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KR100908769B1 - 병류 열교환기와, 균일한 냉매 유동을 촉진하는 방법 - Google Patents

병류 열교환기와, 균일한 냉매 유동을 촉진하는 방법 Download PDF

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KR100908769B1
KR100908769B1 KR1020077016462A KR20077016462A KR100908769B1 KR 100908769 B1 KR100908769 B1 KR 100908769B1 KR 1020077016462 A KR1020077016462 A KR 1020077016462A KR 20077016462 A KR20077016462 A KR 20077016462A KR 100908769 B1 KR100908769 B1 KR 100908769B1
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아르투로 리오스
알렌 씨. 커크우드
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캐리어 코포레이션
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Abstract

본 발명의 미세 채널 열펌프 열교환기의 입구 헤더(22)는 내부에 배치되고 실질적으로 입구 헤더(22)의 길이만큼 연장되는 튜브(34)를 가지며, 튜브(34)는 그 내부에 복수의 개구(36)를 갖는다. 냉각 모드 작동시에, 냉매는 튜브(34)의 개방 단부에 유입되고 그 길이를 따라 유동되어, 미세 채널(24)로 유입되기 전에 복수의 개구(36)로부터 입구 헤더(22)로 유동함으로써, 2-상 냉매의 균일한 유동을 미세 채널에 제공한다. 튜브(34)의 입구 단부에 배치된 바이플로우 팽창 장치(39)는 열교환기가 증발기로서 작동하는 기간 동안 액체 냉매가 튜브(34) 내로 팽창하는 것을 허용하고, 열교환기가 응축기 코일로서 작동하는 기간 동안 냉매가 헤더(22)로부터 튜브(34)의 주위로 직접 유동하는 것을 허용한다.
열펌프, 미세 채널, 바이플로우 팽창 장치, 입구 헤더, 병류 열교환기

Description

병류 열교환기와, 균일한 냉매 유동을 촉진하는 방법 {A Parallel Flow Heat Exchanger and A Method of Promoting Uniform Refrigerant Flow}
본 발명은 대체로 열교환기에 관한 것으로서, 특히 열펌프 내의 2-상 냉매와 함께 사용하기 위한 미세 채널 열교환기에 관한 것이다.
미세 채널 열교환기들은 현재 병류(parallel flow) 구조로 설계되고 있으며, 이 구조에는 코어의 길이만큼 연장되고 출구 헤더에 급송하는 다수의 병렬 튜브에 급송하는 긴 입구 헤더가 존재한다. 헤더들의 직경은 미세 채널 튜브의 주축보다 커야 한다. 이러한 병류 미세 채널 열교환기가 증발기로서 작동할 때, 2-상 냉매는 입구 헤더 내로 급송된다. 이러한 2-상 냉매는 증기와 액체의 혼합물이기 때문에, 입구 헤더에서 분리되는 경향이 있어, 증발기 내에 편재를 초래하며(즉, 일부 튜브에는 증기와 액체의 균형잡힌 혼합물 대신에 주로 증기가 급송됨), 이것은 공기 조절기의 냉각 용량 및 효율에 부정적인 영향을 미친다. 이러한 방식으로 성능이 훼손되기 때문에, 비교 대상인 둥근 튜브, 플레이트, 핀 증발기의 용량 및 효율에 필적하도록 추가적인 표면이 증발기에 더해져야 한다. 이것은 비용도 또한 증가시킨다.
통상적으로, 입구 헤더는 일측면으로부터만 급송받으며, 이것은 직접 급송 방법으로 지칭된다. 그러한 직접 급송 방법은 2-상 냉매가 헤더의 길이 전체를 통 해 유동하게 하며, 증기와 액체가 분리되는 경향이 있어, 일부 튜브들은 주로 증기를 취하고 다른 튜브들은 주로 액체를 취함으로써, 건조한 표면 및 열교환기의 부족한 이용을 야기한다.
직접 급송 방법의 대안은 헤더의 배플 섹션 내로 급송하는 다수의 급송 튜브로 유도하는 분배기를 사용하는 것이다. 이러한 방법은 헤더에 배플 뿐만 아니라 분배기/급송기 튜브 조립체와 같은 추가의 하드웨어가 추가되어야 하기 때문에, 직접 급송 방법에 비해 상당한 추가 비용을 발생시킨다.
냉각 모드 작동시에 입구 헤더로부터 미세 채널로의 균일한 유동을 촉진하기 위해 열교환기에 특정 구조체들이 추가될 때, 이들 구조체는 가열 모드의 작동시에 냉매가 반대 방향으로 유동하는 것을 방해할 수 있다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 열펌프 내의 미세 채널 열교환기의 다수의 채널에 2-상 냉매를 분배하는 것은 냉각 모드에서의 작동시에 입구 헤더 내에 천공된 튜브를 배치함으로써 보다 균일해질 수 있으며, 여기서 튜브는 그 일단부에 냉매가 급송되고, 실질적으로 헤더의 길이만큼 연장된다. 개구는 삽입 튜브로부터 입구 헤더로의 2-상 냉매의 유동을 안내하는 분배기로서 작용한다. 이러한 방식으로, 입구 헤더의 각 영역에 잘 혼합된 균일한 2-상 냉매의 유동이 급송되며, 그 후에 2-상 냉매는 개별 채널에 균일하게 유입될 것이다. 천공된 튜브 인서트로의 입구에는 바이플로우(bi-flow) 팽창 장치가 제공되어, 냉각 모드 작동시에, 천공된 튜브로의 유입 직전에 냉매 팽창이 발생하며, 가열 모드 작동시에, 팽창 장치는 천공된 튜브를 냉매가 우회하는 것을 허용하여, 냉매가 헤더로부터 팽창 장치로 직접 유동하게 한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 튜브의 개구의 크기/형상은 최적의 분배를 얻기 위해 선택적으로 형성될 수 있다. 대체로, 개구의 크기는 튜브의 하류 단부를 향할수록 증가한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 튜브의 개구의 수는 미세 채널 열교환 내의 채널의 수와 동일하게 만들어진다. 즉, 개구들은 각각의 채널과 종방향 정렬되어 위치되는 개구가 존재하도록 배치된다. 개구들은 각각의 채널의 축과 축방향 정렬되거나 또는 반경방향으로 오프셋될 수 있다.
이하에 설명되는 도면에는 바람직한 실시예가 도시되지만, 다양한 다른 변형 및 대안적인 구성이 본 발명의 진정한 사상 및 범위를 벗어나지 않고 만들어질 수 있다.
도1은 종래 기술에 따른 통상적인 A-코일의 사시도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세 채널 A-코일의 사시도이다.
도3은 도2의 실시예의 입구 헤더의 종단면도이다.
도3A 및 도3B는 도2의 실시예의 변형된 횡단면도이다.
도4는 도2의 실시예의 팽창 장치의 상세를 나타내는 종단면도이다.
도5는 냉각 모드 작동으로 도시된 도2의 실시예의 팽창 밸브 부분의 단면도이다.
도6은 가열 모드 작동으로 도시된 도2의 실시예의 단면도이다.
도1을 참조하면, 한 쌍의 코일 슬랩(12, 13)을 갖는 통상의 A-코일이 도시되어 있으며, 한 쌍의 코일 슬랩은 복수의 핀(fin)을 통과하는 복수의 냉매 운반 튜브를 각각 가지며, 복수의 핀은 송풍기 또는 팬에 의해 공기를 통과시키도록 되어 있다.
실제에 있어서, 응축기(도시되지 않음)로부터의 액체 냉매는 팽창 장치(14)로 진행하며, 여기서 발생된 2-상 냉매는 분배기(16)로, 그리고 그 후에 복수의 연결 라인(17)으로 진행하고, 복수의 연결 라인은 2-상 냉매를 다양한 튜브 회로에 운반한다. 슬랩(12, 13)을 통한 공기 패스가 냉각됨에 따라, 냉매가 비등하여 냉매 증기가 압축기로, 그리고 그 후에 응축기로 진행한다.
도2는 본 발명의 일 태양에 따른 미세 채널 A-코일(18)을 도시하며, A-코일(18)은 한 쌍의 미세 채널 증발기 코일(19)로 형성되어 있다. 각각의 미세 채널 증발기 코일(19)은 입구 헤더(22), 출구 헤더(23) 및 이들 사이에 상호 유체 연결된 복수의 미세 채널(24)을 갖는다.
각각의 입구 헤더(22)의 입구에는 팽창 장치(26)가 존재한다. 액체 냉매는 응축기로부터 라인(27)을 따라 도입되고, 라인(28, 29)들로 분기되어 팽창 장치(26)로 급송되고, 팽창 장치는 2-상 냉매를 직접 입구 헤더(22) 내로 전달한다. 그 다음에 2-상 냉매는 개별 미세 채널(24) 내로 진행하고, 각각의 출구 헤더(21, 23)로 유동하며, 그 후 냉매 증기가 압축기로 진행한다.
도3에 도시된 바와 같이, 입구 헤더(22)는 단부 벽(31, 32)과, 출구 헤더(23) 쪽으로 2-상 냉매의 유동을 안내하기 위해 그 일측면상에서 외측으로 연장되는 복수의 미세 채널(24)을 갖는 중공형 실린더이다. 입구 헤더(22)는 입구 헤더(22)로의 유체의 유동을 안내하기 위한 입구 개구의 단부(37)와, 입구 헤더(22)로부터의 유체의 유동을 안내하기 위한 복수의 출구 개구(30)들을 갖는다. 코일의 열전달 특성을 개선하기 위해 인접한 미세 채널(24)들 사이에는 핀(33)이 배치된다.
도시된 바와 같이, 튜브(34)는 단부 벽(31)을 통과하며, 실질적으로 입구 개구의 단부(37)로부터 하류 단부(38)까지 입구 헤더(22)의 길이만큼 연장된다. 튜브(34)는 도시된 바와 같이 입구 헤더(22) 내에 동심원상으로 위치될 수 있거나, 또는 입구 헤더(22)의 성능을 개선하여 개별 채널(24)에 대해 균일한 2-상 냉매 유동을 제공하기 위해, 입구 헤더의 중심선으로부터 오프셋될 수 있다. 튜브(34)로부터 입구 헤더(22)로, 그리고 따라서 개별 미세 채널(24)로 냉매의 유동을 안내하기 위해 튜브(34)에는 복수의 개구(36)가 제공된다. 개구(36)의 크기 및 형상은 개별 미세 채널(24)로의 균일한 냉매 유동을 촉진하기 위해 선택적으로 변할 수 있다. 대체로, 개구(36)의 크기는 입구 개구의 단부(37)로부터 하류 단부(38)로 갈수록 증가할 것이다.
개구(36)의 수 및 위치는 원하는 대로 변할 수 있지만, 도3에 도시된 실시예는 각각의 미세 채널(24)에 단일 개구(36)를 제공하여, 개구(36)가 각각의 미세 채널(24)과 종방향으로 실질적으로 정렬되게 한다.
상술한 바와 같은 개구(36)의 가능한 크기 및 형상에 부가하여, 미세 채널의 축에 대한 개구(36)의 각도 배향은 균일한 유동 분배를 촉진하기 위해 원하는 대로 변할 수 있다. 즉, 개구(36)는 도3A에 도시된 바와 같이 미세 채널(24)과 축방향 으로 정렬될 수 있거나, 또는 도3B에 도시된 바와 같은 방식으로 각도방향으로 오프셋될 수 있다. 90°의 그러한 각도 오프셋은 원하는 혼합 오프셋을 형성하여 보다 균일한 유동 분배가 이루어지도록 하는데 도움이 된다.
본 발명에 따르면, 냉매는 액체 라인으로부터, 천공된 튜브의 입구 개구의 단부(37) 내로 직접 연장되는 팽창 장치(39) 내로 액체상으로 분배된다. 이러한 방식으로, 모든 액체 냉매는 먼저 미세 채널 슬랩으로 분배되고, 그 다음에 2-상 상태로 팽창되므로, 위 종래 기술에서 설명된 바와 같이 분배 전에 팽창할 때 발생하는 2-상 분리가 제거된다. 또한, 종래 기술의 급송 튜브와 관련이 있는 압력 강하가 존재하지 않는다.
이제 도4를 참조하면, 도3의 팽창 장치(39)는 냉매 유동의 방향에 따라 2개의 극단 위치 중 하나에 있도록 되어 있는 부유 피스톤(42)을 수납하는 본체(40)를 갖는 바이플로우 피스톤 조립체(41)로 구성된다. 즉, 냉각 모드 작동에 있어서는, 열교환기가 증발기 코일로서 작동하여 냉매가 입구 헤더로 흘러들어가는 반면, 가열 작동시에는, 코일이 응축기 코일로서 작동하여 이제는 응축기 코일의 출구 헤더인 동일 헤더로부터 냉매가 흘러나온다. 이러한 바이플로우 관계를 허용하는 피스톤(42)의 특징부는 도4에 도시된 바와 같은 중앙 개구(43) 및 복수의 주연부 플루트(44)이다.
도5에 도시된 바와 같이, 시스템이 냉각 모드로 작동할 때, 냉매는 바이플로우 피스톤 조립체(41) 내로 유동하고, 피스톤(42)은 그 플루트(44)가 본체(40)의 숄더에 지지되는 우측단에 위치한다. 그리하여 냉매는 중앙 개구(43)를 통과하며, 중앙 개구는 팽창 장치로서 작용하여 2-상 냉매가 튜브(34) 내로, 그리고 그 후에 개별 미세 채널(24)로 유동하게 한다.
도6의 실시예에 있어서, 냉매의 유동은 헤더로부터 바이플로우 피스톤 조립체(41) 내로 진행하며, 그리하여 피스톤(42)은 좌측단으로 이동된다. 이 위치에서, 냉매는 헤더(22)로부터 플루트(44)들 사이로 자유롭게 유동하여 피스톤(42)의 주연부 주위를 지나간다. 중앙 개구(43)가 개방되어 있지만, 튜브(34) 내에는 냉매가 존재하더라도 매우 적으며, 이는 냉매 유동이 헤더(22)로부터 피스톤(42)의 주연부 주위로 직접 이어지는 최소 저항 경로에 의해 이동하기 때문이다.

Claims (14)

  1. 열펌프용 병류 열교환기이며,
    입구 헤더로의 유체의 유동을 안내하기 위한 입구 개구와, 상기 입구 헤더로부터의 유체의 유동을 안내하기 위한 복수의 출구 개구들을 갖는 입구 헤더와,
    병렬 관계로 정렬되고, 상기 입구 헤더로부터의 유체의 유동을 안내하기 위해 상기 복수의 출구 개구들에 유체 연결되는 복수의 채널들과,
    상기 입구 헤더 내부에 배치되고, 일단부에서 상기 입구 개구에 유체 연결되는 튜브로서, 상기 입구 헤더의 길이만큼 연장되고, 상기 튜브로부터 상기 입구 헤더로의 냉매의 유동을 안내하기 위해 내부에 형성되는 복수의 개구들을 갖는 튜브와,
    상기 입구 개구 근처에 배치되는 바이플로우 팽창 장치로서, 냉각 모드 상태에서 액체 냉매를 상기 튜브로의 유입 전에 2-상 상태로 팽창시키거나, 또는 가열 모드 상태에서 상기 튜브를 통과하지 않고 상기 입구 헤더로부터 상기 바이플로우 팽창 장치로 직접 냉매가 유동하는 것을 허용하도록 선택적으로 작동하게 구성되어 있는 바이플로우 팽창 장치를 포함하는 병류 열교환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 개구들은 상이한 크기를 갖는 개구들을 포함하는 병류 열교환기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 상이한 크기를 갖는 개구들은 상기 튜브의 하류 단부를 향할수록 더 커지는 병류 열교환기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 개구들의 개수는 상기 복수의 채널들의 개수와 동일한 병류 열교환기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 개구들은 상기 복수의 채널들의 각각의 축과 정렬되는 각자의 축을 갖는 병류 열교환기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 복수의 개구들은 상기 복수의 채널들의 각각의 축에 대해 수직으로 정렬되는 축을 갖는 병류 열교환기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열교환기는 A-코일을 포함하고,
    제2 입구 헤더로의 유체의 유동을 안내하기 위한 입구 개구와, 제2 입구 헤더로부터의 유체의 유동을 안내하기 위한 복수의 출구 개구들을 갖는 제2 입구 헤더와,
    병렬 관계로 정렬되고, 상기 제2 입구 헤더로부터의 유체의 유동을 안내하기 위해 상기 복수의 출구 개구들에 유체 연결되는 복수의 채널들과,
    제2 입구 헤더 내부에 배치되고, 일단부에서 상기 입구 개구에 유체 연결되는 튜브로서, 상기 제2 입구 헤더의 길이만큼 연장되고, 상기 제2 입구 헤더로의 냉매의 유동을 안내하기 위해 내부에 형성되는 복수의 개구들을 갖는 튜브와,
    상기 입구 개구 근처에 배치되는 제2 바이플로우 팽창 장치로서, 냉각 모드 상태에서 액체 냉매를 상기 튜브로의 유입 전에 2-상 상태로 팽창시키거나, 또는 가열 모드 상태에서 상기 튜브를 통과하지 않고 상기 제2 헤더로부터 상기 제2 바이플로우 팽창 장치로 직접 냉매가 유동하는 것을 허용하도록 선택적으로 작동하게 구성되어 있는 제2 바이플로우 팽창 장치를 포함하는 병류 열교환기.
  8. 냉각 모드 작동시에 열펌프 열교환기의 입구 헤더로부터 유체 연결되는 복수의 병렬 미세 채널들로의 균일한 냉매 유동을 촉진하고, 가열 모드 작동시에 입구 헤더의 일부를 우회하는 방법이며,
    입구 단부와, 하류 단부와, 입구 단부와 하류 단부 사이에 복수의 개구들을 갖는 튜브를 형성하는 단계와,
    냉매가, 상기 복수의 병렬 미세 채널들로 유입되기 전에, 상기 입구 단부에 유입되어 상기 튜브를 통과하고 상기 복수의 개구들을 빠져나가 상기 입구 헤더 내로 유동하도록 하기 위해, 상기 튜브가 상기 입구 헤더의 길이만큼 연장하도록 상기 튜브를 상기 입구 헤더 내부에 장착하는 단계와,
    상기 입구 단부 근처에 배치되는 팽창 장치를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 팽창 장치는 냉각 모드 작동시에 액체 냉매를 상기 입구 헤더로의 유입 전에 2-상 상태로 팽창시키도록 작동하고, 가열 모드 작동시에 상기 튜브를 통과하지 않고 상기 입구 헤더로부터 상기 팽창 장치로 직접 냉매를 유동시키도록 작동하게 구성되어 있는, 균일한 냉매 유동을 촉진하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 개구들은 상이한 크기를 갖는 개구들을 포함하는, 균일한 냉매 유동을 촉진하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 상이한 크기를 갖는 개구들은 상기 튜브의 하류 단부를 향할수록 더 커지는, 균일한 냉매 유동을 촉진하는 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 복수의 개구들의 개수는 상기 복수의 채널들의 개수와 동일한, 균일한 냉매 유동을 촉진하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 복수의 개구들은 상기 복수의 채널들의 각각의 축과 정렬되는 각자의 축을 갖는, 균일한 냉매 유동을 촉진하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 복수의 개구들은 상기 복수의 채널들의 각각의 축에 대해 수직으로 정렬되는 축을 갖는, 균일한 냉매 유동을 촉진하는 방법.
  14. 제8항에 있어서, 상기 열교환기는 A-코일을 포함하고,
    제2 입구 헤더로의 유체의 유동을 안내하기 위한 입구 개구와, 상기 제2 입구 헤더로부터의 유체의 유동을 안내하기 위한 복수의 출구 개구들을 갖는 제2 입구 헤더와,
    병렬 관계로 정렬되고, 상기 제2 입구 헤더로부터의 유체의 유동을 안내하기 위해 상기 복수의 출구 개구들에 유체 연결되는 복수의 채널들과,
    제2 입구 헤더 내부에 배치되고, 일단부에서 상기 입구 개구에 유체 연결되는 튜브로서, 상기 제2 입구 헤더의 길이만큼 연장되고, 상기 제2 입구 헤더로의 냉매의 유동을 안내하기 위해 내부에 형성되는 복수의 개구들을 갖는 튜브와,
    상기 입구 개구 근처에 있는 제2 팽창 장치로서, 냉각 모드 작동시에 액체 냉매를 상기 튜브로의 유입 전에 2-상 상태로 팽창시키도록 작동하고, 가열 모드 작동시에 상기 튜브를 통과하지 않고 상기 제2 입구 헤더로부터 상기 제2 팽창 장치로 직접 냉매를 유동시키도록 작동하게 되어 있는 제2 팽창 장치를 포함하는, 균일한 냉매 유동을 촉진하는 방법.
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