KR20180115760A

KR20180115760A - 열교환기

Info

Publication number: KR20180115760A
Application number: KR1020187027192A
Authority: KR
Inventors: ？지 사토; 마사루 이토; 유타카 가와구치; 마사유키 미야즈
Original assignee: 가부시키가이샤 도모에 쇼카이
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2018-10-23
Also published as: WO2018158843A1; EP3415853A1; KR102294972B1; JP6483936B2; JPWO2018158843A1; EP3415853A4

Abstract

종래의 쉘 앤드 코일형 열교환기의 구조를 발본적으로 고치고, 간이 구조이면서도 열교환의 효율을 비약적으로 향상시킨 열교환기를 제공한다. 본 발명에 관한 열교환기(1)는, 동축 배치한 내장관(2)과 외장관(3)으로 이루어지는 이중 관 구조를 가지고, 상기 내장관(2)의 외주면과 상기 외장관(3)의 내주면 사이에 축 방향을 따라 환형 유로(4)를 형성하고, 또한 상기 환형 유로(4) 내에 축 방향을 따라 코일관(5)을 배치하여 나선형 유로(6)를 형성하는 한편, 상기 내장관(2)의 내부에는 유로를 형성하지 않는 구성을 구비하고, 상기 환형 유로(4) 내를 일정 방향으로 흐르는 냉각 유체와 상기 나선형 유로(6) 내를 일정 방향으로 흐르는 피냉각 유체 사이에서 열교환을 행하는 것에 의해, 고효율로 한결같이 피냉각 유체를 냉각시킬 수 있다.

Description

열교환기

본 발명은 주로 냉각용으로 이용하는 열교환기에 관한 것이며, 예를 들면, 연료 전지 자동차(Fuel Cell Vehicle)에 공급하는 수소 가스를 단시간에 원하는 온도로 예냉하기 위한 프리쿨러에 알맞은 열교환기에 관한 것이다.

종래, 냉각용 열교환기로서 쉘 앤드 코일(shell and coil)형 열교환기가 널리 알려져 있다. 상기 쉘 앤드 코일형 열교환기는, 나선형 유로를 가지는 코일관과 상기 코일관을 덮는 쉘(용기, 통이나 관 등)을 이용하여, 열 에너지가 상이한 2개의 유체의 한쪽을 상기 코일관 내로 흐르게 하고, 동일 코일관 외로 다른 쪽을 흐르게 하거나 또는 체류하여, 2개의 유체간의 효율이 양호한 열교환을 행하게 하는 것이다.

예를 들면, 하기 특허문헌 1·2에 나타내는 열교환기는, 모두 동축 배치한 내관(inner tube)과 외관(outer tube)으로 이루어지는 이중 관 구조를 가지고, 그 내관의 외주면과 외관의 내주면 사이에 형성한 환형 유로 내에 축 방향을 따라 코일관에 의한 나선형 유로를 형성하여, 상기 환형 유로 내를 흐르는 유체와 상기 나선형 유로 내를 흐르는 유체 사이에서 열교환을 행하는 구성으로 되어 있다.

일본공개실용신안 평1-170875호 공보 일본공개실용신안 평 6-84270호 공보

상기 특허문헌 1·2의 열교환기는, 모두 열교환기의 축 방향이 상하 방향이고, 당연히 환형 유로는 상하 방향으로 연장되는 유로로 되어 있다. 그리고, 어떠한 열교환기도 환형 유로 내에 존재하는 유체가 중력에 의해 아래쪽으로 흘러(떨어져) 동일 환형 유로의 바닥부에 머무는 것을 전제라고 하고 있다.

따라서, 환형 유로 내에 존재하는 유체가 머물고 있는 개소와 흐르고 있는 개소에서는, 나선형 유로 내를 흐르는 유체와의 열교환이 불균형하게 되고, 고효율의 열교환을 행하기 어려운 문제점을 가지고 있다. 특히, 단시간으로의 유체 냉각을 목적으로 한 열교환에는 부적합하다.

또한, 상기 특허문헌 1의 열교환기는, 내관의 내부를 환형 유로에 유체를 안내하는 공급 도관으로서 사용하고 있고, 상기 특허문헌 2의 열교환기는, 내관의 내부를 환형 유로로부터 유체를 배출하는 배출 도관으로서 사용하고 있다.

따라서, 상기 특허문헌 1·2의 열교환기는, 환형 유로 내의 유체와 나선형 유로 내의 유체간의 열교환에 더하여, 내관의 내부를 흐르는 유체와 환형 유로 내의 유체의 열교환도 상정하고 있다. 그러므로, 다만 환형 유로 내의 유체와 나선형 유로 내의 유체간의 열교환만을 행하는 경우에 비하여 비효율적이다. 따라서, 역시 단시간으로의 유체 냉각을 목적으로 한 열교환에는 부적합하다.

본 발명은, 기술한 종래의 쉘 앤드 코일형 열교환기의 구조를 발본적으로 고치고, 간이 구조이면서도 열교환의 효율을 비약적으로 향상시킨 열교환기를 제공하는 것이다.

요약하면, 본 발명에 관한 열교환기는, 동축 배치한 내장관(interior tube)과 외장관(exterior tube)으로 이루어지는 이중 관 구조를 가지고, 상기 내장관의 외주면과 상기 외장관의 내주면 사이에 축 방향을 따라 환형 유로를 형성하고, 또한 상기 환형 유로 내에 축 방향을 따라 코일관을 배치하여 나선형 유로를 형성하는 한편, 상기 내장관의 내부에는 유로를 형성하지 않는 구성을 구비하고, 상기 환형 유로 내를 일정 방향으로 흐르는 냉각 유체와 상기 나선형 유로 내를 일정 방향으로 흐르는 피냉각 유체 사이에서 열교환을 행하는 것에 의해, 고효율로 한결같이 피냉각 유체를 냉각시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 냉각 유체가 흐르는 방향은 상기 피냉각 유체가 흐르는 방향에 대하여 향류인 구성으로 하는 것에 의해, 더욱 효율적으로 열교환을 행할 수 있고, 나아가서는 피냉각 유체의 단시간으로의 냉각을 가능하게 한다.

또한, 상기 코일관을 상기 환형 유로 내에 삽입 제거 가능하게 배치하는 구성으로 하고, 상기 코일관 주위벽의 검사 등의 유지보수를 용이하게 할 수 있다. 따라서, 특히 피냉각 유체가 취급에 신중을 기하는 유체인 경우라도 안전성을 확보할 수 있다.

또한, 상기 환형 유로에 있어서, 상기 코일관보다 외측의 외측 환형 유로의 횡단면적과, 상기 코일관보다 내측의 내측 환형 유로의 횡단면적이 동일하게 되도록 상기 코일관의 코일 평균 직경을 설정하는 것에 의해, 상기 외측 환형 유로 내를 흐르는 냉각 유체와 상기 내측 환형 유로 내를 흐르는 냉각 유체의 유속이나 유량을 일치시켜 상기 피냉각 유체를 내외측으로부터 균일하게 냉각시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 코일관에 축 방향을 따라 상기 코일관의 전체 형상 및 코일 피치를 유지하는 보형재를 설치하는 것에 의해, 상기 냉각 유체와 상기 피냉각 유체의 적절한 유동을 확보한다.

상기 내장관의 내부 또는 상기 외장관의 외부의 한쪽에만 단열재를 배치하고, 또는, 상기 내장관의 내부 및 상기 외장관의 외부의 양쪽에 단열재를 배치하여, 열교환의 효율을 더 양호하게 할 수 있다.

본 발명에 관한 열교환기는, 간이 구조이면서도 단시간에 확실하게 피냉각 유체를 냉각시킬 수 있다. 또한, 간이 구조이므로, 재료 비용 및 조립 비용을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 열교환기에 있어서는, 냉각 유체도 피냉각 유체도 각각 일정 방향으로 흐르기 때문에, 각각의 유동 에너지에 손실이 없다. 따라서, 간단하게 복수 개의 열교환기를 연결시킬 수 있고, 열교환의 가일층의 효율화를 도모할 수도 있다.

또한, 내장관과 외장관 사이에 코일관을 삽입 제거할 수 있고, 유지보수성 및 안전성이 우수하다.

[도 1] 내장관과 코일관의 관계를 나타내는 분해사시도이다.
[도 2] 내장관 및 코일관과, 외장관의 관계를 나타내는 분해사시도이다.
[도 3] 본 발명에 관한 열교환기 정면도이다.
[도 4] 본 발명에 관한 열교환기 종단면도이다.
[도 5] 내장관, 코일관, 외장관 및 환형 유로를 나타내는 확대 횡단면도이다.
[도 6] 도 5의 X-X선 단면도이다.
[도 7] 본 발명에 관한 열교환기의 확대 좌측면도이다.
[도 8] 본 발명에 관한 열교환기의 다른 예를 나타내는 확대 좌측면도이다.
[도 9] 본 발명에 관한 열교환기의 연결 예를 나타내는 개념도이다.
[도 10] 본 발명에 관한 열교환기의 다른 연결 예를 나타내는 개념도이다.

이하, 본 발명에 관한 열교환기의 최적의 실시예에 대하여 도 1 내지 도 10에 기초하여 설명한다. 그리고, 실시예에 있어서는, 연료 전지 자동차에 공급하는 수소 가스를 예냉하기 위한 프리쿨러를 열교환기로서 들고 있지만, 본 발명에 관한 열교환기가 수소 가스를 냉각시키기 위한 열교환기에 한정되지 않는 것은 당연하다.

<기본 구성>

도 1 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 관한 열교환기(1)는, 중심축 O를 공통으로서 동축 배치한 내장관(2)과 외장관(3)으로 이루어지는 이중 관 구조를 가지고, 내장관(2)의 외주면(2a)과 외장관(3)의 내주면(3b) 사이에 축 방향을 따라 횡단면 형상이 환형인 환형 유로(4)를 형성하고, 또한 상기 환형 유로(4) 내에 축 방향을 따라 코일관(5)을 배치하여 나선형 유로(6)를 형성하는 기본 구성을 가지고 있다. 본 발명에 관한 열교환기(1)의 축 방향은 상하 방향이어도 좌우 방향이어도 된다. 즉, 열교환기(1)를 세로 배치로 해도 되고 가로 배치로 해도 된다.

전술한 바와 같이, 본 실시예에서는 수소 가스 냉각용 프리쿨러를 상정하여 설명한다. 따라서, 환형 유로(4) 내를 흐르는 냉각 유체인 브라인(부동액)과, 나선형 유로(6) 내를 흐르는 피냉각 유체인 수소 가스 사이에서 열교환을 행하는 경우에 대하여 설명한다. 즉, 냉각 유체가 액체이고, 피냉각 유체는 기체(氣體)이다. 피냉각 유체인 수소 가스는 약 40℃에서 -37℃ 정도까지 냉각된다.

브라인으로서는, 공급 온도인 -40℃ 전후에서 액체인 것이면 특별히 한정은 없으나, 예를 들면 하이드로플루오로에테르(HFE), 포름산칼륨 수용액 등을 사용한다.

《내장관의 구성》

내장관(2)은 스테인레스 등의 금속으로 이루어지는 둥근 관이고, 예를 들면, 내경(inner diameter)이 54.9㎜, 외경(outer diameter)이 60.5㎜, 주위벽 두께가 2.8㎜이다. 상기 내장관(2)은 도 4에 나타낸 바와 같이, 내주면(2b)에 둘러싸인 내부(2c)를 가지고 있지만, 본 발명에 있어서, 상기 내부(2c)는 브라인이나 수소 가스의 유로로서는 이용하지 않는다. 즉, 내장관(2)의 내부(2c)는 환형 유로(4)에도 나선형 유로(6)에도 통하고 있지 않다.

상기 내부(2c)는 공동인채로 단열 공간으로서 기능하게 하거나, 우레탄폼 등의 단열재를 개재시킨다. 본 발명에 관한 열교환기(1)에 있어서는, 어디까지나 환형 유로(4) 내의 브라인과 나선형 유로(6) 내의 수소 가스와의 열교환으로 특화하고, 고효율의 열교환을 실현하기 위한 것이며, 환형 유로(4) 내를 흐르는 브라인에 불필요한 열 에너지를 부여하지 않기 위해서다.

또한, 내장관(2)의 축 방향의 일단부에는 센터링 돌기(centering projection)(2d)가 형성되어 있고, 상기 센터링 돌기(2d)가 후술하는 외장관(3)의 일단부 관(3A)에 형성한 수용 오목부(3d)와 끼워맞추어지는 것에 의해, 내장관(2)과 외장관(3)을 적절하게 동축 배치할 수 있다. 마찬가지로 내장관(2)의 타단부에도 센터링 돌기(2d)를 형성하는 것도 실시에 있어서 임의이지만, 도 1·도 2에 나타낸 바와 같이, 후술하는 외장관(3)의 타단부 관(3C)과 미리 용접 등에 의해 일체화해 두면 조립 작업이 용이해진다.

《외장관의 구성》

외장관(3)은 스테인레스 등의 금속으로 이루어지는 둥근 관이고, 조립 용이성 및 코일관(5)의 삽입 제거를 위해, 3개의 분할된 관으로 구성된다. 전술한 내장관(2)의 치수 예시에 대하여, 예를 들면 내경이 108.3㎜, 외경이 114.3㎜, 주위벽 두께가 3.0㎜로 설정된다.

상세하게 설명하면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 외장관(3)은 축 방향의 일단부를 구성하는 일단부 관(3A), 중앙부를 구성하는 중앙부 관(3B) 및 축 방향의 타단부를 구성하는 타단부 관(3C)으로 이루어지고, 각각의 관은 플랜지 조인트(7)를 가지고 있다. 따라서, 인접하는 관의 플랜지 조인트(7)끼리를 맞대고, 상기 맞댄 한 쌍의 플랜지 조인트(7)를 복수 개의 볼트(8)와 너트(9)로 체결하는 것에 의해 강고하게 연결하여 외장관(3)을 구성할 수 있다. 그리고, 구체적으로는 도시하지 않지만, 맞댄 한 쌍의 플랜지 조인트(7) 사이에는 개스킷을 개재 배치하여 실링성(sealability)을 확보한다.

또한, 외장관(3)은 축 방향의 일단부, 즉 일단부 관(3A)에 환형 유로(4)로 브라인을 공급하는 제1 공급 도관(10)을 가지고 있다. 덧붙여 축 방향의 타단부, 즉 타단부 관(3C)에 환형 유로(4)로부터 브라인을 배출하는 제1 배출 도관(11)을 가지고 있다.

도 2·도 3·도 7에 나타낸 바와 같이, 제1 공급 도관(10)과 제1 배출 도관(11)은 외장관(3)의 축 방향으로 직교하는 방향으로 또한 외장관(3)의 주위벽의 접선 방향으로 연장되는 구성으로 한다. 이에 의해, 환형 유로(4)에 대한 브라인의 공급 및 배출을 매끄럽게 할 수 있다.

상세하게 설명하면, 외장관(3)의 양단부로부터 축 직교 방향으로 연장되는 제1 공급 도관(10)과 제1 배출 도관(11)에 의해, 도 5에 나타낸 바와 같이, 브라인을 환형 유로(4)의 축 방향 일단부[외장관(3)의 축 방향 일단부]로부터 타단부[외장관(3)의 축 방향 타단부]까지 흐르게 한다. 이에 의해 냉각 유체인 브라인은 환형 유로(4) 내를 일정 방향, 즉 도면 중의 검은 색 화살표의 방향과 같이 축 방향을 따라 흘러가게 된다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 제1 공급 도관(10)과 제1 배출 도관(11)이, 외장관(3)의 주위벽에 대하여 동일한 접선 상에서 또한 외장관(3)의 축 직교 방향에 있어서 서로 역방향으로 연장되는 구성으로 하면, 보다 브라인의 공급과 배출을 매끄럽게 할 수 있다. 또한, 도 8에 나타낸 바와 같이, 제1 공급 도관(10)과 제1 배출 도관(11)이, 각각 외장관(3)의 주위벽에 대하여 대향하는 접선 상에서 또한 외장관(3)의 축 직교 방향에 있어서 서로 같은 방향으로 연장되는 구성으로 할 수 있다.

환형 유로(4) 내의 냉각 유체인 브라인이 흐르는 방향은 코일관(5), 즉 나선형 유로(6) 내의 피냉각 유체인 수소 가스가 흐르는 방향에 대하여 삼차원적으로 향류로 할 수 있고, 더욱 효율적으로 열교환을 행할 수 있고, 나아가서는 수소 가스의 단시간으로의 냉각을 가능하게 한다.

또한, 외장관(3)의 일단부 및 타단부, 즉 일단부 관(3A) 및 타단부 관(3C)에는 각각 축 방향으로 연장되는 보호관(3c)이 설치되어 있고, 상기 각 보호관(3c)이 후술하는 코일관(5)의 제2 공급 도관(13) 및 제2 배출 도관(14)을 보호하면서 코일관(5)을 고정한다.

그리고, 외장관(3)의 외부, 즉 외주면(3a)을 덮도록 특수 엘라스토머 등의 단열재를 배치할 수 있다. 환형 유로(4) 내를 흐르는 브라인에 불필요한 열 에너지를 부여하지 않기 위해서다.

《코일관의 구성》

코일관(5)은, 전술한 내장관(2) 및 외장관(3)의 치수 예시에 대하여, 예를 들면 내경이 4.93㎜, 외경이 9.53㎜, 주위벽 두께가 2.3㎜인 둥근 관을 코일 평균 직경(코일 외경과 코일 내경의 평균) 87.2㎜이고 코일 피치 16.18㎜로 되도록 설정하고, 나선형으로 감아 형성한다. 상기 코일관(5)의 구성 재료로서는, 예를 들면 오스테나이트계 스테인레스강 등의 Ni 당량값이 28.5%∼32.09%이고 인장 강도가 800N 이상인 강재가 바람직하다. 코일형으로 성형(변형)되는 코일관 자체의 주위벽 두께를 가급적으로 얇게 할 수 있고, 또한 수소 가스에 대하여 내성이 높기 때문이다.

코일관(5)은 도 1·도 4에 나타낸 바와 같이, 솔레노이드 코일형, 즉 코일 평균 직경을 전장에 걸쳐 일정한 직경의 나선형으로서 성형한다. 또는, 부분 길이에 걸쳐 코일 평균 직경을 확대하거나 축소할 수 있고, 환형 유로(4)와 협동하여 브라인의 유속을 조정할 수 있다.

그리고, 적절한 코일 평균 직경과 코일 피치에 대한 상세한 내용은 「환형 유로 및 나선형 유로의 구성」에서 후술한다.

코일관(5)의 축 방향의 일단부에는 나선형 유로(6)로부터 수소 가스를 배출하는 제2 배출 도관(14)이 설치되고, 또한 코일관(5)의 축 방향의 타단부에는 나선형 유로(6)에 피냉각 유체인 수소 가스를 공급하는 제2 공급 도관(13)이 설치되어 있다. 상기 제2 공급 도관(13) 및 제2 배출 도관(14)이 코일관(5)의 축 방향과 병행하면서 또한 서로 역방향으로 연장되는 구성을 구비하고 있다. 그리고, 제2 공급 도관(13)과 제2 배출 도관(14)은 코일 주위 방향에 있어서 대향하는 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 이들 양쪽 도관(13·14)은 외장관(3)의 보호관(3c)에 의해 포지되어 코일관(5)의 환형 유로(4) 내로의 고정에 공헌하지만, 제2 공급 도관(13)과 제2 배출 도관(14)을 상기한 바와 같이 대향 배치하는 것에 의해 상기 코일관(5)이 환형 유로(4) 내에 있어서 쓸데없이 회전하는 것을 방지할 수 있기 때문이다.

상기한 구성의 코일관(5)은, 내장관(2)과 외장관(3) 사이의 환형 유로(4) 내에 용이하게 삽입 제거 가능하게 배치할 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이 외장관(3)을 일단부 관(3A), 중앙부 관(3B) 및 타단부 관(3C)으로 분할 가능하고, 또한 코일관(5)의 일단부인 제2 배출 도관(14)도 타단부인 제2 공급 도관(13)도 외장관(3)의 보호관(3c)에 의해 포지될 뿐이며, 용접 등의 고착 수단은 불필요하기 때문이다.

이와 같이, 코일관(5)이 환형 유로(4) 내에 용이하게 삽입 제거 가능한 것에 의해, 코일관(5)의 주위벽에 대한 검사 등을 간단히 행할 수 있고, 유지보수가 용이하게 된다. 따라서, 특히 수소 가스와 같이 취급에 신중을 기하는 유체를 이용하는 경우라도 안전성을 확보할 수 있다.

또한, 바람직하게는 도 1·도 4에 나타낸 바와 같이, 코일관(5)에 축 방향을 따라 상기 코일관(5)의 전체 형상 및 코일 피치를 유지하는 보형재(12)를 설치하는 것에 의해, 상기 코일관(5)의 주위를 흐르는 브라인과 동일 코일관(5) 내를 흐르는 수소 가스가 적절한 유동을 확보한다.

보형재(12)는 외측 보형재(12A)와 내측 보형재(12B)로 이루어지고, 이들 외측 보형재(12A)와 내측 보형재(12B)에 의해 코일관(5)을 축 방향을 따라 내외측으로부터 협지하고, 상기 코일관(5)을 협지한 외측 보형재(12A)와 내측 보형재(12B)를 적당한 간격을 두고 스테인레스제의 밴드 등으로 결속한다. 도 6에도 나타낸 바와 같이, 보형재(12)는 코일 주위 방향으로 등간격으로 복수 개 설치하는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서 보형재(12)를 설치하는 수는 특별히 문제삼지 않는다.

《환형 유로 및 나선형 유로의 구성》

도 4 내지 도 6에 나타낸 바와 같이, 환형 유로(4)는 코일관(5)보다 외측의 외측 환형 유로(4A)와, 코일관(5)보다 내측의 내측 환형 유로(4B)으로 나뉜다. 따라서, 브라인은 외측 환형 유로(4A) 내와 내측 환형 유로(4B) 내로 분류되고, 코일관(5), 나아가서는 나선형 유로(6)를 사이에 두면서 흐르게 된다.

본 발명에 있어서는 도 6에 나타낸 바와 같이, 외측 환형 유로(4A)의 횡단면적(πL3²/2-πL2²/2)과 내측 환형 유로(4B)의 횡단면적(πL2²/2-πL1²/2)이 동일해지도록 코일관(5)의 코일 평균 직경 L2를 설정하는 것에 의해, 외측 환형 유로(4A) 내를 흐르는 브라인과 내측 환형 유로(4B) 내를 흐르는 브라인의 유속이나 유량을 일치시켜 나선형 유로(6) 내를 흐르는 수소 가스를 코일관(5)의 주위벽을 통하여 내외측으로부터 균일하게 냉각시킬 수 있다. 그리고, L1은 「내장관(2)의 외경」, L2는 「코일 평균 직경」, L3은 「외장관(3)의 내경」을 각각 나타내고 있다.

본 발명에 있어서는, 이와 같이 외측 환형 유로(4A)의 횡단면적과 내측 환형 유로(4B)의 횡단면적을 동일하게 하면서, 이들 환형 유로(4A·4B)의 횡단면적을 가급적으로 좁게 하는 것에 의해 브라인의 유속을 증가시켜 고효율의 열교환을 실현할 수 있다. 예를 들면, 전술한 바와 같이 코일관(5)에 보형재(12)를 설치하는 경우에는, 내장관(2)의 외주면(2a)과 외장관(3)의 내주면(3b)에 의해 상기 보형재(12)를 협지하고, 외측 환형 유로(4A)와 내측 환형 유로(4B)의 횡단면적을 가급적으로 좁게 한다. 이 경우에는 외측 보형재(12A)와 내측 보형재(12B)의 두께를 조정하여, 외측 환형 유로(4A)의 횡단면적과 내측 환형 유로(4B)의 횡단면적이 동일하게 되도록 설정한다.

또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 코일관(5)의 코일 평균 직경 L2는 상기 코일관(5)의 외경 L4의 4배 이상인 것이 바람직하다. 또한, 코일 피치 P는 상기 코일관(5)의 외경 L4의 1.5배∼2.0배인 것이 바람직하다. 코일관(5)의 전체 형상의 건전한 유지와, 상기 코일관(5)의 외주면을 따라 흐르는 냉각 유체인 브라인의 적절한 유동의 양립을 위해서다.

상기한 바와 같이 환형 유로(4) 및 나선형 유로(6)를 구성하고, 브라인을 환형 유로(4)를 통하여 외장관(3)의 축 방향 일단부로부터 타단부까지 흐르게 하면서, 수소 가스를 나선형 유로(6)를 통하여 외장관(3)의 축 방향의 타단부로부터 일단부까지 흐르게 한다. 따라서, 본 발명에 관한 열교환기(1)에 있어서는, 환형 유로(4) 내의 냉각 유체인 브라인이 흐르는 방향과 나선형 유로(6) 내의 피냉각 유체인 수소 가스가 흐르는 방향은 삼차원적으로 향류로 되어, 고효율의 열교환을 행할 수 있고 또한 수소 가스의 단시간으로의 냉각을 가능하게 한다.

이상과 같이, 본 발명에 관한 열교환기(1)는, 간이 구조이면서도 단시간으로 확실하게 피냉각 유체를 냉각시킬 수 있다. 또한, 간이 구조이므로 재료 비용 및 조립 비용을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 열교환기에 있어서는, 냉각 유체도 피냉각 유체도 각각 일정 방향으로 흐르기 때문에, 각각의 유체의 유동 에너지에 손실이 없다. 따라서, 간단히 복수 개의 열교환기를 연결시킬 수 있고, 열교환의 가일층의 효율화를 도모할 수도 있다.

예를 들면 도 9에 나타낸 바와 같이, 2개 열교환기(1)를 병렬로 연결하고, 브라인(F1)과 수소 가스(F2)를 각각 분류하여 병행으로 흐르게 하는 것에 의해, 가일층의 효율화를 도모할 수 있다. 또한, 도 10에 나타낸 바와 같이, 직렬로 연결한 한 쌍의 열교환기(1)를 병렬로 더 배치하여, 각 쌍의 열교환기(1)로 브라인(F1)과 수소 가스(F2)를 각각 분류하여 병행으로 흐르게 하는 것에 의해, 가일층의 효율화를 도모할 수 있다. 병렬하는 열교환기(1)의 대수나 직렬하는 열교환기(1)의 대수는 적절하게 조정할 수 있는 것은 물론이다.

또한, 본 발명에 관한 열교환기(1)는, 내장관(2)과 외장관(3) 사이의 코일관(5)을 간단하게 삽입 제거할 수 있어, 유지보수성 및 안전성이 우수하다.

<산업상 이용 가능성>

본 발명에 관한 열교환기(1)는 간이 구조로 비용의 저렴화를 도모하면서 고효율의 열교환을 행할 수 있다. 덧붙여 유지보수성 및 안전성이 우수하다. 따라서, 본 발명에 관한 열교환기(1)를 수소 스테이션에 설치하는 프리쿨러로서 이용하면 매우 적합하고, 연료 전지 자동차의 보급에도 크게 공헌할 수 있다.

1 : 열교환기
2 : 내장관
2a : 외주면
2b : 내주면
2c : 내부
2d : 센터링 돌기
3 : 외장관
3A : 일단부 관
3B : 중앙부 관
3C : 타단부 관
3a : 외주면
3b : 내주면
3c : 보호관
3d : 센터링 돌기 수용 오목부
4 : 환형 유로
4A : 외측 환형 유로
4B : 내측 환형 유로
5 : 코일관
6 : 나선형 유로
7 : 플랜지 조인트
8 : 볼트
9 : 너트
10 : 제1 공급 도관
11 : 제1 배출 도관
12 : 보형재
12A : 외측 보형재
12B : 내측 보형재
13 : 제2 공급 도관
14 : 제2 배출 도관
O : 중심축
F1 : 브라인(냉각 유체)
F2 : 수소 가스(피냉각 유체)
L1 : 내장관의 외경
L2 : 코일 평균 직경
L3 : 외장관의 내경
L4 : 코일관의 외경
P : 코일 피치

Claims

동축 배치한 내장관(interior tube)과 외장관(exterior tube)으로 이루어지는 이중 관 구조를 가지고, 상기 내장관의 외주면과 상기 외장관의 내주면 사이에 축 방향을 따라 환형 유로를 형성하고, 또한 상기 환형 유로 내에 축 방향을 따라 코일관을 배치하여 나선형 유로를 형성하는 한편, 상기 내장관의 내부에는 유로를 형성하지 않는 구성을 구비하고, 상기 환형 유로 내를 일정 방향으로 흐르는 냉각 유체와 상기 나선형 유로 내를 일정 방향으로 흐르는 피냉각 유체 사이에서 열교환을 행하는,
열교환기.
제1항에 있어서,
상기 냉각 유체가 흐르는 방향은 상기 피냉각 유체가 흐르는 방향에 대하여 향류인, 열교환기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 코일관은 상기 환형 유로 내에 삽입 제거 가능하게 배치되는, 열교환기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 환형 유로에 있어서, 상기 코일관보다 외측의 외측 환형 유로의 횡단면적과, 상기 코일관보다 내측의 내측 환형 유로의 횡단면적이 동일해지도록 상기 코일관의 코일 평균 직경을 설정하는, 열교환기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일관의 코일 평균 직경은 상기 코일관의 외경(outer diameter)의 4배 이상인, 열교환기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일관에 축 방향을 따라 상기 코일관의 전체 형상 및 코일 피치를 유지하는 보형재를 설치하는, 열교환기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내장관의 내부 및/또는 상기 외장관의 외부에 단열재를 배치하는, 열교환기.