KR20110117778A - 열교환기 및 이를 구비하는 공기조화기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 열교환기 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것이다.본 발명의 열교환기는, 제1매체의 유동 경로로서 제공되는 제1파이프와; 상기 제1파이프가 반경방향으로 간격을 유지하여 삽입되어 상기 제1파이프와의 반경 방향 틈새에 의해 제2매체의 유동 경로를 제공하는 제2파이프를 포함하며; 상기 제1파이프와 제2파이프가 함께 나선상으로 권회된 구조로 이루어진다.또한 본 발명의 공기조화기는, 상기 열교환기를 냉각수-냉매 열교환기로서 채용한 구성으로 이루어진다.이러한 본 발명은, 제1파이프와 제2파이프가 이중으로 결합되고 나선상으로 권회되어 있는 형태를 가지기 때문에, 종래의 판형 열교환기와는 달리, 매체의 유동 저항을 최소화할 수 있다.또한, 열교환기가 비교적 압력과 열에 강한 파이프 형태로 이루어지며 용접부나 취약부가 적어 매체의 온도에 의한 열변형 및 열손상을 최소화할 수 있다.

Description

열교환기 및 이를 구비하는 공기조화기{HEAT EXCHANGER AND AIR CONDITIONER WITH THE SAME}

본 발명은 열교환기 및 이를 구비하는 공기조화기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉매 라인과 냉각수 라인을 2중의 관 형태로 조합한 열교환기 및 이를 구비하여 시스템적으로 안정화시킨 공기 조화기에 관한 것이다.

히트 펌프 시스템, 흡수식 냉온수기, 터보 냉동기 등과 같이 냉매를 압축→응축→팽창→증발→압축하는 냉매 순환 회로를 가지는 시스템에서는 냉매와 냉각수 사이에 또는 저온냉매와 고온냉매 상호 간에 열교환을 수행하여 냉매를 상변화시키거나 폐열을 회수하게 된다.

열교환을 수행하는 장치는 열교환기라고 하는 별도의 장치로서 시스템에 연계하여 요소 요소에 배치된다. 열교환기는 두 가지의 매체(예; 냉매/냉각수, 또는 냉매/냉매)가 관이나 판을 사이에 두고 흐르는 통로를 제공하는 형태로 이루어진다.

종래에는 냉매 사이클용 열교환기로서 주로 쉘-튜브(shell and tube) 구조의 열교환기를 사용하였으나, 최근에는 열교환 효율을 높일 목적으로 판형 열교환기를 채용하는 경우가 증가하고 있다.

이러한 판형 열교환기의 일례로서, PCT 국제공개 WO 2006/024340호에 개시된 브레이징 판형 열교환기를 들 수 있다. 상기 공보에 개시된 브레이징 판형 열교환기는 연속적인 요철의 헤링본 패턴(Herringbone pattern)이 형성된 한 쌍의 전열판들이 서로 적층된 상태에서, 전열판들의 외측 둘레가 용접에 의해 의하여 접합되고, 전열판들의 내측의 헤링본 패턴들이 서로 교차하면서 생성되는 접촉면들이 브레이징(brazing) 접합된 형태이다. 두 가지의 매체는 전열판들 사이에 형성되는 공간을 통하여 유동하면서 서로 열교환 된다.

그러나 이러한 브레이징 판형 열교환기를 포함하는 종래의 판형 열교환기는, 전열판들 사이에 형성되는 틈새(유로)가 작으므로, 전열판들 사이를 유동하는 매체가 유동 저항을 크게 받아 과도한 압력강하가 생긴다는 문제가 있다. 또한, 매체의 온도 차이가 클 경우 또는 매체의 온도 변화가 심할 경우, 열변형이나 반복되는 피로에 의해 전열판에 크랙이나 피로 파괴가 발생하기 쉽다는 문제점이 있다. 특히, 브레이징 판형 열교환기에서는 매체들 사이의 온도 차이로 인하여 전열판 내부의 브레이징 접합부에서 크랙이나 파괴가 자주 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 열교환기가 가지는 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 매체의 유동 저항을 최소화하며, 매체의 온도에 의한 열변형이나 그에 따른 손상을 최소화할 수 있는 열교환기 및 이러한 열교환기를 사용하여 효율이 높고 시스템적으로 안정된 공기조화기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 본 발명의 목적은, 제1매체의 유동 경로로서 제공되는 제1파이프와, 상기 제1파이프가 반경방향으로 간격을 유지하여 삽입되어 상기 제1파이프와의 반경 방향 틈새에 의해 제2매체의 유동 경로를 제공하는 제2파이프를 포함하며, 상기 제1파이프와 제2파이프가 함께 나선상으로 권회된 구조로 이루어지는 열교환기를 제공함으로써 달성된다.

본 발명의 일실시예에 따른 공기조화기는, 냉매를 압축→응축→팽창→증발→압축시켜 냉, 난방을 행하는 냉매 회로와, 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 구동하는 엔진과, 상기 엔진의 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환 회로를 구비하는 공기 조화기에 있어서, 상기 압축기로 들어가는 냉매 귀환 라인과 상기 엔진으로부터 나오는 냉각수 토출 라인에 청구항 제1항에 기재된 열교환기를 배치하며; 상기 열교환기의 제1파이프는, 냉각수 토출 라인에 접속하고; 상기 열교환기의 제2파이프는, 냉매 귀환 라인에 접속한 구성으로 이루어진다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 공기조화기는, 냉매를 압축→응축→팽창→증발→압축시켜 냉, 난방을 행하는 냉매 회로와, 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 구동하는 엔진과, 상기 엔진의 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환 회로를 구비하는 공기 조화기에 있어서, 상기 압축기로 들어가는 냉매 귀환 라인과 상기 엔진으로부터 나오는 냉각수 토출 라인에 청구항 제1항에 기재된 열교환기를 배치하며; 상기 열교환기의 제1파이프는, 냉매 귀환 라인에 접속하고; 상기 열교환기의 제2파이프는, 냉각수 토출 라인에 접속한 구성으로 이루어진다.

상기한 공기조화기에 있어서, 상기 열교환기의 나선형 라인의 내측에는 어큐물레이터가 배치되고, 상기 열교환기의 냉매 출구 라인을 상기 어큐물레이터의 냉매 입구라인에 접속하여도 좋다.

본 발명의 열교환기 및 공기조화기에 의하면, 제1파이프가 제2파이프에 반경방향으로 간격을 유지하는 상태로 삽입되어 함께 나선상으로 권회된 구조로 이루어져서, 제1매체는 제1파이프의 내부를 흐르고, 제2매체는 제1파이프와 제2파이프 사이에 형성되는 반경 방향 틈새를 따라 흐르면서 열전달이 이루어진다.

본 발명의 열교환기 및 해당 열교환기를 냉각수-냉매 열교환기로서 채용한 공기조화기는, 제1파이프와 제2파이프가 이중으로 결합되고 나선상으로 권회되어 있는 형태를 가지기 때문에, 종래의 판형 열교환기와는 달리, 매체의 유동 저항을 최소화할 수 있다. 또한, 열교환기가 비교적 압력과 열에 강한 파이프 형태로 이루어지며 용접부나 취약부가 적어 매체의 온도에 의한 열변형 및 열손상을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기의 사시도이다.
도 2는 도 1의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 공기조화기의 계통도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 공기조화기의 계통도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 공기조화기의 계통도이다.

이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 열교환기를 나타내는 것으로서, 도 1에는 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 단면도가 도시되어 있다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열교환기(500)는 2개의 파이프로 이루어진다.즉, 제1매체용(W1)의 제1파이프(100)와 제2매체용(W2) 제2파이프(200)로 이루어진다.제1매체와(W1) 제2매체(W2)는 각각의 파이프(100)(200)를 길이방향으로 흐르면서 열교환 된다.

더 구체적으로, 제1파이프(100)는 제2파이프(200)에 반경방향으로 간격을 유지하는 상태로 삽입되며, 제1파이프(100)와 제2파이프(200)가 함께 나선상(螺旋狀)으로 권회(卷回)된 구조로 이루어진다.제1매체(W1)는 제1파이프(100)의 내부를 흐르고, 제2매체(200)는 제1파이프(100)와 제2파이프(200) 사이에 형성되는 반경 방향 틈새를 따라 흐르게 된다.따라서, 제1매체(W1)와 제2매체(W2) 사이를 구획하는 제1파이프(100)를 통해 두 매체 사이의 열전달이 이루어진다.

도면에 도시된 실시예와 같이, 제1파이프(100)의 축방향 양측 단부는 곧 제1매체(W1)의 입구와 출구로 설정하고, 제2파이프(200)는 양측 단부를 플러그(201)(도 2 참조) 등으로 막고, 양측 단부에 인접한 위치에 접속관(202)을 연결한 형태로 구성할 수 있다.

또한, 제1매체(W1)와 제2매체(W2)의 흐름 방향에는 어떠한 한정이 없고 시스템의 여건에 따라 자유롭게 선택할 수 있다.

제1파이프(100)와 제2파이프(200)의 권회는 통상의 방법에 의해 쉽게 실현할 수 있다.예를 들어, 스트레이트 한 제1파이프(100)의 외주에, 열에 의해 녹는 왁스, 양초 등의 재료나 물에 의해 녹을 수 있는 재료로 만든 간격 유지용 링(ring)을 끼운다.간격 유지용 링에는 제1파이프(100)와 제2파이프(200) 사이의 간격을 실질적으로 유지하기 위한 반경 방향의 지지판이 형성되어 있으면 더욱 좋다.이러한 간격 유지용 링을 제1파이프(100) 외주에 끼운 채 제2파이프(200) 안으로 삽입한다.그러면 제1파이프(100)와 제2파이프(200)가 간격 유지용 링에 의해 동심원을 이루게 된다.이 상태에서 제1파이프(100)와 제2파이프(200) 사이의 틈새에 모래와 같은 작은 입자의 충전재를 채우고, 제1파이프(100)의 내부에도 채운다.그러면 제1파이프(100)와 제2파이프(200)의 간격은 충전재에 의해 더욱 강고하게 유지된 상태가 된다.충전재가 채워진 파이프를 소정의 파이프 벤딩 머신에 로딩하여 벤딩하면, 충전재에 의해 간격이 유지된 채 나선상으로 벤딩할 수 있게 된다.만일, 파이프 벤딩 머신이 파이프에 열을 가할 수 있는 수단을 갖추고 있는 경우에는, 벤딩시 파이프에 열을 가하여 벤딩의 정밀도(즉, 파이프의 진원도) 유지에 도움을 준다.이와 같이 벤딩을 마친 다음에는 열을 가하여 충전재를 녹인 상태에서 고압 또는 진공압에 의해 파이프 내부에 채워진 충전재를 배출하는 방법을 사용할 수 있다.

이러한 본 발명의 열교환기(500)는, 제1파이프(100)와 제2파이프(200)가 이중으로 결합되고 나선상으로 권회되어 있는 형태를 가지기 때문에, 종래의 판형 열교환기와는 달리, 매체의 유동 저항을 최소화할 수 있다.또한, 열교환기가 비교적 압력과 열에 강한 파이프 형태로 이루어지며 용접부나 취약부가 적어 매체의 온도에 의한 열변형 및 열손상을 최소화할 수 있다.

도 3은 이와 같은 열교환기를 사용한 공기조화기에 대한 제1실시예를 나타내는 계통도이다.

도 3에 도시된 공기 조화기는, 실내 열교환기와 실외 열교환기를 이용하여 냉방 운전과 난방 운전을 하나의 시스템에서 구현한 이른바 '히트 펌프(Heat Pump)"라고 범용적으로 불리는 공기조화기로서, 특히 압축기를 구동하는 동력원으로서 전기모터를 사용하는 대신에 가스 연료를 연소시키는 엔진을 사용하는 가스엔진 히트 펌프(GHP; Gas engine driven Heat Pump)이다.따라서, 본 공기조화기는, 냉매를 압축→응축→팽창→증발→압축하는 냉매 회로(1)(도 3에서 실선의 회로)에 더하여, 가스 엔진의 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환 회로(2)(도 3에서 점선의 회로)를 추가로 구비한다.

구체적으로, 냉매 회로(1)에는, 엔진(10)에 의해 구동되는 압축기(11)로부터, 4방밸브(21), 실외 열교환기(22), 난방용 팽창밸브(23), 실내기 팽창밸브(24) 및 실내 열교환기(25)가 설치된다.

이러한 냉매 회로에 있어서, 냉방 운전시에는, 압축기(11)에서 고온 고압으로 압축된 냉매는 4방밸브(21)를 통해 실외 열교환기(22)로 유입되어 주위 공기와 열교환을 통해 응축된다.응축된 냉매는 실내기 팽창밸브(24)에서 감압 및 팽창된 후 실내 열교환기(25)로 들어가 증발하면서 주위의 열을 빼앗아 냉방 작용을 한다.실내 열교환기(25)를 나와서는 4방밸브(21)를 통해 냉매 귀환라인(27)으로 흘러 어큐물레이터(26)를 거쳐 다시 압축기(11)로 귀환 된다. 한편, 난방운전 시에는, 압축기(11)에서 압축된 고온 고압의 냉매가 4방밸브(21)에서 곧바로 실내 열교환기(25)로 들어가 주위와 열교환을 통해 난방작용을 하면서 응축되고, 응축된 냉매는 팽창밸브(23)에서 저압으로 팽창된 다음 실외 열교환기(22)로 들어가 주위와의 열교환을 통해 증발한다.실외 열교환기(22)를 나와서는 4방밸브(21)를 통해 냉매 귀환 라인(27)으로 흘러 어큐물레이터(26)를 거쳐 다시 압축기(11)로 귀환 된다.

냉각수 순환 회로(2)는, 엔진(10)의 냉각수 토출 라인(32)에 3방밸브(31)가 설치되고, 이의 3방밸브(31)로부터 연장되는 하나의 회로상에는 방열기(33)가 설치되고, 다른 하나의 회로상에는 냉각수-냉매 열교환기(33)가 설치되며, 이들 회로가 합류되는 귀환 라인(34)에 순환펌프(35)가 설치된다.상기 냉각수-냉매 열교환기(500)에는, 냉매 귀환 라인(27)과 냉각수 토출 라인(32)이 경유하여 냉각수가 가진 열이 냉매로 전달되도록 한다.

이러한 냉각수 순환 회로에 있어서, 예를 들어 일반적인 운전(예; 냉방 운전) 시에는, 3방밸브(31)의 전환에 의해 엔진(10)으로부터 나온 냉각수가 방열기(33) 쪽으로 흘러 냉각된 다음 귀환라인(34)을 통해 엔진(10)으로 들어오는 사이클을 수행한다. 예를 들어 냉각수의 폐열을 회수하여 냉매를 가열해 줄 필요가 있을 때(예; 난방운전이나 압축기 보호 운전시)에는, 3방밸브(31)의 전환에 의해 엔진(10)으로부터 나온 냉각수가 냉각수-냉매 열교환기(500) 쪽으로 흐르게 된다.냉각수-냉매 열교환기(500)에서, 냉각수는 냉매에 열을 전달하여 압축기(11)로 들어가는 냉매의 온도를 높이고 기체 상태로 만들어 줌으로써 액체 상태의 냉매 유입에 의한 압축기의 손상을 줄여 압축기(11)의 구동 안정화에 기여함과 동시에 효율을 향상시키게 된다.

여기서, 상기 냉각수-냉매 열교환기(500)는, 도 1 및 도 2에서 설명한 본 발명에 따른 열교환기이다.이하, 도 1 및 도 2의 병행 참조한다.

도 3에 도시된 공기조화기에서는, 냉각수-냉매 열교환기(500)의 제2파이프(200)(도 1, 2 참조)는 냉매 귀환 라인(27)에 접속하고, 제1파이프(100)는 냉각수 토출 라인(32)에 접속한 형태이다.따라서, 냉매는 바깥 라인으로 흐르고, 냉각수는 안쪽 라인을 흐르게 되어 냉각수가 함유하고 있는 열이 외부로 방출되는 것을 최소화하여 대부분의 열이 냉매로 전달될 수 있다.

이와 같은 공기조화기는, 본 발명의 냉각수-냉매 열교환기(500)에 의해 냉각수와 냉매의 유동 저항이 최소화된다.또한, 냉매 라인과 냉각수 라인은 냉각수-냉매 열교환기(500)의 파이프에 접속하기만 하면 되는 구조로서, 용접 부분이나 브레이징 접합부 등이 최소화되어 취약부분이 최소화되어 매체의 온도에 의한 열변형이나 그에 따른 손상을 최소화할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 공기조화기를 나타낸다.본 실시예에 따른 공기조화기는, 전술한 제1실시예에 따른 공기조화기에 비해 냉각수-냉매 열교환기(500)의 접속 형태만이 다르고 나머지의 구성은 동일하다.

즉, 도 4에 도시된 공기조화기에서는, 냉각수-냉매 열교환기(500)의 제1파이프(100)에 냉매 귀환 라인(27)을 접속하고, 제2파이프(200)에는 냉각수 토출 라인(32)을 접속한 형태로 구성하고 있다.이는 냉각수 유량이 많은 경우에 적합하다.

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 공기조화기를 나타낸다.본 실시예에 따른 공기조화기는, 전술한 제1실시예 또는 제2실시예에 따른 공기조화기에 비해, 냉각수-냉매 열교환기(500)의 나선형 라인의 내측에 어큐물레이터(26)를 배치한 구성만이 다르고 나머지의 구성은 동일하다.

상기 열교환기(500)의 냉매 출구 라인(도 5에서는 제1파이프(100)의 출구 라인)은, 상기 어큐물레이터(26)의 냉매 입구 라인에 접속된다.

이와 같이 구성하면, 본 발명의 냉각수-냉매 열교환기(500)가 어큐물레이터(26)의 주변을 감싸 어큐물레이터(26)에 존재하는 액냉매를 가열하여 기화를 촉진함으로써 압축기(11)의 구동을 안정화시키게 된다.

도 5에 도시된 실시예에서는, 냉각수-냉매 열교환기(500)의 접속형태가 도 3에 도시된 실시예와 동일한 구성으로 되어 있으나, 이에 한하지 않고, 도 4에 도시된 실시예와 같은 접속 형태로 구성하여도 좋다.즉, 시스템 환경에 적합하게 도 3의 접속형태나 도 4의 접속형태 중 어떤 하나의 접속형태를 선택하면 된다.

예를 들어, 도 4에 도시된 실시예와 같은 접속 형태, 즉 냉매 귀환 라인(27)을 제1파이프(100)에 접속하고, 냉각수 토출 라인(32)을 제2파이프(200)에 접속한 형태에서, 나선형 라인의 내측에 어큐물레이터(26)를 배치하는 구성도 좋다.이 경우에는, 어큐물레이터(26)의 냉매가 냉각수에 의해 가열된다.

이상에서는 첨부 도면에 도시된 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 형태에 대한 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 보호 범위가 이들에 한정되는 것은 아니다.또한, 이상과 같은 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 및 균등한 다른 실시가 가능한 것이며, 이러한 변형 및 균등한 다른 실시예들은 당연히 본 발명의 첨부된 특허청구범위에 속한다.

1 : 냉매 회로 2 : 냉각수 순환 회로
10 : 엔진 11 : 압축기
21 : 4방밸브 22 : 실외 열교환기
23 : 난방용 팽창밸브 24 : 실내기 팽창밸브
25 : 실내 열교환기 26 : 어큐물레이터
27 : 냉매 귀환 라인 31 : 3방밸브
32 : 냉각수 33 : 방열기
34 : 귀환 라인 35 : 순환펌프
36 : 배기가스-냉각수 열교환기
100 : 제1파이프 200 : 제2파이프
201 : 플러그 202 : 접속관
500 : 냉각수-냉매 열교환기 W1 : 제1매체
W2 : 제2매체

Claims (4)

1. 제1매체의 유동 경로로서 제공되는 제1파이프와,
   상기 제1파이프가 반경방향으로 간격을 유지하여 삽입되어 상기 제1파이프와의 반경 방향 틈새에 의해 제2매체의 유동 경로를 제공하는 제2파이프를 포함하며,
   상기 제1파이프와 제2파이프가 함께 나선상으로 권회된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
2. 냉매를 압축→응축→팽창→증발→압축시켜 냉, 난방을 행하는 냉매 회로와, 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 구동하는 엔진과, 상기 엔진의 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환 회로를 구비하는 공기 조화기에 있어서,
   상기 압축기로 들어가는 냉매 귀환 라인과 상기 엔진으로부터 나오는 냉각수 토출 라인에 청구항 제1항에 기재된 열교환기를 배치하며,
   상기 열교환기의 제1파이프는, 냉각수 토출 라인에 접속하고,
   상기 열교환기의 제2파이프는, 냉매 귀환 라인에 접속한 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
   
3. 냉매를 압축→응축→팽창→증발→압축시켜 냉, 난방을 행하는 냉매 회로와, 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 구동하는 엔진과, 상기 엔진의 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환 회로를 구비하는 공기 조화기에 있어서,
   상기 압축기로 들어가는 냉매 귀환 라인과 상기 엔진으로부터 나오는 냉각수 토출 라인에 청구항 제1항에 기재된 열교환기를 배치하며,
   상기 열교환기의 제1파이프는, 냉매 귀환 라인에 접속하고,
   상기 열교환기의 제2파이프는, 냉각수 토출 라인에 접속한 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
   
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 열교환기의 나선형 라인의 내측에는 어큐물레이터가 배치되고,
   상기 열교환기의 냉매 출구 라인을 상기 어큐물레이터의 냉매 입구라인에 접속한 것을 특징으로 하는 공기 조화기.

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