KR20170000813U - 열 교환기 및 열 교환기를 제조하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
열 교환기는 각각 본질적으로 원통형인 나선들(3)에서 권선된 제 1 파이프(2; 20) 및 제 2 파이프(22)를 포함하며, 그리고 이 파이프들 내측에서 각각의 유체들이 순환할 수 있다. 제 2 파이프(22)는 상기 제 1 파이프(2; 20) 내측에 배열된다. 제 1 나선(3)의 중앙 직경(D)은 제 2 나선(33')의 중앙 직경(D')보다 더 크다. 다른 양태에 따라, 제 1 파이프(2; 20) 및 제 2 파이프(22)는 본질적으로 타원형 횡 방향 단면을 가진다.
Description
본 고안은 열 교환기 및 열 교환기의 생성을 위한 절차에 관한 것이다. 본 고안은 특히 예를 들어 가정용(domestic) 가열 및/또는 가정용 온수의 제조에 사용되는 타입(type)의 가스 보일러(gas boiler)에서의 사용을 위한 열 교환기에 관하여 개선되어 있다. 열 교환기는 사행형(serpentine) 타입이며, 후자의 용어는, 상대적으로 작은 단면의 하나 또는 그 초과의 파이프들이 파이프의 단면의 치수들에 대해 상대적으로 매우 더 큰 직경의 코일들을 갖는 원통형 나선으로 권선되는 것을 의미한다. 열 교환기는 특히 콘덴싱(condensing) 타입의 가스 보일러에서의 사용에 대해 적합하다.
열 교환기는 유체, 예를 들어 물이 순환하는 하나 또는 그 초과의 파이프들을 포함한다. 가스 보일러의 경우에, 교환기의 파이프들은 물이 버너(burner)에서의 연소에 의해 생성되는 가스들을 사용하여 가열되는 것을 허용한다. 보일러의 작동 중에, 파이프들은 제 2 유체, 예를 들어 공기 및 연소 가스에 의한 가열에 노출된다. 열은 파이프들을 통해 하나의 유체로부터 다른 유체로 전달된다.
파이프가 원통형 나선(cylindrical spiral)으로 권선되는 사행형 열 교환기들은 공지되어 있다. 평판화된 타원형 횡 방향 단면을 갖는 파이프를 가지는 이러한 교환기는 예를 들어 문서 EP 0678186로부터 공지되어 있다. 이러한 교환기를 생성하기 위해, 원형 단면의 파이프는 우선적으로 나선으로 권선되고, 그리고 그 후 평판화된 타원형 단면을 생성하기 위해 유압식 프레스 내로 배치된다. 타원형 단면의 생성의 단계 중에, 돌출부들이 파이프의 외부 벽 상에 생성되며, 이 돌출부들은 미리규정된 거리 만큼 코일들을 고정시킨다. 이러한 돌출부들은 사행부(serpentine)에 대해 외부적으로 순환하는 유체와의 열적 교환을 개선하는 것을 가능하게 한다. 교환기의 콤팩트한 형태를 유지하기 위해, 가접 용접들(tack welds)이 원통형 사행부의 최외부 영역에 생성된다.
제 2 파이프가 나선으로 권선된 파이프 내측에 인서팅되는 사행형 열 교환기들은 또한 공지된다. 이러한 교환기들은 예를 들어 컨덴싱 보일러들에서 사용되고, 일반적으로 내부 파이프 내에서 순환하는 가정용 온수 및 일반적으로 외부 파이프 내에서 순환하는 가열 시스템을 위한 온수의 제조를 허용한다. 문서 EP 2199703는 교환기의 외측 파이프가 미리결정된 거리로 배열되고 서로 연결된 2 개의 인접한 원주부들의 조합에 의해 규정된 단면을 가지는 이러한 유형의 교환기를 도시한다.
이러한 공지된 교환기들은 특정한 단점들을 가진다.
하나 다른 하나의 측면에 있는 2 개의 파이프들로 구성되는 교환기들은 원통 사행형 형태를 생성하도록 함께 굽힘되는 2 개의 직선형 파이프들로 생성된다. 이러한 굽힘을 수행할 때, 일정한 제어들에도 불구하고, 외부 파이프에 대해 내부 파이프의 중심 맞춤(centring)을 보장하는 것은 어렵다. 이는 내부 파이프가 굽힘 동안 변형되는 경향이 있거나(이는 외부 파이프의 일 부품으로부터 다음 파이프로의 유체의 통과에 대한 차단을 발생시킴), 외부 파이프에 대해 중심에 맞춰진(centred) 포지션에서 벗어나 이동하는 경향이 있기 때문이다. 이는 차선의(sub-optimal) 열적 교환을 유발한다.
더 일반적으로, 하나가 다른 측면에 있는 2 개의 파이프들로 구성되는 공지된 교환기들의 제조는 상당히 어렵고, 열적 교환의 면에서 최적의 결과들을 보증할 수 없다. 이미 언급된 바와 같이, 주요 과제는 이의 나선형 연장부의 전체를 따라 외부 파이프 내측에 있는 내부 파이프의 정확하고 균일한 포지셔닝의 과제이다. 2 개의 파이프들 각각의 단면 및 그 왕복 운동 포지셔닝(reciprocal positioning)은 열 교환기의 성능과 수명에 대한 특정한 영향을 가지는 양태들이다. 이러한 점에서, 외부 파이프 내측에서 진행하는 가열을 위한 물의 제조 및 가장 안쪽의(innermost) 파이프 내측에서 진행하는 가정용 물의 제조가, 이들이 사용자의 요구들에 따라 발생하기 때문에, 서로로부터 독립적인 것이 유의되어야 한다. 이것은, 2 개의 파이프 중 하나의 파이프가 사용자가 요구하지 않기 때문에 여전히 남아있는 물을 포함할 수 있는 반면에 물이 가스 보일러의 버너에 의해 가열되는 다른 파이프 내측에서 진행하는 것을 의미한다. 위험은 정지된 물이 끓는점에 도달할 수 있다는 점이며, 그리고 이는 소음을 유발할 뿐만 아니라 증기를 생성하고, 파이프 벽들의 온도를 상승시킨다. 게다가, 2 개의 파이프 중 하나 파이프의 정지된 물은 열적 플라이휠(flywheel) 효과를 생성시켜, 다른 파이프 내측에서 진행하는 사용자에 의해 요구되는 물의 온도의 상승을 느리게 한다.
내부 파이프가 사행(serpentine)의 반경 방향 및 축 방향 양자 모두로 외부 파이프 내측에서 중심에 맞춰지는 것이 보장되어야 한다. 공지된 기술에서, 2 개의 파이프의 중심 맞춤은 확실하게 보장되지 않으며, 그리고 2 개의 파이프들의 금속성 벽들 사이의 불리한 접촉은, 파이프에 대한 가능한 손상에 의해 교환기의 효율에 악영향을 미치고 국부적인(localised) 과열로 이어질 수 있는 열 브리지(bridge)의 그 결과로 일어나는 대형(formation)으로, 발생할 수 있다.
타원형 단면의 외부 파이프의 생성에서, 폐쇄적으로 패킹된 사행부의 코일들을 만드는 과제가 또한 발생한다. 공지된 분야에서, 이러한 과제는 코일들 상에 가접 용접들(tack welds)을 생성함으로써 해결되지만, 이는 열 교환기의 열적 교환의 변경의 과제를 도입한다.
본 고안의 목적은 최적의 열적 교환을 제공하는 사행형 열 교환기를 생성하는 것이다. 특히, 본 고안의 목적은 사행형 파이프 내측에서 유체들의 과열의 위험들을 감소시키는 것이다. 본 고안의 추가적인 목적은 열 교환기의 생성을 간소화시키는 것, 그리고 제조하고 유지하는데 신뢰가능하고 장기간의 그리고 경제적인 열 교환기를 제공하는 것이다.
이러한 목적들은 열 교환기 및 이어지는 청구항들에서 규정되는 바와 같이 이 열 교환기의 생성을 위한 절차에 의해 달성된다.
제 1 양태에 따라, 열 교환기는 본질적으로 원통형 나선으로 권선되는 제 1 파이프(제 1 유체가 순환할 수 있음), 및 제 1 파이프 내측에 배열되고 본질적으로 원통형 나선으로 또한 권선되는 제 2 파이프(제 2 유체가 순환할 수 있음)를 포함한다. 제 1 파이프는 본질적으로 타원형인 횡 방향 단면을 가지는 반면에, 제 2 파이프는 형상이 본질적으로 평판화되지 않은(unflattened) 바람직하게는 타원형인 횡 방향 단면을 가진다. 파이프 단면들의 이러한 조합은 양호한 유체 순환과 함께 최적의 열적 교환을 획득하기 위해 특히 유리한 것으로 발견되어 있다. 타원형 단면을 갖는 파이프 표면은 원형 단면으로 획득되는 것보다 더 양호한 열적 교환을 생성하고, 파이프 둘레에서의 유체의 통과에 대한 적은 저항을 또한 제공한다. 게다가, 내부 및 외부 파이프들 사이의 갑작스런 접촉의 상황에서, 접촉 면적은 서로를 향하는 평판화된 표면들을 양자 모두가 가지는 파이프들과 비교하여 실질적으로 감소된다.
바람직하게는, 본질적으로 타원형 단면은 굽힘 단계 전에 직선 원통형 파이프로부터 획득된다. 이는 나선의 기하학적 형상 및 공차들을 정밀하게 제어하는 것을 보다 용이하게 한다.
유리한 구현예에 따라, 제 2 파이프의 단부 부분들은 제 1 파이프 내측에서의 제 2 파이프의 삽입(insertion)의 완료 후에 직선형 구성으로 되게 한다. 바람직하게는, 제 1 파이프의 단부 분들은 삽입 단계 후에 절단되며, 그리고 터미널은 예를 들어 브레이즈 용접(braze welding)에 의해 제 1 파이프 및/또는 제 2 파이프의 단부들에 적용된다. 이러한 해결책은 2 개의 파이프들로 구성되는 완전한 사행부를 생성하는 절차를 간소화시키는 것을 가능하게 한다.
바람직하게는, 제 2 내부 파이프는 본질적으로 원통형 나선으로 권선되며, 이 나선의 중앙 직경은 제 1 외부 파이프가 권선되는 본질적으로 원통형 나선의 중앙 직경보다 더 작다. 따라서, 제 2 파이프는 제 1 파이프의 단면의 중심선에 대해 안쪽으로 이동된다. 이러한 포지션은 제 2 파이프 내측에서의 유체의 가열의 속도의 면에서 양호한 결과를 달성하는 것을 가능하게 하는데, 이는 열 소스(source)의 가장 뜨거운 영역으로부터 제 2 파이프를 분할하는 제 1 파이프에서의 유체의 질량이 감소되기 때문이다. 게다가, 열 소스의 가장 차가운 영역으로의 제 1 파이프의 유체의 통과의 가장 큰 표면적은 유체가 제 2 파이프 내측에 여전히 존재하는 상황에서 보다 빠르게 제 2 파이프로부터 열을 추출하는 것을 가능하게 하여, 따라서 과열 및 끓음의 위험들을 방지한다.
유리하게는, 제 1 파이프는 본질적으로 원통형인 제 1 나선을 생성하는 방식으로 굽힘되며; 제 2 파이프(상기 제 1 파이프의 단면보다 더 작은 표면을 갖는 횡 방향 단면을 가짐)는 본질적으로 원통형인 제 2 나선을 생성하는 방식으로 또한 굽힘되며; 제 2 파이프는 그 후 한 방향으로의 상기 제 1 나선의 회전 및 반대 방향으로의 상기 제 2 나선의 회전을 수행함으로써 제 1 파이프 내측에 인서팅된다.
유리하게는, 제 1 파이프의 본질적으로 원통형 나선은 제 2 파이프의 본질적으로 원통형 나선의 중앙 직경보다 더 큰 중앙 직경을 가진다. 이러한 방식으로, 제 2 파이프는 중심이 맞춰지지 않은 포지션에서, 그러나 대신에 제 1 파이프의 내측 벽에 가깝게 제 1 파이프 내측에 인서팅된다.
유리하게는, 열 교환기는 제 1 파이프의 코일들은 서로로부터 이격시키기 위한 수단을 포함한다. 유리한 형태들의 구현예에 따라, 이러한 수단들은 빗살-형상일(comb-shaped) 수 있다. 코일들을 서로로부터 이격시키기 위한 수단은 사행부 내측에 포함된 유체의 통과의 일정한 단면들을 유지하는 것을 가능하게 한다.
유리하게는, 열 교환기의 생성을 위한 절차는 폐쇄적으로 패킹된 코일들을 갖는 본질적으로 원통형인 제 1 나선을 생성하는 방식으로 제 1 파이프를 굽힘시키는 것 그리고 바람직하게는 빗살 형상의 이격 수단에 의해 코일들을 서로로부터 분리시키는 것의 단계들을 포함한다. 이는 열적 교환을 변경시키는 가접 용접들을 제공하는 것을 불필요하게 만든다.
유리하게는, 제 2 파이프에는 마감처리된(finished) 교환기의 사행부의 공칭 피치(nominal pitch)를 가지는 코일들이 생성되는 반면에, 제 1 파이프에는 폐쇄적으로 패킹된 코일들이 생성된다. 제 1 파이프 내측에 제 2 파이프를 인서팅한 후에, 제 1 파이프의 코일들은 바람직하게는 빗살-형상의 이격 수단에 의해 서로로부터 분리되어, 공칭 코일 피치를 갖는 외부 사행부를 획득한다. 내부 사행부는 코일들 사이의 공칭 피치를 탄성적으로 회복시키고, 따라서 이 내부 사행부를 포함하는 제 1 파이프의 사행부에 대해 축 방향으로 중심에 맞춰진다.
이러한 해결책들은 따라서 외부 파이프에 대해 내부 파이프의 최적의 중심 맞춤을 획득하는 것을 가능하게 하여, 하나의 파이프와 다른 파이프 사이의 유체의 통과의 일정한 단면들을 유지시키고 따라서 열적 교환을 최적화시킨다.
본 고안의 추가적인 특징들 및 장점들은 부가적인 도면들을 참조로 하여 단지 비제한적인 예로써 주어지는, 본 고안의 일부 예들을 따르는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 고안에 따른 열 교환기의 한 형태의 구현예에 대한 사시도를 도시한다;
도 2는 도 1의 교환기에 대한 분해 사시도를 도시한다;
도 3은 도 1의 교환기에 대한 정면도를 도시한다;
도 4는 도 3의 선(VI-VI)을 따른 단면도를 도시한다;
도 5는 도 4의 교환기의 파이프들의 단면에 대한 상세도를 도시한다;
도 6은 제 2 형태의 구현예에 따른 교환기의 파이프들의 단면도를 도시한다;
도 7은 도 6의 파이프들로 생성되는 교환기의 위로부터 본 평면도를 도시한다;
도 8은 변경예에 따른 교환기의 내부 파이프에 대한 부분 단면도를 도시한다;
도 9는 열 교환기의 다른 형태의 구현예에 대한 위로부터 본 평면도를 도시한다;
도 10은 도 9의 화살표(X)의 선을 따른 정면도를 도시한다;
도 11는 도 10의 선(XI-XI)을 따른 단면도를 도시한다; 그리고
도 12는 도 9 내지 도 11의 교환기의 파이프들에 대한 확대(magnified) 단면도를 도시한다.
도 1은 본 고안에 따른 열 교환기의 한 형태의 구현예에 대한 사시도를 도시한다;
도 2는 도 1의 교환기에 대한 분해 사시도를 도시한다;
도 3은 도 1의 교환기에 대한 정면도를 도시한다;
도 4는 도 3의 선(VI-VI)을 따른 단면도를 도시한다;
도 5는 도 4의 교환기의 파이프들의 단면에 대한 상세도를 도시한다;
도 6은 제 2 형태의 구현예에 따른 교환기의 파이프들의 단면도를 도시한다;
도 7은 도 6의 파이프들로 생성되는 교환기의 위로부터 본 평면도를 도시한다;
도 8은 변경예에 따른 교환기의 내부 파이프에 대한 부분 단면도를 도시한다;
도 9는 열 교환기의 다른 형태의 구현예에 대한 위로부터 본 평면도를 도시한다;
도 10은 도 9의 화살표(X)의 선을 따른 정면도를 도시한다;
도 11는 도 10의 선(XI-XI)을 따른 단면도를 도시한다; 그리고
도 12는 도 9 내지 도 11의 교환기의 파이프들에 대한 확대(magnified) 단면도를 도시한다.
도 1은 열 교환기(1)를 예시한다. 열 교환기(1)는 축선(XX')을 갖는 제 1 원통형 나선(3)을 생성하는 방식으로 권선되는(wound) 제 1 파이프(2)를 포함한다. 제 1 파이프(2)는 본질적으로 형상이 타원형(oval)이며, 바람직하게는 평판화된 횡 방향 단면을 가진다(도 5). 유리하게는, 제 1 파이프(2)의 제 2 횡 방향 단면의 주요 축선은 원통형 나선(3)의 축선(XX')에 본질적으로 수직하다. 제 1 및 제 2 터미널(9, 10)은 나선으로 권선된 제 1 파이프(2)의 단부들(4, 5)에서 바람직하게는 유도 브레이즈 용접(induction braze welding)에 의해 연결된다. 도 2에서 예시되는 바와 같이, 각각의 터미널(9, 10)은 원형 횡단면을 갖는 제 2 부분(9B, 10B)에 연결되는 제 1 파이프(2)와 같은 동일한 횡단면을 갖는 제 1 부분(9A, 10A)을 가진다.
도 4 및 도 5에서 예시되는 바와 같이, 제 2 파이프(22)는 제 1 파이프(2) 내측에 인서팅된다(inserted). 제 1 형태의 구현예에 따라, 제 2 파이프(22)는 평판화되지 않은 본질적으로 타원형 횡단면을 가지고 제 1 파이프(2)보다 더 작은 표면적(surface area)을 가진다. 제 2 파이프(22)는 제 2 원통형 나선(33)을 생성하는 방식으로 권선된다. 제 2 파이프(22)는 제 1 파이프(2) 내측의 유체의 순환을 방해하지 않는 방식으로 제 1 파이프(2) 내측에서 본질적으로 중심에 맞춰진다. 이러한 변형예에서, 제 2 파이프(22)는 수평으로 그리고 수직 양자 모두로, 즉 제 1 파이프(2)의 본질적으로 타원형 횡단면의 양자 모두의 축선들에 대해 제 1 파이프(2) 내측에서 중심에 맞춰진다.
도 2에서 예시되는 바와 같이, 제 2 파이프(22)의 단부 부분들(24, 25) 각각은 각각의 터미널(29, 30)이 부착되는 직선형 부분(241, 251)을 가진다.
유리하게는, 제 1 파이프(2)의 코일들(21)은 바람직하게는 빗살형(comb-shaped) 간격 수단(11)에 의해 미리규정된 거리만큼 분리되게 유지된다. 빗살부(comb)(11)는 원통형 나선(3)의 높이와 본질적으로 동일한 연장부를 갖는 연신된 플레이트(elongated plate)(12)를 가진다. 더 구체적으로는, 연신된 플레이트(12)는 2 개의 단부 코일들의 높이를 뺀 원통형 나선(3)의 높이와 동일한 연장부를 가질 수 있다. 치형부들(13)은 플레이트(12)로부터 상기 플레이트(12)에 수직으로 연장하고, 하나의 나선(21)과 다른 나선 사이에 인서팅되는 방식으로 엇갈린(staggered) 높이들로 배열되고, 제자리에 이들을 고정시킨다. 바람직하게는, 빗살부들(11)은 규칙적 유형으로 각지게 이격된다(distanced). 바람직하게는, 빗살부들(11)은 갯수가 8 개이다. 이는 사행부(serpentine) 외측에 위치되는 유체의 통로의 일정한 횡단면을 보장한다.
도 6 및 도 7은 전술된 열 교환기의 변경예를 예시한다. 특히, 바람직한 제 2 형태의 구현예에 따라, 교환기는, 양자 모두가 본질적으로 원통형 나선을 생성하는 방식으로 권선되는 제 1 외부 파이프(20) 및 제 2 내부 파이프(220)로 구성된다. 제 1 외부 파이프(20)는 본질적으로 타원형이며, 바람직하게는 평판화된 횡 방향 단면을 가진다. 제 1 파이프(20)의 벽(6)은 굽힘 단계 중에 내부 파이프(220)의 이동을 제한하는 것을 그리고 따라서 열적 교환의 보다 양호한 제어를 제공하는 것을 가능하게 하는 오목부들(indentations)(7)을 가진다. 이러한 형태의 구현예에 따라, 제 2 내부 파이프(220)는 본질적으로 원형 횡단면을 가진다. 내부 파이프(220)에는, 그러나, 평판화에 의해 또는 평판화 없이 본질적으로 타원형 횡단면이 생성될 수 있다. 특히, 내부 파이프(220)에는 도 5의 제 2 내부 파이프(22)를 참조로 하여 예시되는 평판화되지 않은 타원형 횡단면이 생성될 수 있다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 제 2 내부 파이프(220)는 이의 횡단면의 중심이 제 1 외부 파이프(22)의 횡단면의 중심과 상응하지 않는 방식으로 배열되지만, 제 1 외부 파이프에 의해 형성되는 제 1 나선의 내측을 향하여 이동된다. 이러한 특징은 열 소스의 가장 뜨거운 영역에 근접하게 제 2 내부 파이프(220)를 운반하는 것을 가능하게 하고, 다른 파이프의 유체의 가열 중에 2 개의 파이프들 중 하나의 파이프 내에 임의의 여전히 존재하는 유체의 과열 및 끓음(boiling)을 방지하는 방식으로, 또한 내부 파이프(220)와 외부 파이프(22) 사이에서 열적 교환을 개선시킨다.
도 8은 제 2 내부 파이프(221)가 주름진(corrugated) 외부 표면(26)을 가지는 변형예를 예시한다. 유리하게는, 나선형 절개부(incision)(28)는 제 2 파이프(221)의 외부 표면(26) 상에서 제 2 파이프(221)의 치수들에 따라 미리규정된 총 길이(L1), 피치(P) 및 깊이(Dpt)가 생성된다. 바람직하게는, 파이프(22)는 각각의 단부(241, 251)에서 길이(L3)의 매끄러운 부분을 가진다. 바람직하게는, 제 2 파이프(221)는 본질적으로 원형 횡 방향 단면을 가진다. 그러나, 제 2 파이프(221)에는 도 5의 변형예를 참조로 하여 이전에 설명되고 예시되는 바와 같이 평판화에 의해 또는 평판화 없이 타원형 횡 방향 단면이 생성될 수 있다. 제 1 외부 파이프(예시되지 않음)는 바람직하게는 평판화된, 원형 또는 타원형 단면을 가질 수 있다.
주름진 표면은 굽힘(bending) 중에 변형하는 파이프의 경향을 제한하는 것 그리고 따라서 유체의 통과를 방지하는 것을 가능하게 한다.
도 9 내지 도 12는 전술된 열 교환기의 다른 변경예를 예시한다. 도 11 및 도 12에서 명백하게 볼 수 있는 같이, 제 2 파이프(22)는 제 1 파이프(2) 내측에 인서팅된다. 제 2 파이프(22)는 평판화되지 않은 그리고 제 1 파이프(2)의 횡단면보다 더 작은 표면적을 가지는 본질적으로 타원형 횡단면을 가진다. 제 2 파이프(22)는 제 2 원통형 나선(33')을 생성하는 방식으로 권선된다. 제 2 파이프(22)는 제 1 파이프(2) 내측에서 수직으로, 즉 축선(XX')을 따라 본질적으로 중심에 맞춰진다. 제 2 파이프(22)는, 그러나, 제 1 파이프(2) 내측에 반경 방향으로 중심에 맞춰지지 않지만, 원통형 나선(3)의 내측을 향하여 이동된다. 출원인은 제 1 파이프(2)의 단면들의 중심을 통과하는 기하학적 원통부의 직경을 원통형 나선(3)의 중앙 직경(median diameter)으로서 규정한다. 유사하게는, 출원인은 제 2 파이프(22)의 단면들의 중심을 통과하는 기하학적 원통부의 직경은 원통형 나선(33')의 중앙 직경(median diameter)으로서 규정한다. 도 11 및 도 12의 예에서, 제 1 원통형 나선(3)의 중앙 직경(D)은 제 2 원통형 나선(33')의 중앙 직경(D')보다 더 크다. 바람직하게는, 제 2 파이프(22)는 제 1 파이프(2)의 최내측 반-단면(half cross section)에서 전체적으로(entirely) 포지셔닝된다. 제 2 파이프(22)는 제 2 파이프가 중심 선(H-H)을 횡단하지 않는 방식으로 제 1 외부 파이프(2) 내측에 구성되고 배열된다.
본 고안에 따라, 원통형 나선(3)을 생성하기 위한 절차는, 폐쇄적으로 패킹된(packed) 코일들(21)을 갖는 원통형 나선(3)을 생성하고 그리고 빗살부들(11)에 의해 제자리에 이 코일들을 고정시킴으로서 서로로부터 특정 거리만큼 멀어지게 상기 코일들(21)을 유지시키는 방식으로 직선형 파이프의 굽힘의 단계(phase)를 제공한다.
설명된 교환기들을 생성하기 위해, 본 고안에 따른 제 1 생성 절차는, 본질적으로 원통형인 제 1 나선(3)을 생성하는 방식으로 굽힘될 제 1 파이프(2) 및 본질적으로 원통형 제 2 나선(33, 33')을 생성하는 방식으로 굽힘될, 제 1 파이프(2)의 단면보다 더 작은 표면적을 갖는 횡 방향 단면을 가지는 제 2 파이프(22)를 제공한다. 제 2 파이프(22)는 그 후 한 방향으로의 제 1 나선(3)의 회전 및 반대 방향으로의 제 2 나선(33, 33')의 회전을 수행함으로써 제 1 파이프(2) 내측에 인서팅된다.
축선(XX')을 따른 원통형 나선(3) 내측에서 원통형 나선(33, 33')의 정확한 공간 배치(spacing)를 획득하기 위해, 공칭 설계 피치(nominal design pitch), 즉 열 교환기의 마감처리된(finished) 구성의 그 결과 발생된 인터-코일 피치(inter-coil pitch)로 정확히 이격된 코일들을 갖는 원통형 나선(33, 33')을 생성하는 것은 가능하다. 원통형 나선(33, 33')이 축선(XX')을 따라 특정 탄성적 유연성(elastic flexibility)을 가지기 때문에, 전술된 바와 같이 반대 방향들로의 제 1 나선(3) 및 제 2 나선(33, 33')의 회전을 수행함으로써 제 1 파이프(2) 내측으로 제 2 파이프(22)를 인서팅하는 것은 가능하다. 이러한 작동 중에, 제 2 파이프(22)의 코일들은 제 1 파이프(2)의 코일들(21)의 피치를 측정하도록 압축되며, 이 코일들은 폐쇄적으로 패킹되는 형태로 생성된다. 제 2 파이프(22)가 제 1 파이프(2) 내로 완전히 인서팅될 때, 제 1 파이프의 코일들은 원통형 나선(3)의 공칭 설계 피치를 획득하기 위해 빗살부들(11)에 의해 이격된다. 내부 원통형 나선(33, 33')은 따라서 공칭 설계 피치의 그 고유 형태를 회복시킨다. 제 1 파이프(2)의 터미널들(9, 10)과 제 2 파이프(22)의 상응하는 터미널들(29, 30) 사이에서 중심 맞춤(centering)을 수행함으로써, 따라서, 제 1 파이프(2) 내측에서 축선(XX')을 따라 제 2 파이프(22)의 전체를 중심에 맞추는 것은 가능하다.
유리하게는, 제 1 파이프(2) 및 제 2 파이프(22)는 본질적으로 타원형 단면을 가진다. 제 1 파이프(2)의 본질적으로 타원형 단면은 바람직하게는 평판화되는 반면에, 제 2 파이프(22)의 단면은 그렇지 않다. 제 1 파이프(2) 및 제 2 파이프(22)의 단면들은 바람직하게는 서로 상이한 직경들을 갖는 각각의 직선 원통형 파이프들(이 파이프들은 타원형으로 만들어지고 그 후 나선으로 굽힘됨)에 의해 형성된다.
사행부가 반드시 2 개의 본질적으로 직선형 단부 부분들을 가져야 하기 때문에, 절차의 유리한 구현예에 따라, 제 1 외부 파이프(2)의 단부 부분들은, 굽힘이 완료된 후, 절단된다. 제 2 외부 파이프(22)의 단부 부분들(24, 25)의 부분(241, 251)은 직선형 구성으로 되게 한다. 제 1 및 제 2 터미널(9, 10)은, 그 후, 바람직하게는 유도 브레이즈 용접에 의해 제 1 외부 파이프(2)의 단부들(4, 5)에 연결된다.
도 5 및 도 6에서 예시되는 교환기를 생성하기 위해, 본 고안에 따른 대안적인 절차는 제 1 파이프(20)의 단면보다 더 작은 표면적을 갖는 단면을 가지는 제 2 파이프(220)의 제 1 파이프(20) 내측에서의 삽입(insertion)을 제공한다. 오목부들(7)은 제 1 파이프(20)의 벽(6) 상에 생성된다. 제 1 파이프(20)는 제 1 파이프(2)로 구성되는 본질적으로 원통형 제 1 나선(30) 및 제 2 파이프(220)로 구성되는 본질적으로 원통형 제 2 나선을 생성하는 방식으로 굽힘된다.
유리하게는, 파이프들은 본질적으로 원형 횡 방향 단면을 초기에 가진다. 이러한 경우에, 일단 굽힘이 원통형 사행부(30)를 생성하도록 수행되었다면, 외부 파이프(20)는 공지된 절차에 따라 프레스(press)에 의해 타원형으로 만들어진다.
오목부들(7)은, 굽힘 전에 또는 굽힘 중에, 제 2 파이프(220)의 삽입 전에 또는 제 2 파이프의 삽입 후에 제 1 파이프(20)의 벽(6) 상에 생성될 수 있다. 이러한 오목부들(7)은 굽힘 단계 중에 외부 파이프(20)에 관하여 본질적으로 중심 맞춰지는 상태로 내부 파이프(220)를 유지시키는 것을 가능하게 한다.
본 고안에 따른 열 교환기의 생성을 위한 대안적인 절차는 주름진 외부 표면(26)을 가지는 제 2 파이프(221)의 제 1 파이프(2) 내측으로의 삽입 그리고 후속하여 제 1 파이프(2)로 구성되는 본질적으로 원통형 제 1 나선(3) 및 제 2 파이프(221)로 구성되는 본질적으로 원통형 제 2 나선을 생성하는 방식으로 제 1 파이프(2)를 굽힘시키는 것을 제공한다. 제 1 파이프(2)는 본질적으로 원형 또는 타원형 단면을 가질 수 있다.
이러한 절차에 따라, 외부 파이프(2)는 또한 본질적으로 원형 초기 부분을 가질 수 있고, 제 2 파이프(221)의 삽입 전에 또는 공지된 절차에 따라 프레스에 의한 굽힘 후 타원형으로 만들어질 수 있다.
본 고안에 따른 절차는, 따라서, 최적의 열적 교환을 제공하는 사행형(serpentine) 교환기의 생성을 허용한다. 내부 파이프의 포지션은 사행부의 축선(XX')을 따라 외부 파이프에 대해 중심에 맞춰진다. 축선(X'X)에 대해 내부 파이프의 반경 방향 또는 직경 포지션은 외부 파이프의 단면에 대해 중심에 맞춰질 수 있거나, 중심에 맞춰질 수 없다. 후자의 경우에, 내부 파이프의 포지션은, 보다 효율적인 열적 교환을 위해 외부 파이프의 단면의 중심선에 대해 축선(XX')을 향하여 더 가깝게 이동된다. 또한, 빗살부들에 의해 이어서 분리되는 폐쇄적으로 패킹된 형태의 사행부는 코일들 사이의 일정한 거리를 유지하는 것을 가능하게 하여, 따라서 열적 교환을 개선시킨다.
Claims (11)
- 열 교환기(heat exchanger)로서,
상기 열 교환기는 제 1 유동이 순환할 수 있는, 본질적으로 원통형인 제 1 나선(spiral)(3)으로 권선되는 제 1 파이프(2; 20) 및 제 2 유체가 순환할 수 있는, 본질적으로 원통형인 제 2 나선(33, 33')으로 권선되는 제 2 파이프(22; 221)를 포함하며, 상기 제 2 파이프(22; 221)는 상기 제 1 파이프(2; 20) 내측에 배열되며, 상기 열 교환기 내에서, 상기 제 1 나선(3)의 중앙 직경(D)은 상기 제 2 원통형 나선(33')의 중앙 직경(D')보다 더 큰,
열 교환기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 파이프(22; 221)는 중심선(H-H)을 횡단하지 않는 방식으로 상기 제 1 파이프(2; 20) 내측에 포지셔닝되는(positioned),
열 교환기.
- 열 교환기(heat exchanger)로서,
상기 열 교환기는 제 1 유동이 순환할 수 있는, 본질적으로 원통형인 제 1 나선(spiral)(3)으로 권선되는 제 1 파이프(2; 20) 및 제 2 유체가 순환할 수 있는, 본질적으로 원통형인 제 2 나선(33, 33')으로 권선되는 제 2 파이프(22; 221)를 포함하며, 상기 제 2 파이프(22; 221)는 상기 제 1 파이프(2; 20) 내측에 배열되며, 상기 열 교환기 내에서, 상기 제 1 파이프(2; 20) 및 상기 제 2 파이프(22; 221)는 본질적으로 타원형 횡 방향 단면을 가지는,
열 교환기.
- 제 3 항에 있어서,
상기 열 교환기 내에서, 상기 제 1 파이프는 평판화된(flattened) 본질적으로 타원형 단면을 가지며, 그리고 상기 열 교환기 내에서, 상기 제 2 파이프(22; 221)는 평판화되지 않은 횡 방향 단면을 가지는,
열 교환기.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 교환기는 상기 제 1 파이프(2; 20)의 코일들(21)을 서로로부터 이격시키기 위한 수단(11)을 포함하는,
열 교환기.
- 제 5 항에 있어서,
상기 코일들(21)을 이격시키기 위한 상기 수단(11)은 빗살-형상(comb-shaped)인,
열 교환기.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 열 교환기의 생성을 위한 절차로서,
상기 절차는 다음의 단계들:
폐쇄적으로 패킹되는 코일들(21)을 갖는 본질적으로 원통형 제 1 나선(3)을 생성하는 방식으로 상기 제 1 파이프(2)를 굽힘시키는 단계;
폐쇄적으로 패킹되지 않은 코일들을 갖는 본질적으로 원통형 제 2 나선(33; 33')을 생성하는 방식으로 상기 제 1 파이프(2)의 단면보다 더 작은 표면적을 갖는 횡 방향 단면을 가지는 상기 제 2 파이프(22)를 굽힘시키는 단계;
서로에 대해 반대 방향들로 제 1 나선(3) 및 제 2 나선(33, 33')을 회전시킴으로써 상기 제 1 파이프(2) 내측에 상기 제 2 파이프(22)를 인서팅시키는 단계; 및
수단(11), 바람직하게는 빗살-형상부(11)를 이격시킴으로써 상기 제 1 나선(3)의 코일들(21)을 분리시키는 단계를 포함하는,
열 교환기의 생성을 위한 절차.
- 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 파이프(22)의 단부 부분들(241, 251)은 상기 제 1 파이프(2) 내측에 상기 제 2 파이프(22)의 삽입(insertion)의 완료 후에 직선형 구성으로 되게 하는,
열 교환기의 생성을 위한 절차.
- 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 파이프(2)의 상기 단부 부분들은 삽입 단계 후에 절단되는,
열 교환기의 생성을 위한 절차.
- 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 파이프(22)의 단부 부분들(241, 251)은 단부 터미널들(end terminals)에 의해 상기 제 1 파이프(2)의 단부 부분들과 동축으로 정렬되는,
열 교환기의 생성을 위한 절차.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항을 따른 열 교환기의 생성을 위한 절차로서,
본질적으로 원통형인 제 1 나선(3)을 생성하는 방식으로 상기 제 1 파이프(2)를 굽힘시키는 단계들을 포함하는,
열 교환기의 생성을 위한 절차.
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