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KR20070091218A - 헤더 내에 천공 플레이트를 갖는 열교환기 - Google Patents

헤더 내에 천공 플레이트를 갖는 열교환기 Download PDF

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KR20070091218A
KR20070091218A KR1020077017216A KR20077017216A KR20070091218A KR 20070091218 A KR20070091218 A KR 20070091218A KR 1020077017216 A KR1020077017216 A KR 1020077017216A KR 20077017216 A KR20077017216 A KR 20077017216A KR 20070091218 A KR20070091218 A KR 20070091218A
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KR
South Korea
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heat exchange
heat exchanger
header
channel
chamber
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KR1020077017216A
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English (en)
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믹하일 비. 고르보노브
이고르 비. 바이스만
파메쉬 베르마
모쉔 파자드
마크 에이. 다니엘스
요셉 비. 위속키
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캐리어 코포레이션
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Abstract

열교환기는 유입구 헤더, 유출구 헤더 및 그 사이에 연장하는 복수의 편평한 멀티 채널 열교환기 튜브를 포함한다. 종방향 연장 부재는 헤더의 내부를 유체를 수용하기 위한 그 일측면 상의 제1 챔버와 그 타측면 상의 제2 챔버로 나눈다. 복수의 멀티 채널 열교환 튜브는 헤더들 사이에 연장하고, 열교환 튜브 각각의 유입구 단부 각각은 유입구 헤더의 제2 챔버 내로 지나간다. 유체는 멀티 채널 열교환 튜브의 채널에 대한 유입구로의 분배를 위해 종방향 연장 부재 내의 일련의 종방향 이격 개구들을 통과한다. 유체는 개구들을 통과할 때 팽창을 겪을 수 있다.
열교환기, 유입구 헤더, 유출구 헤더, 멀티 채널 열교환 튜브, 종방향 이격 개구

Description

헤더 내에 천공 플레이트를 갖는 열교환기 {HEAT EXCHANGER WITH PERFORATED PLATE IN HEADER}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은, 포트 내의 인서트의 형태로 제한부를 이용하는 유체 팽창에 의한 미니 채널 열교환기(MINI-CHANNEL HEAT EXCHANGER WITH FLUID EXPANSION USING RESTRICTIONS IN THE FORM OF INSERTS IN THE PORTS)라는 제목으로, 2005년 2월 2일에 출원된 미국 가출원 번호 제60/649,434호를 우선권으로 주장하고, 이 출원은 본 명세서에 그 전체 내용이 참조된다.
본 발명은 일반적으로 제1 헤더와 제2 헤더 사이에서 연장되는, 복수의 평행 튜브들을 갖는 냉매 증기 압축 시스템 열교환기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열교환기의 평행 튜브들을 통한 2상의 냉매 유동의 분배를 개선하기 위해 유입구 헤더 내에서의 냉매의 팽창을 제공하는 냉매 증기 압축 시스템 열교환기에 관한 것이다.
냉매 증기 압축 시스템은 당업계에 공지되어 있다. 냉매 증기 압축 사이클을 채용하는 공조기 및 열 펌프는 통상 거주지, 오피스 빌딩, 병원, 학교, 식당 또는 다른 시설 내의 실내 온도 조절된 안락 구역에 공급된 공기의 냉각 또는 냉각/ 가열에 사용된다. 또한, 냉매 증기 압축 시스템은 통상 슈퍼마켓, 편의점, 식품점, 카페테리아, 식당 및 다른 푸드 서비스 시설 내의 디스플레이 상자를 갖는 푸드 품목 및 음료 제품을 위한 냉장 환경을 제공하기 위해서, 냉각 공기 또는 물 또는 글리콜 용매와 같은 다른 2차 매체에 사용된다.
종래에는, 이들 냉매 증기 압축 시스템들은 냉매 유동 연통에 연결된 압축기, 응축기, 팽창 디바이스 및 증발기를 포함한다. 상기한 기본적인 냉매 시스템 구성 요소들은 폐쇄된 냉매 회로 내에서 냉매 라인에 의해 상호 연결되고, 채용된 증기 압축 사이클에 따라 배열된다. 팽창 디바이스, 통상 오리피스 또는 모세관과 같은 팽창 밸브 또는 고정식 보어 측정 디바이스는 증발기의 냉매 유동에 대해 상류의 그리고 응축기 하류의 냉매 회로에서의 위치에서 냉매 라인에 배치된다. 팽창 디바이스는 낮은 압력 및 온도로 응축기에서 증발기로 진행되는 냉매 라인을 통과하는 액체 냉매를 팽창시키도록 작동된다. 그렇게 함으로써, 팽창 디바이스를 횡단하는 액체 냉매의 일부가 증발하도록 팽창된다. 결과적으로, 이런 유형의 종래 냉매 증기 압축 시스템에서, 증발기로 진입하는 냉매 유동은 2상의 혼합물로 구성된다. 액체 냉매 및 증기 냉매의 특정 비율은 채용된 특정 팽창 디바이스 및 사용 냉매, 예를 들어 R12, R22, R134a, R404A, R410A, R407C, R717, R744 또는 다른 압축 유체에 따른다.
일부 냉매 증기 압축 시스템에 있어서, 증발기는 평행 튜브 열교환기이다. 이런 열교환기는 유입구 헤더와 유출구 헤더 사이에서 평행한 관계로 연장하는 복수의 튜브들에 의해 제공된 복수의 평행 냉매 관통 유로들을 갖는다. 유입구 헤더 는 냉매 회로로부터의 냉매 유동을 수용하고, 열교환기를 관통하는 복수의 유로들 사이에 냉매 유동을 분배시킨다. 유출구 헤더는 각 유로들을 떠나는 냉매 유동을 수집하기 위해 그리고 수집된 유동을 단일 패스 열교환기의 압축기로 되돌리기 위한 냉매 라인으로 또는 멀티 패스 열교환기의 열교환 튜브의 추가 뱅크로 다시 배향하기 위해 제공된다.
역사적으로, 이런 냉매 증기 압축 시스템에 사용된 평행 튜브 열교환기로는 통상 12.7 mm(1/2 인치), 약 9.53 mm(3/8 인치) 또는 7 mm의 직경을 갖는 둥근(round) 튜브가 사용되어 왔다. 보다 최근에는, 편평한, 통상 단면이 직사각형 또는 타원형인 멀티 채널 튜브들이 냉매 증기 압축 시스템용 열교환기로 사용되고 있다. 멀티 채널 튜브 각각은 튜브의 길이와 평행하게 종방향으로 연장되고, 채널 각각은 작은 유동 면적의 냉매 유로를 제공한다. 따라서, 열교환기의 유입구 헤더와 유출구 헤더 사이에서 평행한 관계로 연장되는 멀티 채널 튜브를 갖는 열교환기는 2개의 헤더들 사이에서 연장되는 비교적 큰 수의 작은 유동 면적의 냉매 유로들을 가질 것이다. 대조적으로, 종래의 둥근 튜브를 갖는 평행 튜브 열교환기는 유입구 헤더와 유출구 헤더 사이에서 연장되는 비교적 작은 수의 큰 유동 면적의 유로를 가질 것이다.
또한, 2상의 냉매 유동의 부적정 분배(maldistribution)로서 언급되는 비균일 분배는 열교환기 효율에 역영향을 주는 평행 튜브 열교환기에 있어서의 통상적인 문제점이다. 다른 인자들 사이에서, 2상의 부적정 분배 문제는 상류 팽창 디바이스를 횡단할 때 냉매의 팽창으로 인해 유입구 헤더에 존재하는 기상 냉매 및 액 상 냉매의 밀도 차이에 의해 유발된다.
증발식 열교환기의 평행 튜브를 통한 냉매 유동 분배를 제어하기 위한 하나의 해결책은 리파이스(Repice) 등에 의한 미국 특허 제6,502,413호에 개시되어 있다. 개시되어 있는 냉매 증기 압축 시스템에서, 응축기로부터의 고압 액체 냉매는 종래의 증발식 열교환기 유입구 헤더의 직렬 팽창 디바이스 상류에서 저압 액체 냉매로 부분적으로 팽창된다. 또한, 단순히 튜브 내부를 좁히는 것 또는 튜브 내에 내부 오리피스 플레이트를 배치하는 것과 같은 제한은, 튜브 진입 후에 저압 액체/증기 냉매 혼합물로의 팽창을 완료하기 위하여 튜브 유입구의 유입구 헤더 하류에 연결된 튜브 각각에 제공된다.
증발식 열교환기의 평행 튜브를 통한 냉매 유동 분배를 제어하기 위한 다른 해결책은 간자끼(Kanzaki) 등에 의한 일본 특허 제4,080,575호에 개시되어 있다. 개시되어 있는 냉매 증기 압축 시스템에서, 응축기로부터의 고압 액체 냉매는 또한 종래의 직렬 팽창 디바이스에서 열교환기의 분배 챔버의 저압 액체 냉매 상류로 부분적으로 팽창된다. 내부에 복수의 오리피스들을 갖는 플레이트는 챔버를 가로질러 연장된다. 저압 냉매는, 플레이트의 저압 액체/증기 혼합물 하류로 그리고 챔버로 개방되는 튜브 각각으로의 유입구의 상류로 오피리스를 통과할 때 팽창된다.
마스사끼(Massaki) 등에 의한 일본 특허 제6,241,682호에는 유입구 헤더에 연결되는 멀티 채널 튜브 각각의 유입구 단부가 튜브 유입구의 직하류의 튜브 각각에 부분적인 스로틀 제한을 형성하도록 가압 끼움되는 열 펌프용 평행 유동 튜브 열교환기가 개시되어 있다. 히로아끼(Hiroaki) 등에 의한 일본 특허 제8,233,409 호에는 튜브 각각에 균일하게 냉매를 분배시키기 위한 수단으로서 냉매 유동의 방향으로 유동 면적이 감소되는 내부를 각각 갖는, 복수의 편평한 멀티 채널 튜브들이 한 쌍의 헤더들 사이에 연결되는 평행 유동 튜브 열교환기가 개시되어 있다. 야스시(Yasushi)에 의한 일본 특허 제2002022313호에는 냉매가 헤더의 짧은 단부를 종결하기 위해 헤더의 축을 따라 연장하는 유입구 튜브를 통해 헤더에 공급되어, 유입구 튜브의 외부면과 헤더의 내측면 사이에서 유입구 튜브로부터 환형 채널 내로 통과할 때 2상 냉매 유동이 분리되지 않도록 하는 평행 튜브 열교환기가 개시되어 있다. 그곳으로부터의 2상의 냉매 유동은 환형 채널로 개방되는 튜브 각각으로 통과한다.
비교적 큰 수의 작은 유동 면적 냉매 유로들 중에서의 균일한 냉매 유동 분배를 얻는 것은, 종래의 둥근 튜브 열교환기에서보다 더 어렵고, 열교환기 효율을 상당히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일반적인 목적은 제1 헤더와 제2 헤더 사이로 연장되는 복수의 멀티 채널 튜브들을 갖는 냉매 증기 압축 시스템 열교환기 내의 냉매 유동의 부적정 분배를 감소시키는 것이다.
본 발명의 일 태양의 목적은 냉매를 멀티 채널 튜브의 어레이(array)의 개별 채널들로 균일하게 분배시키는 것이다.
본 발명의 다른 태양의 목적은 냉매 유동이 액체 냉매로서 단일 상으로 멀티 채널 튜브의 어레이의 다양한 튜브들 사이에 분배될 때까지 복수의 멀티 채널 튜브들을 갖는 냉매 증기 압축 시스템 열교환기 내의 냉매의 팽창을 지연시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 태양의 목적은 냉매 유동이 액체 냉매로서는 단일 상으로 멀티 채널 튜브의 어레이의 개별 채널로 분배될 때까지 복수의 멀티 채널 튜브를 구비하는 냉매 증기 압축 시스템 열교환기 내의 냉매의 팽창을 지연시키는 것이다.
본 발명의 일 태양에서, 열교환기는 중공 내부를 갖는 헤더와, 헤더의 내부를 일측면 상의 제1 챔버와 타측면 상의 제2 챔버로 나누는 종방향 연장 부재와, 멀티 채널 냉매 관통 유로를 각각 형성하는 복수의 열교환 튜브를 구비하여 형성된다. 채널 각각은 열교환 튜브의 유입구 단부에서 유입구를 갖는 냉매 유로를 형성한다. 튜브 각각의 유입구 단부는 헤더의 제2 챔버 내로 지나가고 종방향 연장 부재를 통해 연장하는 일련의 종방향 이격(longitudinally spaced) 개구들 중 단일 구멍 또는 횡방향 연장 구멍들의 열(row)과 병렬로 배치된다. 유체는 헤더의 제1 챔버 내로 진입하고 열교환 튜브의 다양한 채널로 분배되도록 종방향 연장 부재 내의 개구를 통과한다.
일 실시예에서, 개구들의 횡방향 연장 열 각각은 열교환 튜브의 채널당 하나의 개구를 갖는 복수의 열교환 튜브들 중 하나의 열교환 튜브의 유입구 단부와 병렬로 횡방향으로 연장한다. 구멍 각각은 열교환 튜브의 채널의 단면적에 비교하여 비교적 작은 단면적을 가질 수도 있다. 한 열의 구멍들 중 구멍 각각은 팽창 오리피스로서 기능하도록 충분히 작은 단면적을 가질 수도 있다.
실시예에서, 종방향 연장 부재는 헤더의 내부를 유체를 수용하는 그 일측면 상의 제1 챔버와 그 타측면 상의 복수의 분기 유로를 형성하는 제2 챔버로 나누어진다. 분기 유로 각각은 제1 챔버와 유동 연통하는 단일 유입구 개구와 열교환 튜브 각각의 채널 각각에 유동 연통하는 유출구 개구를 갖는다. 단일 유입구 개구는 상기 열교환 튜브의 채널 각각의 수집 단면적에 비교하여 비교적 작은 단면적을 가질 수도 있다. 단일 유입구 개구는 팽창 오리피스로서 기능하도록 충분히 작은 단면적을 가질 수도 있다.
다른 실시예에서, 복수의 멀티 채널 열교환 튜브는 열교환 튜브 쌍의 종방향으로 이격된 세트로 배열된다. 열교환 튜브 쌍의 세트 각각은 열교환 튜브 쌍의 세트의 각각의 유입구 단부 중간에 배치되는 일련의 종방향으로 이격된 개구들 중 한 세트의 개구들과 병렬로 배치된다. 개구들의 세트는 열교환 튜브 쌍의 세트의 각각의 유입구 단부 중간에 횡방향으로 연장하는 한 열의 개구들을 포함할 수도 있다. 구멍 각각은 열교환 튜브의 채널의 단면적에 비교하여 비교적 작은 단면적을 가질 수도 있다. 한 열의 구멍들에서 구멍 각각은 팽창 오리피스로서 기능하도록 충분히 작은 단면적을 가질 수도 있다.
본 발명의 이들 및 다른 목적들의 더한 이해를 위하여, 본 발명의 이하의 상세한 설명은 첨부 도면과 연관하여 읽히도록 언급될 것이다.
도1은 본 발명에 따른 열교환기의 일 실시예의 사시도이다.
도2는 도1의 열교환기의 입구 헤더 배치 및 열교환기 튜브를 도시하는 부분 단면으로 된 사시도이다.
도3은 도1의 선 3-3를 따라 절취한 정면도이다.
도4는 도1의 열교환기의 유입구 헤더 배치 및 열교환기 튜브를 또한 도시하는 도3의 선 4-4를 따라 절취한 정면도이다.
도5는 도4의 선 5-5를 따라 절취한 평면도이다.
도6은 도4의 선 6-6을 따라 절취한 평면도이다.
도7은 본 발명의 열교환기의 유입구 헤더 배치 및 열교환기 튜브의 대안적 실시예를 도시하는 정면도이다.
도8은 본 발명의 열교환기의 유입구 헤더 배치 및 열교환기 튜브의 다른 대안적 실시예를 도시하는 정면도이다.
도9는 본 발명의 열교환기의 유입구 헤더 배치 및 열교환기 튜브의 다른 대안적 실시예를 도시하는 정면도이다.
도10은 본 발명의 열교환기의 유입구 헤더 배치 및 열교환기 튜브의 다른 대안적 실시예를 도시하는 정면도이다.
도11은 본 발명의 열교환기의 유입구 헤더 배치 및 열교환기 튜브의 다른 대안적 실시예를 도시하는 정면도이다.
도12는 도1의 열교환기의 유입구 헤더 배치 및 열교환기 튜브의 추가 실시예를 도시하는 종방향 라인을 따라 절취한 정면도이다.
도13은 도1의 열교환기의 유입구 헤더 배치 및 열교환기 튜브의 다른 실시예를 도시하는 종방향 라인을 따라 절취한 정면도이다.
도14는 본 발명의 열교환기를 포함하는 냉매 증기 압축 시스템의 개략도이 다.
본 발명의 평행 튜브 열교환기(10)는, 도1에 도시된 바와 같이, 대개 멀티 채널 튜브 열교환기의 예시적인 단일 패스 평행 튜브 실시예를 참조하여 본 명세서에서 기술될 것이다. 열교환기(10)는 유입구 헤더(20), 유출구 헤더(30) 및 복수의 종방향 연장 멀티 채널 열교환기 튜브(40)를 포함한다. 본 명세서에 도시된 열교환기(10)의 예시적 실시예에서, 열교환 튜브(40)는 대체로 수평으로 연장하는 유입구 헤더(20)와 대체로 수평으로 연장하는 유출구 헤더(30) 사이에서 대체로 수직으로 연장하는 평행 관계로 배치되어 도시된다. 유입구 헤더(20)는 라인(14)으로부터의 유체를 열교환 튜브들(40) 사이에서 분배되도록 수용하기 위하여 내부 용적을 형성한다. 유출구 헤더(30)는 열교환 튜브(40)로부터 유체를 수집하고 라인(16)을 통해 그로부터 수집된 유체를 배향시키기 위한 내부 용적을 형성한다.
따라서, 복수의 종방향 연장 멀티 채널 열교환기 튜브(40)는 유입구 헤더(20)와 유출구 헤더(30) 사이의 복수의 유체 유로를 형성한다. 열교환 튜브(40) 각각은 유입구 헤더(20)의 내부 용적과 유체 유동 연통하는 유입구 단부(43)와 유출구 헤더(30)의 내부 용적과 유체 유동 연통하는 유출구 단부를 갖는다. 도1, 도2, 도3 및 도7의 실시예에서, 헤더(20, 30)는 원형 단면을 갖는 종방향 긴 중공 폐쇄 단부 실린더(longitudinally elongated, hollow, closed end cylinder)를 포함한다. 도8 및 도9의 실시예에서, 헤더는 반타원형 단면을 갖는 종방향 긴 중공 폐쇄 단부 실린더를 포함한다. 도10 및 도11의 실시예에서, 헤더는 직사각형 단면을 갖는 종방향 긴 중공 폐쇄 단부 실린더를 포함한다. 그러나, 헤더는 도시된 구성에 제한되지 않는다. 예를 들어, 어느 헤더는 타원형 단면을 갖는 종방향 긴 중공 폐쇄 단부 실린더, 또는 정사각형, 직사각형, 6각형, 8각형 또는 다른 단면을 갖는 종방향 긴 중공 폐쇄 단부 용기를 포함할 수도 있다.
열교환 튜브(40) 각각은 튜브의 길이, 예를 들어 튜브의 축을 따라 종방향으로 연장되어 튜브의 유입구와 튜브의 유출구 사이에 다수의 독립적인 평행 유로들을 제공하는 복수의 평행 유동 채널들(42)을 갖는다. 멀티 채널 열교환 튜브(40) 각각은 독립적인 유동 채널들(42)의 병렬 배열을 형성하도록 분리된 내부를 형성하는, 예를 들어 편평한 직사각형 또는 타원형 단면의 "편평(flat)" 튜브이다. 편평 멀티 채널 튜브들(40)은 12.7 mm(1/2 인치), 약 9.53 mm(3/8 인치) 또는 7 mm의 직경을 갖는 종래의 둥근 튜브와 비교하여, 예를 들어 약 50 mm 이하, 통상 12 내지 25 mm의 폭 및 약 2 mm 이하의 높이를 가질 수 있다. 튜브들(40)은 원형 단면을 갖는 유로들을 형성하는 12개의 채널들(42)을 갖는 것으로, 도시의 용이함 및 명료함을 위해 도면들에 도시되어 있다. 그러나, 예를 들어 냉매 증기 압축 시스템과 같은 상용적 응용예에서는, 멀티 채널 튜브(40) 각각이 통상 약 10개 내지 20개의 유동 채널들(42)을 구비할 것이지만, 양호하게 더 크거나 더 작은 복수의 채널들을 구비할 수도 있는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 유동 채널(42) 각각은 약 200 미크론 내지 약 3 mm의 범위에서 주연에 의해 분리된 유동 면적의 4배로서 정의된 유압 직경(hydraulic diameter)을 가질 것이다. 도면들에서 원형 단면을 가지는 것으로 도시되었지만, 채널들(42)은 직사각형, 삼각형, 사다리꼴 단면 또는 임의의 다른 소정 비원형 단면을 가질 수 있다.
이제 도2 내지 도6을 참조하면, 특히, 종방향 긴 부재(22)는 내부 용적을 부재(22)의 일측면 상의 제1 챔버(25)와 부재(22)의 타측면 상의 제2 챔버(27)로 나누기 위해서 중공 폐쇄 단부 유입구 헤더(20)의 내부 용적 내에서 배치된다. 유입구 헤더(20) 내의 제1 챔버(25)는 유입구 라인(14)으로부터 유체를 수용하도록 유체 유입구 라인(14)과 유체 유동 연통한다. 도2 내지 도6에 도시된 실시예에서, 부재(22)는 제1 챔버(25)를 면하는 플레이트(22A) 및 제2 챔버(27)를 면하는 플레이트(22B)를 갖는 헤더(20)의 길이를 연장하도록 배면 대향(back to back) 관계로 배치된 제1 종방향 긴 플레이트(22A) 및 제2 종방향 긴 플레이트(22B)를 포함한다. 제1 플레이트(22A)는 그 길이를 따라 종방향으로 이격된 간격으로 플레이트를 횡방향으로 가로질러 연장하는 비교적 작은 직경의 구멍(21)들의 일련의 열들에 의해 천공되어 있다. 제2 플레이트(22B)는 그 길이를 따라 종방향으로 이격된 간격으로 내부에 형성된 일련의 횡방향 연장 슬롯들(28)을 구비한다. 개구들(21) 및 슬롯들(28)의 열들은 플레이트(22A) 내의 개구들(21)의 열 각각이 플레이트(22B) 내의 대응 슬롯(28)과 정렬되도록 상호 배치된다. 또한, 부재(22)는 부재(22)의 대향측 상에 배치된 챔버들(25, 27) 사이의 압력을 균일화하기 위해서 관통 개방하는 다수의 비교적 큰 구멍들(23)이 형성될 수도 있다. 압력 균일화 구멍(23)은 부재(22)가 헤더(20)의 내측벽에 납땜되거나 달리 확고하게 고정된다면 형성될 필요가 없다.
열교환기(10)의 열교환 튜브(40) 각각은 튜브의 유입구 단부(43)가 유입구 헤더(20)의 제2 챔버(27) 내로 연장하면서 유입구 헤더(20)의 벽 내의 정합 슬롯(26)을 통해 삽입된다. 튜브(40) 각각은 튜브의 유입구 단부(43)가 제2 플레이트(22B) 내의 대응 슬롯(24) 내로 연장하도록 충분한 길이로 삽입된다. 각각의 튜브들(40)의 유입구 단부들(43)이 제2 플레이트(22B) 내의 대응 슬롯(24) 내로 삽입되면서, 열교환 튜브(40)의 채널(42)에 대한 마우스(41) 각각은 제1 플레이트(22A) 내의 대응 열의 개구(21)와 유체 유동 연통하여 개방되어, 튜브(40)의 유동 채널(42)이 제1 챔버(25)와 유체 유동 연통하여 연결된다. 제2 플레이트(22B)는 제자리에 튜브(40)를 유지시킬 뿐만 아니라, 냉매가 튜브(40)를 우회하는 것을 방지한다.
열교환기(10)를 위한 열교환기 튜브 및 유입구 헤더 배치에 대한 다양한 대안적 실시예들이 도7 내지 도11에서 도시되어 있다. 도7에서 도시된 실시예에서, 부재(22)는 내부 용적을 부재(22)의 일측면 상의 제1 챔버(25)와 부재(22)의 타측면 상의 제2 챔버(37)로 다시 분리한다. 이 실시예에서, 종방향 긴 부재(22)는 튜브(40)에 면하는 그 측면에 종방향으로 이격된 간격으로 내부에 형성된 복수의 대체로 V형상인 홈들(troughs, 29)을 갖는 제2 종방향 긴 부재(22B)와 배면 대향 관계로 배치된 제1 종방향 긴 플레이트(22A)를 포함한다. 플레이트(22A)는 제1 챔버(25)에 면하고, 헤더(20)의 길이를 따라 종방향으로 이격된 간격으로 정렬된 복수의 구멍들(21)을 구비한다. 구멍들(21) 중 구멍 각각은 홈들(29) 중 각각의 홈 내로 개방한다. 홈(29) 각각은 각각의 열교환 튜브(40)의 유입구 단부(43)를 수용하기 위하여 챔버(37)를 형성하고, 통로의 정점에서 구멍(21)으로부터 내부에 수용 된 각각의 열교환기 튜브(40)의 유입구 단부(43)까지 연장하는 분기 유로를 형성한다. 따라서, 열교환 튜브(40)의 채널(42)에 대한 각각의 마우스(41)는 분기 통로를 거쳐 단일 개구(21)로 유체 유동 연통하여 개방되어 있다.
도8 및 도9를 참조하면, 본 명세서에 도시된 실시예에서, 헤더(120)는 종방향 긴 폐쇄 단부 반원통형 쉘(shell, 122) 및 쉘(122)의 개방면을 덮도록 쉘(122)에 납땜되거나 달리 적합하게 고정된 캡 부재(124)의 형태로 된 2-피스 헤더이다. 반타원형 단면을 갖는 것으로 도시되었지만, 쉘(122)은 반원형, 직선형, 6각형, 8각형 또는 다른 단면을 가질 수도 있다.
도8에서 도시된 실시예에서, 캡 부재(124)는 캡 부재(124)의 두께를 통해 중도까지(part way) 연장하는 복수의 종방향 이격 횡방향 연장 슬롯들(123)을 구비하는 종방향 긴 플레이트형 부재이고, 슬롯(123) 각각은 멀티 채널 튜브들(40) 중 하나의 멀티 채널 튜브의 유입구 단부(43)를 수용하도록 구성된다. 추가적으로, 캡 부재(124)는 그 길이를 따라 종방향으로 이격된 간격으로 플레이트를 횡방향으로 가로질러 연장하는 비교적 작은 직경 구멍들(121)의 일련의 열들에 의해 천공되어 있다. 도3에서 이미 언급된 실시예와 같이, 개구들(121) 및 슬롯들(123)의 열들은 부재(124) 내의 개구들(121)의 열 각각이 부재(124) 내의 대응 슬롯(123)과 정렬되도록 상호 배치된다. 각각의 튜브(40)의 유입구 단부가 부재(124) 내의 대응 슬롯(123) 내로 삽입되면서, 열교환 튜브(40)의 채널(42)에 대한 각각의 마우스들(41)은 부재(124) 내의 개구들(121)의 대응 열과 유체 유동 연통하여 개방되어, 튜브(40)의 유동 채널(42)이 헤더(120)의 내부 챔버(125)와 유체 유동 연통하여 연 결된다.
도9에 도시된 실시예에서, 캡 부재(124)는 튜브(40)를 면하는 그 측면 상의 종방향으로 이격된 간격으로 내부에 형성된 복수의 대체로 V형상 홈을 구비하는 종방향 긴 부재를 포함한다. 홈(129) 각각은 각각의 열교환 튜브(40)의 유입구 단부(43)를 수용하기 위하여 챔버(127)를 형성하고, 통로의 정점에서 구멍(121)으로부터 내부에 수용된 각각의 열교환기 튜브(40)의 유입구 단부(43)까지 연장하는 분기 유로를 형성한다. 구멍(121) 각각은 유체 챔버(25)와 유체 유동 연통하여 개방되어 있다. 따라서, 도7에서 이미 언급된 실시예와 같이, 열교환 튜브(40) 각각의 채널(42)에 대한 각각의 마우스(41)는 분기 통로를 거쳐 단일 개구(21)로 유체 유동 연통하여 개방되어 있다.
이제 도10 및 도11을 참조하면, 헤더(220)는 종방향 긴 중공 폐쇄 단부 쉘(222)의 형태로 된 1-피스 헤더이다. 직선형 단면을 갖는 것으로 도시되었지만, 쉘(222)은 달걀형, 6각형, 8각형 또는 다른 단면을 가질 수도 있다. 쉘(222)의 벽(228)은 벽의 두께를 통해 중도까지 연장하는 복수의 종방향 이격 횡방향 연장 슬롯들(223)을 구비하고, 슬롯(223) 각각은 멀티 채널 튜브들(40) 중 하나의 멀티 채널 튜브의 유입구 단부(43)를 수용하도록 구성된다.
도10에서 도시된 실시예에서, 벽(228)은 그 길이를 따라 종방향으로 이격된 간격으로 플레이트를 횡방향으로 가로질러 연장하는 비교적 작은 직경의 구멍(221)들의 일련의 열들에 의해 천공되어 있다. 개구들(221) 및 슬롯들(228)의 열들은 개구들(21)의 열 각각이 벽(228) 내의 대응 슬롯(223)과 정렬되도록 상호 배치된 다. 그러므로, 도3 및 도8에서의 실시예와 같이, 각각의 튜브(40)의 유입구 단부(43)가 대응 슬롯(223) 내로 삽입되면서, 열교환 튜브(40)의 채널(42)에 대한 각각의 마우스들(41)은 개구들(221)의 대응 열과 유체 유동 연통하여 개방되어, 튜브(40)의 유동 채널들(42)이 헤더(220)의 내부 챔버(225)와 유체 유동 연통하여 연결된다.
도11에 도시된 실시예에서, 슬롯(223) 각각과 상응하게, 벽(228)은 대체로 V형상 홈(229)을 구비한다. 홈(129) 각각은 각각의 열교환 튜브(40)의 유입구 단부(43)를 수용하기 위하여 챔버(227)를 형성하고, 통로의 정점에서 구멍(221)으로부터 내부에 수용된 각각의 열교환기 튜브(40)의 유입구 단부(43)까지 연장하는 분기 유로를 형성한다. 구멍(221) 각각은 유체 챔버(225)와 유체 유동 연통하여 개방된다. 따라서, 도7 및 도9에서 이미 언급된 실시예와 같이, 열교환 튜브(40) 각각의 채널(42)에 대한 각각의 마우스(41)는 분기 통로를 거쳐 단일 개구(221)로 유체 유동 연통하여 개방되어 있다.
열교환기(10)를 위한 열교환기 튜브 및 유입구 헤더 배치의 추가적인 대안 실시예가 도12 및 도13에 도시되어 있다. 각각의 실시예에서, 내부 용적을 플레이트(22)의 일측면 상의 제1 챔버(25)와 플레이트(22)의 타측면 상의 제2 챔버(27)로 분리하기 위해서 중공 폐쇄 단부 유입구 헤더(20)의 내부 용적 내에 배치되는, 종방향 긴 플레이트(22)는 그 길이를 따라 종방향으로 이격된 간격으로 연장하는 복수의 구멍들(21)의 일련의 열들에 의해 천공되어 있다. 열교환기(10)의 열교환 튜브(40) 각각은 튜브의 유입구 단부(43)가 유입구 헤더(20)의 제2 챔버(27) 내로 연 장하면서 유입구 헤더(20)의 벽 내의 정합 슬롯을 통해 삽입된다. 이들 실시예에서, 구멍들(21)의 열들은 구멍들(21)의 한 열이, 도1에서의 실시예와 같이, 튜브당 한 열의 구멍들보다는, 튜브들(40) 쌍의 세트 각각 사이에 위치되도록 배치된다.
도12에 도시된 실시예에서, 튜브(40) 각각의 유입구 단부(43)는 유입구 단부(43)의 면이 플레이트(22)와 접촉할 때까지 챔버(27) 내로 삽입된다. 횡방향 연장 개구(46)는 구멍들(21)의 열에 면하는 튜브들(40) 쌍의 세트 각각의 유입구 단부의 측면(48)에서 절단된다. 개구(46)는 튜브(40)의 채널(42) 각각에 측면(48) 내의 유입구를 형성한다. 유체는 구멍들(21)의 각각을 통해 헤더(20)의 챔버(25)로부터 그리고 함께 설치된 튜브들(40) 쌍의 세트의 측면(48) 내의 개구(46)를 통해 유동한다.
도13에서 도시된 실시예에서, 튜브(40) 각각의 유입구 단부(43)는 헤더(20)의 챔버(25) 내로 삽입되지만, 플레이트(22)와 접촉할 만큼 충분하지는 않다. 또한, 튜브(40) 각각의 유입구 단부(43)는 유입구 단부(43)의 면이 유입구 단부(43)의 단부면과 플레이트(22) 사이에 간극(61)을 형성하도록 플레이트(22)에 이격된 관계로 병렬로 배치되어 있다. 유체는 구멍들(21)의 열 각각을 통해 헤더(20)의 챔버(25)로부터 그리고 간극(61)을 통해 그리고 구멍들(21)의 각각의 열과 함께 설치된 튜브들 쌍의 세트의 튜브들(40)의 채널(42)의 마우스(41) 내로 유동한다. 유체가, 튜브(40)의 채널들(42)의 마우스 내로 바로 나아가기보다는, 챔버(27) 내의 어느 곳에서 유동하는 것을 방지하기 위해서, 횡방향 연장 배플들(baffles, 64)의 한 쌍이 튜브들(40)의 쌍 세트 각각에 대하여 형성된다.
도3, 도8, 도10, 도12 및 도13에서 도시된 실시예에서, 부재(22) 내의 개별 개구들(21) 각각은 개별 유동 채널(42)의 단면적에 비교하여 비교적 작은 단면적을 갖는다. 비교적 작은 단면적은 다양한 멀티 채널 튜브(40)의 유동 채널(42) 내로 개구들(21)을 통해 헤더(20) 내에서 제1 챔버(25)로부터 유동하는 유체 내의 압력 강하에서의 균일성을 제공하여, 유입구 헤더(20) 내로 개방하는 개별 튜브들(40) 사이에서 유체의 비교적 균일한 분배를 보장한다. 추가적으로, 개구들(21) 각각은, 유체가 채널(42)의 대응 마우스(41)로 진입하도록 개구들(21) 각각을 통해 유동할 때 저압 액체 및 증기 혼합물로의 고압 액체 유체의 소정 레벨의 팽창이 발생하는 것을 보장하도록 멀티 채널 튜브(40)의 개별 유동 채널(42)의 유동 면적에 대하여 충분히 작은 유동 면적을 가질 수도 있다. 예를 들어, 개구(21)의 유동 면적은 관통하는 유체의 팽창을 보장하도록 1 mm2의 공칭 내부 유동 면적을 갖는 채널들을 갖는 열교환 튜브(40)를 위해 1/10 mm(0.1 mm)의 정도일 수 있다. 물론, 당업계의 숙련자들이 인식할 수 있는 바와 같이, 팽창도는 특정 개구(21)를 통과하는 유체를 수용할 수 있는 유동 채널(42)의 유동 면적에 대하여 특정 개구(21)의 유동 면적을 선택적으로 크기 설정함으로써 조정될 수 있다.
도7, 도9 및 도11에서 도시된 실시예에서, 단일 구멍(21)은 분기 유로를 통하여 복수의 유동 채널(42)에 유동 연통하여 개방되고, 단일 개구(21)들 각각은, 다양한 멀티 채널 튜브(42)의 유동 채널(42) 내로 개구(21)를 통해 헤더(20) 내에서 유체 챔버로부터 유동하는 유체에서의 압력 강하의 균일성을 제공하기 위해서, 함께 설치된 멀티 채널 튜브(40)의 개별 유동 채널(42)의 수집 유동 면적에 대하여, 비교적 작은 유동 단면적을 가져서, 유입구 헤더(20) 내로 개방하는 개별 튜브들(40) 사이에서 유체의 비교적 균일한 분배를 보장한다. 추가적으로, 단일 개구들(21) 각각은, 유체가 그 하류의 분기 유로 내로 개구(21) 각각을 통해 유동할 때 저압 액체 및 증기 혼합물로의 고압 액체 유체의 소정 레벨의 팽창이 발생하는 것을 보장하도록 함께 설치된 멀티 채널 튜브(40)의 개별 유동 채널(42)의 유동 면적에 대하여 충분히 작은 유동 면적을 가질 수도 있다. 물론, 당업자라면 인식할 수 있는 바와 같이, 팽창도는 특정 개구(21)의 유동 면적을 선택적으로 크기 설정함으로써 조정될 수 있다.
이제 도14를 참조하면, 냉매 라인들(12, 14 및 16)에 의해 폐쇄형 루프 냉매 회로에 연결된, 압축기(60), 응축기로서 기능하는 열교환기(10A), 및 증발기로서 기능하는 열교환기(10B)를 구비하는 냉매 증기 압축 시스템(100)이 개략적으로 도시되어 있다. 종래의 냉매 증기 압축 시스템에서와 같이, 압축기(60)는 냉매 라인(12)을 통해, 그리고 응축기 팬(70)에 의해 열교환 튜브들(140) 위로 통과하는 대기와 같은 냉각 유체와 열교환 관계로 통과될 때 고온 냉매 증기가 액체로 응축되는 응축기(10A)의 열교환 튜브들(140)을 통해, 응축기(10A)의 유입구 헤더(120) 내로 고온 고압 냉매 증기를 순환시킨다. 고압 액체 냉매는 응축기(10A)의 유출구 헤더(130) 내에 수집되어, 냉매 라인(14)을 통해 증발기(10B)의 유입구 헤더(20)로 통과한다. 그런 다음, 냉매는 증발기 팬(80)에 의해 열교환 튜브들(40) 위로 통과하는 냉각되는 공기와 열교환 관계로 통과될 때 냉매가 가열되는 증발기(10B)의 열 교환 튜브들(40)을 통과한다. 냉매 증기는 증발기(10B)의 유출구 헤더(30) 내에 수집되고, 그 흡입 유입구를 통해 압축기(60)로 복귀하도록 냉매 라인(16)을 통과한다.
도14에 도시된 실시예에서, 응축된 냉매 액체는 응축기(10A)로부터 증발기(10B)로 통과할 때 냉매 라인(14)과 작동식으로 설치된 팽창 밸브(50)를 통과한다. 팽창 밸브(50)에 있어서, 고압 액체 냉매는 저압 액체 냉매 또는 액체/증기 냉매 혼합물로 부분적으로 팽창된다. 본 실시예에 있어서, 냉매의 팽창은 냉매가 열교환 튜브(40)의 유동 채널에 진입하는 상류에 비교적 작은 유동 면적 개구 또는 개구들(21, 121, 221)을 통과할 때 증발기(10B) 내에서 완료된다. 개구들(21, 121, 221)의 유동 면적이 액체가 통과할 때 팽창의 완료를 보장하기에 충분히 작을 수 없을 때, 또는 팽창 밸브가 유동 제어 디바이스로서 사용될 때, 증발기(10B)의 유입구 헤더(20)의 상류의 팽창 밸브 내의 냉매의 부분적인 팽창은 유리할 수 있다. 냉매 증기 압축 시스템의 대안적 실시예에서, 팽창 밸브(50)는 열교환기(10B) 내에서 전체로 발생하는 응축기(10A)를 통과하는 냉매의 팽창에 의해 제거될 수도 있다.
도14에 도시된 예시적인 냉매 증기 압축 사이클은 단순화된 공조 사이클이지만, 본 발명의 열교환기에는 열 펌프 사이클, 최적(economized) 사이클 및 상용으로 입수 가능한 냉매 사이클에 제한되지 않지만 포함하는 다양한 설계들의 냉매 증기 압축 시스템이 채용될 수 있음을 이해할 것이다. 추가적으로, 이들 당업자라면 본 발명의 열교환기가 이러한 냉매 증기 압축 시스템 내의 응축기 및/또는 증발기 로서 사용될 수도 있음을 인식할 것이다.
또한, 열교환기(10)의 도시된 실시예는 예시적이고 본 발명에 제한되지 않는다. 본 명세서에 기술된 발명은 열교환기(10)의 여러 가지 다른 구성들에 실행될 수도 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 열교환 튜브는 대체로 수직으로 연장하는 유입구 헤더와 대체로 수직으로 연장하는 유출구 헤더 사이에 대체로 수평으로 연장하는 평행 관계로 배치될 수도 있다. 또한, 당업자라면 본 발명의 열교환기가 도시된 단일 패스 실시예에 제한되지 않지만, 또한 다양한 단일 패스 실시예들 및 멀티 패스 실시예로 배치될 수도 있음을 인식할 것이다.
본 발명은 특별히 도면에 도시된 바와 같은 바람직한 형식을 참조하여 도시되고 서술되었지만, 청구항들에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범주를 이탈하지 않고 세부에 걸쳐 다양한 변경이 유효함을 당업계의 숙련자들은 이해할 것이다.

Claims (11)

  1. 중공 내부를 갖는 헤더와,
    상기 헤더의 내부를 유체를 수용하기 위한 일측면 상의 제1 챔버와 타측면 상의 제2 챔버로 분리하고, 관통 연장하는 일련의 종방향 이격 개구들을 갖는 종방향 연장 부재와,
    복수의 열교환 튜브들을 포함하며,
    상기 복수의 열교환 튜브들 각각은 멀티 채널 냉매 관통 유로를 형성하고, 상기 멀티 채널 냉매 관통 유로의 채널 각각은 상기 열교환 튜브의 유입구 단부에서 유입구를 가지며, 상기 복수의 열교환 튜브들의 각각의 열교환 튜브의 유입구 단부 각각은 상기 헤더의 상기 제2 챔버 내로 통과하고, 상기 일련의 종방향 이격 개구들의 개구들 중 각각 개구와 병렬로 배치되는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 개구들 각각은 상기 열교환 튜브의 채널당 하나의 구멍을 갖는 복수의 열교환 튜브들 중 하나의 열교환 튜브와 병렬로 횡방향으로 연장하는 한 열의 구멍들을 포함하는 열교환기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 구멍들 각각은 상기 열교환 튜브의 채널의 단면적에 대해 비교적 작은 단면적을 갖는 열교환기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 구멍들 각각은 팽창 오리피스를 포함하는 열교환기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 종방향 연장 부재는 상기 헤더의 내부를 유체를 수용하기 위한 일측면 상의 제1 챔버와 타측면 상의 복수의 분기 유로를 형성하는 제2 챔버로 분리하고, 분기 유로 각각은 상기 제1 챔버와 유동 연통하는 단일 유입구 개구 및 각각의 열교환 튜브의 채널 각각에 유동 연통하는 유출구 개구를 갖는 열교환기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 단일 구멍은 상기 열교환 튜브 각각의 채널의 수집 단면적에 비교하여 비교적 작은 단면적을 갖는 열교환기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 단일 구멍은 팽창 오리피스를 포함하는 열교환기.
  8. 중공 내부를 갖는 헤더와,
    상기 헤더의 내부를 유체를 수용하기 위한 일측면 상의 제1 챔버와 타측면 상의 제2 챔버로 나누고, 관통 연장하는 일련의 종방향 이격 개구들을 갖는 종방향 연장 부재와,
    복수의 열교환 튜브 쌍들의 세트들을 포함하며,
    상기 열교환 튜브 각각은 멀티 채널 냉매 관통 유로를 형성하고, 상기 멀티 채널 냉매 관통 유로의 채널 각각은 상기 열교환 튜브의 유입구 단부에서 유입구를 가지며, 열교환 튜브 각각의 유입구 단부 각각은 상기 헤더의 상기 제2 챔버 내로 통과하고, 상기 복수의 열교환 튜브 쌍의 세트들 중 세트 각각은 열교환기 튜브 쌍의 상기 세트의 각각의 입구 단부들 중간에 배치되는 상기 일련의 종방향 이격 개구들의 상기 개구들 중 하나와 배치되는 열교환기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 일련의 종방향 이격 개구들 중 상기 개구들 각각은 상기 열교환 튜브의 채널당 하나의 구멍을 갖는 상기 복수의 열교환 튜브들 중 하나와 병렬로 횡방향으로 연장하는 한 열의 구멍들을 포함하는 열교환기.
  10. 제2항에 있어서, 상기 구멍들 각각은 상기 열교환 튜브의 채널의 단면에 대하여 비교적 작은 단면을 갖는 열교환기.
  11. 제3항에 있어서, 상기 구멍들 각각은 팽창 오리피스를 포함하는 열교환기.
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