KR101128531B1 - 리퀴드 과냉 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석션 파이프, 리퀴드 파이프, 열교환 파이프 및 이들 각각을 연결하는 연결 블럭을 포함하여 이루어지며, 상기 연결 블럭의 내부에는 완만한 곡선 형태로 이루어진 통로 및 일부 직경이 상대적으로 더 크게 형성된 내부 공간이 미리 형성되어 있어, 파이프간 결합 구조를 개선하여 냉매의 압력 손실을 방지하여 시스템의 효율을 개선시키고, 냉매의 소용돌이 및 역류를 방지하여 NVH성능을 향상시키며, 제조공정을 단순화하여 보다 효율이 좋고 제작비용이 저렴한 리퀴드 과냉 시스템에 관한 것이다.

과냉 시스템, 열교환, 연결 블럭

Description

리퀴드 과냉 시스템{Liquid supercooling system}

본 발명은 냉각 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파이프의 결합 구조를 개선하여 에어컨 시스템의 효율, NVH성능 및 제조공정을 향상시키기 위한 리퀴드 과냉 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 차량에는 차량 내부의 온도를 조절하기 위하여 히터 또는 에어컨을 작동시킨다.

겨울철과 같이 낮은 온도를 높이기 위하여 사용되는 히터는, 엔진의 작동에 의하여 발생되는 열을 이용하여 공기를 가열하면 되므로 사용이 용이하며, 연료의 소모가 적다.

그러나, 여름철과 같이 높은 온도를 낮추기 위하여 사용되는 에어컨(air conditioner)은, 고온의 차량 외부로부터 저온의 차량 내부로 열이 자연스럽게 흐르는 방향에 역행하는 방향으로(차량 내부에서 차량 외부로) 열을 전달하여야 하기 때문에 별도의 구조가 필요하며, 연료의 소모가 많다.

이러한 에어컨에는 도 1a 에 도시된 바와 같이 냉각 시스템이 사용되며, 냉각 시스템은 냉동기 또는 냉장고처럼 액체가 증발할 때 주위에서 열을 빼앗는 증발열을 이용한 것으로, 냉매로는 저온에서도 증발하기 쉬운 액체가 사용되는데, 보통 프레온 가스가 사용된다.

냉각 시스템의 기본 구조는, 밀봉된 철제용기 속에 전동기와 압축기(Compressor)를 직결시키고, 전동기로 압축기를 회전시켜 냉매를 압축한다.

이와 같이 압축된 냉매는 응축기(Condenser)를 통과하게 되는데, 응축기는 구리 파이프 표면에 알루미늄 핀(pin)을 장치한 것으로, 냉매가 가진 열을 공기 속으로 발산시켜 냉각 액화하는 작용을 한다.

이후, 응축기를 통과한 고온 고압의 액체 상태의 냉매는 팽창밸브(Expansion Valve)를 통과하게 되는데, 부분개방된 관 또는 모세관 등과 같은 팽창밸브를 냉매가 통과할 때 일의 관여 없이 응축기에서 전달되는 고온 고압의 액체 상태의 냉매의 압력 및 온도를 낮추게 된다.

팽창밸브를 통과한 냉매는 증발기(Evaporator)에 전달되는데, 증발기는 보통 가는 구리 파이프 등으로 이루어져 응축기와 거의 같은 구조로 이루어져 있다. 압축된 냉매는 증발기에서 증발하여 주위의 열을 빼앗는다. 따라서 증발기 표면에 접촉한 공기의 온도는 내려가고, 공기 속의 수분은 증발기의 표면에 물방울이 되어 제거된다.

이러한 일반적인 냉각 시스템의 효율을 더 높이기 위하여 도 1b 와 같은 과냉 시스템이 사용되었다. 과냉 시스템은 냉매가 각각의 장치를 이동하는 동안 열 교환을 통하여 과냉각도를 증대시키기 위한 것으로, 증발기(Evaporator)에서 압축기(Compressor)로 저온 저압의 기체상태의 냉매가 전달되는 석션 파이프(1)와, 응축기(Condenser)에서 팽창밸브(Expansion Valve)로 고온 고압의 액체상태의 냉매가 전달되는 리퀴드 파이프(2)를 열교환 파이프(3) 내부에 근접시켜, 저온의 기체 냉매와 고온의 액체 냉매 사이의 열교환을 하게 한다.

이에 따라, 에어컨 시스템의 성능 및 효율(COP)을 향상시키고, 압축기의 소비 동력을 약 14% 감소시켜 작은 용량의 압축기 사용을 가능하게 한다는 이점이 있으며, 차량의 전체적인 연비 또한 약 1% 이상 향상시킬 수 있다.

그러나, 도 2 에 도시된 바와 같이, 리퀴드 파이프(2)가 열교환 파이프(3)와 연결됨에 있어 'T'자형 결합구조를 이루고 있기 때문에, 'T'자 뽑기 가공이 필요할 뿐만 아니라, 리퀴드 파이프(2)를 통과하는 냉매의 유로가 급격하게 변화하기 때문에 진동 및 소음이 유발되었다.

또한, 석션 파이프(1), 리퀴드 파이프(2) 및 열교환 파이프(3)가 결합하는 부위에 있어서, 냉매가 진행되는 방향과 반대 방향으로 내부 공간이 존재하여 역류 및 소용돌이(Vortex)가 발생하게 되므로 냉매의 압력 손실이 발생하며, 진동 및 소음이 유발되었다.

뿐만 아니라, 과냉 시스템의 제조 공정에 있어서도, 열교환 파이프(3)를 가공한 후 리퀴드 파이프(2)를 연결하기 위하여 확관 및 축관 공정을 거쳐야 하기 때문에, 비용이 더 소요될 뿐만 아니라, 냉매 유입부의 형상에 의한 냉매의 압력 손실 및 소용돌이(Vortex)가 발생하게 된다는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은,

파이프간 결합 구조를 개선하여 냉매의 압력 손실을 방지하여 시스템의 효율을 개선시키고, 냉매의 소용돌이 및 역류를 방지하여 NVH성능을 향상시키며, 제조공정을 단순화하여 보다 효율이 좋고 제작비용이 저렴한 리퀴드 과냉 시스템을 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은,

증발기와 압축기를 연결하고 외측 둘레를 따라 나선 형태의 홈이 형성되어 있는 석션 파이프, 응축기와 팽창밸브를 연결하는 리퀴드 파이프, 내부에는 상기 석션 파이프가 관통되고 일측 끝단은 상기 리퀴드 파이프와 연결되어, 상기 석션 파이프와 리퀴드 파이프 사이의 열교환을 가능하게 하는 열교환 파이프 및 일측은 상기 리퀴드 파이프에 연결되고, 타측은 상기 석션 파이프 및 열교환 파이프에 연결되는 연결 블럭을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연결 블럭의 내부에는, 상기 리퀴드 파이프로부터 전달되는 냉매가 통과할 수 있는 통로 및 상기 석션 파이프와 열교환 파이프가 결합할 수 있는 내부 공간이 미리 형성되어 있는 것이 바람직하고, 상기 통로는 완만한 곡선 형태로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 내부 공간 중 일부 직경이 상대적으로 더 크 게 형성되어, 냉매가 상기 석션 파이프를 회전하여 감싸며 유입될 수 있는 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는,

'T'자 형태로 급격하게 변화하는 유로 대신 완만한 곡선 형태로 이루어지는 유로를 통과하여 냉매가 전달됨으로서, 냉매의 진입에 의한 압력의 손실을 최소화 할 수 있고 냉매의 역류 및 소용돌이를 방지할 수 있으므로, 에어컨 시스템의 효율을 개선시킬 수 있으며 진동 및 소음을 줄일 수 있어 NVH성능 또한 향상시킬 수 있다.

또한, 미리 형성된 연결 블럭에 의하여 각 파이프들을 연결할 수 있으므로, 파이프를 제조하는 원가를 절감할 수 있고 파이프들을 가공하는 공정을 축소할 수 있으므로, 제조 시간을 단축시킬 수 있으며 차량의 제조 원가를 낮출 수 있다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 3 은 본 발명에 따른 리퀴드 과냉 시스템(100)을 나타낸 사시도 및 부분확대도이다.

본 발명인 리퀴드 과냉 시스템(100)은 증발기와 압축기를 연결하고 외측 둘레를 따라 나선 형태의 홈이 형성되어 있는 석션 파이프(10), 응축기와 팽창밸브를 연결하는 리퀴드 파이프(20), 내부에는 상기 석션 파이프(10)가 관통되고 일측 끝단은 상기 리퀴드 파이프(20)와 연결되어 상기 석션 파이프(10)와 리퀴드 파이프(20) 사이의 열교환을 가능하게 하는 열교환 파이프(30) 및 일측은 상기 리퀴드 파이프(20)에 연결되고 타측은 상기 석션 파이프(10) 및 열교환 파이프(30)에 연결되는 연결 블럭(40)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 냉매를 사용하여 주위의 온도를 낮추는 종래의 냉각 시스템을 기초로 하여, 장치들 사이를 연결되어 냉매가 전달되는 파이프들 사이에 열교환을 가능하게 하는 과냉 시스템을 적용하고 있다.

특히, 상기 석션 파이프(10), 리퀴드 파이프(20) 및 열교환 파이프(30)를 연결함에 있어, 각각의 파이프들을 직접 용접에 의하여 연결하는 것이 아니라, 연결 블럭(40)에 의하여 각각의 파이프들을 연결하고 있다.

상기 연결 블럭(40)은 각각의 파이프들을 내부에 포함할 수 있도록 소정의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 강성을 유지하기 위한 다양한 금속 재질 및 플라스틱 재질 등이 사용될 수 있으며, 각각의 파이프와 연결되는 부위는 냉매가 누출되지 않도록 실링 처리 되는 것이 보다 바람직하다.

상기 연결 블럭(40)은 각각의 파이프들이 내부에 포함되고, 차량의 내부에 위치할 수 있는 것이면 직육면체, 원기둥, 구형 등 다양한 형태로 이루어질 수 있으며, 본 발명에서는 직육면체로 이루어지는 것을 예시하였다.

상기 연결 블럭(40) 내부에는 석션 파이프(10) 및 열교환 파이프(30)가 관통하고 있으며, 상기 석션 파이프(10)의 외측 둘레에는 나선 형태의 홈이 형성되어 상기 열교환 파이프(30) 내부를 관통하여 연결되어 있다. 이 때, 상기 나선 형태의 홈과 상기 열교환 파이프(30)의 내측과는 일정한 거리를 두고 이격되어 있어, 냉매가 상기 석션 파이프(10)의 외측을 나선 형태로 회전하면서 이동할 수 있으므로, 표면적을 넓게 하여 더욱 빠르게 열교환을 할 수 있다.

상기 연결 블럭(40)에 연결되는 리퀴드 파이프(20)는 상기 석션 파이프(10)의 나선 형태의 홈에 연결되어 홈과 열교환 파이프(30) 내부 사이의 공간으로 냉매가 흐를 수 있도록 이루어진다. 이 때, 상기 리퀴드 파이프(20)로부터 상기 석션 파이프(10)를 거쳐 열교환 파이프(30)로 냉매가 전달되기 위하여 상기 연결 블럭(40)에 형성된 통로(41)를 통과하게 되는데, 본 발명에서는 상기 통로(41)가 완만한 곡선 형태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

즉, 도 3 의 확대도에 도시된 바와 같이, 석션 파이프(10)와 열교환 파이프(30)는 서로 동일한 선상에 위치하고 있으며, 리퀴드 파이프(20)는 석션 파이프(10)와 평행한 상태로 연결 블럭(40)에 삽입된다. 이후, 석션 파이프(10)와 열교환 파이프(30)로 냉매가 유입되기 위하여 통로(41)를 완만한 곡선 형태로 형성하여, 종래 'T'자 결합에 의하여 냉매 유동 방향이 급격하게 변화하던 것을 방지할 수 있으므로, 냉매 진입에 의한 압력 손실을 최소화 할 수 있다.

상기 리퀴드 파이프(20)는 도 3 과 같이 석션 파이프(10)와 평행한 상태로 연결 블럭(40)에 삽입될 수도 있으며, 종래와 같이 'T'자 형태로 삽입되어도 무방하다. 다만, 'T'자 형태로 삽입되는 경우에는 석션 파이프(10)에 직접 연결되는 것이 아니라, 연결 블럭(40)에 형성된 통로(41)가 상기 석션 파이프(10)를 감싸는 형 태로 형성되어 냉매의 유로가 급격하게 변화하는 것을 방지할 수 있다.

상기 연결 블럭(40)의 내부에는 상기 리퀴드 파이프(20)로부터 전달되는 냉매가 통과할 수 있는 통로(41) 및 상기 석션 파이프(10)와 열교환 파이프(30)가 결합할 수 있는 내부 공간(42)이 미리 형성되어 보다 용이하게 제조할 수 있도록 하는 것이 보다 바람직하다.

상기 내부 공간(42)에는 상기 석션 파이프(10) 및 열교환 파이프(30)가 연결되는데, 상기 리퀴드 파이프(20)로부터 전달되는 냉매가 자연스럽게 회전하면서 홈으로 유입될 수 있도록 하기 위하여, 상기 내부 공간(42) 중 일부 직경이 상대적으로 더 크게 형성되어 냉매가 상기 석션 파이프(10)를 감싸며 유입될 수 있으므로, 소용돌이(Vortex) 현상을 최소화 할 수 있다.

도 4 는 종래 사용되던 과냉 시스템을 제조하는 공정을 나타낸 흐름도이고, 도 5 는 본 발명에 따른 리퀴드 과냉 시스템(100)을 제조하는 공정을 나타낸 흐름도이다.

종래의 과냉 시스템을 제조하기 위해서는, 석션 파이프(10)의 외측을 나선 가공을 하고, 열교환 파이프(30)에 리퀴드 파이프(20)가 연결될 수 있도록 확관/축관 및 'T'자 뽑기 가공을 한 후, 각각의 파이프들을 연결하게 된다. 이 경우, 석션 파이프(10)와 열교환 파이프(30)를 연결하여 고정하기 위하여 일정한 간격을 이격시켜 용접을 해야하고, 리퀴드 파이프(20)를 열교환 파이프(30)에 고정시키기 위하여 다시 용접을 하는 등 복잡한 여러 과정을 거쳐야 했다.

그러나, 본 발명에 따른 리퀴드 과냉 시스템(100)은, 석션 파이프(10)의 외 측을 나선 가공을 하고, 연결 블럭(40)의 내부에 통로(41) 및 내부 공간(42)을 미리 형성한 후 각각의 파이프를 연결 블럭(40)과 결합시키기만 하면 되므로, 종래의 제조 공정에 비하여 확관/축관, 'T'자 뽑기 가공, 파이프 용접 등의 공정을 생략할 수 있어 제조시간이 단축되고 생산 비용이 절감될 수 있다. (개당 약 100원의 원가 절감 효과)

도 6 은 종래 사용되던 과냉 시스템에서의 소음을 측정한 그래프이고, 도 7 은 본 발명에 따른 리퀴드 과냉 시스템(100)에서의 소음을 측정한 그래프이다.

종래의 과냉 시스템에서는 약 5 내지 7 kHz의 범위에서 급격한 소음의 증가 현상이 발생하였으며, 이는 에어컨의 사용시 냉매의 급격한 경로변화에 의한 와류음에 의한 것으로 측정되었다.

그러나, 본 발명에 따른 리퀴드 과냉 시스템(100)은, 완만한 곡선 형태로 냉매가 유입될 수 있도록 하고 연결 블럭(40) 내부에서 자연스러운 회전을 통하여 냉매가 유입될 수 있도록 함으로써, 역류 및 소용돌이를 방지할 수 있어 약 5 내지 7 kHz의 범위에서 소음 발생이 현저히 감소되었다. 따라서 냉매의 유동 개선을 통하여 차량의 NVH성능을 향상시킬 수 있다.

즉, 냉매가 전체 배관을 따라 흐르면서 각종 파이프와의 마찰이 발생하고 또한 파이프들의 연결되는 형상에 의하여 압력 손실이 발생하게 되는데, 종래의 과냉 시스템에서는 약 48kPa의 압력 손실이 발생하였으나, 본 발명에 따른 과냉 시스템에서는 약 38kPa의 압력 손실이 발생하게 되어, 압력 손실이 약 10kPa 개선되었으며, 에어컨 시스템의 성능 또한 약 1% 가량 향상되어, 파이프의 연결 구조의 개선 만으로도 전체적으로 차량의 연비가 약 0.5% 가량 향상되는 결과를 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1a 는 종래 사용되던 냉각 시스템을 나타낸 개략도이다.

도 1b 는 과냉 시스템을 나타낸 개략도이다.

도 2 는 종래 사용되던 과냉 시스템을 나타낸 사시도 및 부분확대도이다.

도 3 은 본 발명에 따른 리퀴드 과냉 시스템을 나타낸 사시도 및 부분확대도이다.

도 4 는 종래 사용되던 과냉 시스템을 제조하는 공정을 나타낸 흐름도이다.

도 5 는 본 발명에 따른 리퀴드 과냉 시스템을 제조하는 공정을 나타낸 흐름도이다.

도 6 은 종래 사용되던 과냉 시스템에서의 소음을 측정한 그래프이다.

도 7 은 본 발명에 따른 리퀴드 과냉 시스템에서의 소음을 측정한 그래프이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 리퀴드 과냉 시스템

10 : 석션 파이프(Suction Pipe) 20 : 리퀴드 파이프(Liquid Pipe)

30 : 열교환 파이프 40 : 연결 블럭

41 : 통로 42 : 내부 공간

Claims (4)

1. 증발기와 압축기를 연결하고 외측 둘레를 따라 나선 형태의 홈이 형성되어 있는 석션 파이프(10);

   응축기와 팽창밸브를 연결하는 리퀴드 파이프(20);

   내부에는 상기 석션 파이프(10)가 관통되고 일측 끝단은 상기 리퀴드 파이프(20)와 연결되어, 상기 석션 파이프(10)와 리퀴드 파이프(20) 사이의 열교환을 가능하게 하는 열교환 파이프(30) 및

   일측은 상기 리퀴드 파이프(20)에 연결되고, 타측은 상기 석션 파이프(10) 및 열교환 파이프(30)에 연결되는 연결 블럭(40)을 포함하여 이루어지며,

   상기 연결 블럭(40)은 상기 리퀴드 파이프(20)로부터 전달되는 냉매의 유동 압력을 순차적으로 감쇄시키도록 완만한 곡선 형태의 통로(41)가 미리 형성되고, 상기 석션 파이프(10)와 열교환 파이프(30)가 내부에 끼움 결합되어 고정시키는 내부 공간(42)이 미리 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 리퀴드 과냉 시스템(100).
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 내부 공간(42)에는 상기 리퀴드 파이프(20)로부터 전달되는 냉매가 회전하면서 상기 석션 파이프(10)를 감싸며 유입되어 소용돌이 현상을 최소화하도록 일부 직경이 상대적으로 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 리퀴드 과냉 시스템(100).

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