KR20200027061A

KR20200027061A - 열 교환용 이중관

Info

Publication number: KR20200027061A
Application number: KR1020207006575A
Authority: KR
Inventors: 길남 이; 도미니크 켐프
Original assignee: 콘티테크플루이드코리아유한회사
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2018-09-04
Publication date: 2020-03-11
Also published as: JP2020531790A; EP3679312A4; EP3679312A1; WO2019050258A1

Abstract

열 교환용 이중관이 본 명세서에 개시된다. 상기 열 교환용 이중관은 둘레면에 나선형 궤적을 따라 교대로 형성된 산부와 골부를 갖고, 제1 유체가 이를 통해 유동하도록 안내하는 나선형 파이프; 및 축 방향으로 삽입되는 상기 나선형 파이프를 수용하고, 제2 유체가 상기 나선형 파이프의 상기 둘레면을 따라 유동하도록 안내하여, 상기 제2 유체가 상기 제1 유체와 열 교환을 하도록 하는 외부 파이프를 포함하고, 상기 산부와 상기 외부 파이프의 내부 표면 사이에 갭이 형성되지 않도록 상기 산부는 상기 외부 파이프의 상기 내부 표면과 접촉한다.

Description

열 교환용 이중관

본 발명은 일반적으로 열 교환용 이중관(double tube)에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 나선형 파이프(spiral pipe)의 외부 표면과 제2 유체 사이의 접촉 면적을 증가시킴으로써 외부 파이프(outer pipe) 내로 축 방향으로 삽입된 상기 나선형 파이프를 통해 유동하는 제1 유체와 상기 외부 파이프와 상기 나선형 파이프 사이에 유동하는 상기 제2 유체 사이의 열 교환 효율을 향상시킬 수 있고; 상기 나선형 파이프의 골부(valley)에 나선형 궤적(spiral track)을 따라 그루브(groove)를 형성하여 상기 제2 유체의 유동 방향성을 향상시킬 수 있으며; 상기 제2 유체의 압력을 감소시키기 위해 상기 외부 파이프의 단부 조인트(end joint)와 내부 파이프(inner pipe) 사이의 공간을 확장시켜 유동에 의한 소음을 저감시킬 수 있고; 상기 제2 유체의 잔류 시간을 증가시키기 위해 상기 골부로부터 돌출하는 저항 부재를 통하여 열 교환 효율을 더 향상시킬 수 있는 열 교환용 이중관에 관한 것이다.

일반적으로 이중관은 내부 파이프, 및 이 내부 파이프의 외부 둘레면을 둘러싸서 이 내부 파이프와의 사이에 유동 경로를 형성하는 외부 파이프를 포함한다. 이러한 이중관은 내부 파이프를 통해 유동하는 제1 유체와, 이 내부 파이프와 외부 파이프 사이의 유동 경로를 통해 유동하는 제2 유체 간에 열 교환을 허용한다.

따라서, 이중관은 자동차용 공기 조화 장치의 증발기의 출구에 있는 저온 저압의 냉매가 공기 조화 장치의 응축기의 출구에 있는 고온 고압의 냉매와 열 교환을 하도록 허용하여, 증발기로 들어가는 냉매의 과냉도를 증가시켜 공기 조화 장치의 냉방 성능을 향상시키는 액체 과냉각 시스템에 사용될 수 있다. 이러한 액체 과냉각 시스템에서, 냉매는 압축기 → 응축기 → 팽창 밸브 → 증발기 → 압축기의 순서로 순환하며, 증발기의 출구에 있는 냉매와 응축기의 출구(또는 증발기의 입구)에 있는 냉매 사이에 열 교환을 허용하기 위해 이중관이 사용된다.

이러한 이중관의 일례로서 한국 특허 공개 번호 10-2012-0007799A에 이중관 연결 구조가 개시되어 있다.

일반적인 열 교환용 이중관은 제2 유체의 유동 동안 충분한 열 전달 면적을 확보할 수가 없어 열 교환 효율이 불량하다는 문제를 갖고 있다. 이 문제를 극복하기 위해, 내부 파이프를 나선형 형상으로 형성하여 열 전달 면적을 증가시켜 열 교환 효율을 향상시키는 방법이 제안되었다. 그러나, 이 방법에 의해 열 교환 효율을 향상시키는 데에는 한계가 있다.

따라서, 이중관을 개선할 필요성이 요구된다.

본 발명의 실시형태는 이 기술 분야에서의 이러한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일 양태는 외부 파이프 내로 축 방향으로 삽입되는 나선형 파이프를 포함하여 상기 나선형 파이프의 나선형 형상에 의해 상기 외부 파이프 내측에 유동하는 제2 유체의 잔류 시간을 증가시킴으로써 열 교환 효율을 향상시키는 열 교환용 이중관을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 양태는 나선형 파이프의 둘레면에 골부의 나선형 궤적을 따라 형성된 적어도 하나의 그루브를 포함하여 제2 유체의 유동 방향성을 향상시킴으로써 제2 유체를 보다 안정적으로 유동시켜 열 교환 효율을 더 향상시키는 열 교환용 이중관을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 양태는 외부 파이프의 양 단부에서 조인트의 직경을 증가시켜 상기 외부 파이프와 내부 파이프 사이의 공간을 확장시킴으로써, 유체의 유입과 유출 동안 유체의 압력을 저감시켜 유동에 의한 소음을 감소시키는 열 교환용 이중관을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 양태는 나선형 파이프의 골부로부터 돌출하는 저항 부재를 포함하여 제2 유체의 잔류 시간을 증가시킴으로써 열 교환 효율을 더 향상시키는 열 교환용 이중관을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 양태는 나선형 파이프의 산부(ridge)에 인접하여 저항 부재를 포함하여 상기 나선형 파이프의 산부가 과도하게 휘어지는 것을 방지함으로써 나선형 파이프의 내구성을 향상시키는 열 교환용 이중관을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 열 교환용 이중관은, 둘레면에 나선형 궤적을 따라 교대로 형성된 산부와 골부를 갖고, 제1 유체가 이를 통해 유동하도록 안내하는 나선형 파이프; 및 축 방향으로 삽입되는 상기 나선형 파이프를 수용하고, 제2 유체가 상기 나선형 파이프의 상기 둘레면을 따라 유동하도록 안내하여, 상기 제2 유체가 상기 제1 유체와 열 교환을 하도록 하는 외부 파이프를 포함할 수 있고, 상기 외부 파이프의 내부 표면과 상기 산부 사이에 갭이 형성되지 않도록 상기 산부는 상기 외부 파이프의 상기 내부 표면과 접촉한다.

또한, 상기 열 교환용 이중관이 굴곡된 후에도 상기 산부는 상기 외부 파이프의 상기 내부 표면과 여전히 접촉할 수 있다.

또한, 상기 외부 파이프는 가압 후 상기 외부 파이프의 최종 내부 직경이 가압 전 상기 나선형 파이프의 초기 외부 직경보다 더 작아질 수 있도록 안쪽으로 가압될 수 있다.

또한, 가압 후 상기 나선형 파이프의 최종 외부 직경이 가압 전 상기 나선형 파이프의 상기 초기 외부 직경보다 더 작아져서 가압 후 상기 외부 파이프의 상기 최종 내부 직경과 같아질 수 있도록 상기 외부 파이프가 가압될 때 상기 나선형 파이프가 안쪽으로 가압될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 열 교환용 이중관은 둘레면에 나선형 궤적을 따라 교대로 형성된 산부와 골부를 갖고, 제1 유체가 이를 통해 유동하도록 안내하는 나선형 파이프; 및 축 방향으로 삽입되는 상기 나선형 파이프를 수용하고, 제2 유체가 상기 나선형 파이프의 상기 둘레면을 따라 유동하도록 안내하여, 상기 제2 유체가 상기 제1 유체와 열 교환을 하도록 하는 외부 파이프를 포함할 수 있고, 상기 제2 유체는 상기 골부를 통해서만 유동한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 열 교환용 이중관은 둘레면에 나선형 궤적을 따라 교대로 형성된 산부와 골부를 갖고, 제1 유체가 이를 통해 유동하도록 안내하는 나선형 파이프; 축 방향으로 삽입되는 상기 나선형 파이프를 수용하고, 제2 유체가 상기 나선형 파이프의 상기 둘레면을 따라 유동하도록 안내하여, 상기 제2 유체가 상기 제1 유체와 열 교환을 하도록 하는 외부 파이프; 상기 제1 유체가 이를 통해 유동하도록 상기 나선형 파이프의 양측에 연결된 내부 파이프; 및 상기 외부 파이프보다 더 큰 직경을 갖도록 상기 외부 파이프의 양측에 제공된 파이프 확장 조인트(pipe expansion joint)를 포함할 수 있고, 상기 파이프 확장 조인트는 상기 나선형 파이프와 상기 내부 파이프의 접합 부위(junction)에 배치되고, 상기 파이프 확장 조인트 각각의 단부 부분의 제1 구획은 상기 내부 파이프로 각각 압착된다.

또한, 상기 제1 구획에 대응하는 상기 내부 파이프 각각의 부분은 상기 내부 파이프의 직경이 상기 부분에서 감소되도록 안쪽으로 변형될 수 있다.

또한, 상기 파이프 확장 조인트와 상기 내부 파이프가 서로 고정될 수 있도록 상기 제1 구획이 압착될 때 상기 제1 구획은 상기 내부 파이프 각각의 둘레면과 접촉하면서 안쪽으로 굴곡될 수 있다.

또한, 상기 제1 구획보다 상기 나선형 파이프로부터 더 멀리 위치된, 상기 파이프 확장 조인트 각각의 상기 단부 부분의 제2 구획은 상기 제2 구획과 상기 내부 파이프 각각 사이에 갭이 형성될 수 있도록 상기 제1 구획이 압착될 때 바깥쪽으로 굴곡될 수 있다.

또한, 상기 갭은 상기 제2 구획을 상기 내부 파이프 각각에 결합시키도록 구성된 결합 재료로 채워질 수 있다.

또한, 상기 파이프 확장 조인트 각각의 상기 단부 부분은 압착된 후에도 상기 열 교환용 이중관의 축 방향으로 균일한 두께를 가질 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 양태, 특징, 및 장점은 첨부 도면과 관련하여 주어진 실시형태의 다음 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 열 교환용 이중관의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A 선을 따라 취한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 열 교환용 이중관의 분해 사시도이다.
도 4는 도 2의 요부 확대도이다.
도 5는 도 1의 B-B 선을 따라 취한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 평탄화된 부분의 평면도이다.
도 7은 압착 후 상태를 도시하는 도 2의 요부 확대도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명한다. 도면은 축척에 맞지 않고 구성 요소의 크기 또는 선의 두께는 설명의 편의 및 명료함을 위해 과장되어 있을 수 있다는 것을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에 사용되는 용어는 본 발명의 기능을 고려하여 정의된 것으로, 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어의 정의는 본 명세서에 제시된 전체 내용에 따라 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 열 교환용 이중관의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A 선을 따라 취한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 열 교환용 이중관의 분해 사시도이고, 도 4는 도 2의 요부 확대도이고, 도 5는 도 1의 B-B 선을 따라 취한 단면도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 평탄화된 부분의 평면도이다.

도 7은 압착 후 상태를 보여주는 도 2의 요부 확대도이다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열 교환용 이중관(100)은 내부 파이프(112, 114), 나선형 파이프(120), 파이프 확장 조인트(132, 134) 및 외부 파이프(140)를 포함한다.

본 발명에 따른 열 교환용 이중관(100)은 팽창 밸브로 유입되는 제2 유체의 온도를 낮춰 기화 효율을 향상시키면서, 압축기로 유입되는 제1 유체의 온도를 상승시켜 압축기의 부하를 줄이기 위해 차량용 공기 조화 장치의 증발기의 출구에 있는 냉매(제1 유체)와 공기 조화 장치의 응축기의 출구에 있는 냉매(제2 유체) 사이에 열 교환을 허용한다.

특히, 외부 파이프(140)는 관 형상을 갖고, 응축기의 출구에 있는 고온 고압의 유체(제2 유체)가 이를 통해 유동하는 것을 허용한다.

내부 파이프(112, 114)는 관 형상을 갖고, 증발기의 출구에 있는 저온 저압의 유체(제1 유체)가 이를 통해 유동하는 것을 허용하고, 외부 파이프(140) 내로 삽입된다.

따라서, 응축기의 출구에 있는 고온 고압의 제2 유체는 내부 파이프(112, 114)와 외부 파이프(140)의 사이의 공간을 통해 유동한다.

즉, 본 발명에 따른 열 교환용 이중관(100)은 내부 파이프(112, 114)를 통해 증발기의 출구에 있는 저온 저압의 제1 유체와 응축기의 출구에 있는 고온 고압의 제2 유체 사이에 열 교환을 허용한다.

또한, 나선형 파이프(120)는 내부 파이프(112, 114)를 서로 연결시키고, 그 둘레면에 나선형 궤적을 따라 교대로 산부(122)와 골부(124)가 형성된다.

또한, 나선형 파이프(120)는 그 양측에서 내부 파이프(112, 114)에 연결된다. 다시 말해, 제1 내부 파이프(112)는 나선형 파이프(120)의 일측에 연결되고, 제2 내부 파이프(114)는 나선형 파이프(120)의 타측에 연결된다. 나선형 파이프(120)는 제1 내부 파이프(112)의 일부 또는 제2 내부 파이프(114)의 일부에 형성될 수도 있는 것으로 이해된다. 이에 따라, 제1 유체는 제1 내부 파이프(112), 나선형 파이프(120) 및 제2 내부 파이프(114)를 통해 유동한다.

특히, 나선형 파이프(120)는 산부(122)와 골부(124)를 교대로 갖게 형성된다. 제2 유체가 나선형 파이프(120)의 둘레면의 골부(124)를 따라 유동하므로, 나선형 파이프(120)와 외부 파이프(140) 사이의 공간 내의 제2 유체의 잔류 시간이 증가되어, 제2 유체와 제1 유체 사이의 열 교환 효율이 향상된다.

나아가, 나선형 파이프(120)의 산부(122)는 외부 파이프(140)의 내부 표면과 연속적으로 접할 수 있다. 그 결과, 제2 유체는 나선형 파이프(120)의 골부(124)를 따라 유동하도록 허용될 수 있다.

예를 들어, 각 산부(122)의 전체 부분은 외부 파이프(140)의 내부 표면과 접촉할 수 있고, 이에 의해 외부 파이프(140)의 내부 표면과 산부(122) 사이에 갭이 발생하지 않을 수 있다. 따라서, 이 경우에 제2 유체는 나선형 파이프(120)의 골부(124)를 통해서만 유동하도록 허용되는데, 즉, 제2 유체는 산부(122)와 외부 파이프(140)의 내부 표면 사이를 통해 흐를 수 없다.

산부(122)와 외부 파이프(140)의 내부 표면이 접촉한 상태로 인해, 제2 유체의 잔류 시간이 증가될 수 있다. 또한, 열 교환용 이중관(100)이 특정 목적을 위해 굴곡될 경우, 외부 파이프(140)와 나선형 파이프(120)가 일체로 형성된 것처럼 함께 굴곡되므로 열 교환용 이중관(100)을 굴곡시키는 것이 보다 용이해진다. 굴곡이 완료된 후에도 산부(122)는 외부 파이프(140)의 내부 표면과 여전히 접촉해 있을 수 있다.

산부(122)와 외부 파이프(140)의 내부 표면이 접촉한 상태는 적절한 프레스 기계, 예를 들어, 프레스 몰딩을 사용하는 것에 의해 얻어질 수 있다. 예를 들어, 외부 파이프(140)는 프레스 기계에 의해 안쪽으로 가압될 수 있다. 구체적으로, 외부 파이프(140)의 둘레면은 나선형 파이프(120)의 둘레면으로 가압될 수 있다. 이 가압으로 인해, 외부 파이프(140)는 변형될 수 있고, 예를 들어, 소성 변형될 수 있다. 외부 파이프(140)가 가압될 때 나선형 파이프(120)도 또한 변형될 수 있고, 예를 들어, 소성 변형될 수 있다.

보다 구체적으로, 가압 전에, 외부 파이프(140)의 초기 내부 직경은 산부(122)와 외부 파이프(140)의 내부 표면 사이에 갭이 존재할 수 있도록 나선형 파이프(120)의 초기 외부 직경(둘레 방향으로 일측에 있는 산부에 대응하는 나선형 파이프(120)의 둘레면의 부분과, 둘레 방향으로 반대쪽에 있는 다른 산부에 대응하는 나선형 파이프(120)의 둘레면의 다른 부분 사이의 수직 거리)보다 더 클 수 있다. 외부 파이프(140)가 가압되고 이에 따라 나선형 파이프(120)가 또한 가압될 때, 외부 파이프(140)의 내부 직경과 나선형 파이프(120)의 외부 직경이 감소된 후, 외부 파이프(140)의 최종 내부 직경과 나선형 파이프(120)의 최종 외부 직경은 서로 동일해질 수 있다. 이러한 최종 가압 상태에서, 외부 파이프(140)의 최종 내부 직경은 나선형 파이프(120)의 초기 외부 직경보다 더 작을 수 있다.

파이프 확장 조인트(132, 134)는 내부 파이프(112, 114)와 나선형 파이프(120) 사이의 접합 부위에 각각 배치된다. 파이프 확장 조인트(132, 134)는 내부 파이프(112, 114)의 대응되는 파이프의 둘레면에 대해 밀봉되고, 제2 유체의 유입/유출을 위한 포트(133, 135)를 각각 구비한다.

즉, 제1 파이프 확장 조인트(132)는 제1 내부 파이프(112)와 나선형 파이프(120) 사이의 접합 부위를 덮고, 제2 파이프 확장 조인트(134)는 제2 내부 파이프(114)와 나선형 파이프(120) 사이의 접합 부위를 덮는다.

제1 파이프 확장 조인트(132)는 브레이징(brazing), 용접 등에 의해 제1 내부 파이프(112)의 둘레면을 따라 밀봉된다. 제2 파이프 확장 조인트(134)는 브레이징, 용접 등에 의해 제2 내부 파이프(114)의 둘레면을 따라 밀봉된다.

또한, 제1 파이프 확장 조인트(132)가 제1 내부 파이프(112)에 대해 밀봉되기 전에, 제1 파이프 확장 조인트(132)의 단부 부분의 제1 구획은 이 제1 구획에 대응하는 제1 내부 파이프(112)의 부분이 안쪽으로 변형(예를 들어, 소성 변형)될 수 있고, 이에 따라 제1 내부 파이프(112)의 직경이 상기 부분에서 감소될 수 있도록 적절한 프레스 기계에 의해 제1 내부 파이프(112)로 압착될 수 있다. 또한, 제1 구획이 압착될 때 제1 구획은 제1 내부 파이프(112)의 둘레면과 접촉하면서 안쪽으로 굴곡될 수 있고, 이에 따라 제1 파이프 확장 조인트(132)와 제1 내부 파이프(112)가 서로 고정될 수 있다.

여기서, 전술한 제1 구획은 둘레 방향으로 연장되는 제1 파이프 확장 조인트(132)의 단부 부분의 둘레면의 특정 영역을 지칭할 수 있다.

또한, 제1 구획보다 나선형 파이프(120)로부터 더 멀리 위치된, 제1 파이프 확장 조인트(132)의 단부 부분의 제2 구획은, 이 제2 구획과 제1 내부 파이프(112) 사이에 갭(170)이 형성될 수 있도록 제1 구획이 압착될 때 바깥쪽으로 굴곡될 수 있다. 간극(170)은 제2 구획을 제1 내부 파이프(112)에 결합시키도록 구성된 결합 재료로 채워질 수 있다. 예를 들어, 제2 구획과 제1 내부 파이프(112)가 브레이징, 용접 등에 의해 서로 결합되면, 결합 재료는 브레이징 재료, 용접 재료, 납땜(soldering) 재료 등일 수 있다.

제1 파이프 확장 조인트(132)와 유사하게, 제2 파이프 확장 조인트(134)가 제2 내부 파이프(114)에 대해 밀봉되기 전에, 제2 파이프 확장 조인트(134)의 단부 부분의 제1 구획은, 이 제1 구획에 대응하는 제2 내부 파이프(114)의 부분이 안쪽으로 변형(예를 들어, 소성 변형)될 수 있고, 이에 따라 제2 내부 파이프(114)의 직경이 상기 부분에서 감소될 수 있도록 적절한 프레스 기계에 의해 제2 내부 파이프(114)로 압착될 수 있다. 또한, 제1 구획이 압착될 때 제1 구획은 제2 내부 파이프(114)의 둘레면과 접촉하면서 안쪽으로 굴곡될 수 있고, 이에 따라 제2 파이프 확장 조인트(134)와 제2 내부 파이프(114)가 서로 고정될 수 있다.

여기서, 전술한 제1 구획은 둘레 방향으로 연장되는 제2 파이프 확장 조인트(134)의 단부 부분의 둘레면의 특정 영역을 지칭할 수 있다.

또한, 제1 구획보다 나선형 파이프(120)로부터 더 멀리 위치된, 제2 파이프 확장 조인트(134)의 단부 부분의 제2 구획은 이 제2 구획과 제2 내부 파이프(114) 사이에 갭(170)이 형성될 수 있도록 제1 구획이 압착될 때 바깥쪽으로 굴곡될 수 있다. 갭(170)은 제2 구획을 제2 내부 파이프(114)에 결합시키도록 구성된 결합 재료로 채워질 수 있다. 예를 들어, 제2 구획과 제2 내부 파이프(114)가 브레이징, 용접 등에 의해 서로 결합되면, 결합 재료는 브레이징 재료, 용접 재료, 납땜 재료 등일 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1 구획이 압착될 때 제1 구획이 내부 파이프(112, 114) 각각의 둘레면과 접촉하면서 안쪽으로 굴곡될 수 있고, 제1 구획에 대응하는 내부 파이프(112, 114) 각각의 부분이 안쪽으로 변형될 수 있으므로, 파이프 확장 조인트(132, 134)와 내부 파이프(112, 114) 사이의 고정이 향상될 수 있다.

또한, 제1 구획이 압착될 때 제2 구획이 자동으로 바깥쪽으로 굴곡되어서 갭(170)이 형성될 수 있기 때문에, 갭(170)을 결합 재료로 충전함으로써 파이프 확장 조인트(132, 134)와 내부 파이프(112, 114)를 결합시키는 일이 용이하게 수행될 수 있다. 다시 말해, 파이프 확장 조인트(132, 134)의 단부 부분을 테이퍼링(taper)할 필요가 없어지는데, 즉, 나선형 파이프(120)로부터의 거리가 증가함에 따라 갭(170)을 형성하도록 더 얇아지는, 축 방향으로 변하는 두께를 갖게 만들 필요가 없어진다. 이 실시형태에서, 파이프 확장 조인트(132, 134)의 단부 부분 각각은 직선으로 절단될 수 있고 축 방향으로 균일한 두께를 가질 수 있다.

제1 파이프 확장 조인트(132)와 제2 파이프 확장 조인트(134)는 외부 파이프(140)에 연결된다. 여기서, 외부 파이프(140)는 일측에서 제1 파이프 확장 조인트(132)와 일체로 형성될 수 있고, 타측에서 제2 파이프 확장 조인트(134)와 일체로 형성될 수 있다.

제1 파이프 확장 조인트(132)와 제2 파이프 확장 조인트(134)는 또한 용접 등에 의해 외부 파이프(140)에 연결될 수도 있는 것으로 이해된다.

이와 같이, 외부 파이프(140)는 전체 나선형 파이프(120)를 둘러싸도록 구성된다.

또한, 제1 파이프 확장 조인트(132)는 응축기의 출구로부터 고온 고압의 제2 유체를 공급받기 위해 제1 포트(133)를 갖고, 제2 파이프 확장 조인트(134)는 열 교환된 제2 유체를 팽창 밸브로 배출하기 위해 제2 포트(135)를 가진다.

따라서, 제1 포트(133)를 통해 유입되는 제2 유체는 외부 파이프(140)와 나선형 파이프(120) 사이의 공간에서 골부(124)를 따라 유동하고 나서 제2 포트(135)를 통해 배출된다.

여기서, 제2 유체는 제1 내부 파이프(112), 나선형 파이프(120) 및 제2 내부 파이프(114)를 따라 유동되는 제1 유체와 열 교환을 한다. 즉, 제1 유체는 제2 유체와 열 교환을 통해 가열되고, 제2 유체는 제1 유체와 열 교환을 통해 냉각된다.

따라서, 내부 파이프(112, 114), 나선형 파이프(120) 및 외부 파이프(140)는 우수한 열 전도율을 갖는 재질로 형성될 수 있다.

제1 파이프 확장 조인트(132)와 제2 파이프 확장 조인트(134)는 서로 상호 교환 가능하도록 동일 형상을 갖는다. 여기서, 제1 파이프 확장 조인트(132)와 제2 파이프 확장 조인트(134) 각각은 파이프 확장 부분(137), 패킹 부재(138) 및 연결 부재(139)를 포함한다. 패킹 부재(138)는 전술한 파이프 확장 조인트(132, 134)의 단부 부분에 대응할 수 있다.

파이프 확장 부분(137)은 제2 유체의 유동 소음을 저감시키기 위해 외부 파이프(140)보다 더 큰 직경을 갖는다. 여기서, 파이프 확장 부분(137)은 제1 내부 파이프(112)와 나선형 파이프(120) 사이의 접합 부위, 및 제2 내부 파이프(114)와 나선형 파이프(120) 사이의 접합 부위를 각각 둘러싸도록 구성된다. 파이프 확장 부분(137)은 나선형 파이프(120)의 축 방향으로 양측에 배치될 수도 있는 것으로 이해된다.

또한, 파이프 확장 부분(137)은 외부 파이프(140)보다 더 큰 직경을 가진다.

즉, 파이프 확장 부분(137)과 나선형 파이프(120) 사이의 공간이 확장되어, 파이프 확장 부분(137)의 제1 포트(133)를 통해 제2 유체가 유입될 때, 제2 유체의 전달 압력과 전달률이 저감됨으로써, 유동에 의한 소음이 줄어들게 된다.

또한, 파이프 확장 부분(137)과 나선형 파이프(120) 사이의 공간이 확장되기 때문에, 파이프 확장 부분(137)의 제2 포트(135)를 통해 제2 유체가 배출되기 직전에, 제2 유체를 일시적으로 저장하는 용량이 증가되어, 충분한 배출량을 안정적으로 확보할 수 있다.

패킹 부재(138)는 패킹될 제1 내부 파이프(112)와 제2 내부 파이프(114)의 대응하는 파이프의 둘레면에 연결될 수 있다.

패킹 부재(138)는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 구획(138a) 및 제2 구획(138b)을 가질 수 있다. 제2 구획(138b)은 제1 구획(138a)보다 나선형 파이프(120)로부터 더 멀리 위치될 수 있다.

도 7을 참조하면, 파이프 확장 조인트(132, 134) 각각의 패킹 부재(138)의 제1 구획(138a)은 이 제1 구획(138a)에 대응하는 내부 파이프(112, 114) 각각의 부분(112a, 114a)이 안쪽으로 변형(예를 들어, 소성 변형)될 수 있고, 이에 따라 내부 파이프(112, 114) 각각의 직경이 상기 부분(112a, 114a)에서 감소할 수 있도록 적절한 프레스 기계에 의해 도시된 화살표 방향으로 내부 파이프(112, 114)로 압착될 수 있다. 또한, 제1 구획(138a)이 압착될 때 제1 구획(138a)은 내부 파이프(112, 114) 각각의 둘레면과 접촉하면서 안쪽으로 굴곡될 수 있어서, 파이프 확장 조인트(132, 134)와 내부 파이프(112, 114)가 서로 고정될 수 있다.

여기서, 전술한 제1 구획(138a)은 둘레 방향으로 연장되는 파이프 확장 조인트(132, 134)의 패킹 부재(138)의 둘레면의 특정 영역을 지칭할 수 있다.

파이프 확장 조인트(132, 134) 각각의 패킹 부재(138)의 제2 구획(138b)은 이 제2 구획(138b)과 각각의 내부 파이프(112, 114) 사이에 갭(170)이 형성될 수 있도록 제1 구획(138a)이 압착될 때 바깥쪽으로 굴곡될 수 있다. 갭(170)은 제2 구획(138b)을 내부 파이프(112, 114)에 결합시키도록 구성된 결합 재료로 채워질 수 있다. 예를 들어, 제2 구획(138b)과 각각의 내부 파이프(112, 114)가 브레이징, 용접 등에 의해 서로 결합된 경우, 결합 재료는 브레이징 재료, 용접 재료, 납땜 재료 등일 수 있다.

패킹 부재(138)는 일 단부에서, 도 4를 참조하면, 좌측 단부에서 직선으로 절단될 수 있고, 제1 구획(138a)을 압착한 후에도 축 방향으로 균일한 두께를 가질 수 있다.

또한, 패킹 부재(138)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 구획(138a)보다 나선형 파이프(120)에 더 가까이 위치되고, 파이프 확장 부분(137)의 일측으로부터 내부 파이프(112, 114)를 향해 테이퍼진, 즉, 경사진 제3 구획(138c)을 더 가질 수 있다. 특히, 패킹 부재(138)는 파이프 확장 부분(137)으로부터 내부 파이프(112, 114)를 향해 경사진 테이퍼진 제3 구획(138c)을 갖기 때문에, 제2 유체의 유동 저항이 감소되어 유동에 의한 소음이 줄어들 수 있다.

또한, 연결 부재(139)는 도 4에 도시된 바와 같이 파이프 확장 부분(137)의 타측으로부터 나선형 파이프(120)를 향해 경사진 테이퍼진 구획을 가질 수 있다. 또한, 연결 부재(139)는 외부 파이프(140)에 연결된다. 여기서, 연결 부재(139)는 그 에지에서 용접 등에 의해 외부 파이프(140)의 대응하는 에지에 대해 밀봉된다. 연결 부재(139)는 파이프 확장 부분(137)으로부터 나선형 파이프(120)를 향해 경사진 테이퍼진 구획을 갖기 때문에, 제2 유체의 유동 저항이 감소되어 유동에 의한 소음이 줄어들 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 제2 유체는 특정 방향으로 골부(124)를 따라 안정적으로 유동한다. 제2 유체가 보다 안정적으로 유동되는 것을 허용하기 위하여, 골부(124) 각각에는 골부(124)의 나선형 궤적을 따라 적어도 하나의 그루브(126)가 제공된다.

특히, 복수의 그루브(126)는 제2 유체와 나선형 파이프(120) 사이의 접촉 면적을 증가시키면서 제2 유체의 유동 방향성을 향상시키기 위해 서로 평행하게 형성된다.

여기서, 그루브(126)는 특히 그 형상, 개수 및 높이에 있어서 제한이 없다.

평탄화 공정에 의해, 파이프 확장 조인트(132, 134) 각각은 제1 포트(133)와 제2 포트(135)의 대응하는 파이프가 형성되는 만곡된 둘레면 부분에 평탄화된 부분(150)을 갖게 형성될 수 있다.

평탄화된 부분(150)은 제1 포트(133)와 제2 포트(135)가 용접 등에 의해 파이프 확장 조인트(132, 134)에 각각 용이하게 결합될 수 있도록 제1 포트(133)와 제2 포트(135)의 주변을 따라 파이프 확장 조인트(132, 134)의 둘레면을 평탄하게 함으로써 형성될 수 있다.

즉, 제1 포트(133)와 제2 포트(135)는 파이프 확장 조인트(132, 134)의 대응하는 파이프 내로 부분적으로 삽입된 후, 평탄화된 부분(150)에서 용접 지그(welding jig)(도시하지 않음)를 2차원으로 이동시키면서 용접될 수 있어서, 용이한 용접을 할 수 있으면서 용접 결함을 방지할 수 있다.

평탄화된 부분(150)을 제공하는 것에 의해 공간 확장 부분(152)이 파이프 확장 부분(137) 내측에 자연적으로 형성될 수 있다. 공간 확장 부분(152)은 또한 파이프 확장 조인트(132, 134) 각각의 내부 면에 별도로 형성될 수도 있는 것으로 이해된다.

공간 확장 부분(152)은 제2 유체의 유동 저항을 더 감소시킬 수 있어서, 유동에 의한 소음을 저감시킬 수 있다. 평탄화된 부분(150)은 다양한 지그를 사용하여 가공될 수 있는 것으로 이해된다.

열 교환 성능은 나선형 파이프(120)의 인접한 골부(124)들 간의 피치 또는 인접한 산부(122)들 간의 피치를 증가/감소시키는 것에 의해 조절될 수 있다.

특히, 골부(124)의 그루브(126)의 개수가 증가함에 따라, 외부 파이프(140)의 축 방향으로 인접한 산부(122)들 사이의 거리가 증가되어 유동에 의한 소음이 저감될 수 있다.

인접한 산부(122)들 사이의 거리가 증가함에 따라 소음 저감은 더 향상된다. 그러나 인접한 산부(122)들 사이의 거리가 증가하면, 고온 고압의 제2 유체가 골부(124)를 통하여 유동할 때, 제2 유체의 유동 경로에서 압력 손실이 증가되거나 또는 제2 유체의 재팽창이 유발될 수 있다. 따라서, 인접한 산부(122)들 사이의 거리에 대한 제2 유체의 유동 경로의 단면적의 비율을 적절히 조정하는 것이 필요하다.

나아가, 저항 부재(160)는 골부(124)로부터 돌출될 수 있다. 저항 부재(160)는 인접한 산부(122)들 사이에서 돌출되고, 그 형상 및 개수에는 제한이 없다.

저항 부재(160)는 이에 인접한 산부(122)들을 지지하면서 골부(124) 내 제2 유체의 잔류 시간을 증가시키는 역할을 한다.

인접한 저항 부재(160)들의 간격에는 특별히 제한이 없는 것으로 이해된다.

여기서, 나선형 파이프(120)는 불연속적으로 나선형 궤적을 따라 그루브(126)를 갖게 형성되는 것에 의해 저항 부재(160)가 자연적으로 형성될 수 있다. 특히, 저항 부재(160)는 산부(122)보다 더 작은 높이를 가져서 제2 유체의 유동을 허용할 필요가 있다.

따라서, 저항 부재(160)는 상부 부분에서 부분적으로 모따기(chamfered)될 수 있다. 저항 부재(160)는 다양한 형상으로 형성될 수 있는 것으로 이해된다.

본 발명에 따르면, 상기 열 교환용 이중관은 외부 파이프 내로 축 방향으로 삽입되는 나선형 파이프를 포함하여 상기 외부 파이프 내측에 제2 유체의 잔류 시간을 증가시킴으로써 상기 나선형 파이프를 통해 유동하는 제1 유체와, 상기 외부 파이프와 상기 나선형 파이프 사이에 유동하는 제2 유체 사이의 열 교환 효율을 향상시킨다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 열 교환용 이중관은 나선형 파이프의 둘레면에 골부의 나선형 궤적을 따라 형성된 적어도 하나의 그루브를 포함하여 제2 유체의 유동 방향성을 향상시킴으로써 제2 유체를 보다 안정적으로 유동시켜 열 교환 효율을 더 개선한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 열 교환용 이중관은 증가된 직경을 갖고, 외부 파이프의 단부에 연결된 파이프 확장 조인트를 포함하여 상기 외부 파이프와 내부 파이프 사이의 공간을 확장시켜 유체의 유입과 유출 동안 유체의 압력을 감소시킴으로써 유동에 의한 소음을 감소시킨다.

나아가, 본 발명에 따르면, 상기 열 교환용 이중관은 산부에 인접한 저항 부재를 통해 나선형 파이프의 산부가 과도하게 휘어지는 것을 방지함으로써 상기 나선형 파이프의 내구성을 향상시킬 수 있다.

본 명세서에 일부 실시형태가 설명되었지만, 이들 실시형태는 단지 예시를 위해 제공된 것일 뿐, 본 발명을 임의의 방식으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정, 변경 및 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 그 등가범위에 의해 한정되어야 한다.

Claims

열 교환용 이중관으로서,
둘레면에 나선형 궤적을 따라 교대로 형성된 산부(ridge)와 골부(valley)를 갖고, 제1 유체가 이를 통해 유동하도록 안내하는 나선형 파이프; 및
축 방향으로 삽입되는 상기 나선형 파이프를 수용하고, 제2 유체가 상기 나선형 파이프의 상기 둘레면을 따라 유동하도록 안내하여, 상기 제2 유체가 상기 제1 유체와 열 교환을 하도록 하는 외부 파이프를 포함하되,
상기 산부와 상기 외부 파이프의 내부 표면 사이에 갭이 형성되지 않도록 상기 산부는 상기 외부 파이프의 상기 내부 표면과 접촉하는, 열 교환용 이중관.
제1항에 있어서, 상기 열 교환용 이중관이 굴곡된 후에도 상기 산부는 상기 외부 파이프의 상기 내부 표면과 여전히 접촉하는, 열 교환용 이중관.
제1항에 있어서, 가압 후 상기 외부 파이프의 최종 내부 직경이 가압 전 상기 나선형 파이프의 초기 외부 직경보다 더 작아지도록 상기 외부 파이프는 안쪽으로 가압되는, 열 교환용 이중관.
제3항에 있어서, 가압 후 상기 나선형 파이프의 최종 외부 직경이 가압 전 상기 나선형 파이프의 상기 초기 외부 직경보다 더 작아져서 가압 후 상기 외부 파이프의 상기 최종 내부 직경과 같아지도록 상기 외부 파이프가 가압될 때 상기 나선형 파이프는 안쪽으로 가압되는, 열 교환용 이중관.
열 교환용 이중관으로서,
둘레면에 나선형 궤적을 따라 교대로 형성된 산부와 골부를 갖고, 제1 유체가 이를 통해 유동하도록 안내하는 나선형 파이프; 및
축 방향으로 삽입되는 상기 나선형 파이프를 수용하고, 제2 유체가 상기 나선형 파이프의 상기 둘레면을 따라 유동하도록 안내하여, 상기 제2 유체가 상기 제1 유체와 열 교환을 하도록 하는 외부 파이프를 포함하되,
상기 제2 유체는 상기 골부를 통해서만 유동하는, 열 교환용 이중관.
열 교환용 이중관으로서,
둘레면에 나선형 궤적을 따라 교대로 형성된 산부와 골부를 갖고, 제1 유체가 이를 통해 유동하도록 안내하는 나선형 파이프;
축 방향으로 삽입되는 상기 나선형 파이프를 수용하고, 제2 유체가 상기 나선형 파이프의 상기 둘레면을 따라 유동하도록 안내하여, 상기 제2 유체가 상기 제1 유체와 열 교환을 하도록 하는 외부 파이프;
상기 제1 유체가 이를 통해 유동하도록 상기 나선형 파이프의 양측에 연결된 내부 파이프; 및
상기 외부 파이프보다 더 큰 직경을 갖도록 상기 외부 파이프의 양측에 제공된 파이프 확장 조인트로서, 상기 나선형 파이프와 상기 내부 파이프의 접합 부위에 배치된 상기 파이프 확장 조인트를 포함하되,
상기 파이프 확장 조인트 각각의 단부 부분의 제1 구획은 상기 내부 파이프로 각각 압착되는, 열 교환용 이중관.
제6항에 있어서, 상기 제1 구획에 대응하는 상기 내부 파이프 각각의 부분은 상기 내부 파이프의 직경이 상기 부분에서 감소되도록 안쪽으로 변형되는, 열 교환용 이중관.
제6항에 있어서, 상기 파이프 확장 조인트와 상기 내부 파이프가 서로 고정되도록 상기 제1 구획이 압착될 때 상기 제1 구획은 상기 내부 파이프 각각의 둘레면과 접촉하면서 안쪽으로 굴곡되는, 열 교환용 이중관.
제6항에 있어서, 상기 제1 구획보다 상기 나선형 파이프로부터 더 멀리 위치된, 상기 파이프 확장 조인트 각각의 상기 단부 부분의 제2 구획은 상기 제2 구획과 상기 내부 파이프 각각 사이에 갭이 형성되도록 상기 제1 구획이 압착될 때 바깥쪽으로 굴곡되는, 열 교환용 이중관.
제9항에 있어서, 상기 갭은 상기 제2 구획을 상기 내부 파이프 각각에 결합시키도록 구성된 결합 재료로 채워지는, 열 교환용 이중관.
제6항에 있어서, 상기 파이프 확장 조인트 각각의 상기 단부 부분은 압착된 후에도 상기 열 교환용 이중관의 축 방향으로 균일한 두께를 갖는, 열 교환용 이중관.