KR20180099836A

KR20180099836A - U 튜브 열 교환기

Info

Publication number: KR20180099836A
Application number: KR1020187022000A
Authority: KR
Inventors: 다이치 나카무라; 가츠히로 호타; 사토시 히라오카
Original assignee: 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2016-02-08
Filing date: 2016-09-30
Publication date: 2018-09-05
Also published as: WO2017138188A1; JP2017141983A; CN108463682A; DE112016006146T5; JP6579468B2; US20190033002A1; KR102094160B1; CN108463682B; US10627166B2

Abstract

U 튜브 열 교환기의 관 지지판(50)은 관외 유체실(93) 안을 U 튜브(20)의 곡관부(25)가 존재하는 제2 단 측(D2)의 곡관실(95)과 제1 단 측(D1)의 실로 분할한다. 제2 칸막이 벽(45)은 관외 유체실(93) 안의 제1 단 측(D1)의 실내를 U 튜브(20)의 입구 측 직관부(21a)가 존재하는 제1 직관실(94a)과 U 튜브(20)의 출구 측 직관부(21b)가 존재하는 제2 직관실(94b)로 분할한다. 제2 칸막이 벽(45)에는, 제1 직관실(94a)로부터 제2 직관실(94b)로 관통하는 개구(46)가 형성되어 있다. 관 지지판(50)에는, 제1 직관실(94a)로부터 곡관실(95)로 관통하는 제1 패스 구멍(52a)과 제2 직관실(94b)로부터 곡관실(95)로 관통하는 제2 패스 구멍(52b)이 형성되어 있다.

Description

U 튜브 열 교환기

본 발명은 U 튜브 열 교환기에 관한 것이다.

본원은 2016년2월8일에 일본에 출원된 특허출원 제2016-021880호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

열 교환기에는, 외통과, 외통 안을 제1 단 측의 관내 유체실과 제2 단 측의 관외 유체실로 분할하는 관판(管板)과, 관외 유체실 안에 배치되어, 양단(兩端)이 관판에 고정되어 있는 복수의 U 튜브를 구비하는 U 튜브 열 교환기가 있다.

이러한 U 튜브 열 교환기로서는, 예를 들어 특허문헌 1에 기재되어 있는 U 튜브 열 교환기가 있다. 이 U 튜브 열 교환기의 관외 유체실에는, U 튜브의 입구 측 직관부(直管部)가 존재하는 제1 직관실(直管室)과 U 튜브의 출구 측 직관부가 존재하는 제2 직관실로 분할하는 격벽이 설치되어 있다. 또한, 제1 직관실 및 제2 직관실에는, 복수의 배플(baffle)이 설치되어 있다. 이 U 튜브 열 교환기에서는, U 튜브 안을 흐르는 관내 유체와 U 튜브 밖을 흐르는 관외 유체와의 전열 면적(傳熱面積)을 증가시키기 위해, U 튜브의 곡관부(曲管部)가 존재하는 영역, 환언하면 외통의 경판(鏡板)의 내측의 경판 영역에도 관외 유체를 흐르게 하고 있다.

일본 공개특허공보 제2002-357394호

상기 U 튜브 열 교환기에서는, U 튜브의 곡관부의 주변에도 관외 유체가 흐르기 때문에, 곡관부가 진동할 가능성이 높다. 이 때문에, 곡관부의 진동을 억제하기 위해, 외통 안에서 곡관부가 존재하고 있는 영역에 관외 유체를 흐르게 하지 않도록 하면, 관외 유체와 관내 유체와의 전열 면적이 작아진다.

그래서 본 발명은 관외 유체와 관내 유체와의 전열 면적을 증가시키면서도 U 튜브의 진동을 억제할 수 있는 U 튜브 열 교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 발명에 관한 제1 양태의 U 튜브 열 교환기는,

통상(筒狀)을 이루고 양단이 닫혀 있는 외통(外筒)과, 상기 외통 안을 상기 양단 중 제1 단 측의 위치에서 상기 제1 단 측의 관내 유체실과 제2 단 측의 관외 유체실로 분할하는 관판(管板)과, 상기 관외 유체실에 배치되고 양단이 상기 관판에 고정되어 있는 동시에 당해 양단이 상기 관내 유체실에 대면하고 있는 복수의 U 튜브(U-Tube)와, 상기 관내 유체실을 상기 U 튜브에 있어서의 상기 양단 중 입구 단(入口端)의 모임인 입구 단군(入口端群)을 대면하는 입구실과 상기 U 튜브에 있어서의 상기 양단 중 출구 단(出口端)의 모임인 출구 단군(出口端群)을 대면하는 출구실로 분할하는 제1 칸막이 벽(第一仕切壁)과, 상기 관외 유체실을 상기 제2 단 측에 있어서 상기 U 튜브에 있어서의 곡관부의 모임인 곡관군(曲管群)이 존재하는 곡관실(曲管室)과 상기 제1 단 측의 실(室)로 분할하면서 상기 U 튜브에 있어서의 상기 입구 단으로부터 연장되는 입구 측 직관부 및 상기 U 튜브에 있어서의 상기 출구 단으로부터 연장되는 출구 측 직관부를 지지하는 관 지지판(管支持板)과, 상기 관외 유체실의 상기 곡관실에 대해 상기 제1 단 측의 실을 상기 U 튜브에 있어서의 상기 입구 측 직관부의 모임인 입구 측 직관군(直管群)이 존재하는 제1 직관실과 상기 U 튜브에 있어서의 상기 출구 측 직관부의 모임인 출구 측 직관군이 존재하는 제2 직관실로 분할하는 제2 칸막이 벽(第二仕切壁)을 구비하고, 상기 제2 칸막이 벽의 상기 제2 단 측에 있어서 상기 관 지지판보다도 상기 제1 단 측에는, 상기 제1 직관실로부터 상기 제2 직관실로 관통하는 개구가 형성되고, 상기 관 지지판에는, 상기 제1 직관실로부터 상기 곡관실로 관통하는 하나 이상의 제1 패스 구멍(pass hole)이 형성되어 있는 동시에 상기 제2 직관실로부터 상기 곡관실로 관통하는 하나 이상의 제2 패스 구멍이 형성되어 있다.

당해 U 튜브 열 교환기에 있어서, 관내 유체가 관내 유체실의 입구실에 유입한 것으로 한다. 이 관내 유체는 복수의 U 튜브의 입구 끝에 형성되어 있는 입구로부터 U 튜브 안에 유입한다. U 튜브 안에 유입한 관내 유체는 U 튜브의 입구 측 직관부, 곡관부, 출구 측 직관부를 거쳐서 U 튜브의 출구 끝에 형성되어 있는 출구로부터 관외 유체실의 출구실에 유출한다.

또한, 당해 U 튜브 열 교환기에 있어서, 예를 들어 관외 유체가 관외 유체실의 제2 직관실에 유입한 것으로 한다. 제2 직관실에 유입한 관외 유체는 이 제2 직관실 안을 흐르는 과정에서 복수의 U 튜브의 출구 측 직관부 안을 흐르는 관내 유체와 열 교환한다.

제2 직관실에 유입한 관외 유체의 일부는 관 지지판의 제2 패스 구멍을 거쳐서 곡관실에 유입한다. 관외 유체는 곡관실을 흐르는 과정에서 복수의 U 튜브의 곡관부 안을 흐르는 관내 유체와 열 교환한다. 곡관실에 유입한 관외 유체는 관 지지판의 제1 패스 구멍을 거쳐서 관외 유체실의 제1 직관실에 유입한다. 또한, 제2 직관실에 유입한 관외 유체의 다른 일부는 제2 칸막이 벽의 개구를 거쳐서 제1 직관실에 유입한다.

제1 직관실에 유입한 관외 유체는 이 제1 직관실을 흐르는 과정에서 복수의 U 튜브의 입구 측 직관부 안을 흐르는 관내 유체와 열 교환한다.

이상과 같이, 당해 U 튜브 열 교환기에서는, 곡관실에서 관외 유체와 U 튜브의 곡관부 안의 관내 유체를 열 교환시킬 수 있기 때문에, 곡관실 안에 관외 유체를 인도하지 않는 U 튜브 열 교환기보다도 전열 면적을 증가시킬 수 있다.

그런데 U 튜브의 곡관부가 존재하는 곡관실에서의 관외 유체의 흐름의 방향 성분은 곡관부를 따르는 방향 성분이 주가 되지만, 곡관부에 대해 교차하는 방향 성분도 일부에 존재한다. 이 때문에, 곡관실을 관외 유체가 일정 조건하에서 흐르면, 곡관실의 곡관부가 진동한다.

그래서 당해 U 튜브 열 교환기에서는, 곡관부의 진동을 억제하기 위해, 제2 직관실의 관외 유체 중 일부를 곡관실에 유입시키는 한편, 나머지의 일부를 곡관실에 유입시키지 않고, 제2 칸막이 벽의 개구로부터 제1 직관실에 유입시키고 있다. 이 결과, 당해 U 튜브 열 교환기에서는, 곡관실을 관외 유체가 흐르지만, 그 유속이 늦어지게 됨으로써 곡관부에 대해 교차하는 방향 성분의 유속도 늦어져서 곡관부의 진동을 억제할 수 있다.

또한, 이상에서는 관외 유체가 제2 직관실로부터 제1 직관실에 흐르는 것으로 가정하여 설명했지만, 관외 유체가 제1 직관실로부터 제2 직관실에 흐르는 경우라도 이상과 같은 효과를 얻을 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 발명에 관한 제2 양태의 U 튜브 열 교환기는,

상기 제1 양태의 상기 U 튜브 열 교환기에 있어서, 상기 개구의 개구 면적은 상기 하나 이상의 제1 패스 구멍의 전 유로 단면적 및 상기 하나 이상의 제2 패스 구멍의 전 유로 단면적보다도 넓다.

상기 목적을 달성하기 위한 발명에 관한 제3 양태의 U 튜브 열 교환기는,

상기 제1 양태 또는 상기 제2 양태의 상기 U 튜브 열 교환기에 있어서, 상기 관 지지판에는, 복수의 상기 U 튜브에 있어서의 각 입구 측 직관부가 삽입되어 있는 제1 관 구멍과 복수의 상기 U 튜브에 있어서의 각 출구 측 직관부가 삽입되어 있는 제2 관 구멍이 형성되어 있고, 상기 제1 패스 구멍은 상기 관 지지판에 있어서의 복수의 상기 제1 관 구멍의 상호 간의 위치에 형성되고, 상기 제2 패스 구멍은 상기 관 지지판에 있어서의 복수의 상기 제2 관 구멍의 상호 간의 위치에 형성되어 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 발명에 관한 제4 양태의 U 튜브 열 교환기는,

상기 제1 양태 또는 상기 제2 양태의 상기 U 튜브 열 교환기에 있어서, 상기 관 지지판에는, 복수의 상기 U 튜브에 있어서의 각 입구 측 직관부가 삽입되어 있는 제1 관 구멍과 복수의 상기 U 튜브에 있어서의 각 출구 측 직관부가 삽입되어 있는 제2 관 구멍이 형성되어 있고, 상기 제1 패스 구멍은 복수의 상기 제1 관 구멍 중 어느 하나에 연결되고 있고, 상기 제2 패스 구멍은 복수의 상기 제2 관 구멍 중 어느 하나에 연결되어 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 발명에 관한 제5 양태의 U 튜브 열 교환기는,

상기 제1 양태부터 제4 양태의 어느 하나의 상기 U 튜브 열 교환기에 있어서, 상기 곡관실에 배치되고, 복수의 상기 U 튜브로부터 이격하며, 복수의 상기 U 튜브 중 어느 하나의 U 튜브에 있어서의 상기 곡관부를 따라 구부러지는 곡면을 갖는 가이드를 구비한다.

당해 U 튜브 열 교환기에서는, 곡관실의 관외 유체가 U 튜브의 곡관부를 따라 흐르게 할 수 있기 때문에, 관외 유체의 흐름의 방향 성분 중 곡관부에 대해 교차하는 방향 성분을 적게 할 수 있다. 이 때문에, 당해 U 튜브 열 교환기에서는, 곡관실에 유입하는 관외 유체의 유량이 가이드를 갖지 않는 열 교환기와 동일하더라도 가이드를 갖지 않는 열 교환기보다도 복수의 곡관부의 진동을 억제할 수 있다.

환언하면, 당해 U 튜브 열 교환기에서는 곡관실에 유입하는 관외 유체의 유량을 가이드를 갖지 않는 열 교환기보다 많게 해도 복수의 곡관부의 진동을 억제할 수 있다. 따라서 당해 U 튜브 열 교환기에서는 곡관실에 있어서의 관외 유체와 관내 유체와의 열 교환량을 많게 할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 발명에 관한 제6 양태의 U 튜브 열 교환기는,

상기 제5 양태의 상기 U 튜브 열 교환기에 있어서, 복수의 U 튜브 중 어느 하나의 U 튜브에 있어서의 곡관부의 곡률 반경이 다른 U 튜브에 있어서의 곡관부의 곡률 반경과 다르고, 상기 가이드는 가장 곡률 반경이 작은 곡관부인 최소 곡관부에 대해 상기 최소 곡관부의 곡률 중심 측에 위치하고, 상기 최소 곡관부의 상기 곡률 중심 측을 따라 구부러지는 볼록 곡면을 갖는 내측 가이드와, 가장 곡률 반경이 큰 곡관부인 최대 곡관부에 대해 상기 최대 곡관부의 곡률 중심 측과는 반대 측에 위치하고, 상기 최대 곡관부의 상기 반대 측을 따라 구부러지는 오목 곡면을 갖는 외측 가이드와, 상기 최소 곡관부와 상기 최대 곡관부 사이에 위치하고, 상기 최소 곡관부의 곡률 중심 측과는 반대 측을 따라 구부러지는 오목 곡면과 상기 최대 곡관부의 곡률 중심 측을 따라 구부러지는 볼록 곡면을 갖는 중간 가이드 중 적어도 하나의 가이드를 갖는다.

상기 목적을 달성하기 위한 발명에 관한 제7 양태의 U 튜브 열 교환기는,

상기 제1 양태부터 상기 제6 양태의 어느 하나의 상기 U 튜브 열 교환기에 있어서, 상기 제1 직관실에 배치되고, 상기 입구 측 직관부가 연장되어 있는 방향에 교차하는 방향으로 넓어지고 있는 하나 이상의 제1 배플과, 상기 제2 직관실 안에 배치되고, 상기 출구 측 직관부가 연장되어 있는 방향에 교차하는 방향으로 넓어지고 있는 하나 이상의 제2 배플을 구비하고, 상기 제1 배플에는, 상기 입구 측 직관부가 연장되어 있는 방향으로 관통하는 하나 이상의 제3 패스 구멍이 형성되고, 상기 제2 배플에는, 상기 입구 측 직관부가 연장되어 있는 방향으로 관통하는 하나 이상의 제4 패스 구멍이 형성되어 있다.

당해 U 튜브 열 교환기에서는, 제1 직관실에 제1 배플이 배치되어 있기 때문에, 제1 직관실을 흐르는 관외 유체의 유로 길이를 길게 할 수 있다. 또한, 당해 U 튜브 열 교환기에서는, 제2 직관실에 제2 배플이 배치되어 있기 때문에, 제2 직관실을 흐르는 관외 유체의 유로 길이를 길게 할 수 있다. 이 때문에, 당해 U 튜브 열 교환기에서는 관외 유체와 관내 유체와의 열 교환량을 많게 할 수 있다.

또한, 당해 U 튜브 열 교환기에서는 직관부가 연장되어 있는 방향에 교차하는 방향으로 넓어지고 있는 배플을 갖지만, 배플에는 직관부가 연장되어 있는 방향으로 관통하는 패스 구멍이 형성되어 있다. 이 때문에, 관외 유체의 흐름의 방향 성분 중 직관부에 대해 교차하는 방향 성분을 적게 할 수 있다. 따라서 당해 U 튜브 열 교환기에서는 직관부의 진동을 억제할 수 있다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 관외 유체와 관내 유체와의 전열 면적을 넓게 하면서도 U 튜브의 진동을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 제1 실시형태에 있어서의 U 튜브 열 교환기의 단면도이다.
도 2는 도 1에 있어서의 Ⅱ-Ⅱ 선 단면도이다.
도 3은 본 발명에 관한 제1 실시형태에 있어서의 관 구멍과 패스 구멍과의 위치 관계를 나타내는 설명도이다.
도 4는 본 발명에 관한 제2 실시형태에 있어서의 U 튜브 열 교환기의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 관한 제3 실시형태에 있어서의 U 튜브 열 교환기의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 관한 제1 변형예에 있어서의 관 구멍과 패스 구멍과의 위치 관계를 나타내는 설명도이다.
도 7은 본 발명에 관한 제2 변형예에 있어서의 관 구멍과 패스 구멍과의 위치 관계를 나타내는 설명도이다.
도 8은 본 발명에 관한 제3 변형예에 있어서의 관 구멍과 패스 구멍과의 위치 관계를 나타내는 설명도이다.

이하, 본 발명에 관한 U 튜브 열 교환기의 각종 실시형태 및 변형예에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

「제1 실시형태」

본 발명에 관한 U 튜브 열 교환기의 제1 실시형태에 대해 도 1∼도 3을 참조하여 설명한다.

본 실시형태의 U 튜브 열 교환기는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 통상의 외통(10)과, 외통(10) 안을 관내 유체실(90)과 관외 유체실(93)로 분할하는 관판(30)과, 관외 유체실(93) 안에 배치되어 있는 복수의 U 튜브(20)와, 관내 유체실(90) 안을 입구실(91)과 출구실(92)로 분할하는 제1 칸막이 벽(40)과, 관외 유체실(93) 안을 제1 직관실(94a)과 제2 직관실(94b)로 분할하는 제2 칸막이 벽(45)과, 제1 직관실(94a) 안을 흐르는 관외 유체(Fo)의 흐름의 방향을 바꾸는 복수의 제1 배플(60a)과, 제2 직관실(94b) 안을 흐르는 관외 유체(Fo)의 흐름의 방향을 바꾸는 복수의 제2 배플(60b)과, 복수의 U 튜브(20)를 지지하는 관 지지판(50)을 구비한다.

외통(10)은 통상을 이루고, 양단이 닫혀 있다. 이 외통(10)은 축선(X)을 중심으로 하여 원통상 몸통부(11)와 몸통부(11)의 끝에 접속되어 있는 제1 경판부(鏡板部)(12) 및 제2 경판부(14)를 갖는다. 여기서, 축선(X)이 연장되는 방향을 축 방향(Dx)이라고 한다. 또한, 이 축 방향(Dx)의 한쪽을 제1 단 측(D1)이라고 하고, 다른 쪽을 제2 단 측(D2)이라고 한다. 제1 경판부(12)는 몸통부(11)의 제1 단 측(D1)의 끝에 접속되어 이 몸통부(11)의 제1 단 측(D1)의 개구를 막는다. 이 제1 경판부(12)는 그 내면이 제2 경판부(14)로부터 멀어지는 측, 즉 제1 단 측(D1)에 오목상으로 매끄럽게 우묵하게 들어가 있다. 제2 경판부(14)는 몸통부(11)의 제2 단 측(D2)의 끝에 접속되어 이 몸통부(11)의 제2 단 측(D2)의 개구를 막는다. 이 제2 경판부(14)는 그 내면이 제1 경판부(12)로부터 멀어지는 측, 즉 제2 단 측(D2)에 오목상으로 매끄럽게 우묵하게 들어가 있다. 제1 경판부(12)에서, 가장 제1 단 측(D1)의 부분은 외통(10)의 제1 단(13)을 이룬다. 또한, 제2 경판부(14)에서, 가장 제2 단 측(D2)의 부분은 외통(10)의 제2 단(15)을 이룬다.

외통(10) 안은 제1 단 측(D1)의 위치에서 관판(30)에 의해 제1 단 측(D1)의 관내 유체실(90)과 제2 단 측(D2)의 관외 유체실(93)로 분할되어 있다. 보다 구체적으로는, 외통(10) 안은 제1 경판부(12)와 몸통부(11)와의 경계에서 관판(30)에 의해 관내 유체실(90)과 관외 유체실(93)로 분할되어 있다.

U 튜브(20)는 한 쌍의 직관부(21)와 한 쌍의 직관부(21)의 끝 서로를 연결하는 곡관부(25)를 갖는다. 곡관부(25)는 한 쌍의 직관부(21) 사이의 위치를 곡률 중심(26)으로 하여 원호상을 이루고 있다. 한 쌍의 직관부(21) 중, 한쪽의 직관부(21)는 입구 측 직관부(21a)를 이루고, 다른 쪽의 직관부(21)는 출구 측 직관부(21b)를 이룬다. 입구 측 직관부(21a)의 양단 중 곡관부(25)와는 반대 측의 끝은 입구 단(22a)을 이룬다. 이 입구 단(22a)에는, U 튜브(20) 안에 관내 유체(Fi)가 유입하는 입구가 형성되어 있다. 또한, 출구 측 직관부(21b)의 양단 중 곡관부(25)와는 반대 측의 끝은 출구 단(22b)을 이룬다. 이 출구 단(22b)에는, U 튜브(20) 안으로부터 관내 유체(Fi)가 유출하는 출구가 형성되어 있다. U 튜브(20)의 각 직관부(21)는 모두 축 방향(Dx)으로 연장되며, 또한 축 방향(Dx)의 위치가 동일하다.

복수의 U 튜브(20)는 관외 유체실(93) 안에 배치되고, 복수의 U 튜브(20)의 양단(22a, 22b)이 관판(30)에 고정되어 있다. 관판(30)은 실질적으로 원판상을 이루고 있다. 이 관판(30)에는, 축 방향(Dx)으로 관통하고, 복수의 U 튜브(20)의 각 입구 단(22a) 및 각 출구 단(22b)이 삽통(揷通)되는 관 구멍(31)이 형성되어 있다. 원판상 관판(30)에 있어서의 한쪽의 반원 안의 복수의 관 구멍(31)에는, 복수의 U 튜브(20)의 입구 단(22a)이 삽통되어 있다. 복수의 U 튜브(20)의 입구 단(22a)은 모두 관내 유체실(90)에 대면하고 있다. U 튜브(20)의 입구 단(22a)은 이 관 구멍(31)에 고정되어 있다. 또한, 원판상 관판(30)에 있어서의 다른 쪽의 반원 안의 복수의 관 구멍(31)에는, 복수의 U 튜브(20)의 출구 단(22b)이 삽통되어 있다. 복수의 U 튜브(20)의 출구 단(22b)은 모두 관내 유체실(90)에 대면하고 있다. U 튜브(20)의 출구 단(22b)은 이 관 구멍(31)에 고정되어 있다. 복수의 U 튜브(20)의 각 곡관부(25)는 관외 유체실(93) 중 제2 경판부(14)의 내측의 영역과 몸통부(11)의 내측에 있어서 제2 경판부(14) 측의 영역을 합친 곡관실(95) 안에 배치되어 있다.

제1 칸막이 벽(40)은 관내 유체실(90) 안을 U 튜브(20)의 입구 단(22a)의 모임인 입구 단군을 대면하는 입구실(91)과 U 튜브(20)의 출구 단(22b)의 모임인 출구 단군을 대면하는 출구실(92)로 분할한다. 제1 경판부(12)에는, 내측의 입구실(91)과 외부를 연통시키는 관 내측 입구 노즐(16)과 내측의 출구실(92)과 외부를 연통시키는 관 내측 출구 노즐(17)이 설치되어 있다.

관 지지판(50)은 관외 유체실(93) 안에 배치되고, 이 관외 유체실(93) 안을 전술(前述)의 곡관실(95)과 이 곡관실(95)을 제외한 실로 분할한다. 환언하면, 관 지지판(50)은 관외 유체실(93) 안을 제2 단 측(D2)의 실과 제1 단 측(D1)의 실로 분할한다. 관 지지판(50)에는, 복수의 U 튜브(20)의 입구 측 직관부(21a)에 있어서의 제2 단 측(D2)의 부분이 삽통되는 제1 관 구멍(51a)과 복수의 U 튜브(20)의 출구 측 직관부(21b)에 있어서의 제2 단 측(D2)의 부분이 삽통되는 제2 관 구멍(51b)이 형성되어 있다. 복수의 U 튜브(20)의 입구 측 직관부(21a)는 제1 관 구멍(51a)에 삽통됨으로써 이 관 지지판(50)에 지지된다. 또한, 복수의 U 튜브(20)의 출구 측 직관부(21b)는 제2 관 구멍(51b)에 삽통됨으로써 이 관 지지판(50)에 지지된다.

제2 칸막이 벽(45)은 관외 유체실(93) 안에 배치되고, 관외 유체실(93) 안의 곡관실(95)보다도 제1 단 측(D1)의 실을 U 튜브(20)에 있어서의 입구 측 직관부(21a)의 모임인 입구 측 직관군이 존재하는 제1 직관실(94a)과 U 튜브(20)에 있어서의 출구 측 직관부(21b)의 모임인 출구 측 직관군이 존재하는 제2 직관실(94b)로 분할한다. 이 제2 칸막이 벽(45)은 관판(30)으로부터 관 지지판(50)까지 축 방향(Dx)으로 연장되어 있다.

외통(10)의 몸통부(11)에는, 내측의 제2 직관실(94b)과 외부를 연통시키는 관 외측 입구 노즐(18)과 내측의 제1 직관실(94a)과 외부를 연통시키는 관 외측 출구 노즐(19)이 설치되어 있다.

제1 직관실(94a) 안에는, 관외 유체(Fo)의 흐름의 방향을 바꾸는 복수의 제1 배플(60a)이 배치되어 있다. 또한, 제2 직관실(94b) 안에도 관외 유체(Fo)의 흐름의 방향을 바꾸는 복수의 제2 배플(60b)이 배치되어 있다. 각 배플(60a, 60b)은 모두 U 튜브(20)에 있어서의 각 직관부(21)가 연장되어 있는 축 방향(Dx)에 대해 교차하는 교차 방향으로 넓어지는 가상면, 구체적으로는 축선(X)에 대해 수직한 방향으로 넓어지는 가상면을 따라 설치되어 있다. 단, 각 배플(60a, 60b)은 직관실(94) 안의 가상면의 한 영역만을 따라 설치되어 있고, 나머지의 영역에는 설치되어 있지 않다. 따라서 각 배플(60a, 60b)은, 가상면의 한 영역에서는 직관실(94) 안을 제1 단 측(D1)과 제2 단 측(D2)으로 분할하지만, 가상면의 나머지 영역에는 존재하지 않으며, 직관실(94) 안을 분할하지 않는다. 복수의 제1 배플(60a)은, 제1 직관실(94a) 안에서 축 방향(Dx)의 위치가 서로 다르도록 배치되어 있다. 또한, 복수의 제2 배플(60b)은, 제2 직관실(94b) 안에서 축 방향(Dx)의 위치가 서로 다르도록 배치되어 있다. 복수의 제1 배플(60a) 중 축 방향(Dx)에서 인접하는 2개의 제1 배플(60a)은 직관실(94) 안을 제1 단 측(D1)과 제2 단 측(D2)으로 분할하는 영역이 서로 다르다. 또한, 복수의 제2 배플(60b) 중 축 방향(Dx)에서 인접하는 2개의 제2 배플(60b)은 직관실(94) 안을 제1 단 측(D1)과 제2 단 측(D2)으로 분할하는 영역이 서로 다르다. 제1 배플(60a)에는, U 튜브(20)의 입구 측 직관부(21a)가 삽통되는 제1 관 구멍(61a)이 형성되어 있다. 또한, 제2 배플(60b)에는, U 튜브(20)의 출구 측 직관부(21b)가 삽통되는 제2 관 구멍(61b)이 형성되어 있다.

도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 제2 칸막이 벽(45)의 제2 단 측(D2)에 있어서 관 지지판(50)보다도 제1 단 측(D1)에는, 제1 직관실(94a)로부터 제2 직관실(94b)로 관통하는 개구(46)가 형성되어 있다. 또한, 관 지지판(50)에는, 복수의 제1 관 구멍(51a)의 상호 간의 위치를 제1 직관실(94a)로부터 곡관실(95)로 관통하는 제1 패스 구멍(52a)과 복수의 제2 관 구멍(51b)의 상호 간의 위치를 제2 직관실(94b)로부터 곡관실(95)로 관통하는 제2 패스 구멍(52b)이 형성되어 있다. 제1 배플(60a)에는, 각 제1 관 구멍(61a)의 상호 간의 위치를 축 방향(Dx)으로 관통하는 복수의 제3 패스 구멍(62a)이 형성되어 있다. 제2 배플(60b)에는, 각 제2 관 구멍(61b)의 상호 간의 위치를 축 방향(Dx)으로 관통하는 복수의 제4 패스 구멍(62b)이 형성되어 있다.

본 실시형태의 관 배치는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 정삼각형 배치이다. 즉, 본 실시형태의 복수의 U 튜브(20)에 있어서의 각 직관부(21)는 모두 정삼각형의 정점의 위치에 배치되어 있다. 여기서, 관 지지판(50)의 제1 관 구멍(51a), 관 지지판(50)의 제2 관 구멍(51b), 제1 배플(60a)의 제1 관 구멍(61a), 제2 배플(60b)의 제2 관 구멍(61b)을 간단히 관 구멍(81)이라고 한다. 또한, 관 지지판(50)의 복수의 제1 관 구멍(51a)의 상호 간에 형성되어 있는 제1 패스 구멍(52a), 관 지지판(50)의 복수의 제2 관 구멍(51b)의 상호 간에 형성되어 있는 제2 패스 구멍(52b), 제1 배플(60a)의 복수의 제1 관 구멍(61a)의 상호 간에 형성되어 있는 제3 패스 구멍(62a), 제2 배플(60b)의 복수의 제2 관 구멍(61b)의 상호 간에 형성되어 있는 제4 패스 구멍(62b)을 간단히 패스 구멍(82)이라고 한다. 이 패스 구멍(82)은 전술의 정삼각형의 중심에 형성되어 있다.

관 지지판(50)에 형성되어 있는 복수의 제1 패스 구멍(52a)의 전 유로 단면적과 관 지지판(50)에 형성되어 있는 복수의 제2 패스 구멍(52b)의 전 유로 단면적은 실질적으로 동일하다. 제2 칸막이 벽(45)에 형성되어 있는 개구(46)의 개구 면적은 복수의 제1 패스 구멍(52a)의 전 유로 단면적 및 복수의 제2 패스 구멍(52b)의 전 유로 단면적보다 넓다.

관내 유체(Fi)는 관 내측 입구 노즐(16)로부터 관내 유체실(90)의 입구실(91)에 유입한다. 입구실(91)에 유입한 관내 유체(Fi)는 복수의 U 튜브(20)의 입구로부터 U 튜브(20) 안에 유입한다. U 튜브(20) 안에 유입한 관내 유체(Fi)는 U 튜브(20)의 입구 측 직관부(21a), 곡관부(25), 출구 측 직관부(21b)를 거쳐서 U 튜브(20)의 출구로부터 관내 유체실(90)의 출구실(92)에 유출한다. 출구실(92)에 도달한 관내 유체(Fi)는 관 내측 출구 노즐(17)로부터 외부에 유출한다.

관외 유체(Fo)는 관 외측 입구 노즐(18)로부터 관외 유체실(93)의 제2 직관실(94b)에 유입한다. 제2 직관실(94b)에 유입한 관외 유체(Fo)는 이 제2 직관실(94b)을 흐른다. 이때, 관외 유체(Fo)는 외통(10)의 몸통부(11)의 내면과 제2 칸막이 벽(45)과 복수의 제2 배플(60b)로 형성되는 구불구불한 유로를 따라 흐른다. 즉, 관외 유체(Fo)는 제2 직관실(94b)을 구불구불하게 지나가면서 제2 단 측(D2)으로 흐른다. 또한, 제2 직관실(94b)에 유입한 관외 유체(Fo)의 일부는 각 제2 배플(60b)의 복수의 제4 패스 구멍(62b) 안을 제2 단 측(D2)으로 흐른다. 관외 유체(Fo)는 이상과 같이 제2 직관실(94b)을 흐르는 과정에서 복수의 U 튜브(20)의 출구 측 직관부(21b) 안을 흐르는 관내 유체(Fi)와 열 교환한다.

제2 직관실(94b)에 유입한 관외 유체(Fo)의 일부는 관 지지판(50)의 제2 패스 구멍(52b)을 거쳐서 곡관실(95)에 유입한다. 관외 유체(Fo)는 곡관실(95)을 흐르는 과정에서 복수의 U 튜브(20)의 곡관부(25) 안을 흐르는 관내 유체(Fi)와 열 교환한다.

곡관실(95)에 유입한 관외 유체(Fo)는 관 지지판(50)의 제1 패스 구멍(52a)을 거쳐서 관외 유체실(93)의 제1 직관실(94a)에 유입한다. 또한, 제2 직관실(94b)에 유입한 관외 유체(Fo)의 다른 일부는 제2 칸막이 벽(45)의 개구(46)를 거쳐서 제1 직관실(94a)에 유입한다.

제1 직관실(94a)에 유입한 관외 유체(Fo)는 이 제1 직관실(94a)을 흐른다. 이때, 관외 유체(Fo)는 외통(10)의 몸통부(11)의 내면과 제2 칸막이 벽(45)과 복수의 제1 배플(60a)로 형성되는 구불구불한 유로를 따라 흐른다. 즉, 관외 유체(Fo)는 제1 직관실(94a)을 구불구불하게 지나가면서 제1 단 측(D1)으로 흐른다. 또한, 제1 직관실(94a)에 유입한 관외 유체(Fo)의 일부는 각 제1 배플(60a)의 복수의 제3 패스 구멍(62a) 안을 제1 단 측(D1)으로 흐른다. 관외 유체(Fo)는 이상과 같이 제1 직관실(94a)을 흐르는 과정에서 복수의 U 튜브(20)의 입구 측 직관부(21a) 안을 흐르는 관내 유체(Fi)와 열 교환한다.

복수의 U 튜브(20)의 입구 측 직관부(21a) 안을 흐르는 관내 유체(Fi)와 열 교환한 관외 유체(Fo)는 관 외측 출구 노즐(19)로부터 외부에 유출한다.

이상과 같이, 본 실시형태의 U 튜브 열 교환기에서는, 곡관실(95)에서 관외 유체(Fo)와 U 튜브(20)의 곡관부(25) 안의 관내 유체(Fi)를 열 교환시킬 수 있기 때문에, 곡관실(95)에 관외 유체(Fo)를 인도하지 않는 U 튜브 열 교환기보다도 전열 면적을 증가시킬 수 있다.

그런데 본 실시형태에서는, U 튜브(20)의 곡관부(25)는 직관부(21)처럼 배플 등으로 지지되어 있지 않다. 또한, 이 곡관부(25)가 존재하는 곡관실(95)에서의 관외 유체(Fo)의 흐름의 방향 성분은 곡관부(25)에 대해 교차하는 방향 성분이 많다. 이 때문에, 곡관실(95) 안에 관외 유체(Fo)가 일정 조건하에서 흐르면, 곡관실(95) 안의 곡관부(25)가 진동한다.

그래서 본 실시형태에서는, 곡관부(25)의 진동을 억제하기 위해, 제2 직관실(94b) 안의 관외 유체(Fo) 중 일부를 곡관실(95)에 유입시키는 한편, 나머지의 일부를 곡관실(95)에 유입시키지 않고, 제2 칸막이 벽(45)의 개구(46)로부터 제1 직관실(94a)에 유입시키고 있다. 이 결과, 본 실시형태에서는, 전술한 바와 같이, 곡관실(95)을 관외 유체(Fo)가 흐르지만, 그 유속이 늦어지고, 곡관부(25)의 진동을 억제할 수 있다.

본 실시형태에서는, 곡관실(95)에 유입하는 관외 유체(Fo)의 유량을 적게 하고, 곡관실(95)을 흐르는 관외 유체(Fo)의 유속을 늦게 하기 위해, 관 지지판(50)에 있어서의 복수의 제1 패스 구멍(52a)의 전 유로 단면적 및 관 지지판(50)에 있어서의 복수의 제2 패스 구멍(52b)의 전 유로 단면적을 제2 칸막이 벽(45)에 형성되어 있는 개구(46)의 개구 면적보다 작게 하고 있다.

단, 곡관실(95) 안에서의 관외 유체(Fo)와 관내 유체(Fi)와의 열 교환량을 증가시키기 위해서는, 곡관실(95) 안에 유입시키는 관외 유체(Fo)의 유량을 많게 하는 것이 바람직하다. 따라서 곡관부(25)의 진동을 억제할 수 있는 범위 내에서 복수의 제1 패스 구멍(52a)의 전 유로 단면적 및 복수의 제2 패스 구멍(52b)의 전 유로 단면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 이 때문에, U 튜브 열 교환기를 구성하는 각 부재의 각종 치수, 관외 유체실(93)에 유입하는 관외 유체(Fo)의 유량, 이 관외 유체(Fo)의 밀도, 복수의 U 튜브(20)에 유입하는 관내 유체(Fi)의 유량, 이 관내 유체(Fi)의 밀도 등에 따라서는 복수의 제1 패스 구멍(52a)의 전 유로 단면적 및 복수의 제2 패스 구멍(52b)의 전 유로 단면적이 제2 칸막이 벽(45)에 형성되어 있는 개구(46)의 개구 면적보다 커지는 경우도 있을 수 있다.

본 실시형태의 제1 직관실(94a) 안에는, 복수의 제1 배플(60a)이 배치되어 있다. 또한, 제2 직관실(94b) 안에는, 복수의 제2 배플(60b)이 배치되어 있다. 이와 같이, 직관실(94) 안에 배플(60a, 60b)이 배치되어 있으면, 직관실(94) 안의 일부에서는 U 튜브(20)의 직관부(21)에 대해 관외 유체(Fo)가 교차 방향으로 흐른다. 이 때문에, 열 교환의 효율이 좋지만, 직관실(94) 안의 직관부(21)에서도 진동할 가능성이 있다. 본 실시형태의 각 배플(60a, 60b)에는, 직관부(21)가 연장되는 축 방향(Dx)으로 관통하는 복수의 패스 구멍(62a, 62b)이 형성되어 있기 때문에, 직관실(94) 안에서의 관외 유체(Fo)의 흐름의 방향 성분 중 직관부(21)가 연장되는 축 방향(Dx)에 교차하는 방향 성분을 적게 할 수 있다. 이 때문에, 본 실시형태에서는 직관실(94) 안에 복수의 배플(60a, 60b)을 배치하고 있지만, 직관실(94) 안의 직관부(21)의 진동을 억제하고, 또한 열 교환의 효율도 좋게 할 수 있다.

「제2 실시형태」

본 발명에 관한 U 튜브 열 교환기의 제2 실시형태에 대해 도 4를 참조하여 설명한다.

본 실시형태의 U 튜브 열 교환기는 상기 제1 실시형태의 U 튜브 열 교환기에 내측 가이드(71), 중간 가이드(73) 및 외측 가이드(76)를 추가한 것이다. 내측 가이드(71), 중간 가이드(73) 및 외측 가이드(76)는 모두 곡관실(95) 안에 배치되어 있다.

복수의 U 튜브(20)의 각 곡관부(25)의 곡률 반경은 어느 하나의 다른 곡관부(25)의 곡률 반경과 다르다. 이 때문에, 복수의 U 튜브(20)에는, 가장 곡률 반경이 작은 곡관부(25)인 최소 곡관부(25a)를 갖는 U 튜브(20a), 가장 곡률 반경이 큰 곡관부(25)인 최대 곡관부(25c)를 갖는 U 튜브(20c), 곡률 반경이 중간의 곡관부(25)인 중간 곡관부(25b)를 갖는 U 튜브(20b)가 있다. 복수의 U 튜브(20)의 각 곡관부(25)의 곡률 중심(26)은 모두 실질적으로 축선(X) 상으로, 곡관실(95) 안의 제1 단 측(D1)의 위치로 된다. 이 때문에, 중간 곡관부(25b)는 최대 곡관부(25c)보다도 곡률 중심(26) 측에 위치하고, 최소 곡관부(25a)는 중간 곡관부(25b)보다도 곡률 중심(26) 측에 위치한다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 복수의 중간 곡관부(25b)에 관해서도, 곡률 반경이 서로 다르다.

내측 가이드(71)는 최소 곡관부(25a)로부터 이 최소 곡관부(25a)의 곡률 중심(26) 측으로 이격한 위치에 배치되어 있다. 이 내측 가이드(71)는 최소 곡관부(25a)의 곡률 중심(26) 측을 따라 구부러지는 볼록 곡면(72)을 갖는다. 이 내측 가이드(71)는, 예를 들어 관 지지판(50)에 고정되어 있다.

외측 가이드(76)는 최대 곡관부(25c)로부터 이 최대 곡관부(25c)의 곡률 중심(26) 측과는 반대 측으로 이격한 위치에 배치되어 있다. 이 외측 가이드(76)는 최대 곡관부(25c)의 곡률 중심(26) 측과는 반대 측을 따라 구부러지는 오목 곡면(77)을 갖는다. 이 외측 가이드(76)는, 예를 들어 관 지지판(50), 또는 외통(10)의 내면에 고정되어 있다.

중간 가이드(73)는 복수의 중간 곡관부(25b)의 사이로, 각 중간 곡관부(25b)로부터 이격한 위치에 배치되어 있다. 이 중간 가이드(73)는 오목 곡면(74)과 볼록 곡면(75)을 갖는다. 중간 가이드(73)의 오목 곡면(74)은 이 중간 가이드(73)를 기준으로 하여 곡률 중심(26) 측에 위치하는 곡관부(25)의 곡률 중심(26) 측과는 반대 측을 따라 구부러져 있다. 또한, 중간 가이드(73)의 볼록 곡면(75)은 이 중간 가이드(73)를 기준으로 하여 곡률 중심(26) 측과는 반대 측에 위치하는 곡관부(25)의 곡률 중심(26) 측을 따라 구부러지는 볼록 곡면(75)을 갖는다.

이상과 같이, 본 실시형태에서는, 곡관실(95)에 내측 가이드(71), 중간 가이드(73) 및 외측 가이드(76)를 배치했기 때문에, 곡관실(95)에서의 관외 유체(Fo)는 곡관실(95)의 곡률 중심(26) 측에서도, 그 반대 측에서도, 또한 그 사이의 위치에서도 곡관부(25)의 구부러짐을 따른 흐름으로 된다. 즉, 본 실시형태에서는 곡관실(95)에서의 관외 유체(Fo)의 흐름의 방향 성분 중 곡관부(25)에 교차하는 방향 성분을 적게 할 수 있다.

이 때문에, 본 실시형태에서는, 곡관실(95)에 유입하는 관외 유체(Fo)의 유량이 상기 제1 실시형태와 동일해도 상기 제1 실시형태보다도 곡관실(95)에 있어서의 복수의 곡관부(25)의 진동을 억제할 수 있다.

환언하면, 본 실시형태에서는 곡관실(95)에 유입하는 관외 유체(Fo)의 유량을 상기 제1 실시형태보다 많게 해도 곡관실(95)에 있어서의 복수의 곡관부(25)의 진동을 억제할 수 있다. 따라서 본 실시형태에서는 곡관실(95)에 있어서의 관외 유체(Fo)와 관내 유체(Fi)와의 열 교환량을 많게 할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 내측 가이드(71), 중간 가이드(73) 및 외측 가이드(76)를 곡관실(95) 안에 배치하고 있다. 그러나 곡관실(95) 안에는 내측 가이드(71), 중간 가이드(73) 및 외측 가이드(76) 중 어느 한 종류의 가이드, 또는 어느 두 종류의 가이드만을 배치해도 좋다.

「제3 실시형태」

본 발명에 관한 U 튜브 열 교환기의 제3 실시형태에 대해 도 5를 참조하여 설명한다.

본 실시형태의 U 튜브 열 교환기는 상기 제1 실시형태의 U 튜브 열 교환기에 내통(85)을 추가한 것이다. 내통(85)은 외통(10) 안에 배치되어 있다.

내통(85)은, 축선(X)을 중심으로 하여 원통상 몸통부(86)와, 몸통부(86)의 제2 단 측(D2)에 접속되어 있는 경판부(87)와, 몸통부(86)의 제1 단 측(D1)에 접속되어 있는 칸막이 판부(88)를 갖는다. 원통상 몸통부(86)는 외통(10)의 몸통부(11)의 내면으로부터 축선(X)에 근접하는 측으로 이격하고 있다. 환언하면, 내통(85)의 몸통부(86)의 외경은 외통(10)의 몸통부(11)의 내경보다도 작다. 경판부(87)는 몸통부(86)에 있어서의 제2 단 측(D2)의 끝의 개구를 닫는다. 이 경판부(87)는 그 내면이 제2 단 측(D2)에 오목상으로 매끄럽게 우묵하게 들어가고, 그 외면이 제2 단 측(D2)에 볼록상으로 매끄럽게 돌출하고 있다. 특히, 경판부(87)의 내면은 최대 곡관부(25c)를 따라 매끄럽게 구부러져 있다. 한편, 몸통부(86)에 있어서의 제1 단 측(D1)의 끝에는 경판부 등이 설치되어 있지 않다. 이 때문에, 내통(85)의 제1 단 측(D1)의 끝은 개방되어 있다. 이 경판부(87)의 외면은 외통(10)의 제2 경판부(14)의 내면으로부터 이 제2 경판부(14)의 내측에 이격하고 있다. 몸통부(86)는, 축 방향(Dx)에 있어서의 제1 단 측(D1)의 끝의 위치가 관 외측 입구 노즐(18)보다도 제2 단 측(D2)에 위치하도록 관외 유체실(93) 안에 배치되어 있다. 몸통부(86)에 있어서의 제1 단 측(D1)의 끝에 있어서, 제2 직관실(94b) 안의 부분에는, 축선(X)에 대한 직경 방향 외측으로 넓어지는 칸막이 판부(88)가 설치되어 있다. 이 칸막이 판부(88)의 직경 방향 외측의 가장자리는 외통(10)의 내면에 접속되어 있다. 따라서 관 외측 입구 노즐(18)로부터 제2 직관실(94b) 안에 유입한 관외 유체(Fo)는 외통(10)과 내통(85) 사이의 틈새에 직접 유입하지 않는다. 한편, 몸통부(86)에 있어서의 제1 단 측(D1)의 끝에 있어서, 제1 직관실(94a) 안의 부분에는 축선(X)에 대한 직경 방향 외측으로 넓어지는 칸막이 판부가 설치되어 있지 않다. 따라서 제1 직관실(94a) 안에서 U 튜브(20)의 입구 측 직관부(21a) 안의 관내 유체(Fi)와 열 교환한 관외 유체(Fo)는 외통(10)의 내면과 내통(85)의 몸통부(86)에 있어서의 제1 단 측(D1)의 끝 사이의 틈새로부터 외통(10)의 내면과 내통(85)의 외면 사이의 통내 출구 유로(96)에 유입한다.

본 실시형태의 관 외측 출구 노즐(19a)은 상기 제1 실시형태와 달리, 관 외측 입구 노즐(18)과 마찬가지로 외통(10)의 몸통부(11)로, 제2 직관실(94b)의 외측의 부분에 접속되어 있다. 이 관 외측 출구 노즐(19a)은 통내 출구 유로(96)와 외부를 연통시킨다.

본 실시형태에 있어서의 복수의 제1 배플(60a), 복수의 제2 배플(60b) 및 관 지지판(50)은 모두 내통(85) 안에 배치되어 있다.

본 실시형태에서도, 관외 유체(Fo)는 관 외측 입구 노즐(18)로부터 제2 직관실(94b) 안에 유입한다. 이 관외 유체(Fo)는 내통(85) 안의 제2 직관실(94b)을 흐르는 과정에서 U 튜브(20)의 출구 측 직관부(21b) 안의 관내 유체(Fi)와 열 교환한다. 제2 직관실(94b)에 유입한 관외 유체(Fo)의 일부는 관 지지판(50)의 제2 패스 구멍(52b)을 거쳐서 내통(85) 안의 곡관실(95)에 유입한다. 관외 유체(Fo)는 곡관실(95)을 흐르는 과정에서 복수의 U 튜브(20)의 곡관부(25) 안을 흐르는 관내 유체(Fi)와 열 교환한다. 곡관실(95)에 유입한 관외 유체(Fo)는 관 지지판(50)의 제1 패스 구멍(52a)을 거쳐서 내통(85) 안의 제1 직관실(94a)에 유입한다.

또한, 제2 직관실(94b)에 유입한 관외 유체(Fo)의 다른 일부는 제2 칸막이 벽(45)의 개구(46)를 거쳐서 내통(85) 안의 제1 직관실(94a)에 유입한다. 제1 직관실(94a)에 유입한 관외 유체(Fo)는 내통(85) 안의 제1 직관실(94a) 안을 흐르는 과정에서 복수의 U 튜브(20)의 입구 측 직관부(21a) 안을 흐르는 관내 유체(Fi)와 열 교환한다. 제1 직관실(94a)에서 U 튜브(20)의 입구 측 직관부(21a) 안의 관내 유체(Fi)와 열 교환한 관외 유체(Fo)는, 전술한 바와 같이, 외통(10)의 내면과 내통(85)의 외면 사이의 통내 출구 유로(96)에 유입한다. 통내 출구 유로(96)에 유입한 관외 유체(Fo)는 관 외측 출구 노즐(19a)로부터 외부에 유출한다.

본 실시형태에서는 외통(10) 안에 내통(85)을 배치하고, 관 외측 입구 노즐(18)과 마찬가지로 관 외측 출구 노즐(19a)을 외통(10)의 몸통부(11)에 있어서 제2 직관실(94b)의 외측의 부분에 접속하고 있다. 이 때문에, 외통(10)의 내면에 접촉하는 유체는 제1 직관실(94a) 측에서도, 제2 직관실(94b) 측에서도, 대부분이 복수의 U 튜브(20) 안의 관내 유체(Fi)와 열 교환한 관외 유체(Fo)로 된다. 따라서 외통(10)의 제1 직관실(94a) 측의 온도와 외통(10)의 제2 직관실(94b) 측의 온도와의 온도차를 작게 할 수 있다.

U 튜브 열 교환기에 유입하는 관외 유체(Fo)의 온도와 U 튜브 열 교환기 안에서 열 교환한 관외 유체(Fo)의 온도와의 온도차가 큰 경우, 상기 제1 실시형태처럼 내통(85)이 존재하지 않는 열 교환기에서는, 외통(10)의 제1 직관실(94a) 측의 온도와 외통(10)의 제2 직관실(94b) 측의 온도와의 온도차가 커진다. 이 때문에, 외통(10)의 제1 직관실(94a) 측의 열 팽창량과 외통(10)의 제2 직관실(94b) 측의 열 팽창량과의 팽창차에 의해 외통(10)의 굴곡 변형량이 커진다.

본 실시형태에서는, 전술한 바와 같이, 외통(10) 안에 내통(85)을 배치함으로써 외통(10)의 제1 직관실(94a) 측의 온도와 외통(10)의 제2 직관실(94b) 측의 온도와의 온도차를 작게 할 수 있고, 외통(10)의 굴곡 변형을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 내통(85)에 있어서의 경판부(87)의 내면은, 전술한 바와 같이, 최대 곡관부(25c)를 따라 매끄럽게 구부러져 있다. 이 때문에, 내통(85)의 경판부(87)는 상기 제2 실시형태에 있어서의 외측 가이드(76)로서 기능한다. 따라서 본 실시형태에서는 제2 실시형태와 마찬가지로 곡관실(95)에 유입하는 관외 유체(Fo)의 유량을 상기 제1 실시형태보다 많게 해도 곡관실(95)에 있어서의 복수의 곡관부(25)의 진동을 억제할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서도, 제2 실시형태처럼 내측 가이드(71)나 중간 가이드(73)를 설치해도 좋다.

「패스 구멍의 변형예」

관 지지판(50), 제1 배플(60a) 및 제2 배플(60b)에 형성하는 패스 구멍의 각종 변형예에 대해 도 6∼도 8을 참조하여 설명한다. 또한, 이하에서는 관 지지판(50)의 제1 관 구멍(51a) 및 제2 관 구멍(51b), 제1 배플(60a)의 제1 관 구멍(61a), 제2 배플(60b)의 제2 관 구멍(61b)을 간단히 관 구멍(81)이라고 한다. 또한, 관 지지판(50)의 제1 패스 구멍(52a) 및 제2 패스 구멍(52b), 제1 배플(60a)의 제3 패스 구멍(62a), 제2 배플(60b)의 제4 패스 구멍(62b)을 간단히 패스 구멍이라고 한다.

먼저, 도 6을 참조하여 패스 구멍의 제1 변형예에 대해 설명한다.

본 변형예에 있어서의 관 배치도 상기 제1 실시형태와 마찬가지로 정삼각형 배치이다. 즉, 본 변형예의 복수의 U 튜브(20)에 있어서의 각 입구 측 직관부(21a)는 모두 정삼각형의 정점의 위치에 배치되어 있다. 또한, 복수의 U 튜브(20)에 있어서의 각 출구 측 직관부(21b)도 정삼각형의 정점에 배치되어 있다. 환언하면, 복수의 관 구멍(81)은 모두 정삼각형의 정점의 위치에 배치되어 있다.

본 변형예의 패스 구멍(82a)도 상기 제1 실시형태와 마찬가지로 복수의 관 구멍(81)의 상호 간에 형성되어 있다. 단, 본 변형예의 패스 구멍(82a)은, 상기 정삼각형의 중심에 형성된 제1 구멍부(82ax)와, 이 정삼각형에 인접하는 다른 정삼각형의 중심에 형성된 제2 구멍부(82ay)와, 제1 구멍부(82ax)와 제2 구멍부(82ay)를 연결하는 연결 구멍부(82az)를 갖고 구성된다. 환언하면, 본 변형예의 패스 구멍(82a)은 상기 정삼각형의 중심으로부터 이 정삼각형에 인접하는 다른 정삼각형의 중심에 걸쳐서 넓어지고 있는 구멍이다.

다음에, 도 7을 참조하여 패스 구멍의 제2 변형예에 대해 설명한다.

본 변형예에 있어서의 관 배치도 상기 제1 실시형태 및 상기 제1 변형예와 마찬가지로 정삼각형 배치이다.

그런데 상기 제1 실시형태의 패스 구멍(82) 및 상기 제1 변형예의 패스 구멍(82a)은 모두 관 구멍(81)에 대해 독립한 구멍이다. 한편, 본 변형예의 패스 구멍(82b)은 관 구멍(81)에 연결되어 있다. 본 변형예에서는, 하나의 관 구멍(81)에 대해 3개의 패스 구멍(82b)이 연결되어 있다. 관 구멍(81)은, 전술한 바와 같이, 정삼각형의 정점을 중심으로 한 원형 구멍이다. 하나의 패스 구멍(82b)은 정삼각형의 정점으로부터 이 정삼각형의 저변의 중점을 향해 관 구멍(81)으로부터 넓어지고 있다. 하나의 관 구멍(81)에 대한 나머지의 패스 구멍(82b)도 마찬가지로 정삼각형의 정점으로부터 이 정삼각형의 저변 중점을 향해 관 구멍(81)으로부터 넓어지고 있다. 단, 3개의 패스 구멍(82b)은 정삼각형의 정점을 기준으로 하여 120°의 간격으로 배치되어 있다.

다음에, 도 8을 참조하여 패스 구멍의 제3 변형예에 대해 설명한다.

본 변형예에 있어서의 관 배치는 상기 제1 실시형태, 상기 제1 변형예 및 상기 제2 변형예와 달리 정방형 배치이다. 즉, 본 변형예의 복수의 U 튜브(20)에 있어서의 각 입구 측 직관부(21a)는 모두 정방형의 정점의 위치에 배치되어 있다. 또한, 복수의 U 튜브(20)에 있어서의 각 출구 측 직관부(21b)도 정방형의 정점에 배치되어 있다. 환언하면, 복수의 관 구멍(81)은 모두 정방형의 정점의 위치에 배치되어 있다.

본 변형예의 패스 구멍(82c)은 전술의 정방형의 중심에 형성되어 있다. 본 변형예와 상기 제1 실시형태는 관 배치가 다르지만, 복수의 관 구멍(81)의 중심을 연결하여 형성되는 정다각형의 중심에 패스 구멍을 형성하는 점에서 공통한다.

또한, 본 변형예처럼 관 배치가 정방형 배치인 경우라도 상기 제2 변형예와 마찬가지로 정방형의 중심에 형성된 제1 구멍부와, 이 정방형에 인접하는 다른 정방형의 중심에 형성된 제2 구멍부와, 제1 구멍부와 제2 구멍부를 연결하는 연결 구멍부를 갖고 패스 구멍을 구성해도 좋다. 또한, 본 변형예처럼 관 배치가 정방형 배치인 경우도 상기 제2 변형예와 마찬가지로 관 구멍(81)에 패스 구멍을 연결해도 좋다. 관 배치가 정방형 배치인 경우, 하나의 관 구멍(81)에 대해 4개의 패스 구멍이 연결된다. 4개의 패스 구멍은 정방형의 정점을 기준으로 하여 90°의 간격으로 배치된다.

또한, 도 3, 도 6∼도 8에서는 편의상 관 지지판(50)의 제1 패스 구멍(52a) 및 제2 패스 구멍(52b), 제1 배플(60a)의 제3 패스 구멍(62a), 제2 배플(60b)의 제4 패스 구멍(62b)을 간단히 패스 구멍이라고 하며, 각 판에 형성되어 있는 관 구멍도 모두 간단히 관 구멍이라고 하고 있다. 이 때문에, 관 지지판(50)의 제1 패스 구멍(52a) 및 제2 패스 구멍(52b)의 치수와 제1 배플(60a)의 제3 패스 구멍(62a) 및 제2 배플(60b)의 제4 패스 구멍(62b)의 치수가 동일한 것처럼 보이지만, 양쪽 치수는 반드시 동일할 필요성은 없다.

또한, 관 지지판(50)의 제1 패스 구멍(52a) 및 제2 패스 구멍(52b)의 형상 등과 제1 배플(60a)의 제3 패스 구멍(62a) 및 제2 배플(60b)의 제4 패스 구멍(62b)의 형상 등과는 일치하고 있을 필요성도 없다. 예를 들어, 관 지지판(50)의 제1 패스 구멍(52a) 및 제2 패스 구멍(52b)의 형상 등으로서 상기 제1 실시형태의 형상 등을 채용하고, 제1 배플(60a)의 제3 패스 구멍(62a) 및 제2 배플(60b)의 제4 패스 구멍(62b)의 형상 등으로서 상기 제1 변형예나 제2 변형예 등의 구멍 형상 등을 채용해도 좋다. 또한, 반대로 제1 배플(60a)의 제3 패스 구멍(62a) 및 제2 배플(60b)의 제4 패스 구멍(62b)의 형상 등으로서 상기 제1 실시형태의 형상 등을 채용하고, 관 지지판(50)의 제1 패스 구멍(52a) 및 제2 패스 구멍(52b)의 형상 등으로서 상기 제1 변형예나 제2 변형예 등의 구멍 형상 등을 채용해도 좋다.

산업상 이용 가능성

10: 외통
11: 몸통부
12: 제1 경판부
13: 제1 단
14: 제2 경판부
15: 제2 단
16: 관 내측 입구 노즐
17: 관 내측 출구 노즐
18: 관 외측 입구 노즐
19, 19a: 관 외측 출구 노즐
20, 20a, 20b, 20c: U 튜브
21: 직관부
21a: 입구 측 직관부
2lb: 출구 측 직관부
22a: 입구 단
22b: 출구 단
25: 곡관부
25a: 최소 곡관부
25b: 중간 곡관부
25c: 최대 곡관부
26: 곡률 중심
30: 관판
31: 관 구멍
40: 제1 칸막이 벽
45: 제2 칸막이 벽
46: 개구
50: 관 지지판
51a: 제1 관 구멍
5lb: 제2 관 구멍
52a: 제1 패스 구멍
52b: 제2 패스 구멍
60a: 제1 배플
60b: 제2 배플
61a: 제1 관 구멍
61b: 제2 관 구멍
62a: 제3 패스 구멍
62b: 제4 패스 구멍
71: 내측 가이드
72: 볼록 곡면
73: 중간 가이드
74: 오목 곡면
75: 볼록 곡면
76: 외측 가이드
77: 오목 곡면
81: 관 구멍
82, 82a, 82b, 82c: 패스 구멍
85: 내통
86: 몸통부
87: 경판부
88: 칸막이 판부
90: 관내 유체실
91: 입구실
92: 출구실
93: 관외 유체실
94: 직관실
94a: 제1 직관실
94b: 제2 직관실
95: 곡관실
96: 통내 출구 유로
Fi: 관내 유체
Fo: 관외 유체
X: 축선
Dx: 축 방향
D1: 제1 단 측
D2: 제2 단 측

Claims

통상을 이루고, 양단이 닫혀 있는 외통과,
상기 외통 안을 상기 양단 중 제1 단 측의 위치에서 상기 제1 단 측의 관내 유체실과 제2 단 측의 관외 유체실로 분할하는 관판과,
상기 관외 유체실에 배치되고, 양단이 상기 관판에 고정되어 있는 동시에 당해 양단이 상기 관내 유체실에 대면하고 있는 복수의 U 튜브와,
상기 관내 유체실을 상기 U 튜브에 있어서의 상기 양단 중 입구 단의 모임인 입구 단군을 대면하는 입구실과 상기 U 튜브에 있어서의 상기 양단 중 출구 단의 모임인 출구 단군을 대면하는 출구실로 분할하는 제1 칸막이 벽과,
상기 관외 유체실을 상기 제2 단 측에 있어서 상기 U 튜브에 있어서의 곡관부의 모임인 곡관군이 존재하는 곡관실과 상기 제1 단 측의 실로 분할하면서 상기 U 튜브에 있어서의 상기 입구 단으로부터 연장되는 입구 측 직관부 및 상기 U 튜브에 있어서의 상기 출구 단으로부터 연장되는 출구 측 직관부를 지지하는 관 지지판과,
상기 관외 유체실의 상기 곡관실에 대해 상기 제1 단 측의 실을 상기 U 튜브에 있어서의 상기 입구 측 직관부의 모임인 입구 측 직관군이 존재하는 제1 직관실과 상기 U 튜브에 있어서의 상기 출구 측 직관부의 모임인 출구 측 직관군이 존재하는 제2 직관실로 분할하는 제2 칸막이 벽
을 구비하며,
상기 제2 칸막이 벽의 상기 제2 단 측에 있어서 상기 관 지지판보다도 상기 제1 단 측에는, 상기 제1 직관실로부터 상기 제2 직관실로 관통하는 개구가 형성되고,
상기 관 지지판에는, 상기 제1 직관실로부터 상기 곡관실로 관통하는 하나 이상의 제1 패스 구멍이 형성되어 있는 동시에 상기 제2 직관실로부터 상기 곡관실로 관통하는 하나 이상의 제2 패스 구멍이 형성되어 있는
U 튜브 열 교환기.
제1 항에 있어서,
상기 개구의 개구 면적은 상기 하나 이상의 제1 패스 구멍의 전 유로 단면적 및 상기 하나 이상의 제2 패스 구멍의 전 유로 단면적보다도 넓은
U 튜브 열 교환기.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 관 지지판에는, 복수의 상기 U 튜브에 있어서의 각 입구 측 직관부가 삽입되어 있는 제1 관 구멍과 복수의 상기 U 튜브에 있어서의 각 출구 측 직관부가 삽입되어 있는 제2 관 구멍이 형성되어 있고,
상기 제1 패스 구멍은 상기 관 지지판에 있어서의 복수의 상기 제1 관 구멍의 상호 간의 위치에 형성되고,
상기 제2 패스 구멍은 상기 관 지지판에 있어서의 복수의 상기 제2 관 구멍의 상호 간의 위치에 형성되어 있는
U 튜브 열 교환기.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 관 지지판에는, 복수의 상기 U 튜브에 있어서의 각 입구 측 직관부가 삽입되어 있는 제1 관 구멍과 복수의 상기 U 튜브에 있어서의 각 출구 측 직관부가 삽입되어 있는 제2 관 구멍이 형성되어 있고,
상기 제1 패스 구멍은 복수의 상기 제1 관 구멍 중 어느 하나에 연결되고 있고,
상기 제2 패스 구멍은 복수의 상기 제2 관 구멍 중 어느 하나에 연결되어 있는
U 튜브 열 교환기.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 곡관실에 배치되고, 복수의 상기 U 튜브로부터 이격하며, 복수의 상기 U 튜브 중 어느 하나의 U 튜브에 있어서의 상기 곡관부를 따라 구부러지는 곡면을 갖는 가이드를 구비하는
U 튜브 열 교환기.
제5 항에 있어서,
복수의 U 튜브 중 어느 하나의 U 튜브에 있어서의 곡관부의 곡률 반경이 다른 U 튜브에 있어서의 곡관부의 곡률 반경과 다르고,
상기 가이드는,
가장 곡률 반경이 작은 곡관부인 최소 곡관부에 대해 상기 최소 곡관부의 곡률 중심 측에 위치하고, 상기 최소 곡관부의 상기 곡률 중심 측을 따라 구부러지는 볼록 곡면을 갖는 내측 가이드와,
가장 곡률 반경이 큰 곡관부인 최대 곡관부에 대해 상기 최대 곡관부의 곡률 중심 측과는 반대 측에 위치하고, 상기 최대 곡관부의 상기 반대 측을 따라 구부러지는 오목 곡면을 갖는 외측 가이드와,
상기 최소 곡관부와 상기 최대 곡관부 사이에 위치하고, 상기 최소 곡관부의 곡률 중심 측과는 반대 측을 따라 구부러지는 오목 곡면과 상기 최대 곡관부의 곡률 중심 측을 따라 구부러지는 볼록 곡면을 갖는 중간 가이드
중 적어도 하나의 적어도 하나의 가이드를 갖는
U 튜브 열 교환기.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 직관실에 배치되고, 상기 입구 측 직관부가 연장되어 있는 방향에 교차하는 방향으로 넓어지고 있는 하나 이상의 제1 배플과,
상기 제2 직관실 안에 배치되고, 상기 출구 측 직관부가 연장되어 있는 방향에 교차하는 방향으로 넓어지고 있는 하나 이상의 제2 배플
을 구비하고,
상기 제1 배플에는, 상기 입구 측 직관부가 연장되어 있는 방향으로 관통하는 하나 이상의 제3 패스 구멍이 형성되고,
상기 제2 배플에는, 상기 입구 측 직관부가 연장되어 있는 방향으로 관통하는 하나 이상의 제4 패스 구멍이 형성되어 있는
U 튜브 열 교환기.