KR101801927B1 - 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치에 관한 것으로서, 상세하게는 압전소자, 진동자, 프레임, 전열판, 연결 진동자의 금속부분이 상호 연결되도록 하여 상대적으로 많은 초음파가 전열판에 전달되도록 함으로써 세정 효과를 높일 수 있도록 하는 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치에 관한 것이다.

Description

초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치{NON-SEPARABLE CLEANING APPARATUS FOR PLATE TYPE HEAT EXCHANGER WITH EASY TRANSFER OF ULTRASONIC WAVES}

본 발명은 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치에 관한 것으로서, 상세하게는 압전소자, 진동자, 프레임, 전열판, 연결 진동자의 금속부분이 상호 연결되도록 하여 상대적으로 많은 초음파가 전열판에 전달되도록 함으로써 세정 효과를 높일 수 있도록 하는 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치에 관한 것이다.

열교환기는 일반적으로 열교환매체의 유입 및 배출이 이루어지는 한 쌍의 헤더탱크와, 상기 헤더탱크들을 연결하여 열교환매체를 그 내부로 유통시키면서 열교환을 이루어지게 하는 유로를 형성하게 된다.

이 때 형태별로 열교환기를 크게 두 종류로 나눌 수 있는데, 다수 개의 튜브를 탱크에 삽입하는 형태로 이루어지는 핀-튜브 타입 열교환기와, 다수 개의 플레이트가 적층되어 다수의 유로부가 형성되는 플레이트 타입 열교환기 즉 판형 열교환기로 구분될 수 있다.

이 중 판형 열교환기의 경우 핀-튜브 타입 열교환기에 비해 조립이 간편하고 필요 부품수가 적어서 생산성이 좋으며 부피를 줄일 수 있어 설치 공간 확보에 유리한 장점 등이 있어 널리 사용되고 있다.

특히 판형 열교환기는 플레이트의 형상을 변화시킴으로써 핀-튜브 타입 열교환기에 비해 좀 더 복잡하고 다양화된 유로 설계가 가능하다.

이에 따라 판형 열교환기는 수냉식 오일 쿨러와 같이 2종의 유체가 유통하면서 서로 열교환을 일으키는 경우에 적용되는 것이 바람직하다.

도 1은 일반적인 판형 열교환기의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 판형 열교환기(10)는 일측에 고정 프레임(11)이 설치되어 있으며, 타측에는 서포트바(12)가 설치되어 있다.

아울러, 고정 프레임(11)과 서포트바(12)의 상단을 상부 가이드바(13)가 연결하고 있으며, 고정 프레임(11)과 서포트바(12)의 하단은 하부 가이드바(14)가 연결하고 있다.

그리고, 고정 프레임(11)과 서포트바(12)의 사이에 이동 프레임(16)이 설치되어 이동이 가능하도록 연결되어 있다.

이동 프레임(16)과 고정 프레임(11)의 사이에는 다수 개의 전열판(15)이 설치되어 있으며, 전열판(15)은 하부 가이드바(14)에 엮여 있어 원하는 만큼 다수 개를 서로 인접하여 나란히 배치하도록 되어 있다.

또한, 전열판(15)의 측면에는 둘레를 따라 가스켓(미도시)이 설치되어 있다.

이러한 전열판(15) 및 고정 프레임(11)에는 유체의 흐름을 위해 타측에 이동프레임(16)이 설치되어 있으며, 고정 프레임(11)과 이동 프레임(16)의 상단 중앙과 하단 중앙에는 각각 상부 가이드바(13) 및 하부 가이드바(14)가 설치되어 있다.

또한, 고정 프레임(11)과 이동 프레임(16)은 외측에 다수 개의 가이드봉(17)이 상호 연결하도록 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 판형 열교환기는 전열판의 양측표면에 다수의 유로가 형성되어 있으며, 상기 전열판들 사이의 유로를 통하여 서로 다른 온도를 가진 유체가 흐르면서 전열판을 통해 서로 이웃하는 유체에 열을 전달하는 열교환기의 일종이다.

위와 같은 열교환을 위해서는, 상기 전열판에 형성된 유로의 내벽인 금속과, 상기 유로를 통하여 흐르는 유체가 접촉하는 부위에 스케일이라는 물때가 발생되게 되고, 이와 같은 물때인 스케일을 주기적으로 제거하지 않으면 열교환 효율이 저하됨은 물론 유체의 흐름을 방해하게 된다는 문제점이 있다.

이러한 판형열교환기의 세정에 대한 문제점을 해결하기 위한 방안으로, 현재 주류를 이루는 분리식 물리적(화학적) 세정방법과, 초음파를 이용하는 비분리석 세정방법이 알려져 있다. 위의 분리식 물리적 세정방법은 먼저, 시스템 장비를 정지시킨 다음 고정판과 조임판에서 전열판들을 분해하고, 화학약품을 용해시킨 약품수조에 일정시간 침지시켰다가 꺼내어 깨끗이 세척한 후 조립하여 세정하는 방법이다. 이때, 고압노즐이나 세정용 솔을 사용하여 전열판을 세척하는 것을 포함할 수 있다.

상기 분리식 물리적 세정방법은 판형열교환기를 분해하여 세정한 후 조립하는 과정을 일정한 주기로 반복 시행하여야 했고, 이러한 반복적인 분해와 세정 및 조립에 따른 판형열교환기의 수명단축은 물론 화학약품의 사용에 따른 민원이 증가하는 등의 문제점이 있었다.

상기 비분리식 초음파 세정방법은 분리식 물리적 세정방법과는 달리 판형열교환기를 분해하지 않고 판형열교환기에 초음파발생장치를 설치하여 초음파를 조사함으로써 발생되는 초음파에 의한 캐비테이션 또는 진동현상을 이용하여 각 전열판의 스케일을 제거하여 세정하는 방법이다.

이러한 초음파 세정방법은 국내 특허공개공보 10-2012-0015959호에 제시된 바와 같이, 전열판들의 측면에 맞닿게 진동전달판을 밀착장치로 가압고정하고 상기 진동전달판에 초음파발생장치를 용접 고정한 것이 특징이다.

상기한 바와 같은 특허문헌의 초음파 세정장치는 진동전달판에 하나의 점을 이루고 초음파발생장치의 도파관이 국부적으로 접촉 고정되어 있어 초음파에 의한 진동으로 인하여 전달판과 도파관의 접촉부분에선 심한 열이 발생되고 이로 인하여 심지어는 진동전달판에 균열이 발생되어 결국엔 파손되게 된다는 문제점이 있다.

또한, 진동전달판이 소정간격을 가지고 배열된 전열판들의 측면에 가압 밀착 설치될 때, 통상 전열판들의 외곽테두리인 측면이 평탄하게 조립될 수 없어 전열판들의 측면정도를 확보하기 어렵고, 이로 인하여 진동전달판과 전열판들의 사이에 공기층이 발생될 수밖에 없다, 이와 같이 진동전달판과 전열판들의 사이에 공기층이 있으면, 초음파발생장치에 의해 발생되는 초음파가 전달되지 못하기 때문에 전열판의 외부에서 초음파를 아무리 조사해도 효과가 전혀 없으며, 심할 경우 초음파발생장치가 손상될 수도 있다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 국내 공개특허공보 10-2015-0138560호인 판형열교환기의 비분리방식 세정장치가 출원되어 공개되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 상기 판형열교환기의 비분리방식 세정장치는 판형열교환기(10)는 고정 프레임(11) 및 이동 프레임(16)은 직립(수직)방향으로 세워져 있고, 그 외측에 넓은 직립평탄면(11a, 16a)이 형성되어 있으며, 상기 고정 프레임(11) 또는 이동 프레임(16)의 직립평탄면(11a, 16a)에 초음파발생장치(20)가 마련되되 상기 초음파발생장치(20)는 적어도 하나이상의 압전소자(21)를 포함하고 상기 압전소자(21)는 발진부(22)를 통해 전원이 인가되게 전기적으로 연결되어 있다. 상기 압전소자(21)의 설치개수는 판형열교환기(10)의 사이즈나 사용 환경에 따라 하나 또는 2개 이상의 적당한 개수로 구비될 수 있다.

그러나, 이러한 종래의 판형열교환기의 비분리방식 세정장치는 음파에 특성상 초음파 전달이 고체에 비해 액체와 기체를 통과하면서 파동은 급격히 감쇄하기 때문에 판형 열교환기 안쪽 유체를 지나면서 파동이 감소하여 세정할 수 있는 전열판의 한계를 가지고 있다.

국내 특허공개공보 10-2012-0015959호 국내 공개특허공보 10-2015-0138560호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 압전소자, 진동자, 프레임, 전열판, 연결 진동자의 금속부분이 상호 연결되도록 하여 상대적으로 많은 초음파가 전열판에 전달되도록 함으로써 세정 효과를 높일 수 있도록 하는 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

고정 프레임과 이동 프레임 사이에 적층 배열된 다수의 전열판을 포함하는 판형열교환기의 상기 고정 프레임의 일면에 적어도 하나 이상의 압전소자가 부착되고, 상기 압전소자에 초음파 발진 신호를 출력하는 발진부를 구비하는 초음파 발생장치를 포함하는 판형 열교환기의 비분리방식 세정장치에 있어서, 일단이 상기 고정 프레임의 압전소자와 대응되도록 상기 고정 프레임의 타면에 접촉 고정되고, 각각의 상기 전열판을 관통하여 타단이 상기 이동 프레임의 일면에 접촉 고정되도록 금속 재질로 바 형상으로 형성되는 연결 진동자를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 압전소자는 쐐기 형태의 파형이 발생되어 상기 연결 진동자로 초음파를 전달하여 각각의 전열판으로 초음파가 전달되도록 이의 지름보다 작게 형성된 진동자가 상기 고정 프레임 사이에 설치된다.

여기에서 또한, 각각의 상기 전열판은 상기 연결 진동자가 관통되도록 동일 위치에 적어도 1개 이상의 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 복수개로 분할되어 상호 조립된다.

여기에서 또, 상기 연결 진동자는 하나로 일체로 형성되거나 복수개로 분할되어 상호 조립된다.

여기에서 또, 상기 연결 진동자는 상호 끼워지는 콘 형태로 형성되거나 상호 볼트 체결되는 볼트 형태로 형성된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치에 따르면, 압전소자, 진동자, 프레임, 전열판, 연결 진동자의 금속부분이 상호 연결되도록 하여 상대적으로 많은 초음파가 전열판에 전달되도록 함으로써 세정 효과를 높일 수 있다.

도 1은 일반적인 판형 열교환기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 판형열교환기의 비분리방식 세정장치는 판형열교환기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치의 구성을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치(100)는, 초음파 발생 장치(110)와, 연결 진동자(120)로 구성된다. 도 3 내지 도 5에 있어서 종래와 동일 구성에 대해서는 동일 부호를 부여하고 그 중복 설명은 생략한다.

먼저, 초음파 발생 장치(110)는 압전소자(111)와, 압전소자(111)의 정면에 설치되는 금속 재질의 진동자(113)와, 압전소자(111)와 전기적으로 연결되는 발진부(115)와, 발진부(115)로 전원을 공급하는 전원부(117)로 구성된다. 이때, 진동자(113)는 압전소자(111)의 지름보다 작게 형성되어 고정 프레임(11) 사이에 설치되는데, 진동자(113)의 지름이 압전소자(111)의 지름보다 작게 형성되면 압전소자(111)에서 쐐기 형태의 파형이 발생되어 연결 진동자(120)로 초음파를 효율적으로 전달할 수 있다.

그리고, 연결 진동자(120)는 일단이 고정 프레임(11)의 압전소자(111)와 대응되도록 고정 프레임(11)의 타면에 접촉 고정되고, 각각의 전열판(15)을 관통하여 타단이 이동 프레임(16)의 일면에 접촉 고정되도록 금속 재질로 바 형상으로 형성된다. 이때, 각각의 전열판(15)은 연결 진동자(120)가 관통되도록 동일 위치에 적어도 1개 이상의 관통홀(130)이 형성되는 것이 바람직하고, 관통홀(130)은 내부의 유체가 외부로 미배출되도록 실링 처리된다.

한편, 연결 진동자(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 원형 막대 형태로 하나로 일체로 형성될 수 있고, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 복수개로 분할되어 상호 조립될 수 있다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이 연결 진동자(120)는 상호 끼워지는 콘 형태로 형성되거나 도 5에 도시된 바와 같이 상호 볼트 체결되는 볼트 형태로 형성될 수도 있다. 이때, 콘 형태로 형성되는 경우 연결 진동자(120)는 이웃하는 연결 진동자에 끼우도록 일측면에 콘 형태의 끼움홈(121)이 형성되거나 볼트 형태로 형성되는 경우 일측면에 볼트홀(123)이 형성된다. 또한, 연결 진동자(120)를 볼트 형태로 형성되는 경우 와셔나 오링 등이 연결 부위에 설치될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 압전소자(111)에서 초음파를 발생하기 위해 발진부(115)와 전원부(117)를 구비하는데, 압전소자(111) 세정면적 1㎠당 1w의 파워가 필요하다고 알려져 있는바, 먼저 사용하고자 하는 압전소자(111)의 파워를 선정하고, 진동자(113)와 연결 진동자(120)를 거쳐 전열판(15)의 면적에 걸쳐 충분히 초음파를 발생시킬 수 있도록 크기 및 설치개수를 선택하여야 한다. 이에 따라서, 압전소자(111)의 크기는 최소한의 설치개수를 부착할 수 있는 사이즈로 채택하되 그 직경을 3~8㎝의 범위 내에서 선택함이 바람직하다.

그리고, 발진부(115)에서 압전소자(111)로 발생하는 초음파 주파수는 30㎑~100㎑의 범위에서 선택할 수 있다. 이와 같이 초음파 주파수를 한정하는 이유는, 초음파 주파수가 30㎑미만이면, 파워가 너무 강하여 고열이 발생되고 심지어는 균열이 발생되게 된다는 문제점이 있으며, 초음파 주파수가 100㎑를 초과하면 캐비테이션의 발생강도가 너무 약하여 제대로의 세정효과를 얻을 수 없기 때문이다.

이러한 이유로 바람직한 초음파 주파수는 주로 세정에 적용되고 부착재질에 악영향을 주지 않는 40㎑ 정도의 초음파를 발생시킬 수 있는 초음파 진동자를 채택함이 적합하다.

상기 초음파의 조사는 연속적으로 조사하거나 초음파 조사주기를 10초 내지 30초 단위로 하여 주기적인 조사가 이루어질 수 있다. 이러한 초음파의 조사주기는 판형열교환기의 사용 환경이나 전체 시스템을 고려하여 채택함이 바람직하다.

전원부(117)에서 발진부(115)로 전원이 공급되면 발진부(115)에서 발진 신호가 압전소자(111)로 인가되어 압전소자(111)에서 초음파가 발생되어 진동자(113)에서 진동이 발생된다.

발생된 진동은 고정 프레임(11)을 진동시켜 스케일을 제거함과 동시에 연결 진동자(120)에 의해 전달된다.

그러면, 연결 진동자(120)의 진동에 따라 각각의 전열판(15)으로 진동이 전달되어 전열판(15)의 스케일이 제거된다.

또한, 연결 진동자(120)의 진동은 이동 프레임(16)까지 전달되어 이동 프레임(16)에 부착된 스케일이 제거된다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

11 : 고정 프레임 15 : 전열판
16 : 이동 프레임 110 : 초음파 발생 장치
111 : 압전소자 113 : 고정자
115 : 발진부 117 : 전원부
120 : 연결 진동자 121 : 끼움홈
123 : 볼트홀 130 : 관통홀

Claims (5)

1. 고정 프레임과 이동 프레임 사이에 적층 배열된 다수의 전열판을 포함하는 판형열교환기의 상기 고정 프레임의 일면에 적어도 하나 이상의 압전소자가 부착되고, 상기 압전소자에 초음파 발진 신호를 출력하는 발진부를 구비하는 초음파 발생장치를 포함하는 판형 열교환기의 비분리방식 세정장치에 있어서,
   일단이 상기 고정 프레임의 압전소자와 대응되도록 상기 고정 프레임의 타면에 접촉 고정되고, 각각의 상기 전열판을 관통하여 타단이 상기 이동 프레임의 일면에 접촉 고정되도록 금속 재질로 바 형상으로 형성되는 연결 진동자를 더 포함하며,
   상기 압전소자는,
   쐐기 형태의 파형이 발생되어 상기 연결 진동자로 초음파를 전달하여 각각의 전열판으로 초음파가 전달되도록 압전소자의 지름보다 작게 형성된 진동자가 상기 고정 프레임 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   각각의 상기 전열판은,
   상기 연결 진동자가 관통되도록 동일 위치에 적어도 1개 이상의 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 복수개로 분할되어 상호 조립되는 것을 특징으로 하는 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 연결 진동자는,
   하나로 일체로 형성되거나 복수개로 분할되어 상호 조립되는 것을 특징으로 하는 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 연결 진동자는,
   상호 끼워지는 콘 형태로 형성되거나 상호 볼트 체결되는 볼트 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 전달이 용이한 판형 열교환기용 비분리방식 세정장치.

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