KR102025845B1 - 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기에 관한 것으로, 전열 폼 셀의 밀도를 변화 즉, 대상 유체(제1유체)가 흐르는 튜브에 가까워지면서 밀도를 작게 하여 작동 유체(제2유체)가 대상 유체 주변에 집중되도록 흐름성을 개선함으로써 열교환 효율을 향상하고, 또한, 응축 유체의 신속한 배수를 통해 유동저항을 줄여줌으로써 열교환 효율을 증대하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기는, 내부에 제1유체가 흐르는 튜브(10)과; 다수의 오픈셀을 갖는 폼 구조로서 상기 튜브의 둘레부를 감싸며 상기 오픈셀에 제2유체가 흘러 상기 제1,2유체의 열교환을 유도하는 전열 폼(20)을 포함하고, 상기 전열 폼은 상기 튜브를 중심으로 하여 멀어지면서 밀도가 높아지게 형성되어 상기 제2유체의 유동저항을 다르게 함으로써 상기 튜브의 둘레부에 상기 제2유체가 집중되도록 한다. 본 발명에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기는, 내부에 제1유체가 흐르는 튜브(10)와; 다수의 오픈셀을 갖는 폼 구조로서 상기 튜브의 둘레부를 감싸며 상기 오픈셀에 제2유체가 흘러 상기 제1,2유체의 열교환을 유도하는 전열 폼(20)을 포함하고, 상기 전열 폼의 내부에 상기 튜브의 표면에서부터 외부와 통하도록 형성되어 상기 튜브와 상기 전열 폼에 맺히는 응축유체를 외부로 배출하는 하나 이상의 배수홀(27)을 포함한다.

Description

다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기{Condensing heat exchanger using porous heat transfer form}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 셀의 밀도 변화를 통해 흐름성을 개선하여 열교환 효율을 향상하는 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기에 관한 것이다.

본 발명은 다수의 오픈 셀을 흐르는 작동 유체를 이용하여 열교환이 이루어지고 응축 유체의 신속한 배수를 통해 유동저항을 줄여줌으로써 열교환 효율을 증대하는 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기에 관한 것이다.

열교환기는 서로 다른 열을 갖고 있는 유체들을 열교환시키는 것으로, 작동유체의 열을 이용하여 대상 유체를 목적하는 온도로 맞추기 위한 것이며, 판형 열교환기, 쉘앤튜브형 열교환기가 있다.

본 발명의 배경기술을 알 수 있는 특허문헌인 등록특허 제10-0339714호는 냉매가 흐르는 냉매관을 소정 형태로 구성한 후 상기 냉매관의 주위에 스폰지상의 다공성 물질인 폴리우레탄을 둘러싸는 제 1과정과, 상기 폴리우레탄에 알루미늄 파우더와 플럭스가 포함된 액상의 페이스트를 적시는 제 2과정과, 상기 폴리우레탄은 연소되어 제거되고 폴리우레탄에 흡착된 금속 파우더만 상기 폴리우레탄과 동일한 형태로 남아 상기 냉매관에 브레이징 접합되도록 상기 냉매관 및 폴리우레탄을 소정 온도로 가열하는 제 3과정으로 이루어진 열교환기 제조방법으로서, 냉각핀이 불규칙적으로 형성된 폼 형태로 구성되지만, 작동 유체를 냉매관에 집중하도록 의도적으로 구성한 것이기 아니기 때문에 작동 유체와 대상 유체 간의 열교환 효율이 좋지 못하다.

또한, 폼 형태의 냉각핀은 폼의 특성 상 많은 양의 응축 유체가 잔류하여 응축 유체로 인한 흐름 저항이 커지기 때문에 열교환 성능이 좋지 못하다.

등록특허 제10-0339714호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 작동 유체(제2유체)를 대상 유체(제1유체)에 집중되도록 흐름성을 개선하여 제1,2유체간의 열교환 효율을 향상하는 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 응축 유체의 신속한 배수를 통해 작동 유체(제2유체)의 유동저항을 줄여줌으로써 열교환 효율을 증대하는 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기는, 내부에 제1유체가 흐르는 튜브와; 다수의 오픈셀을 갖는 폼 구조로서 상기 튜브의 둘레부를 감싸며 상기 오픈셀에 제2유체가 흘러 상기 제1,2유체의 열교환을 유도하는 전열 폼을 포함하고, 상기 전열 폼은 상기 튜브를 중심으로 하여 멀어지면서 밀도가 높아지게 형성되어 상기 제2유체의 유동저항을 다르게 함으로써 상기 튜브의 둘레부에 상기 제2유체가 집중되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기는, 내부에 제1유체가 흐르는 튜브와; 다수의 오픈셀을 갖는 폼 구조로서 상기 튜브의 둘레부를 감싸며 상기 오픈셀에 제2유체가 흘러 상기 제1,2유체의 열교환을 유도하는 전열 폼을 포함하고, 상기 전열 폼은 내부에 상기 튜브의 표면에서부터 외부와 통하도록 형성되어 상기 튜브와 상기 전열 폼에 맺히는 응축유체를 외부로 배출하는 하나 이상의 배수홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 배수홀 안에 형성되어 응축유체를 외부로 배출하는 드레인 폴을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기에 의하면, 전열 폼의 셀의 밀도를 대상 유체(제1유체)가 흐르는 튜브에 가까워지면서 작게 하여 튜브에서 먼 곳을 흐르는 작동 유체(제2유체)를 튜브의 둘레부로 유도함으로써 작동 유체의 집중을 통해 열교환 성능을 향상하는 효과가 있다.

그리고, 전열 폼과 튜브 외주면에 맺힌 응축유체를 신속하게 배수하여 응축유체로 인한 흐름저항을 해결하여 열교환 성능을 극대화하는 효과가 있다.

도 1a와 도 1b는 각각 본 발명에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기의 사시도로서,
도 1a는 전열 폼이 핀의 형태인 것이고,
도 1b는 전열 폼이 블록 형태인 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기의 측면과 정면을 보인 도면.
도 3은 본 발명에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기로서 다수의 튜브가 연속될 때 전열 폼을 보인 도면.
도 4는 본 발명에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기에 배수홀이 적용된 예를 보인 측면과 정면을 보인 도면.
도 5와 도 6은 각각 본 발명에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기에 드레인 폴이 적용된 예를 보인 도면.
도 7은 본 발명에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기에 적용된 드레인 폴의 다른 예시도.
도 8은 본 발명에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기에 적용된 드레인 폴의 또 다른 예시도.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

<실시예 1>

도 1a, 도 1b에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기는, 제1유체(예를 들어 가스의 이산화탄소)가 흐르는 튜브(10) 및 튜브(10)의 둘레부에 있으며 제2유체(예를 들어 천연가스, 즉, 천연가스의 냉열을 이용하여 이산화탄소를 액화하는 용도)가 흐르는 다공성 전열 폼(20)으로 구성되어 상기 제1,2유체의 열교환을 유도하는 것이다.

튜브(10)는 하나 이상이며 내부에 제1유체가 흐르는 다양한 구조가 가능하고 전열 효과가 우수한 다양한 재질이 가능하다.

전열 폼(20)은 다수의 셀로 구성되는 폼 계열 제품으로서 바람직하게 메탈 폼이고, 다수의 셀은 서로 통하는 오픈 셀로서 제2유체가 자유롭게 흐르도록 하는 구조이고, 튜브(10)에 상호 간에 간격을 두고 설치되는 다수의 핀 형태(도 1a), 튜브(10)를 덮는 블록 형태(도 1b)가 가능하다.

전열 폼(20)은 둘레면을 통해 제2유체가 손실되지 않도록 폐쇄되는 구조이고, 예를 들어 차폐재의 코팅, 차폐재의 랩핑, 케이스에 내장 등의 방법이 가능하다.

제2유체는 제1유체와 직교하는 방향으로 흐르도록 구성된다.

본 발명의 제조 방법은 튜브(10)의 둘레부에 전열 폼(20)을 발포 성형하는 방법, 전열 폼(20)에 튜브(10)를 삽입하는 방법 등이 가능하다.

본 발명은 전열 폼(20)의 밀도 변화를 이용하여 제2유체의 흐름을 튜브(10)에 근접되도록 함으로써 제2유체의 집중을 통해 열전달 성능을 향상하도록 구성되는 특징이 있다.

즉, 전열 폼(20)의 셀의 밀집도(기공율)는 튜브(10)를 중심으로 하여 먼 곳으로 가면서 높아지는 것이며, 결과적으로 튜브(10)로부터 먼 곳은 제2유체의 흐름 저항이 크고 반대로 튜브(10)에 가까운 곳은 제2유체의 흐름 저항이 작기 때문에 제2유체는 흐름 저항이 작은 튜브(10)에 가까운 곳으로 집중되므로 제1유체와 열교환 성능을 향상하는 것이다.

따라서, 전열 폼(20)은 전체가 전열 구역이지만 밀도가 다른 다수(이하에서는 6개를 예로 들어 도시하고 설명함)의 전열 구역으로 구성되는 것이다.

예를 들어 도 2에서 보이는 바와 같이, 튜브(10)의 외곽에 튜브(10)에 가까운 곳에서부터 제1 내지 제6전열 구역(21,22,23,24,25,26)이 형성되고, 제1 내지 제6전열 구역(21,22,23,24,25,26)의 밀집도는 제1전열 구역(21)에서부터 제6전열 구역(26)으로 가면서 점진적으로 커지는 형태이다.

제2유체는 밀집도가 낮은 곳으로 유도되어야 하므로 제1 내지 제6전열 구역(21,22,23,24,25,26)은 서로 통하는 오픈 셀로 이루어진다.

튜브(10)의 구조 상 제1 내지 제6전열 구역(21,22,23,24,25,26)은 튜브(10)를 중심으로 하여 동심원의 형태로 형성된다.

또한, 도 3에서 보이는 것처럼, 제2유체의 흐름 경로에 2개 이상의 튜브(10)가 있는 경우 튜브(10)들 사이에서 흐름 파괴가 일어나지 않도록 제1 내지 제6전열 구역(21,22,23,24,25,26)은 그 배열을 유지하는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성의 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기에 따르면, 제1유체는 튜브(10)를 따라 흐르고 제2유체는 튜브(10) 외곽의 전열 폼(20)을 따라 흐르고 이 과정에서 제1유체와 제2유체간에 열교환이 이루어진다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 제2유체는 전열 폼(20)의 제1 내지 제6전열 구역(21,22,23,24,25,26)을 따라 흐르게 되고, 이 때, 제6전열 구역(26)에서 제1전열 구역(21)으로 가면서 밀집도가 낮기 때문에 제2유체는 유동 저항이 낮은 곳을 향해 흐르게 되고 따라서, 밀집도가 가장 작은 제1전열 구역(21)에 집중된다.

결과적으로 많은 양의 제2유체와 제1유체의 열교환이 이루어지기 때문에 열교환 효율이 매우 높고, 특히, 제1,2유체가 열전달 성능의 차이{튜브(10)를 흐르는 제1유체가 상대적으로 열전달 성능이 낮음}가 크더라도 열전달 성능의 차이를 극복하여 제1유체의 열교환 효과가 우수하다.

<실시예 2>

도 4에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기는, 전열 폼(20) 안에 배수홀(27)을 형성하여 응축 유체를 신속하게 배수하는데 특징이 있다.

열교환기는 제1유체와 제2유체간의 열교환 과정에서 온도 차이로 인하여 응축유체가 발생한다.

응축유체는 튜브(10)의 외주면과 전열 폼(20)에 맺혀 있게 되며, 즉, 응축유체는 제2유체의 경로에 맺혀 제2유체의 흐름을 막게 되므로 열교환 효율을 저하시킨다.

배수홀(27)은 전열 폼(20)에 하나 이상, 바람직하게 튜브(10)의 길이방향을 따라 상호 간에 일정 간격을 두고 다수개가 형성된다.

배수홀(27)이 적용되는 전열 폼(20)은 밀도가 동일한 전열 폼, 실시예 1처럼 전열 폼(20)의 밀도가 다른 전열 폼 모두가 가능하다.

배수홀(27)은 전열 폼(20)의 내부에 형성되는 구멍(원형 등 다양한 형상)으로 전열 폼(20)이 오픈 셀이기 때문에 둘레부가 주변의 셀과 통하는 구조이면서 일측은 튜브(10)의 외주면 표면과 연계{튜브(10)의 외주면 노출}하고 타측은 외부와 통하도록 개방 형성되며, 중력 낙하를 위하여 배수단인 타측이 일측보다 낮은 위치에 배치되도록 하고, 바람직하게 응축 유체가 모이는 가장 낮은 곳에 배치된다.

본 실시예에 따르면, 제2유체는 전열 폼(20)을 따라 흐르고 이 때 오픈 셀의 특성 상 전열 폼(20) 전체를 경로 하여 흐르다가 튜브(10) 주변을 흐르게 된다.

튜브(10) 안에는 제1유체가 흐르며, 제1유체는 주변의 제2유체와 열교환한다.

이와 같이 제1,2유체가 열교환할 때 온도 차이로 인하여 응축 유체가 발생한다.

전열 폼(20)이 오픈 셀이기 때문에 응축 유체는 중력에 의해 아래쪽으로 흐르다가 배수홀(27) 안으로 집수된 후 배수홀(27)을 따라 외부로 낙하 배수된다.

결과적으로, 배수홀(27)의 구성을 통해 튜브(10)의 표면과 전열 폼(20)의 셀 내부에는 제2유체의 흐름을 떨어뜨리는 저항 요소가 없으므로 제2유체와 제1유체의 열교환 효율을 높이게 된다.

본 실시예의 경우 배수홀(27)을 따라 배수되는 응축 유체가 열전달을 방해하는 것을 해결하기 위하여 드레인 폴(drain pole)(30)이 적용될 수 있다.

드레인 폴(30)은 바람직하게 튜브(10)의 둘레면(응축표면) 주변에 있는 응축유체를 모아 배수하도록 구성되며, 예를 들어, 튜브(10)의 둘레부를 감싸는 곡선형 단면의 집수부(31), 배수홀(27) 내부에 삽입되면서 일측은 집수부(31)에 연결되는 한편 타측은 외부와 연계하여 집수부(31)에 집수된 응축유체를 배수하는 드레인부(32)로 구성된다.

집수부(31)는 응축유체를 집수하면서도 제2유체가 튜브(10)의 표면을 따라 흐르도록 튜브(10)의 둘레부와 간극을 두고 떨어져 있으며, 예를 들어 튜브(10)의 원주의 1/2 이내의 길이로 이루어진다.

하나의 집수부(31)가 적용되고 전열 폼(20)이 밀도 변화가 있는 경우 집수부(31)는 밀도가 가장 작은 곳(응축 유체의 발생량이 많은 곳)에 배치되는 것이 바람직하다.

드레인부(32)는 집수부(31)와 연결되는 기둥 형태로서 집수부(31)의 표면과 내부{집수부(31)의 구조에 따라 달라짐}를 통해 집수되는 응축유체를 전달받아 외부로 배수하며, 원활한 배수와 함께 제2유체의 유동저항을 줄이기 위하여 배수홀(27)의 지름보다 작은 폭으로 구성되고, 원형, 판형 등 다양한 형태가 가능하다.

드레인 폴(30)은 배수와 제2유체의 유동저항 감소 2가지의 목적을 달성하여야 하며, 이러한 목적에 맞춰 메시 구조로 구성되는 것이 바람직하다.

드레인 폴(30)은 튜브(10)의 둘레부에 전열 폼(20)을 발포하는 제조 방법에서, 전열 폼(20)의 발포 전에 튜브(10)나 틀에 고정되어 전열 폼(20)의 발포 시 전열 폼(20) 안에 형성됨으로써 제조될 수 있다. 또는 드레인 폴(30)은 전열 폼(20)에 가공한 배수홀(27) 안에 삽입 설치하는 것도 가능하다.

하나의 집수부(31)가 드레인부(32)의 상단부에 형성된 것으로 도시하고 설명하였으나, 이에 한정되지 아니하고 하나의 드레인부(32)에 다단(도면에 3개를 예로 들어 도시함)의 집수부(31)가 구성되는 것도 가능하다.

부가적으로, 도 7에서 보이는 바와 같이, 집수부(31)가 튜브(10)와 일정한 간격을 유지하도록 간격유지봉(33)이 구성될 수 있다.

간격유지봉(33)은 1개 이상, 바람직하게 2개 이상으로서 집수부(31)에서 돌출 형성되어 단부가 튜브(10)의 표면에 닿아 튜브(10)와 집수부(31)의 간격을 유지한다.

간격유지봉(33)은 제2유체의 유동저항을 최소화하는 크기와 구조로 이루어진다.

10 : 튜브, 20 : 전열 폼
21,22,23,,26 : 제1 내지 제6전열 구역,
27 : 배수홀,
30 : 드레인 폴,
31 : 집수부, 32 : 드레인부
33 : 간격유지봉,

Claims (7)

1. 내부에 제1유체가 흐르는 튜브와;
   다수의 오픈셀을 갖는 폼 구조로서 상기 튜브의 둘레부를 감싸며 상기 오픈셀에 제2유체가 흘러 상기 제1,2유체의 열교환을 유도하는 전열 폼과;
   상기 전열 폼의 내부에 상기 튜브의 표면에서부터 외부와 통하도록 형성되어 상기 튜브와 상기 전열 폼에 맺히는 응축유체를 외부로 배출하는 하나 이상의 배수홀과;
   상기 튜브의 둘레면 주변에 있는 응축유체를 모아 상기 배수홀을 통해 외부로 배수하는 드레인 폴을 포함하고,
   상기 전열 폼은 상기 튜브를 중심으로 하여 멀어지면서 밀도가 높아지게 형성되어 상기 제2유체의 유동저항을 다르게 함으로써 상기 튜브의 둘레부에 상기 제2유체가 집중되도록 하며,
   상기 드레인 폴은 상기 전열 폼 안에 배치되는 하나 이상의 집수부, 상기 배수홀 내부에 삽입되며 상기 집수부에서 집수된 응축유체를 외부로 배수하는 드레인부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기.
2. 내부에 제1유체가 흐르는 튜브와;
   다수의 오픈셀을 갖는 폼 구조로서 상기 튜브의 둘레부를 감싸며 상기 오픈셀에 제2유체가 흘러 상기 제1,2유체의 열교환을 유도하는 전열 폼과;
   상기 전열 폼의 내부에 상기 튜브의 표면에서부터 외부와 통하도록 형성되어 상기 튜브와 상기 전열 폼에 맺히는 응축유체를 외부로 배출하는 하나 이상의 배수홀과;
   상기 튜브의 둘레면 주변에 있는 응축유체를 모아 상기 배수홀을 통해 외부로 배수하는 드레인 폴을 포함하고,
   상기 드레인 폴은 상기 전열 폼 안에 배치되는 하나 이상의 집수부, 상기 배수홀 내부에 삽입되며 상기 집수부에서 집수된 응축유체를 외부로 배수하는 드레인부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 드레인 폴은 제2유체의 유동 저항을 줄이는 메시 구조인 것을 특징으로 하는 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기.
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 드레인 폴은 상기 집수부에 돌출 형성되어 상기 튜브의 둘레부에 지지됨으로써 상기 튜브와 집수부의 간격을 유지하는 하나 이상의 간격유지봉을 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 전열폼을 이용한 응축 열교환기.

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