된 냉각핀과, 다공성 물질로 코팅된 냉각핀의 표면에 형성되는 물방울의 크기를 서로 비교하여 보여 주는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

51: 냉각핀 52: 다공성 물질

53: 공극

본 발명은 공기조화기에 관한 것으로, 특히 서리의 착상 현상을 억제할 수 있는 다공성 물질로 코팅된 냉각핀을 갖는 열교환기를 갖는 공기 조화기에 관한 것이다.

일반적으로, 공기조화기는 실내의 더운 공기를 흡입하여 저온의 냉매로 열교환한 후 이를 실내로 토출하는 반복작용에 의해 실내를 냉방시키거나 또는 반대작용에 의해 실내를 난방시키는 냉/난방 시스템으로서, 압축기-응축기-팽창밸브-증발기로 이루어져 일련의 사이클을 형성하는 기기이다.

그리고 주지된 바와 같이, 공기조화기는 실외기와 실내기가 각각 분리되어 설치되는 분리형 공기조화기와, 실외기와 실내기가 일체로 설치되는 일체형 공기조화기로 크게 구분할 수 있다.

도 1에 종래의 일반적인 실외기의 개략적인 외관사시도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 일반적으로 실외기는, 냉매를 고온고압으로 압축시키는 압축기(40)와, 상기 압축기(40)와 연결 설치되어 압축기(40)에서 토출된 냉매를 실외 공기와 열교환시켜 응축시키는 실외 열교환기(42)와, 상기 실외 열교환기(42) 측으로 실외 공기를 송풍시키는 실외 송풍팬(44)과, 실내기(미도시)에서 토출된 냉매 중 액냉매를 축적하는 어큐뮬레이터(46) 등으로 구성된다.

그리고, 상기 실외 송풍팬(44)의 내측 또는 후측에는 실외 송풍팬(44)에 회전 동력을 제공하는 팬모터(50)가 구비되며, 이러한 팬모터(50)는 모터마운트(52)에 의해 지지된다.

한편, 도시되지는 않았지만, 실내기의 내부에는 냉매가 실내공기와 열교환되 도록 하여 냉기를 생성하는 실내 열교환기와, 상기 실내 열교환기 측으로 실내공기를 송풍시키는 실내 송풍기 등이 구성된다.

한편, 상기 실내기와 실외기로 이루어지는 공기조화기는, 전술한 바와 같이, 냉반용 또는 난방용으로 사용될 수 있다.

공기 조화기를 냉방용으로 사용하는 경우, 상기 압축기(40)에서 압축된 냉매는 상기 실외 열교환기(42)에서 고온의 액상 냉매로 응축되어 팽창밸브(미도시)로 공급된다. 팽창밸브에서 팽창된 저온의 액상 냉매는 실내 열교환기(미도시)에서 실내 공기와 열교환을 거친 후, 상기 어큐뮬레이터(46)를 거쳐 상기 압축기(40)로 유입되면서 상기 순환과정을 반복한다.

이에 대하여, 공기 조화기를 난방용으로 사용하는 경우, 상기 냉매의 이동은 위와 반대이다. 즉, 상기 압축기(40)에서 압축된 냉매는 실내 열교환기(미도시)에서 고온의 액상 냉매로 응축되어 팽창밸브(미도시)로 공급된다. 팽창밸브에서 팽창된 저온의 액상 냉매는 상기 실외 열교환기(42)에서 실외 공기와 열교환을 거친 후, 상기 어큐뮬레이터(46)를 거쳐 상기 압축기(40)로 유입되면서 상기 순환과정을 반복한다.

이처럼, 공기 조화기는 냉난방 동작에 따라서 외기와의 열교환 작용을 하는 실내 열교환기와 실외 열교환기의 기능이 서로 뒤바뀌게 된다.

따라서, 설계자는 이러한 기능 역전 현상을 감안하여 실내 및 실외 열교환기의 구조를 디자인하게 되는데, 특히 온도 변화가 심한 외부에서 사계절 동안 노출되어 있을 수 밖에 없는 실외 열교환기에 대하여는 보다 세심한 주의를 기울이게 된다.

도 2는 도 1에 도시된 종래 실외 열교환기의 확대 외관도이다.

도시된 바와 같이, 실외 열교환기(42)는 순환 냉매가 유동하는 냉매관(42a)과 상기 냉매관(42a)의 주변을 에워싸는 냉각핀(42b)으로 이루어진다.

상기 판상의 냉각핀(42b)의 표면에는 소정 간격으로 이격되면서 다수개의 구멍들이 형성되며, 상기 구멍으로 상기 냉매관(42a)이 삽입된다.

따라서, 상기 냉매관(42a)을 통하여 흐르는 냉매와 상기 냉매관(42a) 및 상기 냉각핀(42b)에 접하는 외부 공기는 상호 열교환을 하게 된다.

한편, 상기 실외 열교환기(42)의 열교환 효율을 높이기 위하여, 판상인 상기 냉각핀(42b)의 구조를 조금씩 변형하여 사용하는 경우가 있다.

열효율 개선을 위한 다양한 형태의 냉각핀의 구조중 일예를 도 3과 도 4에 도시하였다.

도 3에는 냉매핀(42b)의 열효율 개선을 위하여 냉매핀(42b)의 일측에 상방으로 돌출된 슬릿(42c)이 형성되어 있는 냉매핀(42b)이 도시되어 있으며, 도 4에는 냉매관(42a)이 삽입되어 있는 코러게이트(corrugated) 형상의 냉매핀(42b)이 도시되어 있다.

그러나, 열효율 개선을 위하여 제안된 상기와 같은 구조의 냉각핀은 공기의 유로를 차단하는 경향이 있으며, 이로 인하여 난방 동작시, 증발기 기능을 하는 상기 실외 열교환기(42)에 서리가 착상되는 현상이 빈발하고 있다.

일반적으로, 난방동작시, 실외 열교환기(42)의 냉각핀(42b)에 서리가 착상되 는 이유는 냉각핀(42b)의 표면 온도에 대한 포화 수증기 준압이 주변 공기의 수증기 분압보다 낮아짐으로 인하여 주변 공기내의 수증기가 상변화하여 냉각핀(42b)의 표면에 응축되고, 응축된 수증기가 서리의 핵으로 작용하기 때문이다.

이러한 착상 문제를 해결하기 위하여 종래에는 냉각핀(42b)에 표면을 친수성 물질로 표면처리하는 방식을 취하여 왔다. 이 방식은 냉각핀(42b)을 친수성 표면처리하여 냉각핀(42b) 표면에서 수분(즉, 수증기)의 계면 접촉각을 줄임으로써 착상의 원인인 서리의 핵을 제거하는 방식으로 현재 여러 제품에 적용되어 사용되는 방식이다.

그러나, 수분의 계면 접촉각을 줄이기 위하여 사용되는 친수성 물질로 표면 처리된 냉각핀을 사용하는 종래의 열교환기 또한 서리의 착상을 획기적으로 억제하기에는 아직까지 부족한 점이 많다는 문제점이있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 서리의 착상 현상을 억제할 수 있는 냉각핀을 갖는 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이를 위하여, 본 발명은 수분의 계면 접촉각을 획기적으로 감소시킬 수 있는 다공성 물질로 코팅된 냉각핀을 갖는 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 일실시예인 열교환기는 냉매가 흐르는 배관과, 상기 배관의 주변에 부설되어 상기 냉매와 외부 공기와의 열교환을 가능하게 하며 다공성 물질로 표면이 코팅되어 있는 냉각핀으로 구성된다.

본 발명에 따른 일실시예에서, 상기 다공성 물질의 사이즈는 5~10㎛인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일실시예에서, 상기 냉각핀에 코팅된 상기 다공성 물질의 두께는 30~60㎛인 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다. 참고로, 아래에서 설명되는 본 발명의 기술적 사상은 수분의 계면 접촉각을 감소시킬 수 있는 물질, 즉 다공성 물질을 종래 모든 형태의 열교환기의 냉각핀에 적용한다는 것이므로, 열교환기의 냉각핀 구조를 추가로 도시하지는 않는다. 대신에, 본 발명의 주요 관심사인 다공성 물질과 다공성 물질에 대한 수분의 계면 접촉각 특성 등에 초점을 맞추어 설명하기로 한다.

도 5에는 본 발명에서 제안하는 다공성 물질로 코팅된 열교환기 냉각핀의 단면도가 도시되어 있으며, 도 6에는 냉각핀에 코팅된 물질의 종류에 따라서 수분(또는 수증기)의 계면 접촉각이 어떻게 변하는가를 설명하는 도면이 도시되어 있으며, 도 7에는 일반 냉각핀과, 친수성 처리된 냉각핀과, 다공성 물질로 코팅된 냉각핀의 표면에 형성되는 물방울의 크기를 서로 비교하여 보여 주는 도면이 도시되어 있다.

도 5에서 도시된 바와 같이, 열교환기 냉각핀(51)의 표면에 다공성 물질(52)이 소정 두께로 코팅되어 있다. 본 발명에서는 다공성 물질의 일종인 실리카 파우더를 이용하여 대략 30~60㎛ 정도 두께를 갖는 다공성 물질층을 형성하였다. 그러나, 이는 예시적인 것으로, 다공성 물질의 종류와 특성에 따라 다공성 물질층의 두 께를 다양하게 선택할 수 있을 것이다.

한편, 상기 다공성 물질(52)은 용사(thermal spray) 공정에 의하여 코팅되는 것이 일반적이나, 반응성 접착제 등을 이용한 코팅도 가능할 것이다.

그리고, 다공성 물질(52)의 평균 직경 사이즈는 다공성 물질(52)의 종류에 따라 조금씩 다를 수 있으나 대략 5~10㎛ 내외가 바람직한 것으로 보인다.

상기와 같이, 용사 등의 코팅 방법에 의하여 상기 다공성 물질(52)을 열교환기 냉각핀(51)의 표면에 코팅하면, 다공성 물질이 상호 맞닿는 부분에 수많은 미세 공극(53, air pore)이 형성된다.

이들 미세 공극(53)의 사이즈는 다공성 물질(52)의 종류에 따라 차이가 있을 수 있지만 사용된 다공성 물질(52)의 직경보다는 작은 것이 보통인데, 대략 수㎛ 이내가 되는 것이 일반적이다.

이처럼 수많은 미세 공극(53)이 다공성 물질(52) 사이 사이에 형성되면, 이들 미세 공극(53)에 의하여 모세관 현상이 유발된다.

여기서, 모세관 현상이란 물과 같은 액체가 미세한 관을 통하여 상승하는 현상으로, 액체 자체의 응집력보다는 액체와 미세관 사이의 부착력이 더 클 때 액체가 관을 따라 상승하는 형상을 말한다.

이러한 모세관 현상은 미세관의 사이즈가 작을수록 현저한데, 대표적인 예로는 1)지반에 있는 물이 식물의 체내로 흡수되는 현상, 2) 휴지에 잉크를 떨어뜨렸을 때 잉크가 퍼지는 현상, 및 3) 알콜램프 속의 알콜이 심지를 따라 올라가는 현상 등이 있다.

이러한 모세관 작용을 유발할 수 있는 다공성 물질을 열교환기의 냉각핀(51)에 코팅하게 되면, 다공성 물질 표면에 응축되는 물방울의 접촉각이 크게 감소하여 착상의 원인이 되는 서리의 핵이 성장하는 것을 억제할 수 있다.

이해의 편의를 위하여 위에서 언급한 접촉각의 개념에 대하여 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.

도 6은 냉각핀에 코팅된 물질의 종류에 따라서 수분(또는 수증기)의 계면 접촉각이 어떻게 변하는가를 설명하는 도면이다. 여기서, 계면 접촉각이란 액체와 금속 표면과의 내측 사이각을 의미한다.

도 6에서, 좌측 도면은 표면처리되지 않은 냉각핀 표면상에서의 수분의 형상을 나타내고, 가운데 그림은 친수성 물질로 표면 처리된 냉각핀 표면상에서의 수분의 형상을 나타내고, 우측 그림은 본 발명에 따른 다공성 물질로 표면 처리된 냉각핀 표면상에서의 수분의 형상을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 좌측 그림은 수분의 자체 인력(또는 표면 장력)이 매우 큰 관계로 액체가 표면처리되지 않은 냉각핀의 표면상에서 거의 원형 상태로 접촉하고 있는 모습으로서, 계면 접촉각(θ)가 매우 큼을 알 수 있다.

이에 대하여, 가운데 그림은 수분과 친수성 물질로 표면 처리된 냉각핀 표면간에 소정의 부착력이 작용하여 수분의 일정량이 냉각핀 표면과 접촉하고 있는 모습으로서, 좌측 그림에 비하여 계면 접촉각(θ)이 다소 줄어 있음을 알 수 있다.

마지막으로, 우측 그림은 수분과 다공성 물질로 표면 처리된 냉각핀 표면간의 부착력이 매우 큰 경우로, 절반 이상의 수분이 다공성 물질로 표면 처리된 냉각 핀 표면과 접촉하고 있는 모습으로서, 가운데 그림에 비하여 계면 접촉각(θ)이 훨씬 더 줄어 있음을 알 수 있다.

이상에서 알 수 있듯이, 물질의 표면 성질에 따른 계면 접촉각은 "표면처리되지 않은 냉각핀" > "친수성 물질로 표면 처리된 냉각핀" > "다공성 물질로 표면 처리된 냉각핀"의 관계가 있음을 알 수 있다.

그런데, 수분의 계면 접촉각이 서로 다르다는 것은 수분과 접촉하는 물질의 모세관 압력의 차이에 기인하는 것이며, 양자간의 관계는 일반적으로 다음과 같은 식으로 표현되고 있다.

ΔP= 2γcosθ/r

여기서, ΔP는 물질 표면상에 형성되어 있는 공극의 모세관 압력을 나타내고, γ는 액체(여기서는 수분)의 표면장력을 나타내고, r는 액체가 원형 상태일 때의 반지름을 나타내고, θ는 접촉각을 나타낸다.

위의 식으로부터 알 수 있듯이, 액체의 표면장력(γ)과 반지름(r)이 일정한 경우, 모세관 압력(ΔP)은 접촉각(θ)에 의하여 결정된다.

따라서, 접촉각(θ)이 감소할수록 모세관 압력(ΔP)이 증가함을 알 수 있다. 여기서, 접촉각(θ)이 감소한다는 것은 물질과 액체의 부착력이 커진다는 것을 의미하며, 이를 달리 해석하면 물질 표면의 친수성이 커진다는 것을 의미한다.

이처럼, 물질의 친수성이 증가하면, 물질 표면에 부착되는 액체는 물질 표면에 넓게 퍼지게 되어(도 6의 우측 그림), 착상의 원인이 되는 서리의 핵이 성장하는 장애 요인이 된다.

도 7에는 일반 냉각핀과, 친수성 표면처리된 냉각핀과, 다공성 물질로 코팅된 냉각핀상에 형성된 물방울의 크기가 도시되어 있다

도 7에 도시된 바와 같이, 표면처리되지 않은 일반 냉각핀에 맺힌 물방울의 지름은 4mm정도이고, 친수성 표면처리된 냉각핀에 맺힌 물방울의 지름은 15mm 정도이고, 다공성 물질로 코팅된 냉각핀에 맺힌 물방울의 지름은 30mm 정도로, 다공성 물질로 표면 처리된 냉각핀의 젖음도가 크게 향상되어 있음을 알 수 있다.

젖음도가 크다는 것은 다른 말로 계면 접촉각이 작다는 것으로 이는 위의 식에서 알 수 있듯이 물방울이 맺힌 표면의 모세관 압력이 상대적으로 크다는 것을 의미한다.

따라서, 젖음도가 큰 물질 즉, 모세관 압력이 큰 물질로 냉각핀을 코팅 처리한 경우, 냉각핀의 표면에 서리의 착상의 원인이 되는 핵이 생성되기 위해서는 보다 많은 양의 물이 필요하게 되고 이는 결과적으로 착상 현상을 억제하는 역할을 하게 된다.

따라서, 종래 사용되고 있는 일반적인 친수성 물질보다 접촉각을 더 감소시킬 수 있는 다공성 물질을 열교환기의 핀에 코팅하여 사용하게 되면, 열교환기의 냉각핀에 서리가 착상되는 현상을 억제할 수 있다. 따라서, 다공성 물질로 냉각핀을 코팅하는 경우, 열교환기의 효율이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.

지금까지 설명한 본원 발명에 따른 열교환기는 열교환기를 사용 또는 이용하는 모든 종류의 장치, 예컨대 공기 조화기, 에어컨 등에 적용 가능하므로, 이러한 장치는 아래에 기술된 특허청구범위의 기재 내용의 범위안에서 본원 발명의 보호 범주에 속한다.

또한, 본 발명의 기술적 사상은 전술한 특정 일예만을 포함하는 것은 아니며, 다양한 변경 등이 가능하다.

예컨대, 당업자는 다공성 물질의 입자 사이즈를 나노 사이즈로 줄여서 사용할 수도 있을 것이다.

그러나, 무엇보다 중요한 것은 상술한 모세관 현상을 발생시키기 위한 모든 형태의 다공성 물질의 코팅은 그 다공성 물질의 종류, 사이즈, 코팅 방법과 무관하게 아래에 기술된 특허청구범위청구의 기재 내용의 범위내에서 본 발명의 기술적 사상에 당연히 포함된다고 보아야 한다는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 다공성 물질로 코팅된 열교환기를 사용하는 경우, 열교환기의 착상 현상을 억제할 수 있다.

따라서, 본원 발명의 열교환기를 사용하는 장치의 경우, 냉난방 효율을 높일 수 있어 소비 전력을 줄일 수 있다는 경제적 이점이 있다.

Claims (4)

1. 냉매가 흐르는 배관과;

   상기 배관의 주변에 부설되어 상기 냉매와 외부 공기와의 열교환을 가능하게 하며, 다공성 물질로 표면이 코팅되어 있는 냉각핀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 다공성 물질의 사이즈는 5~10㎛인 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 냉각핀에 코팅된 상기 다공성 물질의 두께는 30~60㎛인 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제 1 항의 열교환기를 사용하는 공기 조화기.

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