본 발명은 HFO 1234yf 물질 냉매를 사용하는 튜브-핀 타입 증발기를 사용하는 차량용 공조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 냉매와는 전혀 다른 물성을 가지는 HFO 1234yf 물질 냉매를 사용하는 경우 최적의 성능을 얻기 위한 튜브-핀 타입 증발기를 사용하는 차량용 공조 시스템의 설계 사항에 관한 것이다.

현재 세계적으로 환경 문제가 대두되면서, 환경에 유해한 물질들의 사용이 점차 금지 내지는 배제되어 가고 있는 실정이다. 특히 공조 및 냉각 시스템에 필수적으로 사용되는 냉매에 있어, 염소 성분을 함유한 조성물인 CFC계 냉매와 같은 물질들의 경우 오존을 파괴하는 특성 때문에 사용 규제가 확대되고 있다.

일반적인 냉각 시스템은 주변으로부터 열을 흡수하는 증발기, 냉매를 압축하는 압축기, 주변으로 열을 방출하는 응축기, 냉매를 팽창시키는 팽창밸브로 구성된다. 냉각 시스템에서는, 상기 증발기로부터 압축기로 유입되는 기체 상태의 냉매는 압축기에서 고온 및 고압으로 압축되고, 상기 압축된 기체 상태의 냉매가 응축기를 통과하면서 액화되는 과정에서 주변으로 액화열이 방출되며, 상기 액화된 냉매가 다시 팽창밸브를 통과함으로써 저온 및 저압의 습포화 증기 상태가 된 후 다시 증발기로 유입되어 기화하며 주변으로부터 기화열을 흡수함으로써 주변 공기를 냉각하고, 이로써 하나의 냉각 사이클이 이루어진다. 도 1(B)는 이러한 일반적인 공조 시스템의 p-h 선도를 간략히 도시한 것이다.

이와 같은 냉각 시스템에서 실제적으로 열을 전달하는 것은 냉매로서, 냉매로 사용되는 물질은 열전이 특성이 높아야 함은 당연하다. 종래의 CFC계 냉매 등의 경우 이와 같은 열전이 특성이 우수한 대신 환경에 유해한 영향을 끼친다는 점에 지적되어 그 사용이 규제되고 있는 바, 종래의 냉매를 대체할 수 있는 새로운 냉매에 대한 각종 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있다. 새로운 냉매가 종래의 냉매를 대체할 수 있으려면, 종래의 냉매와 대비하여 동등 또는 우수한 수준의 열전이 특성, 화학적 안정성, 비인화성 및 윤활 상용성 등을 갖춤과 동시에 친환경성까지 갖추어야 함은 물론 주지의 사실이다.

한국특허공개 제2007-0004654호("플루오린 치환된 올레핀 함유 조성물", 이하 선행기술)에서는 상술한 바와 같이 종래의 냉매를 대체할 수 있을 만큼 우수한 성능을 가지는 새로운 냉매를 개시하고 있다. 상기 선행기술에서 제시하고 있는 냉매 중 HFO 1234yf 물질을 사용하는 냉매를 이하 1234yf 냉매라 칭한다. "HFO-1234"라는 용어는 여기서 모든 테트라플루오로프로펜을 지칭하는 것으로 사용된다. 테트라플루오로프로펜 중에는 HFO-1234yf와 시스- 및 트랜스-1,1,1,3-테트라플루오로프로펜(HFO-1234ze) 가 포함된다. HFO-1234 화합물은 알려진 물질이며, Chemical Abstracts의 데이타베이스에 등록되어 있다. 미국특허 제2,889,379; 4,798,818 및 4,465,786호에는 C ₃ 화합물이 함유된 다양한 포화 또는 불포화 할로겐을 촉매 증기상 플루오르화시킴으로써, CF ₃ CH=CH ₂ 와 같은 플루오로프로펜을 제조하는 것에 관하여 기재되어 있다. 또한 유럽특허 제974,571호에는 1,1,1,3,3,-펜타플루오로프로판(HFC-245fa)을 고온, 증기상에서 크롬-계열 촉매와 접촉시킴으로써, 또는 액체 상에서 KOH, NaOH, Ca(OH) ₂ 또는 Mg(OH) ₂ 의 알콜 용액과 접촉시킴으로써, 1,1,1,3-테트라플루오로프로펜을 제조하는 것에 관하여 기재되어 있다.

도 1(A)은 종래에 널리 사용되는 대표적인 냉매인 R-134a 냉매 및 상기 1234yf 냉매의 p-h 선도이다. 도시된 바와 같이 R-134a 냉매와 1234yf 냉매의 p-h 선도는 다르게 나타나는데, 보다 상세히 설명하자면, 1234yf 냉매의 물성치 및 공조 시스템에서의 작동 압력 / 작동 온도는 종래의 R-134a 냉매와 유사한 범위의 값을 가지나, 1234yf 냉매의 증발잠열은 R-134a 냉매의 증발잠열보다 30% 가량 작게 나타나고 있어, R-134a 냉매와 동등한 방열성능을 가지기 위해서는 더 많은 냉매 유량이 필요함을 알 수 있다.

종래에 R-134a 등의 냉매를 사용하는 증발기에 있어서 증발기의 성능, 즉 방열량, 압력강하량 등을 최적화시키고자 하는 연구는 많이 진행되어 왔다. 그러나 1234yf 냉매의 경우, 도 1(A)에 보이는 바와 같이 종래의 냉매와는 매우 다른 물성치를 가지고 있는 바, 1234yf 냉매를 사용하는 증발기가 종래의 냉매를 사용하는 증발기와 동등한 성능을 가지기 위해서는 종래의 증발기와는 전혀 다른 설계 사항을 필요로 함은 당연하다. 실제로, R-134a 냉매를 사용하는 증발기와 동일한 사양의 증발기에 1234yf 냉매를 사용할 경우, 동등한 방열성능을 얻기 위해서는 냉매 유량이 증가되어야만 하는 바, 이 경우 증가된 냉매 유량으로 인해 증발기 뿐 아니라 공조 시스템 전체적으로 냉매측 압력강하량이 과도하게 증가하게 되며, 따라서 공조 시스템 전체 성능이 크게 저하되게 된다.

즉, 1234yf 냉매는 상술한 바와 같이 R-134a 냉매에 비해 친환경적인 물질인 반면, 1234yf 시스템은 R-134a 시스템에 비해 성능이 떨어진다는 점이 지적되어 왔으며, 이를 극복하기 위해 많은 연구 및 개발이 필요하다는 점이 잘 알려져 있다. 이와 같은 성능 차이를 극복하기 위해 시스템 상 다양한 변수의 최적화가 가능한데, 시스템 변경에 따른 경제적 비용 상승 문제 등을 고려해 볼 때 기존 시스템에 비해 큰 설계 변경이 없이 최상의 성능 향상을 가져올 수 있는 방안이 바람직하다는 점은 당연하다. 이 때, 본 발명에서는 증발기 구성 요소들의 수치 범위를 최적화함으로써 이러한 요구, 즉 기존 시스템에 비해 큰 설계 변경이 없으면서도 성능 향상을 가져오고자 하는 요구를 만족시킬 수 있는 해결책을 찾고자 한다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래에 사용되어 온 R-134a, CO ₂ 등의 냉매들과 전혀 물성이 다른 HFO 1234yf 물질 냉매를 사용하는 증발기에 있어서, 해당 냉매의 물질적 특성에 최적화된 설계 사항을 가지는, HFO 1234yf 물질 냉매를 사용하는 튜브-핀 타입 증발기를 사용하는 차량용 공조 시스템을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 HFO 1234yf 물질 냉매를 사용하는 튜브-핀 타입 증발기를 사용하는 차량용 공조 시스템은, 압축기; 응축기; 팽창 밸브; 및 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와, 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과, 상기 튜브(20)의 양측 단부에 결합되어 열교환매체가 유통하는 한 쌍의 헤더탱크(10)와, 상기 헤더탱크(10)에 구비되는 적어도 하나 이상의 배플(40)을 포함하여 이루어지되, 상기 열교환매체는 HFO 1234yf 물질을 포함하여 이루어지는 냉매이며, 튜브 높이 H _t 는 2.489mm 내지 4.082mm 범위 내의 값을 가지며, 상기 열교환매체의 흐름은 4패스로 이루어지는 튜브-핀 타입 증발기(100); 를 포함하는 냉매 회로로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 튜브 높이 H _t 는 2.875mm 내지 3.711mm 범위 내의 값을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

또는, 본 발명의 HFO 1234yf 물질 냉매를 사용하는 튜브-핀 타입 증발기를 사용하는 차량용 공조 시스템은, 압축기; 응축기; 팽창 밸브; 및 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와, 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과, 상기 튜브(20)의 양측 단부에 결합되어 열교환매체가 유통하는 한 쌍의 헤더탱크(10)와, 상기 헤더탱크(10)에 구비되는 적어도 하나 이상의 배플(40)을 포함하여 이루어지되, 상기 열교환매체는 HFO 1234yf 물질을 포함하여 이루어지는 냉매이며, 튜브 수력직경 D _t 는 0.780mm 내지 1.839mm 범위 내의 값을 가지며, 상기 열교환매체의 흐름은 4패스로 이루어지는 튜브-핀 타입 증발기(100); 를 포함하는 냉매 회로로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 튜브 수력직경 D _t 는 0.946mm 내지 1.775mm 범위 내의 값을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

또는, 본 발명의 HFO 1234yf 물질 냉매를 사용하는 튜브-핀 타입 증발기를 사용하는 차량용 공조 시스템은, 압축기; 응축기; 팽창 밸브; 및 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와, 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과, 상기 튜브(20)의 양측 단부에 결합되어 열교환매체가 유통하는 한 쌍의 헤더탱크(10)와, 상기 헤더탱크(10)에 구비되는 적어도 하나 이상의 배플(40)을 포함하여 이루어지되, 상기 열교환매체는 HFO 1234yf 물질을 포함하여 이루어지는 냉매이며, 데시미터 당 핀의 산 또는 골 개수 FPDM은 63.439 내지 88.897 범위 내의 값을 가지며, 상기 열교환매체의 흐름은 4패스로 이루어지는 튜브-핀 타입 증발기(100); 를 포함하는 냉매 회로로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 FPDM은 65.190 내지 88.897 범위 내의 값을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 증발기(100)는 제1열 및 제2열의 상하부 탱크 내에 구비된 배플을 사이에 두고 제1튜브군(①-4) 내지 제4튜브군(④-4)이 형성되며, 상기 열교환매체는 상기 제1튜브군(①-4) 내지 상기 제4튜브군(④-4)을 순차적으로 통과하는 것을 특징으로 한다.

또는, 본 발명의 HFO 1234yf 물질 냉매를 사용하는 튜브-핀 타입 증발기를 사용하는 차량용 공조 시스템은, 압축기; 응축기; 팽창 밸브; 및 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와, 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과, 상기 튜브(20)의 양측 단부에 결합되어 열교환매체가 유통하는 한 쌍의 헤더탱크(10)와, 상기 헤더탱크(10)에 구비되는 적어도 하나 이상의 배플(40)을 포함하여 이루어지되, 상기 열교환매체는 HFO 1234yf 물질을 포함하여 이루어지는 냉매이며, 튜브 높이 H _t 는 1.921mm 내지 3.371mm 범위 내의 값을 가지며, 상기 열교환매체의 흐름은 6패스로 이루어지는 튜브-핀 타입 증발기(100); 를 포함하는 냉매 회로로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 튜브 높이 H _t 는 2.280mm 내지 3.216mm 범위 내의 값을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

또는, 본 발명의 HFO 1234yf 물질 냉매를 사용하는 튜브-핀 타입 증발기를 사용하는 차량용 공조 시스템은, 압축기; 응축기; 팽창 밸브; 및 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와, 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과, 상기 튜브(20)의 양측 단부에 결합되어 열교환매체가 유통하는 한 쌍의 헤더탱크(10)와, 상기 헤더탱크(10)에 구비되는 적어도 하나 이상의 배플(40)을 포함하여 이루어지되, 상기 열교환매체는 HFO 1234yf 물질을 포함하여 이루어지는 냉매이며, 튜브 수력직경 D _t 는 1.857mm 내지 3.228mm 범위 내의 값을 가지며, 상기 열교환매체의 흐름은 6패스로 이루어지는 튜브-핀 타입 증발기(100); 를 포함하는 냉매 회로로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 튜브 수력직경 D _t 는 2.146mm 내지 3.008mm 범위 내의 값을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

또는, 본 발명의 HFO 1234yf 물질 냉매를 사용하는 튜브-핀 타입 증발기를 사용하는 차량용 공조 시스템은, 압축기; 응축기; 팽창 밸브; 및 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20)와, 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30)과, 상기 튜브(20)의 양측 단부에 결합되어 열교환매체가 유통하는 한 쌍의 헤더탱크(10)와, 상기 헤더탱크(10)에 구비되는 적어도 하나 이상의 배플(40)을 포함하여 이루어지되, 상기 열교환매체는 HFO 1234yf 물질을 포함하여 이루어지는 냉매이며, 데시미터 당 핀의 산 또는 골 개수 FPDM은 48.718 내지 79.211 범위 내의 값을 가지며, 상기 열교환매체의 흐름은 6패스로 이루어지는 튜브-핀 타입 증발기(100); 를 포함하는 냉매 회로로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 FPDM은 55.294 내지 79.211 범위 내의 값을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 증발기(100)는 제1열 및 제2열의 상하부 탱크 내에 구비된 배플을 사이에 두고 제1튜브군(①-6) 내지 제6튜브군(⑥-6)이 형성되며, 상기 열교환매체는 상기 제1튜브군(①-6) 내지 상기 제6튜브군(⑥-6)을 순차적으로 통과하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, HFO 1234yf 물질 냉매를 사용하는 튜브-핀 타입 증발기를 사용하는 차량용 공조 시스템에 있어서, HFO 1234yf 물질 냉매는 종래의 R-134a, CO ₂ 등의 냉매들과 전혀 물성이 달랐기 때문에 종래의 설계 사항을 가진 증발기로는 최상의 성능을 얻을 수 없었던 문제점을 해결하여, 증발기의 성능, 즉 방열량 및 압력강하량이 최적화되는 효과가 있다. 즉 본 발명의 증발기에 의하면 1234yf 냉매를 사용하면서도 종래의 증발기와 동등한 수준의 성능을 얻을 수 있는 것이다.

특히 본 발명에 의하면, 친환경성이 우수한 냉매를 사용하면서도 종래의 R-134a 등과 같은 냉매를 사용하는 증발기와 대비하여 동등 수준의 성능을 유지할 수 있어, 증발기 성능을 확보함과 동시에 높은 친환경성을 획득할 수 있는 큰 효과가 있다. 또한 R-134a 시스템에 비해 종래의 1234yf 시스템은 성능이 떨어진다는 점이 잘 알려져 있었으며, 이를 극복하기 위해서는 시스템 전체적으로 설계 변경이 필요할 수도 있어 경제적 비용 상승 문제 등이 있었으나, 본 발명의 경우 단지 증발기의 설계 수치 범위만을 변화시킴으로써 R-134a 시스템과 동등한 수준의 성능을 내는 1234yf 시스템을 얻을 수 있어, 시스템 변경에 따르는 비용 상승 문제도 해소되는 효과 또한 있다.

도 1은 R-134a 냉매 및 HFO 1234yf 물질 냉매의 p-h 선도.

도 2는 튜브-핀 타입 증발기의 형태.

도 3은 튜브-핀 타입 증발기에서의 냉매 흐름 예.

도 4는 상기 증발기 각 세부 형상.

도 5는 4패스 증발기에서 튜브 높이 Ht와 방열성능 및 냉매 압력강하량의 관계 그래프.

도 6은 4패스 증발기에서 튜브 수력직경 Dt와 방열성능 및 냉매 압력강하량의 관계 그래프.

도 7은 4패스 증발기에서 FPDM과 방열성능 및 공기 압력강하량의 관계 그래프.

도 8은 6패스 증발기에서 튜브 높이 Ht와 방열성능 및 냉매 압력강하량의 관계 그래프.

도 9는 6패스 증발기에서 튜브 수력직경 Dt와 방열성능 및 냉매 압력강하량의 관계 그래프.

도 10은 6패스 증발기에서 FPDM과 방열성능 및 공기 압력강하량의 관계 그래프.

도 11은 여러 종류의 코어에 따른 단품 방열성능 및 에어컨 시스템 성능(토출공기온도)의 관계 그래프.

도 12는 여러 종류의 코어에 따른 단품 냉매 압력강하량 및 에어컨 시스템 성능(토출공기온도)의 관계 그래프.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100: 증발기 10: 헤더탱크

20: 튜브 30: 핀

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 HFO 1234yf 물질 냉매를 사용하는 튜브-핀 타입 증발기를 사용하는 차량용 공조 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 일반적인 튜브-핀 타입 증발기의 형태를 도시한 것이다. 일반적인 튜브-핀 타입 증발기(100)는, 공기 송풍 방향에 나란하게 일정 간격으로 병렬 배치된 복수 개의 튜브(20); 상기 튜브(20) 사이에 개재되고 상기 튜브(20) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키는 핀(30); 상기 튜브(20)의 양측 단부에 결합되어 열교환매체가 유통하는 한 쌍의 헤더탱크(10); 를 포함하여 이루어진다.

이와 같은 튜브-핀 타입 증발기에서, 일반적으로 냉매는 4패스(pass) 또는 6패스로 이루어진다. 도 3(A)는 상기 튜브 핀 타입 증발기에서 4패스의 냉매 흐름이 이루어지는 형태를 도시한 것이며, 도 3(B)는 상기 튜브 핀 타입 증발기에서 6패스의 냉매 흐름이 이루어지는 형태를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 일반적으로 튜브-핀 타입 증발기는 2열로 이루어지며, 도 3에서는 냉매의 흐름을 보기 좋게 표시하기 위하여 각 열을 분리하고, 탱크 및 튜브 부분을 간략화하여 도시하였다. 도 3(A)에 도시되어 있는 바와 같이, 4패스일 경우에는 한 열당 2개의 서로 다른 방향의 냉매 흐름이 만들어져, 전체적으로 4개의 냉매 흐름 방향이 형성되며, 또한 도 3(B)에 도시되어 있는 바와 같이, 6패스일 경우에는 한 열당 3개의 서로 다른 방향의 냉매 흐름이 만들어져, 전체적으로 6개의 냉매 흐름 방향이 형성된다. 이와 같이 냉매 흐름을 전환하기 위해서, 도 3에 간략화시켜 도시된 바와 같이 탱크에는 적절한 위치에 배플(40)이 삽입 구비된다. 즉 4패스 증발기에서는, 제1열 및 제2열의 상하부 탱크 내에 구비된 배플을 사이에 두고 제1튜브군(①-4) 내지 제4튜브군(④-4)이 형성되며, 상기 열교환매체는 상기 제1튜브군(①-4) 내지 상기 제4튜브군(④-4)을 순차적으로 통과하게 되며, 6패스 증발기에서는, 제1열 및 제2열의 상하부 탱크 내에 구비된 배플을 사이에 두고 제1튜브군(①-6) 내지 제6튜브군(⑥-6)이 형성되며, 상기 열교환매체는 상기 제1튜브군(①-6) 내지 상기 제6튜브군(⑥-6)을 순차적으로 통과하게 되는 것이다.

도 3(A)에 도시되어 있는 바와 같은 4패스 증발기에서의 냉매 흐름의 일실시예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 3(A)에 도시되어 있는 바와 같이, 냉매가 유입되는 측을 제1열로 하고, 냉매가 배출되는 측을 제2열로 하여, 상기 탱크 중 제1열 상부탱크의 도면부호를 11a로, 제1열 하부탱크의 도면부호를 11b로, 제2열 상부탱크의 도면부호를 12a로, 제2열 하부탱크의 도면부호를 12b로 표시한다. 또한, 제1열 튜브의 도면부호를 21로, 제2열 튜브의 도면부호를 22로 표시한다. 이 때, 배플(40)은 도시된 바와 같이 각 탱크들에 모두 하나씩 구비되게 된다. 4패스 증발기에서의 냉매 흐름은, 제1열 상부탱크(11a)로 유입되어, 제1열 상부탱크(11a)의 제1열 상부탱크(11a)에 구비된 배플(40) 전방 부분 - 제1열 튜브(21) 일부인 제1튜브군(①-4) - 제1열 하부탱크(11b) - 제1열 튜브(21) 일부인 제2튜브군(②-4) - 제1열 상부탱크(11a)의 제1열 상부탱크(11a)에 구비된 배플(40) 후방 부분을 순차적으로 거침으로써 제1열의 탱크 및 튜브를 통과한 후, 이제 제2열로 흘러가서, 제2열 상부탱크(12a)의 제2열 상부탱크(12a)에 구비된 배플(40) 후방 부분 - 제2열 튜브(22) 일부인 제3튜브군(③-4) - 제2열 하부탱크(12b) - 제2열 튜브(22) 일부인 제4튜브군(④-4) - 제2열 상부탱크(12a)의 제2열 상부탱크(12a)에 구비된 배플(40) 전방 부분을 순차적으로 거침으로써 제2열의 탱크 및 튜브를 통과한 후, 제2열 상부탱크(12a)로부터 배출되게 된다.

도 3(B)에 도시되어 있는 바와 같은 6패스 증발기에서의 냉매 흐름의 일실시예를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 3(B)에 도시되어 있는 바와 같이, 냉매가 유입되는 측을 제1열로 하고, 냉매가 배출되는 측을 제2열로 하여, 상기 탱크 중 제1열 상부탱크의 도면부호를 11a로, 제1열 하부탱크의 도면부호를 11b로, 제2열 상부탱크의 도면부호를 12a로, 제2열 하부탱크의 도면부호를 12b로 표시한다. 또한, 제1열 튜브의 도면부호를 21로, 제2열 튜브의 도면부호를 22로 표시한다. 이 때, 배플(40)은 도시된 바와 같이 각 탱크들에 모두 하나씩 구비되게 된다. 6패스 증발기에서의 냉매 흐름은, 제1열 상부탱크(11a)로 유입되어, 제1열 상부탱크(11a)로 유입되어, 제1열 상부탱크(11a)의 제1열 상부탱크(11a)에 구비된 배플(40) 전방 부분 - 제1열 튜브(21) 일부인 제1튜브군(①-6) - 제1열 하부탱크(11b)의 제1열 하부탱크(11b)에 구비된 배플(40) 전방 부분 - 제1열 튜브(21) 일부인 제2튜브군(②-6) - 제1열 상부탱크(11a)의 제1열 상부탱크(11a)에 구비된 배플(40) 후방 부분 - 제1열 튜브(21) 일부인 제3튜브군(③-6) - 제1열 하부탱크(11b)의 제1열 하부탱크(11b)에 구비된 배플(40) 후방 부분을 순차적으로 거침으로써 제1열의 탱크 및 튜브를 통과한 후, 이제 제2열로 흘러가서, 제2열 하부탱크(12b)의 제2열 하부탱크(12b)에 구비된 배플(40) 후방 부분 - 제2열 튜브(22) 일부인 제4튜브군(④-6) - 제2열 상부탱크(12a)의 제2열 상부탱크(12a)에 구비된 배플(40) 후방 부분 - 제2열 튜브(22) 일부인 제5튜브군(⑤-6) - 제2열 하부탱크(12b)의 제2열 하부탱크(12b)에 구비된 배플(40) 전방 부분 - 제2열 튜브(22) 일부인 제6튜브군(⑥-6) - 제2열 상부탱크(12a)의 제2열 상부탱크(12a)에 구비된 배플(40) 전방 부분을 순차적으로 거침으로써 제2열의 탱크 및 튜브를 통과한 후, 제2열 상부탱크(12a)로부터 배출되게 된다.

물론 4패스 또는 6패스 증발기라 해서 반드시 이와 같은 방식으로 유로가 구성되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어 냉매의 유입 및 배출이 하부탱크에서 이루어질 수도 있는 등과 같이, 냉매의 흐름이 4패스 또는 6패스를 이루도록 유로를 구성하기만 한다면 도 3의 예시와 일부 다른 형태로 냉매 흐름이 이루어진다 하더라도 본 발명의 4패스 또는 6패스 증발기에 포함될 수 있다.

4패스일 경우와 6패스일 경우, 동일 냉매 및 동일 사이즈의 증발기를 사용한다 하더라도 열교환특성이 달라지며, 따라서 방열성능 및 압력강하량 등의 특성을 최적화시키기 위해서는 냉매 흐름이 몇 패스인지를 구분하여야 한다. 본 발명에서는 이 중 도 3(A)에 도시되어 있는 바와 같은 튜브-핀 타입 증발기와, 도 3(B)에 도시되어 있는 바와 같은 튜브-핀 타입 증발기 각각에 대해서의 열교환성능의 최적화를 이루고자 한다.

도 4는 상기 증발기 각 세부 형상을 도시한 것이다. 도 4(A)는 상기 튜브(20) 및 상기 핀(30)으로 이루어진 증발기 코어의 일부를 도시한 것이고, 도 4(B)는 상기 튜브(20)의 단면을 도시한 것이며, 도 4(C)는 상기 도 2의 A-A' 단면, 즉 상기 헤더탱크(10)의 폭 방향 중심선을 길이 방향으로 자른 부분의 단면 형상이다. 도 4(C)에 도시된 바와 같이, 상기 헤더탱크(10)의 폭 방향 중심선 부분에는 길이 방향으로 연장되어 상기 헤더탱크(10) 내부를 분리하는 격벽이 형성되며, 상기 격벽 상에는 유로 설계에 따라 연통홀이 형성될 수 있다.

도 4(A) 및 도 4(B)에 도시된 바와 같이 상기 튜브(20)의 높이를 H _t 라 한다. 또한, 상기 튜브(20) 단면 상에서 열교환매체가 유통하는 각 부분의 면적의 합, 즉 상기 튜브(20)의 유로면적을 S _t 라 한다. 또한, 상기 튜브(20) 단면 상에서 열교환매체가 유통하는 각 부분(즉 유로면적 부분)의 둘레 길이의 합, 즉 접수(接水)길이를 L _t 라 한다. 또한, 도 4(C)에 도시된 연통홀의 면적을 S라 한다. 이 때, 상기 튜브(20)의 수력직경 D _t 는 4S _t /L _t 가 된다. 종래의 R-134a 냉매를 사용하는 증발기에 사용되는 튜브는 압출형, 폴디드형, 웰디드형 등과 같이 다양한 종류가 있는데, 본 발명의 HFO 1234yf 냉매를 사용하는 증발기에서도 역시 압출형, 폴디드형, 웰디드형 등과 같은 다양한 종류의 튜브를 적용할 수 있다.

테스트의 종류에는 단품 테스트와 에어컨 시스템 테스트가 있다. 단품 테스트는 증발기의 입구 및 출구 압력이 고정된 상태에서 냉매를 순환시켜 성능을 테스트하는 것이며, 에어컨 시스템 테스트는 실제 차량에 장착된 에어컨 시스템에서 압축기 RPM 및 흡입공기의 조건을 달리하면서 성능을 테스트하는 것이다. 이 때 단품 테스트에서의 결과가 좋다고 해서 시스템 테스트에서의 결과가 반드시 좋게 나오는 것은 아닌데, 이는 차량주행 조건 등에 영향을 받게 되기 때문이다.

도 11은 여러 종류의 HFO 1234yf용 코어에 따른 단품 방열성능 및 에어컨 시스템 성능(토출공기온도)의 관계 그래프이며, 도 12는 여러 종류의 HFO 1234yf용 코어에 따른 단품 냉매 압력강하량 및 에어컨 시스템 성능(토출공기온도)의 관계 그래프이다. 도 11 및 도 12의 그래프는 단품 테스트에 대한 결과로서, 이하에서 각 결과에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 11은 방열성능을 달리하는 여러 종류의 HFO 1234yf용 코어에 대하여 단품 테스트를 수행한 결과로서, 도 11에서의 x축은 여러 종류의 코어에 따른 방열성능이고, y축은 토출공기온도로서 에어컨 시스템의 성능지표로서 이는 낮을수록 좋다. 도 11에 도시된 각 결과 그래프는 차량의 주행속도별로 토출공기온도를 나타낸 것으로, 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 단품의 방열성능 99%이상에서 최적이며, 99%미만에서는 성능이 악화된다.

도 12는 냉매 압력강하량을 달리하는 여러 종류의 HFO 1234yf용 코어에 대하여 단품 테스트를 수행한 결과로서, 도 12에서의 x축은 여러 종류의 코어에 따른 냉매 압력강하량이며, y축은 역시 토출공기온도이고, 각 결과 그래프는 역시 차량의 주행속도별로 토출공기온도를 나타낸 것이다. 도 12의 그래프에서도, 단품의 냉매측 압력강하량은 90%이상에서는 아이들(idle) 상태를 제외한 전 조건에서 성능이 급격히 악화된다는 것을 알 수 있다.

본 발명에서는 시스템 테스트를 통하여, HFO 1234yf용 코어를 사용함에 있어서 최적의 시스템 성능을 나타내는 방열성능 및 냉매 압력강하량에 대하여 R-134a용 코어에서의 방열성능 및 냉매 압력강하량을 100%로 잡아 그 수준이 어느 정도인지 범위를 산출하고, 그러한 방열성능 및 냉매 압력강하량의 % 값에 해당하는 증발기의 튜브 높이, 수력직경, FPDM의 범위를 정하였다.

먼저 4패스 증발기에서의 최적화 설계 범위에 대하여 설명한다. 이하 도 5 내지 도 7의 설명에서 '증발기'는 4패스 증발기를 칭하는 것임을 명시하여 둔다.

본 발명에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기 대비 방열성능 소정 비율(98% ~ 99%) 이상, 냉매측 압력강하량 소정 비율(90% ~ 95%) 이하, 공기측 압력강하량 동등 수준(100%) 이하가 되는 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 각 설계 변수 수치 값을 최적화하였다. 튜브 높이 H _t 는 1.4mm ~ 3.6mm, 튜브 수력직경 D _t 는 0.97mm ~ 1.89mm, FPDM(1데시미터(decimeter) 즉 10cm(1/10m) 당 핀의 산 또는 골 개수)은 60~84, 연통홀 면적 S는 110mm ² ~ 450mm ² 인 부품들의 조합으로 성능 시험을 수행하여 도 5 내지 도 7과 같은 결과 그래프를 얻었으며, 이를 근거로 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 성능을 최적화하는 각 설계 변수의 수치 값을 구하였다. 도 5 내지 도 7의 각 그래프에서, 방열성능(Q), 냉매측 압력강하량(dP _ref ), 공기측 압력강하량(dP _air )은 100ㅧ(측정값 - 측정값 중 최소값)/측정값 중 최대값(%)으로 무차원화시켜 표시하였다.

도 5는 HFO 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 튜브 높이 H _t 와 방열성능 및 냉매측 압력강하량의 관계 그래프이다. 튜브 높이 H _t 의 변화에 따라 방열성능(Q)과 냉매측 압력강하량(dP _ref )은 도 5에 도시된 바와 같이 크게 변하지만, 공기측 압력강하량(dP _air )는 크게 변화가 없기 때문에 도시하지 않았다.

도 5(A)에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기와 대비하였을 때 방열성능(Q)이 99% 이상이 되고, 냉매측 압력강하량(dP _ref )이 90% 이하가 되는 범위를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 방열성능(Q) 제한 조건에 의하여 튜브 높이 H _t 의 상한값은 3.711mm로 결정되며, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 제한 조건에 의하여 튜브 높이 H _t 의 하한값은 2.875mm로 결정된다.

도 5(B)에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기와 대비하였을 때 방열성능(Q)이 98% 이상이 되고, 냉매측 압력강하량(dP _ref )이 95% 이하가 되는 범위를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 방열성능(Q) 제한 조건에 의하여 튜브 높이 H _t 의 상한값은 4.082mm로 결정되며, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 제한 조건에 의하여 튜브 높이 H _t 의 하한값은 2.489mm로 결정된다.

즉, 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 튜브 높이 H _t 는 2.489mm 내지 4.082mm 범위 내의 값(방열성능(Q) 98% 이상, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 95% 이하)을 가지는 것이 바람직하며, 2.875mm 내지 3.711mm 범위 내의 값(방열성능(Q) 99% 이상, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 90% 이하)을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

도 6은 HFO 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 튜브 수력직경 D _t 와 방열성능 및 냉매측 압력강하량의 관계 그래프이다. 튜브 수력직경 D _t 의 변화에 따라 방열성능(Q)과 냉매측 압력강하량(dP _ref )은 도 6에 도시된 바와 같이 크게 변하지만, 공기측 압력강하량(dP _air )는 크게 변화가 없기 때문에 도시하지 않았다.

도 6(A)에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기와 대비하였을 때 방열성능(Q)이 99% 이상이 되고, 냉매측 압력강하량(dP _ref )이 90% 이하가 되는 범위를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 방열성능(Q) 제한 조건에 의하여 튜브 수력직경 D _t 의 상한값은 1.775mm로 결정되며, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 제한 조건에 의하여 튜브 수력직경 D _t 의 하한값은 0.946mm로 결정된다.

도 6(B)에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기와 대비하였을 때 방열성능(Q)이 98% 이상이 되고, 냉매측 압력강하량(dP _ref )이 95% 이하가 되는 범위를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 방열성능(Q) 제한 조건에 의하여 튜브 수력직경 D _t 의 상한값은 1.839mm로 결정되며, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 제한 조건에 의하여 튜브 수력직경 D _t 의 하한값은 0.780mm로 결정된다.

즉, 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 튜브 수력직경 D _t 는 0.780mm 내지 1.839mm 범위 내의 값(방열성능(Q) 98% 이상, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 95% 이하)을 가지는 것이 바람직하며, 0.946mm 내지 1.775mm 범위 내의 값(방열성능(Q) 99% 이상, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 90% 이하)을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

도 7은 HFO 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 FPDM과 방열성능 및 공기측 압력강하량의 관계 그래프이다. FPDM의 변화에 따라 방열성능(Q)과 공기측 압력강하량(dP _air )은 도 7에 도시된 바와 같이 크게 변하지만, 냉매측 압력강하량(dP _ref )는 크게 변화가 없기 때문에 도시하지 않았다.

도 7(A)에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기와 대비하였을 때 방열성능(Q)이 99% 이상이 되고, 공기측 압력강하량(dP _air )이 동등 수준, 즉 100% 이하가 되는 범위를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 공기측 압력강하량(dP _air ) 제한 조건에 의하여 FPDM의 상한값은 88.897로 결정되며, 방열성능(Q) 제한 조건에 의하여 FPDM의 하한값은 65.190으로 결정된다.

도 7(B)에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기와 대비하였을 때 방열성능(Q)이 98% 이상이 되고, 공기측 압력강하량(dP _air )이 동등 수준, 즉 100% 이하가 되는 범위를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 공기측 압력강하량(dP _air ) 제한 조건에 의하여 FPDM의 상한값은 88.897로 결정되며, 방열성능(Q) 제한 조건에 의하여 FPDM의 하한값은 63.439로 결정된다.

즉, 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 FPDM는 63.439 내지 88.897 범위 내의 값(방열성능(Q) 98% 이상, 공기측 압력강하량(dP _air ) 100% 이하)을 가지는 것이 바람직하며, 65.190 내지 88.897 범위 내의 값(방열성능(Q) 99% 이상, 공기측 압력강하량(dP _air ) 100% 이하)을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

요약하자면, 1234yf 냉매를 사용하는 4패스 증발기의 각 설계 변수의 수치 범위는 하기의 표 1과 같이 결정되는 것이 바람직하다.

표 1

다음으로 6패스 증발기에서의 최적화 설계 범위에 대하여 설명한다. 이하 도 8 내지 도 10의 설명에서 '증발기'는 6패스 증발기를 칭하는 것임을 명시하여 둔다.

본 발명에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기 대비 방열성능 소정 비율(98% ~ 99%) 이상, 냉매측 압력강하량 소정 비율(90% ~ 95%) 이하, 공기측 압력강하량 동등 수준(100%) 이하가 되는 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 각 설계 변수 수치 값을 최적화하였다. 튜브 높이 H _t 는 1.4mm ~ 3.6mm, 튜브 수력직경 D _t 는 0.97mm ~ 1.89mm, FPDM(1데시미터(decimeter) 즉 10cm(1/10m) 당 핀의 산 또는 골 개수)은 60~84, 연통홀 면적 S는 110mm ² ~ 450mm ² 인 부품들의 조합으로 성능 시험을 수행하여 도 8 내지 도 10과 같은 결과 그래프를 얻었으며, 이를 근거로 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 성능을 최적화하는 각 설계 변수의 수치 값을 구하였다. 도 8 내지 도 10의 각 그래프에서, 방열성능(Q), 냉매측 압력강하량(dP _ref ), 공기측 압력강하량(dP _air )은 100ㅧ(측정값 - 측정값 중 최소값)/측정값 중 최대값(%)으로 무차원화시켜 표시하였다.

도 8은 HFO 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 튜브 높이 H _t 와 방열성능 및 냉매측 압력강하량의 관계 그래프이다. 튜브 높이 H _t 의 변화에 따라 방열성능(Q)과 냉매측 압력강하량(dP _ref )은 도 8에 도시된 바와 같이 크게 변하지만, 공기측 압력강하량(dP _air )는 크게 변화가 없기 때문에 도시하지 않았다.

도 8(A)에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기와 대비하였을 때 방열성능(Q)이 99% 이상이 되고, 냉매측 압력강하량(dP _ref )이 90% 이하가 되는 범위를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 방열성능(Q) 제한 조건에 의하여 튜브 높이 H _t 의 상한값은 3.216mm로 결정되며, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 제한 조건에 의하여 튜브 높이 H _t 의 하한값은 2.280mm로 결정된다.

도 8(B)에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기와 대비하였을 때 방열성능(Q)이 98% 이상이 되고, 냉매측 압력강하량(dP _ref )이 95% 이하가 되는 범위를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 방열성능(Q) 제한 조건에 의하여 튜브 높이 H _t 의 상한값은 3.371mm로 결정되며, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 제한 조건에 의하여 튜브 높이 H _t 의 하한값은 1.921mm로 결정된다.

즉, 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 튜브 높이 H _t 는 1.921mm 내지 3.371mm 범위 내의 값(방열성능(Q) 98% 이상, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 95% 이하)을 가지는 것이 바람직하며, 2.280mm 내지 3.216mm 범위 내의 값(방열성능(Q) 99% 이상, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 90% 이하)을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

도 9는 HFO 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 튜브 수력직경 D _t 와 방열성능 및 냉매측 압력강하량의 관계 그래프이다. 튜브 수력직경 D _t 의 변화에 따라 방열성능(Q)과 냉매측 압력강하량(dP _ref )은 도 9에 도시된 바와 같이 크게 변하지만, 공기측 압력강하량(dP _air )는 크게 변화가 없기 때문에 도시하지 않았다.

도 9(A)에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기와 대비하였을 때 방열성능(Q)이 99% 이상이 되고, 냉매측 압력강하량(dP _ref )이 90% 이하가 되는 범위를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 방열성능(Q) 제한 조건에 의하여 튜브 수력직경 D _t 의 상한값은 3.008mm로 결정되며, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 제한 조건에 의하여 튜브 수력직경 D _t 의 하한값은 2.146mm로 결정된다.

도 9(B)에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기와 대비하였을 때 방열성능(Q)이 98% 이상이 되고, 냉매측 압력강하량(dP _ref )이 95% 이하가 되는 범위를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 방열성능(Q) 제한 조건에 의하여 튜브 수력직경 D _t 의 상한값은 3.228mm로 결정되며, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 제한 조건에 의하여 튜브 수력직경 D _t 의 하한값은 1.857mm로 결정된다.

즉, 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 튜브 수력직경 D _t 는 1.857mm 내지 3.228mm 범위 내의 값(방열성능(Q) 98% 이상, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 95% 이하)을 가지는 것이 바람직하며, 2.146mm 내지 3.008mm 범위 내의 값(방열성능(Q) 99% 이상, 냉매측 압력강하량(dP _ref ) 90% 이하)을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

도 10은 HFO 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 FPDM과 방열성능 및 공기측 압력강하량의 관계 그래프이다. FPDM의 변화에 따라 방열성능(Q)과 공기측 압력강하량(dP _air )은 도 10에 도시된 바와 같이 크게 변하지만, 냉매측 압력강하량(dP _ref )는 크게 변화가 없기 때문에 도시하지 않았다.

도 10(A)에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기와 대비하였을 때 방열성능(Q)이 99% 이상이 되고, 공기측 압력강하량(dP _air )이 동등 수준, 즉 100% 이하가 되는 범위를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 공기측 압력강하량(dP _air ) 제한 조건에 의하여 FPDM의 상한값은 79.211로 결정되며, 방열성능(Q) 제한 조건에 의하여 FPDM의 하한값은 55.294로 결정된다.

도 10(B)에서는, R-134a 냉매를 사용하는 증발기와 대비하였을 때 방열성능(Q)이 98% 이상이 되고, 공기측 압력강하량(dP _air )이 동등 수준, 즉 100% 이하가 되는 범위를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 공기측 압력강하량(dP _air ) 제한 조건에 의하여 FPDM의 상한값은 79.211로 결정되며, 방열성능(Q) 제한 조건에 의하여 FPDM의 하한값은 48.718로 결정된다.

즉, 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 FPDM는 48.718 내지 79.211 범위 내의 값(방열성능(Q) 98% 이상, 공기측 압력강하량(dP _air ) 100% 이하)을 가지는 것이 바람직하며, 55.294 내지 79.211 범위 내의 값(방열성능(Q) 99% 이상, 공기측 압력강하량(dP _air ) 100% 이하)을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

요약하자면, 1234yf 냉매를 사용하는 증발기의 각 설계 변수의 수치 범위는 하기의 표 2와 같이 결정되는 것이 바람직하다.

표 2

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.