KR101405014B1 - 냉각관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각 유체가 유입되는 유입부와, 상기 유입부와 격벽에 의해 분리되고 상기 유입부의 일측과 연결되어, 상기 유입부에서 유입된 냉각유체가 유출되는 유출부 및 일측 단부가 상기 유출부의 일측 또는 상기 유입부의 내벽과 접촉하며, 냉각 유체의 유로 방향이 변경되는 상기 유입부와 상기 유출부가 연결되는 부분에 격자구조를 형성하며 각각 이격된 복수개의 격판이 경사지게 설치되는 격판부를 포함하고, 상기 유입부와 상기 유출부는 U자 형상으로 연결되며, 상기 격판부는 상기 유출부의 내측 코너에 형성된 제1정체부로 냉각유체가 유입되도록 일측으로 경사진 제1격판부 및, 상기 유출부의 외측코너에 형성된 제2정체부로 냉각유체가 유입되도록, 상기 제1격판부와 교차하며 격자구조를 형성하고, 하단이 상기 제1격판부의 상부와 접촉하도록 구비되는 제2격판부를 포함하는 냉각관에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 의한 냉각관에 의하면, 회전영역이 있는 냉각관에 냉각 유체가 흐를 때 회전 영역에서 유동의 박리 및 구석 와류등을 방지하여 상기 냉각관에 열전달 및 냉각 성능을 균일하도록 하는 효과를 제공한다.

Description

냉각관 {COOLING PIPE}

본 발명은 냉각관에 관한 것이며, 상세하게는 냉각관 내부에 격판을 구비하는 냉각관에 관한 것이다.

금속재료의 녹는점 이상의 연소가스에 노출되어 있는 상태로 운전이 이루어지는 경우 장치의 안정적인 운전 및 효율을 증가시키기 위해 많은 냉각 기술들이 적용되고 있다.

그 중에서 냉각관에 냉각 유체를 흐르게 하여 장치를 냉각시키는 방식은 냉각 유체가 회전 영역이 있는 유로를 지나는 경우 냉각 유체의 유동이 회전을 이루며 이 과정에서 유동의 박리 및 구석 와류 등에 의해 열전달 및 냉각 성능이 균일하게 이루어지지 않는 문제점이 있었다.

도 1과 도 2를 참조하면, 사행유로를 갖는 냉각관에서는 냉각 유체의 유로방향이 변경되는 부분에 유체의 유동이 회전을 이루며 정체되는 정체부(30)가 나타난다.

상기 정체부(30)는 냉각관 유출부(20)의 바깥쪽 코너인 제1정체부(31)와 안쪽 코너인 제2정체부(32)에서 나타난다.

도 2를 참조하면, 상기 제1정체부(31)와 제2정체부(32)는 열전달계수를 나타내는 그래프에서 낮은 수치를 나타내는 파란색으로 표시된다. 이는 상기 부분에서는 냉각유체가 원활하게 열을 전달하지 못하고 유동이 정체되는 것을 나타내어 상기 냉각관에서는 냉각이 불균일하게 이루어지고 있음을 알 수 있다.

이러한 냉각의 불균일성은 냉각관이 가스터빈 블레이드 및 베인의 내부에 구비되어 상기 블레이드 및 베인의 냉각에 사용되는 경우에, 블레이드 및 베인의 표면에서 열응력 증가로 나타나며, 블레이드 및 베인을 파손에 이르게 한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 회전 영역에 가이드 또는 분리벽에 곡률을 주는 간접적인 방식으로 냉각의 불균일성을 해소하고자 하였으나 이러한 방법으로는 한계가 있었다.

본 발명은 상기 종래 문제점 중 적어도 일부를 해소하기 위해 제안된 것으로서, 그 목적은 내부에 회전영역이 있는 경우에 회전영역을 지날 때 발생하는 구석와류에 의한 열전달 감소효과를 개선하는 냉각관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적 측면으로서 본 발명은, 냉각 유체가 유입되는 유입부와, 상기 유입부와 격벽에 의해 분리되고 상기 유입부의 일측과 연결되어, 상기 유입부에서 유입된 냉각유체가 유출되는 유출부 및 일측 단부가 상기 유출부의 일측 또는 상기 유입부의 내벽과 접촉하며, 냉각 유체의 유로 방향이 변경되는 상기 유입부와 상기 유출부가 연결되는 부분에 격자구조를 형성하며 각각 이격된 복수개의 격판이 경사지게 설치되는 격판부를 포함하고, 상기 유입부와 상기 유출부는 U자 형상으로 연결되며, 상기 격판부는 상기 유출부의 내측 코너에 형성된 제1정체부로 냉각유체가 유입되도록 일측으로 경사진 제1격판부 및, 상기 유출부의 외측코너에 형성된 제2정체부로 냉각유체가 유입되도록, 상기 제1격판부와 교차하며 격자구조를 형성하고, 하단이 상기 제1격판부의 상부와 접촉하도록 구비되는 제2격판부를 포함하는 냉각관을 제공한다.

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또한 바람직하게, 상기 제1격판부 및 상기 제2격판부는 적층된 형태로 복수개가 구비될 수 있다.

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상기 격판부는 냉각 유체의 열전달을 촉진하기 위해 상기 격판부의 측면에서 연장 형성되며 상기 유입부 및 유출부이 접촉되는 부분에 요철부를 더 포함할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 일 실시예에 의한 냉각관에 의하면, 회전영역이 있는 냉각관에 냉각 유체가 흐를 때 회전 영역에서 유동의 박리 및 구석 와류등을 방지하여 상기 냉각관에 열전달 및 냉각 성능을 균일하도록 하는 효과를 제공한다.

도 1은 종래의 사행유로를 구비하는 냉각관의 평면도.
도 2는 종래의 냉각관에 흐르는 냉각 유체의 열전달계수를 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각관의 평면도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각관의 부분 절개 사시도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각관의 평면도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각관의 부분 절개 사시도.
도 7은 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 냉각관에 흐르는 냉각 유체의 열전달계수를 나타내는 그래프.
도 8은 종래 냉각관과 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 냉각관에 흐르는 냉각 유체의 평균 열전달계수를 나타내는 그래프.

이하 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 냉각관의 기술적인 특징을 이해시키기에 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예들에 의하여 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것이 아니며, 본 발명의 기술 범위에서 다양한 변형 실시가 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 의한 냉각관(100)은 냉각 유체의 유로방향이 변경되는 정체부(130)에서 정체되는 영역이 없이 유체를 공급하도록 격판을 구비하는 격판부(110)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 상기 격판부(110)는 냉각 유체가 유입되고 유출되는 방향에서 상기 정체부(130)에 경사지도록 설치될 수 있다.

상기 냉각관(100)은 냉각 유체가 유입되는 유입부(101)와 냉각 유체가 유출되는 유출부(102)가 구비된다. 그리고, 상기 유입부(101)와 유출부(102)는 굴곡형상유로로, 예를 들어 (U형,ㄱ자형 등), 연결되어 있어 연결되는 부분에서 냉각 유체의 유로방향이 변경된다.

이때, 유로방향이 변경되는 부분에서 냉각 유체는 유출부(102)로 유출되지 못하고 회전하며 정체된다.

하지만, 본 발명의 일 실시예에 의한 냉각관(100)은 유로방향이 변경되는 정체부(130)에서 정체되는 영역 없이 냉각 유체를 공급하기 위해 내부에 격판부(110)를 구비하고 있다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 의한 냉각관의 경우, 상기 격판부(110)는 격판부가 구비되지 않는 종래 기술에 비해 냉각 유체가 정체되는 제1정체부(131)와 제2정체부(132)에 냉각 유체가 공급될 수 있도록 냉각 유체가 유입되고 유출되는 방향에서 상기 정체부(130)(도 2의 31, 32 참조)에 경사지게 설치될 수 있다.

즉, 상기 격판부(110)는 복수개의 격판이 상기 제1정체부(131)와 상기 제2정체부(132)에서 냉각 유체가 정체되지 않고 유체의 흐름이 원활하도록 하기 위하여 상기 제1정체부(131)와 상기 제2정체부(132) 방향으로 경사지게 구비되어 유입부(101)를 통해 유입되는 냉각 유체가 상기 제1정체부(131)와 상기 제2정체부(132)에 유입된다.

또한, 상기 격판부(110)는 냉각관(100) 내부에서 하나의 층으로 구비될 수 있을 뿐만 아니라 복수의 층으로 형성될 수 있다. 이 경우에 각각의 층에 구비되는 격판이 서로 다른 방향으로 경사지는 격자구조를 형성할 수 있다.

즉, 본 발명의 제1 실시예에 냉각관(100)은 냉각 유체를 냉각 유체가 정체되는 상기 정체부(130)로 흐르게 하는 격판을 포함하는 제1격판부(111)와 제1격판부(111)의 상부층에서 제1격판부(111)와 교차하며 격자구조를 형성하는 격판을 포함하는 제2격판부(112)를 포함하여 구성될 수 있다.

물론, 상기 격판부(110)는 상기 제1격판부(111)와 상기 제2격판부(112)의 2층구조로 구비될 수 있을 뿐만 아니라, 냉각 유체의 고유한 점성, 냉각 유체가 유입되는 속도 등을 고려하여 2층 이상의 격판으로 구비될 수 있다.

그리고, 도 5와 도 6를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 의한 냉각관(100)은 상기 격판부(110)에 상기 격판부(110)의 측면에서 연장 형성되며 상기 유입부(101) 및 유출부(102)의 내부면과 접촉하는 요철부(150)를 더 구비할 수 있다.

상기 요철부(150)는 상기 냉각관(100)의 평평한 상하면을 오목하고 볼록한 면으로 구비되어 냉각유체의 유동을 활발하게 하고 상기 정체부(130)에 유입되기 용이하게 한다. 그 결과 열전달효과를 상승시켜 상기 냉각관(100)을 균일하게 냉각시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.

상기 요철부(150)의 형상은 도 5와 도 6에 도시되어 있는 형상에 한정되지 않고 상기 냉각관(150) 내부의 상하면을 오목하고 볼록하게 구비될 수 있도록 하는 다양한 형상이 가능하다.

이하 본 발명의 일실시예에 따른 냉각관(100)의 작용 효과에 대하여 상세하게 설명한다.

도 3 내지 도 4 및 도 7(a)를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 의한 냉각관(100)의 유입부(101)로 냉각 유체가 유입되면 상기 제1격판부(111)와 상기 제2격판부(112)로 냉각 유체가 유입된다.

먼저, 상기 냉각관(150)의 하부에서 상기 제1격판부(111)의 격판 사이로 냉각 유체가 유입될 때에는 냉각 유체가 격판 사이를 따라 이동하고, 상기 유입관의 끝단에 부딪쳐 반사되면서 상기 제2격판부(112)로 일부는 유입되고 다른 일부는 상기 제1격판부(111)의 다음 격판으로 흐르게 되어 상기 제1정체부(131)와 상기 제2정체부(132)에 도달하게 된다.

즉, 도 2를 참조하면, 격판을 구비하지 않은 냉각관(100)은 유동의 흐름이 유입관과 유출관에서 한 방향으로 일정하여 유동의 흐름이 바뀌는 부분에서 정체되는 부분이 생기는 반면에, 상기 격판부(110)를 구비하는 냉각관(100)은 한 방향이 아닌 제1격판부(111)와 제2격판부(112)의 격판에 냉각 유체가 부딪치고 반사되어 하나의 방향성을 갖는 유동의 흐름이 아닌 불규칙하게 격판 사이를 흐르는 흐름으로 바뀌게 된다.

따라서, 종래의 냉각관에는 유체가 정체되는 부분(30)이 존재하였던 반면에 격판을 구비하는 냉각관은 정체되는 부분이 발생하지 않게 된다. 이러한 효과는 아래에서 살펴볼 도 7의 열전달계수 분포를 나타내는 그래프를 통하여 확인할 수 있다.

또한, 상기 냉각관(100)의 상부에서 상기 제2격판부(112)로 냉각 유체가 유입되는 경우도 격판 사이로 냉각 유체가 이동하다가 유입관의 끝단에 부딪처 반사되면서 일부는 상기 제1격판부(111)로 유입되고 일부는 상기 제2격판부(112)의 다음 격판 사이로 이동하게 되면서 상기 제1정체부(131)와 상기 제2정체부(132)에 냉각 유체가 도달하게 된다.

그 결과, 상기 제1정체부(131)와 상기 제2정체부(132)에서는 냉각 유체의 유동이 정체되지 않고 원활하게 유동이 이루어지게 된다.

이에 대한 효과는 도 7(a)에서 확인할 수 있다. 도 7(a)는 본 발명의 제1실시예에 따른 냉각관(100)에 유입된 냉각 유체의 열전달계수를 색깔별로 나타낸 그래프이다. 이때, 파란색으로 나타나는 부분은 열전달계수가 작은 부분이고, 빨간색으로 나타나는 부분은 열전달계수가 큰 부분을 나타낸다.

즉, 파란색으로 나타나는 부분은 냉각 유체의 흐름이 원활하지 못해 정체되는 부분으로 열전달계수가 낮게 나타나는 부분이고, 빨간색으로 나타나는 부분은 냉각이 원활하게 이루어저 열전달계수가 크게 나타나는 부분이다.

따라서, 도 7(a)과 도 2에 의할 때에, 본 발명의 제1실시예에 의한 격판을 구비하는 냉각관(100)은 종래의 냉각관의 상기 제1정체부(31)와 상기 제2정체부(32)에서 파란색으로 표시된 부분이 빨간색으로 변화되는 것을 볼 수 있어 냉각 유체의 흐름이 원활하여 냉각관에서 균일하게 냉각되고 있음을 확인할 수 있다.

그리고, 본 발명의 제2 실시예에 의한 냉각관(100)은 제1실시예에 의한 냉각관(100)의 격판부(110)에 요철부(150)를 구비하여 냉각 유체의 유동을 더욱 활발하게 하여 상기 정체부(130)로 유입이 더욱 원활하게 된다.

이에 대한 효과는 도 7(b)과 도 8에서 확인할 수 있다. 도 7(b)에서는 상기 제1정체부(131)와 상기 제2정체부(132)에서의 열전달계수가 도 2에 도시된 것과 비교할 때 빨간색으로 표시된 부분의 증가로 상승된 것을 확인할 수 있어 종래의 냉각관(100)에 비교할 때 냉각 유체가 정체되지 않고 균일하게 냉각되고 있음을 확인할 수 있다.

또한, 도 8은 상기 냉각관(100) 내부에 구비된 냉각 유체의 평균 열전달계수를 나타내는 그래프로, 본 발명의 제2 실시예에 의한 상기 요철부(150)를 구비하는 냉각관(100)은 제1실시예에 의한 냉각관에 비하여 평균적으로 높은 열전달계수를 가지고 있고 따라서 더욱 균일하게 냉각이 이루어짐을 알 수 있다.

본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허 청구 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

10: 유입부 20: 유출부
30: 정체부 31: 제1정체부
32: 제2정체부 100: 냉각관
101: 유입부 102: 유출부
110: 격판부 111: 제1격판부
112: 제2격판부 130: 정체부
131: 제1정체부 132: 제2정체부
140: 격판부 150: 요철부

Claims (6)

1. 냉각 유체가 유입되는 유입부;
   상기 유입부와 격벽에 의해 분리되고 상기 유입부의 일측과 연결되어, 상기 유입부에서 유입된 냉각유체가 유출되는 유출부; 및
   일측 단부가 상기 유출부의 일측 또는 상기 유입부의 내벽과 접촉하며, 냉각 유체의 유로 방향이 변경되는 상기 유입부와 상기 유출부가 연결되는 부분에 격자구조를 형성하며 각각 이격된 복수개의 격판이 경사지게 설치되는 격판부;를 포함하고,
   상기 유입부와 상기 유출부는 U자 형상으로 연결되며,
   상기 격판부는,
   상기 유출부의 내측 코너에 형성된 제1정체부로 냉각유체가 유입되도록 일측으로 경사진 제1격판부; 및
   상기 유출부의 외측코너에 형성된 제2정체부로 냉각유체가 유입되도록, 상기 제1격판부와 교차하며 격자구조를 형성하고, 하단이 상기 제1격판부의 상부와 접촉하도록 구비되는 제2격판부;를 포함하는 냉각관.
2. 제1항에 있어서,
   상기 격판부는 상기 격판이 냉각유체가 유입되고 유출되는 방향에서 상기 정체부에 경사지도록 설치되는 것을 특징으로 하는 냉각관.
3. 제1항에 있어서,
   상기 격판부는,
   상기 격판부는 냉각 유체의 열전달을 촉진하기 위해 상기 격판부의 측면에서 연장 형성되며 상기 유입부 및 유출부이 접촉되는 부분에 요철부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각관.
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