KR20180131015A - 축냉 열교환기 - Google Patents

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KR20180131015A
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백승수
전영하
이선미
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 폭 방향으로 3열 배치되며, 제1열 및 제3열 튜브에 냉각유체가 순환되고, 제2열 튜브에 축냉재가 저장되는 복수개의 튜브를 포함하는 축냉 열교환기에 관한 것으로서, 축냉 열교환기의 제1열 내지 제3열의 튜브 형상 및 구조를 변경하여, 방열성능과 축냉성능을 모두 향상시킬 수 있는 축냉 열교환기에 관한 것이다.

Description

축냉 열교환기{Cold reserving heat exchanger}
본 발명은 축냉 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 폭 방향으로 3열 배치되는 튜브 중, 제2열 튜브에 축냉재가 저장되고, 제1열 및 제3열 튜브에 냉각유체가 유동되도록 형성됨으로써, 축냉재가 냉각유체의 냉기를 효과적으로 저장하는 동시에, 엔진 정지 시 냉기를 방출하여, 차량 실내의 급격한 온도 상승을 방지하고, 사용자의 냉방 쾌적성을 높일 수 있으며, 재 냉방 시 소모되는 에너지와 시간을 최소화할 수 있는 축냉 열교환기에 관한 것이다.
근래 자동차 산업에 있어서 세계적으로 환경과 에너지에 대한 관심이 높아짐에 따라 연비 개선을 위한 연구가 이루어지고 있으며 다양한 소비자의 욕구를 만족시키기 위해 경량화ㆍ소형화 및 고기능화를 위한 연구개발이 꾸준히 이루어지고 있다.
상기 하이브리드 차량은 신호대기 등의 정차 시 자동으로 엔진을 정지하고 다시 변속기의 조작으로 엔진이 재시동 되도록 하는 아이들 스톱/고 시스템을 채택되는 경우가 많다. 그러나 상기 하이브리드 차량의 경우에도 냉방장치는 엔진에 의해 작동되므로 엔진이 정지될 경우, 압축기도 정지하게 되고 이에 따라, 증발기의 온도가 상승되어 사용자의 쾌적함을 떨어뜨리는 문제점이 있다. 또한, 증발기 내부의 냉매는 상온에서도 쉽게 기화되므로 압축기가 동작되지 않는 짧은 시간동안 냉매가 기화되어 다시 엔진이 작동되어 압축기 및 증발기가 작동되더라도 기화된 냉매를 압축하여 액화해야하므로 실내에 냉풍이 공급되기 위한 시간이 오래 소요될 뿐만 아니라 전체 에너지 소요량을 높이는 문제점이 있다.
이때, 하이브리드 차량에서는 축냉 증발기가 더 구비됨으로써, 냉방 성능 향상은 물론, 엔진 재시동 시간을 연장 또는 연기시킬 수 있다.
이와 관련한 기술로, 일본특허공개공보 제2000-205777호 (발명의 명칭 :　축냉 열교환기)가 제안된 바 있으며, 이를 도 1에 도시하였다.
도 1에 도시된 바와 같은 축냉 열교환기(90)는 냉매가 유통되는 냉매 통로(91e)와, 축냉재가 저장되는 축냉재실(91f，91f′)을 2중관 구조의 튜브(91)에 의하여 일체로 형성하고, 상기 2중관 구조의 튜브(91)의 외측에 상기 냉매와의 열교환 되는 유체의 통로(94)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
그러나 도 1에 도시된 바와 같은 상기 축냉 열교환기는 상기 튜브가 여러 개의 판재를 접합하여 형성되므로 접합 불량의 발생빈도가 높고 2중관 형태로 형성됨에 따라 제조상의 어려움이 있으며, 접합 불량이 발생되는 경우에 내부의 냉매와 축냉재가 혼합되는 문제점이 발생될 수 있다. 또한, 접합 불량이 발생된다 하더라도 그 부분을 찾아내기 어려운 문제점이 있었다.
상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해, 도 2와 같이, 2열의 튜브를 배열하여, 1열 및 3열에 냉매가 유동되고, 2열에 축냉재가 충전되는 구조의 축냉 열교환기가 개발된 바 있다.
상기 축냉 열교환기는, 도 2의 A-A’ 단면을 나타낸 도 3의 튜브 단면을 보면 , 1열 내지 3열의 튜브가 모두 동일한 형상의 튜브를 사용하고 있다. 축냉성능보다 축냉 열교환기의 방열성능을 우선시 하는 경우, 방열성능을 높이기 위해 1열 및 3열의 튜브의 단면적을 크게 하거나, 축냉성능을 우선시 하는 경우, 2열 튜브의 크기를 크게 하는 등의 튜브 형상 및 구조를 변경하기 어렵다.
또한, 방열성능과 축냉성능을 모두 향상시킬 수 있도록 최적 설계를 하는데 어려움이 있다.
따라서, 축냉 열교환기의 1열 내지 3열의 튜브 형상 및 구조를 변경하여, 방열성능과 축냉성능을 모두 향상시킬 수 있는 축냉 열교환기의 개발이 필요하다.
일본 특개2000-205777호(발명의 명칭 : 축냉 열교환기)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 3열 배치되는 튜브 중, 제2열 튜브에 축냉재가 저장되고, 제1열 및 제3열 튜브에 유동되는 냉각유체가 서로 이동 가능하도록 형성됨으로써, 냉각유체의 냉기를 효과적으로 저장하는 동시에, 엔진 정지 시 냉기를 방출하여, 차량 실내의 급격한 온도 상승을 방지함으로써, 사용자의 냉방 쾌적성을 높일 수 있으며, 재 냉방 시 소모되는 에너지와 시간을 최소화할 수 있는 축냉 열교환기를 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 목적은 축냉 열교환기의 1열 내지 3열의 튜브 형상 및 구조를 최적화하여, 방열성능과 축냉성능을 모두 향상시킬 수 있는 축냉 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 축냉 열교환기는 폭 방향으로 3열 배치되며, 제1열 및 제3열 튜브(130)에 냉각유체가 순환되고, 제2열 튜브(120)에 축냉재가 저장되는 복수개의 튜브(100); 를 포함하되, 상기 제1열 튜브(110) 및 제3열 튜브(130)의 너비는 상기 제2열 튜브(120)의 너비보다 크고, 상기 제1열 튜브(110) 및 제3열 튜브(130)는 각각 내부에 너비방향으로 적어도 하나 이상의 튜브 격벽(111, 131)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1열 튜브(110) 내부의 튜브 격벽의 개수 및 상기 제3열 튜브(130) 내부의 튜브 격벽의 개수는 각각 상기 제2열 튜브(120) 내부의 튜브 격벽의 개수와 같거나 더 많을 수 있다.
또한, 상기 제2열 튜브(120) 내부의 튜브 격벽의 개수는 4개 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1열 튜브(110)의 수력직경 및 제3열 튜브(130)의 수력직경은 각각 상기 제2열 튜브(120)의 수력직경보다 작은 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 제1열 튜브(110)의 수력직경 및 제3열 튜브(130)의 수력직경은 각각 0.75mm 내지 2.6mm 인 것이 바람직하다. 더 나아가, 상기 제1열 튜브(110)의 수력직경 및 제3열 튜브(130)의 수력직경은 각각 1.0mm 내지 2.2mm 인 것이 더 바람직하다.
또한, 상기 제1열 튜브(110)의 외벽 두께(T1) 및 제3열 튜브(130)의 외벽 두께(T3)가 각각 상기 제2열 튜브(120)의 외벽 두께(T2)와 같거나 더 클 수 있다.
또한, 상기 튜브(100)는 동일 선상에 배치되는 상기 제1열 튜브(110)와 제2열 튜브(120)를 연결하는 제1연결부(140); 및 동일 선상에 배치되는 상기 제2열 튜브(120)와 제3열 튜브(130)를 연결하는 제2연결부(150);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1열 튜브(110), 제2열 튜브(120) 및 제3열 튜브(130)는 동시에 압출되어 일체형으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1열 튜브(110), 제2열 튜브(120) 및 제3열 튜브(130)는 각각 압출되어 형성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 축냉 열교환기는, 제한된 범위 내에서 충분한 방열성능을 확보하기 위해 축냉성능을 담당하는 제2열 튜브(120)보다 제1열 튜브(110) 및 제3열 튜브(130)의 너비를 크게 하여 열전달 면적을 늘릴 수 있다.
또한, 본 발명은 제1열 튜브(110)의 수력직경과 제3열 튜브(120)의 수력직경을 최적화하여 최대 방열성능 대비 90% 이상의 방열성능을 보이는 축냉 열교환기를 안정되게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 제2열 튜브(120) 내부에 튜브격벽을 없애거나, 최소한으로 하거나, 외벽 두께를 상대적으로 줄여 방열성능을 유지하면서도, 축냉재를 더 저장할 수 있을 뿐만 아니라, 불필요한 튜브격벽이 사라짐으로써 축냉 열교환기의 무게가 줄어드는 효과가 있다.
도 1은 종래 이중관 형태의 축냉 열교환기를 나타낸 단면도.
도 2는 종래 3열 축냉 열교환기를 나타낸 사시도.
도 3은 종래 3열 축냉 열교환기 튜브의 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 축냉 열교환기의 사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 축냉 열교환기 튜브의 단면도.
도 6은 튜브의 수력직경에 따른 방열성능을 나타낸 그래프.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 축냉 열교환기를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 축냉 열교환기(1)는 크게 복수 개의 튜브(100), 상부 헤더탱크(201), 하부 헤더탱크(202), 격벽부(300), 유입구(410), 배출구(420) 및 축냉재 주입구(600)를 포함하여 형성된다.
먼저, 상기 튜브(100)는 폭 방향으로 3열 배치되며, 제1열 튜브(110) 및 제3열 튜브(130)에 냉각유체가 순환되고, 2열 튜브(100)에 축냉재가 저장된다.
이때, 상기 튜브(100)는 3열의 튜브(100)가 서로 연결되도록 형성되어, 동시에 일체로 압출공정을 통해 제작될 수 있는데, 이런 경우 제작이 간편하고 조립이 용이하다는 장점이 있다.
상기 축냉 열교환기(1)는 인접한 상기 튜브(100)들 사이에 핀(500)이 더 개재될 수 있는데, 3열로 배치되는 튜브(100) 사이에 개재되는 핀(500)이 일체로 형성되어, 냉각유체가 유동되는 제1열 튜브(110) 및 제3열 튜브(130)와, 축냉재가 저장되는 제2열 튜브(120)간 열교환이 상기 핀(500)을 통해 이루어질 수도 있다.
축냉 열교환기의 방열성능과 축냉성능을 모두 향상시키기 위해서는, 제1열 튜브(110) 및 제2열 튜브(120)의 크기 또는 단면적을 늘려 방열성능을 향상시키고, 또한 제2열 튜브에 저장되는 축냉재의 양을 늘리기 위해 제한된 크기의 제2열 튜브(120)의 내부 공간을 늘려 축냉성능을 향상시킬 수 있다.
이를 위해, 도 4의 B-B’ 단면을 나타낸 도 5의 튜브 단면을 보면, 상기 제1열 튜브(110) 및 제3열 튜브(130) 각각의 너비는 상기 제2열 튜브(120)의 너비보다 크게 형성될 수 있다. 제한된 범위 내에서 충분한 방열성능을 확보하기 위해 축냉성능을 담당하는 제2열 튜브(120)보다 제1열 튜브(110) 및 제3열 튜브(130)의 너비를 크게 하여 열전달 면적을 늘릴 수 있다.
또한, 상기 제1열 튜브(110) 및 제3열 튜브(130)는 각각 내부에 길이방향으로 적어도 하나 이상의 튜브격벽(111, 131)을 포함할 수 있다. 튜브격벽(111, 131)의 개수가 늘어나면, 튜브 내부에 그만큼의 튜브 홀이 늘어나는 것이고, 이는 튜브 내부에서 냉각유체와의 수력직경을 작게 하고, 열전달 면적을 크게 함으로써, 축냉 열교환기의 방열성능을 향상시킬 수 있다.
제1열 튜브(110)와 제3열 튜브(130)는 너비가 서로 다를 수도 있지만, 제작의 편의성을 위해 동일한 형상으로 형성될 수 있다.
제1열 튜브(110)가 약 14.8mm인 경우, 제1열 튜브(110) 내부의 튜브격벽(111)의 개수는 11개 정도가 바람직하다. 이는 제3열 튜브(130)에도 동일하게 적용될 수 있다.
한편, 내부에 축냉재를 최대한 많이 저장하기 위해, 제2열 튜브(120)는 내부에 튜브격벽이 없는 것이 바람직하다. 튜브격벽이 없는 만큼 축냉재를 더 저장할 수 있을 뿐만 아니라, 불필요한 튜브격벽이 사라짐으로써 축냉 열교환기의 무게가 줄어드는 효과도 있다. 제2열 튜브(120)의 튜브격벽의 개수를 제1열 튜브(110)에 비해 반으로 줄이면, 축냉재를 기존보다 9.1% 더 주입할 수 있게 된다.
하지만, 제2열 튜브(120) 내부에 튜브격벽이 없다면, 제2열 튜브(120)를 생산하는 과정 특히, 압출 과정에서 제2열 튜브(120)의 외벽을 지지해줄 구성이 없기 때문에 제대로 압출되지 못할 수도 있다. 그래서 제2열 튜브(120) 내부의 튜브 격벽의 개수는 4개 이하인 것이 바람직하다.
또한, 제1열 튜브(110) 내부의 튜브 격벽의 개수 및 제3열 튜브(130) 내부의 튜브 격벽의 개수는 각각 제2열 튜브(120) 내부의 튜브 격벽의 개수와 같거나 더 많게 형성될 수 있다.
또한, 제1열 튜브(110)의 외벽 두께(T1) 및 제3열 튜브(130)의 외벽 두께(T3)가 각각 제2열 튜브(120)의 외벽 두께(T2)와 같거나 더 크게 형성될 수 있다.
이를 통해, 제2열 튜브(120)의 외벽 두께가 상대적으로 얇아지는 만큼 축냉재를 더 저장할 수 있을 뿐만 아니라, 축냉 열교환기의 무게가 줄어드는 효과도 있다. 제1열 튜브(110) 및 제3열 튜브(120)는 냉각유체의 압력을 견딜 수 있을 정도로 두꺼워야 하므로 이 외벽 두께는 제2열 튜브(120)의 외벽 두께보다 두껍게 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 제1열 튜브(110)의 수력직경 및 제3열 튜브(130)의 수력직경은 각각 상기 제2열 튜브(120)의 수력직경보다 작을 수 있다. 이를 통해, 충분한 축냉 열교환기의 방열성능을 유지할 수 있다.
튜브의 수력직경은 다음과 같이 산출된다.
튜브의 수력직경 = 4×유로면적/접수길이
여기서, 유로면적은 튜브 내부의 튜브 홀의 단면적을 의미하며, 접수길이는 튜브 홀의 둘레 길이와 같다.
도 6는 튜브의 수력직경에 따른 방열성능을 나타낸 그래프이다. 도 6에서 볼 수 있듯이, 냉각유체가 흐르는 제1열 튜브(110)과 제2열 튜브(120)의 수력직경은 축냉 열교환기의 방열성능에 크게 영향을 미친다. 도 6에서 나타낸 데이터는 제2열 튜브의 형상을 일정하게 유지하고, 제1열 튜브(110)와 제3열 튜브(120)의 형상을 동일하게 한 조건에서, 제1열 튜브(110)의 수력직경과 제3열 튜브(120)의 수력직경을 변화시키면서 축냉 열교환기의 방열성능을 측정한 것이다.
도 6에서, 제1열 튜브(110)의 수력직경과 제3열 튜브(120)의 수력직경이 각각 1.38mm 인 경우 최대의 방열성능을 나타낸다.
도 6에서와 같이, 축냉 열교환기의 최대 방열성능의 90% 이상의 방열성능을 얻을 수 있도록, 본 발명의 축냉 열교환기의 제1열 튜브(110)의 수력직경 및 제3열 튜브(130)의 수력직경은 각각 0.75mm 내지 2.6mm 인 것이 바람직하다. 수력직경이 0.75mm 미만 또는 2.6mm 초과인 경우에는 축냉 열교환기의 방열성능이 90% 미만이기 때문에, 축냉 열교환기가 차량 내부 온도를 충분히 낮출 수 없게 된다. 수력직경이 0.75mm 내지 2.6mm 인 경우에는 최대 방열성능의 90% 이상으로 축냉 열교환기가 차량 내부 온도를 충분히 낮출 수 있으며, 튜브 격벽의 개수를 조절함으로써 수력직경을 변화시켜 튜브의 내압성과 축냉 열교환기의 재료비 사이에서 최적화를 이룰 수 있다.
또한, 도 6에서와 같이, 축냉 열교환기의 최대 방열성능의 95% 이상의 방열성능을 얻을 수 있도록, 본 발명의 축냉 열교환기의 제1열 튜브(110)의 수력직경 및 제3열 튜브(130)의 수력직경은 각각 1.0mm 내지 2.2mm 인 것이 더 바람직하다. 수력직경이 1.0mm 내지 2.2mm 인 경우에는 최대 방열성능의 95% 이상으로 최대 방열성능과 거의 차이가 없이 축냉 열교환기가 차량 내부 온도를 충분히 낮출 수 있고, 차량 이용자가 그 차이를 느끼기 힘들다.
즉, 본 발명은 제1열 튜브(110)의 수력직경과 제3열 튜브(120)의 수력직경을 0.75mm 내지 2.6mm로 하여, 최대 방열성능 대비 90% 이상의 방열성능을 보이는 축냉 열교환기를 안정되게 제공할 수 있고, 또한, 더 바람직하게는 제1열 튜브(110)의 수력직경과 제3열 튜브(120)의 수력직경을 1.0mm 내지 2.2mm로 하여, 최대 방열성능 대비 95% 이상의 방열성능을 보이는 축냉 열교환기를 안정되게 제공할 수 있다.
한편, 제1열 튜브(110), 제2열 튜브(120) 및 제3열 튜브(130)는 서로 연결되도록 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 축냉 열교환기는, 동일 선상에 배치되는 상기 제1열 튜브(110)와 제2열 튜브(120)를 연결하는 제1연결부(140); 및 동일 선상에 배치되는 상기 제2열 튜브(120)와 제3열 튜브(130)를 연결하는 제2연결부(150);를 더 포함할 수 있다.
상기 제1열 튜브(110), 제2열 튜브(120) 및 제3열 튜브(130)는 동시에 압출되어 일체형으로 형성될 수 있다. 동시에 압출되어 일체형으로 형성되면, 조립 공정 및 조립 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 제1열 튜브(110), 제2열 튜브(120) 및 제3열 튜브(130)는 각각 압출되어 형성될 수도 있다. 각각 압출되어 브레이징 또는 용접을 통해 서로 연결하게 되면, 조립 공정 및 조립 시간이 더 추가되기는 하지만, 압출 공정이 단순해져 불량이 적어지는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1 : 축냉 열교환기
100 : 튜브
110 : 제1열 튜브 111 : 튜브 격벽
120 : 제2열 튜브 121 : 튜브 격벽
130 : 제3열 튜브 131 : 튜브 격벽
140 : 제1연결부 150 : 제2연결부
201, 202 : 상부 헤더탱크, 하부 헤더탱크
410, 420: 유입구, 배출구
500: 핀
600: 축냉재 주입구

Claims (10)

  1. 폭 방향으로 3열 배치되며, 제1열 및 제3열 튜브(130)에 냉각유체가 순환되고, 제2열 튜브(120)에 축냉재가 저장되는 복수개의 튜브(100); 를 포함하는 축냉 열교환기에 있어서,
    상기 제1열 튜브(110) 및 제3열 튜브(130)의 너비는 상기 제2열 튜브(120)의 너비보다 크고,
    상기 제1열 튜브(110) 및 제3열 튜브(130)는 각각 내부에 너비방향으로 적어도 하나 이상의 튜브 격벽(111, 131)을 포함하는 것을 특징으로 하는 축냉 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1열 튜브(110) 내부의 튜브 격벽의 개수 및 상기 제3열 튜브(130) 내부의 튜브 격벽의 개수는 각각 상기 제2열 튜브(120) 내부의 튜브 격벽의 개수와 같거나 더 많은 것을 특징으로 하는 축냉 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2열 튜브(120) 내부의 튜브 격벽의 개수는 4개 이하인 것을 특징으로 하는 축냉 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1열 튜브(110)의 수력직경 및 제3열 튜브(130)의 수력직경은 각각 상기 제2열 튜브(120)의 수력직경보다 작은 것을 특징으로 하는 축냉 열교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1열 튜브(110)의 수력직경 및 제3열 튜브(130)의 수력직경은 각각 0.75mm 내지 2.6mm 인 것을 특징으로 하는 축냉 열교환기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1열 튜브(110)의 수력직경 및 제3열 튜브(130)의 수력직경은 각각 1.0mm 내지 2.2mm 인 것을 특징으로 하는 축냉 열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1열 튜브(110)의 외벽 두께(T1) 및 제3열 튜브(130)의 외벽 두께(T3)가 각각 상기 제2열 튜브(120)의 외벽 두께(T2)와 같거나 더 큰 것을 특징으로 하는 축냉 열교환기.
  8. 제1항에 있어서,
    동일 선상에 배치되는 상기 제1열 튜브(110)와 제2열 튜브(120)를 연결하는 제1연결부(140); 및
    동일 선상에 배치되는 상기 제2열 튜브(120)와 제3열 튜브(130)를 연결하는 제2연결부(150);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축냉 열교환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1열 튜브(110), 제2열 튜브(120) 및 제3열 튜브(130)는 동시에 압출되어 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 축냉 열교환기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1열 튜브(110), 제2열 튜브(120) 및 제3열 튜브(130)는 각각 압출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 축냉 열교환기.
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