KR20080019969A - 축냉기를 구비한 증발기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축냉기를 구비함으로써 공회전 상태 또는 단시간 정차 상태에서의 냉각 효율을 높일 수 있는 축냉기를 구비한 증발기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 축냉기를 구비한 증발기는, 일정 간격으로 배열되는 다수의 튜브(220); 상기 튜브(220)들 사이에 개재되는 핀(230); 및 상기 튜브(110)의 단부에 결합되는 헤더탱크(210); 를 포함하여 구성되는 증발기(200)에 있어서, 상기 증발기(200)의 공기흐름 하류 영역 중에서 저온 영역에 축냉기(100)가 설치되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 저온 영역은 차량의 정상 운행 시에 상기 증발기(200)를 통과한 직후의 온도분포 중 평균 이하의 영역인 것을 특징으로 한다.

증발기, 열교환기, 냉각, 빙축, 축냉, 공기저항

Description

축냉기를 구비한 증발기 {An Evaporator with a Cool Reservoir}

도 1은 종래기술에 의한 축냉기를 구비한 증발기의 사시도.

도 2는 증발기 내부에서의 냉매 흐름도.

도 3은 본 발명에 의한 축냉기를 구비한 증발기의 사시도.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

10: 종래기술에 의한 축냉기

11: 본체 12: 핀

100: 본 발명에 의한 축냉기

110: 본체 120: 핀

200: 증발기 210: 헤드탱크

220: 튜브 230: 핀

본 발명은 축냉기를 구비함으로써 공회전 상태 또는 단시간 정차 상태에서의 냉각 효율을 높일 수 있는 축냉기를 구비한 증발기에 관한 것이다.

에어컨 시스템 또는 열펌프 시스템은 온도차가 있는 두 환경 사이에서 한쪽의 열을 흡수하여 다른쪽으로 열을 방출시키는 장치로서, 실내의 열을 흡수하여 외부로 방출할 경우에는 냉방 시스템으로서, 외부의 열을 흡수하여 실내로 방출할 경우에는 난방 시스템으로서 작용하게 된다. 통상적으로 열교환기는 주변으로부터 열을 흡수하는 증발기, 냉매(冷媒) 혹은 열매(熱媒)를 압축하는 압축기, 주변으로 열을 방출하는 응축기, 냉매(冷媒) 혹은 열매(熱媒)를 팽창시키는 팽창밸브로 구성된다. 냉각 장치에서는, 액체 상태의 냉매가 주변에서 기화열만큼의 열량을 흡수하여 기화되는 증발기에 의해 실제 냉각 작용이 일어나게 된다. 상기 증발기로부터 압축기로 유입되는 기체 상태의 냉매는 압축기에서 고온 및 고압으로 압축되고, 상기 압축된 기체 상태의 냉매가 응축기를 통과하면서 액화되는 과정에서 주변으로 액화열이 방출되며, 상기 액화된 냉매가 다시 팽창밸브를 통과함으로써 저온 및 저압의 습포화 증기 상태가 된 후 다시 증발기로 유입되어 기화하게 되어 사이클을 이루게 된다.

이와 같은 냉각 장치는 실내를 냉방하기 위하여 사용되는데, 실질적인 냉각 작용은 증발기에서 일어나게 된다. 그런데, 차량의 냉각 장치는 엔진의 구동력을 기반으로 하고 있기 때문에 차량이 공회전 상태에 있거나 단시간 주차하는 동안에 는 냉각 작용이 일어나지 않는다. 차량 외부 환경의 온도가 매우 높은 경우에 있어서, 이와 같이 단시간이라도 냉각 장치가 작동하지 않게 되면 차량 실내의 온도가 매우 빠르게 상승하게 되며, 다시 차량을 운행하기 시작하게 되었을 때에서야 비로소 다시 냉각 장치의 작동이 시작되게 되므로 빨리 시원한 바람이 나오지 않게 되고, 이에 따라 사용자의 쾌적성이 크게 감소되게 된다. 특히, 연비 향상과 매연 등의 배출 규제로 인해 수소연료전지를 이용하는 차량 및 동력과 전기에너지를 동시에 사용하는 하이브리드 차량에 대한 연구 개발이 증가되는 추세에 있는 바, 수소연료전지를 이용하는 차량 및 하이브리드 차량은 신호대기 등의 정차시 자동으로 엔진을 정지하고 다시 변속기의 조작으로 엔진이 재시동되도록 하는 아이들 스톱/고 시스템을 채택하는 경우가 많다. 그러나 상기 수소연료전지를 이용하는 차량 및 하이브리드 차량의 경우에도 냉방장치는 엔진에 의해 작동되므로 엔진이 정지될 경우, 압축기도 정지하게 되고 이에 따라, 증발기의 온도가 급격하게 상승되어 사용자의 쾌적함을 떨어뜨리는 문제점이 있다. 또한, 증발기 내부의 냉매는 상온에서도 쉽게 기화되므로 압축기가 동작되지 않는 짧은 시간동안 냉매가 기화되어 다시 엔진이 작동되어 압축기 및 증발기가 작동되더라도 기화된 냉매를 압축하여 액화해야하므로 실내에 냉풍이 공급되기 위한 시간이 오래 소요될 뿐만 아니라 전체 에너지 소요량을 높이는 문제점이 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위하여 증발기에 축냉기를 구비하는 구조가 널리 채용되고 있음은 주지의 사실이다.

도 1은 종래기술에 의한 축냉기를 구비한 증발기의 사시도이다. 증발기(200)는 도시된 바와 같이 일정 간격으로 배열되는 다수의 튜브(220)와 상기 튜브(220) 들 사이에 개재되는 핀(230) 및 상기 튜브(220)의 단부에 결합되는 헤더탱크(210)를 포함하여 이루어지게 되며, 냉매의 유입 및 배출 방향에 따라 냉매의 흐름을 조절하기 위해 헤더탱크(210) 내부에 배플이 삽입되어 있을 수도 있다. 종래의 축냉기(10)는 일반적으로 본체(11)와 핀(12)으로 구성되어 있으며, 때에 따라서는 상기 핀(12)이 없고 단지 본체(11)에 공기가 지날 수 있는 통공만 형성되어 있는 형태로 되어 있는 축냉기(10)도 있다. 상기 본체(11)는 내부가 비어 있는 형태로 되어 있어서, 상기 본체(10)의 내부에 축냉제가 수용된다.

증발기(200)에 유입되는 냉매는 위치에 따라 온도의 분포가 달라지게 된다. 일반적으로 증발기(200)의 입구 부근에서 증발기(200) 표면 온도의 저온 영역이 형성된다는 사실은 잘 알려져 있다. 그런데, 종래기술에서와 같이 증발기(200)의 전면에 축냉기(10)가 구비되는 경우, 온도 분포에 따라 증발기(200)의 표면 온도가 낮은 영역에서는 축냉이 잘 이루어지게 되지만 반대로 표면 온도가 높은 영역에서는 축냉이 효과적으로 이루어질 수 없게 되며, 뿐만 아니라 증발기(200)의 저온 영역에 밀접한 부분에 위치한 축냉제와 고온 영역에 밀접한 부분에 위치한 축냉제가 서로 열교환을 일으켜 결과적으로 축냉기(10) 전체의 축냉 효율을 떨어뜨리게 되는 결과가 야기된다. 뿐만 아니라, 이와 같은 종래의 축냉기(10)는 증발기(200)의 전체 면적을 가리는 형태가 되어, 증발기(200)의 공기 저항을 증가시켜서 그 결과 공기가 잘 빠져나가지 못하게 되는 악영향을 발생시킨다. 이와 같이 증발기(200) 사이로의 공기 유통이 원활하지 않게 되면 증발기(200) 자체의 냉각 효율도 떨어지게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 저온 영역에 축냉기를 구비하여 축냉 효율을 높임과 동시에 상기 축냉기에 저장된 냉기를 사용하여 공회전 상태 또는 단시간 주차 시 냉각 성능을 높이는 축냉기를 구비한 증발기를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 축냉기를 구비한 증발기는, 일정 간격으로 배열되는 다수의 튜브(220); 상기 튜브(220)들 사이에 개재되는 핀(230); 및 상기 튜브(110)의 단부에 결합되는 헤더탱크(210); 를 포함하여 구성되는 증발기(200)에 있어서, 상기 증발기(200)의 공기흐름 하류 영역 중에서 저온 영역에 축냉기(100)가 설치되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 저온 영역은 차량의 정상 운행 시에 상기 증발기(200)를 통과한 직후의 온도분포 중 평균 이하의 영역인 것을 특징으로 한다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 축냉기를 구비한 증발기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 일반적인 증발기 내부에서의 대표적인 냉매 흐름 두 가지를 도시하고 있다. 냉매의 흐름을 보다 잘 보이기 위해서 본 도면에서는 편의상 증발기(200) 헤더탱크(210)의 각 열을 분리하여 도시하였으며, 또한 튜브(220) 및 핀(230)은 생략하였다. 도 2(A)에는 냉매의 입구 및 출구가 동일 방향에 위치한 증발기를, 도 2(B)에는 냉매의 입구 및 출구가 서로 반대 방향에 위치한 증발기를 도시하고 있다. 종래기술의 설명에서 기술하였듯이, 증발기 내부에서의 냉매는 입구 부근에서 저온 영역을 형성한다는 사실이 잘 알려져 있다. 도 2(A)와 같이 동일 방향의 입출구를 가지는 증발기(200)의 경우에는, 냉매가 유입측 헤더탱크(210)의 전체 길이 방향에 걸쳐 유입된 후 하향하게 된다. 도 2(B)와 같이 반대 방향의 입출구를 가지는 증발기(200)의 경우에는 이와 달리, 유입측 헤더탱크(210)의 중간에 배플이 구비되어 냉매의 흐름을 바꾸도록 하고 있으므로 헤더탱크(210)의 입구에 가까운 쪽으로 냉매가 먼저 유입되어 하향하고, 입구에서 먼 쪽으로는 냉매가 상향하여 다음 열의 헤더탱크(210)로 이동하여 흐르게 된다. 따라서, 도 2에 표시되어 있는 바와 같이 동일 방향의 입출구를 가지는 증발기(200)는 증발기(200) 전면에서 볼 때 위쪽 영역(도 2(A)의 S 영역)이, 반대 방향의 입출구를 가지는 증발기(200)는 증발기(200) 전면에서 볼 때 왼쪽 영역(도 2(B)의 S 영역)이 저온 영역(S)이 된다.

종래기술에서는 증발기(200)의 전체 면적에 해당하는 크기의 축냉기(10)를 구비하도록 되어 있었기 때문에 이와 같이 냉매의 온도 분포에 따라 축냉이 잘 이루어지는 영역과 잘 이루어지지 않는 영역이 구분되고, 이에 따라 축냉기(10) 내부에 수용된 축냉제가 서로 열교환을 일으켜 전체적인 축냉 효율을 떨어뜨리게 된다 는 문제점이 있었다. 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명에 의한 축냉기(100)는 증발기(200)의 도 2에 표시된 저온 영역(S) 부분에 설치되게 한다.

도 3은 본 발명에 의한 축냉기를 구비한 증발기의 사시도이다. 본 발명에 의한 축냉기(100)는 상술한 바와 같은 원리에 의하여 증발기(200)의 저온 영역에 구비되게 된다. 축냉기(100)는 종래의 축냉기처럼 도시된 바와 같이 내부에 축냉제를 수용하는 본체(110)와 상기 본체(110)에 공기가 통과할 수 있도록 형성되어 있는 통공에 구비된 핀(120)을 포함하여 구성되어 있어도 무방하고, 상기 핀(120)이 없이 본체(110)에 통공만 형성되어 있어도 무방하다. 도 2 및 도 3에 표시된 증발기(200)의 저온 영역은 냉각 장치가 작동하고 있을 때 통상적으로 2 ~ 5℃ 정도의 온도를 갖게 되는 영역을 일컫는 것으로, 본 도면에서는 도 2에 도시된 바와 같은 냉매 흐름을 갖는 증발기에 있어서의 저온 영역을 표시하였으나, 반드시 저온 영역이 증발기의 위쪽 또는 왼쪽에 나타나는 것은 아니며, 본 도면에 도시된 바와 다른 형태의 냉매 흐름을 갖는 증발기인 경우에는 냉각 장치 작동 중에 2 ~ 5℃의 온도 분포를 갖는 영역을 저온 영역으로 설정하여 그 위치에 본 발명의 축냉기(100)를 설치하면 된다.

상기 축냉기(100)에 수용되는 축냉제는 일반적으로 많이 사용되는 파라핀 계열의 축냉제를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 축냉제의 녹는점( 또는 어는점)은 3 ~ 5℃ 정도인 것으로 알려져 있으며, 따라서 상기 저온 영역의 온도 범위는 축냉제의 상변화구간을 포함하기 때문에 효과적으로 축냉 작용이 일어날 수 있 다. 도 3과 같이 축냉기(100)가 증발기(200)의 저온 영역에 구비되면, 상대적으로 더 낮은 온도를 갖는 공기에 의해 축냉기(100)가 냉각되게 되며, 상기 축냉기(100) 내부에 수용된 축냉제는 축냉기(100) 전체에 걸쳐 고른 온도 분포를 가질 수 있을 뿐만 아니라 상술한 바와 같이 축냉제의 상변화구간을 포함하는 온도 범위를 가지게 되어, 결과적으로 축냉기의 축냉 효율이 전체적으로 증가하게 된다.

또한, 종래에는 도 1에 보인 바와 같이 종래의 축냉기(100)가 증발기(200) 전체 면적에 해당하는 면적을 갖도록 설계되어 있어서, 증발기(200)를 통과하는 공기의 흐름을 방해하여 증발기(200)의 냉각 효율을 떨어뜨리게 되는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 이와 같이 증발기(100)의 저온 영역 부분, 즉 일부 부분에만 축냉기(100)가 구비됨으로써 증발기(100)를 통과하는 공기 흐름에 대한 공기 저항 증가를 종래보다 훨씬 줄일 수 있게 되며, 따라서 축냉기(100)를 구비함으로써 공기 저항이 증가하여 증발기(100)의 냉각 효율을 떨어뜨리는 악영향을 훨씬 저감시킬 수 있게 된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 증발기에 축냉기를 구비함으로써 공회전 상태나 단시간 주차 시 다시 냉각 장치를 재가동하기 시작했을 때 아직 냉매가 충분히 저온이 되지 않은 상태라 하더라도 축냉기에 저장된 냉기를 발산함으로써 차량 실내에 저온의 공기를 공급하는 효과가 있으며, 또한 이에 따라 사용자의 냉방 쾌적성을 높이는 효과가 있다. 또한, 이와 같은 축냉기를 증발기의 저온 영역에 설치함으로써 증발기의 저온 영역을 통과하였기 때문에 상대적으로 더 저온의 공기에 의해 축냉을 수행할 수 있게 되는 효과가 있으며, 이에 따라 축냉 효율을 더 높일 수 있는 효과도 있다. 뿐만 아니라, 축냉기를 증발기의 일부 영역에만 설치함으로써 증발기를 통과하는 공기의 흐름에 있어서 축냉기로 인한 공기 저항 증가 효과를 종래보다 훨씬 감소시킬 수 있는 효과가 있으며, 그 결과 증발기의 냉각 효율이 덜 저감될 수 있도록 해 주는 효과가 있다. 더불어, 축냉기를 구비함으로써 재 냉방시 소모되는 에너지와 시간을 최소화할 수 있어 연비의 향상과 유해 배기물질의 배출이 저감되는 효과도 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. 일정 간격으로 배열되는 다수의 튜브(220); 상기 튜브(220)들 사이에 개재되는 핀(230); 및 상기 튜브(110)의 단부에 결합되는 헤더탱크(210); 를 포함하여 구성되는 증발기(200)에 있어서,

   상기 증발기(200)의 공기흐름 하류 영역 중에서 저온 영역에 축냉기(100)가 설치되는 것을 특징으로 하는 축냉기를 구비한 증발기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 저온 영역은

   차량의 정상 운행 시에 상기 증발기(200)를 통과한 직후의 온도분포 중 평균 이하의 영역인 것을 특징으로 하는 축냉기를 구비한 증발기.

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