KR102503523B1

KR102503523B1 - 메탈폼이 구비된 열교환기

Info

Publication number: KR102503523B1
Application number: KR1020210024964A
Authority: KR
Inventors: 김창수; 김현준; 엄인섭
Original assignee: 주식회사 동화엔텍
Priority date: 2021-02-24
Filing date: 2021-02-24
Publication date: 2023-02-24
Also published as: KR20220121047A

Abstract

본 발명은 메탈폼이 구비된 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 노즐을 통하여 유입되는 유체가 균등하게 배분되어 열교환기에 유입되게 함으로써 열교환 효율이 향상되는 메탈폼이 구비된 열교환기에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 복수개의 유입구가 구비된 열교환기에 있어서, 상기 유입구는, 노즐; 상기 노즐에 연결되는 매니폴드; 및 상기 매니폴드 내부에 내삽되어 공극이 형성된 메탈폼;으로 이루어진 것을 기술적 요지로 한다.

Description

메탈폼이 구비된 열교환기 {Heat exchanger with metal foam}

본 발명은 메탈폼이 구비된 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 노즐을 통하여 유입되는 유체가 균등하게 배분되어 열교환기에 유입되게 함으로써 열교환 효율이 향상되는 메탈폼이 구비된 열교환기에 관한 것이다.

열교환기는 특정 유체의 온도를 냉각 또는 가열함으로써 상변화를 일으키기 위해 사용되는 것으로, 일반적으로는 온도가 다른 복수개의 유체를 중첩하도록 배치함으로써 열교환이 이루어지는 방식을 이용한다.

열교환기는 종래 냉난방 등의 온도 유지를 위하여 사용되는 것이 일반적이었으나, 최근에는 유체의 기화와 액화 과정을 조절하여 운반 편의성을 높이면서, 엔진의 연료로 사용되기 적합한 상(Phase)으로 변환하기 위하여 열교환기가 폭넓게 사용되고 있다.

이러한 열교환기의 배치에 따라, 열교환 효율은 엔진의 성능을 좌우하는 요소가 되어, 열교환기의 효율 향상을 위한 개발이 활발하게 이루어지고 있는 실정이다.

열교환기에 유입되는 유체는 상술한 바와 같이 기화와 액화 과정이 조절될 수 있는데, 일반적으로 사용되는 LNG와 같이 초저온상태에서만 액체인 경우가 많아 미소한 열의 유입에 의하여 기화되거나, 슬로싱(Sloshing)에 의하여 기화되는 경우가 잦으므로, 실질적으로는 액체와 기체가 혼재된 상태로 열교환기에 유입된다.

액체와 기체가 혼재된 상태로 열교환기에 유입되는 경우, 열교환기 내부에서 유체의 공급이 불균일하게 이루어지는 편중 현상이 발생되는데, 온도가 다른 유체의 접촉을 통해 열교환을 이루는 열교환기의 기본 원리를 고려하면, 공급되는 유체의 편중은 결국 열교환기의 효율을 저하시키는 원인이 되는 문제점이 있다.

KR

10-1903663

B1

KR

10-2073625

B1

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 열교환기에 유체가 유입되어 열교환시, 액체 및 기체상이 혼재된 상태인 유체가 일측에 편중되어 유입되는 것을 방지하여 열교환 효율을 높이는 메탈폼이 구비된 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 메탈폼이 구비된 열교환기는 복수개의 유입구가 구비된 열교환기에 있어서, 상기 유입구는, 노즐; 상기 노즐에 연결되는 매니폴드; 및 상기 매니폴드 내부에 내삽되어 공극이 형성된 메탈폼;으로 이루어지되, 상기 매니폴드는, 일측은 아치형 모서리를 가지되 중심에 노즐이 결합되고, 타측은 개구되는 중공형 외판부; 상기 외판부의 개방된 타측에 탈부착 가능하게 결합되는 격자형 덮개부;로 이루어지고, 상기 메탈폼은, 상부와 하부의 공극 조밀도가 차등하게 형성되며, 상기 노즐의 매니폴드측 끝단에는, 복수개의 분출홀이 형성되는 분출부와, 상기 분출부에 결합되되, 상기 노즐 내경에 삽입되는 삽입부로 이루어진 방사구;가 더 구비되는 것을 기술적 특징으로 한다.

삭제

또한, 상기 메탈폼은 공극의 조밀도에 따라 분리 형성된 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 상기 매니폴드의 내부에는 상기 메탈폼의 변형이 방지되도록 걸림쇠가 구비된 것을 기술적 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은 아래와 같은 효과를 기대할 수 있다.

열교환기로 공급되는 유체의 상에 관계없이 균등하게 배분될 수 있게 되어, 열교환 효율이 향상될 수 있다.

열교환 효율의 향상은 안정적인 연료의 공급이 가능하도록 하며, 이는 궁극적으로 엔진의 출력을 안정적으로 유지할 수 있어, 전체 장비의 효율 향상이 이루어질 수 있다.

매니폴드에 삽입될 수 있는 메탈폼은 탈착이 가능하도록 함으로써 조밀도를 세밀하게 조절할 수 있으며, 이러한 설치의 유연함은 열교환기의 설치시 변화될 수 있는 유체의 종류에 구애받지 않고 쉽게 적용될 수 있다.

메탈폼이 가진 형태상의 유연함에 의해 매니폴드의 다양한 형상에도 편중되거나 누락되는 공간이 형성되지 않도록 배치될 수 있으므로, 그 설치와 교환이 매우 용이하게 이루어질 수 있다.

특히, 이러한 설치와 교환상의 용이함은, 열교환기에 의하여 공급되는 유체가 연료로 사용되어 전체 장비의 가동 효율 여부가 결정된다는 점을 고려하면, 신속한 작업의 처리라는 경제적 효과을 얻을 수 있다.

도 1은 일반적인 열교환기의 구성도이다.
도 2는 일반적인 열교환기의 구성요소가 나타난 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 메탈폼이 구비된 열교환기의 전체 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 규성을 보여주는 측면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 구성을 보여주는 정면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 구성을 보여주는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 조밀도가 다른 메탈폼이 구비된 구성을 보여주는 측면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 방사구를 나타내는 구성도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 방사구를 나타내는 측면도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메탈폼이 구비된 열교환기를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 열교환기의 구성도, 도 2는 일반적인 열교환기의 구성요소가 나타난 구성도, 도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 메탈폼이 구비된 열교환기의 전체 구성도, 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 규성을 보여주는 측면도, 도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 구성을 보여주는 정면도, 도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 구성을 보여주는 사시도, 도 7은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 조밀도가 다른 메탈폼이 구비된 구성을 보여주는 측면도, 도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 방사구를 나타내는 구성도 및 도 9는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 방사구를 나타내는 측면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메탈폼이 구비된 열교환기는 도 3에 도시된 바와 같이 노즐(100), 매니폴드(200) 및 메탈폼(300)으로 구성된다.

먼저, 상기 노즐(100)을 살펴본다.

노즐(100)은 외부로부터 유체가 열교환기(10)의 내부로 유입되도록 연결하는 통로를 통칭하는 것일 수 있다.

노즐(100)은 일반적으로 일정한 직경을 가지는 원형의 관(管) 형태로 이루어질 수 있는데, 일단은 유체가 공급되는 탱크와 연결되고, 타단은 후술할 매니폴드(200)에 연결될 수 있다.

노즐(100)은 내부를 통과하는 유체의 상을 유지하기 위하여, 외부와의 열교환이 이루어지지 않도록 단열성능을 가지는 것으로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.

노즐(100)의 형태는 일반적인 형태를 이룰 수 있으나, 추가적으로 노즐(100)이 매니폴드(200)와 연결되는 부위에 유체의 방사 분출이 가능하도록 돔(Dome)형 방사구(400)가 더 구비될 수 있다.

상세하게는, 방사구(400)는 노즐(100)의 매니폴드(200)측 끝단에 형성되되 핀 또는 볼트로 형성된 고정부(410)에 의해 결합될 수 있다. 본 실시예에서는 방사구(400)가 볼트로 결합된 것을 예로 들어 도시하였지만, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니고, 용접 등으로 고정될 수도 있다.

방사구(400)는 유체의 방사 분출이 이루어지도록 하기 위하여 형성되는 복수개의 분출홀(431)이 형성된 돔으로 이루어진 분출부(430)와, 상기 분출부(430)에 결합되되 노즐(100) 내경에 삽입되고 상술한 고정부(410)가 관통하여 결합되는 관통홀(451)이 형성된 삽입부(450)로 이루어질 수 있다.

노즐(100)의 끝단에는 상술한 삽입부(450)가 삽입되어 안착될 수 있는 안착부(110)가 형성되되, 안착부(110)에는 삽입부(450)를 관통하는 고정부(410)가 고정결합되는 고정홀(111)이 구비될 수 있다.

이러한 구조를 바탕으로 고정되는 상태를 살펴보면, 노즐(100)의 전체 내경보다 상대적으로 확장된 형태로 이루어진 안착부(110)가 노즐(100)의 끝단에 형성될 수 있다.

방사구(400)의 삽입부(450)는 이러한 안착부(110)에 끼워맞춤 삽입되어 고정되되, 안착부(110)에 형성되어 있는 고정홀(111)과 삽입부(450)에 형성된 관통홀(451)은 정렬될 수 있다.

정렬된 결합홀에 핀이나 볼트형태인 고정부(410)가 노즐(100)의 축방향으로 관통하여 설치되고, 고정부(410)의 끝단은 고정홀(111)에 결합되어 고정될 수 있다.

이러한 구조로 인하여 방사구(400)는 노즐(100)의 끝단에 고정형성될 수 있으며, 노즐(100) 내부의 유체는 노즐(100)로부터 방사구(400)의 분출부(430)에 형성된 분출홀(431)을 통하여 방사상으로 분출될 수 있다.

이러한 방사구(400)를 통한 유체의 방사 분출은, 방사구(400)의 구비없이 노즐(100)로부터 매니폴드(200)에 유입되는 유체의 편중을 최소화할 수 있게 된다.

한편, 본 실시예에 따른 방사구(400)의 형상은 도면에 도시된 형태에 한정되는 것은 아니다. 즉, 방사구(400)는 유체가 메탈폼(300)에서 균등하게 분배되기 전에, 좁은 노즐을 통해 나온 유체를 넓은 형태의 매니폴드(200)로 1차적으로 균등한 방향으로 분배하는 역할을 하는 것이기 때문에, 공극을 가진 다양한 형태로 제작될 수 있다. 예를 들어, 판 형상으로 넓게 형성되어, 분배판 형태로 제작할 수도 있다.

다음으로, 상기 매니폴드(200)를 살펴본다.

매니폴드(200)는 노즐(100)로부터 유입되는 유체가, 복수개 형성된 열교환기(10)의 유입구로 배분되어 유입될 수 있도록 하는 역할을 할 수 있다.

매니폴드(200)는 열교환기(10)의 유입구가 형성된 영역 전체에 걸쳐서 형성될 수 있는데, 상세하게는 일측은 노즐(100)이 결합되는 아치형 모서리를 폐쇄형 외판을 가지고, 타측은 개방된 형태로 이루어져 열교환기(10)의 유입구가 형성된 영역과 밀폐공간을 형성하도록 결합되는 형태로 이루어지되, 내부는 중공형(中孔形)으로 이루어지는 외판부(210)가 형성될 수 있다.

외판부(210)의 형태는, 내부로 유입되는 유체의 경로가 급격하게 변형되지 않도록, 직육면체형보다는 모서리를 아치형으로 구성하여 최대한 유체의 경로가 급격하게 변하는 것을 방지하도록 할 수 있다.

외판부(210)의 개방된 측에는 격자형(格子形) 덮개부(230)가 형성될 수 있는데, 덮개부(230)는 외판부(210)에 탈부착이 가능하도록 구성될 수 있다.

덮개부(230)는, 후술할 메탈폼(300)이 매니폴드(200)의 외판부(210)에 형성된 내부 공간으로부터 이탈되는 것을 방지하는 역할을 하는 것으로서, 방향이 다르게 형성되는 프레임의 결합에 의하여 이루어질 수 있되, 바람직하게는 수직프레임(231)과 수평프레임(233)에 의하여 이루어질 수 있다.

덮개부(230)는 상술한 바와 같이 메탈폼(300)의 이탈을 방지하는 역할이 주요하고, 메탈폼(300)을 통과한 유체가 매니폴드(200)로부터 열교환기(10)의 유입구로 유입되는 것에 장해가 되지 않도록 강도를 유지할 수 있는 최소한의 굵기를 가지는 프레임으로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.

매니폴드(200)의 외판부(210) 내측에는 중공형인 내부 방향으로 형성된 복수개의 걸림쇠(미도시)가 구비될 수 있다.

후술할 메탈폼(300)은 그 자체로서 탄성력을 가질 수 있어, 일반적으로 그 형태를 유지할 수 있으나, 유체의 유입시 발생되는 압력에 의하여 그 형태가 변형되거나 일측으로 편재되는 문제가 발생할 수 있다.

걸림쇠(미도시)는, 일측은 고정된 강도를 가지는 외판부(210)에 부착되고, 타측은 메탈폼(300)이 일부분이 걸릴 수 있도록 고리형 형태를 가지도록 함으로써 메탈폼(300)의 형태를 최대한 유지하도록 하는 역할을 할 수 있다.

걸림쇠(미도시)는 외판부(210)의 내측면에 복수개 형성될 수 있으며, 고리의 반경은 메탈폼(300)의 공극보다 작도록 형성하여 걸림쇠(미도시)의 고리가 메탈폼(300)의 공극 사이로 삽입되어 걸림으로써 메탈폼(300)이 고정되도록 하는 것이 바람직할 수 있다.

다음으로, 상기 메탈폼(300)을 살펴본다.

메탈폼(300)은 메탈로 이루어진 폼(Foam)이라는 의미로서 금속재로 이루어지되 내부가 불규칙한 공극이 이루어지도록 형성된 것을 통칭하는 것일 수 있다.

메탈폼(300)은 유입되는 유체와 접촉시 반응이 발생되지 않으면서, 내부식성과 내구성이 구비되는 것으로 형성하는 것이 바람직할 수 있다.

메탈폼(300)의 형성은, 메탈을 가느다란 철사와 같은 형태로 구성하여 이를 불규칙하게 얽음으로써, 공극을 형성하고 공극에 의한 구조적 보상으로 인하여 전체적으로 적당한 탄성력을 가질 수 있으며, 이러한 성질에 의해 매니폴드(200)의 형상이 복잡하고 다양하게 형성된 경우에도 메탈폼(300)의 설치가 용이하도록 할 수 있다.

메탈폼(300)은 상술한 매니폴드(200)에 삽입되되, 외판부(210)의 내부 공간에 삽입되고 덮개부(230)에 의하여 그 이탈이 방지될 수 있으며, 추가적으로 외판부(210) 내부에 형성된 걸림쇠(미도시)에 걸림으로써 그 고정과 이탈 방지 및 형태의 유지가 가능할 수 있다.

덮개부(230)의 탈부착에 의하여 메탈폼(300)은 매니폴드(200)와 용이하게 설치 및 분리가 될 수 있다,

메탈폼(300)의 공극의 조밀도는 다양하게 구성할 수 있으며, 이러한 다양한 공극의 구비는 노즐(100)을 통해 유입되는 유체의 종류와 그 성질, 즉 상 또는 점성 등의 성질에 따라 적용이 용이하도록 할 수 있다.

추가적으로는, 하나의 매니폴드(200)에 삽입되는 메탈폼(300)은 그 조밀도가 상이하도록 하여 구성하는 것도 가능할 수 있다.

상술한 바와 같이, 매니폴드(200)로 유입되는 유체는 그 상이 액체 또는 기체로 혼재된 상태로 구비될 수 있는데, 그 상의 형태에 따라 공극이 다른 메탈폼(300)을 배치할 수 있다.

상세하게는, 매니폴드(200)로부터 유입되는 유체의 경우 기체인 부분은 매니폴드(200)의 상부로 유입되고, 액체인 부분은 매니폴드(200)의 하부로 유입될 가능성이 높아지므로, 이에 따라 매니폴드(200)에 설치되는 메탈폼(300)을 상부와 하부의 공극이 다르도록 배치할 수 있다.

상부는 기체가 유입되므로 매우 조밀한 공극을 가지는 메탈폼(300)으로 구성하고, 하부는 액체가 유입되므로 상대적으로 덜 조밀한 공극을 가지는 메탈폼(300)으로 구성할 수 있으며, 상부와 하부는 분리 형성될 수 있다.

분리 형성된 메탈폼(300)은 그 마모도나 부식도에 따라 개별적으로 교체할 수 있어, 해당 장비의 사용연한의 증가 및 사용자의 편의성이 극대화될 수 있다.

마지막으로, 상기 구성요소를 구비하여 열교환기(10)로 유입되는 유체의 이동경로를 살펴본다.

열교환기(10), 일례로 Plate-Fin type 열교환기(PFHE) 또는 인쇄회로기판형 열교환기(10)(PCHE)에는 복수개의 유입구가 구비될 수 있다.

복수개의 유입구에는 매니폴드(200)가 형성되되, 매니폴드(200)의 외판부(210)에는 노즐(100)이 연결될 수 있다.

외부에 형성된 탱크로부터 노즐(100)로 유체가 유입되는데, 상술한 바와 같이 외부 열의 전달 및 슬로싱에 의하여 유체는 액체와 기체가 혼재된 상태일 수 있다.

유입되는 유체는 노즐(100)의 끝안에 형성된 방사구(400)를 통과하게 되는데, 돔형 방사구(400)에 형성된 분출홀(431)을 통하여 유체가 매니폴드(200)로 최대한 배분되어 방사되어 유입될 수 있다.

매니폴드(200)로 유입된 유체는 메탈폼(300)에 의하여 유체가 일측에 편중되지 않도록 하는데, 액체는 자중에 의하여 매니폴드(200)의 하부에 주로 위치하고 기체는 매니폴드(200)의 상부에 주로 위치할 수 있다.

메탈폼(300)은 상부와 하부의 조밀도가 차등하게 형성되어 있어, 기체는 매우 조밀한 공극을 통하여 배분되게 되고, 액체는 상대적으로 덜 조밀한 공극을 통하여 최대한 균등하게 배분될 수 있다.

최대한 균등하게 배분된 유체는, 열교환기(10)의 유입구가 형성된 영역에 걸쳐서 형성된 매니폴드(200)의 개방된 측을 통하여 열교환기(10)의 내부로 유입될 수 있다.

메탈폼(300)은 외판부(210)의 내부 공간에 위치하되, 덮개부(230)에 의하여 그 이탈이 방지될 수 있으며, 외판부(210) 내부에 형성된 걸림쇠(미도시)에 의하여 이탈의 방지 및 유입되는 유체의 가압에도 불구하고 그 형태가 유지되도록 할 수 있다.

사용자는 일부 메탈폼(300)의 부식이나 마모 등이 발생한 경우에는, 매니폴드(200)의 분해 후 격자형 덮개부(230)를 제거하여 메탈폼(300)의 전부 또는 일부를 선택적으로 교체가 가능하며, 매니폴드(200)의 형상이 매우 복잡하고 다양한 경우에도 메탈폼(300)의 자체 탄성력에 의하여 누락되는 공간없이 용이하게 설치가 이루어질 수 있다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

10: 열교환기
100: 노즐
110: 안착부
111: 고정홀
200: 매니폴드
210: 외판부
230: 덮개부
231: 수직프레임
233: 수평프레임
300: 메탈폼
400: 방사구
410: 고정부
430: 분출부
431: 분출홀
450: 삽입부
451: 관통홀

Claims

복수개의 유입구가 구비된 열교환기에 있어서,
상기 유입구는,
노즐;
상기 노즐에 연결되는 매니폴드; 및
상기 매니폴드 내부에 내삽되어 공극이 형성된 메탈폼;으로 이루어지되,
상기 매니폴드는,
일측은 아치형 모서리를 가지되 중심에 노즐이 결합되고, 타측은 개구되는 중공형 외판부; 상기 외판부의 개방된 타측에 탈부착 가능하게 결합되는 격자형 덮개부;로 이루어지고,
상기 메탈폼은,
상부와 하부의 공극 조밀도가 차등하게 형성되며,
상기 노즐의 매니폴드측 끝단에는,
복수개의 분출홀이 형성되는 분출부와, 상기 분출부에 결합되되, 상기 노즐 내경에 삽입되는 삽입부로 이루어진 방사구;가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 메탈폼이 구비된 열교환기.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 메탈폼은 공극의 조밀도에 따라 분리 형성된 것을 특징으로 하는 메탈폼이 구비된 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 매니폴드의 내부에는 상기 메탈폼의 변형이 방지되도록 걸림쇠가 구비된 것을 특징으로 하는 메탈폼이 구비된 열교환기.