KR100950689B1 - 플레이트 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플레이트 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체의 유동성을 향상시킴으로써 열교환효율을 대폭 향상시킬 수 있는 플레이트 열교환기에 관한 것이다.
본 발명에 의한 플레이트 열교환기는, 상하방향으로 적층된 복수의 열교환유닛을 포함하고, 각 열교환유닛은 상부 플레이트 및 하부 플레이트가 상호 결합됨으로써 형성되며, 상기 각 열교환유닛은 그 내부에 제1유체가 유동하는 제1유동채널을 가지며, 상기 복수의 열교환유닛들 사이에는 제2유체가 유동하는 제2유동채널이 형성되며, 상기 각 열교환유닛은 그 양측에 이격된 유입통로 및 유출통로를 가지고, 상기 상부 플레이트의 유입통로 및 유출통로 주변과 상기 하부 플레이트의 유입통로 및 유출통로 주변에는 유체의 흐름방향을 2 이상으로 유도하는 것을 특징으로 한다.
Figure R1020090033219
플레이트, 열교환기, 열교환유닛, 유체, 흐름

Description

플레이트 열교환기{PLATE TYPE HEAT EXCHANGER}
본 발명은 플레이트 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체의 유동성을 향상시킴으로써 열교환효율을 대폭 향상시킬 수 있는 플레이트 열교환기에 관한 것이다.
열교환기라 함은 온도가 높은 유체로부터 전열벽을 통해 온도가 낮은 유체로 열을 전달하는 장치로서, 이러한 열교환기 중에서 차량 내의 공조시스템, 변속기 오일쿨러 등에 적용되는 열교환기는 그 설치공간의 협소화로 인해 보다 컴팩트한 사이즈로 구현될 필요가 있다. 이에 차량에 이용되는 열교환기는 보다 컴팩트한 사이즈를 구현하기 위한 플레이트 열교환기가 널리 사용되고 있다.
이러한 플레이트 열교환기는 인접한 플레이트 사이에 유동채널이 형성되도록 대면하여 적층되는 다수의 열교환유닛을 포함한다. 유동채널은 서로 다른 매체가 통과하는 2 이상의 유동채널로 구분된다. 이에 서로 다른 열교환매체는 각 유동채널을 통과하면서 각 열교환유닛을 통해 열교환한다. 그리고, 각 플레이트는 그 단부 측에 유입통로 및 유출통로를 가지고, 각 플레이트의 유입통로 및 유출통로들은 서로 소통하도록 구성된다. 최상측의 플레이트의 유입포트 및 유출포트에는 유입캡 및 유출캡이 브레이징 등을 통해 고정된다.
한편, 종래의 플레이트 열교환기는 각 열교환유닛이 도 8에 예시된 바와 같이, 한 쌍의 플레이트(1, 2)들이 서로 결합됨으로써 형성된다. 각 플레이트(1, 2)의 서로 대면하는 부분에 복수의 홈(1a, 2a)이 사선방향으로 연장되도록 엠보싱되며, 한 쌍의 플레이트(1, 2)가 상호 결합됨으로써 홈(1a, 2a)들은 유동채널을 형성한다. 그리고, 각 플레이트(1, 2)의 단부에는 유입통로 및 유출통로를 형성하는 관통공(1b, 2b)이 각각 형성된다. 각 관통공(1b, 2b)의 주변에는 함몰부(1c, 2c)가 각각 형성되어 있다.
이에, 유동채널 내의 유체는 각 플레이트(1, 2)의 홈(1a, 2a)을 타고 유동하도록 구성됨에 따라 각 플레이트(1, 2)를 따라 유동하는 유체의 흐름방향이 하나의 방향으로 특정되어 있으므로, 유체가 관통공(1b, 2b) 주변의 함몰부(1c, 2c)에서 쉽게 정체되어 유체의 유동성이 극히 저하되고, 이러한 유동성 저하로 인해 열교환효율이 또한 낮아지는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 유체의 유동성을 향상시킴으로써 열교환효율을 대폭 향상시킬 수 있는 플레이트 열교환기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
상하방향으로 적층된 복수의 열교환유닛을 포함하고, 각 열교환유닛은 상부 플레이트 및 하부 플레이트가 상호 결합됨으로써 형성되며, 상기 각 열교환유닛은 그 내부에 제1유체가 유동하는 제1유동채널을 가지며, 상기 복수의 열교환유닛들 사이에는 제2유체가 유동하는 제2유동채널이 형성되며,
상기 각 열교환유닛은 그 양측에 이격된 유입통로 및 유출통로를 가지고,
상기 상부 플레이트의 유입통로 및 유출통로 주변과 상기 하부 플레이트의 유입통로 및 유출통로 주변에는 유체의 흐름방향을 2 이상으로 유도하는 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 상부 플레이트는 상기 유입통로 및 유출통로의 상부에서 돌출된 상부 플랜지를 가지며, 상기 하부 플레이트는 상기 유입통로 및 유출통로의 하부에서 돌출된 하부 플랜지를 가지고, 상기 상부 플레이트 및 하부 플레이트의 서로 마주보는 면에는 상부 유동홈 및 하부 유동홈이 서로 교차하게 형성됨으로써 제1유동채널 을 구성하며,
상기 상부 플레이트의 상부 플랜지 주변에는 상부 보조홈이 형성되고, 상기 상부 보조홈은 상기 상부 유동홈과 교차하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 하부 플레이트의 하부플랜지 주변에는 하부 보조홈이 형성되고, 상기 하부 보조홈은 상기 하부 유동홈과 교차하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 상부 플레이트의 상면에는 하나 이상의 상부 이격돌기가 형성되고, 상기 하부 플레이트의 저면에는 하나 이상의 하부 이격돌기가 형성되며,
상기 상부 이격돌기 및 하부 이격돌기는 서로 접촉하고, 상기 상부 이격돌기 및 하부 이격돌기의 접촉면에는 관통공이 형성됨으로써 복수의 열교환유닛들은 그 각각의 제1유동채널들이 서로 소통하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 상부 플레이트의 상부 플랜지 주변에 상부 보조홈을 형성하고, 또한 하부 플레이트의 하부 플랜지 주변에 하부 보조홈을 형성함에 따라, 각 열교환유닛의 유입통로 및 유출통로 주변에서 제1유체의 흐름이 정체됨을 방지함과 더불어 제1유체가 각 플레이트의 전체 길이에 대해 균일하게 흐를 수 있도록 유도할 수 있다. 이에 의해, 제1유체의 유동성이 향상됨으로써 그 열교환효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트 열교환기를 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 플레이트 열교환기는 복수의 열교환유닛(10)을 포함하고, 복수의 열교환유닛(10)이 상하방향으로 적층된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각 열교환유닛(10)은 그 내부에 오일, 냉매 등과 같은 제1유체가 통과하는 제1유동채널(18)을 가지고, 각 열교환유닛(10)은 상부 플레이트(11) 및 하부 플레이트(12)의 결합에 의해 형성된다. 상부 플레이트(11) 및 하부 플레이트(12)는 알루미늄 등과 같이 열전도성이 우수한 금속 재질로 이루어지고, 상부 및 하부 플레이트(11, 12)는 그 가장자리(11a, 12a)들이 브레이징 등을 통해 상호 접착될 수 있다.
상부 플레이트(11)와 하부 플레이트(12)는 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 마주보는 면(즉, 상부 플레이트(11)의 저면과 하부 플레이트(12)의 상면)에 개별적으로 복수의 유동홈(11b, 12b)을 가지고, 상부 플레이트(11)와 하부 플레이트(12)의 유동홈(11b, 12b)들은 평면상에서 사선방향으로 연장된 구조로 이루어진다. 특히, 상부 플레이트(11)의 상부 유동홈(11b)과 하부 플레이트(12)의 하부 유동홈(12b)들은 서로 교차하도록 형성된다. 이러한 유동홈(11b, 12b)들에 의해 교차하는 제1유동채널(18)이 형성되고, 이러한 교차구조의 제1유동채널(18)을 통해 제1유체(예컨대, 오일)는 지그재그 식으로 유동할 수 있으며, 이에 의해 제1유체의 처리 용량을 증대시킬 뿐만 아니라 제1유체의 접촉면적을 넓혀 그 열교환효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 복수의 유동홈(11b, 12b)은 상부 및 하부 플레이트(11, 12)가 주조공정 또는 스탬핑 등과 같은 프레스 공정을 통해 형성될 수 있다. 이러한 유동홈(11b, 12b) 구조에 의해 상부 및 하부 플레이트(11, 12)는 파형구조(13, 14)를 가지고, 각 유동홈(11b, 12b)의 반대측에 융기부(13a, 14a)가 각각 형성되며, 이 복수의 융기부(13a, 14a)들 사이에는 복수의 골부분(13b, 14b)이 각각 형성된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각 열교환유닛(10)은 그 일단에 유입통로(43)를 가지고, 그 타단에 유출통로(44)를 가진다. 각 열교환유닛(10)의 유입통로(43) 및 유출통로(44)는 제1유동채널(18)과 소통하고, 복수의 열교환유닛(10)은 그 유입통로(43) 및 유출통로(44)들이 서로 소통되도록 적층된다.
한편, 상부 플레이트(11)는 유입통로(43) 및 유출통로(44)의 상부에서 상향으로 돌출되는 상부 플랜지(23)를 가지고, 하부 플레이트(12)는 유입통로(43) 및 유출통로(44)의 하부에서 하향으로 돌출되는 하부 플랜지(24)를 가진다. 그리고, 상부 플랜지(23) 및 하부 플랜지(24)는 상호 끼움결합된다. 하부측 열교환유닛(10)의 상부 플랜지(23)에 그 상부측 열교환유닛(10)의 하부 플랜지(24)가 끼움결합됨으로써 그 밀봉성이 보장될 수 있다. 또한, 서로 인접하는 상부 플랜지(23) 및 하부 플랜지(24)들은 브레이징 등을 통해 밀봉적으로 결합될 수 있다. 이에 의해, 열교환유닛(10)의 유입통로(43) 및 유출통로(44)는 제2유동채널(28)에 대해 밀폐된다.
그리고, 최상측 열교환유닛(10)에서 그 유입통로(43)측의 상부 플랜지(23)에 유입피팅(25)이 결합되고, 유출통로(44)측의 상부 플랜지(23)에는 유출피팅(26)이 결합된다. 유입피팅(25)은 개구(25a)를 가지고, 이 개구(25a)에는 유입파이프가 연결된다. 유출피팅(26)은 개구(26a)를 가지고, 이 개구(26a)에는 유출파이프가 연결된다.
한편, 열교환유닛(10)은 상부 플레이트(11)의 상부 유동홈(11b) 및 하부 플레이트(12)의 하부 유동홈(12b)이 서로 교차하는 구조로 형성됨으로써 교차구조의 제1유동채널(18)을 형성한다. 이에, 유입통로(43)로부터 제1유동채널(18) 내로 유입되는 제1유체는 상부 플레이트(11)의 상부 유동홈(11b) 및 하부 플레이트(12)의 하부 유동홈(12b)을 타고 지그재그방향으로 유동한 후에 유출통로(44)를 통해 유출된다. 특히, 유입통로(43) 및 유출통로(44) 주변에서 유동하는 제1유체는 교차하는 상부 유동홈(11b) 및 하부 유동홈(12b)을 타고 개별적으로 유동함에 따라 각 열교환유닛(10)의 유입통로(43) 및 유출통로(44) 주변에서 제1유체가 정체될 수 있다.
이에, 본 발명은 유입통로(43) 및 유출통로(44)의 주변에는 제1유체의 흐름방향을 2 이상으로 유도하는 구조를 적용함으로써, 제1유체의 흐름이 정체됨을 방지함과 더불어 제1유체의 유동성을 향상시킬 수 있다.
특히, 도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상부 플레이트(11)는 상부 플랜지(23)의 주변에 상부 보조홈(63)을 형성시키고, 하부 플레이트(12)는 하부 플랜지(24)의 주변에 하부 보조홈(64)을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 보조홈(63)은 엠보싱 등을 통해 상부 플레이트(11)의 상부 유동홈(11b)에 대해 일정각도로 교차하도록 형성된다.
한편, 도 4 및 도 5에서, 상부 플레이트(11)의 상부 유동홈(11b)은 파형구조(13)의 융기부(13a) 이면에 있고, 이 융기부(13a)와 상부 유동홈(11b)은 동일방향으로 형성되어 있으므로, 상부 보조홈(63)은 융기부(13a)에 대해서도 일정각도로 교차함을 알 수 있다. 이에, 상부 플레이트(11)의 상부 플랜지(23) 주변에서 제1유체는 상부 유동홈(11b)을 타고 흐르는 제1흐름(화살표 K방향)을 가짐과 더불어 상부 보조홈(63)을 타고 흐르는 제2흐름(화살표 U방향)을 가질 수 있다. 이에, 상부 플레이트(11)의 상부 플랜지(23) 주변에서 제1유체는 제1 및 제2 흐름방향으로 유동함을 알 수 있고, 제1유체는 상부 플레이트(11)의 전체길이에 걸쳐 보다 원활하고 균일한 유동성을 가질 수 있다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 하부 보조홈(64)은 엠보싱 등을 통해 하부 플레이트(12)의 하부 유동홈(12b)에 대해 일정각도로 교차하도록 형성된다.
한편, 도 6 및 도 7에서, 하부 플레이트(12)의 하부 유동홈(12b)은 파형구조(14)의 융기부(14a) 이면에 있고, 이 융기부(14a)와 하부 유동홈(12b)은 동일방향으로 형성되어 있으므로, 하부 보조홈(64)은 융기부(14a)에 대해서도 일정각도로 교차함을 알 수 있다.
이에, 하부 플레이트(12)의 하부 플랜지(24) 주변에서 제1유체는 하부 유동홈(12b)을 타고 흐르는 제1흐름방향(화살표 J방향)을 가짐과 더불어 하부 보조홈(64)을 타고 흐르는 제2흐름방향(화살표 W방향)을 가질 수 있다. 이에, 하부 플 레이트(12)의 하부 플랜지(24) 주변에서 제1유체가 방사형으로 유동함을 알 수 있고, 이에 제1유체는 하부 플레이트(12)의 전체길이에 걸쳐 보다 원활하고 균일한 유동성을 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 상부 플레이트(11)의 상부 플랜지(23) 주변에 상부 보조홈(63)을 형성하고, 또한 하부 플레이트(12)의 하부 플랜지(24) 주변에 하부 보조홈(64)을 형성함에 따라, 열교환유닛(10)의 유입통로(43) 및 유출통로(44) 주변에서 제1유체의 흐름이 정체됨을 방지함과 더불어 제1유체가 각 플레이트(11, 12)의 전체 길이에 대해 균일하게 흐를 수 있도록 유도할 수 있다. 즉, 제1유체의 유동성이 향상됨으로써 그 열교환효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 서로 인접하여 적층된 열교환유닛(10)들 사이에는 냉각수 등과 같은 제2유체가 통과하는 제2유동채널(28)이 형성되고, 이 제2유동채널(28)은 복수의 열교환유닛(10)들이 서로 일정간격으로 이격됨으로써 형성된다.
이를 위해, 각 열교환유닛(10)의 상면 및 저면에는 즉, 상부 플레이트(11)의 상면 및 하부 플레이트(12)의 저면 각각에는 복수의 상부 및 하부 이격돌기(21, 22)들이 개별적으로 돌출된다. 특히, 복수의 상부 이격돌기(21)는 상부 플레이트(11)의 융기부(13a) 상면에 일정간격으로 서로 이격되어 형성되고, 복수의 하부 이격돌기(22)는 하부 플레이트(12)의 융기부(14a) 저면에 일정간격으로 서로 이격되어 형성된다. 이에, 상부측 열교환유닛(10)의 하부 이격돌기(22)는 그 하부측 열교환유닛(10)의 상부 이격돌기(21)와 접촉하고, 이렇게 상하방향으로 복수의 이격돌기(21, 22)들이 서로 접촉함에 따라 열교환유닛(10)들 사이의 이격 간격이 증가 되고, 이에 의해 제2유동채널(28)의 단면적이 대폭 증대된다. 그리고, 서로 접촉하는 이격돌기(21, 22)들은 브레이징 등을 통해 접착될 수도 있다. 상부 및 하부 이격돌기(21, 22)들은 상부 유동홈(11b) 및 하부 유동홈(12b)이 서로 교차하는 지점에 상호 대응되게 위치함으로써 그 적층구조를 더욱 안정적으로 구현할 수 있다.
각 이격돌기(21, 22)들은 사다리꼴 단면, 타원 또는 원형 등과 같은 곡률진 단면, 사각형 단면 중에서 어느 하나의 단면구조를 가질 수 있다. 그리고, 서로 인접하는 상부 이격돌기(21)의 상면(21a) 및 하부 이격돌기(22)의 저면(22a)이 서로 기밀하게 접촉하고, 이에 상부 및 하부 플레이트(11, 12)의 접착이 더욱 용이해질 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 이격돌기(21)와 하부 이격돌기(22)의 접촉면(21a, 22a) 즉, 상부 이격돌기(21)의 상면(21a) 및 하부 이격돌기(22)의 저면(22a)에는 관통공(21c, 22c)이 각각 형성되고, 서로 접촉하는 이격돌기(21, 22)의 관통공(21c, 22c)들이 상호 소통됨에 따라 각 열교환유닛(10)의 제1유동채널(18)은 관통공(21c, 22c)들을 통해 상호 소통된다. 이에, 일측 열교환유닛(10) 내의 제1유체(예컨대, 오일 등)는 관통공(21c, 22c)을 통과하여 인접하는 열교환유닛(10)의 제1유동채널(18) 내로 자유롭게 유동함으로써, 제1유체는 전체 열교환유닛(10) 내에서 섞일 수 있으므로 그 열교환효율이 대폭 증대되는 장점이 있다.
또한, 상부 플레이트(11) 및 하부 플레이트(12)는 각 가장자리(11a, 12a)의 일측에 위치결정용 조립홈 및 조립돌기(11c, 12c)를 가진다. 이에 의해, 상부 플레이트(11) 및 하부 플레이트(12)는 그 위치결정이 용이하여 그 가결합이 신속하게 이루어질 수 있고, 이에 따라 상부 및 하부 플레이트(11, 12)의 결합이 매우 정확하고 견고하게 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트 열교환기를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트 열교환기의 길이방향 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 열교환유닛의 상부 및 하부 플레이트가 분리된 상태를 도시한 분해사시도이다.
도 4는 도 3의 화살표 A부분을 확대하여 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 화살표 C방향에서 바라본 저면도이다.
도 6은 도 3의 화살표 B부분을 확대하여 도시한 사시도이다.
도 7은 도 6의 화살표 D방향에서 바라본 저면도이다.
도 8은 종래 기술에 따른 플레이트 열교환기의 열교환유닛을 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
10: 열교환유닛 11: 상부 플레이트
11b: 상부 유동홈 12: 하부 플레이트
12b: 하부 유동홈 18: 제1유동채널
21, 22: 이격돌기 28: 제2유동채널
63: 상부 보조홈 64: 하부 보조홈

Claims (4)

  1. 상하방향으로 적층된 복수의 열교환유닛을 포함하고, 각 열교환유닛은 상부 플레이트 및 하부 플레이트가 상호 결합됨으로써 형성되며, 상기 각 열교환유닛은 그 내부에 제1유체가 유동하는 제1유동채널을 가지며, 상기 복수의 열교환유닛들 사이에는 제2유체가 유동하는 제2유동채널이 형성되며,
    상기 각 열교환유닛은 그 양측에 이격된 유입통로 및 유출통로를 가지고,
    상기 상부 플레이트의 유입통로 및 유출통로 주변과 상기 하부 플레이트의 유입통로 및 유출통로 주변에는 유체의 흐름방향을 2 이상으로 유도하는 구조를 가지며,
    상기 상부 플레이트는 상기 유입통로 및 유출통로의 상부에서 돌출된 상부 플랜지를 가지며, 상기 하부 플레이트는 상기 유입통로 및 유출통로의 하부에서 돌출된 하부 플랜지를 가지고, 상기 상부 플레이트 및 하부 플레이트의 서로 마주보는 면에는 상부 유동홈 및 하부 유동홈이 서로 교차하게 형성됨으로써 제1유동채널을 구성하며,
    상기 상부 플레이트의 상부 플랜지 주변에는 상부 보조홈이 형성되고, 상기 상부 보조홈은 상기 상부 유동홈과 교차하게 형성되며,
    상기 하부 플레이트의 하부플랜지 주변에는 하부 보조홈이 형성되고, 상기 하부 보조홈은 상기 하부 유동홈과 교차하게 형성되는 것을 특징으로 하는 플레이트 열교환기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 플레이트의 상면에는 하나 이상의 상부 이격돌기가 형성되고, 상기 하부 플레이트의 저면에는 하나 이상의 하부 이격돌기가 형성되며,
    상기 상부 이격돌기 및 하부 이격돌기는 서로 접촉하고, 상기 상부 이격돌기 및 하부 이격돌기의 접촉면에는 관통공이 형성됨으로써 복수의 열교환유닛들은 그 각각의 제1유동채널들이 서로 소통하는 것을 특징으로 하는 플레이트 열교환기.
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