KR102524858B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부에 제1유체가 순환하는 외부순환유로를 형성하여 외부순환관 기능을 수행하는 케이스; 상기 케이스의 상측에 구비되며 상기 제1유체가 상기 케이스 내부로 유입되는 제1유입공; 상기 케이스의 하측에 구비되며 상기 제1유체가 상기 케이스 외로 유출되는 제1유출공; 상기 케이스의 개방된 상측을 밀폐하는 덮개; 상기 외부순환유로 내부에 설치되고 내부에 상기 제1유체와 열교환을 수행하는 제2유체가 순환하는 유로가 형성되고 상기 케이스 내부에 안착된 내부 순환관; 및 상기 케이스 내부에 위치하되 상기 덮개와 상기 내부 순환관 사이에 구비되며, 다수 개의 관통홀이 구비되고, 상기 제1유입공을 통해 유입되어 상기 내부 순환관으로 향하는 제1유체의 유속을 감소시키는 제1유공판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기에 관한 것이다.

Description

열교환기{Heat Exchanger}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 케이스 내부에서 코일을 향하는 유체의 유속을 늦추고 층류에 가깝게 유동하며 열교환을 원활하게 가이드하는 열교환기에 관한 것이다.

보일러 및 공기조화기와 같은 열기기에는 내부에서 서로 다른 유체 사이에 열교환이 발생되도록 하는 열교환기가 사용되는 것이 일반적이다. 열교환기는 온도가 서로 다른 유체가 각각 유동되는 과정에서 열전도 또는 복사 등에 의해 열은 서로 교환되지만 서로 다른 유체가 혼합되지는 않도록 구성된다.

이러한 열교환기 중 이중관 열교환기는, 외부순환관의 내부에 내부 순환관이 배치되고, 내부 순환관의 내부로 유동되는 유체와 외부순환관 및 내부 순환관 사이로 유동되는 유체 사이에 열교환이 일어나도록 한 것이다.

이중관 열교환기의 효율이 높아지기 위해서는 유체들 사이에 충분한 열교환이 일어날 수 있어야 하므로, 유체들이 이동되는 경로가 연장되도록 함으로써 열교환이 일어나는 시간이 증가되도록 할 수 있는데, 이럴 경우 열교환기의 길이가 연장되어 열기기의 체적이 증가되는 단점이 있다.

상술한 단점을 개선하기 위하여 KR 특허출원번호 제10-2012-0091644호(발명의 명칭 : 열교환기)에서는 내부에 제1유체가 순환하는 외부순환유로를 형성하여 외부순환관 기능을 수행하는 케이스 및 상기 외부순환유로 내부에 설치되고 내부에 상기 제1유체와 열교환을 수행하는 제2유체가 순환하는 유로가 형성되는 내부 순환관을 포함하며, 상기 케이스 내부에는 상기 케이스의 중앙으로부터 점차 직경이 증가하는 소용돌이 형상의 나선형으로 절곡되어 형성되어 상기 외부순환유로를 형성하는 유로형성플레이트가 설치되는 열교환기를 개시하고 있고,

KR 특허출원번호 제10-2015-0024897호(발명의 명칭 : 이중관 열교환기)에서는 제1유체가 내부로 유동되는 내부 순환관과, 내부 순환관을 감싸도록 배치되고 그 내주면 및 내부 순환관의 외주면 사이에 형성된 공간으로 제2유체가 유동되는 외부순환관과, 외부순환관과 내부 순환관 사이에 배치되고 일부분에는 내부 순환관의 외주면 및 외부순환관의 내주면 사이를 지지하는 지지부가 형성되며 그 나머지 부분에는 제2유체가 통과되는 개방부가 형성된 하나 이상의 유속조절기를 포함하는 이중관 열교환기에 대해 개시하고 있다.

그러나, 선행문헌에서 개시하고 있는 열교환기들의 경우 열교환기의 전체적인 크기를 줄인 장점은 있으나, 겨울철 열교환기에 포함된 유체가 얼어붙어 열교환기가 동파되는 문제를 해결할 수 없었다.

본 발명의 히트펌프 시스템에 포함된 열교환기가 겨울철 동파되어 막대한 손해가 발생하는 문제를 방지하고자 하는 목적이 있다.

또한, 본 발명은 유체가 층류로 이동하면서 열교환을 하도록 유도하여, 열교환 효율을 높이고자 하는 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부에 제1유체가 순환하는 외부순환유로를 형성하여 외부순환관 기능을 수행하는 케이스; 상기 케이스의 상측에 구비되며 상기 제1유체가 상기 케이스 내부로 유입되는 제1유입공; 상기 케이스의 하측에 구비되며 상기 제1유체가 상기 케이스 외로 유출되는 제1유출공; 상기 케이스의 개방된 상측을 밀폐하는 덮개; 상기 외부순환유로 내부에 설치되고 내부에 상기 제1유체와 열교환을 수행하는 제2유체가 순환하는 유로가 형성되고 상기 케이스 내부에 안착된 내부 순환관; 및 상기 케이스 내부에 위치하되 상기 덮개와 상기 내부 순환관 사이에 구비되며, 다수 개의 관통홀이 구비되고, 상기 제1유입공을 통해 유입되어 상기 내부 순환관으로 향하는 제1유체의 유속을 감소시키는 제1유공판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 내부 순환관은 중심축이 지면과 수직한 나선형으로 구비될 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 케이스에는 상기 내부 순환관의 유입구가 설치되는 제2유입공 및 상기 내부 순환관의 유출구가 설치되는 제2유출공이 형성될 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 제1유공판의 다수 개의 관통홀 중 적어도 일부분은 상기 내부 순환관의 전체 외측면과 마주보거나 상기 내부 순환관의 전체 외측면의 반경방향 외측에 구비될 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 제1유공판의 다수 개의 관통홀 중 적어도 일부분은 상기 내부 순환관의 내주면과 마주보거나 상기 내부 순환관의 내측공간과 마주보도록 구비될 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 기 케이스 내부에 위치하되 상기 내부 순환관과 상기 케이스의 바닥면 사이에 구비되며, 다수 개의 관통홀이 구비되고, 상기 내부 순환관과 열교환한 후 상기 제1유출공으로 향하는 제1유체의 유속을 감소시키는 제2유공판;을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 제2유공판의 다수 개의 관통홀 중 적어도 일부분은 상기 내부 순환관의 전체 외측면과 마주보거나 상기 내부 순환관의 전체 외측면의 반경방향 외측에 구비될 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 제3유공판의 다수 개의 관통홀 중 적어도 일부분은 상기 내부 순환관의 내주면과 마주보거나 상기 내부 순환관의 내측공간과 마주보도록 구비될 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 내부 순환관 내측에 구비되며, 상기 제1유체에 회전력을 가하는 회전 스크류;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 상기 회전 스크류는 그 회전축이 상기 케이스의 하면과 수직하게 구비되어 상기 제1유체의 적어도 일부분을 상기 내부 순환관을 향해 유동시킬 수 있다.

본 발명은 히트펌프 시스템에 포함된 열교환기가 겨울철 동파되어 막대한 손해가 발생하는 문제를 방지하는 효과가 있다.

보다 상세하게, 본 발명은 나선형 코일을 향해 유동하는 유체의 유속을 감소시키는 효과가 있다.

보다 상세하게, 본 발명은 나선형 코일을 향해 유동하는 유체의 외주부에 층류가 형성되도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 유체가 층류로 이동하면서 열교환을 하도록 유도하여, 열교환 효율을 높이는 효과가 있다.

보다 상세하게, 본 발명은 나선형 코일을 향해 유동하는 유체의 중앙부에 회전력 부여하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명인 열교환기의 분해도를 나타낸다.
도 2는 본 발명인 열교환기의 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명인 열교환기의 유체 흐름을 설명하는 참고도이다.
도 4는 내부순환관의 일 실시예를 나타낸 것으로, 상기 내부순환관의 상면이 전방을 향하도록 비스듬히 촬영된 사진이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기는 내부에 제1유체가 순환하는 외부순환유로를 형성하여 외부순환관 기능을 수행하는 원통형의 케이스(10), 상기 케이스(10)의 개방된 상측을 밀폐하는 덮개(20), 상기 외부순환유로 내부에 설치되고 내부에 상기 제1유체와 열교환을 수행하는 제2유체가 순환하는 유로가 형성되고 상기 케이스 내부에 안착된 내부 순환관(30), 상기 케이스 내부에 위치하되 상기 덮개와 상기 내부 순환관 사이에 구비되는 순환관 바디(61)와 상기 순환관 바디(61)에 구비된 다수 개의 관통홀(62)을 포함하는 제1유공판(60) 및, 상기 케이스(10)의 내부에 구비되어 상기 제1유체에 회전력을 가하는 회전 스크류(40)를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기는 상기 회전 스크류(40)의 회전축(41) 및 회전체(42)에 동력을 제공하는 모터(51)와, 상기 회전 스크류(40)의 회전축(41)을 지지하는 베어링 박스(52)를 더 포함할 수 있다.

도 2 및 3을 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 상기 케이스(10)는 케이스 바디의 상측에 구비되며 상기 제1유체가 상기 케이스 내부로 유입되는 제1유입공(11) 및, 상기 케이스 바디의 하측에 구비되며 상기 제1유체가 상기 케이스 외부로 유출되는 제1유출공(12)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 내부 순환관(30)은 중심축이 지면과 수직한 나선형으로 구비될 수 있으며, 금속 또는 합성수지로 나선형 형상으로 제작되고, 케이스(10)의 내부에 위치할 수 있다.

상기 내부 순환관(30)의 일단은 상기 케이스(10) 외주면에 구비된 제2유입공(13)에 연결되고 타단은 상기 케이스(10) 외주면에 구비된 제2유출공(14)에 연결될 수 잇으며, 상기 제2유입공(13)을 통해 유입된 제2유체는 제1유체와 열교환 후 상기 제2유출공(14)을 통해 상기 케이스(10)의 외부로 유출될 수 있다.

도시되지 않았지만, 상기 내부 순환관(30)의 유입부와 제2유입공(13) 사이 및 내부 순환관(30)의 유출부와 제2유출공(14) 사이에는 실링부재 등이 결합하여 유체가 유출되는 것을 방지할 수 있다.

그러므로 제1유체 및 제2유체는 열교환기를 통하여 유동되는 과정에서 서로 혼합되지는 않으면서 열교환이 이루어지게 된다. 여기서, 제1유체 및 제2유체는 열교환기 내를 순환하는 작동유체로서, 제1유체 및 제2유체는 서로 다른 온도를 갖고 기체 또는 액체 상태일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기는 냉각되어 결정화된 유체를 파쇄하여 제2유체의 유동성을 높이는 회전 스크류(40)를 더 포함할 수 있으며, 상기 회전 스크류는 상기 내부 순환관(30)의 내측에 위치할 수 있다.

상기 회전 스크류(40)는 상기 모터(51)와 상기 베어링 박스(52)에 연결된 회전축(41) 및, 상기 회전축(41)에 연결되어 제2유체에 회전력을 부여하는 회전체(42)를 포함할 수 있다.
상기 회전체(42)는, 원주형의 외면과, 상기 외면 및 상기 회전축 사이를 연결하도록 복수개가 구비되는 임펠러로 형성될 수 있다.

상기 스크류(43)는 제2유체를 회전시킴으로써 제2유체가 동결되는 것을 방지하여,제1유체 및 제2유체의 열교환 효율을 유의적으로 상승시킬 수 있다.

상기 제1유공판(60)은 상기 제1유입공(11)을 통해 유입되어 상기 내부 순환관(30)으로 향하는 제1유체의 유속을 감소시키는 역할을 할 수 있다.

이는 상기 제1유체의 유속이 높아 빈공간이 많은 상기 내부 순환관(30) 주변을 빠르게 통과하면 충분하게 열교환을 할 수 있는 시간을 확보하기가 어려운 문제가 발생할 수 있는 문제를 방지하기 위함이다.

상기 제1유공판(60)은 상기 케이스(10)의 내주면에 결합되는 제1유공판 바디(61)와, 상기 제1유공판 바디(61)에 구비된 다수 개의 제1유공판 관통홀(62) 및, 상기 제1유공판 바디(61)의 중심부에 구비된 제1유공판 중앙홀(63)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1유공판 중앙홀(63)은 상기 제1유체를 상기 내부순환관(30)의 중심으로 안내하며, 상기 제1유공판 관통홀(62)은 상기 제1유체를 상기 내부순환관(30)의 코일로 직접 안내하거나 외측으로 안내하도록 구비될 수 있다.

상기 다수 개의 제1유공판 관통홀(62) 중 적어도 일부분은 상기 내부 순환관의 전체 외주면과 마주보거나 상기 내부 순환관의 전체 외주면의 반경방향 외측에 구비될 수 있으며, 상기 다수 개의 제1유공판 관통홀(62) 중 다른 일부분은 상기 내부 순환관의 내주면과 마주보거나 상기 내부 순환관의 내측공간과 마주보도록 구비될 수 있다.

이에 따라, 상기 제1유공판 관통홀(62)을 통과한 제1유체는 층류 형태로 저속으로 상기 내부 순환관(30)을 향하게 되며, 상기 회전 스크류(40)에 의해 회전되면서 상기 내부 순환관(30)과 충분하게 열교환할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기는 상기 케이스(10) 내부에 위치하되 상기 내부 순환관(30)과 상기 케이스(10)의 바닥면 사이에 구비되며 상기 내부 순환관(30)과 열교환한 후 상기 제1유출공(12)으로 향하는 제1유체의 유속을 감소시키는 제2유공판(70)을 더 포함할 수 있다. 즉, 제1유공판 및 제2유공판은 중력방향으로 대향하도록 배치될 수 있다.

상기 제2유공판(70)은 상기 케이스(10)의 내주면에 결합되는 제2유공판 바디(71), 상기 제2유공판 바디(71)에 구비된 다수 개의 제2유공판 관통홀(72)을 포함할 수 있다.

상기 다수 개의 제2유공판 관통홀(72) 중 적어도 일부분은 상기 내부 순환관(30)의 전체 외주면과 마주보거나 상기 내부 순환관(30)의 전체 외주면의 반경방향 외측에 구비될 수 있으며, 상기 다수 개의 제2유공판 관통홀(72) 중 다른 일부분은 상기 내부 순환관(30)의 내주면과 마주보거나 상기 내부 순환관(30)의 내측공간과 마주보도록 구비될 수 있다.

도 4를 참조하여 상기 내부순환관(30)의 상세 구조를 설명한다.

상기 내부순환관(30) 코일이 권선되어 구성될 수 있으며, 코일은 상기 내부순환관의 중심축을 기준으로 상기 중심축의 반경 방향으로 지면과 평행하게 권선될 수 있으며, 중심축 주변에는 유로가 형성될 수 있다.

보다 상세하게 상기 중심축은 가상의 축으로 지면과 수직하게 구비되어 상기 제1유체는 상기 중심축을 따라 상하 유동하게 되며, 상기 회전 스크류는 상기 내부순환관(30) 중심에 삽입되어 제1유체를 순환시킴과 동시에 주변부 코일로 제1유체를 고르게 이동시킬 수 있다.

중심축의 반경 방향으로 지면과 평행하게 권선된 상기 코일은 상기 중심축의 길이 방향을 따라 적층되도록 형성될 수 있으며, 이는 단위 부피당 삽입될 수 있는 코일의 길이 보다 길게 하는 탁월한 효과를 가지고 있다.

본 명세서에 기재되어 있지 않은 효과라도, 본 발명은 상술한 각각의 구성들이 다른 효과를 추가적으로 가지고 있을 수 있으며, 상술한 각각의 구성들간 유기적인 결합관계에 따라 종래기술에서 볼 수 없는 새로운 효과를 도출할 수 있다.

아울러, 도면에 도시된 실시예들이 다른 형태로 변형되어 실시될 수 있으며, 본 발명의 특허청구범위에 청구된 구성을 포함하여 실시되거나 균등범위 내에서 실시되는 경우 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

케이스 10 제1유입공 11
제1유출공 12 제2유입공 13
제2유출공 14 덮개 20
나선형 내부 순환관 30 회전 스크류 40
모터 51 베어링 박스 52
제1유공판 60 제1유공판 바디 61
제2유공판 관통홀 62 제1유공판 중앙홀 73
제2유공판 70 제2유공판 바디 71
제2유공판 관통홀 72

Claims (3)

1. 내부에 제1유체가 순환하는 외부순환유로를 형성하여 외부순환관 기능을 수행하는 케이스;
   상기 케이스의 상측에 구비되며 상기 제1유체가 상기 케이스의 내부로 유입되는 제1유입공;
   상기 케이스의 하측에 구비되며 상기 제1유체가 상기 케이스의 외부로 유출되는 제1유출공;
   상기 케이스의 개방된 상측을 밀폐하는 덮개;
   상기 외부순환유로 내부에 설치되고 내부에 상기 제1유체와 열교환을 수행하는 제2유체가 순환하는 유로가 형성되고 상기 케이스 내부에 안착되며, 중심축이 지면과 수직한 나선형으로 구비되는 내부순환관;
   상기 케이스 내부에 위치하되 상기 덮개와 상기 내부순환관 사이에 구비되며, 다수 개의 관통홀이 구비되고, 상기 제1유입공을 통해 유입되어 상기 내부 순환관으로 향하는 제1유체의 유속을 감소시키는 제1유공판; 및
   상기 케이스 내부에 위치하되 상기 내부 순환관과 상기 케이스의 바닥면 사이에 구비되며, 다수 개의 관통홀이 구비되고, 상기 내부 순환관과 열교환한 후 상기 제1유출공으로 향하는 제1유체의 유속을 감소시키는 제2유공판;을 더 포함하며,
   상기 제1유공판 및 제2유공판은 중력방향으로 대향하도록 배치되며,
   상기 케이스에는 상기 내부 순환관의 유입구가 설치되는 제2유입공 및 상기 내부 순환관의 유출구가 설치되는 제2유출공이 형성되며,
   상기 제1유공판의 다수 개의 관통홀 중 적어도 일부분은 상기 내부 순환관의 전체 외측면과 마주보거나 상기 내부 순환관의 전체 외측면의 반경방향 외측에 구비되고,
   상기 제1유공판의 다수 개의 관통홀 중 적어도 일부분은 상기 내부 순환관의 내주면과 마주보거나 상기 내부 순환관의 내측공간과 마주보도록 구비되며,
   상기 제2유공판의 다수 개의 관통홀 중 적어도 일부분은 상기 내부 순환관의 전체 외측면과 마주보거나 상기 내부 순환관의 전체 외측면의 반경방향 외측에 구비되며,
   상기 내부순환관을 구성하는 코일은
   상기 내부순환관의 중심축의 반경방향 외측으로 지면과 나란하게 권선되되, 상기 중심축의 길이 방향을 따라 적층되도록 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 내부 순환관 내측에 구비되며, 상기 제1유체에 회전력을 가하는 회전 스크류;를 더 포함하며,
   상기 회전 스크류는
   그 회전축이 상기 케이스의 하면과 수직하게 구비되어 상기 제1유체의 적어도 일부분을 상기 내부 순환관을 향해 유동시키는
   것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 회전 스크류는,
   모터와 연결되어 회전하는 회전축; 및
   상기 회전축과 연결되어 제2유체에 회전력을 부여하는 회전체;
   를 포함하며,
   상기 회전체는,
   원주형의 외면과, 상기 외면 및 상기 회전축 사이를 연결하도록 복수개가 구비되는 임펠러로 형성되는
   것을 특징으로 하는 열교환기.
   

Images