KR20140106552A - 핀 튜브형 열교환기 - Google Patents

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KR20140106552A
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bend
bend tube
hairpin
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KR1020147015721A
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다쿠야 오쿠무라
마사야 혼마
아츠오 오카이치
오사무 고스다
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파나소닉 주식회사
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Abstract

핀 튜브형 열교환기(1A)는, 병렬된 복수의 핀(2)과, 냉매 유로(10)를 구비하고 있다. 냉매 유로(10)는, 주 유로(6), 복수의 분기로(7) 및 헤더(3)로 구성되어 있다. 각 분기로(7)는, 적어도 3개의 헤어핀관(4) 및 복수의 리턴 벤드관(5)을 포함하고, 핀(2)을 관통한다. 복수의 분기로(7)의 각각에 있어서의 복수의 리턴 벤드관(5)은, 평활한 내주면을 갖는 적어도 1개의 평활 벤드관(52)과, 복수의 나선형의 홈이 형성된 내주면을 갖는 적어도 1개의 홈이 있는 벤드관(51)을 포함한다. 적어도 1개의 평활 벤드관(52)은, 헤더(3)로부터 분기로(7)에 다다를 때 헤더(3)에 가장 가까운 곳에 위치하고 있다

Description

핀 튜브형 열교환기{FIN TUBE-TYPE HEAT EXCHANGER}
본 발명은, 핀 튜브형 열교환기에 관한 것이다.
종래부터, 예를 들면 냉동 사이클 장치 등에서는, 핀 튜브형 열교환기가 이용되고 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1에는, 도 5에 나타낸 핀 튜브형 열교환기(100)가 개시되어 있다.
구체적으로, 열교환기(100)는, 병렬된 복수의 핀(110)과, 복수의 핀(110)을 복수회 관통하는, 내부에 냉매가 흐르는 냉매 유로(140)를 구비하고 있다. 각 핀(110)은 장척형상이며, 냉매 유로(140)는, 핀(110)의 길이 방향으로 2열로 배열된 헤어핀관(120)과, 헤어핀관(120)의 단부들을 연결하는 리턴 벤드관(130)으로 구성되어 있다.
일반적으로, 헤어핀관(120)으로는, 내주면에 복수의 나선형의 홈이 형성된 홈이 있는 관이 이용된다. 헤어핀관(120) 내를 흐르는 냉매는 홈으로 가이드되어 선회류가 되고, 이에 의해 냉매와 관 사이의 열전달률이 향상된다. 도 5에 나타낸 열교환기(100)에서는, 리턴 벤드관(130)에도 홈이 있는 관을 사용해, 헤어핀관(120)에서 형성된 선회류를 리턴 벤드관(130)에서 가능한 한 흐트러지지 않도록 유지하고 있다. 이에 의해, 헤어핀관(120)에서 다시 선회류가 형성되는데 필요한 거리가 짧아져, 핀(110) 사이를 흐르는 공기와 냉매의 열교환 능력이 증대한다.
일본국 특허 공개 2008-20150호 공보
그러나, 도 5에 나타낸 열교환기(100)의 구성은, 실제로 냉동 사이클 장치에 이용되는 것을 상정한 것은 아니다. 예를 들면, 공기 조화 장치에 이용되는 핀 튜브형 열교환기에서는, 난방 운전 및 냉방 운전 중 어느 것에서도 냉매 유로의 한쪽이 냉매중의 기상의 비율이 높은 기상측, 다른쪽이 냉매중의 액상의 비율이 높은 액상측이 된다. 그리고, 냉매 유로는, 열교환시의 냉매의 유속을 저감하기 위해서 액상측에서 기상측을 향해 주 유로로부터 복수의 분기로로 분기되고, 냉매 유로의 말단에는 헤더가 배치된다. 그러나, 특허 문헌 1에 개시되어 있는 핀 튜브형 열교환기는, 기상의 비율이 높은 기상측에도 홈이 있는 관을 이용하고 있으며, 리턴 벤드관 내를 흐르는 냉매의 액상의 비율을 고려한 설계가 이루어져 있지 않다.
본 발명은, 이러한 종래의 과제를 감안한 것이며, 냉동 사이클 장치에 적절한 핀 튜브형 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 개시는,
병렬된 복수의 핀과,
상기 복수의 핀을 관통하는 복수의 분기로와,
상기 복수의 분기로의 각각의 일단이 접속된 헤더를 구비하고,
상기 복수의 분기로의 각각은, 내주면에 복수의 나선형의 홈이 형성된 복수의 헤어핀관, 및 상기 헤어핀관의 단부들을 연결하는 복수의 리턴 벤드관을 포함하고,
상기 복수의 분기로의 각각에 있어서의 상기 복수의 리턴 벤드관은, 평활한 내주면을 갖는 평활 벤드관과, 복수의 나선형의 홈이 형성된 내주면을 갖는 홈이 있는 벤드관을 포함하고,
상기 평활 벤드관은, 상기 헤더로부터 상기 분기로에 다다를 때 상기 헤더에 가장 가까운 곳에 위치하고 있는, 핀 튜브형 열교환기를 제공한다.
본 개시에 의하면, 냉동 사이클 장치에 적절한 핀 튜브형 열교환기를 제공할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 핀 튜브형 열교환기의 개략 구성도
도 1b는 제1 실시형태의 변형예에 따른 핀 튜브형 열교환기의 개략 구성도
도 1c는 제1 실시형태의 다른 변형예에 따른 핀 튜브형 열교환기의 일부를 확대한 개략 구성도
도 1d는 제1 실시형태의 또 다른 변형예에 따른 핀 튜브형 열교환기의 일부를 확대한 개략 구성도
도 1e는 제1 실시형태의 또 다른 변형예에 따른 핀 튜브형 열교환기의 개략 구성도
도 1f는 제1 실시형태의 또 다른 변형예에 따른 핀 튜브형 열교환기의 개략 구성도
도 2a는 리턴 벤드관의 사시도
도 2b는 홈이 있는 벤드관의 단면도
도 2c는 홈이 있는 벤드관의 일부를 단면으로 한 평면도
도 3은 공기 조화 장치의 실외 열교환기에 있어서의 난방 정격 조건 및 난방 중간 조건에서의 냉매의 건조도와 유량의 관계를 나타내는 그래프
도 4a는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 핀 튜브형 열교환기의 개략 구성도
도 4b는 제2 실시형태의 변형예에 따른 핀 튜브형 열교환기의 개략 구성도
도 5는 종래의 핀 튜브형 열교환기의 정면도
주 유로로부터 복수의 분기로로 분기하는 냉매 경로를 구비하는 핀 튜브형 열교환기에 있어서, 특허 문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이 각 분기로를 구성하는 모든 리턴 벤드관에 홈이 있는 관을 이용하면, 압력 손실이 큰 폭으로 증대해, 냉동 사이클 장치의 성능이 저하된다. 본 발명의 발명자들은, 예의 연구한 결과, 열교환기 내에서는 냉매가 벽면을 따르는 액상류와 그 내측을 흐르는 기상류의 2층류가 되고, 선회류의 형성에는 액상류의 양이 크게 영향을 미침을 발견했다. 본 발명은, 이러한 관점으로부터 이루어진 것이다.
본 개시의 제1의 양태는,
병렬된 복수의 핀과,
상기 복수의 핀을 관통하는 복수의 분기로와,
상기 복수의 분기로의 각각의 일단이 접속된 헤더를 구비하고,
상기 복수의 분기로의 각각은, 내주면에 복수의 나선형의 홈이 형성된 복수의 헤어핀관, 및 상기 헤어핀관의 단부들을 연결하는 복수의 리턴 벤드관을 포함하고,
상기 복수의 분기로의 각각에 있어서의 상기 복수의 리턴 벤드관은, 평활한 내주면을 갖는 평활 벤드관과, 복수의 나선형의 홈이 형성된 내주면을 갖는 홈이 있는 벤드관을 포함하고,
상기 평활 벤드관은, 상기 헤더로부터 상기 분기로에 다다를 때 상기 헤더에 가장 가까운 곳에 위치하고 있는, 핀 튜브형 열교환기를 제공한다.
상기 구성에 의하면, 액상류의 양이 많아지는 영역에 홈이 있는 벤드관을 이용함으로써, 헤어핀관에서 형성되는 선회류를 어느 정도 유지하고, 핀 사이를 흐르는 공기와 냉매의 열교환 능력을 증대시킬 수 있다. 한편, 액상류의 양이 적어지는 영역에 평활 벤드관을 이용함으로써, 냉매의 압력 손실을 억제할 수 있다. 그 결과, 열교환기를 이용한 냉동 사이클 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 개시의 제2의 양태는, 제1의 양태에 추가해, 상기 복수의 분기로의 각각의 타단이 직접적으로 또는 복수의 중계로를 통해 접속된 주 유로를 더 구비하고, 상기 주 유로는, 상기 복수의 핀을 관통하고 있으며, 내주면에 복수의 나선형의 홈이 형성된 복수의 헤어핀관, 및 상기 헤어핀관의 단부들을 연결하는 복수의 리턴 벤드관을 포함하고, 상기 주 유로에 있어서의 상기 복수의 리턴 벤드관은, 평활한 내주면을 갖는 평활 벤드관과, 복수의 나선형의 홈이 형성된 내주면을 갖는 홈이 있는 벤드관을 포함하고, 상기 평활 벤드관은, 상기 헤더로부터 상기 분기로를 통해 상기 주 유로에 다다를 때 상기 헤더로부터 가장 먼 곳에 위치하고 있다. 주 유로의 리턴 벤드관에 평활 벤드관을 사용하여 압력 손실을 저감시킴으로써, 냉동 사이클 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 개시의 제3의 양태는, 제2의 양태에 추가해, 상기 주 유로에 있어서의 상기 홈이 있는 벤드관의 홈의 깊이는, 상기 분기로에 있어서의 상기 홈이 있는 벤드관의 홈의 깊이보다도 얕은, 핀 튜브형 열교환기를 제공한다. 주 유로에서는, 냉매의 유량이 클 뿐만 아니라, 냉매의 건조도가 매우 작다. 즉, 액상의 냉매의 양이 많기 때문에, 선회류가 형성되기 쉽다. 그 때문에, 비교적 홈이 얕은 홈이 있는 벤드관을 사용함으로써, 선회류를 유지하면서 압력 손실의 증대를 억제할 수 있다.
본 개시의 제4의 양태는, 제2 또는 제3의 양태에 추가해, 상기 중계로는, 상기 복수의 핀을 관통하고 있으며, 내주면에 복수의 나선형의 홈이 형성된 복수의 헤어핀관, 및 상기 헤어핀관의 단부들을 연결하는 리턴 벤드관을 포함하고, 상기 중계로에 있어서의 상기 리턴 벤드관은, 복수의 나선형의 홈이 형성된 내주면을 갖는 홈이 있는 벤드관이며, 상기 중계로에 있어서의 상기 홈이 있는 벤드관의 홈의 깊이는, 상기 분기로에 있어서의 상기 홈이 있는 벤드관의 홈의 깊이보다도 얕은, 핀 튜브형 열교환기를 제공한다. 이 구성에 의하면, 중계로에 있어서는 선회류가 분기로보다도 용이하게 형성되므로, 비교적 홈이 얕은 홈이 있는 벤드관을 사용함으로써 선회류를 어느 정도 유지하면서도 압력 손실의 증가를 막을 수 있다. 분기로에 있어서는 선회류의 형성이 중계로보다도 어려워지기 때문에, 비교적 홈이 깊은 홈이 있는 벤드관을 사용함으로써, 선회류를 유지하고, 열교환 능력을 증대시킨다. 평활 벤드관 및 홈 형상이 상이한 2종류의 홈이 있는 벤드관을 유동 양상에 따라 배치함으로써, 냉동 사이클 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 개시의 제5의 양태는, 제1의 양태에 추가해, 상기 복수의 분기로의 각각의 타단이 직접적으로 또는 복수의 중계로를 통해 접속된 주 유로를 더 구비하고, 상기 주 유로는, 상기 복수의 핀을 관통하고 있으며, 내주면에 복수의 나선형의 홈이 형성된 복수의 헤어핀관, 및 상기 헤어핀관의 단부들을 연결하는 리턴 벤드관을 포함하고, 상기 주 유로에 있어서의 상기 리턴 벤드관은, 평활한 내주면을 갖는 평활 벤드관인, 핀 튜브형 열교환기를 제공한다. 이 구성에 의하면, 홈이 있는 벤드관을 사용하여 선회류를 재형성하기 쉽도록 하는 것이 아니라, 평활 벤드관을 사용하여 압력 손실을 저감시킴으로써, 냉동 사이클 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
본 개시의 제6의 양태는, 제1~제5의 양태 중 어느 하나에 추가해, 상기 복수의 분기로의 상기 헤어핀관은, 적어도 3개로 구성되는, 핀 튜브형 열교환기를 제공한다. 이 구성에 의하면, 3개 이상의 헤어핀관에 의해서, 2개 이상의 리턴 벤드관을 설치할 수 있다.
본 개시의 제7의 양태는, 제1~제6의 양태 중 어느 하나에 추가해, 상기 홈이 있는 벤드관의 홈의 리드각은, 상기 헤어핀관의 내주면에 형성된 홈의 리드각과 동일하거나 그 미만인, 핀 튜브형 열교환기를 제공한다. 이 구성에 의하면, 홈이 있는 벤드관의 홈의 리드각이 작으면 홈이 있는 벤드관을 통과하는 냉매의 유동 저항이 작아지므로, 액상의 감속에 의한 선회류의 흐트러짐을 저감할 수 있어, 홈이 있는 벤드관을 통과 후에 헤어핀관 내에서 선회류를 재형성하기 쉬워진다.
본 개시의 제8의 양태는, 제1~제7의 양태 중 어느 하나에 추가해, 상기 홈이 있는 벤드관의 홈의 깊이는, 상기 헤어핀관의 내주면에 형성된 홈의 깊이보다도 얕은, 핀 튜브형 열교환기를 제공한다. 이 구성에 의하면, 홈이 있는 벤드관을 통과하는 냉매의 유동 저항이 작아지므로, 액상의 감속에 의한 선회류의 흐트러짐을 저감할 수 있어, 홈이 있는 벤드관을 통과한 후에 헤어핀관 내에서 선회류를 재형성하기 쉬워진다.
본 개시의 제9의 양태는, 제1~제8의 양태 중 어느 하나에 추가해, 상기 홈이 있는 벤드관의 관축 직교 단면의 홈수는, 상기 헤어핀관의 관축 직교 단면의 홈수 이상인, 핀 튜브형 열교환기를 제공한다. 이 구성에 의하면, 홈이 있는 벤드관의 홈의 수가 많을수록, 홈이 있는 벤드관을 통과하는 냉매가 선회류를 형성하기 쉬워진다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 단, 본 발명은, 이하의 실시형태에 의해서 한정되는 것은 아니다.
(제1 실시형태)
도 1a에, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 핀 튜브형 열교환기(1A)를 나타낸다. 이 열교환기(1A)는, 공기 조화 장치의 실외 열교환기로서 이용되고, 냉매와 공기 사이의 열교환을 행한다. 또한, 본 발명은, 예를 들면 급탕기 등의 다른 냉동 사이클 장치에 이용되는 열교환기에도 적용 가능하다.
구체적으로, 열교환기(1A)는, 일정한 간격으로 병렬된 복수의 핀(2)과, 주 유로(6), 복수의 분기로(7) 및 헤더(3)로 구성되는 냉매 유로(10)를 구비하고 있다. 핀(2) 사이에는 공기가 흐른다. 냉매 유로(10) 내에는, 열교환기(1A)가 증발기로서 기능하는 난방 운전시에는 주 유로(6)에서 헤더(3)를 향해 냉매가 흐르고, 열교환기(1A)가 응축기로서 기능하는 냉방 운전시에는 헤더(3)에서 주 유로(6)를 향해 냉매가 흐른다. 또한, 도 1a에는, 난방 운전시의 냉매가 흐르는 방향을 화살표로 나타내고 있다. 이하, 설명의 편의를 위해서, 난방 운전시에 있어서의 각 유로의 상류측의 끝을 제1단, 하류측의 끝을 제2단이라고 한다. 또한, 도 1a에서는, 주 유로(6)의 입구(또는 출구)가 상측에 배치되어 있었는데, 도 1b에 나타낸 바와 같이, 주 유로(6)의 출구(또는 입구)를 하측에 배치해도 된다. 도 1b의 핀 튜브형 열교환기(1B)에서는, 냉방 운전시의 냉매가 흐르는 방향을 화살표로 나타내고 있다.
주 유로(6)의 제1단은, 난방 운전시에 냉매의 입구가 되는 냉매 유로(10)의 제1단을 형성한다. 헤더(3)에는, 난방 운전시에 냉매의 출구가 되는 냉매 유로(10)의 제2단을 형성하는 포트(31)가 설치되어 있다. 본 실시형태에서는, 각 분기로(7)의 제1단이 주 유로(6)의 제2단에 직접적으로 접속되어 있으며, 각 분기로(7)의 제2단이 헤더(3)에 접속되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 냉매 유로(10)가 일단으로 분기하는 패스 구성을 갖고 있다.
핀(2)의 편측에는, 엔드 플레이트(25)가 배치되어 있다. 각 핀(2)은 장척형상이며, 각 핀(2)에는 상기 핀(2)의 길이 방향으로 나열된 다수의 관통 구멍이 설치되어 있다. 핀(2)의 관통 구멍에는 헤어핀관(4)이 엔드 플레이트(25)와 반대측으로부터 삽입되어 있으며, 헤어핀관(4)의 양단부는 엔드 플레이트(25)로부터 돌출하고 있다. 실제로는, 헤어핀관(4)이 핀(2)의 길이 방향으로 2열로 배열되어 있는데, 도 1a에서는 그것을 평면적으로 그리고 있다. 또한, 핀(2) 및 헤어핀관(4)으로 구성되는 열교환 유닛은, 핀(2)의 길이 방향에서 봤을 때 L자형상으로 되어 있어도 되고, U자형상으로 되어 있어도 된다. 헤어핀관(4)의 내주면에는, 복수의 나선형의 홈(도시하지 않음)이 형성되어 있다.
주 유로(6)는, 적어도 2개의 헤어핀관(4)과, 헤어핀관(4)의 단부들을 연결하는 리턴 벤드관(5)(도 2a 참조)을 포함하고, 핀(2)을 4회 이상(헤어핀관(4)의 개수의 2배의 회수) 관통하고 있다. 본 실시형태에서는, 주 유로(6)에 있어서의 리턴 벤드관(5)은 홈이 있는 벤드관(51)이다.
홈이 있는 벤드관(51)은, 도 2b 및 도 2c에 나타낸 바와 같이, 복수의 나선형의 홈이 형성된 내주면을 갖고 있으며, 홈이 있는 벤드관(51)을 통과하는 냉매가 선회류를 형성하기 쉬워지도록 설계되어 있다.
홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 수나 형상은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 이하의 (i)~(iii)의 조건 중 적어도 1개를 만족시키는 것이 바람직하다. (i) 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 리드각 θ는, 헤어핀관(4)의 내주면에 형성된 홈의 리드각과 동일하거나 그 미만이다. 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 리드각 θ가 작으면 홈이 있는 벤드관(51)을 통과하는 냉매의 유동 저항이 작아지므로, 액상의 감속에 의한 선회류의 붕괴를 저감할 수 있고, 홈이 있는 벤드관(51)을 통과 후에 헤어핀관(4) 내에서 선회류를 재형성하기 쉬워진다. 또한, 상기 리드각이 동일하다는 것은, 상기 리드각 사이에 미소한 차가 있었다고 해도, 이들 리드각이 일치하고 있다고 간주하는 것을 의미하고 있다. (ii) 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이는, 헤어핀관(4)의 내주면에 형성된 홈의 깊이보다도 얕다. 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이가 얕으면 홈이 있는 벤드관(51)을 통과하는 냉매의 유동 저항이 작아지므로, 액상의 감속에 의한 선회류의 흐트러짐을 저감할 수 있어, 홈이 있는 벤드관(51)을 통과한 후에 헤어핀관(4) 내에서 선회류를 재형성하기 쉬워진다. (iii) 홈이 있는 벤드관(51)의 관축 직교 단면의 홈수는, 헤어핀관(4)의 관축 직교 단면의 홈수 이상이다. 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 수가 많을수록, 홈이 있는 벤드관(51)을 통과하는 냉매가 선회류를 형성하기 쉬워진다.
분기로(7)의 수는, 예를 들면 4~8이다. 각 분기로(7)에 흐르는 냉매의 유량은, 주 유로(6)를 흐르는 냉매의 유량을 Q, 분기로(7)의 수를 N이라 했을 때에, Q/N이다. 각 분기로(7)는, 적어도 3개의 헤어핀관(4)과, 헤어핀관(4)의 단부들을 연결하는 복수의 리턴 벤드관(5)을 포함하고, 핀(2)을 6회 이상 관통하고 있다.
복수의 분기로(7)의 각각에 있어서의 복수의 리턴 벤드관(5)은, 평활한 내주면을 갖는 적어도 1개의 평활 벤드관(52)과, 복수의 나선형의 홈이 형성된 내주면을 갖는 적어도 1개의 홈이 있는 벤드관(51)을 포함한다. 적어도 1개의 평활 벤드관(52)은, 헤더(3)로부터 분기로(7)에 다다를 때 헤더(3)에 가장 가까운 곳에 위치하고 있다. 상세하게는, 도 1a에 나타낸 바와 같이, 각 분기로(7)의 각각은, 3개의 헤어핀관(4)과, 헤어핀관(4)의 단부들을 연결하는 2개의 리턴 벤드관(5)을 포함한다. 2개의 리턴 벤드관(5) 중 헤더(3)로부터 분기로(7)에 다다를 때 헤더(3)에 가장 가까운 곳에 위치하고 있는 1개의 리턴 벤드관(5)은 평활 벤드관(52)이다. 평활 벤드관(52) 이외의 1개의 리턴 벤드관(5)은 홈이 있는 벤드관(51)이다.
변형예로서, 도 1c 및 도 1d에 나타낸 바와 같이, 각 분기로(7)는, 5개의 헤어핀관(4)과, 헤어핀관(4)의 단부들을 연결하는 4개의 리턴 벤드관(5)을 포함한다. 4개의 리턴 벤드관(5) 중 헤더(3)로부터 분기로(7)에 다다를 때 헤더(3)에 가장 가까운 곳에 위치하고 있는 리턴 벤드관(5)은 평활 벤드관(52)이다. 도 1c에서는, 평활 벤드관(52) 이외의 3개의 리턴 벤드관(5)의 모두가 홈이 있는 벤드관(51)이다. 도 1d에서는, 헤더(3)에 가장 가까운 곳에 위치하고 있는 평활 벤드관(52) 이외의 3개의 리턴 벤드관(5) 중, 2개의 리턴 벤드관(5)은 홈이 있는 벤드관(51)이며, 1개의 리턴 벤드관(5)은 평활 벤드관(52)이다. 헤더(3)에 가장 가까운 곳에 위치하고 있는 평활 벤드관(52) 이외의 3개의 리턴 벤드관(5)에 있어서의 평활 벤드관(52)은, 헤더(3)로부터 분기로(7)에 다다를 때 헤더(3)로부터 가장 먼 곳에 위치하고 있다. 헤더(3)에 가장 가까운 곳에 위치하고 있는 평활 벤드관(52) 이외의 3개의 리턴 벤드관(5) 중, 적어도 1개의 리턴 벤드관(5)이 홈이 있는 벤드관(51)이면, 그 홈이 있는 벤드관(51) 이외의 리턴 벤드관(5)은, 홈이 있는 벤드관(51)이어도 되고, 평활 벤드관(52)이어도 된다. 홈이 있는 벤드관(51) 이외의 리턴 벤드관(5)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51) 및 평활 벤드관(52)의 개수 및 위치는 임의로 설정할 수 있다.
또, 리턴 벤드관(5) 중 헤더(3)측에 위치하는 1개 또는 복수의 리턴 벤드관(5)(즉, 리턴 벤드관을 헤더(3)측으로부터 세었을 때의 1번째에서 n(n은 자연수) 번째까지의 리턴 벤드관(5))은 평활한 내주면을 갖는 평활 벤드관(52)이며, 나머지 리턴 벤드관(5)은 상술한 홈이 있는 벤드관(51)이다. 각 분기로(7)에 있어서의 평활 벤드관(52)과 홈이 있는 벤드관(51)의 비율은, 분기로(7) 내의 냉매의 건조도에 따라서 결정된다. 예를 들면, 냉매의 건조도가 0.8 이하인 영역에는 홈이 있는 벤드관(51)을 이용하고, 냉매의 건조도가 0.8보다 큰 영역에는 평활 벤드관(52)을 이용한다.
다음에, 리턴 벤드관(5)의 효과에 대해서 설명한다. 도 3은, 공기 조화 장치에 있어서의 열교환기(1A)의 실사용 범위의 일례를 나타내고 있다. 난방 운전시에 열교환기(1A)를 증발기로서 사용한 경우, 상술한 바와 같이, 냉매 유로(10)의 입구측의 주 유로(6)에서는 냉매의 유량이 크고, 냉매 유로(10)의 출구측의 각 분기로(7)에서는 냉매의 유량이 작다.
우선, 냉매의 유량이 작은 각 분기로(7)에 있어서의 리턴 벤드관(5)의 효과에 대해서 설명한다.
냉매는 기액 2상 상태로 각 분기로(7)에 유입되고, 대기중의 공기로부터 열을 수열함으로써 냉매중의 액상이 서서히 기화한다. 이 때문에, 냉매의 건조도는 상류에서 하류를 향해서 커져 간다. 일반적으로, 기액 2상 냉매가 헤어핀관을 지날 때, 액상의 양이 많을수록 선회류가 형성되기 쉽다. 각 분기로(7)의 상류측에서는 건조도가 작기 때문에, 액상의 양이 많아져 선회류가 형성되기 쉽다. 이 때문에, 각 분기로(7)의 제1단에서부터 잠시 하류를 향한 선회류가 형성되기 쉬운 상류측 영역에서는 리턴 벤드관(5)에 홈이 있는 벤드관(51)을 사용한다. 평활 벤드관(52)을 사용한 경우, 선회류가 리턴 벤드관(5)에서 흐트러진 후에 헤어핀관(4) 내에서 재형성될 때까지, 어느 정도의 관 길이(선회류 재형성 구간)가 필요하게 된다. 이에 대해, 홈이 있는 벤드관(51)을 사용한 경우, 리턴 벤드관(5) 직후에 있어서의 선회류 재형성 구간을 비교적 짧게 할 수 있기 때문에, 헤어핀관(4)의 내벽면인 전열면을 보다 유효하게 사용할 수 있어, 열교환 능력을 증대시킬 수 있다. 한편, 각 분기로(7)의 하류측에서는 건조도가 크기 때문에, 액상의 양은 적어져, 선회류는 형성되기 어렵다. 이 때문에, 각 분기로(7)의 제2단에서부터 잠시 상류를 향한 선회류가 형성되기 어려운 하류측 영역에서는 평활 벤드관(52)을 사용한다. 이에 의해, 하류측 영역에 홈이 있는 벤드관(51)을 사용한 경우에 비해 냉매의 압력 손실을 저감시킬 수 있다. 이에 의해, 압축기의 흡입 압력을 상승시킬 수 있어 냉동 사이클 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
다음에, 냉매의 유량이 큰 주 유로(6)에 있어서의 리턴 벤드관(5)의 효과에 대해서 설명한다.
주 유로(6)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이는, 분기로(7)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이보다도 얕은 것이 바람직하다. 주 유로(6)에서는, 냉매의 유량이 클 뿐만 아니라, 냉매의 건조도가 매우 작다. 즉, 액상의 양이 많기 때문에, 선회류가 형성되기 쉽다. 그래서, 비교적 홈이 얕은 홈이 있는 벤드관(51)을 사용함으로써, 선회류를 유지하면서 압력 손실의 증대를 억제할 수 있다.
단, 제조시의 작업성을 고려하여 열교환기(1A)의 구성부품의 종류를 적게 한다는 관점에서는, 주 유로(6)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이는, 분기로(7)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이와 같아도 된다.
혹은, 주 유로(6)에서는 홈이 있는 벤드관(51) 대신에 평활 벤드관(52)을 사용해도 된다. 도 1e에 나타낸 바와 같이, 주 유로(6)에 있어서의 리턴 벤드관(5)은, 평활한 내주면을 갖는 평활 벤드관(52)이어도 된다. 또, 도 1f에 나타낸 바와 같이, 주 유로(6)의 리턴 벤드관(5) 중 헤더(3)로부터 분기로(7)를 통해 주 유로(6)에 다다를 때 헤더(3)로부터 가장 먼 곳에 위치하는 리턴 벤드관(5)은 평활한 내주면을 갖는 평활 벤드관(52)이어도 된다. 혹은, 주 유로(6)의 모든 리턴 벤드관(5)은 평활한 내주면을 갖는 평활 벤드관(52)이어도 된다. 이 경우, 홈이 있는 벤드관(51)을 사용하여 보다 선회류를 재형성하기 쉽게 하는 것보다, 평활 벤드관(52)을 사용하여 압력 손실을 저감시키는 것이 냉동 사이클 장치 전체적으로는 성능이 향상된다.
<변형예>
주 유로(6)는, 반드시 적어도 2개의 헤어핀관(4)을 포함할 필요는 없고, 헤어핀관(4)을 1개만 포함하고 있어도 된다. 또, 주 유로(6)는, 반드시 헤어핀관(4)을 포함하고 있을 필요는 없고, 핀(2)을 1회만 관통하도록 스트레이트관으로 구성되어 있어도 된다.
(제2 실시형태)
다음에, 도 4a를 참조하여, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 핀 튜브형 열교환기(1C)를 설명한다. 또한, 본 실시형태에서는, 제1 실시형태와 동일 구성 부분에는 동일 부호를 부여해, 그 설명을 생략하는 경우가 있다. 또한, 도 4a에서는, 주 유로(6)의 입구(또는 출구)가 상측에 배치되어 있었는데, 도 4b에 나타낸 바와 같이, 주 유로(6)의 출구(또는 입구)를 하측에 배치해도 된다. 도 4b의 핀 튜브형 열교환기(1D)에서는, 냉방 운전시의 냉매가 흐르는 방향을 화살표로 나타내고 있다.
본 실시형태에서는, 주 유로(6)와 분기로(7) 사이에 복수의 중계로(8)가 설치되어 있으며, 각 분기로(7)의 제1단이 주 유로(6)의 제2단에 중계로(8)를 통해 접속되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 냉매 유로가 2단으로 분기하는 패스 구성을 갖고 있다. 또한, 냉매 유로가 3단 이상으로 분기하도록, 중계로(8) 중 몇 개 혹은 전부가 더 분기하고 있어도 된다.
예를 들면, 중계로(8)의 수는 3개, 분기로(7)의 수는 6개이다. 이 경우, 모든 중계로(8)의 제1단이 주 유로(6)의 제2단에 접속되고, 각 중계로(8)의 제2단에 2개의 분기로(7)의 제1단이 접속된다.
각 중계로(8)는, 1개의 헤어핀관(4)만을 포함하고 있으며, 핀(2)을 2회 관통하고 있어도 된다. 또한, 각 중계로(8)는, 적어도 2개의 헤어핀관(4)과, 헤어핀관(4)의 단부들을 연결하는 리턴 벤드관(5)을 포함하고, 핀(2)을 4회 이상 관통하고 있어도 된다. 이 경우, 각 중계로(8)에 있어서의 리턴 벤드관(5)으로서, 홈이 있는 벤드관(51)을 이용하는 것이 바람직하다. 중계로(8)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이는, 분기로(7)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이와 같아도 되고, 분기로(7)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이보다도 얕은 것이 바람직하다.
또한, 주 유로(6)는, 적어도 2개의 헤어핀관(4)와 헤어핀관(4)의 단부들을 연결하는 리턴 벤드관(5)을 포함하고, 핀(2)을 4회 이상 관통하고 있어도 된다. 각 중계로(8)에 있어서의 리턴 벤드관(5)에 홈이 있는 벤드관(51)을 이용할 때, 중계로(8)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이가 분기로(7)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이와 같은 경우에는, 주 유로(6)에 있어서의 리턴 벤드관(5)으로서, 홈의 깊이가 분기로(7)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이와 같거나 또는 그보다도 얕은 홈이 있는 벤드관(51)을 이용하는 것이 바람직하다. 혹은, 중계로(8)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이가 분기로(7)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이보다도 얕은 경우에는, 주 유로(6)에 있어서의 리턴 벤드관(5)으로서, 홈의 깊이가 분기로(7)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이보다도 얕고, 한편, 중계로(8)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이와 같은 홈이 있는 벤드관(51)을 이용해도 되고, 평활 벤드관(52)을 이용해도 된다.
혹은, 주 유로(6)에 있어서의 리턴 벤드관으로서 평활 벤드관(52)을 이용하는 경우에는, 각 중계로(8)에 있어서의 리턴 벤드관(5)의 상류측으로부터 몇 개이거나 또는 전부가 평활 벤드관(52)이어도 된다.
다음에, 주 유로(6)에 평활 벤드관(52)을 이용하여, 각 중계로(8)에 홈의 깊이가 분기로(7)에 있어서의 홈이 있는 벤드관(51)의 홈의 깊이보다도 얕은 홈이 있는 벤드관(51)을 이용한 특수 구성을 채용했을 때의 효과를 설명한다.
특수 구성에 있어서는, 홈이 있는 벤드관(51) 사용부에 있어서 상이한 2종류의 홈 형상을 구분하여 사용하고 있다. 이것은, 각 중계로(8)를 흐르는 냉매의 유량이 각 분기로(7)를 흐르는 냉매의 유량의 2배 이상이므로, 선회류가 형성되기 쉽다는 것에 차이가 있으며, 유동 양상에 맞추어 홈이 있는 벤드관(51)의 홈 형상을 바꾸는 것이 바람직하기 때문이다. 홈이 있는 벤드관(51)을 2종류 구분하여 사용함으로써 열교환 능력을 최대한 증대시킬 수 있음과 더불어, 가능한 한 압력 손실의 증가를 막을 수 있다. 구체적으로는, 중계로(8)에 있어서는 선회류가 분기로(7)보다도 용이하게 형성되므로, 비교적 홈이 얕은 홈이 있는 벤드관(51)을 사용함으로써 선회류를 어느 정도 유지하면서도 압력 손실의 증가를 방지한다. 분기로(7)에 있어서는 선회류의 형성이 중계로(8)보다도 어려워지기 때문에, 비교적 홈이 깊은 홈이 있는 벤드관(51)을 사용함으로써, 선회류를 유지해, 열교환 능력을 증대시킨다. 특수 구성과 같이, 평활 벤드관(52) 및 홈 형상이 상이한 2종류의 홈이 있는 벤드관(51)을 유동 양상에 따라 최적 배치함으로써, 냉동 사이클 장치의 성능을 현저하게 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

  1. 병렬된 복수의 핀과,
    상기 복수의 핀을 관통하는 복수의 분기로와,
    상기 복수의 분기로의 각각의 일단이 접속된 헤더를 구비하고,
    상기 복수의 분기로의 각각은, 내주면에 복수의 나선형의 홈이 형성된 복수의 헤어핀관, 및 상기 헤어핀관의 단부들을 연결하는 복수의 리턴 벤드관을 포함하고,
    상기 복수의 분기로의 각각에 있어서의 상기 복수의 리턴 벤드관은, 평활한 내주면을 갖는 평활 벤드관과, 복수의 나선형의 홈이 형성된 내주면을 갖는 홈이 있는 벤드관을 포함하고,
    상기 평활 벤드관은, 상기 헤더로부터 상기 분기로에 다다를 때 상기 헤더에 가장 가까운 곳에 위치하고 있는, 핀 튜브형 열교환기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 분기로의 각각의 타단이 직접적으로 또는 복수의 중계로를 통해 접속된 주 유로를 더 구비하고,
    상기 주 유로는, 상기 복수의 핀을 관통하고 있으며, 내주면에 복수의 나선형의 홈이 형성된 복수의 헤어핀관, 및 상기 헤어핀관의 단부들을 연결하는 복수의 리턴 벤드관을 포함하고,
    상기 주 유로에 있어서의 상기 복수의 리턴 벤드관은, 평활한 내주면을 갖는 평활 벤드관과, 복수의 나선형의 홈이 형성된 내주면을 갖는 홈이 있는 벤드관을 포함하고,
    상기 평활 벤드관은, 상기 헤더로부터 상기 분기로를 통해 상기 주 유로에 다다를 때 상기 헤더로부터 가장 먼 곳에 위치하고 있는, 핀 튜브형 열교환기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 주 유로에 있어서의 상기 홈이 있는 벤드관의 홈의 깊이는, 상기 분기로에 있어서의 상기 홈이 있는 벤드관의 홈의 깊이보다도 얕은, 핀 튜브형 열교환기.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 중계로는, 상기 복수의 핀을 관통하고 있으며, 내주면에 복수의 나선형의 홈이 형성된 복수의 헤어핀관, 및 상기 헤어핀관의 단부들을 연결하는 리턴 벤드관을 포함하고,
    상기 중계로에 있어서의 상기 리턴 벤드관은, 복수의 나선형의 홈이 형성된 내주면을 갖는 홈이 있는 벤드관이며,
    상기 중계로에 있어서의 상기 홈이 있는 벤드관의 홈의 깊이는, 상기 분기로에 있어서의 상기 홈이 있는 벤드관의 홈의 깊이보다도 얕은, 핀 튜브형 열교환기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 분기로의 각각의 타단이 직접적으로 또는 복수의 중계로를 통해 접속된 주 유로를 더 구비하고,
    상기 주 유로는, 상기 복수의 핀을 관통하고 있으며, 내주면에 복수의 나선형의 홈이 형성된 복수의 헤어핀관, 및 상기 헤어핀관의 단부들을 연결하는 리턴 벤드관을 포함하고,
    상기 주 유로에 있어서의 상기 리턴 벤드관은 평활한 내주면을 갖는 평활 벤드관인, 핀 튜브형 열교환기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 분기로의 상기 헤어핀관은 적어도 3개로 구성되는, 핀 튜브형 열교환기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈이 있는 벤드관의 홈의 리드각은, 상기 헤어핀관의 내주면에 형성된 홈의 리드각과 동일하거나 그 미만인, 핀 튜브형 열교환기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈이 있는 벤드관의 홈의 깊이는, 상기 헤어핀관의 내주면에 형성된 홈의 깊이보다도 얕은, 핀 튜브형 열교환기.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈이 있는 벤드관의 관축 직교 단면의 홈수는, 상기 헤어핀관의 관축 직교 단면의 홈수 이상인, 핀 튜브형 열교환기.
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