KR100219026B1 - 코러게이티드 핀이 부착된 서펜타인 열교환기 - Google Patents

코러게이티드 핀이 부착된 서펜타인 열교환기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 코러게이티드 핀이 부착된 서펜타인 열교환기를 개시한다. 본 발명은 에어컨이나 냉동기에 장착되는 서펜타인 열교환기에서, 튜브의 양끝단에 테이퍼진 유입 및 유출 헤더 파이프를 장착하되, 테이퍼진 유입 및 유출 헤더 파이프는 그 직경이 큰측이 각각 유입 및 유출구가 되도록 상기 튜브의 양끝단에 상호 반대 방향으로 장착되며, 상기 튜브의 끝단은 상기 유입 및 유출 헤더 파이프의 내측면과 평행하게 설치된다. 따라서 유입 헤더 파이프로 유입되는 냉매가 막힌 측으로 갈수록 압력이 증가되고, 이에 따라 공기와 초기에 열교환이 이루어지는 튜브 전측의 미세유로에서는 냉매유량이 많고 공기와의 온도차이도 커서 과열이나 과냉이 발생되지 않고, 튜브 후측의 미세유로에서는 냉매유량이 상대적으로 적어 공기와의 열전달량이 용이하게 이루어지므로 증발 혹은 응축이 완료되어 유출 헤더 파이프로 유입되도록 한다. 그리고, 튜브의 끝단이 헤더 파이프의 내주면과 나란하게 장착되므로 헤더 파이프내를 통과하는 냉매에 의한 유로저항을 감소시켜 압축기의 소비동력을 감소시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

코러게이티드 핀이 부착된 서펜타인 열교환기
본 발명은 열교환기(heat exchanger)에 관한 것으로서, 더 상세하게는 코러게이티드 핀(corrugated-fin)이 부착된 서펜타인(serpentine) 형상의 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 냉매사이클을 이용한 에어컨이나 냉동기에 사용되는 데, 이러한 냉매사이클을 갖는 에어컨이나 냉동기는 압축기(compressor)에서 압축된 냉매를 응축기(condenser)에서 액화시킨 뒤 팽창밸브(expansion valve)를 통해 증발기(evaporator)에서 다시 기화시켜 흠수되는 기화열에 의해 소정의 목적을 달성한다.
이렇게 냉매사이클에는 냉매를 통과시키는 응축기와 증발기 두 개의 열교환기가 설치되고, 증발기에서는 주위로 흐르는 공기와 냉매가 열교환되어 찬공기를 발생시키며 응축기에서는 주위로 흐르는 공기와 냉매가 열교환되어 증발기에서 흡수한 열을 외부로 방출시킨다.
이러한 열교환기 중에서 서펜타인 열교환기는, 알루미늄 재질로 만든 코러게이티드 핀을 다수의 미세유로가 형성된 서펜타인 모양의 튜브에 장착한 상태에서 브레이징(braziIlg)하여 제작하게 되는 데, 제1도에는 이와 같은 서펜타인 열교환기를 도시하고 있다.
다수의 미세유로가 형성된 서펜타인 모양의 튜브(10)에 코러게이티드 핀(11)을 장착하고, 튜브(10)의 양끝단 각각에는 튜브(10)에 대응되는 홈(도시하지 않음)이 형성된 일측이 막힌 헤더 파이프(12a)(12b)를 장착한 상태에서 브레이징(brazing)시켜 이들이 상호 결합할 수 있도록 한다.
제2도에서는 이러한 서펜타인 열교환기 내부를 통과하는 냉매의 흐름을 나타내고 있다.
유입배관(13)을 통하여 유입 헤더 파이프(l2a)로 유입된 냉매는 굴곡된 튜브(10)의 미세유로들을 흐르고, 유출 헤더 파이프(12b)로 유입된 후에 유출배관(14)을 통해 빠져 나간다.
그리고, 헤더 파이프(12a)(12b)로 유입되는 냉매가 튜브(10)내 각각의 미세유로내로 적절한 유량으로 유입될 수 있도록 제3와 제4도에 도시한 바와 같이 헤더파이프(12a)(12b)의 내부로 삽입된 튜브(10)의 끝단이 일정각도 기울여 장착되게 하거나 튜브(10)의 높이를 다르게 설치한다.
이러한 서펜타인 열교환기는, 도 5에 도시한 바와 같은 다수의 미세유로(l5)가 형성된 튜브(10)내로 냉매가 흐르며 공기와의 열교환이 이루어진다.
제6도에는 냉매의 온도변화와 열교환기를 통과하는 공기의 온도변화를 나타내고 있다.
열교환되는 공기의 유동방향은 미세유로(15)를 흐르는 냉매의 유동방향과 직각을 이루게하여 열교환효과를 높이게 되는 데, 이 때 증발기 또는 응축기인 열교환기 내부 냉매의 온도변화는 거의 일정하게 유지된다.
그리고, 증발기로 사용되는 열교환기의 경우에는 공기의 유입측(7a) 공기온도(16)는 냉매의 온도(17)에 비해 높은 편이고, 유출측(7b)으로 갈수록 급격하게 감소하며, 응축기로 사용되는 열교환기의 경우에는 공기의 유입측(7a) 공기온도(18)는 냉매의 온도(17)에 비해 낮은 편이고, 유출측(7b)으로 갈수록 급격하게 상승한다.
따라서, 열교환기인 증발기와 응축기에서는 공기와 냉매의 온도차이(19)는 유입측(7a)에서 유출측(7b)으로 갈수록 점점 줄어들게 된다. 이러한 온도차이(19)가 크면 클수록 열교환기의 열전달량은 커지게 된다.
그러나 이와 같은 종래의 서펜타인 열교환기는, 유입측(7a)에서 유출측(7b)으로 갈수록 공기와 냉매의 온도차이가 줄어들어 열전달량이 점차 줄어들게 되는 데, 이것은 냉매가 증발 또는 응축과정이 열교환기의 내부에서 진행중일 때의 잠열이 증발이나 응축이 끝나는 시점의 비열에 비해 매우 크기 때문에 일어나는 현상이다.
따라서, 이러한 종래 서펜타인 열교환기의 헤더 파이프(12a)(12b) 내부를 통과하고 미세유로(15)로 유입되는 냉매의 유량이 적절하게 분배되지 못하는 문제점이 따른다.
그리고, 이와 같은 문제점을 감소시키고자 헤더 파이프(l2a)(12b)의 내부에 튜브(l0)를 장착할 때, 튜브(l2)를 일정각도 기울여서 설치하나 그 또한 충족한 결과를 얻지 못하며 나아가 헤더 파이프(12a)(12b) 내에서의 유로저항에 따른 압축기의 소비동력이 크게 상승하는 문제점도 나타난다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 미세유로내를 흐르는 냉매의 유량을 적절하게 분배하여 열교환기의 열전달량을 상승시키고, 압축기의 소비동력을 줄일 수 있는 열교환기의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 코러게이티드 핀이 부착된 서팬타인 형상을 가지며 내부에 다수의 미세유로가 형성된 튜브와, 상기 튜브의 양끝단에 각각 설치되는 유입 및 유출 헤더 파이프를 구비하는 열교환기에 있어서, 상기 유입 및 유출 헤더 파이프가 테이퍼지게 형성되고, 상기 테이퍼진 유입 및 유출 헤더 파이프가 그 직경이 큰측이 각각 유입 및 유출구가 되도록 상기 튜브의 양끝단에 상호 반대방향으로 설치되며, 상기 튜브의 끝단은 상기 유입 및 유출헤더 파이프의 내측면과 평행하게 설치되는 코러게이트 핀이 부착된 서펜타인 열교환기를 제공하는데 그 특징이 있다.
제1도는 종래 코러게이티드 핀이 부착된 서펜타인 열교환기를 개략적으로 도시한 사시도.
제2도는 서펜타인 열교환기 내부로 흐르는 냉매의 흐름을 도시한 개략도.
제3도는 종래 헤더 파이프내에 장착되는 튜브의 높이가 다른 것을 나타내는 단면도.
제4도는 종래 헤더 파이프에 장착되는 튜브를 경사지게 설치한 것을 나타내는 단면도.
제5도는 서펜타인 열교환기에서 다수의 유로가 형성되는 튜브를 도시한 단면도.
제6도는 종래 서펜타인 열교환기의 내부를 흐르는 냉매의 온도분포와 열교환기 주위에서 공기의 온도변화를 도시한 그래프.
제7도는 본 발명에 따른 코러게이티드 핀이 부착된 서펜타인 열교환기를 개략적으로 도시한 사시도.
제8도는 본 발명에 따른 헤더 파이프와 튜브가 결합된 상태를 도시한 단면도.
제9도는 공기의 유동방향과 헤더 파이프로 유입되는 냉매의 유동방향에 따른 미세유로별 냉매유량 분포의 차이를 나타내는 개략도.
제10도는 본 발명에 따른 헤더 파이프 내부에서 냉매의 압력분포를 도시한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
30 : 튜브(tube) 32 : 코러게이티드 핀(corrugated-fin)
40a(40b) : 헤더 파이프(header pipe)
이하 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명 한다.
제7도에서, 튜브(30)내에는 도 5에 도시한 종래의 미세유로와 동일한 단면의 크기를 갖는 다수의 미세유로들이 형성되고, 이 튜브(30)는 여러번 굴곡되어 서펜타인 형상을 갖는다.
이러한 튜브(30)들의 사이에는 미세유로 내부를 흐르는 냉매와 튜브(30)의 외측으로 통과하는 공기가 상호 열교환이 원활하게 이루어지도록 코러게이티드 핀(32)이 장착된다.
또한, 제8도에 도시한 바와 같이 튜브(30)의 양끝단에 본 발명의 특징에 따른 헤더 파이프(40a)(40b)가 장착되는 데, 이 헤더 파이프(40a)(40b)들은 테이퍼지고, 양끝단 중에서 막힌 측(41)은 단면의 직경이 작고, 대향되는 개방측(45)은 단면의 직경이 막힌 측(41)보다 상대적으로 크며 이 곳으로 냉매가 유출된다.
이러한 헤더 파이프(40a)(40b)들은 길이방향으로 튜브(30)에 대응되는 도시하지 않은 흠이 형성되고, 이에 튜브(30)의 끝단이 헤더 파이프(40a)(40b) 내측으로 돌출되지 않은 상태로 나란하게 장착된다.
그리고, 냉매가 유입되는 유입 헤더 파이프(40a)와 유출되는 유출 헤더 파이프(40b)는 상호 반대방향으로 설치된다.
이와 같이 장착을 마친 서펜타인 열교환기는 브레이징로(도시하지 않음)에서 브레이징되어 상호 결합된다.
이러한 서펜타인 열교환기를 설치할 때 열교환기를 통과하는 공기의 유동방향과 유입 헤더 파이프로 유입되는 냉매의 유동방향은 여러 가지가 있다. 일반적으로 열전달량은 두 작동유체중에서 열용량(질량유량×비열)이 작은 유체의 열용량과 열교환하는 두 유체의 최대 온도차이(두 유체의 입구온도차)에 의해 결정된다. 작동유체가 공기와 냉매로 구성된 경우 냉매는 증발, 응축하에 비열이 매우 크므로 공기측의 열용량이 맹매보다 작아서 최소 열용량이 된다. 이를 수식으로 나타내면, Q =7(mCp)minεΔTmax 이다. 여기서 Q는 열전달량이고,(mCp)min은 공기의 열용량이다. 그리고 ε는 열교환기의 효과이며, 이상적인 최대 열전달량에 대한 실제 열전달량의 비로 정의되는 값이다. ΔTmax는 냉매와 공기의 최대 온도차이를 나타낸다.
동일한 작동유체일 경우에는 질량유량이 많을수록, 그리고 상호 열교환되는 두 유체의 온도차이가 크면 클수록 열전달량이 크게 나타난다.
특히 냉매의 온도변화는 거의 일정하게 나타나므로 공기의 온도변화에 따라서 두 유체의 최대 온도차이가 결정된다. 그리고 공기유동의 하류쪽으로 갈수록 공기와 냉매의 온도차이는 줄어들게 된다.
이것을 도 9를 참조하여 살펴본다.
제9a도는 서펜타인 열교환기를 통과하는 공기의 유동방향(47)과 헤더 파이프(50a)로 유입되는 냉매의 유동방향이 동일한 경우를 나타내고 있다.
여기서 튜브(52)내의 미세유로들 중에서 유동하는 공기와 초기에 열교환이 이루어지는 전측(54a)에서는 유입 헤더 파이프(50a)로 유입되어 미세유로를 통과하는 냉매와의 온도차이는 크고 냉매유량은 적은 데, 여기서 온도차이를 3이라 가정하고, 냉매유량을 1m이라 하면 전체 열전달량은 3mc가 된다.
또한, 유입 헤더 파이프(50a)로 유입되는 냉매는, 유입 헤더 파이프(50a)의 개방측(51)보다 유입 헤더 파이프 중간부분(53)의 압력이 높기 때문에 미세유로를 통과하는 냉매유량이 전측(54a)보다는 중심부(54b)가 많게 된다. 이러한 냉매유량을 2m이라 가정하고, 튜브(52)의 전측(54a)에서 열교환되어 온도가 상승한 공기와 냉매와의 온도차이를 2라 가정한다. 따라서 여기에서의 열전달량은 4mc가 된다.
그리고, 튜브(52)의 후측(54c)은 전측(54a)과 중심부(54b)에 비해서 가장 압력이 높기 때문에 미세유로를 통과하는 냉매유량이 가장 많으므로 3m이라 가정하고, 냉매와 공기와의 온도차이는 가장 작게 되므로 1이라 가정하면 열전달량은 3mc가 된다. 이러한 열교환기에서의 열전달량을 종합하면 1Omc가 된다,
한편, 유입 헤더 파이프(60a)로 유입되는 냉매의 유동방향과 공기의 유동방향(47)이 직각을 이룰 경우에는 도 9b와 같이 나타난다.
튜브(62)의 전측(64a)에서는 유입 헤더 파이프(60a)로 유입되는 냉매가 바로 미세유로로 유입되므로 냉매유량은 3m이라 가정할 수 있고, 냉매와 공기와의 온도 차이를 3이라 가정하면 열전달량은 9mc가 된다.
그리고, 유입 헤더 파이프(60a)에서 중간부분(63)과 막힌 측(65)의 압력차이는 미세하여 미세유로를 통과하는 냉매유량도 거의 동일하므로 중심부(64b)와 후측(64c)의 냉매유량을 1m이라 가정하고, 튜브(62) 중심부(64b)에서의 냉매와 공기의 온도차이를 2라 가정하고 후측(64c)을 1이라 가정하면, 열전달량은 중심부(64b)가 2mc이고, 후측(64c)은 1mc가 된다. 따라서 이러한 열교환기에서의 전체 열전달량은 12mc가 된다.
마지막으로 제9c도에서는 유입 헤더 파이프(70a)로 유입되는 냉매의 유동방향과 공기의 유동방향(47)이 마주보고 있는 경우를 나타내고 있다.
유입 헤더 파이프(70a)의 막힌 측(75)은 유입 헤더 파이프(70a)로 유입되는 냉매가 적층되는 부분이므로 가장 압력이 높게 나타나므로, 전측(74a)의 미세유로를 통과하는 냉매유량이 많게 되고, 이를 3m이라 가정한다. 그리고, 전측(74a)에서의 냉매와 공기의 온도차이를 3이라 가정하면, 전측(74a)에서의 열전달량은 9mc이다.
또한, 튜브(72)의 중심부(74b)에서는 전측(74a)보다 압력이 낮으므로 미세유로를 통과하는 냉매유량도 적어 2m으로 나타낼 수 있고, 이 부분에서의 온도차이는 전측(74a)에서 열교환된 공기가 유입되므로 2라 가정한다. 따라서 중심부(74b)에서의 열전달량은 4mc가 된다.
아울러, 후측(74c)에서는 유입 헤더 파이프(70a)의 개방측(71)이므로 압력이 낮아 미세유로를 통과하는 냉매유량도 적게 되는 데, 이 냉매유량을 1m으로 나타낼수 있고, 이 부분에서의 온도차이는 튜브(72)의 중심부(74b)에서 열교환된 공기가 유입되어 다시 열교환되므로 1이라 가정할 수 있으며, 후측(74c)에서의 열전달량은 1mc가 된다. 따라서 전체 열전달량은 14mc가 된다.
전술한 바와 같이 유입 헤더 파이프(50a)(60a)(70a)로 유입되는 냉매의 유동방향과 공기의 유동방향을 상호 마주보게 하였을 때, 가장 열전달량이 크게 나타난다.
본 발명은 이와 같은 결과를 감안하여 열교환기를 통과하는 공기의 유동방향(45)과 유입 헤더 파이프(40a)로 유입되는 냉매의 유동방향을 서로 마주보게 설치하고, 유출 헤더 파이프(40b)의 개방측(43)과 유입 헤더 파이프(40a)의 막힌 측(41)을 대응되게 설치함으로서, 유입 헤더 파이프(40a)와 유출 헤더 파이프(40b)에서 제10도와 같은 압력분포를 나타낸다.
즉, 유입 헤더 파이프(40a)의 개방측(45)에서 막힌측(41)으로 갈수록 압력이 증가하고, 출구 헤더 파이프(40b)는 막힌측(41)에서 개방측(45)으로 갈수록 압력이 감소한다.
이에 따라 튜브(30)내의 미세유로 각각을 통과하는 냉매유량도 튜브(30)의 전측(34a)과 후측(34b)이 달라지게 되는 데, 튜브(30) 전측(34a)의 미세유로를 통과하는 냉매유량이 많게 되고, 냉매는 과열 또는 과냉되지 않으며, 튜브(30) 후측(34b)의 미세유로를 통과하는 냉매유량은 적게 되어 냉매가 미세유로를 빠져 나가기 전에 증발 혹은 응축이 완료된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 코러게이티드 핀이 부착된 서펜타인 열교환기는, 튜브가 헤더 파이프의 면을 따라 장착되므로 냉매가 헤더 파이프내를 흐르면서 발생되는 유로저항을 감소시켜 압축기의 소비동력을 감소시킬 수 있고, 튜브내의 미세유로들을 통과하는 냉매유량이 적절하게 유입되므로 열전달량이 높아지는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (1)

  1. 코러게이티드 핀이 부착된 서팬타인 형상을 가지며 내부에 다수의 미세유로가 형성된 튜브와, 상기 튜브의 양끝단에 각각 설치되는 유입 및 유출 헤더 파이프를 구비하는 열교환기에 있어서, 상기 유입 및 유출 헤더 파이프(40a)(40b)가 테이퍼지게 형성되고, 상기 테이퍼진 유입 및 유출 헤더 파이프(40a)(40b)가 그 직경이 큰측이 각각 유입 및 유출구가 되도록 상기 튜브(30)의 양끝단에 상호 반대방향으로 설치되며, 상기 튜브(30)의 끝단은 상기 유입 및 유출 헤더 파이프(40a)(40b)의 내측면과 평행하게 설치되는 것을 특징으로 하는 코러게이트 핀이 부착된 서펜타인 열교환기.
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