KR101829658B1

KR101829658B1 - 선회 유로형 열교환 장치

Info

Publication number: KR101829658B1
Application number: KR1020170119621A
Authority: KR
Inventors: 서동숭
Original assignee: 주식회사 플로우포스
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2018-02-20
Also published as: WO2019054812A1

Abstract

본 발명은 유압기계 작동용 유압유의 냉각장치 등으로 활용되는 열교환 장치에 관한 것으로, 원통형 본체(10) 내부에 다수의 튜브(20)를 종방향으로 배치하되, 본체(10) 내부 공간을 분할하는 T자형 평판(41) 및 입판(42)을 설치하여, 본체(10) 내부를 완만하게 선회하는 열유체 유로를 형성한 것이다.
본 발명을 통하여, 열매체 튜브(20)와 열유체간 접촉 효율을 극대화하여 열교환 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있으며, 본체(10)의 내압성 및 밀폐성 역시 확보할 수 있다.

Description

선회 유로형 열교환 장치{ROUNDING PATH TYPE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 유압기계 작동용 유압유의 냉각장치 등으로 활용되는 열교환 장치에 관한 것으로, 원통형 본체(10) 내부에 다수의 튜브(20)를 종방향으로 배치하되, 본체(10) 내부 공간을 분할하는 T자형 평판(41) 및 입판(42)을 설치하여, 본체(10) 내부를 완만하게 선회하는 열유체 유로를 형성한 것이다.

유체용 열교환 장치는 열유체가 통과하는 본체에 다수의 열매체 배관이 내장되어 열유체와 열매체간 열교환이 이루어지는 장치로서, 통상 유압기계 작동용 유압유의 냉각장치 등으로 활용되며, 이 경우 열유체인 고온, 고압의 유압유를 냉각하기 위한 열매체로서 냉각수가 적용된다.

유압기계 작동유 냉각장치 등의 열교환 장치는 작동유 등 열유체의 유입구 및 유출구가 형성되어 열유체가 통과하는 본체와, 본체에 내장되어 냉각수 등 열매체가 지속적으로 순환 내지 통과되는 다수의 튜브가 기본적으로 구성되며, 튜브의 외주면에는 다수의 전달핀이 형성되어 열유체와 튜브간 접촉을 극대화하게 된다.

이러한 열교환 장치는 본체의 구조, 튜브의 설치 방식 및 본체내 열유체의 유로(流路) 형태에 따라 다양한 방식으로 구성될 수 있으며, 관련 종래기술로는 특허 제353320호, 특허 제1400224호 및 특허 제1677605호 등을 들 수 있다.

열교환 장치의 품질을 결정하는 요인으로는 우선 열교환 성능을 들 수 있으며, 이 밖에도 내압성(耐壓性) 및 밀폐성 등을 들 수 있다.

열교환 성능은 열유체가 통과하는 본체 및 열매체가 통과하는 튜브의 규모를 확대하는 방식으로 손쉽게 향상시킬 수 있으나, 열교환 장치 자체의 제작 비용은 믈론, 현장 운용성 등을 고려할 때 상당한 제한이 있을 수 밖에 없으므로, 용량 관련 제원은 제반 여건을 종합적으로 고려하여 결정될 필요가 있다.

즉, 열교환 장치는 독립적으로 활용되기 보다는 주로 유압기계 등 타 기계장치에 부속으로서 장착되는 바, 외형적 규격에 제한이 있을 수 밖에 없으며, 특히 장착 대상 기계에서 활용되는 열유체의 유량이 사전 결정되어 있을 뿐 아니라, 활용 가능한 열매체의 유량 역시 제한되어 있으므로, 장치 자체의 규모를 변동하는 방식으로 열교환 성능을 조절하는 것은 무의미한 것이다.

따라서, 열매체가 통과하는 튜브와 열유체간의 실질 접촉도를 향상시키는 방식의 열교환 성능 개선 노력이 경주되어 왔으며, 이는 단순히 열유체를 정체시키는 방식으로는 달성이 곤란한 것으로, 열교환 장치 본체를 통과하는 열유체의 유량을 적정 수준으로 유지하면서도, 열유체가 본체내 특정 부위에 편중 또는 정체되지 않도록 하는 고도의 기술적 고려가 필요한 것이다.

한편, 상기의 열교환 성능외에도 열교환 장치에는 내압성(耐壓性) 및 밀폐성이 요구되는데, 내압성은 유압기계 작동유 냉각장치에서와 같이, 열유체로서 고압의 유체가 일반적으로 적용됨에서 기인하는 것이고, 밀폐성 역시 냉각수 등 열매체의 누출시 유압유 등 열유체의 기능이 완전히 상실되어, 열교환 장치가 장착된 기계 장치에 심각한 피해를 야기할 수 있기 때문이다.

내압성의 확보를 위한 노력은 본체 소재 물성의 개선은 물론 본체의 기하학적 강성의 개선 등 다방면으로 경주되어 왔으며, 밀폐성 확보를 위한 노력 역시 튜브의 연결부위 밀봉재 개선은 물론 튜브의 연결 내지 불연속 지점의 최소화 등 다방면으로 경주되어 왔다.

이러한 열교환 장치에 있어서, 상기 특허 제353320호, 특허 제1400224호 및 특허 제1677605호 등의 종래기술 역시 전술한 열교환 성능, 내압성 및 밀폐성의 개선에 주안점을 두고 개발된 것인데, 우선 특허 제353320호는 전형적인 유압기계 작동유 냉각장치로서, 원통형 본체에 다수의 튜브가 종방향으로 내장되되, 본체 내부에 다수의 격벽이 횡방향으로 설치되어 열유체의 지그재그 유로가 형성되는 것이다.

즉, 특허 제353320호는 전형적인 원통형 본체의 유압기계 작동유 냉각장치로서, 내부에 격벽이 다수 형성되어 열유체가 본체 내부에서 지그재그 경로를 따라 이동하는 것인데, 이러한 지그재그 유로는 일견(一見) 냉각수 튜브와 열유체간 접촉을 촉진하는 것으로 오해될 수 있으나, 오히여 열유체 유로의 방향이 급격하고 빈번하게 변동되면서 본체내 특정 부위에 열유체가 편중되거나, 열유체와 튜브간 충분한 접촉 없이 격벽과 튜브간 불가피하게 형성되는 유격(裕隔)으로 열유체가 무위(無爲) 이송되는 문제가 발생된다.

이에, 사각형 본체 내부에 다수의 단연장 튜브를 본체를 횡단하는 방향으로 배치함으로써, 열유체와 튜브간 접촉을 극대화한 특허 제1400224호의 열교환 장치가 개발되었으나, 사각형 본체의 기하학적 강성 부족 및 특정 부위의 응력 집중으로 인하여 내압성이 부족하였을 뿐 아니라, 단연장 튜브의 적용으로 튜브 말단의 연결 지점이 증대되어 밀폐성에도 문제가 발생되었다.

이에, 본체를 납작한 원통형으로 형성하여 내압성을 확보하면서도, 내부에 소용돌이형 격벽을 설치하여, 열유체와 튜브간 충분한 접촉을 도모한 특허 제1677605호가 개발되었으나, 이 역시 단연장 튜브 적용으로 인한 밀폐성 저하 문제가 상존하였을 뿐 아니라, 소용돌이 격벽의 제작상의 애로점은 물론 소용돌이 격벽으로 인하여 본체내 튜브가 조밀하게 설치될 수 없는 치명적인 단점이 있었다.

특히, 현재 통용되는 유압기계 작동유 냉각기는 특허 제353320호와 같은 원통형 구조를 가지는 바, 외형상 상당한 차이가 있는 특허 제1400224호 및 특허 제1677605호는 설치 공간 확보 등 호환성에 있어서 심각한 문제점을 가진다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여, 원통형 본체(10)를 구조를 통하여 내압성을 극대화하면서도, 본체(10)내 열유체 유로를 지그재그가 아닌 단일 선회형으로 형성하고, 튜브(20)의 설치 방향 역시 본체(10)의 횡방향이 아닌 종방향으로 설정함으로써, 열교환 성능, 내압성 및 밀폐성을 겸비할 수 있도록 창안된 것으로, 유입구(11)와 유출구(12)가 형성된 원통형 본체(10)에 다수의 튜브(20)가 종방향으로 설치되고, 튜브(20)와 결합되는 결합공(19)이 형성된 원반형 고정판(17)이 본체(10) 양단에 결합되며, 양측 고정판(17) 외측에는 보닛(30)이 각각 부착되어, 보닛(30)으로 유입된 열매체가 튜브(20)로 공급되고, 튜브(20)내 열매체와 본체(10)내 열유체간 열교환이 이루어지는 열교환 장치에 있어서, 본체(10) 내부에는 상측의 평판(41)과 하측의 입판(42)이 본체(10)의 횡단면상 T자형으로 접합되어 설치되고, 평판(41)의 양 측단은 본체(10)의 내주면에 밀착되되, 열유체가 출입하는 유입구(11) 및 유출구(12)는 평판(41) 외측의 본체(10) 관벽을 관통하여 형성되며, 입판(42)의 하단은 본체(10) 내주면에서 이격되며, 평면상 평판(41)의 중앙부에는 격리벽(50)이 설치되되, 격리벽(50)의 외곽은 본체(10) 내주면에 밀착되어, 평판(41) 외측 표면과 본체(10) 내주면간 공간이 격리벽(50)으로 분할되고, 상기 유입구(11) 및 유출구(12)는 격리벽(50)으로 분할된 별도의 공간과 각각 연결되고, 유입구(11) 연결측 평판(41)에는 진입공(47)이 천공되고, 유출구(12) 연결측 평판(41)에는 배출공(48)이 천공되되, 진입공(47)과 배출공(48)은 본체(10) 횡단면상 입판(42)으로 분할된 양측 공간에 각각 연결되어, 유입구(11)로 유입된 열유체가 진입공(47)을 통과하여 횡단면상 입판(42) 일측의 튜브(20)와 접촉되고, 입판(42) 하단을 경유하여 횡단면상 입판(42) 타측의 튜브(20)와 접촉된 후, 배출공(48)을 통과하여 유출구(12)로 배출됨을 특징으로 하는 선회 유로형 열교환 장치이다.

또한, 상기 입판(42)에는 횡단면상 전달핀(21)과 일치하는 형상의 굴곡부가 형성되고, 굴곡부에는 튜브(20)가 삽입되어 열매체가 통과됨을 특징으로 하는 선회 유로형 열교환 장치이다.

본 발명을 통하여, 열매체 튜브(20)와 열유체간 접촉 효율을 극대화하여 열교환 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있으며, 본체(10)의 내압성 및 밀폐성 역시 확보할 수 있다.

특히, 본체(10)에 내장되는 T자형 평판(41) 및 입판(42)을 통하여, 본체(10) 내부에 튜브(20)를 최대한 조밀하게 배치할 수 있으며, 열유체가 본체(10) 중심을 축으로 선회하는 단순한 유로를 형성하면서도 열유체가 본체(10)내 특정 부위에 정체 또는 편중되지 않고, 열유체와 튜브(20)간 충분한 접촉 환경이 조성될 수 있다.

또한, 원통형 본체(10)와 본체(10)의 종방향으로 설치되는 장연장 튜브(20)가 적용됨으로써, 내압성 및 밀폐성의 확보는 물론, 호환성 역시 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 사시도
도 2는 보닛이 분리된 본 발명의 사시도
도 3은 본 발명의 분해 사시도
도 4는 본 발명의 튜브 조립체 사시도
도 5는 본 발명의 종단면도
도 6은 본 발명의 횡단면도
도 7은 일부 튜브의 전달핀이 생략된 본 발명의 일 실시예 횡단면도

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

우선, 도 1은 본 발명의 외관을 도시한 사시도로서, 도시된 바와 같이 본 발명은 원통형 본체(10)가 적용된 열교환 장치로서, 일종의 관체(管體)인 본체(10) 관벽에는 유입구(11)와 유출구(12)가 형성되어 유입구(11)로 유입된 유압기계 작동유 등의 열유체가 유출구(12)로 배출되고, 본체(10) 양단에는 각각 보닛(bonnet)(30)이 부착되며, 보닛(30)에는 통수구(32)가 형성되어 냉각수 등의 열매체가 유통된다.

이러한 원통형 본체(10)의 적용을 통하여, 내압성을 확보함과 동시에, 호환성 역시 확보할 수 있다.

도 2에서와 같이, 본 발명의 본체(10)는 양단이 개방되고, 횡단면상 내주면이 원형을 이루는 원통형 관체로서, 도면상 본체(10) 상단의 관벽에 유입구(11) 및 유출구(12)가 중앙부를 축으로 대칭으로 형성되며, 본체(10) 양단에는 각각 원반형 고정판(17)이 결합되되, 고정판(17)에는 튜브(20)의 단부가 결합된다.

도 3에서와 같이, 외주면에 전달핀(21)이 형성된 튜브(20) 다수가 본체(10) 내부에 조밀하게 설치되어 인접한 튜브(20)의 핀 외곽이 상호 밀착되며, 튜브(20)는 본체(10)의 종방향 즉, 본체(10)의 중심축과 평행한 방향으로 설치되어, 각각의 튜브(20)와 본체(10)의 연장이 일치하게 된다.

이렇듯, 튜브(20)의 종방향 설치를 통하여, 원형 단면의 본체(10) 내부 공간에 튜브(20)가 조밀하게 배치될 수 있을 뿐 아니라, 본체(10)의 연장과 일치하는 장연장의 튜브(20)를 적용할 수 있는 바, 본체(10)를 횡단하는 방향의 튜브(20)가 적용되는 종래기술에 비하여 튜브(20)의 고밀도 설치가 가능할 뿐 아니라, 튜브(20)의 연결부위를 최소화할 수 있어 밀폐성 확보에 있어서 유리하다.

본체(10)의 양 단부에는 직경이 본체(10) 단부 내경과 일치하고 내부에 튜브(20)와 동수(同數)의 결합공(19)이 천공 형성된 원반형 고정판(17)이 결합됨에 따라 튜브(20)의 양단부가 결합공(19)에 결합되어 본체(10) 내부 공간이 밀폐된다.

이러한 고정판(17)과 본체(10)간 결합, 결합공(19)과 튜브(20) 단부간 결합 및 후술할 보닛(30), 평판(41) 등의 결합에 있어서, 첨부된 도면에는 생략되어 있으나, 접촉면간 기밀 확보를 위하여 패킹(packing) 등 다양한 신축재가 적용될 수 있다.

이렇듯, 고정판(17)과 튜브(20)가 결합된 상태로 본체(10)에 설치된 후, 도 2에서와 같이, 본체(10)의 양단의 고정판(17) 외측에는 보닛(30)이 각각 부착되어, 보닛(30)으로 유입된 열매체가 튜브(20)를 통하여 순환됨에 따라, 튜브(20)내 열매체와 본체(10)내 열유체간 열교환이 이루어지게 되는데, 동 도면에서와 같이, 일측 보닛(30)에 본체(10) 횡단면을 상, 하로 분할하는 분할벽(31)이 형성되어 보닛(30)에 유입된 열매체가 분할벽(31) 상측 튜브(20)로 유입된 후, 타측 보닛(30)을 경유하여, 분할벽(31) 하측 튜브(20)로 배출되는 방식으로 순환될 수도 있다.

도 4에서와 같이, 본체(10) 내부에는 상측의 평판(41)과 하측의 입판(42)이 본체(10)의 횡단면상 T자형으로 접합되어 설치되되, 평판(41) 및 입판(42)의 종단상 양단은 각각 양측 고정판(17) 내측 표면에 밀착되는데, 도 3에서와 같이, 평판(41)의 양 측단은 본체(10)의 내주면에 밀착되되, 열유체가 출입하는 유입구(11) 및 유출구(12)는 평판(41) 외측의 본체(10) 관벽을 관통하여 형성된다.

즉, 평판(41)과 입판(42)이 접합된 T자형 판체의 양단이 고정판(17) 내측 표면에 밀착되면서, 평면상 본체(10)내 평판(41) 하부 공간을 중심축을 기준으로 양분하게 되는 것이다.

또한, 입판(42)의 하단은 본체(10) 내주면에서 이격되며, 도 4에서와 같이, 평면상 평판(41)의 중앙부에는 격리벽(50)이 설치되되, 격리벽(50)의 외곽은 본체(10) 내주면에 밀착되어, 평판(41) 외측 표면과 본체(10) 내주면간 공간이 격리벽(50)으로 분할된다.

즉, 본체(10)를 횡단하는 방향으로 평판(41) 상부에 설치되는 격리벽(50)을 통하여, 평면상 본체(10)내 평판(41) 상부 공간이 격리벽(50)을 기준으로 양분되는 것이다.

도 5에서와 같이, 본체(10)의 유입구(11) 및 유출구(12)는 격리벽(50)으로 분할된 별도의 공간과 각각 연결되고, 도 4의 발췌부에서와 같이, 유입구(11) 연결측 평판(41)에는 진입공(47)이 천공되고, 유출구(12) 연결측 평판(41)에는 배출공(48)이 천공되되, 진입공(47)과 배출공(48)은 본체(10) 횡단면상 입판(42)으로 분할된 양측 공간에 각각 연결된다.

따라서, 도 5 및 도 6에서와 같이, 유입구(11)로 유입된 열유체가 진입공(47)을 통과하여 횡단면상 입판(42) 일측의 튜브(20)와 접촉되고, 입판(42) 하단을 경유하여 횡단면상 입판(42) 타측의 튜브(20)와 접촉된 후, 배출공(48)을 통과하여 유출구(12)로 배출되면서, 본체(10) 내부 공간을 전체적으로 선회하는 유로가 형성되며, 이로써 유로를 단순화하여 열유체의 편중 내지 정체를 방지하면서도, 열유체와 튜브(20)간 접촉을 극대화할 수 있다.

한편, 도 4의 발췌부 및 도 6에서와 같이, 입판(42)에는 횡단면상 전달핀(21)과 일치하는 형상의 굴곡부를 형성하고, 굴곡부에는 전달핀(21)이 없는 튜브(20)를 삽입하여 열매체가 통과되도록 함으로써, 입판(42)이 단순한 공간 분할 역할 뿐 아니라 열교환 기능을 겸비할 수 있도록 하였다.

또한, 도 7에서와 같이, 본 발명의 본체(10)에 내장되는 튜브(20) 중 일부의 전달핀(21)을 생략함으로써, 열유체의 원활한 유입 및 배출을 도모할 수도 있는데, 동 도면에 도시된 실시예에서는 평판(41)의 진입공(47) 및 배출공(48) 형성 지점 직하부에 전달핀(21)이 생략된 튜브(20)가 적용되었다.

10 : 본체
11 : 유입구
12 : 유출구
17 : 고정판
19 : 결합공
20 : 튜브
21 : 전달핀
30 : 보닛
31 : 분할벽
32 : 통수구
41 : 평판
42 : 입판
47 : 진입공
48 : 배출공
50 : 격리벽

Claims

유입구(11)와 유출구(12)가 형성된 원통형 본체(10)에, 외주면에 전달핀(21)이 형성된 다수의 튜브(20)가 종방향으로 설치되고, 튜브(20)와 결합되는 결합공(19)이 형성된 원반형 고정판(17)이 본체(10) 양단에 결합되며, 양측 고정판(17) 외측에는 보닛(30)이 각각 부착되어, 보닛(30)으로 유입된 열매체가 튜브(20)로 공급되고, 튜브(20)내 열매체와 본체(10)내 열유체간 열교환이 이루어지는 열교환 장치에 있어서,
본체(10) 내부에는 상측의 평판(41)과 하측의 입판(42)이 본체(10)의 횡단면상 T자형으로 접합되어 설치되고;
평판(41)의 양 측단은 본체(10)의 내주면에 밀착되되, 열유체가 출입하는 유입구(11) 및 유출구(12)는 평판(41) 외측의 본체(10) 관벽을 관통하여 형성되며,
입판(42)의 하단은 본체(10) 내주면에서 이격되며, 평면상 평판(41)의 중앙부에는 격리벽(50)이 설치되되, 격리벽(50)의 외곽은 본체(10) 내주면에 밀착되어, 평판(41) 외측 표면과 본체(10) 내주면간 공간이 격리벽(50)으로 분할되고;
상기 유입구(11) 및 유출구(12)는 격리벽(50)으로 분할된 별도의 공간과 각각 연결되고, 유입구(11) 연결측 평판(41)에는 진입공(47)이 천공되고, 유출구(12) 연결측 평판(41)에는 배출공(48)이 천공되되, 진입공(47)과 배출공(48)은 본체(10) 횡단면상 입판(42)으로 분할된 양측 공간에 각각 연결되어,
유입구(11)로 유입된 열유체가 진입공(47)을 통과하여 횡단면상 입판(42) 일측의 튜브(20)와 접촉되고, 입판(42) 하단을 경유하여 횡단면상 입판(42) 타측의 튜브(20)와 접촉된 후, 배출공(48)을 통과하여 유출구(12)로 배출됨을 특징으로 하는 선회 유로형 열교환 장치.
청구항 1에 있어서, 입판(42)에는 횡단면상 전달핀(21)과 일치하는 형상의 굴곡부가 형성되고, 굴곡부에는 튜브(20)가 삽입되어 열매체가 통과됨을 특징으로 하는 선회 유로형 열교환 장치.