KR20140105203A - 열교환기 및 자연 냉매 순환식 공기 조화기 - Google Patents

열교환기 및 자연 냉매 순환식 공기 조화기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열교환기 및 자연 냉매순환식 공기 조화기에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 열교환기는, 유입되는 냉매를 분배하는 분배 헤더; 상기 분배 헤더의 측면에 연결되는 복수 개의 튜브; 및 복수 개의 상기 튜브와 연통되는 토출 헤더;를 포함하고, 상기 분배 헤더 및 토출 헤더는 지면과 수평하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기는, 냉매를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 냉매를 안내하는 액관, 상기 액관으로부터 유입된 냉매를 증발시키는 증발기와, 상기 증발기에서 증발된 냉매를 상기 응축기로 안내하는 기관을 포함하고, 상기 증발기는, 상기 액관으로부터 유입된 냉매를 분배하는 분배 헤더와, 상기 증발기에서 증발된 냉매를 상기 기관으로 토출하는 토출 헤더와, 상기 분배 헤더 및 토출 헤더를 연통하는 복수 개의 튜브를 포함하며, 상기 분배 헤더 및 토출 헤더는 지면과 수평하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 냉매의 압력 손실을 감소시키고, 열교환기 내부에서 액상 냉매가 고르게 분배되도록 할 수 있다. 또한, 중력의 방향을 고려하여 설계된 유로를 따라서 냉매가 원활하게 유동하여 냉매의 순환 구동력을 증가시킬 수 있다.

Description

열교환기 및 자연 냉매 순환식 공기 조화기{A heat exchanger and a natural coolant circulation air conditioner}
본 발명은 열교환기 및 자연 냉매순환식 공기 조화기에 관한 것이다.
열교환기란, 두 개의 유체 간에 열을 주고받도록 하는 장치로써, 금속판 등의 전열벽을 통하여 높은 온도의 유체로부터 낮은 온도의 유체에 열을 전하는 장치이다.
공기 조화기는 실외/실내공기 및 냉매의 열교환을 통해 실내를 냉방시키거나 또는 난방시키는 냉/난방 시스템이다. 상기 공기 조화기는 압축기를 이용하여 강제로 냉매를 순환시키는 강제 냉매 순환식 공기 조화기와, 냉매의 밀도차 또는 중력을 이용하여 자연적으로 냉매를 순환시키는 자연 냉매 순환식 공기 조화기로 구별될 수 있다. 자연 냉매 순환식 공기 조화기의 경우, 강제 냉매 순환식 공기 조화기에 비하여 냉매를 순환시키는 구동력을 확보하는 것이 어려운 문제가 있다.
일본 특개평 제7-151359호에는, 펌프를 구비한 종래의 자연 냉매 순환식 공기 조화기가 개시된다. 종래의 자연 냉매 순환식 공기 조화기는, 냉매를 순환시키는 구동력을 보완하기 위하여, 펌프를 포함한다. 이 경우, 상기 펌프를 설치하기 위한 공간이 별도로 요구되고, 상기 펌프를 구동시키기 위하여 전원을 공급해주어야 하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 냉매의 상태 변화 및 중력 방향을 고려하여 설계된 냉매 유로를 포함하는 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 별도의 구동원 없이도 냉매의 유동이 원활하게 이루어질 수 있게 하는 자연 냉매 순환식 공기 조화기를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 열교환기는, 유입되는 냉매를 분배하는 분배 헤더; 상기 분배 헤더의 측면에 연결되는 복수 개의 튜브; 및 복수 개의 상기 튜브와 연통되는 토출 헤더;를 포함하고, 상기 분배 헤더 및 토출 헤더는 지면과 수평하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기는, 냉매를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 냉매를 안내하는 액관, 상기 액관으로부터 유입된 냉매를 증발시키는 증발기와, 상기 증발기에서 증발된 냉매를 상기 응축기로 안내하는 기관을 포함하고, 상기 증발기는, 상기 액관으로부터 유입된 냉매를 분배하는 분배 헤더와, 상기 증발기에서 증발된 냉매를 상기 기관으로 토출하는 토출 헤더와, 상기 분배 헤더 및 토출 헤더를 연통하는 복수 개의 튜브를 포함하며, 상기 분배 헤더 및 토출 헤더는 지면과 수평하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 냉매의 압력 손실을 감소시키고, 열교환기 내부에서 액상 냉매가 고르게 분배되도록 할 수 있다.
또한, 중력의 방향을 고려하여 설계된 유로를 따라서 냉매가 원활하게 유동하여 냉매의 순환 구동력을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기의 설치도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 제 1 열교환기의 사시도이다.
도 3은 도 2의 I-I' 절개선을 따라 절개한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제 2 열교환기의 사시도이다.
도 5는 도 4의 II-II' 절개선을 따라 절개한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기의 사시도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결' 되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결' 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결' 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함' 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기의 설치도이다.
도 1에는, 본 발명의 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기(10)와, 주 냉방 수단(20)과, 서버(30)를 포함하는 건물(1)이 개시된다.
상기 자연 냉매 순환식 공기 조화기(1)는, 응축기(11)와, 응축팬(11a)과, 액관(12)과, 증발기(13)와, 증발팬(13a)과, 기관(14)을 포함한다. 상기 응축기(11), 액관(12), 증발기(13) 및 기관(14)의 내부로 냉매가 순환한다. 상기 응축기(11) 및 증발기(13)는 통칭하여, '열교환기'라고 할 수 있다.
상기 응축기(11)는 상기 건물(1)의 실외에 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 응축기(11)는 상기 건물(1)의 실외 공기와 상기 응축기(11)의 내부를 유동하는 냉매가 서로 열교환 되게 한다. 다만, 상기 응축기(11)가 상기 건물(1)의 실외에 설치되는 것으로 제한되는 것은 아니다.
상기 응축팬(11a)은 상기 응축기(11)의 일측에 구비되며, 공기의 유동을 강제하여 상기 응축기(11)를 통과하도록 한다. 상기 응축팬(11a)의 구동에 따라서, 상기 응축기(11)를 통과하는 공기와, 상기 응축기(11)를 흐르는 냉매는 서로 열교환된다. 다시 말하면, 상기 응축팬(11a)은 상기 응축기(11)를 작동시키는 것으로 이해되어 질 수 있다.
상기 액관(12)은 상기 응축기(11) 및 증발기(13)를 연통시킨다. 상기 액관(12)은 상기 응축기(11)를 통과한 냉매를 상기 증발기(13)로 안내한다.
상기 증발기(13)는 상기 건물(1)의 실내에 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 증발기(13)는 상기 건물(1)의 실내 공기와 상기 증발기(13)의 내부를 유동하는 냉매가 서로 열교환 되게 한다. 상기 증발기(13)는 일 예로, 상기 건물(1) 내부에서 온도 조절이 요구되는 '대상체'의 일측에 설치될 수 있다. 상기 대상체는 일 예로 상기 서버(30)일 수 있다.
상기 증발팬(13a)은 상기 증발기(13)의 일측에 구비되며, 공기의 유동을 강제하여 상기 증발기(13)를 통과하도록 한다. 상기 증발팬(13a)의 구동에 따라서, 상기 증발기(13)를 통과하는 공기와, 상기 증발기(13)를 흐르는 냉매는 서로 열교환된다. 다시 말하면, 상기 증발팬(13a)은 상기 증발기(13)를 작동시키는 것으로 이해되어 질 수 있다.
상기 기관(14)은 상기 증발기(13) 및 응축기(11)를 연통시킨다. 상기 기관(14)은 상기 증발기(13)를 통과한 냉매를 상기 응축기(11)로 안내한다.
상기 액관(12) 및 기관(14)을 통칭하여 '순환 배관'이라고 할 수 있다.
상기 주 냉방 수단(20)은, 실외에 설치되는 실외 유닛(21)과, 실내에 설치되는 실내 유닛(22)과, 상기 실외 유닛(21) 및 실내 유닛(22)을 연결하는 순환배관(23)을 포함할 수 있다.
상기 실외 유닛(21)은, 압축기(21a)와, 실외 열교환기(21b)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 실내 유닛(22)은, 팽창장치(22a)와, 실내 열교환기(22b)와, 송풍장치(22c)를 포함할 수 있다.
상기 주 냉방 수단(20)을 순환하는 냉매는, 상기 압축기(21a), 실외 열교환기(21b), 팽창장치(22a) 및 실내 열교환기(22b)를 순환하며, 상기 건물(1)의 실외 공기 및 실외 공기와 열교환 한다. 그리고 열교환된 공기는 상기 송풍장치(22c)에 의해 강제 유동되며, 상기 서버(30)의 온도를 조절한다.
상기 서버(30)는 상기 건물(1)의 내부에 설치된다. 상기 서버(30)는 일정한 온도로 유지될 필요가 있다.
상기 서버(30)는 상기 주 냉방장치(20)의 공기 조화 작용에 따라서, 일정한 온도로 유지될 수 있다. 그리고 상기 자연 냉매 순환식 공기 조화기(10)는 상기 주 냉방장치(20)의 전력소비 감소를 위하여, 보조적인 수단으로 사용될 수 있다. 다만, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 경우에 따라서 상기 자연 냉매 순환식 공기 조화기(10)만 단독으로 설치되어 사용되는 것도 가능할 것이다.
이하, 상기 자연 냉매 순환식 공기 조화기(10)의 작용을 설명한다.
상기 응축기(11)로 유입된 냉매는, 상기 응축팬(11a)에 의해 상기 응축기(11)를 통과하는 실외 공기로 열을 방출한다. 실외 공기로 열을 빼앗긴 냉매는 응축되어 액체 상태로 상변화 한다. 상기 응축기(11)에서 응축된 액상 냉매는 상기 액관(12)으로 유입된다.
상기 액관(12)으로 유입된 액상 냉매는 중력의 영향을 받아 하측으로 유동된다. 상기 증발기(13)는 상기 응축기(11)의 하측에 구비되므로, 상기 응축기(11)로부터 상기 증발기(13)로 액상 냉매가 유입된다.
상기 증발기(13)로 유입된 냉매는, 상기 증발팬(13a)에 의해 상기 증발기(13)를 통과하는 실내 공기의 열을 흡수한다. 실내 공기로부터 열을 제공받은 냉매는 증발되어 기체 상태로 상변화 한다. 상기 증발기(13)에서 증발된 기상 냉매는 상기 기관(14)으로 유입된다.
상기 기관(14)으로 유입된 기상 냉매는 밀도차의 영향에 따라 상측으로 유동된다. 상기 응축기(11)는 상기 증발기(13)의 상측에 구비되므로, 상기 증발기(13)로부터 상기 응축기(11)로 기상 냉매가 유입된다.
위와 같은 과정을 반복하여, 상기 순환 배관을 따라 순환되며, 상기 건물(1) 내의 공기를 조화시킬 수 있다.
상기 응축기(11) 및 증발기(13)로는 열교환기가 사용된다. 상기 응축기(11)에서 유동되는 냉매는 기체 상태로 유입되어 액체 상태로 상변화하여 토출된다. 그리고 상기 증발기(13)에서 유동되는 액체 상태로 유입되어 기체 상태로 상변화하여 토출된다. 기상 냉매의 밀도는 공기의 밀도보다 낮으므로, 외력이 가해지지 않으면, 공기 중에서 상승하기 쉽다. 그리고 액상 냉매의 밀도는 공기의 밀도보다 높으므로, 공기 중에서 중력의 영향을 받아 하측으로 유동되기 쉽다. 이러한 냉매의 상 변화에 따른 특성을 고려하여, 열교환기는 다음과 같이 설계될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 제 1 열교환기의 사시도이고, 도 3은 도 2의 I-I' 절개선을 따라 절개한 단면도이다.
도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제 1 열교환기(100)는, 상기 순환 배관으로부터 유입되는 냉매를 분배하는 분배 헤더(110)와, 상기 분배 헤더(110)와 연통되는 적어도 하나 이상의 튜브(120)와, 상기 튜브(120)의 일측에 형성되는 적어도 하나 이상의 핀(130)과, 상기 순환 배관으로 토출되는 냉매를 안내하는 토출 헤더(150)를 포함할 수 있다.
상기 분배 헤더(110)는, 외형을 형성하는 분배 배관(112)과, 상기 분배 배관(112)의 끝 부분에 형성되는 유입부(114)와, 상기 분배 배관(112)의 측면에 형성되는 제 1 연결 홀(116)을 포함할 수 있다.
상기 분배 배관(112)은, 내부에 중공을 가지는 원통형의 관일 수 있다. 다만, 상기 분배 배관(112)의 형상이 원통형으로 제한되는 것은 아니다. 상기 분배 배관(112)은 지면에 대하여 수평한 방향으로 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 분배 배관(112)은 중력에 대하여 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 상기 분배 배관(112)은, 상기 순환 배관의 직경과 동일할 수 있다. 상기 분배 배관(112)은 상기 순환 배관과 일체로 형성될 수도 있다.
상기 유입부(114)는 상기 분배 배관(112) 및 순환 배관이 연결되는 부분으로 규정될 수 있다. 상기 유입부(114)는 상기 순환 배관으로부터 상기 제 1 열교환기(100)로 냉매를 안내하는 부분이다.
상기 제 1 연결 홀(116)은 상기 튜브(120)의 크기, 형상 및 갯수에 대응되도록 형성될 수 있다. 상기 분배 배관(112) 내부를 흐르는 냉매는, 상기 제 1 연결 홀(116)을 통하여 상기 튜브(120)로 안내될 수 있다. 상기 튜브(120)가 복수 개로 제공되는 경우, 상기 제 1 연결 홀(116)은 수평한 방향으로 일정한 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 튜브(120)가 상하로 복수의 층으로 배치되는 경우, 상기 제 1 연결 홀(116)도 수직한 방향으로 이격되어 복수의 층으로 배치될 수 있다. 상기 제 1 연결 홀(116)의 단면적의 합은 상기 분배 배관(112)의 단면적의 합에 대응될 수 있다.
상기 튜브(120)는 상기 분배 배관(112)으로부터 유입되는 냉매를 상기 토출 헤더(150)로 안내한다. 상기 튜브(120)를 통과하는 냉매는 상기 튜브(120)를 가로지르는 방향으로 유동되는 공기와 열교환될 수 있다. 상기 튜브(120)는 지면에 대하여 수평한 방향으로 길게 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 튜브(120)는 중력 방향에 대하여 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 상기 튜브(120)는 상기 분배 배관(112)의 길이 방향에 대하여 수직하게 연결될 수 있다. 상기 튜브(120)는 복수 개일 수 있다. 복수 개의 상기 튜브(120)는 하나의 평면 상에서 나란히 배치될 수 있다. 다시 말하면, 복수 개의 상기 튜브(120)는 하나의 층을 이루어 배치될 수 있다.
상기 튜브(120)는 도 2를 기준으로 상측으로부터 제 1 튜브와, 상기 제 1 튜브의 하측에 구비되는 제 2 튜브를 포함할 수 있다. 상기 제 1 튜브는 상기 분배 헤더(110)로부터 냉매를 유입하여 상기 제 2 튜브로 냉매를 토출할 수 있다. 상기 제 2 튜브로 유입된 냉매는 상기 제 2 튜브를 통과하여 상기 토출 헤더(150)로 안내될 수 있다. 이 경우, 상기 제 1 튜브 및 제 2 튜브 사이에, 상기 제 1 튜브 및 제 2 튜브를 연통하는 재분배 헤더(140)가 구비될 수 있다.
상기 재분배 헤더(140)는, 재분배 배관(142)과, 상기 재분배 배관(142)의 측면에 형성되며, 상기 제 1 튜브와 연결되는 제 2 연결 홀(144)과, 상기 재분배 배관(142)의 측면에 형성되며, 상기 제 2 튜브와 연결되는 제 3 연결 홀(146)을 포함할 수 있다.
상기 재분배 배관(142)은, 상기 제 1 튜브로부터 유입되는 냉매를 유입하고, 유입된 냉매를 상기 제 2 튜브로 토출한다. 상기 재분배 배관(142)은 내부에 중공을 가지며, 단면이 반원형상인 관일 수 있다. 다만, 상기 재분배 배관(142)의 형상이 반원형상의 관으로 제한되는 것은 아니다. 상기 재분배 배관(142)은 지면에 대하여 수평한 방향으로 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 재분배 배관(112)은 중력에 대하여 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 상기 재분배 배관(142)은 상기 분배 배관(114)과 평행하게 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 분배 배관(114) 및 재분배 배관(142)은 서로 평행하게 배치되고, 상기 분배 배관(114) 및 재분배 배관(142) 사이에는 상기 튜브(120)가 배치될 수 있다. 상기 재분배 배관(142)은 상기 튜브(120)와 직교하게 배치될 수 있다.
상기 제 2 연결 홀(144)은, 상기 제 1 튜브의 크기, 형상 및 갯수에 대응되도록 형성될 수 있다. 상기 제 1 튜브의 내부를 유동하는 냉매는, 상기 제 2 연결 홀(144)을 통하여 상기 재분배 배관(142)으로 안내될 수 있다. 상기 제 2 연결 홀(144)의 단면적의 합은 상기 제 1 튜브의 단면적의 합에 대응될 수 있다.
상기 제 3 연결 홀(146)은, 상기 제 2 튜브의 크기, 형상 및 갯수에 대응되도록 형성될 수 있다. 상기 재분배 배관(142)의 내부를 유동하는 냉매는, 상기 제 3 연결 홀(146)을 통하여 상기 제 2 튜브로 안내될 수 있다. 상기 상기 제 3 연결 홀(146)의 단면적의 합은 상기 제 2 튜브의 단면적의 합에 대응될 수 있다. 상기 제 3 연결 홀(146)은 상기 제 2 연결 홀(144)의 하측에 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 제 1 튜브를 유동하는 냉매는, 상기 재분배 배관(142)으로 유입되어 하측으로 유동한 뒤에, 상기 제 2 튜브로 토출될 수 있다.
한편, 본 발명의 사상이 상기 튜브(120)가 2개의 층을 이루어 배치되는 것으로 제한되는 것은 아니다. 상기 튜브(120)는 3개 이상의 층을 이루어 배치될 수 있으며, 이 경우, 상기 튜브의 층수에 대응하여 상기 재분배 헤더(140)도 복수 개가 구비될 수 있을 것이다. 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 핀(130)은, 판형의 열 전도체로 형성될 수 있다. 상기 핀(130)은 상기 튜브(120)와 수직하게 배치될 수 있다. 상기 핀(130)은, 상기 튜브(120)와 접촉되어, 상기 튜브(120)의 열 전달 효율을 높여줄 수 있다. 상기 핀(130)에는 상기 튜브(120)가 삽입될 수 있는 튜브 삽입 홀이 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 핀(130)을 관통하도록 상기 튜브(120)가 배치될 수 있다.
상기 토출 헤더(150)는, 외형을 형성하는 토출 배관(152)과, 상기 토출 배관(152)의 끝 부분에 형성되는 토출부(154)와, 상기 토출 배관(152)의 측면에 형성되는 제 4 연결 홀(156)을 포함할 수 있다.
상기 토출 배관(152)은, 내부에 중공을 가지는 원통형의 관일 수 있다. 다만, 상기 토출 배관(152)의 형상이 원통형으로 제한되는 것은 아니다. 상기 토출 배관(152)은 지면에 대하여 수평한 방향으로 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 토출 배관(152)은 중력에 대하여 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 상기 토출 배관(152)은, 상기 순환 배관의 직경과 동일할 수 있다. 상기 토출 배관(152)은 상기 순환 배관과 일체로 형성될 수도 있다. 상기 토출 배관(152)은, 상기 분배 배관(142)과 평행하게 배치될 수 있다. 상기 튜브(130)가 복수 개의 층으로 형성되는 경우, 상기 토출 배관(152)은 상기 분배 배관(142)의 하측에 구비될 수 있다.
상기 토출부(154)는 상기 토출 배관(152) 및 순환 배관이 연결되는 부분으로 규정될 수 있다. 상기 토출부(154)는 상기 제 1 열교환기(100)로부터 상기 순환 배관으로 냉매를 안내하는 부분이다. 상기 토출부(154)는 상기 유입부(114)보다 하측에 구비될 수 있다. 상기 토출부(154)는 상기 토출 배관(152)의 양 끝부분 중에서, 상기 유입부(114)로부터 먼 끝부분에 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 유입부(114) 및 토출부(154)는 서로 반대 방향에 구비될 수 있다. 정리하면, 상기 제 1 열교환기(100)의 유입측과, 토출측은 서로 반대 방향으로 형성될 수 있다.
상기 제 4 연결 홀(156)은 상기 튜브(120)의 크기, 형상 및 갯수에 대응되도록 형성될 수 있다. 상기 튜브(120) 내부를 흐르는 냉매는, 상기 제 4 연결 홀(156)을 통하여 상기 토출 배관(152)으로 안내될 수 있다. 상기 튜브(120)가 복수 개로 제공되는 경우, 상기 제 4 연결 홀(156)은 수평한 방향으로 일정한 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. 상기 제 4 연결 홀(156)의 단면적의 합은 상기 토출 배관(152)의 단면적의 합에 대응될 수 있다.
이하 상기 제 1 열교환기(100)의 작용을 설명한다.
상기 제 1 열교환기(100)로 유입되는 냉매는 상기 분배 헤더(110)로 일단 유입되고, 상기 분배 헤더(110)에 연결된 제 1 튜브로 안내된다. 상기 제 1 튜브의 단면적의 합을 상기 분배 헤더(110)의 단면적에 대응되게 형성하면, 냉매의 압력 손실을 방지할 수 있다. 결과적으로, 압력 손실에 따라 구동력이 약화되는 것을 방지할 수 있다. 또한 이때, 일차적으로 냉매의 분배가 이루어진다. 상기 분배 헤더(110)는 지면에 대하여 수평한 방향으로 배치되므로, 냉매가 고르게 분배될 수 있다. 그리고 상기 제 1 튜브로 유입된 냉매는, 상기 재분배 배관(140)으로 유입된다. 상기 재분배 배관(140)으로 유입된 냉매는 중력의 방향을 따라서 하측으로 이동된다. 그리고 상기 제 2 튜브로 안내된다. 이때, 이차적으로 냉매의 재분배가 이루어진다. 상기 재분배 헤더(140)는 지면에 대하여 수평한 방향으로 배치되므로, 냉매가 고르게 분배될 수 있다. 상기 제 2 튜브로 안내되는 냉매는 상기 토출 헤더(150)로 안내되고, 상기 토출 헤더(150)로 유입된 냉매는 상기 순환 배관으로 토출될 수 있다.
한편, 상기 분배 헤더(110)를 통하여 유입되는 냉매는, 상기 튜브(120) 중에서 상기 유입부(114) 측에 가까운 튜브로 몰려서 유입될 수 있다. 이때, 상기 토출부(156)를 상기 유입부(114)의 반대방향에 형성하면, 상기 유입부(114) 측에 가까운 튜브로 유입되는 냉매가 상기 토출 헤더(150)의 전부분을 통과하여 토출될 수 있다. 이러한 과정에서, 상대적으로 냉매가 몰려서 유입되지 않은 상기 튜브(120)의 압력은 낮아지게 된다. 결과적으로, 상기 유입부(114) 측에 먼 튜브의 내부 압력이 낮아지므로, 압력이 낮은 튜브로 냉매가 많이 유입될 수 있게 된다. 정리하면, 상기 유입부(114) 및 토출부(156)를 서로 반대방향으로 형성함에 따라, 냉매는 복수의 상기 튜브(120)를 균일하게 유동할 수 있게 된다.
제 1 열교환기(100)를 증발기로 사용할 때의 작용을 구체적으로 설명한다. 이 경우, 상기 액관(12)을 따라서 상기 제 1 열교환기(100)로 액체 상태의 냉매가 유입되고, 상기 제 1 열교환기(100)로 유입된 냉매는 기체 상태로 상변화한 뒤에 상기 기관(14)로 토출된다.
즉, 상기 분배 헤더(110)로 유입되는 냉매는 액체 상태이므로, 중력의 영향을 크게 받게 된다. 그러나 상기 분배 헤더(110), 튜브(120) 및 재분배 헤더(140)는 지면에 대하여 수평으로 배치되므로, 중력에 따라 액이 쏠리는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 냉매의 고른 분배가 가능하다. 또한, 상기 재분배 헤더(140)는 유입되는 냉매를 중력의 방향을 따라서 하측으로 안내하므로, 액상 냉매의 구동력을 확보할 수 있다.
특히, 상기 튜브(130)가 복수 개의 측으로 형성되는 경우, 액상 냉매를 유입하는 상기 분배 헤더(110)를 상기 토출 헤더(140)의 상측에 배치함으로써, 상기 제 1 열교환기(100) 내부에서 유동되는 액상 냉매의 구동력을 높일 수 있다. 반대로, 기상 냉매를 토출하는 상기 토출 헤더(140)를 상기 분배 헤더(110)의 하측에 배치함으로써, 상기 기관(14)을 통하여 토출되는 기상 냉매의 구동력을 높일 수 있다.
상기 제 1 열교환기(100)를 응축기로 사용할 때의 작용을 구체적으로 설명한다. 이 경우, 상기 기관(14)을 따라서 상기 제 1 열교환기(100)로 기체 상태의 냉매가 유입되고, 상기 제 1 열교환기(100)로 유입된 냉매는 액체 상태로 상변화한 뒤에 상기 액관(13)으로 토출된다.
즉, 상기 제 1 열교환기(100)에서 액체 상태로 상변화된 냉매는 상기 재분배 배관(140)에서 중력의 방향을 따라서 하측으로 원활하게 이동될 수 있다. 결과적으로, 액상 냉매의 구동력을 높일 수 있다.
기체 상태의 냉매의 경우, 액체 상태의 냉매에 비하여 구동력에 미치는 영향이 작으므로, 상기 제 1 열교환기(100)를 증발기로 사용할 때와, 응축기로 사용할 때 모두 구동력을 높일 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제 2 열교환기의 사시도이고, 도 5는 도 4의 II-II' 절개선을 따라 절개한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제 2 열교환기(200)는, 상기 순환 배관으로부터 유입되는 냉매를 분배하는 분배 헤더(210)와, 상기 분배 헤더(210)와 연통되는 적어도 하나 이상의 튜브(220)와, 상기 튜브(220)의 일측에 형성되는 적어도 하나 이상의 핀(230)과, 상기 순환 배관으로 토출되는 냉매를 안내하는 토출 헤더(250)를 포함할 수 있다.
상기 분배 헤더(210)는, 외형을 형성하는 분배 배관(212)과, 상기 분배 배관(212)의 끝 부분에 형성되는 유입부(214)와, 상기 분배 배관(212)의 측면에 형성되는 제 5 연결 홀(216)을 포함할 수 있다.
상기 분배 배관(212)은, 내부에 중공을 가지는 원통형의 관일 수 있다. 다만, 상기 분배 배관(212)의 형상이 원통형으로 제한되는 것은 아니다. 상기 분배 배관(212)은 지면에 대하여 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 분배 배관(212)은 중력의 방향을 따라서 상하로 배치될 수 있다. 상기 분배 배관(212)은, 상기 순환 배관의 직경과 동일할 수 있다. 상기 분배 배관(212)은 상기 순환 배관과 일체로 형성될 수도 있다.
상기 유입부(214)는 상기 분배 배관(212) 및 순환 배관이 연결되는 부분으로 규정될 수 있다. 상기 유입부(214)는 상기 순환 배관으로부터 상기 제 2 열교환기(200)로 냉매를 안내하는 부분이다.
상기 제 5 연결 홀(216)은 상기 튜브(220)의 크기, 형상 및 갯수에 대응되도록 형성될 수 있다. 상기 분배 배관(212) 내부를 흐르는 냉매는, 상기 제 5 연결 홀(216)을 통하여 상기 튜브(220)로 안내될 수 있다. 상기 튜브(220)가 복수 개로 제공되는 경우, 상기 제 5 연결 홀(216)은 상하 방향으로 일정한 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 튜브(220)가 복수의 층으로 배치되는 경우, 상기 제 5 연결 홀(216)도 좌우로 이격되는 복수의 층으로 배치될 수 있다. 상기 제 5 연결 홀(216)의 단면적의 합은 상기 분배 배관(212)의 단면적의 합에 대응될 수 있다.
상기 튜브(220)는 상기 분배 배관(212)으로부터 유입되는 냉매를 상기 토출 헤더(250)로 안내한다. 상기 튜브(220)를 통과하는 냉매는 상기 튜브(220)를 가로지르는 방향으로 유동되는 공기와 열교환될 수 있다. 상기 튜브(220)는 지면에 대하여 수직한 방향으로 길게 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 튜브(220)는 중력 방향에 대하여 수평하게 배치될 수 있다. 상기 튜브(220)는 상기 분배 배관(212)의 길이 방향에 대하여 수직하게 연결될 수 있다.
상기 튜브(220)는 복수 개일 수 있다. 복수 개의 상기 튜브(220)는 하나의 평면 상에서 나란히 배치될 수 있다. 다시 말하면, 복수 개의 상기 튜브(220)는 하나의 층을 이루어 배치될 수 있다. 또한, 복수 개의 상기 튜브(220)는 복수의 층을 이루어 배치될 수도 있다.
상기 튜브(220)는, 도 4를 기준으로 좌측으로부터 '제 3 튜브' 및 '제 4 튜브'라고 할 수 있다. 상기 제 3 튜브는 상기 분배 헤더(210)로부터 냉매를 유입하여 상기 제 4 튜브로 냉매를 토출할 수 있다. 상기 제 3 튜브로 유입된 냉매는 상기 제 4 튜브를 통과하여 상기 토출 헤더(250)로 안내될 수 있다. 이 경우, 상기 제 3 튜브 및 제 4 튜브 사이에, 상기 제 3 튜브 및 제 4 튜브를 연통하는 재분배 헤더(240)가 구비될 수 있다.
상기 재분배 헤더(240)는, 재분배 배관(242)과, 상기 재분배 배관(242)의 측면에 형성되며, 상기 제 3 튜브와 연결되는 제 6 연결 홀(244)과, 상기 재분배 배관(242)의 측면에 형성되며, 상기 제 4 튜브와 연결되는 제 7 연결 홀(246)을 포함할 수 있다.
상기 재분배 배관(242)은, 상기 제 3 튜브로부터 유입되는 냉매를 유입하고, 유입된 냉매를 상기 제 4 튜브로 토출한다. 상기 재분배 배관(242)은 내부에 중공을 가지며, 단면이 반원형상인 관일 수 있다. 다만, 상기 재분배 배관(242)의 형상이 반원형상의 관으로 제한되는 것은 아니다. 상기 재분배 배관(242)은 지면에 대하여 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 재분배 배관(212)은 중력의 방향을 따라서 상하로 배치될 수 있다. 상기 재분배 배관(242)은 상기 분배 배관(214)과 평행하게 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 분배 배관(214) 및 재분배 배관(242)은 서로 평행하게 배치되고, 상기 분배 배관(214) 및 재분배 배관(242) 사이에는 상기 튜브(220)가 배치될 수 있다. 상기 재분배 배관(242)은 상기 튜브(220)와 직교하게 배치될 수 있다.
상기 제 6 연결 홀(244)은, 상기 제 3 튜브의 크기, 형상 및 갯수에 대응되도록 형성될 수 있다. 상기 제 3 튜브의 내부를 유동하는 냉매는, 상기 제 6 연결 홀(244)을 통하여 상기 재분배 배관(242)으로 안내될 수 있다. 상기 제 6 연결 홀(244)의 단면적의 합은 상기 제 3 튜브의 단면적의 합에 대응될 수 있다.
상기 제 7 연결 홀(246)은, 상기 제 7 층 튜브의 크기, 형상 및 갯수에 대응되도록 형성될 수 있다. 상기 재분배 배관(242)의 내부를 유동하는 냉매는, 상기 제 7 연결 홀(246)을 통하여 상기 제 4 튜브로 안내될 수 있다. 상기 상기 제 7 연결 홀(246)의 단면적의 합은 상기 제 4 튜브의 단면적의 합에 대응될 수 있다.
한편, 본 발명의 사상이 상기 튜브(220)가 2개의 층을 이루어 배치되는 것으로 제한되는 것은 아니다. 상기 튜브(220)는 3개 이상의 층을 이루어 배치될 수 있으며, 이 경우, 상기 튜브의 층수에 대응하여 상기 재분배 헤더(240)도 복수 개가 구비될 수 있을 것이다. 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 핀(230)은, 판형의 열 전도체로 형성될 수 있다. 상기 핀(230)은 상기 튜브(220)와 수직하게 배치될 수 있다. 상기 핀(230)은, 상기 튜브(220)와 접촉되어, 상기 튜브(220)의 열 전달 효율을 높여줄 수 있다. 상기 핀(230)에는 상기 튜브(220)가 삽입될 수 있는 튜브 삽입 홀이 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 핀(230)을 관통하도록 상기 튜브(220)가 배치될 수 있다.
상기 토출 헤더(250)는, 외형을 형성하는 토출 배관(252)과, 상기 토출 배관(252)의 끝 부분에 형성되는 토출부(254)와, 상기 토출 배관(252)의 측면에 형성되는 제 8 연결 홀(256)을 포함할 수 있다.
상기 토출 배관(252)은, 내부에 중공을 가지는 원통형의 관일 수 있다. 다만, 상기 토출 배관(252)의 형상이 원통형으로 제한되는 것은 아니다. 상기 토출 배관(252)은 지면에 대하여 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 다시 말하면, 상기 토출 배관(252)은 중력의 방향을 따라서 상하 방향으로 배치될 수 있다. 상기 토출 배관(252)은, 상기 순환 배관의 직경과 동일할 수 있다. 상기 토출 배관(252)은 상기 순환 배관과 일체로 형성될 수도 있다. 상기 토출 배관(252)은, 상기 분배 배관(242)과 평행하게 배치될 수 있다. 상기 튜브(230)가 복수 개의 층으로 형성되는 경우, 상기 토출 배관(252)은 상기 분배 배관(242)의 일측에 구비될 수 있다.
상기 토출부(254)는 상기 토출 배관(252) 및 순환 배관이 연결되는 부분으로 규정될 수 있다. 상기 토출부(254)는 상기 제 2 열교환기(200)로부터 상기 순환 배관으로 냉매를 안내하는 부분이다. 상기 토출부(254)는 상기 유입부(214)보다 하측에 구비될 수 있다. 상기 토출부(254)는 상기 토출 배관(252)의 양 끝부분 중에서, 상기 유입부(214)로부터 먼 끝부분에 형성될 수 있다. 다시 말하면, 상기 유입부(214) 및 토출부(254)는 서로 반대 방향에 구비될 수 있다. 정리하면, 상기 제 2 열교환기(200)의 유입측과, 토출측은 서로 반대 방향으로 형성될 수 있다.
상기 제 8 연결 홀(256)은 상기 튜브(220)의 크기, 형상 및 갯수에 대응되도록 형성될 수 있다. 상기 튜브(220) 내부를 흐르는 냉매는, 상기 제 8 연결 홀(256)을 통하여 상기 토출 배관(252)으로 안내될 수 있다. 상기 튜브(220)가 복수 개로 제공되는 경우, 상기 제 8 연결 홀(256)은 수평한 방향으로 일정한 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. 상기 제 8 연결 홀(256)의 단면적의 합은 상기 토출 배관(252)의 단면적의 합에 대응될 수 있다.
이하 상기 제 2 열교환기(200)의 작용을 설명한다.
상기 제 2 열교환기(200)로 유입되는 냉매는 상기 분배 헤더(210)로 일단 유입되고, 상기 분배 헤더(210)에 연결된 제 3 튜브로 안내된다. 상기 제 3 튜브의 단면적의 합을 상기 분배 헤더(210)의 단면적에 대응되게 형성하면, 냉매의 압력 손실을 방지할 수 있다. 결과적으로, 압력 손실에 따라 구동력이 약화되는 것을 방지할 수 있다. 상기 제 1 튜브로 유입된 냉매는, 상기 재분배 배관(240)으로 유입된다. 상기 재분배 배관(240)으로 유입된 냉매는 상기 제 4 튜브로 안내된다. 이때, 이차적으로 냉매의 재분배가 이루어진다. 상기 제 4 튜브로 안내되는 냉매는 상기 토출 헤더(250)로 안내되고, 상기 토출 헤더(250)로 유입된 냉매는 상기 순환 배관으로 토출될 수 있다.
상기 제 2 열교환기(200)를 응축기로 사용할 때의 작용을 구체적으로 설명한다.
상기 제 2 열교환기(200)로는 기체 상태의 냉매가 유입되고, 유입된 냉매는 체 상태로 상변화한 뒤에 상기 제 2 열교환기(200)로부터 토출된다.
즉, 상기 제 2 열교환기(200)로 유입되는 냉매는 기체 상태이므로, 중력의 영향을 크게 받지 않는다. 하지만 상기 제 2 열교환기(200)를 통과한 액체 상태의 냉매는, 중력의 영향을 많이 받게 된다. 상기 제 2 열교환기(200)에서 액상으로 상 변화된 냉매는 중력의 방향을 따라 상하로 배치되는 상기 토출 헤더(252)를 따라서, 원활하게 유동될 수 있다. 결과적으로, 순환 배관 내에서 유동되는 냉매의 구동력을 높일 수 있게 된다.
상기 제 2 열교환기(200)가 응축기로 사용되는 경우, 상기 분배 헤더(210)는 '응축기 분배 헤더'라고 할 수 있다. 또한, 상기 재분배 헤더(240) 및 토출 헤더(250)는 각각 '응축기 재분배 헤더' 및 '응축기 토출 헤더'라고 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기의 사시도이다. 이하 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기(10)는, 상기 응축기(11)와, 액관(12)과, 증발기(13)와, 기관(14)을 포함한다.
상기 응축기(11)는 상기 증발기(13)의 상측에 구비되며, 상기 응축기(11)의 유입측은 상기 기관(14)과 연결되며, 상기 응축기(11)의 토출측은 상기 액관(12)과 연결된다. 상기 응축기(11)로는, 상기 제 2 열교환기(200)가 사용될 수 있다.
상기 증발기(13)는 상기 응축기(11)의 하측에 구비되며, 상기 증발기(13)의 유입측은 상기 액관(12)과 연결되며, 상기 증발기(13)의 토출측은 상기 기관(14)과 연결된다. 상기 증발기(13)로는, 상기 제 1 열교환기(100)가 사용될 수 있다.
제 1 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기(10)의 작용을 살펴보면, 상기 응축기(11)에서 응축된 액상 냉매는 상기 액관(12)을 따라서 중력 방향으로 하측에 위치하는 상기 증발기(13)로 유입될 수 있다. 상기 증발기(13)에서 증발된 기상 냉매는 상기 기관(14)을 따라서 상측으로 유동하여 상기 응축기(11)로 다시 유입되어 순환될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기의 사시도이다. 이하 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기(10)는, 상기 응축기(11)와, 액관(12)과, 증발기(13)와, 기관(14)을 포함하며, 상기 응축기(11) 및 증발기(13)로는, 상기 제 1 열교환기(100)가 사용될 수 있다.
제 2 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기(10)의 작용은 제 1 실시 예에 따른 자연 냉매 순환식 공기 조화기(10)의 작용과 유사하다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 냉매의 압력 손실을 감소시키고, 열교환기 내부에서 액상 냉매가 고르게 분배되도록 할 수 있다. 또한, 중력의 방향을 고려하여 설계된 유로를 따라서 냉매가 원활하게 유동하여 냉매의 순환 구동력을 증가시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 유입되는 냉매를 분배하는 분배 헤더;
    상기 분배 헤더의 측면에 연결되는 복수 개의 튜브; 및
    복수 개의 상기 튜브와 연통되는 토출 헤더;를 포함하고,
    상기 분배 헤더 및 토출 헤더는 지면과 수평하게 형성되는 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브는,
    상기 분배 헤더와 연결되는 제 1 튜브; 및
    상기 제 1 튜브와 상기 토출 헤더 사이에 연결되는 제 2 튜브;를 포함하는 열교환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 튜브 및 제 2 튜브는 지면과 수평하게 형성되는 열교환기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 분배 헤더는 상기 토출 헤더의 상측에 구비되는 열교환기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 튜브 및 제 2 튜브 사이에 구비되는 재분배 헤더;를 더 포함하고,
    상기 재분배 헤더는 지면과 평행하게 형성되는 열교환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 재분배 헤더는,
    내부에 중공을 가지는 재분배 배관;
    상기 재분배 배관의 측면에 형성되어, 상기 제 1 튜브와 연결되는 제 2 연결 홀; 및
    상기 제 2 연결 홀의 하측에 형성되어, 상기 제 2 튜브와 연결되는 제 3 연결 홀;을 포함하는 열교환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 분배 헤더는, 내부에 중공을 가지는 분배 배관과, 상기 분배 헤더의 일단에 형성되어 유입되는 냉매를 안내하는 유입부와, 상기 튜브가 연결되는 제 1 연결 홀을 포함하고,
    상기 토출 헤더는, 내부에 중공을 가지는 토출 배관과, 상기 토출 헤더의 일단에 형성되어 토출되는 냉매를 안내하는 토출부와, 상기 튜브가 연결되는 제 4 연결 홀을 포함하는 열교환기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유입부 및 상기 토출부는 서로 반대방향으로 형성되는 열교환기.
  9. 냉매를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기에서 응축된 냉매를 안내하는 액관, 상기 액관으로부터 유입된 냉매를 증발시키는 증발기와, 상기 증발기에서 증발된 냉매를 상기 응축기로 안내하는 기관을 포함하고,
    상기 증발기는, 상기 액관으로부터 유입된 냉매를 분배하는 분배 헤더와, 상기 증발기에서 증발된 냉매를 상기 기관으로 토출하는 토출 헤더와, 상기 분배 헤더 및 토출 헤더를 연통하는 복수 개의 튜브를 포함하며,
    상기 분배 헤더 및 토출 헤더는 지면과 수평하게 형성되는 자연 냉매 순환식 공기 조화기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 튜브는, 상기 분배 헤더와 연결되는 제 1 튜브와, 상기 제 1 튜브의 하측에 구비되어 상기 토출 헤더와 연결되는 제 2 튜브를 포함하고,
    상기 제 1 튜브 및 제 2 튜브를 연결하는 재분배 헤더를 더 포함하는 자연 냉매 순환식 공기 조화기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 분배 헤더의 일단에 형성되어 냉매를 유입하는 유입부와, 상기 토출 헤더의 일단에 형성되어 냉매를 토출하는 토출부를 포함하고, 상기 유입부 및 토출부는 서로 반대방향으로 배치되는 냉매 순환식 공기 조화기.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 응축기는, 상기 기관으로부터 유입된 냉매를 분배하는 응축기 분배 헤더와, 상기 응축기에서 응축된 냉매를 상기 액관으로 토출하는 응축기 토출 헤더와, 상기 응축기 분배 헤더 및 응축기 토출 헤더를 연통하는 복수 개의 응축기 튜브를 포함하는 자연 냉매 순환식 공기 조화기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 응축기 분배 헤더 및 응축기 토출 헤더는 지면에 대하여 수직 방향으로 배치되는 자연 냉매 순환식 공기 조화기.
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