KR101537876B1 - 열 교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 주름진 패턴을 갖는 복수의 열 교환기 플레이트와, 전방 커버 플레이트와, 후방 커버 플레이트를 포함하는 열 교환기에 관한 것으로서, 열 교환기 플레이트는 서로에 대해 그리고 전방 커버 플레이트와 후방 커버 플레이트에 대해 고정식으로 부착되고, 전방 및/또는 후방 커버 플레이트는 복수의 연결 포트를 포함하고, 커버 플레이트 내의 연결 포트는 커버 플레이트와 동일한 재료로 형상화된 외향으로 연장되는 칼라를 포함한다. 이러한 열 교환기의 장점은 제조 공정이 더 효과적이고 열 교환기의 하나의 변형만 비축된다는 것이다.

Description

열 교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 복수의 신규 연결부를 포함하는 열 교환기에 관한 것이다.

플레이트 열 교환기는 다수의 상이한 목적을 위해 상이한 산업 분야에 사용된다. 열 교환기는 종종 플레이트가 하나 걸러 180도 회전된 상태로 장착되어 유체용 2개의 상이한 채널, 냉각 매체용 일 채널과, 냉각될 생성물용 일 채널을 형성하는 한가지 형태의 플레이트를 포함한다. 예를 들어, 열 교환기 플레이트가 스테인리스 강으로 만들어지는 구리 브레이징된(copper brazed) 열교환기에서, 완성된 플레이트 패키지는 함께 브레이징된다. 이는 플레이트의 에지 둘레에 브레이징된 구리 실링(sealing)을 형성한다. 동시에, 플레이트들 사이의 접촉 지점 또한 브레이징되며, 이는 열 교환기가 고압과 고온의 영향을 견디는 것을 돕는다.

또한, 열 교환기는 열 교환기 플레이트보다 두꺼운 시트 금속(sheet metal)으로 만들어진 후방 커버 플레이트와 전방 커버 플레이트를 포함한다. 커버 플레이트의 목적은 열 교환기에 안정성을 제공하고 브래킷 등을 위한 장착 위치를 제공하기 위함이다. 또한, 전방 및/또는 후방 커버 플레이트는 열 교환기가 적용되는 유체용 연결 포트를 포함할 것이다. 열 교환기는 다수의 상이한 표준 연결부로 공급받을 수 있다. 연결부는 커버 플레이트에 구리 브레이징된다. 열 교환기 플레이트와 연결부는 동일한 브레이징 공정으로 브레이징된다. 완성된 열 교환기의 브레이징은 일반적으로 가열된 오븐에서 이루어지며, 오븐 내에서 열 교환기는 브레이징 재료의 녹는점(melting point)보다 높게 가열된다.

열 교환기를 비용 효과적인 방법으로 생산하기 위해, 가능한 한 많은 열 교환기가 오븐 내로 패킹된다. 연결부는 커버 플레이트로부터 외향으로 연장되기 때문에, 연결부는 오븐의 사용가능한 체적을 감소시킬 것이다. 일부 경우에, 연결부의 높이는 열 교환기 몸체의 높이와 동일한 크기를 가지며, 이는 동시에 브레이징될 수 있는 열 교환기의 개수가 반으로 감소된다는 것을 의미한다.

따라서, 개선된 브레이징된 열 교환기에 대한 요구가 존재한다.

따라서, 본 발명의 목적은 더 융통성 있고 비용 효율적인 생산을 가능하게 하는 개선된 브레이징된 열 교환기를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 열 교환기의 변형(variant)의 개수를 감소시키는 개선된 브레이징된 열 교환기를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 소비자가 연결하기 더 쉽고 값싼 열 교환기를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 더 융통성 있고 비용 효율적인 브레이징된 열 교환기의 생산 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 문제점 해결책은 청구항 제1항의 특징 부분에 설명된다. 청구항 제2항과 제3항은 열 교환기의 유리한 실시예를 포함한다. 청구항 제4항과 제5항은 브레이징된 열 교환기를 생산하기 위한 유리한 방법을 포함한다.

주름진 패턴을 갖는 복수의 열 교환기 플레이트와, 전방 커버 플레이트와, 후방 커버 플레이트를 포함하는 열 교환기로서, 열 교환기 플레이트는 서로에 대해 그리고 전방 커버 플레이트와 후방 커버 플레이트에 대해 고정식으로 부착되고, 전방 및/또는 후방 커버 플레이트는, 커버 플레이트와 동일한 재료로 형상화된 외향으로 연장된 칼라(collar)를 포함하는 복수의 연결 포트를 포함하고, 열 교환기는 칼라들 중 하나에 고정식으로 부착된 연결 튜빙(connection tubing)을 더 포함하는, 열 교환기에 있어서, 본 발명의 목적은, 연결 튜빙이 열 교환기 플레이트를 위한 브레이징 재료보다 낮은 녹는점을 갖는 브레이징 재료를 사용하여 칼라에 브레이징됨으로써 달성된다.

열교환기의 이러한 제1 실시예에 의해, 기존 생산 라인에서 증가된 생산 능력을 가능하게 하는 열 교환기가 제공된다. 또한, 열 교환기의 일 형태만 생산되고 비축될 수 있다는 점에서 열 교환기의 상이한 변형의 생산이 개선된다. 연결부는 열 교환기의 생산 후에 적용되기 때문에, 융통성 있고 비용 효율적인 제조 해결책이 얻어진다.

연결부가 적용될 수 있는 칼라를 갖는 장점은, 연결부가 열 교환기 플레이트의 접촉 지점에 영향을 주지 않는 방식으로 적용될 수 있다는 것이다. 이러한 방식에서, 열 교환기의 생산 후에 연결부를 적용하는 것이 가능하다. 이는 제조자가 생산된 열 교환기의 오직 하나의 형태로 많은 연결부의 변형을 지원할 수 있게 만든다. 바람직하게는 연결부는 유도 브레이징(induction brazing)으로 적용된다.

본 발명에 따르면, 연결 튜빙은 열 교환기 플레이트용 브레이징 재료의 녹는점보다 낮은 녹는점을 갖는 브레이징 재료를 사용하여 칼라에 브레이징된다. 이는, 열 교환기 플레이트와 커버 플레이트가 하나의 작업으로 브레이징되고 연결 튜빙은 다른 작업으로 브레이징될 때 유리하다. 연결부의 브레이징에 더 낮은 녹는점이 사용됨으로써 열 교환기 플레이트의 언브레이징(un-brazing) 접촉 지점의 위험을 감소시킬 것이다. 이의 다른 장점은 스테인리스 강으로 만들어진 연결부를 사용하는 대신 구리로 만들어진 연결부가 사용될 수 있다는 것이다.

브레이징된 열 교환기의 조립 방법에서, 열 교환기 플레이트와 커버 플레이트에 가해진 브레이징 재료가 열 교환기를 함께 브레이징하도록 오븐 내에서 열 교환기를 가열하는 단계와, 열 교환기를 냉각시키는 단계와, 유도 브레이징 방법을 사용하여 커버 플레이트의 외향으로 연장되는 칼라에 튜브형 연결부를 브레이징하는 단계가 포함된다. 본 발명의 방법의 장점은 열 교환기의 다수의 상이한 변형을 유통성 있고 비용 효율적으로 생산하는 방식을 제공한다는 것이다. 본 발명의 방법은, 생산되고 따라서 비축될 열 교환기가 오직 하나의 형태로도 가능하게 한다. 이송 중에 상이한 연결부가 장착된다.

본 발명의 방법의 유리한 개발에 있어서, 튜브형 연결부는 열 교환기 플레이트를 위한 브레이징 재료보다 낮은 녹는점을 갖는 브레이징 재료를 사용하여 칼라에 브레이징된다. 이는 열 교환기와 커버 플레이트가 한 작업으로 브레이징되고 연결부가 또 다른 작업으로 브레이징될 시 특히 유리하다. 연결부의 브레이징을 위한 더 낮은 녹는점의 사용은 열 교환기 플레이트의 언브레이징 접촉 지점의 위험을 감소시킬 것이다. 더 낮은 녹는점 재료와 유도 브레이징 방법을 사용함으로써 신뢰성 있는 결합부가 얻어진다. 이에 대한 다른 장점은 스테인리스 강으로 만들어진 연결부를 사용하는 대신에 구리로 만들어진 연결부가 사용될 수 있다는 것이다. 구리 연결부의 사용은, 소비자가 쉽게 열 교환기 시스템 내에 포함된 구리 튜빙에 연결부를 납땜할 수 있게 한다는 점에서 더 유리하다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 이하에 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 공지의 열 교환기를 도시한다.
도 2는 연결부가 없는 본 발명에 따른 열 교환기를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 제1 포트 개방부의 단면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 제2 포트 개방부의 단면도를 도시한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 열 교환기용 연결부의 상이한 예시를 도시한다.

이하에 설명되는 다른 개발을 갖는 본 발명의 실시예는 예시로서만 여겨져야 하며, 특허 청구항에 의해 제공된 보호 범위를 제한하고자 함이 결코 아니다.

도 1은 종래 기술의 열 교환기를 도시한다. 열 교환기(1)는 영구적으로 함께 결합된 복수의 열 교환기 플레이트(2)를 포함한다. 열 교환기는 또한 열 교환기 플레이트에 영구적으로 결합된 전방 커버 플레이트(3)와 후방 커버 플레이트(4)를 더 포함한다. 열 교환기(1)는 가열 오븐 내에서 플레이트를 함께 브레이징함으로써 생산된다. 플레이트가 결합되기 전에, 각 플레이트의 주연부와 플레이트의 접촉 지점은 브레이징 재료로 코팅되고, 이는 오븐이 브레이징 재료의 녹는점보다 높은 온도로 가열될 시 플레이트가 함께 브레이징되게 할 것이다.

도시된 브레이징된 열 교환기는 주로 기후 응용에 사용되는 것이 의도된다. 열 교환기는 그를 통해 가열될 냉매와 냉각될 물 또는 브라인(brine)이 순환되는 증발기로 사용될 때가 설명될 것이다. 도시된 열 교환기에서, 모든 연결부는 전방 커버 플레이트 내에 제공된다. 그러나, 하나 이상의 연결부를 후방 커버 플레이트 내에 위치시키는 것도 가능하다. 따라서, 전방 커버 플레이트는 냉매 입구 포트(5), 냉매 출구 포트(6), 물 입구 포트(7) 및 물 출구 포트(8)를 포함한다.

모든 포트 개방부에서 연결부는 전방 커버 플레이트에 고정식으로 장착된다. 연결부는 열 교환기의 포트를 열 교환기가 사용될 시스템과 연결시킨다. 따라서, 각 포트에서 연결부는 외부 튜빙에 포트를 연결시키도록 구성된 나사 또는 클램핑 섹션과 같은 일종의 연결 수단을 구비한다. 각각 다른 사용자들이 각각 다른 요구사항을 갖기 때문에, 열 교환기는 다수의 상이한 연결부를 구비할 수 있으며, 이는 표준화된 열 교환기의 몇몇 형태가 생산되고 비축되어야한다는 것을 의미한다.

전방 커버 플레이트 내의 각 포트 개방부는 절결된 구멍(cut-out hole)이다. 구멍 내에서, 커버 플레이트 표면 상에 지지되고 연달아 전방 커버 플레이트에 브레징되도록 구성된 특정 플랜지를 갖는 연결부가 브레이징 재료와 함께 삽입된다. 열 교환기 플레이트가 함께 브레이징될 시, 연결부는 또한 전방 커버 플레이트에 브레이징될 것이다. 이는 가열 오븐 내에서 동일한 공정으로 이루어진다. 이러한 열 교환기는 본 기술분야에 잘 알려져 있으며 더 설명되지 않을 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 열 교환기를 도시한다. 열 교환기에서 신규 연결부 배열이 사용된다. 연결부는 커버 플레이트와 동일한 재료로 형상화된 외향으로 연장되는 칼라를 포함한다. 칼라는 적절한 공구로 전방 커버 플레이트의 포트 개방부 둘레의 영역을 가압함으로써 냉간 형성(cold forming) 제조 공정으로 제조된다. 이러한 방식에서, 커버 플레이트가 2mm 두께일 때 5 내지 10mm의 높이를 갖는 외향으로 연장되는 칼라를 얻는 것이 가능하다. 칼라의 내부 표면은 바람직하게는 커버 플레이트에 직각이다. 칼라를 가압함으로 인해 칼라의 외부 표면은 약간 테이퍼질 것이다. 칼라의 높이를 제한함으로써 커버 플레이트의 포트 영역에 대한 기계적 특성이 보존될 수 있다. 도 2에서, 냉매 입구 포트(5)와 출구 포트(6)는 제1 칼라 형태(9)로 도시되고, 물 출구 포트(7)와 입구 포트(8)는 제2 칼라 형태(10)로 도시된다.

포트를 위한 개방부 칼라를 갖는 전방 및/또는 후방 커버 플레이트는 오븐 내에서 열 교환기 플레이트에 브레이징된다. 열 교환기의 제조 동안, 가능한 한 많은 열 교환기가 오븐 내에 위치된다. 종래 기술의 열 교환기로 일반적인 생산이 진행되는 동안, 출구 및 입구 포트를 위한 연결부는 오븐 내에서 큰 체적을 차지한다. 일 예시에서, 연결부의 높이는 연결부가 일 측에만 있을 시 열 교환기 몸체의 높이와 동일한 정도일 수 있다. 이는, 예를 들어, 12 플레이트 열 교환기에 있어서 전형적인 연결부가 24mm 높이이고 열 교환기 몸체가 27mm 높이인 경우일 수 있다. 양 측에 연결부를 갖는 열 교환기에 있어서, 열 교환기 몸체와 연결부의 높이 사이의 비율은 보다 더 높을 것이다.

종래 기술의 연결부를 포트 연결부를 위한 칼라로 대체하는 일 장점은 동일한 시간에 더 많은 열 교환기가 생산될 수 있다는 것, 즉, 더 많은 열 교환기가 동일한 시간에 오븐 내에 넣어진다는 것이다. 단일 측의 연결부를 갖는 전술한 12 플레이트 열 교환기에 있어서, 7mm 칼라는 완성된 열 교환기의 전체 높이를 51mm로부터 31mm로 감소시킬 것이다. 따라서, 더 많은 열 교환기가 동일한 시간에 생산될 수 있다.

열 교환기가 브레이징된 후, 튜브형 연결부는 칼라에 고정식으로 장착된다. 또한, 이는 바람직하게는 브레이징에 의해 이루어진다. 열 교환기 플레이트들 사이의 접촉 지점들 중 일부의 언브레이징을 방지하기 위해, 포트 둘레의 영역 위까지 가열할 수 있는 너무 많은 열 없이 브레이징이 이루어지는 것이 중요하다. 유도 브레이징을 사용함으로써, 튜브형 연결부는 브레이징될 영역에 가해지는 열만으로 칼라에 브레이징될 수 있고, 가열 공정은 자동으로 제어되게 유지되고 열 사이클(thermal cycle)은 재생될 수 있다.

연결부는 열 교환기 플레이트를 위한 브레이징 재료의 녹는점보다 낮은 녹는점을 갖는 브레이징 재료를 사용하여 칼라에 브레이징될 수 있다. 연결부 브레이징을 위한 더 낮은 녹는점을 사용하는 장점은 열 교환기 플레이트의 언브레이징 접촉 지점의 위험을 감소시킨다는 것이다. 동시에, 연결부의 브레이징은 더 신속하게 이루어져서 언브레이징의 위험을 더욱 감소시킬 수 있다. 이의 다른 장점은 스테인리스 강으로 만들어진 연결부를 사용하는 대신에 구리로 만들어진 연결부가 사용될 수 있다는 것이다. 구리 연결부의 사용은 사용자가 열 교환기를 열 교환기 시스템에 덜 비싸고 더 신뢰성 있는 방식으로 연결시킬 수 있게 하기 때문에 열 교환기 사용자에게 특히 유리하다.

도 3은 부착된 연결 튜빙(11)을 갖는 제1 칼라(9)의 단면도를 도시한다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 칼라의 내부 표면은 커버 플레이트에 직각이다. 외부 칼라 표면은 칼라의 가압으로 인해 약간 테이퍼진다. 칼라 둘레에는 엠보싱된(embossed) 원형 영역이 제공된다. 이는 포트 개방부의 안정성과 압력 변화에 견디는 능력을 개선할 것이다. 연결 튜빙은 칼라 내로 삽입되고, 브레이징 재료는 칼라의 내측 표면과 연결부의 외부 표면 사이의 갭(12)에 가해진다. 브레이징 재료는 연결부가 장착되기 전이나 후에 가해질 수 있다.

도 4는 부착된 연결 튜빙(11)을 갖는 제2 칼라(10)의 단면도를 도시한다. 도면에서 도시될 수 있는 바와 같이, 칼라의 내부 표면은 커버 플레이트에 직각이다. 외부 칼라 표면은 칼라의 가압으로 인해 약간 테이퍼진다. 연결 튜빙은 칼라 내로 삽입되고, 브레이징 재료는 칼라의 내측 표면과 어댑터의 외부 표면 사이의 갭(12) 내에 가해진다. 브레이징 재료는 어댑터가 장착되기 전이나 후에 가해질 수 있다.

튜브형 연결부(11)는 칼라의 치수에 적용된 유도 공구(induction tool)로 칼라에 브레이징된다. 유도 공구는 바람직하게는 정확한 양의 열 및 이에 따라 정확한 온도와 열 사이클이 브레이징 동안 사용된다는 것을 보장하도록 자동 방식으로 제어된다. 유도 브레이징으로 열은 브레이징 영역에 직접적으로만 가해진다. 이러한 형태의 브레이징은 비교적 신속하기 때문에, 가해진 열이 임의의 접촉 지점을 언브레이징하기에 충분하게 주변 영역을 데우지 않을 것이다. 잉여 열은 열 교환기 플레이트의 접촉 지점을 언브레이징하고, 또한, 커버 플레이트의 재료의 과도한 산화(excessive oxidation)를 생성할 수 있다. 이러한 방식으로 어댑터 튜빙을 브레이징하는 장점은 브레이징을 위한 전체 시간이 수동 브레이징과 비교했을 때 감소되며, 동시에 품질은 향상된다는 것이다. 적절한 공구를 사용하여 동시에 모든 어댑터 튜빙을 브레이징할 수 있으며, 이는 제조 시간을 더욱 감소시킬 것이다.

튜브형 연결부는 상이한 형상과 연결부 영역을 가질 수 있으나, 바람직하게는 구리 튜브로 만들어진다. 칼라 내로 삽입될 연결부의 측부는 직선이다. 대향 측부는 상이한 형상, 예를 들어, 상이한 치수로 테이퍼진 단부를 가질 수 있다. 이러한 측부는 열 교환기가 사용될 시스템에 연결되도록 구성된다. 따라서, 단순한 방식으로 각각 다른 소비자에게 각각 다른 어댑터를 공급할 수 있다. 열 교환기의 브레이징 후에 어댑터를 적용하는 장점은, 열 교환기의 몇몇 변형으로 한가지 형태를 초과하는 열 교환기를 비축할 필요 없이 제공될 수 있다는 것이다. 어댑터의 길이는 자유롭게 선택될 수 있으나, 길이는 바람직하게는 열 교환기의 사용자가, 어댑터 자신의 브레이징에 영향을 주지 않고 예를 들어, 납땜에 의해 튜빙을 연결부에 연결시킬 수 있게 해야 한다.

도 5a 내지 도 5c는 상이한 연결부의 예시를 도시한다. 도 5a는 비교적 짧은 테이퍼진 연결부 부분을 갖는, 직선의 비교적 얇은 튜브형 연결부를 도시한다. 도 5b는 테이퍼진 연결부 부분을 갖는 직선의 튜브형 연결부를 도시한다. 도 5c는 절첩된 비교적 얇은 튜브형 연결부를 도시한다. 물론 소비자의 필요에 따라 다른 설계도 가능하다. 연결부는 단순한 구리 튜빙으로 만들어질 수 있기 때문에, 또한 비교적 작은 개수로 소비자에게 연결부의 상이한 변형을 제공하는 것이 쉽다.

전술한 방법의 일 장점은 상이한 형태의 열 교환기를 제조할 필요가 없다는 것이다. 공지의 방법에서, 커넥터의 모든 변형을 갖는 열 교환기가 생산되고 비축되어야 한다. 본 발명의 방법에 의하면, 단지 한가지 형태의 열 교환기가 생산되어야 한다. 그 후에, 선택된 형태의 연결 튜빙이 적용되며, 이는 열 교환기의 한 형태만 비축되어야 한다는 것을 의미한다. 연결부는 바람직하게는 제조자에 의해 적용되지만, 많은 소비자가 그들 자신의 유도 브레이징 장비를 갖는 것도 가능하다.

본 발명의 방법의 다른 장점은, 본 발명에 의해 사용자가 더 쉽고 더 신뢰성 있는 방식으로 열 교환기에 직접 시스템을 연결하게 된다는 것이다. 공지의 열 교환기에서, 포트에서의 연결부는, 열 교환기가 스테인리스 강으로 제조될 때 스테인리스 강으로 만들어진다. 스테인리스 강 연결부와 구리 튜빙 사이의 결합은 값비싸고, 또한, 신뢰성 있는 연결을 만들기 위해 소비자로부터 비교적 높은 지식을 필요로 할 것이다. 열 교환기 상의 구리 연결부의 사용으로, 사용자는 열 교환기의 튜브형 구리 연결부를 시스템의 구리 튜빙에 납땜하거나 클램핑하기만 하면 되고, 이들 두 방법은 모두 쉽고 신뢰성 있다. 따라서, 소비자는 높은 신뢰성을 갖으면서 더 값싼 연결부를 얻을 것이다.

본 발명은 전술한 실시예에 제한되는 것으로 여겨지면 안 되며, 이하의 특허 청구범위의 범주 내에서 다수의 추가 변형과 수정이 가능하다. 설명된 방법은 상이한 크기의 열 교환기를 위해 사용될 수 있다.

종래 기술:
1: 열 교환기
2: 열 교환기 플레이트
3: 전방 커버 플레이트
4: 후방 커버 플레이트
5: 냉매 입구 포트
6: 냉매 출구 포트
7: 물 입구 포트
8: 물 출구 포트
9: 제1 칼라
10: 제2 칼라
11: 연결 튜빙
12: 갭

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 튜브형 연결부를 갖는 브레이징된 열 교환기 조립 방법이며,
   열 교환기의 커버 플레이트(3, 4) 중 적어도 하나는 상기 커버 플레이트(3, 4) 중 적어도 하나와 동일한 재료로 형상화된 외향으로 연장되는 칼라(9, 10)를 포함하는 복수의 연결 포트(5, 6, 7, 8)를 포함하고,
   열 교환기 플레이트와 커버 플레이트에 가해진 브레이징 재료가 열 교환기를 함께 브레이징하도록 열 교환기를 오븐에서 가열하는 단계와,
   열 교환기를 냉각시키는 단계를 포함하고,
   열 교환기 플레이트용 브레이징 재료의 녹는점보다 낮은 녹는점을 갖는 브레이징 재료로 유도 브레이징 방법을 사용하여 커버 플레이트 상의 칼라들 중 하나에 튜브형 연결부를 브레이징하는 단계를 더 포함하고,
   커버 플레이트는 스테인리스 강으로 만들어지고,
   튜브형 연결부는 구리로 만들어지는 것을 특징으로 하는,
   열 교환기 조립 방법.

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