KR20040050853A - 2중관식 열교환기 - Google Patents

Abstract

2중관을 구성하는 내관과 외관 이외에 내부 핀 등의 전열촉진재료를 추가하지 않고, 보다 싼 가격으로 고성능의 2중관식 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

내관과 외관으로 이루어지는 2중관식 열교환기에 있어서, 외관을 바깥쪽에서 안쪽으로 오목하게 하여 내관을 향하여 끝이 가느다란, 대략 원추형, 대략 원추사다리꼴형상, 대략 구면형상 또는, 대략 원기둥, 대략 타원기둥형상 등의 복수의 돌기부를, 내관을 둘러싸도록, 지그재그형상이나, 나선형상으로 배치한다. 이에 따라, 외관에 간단한 프레스 등의 가공을 실시하는 것만으로, 내관과 외관의 사이를 흐르는 유체의 난류화를 증가시켜, 내관 내부를 흐르는 유체로부터 내외관 사이를 흐르는 유체에의 전열을 촉진할 수가 있다.

Description

2중관식 열교환기{DOUBLE-PIPE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 급탕장치나 공기조절장치와 같이 물과 냉매의 사이에서 열교환시키는 2중관식 열교환기에 관한 것이며, 특히 고압측의 압력이 냉매의 임계압력이상이 되는 히트펌프 사이클로써, 급탕수나 난방용 브라인을 가열하는 초임계 히트펌프식 급탕장치 또는 초임계 히트펌프식 공기조절장치에 적용하는 2중관식 열교환기에 관한 것이다.

종래, 이러한 종류의 2중관식 열교환기에서는, 내관과 외관의 사이에, 보조개형상의 요철을 가진 내부 핀 등의 전열촉진체를 삽입하여, 유체의 난류를 촉진함으로써 열교환기의 전열성능을 향상시키고 있었다(예컨대 특허문헌 1 참조).

[특허문헌 1]

특개평9-145285호 공보(제2-4페이지, 도 4)

그러나, 상기 종래의 구성에 있어서, 2중관을 구성하는 내관과 외관이외에 내부 핀 등의 전열촉진재료가 필요하기 때문에, 통상의 2중관보다도 재료비용이 비싸진다고 하는 과제를 갖고 있었다.

본 발명은 이러한 종래의 과제를 해결하는 것으로, 내관과 외관 이외의 재료를 추가하지 않고, 외관에 간단한 가공을 실시하는 것만으로 전열성능을 높이는 것으로, 보다 저가격이고 고성능의 2중관식 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 2중관식 열교환기의 단면도,

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 2중관식 열교환기의 주요부 구성도,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 2중관식 열교환기의 단면도,

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 2중관식 열교환기의 주요부 구성도,

도 5는 본 발명의 더욱 다른 실시예에 의한 2중관식 열교환기의 단면도,

도 6은 본 발명의 더욱 다른 실시예에 의한 2중관식 열교환기의 주요부 구성도,

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 2중관식 열교환기의 주요부구성도,

도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 2중관식 열교환기의 주요부구성도,

도 9는 도 8에 있어서의 2중관식 열교환기의 A-A'선 단면도,

도 10은 도 8에 있어서의 2중관식 열교환기의 B-B'선 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1(1a,1b) : 내관 2 : 외관

3 : 돌기부 4 : 냉매유로

5 : 물의 유로 6 : 누설검지 홈

청구항 1에 기재된 본 발명의 2중관식 열교환기는, 내관과 외관으로 이루어지며, 상기 외관을 바깥쪽에서 안쪽으로 오목하게 함으로써 상기 외관의 안쪽에 복수의 돌기부를 형성한 것을 특징으로 한다.

청구항 2에 기재된 본 발명은, 청구항 1에 기재된 2중관식 열교환기에 있어서, 복수의 상기 돌기부를, 대략 원추형상, 대략 원추사다리꼴 형상, 대략 구면형상, 대략 원기둥형상, 또는 대략 타원기둥형상으로 한 것을 특징으로 한다.

청구항 3에 기재된 본 발명은, 청구항 1에 기재된 2중관식 열교환기에 있어서, 복수의 상기 돌기부를, 지그재그형상으로 배치한 것을 특징으로 한다.

청구항 4에 기재된 본 발명은, 청구항 1에 기재된 2중관식 열교환기에 있어서, 복수의 상기 돌기부를, 나선형상으로 배치한 것을 특징으로 한다.

청구항 5에 기재된 본 발명은, 청구항 1에 기재된 2중관식 열교환기에 있어서, 상기 내관내를 냉매의 유로로 하고, 상기 내관과 외관의 사이의 공간을 물의 유로로 한 것을 특징으로 한다.

청구항 6에 기재된 본 발명은, 청구항 5에 기재된 2중관식 열교환기에 있어서, 상기 내관을, 누설검지관으로 한 것을 특징으로 한다.

청구항 7에 기재된 본 발명은, 청구항 5에 기재된 2중관식 열교환기에 있어서, 냉매로서 탄산가스를 사용하는 것을 특징으로 한다.

청구항 8에 기재된 본 발명은, 청구항 5에 기재된 2중관식 열교환기에 있어서, 냉매의 흐름방향과 물의 흐름방향을 대향시킨 것을 특징으로 한다.

청구항 9에 기재된 본 발명은, 청구항 5 내지 청구항 8중의 어느 한 항에 기재된 2중관식 열교환기에 있어서, 상기 물의 입구쪽에 비해서 출구쪽에 배치하는 복수의 상기 돌기부의 수를 적게 한 것을 특징으로 한다.

청구항 10에 기재된 본 발명은, 청구항 5 내지 청구항 8중의 어느 한 항에 기재된 2중관식 열교환기에 있어서, 상기 물의 입구쪽에 비해서 출구쪽에 배치하는 복수의 상기 돌기부의 깊이를 얕게 한 것을 특징으로 한다.

청구항 11에 기재된 본 발명은, 청구항 5 내지 청구항 8중의 어느 한 항에 기재된 2중관식 열교환기에 있어서, 상기 물의 출구쪽에는 상기 돌기부를 배치하지 않은 것을 특징으로 한다.

[발명의 실시형태]

본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 2중관식 열교환기는, 내관과 외관 이외의 재료를 추가하지 않고, 외관을 바깥쪽에서 안쪽으로 오목하게 하여 외관의 안쪽에 복수의 돌기부를 형성한다고 하는 간단한 가공을 실시하는 것만으로, 외관의 안쪽유로를 흐르는 유체의 난류화가 증가되어, 내관내를 흐르는 유체로부터 내외관 사이를 흐르는 유체에의 전열이 촉진된다. 더구나, 예를 들면 만곡부에서도, 내관의 주위에 배치된 외관의 복수의 돌기부가 내관과의 거리를 대략 균등하게 유지하기 때문에, 전열성능의 저하를 방지할 수 있다고 하는 작용이 있다.

또한, 본 발명의 제 2 실시형태는, 제 1 실시형태에 의한 2중관식 열교환기에 있어서, 복수의 돌기부를, 대략 원추형상, 대략 원추사다리꼴형상, 대략 구면형상, 대략 원기둥형상, 또는 대략 타원기둥형상과 같이, 내관을 향한 매끄러운 돌기형상으로 함으로써, 내외관 사이를 흐르는 유체의 유동저항을 저감할 수 있고, 압손에 의한 전열성능의 저하를 보다 적게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 제 3 실시형태는, 제 1 실시형태에 의한 2중관식 열교환기에 있어서, 외관의 복수의 돌기부를, 지그재그형상으로 배치함으로써, 내외관사이의 유체의 흐름의 직진성을 방해하여, 난류화를 촉진하여, 더 한층 전열촉진을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 제 4 실시형태는, 제 1 실시형태에 의한 2중관식 열교환기에 있어서, 돌기부를, 나선형상으로 배치함으로써, 내외관 사이의 유체는 나선형상의 흐름이 되어, 유체의 유속이 증가함과 동시에 난류화가 촉진되어, 더 한층 전열촉진을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 제 5 실시형태는, 제 1 실시형태에 의한 2중관식 열교환기에 있어서, 냉매보다도 유체의 난류화증가에 의한, 열전달성능의 향상효과가 큰 물의 유로를, 복수의 돌기부를 배치한 내외관 사이의 유로로 하고, 내관내를 냉매의 유로로 함으로써, 보다 효과적인 전열촉진을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 제 6 실시형태는, 제 5 실시형태에 의한 2중관식 열교환기에 있어서, 내관을, 예컨대 누설검지 홈을 가진 누설검지관으로 함으로써, 누설검지관에의 냉매 또는 물의 누설에 의한 내관의 부식 등을 조기에 발견하는 것이 가능하여, 냉매가 물(음용수 등)에 혼입하는 것을 방지하여, 안전성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명의 제 7 실시형태는, 제 5 실시형태에 의한 2중관식 열교환기에 있어서, 냉매로서, 초임계역에서는 열전달성능이 좋아지는 탄산가스를 사용함으로써, 물의 가열효율이 향상한다.

또한, 본 발명의 제 8 실시형태는, 제 5 실시형태에 의한 2중관식 열교환기에 있어서, 냉매와 물의 흐름방향을 대향시킴으로써, 냉매로부터 물에의 열전달성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 제 9 실시형태는, 제 5에서 제 8 실시형태에 의한 2중관식 열교환기에 있어서, 물의 입구쪽에 비해서 출구쪽에 배치하는 복수의 돌기부의 수를 적게 하여, 보다 고온의 물이 흐르는, 물의 출구에 가까운 쪽의 내외관 사이의 공간을 넓게 함으로써, 고온의 물에서 석출되기 쉬운 탄산칼슘 등의 스케일에 의한 물의 유로의 막힘도 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 제 10 실시형태는, 제 5에서 제 8 실시형태에 의한 2중관식 열교환기에 있어서, 물의 입구쪽에 비해서 출구쪽에 배치하는 복수의 돌기부의 깊이를 얕게 하여, 보다 고온의 물이 흐르는, 물의 출구에 가까운 쪽의 내외관 사이의 공간을 넓게 함으로써, 고온의 물에서 석출되기 쉬운 탄산칼슘 등의 스케일에 의한 물의 유로의 막힘을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 제 11 실시형태는, 제 5에서 제 8 실시형태에 의한 2중관식 열교환기에 있어서, 물의 출구쪽에는 돌기부를 배치하지 않고, 보다 고온의 물이 흐르는, 물의 출구에 가까운 쪽의 내외관 사이의 공간을 넓게 함으로써, 고온의 물에서 석출되기 쉬운 탄산칼슘 등의 스케일에 의한 물의 유로의 막힘을 방지할 수있다.

[실시예]

이하에 본 발명의 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 1, 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 2중관식 열교환기의 단면도 및 주요부 구성도를 나타내고 있다.

본 실시예의 2중관식 열교환기는 예를 들면, 탄산가스를 냉매로 하는 급탕장치에 있어서 급탕용의 물냉매열교환기로서 사용되는 것으로, 도 1, 도 2에 나타낸 바와 같이, 내관(1)을 외관(2)내에 동심형상으로 삽입하여 구성된다. 한편, 도 2는 도 1에 있어서의 2중관식 열교환기의 A-A'단면도이다.

본 실시예에서는, 내관(1)내에는 냉매(R)가 흐르는 냉매유로(4)가 내관(1)과 외관(2)의 사이에는 물(W)이 흐르는 물의 유로(5)가 형성되고, 더욱이 냉매(R)와 물(W)의 흐름은 대향류로 한다.

외관(2)은 프레스가공 등의 가공방법에 의해서, 바깥쪽에서 안쪽으로 오목하게 함으로써, 내관(1)을 향하여 끝이 가느다란 대략 원추형의 복수의 돌기부(3)가 형성된다. 또한, 이들 복수의 돌기부(3)는 관길이방향으로 지그재그형상으로 배치된다.

내관(1)은 관길이방향에 연속한 누설검지 홈(6)을, 예를 들면 구리관 등의 열전도성이 좋은 재료에 의한 2중관(1a,1b) 사이에 형성한 누설검지관에 의해 구성된다.

외관(2)은 열전도성이 좋은 재료가 아니어도 좋지만, 내관(1)과의 출입 및출구부에서의 접합성 등을 고려하면, 내관(1)과 같은 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 외관(2)은 물에 대한 내부식성이 강한, 예를 들면 구리 등의 소재를 사용하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 구성된 2중관식 열교환기에서는, 다음과 같은 작용효과를 얻을 수 있다.

내관(1)과 외관(2)의 사이에, 내관(1)을 둘러싸도록 복수의 돌기부(3)가 지그재그형상으로 배치됨으로써, 관길이방향에의 물의 흐름의 직진이 방해되어, 사행(蛇行)하는 흐름을 형성하여, 물의 난류화가 촉진되어, 냉매유로(4)를 흐르는 냉매로부터 물의 유로(5)를 흐르는 물에의 전열이 촉진된다. 또한, 복수의 돌기부 (3)는 대략 원추형과 같이 매끄러운 돌기형상이기 때문에, 물의 유로(5)를 사행하여 흐르는 유체의 유동저항을 줄여, 압손(壓損)에 의한 전열성능의 저하를 적게 할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는, 내관(1)내부를 냉매(R), 내외관 사이 내부를 물(W)의 유로로 하였지만, 반대로 내관 내부를 물(W), 내외관 사이 내부를 냉매(R)의 유로로 하는 경우도 생각할 수 있다. 그러나, 물은 냉매보다도 유체의 난류화 증가에 의한 열전달성능향상 효과가 더욱 크기 때문에, 복수의 돌기부(3)를 배치한 내외관 사이의 유로에는, 물을 흐르게 하는 편이 보다 효과적인 전열촉진을 도모할 수 있다.

또한, 이러한 종류의 2중관식 열교환기는, 콤팩트하게 수납하기 때문에, 내관(1)을 외관(2)에 삽입한 상태로 만곡시켜, 코일형상으로 감아 가공하는 경우가있다. 이 경우, 내관(1)의 주위에 배치된 복수의 돌기부(3)가 만곡부에서도 내관 (1)과 외관(2)의 동심을 유지하여, 내관(1)과 외관(2)의 거리가 극단적으로 접하거나, 멀어지거나 하는 것에 의한 전열성능의 저하를 방지할 수 있다.

그리고 또한, 누설검지 홈(6)을 가진 누설검지관을 내관(1)에 채용함으로써, 누설검지관에의 냉매(R) 또는 물(W)의 누설에 의하여, 내관(1)의 부식 등을 조기에 발견하는 것이 가능하여, 냉매가 물(음용수 등)에 혼입하는 것을 방지하여, 안전성을 확보할 수가 있다.

그런데, 제 1 실시예에 있어서의 복수의 돌기부(3)는, 도 3, 도 4에 나타낸 바와 같이, 내관을 향하여 약간 끝이 가느다란 대략 원추사다리꼴형상(또는 타원추사다리꼴형)의 형상으로 하여도 좋고, 또한, 도 5, 도 6에 나타낸 바와 같이, 원기둥형상(또는 타원기둥)의 형상으로 하여도 좋다. 또한 이들 이외에도, 돌기부 전체가 둥그스름한 대략 구면형상으로 하여도 좋다.

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 2중관식 열교환기의 주요부 구성도를 나타내고 있다.

외관(2)의 복수의 돌기부(3)는 내관(1)의 주위를 나선형상으로 둘러싸도록 배치되어 있다. 이 때문에, 내외관 사이의 유체{물(W)}에 나선형상의 흐름이 형성되고, 유체{물(W)}의 유속의 증가나 난류화가 촉진하여, 보다 한층 전열촉진을 도모할 수 있다.

또한, 도 8, 도 9, 도 10에는 본 발명의 제 3 실시예에 의한 2중관식 열교환기를 나타내고 있다.

도 9는 도 8에 있어서의 2중관식 열교환기의 물 입구에 가까운 쪽에서의 단면(A-A')형상을 나타내고, 도 10은 도 8에 있어서의 2중관식 열교환기의 물 출구에 가까운 쪽에서의 단면(B-B')형상을 나타낸다.

본 실시예에서는, 물의 입구쪽에 비해서 출구쪽에 배치하는 복수의 돌기부 (3)의 단위길이당의 수를 적게 하고 있다. 또한, 도 9, 도 10에 나타낸 바와 같이, 물의 입구쪽에 비해서 출구쪽에 배치하는 복수의 돌기부(3)의 깊이를 얕게 하고 있다. 이에 따라, 고온의 물이 흐르는 물 출구에 가까운 쪽의 내외관 사이의 유로가 보다 넓게 확보되기 때문에, 고온의 물에서 석출하는 탄산칼슘 등의 스케일에 의한, 물의 유로의 막힘을 방지할 수 있다. 또, 내관(1)과 외관(2)의 거리가 원래 좁은 경우에는, 물 출구쪽에서의 복수의 돌기부(3)를 전혀 배치하지 않음으로써, 스케일 등에 의한 물의 유로의 막힘을 방지하는 것도 가능하다.

상기 실시예로부터 명백하듯이, 본 발명에 의하면, 내관과 외관으로 이루어지는 2중관식 열교환기에 있어서, 외관을 바깥쪽에서 안쪽으로 오목하게 하여 외관의 내면에 복수의 돌기부를 형성한다고 하는 간단한 가공을 실시함으로써, 외관의 안쪽유로를 흐르는 유체의 난류화가 증가되어, 내관내를 흐르는 유체로부터 내외관 사이를 흐르는 유체에의 전열이 촉진된다. 더구나, 예를 들면 만곡부에서도, 내관의 주위에 배치된 외관의 복수의 돌기부가 내관과의 거리를 대략 균등하게 유지하기 때문에, 전열성능의 저하를 방지할 수 있다. 따라서, 내관과 외관 이외에 내부 핀 등의 전열촉진체의 재료를 추가하지 않고, 외관에 간단한 가공을 실시하는 것만으로 전열성능이 높아지기 때문에, 보다 싼 가격으로 고성능의 2중관식 열교환기를 제공할 수가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 외관의 복수의 돌기부가 내관을 향하여 끝이 가느다란 대략 원추형, 대략 원추사다리꼴형상, 대략 구면형상, 또는 대략 원기둥형상, 대략 타원기둥형상 등과 같이 매끄러운 돌기형상을 갖기 때문에, 내외관 사이를 흐르는 유체의 유동저항을 줄이는 것이 가능해져, 압손에 의한 전열성능의 저하를 보다 적게 할 수 있어, 보다 고성능의 2중관식 열교환기를 제공할 수가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 외관의 복수의 돌기부를, 지그재그형상으로 배치함으로써, 내외관 사이의 유체의 흐름의 직진성을 방해하여, 난류화가보다 증가하기 때문에, 보다 한층 더 전열촉진을 도모할 수 있어, 보다 고성능의 2중관식 열교환기를 제공할 수가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 외관의 복수의 돌기부를, 내관의 주위를 나선형상으로 둘러싸도록 배치함으로써, 내외관 사이의 유체에 나선형상의 흐름을 형성하여, 유체의 유속이 증가함과 동시에, 난류화가 촉진되기 때문에, 더 한층 전열촉진을 도모할 수 있어, 보다 고성능의 2중관식 열교환기를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 냉매보다도 유체의 난류화증가에 의한, 열전달성능의 향상효과가 큰 물의 유로를, 복수의 돌기부를 배치한 내외관 사이의 유로로 하고, 내관 내부를 냉매의 유로로 함으로써, 보다 효과적인 열전도촉진을 도모할 수 있어, 보다 고성능의 2중관식 열교환기를 제공할 수가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 내관에 누설검지 홈을 가진 누설검지관을 채용함으로써, 누설검지관에의 냉매 또는 물의 누설에 의하여 내관의 부식 등을 조기에 발견하는 것이 가능해지기 때문에, 냉매가 물(음용수 등)에 혼입하는 것을 방지하여, 보다 안정성이 높은 2중관식 열교환기를 제공할 수가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 냉매로서 탄산가스를 사용함으로써, 초임계에서는 열전달성능이 좋아지기 때문에, 물의 가열효율을 향상시킬 수 있고, 보다 고성능의 2중관식 열교환기를 제공할 수가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 냉매와 물을 대향하여 유통시킴으로써, 냉매로부터 물에의 열전달성능을 보다 향상시킬 수 있어, 보다 고성능의 2중관식 열교환기를 제공할 수가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 물의 입구쪽에 비해서 출구쪽에 배치하는 복수의 돌기부의 수를 적게, 깊이를 얕게 하여, 더욱, 출구에 가까운 쪽에는 돌기부를 배치하지 않음으로써, 보다 고온의 물이 흐르는 물의 출구에 가까운 쪽의 내외관 사이의 공간을 넓게 확보할 수 있기 때문에, 고온의 물에서 석출되기 쉬운 탄산칼슘 등의 스케일에 의한 물의 유로의 막힘을 방지할 수 있어, 보다 신뢰성이 높은 2중관식 열교환기를 제공할 수가 있다.

Claims (11)

1. 내관과 외관으로 이루어지며, 상기 외관을 바깥쪽에서 안쪽으로 오목하게 함으로써 상기 외관의 안쪽에 복수의 돌기부를 형성한 것을 특징으로 하는 2중관식 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서, 복수의 상기 돌기부를, 대략 원추형상, 대략 원추사다리꼴 형상, 대략 구면형상, 대략 원기둥형상, 또는 대략 타원기둥형상으로 한 것을 특징으로 하는 2중관식 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서, 복수의 상기 돌기부를, 지그재그형상으로 배치한 것을 특징으로 하는 2중관식 열교환기.
4. 제 1 항에 있어서, 복수의 상기 돌기부를, 나선형상으로 배치한 것을 특징으로 하는 2중관식 열교환기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 내관내를 냉매의 유로로 하고, 상기 내관과 외관의 사이의 공간을 물의 유로로 한 것을 특징으로 하는 2중관식 열교환기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 내관을, 누설검지관으로 한 것을 특징으로 하는 2중관식 열교환기.
7. 제 5 항에 있어서, 냉매로서 탄산가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 2중관식 열교환기.
8. 제 5 항에 있어서, 냉매의 흐름방향과 물의 흐름방향을 대향시킨 것을 특징으로 하는 2중관식 열교환기.
9. 제 5 항 내지 제 8 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 물의 입구쪽에 비해서 출구쪽에 배치하는 복수의 상기 돌기부의 수를 적게 한 것을 특징으로 하는 2중관식 열교환기.
10. 제 5 항 내지 제 8 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 물의 입구쪽에 비해서 출구쪽에 배치하는 복수의 상기 돌기부의 깊이를 얕게 한 것을 특징으로 하는 2중관식 열교환기.
11. 제 5 항 내지 제 8 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 물의 출구쪽에는 상기 돌기부를 배치하지 않은 것을 특징으로 하는 2중관식 열교환기.