KR20130107332A - 냉매 방열기 - Google Patents

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Abstract

히트 펌프 사이클용 냉매 방열기(12)는 복수의 튜브(121)를 포함한다. 튜브(121)은 다음의 관계를 만족하도록 배치된다. Re≥A×X6＋B×X5＋C×X4＋D×X3＋E×X2＋F×X＋G 여기서, θ는 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매의 흐름 방향과 수평 방향이 이루는 경사 각도(°)이고, X는 튜브(121) 내를 유통하는 냉매가 기액 2상 냉매로 되어 있는 소정 위치의 냉매의 건조도이고, Re는 튜브(121)를 유동하는 냉매의 평균 유속(m／S)으로부터 구해지는 소정 위치에서의 냉매의 레이놀즈수이다. 이 경우 A 내지 G는 θ의 함수로서 표현되고, 각 튜브(121)에 있어서의 냉매의 불균일 압력 손실을 억제하여 배출되는 공기의 온도차를 저감시킨다.

Description

냉매 방열기{COOLING MEDIUM RADIATOR}
본 발명은 증기 압축식 냉매 사이클에서 냉매로부터 열을 방출시키는 냉매 방열기에 관한 것이다.
종래, 증기 압축식 냉매 사이클에서 압축기로부터 배출된 고온 고압 냉매를 공기와 열교환시켜서 열을 방출시키는 냉매 방열기가 알려져 있다. 예를 들어, 특허 문헌 1에 개시된 냉매 방열기는 차량용 공조 장치에 적용되고 있다. 냉매 방열기는 압축기로부터 배출된 냉매와 공조 대상 공간인 차실내로 송풍되는 차실내 송풍 공기를 열교환시킴으로써 차실내 송풍 공기를 가열하는 히터(heater)로서 기능한다.
특히, 특허 문헌 1에 개시된 냉매 사이클에서는 냉매로서 이산화탄소를 사용하며, 압축기 배출측으로부터 감압 장치 입구측에 이르는 사이클의 고압측 냉매 압력이 냉매의 임계 압력 이상으로 되는, 이른바 초임계 냉매 사이클이다. 특허 문헌 1에 개시된 냉매 방열기는 냉매의 상변화 없이 초임계 상태에서 냉매로부터 열을 방출한다.
냉매 방열기에서는 송풍 공기의 흐름 방향의 바람 상류측에 배치되는 하나의 열교환부와 바람 하류측에 배치되는 다른 열교환부을 포함한다. 바람 하류측의 열교환부는 압축기로부터 토출된 냉매를 방열기의 일단으로부터 타단으로 유동시키고, 바람 상류측의 열교환부는 바람 하류측의 열교환부 유출 냉매를 방열기 타단으로부터 일단으로 유동시킨다. 추가적으로, 바람 하류측의 열교환부의 열교환 성능은 바람 상류측의 열교환부의 열교환 성능보다 낮도록 설정된다.
송풍 공기의 흐름 방향에서 바라보았을 때, 이러한 구조를 갖는 냉매 방열기는 비교적 높은 온도의 냉매가 흐르는 열교환부와 비교적 낮은 온도의 냉매가 흐르는 열교환부를 중첩시킨다. 따라서, 바람 하류 측의 열교환부에 유입된 직후의 냉매의 급격한 온도 저하를 억제하여 냉매 방열기로부터 배출되는 송풍 공기의 온도차를 저감시킬 수 있다.
특허 문헌 1: 일본국 특개2004―125346호 공보
그러나 특허 문헌 1에 개시된 냉매 방열기가 고압 측 냉매 압력이 냉매의 임계 압력 미만으로 되는, 이른바 아임계 냉매 사이클(subcritical refrigerant cycle)에 적용된 경우, 불균일 온도 분포를 억제하는 상기한 효과가 충분히 나타나지 않을 수 있다. 그 이유는, 아임계 냉매 사이클에서는 냉매가 냉매 방열기에서 열을 방출할 때에, 과열도를 갖는 기상 냉매로부터 기액 2상 냉매로, 또한 과냉각도를 갖는 액상 냉매로 상변화하기 때문이다.
보다 상세하게는, 초임계 냉매 사이클에서 냉매 방열기는 초임계 상태로 유지되는 냉매를 방열한다. 냉매 방열기를 통하여 유동하는 냉매는 실질적으로 일정 비율로 온도 저하하면서 열을 방출한다. 따라서, 특허 문헌 1에 개시된 바와 같이, 바람 상류 측의 열교환부에서 냉매의 흐름 방향은 바람 하류 측의 열교환부를 유동하는 냉매의 흐름 방향과 반대이고, 냉매는 바람 하류 측의 열교환부으로 유입된 직후의 급격한 온도 저하가 방지되고, 그에 따라 송풍 공기의 온도차를 저감시킬 수 있다.
대조적으로, 아임계 냉매 사이클에서 냉매 방열기를 통하여 유동하는 냉매가 기상 냉매 또는 액상 냉매로 되어 있을 때에는 냉매는, 그 온도를 저하시키면서 열을 방출하지만(즉, 온도와 엔탈피의 양자를 저하시키면서), 기액 2상 냉매로 되어 있을 때에는, 그 온도를 저하시키지 않고 열을 방출한다(즉, 엔탈피만을 저하시키면서).
송풍 공기의 흐름 방향에서 바라보았을 때, 냉매가 기액 2상 상태로 되어 있는 열교환부가 냉매가 기상 상태 또는 액상 상태로 되어 있는 다른 열교환부와 공기 흐름 방향으로 중첩되어 있는 경우, 냉매 방열기로부터 배출되는 공기의 불균일 온도 분포를 충분히 억제할 수 없게 되는 경우도 있다.
본 발명은 상기 점을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 내부를 유동하는 냉매가 기상 상태, 기액 2상 상태 및 액상 상태로 상변화하도록 냉매와 열교환하고 냉매 방열기로부터 배출되는 공기의 온도차를 저감시키는 것이다.
본 발명에 관련되는 개시는 이하에 설명하는 본 발명자의 시험 및 검토에 의하여 얻어진 지견에 기초하여 안출된 것이다. 본 출원의 발명자는 차량용 공조 장치에 적용되는 아임계 냉매 사이클의 냉매 방열기에 대하여, 특히, 특허 문헌 1과 동일한 타입의 히터로서 기능하는 냉매 방열기로부터 배출되는 송풍 공기의 온도 분포에 대하여 검토를 실시했다.
이러한 종류의 차량용 공조 장치에서는 도 4를 참조하여 후술하는 바와 같이, 냉매 방열기의 운전석측 열교환부에 의해 가열된 송풍 공기가 주로 운전석측으로 배출되고, 조수석측의 열교환부에 의해 가열된 송풍 공기가 주로 조수석측으로 배출된다. 따라서, 수평 방향으로 송풍 공기의 온도차의 감소는 운전석측으로 배출되는 송풍 공기와 조수석측으로 배출되는 송풍 공기의 온도차를 줄일 수 있다.
아임계 냉매 사이클에 적용되는 냉매 방열기를 통하여 유동하는 냉매는 방열기의 입구측으로부터 출구측을 향하여 유동하면서 과열도를 갖는 기상 냉매에서 기액 2상 냉매로, 그리고 과냉각도를 갖는 액상 냉매로 변화하여 냉매의 밀도를 증가시킨다. 사이클을 통하여 순환하는 냉매 유량이 일정한 경우, 방열기를 통하여 유동하는 냉매의 질량 유량은 일정하게 되어, 상변화에 동반하여 냉매의 유속을 감소시킨다.
아임계 냉매 사이클에 적용되는 냉매 방열기에서는 이론적으로는 열교환부 전체 중에서 공기와의 온도차가 상대적으로 큰 기상 냉매와 송풍 공기를 열교환시키는 열교환부가 차지하는 비율이 커지고, 그에 따라 냉매 방열기는 광범위의 열교환부에서 기상 냉매로부터 열을 방출시킬 수 있다.
본 발명자는 냉매 방열기로서, 제 1 실시예의 도 3(a) 및 도 3(b)에서 후술하는 냉매 방열기와 동일한 구조를 갖는 전 패스 타입 탱크 앤드 튜브형 열교환기(full-path type tank and tube heat exchanger)(멀티 플로형 열교환기)를 이용한다. 튜브의 길이 방향은 연직 방향으로 향하는 적어도 하나의 성분을 갖도록 냉매 방열기를 배치하여 송풍 공기의 온도 분포의 검토를 실시했다. 본원에서 “연직 방향으로 향하는 적어도 하나의 성분을 갖는 방향”이란 튜브가 수평 방향에 수직인 방향으로, 또는 수평 방향에 대하여 각도를 갖고 연장되어 있는 것을 의미한다.
이와 같이, 튜브의 길이 방향이 연직 방향으로 향하는 성분을 갖는 하는 이유는 냉매 분배를 위한 헤더 탱크로부터 모든 튜브에 압축기 배출 냉매를 유입시키는 경우에 연직 방향의 송풍 공기의 온도 분포는 발생할 수 있지만 수평 방향의 송풍 공기의 온도차를 억제할 수 있기 때문이다. 냉매 방열기에서는 냉매 유입구가 설치되는 분배용 헤더 탱크를 하측에 배치하고, 냉매 유출구가 설치되는 집합용 헤더 탱크를 상측으로 배치하고 있다.
다음으로, 도 8 및 도 9를 참조하여 검토 결과에 대해서 설명한다. 우선, 본 발명자는 도 8에 도시된 바와 같이, 냉매 방열기가 적용된 냉매 사이클을 순환하는 냉매 유량(Gr)(즉, 냉매 방열기를 유통하는 냉매의 유량(㎏／h))을 변화시켰을 때의 냉매 방열기의 방열 성능을 확인했다.
도 8은 냉매 유량(Gr) 및 송풍 공기 유량(Va)(㎥／h)의 변화에 대한 방열 성능의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 8의 횡축에 나타낸 냉매 유량(Gr)의 눈금과 송풍 공기 유량(Va)의 눈금은 이 냉매 방열기에 있어서의 냉매의 방열량과 송풍 공기의 흡열량이 균형잡히는 유량을 나타낸다. Gr과 Va의 사이의 관계는 이하의 수학식 1로 근사될 수 있다.
[수학식 1]
Gr＝－0.0002Va＋0.1997Va＋5.4994
도 8은 송풍 공기 흐름과 직교하는 방향에서 보았을 때에 튜브를 통하여 유동하는 냉매의 흐름 방향과 수평 방향이 이루는 경사 각도(θ)(단위: 도)를 90°, 60° 및 30°로 변화시켰을 때의 방열 성능을 보여준다. 또한, 도 8은 분배용 헤더 탱크를 상측에 배치하고, 집합용 헤더 탱크를 하측에 배치하고, 경사 각도(θ)를 －90°로 했을 때의 방열 성능을 도시한다. 경사 각도(θ)는 이하의 실시예에서 상세히 후술하는 바와 같이 정의된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 검토에 이용된 냉매 방열기는 냉매 유량(Gr)의 감소에 동반하여 방열 성능이 크게 저하된다. 방열 성능의 저하 원인을 조사하기 위해, 도 9에 나타내는 바와 같이, 본 발명자는 냉매 유량(Gr)을 변화시켰을 경우 냉매 방열기로부터 배출되는 송풍 공기의 온도 분포를 조사했다.
온도 분포의 조사에서, 냉매 방열기의 열교환부는 16의 영역(부)으로 분할된다. 각 분할 영역으로부터 배출되는 송풍 공기의 평균 온도가 결정된다. 또한, 수평 방향 일측(지면 우측)의 열교환부의 8개의 영역의 평균 온도와 수평 방향 타측(지면 좌측)의 열교환부의 8개의 영역의 평균 온도의 온도차를 좌우측 간의 평균 온도차(△T)로 한다. 좌우측 간의 평균 온도차(△T)는 송풍 공기의 수평 방향의 온도 분포를 나타내는 지표로서 이용될 수 있다.
도 9의 예(a) 내지 (d)에서는, 공기 유량(Va), 냉매 유량(Gr), 방열기(12)의 유입구에서 냉매의 과열도(SH), 냉매 방열기(12)의 냉매 유출구에서 과냉각도(SC), 냉매 방열기(12)에 유입되는 공기의 온도(Tain)는 참조 부호 Va, Gr, SH, SC, Tain으로 각각 표기된다.
도 9는 냉매 유량(Gr)의 감소와 함께, 열교환부 중 상대적으로 온도가 낮은 영역(도 9의 예(b) 및 (c)의 열교환부의 파선으로 둘러싼 대략 중앙부)이 증가한다. 냉매 유량(Gr)을 더욱 저하시키는 경우, 열교환부 중 상대적으로 온도가 낮은 영역의 수(도 9의 예(d)의 열교환부의 파선으로 둘러싼 대략 중앙부 및 지면 좌측부)의 수가 증가한다.
다시 말해, 냉매 유량(Gr)이 감소하면서 열교환부 중 상대적으로 온도가 낮은 영역, 즉, 열교환부가 송풍 공기를 충분히 가열할 수 없는 영역의 면적이 증가하고, 전체 냉매 방열기로서의 방열 성능의 저하를 초래한다. 도 9의 예(d)에 나타난 바와 같이, 열교환부 중 상대적으로 온도가 낮은 영역의 형성은 좌우측 간의 평균 온도차(△T)를 증가시키고, 그에 따라 송풍 공기의 수평 방향의 온도 분포의 균일성을 악화시킨다.
본 발명자는 한층 더 연구하여, 냉매 방열기의 열교환부 중 상대적으로 온도가 낮은 영역의 형성은 각 튜브를 유동하는 냉매의 응축도 차이에 기인한 것임을 발견했다.
더욱 상세히 설명하면, 기상 냉매가 냉매 방열기의 각 튜브에 유입되어 각 튜브에 유입되는 냉매의 분배은 비교적 양호하지만, 헤더 탱크 내에서의 압력 손실, 냉매 유입의 관성력 등을 포함하는 영향 때문에 냉매를 모두 튜브에 완전히 균일하게 분배하는 것은 어렵다. 공기 냉매 방열기의 열교환부들에 비교적 균일하게 유입된 경우라도 다소라도 냉매 유입량이 적은 튜브가 존재하는 경우가 있다.
이와 같은 냉매 유입량이 적은 튜브로 구성된 특정 열교환 영역에서는, 튜브를 유동하는 냉매가 다른 열교환 영역을 구성하는 튜브를 유동하는 냉매보다도 더욱 응축하기 쉽다. 이때, 냉매 유량(Gr)의 감소에 동반하여 튜브 출입구 간의 냉매의 압력차가 감소한 경우, 응축된 냉매의 유속 또는 유량은 더욱 감소하여 응축한 냉매가 튜브 내로부터 유출되기 어려워진다.
따라서, 응축한 냉매가 냉매 통로 벽면 등에 부착되고 튜브 내에 체류하여 특정한 열교환부를 형성하는 각각의 튜브의 냉매 통로 면적이 다른 영역을 구성하는 튜브의 냉매 통로보다 좁아지게 되고, 냉매가 부착한 튜브에서 냉매의 압력 손실이 증가한다. 그 결과, 특정한 열교환부를 구성하는 튜브에는 다른 영역을 구성하는 튜브보다도 압축기로부터 토출된 고온 냉매가 유입되기 어려워지고, 상대적으로 온도가 낮은 열교환부(이하, '저온 영역'이라 함)가 형성된다.
본 발명자는 저온 영역을 형성하는 튜브의 압력 손실에 대해 더 조사하였으며, 저온 영역을 구성하는 튜브의 압력 손실의 증가는 튜브 내 응축된 냉매의 체류에 기인하는 것을 알아냈다. 이 후, 본 발명자는 냉매를 압출하기 위한 근원으로 기능하는 냉매의 유속(U) 외에 다음의 인자에 주의를 기울였다.
(1) 냉매 응축에 기인한 점도(μ) 상승에 의한 압력 손실의 상승분
(2) 냉매 응축에 기인한 밀도(ρ)를 감소에 의한 압력 손실의 감소분
나아가, 본 발명자는 튜브 내를 냉매가 아래쪽에서 위쪽으로 흐르는 냉매 방열기에 있어서는 다음의 인자에 주의를 기울였다.
(3) 응축한 냉매에 작용하는 중력에 기초하여 계산된 압력 손실의 상승분
즉, 냉매의 유속(U), 점도(μ), 밀도(ρ) 및 응축된 냉매에 작용하는 중력을 산출하기 위해 필요한 파라미터로서의 경사 각도(θ) 등을 고려하고 조절함으로써 저온 영역을 형성하는 튜브(121)의 압력 손실을 다른 영역을 구성하는 튜브의 압력 손실과 동등하게 하여 상대적으로 온도가 낮은 특정 열교환부의 형성을 억제할 수 있다.
상기 착안에 기초하여, 본 발명자는 냉매의 유속(U), 점도(μ), 밀도(ρ)를 이용하여 점성력 대 관성력의 비로서 정의되는 레이놀즈수(Re)와 경사 각도(θ)를 이용한 시뮬레이션 계산에 의해, 상대적으로 온도가 낮은 특정 열교환부의 형성을 억제할 수 있는 냉매 방열기의 배치 조건을 구하고, 그 결과를 근사식으로서 산출했다.
냉매 방열기의 배치 조건의 산출에는 냉매의 유속(U)으로서 튜브를 통하여 유동하는 냉매의 평균 유속을 이용한다. 냉매 방열기에 유입되는 냉매는 2MPa의 압력에서 과열도 45℃인 기상 냉매로 하고, 방열기에 유입되는 공기의 유량은 20℃에서 200㎥／h이다. 또한, 상기 수학식 1의 압력 손실의 상승분을 구하기 위해 필요하게 되는 기액 2상 유체의 점도(μm)는 아래의 수학식 2에 나타나는 테일러의 공식(Taylor formula)을 이용하여 구한다.
[수학식 2]
μ＝μ1{1＋2.5αg(ρ1－ρg)／ρ1}
μm: 기액 2상 유체의 점도
μ1: 액상 유체의 점도
αg: 보이드율
ρ1: 액상 유체의 밀도
ρg: 기상 유체의 밀도
또한, 테일러의 공식에 필요한 기액 2상 유체의 보이드율(α9)은 아래의 수학식 3에 나타내는 레비의 공식(Levy formular)(레비의 운동량 극소 모델)을 이용하여 구한다.
[수학식 3]
(1－αg)／αgㆍx／(1－x)＝(ρg／ρ1)1/2
x: 건조도
αg: 보이드율
ρ1: 액상 유체의 밀도
ρg: 기상 유체의 밀도
그 결과, 경사 각도(θ)가 0＜θ≤90°, 즉, 튜브 내를 냉매가 아래쪽에서 위쪽으로 흐르는 냉매 방열기에서는, 아래의 수학식 4에 나타난 배치 조건으로 하고, 그에 따라 저온 영역을 형성하는 튜브에서 냉매의 압력 손실이 다른 영역을 형성하는 튜브의 압력 손실과 동등하게 되고 열교환부에서 상대적으로 온도가 낮은 영역의 형성을 억제할 수 있다.
[수학식 4]
Re≥A×X6＋B×X5＋C×X4＋D×X3＋E×X2＋F×X＋G
A＝－0. 0537×θ2＋9.7222×θ＋407.19
B＝－(－0.2093×θ2＋37.88×θ＋1586.3)
C＝－0.3348×θ2＋60.592×θ＋2538.1
D＝－(－0.2848×θ2＋51.53×θ＋2158.2)
E＝－0.1402×θ2＋25.365×θ＋1062.8
F＝－(－0.0418×θ2＋7.5557×θ＋316.46)
G＝－0.0132×θ2＋2.3807×θ＋99.73
이상의 지견에 기초하여 본 발명의 제1 태양에 따르면, 증기 압축식 냉매 사이클에 적용되는 냉매 방열기는 압축기에서 압축된 고온 고압의 냉매와 공조 대상 공간으로 송풍되는 공기를 열교환시켜서 과열도를 갖는 기상 냉매로부터 열을 방출시키고, 그에 따라 기상 냉매를 과냉각도를 갖는 액상 냉매로 변화시킨다. 냉매 방열기는 냉매가 위쪽에서 아래쪽으로 유동하도록 하는 복수의 튜브와, 튜브의 일단부에 접속되어 튜브 중 적어도 일부의 튜브에 유입되는 냉매를 분배하는 제1 헤더와, 복수의 튜브의 타단부에 접속되어 상기 복수의 튜브 중 적어도 일부의 튜브로부터 유출되는 냉매를 집합시키는 제2 헤더를 포함한다. 튜브 내를 냉매가 위쪽에서 아래쪽으로 흐르는 냉매 방열기에 있어서, 튜브를 통하여 유동하는 냉매의 상변화가 튜브 내에서 발생한 경우, 본 발명의 냉매 방열기는 각 튜브 내에서 냉매 압력의 불균일 손실을 억제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 냉매 방열기는 전체 열교환부 중 상대적으로 온도가 낮은 특정한 열교환부의 형성을 방지할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 제2 태양에 따르면, 튜브를 통하여 유동하는 냉매 흐름이 강제 대류로 되는 62.42≤Re≤1234의 관계를 만족시키는 영역에 이용되는 냉매 방열기는, 응축한 냉매에 작용하는 중력을 환산한 압력 손실의 상승분을 고려할 필요가 없는, 튜브를 통하여 상측에서 하측으로 유동하는 냉매 증발기인 것이 바람직하다.
본 발명의 제3 태양에 따르면, 냉매 방열기는 증기 압축식 냉매 사이클에 이용되고, 증기 압축식 냉매 사이클의 압축기에서 압축된 고온 고압의 냉매와 공조 대상 공간으로 송풍되는 공기를 열교환시킴으로써 과열도를 갖는 기상 냉매로부터 열을 방출시키고, 그에 따라 기상 냉매를 과냉각도를 갖는 액상 냉매로 변화시킨다. 냉매 방열기는 냉매가 유동하는 복수의 튜브를 포함하고, 상기 튜브는 수평 방향에 수직인 방향으로 또는 수평 방향에 대하여 각도를 갖고 연장된다. 또한, 아래의 관계식을 만족하도록 배치된다.
Re≥A×X6＋B×X5＋C×X4＋D×X3＋E×X2＋F×X＋G
A＝－0.0537×θ2＋9.7222×θ＋407.19
B＝－(－0.2093×θ2＋37.88×θ＋1586.3)
C＝－0.3348×θ2＋60.592×θ＋2538.1
D＝－(－0.2848×θ2＋51.53×θ＋2158.2)
E＝－0.1402×θ2＋25.365×θ＋1062.8
F＝－(－0.0418×θ2＋7.5557×θ＋316.46)
G＝－0.0132×θ2＋2.3807×θ＋99.73
여기서, θ(°)는 튜브를 통하여 유동하는 냉매의 흐름 방향과 수평 방향이 이루는 경사 각도이고, X는 튜브를 통하여 유동하는 냉매가 기액 2상 냉매로 되어 있는 소정 위치에서 냉매의 건조도이고, Re는 튜브를 통하여 유동하는 냉매의 평균 유속(m／S)으로부터 구해지는 소정 부분에서 냉매의 레이놀즈수이고, 튜브를 통하여 유동하는 냉매의 흐름 방향이 연직 아래쪽에서 연직 위쪽을 향하여 변화하는 데 동반하여 경사 각도(θ)는 0°이상 90°이하의 범위(0＜θ≤90°)에서 변화한다.
따라서, 0＜θ≤90°의 경사 각도(θ)에 대하여, 즉, 튜브를 통하여 냉매가 아래쪽에서 위쪽으로 유동하는 냉매 방열기에 있어서, 튜브를 통하여 유동하는 냉매가 상변화해도, 냉매의 유속, 점도, 밀도 및 경사 각도(θ)를 포함하는 파라미터를 고려함으로써 각 튜브에서 냉매 압력의 불균일 손실은 억제될 수 있다. 본 발명의 냉매 방열기는 냉매 방열기의 전체 열교환부에서 상대적으로 온도가 낮은 특정한 열교환부의 형성을 억제할 수 있다.
그 결과, 냉매 사이클을 통하여 순환하는 냉매 유량이 변화되고 튜브를 통하여 유동하는 냉매의 유속이 변화하더라도, 이러한 배치는 냉매 방열기의 방열 성능의 저하를 억제할 수 있고, 또한 냉매 방열기에서 가열되어 배출되는 공기의 수평 방향의 불균일 온도 분포를 억제할 수 있다.
여기에서 사용되는 용어 “소정 위치”는 튜브를 통하여 유동하는 냉매가 기액 2상 냉매로 되어 있는 위치인 한, 어떤 임의의 위치일 수 있다. 즉, 튜브를 통하여 유동하는 냉매의 건조도(X)가 변화되는 경우라도, 레이놀즈수(Re)는 건조도(X)를 이용하여 산정되므로, 소정 위치로서 임의의 위치을 채용해도 상대적으로 온도가 낮은 특정한 열교환부의 형성을 억제할 수 있다.
여기에서 사용되는 구절“튜브는 연직으로 향하는 적어도 하나의 성분을 갖는 방향으로 연장된다”은 전체 튜브가 연직 방향으로 연장된 것뿐만 아니라 튜브의 일부가 연직 방향으로 연장되는 것을 포함하는 의미이다.
본 발명의 제4 태양에 따른 냉매 방열기는 각각의 튜브의 적어도 일단측에 배치되어 튜브의 적층 방향으로 연장되고 냉매의 집합 또는 분배를 실시하는 헤더 탱크를 더 포함할 수 있다.
복수의 튜브를 통하여 유동하는 냉매를 헤더 탱크를 이용하여 집합 또는 분배하는 멀티 플로형 열교환기 구성에서는, 헤더 탱크에 설치된 냉매 유입구 또는 냉매 유출구의 위치에 따라서 각각의 튜브를 통하여 유동하는 냉매의 유량이 변화되기 쉽다. 그에 따라 송풍 공기의 온도 분포가 발생하기 쉽다. 따라서, 송풍 공기의 온도차를 저감할 수 있는 배치 조건이 이와 같은 냉매 방열기 구조에 적용되는 것은 매우 효과적이다.
본 발명의 제5 태양에 따르면, 상기 복수의 튜브에는 냉매가 하측에서 상측을 향하여 흐르는 제1 튜브군 및 냉매가 상측에서 하측을 향하여 흐르는 제2 튜브군을 포함한다.
본 발명의 제6 태양에 따른 냉매 방열기에서, 헤더 탱크의 내부 공간은 복수의 공간으로 분할되어 있으며, 하나의 분할된 공간에는 기상 냉매를 하나의 분할된 공간으로 유입시키기 위한 냉매 유입구가 설치되고, 다른 분할된 공간에는 액상 냉매를 다른 분할된 공간으로부터 유출시키기 위한 냉매 유출구가 설치된다.
본 발명의 제7 태양에 따른 냉매 방열기에서, 복수의 튜브는 송풍 공기의 흐름 방향을 따라서 배열될 수 있다. 바람 상류측 및 바람 하류측의 열교환부 중 하나는 과열도를 갖는 냉매가 흐르는 영역(과열도 영역)으로 정의하고, 다른 하나는 과냉각도를 갖는 냉매가 흐르는 영역(과냉각도 영역)으로 정의한다. 송풍 공기의 흐름 방향에서 보았을 때, 과열도 영역 및 과냉각도 영역은 중첩되고, 그에 따라 연직 방향으로 송풍 공기의 온도차가 저감될 수 있다.
본 발명의 제8 태양에 따른 냉매 방열기에서, 복수의 튜브를 통하여 유동하는 냉매의 흐름 방향이 동일할 수 있다.
본 발명의 제9 태양에 따른 냉매 방열기에서, 냉매 사이클은 차량용 공조 장치에 적용될 수 있으며, 공조 대상 공간은 차실내일 수 있다.
따라서, 본 발명의 냉매 방열기는 송풍 공기의 수평 방향의 온도차를 저감시킬 수 있으며, 특히, 운전석측으로 배출되는 송풍 공기와 조수석측으로 배출되는 송풍 공기 간의 온도차를 저감시킬 수 있다.
본 발명의 상기 또는 다른 목적, 구성, 이점은 첨부된 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명으로부터 보다 명백하게 될 것이다.
도 1은 제1 실시예에 따른 난방 운전에서 히트 펌프 사이클의 냉매 유로를 도시한 전체 구성도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 냉방 운전에서 히트 펌프 사이클의 냉매 유로를 도시한 전체 구성도이다.
도 3(a)는 제1 실시예에 따른 냉매 방열기의 정면도이고, 도 3(b)는 도 3(a)에 도시된 냉매 방열기의 측면도이다.
도 4는 제1 실시예에 따른 냉매 방열기의 배치 상태를 도시한 개략도이다.
도 5(a)는 제2 실시예에 따른 냉매 방열기의 정면도이고, 도 5(b)는 도 5(a)에 도시된 냉매 방열기의 측면도이다.
도 6(a)는 제3 실시예에 따른 냉매 방열기의 정면도이고, 도 6(b)는 도 6(a)에 도시된 냉매 방열기의 측면도이다.
도 7(a)는 제4 실시예에 따른 냉매 방열기의 정면도이고, 도 7(b)는 도 7(a)에 도시된 냉매 발열기의 측면도이다.
도 8은 출원인에 의해 고려된 냉매 방열기의 냉매 유량 및 공기 유량의 변화에 대한 방열 성능의 변화를 도시한 그래프이다.
도 9는 출원인에 의해 고려된 냉매 방열기의 온도 분포의 실험 결과를 도시한 개략도이다.
도 10은 출원인에 의해 고려된 냉매 방열기에서 냉매 유량에 대한 레이놀즈수 또는 그라쇼프수의 변화를 도시한 그래프이다.
본 발명자에 의해 수행된 몇 가지 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 후술된다. 이전 실시예에서 설명된 구성에 대응하는 각 실시예의 동일 또는 균등 구성은 동일한 참조 부호를 붙이고, 그에 대한 중복된 설명은 생략될 수 있다. 각 실시예에서 구조의 일 부분만이 설명된 경우, 그 구조의 다른 부분에 대해서는 이전 실시예의 설명이 적용될 수 있다. 부분의 조합은 각 실시예에서 특별히 설명된 것에 한하지 않는다. 조합이 어떤 문제를 발생시키지 않는 한, 실시예는 본 명세서에서 제시되지 않았다고 하더라도 부분적으로 조합될 수 있다.
(제 1 실시예)
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예를 설명한다. 본 실시예에서, 본 발명의 냉매 방열기(12)를 구비하는 히트 펌프 사이클(10)(증기 압축식 냉매 사이클)이 차량용 공조 장치(1)에 적용된다. 도 1은 본 실시예의 차량용 공조 장치(1)의 전체 구성도이다. 차량용 공조 장치(1)는 엔진(내연 기관)으로부터 주행용 구동력을 얻는 통상의 엔진 차량뿐만 아니라, 하이브리드 차량이나 전기 자동차 등 다양한 형태의 차량에 적용될 수 있다.
차량용 공조 장치(1)에 있어서, 히트 펌프 사이클(10)은 공조 대상 공간인 차실내로 송풍되는 차실내 송풍 공기를 가열 또는 냉각하는 기능을 수행한다. 즉, 히트 펌프 사이클(10)은 냉매 유로를 전환하여 난방 운전(가열 운전) 및 냉방 운전(냉각 운전)을 실행한다. 난방 운전은 열교환 대상 유체인 차실내 송풍 공기를 가열함으로써 차실내를 난방하도록 실행된다. 냉방 운전은 차실내 송풍 공기를 냉각함으로써 차실내를 냉방하도록 실행된다.
히트 펌프 사이클(10)을 도시한 도 1 및 도 2의 전체 구성도에서, 난방 운전 시에 있어서의 냉매의 흐름 및 냉방 운전 시에 있어서의 냉매의 흐름은 각각 실선 화살표로 나타내고 있다.
본 실시예의 히트 펌프 사이클(10)은 냉매로서 HFC계 냉매(구체적으로는, R134a)를 사용하고, 고압측 냉매 압력이 냉매의 임계 압력을 초과하지 않는 아임계 냉매 사이클을 형성한다. HFO계 냉매(구체적으로는, R1234yf)가, 냉매가 아임계 냉매 사이클을 형성하는 한, 사용될 수 있다. 압축기(11)를 윤활하기 위한 냉동기유(refrigerating machine oil)가 냉매에 혼입되어 있으며, 냉동기유의 일부는 냉매와 함께 사이클을 순환한다.
압축기(11)는 엔진 룸 내에 위치하며, 히트 펌프 사이클(10)에서 냉매를 흡입하고 압축하여 배출한다. 압축기는 고정 배출 용량을 가진 고정 변위 압축기(fixed displacement compressor)(11a)를 전동 모터(11b)를 이용하여 구동하는 전기 압축기이다. 구체적으로, 스크롤형 압축 기구 또는 베인형 압축 기구 등과 같은 다양한 형태의 압축 기구가 고정 변위 압축기(11a)로서 채용될 수 있다.
전동 모터(11b)는 후술하는 공조 제어 장치로부터 출력되는 제어 신호에 의하여, 그 작동(회전수)이 제어되는 것으로, 교류 모터(AC 모터) 또는 직류 모터(DC 모터)일 수 있다. 모터의 회전수 제어에 의하여 압축기(11)의 냉매 배출 능력이 변경된다. 따라서, 본 실시예에서, 전동 모터(11b)는 압축기(11)의 배출 능력 변경부로서 역할을 한다.
압축기(11)의 냉매 배출 포트는 냉매 방열기(12)의 냉매 입구측이 접속되어 있다. 냉매 방열기(12)는 후술하는 차량용 공조 장치(1)의 실내 공조 유닛(30)의 케이싱(31) 내에 배치된다. 냉매 방열기는 냉매 방열기를 통하여 유동하는 고온 고압 냉매와 후술하는 냉매 증발기(20) 통과 후의 차실내 송풍 공기를 열교환시키는 가열용 열교환기이다. 냉매 방열기(12) 및 실내 공조 유닛(30)의 상세 구성에 대해서는 후술한다.
난방용 고정 스로틀(13)은 냉매 방열기(12)의 냉매 출구측에 접속되어 있다. 고정 스로틀(13)은 난방 운전 시에 냉매 방열기(12)로부터 유출된 냉매를 감압하고 팽창시키는 난방 운전용의 감압부(decompression portion)로서 기능한다. 난방용 고정 스로틀(13)은 오리피스(orifice), 캐피러리 튜브(capillary tube) 등을 사용할 수 있다. 난방용 고정 스로틀(13)의 출구측에는 실외 열교환기(16)의 냉매 입구측과 접속되어 있다.
고정 스로틀용 우회 통로(bypass passage)(14)는 냉매 방열기(12)의 냉매 출구측과 접속된다. 우회 통로(14)는 냉매 방열기(12)로부터 유출된 냉매를 난방용 고정 스로틀(13)을 우회시키고 실외 열교환기(16)로 안내한다. 고정 스로틀용 우회 통로(14)를 개폐하는 개폐 밸브(15a)가 고정 스로틀용 우회 통로(14)에 배치된다. 개폐 밸브(15a)는 그 개폐 작동이 공조 제어 장치로부터 출력되는 제어 전압에 의해 제어되는 전자기 밸브(electromagnatic valve)이다.
냉매가 개폐 밸브(15a)를 통과할 때에 발생하는 압력 손실은 냉매가 난방용 고정 스로틀(13)을 통과할 때에 발생하는 압력 손실에 비하여 상당히 작다. 따라서, 개폐 밸브(15a)가 열려 있는 경우에, 냉매 방열기로부터 유출된 냉매는 고정 스로틀용 우회 통로(14)를 경유하여 실외 열교환기(16)로 유입되고, 이와 대조적으로 개폐 밸브(15a)가 닫혀 있는 경우에는 냉매가 난방용 고정 스로틀(13)을 경유하여 실외 열교환기(16)로 유입된다.
따라서, 개폐 밸브(15a)는 히트 펌프 사이클(10)의 냉매 유로를 전환할 수 있다. 본 실시예의 개폐 밸브(15a)는 냉매 유로 전환부로서 기능한다. 이와 같은 냉매 유로 전환부의 대안으로, 전기식 3방향 밸브 등이, 냉매 방열기(12) 출구측과 난방용 고정 스로틀(13) 입구측을 접속하는 냉매 회로 및 냉매 방열기(12) 출구측을 고정 스로틀용 우회 통로(14) 입구측에 접속하는 다른 냉매 회로 간을 전환시키기 위해 제공될 수 있다.
실외 열교환기(16)는 내부를 통하여 유동하는 저압 냉매와 송풍 팬(17)으로부터 송풍된 외기를 열교환시키는 것이다. 또한, 실외 열교환기(16)는 엔진 룸 내에 배치되어, 난방 운전 시에는 저압 냉매를 증발시켜서 흡열 효과을 발휘하는 증발기로서 기능하고, 냉방 운전 시에는 고압 냉매로부터 열을 방출시키는 방열기로서 기능하는 열교환기이다.
송풍 팬(17)은 공조 제어 장치로부터 출력되는 제어 전압에 의하여 가동률, 즉, 회전수(송풍 공기량)가 제어되는 전동식 송풍기이다. 실외 열교환기(16)는 전기식의 3방향 밸브(15b)가 접속되는 출구측을 구비한다. 3방향 밸브(15b)는 공기 제어 장치로부터 출력되는 제어 전압에 의하여 그 작동이 제어되고, 개폐 밸브(15a)와 함께 냉매 유로 전환부로서 기능한다.
보다 구체적으로, 난방 운전 시에, 3방향 밸브(15b)는 실외 열교환기(16)의 출구측과 후술하는 어큐뮬레이터(accumulator)(18)의 입구측을 접속하는 냉매 유로로 전환을 실행하고, 이와 대조적으로, 냉방 운전 시에, 3방향 밸브(15b)는 실외 열교환기(16)의 출구측과 냉방용 고정 스로틀(19)의 입구측을 접속하는 냉매 유로로 전환을 실행한다.
냉방용 고정 스로틀(19)은 냉방 운전 시에 실외 열교환기(16)로부터 유출된 냉매를 감압 팽창시키는 냉방 운전용의 감압부로서 기능한다. 고정 스로틀(19)은 난방용 고정 스로틀(13)의 구성과 동일한 기본 구성을 가진다. 냉방용 고정 스로틀(19)의 출구측은 실내 증발기로서의 냉매 증발기(20)의 냉매 입구측에 접속된다.
냉매 증발기(20)는 실내 공조 유닛(30)의 케이싱(31)에 있어서 냉매 방열기(12)보다 공기 흐름의 상류측에 배치된다. 냉매 증발기(20)는 냉각용 열교환기로서, 그 내부를 유통하는 냉매와 차실내 송풍 공기를 열교환시키고, 차실내 송풍 공기를 냉각한다. 냉매 증발기(20)의 냉매 출구측은 어큐뮬레이터(18)의 입구측에 접속되어 있다.
어큐뮬레이터(18)는 그 내부에 유입된 냉매의 기액을 분리하여 사이클 내의 잉여 냉매를 그 내부 저장하는 저압측 냉매용의 기액 분리기이다. 어큐뮬레이터(18)의 기상 냉매 출구에는 압축기(11)의 흡입측이 접속되어 있다. 어큐뮬레이터(18)는 압축기(11)로의 액상 냉매의 흡입을 억제하는 기능을 하여 압축기(11)의 액 압축을 방지한다.
다음으로, 도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하여 냉매 방열기(12)의 상세 구성을 설명한다. 도 3(a)는 냉매 방열기(12)의 정면도이고, 도 3(b)는 도 3(a)의 모식적인 측면도이다. 보다 쉬운 이해를 위해, 도 3(b)에서는 후술하는 입구측 커넥터(122a) 및 출구측 커넥터(123a)의 도시를 생략한다.
도 3(a)에서 수직의 각 화살표는 냉매 방열기(12)를 실내 공조 유닛(30)의 케이싱(31) 내에 탑재한 상태에서 상하의 각 방향을 나타내고 있다. 이는 이하의 도면에 있어서도 마찬가지이다.
구체적으로는, 냉매 방열기(12)는 도 3(a) 및 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 압축기(11)로부터 배출된 고온 고압 냉매가 유동하는 복수의 튜브(121) 및 복수의 튜브(121)의 세로 방향 양단측에 배치되어 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매의 집합 또는 분배를 실시하는 한 쌍의 헤더 탱크(122, 123)를 포함한다. 냉매 방열기(12)는 각 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매의 흐름 방향이 모두 동일한 전 패스 타입 앤드 멀티 플로형 열교환기로 구성된다.
튜브(121)는 우수한 전열성을 가진 금속(예를 들면, 알루미늄 합금)으로 형성되고, 내부를 유동하는 냉매의 흐름 방향에 수직인 단면이 편평 형상으로 형성된 편평 튜브이다. 또한, 튜브(121)의 편평 외표면(편평면)은 차실내 송풍 공기의 흐름 방향(X)과 평행하게 배치되어 있다. 튜브(121)는 단일 또는 다수의 홀(hole)을 가진 편평 튜브로 형성될 수 있다. 튜브(121)는 원직경 면에서 0.5∼1.5㎜의 직경(de)(4×유로 단면적(flow path sectional area)×유로 젖음변 길이(length of wet side of flow path))를 가진 냉매 유로로 구성되는 것이 바람직하다.
튜브(121)는 수평 방향으로 적층 배치되어 각각의 튜브(121)의 편평면이 서로 평행하게 된다. 차실내 송풍 공기가 내부로 유동하는 공기 통로는 이웃하는 튜브(12) 사이에 형성된다. 또한, 이웃하는 튜브(121) 사이에는 냉매와 차실내 송풍 공기의 열교환을 촉진하는 핀(124)이 배치되어 있다.
각각의 핀(124)은 튜브(121)와 같은 재질의 박판재(thin plate)를 파형으로 구부림으로서 형성되는 코러게이트 핀(corrugated fin)이다. 핀(124)은 튜브(121)의 평탄면에 납땜 접합되어 있는 정상부를 구비한다. 도 3(a)에서는 도시의 간략화를 위해 핀(124)을 일부만 도시하고 있는데, 핀(124)은 이웃하는 튜브(121)의 사이의 실질적으로 전역에 걸쳐서 배치되어 있다.
헤더 탱크(122, 123)는 복수의 튜브(121)의 적층 방향(본 실시예에서는 수평 방향)으로 연장되는 실린더 형상의 부재이다. 본 실시예에서는 냉매 방열기(12)를 실내 공조 유닛(30)의 케이싱(31) 내에 탑재한 상태에서, 하측의 헤더 탱크를 냉매 분배용의 헤더 탱크(122)로서 이용하고, 상측의 헤더 탱크를 냉매 집합용의 헤더 탱크(123)로서 이용하고 있다.
각각의 헤더 탱크(122, 123)는 분할 타입의 헤더 탱크로서 구성되어 있으며, 튜브(121)와 같은 재질로 형성된다. 헤더 탱크(122, 123)는 실린더 형상으로 형성되어 있고, 길이 방향으로 각각의 튜브(121)의 단부가 납땜 접합되는 플레이트 부재를 포함한다. 대안적으로, 헤더 탱크(122, 123)는 관형상 부재 등으로 형성될 수 있다.
입구측 커넥터(122a)는 냉매 분배용 하측 헤더 탱크(122)의 일단에 배치된다. 커넥터(122a)는 압축기(11)의 배출 포트와의 접속부로 기능하다. 커넥터(122a)는 헤더 탱크(122) 내로 냉매를 유입시키기 위한 냉매 유입구가 설치된다. 헤더 탱크(122)의 타단은 폐색 부재로서의 탱크 캡(122b)으로 폐색되어 있다.
출구측 커넥터(123a)는 냉매 집합용의 상측 헤더 탱크(123)의 일단에 배치된다. 커넥터(123a)는 난방용 고정 스로틀(13) 입구측 및 고정 스로틀용 우회 통로(14) 입구측의 접속부로서 기능한다. 커넥터(123a)는 헤더 탱크(123)로부터 냉매를 유출시키는 냉매 유출구가 설치된다. 헤더 탱크(123)의 타단은 폐색 부재로서의 탱크 캡(123b)으로 폐색되어 있다.
따라서, 냉매 방열기(12)에서, 도 3(a)의 굵은 선 화살표로 나타내는 바와 같이, 압축기(11)로부터 배출된 냉매가 입구측 커넥터(122a)를 통하여 냉매 분배용 헤더 탱크(122)로 유입되고, 각각의 튜브(121)에 분배된다. 각각의 튜브(121)에 유입된 냉매는 튜브(121)를 통하여 유동할 때에 차실내 송풍 공기와 열교환하고, 그 후 튜브(121)로부터 유출된다. 튜브(121)로부터 유출된 냉매는 냉매 집합용 헤더 탱크(123) 내로 집합되며 출구측 커넥터(123a)를 통해서 유출된다. 즉, 냉매는 튜브(121)를 통하여 하측에서 상측으로 유동한다.
이때, 앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예의 히트 펌프 사이클(10)은 아임계 냉매 사이클을 형성하고 있으므로, 각각의 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매는, 튜브(121) 내에서 차실내 송풍 공기와 열교환하는 동안, 과열도를 갖는 기상 냉매에서 기액 2상 냉매 및 과냉각도를 갖는 액상 냉매의 차례로 상변화한다.
본 실시예의 냉매 방열기(12)에서, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 튜브(121)의 길이 방향은 수평 방향에 대하여 경사져서 배치되어 있다. 즉, 튜브(121)의 세로 방향은 적어도 연직 방향(상하 방향)으로 지향된 적어도 하나의 성분을 갖는다. 바꾸어 말하면, 각각의 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매의 흐름 방향은 수평 방향에 대하여 경사지거나 연직으로 되어 있다.
본 실시예에서는 경사 각도(θ)(－90°≤θ≤90°)를 냉매 방열기(12)의 냉매 흐름 상류측(본 실시예에서는 냉매 분배용의 헤더 탱크(122)측)을 기점으로 하여 냉매 흐름 하류측(본 실시예에서는 냉매 집합용의 헤더 탱크(123)측)을 향하는 선분과, 냉매 방열기(12)의 냉매 흐름 상류측을 기점으로 하여 수평 방향으로 연장되는 직선이 이루는 각도로 정의한다.
즉, 경사 각도(θ)는 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매의 흐름 방향이 수평 방향에서 연직 위쪽을 향하여 변화함에 따라 0°에서 90°로 변화한다. 예를 들어, 튜브(121) 내를 유통하는 냉매의 흐름 방향이 수평 방향을 향해 있는 경우에는 경사 각도가 0°로 되고(경사 각도(θ)＝0°), 연직 위쪽을 향해 있는 경우에는 경사 각도가 90°로 되고(경사 각도(θ)＝90°), 또한, 연직 아래쪽을 향해 있는 경우에는 경사 각도가 －90°로 된다(경사 각도(θ)＝－90°).
본 실시예에서, 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매가 기액 2상 냉매로 되어 있는 소정 부분의 냉매의 건조도를 X로 하고, 튜브(121)를 유통하는 냉매의 평균 유속(단위: m／S)으로부터 구해지는 냉매의 레이놀즈수를 Re로 하고, 상기에서 설명한 수학식 4에 나타내는 관계를 만족하도록 냉매 방열기(12)를 배치하고 있다.
본 실시예의 냉매 방열기(12)에 있어서의 소정 위치는, 튜브(121)를 유통하는 냉매가 기액 2상 냉매로 되어 있는 소정 위치인 한, 임의의 위치일 수 있다. 예를 들어, 소정 위치는 튜브(121)의 냉매 흐름 하류측의 일 부분 또는 냉매 분배용의 헤더 탱크(122)보다도 냉매 집합용의 헤더 탱크(123)에 가까운 튜브(121)의 일 부분 등일 수 있다.
다음으로, 실내 공조 유닛(30)에 대하여 설명한다. 유닛(30)은 차실내 최전방부의 게이지 보드(gauge board)(인스트루먼트 패널)의 내측에 배치되어, 그 외곽을 형성하는 케이싱(31) 내에 송풍기(32), 냉매 방열기(12) 및 냉매 증발기(20)를 수용한다.
케이싱(31)은 차실내에 송풍되는 차실내 송풍 공기의 공기 통로를 형성하고 있으며, 어느 정도의 탄성을 갖으며 강도적으로도 우수한 수지(예를 들면, 폴리프로필렌)로 성형되어 있다. 케이싱(31) 내의 차실내 송풍 공기 흐름 최상류측에는 차실내 공기(내기)와 외기를 전환 도입하는 내외기 전환 장치(inside/outside air switch)(33)가 배치되어 있다.
내외기 전환 장치(33)에는 케이싱(31) 내에 내기를 도입시키는 내기 도입구 및 외기를 도입시키는 외기 도입구가 형성되어 있다. 내외기 전환 장치(33)의 내부에는 내기 도입구 및 외기 도입구의 개구 면적을 연속적으로 조정하여 내기의 풍량과 외기의 풍량의 풍량 비율을 변화시키는 내외기 전환 도어가 배치되어 있다.
내외기 전환 장치(33)의 공기 흐름 하류측에는 내외기 전환 장치(33)를 통하여 흡입된 공기를 차실내를 향하여 송풍하는 송풍기(32)가 배치되어 있다. 송풍기(32)는 원심 다익 팬(시로코 팬(sirocco fan))을 전동 모터로 구동하는 전동 송풍기로서, 공조 제어 장치로부터 출력되는 제어 전압에 의하여 회전수(송풍량)가 제어된다.
냉매 증발기(20) 및 냉매 방열기(12)는 송풍기(32)의 공기 흐름 하류측에 차실내 송풍 공기의 흐름에 대하여 차례로 배치되어 있다. 바꾸어 말하면, 냉매 증발기(20)는 냉매 방열기(12)에 대하여 차실내 송풍 공기의 흐름 방향으로 상류측에 배치되어 있다.
에어 믹스 도어(air mix door)(34)는 냉매 증발기(20)의 공기 흐름 하류측 및 냉매 방열기(12)의 공기 흐름 상류측에 배치된다. 에어 믹스 도어(34)는 냉매 증발기(20) 통과 후의 송풍 공기 중에서 냉매 방열기(12)를 통과시키는 풍량 비율을 조정한다. 혼합 공간(35)는 냉매 방열기(12)의 공기 흐름 하류측에 설치되어, 냉매 방열기(12)에서 냉매와 열교환하고 가열된 송풍 공기와 냉매 방열기(12)를 우회하여 가열되어 있지 않은 송풍 공기를 혼합시킨다.
혼합 공간(35)에서 혼합된 공조풍(conditioned air)을 냉각 대상 공간인 차실내로 배출하는 개구 구멍(opening holes)이 케이싱(31)의 공기 흐름 최하류측에 배치되어 있다. 구체적로는, 개구 구멍(미도시)은 차실내의 탑승자의 상반신을 향하여 공조풍을 배출하는 페이스 개구 구멍(face opening hole), 탑승자의 발밑을 향하여 공조풍을 배출하는 풋 개구 구멍(foot opening hole) 및 차량 전면창 유리 내측면을 향하여 공조풍을 배출하는 디프로스터 개구 구멍(defroster opening hole)을 포함한다.
에어 믹스 도어(34)가 냉매 방열기(12)를 통과시키는 풍량의 비율을 조정함으로써 혼합 공간(35)에서 혼합된 공조풍의 온도를 조정한다. 그에 따라, 각 개구 구멍으로부터 배출되는 공조풍의 온도가 조정된다. 즉, 에어 믹스 도어(34)는 차실내로 송풍되는 공조풍의 온도를 조정하는 온도 조정부로서 기능한다.
바꾸어 말하면, 에어 믹스 도어(34)는, 냉매 방열기(12)에 있어서, 압축기(11)로부터 배출된 냉매와 차실내 송풍 공기의 열교환량을 조정하는 열교환량 조정부로서 기능한다. 에어 믹스 도어(34)는 공조 제어 장치로부터 출력되는 제어 신호에 의해 작동이 제어되는 서보 모터(미도시)에 의하여 구동된다.
페이스 개구 구멍, 풋 개구 구멍 및 디프로스터 개구 구멍의 공기 흐름 상류측에는 각각 페이스 개구 구멍의 개구 면적을 조정하는 페이스 도어, 풋 개구 구멍의 개구 면적을 조정하는 풋 도어, 디프로스터 개구 구멍의 개구 면적을 조정하는 디프로스터 도어(모두 미도시)가 구비된다.
페이스 도어, 풋 도어, 디프로스터 도어는 개구 구멍 모드를 전환하는 개구 구멍 모드 전환부로서 기능한다. 도어는 링크 기구 등을 통하여 공조 제어 장치로부터 출력되는 제어 신호에 기초해서 그 작동이 제어되는 서보 모터(미도시)에 의하여 구동된다.
대조적으로, 페이스 개구 구멍, 풋 개구 구멍 및 디프로스터 개구 구멍의 공기 흐름 하류측은 각각 공기 통로를 형성하는 덕트를 통하여 차실내에 설치된 페이스 배출구, 풋 배출구 및 디프로스터 배출구에 접속되어 있다. 예를 들면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 페이스 개구 구멍(face opening holes)은 수평 방향으로 인스트루먼트 패널(P)의 중앙부에 설치된 프런트 페이스 배출구(P1), 수평 방향으로 패널(P)의 양 단부에 설치된 사이드 페이스 배출구(P2)에 접속되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 프런트 페이스 배출구(P1), 사이드 페이스 배출구(P2)는 각각 운전석용 및 조수석용으로 복수 위치에 설치되어 있다. 예를 들면, 난방 운전 시에 냉매 방열기(12) 중, 운전석측의 열교환부에서 가열된 송풍 공기는 주로 운전석측으로 배출되고, 조수석측의 열교환부에서 가열된 송풍 공기는 주로 조수석측으로 배출된다.
다음으로, 본 실시예의 전기 제어부에 대하여 설명한다. 공조 제어 장치는 CPU, ROM 및 RAM 등을 포함하는 공지의 마이크로컴퓨터와 그 주변 회로로 구성된다. 제어부는 ROM에 저장된 공조 제어 프로그램에 기초하여 각종 연산 및 처리를 실시함으로써 출력측에 접속된 각종 공조 제어 기기(11, 15a, 15b, 17, 32) 등의 작동을 제어한다.
다양한 공조 제어용의 센서군이 공조 제어 장치의 입력측에 접속된다. 센서는 차실내 온도를 검출하는 내기 센서, 외기온을 검출하는 외기 센서, 차실내의 일사량을 검출하는 일사 센서, 냉매 증발기(20)의 배출 공기 온도(증발기 온도)를 검출하는 증발기 온도 센서를 포함한다. 그리고, 센서는, 또한, 압축기(11)로부터 배출 냉매 온도를 검출하는 배출 냉매 온도 센서 및 실외 열교환기(16) 출구측 냉매 온도를 검출하는 출구 냉매 온도 센서를 포함한다.
차실내 앞부의 계기반 부근에 배치된 조작 패널(operation panel)(미도시)은 공조 제어 장치의 입력측에 접속된다. 조작 신호는 조작 패널에 설치된 각종 공조 조작 스위치로부터 입력된다. 조작 패널에 설치된 각종 공조 조작 스위치는 차량용 공조 장치의 작동 스위치, 차실내 온도를 설정하는 차실내 온도 설정 스위치 및 운전 모드의 선택 스위치를 포함한다.
공조 제어 장치는 압축기(11)의 전동 모터(11b), 개폐 밸브(15a), 3방향 밸브(15b) 등을 제어하는 제어부를 포함하고, 서로 일체로 구성되고, 이들의 작동을 제어하도록 설계된다. 본 실시예의 공조 제어 장치에서 압축기(11)의 작동을 제어하는 구성(하드웨어 및 소프트웨어)이 냉매 배출 능력 제어부로서 기능하고, 냉매 유로 전환부를 구성하는 각종 기기(15a, 15b)의 작동을 제어하는 구성이 냉매 유로 제어부로서 기능한다.
다음으로, 본 실시예의 상기 배치를 구비한 차량용 공조 장치(1)의 작동을 설명한다. 본 실시예의 차량용 공조 장치(1)는, 앞서 언급한 바와 같이, 차실내를 난방하는 난방 운전 및 차실내를 냉방하는 냉방 운전을 실행될 수 있다. 이하, 각 운전에 있어서의 작동을 설명한다.
(a) 난방 운전
난방 운전은 조작 패널의 작동 스위치가 온(ON)된 상태에서 선택 스위치에 의하여 난방 운전 모드가 선택된 경우 개시된다. 난방 운전 시, 공조 제어 장치가 개폐 밸브(15a)를 닫고, 3방향 밸브(15b)를 실외 열교환기(16)의 출구측과 어큐뮬레이터(18)의 입구측을 접속하는 냉매 유로로 전환한다. 그에 따라, 히트 펌프 사이클(10)은 도 1의 실선 화살표에 나타내는 바와 같이, 냉매가 흐르는 냉매 유로로 전환된다.
냉매 유로의 구성에서 공조 제어 장치가 상기의 공조 제어용의 센서군으로부터 검출 신호 및 조작 패널로부터 조작 신호를 읽어들인다. 검출 신호 및 조작 신호의 값에 기초하여, 차실내로 배출하는 공기의 목표 온도인 목표 배출 공기 온도(target outlet air temperature)(TAO)를 산출한다. 또한, 공조 제어 장치의 출력측에 접속된 각종 공조 제어 구성의 작동 상태는 산출된 목표 배출 공기 온도(TAO) 및 센서군으로부터 검출 신호에 기초하여 결정된다.
예를 들어, 압축기(11)의 냉매 배출 능력, 즉, 압축기(11)의 전동 모터에 출력되는 제어 신호는 아래와 같이 결정된다. 우선, 목표 배출 온도(TAO)에 기초하여 미리 공조 제어 장치에 기억된 제어 맵을 참조해서 냉매 증발기(20)의 목표 증발기 배출 공기 온도(target evaporator outlet ait temperature)(TEO)가 결정된다.
목표 증발기 배출 공기 온도(TEO)와 증발기 온도 센서에 의하여 검출된 냉매 증발기(20)로부터의 배출 공기 온도의 편차에 기초하여, 피드백 제어 수법을 이용해서 냉매 증발기(20)로부터의 배출 공기 온도가 목표 증발기 배출 공기 온도(TEO)에 가까워지도록 압축기(11)의 전동 모터에 출력되는 제어 신호가 결정된다.
에어 믹스 도어(34)의 서보 모터에 출력되는 제어 신호는 목표 배출 온도(TAO), 냉매 증발기(20)로부터의 배출 공기 온도 및 토출 냉매 온도 센서에 의하여 검출된 압축기(11) 토출 냉매 온도를 기초로 하여 결정되어, 차실내로 배출되는 공기의 온도가 차실내 온도 설정 스위치에 의하여 설정된 탑승자가 원하는 온도로 되도록 한다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 난방 운전 동안, 에어 믹스 도어(34)의 개도(opening degree)가 제어되어, 송풍기(32)로부터 송풍된 차실내 송풍 공기의 전체 풍량이 냉매 방열기(12)를 통과하도록 할 수 있다.
그리고, 앞서 설명한 바와 같이, 결정된 제어 신호는 다양한 공조 제어 구성으로 출력된다. 그 후, 조작 패널에 의하여 차량용 공조 장치의 작동 정지가 요구되기까지 제어 루틴은 소정의 제어 주기마다 반복된다. 제어 루틴은 상기의 검출 신호 및 조작 신호의 읽어들임, 목표 배출 공기 온도(TAO)의 산출, 각종 공조 제어 기기의 작동 상태 결정 및 제어 전압 및 제어 신호의 출력이라는 일련의 프로세스를 포함한다. 이러한 제어 루틴의 반복은 냉방 운전 시에도 기본적으로 동일한 방법으로 실시된다.
난방 운전 시의 히트 펌프 사이클(10)에서, 압축기(11)로부터 배출된 고압 냉매가 냉매 방열기(12)로 유입된다. 냉매 방열기(12)로 유입된 냉매는 송풍기(32)로부터 송풍되어 냉매 증발기(20)를 통과한 차실내 송풍 공기와 열교환하여 방열하고, 이에 따라, 차실내 송풍 공기가 가열된다.
냉매 방열기(12)로부터 유출된 고압 냉매는 개폐 밸브(15a)가 닫혀 있기 때문에 난방용 고정 스로틀(13)에 유입되어 감압 팽창된다. 그리고 난방용 고정 스로틀(13)에서 감압 팽창된 저압 냉매는 실외 열교환기(16)로 유입된다. 실외 열교환기(16)로 유입된 저압 냉매는 송풍 팬(17)에 의하여 송풍된 외기로부터 열을 흡수하여 증발한다.
3방향 밸브(15b)가 실외 열교환기(16)의 출구측과 어큐뮬레이터(18)의 입구측을 접속하는 냉매 유로로 전환되어 있으므로, 실외 열교환기(16)로부터 유출된 냉매는 어큐뮬레이터(18)에 유입되어 기액 분리된다. 어큐뮬레이터(18)에서 분리된 기상 냉매가 압축기(11)에 의해 흡입되어 다시 압축된다.
앞서 언급한 바와 같이, 난방 운전 시, 냉매 방열기(12)에서 압축기(11)로부터 배출된 냉매가 갖는 열량에 의하여 차실내 송풍 공기가 가열되어 공조 대상 공간으로서 차실내의 난방을 실시할 수 있다.
(b) 냉방 운전
냉방 운전은 조작 패널의 작동 스위치가 온(ON)된 상태에서 선택 스위치에 의하여 냉방 운전 모드가 선택되면 개시된다. 이 냉방 운전 시에는 공조 제어 장치가 개폐 밸브(15a)를 여는 것과 함께, 3방향 밸브(15b)를 실외 열교환기(16)의 출구측과 냉방용 고정 스로틀(19)의 입구측을 접속하는 냉매 유로로 전환한다. 이에 따라, 히트 펌프 사이클(10)은 도 2의 실선 화살표에 나타내는 바와 같이 냉매가 흐르는 냉매 유로로 전환된다.
냉방 운전 시의 히트 펌프 사이클(10)에서, 압축기(11)로부터 토출된 고압 냉매가 냉매 방열기(12)로 유입되고, 송풍기(32)로부터 송풍되어 냉매 증발기(20)를 통과한 차실내 송풍 공기와 열교환하여 방열한다. 냉매 방열기(12)로부터 유출된 고압 냉매는 개폐 밸브(15a)가 열려 있으므로, 고정 스로틀용 우회 통로(14)를 통하여 실외 열교환기(16)로 유입된다.
실외 열교환기(16)로 유입된 저압 냉매는 송풍 팬(17)에 의하여 송풍된 외기에 다시 방열한다. 실외 열교환기(16)로부터 유출된 냉매는 3방향 밸브(15b)가 실외 열교환기(16)의 출구측과 냉방용 고정 스로틀(19)의 입구측을 접속하는 냉매 유로로 전환되어 있기 때문에 냉방용 고정 스로틀(19)에서 감압 팽창된다.
냉방용 고정 스로틀(19)로부터 유출된 냉매는 냉매 증발기(20)로 유입되고, 송풍기(32)에 의하여 송풍된 차실내 송풍 공기로부터 흡열하여 증발한다. 이와 같은 방식으로, 차실내 송풍 공기가 냉각된다. 냉매 증발기(20)로부터 유출된 냉매는 어큐뮬레이터(18)로 유입되어 기액 분리된다.
어큐뮬레이터(18)에서 분리된 기상 냉매는 압축기(11)에 흡입되어 다시 압축된다. 앞서 언급한 바와 같이, 냉방 운전 동안, 냉매 증발기(20)에서 저압 냉매가 차실내 송풍 공기로부터 흡열하여 증발함으로써 차실내 송풍 공기가 냉각되어 차실내의 냉방을 실시할 수 있다.
냉방 운전 동안, 탑승자가 차실내 온도 설정 스위치에 의하여 차실내 온도보다 높은 온도를 설정한 경우, 차실내 송풍 공기의 온도가 차실내 온도보다 높은 온도로 되도록 에어 믹스 도어(34)의 개도가 조정된다. 이와 같은 경우라도 냉매 증발기(20)에서는 차실내 송풍 공기가 냉각되고, 절대 습도를 저하시키기 때문에 차실내 제습 난방을 실현할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예의 차량용 공조 장치(1)는 히트 펌프 사이클(10)의 냉매 유로를 전환함으로써 난방 운전, 냉방 운전 및 제습 난방 운전을 실행할 수 있다.
본 실시예에서, 상기한 수학식 4의 관계를 만족하도록 냉매 방열기(12)가 실내 공조 유닛(30) 내에 배치된다. 냉매의 유속(U), 점도(μ), 밀도(ρ) 및 경사 각도(θ)를 포함하는 파라미터를 고려한 이러한 배치는, 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매의 상변화를 일으키는 냉매 방열기(12)에서도, 특정한 튜브(121) 내에 응축한 냉매가 체류하는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면 각 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매에 발생하는 압력 손실의 불균일을 억제하여 냉매 방열기의 열교환부에서 상대적으로 온도가 낮은 열교환부의 형성을 방지할 수 있다. 그 결과, 히트 펌프 사이클(10)의 공조 부하 변동 등이 튜브(12) 내를 유통하는 냉매의 유속을 변화시키는 경우라도 냉매 방열기(12)의 방열 성능의 저하가 억제되어, 냉매 방열기(12)에서 가열되어 배출되는 공기의 수평 방향의 불균일의 온도 분포를 저감할 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 실시예의 차량용 공조 장치(1)에서, 냉매 방열기(12)의 운전석측 열교환부에 의해 가열된 송풍 공기는 주로 운전석측으로 배출되고, 반면에 조수석측 열교환부에서 가열된 송풍 공기는 주로 조수석측으로 배출된다. 따라서, 본 실시예는 냉매 방열기(12)로부터 배출되는 송풍 공기의 수평 방향의 온도차를 저감시키는 냉매 방열기(12)를 제공있고, 운전석측으로 배출되는 송풍 공기와 조수석측으로 배출되는 송풍 공기의 온도차의 저감하는데 있어서 특히 효과적이다.
본 실시예의 냉매 방열기(12)와 같이, 각 튜브(121)를 유통하는 냉매의 유량은 멀티 플로형의 열교환기에서, 헤더 탱크(122, 123)에 설치된 입구측 커넥터(122a)의 냉매 유입구 또는 출구측 커넥터(123a)의 냉매 유출구의 위치에 따라서 변화가 발생하기 쉽고, 그에 따라 송풍 공기의 온도 분포의 불균일도 발생하기 쉽다. 따라서, 이와 같은 냉매 방열기(12)에 대하여 송풍 공기의 온도차를 저감할 수 있는 배치 조건을 적용하는 것은 특히 효과적이다.
냉매가 튜브(121) 내를 하측에서 상측으로 유통하는 냉매 방열기인 경우, 상기한 수학식 4의 관계를 만족하도록 냉매 방열기(12)가 배치되는 것이 바람직하다.
따라서, 상기의 수학식 4에 나타내는 바와 같이, 파라미터 A 내지 G가 경사 각도(θ)의 함수로 나타내지고, 튜브(12) 내를 유통하는 냉매의 흐름 방향이 상측을 향하는 경우, 어느 경사 각도(θ)에서도, 냉매 방열기로부터 배출되는 공기의 수평 방향의 온도 분포의 불균일의 발생을 억제할 수 있다.
(제2 실시예)
본 실시예는, 도 5(a) 및 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 제1 실시예의 입구측 커넥터(122a) 및 출구측 커넥터(123a)의 위치를 변경한 예다. 또한, 도 5(a) 및 도 5(b)는 도 3(a) 및 도 3(b)에 각각 대응한다. 도 3(a) 및 도 3(b)와 동일 또는 균등 부분은 동일한 참조 부호로 나타낸다. 이는 이하의 도면에서도 동일하다.
본 실시예의 냉매 방열기(12)에서, 입구측 커넥터(122a)는 위쪽에, 출구측 커넥터(123a)는 아래쪽에 각각 배치되어 있으며, 그에 따라 냉매가 튜브(121)를 통하여 상측에서 하측을 유동한다.
이와 같이, 냉매가 튜브(12) 내를 상측에서 하측을 향하여 유통되는 냉매 방열기의 경우, 응축한 냉매에 작용하는 중력에 의한 압력 손실을 고려할 필요가 없고, 경사 각도(θ)를 고려하지 않고 각 튜브(121) 내를 유통하는 냉매에 발생하는 압력 손실의 불균일을 억제할 수 있고, 그에 따라, 냉매 방열기의 열교환부에서 상대적으로 온도가 낮은 열교환부의 형성을 방지할 수 있다.
따라서, 튜브(121)의 세로 방향이 수평 방향에 대하여 경사지도록 배치할 필요가 없다. 바꾸어 말하면, 튜브(121)는 세로 방향이 실질적으로 연직 방향으로 되도록 배치되어 있으며, 그에 따라 냉매가 튜브(121)를 통하여 실질적으로 연직 방향으로 유동한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 냉매 흐름에 대한 흐름 상태(중력의 영향)를 상사적으로 나타내는 파라미터는 중력 가속도(g), 체적 팽창력(β), 점도(μ), 밀도(ρ) 등으로 산출되는 그라쇼프수(Gras)를 포함한다. 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매의 레이놀즈수 및 그라쇼프수 간의 관계 Re2＞Gras를 만족시키는 영역에서, 즉, 62.42≤Re의 수식을 만족시키는 영역에서, 튜브(121) 내부를 통과하는 냉매 흐름은 강제 대류로 되기 때문에 튜브(121) 내부를 통과하는 냉매의 유속이 커지고, 그에 따라 각 튜브(121)를 통과하는 유속은 불균일하게 만들고, 각 열교환부에 있어서의 온도 분포의 불균일이 발생한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 47㎏／h 이하의 냉매 유량(Gr)이 되는 영역에서, 바꾸어 말하면, Re≤1234로 되는 영역에서, 튜브(121)를 통하여 냉매가 하측에서 상측으로 유동하는 냉매 증발기는, 튜브(121)의 경사 각도(θ)에 상관없이, 튜브(12)를 통하여 냉매가 상측에서 하측으로 유동하는 경우에 비하여 방열 성능이 저하한다.
따라서, 62.42≤Re≤1234 수식을 만족시키는 영역에서, 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매의 흐름 방향은, 응축된 냉매에 대한 중력의 영향이 적은, 상측에서 하측으로 향하도록 하는 것이 바람직하다.
(제 3 실시예)
본 실시예에서, 도 6(a) 및 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예의 냉매 방열기(12)의 구성의 변형예를 설명한다. 본 실시예의 냉매 방열기(12)에서, 세퍼레이터(separator)(123c)가 상측의 헤더 탱크(123)의 내부에 배치됨으로써, 헤더 탱크(123)의 내부 공간을 헤더 탱크(123)의 길이 방향으로 2개 구역, 즉, 분배 공간(123d)과 집합 공간(123e)으로 분할한다. 또한, 도 6(a) 및 도 6(b)는 제1 실시예의 도 3(a) 및 도 3(b)와 도 5(a) 및 도 5(b)에 각각 대응한다.
본 실시예의 튜브(121)는 상측의 헤더 탱크(123)의 집합 공간(123e)에 접속되는 제1 튜브군(121a)과 분배 공간(123d)에 접속되는 제2 튜브군(121b)으로 구분된다. 상측의 헤더 탱크(123)는 또한 분배 공간(123d)의 내부에 압축기(11)로부터 토출된 냉매를 유입시키도록 입구측 커넥터(123f)에 접속되고, 집합 공간(123e)의 내부로부터 냉매를 유출시키도록 출구측 커넥터(123a)에 접속된다.
따라서, 본 실시예의 냉매 방열기(12)에서, 도 6의 굵은 선 화살표로 나타내는 바와 같이, 압축기(11)로부터 배출된 냉매는 입구측 커넥터(123f)를 통하여 상측의 헤더 탱크(122)의 분배 공간(123d)으로 유입되어, 제2 튜브군(121b)을 구성하는 튜브(121)에 분배된다.
이후, 제2 튜브군(121b)을 구성하는 튜브(121)에 유입된 냉매는 튜브(121)를 통하여 유도할 때에 차실내 송풍 공기와 열교환하고, 튜브(121)로부터 유출된다. 제2 튜브군(121b)을 구성하는 튜브(121)로부터 유출된 냉매는 하측의 헤더 탱크(122) 내에 집합하고, 그 후, 제1 튜브군(121a)을 구성하는 튜브(121)에 분배된다.
또한, 제1 튜브군(121a)을 구성하는 튜브(121)에 유입된 냉매는 튜브(121)를 유통할 때에 차실내 송풍 공기와 열교환하여 튜브(121)로부터 유출된다. 제1 튜브군(121a)을 구성하는 튜브(121)로부터 유출된 냉매는 상측의 헤더 탱크(122)의 집합 공간(123e) 내에 집합하여 출구측 커넥터(123a)를 통하여 유출된다.
즉, 본 실시예의 냉매 방열기(12)에서는 제2 튜브군(121b)을 유통하는 냉매는 상측에서 하측을 향하여 흐르고, 반면에, 제1 튜브군(121a)을 유통하는 냉매는 하측에서 상측을 향하여 흐른다.
본 실시예의 냉매 방열기(12)에서, 기상 상태의 냉매는 제2 튜브군(121b)을 통하여 유동하는 과정에서 열교환하고, 제1 튜브군(121a)의 냉매 흐름 방향 중간 부위로부터 하류측 부위(도 6의 파선으로 나타내는 원으로 둘러싸인 부위)로 유동하는 과정에서 기액 2상 냉매로 된다. 그 후, 냉매는 제1 튜브군의 하류측에서 액상 냉매로 된다.
따라서, 본 실시예에서, 소정 위치는, 제1 튜브군(121a)의 냉매 흐름 방향을 따라 중간 부위로부터 하류 부위까지의 임의 위치일 수 있다. 상기 위치에서, 냉매가 하측에서 상측을 향하여 유동하므로, 본 실시예의 냉매 방열기(12)의 경사 각도(θ)는 제1 실시예와 동일한 값으로 한다. 그 밖의 차량용 공조 장치(1)의 구성 및 작동은 제1 실시예와 동일하다.
본 실시예의 냉매 방열기(12)에서, 제2 튜브군(121b)에 의하여 구성되는 열교환부에서, 냉매가 기상 상태로 방열하므로 각 튜브(121) 간에 있어서의 냉매의 응축 정도의 상이에 의한 방열 성능의 저하가 발생하기 어렵다. 그 결과, 제2 튜브군(121b)에 의하여 구성되는 열교환부으로부터 배출되는 차실내 송풍 공기의 온도의 튜브 간 차이가 적다.
대조적으로, 제1 튜브군(121a)에 의하여 구성되는 열교환부에서 상기의 수학식 4에 나타내어진 배치 조건이 만족되고, 제1 실시예와 완전히 동일한 효과를 제공할 수 있다.
그 결과, 히트 펌프 사이클(10)의 공조 부하 변동 등에 의하여 튜브(121) 내를 유통하는 냉매의 유속이 변화하는 경우라도, 전체 냉매 방열기(12)는 냉매 방열기(12)의 방열 성능의 저하를 억제할 수 있고, 또한 냉매 방열기(12)에서 가열되어 배출되는 공기의 수평 방향의 온도차를 저감할 수 있다.
또한, 본 실시예의 냉매 방열기(12)에서, 냉매의 흐름 방향은, 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매가 기액 2상 냉매로 되어 있는 소정 부분에서 상측에서 하측을 향해 있는 경우라도, 수학식 4의 관계를 만족하도록 냉매 방열기(12)가 배치되면, 동일한 효과를 제공할 수 있다.
(제 4 실시예)
본 실시예에서, 도 7(a) 및 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 제1 실시예의 냉매 방열기(12)의 구성을 변경한 예를 설명한다. 본 실시예의 냉매 방열기(12)에서, 상측의 헤더 탱크(123)의 내부 공간은 송풍 공기의 흐름 방향으로 분배 공간(123d)과 집합 공간(123e)으로 분할된다. 도 7(a) 및 도 7(b)는 제1 실시예의 도 3(a) 및 도3(b)와 도 5(a) 및 도 5(b)에 각각 대응한다.
제2 실시예와 마찬가지로, 본 실시예의 튜브(121)도 집합 공간(123e)에 접속되는 제1 튜브군(121a)과 분배 공간(123d)에 접속되는 제2 튜브군(121b)으로 구분되고, 또한, 제1 튜브군(121a)은 제2 튜브군(121b)의 차실내 송풍 공기의 흐름 방향(X)의 하류측에 배치된다. 바꾸어 말하면, 튜브(121)는 차실내 송풍 공기의 흐름 방향(X)에 복수의 라인(본 실시예에서는 2 라인)으로 배열되어 있다.
헤더 탱크(123)는 분배 공간(123d)의 내부에 압축기(11)로부터 배출된 냉매를 유입시키도록 입구측 커넥터(123f)가 배치되고, 집합 공간(123e)의 내부로부터 냉매를 유출시키도록 출구측 커넥터(123a)가 배치되어 있다.
따라서, 본 실시예의 냉매 방열기(12)에 있어서도, 도 7(a)의 굵은 선 화살표에 나타내는 바와 같이, 압축기(11)로부터 배출된 냉매는 상측의 헤더 탱크(123)의 분배 공간(123d)으로부터 제2 튜브군(121b)을 구성하는 공기 흐름 상류측의 튜브(121), 하측의 헤더 탱크(122), 제1 튜브군(121a)을 구성하는 공기 흐름 하류측의 튜브(121) 및 상측의 헤더 탱크(122)의 집합 공간(123e)의 차례로 유동하고, 그 후 출구측 커넥터(123a)를 통해서 방열기로부터 유출된다.
본 실시예의 냉매 방열기(12)에서, 냉매는 공기 흐름 상류측의 제2 튜브군(121b)을 흐르는 과정에서 기상 상태에서 열교환하고, 공기 흐름 하류측에 위치한 제1 튜브군(121a)의 냉매 흐름 방향으로 중간 부위로부터 하류측 부위로 흐르는 과정에서 기액 2상 냉매로 된다. 이후, 냉매는 제1 튜브군의 하류측에서 액상 냉매로 된다.
따라서, 본 실시예에서, 소정 위치는 제1 튜브군(121a)의 냉매 흐름 방향으로 중간 부위로부터 하류측 부위까지의 임의 위치일 수 있다. 본 실시예의 냉매 방열기(12)의 경사 각도(θ)는 제1 실시예와 동일한 값으로 한다. 그 밖의 차량용 공조 장치(1)의 구성 및 작동은 제1 실시예와 동일하다.
본 실시예의 냉매 방열기(12)는 상기와 같이 구성되어 있다. 제2 튜브군(121b)에 의하여 구성되는 공기 흐름 상류측의 열교환부에서, 냉매가 기상 상태인 채로 방열되므로 냉매의 응축 차이에 의한 방열 성능의 저하는 발생하기 어렵고, 그에 따라 열교환부으로부터 배출되는 차실내 송풍 공기에 발생하는 온도 분포의 불균일은 적어지게 된다.
대조적으로, 제1 튜브군(121a)에 의하여 구성되는 공기 흐름 하류측의 열교환부에서, 수학식 4에 나타내어지는 배치 조건이 만족되므로, 제1 실시예와 완전히 동일한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 냉매 방열기(12) 전체로서 방열 성능의 저하를 억제할 수 있고, 또한, 냉매 방열기(12)에서 가열되어 배출되는 공기의 수평 방향의 온도 분포의 불균일의 발생을 억제할 수 있다.
본 실시예의 냉매 방열기(12)에서, 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 상측의 헤더 탱크(123)의 분배 공간(123d)에서 분배된 냉매는 하측의 헤더 탱크(122)를 통하여 상측의 헤더 탱크(123)의 집합 공간(123e)으로 돌아 흐른다(즉, U턴한다).
따라서, 비교적 높은 과열도를 갖는 기상 냉매가 유동하는 영역(과열도 영역)은 바람이 불어오는 측의 열교환부에서 상측에 형성될 수 있으며, 비교적 온도가 낮은 과냉각도를 갖는 액상 냉매가 흐르는 영역(과냉각도 영역)은 바람이 불어나가는 측의 열교환부에서 상측에 형성될 수 있다. 따라서, 송풍 공기의 흐름 방향(X)에서 보았을 때에 과열도 영역과 과냉각도 영역은 중합될 수 있으며, 연직 방향으로 송풍 공기의 불균일 온도 분포도 억제할 수 있다.
본 실시예의 냉매 방열기(12)는 송풍 공기 흐름의 상류측의 튜브(121)로부터 유출된 냉매의 흐름을 돌아 흐르게 함으로써, 하류측의 튜브(121)로 유입시킨 것을 예로 들었는데, 대안으로 하류측의 튜브(121)로부터 유출된 냉매의 흐름을 돌아 흐르게 함으로써, 상류측의 튜브(121)로 유입시킬 수도 있다.
또한, 소정 위치에서 기액 2상 상태로 튜브를 통하여 유동하는 냉매의 흐름 방향이 상측에서 하측을 향해 있는 경우라도, 본 실시예의 냉매 방열기(12)는, 수학식 4에 나타난 관계를 만족하도록 냉매 방열기(12)를 배치하면, 동일한 효과를 제공한다.
(다른 실시예)
본 발명은 상기의 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.
(1) 상기의 실시예에서, 냉매 방열기(12)의 튜브(121)로서, 일방향으로 연장되는 튜브(121)를 사용한 예를 설명했는데, 본 발명의 냉매 방열기(12)에 적용 가능한 튜브(121)는 이에 한정되지 않는다. 즉, 적어도 연직 방향으로 연장되는 성분을 갖고 있으면, 사행 형상(meandering shape) 등으로 형성될 수도 있다.
예를 들어, 튜브(121)는 U자상으로 만곡될 수 있으며, 냉매 입구와 냉매 출구가 길이 방향으로 튜브(121)의 동일측에 설치될 수 있다. 이러한 튜브는 실질적으로 제3 실시예와 동일한 냉매 방열기(12)를 실현하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 하측에 배치되는 헤더 탱크(122)를 제거할 수 있다.
(2) 상기 실시예의 냉매 방열기(12)에서는 냉매와 차실내 송풍 공기를 열교환시키는 구성의 것을 채용한 예를 설명했는데, 본 발명의 냉매 방열기(12)는 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 열 방출은 냉매, 차실내 송풍 공기, 다른 열매체 등을 포함하는 복수 종류의 유체 중에서 열교환을 가능하게 구성될 수 있다.
이와 같은 복수 종류의 유체의 열교환을 실현 가능하게 구성된 열교환기는 냉매를 내부로 유동시키는 냉매 튜브와 열매체를 내부로 유동시키는 열매체 튜브를 포함하고, 냉매 튜브와 열매체 튜브는 서로 차례로 적층 배치된다. 이웃하는 냉매용 튜브와 열매체용 튜브의 사이에 송풍 공기를 유통시키는 공기 통로가 형성된다. 그리고, 핀이 공기 통로에 냉매용 튜브 및 열매체용 튜브의 양쪽에 접합되어, 냉매와 송풍 공기 및 열매체와 송풍 공기의 열교환을 촉진하면서, 냉매와 열매체의 열전달이 가능하게 할 수도 있다.
(3) 상기의 실시예에서, 냉매 방열기(12)를 차량용 공조 장치에 적용한 예를 설명했는데, 차량에 탑재되는 기기는, 가감속시, 좌우회전시, 또는 비탈로에 대한 주정차시 등에 차량 전체가 기울어진 경우, 수평 방향에 대한 배치 상태가 변화한다. 따라서, 상기의 각 실시예는 경사 각도(θ)에 대하여 상기의 차량 전체의 경사에 기인한 변화량(△θ)을 고려한, θ±△θ의 전체 범위에서 수학식 4의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
(4) 상기의 실시예에서는 본 발명의 냉매 방열기(12)를 구비하는 히트 펌프 사이클(10)을 차량용 공조 장치에 적용한 예를 설명했는데, 본 발명의 냉매 방열기(12)를 구비하는 히트 펌프 사이클(10)의 적용은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 냉매 방열기(12)를 구비하는 히트 펌프 사이클(10)은 거치형 공조 장치, 냉온 보존고, 자동 판매기용 냉각 가열 장치 등에 적용될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 개시되었지만, 본 발명이 바람직한 실시예 또는 그 구성에 한정되는 것은 아니라고 이해되어야 한다. 본 발명은 다양한 변형예 또는 균등 배치를 포함한다. 추가적으로, 개시된 실시예에 대하여 일 추가 구성을 포함하거나 일 구성을 생략하는 다른 바람직한 실시예 또는 다양한 다른 실시예의 조합도 본 발명의 범주 및 사상에 속한다.

Claims (9)

  1. 증기 압축식의 냉매 사이클(10)에 사용되고, 상기 증기 압축식 냉매 사이클(10)의 압축기(11)에서 압축된 고온 고압의 냉매와 공조 대상 공간으로 송풍되는 공기 사이에 열교환시킴으로써 과열도를 갖는 기상 냉매로부터 열을 방출시켜 상기 기상 냉매를 과냉각도를 갖는 액상 냉매로 전환시키는 냉매 방열기로서,
    냉매가 상측에서 하측으로 내부를 통하여 유동하는 복수의 튜브(121);
    상기 튜브(121)의 일단부에 접속되어, 상기 튜브(121) 중 적어도 일부의 튜브(121)에 유입되는 냉매를 분배하는 제1 헤더; 및
    상기 튜브(121)의 타단부에 접속되어, 상기 복수의 튜브(121) 중 적어도 일부의 튜브(121)로부터 유출되는 냉매를 집합시키는 제2 헤더를 포함하는
    냉매 방열기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브는 아래의 관계를 만족하도록 배치되고,
    62.42≤Re≤1234
    여기서, X는 상기 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매가 기액 2상 냉매로 되어 있는 소정 위치에서 냉매의 건조도이고,
    Re는 상기 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매의 평균 유속(m／S)으로부터 결정되는 상기 소정 위치에서의 냉매의 레이놀즈수인
    냉매 증발기.
  3. 증기 압축식의 냉매 사이클(10)에 사용되고, 상기 증기 압축식 냉매 사이클(10)의 압축기(11)에서 압축된 고온 고압의 냉매와 공조 대상 공간으로 송풍되는 공기 사이에 열교환시킴으로써 과열도를 갖는 기상 냉매로부터 열을 방출시켜 상기 기상 냉매를 과냉각도를 갖는 액상 냉매로 전환시키는 냉매 방열기로서,
    냉매가 내부를 통하여 유동하는 복수의 튜브(121)를 포함하고,
    상기 튜브(121)는 수평 방향에 수직인 방향으로 또는 수평 방향에 대하여 각도를 갖고 연장되고,
    상기 튜브(121)는 아래의 관계를 만족하도록 배치되고,
    Re≥A×X6＋B×X5＋C×X4＋D×X3＋E×X2＋F×X＋G
    A＝－0.0537×θ2＋9.7222×θ＋407.19
    B＝－(－0.2093×θ2＋37.88×θ＋1586.3)
    C＝－0.3348×θ2＋60.592×θ＋2538.1
    D＝－(－0.2848×θ2＋51.53×θ＋2158.2)
    E＝－0.1402×θ2＋25.365×θ＋1062.8
    F＝－(－0.0418×θ2＋7.5557×θ＋316.46)
    G＝－0.0132×θ2＋2.3807×θ＋99.73
    여기서, θ(°)는 상기 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매의 흐름 방향과 수평 방향이 이루는 경사 각도이고,
    X는 상기 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매가 기액 2상 냉매로 되어 있는 소정 위치에서 냉매의 건조도이고,
    Re는 상기 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매의 평균 유속(m／S)으로부터 결정되는 상기 소정 위치에서의 냉매의 레이놀즈수이고,
    상기 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매의 흐름 방향이 연직 아래쪽에서 연직 위쪽을 향하여 변화하면서, 상기 경사 각도(θ)는 0°이상 90°이하의 범위(0＜θ≤90°)에서 변화하는
    냉매 방열기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 튜브(121)의 적어도 하나의 측단부에 배치되고 상기 튜브(121)의 적층 방향으로 연장되어 상기 냉매의 집합 또는 분배를 실시하는 헤더 탱크(122, 123)를 더 포함하는
    냉매 방열기.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 튜브(121)는 냉매가 하측에서 상측을 향하여 흐르는 제1 튜브군(121a) 및 냉매가 상측에서 하측을 향하여 흐르는 제2 튜브군(121b)을 포함하는
    냉매 방열기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 헤더 탱크(123)의 내부 공간은 복수의 공간(123d, 123e)으로 분할되어 있으며,
    하나의 분할된 공간(123d)에는 상기 기상 냉매를 상기 하나의 분할된 공간으로 유입시키는 냉매 유입구가 설치되고,
    다른 분할된 공간(123e)에는 상기 액상 냉매를 유출시키는 냉매 유출구가 설치되는
    냉매 방열기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜브(121)는 상기 송풍 공기의 흐름 방향을 따라서 복수 배열되어 있는
    냉매 방열기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜브(121)를 통하여 유동하는 냉매의 흐름 방향이 동일한 방향인
    냉매 방열기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매 사이클(10)은 차량용 공조 장치에 사용되고,
    상기 공조 대상 공간은 차실내인
    냉매 방열기.
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