KR102048549B1 - 유체 작동 매체가 관류할 수 있는 열 전달기의 연결 탱크 - Google Patents

유체 작동 매체가 관류할 수 있는 열 전달기의 연결 탱크 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체 작동 매체(4)가 관류할 수 있는 열 전달기(1)의 제1 연결 탱크(2.1)에 관한 것으로서, 상기 제1 연결 탱크(2.1)는
유체 작동 매체(4)를 제1 연결 탱크(2.1)에 공급하기 위한 유입부(5)를 구비한 제1 유체 챔버(8)와,
열 전달기(1)의 열 전달 매트릭스(3)에 대해 유체 연결을 형성하기 위한 연결 영역(10)을 구비한 제2 유체 챔버(9)와,
매체 흐름의 균일한 분배를 위해, 제1 유체 챔버(8)와 제2 유체 챔버(9)를 유체 연결시키는, 복수의 구멍(12)을 구비한 분배 부재(11)를 포함한다.

Description

유체 작동 매체가 관류할 수 있는 열 전달기의 연결 탱크{CONNECTION TANK OF A HEAT EXCHANGER THROUGH WHICH A FLUID WORKING MEDIUM CAN FLOW}
본 발명은 유체 작동 매체가 관류할 수 있는 열 전달기, 특히 기화기 및 냉각기의 연결 탱크에 관한 것으로서, 이때 연결 탱크는 매체 흐름의 균일한 분배를 위해 형성된다.
현재의 열 전달기는, 예를 들어 냉각제, 물, 냉매와 같은 작동 매체를 챔버 또는 관을 거쳐 개별 냉각 관으로 분배하는 연결 탱크를 갖는다. 개별 냉각 관에 대한 가급적 균일한 분배를 달성하기 위해, 이들 탱크의 내부 용적이 매우 크게 선택되는데, 이는 탱크 내 압력 손실의 감소를 초래하거나, 스로틀, 와류 발생기 또는 다이어프램이 탱크의 종방향으로 삽입된다.
압력 손실의 감소 및 다이내믹 유동 효과의 저하를 위해 대형 탱크를 사용하게 되면, 탱크의 구조 크기가 증가한다. 예를 들어 R744 (CO2)와 같은 냉매를 사용하는 경우, 큰 내부 용적은 필요한 파열 압력 내구성으로 인해 매우 많은 양의 재료 투입 및 중량을 유발한다. 유동 방향으로 다이어프램/스로틀/와류 발생기를 사용하여 2상 유동을 다시 혼합할 수 있거나 유동을 종방향으로 "스로틀링"할 수 있다. 각각의 냉각기 관에 대한 매체의 개별적인 분배는 불가능하다.
본 발명의 과제는 개별 열 전달 관 또는 냉각 관에 대해 매체를 균일하게 분배하는 데에 기초한다.
본 발명의 과제는 청구항 제1항의 특징에 따라 구성된, 유체 작동 매체가 관류할 수 있는 열 전달기의 연결 탱크에 의해 해결된다. 개선예들은 종속 청구항에 제시된다.
본 발명에 따르면, 유체 작동 매체가 관류할 수 있는 열 전달기의 연결 탱크는
· 유체 작동 매체를 연결 탱크에 공급하기 위한 유입부를 구비한 제1 유체 챔버와,
· 열 전달기의 열 전달 매트릭스에 대해 유체 연결을 형성하기 위한 연결 영역을 구비한 제2 유체 챔버와,
· 매체 흐름의 균일한 분배를 위해, 제1 유체 챔버와 제2 유체 챔버를 유체 연결시키는, 복수의 구멍을 구비한 분배 부재를 포함한다.
본 발명의 컨셉에 따르면, 연결 탱크는 개별적으로 매칭된 분배 부재를 통해 연결되어 있는 2개의 유체 챔버를 포함한다. 작동 매체는 제1 유체 챔버 내에 수집되고 분배 부재를 통해 제2 챔버 내로 안내된다. 제2 챔버로부터 매체는 열 전달 매트릭스의 열 전달 관, 예를 들어 냉각기 관 내로 분배된다. 작동 매체는 유동 경로에 대해 제1 유체 챔버로부터 제2 유체 챔버 내로 분배 부재를 통해 유동해야 한다. 바람직하게 열 전달기는 작동 매체로서 냉매를 갖는 냉각기 또는 기화기이다.
본 발명의 장점은, 개별 열 전달 관 또는 냉각기 관에 대해 매우 균일한 매체의 분배에 있다. 이를 통해 매우 효율적인 작동뿐만 아니라 양호한 온도 분배도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연결 탱크는 분배 부재의 삽입을 위한 하나 이상의 수용부를 포함하고, 이때 분배 부재는 교체될 수 있다. 이 경우, 분배 부재는 예를 들어 천공 플레이트로서 또는 노즐이 성형된 플레이트로서 형성될 수 있다.
대안적으로, 분배 부재는 압출된 2개의 챔버 프로파일의 내부에서 제1 유체 챔버와 제2 유체 챔버 사이의 분리 벽에 펀칭부로서 형성될 수 있다.
본 발명의 일 개선예에 따르면, 연결 탱크의 유입부 내로 분사 관이 삽입된다. 이를 통해 작동 매체의 본래의 유입부는 연결 탱크의 내부 더 안으로 위치할 수 있고, 바람직하게는 각각 채널 형태의 유체 챔버의 종방향과 관련하여 전방측으로부터 제1 유체 챔버의 중간 내에까지 위치할 수 있다. 분사 관의 관 벽 내에는 유체 작동 매체의 분배를 위한 개구가 제공된다.
본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 연결 탱크는 단일 챔버 탱크로서 형성되고, 이때 본 발명에 따른 2개의 챔버 탱크는 연결 탱크의 유입부 내에 분사 관의 삽입에 의해서야 비로소 생성되며, 이 분사 관은 작동 매체의 분배를 위한 개구를 구비한다. 이 경우, 제1 유체 챔버는 분사 관의 내부에 그리고 제2 유체 챔버는 분사 관의 외부측과 연결 영역 사이에서 열 전달 매트릭스에 대한 유체 연결을 형성하기 위해 존재한다. 따라서, 개구를 구비한 분사 관의 관 벽은 작동 매체의 분배를 위해 분배 부재를 형성한다.
바람직하게, 연결 영역은 연결 탱크의 벽에 개구를 포함하고, 이들 개구에는 열 전달 매트릭스의 열 전달 관이 연결될 수 있다.
본 발명의 구성에 대한 다른 세부 사항, 특징 및 장점은 이하에서 해당 도면을 참조로 하는 실시예의 설명으로부터 제시된다.
도 1A는 열 전달기의 내부에서 유체 작동 매체의 질량 흐름의 이상적인 분배를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 1B는 종래 기술에 따른 열 전달기의 내부에서 유체 작동 매체의 질량 흐름의 실제 분배를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 2A는 2개의 유체 챔버와, 이들 유체 챔버들 사이의 분배 부재를 구비한 유체 작동 매체를 위한 연결 탱크를 도시한 도면이고,
도 2B는 2개의 유체 챔버와, 이들 유체 챔버들 사이의 분배 부재와, 유입부에 추가의 분사 관을 구비한 유체 작동 매체를 위한 연결 탱크를 도시한 도면이며,
도 3A는 2개의 연결 탱크 중 하나의 연결 탱크가 분배 부재에 의해 2개의 챔버로 분할되어 있는, 2개의 연결 탱크의 측면도이고,
도 3B는 열 전달 관들 중 한 열의 상부에서 분배 부재의 구조 및 구성을 개략적으로 도시한 도면이며,
도 3C는 열 전달 관과 양 측에 제공된 연결 탱크를 구비한 열 전달기의 외부 측면 사시도이고,
도 4A는 연결된 열 전달 관과 연결 탱크 내에 삽입된 분배 부재를 구비한 2개의 연결 탱크의 사시도이며,
도 4B 각각 하나의 연결 탱크 내에 삽입 가능한 분배 부재를 위한 수용부를 갖는, 양 측에 제공된 쌍들의 연결 탱크와 열 전달 관들을 구비한 열 전달기의 외부 측면 사시도이고,
도 5는 연결 탱크 내에 추가의 분사 관을 구비한 한 쌍의 연결 탱크의 사시도이며,
도 6은 유체 챔버들 사이에 펀칭부를 갖는 압출된 2개의 챔버 프로파일 형태로 한 쌍의 연결 탱크의 사시도이다.
도 1A 및 도 1B에는 열 전달기(1)를 통한 작동 매체의 유동 분배가 개략적으로 도시되어 있으며, 열 전달기는 마주하여 위치하는 2개의 연결 탱크(2.1 및 2.2)를 포함하고, 이들 연결 탱크는 열 전달 매트릭스(3)에 의해 유체 연결되어 있다. 이 경우, 도 1A에는 유체 작동 매체(4)를 위한 유입부(5)를 갖는 제1 제1 연결 탱크(2.1)로부터 출발하여 복수의 평행한 열 전달 매트릭스(3)의 유동 경로를 통해 유체 작동 매체(4)를 위한 배출부(6)를 갖는 제2 연결 탱크(2.2)까지 유체 작동 매체(4)의 이상적인 유동이 도시되어 있다. 이러한 경우, 작동 매체(4)는 열 전달 매트릭스(3)의 모든 유동 경로를 거쳐 이상적으로 균일하게 분배되어 유동하고, 이때 상응하는 작동 매체의 유동 프로파일(7a)은 개략적으로 직사각형으로 표시된다. 또 1B에는 열 전달 매트릭스(3)의 평행한 유동 경로를 거쳐 유체 작동 매체(4)가 실제 불균일하게 분배되는 유동 프로파일(7b)이 곡선으로서 도시되어 있다.
도 2A 및 도 2B에는 본 발명의 개략적인 실시예가 도시되어 있다. 이 경우, 유체 작동 매체(4)가 관류할 수 있는 열 전달기(1)의 제1 연결 탱크(2.1)가 제공되어 있는데, 제1 연결 탱크(2.1)는 유체 작동 매체(4)를 제1 연결 탱크(2.1)에 공급하기 위한 유입부(5)를 구비한 제1 유체 챔버(8)와, 열 전달기(1)의 열 전달 매트릭스(3)에 대해 제1 연결 탱크(2.1)의 유체 연결을 위한 연결 영역(10)을 구비한 제2 유체 챔버(9)와, 제1 유체 챔버(8)와 제2 유체 챔버(9)를 유체 연결시키는, 복수의 구멍(12)을 구비한 분배 부재(11)를 포함한다.
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연결 영역(10)에는, 열 전달 매트릭스(3)를 형성하는 복수의 평행한 관들(13)이 연결되어 있고, 이로써 제1 연결 탱크(2.1)와 열 전달 매트릭스(3) 사이에 유체 연결이 생성된다. 바람직하게, 분배 부재(11)는 유체 작동 매체(4)를 위해 교체 가능한 분사 장치/스로틀 장치의 형태로 구현된다.
도 2B에는 유입부(5)에 추가의 분사 관(14)이, 즉 유체 작동 매체(4)의 분배를 위한 개구들을 갖는 관이 제공되고, 이 관은 채널 유형의 제1 유체 챔버(8)의 전방측으로부터 제1 유체 챔버(8)의 종방향과 관련하여 챔버의 중간 내에까지 돌출한다. 따라서, 이러한 분사 관(14)은 단일 챔버 연결 탱크 내에서 제1 유체 챔버로서 기능할 수 있는 추가의 유체 챔버를 형성한다(도 2B에는 도시되지 않음).
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열 전달기(1)는 기화기이고 유체 작동 매체(4)는 냉매이며, 이때 열 전달 매트릭스(3)의 평행한 관들(13)은 냉각 관이다.
도 3A에는, 서로 나란히 접하여 위치하는 채널 형태로 서로 평행하게 정렬되어 있는 2개의 연결 탱크(2)의 측면도가 도시되어 있다. 두 연결 탱크(2)는 채널 종축에 대해 수직으로 정렬된 평행한 열 전달 관들(13)의 열을 위한 각각 하나의 연결 영역(10)을 포함한다. 이를 위해 연결 탱크(2)의 벽(15) 내에 개구들이 제공되고, 이들 개구를 통해 열 전달 관(13)의 각각의 일측 단부가 관통 안내된다. 열 전달 관(13)은 도 3A에 따라 납짝 관(flat tube)으로서 구현된다.
연결 탱크(2) 중 하나인 제1 연결 탱크(2.1) 내에는, 측면으로 마주하여 위치하는 내부 벽(16)에 각각 쌍을 이룬 돌출부(17)가 형성되어 있고, 각각의 쌍은 분배 부재(11)의 종방향 측면을 위한 수용부(18)를 제공한다. 따라서, 분배 부재(11)는 마주하여 위치하는 수용부(18) 내에 삽입될 수 있다. 이러한 방식으로 제1 연결 탱크(2.1)는 2개의 서로 상하로 위치하는 유체 챔버(8, 9)로 분할된다.
제1 유체 챔버(8) 내에 작동 매체가 수집되고 분배 부재(11)를 통해 제2 유체 챔버(9) 내로 안내된다. 제2 유체 챔버(9)로부터 작동 매체는 열 전달 관(13) 내로 분배된다. 작동 매체는 제1 유체 챔버(8)로부터 제2 유체 챔버(9) 내로의 유동 경로에서 분배 부재(11)를 통해 유동해야 한다.
도 3B에는 연결 탱크 내부에서 하나의 열의 열 전달 관(13)의 상부에 있는 분배 부재의 구조 및 구성이 개략적인 사시도로 도시되어 있다. 본 개략적인 도면에서는 개관을 용이하게 하기 위해 연결 탱크의 측면 벽들이 생략되었다. 분배 부재(11)는 천공 플레이트로서 형성된다. 이러한 천공 플레이트의 경우, 구멍들(12)은, 개별 구멍들(12) 또는 종방향에 대해 횡으로 배향된 열(19)의 구멍들(12)이 분배 부재(11)의 전체 길이에 걸쳐 균칙적인 간격을 두고 분배되도록 배치된다. 분배 부재(11)는 교체될 수 있다. 이 경우, 구멍(12)의 분배는 각각의 해당 요건에 맞게 매칭될 수 있다. 도 3B에 도시된 바에 따르면, 열(19) 당 구멍(12)의 개수는, (도시되지 않은) 유체 유입부의 영역에 위치하는 분배 부재(11)의 제1 단부(11a)로부터 반대편에 위치하는 제2 단부(11b)에 이르기까지 증가한다. 따라서, 도 3B에 도시된 바에 따라 분배 부재(11)의 하부에 위치하는 개별 열 전달 관(13)에 대한 작동 매체의 균일한 분배가 달성될 수 있다.
도 3C에는 열 전달 관(13)과, 양 측면에 제공된 연결 탱크(2)를 구비한 열 전달기(1)의 사시도가 도시되어 있고, 이때 위에서 기술된 분배 부재는 적어도 연결 탱크(2) 내에 삽입되어 있다(도 3C에는 드러나 있지 않다).
도 4A에는 서로 인접하여 위치하는 채널들의 형태로 서로에 대해 평행하게 정렬되어 있는 2개의 연결 탱크(2)가 사시도로 도시되어 있다. 외부 벽(20)은 2개의 연결 탱크(2)를 둘러싼다. 두 연결 탱크(2)는 채널의 종축에 대해 수직으로 정렬된 일 열의 평행한 열 전달 관(13)을 위해 각각 하나의 연결 영역(10)을 포함한다. 이를 위해, 연결 탱크(2)의 벽(15)과 외부 벽(20)을 통해 연장되고 열 전달 관(13)이 각각 자신의 일 단부를 이용해 관통하여 안내되는 개구들(21)이 제공된다. 열 전달 관(13)은 도 4A에 따르면 납작 관으로서 구현된다. 연결 탱크(2) 중 하나인 제1 연결 탱크(2.1) 내에는, 측면으로 마주하여 위치하는 내부 벽(16)에 각각 쌍을 이룬 돌출부(17)가 형성되어 있고, 각각의 쌍은 분배 부재(11)의 종방향 측면을 위한 수용부(18)를 제공한다. 따라서, 구멍들(12)을 구비한 교체 가능한 분배 부재(11)는 마주하여 위치하는 수용부(18) 내에 삽입될 수 있다. 이러한 방식으로 제1 연결 탱크(2.1)는 2개의 서로 상하로 위치하는 유체 챔버(8, 9)로 분할된다. 작동 매체는 제1 유체 챔버(8) 내에서 수집되고 분배 부재(11)를 통해 제2 유체 챔버(9) 내로 안내된다. 제2 유체 챔버(9)로부터 작동 매체는 열 전달 관(13) 내로 분배된다. 작동 매체는 제1 유체 챔버(8)로부터 제2 유체 챔버(9) 내로의 유동 경로에서 분배 부재(11)의 구멍들(12)을 통해 유동해야 한다.
도 4B에는 열 전달 관(13)과, 양 측면에 제공된 연결 탱크(2)의 쌍을 구비한 열 전달기(1)가 사시도로 도시되어 있고, 위에서 기술된 분배 부재는 2개의 제1 연결 탱크(2.1) 내에, 즉 상부 연결 탱크와 하부 연결 탱크 내에 삽입될 수 있으며, 이들 연결 탱크는 각각 작동 매체를 위한 유입부와 분배 부재를 위한 수용부(18)를 포함한다.
다른 일 실시예로서, 연결된 열 전달 관(13)을 구비한 한 쌍의 연결 탱크(2)가 사시도로 도 5에 도시되어 있다. 이 경우, 연결 탱크(2) 중 하나인 제1 연결 탱크(2.1)는 2개의 유체 챔버(8, 9)로 분할되며, 이때 수용부(18) 내에 삽입 안내된 분배 부재(11)는 유체 챔버들(8, 9) 사이에 분리 벽을 형성한다. 분배 부재(11)는 분배 부재의 전체 길이에 걸쳐 분배되는 복수의 구멍들(12)을 구비하고, 이들 구멍을 통해 제1 유체 챔버(8)와 제2 유체 챔버(9)가 유체 연결되어 있다. 제2 유체 챔버(9)는 연결 영역(10)을 포함하고, 이 연결 영역에는 복수의 열 전달 관(13)이 연결된다. 이를 위해 연결 탱크(2)의 벽은 연결 영역(10)에서 복수의 개구(21)를 구비하고, 이들 개구를 통해 열 전달 관(13)은 각각 자신의 일 단부를 이용하여 관통 안내된다. 하부의 제1 유체 챔버(8)는 제1 연결 탱크(2.1) 내로 유체 작동 매체를 공급하기 위한 유입부(5)를 포함한다. 실질적으로 도 2B에 도시된 변형예에 상응하는 도 5에 도시된 실시예에서, 유입부(5) 내에는 추가의 분사 관(14)이 삽입되고, 이를 통해 작동 매체의 본래의 유입은 연결 탱크(2)의 내부 더 안으로 위치할 수 있고, 바람직하게는 채널 형태의 유체 챔버(8)의 종방향과 관련하여 전방측으로부터 제1 유체 챔버(8)의 중간 내에까지 위치할 수 있다.
도 6에는 각각의 제1 연결 탱크(2.1)가 서로 상하로 위치하는 유체 챔버(8, 9)를 구비한 압출된 2개의 챔버 프로파일을 포함하고, 상하로 위치하는 유체 챔버는 그들 사이의 분리 벽(22)에 의해 서로 분리되어 있는, 한 쌍의 제1 연결 탱크(2.1)가 도시되어 있다. 복수의 구멍(12)을 구비한 분배 부재(11)는 이러한 실시예에서 분리 벽(22) 내의 펀칭부로서 구현된다.
1 열 전달기
2 연결 탱크
2.1 (유체 작동 매체용 유입부 및 제2 유체 챔버를 구비한) 연결 탱크
2.2 (유체 작동 매체용 배출부를 구비한) 연결 탱크
3 열 전달 매트릭스
4 유체 작동 매체
5 유입부
6 배출부
7a (이상적으로 균일하게 분배된) 유동 프로파일
7b (실제로 불균일하게 분배된) 유동 프로파일
8 제1 유체 챔버
9 제2 유체 챔버
10 연결 영역
11 분배 부재
12 (분배 부재의) 구멍
13 열 전달 관
14 분사 관
15 벽
16 내부 벽
17 돌출부
18 (분배 부재(11)용) 수용부
19 (구멍들의) 열
20 외부 벽
21 개구
22 분리 벽

Claims (9)

  1. 유체 작동 매체(4)가 관류할 수 있는 열 전달기(1)의 제1 연결 탱크(2.1) 및 상기 제1 연결 탱크(2.1)와 나란히 접하여 위치하는 제2 연결 탱크를 포함하는 연결 탱크 조립체로서, 상기 제1 연결 탱크는
    유체 작동 매체(4)를 제1 연결 탱크(2.1)에 공급하기 위한 유입부(5)를 구비한 제1 유체 챔버(8)와,
    열 전달기(1)의 열 전달 매트릭스(3)에 대해 유체 연결을 형성하기 위한 연결 영역(10)을 구비한 제2 유체 챔버(9)와,
    매체 흐름의 균일한 분배를 위해, 제1 유체 챔버(8)와 제2 유체 챔버(9)를 유체 연결시키는, 복수의 개구(12)를 구비한 분배 부재(11)를 포함하고,
    상기 제1 연결 탱크의 대향하는 한 쌍의 내부 벽(16)에 각각 쌍을 이룬 돌출부(17)가 형성되어 있고, 각각의 쌍은 상기 분배 부재(11)의 양단부가 수용되어 고정되는 수용부(18)를 제공하며,
    상기 복수의 개구(12)는 복수 개의 열을 이루도록 배열되고, 상기 각각의 열에 배치된 개구(12)의 개수는 상기 분배 부재(11)의 제1 단부(11a)로부터 반대편에 위치하는 제2 단부(11b)에 이르기까지 증가하며,
    상기 유체 작동 매체(4)는 상기 제1 연결 탱크로 유입되는 연결 탱크 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 제1 연결 탱크(2.1)가 분배 부재(11)의 삽입을 위한 하나 이상의 수용부(18)를 포함하고 분배 부재(11)가 교체될 수 있는 것을 특징으로 하는 연결 탱크 조립체.
  3. 제2항에 있어서, 분배 부재(11)가 천공 플레이트로서 또는 노즐이 성형된 플레이트로서 형성되는 것을 특징으로 하는 연결 탱크 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 분배 부재(11)가 압출된 2개의 챔버 프로파일의 내부에서 분리 벽(22)에 펀칭부로서 형성되는 것을 특징으로 하는 연결 탱크 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 제1 연결 탱크(2.1)의 유입부(5) 내로 분사 관(14)이 삽입되는 것을 특징으로 하는 연결 탱크 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 분사 관(14)은 자신의 관 벽 내에 유체 작동 매체(4)의 분배를 위한 개구를 구비하는 것을 특징으로 하는 연결 탱크 조립체.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 연결 영역(10)은 제1 연결 탱크(2.1)의 벽(15)에 개구(21)를 포함하고, 이들 개구에는 열 전달 매트릭스(3)의 열 전달 관(13)이 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 연결 탱크 조립체.
  9. 제1항에 있어서, 열 전달기(1)가 작동 매체(4)로서 냉각제를 구비한 기화기인 것을 특징으로 하는 연결 탱크 조립체.
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