KR101740804B1 - 다채널 플랫 튜브들을 포함한 고압 냉매 열 교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다채널 플랫 튜브(2)들을 포함하는 고압 냉매 열 교환기(1)에 관한 것이며, 상기 고압 냉매 열 교환기는, 고압 냉매가 관류할 수 있는 복수의 다채널 플랫 튜브(2)가 냉각수/냉각제 유동 방향(11)으로 연이어서, 그리고 냉각수/냉각제 유동 방향(11)에 대해 횡방향으로 하우징(3) 내에 배치되며, 다채널 플랫 튜브(2)들은 자신들의 길이를 따라 평면으로 형성되지 않고, 핀 또는 리브가 제공되어 있지 않은 것을 특징으로 한다.

Description

다채널 플랫 튜브들을 포함한 고압 냉매 열 교환기{HIGH-PRESUSRE REFRIGERANT HEAT-EXCHANGER HAVING MULTI-CHANNEL FLAT TUBES}

본 발명은 고압 냉매 회로와 액체 회로 사이에서 열 전달을 위한 다채널 플랫 튜브들을 포함하는 고압 냉매 열 교환기에 관한 것이다. 액체 회로란, 우선 냉각수/냉각제 회로를 의미하며, 냉각수 내지 냉각제는 냉각 매체일 뿐 아니라 열 전달 매체일 수 있다.

일반적인 열 교환기는 예컨대 자동차 공조 시스템 내 고압 냉매 회로에서 가스 냉각기 또는 응축기로서, 또는 고압 냉매를 위한 증발기로서 이용된다. 열 전달 매체 또는 냉각 매체로서는 액체, 예컨대 냉각수, 물-글리콜 혼합물 또는 유사한 액체 혼합물이 이용된다.
고압 냉매로서는, 또 다른 가능한 냉매 외에도, 우선, 냉매 회로가 또 다른 냉매에 비해 상대적으로 높은 압력 레벨에서 작동하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소가 냉매로서 이용된다.
종래 기술에 따르는 표준 냉각수/냉각제 열 교환기는 주로 증발기 또는 응축기로서의 적용을 위한 판형 열 교환기로서 형성된다. 공기/냉매 증발기 또는 공기/냉매 응축기에서 작동 압력 및 파열 압력(burst pressure)은 액체/냉매 열 교환기와 상응한다. 자동차 공조 시스템에서 증발기에 대한 표준 작동 압력 및 파열 압력은 3 내지 4bar, 또는 31bar이다.
응축기는 6 내지 30bar의 작동 압력과 60bar의 파열 압력을 갖는다. 고압 냉매인 이산화탄소 R744의 경우, 파열 압력 요건은 증발기에 대해 260bar이고 가스 냉각기에 대해서는 340bar이다. 260bar를 상회하는 파열 압력을 갖는 판형 열 교환기는 현재의 디자인에 따르면 중량 및 비용을 대단히 증가시킬 수도 있을 것이다. 종래의 디자인으로 260bar의 파열 압력을 달성하기 위해, 판들의 벽 두께는 예컨대 300% 이상만큼 증가되어야 한다. 이처럼 높은 재료 사용률은 너무 많은 중량 및 너무 높은 비용 외에도 납땜 공정에서 어려운 문제들을 야기한다.
고압 냉매 열 교환기는 종래 기술에서 공지되었다.
종래의 냉매 시스템에서 파열 압력은 저압 측에서 약 31bar에 달한다. 종래 기술에 따르는 고압 냉매 열 교환기의 공지된 구성들에서 단점은, 상기 고압 냉매 열 교환기가 매우 높은 재료 사용률을 통해 작업 압력 및 파열 압력에 대한 극한의 요건을 두꺼운 벽 두께를 이용하여 충족한다거나, 또는 다채널 플랫 튜브들 및 핀들(fin)을 포함한 열 교환기가 냉각 매체 또는 열 전달 매체로서의 공기로 열 전달하도록 구성되므로 액체 열 교환기로서는 이용될 수 없다는 점에 있다.

본 발명의 과제는, 이제, 재료 및 제조 비용과 관련하여 적은 비용으로도 제조될 수 있는 다채널 플랫 튜브들을 포함한 고압 냉매 열 교환기를 형성하는 것에 있다. 추가의 과제는, 고압 냉매 열 교환기가 액체 상으로, 그리고 그 액체로부터 열 전달을 위해, 특히 냉각수 또는 물-글리콜 혼합물을 위해 적합하게 이용될 수 있도록 하는 것에 있다.

상기 과제는 특허 청구항 제1항에 따른 특징들을 갖는 대상을 통해 해결된다. 개선예들은 특허 종속 청구항들에 명시되어 있다.
특히 본 발명의 과제는, 냉각수/냉각제 유동 방향으로 연이어서, 그리고 냉각수/냉각제 유동 방향에 대해 횡방향으로 하우징 내에 배치되어 고압 냉매가 관류할 수 있는 복수의 다채널 플랫 튜브를 포함하는 고압 냉매 열 교환기를 통해 해결된다. 이 경우, 다채널 플랫 튜브들은 자신들의 길이를 따라서 평면으로 형성되지 않지만, 그러나 종래 기술과 달리 핀 또는 리브를 포함하지 않는다.
그 밖에도, 바람직한 개선예는, 금속으로, 또는 플라스틱으로 제조되는 리브들이 추가로 제공된다는 점에 있다.
본 발명의 바람직한 구성에 따라서, 다채널 플랫 튜브들은 다채널 플랫 튜브의 높이를 형성하는 좁은 측부를 향해 냉각수/냉각제가 유입 가능하도록 고압 냉매 열 교환기 내에 배치된다. 따라서 냉각수/냉각제 흐름은 다채널 플랫 튜브에 대해 횡방향으로 다채널 플랫 튜브의 폭을 따라서 흐른다.
바람직하게 다채널 플랫 튜브들은 자신들의 길이를 따라서 굽힘 가공으로 파형부(wave form), 곡류부(meander form), 사다리꼴부(trapezoidal form) 또는 주름부(wrinkled form)로 성형되며, 그럼으로써 다채널 플랫 튜브들의 열 전달하는 외부 표면은, 자신들의 길이를 따라 평면으로 형성되는 다채널 플랫 튜브들의 구성에 상대적으로, 그에 상응하게 증가된다.
고압 냉매 열 교환기는 바람직하게는, 광폭의 열 교환기 압출 프로파일이 이용되어, 상기 압출 프로파일로부터 천공 공정을 통해 형성된다.
바람직하게 다채널 플랫 튜브들은 자신들의 길이를 따라서 0°와 90°의 휨 각도로 변형된다.
본 발명의 바람직한 구성은, 다채널 플랫 튜브들이 1㎜와 10㎜ 사이의 휨 높이를 보유하는 것에 있다.
바람직하게 다채널 플랫 튜브들은 1과 4㎜ 사이의 휨 높이를 보유한다.
특히 바람직하게는 냉각수/냉각제 유동 방향으로 연이어서 배치되는 다채널 플랫 튜브들 내 만곡부들, 파형부들 또는 주름부들은 상호 간에 오프셋 되어 배치되며, 그럼으로써 냉각수 내지 냉각제의 유체 흐름은 유동 침식(flow erosion)에서 다채널 플랫 튜브들의 복수의 좁은 측부에 부딪치고 그에 따라 유동의 난류가 달성될 수 있게 된다.
본 발명의 바람직한 개선예는, 분리 벽부들이 고압 냉매 열 교환기의 복수의 평면에 제공되어, 고압 냉매 열 교환기를 통과하는 냉각수/냉각제의 유동 경로를 사전 설정하고 생성한다는 점에 있다.
바람직하게 수평 분리 벽부들이 고압 냉매 열 교환기 내에 배치되고, 그로부터 수직의 직교 대항류(vertical cross counter-flow)를 위한 유동 경로를 형성된다.
본 발명의 추가 구성에 따라서 수직 분리 벽부들이 고압 냉매 열 교환기 내에 제공되며, 그럼으로써 수평의 직교 대항류를 위한 유동 경로가 형성된다.
바람직하게 고압 냉매 열 교환기의 하우징은 알루미늄 또는 플라스틱으로 형성된다. 특히 강조되는 점은, 고압 냉매 열 교환기는 가스 냉각기/응축기로서, 또는 이산화탄소 냉매 회로 내 냉각기로서, 그리고 특히 자동차 공조 시스템을 위한 상기 컴포넌트들의 적용을 위해 이용하기에 적합하다는 점이다.
본 발명의 개념에 따라서, 고압 냉매 시스템에서 R744 이산화탄소 회로에 대한 높은 파열 압력의 요건은, 다채널 플랫 튜브들로서도 지칭되는 압출된 마이크로 채널관들이 공지된 R744 증발기 또는 가스 냉각기에 의해 이용되는 것을 통해 충족된다. 액체, 특히 냉각수 또는 물-글리콜 혼합물에 대한 열 전달 매체 또는 냉각 매체 측은 리브 또는 핀 없이 형성되며, 그럼으로써 긍정적인 측면에서 유동 저항은 감소되지만, 그러나 부정적인 측면에서 열 전달 용량도 마찬가지로 감소된다. 다채널 플랫 튜브는 굽힘 가공 및 성형되어 형성된 형태를 통해 동시에 열 교환관 및 내부 유동 가이드로서 기능한다. 내부 유동 가이드로서 기능하는 경우 유동교란장치로서도 지칭된다. 매우 특히 바람직하게는 본 발명에 따른 디자인은 고압 냉매 회로에서 직교 대항류 원리에 따라서 가스 냉각기로서 이용될 수 있다.
전체 열 교환기는 알루미늄 또는 플라스틱 소재의 하우징에 의해 에워싸인다. 분리 벽부들을 포함하는 고압 냉매 열 교환기의 구성들은 열 교환기의 내부에서 복수의 유동 경로의 형성을 허용한다. 특히 바람직하게는 냉각수 내지 액체가 열 전달 매체 또는 냉각 매체로서 직교 대항류로 흐른다. 이 경우, 리브 또는 핀 및 유동교란장치는, 다채널 편팡관이 굽힘 가공에 의한 자신의 성형을 통해 난류성 유동을 제공하기 때문에, 필요하지 않다.

열 교환기 디자인은 경량이며, 이는 제조 시 낮은 재료 및 취급 비용과 자동차 내에서 작동 중일 때 에너지 절약을 달성한다. 그 밖에도 바람직한 사항은, 열 교환기 내 유동 가이드들의 관점에서 분리 벽부들을 제공하는 것을 통한 가변성과 바람직하게는 플라스틱 또는 금속으로 형성되는 하우징의 선택에 있다. 하우징의 치수 설계는 액체 회로의 압력에, 다시 말하면 상대적으로 낮은 레벨로 매칭될 수 있는데, 그 이유는 고압 냉매가 다채널 편팡관의 내부에서만 순환하기 때문이다.
그 밖에도, 특별한 장점은, 고압 냉매 열 교환기가 가스 냉각기 또는 증발기로서 온도 기울기를 갖는 초임계 열 전달을 위해서도 이용될 수 있다는 점이며, 이는 특히 R744 이산화탄소 냉매 회로에서의 이용을 위해 바람직하다.

본 발명의 구성들의 추가 상세내용들, 특징들 및 장점들은 대응하는 도면들과 관련된 실시예들의 하기 기술 내용에서 제시된다.
도 1은 수직의 직교 대항류 열 교환기로서 고압 매체 열 교환기의 개략적 사시도이다.
도 2는 고압 냉매 열 교환기의 일 평면으로서 냉매 콜렉터를 포함하는 다채널 플랫 튜브들의 상세도이다.
도 3은 수평의 직교 대항류 열 교환기의 구성에서 고압 냉매 열 교환기이다.
도 4a는 파형부로 만곡된 다채널 플랫 튜브이다.
도 4b는 길이를 따라서 절첩된 다채널 플랫 튜브이다.
도 4c는 사다리꼴로서 절첩된 다채널 플랫 튜브이다.

도 1에는 고압 냉매 열 교환기가 사시도로 개략화되어 도시되어 있다. 고압 냉매 열 교환기(1)는 하우징(3) 내에 배치되는 다채널 플랫 튜브(2)들을 포함한다. 다채널 플랫 튜브(2)들은 고압 냉매에 의해 관류된다. 하우징(3)의 내부에서 다채널 플랫 튜브(2)들은 유체 흐름, 특히 냉각수 또는 냉각제 또는 열 전달 매체에 의해 관류된다. 고압 냉매 열 교환기(1)는 수평 분리 벽부들(8)을 통해 3개의 평면으로 구획된다. 도 1에 따라 도시된 구성에서, 냉각수/냉각제 유동 방향(11)은 화살표를 통해 도시되어 있다. 냉각수/냉각제 인렛(6)에서 유체는 하부 열 교환기 세그먼트 내로 유입되고, 이와 동시에 다채널 플랫 튜브들의 좁은 축부에서 냉각수/냉각제 유동 방향(11)에 대해 횡방향으로 배치된 다채널 플랫 튜브(2)들 상에 부딪치고, 그 다음 플랫 튜브들의 폭을 따라서 다채널 플랫 튜브(2)에 접촉한 상태로 유동한다. 도시된 구성에서, 2개의 다채널 플랫 튜브(2)는 유동 방향(11)으로 연이어 배치되며, 그럼으로써 유체 흐름은 연이어서 먼저 제1 다채널 플랫 튜브에, 그리고/또는 계속해서 제2/제3/제4 다채널 플랫 튜브 등에 접촉한 상태로 유동한다. 하부 평면의 단부 상에는 냉각수/냉각제 편향 영역(9)이 형성되며, 이 편향 영역에서 유체가 편향되어 그 위쪽에 위치하는 평면으로 안내된다. 여기서 냉각수/냉각제는 유동 방향(11)으로 앞쪽을 향해 상기 평면을 관류하고, 다시금 연이어 배치된 2개의 다채널 플랫 튜브(2)를 통과한다. 마지막으로 냉각수/냉각제 유량은 다시 편향 영역(9)에서 편향되고 마지막으로 수직으로 그 위에 위치하는 제3 평면 내로 안내되며, 그런 후에 냉각수/냉각제 흐름은 최상위 평면을 통과한 후에 냉각수/냉각제 아웃렛(7)에서 고압 냉매 열 교환기로부터 유출된다. 고압 냉매는 냉매 인렛(4)에서 고압 냉매 열 교환기(1) 내로 유입되며, 다채널 플랫 튜브(2)의 길이를 따라서 유동한다. 다채널 플랫 튜브(2)는 U자형 형상부를 통해 연장된다. 상부 평면의 단부 상에서 다채널 플랫 튜브(2)는 편향되어 중앙 평면으로 안내되며, 종국에 다채널 플랫 튜브는 고압 냉매 열 교환기(1)의 전체 폭에 걸쳐서 연장된다. 다채널 플랫 튜브(2)는 마지막으로 최하위 평면으로 안내되며, 그리고 고압 냉매는 하부 평면을 관류한 후 냉매 아웃렛(5)에서 고압 냉매 열 교환기(1)로부터 유출된다.
도 2에서, 다채널 플랫 튜브(2)는 냉매 집수관(10) 내에 고정되며, 냉매 집수관(10)은 3개의 도시된 다채널 플랫 튜브(2)과 함께 열 교환기의 일 평면을 형성한다. 이 평면의 내부에서 냉각수 또는 냉각제 인렛(6)에서 아웃렛(7) 쪽으로 유동하고, 이와 동시에 측면도에서 사다리꼴부(14)로서 형성된 다채널 플랫 튜브(2)들에 접촉한 상태로 유동한다. 또한, 이 도면에는, 다채널 플랫 튜브(2)들이 일 평면에서 자신들의 형상부들로 상호 간에 상대적으로 오프셋 되어 배치됨으로써, 각각의 유동 경로에 대해 각각 일측 다채널 플랫 튜브에서 다음 다채널 플랫 튜브(2)로 또 다른 유동 상황이 제공되는 점도 도시되어 있는데, 이는 난류와, 그에 따라 다채널 플랫 튜브(2)과 냉각수/냉각제 흐름 사이에 더 충분한 열 전달을 달성한다.
도 3에는, 수평 평면에 분리 벽부들(8)을 포함하는 것이 아니라, 수직 평면에서 개략적으로 도시된 분리 벽부(8)를 포함하는 고압 냉매 열 교환기가 도시되어 있다. 이는, 최대 필요한/요구되는 냉매 질량 유량과 그 결과로 인한 압력 손실이 너무 높을 때 필요하다. 이를 위해 냉매는 다양한 열 교환관 평면들 통해 평행하게 안내된다. 이런 구성에서, 냉각수/냉각제 인렛(6)은, 고압 냉매 열 교환기(1)의 측면 중 냉각수/냉각제 아웃렛(7)과 동일한 측면에 위치하며, 인렛(6)과 아웃렛(7) 사이에 분리 벽부(8)가 배치된다. 고압 냉매 열 교환기(1)를 관류한 후, 마지막에, 냉각수 및 냉각제는 편향 영역(9)에서 동일한 평면에 위치하는 역류 유동으로, 그리고 후속하여 아웃렛(7) 쪽으로 편향된다. 다채널 플랫 튜브(2)들의 냉매 인렛(4)은 도시된 면에 개략적으로 도시되어 있으며, 이런 구성에는 냉매 집수관이 제공되지 않는다.
도 4a, 4b, 4c에는, 다양한 형상부들을 포함하는 다채널 플랫 튜브(2)들이 유동하는 냉각수/냉각제의 방향으로부터 측면도로 도시되어 있다.
그 외에도, 도 4a에는, 절단된 냉매 집수관(10) 외에도, 2개의 다채널 플랫 튜브(2)가 파형부(12)로서 도시되어 있으며, 이 파형부는 다채널 플랫 튜브(2)의 길이를 따라서 고압 냉매 열 교환기의 폭에 걸쳐 연장된다. 도 4a에는, 2개의 다채널 플랫 튜브(2)가 상호 간에 상대적으로 오프셋 되어 배치되어 있으며, 그럼으로써 이 측면도에서 다채널 플랫 튜브(2)들은 겹쳐진 사행선(sinuous line)으로서 도시된다.
도 4b에는, 다채널 플랫 튜브(2)가 다채널 플랫 튜브(2)의 길이를 따라서 주름부(13)의 유형으로 만곡부를 포함하는 구조로서 도시되어 있으며, 마지막으로 도 4c에는 다채널 플랫 튜브(2)의 길이를 따라서 사다리꼴부(14)의 유형으로 주름부가 도시되어 있다.

1 고압 냉매 열 교환기
2 다채널 플랫 튜브
3 하우징
4 냉매 인렛
5 냉매 아웃렛
6 냉각수/냉각제 인렛
7 냉각수/냉각제 아웃렛
8 분리 벽부
9 냉각수/냉각제 편향 영역
10 냉매 집수관
11 냉각수/냉각제 유동 방향
12 다채널 플랫 튜브의 길이를 따르는 파형부
13 다채널 플랫 튜브의 길이를 따르는 주름부
14 다채널 플랫 튜브의 길이를 따르는 사다리꼴부

Claims (15)

1. 다채널 플랫 튜브(2)들을 포함하는 고압 냉매 열 교환기(1)에 있어서,
   고압 냉매가 관류할 수 있는 복수의 다채널 플랫 튜브(2)는 냉각수/냉각제 유동 방향(11)으로 연이어서, 그리고 냉각수/냉각제 유동 방향(11)에 대해 횡방향으로 하우징(3) 내에 배치되고,
   상기 다채널 플랫 튜브(2)들은 자신들의 길이를 따라 복수의 굴곡부를 포함하고,
   분리 벽부들(8)이 상기 고압 냉매 열 교환기(1)의 복수의 평면에 제공되며, 상기 분리 벽부들은 상기 고압 냉매 열 교환기(1)를 관류하는 냉각수/냉각제의 유동 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 고압 냉매 열 교환기(1).
2. 제1항에 있어서, 금속 또는 플라스틱으로 이루어진 리브들이 추가로 제공되는 것을 특징으로 하는 고압 냉매 열 교환기(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다채널 플랫 튜브(2)들은 이 다채널 플랫 튜브(2)들의 높이를 형성하는 측부를 향해 냉각수/냉각제가 유입 가능하도록 상기 고압 냉매 열 교환기(1) 내에 배치되고, 상기 다채널 플랫 튜브(2)의 폭 방향을 따라서 냉각수/냉각제 흐름의 순환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압 냉매 열 교환기(1).
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다채널 플랫 튜브(2)들은 자신들의 길이를 따라서 굽힘 가공으로 파형부, 곡류부, 사다리꼴부 또는 주름부로 성형되는 것을 특징으로 하는 고압 냉매 열 교환기(1).
5. 삭제
6. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다채널 플랫 튜브(2)들은 자신들의 길이를 따라서 0°와 90° 사이의 휨각을 보유하는 것을 특징으로 하는 고압 냉매 열 교환기(1).
7. 삭제
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다채널 플랫 튜브(2)들은 1㎜와 10㎜ 사이의 휨 높이를 보유하는 것을 특징으로 하는 고압 냉매 열 교환기(1).
9. 제8항에 있어서, 상기 다채널 플랫 튜브(2)들은 1㎜와 4㎜ 사이의 휨 높이를 보유하는 것을 특징으로 하는 고압 냉매 열 교환기(1).
10. 제4항에 있어서, 냉각수/냉각제 유동 방향(11)으로 연이어서 배치되는 다채널 플랫 튜브(2)들의 만곡부들, 파형부들 또는 주름부들은 상호 간에 오프셋 되어 배치되는 것을 특징으로 하는 고압 냉매 열 교환기(1).
11. 삭제
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분리 벽부들은 상기 고압 냉매 열 교환기(1) 내에 상기 튜브들의 길이 방향에 수평으로 배치되어 상기 튜브들의 길이 방향에 수직인 직교 대향류를 위한 유동 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 고압 냉매 열 교환기(1).
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분리 벽부들은 상기 고압 냉매 열 교환기(1) 내에 상기 튜브들의 길이 방향에 수직으로 배치되어 상기 튜브들의 길이 방향에 수평인 직교 대향류를 위한 유동 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 고압 냉매 열 교환기(1).
14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하우징(3)은 알루미늄 또는 플라스틱으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고압 냉매 열 교환기(1).
15. 삭제

Images