KR101081565B1 - 열교환 파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환 파이프에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 내부 및 외부를 통하여 서로 다른 유체가 흐르도록 형성되는 파이프몸체; 파이프몸체 외측으로 돌출된 형태로 형성되어, 내부에 충진공간이 마련되는 열핀; 및 열핀보다 열전도성이 높은 물질로 이루어지고, 충진공간에 충진되는 충진체;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프가 제공된다.

열교환, 열핀, 충진체, 열전도성

Description

열교환 파이프 {heat exchange pipe}

본 발명은 열교환 파이프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환 파이프의 열핀 내부에 충진체가 충진되도록 함으로써, 열교환 효율을 증대시키고, 기계적 강도를 보강할 수 있으며, 내부식성을 극대화할 수 있는 열교환 파이프에 관한 것이다.

열교환기는 온도가 다른 두개의 유체가 전열판에 의해 나뉘며, 양자간에 전열판을 통한 열 교환이 이루어지도록 하는 장치를 말한다.

보일러 등에서 열교환기의 작용을 보면, 버너를 사용하여 연료를 태워 고온의 연소가스를 발생시키고, 이 연소가스가 공급되는 공간에 파이프를 위치시키고 그 내부를 통하여 물이 흐르도록 하여 연소가스와 물 간의 열 교환이 이루어지도록 한다.

열교환기에서는 양 유체간의 신속하고 효과적인 열교환이 무엇보다도 중요하다. 따라서 동일한 연료를 사용하여 연소가스를 발생시킬 때, 보다 많은 양의 연소가스가 물과 열교환이 이루어지도록 할 필요성이 있으며, 연소가스가 전열판과 접촉하는 면적을 더욱 크게 하여 이를 용이하게 달성할 수 있다.

이를 위한 방법 중 핀튜브 열교환기는 열교환을 촉진시키고 전열면적을 증가시키기 위해 튜브의 주위에 핀을 용접 혹은 압입하여 열효율을 증가시키고 있다. 튜브는 그 내부로 물이 흐르게 하는 전열판에 해당하며, 튜브의 주위에 연소가스와 접촉하는 다수의 핀을 결합하여 전열면적을 증가시킨다.

핀을 사용하는 대신에, 튜브를 주름진 형상으로 조밀하게 구성하여 열교환 면적을 넓히는 열교환기도 있으며, 이러한 구성을 모두 갖도록 이루어진 열교환기도 있다.

그러나, 이와 같은 통상의 열교환기는 다음과 같은 문제점을 유발한다.

튜브가 주름진 형상으로 형성되는 경우, 주름이 형성된 부분에서 열의 정체가 발생할 수 있으며, 열교환 효율이 저하될 뿐 아니라 정체에 의해 유발되는 과열은 위험요소로 작용할 수 있다.

튜브에 핀이 형성되는 경우에는, 핀과 튜브가 접촉하는 부위에서 하중이 집중되어 파손의 위험이 있으며, 비교적 약하게 형성되어 있는 핀은 유체의 흐름에 따라 구부러져 진동 등을 발생시켜 소음의 원인이 될 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 일 실시예는 열교환 파이프의 열핀 내부에 충진체가 충진되도록 함으로써, 열교환 효율을 증대시키고, 기계적 강도를 보강할 수 있으며, 내부식성을 극대화하는 것과 관련된다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 내부 및 외부를 통하여 서로 다른 유체가 흐르도록 형성되는 파이프몸체; 파이프몸체 외측으로 돌출된 형태로 형성되어, 내부에 충진공간이 마련되는 열핀; 및 열핀보다 열전도성이 높은 물질로 이루어지고, 충진공간에 충진되는 충진체;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프가 제공된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면 첫째, 열핀 내부에 충진체가 충진되도록 하여, 열핀 표면에서 열 정체로 인한 과열을 방지할 수 있고, 열핀이 형성된 부분에서 와류가 발생하여 열교환 효율이 증대된다.

둘째, 열핀 내부에 충진되는 충진체에 의하여 열핀이 파이프몸체에 견고하게 결합될 수 있고, 열핀의 진동을 방지할 수 있으며, 기계적 강도가 우수한 열교환 파이프를 제공할 수 있다.

셋째, 충진체가 열핀 내부에 메우도록 하여, 유체의 침투가 방지되고 내부식 성이 향상되며, 충진체를 통한 신속한 열전달에 의하여 열교환 효율이 증대된다.

도 1에서, (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프를 도시한 평면도이고, (b)는 (a)의 A-A'에서 바라면 단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환 파이프(1)는, 내부 및 외부를 통하여 서로 다른 유체가 흐르도록 형성되는 파이프몸체(10); 상기 파이프몸체(10) 외측으로 돌출된 형태로 형성되어, 내부에 충진공간(21)이 마련되는 열핀(20); 및 상기 열핀(20)보다 열전도성이 높은 물질로 이루어지고, 상기 충진공간(21)에 충진되는 충진체(30);를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 열교환 파이프(1)는, 통상의 열교환기에서 열교환이 일어나는 부분으로서, 내·외부를 나누는 경계에 의해 분리된 서로 다른 유체간에 열교환이 일어나도록 한다.

상기 파이프몸체(10)는, 본 발명에 따른 열교환 파이프(1)의 몸체를 이루며, 전체적으로 길게 형성된 관의 형상을 갖는다. 도 1(a)와 도1(b)에서는, 상기 파이프몸체(10)가 일직선상에 형성되도록 이루어져 있으나, 굴곡진 형태 또는 꺾인 형태 등, 다양하게 형성될 수 있음은 물론이다.

상기 파이프몸체(10)의 외부에는 고온의 유체가 흐르며, 내부를 통하여는 저온의 유체가 흐르도록 형성된다. 즉, 상기 파이프몸체(10) 외부에서 내부를 향하는 방향으로 열전달이 이루어진다.

상기 열핀(20)은 상기 파이프몸체(10)의 외부로 돌출되어 형성되어 넓은 판 형상으로 이루어진다. 상기 열핀(20)은 전열면적을 확대하기 위한 것으로서, 상기 파이프몸체(10)를 통한 열교환은 상기 파이프몸체(10) 자체를 통하여 이루어지는 것 이외에, 상기 열핀(20)을 통하여도 이루어지도록 한다.

후술하는 바와 같이, 상기 열핀(20)은 상기 파이프몸체(10)에서 다수개로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 열핀(20)이 크고 많을수록 전열면적은 증가되며, 이는 결국 열교환 효율을 높일 수 있는 직접적인 요인으로 작용할 수 있다. 이를 위하여 상기 열핀(20)은 상기 파이프몸체(10) 주위에서 얇게, 그리고 촘촘하게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 열핀(20)의 내부에는 상기 충진공간(21)이 마련되며, 상기 충진공간(21)에 상기 충진체(30)가 충진된다.

상기 충진체(30)는 상기 열핀(20)보다 열전도성이 큰 물질로 이루어진다.

상기 열핀(20)의 형성에 의하여 전열면적이 확대되므로, 상기 열핀(20)에 의하여 효율적인 열교환이 이루어지는 것은 분명하다. 그러나, 다수개로 형성된 상기 열핀(20)은 비교적 촘촘히 형성되며, 상기 열핀(20) 사이의 유체는 운동성이 감소하여 유체의 정체가 발생할 수 있다. 이 경우, 상기 열핀(20) 내부를 통하여 신속한 열교환이 이루어지지 않는다면, 열교환 효율이 크게 향상될 수 없을 뿐 아니라, 정체로 인한 과열에 의하여 열교환기에 손상이 발생할 수 있다.

또한, 상기 열핀(20) 내부에 상기 충진체(30)가 충진되지 않은 경우처럼, 즉 통상의 주름관 형태의 경우, 상기 주름이 형성된 부분의 내부에 존재하는 유체는 유동성이 감소하므로, 이를 해소하지 못한다면 열교환 효율의 상승을 기대하기 곤란하다.

본 발명에서는, 상기 열핀(20) 내부에 상기 열핀(20)보다 열전도성이 큰 물질로 이루어진 상기 충진체(30)가 충진되도록 하여, 위와 같은 문제점을 해결하고 있다. 상기 열핀(20) 외부를 통하여 공급되는 고온의 열은, 상기 열핀(20) 내부에 위치하는 상기 충진체(30)를 통하여 상기 파이프몸체(10) 내부로 빠르게 전달되며, 열의 정체를 방지할 수 있으며, 신속한 열전달을 가능하게 한다. 그리고 상기 열핀(20) 내부로 유입되는 유체도 있을 수 없어 상기 파이프몸체(10) 내부에 위치하는 유체의 유동성이 감소하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 열핀(20)의 높이를 비교적 높게 형성하더라도 상기 충진체(30)를 통한 신속한 열전달이 가능하게 되므로, 상기 열핀(20)의 높이 형성에 있어서 제한이 적다.

도 2의 (a)와 (b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 파이프에서, 충진체가 포함되지 않은 상태와 포함된 상태를 각각 도시한 단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환 파이프(1)에서, 상기 열핀(20)은 상기 파이프몸체(10)에서 일체로 확장형성되어 이루어진다.

상기 열핀(20)은 상기 파이프몸체(10)와 별도로 형성된 후, 상기 파이프몸체(10)에 결합될 수 있으며, 이와 다르게 상기 파이프몸체(10)와 일체로 형성될 수 있다. 즉, 상기 열핀(20)은 상기 파이프몸체(10) 일측에서 직경이 확장된 것과 같 이 형성될 수 있다.

후자의 경우에 상기 충진공간(21)에 상기 충진체(30)가 충진되지 않은 경우라면, 상기 충진공간(21)은 상기 파이프몸체(10)의 내부공간에 이어지게 된다.

상기 열핀(20)이 상기 파이프몸체(10)와 일체로 형성되도록 본 발명인 열교환 파이프(1)를 제조하기 위하여는, 벌징(Bulging)가공 및 압착가공에 의하여 형성할 수 있다. 긴 원통 형상의 파이프를 벌징가공에 의하여 횡방향으로 팽창되도록 하여 직경이 확장된 부분을 형성하고, 압착가공에 의하여 상기 열핀(20)을 형성한다. 이때 상기 열핀(20)의 수를 고려하여 직경의 확장은 여러 부분에서 형성되도록 하며, 연속적인 압착가공에 의하여 다수의 상기 열핀(20)을 형성할 수 있다. 상기 충진체(30)는 브레이징(brazing)에 의하여 상기 충진공간(21)에 충진될 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 충진체(30)는 상기 열핀(20)보다 열전도성이 큰 물질로 이루어진다. 상기 열핀(20)은 상기 파이프몸체(10)와 일체로 형성되므로, 상기 충진체(30)는 상기 파이프몸체(10) 내부에서 노출되게 되며, 상기 파이프몸체(10) 내부를 흐르는 유체에 직접 접촉하게 된다.

따라서, 상기 열핀(20)을 거쳐 상기 충진체(30)로 전달된 열은 상기 파이프몸체(10) 내부를 흐르는 유체에 직접 전달되며, 이에 따라 더욱 신속한 열교환이 이루어질 수 있으며, 열전달 효율은 더욱 상승하게 된다.

도 3은 도 2의 (b)에서 도시된 열교환 파이프의 일부를 도시한 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환 파이프(1)에서, 상기 충진체(30) 의 단부는, 상기 파이프몸체(10) 내측면에서 볼록하거나 오목한 형태로 형성된다.

상기 충진체(30)는 상기 열핀(20) 내부의 상기 충진공간(21)을 메우게 된다. 이때, 상기 충진체(30)의 단부, 즉 상기 파이프몸체(10)의 내부에서 드러나는 부분은 상기 파이프몸체(10)의 내측면과 일치되도록 형성되는 것이 아니라, 볼록하거나 오목한 형태로 형성된다.

도 3에서 도시된 바와 같이, 상기 충진체(30)의 단부는 상기 파이프몸체(10)의 내측면에서 오목한 형태로 형성될 수 있는데, 이와 같이 형성되는 경우, 상기 파이프몸체(10) 내부를 흐르는 유체 중, 상기 충진체(30)가 형성된 지점을 통과하는 유체에는 와류가 발생될 수 있으며, 이에 따라 유체의 유동성을 증가시켜 열교환 효율을 증대시킬 수 있게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환 파이프(1)에서, 상기 열핀(20)은 상기 파이프몸체(10) 테두리 전체에서 형성되고, 길이방향을 따라 반복형성된다.

상기 열핀(20)은 상기 파이프몸체(10)의 일측에만 형성되는 것이 아니라, 상기 파이프몸체(10) 테두리 전체에 형성된다. 본 발명에 따른 열교환 파이프(1)는 제작의 용이성, 열교환 효율의 증가를 고려하여 원통형으로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 열핀(20) 및 충진체(30) 또한 상기 파이프몸체(10)의 둘레에서 원형을 형성하도록 균일한 분포로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환 파이프(1)에서, 상기 충진체(30) 는 용융상태에서 저점성(低粘性)을 갖는 재료로 이루어진다.

상기 충진체(30)는 용융상태에서 점성이 낮은 물질로 이루어지며, 동(銅) 또는 은(銀)합금재와 같은 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 충진체(30)는 브레이징에 의하여 상기 충진공간(21)에 충진될 수 있으며, 용접 흐름성이 좋은 재료로 이루어져 상기 충진공간(21)의 내부로 용이한 충진이 가능하게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환 파이프(1)에서, 상기 파이프몸체(10) 및 열핀(20)은 내식성(耐蝕性) 재료에 의해 이루어진다.

상기 파이프몸체(10) 및 열핀(20)은 내식성 재료로 이루어지며, 스테인레스 또는 하스텔로이(hastelloy) 등과 같은 대표적인 내식성 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 상기 충진체(30)는 상기 파이프몸체(10) 및 열핀(20)보다 열전도성이 큰 물질로 이루어진다. 상기 충진체(30)는 동(銅), 상기 파이프몸체(10) 및 열핀(20)은 스테인리스 등으로 형성하는 경우에도, 열교환 효율을 증대시킬 수 있는 것은 앞서 설명한 바와 같다.

또한, 상기 열핀(20)의 내부를 상기 충진체(30)가 메움으로써, 상기 열핀(20)은 상기 파이프몸체(10)에 견고하게 고정될 수 있으며, 상기 열핀(20)의 손상, 진동을 방지할 수 있으며, 내부식성, 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1에서, (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프를 도시한 평면도이고, (b)는 (a)의 A-A'에서 바라면 단면도,

도 2의 (a)와 (b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 파이프에서, 충진체가 포함되지 않은 상태와 포함된 상태를 각각 도시한 단면도,

도 3은 도 2의 (b)에서 도시된 열교환 파이프의 일부를 도시한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 열교환 파이프 10 : 파이프몸체

20 : 열핀 21 : 충진공간

30 : 충진체

Claims (6)

1. 내부 및 외부를 통하여 서로 다른 유체가 흐르도록 형성되는 파이프몸체;

   상기 파이프몸체 외측으로 돌출된 형태로 형성되어, 내부에 충진공간이 마련되는 열핀; 및

   상기 열핀보다 열전도성이 높은 물질로 이루어지고, 상기 충진공간에 충진되는 충진체;를 포함하고,

   상기 충진체의 단부는, 상기 파이프몸체 내측면에서 오목한 형태로 형성되어 상기 파이프몸체의 내부를 흐르는 유체 중 상기 충진체가 형성된 지점을 통과하는 유체에는 와류가 발생되도록 한 것을 특징으로 하는 열교환 파이프.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 열핀은 상기 파이프몸체에서 일체로 확장형성되고, 상기 파이프몸체 테두리 전체에서 형성되고, 길이방향을 따라 반복형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 충진체는 용융상태에서 저점성(低粘性)을 갖는 동(銅) 또는 은(銀)합금재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 파이프몸체 및 열핀은 내식성(耐蝕性) 재질인 스테인레스 또는 하스텔로이로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프.

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