KR20070091216A - 크림핑된 채널 입구를 구비한 병렬 유동 열 교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 병렬 유동(초소형 채널 또는 소형 채널) 증발기는 증발기 내의 냉각제의 부적정 분배를 제거하고 잠재적인 압축기 범람을 방지하는 냉각제 팽창 및 압력 강하 제어를 제공하는, 입구 위치에서 또는 입구 위치에 인접하게 크림핑되는 채널을 포함한다. 냉각제 부적정 분배를 초래하는 요인을 상쇄하기 위한 점진적인 크림핑도 개시된다.

병렬 유동 열 교환기, 초소형 채널, 매니폴드, 복수의 채널, 냉각제, 부적정 분배

Description

크림핑된 채널 입구를 구비한 병렬 유동 열 교환기 {PARALLEL FLOW HEAT EXCHANGER WITH CRIMPED CHANNEL ENTRANCE}

본 발명은 일반적으로 공조, 열 펌프 및 냉각 시스템에 관한 것이며, 특히 병렬 유동 증발기에 관한 것이다.

소위 병렬 유동 열 교환기의 정의는 공조 및 냉각 산업에서 광범위하게 사용되며 냉각제가 입구 및 출구 매니폴드 내의 냉각제 유동 방향에 일반적으로는 사실상 수직인 방향으로 분배 및 유동하는, 복수의 병렬 통로를 구비한 열 교환기를 지칭한다. 이러한 정의는 본 기술계 내에 적합하며 본원 전체에 걸쳐 사용될 것이다.

냉각 시스템 증발기 내의 냉각제 부적정 분배는 공지된 현상이다. 이러한 부적정 분배는 광범위한 작동 상태에 대한 증발기 및 전체 시스템 성능의 상당한 저하를 초래한다. 냉각제의 부적정 분배는 증발기 채널 내의 유동 임피던스의 차이, 외부 열 전달면에 대한 불균일한 기류 분배, 부적절한 열 교환기 배향 또는 열악한 매니폴드 및 분배 시스템에 의해 발생될 수 있다. 부적정 분배는 각 냉각 회로를 순환하는 냉각제에 대한 특정 설계로 인해 병렬 유동 증발기에서 현저하다. 병렬 유동 증발기의 성능에 대한 이러한 현상의 영향을 제거 또는 감소시키려는 시 도가 있었지만, 거의 성과가 없었다. 이러한 실패한 시도의 가장 중요한 원인은 대체로 제안된 기술의 복잡성과 비효율성 또는 너무 비싼 해결 비용과 관련이 있다.

최근, 병렬 유동 열 교환기, 특히 노 브레이즈드 알루미늄(furnace-brazed aluminum) 열 교환기는 차량 분야뿐만 아니라 난방, 환기, 공조 및 냉각(HVAC&R) 산업에서도 많은 주목과 관심을 받아왔다. 병렬 유동 기술을 사용하는 중요한 이유는 높은 수준의 소형화와 강화된 내부식성과 같은 우수한 성능과 관련이 있다. 최근, 병렬 유동 열 교환기는 다중 생산 및 시스템 설계와 구조에 대한 응축기 및 증발기 용도 모두로 사용된다. 더 큰 이익과 보상이 보장됨에도 불구하고, 증발기 용도로는 더 많은 과제와 문제가 있다. 냉각제 부적정 분배는 증발기 용도에 있어서 이러한 기술의 이행에 대한 중요한 관심 및 장애물 중 하나이다.

공지된 바와 같이, 병렬 유동 열 교환기에서의 냉각제 부적정 분배는 채널 내부와 입구 및 출구 매니폴드 내의 동일하지 않은 압력 강하와 열악한 매니폴드 및 분배 시스템 설계로 인해 발생한다. 상기 매니폴드에서, 중력, 상 분리 및 냉각제 경로의 길이 차는 부적정 분배를 초래하는 중요한 요인이다. 열 교환기 채널 내부에서는, 중력, 제조 공차, 기류 분배 및 열 전달율의 변화가 중요한 요인이다. 또한, 열 교환기 성능 향상의 최근 경향은 채널(소위 소형 채널 및 초소형 채널)의 소형화를 촉진시켜서, 냉각제 분배에 부정적인 영향을 미쳤다. 이러한 모든 요인들을 제어하는 것은 매우 어렵기 때문에, 특히 병렬 유동 증발기 내에서의 냉각제 분배를 다룬 이전의 많은 시도들이 실패했었다.

병렬 유동 열 교환기를 사용하는 냉각 시스템에서, 입구 및 출구 매니폴드 또는 헤더(상기 용어들은 본원 전체에 걸쳐 상호 호환적으로 사용될 것이다)는 일반적으로 종래의 원통 형상을 갖는다. 2상 유동이 헤더에 진입할 때, 기상(vapor phase)은 일반적으로 액상으로부터 분리된다. 두 상은 독립적으로 유동하기 때문에, 냉각제 부적정 분배가 발생하는 경향이 있다.

2상 유동이 상대적으로 빠른 속도로 입구 매니폴드에 진입하면, 액상(액적)은 상기 유동의 운동량에 의해 매니폴드 입구로부터 헤더의 먼 부분까지 더 멀리 운반된다. 따라서, 매니폴드 입구에 가장 인접한 채널은 기상을 주로 수용하고, 매니폴드 입구로부터 먼 채널은 대부분 액상을 수용한다. 반면에, 매니폴드에 진입하는 2상 유동의 속도가 느리면, 헤더를 따라 액상을 운반하는 운동량이 충분하지 않다. 그 결과, 액상은 입구에 가장 인접한 채널에 진입하고 기상은 가장 먼 채널로 진행한다. 또한, 입구 매니폴드 내의 액상 및 기상은 중력에 의해 분리될 수도 있어, 유사한 부적정 분배 결과를 초래한다. 두 경우에서, 부적정 분배 현상은 증발기 및 전체 시스템 성능 저하로 빠르게 나타난다.

또한, 부적정 분배 현상은 몇몇 채널의 출구에서 2상(제로 과열, zero superheat) 상태를 초래할 수도 있어, 압축기 손상으로 빠르게 전환될 수 있는 압축기 흡입에서의 잠재적 범람을 촉진한다.

따라서, 본 발명의 일 목적은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하는 시스템과 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 열 교환기 채널을 통한 압력 강하를 기본적으로 동일하게하여, 냉각제 부적정 분배 및 이와 관련된 문제를 제거하는, 병렬 유동 증발기를 위한 압력 강하 제어를 도입하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 각 채널의 입구에서 냉각제 팽창을 제공하여, 냉각제 부적정 분배에 대한 주요 원인들 중 하나인 입구 매니폴드 내의 현저한 2상 유동을 제거하고 상 분리를 방지하는 것이다.

본 발명에 따르면, 채널 각각에 대해 소정의 제한부를 제공하도록 각 채널은 채널의 입구 위치 또는 채널의 입구의 인접부에서 크림핑된다. 제한부 크기는 부적정 분배 현상에 영향을 미치는 다른 불균일 요인(예컨대 상이한 열 전달율)을 조절하기 위해 필요한 경우 채널로부터 채널까지 변경될 수 있다. 채널은 입구 매니폴드에 대해 브레이징 조인트(brazing joint)를 방해하지 않도록 최말단/입구 또는 상기 입구에서 이격된 소정의 거리에서 크림핑 될 수 있다. 또한, 내부 강성(및/또는 열 전달 강화) 핀이 크림핑 프로세스 중 간단하게 압축되거나 또는 크림핑 전에 기계 가공될 수도 있다. 또한, 이러한 제한부는 정밀한 과열 제어가 요구되는 경우 저비용 적용을 위한 중요한 (그리고 유일한) 팽창 장치 또는 부차적인 팽창 장치로서 사용될 수 있으며, 다른 고정 영역 제한 장치(예컨대, 모세관 또는 오리피스) 또는 열동식 팽창 밸브(thermostatic expansion valve)(TXV)나 전자 팽창 밸브(electronic expansion valve)(EXV)가 중요한 팽창 장치로 사용된다. 또한, 크림핑의 정밀도는 부차적인 팽창 장치일 경우에는 매우 높은 공차를 가질 필요가 없다.

상술된 두 경우에서, 하지만 특히 크림핑 제한이 병렬 유동 증발기의 각 채널의 입구에서 중요한 팽창 장치로 제공되는 경우에, 상기 크림핑 제한부가 증발기 내의 냉각제 유동에 대한 가장 큰 저항을 제공한다. 이러한 상황에서, 주 압력 강하 구역이 상기 제한부에 걸쳐 발생하고 병렬 유동 증발기의 채널 또는 매니폴드 내에서의 압력 강하의 변하는 중요하지 않은(대수롭지 않은) 역할을 수행할 것이다. 또한, 냉각제 팽창이 각 채널의 입구에서 발생하기 때문에, 단일상이 현저한 액체 냉각제가 입구 매니폴드를 통해 유동하고 개별적인 증발기 채널을 진입하기 전에는 상 분리가 발생하지 않는다. 따라서, 균일한 냉각제 분배가 달성되고, 증발기 및 시스템 성능이 강화되고, 압축기 흡입에서의 범람 상태가 방지되며, 동시에 정밀한 과열 제어가 (필요한 때에는 언제나) 손상되지 않는다. 또한, 제안된 방법을 위한 낮은 추가 비용은 본 발명을 매우 유용하게 한다.

소정의 크림핑 면 형상을 갖는 집게 형태의 크림핑 도구와 같은 또는 소정의 형상을 갖는 스템핑 다이를 사용하는 임의의 적절한 크림핑 수단이 사용될 수 있다.

도1은 종래 기술에 따른 병렬 유동 열 교환기의 개략도이다.

도2는 본 발명의 일 실시예를 도시한 병렬 유동 열 교환기의 확대된 부분 측면도이다.

도3a는 본 발명의 제2 실시예를 도시한 도2의 도면이다.

도3b는 본 발명의 제3 실시예를 도시한 도2의 도면이다.

도3c는 본 발명의 제4 실시예를 도시한 도2의 도면이다.

도3d는 본 발명의 제5 실시예를 도시한 도2의 도면이다.

도4는 크림핑되지 않은 채널의 단면도이다.

도5는 소정의 형상으로 크림핑된 후의 도4의 도면이다.

도6은 제2 형상으로 크림핑된 후의 도4의 도면이다.

도7은 크림핑되지 않은 제2 채널의 단면도이다.

도8은 소정의 형상으로 크림핑된 후의 도7의 도면이다.

도1을 참조하면, 병렬 유동(소형 채널 또는 초소형 채널) 열 교환기(10)가 입구 헤더 또는 매니폴드(12), 출구 헤더 또는 매니폴드(14) 및 입구 매니폴드(12)와 출구 매니폴드(14)를 유체적으로 상호 연결하는 복수의 병렬로 배치된 채널(16)을 포함하는 것으로 도시된다. 통상적으로, 입구 및 출구 헤더(12, 14)는 원통 형상이며, 채널(16)은 편평하거나 또는 둥근 단면의 관(또는 압출 성형물)이다. 채널(16)은 핀과 같은 복수의 내부 및 외부 열 전달 강화 요소를 일반적으로 구비한다. 예컨대, 열 교환 프로세스 및 구조적 강성의 강화를 위해 채널들 사이에 균일하게 배치되는 외부 핀(18)은 일반적인 노-브레이즈식(furnace-brazed)이다. 채널(16)은 내부 열 전달 강화 및 구조 요소도 구비할 수 있다(도4 내지 도6 참조).

작동시, 냉각제는 입구 헤더(12)의 입구 개구(20)와 입구 공동(22)으로 유동한다. 내부 공동(22)으로부터, 액체, 증기 또는 액체와 증기의 혼합물(팽창 장치가 상류에 위치된 증발기의 경우 가장 일반적인 상태)의 형태인 냉각제가 채널(16)을 통과하여 출구 헤더(14)의 내부 공동(26)으로 진행하도록 채널 개구(24)에 진입 한다. 증발기 용도인 경우 최근에는 일반적으로 증기 형태인 냉각제가 상기 출구 헤더의 내부 공동으로부터 출구 개구(28) 외부로 유동한 후, 압축기(도시되지 않음)로 유동한다. 채널(16)의 외부에서는 공기가 팬(도시되지 않음)과 같은 공기 이동 장치에 의해 채널(16)과 결합 핀(18)에 대해 양호하고 균일하게 순환되어, 열 전달 상호 작용이 채널 외부의 공기 유동과 채널 내의 냉각제 사이에서 발생한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도2에 도시된 바와 같이 채널(16)은 각 채널 내의 제한부를 제공하고 상기 제한부에 걸친 압력 강하와 상기 시스템 내의 냉각제 부적정 분배와 상 분리의 감소 및/또는 제거를 초래하는 각 채널 입구에서의 직접적인 냉각제 팽창을 보장하도록 적어도 입구 단부(30)에서 크림핑되었다.

본 발명의 제2 실시예에서, 채널은 도3a에 도시된 바와 같이 매니폴드(12)에 대한 부착 지점과 단부로부터 소정 거리 이격된 최말단(32) 및 지점(34)에서 크림핑된다.

제3 실시예에서, 채널은 도3b에 도시된 바와 같이 부착 프로세스를 방해하지 않기 위해 채널 단부로부터 소정 거리, 즉 매니폴드(12)에 대한 부착 위치로부터 이격된 단일 위치(36)에서 크림핑된다.

제4 실시예에서, 채널은 도3c에 도시된 바와 같이 채널 단부에 인접한 소정의 길이 또는 거리 "L"에 대해 크림핑되지만, 도2, 도3a 및 도3b에서보다는 단면적이 덜 변경/감소된다.

본 발명의 제5 실시예에서, 채널은 도3d에 도시된 바와 같이 채널 단부 근처의 다중 위치(38, 40, 42)에서 크림핑되어, 교호적인 수축부와 팽창부로 된 통로를 형성하지만, 역시 도2, 도3a 및 도3b에서보다 단면적이 덜 변경/감소된다.

도4는 편평한 형상의 크림핑되지 않은 채널(50)과 일체식 수직 지지 부재(52)의 단면적을 도시한다.

도5는 본 발명에 사용되기에 적합할 수 있는 소정의 형상(60)으로 크림핑된 채널(50)을 도시한다. 이 경우, 크림핑은 지지 부재를 변형시키지 않고 지지 부재(52) 주위에서 발생한다.

도6은 본 발명에 사용되기에 적합할 수도 있는 더욱 편평한 구조(70)로 크림핑된 채널(50)을 도시한다. 이 경우, 크림핑은 균일하게 발행하며 상이한 형상과 단면(72)으로 지지 부재(52)를 변형한다. 명백하게도, 상이한 지지 부재들은 삼각형, 사다리꼴, 원형 또는 임의의 다른 적절한 단면의 다중 냉각 경로로 채널(16)을 내부적으로 분할하도록 본 발명의 범주내에서 사용될 수도 있다. 이 모든 경우에, 지지 부재는 크림핑 프로세스 중 변경될 수 있거나 또는 변형되지 않을 수 있다.

도7은 편평한 형상의 크림핑되지 않은 채널(80)의 단면적을 도시한다(내부 지지 부재는 이 설계 구조에서 존재하지 않는다).

도8은 본 발명에 사용되기에 적합한 더욱 편평한 구조(90)로 크림핑된 채널(80)을 도시한다.

또한, 크림핑은 모든 채널에 걸쳐 균일할 필요는 없지만, 대신에 예컨대, 냉각제 부적정 분배를 초래하는 다른 요인들을 상쇄하도록, 하나의 채널로부터 다른 채널로 또는 하나의 채널 섹션으로부터 다른 채널 섹션으로 점전적으로 변화할 수 있다는 것을 유념해야 한다.

또한, 크림핑은 중간 매니폴드 내의 채널 입구에서 응축기와 증발기 용도로 사용될 수 있다. 예컨대, 열 교환기가 하나 이상의 냉각제 경로를 갖는 경우, 중간 매니폴드(입구 및 출구 매니폴드 사이)는 열 교환기 설계에 합체된다. 중간 매니폴드에서, 냉각제는 통상적으로 2 상 상태로 유동하고, 이러한 열 교환기 구조는 중간 매니폴드와 직접 연통하는 입구 단부에 채널 크림핑을 제공함으로써 본 발명에 의해 유사한 이익을 얻을 수 있다. 또한, 크림핑은 채널(16)의 출구 단부에서 또는 채널 길이를 따르는 몇몇 중간 위치에서 수행될 수 있어, 단지 균일한 내수성과 압력 강하 제어를 제공하며 전체 열 교환기 성능에는 효과를 덜 미친다.

특정한 용도에 있어서, 채널에 대한 냉각제의 부적정 분배를 유발하는 다양한 요인은 설계 단계에서 일반적으로 알려지기 때문에, 발명자는 증발기 및 전체 시스템 성능에 대한 유해한 영향과 잠재적인 압축기 범람 및 손상을 제거하기 위해 이러한 요인들을 상쇄하는 설계 특성을 도입할 수 있다는 것을 인지했다. 예컨대, 많은 경우에 냉각제가 고속 또는 저속으로 입구 매니폴드로 유동하는지와 부적정 분배 현상이 상기 속도 값에 의해 어떻게 영향을 받는지가 일반적으로 알려진다. 당업자라면 본 발명의 교시를 다른 시스템 특성에 적용하는 방법을 이해할 것이다.

본 발명이 도면에 도시된 바와 같이 양호한 실시예를 참조하여 도시 및 개시되었지만, 당업자라면 청구항에 의해 정의되는 본 발명의 사상 및 범주 내에서 상세의 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (36)

1. 병렬 유동(소형 채널 또는 초소형 채널) 열 교환기이며,

   종방향으로 연장하는 입구 매니폴드로서, 상기 입구 매니폴드로의 유체의 유동을 안내하는 입구 개구와 상기 입구 매니폴드로부터의 유체 유동을 횡방향으로 안내하는 복수의 출구 개구를 구비한 입구 매니폴드와,

   사실상 병렬 관계로 정렬되고, 상기 입구 매니폴드로부터의 유체의 유동을 안내하는 상기 복수의 출구 개구에 유체적으로 연결된 복수의 채널과,

   상기 복수의 채널로부터의 유체의 유동을 수용하도록 상기 복수의 채널에 유체적으로 연결된 출구 매니폴드를 포함하며,

   상기 채널 중 적어도 하나는 상기 채널의 단면적을 변화시키도록 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 채널은 각각의 단부에서 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
3. 제2항에 있어서, 크림핑된 단부는 입구 단부인 병렬 유동 열 교환기.
4. 제2항에 있어서, 크림핑된 단부는 출구 단부인 병렬 유동 열 교환기.
5. 제2항에 있어서, 크림핑된 단부는 입구 매니폴드, 출구 매니폴드 또는 중간 매니폴드 중 적어도 하나에 직접적으로 유체 연통되는 병렬 유동 열 교환기.
6. 제2항에 있어서, 상기 채널은 적어도 하나의 채널 단부로부터 소정의 거리에서 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
7. 제1항에 있어서, 상기 채널은 채널 길이를 따르는 적어도 하나의 중간 위치에서 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
8. 제1항에 있어서, 상기 채널 중 적어도 하나는 채널의 길이를 따르는 두 개의 별개 위치에서 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
9. 제1항에 있어서, 상기 채널 모두는 각각의 단부에서 적어도 하나의 위치에 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
10. 제8항에 있어서, 상기 채널 모두는 각각의 단부들 사이의 두 개의 소정 위치에서 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
11. 제1항에 있어서, 상기 열 교환기는 증발기인 구조.
12. 제1항에 있어서, 상기 열 교환기는 응축기인 구조.
13. 병렬 유동(소형 채널 또는 초소형 채널) 열 교환기이며,

    종방향으로 연장하는 입구 매니폴드로서, 상기 입구 매니폴드로의 유체의 유동을 안내하는 입구 개구와 상기 입구 매니폴드로부터의 유체 유동을 횡방향으로 안내하는 복수의 출구 개구를 구비한 입구 매니폴드와,

    사실상 병렬 관계로 정렬되고, 상기 입구 매니폴드로부터의 유체의 유동을 안내하는 상기 복수의 출구 개구에 유체적으로 연결된 복수의 채널과,

    상기 복수의 채널로부터의 유체의 유동을 수용하도록 상기 복수의 채널에 유체적으로 연결된 출구 매니폴드를 포함하며,

    상기 채널의 각각은 상기 채널의 단면적을 변화시키도록 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
14. 제13항에 있어서, 상기 채널의 각각은 각 단부에서 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
15. 제13항에 있어서, 상기 크림핑 단부는 입구 단부인 병렬 유동 열 교환기.
16. 제13항에 있어서, 상기 크림핑 단부는 출구 단부인 병렬 유동 열 교환기.
17. 제13항에 있어서, 상기 크림핑 단부는 입구 매니폴드, 출구 매니폴드 또는 중간 매니폴드 중 적어도 하나와 직접적으로 유체 연통되는 병렬 유동 열 교환기.
18. 제13항에 있어서, 상기 채널은 채널 길이를 따르는 적어도 하나의 중간 위치에서 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
19. 제14항에 있어서, 상기 채널은 적어도 하나의 채널 단부로부터 소정의 거리에서 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
20. 제13항에 있어서, 상기 채널 중 적어도 하나는 채널의 길이를 따르는 두 개의 별개 위치에서 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
21. 제13항에 있어서, 복수의 상기 채널은 각각의 단부에서 적어도 하나의 위치에 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
22. 제13항에 있어서, 상기 채널 모두는 각각의 단부들 사이의 소정의 다중 위치에서 크림핑되는 병렬 유동 열 교환기.
23. 제1항에 있어서, 상기 크림핑은 상기 채널 길이를 따라 점진하는 병렬 유동 열 교환기.
24. 제13항에 있어서, 상기 크림핑은 채널 길이를 따라 점진하는 병렬 유동 열 교환기.
25. 제1항에 있어서, 상기 크림핑은 채널들 사이에서 점진하는 병렬 유동 열 교환기.
26. 제13항에 있어서, 상기 크림핑은 상기 채널들 사이에서 점진하는 병렬 유동 열 교환기.
27. 제1항에 있어서, 상기 크림핑은 외부 채널벽에 제한되는 병렬 유동 열 교환기.
28. 제13항에 있어서, 상기 크림핑은 외부 채널벽에 제한되는 병렬 유동 열 교환기.
29. 제1항에 있어서, 상기 크림핑은 외부 채널벽과 내부 지지 부재를 변형하는 병렬 유동 열 교환기.
30. 제13항에 있어서, 상기 크림핑은 외부 채널벽과 내부 지지 부재를 변형하는 병렬 유동 열 교환기.
31. 제1항에 있어서, 상기 크림핑은 채널 단면을 균일하게 변화시키는 병렬 유동 열 교환기.
32. 제13항에 있어서, 상기 크림핑은 채널 단면을 균일하게 변화시키는 병렬 유동 열 교환기.
33. 제1항에 있어서, 크림핑은 채널 단면을 불균일하게 변화시키는 병렬 유동 열 교환기.
34. 제13항에 있어서, 크림핑은 채널 단면을 불균일하게 변화시키는 병렬 유동 열 교환기.
35. 제1항에 있어서, 상기 크림핑은 압력 강하 제어 및 팽창 제어 중 적어도 하나를 초래하는 병렬 유동 열 교환기.
36. 제13항에 있어서, 상기 크림핑은 압력 강하 제어 및 팽창 제어 중 적어도 하나를 초래하는 병렬 유동 열 교환기.

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