KR101354256B1 - 소형 가스 건조기 및 이의 제조 방법 - Google Patents

소형 가스 건조기 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

소형 가스 건조기(100)는 고온의 오염된 유입 가스 매질과 차가운 건조 배출 가스 매질 사이에서 열교환되는 제 1 열교환기(200), 상기 제 1 열교환기(200)로부터 유입되는 차가운 가스 매질과 냉매 사이에 열교환되는 제 2 열교환기(300) 및 상기 제 2 열교환기(300)로부터 배출되는 냉각된 가스 매질 내에서 응축 물질을 포획하는 응축 트랩(400)을 포함한다. 이 후, 제 1 열교환기에서, 차가운 건조 가스 매질은 유입되는 오염된 가스 매질과 열교환된다. 상기 제 1 열교환기(200), 제 2 열교환기(300) 및 응축 트랩(400)은 단일 유닛(100)로 조합된다.

Description

소형 가스 건조기 및 이의 제조 방법{COMPACT GAS DRYER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 소형 가스 건조기에 관한 것이며, 상기 소형 가스 건조기는 고온의 오염된 유입 가스 매질과 차가운 건조 배출 가스 매질 사이에서 열교환되는 제 1 열교환기, 상기 제 1 열교환기로부터 유입되는 차가운 가스 매질과 냉매 사이에 열교환되는 제 2 열교환기 및 상기 제 2 열교환기로부터 배출되는 냉각된 가스 매질 내에서 응축 물질을 포획하는 응축 트랩을 포함한다. 이 후, 제 1 열교환기에서, 차가운 건조 가스 매질은 유입되는 오염된 가스 매질과 열교환된다.
본 발명은 추가적으로 소형 가스 건조기를 제조하기 방법에 관한 것이다.
예를 들어 압축 공기에 관한 종래 기술의 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 사용되기 전에 압축 공기를 건조시키고 클리닝하는 것이 종종 필요하다. 이는, 지금까지는, 압축 공기를 냉각시키고 이에 따라 공기 내의 응축가능한 물질을 응축시킴으로써 종종 구현되어 왔으며, 그 뒤, 응축된 물질은 공기로부터 분리되고, 이 후, 용도에 따라 압축 공기가 팽창됨에 따라 공기를 이송하는 파이프 외측 표면상 에 응축 및 결빙을 피하기 위하여 공기는 재가열된다.
종래 기술에서 전형적인 시스템이 US-A-5 794 453호에 나타난다. 여기에서 압축 공기는 제 1 쿨러(16')로 유입되고 상기 압축 공기는 공기 내에 오염된 물질을 응축시킬 수 있도록 냉각된다. 그 뒤, 공기는 응축 트랩(18')으로 전달되며, 응축된 오염된 물질은 공기로부터 분리된다. 최종적으로, 상기 공기는 제 2 열교환기(42)로 전달되며, 상기 제 2 열교환기에서 공기는 가열된다. US-A-5 794 453호에 나타난 시스템은 냉매 회로(refrigerant circuitry)에 대해 예외적인 해결사항을 제공한다는 점에서 즉 (고온의) 유입 공기와 (차가운) 배출 공기 사이에 열교환 대신, (언급한 바와 같이 배출 공기를 가열하는) 열교환기(42) 내에서 특정 냉매 응축이 발생한다는 점에서, 종래 기술의 시스템과 상이하다.
특허 문헌에서, 압축 공기를 건조시키기 위한 몇몇 상이한 해결사항들이 존재한다. 예를 들어, GB-A-2 353 229호, US-A-4 638 852호, US-A-5 107 919호, US-A-3 722 583호 및 WO-A-01/17665호를 참조하라.
상기 모든 해결사항들은 공통적인 하나의 특징 즉 파이프에 의해 상호연결되는 불연속 구성요소들로 제조되는 특징을 가진다. 이로 인해 시스템은 부피가 크고 비용 면에서 비효율적이다.
본 발명은 제 1 열교환기, 제 2 열교환기 및 응축 트랩을 단일 유닛으로 조합함으로써 상기에서 언급된 문제점과 그 외의 다른 문제점들을 해결한다.
또한 본 발명은 하기 단계들로 구성되는 제조 방법에 의해 상기 문제점들을 해결하며, 그 단계들은
-다수의 열교환기 판을 제 1 열교환기를 형성하는 제 1 스택 내에 적층하는 단계,
-응축 트랩을 형성하기 위하여 구성요소를 상기 제 1 스택 상에 적층하는 단계,
-응축 트랩을 형성하는 구성요소 상에서, 열교환기 판을 제 2 열교환기를 형성하는 제 2 스택 내에 적층하는 단계,
-열교환기 판의 스택과 응축 트랩 구성요소를 납땜 오븐 내에 배치하는 단계 및 상기 스택을 단일 구성요소의 공기 건조기 내에 납땜하는 단계를 포함한다.
제조 공정을 단순하게 하기 위하여, 단일 구성요소의 공기 건조기는 단일 부분으로 납땜된다.
제 1 및 제 2 열교환기 사이에서 열전달을 최소화하기 위하여, 응축 트랩이 제 1 및 제 2 열교환기 사이에 배치되는 것이 바람직하다.
경제적인 측면에서 보면, 제 1 및 제 2 열교환기는 다수의 동일한 열교환기 판들로 제조될 수 있다.
산화되고 부식되는 것을 방지하기 위하여, 열교환기 판들은 스테인레스강으로 제조되는 것이 바람직하다.
이제부터, 본 발명은 첨부된 도면들에 관하여 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 공기 건조기를 도시한 분해 투시도.
도 2는 본 발명에 따른 공기 건조기의 구성요소를 형성하는 제 1 공기/공기 열교환기를 도시한 분해 투시도.
도 3은 본 발명에 따른 공기 건조기의 구성요소를 형성하는 제 2 냉매/공기 열교환기를 도시한 분해 투시도.
도 4는 본 발명에 따른 응축 트랩의 실례의 실시예를 도시한 분해 투시도.
하기 기술에서, 본 발명에 따른 장치는 공기 건조기로서 언급될 것이다. 하지만, 종래 기술의 당업자는 본 발명에 따른 장치가 상대적으로 높은 응축 온도를 가진 임의의 가스 매질로부터 임의의 응축 물질을 분리시키도록 사용될 수 있음을 명백하게 이해할 것이다.
제 1 열교환기(200), 제 2 열교환기(300) 및 응축 트랩(condense trap, 400)을 가진 공기 건조기(100)의 분해 투시도가 도 1에 도시된다. 도시된 바와 같이, 각각의 제 1 및 제 2 열교환기(200, 300)는 다수의 열교환기 판(210, 310)을 각각 포함한다. 열교환기 판의 개수는 요구되는 열교환기 용량에 기초하여 가변될 수 있으나 바람직한 열교환기 판의 개수는 예를 들어 4개 내지 200개이며, 8개 내지 100개가 선호된다. 예컨대 구리 또는 니켈과 같은 납땜 재료(brazing material)의 시트(sheet)(도시되지 않음)는 모든 판 사이에 개재된다(interposed).
응축 트랩(400)은 포획 매질(trapping medium)을 가진다. 도시된 실시예에서, 2개의 서로 다른 포획 매질 즉 제 1 포획 매질(410)과 제 2 포획 매질(420)이 사용된다. 제 1 및 제 2 포획 매질은 예를 들어 와이어 메시(wire mesh)들로 구성될 수 있다.
하기에서, 공기 건조기의 기능이 보다 상세하게 설명될 것이다. 이 설명은 공기 건조기를 통해 전달되는 공기 원자의 경로에 기초하며, 유입되는 공기 원자가 만나는 첫 번째 열교환기는 제 1 열교환기로 언급되고, 상기 열교환기는 또한 공기 원자가 공기 건조기로부터 배출되기 전에 상기 공기 원자가 통과하는 최종 열교환기이기도 하다.
제 1 열교환기(200)는 고온의 오염된 공기를 유입시키기 위한 유입부(220)를 가진다(도 2 참조). 오염 물질은 바람직하게 응축가능한 오염 물질이며, 응축불가능한 물질에 대해서는 본 발명의 공기 건조기는 영향이 거의 없거나 또는 아예 없다. 고온의 오염된 공기는 배출되는 차가운 건조 공기와 열을 교환함으로써 냉각된다. 제 1 열교환기를 통과한 후, 공기는 파이프(200-300)를 통해 제 2 열교환기로 전달되며, 상기 제 2 열교환기 내의 공기 온도는 냉매와 열을 교환함으로써 낮아진다. 낮아진 온도는 응축가능 물질, 예컨대 물 또는 탄화수소와 같은 물질을 응축시킨다. 제 2 열교환기(300)로부터, 공기는 응축 트랩(400)으로 흐르며, 응축된 물질은 상기 응축 트랩(400)에서 공기 스트림으로부터 분리되고 배수 홀(430)을 통해 시스템으로부터 배출된다.
응축 트랩을 통과한 뒤, 냉각된 건조 공기는 제 1 열교환기를 다시 한 번 통과하여, 유입되는 고온의 오염된 공기와 열을 교환한다.
공기 건조기의 기능은 도 2에서 다시 예시된다. 도 2에서, 제 1 열교환기가 도식적으로 도시된다. 고온의 오염된 공기는 커버 판(230)에 위치된 유입부(220)로 유입되며, 개구부(245)를 향해 점선(240)에 의해 표시된 경로로 흐른다. 열교환기를 통과하는 동안, 오염된 공기는 제 2 유입부(250)에서 상기 열교환기(200)로 유입되는 차가운 건조 공기와 열을 교환할 것이다. 상기 차가운 건조 공기의 근원(origin)은 후에 설명될 것이다.
오염된 공기는 열교환기(200)로 유입되며 제 1 열교환기(200)와 제 2 열교환기(300)를 연결하는 파이프(200-300)로 유입된다(도 1 참조).
제 2 열교환기(도 3 참조)에서, 유입되는 오염된 공기는 유입부(320)로부터 배출부(330)로 점선으로 표시된 경로로 흐를 것이다. 이와 동시에, 냉매 또는 그 외의 다른 차가운 매질은 냉매 유입부(340)를 통해 열교환기에 유입될 것이며, 오염된 공기 흐름에 비해, 실선으로 표시된 바와 같이 냉매 배출부(350)을 향해 역흐름 방향으로 흐를 것이다. 냉매는 어떤 방식으로 외부 냉각원에 연결되며, 예를 들어 냉매는 HFC, 암모니아 또는 탄화수소가 될 수 있고, 냉각원은 외부 응축기와 조합된 압축기(도시되지 않음) 또는 그와 유사한 것일 수 있다.
이제, 차가운 오염된 공기는 배출부(330)를 통해 제 2 열교환기로부터 배출되어, 도 4에 도시된 바와 같이, 측면 판(450)의 개구부(440)를 통해 응축 트랩(400)의 하측 부분으로 유입된다(도 4 참조). 상기 응축 트랩(400)의 내부에서, 개구부(440)는 속이 빈 공간 내로 개방되고, 상기 빈 공간은 바닥과 응축 트랩 하우징(460)의 2개 측벽, 측면 판(470), 측면 판(450) 및 제 1 포획 매질(410)에 의해 경계가 형성된다. 제 1 포획 매질은 응축 트랩(400)의 내측 표면들에 부착되어 어떠한 공기도 내측 표면들과 제 1 포획 매질(410) 사이를 통과할 수 없다.
따라서 모든 차가운 공기는 포획 매질(410)을 통과할 것이다. 매질의 기능으로 인해, 작은 응축된 액적(droplet)이 모여서 공기 스트림을 따라가지 않기에 충분히 큰 액적으로 될 수 있으며, 이에 따라 하우징(460)의 바닥으로 떨어져서 응축가능한 물질이 배수 홀(430)을 통해 배출된다.
제 1 포획 매질(410) 후에, 공기는 지속하여 상부방향으로 제 2 포획 매질(420)로 흐를 것이며, 상기 제 2 포획 매질은 제 1 포획 매질(410)과 동일한 방식으로 내부 표면에 체결된다. 제 2 포획 매질에서, 추가적인 응축가능한 물질은 하우징(460)의 바닥을 향해 떨어지기 충분히 크게 모여서 배수 홀(430)을 통해 배출될 것이다.
공기는 개구부(475)를 통해 응축 트랩(400)으로부터 배출되어 제 2 유입부(250)를 통해 제 1 열교환기(200)로 유입될 것이다(도 2 참조). 제 1 열교환기 내부에서, 차가운 공기는 제 2 유입부(250)로부터 배출부(260)로 도 2의 실선에 의해 표시된 경로를 따르며, 유입되는 고온의 오염된 공기와 열교환될 것이다.
최종 열교환으로 인하여 배출되는 건조 공기의 온도는 증가하며 이로 인해 공기 건조기로부터 공기 소비자(air consumer)로 이어지는 파이프가 주변 공기로부터 응축된 물로 덮혀질 위험성이 감소된다. 더욱이 제 2 열교환기로 유입되는 고온의 오염된 공기 온도가 내려가기 때문에 공기 건조기의 효율은 증가하며, 이는 상대적으로 낮은 냉각 파워(cooling power)가 제 2 열교환기(300) 내에서 사용될 수 있음을 의미한다.
본 발명에 따른 공기 건조기는 하기 설명될 공정에 따라 단일 부분으로 납땜되는 것이 바람직하다.
-제 1 제조 단계에서, 특정 목표 개수의 동일한 열교환기 판(210)들이 제 1 열교환기(200)를 형성하기 위하여 차례대로 적층되며(stacked), 납땜 재료의 시트(sheet)는 상기 열교환기 판들 사이에 배치되고, 판들을 적층되는 동안 매 2번 째 판들은 그 주변 판들에 비해 180°회전된 것은 중요한 사항이다. 이로 인해 공기가 열교환되어야 하는 적합한 통로가 보장되며 열교환기에 관한 종래 기술의 당업자에게 잘 알려진 방법이다.
-제 2 제조 단계에서, 측면 판(450, 470), 하우징(460), 포획 매질(410, 420) 및 응축 트랩(400)의 파이프(200-300)는 연교환기 판(210) 상에 적층된다. 필요한 곳에, 납땜 재료의 중간 시트는 상기 구성요소들 사이에 배치되어야 한다.
-제 3 제조 단계에서, 상기 언급한 열교환기 판(210)들이 제 1 열교환기(200)를 형성하는 동일한 방식으로, 특정 목표 개수의 동일한 열교환기 판(310)들이 제 2 열교환기(300)를 형성하도록 응축 트랩(400)의 상기 언급한 구성요소들 상에 적층된다. 또한 여기에서, 납땜 재료의 시트들은 판(310)들 사이에 배치된다. 상기 단계 동안, 제 1 및 제 2 열교환기(200, 300) 사이의 틈(실질적으로 개구부(320)와 개구부(245) 사이의 틈)을 메우는(span) 것은 중요한 사항이다.
-최종 제조 단계에서, 납땜 재료의 중간 시트들을 가진 적층된 구성요소들은 비워지고(evacuated) 가열된 오븐(oven) 내에 배치된다. 대안으로, 상기 오븐은 불 활성 가스로 충진될 수 있고, 이는 납땜 이전에 납땜 오븐을 비울 필요가 없기 때문에 상대적으로 빠른 제조가 가능하다는 사실로 인해 바람직하다. 가열로 인해, 납땜 재료는 압축된 공기의 스트림에서 응축가능한 물질을 응축하도록 모든 필요한 기능들을 포함하는 단일 유닛을 형성하기 위하여 구성요소들을 함께 납땜할 것이다.
선호적인 실시예에서, 응축 트랩은 제 1 및 제 2 열교환기 사이에 배치된다. 이는 제 1 및 제 2 열교환기 사이의 온도차로 인해 이점을 가지며, 이는 즉 제 1 및 제 2 열교환기 사이의 열전달을 분리하며 응축 트랩이 단열재(insulation)로 어느 정도 기능을 하는 이점을 가짐을 의미한다.
본 발명의 선호적인 실시예에서, 8개의 열교환기 판(310)은 제 2 열교환기기(300)를 형성하도록 사용되며 8개의 열교환기 판(210)은 제 1 열교환기(200)를 형성하도록 사용된다. 바람직하게 열교환기 판들은 대략 70-120 mm의 폭과 190-290 mm의 높이를 가진다. 판의 두께는 0.3-0.4 mm가 바람직하다. 열교환기 판(210, 310), 하우징(460), 측면 판(450, 470) 및 포획 매질(410, 420)을 위한 재료는, 예를 들어 AISI 304 또는 AISI 316으로 언급되는 타입의 스테인레스강이 선호된다.
포획 매질(410, 420)은 대략 226 kg/m3의 밀도를 가진 스테인레스 와이어 메시로 제조되는 것이 바람직하다. 선호적인 실시예에서, 포획 매질(410, 420)의 와이어 직경은 대략 0.28 mm이다.
종래 기술의 당업자에게 명백한 바와 같이, 상기 기술은 본 발명이 어떻게 실시될 수 있는 지를 보여주는 실시예로서만 예시된다. 예를 들어, 열교환기 판들 사이에서 납땜 재료의 중간 시트들을 가질 필요가 없다. 대신, 납땜 페이스트(brazing paste) 또는 심지어 접착제(glue)가 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. -고온의 오염된 유입 가스 매질과 차가운 건조 배출 가스 매질 사이에서 열교환되는 제 1 열교환기(200),
    -상기 제 1 열교환기(200)로부터 유입되는 차가운 가스 매질과 냉매 사이에 열교환되는 제 2 열교환기(300),
    -상기 제 2 열교환기(300)로부터 배출되는 냉각된 가스 매질 내에서 응축 물질을 포획하는 응축 트랩(400)을 포함하되,
    이 후, 제 1 열교환기에서, 차가운 건조 가스 매질은 유입되는 오염된 가스 매질과 열교환 되고, 상기 제 1 열교환기(200), 제 2 열교환기(300) 및 응축 트랩(400)은 단일 유닛(100)로 조합되며, 파이프(200-300)는 응축 트랩(400)을 통하여 제 1 열교환기(200)에서 제 2 열교환기(300)까지 연장되는, 소형 가스 건조기(100)에 있어서,
    상기 응축 트랩(400)은, 작은 응축된 액적(droplet)이 공기 스트림을 따라가지 않기에 충분히 큰 액적으로 응집되도록 하는 하나 이상의 포획 매질(410, 420)을 포함하고, 제 1 열교환기(200)에서, 고온의 오염된 유입 가스 매질과 차가운 건조 배출 가스 매질이 역흐름 방식으로 열교환되며, 차가운 건조 가스 매질은 응축 트랩을 통하여 상부 방향으로 이동하고, 열교환기 판들은 직사각형 모양을 가지는 것을 특징으로 하는 소형 가스 건조기(100).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환기 판들은 70-120 mm의 폭과 190-290 mm의 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 소형 가스 건조기(100).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 조합된 단일 유닛(100)은 단일 부분으로 납땜되는 것을 특징으로 하는 소형 가스 건조기(100).
  4. 제 3 항에 있어서, 납땜 재료는 구리 또는 니켈인 것을 특징으로 하는 소형 가스 건조기(100).
  5. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 열교환기(200, 300)는 다수의 동일한 열교환기 판(210, 310)으로 제조되는 것을 특징으로 하는 소형 가스 건조기(100).
  6. 제 5 항에 있어서, 열교환기 판(210, 310)은 스테인레스강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 소형 가스 건조기(100).
  7. 가스 드라이어(100)를 제조하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
    -다수의 열교환기 판(210)을 제 1 열교환기(200)를 형성하는 제 1 스택(stack) 내에 적층하는 단계,
    -응축 트랩(400)을 형성하기 위한 구성요소, 즉, 측면 판들(450, 470), 제 1 및 제 2 포획 매질(410, 420), 하우징(460) 및 파이프(200-300)를 상기 제 1 스택 상에 적층하는 단계,
    -응축 트랩(400)을 형성하기 위한 구성요소, 즉, 측면 판들(450, 470), 제 1 및 제 2 포획 매질(410, 420), 하우징(460) 및 파이프(200-300) 상에서, 열교환기 판(310)을 제 2 열교환기(300)를 형성하는 제 2 스택 내에 적층하는 단계,
    -열교환기 판(210, 310)의 스택과 응축 트랩(400)을 형성하기 위한 구성요소, 즉, 측면 판들(450, 470), 제 1 및 제 2 포획 매질(410, 420), 하우징(460) 및 파이프(200-300)를 납땜 오븐 내에 배치하는 단계 및 상기 열교환기 판(210, 310)의 스택을 단일 구성요소의 공기 건조기(100) 내에 납땜하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 납땜 재료의 시트는 상기 열교환기 판(210, 310) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 납땜 재료의 시트는 구리 또는 니켈로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항들 중 어느 한 항에 있어서, 열교환기 판(210, 310)과 응축 트랩(400)을 형성하기 위한 구성요소, 즉, 측면 판들(450, 470), 제 1 및 제 2 포획 매질(410, 420), 하우징(460) 및 파이프(200-300)는 스테인레스강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
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