KR101211120B1 - 플레이트 채널형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체용 채널이 대응 형성된 상부기판과 하부기판을 일체로 부착시켜 유체통로가 기판상에 제공되도록 한 플레이트형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상부기판과 하부기판의 부착에 따라 형성되는 유체통로가 파형굴곡부에 의한 주름관통로가 되도록 함으로서, 기판을 따라 유동하는 유체의 열교환 표면적을 보다 넓게 확보토록 하고, 유체의 흐름에 불규칙적인 난류를 제공하여 열교환 성능 또한 향상시킬 수 있도록 하는 한편, 이러한 우수한 열교환 성능을 가지면서도 고온고압에 적용이 가능한 콤펙트한 열교환기를 제공할 수 있도록 하며, 이로 인하여 조선해양산업이나 우주항공분야에 걸쳐 보다 광범위하게 적용이 가능한 열교환기 제품을 제공할 수 있도록 한 플레이트 채널형 열교환기에 관한 것이다.

이를 위하여, 본 발명은 금속판이 되는 상부기판(2a)과 하부기판(2b)의 전면(全面)에 걸쳐 유체통로의 제공을 위한 상부채널(10a)과 하부채널(10b)이 대응 형성되고, 상기 상,하부기판(2a)(2b)이 서로 맞대어져 일체로 부착됨으로서 상,하부채널(10a)(10b)에 의하여 유체통로가 제공된 열교환용 기판(2)이 형성되며, 상기 기판(2)의 가장자리측에는 유체통로와 연통되는 유입관(4)과 배출관(5)이 제공된 플레이트형 열교환기(1)에 있어서, 상기 유체통로는 상부채널(10a)과 하부채널(10b)을 따라 일정한 간격을 두고 파형굴곡부(11)가 돌출 형성된 주름관통로(10)가 되며, 상기 파형굴곡부(11)의 폭은 1mm ~ 3mm가 되고, 파형굴곡부(11)의 돌출 깊이는 2mm ~ 4mm가 되며, 파형굴곡부(11) 사이의 간격은 3mm ~ 5mm가 되는 것을 특징으로 하고, 다른 실시예로서 상기 상부채널(10a)에 형성된 파형굴곡부(11)와 상기 하부채널(10b)에 형성된 파형굴곡부(11)는 주름관통로(10)의 길이 방향을 따라 서로 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 한다.

플레이트(Plate), 채널(Channel), 열교환기, 주름관, 파형굴곡부

Description

플레이트 채널형 열교환기{Plate channel type heat exchanger}

본 발명은 유체용 채널이 대응 형성된 상부기판과 하부기판을 일체로 부착시켜 유체통로가 기판상에 제공되도록 한 플레이트형 열교환기에 있어, 상기 유체통로가 파형굴곡부에 의한 주름관통로가 되도록 함으로서, 기판을 따라 유동하는 유체의 열교환 표면적을 보다 넓게 확보토록 하고, 유체의 흐름에 불규칙적인 난류를 제공하여 열교환 성능 또한 향상시킬 수 있도록 하는 한편, 이러한 우수한 열교환 성능을 가지면서도 고온고압에 적용이 가능한 콤펙트한 열교환기를 제공할 수 있도록 한 플레이트 채널형 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 조선해양이나 우주항공분야를 포함하는 각종 산업분야에 널리 사용되는 열교환기는 쉘엔튜브(Shell & Tube) 타입 또는 플레이트(Plate) 타입의 열교환기가 주종을 이루고 있으며, 쉘엔튜브 타입의 열교환기는 원통형 케이싱의 내부에 전열튜브가 삽입 설치된 구조이고, 플레이트 타입의 열교환기는 가스켓을 사이에 두고 전열판을 적층식으로 밀착시킨 구조이다.

전자에 해당하는 쉘엔튜브 타입의 열교환기는 고온고압 조건하에서 사용이 가능한 반면, 전열성능이 낮기 때문에 그 설치에 따른 중량과 부피가 크게 되는 단 점이 있고, 후자에 해당하는 플레이트 타입의 열교환기는 전열성능이 우수하여 소형화가 가능하다는 장점은 있으나, 가스켓을 적용하는 구조상 고온고압 조건하에서는 사용하기 어려운 단점이 있다.

상기와 같이 쉘엔튜브 타입과 플레이트 타입의 열교환기가 가지는 각각의 장점을 취하는 한편, 각각의 열교환기가 가지는 단점은 보완할 수 있도록 한 것으로서, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 플레이트 코일형 열교환기(Plate-Coil type heat exchanger)가 알려져 있다.

상기 플레이트 코일형 열교환기(1)는 도 1 및 도 2에 각각 도시되어 있는 바와 같이, 소정 두께의 금속판이 되는 상부기판(2a)과 하부기판(2b)의 전면(全面)에 걸쳐 유체통로(3)용 상부채널(3a)과 하부채널(3b)을 대응 형성시킨 다음, 이 상,하부기판(2a)(2b)을 서로 맞대어 용접시킴으로서, 상,하부채널(3a)(3b)에 의하여 파이프 형상의 유체통로(3)가 열교환용 기판(2)상에 제공되도록 한 것이다.

또한, 상기 기판(2)의 가장자리측(도면상 우측단)에는 유체통로(3)와 연통되는 유입관(4)과 배출관(5)이 설치되는 바, 상기 유입관(4) 및 배출관(5) 또한 유체통로(3)와 마찬가지로 그 1/2에 해당하는 부분이 상,하부기판(2a)(2b)의 단부측에 채널(Channel) 형식으로 형성된 상태에서, 상,하부기판(2a)(2b)의 부착에 따라 파이프 형태를 가지게 되는 것이다.

이와는 달리, 별도의 파이프형 배관구조물을 유체통로(3)와 연결시킴으로서 유입관(4) 및 배출관(5)이 기판(2)과 연결 설치되도록 할 수도 있으며, 유입관(4)과 배출관(5)의 단부측에는 다른 배관의 연결작업을 위한 플랜지(4a)(5a)가 설치되 는 한편, 각각의 유체통로(3)는 기판(2)의 양측단에서 상,하부채널(10a)(10b)과 동일한 방식으로 형성되는 집관부(6)에 의하여 연통되도록 설치됨으로서, 유입관(4)을 통하여 유입된 유체가 각각의 유체통로(3)를 거쳐 배출관(5)으로 배출될 수 있도록 이루어진다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 플레이트 코일형 열교환기(1)는, 얇은 기판(2)을 따라 유체통로(3)가 제공되어 있기 때문에, 기존의 플레이트 타입 열교환기가 가지는 우수한 전열성능과 소형화에 따른 장점을 취할 수 있음은 물론, 금속판이 되는 상,하부기판(2a)(2b)이 용접방식에 의하여 일체로 부착됨으로서, 쉘엔튜브 타입의 열교환기와 같이 고온고압 조건하에서도 사용이 가능하게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 플레이트 코일형 열교환기(1)는, 각각의 유체통로(3)가 단순한 파이프 형상을 가지고 있기 때문에, 기판(2)의 외부를 유동하는 유체(전열유체)와 기판(2)의 유체통로(3)를 따라 유동하는 유체(피전열유체) 사이의 열교환 표면적이 상대적으로 적게 되며, 이로 인하여 열교환기(1)의 전열성능이 기존의 플레이트 타입 열교환기보다 저조한 문제점이 있었다.

이와 더불어, 각각의 유체통로(3)가 단순한 파이프 형상을 가짐에 따라, 기판(2)을 거쳐 유동하는 유체 뿐만 아니라 기판(2)의 외부를 유동하는 유체 또한 매우 단조로운 흐름을 형성하게 되며, 이로 인하여 플레이트 코일형 열교환기(1)의 전열성능이 보다 더 저하되는 요인을 제공하는 문제점이 있었다.

상기와 같이 플레이트 코일형 열교환기(1)의 전열성능이 그다지 우수하지 못하기 때문에, 쉘엔튜브 방식의 열교환기보다는 소형화 된 제품을 제공할 수 있지 만, 기존의 플레이트 타입 열교환기와 비교하여서는 그 중량과 부피가 여전히 크게 되며, 이로 인하여 우주항공 산업분야에서 요구되는 수준의 콤펙트한 열교환기 제품을 제공하기는 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 의한 플레이트 채널형 열교환기는, 상부기판과 하부기판의 부착에 따라 형성되는 유체통로가 파형굴곡부에 의한 주름관통로가 되도록 함으로서, 기판을 따라 유동하는 유체의 열교환 표면적을 보다 넓게 확보토록 하고, 유체의 흐름에 불규칙적인 난류를 제공하여 열교환 성능 또한 향상시킬 수 있도록 하는 한편, 이러한 우수한 열교환 성능을 가지면서도 고온고압에 적용이 가능한 콤펙트한 열교환기를 제공할 수 있도록 하며, 이로 인하여 조선해양산업이나 우주항공분야에 걸쳐 보다 광범위하게 적용이 가능한 열교환기 제품을 제공할 수 있도록 하는 것을 그 기술적인 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서의 본 발명은, 금속판이 되는 상부기판과 하부기판의 전면에 걸쳐 유체통로의 제공을 위한 상부채널과 하부채널이 대응 형성되고, 상기 상,하부기판이 서로 맞대어져 일체로 부착됨으로서 상,하부채널에 의하여 유체통로가 제공된 열교환용 기판이 형성되며, 상기 기판의 가장자리측에는 유체통로와 연통되는 유입관과 배출관이 제공된 플레이트형 열교환기에 있어서, 상기 유체통로는 상부채널과 하부채널을 따라 일정한 간격을 두고 파형굴곡부가 돌출 형성된 주름관통로가 되며, 상기 파형굴곡부의 폭은 1mm ~ 3mm가 되고, 파형굴곡부의 돌출 깊이는 2mm ~ 4mm가 되며, 파형굴곡부 사이의 간격은 3mm ~ 5mm가 되는 것을 특징으로 하고, 다른 실시예로서 상기 상부채널에 형성된 파형굴곡부와 상기 하부채널에 형성된 파형굴곡부가 주름관통로의 길이 방향을 따라 서로 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 기판의 외부를 유동하는 유체와 기판을 통하여 유동하는 유체 사이의 열교환 표면적이 주름관통로에 제공된 파형굴곡부에 의하여 보다 더 넓게 확보되도록 하는 효과가 있으며, 이로 인하여 열교환기의 전열성능을 기존의 플레이트 타입 열교환기와 거의 동등한 수준으로 향상시키는 효과가 있다.

이와 더불어, 각각의 주름관통로가 파형굴곡부에 의하여 지그재그식의 복잡한 표면구조를 제공하기 때문에, 기판을 거쳐 유동하는 유체 뿐만 아니라 기판의 외부를 유동하는 유체가 주름관통로의 내,외측 표면과 충돌하여 난류에 가까운 불규칙한 흐름을 형성하게 됨으로서, 유체간의 열발산과 열회수 작용을 촉진시켜 열교환기의 전열성능을 향상시키는 측면에 한층 더 기여하는 효과가 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 플레이트 채널형 열교환기가 기존의 플레이트 타입 열교환기와 거의 동등한 수준의 전열성능을 가질 수 있기 때문에, 우수한 열교환 성능을 가지면서도 고온고압에 적용이 가능한 콤펙트한 열교환기를 제공할 수 있는 효과를 가지게 되며, 이로 인하여 조선해양산업이나 우주항공분야에 걸쳐 보다 광범위하게 적용이 가능한 열교환기를 제공할 수 있는 등의 매우 유용한 효과를 가지는 것이다.

이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 플레이트 채널형 열교환기(1)는 도 3 및 도 4에 각각 도시되어 있는 바와 같이, 소정의 두께, 바람직하게는 0.5mm ~ 2mm 두께의 금속판이 되는 상부기판(2a)과 하부기판(2b)의 전면(全面)에 걸쳐 유체통로용 상부채널(10a)과 하부채널(10b)을 대응 형성시킨 다음, 이 상,하부기판(2a)(2b)을 서로 맞대어 용접시킴으로서, 상,하부채널(10a)(10b)에 의하여 파이프 형상의 유체통로가 열교환용 기판(2)상에 제공되도록 한 것은 종래의 플레이트 코일형 열교환기(1)와 동일한 구성으로 이루어진다.

또한, 상기 기판(2)의 가장자리측(도면상 우측단)에는 유체통로와 연통되는 유입관(4)과 배출관(5)이 설치되도록 한 것과, 상기 유입관(4) 및 배출관(5)의 단부측에 다른 배관의 연결작업을 위한 플랜지(4a)(5a)가 설치되도록 한 것과, 기판(2)의 양측단에 제공된 집관부(6)에 의하여 각각의 유체통로가 연통되도록 한 기술적 구성 또한 종래의 플레이트 코일형 열교환기(1)와 동일하게 된다.

본 발명의 요부에 해당하는 구성요소로서는, 상,하부채널(10a)(10b)에 의하여 형성되는 파이프 형상의 유체통로가 상부채널(10a)과 하부채널(10b)을 따라 일 정한 간격을 두고 돌출 형성된 파형굴곡부(11)에 의하여 주름관통로(10)가 되도록 한 것이며, 도면상 배출관(5)과 연결되는 하나의 유체통로(3)는 주름관통로(10)로 형성되지 아니한 것으로 도시되어 있다.

그러나, 배출관(5)과 연결되는 유체통로(3) 또한 주름관통로(10)로 형성시킬 수 있음은 물론이고, 도 3에 도시된 바와 같이 각각의 주름관통로(10)를 평행하게 배치시킨 상태에서 집관부(6)에 의하여 각각의 주름관통로(10)가 연통되는 방식의 유로배치구조 뿐만 아니라, 도 5에 도시된 바와 같이 각각의 주름관통로(10)가 지그재그식으로 연이어지는 유로배치구조 또한 본 발명의 열교환기(1)에 적용될 수 있으며, 도 3 및 도 5에 도시된 형태 이외의 다른 유로배치구조 또한 본 발명의 열교환기(1)에 적용이 가능함을 밝혀두는 바이다.

상기 파형굴곡부(11)는 도 4의 확대된 부분에 보다 명확하게 도시되어 있는 바와 같이, 상,하부기판(2a)(2b)을 형성하는 금속판 자체가 상부채널(10a)의 상단면과 하부채널(10b)의 하단면으로부터 일정한 간격을 두고 소정의 높이만큼 돌출 형성되는 것이지만, 상기 파형굴곡부(11)가 상부채널(10a)과 하부채널(10b)의 표면을 따라 상,하 방향으로 굴곡되면서 연속적으로 연이어지는 파형(波形)의 표면을 제공토록 할 수도 있다.

상기와 같이 종래의 플레이트 코일형 열교환기(1)의 유체통로(3)를 주름관통로(10)로 형성시킨 본 발명의 플레이트 채널형 열교환기(1)에 의하면, 기판(2)의 외부를 유동하는 유체(전열유체)와 기판(2)을 통하여 유동하는 유체(피전열유체) 사이의 열교환 표면적이 주름관통로(10)에 제공된 파형굴곡부(11)에 의하여 보다 더 넓게 확보될 수 있으며, 이로 인하여 본 발명에 따른 열교환기(1)의 전열성능을 기존의 플레이트 타입 열교환기와 거의 동등한 수준으로 향상시킬 수 있게 된다.

이와 더불어, 각각의 주름관통로(10)가 파형굴곡부(11)에 의하여 지그재그식의 복잡한 표면구조를 제공하기 때문에, 기판(2)을 거쳐 유동하는 유체 뿐만 아니라 기판(2)의 외부를 유동하는 유체가 주름관통로(10)의 내,외측 표면과 충돌하면서 난류에 가까운 불규칙한 흐름을 형성하게 되며, 이로 인하여 유체간의 열발산과 열회수 작용을 촉진시켜 본 발명에 따른 열교환기(1)의 전열성능을 향상시키는 측면에 한층 더 기여할 수 있게 된다.

특히, 도 4에 보다 명확하게 도시되어 있는 바와 같이, 상부채널(10a)을 따라 형성되는 파형굴곡부(11)와 하부채널(10b)을 따라 형성되는 파형굴곡부(11)가 서로 엇갈리는 형식의 불규칙적인 배치구조를 가지도록 하면, 주름관통로(10)의 내부로 유동하는 유체(피전열유체)의 흐름을 더욱 복잡한 형태의 난류로 조성할 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 열교환기(1)의 전열성능을 향상시키는 측면에 보다 더 유리한 잇점을 제공하게 된다.

상기와 같이 본 발명에 따른 플레이트 채널형 열교환기(1)가 기존의 플레이트 타입 열교환기와 거의 동등한 수준의 전열성능을 가질 수 있기 때문에, 우수한 열교환 성능을 가지면서도 고온고압에 적용이 가능한 콤펙트한 열교환기를 제공할 수 있게 되며, 이로 인하여 조선해양산업이나 우주항공분야에 걸쳐 보다 광범위하게 적용이 가능한 열교환기 제품을 제공할 수 있게 되는 것이다.

마지막으로, 본 발명에 따른 플레이트 채널형 열교환기(1)에 있어, 상기 파 형굴곡부(11)의 폭은 1mm ~ 3mm가 되도록 하고, 파형굴곡부(11)의 돌출 깊이는 2mm ~ 4mm가 되도록 하며, 파형굴곡부(11) 사이의 간격은 3mm ~ 5mm가 되도록 하는 것이 바람직하며, 상기 각각의 치수는 상,하부기판(2a)(2b)의 소재가 되는 금속판의 두께를 포함시키지 아니한 것이다.

다시 말해서, 파형굴곡부(11)의 폭은 주름관통로(10)의 길이 방향을 기준으로 하여 각각의 파형굴곡부(11)가 형성하는 최대폭이 되고, 파형굴곡부(11)의 돌출 깊이는 상,하부채널(10a)(10b)의 내측면을 기준으로 하여 각각의 파형굴곡부(11)가 돌출되는 최대 깊이를 말하는 것이며, 파형굴곡부(11) 사이의 간격은 각 파형굴곡부(11)의 중심점, 즉 파형굴곡부(11)의 꼭지점 사이의 간격이 된다.

상기와 같이 파형굴곡부(11)의 치수를 한정하는 이유는, 본 발명에 따른 열교환기(1)의 경우, 소정의 두께 즉, 0.5mm ~ 2mm 정도의 두께를 가지는 금속판을 프레싱 가공에 의하여 상,하부기판(2a)(2b)으로 성형시킨 다음, 이 상,하부기판(2a)(2b)을 맞대어 용접하는 것이므로, 상,하부기판(2a)(2b)의 성형 측면과 열교환기(1)의 열교환 성능 측면을 동시에 고려한 것이라 볼 수 있다.

다시 말해서, 상기 파형굴곡부(11)의 폭과 깊이가 각각 1mm와 2mm 미만이 되고, 파형굴곡부(11) 사이의 간격이 5mm를 초과하게 되면, 각각의 파형굴곡부(11)가 제공하는 주름관통로(10)에 의한 전열유체와 피전열유체 사이의 전열성능을 요구하는 수준으로 향상시키기 어렵게 된다는 것이다.

이와는 달리, 파형굴곡부(11)의 폭과 깊이가 각각 3mm와 4mm를 초과하는 한편, 파형굴곡부(11) 사이의 간격이 3mm 미만이 되면, 금속판의 프레싱 가공에 의하 여 상,하부기판(2a)(2b)에 주름관통로(10)를 형성시키는 작업이 까다롭게 됨은 물론이고, 프레싱 가공시 상,하부기판(2a)(2b)의 표면에 가공결함이 발생하여 열교환기(1) 제품의 품질을 저하시킬 우려가 있다.

도 1은 종래의 플레이트형 열교환기를 나타내는 평면도.

도 2는 도 1의 측면도.

도 3은 본 발명에 따른 플레이트 채널형 열교환기를 나타내는 평면도.

도 4는 도 3의 A-A선 단면도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플레이트 채널형 열교환기를 나타내는 평면도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 열교환기 2 : 기판 2a : 상부기판

2b : 하부기판 3 : 유체통로 3a,10a : 상부채널

3b,10b : 하부채널 4 : 유입관 4a,5a : 플랜지

5 : 배출관 6 : 집관부 10 : 주름관통로

11 : 파형굴곡부

Claims (3)

1. 금속판이 되는 상부기판(2a)과 하부기판(2b)의 전면(全面)에 걸쳐 유체통로의 제공을 위한 상부채널(10a)과 하부채널(10b)이 대응 형성되고, 상기 상,하부기판(2a)(2b)이 서로 맞대어져 일체로 부착됨으로서 상,하부채널(10a)(10b)에 의하여 유체통로가 제공된 열교환용 기판(2)이 형성되며, 상기 기판(2)의 가장자리측에는 유체통로와 연통되는 유입관(4)과 배출관(5)이 제공된 플레이트형 열교환기(1)에 있어서,

   상기 유체통로는 상부채널(10a)과 하부채널(10b)을 따라 일정한 간격을 두고 파형굴곡부(11)가 돌출 형성된 주름관통로(10)가 되며,

   상기 파형굴곡부(11)의 폭은 1mm ~ 3mm가 되고, 파형굴곡부(11)의 돌출 깊이는 2mm ~ 4mm가 되며, 파형굴곡부(11) 사이의 간격은 3mm ~ 5mm가 되는 것을 특징으로 하는 플레이트 채널형 열교환기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 상부채널(10a)에 형성된 파형굴곡부(11)와 상기 하부채널(10b)에 형성된 파형굴곡부(11)는 주름관통로(10)의 길이 방향을 따라 서로 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 하는 플레이트 채널형 열교환기.
3. 삭제

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