KR20020047267A

KR20020047267A - 개량된 열교환기

Info

Publication number: KR20020047267A
Application number: KR1020027005241A
Authority: KR
Inventors: 제프레이에스 레슨; 에릭케이 피플스; 미챌더블유 브레이케이
Original assignee: 두라막스 마린 엘엘씨
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2002-06-21
Also published as: BR0015211B1; EP1227974A2; WO2001031273A2; CN1651847A; CA2389106C; CN1450968A; US6575227B1; ZA200202797B; AU3637201A; CA2389106A1; DE60040609D1; CN1191961C; CN100418848C; WO2001031273A3; EP1227974A4; EP1227974B1; BR0015211A

Abstract

헤더(204)로 연장되는 외부관(208)의 내부벽에 형성된 오리피스(220)를 구비한 경사진 바닥벽(216)을 갖는 용골냉각기(200)로서, 오리피스(220)은 냉각제 흐름의 자연 흐름통로내에 위치한다. 오리피스(220)은 냉각제의 흐름을 제한하지 않을 정도로 충분히 크다. 애노우드 어셈블리(222)와 배수플러그(224)는 경사진 바닥벽(216)에 탑재되어 있다.

Description

개량된 열교환기{Improved Heat Exchanger}

선박등의 산업분야에서의 발열원은 물, 그밖의 유체 또는 이러한 유체와 혼합한 물로써 냉각되는 경우가 많다. 예를들면, 맹물 또는 바닷물에 사용되는 선박에 있어서, 냉각유체 또는 냉각제는 열을 붙잡는 엔진 또는 다른 발열원을 통하여 흐르고 나서, 플럼 회로 (plumbing circuit)의 또다른 부분으로 흐른다. 선박에 위치되는 물체(body of water)와 같이 열은 냉각제로 부터 주변 환경으로 전달되지 않으면 안된다. 소형보트용의 선외(船外) 모터등의 소형엔진에 대하여는, 엔진을통하여 양수(揚水)된 주위 물(ambient water)은 충분한 냉각제이다. 그러나, 보다 큰 선박동력을 요구함에 따라, 엔진을 통하여 양수된 주위 물은 계속하여 양호한 엔진냉각을 제공할 수도 있지만, 엔진에 손상을 주는 상당한 오염원으로서 작용하기도 한다. 만일 엔진을 냉각하는 데 있어 아무것도 섞이지 않은, 주위 물을 사용하였다면, 이 물은 암설(岩屑, debris)를 운반하게 되고, 특히 주위 물이 바닷물인 경우에는 엔진에 대하여 화학약품을 부식하게 된다. 그러므로, 엔진과 다른 열원을 냉각하기 위한 다양한 장치가 개발되어 왔다. 선박의 엔진을 냉각하기 위한 하나의 장치는 채널 스틸(chennel steel)이고, 이는 엔진 냉각제를 운송하여 냉각제로 부터 주위 물까지 열을 전달하는 선박의 선체 바닥에 용접되어 있는 다수개의 형강(形鋼, shaped steel)이다. 채널 스틸은 엄격한 규제를 두고 있다. 즉, 채널스틸은 요구하는 냉각효과를 얻기위하여 다수개의 스틸을 요구할때는 매우 비능률적이라는 것과, 그것을 선체에 용접하여야 하므로 고역이라는 것과, 매우 무겁기 때문에 이를 갖추는 데 충분할 정도로 엔진은 대형이어야 하고 이로인하여 초기 설비투자비용이 소요되고 작업비용이 고가라는 것과, 채널스틸을 갖추기 위한 선체상의 비교적 작은 방에만 그 냉각능력을 위한 채널스틸을 추가하여 갖추기 위하여는 오늘날의 엔진을 보다 대형이고 강력하게 할 필요성이 있다는 것과, 유료하중(payload) 능력이 감소된다는 것과, 다수의 채널스틸이 고가라는 것과, 마직막으로 이 채널스틸은 현대식 선박을 냉각하기 위한 현재 및 미래의 요구사항에 대하여 적합하지 않는다는 것이다.

채널스틸이 가장 폭넓게 사용되는 선박용의 열교환기라 하더라도, 해양산업분야에서는 이를 단념하고 있으며 상술한 규제를 해소하기 위하여 새로운 구성에 대한 소형의 용골(龍骨, keel) 냉각기를 사용하고 있다.

이 용골냉각기는 1940년대에 개발되었고 미국특허 제2,382,218호(페른스트럼)에 개시되어 있다. 이 페른스트럼 특허에는 선박용 선체에 고착되는 한쌍의 이격된 헤더와, 각각의 단면이 직사각형이고 상기 한쌍의 헤더사이에 연장되는 다수개의 열전도관으로 구성되는, 선체구조물에 부착하기 위한 열교환기를 설명하고 있다. 선체를 통한 원통형 급배수관설비장치(plumbing)는 엔진 또는 다른 열원으로 부터 연장되는 냉각제 흐름라인에 헤더를 연결하고 있다. 가열 냉각제(hot coolant)는 엔진에 남겨두고 수위(수위란 바람직하게는 포수(泡水) 아래, 즉 거품과 기포가 일어나는 수면아래의 수위를 말한다) 근처에, 선체 근처라든지 또는 선체의 하부측면중 적어도 하나의 측면상에 위치된 열교환기 헤더로 흘러간다. 그리고나서 냉각제는 각각의 직사각형의 열전도관을 통과하여 흐르고 대향하는 헤더로 진행하여 그로부터 냉각된 냉각제가 엔진으로 복귀한다. 헤더와 열전도관은 주위 물속에 배치되며, 냉각제로 부터 전달된 열은 헤더와 열전도관의 벽을 통과하여 주위 물로 진행한다. 2개의 헤더를 연결하는 직사각형의 관은 상호 매우 밀접할 정도로 이간되어 있고 비교적 소형의 크기와 형상을 유지하면서 열류(熱流) 표면적을 크게 일으킨다. 빈번하게는, 이러한 용골냉각기는 선체 바닥의 요홈에 배치되며 선박의 측면에 탑재되는 경우도 있지만 모든 경우에 있어서는 수위아래에 탑재된다.

상기한 용골냉각기는 그 주요 구성부재가 적소에 용접 또는 땜납된 일체형부재이므로, 일체형(one-piece) 용골냉각기로 칭한다. 일반적으로 일체형 용골냉각기는 그 전체로서 설치되고 해제된다.

가지각색의 일체형 용골냉각기가 있다. 때로는 용골냉각기는 헤더와 열전도관을 흐름방향으로 적어도 1번 180℃ 변화시키도록 배열하고 입출구를 동일한 헤더에 위치하는 다중통로 용골냉각기인 경우가 있다.

직사각형의 열전도관을 갖는 상기한 열교환기는 50년전에 도입된 이래 폭넓게 사용되어 왔지만, 결점을 갖고 있고, 이는 본 발명에 의하여 수정되었다.

종래의 직사각형 열교환기는 그 대향하는 단부에 헤더를 갖는, 밖으로 향하는 직사각형의 평행육면체 형상을 갖는다. 이들 헤더는 선박의 선체에 수직하고 상호 평행한 대향 말단벽(end wall)을 갖고, 열교환기를 구비한 선박이 물을 가르고 항해하기 때문에 용골냉각기에 대하여 주위 물 흐름에 대한 장벽으로서 작용한다. 열교환기 표면에 대하여 사점(死点; 주위 물 흐름이 결여된 곳)이 발생되는 것은 수직 헤더 벽때문이며, 이는 사점에서 발생하는 열전달량을 상당히 감소시킨다. 더우기, 수직벽은 관속의 냉각제와 주위 물 사이에 전달될 수가 있는 열량을 감소시키는 열전도관들 사이에서 주위 물의 흐름을 감소시킨다.

열전도관을 통하여 흐르는 냉각제로부터의 열을 효율적으로 전달하기 위한 열교환기의 능력은 그 관을 통하여 흐르는 냉각제의 체적과 팽행한 세트의 관을 가로지르는 냉각제의 분포와, 냉각제의 흐름이 난류인지 또는 층류(層流)인지에 따라 일부 의존한다. 그러므로 관마다 냉각제의 체적흐름은 열교환기를 가로질러 압력저하와 열전달효율에 영향을 미친다. 직사각형관을 구비한 본 열교환기에서, 최외부의 직사각형관의 단부 또는 연장부는 각각의 헤더의 외부벽을 형성한다. 열교환기를 통하여 흐르는 냉각제는 본 발명자에 의하여 얻어진 데이타로 부터 결정된 바와 같이 최외부의 관으로의 진입이 제한되어 있다. 오늘날에는 최외부의 관은 견고한 외부벽과 평행한 내부벽을 갖고 있다. 냉각제를 최외부의 직사각형관으로 흐르도록 하기 위하여는, 외부관의 안팎으로 냉각제를 통과시키기 위하여 각각의 외부관의 내부벽을 통하여 거의가 원형의 형상을 갖는 오리피스를 절결한다. 현재에는 용골냉각기의 각각의 헤더의 수직방향과 말단방향으로 중앙에 외부관의 입출구 오리피스를 배치하고 있다. 그러나, 상기한 용골냉각기를 통한 냉각제의 흐름을 분석하면 보다 중앙부의 관을 통하여 흐르는 관마다 냉각제 양이 많고 최외부의 관을 통하여 흐르는 관마다 냉각제 양이 훨씬 적다는 것을 보여주고 있다. 그 관들을 통하는 흐름 그래프는 관배열의 중앙부에서 유량이 감소하는 상태로 거의 벨형(bell-shape)의 형태를 보인다. 그 결과에 의하면 열전달은 최외부의 관에서 낮아서 용골냉각기에 대한 전체의 열전달도 비교적 낮으므로, 용골냉각기를 가로지르는 압력저하는 요구하는 것보다 높다는 것이다.

최외부의 직사각형관으로의 각각의 오리피스를 통하는 냉각제의 흐름은 최외부의 관에서의 열전달이 불충분함으로 인하여 비효율적임이 판명되었다. 이는 오리피스가 최적의 흐름을 위하여 요구되는 것보다 각각의 헤더의 단부쪽으로 더 높고 멀리 위치되어 있기 때문임이 판명되었다. 본 발명자에 의하여 아래에 설명하는 바와 같이 헤더의 디자인에 대한 변형물과 결합되어 오리피스의 크기를 확대하고 헤더를 통하여 흐르는 냉각제의 자연적인 유로(流路), 즉 흐름의 최적통로에 오리피스를 더 밀접하게 이동시키면, 외부관에 대한 흐름이 더 증대되고 관 모두를 통하여 흐르는 흐름이 보다 균일하게 되며, 이에 의하여 열전달을 증대시키면서 냉각기를 가로지르는 압력저하를 감소시킬 수 있었음이 발견되었다.

직사각형의 열전도관을 갖는 현재의 용골냉각기는 각각의 헤더의 저면부에 위치된 애노우드(anode)와 배수플러그(drain plug) 또는 플러그를 갖고 있어 이 장치는 헤더의 전체높이를 증대시키며 물과 지하수중의 암설로 부터 잠재적인 손상을 받게 된다. 손상의 가능성을 줄이기 위하여는, 손상에 대한 용골냉각기를 보호하는 보호판(shroud)을 설치하였다. 더우기, 애노우드와 배수플러그는 주위물 (ambient water)내로 돌출시킴으로써 배가 항력(抗力, drag)을 증대시키는 주위물을 가르며 움직임에 따라 주위물의 상대적인 흐름을 저해한다. 이하 설명하는 바와 같이 용골냉각기와 헤더의 증대된 높이를 최소화하도록 애노우드와 배수플러그를 위치시키면 상술한 문제점을 줄일수가 있다.

이하 설명하는 바와 같이, 주위 물은 각각의 열전도관을 향하여, 그리고 그 열전도관들 사이로 흐르게 되어 있으므로 경사진 헤더및, 애노우드와 배수플러그 어셈블리에 의하여 본 발명에 따른 용골냉각기의 전체 열전달효율이 증대되고, 이에 의하여 현재 사용되는 용골냉각기에서 보다 거의 높은 열전달을 보유하게 된다. 이러한 열전달의 증대는 주위물이 전방의 헤더를 통하고, 또한 냉각제 유관(流管)을 따라 그리고 그 사이에서 흐를때 난류를 증대시키는데 적어도 일부 기인한다.

선박용의 용골냉각기의 가장 중요한 양상중 하나는 냉각제 흐름중에 압력저하를 최소화 하여 그 열교환 요건을 이행하거나 초과하면서 가능한한 선박의 면적을 작게한다는 요건이다. 용골냉각기를 수용하기 위하여 사용되는 배의 선체의 면적은 해당분야에서는 풋프린트(footprint)라 칭하고 있다. 일반적으로, 용골냉각기는 최소의 풋프린트와 적어도 내부 압력저하를 갖는 것이 바람직하다. 직사각형 열전도관을 갖는 상술한 용골냉각기가 매우 대중화되고 있다는 이유중의 하나는 다른 용골냉각기와 비교하여 볼때 그것이 필요로 하는 풋프린트가 작기 때문이다. 그러나 현재 사용되는 직사각형 관을 갖는 용골냉각기의 디자인에 따른 용골냉각기는 본 발명자에 의하여 알려진 것으로서 크기 및 관려된 내부 압력저하에 의하여 양쪽다 필요한 것보다 크게 하였다. 상술한(이하에 더 상세히 설명되는) 본 발명의 여러가지 양상을 합체함으로써 풋프린트가 작고 내부 압력저하가 낮은 용골냉각기가 가능하게 된다. 이들은 본 발명의 주요한 이점이다.

현재 사용되고 있는 직사각형의 열전도관을 갖는 열교환기의 몇가지 결점은평행한 관들중에서, 특히 본 발명에 따라 개선될 수가 있는 과도한 압력저하와 열악한 열전달의 원인이 되는 용골냉각기에서의 냉각제 흐름의 불균형에 관한 것이다. 본 직사각형관 시스템에서의 열전도관을 통하여 흐르는 냉각제 흐름의 불균형한 분포는 그 시스템의 열악한 열전달의 원인으로 야기된다. 이러한 열악한 열전달에 유의하기 위하여, 시판되고 있는 현재의 용골냉각기의 설계자들은 그 시스템의 빈약한 냉각제 분포와 열악한 열전달을 해소하기 위하여 추가적인 관 표면적을 통하여 풋프린트(footprint)를 증대시킬 수도 있는 용골냉각기를 확대하거나 지나치기 크게 할 수 밖에 없었다. 이에 의하여 현재의 일체형 용골냉각기는 아래에 설명하는 발명과 비교하여 볼때 불필요할 정도로 지나치게 큰 크기를 갖고 있다.몇 경우에 있어서는, 후술하는 발명에 의하여 다중 용골냉각기를 요구하는 냉각회로에서 용골냉각기의 수는 많지 않게 된다.

또한 본 직사각형관 시스템에서의 열전도관을 통하여 흐르는 냉각제 흐름의 불균형한 분포에 의하여 그 시스템에서의 내부 압력저하가 높게된다. 이와 같은 높은 압력저하는 종래기술이 지나치게 큰 열교환기를 요구하는 또다른 이유이다. 과도하게 크기를 크게하면 빈약한 열전달효율과 과도한 압력저하를 보상할 수는 있지만, 이는 비용의 추가와 큰 풋프린트를 필요로 한다.

현 기술분야의 상태에 대하여 다중통로(대개는 2개의 통로) 용골냉각기를 특정하는 경우, 후술하는 바와 같이 본 발명에 비하여 좀더 큰 차별적인 크기가 요구된다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 같은 열교환 능력을 갖는 상응하는 열교환기보다 작은 냉각된 유체 열원용 열교환기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 현재 공지되어 사용되는 열교환기보다 효율적인 산업분야용의 개량된 열교환기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 현재 공지된 일체형 열교환기보다 열전달면에 있어서 보다 효율적인 선박용 개량된 일체형 열교환기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 부가적인 목적은 용골냉각기의 각각의 관을 통하여 흐르는 냉각제의 흐름을 거의 균등하게 하는 일체형 열교환기및 그 헤더를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 유동하는 냉각제의 압력저하를 감소시키는 개량된일체형 열교환기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 열교환기의 내측에 개선된 냉각제 흐름 분포와 용골냉각기를 통하여 향상된 주위 물 흐름에 의하여 현재의 열교환기로부터 크기가 감소되는 길이를 갖는 단면이 직사각형인 열전도관을 갖는 개량된 일체형 열교환기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 열전도관의 길이, 그 관의 갯수 및/또는 그 관의 크기를 감소시킴으로써, 비교되는 열교환능력을 갖는 현재의 일체형 열교환기로 부터 크기를 감소시킨 개량된 일체형 열교환기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 현재 시판되는 용골냉각기에 비하여 내구성이 향상된 직사각형 형상의 열전도관을 갖는 새로운 일체형 열교환기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 관련된 목적은 암설(岩屑, debris)을 보다 쉽게 빗겨나갈 수 있고 주위 물중의 암설에 대한 작은 표적을 나타내기 위한 개선된 열교환기와 그 헤더를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 상응하는 일체형 용골냉각기및 그 헤더보다 적은 양에 의하여 선체로 부터 물로 돌출하는 용골냉각기 및 그 헤더를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 현재 시판되는 상응하는 용골냉각기보다 선박상에 보다 쉽게 설치할 수 있는 개량된 일체형 용골냉각기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 열을 전달하는 그 능력을 개선하도록 열교환기를 통하여 흐르는 냉각제의 양을 증대시키기 위하여 현재 시판되고 있는 열교환기보다그를 통하여 흐르는 냉각제의 저감된 압력저하와 균일한 분포를 갖는 일체형 열교환기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 현재 사용중인 상응하는 일체형 열교환기보다 중량이 가볍고 이에 의하여 비용이 저렴한 일체형 열교환기및 헤더를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 현재 공지된 상응하는 열교환기보다 열교환기를 통하여 흐르는 냉각제에 있어서 압력저하가 낮은 직사각형 열전도관을 갖는 일체형 열교환기 및 그 헤드를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 보다 큰 열방출을 수용하기 위하여 추가적인 급배수관설비장치를 요구하거나 추가적인 공간 요건을 요구함이 없이 전체적인 열전달 성능을 능가하고 종래의 구성부재보다 낮은 압력저하를 제공하는 이전에 설치된 일체형 열교환기의 개선장치로서 사용하기 위한 일체형 열교환기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 직사각형 냉각제 유관(流管)을 갖는 개량된 일체형 열교환기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 지금까지 일체형 열교환기의 열전달 능력을 감소시키고 냉각제 유관주위와 그 사이에서 주위 물의 흐름을 감소시킨 사점(dead spot)을 감소시키는 직사각형 냉각제 유관을 갖는 일체형 열교환기용의 개량된 헤더를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 용골냉각기에 손상을 입힐수 있는 암설과 수면아래의 물체에 부딪히는 것으로 부터 헤더에 대하여 일어날 수 있는 손상을 감소시키는 것에 의한 직사각형 냉각제 유관을 갖는 일체형 열교환기용의 개량된 헤더를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 열전도관사이및 그 주위에서의 주위 물의 난류를 증대시키기 위한 개량된 헤더를 제공하는 데 있다.

본 발명의 추가적인 목적은 일체형 용골냉각기의 애노우드(anode)에 의하여 암설과 수면밑의 물체에 부딪힐 일이 없는 일체형 용골냉각기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 용골냉각기를 갖는 선박이 주위 물을 가르고 항해함에 따라 항력(抗力; drag)를 감소시키는 소형이고 유선형의 프로파일을 갖는 용골냉각기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 물과 같이 주위 냉각매체와 냉각제사이에서의 향상된 열교환을 제공하기 위한 일체형 열교환기용의 헤더를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 동등한 현재의 헤더에 비하여 열전달을 개선하기 위하여 용골냉각기의 모든 관을 통하여 흐르는 냉각제의 보다 균일한 흐름을 제공하는 일체형 열교환기용의 헤더를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일반적인 목적은 제조와 사용면에서 능률적이고 효과적인 일체형 열교환기 및 그 헤더를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적들은 다음의 설명과 첨부한 청구범위로 부터 명백하게 된다.

본 출원에 관계되는 발명은 일체형 열교환기, 즉 냉각제 유관과 일체로 된 2개의 헤더를 갖는 열교환기이다. 이는 앞서 설명한 바와 같은 선박상에 사용되는 것으로 설명 내용중 용골냉각기라고도 불리우는 열교환기에 특히 적용가능하다. 그러나, 본 발명에 의한 열교환기는 산업 및 과학 기구등과 같이 다른 상황에서 발열원(또는 가열 또는 냉각 유체)를 냉각하는 데 사용될 수도 있으므로, 열교환기 용어는 여기에 논의되는 제품에 대한 포괄적인 설명을 망라한다. 열교환기는 2개의 헤더와 헤더와 일체로 된 1개이상의 냉각제 유관을 포함한다.

본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 배(marine vessel)와 같이 냉각된 유체 열원(熱源)을 갖는 산업용 장치에서의 엔진, 기어박스 및 기타 발열원을 냉각하기 위한 열교환기에 관한 것이다. 본 발명은 더 구체적으로는 열원을 냉각하는 데 사용되는 개방식 열교환기(여기서 열전달관은 냉각 또는 가열유체를 보지하는 쉘 콘테이너(shell container)에 대한 외판에 있기보다는 주변의 냉각 또는 가열 유체에 노출되어 있음)에 관한 것으로서, 여기서 열교환기는 효과적으로 발휘되며, 공지의 다른 열교환기에 비하여 중량과 부피가 작다. 또는, 본 발명에 의한 열교환기는 히터로서 사용될 수가 있어서, 비교적 냉각된 유체는 열전달관을 통하여 열을 흡수한다.

도1은 물속에서의 선박상의 열교환기의 개략도이다.

도2는 선박상에 설치되어 엔진에 연결되는 종래기술에 의한 일체형 용골냉각기를 갖는 선박용의 엔진의 측면도이다.

도3은 종래기술에 의한 용골냉각기의 회화도이다.

도4는 종래기술에 의한 일체형 용골냉각기의 냉각제 유관의 일부와 일부절개된 헤더의 부분 회화도이다.

도5는 냉각제 유관의 일부와 헤더를 보인 상태에서의 종래기술에 의한 용골냉각기의 일부 단면도이다.

도6은 냉각제 유관의 일부와 헤더를 보인 상태에서의 본 발명에 의한 일체형 용골냉각기의 일부 측단면도이다.

도7은 본 발명에 의한 일체형 용골냉각기의 일부분으로서 일부 절개된 상태의 회화도이다.

도8은 본 발명에 의한 일체형 용골냉각기의 냉각제 유관의 일부와 헤더의 회화도이다.

도9는 도8에 도시된 장치의 일부 측면도이다.

도10은 도8에 도시된 장치의 정면도이다.

도11은 도8에 도시된 장치의 일부 저면도이다.

도12는 주위 물의 흐름라인을 도시한 상태에서의 본 발명에 의한 헤더의 일부의 측면도.

도13은 본 발명에 의한 용골냉각기의 회화도이다.

도14는 실질적으로 종래기술에 의한 용골냉각기의 일부 단면도를 도시한 것이나, 헤더와 최외부의 냉각제 유관사이의 냉각제 흐름용의 오리피스를 본 발명에 따라 구성한 상태를 도시한 도면이다.

도15는 본 발명의 양상에 따라 헤더와 최외부의 냉각제 유관사이의 냉각제 흐름용의 오리피스에 대한 몇가지 변경구조를 갖는 용골냉각기의 일부 단면도이다.

도16은 본 발명에 의한 2통로(two pass) 용골냉각기 시스템의 회화도이다.

도17은 도16에 도시된 헤더의 일부 절결도이다.

도18은 본 발명에 따라 2개의 단일 통로부를 갖는 결합된 다중 시스템의 회화도이다.

도19는 단일 통로부와 이중 통로부를 갖는 본 발명에 의한 용골냉각기의 회화도이다.

도20은 본 발명에 의한 2개의 이중 통로 시스템의 회화도이다.

바람직한 실시형태의 설명

도1에 도시된 것은 선박용의 열교환시템의 기본적인 구성부재이다. 시스템은 열원 1, 열교환기 3, 열원 1에서 열교환기 3까지 가열 냉각제를 운송하기 위한 파이프 5, 및 열교환기 3에서 열원 1까지 냉각된 냉각제를 운송하기 위한 파이프 7을 포함한다. 열원 1은 선박용의 엔진, 발전기 또는 기타 열원일 수가 있다. 열교환기 3은 일체형 용골냉각기(여기서는 일체형 용골냉각기만이 설명되므로 여기서는 일반적으로 "용골냉각기" 로만 칭하여진다)일 수가 있다. 열교환기 3은 수위아래(즉, 포수면(泡水面) 아래)의 주위 물에 위치되며, 가열 냉각제로부터의 열이 열교환기 3의 벽을 통하여 전달되어 냉각기 주위 물로 방출된다.

도2는 엔진 또는 다른 열원 13에서 흐르는 냉각제로부터 주위 물쪽으로 열을 전달하기 위한 열교환기 11가 선박상에 탑재된 것을 도시한 것이다. 냉각제는 흐름라인 14 또는 15중 하나에서 또는 엔진 13에서 용골냉각기 11로 흐르고 다른 유동파이프를 통하여 용골냉각기 11에서 엔진 13으로 귀환한다. 용골냉각기 11은 선박의 선체에 부착되어 있되 그 선체로부터 이격되어 있다.

종래기술에 의한 용골냉각기 17은 도3에 도시되어 있다. 이 용골냉각기는 내부관 25 및 2개의 외부관(이하 설명함)을 갖는 한 세트의 평행한 직사각형 열전도관 23의 대향 단부에서 한쌍의 헤더 19, 21을 포함한다. 한쌍의 노즐 27, 28은 용골냉각기 17의 안팎으로 냉각제를 안내한다. 노즐 27, 28은 원통형의 나사산 연결기 29, 30 및 노즐 단부에서의 니플(nipple) 31, 32를 갖는다. 헤더 19, 21은 거의 주상(柱狀)구조를 갖고 그 단부 34, 35는 관 23의 상부면 및 하부면이 위치되는 평행한 평면에 수직한다. 용골냉각기 17은 노즐 27, 28을 통하여 연장되는 선박의 선체에 연결된다. 크기가 큰 가스켓 36, 37 각각은 각각 헤더 19, 21에 대향하여 일측면을 갖고 타측면은 선박의 선체와 결합된다. 고무워셔 38, 39는 선박상에 용골냉각기 17을 설치할 때 선체의 내측면에 배치되고 금속워셔 40, 41은 고무워셔 38, 39 위에 얹혀진다. 전형적으로 노즐과 상화성(相和性)이 있는 금속으로 형성되는 너트 42, 43은 연결기 29, 30의 나사선 44, 45에 나사결합되어 선체에 대하여 가스켓과 고무워셔을 단단히 조여서 그 위치에서 용골냉각기 17을 보지하여 누수로 인한 선체의 관통공을 밀봉한다.

도4로 돌아가서, 종래기술에 의한 도3에 도시된 현재의 용골냉각기의 일부 단면도가 도시되어 있다. 용골냉각기 17은 일련의 평행한 열전도관 또는 냉각제 유관 23 및 헤더 또는 다기관(manifold) 19로 구성되어 있다. 노즐 27은 이하 설명하는 바와 같이 헤더 19에 연결되어 있다. 노즐 27은 니플 31을 가지며, 연결기 29는 워셔 40과 너트 42 뿐만 아니라 상술한 바와 같이 나사산 44를 갖는다. 노즐 27의 니플 31은 통상적으로 선체 안쪽으로 연장되는 연결기 29의 내측에 땜납되거나 용접되어 있다. 헤더 19는 상부벽 또는 천장(roof) 47, 외부 후면벽(back wall) 34 및 하부벽(bottom wall) 또는 바닥 48을 갖는다. 헤더 19는 관 23에 대하여 경사져 있는 일련의 핑거(finger)형 부재 52를 갖고 내부관 25의 단부 55를 수용하기 위한 공간을 규정하고 있다.

또한 용골냉각기 17과 헤더 19를 단면형태로 도시하고 있는 도5와 관련하여, 헤더 19는 핑거형 부재 52로 구성된 경사면 또는 경사벽 49를 더 포함한다. 내부관 25의 단부 55는 경사면 49를 통하여 연장되어 있다. 내부관 25는 핑거형 부재52에 땜납되거나 용접되어 연속적인 표면을 형성한다. 플랜지 56은 노즐 27을 통하여 연장되는 내측 오리피스(orifice) 57를 에워싸고 있어 헤더 19상의 수직위치에서 노즐 27의 지지역활을 하도록 제공된다. 플랜지 56은 벽 47의 아래쪽의 보강판 58과 결합한다.

상술한 설명과 다음의 설명에 있어서, "상부", "내부", "아래쪽", "단부(말단)" 등의 용어는 도5에 도시된 바와 같이 수평위치에서 바라본 열교환기, 용골냉각기 또는 헤더에 관한 것이다. 이는 수상선(水上船)에 사용되는 경우와 같이 이들 구성부재는 선박의 측면에 탑재되거나 선체의 선단부 또는 후단부 또는 다른 여러위치에서 경사져 있다는 것을 실현한 것이다.

헤더 19의 각각의 외부 측벽은 외부 직사각형 관으로 구성되어 있고, 그 측벽중 하나가 도4에서 도면부호 60으로 표시되어 있다. 외부관은 헤더 19로 연장되어 있다. 도4 및 도5는 외측관 벽 61의 양측면을 도시한 것이다. 내부벽 65의 양측면은 도4 및 도5에 도시되어 있다. 원형의 오리피스 69는 용골냉각기 17의 외측 직사각형관의 내부벽 67을 통하여 연장되어 있음이 보여지며, 외측관을 통하여 흐르는 냉각제를 헤더 19의 안팎으로 운반하기 위하여 설치되어 있다. 이 점에서, 노즐 27은 도5에서 흐름방향을 화살표 A로 표시한 가열 냉각제를 엔진으로 부터 수용하기 위한 입구 도관(inlet conduit)이지만, 또한 열원으로의 역순환을 위하여 헤더 19로 부터 냉각된 냉각제를 수용하기 위한 출구 도관(outlet conduit)일 수가 있다. 종래기술에서는 오리피스 69의 위치와 크기가 오리피스 69을 통과할 수 있는 유량을 제한한다는 것을 주목하는 것이 중요하다. 보다 구체적으로는, 지금까지의 오리피스는 매우 높고 매우 작게, 그리고 냉각제의 자연적인 유로로 부터 매우 멀리 떨어져서 설치되어 있어서, 외부 직사각형관을 통하여 흐르는 흐름이 감소되고, 관 23을 통하혀 흐르는 냉각제 흐름이 불균일하며, 냉각제가 오리피스를 통하여 흐르고 또한 최외부의 관이 최대의 열전달능력을 갖는다 하더라다도 덜 한정된 내부관을 통하여 고속으로 흐르기때문에 압력저하가 불리할 정도로 높아지게 된다.

또한 도4는 나사산이 있고 제거가능한 플러그를 수납하기 위한 배수(排水) 오리피스 71을 갖는다. 용골냉각기 17의 내용물은 오리피스 71을 통하여 제거될 수가 있다.

오리피스 57은 오리피스 69의 위치로 부터 상당히 떨어진 거리만큼 이격되어 있어서 각각의 오리피스 69를 통하는 흐름의 양이 감소되며, 이 흐름의 감소는 주로 냉각제의 자연적인 유로내에 오리피스가 없기때문이다.

이러한 문제가 50년동안 존재하였으나, 본 발명자의 발명자는 오리피스의 적절한 위치지정과 크기에 대한 중요성을 확증한 전체의 흐름 특성을 분석할 수 있었을때 뿐이었다. 더우기, 단일 통로와 다중 통로 모두에 있어서 헤더의 배열형태는 이하 설명하는 바와 같이 헤더를 통과하는 흐름에 영향을 미친다.

도3 - 도5에 도시된 종래의 헤더 19와 관련하여, 외부 후면벽 34와 바닥 48이 직각으로 형성되어 있음을 알수가 있다. 이러한 배치때문에 용골냉각기에 설계하고 작업할때 앞서 알지못하였던 많은 결점이 도출된다. 먼저, 관을 통과하는 냉각제의 흐름방향에 수직한 벽 34를 가짐으로써, 냉각제가 무질서하게 소용돌이치게되어 저항에 따른 변동 유량으로 냉각제 유관을 통하여 강하게 밀고나감에 따라 헤더 19의 내측면에 큰 압력저하가 발생한다. 이는 오리피스 69의 불충분한 위치와 크기와 결부됨으로써 흐름과, 냉각제로 부터 용골냉각기 17의 관 23을 통하여 전달된 열의 순감소를 초래한다. 벽 34의 외측에 대하여, 수직벽은 주위 물의 흐름에 대한 장애물로서 작용하고 관 23 사이와 그 주변에서 흐를수가 있는 주위 물의 양을 감소시킨다. 더우기, 수직벽 34는 주위 물중의 암설에 대한 장애물로서 작용하여 용골냉각기에 잠재적으로 손상을 입힐 수가 있는 암석의 전 충격을 흡수한다. 더우기, 직각을 이루는 벽 34와 바닥 48을 가짐으로써 용골냉각기 17에 사용되는 재료량이 증대되어 그 용골냉각기의 비용에 추가된다. 대부분의 용골냉각기는 비교적 고가재료인 90-10 구리-니켈(또는 다량의 구리를 갖는 몇가지 다른 재료)로 구성된다. 더우기, 수직벽이 주위물은 물론 바닥 48에 설치된 돌출한 애노우드 및 배수플러그(이하 설명)에 주는 저항에 의하여 중대한 항력이 발생된다. 이는 용골냉각기의 열교환관으로의 주위 물의 흐름을 제한시키고, 배의 깊이를 낮추고 기초구조물의 손상 가능성을 증대시킴은 물론 용골냉각기가 암설에 부딪히게 될 가능성을 증대시킬 수도 있는 용골냉각기의 요구하는 깊이를 증가시키며, 배가 물을 가르질러 이동함에 따라 배의 항력에 가해진다.

도3 - 도5와 관련하여, 가스켓 36, 37이 다음의 3가지 필요목적을 위하여 설치되어 있다. 가스켓은 (1) 전기화학적 부식을 방지하도록 헤더를 절연시키고, (2) 주위물이 용기로 침입하는 것을 제거하며, (3)열교환기와 배의 선체 사이의 이격거리를 둠으로써 배와 용골냉각기 관 사이의 공간내에서 열이 전달되도록 하여주위물이 그 공간을 통하여 흐르게 한다. 가스켓 36, 37은 일반적으로 폴리머 물질로 형성된다. 전형적인 상황에서는, 가스켓 36, 37은 1/4 인치 ∼ 3/4 인치의 두께를 갖는다. 용골냉각기 17은 상술한 바와 같이 배위에 설치된다. 배에서의 급배수설비장치는 호스에 의하여 니플 31과 연결기 29 및 니플 32와 연결기 30에 부착된다. 각각의 단부(미도시)에서의 방죽(cofferdam) 또는 해수함(sea chest)은 선체의 바로 내측에 노즐 27의 일부와 너트 42를 포함한다. 해수함은 용골냉각기가 심하게 손상되거나 마모되면 주위물이 침투위치에서 배로 거의 제한없이 흘러들어가게 되므로 주위물이 배로 흘러들어가는 것을 방지하기 위하여 설치된 것이다.

이제 도6 - 도11과 관련하여, 바람직한 실시형태가 도시되어 있다. 실시형태는 거의 직사각형 단면을 갖는 냉각제 유관(또는 열전달 유체 유관; 이는 일부 경우에 있어서 유체를 냉각하는 대신에 가열할 수도 있기 때문임) 202를 갖춘 용골냉각기 200을 포함한다. 헤더 204는 용골냉각기 200의 일체형 구성부재이다. 관 202는 내부 냉각제 유관 206과 외부 관 208을 포함한다. 니플 31을 갖는 노즐 27과 나사산이 있는 연결기 29는 앞서 설명한 바와 같고 헤더에 부착되어 있다. 헤더 204는 상부벽 또는 천장부 210, 상부벽 210에 가로방향의(바람직하게는 수직방향의) 말단벽 214를 갖는 경사진 밀폐된 단부 212 및 말단벽 214에서 시작하여 거의 평탄한 하부벽 217에서 종결하는 경사진 하부벽 216을 포함한다. 경사진 벽 216은 말단벽 214의 높이보다 길이(말단벽 214에서 하부벽 217까지)가 더 길어야 한다. 외부 직사각형 유관 208의 내부벽 218(도6 - 도7)은 헤더 204의 챔버 (chamber)와 외부 유관 208 사이에서 흐르는 냉각제에 대한 냉각제 유입구로서 제공되는 오리피스 220(각각의 관 208에 대한 헤더마다 1개)을 갖는다. (상기 챔버는 상부벽 210, 경사면 또는 내단부 또는 입구단부 229, 경사진 하부벽 216, 하부벽 217 및 말단벽 214에 의하여 형성된다) 또한 헤더 204는 용골냉각기의 부식을 저감하기 위한 애노우드 어셈블리 222(anode assembly; 도6에 도시함)을 갖는다.

이 애노우드 어셈블리 222는 헤더 204의 일부인 애노우드 삽입부 224에 연결되는 스틸 애노우드 플러그 223, 애노우드 장착 나사 242, 로크워셔(lockwasher) (도11) 및 통상 아연으로 형성되는 애노우드 바(anode bar) 228을 포함한다. 애노우드 삽입부, 애노우드 플러그 및 애노우드 바는 종래기술로 부터 변경하지 않했지만, 편의상 도3과 도4에서는 생략하였다. 그러나, 애노우드 어셈블리의 위치는 이하 설명하는 바와 같이 변경하였다.

구체적으로는 절결된 도7을 고려하면, 용골냉각기 200은 내부관 206과 외부관 208 및 외부관의 내부벽 218(오리피스 220을 구비)을 갖는 직사각형 관 202를 포함한다. 내부관 206의 개방된 단부 또는 입구는 도면부호 227로 도시되어 있다. 관 206은 경사진 벽 216으로 부터 헤더 204의 대향 부분의 경사면 229(도6)을 통하여 헤더 204와 결합되어 있다. 외부관 208은 외부벽 230을 갖고 그 부분은 또한 헤더 204의 측벽이기도 하다. 가스켓 36과 유사하고 그와 동일한 목적을 위한 가스켓 232는 천장부 210상에 배치된다.

본 발명의 중요한 부분은 경사진 밀폐된 단부 212이다. 경사진 하부벽 216을 갖는 경사진 밀폐된 단부 212는 용골냉각기에 많은 중요한 이점을 제공한다. 먼저, 도시된 바와 같이 경사져 있을때, 노즐 27이 출구노즐인 경우에 열전도관202로 부터 노즐 27로 또는 노즐 27이 입구노즐인 경우에 노즐 27로 부터 관 202로 냉각제의 연속적인 흐름을 향상시킨다. 노즐 27이 입구인 경우, 경사면 229와 결합하여 경사진 벽 216은 오리피스 220과 개구 227측으로의 냉각제의 흐름을 안내하는 작용을 한다. 즉, 경사진 벽 216은 노즐 27로부터 오리피스 220과 관 개구 227측으로의 냉각제의 자연적인 흐름을 안내한다. 경사진 단부 212가 입구 227을 가로질러 냉각제를 각각의 관 202에 (외부관 208의 내부벽 218의 오리피스 220을 포함하고, 또는 노즐 27이 출구노즐인 경우에는 냉각제의 방출을 위하여 관 202로 부터 노즐 27로) 보다 균일하게 분포한다는 것을 알수가 있다. 최외부의 관에서의 증대된 냉각제 흐름에 의하여 모든 관들 중에서 냉각제 흐름 분포가 개선되어, 관 202와 헤더 204를 통과하는 냉각제와 주위물 사이의 열전달이 커지고 전체 시스템을 가로지르는 압력저하가 낮아지게 된다. 예를들면, 8개의 직사각형관을 갖는 용골냉각기에서, 그 외부치수는 높이가 2½이고 폭이 ½이며 용골냉각기가 2노트 속력으로 배에 장착된 경우, 빈약한 흐름 분포를 가졌던 도3 - 도5에 도시된 바와 같은 동일 크기(즉, 관의 갯수와 길이)의 종래의 열교환기를 이용한 상응하는 열교환조건하에서의 흐름보다 약 35%까지 증가하였다. 더우기, 외부관에 의해 전달된 열은 도3 - 도5에 도시된 종래의 용골냉각기를 이용한 상응하는 조건하에서의 상응하는 열전달보다 45%까지 증가하였다. 전체 시스템의 전체 열전달은 도3 - 도5의 상응하는 구성부재보다 특별한 경우에는 약 17%까지 증가하였다. 이하 설명하는 바와 같이, 종래기술에 대한 개선은 2개의 통로 시스템에 대하여 좀더 향상될 것으로 기대된다. 또한, 후술하는 바와 같이, 보다 높은 냉각제 흐름에 대한 종래기술의결점은 본 발명에 의한 용골냉각기에 의하여 동일하게 경험되지는 않는다.

경사진 벽 216의 각도는 본 발명의 중요한 부분이다. 여기서 설명한 바와 같이, θ로 지정된 각도는 냉각제 유관 202의 종방향과 수직하고, 관 206의 일련의 개방단부 또는 입구 227에서 가장 멀리 이격된 헤더 204의 밀폐된 단부의 부분에 위치된 평면으로 부터, 즉 말단벽 214에서 경사진 벽 216까지 적절히 측정된다. 각도 θ는 말단벽 214와 경사진 하부벽 216에서 바깥쪽에 있으므로, 외부각으로서 칭해진다. 이 각도 θ는 유관 202와 천장부 210의 종축에 수직한 평면으로부터 측정되며, 말단벽 214를 따라 경사진 하부벽 216의 시작점이다. 각도 θ를 결정하기 위한 인자는 노즐 간격의 중심 대 중심거리를 측정하고, 용골냉각기의 전체 길이를 측정하고, 헤더가 애노우드 삽입을 유지할 수 있도록 헤더의 천장부보다 낮게 수직낙하를 제공하고, 열전달관의 최대길이(및 헤더의 상응하는 길이 감소)를 고려하는 것이다. 각도 θ는 오리피스 220의 크기에 영향받을 수 있지만, 일반적으로 다른 인자는 오리피스가 그것에 영향을 미치기 전에 각도 θ를 제한한다.

경사진 벽 216에 대한 또다른 중요한 양상은 관의 내측의 냉각제와 외측의 주위물 사이에서의 열전달을 증대시키기 위하여, 냉각제 유관 202의 외부벽들 사이와 그 외부벽 전면에 주위물의 흐름을 안내하는 방식이다. 도3 - 도5에 도시된 바와 같이 종래기술하에서는 배가 주위물을 가르고 지나감에 따라 수직벽 34는 주위물을 분기하므로 상당한 범위까지 주위물은 분리된 직사각형 관 27 사이 및 그 위로 지나가기 보다는주변으로 지나간다는 것을 생각할 수가 있다.

용골냉각기가 물속의 암설에 충돌될 가능성을 적게하고 배아래의 해저, 즉바닥 또는 수면밑의 물체에 충돌될 가능성을 적게하기 위하여는 필요이상으로 용골냉각기의 깊이를 증가시키지 않는 것이 바람직하다. 이 경우에 대하여, 애노우드 어셈블리 222는 경사진 벽 216에 장착되는 것이 바람직하다. 도6 및 도11에 도시된 바와 같이, 애노우드 어셈블리 222의 애노우드 바 228은 로크워셔 246을 통하여 애노우드 삽입부 224로 연장되어 있는 애노우드 나사 242에 의하여 경사진 벽 216에 부착되어 있다. 애노우드 삽입부 224는 벽 216에서 헤더 204로 연장되어 있다. 이는 애노우드 어셈블리 222가 하부벽 217로 부터 연장되었던 상태하에서 종래기술에 의한 애노우드 어셈블리의 깊이를 감소시킨 것이다.

도10 및 도11에 가장 명확하게 도시된 바와 같이, 배수플러그 244 또한 물속의 암설에 충돌하거나 바닥에 부딪히는 일이 없도록 경사진 벽 216에 위치되는 것이 바람직하다. 더 중요하게는, 경사면에 위치된 배수플러그와 애노우드는 주위 물 흐름 패턴(도12의 화살표 B)과의 간섭이 작다는 것이다. 배수플러그 244는 헤더의 일부인 배수플러그 삽입으로 연장되어 있다. 종래기술하에서는 배수플러그는 다른방식으로 하부벽 217로부터 연장되어 있었다.

용골냉각기 200의 측면도를 도시하고 있는 도12와 관련하여, 용골냉각기가 주위물을 지나서 오른쪽으로 이동하므로 화살표 B는 용골냉각기 200을 가로지른 주위물의 흐름 패턴을 표시한 것이다. 화살표 B는 물이 경사진 벽 216에 부딪쳐서 경사진 벽 주변에 흐르고, 압력저하로 인하여 경사면 229를 따라서 냉각제 유관 202 위와 그 사이에 흐른다는 것을 보인 것이다. 이 흐름은 도3 - 도5에 도시된 종래기술과 비교하여 볼때 열전도관으로 부터 열의 전달을 크게 증대시키는 난류이고, 이에 의하여 종래기술의 것보다 보다 능률적이고 효율적인 열교환기를 얻을 수가 있다. 부가적으로, 경사진 벽 216에 배수플러그 244와 애노우드 바 228을 구비함으로써 화살표 B로 도시된 주위물 흐름 패턴과의 간섭이 작게된다. 이 구성부재들에 의하여 열전달효율이 개선될 수가 있다.

본 발명에 의한 용골냉각기는 종래기술에서 행하였던 것 처럼 사용되고 평행한 냉각제 유관의 배열에 의하여 연결되는 2개의 헤더를 합체한 것이다. 본 발명에 의한 통상의 용골냉각기는 도13에 도시되어 있고, 이 도면에는 도7에 도시된 것 처럼 대향하는 헤더 204를 갖는 용골냉각기 200'을 도시하고 있다. 도시된 헤더는 도7에 도시된 것과 동일한 갯수를 갖는다. 가열된 냉각제 유체는 배의 열원에서 하나의 노즐 27로 흐르고 나서 하나의 헤더 204, 냉각제 유관 202, 다른 하나의 헤더 204, 다른 하나의 노즐 27을 통하여 흐르며, 냉각된 냉각제 유체는 배의 열원으로 역류한다. 2개의 헤더 204와 냉각제 유관 202를 통하여 흐르는 동안에, 냉각제는 주위물에 열을 전달한다. 경사진 벽 216의 모든 이점은 용골냉각기 200'에 적용된다.

상술한 바와 같이, 오리피스 220의 크기는 새로운 용골냉각기와 새로운 헤더의 중요한 부분이다. 열유량이 용골냉각기의 외부 열전도관 208로 침입하지 않도록, 또한 입구 227과 표면 229의 내부와 경사진 벽 216의 접합부 근방에서 균형잡힌 흐름을 할 수 있도록 오리피스가 충분히 큰 것이 바람직하다. 오리피스의 제작시 제조 허용오차를 위하여 오리피스 220과 그 하부모서리(도6에 도시된 바와 같이 벽 216, 벽 217 및 표면 229의 하부 부분의 내부) 사이의 거리가 약 1/8 인치로 되고, 이는 벽 218내에 오리피스 220을 드릴가공하거나 절삭함으로써 유리하게 행하진다. 외부관 208측으로의 냉각제 흐름은 벽 218의 상면부에 근접하기 보다는 그 저면부 근방에 있는 것이 중요하다. 천장부 210과 오리피스 220의 상부와의 사이의 거리는 중요하지 않다. 그래서 오리피스 220의 적당한 크기와 위치는 용골냉각기 200의 전체 시스템에서 냉각제의 압력저하를 감소시키고, 다중 관들 중에서 흐름의 균형을 잡아서, 외부관과 그 결과로서 전체의 구성부재를 통하여 열전달을 증대시킨다.

설명하는 실시형태가 경사진 용골냉각기이지만, 도3 - 도5에 도시된 바와 같은 종래의 일체형 용골냉각기에서의 최외부의 관에 대한 오리피스의 크기와 위치를 본 발명에 따라 상당히 개선할 수가 있다. 도14는 오리피스 69가 오리피스 221로 대체된 것을 제외하고는 도5에 도시된 바와 같은 용골냉각기와 최외부의 냉각제 유관을 도시한 것이다. (또한 상응하는 구성부재는 상응하는 도면부호로 표시되어 있다) 오리피스 221은 벽 67에 대하여 허용되는 면적내에서 가능한 크게 되도록 내부 냉각제 유관의 개구에 더 근접하게 이동되어 있고, 또한 더 낮은쪽으로 이동되어 있으며, 그 크기는 상당히 증가되어 있다. 재배치되어 확대된 오리피스 221에 의하여 냉각제 유체가 최외부의 냉각제 유관으로 (또는 흐름이 노즐 27 밖으로 진행되는 경우에는 그로부터) 흐르게 할 수가 있다. 이전 단락에서 설명한 바와 같이, 오리피스 221을 이용하면, 냉각제 유관들중에서 냉각제의 압력저하의 감소와 냉각제 흐름의 균형을 이룰수가 있고, 그로 인하여 용골냉각기(또는 다른 열교환기)에 대한 열전달을 증대시킬 수가 있다.

실용적인 문제로서는 헤더내에서 오리피스의 벽에 오리피스를 유지하면서 가능한한 직경이 큰 원형의 오리피스가 내부관으로도 적당한 유량을 가능하게 하면서 최외부의 관으로 원하는 냉각제 흐름을 제공함을 알수 있었다. 각도 θ가 40°로 변경되었기 때문에 일부가 프라임(') 표시로 되어 있는 것을 제외하고는 모든 구성부재에 대하여 도6 - 도12에 도시된 바와 같은 도면부호로 표기되어 있는 도15에 도시된 바와 같이 1개이상의 오리피스를 제공할 수가 있다. 여기서, 벽 21'는 벽 214보다 크고, 경사진 벽 216'은 벽 216보다 짧고, 벽 218'의 형태는 벽 218로 부터 변경되어 있다. 오리피스 220은 2개의 오리피스 220'과 220"으로 대체되어 있다. 또한, 애노우드 어셈블리 222와 배수플러그는 헤더 204'의 하부벽 217"로 이동되어 있다. 또한 헤더 204'의 변경에 따라 관 202가 이동되어 있다.

원형의 오리피스가 비교적 형성하기가 용이하므로, 오리피스는 1개이상의 원형의 오리피스로서 도시되어 있다. 그러나, 비원형의 오리피스도 발명의 범위내에있고, 벽 218의 길이를 (도 15에서 218'로 도시된 바와 같이) 분배할 수가 있다.

오리피스 220의 크기와 위치에 대한 중요성은 다른 이점도 지닌다. 지금까지는 단일 통로 용골냉각기 시스템에 대하여만 설명하였다. 외부관에 대한 오리피스의 크기와 위치에 관련된 문제는 이하 설명하는 바와 같이 다중 통로 시스템과 결합된 다중 시스템에 대하여 확대하여 볼 수도 있다. 2통로 시스템에 있어서, 입구와 출구 노즐은 1개의 헤더에 다같이 배치되어, 냉각제는 입구노즐을 경유하여 헤더로 흐른후에 제1의 헤더로 부터 제1 세트의 관을 통하여 제2의 헤더(노즐을 구비하지 않음)로 흐르고나서, 낮은 압력으로 제2 세트의 관을 통하여 뒤로 흐르고,최종적으로 출구노즐을 경유하여 헤더 밖으로 흐른다. 도16및 도17과 관련하여, 발명에 따른 2통로 용골냉각기 300이 도시되어 있다. 용골냉각기 300은 2개 세트의 냉각제 유관 302, 헤더 306 및 대향하는 헤더 308을 구비하고 있다. 헤더 306은 가스켓 314를 통하여 연장되어 있는 입구노즐 310과 출구노즐 312를 구비하고 있다. 가스켓 314는 헤더 306의 천장부 316상에 위치되어 있다. 또다른 헤더 308은 노즐을 구비하지 않고 있지만 오히려 헤더 308을 포함하는 용골냉각기의 부분을 배의 선체에 연결하기 위한 1개 또는 2개의 스타드 볼트 어셈블리(stud bolt assembly) 318, 320을 구비하고 있다. 배의 엔진 또는 발전기로부터의 가열냉각제는 화살표 C로 표시된 바와 같이 노즐 310으로 진입하며, 냉각된 냉각제는 화살표 D로 표시된 바와 같이 헤더 306으로 부터 출구노즐 312를 통하여 엔진으로 귀환된다. 오리피스 220에 상응하는 오리피스가 관 322와 관 324로 냉각제를 안내한다는 점에서 외부관 322, 324는 도7, 도8 및 도11에서의 외부관 208과 같다. 더우기, 관 326은 헤더 306에서 헤더 308로 냉각제를 전달하기 위한 격리관으로서 작용하며, 이하 설명하는 바와 같이 헤더 306의 부분으로 부터 고압하에 격리관 326의 냉각제를 수용하기 위한 오리피스(미도시)를 갖고 있다. 마찬가지로, 헤더 308로 부터 냉각제를 운반하기 위한 복귀용 격리관인 관 327도 헤더 306내에 오리피스 328을 갖는다.

공간 제한 또는 어셈블리를 고려할때, 더러는(상술한 바와 같아) 하나 또는 다른 하나의 오리피스 대신에 내부관의 단면 또는 내부벽을 제거하는 것이 필요하다. 언젠가는, 격리판이 사용되고 이 격리관대신에 표준각도의 내부관이 사용된다.

용골냉각기 300은 헤더 306에서 헤더 308로 가열냉각제를 운반하기 위한 한 세트의 냉각제 유관을 구비하며, 여기서 냉각제 흐름 방향이 헤더 308에 의해 180°회전되며, 냉각제는 일부 냉각된 냉각제를 헤더 306으로 복귀시키는 제2 세트의 관 304로 유입된다. 그래서, 고압하의 냉각제가 헤더 306에서 관 302를 통하여 헤더 308로 흐르고 나서, 냉각제는 관 304에 이어 노즐 312를 통하여 배의 엔진 또는 다른 열원으로 복귀한다. 헤더 306에서의 관 326과 327의 벽 334와 336(도17에 도시)은 견고하며 냉각제 유관 302로 진행하는 가열냉각제와 관 304로 부터 흐르는 냉각된 냉각제의 혼합을 방지하기 위한 격리부로서 작용한다. 양 방향으로 관을 통과하는 매우 균일한 유량이 있다. 모두 6개(또는 현실적으로 고려되는 수만큼)의 오리피스를 가로지르는 압력저하는 불충분한 냉각제 분로로 인하여 종래의 용골냉각기를 너무 비효율적으로 하여 실질적인 추가적인 안전계수(safty factor)없이는 작동될 수 없었기 때문에 그러한 효율적인 시스템은 종래기술하에서는 제조될 수 없었다. 즉, 2통로 시스템을 갖기 위하여는, 2통로 배열형테를 갖는 종래의 일체형 용골냉각기는 용인가능한 압력저하의 유지를 시도하면서 냉각제로 부터 요구하는 열량을 제거하도록 충분한 열교환면적을 제공하는 본 발명에 따라 요구하는 것보다 20% 까지 크다.

도16에 도시된 용골냉각기는 8개의 유관을 갖는다. 그러나, 2통로 시스템은 짝수의 관, 특히 상기 2개의 관에 대하여 적합하다. 현재에 24관수 만큼의 수를 갖는 용골냉각기가 있지만, 본 발명에 따라 관의 수를 좀더 증대할 수가 있다. 이들은 또한 2개이상의 통로를 갖는 용골냉각기일 수도 있다. 통로의 수가 짝수이면, 양쪽의 노즐은 동일한 헤더에 위치된다. 통로의 수가가 홀수이면, 각각의 헤더에 1개의 노즐만 위치된다.

본 발명의 또다른 양상은 도18에 도시된 것으로서, 지금까지 일체형 용골냉각기로는 실용적으로 가능하지 않았던 다중 시스템의 결합된 용골냉각기를 도시하고 있다. 결합된 다중시스템은 단일 배에서의 2개의 비교적 작은 엔진 또는 후부(後付)냉각기(aftercooler)와 기어박스 등의 2개이상의 열원을 냉각하는 데 사용될 수가 있다. 도18에 도시한 실시형태가 2개의 용골냉각기 시스템을 도시하고 있지만, 상황에 따라 거기에 추가될 수가 있다. 이하에 설명하는 바와 같이 본 발명에 의하여 다중시스템은 종래에서 보다 훨씬 더 효율적이다. 그래서 도18은 다중 시스템의 용골냉각기 400을 도시한 것이다. 용골냉각기 400은 외부관 404와 406을 갖는 일련의 열전도관 또는 냉각제 유관 402을 구비하며, 앞서 설명한 발명의 실시형테에서 도시한 것과 크기와 위치가 유사한 그 각각의 내부벽에 오리피스를 갖고 있다. 2개의 일통로(single pass)에 대하여, 결합된 다중시스템의 용골냉각기 400은 각각 입구노즐 412, 416 및 출구노즐 414, 418을 갖는 동일한 헤더 408과 410을 갖는다. 각각의 헤더 408과 410에서의 양쪽의 노즐은 그 흐름방향에 대하여 역으로 될 수가 있고 각각의 헤더에 대하여 하나의 노즐은 입구. 다른 하나의 노즐은 출구로 할 수가 있다. 노즐을 통과하는 냉각제 흐름 방향은 각각 화살표 E, F, G, 및 H로 표시되어 잇다. 노즐 412와 418 사이에서 냉각제를 전도하는 일련의 관 420은 외부관 404와 시작하여 격리관 422와 종결하며, 노즐 414와 416 사이에서연장되는 일련의 관 424는 외부관 406과 시작하여 격리관 426과 종결한다. 서로 인접하는 이들 관 422와 426의 벽은 견고하며 헤더 408과 410의 말단벽 사이에서 연장되어 있다. 이들 벽은 시스템 격리부를 형성하여 관 420이 사실상 하나의 용골냉각기를 형성하고 관 424가 사실상 두번째의 용골냉각기(그 각각의 헤더를 따라서)를 형성하도록 이들 벽을 가로지르는 냉각제의 흐름을 방지하는 역활을 한다. 용골냉각기 400은 초기에 설명한 바와 같이 경사진 밀폐된 단부 428, 430을 갖는다. 이 형태의 용골냉각기는 4개 보다는 2개의 헤더를 요구함으로써 절약될 수가 있기 때문에 2개의 분리된 용골냉각기 를 갖는 것보다 경제적인 면이 있다. 다중 용골냉각기는 다양한 결합구성으로 결합될 수가 있다. 도18에 도시된 바와 같이 2개이상의 일통로시스템이 있을 수가 있다.

도19에 도시된 바와 같이 1개이상의 단일통로 시스템과 1개이상의 이중통로 시스템이 있을 수가 있다. 도19에 있어서, 용골냉각기 500은 단일통로 용골냉각기부 502와 이중통로 용골냉각기부 504를 갖는다는 것이 도시되어 있다. 용골냉각기 502는 도6 - 도11을 참조하여 설명한 것과 같이 작용하며 용골냉각기 504는 도16과 도17을 참조하여 설명한 것이 같이 작용한다. 도19는 하나의 열교환기에 대한 이중통로 시스템을 도시한 것이고 거기에 추가적인 이중통로 시스템을 추가할 수가 있다.

도20은 동일 또는 상이한 열용량을 갖는 2개의 이중통로 용골냉각기부 602, 604를 구비하는 용골냉각기 600을 도시하고 있다. 이들은 각각 도16과 도17을 참조하여 설명한 것과 같이 작용한다. 결합된 다중 냉각기는 종래의 일체형 용골냉각기에서 알려지지 않은 강력한 특징이다. 특별히 격리판/관 디자인을 변경하면 관련된 압력저하를 유지하면서 열전달과 흐름 분포를 개선할 수가 있다.

상술한 용골냉각기는 헤더의 안팎으로 열전달 유체를 전달하기 위한 노즐을 보이고 있다. 그러나 헤더의 안팎으로 열전달 유체를 전달하기 위한 다른 수단이 있다. 예를들면, 플랜지를 설치한 용골냉각기에 있어서는, 열전달 유체 흐름통로를 확립하기 위하여 서로 연결하기 위한 말단 플랜지를 갖는 용골냉각기로 부터와 선체로 부터 연장되는 파이프 등의 1개이상의 도관이 있다. 통상적으로는 가스켓은 플랜지들 사이에 개재된다. 배의 냉각제 급배수관설비 장치에 용골냉각기를 연결하기 위한 다른 수단이 있을 수도 있다. 본 발명은 용골냉각기를 냉각제 급배수관설비 장치에 결합하기 위하여 사용된 연결방식과는 무관하다.

본 발명은 바람직한 실시형태를 특별히 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 해당분야의 숙련자에 의하여 발명의 정신과 범위내에서 각종의 변경 및 수정을 할 수 있다는 것을 알아야 한다.

Claims

거의 직사각형 단면을 갖고 한쌍의 최외부관과 이 최외부관사이에 위치하여 냉각제 입출구를 갖는 내부관을 포함하는 다수의 평행한 관을 갖는 열교환기용의 헤더로서,

상기 헤더가 단부, 대향하는 측부, 내부 및 입/출구 와 헤더사이에서의 냉각제의 흐름을 허용하기 위한 입/출구의 개구를 갖는 상부벽,

단부, 대향하는 측부 및 내부를 갖는 하부벽,

상기 상부벽의 단부와 하부벽의 단부를 상호연결하는 말단벽,

상기 하부벽의 내부와 상부벽의 내부사이에 연장되어 있고 상기 헤더에 적어도 1개의 내부관의 개방단부를 포함하는 경사면 및,

상기 상부벽의 측부와 상기 하부벽의 측부사이에 연장되어 있고 열교환기의 최외부관의 연장부로서 기능하며 최외부벽과 내부벽을 포함하는 측벽으로 구성되어 있고,

상기 측벽의 내부벽, 상부벽, 말단벽, 하부벽 및 경사면이 헤더쳄버를 형성하고,

상기 측벽의 내부벽 각각은 상기 헤더쳄버와 각각의 최외부관사이에서 냉각제의 흐름을 허용하기 위한 오리피스수단을 갖고, 이 오리피스수단은 상기 경사면상에 적어도 부분적으로 배치되며 또한 상기 입/출구의 개구의 아래에 적어도 부분적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 헤더.
제1항에 있어서, 상기 오리피스수단은 상기 오리피스수단의 위치에 실용상 설치될 수 있는 최대의 원형 오리피스만큼 큰 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 헤더.
제1항에 있어서, 상기 오리피스수단은 원형의 오리피스인 것을 특징으론 하는 헤더.
제1항에 있어서, 상기 오리피스수단은 다수의 오리피스인 것을 특징으로 하는 헤더.
제1항에 있어서, 상기 오리피스수단은 상기 헤더챔버의 형성시 기여하는 전체의 내부벽을 거의 덮는 것을 특징으로 하는 헤더.
제1항에 있어서, 상기 오리피스수단은 액체 흐름에 대하여 단지 최소한의 제한을 두도록 충분히 큰 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 헤더.
제1항에 있어서, 상기 상부벽은 거의 평면으로 배치되고 상기 하부벽은 상기 상부벽에 대하여 경사져있고, 상기 하부벽은 상기 경사면의 하부부분과 상기 말단벽의 하부부분의 접합부로 부터 연장되어 있으며, 상기 오리피스수단은 상기 하부벽과 상기 경사면의 접합부 위에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 헤더.
제7항에 있어서, 상기 오리피스수단은 상기 하부벽에 거의 접하는 원형의 오리피스인 것을 특징으로 하는 헤더.
제7항에 있어서, 상기 오리피스수단은 상기 헤더챔버의 상기 내부벽에 실용상 가능한 최대 크기의 크기로 되는 원형의 오리피스인 것을 특징으로 하는 헤더.
제7항에 있어서, 상기 오리피스수단은 유체 흐름에 대하여 상당한 제한을 호피하도록 충분히 큰 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 헤더.
제1항에 있어서, 평행한 관은 내부 단면적을 가지며, 상기 오리피스수단은 각각의 평행한 관의 내부 단면적의 적어도 1½배의 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 헤더.
제1항에 있어서, 상기 오리피스수단을 갖는 상기 측벽은 내부 단면적을 가지며, 상기 오리피스수단은 상기 내부 단면적의 적어도 1½배의 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 헤더.
제11항에 있어서, 상기 오리피스수단의 면적은 각각의 평행한 관의 면적의약 2배인 것을 특징으로 하는 헤더.
제7항에 있어서, 상기 경사진 하부벽상에 위치되는 애노우드 어셈블리(anode assembly)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 헤더.
제14항에 있어서, 상기 애노우드 어셈블리는 상기 하부판의 외부측면에 위치되는 애노우드 바(anode bar)를 가지며, 이 애노우드 바는 상기 말단벽을 지나 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 헤더.
제7항에 있어서, 상기 헤더는 경사진 하부벽내의 배수홀(drain hole)과 이 배수홀에 위치되는 배수플러그(drain plug)을 포함하며, 이 배수플러그는 경사진 하부벽으로 부터 바깥쪽으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 헤더.
제16항에 있어서, 상기 배수플러그는 상기 하부벽과 상기 경사면의 접합부의 아래로 연장되어 있지 않는 것을 특징으로 하는 헤더.
제1항에 있어서, 상기 입/출구의 개구는 노즐에 연결가능한 개구이며, 입/출구는 노즐인 것을 특징으로 하는 헤더.
거의 직사각형 단면을 갖는 다수의 평행한 관을 구비하는 열교환기용의 헤더로서,

상기 헤더는 단부, 대향하는 측부, 내부 및 입/출구 와 헤더사이에서의 냉각제의 흐름을 허용하기 위한 입/출구의 개구를 갖는 거의 평면상의 상부벽,

단부, 대향하는 측부 및 내부를 가지며 상기 상붑벽에 대하여 경사져 있는 하부벽,

상기 상부벽의 단부와 하부벽의 단부를 상호연결하는 말단벽,

상기 하부벽의 내부와 상부벽의 내부사이에 연장되어 있고 상기 헤더에 적어도 1개의 다수의 관에 대한 접근을 제공하며 상기 하부벽과 접합부에서 만나는 구성으로 되는 경사면,

상기 상부벽의 측부와 상기 하부면의 측부사이에 연장되어 있는 측벽 및,

상기 경사진 하부벽을 통하여 연장되어 있는 배수플러그로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 헤더.
제19항에 있어서, 상기 배수플러그는 상기 하부벽과 상기 경사면의 접합부 아래로 연장되어 있지 않는 것을 특징으로 하는 헤더.
제19항에 있어서, 상기 입/출구의 개구는 노즐에 연결가능한 개구이며, 입/출구는 노즐인 것을 특징으로 하는 헤더.
냉각제 유체로 부터 유체 히트싱크로 열을 전달하는 열원으로 부터 냉각제유체를 운반하여 냉각된 냉각제 유체를 열원으로 복귀하기 위하여 종방향으로 연장되어 있고, 서로 근접하여 적어도 한 세트의 개방단부를 갖는 내부관과, 외부관을 갖는 다수의 냉각제 유관 및,

상기 관의 상기 세트의 개방단부에서 상기 냉각제 유관에 연결되어 있는 헤더로 구성되어 있고,

이 헤더는 상기 개방단부를 통하여 상기 냉각제 유관으로 부터의 냉각제의 수용 및/또는 그 냉각제 유관으로의 냉각제의 전달을 위한 입구단부와, 상기 냉각제 유관의 종방향으로 가로지르는 상기 입구단부에 대향하는 밀폐된 단부와, 상기 외부측관의 연장부로 이루어지는 측벽를 구비하며, 이 측벽의 각각은 최외부벽과 내부벽을 포함하고, 이 내부벽은 내부벽으로 부터 연장되는 상기 외부관과 상기 헤더사이에서 냉각제의 흐름을 위한 오리피스수단을 구비하며, 이 오리피스수단은 상기 입구단부상에 적어도 부분적으로 배치되며 또한 상기 개구의 아래에 적어도 부분적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 일체형 열교환기.