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KR102568753B1 - 열교환기 - Google Patents

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KR102568753B1
KR102568753B1 KR1020150191350A KR20150191350A KR102568753B1 KR 102568753 B1 KR102568753 B1 KR 102568753B1 KR 1020150191350 A KR1020150191350 A KR 1020150191350A KR 20150191350 A KR20150191350 A KR 20150191350A KR 102568753 B1 KR102568753 B1 KR 102568753B1
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refrigerant
distributor
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tube
heat exchanger
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나병철
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 열교환기에는, 다수의 튜브채널을 가지는 냉매튜브; 상기 냉매튜브의 양측에 구비되는 복수의 헤더; 및 상기 복수의 헤더 중 일 헤더와, 상기 냉매튜브의 사이에 구비되는 분배기가 포함되며, 상기 분배기에는, 상기 냉매튜브가 결합되는 개구부; 및 냉매의 유입 또는 배출을 가이드 하는 입출부를 가지는 차폐벽이 포함된다.

Description

열교환기 {Heat Exchanger}
본 발명은 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 열교환기란, 열교환사이클을 구성하는 부품으로, 응축기 또는 증발기로 동작하여 그 내부를 유동하는 냉매와 외부의 유체와 열교환되도록 한다.
이와 같은 열교환기는 그 형상에 따라서 크게 핀 앤 튜브 타입과 마이크로채널 타입으로 구분된다. 상기 핀 앤 튜브 타입의 열교환기는, 다수개의 핀 및 상기 핀을 관통하는 원형 또는 이와 유사한 형상의 튜브를 포함하고, 상기 마이크로채널 타입의 열교환기는, 냉매가 유동하는 다수의 플랫튜브 및 상기 다수의 플랫튜브 사이에 구비되는 핀을 포함한다.
그리고 상기 핀 앤 튜브 타입의 열교환기 및 상기 마이크로채널 타입의 열교환기는, 양자 모두, 상기 튜브 또는 플랫튜브의 내부를 유동하는 냉매와 외부의 유체가 열교환되고, 상기 핀은 상기 튜브 또는 플랫튜브의 내부를 유동하는 냉매와 외부의 유체와의 열교환면적을 증가시키는 역할을 한다.
종래의 마이크로채널 타입의 열교환기에는, 다수의 튜브와, 상기 다수의 튜브의 양측에 결합되는 제 1,2 헤더 및 상기 다수의 튜브의 사이에 제공되어 냉매와 외부 공기간에 열교환이 용이하게 이루어지도록 하는 방열핀이 포함된다.
그리고, 종래의 마이크로 채널 타입의 열교환기에는, 상기 제 1,2 헤더의 내부에 제공되며, 냉매의 상변화에 따른 체적 및 유속에 대응하여, 냉매유로의 방향전환을 가이드 하는 배플이 제공될 수 있다. 상기 배플은 상기 제 1,2 헤더의 내부에 각각 다수 개씩 제공된다.
출원인은 이러한 마이크로채널 타입의 열교환기와 관련하여, 종래출원(이하, 선행문헌)을 실시하여 등록받은 바 있다.
[선행문헌]
1. 등록번호 (등록일자) : KR 10-0547320 (2006년 1월 20일)
2. 발명의 명칭 : 마이크로채널 열교환기
이와 같은 종래의 열교환기에 의하면, 냉매가 각 튜브에 고르게 유입되지 않는 문제점, 즉 다수의 튜브 중 일 튜브에는 냉매가 많이 유입되고 타 튜브에는 냉매가 상대적으로 적게 유입되는 문제점이 있었다.
특히, 상기 튜브에 형성되는 냉매유로는 제 1 헤더로부터 제 2 헤더를 향하여 한 방향으로만 형성되므로, 냉매의 가속도에 의하여 다수의 튜브로의 냉매 유입이 고르지 못하다는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 열교환기에 의하면, 제 1,2 헤더 내에 각각 다수의 배플이 제공되어 비용이 많이 들고 제조공정이 복잡하다는 문제점이 있었다.
한편, 종래의 열교환기에 의하면, 헤더와 튜브의 결합부위에 냉매의 누설이 발생되는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 냉매가 다수의 튜브로 고르게 유입될 수 있는 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 냉매 불균형을 해소하여, 열교환 효율을 개선할 수 있는 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 열교환기의 제조비용이 저렴하고, 제조공정이 간단한 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 열교환기에는, 다수의 튜브채널을 가지는 냉매튜브; 상기 냉매튜브의 양측에 구비되는 복수의 헤더; 및 상기 복수의 헤더 중 일 헤더와, 상기 냉매튜브의 사이에 구비되는 분배기가 포함되며, 상기 분배기에는, 상기 냉매튜브가 결합되는 개구부; 및 냉매의 유입 또는 배출을 가이드 하는 입출부를 가지는 차폐벽이 포함된다.
또한, 상기 분배기에는, 분배기 본체의 분배공간부에 형성되며, 상기 튜브채널을 유동한 냉매의 유동방향을 전환시키는 다수의 가이드 채널이 포함된다.
또한, 상기 분배기에는, 상기 차폐벽으로부터 연장되며, 상기 다수의 가이드 채널을 구획하는 분배리브가 더 포함된다.
또한, 상기 가이드 채널의 일방향 폭(w1)은, 상기 튜브채널의 일방향 폭(w2)의 2배를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분배기에는, 상기 복수의 헤더 중 제 1 헤더에 결합되는 제 1 분배기; 및 상기 복수의 헤더 중 제 2 헤더에 결합되는 제 2 분배기가 포함된다.
또한, 상기 입출부에는, 상기 제 1 분배기에 형성되며, 제 1 헤더의 냉매를 상기 냉매튜브로 유입시키기 위한 유입부; 및 상기 제 2 분배기에 형성되며, 상기 냉매튜브의 냉매를 상기 제 2 헤더로 배출시키기 위한 유출부가 포함된다.
또한, 상기 다수의 가이드 채널에는, 상기 다수의 튜브채널 중 일 튜브채널로부터 전달된 냉매의 유동방향을 반대방향으로 전환시켜 주는 제 1 가이드 채널; 및 상기 다수의 튜브채널 중 타 튜브채널로부터 전달된 냉매의 유동방향을 반대방향으로 전환시켜 주는 제 2 가이드 채널이 포함된다.
또한, 상기 제 1 분배기는 다수 개가 구비되며, 상기 다수의 제 1 분배기에는, 상기 제 1 헤더의 상부에 연결되며, 상기 제 1 헤더로부터 냉매를 유입시키기 위한 제 1 유입부를 가지는 제 1 상부분배기; 및 상기 제 1 헤더의 하부에 연결되며, 상기 냉매튜브로부터 냉매를 배출시키기 위한 제 2 유출부를 가지는 제 1 하부분배기가 포함되고, 상기 제 1 유입부 및 상기 제 2 유출부는 각각, 상기 입출부를 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 분배기는 다수 개가 구비되며, 상기 다수의 제 2 분배기에는, 상기 제 2 헤더의 상부에 연결되며, 상기 냉매튜브로부터 냉매를 배출시키기 위한 제 1 유출부를 가지는 제 2 상부분배기; 및 상기 제 2 헤더의 하부에 연결되며, 상기 제 2 헤더로부터 냉매를 유입시키기 위한 제 2 유입부를 가지는 제 2 하부분배기가 포함되고, 상기 제 1 유출부 및 상기 제 2 유입부는 각각, 상기 입출부를 구성하는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에 따른 열교환기에는, 냉매가 유동하는 냉매튜브; 상기 냉매튜브의 일측에 구비되는 제 1 헤더; 상기 냉매튜브와 상기 제 1 헤더의 사이에 설치되는 제 1 분배기; 상기 냉매튜브의 타측에 구비되는 제 2 헤더; 및 상기 냉매튜브와 상기 제 2 헤더의 사이에 설치되는 제 2 분배기가 포함되며, 상기 제 1 분배기 또는 제 2 분배기에는, 분배공간부를 가지는 분배기 본체; 상기 분배기 본체의 내부에 설치되는 복수의 분배리브; 상기 복수의 분배리브에 의하여 구획되며, 상기 냉매튜브로부터 전달되는 냉매의 유동방향을 전환시키는 가이드 채널; 및 상기 분배기 본체에 형성되며, 냉매의 유동방향이 공기의 유동방향과 반대방향을 형성하도록 상기 제 1 분배기 또는 제 2 분배기의 냉매 입출을 가이드 하는 입출부가 포함된다.
이러한 본 발명에 의하면, 분배기가 제공됨으로써 다수의 냉매튜브 내로 냉매의 유입이 고르게 일어날 수 있다는 효과가 나타난다.
또한, 분배기의 내부에는, 분배리브에 의하여 구획되는 분배채널이 형성되고, 상기 분배채널은 상기 냉매튜브 내의 튜브채널에 대응하는 위치에 형성되어, 냉매유로의 방향전환이 발생하도록 함으로써, 냉매유로의 길이가 증가될 수 있게 된다.
또한, 제 1 분배기의 입출부에서 유입되어 냉매튜브를 유동한 후, 제 2 분배기의 입출부를 통하여 배출되는 과정에서, 냉매의 유동방향이 공기의 유동방향과 반대방향을 형성하므로, 즉 공기와 냉매간에 대향류가 형성되므로,
그리고, 상기 대향류가 발생함에 따라, 열교환기의 열교환 성능이 개선될 수 있다.
또한, 냉매 튜브내에서의 냉매유로의 길이가 증가함으로써, 2개의 헤더 중 일 헤더로부터 타 헤더로 유동하는 냉매 패스의 수가 많이 필요하지 않게 되고 이에 따라 헤더 내의 배플의 수를 줄일 수 있게 된다. 따라서, 열교환기의 제조비용이 절감되고 제조공정이 간단하는 효과가 있다.
또한, 분배기의 두께를 냉매튜브 보다 두껍게 구성하고, 분배기가 냉매튜브와 헤더 사이를 견고하게 결합하므로 냉매의 누설을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 "A"를 확대한 도면이다.
도 3은 도 1의 "B"를 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 냉매튜브와 분배기에 관한 분해 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 분배기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 분배기의 분배채널의 구성을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 냉매튜브와 제 1,2 분배기의 결합모습을 보여주는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 냉매유동과 공기유동간에 대향류가 형성되는 모습을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 제 1,2 분배기가 냉매튜브에 결합되는 모습을 보여주는 열교환기의 사시도이다.
도 11a 및 도 11b는 냉매유동과 공기유동간에 대향류가 형성됨에 따른 열교환 성능의 개선모습을 보여주는 실험 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 구성을 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1의 "A"를 확대한 도면이고, 도 3은 도 1의 "B"를 확대한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(10)에는, 냉매의 유동공간을 가지는 헤더(20,30) 및 상기 헤더(20,30)에 결합되는 다수의 냉매 튜브(50)가 포함된다.
상기 헤더(20,30)에는, 서로 이격된 제 1 헤더(20) 및 제 2 헤더(30)가 포함된다. 일례로, 상기 제 1 헤더(20) 및 제 2 헤더(30)는 세로 방향으로 배열될 수 있다. 이러한 헤더를 "수직형 헤더"라 이름할 수 있다.
상기 냉매튜브(50)에는, 납작한 단면을 가지는 플랫 튜브가 포함된다. 상기 냉매튜브(50)는 상기 제 1 헤더(20)로부터 상기 제 2 헤더(30)를 향하여 가로 방향으로 배열될 수 있다. 그리고, 상기 다수의 냉매튜브(50)는 서로 이격하여 상하로 배열될 수 있다.
상기 열교환기(10)에는, 상하로 배열된 다수의 냉매 튜브(50)의 사이에 제공되어 상기 다수의 냉매 튜브(50)와 공기간의 열교환 면적을 증대시켜 주는 핀(60)이 포함된다. 상기 핀(60)은 2개의 인접한 냉매 튜브(50)의 사이에서, 절곡 또는 만곡되는 형상을 가지도록 구성될 수 있다.
상기 제 1 헤더(20)에는, 냉매를 상기 열교환기(10)로 유입시키기 위한 유입부(41) 및 상기 열교환기(10)를 통과한 냉매를 외부로 배출하기 위한 유출부(45)가 구비된다. 일례로, 상기 유입부(41)는 상기 제 1 헤더(20)의 상부에 위치되며, 상기 유출부(45)는 상기 제 1 헤더(20)의 하부에 위치될 수 있다.
일례로, 상기 열교환기(10)는 응축기의 기능을 수행할 수 있다. 상기 유입부(41)를 통하여 유입된 기상 냉매는 상기 열교환기(10)에서 열교환 되는 과정에서, 액상 냉매로 상변화 되며, 상기 액상 냉매는 상기 유출부(45)를 통하여 열교환기(10)의 외부로 유출될 수 있다.
다른 예로서, 상기 열교환기(10)는 증발기의 기능을 수행할 수도 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 유입부(41)가 냉매의 유출부 기능을 수행하고, 상기 유출부(45)가 냉매의 유입부 기능을 수행할 수 있다.
상기 제 1 헤더(20)에는, 상기 제 1 헤더(20)의 내부공간을 상하로 구획하는 배플(70)이 구비된다. 상기 유입부(41)를 통하여 상기 제 1 헤더(20)로 유입된 냉매는, 상기 배플(70)의 상측에 위치한 상기 제 1 헤더(20)의 상부공간에서 상기 냉매튜브(50)를 통하여 상기 제 2 헤더(30)로 유동한다.
상기 제 2 헤더(30)로 유입된 냉매에는, 열교환 과정에서 액상 냉매로 상변화 된 냉매가 포함될 수 있다. 자중에 의하여, 상기 액상 냉매는 하방으로 유동하며 상기 제 2 헤더(30)의 하부로 모여진 액상 냉매는, 상기 냉매튜브(50)를 통하여 상기 제 1 헤더(20)의 하부공간으로 유동할 수 있다. 여기서, 상기 제 1 헤더(20)의 하부공간은 상기 배플(70)의 하측에 위치한 공간으로서 이해될 수 있다.
상기 열교환기(10)에는, 상기 다수의 냉매튜브(50)와 상기 헤더(20,30)를 연결하는 분배기(100,200)가 포함된다. 상세히, 상기 분배기(100,200)에는, 상기 다수의 냉매튜브(50)와 상기 제 1 헤더(20)를 연결하는 제 1 분배기(100) 및 상기 다수의 냉매튜브(50)와 상기 제 2 헤더(30)를 연결하는 제 2 분배기(200)가 포함된다.
상기 제 1 분배기(100)는 상기 다수의 냉매튜브(50)의 수에 대응하여, 다수 개가 구비될 수 있다. 일례로, 상기 다수의 냉매튜브(50)가 상하로 N열을 구성하는 경우, 상기 제 1 분배기(100)는 N개가 구비될 수 있다. 여기서, 상기 N은 2 이상의 값이다. 상기 다수의 제 1 분배기(100)는 상기 다수의 냉매튜브(50)의 일측 단부에 결합될 수 있다.
상기 제 2 분배기(200)는 다수의 냉매튜브(50)의 수에 대응하여, 다수 개가 구비될 수 있다. 일례로, 상기 다수의 냉매튜브(50)가 상하로 N열을 구성하는 경우, 상기 제 2 분배기(200)는 N개가 구비될 수 있다. 여기서, 상기 N은 2 이상의 값이다. 상기 다수의 제 2 분배기(200)는 상기 다수의 냉매튜브(50)의 타측 단부에 결합될 수 있다.
상기 제 1 분배기(100)와 제 2 분배기(200)는 동일한 구성을 가질 수 있다. 이하, 상기 제 1,2 분배기(100,200)의 구성과 관련하여, 도면을 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 냉매튜브와 분배기에 관한 분해 사시도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 분배기의 구성을 보여주는 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 분배기의 분배채널의 구성을 보여주는 도면이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(10)에는, 냉매튜브(50)의 일측에 결합되는 제 1 분배기(100)가 포함된다. 상기 제 2 분배기(200)의 구성은 상기 제 1 분배기(100)의 구성과 동일하므로, 상기 제 2 분배기(200)에 관한 설명은 상기 제 1 분배기(100)에 관한 설명을 원용한다.
상기 냉매튜브(50)에는, 상기 냉매튜브(50)의 내부공간을 다수의 튜브채널(52)로 구획하는 구획부(55)가 포함된다. 상기 구획부(55)는 상기 냉매튜브(50)의 내주면 일 지점으로부터 타 지점으로 연장될 수 있다. 상기 냉매튜브(50)로 유입된 냉매는 상기 다수의 튜브채널(52)로 분배되어 유동할 수 있다.
상기 구획부(55)는 다수 개가 제공될 수 있다. 일례로, 도 4에 도시되는 바와 같이, 상기 구획부(55)는 6개가 제공될 수 있다. 다만, 상기 구획부(55)의 수는 이에 제한되지 않는다.
상기 제 1 분배기(100)에는, 내부에 분배공간부(120)를 가지는 분배기 본체(110)가 포함된다. 상기 분배기 본체(110)는, 상기 냉매튜브(50)의 형상에 대응하여 납작한 형상을 가질 수 있다. 그리고, 상기 분배공간부(120)에는, 상기 냉매튜브(50)가 삽입될 수 있다.
상기 분배기 본체(110)는 상기 냉매튜브가(50)가 결합되는 일측부 및 냉매의 입출을 가이드 하는 타측부가 포함된다. 상세히, 상기 분배기 본체(110)에는, 상기 냉매튜브(50)가 결합되는 개구부를 가지는 제 1 단부(111) 및 상기 제 1 단부(111)의 반대측 단부를 형성하며 냉매가 유입 또는 유출되는 입출부(116)를 가지는 제 2 단부(112)가 포함된다.
상기 제 1 단부(111)는 상기 냉매 튜브(50)가 삽입될 수 있도록 개구된 형상을 가진다. 반면에, 상기 제 2 단부(112)에는, 상기 입출부(116)를 제외하고 냉매의 유입 또는 유출을 차단하는 차폐벽(115)이 포함된다. 다시 말하면, 상기 차폐벽(115)은 상기 제 2 단부(112)의 적어도 일부분을 차폐하며, 상기 차폐벽(115)에는 상기 입출부(116)가 형성된다.
상기 제 1 분배기(100)에는, 상기 차폐벽(115)으로부터 상기 분배공간부(120)를 향하여 설정된 길이만큼 연장되는 분배리브(125)가 더 포함된다. 상기 분배리브(125)는 상기 냉매튜브(50)로부터 전달된 냉매의 유동을 반대방향으로 전환시켜 주는 가이드 채널(127)을 형성한다.
상세히, 상기 분배공간부(120)에는, 상기 냉매튜브(50)가 삽입되는 제 1 공간 및 상기 가이드 채널(127)을 형성하는 제 2 공간이 포함된다. 상기 제 2 공간은, 상기 분배리브(125)에 의하여 다수의 가이드 채널(127)로 구획될 수 있다. 상기 분배리브(125)는 다수 개가 제공될 수 있다.
일례로, 도 6 및 도 7에 도시되는 바와 같이, 상기 분배리브(125)는 3개가 제공되며, 상기 3개의 분배리브(125)에 의하여 상기 제 2 공간은 3개의 가이드 채널(127) 및 1개의 입출 채널(128)로 구획될 수 있다. 상기 1개의 입출 채널(128)은 상기 입출부(116)에 연결될 수 있다.
상기 가이드 채널(127)은 설정된 폭(w1)과 설정된 높이(h1)를 가질 수 있다.
상기 설정된 폭(w1)과 높이(h1)는, 상기 냉매튜브(50)의 튜브채널(52)의 폭(w2, 도 8 참조)과 높이(h2, 도 4 참조)에 기초하여 결정될 수 있다. 상기 설정된 폭(w1)은 상기 튜브채널(52)의 폭(w2)의 2배에 해당하는 값으로 결정되며, 상기 설정된 높이(h1)은 상기 튜브채널(52)의 폭(h2)에 대응되는 값으로 결정될 수 있다.
일례로, 상기 설정된 폭(w1)은 0.5mm ~ 7mm의 범위에서 형성될 수 있다. 그리고, 상기 설정된 높이(h1)은 0.5 ~ 4mm의 범위에서 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 냉매튜브와 제 1,2 분배기의 결합모습을 보여주는 단면도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 냉매유동과 공기유동간에 대향류가 형성되는 모습을 보여주는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제 1 분배기(100)는 상기 제 1 헤더(20)와 상기 냉매튜브(50)의 사이에 설치될 수 있다. 상세히, 상기 제 1 분배기(100)의 일측에는 상기 제 1 헤더(20)가 결합되고, 상기 제 1 분배기(100)의 타측에는 상기 냉매튜브(50)가 결합될 수 있다.
상기 냉매튜브(50)는 상기 제 1 분배기(100)의 일측부, 즉 상기 제 1 단부(111)가 형성되는 측단부에 삽입된다. 이 때, 상기 제 1 분배기(100)의 일측부에 삽입되는 상기 냉매튜브(50)의 길이, 즉 삽입 깊이는 d1를 형성한다. 상기 d1을 제 1 삽입깊이라 이름할 수 있다. 일례로, 상기 제 1 삽입깊이(d1)은 2 ~ 30mm의 범위 내에서 형성될 수 있다.
상기 제 1 분배기(100)의 타측부, 즉 상기 제 2 단부(112)가 형성되는 측단부는 상기 제 1 헤더(20)의 내부공간에 삽입된다. 이 때, 상기 제 1 헤더(20)에 삽입되는 상기 제 1 분배기(100)의 길이, 즉 삽입 깊이는 d2를 형성한다. 상기 d2를 제 2 삽입깊이라 이름할 수 있다. 일례로, 상기 제 2 삽입깊이(d2)는 2 ~ 20mm의 범위 내에서 형성될 수 있다.
상기 제 1 분배기(100)에는, 상기 제 1 헤더(20)내의 냉매를 상기 제 1 분배기(100)로 유입시키기 위한 입출부(116) 및 상기 입출부(116)로부터 상기 제 1 분배기(100)의 내부로 연장되는 입출채널(128)이 포함된다.
상기 입출부(116)는 상기 제 2 단부(112)에 형성된다. 상기 입출부(116)를 "제 1 입출부", 상기 입출채널(128)을 "제 1 입출채널"로 이름할 수 있다.
상기 제 1 분배기(100)에는, 상기 분배리브(125)에 의하여 규정되는 가이드 채널(127)이 형성된다. 상세히, 상기 가이드 채널(127)은 2개의 분배리브(125) 사이의 공간으로서 이해된다. 상기 가이드 채널(127)은 다수 개가 제공될 수 있다.
그리고, 상기 가이드 채널(127)은 상기 냉매튜브(50)의 튜브채널(52)과 연결된다. 일례로, 상기 냉매튜브(50)의 튜브채널(52)을 유동한 냉매는 상기 가이드 채널(127)로 유입되며, 상기 가이드 채널(127)을 유동하는 과정에서 냉매의 유동방향이 반대방향으로 전환될 수 있다.
상기 가이드 채널(127)의 가로방향 폭(w1)은 상기 튜브채널(52)의 폭(w2)보다 크게 형성될 수 있다. 일례로, 상기한 바와 같이, 상기 w1은 상기 w2의 2배의 값을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제 2 분배기(100)는 상기 제 2 헤더(30)와 상기 냉매튜브(50)의 사이에 설치될 수 있다. 상세히, 상기 제 2 분배기(200)에는, 상기 제 2 헤더(30)가 결합되는 일측부와, 상기 냉매튜브(50)가 결합되는 타측부를 가지는 분배기 본체(210)가 포함된다.
상기 냉매튜브(50)는 상기 분배기 본체(210)의 일측부, 즉 제 1 단부(211)가 형성되는 측단부에 삽입된다. 이 때, 상기 제 2 분배기(200)의 일측부에 삽입되는 상기 냉매튜브(50)의 길이, 즉 삽입 깊이는 d1를 형성한다. 상기 d1을 제 1 삽입깊이라 이름할 수 있다. 일례로, 상기 제 1 삽입깊이(d1)은 2 ~ 30mm의 범위 내에서 형성될 수 있다.
상기 분배기 본체(210)의 타측부, 즉 제 2 단부(212)가 형성되는 측단부는 상기 제 2 헤더(30)의 내부공간에 삽입된다. 이 때, 상기 제 2 헤더(30)에 삽입되는 상기 제 2 분배기(200)의 길이, 즉 삽입 깊이는 d2를 형성한다. 상기 d2를 제 2 삽입깊이라 이름할 수 있다. 일례로, 상기 제 2 삽입깊이(d2)는 2 ~ 20mm의 범위 내에서 형성될 수 있다.
상기 제 2 분배기(200)에는, 상기 냉매 튜브(50)를 유동한 냉매를 제 2 분배기(200)의 외부로 배출하기 위한 입출부(216) 및 상기 냉매 튜브(50)와 상기 입출부(216)의 사이에 제공되어 상기 냉매 튜브(50)를 유동한 냉매를 상기 입출부(216)로 전달하기 위한 입출채널(228)이 포함된다.
상기 입출부(216)는 상기 제 2 단부(212)에 형성된다. 상기 입출부(216)를 "제 2 입출부", 상기 입출채널(228)을 "제 2 입출채널"로 이름할 수 있다.
상기 제 2 분배기(200)에는, 분배리브(225)에 의하여 규정되는 가이드 채널(227)이 형성된다. 상세히, 상기 가이드 채널(227)은 2개의 분배리브(225) 사이의 공간으로서 이해된다. 상기 가이드 채널(227)은 다수 개가 제공될 수 있다.
그리고, 상기 가이드 채널(227)은 상기 냉매튜브(50)의 튜브채널(52)과 연결된다. 일례로, 상기 냉매튜브(50)의 튜브채널(52)을 유동한 냉매는 상기 가이드 채널(227)로 유입되며, 상기 가이드 채널(227)을 유동하는 과정에서 냉매의 유동방향이 반대방향으로 전환될 수 있다.
상기 가이드 채널(227)의 가로방향 폭(w1)은 상기 튜브채널(52)의 폭(w2)보다 크게 형성될 수 있다. 일례로, 상기한 바와 같이, 상기 w1은 상기 w2의 2배의 값을 가질 수 있다.
도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 냉매의 유동모습을 설명한다.
상기 유입부(41)를 통하여 상기 제 1 헤더(20)로 유입된 냉매는 상기 제 1 입출부(16)를 통하여 상기 제 1 분배기(100)로 유입된다. 상기 제 1 입출부(16)를 통과한 냉매는 상기 제 1 입출채널(128)을 통하여 상기 냉매 튜브(50)의 다수의 튜브 채널(52) 중 제 1 튜브채널(52)로 유입된다.
냉매는 상기 제 1 튜브채널(52)을 따라 상기 제 2 분배기(200)를 향하여 유동하며, 상기 제 2 분배기(200)에 구비되는 다수의 가이드 채널(227) 중 제 1 가이드 채널(227)로 유입된다. 그리고, 냉매는 상기 제 1 가이드 채널(227)에서 반대 방향으로 전환되며, 상기 다수의 튜브 채널(52) 중 제 2 튜브채널로 유입된다.
상기 제 2 튜브채널을 유동한 냉매는 상기 제 1 분배기(100)를 향하여 유동하며, 상기 제 1 분배기(100)에 구비되는 다수의 가이드 채널(127) 중 제 1 가이드 채널(127)로 유입된다. 그리고, 냉매는 상기 제 1 가이드 채널(227)에서 반대 방향으로 전환되며, 상기 다수의 튜브 채널(52) 중 제 3 튜브채널로 유입된다.
이러한 냉매의 유동, 즉 제 1 분배기(100), 냉매 튜브(50) 및 제 2 분배기(200)를 향하는 일방향 유동과, 상기 제 2 분배기(200), 냉매 튜브(50) 및 제 1 분배기(100)를 향하는 타 방향 유동은 교번하여 다수 회 이루어질 수 있다. 상기 일방향과 타방향은 서로 반대방향을 형성할 수 있다.
그리고, 이러한 냉매의 유동은, 냉매가 상기 제 2 분배기(200)의 제 2 입출채널(228)로 유입될 때까지 이루어질 수 있다. 냉매가 상기 제 2 입출채널(228)에 다다르면, 상기 제 2 입출채널(228)의 냉매는 상기 제 2 분배기(200)의 제 2 입출부(216)를 통하여 상기 제 2 분배기(200)로부터 배출될 수 있다.
이상에서 설명한 냉매의 유동은 상기 열교환기(10)에 구비되는 다수의 제 1 분배기(100) 및 제 2 분배기(200)에서 함께 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 다수의 제 2 분배기(200)에서 배출된 냉매, 즉 상기 제 2 헤더(30)내의 냉매는 방향 전환되어, 상기 제 1 헤더(20)를 향한 유동을 수행할 수 있다. 이와 관련된 설명은 도 10을 참조하여 후술한다.
도 9를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 냉매와 공기의 대향류에 대하여 설명한다. 도 9에는, 도 8에서 설명한 냉매의 유동, 즉 제 1 분배기(100), 냉매튜브(50) 및 제 2 분배기(200)의 일방향 유동과, 상기 제 2 분배기(200), 냉매튜브(50) 및 제 1 분배기(100)의 타방향 유동이 반복하여 이루어지는 모습이 도시된다.
상기 제 1 분배기(100)로부터 상기 제 2 분배기(200)를 바라보는 방향을 기준으로, 상기 제 1 분배기(100)의 제 1 입출부(116)는 상기 제 1 분배기(100)의 좌측부에 위치되고, 상기 제 2 분배기(200)의 제 2 입출부(216)는 상기 제 2 분배기(200)의 우측부에 위치된다.
즉, 냉매가 상기 제 1 분배기(100), 냉매튜브(50) 및 상기 제 2 분배기(200)를 반복하여 유동하는 과정에서, 냉매는 상기 제 1 입출부(116)로부터 상기 제 2 입출부(216)를 향하여 일방향 (도 9에서 우측방향)으로 유동하는 방향을 가질 수 있다(f1 유동).
이러한 냉매의 유동방향(f1)은 다수의 냉매튜브(50)의 사이 공간을 유동하는 공기의 유동방향(f2)과 반대방향을 형성한다. 이러한 냉매와 공기의 유동방향을 "대향류"라 정의할 수 있다. 이러한 대향류가 형성되면, 열교화기의 열교환 성능이 개선될 수 있다 (도 11a 및 11b 참조).
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 제 1,2 분배기가 냉매튜브에 결합되는 모습을 보여주는 열교환기의 사시도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(10)에는, 제 1 헤더(20)와 냉매튜브(50)를 연결하는 다수의 제 1 분배기(100a,100b) 및 제 2 헤더(30)와 냉매튜브(50)를 연결하는 다수의 제 2 분배기(200a,200b)가 포함된다.
상기 다수의 제 1 분배기(100a,100b)에는, 상기 제 1 헤더(20)의 상부와 대응되는 위치에 제공되는 다수의 제 1 상부분배기(100a) 및 상기 제 1 헤더(20)의 하부와 대응되는 위치에 제공되는 다수의 제 1 하부 분배기(100a)가 포함된다.
일례로, 상기 다수의 제 1 상부분배기(100a)는 상기 배플(70)보다 높은 위치에 배치되는 제 1 분배기로서 이해되며, 상기 다수의 제 1 하부분배기(100b)는 상기 배플(70)보다 낮은 위치에 배치되는 제 1 분배기로서 이해될 수 있다.
그리고, 상기 다수의 제 1 상부분배기(100a)는 상기 제 1 헤더(20)로부터 상기 냉매튜브(50)로 냉매를 유입시키기 위한 제 1 유입부(116a)를 가지는 제 1 분배기로서 이해되며, 상기 다수의 제 1 하부분배기(100b)는 상기 냉매튜브(50)를 유동한 냉매를 상기 제 1 헤더(20)로 배출시키기 위한 제 2 유출부(116b)를 가지는 제 1 분배기로서 이해될 수 있다.
즉, 상기 제 1 상부분배기(100a)의 입출부는 제 1 유입부(116a)를 형성하며, 상기 제 1 하부분배기(100b)의 입출부는 제 2 유출부(116b)를 형성한다.
그리고, 상기 제 1 상부분배기(100a)와 상기 제 1 하부분배기(100b)가 상기 제 1 헤더(20)에 결합되는 방향은 서로 반대방향을 형성할 수 있다. 즉, 열교환기(10)를 향하여 다가오는 공기의 유동방향(f2, 도 9 참조)을 기준으로, 상기 제 1 유입부(116a)는 상대적으로 먼 곳에 형성되고, 상기 제 2 유출부(116b)는 상대적으로 가까운 곳에 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하여, 냉매와 공기의 대향류 형성이 용이하게 이루어질 수 있다.
한편, 상기 다수의 제 2 분배기(200a,200b)에는, 상기 제 2 헤더(30)의 상부와 대응되는 위치에 제공되는 다수의 제 2 상부분배기(200a) 및 상기 제 2 헤더(30)의 하부와 대응되는 위치에 제공되는 다수의 제 1 하부분배기(200a)가 포함된다.
일례로, 상기 다수의 제 2 상부분배기(200a)는 상기 배플(70)보다 높은 위치, 즉 상기 다수의 제 1 상부분배기(100a)와 대응되는 위치에 배치되는 제 2 분배기로서 이해되며, 상기 다수의 제 2 하부분배기(200b)는 상기 배플(70)보다 낮은 위치, 즉 상기 다수의 제 1 하부분배기(100b)와 대응되는 위치에 배치되는 제 2 분배기로서 이해될 수 있다.
그리고, 상기 다수의 제 2 상부분배기(200a)는 상기 냉매튜브(50)로부터 상기 제 2 헤더(30)로 냉매를 배출시키기 위한 제 1 유출부(216a)를 가지는 제 1 분배기로서 이해되며, 상기 다수의 제 2 하부분배기(200b)는 상기 제 2 헤더(30)의 냉매를 상기 냉매튜브(50)로 유입시키기 위한 제 2 유입부(216b)를 가지는 제 2 분배기로서 이해될 수 있다.
즉, 상기 제 2 상부분배기(200a)의 입출부는 제 1 유출부(216a)를 형성하며, 상기 제 2 하부분배기(200b)의 입출부는 제 2 유입부(116b)를 형성한다.
그리고, 상기 제 2 상부분배기(200a)와 상기 제 2 하부분배기(200b)가 상기 제 2 헤더(30)에 결합되는 방향은 서로 반대방향을 형성할 수 있다. 즉, 열교환기(10)를 향하여 다가오는 공기의 유동방향(f2, 도 9 참조)을 기준으로, 상기 제 1 유출부(216a)는 상대적으로 가까운 곳에 형성되고, 상기 제 2 유입부(216b)는 상대적으로 먼 곳에 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하여, 냉매와 공기의 대향류 형성이 용이하게 이루어질 수 있다.
도 9에서, 분배기의 결합방향을 설명할 때, 열교환기(10)를 향하여 다가오는 공기의 유동방향(f2)에 대하여, 입출부가 상대적으로 먼 곳에 형성되는 경우는 점선으로, 상대적으로 가까운 곳에 형성되는 경우는 실선으로 표시되었다.
상기 다수의 제 1 상부분배기(100a)의 제 1 유입부(116a)를 통하여 상기 냉매튜브(50)로 유입되고, 상기 다수의 제 2 상부분배기(200a)의 제 1 유출부(216a)를 통하여 상기 제 2 헤더(30)로 배출된 냉매는 상기 다수의 제 2 하부분배기(200b)의 제 2 유입부(216b)로 유입된다.
그리고, 상기 제 2 유입부(216b)로 유입된 냉매는 상기 냉매튜브(50)를 거쳐 상기 다수의 제 1 하부분배기(100b)의 제 2 유출부(116b)를 통하여 상기 제 1 헤더(20)로 배출될 수 있다. 그리고, 상기 제 1 헤더(20)의 하부공간에 모여진 냉매는 상기 유출부(45)를 통하여 상기 열교환기(10)로부터 배출될 수 있다.
한편, 상기 제 1 분배기(100)에 형성된 다수의 가이드 채널(127), 냉매튜브(50)의 튜브채널(52) 및 제 2 분배기(200)에 형성된 다수의 가이드 채널(227)을 통하여 냉매가 방향전환 하면서 유동할 수 있으므로 냉매유로의 길이가 길어질 수 있게 된다. 따라서, 상기 제 1 헤더(20) 또는 제 2 헤더(30)에는, 냉매유로의 길이를 증가시키기 위한 많은 배플(70)이 필요하지 않게 되는 장점이 있다.
도 11a 및 도 11b는 냉매유동과 공기유동간에 대향류가 형성됨에 따른 열교환 성능의 개선모습을 보여주는 실험 그래프이다.
도 11a는 공기의 유동방향과 냉매의 유동방향이 평행하게 이루어지는 경우, 즉 같은 방향으로 형성되는 평행류를 형성하는 경우, 공기의 입출구 온도와 냉매의 입출구 온도변화를 보여준다.
반면에, 도 11b는 공기의 유동방향과 냉매의 유동방향이 반대방향으로 형성되는 대향류의 경우, 공기의 입출구 온도와 냉매의 입출구 온도변화를 보여준다.
도 11a를 참조하면, 가로축의 위치를 기준으로, 공기가 열교환기(10)에 도달하는 입구위치와, 냉매가 열교환기(10)의 냉매튜브로 유입되는 입구의 위치가 대략 동일한 위치에 형성되며, 공기가 열교환기(10)를 떠나가는 출구위치와, 냉매가 상기 냉매튜브로부터 배출되는 출구의 위치가 대략 동일한 위치에 형성됨을 알 수 있다.
그리고, 냉매입구 및 출구에서의 온도를 각각 T1 및 T2라 하고, 공기입구 및 출구에서의 온도를 각각 T4 및 T3라 한다.
도 11b를 참조하면, 가로축의 위치를 기준으로, 공기가 열교환기(10)에 도달하는 입구위치와, 냉매가 열교환기(10)의 냉매튜브로부터 배출되는 출구의 위치가 대략 동일한 위치에 형성되며, 공기가 열교환기(10)를 떠나가는 출구위치와, 냉매가 상기 냉매튜브로 유입되는 입구의 위치가 대략 동일한 위치에 형성됨을 알 수 있다.
그리고, 냉매입구 및 출구에서의 온도를 각각 T1' 및 T2'라 하고, 공기입구 및 출구에서의 온도를 각각 T4' 및 T3'라 한다.
열교환기의 열교환 성능 또는 열교환량(Q)는 아래와 같은 식에 의하여 결정될 수 있다.
Q = U*A*△T_LMTD
여기서, U는 열전달 계수(W/m2˚C), A는 열교환 면적(m2), △T_LMTD는 대수 평균온도차(˚C)이다.
상기 U와 A는 일정하다고 볼 때, 상기 대수 평균온도차에 따라 상기 열교환량(Q)은 달라질 수 있다. 상기 대수 평균온도차는 열교환이 이루어지는 위치(공기입구 및 출구)에서의 온도차 값, 즉 도 11a에서 (T3-T2)의 값 및 (T4-T1)의 값, 또는 도 11b에서 (T3'-T2)의 값, (T4'-T1')의 값에 따라 결정될 수 있다.
상세히, 공기입구에서의 온도차 값은 작고, 공기출구에서의 온도차 값이 클수록, 상기 대수 평균온도차는 커질 수 있다. 일례로, T1 내지 도 T4의 값이 각각 8˚C, 11˚C, 12˚C, 27˚C일 때, 상기 대수 평균온도는 6.1˚C이며, T1' 내지 도 T4'의 값이 각각 8˚C, 11˚C, 12˚C, 27˚C일 때, 상기 대수 평균온도는 8.7˚C일 수 있다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 상기 대수 평균온도차는 도 11b에서의 값이 더 클 수 있고 이에 따라 도 11b 조건에서의 열교환량(Q)이 도 11a 조건에서의 열교환량보다 큼을 알 수 있다.
이와 같이, 제 1,2 분배기(100,200)를 구비하여 냉매유동과 공기유동간에 대향류가 형성됨으로써, 열교환기(10)의 열교환량 및 열교환 성능이 개선됨을 알 수 있다.
10 : 열교환기 20 : 제 1 헤더
30 : 제 2 헤더 41 : 유입부
45 : 유출부 50 : 냉매튜브
60 : 핀 70 : 배플
100 : 제 1 분배기 110 : 분배기 본체
111 : 제 1 단부 112 : 제 2 단부
116 : 입출부 120 : 분배 공간부
125 : 분배리브 127 : 가이드 채널
128 : 입출채널 200 : 제 2 분배기

Claims (16)

  1. 냉매가 유동하며, 다수의 튜브채널을 가지는 냉매튜브;
    상기 냉매튜브의 양측에 구비되는 제1헤더 및 제2헤더;
    상기 제1헤더 및 제2헤더 중 일 헤더와, 상기 냉매튜브의 사이에 구비되는 분배기가 포함되며,
    상기 분배기는,
    상기 제 1 헤더에 결합되는 제 1 분배기; 및
    상기 제 2 헤더에 결합되는 제 2 분배기가 포함되고,
    상기 제1분배기 및 상기 제2분배기 각각은,
    상기 분배기의 일측부를 형성하며, 상기 냉매튜브가 결합되는 개구부; 및
    상기 분배기의 타측부를 형성하며, 냉매의 유입 또는 배출을 가이드 하는 입출부를 가지는 차폐벽이 포함되며,
    상기 제 1 분배기는 다수 개가 구비되고,
    상기 다수의 제 1 분배기에는,
    상기 제 1 헤더의 상부에 연결되며, 상기 제 1 헤더로부터 냉매를 유입시키기 위한 제 1 유입부를 가지는 제 1 상부분배기; 및
    상기 제 1 헤더의 하부에서 상기 제 1 상부분배기의 결합방향과 반대되도록 연결되며, 상기 냉매튜브로부터 냉매를 배출시키기 위한 제 2 유출부를 가지는 제 1 하부분배기가 포함되며,
    상기 제 2 분배기는 다수 개가 구비되고,
    상기 다수의 제 2 분배기에는,
    상기 제 2 헤더의 상부에 연결되며, 상기 냉매튜브로부터 냉매를 배출시키기 위한 제 1 유출부를 가지는 제 2 상부분배기; 및
    상기 제 2 헤더의 하부에서 상기 제 2 상부분배기의 결합방향과 반대되도록 연결되며, 상기 제 2 헤더로부터 냉매를 유입시키기 위한 제 2 유입부를 가지는 제 2 하부분배기가 포함되는 열교환기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분배기의 일측부 및 상기 분배기의 타측부는 상기 분배기의 양측 단부를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분배기에는,
    상기 차폐벽으로부터 연장되며, 상기 분배기 내부를 구획하는 분배리브가 포함되고,
    상기 분배리브에 구획된 다수의 가이드 채널을 포함하는 열교환기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가이드 채널의 일방향 폭(w1)은, 상기 튜브채널의 일방향 폭(w2)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 가이드 채널의 일방향 폭(w1)은, 상기 튜브채널의 일방향 폭(w2)의 2배를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 다수의 가이드 채널에는,
    상기 다수의 튜브채널 중 일 튜브채널로부터 전달된 냉매의 유동방향을 반대방향으로 전환시켜 주는 제 1 가이드 채널; 및
    상기 다수의 튜브채널 중 타 튜브채널로부터 전달된 냉매의 유동방향을 반대방향으로 전환시켜 주는 제 2 가이드 채널이 포함되는 열교환기.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매튜브는 가로 방향으로 배열되며,
    상기 복수의 헤더는 세로 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 냉매튜브는 상하 방향으로 이격되어 다수 개가 구비되고,
    상기 다수 개의 냉매튜브의 사이에 설치되는 핀이 더 포함되는 열교환기.
  16. 삭제
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