KR20110034238A - 공조기용 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공조기용 열교환기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 공조기용 열교환기는 내부에 냉매가 흐르며 상기 냉매와 외부 공기와의 열교환이 가능하도록 설치된 배관 및 냉각핀을 포함하는 공조기용 열교환기에 있어서, 상기 배관과 냉각핀 중 적어도 어느 하나의 표면에 코팅층이 형성되되, 상기 코팅층은 불규칙하게 분할되어 결정화된 다수 개의 그레인(grain)으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 제조비용 절감 및 제조공정의 단순화가 가능하고, 서리의 착상 지연 또는 방지 및 열교환효율을 획기적으로 개선하여 공조기 시스템 전체의 성능을 향상시킬 수 있는 공조기용 열교환기가 제공된다.

그레인, 서리, 착상, 열교환기, 냉각핀, 냉매관, 공조기

Description

공조기용 열교환기{Heat Exchanger for Air conditioner}

본 발명은 공조기용 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열교환기의 배관 및 냉각핀의 표면에 불규칙하게 분할된 다수의 그레인을 결정화시켜 친수성을 갖도록 함으로써 서리의 착상(着想)을 방지할 수 있는 공조기용 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 냉난방 겸용 히트펌프를 이용한 공조기는 냉매의 순환을 통해 냉난방을 구현하도록 설치되는 공조기로써, 내부에 열교환기를 포함하고 있다.

도 1은 히트펌프를 이용한 공조기의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 압축기(1)와 사방밸브(2) 및 실내 열교환기(5), 실내측 송풍팬(6), 팽창기구(4), 및 실외 열교환기(3)와 실외측 송풍팬(7)으로 구성되어 냉매의 순환방향에 따라 냉방 또는 난방이 이루어지도록 되어 있다.

상기 압축기(1)는 통상의 냉동사이클과 같이 흡입구를 통해 내부로 흡입된 저온저압의 기상 냉매를 압축하여 고온고압의 기체상태로 변화시키는 작용을 하고, 상기 사방밸브(2)는 압축기(1)의 토출구와 흡입구를 실내 열교환기(5)와 실외 열교환기(3)로 각각 연결시키는 두 개의 독립된 통로를 가지며, 사용자의 선택에 의한 냉방운전과 난방운전의 모드에 따라 냉매의 흐름을 절환하는 기능을 갖는다.

또한, 상기 실내 열교환기(5)는 실내에 위치하며, 냉방운전 모드에서는 저온저압의 액상 냉매를 기체상태로 증발시키고, 난방운전 모드에서는 고온고압 기체상태의 냉매를 상온고압의 액체상태로 응축시키는 기능을 수행하여 냉매의 엔탈피(enthalpy)변화에 대응하여 주변 공기와 열교환하는 작용을 하게 된다.

그리고, 상기 실내측 송풍팬(6)은 실내 열교환기(5)의 열교환 작용을 촉진시키는 동시에 실내에 필요한 냉풍 또는 온풍을 발생시키는 기능을 수행하게 되는 것이며, 상기 팽창기구(4)는 실내 열교환기(5)와 실외 열교환기(3)의 사이에 연결되어 어느 일측에서 이송되어 오는 상온고압의 액상 냉매를 저온저압의 이상상태(two phase)로 감압하는 모세관(capillary)으로써 기능을 갖는다.

이와 함께 상기 실외 열교환기(3)는 실외에 위치하며, 냉방운전시 응축기능을 수행하고, 난방운전시에는 증발 기능을 갖고 주변 공기와 열교환을 이루게 되는 것이며, 상기 실외측 송풍팬(7)은 실내측 송풍팬(6)과 마찬가지로 실외 열교환기(3)의 열교환을 촉진시키는 기능을 하게 되는 것으로서, 상기 실내 열교환기(5) 및 실외 열교환기(3)는 통상적으로 사형(巳型)의 동파이프 재질로 형성되어 내부에 냉매가 흐르도록 마련된 배관을, 알루미늄 재질로 형성된 다수의 냉각핀에 의해서 일정간격으로 고정 및 지지하도록 구성된 핀-관형 열교환기가 적용된다.

이때 배관의 직경과 냉각핀의 밀도 및 그 크기가 열교환기의 효율을 가변시키는 변수로 작용한다.

그런데, 열교환기는 난방운전시 주변 공기와 열교환으로 인해 실외열교환 기(3)의 표면에는 서리가 착상(着想)하는 현상이 발생하며, 이에 따라 열저항 및 유동저항이 증가하여 열전달 성능이 점차 감소하게 된다.

이 같은 착상이 발생하는 이유는 열교환기의 표면 온도에 대한 포화 수증기 분압이 주변 수증기의 분압보다 낮아짐으로 인하여 주변 공기 내의 수증기가 상변화하여 열교환기의 표면에 수분으로 일정한 형태로 응축되고, 응축된 수분이 냉각핀의 표면에서 서리의 핵으로 작용하기 때문이다.

이에 따라, 서리의 착상을 방지하도록 열교환기의 냉각핀 형상의 변화에 의한 착상 균일화 및 열교환기의 표면 특성변화에 의한 착상지연에 대한 연구가 진행되고 있다.

특히, 표면 특성변화에 의한 방법은 열교환기 표면에 친수 또는 소수성의 코팅층을 형성하여 냉각핀의 표면 성질을 변화시키는 방법으로서, 핀형상 변화에 따른 설치공간이 변경되는 핀형상 변화에 의한 방법보다 장점이 많아 이 부분에 집중적으로 연구가 진행되고 있다.

여기서, 친수성 또는 소수성으로 대표되는 열교환기의 표면 특성은 접촉되는 수분의 접촉각에 의해 설명될 수 있다.

도 2는 친수성 표면에서의 수분과 표면과의 접촉상태도이고, 도 3은 소수성 표면에서의 수분과 표면과의 접촉상태도이다.

도 2를 참조하면, 수분이 표면에 소정의 부착력으로 부착되는 경우에는 수분의 표면과의 접촉각(θ)은 예각을 형성하게 되며, 이때의 표면을 친수성(hydrophilic) 표면이라고 한다.

또한, 도 3을 참조하면, 수분의 자체인력(또는 표면장력)이 매우 커서 수분이 표면상에서 거의 원형상태로 접촉하는 경우에는 수분의 표면과의 접촉각(θ)은 둔각을 형성하게 되며, 이때의 표면을 소수성(hydrophobic) 표면이라고 한다.

즉, 소수성 표면일 경우에 수분이 거의 원형상태와 같은 일정한 형태를 형성하여 접촉하게 됨으로써 서리의 핵으로 쉽게 성장하게 되고, 접촉각이 예각인 친수성 표면일 경우에는 수분이 소정의 부착력으로 표면에 부착됨으로써 서리의 핵으로 성장하기 힘든 환경이 형성된다.

이에 따라, 접촉각이 예각을 형성하도록 열교환기의 표면에 친수성 물질로 코팅층을 형성하는 방법이 제시되었으나, 코팅층의 두께가 수십㎛ 이상의 두께로 형성되어 외부공기와 냉매간의 열전달 효율이 저하되어 열교환기의 열교환효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 코팅층을 형성하는 공정이 복잡하여 제조공정상 제조비용이 상승하는 문제점이 있었다.

아울러, 열교환기의 열효율이 저하됨으로써 공조기의 전체시스템 성능이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수분의 접촉각이 예각으로 형성되도록 표면에 다수 개의 그레인이 불규칙하게 분할되어 결정화된 코팅층을 형성하여 착상을 방지할 수 있는 공조기용 열교환기를 제공함에 있다.

또한, 표면에 형성되는 다수 개의 그레인은 나노단위의 두께를 가진 단층으로 형성되어 열교환효율을 향상시킬 수 있는 공조기용 열교환기를 제공함에 있다.

아울러, 나노단위 두께의 코팅층을 형성함으로써 종래에 비해 제조비용 절감 및 제조공정을 단순화할 수 있는 공조기용 열교환기를 제공함에 있다.

또한, 열교환기의 열교환효율이 향상됨으로써 공조기 시스템 전체의 성능이 향상될 수 있는 공조기용 열교환기를 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 내부에 냉매가 흐르며 상기 냉매와 외부 공기와의 열교환이 가능하도록 설치된 배관 및 냉각핀을 포함하는 공조기용 열교환기에 있어서, 상기 배관과 냉각핀 중 적어도 어느 하나의 표면에 코팅층이 형성되되, 상기 코팅층은 불규칙하게 분할되어 결정화된 다수 개의 그레인(grain)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 공조기용 열교환기에 의해 달성된다.

여기서, 상기 그레인(grain)은 인접한 그레인(grain)과 분할홈에 의해 분할되며, 상기 분할홈은 인접한 두 그레인(grain)의 가장자리가 중첩되어 형성되거나, 인접한 두 그레인(grain)의 단부가 상호 맞닿도록 형성되거나, 인접한 두 그레인(grain)이 상호 이격되어 형성되는 것 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.

또한, 상기 코팅층에 형성되는 다수 개의 그레인은 단층으로 형성될 수 있다.

아울러, 상기 분할홈의 크기는 1㎛ 이하로 형성되며, 상기 그레인(grain)의 두께는 200nm이하로 형성되고, 상기 그레인(grain)의 사이즈는 10㎛이하로 형성될 수 있다.

한편, 상기 그레인(grain)은 SiO₂와 TiO₂ 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 열교환기의 표면에 다수 개의 그레인이 불규칙하게 분할되어 결정화된 코팅층을 형성하여 서리의 착상을 지연 또는 방지할 수 있는 공조기용 열교환기가 제공된다.

또한, 표면에 형성되는 다수 개의 그레인은 나노단위의 두께를 가진 단일 그레인층으로 형성되어 열교환효율을 향상시킬 수 있는 공조기용 열교환기가 제공된다.

아울러, 나노단위 두께의 코팅층을 형성함으로써 종래에 비해 제조비용 절감 및 제조공정을 단순화할 수 있는 공조기용 열교환기가 제공된다.

또한, 열교환기의 열교환효율이 향상됨으로써 공조기 시스템 전체의 성능이 향상될 수 있는 공조기용 열교환기가 제공된다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 공조기용 열교환기에 대하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 공조기용 열교환기의 개략도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 공조기용 열교환기(10)는 배관(11)과 냉각핀(12)을 포함하여 구성된다.

상기 배관(11)은 내부에 냉매가 출입하면서 흐르도록 형성되어 상기 냉매와 외부공기와의 열교환이 가능하도록 설치되며, 상기 냉각핀(12)은 외부공기와 접촉면적을 증가시키며 열교환효율을 극대화하도록 배관(10)을 일정간격으로 고정 및 지지하도록 설치된다.

여기서, 냉각핀(12)의 형상은 열교환효율을 극대화하도록 다양한 형태로 마련될 수 있다.

도 5는 도 4의 A의 확대도이고, 도 6은 도 4의 A의 표면확대도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 열교환기(10)의 표면에는 다수 개로 분할되어 결정화된 단층의 그레인(21)을 포함한 코팅층(20)이 형성된다.

도시된 바는 냉각핀(12)에 코팅층(20)이 형성된 것을 도시하고 있으나, 배관(11)에도 같은 구조의 코팅층(20)이 형성되므로 대표적으로 냉각핀(12)에 형성되는 코팅층(20)에 대해서 설명하고 배관(11)에 대한 상세한 설명은 생략한다.

코팅시에는 먼저, 휘발성 용매인 에탄올 등에 SiO₂ 또는 TiO₂ 중 적어도 어느 하나를 나노크기의 분말형태로 혼합한 나노입자 혼합액을 냉각핀(12)의 표면에 분무하는 분무(spray)공정을 통해 형성할 그레인(21)이 단층으로 형성될 정도의 두께로 나노입자 혼합액을 도포한다.

이어, 가열 및 냉각 등이 가능한 소정의 챔버 등을 이용하여 도포된 나노입자 혼합액을 섭씨 300℃ 이내의 온도차로 5분 내외의 가열-냉각 공정을 실시하면, 도포된 코팅층(20)의 표면으로부터 응고가 시작되어 코팅층(20)의 내부까지 응고된다.

이때, 코팅층(20)은 응고가 가속화되면서 분할홈(22, grain boundary)이 불규칙하게 함몰형성되면서 단층의 다수 개의 그레인(21,grain)으로 분할되어 결정화된다.

이때 형성되는 그레인(21)의 사이즈는 10㎛ 이하로 형성되고, 그레인(21)의 두께는 대략 200nm이하로 형성된다.

결과적으로 코팅층(20)에 형성되는 그레인(21)이 나노단위의 두께로 형성됨으로써 종래의 수㎛ 내지 수십㎛의 코팅층과 비교하여 열교환기의 외부공기와의 열교환 효율이 수십 내지 수백 배 이상 향상될 수 있다.

아울러, 배관(10)의 표면에 형성되는 그레인(21)은 중심에 그레인(21)을 형성하는 핵이 존재하여 가장자리로 갈수록 두께가 작게 형성된다.

이에 따라 상기 분할홈(22)은 인접한 두 그레인의 가장자리가 서로 중첩된 부분에 형성될 수도 있고, 인접한 두 그레인의 단부가 상호 맞닿는 부분에 형성될 수도 있으며, 인접한 두 그레인(grain)이 상호 이격되어 형성될 수도 있다. 이때의 분할홈(22)의 사이즈는 1㎛ 이하로 형성된다.

즉, 통상적인 외부공기 속의 수분의 크기가 수십㎛ ~ 수백㎛인 점을 감안하면, 코팅층(20)과 접촉되는 수분은 코팅층(20)에 형성된 수십 내지 수백 개의 그레인(21)과 분할홈(22)에 접촉하게 되며, 분할홈(22)에서는 모세관 현상이 발생한다.

여기서, 모세관 현상이란 일반적으로 물과 같은 액체가 미세한 관을 통하여 상승하는 현상으로서 미세관의 사이즈가 작을수록 현저하다고 알려져 있으며, 대표적인 예로 지반에 있는 물이 식물의 체내로 흡수되는 현상, 휴지에 잉크를 떨어뜨렸을 때 잉크가 퍼지는 현상 및 알콜램프 속의 알콜이 심지를 따라 올라가는 현상 등이 있다.

즉, 수분이 표면에 접촉시 수분의 표면장력보다 모세관 압력이 더 큰 경우에 수분이 표면을 따라 넓게 퍼지면서 부착되게 된다.

이와 같은 원리로 수십 내지 수백 개의 분할홈(22)에 의해 발생되는 모세관 압력은 수분의 표면장력보다 크게 되어 접촉하는 수분은 코팅층(20)을 따라 넓게 퍼지면서 부착된다.

따라서, 수분은 코팅층(20)을 따라 넓게 퍼짐으로써 서리의 핵으로 성장할 수 있는 일정한 형태를 갖추지 못하게 되어 착상이 억제될 수 있다.

한편, 이때의 수분의 접촉각은 매우 작다고 할 수 있는데, 이는 다음과 같은 식에 의해서 설명될 수 있다.

△P=2γcosθ/r

여기서, △P는 모세관 압력(본 실시예에서는 분할홈에 의한 압력)을 나타내고, γ는 수분의 표면장력을 나타내며, r은 수분이 원형 상태일 때의 반지름을 나타내고, θ는 접촉각을 나타낸다.

상기 식을 통해 알 수 있듯이, 각 그레인 사이의 간격에 의한 압력(△P)과 접촉각(θ)은 반비례한다.

즉, 수분의 표면장력(γ)과 반지름(r)이 일정하다고 한다면, 수분의 접촉면에서 모세관 압력이 커지면 접촉각은 작아지게 된다.

결과적으로, 수분이 접촉하는 접촉면에서 수십 내지 수백 개의 분할홈(22)에 의해 모세관압력은 매우 커지게 되고, 수분의 접촉각은 매우 작은 예각을 형성하게 된다.

도 7은 종래 친수성 물질로 처리된 표면과 수분과의 접촉상태도이고, 도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기의 표면에 접촉된 수분의 접촉상태도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 종래의 친수성 물질로 표면처리한 경우의 접촉각(θ₁)과 비교하여 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기의 표면과 수분과의 접촉각(θ₂)이 현저하게 작다는 것을 알 수 있다.

결과적으로 본 발명에 따른 열교환기를 사용하면, 코팅층의 두께가 매우 작아 열교환효율을 획기적으로 개선할 수 있을 뿐만 아니라 수분의 접촉각이 매우 작게 형성될 수 있어 착상(着想)이 억제될 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

도 1은 공조기의 열교환기의 개략도,

도 2는 친수성 표면에서의 수분과 표면과의 접촉상태도,

도 3은 발수성 표면에서의 수분과 표면과의 접촉상태도,

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 공조기용 열교환기의 개략도,

도 5는 도 4의 A의 확대도,

도 6은 도 4의 A의 표면확대도,

도 7은 종래 친수성 물질로 처리된 표면과 수분과의 접촉상태도,

도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기의 표면에 접촉된 수분의 접촉상태도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 배관 20 : 코팅층 21 : 그레인 22 : 분할홈

Claims (7)

1. 내부에 냉매가 흐르며 상기 냉매와 외부 공기와의 열교환이 가능하도록 설치된 배관 및 냉각핀을 포함하는 공조기용 열교환기에 있어서,

   상기 배관과 냉각핀 중 적어도 어느 하나의 표면에 코팅층이 형성되되, 상기 코팅층은 불규칙하게 분할되어 결정화된 다수 개의 그레인(grain)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 공조기용 열교환기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 그레인(grain)은 인접한 그레인(grain)과 분할홈에 의해 분할되며, 상기 분할홈은 인접한 두 그레인(grain)의 가장자리가 중첩되어 형성되거나, 인접한 두 그레인(grain)의 단부가 상호 맞닿도록 형성되거나, 인접한 두 그레인(grain)이 상호 이격되어 형성되는 것 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 공조기용 열교환기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 코팅층에 형성되는 다수 개의 그레인은 단층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 공조기용 열교환기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 분할홈의 크기는 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 공조기용 열교환기.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 그레인(grain)의 두께는 200nm이하인 것을 특징으로 하는 공조기용 열교환기.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 그레인(grain)의 사이즈는 10㎛이하인 것을 특징으로 하는 공조기용 열교환기.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 그레인(grain)은 SiO₂와 TiO₂ 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 공조기용 열교환기.

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