KR20110083996A - 이중 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이중 열교환기는 제1 중공을 갖는 제1 열교환관; 및 제2 중공 및 상기 제1 열교환관 내에 상기 제1 열교환관과 동심으로 배치되며 내측면에 복수개의 산 및 골들이 나사 형상으로 형성된 스파이럴부를 갖는 제2 열교환관을 포함하며, 상기 제2 열교환관의 인접한 두 개의 상기 골들 사이의 길이인 피치(W) 및 상기 피치(W)의 중앙부로부터 상기 산의 정상 사이의 거리(A)의 비(A/W)는 0.15 이하이다.

Description

이중 열교환기{DOUBLE-PIPED HEAT EXCHANGER}

본 발명은 스파이럴부의 피치 및 높이를 최적화하여 전열 특성을 향상시킨 이중 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 고온의 유체가 가진 열에너지를 상대적으로 저온의 유체로 전달하여 고온의 유체 온도는 하강시키고 저온의 유체 온도는 상승시키는 장치이다. 열 교환기는 가열기, 냉각기, 증발기 및 응축기 등에 주로 사용된다.

열교환기는 가열하고자 하는 유체에 열을 주기 위해 사용되는 전열 매체를 열매라고 하고, 이와는 반대로 열을 뺏는 데 사용되는 것을 냉매라고 한다. 냉매 또는 열매는 기체나 액체가 많이 사용되고 있다.

열교환기의 하나인 이중관 열교환기(double-pipe heat exchanger)는, 제 1 유체가 흐르는 내관, 상기 내관을 감싸며 제 2 유체가 흐르는 외관을 포함하며, 내관의 측벽을 전열벽으로 하여 유체간의 열 교환이 수행된다.

이와 같은, 이중관 열교환기는 내관의 외벽과 제 2 유체가 접촉되는 전열면적이 작기 때문에 열교환 효율이 낮은데, 열교환 효율을 향상시키기 위해서는 이중관 열교환의 크기를 증가시키거나, 이중관의 길이를 길게 해야 한다.

그러나, 이중관 열교환의 길이를 길게 하거나, 이중관 열교환기의 크기를 크게 하는 것은 부피의 문제로 인하여 구현이 어려운 문제점을 갖는다.

본 발명은 열교환을 위해 상대적으로 내측에 배치된 열교환관을 산과 골이 연속적으로 형성된 나선형상으로 형성하고 산과 골의 피치 및 높이를 최적화하여 전열 성능을 보다 향상시킨 이중 열교환기를 제공한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

일실시예로서, 이중 열교환기는 제1 중공을 갖는 제1 열교환관; 및 제2 중공 및 상기 제1 열교환관 내에 상기 제1 열교환관과 동심으로 배치되며 내측면에 복수개의 산 및 골들이 나사 형상으로 형성된 스파이럴부를 갖는 제2 열교환관을 포함하며, 상기 제2 열교환관의 인접한 두 개의 상기 골들 사이의 길이인 피치(W) 및 상기 피치(W)의 중앙부로부터 상기 산의 정상 사이의 거리(A)의 비(A/W)는 0.15 이하이다.

본 발명의 이중 열교환기에 따르면, 이중 열교환기를 이루는 제1 열교환관 및 제2 열교환관 중 내부에 배치된 제2 열교환관의 표면에 스파이럴부를 형성하고, 스파이럴부의 피치 및 높이를 최적화하여 이중 열교환기의 전열 효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이중 열교환기를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 'A' 부분 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이중관 열교환기의 스파이럴부의 피치(W)에 따른 전열 성능을 도시한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이중 열교환기를 도시한 단면도이다. 도 2는 도 1의 'A' 부분 확대도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 이중 열교환기(300)는 제1 열교환관(100) 및 제2 열교환관(200)을 포함한다.

제1 열교환관(100)은 제1 중공(110)을 갖는 파이프 형상을 갖는다. 제1 열교환관(100)은, 예를 들어, 제1 직경(D1)을 갖는다.

제1 열교환관(100)은 제1 열교환관(100)과 연통된 제1 유체 유입부(120) 및 제1 열교환관(100)과 연통된 제1 유체 배출부(130)를 포함한다.

제1 유체 유입부(120)로는 제1 유체가 제공되고, 제1 유체 배출부(130)로는 열교환된 상기 제1 유체가 배출된다.

본 실시예에서, 제1 유체 유입부(120)로 제공 및 제1 유체 배출부(130)로 배출되는 제1 유체는, 예를 들어, 제1 열교환관(100) 내에서 상 변화가 발생 되지 않는 단상(single-phase) 유체일 수 있다.

제1 유체 유입부(120)로 제공되는 제1 유체의 예로서는 냉각수를 들 수 있고, 본 실시예에서, 제1 유체 유입부(120)로 제공되는 제1 유체는 제1 온도를 갖는다.

제2 열교환관(200)은 제1 열교환관(100) 내에 배치되며, 제2 열교환관(200) 및 제1 열교환관(100)은 각각 동심축을 갖는다. 제2 열교환관(200)은, 예를 들어, 제1 열교환관(100)의 제1 직경(D1) 보다 작은 제2 직경(D2)을 갖고, 이로 인해 제1 및 제2 열교환관(100,200)들 사이에는 갭(G)이 형성된다. 제1 및 제2 열교환관(100,200)들 사이의 갭(G)으로는 상기 제1 유체가 통과한다. 본 실시예에서, 제2 열교환관(200)의 제2 직경(D2)은, 예를 들어, 약 19.05mm일 수 있다.

제1 열교환관(100) 내에 배치된 제2 열교환관(200)은 스파이럴부(210)를 포함한다.

스파이럴부(210)는 제2 열교환관(200)의 표면에 나사 형상으로 형성되고, 나사 형상으로 형성된 스파이럴부(210)는 연속적으로 형성된 복수개의 산(212)들 및 골(214)들을 포함한다.

스파이럴부(210)는 제1 열교환관(100)의 외측면 및 내측면에 각각 형성된다. 스파이럴부(210)의 산(212) 및 골(214)은 가공 롤러 등에 의하여 성형 될 수 있다.

제2 열교환관(200)의 일측 단부에는 제2 유체 유입부(202)가 형성되고, 제2 열교환관(200)의 상기 일측 단부와 대향 하는 타측 단부에는 제2 유체 배출부(204)가 형성된다.

제2 유체 유입부(202)로는 제2 유체가 제공되고, 제2 유체 배출부(204)로는 열교환된 상기 제2 유체가 배출된다.

본 실시예에서, 제2 열교환관(200)의 내부로 제공되는 상기 제2 유체는 제2 열교환관(200) 내에서 상 변화하는 상변화(two-phase) 유체일 수 있다. 예를 들어, 제2 유체는 제2 열교환관(200) 내에서 액체에서 기체로 상변화하는 냉매일 수 있다. 이와 다르게, 제2 열교환관(200) 내부로 제공되는 상기 제2 유체는 단상 유체일 수 있다.

본 실시예에서, 제2 유체는 제1 유체의 제1 온도와 다른 제2 온도를 갖는다. 본 실시예에서, 제1 유체의 제1 온도는 제2 유체의 제2 온도보다 높을 수 있다. 이와 다르게, 제1 유체의 제1 온도는 제2 유체의 제2 온도보다 낮을 수 있다.

도 2에 도시된 제2 열교환관(200)의 스파이럴부(210)의 피치(W), 스파이럴부(210)에 의하여 형성된 인접한 산(212) 및 골(214)의 높이차(Hc)는 제1 및 제2 열교환관(100,200)의 전열 성능에 큰 영향을 미치며, 스파이럴부(210)의 피치(W), 높이차(Hc)가 최적화되지 않을 경우 전열 성능이 감소 될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이중관 열교환기의 스파이럴부의 피치(W)에 따른 전열 성능을 도시한 그래프이다.

도 3의 그래프의 X축은 도 2에 도시된 스파이럴부(210)의 피치(W)이고, 도 3의 그래프의 Y축은 스파이럴부(210)의 전열 성능이다.

도 3을 참조하면, 스파이럴부(210)의 피치(W)를 연속적으로 증가시킬 경우, 도 1에 도시된 이중 열교환기(300)의 전열 성능은 스파이럴부(210)의 피치(W) 증가에 따라 점차 감소 되며, 스파이럴부(210)의 피치(W)가 약 4mm 내지 약 10mm일 경우, 이중 열 교환기(300)의 전열 특성은 허용 범위 내에 포함된다.

한편, 제2 열교환관(200)의 스파이럴부(210)의 피치(W)가 약 4mm 이하일 경우 전열 특성은 증가 되지만 제2 열교환관(200)의 스파이럴부(210)의 피치(W)를 4mm 이하로 제작 및 가공하기 어렵고, 제2 열교환관(2000의 스파이럴부(210)의 피치(W)가 약 10mm이상일 경우, 전열 성능이 크게 감소된다. 따라서, 스파이럴부(210)의 피치(W)는 가공 특성 및 전열 특성을 고려하여 약 4mm 내지 약 10mm인 것이 바람직하다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 제2 열교환관(200)의 스파이럴부(210)의 산(212) 및 골(214) 사이의 높이차(Hc)는 약 1mm 내지 약 3mm일 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 산(212) 및 골(214)의 높이차(Hc)가 약 1mm 보다 작을 경우, 제2 유체 및 제1 유체의 전열 효과가 크게 감소 되며, 높이차(Hc)가 약 3mm 이상일 경우, 전열 효과가 증가 되지만 높이차(Hc)를 약 3mm 이상으로 제작하기 사실상 어렵기 때문에 본 발명의 일실시예에서, 가공 특성 및 충분한 전열 효과를 충족시키기 위해서 스파이럴부(210)의 산(212) 및 골(214)의 높이차(Hc)는 약 1mm 내지 약 3mm인 것이 바람직하다.

한편, 제2 열교환관(200)의 스파이럴부(210)의 산(212) 및 골(214)을 제작하기 위해서 피치(W)를 이등분한 지점(W/2)으로부터 산(212)의 정상(P) 위치까지의 거리(A)를 피치(W)로 나눈 비율(A/W)은 약 0.15 이하인 것이 가공 특성상 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 제2 열교환관(200) 내로 액상에서 기상으로 상변화하는 액상 냉매와 같은 제2 유체를 제공할 경우, 제2 유체는 제2 열교환관(200)의 스파이럴부(210)에 의하여 고속으로 회전하기 시작하고, 기체 상태의 제2 유체 및 액체 상태의 제2 유체 중 밀도가 높은 액체 상태의 제2 유체는 스파이럴부(210)의 내측면에서 주로 분포되고, 상대적으로 밀도가 낮은 기체 상태의 제2 유체는 스파이럴부(210)의 중앙 부분에 주로 배치된다.

따라서, 스파이럴부(210)에 의하여 액체 상태의 제2 유체 및 기체 상태의 제2 유체는 싸이클론 효과에 의하여 분리되고 스파이럴부(210)의 내측면에 밀집된 액체 상태의 제2 유체는 제1 열교환관(100)으로 제공된 제1 유체에 의하여 보다 활발한 열교환이 이루어짐으로써 제1 및 제2 유체 사이의 열교환 특성은 보다 향상된다.

이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 이중 열교환기를 이루는 제1 열교환관 및 제2 열교환관 중 내부에 배치된 제2 열교환관의 표면에 스파이럴부를 형성하고, 스파이럴부의 피치 및 높이를 최적화하여 이중 열교환기의 전열 효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

이중 열교환기...300 제1 열교환관...100
제2 열교환관...200 산...212
골...214

Claims (4)

1. 제1 중공을 갖는 제1 열교환관; 및
   제2 중공 및 상기 제1 열교환관 내에 상기 제1 열교환관과 동심으로 배치되며 내측면에 복수개의 산 및 골들이 나사 형상으로 형성된 스파이럴부를 갖는 제2 열교환관을 포함하며,
   상기 제2 열교환관의 인접한 두 개의 상기 골들 사이의 길이인 피치(W) 및 상기 피치(W)의 중앙부로부터 상기 산의 정상 사이의 거리(A)의 비(A/W)는 0.15 이하인 이중 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 피치(W)는 4mm<W<10mm이고, 상기 산 및 상기 산과 인접한 상기 골 사이의 높이차(H)는 1mm<H<3mm인 이중 열교환기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 열교환관들 사이로 제공되는 제1 유체 및 상기 제2 열교환관의 내부로 제공된 제2 유체는 서로 다른 온도를 갖는 냉매를 포함하는 이중 열교환기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제2 열교환관 내부로 제공된 상기 제2 유체는 단상 유체 및 상변화 유체 중 어느 하나인 이중 열교환기.

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