KR20070091343A - 소형 채널 열교환기용 액체-증기 분리기 - Google Patents

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KR20070091343A
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마이클 케이. 샴
파르메시 베르마
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Abstract

본 발명은 팽창 장치와 입구 헤더 사이에 액체-증기 분리기를 제공하여 냉매 증기는 압축기로 곧바로 진행하고 액체 냉매만이 입구 헤더로 진행하도록 함으로써 소형 채널 열교환기 내의 균일한 냉매 유동을 촉진하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 액체-증기 분리는 액체 냉매가 압축기로 유동하는 것을 방지하고 냉매 증기가 출구 매니폴드로부터 밸브를 통해 입구 매니폴드로 진행하는 것을 방지하는 플롯 밸브에 의해 달성된다. 입구 매니폴드의 하류 단부와 압축기 사이에는 액체로부터 임의의 잔류 증기를 제거할 목적으로 제2 유동 밸브가 제공될 수 있다.
미세 채널, 열교환기, 액체-증기 분리, 플롯 밸브, 공기 조절 및 냉동 시스템

Description

소형 채널 열교환기용 액체-증기 분리기 {LIQUID-VAPOR SEPARATOR FOR A MINICHANNEL HEAT EXCHANGER}
본 발명은 대체로 공기 조절 및 냉동 시스템에 관한 것이며, 특히 이들의 병류 증발기에 관한 것이다.
소위 병류 열교환기라는 용어는 현재 공기 조절 및 냉동 산업에 널리 사용되고 있으며, 복수의 병렬 통로를 갖고, 병렬 통로들 사이에 냉매가 분배되어 입구 및 출구 매니폴드에서의 냉매 유동 방향에 대해 대체로 수직인 방향으로 유동하는, 열교환기를 지칭한다. 이러한 정의는 기술 분야에 잘 적용되며, 명세서 전체를 통해 사용될 것이다.
냉동 시스템 증발기에 있어서의 냉매 편재는 잘 알려진 현상이다. 그것은 넓은 범위의 작동 조건에 걸쳐 증발기 및 전체 시스템의 상당한 성능 저하를 야기한다. 냉매의 편재는 증발기 채널 내의 유동 저항의 차이, 외부 열전달 표면 위로의 불균일한 기류 분포, 부적절한 열교환기 배향 또는 조잡한 매니폴드 및 분배 시스템 디자인으로 인해 발생할 수 있다. 편재는 냉매를 각각의 냉매 회로에 보내는 것과 관련한 특정한 디자인으로 인해 특히 병류 증발기에서 두드러진다. 이러한 현상이 병류 증발기의 성능에 미치는 영향을 제거 또는 감소시키기 위한 노력은 거 의 또는 전혀 성공하지 못했다. 그러한 실패의 주된 이유는 대체로 제안된 기술의 복잡성 및 비효율성 또는 해결책의 대단히 높은 비용과 관련이 있었다.
최근에는, 병류 열교환기 및 특히 납땜된 알루미늄 열교환기가 자동차 분야뿐만 아니라 난방, 배기, 공기 조절 및 냉동(HVAC&C) 산업에서도 많은 관심과 주목을 받고 있다. 병류 기술을 채용하는 주된 이유는 우수한 성능, 고도의 콤팩트함 및 개선된 내부식성과 관련이 있다. 병류 열교환기는 현재 다수의 제품 및 시스템 디자인 및 구성으로 응축기 및 증발기 모두에 사용되고 있다. 증발기 응용예는 보다 큰 이익과 보상을 약속하지만, 어렵고 문제가 많다. 냉매 편재는 증발기 응용예에 이 기술을 실시하는데 있어서 주된 관심사이자 장애물 중 하나이다.
공지된 바와 같이, 병류 열교환기 내의 냉매 편재는 채널 내부, 그리고 입구 및 출구 매니폴드에서의 동일하지 않은 압력 강하뿐만 아니라, 조잡한 매니폴드 및 분배 시스템 디자인때문에 발생한다. 매니폴드에서는 냉매 경로의 길이, 상 분리 및 중력의 차이가 편재의 원인이 되는 주요 인자들이다. 열교환기 채널 내부에서는 열전달률, 기류 분포, 제조 공차 및 중력의 편차가 주요 인자들이다. 또한, 열교환기 성능 개선의 최근 경향은 채널의 소형화(소위 소형 채널 및 미세 채널)를 촉진하였고, 이것은 냉매 분배에 부정적인 영향을 주었다. 이들 인자들 모두를 제어하는 것은 극히 어렵기 때문에, 특히 병류 증발기 내의 냉매 분포를 해결하려는 이전의 많은 시도들은 실패하였다.
병류 열교환기를 사용하는 냉동 시스템에서, 입구 및 출구 매니폴드 또는 헤더들(이들 용어는 명세서 전체를 통해 서로 바꾸어 사용될 수 있다)은 대개 통상적 인 원통 형상을 갖는다. 2-상 유동이 헤더에 유입될 때, 대개 증기상이 액체상으로부터 분리된다. 2개의 상이 독립적으로 유동하기 때문에, 냉매 편재가 발생하는 경향이 있다.
만약 2-상 유동이 비교적 높은 속도로 입구 매니폴드에 유입된다면, 액체상(액체의 방울)은 유동의 운동량에 의해 매니폴드 입구로부터 헤더의 멀리 떨어진 부분까지 더욱 멀리 운반된다. 따라서, 매니폴드 입구에 가장 가까운 채널들은 주로 증기상을 수용하고, 매니폴드 입구로부터 멀리 떨어진 채널들은 주로 액체상을 수용한다. 한편, 매니폴드에 유입되는 2-상 유동의 속도가 낮으면, 헤더를 따라 액체상을 운반하기에 충분한 운동량이 존재하지 않는다. 그 결과, 액체상은 입구에 가장 가까운 채널에 유입되고, 증기상은 가장 먼 채널로 진행한다. 또한, 입구 매니폴드 내의 액체상과 증기상은 중력에 의해 분리되어, 유사한 편재 결과를 야기할 수 있다. 어떠한 경우에도, 편재 현상이 증발기 및 전체 시스템 성능 저하의 원인임이 금방 드러난다.
튜브/핀(tube and fin) 타입 열교환기에서는, 튜브의 횡경사부 안으로의 비교적 균일한 냉매의 팽창을 얻기 위해 개별적인 모세관 또는 개별 튜브로 유도하는 다른 팽창 장치를 제공하는 것이 일반적이었다. 다른 해결책은 소위 "반합(dixie)" 컵과 같은 개별 팽창 장치를 동일한 목적에서 개별 튜브로의 유입 개구에 제공하는 것이었다. 채널들이 비교적 작고 근접하게 이격되어 있어 개별 장치들이 제조 공정 동안 각각의 채널 내에 통상적인 방식처럼 설치될 수 없는 소형 채널 또는 미세 채널 응용예에는 이들 방법 중 어떠한 것도 실용적이지 않다.
공기 조절 및 냉동 산업에 있어서, "병류(parallel flow)" 및 "소형 채널(minichannel)"[또는 "미세 채널(microchannel)"]이라는 용어들은 상술한 열교환기에 관하여 종종 서로 바꾸어 사용 가능하며, 여기에서는 유사한 관습을 따를 것이다. 또한, 소형 채널 열교환기와 미세 채널 열교환기는 채널 크기[또는 소위 수리직경(hydraulic diameter)]에서만 상이할 뿐이며, 본 발명의 교시가 동일하게 적용될 수 있다. 여기에서는 명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐 이들 열교환기(소형 채널 및 미세 채널) 전체를 소형 채널 열교환기로 지칭할 것이다.
간략히, 본 발명의 일 태양에 따르면, 팽창 장치와 입구 헤더 사이에 액체-증기 분리기가 제공되고, 분리기는 냉매 증기를 곧바로 압축기로 진행하게 하고 액체 냉매만이 입구 매니폴드로 진행하게 한다. 이러한 방식으로, 개별 병렬 채널로의 액체 냉매의 보다 균일한 분배가 달성된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 액체-증기 분리기는 수직 방향으로 이동하도록 배향된 플롯 부재를 갖는 플롯 밸브를 포함하여, 그 주위로 냉매 증기가 유동하는 것을 허용하지만, 만약 밸브 안으로 액체 냉매가 유입되면, 플롯 부재가 안착하여 액체 냉매가 통과하는 것을 방지할 것이다.
본 발명의 또다른 태양에 의하면, 제2 플롯 밸브가 입구 매니폴드의 하류 단부와 압축기 사이에 상호 연결되어, 액체 냉매로부터의 잔류 증기가 곧바로 압축기로 진행하도록 할 것이다.
이하에 설명되는 도면에는, 바람직한 실시예가 도시되지만, 본 발명의 진정한 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 다른 변형 및 대체 구성이 이루어질 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예의 개략도이다.
도2는 도1의 실시예의 변형된 형식이다.
도3은 본 발명의 대안적인 실시예이다.
도4는 도3의 실시예의 변형된 형식이다.
이제 도1을 참조하면, 본 발명은 대체로 도면부호 "10"으로 표시되며, 이것은 입구 매니폴드(12), 출구 매니폴드(13), 입구 매니폴드(12)를 출구 매니폴드(13)에 상호 연결하는 복수의 병렬 미세 채널(14)을 갖는 소형 채널 열교환기(11)에 적용된다.
입구 매니폴드(12)의 상류에는 도관(18)에 의해 입구 챔버(16)가 유체 연결된다. 입구 챔버(16)의 상부에는, 입구 라인(19)이 팽창 장치로부터의 유체 연통을 제공하여, 액체 및 증기 냉매의 혼합물이 입구 챔버(16)의 상부로 유입되게 한다. 더 무거운 액체 냉매는 입구 챔버(16)의 바닥으로 낙하하여 도관(18)을 통해 입구 매니폴드(12) 쪽으로 유동하는 경향이 있어, 각각의 병렬 소형 채널(14)이 그들의 입구 단부에 형성된 단일 상 액체 냉매를 갖게 한다.
입구 챔버(16)의 상부에는 냉매 증기를 화살표로 표시된 바와 같이 압축기로 유동시키기 위한 우회 덕트(21)가 또한 연결되어 있다. 우회 덕트(21) 내에는 입 구 포트(23), 출구 포트(24) 및 플롯 부재(26)를 갖는 플롯 밸브(22)가 배치된다.
작동시에는, 2-상 냉매가 입구 라인(19)에 유입될 때, 액체 냉매는 입구 챔버(16)의 하부로 낙하하는 경향이 있고, 냉매 증기는 압축기의 흡입에 의해 상방으로 빨려들어간다. 냉매 증기는 플롯 밸브(22)로 들어감에 따라, 플롯 부재(26)의 주위를 지나 출구 포트(24)를 통과하여 압축기로 진행한다. 만약 액체 냉매가 플롯 밸브(22)로 들어가면, 액체 냉매는 플롯 부재(26)를 들어올려, 플롯 부재가 출구 포트(24)와 맞물리고 안착되어 압축기를 향한 액체의 유동을 방지하게 할 것이다. 그리하여, 액체 냉매는 플롯 밸브의 하부로 낙하한 후 입구 챔버(16)로 흘러들어갈 것이다.
출구 매니폴드(13)가 출구 라인(15)에 의해 압축기에 유체 연통 가능하게 부착됨으로써, 액체 냉매가 증기로 변환된 후에, 미세 채널(14)을 통해 출구 매니폴드(13)로 진행할 때, 냉매 증기는 압축기 안으로 빨려들어간다. 만약 출구 라인(15)으로부터의 증기가 우회 덕트(21)로 흘러들어가려 한다면, 플롯 부재(26)가 입구 포트(23)에 안착되어, 증기가 입구 챔버(16)로 들어가는 것을 방지할 것이라는 점이 언급되어야 한다.
이제 도2를 참조하면, 유사한 장치가 도시되어 있지만, 부가적인 특징들을 갖는다. 입구 매니폴드(12)의 하류 단부(27)에는 도관(28)이 연결되어 제2 플롯 밸브(29)에 의해 압축기에 유체 연통을 제공한다. 이 플롯 밸브 분리기는 상술한 플롯 밸브(22)와 동일한 방식으로 작동하여, 입구 매니폴드(12)의 하류 단부(27)에 있을 수 있는 임의의 잔류 증기를 제거한다. 즉, 매니폴드(12) 내의 모든 액체 냉 매는 미세 채널(14)을 통해 상방으로 유동하여야 하고, 임의의 잔류 증기는 도관(28) 및 플롯 밸브(29)를 통과하여 압축기를 향해 상방으로 진행한다.
도2의 실시예에서 또한 볼 수 있는 것은, 도1의 실시예의 입구 챔버(16)가 저장통 형태에서 단순한 파이프 장치(31)로 변경되었다는 것이다. 파이프 장치(31)는 보다 적은 액체 냉매를 담지만, 상술한 입구 챔버(16)와 실질적으로 동일한 방식으로 작동할 것이다.
상술한 도1 및 도2의 실시예들은 매니폴드(12, 13)들이 수평방향이 되고 소형 채널(12)들이 수직방향이 되도록 열교환기(11)가 배향된 장치에 관한 것이다. 도3의 실시예는 헤더들이 수직방향으로 배향되고 소형 채널들이 수평방향으로 배향되는 구조에 사용되는 발명을 도시한다.
여기서, 소형 채널 열교환기(32)는 매니폴드(33), 매니폴드(34) 및 병렬 소형 채널(36)을 갖는다. 매니폴드(33)는 상부 및 하부 섹션(37, 38)으로 나뉘며, 하부 섹션(38)의 미세 채널(36)들은 냉매를 매니폴드(34)로 유동시키는 역할을 하고, 상부 섹션(37)의 미세 채널(36)들은 냉매를 매니폴드(34)로부터 매니폴드(33)의 상부 섹션(37)으로 유동시키는 역할을 한다. 마찬가지로, 입구 매니폴드(33)의 상부 섹션(37)을 압축기에 연결하는 라인(41)에 플롯 밸브(39)가 제공된다. 이 플롯 밸브는 도2의 실시예의 플롯 밸브(29)와 동일한 방식으로 작동하여 액체로부터 임의의 잔류 증기를 제거한다.
도4의 실시예에서는, 매니폴드(34)의 하류 단부와 압축기 섹션 사이의 유체 연통을 위한 도관(42)이 제공된다. 플롯 밸브(43)가 제공되어 상술한 플롯 밸브와 동일한 방식으로 작동한다. 그것의 목적은 열교환기의 제1 패스 이후에 나타나는 임의의 증기를 분리하여, 액체 냉매만이 열교환기의 제2 패스에 공급되게 하는 것이다.
상술한 각각의 액체-증기 분리기에 있어서, 플롯 부재 및 시트의 선택은 밀도, 부력 및 안착력 요건의 관점에서뿐만 아니라, 재료의 양립성을 고려하였을 때도 냉매 유체와 부합하여야 한다.

Claims (20)

  1. 복수의 병렬 소형 채널에 의해 상호 유체 연결된 입구 및 출구 매니폴드를 구비하고, 이들 사이에 냉매를 유동시키는 유형의 열교환기용 액체-증기 분리기이며,
    상기 입구 매니폴드와 2-상 냉매를 전달하도록 되어 있는 팽창 장치 사이에 유체 연결된 입구 챔버와,
    상기 입구 챔버와 압축기 입구 사이에 상호 유체 연결된 우회 덕트와,
    상기 우회 덕트 내에 배치되고, 상기 압축기로의 냉매 증기의 유동을 허용하지만, 상기 압축기로의 액체 냉매의 유동을 허용하지 않도록 작동 가능한 밸브를 포함하는 열교환기용 액체-증기 분리기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입구 챔버는 입구 라인에 의해 팽창 장치에 연결되고, 상기 입구 라인은 상기 입구 챔버의 상부에 연결되는 열교환기용 액체-증기 분리기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 입구 챔버는 상기 입구 매니폴드로의 액체 냉매의 유동을 허용하도록 구성되지만, 상기 입구 챔버 내의 액체 냉매의 존재가 상기 입구 매니폴드로의 냉매 증기의 유동을 방지하는 열교환기용 액체-증기 분리기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 밸브는 플롯 밸브를 포함하는 열교환기용 액체-증기 분리기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 플롯 밸브는 출구 포트 및 상기 출구 포트에 안착하여 밀봉하도록 상방으로 이동 가능한 플롯 부재를 포함하는 열교환기용 액체-증기 분리기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 밸브를 통해 하방으로 냉매 증기가 유동하는 것을 방지하기 위해 상기 밸브는 플롯 부재가 하방으로 이동할 때 안착할 수 있는 입구 포트를 더 포함하는 열교환기용 액체-증기 분리기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 출구 매니폴드는 압축기에 유체 연결되는 열교환기용 액체-증기 분리기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 입구 매니폴드의 하류 단부를 상기 압축기에 상호 유체 연결하는 도관과, 액체로부터 임의의 잔류 증기를 제거하기 위해 상기 도관 내에 배치된 밸브를 포함하는 열교환기용 액체-증기 분리기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 밸브는 출구 포트 및 상기 출구 포트에 안착하도록 상방으로 이동 가능한 플롯 부재를 갖는 플롯 밸브를 포함하는 열교환기용 액체-증기 분리기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 밸브는 플롯 부재가 안착할 수 있는 입구 포트를 포함하는 열교환기용 액체-증기 분리기.
  11. 열교환기의 입구 매니폴드로부터 유체 연결된 복수의 병렬 소형 채널로의 균일한 냉매 유동을 촉진하는 방법이며,
    입구 매니폴드를 2-상 냉매를 전달하도록 되어 있는 팽창 장치에 상호 유체 연결하기 위한 입구 챔버를 제공하는 단계와,
    상기 입구 챔버와 압축기 입구를 상호 유체 연결하기 위한 우회 덕트를 제공하는 단계와,
    상기 압축기로의 냉매 증기의 유동을 허용하지만, 상기 압축기로의 액체 냉매의 유동을 허용하지 않도록 상기 우회 덕트 내에 밸브를 제공하는 단계를 포함하는 균일 냉매 유동 촉진 방법.
  12. 제11항에 있어서, 팽창 장치를 입구 라인에 의해 상기 입구 챔버의 상부에 연결하는 단계를 포함하는 균일 냉매 유동 촉진 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 밸브는 플롯 밸브를 포함하는 균일 냉매 유동 촉진 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 플롯 밸브는 출구 포트 및 상기 출구 포트에 안착하여 밀봉하도록 상방으로 이동 가능한 플롯 부재를 포함하는 균일 냉매 유동 촉진 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 밸브를 통해 하방으로 냉매 증기가 유동하는 것을 방지하기 위해 상기 밸브는 플롯 부재가 하방으로 이동할 때 안착할 수 있는 입구 포트를 더 포함하는 균일 냉매 유동 촉진 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 출구 매니폴드를 압축기에 유체 연결하는 단계를 더 포함하는 균일 냉매 유동 촉진 방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 입구 매니폴드의 하류 단부를 상기 압축기에 상호 유체 연결하는 단계를 더 포함하는 균일 냉매 유동 촉진 방법.
  18. 제17항에 있어서, 액체로부터 임의의 잔류 증기를 제거하기 위해 상기 도관 내에 밸브를 제공하는 단계를 더 포함하는 균일 냉매 유동 촉진 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 밸브는 출구 포트 및 상기 출구 포트에 안착하도록 상방으로 이동 가능한 플롯 부재를 갖는 플롯 밸브를 포함하는 균일 냉매 유동 촉 진 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 밸브는 플롯 부재가 안착할 수 있는 입구 포트를 포함하는 균일 냉매 유동 촉진 방법.
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