KR20070035001A - 열교환기 - Google Patents

Abstract

뛰어난 내구성을 가진, 제1차 유체와 제2차 유체 간의 열을 교환하는 열교환기는 주변 스트립(strip)(6a)을 따라 용접된 두 개의 반쪽 쉘(half-shall)(6)에 의해 각각 형성되고, 사실상 평평한 형태이며 미리 정해진 폭(L)이고, 파일(pile) 내의 인접한 케이싱(casing)들 사이에서 확보되는 빈 공간(3)을 형성하도록 파일(2a) 내에 배열되는 다수개의 케이싱(2), 상기 케이싱들(2)은 상기 빈 공간(3) 으로 개방된 각각의 개구부들(holes)(7)을 통하여 서로 유체를 교환하도록 연결된 다수개의 케이싱(2), 및 상기 빈 공간(3)으로 개방된 각각의 개구부들(7) 주변의 상기 인접한 케이싱들과 상단부에서 일체화된 적어도 하나의 상기 빈 공간(3) 내의 실질적으로 슬리브(sleeve) 형태의 스페이서(spacer)(8)를 포함한다.

열교환기

Description

열교환기 {HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열교환기의 가장 일반적인 관점에서, 제1차 및 제2차 유체 사이의 열을 교환하는 열교환기에 관한 것이다.

특히, 그러나 배타적이지 않게, 본 발명은, 파일(a pile) 내 인접한 케이싱(casing) 사이에 확보된 빈 공간(an air space)을 갖는 사실상 평평한 형태이고 미리 정해진 폭이며, 파일 내에 배열되고, 상기 빈 공간 속으로 개방된 각각의 개구부들(holes)을 통하여 서로 유체를 교환하도록 연결된 각 케이싱이 주변 스트립(strip)을 따라 용접된 두 개의 반쪽 쉘(half-shells)로부터 형성되는 다수개의 케이싱을 포함하는 형태의, 가압된 유체 간의 열을 교환하는 열교환기에 관한 것이다.

다수개의 케이싱 또는 평평한 튜브를 포함하는 형태의 두 유체 간의 열을 교환하는 열교환기가 알려져 있다.

각각의 케이싱은 인접한 케이싱들이 콜렉터를 통하여 결합된 대응되는 위치에서 각각의 개구부들이 개방된 두 개의 반쪽 쉘로부터 형성된다.

그러한 배열에서, 인접한 케이싱의 각 쌍은 유체의 첫 번째 흐름이 운반되는 빈 공간을 한정하는 반면, 유체의 두 번째 흐름은 다른 온도에서 다수개의 케이싱 을 교차한다.

이러한 방식으로, 그러한 흐름은 각각 캐비티(cavities) 내부 및 상기 케이싱 내부에 배열된 주름 잡힌 판, 즉 터뷸레이터(turbulators)를 사용하여 흐름 운동을 상당한 난류로 만들어 일반적으로 더 효과적으로 되는 열 교환을 실행한다.

전술한 인접 케이싱들 간의 결합 콜렉터는, 선행 기술에 따르면 반쪽 쉘과 연결하는 여러 개의 튜브이고 소성 변형을 통하여 상기 케이싱 위로 개방된 개구부에서 예견되는 각각의 원뿔형 테두리 둘레로 힘을 받는다.

이렇게 구현된 열교환기는, 비록 유리한 점이 있더라도, 열교환기가 갖는 낮은 기계적 저항력에 의해 나타나는 주된 결점을 포함하여 결점들이 있고 그것이 특히 고압에서 유체 흐름 간에 열교환이 있는 경우 열교환기의 사용에 손상을 준다.

이러한 낮은 기계적 저항력은 소성 변형이 적합한 밀봉을 보증하지 않는 인접한 케이싱들 간의 결합과 유체 간의 효과적인 열교환을 위하여 작은 두께로 구현되어야만 하는 반쪽 쉘 양쪽 모두에 중요하다.

이로부터 당연한 결과로 이렇게 구현된 열교환기는 적어도 한 유체가 고압인 유체 흐름 간의 열교환의 경우에 사용될 수 없거나 어느 경우에는 산업적 관심이 거의 없다; 여기서 고압이란 10 내지 13 bar 보다 큰 값을 의미한다.

본 발명의 기초를 형성하는 기술적 과제는 주변 스트립(strip)(6a)을 따라 용접된 두 개의 반쪽 쉘(half-shall)에 의해 각각 형성되고, 사실상 평평한 형태이며 미리 정해진 폭이고, 파일(pile) 내의 인접한 케이싱(casing)들 사이에서 확보되는 빈 공간을 형성하도록 파일 내에 배열되는 다수개의 케이싱, 전술한 케이싱들은 전술한 빈 공간으로 개방된 각각의 개구부들(holes)을 통하여 서로 유체를 교환하도록 연결된 다수개의 케이싱을 포함하는 형태로 되었으며, 전술한 결점을 극복하기 위하여, 바꾸어 말하면 뛰어난 내구성 및 기계적 저항력을 보장하기 위하여 구조적 및 기능적인 특성을 갖는, 제1차 유체와 제2차 유체 간의 열을 교환하는 열교환기를 고안하는 것이다.

상기 과제는 본 발명에 따라 상기 빈 공간 내에서 실질적으로 슬리브 형태로서 상단부에 인접하고 상기 빈 공간으로 개방된 각각의 개구부들 둘레에 상기 인접한 케이싱과 일체화된 적어도 하나의 스페이서(spacer)를 포함하는, 위에서 고려된 형태의 열교환기에 의하여 해결된다.

유리하게는, 상기 열교환기는 반쪽 쉘을 고정시키기 위하여 상기 빈 공간으로 확장한, 전술한 적어도 하나의 스페이서와 연결된 돌출 부분(irregularities)을 포함한다.

바람직하게는, 전술한 돌출 부분은 상기 적어도 한 개의 스페이서로부터 가급적 방사상으로 확장한 방사형 스포크(radial spokes)이다.

유리하게는, 전술한 방사형 스포크는 사실상 동일한 각도로 이격(angularly spaced) 된다.

다시 바람직하게는, 전술한 방사형 스포크는 스페이서와 일체화되고, 보다 바람직하게는 방사형 스포크 및 스페이서가 돌출된 윤곽(an extruded profile)의 한 부품이다.

유리하게는, 전술한 돌출된 윤곽은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 및 유사한 금속 재료를 포함하는 그룹에서 선택된 금속 재료로 제작된다.

본 발명에 따른 열교환기의 특징 및 또 다른 장점은, 목적을 제한하지 않고 예시하기 위해 첨부된 도면을 참조하여, 이후의 기재 내용으로 더욱 명확하게 될 것이다.

도면 중에서:

도 1은 직선 I-I을 따라 만들어진, 본 발명에 따른 열교환기의 개략적인 정단면도(a schematic front section view)를 나타내고;

도 2는 화살표 II에 따라, 도 1의 열교환기의 평면도(a plan view)를 나타내고;

도 3은 도 1의 열교환기의 세부 확대도(an enlarged view)를 나타내고;

도 4는 도 3의 직선 IV-IV을 따라 만들어진 도 1의 열교환기의 세부 단면도를 나타내고;

도 5는 도 1의 열교환기 일부의 투시, 분해도(a perspective, exploded view)를 나타내고;

도 6은 본 발명의 변형된 실시태양에 따른 열교환기의 도 5의 일부를 나타내고;

도 7은 본 발명의 추가적인 변형된 다른 실시태양에 의한 도 5의 일부의 상세도를 나타내고;

도 8은 본 발명의 추가적인 변형된 실시태양에 따른 도 4의 상세도를 나타낸다.

전술한 도면을 참고하면, 본 발명에 따라 구현된, 예를 들어 기름인 제 1차 유체와 예를 들어 공기인 제2차 유체 사이의 열 교환을 위한 열교환기는 1로 전체적이고 개략적으로 표현된다.

상기 열교환기(1)는 파일(2a) 내에 미리 정해진 거리를 둔 관계에서, 케이싱 사이에 확보된 각 캐비티(3)와 관련된 사실상 평평한 형태의 다수개의 케이싱(2)을 필수적으로 포함한다.

미리 정해진 폭(L)의 케이싱(2)은, 첫 번째 플레이트(4)와 예를 들어 전술한 유체들 중 제1차 유체의 통로용 조인트(5a)가 제공된 두 번째 플레이트(5) 사이에 알려진 바와 같이 꺽쇠로 고정된다.

실시예에서, 상기 기술된 교환기는 1"(1 inch)의 조인트(5a)가 있다.

각 케이싱(2)은 대응하는 위치에 각각의 개구부들(7)을 갖추고, 주변 스트립 (6a)을 따라 용접된 두 개의 반쪽 쉘(6)로 형성된다.

전술한 주변 스트립(6a)이 직각으로 굽혀진 트림(a trim)(6c)을 포함하는 외부 테두리(6b)를 갖는다는 점과, 반쪽 쉘(6)이 0.1 및 0.4 사이, 바람직하게는 0.3mm인 얇은 두께의 알루미늄 시트(aluminium sheet)로 구현되는 것임을 유념해야만 한다.

파일(2a) 내에 배열된 이러한 각각의 개구부들(7)은 전술한 케이싱들(2)을 서로 유체를 교환하도록 연결이 되게 한다.

이러한 케이싱(2)에서 모두 알려진 방식 그대로, 전술한 제1차 유체의 흐름이 흐르도록 만드는 반면, 제2차 유체는 전술한 캐비티(3)에서 흐르도록 만든다.

본 발명의 첫 번째 특성에 따르면, 상기 열교환기(1)는 각각의 상기 캐비티(3) 내에, 상단부에 인접하고 반쪽 쉘(6)의 각각의 개구부들(7) 둘레의 상기 인접한 케이싱들과 일체화되고, 인접한 케이싱들 사이에 불가침의 기계적 연결을 구현하는, 실질적으로 슬리브 형태의 스페이서(8)를 포함한다.

예를 들면 브레이징 또는 용접에 의하여, 케이싱(2)과 일체화된 이러한 스페이서(8)는, 각각의 개구부들(7)에서 케이싱(2) 내부와 통하는 상기 제1차 유체용 통로 콜렉터를 정의한다.

본 발명의 두 번째 특성에 따르면, 상기 열교환기(1)는 반쪽 쉘(6)의 고정 요소를 구성하고 각 빈 공간(3) 내로 확장하는 각각의 스페이서(8)와 연결된 돌출 부분(9)을 포함한다.

도 4 및 도 5의 실시예를 자세히 참조하여, 어떻게 돌출 부분이 상기 스페이서(8)의 외부를 향하여 방사형태로 돌출하고 스페이서(8) 위에 사실상 동일한 각도로 이격된 방사형 스포크(9) 형태인지 유념해야 한다.

유리하게 그리고 본 발명의 또 다른 특성에 따라서, 실시예에서 (9a)로 표시된 일곱 개의 스포크와 동일한 개수와 같이, 상기 스페이서(8) 외부로 확장하는 미리 정해진 개수의 이러한 방사형 스포크(9)는 전술한 주변 스트립(6a)에까지 확장한다.

특히, 이러한 미리 정해진 수의 방사형 스포크(9a)는 전술한 직각으로 굽혀진 트림(6c)까지 확장하고, 트림에 접한다.

또 한편 유리하게, 동일한 스페이서(8)의 남은 방사형 스포크(9), 실시예에서 9b로 표시된 세 개의 스포크는 기준면 및 전체적으로 (11)로 표시되고, 각 캐비티(3) 내에 배열되고 당업자에 의해 "터뷸레이터(turbulator)"로 불리는, 주름이 잡힌 판을 위한 서포트을 구성하는 T로 표시된 횡단면에 따라 잘려진다.

이에 관해서, 또한 두 번째의 주름이 잡힌 판 즉 터뷸레이터(11a)가 각 케이싱(2) 내부에 배열된다는 것이다.

전술한 주름이 잡힌 판(11, 11a)은, 주름이 잡힌 판에 의하여 열을 교환하는 유체 흐름의 난류를 증가시킴으로써, 상기 열교환기(1)의 열교환의 효과를 증가하는데 목적이 있다.

바람직하게는, 전술한 방사형 스포크(9)는 그것들이 돌출되어 나오는 스페이서(8)와 일체형으로 만들어지고, 보다 바람직하게는 방사형 스포크 및 스페이서는 알루미늄, 구리, 알루미늄 합금, 구리 합금 및 유사한 금속 재료를 포함한 그룹에서 선택된 금속 재료로 제작된 돌출된 윤곽을 한 하나의 부품이다.

스페이서(8)의 두께(s) 및 방사형 스포크(9)의 두께는 2 및 4mm 사이의 값, 바람직하게는 3.5mm의 값을 가진다.

또한 바람직하게는, 각 반쪽 쉘(6)의 전술한 각각의 개구부들(7)이 상기 스페이서(8)의 배열을 위하여, 반쪽 쉘(6)에서 빈 공간(3) 방향으로 돌출하는 중심의 테두리(a centring edge)(12)를 갖추 것이 예견된다.

본 발명의 상기 열교환기의 중요한 장점은 열교환기의 뛰어난 내구성에 있다.

정말로, 용접되고 케이싱의 상단부에서 일체화된 스페이서로 인해, 특히 강한 구조가 케이싱 자체의 파일에 주어진다.

이러한 방식으로, 밀봉(seal)을 형성하고 강력한 응력(stress)에 버틸 수 있는, 침범할 수 없는 기계적인 결합이 인접 케이싱들 사이에서 구현된다.

특히, 선행기술에 따를 때 가장 폭발하기 쉬운 열교환기의 일부분들이, 본 발명에 따른 열교환기에서, 케이싱과 일체화된 스페이서를 통하여 및 각 반쪽 쉘을 견고히하는 요소를 구성하는 각 스페이서로부터 돌출된 방사형 스포크를 통하여 강화된다.

이러한 방식으로, 본 발명에 따른 열교환기는 특히 가압된 유체 흐름 사이의 열 교환에 대해, 또한 35 bar 이상에 이르는 압력에 대해 적합하다.

더욱이, 상기 교환기의 기계적인 저항은, 상기 캐비티 내에 배열된 각각의 주름이 잡힌 판을 지탱하는 요소를 구성하는, 스페이서의 방사형 스포크에 의해 향상된다.

이러한 방식으로, 주름 잡힌 판은 캐비티를 지나는 유체 흐름의 난류에서의 뛰어난 증가 및 특히 이러한 흐름이 고압에서 최적의 열교환을 허용하는 최적의 위치에서 방사형 스포크에 의해 안정적으로 고정된다.

바꾸어 말하면, 위에 기술된 특별한 구조 때문에 이러한 유체 각각의 흐름 둘 다 고압일 때에 특히 그리고 최대로, 본 발명에 의한 열교환기는 케이싱 내에 운반되는 제1차 유체와 캐비티로 운반되는 제2차 유체 사이에 열교환이 이루어지도록 한다.

본 발명에 따른 열교환기의 이러한 뛰어난 내구성은 효과적인 열교환에 요구되는 대로 낮은 두께로 구현된 반쪽 쉘을 통하여 상기 교환기의 소형 구조를 유지하는 동시에, 유리하게 이루어진다.

본 발명에 따른 상기 열교환기에 의해 이루어지는 추가적인 이점은, 선행 기술에 의해 지금까지 제공된 것보다 뛰어난 밀봉을 보증하는 상기 기계적인 결합 때문에, 상기 유체가 열교환시 겪는 최소한 또는 무시해도 좋을 정도의 압력 강하에 있다.

더욱이, 유리하게는 직각으로 굽혀진 주변 스트립의 트림까지 확장한 상기 방사형 스포크는, 본 발에 의한 열교환기에 뜻하지 않은 충격에도 견디는 효과적인 기계적 저항력을 제공하여 그러한 충격에서 비롯될 수 있는 우그러짐 및 유사한 원하지 않는 손상으로부터 또 우발적인 충격에 대해 상기 열교환기를 보호한다.

이제, 도 6의 실시예를 자세히 참조하여, 본 발명의 변형된 실시태양이, 선행 실시태양과 동일한 구조 및 작동을 가진 세부 사항 및 협력 부품들이 동일한 참고 번호 및 기호로 나타나도록 기재된다.

이러한 변형된 실시태양에서, 상기 열교환기는 실질적으로 슬리브 형태이며, 인접한 케이싱(2)의 상단부에서 일체화된 스페이서(8) 내부를 향해 돌출한 방사형 스포크(90)를 포함하는 스페이서(8)를 포함한다.

상기 스페이서의 내부를 향해 돌출한 전술된 방사형 스포크(90)는 각각의 개 구부들(7)의 중심에 위치한 테두리(12)를 둘러싸도록 방사형 스포크의 자유단(free end)에서 잘려진다.

다시 도 6의 실시예를 참조하여, 상기 스페이서(8)는 곡선모양의 윤곽을 갖는 굽힌 첫 번째 부분(80a) 및 터뷸레이터(11)에 대한 기준면(reference plane)을 포함한 직각형태의 윤곽을 갖는 두 번째 부분(80b)을 포함하는 것을 유념해야만 한다.

이러한 변형된 실시태양에서, 유리하게, 상기 케이싱을 지나는 유체로 인해 내부에서부터 상기 스페이서에 작용하는 압력은 상기 캐비티를 지나는 유체로 인해 상기 스페이서에서 외부로부터 작용하는 압력에 의해 완전히 상쇄되는 것을 유념해야만 한다.

도7의 실시예에서 본 발명에 따른 상기 열교환기의 추가적으로 변형된 실시태양이 제시된다.

이러한 변형된 실시태양에서 상기 열교환기는 각각 90a로 표시되고 상기 스페이서의 내부를 향해 돌출한 방사형 스포크 및 90b로 표시된 상기 스페이서의 외부를 향해 돌출한 방사형 스포크가 갖추어진 실질적으로 슬리브 형태인 스페이서(8)를 포함한다.

상기 스페이서(8) 외부를 향해 확장한 전술한 방사형 스포크(90b)는 상기 스페이서 내부를 향해 확장한 상기 방사형 스포크(90a)의 연장선에 있는 것으로 보일 수 있다.

도 8의 실시예를 참조하여 나타낸 추가적인 변형된 실시태양에 따르면, 케이 싱(6)의 반쪽 쉘(6)로 개방된 개구부(7)가 장방형인(oblong)인 것을 유념하는 것이 중요하다.

횡단선으로 확장한 개구부는 열교환기 자체의 반쪽 쉘에 순환하는 유체의 높은 유속을 견딜 것이 예측되므로 열교환기가 커다란 폭인 경우에 특히 유리하다.

당업자는 불확정적이고 특정한 요구조건을 만족시키기 위하여 위에서 기재된 열교환기의 네 가지 변형된 실시태양 각각에 대하여 수많은 변형을 가할 수 있으며, 어떤 경우라도 이러한 변경 모두는 뒤에 열거된 청구항에 의하여 정의된 바와 같이 본 발명의 보호 범위에 포함된다.

Claims (18)

1. 주변 스트립(strip)(6a)을 따라 용접된 두 개의 반쪽 쉘(half-shall)(6)에 의해 각각 형성되고, 사실상 평평한 형태이며 미리 정해진 폭(L)이고, 파일(pile) 내의 인접한 케이싱(casing)들 사이에서 확보되는 빈 공간(3)을 형성하도록 파일(2a) 내에 배열되는 다수개의 케이싱(2), 상기 케이싱들(2)은 상기 빈 공간(3) 으로 개방된 각각의 개구부들(holes)(7)을 통하여 서로 유체를 교환하도록 연결된 다수개의 케이싱(2)을 포함하는 형태로 된, 제1차 유체와 제2차 유체 간의 열을 교환하는 열교환기에 있어서, 상기 열교환기가 상기 빈 공간(3)으로 개방된 각각의 개구부들(7) 주변의 상기 인접한 케이싱들(2)과 상단부에서 일체화된 적어도 하나의 실질적으로 슬리브(sleeve) 형태의 스페이서(spacer)(8)를 상기 빈공간 내에서 포함하는 것임을 특징으로 하는 열교환기.
2. 제1항에 따른 열교환기에 있어서, 상기 열교환기가 적어도 하나의 스페이서(8)와 연결된 돌출 부분(irregularities)(9)을 포함하고, 상기 돌출 부분(9)은 반쪽 쉘(6)을 견고하게 하기 위해 상기 빈 공간(3) 내에 확장되는 것임을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제2항에 따른 열교환기에 있어서, 상기 돌출 부분(9)이 상기 적어도 하나의 스페이서(8)로부터 방사상으로 확장한 방사형 스포크(9a, 9b, 90, 90a, 90b)인 것 임을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제3항에 따른 열교환기에 있어서, 상기 방사형 스포크(9a, 9b, 90b)가 외부로 확장한 것임을 특징으로 하는 열교환기.
5. 제3항에 따른 열교환기에 있어서, 상기 방사형 스포크(90, 90a)가 내부로 확장한 것임을 특징으로 하는 열교환기.
6. 제3항에 따른 열교환기에 있어서, 상기 방사형 스포크가 외부로 확장한 방사형 스포크(90b) 및 내부로 확장한 방사형 스포크(90a)인 것임을 특징으로 하는 열교환기.
7. 제6항에 따른 열교환기에 있어서, 외부로 확장한 상기 방사형 스포크(90b)가 내부로 확장한 상기 방사형 스포크(90a)의 연장선에 있는 것임을 특징으로 하는 열교환기.
8. 제4항 또는 제6항에 따른 열교환기에 있어서, 상기 적어도 한 개의 스페이서(8)의 외부를 향하는 확장한 미리 정해진 수의 상기 방사형 스포크(9a)가 적어도 상기 주변 스트립(6a)까지 확장한 것임을 특징으로 하는 열교환기.
9. 제8항에 따른 열교환기에 있어서, 각각의 반쪽 쉘(6)이 상기 주변 스트립(6a)의 외부 테두리(6b)에서 직각으로 굽은 트림(a trim)(6c)을 포함하고, 외부로 확장한 상기 미리 정해진 수의 방사형 스포크(9a)가 상기 트림(6c)까지 확장하는 것임을 특징으로 하는 열교환기.
10. 제2항에 따른 열교환기에 있어서, 상기 돌출 부분(9)이 상기 적어도 한 개의 스페이서(8)와 일체화된 것임을 특징으로 하는 열교환기.
11. 제2항 내지 제10항의 어느 한 항에 따른 열교환기에 있어서, 상기 적어도 한 개의 스페이서(8) 및 상기 돌출 부분(9)이 하나의 돌출된 윤곽 모양의 것임을 특징으로 하는 열교환기.
12. 제11항에 따른 열교환기에 있어서, 상기 돌출된 윤곽 모양의 것이 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금 및 유사한 금속 재료의 그룹에서 선택된 금속 재료로 제작되는 것임을 특징으로 하는 열교환기.
13. 제3항에 따른 열교환기에 있어서, 상기 방사형 스포크(9a, 9b, 90, 90a, 90b)는 사실상 동일한 각도로 이격된 것임을 특징으로 하는 열교환기.
14. 제3항에 따른 열교환기에 있어서, 미리 정해진 수의 상기 방사형 스포크(9b) 가 상기 빈 공간(3)에 배열된 주름 잡힌 판(11)에 대해 기준 및 지지 면을 구성하는 평면(T)에 의해 잘려진 것임을 특징으로 하는 열교환기
15. 이전 청구항들 중 어느 한 항에 따른 열교환기에 있어서, 상기 빈 공간(3)으로 개방된 상기 각각의 개구부들(7) 중 적어도 하나가 상기 적어도 하나의 스페이서(8)에 대한 중심의 테두리(a centring edge)(12)를 갖춘 것임을 특징으로 하는 열교환기.
16. 이전 청구항들 중 어느 한 항에 따른 열교환기에 있어서, 상기 각각의 개구부들(7)이 미리 정해진 방향으로 장방형인 것임을 특징으로 하는 열교환기.
17. 제16항에 따른 열교환기에 있어서, 상기 각각의 개구부들(7)이 상기 케이싱(2)의 폭(L) 방향으로 장방형인 것임을 특징으로 하는 열교환기.
18. 이전 청구항들 중 어느 한 항에 따른 열교환기는, 상기 적어도 스페이서(8)가 2mm와 4mm 사이의, 바람직하게는 3.5mm의 미리 정해진 두께를 가지는 것임을 특징으로 하는 열교환기.

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