KR100512041B1

KR100512041B1 - 냉난방기용 열교환장치

Info

Publication number: KR100512041B1
Application number: KR10-2003-0090201A
Authority: KR
Inventors: 최동각
Original assignee: 최동각
Priority date: 2003-12-11
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2005-09-05
Also published as: KR20050057966A

Abstract

본 발명은 냉난방기용 열교환장치에 관한 것으로서, 냉매 순환배관을 따라 순환 유동되는 냉매에 대한 열교환성능이 향상되어질 수 있도록 하여 공기조화기를 이용한 실내 냉난방이 효과적으로 이루어질 수 있도록 하기위한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명의 열교환장치는, 열교환기 본체(10) 내부에는 고압순환펌프(13)의 압력작용에 의해 하부의 냉매통(12)에 저장되어져 있는 냉매를 분사노즐(11a)을 통해 상방향으로 분사하기 위한 분사관(11)이 설치되어져 있으며; 상기 열교환기 본체(10) 상부에는 상기 분사된 냉매열을 증발기(30)측으로 전달하기 위한 다수의 히트파이프(31)가 수직방향으로 구성되었고; 상기 히트파이프(31)를 중심으로 양측에는 증발기(30)에서의 열교환이 함께 이루어지도록 증발순환 냉매관(32)이 설치되되, 상기 각각의 증발순환 냉매관(32) 하단부는 열교환기 본체(10)의 외벽에 설치된 열교환블럭(20)과 열교환이 이루어지도록 구성되며; 상기 열교환블럭(20)은 열교환기 본체(10)의 외측면을 따라 수회 감겨져 순환되는 본체순환 냉매관(21)이 경유하도록 구성되고; 상기 냉매통(12) 내에는 상변환물질이 저장된 예열용 PCM박스(1)가 장착되되, 상기 PCM박스(1)로 열전소자(2)의 내측에서 발생된 열을 전달하기 위한 냉각블럭(3)과, 상기 열전소자(2)의 외측으로는 냉매 순환용 배관(4)이 통과되는 방열블럭(5) 및 외주면을 따라 방열핀(6)이 형성되어져 있는 방열팬(7)이 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

냉난방기용 열교환장치{HEAT EXCHANGER FOR AIR CONDITIONER}

본 발명은 열교환장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실내공기의 냉방 또는 난방을 수행하는 공기조화기에 있어서 냉매와의 열교환이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 하기위한 열교환장치에 관한 것이다.

일반적으로, 공기조화장치는 모든 기후조건과 실내환경에 따라서 최적의 온도 및 습도를 유지하기 위한 것으로, 실내공기를 시원하게 하거나 따뜻하게 하는 냉방장치 및 난방장치를 비롯하여, 습도를 적당하게 유지하기 위한 가습장치와, 실내공기를 외부로 배출시키는 환기장치 등이 포함된다.

이중에서 냉방장치는 액냉매가 증발할 때에 주위 공기와 열교환되어 이를 냉각시키는 작용을 이용하여 실내 공간을 냉방하는 것으로, 이러한 냉방작용 이외에도, 제습작용을 함께 수행한다. 이러한 기능을 갖는 냉방장치는 냉매를 고온·고압의 가스형태로 압축하는 압축기와, 압축된 고온·고압의 냉매를 액화시키는 열교환기와, 팽창 밸브에 의해 팽창된 냉매를 증발시키는 증발기 및, 상기 증발기를 통과하면서 열교환된 냉각공기를 냉방이 필요한 실내 공간으로 강제 송풍시키는 블로어와 같은 일반적인 구성을 갖고 있다.

그리고, 난방장치는 추운 겨울철에 실내공간을 따뜻하게 유지하기 위한 것으로서, 따뜻하게 가열된 고온의 물을 순환시키는 방식의 가정용 소형 보일러를 비롯하여, 대형 건물에서 주로 채용하는 것으로서, 가열된 고온의 공기를 덕트를 통해서 실내에 설치되어 있는 팬코일로 공급하여 난방하는 중앙 집중식 난방장치가 있다. 그 밖에도 사무실이나 은행과 같은 장소에서는 실내의 공기를 흡인하여 가열한 다음, 배출함으로써 점차 실내의 공기가 따뜻해지도록 하는 온풍기가 사용되고 있다.

이런 공기조화장치에는 상술한 바와 같은 냉방장치와 난방장치를 겸용으로 사용할 수 있는 냉난방 겸용 공기조화장치가 있다. 이런 냉난방 겸용 공기조화장치는 상술한 바와 같은 압축기와, 열교환기와, 증발기 및, 블로어와 같은 일반적인 구성에서 냉매의 흐름을 순환 또는 역순환시키므로써 냉방과 난방을 행할 수 있도록 되어 있다

본 발명은 이러한 냉난방기용 열교환장치의 열교환효율을 극대화 하기위해 제안된 것으로서, 열전달 효율이 상대적으로 높은 히트파이프와 펠티어 열전소자, 그리고 잠열물질이 저장되는 PCM박스를 적용한 열교환장치를 구성함으로서 공기조화기를 이용한 실내난방 또는 실내냉방의 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는데 목적이 있다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.

먼저, 본 실시예에 따른 열교환장치의 전체적인 구성을 살펴보면, 원통형상을 이루고 있는 열교환기 본체(10) 내부에는 고압순환펌프(13)의 압력작용에 의해 하부의 냉매통(12)에 저장되어져 있는 제1냉매를 분사노즐(11a)을 통해 상방향으로 분사하기 위한 분사관(11)이 설치됨과 함께 자갈 등과 같은 석재(15)로 채워져 있고, 상기 열교환기 본체(10) 상부에 장착된 응축수받이(16)에는 상기 분사된 제1냉매의 냉매열을 증발기(30)측으로 전달하기 위한 다수의 히트파이프(31)가 수직방향으로 삽입설치되도록 파이프 포켓(16a)이 형성됨과 함께 모여진 응축수를 안내하기 위한 드레인관(28)이 구비되었다.

그리고, 상기 히트파이프(31)를 중심으로 양측에는 증발기(30)에서의 열교환이 함께 이루어지도록 증발순환 냉매관(32)이 설치되되, 상기 각각의 증발순환 냉매관(32) 하단부는 열교환기 본체(10)의 외벽에 설치된 열교환블럭(20)과 열교환이 이루어지도록 구성되며, 상기 열교환블럭(20)은 열교환기 본체(10)의 외측면을 따라 수회 감겨져 제2냉매가 순환펌프(18) 동작에 의해 순환되는 본체순환 냉매관(21,21a)이 경유하도록 구성되었다.

또한, 상기 냉매통(12) 내에는 상변환물질이 저장된 예열용 PCM박스(1)가 장착되되, 상부 받침판(14)에는 분사관(11)을 통해 분사된 제1냉매를 PCM박스(1) 내로 회수될 수 있도록 다수의 회수공(14a)이 형성되어져 있으며, 상기 PCM박스(1) 하부에는 도 2에서 나타낸 바와같이 서로다른 2개의 반도체의 접속에 의해 모듈의 양면에 온도차가 발생하는 펠티어효과를 갖는 열전소자(2)의 상부에서 발생된 열을 냉각핀(3a)을 통해 전달하기 위한 냉각블럭(3)과, 상기 열전소자(2)의 하부로는 냉매 순환용 배관(4)이 통과되는 방열블럭(5) 및 외주면을 따라 방열핀(6)이 형성되어져 있는 방열팬(7)이 구성되어져 있다. PCM박스(1)에는 냉매통(12) 내의 냉매에 대한 열교환효율이 극대화될 수 있도록 다수의 순환홀(1a)이 형성되어져 있다.

여기에서 상기 상변환물질(무기수화물, 파라핀계통 유기물, 포접화합물 등)에 대해 좀더 살펴보면 미항공우주국(NASA)에서 우주개발의 일환으로서 우주의 열악한 환경으로 부터 우주인과 기기 등을 보호할 목적으로 개발된 신개념의 물질로서 대량의 열을 흡수,저장, 방출하는 기능을 가진 물질로서 잠열저장물질이라고도 한다. 즉, 어떠한 순물질 또는 혼합/화학 물질이 고>액>기체(또는 기>액>고체) 상태로 될 때(상변화) 열을 흡수하거나 방출하는데, 이때 발생하는 열을 잠열이라고 하며, 이러한 잠열은 상변화가 일어나지 않고 온도가 변했을 때 흡수ㆍ저장ㆍ방출에 매우 효과적으로 알려져 있다.

또한, 상기 열교환블럭(20)의 외측에는 열전소자(22)를 사이에 두고 열전달을 위한 냉각블럭(23)과 방열블럭(25)이 양측에 설치되었으며, 방열블럭(25) 외측에는 방열핀(24)이 구성되었다.

그리고, 상기 열전소자(22)를 사이에 두고 결합되는 냉각블럭(23)과 방열블럭(25)에는 각각 폴리카보네이트 재질의 결합볼트(26)가 체결되도록 체결홀(23a,25a)이 형성되되, 방열블럭측 체결홀(25a)에는 도 3에 나타내어진 바와같이 경사진 테이퍼면(25b)을 이루고 있으며, 이와 대응되는 결합볼트(26)의 몸통부에도 동일한 형태의 경사를 이루는 테이퍼면(26b)을 형성하여 체결시 경사면간의 면접촉에 따른 가압력이 전달될 수 있도록 하였다.

상기에서 구성에 있어 드레인관(28)을 통해 안내된 응축수를 제습하기 위해 내부에 제올라이트와 실리카겔이 스크린망에 의해 층층이 쌓여진 다단의 층상구조로 구비된 제습통을 장착하고, 상기 제습통은 드라이어팬이 구비된 드라이박스와 건조관으로 연통되고, 드라이박스 하단에는 수분증발판 및 PTC(Positive Temperature Coefficient)소자로 이루어진 건조히터부로 구성함이 바람직하나 이러한 구조는 공지의 드레인 건조구조이므로 구체적인 구성설명 및 도시는 생략키로 한다.

도면중 미설명 부호 40은 실내 공기의 열교환을 위해 설치된 송풍팬을 나타낸다.

이와같은 구성을 이루고 있는 본 발명 열교환장치에서 실내 냉방을 위한 동작시의 냉매 순환과정을 살펴보기로 한다.

먼저, 냉매통(12) 내에는 열교환을 위한 냉매가 저장됨과 함께 PCM박스(1)가 장착되어져 있는데, PCM박스(1) 하부에 설치된 열전소자(2)는 심야시간대의 예열시 작동하는 것으로 직류전원이 인가되면 양측 세라믹판이 냉각 및 발열되어 냉각측에 의해 PCM박스(1)내의 상변환물질이 냉각블럭(3)을 통해 전달된 냉기에 의해 점차 저온상태를 이루게 된다.

이에따라 냉매통(12)내의 냉매는 PCM박스(1)의 외측에 돌출형성된 냉각핀에 의해 냉기를 전달받음과 함께 순환홀(1a)내를 순환하면서 냉각되고, 이와같이 저온상태로 열교환이 이루어진 냉매는 고압순환펌프(13)에 의해 분사관(11)으로 강제 이송된 뒤 분사노즐(11a)을 통해 상방향으로 분사됨으로서 파이프 포켓(16a)에 삽입되어져 있는 다수의 히트파이프(31) 하부에 냉기열을 전달하게 된다.

이후 상기 분사되었던 제1냉매는 열교환기 본체(10)의 내벽을 따라 흘러내려오면서 본체의 온도가 차갑게 유지됨으로서 본체(10) 외벽면에 감겨져 있는 본체순환 냉매관(21)과 또다시 열교환이 이루어질 수 있게되는데, 본체(10)는 내부에 자갈 등과 같은 석재(15)가 채워져 있으므로 석재(15)를 타고 서서히 흘러내리면서 내부온도가 저온상태로 유지될 수 있게되며, 흘러내린 제2냉매는 받침판(14)에 형성된 회수공(14a)을 통해 다시 냉매통(12)으로 회수되는 과정이 반복되게 된다.

한편, 상기 히트파이프(31)와 함께 증발기(30)에서 열교환작용을 수행하는 양측의 증발순환 냉매관(32)은 각각 열교환기 본체(10) 외벽면에 설치되어진 열교환블럭(20)과 냉각블럭(23) 사이에서 본체순환 냉매관(21)을 통해 상승된 제2냉매로 부터 냉각열을 전달받게 되는데, 그중 냉각블럭(23)은 열전소자(22)의 냉각면으로 부터 냉기를 전달받게 되며, 열전소자(22)의 발열면으로 부터 발생되는 열기는 방열블럭(25)을 통과하는 본체순환 냉매관(21a)의 하강유로에 의해 식혀짐과 함께 방열핀(24)에 의해 신속한 방열이 이루어질 수 있게된다.

그리고 하강과정에서 이와같은 방열작용을 수행한 제2냉매는 도 2에 나타낸 A경로를 통해 하부의 방열블럭(5)을 통과하면서 하부 열전소자(2)의 발열부를 냉각시키는 방열작용을 더 수행하게 되고 이후, 순환펌프(18)의 압력을 받아 B경로를 통해 상승하여 열교환기 본체(10)로 부터 냉각이 이루어지게 되는 반복되는 순환경로로 이동되게 된다.

따라서, 분사관(11)을 통해 분사되는 제1냉매로 부터 냉각열을 전달받은 히트파이프(31)와 본체순환 냉매관(21)을 따라 유동되는 제2냉매 및 열전소자(22)로 부터 냉각열을 전달받은 증발순환 냉매관(32)이 설치된 증발기(30)에서는 송풍팬(40)의 동작에 의해 실내공기와의 열교환이 이루어지게 됨으로서 열교환이 한층 효율적으로 이루어질 수 있게되며, 증발기(30)에서 발생되는 응축수는 낙하되어 응축수받이(16)에 모여진 후 드레인관(28)을 통해 배출되게 된다.

특히, 상기 제1냉매의 저온화를 위해 냉매통(12) 내에는 상변환물질이 저장되어진 PCM박스(1)를 설치함으로서 상변환물질의 예열특성을 활용하여 에너지절감에도 효과를 나타낼 수 있게된다.

한편, 열교환기 본체(10)의 측벽에 설치된 열교환블럭(20)에 냉각블럭(23)과 방열블럭(25)을 결합볼트(26)를 이용하여 결합시키는 작업을 실시함에 있어서는 결합볼트(26) 체결시 도 3에 나타낸 요부 상세도에서와 같이 결합볼트(26)의 테이퍼면(26b)이 방열블럭(25)의 테이퍼면(25b)을 눌러줌으로서 양측이 열전소자(22)와의 접촉면 평탄도를 높여줄 수 있게된다. 또한, 결합볼트(26)의 재질을 비전도성인 폴리카보네이트로 제작함으로서 방열블럭(25)과 냉각블럭(23)간의 열전도를 방지할 수 있게됨을 알 수 있다.

그리고, 상기 실시예에서는 공기조화기의 여름철 냉방가동시 본 발명 열교환장치의 동작과정을 설명 및 도시하였으나, 겨울철 난방가동시는 열교환을 위해 사용되는 냉매를 상기와 반대로 고온으로 설정함과 함께 각 열전소자(2,22)의 인가전원을 반대로 입력하여 냉각측 및 발열측이 반대로 설정되도록 하게된다.

이상에서 살펴본 바와같은 본 발명의 열교환장치는, 냉매 순환배관을 따라 순환 유동되는 냉매에 대한 열교환성능이 향상되어질 수 있게되어 공기조화기를 이용한 실내 냉난방이 효과적으로 이루어질 수 있게되는 효과를 나타낸다.

특히, 냉매의 열변환을 위한 매체로 전달되는 온도에 따라 상이 바뀌면서 잠열을 흡수 또는 방출하는 물질인 상변환물질을 PCM박스에 저장하여 냉매와의 열교환이 이루어질 수 있도록 함과 함께, 순환 냉매관과의 열교환을 위한 소자로 펠티어작용을 하는 열전소자를 적용함으로서 냉,온 변환속도가 빠르고 온도조절이 용이하게 이루어질 수 있게되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명 열교환 장치의 분해 사시도.

도 2는 본 발명 열교환 장치 단면도.

도 3은 도 2의 C부 결합단면 상세도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : PCM박스 2, 22 : 열전소자

3,23 : 냉각블럭 4 : 냉매순환용 배관

5,25 : 방열블럭 6,24 : 방열핀

7 : 방열팬 10 : 열교환기 본체

11 : 분사관 12 : 냉매통

13 : 고압순환 펌프 16 : 응축수받이

20 : 열교환블럭 21 : 본체순환 냉매관

26 : 결합볼트 28 : 드레인관

30 : 증발기 31 : 히트파이프

32 : 증발순환 냉매관

Claims

열교환기 본체(10) 내부에는 고압순환펌프(13)의 압력작용에 의해 하부의 냉매통(12)에 저장되어져 있는 제1냉매를 분사노즐(11a)을 통해 상방향으로 분사하기 위한 분사관(11)이 설치되어져 있으며;

상기 열교환기 본체(10) 상부에는 상기 분사된 제1냉매의 냉매열을 증발기(30)측으로 전달하기 위한 다수의 히트파이프(31)가 응축수받이(16)의 파이프포켓(16a)에 삽입 구성되었고;

상기 히트파이프(31)를 중심으로 양측에는 증발기(30)에서의 열교환이 함께 이루어지도록 증발순환 냉매관(32)이 설치되되, 상기 각각의 증발순환 냉매관(32) 하단부는 열교환기 본체(10)의 외벽에 설치된 열교환블럭(20)과 열교환이 이루어지도록 구성되며;

상기 열교환블럭(20)은 열교환기 본체(10)의 외측면을 따라 수회 감겨짐으로서 제2냉매 순환되는 본체순환 냉매관(21,21a)이 경유하도록 구성되고;

상기 냉매통(12) 내에는 상변환물질이 저장된 예열용 PCM박스(1)가 장착되되, 상기 PCM박스(1)로 열전소자(2)의 내측에서 발생된 열을 전달하기 위한 냉각블럭(3)과, 상기 열전소자(2)의 외측으로는 냉매 순환용 배관(4)이 통과되는 방열블럭(5) 및 방열핀(6)이 구성된 것을 특징으로 하는 냉난방기용 열교환장치.
청구항 1에 있어서,

상기 열교환기 본체(10) 내부에는 분사노즐(11a)로 부터 분사된 제1냉매의 냉매열 온도 유지를 위한 석재(15)가 채워져 보관되는 것을 특징으로 하는 냉난방기용 열교환장치.
청구항 1에 있어서,

상기 각 열교환블럭(20)의 외측에는 냉각블럭(23)과 방열블럭(25)이 결합 구성되되, 상기 냉각블럭(23)과 방열블럭(25) 사이에는 열전소자(22)가 구성되며, 방열블럭(25)의 외측에는 다수의 방열핀(24)이 설치된 것을 특징으로 하는 냉난방기용 열교환장치.
청구항 3에 있어서,

상기 열전소자(22)를 사이에 두고 결합되는 냉각블럭(23)과 방열블럭(25)에는 각각 결합볼트(26)가 체결되는 체결홀(23a,25a)이 형성되되, 방열블럭측 체결홀(25a)에는 경사진 테이퍼면(25b)을 이루고 있으며, 이와 대응되는 결합볼트(26)의 몸통부에도 동일한 형태의 경사를 이루는 테이퍼면(26b)을 형성하는 것을 특징으로 하는 냉난방기용 열교환장치.