KR101400224B1

KR101400224B1 - 열교환 장치

Info

Publication number: KR101400224B1
Application number: KR1020130125619A
Authority: KR
Inventors: 서정국
Original assignee: 주식회사 플로우포스
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2014-05-29

Abstract

본 발명은 유압유 등 열유체가 통과하는 쉘(shell)(10) 내부에 냉각수 등의 열매체가 통과하는 튜브(tube)(20)가 다수 설치된 열교환 장치에 있어서, 원반형 전달핀(21)이 형성된 튜브(20) 다수를 열유체의 흐름과 직교하는 방향으로 설치하되, 인접한 튜브(20)의 전달핀(21)이 상호 밀착될 수 있도록 3각 배치하며, 쉘(10)의 내부 표면에는 곡부(谷部)(15) 및 봉부(峰部)(16)를 반복 형성하고 이들 곡면에 튜브(20)의 전달핀(21)이 밀착될 수 있도록 함으로써, 열유체의 쉘(10) 통과시 전달핀(21)을 우회하는 무위(無爲) 흐름 발생을 억제할 수 있도록 한 것이다.
또한, 동일한 형태의 조립체(11) 한쌍을 접합하여 쉘(10)을 구성함으로써, 열교환 장치의 제작시 소요되는 부품 수를 경감하면서도 견고한 구조를 달성할 수 있도록 한 것이다.
본 발명을 통하여, 열교환 장치의 열전단 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있으며, 열교환 장치의 제작 공정을 간소화하면서도 내압성 및 기밀성을 제고하여, 열교환 장치의 품질 향상 및 제조비용 절감을 동시에 달성할 수 있다.

Description

열교환 장치{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 유압기계 작동용 유압유의 냉각장치 등으로 활용되는 열교환 장치로서 유압유 등 열유체가 통과하는 쉘(shell)(10) 내부에 냉각수 등의 열매체가 통과하는 튜브(tube)(20)가 다수 설치되어 열매체와 열유체간 열교환이 이루어지는 열교환 장치에 있어서, 외주면에 다수의 원반형 전달핀(21)이 형성된 튜브(20)를 열유체의 흐름과 직교하는 방향으로 설치하되, 인접한 튜브(20)의 전달핀(21)이 상호 밀착될 수 있도록 3각 배치하며, 쉘(10)의 내부 표면에는 전달핀(21)의 직경과 일치하는 내경의 곡면으로 구성된 곡부(谷部)(15) 및 봉부(峰部)(16)를 반복 형성하고 이들 곡면에 튜브(20)의 전달핀(21)이 밀착될 수 있도록 함으로써, 열유체의 쉘(10) 통과시 튜브(20)의 전달핀(21)을 경유하지 않는 무위(無爲) 흐름 발생을 억제할 수 있도록 한 것이다.

또한, 열교환 장치의 쉘(10)을 구성함에 있어서, 다수의 결합공(13)이 천공되어 튜브(20)의 단부가 결합되는 측판(12)과, 측판(12)의 일단에 구성되고 내측 표면에 곡부(15) 및 봉부(16)가 반복 형성된 평판(14)과, 측판(12)의 일 측단에 구성되되 출입구(19)가 형성된 횡판(18)으로 구성된 조립체(11) 한쌍을 접합하여 쉘(10)을 구성함으로써, 열교환 장치의 제작시 소요되는 부품 수를 경감하면서도 견고한 구조를 달성할 수 있도록 한 것이다.

유체(流體)용 열교환 장치에 있어서, 쉘(shell)(10) 내부에 다수의 튜브(tube)(20)가 설치되어 쉘(10)을 통과하는 유체와 튜브(20)를 통과하는 유체간 열교환이 이루어지는 방식이 널이 사용되고 있으며, 그 예로서 특허 제1151755호를 들 수 있다.

특허 제1151755호는 유압기계를 작동하는 유압유를 냉각하는 냉각용 열교환기에 관한 것으로서, 유압유가 쉘(10)을 통과하는 유체 즉, 열유체에 해당되고, 냉각수가 튜브(20)를 통과하는 유체 즉, 열매체에 해당된다.

즉, 도 8의 하부 도면에서와 같이, 쉘(10)로 유입된 고온의 유압유인 열유체는 쉘(10) 내부에 다수 설치된 튜브(20) 사이를 통과하면서, 튜브(20)를 통과하는 냉각수인 열매체와의 열교환을 통하여 냉각된 후 배출되는데, 이러한 종래의 열교환 장치에서는 다음과 같은 문제점이 발생된다.

우선, 쉘(10) 내부의 튜브(20)가 비록 조밀하게 배치되어 있기는 하지만 도 8의 하측 타원내 확대부에서와 같이, 인접한 튜브(20)의 전달핀(21) 사이에 이격된 공간이 존재하게 되고, 이 공간으로 열유체의 흐름이 집중되어 열유체와 튜브(20) 및 전달핀(21)간의 충분한 접촉이 이루어지지 않은 채 열유체가 무위(無爲) 배출되는 문제점 있다.

열매체가 통과하는 관체(管體)인 튜브(20) 외주면에는 다수의 원반형 전달핀(21)이 돌출 형성되어 열매체의 접촉면적을 확대함으로써 열전달 효율을 확보하게 되는데, 튜브(20)의 구조상 튜브(20) 자체의 외주면보다 전달핀(21)의 표면이 월등하게 큰 면적으로 가지므로 열유체와 열매체간 실질적인 열전달 작용은 전달핀(21) 사이를 통과하는 열유체의 유량에 의하여 좌우된다 할 수 있으며, 따라서 인접한 튜브(20)의 전달핀(21) 사이의 이격 공간으로 열유체의 흐름이 발생될 경우 열전달 효율은 저하될 수 밖에 없다.

그러나 종래의 열교환 장치에서는 도 8의 하부 도면 및 하측 타원내 확대부에서와 같이, 인접한 튜브(20)의 전달핀(21) 사이는 물론 외곽에 배치된 튜브(20)의 전달핀(21)과 쉘(10) 내측 표면 사이에 이격 공간이 형성되고, 이로 인하여 쉘(10)을 통과하는 열유체가 표면마찰이 적은 상기 이격 공간으로 집중되어, 충분한 열전달 작용을 기대할 수 없는 심각한 문제가 있었다.

특히, 튜브(20)와 튜브(20) 사이의 공간에 비하여 평활한 쉘(10) 내측 표면과 튜브(20) 사이의 공간은 표면 마찰이 더욱 작으므로 이를 통하여 열유체의 상당 부분이 무위 통과하게 되고, 쉘(10) 표면을 통한 열전달 효과는 거의 기대할 수 없으므로, 열교환 장치의 효율 확보에 근본적인 한계가 있을 수 밖에 없었다.

또한, 종래의 열교환 장치에 있어서 쉘(10)은 일종의 밀폐된 함체(函體)로서, 다수의 판체(板體)가 접합되어 구성되는데, 튜브(20)가 결합되는 판재와 쉘(10) 본체를 구성하는 판재 등 서로 다른 형태의 부품이 다수 필요하여, 제작 및 조립 공정이 복잡할 뿐 아니라, 쉘(10)의 외측에는 냉각수 등 열매체가 수용되는 보닛(bonnet)(30)이 추가로 설치되는 바, 각 부품간 접합면이 다중으로 형성될 수 밖에 없고, 이로 인하여 내압성(耐壓性) 저하되며, 유체 또는 열매체가 누출되는 등의 문제가 발생될 수 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 외주면에 다수의 원반형 전달핀(21)이 형성된 튜브(20) 다수가 열유체가 통과하는 쉘(shell)(10) 내부에 열유체의 흐름과 직교하는 방향으로 설치되고, 내부에 열매체가 수용되는 격실(32)이 형성된 보닛(30)이 상기 쉘(10)에 부착되어 튜브(20)와 보닛(30)의 격실(32)이 연결되는 열교환 장치에 있어서, 쉘(10) 내부의 튜브(20)는 인접한 튜브(20)의 전달핀(21)이 상호 밀착될 수 있도록 3각 배치되고, 쉘(10) 내부의 표면에는 전달핀(21)의 직경과 일치하는 내경의 곡면으로 구성된 곡부(15) 및 봉부(16)가 반복 형성되며, 외곽에 배치된 튜브(20)의 전달핀(21)이 상기 곡부(15) 및 봉부(16)에 밀착되어, 열유체의 쉘(10) 통과시 튜브(20)의 전달핀(21)을 경유하지 않고 우회하는 흐름이 억제됨을 특징으로 하는 열교환 장치이다.

또한, 본 발명은 외주면에 다수의 원반형 전달핀(21)이 형성된 튜브(20) 다수가 열유체가 통과하는 쉘(shell)(10) 내부에 열유체의 흐름과 직교하는 방향으로 설치되고, 내부에 열매체가 수용되는 격실(32)이 형성된 보닛(30)이 상기 쉘(10)에 부착되어 튜브(20)와 보닛(30)의 격실(32)이 연결되는 열교환 장치에 있어서, 쉘(10)은 동일한 형태의 한쌍의 조립체(11)가 접합되어 구성되되, 조립체(11)는 다수의 결합공(13)이 천공되어 튜브(20)의 단부가 결합되는 측판(12)과, 측판(12)의 일단에 구성되고 내측 표면에 전달핀(21)의 직경과 일치하는 내경의 곡면으로 구성된 곡부(15) 및 봉부(16)가 반복 형성된 평판(14)과, 측판(12)의 일 측단에 구성되고 출입구(19)가 형성된 횡판(18)으로 구성됨을 특징으로 하는 열교환 장치이다.

본 발명을 통하여, 튜브(20)의 전달핀(21)과 직접 접촉하지 않고 우회하는 열유체의 흐름을 억제함으로써, 열교환 장치의 열전단 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 다수의 판체가 일체화된 조립체(11) 한쌍을 접합시켜 쉘(10)을 구성할 수 있도록 함으로써 열교환 장치의 제작 공정을 간소화하면서도 내압성 및 기밀성을 제고하여, 열교환 장치의 품질 향상 및 제조비용 절감을 동시에 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 사시도
도 2는 본 발명의 분해사시도
도 3은 본 발명의 쉘 발췌 부분절단 분해사시도
도 4는 본 발명의 보닛 조립 구조도
도 5는 본 발명 쉘 조립체의 변형된 실시예 분해사시도
도 6은 도 1의 A-A'선 단면도
도 7은 본 발명의 조립체 발췌 사시도
도 8은 도 1의 B-B'선 단면도

본 발명의 상세한 구성 및 작동 원리를 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.

우선 도 1은 본 발명의 외관을 도시한 사시도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명은 전, 후 양면에 출입구(19)가 형성된 장방형 함체인 쉘(shell)(10)에 한쌍의 보닛(30)이 부착되고, 일측의 보닛(30)에는 한쌍의 급배구(33)가 형성된 구조를 가지며, 도 2에서와 같이, 쉘(10) 내부에는 전달핀(21)이 형성된 튜브(20) 다수가 밀착 배치된다.

즉, 도 1 내지 도 4에서와 같이, 본 발명은 외주면에 다수의 원반형 전달핀(21)이 형성된 튜브(20) 다수가 열유체가 통과하는 쉘(10) 내부에 열유체의 흐름과 직교하는 방향으로 설치되고, 내부에 열매체가 수용되는 격실(32)이 형성된 보닛(30)이 상기 쉘(10)에 부착되어 튜브(20)와 보닛(30)의 격실(32)이 연결되는 열교환 장치로서, 도 3에서와 같이, 쉘(10) 내부의 튜브(20)는 인접한 튜브(20)의 전달핀(21)이 상호 밀착될 수 있도록 3각 배치되고, 쉘(10) 내부의 표면에는 전달핀(21)의 직경과 일치하는 내경의 곡면으로 구성된 곡부(谷部)(15) 및 봉부(峰部)(16)가 반복 형성된다.

여기서 튜브(20)의 3각 배치란 튜브(20)와 직교하는 평면상에서 인접한 튜브(20)의 중심이 정삼각형의 각 꼭지점에 배치되도록 하는 것으로서, 튜브(20)를 등간격으로 배치할 경우 단위 면적당 튜브(20)를 가장 조밀하게 배치할 수 있는 방식이며, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 튜브(20)를 3각 배치함과 동시에 인접한 튜브(20)의 전달핀(21)이 상호 밀착될 수 있도록 함으로써, 쉘(10)을 통과하는 열유체의 흐름에 있어서 튜브(20)의 전달핀(21)을 경유하지 않고 우회하는 흐름의 발생을 근본적으로 억제하게 된다.

또한, 외곽에 배치된 튜브(20)의 전달핀(21)은 상기 곡부(15) 및 봉부(16)에 밀착되어, 열유체의 쉘(10) 통과시 튜브(20)의 전달핀(21)을 경유하지 않고 쉘(10) 표면과 전달핀(21) 사이의 공간으로 우회하는 흐름 발생도 근본적으로 억제한다.

한편, 본 발명의 쉘(10)은 함체(函體)를 구성하는 각 판체 특히, 쉘(10) 본체를 구성하는 판체와 튜브(20)가 결합되는 결합공(13)이 천공된 판체가 분리되어 구성되고, 이들 분리된 판체가 조립되는 방식으로 구성되는 것이 아니라, 도 2 및 도 3에서와 같이, 동일한 형태를 가지는 한쌍의 조립체(11)가 접합되어 구성됨으로써, 제조 공정을 간소화하고 소요 부품 수를 절감하여 열교환 장치의 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

즉, 도 2 및 도 3에서와 같이, 조립체(11)는 다수의 결합공(13)이 천공되어 튜브(20)의 단부가 결합되는 측판(12)과, 측판(12)의 상단 및 하단에 구성되고 내측 표면에 전달핀(21)의 직경과 일치하는 내경의 곡면으로 구성된 곡부(15) 및 봉부(16)가 반복 형성된 평판(14)과, 측판(12)의 일 측단에 구성되되 평판(14) 외측으로 돌출되고 중심부에 출입구(19)가 형성된 횡판(18)으로 구성되며, 동일한 치수 및 형태의 조립체(11) 2개 중 1개를 180도 회전하고, 조립체(11) 내부에 튜브(20)를 배치한 후, 도 3 및 도 4에서와 같이 접합하면, 도 4에서와 같이, 동일한 형태의 단 2개 부품만으로 접합부위가 최소화된 견고한 구조의 쉘(10)을 제작할 수 있는 것이다.

또한, 도 5에서와 같이, 조립체(11)를 구성함에 있어서 평판(14)을 측판(12)의 상단 및 하단에 모두 구성하지 않고, 상단 또는 하단 중 한 곳에만 구성하는 방식으로도 동일한 형태의 조립체(11)로 쉘(10)을 조립 제작할 수 있다.

따라서, 본 발명에 있어서 쉘(10)의 제작에 사용되는 조립체(11)는 기본적으로 측판(12)의 일단에 평판(14)이 구성된 즉, 측판(12)의 상단 및 하단 모두에 평판(14)이 구성되거나, 측판(12)의 상단 또는 하단 중 어느 하나에 평판(14)이 구성된 형태를 가지게 되며, 쉘(10)을 조립 제작함에 있어서, 나사 또는 용접봉 등 체결수단 및 기타 부착물 등을 제외하면, 조립체(11) 단 1종의 부품만으로도 제작이 가능한 것이다.

이로써, 쉘(10)의 제작에 소요되는 주형 또는 금형의 수를 최소화할 수 있을 뿐 아니라, 조립 공정 자체도 간소화할 수 있으므로 열교환 장치의 생산성을 제고하고 제조비용을 획기적으로 감축할 수 있다.

튜브(20)가 내장된 쉘(10)이 완성되면, 튜브(20)로 냉각수 등의 열매체를 공급하는 보닛(bonnet)(30)을 쉘(10)에 부착하게 되는데, 보닛(30)은 도 4 및 도 6에서와 같이 쉘(10)을 구성하는 평판(14) 외측에 부착되며, 동 도면에 도시된 바와 같이, 보닛(30) 내부에는 격벽(31)으로 격리된 다수의 격실(32)이 형성되고 이들 격실(32) 중 일부에는 보닛(30)의 내, 외부를 연통하는 급배구(33)가 형성되어 외부로부터 열매체를 공급받거나 사용후 열매체를 외부로 배출하게 된다.

즉, 도시된 실시예에서는 일측의 보닛(30)에는 3개의 격실(32)이 형성되고 타측의 보닛(30)에는 2개의 격실(32)이 형성되어, 도 6의 도면상 상측 급배구(33)로 공급된 열매체가 전체 격실(32) 및 튜브(20)를 경유한 후, 도면상 하측 급배구(33)로 배출되고 있으나, 이러한 격실(32) 배치 및 열매체의 유로 형성은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 선택 적용할 수 있는 사항이므로 청구범위의 구체적인 한정은 하지 않는다.

한편, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 조립체(11)의 평판(14)에는 체결공(46)을 형성하고, 조립체(11)를 접합하여 쉘(10)을 완성한 후 체결공(46)에 보강봉(45)을 체결함으로써, 쉘(10)의 구조를 보강하고 내압성을 확보할 수 있다.

특히, 이러한 보강봉(45)을 통하여 내압성을 확보함으로써, 고압의 유압유를 냉각하는 냉각장치로서 본 발명을 유용하게 활용할 수 있다.

본 발명에서는 도 6에서와 같이, 쉘(10)을 구성하는 조립체(11)에 형성된 일측 출입구(19)로 유압유 등의 열유체가 유입되면 튜브(20)에 형성된 전달핀(21) 사이를 경유하면서 냉각수 등 튜브(20)내 열매체와의 열전달이 이루어지고, 열전달이 완료된 열유체는 타측 출입구(19)로 배출되는 구조를 가진다.

전술한 바와 같이, 열유체와 열매체간 실질적인 열전달 작용은 전달핀(21) 사이를 통과하는 열유체의 유량에 의하여 좌우된다 할 수 있는데, 본 발명에서는 튜브(20)의 긴밀한 삼각 밀착 배열을 통하여 뷰브가 배치된 쉘(10)의 내부에서 전달핀(21)을 우회하는 열유체 흐름의 발생이 근본적으로 억제될 뿐 아니라, 전달핀(21) 외주면과 접하는 쉘(10)의 내부 표면 즉, 조립체(11)의 평판(14) 내측 표면에는 전달핀(21)의 직경과 일치하는 내경의 곡면으로 구성된 곡부(15) 및 봉부(16)가 반복 형성됨으로써, 쉘(10)과 전달핀(21)간 접촉부에서의 열유체 무위(無爲) 흐름 또한 근본적으로 억제된다.

즉, 도 7에서와 같이, 본 발명에서 쉘(10)을 구성하는 조립체(11) 상, 하 평판(14)의 내측 표면에는 튜브(20)의 결합시 전달핀(21)이 평판(14) 내측 표면에 밀착될 수 있도록 전달핀(21)의 직경과 일치하는 내경의 곡면으로 구성된 곡부(15) 및 봉부(16)가 반복 형성되며, 이로써 도 8의 상부 도면 및 상측 타원내 확대부에서와 같이, 열유체의 무위(無爲) 우회 흐름이 차단되어 열교환 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 것이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 있어서 튜브(20)는 3각 배치되고, 인접한 튜브(20)의 전달핀(21)이 상호 밀착되는 바, 튜브(20) 조합체의 외곽부가 돌출과 요입을 반복하게 되는데, 이에 맞추어 평판(14)의 곡부(15)와 봉부(16) 또한 반복 형성된다.

또한, 도 7 및 도 8의 상측 타원내 확대부에 도시된 바와 같이, 봉부(16)의 첨부(尖部)에는 전달핀(21)의 외경과 일치하는 내경의 곡면으로 형성된 요입부(17)를 형성함으로써, 평판(14) 내측 표면과 튜브(20)의 전달핀(21)간 일층 긴밀한 밀착상태를 조성하게 된다.

종래의 열교환 장치에서는 도 8의 하부 도면에서와 같이, 쉘(10)을 통과하는 열유체의 흐름에 있어서, 열유체의 유량 중 상당 부분이 튜브(20)의 전달핀(21)을 우회하게 되어 열전달 효율 확보에 한계가 있었으며, 이에 쉘(10) 내부에 열유체의 흐름을 방해하는 배플(baffle)을 설치하여 열유체의 체류 시간을 연장하는 등의 편법이 적용되었으나, 이는 열교환 장치의 효율 개선에 있어서 근본적인 해결책이 될 수 없을 뿐 아니라 열교환 장치와 연결된 기계장치 및 설비에 악영향을 줄 수 있는 문제점이 있다.

본 발명에서는 쉘(10)을 통과하는 열유체의 튜브(20) 전달핀(21) 우회 무위 흐름을 근본적으로 억제함으로써, 종래의 열교환 장치에 비하여 월등히 개선된 효율을 확보할 수 있으며, 이러한 충분한 열전달 효율 확보 및 효율적인 내부 공간 활용을 기반으로 열교환 장치의 소형화 또한 가능하다.

10 : 쉘
11 : 조립체
12 : 측판
13 : 결합공
14 : 평판
15 : 곡부
16 : 봉부
17 : 요입부
18 : 횡판
19 : 출입구
20 : 튜브
21 : 전달핀
30 : 보닛
31 : 격벽
32 : 격실
33 : 급배구
45 : 보강봉
46 : 체결공

Claims

외주면에 다수의 원반형 전달핀(21)이 형성된 튜브(20) 다수가 열유체가 통과하는 쉘(shell)(10) 내부에 열유체의 흐름과 직교하는 방향으로 설치되고, 내부에 열매체가 수용되는 격실(32)이 형성된 보닛(30)이 상기 쉘(10)에 부착되어 튜브(20)와 보닛(30)의 격실(32)이 연결되며, 쉘(10) 내부의 튜브(20)가 3각 배치되는 열교환 장치에 있어서,
쉘(10) 내부의 튜브(20)는 인접한 튜브(20)의 전달핀(21)이 상호 밀착될 수 있도록 배치되고;
쉘(10) 내부의 표면에는 전달핀(21)의 직경과 일치하는 내경의 곡면으로 구성된 곡부(15) 및 봉부(16)가 반복 형성되며;
외곽에 배치된 튜브(20)의 전달핀(21)이 상기 곡부(15) 및 봉부(16)에 밀착되어, 열유체의 쉘(10) 통과시 튜브(20)의 전달핀(21)을 경유하지 않고 우회하는 흐름이 억제됨을 특징으로 하는 열교환 장치.
외주면에 다수의 원반형 전달핀(21)이 형성된 튜브(20) 다수가 열유체가 통과하는 쉘(shell)(10) 내부에 열유체의 흐름과 직교하는 방향으로 설치되고, 내부에 열매체가 수용되는 격실(32)이 형성된 보닛(30)이 상기 쉘(10)에 부착되어 튜브(20)와 보닛(30)의 격실(32)이 연결되는 열교환 장치에 있어서,
쉘(10)은 동일한 형태의 한쌍의 조립체(11)가 접합되어 구성되되;
조립체(11)는 다수의 결합공(13)이 천공되어 튜브(20)의 단부가 결합되는 측판(12)과;
측판(12)의 일단에 구성되고 내측 표면에 전달핀(21)의 직경과 일치하는 내경의 곡면으로 구성된 곡부(15) 및 봉부(16)가 반복 형성되어 튜브(20)의 결합시 전달핀(21)이 상기 곡부(15)와 봉부(16)에 밀착되는 평판(14)과;
측판(12)의 일 측단에 구성되고 출입구(19)가 형성된 횡판(18)으로 구성됨을 특징으로 하는 열교환 장치.