KR20150120398A - 결합형 응축기 및 증발기 - Google Patents

Abstract

결합형 증발기 및 응축기(1100)는 플레이트 사이의 유로(1180, 1200)를 형성하기 위하여 각 플레이트가 서로 이격 거리를 유지하도록 리지와 그루브의 프레스 패턴을 구비하는 복수의 적층된 열 교환 플레이트(980)로부터 제조된다. 결합형 증발기 및 응축기(1100)의 증발기 부분(1120, 1150)은 팽창 밸브(R)와 연결 가능한 냉매 출구(1210)를 구비하고, 응축기 부분과 팽창 밸브(R) 사이의 연결은 증발기 부분을 지난다.

Description

결합형 응축기 및 증발기{COMBINED CONDENSOR AND EVAPORATOR}

본 발명은 플레이트 사이의 유로를 형성하기 위하여 각 플레이트가 서로 이격 거리를 유지하도록 리지와 그루브의 프레스 패턴을 구비하는 복수의 적층된 열 교환 플레이트로부터 제조되는 결합형 증발기 및 응축기에 관한 것으로, 결합형 증발기 및 응축기의 증발기 부분은 팽창 밸브에 연결 가능한 냉매 출구를 구비한다.

가정용 또는 지역 난방용 히트 펌프는 일반적으로 기체 냉매를 압축하는 압축기와 응축기를 포함하고, 응축기에서, 압축된 기체 냉매는 냉매가 응축되도록 가정용 난방 시스템의 경우 열 매체와 열을 교환한다. 냉매가 응축된 후, 냉매는 냉매의 압력(및 이에 따른 끓는점)이 감소하도록 팽창 밸브를 통과한다. 저압의 냉매는 그 후 증발기로 유입되고, 여기서 냉매는 예를 들면 지면 또는 외부 공기로부터 열을 흡수하는 브라인 용액과 같은 저온의 열 매체와 열을 교환하면서 증발한다.

상술한 바와 같이 히트 펌프 시스템의 기본적인 기능은 매우 단순하지만, 실제로 최대 성능을 구현하기 위해서는 문제들이 발생할 수 있다.

문제를 복잡하게 만드는 현상 중 일 예는 시간의 경과에 따라 온도차가 크게 달라질 수 있다는 사실이다; 겨울 또는 가열된 수돗물로 난방하는 동안에는, 고온에서 냉매를 응축하는 것이 필요하고, 브라인 용액 즉, 냉매를 증발시키기 위하여 사용하는 에너지 캐리어는 차가울 것이며, 이에 반해 봄 및 가을 동안에는 이와는 다른 온도 레벨이 나타날 것이다. 보통 온도 차이에 따라 시스템을 조정하는 것은 팽창 밸브와 압축기를 조절하여 압력차를 제어함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 열 교환기를 변화시키는 것은 불가능하고, 이는 최악의 시나리오의 경우로 설계해야 함을 의미한다. 일반적으로, 클수록 항상 더 좋을 수 있으나, 일부 경우에는 열 교환기의 비용이 지나치게 상승할 수 있다.

기체 냉매를 응축하기 위한 열 교환기가 너무 작은 경우에 나타나는 가장 주된 문제 중 하나는 냉매가 응축기에서 배출되면서 모두 응축되지 않는다는 것이다. 응축되지 않은 냉매는 팽창 밸브의 제어를 어렵게 만들기 때문에, 응축되지 않은 상태에서 응축기에서 배출되는 냉매를 가지는 것은 히트 펌프 시스템에 매우 유해하다. 이러한 문제를 회피하는 일반적인 방법은 응축기에서 배출되는 응축된 냉매와 증발기에서 배출되는 증발된 냉매 사이에 열을 교환하는 석션 가스 열 교환기(일반적으로 "석션 가스"라고 언급)를 설치하는 것이다. 석션 가스 열 교환기에 사용되는 열 교환기는 일반적으로 매우 작고, 이는 요구되는 열 교환을 구현하기 위해서 팽창 밸브로 이어지는 파이프를 석션 가스를 응축기로 보내는 파이프에 브레이징 또는 솔더링하는 것으로 충분할 수 있다.

응축기로부터의 액체 냉매가 전체적으로 액체 상태이어야 할지라도, 팽창 밸브의 상류측 압력에서의 끓는점 아래에서 액체 냉매를 과냉각시키는 것이 유리할 수도 있다. 잘 알려진 바와 같이, 일부 냉매는 팽창 밸브를 지난 후 즉시 끓을 수 있다. 이러한 끓음은 액체 냉매의 열 에너지를 소모할 수 있다. 팽창 밸브로 들어가려는 액체 냉매를 과냉각시킴으로써, 팽창 밸브를 지난 후 즉시 기체 상태로 변화하는 액체의 양은 상당히 감소될 수 있다.

팽창 밸브의 하류에서 냉매가 즉시 끓는 현상이 감소하는 것은 매우 긍정적인 몇몇 효과를 나타낸다; 냉매 내에 존재하는 기체가 냉매의 부피를 상당히 증가시키는 문제는 잘 알려져 있고, 이로써 큰 직경의 연결 파이프가 사용되어야 하며, 또한 증발기 내에서 냉매의 분배는 기체 함량에 의해서 방해받을 수 있다.

본 발명의 목적은 분배 및 증가된 압력 강하와 관련된 상기 문제들을 완화시킬 수 있도록, 팽창 밸브로 유입되는 액체 냉매를 과냉각시키기 위한 해결책을 제공하는 것이다.

종래 히트 펌프에서 나타나는 다른 하나의 문제는 부품의 수와 이에 대응하여 요구되는 파이프의 양이다. 모든 파이프의 피스는 실패의 위험도를 증가시킬 뿐만 아니라, 증가된 유동 저항 및 열 손실로 인하여 시스템의 효율성이 저하된다.

본 발명의 목적은 냉매가 팽창 밸브를 통과하기에 앞서 냉매를 과냉각시키는 것을 가능하게 하면서, 더 적은 수의 파이프로 이에 대응하는 고 효율의 열 교환기를 제공하는 것이다.

본 발명은 증발기 부분과 팽창 밸브 사이의 연결 부분이 증발기를 지나는 결합형 증발기 및 응축기를 제공함으로써 상기 언급된 문제를 해결하거나 완화시킨다.

이하에서, 본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 종래 기술에 따른 히트 펌프 또는 냉각 시스템을 도식적으로 나타내는 도면이다;
도 2는 본 발명에 따른 열 교환기에 포함되는 복수의 열 교환 플레이트를 나타내는 분해 사시도이다;
도 3은 도 2에 도시된 열 교환 플레이트 중 하나를 확대하여 나타내는 사시도이다;
도 4a는 본 발명에 따른 포트 장치의 평면도이다;
도 4b 및 도 4c는 도 4a의 포트 장치의 사시도이다;
도 5a는 도 4a 내지 도 4c에 따른 포트 장치를 가지는 열 교환기의 도 5b의 라인 A-A를 따라 취한 단면도이다;
도 5b는 도 5a의 열 교환기의 평면도이다;
도 6은 증발기의 포트 오프닝에서 열 교환을 활용하는 결합형 증발기 및 응축기의 응축기 측을 도식적으로 나타내는 평면도이다;
도 7은 증발기의 포트 오프닝에서 열 교환을 활용하는 결합형 증발기 및 응축기의 증발기 측을 도식적으로 나타내는 평면도이다;
도 8은 도 6 및 도 7에 도시된 결합형 증발기의 도 6 및 도 7의 라인 A-A를 따라 취한 단면도이다; 및
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 결합형 응축기 및 증발기에 포함되는 복수의 열 교환 플레이트를 나타내는 분해 사시도이다.

도 1에는, 본 발명에 따른 포트 오프닝 장치(port opening arragement)를 구비하는 증발기(evaporator)를 활용한 예시적인 히트 펌프 또는 냉각 시스템이 도시되어 있다. 상기 시스템은 냉매의 온도와 압력이 상승하도록 기체 냉매를 압축하는 압축기(C, compressor), 냉매와 고온의 열 매체 예를 들면, 가정용 난방용수 사이에 열을 교환함으로써 기체 냉매를 응축시키는 응축기(CN, condenser) 및 쇼트서킷 열 교환기(HX, shortcircuit heat exchanger)를 포함하고, 쇼트서킷 열 교환기(HX)에서는 응축기(CN)에서 나온 액체 냉매의 온도가 팽창 밸브(EXP, expansion valve)에서 나온 반 유체 냉매와 열을 교환함으로써 감소한다. 팽창 밸브를 지난 냉매는 팽창 밸브를 지나면서 압력이 감소하여 발생하는 부분 비등(partial boiling)으로 인하여 낮은 온도를 가질 것이다. 마지막으로, 반 유체 냉매는 증발기(EVAP)로 들어갈 것이고, 여기서 반 유체는 저온의 열 매체 예를 들면, 지열원 및/또는 대기로부터 저온의 열을 흡수하는 브라인 용액과 열을 교환함으로써 증발할 것이다.

고온의 열 매체 및 저온의 열 매체의 전형적인 온도는 각각 50℃ 및 0℃이다. 따라서, 응축기(CN)에서 배출되는 액체 냉매의 온도는 50℃를 초과할 것이고, 팽창 밸브(EXP)에서 배출되는 냉매는 0℃아래의 온도를 가질 것이다.

팽창 밸브(EXP)로 들어가는 액체 냉매의 온도가 낮아질 것이기 때문에, 팽창 밸브에서 배출되는 냉매의 기체 함량은 쇼트서킷 열 교환기(HX)가 없는 히트 펌프 사이클에서 보다 상당히 낮아질 것이 당연하다. 그러나, 도 1의 구성에서, 쇼트서킷 열 교환기(HX)에서 배출되어 증발기(EVAP)로 들어가는 반 유체 내의 기체 함량은 쇼트서킷 열 교환기가 없는 히트 펌프 시스템에서 증발기로 들어가는 반 유체 냉매의 기체 함량과 동일할 것이다. 따라서, 도 1에 따른 시스템은 본 발명의 목적 중 하나인 증발기 내에서 냉매의 분배에 관한 어떠한 효과도 제공할 수 없을 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증발기(100)는 복수의 열 교환 플레이트(110)를 포함하고, 각 플레이트는 매체의 열 교환을 위한 플레이트 사이의 유로를 형성하기 위하여 서로 이격 거리를 유지하도록 조정된 리지(R, ridges)와 그루브(G, grooves)의 프레스 패턴을 구비한다. 열 교환 플레이트(110)의 포트 영역(120)은 당업자에 의해서 공지된 방식으로, 포트와 플레이트 사이의 유로 간에 선택적인 연결을 제공하도록 서로 다른 높이로 설치되는 플레이트 영역에 의해서 둘러싸인다.

입구 포트 영역(130, inlet port area)은 팽창 밸브에서 직접적으로 나온(이는 팽창 밸브와 유입구 사이에서 냉매의 열 교환이 없음을 의미) 반 유체 냉매의 유입구(140) 및 각각 응축기(CN)에서 나온 액체 냉매가 들어가고 팽창 밸브로 들어가는 냉매가 나가는 두 개의 포트(150, 160)를 포함한다.

증발기를 형성하기 위해서, 플레이트들(110)은 리지와 그루브가 서로 접촉하고 플레이트들을 서로 이격시키도록 스택 내에서 적층된다. 바람직한 실시예에서, 플레이트들의 스택은 플레이트가 인접한 플레이트와의 접촉 지점에서 서로 브레이징 되도록 플레이트 사이의 브레이징 물질(brazing material)과 함께 노(furnace)에 배치된다.

포트 영역(130)은 도 3에 보다 구체적으로 도시되어 있다. 여기서, 포트 오프닝(140)을 둘러싸는 고리 형상의 영역(145)은 높게(리지(R)의 높이와 동일) 설치되고, 반면 두 개의 포트(150, 160)를 각각 둘러싸는 고리 형상의 영역(155 및 165)은 낮게(그루브(G)의 높이와 동일) 설치된다. 도시된 실시예에서 포트 오프닝(140) 주위로 연장된 중간 영역(170)과 이를 둘러싼 고리 형상의 영역은 높은 고도와 낮은 고도 사이의 중간 높이로 배치된다. 마지막으로, 중간 영역(170)은 리지(R)와 고리 형상의 영역(145)과 같이 높게 설치되는 차단 영역(180)에 의해서 둘러싸인다.

또한, 오프닝들(A, B 및 C)은 높은 높이로 설치되는 영역(A'), 낮은 높이로 설치되는 영역(B') 및 낮은 높이로 설치되는 영역(C')에 의해서 각각 둘러싸이고, 플레이트의 코너 근처에 설치된다.

도 3에 도시된 플레이트가 스택 내에 배치될 때, 고리 형상의 영역(155, 165)은 높게 배치되고, 고리 형상의 영역(145)은 낮게 배치되며, A'영역은 낮게, B'영역은 높게 그리고 C'영역은 높게 배치되도록, 플레이트는 포트 오프닝의 주위에서 대칭된(mirrored) 높이를 가지는 플레이트와 인접한다.

그러므로, 다음과 같은 유로가 형성된다: 도 3에 도시된 플레이트 상에는, 포트 오프닝(C 및 B) 사이에 예를 들면 브라인 용액의 유로가 형성될 수 있다. 이러한 유로는 플레이트의 거의 모든 영역 상으로 확장될 수 있지만, 차단 영역(180)에 의하여 중간 영역(170)과의 연결은 차단될 것이다. 또한, 중간 영역(170) 상에서 포트 오프닝 사이(150 및 160)의 연결이 있을 수 있다.

도 3에 도시된 플레이트의 반대 측에는, 두 개의 플레이트에 의해서 형성되는(defined) 플레이트 사이의 유로를 통하여 포트 오프닝(140)과 포트 오프닝(A) 사이의 연결이 있을 수 있다. 이러한 유로는 중간 영역(170)을 포함하는 플레이트 영역 전체에 걸쳐 확장될 수 있다.

본 실시예는 응축기에서 나온 액체 냉매가 팽창 밸브로 들어가기 전에 응축기에서 나온 고온의 액체 냉매를 포트(160 또는 150) 중 하나로 유입시킴으로써 응축기에서 나온 액체 냉매를 과냉각시킬 수 있고, 과냉각된 냉매를 다른 포트(150 또는 160)에서 배출하는 것이 가능하고, 팽창 밸브에서 배출된 반 유체 냉매가 포트(140)를 통과하게 하는 것을 가능하게 할 수 있다. 이러한 장치에 의해서, 팽창 밸브에서 배출되어 유입되는 저온의 반 유체 냉매와 응축기에서 배출되어 유입되는 고온의 액체 냉매 사이에 열 교환이 있을 수 있다. 이러한 열 교환은 반 유체 냉매가 열 교환 플레이트의 스택의 높이를 따라 분배된 후에 이루어진다는 것을 주목해야 한다. 따라서, 팽창 밸브에서 배출되는 반 유체 냉매 내의 증가된 기체 함량은 유체의 분배를 방해하지 않을 것이다.

중간 영역(170)은 포트 오프닝(140)의 주위로 확장될 필요가 없음을 주목해야 한다. 본 발명의 일 실시예에서, 중간 영역은 초승달 형상을 이루며 플레이트의 장변에서 단변으로 이어질 수 있으며, 포트 오프닝을 부분적으로 둘러쌀 수 있다.

상술한 증발기는 반 유체 냉매의 분배를 향상시키기 위한 공지의 수단을 더 구비할 수 있다.

상기에 따른 증발기는 신규한 히트 펌프 시스템을 사용하는 것을 가능하게 할 수도 있다.

종래 시스템에 있어서, 응축기와 증발기 사이의 모든 또는 실질적으로 모든 압력 강하는 팽창 밸브를 지나면서 발생하고, 이는 보통 시스템을 다양한 온도 및 가열 조건에 맞춰 조정함으로써 제어될 수 있다. 상술한 바와 같이, 상당히 적은 냉매가 팽창 밸브를 지난 직후 증발하도록 응축기에서 나온 액체 냉매를 과냉각하는 것이 가능하다. 그러나, 이러한 이점은 과냉각기(HX)에서 팽창 밸브로부터 배출된 반 유체 냉매의 온도 상승으로 인하여 종래 기술과 상충하고, 온도 상승은 과냉각기를 지난 후에 기체 상태의 냉매를 만들어낼 수 있다. 결과적으로, 선행 기술의 해결책에 따르면 어떠한 분배상의 이점도 획득할 수 없다.

도 2 및 도 3의 실시예에 따른 증발기를 사용하는 시스템에서, 두 단계의 팽창(또는, 이상적인 경우에, 팽창 밸브를 지나는 제1 조절 가능한 압력 감소 단계 및 분배 파이프를 지나는 제2 팽창 단계)을 제공함으로써 분배를 더욱 향상시키는 것이 가능하다.

본 시스템을 아래에서 설명한다:

예를 들어 EP08849927.2에 따른 분배 파이프를 가정하면, 분배 파이프는 냉매가 증발하도록 공급되는 것이 바람직한 플레이트의 사이 공간에 배치되는 복수의 작은 홀을 구비하는 세장형(elongate) 파이프를 포함하고, 여기서 상기 작은 홀은 최대 질량 유량 및 응축기의 온도와 증발기의 온도 간의 최소 온도차의 작동 조건하에서 충분한 압력 강하를 제공할 수 있는 치수를 가진다. 상기와 같은 작동 조건에서, 팽창 밸브는 완전히 열리기 때문에, 분배 파이프로 들어가는 액체만이 존재하고, 팽창은 냉매가 분배 파이프의 길이를 따라 적절히 분배된 후 발생할 것이고, 팽창 후에 액체 내에는 일부 기체가 존재할 수 있다.

물론 응축기와 증발기 사이의 압력 강하를 제어할 수 있는 시스템을 구비하는 것이 바람직하고, 이는 분배 파이프의 상류 측에 일반적인 팽창 밸브를 배치함으로써 구현될 수 있으며, 여기서 종래 기술의 해결책과 비교하여 본 발명이 가지는 가장 중요한 이점 중 하나가 발견될 수 있다: 팽창 밸브로 들어가는 액체와 분배 파이프에서 배출되는 액체 사이의 과냉각은 분배 파이프가 분배 파이프의 길이를 따라 냉매를 분배한 후에 발생한다. 따라서, 기체 상태의 냉매가 증가하는 것은 분배를 방해하지 않을 것이다. 도 1에 따른 종래 기술의 해결책에는, 팽창 밸브에서 배출되는 냉매 내의 기체의 감소가 팽창 밸브에서 배출되어 열 교환기로 들어가는 냉매 내의 기체의 증가와 대응되기 때문에, 분배 파이프에 들어가는 기체는 응축기에서 나온 냉매와 팽창 밸브에서 나온 냉매 간의 열 교환이 없는 경우 만큼 많을 것이다.

또한, 종래 시스템에 의해서 획득될 수 없는 안정성의 이점도 있을 것이다: 응축기과 증발기 사이에 매우 큰 압력 강하가 발생하는 것이 바람직한 상황을 가정한다. 이는 팽창 밸브를 지나면서 부분 압력 강하가 발생하도록 팽창 밸브를 제어함으로써 구현될 수 있다. 과냉각 또는 도 1에 따른 과냉각기(HX)에서 과냉각 없이, 팽창 밸브를 지나면서 압력을 감소시키는 것은 분배 파이프로 들어가는 기체 냉매의 양을 매우 크게 증가시킬 수 있다. 잘 알려진 바와 같이, 제한 구역(본 경우에 분배 파이프의 길이 방향을 따라 배치된 홀들)을 지나는 기체의 특정 질량 유량은 동일한 제한 구역을 지나는 액체 유동의 동일한 질량 유량보다 더 큰 압력 강하를 발생시킨다. 결과적으로, 종래 시스템을 사용하는 시스템은 제어에 매우 큰 어려움이 있다.

그러나, 도 2 및 도 3에 따른 증발기를 결합하여 사용한다면, 이러한 문제는 상당히 완화될 수 있다: 과냉각 및 팽창 밸브로 유입되는 액체 냉매와 팽창 밸브와 분배 파이프에서 압력 강하된 액체 사이에 열 교환이 발생한다는 사실로 인하여, 분배 파이프 내에는 상당히 적은 기체 상태의 냉매가 존재할 것이고, 이에 따라 시스템의 제어 가능성이 증가할 것이다. 요구되는 압력 강하와 질량 유량 사이의 차이가 충분히 작다면, 시스템은 분배 파이프 내의 오직 액체만이 존재하는 상태에서 작동하는 것이 가능할 것이다.

도 4a 내지 도 4c, 도 5a 및 도 5b에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 응축기에서 배출되는 액체 냉매와 저압 및 이에 따른 저온 상태의 냉매 사이의 열 교환은 상술한 바에 따른 분배 파이프의 근처에 배치되는 튜브 내에서 발생한다.

도 4a를 참조하면, 다수의 홀(H)을 구비하는 분배 파이프(DP), 연결 파이프(CP), 리드(L), 열 교환 파이프(HEP) 및 팽창 밸브(EXP)를 포함하는 포트 오프닝 장치의 측면이 도시되어 있다. 동일한 장치가 도 4b 및 도 4c에 두 개의 사시도로 도시되어 있고, 여기서 장치의 형태가 보다 구체적으로 도시되어 있다. 이러한 도면에 도시된 바와 같이, 연결 파이프는 리드를 관통하여 분배 파이프(DP)를 180도로 전환하도록 형성되는 고리 형상의 구성(LC)에 연결되고, 분배 파이프는 다시 한번 리드(L)를 관통하여 연장될 수 있다. 리드를 통과한 후, 팽창 밸브에 닿고 또 다른 급격한 유턴을 만들면서 분배 파이프는 리드를 관통한다.

사용하는 동안, 도 4a 내지 도 4c에 따른 포트 오프닝 장치는 도 5a 및 도 5b에 개시된 바와 같은 공지의 열 교환기에 삽입된다. 도 5a는 도 5b의 라인 A-A를 따라 취한 플레이트형 열 교환기의 단면도이고, 플레이트형 열 교환기는 포트 오프닝(120)과 열 교환 플레이트(110)를 포함한다.

상기에 따른 포트 오프닝 장치는 새로운 구성으로 열 교환기에 결합될 수 있으나, 포트 오프닝 장치는 제조 공정 상에서 열 교환기에 설치되는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 브레이징된 플레이트형 열 교환기는 리지와 그루부의 프레스 패턴을 구비하는 열 교환 플레이트를 스택 내에 배치하고, 여기서 브레이징 물질은 열 교환 플레이트의 물질 보다 낮은 용융점을 가지며, 스택을 노(furnace)에 배치하고, 브레이징 물질이 융해되도록 노의 온도를 가열하고, 그 후 열 교환 플레이트를 냉각시킴으로써 제조될 수 있다. 냉각 후, 브레이징 물질은 굳고 열 교환 플레이트의 프레스 패턴에 의해서 제공되는 접촉 지점에서 플레이트가 서로 접촉하도록 유지시킬 수 있다. 포트 오프닝 장치는 브레이징 공정이 진행되는 동안 열 교환기에 브레이징 될 수 있으나, 열 교환기의 브레이징이 완료된 후 열 교환기에 결합될 수도 있으며, 예를 들어 열 교환기의 상부 플레이트에 리드를 용접함으로써 결합될 수 있다.

상기에 따른 포트 오프닝 장치의 분배 파이프는 종래 시스템의 분배 파이프 보다 더 작은 직경을 가지는 분배 파이프를 구비해야 하는 것은 당연하고, 즉, 포트 오프닝에서 어떠한 열 교환도 제공되지 않는다. 이는 잠재적으로 분배 파이프의 입구에서 출구까지의 압력 강하로 인한 덜 유리한 분배를 초래할 수 있지만, 이러한 문제는 분배 파이프로 들어가는 냉매의 부피가 팽창 밸브로 들어가기 전에 액체 냉매는 냉각되지 않는 종래 기술의 해결책과 비교하여 상당히 작아진다는 상술한 사실에 의해서 완화될 수 있다.

열 교환이 거의 이루어지지 않으므로, 도 2에 도시된 프레스 유로를 구비하는 열 교환기에 비하여 포트 오프닝 장치를 구비하는 팽창 밸브로 들어가는 액체 냉매의 온도가 더 높아질 것은 당연하다. 그러나, 필요한 포트 오프닝의 직경을 크게 증가시키지 않으면서 분배 파이프를 따라 네 번, 여섯 번 또는 여덟 번 까지도 열 교환 파이프를 왕복함으로써 포트 오프닝 장치의 열 교환을 증가시키는 것이 가능하다.

상기에 따른 포트 오프닝 장치는 증발기에서 나온 냉매와 팽창 밸브에서 배출된 후의 냉매 사이에 열 교환이 발생하도록, 증발기의 포트 영역을 통하여 응축기에서 팽창 밸브로 이어지는 파이프를 구비하는 결합형 증발기 및 응축기를 제조하는 것도 가능하다.

도 6에, 본 발명에 따른 결합형 응축기 및 증발기(1100)의 전면 플레이트가 도시되어 있다. 결합형 응축기 및 증발기(1100)는 플레이트 사이의 유로를 형성하기 위하여 인접한 플레이트들이 서로 이격 거리를 유지하도록 조정된 리지와 그루부의 프레스 패턴을 구비하는 복수의 열 교환 플레이트로부터 제조된다. 포트 오프닝은 결합형 응축기 및 증발기(1100)의 외부에서 플레이트 사이의 유로를 향하는 유체의 흐름을 가능하게 하도록 플레이트에 구비된다. 포트 오프닝 주위에 다양한 높이로 형성되는 플레이트 영역을 설치함으로써, 선택적인 연통 즉, 포트 오프닝은 오직 플레이트 사이의 일부 유로와 연통되도록 구현하는 것이 가능하다. 각 플레이트의 테두리에는 스커트가 설치되고, 스커트는 플레이트 사이의 유로를 밀봉하도록 인접한 플레이트의 스커트와 중첩되게 조정된다. 플레이트의 접촉 상태를 유지하고 열 교환기의 유로를 밀봉하도록, 플레이트는 노 내에서 브레이징 즉, 플레이트의 물질보다 낮은 용융 온도를 가지는 브레이징 물질이 녹아서 플레이트를 결합시키도록 가열되고 냉각된다. 브레이징된 플레이트형 열 교환기의 제조를 위한 기술은 당업자에게 자명하므로 여기서 더 언급하지 않을 것이다.

도 6을 참조하면, 결합형 응축기 및 증발기(1100)의 응축기 측은 플레이트 사이의 유로(120, 도 3참조)의 제1 세트와 연결되는 냉매 오프닝(1110), 모두 플레이트 사이의 유로의 제2 세트와 연결되는 제1 및 제2 열 매체 오프닝(1130 및 1140)을 포함한다. 사용 시, 제1 및 제2 열 매체 오프닝은 바람직하게는 건물의 히팅 시스템에 연결되고, 냉매 오프닝은 압축기의 고압 측에 연결된다.

도 7을 참조하면, 결합형 응축기 및 증발기(1100)의 증발기 측은 모두 제3 플레이트 사이의 유로의 제3 세트 및 냉매 출구(1190)와 연통되는 제1 및 제2 브라인 오프닝(1160 및 1170)을 포함하고, 냉매 출구는 플레이트 사이의 유로의 제2 세트(1200)와 연통된다. 또한, 도 7을 참조하면, 제1 및 제2 냉매 연결부(1210 및 1220)가 개시되고, 이들의 기능은 후에 설명한다. 사용 시, 제1 및 제2 브라인 오프닝은 저온의 열원으로부터 저온의 열을 흡수하는 브라인 시스템에 연결되고, 냉매 출구는 압축기의 저압 측에 연결되며, 제1 및 제2 냉매 출구는 팽창 밸브(R)를 통하여 서로 연결된다.

도 8은 도 6 및 도 7의 라인 A-A를 따라 취한 단면을 도시하고 있다. 여기서, 플레이트 사이의 유로(1120)가 파이프(1210)와 연결되는 모습을 구체적으로 도시하고 있고, 파이프(1210)는 플레이트 사이의 유로(1180 및 1200)를 포함하는 결합형 응축기 및 증발기(1100)의 증발기 부분을 통하여 플레이트 사이의 유로(1120)에서 팽창 밸브(R)까지 이어진다. 적어도 하나의 "차단(blind)" 채널(1230)이 응축기 부분과 증발기 부분 사이에 설치될 수 있다. 이러한 채널의 목적은 응축기 부분과 증발기 부분을 서로 단열시키는 것이고, 브레이징 공정(종종 진공 상태에서 노 내에서 수행됨)으로부터 차단 채널 내에 진공이 유지되도록 차단 채널이 배치되는 경우 단열 특성은 향상될 수 있다.

도 8의 실시예에서, 열 교환 플레이트를 둘러싸는 스커트는 모두 동일한 방향(우측 방향)을 향하지만, 본 발명의 일 실시예에서, 스커트는 증발기 부분에서는 플레이트의 일 방향을 향하고, 응축기 부분에서는 플레이트의 다른 일 방향을 향할 수 있다.

파이프(1210)로 돌아가서, 본 파이프는 어떠한 형태도 가능할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 파이프(1210)는 플레이트의 가장자리 부분이 설치되는 방법과 유사하게, 서로 중첩되도록 배치되는 스커트와 함께 플레이트 사이의 유로(1180, 1200)를 형성하는 플레이트에 포트 오프닝을 설치함으로써 형성된다. 이러한 유형의 포트 오프닝은 유럽 특허 출원 09804125.4, 09795748.4 및 09804262.5에 개시되어 있다.

또한, 증발기 부분을 관통하여 플레이트 사이의 유로(120)와 팽창 밸브(R)로 이어지는 보통의 파이프를 설치하는 것도 가능하다.

계속해서, 시스템의 형태가 과냉각을 필요로하지 않는 경우에 유용한 본 발명의 또 다른 실시예에서, 일반적인 파이프가 스커트를 중첩함으로써 제조되는 큰 파이프 내에 위치하도록 앞서 개시된 두 개의 파이프 형태를 결합시키는 것이 가능하다. 차단 채널(1230)을 구비하는 경우와 마찬가지로, 스커트를 중첩시켜 제조된 파이프와 일반적인 파이프 사이에 진공이 형성되도록 파이프를 설계하는 것이 가능하다. 파이프 사이에 진공을 형성함으로써, 내측 파이프(냉매를 플레이트 사이의 유로(1120)에서 확장 밸브(R)로 보내는)와 증발기(저온의 반 유체 냉매가 존재) 사이에 단열 특성이 좋아질 수 있다.

파이프(1220)는 플레이트 사이의 유로(1220)와 연통되고, 상기 유로에 증발될 저온의 반 유체 냉매를 제공한다.

일부 실시예들에서, 플레이트 사이의 유로(1200)에 냉매를 균등하게 분배하는 분배 파이프를 구비하는 것이 바람직할 수 있다; 이는 길이 방향으로 배치되는 작은 홀을 구비하는 분배 파이프에 의해서 구현될 수 있고, 상기 홀은 플레이트 사이의 유로(1200)에 배치될 것이다. 사용 가능한 분배 파이프의 형상의 일 예는 유럽 특허 출원 08849927.2에 개시되어 있다. 또 다른 실시예에서, 분배 파이프는 유럽 특허 출원 09804125.4, 09795748.4 및 09804262.5를 참조하여 앞서 개시된 바와 같이 스커트를 중첩시킴으로써 형성될 수 있지만, 오프닝을 구비한다.

위에서, 본 발명은 특정 실시예를 참조하여 설명되었다; 그러나, 본 발명은 특정 실시예에 제한되지 않으며, 첨부된 청구항에 의해서 정의되는 바와 같이 본 발명의 범위 밖으로 벗어나지 않으면서 넓은 범위 내에서 다양하게 변경될 수 있다.

예를 들면, 플레이트 사이의 유로 내의 개별적인 매체의 흐름을 위한 포트 오프닝의 배치는 변경될 수 있다. 도면에 따르면, 모든 포트 오프닝은 매체의 교차 흐름 형상이 존재하도록 배치되지만, 이는 일부 경우에 필요하지도 가능하지도 않을 수 있다. 결합형 응축기 및 증발기(1100)의 응축기 부분과 증발기 부분에 동일한 플레이트가 사용된다면, 예를 들어 열을 교환하는 매체의 평행한 흐름이 생성될 필요가 있다. 그러한 열 교환 플레이트는 필요적으로 헤링본 패턴(herringbone pattern)을 구비하고, 다른 모든 플레이트는 인접한 플레이트에 비하여 평면상에서 180도 전환된다.

계속해서, 본 발명의 또 다른 실시예가 도 9, 도 10a 및 도 10b에 도시되어 있다. 본 실시예는 복수의 응축기 플레이트(910)를 포함하는 결합형 증발기 및 응축기에 관한 것이고, 각각의 응축기 플레이트는 매체의 열 교환을 위하여 플레이트 사이의 유로를 형성하면서 각 플레이트가 서로 이격 거리를 유지하도록 리지와 그르부의 프레스 패턴을 구비한다. 또한, 응축기 플레이트는 플레이트 사이의 유로와 포트 오프닝 간의 선택적인 연결을 위하여 네 개의 포트 오프닝(920, 930, 940 및 950)을 포함한다. 본 경우에, 포트 오프닝(920)은 응축된 냉매를 위한 출구 오프닝이고, 포트 오프닝(930)은 고온의 열 매체를 위한 입구이며, 포트 오프닝(940)은 기체 냉매를 위한 입구이고, 포트 오프닝(950)은 고온의 열 매체를 위한 출구이다.

두 개의 분할 플레이트(960)는 응축기 플레이트와 아래에서 설명될 증발기 사이에 설치된다. 분할 플레이트(960)는 응축기 플레이트(920 내지 950)와 유사하지만, 분할 플레이트 상에는 응축된 냉매를 위한 작은 이송 채널(970)을 제외한 포트 오프닝은 존재하지 않는다. 이송 채널(970)은 오프닝(975)이 형성되도록 절두체(frustum)의 상부 영역이 부분적으로 제거된 절두체 형상을 가진다. 인접한 플레이트 상의 이송 채널은 다른 방향으로 설치된다; 도 9에 도시된 바와 같이, 좌측 이송 채널은 우측을 향하고, 이에 반하여 우측 이송 채널은 좌측을 향한다. 분할 플레이트(960)는 본 실시예에 따른 결합형 응축기 및 증발기를 형성하는 플레이트의 스택을 형성하기 위하여 서로 인접하게 배치되고, 인접한 플레이트의 두 개의 이송 채널은 서로 접촉할 것이고, 이에 따라 톱니 모양의 단면을 가지는 파이프를 형성할 수 있다.

본 실시예에 따른 결합형 응축기 및 증발기는 복수의 증발기 플레이트(980)를 포함할 수도 있다. 증발기 플레이트는 다른 포트 오프닝과 상당히 다른 하나의 포트 오프닝(985)을 제외하고 응축기 플레이트와 실질적으로 동일하다.

포트 오프닝(985)은 인접한 플레이트에 대하여 교차적인 높이, 높이가 낮게 또는 높게 배치되는 베이스 면(986)을 포함한다. 오프닝(987)은 베이스 면에 구비된다. 또한, 베이스 면은 이송 채널(970)을 포함하고, 베이스 면 상의 이송 채널은 높게 설치되는 베이스 면에서는 아래 방향을 향하고, 낮게 설치되는 베이스 면에서는 위 방향을 향한다.

스택 내에 배치될 때, 인접한 플레이트의 이송 채널은 이송 채널에 의해서 플레이트의 중간에 형성되는 파이프의 연결을 형성한다. 이러한 파이프는 증발기 플레이트(980)의 전체 스택에 걸쳐 연장될 것이고, 이에 반하여 베이스 면은 오프닝과 증발기 플레이트 사이의 유로(증발기 플레이트 사이의 채널은 응축기 내의 플레이트 사이의 채널과 동일한 방식으로 형성된다) 사이에 선택적인 연결을 형성할 것이다.

사용 시, 응축기에서 배출되는 액체 냉매는 이송 파이프를 지나 흐르고, 적층된 증발기 플레이트를 지나 팽창 밸브(990)로 흐르며, 팽창 밸브에서 냉매의 압력과 온도는 감소할 것이다. 저압 저온의 냉매는 이후 상술한 바와 같이 플레이트 사이의 유로와 선택적으로 연결되는 오프닝(987)으로 들어갈 것이다. 냉매는 저온의 열원 유체와 열을 교환할 것이고, 완전히 증발된 상태에서 예를 들면, 증발기의 반대쪽에 배치되는 오프닝을 통하여 증발기를 떠날 것이다. 증발기의 열 교환 작용은 당업자에 의해서 공지되어 있으므로, 더 이상 설명하지 않는다.

전술한 실시예와 마찬가지로, 오프닝(987)에 플레이트 사이의 채널로 냉매를 적절히 분배시키기 위한 분배 파이프를 설치하는 것은 가능하다.

치수 및 물질.

결합형 응축기 및 증발기(1100)는 임의의 개수를 가지는 복수의 플레이트에 의해서 제조될 수 있지만, 보통, 각 유형의 두 개 이상의 플레이트 사이의 유로가 구비된다. 플레이트의 크기는 너비가 50mm에서 250mm까지일 수 있으며, 높이가 100mm에서 500mm까지일 수 있다.

플레이트의 바람직한 물질 중 하나는 스테인리스 스틸이고, 브레이징 물질은 구리일 수 있다. 플레이트는 0.1mm 내지 1mm의 두께를 가질 수 있다.

사용 시 요구되는 압력이 높으면, 최외곽 플레이트가 결합형 응축기 및 증발기(1100)를 강화시키도록 설치될 수 있다. 상기 최외곽 플레이트는 플레이트 사이의 유로를 형성하는 플레이트와 유사하거나 동일한 프레스 패턴을 구비할 수 있다. 용도에 적절한 오프닝이 최외곽 플레이트에 구비될 수 있다.

Claims (11)

1. 플레이트 사이의 유로(1180, 1200)를 형성하기 위해서 각 플레이트가 서로 이격 거리를 유지하도록 리지(ridges)와 그루브(grooves)의 프레스 패턴을 구비하는 복수의 적층된 열 교환 플레이트(980)로부터 제조되고,
   결합형 증발기 및 응축기의 증발기 부분(1120, 1150)은 팽창 밸브(R)와 연결 가능한 냉매 출구(1210)를 구비하며,
   응축기 부분과 팽창 밸브(R) 사이의 연결은 상기 증발기 부분을 지나는, 결합형 증발기 및 응축기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 결합형 응축기 및 증발기(1100)의 외부에서 상기 플레이트 사이의 유로(1180, 1200)로 유체의 유동을 허용하도록 포트 오프닝(port openings)이 상기 플레이트(980)에 설치되는, 결합형 증발기 및 응축기(1100).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   각각의 상기 플레이트(980)의 가장자리에는 상기 플레이트 사이의 유로의 밀봉을 형성하도록 인접한 플레이트의 스커트와 중첩되도록 조정된 스커트가 설치되는, 결합형 증발기 및 응축기(1100).
4. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 결합형 응축기 및 증발기(1100)의 증발기 측은 제1 및 제2 브라인 오프닝(1160 및 1170)을 포함하는, 결합형 응축기 및 증발기(1100).
5. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 응축기 부분의 플레이트 사이의 유로(1120)는 상기 결합형 응축기 및 증발기(1100)의 증발기 부분을 지나는 파이프(1210)를 통하여 상기 팽창 밸브(R)와 연결되는, 결합형 증발기 및 응축기(1100).
6. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 응축기 부분과 상기 증발기 부분 사이에 적어도 하나의 "차단" 채널(1230)이 설치되는, 결합형 증발기 및 응축기(1100).
7. 제6항에 있어서,
   상기 차단 채널은 브레이징 공정으로부터 상기 차단 채널 내에 진공이 형성되도록 설치되는, 결합형 증발기 및 응축기(110).
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 결합형 응축기 및 증발기(1100)의 상기 증발기 부분을 지나는 상기 파이프(1210)는 서로 중첩되도록 배치되는 상기 스커트로 상기 플레이트 사이의 유로(1180, 1200)를 형성하는 상기 플레이트(980)에 포트 오프닝을 설치함으로써 형성되는, 결합형 증발기 및 응축기(1100).
9. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 플레이트 사이의 유로(1200)에 냉매를 균등하게 분배시키는 분배파이프(DP)를 더 포함하는 결합형 증발기 및 응축기(1100).
10. 제9항에 있어서,
    상기 분배 파이프에는 상기 플레이트 사이의 유로(1200)에 배치되도록 길이 방향을 따라 배치되는 작은 홀이 설치되는, 결합형 증발기 및 응축기(1100).
11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 분배 파이프는 상기 스커트를 중첩함으로써 형성되는, 결합형 증발기 및 응축기(1100).

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