KR102001250B1 - 다중 통로 교류 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 통로 교류 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 액체질소가 순환되는 순환관에 대하여 액체질소를 냉각하는 냉매가 유통되는 냉각관이 복수 회 가로지르도록 형성되어 상기 냉매로 인하여 액체질소가 동결되어 순환관 내에서 액체질소의 순환이 원활하지 못하여 초전도체의 냉각성능이 저하되는 것을 방지할 수 있는 다중 통로 교류 열교환기에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 초전도 케이블을 냉각하기 위한 냉각유체가 유통되는 순환관 및 상기 순환관을 복수 회 가로지르는 유로를 형성하여 내부에 상기 냉각유체와 열교환되는 냉매가 유통되는 냉각관을 포함한다.

Description

다중 통로 교류 열교환기{HEAT EXCHANGER WITH MULTI FLOW PATH}
본 발명은 다중 통로 교류 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 액체질소가 순환되는 순환관에 대하여 액체질소를 냉각하는 냉매가 유통되는 냉각관이 복수 회 가로지르도록 형성되어 상기 냉매로 인하여 액체질소가 동결되어 순환관 내에서 액체질소의 순환이 원활하지 못하여 초전도체의 냉각성능이 저하되는 것을 방지할 수 있는 다중 통로 교류 열교환기에 관한 것이다.
초전도체란, 매우 낮은 온도에서 전기저항이 0에 가까워지는 초전도현상이 나타나는 도체로서, 내부에는 자기장이 들어갈 수 없고 내부에 있던 자기장도 밖으로 밀어내는 성질이 있어 자석 위에 떠오르는 자기부상현상을 나타낸다.
이러한 성질을 가지고 있는 초전도체는 전력을 제어하는 한류기 분야, 자기부상 기술 관련 분야 및 송전분야에 이용될 수 있다.
특히, 송전분야의 경우 초전도 케이블의 길이가 길수록 외부의 열침입이 증가하게 되고, 초전도 케이블에 교류전류가 흐르면 교류손실에 의해 온도가 증가하게 되어 전력손실이 발생하고, 이로 인하여 냉각부하가 증가하게 된다.
즉, 초전도체의 특성을 이용하여 저항을 0에 가까이 유지하기 위해서는 초전도체를 냉각하여 지속적으로 극저온과 같은 낮은 온도를 유지할 수 있도록 하는 것이 매우 중요하다.
상기와 같이 초전도 소자를 극저온 상태로 유지하기 위해서 초전도 케이블을 냉각하기 위한 극저온의 액체질소를 이용하게 되는데, 이 액체질소가 초전도 케이블과의 열교환으로 인하여 액체질소의 온도가 상승하게 되므로 액체질소를 냉각하기 위한 또 다른 냉각시스템을 갖추어야 한다.
이와 관련한 선행기술로는 국내공개특허 제2009-0124825호(2009.12.03.공개, 고화냉매를 이용한 초전도 한류기의 냉각 시스템)이 있다.
본 발명은 초전도 케이블을 냉각하기 위한 냉각유체가 유통되는 순환관에 대하여 냉각유체를 냉각하기 위한 냉매가 유통되는 냉각관이 복수 회 가로지르도록 설치되어 냉각유체의 동결을 방지하면서도 냉각성능이 저하되지 않도록 하는 다중 통로 교류 열교환기를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명은, 냉각유체의 동결 방지를 위한 가열기, 또는 히터를 설치할 필요가 없는 열교환기를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여,
본 발명은, 초전도 케이블을 냉각하기 위한 냉각유체가 유통되는 순환관; 및 상기 순환관을 복수 회 가로지르는 유로를 형성하여 내부에 상기 냉각유체와 열교환되는 냉매가 유통되는 냉각관;을 포함하고, 상기 냉각관은, 상기 순환관의 일측에서 타측 방향으로 냉각유체가 유통 될 때, 상기 냉각관에서 유통되는 냉매가 상기 순환관과 최초로 교차하는 부위는 상기 순환관의 타측에 위치하고, 상기 냉각관 내부에서 상기 냉각유체와 열교환된 후의 냉매가 상기 순환관과 다시 교차하는 부위는 상기 순환관의 일측에 위치하도록 형성되며, 상기 냉각관은, 내부에 공간부가 형성되는 하우징 형상으로서 상기 공간부에는 상기 순환관의 일정 부분이 포함되도록 설치되는 몸체부; 상기 몸체부의 외면 중 어느 한 곳에 형성되어 상기 공간부로 상기 냉매를 공급하는 공급부; 및 상기 몸체부의 외면 중 다른 한 곳에 형성되어 상기 공간부로 공급된 냉매가 유출되는 배출부;를 포함하고, 상기 공급부와 상기 배출부는, 상기 몸체부를 가로지르는 상기 순환관을 기준으로 하부 측방에 위치하여 상기 냉각관의 외면에서 서로 이격되어 형성되고, 상기 몸체부는, 상기 공간부에 배치되어 상기 공급부와 상기 배출부 사이에 구비되는 격벽;을 더 포함하며, 상기 격벽은, 상기 공급부로 공급된 냉매가 상기 배출부로 배출될 수 있도록 상기 냉매가 통과할 수 있는 개방부가 형성되되, 상기 개방부는, 상기 순환관을 기준으로 상부 측방에 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 순환관과 냉각관은, 상기 순환관 내부의 냉각유체와 상기 냉각관 내부의 냉매가 서로 혼합되지 않도록 서로 격리된 상태로 교차된다.
삭제
상기 냉각관의 직경이 상기 순환관의 직경보다 더 크게 형성되고, 상기 순환관과 냉각관이 교차하는 부위에서 상기 순환관은 상기 냉각관의 내부에 위치함으로써 상기 순환관의 외면 중 상기 냉각관과 교차하는 상기 순환관의 외면을 통하여 상기 냉각유체와 냉매가 열교환 된다.
삭제
상기 순환관은, 상기 순환관이 상기 냉각관과 교차하는 영역 내에서 상기 순환관이 더 작은 직경을 갖는 복수의 분기관으로 분기될 수 있다.
삭제
삭제
상기와 같은 과제의 해결 수단에 의하여,
본 발명은, 냉각유체의 동결을 방지하면서도 냉각성능이 저하되지 않도록 하는 효과가 있다.
이에 따라, 본 발명은 냉각유체의 동결 방지를 위한 가열기, 또는 히터를 설치할 필요가 없는 효과도 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 다중 통로 교류 열교환기의 일실시예를 도시한 도면.
도 2는, 본 발명에 따른 다중 통로 교류 열교환기의 다른 실시예의 열교환 모식도를 도시한 도면.
도 3은, 본 발명에 따른 다중 통로 교류 열교환기의 다양한 실시에를 도시한 도면.
도 4는, 본 발명에 따른 다중 통로 교류 열교환기의 냉각유체 거동 및 온도 분포의 개요를 도시한 도면.
도 5는, 향류 방식의 열교환기의 냉각유체 거동 및 온도분포의 개요를 도시한 도면.
도 6은, 교류 방식의 열교환기의 냉각유체 거동 및 온도분포의 개요를 도시한 도면.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
여기서, 반복되는 설명과 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
그리고 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 다중 통로 교류 열교환기의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 다중 통로 교류 열교환기의 일실시예를 설명하면, 초전도 케이블을 냉각하기 위한 냉각유체가 유통되는 순환관(100) 및 상기 순환관(100)을 복수 회 가로지르는 유로를 형성하여 내부에 상기 냉각유체와 열교환되는 냉매가 유통되는 냉각관(200)을 포함한다.
여기에서 상기 순환관(100)과 냉각관(200)이 서로 교차하면서 상기 냉매에 의하여 냉각유체가 냉각되는 열교환 과정은, 상기 순환관(100) 내부의 냉각유체와 상기 냉각관(200) 내부의 냉매가 서로 혼합되지 않도록 서로 격리된 상태로 교차되도록 한다.
즉, 상기 냉매와 냉각유체는 서로 혼합되지 않고 냉각유체가 유통되는 순환관(100)의 외면을 사이에 두고 서로 열교환 되는 것이다.
상기 순환관(100)과 냉각관(200)은, 다음과 같은 형상으로 열교환 될 수 있다.
상기 냉각관(200)은 내부에 공간부(S)가 형성되는 하우징 형상으로서 상기 공간부(S)에는 상기 순환관(100)의 일정 부분이 포함되도록 설치되는 몸체부(210)와, 상기 몸체부(210)의 외면 중 어느 한 곳에 형성되어 상기 공간부(S)로 상기 냉매를 공급하는 공급부(220) 및 상기 몸체부(210)의 외면 중 다른 한 곳에 형성되어 상기 공간부(S)로 공급된 냉매가 유출되는 배출부(230)를 포함한다.
상기 공급부(220)와 배출부(230)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 몸체부(210)를 가로지르는 상기 순환관(100)을 기준으로 어느 한 측면(동일한 측면)에서 서로 이격되어 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 본원발명의 열교환기를 일예로 하여 냉각유체와 냉매가 열교환 되는 과정을 설명하면, 상기 냉각유체는 상기 순환관(100)의 좌측에서 우측으로 유통되고, 상기 냉매는 상기 공급부(220)로 공급되어 상기 몸체부(210) 내부에서 상기 순환관(100)의 외면에 접촉되면서 그 내부에서 유통되는 냉각유체와 열교환 된 후, 다시 상기 배출부(230)를 통하여 배출된다.
본 발명은 특히, 상기와 같은 구성에 의해 본 발명에 따른 열교환기를 이용함으로서 상기 냉각유체의 동결을 방지하면서도 효율적인 냉각성능을 유지할 수 있는데, 이러한 열교환 과정에 대하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는, 본 발명에 따른 다중 통로 교류 열교환기의 다른 실시예의 열교환 모식도를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 냉각관(200)은 상기 순환관(100)의 일측에서 타측방향으로 냉각유체가 유통될 때, 상기 냉각관(200)에서 유통되는 냉매가 상기 순환관(100)과 최초로 교차하는 부위(P1)는 상기 순환관(100)의 타측에 위치하게 되고, 상기 냉각관(200) 내부에서 상기 냉각유체와 열교환된 후의 냉매가 상기 순환관(100)과 다시 교차하는 부위(P2)는 상기 순환관(100)의 일측에 위치하도록 형성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
상기 순환관(100)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 순환관(100)이 상기 냉각관(200)과 교차하는 영역 내에서 상기 순환관(100)이 더 작은 직경을 갖는 복수의 분기관(110)으로 분기될 수도 있다.
이처럼, 초전도 케이블을 이용한 시설에서 필요에 따라 선택적으로 상기 순환관(100)에 분기관(110)을 연결하여 상기 열교환기의 냉각성능을 더욱 향상할 수 있게 된다.
또한, 상기 몸체부(210)에는, 그 내측에 형성되는 상기 공간부(S)에 배치되되, 상기 공급부(220)와 배출부(230) 사이에 구비되는 격벽(240)을 더 포함할 수 있으며, 상기 격벽(240)에는 상기 공간부(S) 내에서 상기 공급부(220)로 공급된 냉매가 상기 배출부(230) 방향으로 유통되어 배출될 수 있도록 상기 냉매가 통과할 수 있는 개방부(241)가 형성된다.
즉, 도 2를 기준으로 하여 상기 냉매는 상기 공간부(S) 내부에서 "∩"자 형태로 유통되면서 상기 냉각유체를 냉각하게 된다.
도 2를 참조하여 열교환되는 과정을 설명하면, 초전도 케이블을 냉각하기 위한 상기 냉각유체는 상기 순환관(100)의 왼쪽에서 오른쪽으로 상기 냉각관(200)의 몸체부(210)를 가로지르도록 유통된다.
상기 순환관(100)은 몸체부(210) 내부에서 도 2에 도시된 바와 같이, 필요에 따라 복수의 분기관(110)을 분기될 수 있다.
상기 냉각유체를 냉각시키기 위한 냉매는 상기 공급부(220)를 통하여 상기 몸체부(210)의 내부, 즉 공간부(S)로 유입된다.
상기 공간부(S) 내에서 P1에 해당하는 영역에서 상기 순환관(100)의 외면을 통하여 상기 냉각유체와 열교환되어 냉각유체를 1차로 냉각하게 된다.
상기 P1 영역을 통과한 냉매는 상기 몸체부(210)의 내측 벽면에 충돌되고, 그 진행방향이 상기 순환관(100)의 좌측 방향으로 전환되는데, 이와 같이 진행방향이 전환된 냉매는 상기 공간부(S) 내에서 P2에 해당하는 영역을 지나면서 상기 순환관(100)의 외면을 통해 상기 냉각유체와 다시 열교환 된 후에 상기 배출부(230)를 통하여 상기 몸체부(210)로부터 배출된다.
본 발명에 따른 다중 통로 교류 열교환기는, 초전도 케이블을 냉각하기 위한 설비에서 요구되는 냉각성능치에 따라 다음과 같은 다양한 실시예로 설계될 수 있다.
도 3은, 본 발명에 따른 다중 통로 교류 열교환기의 다양한 실시에를 도시한 도면이다.
도 3의 (a)는 상술한 바와 같이, 상기 냉각유체와 냉매가 P1 영역에서 1차로 냉각되고, P2 영역에서 2차로 재냉각 될 수 있는 구조의 일실시예를 도시한 도면이다.
이에 대한 설명은 상술한 바와 동일하므로 생략하기로 한다.
도 3의 (b)는 P2 영역을 통과한 냉매가 상기 배출부(230)로 바로 배출되지 않고, 그 진행방향이 재전환되어 상기 냉각유체를 3차에 걸친 열교환 후에 상기 배출부(230)로 배출되는 구성이다.
도 3의 (b)와 같이, 도 3의 (c)는 상기 공급부(220)로 공급된 냉매가 상기 공간부(S) 내에서 총 4회에 걸쳐서 상기 순환관(100)과 교차하여 4회의 열교환이 이루어지는 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는, 본 발명에 따른 다중 통로 교류 열교환기의 냉각유체 거동 및 온도 분포의 개요를 도시한 도면이고, 도 5는, 향류 방식의 열교환기의 냉각유체 거동 및 온도분포의 개요를 도시한 도면이며, 도 6은, 교류 방식의 열교환기의 냉각유체 거동 및 온도분포의 개요를 도시한 도면이다.
먼저, 도 4는 본 발명에 따른 다중 통로 교류 열교환기의 냉각유체 거동 및 온도분포를 도시한 도면으로서, 정상적인 부하에서는 순환관(100) 내에서 액체질소가 동결되지 않고 원활하게 유통될 수 있음을 알 수 있다.
여기에서, 온도분포선(단위는 절대온도, K)은 상기 공급부(220)가 형성되어 냉매가 공급되기 시작하는 부분에 집중되어 있으며 가장 낮은 온도는 64K로서 액체질소가 동결되지 않고 원활하게 순환될 수 있다.
저부하일 경우에는, 상기 공급부(220) 근처의 가장 낮은 온도가 63K 이며, 이에 해당하는 영역은 극히 일부로서 이는 순환관(100) 내에서 액체질소의 순환을 방해하기에는 미미한 수순의 동결영역이므로 액체질소의 순환을 방해하지 않는 정도 이내이다.
도 5는, 일반적으로 사용되는 향류방식으로서, 이는 순환관(100) 내의 액체질소의 유통방향과 냉각관(200) 내의 냉매의 유통 방향이 서로 반대 방향인 경우를 말하며, 냉각효율이 우수하여 널리 이용되는 방식이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 정상부하인 경우에 향류방식은 액체질소가 동결되지 않고 순환관(100) 내에서 원활히 유통된다. 그러나, 저부하 상태에서는 최저 온도가 62K에 달하여 63K 근처의 온도분포선을 포함한 62K 이하의 온도분포선에 해당하는 영역에서 액체질소가 동결되는 현상이 발생한다.
이는, 도 4의 저부하 상태의 동결영역에 대비하여 향류방식의 저부하 상태에서는 상기 순환관(100) 내부에서 62K 내지 63K에 해당하는 영역이 동결되어 순환관(100) 내부에서 액체질소의 동결로 인하여 순환이 불가한 문제가 발생하게 된다.
도 6은, 교류방식으로서, 이는 순환관(100) 내의 액체질소의 유통방향에 대하여 냉각관(200) 내의 냉매의 유통 방향이 수직하게 형성되는 경우를 말한다.
이와 같은 교류방식은 도 6에 도시된 바와 같이, 정상부하인 경우에도 순환관(100) 내부에서 액체질소가 일부 동결되는 동결영역이 형성된다. 이를 도 4의 저부하 상태와 비교하면, 본 발명에 따른 다중 통로 교류 열교환기에 대비하여, 교류방식은 정상부하 상태에서도 액체질소가 동결되는 영역이 더 크게 형성되는 것을 알 수 있다.
이처럼, 정상부하 상태에서도 액체질소의 순환을 저해할 만큼 순환가능 영역의 1/3 이상의 동결영역이 형성되는 것은 순환관(100) 내에서 액체질소의 유통을 방해할 뿐 아니라 이러한 상태의 열교환기를 계속하여 가동하게 되면 안정성을 위하여 별도의 가열기를 설치하여 항시로 가동해야 하는 문제가 발생하게 된다.
교류방식에서 저부하인 경우에는, 정상부하의 액체질소 동결영역보다 더 큰 동결영역이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 다른 다중 통로 교류 열교환기를 이용함으로서, 정상부하뿐만 아니라 저부하 상태에서도 상기 순환관(100) 내에서 액체질소가 동결되는 것을 방지하거나, 순환관(100) 내에서 액체질소의 유통을 방해하지 않는 정도로 극히 일부의 영역에서만 액체질소가 동결되므로 순환관(100) 내에서 액체질소의 순환을 원활히 하여 초전도 케이블의 냉각효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또, 액체질소의 동결영역이 극히 미미하여 이러한 문제를 해결하기 위하여 상기 순환관(100)에 열을 가하는 별도의 가열기를 설치할 필요가 없어 냉각시스템의 효율을 향상하고, 가열기의 가동으로 인한 에너지 소비를 제거 및 저감할 수 있는 효과가 있다.
이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.
100 : 순환관
110 : 분기관
200 : 냉각관
210 : 몸체부
220 : 공급부
230 : 배출부
240 : 격벽
241 : 개방부

Claims (8)

  1. 초전도 케이블을 냉각하기 위한 냉각유체가 유통되는 순환관; 및
    상기 순환관을 복수 회 가로지르는 유로를 형성하여 내부에 상기 냉각유체와 열교환되는 냉매가 유통되는 냉각관;을 포함하고,
    상기 냉각관은, 상기 순환관의 일측에서 타측 방향으로 냉각유체가 유통 될 때, 상기 냉각관에서 유통되는 냉매가 상기 순환관과 최초로 교차하는 부위는 상기 순환관의 타측에 위치하고, 상기 냉각관 내부에서 상기 냉각유체와 열교환된 후의 냉매가 상기 순환관과 다시 교차하는 부위는 상기 순환관의 일측에 위치하도록 형성되며,
    상기 냉각관은, 내부에 공간부가 형성되는 하우징 형상으로서 상기 공간부에는 상기 순환관의 일정 부분이 포함되도록 설치되는 몸체부; 상기 몸체부의 외면 중 어느 한 곳에 형성되어 상기 공간부로 상기 냉매를 공급하는 공급부; 및 상기 몸체부의 외면 중 다른 한 곳에 형성되어 상기 공간부로 공급된 냉매가 유출되는 배출부;를 포함하고,
    상기 공급부와 상기 배출부는, 상기 몸체부를 가로지르는 상기 순환관을 기준으로 하부 측방에 위치하여 상기 냉각관의 외면에서 서로 이격되어 형성되고,
    상기 몸체부는, 상기 공간부에 배치되어 상기 공급부와 상기 배출부 사이에 구비되는 격벽;을 더 포함하며, 상기 격벽은, 상기 공급부로 공급된 냉매가 상기 배출부로 배출될 수 있도록 상기 냉매가 통과할 수 있는 개방부가 형성되되,
    상기 개방부는, 상기 순환관을 기준으로 상부 측방에 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 통로 교류 열교환기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 순환관과 냉각관은,
    상기 순환관 내부의 냉각유체와 상기 냉각관 내부의 냉매가 서로 혼합되지 않도록 서로 격리된 상태로 교차하는 것을 특징으로 하는 다중 통로 교류 열교환기.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각관의 직경이 상기 순환관의 직경보다 더 크게 형성되고,
    상기 순환관과 상기 냉각관이 교차하는 부위에서 상기 순환관은 상기 냉각관의 내부에 위치함으로써 상기 순환관의 외면 중 상기 냉각관과 교차하는 상기 순환관의 외면을 통하여 상기 냉각유체와 냉매가 열교환 되는 것을 특징으로 하는 다중 통로 교류 열교환기.
  5. 삭제
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 순환관은,
    상기 순환관이 상기 냉각관과 교차하는 영역 내에서 상기 순환관이 더 작은 직경을 갖는 복수의 분기관으로 분기될 수 있는 것을 특징으로 하는 다중 통로 교류 열교환기.
  7. 삭제
  8. 삭제
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