KR101172572B1 - 분배기 및 이를 포함하는 공기 조화기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작동 유체가 흐르는 도관과 복수 개의 열교환 배관을 포함하는 열교환기 사이에 설치되어 상기 작동 유체를 분배하는 분배기에 관한 것으로서, 상기 도관에 연결되는 분배기 헤더; 및 상기 분배기 헤더와 상기 열교환 배관 사이에 연결되는 복수 개의 분배관을 포함한다. 여기서, 상기 분배기는 아래의 식 중 적어도 하나 이상을 만족한다.

L/8 ≤ N ≤ L/4 ...............(1)

√(2/N) × D1 ≤ D2 ≤ D3 .........(2)

0.5 ≤ S2/S1 ≤ 2.8 ..............(3)

여기서, N은 분배관의 개수, L은 열을 이루는 열교환 배관의 단수, D1은 상기 도관의 직경, D2는 상기 분배관의 직경, D3는 상기 열교환 배관의 직경, S1은 도관의 단면적, S2는 상기 분배관의 총 단면적을 의미한다.

냉매, 열교환기, 분배기, 분배관

Description

분배기 및 이를 포함하는 공기 조화기 {DISTRIBUTOR AND AIR CONDITIONER INCLUDING THE SAME}

본 발명은 열교환기를 구비하는 공기 조화기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열교환기에 작동 유체를 분배하는 분배기에 관한 것이다.

일반적으로, 열교환기는 주변 공기와 내부에 흐르는 작동 유체간의 열교환을 하는 장치로서, 실내의 온도를 바깥 외기의 온도와 관계없이 적절한 온도로 유지시켜주는 역할을 하는 에어컨 시스템이나 난방 시스템과 같은 공기 조화기에 사용된다.

최근, 냉방 사이클 및 열펌프 사이클을 단일 장치로 구현하여, 선택적으로 실내의 냉방 및 난방을 수행할 수 있는 냉난방 공기 조화기(소위 열펌프)의 보급이 증가되고 있다. 통상적으로 열펌프는 열교환기를 포함하는 실내기, 압축기, 열교환기를 포함하는 실외기 및 팽창기를 포함한다.

냉방 모드로 사용될 때에는, 실내 열교환기가 증발기로 작용하여, 통과되는 저온 저압의 액체 상태의 냉매를 증발시켜 실내의 열을 흡수하여 실내의 냉방 메커 니즘을 이룬다. 증발기를 통과한 중온 저압의 냉매 가스는 다시 압축기를 통해 고온 및 고압 가스로 된다. 이와 대조적으로, 난방 모드에서는 실내 열교환기가 응축기로 작용하여, 고온 및 고압의 가스 상태의 냉매가 상기 응축기를 통과하면서, 실내에 열을 방출하여 실내의 난방 메커니즘을 이룬다. 즉, 실외기는 하절기에는 응축기로 사용되고, 동절기에는 증발기로 사용된다.

종래 실외기에 사용되는 열교환기는 복수 개의 서킷으로 이루어져 있으며, 서킷 내부로 냉매를 분배하기 위해서, 분배기가 사용된다. 분배기는 분배관을 통하여 냉매를 균일하게 열교환기의 각 서킷에 전달하는 기능을 한다.

그러나, 종래에는 열교환기에 냉매를 분배하는 분배기 및 분배관은 냉매의 압력을 저하시켜 시스템의 열교환 능력과 같은 성능을 떨어트리는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열교환기에 최적으로 냉매를 분배할 수 있는 분배관의 개수를 가지며, 분배관를 통하여 이루어지는 압력강하를 최소화하여 열교환성능을 최대화할 수 있는 크기를 갖는 분배기 및 이를 포함하는 공기 조화기를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 분배기는 작동 유체가 흐르는 도관과 복수 개의 열교환 배관을 포함하는 열교환기 사이에 설치되어 상기 작동 유체를 분배하는 분배기로서, 상기 도관에 연결되는 분배기 헤더; 및 상기 분배기 헤더와 상기 열교환 배관 사이에 연결되는 복수 개의 분배관을 포함한다. 여기서, 상기 분배기는 아래의 식 중 적어도 하나 이상을 만족한다.

L/8 ≤ N ≤ L/4 ...............(1)

√(2/N) × D1 ≤ D2 ≤ D3 .........(2)

0.5 ≤ S2/S1 ≤ 2.8 ..............(3)

여기서, N은 분배관의 개수, L은 열을 이루는 열교환 배관의 단수, D1은 상기 도관의 직경, D2는 상기 분배관의 직경, D3는 상기 열교환 배관의 직경, S1은 도관의 단면적, S2는 상기 분배관의 총 단면적을 의미한다.

또한, 상기 각 열교환 배관은 복수 개의 열과 단을 이루도록 절곡되어 형성되고, 상기 각 열교환 배관의 개수와 상기 분배관의 개수가 동일하게 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 분배기는 최적의 분배관 개수로 열교환기를 연결하여 열교환률을 극대화하며, 분배관의 직경도 최적화되어 압력강화를 감소시켜 열교환능력을 높인다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 분배기를 포함하는 공기 조화기에 대해서 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 열교환 배관의 사시도이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기(100)는 실내기(10), 실외기(20), 팽창기(30) 및 압축기(40)를 포함한다. 실내기(10)와 압축기(40) 사이에는 냉방 및 난방 모드에 따라 냉매의 방향을 전환하는 4방 밸브(50)가 설치된다. 실내기(10), 실외기(20), 팽창기(30) 및 압축기(40)는 작동 유체인 냉매가 흐르도록 도관(60)으로 연결된다.

실외기(20)는 열교환기(21), 도관(60)과 열교환기(21) 사이에 설치되는 분배기(22) 및 상부에 배치되는 송풍팬(23)을 포함한다. 열교환기(21)는 복수 개의 열 과 단으로 배열되는 열교환 배관(24) 및 열교환 배관(24)의 일측에 연결되는 열교환기 헤더(25)를 구비한다.

단일의 열교환 배관(24)은 도 2에 도시된 바와 같이, 외기와의 접촉면적이 확대되도록 절곡된 다발 구조로 이루어진다. 열교환 배관(24)의 일측 단부(241)는 열교환기 헤더(25)와 연결되고, 타측 단부(242)는 분배기(22)와 연결된다.

분배기(22)는 도관(60)과 연결되는 분배기 헤더(221) 및 분배기 헤더(221)에서 분기되는 복수 개의 분배관(222)으로 이루어진다. 각 분배관(222)이 상기 열교환 배관(24)의 타측 단부(242)에 연결된다.

상기에서 설명한 실외기(10)는 단지 설명을 위해 예시한 것으로서, 열교환기(21)의 배치 구조, 송풍팬(23)의 배치 등은 다양하게 변형될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기(100)는 냉방 모드시, 압축기(40)에 의해 고온 및 고압이 된 가스 냉매는 도관(60)을 통해 실외기(20) 내의 열교환기(21)로 이송되며, 이 고온 및 고압의 가스 냉매는 열교환기(21)에서 응축되어 저온 및 고압의 액체 냉매로 된다. 응축된 액체 냉매는 분배기(22)를 거쳐 팽창기(30)에 의해 감압되어 저온 및 저압의 액체 냉매로 된 후, 실내기(10)에서 증발되어 실내를 냉각하면서 중온 및 저압의 냉매 기체로 전환된다. 이 냉매 기체는 다시 압축기(40)로 이송된다. 이와 같이 냉방 모드시 냉매의 순환 사이클이 이루어진다.

상술한 것은 냉방 모드로 작동될 때를 설명한 것으로서, 난방 모드일 때는, 냉방 모드시의 냉매의 순환 방향과 반대방향으로 냉매가 순환하여 실내의 난방을 이룬다.

상기와 같은 구성의 공기 조화기(100)에서, 분배관(222)의 개수(N)는 다음의 식(1)을 만족한다.

L/8 ≤ N ≤ L/4 .............................. (1)

여기서, L은 한 열을 이루는 열교환 배관(24)의 단수를 의미한다.

본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기에서, 열교환기(21)는 도 1에 도시된 바와 같이, 5열 40단으로 구성된다. 즉, 1열(도 1에서 세로방향)을 이루는 열교환 배관(24)의 단수는 40단이다. 따라서, 상기 식(1)을 적용하면, 분배관(222)의 개수(N)는 5개 이상 10개 이하로 구성된다. 만약, 5열 48단의 열교환기라면, 분배관의 개수(N)는 6개 이상 12개 이하로 구성될 것이다.

열교환기(21)의 너비, 열교환 배관(24)의 열의 개수 등의 다른 조건들이 일정한 경우, 분배관(222)의 개수가 L/8 미만이면, 열교환기(21)를 이루는 단수에 비해 냉매가 들어가는 입구 및 출구의 개수가 작아지게 되어, 결국 냉매가 지나가는 유로(path)의 수도 감소하게 된다. 따라서, 하나의 유로를 형성하는 열교환 배관(24)의 유로 길이가 길어져 냉매가 과열될 수 있다. 또한, 분배관(222)의 개수가 L/4을 초과하면, 냉매 유로의 수가 증가하여 열교환 배관(24)의 길이가 짧아져 열교환을 위한 충분한 면적을 확보하지 못한다.

도 3은 분배관의 개수에 대한 48단 열교환기의 열교환율을 나타낸 도면이고, 도 4는 분배관의 개수에 대한 40단 열교환기의 열교환율을 나타낸 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 48단 열교환기는 분배관(222)의 개수가 6미만이거 나, 12를 초과한 경우, 열교환율이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 40단 열교환기는 도 4에 도시된 바와 같이, 분배관(222)의 개수가 5미만이거나, 10을 초과한 경우, 열교환율이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 도관, 분배관 및 열교환 배관의 직경을 나타내는 도면이다. 도 5를 참고하면, 도관(60)의 직경을 D1, 분배관(222)의 직경을 D2, 열교환 배관(24)의 직경을 D3라고 하면, 분배관(222)의 직경(D2)은 아래의 식(2)를 만족한다.

√(2/N) × D1 ≤ D2 ≤ D3 ........................(2)

즉, 분배관(222)의 직경(D2)은 최대로 열교환 배관(24)의 직경(D3)까지 형성되고, 최소로 도관(60)의 직경(D1)에 (2/N)의 제곱근값을 곱한 값까지 형성된다.

분배기(22)는 분배관(222)을 통하여 냉매를 균일하게 열교환기(21)의 각 열교환 배관(24)에 전달하는 것 이외에는 열교환 시스템의 성능을 감소시킨다. 즉, 분배관(222)은 압력 강하를 발생시켜 열교환기(21)의 성능을 감소시키므로, 분배관(222)을 통한 압력 하강을 최소로 할 필요가 있다. 압력 하강은, 냉매가 흘러가면서 배관 내벽과의 마찰 및 배관 내부의 유로의 급격한 직경변화에 의해 발생한다. 특히, 관경이 큰 분배기 헤더(221)에서 관경이 작은 분배관(222)으로 냉매가 들어갈 때 및 관경이 작은 분배관(222)에서 관경이 큰 열교환 배관(24)으로 들어갈 때, 관경의 변화에 의해 압력이 하강한다. 따라서, 분배관(222)의 관경은 분배관(222)의 양쪽으로 압력 강하의 영향이 적은 방향으로 설계되어야 하며, 그 범위 가 바로 식(2)를 만족하는 범위인 것이다.

또한, 도관(60)의 단면적을 S1, 분배관(222)의 총 단면적을 S2라고 할 때, 도관(60)의 단면적(S1)에 대한 분배관(222)의 총 단면적(S2)의 비(R)는 0.5 내지 2.8의 범위 내의 값을 갖는다(0.5 ≤ S2/S1 ≤ 2.8). 상기 단면적비(R)의 범위내에서 압력 하강이 감소되어 열교환 능력이 상승한다. 즉, 단면적비(R)가 0.5보다 작으면, 분배관(222)에서의 냉매 속도가 급격히 증가함과 동시에 단면적의 감소로 저항이 커져 냉매의 유량이 감소하여 열교환 능력이 떨어진다. 또한, 단면적비(R)가 2.8보다 크면, 냉매가 분배관(222)에서 열교환 배관(24)으로 들어갈 때 병목 현상이 발생하여 냉매의 유량이 감소함으로써 열교환 능력이 떨어진다.

도 6은 도관과 분배관의 단면적의 비에 대한 열교환기의 열교환 능력을 나타낸 도면이다. 도 6을 참고하면, 열교환기(21)의 열교환 능력이 0.5 내지 2.8를 벗어난 범위에서 급격히 떨어지는 것을 확인할 수 있다.

상기에서는 분배기가 공기 조화기에 적용되는 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다. 즉, 분배기는 공기 조화기뿐만 아니라 열교환기가 사용될 수 있는 모든 장치에 적용될 수 있다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공기 조화기를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 도 1에 도시된 열교환 배관의 사시도이다.

도 3은 분배관의 개수에 대한 48단 열교환기의 열교환율을 나타낸 도면이다.

도 4는 분배관의 개수에 대한 40단 열교환기의 열교환율을 나타낸 도면이다.

도 5는 도관, 분배관 및 열교환 배관의 직경을 나타내는 도면이다.

도 6은 도관과 분배관의 단면적의 비에 대한 열교환기의 열교환 능력을 나타낸 도면이다.

Claims (5)

1. 작동 유체가 흐르는 도관과 복수 개의 열교환 배관을 포함하는 열교환기 사이에 설치되어 상기 작동 유체를 분배하는 분배기로서,

   상기 도관에 연결되는 분배기 헤더; 및

   상기 분배기 헤더와 상기 열교환 배관 사이에 연결되는 복수 개의 분배관을 포함하고, 아래의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 분배기.

   L/8 ≤ N ≤ L/4

   0.5 ≤ S2/S1 ≤ 2.8

   여기서, N은 분배관의 개수, L은 한 열을 이루는 열교환 배관의 단수, S1은 도관의 단면적, S2는 상기 분배관의 총 단면적을 의미한다.
2. 제1항에 있어서,

   상기 도관의 직경을 D1, 상기 분배관의 직경을 D2, 상기 열교환 배관의 직경을 D3라고 할 때, 아래의 식을 더 만족하는 것을 특징으로 하는 분배기.

   √(2/N) × D1 ≤ D2 ≤ D3
3. 제2항에 있어서,

   상기 열교환 배관 각각은 복수 개의 열과 단을 이루도록 절곡되어 형성되고, 상기 열교환 배관의 개수와 상기 분배관의 개수가 동일하게 구성되는 것을 특징으로 하는 분배기.
4. 복수 개의 열교환 배관을 구비하는 열교환기를 포함하는 공기 조화기에 있어서,

   작동 유체가 흐르는 도관과 상기 열교환기 사이에 설치되는 분배기를 포함하고,

   상기 분배기는 상기 도관에 연결되는 분배기 헤더 및 상기 분배기 헤더와 상기 열교환 배관 사이에 연결되는 복수 개의 분배관을 포함하며, 아래의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.

   L/8 ≤ N ≤ L/4

   0.5 ≤ S2/S1 ≤ 2.8

   여기서, N은 분배관의 개수, L은 한 열을 이루는 열교환 배관의 단수, S1은 도관의 단면적, S2는 상기 분배관의 총 단면적을 의미한다.
5. 제4항에 있어서,

   상기 도관의 직경을 D1, 상기 분배관의 직경을 D2, 상기 열교환 배관의 직경 을 D3라고 할 때, 아래의 식을 더 만족하는 것을 특징으로 하는 공기 조화기.

   √(2/N) × D1 ≤ D2 ≤ D3

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