KR20110010048A

KR20110010048A - 냉매 유체의 분배 균일성이 향상된 다통로 열교환기

Info

Publication number: KR20110010048A
Application number: KR1020100026722A
Authority: KR
Inventors: 화 자오 리우; 지안 롱 지앙; 린지에 후앙
Original assignee: 단포스 산화(항저우) 마이크로 채널 히트 익스체인저 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-01-31
Also published as: US20110017438A1; CN101691981A; EP2278246A2; EP2278246B1; KR101338283B1; KR20130069687A; US20150377566A1; KR20120104505A; US9291407B2; EP2278246A3; CN101691981B

Abstract

본 발명은 냉매 유체의 분배 균일성이 향상된 다중 통로 열교환기에 관한 것으로, 상기 다중 통로 열교환기는 입구 매니폴드를 포함하고，상기 입구 매니폴드는 대체로 평행인 다수의 튜브를 통해 출구 매니폴드와 유체 연통되고, 또한 대체로 평행인 다수의 미세 통로를 한정하고 있다. 냉매는 입구 매니폴드 내에 설치된 분배관을 통해 열교환기로 안내된다. 분배관은 그 길이 방향에 따라 배치된 다수의 비원형 개구를 포함하고, 다수의 비원형 개구는 냉매가 입구 매니폴드로 유입되게 한다. 마지막으로 냉매가 튜브에 유입된 후 이를 통과하고 미세 통로의 출구로부터 배출된다. 개구는 분배관의 길이 방향으로 배치되는 것이 바람직하고 개구는 분배관의 길이 방향과 각을 이루는 동시에 입구 매니폴드 내에 위치됨으로써 냉매 흐름의 대체적인 방향이 튜브를 통과하는 냉매 흐름의 대체적인 방향과 각을 이루도록 한다. 상기 개구는 대체 가능한 모양으로 형성할 수 있다. 본 발명에 따른 다중 통로 열교환기는 냉매 유체의 분배 균일성이 향상되었다.

Description

냉매 유체의 분배 균일성이 향상된 다통로 열교환기{MULTI-CHANNEL HEAT EXCHANGER WITH IMPROVED UNIFORMITY OF REFRIGERANT FLUID DISTRIBUTION}

본 발명은 전반적으로 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 증발기, 냉각기, 기체 냉각기 또는 열 펌프에 사용되는, 유체가 열교환기의 미세 통로에 균일하게 분포하면서 통과하는 미세 통로 열교환기에 관한 것이다.

미세 통로 열교환기는 본 기술영역에서 이미 알려진 기술로서, 평판관(flat-tube) 또는 평행 흐름 열교환기라고 부르기도 하며, 특히 자동차 에어컨 시스템에 사용되고 있다. 이러한 열교환기는 다수의 튜브를 통해 출구 매니폴드와 유체 연통된 입구 매니폴드를 대표적으로 포함하고, 각각의 튜브는 다수의 미세 통로를 포함하는 구성을 가진다. 종래의 응용에 있어서, 기류가 열교환기의 표면을 흘러 지나고 냉매 유체가 열교환기의 튜브 및 미세 통로를 통과할 때 기류로부터 열량을 흡수한다. 이렇게 열교환하는 동안, 냉매 유체는 증발되고, 동시에 외부 기류의 온도는 에어컨, 냉각기 또는 냉동기 등의 냉각에 사용하기 적합한 온도로 낮아진다.

작동하는 동안, 냉매 유체 흐름이 입구 매니폴드를 통과하여 분배되므로 각 튜브는 일부 냉매 유체를 받아들이게 된다. 열교환기의 작동과정에 최상의 효율을 확보하도록 유체 흐름이 각 튜브에 균일하게 분배되고 나아가서 각 튜브 내의 미세 통로에 균일하게 분배되도록 하는 것이 바람직하다. 하지만, 평행 흐름 타입의 열교환기는 열교환기의 입구 매니폴드 및 상기 입구 매니폴드와 미세 통로 사이에 일반적으로 2상(biphase) 냉매 상태가 존재한다. 즉, 2상 유체가 열교환기의 입구 매니폴드에 유입되면서 일부 튜브는 비교적 많은 액상 냉매 흐름을 받아들이고 다른 튜브는 비교적 많은 기상 유체 흐름을 받아들이므로 층이 나뉘어진 기체-액체 흐름이 열교환기를 통과하게 된다. 상기 2상 현상으로 인해 튜브와 미세 통로를 통과하는 냉매가 불균일하게 분배되며, 이 또한 열교환기의 효율을 현저하게 저하시킨다. 게다가, 일부 튜브가 전반적으로 다른 튜브보다 냉매를 더 많이 받아들이므로 이와 같이 불균일한 분배 또한 시스템의 효율에 영향을 미친다.

미세 통로 열교환기를 통과하는 냉매 유체의 분배 균일성을 향상시키기 위한 여러 가지 설계가 이미 제안되었다. 예를 들면, 미국특허 제US7143605호는, 분배관을 입구 매니폴드 내에 위치시키되, 그 중 분배관은 길이 방향으로 배치되고 각 미세 통로의 입구와 대향하지 않아 대체로 동일한 양의 냉매를 각 평판관 내에 분배하는 효과를 가지는 대체로 원형을 이루는 다수의 홀을 포함한다는 내용을 기재하였다. 이와 유사한 발명으로 국제특허출원 제WO2008/048251호는, 입구 매니폴드의 내부 용적을 감소하기 위하여 입구 매니폴드 내에 설치된 삽입물을 공개하고 있다. 상기 삽입물은 튜브-인-튜브(tube-in-tube)로 설계될 수 있으며, 냉매가 교환기 튜브 내로 분배되도록 길이 방향으로 배치된 다수의 원형 개구를 구비한 분배관을 포함한다. 상기 발명은 비록 냉매 분배 균일성이 다소 향상되었으나, 여전히 미세 통로 열교환기의 이상적인 분배 균일성 및 성능을 실현할 수 없다.

도 1은 미세 통로 열교환기 내에 일반적으로 사용된 표준 분배관의 길이에 따른 냉매 분배의 변화를 나타내고 있다. 도 1에서, 직선은 바람직한 분배 상태(이상 상태)를 나타내고 있으며 여기서 냉매 유체는 매우 균일하게 분배되고 있는바 다시 말하면 냉매의 질량 유량은 분배관의 길이에 따라 변하지 않는다. 그리고 도 1의 곡선은 냉매의 실제 분배 상태를 나타내고 있다. 곡선이 직선 아래에 위치하면 실제로 분배되는 냉매가 바람직한 분배 양보다 적고, 곡선이 직선 위에 위치하면 실제로 분배되는 냉매가 너무 많다는 것을 표시한다. 실제 상태를 나타내는 곡선에 따르면 열교환기의 중심에 위치한 튜브가 더 많은 유체 유량을 받아들이고 열교환기의 가장자리에 위치한 튜브가 비교적 적은 냉매 유량을 받아들인다. 상기 두 선 사이의 그림자 영역은 냉매의 실제 분배상태와 바람직한 상태 사이의 차이를 나타낸다. 분배관의 분배 균일성은 다음 식으로 표시할 수 있다.

U = (M_total - ∑ | Δm |) / M_total

여기서 U는 냉매의 분배 균일성을 나타내고, M_total은 냉매의 전체 유량을 나타내고, Δm 는 냉매의 실제 유량과 냉매의 바람직한 유량 사이의 차이를 나타낸다.

위의 상황을 고려하면, 냉매 유체 분배의 균일성을 향상시키고 또한 이에 따라 미세 통로 열교환기의 성능을 향상시킨 열교환기가 필요한 상황이다. 따라서 본 발명은 평행 흐름 열교환기에 존재하는 냉매 유체 흐름과 관련된 문제와 단점을 극복함으로써 유체 분배의 균일성과 전반적인 작동효율을 현저하게 향상시킨 미세 통로 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 한 측면에 따른 미세 통로 열교환기 내에 사용된 분배관은, 냉매 소스와 연통되기에 적합한 오픈된 제1 단부; 상기 제1 단부와 대향하는 밀폐된 제2 단부; 및 분배관의 길이 방향으로 제1 단부 및 제2 단부 사이에 설치된 다수의 비원형 개구를 포함한다. 상기 분배관은 특히 대체로 평행인 다수의 튜브를 통해 출구 매니폴드와 유체 연통된 입구 매니폴드를 구비한 열교환기에 사용하기 적합하다. 상기 분배관은 특히 미세 통로 열교환기에 사용하기 적합하다. 여기서 입구 매니폴드와 출구 매니폴드 사이에 연결된 다수의 튜브 중의 각 튜브는 대체로 평행인 다수의 미세 통로를 한정하고 있다.

상기 비원형 개구는 분배관의 길이 방향으로 설치된 슬롯인 것이 바람직하다. 상기 슬롯은 분배관에 배치됨으로써 각 슬롯의 길이 방향이 분배관의 길이 방향과 각을 이루도록 한다. 인접한 슬롯은 분배관의 길이 방향에 대하여 반대 방향에서 각을 이루도록 배치된다.

본 발명의 다른 한 측면에 따른 미세 통로 열교환기는 입구 매니폴드; 상기 입구 매니폴드와 소정의 거리를 두고 있는 출구 매니폴드; 및 서로 대향하고 있는 단부가 상기 입구 매니폴드 및 상기 출구 매니폴드와 각각 연결됨으로써 상기 입구 매니폴드 및 상기 출구 매니폴드가 유체 연통되도록 하는 다수의 튜브를 포함한다. 그리고 각 튜브마다 그 내부에 형성된 대체로 평행인 다수의 미세 통로를 포함한다. 분배관은 상기 입구 매니폴드 내에 설치되고 제1 단부와 제2 단부를 포함하되, 상기 제1 단부는 오픈되어 있고 냉매 소스와 연결하기 적합하고, 상기 제2 단부는 밀폐되고 제1 단부와 대향하고 있다. 상기 분배관은 그 길이 방향으로 배치된 다수의 비원형 개구를 더 포함한다.

상기 다수의 비원형 개구는 분배관의 길이 방향으로 대체로 선형으로 배열되고, 여기서 선형으로 배열된 상기 다수의 개구는 입구 매니폴드 내에 배치됨으로써 개구로부터 유출된 냉매 흐름의 대체적인 방향이 상기 튜브를 흘러 지나는 냉매 흐름의 대체적인 방향과 각을 이루도록 할 수 있다. 상기 분배관은 그 길이 방향으로 대체로 선형으로 배열된 2열의 비원형 개구 열을 포함하는 것이 바람직하고 그 중 각 열의 개구는 입구 매니폴드 내에 위치함으로써 각 개구로부터 유출된 냉매 흐름이 상기 튜브를 흘러 지나는 냉매 흐름의 대체적인 방향과 각을 이루도록 할 수 있다.

본 발명의 상기 기술특징 및 기타 기술특징은 미세 통로 열교환기 및 상기 미세 통로 열교환기에 사용되는 분배관의 바람직한 실시예에 관한 도면을 참조하기 바란다. 본 발명에 따른 상기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 한정하지 않는다.

본 발명은 증발기, 냉각기, 기체 냉각기 또는 열 펌프 등의 여러 가지 구성에 적용될 수 있다. 본 발명은 자동차, 거주 및 상업에 사용되는 에어컨에 특히 실용적이다. 한편, 본 발명은 냉동기 및 가열 사용하는 가역성 열 펌프의 실외 코일(coil)에 실용적이다.

도 1은 열교환기 내에 설치된 종래의 표준 분배관의 길이에 따른 냉매 분배의 변화를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세 통로 열교환기를 측면에서 바라본 횡단면의 개략도를 나타낸다.
도 3은 개구의 총면적과 분배관의 횡단면적의 비율과 분배관의 길이(L) 사이에 존재하는 관계의 바람직한 범위를 나타낸다.
도 4(a) 내지 도 4(h)는 도 2에 도시한 미세 통로 열교환기 내에 사용된 각종 선택 가능한 분배관의 측면도를 나타낸다.
도 5는 개구의 폭/길이(d/l)가 냉매 분배 균일성에 미치는 영향을 나타낸다.
도 6는 개구 길이(l)가 냉매 분배의 균일성에 미치는 영향을 나타낸다.
도 7은 서로 연결된 개구 사이의 거리(L')가 냉매 분배 균일성에 미치는 영향을 나타낸다.
도 8은 개구의 각(β)이 냉매 분배의 균일성에 미치는 영향을 나타낸다.
도 9는 도 2의 미세 통로 열교환기의 9-9선에 따른 부분 단면도를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 미세 통로 열교환기의 부분 단면도를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 미세 통로 열교환기의 부분 단면도를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 또 다른 하나의 실시예에 따른 미세 통로 열교환기의 개략도를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(10)를 나타낸다. 상기 열교환기(10)는 냉매 유체 분배의 균일성과 일치성 및 작동효율을 향상시켰다. 도 2에 도시한 바와 같이, 열교환기(10)는 미세 통로 열교환기인 동시에 입구 매니폴드(12)를 포함하고, 상기 입구 매니폴드(12)는 대체로 평행인 다수의 튜브(16)를 통해 출구 매니폴드(14)와 유체 연통된다. 도 9에 분명하게 도시한 바와 같이, 튜브(16)는 평판관 및 원형관이 될 수 있으며, 더 나아가 대체로 평행인 다수의 미세 통로(18)를 한정하도록 형성될 수 있다. 튜브(16)의 양쪽 단부는 입구 매니폴드(12) 및 출구 매니폴드(14)와 각각 연결된다. 그리고 미세 통로(18)가 입구 매니폴드(12) 및 출구 매니폴드(14))의 내부와 각각 연통되도록 상기 연결 부분을 밀봉한다. 이렇게 함으로써 작동하는 동안에 냉매가 열교환기(10)로부터 누설되지 않는다. 또한 다수의 핀(20)은 서로 인접한 튜브(16) 사이에 설치되고, 상기 핀(20)은 지그재그(ZIGZAG) 모양인 것이 바람직하며 열교환기(10)를 흘러 지나는 기류와 열교환기(10)를 통과하는 냉매 유체 사이의 열교환을 보조하는 역할을 한다.

열교환기(10)가 작동하는 동안에 냉매 유체는 입구 매니폴드(12) 내에 설치된 분배관(22)을 통해 열교환기(10) 내로 안내된다. 그리고 분배관(22)은 일반적으로 제1 단부(24), 제2 단부(26) 및 다수의 개구(28)를 포함한다. 그리고 제1 단부(24)는 오픈되어 있는 동시에 냉매 소스(도시하지 않음)와 연결되고 냉매 유체 흐름의 입구로 사용된다. 또한 제2 단부(26)는 밀폐되어 있으며, 다수의 개구(28)는 분배관(22)의 길이 방향으로 배치되고 냉매 유체의 출구로 사용된다. 냉매 유체는 개구(28)를 통해 분배관(22)으로부터 배출되고 입구 매니폴드(12)의 내부 공간(30)으로 유입된다. 그리고 냉매 유체가 입구 매니폴드(12) 내에서 혼합됨으로써 기상(氣相) 냉매와 액상(液相) 냉매가 균일하게 혼합되게 하므로 분층(分層) 현상이 발생되지 않는다. 하지만 입구 매니폴드(12) 내에 분배관(22)이 설치되어 있지 않으면, 냉매 유체가 액상과 기상으로 분리하게 된다. 따라서 본 실시예는 혼합된 냉매가 입구 매니폴드(12)로부터 튜브(16)에 효과적으로 유입된 동시에 상기 튜브(16)를 통과할 수 있으므로 2상 분리 현상이 발생되지 않는다.

분배관(22)의 길이 방향으로 형성된 개구(28)를 사용하면 입구 매니폴드(12) 내의 혼합 과정에 도움이 되는 동시에, 냉매 유체를 각 튜브(16)로 분배하는데 도움이 된다. 아래 냉매 유체를 각 튜브(16)로 균일하게 분배하는데 도움이 되는, 개구(28)의 모양, 간격 및 위치를 포함한 분배관의 설계에 대해 상세하게 설명한다.

냉매 유체가 튜브(16)를 통과할 때 기류는 튜브(16)의 표면과 핀(20) 사이를 흘러 지나며, 냉매 유체는 기류로부터 열량을 흡수하여 증발됨으로써 기류를 냉각시킨다. 그리고 미세 통로(18)는 외부 기류와 내부 냉매 유체 흐름 사이의 열교환 효율을 향상시켰다. 증발된 냉매는 열교환기(10)의 출구 매니폴드(14)로 흘러들고, 출구 매니폴드(14)에서 증발된 냉매는 압축기에 유입되는 동시에 시스템을 통해 순환된다. 냉각된 기류는 예를 들면 에어컨, 냉각기 및 냉동기에 필요한 냉각 온도로 낮아진다.

도 2와 도 9에 도시한 바와 같이, 분배관(22)은 원형관인 것이 바람직하다. 분배관(22)은 비원형 횡단면을 가질 수도 있는데, 예를 들면 사각형과 타원형으로 이루어질 수 있다. 냉매 유체는 입구(32)를 거쳐 화살표 A방향으로 분배관(22) 내로 안내되고 여기서 입구(32)는 냉매 소스(도시하지 않음)에 연결하기 적합하도록 구성된다. 도 2에 도시한 바와 같이, 분배관(22)은 길이(L)를 가지고, 개구(28)는 그 길이(L) 방향으로 분배관(22)의 표면에 형성된다. 도면에 도시한 바와 같이, 개구(28)는 분배관(22)의 길이(L) 방향으로 대체로 선형으로 나란히 배열된다. 하지만, 바람직한 실시예에서 분배관(22)의 원주면에는 다양한 각도로 개구(28)가 배치된다. 또한，분배관(22)에 하나 또는 다수 열의 개구(28)가 설치될 수 있다. 예를 들면, 도 9 및 도 10은 1열로 배열된 개구(28)를 나타냈으나 도 11은 2열로 배열된 개구(28a, 28b)를 구비한 분배관(22)을 나타낸다.

열교환기(10) 내에 필요한 냉매 유체의 유량, 냉매 유체의 분배 패턴 및 혼합 상태를 제공하도록 분배관(22), 개구(28), 튜브(16), 미세 통로(18) 및 입구 매니폴드(12)의 내부 용적에 대해 크기를 적절하게 정할 수 있다. 소자와 소자 사이의 일부 관계 및 비율은 소정의 성능 표준을 최적화할 수 있다. 예를 들면, 개구(28)의 총면적과 분배관 표면적의 비율은 약 0.01%에서 약 40%까지인 것이 바람직하다.

한편 실험에 따르면, 냉매의 분배는 개구(28)의 총면적과 분배관(22)의 횡단면적 사이의 비율과 분배관의 길이(L) 사이의 발란스를 맞추는 것을 통해 개선할 수 있다. 또한 개구(28)의 총면적과 분배관의 횡단면적 사이의 바람직한 비율은 길이(L)에 따라 변한다는 사실이 발견되었다. 도 3은 이러한 관계의 바람직한 범위를 도시하였다. 여기서 관계가 상계(upper bound)와 하계(lower bound) 사이에 있으면 냉매 분배의 균일성은 필요한 수준에 부합하게 된다. 더욱 상세하게 설명하면 도 3에 도시한 바와 같이, 분배관의 길이(L)가 약 0.4m 내지 약 3m일 경우 개구의 총면적과 분배관의 횡단면적 사이의 비율은 약 0.28 내지 14.4 사이에 있다. 게다가 바람직한 비율(the preferable ratio value) 및 비율의 바람직한 범위(the preferable range of the ratio)는 길이가 증가함에 따라 증가한다.

개구(28)는 비원형으로 형성되는 것이 바람직하다. 도 2와 도 4(a), 도 4(b)에 도시한 바와 같이, 개구(28)는 가늘고 긴 슬롯으로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 개구(28)는 하나의 공통된 중심으로부터 연장된 서로 교차하는 다수의 슬롯으로 이루어질 수 있으며, Y자형 개구(도 4(c)), X자형 개구(4(d)), 십자형 개구(도 4(e)) 및 별 모양 개구(도 4(f) 내지 도 4(h))를 포함한다. 더 나아가 개구(28)는 삼각형, 직사각형, 사각형, 다각형 및 그 밖의 다른 임의의 비원형 모양으로 형성될 수 있다.

도 2 및 도 4(a), 도 4(b)를 참조하면, 개구(28)는 가늘고 긴 슬롯 형태로 형성된다. 더욱 상세하게 설명하면, 슬롯은 대체로 직사각형의 형상을 가지면서 길이(l) 및 폭(d)을 가진다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 개구의 길이(l)는 약 1mm 내지 약 15mm 내에 있으며, 폭(d)은 약 0.2mm 내지 약 5mm 범위 내에 있다. 폭과 길이의 비율(즉 d/l)은 약 0.01 보다 크고 약 1보다 작은 것이 바람직하다. 확인에 따르면, 슬롯을 사용하면 원형 개구와 원형 개구에 해당하는 호칭치수(nominal dimension)를 갖는 비원형 개구(즉, 상기 비원형 개구의 사이즈가 원형 개구의 사이즈에 해당함)를 사용하여 획득할 수 없는 균일성 수준에 도달할 수 있다. 도 5는 폭/길이의 비(d/l)가 냉매 분배의 균일성에 미치는 영향을 나타내고, 이와 유사하게 도 6은 슬롯의 길이(l)가 냉매 분배의 균일성에 미치는 영향을 나타낸다.

분배관(22)의 길이 방향으로 슬롯을 가장 바람직한 거리로 이격 형성하여 분배 균일성을 더욱 개선한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 서로 인접한 슬롯의 기하학적 중심 사이에 거리 (L')만큼의 간격을 둔다. 거리 (L')는 약 20mm 내지 약 250mm의 범위에 있는 것이 바람직하다. 한편, 냉매 분배가 향상된 분배관 길이와 거리 (L')의 비율은 약 2 내지 약 150인 것이 바람직하다. 도 7은 인접한 슬롯 사이의 거리 (L')가 냉매 분배의 균일성에 미치는 영향을 나타낸다. 거리 (L')가 너무 작으면, 냉매의 분배는 실질적으로 균일한 수준에 근접할 수 없다. 왜냐하면 너무 많은 개구(28)가 냉매를 입구 매니폴드(12)로 분배하는데, 냉매의 혼합 및 분배를 돕기 위한 냉매 유체 흐름의 제한은, 열교환기의 필요한 작동과 비교할 때 충분하지 않다. 반면, 거리 (L')가 너무 크면, 냉매를 각 튜브(16)로 분배할 수 있는 개구(28)의 수가 너무 적다. 통상적으로, 개구(28)에 가까운 튜브(16)는 개구(28)와 멀리 떨어져 있는 튜브(16)보다 더욱 많은 냉매를 얻는다. 게다가 냉매가 개구(28)로부터 튜브(16)로 흘러드는 거리가 멀수록 2상 냉매는 액상 및 기상으로 더욱 쉽게 분리된다. 이러한 2상 분층 현상은 균일성에 추가적인 악영향을 미친다. 그러므로 냉매 분배의 균일성은 분배관(22)의 길이(L) 방향에서의 개구 사이의 간격을 통해 더욱더 용이하게 제어할 수 있음이 확인되었다.

분배 균일성은 슬롯의 길이 방향이 분배관(22)의 길이 방향과 각을 이루도록 함으로써 한층 더 개선된다. 도 4(b)에 도시한 바와 같이, 슬롯은 분배관(22)의 길이 방향과 제1 각(β1)을 이룬다. 도 8은 슬롯의 각(β)이 냉매 분배의 균일성에 미치는 영향을 나타낸다. 도면에 도시한 바와 같이, 각(β)은 약 0도 내지 180도 범위에 있다. 분배 균일성에 대한 추가적인 개선은 분배관(22)의 길이를 따라 서로 인접한 슬롯이 분배관(22)의 길이방향에 대하여 각을 이루면서 서로 반대 방향으로 배치되게 함으로써 실현한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 슬롯이 각을 이루도록 배치하되, 그 중 제1 슬롯은 분배관(22)의 길이 방향에 대해 제1 각(β1)으로 경사지고, 제2 슬롯은 분배관(22)의 길이 방향에 대하여 제2 각(β2)으로 경사지게 배치된다.도면에 도시한 바와 같이, 제1 각(β1) 및 제2 각(β2)은 크기가 동일하므로 서로 인접한 두 슬롯은 거울상을 이룬다. 하지만, 서로 인접한 슬롯의 각도는 인접한 슬롯 사이와 분배관(22)의 길이 방향에서 변화할 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 미세 통로 열교환기의 부분 횡단면을 나타낸다. 특히, 분배관(22)이 입구 매니폴드(12)의 내부 공간(30)에 설치됨으로써 개구(28)가 튜브(16)의 미세 통로(18)의 입구를 가리킨다. 작동 과정에서 냉매 유체는 분배관(22)으로부터 개구(28)를 거쳐 입구 매니폴드(12)의 내부 공간(30)으로 배출된다. 그리고 냉매 유체는 대표적으로 내부 공간(30) 내에서 혼합된 다음 분배되어 튜브(16)의 미세 통로(18)로 진입한 후 통과한다. 화살표(34)로 표시된 냉매 유체 흐름이 개구(28)로부터 유출되는 방향은, 화살표(36)로 표시되고 튜브(16)에 유입 및 통과하는 전체 냉매 유체 흐름의 방향과 대체로 동일하다. 통상적으로, 튜브(16)에 유입되어 통과하는 냉매 유체의 방향은 튜브(16)의 축 방향이다.

냉매 유체가 개구(28)로부터 유출되는 방향은 냉매가 튜브(16)에 유입되어 통과하는 방향과 대체로 동일하지 않아도 된다. 사실상 개구(28)가 튜브(16)에 대하여 각을 이루도록 설정하면 입구 매니폴드(12)의 내부공간(30)에서의 냉매 혼합을 촉진할 수 있다. 도 9를 참조하면, 각(α)은 냉매 유체가 개구(28)로부터 유출되는 방향(화살표 34로 표시함)과 냉매 유체가 튜브(16)를 흘러 지나는 대략적인 방향(또는 전반적인 방향이라고 부름, 화살표 36으로 표시함) 사이의 협각을 대표한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 1열 개구(28)에 있어서, 각(α)은 0도보다 크고 360도보다 작거나 같은 범위 내에 있을 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 개구(28)의 각(α)은 약 90도 이상 270도 이하로 형성될 수 있다. 도 9에 도시한 바와 같이, 개구(28) 열의 방향은 약 90도로 형성된다.

도 11은 2열 개구(28a, 28b)를 갖는 분배관을 사용한 미세 통로 열교환기의 부분 횡단면을 나타낸다. 2열 개구에서 개구 방향이 분배 균일성에 미치는 영향은, 1열 개구에서 개구 방향이 균일성 분배에 미치는 영향보다 작다. 제1 열 개구(28a)는 일반적으로 0도보다 크고 180도보다 작거나 같은 범위의 각(Q1)을 가지도록 형성될 수 있다. 그리고 제2 열 개구(28b)는 180도보다 크거나 같고 360도보다 작은 범위의 각(Q2)을 가지도록 형성될 수 있다. 각(Q1)과 각(Q2)은 크기가 동일한 것이 바람직하지만 꼭 그렇지 않아도 된다. 도면에 도시한 바와 같이, 각 열의 개구(28a, 28b)는 냉매 유체가 튜브(16)를 통과하는 대체적인 방향(또는 전반적인 방향이라고 부름)에 대해 약 90도로 형성된다.

도 12는 선택 가능한 열교환기(110)를 나타내고 있다. 열교환기(110)는 도 2에 도시한 열교환기(10)와 유사한 구조를 가진다. 구체적으로, 열교환기(110)는 제1 매니폴드(112)를 포함하되, 제1 매니폴드(112)는 대체로 평행인 다수의 튜브(116)를 통해 제2 매니폴드(114)와 유체 연통되고, 각각의 튜브(116)는 대체로 평행인 다수의 미세 통로(도시하지 않음)를 포함하는 것이 바람직하다. 그리고 다수의 핀(118)은 인접한 튜브(116) 사이에서 바람직하게 지그재그 모양으로 형성되어 열교환기(110)를 흘러 지나는 기류와 열교환기(110)를 통과하는 냉매 유체 사이의 열교환을 돕는다.

열교환기(110)는 열교환기(110)를 통과하는 다수의 유로를 구비한 구성으로 설계할 수 있다. 이러한 열교환기는 장기간 냉각하는 장치에 응용할 수 있다. 대표적인 것으로, 매니폴드의 길이가 증가하면 냉매 분배의 균일성을 실현 및 유지하기 어렵다. 이러한 경우에 채택한 종래의 솔루션은 미국특허 제7143605호에 개시된 바와 같이 유체 평행 어셈블리에 다수의 열교환기를 마련하는 것이다. 하지만 이러한 시스템은 시스템이 정확하게 작동하도록 보장하기 위하여 검사하는 연결 횟수를 증가하였다.

본 발명의 실시예에 있어서, 제1 매니폴드(112)와 제2 매니폴드(114) 중의 하나 또는 2개 안에 격리판을 설치하여 열교환기(110)를 통과하는 다수의 유로를 구성할 수 있다. 상기 격리판은 매니폴드를 다수의 챔버로 구분한다. 도 12에 도시한 바와 같이, 제1 매니폴드는 2개의 격리판(120, 122)에 의해 3개의 챔버로 분할된다. 그리고 제2 매니폴드(114)는 하나의 격리판(121)으로 2개의 챔버로 분활된다. 이렇게 설계함으로써, 열교환기(110)는 제1 매니폴드(112)와 제2 매니폴드(11 4) 사이에서 우회하는 다수의 유로를 포함한다.

열교환기(110)를 통과하는 냉매 흐름은 도 12에서 화살표(점선과 실선은 열교환기가 증발기와 냉각기로 사용되는 경우의 냉매의 유동방향을 각각 표시한다)로 표시한다. 아래 냉매가 실선으로 표시하는 유동 방향으로 흐르는 경우를 예를 들어 열교환기(110)를 설명한다. 도 12에 도시한 바와 같이, 한쪽 단부가 제1 매니폴드(112)의 입구로 한정되고 다른 단부가 격리판(120)으로 한정되는 제1 매니폴드(112)의 제1 챔버(124)에 제1 분배관(126)이 수용되어 있다. 그리고 제1 분배관(126)은 냉매 유체 흐름의 입구(128)를 포함하는 오픈된 제1 단부, 밀폐된 제2 단부 및 제1 분배관(126)의 길이 방향으로 배치되고 냉매 유체 흐름의 출구로 되는 다수의 개구(130)를 포함한다. 이러한 개구(130)는 위에 설명한 바와 같이, 도 2 및 도 4(a) 내지 도 4(h)에 도시한 슬롯 또는 기타 비원형 모양이 될 수 있다. 냉매 유체는 개구(130)를 통해 제1 분배관(126)으로부터 배출되어 제1 매니폴드(112)의 내부 공간으로 유입된 후 상기 내부 공간에서 혼합된다. 제1 챔버(124)는 냉매 흐름의 제1 영역(I)으로 된다. 또한 냉매는 제1 영역(I)을 지나 튜브(116)로 진입하고 통과한 후 제2 매니폴드(114)의 제1 챔버(132)로 배출된다.

제2 매니폴드(114)의 제1 챔버(132)의 한쪽 단부는 제2 매니폴드(114)의 밀폐된 단부로 한정되고, 다른 단부는 격리판(121)으로 한정된다. 여기서 제1 챔버(132)는 일반적으로 제1 매니폴드(112)의 제1 챔버(124)보다 길면서 실질적으로 제2 영역(II) 및 제3 영역(III)으로 구분할 수 있다. 상기 제2 영역(II)은 통상적으로 제1 영역(I)과 나란히 위치하고 제1 영역(I)과 동일한 크기를 가진다. 그리고 제2 영역(II)은 출구 매니폴드로 사용하되, 튜브(116)로부터의 냉매를 받아들인다. 제3 영역(III)은 입구 매니폴드로 사용하되, 제2 영역(II)으로부터 배출된 냉매 흐름을 받아들이고 분배한다. 개구(136)를 구비한 제2 분배관(134)은 제3 영역(III)내에 설치되어 냉매 흐름을 튜브(116)로 균일하게 분배할 수 있다. 그런 다음, 냉매가 튜브(116)를 통해 제2 매니폴드(114)로부터 다시 제1 매니폴드(112)로 흘러든다. 여기서 냉매 흐름은 제1 매니폴드(112)의 제2 챔버(138)로 배출된다.

제1 매니폴드(112)의 제2 챔버(138)는 길이 방향에서 격리판(120, 122)에 의해 한정되어 있는바, 실질적으로 제4 영역(IV)과 제5 영역(V)으로 분할될 수 있다. 그리고 제4 영역(IV)은 일반적으로 제3 영역(III)과 나란히 위치하고 있으며 제3 영역(III)과 동일한 크기를 가진다. 또한 제4 영역(IV)은 출구 매니폴드로 사용하되, 튜브(116)로부터의 냉매 흐름을 받아들인다. 제5 영역(V)은 입구 매니폴드로 사용하되, 제4 영역(IV)으로부터 배출한 냉매를 받아들이고 분배한다. 개구(142)를 구비한 제3 분배관(140)은 제5 영역(V) 내에 설치되어 냉매 흐름이 튜브(116)로 균일하게 분배되게 할 수 있다. 그런 다음 냉매는 제1 매니폴드(112)로부터 튜브(116)를 거쳐 제2 매니폴드(114)로 피드백한다. 여기서 냉매 흐름은 제2 매니폴드(114)의 제2 챔버(144)로 배출된다.

제2 매니폴드(114)의 제2 챔버(144)는 길이 방향에서 제2 매니폴드(114)의 밀폐 단부와 격리판(121)으로 한정되는바 실질적으로 제6 영역(VI)과 제7 영역(VII)으로 분할 가능하다. 여기서 제6 영역(VI)은 일반적으로 제5 영역(V)과 나란히 위치하고 있는 동시에 제5 영역(V)과 동일한 크기를 가진다. 그리고 제6 영역(VI)은 출구 매니폴드로서 튜브(116)로부터의 냉매 흐름을 받아들인다. 또한 제7 영역(VII)은 입구 매니폴드로서 제6 영역(VI)으로부터 배출한 냉매 흐름을 받아들이고 분배한다. 개구(148)를 가진 제4 분배관(146)은 제7 영역(VII) 내에 설치되어 냉매를 튜브(116)로 균일하게 분배할 수 있다. 그런 다음 냉매가 제2 매니폴드(114)로부터 튜브(116)를 거쳐 제1 매니폴드(112)로 피드백한다. 여기서 냉매 흐름은 제1 매니폴드(112)의 제3 챔버(150)로 배출된다.

제1 매니폴드(112)의 제3 챔버(150)는 길이 방향에서 한쪽 단부의 격리판(122)과 다른 단부의 제1 매니폴드(112)의 출구(152)로 한정되는바 실질적으로 제8 영역(VIII)이다. 여기서 제8 영역(VIII)은 일반적으로 제7 영역(VII)과 동일한 크기를 가진다. 또한 제8 영역(VIII)은 출구 매니폴드로서 튜브(116)로부터의 냉매 흐름을 받아들인 후 열교환기로 배출시킨다.

열교환기(110)에 관한 상기 실시예에 있어서, 분배관의 사이즈가 작아짐에 따라 튜브(116) 내에서 냉매 유량이 작아지고 유동 저항력이 증가하기 때문에 일반적으로 개구의 면적을 증가시킨다.

상기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 이에 한정하고자 하는 것은 아니다. 상기 공개된 내용에 따라 자명한 변형 및 변화를 진행할 수 있다. 상기 실시예는 본 발명의 기본 원리 및 실제적인 응용을 가장 잘 설명하기 위해 선택한 것으로 해당 기술분야의 당업자가 다른 실시예와 각종 변형에서 본 발명을 사용하도록 하기 위한 것이다. 본 발명의 권리범위는 아래 특허청구범위에 의해 한정된다.

10, 110: 열교환기 12: 입구 매니폴드
14: 출구 매니폴드 16, 116: 튜브
18: 미세 통로 20: 핀
22: 분배관 28, 130: 개구
112: 제1 매니폴드 120, 122: 격리판
124: 제1 챔버 126: 제1 분배관
138: 제2 챔버 150: 제3 챔버

Claims

입구 매니폴드 및 출구 매니폴드를 구비하고, 상기 입구 매니폴드 및 상기 출구 매니폴드가 대체로 평행인 다수의 튜브에 의해 유체 연통되는 열교환기에 사용되는 분배관에 있어서,
상기 분배관은,
냉매 소스와 연통되기에 적합한 오픈된 제1 단부;
상기 제1 단부와 대향하는 밀폐된 제2 단부; 및
분배관의 길이 방향으로 상기 제1 단부 및 제2 단부 사이에 설치된 다수의 비원형 개구
를 포함하는 분배관.
제1항에 있어서,
다수의 개구는 모두 슬롯인, 분배관.
제2항에 있어서,
각각의 상기 슬롯의 길이 방향이 분배관의 길이 방향과 각을 이루도록 배치된, 분배관.
제3항에 있어서,
서로 인접한 슬롯이 분배관의 길이 방향에 대하여 서로 반대인 방향에서 각을 이루도록 배치된, 분배관.
제4항에 있어서,
서로 인접한 슬롯이 분배관의 길이 방향과 이루는 각이 대체로 동일한, 분배관.
제2항에 있어서,
각각의 상기 슬롯의 길이가 l이고, 1mm ≤ l ≤ 15mm인, 분배관.
제2항에 있어서,
각각의 상기 슬롯의 폭이 d이고, 0.2mm ≤ d ≤ 5mm인, 분배관.
제2항에 있어서,
서로 인접한 개구의 기하학적 중심 사이에 대체로 20mm ~ 250mm의 거리를 두고 있는, 분배관.
제1항에 있어서,
상기 개구의 면적의 합과 분배관의 횡단면적의 비율이 분배관의 길이와 직접적인 관계를 가지고 있어 상기 비율은 분배관의 길이가 증가함에 따라 증가하는, 분배관.
제1항에 있어서,
다수의 개구마다 하나의 기하학적 중심으로부터 연장된 3개 또는 다수의 서로 교차한 슬롯을 포함하는, 분배관.
제10항에 있어서,
상기 다수의 개구마다 Y자형 개구, X자형 개구, 십자형 개구 및, 별 모양 개구 중의 하나의 형상을 가지는, 분배관.
입구 매니폴드;
상기 입구 매니폴드와 소정의 거리를 두고 있는 출구 매니폴드;
서로 대향하고 있는 단부가 상기 입구 매니폴드 및 상기 출구 매니폴드와 각각 연결되어 상기 입구 매니폴드와 상기 출구 매니폴드가 유체 연통되도록 하고, 내부에 대체로 평행인 다수의 미세 통로가 형성된 다수의 튜브; 및
상기 입구 매니폴드 내에 설치되고 제1 단부와 제2 단부를 포함하고, 상기 제1 단부는 오픈되어 있어 냉매 소스와 연결하기에 적합하고, 상기 제2 단부는 밀폐되고 상기 제1 단부와 대향하고 있으며 길이방향으로 배치된 다수의 비원형 개구를 가지는 분배관
을 포함하는 미세 통로 열교환기.
제12항에 있어서,
다수의 개구는 모두 슬롯인, 미세 통로 열교환기.
제13항에 있어서,
각각의 상기 슬롯의 길이 방향이 분배관의 길이 방향과 각을 이루도록 배치된, 미세 통로 열교환기.
제14항에 있어서,
서로 인접한 슬롯은 분배관의 길이방향에 대하여 반대 방향에서 각을 이루도록 배치된, 미세 통로 열교환기.
제15항에 있어서,
서로 인접한 슬롯이 분배관의 길이 방향과 이루는 각은 대체로 동일한, 미세 통로 열교환기.
제13항에 있어서,
각각의 상기 슬롯의 길이가 l이고, 여기서 1mm ≤ l ≤ 15mm인, 미세 통로 열교환기.
제13항에 있어서,
각각의 상기 슬롯의 폭이 d이고, 여기서 0.2mm ≤ d ≤ 5mm인, 미세 통로 열교환기.
제12항에 있어서,
서로 인접한 개구의 기하학적 중심 사이에 대체로 20mm ~ 250mm의 거리를 두고 있는, 미세 통로 열교환기.
제12항에 있어서,
상기 개구의 면적의 합과 분배관의 횡단면적의 비율이 분배관의 길이와 직접적인 관계가 있어 상기 비율은 분배관의 길이가 증가함에 따라 증가하는, 미세 통로 열교환기.
제12항에 있어서,
다수의 개구마다 하나의 기하학적 중심으로부터 연장된 3개 또는 다수의 서로 교차하는 슬롯을 포함하는, 미세 통로 열교환기.
제12항에 있어서,
다수의 개구는 분배관의 길이에 따라 대체로 선형으로 배열되고,
상기 개구로부터 유출한 냉매의 대체적인 방향이 상기 튜브를 흘러 지나는 냉매의 대체적인 방향과 각도를 이루도록 상기 개구 열이 입구 매니폴드 내에 위치된, 미세 통로 열교환기.
제22항에 있어서,
상기 각도는 약 90≥이며, 약 ≤270인, 미세 통로 열교환기.
제12항에 있어서,
상기 분배관은 그 길이에 따라 배치된 대체로 선형으로 배열된 2열의 비원형 개구를 포함하고,
제1 열 개구부터 유출되는 냉매 흐름의 대체적인 방향은 상기 튜브를 흘러 지나는 냉매의 대체적인 방향에 대해 0＞이고, 약 ≤180이며,
제2 열 개구로부터 유출되는 상기 냉매 흐름의 대체적인 방향은 상기 튜브를 흘러 지나는 대체적인 방향과 약 180≥이고, ＜360인, 미세 통로 열교환기.
제1 매니폴드;
상기 제1 매니폴드와 소정의 거리를 두고 있는 제2 매니폴드;
상기 제1 매니폴드 및 상기 제2 매니폴드가 유체 연통되도록 대향하고 있는 단부가 상기 제1 매니폴드 및 상기 제2 매니폴드에 각각 연결된 다수의 튜브;
상기 제1 매니폴드와 상기 제2 매니폴드 중 적어도 하나가 다수의 종향 챔버로 분할되도록 상기 제1 매니폴드 및 상기 제2 매니폴드 중 적어도 하나에 직경방향으로 설치된 하나 이상의 격리부재;
각 격리판의 매 한 측에서 하나 이상의 종향 챔버의 적어도 일부분에 설치되고, 길이 방향으로 배치된 다수의 비원형 개구를 포함하는 분배관
을 포함하고,
상기 열교환기 내에 다수의 냉매 유로가 형성되어 있는,
냉매 순환용 열교환기.
제25항에 있어서,
상기 제1 매니폴드는,
직경방향으로 설치되고, 상기 제1 매니폴드를 제1 종향 챔버와 제2 종향 챔버로 분할하는 격리부재;
상기 제1 종향 챔버 내에 설치되고, 오픈된 제1 단부와 이와 대향하고 있는 밀폐된 제2 단부를 포함하고, 상기 제1 단부는 냉매 소스에 연결되고 제2 단부는 제1 종향 챔버 내에서 상기 격리부재를 가리키고 있는 제1 분배관;
상기 제1 분배관으로 안내된 냉매는 상기 분배관에서 그 위에 형성된 상기 다수의 개구를 통해 제1 종향 챔버의 내부 공간 내에 배출된 후 제1 종향 챔버와 나란히 위치하고 있는 다수의 튜브에 유입 및 통과하여 제2 매니폴드에 흘러 들고,
상기 제2 매니폴드의 일부분은 그 내부에 설치된 제2 분배관을 포함하고, 상기 제2 분배관은 상기 제1 매니폴드의 제2 종향 챔버와 대체로 나란히 위치하고 있어 제1 매니폴드와 유체 연통되고, 상기 제2 분배관은 오픈된 제1 단부, 밀폐된 제2 단부 및 다수의 비원형 개구를 포함하고, 상기 제1 단부는 제2 매니폴드로부터 제1 매니폴드의 제1 종향 챔버가 공급한 냉매를 받아들이고，상기 다수의 비원형 개구는 제2 분배관의 길이 방향으로 배치되어 제2 매니폴드와 제1 매니폴드의 제2 종향 챔버 사이를 연결하는 다수의 튜브 내로 냉매를 공급하고,
상기 제2 분배관 내에 안내된 냉매는 제2 분배관에 형성된 다수의 개구를 통해 제2 분배관으로부터 상기 제2 매니폴드의 내부 공간으로 배출된 후 다시 상기 제1 매니폴드의 제2 종향 챔버와 나란히 위치한 다수의 튜브로 진입하고 상기 다수의 튜브를 통과하는, 냉매 순환용 열교환기.