KR102130086B1 - 익형 열교환튜브를 포함하는 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 익형 열교환튜브를 포함하는 열교환기는, 길이 방향으로 길게 형성되고, 열교환유체가 유동되는 유체유동유로가 길이 방향을 따라 내부에 형성된 익형 열교환튜브 및 상기 열교환튜브의 둘레를 감싸도록 구비되어 전열 면적을 증가시키며, 상기 열교환튜브와의 사이에 공기가 통과하는 공기유통공간을 형성하는 가이드베인을 포함하며, 상기 익형 열교환튜브는, 상기 유체유동유로를 감싸는 둘레부 및 기 둘레부의 제1지점 및 상기 제1지점의 반대 측인 제2지점으로부터 외측으로 돌출 형성된 한 쌍의 돌출부를 포함한다.

Description

익형 열교환튜브를 포함하는 열교환기{Heat Exchanger Having Wing-Shaped Tube}

본 발명은 열을 이동시켜 유체를 가열하거나 냉각시킬 수 있는 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 익형 열교환튜브를 포함하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 공기 냉각형 열교환기는 온도가 높은 유체에서 낮은 유체에 효율적으로 열을 이동시킴으로 가열 및 냉각 용도로 사용되는 기계장치이다.

가장 통상적인 형태의 튜브 타입 열교환기는 고온의 유체가 흐르는 튜브와 열교환 효율을 높이기 위한 핀(Fin), 또는 가이드 베인(Guide Vane), 그리고 저온의 유체가 흐르는 유동장으로 구성되어 있다.

그리고 열교환기의 효율을 높일 수 있는 요인으로는 단위 면적 당 전열 면적의 비(열교환 밀집도)가 대표적인 요소이다. 다만, 열교환 밀집도를 향상시키기 위한 목적으로 핀이나 가이드 베인의 개수, 면적을 증가시켜 전열 면적을 넓히게 될 경우, 그와 비례하여 유동 저항이 크게 발생하게 되어 압력 강하가 커지게 되는 문제가 있다. 이는 특히 가스터빈 등 높은 압력에서 작동되는 열교환기에서 더욱 큰 문제가 된다.

또한 열교환기의 핀 또는 가이드베인은 모두 수작업으로 튜브와 접합하는 공정을 거쳐야 하며, 튜브들을 꽂아서 용접이나 브레이징을 하기 위해서는 튜브와 수직한 형상, 즉 90° 각도로만 제작이 가능하다는 특성을 가진다.

이러한 제작 공정들은 높은 공정 비용과 많은 시간이 소요되는 것은 물론, 제작 과정에서 접합 불량 등 결함이 발생할 확률이 높다.

따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.

한국공개특허 제10-2006-0032125호

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 열교환 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 하면서도, 유동 저항이 증가되지 않도록 하여 압력 강하가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 하는 열교환기를 제공하기 위한 목적을 가진다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 익형 열교환튜브를 포함하는 열교환기는, 길이 방향으로 길게 형성되고, 열교환유체가 유동되는 유체유동유로가 길이 방향을 따라 내부에 형성된 익형 열교환튜브 및 상기 열교환튜브의 둘레를 감싸도록 구비되어 전열 면적을 증가시키며, 상기 열교환튜브와의 사이에 공기가 통과하는 공기유통공간을 형성하는 가이드베인을 포함하며, 상기 익형 열교환튜브는, 상기 유체유동유로를 감싸는 둘레부 및 기 둘레부의 제1지점 및 상기 제1지점의 반대 측인 제2지점으로부터 외측으로 돌출 형성된 한 쌍의 돌출부를 포함한다.

그리고 상기 한 쌍의 돌출부는 상기 공기의 유동 경로와 대응되는 방향으로 연장될 수 있다.

또한 상기 돌출부는 상기 둘레부로부터 외측으로 갈수록 폭이 점차 감소하도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 돌출부의 끝단에는 모서리가 형성될 수 있다.

또한 상기 익형 열교환튜브는 복수 개가 나란히 열을 이루어 단위체를 형성하며, 상기 가이드베인은 열을 형성한 상기 복수 개의 익형 열교환튜브의 둘레를 동시에 감싸도록 구비될 수 있다.

그리고 상기 단위체는 복수 개가 행 방향으로 이격되어 구비될 수 있다.

또한 어느 하나의 단위체에 구비된 상기 가이드베인은 인접한 단위체에 구비된 다른 가이드베인과 연결되도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 가이드베인은, 상기 익형 열교환튜브의 일측에서 타측 방향으로 경사지게 형성된 제1경사부 및 상기 익형 열교환튜브의 타측에서 일측 방향으로 경사지게 형성되되, 상기 제1경사부와 소정 각도를 형성하도록 교차되는 제2경사부를 포함할 수 있다.

또한 상기 가이드베인은, 상기 제1경사부 및 상기 제2경사부를 상호 연결하는 연결부를 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 연결부는 상기 익형 열교환튜브의 길이 방향과 나란한 방향으로 연장되어 상기 제1경사부 및 상기 제2경사부를 상호 연결하는 형태로 형성될 수 있다.

또한 상기 연결부는 상기 제1경사부와의 연결지점과 상기 제2경사부와의 연결지점 사이 영역이 외측으로 돌출된 형태를 가질 수 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 익형 열교환튜브를 포함하는 열교환기는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 전열 면적을 증가시켜 열교환 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 하면서도, 익형 열교환튜브의 형상에 의해 유동 저항이 증가되지 않도록 하여 압력 강하가 발생하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

둘째, 열교환기의 전체 부피가 감소되며, 내구성이 증가하게 되는 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 PBF(Powder Bed Fusion) 기법에 사용되는 3D프린팅 장치의 개요를 나타낸 도면;
도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기의 모습을 나타낸 도면;
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기에 있어서, 익형 열교환튜브의 횡단면 모습을 나타낸 도면;
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기에 있어서, 가이드베인의 모습을 나타낸 도면;
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환기에 있어서, 가이드베인의 모습을 나타낸 도면;
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환기에 있어서, 가이드베인의 모습을 나타낸 도면;
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 열교환기에 있어서, 가이드베인의 모습을 나타낸 도면; 및
도 9는 본 발명에 따른 열교환기에 있어서, 익형 열교환튜브 주위의 유동 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 PBF(Powder Bed Fusion) 기법에 사용되는 3D프린팅 장치의 개요를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, PBF(Powder Bed Fusion) 기법에 사용되는 3D프린팅 장치는 베드프레임(10a) 및 서브프레임(10b)을 포함하는 프레임부(10)를 포함하며, 상기 프레임부(10)의 내부에 금속, 플라스틱 등의 분말 소재(2)를 코팅하여 일정한 두께의 레이어를 형성하고 에너지원, 즉 레이저 또는 전자빔 등을 선택적으로 조사함에 따라 분말을 용융시켜 결합하여 한 층씩 쌓아올려 형상을 조형하게 된다.

보다 구체적으로 레이저 오실레이터(30)에서 발생한 레이저는 스캐너(40)를 거쳐 상기 프레임부(10)의 내부에 수용된 분말 소재(2)를 소결시켜 대상(4)을 조형하게 되며, 이 과정에서는 코터(50)가 측부로부터 분말을 이송시켜 상기 프레임부(10) 내부에 단계 별로 적층시키게 된다.

이와 같은 3D프린팅 기술은 절삭 가공, 주조 등과 같은 기존의 제조 방법으로 제작이 어려운 복잡한 형상의 제품을 제조 가능하다는 장점이 있다.

다만, PBF 기법은 적층 불량을 피하기 위하여 베드프레임(10a)에 대해 제품의 각도를 45° 이상으로 유지하여야 할 필요가 있다. 만일 제품의 각도가 45° 미만이 될 경우, 공정 중 열 배출이 원활하지 않아 표면에서 흘러내림이 발생할 수 있기 때문이다.

이에 따라 본 발명에 따른 열교환기는 상기와 같은 3D프린팅의 특성을 고려하여 각 구성요소의 형태를 형성하여, 종래의 열교환기에서 구현하기 어려웠던 효과를 얻을 수 있도록 한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 열교환기에 대해 자세히 설명하도록 한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기의 모습을 나타낸 사시도 및 평면도이다.

그리고 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기에 있어서, 익형 열교환튜브(100)의 횡단면 모습을 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기에 있어서, 가이드베인(200)의 모습을 나타낸 도면이다.

도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기는 익형 열교환튜브(100)와, 가이드베인(200)을 포함한다.

상기 익형 열교환튜브(100)는 길이 방향으로 길게 형성되고, 열교환유체가 유동되는 유체유동유로(105, 도 4 참조)가 길이 방향을 따라 내부에 형성된 형태를 가진다.

이와 같은 상기 익형 열교환튜브(100)는 복수 개가 나란히 열을 이루어 하나의 단위체를 형성할 수 있으며, 또한 상기 단위체는 복수 개가 행 방향으로 이격되어 구비될 수 있다.

본 실시예의 경우 상기 익형 열교환튜브(100)는 4개가 열을 이루어 하나의 단위체를 형성하며, 상기 단위체는 5개가 서로 이격되어 행 방향으로 구비되는 형태를 가지는 것으로 예시하였으나, 상기 익형 열교환튜브(100)의 개수 및 배치 형태는 본 실시예 외의 다른 형태로도 구현될 수 있음은 물론이다.

그리고 상기 익형 열교환튜브(100)는 도 4와 같이 상기 유체유동유로(105)를 감싸는 둘레부(110)와, 상기 둘레부(110)의 제1지점 및 상기 제1지점의 반대 측인 제2지점으로부터 외측으로 돌출 형성된 한 쌍의 돌출부(120)를 포함하는 형태로 형성되어, 전체적으로 원형 단면을 가지는 둘레부(110)에 한 쌍의 돌출부(120)가 외측으로 돌출된 익형(翼型)으로 형성된다.

보다 구체적으로 상기 익형 열교환튜브(100)의 상기 둘레부(110)는 원형 단면을 가지도록 형성되고, 내주면으로부터 외주면까지의 거리가 제1두께(W₁)를 가지도록 형성된다. 또한 상기 돌출부(120)가 형성된 영역은 내주면으로부터 외주면까지의 거리가 상기 제1두께(W₁)보다 두꺼운 제2두께(W₂)를 가지도록 형성된다.

즉 상기 익형 열교환튜브(100)의 내경(r₁)은 균일하게 형성되어 단면이 원형인 유체유동유로(105)를 형성하나, 상기 유체유동유로(105)의 중심점으로부터 상기 익형 열교환튜브(100)의 외면까지의 거리는 비균일하게 형성된 형태를 가진다.

특히 본 실시예에서 상기 돌출부(120)는 상기 둘레부(110)로부터 외측으로 갈수록 폭이 점차 감소하도록 형성되고, 그 끝단에는 모서리가 형성된 형태를 가진다. 이와 같은 형태는 공기의 저항을 최소화하기 위한 것으로, 이에 대해서는 후술하도록 한다.

상기 가이드베인(200)은 상기 열교환튜브(100)의 둘레를 감싸도록 구비되어 전열 면적을 증가시키는 구성요소이며, 상기 열교환튜브(100)와의 사이에 공기가 통과하는 공기유통공간을 형성한다.

즉 본 발명의 열교환기는 상기 가이드베인(200)에 의해 전체 전열 면적을 증가시켜 열교환 효율을 크게 향상시킬 수 있도록 하면서도, 익형 열교환튜브(100)의 형상에 의해 유동 저항이 증가되지 않도록 하여 압력 강하가 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.

이를 위해, 상기 익형 열교환튜브(100)의 한 쌍의 돌출부(120)는 상기 공기의 유동 경로와 대응되는 방향으로 연장되어 공기의 저항을 최소화하는 형태일 수 있다.

또한 본 실시예에서 상기 가이드베인(200)은 열을 형성한 상기 복수 개의 익형 열교환튜브(100)의 둘레를 동시에 감싸도록 구비된 형태를 가진다.

전술한 바와 같이 본 실시예의 경우 상기 익형 열교환튜브(100)는 복수 개가 나란히 열을 이루어 하나의 단위체를 형성하므로, 상기 가이드베인(200)은 상기 단위체를 이루는 익형 열교환튜브(100) 전체를 동시에 감싸도록 구비된다.

특히 본 실시예의 경우 상기 가이드베인(200)은, 상기 익형 열교환튜브(100)의 일측에서 타측 방향으로 경사지게 형성된 제1경사부(210a)와, 상기 익형 열교환튜브(100)의 타측에서 일측 방향으로 경사지게 형성되되, 상기 제1경사부(210a)와 소정 각도를 형성하도록 교차되는 제2경사부(210b)를 포함하는 형태를 가진다.

즉 본 실시예에서 상기 가이드베인(200)은 도 5에 도시된 바와 같이 상기 열교환기의 정면 방향에서 바라보았을 때 상기 제1경사부(210a)와 상기 제2경사부(210b)가 서로 X자 형태를 이루도록 교차되며, 그 교차 위치에는 상기 익형 열교환튜브(100)가 관통된 형태를 가진다.

이때 상기 가이드베인(200)의 높이(d₁) 및 폭(d₂)은 상기 제1경사부(210a)와 상기 제2경사부(210b)가 수평선에 대해 이루는 각도(θ₁)에 따라 다양하게 가변될 수 있다.

한편 전술한 바와 같이 PBF 기법에 의한 3D프린팅 공정에서는 적층 불량을 피하기 위하여 베드프레임(10a)에 대해 제품의 각도를 45° 이상으로 유지하여야 할 필요가 있으므로, 상기 제1경사부(210a)와 상기 제2경사부(210b)가 수평선에 대해 이루는 각도(θ₁)는 45° 이상으로 설정될 수 있을 것이다.

또한 상기 가이드베인(200)은 상기 익형 열교환튜브(100)의 길이 방향을 따라 복수 개가 구비될 수 있으며, 더불어 어느 하나의 단위체에 구비된 상기 가이드베인(200)은, 인접한 단위체에 구비된 다른 가이드베인(200)과 연결되도록 형성될 수 있다.

이에 따라 상기 가이드베인(200)은 도 1에 도시된 바와 같이 열교환기 전체를 기준으로 하였을 때 격자 형태로 배열된 형상을 가진다.

이하에서는, 본 발명의 다른 실시예들에 대해 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환기에 있어서, 가이드베인(200)의 모습을 나타낸 도면이다.

도 6에 도시된 본 발명의 제2실시예의 경우, 상기 가이드베인(200)이 상기 제1경사부(210a) 및 상기 제2경사부(210b) 외에도 연결부(220)를 더 포함하는 형태로 형성된다.

상기 연결부(220)는 상기 제1경사부(210a) 및 상기 제2경사부(210b)를 상호 연결하는 구성요소로서, 전열 면적을 보다 증가시켜 열교환 밀집도를 극대화시킬 수 있다.

본 실시예에서 상기 연결부(220)는 상기 익형 열교환튜브(100)의 길이 방향과 나란한 방향 및 폭 방향으로 연장되어, 상기 제1경사부(210a) 및 상기 제2경사부(220b)를 상호 연결하는 형태를 가진다.

즉 본 실시예의 경우 상기 연결부(220)는 전방에서 바라보았을 때 전체적으로 마름모꼴 형태로 형성되며, 특히 상기 연결부(220)는 상기 제1경사부(210a)와의 연결지점과 상기 제2경사부(210b)와의 연결지점 사이 영역이 외측으로 돌출되어 절곡된 형태를 가지도록 형성된다.

도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환기에 있어서, 가이드베인(200)의 모습을 나타낸 도면이다.

도 7에 도시된 본 발명의 제3실시예 역시 상기 가이드베인(200)이 상기 제1경사부(210a) 및 상기 제2경사부(210b) 외에도 연결부(230)를 더 포함하는 형태로 형성된다.

다만, 본 실시예의 연결부(230)는 상기 익형 열교환튜브(100)의 길이 방향과 나란하게 직선 형태로 연장되어, 상기 제1경사부(210a) 및 상기 제2경사부(220b)를 상호 연결하는 형태를 가진다는 점이 전술한 제2실시예와 다르다.

도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 열교환기에 있어서, 가이드베인(200)의 모습을 나타낸 도면이다.

도 9에 도시된 본 발명의 제4실시예 역시 상기 가이드베인(200)이 상기 제1경사부(210a) 및 상기 제2경사부(210b) 외에도 연결부(240)를 더 포함하는 형태로 형성된다.

다만, 본 실시예의 연결부(240)는 상기 익형 열교환튜브(100)의 길이 방향과 나란한 방향으로 연장되되, 전체적으로 곡선 형태로 형성되어, 상기 제1경사부(210a) 및 상기 제2경사부(220b)를 상호 연결하는 형태를 가진다는 점이 전술한 실시예들과 다르다.

이와 같이, 본 발명은 상기 연결부(240)를 다양한 형태로 형성할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 열교환기에 있어서, 익형 열교환튜브(100) 주위의 유동 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 익형 열교환튜브(100)를 사용할 경우에는 상기 익형 열교환튜브(100) 주위에서 저온의 유체 측 방향의 유속이 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 유동 형태 또한 상기 익형 열교환튜브(100)의 주위에서 고르게 흐르는 것을 시뮬레이션을 통하여 확인할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 익형 열교환튜브(100)는 기존 원형 단면의 튜브에 비하여 전열 면적이 10% 이상 증가할 뿐 아니라, 실제 유동 과정에서 열전달 경계면의 면적이 증가하므로 열교환기의 성능을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100: 익형 열교환튜브
105: 유체유동유로
110: 둘레부
120: 돌출부
200: 가이드베인
210a: 제1경사부
210b: 제2경사부
220, 230, 240: 연결부

Claims (11)

1. 길이 방향으로 길게 형성되고, 열교환유체가 유동되는 유체유동유로가 길이 방향을 따라 내부에 형성된 익형 열교환튜브; 및
   상기 열교환튜브의 둘레를 감싸도록 구비되어 전열 면적을 증가시키며, 상기 열교환튜브와의 사이에 공기가 통과하는 공기유통공간을 형성하는 가이드베인; 을 포함하며,
   상기 익형 열교환튜브는,
   상기 유체유동유로를 감싸는 둘레부; 및
   상기 둘레부의 제1지점 및 상기 제1지점의 반대 측인 제2지점으로부터 외측으로 돌출 형성된 한 쌍의 돌출부;
   를 포함하며,
   상기 가이드베인은,
   상기 익형 열교환튜브의 일측에서 타측 방향으로 경사지게 형성된 제1경사부; 및
   상기 익형 열교환튜브의 타측에서 일측 방향으로 경사지게 형성되되, 상기 제1경사부와 소정 각도를 형성하도록 교차되는 제2경사부;
   를 포함하는 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 한 쌍의 돌출부는 상기 공기의 유동 경로와 대응되는 방향으로 연장되는 열교환기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 돌출부는 상기 둘레부로부터 외측으로 갈수록 폭이 점차 감소하도록 형성된 열교환기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 돌출부의 끝단에는 모서리가 형성되는 열교환기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 익형 열교환튜브는 복수 개가 나란히 열을 이루어 단위체를 형성하며,
   상기 가이드베인은 열을 형성한 상기 복수 개의 익형 열교환튜브의 둘레를 동시에 감싸도록 구비되는 열교환기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 단위체는 복수 개가 행 방향으로 이격되어 구비되는 열교환기.
7. 제6항에 있어서,
   어느 하나의 단위체에 구비된 상기 가이드베인은 인접한 단위체에 구비된 다른 가이드베인과 연결되도록 형성된 열교환기.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 가이드베인은,
   상기 제1경사부 및 상기 제2경사부를 상호 연결하는 연결부를 더 포함하는 열교환기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 익형 열교환튜브의 길이 방향과 나란한 방향으로 연장되어 상기 제1경사부 및 상기 제2경사부를 상호 연결하는 형태로 형성된 열교환기.
11. 제9항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 제1경사부와의 연결지점과 상기 제2경사부와의 연결지점 사이 영역이 외측으로 돌출된 형태를 가지는 열교환기.
    

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