KR100353334B1 - 열교환기요소및이를사용한열교환기 - Google Patents

Abstract

탱크의 내부에서 수직하게 배치되며, 서로에 대하여 평행하게 이격되어 장착되는 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드(24, 22)에 수압으로 연결되는 유연성 있는 나선형 튜브모양의 코일(12, 14, 16, 18, …) 다수가 본 발명에 따른 열 교환기에 포함된다. 상기 코일은 시계 방향과 반시계 방향으로 교번적으로 감겨지며, 가장 안쪽에 감겨진 코일(12B, 14B, …)과 가장 바깥쪽에 감겨진 코일(12A, 14A, …)들이 적당한 매니폴드에 선택적으로 연결된다. 유체는 모든 코일에서 동일한 방향으로 흐르고, 결국 시계 및 반시계 방향으로 감겨진 인접하는 나선형 코일 스택 사이에 국소적인 온도 구배가 감소된다. 이 현상은 탱크의 내부에서 인접한 코일들 사이에 편재해 있는 유체에 적용되는 온도 평균화 효과에 기인된 것이다.

Description

열 교환기 요소 및 이를 사용한 열 교환기

과거 20년간, 상 변화 매체로 채워지는 탱크 또는 저장용기로 구성되는 빌딩용 냉·온방 시스템에 있어서, 다수의 병렬 열교환 회로(parallel heat exchange circuit)가 구비되어 물과 같은 상기 상 변화 매체에 담겨지고, 상기 병렬 열교환 회로는 코일로 배치된 튜브로 형성되어 소금물(brine), 냉각제(refrigerant) 또는 기타 열교환 액체를 통과시키기 위한 입구 및 배출 매니폴드(inlet and exhaust manifolds)에 연결되는 빌딩용 냉·온방 시스템이 발전되어 왔다. 구조적 요소는 다양한 흐름관(tube flow)을 가지며 상호간에 간격을 두고 있는 코일을 갖는 코일형 튜브를 다양한 배열(array)로 지지하기 위해 사용되고, 상기 흐름관은 상 변화매체의 온도 구배를 최소화하도록 구성하여, 얼음이 상 변화 매체 전체에 걸쳐 동시에 형성되도록 하고, 또한 저장용기의 벽에 대해 어떤 압력이 형성되는 것을 방지하기 위해 튜브 주위의 물이 위쪽으로 이동하도록 구성되어 있다.

당 분야의 대표적인 특허는 칼멕 매뉴팩추어링 코포레이션(Calmac Manufacturing Corporation)에게 양도되고 1981년 10월 13일자로 공개된 캘빈 디. 맥크렉켄(Calvin D. MacCracken)의 미국특허 제4,294,078호 및; 1992년 5월 5일자로 공개된 앨버트 이. 메리풀(Albert E. Merryful)의 미국특허 제5,109, 920호가 있다.

상기 미국특허 제4,294,078호는 이중 튜브(twin tubing 또는 dual tube)를 병렬로 그리고 서로 약간 간격을 두며 나선형으로 감아서 매트(mat)로 지지시킴으로써 튜브 및 고무화된 헤어(rubberized hair)의 프리폼드 유연성 롤(preformed flexible roll)이 형성되는 것을 특징으로 한다. 첫째, 나선부(spiral)의 외부원주에 있는 튜브의 끝단이 소금물 흐름에 대한 각각의 입구 및 출구에 결합되고, 나선부의 맨 안쪽 턴(turn)에서 인접한 튜브의 끝단은 역방향으로 구부리는 방법으로 서로 연결되며, 입구 매니폴드로부터 출구 매니폴드까지 듀얼 튜브 전체 길이를 통해서 소금물의 흐름이 다른 방향이 되도록 상호 연결된다. 따라서 인접 튜브는 나선형 배열(array)로서 수직으로 간격을 둔 형태로 매트의 세로방향으로 연장된다. 이러한 구조는 인접한 튜브에서 평행 흐름을, 그러나 반대 방향의 흐름을 제공한다. 이것은 열교환장치의 인접 코일내에서 소금물 흐름의 전체 길이에 걸쳐 온도가 평균이 되게 하는 원인이 된다.

미국 특허 제5,109,920호에서의 다수의 유연성 튜브의 나선부는 하나의 나선부가 다른 나선부 위에 적층되는 방식으로 배치되는 데, 즉 주어진 나선부의 한쪽 단부는 입구 매니폴드와 연통하고, 이와 인접한 나선부의 끝단은 출구 매니폴드와연통하며 상기 두 나선부의 반대쪽 끝단은 상호 연통된다. 더 나아가, 나선부는 시계방향 및 반시계 방향으로 교번적으로 감기고, 한쪽이 다른 한쪽 위로 쌍이 되게 배치된다. 이와 같은 방식으로, 상부 나선부의 반경방향으로 최외각 턴(turn)의 끝단은 입구 매니폴드에 연결될 수 있으며, 그 옆에 인접한 나선부의 반경방향으로 최외각 턴(turn)의 끝단은 출구 매니폴드에 연결될 수 있고, 서로 인접하는 상기 두 코일의 반경방향으로 맨 안쪽 턴(turn)의 끝단은 상호 연결될 수 있다. 이와 같은 방식으로 소금물은 양쪽 코일에서 같은 방향으로 흐른다.

또한, 입구 및 출구 매니폴드는, 양자 모두가 나선형으로 감겨진 코일 스택 (stack)의 외부 주변에 인접하게 되도록, 나란한 형태로 수직으로 연장된 것이 양호하다.

이러한 열교환 시스템이 성공적으로 작동하는 반면에, 냉각제 또는 소금물 흐름이 양쪽 코일내에서 동일한 방향으로 흐르며, 상기 미국 제 5,109,920 호 특허에서의 열교환기는 미국 특허 제 4,294,078 호에서처럼 바로 옆에 인접한 2개의 코일 사이에 온도 평균화 효과를 가지는 장점을 제공하는 반면에, 인접 코일이 미국 제5,109,920호 특허의 도 8처럼 중간에서 연결되어 있다. 그러나, 모든 코일이 병렬적으로 연결되어 그 내부 연결부가 없는 본 발명과는 달리, 2 개의 코일이 직렬로 연결되고, 따라서 튜브가 다발로 연결된다는 단점이 있다.

본 발명은 열 교환기 요소 내에서 순환하는 유체와 이러한 요소를 수용하는 저장용기(reservoir) 내의 상 변화 매체(phase-change medium) 사이에 열 교환을 시키기 위한 열 교환기 요소(heat exchanger element)에 관한 것이며, 보다 상세하게는 상기 요소를 사용한 열 교환기(heat exchanger)에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 양호한 실시예를 형성하는 개선된 열교환기 요소를 구성하는 구성요소를 도시한 사시도.

도 2는 도 1의 열 교환 요소가 동축 위치로 수직하게 부착되며, 해제 가능한 커버 및 유리섬유 탱크로 이루어지는 열교환기의 수직단면도.

도 3은 도 2에 도시된 탱크 내에 배치되기 이전의, 도 1의 열교환기 요소를 도시한 상부 평면도.

도 4는 도 3에 도시된 열교환기 요소의 제조에 사용되는 스페이서 바를 도시한 측면도.

도 5는 도 1에 도시된 열교환기 요소의 나선형 튜브 코일을 수용하는 열쇠구멍형 슬롯의 형태와 크기 관계를 나타내는 도 4에 도시된 스페이서 바 부분을 확대도시한 측면도.

도 6은 도 4에 도시된 스페이서 바의 확대 단부도.

[실시예]

보다 상세하게 도면을 참고하면, 도면 부호(10)로 나타낸 열교환요소의 기본요소들의 사시도는 미국 특허 제5,109,920호에서 열교환기를 도시한 도 8 및 도 9와 같다. 이러한 열교환기 요소는 수직으로 적층되고 수평으로 위치하는 다수의 나선형 코일을 포함하는 데, 여기서 반시계 방향으로 감긴 나선형 코일(12)이 코일 스택 (coil stack)(28)의 최상부 나선형 코일을 구성한다. 56개로 양호하게 구성된 이러한 코일 스택(28)의 일부만을 도시했다. 바로 인접하는 하부 나선형 코일(14)은, 외각측 턴으로부터 중심을 향하여 감기는 것을 기준으로 보면, 반시계 방향으로 감기는 상부 코일(12)과는 반대로 시계방향으로 감긴다.

이어서, 열교환기 요소(10)는 도 1에 도시된 입구 매니폴드(20) 및 출구 매니폴드(22)에 직접 연결된 끝단을 갖는, 부호(16)로 표시된 3번째 반시계 방향으로 감은 코일로 구성된다. 4번째 시계방향으로 감긴 코일(18)이 코일 스택(28)내에서 상기 반시계 방향으로 감긴 코일(16)의 다음에 배치된다. 본 기술에서 개선된 성질 및 코일이 교호하는 방법은 도 1에서 반시계 방향으로 감긴 코일(12) 및 시계방향으로 감긴 코일(14)로부터 쉽게 알 수 있다.

수직한 파이프(24)로 구성되고 그 상부가 L-형 끼워맞춤부(L-shaped fitting)(26)로 처리되어 있는 열교환기 요소의 입구 매니폴드(20)는, 화살표로 나타낸 통상적인 열교환 액체로서 냉각 순환되는 소금물 또는 냉각제(R)를 수용한다. 매니폴드(20, 22)는 끼워맞추어진 열교환기 요소(10)의 수직축 A에 대해 모두 동축을 이루는 코일(12, 14, 16, 18)의 스택(28)에 대하여 수직으로 연장된다.

그래서 메니폴드(20)는 차가운 소금물 또는 냉각제(R)에 대한 디스트리뷰터 (distributor)의 역할을 한다. 모든 코일은 튜브(32)로 형성된다. 코일(12)은, 화살표에 의해 도시된 바와 같이, 다양한 나선형 코일(12, 14, 16, 18)에 평행한 R에서, 소금물을 공급하는 매니폴드(20)의 측부에 접속되는 최외각 턴(12A)의 일측 단부를 구비한다. 상기 흐름은 항상 동일한 방향이며 이 경우에는 반시계 방향이다. 흐름의 방향은, 도 1의 제 1 최상부 나선형 코일(12) 및 제 3 코일(16)에 대해서 반시계 방향으로, 배열 또는 스택(28)의 제 2 코일(14) 및 제 4 코일(18)은 시계 방향으로 교대로 나타나는 코일의 감김 방향과는 무관하다.

입구 매니폴드(20)의 반대쪽에서, 출구 매니폴드(22)는 튜브(32)에 의해 구성되어 조밀하게 이격된 코일(12, 14, 16, 18) 등의 코일 스택으로부터 나오는 귀환 흐름을 수용하는 데, 상기 귀환 흐름은 출구 매니폴드(22)의 측부로 들어가서 매니폴드의 수직 길이를 따라 흐른다. 그 출구 흐름은 L 형 출구 끼워맞춤부 (fitting)(30)에서 화살표 R' 방향으로 방출된다. 코일 스택(28)의 외부 주변에 위치한 매니폴드(20, 22)에 의하여, 소금물 또는 냉각제 R 에 대해서 다수(양호하게 56)의 평행한 흐름의 동일 방향 순환회로를 제공한다.

코일(12, 14, 16, 18)을 구성하는 튜브(32)는 0.9cm(0.75inch)의 외부 직경을 갖는 중간 밀도의 폴리에틸렌이 될 수 있고, 매니폴드(20, 22)는 상기 실시예에서 6.05cm(2.38inch)의 외부 직경을 갖는 중간 밀도의 폴리에틸렌이 될 수 있다. 상기 튜브 및 매니폴드는 그 크기가 상기의 것과 다를 수 있고, 그 재료도 압출 성형된 플라스틱 재료가 아닌 구리와 같은 다른 재료로 할 수 있다.

열 교환기 요소(10)의 작동성 및 효율성은 도 1의 사시도와 도 2의 측면도에서 평가될 수 있다. 열 교환기 요소(10)가 원통형 측벽을 구비한 탱크(36)의 상부 엣지(36A) 밑에 있는 레벨(L)까지 물(W)에 충분히 잠긴 상태에서, 해제 가능한 커버(40)가 제 위치에 설치되는 경우, 펌프(도시않음)로부터의 순환 펌프 압력하에 있는 입구 매니폴드(20)로부터 소금을 또는 냉각제(R)의 흐름은, 소금물(R)을 제 1 나선 코일(12)을 통해서 반시계 방향으로 이동시키고, 이로써 가장 차가운 상태에 있는 소금물이 코일(12)의 튜브(32)의 결합부(42)로부터 입구 끼워맞춤부(26) 아래있는 입구 매니폴드(20)의 측부로 아래로 흐르도록 한다. 상기 반시계 방향의 순환은 화살표(44)로 도시되어 있다. 이 순환은 반시계 방향으로 코일(12)의 반경 방향의 최외각 턴(12A)으로부터 반경 방향의 최내각 턴(12B)까지 지속된다. 코일(12)의 튜브(32)는 최내각 턴(12B)에 위치한 제 1 코일(12)의 중심 근처에서부터 출구 매니폴드 끼워맞춤부(30) 바로 밑에 있는 출구 매니폴드(22)의 측부까지 반경 방향으로 연장된다. 소금물(R)은 그때 화살표(R')에 의해 나타난 바와 같이 순환 펌프의 흡입 측부로 복귀한다. 나선형 코일(12)의 중심으로부터 복귀할 때, 튜브(32)는 코일(12)의 반경 방향 최내각 턴(12B)으로부터 반경 방향의 최외각 턴(12A)을 지나서전체 턴에 걸쳐 반경방향으로 교차되며, 결합부(46)에서 매니폴드(22)에 밀봉 결합을 구성한다.

바로 밑에 있는 인접한 나선형 코일(14)을 보면, 이 코일(14)은 결합점(48)에서 입구 매니폴드(20)가 아닌 출구 매니폴드(22)에 결합된 최외각 턴(14A)을 구비한다. 코일(14)은 반경 방향의 최외각 턴(14A)에서 반경 방향의 최내각 턴(14B)까지 시계 방향으로 감겨지며, 여기서, 코일(14)의 단부는 최내각 턴(14B)에서부터 거의 반경 방향으로 최외각 턴(14A)을 포함하는 코일(14)의 모든 턴을 외부로 가로지르며 연장되고, 결합부(50)에서 내부 매니폴드(20)의 측부에 직접 결합된다. 결합부(50)에서, 시계 방향으로 감긴 제 2 나선형 코일(14)은 화살표(52)에 의해 도시된 바와 같이 가장 차가운 소금물을 수용한다. 소금물의 흐름은, 코일 어레이 (28)의 반대 방향으로 감긴 최상부 나선형 코일(12)내에서의 흐름과 유사하게 반대로 감긴 코일(14)을 통하여 동일한 반시계 방향이다. 상기 반시계 방향의 소금물 흐름은 외부 코일 턴(14A)에서 화살표(54, 56)로서 진행순서를 나타낸 바와 같이, 스택의 제 1 코일(12)의 턴에 대한 결합점(46) 밑에 있는 결합점(48)의 출구 매니폴드(21)의 측부에서 끝난다. 상기 경우에, 소금물 또는 냉각제(R)는 반경 방향의 최내각 턴(12B) 아래에 있는 반경 방향 최내각 턴(14B)에서 가장 차가우며, 상부 나선형 코일(12)의 상기 최내각 턴(12B)에서 소금물(R)이 가장 따뜻하다.

마찬가지로, 열교환기 요소(10)는 양호하게는 56개인 코일의 전체 길이에 걸쳐서 그리고 도 1의 열교환기 요소(10)를 구체화하는 도 2의 열교환기(100)의 수직길이 전체에 걸쳐서 열교환 흐름의 온도 평균화 효과가 있도록 하는 부가 조건을충족시킨다. 상기 온도 평균화 효과는 그 목적을 달성하기 위해 도 1 및 도 2의 코일 스택(28)의 코일(12, 14)과 같이, 소금물 또는 냉각제(R)가 바로 인접하는 코일의 튜브내에서 반대 방향으로 흐르는 것을 요구하지 않는다.

열교환기(100)의 저장용기 또는 탱크(36)는 제거가능한 커버(40)를 구비한다. 도 2에서, 열 교환기의 탱크(36)는 내부 섬유유리 쉘(60)과 외부 섬유유리 쉘 (62)로 구성되는 데, 이 내·외부 섬유유리 쉘 사이에 그 두께가 5.08cm(2inch) 이상일 수 있는 우레탄 폼 절연체(64)가 삽입된다.

상기 쉘(60, 62)은 탱크(36)의 전체 크기에 걸쳐 서로 이격되어 있고, 탱크 상부벽 또는 엣지(36A)를 경유하는 축방향의 한 단부에서 밀봉된다. 탱크(36)의 내부 둘레 주위로 원주상으로 90°간격을 두고, 4 개의 수직으로 직립하는 금속 로드(66)가 설치되어 있는 데, 상기 로드는 중간 스파이더(70)내에서 적당한 구멍 (68)을 통과하고, 그 하단부(66B)는 하부 스파이더(72)에 고정된다. 양 스파이더 (70, 72)는 원주상으로 이격된 동일한 개수의 반경 방향 암을 구비하고, 이 암은 8개가 양호하다. 수직 로드의 상방 단부를 포획하는 적당한 L 형 브라켓(74)은 내부 섬유유리 쉘(60)에 장착된다. 이러한 구조의 조립체는 열교환기 요소(10)의 주요 구성부품을 형성하는 수직 코일 배열 또는 코일 스택(28)을 한정하며 56 개의 나선형 코일을 제위치에 유지한다. 도 2의 단면도에서 부가로 도시된 바와 같이, 원형 포트(80)는 열교환 시스템의 상 변화된 액체 또는 물(W)의 레벨(L)보다 위쪽이며 탱크의 상부 엣지(36A)에 인접한 위치에서, 탱크(36)의 원통형 측벽을 관통하여 연장된다. 출구 매니폴드(22)의 상부 끼워맞춤부(30)와 같은 끼워맞춤부는 탱크의 외부로 돌출된 방출 포트(30A)를 구비하며, 상기 방출 포트는 매니폴드(20, 22)와 56 개로 적층된 나선형 코일(도 1 및 도 2에서 10, 12, 14, 16, 18로 번호 매겨진 코일)을 포함하는 폐쇄 루프(loop)를 통해서 소금물 또는 냉각제(R)를 순환시키기 위해 펌프(도시되지 않음)의 흡입 측부에 연결된다. 단순화를 위해 단지 20 개의 일부 코일만을 도 2에 도시하였다. 밀봉링(82) 또는 그와 같은 것은, 구부러진 매니폴드(22)의 단부가 탱크(36)의 외부로 돌출하는 부분에 위치하는 L 형 끼워맞춤부 (30) 주위에 액체 밀봉부(seal) 또는 브레이싱(bracing)을 구성하기 위해 끼워맞춤부(30)의 외부를 감싼다. 이 실시예에서, L 형 끼워맞춤부(30)은 작동 액체 레벨 위에서 탱크 측벽을 관통한다. 또한, 제거 가능한 커버는 섬유 유리 탱크(36)의 상부 엣지(36A)에 밀폐 가능하게 장착될 수 있다.

입구 매니폴드(20)는 출구 끼워맞춤부(30)의 한 단부와 유사한 방식으로 수평한 탱크의 외부로 방사상으로 돌출한 한 단부를 구비한 입구 끼워맞춤부(26)에 연결된다.

도 3 내지 도 6은 방사상으로 돌출한 다수의 스페이서 바를 사용하여 열교환 나선형 코일을 구성하는 양호한 방법을 도시한다. 이 경우에서, 최외부 코일 감김 (14A)에서 최내부 코일 감김(14B)까지 시계 방향으로 감긴 코일(14)은 원형의 중심구멍(84)을 남긴다. 코일 튜브(32)를 감고 예비 형성하는 작업에는 8 개의 반경방향으로 향하고 원주상 이격된 스페이서 바(86)를 사용한다. 스페이서 바(86)는 45° 의 각도로 일정하게 이격되고, 회전하는 포머 디스크(former disk)이 고정된다. 도 3 에서 부호(86)로 표시된 스페이서 바는 정해진 길이를 가지고 상부 주위 엣지(86A)내에서 동일한 간격으로 떨어진 열쇠구멍형 슬롯(keyhole solt) 또는 노치 (notch)(88)를 포함한다. 상기 노치(88)는 초기의 반경 방향의 최외부 턴(14A)에서 최종의 반경 방향의 최내부 턴(14B)까지 충분한 수의 코일 튜브(32)의 턴을 수용할 수 있다. 상기 실시예에서 각 스페이서 바(86)내의 열쇠구멍형 슬롯의 숫자는 23 개이다. 상기 열쇠구멍형 노치(88)는 사다리형 교차 구간 입구부(88A)와, 발산하는 사다리 형태부(88B)로 형성되어 있는데, 상기 입구부(88A)는 대향한 수렴형 측벽 (94)에 의해 한정되며, 이 측벽(94)은 하향·내측으로 서로에 대해 1.524cm (0.600inch)의 최소 거리(B)만큼 테이퍼지면서 좁은 너비의 목부(95)를 구성하고, 상기 사다리 형태부(88B)는 수렴하는 경사진 측벽(88B)에 의해 한정되며, 상기 측벽(88B)은 1.854cm(0.730inch)의 가장 넓은 부위에서 종결되면서 반경(P)의 원형 밑벽(98)에 의해 구성된 반원통형 밑부(88C)에 개방되어 있다.

상기와 같이, 목부(95)는 이 목부보다 약간 더 큰 외경을 가지는 파이프 튜브(32)를 일시적으로 압축하여 상기 3 개의 한정된 구간 또는 부위를 구비한 열쇠구멍형 노치(88) 안으로 하향 이동시키는 작용을 한다. 초기 입구 슬롯부(88A)는 노치(88)의 가장 좁은 지점인 목부(95)에서 끝나는 하향·내향하는 나팔꽃형 측벽(94)에 의해 한정되는 사다리 형태이고, 이후 노치의 폭이 점점 넓어져서 발산하는 측벽(96)으로 이루어지는 사다리 형태부(88B)를 형성한다. 또한, 슬롯 또는 노치(88)는 확대된 폭을 가지는 반원형부(88C)에서 끝나며, 이 지점에서 반원형부 (88C)의 슬롯 폭은 스페이서 바(86)의 상부 엣지(86a), 즉 노치(88)의 개방 단부에서의 1.9304cm(0.760inch)의 최대 폭보다 약간 작은, 대략 1.85cm(0.730inch)이다.노치의 반원형부(88c)는 1.85±0.0127 cm (0.7380±0.0050 inch)의 직경 D 를 구비한 둥근 저벽(98)에 의해 한정한다. 이 실시예에서, 노치의 전체 수직 높이는 대략 2.84cm(1.120inch)이다.

스페이서 바의 전체 수직 높이가 4.58 cm(1.842 inch)인 도 6에서, 노치(88)는 상기 수직 높이의 대략 ⅔ 를 점유한다. 23 개의 열쇠구멍형 노치(88)는 상기 실시예에서 그 중심이 4.3 cm(1.69 inch) 높이에 위치한다. 스페이서 바의 노치는, 튜브(32)가 노치의 둥근 밑 구간(88C)으로 통과할 때 단지 중공관 튜브(32)를 국부적으로 일시적으로 압축할 뿐이며, 튜브가 스페이서 바의 상부면(86a)으로부터 정지 위치 즉, 튜브의 축선이 각 열쇠구멍형 노치의 원형 밑벽(102)을 한정하는 반경 (C)의 중심(104)에 일치하는 위치까지 이동하면서 주요부분이 압착되어 비틀리지는 않는 장점을 제공한다.

스페이서 바의 단면도인 도 6에서, 스페이서 바는 상부에서 넓은 화살형 헤드(106)를 제외하고 그 높이의 주요부분에 걸쳐 균일한 두께이며, 상기 넓은 화살형 헤드는 넓은 밑부(110) 내에서 화살촉 형태의 구멍(112)의 크기에 대략 맞추어진다. 스페이서 바 밑부(110)는 통상 삼각형 형태이며, 스페이서 바의 전체 길이에 퍼져 있는 중심 밑 홈(112)을 포함한다. 스페이서 바는 압출 성형된 플라스틱 또는 그와 같은 종류이다. 홈(112)은 한 쌍의 벌어진 레그(leg)(114)에 의하여, 삼각형 홈을 부분적으로 한정하는 횡단면이 사다리꼴 형태인 하부 홈부(12A)와 상부 구멍(112B)을 포함한다. 상기 레그(114)는 사다리꼴 홈부(112A)를 형성하는 넓은 부분(114A)과 화살촉형 홈부(112B)의 양쪽의 좁은 부위(114B)를 구비한다.

레그의 좁은 부위(114B)는 스페이서 바(86)가 수직 어레이로 퇴적될 때 바로 밑에 있는 스페이서 바의 화살형 헤드(106)의 삽입을 용이하게 허용하기 위해 스페이서 바의 벌어진 하부에 유연성을 제공한다. 상기 실시예의 경우, 56 개의 스페이서 바는 도 3에서 각각 원주상 45°간격으로 이격된 스페이서 바 위치에서 제공된다. 각 스페이서 바(86)는 상기 몰드된 플라스틱 부재의 상부 엣지(86a) 내에서 각 노치(88)를 따라 각 코일의 23 개의 튜브 감김을 지지한다. 레그(leg)의 폭이 좁은 부위(114B)는 충분한 탄성을 제공하기 때문에, 스페이서 바(86)들이 블록 세트를 조립하는 장난감과 같은 방법으로 서로 스냅(snap) 맞춤되어 도 2 에 도시된 바와 같이 열교환기(100)의 열교환기 요소들의 적층된 코일 스택(28)내에서 각각의 나선형 코일(12, 14, 16 등)에 대한 23번 튜브 턴을 견고하게 보유할 수 있는 통합된 지지구조를 형성한다. 상기 적층된 코일 스택(28)은, 중간 스파이더(70)와 하부 스파이더(70, 72)를 포함시키며 4 개의 수직한 로드(rod)의 하단부가 하부 스파이더 (72)에 부착시킨 상태에서 중간 스파이더(70)를 통과시키며 또한 로드의 상단부 (66A)를 브라켓(74)에 고정시킴으로써 보강된다. 상기 브라켓은 탱크의 원주상 벽(38)의 내측면에 고정된다. 상부 빔(69)은 코일 스택의 상단을 횡으로 가로질러 연장되는 데, 그 빔의 단부는 대향하는 브라켓의 바로 밑에 위치한다.

그와 같이, 커버(40)를 탱크에서 제거한 상태에서, 완전히 조립된 열교환기 요소(10)가 위쪽을 향하여 개방된 탱크의 내부로 담겨질 수 있고, 이후 입구 부품(26)과 출구 부품(30)은 수직으로 곧추선 관 모양의 매니폴드(20, 22)의 상부 단부에 각각 고정된다. 상기 매니폴드(20, 22) 자체는 코일의 각각의 튜브(32) 끝단이 매니폴드의 길이 방향을 따라 수직하게 이격되어 있는 각각의 매니폴드(20, 22)에 결합된 상태로 탱크(38)의 내부에 배치되기 전에, 열교환기 요소(10)의 내부에 결합될 수 있다.

열교환기 요소(10)를 형성하기 위해 각각의 코일을 제작하고 상기 코일을 적층시켜, 적당한 매니폴드 접속으로 코일 스택(28)을 형성시키는 방법은 미국 특허 제5,109,920호에서의 열교환기를 제작하는 방법에 대한 일반적인 설명을 따른다. 상기 미국특허의 내용은 본 출원서에 특정의 참고 자료로서 합체된다.

코일 구조체에는 냉각제가 흐르며 각 요소는 물과 같은 2상의 유체속에 잠겨지는 열교환기 요소 및 열교환기는, 상부 코일부터 시작하여 하부 코일까지 나선형코일이 서로 교번하는 방향으로 감겨지는 독특한 연결부를 형성한다. 상부 코일은 나선부의 외부 엣지로부터 시작하여 반시계 방향으로 감기고, 최외각 턴(turn)에서 입구 매니폴드에 연결된다. 튜브는 상부 코일 나선부의 맨 안쪽 턴(turn)에서 입력 매니폴드 및 동일한 쪽에 평행하게 연장된 출구 매니폴드로 반경 방향으로 다시 되돌아온다. 인접하는 하부 코일은 출구 매니폴드에 직접 연결된 나선부의 외부 엣지로부터 시작하여 시계방향으로 감긴다. 반면, 하부 나선형 코일의 맨 안쪽 턴 (turn)은 입구 매니폴드까지 반경방향으로 돌아가는 튜브 끝단을 갖는다. 나선형 코일의 스택은 그 전체 높이에 걸쳐 이와 같은 방식을 차례로 반복한다. 그 결과, 나선형 코일내에서 유체 흐름은 도시한 실시예에서는 항상 동일한 방향(반시계 방향)으로 된다. 중요한 것은, 온도 평균화 효과는 수직으로 인접하는 튜브들 사이에서 발생하는데 즉, 상부 코일에 외부 턴에서 가장 차가운 열교환 액체가 공급되고, 그 다음의 하부 코일에 내부 턴에서 가장 차가운 액체가 공급되는 방식으로 이루어진다.

열교환은 해제가능한 커버를 갖는 2중 벽의 유리섬유 원통형 탱크 내에서 이루어지며, 상기 탱크 및 커버는 주어진 두께의 우레탄 폼(urethane foam)으로 절연된다. 양호하게는 상기 열교환기 요소는 56개의 나선형 코일로 구성되는 데, 각 코일은 수평면내에 있고 수직 입·출구 매니폴드에 연결되는 단부를 가지며 견고하게 적층되는 방식으로 조립되어 탱크내에 설치된다.

바람직하게는, 튜브가 40℃∼60℃의 온도에서 압출기로부터 사출되면서 상기 나선형 코일이 감기는 방식으로, 상기 코일은 중간 밀도의 폴리에틸렌 튜브로 만들어진다. 바람직하게는 감기 고정체(winding fixture) 내에 방사상으로 배치되고 원주상으로 일정 간격으로 이격되어 있는 동일한 수의 PVC 스페이서 바(PVC spacer bar)가 상부 엣지를 따라 세로방향으로 위치한 열쇠구멍 모양의 슬롯(keyhole shaped slots)을 구비하며, 이 슬롯이 상기 튜브를 수용·배치시킴으로써 상기 나선형 코일을 고정시킨다. 상기 슬롯은 최소 슬롯 폭을 가지며 개방 단부로부터 이격되어 있고 원통형 바닥벽에서 종결되는 서로 마주보는 테이퍼부(tapered portion)를 구비하는 데, 이로 인하여 튜브를 나선형으로 감싸는 동안에 튜브가 스페이서 바와의 교차지점에서 단단하게 유지되도록 튜브 턴이 열쇠구멍형 슬롯속으로 스냅식으로 끼워맞추어진다.

스페이서 바의 상부는, 위쪽 스페이서 바의 넓은 하부 단부의 화살촉형 슬롯 (arrowhead shaped slot) 속에 끼워지는 화살촉 바브(barb)의 형태이다. 이와 같이, 다중 스페이서 바(multiple spacer bar)는 코일 스택을 위한 안정한 지지대를 제공하기 위하여 수직면에 적층되어 연결된다. 코일 스택이 하부 나선형 코일의 8개의 스페이서 바를 지지하기 위한 8개의 반경 방향 암(radial arm)을 갖는 스틸 스파이더(steel spider)를 출발점으로 배치되는 것이 양호하다. 또한 중간 스파이더가 코일 스택의 중간 높이에 제공되며, 횡단 빔(transverse beam)이 코일 스택의 상부를 가로지르며 제공된다. 4개의 수직 막대는 코일 스택을 견고하게 만들기 위하여 하부 스파이더의 교번적인 암(alternate arm)을 중간 스파이더에 연결한다. 막대는 코일 스택의 상부까지 연속된다. 일단 코일 스택이 탱크 또는 다른 밀봉체내에 설치되면, 막대 단부는 2 상 액체(물)의 밀도가 작은 고체상에 의해 생성되는부력(buoyant force)에 저항하기 위해, 앵글 브라켓(angle bracket)으로 탱크에 고정된다. 열교환 액체를 형성하는 냉각제 또는 다른 적당한 부동액 또는 소금물은, 열교환 코일을 통해 원하는 흐름을 제공하는 펌프 속도를 갖는 펌프 압력 하에서 코일 및 열교환 매니폴드에 공급된다. 위쪽 수위는 탱크 높이의 약 90% 정도이다. 바람직하게는, 탱크 벽에 인접한 물이 원통형으로 층을 이루도록, 나선형 코일이 탱크의 내경보다 몇 인치 작은 외경을 갖는 것이다. 또한, 나선형 코일은 물이 얼지 않는 개방형 센터 영역을 형성하도록 약 30.5 cm(12 inch)의 내경을 갖는다. 상기 물이 얼지 않는 영역은 물이 탱크 상부에 팽창 영역 내로 올라가도록 허용하여, 탱크가 전체적인 냉동에 따른 응력으로 인하여 파열되지 않게 해준다.

바람직하게는 나선형 코일의 튜브는 중간 밀도의 폴리에틸렌 튜브로 만들며, 수직으로 곧추 서 있는 중간 밀도의 폴리에틸렌 튜브 매니폴드에 열적으로 결합된다.

지금까지의 설명과 미국 특허 제5,109,920 호에서 컬럼 10에 제시된 바와 같은 설명으로부터 제작 기술에 대한 추가적인 변형이 상기 미국 특허 제 5,109,920호에 대한 개선 및 기술적인 면에서의 진보가 되도록 본 발명에 직접적으로 적용할 수 있다.

마찬가지로, 25%의 에틸렌 글리콜 소금물(ethylene glycol brine)의 혼합물 또는 다른 적당한 부동액 R과 같은 차가운 열교환 매체를 저장하기 위하여, 여름날 빌딩, 특히 사무실 빌딩의 냉방이 불필요하여 전력의 공급이 풍부한 밤 시간에 상기 소금물은 전기적으로 구동되는 소금물 냉각 장치(도시않음)에서부터 탱크(36)로 순환된다. 이것은 탱크 내부의 물(W)에 의해 형성되는 얼음으로서 냉방 효과를 저장하도록 허용한다. 본 단계의 초기 시점에서, 모든 감지 가능한 열은 물을 빙점까지 냉각시키는 요소(10) 주위의 상전이 매체(물)로부터 제거된다. 도 1에서 개략적으로 도시된 구조적인 배치의 결과로서 평균온도 효과의 장점을 누리는 도 2 에 도시된 본 발명에 따른 열 교환기(100)에 의하여, 얼음은 상기 요소 전체에 걸쳐 거의 동시에 형성된다. 상기 열교환기 요소(10)의 각각 튜브(32)의 바깥 표면상에 얼음이 형성됨에 따라, 얼음이 상기 튜브를 절연시키며 상기 바깥 표면상에 더 많은 얼음이 형성되는 속도가 떨어지게 되고, 따라서 상기 열교환기 요소(10) 전체에 균일한 얼음이 형성된다. 상기 얼음의 형성은 나선형 코일의 주위에 있는 물(W)에서 치환되며, 이것이 탱크 내부의 수면을 팽창영역으로 상승시킨다. 얼 때 팽창되는 현상에 기인된 약간의 이동을 수용하기 위하여, 상기 코일 꾸러미에는 약간의 유연성이 존재해야 한다. 그렇게 되기 위해서는, 두개의 액체 영역이 유지되어야 한다. 즉, 하나의 영역은, 도 2 에 도시된 바와 같이, 열교환기 요소(10)의 바깥쪽 경계와 내부 유리섬유 층(60) 사이의 환형 공간(118)내에 있고, 다른 하나는 유리섬유 탱크(36)와 열교환기 요소(10)에 의해 규정된 열 교환기(100)의 축(A')과 일치하는 열교환기 요소의 수직 축(A) 바로 주위의 중앙 축방향 영역이다.

열교환기 요소 및 상기 열교환기 요소를 이용하는 열 교환기에는 다양한 변화와 수정이 가해질 수 있다. 특히 상기 2 유니트의 다양한 구성요소를 만드는 재료에 여러 가지 변화와 수정이 가해질 수 있다. 첨부된 특허청구의 범위에서 제시되는 본 발명의 정신과 범위를 벗어남이 없이 변화와 수정이 가해질 수 있다.

Claims (9)

1. 열 교환기 요소의 내부에서 순환되는 유체와 상기 열 교환 요소를 수용하는 저장용기(reservoir)(또는 탱크)의 내부에 있는 상 변화 매체 사이에서 열을 교환하기 위한 열 교환기 요소이며,

   하나의 코일 위에 또 다른 코일이 수직하게 적층되는 방식으로 배치되는 유연성 있는 튜브의 다수의 나선형 코일을 포함하며,

   상기 각각의 나선형 코일의 한쪽 끝단은 입구 매니폴더에, 그리고 다른 쪽 끝단은 출구 매니폴드에 연결되고,

   상기 나선형 코일은 최초의 반경방향 외부 턴으로부터 최종의 내부 턴에 이르기까지 시계 방향 및 반시계 방향으로 교번적으로(alternatively) 감겨지며, 하나의 코일이 다른 코일 위에 적층되는 방식으로 쌍을 이루며 배치되는 열교환기 요소에 있어서,

   각각의 쌍에서 하나의 나선형 코일이 상기 입구 매니폴드에 직접 연결된 최초의 반경방향 외부 턴과, 상기 출구 매니폴드에 직접 연결된 최종 반경방향 내부 턴을 가지며, 또한 다른 나선형 코일이 출구 매니폴드에 직접 연결된 최초의 반경방향 외부 턴과, 상기 입구 매니폴드에 직접 연결된 최종 반경방향 외부 턴을 가지며,

   상기 나선형 코일들은 서로에 대하여 평행하게 연결되고, 상기 나선형 코일 모두의 내부에 흐르는 유체는 같은 방향으로 상기 나선형 코일을 통하여 흐르고,이에 따라 각각의 쌍에서의 인접한 시계 방향 및 반시계 방향의 각각의 나선형 코일의 내부에 흐르는 유체들 사이에는 온도 평균화 효과가 발생되고,

   상기 입구 매니폴더와 출구 매니폴더는 적층된 나선형 코일의 외부 둘레에 인접하게 배치되어, 상기 나선형 코일의 적층된 스택의 축에 평행하게 연장되며, 상기 각각의 나선형 코일의 반경방향의 최외각 턴은 각각의 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드에 접하며 내부로 개방되어 있는 열교환기 요소.
2. 제 1 항에 있어서, 적층된 나선형 코일 스택에서 각각의 나선형 코일의 반경방향의 최내각 턴은 상기 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드 중 하나에 대하여 반경방향 외향으로 연장하는 상기 반경 방향의 최내각 코일의 끝단을 구비하고 있으므로, 상기 입구 매니폴드와 출구 매니폴드 사이의 관형 접속이 상기 나선형 코일의 다른 턴을 반경방향으로 가로질러 연장하는 열 교환기 요소.
3. 제 2 항에 있어서, 나선형 코일의 수직 스택 아래에 놓여있는 한 개 이상의 스파이더를 추가로 포함하며, 상기 스파이더는 원주상으로 이격되어 있는 다수의 반경방향의 암과, 상기 한 개 이상의 스파이더의 각각의 암에 한 끝단이 고정적으로 장착되어 상기 끝단으로부터 상향으로 연장되는 다수의 수직 로드와, 상기 스택의 최상단 코일을 가로질러 걸쳐있는 횡단 빔과, 세로로 이격된 위치에서 스페이서바의 각각의 상부 엣지 내에 있는 열쇠구멍 모양의 노치(notch)를 포함하고, 상기 나선형 코일의 각각의 턴은 상기 스페이서 바상에 반경방향으로 이격된 위치로 코일 턴을 유지하기 위해 스페이서 바의 상부 엣지를 따라 노치에 스냅식 끼워맞춤되고, 상기 횡단 빔을 따라 상기 나선형 코일의 스택을 상기 하우징에 고정시켜 코일 스택을 단단히 만들기 위하여, 수직 로드의 상부 끝단이 최상부 스페이서 바를 통과하거나 또는 상기 요소의 저장용기 하우징의 내부 표면에 고정되기에 적합하게 되어 있는 열 교환기 요소.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 스페이서 바는 수직으로 연장하며 상단부와 하단부를 구비하고, 상기 스페이서 바의 상단부는 화살촉 모양의 바브(barb)를 구비하고, 상기 하단부는 상기 화살촉 모양의 바브의 크기에 맞춰진 화살촉 모양의 슬롯을 포함하며, 이에 의해 상기 다수의 스페이서 바는 수직으로 적층되어 상기 적층된 코일을 적절히 지지하기 위해 맞물려지는 열 교환기 요소.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 한 개 이상의 스파이더는 코일 스택의 중간높이에 배치된 제 2 스파이더를 포함하며, 상기 수직 로드는 4 개로 구성되고, 하부 스파이더의 교차 암들을 중간 높이에 있는 스파이더의 대응하는 교차 암들에 연결시키고, 2가지 액체 상에서의 부력에 저항하여 상기 스파이더와, 스페이서 바와, 횡단 빔과, 그리고 수직 로드에 의해 지지되는 코일 스택의 강도를 보장하도록, 상기 중간 높이에 있는 스파이더 암의 반경방향 외부 끝단에 있는 홀을 관통하여 연장되는 열 교환기 요소.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 스페이서 바 각각의 상부 엣지 내에서 노치는, 서로를 향하여 하향 내부로 테이퍼지며 좁은 폭의 목부(throat)에서 종결되는 대향된 수렴 측벽에 의해 한정된 사다리꼴형 수직 단면의 노치 입구부와, 수렴 경사 측벽에 의해 한정되며 그리고 노치에 스냅식 끼워맞춤된 튜브의 외주 반경에 대응되는 반경의 반원통형 바닥부분으로 개방된 목부 아래의 발산 수직 사다리꼴 부분을 포함하는 열교환기 요소.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 스페이서 바 각각의 상부 엣지 내에서 노치는, 서로를 향하여 하향 내부로 테이퍼지며 좁은 폭의 목부(throat)에서 종결되는 대향된 수렴 측벽에 의해 한정된 사다리꼴형 수직 단면의 노치 입구부와, 수렴 경사 측벽에 의해 한정되며 그리고 노치에 스냅식 끼워맞춤된 튜브의 외주 반경에 대응되는 반경의 반원통형 바닥부분으로 개방된 목부 아래의 발산 수직 사다리꼴 부분을 포함하는 열교환기 요소.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 스페이서 바 각각의 상부 엣지 내에서 노치는, 서로를 향하여 하향 내부로 테이퍼지며 좁은 폭의 목부(throat)에서 종결되는 대향된 수렴 측벽에 의해 한정된 사다리꼴형 수직 단면의 노치 입구부와, 수렴 경사 측벽에 의해 한정되며 그리고 노치에 스냅식 끼워맞춤된 튜브의 외주 반경에 대응되는 반경의 반원통형 바닥부분으로 개방된 목부 아래의 발산 수직 사다리꼴 부분을 포함하는 열교환기 요소.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 저장용기는 최초의 반경방향 외부 턴의 직경보다 큰 내부직경을 갖는 속이 빈 원통의 형태를 가지며, 최종의 반경방향 내부 턴의 직경은 각각의 나선형 코일 내에 홀을 제공할 수 있는 크기로 형성되어 있어서 상 변화 매체가 각 튜브의 외부 표면상에서 얼음과 같은 형태로 변화할 때, 인접한 튜브들 사이에는 온도 평균화 효과가 나타나며, 따라서 상기 열 교환기 요소 전반에 걸쳐 얼음이 균일하게 형성되며, 상기 얼음의 형성은 액체 형태의 상 변화 매체를 나선형 코일의 둘레로부터 수직방향으로 변위시키고, 그것에 의해 열 교환기 요소의 외부 주위와 저장용기의 내부 주위 사이의 환형 공간 내의 제 1 액체 영역과, 열 교환기 요소의 축과 일치하는 코일의 최종 반경방향 내부 턴의 내부에 있는 제 2 액체 영역의 2 개 액체 영역이 생성되는 열 교환기 요소.