KR101129897B1 - 플레이트 열 교환기 - Google Patents

Abstract

열 교환 흐름(heat exchanging flows)이 교환기 내의 포트 홀(port hole, 2)들을 포함하는 포트 채널들(11-12; 15-16)을 통해 흐를 때 혼합되는 것을 방지하기 위하여 이웃 플레이트들 주위에 림(rim, 17)들을 따라서 그리고 이웃 플레이트들(8, 9) 쌍들 내의 포트 홀들 주위에서 함께 납땜되어(braze) 지는 열 교환 매체(heat exchanging media)의 두 개 또는 그 이상의 흐름을 인도하기 위한 다수의 적층(stack) 플레이트들을 포함하는 플레이트 열 교환기(plate heat exchanger)에 있어서, 교환기를 배수할 수 있게 하기 위하여 열 교환기 내의 하나 이상의 포트 채널(port channel)들 내의 각각의 포트 홀들 주위 단부의 납땜 연결부가 일부는 (도면 부호 24 도 6; 도면 부호 26 도 8; 도면 부호 29 도 10) 플레이트들의 일반적 평면에 위치하는 플레이트들의 접촉 부분들 사이에서 위치되어 지는 반면에, 상기 포트 홀들 주위에 상기 단부들 주위의 나머지 납땜 연결부(도면 부호 25 도 6; 도면 부호 27 도 8; 도면 부호 30 도 10)는 단지 상기 원주의 림들(17)의 접촉 부분들 사이에서 설치되어(establish) 지는 플레이트 열 교환기이다.

Description

플레이트 열 교환기{A PLATE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열 교환 매체의 두 개 또는 그 이상의 흐름을 인도하기 위한 다수의 적층(stack) 플레이트들을 포함하는 플레이트 열 교환기(plate heat exchanger)에 관한 것으로, 상기 플레이트들은 열 교환 흐름(heat exchanging flows)이 교환기 내에 포트 홀(port hole)들을 포함하는 포트 채널을 통해 흐를 때 혼합되는 것을 방지하기 위하여 이웃 플레이트들 주위의 림(rim)들을 따라 그리고 이웃 플레이트들 쌍들 내의 포트 홀들 주위에서 함께 납땜되어 지는 것이다.

상기 유형의 열 교환기들은 예를 들어 가사용 또는/및 가열 목적을 위해 더운 물을 공급하기 위하여 주거에서 사용하기 위해 대규모 시리즈로 자주 제작되어 진다. 다른 응용들은 열 펌프와 에어컨에서의 사용을 포함한다.

상기 유형의 공지된 열 교환기들에 있어서 포트 홀(port hole)들 주위의 플레이트들 쌍들의 납땜은 포트 홀들 단부의 단일 평면(plan) 내에 위치한 링 형상의 지역에서 행해진다. 포트 홀들은 포트 홀들 주위에 확실한 실링(sealing)을 허용하기 위하여 적어도 교환기 외부 주위로부터 떨어져 있다. 포트 홀들 주위의 실링은 교환기 내의 다른 흐름을 연결하는 누수를 피하는데 기여 하고 그러한 누수는 탐지되기 어렵다. 플레이트들 주위 단부들을 따라 이웃 플레이트들을 연결하는 실링은 탐지되기 훨씬 더 쉽다.

상기 유형의 열 교환기들은 예를 들어 문헌 제 EP 1 394 291 A호, 문헌 제 US 4 987 955 A호 그리고 US 5 988 296 A호에 기술되어져 있다. 모든 상기 공지된 열 교환기들에 있어서 효과적인 클리닝을 달성하기 위하여 씻어 흔들어줄(flush and shake) 필요가 있다. 또한 열 교환기 부분은 열을 교환하는 최고 가능한 용량을 제공하지 않는다.

낮은 제작 비용 그리고 열 교환 용량에 비해 작은 외부 치수를 갖는 열 교환기들을 제공하는 것이 일반적으로 바람직하다. 교환기(exchanger)의 무게는 작아야 하며 플레이트들의 전체 열 교환 영역은 전체 영역의 높은 퍼센티지가 되어야 한다. 많은 경우에 있어서 간단한 방법으로 교환기를 클리닝할 수 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 상기 목적은 교환기를 배수(drain)할 수 있게 하기 위하여 열 교환기 내의 포트 채널들 중 하나에 있어서 적어도 각각의 포트 홀들 주위 단부의 납땜 연결부가 일부는 플레이트들의 일반적 평면 내에 위치하는 플레이트들의 접촉 부분들 사이에서 배열되어져 있는 반면에, 상기 포트 홀들 주위에 상기 단부들 주위의 나머지 납땜 연결부는 단지 상기 원주의 림(rim)들의 접촉 부분들 사이에서 설치되어져(eatablish) 있다고 위에서 기술된 열 교환기 유형에서 얻어질 수 있다.
본 발명은 비록 납땜 층(layer)이 열 교환 플레이트의 일반적 평면에 평행하지 않은 평면에 있는 경우에 포트 홀들 주위에 누수의 위험이 더 크다고 할지라도, 상기 누수의 위험은 쉽게 탐지될 수 있는 것으로 받아들여질 수 있다는 수용(acceptance)에 기초하고 있다.

본 발명은 첨부 도면을 참고로 아래에서 좀 더 상세히 설명되어 질 것이다.

도 1은 공지된 플레이트 열 교환기의 플레이트를 위로부터 개략적으로 도시한 도면

도 2는 도 1에 도시된 유형의 플레이트들의 적층(stack)을 가진 열 교환기를 통해 도 1의 선 x-x를 따른 부분을 개략적으로 도시한 단면도

도 3은 도 1에 도시된 유형의 플레이트들의 적층을 가진 열 교환기를 통해 도 1의 선 y-y를 따른 부분을 개략적으로 도시한 단면도

도 4는 플레이트들의 적층에 별도로 그려진 도 1에 도시된 유형의 두 개의 이웃 열 교환기 플레이트들의 사시도

도 5는 본 발명에 따른 열 교환기 플레이트를 위로부터 개략적으로 도시한 도면

도 6은 플레이트들의 적층에 별도로 그려진 도 5에 도시된 유형의 두 개의 이웃하는 열 교환기 플레이트들의 사시도

도 7은 본 발명에 따른 열 교환기 플레이트의 다른 실시예를 위로부터 개략적으로 도시한 도면

도 8은 플레이트 적층에 별도로 그려진 도 7에 도시된 유형의 두 개의 이웃 열 교환기 플레이트들의 사시도

도 9는 본 발명에 따른 열 교환기 플레이트의 다른 실시예를 위로부터 개략적으로 도시한 도면

도 10은 플레이트들 적층에 별도로 그려진 도 9에 도시된 유형의 두 개의 이웃 열 교환기 플레이트들의 사시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 입구(inlet) 포트 홀 2: 출구(outlet) 포트 홀

3, 4: 포트 홀(port hole) 5: 단부 플레이트(end plate)

6: 입구 튜브(tube) 7: 출구 튜브

8 내지 10: 열 교환 플레이트(heat exchanging plate)

11, 15: 입구 포트 채널(channel) 12, 16: 출구 포트 채널

13: 제 2 매체용 입구 튜브 14: 제 2 매체용 출구 튜브

17: 림(rim) 18, 19: 플레이트(8)의 접촉 영역

18 내지 21: 링 형상의 납땜 영역 20, 21: 링 형상의 영역

23: 플레이트 영역 24: 실링의 한 부분

25: 부분-원통형인 실링의 나머지 부분

26, 27: 실링 영역 28: 포트 홀

29: 실링 납땜 연결부(sealing braze connection)

30: 납땜 연결부

도 1에 개략적으로 도시된 열 교환기 플레이트(heat exchanger plate)는 제 1 열 교환 매체(heat exchanging medium)용 입구 포트 홀(inlet port hole, 1)과 상기 제 1 매체용 출구 포트 홀(outlet port hole, 2)이 제공되어 진다. 또한 제 2 열 교환 매체용 입구 포트 홀(3)과 출구 포트 홀(4)이 제공되어 진다. 플레이트는 주로 직사각의 외부 형태이고 종래 기술에서 일반적으로 행해지듯이 융기부(ridges)와 오목부(depressions)의-도 1에 완전히 도시 되지는 않았으나-압축된 헤링 본 패턴(herring bone pattern)이 제공되어 진다.

도 2는 도 1에 도시된 유형의 다수의 적층(stack) 플레이트를 포함하는 공지된 열 교환기를 통해 도 1의 선 x-x를 따라 취해진 수직 단면도를 개략적으로 도시한다. 교환기는 입구 튜브(6)와 출구 튜브(7)에 연결되는 단부 플레이트(end plate, 5)가 제공되어 진다. 단부 플레이트(5)에 가장 가까운 적층에 있는 세 개의 제 1 열 교환 플레이트들은 각각 도면 부호 (8), (9) 그리고 (10)에 의해 표시되어 진다. 적층의 각각의 열 교환 플레이트는 이웃 플레이트들에 비해 평면(plan)에서 180° 회전되어 있다. 플레이트 (9)와 (10) 사이의 공간은 교환기 플레이트들 서로서로 내의 모든 입구 포트 홀(1)을 통해 연장되는 위 입구 포트 채널(inlet port channel, 11)로부터 열 교환 플레이트들 서로서로 내의 모든 출구 포트 홀(2)을 통해 연장되는 상응하는 출구 포트 채널(12)까지 제 1 열 교환 매체의 흐름 부분을 제한할 것이다. 적층의 나머지 플레이트들의 쌍들 사이의 공간은 유사한 부분 흐름 을 인도할 것이다. 교환기를 통한 열 교환 매체의 제 1 흐름은 음영(hatching)에 의해 도시되어져 있다.

도 3은 도 1의 선 y-y를 따르는 것을 제외하고는 도 2의 단면과 유사한 단면이다. 도 2와 관련하여 이미 언급되고 도시된 열 교환기의 부품들은 대응되는 도면 부호가 제공되어 진다. 단부 플레이트(5)는 열을 교환하기 위한 제 2 매체용 입구 튜브(inlet tube, 13)와 상기 제 2 매체용 출구 튜브(outlet tube, 14)가 제공되어 진다. 입구 튜브(13)는 열 교환 플레이트들 서로서로 내의 모든 포트 홀(3)을 통해 지나가는 입구 포트 채널(15)과 통해 있다. 출구 튜브(14)는 열 교환기 플레이트들 서로서로 내의 모든 포트 홀(4)을 통해 지나가는 출구 포트 채널(16)과 통해 있다. 상기 제 2 매체는 플레이트 (8)과 (9) 사이의 공간과 도 3의 음영에 의해 도시된 제 1 열 교환 매체를 포함하는 플레이트들의 모든 다른 쌍들 사이의 공간을 통해서 위로 흐르게 된다.

도 2와 3에서 도시된 바와 같이, 모든 플레이트들은 플레이트 평면에 거의 수직하게 연장되는 주변의 림(rim, 17)이 제공되어 진다. 각각의 림(17)은 플레이트들 적층의 이웃 플레이트의 림(17)에 겹쳐질 것이고, 림의 납땜에 의해 유체의 외부 누수에 대비하여 실링(sealing)을 제공하게 된다. 상기 실링은 열 교환기에 기계적인 강도(mechanical strength)를 제공하게 된다.

도 2에서 도시된 바와 같이, 교환기를 통해 제 2 열 교환 매체의 흐름을 인도하는 플레이트들의 쌍들-예를 들어 플레이트 (8)과 (9)-은 플레이트(8)에 비해 평면에서 180° 회전된 플레이트(9)의 영역 (20)과 (21)과 접촉하는 플레이트(8)의 링 형상의 영역 (18)과 (19)를 따라서 함께 납땜되어 진다. 도 2와 도 3에 도시되어 있듯이 플레이트(8)의 접촉 영역 (18)과 (19)는 림(17)의 방향과 같은 방향으로 압축되나, 플레이트(9)의 접촉 영역 (20)과 (21)은 반대 방향으로 압축된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 교환기를 통해 제 1 열 교환 매체의 흐름을 인도하는 플레이트들의 쌍들-예를 들어 플레이트 (9)와 (10)-은 포트 홀 (3)과 (4) 주위에 링 형상의 영역 (20)과 (21)을 따라서 납땜에 의해, 평면에서 적층의 플레이트들을 서로서로 180° 회전시킨 후에 포트 홀 주위에 위치한 접촉 영역 (18)과 (19)에 연결되어 진다. 포트 홀(1-4) 주위의 납땜은 두 개의 열 교환 유체의 혼합을 방지하고, 교환기의 기계적 강도에 기여한다. 링 형상의 납땜 영역(18-21)은 도 1에 도시되어 있다. 영역 (18), (19)는 영역 (20), (21)의 방향과 반대 방향으로 오목하게(depress) 되어 있기 때문에, 열 교환기 플레이트들은 수직 중심선에 대해서 대칭적이지 않다. 헤링 본 패턴은 수평 중심선에 비해 대칭적 형태로부터 벗어나 있다.

도면 부호 (22)에 의해 표시되고, 교환기 플레이트와 림(17)들의 인접 부품 내의 포트 홀(3-6) 사이에 위치한 열 교환기의 용적은 열 교환 용량(heat exchanging capacity)을 갖지 않을 것이다.

도 4는 도 2와 3과 관련하여 위에서 이미 기술되었으나 더 큰 스케일로 별도로 그려지고 출구 포트 채널(12) 내의 포트 홀들 주위의 납땜 연결부 내에서 사용되어 지는 납땜 물질을 도시하는 플레이트 (8)과 (9)의 사시도이고, 상기 납땜 물질은 두 개의 플레이트들 사이에서 분리되어 위치되어 있다. 간격 D는 포트 홀의 기저 단부와 교환기의 바닥 사이에서 발생하는 것이 도 (1-4)로부터 이해될 것이다. 따라서 교환기 바닥으로부터 액체 매체를 제거하는 것이 쉽지 않고, 포트 채널과 교환기 바닥 사이의 열 교환기 용적은 열 교환에 기여하지 않는다.

도 5는 본 발명에 따른 교환기에서 사용되어 지는 열 교환기 플레이트를 개략적으로 도시한다. 종래 기술과 구별되는 본질적 차이는 플레이트 내의 포트 홀(1’, 2’, 3’ 그리고 4’)이 열 교환기 플레이트들의 코너 가까이에 위치되어 있다는 것이다. 상기 도면의 포트 홀들에서 밴드(band) 형상의 플레이트 영역(23)은 폐쇄된 평면 영역을 형성하지 않으나, 하부 포트 홀들의 하부 단부는 열 교환기의 바닥과 같은 레벨에 위치되어 있다. 따라서 두 개의 열 교환 매체의 어떠한 액체 상(phase)도 용이하게 배수되어 지고, 어떠한 가스 상도 배출되어 질 수 있을 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 두 개의 플레이트들과, 예를 들어 포트 홀들 (4’)와 (2’) 같은, 포트 홀들 주위의 납땜에 의해 서로 연결되어 져야 하는 도면 5에 도 시된 유형의 사시도이다. (별도로 그려진) 두 개의 플레이트들은 포트 홀(4’)의 부분을 경계 짓는 굽은 밴드 영역(23) 평면과 포트 홀(2’)의 부분을 경계 짓는 상응하는 굽은 밴드 영역 평면을 따라 납땜에 의해 서로 연결되어 진다. 포트 홀들의 나머지 실링(remaining sealing)은 두 개의 이웃 플레이트들 주변에 겹쳐지는 림(rim, 17)들의 부분 원통 영역을 납땜함으로써 유효하게 된다. 포트 홀들 주위에 실링을 하는 납땜 재료는 도 6에서 두 개의 플레이트들 사이에 검은 고체로써 별도로 도시된 형상을 갖게 된다. 플레이트들 사이에서 실링을 제공하는 납땜은 하나 이상의 평면, 플레이트 면에 평행한 면내에 위치되어 있는 실링의 한 부분(24)과 부분-원통형인(part-cylindrically) 실링의 나머지 부분(25)에서 유효하다고 이해된다.

도 7은 플레이트 내에 포트 홀들 중 하나-도면 부호 (2)로 표시된-가 플레이트 하부 단부로 연장되는 키(key) 홀의 형상을 갖는 플레이트를 도시한다.

도 8은 인접 플레이트들의 두 개의 키(key) 홀 형상의 포트 홀들 주위에서 실링 납땜 연결부의 형상을 도시하기 위하여 도 6에 상응한다. 두 개의 실링 영역(26), (27)이 도시되어 지는데, 상기 영역(27)은 림(17)의 표면 부분이고, 상기 영역(26)은 열 교환기 플레이트의 일반적 평면에 평행하게 향해져 있다. 두 개의 실링 영역은 서로에 수직한 평면 내에 위치되어 지는 것으로 이해된다.

도 7과 8에 도시된 플레이트들은 실질적으로 대칭적 형태로부터 벗어나 있다. 따라서 플레이트들은 적층 내에서 회전되지 않으나, 플레이트들의 두 개의 다른 유형들은 적층 내에서 교대로(alternating) 사용되어 져야 한다. 플레이트들의 일 유형에 있어서, 압축된 헤링 본 패턴(herring bone pattern)은 다른 유형의 압축된 패턴에 반대 방향으로 되어야만 한다.

도 9에 도시된 플레이트는 플레이트의 하부 림에 위치한 여분의 포트 홀(28)을 포함한다.

도 10은 종래의 포트 홀들을 연결시키는 일 평면으로 된 전형적 유형의 실링 납땜 연결부(29)와, 여분의 포트 홀(28)에 두 개 평면으로 된 납땜 연결부(30)를 도시한다.

도 9와 10에 도시된 것처럼 위치된 여분의 포트 홀(28)은 열 교환 매체들 중 하나-예를 들어 응축하기 쉬운 가스 매체-를 위한 전형적인 하부 포트 채널에 평행하게 작용하는 보충 포트 채널을 형성한다.

도 9와 10에 도시된 실시예에서 사용된 플레이트들은 두 개의 다른 유형이 있고, 적층에서 상대적으로 회전되어 지지 말아야 한다.

본 발명은 두 개의 순환 열 교환기들과 관련하여 기술되어져 있다. 그러나 교환기가 두 개 이상의 열 교환 순환을 포함할 수 있다고 이해될 수 있다. 교환기에 있어서 반대-방향뿐 만 아니라 평행 흐름에 적합하게 될 수 있다.

Claims (1)

1. 열 교환 흐름(heat exchanging flows)이 교환기 내의 포트 홀(port hole, 2)들을 포함하는 포트 채널들(11 내지 12 및 15 내지 16)을 통해 흐를 때 혼합되는 것을 방지하기 위하여 이웃 플레이트들 주위에 림(rim, 17)들을 따라서 그리고 이웃 플레이트들(8, 9) 쌍들 내의 포트 홀들 주위에서 함께 납땜되어(braze) 지는 열 교환 매체(heat exchanging media)의 두 개 또는 그 이상의 흐름을 인도하기 위한 다수의 적층(stack) 플레이트들을 포함하는 플레이트 열 교환기(plate heat exchanger)에 있어서, 교환기를 배수할 수 있게 하기 위하여 열 교환기 내의 하나 이상의 포트 채널(port channel)들 내의 각각의 포트 홀들 주위 단부의 납땜 연결부가 일부(24,26,29)는 플레이트들의 일반적 평면에 위치하는 플레이트들의 접촉 부분들 사이에서 위치되어 지는 반면에, 상기 포트 홀들 주위에 상기 단부들 주위의 나머지 납땜 연결부(25,27,30)는 단지 상기 원주의 림들(17)의 접촉 부분들 사이에서 설치되어(establish) 지는 것을 특징으로 하는 플레이트 열 교환기.

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