KR20230159161A - 다중 헬릭스 구조의 열교환장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 헬릭스 구조의 열교환장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 열교환튜브를 안정적으로 이격시켜 열교환 효율을 향상시키면서 진동 등으로 파손을 방지할 수 있는 다중 헬릭스 구조의 열교환장치에 관한 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스 구조의 열교환장치는 외관을 감싸는 하우징, 상기 하우징 일측으로 유체가 유입되는 인렛(in-let)튜브, 상기 하우징 타측으로 유체가 배출되는 아웃렛(out-let)튜브, 상기 인렛튜브에서 분기되어 상기 아웃렛튜브로 연결되는 복수의 헬릭스튜브, 및 상기 헬릭스튜브 상호간에 충돌되지 않고 이격되게 유지시키는 간격유지부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 간격유지부는 상기 헬릭스튜브를 반원형상으로 감싸 상하 소정 간격 유지시키는 한쌍의 주름바와, 상기 주름바를 일측에서 동일 방향으로 잡아주는 지지바, 및 상기 주름바와 지지바를 좌우로 수평하게 잡아주는 고정연결바를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스 구조의 열교환장치는 외관을 감싸는 하우징, 상기 하우징 일측으로 유체가 유입되는 인렛(in-let)튜브, 상기 하우징 타측으로 유체가 배출되는 아웃렛(out-let)튜브, 상기 인렛튜브에서 분기되어 상기 아웃렛튜브로 연결되는 복수의 헬릭스튜브, 및 상기 헬릭스튜브 상호간에 충돌되지 않고 이격되게 유지시키는 간격유지부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 간격유지부는 상기 헬릭스튜브를 반원형상으로 감싸 상하 소정 간격 유지시키는 한쌍의 주름바와, 상기 주름바를 일측에서 동일 방향으로 잡아주는 지지바, 및 상기 주름바와 지지바를 좌우로 수평하게 잡아주는 고정연결바를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 다중 헬릭스 구조의 열교환장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 열교환튜브를 안정적으로 이격시켜 열교환 효율을 향상시키면서 진동 등으로 파손을 방지할 수 있는 다중 헬릭스 구조의 열교환장치에 관한 것이다.
실생활에 많이 사용되는 저공해 에너지원인 천연 가스(NG)의 경우 상온의 상태에서는 부피가 굉장히 커서 운반 및 보관이 어렵다. 그래서 저장과 운반이 용이하도록 가스일 때 보다 작은 부피만을 차지하는 저온 액화상태인 LNG, LPG 등으로 변화시켜 운반 및 저장을 하게 된다.
액화 가스는 액화된 상태이므로 바로 사용이 불가능하기 때문에 열 교환을 통해 기체상태인 천연가스로 변환시켜주는 기화기(Vaporizer)가 필요하다.
기화기 내부에는 2가지 물질이 존재하게 되는데 LNG나 LPG의 경우 열을 공급 받아 기화가 일어나게 되고 히터 튜브를 통해 유입되는 열매체의 경우 열을 빼앗겨 액화되거나 온도가 떨어지게 된다.
예를들어, LNG의 온도는 약 -163℃이며 열매체로 주로 사용하는 것은 증기나 고온수를 사용할 수 있다. 고온수의 경우 글리콜 프로필렌을 혼합 사용한다.
이와 같은 기화기를 포함해서 산업의 전 분야에서 열교환을 이용한 열교환기를 사용한다.
대부분은 열교환기는 기본적으로 열매체와 작동유체 간의 열교환이 활발히 일어나도록 접촉면적과 접촉 시간을 높여 빠른 시간 내에 열교환이 일어나도록 하는 것이 관건이다.
이러한 목적으로 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 작동유체가 흐르는 튜브를 나선, 코일, 스파이럴 형상으로 설치하고 튜브의 외부로 열매체를 통과시키면서 열교환이 이루어지도록 하는 구조이다.
이때, 튜브의 형상을 다양하게 변형하거나 하나 이상의 코일형 튜브를 반경방향으로 중첩시킴으로써 열교환 효율이 향상되도록 하는 다양한 시도가 이루어져 왔다.
그러나 종래 기술의 경우, 튜브가 코일형태로 촘촘하게 감기더라도 튜브 사이에 유격이 있기 때문에 별도의 구획벽으로 구획된 공간을 만들고 각 공간 내에 각 튜브를 수용시키는 구조를 가질 수 밖에 없다.
특히, 석유화학제품운반(PC)선과 같이 외부로부터 또는 자체적인 진동, 충격으로 인해 장기간 사용시 열교환 튜브 간에 직접적인 접촉으로 열교환 튜브가 손상되거나 파손되는 문제도 있다.
즉, 종래 스파이럴 구조와 같이 적층으로 직접 접촉하는 경우에 유체가 유동되면 관(tube)이 흔들려 관(tube) 상호간에 닿는 진동 현상이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 상술한 진동 현상으로 인하여 관(tube)의 지속적인 마모, 소음 또는 용접 부위의 피로 파괴 등이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 열교환 효율을 향상시키기 위한 구조의 변경이 요구되어져 왔다.
본 발명은 상기한 문제점 및 필요성을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 열교환튜브를 안정적으로 이격시켜 열교환 효율을 향상시키면서 진동 등으로 파손을 방지하기 위한 다중 헬릭스 구조의 열교환장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스 구조의 열교환장치는 외관을 감싸는 하우징, 상기 하우징 일측으로 유체가 유입되는 인렛(in-let)튜브, 상기 하우징 타측으로 유체가 배출되는 아웃렛(out-let)튜브, 상기 인렛튜브에서 분기되어 상기 아웃렛튜브로 연결되는 복수의 헬릭스튜브, 및 상기 헬릭스튜브 상호간에 충돌되지 않고 이격되게 유지시키는 간격유지부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 간격유지부는 상기 헬릭스튜브를 반원형상으로 감싸 상하 소정 간격 유지시키는 한쌍의 주름바와, 상기 주름바를 일측에서 동일 방향으로 잡아주는 지지바, 및 상기 주름바와 지지바를 좌우로 수평하게 잡아주는 고정연결바를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 주름 형상의 간격유지부를 통하여 안정적으로 헬릭스튜브를 이격시켜 열교환 효율을 향상시키면서 진동 등으로 파손을 방지 또는 억제할 수 있는 이점이 있다.
또한, 복수 개의 헬릭스(helix)형 튜브가 상호 이격되어 있으므로 하우징 내부를 별도의 칸막이로 구획할 필요가 없는 이점이 있다.
또한, 열교환용 유체가 헬릭스의 궤적을 따라 독립적으로 유동하므로 열교환이 다중적으로 일어나 열교환 효율을 크게 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 열교환장치의 연결 상태를 예시적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 종래 다른 열교환장치의 연결 상태를 예시적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스 구조의 열교환장치의 외관을 예시적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 전체단면을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스 구조의 열교환장치의 내부를 도시한 예시적인 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스 구조의 열교환장치의 내부를 다른 각도에서 도시한 예시적인 사시도이다.
도 7은 도 6의 단면을 도시한 단면도이다.
도 8은 도 7의 "P" 부분을 확대한 단면도이다.
도 9는 본 발명이 제안하는 터뷸레이터를 도시한 단면도이다.
도 2는 종래 다른 열교환장치의 연결 상태를 예시적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스 구조의 열교환장치의 외관을 예시적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 전체단면을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스 구조의 열교환장치의 내부를 도시한 예시적인 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스 구조의 열교환장치의 내부를 다른 각도에서 도시한 예시적인 사시도이다.
도 7은 도 6의 단면을 도시한 단면도이다.
도 8은 도 7의 "P" 부분을 확대한 단면도이다.
도 9는 본 발명이 제안하는 터뷸레이터를 도시한 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다." 또는 "가지다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시 예의 구성 요소가 해당 실시 예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시 예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시 예가 통합된 하나의 실시 예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 종래에 선박과 같이 외부로부터 또는 자체적인 진동, 충격으로 인해 장기간 사용시 열교환 튜브 간에 직접적인 접촉으로 열교환 튜브가 손상되거나 파손되는 문제점 등을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 열교환튜브를 안정적으로 이격시켜 열교환 효율을 향상시키면서 진동 등으로 파손을 방지하기 위한 다중 헬릭스 구조의 열교환장치를 다음과 같이 제안한다.
참고로, 스파이럴(spiral) 또는 와선(渦線 or 蝸線)은 한 점을 중심으로 감기는 듯한 부드러운 곡선으로 원점을 중심으로 멀어지면서 회전하는 곡선이다.
즉, 스파이럴(spiral)은 소용돌이나 달팽이의 모양과 비슷하지만, 나팔꽃과 같은 형태의 다른 나선(Helix)와 종종 혼동될 수 있다.
따라서, 스파이럴(spiral) 구조는 모기향 형상의 2차원 평면을 의미하는 와선(渦旋)이고, 헬릭스(helix) 구조는 코일 스프링과 같이 3차원 공간을 의미하는 나선(螺旋)으로, 본 발명에서는 헬릭스(helix) 구조를 제안하면서 스파이럴(spiral) 구조와 구별할 필요가 있다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스 구조의 열교환장치의 외관을 예시적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 전체단면을 도시한 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스 구조의 열교환장치의 내부를 도시한 예시적인 사시도이다.
또한, 도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스 구조의 열교환장치의 내부를 다른 각도에서 도시한 예시적인 사시도이고, 도 7은 도 6의 단면을 도시한 단면도이며, 도 8은 도 7의 "P" 부분을 확대한 단면도이고, 도 9는 본 발명이 제안하는 터뷸레이터를 도시한 단면도이다.
상기한 도면들을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스 구조의 열교환장치(100)는 외관을 감싸는 하우징(110), 상기 하우징(110) 일측으로 유체가 유입되는 인렛(in-let)튜브(120), 상기 하우징(110) 타측으로 유체가 배출되는 아웃렛(out-let)튜브(130), 상기 인렛튜브(120)에서 분기되어 상기 아웃렛튜브(130)로 연결되는 복수의 헬릭스튜브(140), 및 상기 헬릭스튜브(140) 상호간에 충돌되지 않고 이격되게 유지시키는 간격유지부(150)를 포함한다.
또한, 상기 간격유지부(150)는 상기 헬릭스튜브(140)를 반원형상으로 감싸 상하 소정 간격 유지시키는 한쌍의 주름바(151), 상기 주름바(151)를 일측에서 동일 방향으로 잡아주는 지지바(153), 및 상기 주름바(151)와 지지바(153)를 좌우로 수평하게 잡아주는 고정연결바(155)를 포함하여 상기 간격유지부(150)는 열전달효율 향상 및 진동방지 기능을 겸할 수 있다.
또한, 상기 헬릭스튜브(140)는 제1 내지 제N 헬릭스튜브(140-1, 140-N)를 포함하고(단, N은 2이상의 자연수), 상기 제N 헬릭스튜브(140-N)는 3차원 공간의 나선 구조로, 상기 제N-1 헬릭스튜브(140-[N-1])보다 큰 동일한 반경을 그리며 형성될 수 있다.
또한, 상기 헬릭스튜브(140)가 상기 아웃렛튜브(130)에 합류하는 사이에 개입되는 체류부(160)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 주름바(151)는 상기 헬릭스튜브(140) 일측을 감싸 상하 수직하게 형성된 제1 주름바(151a)와 상기 헬릭스튜브(140) 타측을 감싸 상하 수직하게 형성된 제2 주름바(151b)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 고정연결바(155)는 상기 헬릭스튜브(140) 상하 간격 사이에 삽입되어 상기 주름바(151) 및 상기 지지바(153)의 길이방향과 직교하게 관통할 수 있다.
또한, 상기 고정연결바(155)는 상기 주름바(151)와 지지바(153)를 나사결합으로 체결할 수 있고, 제1 내지 제N 헬릭스튜브(140-1, 140-N) 중 하나 또는 N개까지 길이를 달리하여 연결·고정할 수 있다.
또한, 상기 간격유지부(150)는 상기 헬릭스튜브(140)의 원주 방향을 따라 120도 간격으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 인렛튜브(120), 아웃렛튜브(130) 및 체류부(170) 중 적어도 하나 이상은 외주면에 열교환핀(170)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 헬릭스튜브(140)의 내부에는 터뷸레이터(180)가 삽입되어 유입된 유체가 난류를 형성하도록 유도할 수 있다.
또한, 상기 터뷸레이터(180)는 스프링(181), 나선형으로 감긴 나선판(182), 및 평판의 양면에 절개된 돌출편이 교대로 형성된 난류유도판(183) 중 어느 하나일 수 있다.
그럼, 본 발명의 일실시 예에 따른 다중 헬릭스(helix) 구조의 열교환장치(100)의 구성 및 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 제안하는 다중 헬릭스 구조의 열교환장치(100)는 도 3 내지 도 5 등에 도시된 바와 같이, 크게 하우징(110), 인렛(in-let)튜브(120), 아웃렛(out-let)튜브(130), 헬릭스튜브(140), 및 간격유지부(150) 등을 포함하고, 체류부(160)를 더 포함할 수 있다.
하우징(110)는 도 3 등에 도시된 바와 같이 본 발명이 제안하는 열교환장치(100)의 외관을 감싸 보호하면서 내부에서 열교환이 이루어지게 공간이 형성된 외관 케이스(case)이다.
즉, 하우징(110)은 내부에 헬릭스튜브(140) 및 간격유지부(150) 등이 설치될 수 있는 공간을 마련해 준다.
또한, 하우징(110)은 열교환용 유체가 투입되어 열교환할 수 있는 용기이다.
참고로, 본 발명에서 열교환하는 열매체의 출입구는 도면에 도시되지 않았지만 인렛(in-let)튜브(120) 및 아웃렛(out-let)튜브(130)와 다른 위치에 하우징(110)에 형성될 수 있다.
인렛(in-let)튜브(120)는 도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 유체가 유입되는 통로로, 하우징(110) 일측에 마련된다.
특히, 인렛(in-let)튜브(120)는 하우징(110) 일측으로 들어와 분기되어 헬릭스튜브(140)와 연결되는데, 열교환용 유체가 유입되어 복수의 경로로 분기되어 헬릭스튜브(140)로 공급될 수 있게 한다.
아웃렛(out-let)튜브(130)는 도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 유체가 배출되는 통로로, 하우징(110) 타측에 마련된다.
특히, 아웃렛(out-let)튜브(130)는 하우징(110) 타측으로 배출되는데, 복수의 헬릭스튜브(140)로부터 열교환용 유체가 하나의 경로로 모여 배출될 수 있게 한다.
즉, 본 발명이 제안하는 인렛(in-let)튜브(120)와, 아웃렛(out-let)튜브(130)는 하우징(110)에 연결되어 유체의 유입과 배출이 이루어지도록 하는 통로를 형성한다.
또한, 인렛(in-let)튜브(120)와 아웃렛(out-let)튜브(130)는 각각 길이방향과 수직하면서 상호 대응되게 복수 개의 분배구가 형성되어 헬릭스튜브(140)와 연결되고, 여기서 헬릭스튜브(140)의 상호 결합을 용이하게 하기 위하여 중심에서 방사상으로 반경이 점차적으로 크지게 상기 복수 개의 분배구를 형성한다.
헬릭스튜브(140)는 도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 하우징(110)의 내부에서 설치되어 인렛튜브(120)와 아웃렛튜브(130)를 연통되게 연결함으로써 열교환용 유체와 열교환되는 헬릭스(helix) 구조의 튜브(tube)이다.
여기서, 헬릭스(helix) 구조는 스파이럴(spiral) 구조와 구별되는 것으로, 코일 스프링과 같이 3차원 공간에 형성되는 나선(螺旋) 형상이다.
또한, 헬릭스튜브(140)는 인렛튜브(120)에서 분기되어 아웃렛튜브(130)로 연결되는 방사상으로 복수 개 형성될 수 있다.
즉, 헬릭스튜브(140)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제N 헬릭스튜브(140-1, 140-N)를 포함하고, 상기 제N 헬릭스튜브(140-N)는 3차원 공간의 나선 구조로, 상기 제N-1 헬릭스튜브(140-[N-1])보다 큰 동일한 반경을 그리며 복수 개가 적층되는 형상으로 형성될 수 있다(단, N은 2이상의 자연수이다).
특히, 스파이럴(spiral) 구조는 중심에서 방사상으로 반경이 크지는 구조이지만, 헬릭스(helix) 구조는 방사상으로 반경이 일정하여 종래 스파이럴 구조보다 복층 형성이 간편하면서 개별적으로 열교환이 활발하게 이루어지는 형상을 이루게 된다.
간격유지부(150)는 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 헬릭스튜브(140)가 상하좌우 상호간에 충돌되지 않고 이격되게 유지시키는 부재이다.
특히, 간격유지부(150)는 주름바(151), 지지바(153), 및 고정연결바(155)를 포함할 수 있다.
본 발명이 제안하는 주름바(151)는 도 7에 도시된 바와 같이, 헬릭스튜브(140)를 반원형상으로 감싸 상하 소정 간격을 유지시키데, 길이방향으로 주름진 바(bar) 형상을 가지고 상기 헬릭스튜브(140) 좌우에서 하나씩 감싸 한쌍(a pair)을 이룬다.
즉, 주름바(151)는 헬릭스튜브(140) 일측을 감싸 상하 수직하게 형성된 제1 주름바(151a)와 상기 헬릭스튜브(140) 타측을 감싸 상하 수직하게 형성된 제2 주름바(151b)를 포함하여 헬릭스튜브(140)로부터 나오는 열을 직접적으로 교환함과 동시에 진동(vibration) 등도 함께 흡수하면서 지지바(153) 및 고정연결바(155) 등으로 전달한다.
지지바(153)는 도 7 등에 도시된 바와 같이, 상하 길이방향으로 주름바(151)와 이웃하여 상기 주름바(151)를 지지하면서 상기 주름바(151)로 전달되는 열을 방출하는 기능도 동시에 수행할 수 있다.
즉, 지지바(153)는 주름바(151)를 일측에서 동일 방향으로 잡아주되 상기 주름바(151)로 전달되는 열을 교환하면서 동시에 상기 주름바(151)로 전달되는 진동(vibration)도 함께 흡수할 수 있다.
본 발명이 제안하는 고정연결바(155)는 도 5 및 도 8 등에 도시된 바와 같이, 헬릭스튜브(140) 상하 간격 사이에 삽입되어 주름바(151) 및 지지바(153)의 길이방향과 직교하게 관통한다.
또한, 고정연결바(155)는 주름바(151)와 지지바(153)를 좌우로 수평하게 잡아주되, 열전달효율 향상 및 진동억제 기능도 겸할 수 있다.
특히, 고정연결바(155)는 이웃하는 헬릭스튜브(140) 간에 길이를 달리하여 고정하므로, 진동 방지를 강화하는 기능을 할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 고정연결바(155)는 길이를 달리하여 제1 고정연결바(155-1), 제2 고정연결바(155-2), 제3 고정연결바(155-3) 및 제4 고정연결바(155-4) 등을 포함할 수 있다.
또한, 제1 고정연결바(155-1)는 제1 헬릭스튜브(140-1) 하나만 연결 고정할 수 있고, 제2 고정연결바(155-2)는 제1 및 제2 헬릭스튜브(140-1, 140-2)만 연결 고정할 수 있으며, 제3 고정연결바(155-3)는 제1 내지 제3 헬릭스튜브(140-1, 140-3)만 연결 고정할 수 있고, 제1 내지 제4 헬릭스튜브(140-1, 140-4) 전체를 연결 고정할 수 있는 등 차이나게 연결 고정시킬 수 있다.
다시 설명하면, 고정연결바(155)는 부분적으로 내측의 제1 헬릭스튜브(140-1)와 외측의 제N 헬릭스튜브(140-N) 전체를 연결하지 않고 헬릭스튜브(140) 층간 사이 사이에 유동적으로 짧은 길이로 몇 개의 헬릭스튜브(140)만을 체결할 수 있다.
이렇게 차이나게 연결하면, 상대적으로 길이가 다른 고정연결바(155)는 내외측을 형성하여 선택된 헬릭스튜브(140)를 조일 수 있으므로 종래보다 헬릭스튜브(140)의 진동을 집중하여 억제할 수 있고, 작업자가 쉽게 조임 상태를 눈으로 식별할 수도 있다.
특히, 고정연결바(155)는 길이를 달리하여 연결할 수 있으므로, 조립시 제1 고정연결바(155-1)를 사용하여 제1 헬릭스튜브(140-1)를 확실하게 체결되었는지 확인한 후에, 다음 단계로 제2 고정연결바(155-2)를 사용하여 제1 및 제2 헬릭스튜브(140-1, 140-2)를 확실하게 체결되었는지 확인하면서 N번까지 확장하여 육안으로 확인하면서 조립할 수 있어 확실하게 진동방지 기능을 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명이 제안하는 고정연결바(155)는 제1 내지 제N 헬릭스튜브(140-1, 140-N) 중 하나 또는 N개까지 길이를 달리하여 연결·고정할 수 있다.
또한, 고정연결바(155)는 주름바(151) 및 지지바(153)를 관통하여 나사산을 형성하여 나사결합으로 조일 수 있고, 전체를 연결하는 양단에 너트로 체결할 수 있다.
또한, 주름바(151), 지지바(153) 및 고정연결바(155)를 포함하는 간격유지부(150)는 헬릭스튜브(140)의 원주 방향을 따라 120도 간격으로 배치될 수 있고, 열전달효율 향상 및 진동방지 기능 등을 수행할 수 있다.
체류부(160)는 도 7 등에 도시된 바와 같이, 헬릭스튜브(140)가 아웃렛튜브(130)에 합류하는 사이에 개입되어 열교환용 유체가 바로 아웃렛(out-let)튜브(130)를 통하여 배출되지 않고 잠시 머물어 지체시키는 기능을 한다.
이는 열교환 효율을 높이기 위한 것으로, 체류부(160)를 통하여 열교환용 유체가 헬릭스튜브(140) 내에 머물게 하므로, 충분한 열교환을 이루질 수 있는 시간을 제공할 수 있다.
또한, 체류부(160)는 아웃렛(out-let)튜브(130) 대신에 인렛(in-let)튜브(120)와 각각 길이방향과 수직하면서 상호 대응되게 복수 개의 분배구가 형성되어 헬릭스튜브(140)와 연결될 수 있고, 여기서 헬릭스튜브(140)의 상호 결합을 용이하게 하기 위하여 중심에서 방사상으로 반경이 점차적으로 크지게 상기 복수 개의 분배구를 형성할 수 있다.
추가적으로, 인렛(in-let)튜브(120), 아웃렛(out-let)튜브(130) 및 체류부(160) 등은 외주면에 열교환 효율을 높이기 위해 열교환핀(170)이 형성될 수 있다.
본 발명이 제안하는 열교환핀(170)은 열교환 면적을 넓혀주기 위한 것으로써, 다양한 형상을 가질 수 있으나 도 7에 도시된 바와 같이 물결 형상이나 나선 형상 등으로 형성되게 할 수 있다.
본 발명에서 열교환율을 향상시키기 위해 헬릭스튜브(140)의 내부에 층류를 난류화시키기 위해 터뷸레이터(180, turbulator)를 삽입할 수 있다.
헬릭스튜브(140) 내부에 흐르는 유체는 층류를 형성하게 되는데, 이로 인해 튜브(tube)벽을 통해 열교환하는 유체와 열매체 사이에 경계층이 생겨 열교환을 방해한다. 뿐만 아니라, 열교환용 유체가 기화되는 경우 보일링 현상으로 인해 발생하는 기포가 열교환을 방해할 수 있다.
이러한 경계층이나 보일링 현상을 없애기 위해 터뷸레이터(180)를 설치할 수 있고, 난류화시킬 수 있는 어떤 형상이든 가능한다.
예를들어, 도 9(a)와 같이 스프링(spring)을 헬릭스튜브(140) 내에 삽입할 수 있다. 이때, 스프링(181)의 외경은 헬릭스튜브(140)의 내경과 동일하게 형성되어 스프링(181)이 튜브 내주면에 밀착되어야 한다.
또는, 도 9(b)와 같이 평판을 나선형으로 감은 형상의 나선판(182)일 수도 있다.
또 다른 예시로, 도 9(c)와 같이 평판의 양면에 일부를 절개하고 절곡시켜 형성된 돌출편(183-1)이 좌우로 번갈아 가며 교대로 돌출된 형상을 가지는 난류유도판(183)일 수 있다.
이러한 형상을 가진 터뷸레이터(180)는 층류를 난류화시켜 경계층을 제거하므로 작동유체와 열매체 간에 열교환이 활발하게 일어날 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명이 제안하는 터뷸레이터(180)는 헬릭스튜브(140) 내부에 삽입되어 작동유체가 난류를 형성하도록 유도하게 할 수 있다.
또한, 터뷸레이터(180)는 스프링(181), 나선형으로 감긴 나선판(182), 및 평판의 양면에 절개된 돌출편이 교대로 형성된 난류유도판(183) 중 어느 하나일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 다중 헬릭스(helix) 구조의 열교환장치(100)는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에 따르면, 주름 형상의 간격유지부(150)를 통하여 안정적으로 헬릭스튜브(140)를 이격시켜 열교환 효율을 향상시키면서 진동 등으로 파손을 방지 또는 억제할 수 있는 이점이 있다.
또한, 복수 개의 헬릭스(helix)형 튜브가 상호 이격되어 있으므로 하우징(110) 내부를 별도의 칸막이(배플 등)로 구획할 필요가 없는 이점이 있다.
또한, 열교환용 유체가 헬릭스(helix)의 궤적을 따라 독립적으로 유동하므로 열교환이 다중적으로 일어나 열교환 효율을 크게 향상시킬 수 있는 이점이 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.
따라서, 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 후술하는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 다중 헬릭스 구조의 열교환장치
110 : 하우징
120 : 인렛(in-let)튜브
130 : 아웃렛(out-let)튜브
140 : 헬릭스(helix)튜브
150 : 간격유지부
160 : 체류부
170 : 열교환핀
180 : 터뷸레이터
110 : 하우징
120 : 인렛(in-let)튜브
130 : 아웃렛(out-let)튜브
140 : 헬릭스(helix)튜브
150 : 간격유지부
160 : 체류부
170 : 열교환핀
180 : 터뷸레이터
Claims (10)
- 외관을 감싸는 하우징;
상기 하우징 일측으로 유체가 유입되는 인렛(in-let)튜브;
상기 하우징 타측으로 유체가 배출되는 아웃렛(out-let)튜브;
상기 인렛튜브에서 분기되어 상기 아웃렛튜브로 연결되는 복수의 헬릭스튜브; 및
상기 헬릭스튜브 상호간에 충돌되지 않고 이격되게 유지시키는 간격유지부;를 포함하고,
상기 간격유지부는,
상기 헬릭스튜브를 반원형상으로 감싸 상하 소정 간격 유지시키는 한쌍의 주름바;
상기 주름바를 일측에서 동일 방향으로 잡아주는 지지바; 및
상기 주름바와 지지바를 좌우로 수평하게 잡아주는 고정연결바;를 포함하며,
상기 간격유지부는 열전달효율 향상 및 진동방지 기능을 겸하는 다중 헬릭스 구조의 열교환장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 헬릭스튜브는 제1 내지 제N 헬릭스튜브(N은 2이상의 자연수)를 포함하고,
상기 제N 헬릭스튜브는 3차원 공간의 나선 구조로, 상기 제N-1 헬릭스튜브보다 큰 동일한 반경을 그리며 형성되는 다중 헬릭스 구조의 열교환장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 헬릭스튜브가 상기 아웃렛튜브에 합류하는 사이에 개입되는 체류부를 더 포함하는 다중 헬릭스 구조의 열교환장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 주름바는 상기 헬릭스튜브 일측을 감싸 상하 수직하게 형성된 제1 주름바와 상기 헬릭스튜브 타측을 감싸 상하 수직하게 형성된 제2 주름바를 포함하는 다중 헬릭스 구조의 열교환장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 고정연결바는 상기 헬릭스튜브 상하 간격 사이에 삽입되어 상기 주름바 및 상기 지지바의 길이방향과 직교하게 관통하는 다중 헬릭스 구조의 열교환장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 고정연결바는 상기 제1 내지 제N 헬릭스튜브 중 하나 또는 N개까지 길이를 달리하여 연결·고정하는 다중 헬릭스 구조의 열교환장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 간격유지부는 상기 헬릭스튜브의 원주 방향을 따라 120도 간격으로 배치되는 다중 헬릭스 구조의 열교환장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 인렛튜브, 아웃렛튜브 및 체류부 중 적어도 하나 이상은 외주면에 열교환핀이 형성되는 다중 헬릭스 구조의 열교환장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 헬릭스튜브의 내부에는 터뷸레이터가 삽입되어 유입된 유체가 난류를 형성하도록 유도하는 다중 헬릭스 구조의 열교환장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 터뷸레이터는 스프링, 나선형으로 감긴 나선판, 및 평판의 양면에 절개된 돌출편이 교대로 형성된 난류유도판 중 어느 하나인 다중 헬릭스 구조의 열교환장치.
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| KR1020220059173A KR20230159161A (ko) | 2022-05-13 | 2022-05-13 | 다중 헬릭스 구조의 열교환장치 |
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| KR1020220059173A KR20230159161A (ko) | 2022-05-13 | 2022-05-13 | 다중 헬릭스 구조의 열교환장치 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101648025B1 (ko) | 2015-08-21 | 2016-08-12 | 주식회사 동화엔텍 | 배플 및 간격유지판이 구비된 열교환기 및 그 제조방법 |
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