KR20150051136A

KR20150051136A - 냉매의 개선된 분주를 위한 하이브리드 팽창 장치를 구비한 증발기

Info

Publication number: KR20150051136A
Application number: KR1020140115206A
Authority: KR
Inventors: 소우라브 초우드허리; 프라사드 시리파드 캐들; 캐리 엠. 코우스키
Original assignee: 델피 테크놀로지스 인코포레이티드
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2015-05-11
Also published as: CN104613680B; EP2869018B1; CN204154032U; EP2869018A1; US20150121950A1; US9568225B2; CN104613680A

Abstract

냉매 관(106)을 가로질러 냉매를 분주시키도록 구성되는 하이브리드 팽창 장치(200)를 구비하는 차량 증발기(100) 열 교환기가 제공된다. 하이브리드 팽창 장치(200)는 제1단 냉매 압력 강하 장치(202)와 제2단 냉매 압력 강하 장치(204)를 포함한다. 제1단 냉매 압력 강하 장치(202)는 액상 냉매를 수용하여 그것을 2상 냉매의 제1 혼합물로 팽창시키도록 구성되는 TXV(202)이고, 제2단 냉매 압력 강하 장치(204)는 2상 냉매의 제1 혼합물을 2상 냉매의 제2 혼합물로 팽창시키도록 구성되는, 입구 매니폴드(102) 내에서 연장되는 관이다. 관(204)은 복수의 오리피스(206)와, 냉매 유동에 대한 저항을 방지하기에 충분히 크지만 2상 냉매 유동의 제1 혼합물이 액체 및 증기 층들로 분리되지 않도록 방지하기에 충분히 작은 관 직경을 포함한다.

Description

냉매의 개선된 분주를 위한 하이브리드 팽창 장치를 구비한 증발기{EVAPORATOR HAVING A HYBRID EXPANSION DEVICE FOR IMPROVED ALIQUOTING OF REFRIGERANT}

본 발명은 차량 증발기(automotive evaporator)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 증발기의 냉매 관을 통해 냉매를 분주(aliquoting)시키기 위한 냉매 팽창 장치에 관한 것이다.

차량을 위한 공조 시스템은 전형적으로 조화 공기를 객실에 공급하기 위한 난방, 환기 및 공조(heating, ventilation, and air-conditioning, HVAC) 모듈 내에 위치되는 증발기, 증발기의 상류에 위치되는 팽창 장치, 엔진실 전방에서 팽창 장치의 상류에 위치되는 응축기, 및 응축기의 상류에서 엔진실 내에 위치되는 압축기를 구비한 냉매 루프를 포함한다. 전술된 구성요소들은 폐쇄 냉매 루프 내에서 직렬로 수력학적으로 연결된다.

압축기는 냉매를 압축시키고 폐쇄 냉매 루프를 통해 순환시킨다. 증발기의 입구로부터 시작하여, 액체 및 증기의 혼합물을 갖는 저압 2상 냉매가 증발기로 들어가고, 증발기의 냉매 관을 통해 유동하며, 거기에서 이는 유입 공기 스트림으로부터 열을 흡수함으로써 저압 증기 냉매로 팽창된다. 저압 증기 냉매는 이어서 증발기의 출구를 빠져나가고, 압축기로 들어가며, 거기에서 이는 고압 고온 증기로 압축된다. 고압 증기 냉매는 이어서 응축기를 통해 유동하고, 거기에서 이는 열을 차량 밖의 외기로 방출함으로써 고압 액체 냉매로 응축된다. 응축된 고압 액체 냉매는, 사이클을 반복하기 위해 고압 액체 냉매를 액체-증기 냉매의 저압 혼합물로 팽창시키는 팽창 장치를 통해 증발기로 귀환된다.

종래의 증발기는 입구 매니폴드(manifold), 출구 매니폴드, 및 매니폴드를 수력학적으로 연결하는 복수의 냉매 관을 포함한다. 또한, 입구 매니폴드와 출구 매니폴드 사이에, 귀환 매니폴드와 같은 하나 이상의 중간 매니폴드가 있을 수 있다. 전형적으로 R-134a 냉매의 경우 25 내지 300 kg/hr의 범위 내인, 증발기를 통한 냉매의 유량은 주로 분당 회전수(rpm)로 측정되는 차량의 엔진의 회전 속도에 의존한다. 이는 압축기가 액세서리 벨트를 통해 엔진에 의해 직접 구동되는 것의 결과이며; 따라서, 압축기 속도는 엔진 rpm에 따라 변한다.

공기 스트림의 균일한 냉각을 제공하기 위해 2상 냉매를 증발기의 냉매 관으로 동일한 비율로 나누어 분주시킬 수 있는 것이 바람직하다. 2상 냉매가 비교적 고속으로 입구 매니폴드로 들어가면, 냉매의 액상이 유동의 운동량에 의해 입구 매니폴드의 입구로부터 입구 매니폴드의 원위 단부 쪽으로 더욱 멀리 운반된다. 따라서, 입구 매니폴드 입구에 가장 가까운 냉매 관은 주로 기상을 수용하고, 입구 매니폴드의 원위 단부 부근의 냉매 관은 주로 액상을 수용한다. 반면에, 2상 냉매가 비교적 저속으로 입구 매니폴드로 들어가면, 입구 매니폴드 입구에 가장 가까운 냉매 관은 주로 액상을 수용하고, 입구 매니폴드의 원위 단부 부근의 냉매 관은 주로 기상을 수용한다. 이는 그러한 것이 체적 분율에 비해 냉매의 질량 분율과 관련되기 때문에 특히 그러하다. 어느 경우든, 이는 냉매 관을 통해 유동하는 냉매의 잘못된 분주(misaliquoting)를 초래하여, 증발기의 열전달 효율의 저하를 야기한다.

액체 냉매의 잘못된 분주의 바람직하지 않은 영향은 증발기로부터 나오는 공기의 온도 맵의 기울어짐(skewing)이다. 높은 냉매 유속에서, 입구 매니폴드의 원위 단부에 있는 냉매 관을 가로지른 공기 스트림의 온도는 입구 부근의 관을 가로지른 공기 스트림의 온도에 비해 더 낮다. 낮은 유속에서는 이것이 역전된다. 출구 공기의 온도의 기울어짐과 변화 패턴은 바람직하지 않다. 첫째, 그것은 비효율적인 열전달 과정을 가리킨다. 둘째, 그것은 온도 센서를 증발기의 하류 면 상에 적절히 위치시키는 것을 막는다. 이러한 온도 센서는 공기의 최저 온도를 측정하도록 의도되고, 이 센서는 설정 최소 온도에 도달한 때 고정 변위 압축기를 정지시킴으로써 이를 제어하여, 압축기가 손상되지 않도록 보호한다. 냉매 유속에 따라 변하는, 결과적으로 초래된 불균일 온도 패턴은 HVAC 모듈 밖의 환기 온도의 고른 균형을 유지시키는 데 어려움을 초래한다. 소정의 경우에서, 좌측 및 우측 환기 온도의 이러한 불균형은 차량 승객에게 인지가능한 불편함을 초래한다.

본질적으로 변화하는 엔진 속도에 의해 유발되는 냉매 유속의 변화에도 불구하고, 입구 매니폴드에서의 냉매 유동의 냉매 관으로의 분주를 조절하고 출구 공기의 온도의 고른 패턴을 유지시키는 장치가 필요하다.

간단히 말하면, 본 발명의 일 태양은 하이브리드 팽창 장치(hybrid expansion device, HED)를 구비한 차량 증발기 열 교환기이다. 증발기는 매니폴드 축(A)을 따라 연장되는 내부 챔버를 한정하는 긴 입구 매니폴드와 내부 챔버 내로 연장되는 복수의 냉매 관을 포함한다. HED는 액상 냉매를 수용하여 그것을 2상 냉매의 제1 혼합물로 팽창시키도록 구성되는 제1단 냉매 압력 강하 장치와, 입구 매니폴드 내에 배치되는 그리고 2상 냉매의 제1 혼합물을 수용하여 그것을 2상 냉매의 제2 혼합물로 팽창시키고 2상 냉매의 제2 혼합물을 복수의 냉매 관의 개방 단부에 분주시키도록 구성되는 제2단 냉매 압력 강하 장치를 포함한다.

제1단 냉매 압력 강하 장치는 액상 냉매를 수용하여 그것을 약 75 내지 85 질량% 액상을 갖는 2상 냉매의 제1 혼합물로 팽창시키도록 구성되는 TXV이다. 제2단 냉매 압력 강하 장치는 2상 냉매의 제1 혼합물을 약 65 내지 75 질량% 액상을 갖는 2상 냉매의 제2 혼합물로 팽창시키도록 구성되는 복수의 오리피스를 구비한 관이다. EOT의 내경의 바람직한 범위는 그 범위가 할당된 양보다 적은 냉매가 EOT의 원위 단부(216)로 유동할 수 있는 냉매 유동에 대한 저항을 방지하기에 충분히 커야 하지만, 유입하는 2상 냉매 유동의 제1 혼합물이 액체 및 증기 층들로 분리되지 않도록 방지하기에 충분히 작아야 하는 것이다.

HED를 구비한 증발기는 단지 종래의 오리피스 관만을 구비한 증발기에 비해 17%의 에너지 절감을 달성한다. HED를 구비한 증발기는 또한 무-노이즈(noise-free)의 균일한 온도 분포와, 변화하는 엔진 rpm에 상응하는 급속한 천이 냉매 유동을 제공한다. HED를 구비한 증발기의 다른 이점은 그것이 압력 강하를 추가하는 그리고 공조 시스템의 성능을 감소시키는 어큐뮬레이터/디하이드레이터(Accumulator/Dehydrator, A/D)의 필요성을 없앤다는 것이다. 압축기로의 흡입 라인에서 매 1 psi (6.9 kPa)의 압력 강하는 거의 0.75℉ (-17.36℃)만큼의 공기 출구 온도의 증가를 유발한다. A/D는 전통적으로 높은 유동에서 약 3 psi (20.7 kPa)의 압력 강하를 추가한다.

이하에 설명되는 도면에 바람직한 실시예가 도시되지만; 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 그에 대해 다양한 다른 변경과 대안적인 설계 및 구성이 이루어질 수 있다.

도 1은 하이브리드 팽창 장치를 구비한 공조 시스템의 개략도.
도 2는 하이브리드 팽창 장치를 구비한 예시적인 증발기를 도시하는 도면.
도 3은 도 2에 도시된 증발기의 입구 매니폴드의 단면도.
도 4는 도 3의 전열 촉진 오리피스 관의 단면도.
도 5는 냉매의 액체 제적 분율과 증기 체적 분율 사이의 관계를 도시한 그래프.

압축기(14), 응축기(16) 및 증발기(100)를 직렬로 수력학적으로 연결하는 폐쇄 냉매 루프(12)를 구비한 공조 시스템(10)의 개략도가 도 1에 도시된다. 증발기(100)는 압축기(14) 속도의 변화에 의해 유발되는 모든 작동 냉매 유속에 대해 증발기(100)를 통한 균일한 냉매 분주를 제공하도록 구성되는 하이브리드 팽창 장치(hybrid expansion device, HED)(200)를 포함한다. HED(200)는 온도 조절 팽창 밸브(Thermostatic Expansion Valve, TXV)(202)와 같은 제1단 냉매 압력 강하 장치(202)와 전열 촉진 오리피스 관(enhanced orifice tube, EOT)(204)과 같은 제2단 냉매 압력 강하 장치(204)를 포함한다.

본 발명의 HED(200)를 구비한 예시적인 증발기(100)가 도 2 및 도 3에 도시된다. 증발기(100)는 입구 매니폴드(102), 출구 매니폴드(104), 및 입구 매니폴드(102)로부터 출구 매니폴드(104)로의 냉매 유동을 위해 매니폴드(102, 104)를 수력학적으로 연결하는 복수의 냉매 관(106)을 포함한다. 각각의 냉매 관(106)은 그들 사이에서의 냉매 유동을 위한 U자형 경로를 한정하여, 입구 매니폴드(102)와 출구 매니폴드(104)가 나란한 병렬 배열로 배치될 수 있게 한다. 증발기(100)는 또한 입구 및 출구 매니폴드(102, 104)와 수력학적으로 연결되는 그리고 그들로부터 이격되는 귀환 매니폴드(105)를 포함할 수 있다. 냉매 관(106)의 입구 개방 단부(107)가 입구 매니폴드(102)로부터 냉매 관(106)으로의 냉매 유동을 위해 입구 매니폴드(102)를 따라 위치되는 관 슬롯(tube slot)(109)을 통해 삽입된다. 입구 매니폴드(102)와 출구 매니폴드(104)는 중력의 방향에 관하여 냉매 관(106) 위에 도시되어 있다. 냉매와 외기의 스트림 사이의 열교환을 촉진시키기 위해 복수의 핀(108)이 냉매 관들(106) 사이에 배치된다. 냉매 관(106)과 핀(108)은 열 전도성 재료, 바람직하게는 알루미늄 합금으로 형성되고, 매니폴드(102, 104) 상에 조립되며, 증발기 열 교환기 조립체 내에 납접된다.

매니폴드 축(A)을 따라 연장되는 증발기(100)의 입구 매니폴드(102)의 단면도가 도 3에 도시된다. 입구 매니폴드(102)는 증발기(100)의 냉매 관(106)을 가로지르는 냉매 분주를 개선하기 위해 상류의 제1단 냉매 압력 강하 장치(202)와 협동하도록 구성되는 제2단 냉매 압력 강하 장치(204)를 수용하기 위한 입구 포트(port)(110)를 포함한다. 제1단 냉매 압력 강하 장치(202)는 응축기로부터의 액체 냉매를 2상 냉매의 제1 혼합물로 팽창시키고, 제2단 냉매 압력 강하 장치(204)는 제1 혼합물을 2상 냉매의 제2 혼합물로 팽창시킨다.

제2단 냉매 압력 강하 장치(204)는 입구 매니폴드(102)에 의해 한정되는 내부 챔버(103) 내에 배치되는, 실질적으로 내부 챔버(103)의 길이를 따라 그리고 실질적으로 매니폴드 축(A)과 평행하게 연장되는 EOT(204)인 장치일 수 있다. EOT(204)는 입구 단부(214), 입구 단부(214)의 대향하는 것인 막힌(blind) 원위 단부(216), 및 단부들 사이의 복수의 오리피스(206)를 포함한다. 입구 단부(214)는 상류 제1단 냉매 압력 강하 장치(202)와 직접 수력학적으로 연결된다. 막힌 원위 단부(216)는 전형적으로 이를 입구 매니폴드(102)의 단부 캡(117) 내에 포획시킴으로써 장착된다. 복수의 오리피스(206)는 매니폴드 축(A)에 평행한 선형 어레이(linear array)로 배열될 수 있고, 냉매 관(106)의 입구 개방 단부(107)로부터 멀어지게, 바람직하게는 입구 개방 단부(107)로부터 180도로 멀어지게 그리고 중력의 반대 방향으로 배향될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 차량 내의 위치는 매니폴드(102, 104)가 위에 있고, 귀환 매니폴드(105)가 아래에 있으며, 증발기 면(112)이 지면에 실질적으로 수직하다. 증발기 면(112)이 수직으로부터 최대 60^o까지 지면을 향해 경사지는 경우에, EOT(204)의 오리피스(206)가 중력 방향과 실질적으로 반대인 것이 여전히 바람직하다.

도 1에 도시된 제1단 냉매 압력 강하 장치(202)는 오리피스 관이 없는 조화 시스템을 위한 종래의 TXV의 압력 강하의 장치보다 낮은 압력 강하에서 작동하도록 구성되는 저 압력 강하 TXV(LP-TXV)(202)인 장치일 수 있다. HED(200)는 2단 총 압력 강하를 제공하며, 여기서 총 압력 강하는 LP-TXV(202)와 EOT(204) 사이에 할당되고, 종래의 TXV의 압력 강하에 상당한다. 놀랍게도, 함께 작동하는 LP-TXV와 EOT에 의해 제공되는 제어된 2단 압력 강하가 증발기(100)의 냉매 관(106)을 통한 냉매의 개선된 분주의 결과를 생성하는 것으로 밝혀졌다.

LP-TXV(202)는 2상 냉매의 제1 혼합물을 EOT(204)에 제공하도록 구성된다. EOT(204)는 보유 및 팽창 장치의 역할을 하며, 여기서 이는 2상 냉매의 제1 혼합물을, 2상 냉매의 제2 혼합물로서 오리피스(206)를 통해 배출되기 전에 유입 혼합물의 액체 부분이 EOT(204)의 내부 체적을 실질적으로 충전할 때까지 보유하고 축적하여, 냉매 관(106)을 가로질러 냉매를 분주시킨다. 도 3을 참조하면, LP-TXV(202)의 바로 하류에 있는 HED의 점 X에 대해, 2상 냉매의 제1 혼합물은 75%의 액체 질량 분율과 단지 8.9%의 대응하는 액체 체적 분율을 갖는다. 여기서, EOT(204)의 체적의 단지 8.9%만이 액체에 의해 점유되고, 나머지 90.1% 체적은 증기에 의해 점유된다. 전형적인 증발기 입구 압력과 온도에서 냉매 R134a에 대한 냉매의 액체 질량 분율과 대응하는 액체 체적 및 증기 체적 분율을 도시한 차트 및 그래프가 각각 아래의 표 1과 도 5에 도시된다.

액체 질량 분율	액체 체적 분율	증기 체적 분율
(kg/kg) %	(m^3/m^3) %	(m^3/m^3) %
60	4.7	95.3
65	5.7	94.3
70	7.1	92.9
75	8.9	91.1
80	11.5	88.5
85	15.6	84.4
90	22.6	77.4
95	38.2	61.8
97	51.3	48.7
98	61.4	38.6
99	76.3	23.7
100	100.0	0.0

여전히 도 3을 참조하면, 점 Y에 대해, 2상 냉매의 제1 혼합물이 EOT(204)의 내부에 동일 상태로 체류하도록 허용되면, 이번에도 EOT(204)의 체적의 약 90%가 증기로 점유될 것이다. 그러한 경우에, 일부 오리피스에서 그들 밖으로 단지 증기만이 유동하여 매우 바람직하지 않은 히스 노이즈(hiss noise)를 초래할 수 있는 것이 단점이다. 그러나, 실제로는, EOT(204) 내부의 가라 앉아 있는 액체(sitting liquid)로 인해, 사실상 액체의 체적 분율은 입구에서보다 EOT 내부에서 더욱 크다. EOT 내부에서의 효과적인 액체 체적 분율에 대한 추정치는 약 50%이며, 이는 97%의 액체 질량 분율에 해당한다. 액체의 이러한 높은 비율(질량 기준 그리고 또한 체적 기준)은 액체 입자가 각각의 오리피스 밖으로 방출되는 것을 보장하여, 증기 내에 생성되는 음압파를 붕괴시키며; 따라서, 이는 히스 노이즈 발생을 방지한다. 또한, 액체의 이러한 높은 비율은 분주 과정이 달성될 것을 보장한다. 따라서, 여기에서의 아이디어는 제1단 혼합물이 유입된 후, 그것이 가라 앉아 있는 액체와 추가로 혼합되어, EOT-내부 액체 질량 분율이 상당히 증가하게 하는 EOT(204)의 내경을 갖는 것이다. 그러나, EOT 직경은 액체로부터 증기의 분리를 초래할 정도로 크지 않아야 하며, 바꾸어 말하면, 혼합물은 EOT 내부의 가라 앉아 있는 액체와 혼합된 후에도 혼합물로서 유지되어야 한다.

여전히 도 3을 참조하면, 대략 점 Z에서, 일단 냉매가 오리피스(206)를 빠져나갔으면, 그것은 2상 냉매의 제2 혼합물이라고 한다. 이 상태에서, 대략 65%인 액체 질량 분율은 분주가 이미 일어났고 각각의 냉매 관이 대략 동일한 양의 액체 및 증기를 공급받고 있기 때문에 그다지 중요하지 않다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상당히 높은 액체 체적 분율의 냉매가 EOT(204)에 바람직한데, 왜냐하면 액체 냉매가 상당히 높은 증기 체적 분율을 갖는 냉매보다 냉매 관(106)에 분주하기에 더욱 쉽기 때문이다. LP-TXV(202)로부터 EOT(204) 내로 빠져나가는 2상 냉매의 제1 혼합물이 액상(L) 내에 분산된 증기포(vapor bubble, V)를 갖는 액상(L)으로 대략 75 내지 85 질량%이도록 LP-TXV가 제1단 압력 강하를 제공하도록 구성되는 것이 바람직하다. EOT(204)의 오리피스(206)로부터 매니폴드(100) 내로 유동하는 2상 냉매의 제2 혼합물이 액상으로 대략 65 내지 75 질량%이도록 EOT(204)가 직경, 오리피스 크기 및 오리피스 간격을 변화시킴으로써 제2단 압력 강하를 제공하도록 구성되는 것이 바람직하다. 또한, EOT(204)의 직경, 오리피스 크기 및 오리피스 간격이 EOT(204)의 단면적의 99% 이상을 점유하는 냉매의 액상을 보유하도록 크기설정되는 것이 바람직하다.

EOT(204)의 길이 및 내경은 냉매의 축방향 유동에 대한 저항을 결정하고, 그와 관련되는 압력 강하를 갖는다. 유사하게, 오리피스의 수와 직경에 의해 한정되는 오리피스 어레이의 설계가 또한 그와 관련되는 압력 강하를 결정한다. EOT(204) 내부에서 입구 단부(214)로부터 원위 단부(216)로 축방향으로의 유동의 압력 강하는 모든 유속에서의 효과적인 제어를 위해 EOT(204)에 걸친 총 압력 강하의 대략 5% 내지 10%이어야 한다.

EOT(204)에 대해, 각각의 오리피스(206) 및 그와 상류 오리피스 사이의 EOT의 세그먼트는 짧은 오리피스 관으로서 기능한다. 따라서, EOT(204)는 단부와 단부가 연결되는 일련의 다수의 짧은 오리피스 관으로 고려될 수 있다. 이는 그를 통해 전체 유동을 취급하는 종래의 단일체 오리피스 관과 EOT(204)가 어떻게 상이한지를 나타낸다. 총 냉매 유동을 이들 짧은 오리피스 관에 동일하게 할당함으로써, 균일한 냉매 분주가 달성된다.

EOT의 내경의 바람직한 범위는 그 범위가 할당된 양보다 적은 냉매가 EOT의 원위 단부(216)로 유동할 수 있는 냉매 유동에 대한 저항을 방지하기에 충분히 커야 하지만, 유입하는 2상 냉매 유동의 제1 혼합물이 액체 및 증기 층들로 분리되지 않도록 방지하기에 충분히 작아야 하는 것이다.

오리피스들의 어레이의 바람직한 배향은 오리피스가 중력의 방향으로부터 멀어지게 상향으로 배향되는 것이다. 오리피스들(206)의 어레이를 중력의 방향에 관하여 측방향 또는 하향이 아닌 실질적으로 상향으로 배향하는 것이 바람직하다. 오리피스(206)가 실질적으로 하향으로 배향되면, 액상 냉매가 EOT(204)로 들어간 직후에 중력의 힘을 받아 오리피스(206) 밖으로 배출될 수 있고, 입구 포트(110)에 가장 가까운 오리피스(206)가 불균형적으로 액체 냉매에 의해 혜택을 받아, 단지 소량의 액체만이 입구 포트(110)로부터 가장 멀리 떨어진 마지막 몇몇 오리피스로 유동할 것이다. 이는 낮은 냉매 유동 조건에서 특히 그러하다.

EOT(204) 내에서의 총 압력 강하는 냉매의 입구 품질의 저하를 유발하며, 이는 기체에 대한 액체의 질량 비율이 증가되어, EOT 내부에서의 분배를 돕는 것을 의미한다. EOT(204)가 없으면, 증발기(100)로 들어가는 기상에 대한 액상의 질량 비율이 더 낮아져, 냉매 관(106)을 가로지르는 냉매의 좋지 못한 분배를 초래할 것이다. 분주 메커니즘인 것 외에, EOT(204)는 따라서 교축 메커니즘(throttling mechanism)이지만, 교축은 냉매 관(106) 위의 EOT의 길이에 걸쳐 분산되는 다수의 단계로 일어난다. 따라서, 냉매 관(106)은 EOT가 없는 상황과 비교할 때 분주된 유량을 수용하고, TXV는 증발기의 입구의 상류에 존재하는 유일한 교축 장치이다.

HED(200)를 구비한 증발기(100)의 이점은 HED를 구비한 증발기가 단지 종래의 오리피스 관만을 구비한 증발기에 비해 17%의 에너지 절감을 달성한다는 것이다. 단지 TXV만을 구비한 증발기에 비해, HED(200)를 구비한 증발기(100)는 무-노이즈의 균일한 온도 분포를 제공하고, 변화하는 엔진 rpm에 상응하는 갑작스러운 천이 냉매 유동에 즉각적인 반응을 보인다. HED(200)를 구비한 증발기(100)의 다른 이점은 그것이 종래의 오리피스 관 시스템에 필요한 그리고 압력 강하를 추가하고 공조 시스템의 성능을 감소시키는, 증발기의 하류측에서의 어큐뮬레이터/디하이드레이터(A/D)의 필요성을 없앤다는 것이다. 증발기의 하류측에서 매 1 psi (6.9 kPa)의 압력 강하는 거의 0.75℉ (-17.36℃)만큼의 공기 출구 온도의 증가를 유발한다. A/D는 전통적으로 높은 유동에서 약 3 psi (20.7 kPa)의 압력 강하를 추가한다.

본 발명이 그 바람직한 실시예에 관하여 기술되었지만, 본 발명은 그와 같이 제한되도록 의도되는 것이 아니라, 오히려 하기의 특허청구범위에 기재된 정도로만 제한되도록 의도된다.

Claims

차량 증발기(100) 열 교환기로서,
내부 챔버(103)를 한정하고 입구 포트(port)(110) 및 복수의 냉매 관 슬롯(refrigerant tube slot)(109)을 포함하는 입구 매니폴드(manifold)(102);
상기 복수의 관 슬롯(109) 중 대응하는 관 슬롯을 통해 연장되는 개방 단부(107)를 각각 포함하되, 상기 개방 단부들(107)이 상기 내부 챔버(103)와 수력학적으로 연통되도록 포함하는, 복수의 냉매 관(106);
하이브리드 팽창 장치(hybrid expansion device)(200)를 포함하며, 상기 하이브리드 팽창 장치는,
액상 냉매를 수용하여 그것을 2상 냉매의 제1 혼합물로 팽창시키도록 구성되는 제1단 냉매 압력 강하 장치(202);
2상 냉매의 상기 제1 혼합물을 수용하여 그것을 2상 냉매의 제2 혼합물로 팽창시키고 2상 냉매의 상기 제2 혼합물을 상기 복수의 냉매 관(106)의 상기 개방 단부들(107)에 분주(aliquot)시키도록 구성되는 제2단 냉매 압력 강하 장치(204)를 포함하는,
차량 증발기(100) 열 교환기.
제1항에 있어서, 상기 제1단 냉매 압력 강하 장치(202)는 상기 입구 포트(110)에 인접하게 위치되는, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제2항에 있어서, 상기 제2단 냉매 압력 강하 장치(204)는 상기 제1단 냉매 압력 강하 장치(202)의 하류에 수력학적으로 연결되고 상기 내부 챔버(103) 내에 배치되는, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제3항에 있어서,
상기 제1단 냉매 압력 강하 장치(202)는 액상 냉매를 약 75 내지 85 질량% 액상을 갖는 2상 냉매의 제1 혼합물로 팽창시키도록 구성되는 열 팽창 밸브(thermal expansion valve, TXV)인, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제4항에 있어서,
상기 제2단 압력 강하 장치는 상기 입구 매니폴드(102)의 상기 내부 챔버(103) 내에 배치되는 관(204)이고, 입구 단부(214), 상기 입구 단부(214)의 대향하는 것인 막힌(blind) 원위 단부(216), 및 상기 단부들 사이의 복수의 오리피스(orifice)(206)를 포함하며,
상기 관(204)은 2상 냉매의 제1 혼합물의 액상의 일부분을 보유하고 축적하며 2상 냉매의 제1 혼합물을 약 65 내지 75 질량% 액상을 갖는 2상 냉매의 제2 혼합물로 팽창시키도록 구성되는, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제5항에 있어서, 상기 복수의 오리피스(206)는 상기 입구 매니폴드(102)에 평행한 선형 어레이(linear array)로 배열되고 중력의 반대 방향으로 배향되는, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제6항에 있어서,
상기 관(204)은 단면적을 한정하는 관 직경을 포함하고, 상기 관(204)은 축적된 냉매의 액상이 상기 오리피스(206) 아래의 관(204) 단면적의 99% 이상을 점유하도록 크기설정되는, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제7항에 있어서, 상기 관(204) 직경은 분주된 양보다 적은 냉매가 원위 단부(216)로 유동할 수 있는 냉매 유동에 대한 저항을 방지하기에 충분히 크지만, 유입하는 2상 냉매 유동의 제1 혼합물이 액체 및 증기 층들로 분리되지 않도록 방지하기에 충분히 작은, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제8항에 있어서, 상기 관(204)은 상기 입구 단부(214)로부터 상기 원위 단부(216)로 축방향으로의 유동의 압력 강하가 상기 관(204)에 걸친 총 압력 강하의 10%보다 작도록 구성되는, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제6항에 있어서, 상기 관(204)은 2상 냉매의 제1 혼합물을, 2상 냉매의 제2 혼합물로서 상기 오리피스들(206)을 통해 배출되기 전에 액상이 상기 관(204)의 내부 체적을 실질적으로 충전할 때까지 보유하고 축적하여 상기 냉매 관들(106)을 가로질러 냉매를 분주시키도록 구성되는, 차량 증발기(100) 열 교환기.
차량 증발기(100) 열 교환기로서,
매니폴드 축(A)을 따라 연장되는 내부 챔버(103)를 한정하는 입구 매니폴드(102);
상기 내부 챔버(103) 내로 연장되는 개방 단부(107)를 각각 갖는 복수의 냉매 관(106),
액상 냉매를 수용하여 그것을 2상 냉매의 제1 혼합물로 팽창시키도록 구성되는 제1단 냉매 압력 강하 장치(202);
상기 내부 챔버(103) 내에 배치되는 그리고 2상 냉매의 상기 제1 혼합물을 수용하여 그것을 2상 냉매의 제2 혼합물로 팽창시키고 2상 냉매의 상기 제2 혼합물을 상기 복수의 냉매 관(106)의 상기 개방 단부들(107)에 분주시키도록 구성되는 제2단 냉매 압력 강하 장치(204)를 포함하는, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제11항에 있어서, 상기 제1단 냉매 압력 강하 장치(202)는 액상 냉매를 약 75 내지 85 질량% 액상을 갖는 2상 냉매의 제1 혼합물로 팽창시키도록 구성되는 TXV인, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제12항에 있어서, 상기 제2단 냉매 압력 강하 장치(204)는 2상 냉매의 제1 혼합물을 약 65 내지 75 질량% 액상을 갖는 2상 냉매의 제2 혼합물로 팽창시키도록 구성되는 복수의 오리피스(206)를 갖는 관(204)인, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제13항에 있어서, 상기 관(204) 직경은 분주된 양보다 적은 냉매가 관(204)의 원위 단부(216)로 유동할 수 있는 냉매 유동에 대한 저항을 방지하기에 충분히 크지만, 유입하는 2상 냉매 유동의 제1 혼합물이 액체 및 증기 층들로 분리되지 않도록 방지하기에 충분히 작은, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제14항에 있어서, 상기 관(204) 직경은 또한 2상 냉매의 상기 제2 혼합물이 관(204)의 단면적의 99% 이상을 점유하도록 충분히 작은, 차량 증발기(100) 열 교환기.
차량 증발기(100) 열 교환기로서,
매니폴드 축(A)을 따라 연장되는 내부 챔버(103)를 한정하는 입구 매니폴드(102);
상기 내부 챔버(103) 내로 연장되는 개방 단부(107)를 각각 갖는 복수의 냉매 관(106),
액상 냉매를 수용하여 그것을 2상 냉매의 제1 혼합물로 팽창시키도록 구성되는 제1단 냉매 압력 강하 장치(202);
상기 내부 챔버(103) 내에 배치되는 그리고 2상 냉매의 상기 제1 혼합물을 수용하여 그것을 2상 냉매의 제2 혼합물로 팽창시키고 2상 냉매의 상기 제2 혼합물을 상기 복수의 냉매 관(106)의 상기 개방 단부들(107)에 분주시키도록 구성되는 제2단 냉매 압력 강하 장치(204)를 포함하며;
상기 제2단 냉매 압력 강하 장치(204)는 2상 냉매의 제1 혼합물을 2상 냉매의 제2 혼합물로 팽창시키도록 구성되는 복수의 오리피스(206)를 갖는 관(204)이고;
상기 오리피스들(206)은 중력의 방향으로부터 멀어지는 방향으로 배향되며;
상기 관(204)은 2상 냉매의 제1 혼합물을, 2상 냉매의 제2 혼합물로서 상기 오리피스들(206)을 통해 배출되기 전에 액상이 상기 관(204)의 내부 체적을 실질적으로 충전할 때까지 보유하고 축적하여 상기 냉매 관들(106)을 가로질러 냉매를 분주시키도록 구성되는, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제16항에 있어서, 상기 복수의 오리피스(206)는 상기 입구 매니폴드(102)에 평행한 선형 어레이로 배열되는, 차량 증발기(100) 열 교환기.
제16항에 있어서,
상기 관(204)은 단면적을 한정하는 관 직경을 포함하고, 상기 관(204)은 축적된 냉매의 액상이 상기 오리피스(206) 아래의 관(204) 단면적의 99% 이상을 점유하도록 크기설정되는, 차량 증발기(100) 열 교환기.