KR100341013B1 - 튜우브와휩롯드열교환기용장치와냉동또는냉각방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 튜우브형 열교환기를 이용하는 열교환장치, 열저장시스템과 방법이다. 롯드가 튜우브가 내측면으로 운동토록 추진된다. 가동 롯드가 튜우브의 내측부에 낙하 필름 또는 범람형태로 내측면에 인접하는 제1처리 유체와 접촉한다. 범람형 모우드는 특히 튜우브가 비수직형이거나 열교환기가 고층빌딩에 사용되는 HVAC 시스템용 아이스 슬러리를 제조하기 위하여 사용되는데 특히 유용한다. 이러한 다중 롯드와 튜우브조립체는 롯드에 직각인 평면에서 궤도운동토록 구동되는 구동판을 이용하여 동시에 작동된다. 한 실시형태에서 구동판은 각 튜우브내에 일정한 간격으로 배치된 롯드에 크랭크를 통하여 결합된다. 이러한 형태의 오비탈 드라이브는 각 튜우브내에 착설된 중심으 회전축과 튜우브의 롯드상이에 연장된 스프링 마운트와 같이 보조방사상의 힘을 발생토록한는 장치를 이용할 수 있도록 한다. 이러한 보조방사상 힘은 롯드가 튜우브의 일측단부에 배치된 단일구동판에 의하여 구동될 때에도 튜우브병렬배치에 롯드가 자동정렬되도록 원심력을 보충한다. 스퍼링 탄력없이 롯드가 튜우브 취부형 크랭크에 의하여 회전되는 암에 형성된 방사상 슬로트의 형태인 롯드의 요구에서 또는 궤도운동을 수행하는 구동판에 형성되어 이에 의하여 구동되는 통공을 통하여 현가된 상태로 방사상으로 운동가능하게 착설된다. 냉동기 분야에서, 관상자켓은 비등냉각제를 위한 환상 써모사이폰영역을 형성토록 튜우브를 둘러싸고 있다. 이러한 열교환기를 이용하는 열저장 시스템에서는 온수회수노즐이 부동하는 얼음덩어리를 일정하게 녹인다.

Description

튜우브와 휩 롯드 열교환기용 장치와 냉동 또는 냉각방법

유체를 처리할 때에 전형적으로 금속시이트의 형태인 열교환면을 이용하여 액체에 대하여 열을 전달하는 것이 요구되며, 금속시이트의 반대측에 있는 제2처리 유체는 처리되는 액체의 온도와 상이한 은도에서 처리된다. 유체 사이의 이러한 전열은 건물공조시스템에 공통적으로 사용되는 글리콜 냉각기의 경우와 같이 처리유체를 가온시키거나 이를 냉각시키도록 한다. 이는 또한 해수로부터 신선한 물을 비둥시켜 생산하거나 물 또는 수용액을 부분적으로 동결시켜 아이스 슬러리(ice slurry)를 생산하는 것과 같이 유체의 상(相)을 변화시키도록 한다. 아이스 슬러리는 어느 분야에서보다도 건물공조시스템에서 최대부하전력수용을 줄이도록 하고 또한 가공공장으로 이송하기 위하여 낙농농장에 저장된 밀크와 같은 음식물이나 어선에 저장된 어획물을 냉장시키도록 하는 냉장용으로서 유용하다.

열교환기의 크기와 가격은 "고온"유체의 층, 고온 및 저온유체를 분리하는 열교환기의 벽, "저온"유체의 층과, 열교환기 벽의 고온 또는 저온면에 형성된 퇴적물을 통한 열유동에 대한 저항을 반영하는 열전달계수에 따라서 달라진다. 경제적인 이유로 이들 저항을 통한 전열이 이루어지도록 하는데에는 실질적으로 온도기울기가 요구된다. 이러한 온도기울기가 큰 경우에는 열교환단의 수를 제한하거나 증기압축기에 큰 부하를 가하므로서 증발기나 냉동기의 에너지 효율을 제한한다.

본원 발명자들에 특허된 미국특허 제4,230,529호와 제4,441,963호에는 이들 문제점을 해결하는 새로운 방식을 기술하고 있다. 이들은 수직으로 배치되고 벽이 얇으며 양단이 개방된 형태로서 오비탈방식의 궤도운동 또는 요동운동을 하는 전열 튜우브를 이용하는 것으로 되어 있다. 이러한 오비탈 튜우브의 운동은 튜우브의 내외측면에서 열저항을 줌으로서 전열효율을 증가시킨다. 이 운동은 증발된 액체를 와류시켜 튜우브의 내측면에 얇은 필름의 형태로 밀리도록 한다. 이로써 증발표면적은 증가하고 액체층의 두께가 감소되므로서 열저항이 감소된다. 또한 궤도운동은 가열된 증기류의 응축에 의하여 그 외측면에서 이루어지는 튜우브로의 열전달과정에 도움을 준다. 응축은 외측면에서 액체의 두께를 증가시켜 그 열저항을 증가시킨다. 궤도운동으로 방울입자들이 떨어져 나가므로서 외측벽에서 전열효과를 증가시킨다.

이들 특허문헌에서는 이러한 다수의 튜우브가 공통 용기내에 수용되는 것으로 교시하고 있다. 편심체가 튜우브를 수평평면에서 요동운동시키도록 구동시킨다. 액체는 이 액체가 중력의 영향하에 튜우브의 하측으로 유동한 때에 내측면을 따라회전토록 역학적인 결합에 의하여 구동된다. 이들 구성은 이러한 운동을 적응시키는 크랭크, 베어링과 증발기내부의 복합씨일을 요구한다. 이들 구성부분은 제작과 조립이 어렵고 비용이 많이 소요되고, 이들은 허용공차가 작게 가공되어야 하며, 이들은 화학산업분에 사용될 때에 부식과 오염에 노출되고, 이들은 마모되어 요동하는 튜우브와 이에 수반되는 진동의 평형에 좋지 않은 영향을 준다. 또한 미국특허 제4,230,529호에 있어서는 질량변화에 대하여 평형을 유지하도록 자동조절궤도 운동반경을 갖는 자동평형구성이 기술되어 있다. 그러나, 베이스부분이 움직이는 경우, 예를 들어 장치가 해상의 선박과 같이 가동형의 기준프레임상에 착설된 경우에 크랭크반경은 고정되어야 하는 바, 이러한 단계는 적합치 않을 수도 있다.

아이스크림 제조기로부터 복잡한 증발기를 망라하는 공지된 많은 전열장치는 점성의 액체를 얇고 균일하게 분포되는 필름형태로 확산시키기 위하여 튜우브내에서 회전토록 강제구동되는 견고한 와이퍼 바아(wiper bar)를 이용한다. 강제구동형 와이퍼는 점도가 1,000,000 c.p 이상인 유체를 취급할 수 있다(물의 점도는 1 c.p 이다). 그러나 견고하고 강제구동형인 와이퍼 또는 스크랩퍼를 이용하는 공지된 전열장치는 여러 가지 결점을 갖는다. 첫째로, 증발기나 냉동기내에 도입하여야 하고 회전구동축을 밀폐할 필요가 있다. 둘째로, 와이퍼 또는 스크랩퍼가 견고하고 고정면에 근접하여 운동하므로 제작과 조립이 어렵고 비용이 많이 소요된다. 표면은 와이퍼/스크랩퍼와 그 지지구조물과 함께 허용공차가 작게 가공되어야 한다. 또한 이들 공지된 견고한 와이퍼구성은 마모되기 쉽게 되어 있다.

저점성유체, 예를 들어 점도가 1-1,000 c.p인 저점성유체의 경우에 이들 문제점을 해결하기 위하여, 미국특허 제4,618,399호에 있어서는 열저항을 줄이고 증발효과를 높이기 위하여 공급액체를 매우 얇고 균일한 필름형태로 확산시키는 휩롯드가 튜우브내에 배치되는 것을 기술하고 있다. 이 휩롯드는 또한 증발고체잔류물의 생성을 제어한다. 상기 미국특허 제4,618,399호에는 롯드를 착설하기 위한 여러가지 구성 즉, 케이블, 기부와 롯드 하단부 사이에 연결되는 유연성의 비회전형 앵커와 휩롯드의 하측단부와 기부 사이에 연결된 이중유니버설 조인트를 포함하여 여러 가지 구성이 기술되어 있다. 휩롯드가 필름분배기로서는 유효한 반면에 취부구성들은 결점을 갖는다. 이들은 전체 재료, 조립 및 운전비용을 증가시킨다. 또한 이들은 취약하다. 휩롯드를 지지하는 유연성 케이블의 재료피로가 특히 문제이다.

미국특허 제4,762,593호는 종래 편심크랭크 드라이브의 제작, 조립, 마모와 평형문제를 극복하는 오비탈 드라이브를 기술하고 있다. 이와 같이 개선된 드라이브는 증발기에 착설된 회전평형체와 증발기의 현가를 위한 스프링탄지형 스트러트 현가장치를 이용한다. 평형체와 증발기의 질량은 평형체가 회전할 때에 상대측의 둘레를 회전한다.

이러한 구성이 편심크랭크 드라이브에 관련된 문제점을 해결할 수는 있었으나 약간의 문제점은 있다. 예를 들어, 이러한 구성은 대형질량, 특히 유니트가 다중대형 튜우브로 구성되는 상업적 규모로 대형화되고 각각의 튜우브에 액체류가 이송되는 경우와 같은 대형질량인 경우 이러한 대형질량을 궤도운동시키는 것이 요구된다. 이러한 질량은 전력요구(특히 시동시)를 증가시키고, 스프링-스트러트 현가장치의 요구를 증가시키며, 현가장치가 쉽게 피로하여 고장나기 쉬우며, 일반적으로 시스템의 구성과 운전비용을 증가시킨다. 또한 이는 해상의 선박 또는 기타 운송수단과 같이 움직이는 것과는 반대로 예를 들어 콘크리트 바닥과 같은 안정된 작업플래트폼의 요구를 증가시킨다. 미국특허 제4,762,592호에서는 가동형 플래트폼의 문제점에 대한 해결안을 제시하고는 있지만 실제로 이러한 제안을 장치가 상업적으로 유용한 규모로 대형화될 때에 적합치 않다. 그 하나의 문제점은 유니트가 상업적으로 허용가능한 규모로 설계되었을 때에 기부의 운동은 전체유니트를 궤도운동으로 구동시키는 크랭크에 허용할 수 없을 정도로 높은 부하를 가하는 것이다. 오비탈 튜우브방식이 증발과 증류용으로 사용되기는 하였으나 종래기술에 있어서 이는 냉동용으로는 적합치 아니하였다. 그 하나의 이유는 액체가 전열면에 동결하고 열교환기를 통한 열유동에 대한 저항을 증가시키므로서 오비탈 튜우브방식의 성능상 장점을 크게 떨어뜨리는 것이다.

현재, 얼음을 이용하는 시장에는 두가지 형태의 냉장시스템이 있다. 그 하나는 일단의 제빙기가 개방형 저장탱크상에 설치된 아이스 하베스터(ice harvester)형으로서 알려진 것이 있다. 주기적으로 일정한 두께가 되게 형성되는 얼음이 제상 싸이클(defrosting cycle)에 의하여 탱크내에 수확된다. 다른 하나는 아이스 뱅크(ice bank)형이다. 이는 통상적으로 플라스틱으로 만들어지고 가격이 저렴한 일단의 전열유니트를 이용하며 냉장에 필요한 모든 얼음이 각 냉각싸이클 중에 연속적으로 누적된다. 이들 두가지 형태 모두에 있어서 제빙과정중에 물로부터 냉각제로의 열전달 효과가 요구된 바와 같이 효과적이지 못하여 설비비용이 증가될 수 밖에 없다.

제빙기가 중단없이 연속으로 작동될 수 있고 어느 정도 전열특성이 개선된 상태에서 작동될 수 있는 슬러리형태의 얼음을 만드는 개념은 시카고 브릿지 앤드 아이언사(the Chicago Bridge and Iron, Inc.)와 같은 회사, 그리고 최근에는 슬리퍼리 아이스(slippery ice)라고 자사제품을 선전하고 있는 일렉트릭 파워 리서치 인스트리튜트사(Electric Power Reserch Institute "EPRI")에 의하여 당해 산업분야에서 도입시도되었다. 현재에 슬립퍼리 아이스 냉장시스템의 성능은 아직 평가단계에 있다.

EPRI사에서 후원한 "슬립퍼리 아이스" 시스템의 개발에 관한 조사에 관한 것이 EPRI Journal로 발생된 1992년 7/8월호의 제목 "냉장:비용과 에너지 절약"에 보고되었다. EPRI사의 계획에서는 방빙형 항공기에 사용되는 화학품과 유사한 물질로서 칼슘마그네슘아세테이트가 물에 혼합된다. EPRI사에 따라서 이러한 첨가물의 이용으로 얼음은 열교환기 표면으로부터 분리된 액체풀에서 형성되도록 하고 금속에 달라 붙지 않는 전창형의 물질이 되도록 한다. 경제적인 면을 개선하기 위한 "슬립퍼리 아이스"의 잇점이 1992년 9월 27일자 더 뉴욕 타임즈(The New York Time)에 "Keeping Buildings Cool With Greater Efficiency"로 보고되었다. 이 보고서에서는 동결된 물에 대한 자동차 부동액의 이용이 보고되었으나 이것은 빙점이 너무 낮아 만족스럽지 못한 것으로 보고되었다.

슬립퍼리 아이스 개념은 이것이 아이스 슬러리가 기계적인 도움없이 단지 중력의 작용하에 냉각표면에서 흘러내리도록 하므로 매력적인 것이다. 슬립퍼리 아이스가 작용하는 동안에 이것이 어떻게 작용하는지는 알려져 있지 않다. 더우기, 이러한 방법은 여러 가지 결점을 갖는다. 첫째로 다만 하나의 알려진 첨가제가 얼음이 냉각면을 따른 결정체의 중력하향공급에 대한 초기의 점착성 장애를 극복토록 한다. 처리될 액체가 음식물인 경우에는 특별한 문제가 있다. 이 첨가제는 음식물에 사용될 수 없다. 다른 문제점은 슬립퍼리 아이스를 형성하는데 열류속, 습윤열과 첨가제 농도가 조심스럽게 조절되어야 하는 제약이 있다는 점이다. 또한 열전달면은 전해연마되어야 한다.

또한 대부분의 경우, 액체가 낙하필름형태로 열교환기를 통과하도록 요구하는 것은 바람직하지 않다. 만약 열교환 튜우브에서 액체가 넘친다면 액체공급압력은 액체를 다음 공정단계로 충분히 이송할 수 있을 정도가 되어야 한다. 낙하필름형 열교환기를 이용하는 시스템에서 통상적으로 요구되는 복잡하고 비용이 많이 나가는 부가적인 펌프와 레벨제어시스템은 필요치 않다. 지금까지는 오비탈형 열교환기가 낙하필름방식으로 작동되는 것이 제한되었다. 그 한가지 이유는 전체 장치가 궤도운동하거나 외갑체내의 튜우브가 궤도운동하게 되므로 튜우브에 액체가 넘치는 경우 궤도운동되는 질량이 증가하기 때문이다. 이러한 이유는 다시 작동에 요구되는 전력수요를 증가시키고, 마모가 증가하며 진동/평형의 문제가 증가한다. 아울러 액체가 넘치는 튜우브내에서 휩롯드의 운동은 일반적으로 액체와 함께 회전운동하므로서 롯드는 전열과정에서 그 효과의 감소를 가져온다.

어느 경우에 있어서는 열교환기튜우브를 수직이 아닌 다른 방향으로 배치하는 것이 바람직할 때가 있다. 예를 들어, 선박의 경우에 있어서는 파도에 의한 선박의 피칭과 롤링 때문에 튜우브를 수직으로 배치한 상태에서 작동시키기 위한 고가의 짐발(gimbal)구성이 요구될 것이다. 육상용 시스템의 경우에 있어서도 비수직형 배치는 설비 높이의 제한을 수용하고, 도어를 통하여 기존의 천정 높이 아래에 설치하여야 하며, 표준형 운반컨테이너에 유니트를 운반할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한 비평형 회전질량(예를 들어 휩롯드와 구동부재)에 의하여 발생되는 진동을 줄이는 것이 바람직하다. 진동은 사용자에 의하여 쉽게 감지되며 설비의 내구성과 열교환기에 대한 파이프연결의 피로가능성에 대한 관심을 고조시킨다. 이는 또한 전력소비를 증가시키며 취부구조에 증가된 스트레스를 가한다. 지금까지는 한가지 해결안으로 튜우브를 몇 개 그룹으로 나누고 이들 그룹 사이에 180°의 위상차이를 두어 튜우브를 궤도운동시키는 것이 있다. 미국특허 제4,762,592호와 제4,441,963호는 이러한 방식을 보이고 있다. 미국특허 제4,762,592호는 궤도운동형 평형체를 기술하고 있다.

최근의 개발에서는 오비탈 열교환유니트가 상업적으로 유용한 크기로 대형화되고 전열유속을 최대화하는 조건하에서 운전되도록 하므로서 일련의 새로운 설계문제가 중심이 되는 것을 제안하고 있다. 오비탈기술을 이용하므로서 요구된 표면-체적비로 대형화하는 간단한 방법으로 보다 많은 튜우브를 이용할 수 있도록 한다. 예를 들어 20톤의 냉동기/냉각기는 42개의 1½인치 직경의 튜우브를 가질 수 있다. 30톤의 무게가 나가는 해수탈염용의 증기압축형 증발기는 258개의 튜우브를 가질 수 있다. 이와 같이 많은 튜우브를 가지는 것은 모든 튜우브에 정확한 위상관계로 요구된 토오크를 공급하는 것에 중요한 문제점이 있고, 마모를 관리하고 진동을 줄이며 부품수를 줄이고 조립이 용이하도록 하는 것들이 상업적 규모의 다중 튜우브형 장치에 장애가 된다.

공지된 오비탈 드라이브와 통상적인 와이퍼 구성은 이러한 다중튜우브 구성의 요구에 부합되지 아니한다. 튜우브 또는 용기와 튜우브의 질량은 회전형 전원과 힘이 가하여지는 단말기 사이에 결합된 편심체의 회전베어링에 극심한 긴장을 가한다. 힘이 크면 결합된 편심체의 회전베어링에 극심한 긴장을 가한다. 힘이 크면 베어링과 구동면에 마모가 빠르게 오며 이는 구동열이 유동되도록 하고 튜우브그룹의 운동 사이에 요구된 위상관계가 달라지도록 한다. 큰 힘이 가하여지면 구동열의 마찰이 커진다. 현저한 마모없이 기어 또는 풀리의 어레이를 이용하는 많은 튜우브에서 롯드를 크랭크운동시키는 것은 특히 이러한 기계적인 어레이가 공급유체에 노출되거나 이러한 공급유체에 양립할 수 있어야 하는 경우 기계적인 설계가 한정되는 문제점이 있다. 열교환면에 작용하는 회전와이퍼 블레이드를 이용하는 Sunwell사의 냉동기/냉각기와 같은 공지된 와이퍼시스템인 경우에 있어서도 마모문제는 초기의 정밀한 허용공차유지가 요구되고 이후에는 해마다 블레이드 조립체의 재조정이 권유되고 있는 바 이는 매번 수천 달라의 비용이 들게 된다. 실제로 마모는 성능에 영향을 주고 또한 운전비용에도 상당한 영향을 준다.

아이스 슬러리 분야에서의 특정 관점은 높은 냉각율에서 전열튜우브에 형성되는 얼음이 전열효율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 튜우브가 얼음으로 점차 체워지고 실제로 튜우브의 중심에 있는 휩롯드를 동결시킬 수도 있다는 점이다. 또한 전형적으로 얼음은 튜우브의 상부보다는 저면 가까이에서 보다 많이 형성된다. 따라서 튜우브의 저면으로부터 아이스 슬러리를 배출함에 있어 장애가 되는 기계적인 방해물의 수와 크기를 줄이는 것이 바람직하다. 이로써 이 분야에서는 롯드를 상부에서 취부하는 것을 제안한다. 그러나, 튜우브내에서 궤도운동하는 휩롯드는 그 길이에 따라서 튜우브내에 존재하는 얼음의 양이 달라지는 것에 기인하여 그 운동에 대한 기계적인 저항의 변화가 있게 된다. 이는 열교환기가 높은 열류속으로 작동될 때에 쉽게 나타난다. 따라서, 휩롯드는 "중심", 즉 튜우브의 수직축선과 정렬되는 중심위치에 있지 아니하고 상하측단이 경사지에 배치되었다. 이러한 경사배치는 휩롯드가 튜우브와 완전히 결합되었을 때에 롯드의 유리한 작용에 간섭하므로 매우 바람직스럽지 않다.

아울러, 여러 구성이 응축에 의한 튜우브외측에서의 유속저항을 낮추고자 하는 시도가 있었으나 이들 기술은 증발 또는 비등이 일어나는 경우에는 유용하지 않았다. 분명히 냉동 및 냉각분야의 에너지효율은 튜우브의 외측면에서 열저항을 줄이면 향상될 수 있다. 그러나 종래의 장치나 기술이 이를 위하여 수행된 바 있다.

본 발명은 액체의 증발, 증류, 냉동, 가열 또는 냉각을 위한 전열(傳熱)장치와 방법에 관한 것으로, 특히 튜우브와 이를 둘러싸고 있는 외갑체로 구성되는 형태의 열교환기에 사용되는 휩롯드(whip rod)를 구동시키기 위한 오비탈 드라이브(orbital drive)를 이용하는 장치와 액체의 냉동 또는 냉각방법에 관한 것이다.

제1도는 범람모우드와 비수직배치상태에서 작동되는 본 발명에 따른 오비탈 드라이브, 개방튜우브, 휩롯드 열교환기의 일부 절개표시 사시도.

제2도는 낙하필름모우드와 수직배치상태에서 작동되는 본 발명에 따른 오비탈 드라이브, 개방튜우브, 휩롯드 열교환기의 다른 실시형태를 보인 일부 절개표시사시도.

제3도는 제1도에서 보인 휩롯드 적극구동형인 오비탈 드라이브의 일부를 절개하여 보이고 또한 각 전열튜우브 외측면에서의 비등냉각제의 유동상태를 향상시키는 열자켓을 보인 사시도.

제4도는 낙하필름모우드로 작동될 때에 튜우브내의 롯드와 액체에 작용하는 역학적인 힘을 설명하는 전열튜우브와 궤도온동 휩롯드의 수평단면을 보인 개략도.

제4A도는 제4도에서 작용하는 역학적인 힘을 보인 힘의 벡타다이아그램.

제5도는 궤도운동하는 상부구동판이 자유롭게 회전하고 역학적으로 평형을 유지하는 다수 쌍의 휩롯드 중 하나의 결합된 것을 보인 본 발명에 따른 열교환기용 오비탈 플레이트의 상세사시도.

제5A도는 제5도에 일치하나 4개의 휩롯드를 이용하는 다른 실시형태를 보인 사시도.

제6도는 단일롯드의 그룹의 서로 180°위상차를 두고 구동되는 평형구조를 보인 개략평면도.

제6도는 5개의 튜우브중심(a1...a5)과 5개의 구동판결합점(b1...b5)으로 예시화한 제5도와 제7도의 오비탈 드라이브의 내마모성 및 최소공차특성을 보인 평면도.

제7도는 제5도와 유사하나 본 발명에 따른 한쌍의 오프셋형 평면상 휩롯드와 부가적인 방사상 힘의 발생을 위한 스프링마운트를 이용하는 다른 실시형태를 보인 사시도.

제7A도는 제7도에서 보인 실시형태의 다른 4개의 롯드를 갖는 실시형태의 사시도.

제8도는 본 발명에 따른 열교환기와 본 발명에 따른 아이스버너를 이용한 열 저장시스템의 개략구성도.

따라서, 본 발명의 근본목적은 튜우브에서 액체가 넘치는 형태이거나 낙하필름형태이거나 간에 또한 튜우브가 수직이거나 수직이 아닌 방향으로 배치되었든 간에 또는 기부가 고정되거나 이동되는 형태이든 간에 어느 경우에서나 작동될 수 있는 오비탈 열교환기를 이용하는 냉동/냉각장치와 열저장장치 및 액체의 냉동 또는 냉각방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 튜우브내에 고점성 액체와 튜우브벽에 퇴적된 고체퇴적물을 처리하기 위하여 롯드에 접선방향 및 방사상 방향의 구동력성분이 가하여지도록 다수의 튜우브를 구동시킬 수 있는 규모로 대형화할 수 있는 롯드-인-튜우브 형태의 오비탈 열교환기용 오비탈 드라이브를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 냉동 또는 냉각을 위하여 사용된 튜우브의 외측부에서 전열효과를 상승시키기 위한 장치와 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 질량이 비교적 낮고 전력소모가 역시 비교적 낮은 오비탈 드라이브를 갖는 오비탈 열교환기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 롯드가 튜우브에 대하여 병렬로 정렬된 상태를 유지토록 자동조절되는 롯드-인-튜우브형 열교환기용 오비탈 드라이브를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 구동부품의 마모가 적고 허용공차가 한정되지 아니하나 상기 언급된 잇점을 갖는 오비탈 드라이브를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 열교환기의 높은 열류속에서 냉동기/냉각기로서 작동하는 열교환기와 오비탈 드라이브를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 언급된 잇점을 가지면서 부품수가 적고 조립이 용이하여 제조비용이 낮으며 또한 낮은 유지비용으로 용이하게 분해할 수 있는 면에서 제조비용상의 잇점을 갖는 장치를 제공하는데 있다.

열교환기는 제1처리 유체를 벽이 얇고 단부가 개방된 적어도 하나의 전열튜우브의 일측단부로 공급된다. 외측하우징 또는 외갑체가 튜우브를 둘러싸서 챔버를 형성하고 이 챔버는 적어도 부분적으로 제2처리 유체가 튜우브의 외측면과 접촉토록 한다. 제1 및 제2유체 사이에는 온도차이가 있으며, 하나는 "고온"이고 다른 하나는 "저온"이다. 열교환기튜우브의 내부는 제1처리 액체가 넘치거나 이 액체의 낙하필름으로 덮힐 수 있다. 만약 튜우브가 낙하필름을 수용하는 경우 열교환기는 액체가 중력의 영향하에 저면을 향하여 상부에서 공급지점으로부터 낙하할 수 있게 배치된다. 이러한 작동중에 액체가 넘치는 범람형 튜우브의 배치방향에는 제한이 없다.

증발, 중류 또는 가열분야에서 고온의 제2처리유체(증기와 같은 유체)는 튜우브의 외측면을 따라 유동한다. 그 결과로 전열튜우브를 통한 방사상내측으로의 열운동이 일어나 내부의 제1처리액체는 증발(또는 증류)되거나 가열된다. 액체냉각의 경우에 있어서, 제2처리유체는 튜우브의 외측면을 유동하는 저온유체(비등냉각제)이다. 이 결과도 전열튜우브를 통해 방사상외측으로 열유동이 일어나 내부의 액체는 온도가 떨어진다. 액체냉동에 있어서 전열튜우브를 통한 방사상외측으로의 열유동만으로 내부의 제1처리 액체가 부분적으로 동결될 수 있다.

적어도 하나의 휩롯드가 내부에 배치되고 각 튜우브의 내측면에서 이에 대하여 운동한다. 한 실시형태에서, 저점성 유체에 사용되는 낙하필름모우드용으로 적합한 재질로 롯드가 구성되고 이 롯드가 내측면 둘레에서 운동할 때에 내측면의 형태에 따라서 순응할 수 있도록 유연성을 갖는 상태로 구성되어 착설된다. 이 롯드는 단면이 원형일 수 있으며 이 롯드가 튜우브내측면에서 이동할 때에 구를 수 있게 삽입될 수 있다. 또한 이 롯드는 비원형이어서 구르지 않을 수도 있다. 사각형 또는 다른 각형의 단면을 갖는 롯드의 변부는 내측면의 고체퇴적물을 제거하는 끌로서 작용할 수 있다.

직접적이고 강제적인 오비탈드라이브는 휩롯드가 튜우브를 중심으로 운동케하고 롯드는 일반적으로 튜우브의 축선과 정렬된다. 이들 튜우브는 고정되어 있다. 낙하필름모우드에서 휩롯드는 액체를 내측면에 분배한다. 냉동분야에 있어서, 롯드는 이 롯드가 튜우브를 궤도온동시킬 때에 롯드에 의하여 밀려나는 액체류내에 교란이 일어나도록 하는 것이 중요하다. 튜우브, 처리유체와 튜우브지지구조물의 대규모 질량과 비교되는 롯드의 적은 질량은 전력소모를 줄이고 구동열에 가하여지는 부하를 줄이며 해양선박과 같은 가동형 기준프레임에서 이루어지는 신뢰가능한 작동을 포함하여 범랑형 또는 비수직상태에서도 작동이 이루어질 수 있도록 한다. 만약 열교환튜우브의 내부가 범람하게 되면 휩롯드는 양단부로부터 구동되는 것이 좋다. 만약 튜우브가 범람형이 아닌 경우 휩롯드는 튜우브와 롯드가 착설된 구동판으로부터 현가되는 것이 좋다.

구동판은 롯드에 직각인 평면으로 연장되어 있다. 이는 휩롯드, 즉 여러 그룹의 롯드를 일정하게 움직여 준다. 오비탈 드라이브의 한 실시형태에서 모우터에 의하여 구동되는 적어도 하나의 크랭크가 상기 평면내에서 구동판을 궤도운동으로 구동시킨다. 특히 냉동기분야에 있어서는 롯드의 상부에 롯드가 현가되는 하나의 구동판이 배치된다.

다수의 튜우브를 이용하는 대규모의 작동이 이루어지도록 하거나 롯드에 큰 토오크를 가할 필요가 있는 경우 적극구동형 휩롯드 드라이브는 구동판-크랭크형이 좋다. 편심체 또는 90°의 각도를 두고 배열된 동기화 선형 드라이브와 같은 동등수단을 통하여 작용하는 회전운동전원은 구동판을 롯드에 직각인 평면에서 궤도운동을 강제로 수행토록 한다. 크랭크가 각 튜우브의 일측단부에 또는 이에 인접하여 착설된다. 취부수단을 튜우브 단부에 형성된 요구측으로 활동하는 스파이더형 프레임이다. 암에 착설된 구동핀이 판의 통공 또는 베어링에 결합된다. 크랭크는 튜우브측으로 연장된 축이 회전가능하게 취부되는 프레임에 의하여 지지되는 중앙 베어링을 갖는다. 판의 궤도운동은 크랭크를 통하여 모든 튜우브에 동시에 전달된다. 끝으로 롯드는 축에 착설된다. 한 실시형태에서, 다른 롯드의 양호한 역학적 평형을 유지하기 위하여 축의 둘레에 등간격으로 배열된다. 취부수단으로서는 롯드를 고정하고 이를 현가하며, 가하여진 원심력, 마모 및 작동조건의 변화에 응답하여 방사상방향으로 롯드를 이동시키는 회전암의 단부에 형성된 방사상슬로트와 같은 구성을 포함한다. 이러한 형태의 오비탈 드라이브는 궤도운동을 튜우브어레이의 다수 롯드의 회전운동으로 변환시킨다. 판의 통공은 해당 튜우브를 위한 공급액체 개방부로서 작용하고 핀-판 커플링을 윤활하게 하도록 크게 형성되는 것이 좋다. 이러한 동력열을 각 튜우브에서 큰 접선방향의 토오크를 일으켜 낙하필름형태이거나 범람형태이든 간에 또는 액체가 물과 같거나 점성을 갖는 것이든 간에 튜우브벽으로부터 성장하는 고체퇴적물을 통하여 그리고 튜우브내에 처리액체를 통하여 롯드를 구동시킨다.

부가적인 방사상 힘 발생구성은 회전으로 발생된 롯드의 원심력을 증가시켜 롯드가 이들의 방사상 위치를 변경할 수 있도록 한다(비고정방식의 취부수단인 경우). 구체화된 형태에서 이들 부가적인 방사상 힘 발생장치는 롯드를 외측으로 밀어내도록 중심축에 고정된 롯드를 취부하는 스프링마운트이다. 각 롯드의 상하측단에 한쌍의 판스프링마운트이다. 각 롯드의 상하측단에 한쌍의 판스프링이 착설되는 것이 좋다. 발생된 부가적인 힘의 레벨은 고체퇴적물, 예를 들어 냉동의 경우 얼음과 같은 고체퇴적물의 내부성장을 충분히 억지할 수 있고 낮은 회전속도, 예를 들어 상부보다는 수직배치형 튜우브의 저면 가까이에 보다 많은 얼음이 존재하므로서 튜우브에서의 운동에 저항하여 일어나는 진동에 의해 롯드가 회전시 이 롯드가 기울어지는 것을 충분히 방지할 수 있을 정도이다. 냉동기분야에서, 금속제와이어클립과 같은 스토파가 축과 롯드 사이에 고정되어 롯드의 최대 외향이동을 제한하고 이로써 롯드와 튜우브내 측면 사이에 작은 간극이 유지될 수 있도록 한다. 이러한 간극은 롯드의 마모와 활동마찰을 줄여준다. 얼음이 피복되는 경우에 롯드는 이러한 간극의 크기에 대하여 그 얼음의 내부성장을 제한할 수 있다. 운동하는 롯드에 의한 교란은 스프링과 클립에 의하여 어느 정도까지는 튜우브벽에 대한 얼음결정의 부착을 최소화할 수 있다. 냉동용의 구체화된 실시형태에서 처리유체는 벽이 아니고 유체내에서 결정형성을 촉진토록 순수처리유체의 빙점보다 낮게 빙점을 낮추는 첨가제를 갖는다. 물의 경우 적당한 첨가제로서는 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 우유, 해수, 칼슘마그네슘아세테이트와 무수결정을 형성하는 무기염류가 있다. 3%-10%의 용액이 전형적이다.

높은 표면/체적비가 좋고 높은 유속밀도가 표면적을 감소시키는 대형시스템과는 반대로, 단순성과 부품수가 단위 유니트영역 또는 단위 유니트체적을 기초로 하여 유도되는 경제성에 우선하는 소규모시스템에는 다른 조건이 있을 수 있다. 예를 들어 비교적 대형인 하나의 실린더에서 회전토록 되어 있는 여러 자유회전형 휩롯드의 단순성은 오비탈 드라이브에 의한 궤도운동을 위하여 각각 하나의 롯드와 드라이브를 갖는 여러개의 소형 튜우브보다는 경제적일 수 있다.

또한 휩롯드를 구동시키기 위하여 크랭크를 이용하므로서 크랭크에 대하여 롯드를 여러 위상각도에서 배치할 수 있다. 만약 각 튜우브내에 단일 롯드가 사용되는 것이 좋을 때에 역학적인 평형은 미국특허 제4,441,963호에 기술된 평형개념과 같은 동일한 논리로 반대 위상각도로 롯드를 나누어 배치하므로서 유지될 수 있다.

냉동 및 냉각분야용으로 튜우브 외측면에서의 열전달효율을 높이기 위하여, 제2처리유체의 유동이 이루어질 수 있도록 관상자켓이 상하측에서 개방되고 열교환 튜우브를 둘러싸므로서 환상의 서모사이폰(thermosyphon)을 형성한다. 제2처리유체는 작동중에 튜우브 외측면을 따라 두개의 상유동(相流動)이 되는 비등냉각제이다. 자켓은 대류를 일으키고 여기에서 비둥증기와 액체의 저밀도 혼합물이 외측면을 따라 고속으로 상향유동하는 고속상향류를 형성한다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 오비탈 휩롯드 드라이브를 이용하는 본 발명에 따른 전열장치(100)를 보인 것이다. 용기, 즉 외갑체(2)는 열전달을 위한 다수의 튜우브(1)를 둘러 싸고 있다. 상부 튜우브 시이트(3)와 하부 튜우브 시이트(4)는 튜우브(1)들과 함께 외갑체(1)의 내부를 챔버(5)(6)(8)로 나눈다. 챔버(8)은 전열장치의 내측부 또는 외갑체측을 나타낸다. 내측부 또는 튜우브측은 모든 튜우브(1)의 내부공간과 함께 상부 챔버(5)와 하부 챔버(6)를 포함한다. 각 튜우브(1)는 내측면(7)과 외측면을 제공한다. 이는 벽이 얇으며 구리나 강철과 같이 열전달특성이 높은 물질로 구성된다. 튜우브는 튜우브의 내외측면 모두에 대하여 열전달특성을 향상시킬 수 있도록 사용되는 홈과 같은 표면처리부를 갖는다.

제1처리매체(I)는 튜우브(1)의 벽을 통하여 제2처리매체(II)와 열교환이 이루어질 수 있도록 도관(9)(10)을 통하여 챔버(8)로 주입될 수 있으며, 제2처리유체는 하부 챔버(6)에서 도관(11)과 도관(12)을 통하여 상부 챔버(5)로 주입될 수 있다. 예를 들어 탈염용인 경우에 매체(II)는 해수이고 매체(I)는 수증기와 같은 가열증기이다. 아이스 슬러리를 제조하기 위하여 매체(II)는 튜우브벽보다는 물에서 다량의 열음결정의 형성을 촉진하는 첨가제가 첨가된 물이다. 제1처리매체(I)는 두상(相)의 증기/포말류를 형성토록 외측면에서 비등하는 가압냉각제가 좋다. 물에 첨가되는 적당한 첨가제로서 에틸렌 글리콜(자동차부동액), 프로필렌 글리콜, 우유, 해수, 칼슘마그네슘아세테이트와 무수결정을 형성하는 중탄산나트륨과 같은 무기염류가 있다. 3-10%의 용액이 전형적이다. 성공적인 첨가제는 매우 미세하고 분말상인 얼음결정을 형성한다. 좋지 않은 첨가제는 크고 넓은 조각과 같은 얼음결정을 형성한다. 적당한 용액은 가정용 냉동기에 하룻밤 넣어두었을 때에 전자의 형태가 되고 저을 수 있으나 적합하지 않은 첨가제와 용액농도는 전체가 동결될 것이다.

장치(100)가 증발과정에 사용될 때에 높은 온도를 갖는 챔버(8)내의 매체는 낮은 온도를 갖는 챔버(5)내의 제2처리매체(Ⅱ)를 증발시키는데 사용될 것이다. 특히, 수중기가 도관(10)을 통하여 챔버(8)에 주입되고 튜우브(1)의 외측면에서 응축될 때에 응축물이 형성되고 유출구인 도관(9)으로부터 흘러나가게 된다. 이와 같이 방출되는 열은 매체(Ⅱ)를 증발시키는데 사용될 것이며 도관(Ⅱ)의 상부 챔버(5)로 주입되는 유체는 튜우브 시이트(3)의 상부로 공급된다. 공급분배의 한 형태에서 공급유체는 액체풀(liquid pool)의 형태로 튜우브 시이트(3)상에 공급될 것이다. 이 액체는 튜우브(1)내에서 하측으로 유동할 것이다. 챔버(8)내에서 수증기의 응축으로 방출되는 잠열은 튜우브(1)의 벽을 통과하여 튜우브내의 액체를 증발시킨다. 발생된 증기는 튜우브(1)의 상측단부를 통하여 유동하고 유출구(11a)(가상선으로 보임)로부터 배출되거나 다른 구성에서는 액체유동류와 함께 튜우브(1)내에서 하측으로 유동하여 챔버(6)의 하측단부에서 유출구인 도관(12)으로부터 배출된다.

각 튜우브(1)의 내부에는 이 튜우브에서 궤도운동으로 회전토록 구동되는 휩롯드(24)가 있다. 궤도운동은 곡선화살표(300)로 표시하였다. 이 궤도운동으로 원심력이 발생하여 휩롯드가 튜우브축선과 정렬된 상태에서 이 튜우브(1)의 내측면에 접하도록 한다. 제2도에서 보인 낙하필름작동모우드에 있어서, 이 운동은 액체를 증발이 용이하도록 하여 열전달효율을 증가시키도록 얇고 균일한 액체필름으로 확산시킨다. 제1도에서 보인 범람모우드에서 휩롯드의 운동으로 공급액체(제2처리매체 Ⅱ)가 교란하게 되고 이는 튜우브내측면에서의 고체퇴적을 제어한다.

롯드의 질량, 구성 및 회전속도는 적용분야, 작용모우드, 튜우브의 조건과 크기, 그리고 당해 기술분야에 전문가라면 잘 알 수 있는 바와 같이 다른 요인에 의하여 달라질 수 있을 것이다. 예를 들어 해수탈염의 분야에서 한가지 바람직한 특징은 롯드의 궤도운동이 물의 증발중에 스케일을 형성토록 침전하는 해수내에 용해된 여러 불순물의 스케일 형성 특성을 최소화하도록 한다. 일부 식품의 농축의 경우애 있어서, 롯드는 농축유체를 그 점성에 불구하고 밀어낼 수 있고 동시에 농축물내의 유효물질에 손상입히지 아니한다. 아이스 슬러리를 제조함에 있어서 열의 유동방향은 튜우브의 내측으로부터 그 외측으로 향하여 액체가 냉각되어 하측으로 유동할 때에 얼음결정을 형성한다. 이러한 분야에 있어서 롯드의 기능은 튜우브(1)의 내측면에 부착하여 성정하는 얼음결정의 초기형성을 분쇄하고 밀어내는 것이다.

제1도의 구성에서, 휩롯드(24)는 궤도운동(300)을 수행토록 휩롯드가 활동할 수 있는 적당한 저마찰면을 갖는 판 또는 외갑체 하측단부벽(2a)에 이들의 하측단부터 얹힌 상태로 튜우브(1)내에 자유스럽게 세워지는 것이 좋다. 범람모우드 작동용으로서 구체화된 우선형태에서 휩롯드(24)의 이러한 궤도운동은 수직으로 간격을 두고 수평으로 연장된 한쌍의 구동판(22)(22')에 의하여 작동된다. 이들 구동판은 일측단부가 외갑체(2)의 단부커어버(2a)(2b)에 고정되고 타측단부가 구동판(22)(22')에 고정된 유연성 축(93)(93')상에 지지될 수 있다. 이들 유연성 축(93)(93')은 이들의 회전모우드에서는 견고하나 이들의 벤딩모우드에서는 유연성을 갖는다. 유니버셜조인트가 동일한 방법으로 기능을 발휘할 수 있다. 이러한 방식으로 현가된 구동판(22)(22')은 병진운동시에 자유로우나 회전운동시에는 그렇지않다.

구동판(22)(22')의 중심에는 부싱(21)(21')이 있으며 이를 통하여 축(17)이 통과하고 중심축(14)에 착설된 크랭크(16)(18)에 의하여 회전구동되며 다시 중심축은 외갑체(2)에 착설된 베어링-씨일(15)을 통하여 모우터(13)에 의하여 구동된다. 이와 같이 모우터(13)가 작동될 때에 이는 구동판(22)(22')이 궤도운동하도록 하고 다시 이들은 통공(23)에 결합된 모든 휩롯드(24)가 유사한 궤도운동을 하도록 한다. 크랭크(16)(18)의 반경은 휩롯드(24)가 튜우브(1)내에서 자유롭게 궤도운동토록 조절될 수 있다. 통공(23)의 직경은 휩롯드가 튜우브(1)내에서 궤도운동하는 동안 각 휩롯드가 스스로 조절할 수 있도록 휩롯드(24)의 직경보다 현저히 크다.

제1도는 파랑운동으로 기울어지는 선박의 갑판과 유사하게 수평으로부터 기울어지는 평판(200)에 견고히 부착된 열교환기 형태의 오비탈 휩롯드 전열장치(100)를 보이고 있다. 이 전열장치(100)는 동일하게 비수직방향으로 기울어져 있다. 이와 같이 베이스가 가동형인 경우 전통적인 액체레벨제어와 낙하필름모우드에 관련된 공급액체분배방법이 어느 하나 유효하지 않을 것이다. 다른 한편으로 공급액체분배는 튜우브(1)와 튜우브측 챔버(5)(6)가 완전히 범람하게 되고 공급액체(제2처리매체 Ⅱ)가 튜우브의 단부로부터 주입될 때에 배치방향에 의하여 전체적으로 영향받지 아니한다. 휩롯드(24)는 각 단부에 하나씩 두 구동판(22)(22')에 의하여 궤도운동토록 구동된다. 이는 휩롯드의 일측단부로부터만 구동되는 것보다 적극적인 구동기술이나 베이스 가동형 또는 비수직형에서 유리하고 튜우브측 챔버가 전체적으로 범람되는 형태에서 크게 유리하다.

제2도는 상부 튜우브 시이트(3)상에 착설되는 단일 구동판(22)을 이용하는 오비탈 휩롯드 전열장치(100')(도면에서 동일부분에 대하여서는 동일부호로 표시하였음)의 일부를 절개하여 보인 것이다. 열교환기의 형태인 전열장치(100')의 배치방향은 수직이고 휩롯드(24)는 각 단부가 고정되는 수평핀(25)에 의하여 통공(23)을 통해 매달려 있으므로 이들은 통공에 대한 휩롯드의 위치에 관계없이 통공(23)을 통하여 낙하하지 아니한다. 이러한 취부구성은 간단한 "방문"조립 또는 보수 또는 유지를 위한 분해가 가능하게 된다. 튜우브(1)의 내측에서 휩롯드의 궤도운동은 모우터(13)에 의하여 이루어지고 중심축(14)과 베어링-씨일(15)을 통하여 전달되어 크랭크(16)와 크랭크핀(17')을 회전시키며 구동판(22)의 중심에서 부싱(21)에 궤도운동을 전달한다. 구동판(22)은 모든 휩롯드가 구동판이 다수의 크랭크로 안내되는 경우처럼 원운동으로 운동토록 한정되므로 크랭크(16)의 원운동으로 이어지고 회전없는 정원형의 궤도운동이 이루어진다. 마모와 제조허용공차에 대한 이러한 다중구동상태의 관대한 특성으로 통공(23)을 휩롯드(24)의 직경보다 아주 크게 할 수 있다. 제한을 두는 것은 아니고 한 예로서, 만약에 튜우브가 내경이 1.50인치(3.8cm)이고 길이가 4피이트(1.2m)인 경우에 휩롯드는 약간 긴 3/8인치(0.94cm)의 스텐레스 스틸로 구성될 수 있고 통공(23)은 직경이 약 5/8인치(1.59cm)이다. 휩롯드(24)와 통공(23) 사이의 간극은 열교환기가 제2도에서 보인 바와 같이 낙하필름모우드로 작동될 때에 각 튜우브로 공급액체가 유입되는 유입부로서 작용한다. 공급액체는 통공(23)과 휩롯드(24) 사이의 결합에 윤활작용을 하는 반면에 휩롯드는 통공이 얼음입자로 폐색되지 않도록 한다.

휩롯드가 이들의 상측단부로부터 매달리므로서 이들의 하측단부에는 장애물이 없어 아이스 슬러리(27)가 배출공(28)으로 자유롭게 유동토록하며 도관(12)을 통하여 적당한 펌프(도시하지 않았음)의 흡입부로 보내어지며 이 펌프는 이를 저장탱크, 또는 열교환기인 전열장치(100')로 되돌려보내지는 재순환루우프의 적어도 일부분으로 밀어낸다. 가끔 휩롯드를 하부 튜우브 시이트를 넘기거나 저면부에 근접하게 연장하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하므로서 휩롯드의 하측단부에 부가된 질량은 튜우브의 하부내측면에 대하여, 정확하게는 유동류내 아이스 슬러리의 농도가 최대에 이르고 최대동결특성을 갖는 튜우브의 하부내측면에 대하여 롯드의 접촉압력을 증가시킬 것이다. 저면으로 연장된 단부는 아이스 슬러리를 저어주어 배출공(28)으로의 유동이 원활하도록 한다.

전열장치(100')가 냉동기 도는 냉각기로서 작동될 때에 액체냉각제는 유입부인 도관(9)을 통하여 챔버(8)측으로 도입되고 전열튜우브(1)의 외측면에 접촉할 때에 증발된다. 이와 같이 발생된 증기는 유출구인 도관(10)으로부터 응축유니트(상업적으로 입수가능한 압축기, 응축기, 리시버 및 흡인축적기의 표준형 조합체)로 보내어지고 이는 액체냉각제를 유입부인 도관(9)으로 되돌려 보낸다.

냉각제의 증발로 인한 냉각효과는 튜우브(1)의 내측면(7)을 흘러내리는 물로부터 열을 흡수한다. 그리고 물은 부분적으로 동결된 아이스 슬러리가 된다. 휩롯드(24)의 궤도운동은 휩롯드의 전면에서 튜우브의 내측면을 따라 회전토록 물을 밀어내어 휩롯드의 배면측으로 얇은 필름을 형성한다. 얇은 필름, 전체적인 튜우브의 습윤상태와 유동류의 교란성 파면(波面)의 조합이 튜우브(1) 내부의 열전달특성을 개선한다.

이러한 냉동기분야에 있어서는 공급수 내부에서 얼음의 결정화를 향상시키는 것이 바람직하다. 이상적으로 결정성장은 튜우브벽에서보다는 휩롯드운동에 의해 발생되는 교란성 유동류내에서 이루어지는 것이다. 5%의 염화칼슘용액으로 시험한 결과 단일튜우브 시험장치를 떠나는 유체는 초기에 과포화되었다(평형동결온도 이하인 수 ℃로 과냉각되었다). 한 점에서 미세결정운과 같이 흰색으로 바뀐 용액이 순간적으로 핵을 이루어 과포화상태로부터 해제되었다. 배출온도는 신속히 평형값까지 상승되어 시험기간 중 그대로 유지되었다. 이러한 순간적인 핵화현상은 결정성장이 튜우브 벽에서보다는 휩롯드전면의 벌크용액에서 일어난다는 가설을 지지한다. 그러나 얼음이 형성되는 메카니즘은 규명되지 않거나 이러한 메카니즘의 이해를 일반적으로 동의할 뿐이다.

휩롯드는 약 400-700rpm, 즉 초당 약 10회 회전한다. 이는 4피이트(1.22m) 길이의 튜우브를 통하여 물이 자유낙하하는데 소요되는 시간인 1/2 ~ 1초 보다 매우 빠르다. 따라서 물은 실제로 길고 얕은 소용돌이 통로를 따라 일정하게 휩롯드(24)에 의하여 밀리어 흐르게 된다. 이로써 벽에서 결정으로 성장할 기회가 감소된다.

냉각제에 관하여, 열전달특성은 냉각제에 노출되는 표면적을 증가시키는 흠이 형성된 표면과 같은 여러 가지 수단에 의하여 향상될 수 있다. 그러나, 본원 발명자들은 수직튜우브형 열교환기로서 제3도에서 보인 바와 같이 냉각제의 유동을 위하여 상부와 저면이 개방된 동심원상의 관상자켓(35)을 이용하고 관류를 통하여 냉각제의 순환을 향상시키는 것이 유리한 것으로 확인하였다. 관상자켓(35)은 튜우브(1)와 이 관상자켓(35) 사이의 환상공간(37)에서만 비등이 이루어질 수 있도록 냉각제의 비등을 제한한다. 강력한 대류가 열교환면을 따라 유체류를 신속히 상측으로 움직이는 가벼운 증기기포에 의하여 이루어지는 것으로 보인다. 그 결과의 높은 증기속도는 비등측 필름효과를 실질적으로 개선하고 튜우브에서 열류속이 보다 균일하게 이루어지도록 하는 전단력을 생성하는 것으로 믿어진다. 오비탈 제빙기에 만을 고려할 때, 이제 써모사이폰 튜우브개념은 일반적으로 외갑체측에서의 비등으로 수직튜우브형 열교환기에 대한 잇점을 갖는 것으로 보인다. 외부분리용기(두개의 상으로 분리하기 위한 용기)와 이중 튜우브 시이트구조로 이러한 써모사이폰구조와 작동이론은 수평튜우브형 열교환기로 확장될 수 있다.

튜우브(1)의 외측부에 사용된 관상자켓(35)에 있어서 오비탈 냉동기의 전형적인 열전달계수는 외경(OD)이 1.5인치인 강철튜우브와 외경이 3/8인치인 스텐레스 스틸 휩롯드를 가지고 약 700rpm의 속도로 궤도운동하는 시스템에서 약 800BTU/hr-ft²-℉이다. 8℉ 온도차이가 있으면 열류속은 약 6000 BTU/hr-ft²가 될 것이다. R22가 냉각제로서 사용된 반면에, 5% 에틸렌 글리콜 또는 3% 염은 공급액체에 대한 전형적인 첨가제이다.

제4도와 제4A도는 휩롯드(24)가 튜우브(1)와 동심원인 원형 화살표(300)로 보인 궤도운동으로 오비탈 구동판(22)의 통공(23)에 의하여 가압될 때에 휩롯드(24)의 공급액체와 튜우브(1) 사이의 역학적인 물리적인 상호작용을 설명한다. 하향이동하는 유동류(43)가 그 궤도운동의 전면에서 휩롯드(24)에 의하여 가압된다. 힘(60)은 휩롯드를 구동시키는 구동판(22)(22')의 통공(23)의 운동으로부터 유도된 힘(61)에 의하여 튜우브(1)내측에서 회전토록 구동되는 휩롯드(24)의 원심력이다. 이 원심력은 유체가 롯드에 의하여 가압될 때에 휩롯드(24)의 표면에 작용하는 유체역학적인 힘(63)에 의하여 반작용된다.

제4A도는 이들 힘의 벡타의 물리적 평형특성을 보다 명확하게 보인 힘 평형도이다. 실제로 벡타(63)의 접선성분은 모우터(13)에 의하여 공급된 구동력에 직접 관련된 벡타(61)에 의하여 평형된다. 벡타(63)의 방사상 성분은 휩롯드의 속도, 직경과 밀도의 함수인 원심력에 의하여 평형된다. 휩롯드의 속도와 직경이 벡타(63)의 특징에 영향을 주므로 휩롯드의 밀도만은 독립적인 제어요소이다.

완전한 시스템에 있어서 모든 휩롯드의 원심력과 구동판의 원심력의 합은 전체 시스템에 작용하여 이를 요동케하는 회전분배력을 나타낸다.

또한 제4A도는 튜우브의 중간에서 이 튜우브(1)의 중심선에 수직인 평면에서작용하는 3개 힘의 벡타(60)(61)(63)의 가설적인 평형도라는 점이 중요하다. 이러한 가설은 휩롯드가 이 휩롯드의 두 단부에서 작용하는 두 구동판에 의하여 구동될 때에 휩롯드(24)에 작용하는 힘을 잘 설명하고 있다. 휩롯드가 일측단부만으로부터 구동되는 경우에 구동력(61)과 반작용역(63)의 중심이 더이상 동일평면에서 작용하지 않으므로 모멘트가 일어난다.

이러한 경사모멘트에 대한 반작용은 튜우브의 곡률과 휩롯드의 강도로부터 나온다. 특히 원심력(60)은 견고한 휩롯드가 튜우브 중심선과 평행하게 튜우브벽에 밀착되게 정렬토록 하며 이 때에 곡률은 제로이다. 이와 같이 원심력(60)의 도움으로 휩롯드는 베어링에 의하여 안내되는 경우에 튜우브의 중심선에 평행한 상태로 회전될 수 있도록 한다. 상기 언급된 바와 같이 아이스 슬러리의 생산과 같은 어떠한 분야에서는 얼음이 튜우브의 상측단부에서보다는 하측단부(수칙으로 배치되었다고 가정할 때에)에서 보다 많이 모아지거나 성장할 수 있다. 열교환기가 향상된 열류속으로 작동되므로 이 상황은 원심력(60)의 휩롯드 정렬효과를 극복하고 또한 장치가 안정될 수 있도록 한다. 이러한 문제에 대한 본원 발명자들의 해결안이 제7도에 관련하여 이후 설명된다.

유동류(43)는 교란성이 크다. 냉동기분야에서 대부분의 얼음이 결정화가 이루어지는 것으로 믿어진다. 일부 초기형성는 휩롯드의 후측에 남겨진 양은 필름에서 튜우브의 표면에서 일어난다. 상기 언급된 첨가제의 작용에 조합하여 유동류(43)의 교란과 휩롯드(24)의 기계적인 작용이 휩롯드로서는 제거하기 어렵게 튜우브의 벽에 견고히 부착되는 두꺼운 경질의 얼음덩이나 피복체로 이러한 초기얼음형성이 성장하는 것을 방지하는 것으로 믿어진다.

제5도는 본 발명의 다른 주요한 특성을 보인 것으로, 오비탈 드라이브가 각각 튜우브(1)에 결합된 다중 크랭크(40)를 구동시키는 단일 오비탈 구동판(22)으로 구성된다(다른 실시형태에서 동일부분에 대하여 동일부호로 표시하였음). 이러한 튜우브의 하나가 제5도에 상세히 도시되어 있다. 크랭크의 주회전축(44)은 부싱(42)으로 안내되고, 이 부싱은 축(44)의 중심을 튜우브(1)와 동심원상으로 유지하도록 다리가 3개인 스파이더형 브라킷트(47)로 고정된다. 브라킷트는 하나의 견고한 암(47a)과 두개의 편향형 암(47b)을 갖는 것으로 설계되어 조립된 상태에서 튜우브내에 삽입되어 자동중심조절될 수 있게 되어 있다. 제7도에서 보인 정지수단은 탄력적인 삽입결합으로 브라킷트 암이 결합토록 튜우브의 주연부에 제공된다. 이들 정지수단을 튜우브(1)를 튜우브 시이트(3)에 결합시키는 통상적인 하이드로 스웨징 과정중에 형성된다. 브라킷트(47)와 크랭크(40)는 조립과 유지보수를 위한 분해가 용이하도록 튜우브(1)에 상부로부터 장전될 수 있다.

크랭크의 주회전축(44)의 상측단부는 크랭크 암(41)에 고정되고 이 크랭크 암은 구동판(22)에 고정결합된 크랭크 핀(39)을 재가한다. 각 핀(39)은 상기 언급된 바와 같이 핀 직경에 대하여 크기를 크게 한 구동판의 통공(23)내에 삽입된다. 축(44)의 하측단부는 회전부재(46)에 결합하며 이 회전부재는 여기에서는 양단에 두개의 슬로트(48)(48')를 갖는 평면상 암으로 도시되어 있다. 이들 두 슬로트는 휩롯드(24)(24')를 지지토록 이들의 단부에서 이들 휩롯드에 형성된 요입부(49)(49')에 느슨히 결합된다. 동시에 이러한 취부구성은 크랭크조립체가 휩롯드(24)(24')에 직각이고 튜우브(1)의 축선에 직각인 평면에서 오비탈 구동판(22)의 궤도운동에 의하여 회전토록 구동될 때에 휩롯드가 튜우브(1)내부에서 구를 수 있도록 한다. 이 실시형태는 수직배치형의 단일 상부판 구동용으로 최상이나 이중판 구동용으로 비수직배치형인 것에도 이용될 수 있다. 휩롯드의 취부는 경직되하게 이루어 지지 않는다. 이들 휩롯드는 슬로트(48)(48')내에서 방사상 방향으로 자유롭게 이동될 수 있어 강인하나 유연성을 갖는 휩롯드의 잇점을 제공하고 전통적인 견고성 와이퍼에서 나타나는 정밀성 문제, 공차문제 및 마모문제가 배제된다.

제6도는 제2도, 제5도 또는 제7도의 오비탈드 라이브가 설명을 간편히 하기위하여 제2도, 제5도 또는 제7도의 튜우브 시이트(3)의 중심(S)둘레에 등간격으로 원형이 되게 배열된 5개의 튜우브를 갖는 열교환기를 참조하여 마모와 제조허용공차를 적응하는 것을 보이고 있다. 별모양 패턴 a₁-a₂-a₃-a₄-a₅는 각 점이 튜우브(1)의 중심선과 제5도 및 제7도 실시형태에서 크랭크 주회전축(44)의 중심선에 일치하는 튜우브 시이트(3)의 튜우브 패턴을 보인 것이다. S는 중심축(14)의 중심선을 나타낸다. 기본적으로 S는 도시된 바와 같이 튜우브 패턴 a₁-a_n의 기하학적 중심에 위치하여야 한다. 점 a 사이의 굵은선 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 및 3-5는 튜우브 시이트(3) 또는 동등한 구조적인 부재의 연결웨브를 나타낸다.

제6도에서 점 b₁-b₂-b₃-b₄와 이들은 연결하는 가는선 22-1...22-5는 그 기하학적 중심이 T에 위치하는 오비탈 구동판(22)을 보이고 있다. 기본적으로 패턴 a와 b는 동일하여 오비탈 구동판 패턴 b가 튜우브 시이트 패턴 a로부터 병진운동으로이동될 때에 모든 변위벡타 r는 동일하다. 특히 r이 크랭크암의 반경에 의하여 고정될 때에 패턴 b는 정원의 궤도운동으로 운동할 것이다.

구조적인 공차문제는 루우프둘레에서 누적된 구조적인 에러를 체크하도록 각 평행사변경 b₁-T-S-a₁-b₁에서 시험될 수 있다. 구조적인 에러는 마모, 베어링 유도, 튜우브 패턴의 제조공차와 브라킷트(47)의 편심공차의 조합으로부터 유래된다. 오비탈 구동판설계에 있어서 루우프 b₁-T-S-a₁-b₁둘레에 누적된 모든 에러는 구동판 통공(23)과 크랭크 핀(39) 사이의 전형적인 1/16인치 간극에 의하여 쉽게 적응될 수 있다. 이러한 간극은 점 b₁을 둘러싸고 있는 원 c₁으로 보이고 있다.

본 발명의 오비탈 구동판이 반경 r이 1/2 인치인 크랭크(오비탈 휩롯드 또는 제5도에서 보인 풀-플렛지형 통상의 형태)를 구동토록 사용될 때에 이 1/16 인치 공차는 크랭크(16)에 대하여 상기 튜우브의 크랭크 각도가 5°만큼 이상(移相)되도록 한다. 이는 다시 구동판에 대하여 가하여지는 크랭크 반작용력의 부하패턴에 매우 작은 변화를 가져온다. 그러나 운전시험에서 오비탈 구동판의 구성이 통공(23)의 크기와 형상에 다양한 변화를 줄 수 있도록 매우 관대한 것임을 보이고 있다. 요약컨데, 이러한 오비탈 드라이브는 궤도운동을 동시에 다수의 튜우브에 전달할 뿐만 아니라 드라이브의 어느 부분에서나 마모가 없고 구조적인 허용공차를 제한하는 제조나 조립을 요구하는 부품이 없다. 드라이브는 내구성을 가지고 쉽게 유지보수할 수 있으며 제조비용이 비교적 적게 소요된다. 또한 부품수도 적다. 예를 들어 회전력을 다중 튜우브에 전달하게 위한 복작한 기어열도 없으며, 대부분의 경우와같지 않게 하측 구동판을 필요로 하지 않는다.

제7도는 한쌍의 직경방향으로 대향된 사각단면의 평면상 휩롯드(50)(50')를 구동시키는 크랭크조립체의 이용을 보인 것으로, 이는 (1) 휩롯드 이동시에 튜우브에서 공급액체의 교란이 크게 일어나고 (2) 튜우브 벽으로부터 성장되거나 이에 쌓이는 고체퇴적물(예를 들어 냉동기로서 사용될 때에 얼음결정)을 제거하도록 벽의 내측면(7)에 인접하는 끌모양의 선단면부를 갖는 사각단면의 형태로 되어 있다.

본 발명의 다른 주요 특징은 원심력(60)을 증가시키기 위하여 휩롯드(50)(50')에 부가적인 방사상 방향의 힘을 제공하기 위한 구성에 있다. 본 발명의 구체화된 구성으로서 한쌍의 스프링(51)(51')이 있다. 튜우브 내측면(7)에 대한 휩롯드의 결합력은 원심력, 스프링(51)의 중력성분과 스프링(51)(51')의 탄력이 조합된 것이다. 이는 제5도의 실시형태에서 슬로트(48)(48')에 취부한 것과 같이 휩롯드(50)(50')에 대하여서도 견고하게 취부되지는 않는다. 이러한 "느슨한" 방사상 배치구조는 정밀가공, 정밀공차 및 정밀조립없이 본 발명의 목적을 달성하는데 도움을 준다.

냉동기/냉각기에 이용함에 있어서, 저속으로 작동하나 토오크가 높은 제7도에서 보인 바와 같이 간단한 스프링탄지형 휩롯드가 힘의 방사상 성분만이 원심력일 때에 롯드가 수동적으로 또는 능동적으로 구동되는 것에 관계없이 허용될 수 없을 정도로 튜우브 내측면(7)에 얇은 피복형태로 얼음이 형성될 수 있도록 한다. 얼음피복체가 허용될 수 없는 두께로 성장하면 이러한 드라이브의 강력한 힘에 의하여 간단히 벗기어 진다. 벽으로부터 벗기어지는 얼음의 결정형상은 어떠한 분야에서는 좋을 수도 있다. 통상적으로 100rpm 이하의 저속은 원심력이 충분히 발달되지 못하도록 하므로서 휩롯드의 정렬을 유지하기 어렵고 벽에 고체퇴적물이 퇴적되는 것을 억지하지 못한다. 스프링 마운트는 저속작동이 가능하도록 하며 진동이나 기타 관련된 문제를 감소시킨다.

열저장용으로 아이스 슬러리를 제조할 때에 튜우브 내측면(7)에서보다는 휩롯드 전방의 교란성 하향 유동류(43)에서 일어나는 결정화를 촉진하는 것이 바람직하다. 얼음이 표면에 달라붙었을 때에 이를 긁어내는 것은 매우 어렵다. 얼음의 이러한 층은 벽에서 얼음의 성장을 더욱 촉진한다. 두꺼운 얼음층이 성장하여 휩롯드가 튜우브에 동결되는 불상사가 일어날 수 있는 위험이 있다. 이러한 상황으로부터 회복하는데에는 오랜 용해시간이 필요하다. 이러한 상황에서는 첨가제와 휩롯드가 벽에서의 얼음성장을 충분히 제어할 수 있는 운전조건에 주의를 기울여야 한다.

냉동기로서, 특히 아이스 슬러리 모우드로 용이하게 작동할 수 있도록 하기위하여 제7도에서 가상선으로 보인 후크(52)(52')가 일측단부에서 휩롯드(50)(50')에 고정되고 타측단부에서 회전축(44)에 걸린다. 후크는 스프링의 탄력과 원심력(60)에 응답하여 회전축(44)으로부터 휩롯드(50)(50')의 최대이동거리를 확보하는 견고한 스토파로서 작용한다. 이들 후크는 휩롯드(50)(50')와 튜우브(1)의 내측벽(7) 사이에 매우 좁은 간극, 전형적으로 수 밀(0.004인치, 0.010mm) 정도의 간극을 유지할 수 있도록 한다. 서로 180°의 간격을 두고 각 튜우브에 두개씩의 휩롯드를 사용하므로서 이들의 튜우브 내측면(7)에서 이동할 때에 휩롯드의 자동평형이 양호하게 이루어진다. 물론 두개 이상의 휩롯드가 사용될 수 있다.

제7A도에서 보인 바와 같이 90°간격을 둔 4개의 휩롯드는 주어진 궤도운동 속도에서 휩롯드작용의 증가와 함께 동일한 평형상 잇점을 제공한다.

소형시스템의 경우에는 제5A도에서 보인 하나의 튜우브내에 느슨히 회전하는 수개의 휩롯드가 사용되므로서 오비탈 드라이브나 기어열과 같은 다중구동기구에 의하여 구동되는 하나의 휩롯드의 튜우브마다 사용되는 것에 비하여 매우 경제적이다. 휩롯드의 특성을 시험하는 단계에서 제5A에서 보인 동일한 방식으로 구동되는 휩롯드를 갖는 동심원상 자켓내에 하나의 튜우브가 매의 편리하고 경제적인 것으로 입증되었다.

상기 언급된 바와 같이 역학적인 평형을 유지하기 위하여 각 튜우브에 갖추어진 휩롯드 쌍을 구동시키도록 크랭크를 이용하는 것이 용이하게 보인다. 만약 단 하나의 휩롯드가 각 튜우브마다 사용되는 경우 역학적인 평형은 제5B도에서 보인 바와 같이 직경방향으로 대항된 위상각도를 갖는 일조의 휩롯드 쌍으로 구분하므로서 성취될 수 있다. 제5B도에서 19개의 튜우브내에 있는 19개의 휩롯드가 작은 원으로 보인 바와 같이 10개 롯드의 한 그룹과 작은점(24')으로 보인 바와 같은 9개 휩롯드의 다른 한 그룹의 두 그룹으로 나누어진다. 일반적으로 역학적인 평형은 병진운동모우드와 회전운동모우드를 모두 고려하여야 한다. 목표는 상대측에 대하여 180°의 위상각으로 각 그룹에서 휩롯드의 수가 거의 동일하게 공통축선(전체 시스템의 중심선에 위치하는 것이 좋음)의 둘레에 회전토록 대향된 휩롯드 그룹의 조합된 무게 중심 C.G를 갖는 것에 있다.

이미 언급된 바와 같은 6000 BTU/ft²-hr의 전형적인 열류속은 상기 예시적으로 주어진 작동조건에서 제2도의 오비탈 휩롯드구조에 대하여 실질적인 상한선을 나타낸다. 이러한 오비탈 휩롯드구조는 초기얼음형성을 제거하고 열교환기가 6000 BTU/ft²-hr 유속값에 가까운 상업적으로 요구된 레벨로 작동될 때에 문제점을 피할 수 있는 최상의 가능성을 갖는 것으로 확인되었다. 그 이유는 구르는 휩롯드의 결합력이 원심력(60)에 의하여서만 좌우되어 최상의 환경하에서 크기가 제한되고 튜우브(1)내에서 얼음이 생성될 때에 궤도운동반경이 수축되게 작아지기 때문이다. 이러한 상황에서는 초기상황이 검출되어 필요한 회복시간만큼 정지시켜야 할 때에 작동을 정지시키도록 하는 경보를 발하도록 하는 것이 가치가 있다.

제7도의 구조와 비교하여, 초기얼음형성(나뭇가지 모양의 결정성장으로 보임)이 튜우브 내측면(7)에서 일어나는 경우에 스프링제어형 간극은 안정된 제거효과를 제공하므로서 간극을 넘어 계속 성장하는 것을 방지한다. 이는 업셋트현상을 피하는 데 중요하다. 이를 위하여 스프링제어형 간극은 견고하게 착설된 롯드보다 유연성이 크도록 한다.

요약컨데, 전체 열교환기 또는 튜우브를 궤도운동시키는 것과는 반대로 오비탈 구동판으로 "직접" 휩롯드를 구동시키면 구동되는 질량을 줄일 수 있고 구동기구의 긴장과 설계조건을 줄일 수 있다. 그러나 "직접" 구동방식은 휩롯드를 전방으로 밀어내는데 필요한 접선방향의 힘을 공급하는데 제한이 있다. 튜우브에 대한 휩롯드 부하는 원심력으로부터 간접적으로 전달되어 비교적 힘의 크기가 작고 오비탈드라이브의 토오크능력을 전부 이용할 수 없다. 크랭크를 통하여 오비탈 구동판으로 특히 스프링으로 휩롯드에 부하를 가하는 부가적인 선택으로 휩롯드를 구동시키므로서, 오비탈 열교환기는 점성이 큰 처리유체를 위한, 특히 아이스 슬러리제조용의 오비탈 드라이브 전열장치의 능력을 충분히 개발할 수 있다.

제8도는 완전한 열교환시스템을 보인 것으로 예를 들어 열저장시스템이 본 발명에 따라 구성되고 작동되는 아이스 슬러리 제조기의 형태인 전열장치(100), 아이스 슬러리 탱크(111)와 빌딩(112), 또는 얼음이 녹으므로서 탱크(111)에 저장된 "저온"이 분배시스템(개략 코일로 보임)(118)을 통하여 공급되는 기타 설비를 포함한다. 분배시스템은 폐쇄루우프이다. 아이스 슬러리 제조기의 형태인 전열장치(100)가 범람모우드로 작동되는 경우 이 시스템은 레벨제어를 이용하지 아니하고 시스템용의 정상순환 또는 공급펌프만을 이용하여 고층빌딩으로 저온을 공급할 수 있다.

만약에 냉각수가 분배된다면, 저장된 얼음이 녹거나 "연소"되어야 한다. 전열장치(100)의 배치에 따라서 중력과 대류가 순환을 촉진하거나 보조할 수 있다. 만약 아이스 슬러리가 이송되어 분배된다면 이는 탱크로부터 분배시스템으로 펌프되어야 한다. 이러한 냉장시스템에 있어서, 얼음의 제조와 연소에 소요되는 시간은 교대로 지속되며 통상 상이한 지속시간을 갖는다. 어떤 분야(교회와 같은)에 있어서, 아이스 슬러리는 제조되어 상당 기간동안 탱크에 저장되나 비교적 짧은 시간에 연소될 수 있다.

얼음저장의 한가지 특수한 문제는 탱크(111)내에 저장된 저장 아이스 슬러리내의 얼음을 얼음덩어리로 굳어져 물에 뜨는 경향을 보이는 것이다. 사용후 따뜻하게 된 물은 탱크로 다시 보내져 얼음을 녹인다. 따뜻한 물은 물에 떠 있는 얼음덩어리(113)를 통하여 지나려는 경항을 갖는다. 이는 최대연소율을 낮추어 아직까지 탱크내에 얼음이 많이 채워져 있는 동안 따뜻한 물이 탱크의 저면측에 향할 수 없도록 한다. 이러한 문제점을 처리하기 위하여 저장탱크의 상부에 착설된 가동노즐(120)이 일반적으로 균일한 얼음덩어리 위로 따뜻한 물이 재순환하도록 하는 패턴으로 이동한다.

이상은 고정형 또는 가동형 기준동체상에 수직 또는 비수직형으로 배치된 상태에서 범람형 또는 낙하필름형 모우드로 작동될 수 있는 고효율의 전열효과를 제공하는 독특한 오비탈 드라이브 열교환기와 열저장시스템을 설명하였다. 또한 각 튜우브에 높은 토오크가 가하여지고 선택적으로 부가적인 방사상의 힘이 가하여지며 휩롯드와 튜우브 사이의 간극이 제어되는 휩롯드-인-튜우브형태의 다중열교환기를 동시에 작동시키기 위한 적극적이고 기계적인 오비탈 드라이브를 설명하였다. 이 드라이브는 매우 신뢰성이 크고 내구성이 있으며 부품 및 조립체의 마모와 공차가 적다. 또한 단일단 형태의 드라이브로 작동되고 휩롯드의 운동에 대한 튜우브를 따른 저항이 균일치 않은 상태에서 작동되는 경우에는 휩롯드가 자동조절될 수 있다. 또한 드라이브는 부품수가 적어 비교적 비용이 적게 들고 공차조건이 낮으며 조립이 용기하고 유지보수시의 분해가 용이한 것이 특징이다. 또한 전열튜우브의 외면에서 향상된 열전달효과를 보이는 열자켓을 설명하였다. 열교환기와 시스템은높은 에너지 효율로 작동하고 콤팩트하며 규격의 다양성이 있고 특수펌프나 액체레벨제어수단없이 폐쇄루우프시스템, 특히 고층빌딩이 냉방시스템에 사용될 수 있다.

이상의 본 발명이 구체화된 우선실시형태들에 대하여 설명되었으나 전문가라면 상기 언급된 설명과 도면으로부터 여러 수정형태나 변경형태를 구성할 수 있을 것이다. 예를 들어 휩롯드와 크랭크 핀이 구동판의 통공에 느슨히 결합된 것으로 설명되었으나 비록 비용이 들고 유체공급선택범위가 감소되더라도 이들은 베어링에 착설될 수도 있다. 또한 휩롯드가 핀에 의하여 상부 구동판으로부터 매달리는 것으로 설명되었으나 이들은 이들의 하측단부에서 자유롭게 세워질 수 있도록 하는 보다 정교한 수단에 의하여 매달릴 수 있거나, 양단이 유연성 있게 고정되거나 또는 하측단부에서의 접촉력을 높이는 회전구성에 의하여 지지될 수 있다. 그러나 이들 변형실시형태는 이들의 작동상 선택범위가 감소되므로 그다지 바람직한 것은 아니고 비용이 많이 들거나 아이스 슬러리의 제조에 사용될 때에 고체물의 축적이 쉽게 일어나는 것으로 믿어진다. 구동판은 동력원이나 구동판에 대한 그 결합의 경우와 같이 본문에 설명된 일반적인 설계대상과 구조에 있어서 일치하는 여러 가지 형태가 예상될 수 있다. 예를 들어 구동판은 견고한 폐쇄루우프형 프레임으로 구성될 수 있으며 이는 이 프레임을 가로질러 연장된 와이어나 암의 네트워크를 이용하여 링 어레이를 지지한다. 각 링은 휩롯드 또는 크랭크 핀의 단부를 고정할 수 있다. 또한 동력은 주요 구동축과 편심체를 통하여 모우터에 의하여 공급되는 것으로 설명되었으나 드라이브는 동기화되도록 하는 구성을 갖는 다중동력원, 한 평면에서 꼬이지 않게 운동토록 현가되는 구동판에 결합된 회전평면체, 또는 그 작동이 구동판을 궤도운동시킬 수 있도록 하는 상기 언급된 상호수직인 선형 드라이브를 이용할 수 있다. 이들 및 다른 수정형태와 변형형태는 첨부된 청구범위내에 속한다.

Claims (13)

1. 액체를 냉동 또는 냉각하기 위한 장치에 있어서, 이 장치가 열전달 특성이 큰 물질로 구성되고 내측면에서 냉동 또는 냉각될 유체가 공급될 수 있게 되어 있는 전열튜우브(1), 상기 전열튜우브(1)를 통하여 상기 액체로부터 열을 빼앗기 위한 냉각수단, 상기 전열튜우브(1)내에 배치된 하나 이상의 휩롯드(24)와, 상기 내측면에 상기 동결되는 액체의 퇴적을 제어토록 상기 내측면에 대하여 하나이상의 휩롯드(24)을 구동시키기 위한 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 액체의 냉동/냉각장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 액체의 제어가 용이하도록 상기 유체내에 화학제가 용해됨을 특징으로 하는 액체의 냉동/냉각장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 화학제가 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 우유, 해수, 칼슘마그네슘아세테이트와 무수결정을 형성하는 무기염류로 구성되는 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 냉동/냉각장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 냉각수단이 상기 전열튜우브(1)의 외측면과 폐쇄된 챔버(8)를 형성하여 순환하는 비등유체가 이에 공급되어 상기 유체로 전달되는 열에 의하여 증발될 수 있도록 상기 전열튜우브(1)를 둘러싸는 외갑체(2)를 포함하고,상기 챔버(8)내에서 상기 비등유체의 대류유동로를 형성하는 환상공간(37)을 형성토록 양단부에서 개방간극을 갖는 상기 전열튜우브(1) 둘레에서 상기 챔버(8)에 배치된 단부개방형 관상자켓(35)을 포함함을 특징으로 하는 냉동/냉각장치.
5. 청구범위 4항에 있어서, 상기 비등유체가 냉각제이고 상기 단부개방형 관상부재가 상기 전열튜우브의 외측면으로 증기/포말상태의 상기 냉각제의 고속환상류를 형성토록 상기 전열튜우브에 대하여 고정됨을 특징으로 하는 냉동/냉각장치.
6. 동결될 수 있는 액체를 이용하는 열저장장치에 있어서, 이 장치가 전열특성이 높은 물질로 구성되고 내측면(7)에서 동결 또는 냉각되는 액체가 공급될 수 있게 된 전열튜우브(1), 상기 전열튜우브(1)를 통하여 상기 액체로부터 열을 빼앗기 위한 냉각수단, 상기 전열튜우브(1)내에 배치된 하나 이상의 휩롯드(24)와 상기 내측면(7)에서 상기 동결되는 액체의 퇴적을 제어하기 위하여 상기 내측면에 대하여 하나 이상의 휩롯드(24)를 구동시키기 위한 수단으로 구성되는 액체의 냉동 또는 냉각을 위한 전열장치(100)와, 상기 전열장치(100)에 의하여 생산된 슬러리를 저장하는 탱크(111), 상기 탱크(111)내의 동결액체 연소수단과, 다른 유체를 냉각토록 상기 전열장치를 통하여 탱크저면으로부터 액체를 순환시켜 저장된 저온을 이용하는 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 열저장장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 연소수단이 사용된 물을 일정하게 상기 동결액체측으로 보내도록 상기 탱크(111)내에 수용된 상기 동결액체상에 착설되는 가동노즐(120)로 구성됨을 특징으로 하는 열저장장치.
8. 액체의 냉동 또는 냉각방법에 있어서, 열전달특성이 높은 물질의 전열튜우브를 제공하는 단계, 상기 전열튜우브내의 내측으로 액체를 주입하여 이 액체가 튜우브를 통하여 흐르고 상기 전열튜우브의 내측면에 열적 연결이 이루어지도록 하는 단계, 상기 액체유동과 동시에 상기 전열튜우브의 외측면을 냉각시켜 열이 액체로부터 전열튜우브를 통하여 유동토록 하는 단계, 전열튜우브에 하나 이상의 휩롯드를 배치하는 단계와, 상기 내측면에 상기 동결액체의 퇴적을 제어토록 상기 전열튜우브의 내측면으로 상기 휩롯드를 이동시키는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 액체의 냉동 또는 냉각방법.
9. 제8항에 있어서, 액체가 물이고 상기 액체의 제어를 용이하게 하도록 화학제가 물에 첨가되는 단계를 포함함을 특징으로 하는 액체의 냉동 또는 냉각방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 냉각단계가 상기 전열튜우브의 외측면에 인접하여 증기/포말상태로 상기 냉각제의 얇고 고속인 유동이 이루어지도록 냉각제를 비등시키는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 액체의 냉동 또는 냉각방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 이동수단이 상기 전열튜우브가 고정되어 있는 동안 상기 휩롯드를 궤도운동으로 기계적이고 적극적으로 구동시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 액체의 냉동 또는 냉각방법.
12. 제8항에 있어서, 상기 기계적인 적극구동단계가 휩롯드의 운동으로 발생되는 원심력을 보충토록 상기 휩롯드에 적극적인 방사상 힘을 제공하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 액체의 냉동 또는 냉각방법.
13. 제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 휩롯드를 제공하는 단계가 역학적 평형을 이루도록 상기 튜우브내에 등간격으로 다수의 휩롯드를 제공하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 액체의 냉동 또는 냉각방법.