KR20220132287A - 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열교환기로 유입되는 유체의 유량이 케이스 내부로 균일하게 분배되어 유입될 수 있도록 하는 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기에관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 유체가 유입되는 유입구, 유입구와 연결되는 케이스, 및 유입구와 케이스가 연결되는 부분에 구비되는 헤더,를 포함하는 열교환기로서, 헤더 내부에 구비되고, 유입구와 케이스를 연결하며, 외곽이 유선형으로 형성되는 외부 유동 가이드; 외부 유동 가이드 내부에서, 외부 유동 가이드의 유선형태를 따라 구비되는 복수 개의 내부 유동 가이드; 외부 유동 가이드와 내부 유동 가이드 사이에 구비되어, 내부 유동 가이드를 지지하는 복수 개의 지지대;를 포함하고, 내부 유동 가이드의 개수가 n이고, 외부 유동 가이드에 대한 내부 유동 가이드의 반지름 비율이 x일 경우,

의 수식에 따라 내부 유동 가이드가 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기{HEAT EXCHANGER IMPROVED DISTRIBUTION UNIFORMITY}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열교환기로 유입되는 유체의 유량이 케이스 내부로 균일하게 분배되어 유입될 수 있도록 하는 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기에관한 것이다.

열교환기는 특정 유체의 온도를 냉각 또는 가열함으로써 상변화를 일으키기 위해 사용되는 것으로, 일반적으로는 온도가 다른 복수 개의 유체를 중첩하도록 배치함으로써 열교환이 이루어지는 방식을 이용한다.

이러한 열교환기는 쉘 앤 튜브형 열교환기와 플레이트형 열교환기로 크게 분류할 수 있고, 플레이트형 열교환기에는 가스켓 타입, 브레이징 타입, 플레이트-핀 타입, 인쇄기판형 타입 등이 있다.

플레이트형 열교환기는 일반적으로 플레이트를 압출하여 유로를 형성해 결합시키지만, 인쇄기판형 열교환기(PCHE; Printed Circuit Heat Exchanger)는 금속판의 표면을 식각 가공하여 유로를 형성한다.

일반적인 인쇄기판형 열교환기가 도 1에 도시된다. 도 1은 종래 기술에 따른 열교환기를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 열교환기(200)는 입구 및 출구 헤더(30a, 30b)와 코어(25)로 구성되고, 코어(25)를 통해서 다른 조건의 유체로 에너지를 공급하거나 제공받는다. 유체는 입구 헤더(30a)와 코어(25) 영역으로 유입되고, 코어(25) 영역을 거쳐 출구 헤더(30b)로 빠져나간다.

그런데, 이러한 유체의 유입 및 유출 방향은 동일하지 않을 수도 있고, 코어(25) 영역 내부의 유동 방향이 입구 또는 출구 헤더(30a, 30b) 내에서의 유동 방향을 따르지 않는 문제가 있다. 이로 인해, 결국 열교환기(200)의 성능이 떨어지게 되는 문제점이 있다.

이와 같이, 열교환기(200)로 유입되는 유체가 유입구(10a)를 통해 유출구(10b)로 유연하게 유동될 수 있고, 입구 헤더(30a)에서 균일하게 분배되어 유동될 수 있도록 하는 기술 개발이 요구되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0129415호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 유입되는 유체가 균일하게 분배되어 유입될 수 있는 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명은 열교환기의 성능이 떨어지는 문제가 해결될 수 있는 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 유체의 유량 분배의 균일도 향상을 위한 수단의 제작 및 설치가 용이한 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 함께 본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 더욱 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유체가 유입되는 유입구, 상기 유입구와 연결되는 케이스, 및 상기 유입구와 케이스가 연결되는 부분에 구비되는 헤더,를 포함하는 열교환기로서, 상기 헤더 내부에 구비되고, 상기 유입구와 케이스를 연결하며, 외곽이 유선형으로 형성되는 외부 유동 가이드; 상기 외부 유동 가이드 내부에서, 상기 외부 유동 가이드의 유선형태를 따라 구비되는 복수 개의 내부 유동 가이드; 상기 외부 유동 가이드와 내부 유동 가이드 사이에 구비되어, 상기 내부 유동 가이드를 지지하는 복수 개의 지지대;를 포함하고, 상기 내부 유동 가이드의 개수가 n이고, 상기 외부 유동 가이드에 대한 상기 내부 유동 가이드의 반지름 비율이 x일 경우,

의 수식에 따라 상기 내부 유동 가이드가 구비되는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 외부 유동 가이드, 내부 유동 가이드 및 지지대는 3D 프린팅 기술로 제작되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 일단이 상기 헤더 및 케이스가 접하는 부분에서 접촉되고, 타단이 상기 헤더 및 유입구가 접하는 부분에서 접촉되도록 구비되어, 탈착되게 장착되는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 내부 유동 가이드의 갯수는 상기 유입구로 유입되는 유량과 속도에 따라 설정되는 것을 특징으로 한다.

상술된 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.

유입구와 연결되는 헤더 내부에 유동 가이드가 구비되어, 유입되는 유체의 유동을 유연하게 할 수 있고, 더욱이 유동을 가이드함으로써, 유동 방향을 따라 용이하게 유체가 유입될 수 있는 효과가 있다. 이로 인하여, 열교환기의 성능이 떨어지는 문제점이 해결될 수 있는 효과도 있다.

그리고 유동 가이드, 예컨대 내부 유동 가이드의 갯수를 유체의 유량 및 속도에 따라 조절하여, 유체의 유량 분배를 더욱 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 유동 가이드를 3D 프린팅 기술로 제작함으로써, 용이하고 간편하게 제작할 수 있는 효과도 있다.

그리고 유동 가이드를 탈착 가능하게 구비함으로써, 필요에 따라 탈착이 가능한 효과도 있다.

이와 함께 본 발명의 다른 효과는 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.

도 1은 종래 기술에 따른 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기의 유동 가이드를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기의 유동 가이드 설치 위치를 나타낸 도면이다.
도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기의 일례의 유동 가이드에 따른 유체의 Y축 및 X축 속도를 나타낸 도면이다.
도 6a와 도 6b는 본 발명에 따른 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기의 개선된 유동 가이드에 따른 유체의 Y축 및 X축 속도를 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다. 설명에 앞서 본 발명의 이점 및 특징 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 이러한 용어 중 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하는 것이고, 설명 상에 방향을 지칭하는 단어는 설명의 이해를 돕기 위한 것으로 시점에 따라 변경 가능함을 주지하는 바이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기(100)는 유입구(10), 케이스(case; 20), 헤더(header; 30), 외부 유동 가이드(40), 내부 유동 가이드(50) 및 지지대(60)를 포함한다.

열교환기(100)는 하부에 유체가 유입되는 유입구(10)가 구비되고, 유입구(10)와 연결되는 케이스(20)가 구비된다. 케이스(20) 상부에는 유체가 유출되는 유출구가 구비된다.

헤더(30)는 유입구(10)와 케이스(20)가 연결되는 부분에 구비된다. 헤더(30)는 유출구와 케이스(20)가 연결되는 부분에도 구비되고, 도면의 형태에 한정되는 것이 아니라, 복수 개의 유입구 및 유출구가 구비될 수 있고, 이로 인해 복수 개의 헤더가 구비될 수도 있다.

외부 유동 가이드(40)는 헤더(30) 내부에 탈착 가능하게 끼워지게 구비된다. 외부 유동 가이드(40)는 유입구(10)와 케이스(20)를 연결하는데, 헤더(30) 및 케이스(20)가 접하는 부분에서 접촉되고, 헤더(30) 및 유입구(10)가 접하는 부분에서 접촉된다. 외부 유동 가이드(40)는 외곽이 유선형으로 형성된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 외부 유동 가이드(40)는 깔때기와 같은 형상으로 구비될 수 있다.

내부 유동 가이드(50)는 외부 유동 가이드(40) 내부에서, 외부 유동 가이드(40)의 외곽의 유선 형태를 따라 구비된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 깔때기와 같은 형상으로 구비될 수 있고, 외부 유동 가이드(40) 및 내부 유동 가이드(50)에 의해 이중 또는 삼중 깔때기 형상일 수 있다.

외부 유동 가이드(40)와 내부 유동 가이드(50)의 형상이 도 3a 내지 도 3c에 좀 더 상세히 도시된다. 도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기의 유동 가이드를 나타낸 도면이다. 도 3a는 유동 가이드의 단면도이고, 도 3b는 유동 가이드를 유입구(10) 쪽에서 바라본 도면이며, 도 3c는 유동 가이드를 케이스(20) 쪽에서 바라본 도면이다.

도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 외부 유동 가이드(40)가 구비되고, 내부에 내부 유동 가이드(50)가 구비된다. 내부 유동 가이드(50)를 지지하기 위하여 복수 개의 지지대(60)가 구비된다.

지지대(60)는 도 3a에 도시된 바와 같이, 외부 유동 가이드(40)와 내부 유동 가이드(50) 사이에 구비된다. 지지대(60)는 도 3b와 도 3c에 도시된 바와 같이, 복수 개, 예컨대 90도 간격으로 4 개가 구비될 수 있고, 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다. 지지대(60)는 내부 유동 가이드(50)를 지지한다.

외부 유동 가이드(40), 내부 유동 가이드(50), 및 지지대(60)는 3D 프린팅 기술, 예컨대 메탈 3D 프린팅 기술로 제작될 수 있다. 이로 인해, 유동 가이드를 용이하고 간편하게 제작할 수 있는 효과가 있다.

한편, 내부 유동 가이드(50)는 복수 개가 구비될 수도 있다. 내부 유동 가이드(50)의 갯수는 유입구(10)로 유입되는 유량과 속도에 따라 설정될 수 있다. 내부 유동 가이드(50)의 갯수에 따른 설치 위치는 다음과 같이 설정할 수 있다.

내부 유동 가이드(50)의 개수가 n이고, 외부 유동 가이드(40)에 대한 내부 유동 가이드(50)의 반지름 비율이 x일 경우,

의 수식에 따라 내부 유동 가이드(50)가 구비될 수 있다.

예를 들어, 내부 유동 가이드(50)가 2개인 경우, 외부 유동 가이드(40)에 대한 내부 유동 가이드(50)의 반지름 비율 x는

이 된다. 즉, 외부 유동 가이드(40)에 대한 내부 유동 가이드(50)의 반지름 비율은 1/3과 1 사이이므로, 도 4의 50b와 같은 위치에 구비될 수 있다. 도 4는 본 발명에 따른 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기의 유동 가이드 설치 위치를 나타낸 도면이다.

위와 같은 수식에 따르지 않고, 도 4의 50a와 같은 위치에 내부 유동 가이드(50)를 설치한 경우의 유체 속도를 도 5a와 도 5b에 도시하고, 위와 같은 수식에 따라 50b와 같은 위치에 내부 유동 가이드(50)를 설치한 경우의 유체 속도를 도 6a와 도 6b에 도시하였다.

도 5a와 도 6a는 유체의 Y축 속도, 도 5b와 도 6b는 유체의 X축 속도를 나타낸다. 도 5a와 도 5b 및 도 6a와 도 6b를 참조하면, 도 4의 50a의 위치에 내부 유동 가이드를 설치했을 때보다, 50b의 위치에 내부 유동 가이드를 설치했을 때 유체의 Y축 속도와 X축 속도가 더 균일하고 고르게 분포되어 유동되는 것을 알 수 있다.

각 위치의 내부 유동 가이드(50a, 50b)에 따른 각 속도에 대한 균일도를 표로 나타내면 다음의 [표 1]과 같다.

	Y축	X축
50b	0.821	0.784
50a	0.761 (-7.6%)	0.484 (-38%)

이와 같이, 위 수식에 따라 내부 유동 가이드(50)를 배치하여, 유입되는 유체의 균일도를 더욱 효과적으로 높일 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 그리고 상술한 바와 같이 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기
10: 유입구
20: 케이스
30; 헤더
40; 외부 유동 가이드
50; 내부 유동 가이드
60; 지지대

Claims (4)

1. 유체가 유입되는 유입구, 상기 유입구와 연결되는 케이스, 및 상기 유입구와 케이스가 연결되는 부분에 구비되는 헤더,를 포함하는 열교환기에 있어서,
   상기 헤더 내부에 구비되고, 상기 유입구와 케이스를 연결하며, 외곽이 유선형으로 형성되는 외부 유동 가이드;
   상기 외부 유동 가이드 내부에서, 상기 외부 유동 가이드의 유선형태를 따라 구비되는 복수 개의 내부 유동 가이드;
   상기 외부 유동 가이드와 내부 유동 가이드 사이에 구비되어, 상기 내부 유동 가이드를 지지하는 복수 개의 지지대;를 포함하고,
   상기 내부 유동 가이드의 개수가 n이고, 상기 외부 유동 가이드에 대한 상기 내부 유동 가이드의 반지름 비율이 x일 경우,

   

   의 수식에 따라 상기 내부 유동 가이드가 구비되는 것을 특징으로 하는 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 외부 유동 가이드, 내부 유동 가이드 및 지지대는 3D 프린팅 기술로 제작되는 것을 특징으로 하는 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기.
3. 제1 항에 있어서, 상기 내부 유동 가이드는
   일단이 상기 헤더 및 케이스가 접하는 부분에서 접촉되고, 타단이 상기 헤더 및 유입구가 접하는 부분에서 접촉되도록 구비되어, 탈착되게 장착되는 것을 특징으로 하는 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 내부 유동 가이드의 갯수는 상기 유입구로 유입되는 유량과 속도에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 유량 분배의 균일도가 향상된 열교환기.

Images