KR101017328B1 - 열교환기용 전열판 및 이 전열판이 설치된 완전용접형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기용 전열판 및 이 전열판이 설치된 완전용접형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 최적의 유체 배분을 통해 열전달 효율을 높이고 유체의 원활한 흐름이 유지되도록 한 열교환기용 전열판 및 이 전열판이 설치된 완전용접형 열교환기에 관한 것이다.

이를 위해, 마루와 골로 이루어진 주름(corrugation)이 전열유로를 형성하는 사각 형태의 전열판에 있어서,상기 전열유로는 전열판 상에서 서로 다른 방향성을 갖는 4개의 동일한 영역으로 구획되되, 상기 전열유로 상부의 두개 영역은 서로 반대방향을 향하도록 형성되고, 전열유로 하부의 두개 영역은 인접한 상부영역의 전열유로에 대하여 대칭인 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열판을 제공한다.

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Description

열교환기용 전열판 및 이 전열판이 설치된 완전용접형 열교환기{heat plate used heat exchanger and welding type heat exchanger comprising the heat plate}

본 발명은 전열판 및 이 전열판이 설치된 완전용접형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 최적의 유체 배분을 통해 열전달 효율을 높이고 유체의 원활한 흐름이 유지되도록 한 전열판 및 이 전열판이 설치된 완전용접형 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 하나의 유체(또는 가스)로부터 다른 유체로 물리적인 접촉이 없이 열을 전달하기 위한 것이다.

즉, 유체가 서로 섞이지 않고 열만 전달하는 것으로, 하나의 유체를 간접적으로 가열시키거나 냉각시키고자할 때 사용하는 장치이다.

이러한 열교환기는 크기가 큰 것이 효과적이며, 크기에 비례하여 열 교환기의 단가가 클 수 있다.

따라서, 비용 대비 큰 용량의 열교환을 하는 것이 중요한 바, 열교환기의 형태 중, shell & tube 형태의 열교환기는 크기에 비해 아주 적은 열교환이 이루어지기 때문에 열 교환 성능이 높은 판형 열교환기에 대한 개발이 많이 이루어지고 있 는 실정이다.

판형 열교환기는 높은 성능을 갖는 열전달 플레이트에 의하여 높은 열전달 능력을 가지며, 특히, shell & tube 타입에 비해 3~5배의 열전달 특성을 가지며, 상대적으로 체적이 작아서 시스템의 용적을 줄여 공간을 절약할 수 있다.

또한, 제작 단가가 상대적으로 적으며, 열교환기의 운송 및 설치가 용이하고 시스템의 운용 조건 변동에 따른 열교환기의 특성 변경이 용이한 장점이 있다.

판형 열교환기는 상,하 대응되는 전열판이 서로 중첩된 상태로 제공되고, 이 중첩된 전열판이 복수개 적층됨으로써 판형 열교환기가 이루어진다.

이때, 첨부된 도 1을 참조하여 판형 열교환기의 전열판에 대해 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

전열판(10)은 상기한 바와 같이 다수로 중첩되어 전열판 조립체를 이루고, 전열판(10)의 각 모서리에는 유체통공(11)이 형성된다.

또한, 상기 전열판(10)에는 열전달을 위해 유체가 유송되기 위한 통로인 셰브런(chevron)각을 이루는 전열유로(12)가 형성된다.

또한, 전열판(10)의 가장자리 및 유체통공(11)의 둘레에는 전열판(10) 상호 간에 기밀이 유지될 수 있도록 가스켓(13)이 설치된다.

이때, 가스켓(13)은 기밀유지를 위한 고무재질임이 바람직하며, 전열판(10)에 형성된 가스켓홈(미도시)에 접착제에 의해 고정되어 설치된다.

하지만, 상기한 종래의 판형 열교환기에 설치된 전열판은 다음과 같은 문제가 발생하였다.

가스켓(13)의 재질에 따라 최대 압력, 온도에 대한 제한조건, 고온 고압시 가스켓 밀봉 약화로 인해 유체가 누수되는 문제가 발생하였다.

게다가, 접착제와 열교환 유체와의 화학작용으로 인한 부식으로 인해, 유지 보수상의 문제가 발생하며, 특히, 의약품 및 식품 같은 기술분야에서의 사용 제약이 따르는 문제가 있었다.

물론, 이와 같은 문제를 해소하기 위해 별도의 가스켓(13)이 필요치 않은 완전용접형 열교환기가 제공되었으나, 전열판(10)에 대한 압축 성형시 집중되는 응력으로 인해 성형에 대한 불량률이 높은 문제가 있었다.

게다가, 도 1b에 도시된 바와 같이 열교환기를 구성하는 종래의 다른 예를 도시하고 있는 전열판(20)은 유로에 대한 세척이 효율적으로 이루어지지 못하는 문제가 있었다.

즉, 고압의 유체가 전열유로로 분사되더라도, "S"지역까지 이르지 못하기 때문에, 상기 "S"지역에 대한 세척이 깨끗하게 이루어지지 못하였던 것이다.

왜냐하면, 전열유로에 대한 단면의 형태가 "S"지역을 막는 구조이기 때문에 고압의 유체가 전열유로를 형성하는 마루에 부딪혀 "S"지역까지 원활하게 이르지 못하였던 것이다.

한편, 종래의 전열판은 열전달에 대한 효율이 극대화되지 못하여, 유체 배분에 대한 최적의 유로를 고민하게 하였으며, 유체 흐름의 원활하게 이루어지지 못하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전열유로의 형태를 격자형태로 제공하여 유체가 흐르는 유송길이를 길게 함으로써 열전달 효율을 높이고, 전열유로 상의 이물질이 배출되는 유로를 형성하여 전열판 내부의 세척이 용이하게 이루어지도록 한 전열판 및 이 전열판이 설치된 완전용접형 열교환기를 제공하고자 한 것이다.

이를 위해, 마루와 골로 이루어진 주름(corrugation)이 전열유로를 형성하는 사각 형태의 전열판에 있어서,상기 전열유로는 전열판 상에서 서로 다른 방향성을 갖는 4개의 동일한 영역으로 구획되되, 상기 전열유로 상부의 두개 영역은 서로 반대방향을 향하도록 형성되고, 전열유로 하부의 두개 영역은 인접한 상부영역의 전열유로에 대하여 대칭인 것을 특징으로 하는 전열판을 제공한다.

이때, 상기 전열유로는 'V'자 형태인 것이 바람직하다.

또한, 상기 전열유로의 각 마루에는 일정한 간격마다, 상기 마루를 기준으로 양 측의 골을 연결하는 복수의 연결홈이 더 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 전열판의 맨 가장자리는 지면에 대하여 수평한 용접면으로 이루어지되, 마주하는 두면은 각각 동일한 방향으로 단차지게 형성되고, 이웃하는 두면은 서로 다른 방향으로 단차지게 형성된 것이 바람직하다.

이때, 상기 전열유로와 용접면 사이에는 전열판의 둘레를 따라 골과 마루가 연속된 에지영역이 더 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 전열판에는 상기 전열판의 가로와 세로를 가로질러 구획을 형성하는 배출유로가 형성되며, 상기 배출유로는 전열유로에 연결되며, 그의 각 단부는 전열판의 네변에 각각 위치되어 전열유로를 지나는 유체에 섞인 이물질이 외부로 배출되는 유로를 제공하도록 한 것이 바람직하다.

이때, 상기 배출유로에는 전열판의 성형시 응력을 분산시키는 응력 분산홈이 형성된 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 형태로는 'V'자 형태의 전열유로 방향이 각기 다른 4개의 영역으로 이루어진 복수의 전열판이 적층된 완전용접형 열교환기에 있어서,서로 연접된 전열판의 맞닿은 면의 전열유로 각도는 90도를 이루는 격자 형태인 것을 특징으로 하는 완전용접형 열교환기를 제공한다.

이때, 전열유로를 형성하기 위한 전열판은 하부에 배치된 제1판 및 제1판의 상부에 포개진 제2판으로 제공되며,제2판은 제1판의 측면을 기준으로 180도 뒤집어진 상태로 제1판의 상부에 배치된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전열판 및 이 전열판이 설치된 열교환기에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 전열유로의 형태가 각기 다른 방향의 4개 영역으로 구획되고, 하부와 상부의 제1판 및 제2판이 서로 포개졌을 때 형성된 전열유로의 형태가 격자 형태로 이루어짐으로써, 유체가 흐르는 전열유로의 길이가 길어지게 된다.

이에 따라, 전열판 상에서 유체가 머무를 수 있는 시간이 늘어남에 따라 열전달 효율이 높아지는 효과가 있다.

둘째, 전열판의 영역을 구획하며, 전열유로가 연결된 배출유로가 전열판 상에서 십(十)자 형태로 이루어짐으로써, 유체에 섞여있던 이물질의 배출이 용이하게 이루어질 수 있다.

이에 따라, 전열판의 청소가 용이해질 수 있으며, 이물질로 인한 오동작이 줄어들며 기계적인 수명이 늘어나는 효과가 있다.

게다가 도 3 및 도 4를 통해 알 수 있듯이, 전열판이 겹쳐지더라도, 그에 대한 단면의 형태(160)가 맨 가장자리에까지 연통되는 구성이므로, 전열유로를 세척하기 위한 고압의 유체가 원활하게 맨 가장자리까지 이를 수 있게 된다.

이에 따라, 전열판에 대한 세척이 구석까지 이루어지게 되므로, 깨끗한 세척이 이루어질 수 있는 것이다.

셋째, 배출 유로 상에 응력 분산홈이 형성됨으로써, 전열판에 대한 압축 성형시, 전열판의 일측에 집중되는 응력을 완화시킬 수 있다.

이에 따라, 응력에 따른 전열판의 변형이 발생하지 않으며, 전열판 성형에 대한 불량률이 줄어드는 효과가 있다.

넷째, 전열판 상호 간에 용접되는 부위인 전열판 가장자리의 용접면이 지면에 대하여 수평한 상태로 형성됨으로써 티그(tig)용접이 가능해진다.

이에 따라, 제조비용이 절감되는 효과가 있다.

다섯째, 전열유로를 형성하는 마루에는 이 마루를 중심으로 양측에 형성된 골을 연결하는 연결홈이 형성된다.

상기 연결홈은 마루의 짧은 변 방향으로 마루의 길이방향을 따라 복수개 형성된다.

이에 따라, 골을 따라 유송되는 유체가 연결홈을 넘어 이웃하는 골측으로의 유송이 자연스럽게 이루어질 수 있다.

즉, 유체 흐름에 대한 압력이 완화되어 유체의 흐름이 원활하게 이루어질 수 있으므로 열전달 효율이 높아지는 효과가 있다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전열판에 대해 설명하도록 한다.

전열판은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 사각 형태의 플레이트로 이루어진다.

이때, 전열판의 재질은 금속이며, 전열판에는 복수의 전열유로(100)가 형성된다.

상기 전열유로(100)는 연속되는 골(110)과 마루(120)로 이루어지며, 'V'자 형태로 이루어진다.

이때, 전열유로(100)는 뻗은 방향이 각각 다른 4개의 영역으로 구획된다.

도 3을 통해 알 수 있듯이, 전열판의 상부(설명의 편의상 윗 부분을 전열판의 상부라 한다)에 구획된 전열유로(100)는 서로 반대방향으로 형성된다.

그리고, 전열판의 하부에 형성된 전열유로(100)는 전열판의 상부에 형성된 전열유로(100)에 대하여 대칭으로 형성된다.

이때, 상기한 전열유로(100)의 면적은 서로 동일하다.

한편, 상기 전열유로(100)를 형성하는 마루(120)에는 이 마루(120)의 짧은 변에 대하여 하방으로 움푹 파인 연결홈(121)이 형성된다.

상기 연결홈(121)은 골(110) 사이를 연결하여 각 골(110)을 흐르는 유체가 이웃하는 골(110)로 쉽게 유로를 변경할 수 있도록 하기 위한 것으로서, 유체를 최적의 상태로 배분하기 위한 것이다.

즉, 유체의 배분을 최적화하여 상기 유체의 흐름을 원활하게 함으로써, 열전달에 대한 효율은 극대화될 수 있다.

한편, 상기 연결홈(121)은 마루(120)의 길이방향으로, 일정 간격마다 복수개 형성된다.

그리고, 앞서 말한 바와 같이, 복수의 전열유로(100)는 4개의 영역으로 구획되는 바, 상기 4개의 영역은 배출유로(130)에 의해 구획된다.

상기 배출유로(130)는 전열판의 가로와 세로를 가로지르도록 형성되며, 전열유로(100)에 연결되도록 형성된다.

상기 배출유로(130)는 전열판 상에서 십(十)자의 형태로 이루어지므로, 배출유로(130)의 단부는 전열판의 각기 다른 네변는 위치된다.

또한, 상기 배출유로(130)는 전열유로(100)를 구획함과 더불어, 유체에 섞인 이물질을 배출시키는 유로로서의 역할을 한다.

한 쌍의 전열판 조립체는 서로 용접이된 상태이기 때문에, 전열판의 내부를 청소하기가 매우 어렵다.

즉, 고압의 유체를 전열판의 내부로 압송시키면 유체에 섞인 이물질은 전열유로(100)를 따라 배출유로(130)를 통해 외부로 배출되는 것이다.

이에 따라, 전열판을 분리하지 않더라도, 전열판의 내부를 쉽게 세척할 수 있는 것이다.

한편, 상기 배출유로(130)에는 응력 분산홈(131)이 형성된다.

상기 응력 분산홈(131)은 전열판에 대한 압축 성형시, 한 곳에 집중되는 응력을 분산하여 전열판의 형상에 대한 변형을 방지하기 위함이다.

상기 응력 분산홈(131)은 배출유로(130) 중, 전열판을 가로 방향으로 구획하는 배출유로에 형성된다.

이때, 응력 분산홈(131)은 배출유로(130) 상에서, 양 측에 각각 형성된다.

이때, 응력 분산홈(131)의 형태는 서로 상이하게 형성되는데, 이는, 전열유로(100)의 방향이 각각 다르기 때문이다.

다음으로, 전열판의 맨 가장자리는 전열판의 사각 둘레를 따라 용접면(140)으로 이루어진다.

상기 용접면(140)은 한 쌍으로 제공되는 전열판이 서로 용접되기 위한 부위로서, 지면에 대하여 수평한 상태로 이루어진다.

이때, 마주하는 두면은 서로 같은 방향으로 단차지고, 이웃하는 다른 두면은 서로 다른 방향으로 단차지도록 형성된다.

즉, 어느 한 쌍의 마주하는 두 용접면(140)이 상방으로 단차진 상태라면, 다른 한 쌍의 마주하는 두 용접면(140)은 하방으로 단차진 상태인 것이다.

한편, 상기 용접면(140)의 형태가 지면에 대하여 수평으로 형성되기 때문에, 전열판 상호간에 용접되는 과정에서 도 3의 단면도에 도시된 바와 같이, 서로 편평한 면끼리 용접될 수 있게 된다.

이때, 용접 방법으로는 티그(tig)용접을 하는 것이 바람직하다.

상기 티그 용접은 외관이 깔금하며, 스패터 발생이 적고 레이저 용접에 비해 설비 제조 비용이 적게 드는 장점이 있다.

한편, 전열유로(100)와 용접면(140) 사이는 전열유로(100)의 둘레를 따라 연속되는 골과 마루로 형성된다.

이때, 이 영역은 설명의 편의상 에지영역(150)이라 한다.

상기 에지영역(150)은 굴곡이 연속적으로 이루어진 유로를 형성하므로, 유체가 분배되는 영역의 공간을 좁혀 열전달 효율을 향상시키는 효과가 있다.

한편, 이와 같이 구성된 전열판은 한 쌍으로 제공되어 서로 용접되고, 서로 용접된 한 쌍의 전열판 조립체는 복수로 적층되어 열교환기를 구성한다.

이하, 첨부된 도 4 및 도 5를 참조하여 전열판의 조립에 대해 살펴보도록 한다.

열교환기(200)는 도 4에 도시된 바와 같이 전열판 및 내부 구성을 보호하기 위한 외부패널(210)이 사방에 설치되고, 상기 외부패널(210)에는 복수의 유체 출입관(220)이 설치된다.

이때, 열교환기(200)의 내부에는 앞서 말한 바와 같이 복수의 전열판 조립체가 적층된어 설치된다.

이때, 전열판 조립체는 한 쌍의 전열판이 제공된 후, 상호 간에 포개진 상태로 용접된 것을 말한다.

이때, 전열판 조립체는 설명의 편의상, 도 5에 도시된 바와 같이 하부에 배치된 전열판을 제1판(1A)이라 하고, 상부에 배치된 전열판을 제2판(2A)이라 하기로 한다.

제1판(1A)은 도 5에 도시된 바와 같은 상태로 배치시키고, 제2판(1B)은 제1판(1A)의 우측 용접면(140)을 기준으로 180도 회전하여 뒤집은 상태로 상기 제1판(1A)의 상부에 배치시킨다.

이에 따라, 제1판(1A) 및 제2판(2A)의 마루(120)는 서로 밀착하게 되며, 골(110)은 서로 전열유로를 형성하게 된다.

이때, 제1판(1A) 및 제2판(2A)에 각각 형성된 'V'자 형태의 전열유로(100)는 서로 반대 방향을 향한 상태로 접하게 된다.

즉, 전열유로(100)의 쉐브론 각도는 상호 간에 90도인 상태로서, 격자 형태가 되는 것이다.

이와 같은 구성은 전열유로(100) 상에서 유체가 유송되는 길이를 길게 하는 효과가 나타남으로써, 전열판 상에서 유체가 오랫동안 머무를 수 있게 되어 열전달 효율이 높아지는 기술적 특징이 있다.

이후, 전열판 조립체를 복수 개 만든 후, 복수의 전열판 조립체를 적층하고 외부패널을 둘레에 설치함으로써 완전용접형 열교환기의 조립이 완료된다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 전열판을 나타낸 평면도

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전열판을 나타낸 사시도

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전열판을 나타낸 평면도

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전열판이 설치된 완전용접형 열교환기를 나타낸 분해사시도

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전열판 조립체를 나타낸 분해사시도.

*도면의 주요 부호에 대한 설명*

100 : 전열유로 110 : 골

120 : 마루 121 : 연결홈

130 : 배출유로 131 : 응력분산홈

140 : 용접면 150 : 에지영역

200 : 열교환기 210 : 외부패널

220 : 유체 출입관 1A : 제1판(제1전열판)

1B : 제2판(제2전열판)

Claims (9)

1. 마루와 골로 이루어진 주름(corrugation)이 전열유로를 형성하는 사각 형태의 열교환기용 전열판에 있어서,

   상기 전열유로는 전열판 상에서 서로 다른 방향성을 갖는 4개의 동일한 영역으로 구획되되, 상기 전열유로 상부의 두개 영역은 서로 반대방향을 향하도록 형성되고, 전열유로 하부의 두개 영역은 인접한 상부영역의 전열유로에 대하여 대칭이며,

   상기 전열판의 가로와 세로를 가로질러 구획을 형성하는 배출유로가 형성되되, 상기 배출유로는 상기 전열유로에 연결되어 그 단부가 상기 전열판의 네변에 각각 위치함으로써 상기 전열유로를 지나는 유체에 섞인 이물질이 외부로 배출되도록 하는 유로를 제공하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열판.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전열유로는 'V'자 형태인 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열판.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 전열유로의 각 마루에는 일정한 간격마다, 상기 마루를 기준으로 양 측의 골을 연결하는 복수의 연결홈이 더 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열판.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 전열판의 맨 가장자리는 지면에 대하여 수평한 용접면으로 이루어지되, 마주하는 두면은 각각 동일한 방향으로 단차지게 형성되고, 이웃하는 두면은 서로 다른 방향으로 단차지게 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열판.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 전열유로와 용접면 사이에는 전열판의 둘레를 따라 골과 마루가 연속된 에지영역이 더 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열판.
6. 제5항에 있어서,

   상기 배출유로에는 전열판의 성형시 응력을 분산시키는 응력 분산홈이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열판.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 배출유로에는 전열판의 성형시 응력을 분산시키는 응력 분산홈이 형성된 것을 특징으로 하는 전열판.
8. 제1항 또는 제2항에 기재된 열교환기용 전열판이 적층되되, 서로 연접된 상기 전열판이 맞닿은 면의 전열유로의 각도가 90도를 이루는 격자형태인 것을 특징으로 하는 완전용접형 열교환기.
9. 제 8항에 있어서,

   전열유로를 형성하기 위한 전열판은 하부에 배치된 제1판 및 제1판의 상부에 포개진 제2판으로 제공되며,

   제2판은 제1판의 측면을 기준으로 180도 뒤집어진 상태로 제1판의 상부에 배치된 것을 특징으로 하는 완전용접형 열교환기.

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