KR101124874B1 - 플레이트 열 교환기 - Google Patents

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KR101124874B1
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Abstract

납땜(soldering)에 의해서 상호연결 되어지고 높은 온도유체와 낮은 온도유체 사이에서 열을 교환하도록 적용되어진 플레이트(plates, 21,31)들을 포함하는 플레이트 열 교환기(plate heat exchanger)들은 낮은 온도유체를 가이딩(guiding)하는 플레이트(21,31)들의 쌍으로 된 별개의 유체 채널(fluid channel, 23,26)들을 제공함에 의해서 높은 온도 유체를 위한 유입구(inlet, 3) 근처에 위치된 플레이트들의 부분들의 냉각을 개선하도록 설계되어질 수 있고, 상기 별개의 채널(23,26)들은 높은 온도유체를 위한 상기 유입구(inlet, 3)를 적어도 일부분이상 둘러싼다.

Description

플레이트 열 교환기{PLATE HEAT EXCHANGER}
본 발명은 다수의 적층된 열교환기 플레이트(heat exchanger plate)를 포함하며, 하나이상의 고온유체와 하나이상의 냉각유체 사이에서 열을 교환하도록 적용된 플레이트 열 교환기(plate heat exchanger)에 관한 것이며, 다수의 적층된 열 교환기 플레이트들 각각은 (a) 고온 유체(high temperature fluid)를 위한 유입 개구부(inlet opening)와, (b) 냉각유체(cooling fluid)를 위한 배출 개구부(outlet opening)와, (c) 상기 고온 유체를 위한 배출 개구부와 그리고 (d) 냉각유체를 위한 유입 개구부를 포함하며, 적층된 열 교환기 플레이트는 적어도 두개이상의 열 교환 유체를 위한 채널(channel)을 제한하며, 냉각유체를 위한 채널을 제한하는 플레이트들의 쌍들은 고온 유체의 흐름의 유입구(inlet) 속으로 연장되는 플랜지(flange)를 형성하도록 접촉영역을 따라서 서로 납땜(solder)되어진다.
상기 고온 유체(high temperature fluid)는 오일(oil) 또는 천연가스(natural gas)와 같은 연료의 연소에 의해서 생성되어지는 기체의 흐름이 될 수도 있고, 냉각유체(cooling fluid)는 거주하는 집을 가열하기 위하여 사용되어지는 물의 흐름이 될 수도 있다. 열교환기(heat exchanger)를 가능한 작게 그리고 낮은 제작비용에서 설계하는 것이 특히 바람직하다. 이러한 것은 매우 높은 온도에서 가열가스의 흐름을 수용할 수 있도록 교환기(exchanger)를 제작함에 의해서 얻어질 수도 있다.
사용된 고온 가스(hot gas)의 온도의 제한은, 예를 들어 고온 가스가 통과되어지는 포트 구멍(port hole)들 둘레에서 인접한 열교환기 플레이트들을 서로 연결하기 위한 납땜 재료(soldering material)의 사용에 의해서 설정되어진다. 종종 구리(copper) 또는 니켈(nickel)로 되는 납땜재료(soldering material)는, 급격하게 변하는 온도에 노출될 때 즉 높은 온도 구배(gradient)에 노출되어질 때 쉽게 피로(fatigue)하게 된다. 심지어, 일반적으로 스틸(steel)인 열교환기 플레이트 내에서 사용된 재료도, 온도에 있어서 크고 급격한 변화에 노출되어질 때 쉽게 피로하게 된다. 따라서, 교환기의 수명은 일반적으로 교환기를 통과하는 고온의 유체의 온도가 증가함에 따라서 감소한다.
본 발명의 목적은 교환기(exchanger) 내의 재료의 최대 온도 구배(gradient)는 상당히 감소되어질 수 있고 교환기의 수명도 상당히 증가되어질 수 있는, 상기에서 언급된 타입의 플레이트 열 교환기(plate heat exchanger)를 제공하는 것이다.
따라서 본 발명에 따르면, 냉각유체(cooling fluid)를 위한 두개의 분리된 채널(channel)이 접촉부위(contact area)에 인접하게 제공되어지고, 상기 접촉부위는 유입 개구부(inlet opening)를 통해서 지나가는 고온 유체의 흐름 속으로 연장구성되는 플랜지(flange)를 형성하고, 상기 냉각유체를 위한 두개의 분리된 채널은 공통의 유입구(inlet) 및 공통의 배출구(outlet)가 제공되어지고, 상기 공통의 유입구는 상기 공통의 배출구보다 더 높은 흐름 압력위치에서 위치되어지고, 상기 채널들 중 하나는 냉각유체를 위한 채널을 한정하는 플레이트들의 쌍(pair)들을 형성하는 상기 플레이트들 중 하나에서 프레스된(pressed) 융기부(ridge)에 의해서 부분적으로 제한되어지고, 상기 프레스된 융기부(ridge)는 상기 플레이트들의 쌍들에서 다른 플레이트 상의 대응되는 융기부(ridge)와 접촉하도록 적용되어지며, 상기 프레스된 융기부에 인접한 하나의 채널은 상기 프레스된 융기부보다 더 낮은 높이를 가진다.
따라서, 냉각매체(cooling medium)의 안정된 흐름은 고온 흐름을 위하여 플레이트 내의 유입 개구부의 경계를 이루는 부위를 따라서 납땜(soldering)함에 의해서 상호 연결되어진 플레이트들 사이를 지나가게 되며, 상기 냉각매체의 흐름은 교환기 내에서 최대 온도 구배에 노출된 플레이트 재료와 그리고 납땜된 조인트(joint)에 가깝게 되어진다.
본 발명은 첨부된 도면을 참고로 하여 아래에서 더욱 상세하게 기술되어진다.
도 1은 고온 연소가스에 의해서 냉각수(cold water)를 가열하도록 적용된 종래의 열교환기의 플레이트를 개략적으로 도시하고 있는 평면도
도 2는 본 발명에 따른 열 교환기의 플레이트를 개략적으로 도시하고 있는 평면도
도 3은 본 발명에 따른 열 교환기에서 도 2에서 도시된 타입의 플레이트의 꼭대기(top) 상에서 위치되어지도록 적용된 열 교환기 플레이트를 개략적으로 도시하고 있는 평면도
도 4는 도 2와 도 3의 선 X-X를 따라서 취해진, 본 발명에 따른 열 교환기를 통한 수직 단면도
도 5는 도 4에서 도시된 흐름 한정 플레이트들을 도시하는 분해도
도 6은 도 1에서 도시된 플레이트에 대응하는 3-순환 열 교환기의 열교환기 플레이트의 평면도
도 7은 뜨거운 유체를 위한 유입구 내의 플레이트 플랜지의 냉각이 도 6의 실시예에 대해서 어떻게 개선되어지는 것을 도시하는 본 발명에 다른 3-순환 열 교환기의 열 교환기 플레이트의 평면도
도 8은 가열유체(heating fluid)를 위한 중앙 유입구(central inlet)를 가진 3-순환 열 교환기의 열 교환기 플레이트의 평면도
도 9는 뜨거운 유체를 위한 유입구 내의 플레이트 플랜지의 냉각이 도 8의 실시예에 대해서 어떻게 개선되어지는지를 도시하는 본 발명에 따른 3-순환 열 교환기의 열 교환기 플레이트의 평면도
도 10은 하나의 냉각유체(cooling fluid)와 두개의 가열유체(heating fluid)사이에서 열이 교환되어지는 3-순환 열 교환기의 열 교환기 플레이트를 도시하는 평면도
도 11은 두개의 가열 유체를 위한 유입구 내의 플레이트 플랜지의 냉각이 도 10의 실시예에 대해서 어떻게 개선되어지는지를 도시하는 본 발명에 따른 3-순환 열 교환기의 열 교환기 플레이트를 도시하는 평면도
도 12는 도 11의 선 Y-Y를 따라서 취해진 수직 단면도
도 1에서 도시된 공지된 열 교환기 플레이트(heat exchanger plate, 1)는, 도면부호 (2)로서 개략적으로 도시되어지고 표기되어진, 프레스된 갈매기(chevron) 패턴의 융기부(ridge)와 오목부(depression)가 제공되어진다. 플레이트(1)는 위쪽으로부터 도시되어지고 상부면(upper side)은 냉각수(cooling water)의 흐름을 제한하도록 적용되어지나, 다른쪽 면은 예를 들어 1300℃의 온도를 가지는 뜨거운 가스(hot gas)의 흐름을 제한하도록 적용되어진다. 플레이트(1)는 네 개의 구멍(3-6)이 제공되어지며, 구멍(3)은 고온 유체를 위한 유입구(inlet)이며, 구멍(4)은 냉각수를 위한 배출구(outlet)이고, 구멍(5)은 고온유체를 위한 배출구이고, 구멍(6)은 냉각수를 위한 유입구이다. 일반적으로 고온 유체를 위한 유입구(3)는 배출구(5)보다 큰 것이 바람직하다.
플레이트(1)를 따른 냉각수(cooling water)의 흐름은 다수의 화살표(7,8)에 의해서 표시되어지며, 더 큰 화살표(7)는 더 큰 질량의 흐름 방향을 나타내나, 화살표(8)는 상당히 작은 질량의 흐름의 방향을 나타낸다. 구멍(3)은 플레이트(1)의 원형 가장자리(edge, 9)에 의해서 제한되어지며, 상기 플레이트의 원형 가장자리는 플레이트(1)의 코너(13)를 경계로 하는 선(11)과 가장자리(9) 사이의 링(ring) 형상의 부위(10)를 따라서 - 도 1에서는 도시되지 않은 - 인접한 열 교환기 플레이트에 납땜(solder)되어진다. 서로 납땜되어지는 두개의 플레이트의 링 형상의 부위(10)는, 양쪽 측면 상에서 뜨거운 가스에 의해서 접촉되어지고 냉각수에 노출된 인접한 플레이트 부분에 열을 전달함에 의해서 냉각되어지는 플랜지(flange)를 형성하게 된다.
그러나, 냉각수의 흐름은 도 1에서 해치(hatching)에 의해서 도시된 플레이트(1)의 부분(12)을 따라서 매우 느리게 된다. 따라서, 부위(10)에서 플레이트를 상호 연결하도록 사용된 구리(copper) 또는 니켈(nickel)로 되는 납땜재료(soldering material)와 부위(10) 내의 플레이트 재료들은 납땜재료에 의해서 설정된 제한(limit)을 초과하고 열 교환기 플레이트의 재료 내의 높은 온도 구배(gradient)와 종종 연결되어지는 높은 온도에 도달하게 된다. 이러한 것은 재료 의 피로(fatigue)를 야기시킬 수 있고, 따라서 열 교환기의 사용수명을 상당히 감소시킨다.
도 2와 도 3은 본 발명에 따른 디자인을 이용함으로써 상기한 단점이 어떻게 상당한 정도까지 회피되어질 수 있는지를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 열 교환기에서 사용되어지는 열 교환기 플레이트(heat exchanger plate, 21)를 도시한다. 도 1에서 이미 도시된 상세와 특징부와 상응하는 것은 대응되는 도면부호가 제공되어진다. 플레이트(21)는 위쪽으로부터 도시되어지고 냉각수는 그 상부면(upper side) 상에서 통과되어지는 뜨거운 가스(hot gas)는 그 하부면(lower side)을 따라서 흐르게 된다. 링(ring)의 일부로서 형성되어진 융기부(ridge, 22)는 융기부(2)의 꼭대기의 레벨로 위족방향으로 눌러진다. 상기 융기부(22)의 꼭대기는 - 도 3과 관련하여 아래에서 설명되어지는 - 인접한 플레이트 내의 대응되는 융기부의 꼭대기와 접촉하고, 링 형상의 부위(10)의 일부분에서 상기 플랜지와 융기부(22) 사이에서 위치된 분리된 채널(23)을 제한한다. 도 2에서 도시된 바와 같이, 채널(23)은 냉각수의 흐름을 위한 배출 개구부(outlet opening, 4)로부터 이격된 유입구(inlet, 24)와 상기 배출 개구부(4)에 인접한 배출구(outlet, 25)를 가진다. 채널(23)의 유입구(24)로 들어가는 냉각수의 흐름의 일부는 링 형상의 부위(10)의 일부에서의 상기 플랜지와 플레이트(21)의 인접한 코너(13) 사이의 채널(25)을 통해서 지나가게 된다. 유입구(24)의 위치에서 냉각유체(cooling fluid)의 압력은 배출구(25)의 압력보다 크게 되어져서, 채널(23,26)들을 통한 흐름을 보장한다.
도 3은 도 2에서 도시된 플레이트(21)의 꼭대기 상에 위치되어진 열 교환기 플레이트(31)를 도시하고 있다. 도 3은 위족으로부터 플레이트(31)를 도시하고 있고, 냉각수(cooling water)는 그 하부면(lower side)을 따라서 통과하게 된다. 당해 분야에서 공통적인 실무로서, 플레이트(31)의 갈매기형 패턴(2)은 도 2의 플레이트의 갈매기형 패턴에 반대되는 방향으로 되어진다. 상기에서 언급되고 링(ring)의 일부로서의 형태를 가진 융기부(ridge)는 도면부호 (32)에 의해서 표시되어지고, 도 2에서 도시된 융기부(22)의 꼭대기에 접촉하도록 아랫방향으로 눌러진다. 따라서 두개의 구부러진 융기부(22,32)들은 채널(23)을 서로 제한한다. 채널 유입구(24)와 채널 배출구(25)는 도 3에서 다시 도시되어진다.
도 4는 본 발명에 다른 열 교환기를 통한 수직 단면도를 도시하고 있으며, 상기 단면도는 도 2와 도 3의 선 X-X를 따라서 취해진다. 도시된 교환기는 서로 접촉하는 부분 및 부위에서 서로 납땜되어진 얇은 금속 플레이트의 플레이트를 형성하는 열 개의 채널을 도시한다. 도 4에서 도시된 바와 같이, 교환기는 더 두꺼운 단부 플레이트 - 상부 단부 플레이트(101)와 하부 단부 플레이트(102) - 가 제공되어진다. 상부 단부 플레이트(101)는 각각 가열된 냉각수를 배출시키기 위한 뜨거운 가스 흐름을 제공하기 위한 공급원(source)으로의 연결을 위한 피팅부(fitting, 103,104)를 가진다. 도면부호(105,106)는 간격링(distance ring)을 위하여 사용되어진다. 열 교환 흐름은 다른 해치(hatching)가 제공되어진다.
냉각수를 위한 채널(23,26)은 납땜된 연결부 및 뜨거운 가스의 흐름에 노출된 플레이트 부분, 예를 들어 채널 형성 플레이트의 링 형상 부위(10)에 의해서 형성된 플랜지 근처에 위치되어져서, 플랜지 내의 재료와 납땜재료의 최대 온도를 낮추는 것이 이해되어진다.
부위(10) 근처의 플레이트 내의 오목부에 의해서 설정된 채널(23,26)의 높이는, 높은 온도의 유체의 흐름을 차단하기 위하여, 융기부(22) 또는 오목부(32)의 높이보다 작아야만 하는 것이 이해되어져야만 한다.
도 5는 도 4의 채널 형성 플레이트의 일부를 분리되게 이격되게 도시하고 있다. 도 2에서 도시된 플레이트에 대응되는 형상을 가진 플레이트는 A로 표시되어지고, 도 3의 플레이트에 대응되는 형상을 가진 플레이트는 B로 표기되어진다. A 타입 플레이트의 구부러진 융기부(22)의 높이와 B 타입 플레이트의 대응되는 구부러진 오목부(32)의 높이는 플레이트의 갈매기 패턴(2)의 융기의 높이와 동일하게 되어야만 한다. 뜨거운 가스의 흐름 및 냉각수의 흐름은 단일의 화살표로써 각각 이중으로 도시되어진다.
상기에서 기술되고 도 2 내지 도 5에서 도시된 장치는 거주하는 집을 가열하기 위한 보일러보다는 다른 열 교환 목적을 위하여 사용되어질 수도 있는 것이 이해되어진다. 열 교환기 흐름들 중 하나가 뜨거운 유체에 의해서 유입되어지는 포트 구멍(port hole)들 근처에 위치된 재료를 해롭게 할 수도 있는 높은 온도를 가지는 뜨거운 유체가 되는 모든 적용분야를 위해서도 장점적으로 사용되어질 수도 있다.
도 2 내지 도 5는 2-순환(circuit) 열 교환기에 적용되어지는 발명을 도시하고 있다. 도 6은 3-순환(circuit) 열 교환기 내에서 사용되어진 뜨거운 유체를 위한 유입 개구부(inlet opening) 속으로 연장구성되는 플레이트 플랜지를 냉각하는 문제점을 도시하고 있다. 이러한 타입의 공지된 교환기는 예를 들어 미국특허 제6,305,466호에서 기술되어진다. 이러한 타입의 교환기에서, 가열 유체(heating fluid)는 두개의 분리된 낮은 온도 유체에 의해서 냉각되어진다. 두개의 냉각흐름 각각은 가열유체를 위한 포트구멍(port hole)들 둘레를 납땜(soldering)하고 가열유체를 위한 포트구멍 속으로 연장구성되는 플랜지(flange)를 형성함에 의해서 상호연결 되어지는 플레이트들의 쌍에 의해서 제한되어진다. 일반적으로 가열 유체를 위한 유입구 및 배출구는 두개의 냉각유체를 위한 배출구와 유입구들 사이에서 배열되어진다. 유입구(6) 및 배출구(4) 사이의 냉각유체의 흐름은 해치(hatching)에 의해서 표시된 부위에서 다소 느리게 되는 것이 이해되어진다.
도 7에서 도시된 바와 같이, 공통의 유입구(24) 및 배출구(25)를 가지는 별 개의 채널(23,26)들이 제공되어지며 융기부(ridge, 22)에 의해서 부분적으로 제한되어진다. 따라서, 뜨거운 유체(hot fluid)의 유입구 포트(inlet port, 3) 속으로 연장구성되는 플랜지를 형성하는 플레이트 부위(10)의 냉각은 도 2 내지 도 5의 설명과 관련하여 상기에서 언급된 냉각과 유사한 방식으로 개선되어진다. 도면부호(27)에 의해서 표시된 부위는 융기부(22)의 높이로 눌러진(pressed) 플레이트 부위이다. 부위(27)는 특별히 냉각되어질 필요는 없는 것이 주목된다.
도 8은 중앙 유입구 포트(inlet port, 3)와 두개의 배출구 포트(outlet port, 5)를 가지는 가열흐름(heating flow)은 유입구(inlet, 6,6')와 배출구(outlet, 4,4')를 가지는 두개의 냉각흐름으로써 열 교환하는 것을 도시하고 있다. 냉각흐름은 도 8에서 도시된 해치(hatching)된 부위를 따라서 다소 빈약하게 된다.
도 9에서 도시된 바와 같이, 냉각흐름(cooling flow)은 채널(23,26)을 제공하고 공통의 유입구(24)와 공통의 배출구(25)를 가지며 융기부(ridge, 22,22')에 의해서 부분적으로 제한되어짐에 의해서 가열유체의 유입구(3) 둘레에서 개선되어질 수 있다.
도 10은 두개의 가열유체를 냉각하기 위한 단일의 냉각유체를 가지는 3-순환(circuit) 열 교환기의 가열유체를 위한 두개의 유입구를 냉각하는 문제점을 도 시하고 있다. 도 10에서 도시된 해치된 부위는 냉각유체의 낮은 속도 때문에 빈약한 냉각을 가진 부위를 도시하고 있다.
도 11은 앞서 기술된 본 발명의 실시예의 방법과 유사한 방법으로 냉각이 어떻게 개선되어질 수 있는지를 도시하고 있다. 유사한 특징부들은 대응되는 도면부호가 제공되어진다. 더욱 잘 이해하기 위하여, 도 12는 도 11의 선 Y-Y를 따른 수직 단면도를 도시한다.
도 12에서는, 단일의 냉각유체 뿐만 아니라 두개의 가열유체 각각은 특별한 해치(hatching)가 제공되어진다. 채널(23,26)은 플랜지(10)에 가까이 있다. 각각의 플랜지는 서로 납땜되어진 네 개의 플레이트 부분으로 구성된다.

Claims (7)

  1. 다수의 적층된 열 교환기 플레이트(heat exchanger plate, 21,31)들을 포함하며, 상기 각각의 열 교환기 플레이트들은 (a) 고온유체(high temperature fluid)를 위한 유입 개구부(inlet opening, 3)와, (b) 냉각유체(cooling fluid)를 위한 배출 개구부(outlet opening, 4)와, (c) 고온유체를 위한 배출 개구부(outlet opening, 5)와, 그리고 (d) 냉각유체를 위한 유입 개구부(inlet opening, 6)를 포함하며, 적층된 열 교환기 플레이트들은 두개이상의 열 교환 유체(heat exchanging fluid)들을 위한 채널(channel)들을 제한하고, 냉각유체를 위한 채널들을 제한하는 플레이트들의 쌍(pair)들은 고온유체의 흐름의 유입구(inlet) 속으로 연장구성되는 플랜지(flange)들을 형성하도록 접촉부위(contact area, 10)를 따라서 서로 납땜되어지는, 하나이상의 고온유체(high temperature fluid)와 하나이상의 냉각유체(cooling fluid) 사이에서 열을 교환하도록 적용되어진 플레이트 열 교환기(plate heat exchanger)에 있어서,
    냉각유체(cooling fluid)를 위한 두개의 별개의 채널(channel, 23,26)들은 유입 개구부(inlet opening, 3)를 통하여 지나가는 상기 고온유체의 흐름(flow) 속으로 연장되는 플랜지(flange)를 구성하는 상기 접촉부위(contact area, 10)에 인접하게 제공되어지고, 냉각유체를 위한 상기 두개의 별개의 채널(channel, 23,26)들은 공통의 유입구(inlet, 24)와 그리고 공통의 배출구(outlet, 25)가 제공되어지고, 상기 공통의 유입구(inlet, 24)들은 상기 공통의 배출구(outlet, 25) 보다 더 높은 흐름 압력위치에서 위치되어지고, 상기 채널(23,26)들 중 하나는 냉각유체를 위한 채널을 제한하는 상기 플레이트들의 쌍들을 형성하는 상기 플레이트(21,31)들 중 하나 내에 프레스된 융기부(ridge, 22)에 의해서 부분적으로 제한되어지고, 상기 프레스된 융기부(ridge, 22)는 상기 플레이트들의 쌍(21,31)들 내의 다른 플레이트 상에서 대응되는 융기부(ridge, 32)와 접촉하도록 적용되어지고, 상기 프레스된 융기부(ridge, 22)에 인접하는 상기 하나의 채널(23)들은 상기 프레스된 융기부(22) 보다 더 낮은 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 플레이트 열 교환기
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 열 교환기 플레이트(heat exchanger plate) 내에서 상기 고온 유체(high temperature fluid)의 흐름(flow)을 위한 상기 유입 개구부(inlet opening, 3)는 상기 고온유체를 위한 배출 개구부(outlet opening, 5) 보다 더 큰 면적인 것을 특징으로 하는 플레이트 열 교환기
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 가스(gas)가 상기 고온유체(high temperature fluid)로서 적용되어지는 것을 특징으로 하는 플레이트 열 교환기
  4. 제 1 항에 있어서, 각각의 열 교환기 플레이트(heat exchanger plate)들은 직사각형 형상이며, 열 교환 유체(heat exchanging fluid)를 위한 유입 개구부 및 배출 개구부(3-6)들은 상기 직사각형의 코너(corner) 근처에 위치되는 것을 특징으로 하는 플레이트 열 교환기
  5. 제 1 항에 있어서, 세 개의 열 교환유체(heat exchanging fluid)들을 위하여, (i) 하나의 가열하는, 고온 유체(high temperature fluid) 및
    (ii) 두 개의 냉각 유체(cooling fluid)가 구성되는 것을 특징으로 하는 플레이트 열 교환기
  6. 제 5 항에 있어서, 가열 유체(heating fluid)의 유입구(inlet, 3)는 두개의 냉각유체(cooling fluid)들 중 하나를 위한 배출구(outlet, 4)로부터 및 유입구(inlet, 6)로부터 이격하여 위치되는 것을 특징으로 하는 플레이트 열 교환기
  7. 제 1 항에 있어서, 세 개의 열 교환 유체(heat exchanging fluid)들을 위하여, (i) 두개의 가열 유체(heating fluid) 및 (ii) 하나의 냉각유체(cooling fluid)가 구성되고, 가열 유체를 위한 유입구(inlet, 3,3')와 배출구(outlet, 5,5')들은 냉각 유체를 위한 개구부(opening, 4,6)의 양쪽 측면 상에서 위치되는 것을 특징으로 하는 플레이트 열 교환기
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