KR20150003717A - 나선형 튜브 egr 쿨러 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 양 단부에서 튜브 헤더(16)에 결부된 2개 이상의 튜브 번들(34, 50, 60)을 둘러싸는 쉘(28)로 구성된 두 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기(10)에 관한 것이다. 각각의 튜브 번들(34, 50, 60)은 공통 나선형 축 주위에 형성된 동일한 나선으로 비틀리는 복수의 개별 튜브로 형성된다. 각각의 개별 튜브가 직선 튜브가 아닌 나선형으로 형성되기 때문에, 개별 튜브들이 열 신장되어 튜브 헤더(16)와 튜브가 결부되는 부분에 작용되는 축방향 힘이 현저하게 줄어든다. 서로 반대인 비틀림 방향으로 감겨있는 다수의 튜브 번들(34, 50, 60)을 사용하면, 튜브 사이의 공간 효율이 향상된다.

Description

나선형 튜브 EGR 쿨러{HELICAL TUBE EGR COOLER}
본 발명은 내연기관, 특히, 배기가스를 줄이기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
내연기관으로부터 나오는 질소산화물(NOx) 배출물질을 조절하기 위한 수단으로서 배기가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGR)을 사용하는 방법이 종래 기술에 잘 알려져 있다. 일반적인 EGR 시스템에서, 배기가스의 일부분(보통, 5% 내지 15%)이 청정한 공기 및 연료와 함께 유도 시스템(induction system) 내로 재유입된다. 기본적으로 불활성가스인 배기가스는 가솔린(오토 사이클) 엔진 내의 가연 혼합물의 양을 제거한다(displace). 디젤 엔진에서, 배기가스는 사전-연소 혼합물 내의 과잉 산소(excess oxygen) 중 일부를 대체한다. 주로 질소와 산소의 혼합물이 고온일 때 질소산화물이 형성되기 때문에, 가연 혼합물 또는 과잉 산소가 줄어듦으로써 야기된 저온의 연소 온도는 연소로 인해 형성된 질소산화물의 양을 감소시킨다.
2002년에, 미국 연방환경보호국은 디젤 엔진이 탑재된 자동차 및 소형 트럭에서, 이러한 차량들로부터 질소산화물을 추가로 감소시키기 위한 수단으로서, 구현되어야 하는 배기가스 재순환 쿨러 요구량에 관한 규정을 제정하였다. 이러한 배기가스 재순환 쿨러들은 보통 다양한 형태의 가스-액체 열교환기로 구성되며 대부분 배기가스가 엔진의 냉각수(coolant)가 순환되는 쉘(shell) 내에 포함되는 복수의 튜브를 통과하는 쉘-튜브 열교환기 디자인으로 구성된다. 미국 특허번호 8,079,409호 및 7,213,639호는 이러한 배기가스 재순환 쿨러 디자인에 관해 기술하고 있다.
디젤 엔진에서 배기가스 재순환 쿨러에 관련된 문제점들은 연소 온도가 감소하면 연소 공정에 의해 형성되는 검댕(soot)의 양이 증가한다는 것이다. 이러한 검댕은 배기가스 재순환 쿨러의 열효율을 감소시키는 단열층(insulating layer)으로서 작용하는 배기가스 재순환 쿨러의 튜브들 내에 침적되려는(deposit) 경향이 있다. 또한, 엔진 냉각수 양이 적으면, 열교환기에는 냉각수가 거의 공급되지 않을 수도 있어서, 거의 배기가스의 온도까지 가열되는 쿨러 튜브가 열교환기의 구조적인 무결성(structural integrity)을 초과하는 정도까지 열팽창되는, 소위, "열적 상황(thermal event)"을 경험할 수도 있다.
배기가스 재순환 쿨러의 수명을 향상시키기 위해 다양한 방법들, 가령, 팽창성 이음부(expansion joint)를 사용하는 방법, 튜브를 기다란 벨로우(bellow) 형태로 형성하거나 및/또는 일련의 짧은 모듈로 배기가스 재순환 쿨러를 제작하는 방법들이 제안되어 왔는데, 이들 각각은 상대적으로 작은 전체 열성장(thermal growth)을 가진다. 예를 들어, Challis에게 허여된 미국 특허번호 6,460,502호는 쉘 부분이 골진 형태의 벨로우(corrugated bellow)로서 형성된 복수의 90° 굽힘부를 포함하는 EGR 쿨러를 구성하는 방법을 제안한다. Challis에 따르면, 벨로우 섹션들은 직선 벽 형태의 쉘에 대해 증가된 컴플라이언스(compliance)를 가지며, 이에 따라, 이러한 벨로우들은 열팽창 또는 그 외의 다른 움직임을 더 잘 수용하도록 제공된다. Danielsson 등에게 허여된 미국 특허번호 7,213,639호는 배기가스 흐름이 중앙의 튜브 열(row)을 통해 유입되어 주변 튜브 열을 통해 배출되는 EGR 쿨러를 제안한다. Danielsson에 따르면, 역류(reversing flow)는 냉각수 흐름의 정체(stagnation)로 인해 국부적인 핫 스팟(hot spot) 위험성을 감소시킨다.
본 발명은 두 액체 사이에서, 가령, 예를 들어, 고온의 배기가스와 액체 냉각수 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기를 포함한다. 한 실시예에서, 열교환기는 양 단부에서 튜브 헤더(tube header)에 결부된(attached) 2개 이상의 튜브 번들(tube bundle)을 둘러싸는 쉘(shell)을 포함한다. 각각의 튜브 번들은 공통 나선형 축(common helical axis) 주위에 형성된 동일한 나선으로 비틀리는 복수의 개별 튜브로 형성된다. 각각의 개별 튜브가 직선 튜브가 아닌 나선형으로 형성되기 때문에, 개별 튜브들은 칼럼(column)이 아닌 스프링(spring)과 비슷한 방식으로 거동한다(behave). 이에 따라, 개별 튜브들이 열 신장(thermal elongation) 문제는 기다란 칼럼보다 튜브의 나선형 직경(helical diameter)이 증가됨으로써 대부분 해결된다. 이에 따라, 튜브 헤더와 튜브가 결부되는 부분에 작용되는 축방향 힘(axial force)이 현저하게 줄어든다. 게다가, 각각의 튜브는 온도에 따라 자유로이 팽창하거나 수축하기 때문에, 열적 상황이 제공되는 단일의 튜브는 자체적인 열응력(thermal stress)을 완화시키도록 팽창될 것이다. 이에 따라, 본 발명에 따라 구성된 열교환기는, 전체 헤더가 일체형으로 움직여야 하며, 따라서, 인접한 튜브들보다 더 빠른 속도로 팽창되는 단일 튜브를 수용할 수 없는 이동식 헤더(moveable header)를 가진 종래 기술의 열교환기에 비해 열적 상황에 의해 야기되는 파손에 대해 보다 내구성을 가진다. 또한, 본 발명에 따라 구성된 열교환기는 기존의 직선-튜브 열교환기에 비해 튜브를 통과하는 냉각수의 보다 난류적인 흐름(turbulent flow)을 촉진시킨다(promote). 게다가, 튜브의 기하학적 형상(geometry)이 냉각수 흐름에 평행하지 않기 때문에, 나선형 튜브를 사용하면, 배플(baffle)을 설치할 필요가 줄어들거나 없어지며 이에 따라 냉각수에서 에디 흐름(eddie current)이 형성되게 하는 배플에 관련된 문제점들이 줄어들거나 발생하지 않는다.
또 다른 실시예에서, 서로 반대인 나선형 비틀림부(helical twist)가 있는 2개의 튜브 번들이 형성되는데, 가령, 예를 들어, 제1 튜브 번들은 오른손 방향의 나선형 비틀림부를 가진 나선으로 감기고, 제2 튜브 번들은 왼손 방향의 나선형 비틀림부를 가진 나선으로 감긴다. 이에 따라, 모든 튜브 번들이 동일한 비틀림 방향을 가진 경우, 튜브 번들은 나선형 축들이 가능한 서로에 대해 더 가깝게 위치될 수 있게 한다. 또 다른 실시예에서, 열교환기는 각각의 튜브 번들이 각각의 인접한 튜브 번들로부터 서로 반대인 비틀림부를 가지는 직사각형 배열형태(rectangular array)로 배열된 몇몇의 튜브 번들로 형성된다.
본 발명은 첨부 도면들을 참조하여 밑에서 상세하게 기술한 내용으로부터 더 잘 이해될 수 있는데, 도면들에서 비슷한 도면부호는 비슷한 요소들을 나타낸다:
도 1은 본 발명을 특징들을 포함하는 열교환기의 투시도;
도 2는 도 1의 열교환기로부터 나온 개별 튜브 번들의 투시도;
도 3은 도 1의 열교환기에서 사용하기 위한 한 쌍의 튜브 번들의 단부도;
도 4는 도 1의 열교환기에서 사용하기 위한 한 쌍의 튜브 번들의 대안의 실시예의 단부도;
도 5는 명확하게 도시하기 위해 쉘이 제거된 도 1의 열교환기의 투시도이다.
도면은 본 발명에 따른 구성을 일반적인 방식으로 예시하기 위한 것으로서 반드시 실측으로 도시되지는 않는다. 본 발명의 상세한 설명 및 도면들에서, 특정의 예시예들이 도시되며 본 명세서에서 상세하게 기술된다. 하지만, 도면 및 상세한 설명은 본 발명을 본 명세서에 기술된 특정 형태들에만 제한하려는 것이 아니라 본 발명을 실시하기 위한 최상의 모드를 설명하기 위하여 본 명세서에서 청구하고 있는 본 발명을 어떤 방식으로 사용하거나 및/또는 제작하는 지를 당업자에게 가르쳐주기 위한 단지 예시적인 것임을 이해해야 한다.
도면들 중, 특히, 도 1을 보면, 한 유체 매개체(fluid medium)로부터 또 다른 유체로 열을 전달하기 위한 다목적용 열교환기로서 본 발명의 특징들을 모두 포함하는 열교환기(10)가 사용될 수 있다. 한 예에서, 열교환기는 배기가스 재순환 (Exhaust Gas Recirculation; EGR) 쿨러로서 사용될 수 있다. 하지만, 본 발명의 특징들을 모두 포함하는 열교환기는 유체와 접촉하지 않고도 배리어의 한 면 상의 유체로부터 배리어의 다른 면 상의 유체에 열을 전달하기 위해 임의의 적절한 적용분야와 연계되어 사용될 수 있다. 본 발명의 원리를 모두 포함하는 열교환기는 적용분야의 특정 요구를 충족시키기에 적합한 모든 타입의 유체, 가령, 예를 들어, 공기-공기, 공기-액체, 액체-액체와 함께 사용될 수 있다.
도 1에 예시된 실시예에서, 열교환기(10)는 디젤 엔진으로부터 배기가스 흐름을 수용하도록 구성된 가스 입구 단부(12) 및 가스 출구 단부(14)를 가진 배기가스 재순환 쿨러를 포함한다. 가스 입구 단부(12)는 다수의 천공부(18)를 가진 벌크헤드(16)로 구성된 튜브 헤더를 포함한다. 복수의 중공 통로, 가령, 튜브(20, 22 및 24)(도 2)가 (가령, 예를 들어, 용접, 납땜 또는 이와 유사한 강성의 결부 방법에 의해) 천공부(18)들이 있는 벌크헤드(16)에 기계적으로 결합되어 튜브와 벌크헤드 사이에 유체가 새지 않는 밀봉부(fluid-tight seal)를 형성한다. 가스 출구 단부(14)에 위치된 벌크헤드(26)는 동일한 구성으로 형성되기 때문에 본 명세서에서는 상세하게 논의되지 않을 것이다. 벌크헤드(16)와 벌크헤드(26)는 (가령, 예를 들어, (도시되지 않은) 적절한 플랜지형 연결부 및 배기 시스템 파이프에 의해) 디젤 엔진 배기 시스템에 유체 연결된다(fluidically connected).
쉘(28)이 벌크헤드(16)과 벌크헤드(26) 사이에서 연장되며 (가령, 예를 들어, 용접, 납땜 또는 이와 유사한 강성의 결부 방법에 의해) 벌크헤드(16)와 벌크헤드(26)에 기계적으로 결합되어 쉘과 벌크헤드 사이에 유체가 새지 않는 밀봉부를 형성한다. 쉘(28)에는, 냉각수 흐름이 쉘(28) 내에 포함된 튜브를 지나 쉘(28) 안으로 흐를 수 있게 하고, 그 뒤, 튜브(20-24)로부터 나온(rejected) 열을 배출하는 외부 라디에이터(external radiator) 또는 그 외의 다른 수단으로 흐를 수 있게 하기 위해 냉각수 입구 통로(30) 및 냉각수 출구 통로(32)가 제공된다. 도 1에 예시된 실시예에서 열교환기(10)는 가스 입구 단부(12)에 인접한 냉각수 입구 통로(30)가 있는 평행류 열교환기(parallel flow heat exchanger)를 포함한다. 본 발명이 평행류 열교환기에만 제한되는 것으로 간주되어서는 안 된다. 예를 들어, 냉각수 입구 통로(30)가 가스 출구 단부(14)에 인접한 역류형 열교환기(counter flow heat exchanger)도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
다시, 도 2를 보면, 예시된 실시예에서, 벌크헤드(16)와 벌크헤드(26) 사이에 형성되는 튜브는 복수의 튜브 번들, 가령, 튜브 번들(34) 내에 배열된다. 각각의 튜브 번들(34)은 복수의 개별 튜브, 예컨대, 3개의 개별 튜브(20, 22, 24)를 포함한다. 각각의 개별 튜브들은 가스 입구 단부(12)에서 상대적으로 짧은 직선 섹션(36, 38, 40)을 가지고 가스 출구 단부(14)에서는 상대적으로 짧은 직선 섹션(42, 44, 46)을 가진다. 상대적으로 짧은 직선 섹션들 사이에서, 3개의 개별 튜브(20, 22, 24)들은, 각각, 나선형으로 감겨 있으며, 이들은 각각 동일한 나선형 피치(pitch), 나선형 반경, 및 나선형 비틀림 방향(예컨대, 오른손 방향 또는 왼손 방향)을 가진다. 튜브 번들(34)의 개별 튜브(20, 22, 24)들은 모두 공통 나선형 축(48)을 공유한다.
앞에 기술된 것과 같이, 각각의 개별 튜브(20, 22, 24)가 직선 형태의 튜브가 아닌 나선 형태로 형성되기 때문에, 개별 튜브의 열 신장(thermal elongation) 문제는 칼럼 신장(column elongation)으로서가 아니라 튜브의 나선형 직경이 증가될 때 대부분 해결된다(resolved). 이에 따라, 벌크헤드(16 및 26) 상에 튜브들에 의해 가해진 축방향 힘(axial force)이 현저하게 줄어든다. 예를 들어, 16.5 인치의 길이, 0.01922 인치의 횡단면적을 가진 직선 스테인리스 스틸 5/16 인치 직경 튜브에 400℉의 온도 변화가 제공되면, 제한되지 않는(unconstrained) 경우, 스테인리스 스틸 튜브의 길이는 0.053 인치만큼 증가될 것이다 (400 ℉ x 9.9E-6 인치/인치 ℉; 스테인리스 스틸의 대략의 열팽창계수). 튜브가 벌크헤드들에 의해 제한되는 경우, 벌크헤드 상에서 튜브에 의해 제공되는 힘은 2100 파운드를 초과한다.
다른 한편으로 튜브가 0.361 인치의 나선형 직경 및 한 회전당 4.83 인치의 나선형 피치를 가진 나선으로 비틀리는 경우, 그러면, 후크의 법칙에 따라, 똑같이 400℉의 온도 변화 동안 벌크헤드 상의 튜브에 의해 제공되는 힘은 52 파운드를 약간 초과하여 줄어드는데, 이러한 감소폭은 40:1보다 더 큰 응력(stress)이다. 나선형으로 감겨진 튜브가 코일 스프링으로 거동하기(behave) 때문에 나선형 직경이 증가되거나 및/또는 나선형 피치 각도가 줄어들면 이에 상응하게 스프링 속도(spring rate)가 추가로 줄어들고 따라서 벌크헤드에 작용하는 응력이 추가로 줄어드는 반면, 튜브의 직경 및/또는 두께가 증가하면 이에 상응하게 스프링 속도가 증가될 것이라는 것을 이해해야 한다. 이에 따라, 열전달, 열팽창 및 특정 적용분야의 그 외의 다른 설계 제한(design constraint)을 수용하기 위해 나선형 피치, 나선형 직경, 튜브 직경, 및 튜브 두께를 변경시키는 것은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
도 3을 보면, 튜브 번들(34)이 제2 튜브 번들(50)에 인접하게 위치되어 도시된다. 제2 튜브 번들(50)은 복수의 개별 튜브, 가령, 예를 들어, 3개의 개별 튜브(52, 54 및 56)를 포함한다. 각각의 개별 튜브들은 가스 입구 단부(12)에서 상대적으로 짧은 직선 섹션(도시되지 않음)을 가지고 가스 출구 단부(14)에서 상대적으로 짧은 직선 섹션(도시되지 않음)을 가진다. 상대적으로 짧은 직선 섹션들 사이에서, 3개의 개별 튜브(52, 54 및 56)들은, 각각, 나선형으로 감겨 있으며, 이들은 각각 동일한 나선형 피치, 나선형 반경 "r", 및 나선형 비틀림 방향을 가진다. 튜브 번들(50)의 개별 튜브(52, 54 및 56)들은 모두 공통 나선형 축(58)을 공유한다. 나선형 축(58)은 나선형 축(48)에 대해 평행하고 거리(L1)만큼 반경 방향으로 오프셋배열된다. 하지만, 튜브 번들(50)의 개별 튜브들이 동일한 비틀림 방향을 가지기 때문에, 거리(L1)는 이 보다는 작을 수 없는데:
Figure pct00001
여기서, "t"는 튜브 번들 내의 튜브들 사이 공간이며, "d"는 번들 내의 튜브들의 외측 직경이다. 이것은 튜브 번들을 서로 더 가깝게 배열시키려 하면 가장 가까운 튜브(예컨대, 튜브(24 및 52))들이 나선이 교차하는 위치에서 접촉하게 될 것이기 때문이다.
도 4를 보면, 튜브 번들(34)이 제2 튜브 번들(60)에 인접하게 위치되어 도시된다. 제2 튜브 번들(60)은 복수의 개별 튜브, 가령, 예를 들어, 3개의 개별 튜브(62, 64 및 66)를 포함한다. 각각의 개별 튜브들은 가스 입구 단부(12)에서 상대적으로 짧은 직선 섹션(도시되지 않음)을 가지고 가스 출구 단부(14)에서 상대적으로 짧은 직선 섹션(도시되지 않음)을 가진다. 상대적으로 짧은 직선 섹션들 사이에서, 3개의 개별 튜브(62, 64 및 66)들은, 각각, 나선형으로 감겨 있으며, 이들은 각각 동일한 나선형 피치, 나선형 반경 "r", 및 튜브 번들(34)의 나선형 비틀림 방향에 대해 반대인 나선형 비틀림 방향을 가진다. 튜브 번들(60)의 개별 튜브(62, 64 및 66)들은 모두 공통 나선형 축(68)을 공유한다. 나선형 축(68)은 나선형 축(48)에 대해 평행하고 거리(L2)만큼 반경 방향으로 오프셋배열된다. 하지만, 튜브 번들(60)의 개별 튜브들이 서로 반대의 비틀림부(twist)를 가지기 때문에, 거리(L2)는 이 보다는 작을 수 있는데:
Figure pct00002
여기서, "t"는 튜브 번들 내의 튜브들 사이 공간이며, "d"는 번들 내의 튜브들의 외측 직경이다. 이것은, 나선들이 서로 교차하지 않고도, 반대 방향으로 비틀리는 튜브들이 서로 가까이 위치될(nest) 수 있기 때문이다. 예시된 실시예에서, 거리(L2)는 실질적으로 다음과 똑같은데:
Figure pct00003
여기서, "t"는 튜브 번들 내의 튜브들 사이 공간이며, "d"는 번들 내의 튜브들의 외측 직경이다. 이에 따라, 개별 튜브 번들의 압착 밀도(packing density)가 현저하게 증가된다.
도 5를 보면, 예시된 실시예에서, 열교환기(10)는 벌크헤드(16)와 벌크헤드(26) 사이에 결부된 9개의 튜브 번들을 포함한다. 이 튜브 번들들 중 가장 가까운 수직 열(vertical row)은 튜브(20a, 22a 및 24a)들로 구성된 튜브 번들(34a)를 포함하며, 이 튜브들은 모두 오른손 방향의 나선형 비틀림부(right-hand helical twist)를 가진다. 튜브(62a, 64a 및 66a)들로 구성된 튜브 번들(60a)이 튜브 번들(34a)에 바로 인접하게 배열되는데, 이 튜브들은 모두 왼손 방향의 나선형 비틀림부를 가진다. 튜브(20b, 22b 및 24b)들로 구성된 튜브 번들(34b)이 튜브 번들(60a)에 바로 인접하게 배열되는데, 이 튜브들은 모두 오른손 방향의 나선형 비틀림부를 가진다. 상기 3개의 튜브 번들은 나선형 축(48a, 68a 및 48b)들이 평행하고 공통 평면 내에 있는 선형 배열형태(linear array)로 배열된다. 도 5에서 볼 수 있듯이, 튜브 번들의 나머지 부분은 직사각형 매트릭스(rectangular matrix)를 형성하는 일련의 선형 배열형태 내에 형성된 나선형 축들로 배열된다. 이 매트릭스에서, 모든 면들 위에, 각각의 튜브 번들은 서로 반대인 나선형 비틀림부를 가진 튜브 번들에 인접하게 위치된다. 따라서, 예를 들어, 도 5에서 가장 가까운 수직 열은 오른손 방향, 왼손 방향, 오른손 방향인 번들을 가진다. 중앙의 수직 열은 왼손 방향, 오른손 방향, 왼손 방향의 번들을 가지며 가장 먼 수직 열은 오른손 방향, 왼손 방향, 오른손 방향인 번들을 가진다. 튜브 번들은 임의의 개수를 가진 튜브 번들의 선형 배열형태로 함께 인접하게 패킹(pack)하는 기능으로 인해, 특정 적용분야에서 요구하는 것과 같이, 평평한 직사각형의 프리즘(prism)에서부터 곡선 프리즘으로의 모든 형태들과 크기 및 그 밖의 형태들을 가진 열교환기를 디자인하는 데 있어 다양성을 제공한다.
본 명세서에 특정의 예시된 실시예들과 방법들이 기술되었지만, 당업자들에게는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고도 이러한 실시예들과 방법들의 변형예 및 개선예들이 가능하다는 것을 명확하게 알고 있을 것이다. 예를 들어, 본 명세서의 예시된 실시예에서는, 각각의 튜브 번들이 3개의 개별 튜브로 구성되지만, 2개의 튜브, 3개의 튜브, 4개의 튜브 또는 그 이상의 튜브로 구성된 번들도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 3개의 튜브 번들에서 고유의 특징인 공간 활용의 효율성 때문에 3개의 튜브 번들이 바람직하다. 또한, 예시된 실시예에서 튜브 번들을 형성하는 튜브들이 원형의 횡단면을 가지지만, 비-원형의 횡단면을 가진 튜브들도 본 발명의 특징들을 모두 가지고 있는 열교환기에서 바람직하게 사용될 수 있어서 따라서 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 튜브 번들의 나선형 축이 벌크헤드로부터 벌크헤드로 연장되지만, 튜브 번들이 튜브 번들의 길이의 일부분 위에서 공통 나선형 축 주위로 나선형이기만 하면, 튜브 번들이 반드시 벌크헤드로부터 벌크헤드로 연속적으로 나선형일 필요는 없다는 것을 유의해야 한다. 이에 따라, 본 발명은 하기 청구범위 및 본 발명의 원리 및 적용 법의 규칙에 의해 제한된다. 또한, 본 명세서에 사용되는 것과 같이, 용어 "상부" 또는 "하부" 방향은 대표적인 방향을 지칭하기 위한 것이지 본 발명을 제한하려는 것으로 간주되어서는 안 되며, 특별히 다르게 언급되지 않는 한, 용어 "일반적으로", "실질적으로", 혹은 "대략"은, 수학적 개념 또는 측정 수단들과 함께 사용될 때, 측정값의 10% 이내 혹은 10°각도 이내에 있는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (18)

  1. 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기에 있어서,
    상기 열교환기는:
    - 제1 유체가 사이를 통과할 수 있게 하도록 구성된 복수의 제1 튜브를 포함하는 제1 튜브 번들을 포함하고, 복수의 제1 튜브는 각각 제1 입구 세트를 형성하는 입구를 가지며, 복수의 제1 튜브는 각각 제1 출구 세트를 형성하는 출구를 가지고, 제1 입구 세트는 제1 원형 경로 내에 배열된 제1 입구 세트의 중심을 가진 입구 단부에서 입구 지지부에 결부되고, 제1 출구 세트는 제2 원형 경로를 따라 배열된 제1 출구 세트의 중심을 가진 출구 단부에서 출구 지지부에 결부되며, 복수의 제1 튜브들은 각각 입구 단부로부터 출구 단부로 연장되는 제1 공통 나선형 축을 따라 나선형 경로를 따라가고(follow), 복수의 제1 튜브들의 각각의 나선형 경로는 동일한 나선형 피치 및 나선형 반경을 가지며;
    - 제1 유체가 사이를 통과할 수 있게 하도록 구성된 복수의 제2 튜브를 포함하는 제2 튜브 번들을 포함하고, 복수의 제2 튜브는 각각 제2 입구 세트를 형성하는 입구를 가지며, 복수의 제2 튜브는 각각 제2 출구 세트를 형성하는 출구를 가지고, 제2 입구 세트는 제3 원형 경로 내에 배열된 제2 입구 세트의 중심을 가진 입구 단부에서 입구 지지부에 결부되고, 제2 출구 세트는 제4 원형 경로를 따라 배열된 제2 출구 세트의 중심을 가진 출구 단부에서 출구 지지부에 결부되며, 복수의 제2 튜브들은 각각 입구 단부로부터 출구 단부로 연장되는 제2 공통 나선형 축을 따라 나선형 경로를 따라가고, 복수의 제2 튜브들의 각각의 나선형 경로는 동일한 나선형 피치 및 나선형 반경을 가지며, 제2 공통 나선형 축은 제1 공통 나선형 축으로부터 반경 방향으로 오프셋배열된 위치에 배열되고;
    - 제1 및 제2 튜브 번들을 둘러싸는 쉘을 포함하며, 상기 쉘은 제2 유체를 제1 및 제2 튜브 번들을 지나 쉘을 통해 흐르게 하기 위해 입구 포트 및 출구 포트를 가지는, 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 제1 튜브의 나선형 경로는 오른손 방향의 비틀림부(right-hand twist)를 가지며 복수의 제2 튜브의 나선형 경로는 왼손 방향의 비틀림부를 가지는 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 복수의 제3 튜브를 포함하는 제3 튜브 번들을 추가로 포함하고, 복수의 제3 튜브들은 각각 제3 공통 나선형 축을 따라 나선형 경로를 따라가며, 제3 나선형 축은 제1 나선형 축, 제2 나선형 축, 및 제3 나선형 축이 공통 평면에 배열되도록 제1 공통 나선형 축으로부터 반경 방향으로 오프셋배열된 위치에 배열되는 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    제1 및 제3 튜브 번들은 오른손 방향의 비틀림부를 가지며 제2 튜브 번들은 왼손 방향의 비틀림부를 가지는 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  5. 제3항에 있어서,
    제1 및 제3 튜브 번들은 왼손 방향의 비틀림부를 가지며 제2 튜브 번들은 오른손 방향의 비틀림부를 가지는 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 제3 튜브 번들 및 제4 튜브 번들을 추가로 포함하고, 제3 튜브 번들은 복수의 제3 튜브를 포함하며, 복수의 제3 튜브들은 각각 제3 공통 나선형 축을 따라 나선형 경로를 따라가며, 제4 튜브 번들은 복수의 제4 튜브를 포함하고, 복수의 제4 튜브들은 각각 제4 공통 나선형 축을 따라 나선형 경로를 따라가며, 제3 및 제4 나선형 축은 제1, 제2, 제3 및 제4 나선형 축이 직사각형 배열형태(rectangular array)를 형성하도록 제1 공통 나선형 축으로부터 반경 방향으로 오프셋배열된 위치에 배열되는 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    튜브 번들의 총 개수의 절반은 오른손 방향의 나선형 비틀림부를 가진 튜브를 가지며 튜브 번들의 나머지 절반은 왼손 방향의 나선형 비틀림부를 가진 튜브를 가지고, 튜브 번들은 오른손 방향의 나선형 비틀림부를 가진 각각의 튜브 번들이 왼손 방향의 나선형 비틀림부를 가진 튜브 번들에만 인접하게 위치되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  8. 제7항에 있어서,
    왼손 방향의 나선형 비틀림부를 가진 각각의 튜브 번들은 오른손 방향의 나선형 비틀림부를 가진 튜브 번들에만 인접하게 배열되는 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  9. 제1항에 있어서,
    제1 튜브 번들과 제2 튜브 번들은 각각 정확히 3개의 튜브로 구성되는 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  10. 제1항에 있어서,
    제2 공통 나선형 축은 제1 공통 나선형 축으로부터
    Figure pct00004
    미만의 거리만큼 반경 방향으로 오프셋배열되는데, 여기서, "t"는 제1 및 제2 튜브 번들 내의 튜브들 사이 공간이며, "d"는 번들 내의 튜브들의 외측 직경인 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  11. 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기에 있어서,
    상기 열교환기는:
    - 제1 유체가 사이를 통과할 수 있게 하도록 구성된 정확히 3개의 제1 튜브 세트로 구성된 제1 튜브 번들을 포함하고, 제1 튜브 세트는 각각 제1 입구 세트를 형성하는 입구를 가지며, 제1 튜브 세트는 각각 제1 출구 세트를 형성하는 출구를 가지고, 제1 입구 세트는 제1 원형 경로 내에 배열된 제1 입구 세트의 중심을 가진 입구 단부에서 입구 지지부에 결부되고, 제1 출구 세트는 제2 원형 경로를 따라 배열된 제1 출구 세트의 중심을 가진 출구 단부에서 출구 지지부에 결부되며, 제1 튜브 세트들은 각각 입구 단부로부터 출구 단부로 연장되는 제1 공통 나선형 축을 따라 나선형 경로를 따라가고, 제1 튜브 세트들의 각각의 나선형 경로는 동일한 나선형 피치 및 나선형 반경을 가지며;
    - 튜브 번들을 둘러싸는 쉘을 포함하며, 상기 쉘은 제2 유체를 튜브 번들을 지나 쉘을 통해 흐르게 하기 위해 입구 포트 및 출구 포트를 가지는, 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  12. 제1항에 있어서,
    제1 및 제2 원형 경로는 직경이 동일한 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 열교환기는 제1 유체가 사이를 통과할 수 있게 하도록 구성된 정확히 3개의 제2 튜브 세트로 구성된 제2 튜브 번들을 추가로 포함하고, 제2 튜브 세트는 각각 제2 입구 세트를 형성하는 입구를 가지며, 제2 튜브 세트는 각각 제2 출구 세트를 형성하는 출구를 가지고, 제2 입구 세트는 제3 원형 경로 내에 배열된 제2 입구 세트의 중심을 가진 입구 단부에서 입구 지지부에 결부되고, 제2 출구 세트는 제4 원형 경로를 따라 배열된 제2 출구 세트의 중심을 가진 출구 단부에서 출구 지지부에 결부되며, 제2 튜브 세트들은 각각 입구 단부로부터 출구 단부로 연장되는 제2 공통 나선형 축을 따라 나선형 경로를 따라가고, 제2 튜브 세트들의 각각의 나선형 경로는 동일한 나선형 피치 및 나선형 반경을 가지며, 제2 공통 나선형 축은 제1 공통 나선형 축으로부터 반경 방향으로 오프셋배열된 위치에 배열되는 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  14. 제11항에 있어서,
    제1, 제2, 제3 및 제4 원형 경로는 직경이 동일한 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  15. 제11항에 있어서,
    제1 유체는 내연기관으로부터 나오는 배기가스인 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  16. 제15항에 있어서,
    제2 유체는 내연기관의 냉각 시스템으로부터 나오는 냉각수인 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  17. 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기에 있어서,
    상기 열교환기는:
    - 제1 유체가 사이를 통과할 수 있게 하도록 구성된 복수의 제1 튜브를 포함하는 제1 튜브 번들을 포함하고, 복수의 제1 튜브는 각각 제1 입구 세트를 형성하는 입구를 가지며, 복수의 제1 튜브는 각각 제1 출구 세트를 형성하는 출구를 가지고, 제1 입구 세트는 제1 원형 경로 내에 배열된 제1 입구 세트의 중심을 가진 입구 단부에서 입구 지지부에 결부되고, 제1 출구 세트는 제2 원형 경로를 따라 배열된 제1 출구 세트의 중심을 가진 출구 단부에서 출구 지지부에 결부되며, 복수의 제1 튜브들은 각각 입구 단부로부터 출구 단부로 연장되는 제1 공통 나선형 축을 따라 나선형 경로를 따라가고, 복수의 제1 튜브들의 각각의 나선형 경로는 동일한 나선형 피치 및 나선형 반경을 가지며;
    - 제1 유체가 사이를 통과할 수 있게 하도록 구성된 복수의 제2 튜브를 포함하는 제2 튜브 번들을 포함하고, 복수의 제2 튜브는 각각 제2 입구 세트를 형성하는 입구를 가지며, 복수의 제2 튜브는 각각 제2 출구 세트를 형성하는 출구를 가지고, 제2 입구 세트는 제3 원형 경로 내에 배열된 제2 입구 세트의 중심을 가진 입구 단부에서 입구 지지부에 결부되고, 제2 출구 세트는 제4 원형 경로를 따라 배열된 제2 출구 세트의 중심을 가진 출구 단부에서 출구 지지부에 결부되며, 복수의 제2 튜브들은 각각 입구 단부로부터 출구 단부로 연장되는 제2 공통 나선형 축을 따라 나선형 경로를 따라가고, 복수의 제2 튜브들의 각각의 나선형 경로는 동일한 나선형 피치 및 나선형 반경을 가지며,
    제2 공통 나선형 축은 제1 공통 나선형 축으로부터
    Figure pct00005
    미만의 거리만큼 반경 방향으로 오프셋배열되는데, 여기서, "t"는 각각의 제1 및 제2 튜브 번들 내의 튜브들 사이 공간이며, "d"는 제1 및 제2 튜브 번들 내의 튜브들의 외측 직경인, 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
  18. 제17항에 있어서,
    제1 튜브 번들과 제2 튜브 번들은 각각 정확히 3개의 튜브로 구성되는 것을 특징으로 하는 제1 유체 및 제2 유체 사이에서 열을 전달하기 위한 열교환기.
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