KR101500064B1 - 열교환유닛 및 이를 포함한 판형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛은 열매체가 간접접촉에 의해 열교환되도록, 유입부와 배출부가 형성된 바디수단 및 상기 배출부에 제공되며, 상기 열매체가 균일하게 배출되도록, 상기 열매체의 배출을 가이드하는 균일배출수단을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 판형 열교환기는 상기 열교환유닛 및 적층된 하나 이상의 상기 열교환유닛 외부면에 부착되는 외부프레임을 포함할 수 있다.

Description

열교환유닛 및 이를 포함한 판형 열교환기{Heat exchanging unit and plate type heat exchanger having thereof}

본 발명은 열교환유닛 및 이를 포함한 판형 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열교환유닛의 배출부의 구조를 변경시켜, 열매체 배출시의 와류 발생을 방지하는 발명에 관한 것이다.

열기기, 냉동기기 등 관련 장치의 대다수가 열원으로부터 간접적으로 서로 다른 매체에 열을 공급하거나 반대로 열을 흡수하기 위해 열교환기를 사용하고 있다. 이러한 열교환기는 일반적으로 열교환이 이루어지는 매체의 종류에 따라, 액체/기체 열교환기, 기체/기체 열교환기 및 액체/액체 열교환기로 나누어진다.

이 중에서 액체와 액체 간의 열교환은 일반적으로 열전도성이 좋은 재료로 이루어진 전열관이 2개의 유로로 구성하고, 상기 2개의 유로가 전열판를 사이에 두고 서로 맞닿은 상태로 있기 때문에, 서로 다른 액체가 각기 유로를 지나면서 상대측에 열전달이 이루어지도록 한다. 즉, 간접첩촉에 의해 열교환을 할 수 있게 된다. 이때, 열교환기의 부피를 작게 하면서 열교환을 위한 접촉면적을 증가시키기 위해서 판형 열교환기가 사용되고 있다.

상기 판형 열교환기는 상기 열매체를 상기 전열판에 분배하기 위한 분배구조로써, 요철형 판형 열교환기와 채널형 판형 열교환기로 나누어진다.

즉, 열매체의 분배구조로써, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 판형 열교환기를 구성하는 열교환유닛(1')의 상기 열매체가 유입하는 유입부(11')와 상기 열매체가 배출되는 배출부(12') 사이의 전열판 양면 유로에 음각과 양각이 교대로 형성될 수 있는데, 이때 상기 분배구조의 형상이 채널 혹은 요철형상을 가지는 것이다.

한편, 상기 열교환유닛(1')은 상기 배출부(12')에서 외부의 출측노즐과 연결될 수 있는데, 이때 상기 열교환유닛(1')은 상기 출측노즐과 수직방향으로 결합될 수 있다.

그러나 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 배출부(12')에서 배출되는 열매체는 이동 방향의 급격한 변화로 인하여 와류(vortex: v)를 발생시키는 문제가 있다.

또한, 이로 인하여 출측노즐 부근에서 압력손실이 크게 증가하고, 충분히 발달된 유동이 존재하기 전까지는 유동이 불안정하기 때문에, 열매체에 이송력을 제공하는 펌프에 케비테이션(cavitation)이 발생하는 문제도 있다.

따라서, 전술한 문제점을 해결하기 위한 열교환유닛 및 이를 포함한 판형 열교환기에 대한 연구가 필요하게 되었다.

본 발명의 목적은 배출부에서 배출되는 열매체에 와류가 발생하는 것을 억제하여, 상기 열매체에 압력손실이 발생하는 것을 방지하는 열교환유닛 및 이를 포함한 판형 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛은 열매체가 간접접촉에 의해 열교환되도록, 유입부와 배출부가 형성된 바디수단 및 상기 배출부에 제공되며, 상기 열매체가 균일하게 배출되도록, 상기 열매체의 배출을 가이드하는 균일배출수단을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛의 상기 균일배출수단은 메쉬 형상 또는 십자 형상의 가이드부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛의 상기 균일배출수단은 상기 배출부의 중심방향으로 돌출되어 형성된 돌출부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛의 상기 돌출부는 상기 열매체가 배출되는 각도를 감소시키는 경사면을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 판형 열교환기는 상기 열교환유닛 및 적층된 하나 이상의 상기 열교환유닛 외부면에 부착되는 외부프레임을 포함할 수 있다.

본 발명의 열교환유닛 및 이를 포함한 판형 열교환기는 열매체가 배출되는 배출부에서, 상기 열매체의 유동을 가이드하여 와류가 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 열매체에서 와류가 발생하는 것을 방지함으로써, 상기 열매체의 유동을 위한 압력손실을 감소시킬 수 있는 이점도 발생하게 된다.

이에 의해, 상기 열매체의 유동이 정체에 됨으로써 생성될 수 있는 스케일의 발생을 방지할 수 있어, 상기 스케일의 발생에 의한 판형 열교환기의 내구성이 감소하는 것을 방지할 수 있는 이점도 있다.

또한, 와류 발생 방지에 의해 균일한 유동을 유지함으로써, 진동문제를 방지할 수 있는 것은 물론, 질량유량이 증가되고 전열성능 향상되어 판형 열교환기의 열효율이 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래의 판형 열교환기에서 와류가 발생하는 것을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛이 메쉬 형상의 가이드부재를 포함한 것을 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛이 십자 형상의 가이드부재를 포함한 것을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛이 돌출부를 포함한 것을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 판형 열교환기를 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

본 발명의 열교환유닛(1) 및 이를 포함한 판형 열교환기는 열교환유닛(1)의 배출부(12)의 구조를 변경시켜, 열매체 배출시의 와류(vortex: v) 발생을 방지하는 발명에 관한 것이다.

즉, 열매체가 배출되는 배출부(12)에서 상기 열매체의 유동을 가이드하여 와류(v)가 발생하는 것을 방지할 수 있는 것이다.

또한, 상기 열매체에서 와류(v)가 발생하는 것을 방지함으로써, 상기 열매체의 유동을 위한 압력손실을 감소시켜, 상기 열매체의 유동이 정체에 됨으로써 생성될 수 있는 스케일의 발생을 방지할 수 있어, 상기 스케일의 발생에 의한 판형 열교환기의 내구성이 감소하는 것을 방지할 수도 있다.

한편, 와류(v) 발생 방지에 의해 균일한 유동을 유지함으로써, 진동문제를 방지할 수 있는 것은 물론, 질량유량이 증가되고 전열성능 향상되어 판형 열교환기의 열효율이 향상시킬 수 있게 된다.

구체적으로, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛(1)이 메쉬 형상의 가이드부재(21)를 포함한 것을 개략적으로 도시한 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛(1)이 십자 형상의 가이드부재(21)를 포함한 것을 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛(1)은 열매체가 간접접촉에 의해 열교환되도록, 유입부(11)와 배출부(12)가 형성된 바디수단(10) 및 상기 배출부(12)에 제공되며, 상기 열매체가 균일하게 배출되도록, 상기 열매체의 배출을 가이드하는 균일배출수단(20)을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛(1)의 상기 균일배출수단(20)은 메쉬 형상 또는 십자 형상의 가이드부재(21)를 포함할 수 있다.

상기 바디수단(10)은 열매체가 흐를 수 있는 유로를 제공하는 역할을 한다. 이를 위해, 상기 바디수단(10)은 열교환부재(13) 및 개스킷(14)을 포함할 수 있다.

상기 열교환부재(13)는 상기 열매체가 흐를 수 있는 베이스 역할을 한다. 상기 열교환부재(13)는 복수 개가 적층되면서, 후술할 개스킷(14)에 의해 밀폐된 유로를 형성할 수 있게 된다.

상기 열교환부재(13)는 판재 형상을 하여 상기 열교환유닛(1)의 부피를 줄일 수 있다. 또한, 상기 열교환부재(13)의 재질은 열전달률이 높은 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 일례로써, 구리(Cu), 철(Fe), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금 등이 사용될 수 있다.

한편, 상기 열교환부재(13)의 내부면에는 상기 열매체와의 접촉면적을 넓히기 위해 요철을 형성하거나, 난류를 형성시키기 위해 딤플(dimple) 등을 형성할 수도 있다.

또한, 상기 열교환부재(13)에는 상기 열매체가 유입하기 위한 유입부(11) 및 상기 열매체를 배출시키기 위한 배출부(12)를 포함할 수 있다. 상기 배출부(12)에는 상기 열매체가 와류(v)의 발생 없이 배출되기 위해 후술할 균일배출수단(20)이 제공될 수 있다.

한편, 상기 열교환부재(13)는 일방향(E11, E12)으로 흐르는 고온의 열매체 및 타방향(E21, E22)으로 흐르는 저온의 열매체를 간접접촉에 의해 열교환시키기 위해, 복수층으로 적층될 수 있다. 이때, 상기 열교환부재(13)를 흐르는 고온 또는 저온의 열매체는 열교환효율을 높이기 위해, 서로 대향하는 방향으로 흐르는 것이 바람직하다. 즉, 서로 반대방향으로 상기 열교환부재(13)를 흐르며 열교환시키는 것이 바람직한 것이다.

또한, 상기 열교환부재(13)에는 온도가 상이한 두 종류이상의 열매체가 섞이지 않으며 흐르기 위해서, 유입부(11) 또는 배출부(12) 이외에 다른 온도의 열매체가 통과하기 위한 관통홀(15)이 형성될 수 있다.

상기 관통홀(15)은 다음층에 있는 열교환부재(13)에 열매체를 전달하는 역할을 하는 것이기 때문에, 해당 관통홀(15)이 형성된 열교환부재(13)의 유로로는 통하지 않도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 개스킷(14)은 상기 열교환부재(13) 사이에 기밀성을 확보하는 역할을 한다. 즉, 적층된 상기 열교환부재(13) 사이에 상기 개스킷(14)을 제공함으로써, 상기 열교환부재(13)만으로 확보할 수 없는 기밀성을 확보할 수 있는 이점이 있다.

이를 위해, 상기 개스킷(14)의 재질은 고무재질을 사용하여 적층된 상기 열교환부재(13) 사이에 탄력적으로 위치하는 것이 바람직하다. 상기 개스킷(14)은 상기 열교환부재(13)의 테두리를 따라 위치할 수 있도록 폐곡선을 이루는 형상을 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 바디수단(10)은 상기 열교환부재(13)뿐만 아니라, 상기 열교환부재(13)의 일면에 접하게 제공되며, 후술할 외부프레임과 접하게 제공될 수 있는 커버부재를 더 포함할 수 있으며, 상기 커버부재에도 유로를 형성할 수 있다. 즉, 상기 바디수단(10)은 상기 커버부재를 포함할 수 있고, 상기 커버부재 및 상기 열교환부재(13) 사이에 상기 개스킷(14)이 제공되어 밀폐된 유로를 형성할 수도 있게 된다.

상기 커버부재에는 상기 열매체를 위한 유입부(11), 배출부(12) 및 관통홀(15)이 형성될 수도 있으며, 재질도 상기 열교환부재(13)와 동일하게 열전달율이 좋은 구리(Cu), 철(Fe), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금 등이 사용될 수 있다.

또한, 상기 커버부재의 내부면에는 상기 열매체와의 접촉면적을 넓히기 위해 요철을 형성하거나, 난류를 형성시키기 위해 딤플(dimple) 등을 형성할 수도 있는 것도 상기 열교환부재(13)와 동일하다.

상기 균일배출수단(20)은 상기 바디수단(10)에서 배출되는 상기 열매체가 균일하게 배출되도록 가이드하는 역할을 할 수 있다. 즉, 상기 열매체를 균일하게 배출할 수 있도록, 상기 바디수단(10)의 배출부(12)에 제공된다면 본 발명의 균일배출수단(20)에 포함될 수 있는 것이다.

이와 같은, 균일유동수단의 실시예로써, 메쉬(mesh) 형상 또는 십자 형상의 가이드부재(21)가 있을 수 있다. 즉, 상기 열매체의 가이드를 위한 형상으로 제공되는 가이드부재(21)가 제공될 수 있는데, 상기 메쉬 형상 또는 십자 형상 이외에도 일자 형상 동심원 형상 등 다양한 가이드부재(21)의 형상이 있을 수 있다.

이와 같이 상기 열매체가 배출되는 배출부(12)에 상기 가이드부재(21)가 제공되는 경우에는, 상기 열매체는 상기 가이드부재(21)를 빠져나가기 위해 메쉬 형상 내지 십자 형상 등의 일정한 패턴으로 배출되게 유도될 수 있다.

이에 따라, 상기 열매체는 와류(v)가 초기에 발생하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 열매체가 상기 바디수단(10)에서 흐르는 방향에서 상기 배출부(12)로 배출되는 방향으로 유동 흐름이 급격하게 변화함으로써, 상기 배출부(12) 부근에서 와류(v)가 발생하게 되는데, 상기 가이드부재(21)가 상기 배출부(12)에 제공됨으로써, 상기 열매체의 와류(v)발생을 방지하게 되는 것이다.

또한, 상기 균일배출수단(20)은 다른 실시예로써 배출부(12)에 형성된 돌출부(22)를 제공할 수 있는데, 이에 대한 자세한 설명은 도 4를 참조하여 후술한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛(1)이 돌출부(22)를 포함한 것을 개략적으로 도시한 사시도로써, 도 4의 (a)는 돌출부(22)에 경사면(22a)이 형성되지 않은 실시예를 도시한 것이고, 도 4의 (b)는 돌출부(22)에 경사면(22a)이 형성된 실시예를 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛(1)의 상기 균일배출수단(20)은 상기 배출부(12)의 중심방향으로 돌출되어 형성된 돌출부(22)를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환유닛(1)의 상기 돌출부(22)는 상기 열매체가 배출되는 각도를 감소시키는 경사면(22a)을 제공할 수 있다.

즉, 상기 돌출부(22)는 상기 배출부(12)에 직접 형성되어 제공될 수 있으며, 상기 배출부(12)로 배출되는 열매체가 상기 돌출부(22)에 의해서 균일한 유동으로 가이드되며 배출되어 상기 열매체에 의한 와류(v)의 발생을 억제할 수 있게 되는 것이다.

이를 위해, 상기 돌출부(22)는 상기 배출부(12)의 중심방향으로 돌출되어 형성될 수 있으며, 상기 돌출부(22)의 내측 둘레방향으로 적어도 하나 이상이 형성되어 제공될 수 있다.

한편, 상기 돌출부(22)에는 경사면(22a)이 형성될 수 있다. 이는 상기 배출부(12)에서 상기 열매체가 배출될 때 유동방향의 급격한 변화에 의해 와류(v)가 형성되는 것이기 때문에, 상기 열매체가 배출되는 배출각도를 감소시켜 와류(v) 발생을 감소시키는 효과를 증대하기 위한 것이다.

상기 경사면(22a)은 테이퍼진 형상으로 제공되어, 직선 형태의 경사면(22a)이 제공될 수도 있고, 곡선 형태의 경사면(22a)이 제공될 수도 있다. 즉, 상기 열매체의 배출각도를 감소시키기 위해 제공되는 경사면(22a)이라면 본 발명에 포함될 수 있는 것이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 판형 열교환기를 개략적으로 도시한 분해 사시도로써, 이를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 판형 열교환기는 상기 열교환유닛(1) 및 적층된 하나 이상의 상기 열교환유닛(1) 외부면에 부착되는 외부프레임(2)을 포함할 수 있다.

즉, 복수의 상기 열교환유닛(1)을 적층하게 되면, 열교환할 수 있는 열매체의 양을 크게 하여, 빠른 열교환을 할 수 있는 효과가 있다. 즉, 열교환부재(13)를 적층한 열교환유닛(1a, 1b, 1c, 1d) 및 열교환부재(13)와 커버부재를 적층한 열교환유닛(1e) 중 적어도 하나 이상을 적층하여 빠른 열교환을 할 수 있는 것이다.

이를 위해, 복수 개가 적층된 상기 열교환유닛(1)의 외부면에는 외부프레임(2)이 결합할 수 있다. 전방프레임(2a)에는 열매체가 유입 또는 배출할 수 있는 전방프레임홀이 형성될 수 있고, 상기 전방프레임홀은 외부로 연결될 수 있다. 한편, 후방프레임(2b)은 상기 전방프레임(2a)과의 사이에 복수 개로 적층된 상기 열교환유닛(1)을 제공할 수 있다.

1 : 열교환유닛 2 : 외부프레임
10: 바디수단 11: 유입부
12: 배출부 13: 열교환부재
14: 개스킷 15: 관통홀
20: 균일배출수단 21: 가이드부재
22: 돌출부

Claims (5)

1. 열매체가 간접접촉에 의해 열교환되도록, 유입부와 배출부가 형성된 바디수단; 및
   상기 배출부에 제공되며, 상기 열매체가 균일하게 배출되도록, 상기 열매체의 배출을 가이드하는 균일배출수단;
   을 포함하며,
   상기 균일배출수단은,
   상기 배출부의 내측 가운데 부분은 중공으로 유지되며, 상기 배출부의 내측 벽면에 인접한 부분에서 유체 흐름을 유도하도록,
   상기 배출부의 중심방향으로 돌출되어 상기 배출부 내측 둘레방향으로 복수 개가 일정간격으로 형성되며, 상기 열매체가 배출되는 각도를 감소시키는 경사면을 제공하고,
   단면의 양변이 동일 길이로 형성된 돌출부;
   를 포함하는 열교환유닛.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항의 상기 열교환유닛; 및
   적층된 하나 이상의 상기 열교환유닛 외부면에 부착되는 외부프레임;
   을 포함하는 판형 열교환기.

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