KR20120090538A - 이중관형 내부 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증발기로부터 유입되는 저온 저압의 냉매 및 응축기로부터 유입되는 고온 고압의 냉매를 열교환하는 내부관 및 외부관과, 상기 외부관 측으로 냉매를 유입/배출하는 입,출구 파이프를 갖는 이중관형 내부 열교환기에 있어서, 상기 출구 파이프 측 내부관 외주에 설치되어 외부관의 고온 고압의 냉매를 내부관 내부로 교축시키는 교축 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 출구 파이프 측 내부관 외주에 교축 수단을 형성시켜 외부관의 고온 고압의 냉매를 내부관 내부로 팽창시킴으로써, 내부관의 냉매가 과도하게 과열되는 것을 방지하여 압축기에서 토출되는 냉매의 온도상승을 방지하고, 팽창밸브로 유입되는 냉매의 온도를 하강시켜 냉방성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

이중관형 내부 열교환기 {DUAL PIPE TYPE INTERNAL HEAT EXCHANGER}

본 발명은 이중관형 내부 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 출구 파이프 측 내부관 외주에 교축 수단을 형성시켜 외부관의 고온 고압의 냉매를 내부관 내부로 팽창시킴으로써, 내부관의 냉매가 과도하게 과열되는 것을 방지하여 압축기에서 토출되는 냉매의 온도상승을 방지하고, 팽창밸브로 유입되는 냉매의 온도를 하강시켜 냉방성능을 향상시킬 수 있는 이중관형 내부 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로, 차량용 공조장치는 하절기나 동절기에 자동차 실내를 냉, 난방하거나 우천시 또는 동절기에 윈드 실드에 끼게 되는 성에 등을 제거하여 운전자가 전후방 시야를 확보할 수 있게 할 목적으로 설치되는 차량의 내장품으로, 통상 난방시스템과 냉방시스템을 동시에 갖추고 있어서, 외기나 내기를 선택적으로 도입하여 그 공기를 가열 또는 냉각한 다음 차량의 실내에 송풍함으로써 차량 실내를 냉, 난방하거나 환기한다.

이러한, 공조장치의 일반적인 냉방시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉매를 압축하여 송출하는 압축기(10)와, 압축기(10)에서 송출되는 고압의 냉매를 응축하는 응축기(20)와, 응축기(20)에서 응축되어 액화된 냉매를 교축하는 팽창밸브(30)와, 팽창밸브(30)에 의해 교축된 저압의 액상 냉매를 차량 실내 측으로 송풍되는 공기와 열교환하여 증발시킴으로써 냉매의 증발 잠열에 의한 흡열작용으로 실내에 토출되는 공기를 냉각하는 증발기(40) 등으로 이루어진 냉동사이클로 구성되며, 다음과 같은 냉매 순환과정을 통하여 자동차 실내를 냉방한다.

자동차 공조장치의 냉방스위치(미도시)가 온(on) 되면, 먼저 압축기(10)가 엔진의 동력으로 구동하면서 저온 저압의 기상 냉매를 흡입, 압축하여 고온 고압의 기체 상태로 응축기(20)로 송출하고, 응축기(20)는 그 기상 냉매를 외기와 열교환하여 고온 고압의 액체로 응축한다.

이어, 응축기(20)에서 고온 고압의 상태로 송출되는 액상 냉매는 팽창밸브(30)의 교축작용으로 급속히 팽창되어 저온 저압의 습포화 상태로 증발기(40)로 보내어지고, 증발기(40)는 그 냉매를 블로어(미도시)가 차량 실내로 송풍하는 공기와 열교환시킨다.

이에 냉매는 증발기(40)에서 증발하여 저온 저압의 기체 상태로 배출되고 다시 압축기(10)에 흡입되어 상술한 바와 같은 냉동사이클을 재순환하게 된다.

이상의 냉매순환과정에 있어서, 차량 실내의 냉방은 상술한 바와 같이 블로어(미도시)가 송풍하는 공기가 증발기(40)를 거치면서 증발기(40)내를 순환하는 액상 냉매의 증발 잠열로 냉각되어 차가워진 상태로 차량 실내에 토출됨으로써 이루어진다.

한편, 상기 응축기(20)와 팽창밸브(30)의 사이에는 기상과 액상의 냉매를 분리하는 리시버드라이어(미도시)가 설치되어 팽창밸브(30)로 액상의 냉매만 공급될 수 있도록 하고 있다.

상술한 바와 같은 냉동사이클을 통해 냉방작용을 하는 공조장치의 냉방효율은 여러 가지 요인들에 의해 결정되는 바, 그 중에서도 팽창밸브(30)에 의해 교축되기 직전의 고압 냉매 과냉도와 증발기(40)에서 배출되는 저압 냉매의 과열도는 각각 냉매 유동성과 증발기(40)에서의 압력 강하량 그리고 증발기(40)의 과열영역(증발기의 냉매 배출구측 일부 영역)과 압축기(10)의 체적효율 등에 영향을 미쳐 공조장치의 냉방효율에 상당한 영향을 주게 된다.

예컨대, 교축되기 전 냉매의 과냉도가 증가하면, 냉매의 비체적이 감소되어 냉매유동이 안정화되고 증발기(40)에서의 냉매 압력강하량이 감소되어 공조장치의 냉방효율이 증대되며 압축기(10)의 동력소모량은 감소한다.

반면, 증발기(40)에서 배출되는 저압 냉매의 과열도가 적정하게 유지되지 않으면, 액상 냉매의 압축기(10) 유입을 방지하기 위해 냉매가 완전히 기화할 수 있게 설정되는 상대적으로 온도가 높은 증발기(40)의 과열영역이 확대되어야 하기 때문에 공조장치의 냉방성능이 떨어지게 된다.

따라서, 차량 공조장치들은 일반적으로 교축되기 전 냉매의 과냉도가 증가하고 증발기(40)에서 배출되는 냉매의 과열도가 적정하게 유지되면 냉방 성능이 높아지게 된다.

이에, 차량 공조장치의 냉방성능을 향상하기 위해 증발기(40)에 유입되기에 앞서 팽창밸브(30)에 의해 교축되는 고온 고압의 액상 냉매를 과냉화하고 증발기(40)에서 배출되는 냉매의 과열도를 적정화할 수 있는 다양한 시도들이 있어 온바, 현재에는 팽창밸브(30)에 유입되는 고온 고압의 액상 냉매와 증발기(40)에서 배출되는 저온 저압의 기상 냉매를 상호 열교환시킴으로써 교축 전의 고온 고압 액상 냉매를 과냉화하고 증발기(40)로부터 배출되는 저압 냉매의 과열도를 적정화하는 내부 열교환기(50)가 주로 사용되고 있다.

상기와 같은 내부 열교환기(50)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 저온 저압의 냉매가 유동하는 내부관(51)과, 내부관(51)의 외주면에 이중관 구조로 결합됨과 아울러 고온 고압의 냉매가 유동하는 외부관(52)으로 이루어진다.

또한, 외부관(52)의 양단부 측에는 냉매가 유입, 배출될 수 있도록 입구 파이프(53) 및 출구 파이프(54)가 각각 결합된다.

여기서, 입구 파이프(53)는 응축기(20)와 외부관(52)을 연결하는 냉매 파이프이고, 출구 파이프(54)는 외부관(52)과 팽창밸브(30)를 연결하는 냉매 파이프이다.

상기와 같이 구성되는 종래의 내부 열교환기(50)는 응축기(20)에서 토출된 고온 고압의 액상 냉매가 입구 파이프(53)를 통해 외부관(52)으로 유입되며, 외부관(52)으로 유입된 냉매는 출구 파이프(54)를 통해 팽창밸브(30)로 이동된다.

그리고, 증발기(40)에서 토출된 저온 저압의 기상 냉매는 내부관(51) 내를 통과하게 되는데, 이때 내부관(51)을 통과하는 냉매과 외부관(52)을 통과하는 냉매가 상호 열교환 하게 된다.

상기와 같은 열교환에 의해 팽창밸브(30) 측으로 이동되는 냉매는 과냉각되고, 압축기(10) 측으로 이동되는 냉매는 과열도가 증가되어 냉방성능을 향상시키게 된다.

그러나, 종래의 이중관 내부 열교환기(50)는 압축기(10) 측으로 이동되는 냉매의 과열도를 과도하게 증가시키게 되고, 이에 따라 압축기(10)에서 토출되는 냉매의 온도 또한 증가시켜 오일의 변성이 변성되고, 수지재로 이루어진 냉방 라인 및 전장 부품 등의 내구성을 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 출구 파이프 측 내부관 외주에 교축 수단을 형성시켜 외부관의 고온 고압의 냉매를 내부관 내부로 팽창시킴으로써, 내부관의 냉매가 과도하게 과열되는 것을 방지하여 압축기에서 토출되는 냉매의 온도상승을 방지하고, 팽창밸브로 유입되는 냉매의 온도를 하강시켜 냉방성능을 향상시킬 수 있는 이중관형 내부 열교환기를 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 증발기로부터 유입되는 저온 저압의 냉매 및 응축기로부터 유입되는 고온 고압의 냉매를 열교환하는 내부관 및 외부관과, 상기 외부관 측으로 냉매를 유입/배출하는 입,출구 파이프를 갖는 이중관형 내부 열교환기에 있어서, 상기 출구 파이프 측 내부관 외주에 설치되어 외부관의 고온 고압의 냉매를 내부관 내부로 교축시키는 교축 수단에 의해 달성된다.

또한, 상기 교축 수단은 오리피스 홀로 형성될 수 있다.

또한, 상기 오리피스 홀은 그 직경이 2mm 이하로 형성될 수 있다.

또한, 상기 교축 수단은 슬릿(slit)으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 교축 수단은 내부관의 외주를 따라 다수로 형성될 수 있다.

이에 의해, 출구 파이프 측 내부관 외주에 교축 수단을 형성시켜 외부관의 고온 고압의 냉매를 내부관 내부로 팽창시킴으로써, 내부관의 냉매가 과도하게 과열되는 것을 방지하여 압축기에서 토출되는 냉매의 온도상승을 방지하고, 팽창밸브로 유입되는 냉매의 온도를 하강시켜 냉방성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 이중관형 내부 열교환기가 차량용 냉방시스템에 설치된 것을 도시한 구성도이다.
도 2는 종래의 이중관형 내부 열교환기의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이중관형 내부 열교환기의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이중관형 내부 열교환기의 단면도이다.
도 5은 도 3의 A-A선에 대한 단면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 이중관형 내부 열교환기의 부분 평면도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 대한 도 3의 A-A선 단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

먼저, 본 발명에 따른 이중관형 내부 열교환기(100)가 적용되는 차량용 냉방시스템은 압축기(10), 응축기(20), 이중관형 내부 열교환기(100), 팽창밸브(30), 증발기(40), 이중관형 내부 열교환기(100), 압축기(10)가 냉매 파이프로 순차적으로 연결되어 냉매를 순환시키게 된다.

상기와 같은 차량용 냉방 시스템은 종래 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 이중관형 내부 열교환기(100)는, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 저온 저압의 냉매가 유동하는 내부관(110)과, 내부관(110)의 외주면에 이중관 구조로 결합됨과 아울러 고온 고압의 냉매가 유동하는 외부관(120)과, 외부관(120)의 양단부 측에 형성되어 냉매를 유입, 배출하는 입구 파이프((130) 및 출구 파이프(140)와, 출구 파이프(140) 측 내부관(110) 외주에 설치되어 외부관(120)의 고온 고압의 냉매를 내부관(110) 내부로 교축시키는 교축 수단(150)으로 구성된다.

먼저, 내부관(110)은 내부로 냉매가 유동되는 일반적인 냉매 파이프로서, 증발기(40)와 압축기(10)를 상호 연결하도록 설치된다.

그리고, 외부관(120) 또한 내부로 냉매가 유동되는 일반적인 냉매 파이프로서, 내부관(110)의 직경보다 큰 직경으로 형성되어 내부관(110)을 감싸도록 설치된다.

이때, 외부관(120)의 양단은 내부관(110)의 외주면과 맞닿도록 마무리되어 폐쇄된다.

또한, 입구 및 출구 파이프(130, 140)는 외부관(120)의 양단부에 형성되어 응축기(20)에서 배출된 고온 고압의 냉매가 외부관(120)으로 유입되어 통과한 후 배출될 수 있도록 한다.

여기서, 입구 파이프(130)는 응축기(20)와 외부관(120)을 연결하는 냉매 파이프이고, 출구 파이프(140)는 외부관(120)과 팽창밸브(30)를 연결하는 냉매 파이프이다.

그리고, 입구 및 출구 파이프(130, 140)의 양 단에는 외부관(120)과 결합되는 부분을 확관시킨 확관부가 형성된다.

즉, 외부관(120)으로 유입 및 배출괴는 냉매 유로를 확대함으로써, 외부관(120)의 입구 측과 출구 측의 유로 단면적이 증대되어 입구 파이프(130)를 통해 냉매가 외부관(120)으로 유입될 때와 외부관(120)으로 유입된 냉매가 열교환 후 출구 파이프(140)로 배출될 때 냉매의 압력 손실을 최소화하게 된다.

한편, 교축 수단(150)은 출구 파이프(140) 측 내부관(110) 외주에 설치되는 오리피스 홀로서, 외부관(120)의 고온 고압의 냉매를 내부관(110) 내부로 교축시킨다.

이때, 교축 수단(150)의 직경은 2mm 이하로 형성되는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 교축 수단(150)의 직경이 2mm 이상으로 형성될 경우 너무 과도한 냉매의 교축에 의해 내부관(120) 내부의 냉매가 냉각되어 압축기(10)로 흡입되는 냉매의 과열도가 거의 존재하지 않게 되어 냉방성능이 떨어지게 되기 때문이다.

그리고, 교축 수단(150)은 오리피스 홀 형태가 아닌, 도 7에 도시된 바와 같이, 슬릿(slit)의 형태로도 형성될 수 있다.

본 실시예에서는 교축 수단(150)이 오리피스 홀 또는 슬릿의 형태로 형성되는 것으로 설명하지만, 반드시 이에 한정되지 않고 외부관(120)의 냉매를 내부관(110)으로 교축시킬 수 있는 모든 수단을 포함한다.

또한, 교축 수단(150)은 내부관(110)의 외주를 따라 다수로 형성될 수 있다.

예를 들면, 도 8에 도시된 것처럼 내부관(110)의 외주 상하에 형성될 수 있고, 도 9에 도시된 것처럼 내부관(110)의 외주 상하 좌우에 각각 형성될 수도 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 이중관형 내부 열교환기(100)의 작용에 대해 설명한다.

응축기(20)에서 토출된 고온 고압의 액상 냉매는 입구 파이프(130)를 통해 외부관(120)으로 유입되며, 외부관(120)으로 유입된 냉매는 출구 파이프(140)를 통해 팽창밸브(30)로 이동된다.

그리고, 증발기(40)에서 토출된 저온 저압의 기상 냉매는 내부관(110) 내를 통과하여 압축기(10)로 유입되는데, 이때 내부관(110)을 통과하는 냉매와 외부관(120)을 통과하는 냉매가 상호 열교환 하게 된다.

이때, 외부관(120)의 고온 고압의 액상 냉매 일부는 교축 수단(150)에 의해 내부관(110) 내로 교축되고, 이에 의해 내부관(110)의 냉매가 냉각되어 압축기(10)로 유입되는 냉매의 온도를 저하시킴으로써, 압축기(10)로 유입되는 냉매의 과열도가 과도하게 증가되는 것을 방지한다.

이에 따라, 압축기(10)에서 토출되는 냉매의 과도한 온도 상승을 방지하게 되어 오일의 변성 및 수지재로 이루어진 냉방 라인 및 전장 부품 등의 내구성이 저하되는 것을 방지한다.

또한, 팽창밸브(30)로 유입되는 냉매의 일부를 교축시킴으로써, 팽창밸브(30)로 유입되는 냉매의 엔탈피를 증가시켜 증발기의 성능을 향상시키게 되고 이에 따라 냉방 성능을 증대시키게 된다.

본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함되는 것은 자명하다.

10 : 압축기 20 : 응축기
30 : 팽창밸브 40 : 증발기
50 : 내부 열교환기 51 : 내부관
52 : 외부관 53 : 입구 파이프
54 : 출구 파이프 100 : 이중관형 내부 열교환기
110 : 내부관 120 : 외부관
130 : 입구 파이프 140 : 출구 파이프
150 : 교축 수단

Claims (5)

1. 증발기(40)로부터 유입되는 저온 저압의 냉매 및 응축기(20)로부터 유입되는 고온 고압의 냉매를 열교환하는 내부관(110) 및 외부관(120)과, 상기 외부관(120) 측으로 냉매를 유입/배출하는 입,출구 파이프(130, 140)를 갖는 이중관형 내부 열교환기에 있어서,
   상기 출구 파이프(140) 측 내부관(110) 외주에 설치되어 외부관(120)의 고온 고압의 냉매를 내부관(110) 내부로 교축시키는 교축 수단(150)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중관형 내부 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 교축 수단(150)은 오리피스 홀로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중관형 내부 열교환기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 오리피스 홀은 그 직경이 2mm 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중관형 내부 열교환기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 교축 수단(150)은 슬릿(slit)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중관형 내부 열교환기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 교축 수단(150)은 내부관(110)의 외주를 따라 다수로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중관형 내부 열교환기.

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