KR101821042B1 - 전기 카트리지 히터를 이용한 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 카트리지 히터를 이용한 열교환기에 관한 것으로서, 중공의 원통 형상의 하우징; 하우징의 양측 종단에 각각 배치되는 제1 및 제2 고정플레이트; 하우징 내부로 유체를 유입시키는 유입구를 구비하여 하우징의 일단에 결합되는 제1 반구와 투입된 유체를 외부로 토출시키는 토출구를 구비하여 하우징의 타단에 결합되는 제2 반구; 양단이 제1 및 제2 고정플레이트에 고정되어 하우징의 축방향을 따라 복수로 배치되어 유체를 이동하는 파이프; 및 복수로 배치된 파이프의 외주면에 적어도 3개의 접촉점이 이루어지도록 배치되는 복수의 카트리지 히터;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 파이프에 전도에 의한 열전달이 이루어지도록 카트리지 히터를 접촉시킴으로써 파이프 내부를 따라 이동하는 가스를 고압 및 고온으로 변환시킬 수 있다. 이와 같이, 고온 및 고온으로 변환된 가스는 저융점 분말 코팅하는 곳에 적용되어 제품의 내구성을 증대시킬 수 있다.

Description

전기 카트리지 히터를 이용한 열교환기{Heat exchanger using cartridge heater}

본 발명은 전기 카트리지 히터를 이용한 열교환기에 관한 것으로서, 열교환기 내부에 전기 카트리지 히터를 배열하여 전도의 방법으로 유체의 온도를 상승시킬 수 있는 전기 카트리지 히터를 이용한 열교환기에 관한 것이다.

카트리지히터는 금속 보호관내에 열선을 안 또는 바깥에 코일형태로(나선형태) 균일하게 권선한 후, 절연성 및 전도성이 우수한 산화마그네슘을 충진, 압축 시킨 것으로서, 대체로 소형 히터이며 고도의 정밀성을 요구하는 특수 히터이며, 고열을 필요로 하는 곳에 강력한 가열을 할 수 있는 특징이 있다.

일반적으로 열관련 산업의 수많은 공정에서는 유체 사이의 열교환이 필수적이므로, 효과적인 열교환을 통하여 열시스템의 효율을 높인 다양한 열교환기가 사용되고 있다. 그 중에서도 열교환기는 가정용 에어컨과 자동차의 엔진 냉각 시스템 및 자동차 실내 공조 시스템 등에 사용하는 고정 장치물의 일종으로서, 기체 또는 액상의 원재료, 반제품, 제품인 유체가 포함하고 있는 열을 Tube 또는 Plate 의 형태를 지닌 전열면을 통해 Cooling Water, Air, 원재료, 반제품, 제품유체 상호간에 열전달을 일으켜 히팅(Heating), 냉각(Cooling) 및 응축(Condensing) 등의 기능을 수행하는 설비이다.

(한국공개특허공보 제2016-0012630호, 2016년02월03일)

본 발명의 목적은 유입되는 가스의 온도를 고온 및 고압의 가스로 변경시킬 수 있는 전기 카트리지 히터를 이용한 열교환기에 관한 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 전기 카트리지 히터를 이용한 열교환기는 중공의 원통 형상의 하우징; 하우징의 양측 종단에 각각 배치되는 제1 및 제2 고정플레이트; 하우징 내부로 유체를 유입시키는 유입구를 구비하여 하우징의 일단에 결합되는 제1 반구와 투입된 유체를 외부로 토출시키는 토출구를 구비하여 하우징의 타단에 결합되는 제2 반구; 양단이 제1 및 제2 고정플레이트에 고정되어 하우징의 축방향을 따라 복수로 배치되어 유체를 이동하는 파이프; 및 복수로 배치된 파이프의 외주면에 적어도 3개의 접촉점이 이루어지도록 배치되는 복수의 카트리지 히터;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 중공의 원통 형상의 하우징; 하우징의 양측 종단에 각각 배치되는 제1 및 제2 고정플레이트; 하우징 내부로 유체를 유입시키는 유입구를 구비하여 하우징의 일단에 결합되는 제1 반구와 투입된 유체를 외부로 토출시키는 토출구를 구비하여 하우징의 타단에 결합되는 제2 반구; 하우징 내부에 축방향을 따라 복수로 배열되며, 나선형상으로 형성되어 양단이 제1 및 제2 고정플레이트에 고정되는 파이프; 및 나선형상으로 형성된 파이프의 축방향을 따라 배치되는 카트리지 히터;를 포함한다.

여기서, 적어도 2 개 이상의 파이프를 연결하는 U 형 연결관을 구비하여 제2 고정플레이트를 향하여 유로를 길게 형성할 수 있다.

여기서, 파이프는 탄화물 또는 질화물로 형성될 수 있다.

여기서, 하우징은 내부에 파이프와 카트리지 히터의 열손실을 방지하는 단열재를 구비할 수 있다.

본 발명에 의한 전기 카트리지 히터를 이용한 열교환기는 파이프에 전도에 의한 열전달이 이루어지도록 카트리지 히터를 접촉시킴으로써 파이프 내부를 따라 이동하는 가스를 고압 및 고온으로 변환시킬 수 있다.

이와 같이, 고온 및 고온으로 변환된 가스는 저융점 분말 코팅하는 곳에 적용되어 제품의 내구성을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 카트리지 히터를 이용한 열교환기의 정면도이다.
도 2는 도 1의 A-A 단면도이다.
도 3은 도 1의 B-B 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기 카트리지 히터의 제1 변형 실시예에 따른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기 카트리지 히터의 제2 변형 실시예에 따른 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 카트리지 히터를 이용한 고온 고압용 열교환기의 정면도이며, 도 2는 도 1의 A-A 단면도이고, 도 3은 도 1의 B-B 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기 카트리지 히터를 이용한 열교환기는 하우징(100), 제1 및 제2 고정플레이트(210)(220), 제1 및 제2 반구(310), 파이프(400) 및 카트리지 히터(500)를 포함하여 구성된다.

하우징(100)은 중공의 원통형상으로 양단이 개방되며, 스테인리스 재질로 형성된다.

제1 및 제2 고정플레이트(210)(220)는 하우징(100)의 양측 종단에 각각 배치되어 결합된다. 제1 및 제2 고정플레이트(210)(220)는 후술하는 파이프(400)가 연결되어 유체의 유로를 형성할 수 있도록 각 파이프(400)에 대응되도록 홀이 형성된다.

이때, 제1 고정플레이트(210)에 형성된 제1 홀(211)의 직경은 유체의 유로방향을 따라 직경이 커지도록 형성될 수 있다. 이와 같이 형성된 제1 홀(211)은 제1 고정플레이트(210)를 통해 유입된 유체가 파이프(400)로 이동할 때, 유체의 속도를 감소시켜 파이프(400) 내부에서 이동하는 유체의 체류시간을 증가시켜 카트리지 히터(500)에 의해서 온도를 상승시키는 효과를 얻을 수 있다.

반면, 제2 고정플레이트(220)에 형성된 제2 홀(221)의 직경은 유체의 유로방향을 따라 직경이 감소되도록 형성될 수 있다. 이와 같이 형성된 제2 홀(221)은 가스의 토출속도를 증대시켜 제2 반구(320)에 마련된 토출구(321)를 통하여 빠르게 가스를 토출시킬 수 있다.

제1 반구(310)는 내부가 빈 반구 형상으로 형성되어, 하우징(100)의 일단에 결합된다. 제1 반구(310)는 하우징(100) 내부로 유체를 유입시키는 유입구(311)가 형성된다. 제2 반구(320)는 반구 형상으로 형성되어, 하우징(100)의 타단에 결합된다. 제2 반구(320)는 내부가 빈 하우징(100) 내부에서 승온된 유체를 외부로 토출시키는 토출구(321)가 형성된다. 제1 및 제2 반구(310)(320)는 스테인리스 재질로 형성되어 하우징(100)의 양단이 용접에 의해서 결합될 수 있다.

파이프(400)는 제1 및 제2 고정플레이트(210)(220)에 형성된 제1 홀(211)과 제2 홀(221)에 고정되어 하우징(100)의 축방향을 기준으로 가로 및 세로방향으로 복수로 배치된다. 파이프(400)는 탄화물 또는 질화물 파이프로 형성될 수 있다. 이와 같은 재질로 형성된 파이프(400)는 유로방향을 따라 이동하는 유체의 온도가 저하되는 것을 저감시킬 수 있다.

카트리지 히터(500)는 복수로 배치된 파이프(400)의 외주면을 따라 적어도 3개의 접촉점이 이루어지도록 배치된다. 카트리지 히터(500)는 금속 보호관내에 열선을 안 또는 바깥에 코일형태로(나선형태) 균일하게 권선한 후, 절연성 및 전도성이 우수한 산화마그네슘을 충진, 압축 시킨 것으로서, 카트리지 히터에 대한 상세한 설명은 생략한다.

카트리지 히터(500)는 파이프(400)의 외주면과 접촉하여 전도의 방법으로 파이프(400)를 따라 이동하는 가스의 온도를 증대시키는 역할을 한다. 이때, 카트리지 히터(500)는 파이프(400)와 적어도 3개의 접촉점을 형성하도록 배치됨으로써 접촉된 파이프(400) 각각에 고온의 열을 전달하여 파이프(400)를 따라 이동하는 가스의 온도를 상승시킬 수 있다.

이때, 카트리지 히터(500)의 전원 공급선(510)은 하우징(100) 외주면을 관통하여 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 전원 공급선(510)이 제1 반구 또는 제2 반구의 외주면을 관통하지 않음으로써 가스의 유입 및 토출 시 압력저감 등의 현상을 방지할 수 있다.

한편, 파이프(400)는 제1 영역(A)과 제2 영역(B)에 서로 다른 두께의 파이프로 형성되며, 제1 영역(A)에 위치하는 파이프(400a)의 두께(t1)는 제2 영역(B)에 위치하는 파이프(400b)의 두께(t2)보다 얇게 형성될 수 있다.

이와 같이 이유는, 제1 영역(A)에 위치하는 각각의 파이프(400a)는 카트리지 히터(500)와 접촉면이 1개 생기기 때문에, 제2 영역(B)에 위치하여 접촉면이 2개 생기는 파이프(400b)보다 전달받는 열이 상대적으로 작아진다. 따라서, 제1 영역(A)에 배치되는 파이프(400a)의 두께(t1)를 제2 영역(B)에 위치하는 파이프(400b) 두께(t2)보다 얇게 형성함으로써 전체적으로 카트리지 히터(500)로부터 파이프(400)에 전도되는 열의 양을 균일하도록 상승시킬 수 있다.

한편, 제2 반구(310)에는 열전대 온도계(322)를 구비할 수 있다. 열전대 온도계(322)는 제2 반구(310)의 가스온도를 지속적으로 확인한다. 이때, 제어부(700)는 열전대 온도계(322)에서 체크하는 온도데이터를 수신하며, 제2 반구(310)의 온도가 설정된 온도보다 낮은 경우에는 카트리지 히터(500)의 출력을 높이거나, 제2 반구(310)의 온도가 설정된 온도보다 높은 경우에는 카트리지 히터(500)의 출력을 작게 하여 제2 반구(310)의 온도를 설정된 온도로 유지시킬 수 있다.

또한, 하우징(100) 내부는 단열재(600)로 채워질 수 있다. 단열재(600)는 세크라울, 아라미드, 실리카 에어로겔, 세라믹 또는 유리면 매트 중 하나로 형성될 수 있다. 바람직하게는 세크라울 재질의 단열재(600)로 적용될 수 있다. 세크라울은 고온에서 열전도율이 낮아 우수한 단열효과를 얻을 수 있으며, 가볍고 유연성이 우수하여 하우징(100) 내부에 채움재로서 적용하기에 적합한 측면이 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기 카트리지 히터를 구비하는 열교환기는 유입구(311)를 통해 유입되는 가스를 제1 고정플레이트(210)에 고정된 복수의 파이프(400)로 이송시키면서 가스의 유속이 저감시켜 복수의 파이프(400)로 이송시키고 카트리지 히터(500)를 통해서 고온 및 고압의 가스로 전환시키면서 제2 반구(320)의 토출구(321)를 통하여 외부로 배출시킬 수 있다. 이때, 토출구(321)에서 15 ~ 45μm의 알루미늄 입도 분말을 혼입시킴으로써 대상물체에 알루미늄 코팅막을 형성할 수 있게 된다. 이와 같이 대상물체에 형성된 알루미늄 코팅은 대상물의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기 카트리지 히터의 제1 변형 실시예에 따른 단면도이다.

도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기 카트리지 히터를 구비하는 열교환기는 하우징(100), 제1 및 제2 고정플레이트(210)(220), 제1 및 제2 반구(310), 파이프(400) 및 카트리지 히터(500)를 포함하여 구성된다. 이때, 하우징(100), 제1 및 제2 고정플레이트(210)(220), 제1 및 제2 반구(310) 및 카트리지 히터(500)는 전술한 바와 동일하므로 이하 자세한 내용은 생략한다.

파이프(400)는 카트리지 히터(500)를 중심으로 나선형상으로 형성되어 양단이 제1 및 제2 고정플레이트(210)(220)에 고정된다. 이와 같이, 파이프(400)가 나선형상으로 형성되면, 파이프(400)를 따라 이동하는 가스의 유로가 길어지게 된다. 따라서 카트리지 히터(500)를 중심으로 나선형상으로 배치된 파이프(400)는 카트리지 히터(500)로부터 공급받는 열에너지 시간이 증가하게 되어 파이프(400) 내부를 따라 이동하는 가스의 온도를 효과적으로 증가시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기 카트리지 히터의 제2 변형 실시예에 따른 단면도이다.

도 5를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기 카트리지 히터를 구비하는 열교환기는 하우징(100), 제1 및 제2 고정플레이트(210)(220), 제1 및 제2 반구(310), 파이프(400) 및 카트리지 히터(500)를 포함하여 구성된다. 이때, 하우징(100), 제1 및 제2 고정플레이트(210)(220), 제1 및 제2 반구(310) 및 카트리지 히터(500)는 전술한 바와 동일하므로 이하 자세한 내용은 생략한다.

하우징(100)을 따라 배치된 복수의 파이프(400)는 U 형 연결관(410)으로 연결될 수 있다. U 형 연결관(410)은 복수의 파이프(400)가 하나의 유로를 형성하도록 연결함으로써 전체적으로 파이프(400)를 따라 이동하는 가스의 유로 길이를 증가시킨다. 따라서, U 형 연결관(410)으로 연결된 파이프(400a)에 카트리지 히터(500)로부터 공급받는 열에너지 시간이 증가하게 되어 파이프(400) 내부를 따라 이동하는 가스의 온도를 효과적으로 증가시킬 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100 : 하우징 210 : 제1 고정플레이트
211 : 제1 홀 220 : 제2 고정플레이트
221 : 제2 홀 310 : 제1 반구
311 : 유입구 320 : 제2 반구
321 : 토출구 400 : 파이프
410 : 연결관 500 : 카트리지 히터
600 : 단열재 700 : 제어부

Claims (5)

1. 중공의 원통 형상의 하우징;
   상기 하우징의 양측 종단에 각각 배치되는 제1 및 제2 고정플레이트;
   상기 하우징 내부로 유체를 유입시키는 유입구를 구비하여 상기 하우징의 일단에 결합되는 제1 반구와 투입된 유체를 외부로 토출시키는 토출구를 구비하여 상기 하우징의 타단에 결합되는 제2 반구;
   양단이 상기 제1 및 제2 고정플레이트에 고정되어 상기 하우징의 축방향을 기준으로 가로 및 세로방향으로 복수로 배치되어 유입된 유체를 이동시키는 파이프; 및
   상기 가로 및 세로방향으로 복수로 배치된 파이프 사이에 형성된 복수의 공간을 따라 적어도 하나 이상 배치되며, 상기 파이프의 외주면에 4개의 접촉점이 형성되도록 배치되는 복수의 카트리지 히터;를 포함하며,
   상기 파이프는,
   상기 가로 및 세로방향으로 복수로 배치된 파이프 중 최상단 및 최하단의 제1 영역에 배치된 파이프의 두께는 상기 최상단 및 최하단 사이의 제2 영역에 배치된 파이프의 두께보다 얇게 형성되며,
   적어도 2개 이상의 상기 파이프를 연결하는 U 형 연결관을 구비하여 상기 제2 고정플레이트를 향하여 유로를 길게 형성하며,
   상기 토출구에서 15 ~ 45μm의 알루미늄 입도 분말을 혼입시켜 대상물체에 알루미늄 코팅막을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 카트리지 히터를 이용한 열교환기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 파이프는,
   탄화물 또는 질화물로 형성된 것을 특징으로 하는 전기 카트리지 히터를 이용한 열교환기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 하우징은,
   내부에 상기 파이프와 상기 카트리지 히터의 열손실을 방지하는 단열재를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 카트리지 히터를 이용한 열교환기.

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