KR100436908B1 - 플레이트식 열교환기 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

플레이트식 열교환기에 있어서, 판면을 관통하는 유로가 형성된 복수의 플레이트를 한쌍의 엔드 플레이트 사이에 배치하고, 복수의 플레이트 중에서 동일한 플레이트의 평면내 또는 다른 플레이트의 평면내에 독립된 복수의 유로를 설치함과 아울러, 복수의 유로를 흐르는 유체가 대향(對向)하여 역류하도록 하였다. 복수의 유체가 높은 열전달 특성을 가지는 역류의 형태로 열교환을 하기 때문에 플레이트식 열교환기의 고성능화와 소형화를 실현할 수 있다.

Description

플레이트식 열교환기 및 그 제조방법{PLATE TYPE HEAT EXCHANGER AND METHOD OF MANUFACTURING THE HEAT EXCHANGER}

플레이트식 열교환기는, 일반적으로, 적층된 금속 평판 사이에 밀폐된 유로를 형성하고, 이 유로를 흐르는 유체의 열교환을 하는 것이다. 이 열교환기는 체적 당 표면적이 크고, 컴팩트하며, 사용재료가 적게 들기 때문에 종래의 원통관형 열교환기(shell and tube heat exchanger)를 대체할 수 있는 것이다. 일반적인 플레이트식 열교환기는, 플레이트의 외주나 헤더 구멍(header hole)을 개스킷으로 밀폐하고, 각 플레이트를 기계적으로 고정한 것이다. 이는 분해 세정할 수 있다는 특징을 가지는 반면, 사용되는 유체의 온도나 압력의 범위가 제한된다는 결점을 가지고 있다.

이 일반적인 플레이트식 열교환기에 대하여, 일본 공개특허 소63-137793호 공보에 개시되어 있는 바와 같은 새로운 구성의 플레이트식 열교환기가 제안되어 있다. 이 열교환기는 금속 평판을 펀칭하여 유로를 형성한 것을 적층하여 구성한 것으로서, 유체가 흐르는 유로가 평판의 두께 내에 형성되는 것이다. 이 플레이트식 열교환기는 종래의 플레이트식 열교환기와 마찬가지의 특징외에, 유로를 형성한 금속 평판이 완전하게 접합되기 때문에 사용되는 유체의 온도나 압력의 범위가 큰 제한을 받지 않는다.

도 8은 이 플레이트식 교환기의 내부구성을 설명할 수 있도록 일부를 분해하여 도시한 것이다. 플레이트식 열교환기는, 판면을 관통하는 유로(86)가 형성된 유로 플레이트(81) 및 마찬가지로 유로(87)가 형성된 유로 플레이트(82)를 격벽 플레이트(83)를 통해 교대로 복수개 적층하여, 한쌍의 엔드 플레이트(end plate)(84, 85) 사이에 배치해서 구성한다.유로 플레이트(81)에는 유로(86) 이외에 관통구멍(92a, 92b)이, 유로 플레이트(82)에는 유로(87) 이외에 관통구멍(95a, 95b)이, 격벽 플레이트(83)에는 관통구멍(93a, 93b, 94a, 94b)이 각각 형성되어 있다. 또한, 엔드 플레이트(84)에는, 열교환 유체(A)의 입구관(88)과 출구관(89), 열교환 유체(B)의 입구관(90)과 출구관(91)이 직각으로 세워져 있다. 여기서, 유로(86)와 유로(87)는, 도 8에 도시한 바와 같이, 격벽 플레이트(83)를 통해 유로내의 흐름이 직교하는 위치관계에 있다.

열교환 유체(A)는 엔드 플레이트(84)에 설치된 입구관(88)으로부터 열교환기 내부에 유입되고, 관통구멍(94a, 95a)을 경유하여 유로 플레이트(81)에 형성된 유로(86)에 유입된다. 유로(86)를 흐른 열교환 유체(A)는 관통구멍(95b, 94b)을 경유하여 출구관(89)으로부터 열교환기 외부로 유출된다. 한편, 열교환 유체(B)는 엔드 플레이트(84)에 설치된 입구관(90)으로부터 열교환기 내부에 유입되고, 관통구멍(92a, 93a)을 경유하여 유로 플레이트(82)에 형성된 유로(87)에 유입된다. 유로(87)를 흐른 열교환 유체(B)는 관통구멍(93b, 92b)을 경유하여 출구관(91)으로부터 열교환기 외부로 유출된다. 이때, 유로(86)를 흐르는 열교환 유체(A)는 그 상하에 위치하는 2개의 격벽 플레이트(83)를 통해 유로(87)를 흐르는 열교환 유체(B)와 열교환을 하게 된다.

그러나, 이와 같은 종래의 플레이트식 열교환기에서는 아래와 같은 문제가 발생한다.

즉, 열교환 유체들(A, B)간의 열전달 형태가 일반적으로 서로 역방향 흐름 형(countercurrent flow)이 아닌 열전달 성능이 열등한 직교류로 되어 있으므로, 소정의 열전달 특성을 얻기 위해서는 역방향 흐름형의 열교환기 보다도 큰 열전달 면적을 필요로 하여 열교환기의 대형화를 초래한다. 또한, 예컨대 열교환기의 열교환 유체(A)쪽의 열전달 특성을 향상시키기 위해 유로(86)를 길게하여 열전달 면적을 증대할 경우 격벽 플레이트(83)를 통해 서로 인접한 유로(87)는 유로수를 증가 시키거나, 또는 유로폭을 확대할 필요가 생긴다. 어느 경우에도, 유로(87)의 단면적이 증가하고, 열교환 유체(B)의 속도가 저감하기 때문에 열교환 유체(B)의 열전달 특성이 열화하여 버린다는 문제가 있다.

또한, 이와 같은 플레이트식 열교환기의 각 플레이트를 접합하는 방법으로서는 확산접합, 접착, 경납땜(brazing) 등이 이용된다.

확산접합은, 적층한 플레이트를 진공상태에서 가압하고, 플레이트 재질의 융점보다도 조금 낮은 온도까지 가열하는 것이다. 각 플레이트의 접촉면 재료 끼리의 확산에 의해 접합되기 때문에 용접시에 매우 큰 가압하중이 필요하게 된다. 따라서, 대형의 가압설비가 필요하게 되고, 양산성(量産性)이 부족하여 저 코스트화가 곤란해진다.

또한, 접착은 각 플레이트의 접합면에 에폭시계열의 접착제를 도포하고, 적층한 플레이트에 가열 경화처리를 하는 것이다. 접착에 의한 접합은 접합부의 내압성 이나 내열성 등의 신뢰성이 부족하므로 열교환기의 사용압력이나 온도가 현저히 제한된다.

한편, 경납땜은 각 플레이트의 접합면에 모재 보다도 융점이 낮은 경납땜재를 도포하고, 적층한 플레이트를 경납땜재의 융점이상 까지 가열하는 것이다. 용융한 경납땜재가 각 플레이트 내로 확산함으로써 각 플레이트가 접합된다. 플레이트의 접합방법으로서는 제조설비나 열교환기의 내압성을 감안하여 일반적으로 경납땜을 이용하는 경우가 많다. 단, 경납땜 처리시의 플레이트 사이의 밀착성이 나빠지면 플레이트의 접합부에 갭이 발생하고, 열교환 유체 누설의 원인이 되기 쉽다. 예컨대, 유로 플레이트나 격벽 플레이트의 유로나 관통구멍은 통상적인 프레스 가공에 의해 형성되기 때문에, 가공부에는 프레스 가공의 펀칭방향에 따른 꺼칠꺼칠한 자국(burr)이 형성된다. 각 플레이트를 적층할 때 이 꺼칠꺼칠한 자국 끼리 맞닿으면, 플레이트 사이의 밀착성이 현저히 나빠져 경납땜 불량의 원인이 되기 쉽다.

본 발명은 종래 기술이 가지는 이와 같은 문제점을 감안하여 된 것인데, 두가지 유체를 역방향 흐름 형태로하여 열교환함으로써 성능을 향상시킴과 아울러, 소형화와 저 코스트화가 가능한 플레이트식 열교환기 및 그 제조법을 제공함을 목적으로 하고 있다.

또한, 본 발명은, 압력용기로서의 기계 강도를 향상시킴으로써 또는 플레이트 끼리의 접합을 보다 확실하게 함으로써, 신뢰성이 향상된 플레이트식 열교환기 및 그 제조법을 제공함을 목적으로 하고 있다.

본 발명은 열교환 유체로서 액체상태 및 기체와 액체간의 2상변화를 하는 유체의 열교환에 사용하는 플레이트식 열교환기에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 플레이트식 열교환기의 분해 사시도이고,

도 2는 도 1의 플레이트식 열교환기에 설치된 유로 플레이트의 변형예를 도시하는 평면도이며,

도 3은 본 발명의 제2실시예에 의한 플레이트식 열교환기의 분해 사시도이며,

도 4는 본 발명의 제3실시예에 의한 플레이트식 열교환기의 분해 사시도이며,

도 5는 본 발명의 제4실시예에 의한 플레이트식 열교환기의 분해 사시도이며,

도 6은 도 1의 선 VI-VI에 따른 단면도이고, 플레이트식 열교환기의 제조방법을 도시하고 있으며,

도 7은 도 1의 선 VI-VI에 따른 단면도이고, 플레이트식 열교환기의 다른 제조방법을 도시하고 있으며,

도 8은 종래의 플레이트식 열교환기의 분해 사시도이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 플레이트식 열교환기는 서로 연결되지 않는 독립된 2개의 유로가 형성된 복수의 플레이트를 한쌍의 엔드 플레이트 사이에 배치하여, 2개의 유로를 흐르는 유체가 서로 역방향으로 흐르는 구성으로 하였다.

이 구성에 의하면, 두가지 유체가 높은 열전달 특성을 가지는 역류 형태로 열교환하므로 플레이트식 열교환기의 고성능화와 소형화를 실현할 수 있다.

또한, 상기 복수의 플레이트를, 판면을 관통하는 제1유로가 형성된 제1유로 플레이트와 판면을 관통하는 제2유로가 형성된 제2유로 플레이트를, 격벽 플레이트를 통해 교대로 복수개 적층하여 구성하고, 제1유로와 제2유로가 격벽 플레이트를 통해 대향하는 위치에 설치되어, 제1유로를 흐르는 제1유체와 제2유로를 흐르는 제2유체가 서로 역류로 흐르도록 할 수 있다.

상기 구성에 있어서, 격벽 플레이트의 두께를 제1 및 제2유로 플레이트중 적어도 한쪽 보다도 두껍게 하면 압력용기로서의 기계 강도가 향상되므로 플레이트 식 열교환기의 신뢰성이 향상된다.

또는, 상기 복수의 플레이트를, 판면을 관통하는 제1 및 제2유로가 형성된 유로 플레이트를 복수개 적층하여 구성하고, 제1 및 제2유로가 서로 이웃하여 병행하는 위치에 설치되어, 제1유로를 흐르는 제1유체와 제2유로를 흐르는 제2유체가 역류로 흐르도록 할 수도 있다.

이 구성에 의하면, 제1 및 제2유체가 역류의 형태로 열교환을 하고, 또한 플레이트 구성이 간략화되어 있으므로 플레이트식 열교환기의 고성능화, 소형화 및 제조 코스트의 저감을 실현할 수 있다.

또한, 제1 및 제2유로 플레이트가 동일 형상을 가지는 구성으로 하면, 유로 플레이트의 공용이 가능하게 되고, 플레이트 구성이 현저히 간단히되므로 플레이트식 열교환기의 제조 코스트를 더욱 저감할 수 있다.

더욱이, 복수의 플레이트 각각을 프레스 가공에 의해 성형하고, 프레스 가공의 펀칭방향이 일치하도록 복수의 플레이트를 적층하면, 프레스 가공에 의해 각 플레이트에 발생한 꺼칠꺼칠한 자국 끼리의 맞닿음을 회피할 수 있다. 그 결과, 플레이트 사이의 밀착성이 양호해 지고, 플레이트식 열교환기 제조시의 수율이 향상된다.

제1 및 제2유로 중의 적어도 한쪽에 유로를 폭방향으로 분할하는 격벽부를 설치할 수 있다. 이 구성은 유로폭을 작게하여 유로 단면적을 작게하고, 유로내를 흐르는 유체의 속도를 증대시킬 수 있으므로 열전달 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 유로 사이에 격벽부를 설치함으로써, 압력용기로서의 기계 강도가 향상되고, 플레이트식 열교환기를 보다 고성능화 시킬 수 있고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 제1 및 제2유로가 대략 U자 형상의 전환부를 가지는 구성으로 하면, 유로 길이에 대해 열교환기의 종방향 또는 횡방향의 길이를 충분히 작게할 수 있어 플레이트식 열교환기를 보다 한층 컴팩트화 할 수 있다.

더욱이, 제1 및 제2유로중의 적어도 한쪽 폭을 유로의 길이 방향으로 대략 동일 하게 설정하면 각 유체가 유로 내를 원할히 흘러, 유체의 체류에 의한 열전달 성능의 열화가 없게 되므로 플레이트식 열교환기를 보다 고성능화 할 수 있다.

또한, 제1 및 제2유로의 서로 이웃하는 위치에 있는 동일 유로 사이에 관통 구멍을 형성하고, 복수의 유로 플레이트의 관통구멍을 서로 통하게 할 수도 있다. 이 구성에 의하면, 서로 이웃하는 유로에 있어서의 동일 유체 사이의 열이동이 완전하게 차단되므로 플레이트식 열교환기를 보다 고성능화시킬 수 있다.

또한, 복수의 유로 플레이트를 수지재료로 형성하면 플레이트식 열교환기의 경량화를 실현할 수 있다. 이때, 열전달면으로 되는 격벽 플레이트를 금속재료 또는 열전도율이 높은 흑연 등의 수지재료로 형성하면 열교환기로서의 성능이 열화하지 않는다.

더욱이, 본 발명의 플레이트식 열교환기의 제조방법은, 복수의 플레이트 각각을 프레스 가공에 의해 성형하는 공정과, 복수의 플레이트 중의 적어도 일부의 양면에 도금처리를 실시하는 공정과, 복수의 플레이트를 프레스 가공의 펀칭방향이 일치하도록 적층하는 공정과, 적층된 복수의 플레이트를 밀착한 상태에서 가열하는 공정을 구비함을 특징으로 하고 있다.

이 방법에 의하면, 각 플레이트를 적층할 때 프레스 가공에 의해 각 플레이트에 발생하는 꺼칠꺼칠한 자국 끼리의 맞닿음을 회피할 수 있고, 프레이트 사이의 밀착성이 양호하게 됨과 아울러, 플레이트 사이의 접합이 도금을 사용한 경납땜에 의해 확실히 보증되기 때문에 플레이트식 열교환기의 제조시의 수율과 신뢰성이 향상된다.

또한, 상기 도금처리를 실시하는 공정 대신에 복수의 플레이트의 프레스 가공의 펀칭방향 상류쪽의 면에 페이스트 상태의 경납땜재를 도포하는 공정을 마련하여도 좋다. 이 경우, 도금에 비해 저렴한 페이스트 상태의 경납땜재를 사용하기 때문에 플레이트 열교환기의 제조 코스트를 저감할 수 있다. 또한, 각 플레이트에 대하여 프레스 가공의 펀칭방향 상류쪽의 면, 즉 꺼칠꺼칠한 자국이 돌출해 있지 않은 면에 경납땜재를 도포하기 때문에, 경납땜재 도포에 사용하는 마스크(mask) 등의 지그(jig)가 꺼칠꺼칠한 자국에 의해 손상되는 것이 저감되어 플레이트식 열교환기의 제조시의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

(제1실시예)

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 플레이트식 열교환기의 구성을 도시하고, 그 내부구성을 알 수 있도록 일부를 분해하고 있다.

이 플레이트식 열교환기는, 판면을 관통하는 유로가 형성된 복수의 플레이트를 한쌍의 엔드 플레이트 사이에 배치한 구성을 가지며, 복수의 플레이트 중에서 다른 플레이트의 평면내에 독립된 복수의 유로를 설치함과 아울러, 복수의 유로를 흐르는 유체가 역방향으로 흐르는 구성으로 한 것이다.

구체적으로는, 도 1에 도시한 바와 같이, 판면을 관통하는 열교환 유체(A)의 유로(6)가 형성된 유로 플레이트(1)와, 판면을 관통하는 열교환 유체(B)의 유로(7)가 형성된 유로 플레이트(2)를, 격벽 플레이트(3)를 통해 교대로 복수개 적층하여, 한쌍의 엔드 플레이트(4, 5) 사이에 배치한 구성이다. 이 때, 유로(6)와 유로(7)는 격벽 플레이트(3)를 통해 대향하는 위치에 설치되어, 유로(6)를 흐르는 열교환 유체(A)와 유로(7)를 흐르는 열교환 유체(B)가 역방향으로 흐르는 구성으로 되어 있다.

유로 플레이트(1)에는 유로(6) 이외에 관통구멍(12a, 12b)이, 유로 플레이트(2)에는 유로(7) 이외에 관통구멍(15a, 15b)이, 격벽 플레이트(3)에는 관통구멍(13a, 13b, 14a, 14b)이 각각 설치되어 있다. 또한, 열교환 유체(A)의 입구 헤더(16)는 유로 플레이트(1, 2)를 격벽 플레이트(3)를 통해 적층할 때에, 각 플레이트에 설치한 유로(6) 및 관통구멍(14a, 15a)에 의해 형성되는 공간이다. 마찬가지로 열교환 유체(A)의 출구 헤더(17), 열교환 유체(B)의 입구 헤더(18)와 출구 헤더(19)가 구성된다.

또한, 엔드 플레이트(4)에는, 열교환 유체(A)의 입구관(8)과 출구관(9), 열교환 유체(B)의 입구관(10)과 출구관(11)이 직각으로 고착되어 있다. 입구관(8)과 출구관(9)은 각각 열교환 유체(A)의 입구 헤더(16) 및 출구 헤더(17)와 서로 통하고 있다. 마찬가지로, 입구관(10)과 출구관(11)은 각각 열교환 유체(B)의 입구 헤더(18) 및 출구 헤더(19)와 서로 통하고 있다.

열교환 유체(A)는, 도면 중에서 실선 화살표로 도시한 바와 같이, 엔드 플레이트(4)에 설치된 입구관(8)으로부터 입구 헤더(16)에 유입되고, 유로 플레이트(1)에 형성된 유로(6)에 유입된다. 유로(6)를 흐른 열교환 유체(A)는 출구 헤더(17)에 모이게 되고, 출구관(9)으로부터 외부로 유출된다. 한편, 열교환 유체(B)는, 도면 중에서 점선 화살표로 도시한 바와 같이, 엔드 플레이트(4)에 설치된 입구관(10)으로부터 입구 헤더(18)에 유입되고, 유로 플레이트(2)에 형성된 유로(7)에 유입된다. 유로(7)를 흐른 열교환 유체(B)는 출구 헤더(19)에 모이게 되어, 출구관(11)으로부터 외부로 유출된다. 이때, 유로(6)를 흐르는 열교환 유체(A)는, 그 상하에 위치하는 2개의 격벽 플레이트(3)를 통하여, 유로(7)를 흐르는 열교환 유체(B)와 열교환하게 된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 유로(6)와 유로(7)가 격벽 플레이트(3)를 통해 각 헤더 근방을 제외하고 모두 대향하는 위치에 설치되어 있기 때문에, 열교환 유체(A, B)가 역류의 형태로 열교환을 할 수 있다. 일반적으로, 역류는 종래의 플레이트식 열교환기의 열전달 형태인 직교류나 병행류에 비해 높은 열교환 특성을 가지는 열전달 형태이다. 따라서, 상기한 구성에 의해 열교환 유체(A, B)가 역류의 형태로 열교환을 하는 구체적 구성을 제공할 수 있으므로 플레이트식 열교환기의 고성능화와 소형화를 실현할 수 있다.

또한, 상기 구성에 있어서, 유로 플레이트(1, 2)와 격벽 플레이트(3)의 두께는 같아도 좋지만, 격벽 플레이트(3)의 두께를 유로 플레이트(1, 2) 보다도 두껍게 할 수도 있다.

상세히 설명하면, 판면을 관통시켜 유로를 형성하는 플레이트식 열교환기에서는, 예컨대 유로 플레이트(1)의 두께가 유로(6)의 높이에 상당하고, 유로(6)를 흐르는 열교환 유체(A)의 유속을 결정하는 요인으로 된다. 한편, 열교환 유체(A, B)가 열교환 할 때의 열전달면으로 되는 격벽 플레이트(3)의 두께는 열교환시의 열저항을 결정함과 아울러, 열교환기의 내압성능을 결정하는 요인으로 된다. 플레이트식 열교환기의 내압설계를 할 경우, 열교환 유체(A, B)의 동작압력, 플레이트 재료의 기계적 성질 및 유로를 형성하는 부분의 격벽형상(폭, 두께)이 설계의 파라미터로 된다.

따라서, 격벽 플레이트(3)의 두께를 적어도 유로 플레이트(1, 2) 보다도 두껍게 하여 압력용기로서의 기계 강도를 향상시킴으로써 플레이트식 열교환기의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 유로 플레이트(1, 2)의 형상을 동일하게 할 수도 있다. 즉, 유로 플레이트(2)는 동일형상을 가지는 유로 플레이트(1)를 격벽 플레이트(3)를 통해 수평면내에서 180도 회전시켜서 적층한 것이어도 좋다. 유로 플레이트(2)를 수평면내에서 180도 회전시키면 유로 플레이트(2)의 유로(7), 관통구멍(15a, 15b)과, 유로 플레이트(1)의 유로(6), 관통구멍(12b, 12a)은 완전히 일치한다.

따라서, 동일형상의 유로 플레이트(1, 2)를 사용함으로써 유로 플레이트(1, 2)의 공용이 가능하게 되고, 플레이트 구성이 현저히 간략화되므로 플레이트식 열교환기의 제조 코스트의 저감을 실현할 수 있다.

바람직하게는, 유로 플레이트(1, 2), 격벽 플레이트(3)의 유로, 관통구멍 및 외주형상이 프레스 가공에 의해 성형되고, 이 프레스 가공의 펀칭방향이 일치하도록 적층함이 좋다.

일반적으로, 프레스 가공에 의해 플레이트에 관통구멍을 형성하면, 이 관통구멍의 외곽측에 돌기 형상의 꺼칠꺼칠한 자국이 형성되는데, 이것은 프레스 가공의 펀칭방향 하류쪽의 플레이트 면에 형성된다. 각 플레이트를 적층할 때 이 꺼칠꺼칠한 자국 끼리가 맞닿으면, 플레이트 사이의 밀착성을 손상시켜 접합불량의 원인으로 된다. 따라서, 각 플레이트를 프레스 가공의 펀칭방향이 일치하도록 적층하면 꺼칠꺼칠한 자국 끼리의 맞닿음을 회피할 수 있어 플레이트 사이의 밀착성이 양호해지게 되며, 플레이트식 열교환기의 제조시의 수율이 향상된다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 유로(6, 7)는 각각 대략 U자 형상의 전환부(20, 21)를 가지고 있다.

유로에 대략 U자 형상의 전환부를 설치함으로써, 플레이트 상에 직선형상의 유로 뿐만 아니라, 직사각형상이나 나선형상 등의 임의 형상의 유로를 구성할 수 있다. 이것은, 유로 길이가 매우 긴 유로에 대하여, 열교환기의 종방향 또는 횡방향 길이를 충분히 작게 할 수 있음을 의미하고, 플레이트식 열교환기를 보다 한층 컴팩트화할 수 있다.

더욱이, 도 2에 도시된 바와 같이, 유로(6, 7)의 적어도 한쪽 유로 폭을 그 길이방향으로 대략 동일하게 할 수도 있다(도 2는 유로(6)를 특히 도시하고 있다).

유로(6)는 열교환 유체(A)의 입구 및 출구 헤더의 일부를 형성하는 헤더부(22, 23)를 양단에 구비하고, 이들과 서로 통하는 직행부(24) 및 전환부(20)로 구성된다. 이 직행부(24)의 유로폭(T1)과 전환부(20)의 유로폭(T2)은 거의 동일하게 설정되어 있다. 열교환 유체(B)의 유로에 대해서도, 격벽 플레이트를 통하여 마찬가지의 형상을 가진다.

유로폭이 유로의 길이방향으로 대략 동일하지 않을 경우, 특히 유로의 전환부가 직사각형상으로 되는 경우를 살펴보면, 이 유로에는 모서리부가 존재하게 된다. 열교환 유체가 이 유로 모서리부를 통과할 때, 모서리부 근방의 유체는 원활한 흐름이 저해되어 유체가 체류하기 쉽다. 이 유체의 체류는 격벽 플레이트를 통한 유로간 열교환을 저해하여 열교환기 전체의 성능을 열화시키는 요인이 된다.

유로(6)의 폭이 유로의 길이방향, 특히 직행부(24)와 전환부(20)에 있어서 거의 동일하면, 열교환 유체(A)가 유로(6)의 전환부(20)를 체류함이 없이 원활이 흐르므로, 플레이트식 열교환기를 보다 한층 고성능화 시킬 수 있다. 유로(6)와 대향하는 유로(7)에 대해서도 마찬가지이다.

(제2실시예)

도 3은 본 발명의 제2실시예에 의한 플레이트식 열교환기를 도시하고 있다.

이 플레이트식 열교환기는 판면을 관통하는 유로가 형성된 복수의 플레이트를 한쌍의 엔드 플레이트 사이에 배치한 구성를 가지고, 복수의 플레이트 각각의 평면내에 독립된 복수의 유로를 설치함과 아울러, 복수의 유로를 흐르는 유체가 역방향으로 흐르는 구성으로 한 것이다.

구체적으로는, 도 3에 도시된 바와 같이, 판면을 관통하는 복수의 유로(34, 35)가 형성된 유로 플레이트(31)를 복수개 적층하고, 한쌍의 엔드 플레이트(32, 33) 사이에 배치한 구성이다. 이 때, 유로(34, 35)가 서로 이웃하여 병행하는 위치에 설치되고, 유로(34)를 흐르는 열교환 유체(A)와 유로(35)를 흐르는 열교환 유체(B)가 역류하는 구성으로 하고 있다.

유로 플레이트(31)에는, 유로(34)의 길이방향 양단에, 이것과 서로 통하는 입구 헤더부(40) 및 출구 헤더부(41)와, 유로(35)의 길이방향 양단에 이것과 서로 통하는 입구 헤더부(42) 및 출구 헤더부(43)가 각각 설치되어 있다.

또한, 엔드 플레이트(32)에는, 열교환 유체(A)의 입구관(36)과 출구관(37), 열교환 유체(B)의 입구관(38)과 출구관(39)이 직각으로 고착되어 있다. 입구관(36)과 출구관(37)은, 각각 열교환 유체(A)의 입구 헤더부(40)와 출구 헤더부(41)와 서로 통하고 있다. 마찬가지로, 입구관(38)과 출구관(39)은 각각 열교환 유체(B)의 입구 헤더부(42)와 출구 헤더부(43)와 서로 통하고 있다.

열교환 유체(A)는 엔드 플레이트(32)에 설치된 입구관(36)으로부터 입구 헤더부(40)에 유입되고, 유로 플레이트(31)에 형성된 유로(34)에 유입된다. 유로(34)를 흐른 열교환 유체(A)는 출구 헤더부(41)에 모이고, 출구관(37)으로부터 외부로 유출된다. 한편, 열교환 유체(B)는 엔드 플레이트(32)에 설치된 입구관(38)으로부터 입구 헤더부(42)에 유입되고, 마찬가지로 유로 플레이트(31)에 형성된 유로(35)에 유입된다. 유로(35)를 흐른 열교환 유체(B)는 출구 헤더 일부(43)에 모이게 되어, 출구관(39)으로부터 외부로 유출된다. 이 때, 유로(34)를 흐르는 열교환 유체(A)는 유로(34, 35) 사이에 위치하는 격벽부(44)를 통해 유로(35)를 흐르는 열교환 유체(B)와 열교환을 하게 된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 유로(34, 35)가 격벽부(44)를 통해 각 헤더 근방을 제외하고 모두 대향하는 위치에 설치되어 있으므로 열교환 유체(A, B)가 역류의 형태로 열교환을 할 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 격벽 플레이트를 배제하고, 유로 플레이트(31) 만으로 구성할 수 있으며, 더욱이 유로 플레이트(31)를 모두 동일 형상으로 할 수 있기 때문에 플레이트 구성을 간략화할 수 있어 플레이트식 열교환기의 고성능화, 소형화 및 제조 코스트의 저감을 실현할 수 있다.

또한, 제1실시예와 마찬가지로, 유로 플레이트(31)를 프레스 가공에 의해 성형하고, 프레스 가공의 펀칭방향이 일치하도록 적층하면, 플레이트 사이의 밀착성을 향상시킬 수 있다.

더욱이, 제1실시예와 마찬가지로, 유로(34, 35)에 대략 U자형상의 전환부를 설치함으로써, 플레이트식 열교환기를 보다 한층 컴팩트하게 제작할 수 있다. 또한, 유로(34, 35)중의 적어도 한쪽 유로의 폭을, 유로의 길이방향으로 대략 동일하게 설정함으로써 플레이트식 열교환기를 보다 한층 더 고성능화 할 수 있다.

(제3실시예)

도 4는 본 발명의 제3실시예에 의한 플레이트식 열교환기의 구성을 도시하고 있다.

이 플레이트식 열교환기는, 판면을 관통하는 열교환 유체(A)의 유로(56)가 형성된 유로 플레이트(51)와, 판면을 관통하는 열교환 유체(B)의 유로(57)가 형성된 유로 플레이트(52)를, 격벽 플레이트(53)를 통해 교대로 복수개 적층하여 한쌍의 엔드 플레이트(54, 55) 사이에 배치한 구성이며, 더욱이 유로 플레이트(51)의 유로(56)를 폭방향으로 분할하는 격벽부(72)가 설치되는 것이다.

유로 플레이트(51)에는 유로(56) 이외에 관통구멍(62a, 62b)이, 유로 플레이트(52)에는 유로(57) 이외에 관통구멍(65a, 65b)이, 격벽 플레이트(53)에는 관통구멍(63a, 63b, 64a, 64b)이 각각 설치되어 있다. 또한, 열교환 유체(A)의 입구 헤더(66)는, 유로 플레이트(51, 52)를 격벽 플레이트(53)를 통하여 적층할 때에 각 플레이트에 설치된 유로(56)와 관통구멍(64a, 65a)에 의해 형성되는 공간이다. 마찬가지로 하여, 열교환 유체(A)의 출구 헤더(67), 열교환 유체(B)의 입구 헤더(68)와 출구 헤더(69)가 구성된다.

또한, 엔드 플레이트(54)에는, 열교환 유체(A)의 입구관(58)과 출구관(59), 열교환 유체(B)의 입구관(60)과 출구관(61)이 직각으로 고착되어 있다. 입구관(58)과 출구관(59)은, 각각 열교환 유체(A)의 입구 헤더(66) 및 출구 헤더(67)와 서로 통하고 있다. 마찬가지로, 입구관(60)과 출구관(61)은, 각각 열교환 유체(B)의 입구 헤더(68) 및 출구 헤더(69)와 서로 통하고 있다.

열교환 유체(A)는, 엔드 플레이트(54)에 설치된 입구관(58)으로부터 입구 헤더(66)에 유입되고, 유로 플레이트(51)에 형성된 유로(56)에 유입된다. 유로(56)를 흐른 열교환 유체(A)는 출구 헤더(67)에 모이고, 출구관(59)으로부터 외부에 유출된다. 한편, 열교환 유체(B)는, 엔드 플레이트(54)에 설치된 입구관(60)으로부터 입구 헤더(68)에 유입되고, 유로 플레이트(52)에 형성된 유로(57)에 유입된다. 유로(57)를 흐른 열교환 유체(B)는 출구 헤더(69)에 모이고, 출구관(61)으로부터 외부로 유출된다. 이 때, 유로(56)를 흐르는 열교환 유체(A)는 그 상하에 위치하는 2개의 격벽 플레이트(53)를 통해, 유로(57)를 흐르는 열교환 유체(B)와 열교환을 하게 된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 유로(56)를 폭방향으로 2개로 분할하는 격벽부(72)를 설치함으로써, 유로(56) 전체의 폭이 작이지고 단면적이 작아지므로 유로(56)를 흐르는 열교환 유체(A)의 속도를 빠르게 할 수 있다. 일반적으로, 유체의 유속을 빠르게 하면 열전달 특성이 향상된다. 또한, 유로간에 격벽부(72)를 설치함으로써, 유로 플레이트(1)와 격벽 플레이트(3)의 접합면적이 확대되어 열교환기의 압력용기로서의 기계강도가 향상된다.

따라서, 상기한 구성에 의해 플레이트식 열교환기를 보다 한층 고성능화시킬 수 있으며, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

또한, 도 3에 도시된 구성의 플레이트식 열교환기에 대해서도 유로(34, 35)중의 적어도 한쪽 유로내에 이 유로를 폭방향으로 분할하는 격벽부를 설치하면 마찬가지의 효과가 얻어진다.

(제4실시예)

도 5는 본 발명의 제4실시예에 의한 플레이트식 열교환기의 구성을 도시하고 있다.

이 플레이트식 열교환기는, 도 1에 도시된 구성과 마찬가지로, 판면을 관통하는 열교환 유체(A)의 유로(56)가 형성된 유로 플레이트(51)와, 판면을 관통하는 열교환 유체(B)의 유로(57)가 형성된 유로 플레이트(52)를, 격벽 플레이트(53)를 통해 교대로 복수개 적층하여 한쌍의 엔드 플레이트(54, 55) 사이에 배치한 구성이며, 유로(56, 57)가 각각 대략 U자형상의 전환부(70, 71)를 가지는 것이다. 추가로, 유로 플레이트(51) 상의 서로 이웃하는 위치에 있는 유로(전환부(70)의 상류쪽과 하류쪽)(56) 사이에 관통구멍(73a)을 설치함과 아울러, 격벽 플레이트(53) 및 유로 플레이트(52)에도 관통구멍(73a)과 대향하는 위치에 관통구멍(73a)과 서로 통하는 관통구멍(73b, 73c)을 설치한 점이다. 또한, 엔드 플레이트(54, 55)에도 관통구멍(73a, 73b, 73c)과 대향하는 위치에 관통구멍(73d, 73e)이 설치되어 있다.

유로 플레이트(51)에는 유로(56) 이외에 관통구멍(62a, 62b)이, 유로 플레이트(52)에는 유로(57) 이외에 관통구멍(65a, 65b)이, 격벽 플레이트(53)에는 관통구멍(63a, 63b, 64a, 64b)이 각각 설치되어 있다. 또한, 열교환 유체(A)의 입구 헤더(66)는, 유로 플레이트(51, 52)를 격벽 플레이트(53)를 통하여 적층했을 때에 각 플레이트에 설치된 유로(56)와 관통구멍(64a, 65a)에 의해 형성되는 공간이다. 마찬가지로 하여, 열교환 유체(A)의 출구 헤더(67), 열교환 유체(B)의 입구 헤더(68)와 출구 헤더(69)가 구성된다.

또한, 엔드 플레이트(54)에는, 열교환 유체(A)의 입구관(58)과 출구관(59), 열교환 유체(B)의 입구관(60)과 출구관(61)이 똑바로 고착되어 있다. 입구관(58)과 출구관(59)은 각각 열교환 유체(A)의 입구 헤더(66) 및 출구 헤더(67)와 서로 통하고 있다. 마찬가지로, 입구관(60)과 출구관(61)은 각각 열교환 유체(B)의 입구 헤더(68) 및 출구 헤더(69)와 서로 통하고 있다.

열교환 유체(A)는, 엔드 플레이트(54)에 설치된 입구관(58)으로부터 입구 헤더(66)에 유입되고, 유로 플레이트(51)에 형성된 유로(56)에 유입된다. 유로(56)를 흐른 열교환 유체(A)는 출구 헤더(67)에 모여 출구관(59)으로부터 외부로 유출된다. 한편, 열교환 유체(B)는, 엔드 플레이트(54)에 설치된 입구관(60)으로부터 입구 헤더(68)에 유입되고, 유로 플레이트(52)에 형성된 유로(57)에 유입된다. 유로(57)를 흐른 열교환 유체(B)는 출구 헤더(69)에 모이게 되고, 출구관(61)으로부터 외부로 유출된다. 이때, 유로(56)를 흐르는 열교환 유체(A)는 그 상하에 위치하는 2개의 격벽 플레이트(53)를 통하여, 유로(57)를 흐르는 열교환 유체(B)와 열교환을 하게 된다.

도 5에 도시한 바와 같이, 유로(56)가 대략 U자형 전환부(70)를 가질 경우, 열교환 유체(A)는 격벽 플레이트(53)를 통하여 열교환 유체(B)와 열교환함과 아울러, 유로(56)의 이웃하는 부분을 흐르는 마찬가지의 열교환 유체(A)와도 열교환할 가능성이 있다. 그러나, 본 실시형태에 의하면, 서로 이웃하는 위치에 있는 유로(56) 사이에 관통구멍(73a)이 형성되어 있으므로 이 부분에 있어서의 동일 유로 사이의 열 이동이 완전히 차단된다. 유로(57) 쪽에 대해서도 마찬가지이다.

따라서, 상기한 구성에 의해, 열교환 유체의 동일 유로 사이에서의 열교환이 완전하게 차단되므로 플레이트식 열교환기를 보다 한층 더 고성능화시킬 수 있다.

또한, 도 3에 도시한 구성의 플레이트식 열교환기에 대해서도 유로(34 또는 35)의 서로 이웃하는 위치에 있는 동일유로 사이에 관통구멍을 설치하면 마찬가지 효과가 얻어진다.

(제5실시예)

이어서, 제1실시예 내지 제4실시예에서 설명한 플레이트식 열교환기의 제조방법을 구체적으로 설명한다. 본 실시형태는 특히 각 플레이트가 모두 스테인레스 강, 구리, 알루미늄 등의 열전도성이 우수한 금속재료로 됨을 가정하고 있다.

도 6은, 도 1에 도시한 플레이트식 열교환기의 선 VI-VI에 있어서의 단면을 도시하고 있고, 적층시의 경납땜재 설치상태를 알기 쉽게 도시한 것이다. 상하의 엔드 플레이트(4, 5) 사이에 경납땜재(26, 27)로 나타낸 도금층을 전체면에 설치한 유로 플레이트(1, 2)가 격벽 플레이트(3)를 통해 순차로 적층되어 있다.

먼저, 유로 플레이트(1, 2)와 격벽 플레이트(3)로의 유로와 관통구멍의 가공은 양산성이 우수한 프레스 가공에 의해 이루어진다.

이어서, 유로와 관통구멍이 형성된 유로 플레이트(1, 2)에 대하여 그 표면에 도금가공이 실시된다. 각 플레이트의 재질이 내식성이 우수한 스테인레스 강일 경우는, 예컨대 니켈과 인을 주성분으로 한 도금을 실시하면 좋다. 이 도금가공은 통상, 무전해 도금법에 의해 이루어진다. 또한, 각 플레이트의 재질이 열전도율이 높은 구리일 경우는, 예컨대 은을 주성분으로한 도금을 실시하면 좋다.

더욱이, 모든 플레이트는 도면중에 화살표로 표시한 방향으로 프레스 가공의 펀칭방향이 일치하도록 적층된다.

최후로, 적층된 각 플레이트를 밀착한 상태에서 가열함으로써 도금층을 용융시켜 일체적으로 접합한다.

이 때, 프레스 가공된 각 플레이트가 그 꺼칠꺼칠한 자국 방향을 일치시키도록 적층되어 있으므로, 꺼칠꺼칠한 자국 끼리의 맞닿음에 의한 밀착성의 악화를 회피할 수 있음과 아울러 플레이트 사이의 접합이 도금을 사용한 경납땜에 의해 확실히 보증된다.

따라서, 수율이 우수하고, 신뢰성이 높은 플레이트식 열교환기를 제공할 수 있다.

또한, 도 3에 도시한 구성의 플레이트식 열교환기에 대해서도, 유로 플레이트(31)가 프레스 가공에 의해 형성되는 공정과, 유로 플레이트(31)가 그 양면에 도금처리되는 공정과, 유로 플레이트(31)가 상기 프레스 가공의 펀칭방향이 일치하도록 적층되는 공정과, 적층된 유로 플레이트(31)가 밀착한 상태에서 가열되는 공정으로 된 제조방법에 의해 제조를 하면 마찬가지의 효과가 얻어진다.

(제6실시예)

도 7은, 제1실시예 내지 제4실시예에서 설명한 플레이트식 열교환기의 제조방법을 도시하고 있으며, 상하의 엔드 플레이트(4, 5) 사이에, 상면에만 경납땜재를 도포한 유로 플레이트(1, 2)가 마찬가지로 상면에만 경납땜재를 도포한 격벽 플레이트(3)를 통하여 순차로 적층되어 있다.

먼저, 유로 플레이트(1, 2)와 격벽 플레이트(3)로의 유로와 관통구멍의 가공은 양산성이 우수한 프레스 가공에 의해 이루어진다.

이어서, 각 프레이트에 대하여 경납땜재를 도포한다. 경납땜재로서는 파우더 상태의 경납땜재에 바인더(binder)를 배합시킨 페이스트 땜납(paste solder)을 이용한다. 페이스트 땜납의 도포는 예컨대 실크 스크린 프로세스 등의 인쇄방법에 의해 도포용 마스크를 이용하여 한다. 본 실시예에서는, 유로 플레이트(1)와 대략 동일 형상의 개구부를 가지는 마스크에 의해, 유로 플레이트(1)와 그 아래에 위치하는 격벽 플레이트(3) 각각의 상면에 경납땜재(28a, 28b)를 도포한다. 여기서, 경납땜재의 도포는 각 플레이트의 프레스 가공 펀칭방향의 상류쪽 면(도면 중에서는 상면)에 대하여 한다. 마찬가지로, 유로 플레이트(2)와 대략 동일 형상의 개구부를 가지는 마스크에 의해 유로 플레이트(2)와 그 아래에 위치하는 격벽 플레이트(3) 각각의 상면에 경납땜재(29a, 29b)를 도포한다. 또한, 경납땜재로서는, 각 플레이트의 재질이 스테인레스 강일 경우는, 예컨대 Ni계의 것을 사용하고, 구리일 경우는, 예컨대 은 또는 인 구리계의 것을 사용함이 바람직하다.

더욱이, 모든 플레이트는 도면 중에서 화살표로 도시한 방향으로 프레스 가공의 펀칭방향이 일치하도록 적층된다.

최후로, 경납땜재가 도포되어 적층된 각 플레이트를 밀착한 상태에서 가열함으로써 페이스트 땜납의 경납땜재 성분을 융용시켜 일체적으로 접합한다.

따라서, 플레이트 사이의 접합이 페이스트 땜납을 사용한 경납땜에 의해 확실하게 보증된다. 또한, 도금에 비해 저렴한 페이스트 상태의 경납땜재를 사용하므로 열교환기의 제조 코스트 저감이 도모된다. 더욱이, 각 플레이트의 꺼칠꺼칠한 자국이 돌출해 있지 않은 면에 경납땜재를 도포하기 때문에, 경납땜재 도포에 사용하는 마스크 등의 지그가 꺼칠꺼칠한 자국에 의해 손상되는 것이 저감되어 제조시의 신뢰성 향상이 실현된다.

또한, 도 3에 도시한 구성의 플레이트식 열교환기에 대해서도, 유로 플레이트(31)가 프레스 가공에 의해 형성되는 공정과, 유로 플레이트(31)가 상기 프레스 가공의 펀칭방향 상류쪽 면에 페이스트 상태의 경납땜재가 도포되는 공정과, 유로 플레이트(31)가 상기 프레스 가공의 펀칭방향이 일치하도록 적층되는 공정과, 적층된 유로 플레이트(31)가 밀착한 상태에서 가열되는 공정으로 된 제조방법에 의해 제조를 하면 마찬가지의 효과가 얻어진다.

또한, 상기 제5실시예 및 제6실시예에서는, 각 플레이트가 모두 금속재료로 된 것을 가정하였으나, 열교환기에 필요한 내압 및 내열성능에 따라서 적어도 유로 플레이트를 테플론 시트(Teflon sheet) 등의 비중이 적은 수지재료로 구성함도 가능하다.

이것에 의하면, 플레이트식 열교환기의 경량화가 도모된다. 이때, 격벽 플레이트(3)를 수지재료에 대하여 비교적 열전도율이 좋은 금속재료로 구성하면, 열교환 유체(A, B)의 열교환 성능을 열화시키지 않는다. 유로 플레이트가 수지재료로 될 경우, 플레이트식 열교환기의 제조방법으로서는 상기한 경납땜은 안되고, 접착이나 수지재료 자신의 용착을 이용하면 좋다. 따라서, 모든 플레이트를 금속재료로 구성한 플레이트식 열교환기에 대하여 열전달 성능을 유지하면서 보다 경량으로 컴팩트한 열교환기를 제공할 수 있다.

또한, 열교환기의 사용환경에 따라서, 모든 플레이트를 수지재료로 구성하여도 좋다.

Claims (13)

1. 판면을 관통하는 제1유로가 형성된 제1유로 플레이트와, 판면을 관통하는 제2유로가 형성된 제2유로 플레이트를, 격벽 플레이트를 통해 교대로 복수개 적층하여 한쌍의 엔드 플레이트 사이에 배치한 구성을 가지고, 상기 제1유로와 상기 제2유로가 상기 격벽 플레이트를 통해 대향하는 위치에 설치되어, 상기 제1유로를 흐르는 제1유체와 상기 제2유로를 흐르는 제2유체가 역방향으로 흐르는 구성으로 함과 아울러, 상기 제1 및 제2유로 중의 적어도 한쪽에 유로를 폭방향으로 분할하는 격벽부를 설치한 플레이트식 열교환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 격벽 플레이트의 두께를 상기 제1 및 제2유로 플레이트 중의 적어도 한쪽 보다도 두껍게 한 플레이트식 열교환기.
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2유로가 대략 U자형상의 전환부를 가짐과 아울러, 상기 제1 및 제2유로 중의 적어도 한쪽의 폭이 유로의 길이방향으로 거의 동일한 플레이트식 열교환기.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2유로가 대략 U자형상의 전환부를 가짐과 아울러, 상기 제1 및 제2유로의 서로 이웃하는 위치에 있는 동일유로 사이에 관통구멍을 설치하고, 상기 복수 유로 플레이트의 상기 관통구멍을 서로 통하게 한 플레이트식 열교환기.
6. 삭제
7. 독립된 2개의 유로가 형성된 복수의 플레이트를 한쌍의 엔드 플레이트 사이에 배치한 플레이트식 열교환기의 제조방법으로서,

   상기 복수의 플레이트 각각을 프레스 가공에 의해 성형하는 공정과, 상기 복수 플레이트의 프레스 가공의 펀칭방향의 상류쪽의 면에 페이스트 상태의 경납땜재를 도포하는 공정과, 상기 복수의 플레이트를 프레스 가공의 펀칭방향이 일치하도록 적층하는 공정과, 적층된 상기 복수의 플레이트를 밀착한 상태에서 가열하는 공정을 구비한 플레이트식 열교환기의 제조방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제