KR20220025323A - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부에 제1 유체가 순환하는 외부순환유로를 형성하여 외부순환관 기능을 수행하는 케이스; 상기 케이스의 개방된 상측을 밀폐하는 덮개; 상기 외부순환유로 내부에 설치되고 내부에 상기 제1 유체와 열교환을 수행하는 제2 유체가 순환하는 유로가 형성되고 상기 케이스 내부에 안착된 내부순환관; 및 상기 케이스의 중간 부분에 장착되어 회전하는 회전 스크류를 포함하는 열교환기를 제공한다. 본 발명인 열교환기는 열교환기 내부에 포함된 유체가 얼어붙는 것을 방지하여 겨울철 발생하는 열교환기 동파 현상을 방지할 수 있는 것은 물론 열교환 효율이 유의적으로 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Description

열교환기{Heat Exchanger}

본 발명은 열교환기에 관한 것이다.

보일러 및 공기조화기와 같은 열기기에는 내부에서 서로 다른 유체 사이에 열교환이 발생되도록 하는 열교환기가 사용되는 것이 일반적이다. 열교환기는 온도가 서로 다른 유체가 각각 유동되는 과정에서 열전도 또는 복사 등에 의해 열은 서로 교환되지만 서로 다른 유체가 혼합되지는 않도록 구성된다.

이러한 열교환기 중 이중관 열교환기는, 외부순환관의 내부에 내부순환관이 배치되고, 내부순환관의 내부로 유동되는 유체와 외부순환관 및 내부순환관 사이로 유동되는 유체 사이에 열교환이 일어나도록 한 것이다.

이중관 열교환기의 효율이 높아지기 위해서는 유체들 사이에 충분한 열교환이 일어날 수 있어야 하므로, 유체들이 이동되는 경로가 연장되도록 함으로써 열교환이 일어나는 시간이 증가되도록 할 수 있는데, 이럴 경우 열교환기의 길이가 연장되어 열기기의 체적이 증가되는 단점이 있다.

상술한 단점을 개선하기 위하여 KR 특허출원번호 제10-2012-0091644호(발명의 명칭 : 열교환기)에서는 내부에 제1 유체가 순환하는 외부순환유로를 형성하여 외부순환관 기능을 수행하는 케이스 및 상기 외부순환유로 내부에 설치되고 내부에 상기 제1 유체와 열교환을 수행하는 제2 유체가 순환하는 유로가 형성되는 내부순환관을 포함하며, 상기 케이스 내부에는 상기 케이스의 중앙으로부터 점차 직경이 증가하는 소용돌이 형상의 나선형으로 절곡되어 형성되어 상기 외부순환유로를 형성하는 유로형성플레이트가 설치되는 열교환기를 개시하고 있고,

KR 특허출원번호 제10-2015-0024897호(발명의 명칭 : 이중관 열교환기)에서는 제1 유체가 내부로 유동되는 내부순환관과, 내부순환관을 감싸도록 배치되고 그 내주면 및 내부순환관의 외주면 사이에 형성된 공간으로 제2 유체가 유동되는 외부순환관과, 외부순환관과 내부순환관 사이에 배치되고 일부분에는 내부순환관의 외주면 및 외부순환관의 내주면 사이를 지지하는 지지부가 형성되며 그 나머지 부분에는 제2 유체가 통과되는 개방부가 형성된 하나 이상의 유속조절기를 포함하는 이중관 열교환기에 대해 개시하고 있다.

그러나, 선행문헌에서 개시하고 있는 열교환기들의 경우 열교환기의 전체적인 크기를 줄인 장점은 있으나, 겨울철 열교환기에 포함된 유체가 얼어붙어 열교환기가 동파되는 문제를 해결할 수 없었다.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.

본 발명의 발명자들은 히트펌프 시스템에 포함된 열교환기가 겨울철 동파되어 막대한 손해가 발생하는 것에 착안하여 이를 해결하기 위해 예의 연구 노력하였다. 그 결과 케이스 내부에 코일을 포함하는 열교환기 내부에 회전력 및 상승력을 발생시키는 스크류를 제작하여 설치할 경우 열교환기 내부에 포함된 유체가 얼어붙는 것을 방지하여 겨울철 발생하는 열교환기 동파 현상을 방지할 수 있는 것은 물론 열교환 효율이 유의적으로 향상되는 사실을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 유체의 냉동에 의해 열교환기가 동파되는 문제를 해결하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.

본 발명은 열교환기를 제공한다.

본 발명의 발명자들은 히트펌프 시스템에 포함된 열교환기가 겨울철 동파되어 막대한 손해가 발생하는 것에 착안하여 이를 해결하기 위해 예의 연구 노력하였다. 그 결과 케이스 내부에 코일을 포함하는 열교환기 내부에 회전력 및 상승력을 발생시키는 스크류를 제작하여 설치할 경우 열교환기 내부에 포함된 유체가 얼어붙는 것을 방지하여 겨울철 발생하는 열교환기 동파 현상을 방지할 수 있는 것은 물론 열교환 효율이 유의적으로 향상되는 사실을 확인하였다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 내부에 제1 유체가 순환하는 외부순환유로를 형성하여 외부순환관 기능을 수행하는 케이스; 상기 케이스의 개방된 상측을 밀폐하는 덮개; 상기 외부순환유로 내부에 설치되고 내부에 상기 제1 유체와 열교환을 수행하는 제2 유체가 순환하는 유로가 형성되고 상기 케이스 내부에 안착된 내부순환관; 및 상기 케이스의 중간 부분에 장착되어 회전하는 회전 스크류를 포함하는 열교환기를 제공한다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 케이스 일측면에는 상기 제1 유체가 유입하는 제1 유입공이 형성되고, 상기 케이스 타측면에는 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유출공이 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 케이스 일측면에는 상기 내부순환관의 유입구가 설치되는 제2 유입공이 형성되고, 상기 케이스 타측면에는 상기 내부순환관의 유출구가 설치되는 제2 유출공이 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 케이스의 저면 중간 부분에는 바람직하게는 상기 회전 스크류의 일단부가 안착하는 안착홈이 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 덮개의 중간 부분에는 바람직하게는 상기 회전 스크류의 타단부가 관통하여 안착되는 통공이 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 덮개의 상부에는 상기 회전 스크류를 회전시키는 구동부가 구동부 안착부에 결합되고, 상기 구동부는 상기 회전 스크류의 타단부에 결합된 기어를 회전시켜 상기 회전 스크류를 회전시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 회전 스크류의 타단부에 결합된 기어는 바람직하게는 베벨기어이고, 상기 구동부에 설치된 베벨기어와 열결되어 회전하는 것일 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 회전스크류는 바람직하게는 회전축에 회전력을 발생시키는 제1 스크류 및 상승력을 발생시키는 제2 스크류가 결합될 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 회전스크류는 바람직하게는 상기 회전축의 상측에 상기 제1 스크류가 결합되고, 상기 제1 스크류의 하측에 제2 스크류가 결합될 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 제1 스크류는 바람직하게는 상기 케이스 상측의 유체를 회전시키고, 상기 제2 스크류는 바람직하게는 상기 케이스 하부의 유체를 상기 케이스의 중심축 부분에서 상승시켜, 상기 중심축 부분에서 상승한 유체가 상기 케이스 상측 부분에서 회전하여 상기 케이스의 측면 부분에서 하강하는 것일 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 제2 스크류는 바람직하게는 상기 제2 스크류의 바깥 부분에 팬이 결합 또는 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 본 발명의 상기 회전 스크류의 하단부에는 바람직하게는 냉각되어 결정화된 유체를 파쇄하기 위한 제3 스크류가 추가로 결합 또는 형성될 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:

(a) 본 발명은 내부에 제1 유체가 순환하는 외부순환유로를 형성하여 외부순환관 기능을 수행하는 케이스; 상기 케이스의 개방된 상측을 밀폐하는 덮개; 상기 외부순환유로 내부에 설치되고 내부에 상기 제1 유체와 열교환을 수행하는 제2 유체가 순환하는 유로가 형성되고 상기 케이스 내부에 안착된 내부순환관; 및 상기 케이스의 중간 부분에 장착되어 회전하는 회전 스크류를 포함하는 열교환기를 제공한다.

(b) 본 발명인 열교환기는 열교환기 내부에 포함된 유체가 얼어붙는 것을 방지하여 겨울철 발생하는 열교환기 동파 현상을 방지할 수 있는 것은 물론 열교환 효율이 유의적으로 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명인 회전스크류를 포함하는 열교환기의 분해도를 나타낸다.
도 2는 본 발명인 회전스크류를 포함하는 열교환기의 단면도를 나타낸다.\
도 3은 본 발명인 회전스크류를 포함하는 열교환기에 포함된 회전스크류의 사시도를 나타낸다.
도 4는 제3 스크류가 포함된 열교환기의 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명인 열교환기의 유체 흐름을 설명하는 참고도이다.
도 6은 내부순환관의 일 실시예를 나타낸 것으로, 상기 내부순환관의 상면이 전방을 향하도록 비스듬히 촬영된 사진이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(100)의 분해도, 단면도 및 상기 열교환기(100)에 포함된 회전스크류(40)의 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 제3 스크류(44)를 포함하는 회전스크류를 포함하는 열교환기(100)의 단면도가 도시되어 있으며, 도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(100)의 유체 순환을 나타내는 참고도가 도시되어 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(100)는 제1 유입공(11), 제1 유출공(12), 제2 유입공(13), 제2 유출공(14), 안착홈(15) 및 외순환유로(16)을 포함하는 케이스(10), 통공(21), 구동부 안착부(22), 구동부(23) 및 기어(24)를 포함하는 덮개(20), 내부순환관(30), 회전축(41), 제1 스크류(42), 제2 스크류(43), 팬(431) 및 제3 스크류(44)를 포함하는 회전스크류(40)를 포함한다.

상기 케이스(10)는 제1 유입공(11), 제1 유출공(12), 제2 유입공(13), 제2 유출공(14), 안착홈(15) 및 외순환유로(16)을 포함한다.

상기 제1 유입공(11)은 케이스(10)의 일측면에 형성되고, 제1 유입공(11)을 통해 제1 유체가 유입한다. 제1 유입공(11)을 통해 케이스(10) 내부로 유입한 제1 유체는 후술하는 제1 유출공(12)을 통해 케이스(10) 외부로 유출된다.

상기 제1 유출공(12)은 케이스(10)의 타 측면에 형성되고, 제1 유입공(11)을 통해 유입된 제1 유체를 케이스(10) 외부로 배출한다.

상기 제2 유입공(13)에는 내부순환관(30)의 유입구 부분이 결합한다. 내부순환관(30)을 통해 제1 유체와 열교환을 수행하는 제2 유체가 유입된다.

상기 제2 유출공(14)에는 내부순환관(30)의 유출구 부분이 결합한다. 내부순환관(30)을 통해 제1 유체와 열교환을 수행한 제2 유체가 유출된다.

상기 안착홈(15)은 케이스(10)의 저면 중간 부분에 형성되고, 상기 안착홈(15)에는 후술하는 회전스크류(40)의 회전축(41) 일단부가 결합하여 회전스크류(40)의 회전운동을 지지한다.

도시되지 않았지만, 안착홈(15)에는 당업계에 사용되는 다양한 종류의 베어링 등이 결합될 수 있다.

상기 외순환유로(16)는 케이스(10) 내부의 공간 중 내부순환관(30)과 회전스크류(40)가 차지하고 있는 공간 이외의 공간을 의미할 수 있다. 외부순환유로(16)를 유동하는 제1 유체는 상술한 제1 유입공(11)을 통해 유입하여 제1 유출공(12)을 통해 유출된다.

따라서 내부순환관(30)의 내부로는 제2 유체가 유동되고, 외부순환유로(16)의 내주면 및 내부순환관(30)의 외주면 사이에 형성된 공간으로는 제1 유체가 유동될 수 있다.

그러므로 제1 유체 및 제2 유체는 열교환기(100)를 통하여 유동되는 과정에서 서로 혼합되지는 않으면서 열교환이 이루어지게 된다. 여기서, 제1 유체 및 제2 유체는 열교환기(100) 내를 순환하는 작동유체로서, 제1 유체 및 제2 유체는 서로 다른 온도를 갖고 기체 또는 액체 상태일 수 있다.

상기 덮개(20)는 통공(21), 구동부 안착부(22), 구동부(23) 및 기어(24)를 포함한다.

상기 통공(21)은 회전스크류(40)의 회전축(41) 타단부가 결합하여 회전스크류의 회전을 지지한다.

도시되지 않았지만 기어(24)에는 당업계에 사용되는 다양한 종류의 베어링이 결합될 수 있다.

상기 구동부 안착부(22)에는 회전스크류(40)의 회전축(41)을 회전시키기 위한 구동부(23)가 결합된다.

상기 구동부(23)는 구동부 안착부(22)에 결합하여 회전스크류(4)의 회전축(41)을 회전시킨다.

상기 기어(24)는 구동부(23)와 회전스크류(4)의 회전축(41)에 각각 결합하여 구동부(23)에서 발생한 회전력을 회전축(41)에 전달한다. 기어(24)는 평기어, 베벨기어, 벨트기어 등 당업계에서 사용되는 다양한 종류의 기어를 사용할 수 있다.

상기 내부순환관(30)은 금속 또는 합성수지로 제작되고, 케이스(10)의 내부에 위치하며, 내부에 제2 유체가 흐르면서 외순환유로(16)로 유동하는 제1 유체와 열교환을 한다.

내부순환관(30)의 유입구는 케이스(10)의 제2 유입공(13)에 결합하고, 내부순환관(30)의 유출구는 케이스(10)의 제2 유출공(14)에 결합한다. 도시되지 않았지만, 내부순환관(30)의 유입구 부분과 제2 유입공(13) 사이 및 내부순환관(30)의 유출구 부분과 제2 유출공(14) 사이에는 실링부재 등이 결합하여 유체가 유출되는 것을 방지할 수 있다.

상기 회전스크류(40)는 회전축(41), 제1 스크류(42), 제2 스크류(43), 팬(431) 및 제3 스크류(44)를 포함한다.

상기 회전축(41)의 일단부는 상술한 안착홈(15)에 결합하고, 타단부는 상술한 통공(21)에 결합하고, 회전축(41)의 중간 부분에는 제1 스크류(42), 제2 스크류(43) 및 제3 스크류(44)가 결합한다.

상기 제1 스크류(42)는 회전축(41)의 최상측에 결합하여 제1 유체에 수평 회전력을 발생시킨다.

상기 제2 스크류(43) 및 제3 스크류(44)는 제1 스크류(42)의 하부에 결합하여 케이스(10) 내부 하측 중간 부분의 유체를 회전하며 상측으로 상승시킨다.

여기서, 제2 스크류(43) 및 제3 스크류(44)를 통해 케이스(10) 내부 하측 중간 부분에서 제1 스크류(42) 방향으로 상승한 제1 유체는 제1 스크류(42)에 의해 회전하며 케이스(10) 내부 바깥 부분에서 저면 방향으로 유동한다.

이때, 제1 유체가 상하 방향, 수평 방향 및 회전하며 유동하게 되면서 제1유체 및 제2 유체의 열교환 효율을 유의적으로 상승시킨다.

상기 팬(431)은 중공 파이프 형상이고 제2 스크류(43) 및 제3 스크류(44)의 바깥 부분을 감싸고 있다.

팬(431)은 제2 스크류(43) 및 제3 스크류(44)가 발생시키는 상승류의 폭을 좁게하여 케이스(10) 중간 부분에서 상승하는 제1 유체가 케이스(10) 바깥 부분에서 하강하는 제1 유체와의 간섭을 최소화 한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전스크류를 포함하는 열교환기(100)는 회전스크류(40)의 회전축(41) 하단부에 냉각되어 결정화된 유체를 파쇄하기 위한 제3 스크류(44)가 추가로 결합된다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(100)에 포함된 제1 유체 및 제2 유체는 상호간 열교환을 진행한다.

여기서, 제1 스크류는 케이스 상측의 제1 유체를 회전시키고, 제2 스크류 및 제3 스크류는 케이스 하부의 제1 유체를 케이스의 중심축 부분에서 상승시켜, 중심축 부분에서 상승한 제1 유체가 상기 케이스 상측 부분에서 회전하여 상기 케이스의 측면 부분에서 하강하는 과정을 반복하며 외순환유로(16) 내부를 유동하는 제2 유체와 열교환을 한다.도 6을 참조하여 상기 내부순환관(30)의 상세 구조를 설명한다.

상기 내부순환관(30) 코일이 권선되어 구성될 수 있으며, 코일은 상기 내부순환관의 중심축을 기준으로 상기 중심축의 반경 방향으로 지면과 평행하게 권선될 수 있으며, 중심축 주변에는 유로가 형성될 수 있다.

보다 상세하게 상기 중심축은 가상의 축으로 지면과 수직하게 구비되어 상기 제1유체는 상기 중심축을 따라 상하 유동하게 되며, 상기 회전 스크류는 상기 내부순환관(30) 중심에 삽입되어 제1유체를 순환시킴과 동시에 주변부 코일로 제1유체를 고르게 이동시킬 수 있다.

중심축의 반경 방향으로 지면과 평행하게 권선된 상기 코일은 상기 중심축의 길이 방향을 따라 적층되도록 형성될 수 있으며, 이는 단위 부피당 삽입될 수 있는 코일의 길이 보다 길게 하는 탁월한 효과를 가지고 있다.

케이스 10 제1 유입공 11
제1 유출공 12 제2 유입공 13
제2 유출공 14 안착홈 15
외부순환유로 16 덮개 20
통공 21 구동부 안착부 22
구동부 23 기어 24
내부순환관 30 회전스크류 40
회전축 41 제1 스크류 42
제2 스크류 43 팬 431
제3 스크류 44 열교환기 10

Claims (12)

1. 내부에 제1 유체가 순환하는 외부순환유로를 형성하여 외부순환관 기능을 수행하는 케이스;
   상기 케이스의 개방된 상측을 밀폐하는 덮개;
   상기 외부순환유로 내부에 설치되고 내부에 상기 제1 유체와 열교환을 수행하는 제2 유체가 순환하는 유로가 형성되고 상기 케이스 내부에 안착된 내부순환관; 및
   상기 케이스의 중간 부분에 장착되어 회전하는 회전 스크류를 포함하는
   열교환기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 케이스 일측면에는 상기 제1 유체가 유입하는 제1 유입공이 형성되고, 상기 케이스 타측면에는 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유출공이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 케이스 일측면에는 상기 내부순환관의 유입구가 설치되는 제2 유입공이 형성되고, 상기 케이스 타측면에는 상기 내부순환관의 유출구가 설치되는 제2 유출공이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 케이스의 저면 중간 부분에는 상기 회전 스크류의 일단부가 안착하는 안착홈이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 덮개의 중간 부분에는 상기 회전 스크류의 타단부가 관통하여 안착되는 통공이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 덮개의 상부에는 상기 회전 스크류를 회전시키는 구동부가 구동부 안착부에 결합되고, 상기 구동부는 상기 회전 스크류의 타단부에 결합된 기어를 회전시켜 상기 회전 스크류를 회전시키는 것을 특징으로 하는 열교환기.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 회전 스크류의 타단부에 결합된 기어는 베벨기어이고, 상기 구동부에 설치된 베벨기어와 열결되어 회전하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 회전스크류는 회전축에 회전력을 발생시키는 제1 스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전스크류는 상승력을 발생시키는 제2 스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 스크류는 상기 케이스 상측의 유체를 회전시키고, 상기 제2 스크류는 상기 케이스 하부의 유체를 상기 케이스의 중심축 부분에서 상승시켜, 상기 중심축 부분에서 상승한 유체가 상기 케이스 상측 부분에서 회전하여 상기 케이스의 측면 부분에서 하강하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
11. 내부에 제1 유체가 순환하는 외부순환유로를 형성하여 외부순환관 기능을 수행하는 케이스;
    상기 케이스의 개방된 상측을 밀폐하는 덮개;
    상기 외부순환유로 내부에 설치되고 내부에 상기 제1 유체와 열교환을 수행하는 제2 유체가 순환하는 유로가 형성되고 상기 케이스 내부에 안착된 내부순환관; 및
    상기 내부순환관 내측에서 회전하여 상기 제1 유체를 유동시키는 회전 스크류;를 포함하고,
    상기 내부순환관을 구성하는 코일은
    상기 내부순환관의 중심축의 반경방향 외측으로 지면과 나란하게 권선되되, 상기 중심축의 길이 방향을 따라 적층되도록 형성되는
    것을 특징으로 하는 열교환기.
12. 제11항에 있어서,
    상기 내부 순환관의 중심축에는 상기 제1유체가 이동하도록 상하를 관통하는 유로가 형성되는
    것을 특징으로 하는 열교환기.

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