KR20170000892U - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 전열관이 관판을 관통하는 구조를 가진 열교환기에 있어서, 전열관의 부식을 억제하는 데 그 목적이 있다.
소정 간격으로 나열된 복수의 전열핀(34)과, 전열핀(34)을 관통하는 복수의 전열관(31)을 배치한다. 복수의 전열관(31)의 양 단부(端部)에 배치되며, 각각의 전열관(31)이 관통하는 관통공(孔)(41a)이 형성된 한 쌍의 관판(41)을 배치한다. 각각의 관판(41)은, 내식성(耐蝕性)의 재료로 구성되며 무도장(無塗裝) 상태로 하고, 적어도 일부의 상기 전열관(31)과는 상기 관통공(41a)의 전체 둘레에서 밀착시킨다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 고안은, 열교환기에 관한 것이다.

선박의 공기조화장치로서, 증기 압축식 냉동 사이클을 행하는 공기조화장치가 이용되는 경우가 있고(예를 들어 특허문헌 1을 참조), 이와 같은 공기조화장치는, 압축기, 응축기, 증발기 등을 가진 냉매회로를 구비한다. 그리고, 이 냉매회로에서는, 증발기로서, 예를 들어 크로스 핀 앤 튜브형 열교환기가 채용되는 일이 있다. 일반적인 크로스 핀 앤 튜브형 열교환기는, 복수의 전열관을 관판으로 지지하는 구조를 가진다. 구체적으로는, 관판에 복수의 관통공(孔)을 형성하여 두고, 이 관통공에 전열관을 관통시킴으로써 열교환기의 본체를 지지한다.

[선행기술문헌]

[특허문헌]

특허문헌 1 : 일본 특허공개 2010－276297호 공보

그런데, 선박용 공기조화장치에서는, 염분으로 인한 부식 대책을 위해, 관판에 도장(塗裝)을 행하는 것이 일반적이다. 이 도장은, 관판의 전열관용 관통공에도 들어가게 되나, 관통공 내의 도막(塗膜)의 두께는 정확하게 관리할 수 없다. 따라서, 전열관을 관판의 관통공에 확실하게 관통시키기 위해서는, 관통공의 둘레 가장자리와 전열관과의 사이에 도장 후에 확실하게 틈새가 생기도록, 관통공의 안지름과 전열관의 바깥지름의 치수 관계를 정할 필요가 있다.

그러나, 선박용 공기조화장치는 항해 중에 진동을 받는 상태에 놓여지므로, 관통공의 둘레 가장자리와 전열관과의 사이에 틈새가 있으면, 관통공의 둘레 가장자리와 전열관과의 사이에서 마찰을 일으켜, 이른바 프레팅 부식(fretting corrosion)(접촉하는 두 물체 사이에 아주 작은 왕복 슬라이딩이 반복 작용했을 때에 일어나는 표면 손상으로 인한 부식)이 일어날 가능성이 있다. 즉, 도장에 의한 방청(防)처리를 행하여도, 다른 부식의 원인이 남는다.

본 고안은 상기의 문제에 착안하여 이루어진 것이며, 전열관이 관판을 관통하는 구조를 가진 열교환기에 있어서, 전열관의 부식을 억제하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해, 제 1 양태는, 소정 간격으로 나열된 복수의 전열핀(34)과, 상기 전열핀(34)을 관통하는 복수의 전열관(31)과, 상기 복수의 전열관(31)의 양 단부(端部)에 배치되며, 각각의 전열관(31)이 관통하는 관통공(41a)이 형성된 한 쌍의 관판(41)을 구비하고, 각각의 관판(41)은, 내식성(耐蝕性)의 재료로 구성되며 무도장(無塗裝) 상태이고, 적어도 일부의 상기 전열관(31)과는 상기 관통공(41a)의 전체 둘레에서 밀착하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에서는, 전열관(31)이 관판(41)에 대해 상대적으로 변위하지 않는다.

또, 제 2 양태는, 제 1 양태에 있어서, 상기 전열관(31)의 부식 전위는, 상기 관판(41)의 부식 전위와 동등 또는 약간 높은 것을 특징으로 한다.

또한, 제 3 양태는, 제 2 양태에 있어서, 상기 전열관(31)은, 구리관으로 형성되며, 상기 관판(41)은, 스테인리스강, 구리도금 강판, 및 구리판 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.

제 1 양태에 의하면, 전열관(31)과 관판(41)과의 사이의 프레팅 부식이 억제된다.

또, 제 2 양태나 제 3 양태에 의하면, 전열관(31)의 전식(電食)이 억제된다.

도 1은, 본 고안의 실시예에 관한 열교환기를 이용한 공기조화장치의 개략 구성도.
도 2는, 냉매회로를 구성하는 기기의 케이싱에서의 배치도.
도 3은, 증발기의 사시도.
도 4는, 관판의 관통공 부근의 단면도.

이하, 본 고안의 실시예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 그리고, 이하의 실시예는, 본질적으로 바람직한 예시이며, 본 고안, 그 적용물, 또는 그 용도의 범위를 제한하는 것을 의도하는 것은 아니다.

《고안의 실시예》

도 1은, 본 고안의 실시예에 관한 열교환기를 이용한 공기조화장치(10)의 개략 구성을 나타낸다. 공기조화장치(10)는, 선박용 공기조화장치이고, 선박의 갑판 등에 설치되며 선실 등의 냉방을 행한다.

〈전체 구성〉

공기조화장치(10)는, 냉매가 충전되고 증기 압축식 냉동 사이클이 행해지는 냉매회로(도시 생략)와, 이 냉매회로를 구성하는 기기를 탑재하는 베이스대(11)를 구비한다. 그리고, 베이스대(11) 상의 소정 기기는 케이싱(12)에 의해 덮인다.

본 실시예의 케이싱(12)은, 외형이 거의 직방체 형상의 상자체이다. 케이싱(12)의 측면(側面)의 한 면에는, 케이싱(12) 내로 공기를 흡입하기 위한 흡입구(13)가 형성된다. 또한, 케이싱(12)의 상면(上面)에는, 케이싱(12) 내의 공기를 외부로 취출하기 위한 취출구(14)가 형성된다. 또, 케이싱(12)의 내부에는, 흡입구(13)로부터 취출구(14)에 이르는 동안에 공기통로가 형성되고, 이 공기통로의 도중에는, 송풍 팬(도시 생략)이 배치된다. 그리고, 베이스대(11)에는, 상기 송풍 팬을 구동하는 팬용 모터(60)가 배치된다.

〈냉매회로의 구성 기기〉

도 2는, 냉매회로를 구성하는 기기의 베이스대(11)에서의 배치를 예시한다. 냉매회로를 구성하는 기기에는, 복수의 압축기(20), 수냉 응축기(50), 팽창 밸브(도시 생략), 증발기(30) 등이 포함된다.

－압축기(20)－

압축기(20)에는, 예를 들어 스크롤식 압축기 등 여러 가지 압축기를 채용할 수 있다. 이 예에서는, 4개의 압축기(20)가 배치되고, 상기 냉매회로에서, 서로 병렬로 접속된다. 물론, 압축기(20)의 개수는 예시이다.

－수냉 응축기(50)－

수냉 응축기(50)는, 상기 냉매회로를 흐르는 냉매와 냉각수를 열교환시킴으로써 냉매를 응축시킨다. 본 실시예의 수냉 응축기(50)는, 이른바 쉘 앤 튜브형 열교환기이고, 냉각수로서 해수(海水)가 이용된다.

－증발기(30)－

증발기(30)는, 상기 냉매회로를 흐르는 냉매(액냉매)와 공기를 열교환시킴으로써 냉매를 증발시킨다. 이 증발기(30)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 흡입구(13)에 대향하여 상기 공기통로 도중에 배치된다. 즉, 증발기(30)에서는, 상기 송풍 팬이 흡입구(13)로부터 케이싱(12) 내에 흡입한 공기와 냉매가 열교환을 행한다. 증발기(30)에서 열교환된 공기는, 상기 송풍 팬에 의해 취출구(14)로부터 선실 등에 송풍된다.

〈증발기(30)의 상세한 설명〉

도 3은, 증발기(30)의 사시도이다. 이 증발기(30)는, 이른바 크로스 핀 앤 튜브형 열교환기이고, 본 고안의 열교환기의 일례이다. 이 증발기(30)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 전열관(31), U자관(32), 헤더관(33), 전열핀(34), 분류기(35), 및 프레임체(40)를 구비한다.

본 실시예의 전열관(31) 및 U자관(32)은, 원형 단면(斷面)의 구리관이다. 그리고, 증발기(30)에서는, 소정 수의 전열관(31)과 U자관(32)으로 이루어진 전열관군이 복수 구성된다. 각 전열관군에서는, 전열관(31)의 단부(端部)끼리를 U자관(32)으로 적절히 접속함으로써, 하나의 전열관군에서 한 개의 냉매유로가 형성된다. 이 냉매유로는, 그 일단(一端)이 헤더관(33)에 접속되고, 헤더관(33)을 개재하여 냉매회로의 배관에 접속된다. 또, 상기 냉매유로의 타단(他端)은, 분류기(35)에 접속된다. 이 분류기(35)는, 냉매회로를 흘러 온 액상의 냉매를 각 전열관군에 분배하는 것이다.

전열핀(34)은, 거의 장방형의 박판(예를 들어 알루미늄의 박판)에 의해 형성된다. 각각의 전열핀(34)에는, 전열관(31)이 관통하는 복수의 관통공이 형성된다. 각 전열핀(34)은, 각각의 관통공에 전열관(31)이 관통된 상태에서, 전열관(31)의 신장방향을 따라 소정 간격마다 나열 배치된다.

프레임체(40)에는, 각 전열관군이 수용된다. 이 프레임체(40)는, 흡입구(13)에서 보아 거의 장방형의 형태를 가지며, 2개의 관판(41) 및 2개의 빔(beam)부재(42)를 구비한다. 빔부재(42)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 금속판을, 일면이 개구된 상자 형상으로 형성한 것이다. 또, 각각의 관판(41)은, 전열관(31)을 관통시키기 위한 복수의 관통공(41a)이 형성된 판 형상의 부재이다. 이들 관판(41)은, 도 3에 나타내는 바와 같이 연직(鉛直) 방향으로 평행으로 배치되고, 한 쪽의 빔부재(42)가, 이들 관판(41)의 상단끼리를 연결하고, 또 다른 한 쪽의 빔부재(42)가 이들 관판(41)의 하단끼리를 연결한다. 그리고, 여기에서는, 관판(41)과 빔부재(42)의 연결에는, 볼트와 너트를 이용한다.

도 4는, 관판(41)의 관통공(41a) 부근의 단면(斷面)을 나타낸다. 도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 증발기(30)에서는, 한 쌍의 관판(41)이 복수의 전열관(31)의 양 단부에 배치되고, 각각의 관판(41)에는, 이들 전열관(31)이 관통하는 복수의 관통공(41a)이 형성된다. 이 예에서는, 관판(41)의 재료로서, 내식성(耐蝕性)을 가지며, 또한 부식 전위가 전열관(31)의 부식 전위와 동등 또는 낮은 것을 채용한다(환언하면 전열관(31)의 부식 전위는, 관판(41)의 부식 전위와 동등 또는 높다). 구체적으로 본 실시예에서는, 전열관(31)으로서 이용한 구리관의 부식 전위를 고려하여, 관판(41)의 재료로는, 구리보다 부식 전위가 약간 낮은 내식성의 재료 중 하나인 스테인리스강을 채용하였다. 물론, 관판(41)의 재료로서 예로 든 스테인리스강은 예시이다. 전열관(31)으로서 구리관을 채용한 경우에는, 관판(41)의 재료로서, 스테인리스강 외에 구리도금 강판이나 구리판 등의 채용도 가능하다.

또, 관판(41)에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 관통공(41a)의 전체 둘레가 전열관(31)과 밀착한다. 상세하게는, 관판(41)의 관통공(41a)의 둘레 가장자리에는, 리플레어(reflare)가공을 하며, 또, 관통공(41a)의 안지름(D1)을 전열관(31)의 바깥지름(D2)과 동등하게 한다. 또한, 전열관(31)은, 전열핀(34)과의 고정 등의 목적으로 확관(tube expanding)하는 경우가 있으며, 여기에서의 전열관(31)의 바깥지름(D2)이란, 확관을 행한 후의 바깥지름이다.

이와 같이 하여 관판(41)이 전열관(31)과 관통공(41a)의 전체 둘레에서 밀착하면, 증발기(30)의 본체(전열관(31)과, 이에 장착한 전열핀(34))가 프레임체(40)에 고정된다.

그리고, 본 실시예에서는, 관판(41)과 전열관(31)을 확실하게 밀착시키기 위해, 관판(41)을 무도장 상태로 한다. 예를 들어, 관판(41)에 도장을 행하면 관통공(41a)에도 도막이 부착된다. 그러나, 이와 같은 도막은, 일반적으로는 두께를 정확하게 관리할 수 없으므로, 도막을 가진 상태에서 관통공(41a)의 전체 둘레에서 전열관(31)이 밀착하도록, 관통공(41a)의 안지름(D1)을 관리하는 것은 곤란하다. 이에 반해, 본 실시예에서는, 관판(41)을 무도장으로 함으로써 이 문제를 회피할 수 있다.

〈공기조화장치(10)의 동작〉

공기조화장치(10)는, 선실 등의 냉방을 행한다. 공기조화장치(10)에 의해 냉방이 행해질 때에는, 압축기(20)가 운전 상태로 되고, 냉매회로에서 냉매가 순환하여, 이른바 냉동 사이클이 행해진다. 이 냉동 사이클의 과정에 있어서, 증발기(30)에서는, 흡입구(13)로부터 흡입된 공기와 냉매가 열교환하여, 냉매가 증발된다. 즉, 흡입구(13)로부터 흡입된 공기로부터는 열이 빼앗기고, 이 공기는 송풍 팬에 의해 선실 등에 송풍된다. 이에 따라, 선실 등이 냉방되게 된다. 그리고, 증발기(30)에서 증발된 냉매는, 압축기(20)에 의해 압축되고, 이 냉매는 수냉 응축기(50)에서 응축된다. 응축된 냉매는, 팽창 밸브 등을 통과하여 다시 증발기(30)에 들어간다.

〈본 실시예의 효과〉

선박용 공기조화장치(10)가 항해 중에 운전되면, 증발기(30)에 대해, 공기조화장치(10)의 외부로부터 진동(예를 들어 선박의 엔진 등으로부터의 진동)이 가해진다. 게다가, 항해 중에는 염분을 포함한 공기가 있는 상태에 증발기(30)가 놓여질 가능성이 높다.

종래의 공기조화장치라면, 관판의 관통공의 둘레 가장자리와 전열관과의 사이에 틈새가 있어, 이와 같은 진동이 있는 환경하에서는, 전열관이 관판에 대해 상대적으로 변위하여, 양자 사이에서 마찰을 일으키는 경우가 있다. 즉, 종래의 공기조화장치의 증발기에서는 프레팅 부식이 우려되며, 염분을 포함한 공기의 존재로 인해 부식이 더욱 진행될 가능성이 있다. 여기서, 프레팅 부식이란, 접촉하는 두 물체 사이에 아주 작은 왕복 슬라이딩이 반복 작용했을 때에 일어나는 표면 손상(부식)이다.

이에 반해, 본 실시예의 관판(41)에서는 관통공(41a)의 전체 둘레가 전열관(31)과 밀착하므로, 공기조화장치(10)의 외부로부터 진동이 가해졌다 하더라도, 전열관(31)이 관판(41)에 대해 상대적으로 변위하지 않는다. 따라서, 본 실시예에서는, 상기 프레팅 부식이 방지된다.

또한, 본 실시예의 관판(41)에는, 내식성의 재료를 이용하며, 염분을 포함한 공기가 있는 상태에 놓여져도 부식되기 어렵다.

또, 본 실시예에서는, 전열관(31)의 부식 전위는, 관판(41)의 부식 전위와 동등 또는 약간 높다. 따라서, 양자의 부식 전위가 동등하면 전식이 일어나지 않으며, 전열관(31)의 부식 전위가 관판(41)의 부식 전위보다 높은 경우에는, 관판(41)의 전식은 일어날 수 있으나, 전열관(31)의 전식은 문제가 되지 않는다.

또한, 전식으로 인해 관판(41)이 부식되면 전열관(31)이 진동하여 상기 프레팅 부식이 일어난다고도 생각할 수 있으나, 실용상 문제가 되지 않는다. 이는, 본 실시예는, 관판(41)의 전식이 어느 정도 진행되지 않으면 전열관(31)이 진동하지 않으므로, 종래예와 같이 전열관이 원래 진동하는 것에 비하면, 전열관(31)이 진동을 받는 상태에 놓여지는 기간이 짧다. 따라서, 전열관(31)의 부식 전위가 관판(41)의 부식 전위보다 높은 경우라도, 관판(41)의 부식 전위와 전열관(31)의 부식 전위의 차이가 충분히 작으면 부식(전식)의 진행은 충분히 느려, 실용상 문제가 되지 않는다. 예를 들어, 본 실시예의 용도(선박용 공기조화장치)에서는, 부식 전위의 차이는 20㎷ 이하가 바람직하다고 생각할 수 있다.

《그 밖의 실시예》

그리고, 상기 실시예의 증발기(30)의 구조는, 크로스 핀 앤 튜브형 열교환기라면 적용할 수 있는 것으로, 증발기에 한정되지 않고 예를 들어 응축기에도 적용할 수 있다.

또, 상기 실시예에서 설명한 열교환기의 용도는, 선박용 공기조화장치에 한정되지 않는다. 선박 이외에도, 진동을 받는 상태에 놓여지는 환경에서 사용되는 열교환기에 적용하면 유용하다.

또한, 반드시 모든 전열관(31)이 관판(41)과 밀착할 필요는 없다. 일부의 전열관(31)이 관판(41)과 밀착하는 구조라도 증발기(30)의 진동을 억제할 수 있고, 그 결과, 부식의 방지를 실현할 수 있다.

[산업상 이용 가능성]

본 고안은, 열교환기로서 유용하다.

30 : 증발기(열교환기)
31 : 전열관
34 : 전열핀
41 : 관판
41a : 관통공

Claims (3)

1. 소정 간격으로 나열된 복수의 전열핀(34)과,
   상기 전열핀(34)을 관통하는 복수의 전열관(31)과,
   상기 복수의 전열관(31)의 양 단부(端部)에 배치되며, 각각의 전열관(31)이 관통하는 관통공(孔)(41a)이 형성된 한 쌍의 관판(41)
   을 구비하고,
   각각의 관판(41)은, 내식성(耐蝕性)의 재료로 구성되며 무도장(無塗裝) 상태이고, 적어도 일부의 상기 전열관(31)과는 상기 관통공(41a)의 전체 둘레에서 밀착하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전열관(31)의 부식 전위는, 상기 관판(41)의 부식 전위와 동등 또는 높은 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 전열관(31)은, 구리관으로 형성되며,
   상기 관판(41)은, 스테인리스강, 구리도금 강판, 및 구리판 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.

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