KR20070120566A - 보다 나은 유동 분배를 제공하기 위한 액체 트랩부를구비한 평행 유동형 증발기 - Google Patents

Abstract

평행 유동형 증발기는 팽창 장치로부터 증발기로 전달된 냉매의 속도를 조절하기 위한 액체 트랩부를 가진다. 액체 트랩은 가장 간단한 구성으로서 증발기의 입구 매니폴드에 연결되고 수직으로 위치된 U자형 파이프이다. 액체 트랩을 제공함으로써, 소량의 액체 냉매는 임의의 조건에서 증기상으로부터 분리된다. 이렇게 분리된 액체는 트랩부에 수집되고 증발기의 입구 매니폴드로 이어지는 라인의 유동 단면적을 감소시키는 경향이 있다. 상기 단면적이 감소함에 따라, 라인을 통과하는 냉매의 속도는 증가한다. 이러한 의미에 있어서, 소량의 액상이 밖으로 분리되기 때문에, 이것은 추가적 분리가 현저히 감소되거나 완전히 회피되도록 잔류 냉매의 속도 증가를 보장할 것이다. 결과적으로, 균등한 냉매 유동이 증발기로 제공되어서, 증발기의 성능이 향상되고 시스템의 신뢰도가 개선된다.

평행 유동형 증발기, 액체 트랩부, U자형 파이프, 냉매 속도, 냉매 분리

Description

보다 나은 유동 분배를 제공하기 위한 액체 트랩부를 구비한 평행 유동형 증발기 {Parallel-Flow Evaporators with Liquid Trap for Providing Better Flow Distribution}

본 발명은 평행한 채널들 사이의 보다 나은 유동 분배와, 개선된 열 전달과, 향상된 시스템 신뢰도를 제공하기 위해, 액체 트랩이 입구 매니폴드의 상류에 위치되어 있는, 평행 유동형 증발기에 관한 것이다.

냉매 시스템은 조절되어야 할 다양한 실내 환경들 내의 공기의 온도 및 습도를 제어하기 위해 이용된다. 냉각 모드에서 작동하는 통상적인 냉매 시스템에 있어서, 냉매는 압축기에서 압축되고 응축기 (또는 이 경우에는 실외 열교환기)로 전달된다. 응축기에서, 열은 외측 주위 공기와 냉매 사이에서 교환된다. 응축기로부터, 냉매는 저온 저압으로 냉매가 팽창하는 팽창 장치로 통과한 다음, 증발기 (또는 시스템이 냉각 모드로 작동한다면 실내 열교환기)로 통과한다. 증발기에서, 실내 공기를 조절하기 위해, 냉매와 실내 공기 사이에서 열이 교환된다. 냉매 시스템이 냉각 모드로 작동하면, 증발기는 실내 환경으로 공급되고 있는 공기를 냉각하고 통상적으로 제습한다.

냉매 시스템에서 사용될 수 있는 증발기의 한 형태는 평행 유동형 증발기이 다. 이러한 증발기는 입구 매니폴드와 출구 매니폴드 사이에서 냉매를 소통하기 위해 수 개의 평행한 채널을 가진다. 각각의 채널은 통상적으로 내벽에 의해 분리된 다양한 단면 형상의 복수개의 평행한 내부 경로를 가진다. 주름진 핀들은 열전달 향상 및 구조적 강성을 위해 채널들 사이에 배치되어 있다. 일반적으로, 채널, 매니폴드, 및 핀은 알루미늄과 같은 유사한 재료로 구성되고 로 브레이징(furnace brazing)에 의해 서로 부착된다. 근래에, 평행 유동형 증발기는 그들의 뛰어난 성능과, 소형성, 견고한 구조, 및 향상된 내부식성으로 인해, 공기 조화 분야에서 많은 주위와 관심을 끌었다. 그러나, 평행 유동형 증발기에서 하나 염려되는 점은 증발기의 채널들 사이에서 냉매의 부적절한 분배이다. 평행 유동형 증발기에서 부적절한 분배 문제는 불충분한 냉매 속도와 함께 중력으로 인해, 입구 매니폴드에서 증기로부터 분리된 액체상에 의해 통상적으로 유발되고, 그에 따라 동등하지 않은 양의 증기 및 액체 냉매가 증발기 채널을 통과하게 된다. 부적절한 분배를 초래하는 추가적 현상은, 냉매가 많은 채널에 도달하고 그 채널들을 벗어나기 위해 유동해야 하는 상이한 거리, 동등하지 않은 압력 임피던스, 및 채널들 사이의 열전달율의 변동 등으로부터 기인한다.

공지의 평행 유동형 증발기는 통상적으로 형상이 원통형인 입구 및 출구 매니폴드를 가진다. 채널들은 통상적으로 편평한 튜브를 형성하는 동일한 알루미늄 돌출부로 제조된다. 2상 냉매가 입구 매니폴드로 진입할 때, 증기상은 종종 액체상으로부터 분리된다. 2상은 분리 후에 서로 독립적으로 이동할 것이기 때문에, 냉매의 부적절한 분배 문제가 종종 일어난다.

이러한 부적절한 분배가 발생하면, 열교환 성능이 현저히 떨어지고, 종종 액체 냉매가 출구 매니폴드를 떠나는 결과를 초래한다. 액체 냉매는 심각한 신뢰성 문제와 영구적 압축기 손상을 유발할 수 있다. 확실히, 이것은 바람직하지 못하다.

본 발명의 개시된 실시예에서, 평행 유동형 증발기에는 그것의 입구 매니폴드의 상류에 액체 트랩부가 제공된다. 이러한 방식에 있어서, 액체상이 증기상으로부터 분리되지 않는 속도로 냉매가 이동한다면, 냉매는 트랩부를 통해 매니폴드 안쪽으로 그리로 증발기 채널 안쪽으로 사실상 동등한 분배로 유동할 수 있다. 그러나, 액체의 분리가 발생할 것 같은 감소된 속도로 냉매가 이동한다면, 액체는 분리되어 액체 트랩부에 축적될 것이다. 액체가 액체 트랩부에 축적됨에 따라서, 잔류 냉매를 위한 유동 단면 영역은 더 작아지게 될 것이다. 유동 단면 영역이 더 작아지기 때문에, 냉매의 속도는 증가하여서, 액적을 입구 매니폴드로 운반하고 추가의 상 분리를 제한하는 제팅 효과(jetting effect)를 생성한다. 이러한 현상은 냉매 액체가 증기로부터 분리되지 않도록 하기 위해 적절한 냉매 속도가 유지되는 것을 보장하도록 자가 조절(self-regulating)된다.

일 실시예에서, 단일의 U자형 트랩부를 가지기 보다, 복수개의 이러한 U자형 구조에 의해 제공된 사행 경로(serpentine path)가 이용된다.

다른 개시된 실시예에서, 냉매 시스템에는 이코노마이저(economizer) 회로가 제공되고, 액체 트랩은 탭핑된 2상 냉매 혼합물을 이코노마이저 열교환기로 유도하는 라인에서 사용된다. 이러한 실시예는 제1의 개시된 실시예에 대해서와 같은 이익과 기능을 제공한다.

본 발명의 이러한 그리고 다른 특징들은 요약서에 앞서, 후속하는 상세한 설명 및 도면으로부터 가장 잘 이해될 수 있을 것이다.

도1은 본 발명을 구현하는 증발기의 단면도이다.

도2는 다른 유동 조건에 있는 도1의 증발기를 도시한다.

도3은 다른 실시예를 도시한다.

도4는 또 다른 실시예를 도시한다.

평행 유동형 증발기(22)를 가지는 냉매 시스템(20)이 도1에 도시되어 있다. 공지된 바와 같이, 냉매는 증발기(22)로부터 하류의 압축기(24), 응축기(26), 팽창 장치(28)를 통해 다시 증발기(22)로 이동한다. 팽창 장치(28)를 떠나는 냉매는 증기와 액체가 혼합된 상태이다. 증발기(22)는 입구 매니폴드(34)를 따라 이격된 복수개의 평행한 채널(32)을 가진다. 채널(32)과 입구 매니폴드(34)는 서로 유체 연통한다. 또한, 채널(32)이 유사하게 위치되고 출구 매니폴드(35)와 연통한다. 핀(30)은 채널(32) 사이에 배치된다. 핀(30)은 채널(32)들 사이에 배치된다. 채널(32), 핀(30), 입구 매니폴드(34), 및 출구 매니폴드(35)는 통상적으로 로 브레이징에 의해 서로 부착된다. 공지된 바와 같이, 공기는 핀(30)과 채널(32) 위를 통과해서 조절된다. 조절된 공간으로 공급된 공기와의 열전달 상호 작용으로 인 해, 냉매는 채널(32) 내측에서 증발한다.

전술한 바와 같이, 입구 매니폴드(34)에 이르는 냉매의 속도가 불충분하게 낮다면, 이것은 액체 냉매를 증기로부터 분리하도록 유도할 수 있다. 이것은 채널(32)들 사이에서 2개의 냉매 상의 불량한 분배로 결과될 수 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 냉매는 적절한 속도로 이동하고, 냉매 상의 분리는 거의 발생하지 않는다.

입구 매니폴드(34)로 이어지는 튜브(36)는 액체 트랩부(38)의 하류에 위치된다. 도시된 바와 같이, 액체 트랩부(38)는 일반적으로 U자형에서 수직으로 연장한다. 따라서, 분리되는 경향이 있는 임의의 액체는 액체 트랩부(38)에 수집될 것이다.

도2에 도시된 바와 같이, 냉매 속도는 상 분리를 방지하기 위한 도1의 조건에 비해 불충분하게 낮고, 액체 냉매(40)의 임의의 양은 트랩부(38)에 수집된다. 결과적으로, 냉매 유동을 위해 잔존하는 단면적(42)은 현저히 감소한다. 이것은 다음으로 입구 매니폴드(34)로 들어가는 냉매의 속도를 증가시킨다. 냉매 유동의 속도가 증가함에 따라서, 증기 냉매는 사실상 동등한 분배를 보장하도록 균일한 방식으로 그의 액체상을 채널(32)로 운반하는 경향이 있을 것이다. 사실상, 속도를 증가시키고 추가적 상 분리를 제한하기 위해 제팅 영역(jetting zone)이 생성된다. 따라서, 헤더(34)의 상류에 액체 트랩부(38)를 포함함으로써, 본 발명은 냉매의 속도를 자가 조절하고, 소량의 액체 냉매(40)의 초기 분리를 제외한 잔류하는 액체 냉매는 증기상으로부터 분리되지 않아서 결과적으로 입구 매니폴드(34) 내에서 균 일한 유동 조건이 되는 것을 보장한다. 물론, 입구 매니폴드(34)는 이러한 유동 균일성을 유지하기 위해 적절한 단면적과 길이이어야 한다. 또한, 액체 트랩부(38)은 입구 매니폴드(34)에 근접하게 위치되어야 한다. 양호하게는, 액체 트랩부(38)는 입구 매니폴드(34)의 도입부로부터 5인치(12.7㎝) 내에 위치되어야 하고 그 아래에서 수직으로 연장한다. 결과적으로, 증발기 성능은 개선된다. 또한 이로 인해 증발기 출구 매니폴드(35)에서 액체 냉매가 없어지고 시스템 신뢰성이 향상된다.

비록 본 발명이 종래 증발기에서 개시되었지만, 증발기 기능을 수행하는 예컨대 이코노마이저 열교환기 (소위, 납땜 플레이트 열교환기)와 같은 다른 열교환기도 동등하게 본 발명의 이득을 얻을 수 있다.

또한, 비록 액체 트랩부(38)가 가장 간단한 구성으로 도시되었지만, (서로 연결된 다중 U자형 세그먼트, 국부적 유동 임피던스 등과 같은) 다른 장치도 실현 가능하다.

도3에 도시된 또 다른 실시예는 입구 매니폴드(34)로 이어지는 부분(104)의 상류에 복수개의 연속적인 U자형 트랩부(102)를 가진다. 각각의 액체 트랩부(102)는 소량의 액체 냉매를 수집할 수 있어서, 입구 매니폴드(34)의 도입부에서 증기상의 속도를 증가시키고 균일한 조건을 향상시킨다.

다른 냉매 시스템의 실시예(110)는 도4에 도시되어 있다. 상기 실시예에서, 압축기(112)는 압축된 냉매를 응축기(114)로 전달한다. 라인(116)은 메인 냉매 유동 라인(126)으로부터 탭핑(tapping)되고, 이코노마이저 팽창 장치(118)를 통과한 다. 액체 트랩부(120)는 입구(122)를 통해 이코노마이저 열교환기(124)로 통과하는 냉매를 조절한다. 액체 트랩부(120)는 상기 기능을 제공하고 도1 및 도2의 실시예와 관련하여 기술된 바와 같이 작동할 것이다. 이코노마이저 열교환기(124)는 탭 라인(116)에서의 냉매와 메인 유동 라인(126)에서의 냉매 사이에서 열이 교환되도록 인접한 채널을 가지도록 구성된다 것을 알아야 한다. 메인 유동 라인(126)은 냉매를 출구(128)로 전달하고 메인 팽창 장치(130)를 통해 증발기(132)로 통과시킨다. 본 발명은 이코노마이저 열교환기(124) 및 증발기(132)와 함께 액체 트랩부를 이용할 수 있다. 냉매는 증발기(132)로부터 압축기(112)로 다시 복귀한다. 이코노마이저 열교환기(124) 하류의 라인(134)은 탭핑된 냉매를 압축기(112)의 중간 압축점으로 다시 복귀시킨다.

비록 모든 입구 매니폴드가 수평 구조로 도시되었지만, 부적절한 분배 현상은 수직 방향으로 더 많이 나타난다는 점이 지적되어야 한다. 이러한 환경에서, 본 발명의 이익은 더욱 더 나타난다.

비록 본 발명의 양호한 실시예가 개시되었지만, 본 기술 분야의 숙련자는 일정한 개조예가 본 발명의 범주 내에 든다는 것을 인지할 것이다. 이러한 이유 때문에, 후속하는 청구범위는 본 발명의 진정한 범위 및 내용을 결정하기 위해 연구되어야 한다.

Claims (15)

1. 압축된 냉매를 응축기로 전달하는 압축기와, 팽창 장치와 증발기를 연결하는 라인을 포함하는 냉매 시스템이며,

   냉매는 상기 응축기로부터 상기 팽창 장치로 그리고 상기 팽창 장치로부터 상기 증발기로 통과하고, 상기 증발기는 입구 매니폴드와, 출구 매니폴드와, 상기 입구 매니폴드로부터 냉매를 수용하고 그 냉매를 상기 출구 매니폴드로 전달하는 복수개의 채널과, 상기 채널들 사이에 배치된 핀을 포함하고,

   상기 라인에는 상기 팽창 장치로부터 상기 증발기로 통과하는 증기 냉매로부터 분리된 액체를 수집하기 위한 액체 트랩부가 제공된 냉매 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 액체 트랩부는 상기 입구 매니폴드 아래에서 수직으로 연장하는 냉매 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 액체 트랩부는 상기 라인의 U자형 하향 연장 부분에 의해 사실상 제공되는 냉매 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 액체 트랩부는 상기 입구 매니폴드로부터 5인치(12.7㎝) 내에 위치하는 냉매 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 냉매 시스템에는 또한 이코노마이저 회로가 제공되고, 상기 이코노마이저 회로는 이코노마이저 열교환기와, 이코노마이저 팽창 장치로부터 상기 이코노마이저 열교환기로 통과하는 증기 냉매로부터 분리된 액체를 수집하는 액체 트랩부를 구비하고, 상기 이코노마이저 열교환기에는 메인 유동 라인을 상기 이코노마이저 팽창 장치를 통해 상기 이코노마이저 열교환기로 연결하는 탭 라인이 제공되며, 상기 탭 라인은 상기 이코노마이저 열교환기의 하류에 있는 상기 압축기의 중간 압축점으로 복귀하는 냉매 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 액체 트랩부는 복수개의 연속적으로 이격된 U자형 액체 트랩부를 포함하는 냉매 시스템.
7. 냉매 시스템을 작동시키는 방법이며,

   입구 매니폴드로부터 냉매를 수용하고 상기 냉매를 출구 매니폴드로 그리고 상기 출구 매니폴드로부터 압축기로 전달하는 복수개의 튜브를 가지는 증발기와, 팽창 장치를 상기 증발기로 연결하는 유체 라인을 제공하는 단계와,

   냉매를 현저하게 균일한 상태로 상기 입구 매니폴드로 전달하기 위해, 액체가 증기 냉매로부터 분리될 때 액체 트랩부가 냉매의 속도를 자가 조절하도록, 냉매를 상기 냉매 시스템으로 통과시키는 단계를 포함하고,

   상기 압축기는 냉매를 응축기로 전달하고, 상기 냉매는 상기 응축기로부터 상기 팽창 장치로 통과한 다음 상기 증발기로 복귀하며, 상기 유체 라인에는 상기 증기 냉매로부터 분리된 액체를 포획하기 위한 액체 트랩부가 제공되는 냉매 시스템 작동 방법.
8. 제7항에 있어서, 냉매 시스템에는 이코노마이저 회로가 더 제공되고, 상기 이코노마이저 회로는 이코노마이저 열교환기와, 이코노마이저 팽창 장치로부터 상기 이코노마이저 열교환기로 통과하는 증기로부터 분리된 액체를 포획하도록 제공된 액체 트랩부를 포함하고, 상기 이코노마이저 회로는 냉매를 탭핑하고 탭핑된 냉매를 이코노마이저 팽창 장치를 통해 상기 이코노마이저 열교환기로 통과시키며, 상기 냉매 시스템 작동 방법은 냉매를 현저하게 균일한 상태로 상기 이코노마이저 열교환기로 전달하기 위해, 액체가 증기 냉매로부터 분리될 때 상기 액체 트랩부가 냉매의 속도를 자가 조절하도록, 냉매를 상기 이코노마이저 팽창 장치를 통해 상기 이코노마이저 열교환기로 통과시키는 단계를 더 포함하는, 냉매 시스템 작동 방법.
9. 입구 매니폴드로 이어지는 유체 라인과,

   상기 유체 라인 상의 액체 트랩부와,

   상기 입구 매니폴드로부터 유체를 수용하는 복수개의 채널을 가지는 열교환기를 포함하는, 열교환기 및 유체 라인 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 열교환기는 냉매 시스템의 증발기인, 열교환기 및 유체 라인 시스템.
11. 제9항에 있어서, 상기 열교환기는 냉매 시스템의 이코노마이저 열교환기인, 열교환기 및 유체 라인 시스템.
12. 제9항에 있어서, 상기 액체 트랩부는 상기 입구 매니폴드 아래에서 수직으로 연장하는, 열교환기 및 유체 라인 시스템.
13. 제9항에 있어서, 상기 액체 트랩부는 상기 라인의 U자형 하향 연장 부분에 의해 사실상 제공되는, 열교환기 및 유체 라인 시스템.
14. 제9항에 있어서, 상기 액체 트랩부는 상기 입구 매니폴드로부터 5인치(12.7㎝) 내에 위치하는, 열교환기 및 유체 라인 시스템.
15. 제9항에 있어서, 상기 액체 트랩부는 복수개의 연속적으로 이격된 U자형 구조물에 의해 제공되는, 열교환기 및 유체 라인 시스템.

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