KR20220163034A - 복합 열교환기 - Google Patents

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KR20220163034A
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heat exchange
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전영하
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 복합 열교환기에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 냉매가 순환하는 1차루프와 연계된 2차루프에 구비되며 그 내부에 유통되는 냉각수가 냉매에 의해 가열 또는 냉각됨으로써 난방 또는 냉방을 수행하는 복합 열교환기에 있어서, 두 개의 열교환기 코어가 병렬로 배치되되 냉각수가 두 개의 열교환기를 순차적으로 흘러가거나 또는 각각 독립적으로 흘러갈 수 있도록 각각의 유입구 및 배출구를 적절히 선택적으로 연결하는 경로조절용 매니폴드가 구비됨으로써, 냉방모드 또는 난방모드 시 냉각수가 두 개의 열교환기를 순차적으로 흘러가게 하여(즉 직렬로 연결된 효과를 내게 하여) 열교환효율을 극대화시키고, 제습모드 시 저온/고온의 냉각수가 두 개의 열교환기를 각각 독립적으로 흘러가게 하여 제습을 원활히 실현하여, 하나의 열교환기로 난방, 냉방, 제습을 최대한의 효율로 수행할 수 있게 하는, 복합 열교환기를 제공함에 있다.

Description

복합 열교환기 {Combined heat exchanger}
본 발명은 복합 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉매-냉각수 2차 루프 시스템에서 냉각수 흐름을 제어하여 다양한 공조모드를 구현할 수 있도록 하는 복합 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 엔진 룸 내에는 엔진 등과 같은 구동을 위한 부품뿐만 아니라, 엔진 등과 같은 차량 내 각 부품을 냉각하거나 또는 차량 실내의 공기 온도를 조절하기 위한 라디에이터, 인터쿨러, 증발기, 응축기 등과 같은 다양한 열교환기들이 구비된다. 이와 같은 열교환기들은 일반적으로 내부에 열교환매체가 유통하며, 열교환기 내부의 열교환매체와 열교환기 외부의 공기가 서로 열교환함으로써 냉각 또는 방열이 이루어지게 된다. 이러한 열교환기들에 유통되는 열교환매체는, 차량 내 부품 냉각을 위한 냉각수 또는 공기온도 조절을 위한 냉매 등으로 다양하다.
차량 실내의 공기 온도를 조절하기 위한 공조시스템은 기본적으로 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기가 하나의 루프로 연결되어 냉매가 순환되는 형태로 형성되며, 여기에서 증발기에 의해 냉각된 공기가 차량 실내로 송풍됨으로써 냉방이 이루어지게 된다. 이러한 시스템은 직접 냉방을 수행하기 때문에 직접(direct) 냉방시스템이라고 칭하기도 하며, 1차 루프(loop)라고 칭하기도 한다.
한편 이러한 1차 루프에 유통되는 냉매는 상당한 열에너지를 보유하고 있으므로, 이를 이용하여 별도의 열교환매체(예를 들어 냉각수)와 열교환시킴으로써 다른 냉방시스템과 연계하기도 한다. 이처럼 1차 루프에 연계되는 다른 시스템을 2차 루프(secondary loop)라 한다. 도 1은 1, 2차 루프를 가지는 공조시스템의 한 실시예를 도시한 것으로, 좌측의 압축기-응축기-팽창밸브-칠러로 이루어지는 1차 루프에는 냉매가 순환하며, 우측의 펌프-칠러-쿨러로 이루어지는 2차 루프에는 냉각수가 순환한다. 도 1의 실시예에서는, 칠러에서 냉매가 냉각수와 열교환함으로써 냉각수를 냉각하며, 저온이 된 냉각수가 쿨러를 통과하면서 주변의 공기를 냉각함으로써 실내 냉방을 수행하게 된다. 한국특허공개 제2019-0124931호("차량용 열교환 시스템", 2019.11.06.)에 이러한 시스템에 대하여 잘 설명되어 있다.
도 1의 실시예는 아주 간단한 예시일 뿐으로 2차 루프를 이용하여 냉방만을 수행하지만, 실제로 이러한 1, 2차 루프가 사용되는 시스템은 좀더 복잡한 구성을 가지며, 냉매나 냉각수의 흐름을 이용하여 냉방, 난방, 제습 등 다양한 공조모드를 구현할 수 있다. 도 2는 1, 2차 루프를 가지는 공조시스템의 다른 실시예로서, 도 2에서 진한 실은 냉매가 통과하는 경로로서 1차 루프를 형성하며, 연한 선은 냉각수가 통과하는 경로로서 2차 루프를 형성한다. 도 3a 내지 도 3c는 도 2의 공조시스템에서 냉방, 난방, 제습 수행 시 냉매 및 냉각수 경로를 도시한 것이다. 공조에 사용되는 열교환기는 도 3a 내지 도 3c에서 ①, ②로 표시된 제1, 2열교환기이다. 냉방모드에서는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 수냉식 증발기와 열교환하여 냉각됨으로써 저온이 된 냉각수가 제1, 2열교환기(①)(②)를 통과하며, 따라서 차량 실내로는 저온의 공기가 송풍되어 냉방이 이루어진다. 난방모드에서는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 수냉식 응축기와 열교환하여 가열됨으로써 고온이 된 냉각수가 제1, 2열교환기(①)(②)를 통과하며, 따라서 차량 실내로는 고온의 공기가 송풍되어 난방이 이루어진다. 제습모드에서는, 도 3c에 도시된 바와 같이, 수냉식 증발기와 열교환하여 냉각됨으로써 저온이 된 냉각수가 제1열교환부(①)를 통과하면서 공기 중의 습기를 응축시켜 제습하고, 수냉식 응축기와 열교환하여 가열됨으로써 고온이 된 냉각수가 제2열교환부(②)를 통과하면서 제습 및 냉각된 공기를 적절히 가열하여 중온을 만들어주며, 따라서 차량 실내로는 제습된 중온의 공기가 송풍되어 제습이 이루어진다. 도 3a 내지 도 3c에서 알 수 있는 바와 같이, 도 2의 시스템은 1차 루프인 냉매의 흐름은 그대로 유지하면서 2차 루프인 냉각수의 흐름만을 밸브를 이용하여 적절하게 조절함으로써, 난방, 냉방, 제습 등의 다양한 공조모드를 구현할 수 있다.
그러나 도 2의 시스템에도 다음과 같은 한계가 있다. 먼저 도 2에 잘 나타나 있는 바와 같이 제1, 2열교환기(①)(②)가 각각 별도의 열교환기로 구현되기 때문에, 공조모듈 패키지를 소형화하는 데에 제약이 된다. 또한 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 제1, 2열교환기(①)(②)가 모두 난방 또는 냉방에 사용되는 경우, 두 열교환기에 냉각수를 병렬로 공급하게 되기 때문에 열교환성능 개선에 한계가 있다. 즉 공기는 송풍기에 의해 제1, 2열교환기(①)(②)를 순차적으로 지나가게 되는데, 냉각수를 병렬로 배치된 제1, 2열교환기(①)(②)에 공급하게 될 때 제1, 2열교환기(①)(②)는 거의 동일한 온도를 가지게 된다. 이 때 예를 들어 냉방모드에서, 공기는 제1열교환부(①)를 지나가면서 이미 냉각이 이루어졌기 때문에 제2열교환부(②)에 유통되는 냉각수와의 온도차가 별로 크게 나지 않게 되며, 따라서 공기가 제2열교환부(②)를 지나가면서는 그리 활발하게 열교환하지 못하게 된다. 난방모드의 경우에도 마찬가지로서, 실질적으로 제2열교환부(②)에서는 냉방 또는 난방 효과를 크게 높이기 어렵게 되는 것이다.
1. 한국특허공개 제2019-0124931호("차량용 열교환 시스템", 2019.11.06.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 냉매가 순환하는 1차루프와 연계된 2차루프에 구비되며 그 내부에 유통되는 냉각수가 냉매에 의해 가열 또는 냉각됨으로써 난방 또는 냉방을 수행하는 복합 열교환기에 있어서, 두 개의 열교환기 코어가 병렬로 배치되되 냉각수가 두 개의 열교환기를 순차적으로 흘러가거나 또는 각각 독립적으로 흘러갈 수 있도록 각각의 유입구 및 배출구를 적절히 선택적으로 연결하는 경로조절용 매니폴드가 구비됨으로써, 냉방모드 또는 난방모드 시 냉각수가 두 개의 열교환기를 순차적으로 흘러가게 하여(즉 직렬로 연결된 효과를 내게 하여) 열교환효율을 극대화시키고, 제습모드 시 저온/고온의 냉각수가 두 개의 열교환기를 각각 독립적으로 흘러가게 하여 제습을 원활히 실현하여, 하나의 열교환기로 난방, 냉방, 제습을 최대한의 효율로 수행할 수 있게 하는, 복합 열교환기를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합 열교환기(100)는, 압축기-응축기-팽창밸브-증발기를 포함하여 냉매가 순환되는 1차 루프와 연계되어 냉매와 열교환하는 냉각수가 순환하는 2차 루프에 구비되며, 고온냉각수 또는 저온냉각수와 외부 공기를 열교환시켜 냉방, 난방, 제습 중 선택되는 적어도 하나의 공조모드를 수행하는 복합 열교환기(100)에 있어서, 외부 공기가 불어오는 방향을 전방, 불어나가는 방향을 후방이라 할 때, 제1열교환부(110) 및 상기 제1열교환부(110)의 후방에 배치되는 제2열교환부(120)들에 구비된 복수 개의 유통구들이 서로 연결됨으로써, 고온냉각수 및 저온냉각수 각각의 유입 및 배출 위치에 따라, 냉각수가 상기 제1열교환부(110) 및 상기 제2열교환부(120)를 순차적으로 흘러가거나 또는 냉각수가 상기 제1열교환부(110) 및 상기 제2열교환부(120) 각각을 독립적으로 흘러가도록 형성될 수 있다. 이 때 상기 복합 열교환기(100)는, 고온냉각수 및 저온냉각수 각각의 유입 및 배출 위치는 외부 밸브 조절에 의해 결정될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제1열교환부(110)는, 내부에 냉각수유동공간을 형성하며 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 제1탱크(111), 상기 제1탱크(111)에 양단이 고정되어 냉각수 유로를 형성하는 복수 개의 제1튜브(112), 하나의 상기 제1탱크(111)에 형성되어 냉각수를 유통시키는 제1일측유통구(113), 다른 하나의 상기 제1탱크(111)에 형성되어 냉각수를 유통시키는 제1타측유통구(114)를 포함할 수 있다. 또한 상기 제2열교환부(120)는, 내부에 냉각수유동공간을 형성하며 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 제2탱크(121), 상기 제2탱크(121)에 양단이 고정되어 냉각수 유로를 형성하는 복수 개의 제2튜브(122), 하나의 상기 제2탱크(121)에 형성되어 냉각수를 유통시키는 제2일측유통구(123), 다른 하나의 상기 제2탱크(121)에 형성되어 냉각수를 유통시키는 제2타측유통구(124)를 포함할 수 있다.
이 때 상기 복합 열교환기(100)는, 상기 제1열교환부(110); 상기 제2열교환부(120); 상기 제1일측유통구(113)와 연결되는 제1연통구(131), 상기 제1연통구와 연통되는 유로(1), 상기 제2일측유통구(123)와 연결되는 제2연통구(132), 상기 제2연통구(132)와 연통되는 유로(2)를 포함하여, 상기 제1일측유통구(113) 및 상기 제2일측유통구(123)를 연결하는 일측매니폴드(130); 상기 제1타측유통구(114)와 연결되는 제3연통구(143), 상기 제3연통구(143)와 연통되는 유로(3), 상기 제2타측유통구(124)와 연결되는 제4연통구(144), 상기 제4연통구(144)와 연통되는 유로(4)를 포함하여, 상기 제1타측유통구(114) 및 상기 제2타측유통구(124)를 연결하는 타측매니폴드(140); 를 포함할 수 있다.
이 때 상기 복합 열교환기(100)는, 냉방모드 시, 저온냉각수가 상기 유로(1) - 상기 제1연통구(131) - 상기 제1일측유통구(113) - 상기 제1열교환부(110) - 상기 제4연통구(144) - 상기 제1타측유통구(114) - 상기 유로(4) - 상기 유로(3) - 상기 제3연통구(143) - 상기 제2타측유통구(124) - 상기 제2열교환부(120) - 상기 제2일측유통구(123) - 상기 제2연통구(132) - 상기 유로(2)를 순차적으로 통과하여, 저온냉각수가 상기 제1열교환부(110) - 상기 제2열교환부(120)를 순차적으로 흘러가도록 형성될 수 있다.
또한 상기 복합 열교환기(100)는, 난방모드 시, 고온냉각수가 상기 유로(3) - 상기 제3연통구(143) - 상기 제2타측유통구(124) - 상기 제2열교환부 - 상기 제2일측유통구(123) - 상기 2연통구(132) - 상기 유로(2) - 상기 유로(1) - 상기 유로(1) - 상기 제1연통구(131) - 상기 제1일측유통구(113) - 상기 제1열교환부(110) - 상기 제4연통구(144) - 상기 제1타측유통구(114) - 상기 유로(4)를 순차적으로 통과하여, 고온냉각수가 상기 제2열교환부(120) - 상기 제1열교환부(110)를 순차적으로 흘러가도록 형성될 수 있다.
또는 상기 복합 열교환기(100)는, 난방모드 시, 고온냉각수가 상기 유로(3) - 상기 제3연통구(143) - 상기 제2타측유통구(124) - 상기 제2열교환부 - 상기 제2일측유통구(123) - 상기 2연통구(132) - 상기 유로(2)를 순차적으로 통과하여, 고온냉각수가 상기 제2열교환부(120)만 흘러가도록 형성될 수 있다.
또한 상기 복합 열교환기(100)는, 제습모드 시, 저온냉각수가 상기 유로(1) - 상기 제1연통구(131) - 상기 제1일측유통구(113) - 상기 제1열교환부(110) - 상기 제4연통구(144) - 상기 제1타측유통구(114) - 상기 유로(4)를 순차적으로 통과하고, 고온냉각수가 상기 유로(3) - 상기 제3연통구(143) - 상기 제2타측유통구(124) - 상기 제2열교환부 - 상기 제2일측유통구(123) - 상기 2연통구(132) - 상기 유로(2)를 순차적으로 통과하여, 저온냉각수가 상기 제1열교환부(110)만 흘러가고, 고온냉각수가 상기 제2열교환부(120)만 흘러가도록 형성될 수 있다.
또한 상기 복합 열교환기(100)는, 전방 일부가 복수 개의 상기 제1튜브(112)가 형성하는 튜브열의 끝단에 배치되고, 후방 일부가 복수 개의 상기 제1튜브(112)가 형성하는 튜브열의 끝단에 배치되어, 튜브열들의 양끝단에서 상기 제1탱크(111) 및 상기 제2탱크(112)를 연결하는 서포트(101); 를 포함할 수 있다.
또한 상기 복합 열교환기(100)는, 서로 나란히 배열된 상기 제1탱크(111) 및 상기 제2탱크(121)를 서로 연결하여 일체화시키는 연결재(102); 를 포함할 수 있다. 이 때 상기 연결재(102)는, 튜브열의 배열방향으로 배열되는 복수 개의 노치가 형성되거나, 튜브열의 배열방향으로 배열되며 서로 분리된 복수 개의 바 형태로 형성될 수 있다.
또한 상기 복합 열교환기(100)는, 서로 나란히 배열된 상기 제1탱크(111) 및 상기 제2탱크(121) 사이에 개재되는 단열재(103); 를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 냉매가 순환하는 1차루프와 연계된 2차루프에 구비되며 그 내부에 유통되는 냉각수가 냉매에 의해 가열 또는 냉각됨으로써 난방 또는 냉방을 수행하는 복합 열교환기에 있어서, 냉방모드 또는 난방모드 시 냉각수가 두 개의 열교환기를 순차적으로 흘러가게 하여(즉 직렬로 연결된 효과를 내게 하여) 열교환효율을 극대화시키고, 제습모드 시 저온/고온의 냉각수가 두 개의 열교환기를 각각 독립적으로 흘러가게 하여 제습을 원활히 실현하여, 하나의 열교환기로 난방, 냉방, 제습을 최대한의 효율로 수행할 수 있게 하는 큰 효과가 있다. 더불어 난방부하가 작을 경우에는 하프(half)-난방모드를 구현할 수 있어 시스템 효율을 더욱 향상시키는 효과 또한 있다.
특히 본 발명에 의하면, 이와 같은 냉각수 흐름을 구현함에 있어서, 두 개의 열교환기 코어가 병렬로 배치되되 냉각수가 두 개의 열교환기를 순차적으로 흘러가거나 또는 각각 독립적으로 흘러갈 수 있도록 각각의 유입구 및 배출구를 적절히 선택적으로 연결하는 경로조절용 매니폴드가 구비되도록 하는 구조를 채용함으로써, 난방, 냉방, 제습을 모두 수행할 수 있는 열교환기의 최적화된 신규한 구조를 제시한다. 이러한 본 발명의 열교환기 구조는 종래에 비해 공조모듈 패키지의 부피를 저감할 수 있는 효과도 있다.
더불어 본 발명에 의하면, 서로 분리된 두 개의 열교환기 코어가 병렬 배치된 형태로 됨으로써 다른 온도 구간의 냉각수를 사용할 때 열교환효율 저하를 최소화할 수 있는 효과도 있다. 또한 이러한 분리구조를 가짐으로써, 냉방모드 및 제습모드에서 발생되는 응축수의 배수가 원활하게 이루어질 수 있게 되는 효과 또한 있다. 뿐만 아니라 이러한 분리구조를 가짐에 따라 각각의 열교환기에서는 배플 등을 구비하여 냉각수 경로를 복잡하게 만들 필요가 없어지며, 이에 따라 제작용이성이 훨씬 향상되는 효과도 얻을 수 있다.
도 1은 1, 2차 루프를 가지는 공조시스템의 한 실시예.
도 2는 1, 2차 루프를 가지는 공조시스템의 다른 실시예.
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 공조시스템에서 냉방, 난방, 제습 수행 시 냉매 및 냉각수 경로.
도 4는 본 발명의 열교환기의 분해사시도.
도 5는 본 발명의 열교환기의 조립사시도 및 개략적 구성도.
도 6은 본 발명의 열교환기의 냉방, 난방, 제습 시 외부밸브제어 제1실시예.
도 7은 본 발명의 열교환기의 냉방, 난방, 제습 시 외부밸브제어 제2실시예.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 열교환기의 여러 실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 복합 열교환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 복합 열교환기(100)는, 압축기-응축기-팽창밸브-증발기를 포함하여 냉매가 순환되는 1차 루프와 연계되어 냉매와 열교환하는 냉각수가 순환하는 2차 루프에 구비되는 열교환기이다. 종래에는 2개의 독립적인 열교환기들이 각각 고온냉각수 또는 저온냉각수를 유통시키도록 형성되었으나, 본 발명의 복합 열교환기(100)는 이러한 2개의 독립적인 열교환기들이 일체화된 형태로 형성된다. 즉 본 발명의 복합 열교환기(100)는, 고온냉각수 또는 저온냉각수와 외부 공기를 열교환시켜 냉방, 난방, 제습 중 선택되는 적어도 하나의 공조모드를 수행한다.
도 4는 본 발명의 열교환기의 분해사시도를, 도 5는 본 발명의 열교환기의 조립사시도 및 개략적 구성도를 각각 도시한다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 복합 열교환기(100)는, 기본적으로 외부 공기가 불어오는 방향을 전방, 불어나가는 방향을 후방이라 할 때, 제1열교환부(110) 및 상기 제1열교환부(110)의 후방에 배치되는 제2열교환부(120)들에 구비된 복수 개의 유통구들이 서로 연결된 형태로 이루어진다. 일반적으로 하나의 열교환기 당 유입구/배출구로 2개의 유통구가 구비되므로, 유통구의 개수는 일반적으로 4개가 될 수 있다. 본 발명의 복합 열교환기(100)는, 이와 같이 4개의 유통구들이 서로 연결됨으로써, 고온냉각수 및 저온냉각수 각각의 유입 및 배출 위치에 따라, 냉각수가 상기 제1열교환부(110) 및 상기 제2열교환부(120)를 순차적으로 흘러가거나 또는 냉각수가 상기 제1열교환부(110) 및 상기 제2열교환부(120) 각각을 독립적으로 흘러가도록 형성될 수 있다.
본 발명의 복합 열교환기(100)는 말하자면 상기 제1열교환부(110) 및 상기 제2열교환부(120) 각각이 종래의 2개의 열교환기 역할을 하는 것이라고 할 수 있다. 그러나 종래에는 2개의 독립적인 열교환기들에 동일한 온도의 냉각수가 병렬로 공급되어 열교환성능 향상에 한계가 있었으나, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 연결구조를 개선시킴으로써 냉각수가 열교환기들이 직렬로 연결된 형태로도 흘러갈 수 있게 하여 종래에 비해 열교환성능을 크게 향상시킬 수 있다.
여기에서, 고온냉각수 및 저온냉각수 각각의 유입 및 배출 위치는 외부 밸브 조절에 의해 결정될 수 있다. 한 예로, 본 발명의 복합 열교환기(100)는, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같은 1, 2차 루프를 가지는 공조시스템의 제1, 2열교환기(①)(②)를 대체할 수 있다. 이 때 도 3a 내지 도 3c에 잘 나타난 바와 같이 이러한 공조시스템에는 이미 다양한 밸브들이 존재하고 있으며, 이러한 밸브들을 조절함에 따라 고온냉각수 및 저온냉각수를 어디로 흘러가게 할 것인지를 쉽게 결정할 수 있다. 상기 복합 열교환기(100)에서도, 이렇게 기설계된 공조시스템에서는 어떠한 공조모드일 때 어느 유로를 통해 어떤 온도의 냉각수가 흘러올 것인지가 기결정되어 있기 때문에, 이에 맞추어 유통구들이 연결되게 하면 된다.
상기 복합 열교환기(100)의 구성을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 복합 열교환기(100)는 일반적인 열교환기 형태로 된 상기 제1, 2열교환부(110)(120)를 포함하며, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 유통구들을 적절하게 연결하는 일측, 타측매니폴드(130)(140)를 포함할 수 있다. 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 제1열교환부(110)는, 일반적인 열교환기의 구성과 마찬가지로, 내부에 냉각수유동공간을 형성하며 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 제1탱크(111), 상기 제1탱크(111)에 양단이 고정되어 냉각수 유로를 형성하는 복수 개의 제1튜브(112), 하나의 상기 제1탱크(111)에 형성되어 냉각수를 유통시키는 제1일측유통구(113), 다른 하나의 상기 제1탱크(111)에 형성되어 냉각수를 유통시키는 제1타측유통구(114)를 포함한다. 도면 상에서는 생략되었으나, 열교환성능 향상을 위해 상기 제1튜브(112)들 사이에 방열핀이 개재될 수 있다.
상기 제2열교환부(120)는, 역시 일반적인 열교환기의 구성과 마찬가지로, 내부에 냉각수유동공간을 형성하며 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 제2탱크(121), 상기 제2탱크(121)에 양단이 고정되어 냉각수 유로를 형성하는 복수 개의 제2튜브(122), 하나의 상기 제2탱크(121)에 형성되어 냉각수를 유통시키는 제2일측유통구(123), 다른 하나의 상기 제2탱크(121)에 형성되어 냉각수를 유통시키는 제2타측유통구(124)를 포함한다. 역시 도면 상에서는 생략되었으나, 열교환성능 향상을 위해 상기 제2튜브(122)들 사이에 방열핀이 개재될 수 있다.
상기 일측매니폴드(130)는 일측에 형성되는 상기 제1일측유통구(113) 및 상기 제2일측유통구(123)와 연결됨으로써, 결과적으로 일측에서 상기 제1, 2열교환부(110)(120)를 연결하는 역할을 한다. 즉 상기 제1, 2열교환부(110)(120)의 일측과 대면하는 상기 일측매니폴드(130)의 타면에는, 상기 제1일측유통구(113)와 연결되는 제1연통구(131) 및 상기 제2일측유통구(123)와 연결되는 제2연통구(132)가 형성된다. 또한 외부와의 냉각수 유통이 이루어질 수 있도록, 상기 일측매니폴드(130)에는, 상기 제1연통구와 연통되는 유로(1) 및 상기 제2연통구(132)와 연통되는 유로(2)가 형성된다. 도면 상에서는 상기 유로(1) 및 상기 유로(2)가 모두 상기 일측매니폴드(130)의 전방에 형성되는 것으로 도시되나, 주변 시스템의 유로구성에 따라 배치위치는 적절하게 변경될 수 있다.
상기 타측매니폴트(140)는 타측에 형성되는 상기 제1타측유통구(114) 및 상기 제2타측유통구(124)와 연결됨으로써, 상기 일측매니폴드(130)에서와 유사하게, 타측에서 상기 제1, 2열교환부(110)(120)를 연결하는 역할을 한다. 즉 상기 제1, 2열교환부(110)(120)의 타측과 대면하는 상기 타측매니폴드(140)의 일면에는, 상기 제1타측유통구(114)와 연결되는 제3연통구(143) 및 상기 제2타측유통구(124)와 연결되는 제4연통구(144)가 형성된다. 또한 역시 외부와의 냉각수 유통이 이루어질 수 있도록, 상기 타측매니폴드(130)에는, 상기 제3연통구(143)와 연통되는 유로(3) 및 상기 제4연통구(144)와 연통되는 유로(4)가 형성된다. 상기 일측 매니폴드(130)에서와 마찬가지로, 도면 상에서는 상기 유로(3) 및 상기 유로(4)가 모두 상기 타측매니폴드(140)의 전방에 형성되는 것으로 도시되나, 주변 시스템의 유로구성에 따라 배치위치는 적절하게 변경될 수 있다.
이하에서는 고온냉각수 및 저온냉각수 각각의 유입 및 배출 위치에 따라 공조모드를 어떻게 구현하는지에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 열교환기의 냉방, 난방, 제습 시 외부밸브제어 제1실시예를 도시한다. 도 6의 좌측도면은 냉방모드 시, 중측도면은 난방모드 시, 우측도면은 제습모드 시 냉각수의 흐름 및 유로의 연결관계를 각각 나타내고 있다. 도 6의 좌/중/우측도면들의 상측도면의 진한 화살표 및 중측도면의 진한 실선은 고온냉각수를, 연한 화살표 및 연한 실선은 저온냉각수를 나타낸다.
냉방모드 시, 저온냉각수 유입(Cold IN)이 유로(1)과 연결되고, 저온냉각수 배출(Cold OUT)이 유로(2)와 연결되며, 유로(3) 및 유로(4)는 열교환기 외부에서 서로 연결된다. 한편 고온냉각수 유입(Hot IN) 및 고온냉각수 배출(Hot OUT)은 열교환기 외부에서 서로 연결되므로, 본 발명의 복합 열교환기(100)로는 고온냉각수가 유통되지 않는다. 이와 같이 형성됨으로써, 저온냉각수가 상기 유로(1) - 상기 제1연통구(131) - 상기 제1일측유통구(113) - 상기 제1열교환부(110) - 상기 제4연통구(144) - 상기 제1타측유통구(114) - 상기 유로(4) - 상기 유로(3) - 상기 제3연통구(143) - 상기 제2타측유통구(124) - 상기 제2열교환부(120) - 상기 제2일측유통구(123) - 상기 제2연통구(132) - 상기 유로(2)를 순차적으로 통과하게 된다.
즉 본 발명에서는, 냉방모드 시 저온냉각수가 상기 제1열교환부(110) - 상기 제2열교환부(120)를 순차적으로 흘러가도록 형성된다. 종래에는 전후방에 배치된 열교환기에 동일한 온도의 냉각수가 병렬로 공급되었기 때문에, 전방의 열교환기를 통과하여 이미 냉각된 공기가 후방의 열교환기를 통과할 때 온도차가 별로 나지 않아 열교환성능이 크게 떨어지는 문제가 있었다. 그러나 본 발명의 경우, 냉각수가 상기 제1열교환부(110) - 상기 제2열교환부(120)를 순차적으로 흘러감에 따라, 상기 제1열교환부(110) 및 상기 제2열교환부(120) 각각을 흘러가는 냉각수 온도범위가 서로 다르게 형성되며, 이를 이용하여 종래보다 열교환성능을 보다 향상시킬 수 있다.
난방모드 시, 고온냉각수 유입(Hot IN)이 유로(3)과 연결되고, 고온냉각수 배출(Hot OUT)이 유로(4)와 연결되며, 유로(1) 및 유로(2)는 열교환기 외부에서 서로 연결된다. 한편 저온냉각수 유입(Cold IN) 및 저온냉각수 배출(Cold OUT)은 열교환기 외부에서 서로 연결되므로, 본 발명의 복합 열교환기(100)로는 저온냉각수가 유통되지 않는다. 이와 같이 형성됨으로써, 고온냉각수가 상기 유로(3) - 상기 제3연통구(143) - 상기 제2타측유통구(124) - 상기 제2열교환부 - 상기 제2일측유통구(123) - 상기 2연통구(132) - 상기 유로(2) - 상기 유로(1) - 상기 유로(1) - 상기 제1연통구(131) - 상기 제1일측유통구(113) - 상기 제1열교환부(110) - 상기 제4연통구(144) - 상기 제1타측유통구(114) - 상기 유로(4)를 순차적으로 통과하게 된다.
즉 본 발명에서는, 난방모드 시 고온냉각수가 상기 제2열교환부(120) - 상기 제1열교환부(110)를 순차적으로 흘러가도록 형성된다. 냉방모드 시에서와 마찬가지로, 상기 제1열교환부(110) 및 상기 제2열교환부(120) 각각을 흘러가는 냉각수 온도범위가 서로 다르게 형성되게 함으로써 종래보다 열교환성능을 보다 향상시킬 수 있다.
제습모드 시, 저온냉각수 유입(Cold IN)이 유로(1)과 연결되고, 저온냉각수 배출(Cold OUT)이 유로(4)와 연결되며, 고온냉각수 유입(Hot IN)이 유로(3)과 연결되고, 고온냉각수 배출(Hot OUT)이 유로(2)와 연결된다. 이와 같이 형성됨으로써, 저온냉각수가 상기 유로(1) - 상기 제1연통구(131) - 상기 제1일측유통구(113) - 상기 제1열교환부(110) - 상기 제4연통구(144) - 상기 제1타측유통구(114) - 상기 유로(4)를 순차적으로 통과하고, 고온냉각수가 상기 유로(3) - 상기 제3연통구(143) - 상기 제2타측유통구(124) - 상기 제2열교환부 - 상기 제2일측유통구(123) - 상기 2연통구(132) - 상기 유로(2)를 순차적으로 통과하게 된다.
즉 본 발명에서는, 제습모드 시 저온냉각수가 상기 제1열교환부(110)만 흘러가고, 고온냉각수가 상기 제2열교환부(120)만 흘러가도록 형성된다. 따라서 공기가 전방의 상기 제1열교환부(110)를 통과하면서 냉각됨에 따라 공기 중 습기가 응축되어 제거되고, 후방의 상기 제2열교환부(120)를 통과하면서 가열됨에 따라 적절한 온도로 조절되어 차량 실내로 송풍된다.
도 7은 본 발명의 열교환기의 냉방, 난방, 제습 시 외부밸브제어 제2실시예를 도시한 것으로, 냉방모드 및 제습모드는 제1실시예와 동일하나 난방모드에서 차이가 있다.
제2실시예에서는, 난방모드 시, 고온냉각수 유입(Hot IN)이 유로(3)과 연결되고, 고온냉각수 배출(Hot OUT)이 유로(2)와 연결된다. 한편 저온냉각수 유입(Cold IN) 및 저온냉각수 배출(Cold OUT)은 열교환기 외부에서 서로 연결되므로, 본 발명의 복합 열교환기(100)로는 저온냉각수가 유통되지 않는다. 이와 같이 형성됨으로써, 고온냉각수가 상기 유로(3) - 상기 제3연통구(143) - 상기 제2타측유통구(124) - 상기 제2열교환부 - 상기 제2일측유통구(123) - 상기 2연통구(132) - 상기 유로(2)를 순차적으로 통과하게 된다.
즉 제2실시예에서는, 난방모드 시 고온냉각수가 상기 제2열교환부(120)만 흘러가도록 형성된다. 앞서 제1실시예에서는 난방모드 시 고온냉각수가 상기 제2열교환부(120) - 상기 제1열교환부(110)를 순차적으로 흘러가도록 형성되어, 공기가 2개의 열교환기를 통과하면서 2번 가열되도록 하였다. 그러나 난방부하가 그리 높지 않은 경우, 즉 공기를 지나치게 가열할 필요가 없는 경우에는, 굳이 공기가 2개의 열교환기를 통과하게 하지 않고 1개의 열교환기만 통과하면서 1번 가열되게 하여도 된다. 제2실시예의 난방모드는 바로 이러한 경우 적용되기에 적절하며, 열교환기의 반만 사용하여 난방을 수행하므로 하프(half)난방모드라고 구분하여 칭할 수도 있다. 이러한 하프난방모드를 사용할 경우 불필요하게 과도한 공기 가열이 이루어지지 않으므로, 전체적인 시스템 효율이 향상될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 열교환기의 여러 실시예를 도시한 것으로, 여러 부가구성들을 설명하기 위한 것이다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 복합 열교환기(100)는, 실질적으로 2개의 독립적인 열교환기처럼 형성되는 상기 제1, 2열교환부(110)(120)의 유통구들을 상기 일측, 타측매니폴드(130)(140)로 연결함으로써 일체화시킨다. 이와 같이 상기 제1, 2열교환부(110)(120)가 서로 분리된 구조로 형성됨으로써, 각각의 열교환기 내부에 냉각수 흐름을 조절하기 위해 배플을 구비시킬 필요가 없어 열교환기 제조성이 향상되고, 냉방모드 및 제습모드에서 발생되는 응축수가 원활하게 배수될 수 있는 등 다양한 장점이 있다.
그런데 이처럼 열교환부들을 매니폴드들로만 연결시킬 경우 구조적 강성이 떨어질 우려가 있다. 이러한 문제를 완화하기 위해, 상기 복합 열교환기(100)는, 전방 일부가 복수 개의 상기 제1튜브(112)가 형성하는 튜브열의 끝단에 배치되고, 후방 일부가 복수 개의 상기 제1튜브(112)가 형성하는 튜브열의 끝단에 배치되어, 튜브열들의 양끝단에서 상기 제1탱크(111) 및 상기 제2탱크(112)를 연결하는 서포트(101)를 포함할 수 있다. 일반적으로 열교환기의 튜브열 양끝단에는, 열교환기의 강성을 향상시키도록, 튜브삽입홀에 삽입가능하게 튜브와 동일 외형으로 형성되되 튜브와는 달리 내측이 비어있지 않은 서포트가 구비된다. 이 때 본 발명에서는, 전방 및 후방에 각각 배치되는 상기 제1, 2열교환부(110)(120)의 서포트를 서로 일체화시키는 것이다. 즉 상기 서포트(101)가 구비됨으로써 상기 제1, 2열교환부(110)(120)의 구조적 강성이 보다 보강될 수 있다.
이러한 구조적 강성을 더욱 보강하기 위해, 상기 복합 열교환기(100)는, 도 8a에 도시된 바와 같이, 서로 나란히 배열된 상기 제1탱크(111) 및 상기 제2탱크(121)를 서로 연결하여 일체화시키는 연결재(102)를 더 포함할 수 있다. 이 때 상기 연결재(102)에 의하여 탱크들 간에 불필요한 열전달이 이루어지게 되는 것이 방지될 필요가 있다. 이에 따라 상기 연결재(102)는, 상기 제1탱크(111) 및 상기 제2탱크(121)를 서로 연결하기는 하되 튜브열의 배열방향으로 배열되는 복수 개의 노치가 형성됨으로써 상기 연결재(102)를 통한 탱크들 간의 열전달이 방지될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또는 도 8a에 도시된 바와 같이 상기 연결재(102)가 튜브열의 배열방향으로 배열되며 서로 분리된 복수 개의 바 형태로 형성되게 할 수도 있다.
한편 상기 제1, 2열교환부(110)(120) 간에 불필요한 열전달이 이루어지면 당연히 전체적인 열교환성능이 떨어지게 되므로, 이러한 열전달을 아예 차단해버리는 것도 바람직하다. 이에 따라 상기 복합 열교환기(100)는, 도 8b에 도시된 바와 같이, 서로 나란히 배열된 상기 제1탱크(111) 및 상기 제2탱크(121) 사이에 개재되는 단열재(103)를 구비할 수 있다. 상기 단열재(103)가 구비됨에 따라 상기 제1, 2탱크(111)(121) 사이에서 발생되는 불필요한 열전달이 원천적으로 차단되며, 열교환성능 저하를 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 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.
100 : 복합 열교환기 101 : 서포트
102 : 연결재 103 : 단열재
110 : 제1열교환부
111 : 제1탱크 112 : 제1튜브
113 : 제1입구 114 : 제1출구
120 : 제2열교환부
121 : 제2탱크 122 : 제2튜브
123 : 제2입구 124 : 제2출구
130 : 제1매니폴드
(1) : 유로(1) (2) : 유로(2)
131 : 제1입구연통구 132 : 제1출구연통구
140 : 제2매니폴드
(3) : 유로(3) (4) : 유로(4)
143 : 제2입구연통구 144 : 제2출구연통구

Claims (13)

  1. 압축기-응축기-팽창밸브-증발기를 포함하여 냉매가 순환되는 1차 루프와 연계되어 냉매와 열교환하는 냉각수가 순환하는 2차 루프에 구비되며, 고온냉각수 또는 저온냉각수와 외부 공기를 열교환시켜 냉방, 난방, 제습 중 선택되는 적어도 하나의 공조모드를 수행하는 복합 열교환기(100)에 있어서,
    외부 공기가 불어오는 방향을 전방, 불어나가는 방향을 후방이라 할 때,
    제1열교환부(110) 및 상기 제1열교환부(110)의 후방에 배치되는 제2열교환부(120)들에 구비된 복수 개의 유통구들이 서로 연결됨으로써,
    고온냉각수 및 저온냉각수 각각의 유입 및 배출 위치에 따라, 냉각수가 상기 제1열교환부(110) 및 상기 제2열교환부(120)를 순차적으로 흘러가거나 또는 냉각수가 상기 제1열교환부(110) 및 상기 제2열교환부(120) 각각을 독립적으로 흘러가도록 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 복합 열교환기(100)는,
    고온냉각수 및 저온냉각수 각각의 유입 및 배출 위치는 외부 밸브 조절에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.

  3. 제 1항에 있어서, 상기 제1열교환부(110)는,
    내부에 냉각수유동공간을 형성하며 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 제1탱크(111), 상기 제1탱크(111)에 양단이 고정되어 냉각수 유로를 형성하는 복수 개의 제1튜브(112), 하나의 상기 제1탱크(111)에 형성되어 냉각수를 유통시키는 제1일측유통구(113), 다른 하나의 상기 제1탱크(111)에 형성되어 냉각수를 유통시키는 제1타측유통구(114)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 제2열교환부(110)는,
    내부에 냉각수유동공간을 형성하며 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 제2탱크(121), 상기 제2탱크(121)에 양단이 고정되어 냉각수 유로를 형성하는 복수 개의 제2튜브(122), 하나의 상기 제2탱크(121)에 형성되어 냉각수를 유통시키는 제2일측유통구(123), 다른 하나의 상기 제2탱크(121)에 형성되어 냉각수를 유통시키는 제2타측유통구(124)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 복합 열교환기(100)는,
    상기 제1열교환부(110); 상기 제2열교환부(120);
    상기 제1일측유통구(113)와 연결되는 제1연통구(131), 상기 제1연통구와 연통되는 유로(1), 상기 제2일측유통구(123)와 연결되는 제2연통구(132), 상기 제2연통구(132)와 연통되는 유로(2)를 포함하여, 상기 제1일측유통구(113) 및 상기 제2일측유통구(123)를 연결하는 일측매니폴드(130);
    상기 제1타측유통구(114)와 연결되는 제3연통구(143), 상기 제3연통구(143)와 연통되는 유로(3), 상기 제2타측유통구(124)와 연결되는 제4연통구(144), 상기 제4연통구(144)와 연통되는 유로(4)를 포함하여, 상기 제1타측유통구(114) 및 상기 제2타측유통구(124)를 연결하는 타측매니폴드(140);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 복합 열교환기(100)는,
    냉방모드 시,
    저온냉각수가 상기 유로(1) - 상기 제1연통구(131) - 상기 제1일측유통구(113) - 상기 제1열교환부(110) - 상기 제4연통구(144) - 상기 제1타측유통구(114) - 상기 유로(4) - 상기 유로(3) - 상기 제3연통구(143) - 상기 제2타측유통구(124) - 상기 제2열교환부(120) - 상기 제2일측유통구(123) - 상기 제2연통구(132) - 상기 유로(2)를 순차적으로 통과하여,
    저온냉각수가 상기 제1열교환부(110) - 상기 제2열교환부(120)를 순차적으로 흘러가도록 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 복합 열교환기(100)는,
    난방모드 시,
    고온냉각수가 상기 유로(3) - 상기 제3연통구(143) - 상기 제2타측유통구(124) - 상기 제2열교환부 - 상기 제2일측유통구(123) - 상기 2연통구(132) - 상기 유로(2) - 상기 유로(1) - 상기 유로(1) - 상기 제1연통구(131) - 상기 제1일측유통구(113) - 상기 제1열교환부(110) - 상기 제4연통구(144) - 상기 제1타측유통구(114) - 상기 유로(4)를 순차적으로 통과하여,
    고온냉각수가 상기 제2열교환부(120) - 상기 제1열교환부(110)를 순차적으로 흘러가도록 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 복합 열교환기(100)는,
    난방모드 시,
    고온냉각수가 상기 유로(3) - 상기 제3연통구(143) - 상기 제2타측유통구(124) - 상기 제2열교환부 - 상기 제2일측유통구(123) - 상기 2연통구(132) - 상기 유로(2)를 순차적으로 통과하여,
    고온냉각수가 상기 제2열교환부(120)만 흘러가도록 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
  9. 제 5항에 있어서, 상기 복합 열교환기(100)는,
    제습모드 시,
    저온냉각수가 상기 유로(1) - 상기 제1연통구(131) - 상기 제1일측유통구(113) - 상기 제1열교환부(110) - 상기 제4연통구(144) - 상기 제1타측유통구(114) - 상기 유로(4)를 순차적으로 통과하고,
    고온냉각수가 상기 유로(3) - 상기 제3연통구(143) - 상기 제2타측유통구(124) - 상기 제2열교환부 - 상기 제2일측유통구(123) - 상기 2연통구(132) - 상기 유로(2)를 순차적으로 통과하여,
    저온냉각수가 상기 제1열교환부(110)만 흘러가고, 고온냉각수가 상기 제2열교환부(120)만 흘러가도록 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
  10. 제 5항에 있어서, 상기 복합 열교환기(100)는,
    전방 일부가 복수 개의 상기 제1튜브(112)가 형성하는 튜브열의 끝단에 배치되고, 후방 일부가 복수 개의 상기 제1튜브(112)가 형성하는 튜브열의 끝단에 배치되어, 튜브열들의 양끝단에서 상기 제1탱크(111) 및 상기 제2탱크(112)를 연결하는 서포트(101);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
  11. 제 5항에 있어서, 상기 복합 열교환기(100)는,
    서로 나란히 배열된 상기 제1탱크(111) 및 상기 제2탱크(121)를 서로 연결하여 일체화시키는 연결재(102);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 연결재(102)는,
    튜브열의 배열방향으로 배열되는 복수 개의 노치가 형성되거나,
    튜브열의 배열방향으로 배열되며 서로 분리된 복수 개의 바 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
  13. 제 5항에 있어서, 상기 복합 열교환기(100)는,
    서로 나란히 배열된 상기 제1탱크(111) 및 상기 제2탱크(121) 사이에 개재되는 단열재(103);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 열교환기.
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