KR20020035687A - 열교환사이클용 팽창장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환사이클용 팽창장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 모세관(10)이나 숏튜브(6)와 같은 팽창부를 통과하여 유동되는 냉매의 유동을 환상류로 만들어 주기 위해 상기 팽창부의 후단에 유동안내구(20)를 설치하고 있다. 상기 유동안내구(20)는 몸체(21)의 선단(23)이 유선형으로 된 원통형으로 설치되는 모세관(10)의 내부나 입구파이프(7')의 내부의 소정 위치에 스토퍼(12)에 의해 고정된다. 그리고 상기 몸체(21)의 외주면에는 그 길이방향으로 다수개의 구획날개(24)가 길게 형성되어 유동안내구(20)와 모세관(10) 및 입구파이프(7')의 내면과의 사이에 형성되는 유로를 구획하게 된다. 이와 같은 본 발명에 의하면 팽창부에서 팽창된 후 유동되는 냉매의 흐름이 환상류로 되어 이상소음의 발생이 줄어들고 증발기(7)에서의 열교환작용이 보다 원활하게 일어나게 되는 이점이 있다.

Description

열교환사이클용 팽창장치{An expansion valve of heat exchange cycle}

본 발명은 열교환사이클에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열교환사이클을 구성하는 팽창장치에 관한 것이다.

열교환사이클은 소정 공간과 그 주변과의 사이에서 열을 이동시켜, 상기 소정 공간을 원하는 온도로 유지시켜 주도록 하는 것으로 그 구성의 예가 도 1a 및 1b에 도시되어 있다. 본 명세서에서는 냉동사이클을 예로 들어 설명한다.

먼저, 도 1a에 도시된 열교환사이클의 구성을 살펴본다. 열교환사이클은 크게 압축기(1), 응축기(3), 모세관(5)(Capillary Tube) 및 증발기(7)로 구성된다.

상기 압축기(1)는 증발기(7)에서 기화된 냉매를 흡입하여 증발기(7) 내의 압력을 저압으로 유지시키고, 흡입된 냉매는 압축하여 고온 고압의 기체상태로 상기 응축기(3)로 밀어낸다.

상기 응축기(3)는 압축기(1)로부터 전달된 고온 고압의 기체상태의 냉매와 외부공기 사이에서 열교환이 일어나도록 하여 냉매로부터 외부공기로 열을 방출하게 된다. 이때 상기 냉매는 액화된다. 이때 상기 응축기(3)에서 외부로 전달되는열은 증발기(1)에서 흡수한 열과 압축과정에서 생긴 열의 합과 같다.

상기 모세관(5)은 응축기(3)와 증발기(7)의 사이에 연결되며, 응축기(3)에서 액화된 고압의 액냉매를 감압하여 증발기(7)에서 증발하기 쉬운 상태로 조정하고 일정한 비율로 냉매가 흐르도록 한다.

상기 증발기(7)는 상기 모세관(5)을 통해온 상대적으로 저온 저압의 냉매가 공기조화를 위한 공간의 공기와 열교환하도록 한다. 이와 같이 하여 실내 공기로부터 열을 빼앗은 상기 냉매는 기화된다.

도면 부호 2,2'는 압축기(1)의 입출구에 설치된 소음기이다.

한편, 도 1b에는 다른 종래 기술에 의한 열교환사이클이 도시되어 있다. 여기에 도시된 열교환사이클에서는 상기 모세관(5) 대신에 팽창장치로서 숏튜브(6)를 사용하고 있다. 이와 같은 숏튜브(6)의 구성은 도 2a 및 2b에 잘 도시되어 있다.

이에 도시된 바에 따르면, 응축기의 출구파이프(3')와 증발기(7)의 입구파이프(7')를 연결하도록 숏튜브(6)가 형성되는데, 상기 출구파이프(3')와 입구파이프(7')에 동시에 튜브몸체(6b)가 삽입된다. 상기 튜프몸체(6b)는 상기 파이프(3',7')와 용접되어 체결된다.

이와 같은 튜브몸체(6b)의 중앙을 길이방향으로 관통하여서는 통홀(6h)이 형성되어 있어, 상기 출구파이프(3')와 입구파이프(7')를 서로 연통시키게 된다. 이때, 상기 통홀(6h)의 직경은 상기 출구파이프(3') 및 입구파이프(7')의 직경에 비해 상대적으로 매우 작다. 도면 부호 6s는 스토퍼이다.

상기 숏튜브(6)는 상기 모세관(5)과 같이 상기 응축기(3)에서 전달되는 고압의 액냉매를 감압하여 증발기에서 증발하기 쉬운 형태로 조정하고 일정한 비율로 냉매가 흐르도록 하는 역할을 한다.

그러나 상기한 바와 같은 종래 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

상기 모세관(5)이나 숏튜브(6)에서 냉매의 팽창이 이루어질 때, 냉매가 분사되면서 도 3에 도시된 그래프에서와 같이 냉매유동음이 발생하면서, 이것이 사용자들에게 이상소음으로 작용하게 된다. 이를 해결하기 위해 압축기(1)의 입구와 출구측에 각각 소음기(2,2')를 달아주기도 하나, 이상유동(two-phase flow)의 경우에는 효과가 적다.

왜냐하면 대부분의 소음기(2,2')는 가스유동에 대해 적용되는 것이고, 팽창장치의 출구에서는 냉매의 건도가 0.2에서 0.3에 이르는 이상유동(two-phase flow)이기 때문이다. 이와 같은 경우에는 냉매유동이 아주 복잡하고 냉매의 음속도 냉매건도 및 보이드율(Void Fraction)에 따라 변화하기 때문이다. 특히 냉매의 음속은 도 4에 도시된 바와 같은 냉매유동의 형태에 따라 좌우되는 보이드율에 영향을 받으며, 특히 보이드율이 작은 슬러그유동(Slug Flow)시에 냉매음이 많이 발생된다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 두가지의 상이 혼재하여 유동되는 유체의 흐름시 발생하는 소음을 최소화하는 것이다.

도 1a는 종래 기술에 의한 열교환사이클용의 구성을 보인 구성도.

도 1b는 다른 종래 기술에 의한 열교환사이클의 구성을 보인 구성도.

도 2a는 도 1b에 도시된 숏튜브의 구성을 보인 종단면도.

도 2b는 도 1b에 도시된 숏튜브의 구성을 보인 횡단면도.

도 3은 음속과 보이드율사이의 관계를 보인 그래프

도 4는 파이프 내에서의 유체유동의 종류를 보인 설명도.

도 5는 본 발명에 의한 열교환사이클용 팽창장치의 일실시예의 구성을 보인 단면도.

도 6은 본 발명에 의한 열교환사이클용 팽창장치의 다른 실시예의 구성을 보인 단면도.

도 7a는 본 발명을 구성하는 유동안내구의 구성을 보인 단면도.

도 7b는 본 발명의 다른 실시예를 구성하는 숏파이프의 단면도.

도 8a,8b는 열교환사이클에서의 냉매음을 보인 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 압축기2,2': 소음기

3: 응축기5: 모세관

6: 숏튜브7: 증발기

10: 모세관12: 스토퍼

20: 유동안내구21: 몸체

23: 선단24: 구획날개

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 고압의 작동유체를 팽창시켜 저압으로 만들어주는 팽창부와, 상기 팽창부에서 팽창되어 나오는 작동유체의 흐름상에 위치되어 작동유체의 유동을 환상류(Annular Flow)로 만들어주는 유동안내구를 포함하여 구성된다.

상기 팽창부는 모세관이나 숏튜브중 어느 하나일 수 있다.

상기 유동안내구는 상기 팽창부를 통과하여 온 냉매가 유동되는 유동관 내에 설치되는 것으로 그 선단이 유선형으로 형성되고, 그 외주면과 유동관의 내면과의 사이에 소정의 간격이 형성되며, 외주면에 냉매의 유동방향으로 길게 구획날개가 다수개 구비된다.

상기 유동안내구는 상기 유동관에 형성된 스토퍼에 의해 유동관 내의 위치가 결정된다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면 열교환사이클에서 작동유체가 두개의 상을 가지고 유동될 때 팽창하면서 발생하는 유동소음을 최소화할 수 있고 이후의 냉매의 흐름이 환상류로 되어 증발기에서의 열교환이 보다 효율적으로 이루어지게 되는 이점이 있다.

이하 상기한 바와 같은 본 발명에 의한 열교환사이클용 팽창장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 종래 기술의 것과 동일한 것은 동일 부호를 부여하여 설명한다.

먼저, 도 5에는 본 발명의 일실시예가 도시되어 있다. 이에 도시된 바에 따르면, 응축기(3)의 출구파이프(3')와 증발기(7)의 입구파이프(7')의 사이에 모세관(10)이 연결되어 있다. 상기 모세관(10)은 상기 출구파이프(3')의 직경에 비해 상대적으로 큰 직경으로 형성된다.

상기 모세관(10)의 하류부에는 유동안내구(20)가 설치된다. 상기 유동안내구(20)의 구조를 살펴보면, 몸체(21)는 대략 원통형으로 형성되는 것으로 상기 모세관(10)의 직경보다 작은 직경을 가져 모세관(10)의 내면과 유동안내구(20)의 외면 사이에는 소정의 틈새가 형성된다. 그리고, 이와 같은 틈새로 냉매가 유동되는 것이다. 상기 몸체(21)의 선단(23)은 유선형으로 형성되어 상기 모세관(10) 내에서 유동되는 냉매의 유동을 방해하지 않게 된다.

그리고 상기 몸체(21)에는 구획날개(24)가 다수개 형성된다. 상기 구획날개(24)는 몸체(21)의 선단에서 후단을 향해 길게 형성된다. 이와 같은 상기 구획날개(24)의 높이는 상기 유동안내구(20)가 상기 모세관(10)과 동심으로 설치될 때 형성되는 상기 몸체(21)와 모세관(10) 사이의 틈새와 대략 동일하게 형성된다. 따라서 상기 구획날개(24)는 상기 모세관(10)의 내경면과 몸체(21)의 외경면 사이의 간격이 전체적으로 동일하게 유지하는 역할을 한다. 이와 같은 구획날개(24)는 상기 몸체(21)의 외주면을 둘러 소정 각도 간격으로 다수개가 형성된다.

한편, 상기 유동안내구(20)가 상기 모세관(10) 내에서 고정되어 있도록 하기 위해서 상기 모세관(10)의 내부에는 다수개의 스토퍼(12)가 형성된다. 상기 스토퍼(12)는 상기 유동안내구(20)의 선단(23)과 후단에 대응되는 모세관(10)의 내벽을 둘러 다수개가 일정 간격으로 형성된다.

다음으로 도 6에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에서는 이는 상기 입구파이프(3')와 출구파이프(7')사이에 형성된 숏튜브(6)를 지난 출구파이프(7') 내에 유동안내구(20)가 설치된다. 이와 같은 유동안내구(20)는 그 형상이 위에서 설명된 일실시예와 동일한 것이고, 상기 입구파이프(7')의 내부에 형성된 스토퍼(12)에 의해 소정 위치에 고정된다.

이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명 실시예들의 작용을 설명하기로 한다.

본 발명에서는 고압의 냉매를 팽창시키는 팽창부, 즉 모세관(10)이나 숏튜브(6)의 후단에 팽창된 냉매의 유동을 안내하는 유동안내구(20)를 설치한 것이다.

이와 같은 유동안내구(20)는 팽창되어 유동되는 냉매의 흐름상에 위치되어 상기 냉매의 흐름을 환상류(Annular Flow)로 만들어 주는 것이다. 즉, 상기 모세관(10)이나 숏튜브(6)를 통과하면서 냉매는 팽창되어 상대적으로 저압으로 된다. 그리고 상기 저압으로 된 냉매는 상기 유동안내구(20)에 의해 안내되면서 유동된다. 다시 말해 상기 유동안내구(20)의 표면과 모세관(10)이나 입구파이프(7')의 사이에 형성되는 환형유로를 통과하게 된다. 한편, 상기 냉매는 상기 구획날개(24)에 의해 구획된 다수개의 유로를 따라 유동된다. 이와 같이 상기 유동안내구(20)를 따라 냉매가 유동되면 상기 증발기로 전달되는 냉매의 흐름이 환상류로 되는 것이다.

따라서 상기 팽창부를 통과한 냉매의 흐름이 환상류로 됨에 의해 서로 다른 상이 혼재되어 있는 냉매가 팽창되면서 발생될 수 있는 이상소음이 크게 줄어들게 된다.

이와 같은 사실은 도 8a 및 도 8b에 도시된 그래프에서도 알 수 있다. 즉 종래의 팽창장치를 통과하여 유동되는 냉매에서 발생되는 냉매음은 하모닉(Harmonics)주파수 성분을 가지는 냉매의 흐름에 의해 발생하는 것으로 도 8a에서와 같이 이상소음이다. 하지만 도 8b에 도시된 바와 같이 본 발명의 유동안내구(20)에 의해 냉매의 흐름이 환상류로 되는 경우에는 이상소음이 제거된 아주 안정적인 냉매음이 발생한다.

위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 의한 열교환사이클용 팽창장치에서는 고압에서 저압으로 급격하게 팽창되는 냉매의 흐름을 안내하기 위해 팽창부의 후단에 유동안내구를 설치하였다. 따라서 상기 유동안내구에 의해서 팽창되어 유동되는 냉매의 흐름이 환상류로 되면서 서로 다른 상이 혼재되어 유동되는 냉매의 흐름에서 이상소음이 제거되는 효과가 있다.

그리고 냉매의 흐름이 환상류로 되면서 증발기에서의 증발이 보다 원활하게 일어나게 되어 증발기의 증발효율이 좋아져 열교환효율이 향상되는 효과도 기대할 수 있다.

또한 유동안내구가 팽창장치에 일체로 되어 있어 분리형 공기조화기의 모세관을 대신할 수 있으므로 제품제조 작업성이 향상되고 다실 분리형에서 사용시 제품 내의 작업공간부족문제가 해결되는 효과도 있다.

Claims (4)

1. 고압의 작동유체를 팽창시켜 저압으로 만들어주는 팽창부와,

   상기 팽창부에서 팽창되어 나오는 작동유체의 흐름상에 위치되어 작동유체의 유동을 환상류(Annular Flow)로 만들어주는 유동안내구를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 열교환사이클용 팽창장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 팽창부는 모세관이나 숏튜브중 어느 하나임을 특징으로 하는 열교환사이클용 팽창장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 유동안내구는 상기 팽창부를 통과하여 온 냉매가 유동되는 유동관 내에 설치되는 것으로 그 선단이 유선형으로 형성되고, 그 외주면과 유동관의 내면과의 사이에 소정의 간격이 형성되며, 외주면에 냉매의 유동방향으로 길게 구획날개가 다수개 구비됨을 특징으로 하는 열교환사이클용 팽창장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 유동안내구는 상기 유동관에 형성된 스토퍼에 의해 유동관 내의 위치가 결정됨을 특징으로 하는 열교환사이클용 팽창장치.