KR20070094792A - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 개의 분리된 매체 사이의 열전달을 위한 열교환기에 대한 것으로, 상기 열교환기는 냉각될 매체를 위한 입구(1)와 출구(2)를 갖는 케이싱 튜브(8)와 내부 튜브(3)를 가지며, 상기 내부 튜브(3)는 케이싱 튜브(8)의 내부에 배치되고, 입구(1)를 향하는 측부 상에서 폐쇄되고, 출구(2)를 향하는 측부 상에서 냉각재 입구(5)와 연결되며, 냉각재 출구를 갖는다. 이러한 냉각재 출구는 내부 튜브(3)의 출구(2)를 향하는 측부로 이어지고 나선형 라인(7)으로 연결되며, 나선형 라인(7)은 출구를 향하는 측부에서 입구(1) 쪽으로 내부 튜브(3) 둘레에 감겨지며 연장되어 결국 냉각재 유출구(10)로 이어진다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 두 개의 분리된 매체 사이의 열전달을 위한 열교환기에 대한 것이다.

열교환기는 두 개의 매체 사이의 열전달을 제공하기 위한 기술에서 흔히 이용된다. 처리되는 매체는 이러한 방식으로 열교환기를 이용하여 데워지거나 냉각된다.

열교환기를 이용하는 한 분야는 뜨거운 가스를 냉각하는 것이다. 예컨대, 내연 엔진 분야에서, 1000℃ 이상의 온도의 배기 가스가 연소실에서 배기된다. 어떤 경우에는, 뜨거운 가스를 50℃ 이하의 온도로 냉각하는 것이 바람직하다. 열교환기는 이러한 경우에 일반적으로 이용된다. 공간의 제한, 또는 다른 이유로 가능한 한 짧은 경로에 걸쳐 열교환을 제공해야 할 필요가 있는 특정한 경우에는, 더 작거나 더 짧게 설계된 열교환기가 바람직하다.

예컨대 약 30cm의 도입 길이에 걸쳐 1000℃ 이상의 입구 온도로부터 80℃미만의, 바람직하게는 50℃미만의 출구 온도로 뜨거운 가스를 냉각하는 경우와 같이 극단적으로 짧은 거리에 걸쳐 높은 온도 구배를 초래하기에 특히 적합한 열교환기는 종래 기술로부터는 알려져 있지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은, 컴팩트한 설계로써 높은 열전달 효율을 얻을 수 있는 열교환기를 개시하는 데 있다.

상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 열교환기로 달성된다. 더욱 유리한 열교환기의 실시예가 청구항 2 내지 청구항 7에 개시된다. 청구항 8은 본 발명에 따른 열교환기의 바람직한 용도를 개시하지만, 단지 하나의 가능한 용도를 구성하는 것은 아니다.

본 발명에 따른 열교환기는, 케이싱 튜브(casing tube) 내부에 배치되며 어느 한 측이 폐쇄된 내부 튜브를 특징으로 한다. 내부 튜브의 폐쇄 단부는 케이싱 튜브의 입구측에 배치되고, 예컨대 냉각될 뜨거운 가스 또는 뜨거운 매체가 내부 튜브 내로 유동한다. 냉각재는 먼저 내부 튜브 내로 유도되어, 폐쇄 단부측과 튜브 벽 양자를 지나가는 냉각될 매체를 냉각한다. 그 후 냉각 매체는 내부 튜브로부터 내부 튜브 둘레에 감겨진 나선형 라인으로 전해지고, 열교환기를 떠나기 전에 나선형 라인에서 추가적인 냉각을 또한 유도한다.

이는 우선 냉각 매체와 냉각될 매체 사이에서 내부 튜브 벽 또는 나선형 라인에 의해 분리되어 접촉이 일어나는 접촉 표면이 종래의 열교환기에 비해 상당히 증가하는 결과를 가져온다. 또한, 냉각될 매체가 먼저 내부 튜브의 단일 폐쇄 단부에 충돌하도록 유동하고 그 후 감겨진 나선형 라인을 따라 내부 튜브를 지나 측면으로 유동하는 상기 실시예에서는, 냉각될 매체의 난류를 야기하며, 또한 이 난류에서 상기 냉각될 매체는 와류(vortex)에서 사실상의 주된 유동에 부분적으로 역류한다. 이는 구체적으로 열교환기에서 냉각될 매체의 긴 체류 시간 또는 긴 이동 경로를 초래하여, 열교환기의 짧은 도입 범위에 걸친 밀접한 접촉을 냉각될 매체와, 냉각될 매체가 가로지르는 요소들인 내부 튜브 및 나선형 라인의 사이에 생성한다. 결국 이러한 사실은 열교환기의 짧은 종방향 범위에 걸쳐 상당한 냉각이 달성될 수 있다는 결과를 낳는다.

한편, 본 발명에 따른 열교환기는 반대로 차가운 매체를 가열하는데에도 물론 적합하며, 차가운 매체는 케이싱 튜브 내로 유동하고, "냉각재" 유입구 내로 유동하는 가열 매체에 의해 가열된다. 이러한 면에서, "냉각재 입구", "냉각재 출구" 및 "냉각채 유출구"라는 용어는 냉각재로 제한되어 해석되지 않고, 케이싱 튜브를 통해 유동하는 매체를 가열하는데 이용되는 매체 즉, "가열 매체"에 대해 마찬가지로 이용될 수 있다.

청구항 2에 따른 출구 튜브는, 내부 튜브의 내부에 마련되며, 내부 튜브 내로 유동하는 냉각재가 출구 튜브를 통해 나선형 라인으로 전해지기 전에 전체 내부 튜브에 분포되어야 한다는 이점을 갖는다. 내부 튜브의 벽에서 달성되는 냉각 작동은 이러한 방법으로 강화되고, 이는 열교환기의 전반적으로 우수한 냉각 성능 또는 열 전달 성능으로 이어진다. 물론, 이와 유사한 사상이 매체의 가열을 위한 열교환기의 작동에 적용된다.

충돌 플레이트로서의 내부 튜브의 폐쇄 단부 형상은 이미 상기 형상에서 일어난 유입 매체의 최초의 난류 발생을 초래하고, 이 난류는 전체적으로 열교환기에서의 유입 매체의 긴 체류 시간에 기여하며 이에 따라 열교환기의 높은 열교환기 효율이 얻어진다.

청구항 4에 따른 개선안은, 나선형 라인이 내부 튜브를 둘러싸기 위해 적어도 내부 튜브의 전체 길이를 따라 유도된다는 것이고, 이는 마찬가지로 높은 열교환기 효율에 기여한다. 바람직하게는, 나선형 라인의 각각의 와인딩(winding)은 접촉하지는 않지만 조밀하게 감겨진다. 냉각 또는 가열될 매체와, 냉각재 또는 가열 매체가 가로지르는 나선형 라인의 표면 사이에 접촉부가 존재할 수 있도록, 간격이 나선형 라인의 각각의 와인딩 사이에 유지되어야 한다.

청구항 5에 개시된 구성은, 나선형 라인이 내부 튜브의 벽과 케이싱 튜브의 벽에 대해 반경 방향의 간격을 두고 배열된다는 것이고, 케이싱 튜브를 통해 유동하는 매체의 바람직한 난류에 일조하며, 이에 따라 열교환기 효율을 증가시킨다. 케이싱 튜브의 벽에 대한 나선형 라인의 반경 방향의 간격과 거의 일치하는 내부 튜브의 벽에 대한 나선형 라인의 반경 방향의 간격이 특히 양호한 결과를 제공하는 것으로 밝혀졌다(청구항 6).

청구항 7에 따르면, 마지막으로 적어도 열 교환기의 나선형 라인이 높은 열 전도성을 갖는 재료로 이루어지는 것이 유리하다. 본원에서, 바람직하게는 구리가 이용되지만, 예컨대 은과 같은 높은 열 전도성을 갖는 다른 재료를 또한 고려할 수 있다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 열교환기는 내연 엔진, 특히 자동차 엔진으로부터의 연소 배기 가스를 냉각하는데 이용된다. 특히 자동차 엔진 또는 자동차 엔진의 배기 시스템에서, 상기 유형의 열교환기는 약 1000℃ 이상의 온도에서 연소실을 떠나는 뜨거운 배기 가스를 80℃이하의 온도로, 바람직하게는 50℃미만의 온도로 냉각하기 위해 높은 냉각 성능을 제공해야 한다. 그렇지만 열교환기는 자동차 배기 시스템의 공간이 제한되기 때문에 컴팩트한 구성을 가져야 한다. 본 발명에 따른 열교환기는 특히 이에 적합하다.

본 발명에 따른 열교환기의 추가적인 특장점이 첨부된 도면에 기초해 후술되는 설명에 의해 이해될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기의 횡단면의 개략도.

1 입구

2 출구

3 내부 튜브

4 하부 튜브 단부

5 냉각재 입구

6 출구 튜브

7 나선형 라인

8 케이싱 튜브

9 냉각재 유입구

10 냉각재 유출구

11 충돌 플레이트

12 열교환기

D 직경

d 직경

d_s 직경

L 길이

도면은 본 발명에 따른 열교환기(12)의 횡단면을 개략적으로 도시한다. 본 발명에 따른 열교환기(12)는 반경 방향으로 좁아지는 부분을 통해 입구(1)(도면의 상부에 도시됨)와 출구(2)(도면의 하부에 도시됨) 내로 개방된 케이싱 튜브(8)를 포함한다. 열교환기(12)의 이러한 예시적인 실시예는 뜨거운 가스를 냉각하기에 바람직하게 구성된다. 그렇지만, 본 발명에 따른 열교환기는 모든 가능한 변형예로 이용될 수 있으며, 예컨대 액체의 냉각, 가스나 액체의 가열 또는 기타 열전달에 또한 이용될 수 있다.

내부 튜브(3)는 케이싱 튜브(8)의 내부에 케이싱 튜브(8)와 동심원을 이루며 배치되고, 내부 튜브(3)는 입구(1)를 향하는 그 단부측(도면의 상부에 도시됨)에서 폐쇄되어 있다. 내부 튜브(3)의 폐쇄 단부측은 입구(1)를 통해 열교환기(12) 내로 유입하는 매체, 특히 가스에 대한 충돌 플레이트(11)를 형성한다. 출구(2)를 향하는 내부 튜브(3)의 반대측 상에서, 상기 내부 튜브(3)는 케이싱 튜브(8)를 관통하여 연장되며 냉각재 유입구(9)에 연결되는 냉각재 입구(5)를 포함한다. 출구 튜브(6)는 내부 튜브(3)의 내부에 배치되고, 출구 튜브(6)는 충돌 플레이트(11)의 바 로 앞까지만 연장하고 그 곳에서 개구를 갖는다. 상기 개구는 내부 튜브(3)의 중심 축선 상에 대략 중심을 맞추어 배치된다. 출구 튜브(6)는 내부 튜브(3)로부터 이어져 나선형 라인(7) 내로 병합되며, 나선형 라인(7)은 와인딩 사이의 간격을 유지하지만 폭이 좁은 와인딩을 가지며 내부 튜브(3)를 둘러싸기 위해 적어도 내부 튜브(3)의 전체 길이를 따라 유도된다. 나선형 라인의 단부에서, 나선형 라인은 케이싱 튜브(8)를 관통하여 연장하는 냉각재 유출구(10)와 병합된다.

내연 엔진의 뜨거운 배기 가스를 냉각하기 위한 바람직한 작동 방식에서, 뜨거운 배기 가스는 입구(1)를 통해 케이싱 튜브(8) 내로 전해진다. 그 곳에서, 상기 배기 가스는 충돌 플레이트(11) 상에 충돌하여, 유동이 분리되며 최초의 난류가 유발된다. 이는 대응하는 화살표에 의해 도면에서 개략적으로 도시된다. 내부 튜브(3)에서 유동하는 냉각 매체와의 최초의 직접 접촉은 충돌 플레이트(11)에서 발생함으로써, 초기 냉각 작동이 이미 일어날 수 있도록 한다. 뜨거운 유입 매체, 바람직하게는 가스가 충돌 플레이트(11)에 의해 편향되고난 후, 상기 매체는 케이싱 튜브(8)와 내부 튜브(3) 사이에 형성된 환형 공간으로 전해진다. 나선형 라인이 상기 환형 공간에 배치되고, 이러한 예시적인 실시예에서 나선형 라인은 내부 튜브(3)의 벽과 외부 튜브(8)의 벽 사이에서 대략 중심을 맞춰 반경 방향에 배열된다. 한편으로는 나선형 라인(7)에 의해 형성된 유동 저항의 결과로서, 또한 새로 유입된 냉각재로 인해 비교적 차가운 내부 튜브(3)의 벽 및 가열된 냉각재가 이미 가로지른 나선형 라인(7)의 따뜻한 벽 사이에서 일어나는 대류의 결과로서, 케이싱 튜브 내로 유입되는 매체, 바람직하게는 가스는 난류가 되도록 강제된다. 이는 도 면의 우측 상부의 나선형 라인(7) 중 두 개의 상부 와인딩에서 대응하는 화살표에 의해 표시된다. 상기 난류로 인해, 유입 매체, 바람직하게는 가스가 케이싱 튜브(8) 내에서 상당히 길어진 경로에 걸쳐 흐르고, 냉각 매체가 가로지르는 요소들인 내부 튜브(3)와 나선형 라인(7)의 표면과 집중적으로 접촉한다. 케이싱 튜브(8) 또는 나선형 라인(7)의 전체 길이를 통과하고 난 후, 그리고 그와 동시에 격렬한 난류를 겪고 난 후, 냉각된 매체, 바람직하게는 가스가 출구(2)를 통해 배출된다.

냉각재 유입구(9)로부터 내부 튜브(3) 및 나선형 라인(7)을 통해 냉각재 유출구(10)로 유동하는 냉각재의 유동은 마찬가지로 화살표에 의해 표시된다.

본 발명에 따른 열교환기에 대해 도시된 예시적인 실시예에서, 내부 튜브(3)는 60mm의 직경(d)을 가지고, 나선형 라인의 직경(d_s)은 외측 벽으로부터 외측 벽까지 측정하여 110mm이며, 케이싱 튜브의 직경(D)은 150mm이고, 케이싱 튜브의 길이(L)는 200 내지 300mm이며, 입구(1)와 출구(2)의 직경(도면에 표시되지 않음)은 약 50 내지 60mm이다. 원형 횡단면을 갖고 직경이 15mm인 구리선이 나선형 라인(7)으로 이용된다.

이러한 열교환기는 약 1000℃에서 내연 엔진을 떠나는 배기 가스를 약 50℃의 온도로 냉각하기 위해 이용된다. 이러한 목적을 위해, 상온(약 25℃)의 n-부탄(n-butane)이 냉각재 입구로 공급되고, 그 후 n-부탄은 약 120℃의 온도에서 냉각재 출구를 떠난다. 30bar 펌프가 냉각재 n-부탄을 공급하기 위해 이용되었다. 또한 대안으로써, n-부탄을 대체하여, 물 또는 다른 액체 또는 액체 혼합물이 냉각재로 이용될 수 있다.

본 발명에 따른 열교환기는, 그 크기로 인해, 예컨대 촉매 변환 장치 또는 소음기의 대체물로서, 자동차 배기 시스템 내로 통합될 수 있다.

배기 가스의 강력한 냉각의 긍정적인 효과로 배기 가스에 함유된 오염 물질이 열교환기에서 응결된다는 것이 밝혀졌으며, 응결되지 않는 경우 오염 물질은 복잡한 촉매 변환 기술에 의해 배기 가스 유동으로부터 추출되어야 한다. 이는 배기 가스가 내연 엔진을 떠나는 온도로부터 물의 이슬점까지 배기 가스를 신속히 냉각한 결과 물이 형성되었다는 것으로 설명될 수 있다. 상기 물은 배기 가스 유동에 함유된 추가적인 해로운 성분을 거의 완전히 정화한다. 물의 이슬점까지 배기 가스를 냉각하는 중에 생성된 물로 인해, 추가적인 냉각 효과가 발생하는데, 이는 물이 어느 정도의 열을 소산(消散)할 수도 있기 때문이다.

더불어, 모든 가스는 1℃만큼 가열되는 경우에 1/126 만큼 팽창하고 온도가 감소하는 경우에 수축하기 때문에, 수백 ℃의 온도차가 생기는 경우에 가스는 더 작은 부피로 가정될 것이다. 이는 자동차 내연 엔진에서 생성된 배기 가스를 냉각하는 본 발명에 따른 열교환기를 이용하는 경우에, 소음 방출이 거의 대부분 소산되며 기존의 소음기는 최종 소음기를 제외하고 생략될 수 있다는 결과를 가져온다.

본 발명에 따른 열교환기는 이러한 예시적인 실시예에서 설명한 용도에 제한되지 않고, 다양한 매체를 냉각 또는 가열하는데 이용될 수 있다. 예컨대, 유사한 구성을 가지지만 더 큰 크기로 이루어진 대응하는 열교환기를 발전소 또는 산업 플 랜트로부터의 배출 가스를 냉각하는데 이용하는 것을 고려할 수 있고, 이와 함께 또한 가스의 급격한 냉각으로 인한 정화 효과를 위해 이용하는 것도 가능하다.

그렇지만, 열교환기는 정화 효과 없이 단지 열교환을 위해서만 이용될 수도 있다.

이러한 면에서, 본 발명의 중요성과 범위에 대하여, 단독으로 본 발명의 범위를 제한하는 후술되는 청구항에 참조 번호가 마련되어있다.

Claims (8)

1. 두 개의 매체 사이의 열전달을 위한 열교환기로서,

   냉각될 매체용 입구(1)와 출구(2)를 가진 케이싱 튜브(8) 및 내부 튜브(3)를 가지고,

   상기 내부 튜브(3)는, 상기 케이싱 튜브(8) 내에 배치되며, 상기 입구(1)를 향하는 측에서 폐쇄되어있고, 상기 출구(2)를 향하는 측에서 냉각재 입구(5)에 연결되며, 상기 내부 튜브(3)의 상기 출구(2)를 향하는 측으로 이어져 나선형 라인(7)과 합쳐지는 냉각재 출구를 가지고, 이 나선형 라인은 상기 입구(1) 쪽으로 상기 내부 튜브(3) 둘레에 감겨져 냉각재 유출구(10) 내로 개방되는 것인 열교환기.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 내부 튜브(3)의 냉각재 출구(7)는, 상기 입구(1)를 향하는 상기 내부 튜브측까지 상기 내부 튜브(3)의 내부에서 유도되는 출구 튜브(6)에 연결되는 것인 열교환기.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 내부 튜브의 폐쇄측은 상기 입구(1)를 통해 상기 케이싱 튜브(8) 내로 유입되는 냉각될 매체용 충돌 플레이트(11)를 형성하는 것인 열교환기.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나선형 라인(7)은 상기 내부 튜브(3)를 둘러싸도록 적어도 상기 내부 튜브(3)의 전체 길이를 따라 유도되는 것인 열교환기.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나선형 라인(7)은 상기 내부 튜브(3)의 벽과 상기 케이싱 튜브(8)의 벽에 대해 반경 방향의 간격을 두고 배열되는 것인 열교환기.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 내부 튜브(3)의 벽에 대한 상기 나선형 라인(7)의 반경 방향의 간격은 상기 케이싱 튜브(8)의 벽에 대한 상기 나선형 라인(7)의 반경 방향 간격과 거의 동일한 것인 열교환기.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 상기 나선형 라인(7)은 높은 열 전도성을 갖는 재료, 바람직하게는 구리로 이루어지는 것인 열교환기.
8. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 따른 열교환기의 내연 엔진, 특히 자동차 엔진으로부터의 연소 배기 가스를 냉각하는 용도.

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