KR20200102282A - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기(1)에 관한 것으로서, 고열유체를 유입 시 냉매가 순환되는 코일관체(3)를 따라서 나선형태로 선회하여 고열유체를 냉매가 흐르는 코일관체(3)에 지속적으로 외접되도록 해서 열효율을 향상시킬 수 있도록 함을 목적으로 하되, 이러한 본 발명은 고열유체가 유입되는 유입구(21)와 배출되는 배출구(22)가 설치된 케이싱(2)과, 일단이 케이싱(2)의 일측에 내부로 관통된 공급관(31)에 연결되며 타단이 케이싱(2)의 타측에 외부로 관통된 회수관(32)에 연결되어 냉매가 순환되도록 케이싱(2) 내측에서 나선형으로 코일링되게 형성된 코일관체(3)와, 유입구(21)의 내측에 유입되는 고열유체가 나선형의 코일관체(3)를 타고 코일관체(3)의 코일링 방향에 동일하게 나선형태로 선회하도록 유도되게 케이싱(2)의 내주면에 고정 설치된 선회유도편(4)이 포함된 것을 특징으로 하며, 이에 의하면 고열유체가 선회유도편(4)에 의해 코일관체(3)를 타고 선회되면서 열교환이 지속적으로 장시간 이루어지므로 열효율을 극대화시키며, 코일관체(3)를 내외 이중의 나선형 구조로 구성하거나 상하 복층 구조로 구성하여 열교환이 지속적이면서 신속하게 이루어지도로 해서 열효율을 일층 배가시키도록 하는 등 다수의 효과를 득할 수 있다.

Description

열교환기{Heat exchanger}

본 발명은 열교환기에 대한 것으로서, 이를 보다 상세히 설명하면 고온의 가스(=고열유체)를 냉각수 등의 냉매에 의해서 식혀주기 위한 것으로 고열유체를 유입 시 냉각유체(=냉매)가 순환되는 코일관체를 따라서 나선형태로 선회하여 고열유체를 냉매가 흐르는 코일관체에 지속적으로 외접되도록 해서 열효율을 향상시킬 수 있도록 한 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기(熱交換器, heat exchanger)는 고온의 유체를 저온의 유체로 냉각시키거나 저온의 유체를 고온의 유체로 가열시키되, 열을 주고받는 유체 간에 섞이지 않도록 한 것으로서, 즉 고온의 유체로부터 저온의 유체로 유체를 혼합하지 않고 열을 전도하는 장치로 전열면(傳熱面)을 사이에 두고 하나의 유체로부터 다른 유체로 열을 옮기도록 된 장치를 말하는 것이며, 가열기나 냉각기나 증발기 및 응축기(凝縮器) 등에 사용되며, 목적으로 하는 유체에 열을 주기 위해 사용되는 전열매체를 열매(熱媒)라고 하며, 이와는 반대로 열을 뺏는 데 사용되는 것을 냉매(冷媒)라고 하며, 보통 공업에서 사용되는 전열매체로는 물, 수증기, 공기, 연도(煙道)가스, 석유, 수은, 나트륨, 칼륨 및 비페닐에테르와 비페닐의 혼합물인 다우섬(dowtherm) 등이 있는 것이다.

종래 열교환기로는 대한민국 공개특허 1983년 제374호(1983년 3월 30일자 공개)에 게재된 바와 같이 냉매가 순환되는 다수의 튜브를 유체가 통과하면서 냉각이 이루어지도록 한 것으로서, 이는 단순히 냉매가 지나는 튜브다발을 유체가 통과하면서 유체의 열을 냉매가 흡수하여 냉각시키도록 한 것이므로 유체가 튜브에 직교되게 통과하므로 저속으로 통과하더라도 금방 통과하게 되어 열전도율이 비교적 낮았으며, 이를 방지코자 근래에는 각 튜브에 방열핀을 촘촘하게 설치해야 하므로 제작이 어렵고 제조원가가 상승하게 되는 등의 문제점을 가지고 있었던 것이다.

이에 더하여 종래에 대한민국 공개특허 1986년 제2709호(1986년 4월 28일자 공개)에 게재된 바와 같이 냉매가 흐르는 동관에 방열핀을 설치하여 유동하는 공기가 열교환이 이루어지도록 하고 있었으며, 방열핀에 공기동풍부를 형성하여 열교환이 잘 이루어지도록 하였으나, 이 역시 공기류가 동관에 직교되게 불어서 금방 지나치므로 열교환이 충분히 이루어질 수 없어서 여전히 열교환이 제대로 이루어지지 못하여 열전도율이 낮아서 열효율이 저하되는 등 다수의 문제점을 가지고 있었던 것이다.

KR 10-1983-0000374 A 1983. 3. 30. KR 10-1986-0002709 A 1986. 4. 28.

본 발명에서는 상기한 종래 기술의 제반 문제점들을 해결코자 새로운 기술을 창안한 것으로서, 본 발명은 고열유체를 냉매가 순환되는 관체를 나선형의 코일관체로 구성하여 고열유체를 케이싱 내측으로 유입 시 코일관체의 코일링 방향에 동일하게 나선형태로 선회하도록 해서 고열유체가 코일관체의 일단에서 타단까지 지속적으로 오래 접하도록 해서 열교환이 충분히 이루어지도록 해서 열효율을 극대화시킬 수 있도록 한 열교환기를 제공코자 함에 발명이 해결하고자 하는 과제로 하는 것이다.

이에 더불어서 케이싱의 내측으로 유입되는 고열유체를 코일관체의 코일링방향을 따라 나선형으로 보다 원활하게 유도되도록 선회유도편을 설치하여 선회되도록 설치하며, 상기 코일관체는 내외 이중으로 구성하여 고열유체를 코일관체에 보다 오랜 시간동안 외접되도록 해서 충분한 열교환에 의해서 열효율을 극대화시킬 수 있도록 함을 해결과제로 할 수도 있는 것이다.

또한 별도로 기술하지는 않았으나, 본 발명의 열교환기을 상세하게 기술한 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 청구범위 및 도면 등을 감안하여 유추할 수 있는 범위 내의 또 다른 목적들도 본 발명의 전체 해결과제에 포함되는 것이다.

상기한 발명의 과제를 해결하기 위한 구체적인 수단으로 본 발명에서는 열교환기를 구성하되, 상기 본 발명의 열교환기는 상부 일측에 고열유체가 유입되는 내외로 관통 형성된 유입구와 하부 일측에 유입구로 유입된 고열유체가 냉각 후 배출되도록 내외로 관통 형성된 배출구가 설치된 케이싱이 구비되며, 일단이 케이싱의 일측에 외부로부터 내부로 관통되게 설치된 공급관에 연결 구성되며 타단이 케이싱의 타측에 내부로부터 외부로 관통되게 설치된 회수관에 연결 구성되며 케이싱 내측에서 나선형으로 코일링되게 형성되어 공급관을 통해서 유입된 냉매가 내부에서 순환되어 회수관으로 유출되게 구성된 코일관체가 구비되며, 유입구의 내측에 유입되는 고열유체가 나선형의 코일관체를 타고 코일관체의 코일링 방향에 동일하게 나선형태로 선회하도록 유도되게 케이싱의 내주면에 고정 설치된 선회유도편이 구비된 것을 특징으로 한다.

이때 상기 코일관체의 내측으로 공급관에 연통되게 연장 설치된 연장공급관과, 코일관체의 내측으로 회수관에 연통되게 연장 설치된 연장회수관과, 일단이 연장공급관과 연결되며 타단이 연장회수관에 연결되어 코일관체보다 평면상의 지름이 작고 피치가 동일하도록 이루어져 내부로 냉매가 순환되게 구성된 이너코일관체가 구비된 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 케이싱이 평면상으로 봐서 다각형으로 형성될 시 각 코너에 선회하는 고열유체가 원활하게 선회되도록 설치된 호형 또는 선형 선회안내편가 구비되도록 할 수 있다.

또한 상기 케이싱은 내측에 횡으로 설치된 지지프레임을 중심으로 해서 상하로 구획하여 상부와 하부에 각각 별도로 설치된 상부코일관체 및 하부코일관체가 구비되며, 케이싱 내주면에서 상부코일관체와 하부코일관체 사이에 상부코일관체를 타고 선회하여 내려온 고열유체가 하부코일관체를 타고 선회하여 내려갈 수 있도록 고정 설치된 선회연계편이 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.

상술한 과제 해결을 위한 구체적인 수단에 의하면, 본 발명의 열교환기는 케이싱 내부로 유입되는 고열유체를 냉매가 순환되는 나선형 코일관체의 코일링방향을 따라 케이싱 내부에서 나선형태로 선회되도록 함으로써, 고열유체가 코일관체를 타고 선회되어 코일관체의 일단에서 타단까지 접하여 열교환이 지속적으로 장시간 이루어지므로 냉각이 탁월하게 이루어져서 열효율을 극대화시킬 수 있는 효과를 갖는 것이다.

이에 더하여 본 발명에서는 케이싱 내부에 유입되는 고열유체를 코일관체의 코일링방향에 맞도록 선회유도편을 설치할 수 있어서 고열유체가 코일관체를 원활하게 타고 흐를 수 있도록 해서 열교환이 보다 원활하게 이루어지도록 하면서, 코일관체를 내외 이중의 나선형 구조로 구성하거나 이를 상하 복층 구조로도 구성할 수 있어 고열유체가 코일관체에 보다 많이 접하도록 해서 이 역시 열교환이 보다 원활하게 이루어지도록 함으로써, 전체적으로 열교환인 지속적이면서 신속하게 이루어짐으로 해서 열효율을 일층 더 배가시킬 수 있는 등 그 기대되는 효과가 다대한 발명이다.

도 1은 본 발명의 열교환기가 적용된 일례를 보인 예시도
도 2는 본 발명의 바람직한 일례를 보인 입체도
도 3은 도 2의 평단면도
도 4는 본 발명에서 케이싱이 원형이 아닌 다각형일 때의 다른 실례를 보인 평단면도
도 5는 본 발명의 다른 실례를 보인 입체도
도 6은 본 발명의 또 다른 실례를 보인 입체도
도 7은 도 6의 정면에서 고열유체가 선회하는 작용을 보인 예시도

본 발명은 산업현장 등에 사용되어 가열 배출된 고열유체를 냉각수 등을 포함하는 냉매에 의해서 식혀주기 위한 것으로 고열가스를 유입 시 냉매가 순환되는 코일관체를 따라서 나선형태로 선회하여 고열유체를 냉매가 흐르는 코일관체에 지속적으로 외접되도록 해서 열효율을 향상시키도록 한 열교환기를 제공코자 하는 것으로서, 이를 하기에서 도면들과 함께 보다 구체적으로 설명토록 하되, 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 사용되는 용어들 역시 실시 예를 구체적으로 설명하기 위한 것일 뿐 해당 용어에 국한되게 해석되어서는 아니 된다.

상기 본 발명의 열교환기(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 산업현장 등에 사용되어 가열 배출된 고열유체가 유입되었다가 배출되는 케이싱(2) 내부에 쿨링타워(10)에 의해서 냉각되는 냉각수인 냉매가 공급 및 회수되게 순환되는 코일관체(3)가 설치되어 고열유체를 냉매가 집적 접하지 않고 간접적으로 냉각시킬 수 있도록 하되, 간접적으로 냉각시키더라도 열교환이 보다 원활하게 이루어지도록 구성된 것이다.

이를 보다 상세히 설명하면 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 상기 열교환기(1)에서 케이싱(2)은 상부 일측에 고열유체가 유입되도록 내외로 관통된 유입구(21)가 형성되며, 하부 일측에 유입구(21)로 유입된 고열유체가 냉각 후 배출되도록 내외로 관통된 배출구(22)가 형성된다.

상기 열교환기(1)에서 코일관체(3)는 일단이 케이싱(2)의 일측에 외부로부터 내부로 관통되게 설치된 공급관(31)에 연결 구성되며, 타단이 케이싱(2)의 타측에 내부로부터 외부로 관통되게 설치된 회수관(32)에 연결 구성되며, 케이싱(2) 내측에서 나선형으로 코일링되게 형성되어 공급관(31)을 통해서 유입된 냉매가 내부에서 순환되어 회수관(32)으로 유출되게 구성된다.

이때 본 발명에서는 케이싱(2)의 유입구(21) 내측으로 유입되는 고열유체가 나선형의 코일관체(3)를 타고 코일관체(3)의 코일링 방향에 동일하게 나선형태로 선회하도록 유도되게 케이싱(2)의 내주면에 고정 설치되는 선회유도편(4)이 구비되도록 한 것을 특징으로 하되, 코일관체(3)는 케이싱(2)의 내주면에 고정 설치되어 내향된 이격지지대(34)의 선단에 코일관체(3)를 고정 지지토록 관체지지구(35)로 이루어진 고정수단(33)에 의해서 케이싱(2) 내부에 이격되게 설치되는 것이다.

이와 같이 선회유도편(4)을 갖는 열교환기(1)의 케이싱(2)이 도 3에서와 같이 평면으로 볼 때 원형으로 이루어지게 되면 선회유도편(4)에 의해서 방향이 바뀐 고열유체가 코일관체(3)를 타고 선회하면서 충분한 열교환이 이루어지는 시간이 되며, 이때 케이싱(2)이 평면으로 볼 때 도 4에 도시된 바와 같이 4각형 등의 다각형일 경우에는 각 코너(23)에 선회하는 고열유체가 코일관체(3)를 타고 나선방향으로 원활하게 선회할 수 있도록 평면상으로 볼 때 호형 또는 선형으로 된 선회안내편(6)이 설치되도록 할 수 있다.

이와 함께 본 발명에서는 도 5에 도시된 바와 같이 코일관체(3)의 내측으로 평면상의 지름이 작고 코일링되는 상하 피치는 동일하게 이루어져 고정수단(33)에서 연장된 연장고정구(36)에 의해서 이너코일관체(5)를 설치하는 2중의 형태로 구성하여 열교환효율이 보다 월등하게 이루어지도록 할 수 있으며, 이를 보다 자세히 설명하면 코일관체(3)의 내측으로 공급관(31)에 연통되어 연장되는 연장공급관(51)이 설치되며, 코일관체(3)의 내측으로 회수관(32)에 연통되어 연장되는 연장회수관(52)이 설치되며, 이때 이너코일관체(5)의 양단이 상기 연장공급관(51)과 연장회수관(52)에 연결되어 이너코일관체(5)도 쿨링타워(10)와 연결되어 내부로 냉매가 순화되게 구성된다.

이에 더불어 본 발명은 도 6에 도시된 바와 같이 열교환기(1)를 상하 2중구조로 제작이 가능한 바, 상기 케이싱(2)은 내측에 상하 가운데에 횡방향인 가로로 "+"자 형태의 지지프레임(24)(하중 등을 최소화하기 위해서는 중공의 파이프로 구성됨이 바람직함)을 중심으로 해서 상하로 구획하여 지지프레임(24)의 상부에는 상부코일관체(7)를 설치하고, 지지프레임(24)의 하부에는 하부코일관체(8)를 설치하며, 이때 상부코일관체(7)와 하부코일관체(8)의 내측으로는 각각 상기한 이너코일관체(5)를 더 설치할 수도 있다.

이러한 상하 2중구조의 열교환기(1)에서는 케이싱(2) 내주면에서 상부코일관체(7)와 하부코일관체(8) 사이에 상부코일관체(7)를 타고 선회하여 내려온 고열유체가 하부코일관체(8)를 타고 선회하여 내려갈 수 있도록 하향 경사지게 고정 설치된 선회연계편(9)이 더 구비되도록 하여 상부코일관체(7)에서의 선회와 하부코일관체(8)에서의 선회가 원활하게 연계되도록 구성할 수 있으며, 상기 선회연계편(9)은 지지프레임(24)에 지지되도록 설치할 수도 있다.

또한 상기 케이싱(2)의 하부 일측에는 케이싱(2) 내부의 코일관체(3), 이너코일관체(5), 상부코일관체(7), 하부코일관체(8)의 표면에 생성되는 스케일을 제거하는 스케일링작업을 할 수 있도록 작업자가 케이싱(2) 내부로 출입할 수 있도록 개폐되게 설치된 맨홀(25)이 설치되도록 할 수도 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 열교환기(1)는 케이싱(2)의 유입구(21)로 고열유체를 유입하여 케이싱(2) 내부에 설치되면서 쿨링타워(10)와 순환되게 연결된 코일관체(3)를 나선형으로 코일링되게 형성하여 고열유체가 코일관체(3)를 타고 코일링된 나선형태로 선회되도록 함으로써 고열유체가 냉매가 순환되는 코일관체(3)에 종래와 같이 바로 지나치지 않고, 지속적이고 장시간 접하여 선회토록 해서 열교환이 충분히 이루어진 후에 배출구(22)로 배출되도록 하여 냉각 등의 열교환이 신속하고 원활하게 이루어지도록 해서 열효율을 극대화시키도록 한 것이다.

이때 본 발명에서는 케이싱(2) 내부에 유입되는 고열유체를 코일관체(3)의 코일링방향에 맞도록 선회유도편(4) 및 선회안내편(6) 및 선회연계편(9) 등을 설치하여 고열유체가 코일관체(3)를 원활하게 타고 흐를 수 있도록 해서 열교환이 보다 원활하게 이루어지도록 하면서, 코일관체(3)의 내측으로 이너코일관체(5)를 설치하여 내외 이중의 나선형 구조로 구성하거나 코일관체(3) 및 이너코일관체(5)를 상하 복층 구조로도 구성하여 케이싱(2) 내부로 유입되어 선회하는 고열유체가 코일관체(3)와 이너코일관체(5)에 보다 많이 접하도록 함으로써, 열교환인 지속적이면서 신속하게 이루어지도록 하므로 열효율을 일층 더 배가시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명의 상세한 설명에는 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 기술범위에 벗어나지 않는 범위 내에서는 다양한 변형실시도 가능하다 할 것이며, 따라서 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정하여 정해지는 것이 아니라, 후술하는 특허청구범위의 기술들과 이들 기술로부터 균등한 기술수단들에까지 보호범위가 인정되어야 할 것이다.

1:열교환기
2:케이싱 21:유입구 22:배출구 23:코너 24:지지프레임 25:맨홀
3:코일관체 31:공급관 32:회수관 33:고정수단 34:이격지지대 35:관체지지구 36:연장고정구
4:선회유도편
5:이너코일관체 51:연장공급관 52:연장회수관
6:선회안내편
7:상부코일관체
8:하부코일관체
9:선회연계편
10:쿨링타워

Claims (4)

1. 상부 일측에 고열유체가 유입되는 내외로 관통 형성된 유입구(21)와, 하부 일측에 유입구(21)로 유입된 고열유체가 냉각 후 배출되도록 내외로 관통 형성된 배출구(22)가 설치된 케이싱(2);
   일단이 케이싱(2)의 일측에 외부로부터 내부로 관통되게 설치된 공급관(31)에 연결 구성되며, 타단이 케이싱(2)의 타측에 내부로부터 외부로 관통되게 설치된 회수관(32)에 연결 구성되며, 케이싱(2) 내측에서 나선형으로 코일링되게 형성되어 공급관(31)을 통해서 유입된 냉매가 내부에서 순환되어 회수관(32)으로 유출되게 구성된 코일관체(3);
   유입구(21)의 내측에 유입되는 고열유체가 나선형의 코일관체(3)를 타고 코일관체(3)의 코일링 방향에 동일하게 나선형태로 선회하도록 유도되게 케이싱(2)의 내주면에 고정 설치된 선회유도편(4);
   이 포함된 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
2. 청구항 1에 있어서;
   코일관체(3)의 내측으로 공급관(31)에 연통되게 연장 설치된 연장공급관(51);
   코일관체(3)의 내측으로 회수관(32)에 연통되게 연장 설치된 연장회수관(52);
   일단이 연장공급관(51)과 연결되며 타단이 연장회수관(52)에 연결되어 코일관체(3)보다 평면상의 지름이 작고 피치가 동일하도록 이루어져 내부로 냉매가 순환되게 구성된 이너코일관체(5);
   가 더 포함된 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
3. 청구항 1에 있어서;
   케이싱(2)이 평면상으로 봐서 다각형으로 형성될 시 각 코너(23)에 선회하는 고열유체가 원활하게 선회되도록 설치된 선회안내편(6);
   것을 특징으로 하는 열교환기.
   
4. 청구항 1에 있어서;
   케이싱(2)은 내측에 횡으로 설치된 지지프레임(24)을 중심으로 해서 상하로 구획하여 상부와 하부에 각각 별도로 설치된 상부코일관체(7) 및 하부코일관체(8);
   케이싱(2) 내주면에서 상부코일관체(7)와 하부코일관체(8) 사이에 상부코일관체(7)를 타고 선회하여 내려온 고열유체가 하부코일관체(8)를 타고 선회하여 내려갈 수 있도록 고정 설치된 선회연계편(9);
   이 더 포함된 것을 특징으로 하는 열교환기.

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