KR20020004531A - 세경관형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세경관형 열교환기에 관한 것으로서, 특히 내부에 냉매가 흐르는 냉매관과, 상기 냉매관에 결합되어 냉매와 공기 사이의 열교환 면적을 확보하는 다수의 냉각핀으로 구성되고, 상기 냉매관은 5㎜이하의 관경을 갖는 세경관과 그루브를 가공하지 않아 내주면이 매끄러운 나관(Smooth tube)이 복합된 형태로 형성된 세경관형 열교환기를 제공함으로써 상기 냉매관에 그루브관을 사용하지 않고도 우수한 열전달 성능을 얻을 수 있게 되므로 열교환기의 제조공정에서 그루브 가공공정이 삭제되어 냉매관의 제작이 간단해지고 제작시간이 단축되며 제조비가 절감되도록 한 것이다.

Description

세경관형 열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 세경관형 열교환기에 관한 것으로서, 특히 세경관과 그루브를 가공하지 않아 내주면이 매끄러운 나관(Smooth tube)이 서로 복합된 형태로 냉매관을 구성하는 세경관형 열교환기에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 열교환기의 구조가 도시된 구성도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 열교환기에 사용되는 냉매관의 구조가 도시된 구성도이며, 도 3은 종래 기술에 의한 냉매관의 그루브 단면 구조가 도시된 단면도이다.

상기한 도 1을 참조하면, 일반적인 열교환기는 내부에 냉매가 흐르는 냉매관(1)과, 상기 냉매관(1)에 확관에 의해 결합되어 냉매와 공기 사이의 열교환 면적을 확보하는 다수의 냉각핀(3)으로 구성되어 상기 냉매관(1)을 흐르는 냉매와 주변의 공기를 서로 열교환시키도록 되어 있다.

여기서, 상기 냉매관(1) 및 냉각핀(3)의 조립체는 통상 도 1과 같이, 두 개가 2열 형태로 조립되어 일체로 된 하나의 열교환기처럼 사용되고 있다.

특히, 종래의 열교환기에 사용되는 냉매관(1)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 7㎜ 또는 9㎜의 관경을 갖고 그 내주면에 그루브(5)가 형성된 그루브관으로 이루어져 있다.

상기와 같이 냉매관(1)이 그루브관으로 이루어진 종래의 열교환기에서는, 상기 그루브(5)에 의해 냉매관(1) 내부의 열전달 면적이 증가되는 동시에 온도경계층이 교란되어 상기 냉매관(1)과 공기 사이의 열전달 성능이 향상되게 된다.

이때, 상기한 열교환기가 증발용으로 사용되는 경우에는 액상의 냉매와 관벽면이 접촉하는 면적이 넓을수록 상기 냉매와 공기 사이의 열전달이 촉진되므로 상기 그루브(5)에 의해 냉매관(1)의 관내 면적이 최대화되도록 그루브(5)의 개수와 스파이럴 각도를 설계하여 상기 그루브(5)의 형상을 증발용 열교환기에 적합한 형태로 최적화한다.

또한, 상기한 열교환기가 응축용으로 사용되는 경우에는 증기상의 냉매가 관벽면과 접촉하는 면적이 넓을수록 공기로의 열전달이 촉진되므로 상기 냉매관(1)을 통과하면서 응축된 액상의 냉매가 상기 그루브(5)를 따라 신속히 제거되어 보다 많은 냉매관(1)의 관벽면이 증기상의 냉매에 노출되도록 그루브(5)의 형상을 응축용 열교환기에 적합한 형태로 최적화하여 설계한다.

그러나, 상기와 같은 종래의 열교환기는 냉매관(1)을 그루브관으로 제작하기 위해서 나관에 강선을 갖는 플러스를 삽입한 후 인발하는 방식으로 상기 냉매관(1)의 내주면에 그루브(5)를 형성하여야 하기 때문에 냉매관(1)에 그루브(5)를 가공하기 위한 별도의 가공작업이 필요함은 물론 그 가공작업이 매우 어려운 문제점이 있었다.

뿐만 아니라, 상기한 종래의 열교환기는 그루브관의 인발속도가 일반적으로 그루브(5)가 없는 나관의 인발속도에 비해 약 1/10이하로 떨어지기 때문에 상기 냉매관(1)을 그루브관으로 가공하는데 소요되는 시간이 길어져 생산성이 저하되고, 이에 따라 제조비가 상승되어 가격경쟁력이 약화되는 문제점이 있었다.

하지만, 지금까지는 상기 냉매관(1)에 7㎜ 또는 9㎜의 관경을 갖는 관을 사용하여 왔기 때문에 냉매관(1)이 그루브관인 경우와 그루브관이 아닌 경우 사이의 열전달계수 차이가 너무 커서 가공의 어려움 및 원가상승과 같은 그루브관의 적용으로 인한 문제점에도 불구하고 그냥 그루브관을 사용하여 왔다.

따라서, 상기 냉매관(1)에 그루브관이 아닌 나관을 이용하면서도 상기한 그루브관을 사용할 때와 같은 정도의 열전달 성능을 얻을 수 있는 구조의 열교환기를 개발할 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 냉매관을 세경관과 나관(Smooth tube)이 복합된 형태로 형성하여 상기 냉매관으로 그루브관을 사용하지 않고도 우수한 열전달 성능을 얻을 수 있게 됨으로써 열교환기의 제조공정에서 그루브 가공공정이 삭제되어 냉매관의 제작이 간단해지고 제작시간이 단축되며 제조비가 절감되도록 하는 세경관형 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 열교환기의 구조가 도시된 구성도,

도 2는 종래 기술에 따른 열교환기에 사용되는 냉매관의 구조가 도시된 구성도,

도 3은 종래 기술에 의한 냉매관의 그루브 단면 구조가 도시된 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 세경관형 열교환기에 사용되는 냉매관의 구조가 도시된 구성도,

도 5는 본 발명에 의한 냉매관의 열전달 성능을 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

51 : 냉매관

(a) : 9㎜의 관경을 갖는 나관의 열전달계수가 도시된 그래프

(b) : 7㎜의 관경을 갖는 나관의 열전달계수가 도시된 그래프

(c) : 7㎜의 관경을 갖는 그루브관의 열전달계수가 도시된 그래프

(d) : 9㎜의 관경을 갖는 그루브관의 열전달계수가 도시된 그래프

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 세경관형 열교환기는, 내부에 냉매가 흐르는 냉매관과, 상기 냉매관에 결합되어 냉매와 공기 사이의 열교환 면적을 확보하는 다수의 냉각핀으로 구성된 열교환기에 있어서, 상기 냉매관은 5㎜이하의 관경을 갖는 세경관과 그루브를 가공하지 않아 내주면이 매끄러운 나관(Smoothtube)이 복합된 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 세경관형 열교환기에 사용되는 냉매관의 구조가 도시된 구성도이고, 도 5는 본 발명에 의한 냉매관의 열전달 성능을 설명하기 위한 도면이다.

상기한 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 세경관형 열교환기는 내부에 냉매가 흐르는 냉매관(51)과, 상기 냉매관(51)에 확관에 의해 결합되어 냉매와 공기 사이의 열교환 면적을 확보하는 다수의 냉각핀(미도시)으로 구성된 것으로서, 상기 냉매관(51)은 5㎜이하의 관경을 갖는 세경관과 그루브를 가공하지 않아 내주면이 매끄러운 나관이 복합된 형태로 형성된다.

상기와 같이 세경관과 나관이 복합된 형태로 냉매관(51)이 형성된 본 발명에 의한 세경관형 열교환기는, 같은 관경의 그루브관을 적용한 열교환기와 비교할 때, 열전달계수의 차이가 거의 없을 뿐만 아니라 상기 냉매관(51) 내부의 압력손실이 대폭 감소되어 상기한 그루브관을 적용한 열교환기보다 우수한 열전달 성능을 얻을 수 있게 된다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의한 냉매관(51)의 열전달 성능에 대하여 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 이때, 상기한 도 5는 7㎜의 관경을 갖는 나관과 그루브관, 그리고 9㎜의 관경을 갖는 나관과 그루브관을 각각 동일한 질량유속 하에서 실험하여 각 관의 증발 열전달계수를 측정한 결과가 도시된 도면이다.

즉, 도 5의 (a)는 9㎜의 관경을 갖는 나관의 열전달계수가 도시된 그래프이고, (b)는 7㎜의 관경을 갖는 나관의 열전달계수가 도시된 그래프이다. 또한, 도 5의 (c)는 7㎜의 관경을 갖는 그루브관의 열전달계수가 도시된 그래프이고, (d)는 9㎜의 관경을 갖는 그루브관의 열전달계수가 도시된 그래프이다.

상기와 같이 각각의 열전달계수를 측정한 결과가 도시된 도 5를 살펴보면, 각 관들의 열전달계수는 냉매의 건도가 증가할수록 계속 증가함을 알 수 있다. 이렇게 각 관의 열전달계수가 냉매의 건도에 비례하여 증가하는 것은 냉매의 건도가 증가할수록 관벽에 형성되는 냉매의 액막 두께가 감소되고 기체상태의 냉매가 증가하여 상기한 액막의 유동속도도 빨라지기 때문이다.

또한, 상기한 도 5를 살펴보면, 9㎜의 관경을 갖는 경우에는 나관과 그루브관의 열전달계수가 크게 차이나지만 7㎜의 관경을 갖는 경우에는 나관과 그루브관의 열전달계수의 차이가 대폭 감소됨을 알 수 있다.

이와 같은 측정결과로부터, 냉매관(51)이 세경관화되어 그 관경이 작아지면 그루브를 통한 열전달 증가의 효과는 감소한다는 결론을 도출할 수 있게 된다.

즉, 상기 냉매관(51)의 관경이 1/2로 감소되면 관단면적은 1/4로 줄어드는 반면에 원주는 1/2로 줄어들고 동일 질량유속을 유지하기 위한 질량유량은 1/4로 줄어들게 되는데, 냉매의 액막은 냉매관(51)의 원주를 따라 형성되므로 1/4로 감소한 질량유량에 의해 1/2로 감소한 원주 상에 액막이 형성되면 상기한 액막의 두께가 감소하게 된다.

따라서, 상기 냉매관(51)의 관경이 작아질수록 냉매관(51)의 내주면에 형성가능한 그루브의 개수는 줄어들고 액막의 두께는 감소하게 되므로 나관과 그루브관 사이의 열전달계수 차이는 감소된다.

결과적으로, 상기 냉매관(51)에 세경관과 나관이 복합된 형태를 사용하면 동일한 관경의 그루브관과 비교할 때 열전달계수의 차이가 거의 없을 뿐만 아니라, 열교환기의 가격저감, 소형화, 대체 냉매에 대한 대응 등과 같은 냉매관(51)의 세경관화로 인한 장점들을 모두 살릴 수 있게 되고, 그루브관에 비해 관내의 압력손실이 감소되어 시스템의 구성시 분지수를 줄일 수 있는 동시에 열교환기의 냉매측 압력손실도 저감되게 되므로 그루브관을 사용하는 경우보다 오히려 열전달 성능이 향상되게 된다.

상기와 같이 구성되고 동작되는 본 발명에 따른 세경관형 열교환기는, 냉매관을 세경관과 나관이 복합된 형태로 형성하여 상기 냉매관으로 그루브관을 사용하지 않고도 우수한 열전달 성능을 얻을 수 있게 되므로 열교환기의 제조공정에서 그루브 가공공정이 삭제되어 냉매관의 제작이 간단해지고 제작시간이 단축되며 제조비가 절감되는 이점이 있다.

즉, 본 발명은 냉매관의 제작이 단순화되고 제조비가 절감되어 생산성이 향상되는 동시에 가격 저감이 가능하게 되어 가격경쟁력이 향상되는 이점이 있다.

Claims (1)

1. 내부에 냉매가 흐르는 냉매관과, 상기 냉매관에 결합되어 냉매와 공기 사이의 열교환 면적을 확보하는 다수의 냉각핀으로 구성된 열교환기에 있어서,

   상기 냉매관은 5㎜이하의 관경을 갖는 세경관과 그루브를 가공하지 않아 내주면이 매끄러운 나관(Smooth tube)이 복합된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 세경관형 열교환기.