KR20070096584A - 수직형 직 교류 열교환기, 이 열교환기를 이용한 히트펌프시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉매용 열교환기를 수직형 직 교류 형태로 하는 열교환기로서, 본 발명은 종전의 동일한 히트펌프시스템 능력에 비해 열교환기의 효율을 극대화시켜 이 코일을 사용하여 히트펌프시스템의 능력을 최대한 높일 수 있는 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.

종래기술은 열교환기용 코일을 다열의 수평 관을 U밴드로 연결하여 직렬의 형태를 유지하는 수평형 직 교류 열교환기를 나타내고 있다. 이에 분배 관에 의해 분배된 냉매는 직렬구조의 수평 관을 정해진 순서에 의해 일정한 유속을 지니며 차례로 통과하며 증발기의 경우 액체 냉매가 기체 냉매로 응축기의 경우 기체 냉매가 액체 냉매로 상태변화를 통해 코일의 외 표면을 통과하는 공기와 열교환을 행하게 된다. 이에 종래기술은 공기대 냉매 간 열교환기의 경우 기체와 액체의 분포가 증발기는 액체 25%, 기체 75%, 응축기는 기체 25%, 액체 75%로 되는 건식 열교환기를 적용하여 왔다. 건식 열교환기는 열교환기 내부에 열을 방출하거나 흡수하여 상태변화를 마친 상태인 증발기는 기체 75%, 응축기는 액체 75%로 상태 변화를 마친 기체의 분포가 큰 증발기는 기체 냉매가 차지하는 전열면적만큼은 단위 전열면적당 전열효과가 떨어지며 상태변화를 마친 액체 냉매의 분포가 큰 응축기는 액체 냉매가 차지하는 전열면적만큼은 단위 전열면적당 전열효과가 떨어지게 된다. 하지만 공기대 냉매 간의 열교환기는 특성상 주로 전열효과가 낮은 건식 열교환기 를 사용하고 있다.

종래기술에 물 대 냉매의 열교환기는 공기대 냉매 간의 열교환기와 달리 증발기의 경우 만액식 응축기의 경우 기체의 분포가 큰 열교환기의 사용이 주를 이루고 있다. 이는 앞에서 지적한 바와 같이 건식 열교환기는 전열효과가 불량하기 때문이다. 만 액 식 증발기는 증발기 내부에 액체 냉매 75%, 기체 냉매 25%이기 때문에 상태변화를 진행해야할 액체 냉매의 분포가 큰 관계로 단위 전열면적당 전열효과가 건식에 비해 매우 커지게 된다. 만 액식 증발기는 쉘 내부에 액체 냉매가 만 충 되어 있고 쉘 내부에 설치된 관의 내부를 통과하는 냉수나 브라인에서 열을 흡수하여 관외표면에서 액체에서 기체 냉매로 상태변화를 행하게 되며 상태변화를 마쳐 기체가 된 냉매는 자연적인 기 액 분리 현상에 의해 쉘 의 상부에 모여서 압축기로 흡입된다. 그리고 응축기의 경우 주로 사용되는 형식은 횡 형 쉘 앤 튜브 식으로 쉘 내부에 설치된 관속으로 냉각수가 지나가고 관외표면인 쉘 내부에는 압축기에서 토 출 되어 응축되어야 할 기체 냉매가 분포하여 관 내부를 지나는 냉각수와 관외표면의 기체 냉매 간의 열교환에 의해 열이 기체 냉매로부터 냉각수로 전달되어 냉각수는 온도가 상승하여 응축기를 통과하고 기체 냉매는 열을 발열한 관계로 액체 냉매로 상태가 변화되어 자연적인 기 액 분리 현상에 의해 응축기의 하부로 고이게 되어 팽창 변으로 유입된다. 응축기의 경우 만액식 증발기와는 반대로 기체 냉매 75%, 액체 냉매 25%로 발열을 통해 상태변화를 행해야 하는 기체 냉매의 분포가 큰 관계로 건식 응축기에 비해 단위 전열면적당 전열효과가 매우 커지게 된다.

위의 설명과 같이 증발기는 만 액 식, 응축기는 만 가스식의 열교환기는 상태변화를 통해 열을 흡수하거나 열을 방출해야할 상태의 분포(증발기- 액체 75% 기체 25%, 응축기- 기체 75% 액체 25%)가 큰 관계로 건식 열교환기에 비해 단위 전열면적당 전열효과가 매우 크지만 이는 물이나 브라인 대 냉매 간의 열교환기 형태에서 주로 사용하고 열교환기의 특성상 공기대 냉매 간의 열교환기에서는 건식 열교환기의 형태가 주를 이루고 있다.

본 발명은 건식 열교환기의 단점을 보완하고 만 액 식 열교환기의 장점을 취할 수 있는 수직형 직 교류 형태의 열교환기를 개발하여 열교환기 내부에 유속을 거의 없애면서 자연적인 현상인 기 액 분리 현상에 의해 기체와 액체가 분리되어 단위면적당 전열효과를 높이며 공기통과 방향 종배열의 형태로 다열의 열교환기용 코일을 설치하여 LTD(Leaving Temperature Difference 응축온도와 토 출 공기 온도와의 차이, 또는 증발온도와 토 출 공기 온도와의 차이 )를 최소화할 수 있는 열교환기를 히트펌프시스템에 적용하여 종래기술에 같은 양의 열교환능력을 나타내기 위해 코일의 제조원가가 줄어들며 종래기술과 같은 량의 코일일 경우 열교환능력의 향상으로 증발기의 경우 증발압력은 상승 되고 응축기의 경우 응축압력이 낮아져서 압축 비는 작아 지고 냉동능력과 응축능력은 향상되어 같은 양의 에너지를 사용하여 더 큰 능력을 발휘하므로 에너지의 소비량이 감소하여 고효율, 초절전, 성 에너지를 달성하는 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.

수직형 직 교류 열교환기, 히트펌프시스템, LTD, 압축기

Description

수직형 직 교류 열교환기, 이 열교환기를 이용한 히트펌프 시스템{VERTICAL UNIVERSIAL HEAT EXCHANGER AND HEAT PUMP SYSTEM USING IT THEREOF}

도 1은 종래의 냉매와 공기의 흐름도를 나타내는 코일구조.

본 발명은 수직형 직 교류 형태의 열교환기로서, 본 발명은 종전의 동일한 히트펌프시스템 능력에 비해 열교환기의 효율을 극대화시켜 이 코일을 사용하여 히트펌프시스템의 능력을 최대한 높일 수 있는 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.

종래기술의 열교환기 형태는 본 발명에 해당되는 수직형 직 교류와 달리 전열교환용 코일이 수평으로 설치되고 U밴드에 의해 여러 열이 직렬 연결되는 수평형 직 교류의 형태로 제작되어 왔다.

종래기술은 열매체인 냉매와 공기간의 열교환에 있어 공기는 열교환기의 정면에서 후면으로 통과하고 냉매는 열교환기의 성형방법인 수평 관간의 U밴드 연결방향에 따라 좌측에서 우측으로 우측에서 좌측으로 이동하며 냉매와 공기간의 열 교환이 이루어 졌다.

히트펌프시스템의 열교환기는 냉매의 상태변화에 따른 발열과 흡 열 작용에 따라 냉매의 발열작용을 이용하는 응축기와 냉매의 흡 열 작용을 이용하는 증발기로 나뉜다.

증발기의 형태에서 공기대 냉매의 열 교환이 아닌 물 또는 브라인 (기타 액체)과 냉매 간의 열교환을 행하는 증 발기의 종류 중에 만액식 증발기가 있다.

냉동공학의 이론에서 보면 만액식 증발기의 장점은 증발기 내부에 액이 75%, 가스가 25% 존재하므로 전열이 매우 양호하고, 종래기술인 수평형 직 교류에 해당되는 건식 증발기는 증발기관 내부에 액이 25% 가스가 75% 존재하므로 전열이 불량한 편이라고 기술되어 있다.

건식증발기의 경우 냉매가 액체에서 기체로 상태변화를 하는 과정에서의 흡열작용을 이용하는 방향에서 이미 증발된 가스가 75% 존재하므로 가스가 차지하는 공간에서의 열교환의 양은 적어질 수밖에 없다. 하지만 만액식증발기의 경우 증발하지 않아서 증발하면서 흡 열 작용을 할 수 있는 액체 냉매가 75% 존재하므로 전열이 양호한 것이다.

위에서 설명한 증발기와는 반대로 응축기의 경우 수 냉 식 횡 형 쉘 앤 튜브 식은 가스가 75% 액이 25%로 가스상태에서 액으로 상태변화를 하며 발열작용을 하는 응축기의 경우 가스가 차지하는 전열면적이 넓은 경우 전열이 양호한 반 면 공랭식 응축기인 건식응축기는 상태변화를 마친 액 냉매가 차지하는 전열면적이 넓은 만큼 전열이 불량하다고 할 수 있다.

만 액 식 증발기나 횡 형 쉘 앤 튜브타입 응축기의 다른 점은 두 가지가 서로 다른 방향인 만 액 식 증발기의 경우 냉매가 액 상태에서 기체상태로 변화할 때의 흡열 작용에 따른 증발 잠열을 이용하고 횡 형 쉘 앤 튜브타입 응축기의 경우 냉매가 기체상태에서 액 상태로 변화할 때의 발열 작용에 따른 응축 잠열을 이용하는 것으로 상반된 작용을 이 용한다. 하지만 두 가지의 공통점은 상태변화 이전상태의 상태가 기기내부에서 차지하는 부피가 커서 즉, 증발기의 경우 열을 흡수하여 증발하여야 하는 액체 냉매가, 응축기의 경우 열을 발열하여 응축되어야 할 기체 냉매가 기기내부에서 차지하는 부피가 커서 상태변화를 행해야 하는 냉매(증발기-액체 냉매, 응축기-기체 냉매)가 넓은 전열면적을 차지하고 있는 것이다. 이에 따라 증발기에서는 액체 냉매의 전열면적이 넓어서 증발에 따른 전열효과가 좋아지고 응축기에서는 기체 냉매의 전열면적이 넓어서 응축에 따른 전열효과가 좋은 것이다.

하지만 종래기술은 만 액 식의 장점을 냉매와 공기간의 열교환기인 공랭식 응축기 또는 공랭식 증발기에는 적용시키지 못하고 있다. 왜냐하면 만 액 식 증발기나 횡 형 쉘 앤 튜브 식 응축기는 냉매와 물 또는 냉매와 브 라 인(물과 다른 액체, 또는 물이 희석된 액체)간의 열교환에 이용되는 열교환기로서 냉매와 공기간의 열교환기로는 전열효과가 좋은 장점이 있지만 기기의 특성상 사용되고 있지 않다.

종래기술은 수 냉 식에 있어서는 응축기나 증발기를 쉘 의 형태로 하여 쉘 내부에 열 교환용 코일을 내장하고 코일 내부에는 물이 지나가고 코일의 외부 측인 쉘 내부에 냉매가 지나가며 증발기의 경우 쉘 내부에서는 냉매의 유속이 거의 형성되지 않는 형태로 하여 증발기의 경우 만액이 되어 코일의 외 표면에서 코일 내부 물의 열을 흡열하여 기체상태로 변화하여 자연적인 기 액 분리현상에 의해 증발된 기체는 상층부로 올라가서 흡입관을 통해 압축기로 유입된다.

또한, 응축기의 경우 쉘 내부의 부피가 큰 관계로 쉘 내부에서는 냉매의 유속이 거의 형성되지 않는 형태로 하여 쉘 내부에 냉매가 기체상태로 유입되어 기체가 75% 이상을 차지하여 쉘 내부 코일의 외 표면에서 코일 내부의 물의 열을 발열하여 액체상태로 변화한다. 이때 응축 액화된 냉매는 자연적인 기 액 분리현상에 의해 하부에 고여서 응축기 출구 관을 통해 팽창 변으로 이동한다.

이에 증발기나 응축기 모두 쉘 내부의 부피가 큰 관계로 냉매의 유속이 형성되지 않고 자연적인 기 액 분리 현상에 의해 기체와 액체가 분리되어 증발기의 경우 액체가 차지하는 부피가 크고 응축기의 경우 기체가 차지하는 부피가 커서 상태변화를 하며 열교환을 행해야 하는 냉매의 전열면적이 넓어서 같은 전열면적당 전열의 양이 커지게 된다.

하지만 건식 증발기나 건식 응축기의 경우 수 냉 식에서 와 같이 쉘 을 적용하지 못하므로 인해 코일의 내부로 냉매가 통과하는 방법을 사용하고 있다.

종래기술의 건식 증발기나, 건식 응축기는 코일을 수평 관을 사용하는 관계로 여러 열의 수평 관과 수평 관을 U밴드로 직렬 연결하여 1열의 길이를 길게 하는 형태를 특징으로 하고 있다. 그래서 직렬 각 1열을 통과하는 냉매는 긴 구간을 통과해야 하므로 일정한 유속을 지니게 된다.

또한, 증발기인 경우 전열 관이 수평 관이며 일정한 유속을 지닌 관계로 증발기 입구 측에서는 액체 냉매가 차지하는 전열면적이 크지만 액체 냉매가 코일을 통과하며 열을 흡수하여 증발된 기체의 부피가 증가하므로 코일을 통과할 수 록 기체가 증가하고 액체가 줄어 듦으로써 액체의 전열면적이 감소하여 기체가 많은 부분에서는 같은 전열면적에 비해 전열이 불량하게 된다.

또한, 응축기인 경우 전열 관이 수평 관이며 일정한 유속을 지닌 관계로 응축기 입구 측에서는 기체 냉매가 차지하는 전열면적이 크지만 기체 냉매가 코일을 통과하며 열을 발열하여 응축 액화된 액체 냉매의 부피가 증가하므로 코일을 통과할 수 록 액체가 증가하고 기체가 줄어 듦으로써 기체의 전열면적이 감소하여 액체가 많은 부분에서는 같은 전열면적에 비해 전열이 불량하게 된다.

본 발명은 수냉식인 만 액 식 증발기와 횡 형 쉘 앤 튜브 타입 응축기 용 열교환기의 장점을 냉매와 공기간의 열교환기인 공랭식 증발기 또는 공랭식 응축기에 활용하기 위한 방법을 설계하여 공랭식 열교환기에도 만 액 식 증발기나 횡 형 쉘 앤 튜브타입 응축기의 장점을 활용 열 교환기 내부에서는 유속이 거의 형성되지 않는 수직형 직 교류 열교환기인 공랭식 증발기, 공랭식 응축기의 제조기술을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 종래 기술의 코일 구조는 코일의 내부를 통과하는 냉매와 코일의 외 표면을 흐르는 공기간의 열 교환이 직교류의 형태로 수평 관 여러 열이 좌, 우측으로 U밴드에 의해 직렬로 연결되어 냉매는 수평 관에서는 수평이동이지만 U밴드의 연결에 따른 직렬의 구조로 궁극적으로는 상부나 하부로 수직이동하여 직 교류를 형성하는 형태로 제작되던 것을, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일의 내부를 통과하는 냉매와 코일의 외 표면을 흐르는 공기간의 열 교환에 있어 공기는 코일의 정면에서 후면으로 수평이동(→, ←)이나 사선이동(↗, ↖)을 하고 냉매는 코일에 설치된 수직 관에 의해 상부에서 하부로 (↓) 또는 하부에서 상부로(↑) 이동하는 직 교류의 형태로 수직형 직 교류를 형성하는 형태로 제작되는 직접 팽창 식 코일 구조에 있어서, 상기 코일은 정면에서 보았을 때 코일의 외 표면을 통과하는 공기는 코일의 정면에서 코일의 후면으로 수평이동하는 상태에서 공기와의 흐름 방향과 수직으로 교차하는 수직형 직 교류의 형태로 코일 내부의 냉매는 수직 관 코일에 의해 상부에서 하부로 또는 하부에서 상부로 이동하는 수직형 직 교류를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 코일 내부의 냉매가 공기와의 흐름 방향이 교차 되도록 직 교류의 형태로 상부에서 하부로 또는 하부에서 상부로 사선 이동하여 수직형 직 교류를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일 1열 1열이 각각 수직으로 설치하여 병렬로 설치되는 수직형 코일의 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일 1열 1열이 각각 수직으로 설치되는 수직형 코일인 형태에서 코일의 상부에 헤드가 설치되어 1열당 각각의 분배를 하는 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일 1열 1열이 각각 수직으로 설치되는 수직형 코일인 형태에서 코일의 하부에 헤드가 설치되어 1열당 각각의 분배를 하는 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일 1열 1열이 각각 사선으로 설치되는 수직형 코일인 형태에서 코일의 상부에 헤드가 설치되어 1열당 각각의 분배를 하는 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일 1열 1열이 각각 사선으로 설치되는 수직형 코일인 형태에서 코일의 하부에 헤드가 설치되어 1열당 각각의 분배를 하는 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 히트펌프시스템은 증발기, 압축기, 응축기, 팽창밸브를 포함하여 이루어진 히트펌프시스템에서, 상기 증발기 및 응축기는 본 발명에 따른 어느 하나의 코일 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일을 정면에서 보았을 때 공기 흐름 방향으로 수직 관이 종배열을 하는 병 렬의 코일 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일을 정면에서 보았을 때 공기 흐름 방향으로 수직 관이 종배열을 하는 병렬의 코일 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 코일구조에서 공기 흐름 방향으로 종배열 수직 열을 2열 이상 내지 1000열 이하가 되도록 상부와 하부에 분배 관에 의하여 1열 1열이 각각 병렬로 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일을 위나 아래에서 보았을 때 각각의 열이 헤드에 의해 각 각 분배되는 구조에 있어 수평 열로 1 S E T당 1조의 헤드를 설치하여 종배열에 따른 헤드의 종배열을 모두 연결하여 각각의 헤드가 모두 연결되는 형태를 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일을 위나 아래에서 보았을 때 각각의 열이 헤드에 의해 각 각 분배되는 구조에 있어 종배열 1 S E T당 1조의 헤드를 설치하여 종배열에 따른 1차 헷 드 를 메인 헤드로 모두 연결하여 각각의 헤드가 모두 연결되는 형태를 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일을 위나 아래에서 보았을 때 각각의 열이 종으로나 횡으로나 1 S E T로 된 헤드에 의해 각 각 분배되는 구조로 하여 모두 연결되는 형태를 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일을 위나 아래에서 보았을 때 각각의 열이 종으로나 횡으로나 1 S E T로 된 반원형의 헤드에 의해 각 각 분배되는 구조로 하여 모두 연결되는 형태를 특징으로 한다

또한, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일을 위나 아래에서 보았을 때 각각의 열이 종으로나 횡으로나 1 S E T로 된 직육면체 형의 헤드에 의해 각 각 분배되는 구조로 하여 모두 연결되는 형태를 특징으로 한다

또한, 본 발명은 상부와 하부에 1 S E T로 연결된 헤드를 갖는 구조에 있어 공기 흐름 방향으로 1 S E T를 통과한 후면 부에 1열 이상 내지 100열 이하의 코일을 추가로 설치하여 추가 코일이 상부 측 헤드에 연결되어 제일 마지막 열에 수평이나 수직으로 헤드를 설치하여 추가적인 각각의 열이 1 S E T의 헤드에서 분배되거나 1 S E T의 헤드로 합류할 수 있는 구조로 모두 연결되는 것을 특징으로 한다.

종래에는 코일이 ↙방향의 사선으로 설치될 경우 종래기술이 전열용 코일을 수평 관 각 각에서 수평이동하며 수평 관을 각각의 열이 U밴드로 여러 열이 직렬 연결되어 궁극적으로는 설치방향과 같은 ↙방향으로 냉매가 이동하도록 코일을 유도하거나 설치방향과 반대되는 ↗방향으로 코일의 설치방향과 냉매의 흐름 방향이 코일설치 ↙방향 냉매 흐름↙방향이거나, 코일설치↙방향 냉매 흐름↗방향이어서 코일설치방향과 냉매의 흐름 방향이 ↙↗방향(역방향)이거나, ↙↙방향(순 방향)으로 냉매의 이동이 유도되도록 코일을 설계제작되었다.

그러나, 본 발명의 경우에는 전열용 코일을 수평 관이 아닌 수직 관을 수직방향으로나 사선방향으로 설치하여 냉매는 전열용 코일의 설치 방향에 따라 상부에서 하부로 또는 하부에서 상부로 수직이동하거나, 상부에서 하부로 또는 하부에서 상부로 사선이동 하는 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 하모니카 형태로 제조되어 각각의 칸이 분리 벽을 형성하는 형태로 하여 각각의 칸이 일체화된 형태의 코일을 일정한 길이를 1조로 하여 좌, 우로 이격시키고 각각의 이격 된 하모니카형 코일을 상부와 하부에 헤드로 연결하여 1 SET의 1조, 1칸당 각각 독립된 병렬의 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 전열교환용 코일을 원형으로 하여 공기 통과 방향으로 2열 이상 종 배열된 각 각의 전열용 코일을 종배열 방향으로 각각의 열을 밀착시켜 1조를 형성하는 일종의 팬 플 릇 의 형태를 지니는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 전열교환용 코일을 원형으로 하여 공기 통과 방향으로 2열 이상 종 배열된 각각의 전열교환용 코일을 종배열 방향으로 각각의 열을 밀착시켜 1조를 형성하는 일종의 팬 플 릇 의 형태를 지니는 코일을 수직으로 배열하고 같은 형태의 코일을 일정한 길이를 1조로 하여 좌, 우로 이격시켜 횡배열하고 이격 된 팬플릇형 코일을 상부와 하부에 각각 1 SET의 헤드로 연결하여 1SET의 1조, 1열당 각각의 독립된 병렬의 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 2회로 이상의 회로를 형성하는 구조를 일체형으로 제작된 코일을 1조로 하여 좌, 우로 이격시켜 횡배열하고 이격 된 코일을 상부와 하부에 각각 1 SET의 헤드로 연결하여 1SET의 1조, 1회로당 각각의 독립된 병렬의 형태인 것을 특징으로 한다.

도 3은 본 발명에서 공기의 흐름 방향에서 코일을 분할한 구조도로서, 본 발명의 경우 ‘｜’자 형태의 코일도 상하로 분할하여 2 SET이상의 코일로 설계제작한다. ‘｜’자 형태의 코일은 공기의 흐름 방향에서 보았을 경우 사각 형의 형태이다.

또한, 본 발명은 종래기술이 사각형의 코일일 경우 1SET로 설계제작하던 것과 달리 사각형의 코일을 수직분할하여 2SET이상으로 코일의 용량이 커질 경우 3SET, 4SET의 형태로 4SET이상의 코일로도 분할 가능하게 하는 것도 가능하다.

하지만, 본 발명은 종래기술이 공기 통과방향 1곳당 1SET의 코일로 설계 제작하던 것과 달리 용량이 커질 경우 수직 관을 상,하로 2등분 이상으로 분할하여 수직 관의 길이를 최소화하여 공기통과방향 1곳당 상,하로 2 S E T이상의 코일로 설계제작한다. 본 발명에서는 용량이 작은 경우에는 공간의 제약 상 1 S E T의 코일로 설계 제작하지만 공간이 허용할 수 있는 한 상,하로 분할하여 설계제작한다.

이에 본 발명은 공기의 흐름 방향 1개소당 2 S E T이상의 코일을 상,하로 수평 분할하여 코일을 수직으로 세우거나 사선으로 비 스 듬 이 세울 경우 코일과 코일을 일정한 간격하에 앞뒤로 이격시켜 배치하여 각각의 코일이 허용할 수 있는 한 코일의 길이를 최대화하여 전체 코일의 길이를 최대화하여 전열면적을 최대화하거나 공기의 통과면적을 최대화 할 수 있도록 설계제작한다.

본 발명은 공기통과 방향으로 전열교환용 코일을 수직으로 설치하고 좌, 우로 횡 배열하는 코일을 상부와 하부에 각각의 헤드를 설치하여 1 SET로 설계, 제작하는 열교환기에 있어 압축기에서 토출 되는 토출 가스의 과열증기구간을 최대한 활용할 수 있도록 응축구간을 소화시키는 열교환기의 후단부 즉, 공기통과 방향으로 본 열교환기를 지나는 후단부에 다열로 분배되는 열교환기를 추가로 설치하여 과열증기의 열을 발산한 냉매가스가 본 열교환기의 상부 측 헤드에 연결되는 구조를 지녀서 응축기의 역할시 압축기에서 토출 된 냉매가스는 과열구역용 열교환기를 먼저 통과하고 본 열교환기의 상부 측 헤드로 유입되어 수직하강 하며 공기와의 열교환에 의해 응축 액화되는 구조를 지니는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 히트펌프가 난방으로 운전시 실외기코일이 증발기의 역할을 수행함에 있어 앞의 설명과 같이 종래기술과 같은 양의 코일에 있어 열 교환량이 커지므로 실외온도가 저온으로 떨어져도 종래기술에 비해 증발온도는 최대한 실외온도에 근접하는 온도로 종래기술에 비해 높게 형성하므로 높아진 증발압력에 의해 압축기의 소요동력은 감소하고 종래기술에 비해 흡입증기의 비체적이 작아지므로 종래기술이 증발온도가 낮아짐에 따라 냉매순환량이 줄어들어 냉동능력의 저하로 난방능력이 감소되는 현상이 발생하던 것과 달리 실외기코일에 적상의 량이 적어져 종래기술에 비해 제상운전의 시간이 줄어들게 되어 종래기술에 비해 안정적인 난방운전을 행한다.

따라서, 본 발명에 의한 코일을 난방에 적용시 종래기술에 비해 응축압력을 현저히 낮추는 효과가 있음을 확인할 수 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 본 발명에 의한 코일 구조는 코일의 내부를 통과하는 냉매와 코일의 외 표면을 흐르는 공기간의 열교환을 수직형 직 교류 형태로 제작되는 직접 팽 창 식 코일 구조에 있어서, 상기 코일은 정면에서 보았을 때 코일의 외 표면을 통과하는 공기는 열교환기의 정면에서 후면으로 통과하는 상태에서 코일 내부의 냉매는 응축기의 경우 상부 측의 헤드에서 수직 관으로 각각 분배되어 각각의 수직 관 내부에서 상부에서 하부로 유입되면서 코일의 외 표면을 통과하는 공기와 코일의 내부를 통과하는 냉매 간에 열 교환이 이루어져 공기는 온도가 상승하여 통과되고 가스상태의 냉매는 코일의 내 표면에서 액체로 응축되어 응축된 냉매는 내 표면의 하부로 흘러내려 각각의 라인에서 응축된 액 냉매는 하부 측의 헤드에 모여져서 수 액 기나 팽창 변으로 이동하게 된다.

또한 증발기의 경우 응축기와 반대로 하부 측의 헤드에서 각각의 수직 관으로 분배되어 냉매 액은 코일 내부에 거의 만 액 상태로 존재하게 된다. 이때 코일의 내부 냉매 액의 증발온도는 코일의 외 표면을 통과는 공기온도보다 높다. 그러므로 코일 내부의 냉매 액은 코일 외 표면을 통과하는 공기로부터 열을 흡 열 하여 증발하게 된다. 이때 증발된 냉매는 가스상태로 변화하여 자연적인 기 액 분리 현상에 의해 상부로 상승하게 된다. 각각의 라인은 상부의 헤드 로 연결되어 있으므로 증발된 냉매가스는 헤드에 모여 압축기로 흡입된다.

본 발명에 의하면,

첫째, 실내외기 코일의 설계제작에 있어 코일 구조를 수직 관으로 좌, 우와 전, 후로 이 격 된 상태에 병렬로 배열된 형태를 사용함으로써 코일의 열교환능력이 향상되어 같은 양의 열교환능력을 나타내기 위해 코일의 제조원가가 줄어들며 종래기술과 같은 양의 코일일 경우 열교환능력의 향상으로 증발기의 경우 증발압력은 상승되고 응축기의 경우 응축압력이 낮아져서 압축비는 적어지고 냉동능력과 응축능력은 향상되어 같은 양의 에너지를 사용하여 더 큰 능력을 발휘하므로 에너지의 소비량이 감소하여 고효율, 초절전, 성에너지를 달성하는 효과가 있다.

둘째, 수직 관으로 된 코일을 1열, 1열 각각 분배될 경우 종래기술과 달리 1열당 분배되는 양이 소량으로 분배되게 된다. 이에 따라 코일을 폭 50㎝ × 높이 60㎝ × 두께 8열 여기에 코일 직경을 3/8"로 할 경우 코일의 내용 적을 계산하면 (코일의 두께를 0.5㎜로 할 경우)

3/8" = 9.525㎜ 9.525 - (0.5 × 2) = 8.525㎜

원의 면적은 πr²으로 이를 구하면

3.14 × 4.2625 × 4.2625 = 57㎟ = 0.57㎠ 이다.

이에 1열의 길이를 60㎝로 할 경우 0.57㎠ × 60㎝ = 34.2㎤ ( ㏄ )이다.

이에 폭이 50㎝에 열을 횡으로 2.5㎝ 간격으로 할 경우 20열 두께 종배열 10열로 하면

34.2㎤ × 20 × 10 = 6840㎤ ( ㏄ )로 병렬연결에 따른 내용적이 6840㏄이다.

여기에 7.2㎥/h의 토 출 량을 지니는 콤 프 레 샤I에서 초당 토 출 량을 구하면

7.2 ㎥/h ÷ 60(분) ÷ 60(초) = 0.002㎥/s = 2,000㏄/s로 초당 2,000㏄의 양이 토 출 되게 된다.

이를 열교환기로 토 출 할 경우 열교환기의 내용적이 6840㏄, 토출량이 2,000㏄일 경우 열교환기 내부의

냉매 유속은 6840 ÷ 2000 =3.42(열교환기내용적/초당 토출량)

1 ÷ 3.42 = 0.29239m/s

초당 0.29239m로 열교환기 내부의 냉매는 유속이 거의 없는 상태로 열교환기에 유입된다.

이에 본 발명에 의한 열교환기는 열교환기 내부에서는 최대한 다열로 분배되는 병렬인 관계로 일반적인 공기대 냉매의 열교환기가 코일 내부에서 직렬연결로 인해 일정한 유속에 의해 냉매가 진행하면서 열교환 하던 것과 달리 냉매의 유속이 거의 없는 상태로 응축기의 경우 횡 형 쉘 앤 튜브타입과 비슷한 형태가 되고 증발기의 경우 열교환기 내부에 냉매 액이 만 충 된 상태로 만액식 증발기와 형태가 비슷해진다.

이에 따라 증발기의 경우 팽창 변을 통해 감압이 된 냉매 액은 증발기 하부 측 헤드로 유입되어 열교환기에 만액이 된 상태에서 코일의 외 표면을 통과하는 공기로부터 열을 흡수하여 증발된 기체 냉매는 코일 내부에서 자연적인 기 액 분리 현상에 의해 열교환기의 상부로 수직상승하여 기화된 기체 냉매만이 열교환기의 상부 측 헤드에 모여서 압축기로 흡입되게 된다.

또한 응축기의 경우 압축기에서 토 출 된 냉매는 토 출 관을 통해 응축기 상부 측 헤드로 유입된다. 유입된 냉매는 1열 1열 각각 분배되는 구조를 지닌 열교환기이므로 다열로 분배되어 열교환기의 외 표면을 통과하는 공기에 열을 발열 응축 액화하여 액체 냉매는 기체 냉매보다 무거운 관계로 액화된 냉매는 하부 측 헤드로 모여 수액 기나 팽창 변 으로 유입된다. 이때 종래기술이 압축기에서 토 출 된 냉매를 일정한 양으로 분배되도록 설계하여 분배 관 별로 통과하는 냉매의 양을 각각의 분배 관 별로 고르게 분배되도록 설계하던 것과 달리 본 발명에 의한 열교환기는 상부 측 헤드에 연결된 다열의 구조로 코일 내부에 냉매의 유속이 미미한 관계로 냉매의 분배는 자연적인 원리에 의해 분배되게 된다.

횡 형 쉘 앤 튜브타입의 응축기는 토 출 관에서 응축기 상부로 냉매가 유입되면 응축기의 내용적이 토출량에 비해 현저히 큰 관계로 냉매는 유속을 지니지 않고 전열 관을 통과하는 냉각수에 열을 발열하여, 기체에서 액체로 변화한 만큼 전열 관 주위에 기체가 차지하는 공간이 줄어들게 된다. 이때 전열 관 주위에 기체가 차지하는 공간이 줄어드는 만큼 자연적으로 냉매가스가 유입되어, 액화되어 줄어드는 양만큼 기체 냉매가 지속적으로 채워지게 된다. 이 자연적인 원리에 따라 횡 형 쉘 앤 튜브타입의 응축기는 토 출 관을 응축기의 상부 측에 설치하고 따로이 분배는 행하지 않는다.

위의 횡 형 쉘 앤 튜브타입의 응축기와 같이 본 발명에 의한 열교환기는 응축기로 이용시 냉매의 유속이 거의 없는 관계로 분배를 인위적으로 정하여 일정하게 해줄 필요없이 헤드를 1 set로 하여도 냉매가스의 분배는 코일의 전열교환량에 의해 발열하여 액체 냉매로 변화하여 기체 냉매였을 때의 부피에 비해 부피가 현저히 감소하므로 부피가 감소한 만큼 헤드에서 자연적으로 분배되게 된다.

종래기술은 횡으로는 다열로 분배하여도 공기의 통과방향 종배열로는 다열을 채택하지 못하고 있다. 이는 종래기술이 코일을 다열의 수평 관을 수평 관의 좌, 우측에서 U밴드에 의해 직렬로 연결 1 분배 열의 길이를 길게 하여 열교환기 내부에서 냉매가 일정한 유속을 지니는 관계로 일정한 유속하에 코일을 통과하며 전열교환을 할 경우 공기의 통과방향 최 전단부에 위치한 코일의 경우 공기의 온도와, 냉매의 응축온도나 증발온도와의 차이가 커서 전열교환에 의해 증발이나 응축을 행할 수 있지만 전단부 1열 통과 뒤의 다음 열은 (응축기의 경우 1열에서 냉매의 열을 흡수한 관계로 공기의 온도는 상승 되어 있으므로) 1열 통과 뒤 공기의 온도와 응축 온도 간의 온도차가 줄어듦으로 전열교환의 양이 줄어들게 된다. 이에 따라 전단부 1열에 비해 2열의 전열교환량이 줄어들게 되고 다음 3열, 4열, 5열 ­­­­ 로 진행될 경우 1열에 비해 공기 통과방향 후단부로 갈 경우 열교환기를 통과하는 공기와 냉매의 온도차이가 줄어들어 전열교환의 양은 줄어들게 된다. 이에 따라 전단부 측의 1열은 내려갈수록 전열교환량이 커져서 과 냉각의 형태가 되고 후단부 측의 열은 전열교환량이 줄어들어 응축 액화를 미쳐 하지못한 습 증기의 상태로 각각의 열을 통과한 냉매는 응축기 출구 측 헤드에서 모여서 과 냉 액과 습 증기가 서로 섞이면서 중간단계의 응축온도를 형성하게 된다. 이에 종래기술은 일반적으로 전, 후단부의 열을 2열 정도로 하고 2열 또한 중간 부분에서 서로 의 위치를 교환하여 전단부는 후단부로 후단부는 전단부로 위치 변경을 유도하여 전체의 전열교환량을 일정하게 유지하도록 설계되고 있다.

이는 일정한 열교환기 내부의 냉매가 유속을 지니는 관계로 일정한 유속에 따라 각각의 분배 열에 일정량으로 분 배의 양을 고르게 해주어야 함에 있다.

하지만 본 발명의 열교환기는 종래기술에 비해 많은 관으로 분배를 하여 각각의 분배 관에 분배되는 냉매의 분배량이 적어지게 되어 코일 내부에서 냉매의 유속인 매우 느린 관계로 다열로 분배되었지만 각각의 분배 관이 커다란 하나의 통과 같은 구조로 되어 냉매의 유속이 횡 형 쉘 앤 튜브타입의 응축기와 같이 느려져서 각각의 분배 관의 냉매분배량은 코일의 외 표면을 통과하는 공기와의 전열교환량에 의해 자연적으로 결정되게 된다. 전단부의 1열은 냉매와 공기의 온도차가 큰 관계로 많은 전열교환에 의해 기체 냉매가 응축 액화하여 지속적으로 기체 냉매의 부피가 감소하므로 감소한 만큼의 공간을 채우기 위해 냉매가스가 지속적으로 유입되고 전단부에서 1열 1열 뒤로 갈수록 통과공기의 온도상승으로 인해 전열교환량이 감소하므로 각각의 분배 관에 유입되는 냉매가스의 양은 전열교환량에 의해 응축 액화되어 줄어드는 양만큼 유입되게 된다. 이에 따라 종래기술이 공기의 통과방향으로 다열의 구조로 하여도 각열의 일정분배된 냉매 유량에 비해 전열교환량이 달라서 전단부는 과 냉각되고 후단부로 갈수록 응축 액화가 덜된 습 증기의 형태를 지니던 것과 달리 본 발명은 전단부와 후단부의 냉매 유량이 각각 코일의 전열교환량에 의해 자연적으로 결정되므로 공기통과 방향으로 다열로 할 경우 전단부의 1열은 공기와 냉매의 온도차가 커서 전열교환량이 큰 관계로 냉매의 유입량이 커지고 공기통과방향 종배열로 1열, 1열 지날수록 각열의 전열교환량이 줄어드는 만큼 각열의 냉매의 유입량은 자연적으로 조절되어 줄어들게 된다.

또한, 이때 종래기술의 열교환기는 종으로 다열의 구조일 경우 전단부와 후단부의 전열교환량이 달라서 과 냉각구간과 같이 코일의 전열면적에 비해 전열교환량이 현저히 줄어들어 코일의 전열면적에 비해 열교환의 량은 줄어들게 되어 코일의 효율이 감소하게 된다. 또한 1 분배 열의 길이가 길어 냉매의 유속이 일정하게 빠르고 코일이 수평인 관계로 전열교환을 행한 액체 냉매와 전열교환을 행하지 않은 기체 냉매가 분리되지 않고 서로 섞여서 코일을 통과하며 전열교환을 행하게 된다. 이에 따라 전열교환을 행한 액체 냉매가 통과하는 부분은 전열교환량이 현저히 줄어들게 된다. 이에 종래기술의 공기대 냉매의 열교환기는 건식이라 하여 증발기의 경우 액체 25%, 기체 75%이며 응축기의 경우 반대로 기체 25%, 액체 75%로, 증발기의 경우 전열교환을 행한 기체 냉매가 차지하는 공간이 많게 되고 응축기의 경우 반대로 전열교환을 행한 액체 냉매가 차지하는 공간이 많게 되어 단위 전열면적당 전열교환량이 적어지므로 열교환기의 전열면적에 비해 전열교환의 양이 적어서 전열이 불량하다고 할 수 있다.

하지만 본 발명의 열교환기를 증발기로 사용할 경우 액체 냉매를 75%이상으로 만 충 하여도 냉매의 유속이 거의 없이 증발기에 고여있는 것과 같은 관계로 열 교환용 코일의 외 표면을 통과하는 공기와 전열교환을 하여 증발된 기체 냉매는 자연적인 기 액 분리 현상에 의해 상부로 수직상승하여 상부 측 헤드에 모여서 압축기로 유입되고 증발기에는 지속적으로 팽창 변으로부터 유입되는 액체 냉매가 채워지므로 내부는 전단부의 코일은 전열교환을 많이 하는 관계로 액 냉매의 통과량이 많아지고 후단부로 갈수록 전열교환량이 적어지므로 액 냉매의 통과유량이 줄어들게 된다. 하지만 열교환기를 통과하는 공기는 지속적으로 만액이 된 액체 냉매로 열을 방출하여 열교환기를 통과하는 공기는 증발온도와 비슷한 온도에 다다를 수 있게 되며 증발기 내부의 냉매는 증발된 기체 냉매만 상부 측 헤드에 모여서 압축기로 유입되게 된다.

또한, 본 발명의 열교환기를 응축기로 할 경우 기체 냉매가 차지하는 부피를 75%이상으로 하여도 냉매의 유속이 거의 없이 응축기에 모여있는 것과 같은 관계로 전,후단부에 골고루 퍼져있는 기체 냉매는 전열교환량에 의해 전단부는 전열교환량이 많아서 기체 냉매의 유입량이 많아지고 후단부로 갈수록 전열교환량에 의해 자연적으로 기체 냉매의 유입량이 조절되어 열교환기 내부에는 전단부, 후단부의 위치에 상관없이 기체 냉매의 부피가 전열면적의 75%이상을 차지하므로 지속적인 전열교환이 가능하여 단위 전열면적당 전열교환을 행하여야 하는 기체 냉매의 면적이 큰 관계로 전열교환량이 커지므로 단위 전열면적당 전열의 효과가 커지게 된다.

이에 종래기술이 열교환기를 공기통과방향으로 2열 이상 종배열을 했을 경우, 정량 분배에 의해 전단부와 후단부의 냉매통과량은 일정하나 각열의 전열교환량이 달라서 전단부는 과 냉각된 액체 냉매와 후단부는 미처 액화되지 못한 습 증기가 혼합되어 일정 응축온도를 결정하던 것과 달리, 본 발명에 의해 설계, 제작되는 열교환기는 공기통과방향으로 2열 이상 종배열을 했을 경우 전단부와 후단부의 냉매 유입량이 자연적으로 조절되어 응축기의 경우 열교환기의 전열효과가 상승 되므로 LTD(Leaving Temperature Difference 응축온도와 토출공기 온도와의 차이, 또는 증발온도와 토출 공기 온도와의 차이 )< 0.0℃로 열교환기를 응축기로 사용시 토출공기 온도가 응축온도에 근접하고 증발온도 사용시에도 토출공기 온도가 증발온도에 근접하게 된다. 여기에 실내기용 열교환기의 후단부 측에 1단 이상의 코일을 추가로 설치하여 응축기로 사용시 압축기 토 출 관에서 토 출 된 과열증기구역 고온상태(응축 온도보다 높음)의 냉매 가스는 후단부 1단 이상의 코일을 먼저 통과하고 본 코일의 상부 측 헤드로 유입되어 발열에 의한 응축과정을 거치므로 공기와 냉매 간에는 역류로 대항류의 형태를 띠게 된다. 이에 열교환기의 전단부에서 후단부를 통과한 공기는 후단부 뒤에 설치된 추가 열교환기에서 고온의 토 출 가스와 열교환을 행하므로 열교환기의 두께에 따라 응축온도에 근접한 후 고온의 토출 가스온도에 추가적인 열교환을 행하므로 응축온도와 같거나 응축온도보다 높은 토출 공기 온도를 나타내게 된다.

이에 종래기술과 동일한 응축온도하에서 종래기술의 열교환기가 응축온도와 토출 공기 온도와의 차이가 응축온도 -10℃ 이던 것을 LTD(Leaving Temperature Difference )< 0.0℃ 이거나 응축온도보다 높은 토출 공기온도를 나타내게 된다. 이에 본 발명은 종래기술과 같은 토출 공기 온도를 나타내기 위해 응축온도를 10℃이상 낮출 수 있게 되며 열교환기를 증발기로 이용하여도 종래기술에 비해 증발온도가 높아짐에 따라 증발압력이 높아져서 종래기술에 비해 응축압력은 낮아지고 증발압력은 높아지므로 응축압력과 증발압력과의 비인 압축비가 감소하고 압축비의 감소에 따라 압축기의 일량이 감소하므로 종래기술에 비해 같은 냉동능력대비, 또는 같은 난방능력대비 압축기의 일량이 감소하므로 냉동능력과 응축능력은 향상되어 같은 양의 에너지를 사용하여 더 큰 능력을 발휘하므로 에너지의 소비량이 감소하여 고효 율, 초절전, 성 에너지를 달성하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 종래기술이 공기대 냉매와의 열교환기를 건식으로 사용하던 것과 달리 증발기는 만 액 식이 되고 응축기는 만 가스식이 되므로 동일한 전열면적대비 전열교환량이 증대되므로 동일한 전열교환량을 나타내기 위해 열교환기를 설계제작할 경우 전열효과의 증대로 전열 면 적이 적어져도 되므로 동일 전열교환량을 나타내기 위해 열교환기의 두께나 크기를 줄여도 되므로 제작원가가 줄어들 게 된다.

코일의 설계제작에 있어 종래기술이 공기의 흐름 방향에 1SET의 코일로 제작하던 것과 달리 코일이 응축기의 역할을 할 경우 응축기를 통과하는 공기의 온도를 냉매의 특성상 과열증기구역의 온도가 응축온도보다 높은 점을 최대한 활용할 수 있는 상태로 코일을 최대한 수직분할하여 대향류의 형태로 설계제작하므로 코일의 외표면을 통과하는 공기의 온도를 고온의 형태로 토출되는 토출가스의 고온을 최대한 활용하므로 난방시 토출공기의 온도를 종래기술에 비해 높게 해주거나 종래기술과 같은 온도의 토출공기온도를 만들기 위해 상대적으로 낮은 응축 압력하에서도 같은 토 출 공기 온도를 나타내므로 낮은 응축압력에 따른 압축비의 저하로 소비전력이 감소하여 고효율, 초절전, 성 에너지를 달성하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 코일 구조를 히트펌프시스템에 적용시켜 고효율, 초절전, 성 에너지를 달성하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 실외공기 중에 존재하는 태양의 복사열이나 다른 기타 열을 히트펌프의 능력향상을 통해 최대한 재활용하므로 화석연료의 사용량을 최대한 억제하여 많은 량의 이산화탄소 배출량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 코일의 내부를 통과하는 냉매와 코일의 외 표면을 흐르는 공기간의 열 교환이 직 교류의 형태로 수직형 직 교류를 형성하는 형태로 제작되는 직접 팽창식 코일 구조에 있어서,

   상기 코일 구조는

   정면에서 상기 코일을 세워보았을 때 냉매용 코일은 수직으로 설치하고 설치된 수직 관을 좌, 우로 이격시켜 횡배열하고 횡배열 된 각각의 냉매용 코일을 상부와 하부에 헤드로 연결하여 수직코일 1열당 각각의 분배를 행하는 상부와 하부에 헤드 분배 관에 의하여 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 코일 구조.

Images