KR101974531B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

열교환기의 바디의 구멍부에 열전도체를 감합시키는 구조에 있어서, 열교환효율을 저하시키지 않고 바디와 열전도체의 열팽창차를 흡수가능하게 하는 열교환기를 제공한다.
피열교환유체를 유통시키는 유로(23)를 가지는 바디(9)와, 바디(9)를 거쳐서 피열교환유체와의 사이에서 열교환을 행하는 전열플레이트(11)를 구비한다. 전열플레이트(11)는 바디(9)의 외면에 접촉하는 접촉면(49a)을 가지는 플레이트 본체(49)와, 플레이트 본체(49)의 접촉면(49a)으로부터 돌출하여 바디(9)의 내부에 배치된 복수의 벽형상의 열전도체(51)를 구비한다. 바디(9)는 유로(23)를 피한 위치에서 복수의 벽형상의 열전도체(51)를 각각 삽입에 의해 감합시켜서 내부로의 배치를 행하게 하는 복수의 슬릿형상의 구멍부(25)를 구비한다. 각 열전도체(51)는 감합하고 있는 구멍부(25)보다도 작게 형성되어 구멍부(25)와의 사이에 간극(G1, G2, G3)을 구획한다.

Description

열교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 유체의 온도를 제어하는 열교환기에 관한 것이다.

열교환기는 온도가 상이한 2개의 물체를 접촉시켜서 일방의 물체를 가열 혹은 냉각하여 온도를 제어하는 장치이고, 보일러, 증기발생기, 식품제조나 화학약품제조, 냉장보관 등에 산업용으로 널리 사용되고 있다.

유체의 온도를 제어할 때, 예를 들면, 배관의 도중에 열교환기를 설치하여 배관을 흐르는 유체의 온도를 제어한다.

이 종류의 종래의 열교환기로는, 예를 들어 국제공개 제 WO2013/180047 호에 기재된 것이 있다. 이 열교환기는 판형상의 바디에 배관과 연통한 유로를 형성함과 함께 유로 주변에 바디보다도 열전도율이 우수한 원추핀형상의 열전도체를 파묻고, 또한 바디의 양측에 판형상의 전열플레이트 및 히터플레이트를 적층한다.

이것에 의해, 히터플레이트로부터 전열플레이트 및 바디를 거쳐서 유로 내의 피열교환유체를 가열할 수 있고, 그때 열전도체에 의해 열전도율을 향상시켜서, 높은 열교환효율을 실현하는 것이 가능해졌다.

그러나, 이러한 종래의 열교환기에서는 열교환효율의 관점으로부터 원주핀형상의 열전도체가 바디에 형성된 구멍부에 간극 없이 감합하여 부착되기 때문에, 열전도체 및 바디의 재질에 따라서는 양자 간의 열팽창률을 흡수할 수 없어서, 그에 따른 응력으로 유로에 크랙이 생길 우려가 있었다.

해결하려는 문제점은 열교환기 바디의 구멍부에 열전도체를 감합시키는 구조에 있어서, 열교환효율을 저하시키지 않고 바디와 열전도체와의 열팽창차를 흡수할 수 없고, 유로에 크랙이 생길 우려가 있었다는 점이다.

본 발명은 열교환기의 바디의 구멍부에 열전도체를 감합시키는 구조에 있어서, 열교환효율을 저하시키지 않고 바디와 열전도체와의 열팽창차를 흡수가능하게 하기 위해, 피열교환유체를 유통시키는 유로를 가지는 바디와, 상기 바디를 거쳐서 상기 피열교환유체와의 사이에 열교환을 행하는 전열부재를 구비하고, 상기 전열부재는 상기 바디의 외면에 접촉하는 접촉면을 가지는 부재 본체와, 그 부재 본체의 접촉면으로부터 돌출하여 상기 바디의 내부에 배치된 복수의 벽형상의 열전도체를 구비하고, 상기 바디는 상기 유로를 피한 위치에서 상기 복수의 벽형상의 열전도체를 각각 삽입하는 것에 의해 감합시켜서 상기 내부로의 배치를 행하게 하는 복수의 슬릿형의 구멍부를 구비하고, 각 열전도체는 감합하고 있는 구멍부보다도 작게 형성되어 이 구멍부와의 사이에 간극을 구획하는 열교환기를 제공한다.

본 발명의 열교환기는 열교환기의 바디의 구멍부에 열전도체를 감합시키는 구조에 있어서, 바디와 열전도체와의 열팽창차를 간극에 의해 흡수할 수 있으며, 유로에 크랙이 생기는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 열전도체를 벽형상으로 하는 것으로 열전도체를 구멍부보다 작게 하여도 열교환효율이 저하하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 열교환기를 가지는 열교환유닛의 사시도이다.
도 2는 도 1의 열교환유닛의 분해사시도이다.
도 3은 도 1의 열교환유닛에 이용되는 열교환기의 측면도이다.
도 4는 도 3의 열교환기의 평면도이다.
도 5는 도 4의 V-V선에 따른 단면도이다.
도 6은 도 3의 열교환기에 이용되는 바디를 도시하며, (A)는 저면도, (B)는 (A)의 VI-VI선에 따른 단면도이다.
도 7은 도 3의 열교환기에 이용되는 전열플레이트를 도시하며, (A)는 평면도, (B)는 측면도이다.
도 8은 도 3의 열교환기의 바디의 구멍부와 전열플레이트의 열전도체와의 관계를 도시하며, (A)는 평면도, (B)는 단면도이다.
도 9는 도 3의 열교환기의 바디에 설치된 유로의 일부를 도시하는 개념도이다.
도 10은 실시예 1과 비교예의 피열교환유체의 설정온도에 대한 출구온도를 대비하여 도시하는 도표이며, (A)는 피열교환유체의 유량이 10L/min의 경우, (B)는 1L/min의 경우이다.
도 11의 (A)는 도 10(A)의 결과를 플롯한 그래프, (B)는 도 10(B)의 결과를 플롯한 그래프이다.
도 12는 실시예 1에 관한 것이며, 피열교환유체의 상이한 유량에서의 설정온도에 대한 출구온도를 비교하여 도시하는 그래프이다.
도 13은 실시예 1에 따른 가열시의 리스폰스를 도시하는 그래프이고, (A)는 피열교환유체의 유량이 6L/min의 경우, (B)는 피열교환유체의 유량이 10L/min의 경우, (C)는 피열교환유체의 유량이 20L/min의 경우이다.
도 14는 본 발명의 실시예 2에 따른 열교환기의 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시예 3에 따른 열교환기의 바디의 유로의 일부를 도시하는 개념도이다.
도 16은 본 발명의 실시예 4에 따른 열교환유닛을 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 17은 본 발명의 실시예 5에 따른 열교환기에 이용되는 전열플레이트를 도시하는 단면도이다.

열교환기의 바디의 구멍부에 열전도체를 감합시키는 구조에 있어서, 열교환효율을 저하시키지 않고 바디와 열전도체의 열팽창차를 흡수가능하게 한다는 목적을 열전도체를 벽형상으로 하고, 바디의 구멍부를 슬릿형상으로 하고, 열전도체를 구멍부보다도 작게 형성하는 것에 의해 실현했다.

구체적으로 열교환기는 피열교환유체를 유통시키는 유로를 가지는 바디와, 바디를 거쳐서 피열교환유체와의 사이에서 열교환을 행하는 전열부재를 구비하고, 전열부재는 바디의 외면에 접촉하는 접촉면을 가지는 부재 본체와, 부재 본체의 접촉면으로부터 돌출하여 바디의 내부에 배치된 복수의 벽형상의 열전도체를 구비한다. 바디는 유로를 피한 위치에서 복수의 벽형상의 열전도체를 각각 삽입에 의해 감합시켜서 내부로의 배치를 행하게 하는 복수의 슬릿형상의 구멍부를 구비한다. 각 열전도체는 감합하고 있는 구멍부보다도 작게 형성되어 구멍부와의 사이에 간극을 구획한다.

기본적으로 열전도체는 구멍부보다도 삽입방향에서의 치수가 짧게 형성되어 간극을 구획한다. 단, 열전도체는 삽입방향으로 교차하는 방향의 단면형상을 작게 하는 것도 가능하다.

구멍부는 바디를 관통하여 설치되고, 전열부재는 바디를 사이에 두고 한 쌍 설치되며, 상호 대응하는 열전도체가 구멍부의 양측으로부터 삽입되어, 대응하는 열전도체 사이에 간극을 구획하는 구조로 해도 된다. 단, 전열부재는 하나만 설치하는 것도 가능하다. 이 경우, 구멍부는 바디를 관통하여 설치할 필요는 없다.

열전도체는 부재 본체에 일체로 형성하여도 된다. 단, 열전도체를 부재 본체와 별체로 형성하고, 부재 본체의 접촉면이 열전도체에 접촉하는 구조로 하는 것도 가능하다.

유로는 병렬로 배치된 병렬로와, 이 병렬로를 연결하는 절곡형상의 절곡로를 구비하고, 열전도체는 유로의 병렬로를 따라서 병렬로 사이에 위치하는 구조로 해도 된다.

절곡로는 절곡형상의 내측을 모서리를 가지는 굴곡형상으로 해도 된다.

또한, 절곡로는 절곡형상의 외측을 모서리가 없는 만곡형상으로 해도 된다.

실시예 1

[열교환유닛]

도 1은 본 발명의 실시예 1에 관한 열교환기를 가지는 열교환유닛의 사시도, 도 2는 도 1의 열교환유닛의 분해사시도이다.

본 실시예의 열교환유닛(1)은 피열교환유체를 유통시키는 배관(3a, 3b)의 도중에 설치되어, 예를 들면 벽 등에 고정한 상태로 이용된다. 이 열교환유닛(1)은 상류측의 배관(3a)으로부터 유입하는 피열교환유체를 내부를 통하여 하류측의 배관(3b)으로 유출시킨다. 그때, 열교환유닛(1)은 피열교환유체를 가열 또는 냉각에 의해 온도제어 또는 온도조정한다. 본 실시예에서는 열교환유닛(1)에 의해 피열교환유체를 가열하도록 되어 있다.

피열교환유체는 특히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 염산, 황산, 초산, 크롬산, 인산, 불산, 초산, 과염소산, 취화수소산, 불화규산, 붕산 등의 부식성을 가지는 산류, 암모니아, 수산화칼륨, 수산화나트륨 등의 알칼리류, 및 염소화규소 등의 금속염류 등의 용액 또는 기체, 나아가 고순도 물 등이다. 이들의 피열교환유체는 다른 물질과의 반응원료로서, 또는 에칭액 등의 반응공정의 약액으로서 사용되는 것이며, 사용시에는 열교환유닛(1)에 의해 적절한 온도로 제어된다.

본 실시예의 열교환유닛(1)은 케이스(5)에 열교환기(7)를 수용하여 구성되어 있다. 케이스(5)에 열교환기(7)를 수용할 때는 열교환기(7)의 주위에 도시하지 않은 단열재가 감겨진다. 또한, 케이스(5)를 생략하여 열교환기(7) 단일체로 이용하는 것도 가능하다.

[열교환기]

도 3은 도 1의 열교환유닛(1)에 이용되는 열교환기의 측면도, 도 4는 동 평면도, 도 5는 도 4의 V-V선에 따른 단면도이다.

열교환기(7)는, 도 3 ~ 도 5와 같이, 바디(9)와 한 쌍의 전열플레이트(11)와, 한 쌍의 히터플레이트(13)와, 한 쌍의 누름플레이트(15)를 구비하고, 바디(9)의 양측에서 전열플레이트(11), 히터플레이트(13), 누름플레이트(15)의 순서로 적층되어 전체가 볼트(17), 너트(19)에 의해 체결되어 있다.

도 6은 도 3의 열교환기(7)에 이용되는 바디(9)를 도시하며, (A)는 저면도, (B)는 (A)의 VI-VI선에 따른 단면도이다.

바디(9)는 도 5 및 도 6과 같이 평면사각형의 판형상으로 형성되어 있다. 바디(9)의 네 귀퉁이에는 체결구멍(21)이 판두께방향으로 관통형성되어 있다. 바디(9)의 재질은 피열교환유체에 대하여 안정된 재질로 되어 있다. 즉, 열교환이 행해지는 온도영역에서 후술하는 바디(9)의 유로(23)의 내면과 피열교환유체가 반응하지 않는 재질 혹은 유로(23)의 내면으로부터 성분이 용출하지 않는 재질이 선택된다.

피열교환유체의 반응성(부식성)은 유로(23)의 내면의 재질 및 접촉온도 등에 의해 상이하고, 또한, 피열교환유체의 용도, 성상(性狀)에 의해서도 열교환 후의 순도의 허용범위가 상이하기 때문에 일괄로 특정할 수는 없다. 예를 들면, 반도체의 제조에 사용되는 금속할로겐화물이나 에칭제로는 고순도의 물질이 사용되기 때문에, 열교환처리에 따른 순도의 저하는 허용되지 않는다. 그러나, 터빈용의 열교환기라면 열교환처리에 따른 피열교환유체의 순도의 변화는 문제가 되지 않는 경우도 많다.

본 실시예에 있어서, 바디(19)의 재질은 철, 탄소강, 스텐레스강, 알루미늄, 티탄 등의 금속류, 불소수지, 폴리에틸렌 등의 합성수지류, 세라믹스류 등으로부터 적절히 선택되어 사용된다.

바디(9)에는 유로(23) 및 복수의 구멍부(25)가 형성되어 있다. 유로(23)는 피열교환유체를 유통시키는 것이고, 바디(9)의 길이방향 일단으로부터 타단에 걸쳐서 폐단면형상으로 형성되어 있다. 본 실시예에서는 유체(23)가 오목홈형상으로 형성되고, 그 개구부가 덮개(29)에 의해 폐지(閉止)되어 있다. 유로(23)는 바디(9)의 일측면상에 절삭이나 에칭 등에 의해 형성되고, 덮개(29)는 유로(23)의 개구부에 용접 등에 의해 부착된다. 또한, 덮개(29)는 바디(9)와 동일한 재질로 형성되어 있지만, 상이한 재질로 하는 것도 가능하다.

본 실시예의 유로(23)는 평면에서 보아 바디(9)의 단부 사이에서 복수 회 절곡된 물결(波)형상으로 되어 있다. 구체적으로는 유로(23)는 바디(9)의 폭방향을 따라서 병렬로 배치된 병렬로(31)와 인접하는 병렬로(31) 사이를 연결하는 절곡형상의 절곡로(33)를 구비하고 있다. 병렬로(31)는 바디(9)의 길이방향으로 등 간격의 간극을 두고서 배치되어 있다. 양단의 병렬로(31)는 다른 병렬로(31) 보다도 짧게 형성되고, 굴곡부(36)를 거쳐서 길이방향을 따른 연통로(37)를 거쳐서 양단의 접속구(39)에 연통한다. 접속구(39)는 각각 배관(3a, 3b)과 접속하기 위한 조인트(41)가 부착되어 있다.

절곡로(33)는 바디(9)의 길이방향을 따라서 형성되고, 병렬로(31)와의 사이에 굴곡부(35)를 가진다. 굴곡부(35)는 절곡로(33)의 절곡형상의 내측에 모서리(43)를 가지며 절곡형상의 외측은 모서리가 없는 만곡면(45)을 가지고 있다(도 9 참조).

따라서, 절곡로(33)는 굴곡부(35)의 하류측에서 피열교환유체에 모서리(43)에 따른 난류가 생기게 하여, 열교환효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 피열교환유체는 밀도가 낮은 부분과 밀도가 높은 부분 사이의 열이동이 활발해 지고, 또한 유로(23)의 내면과의 사이에서 효율 좋게 열이동시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 절곡로(33)는 굴곡부(43)의 만곡면(45)에 의해 과도한 난류에 따른 과도한 저항이 생기는 것을 억제하고 있다.

이러한 유로(23)를 피한 위치에, 도 4 ~ 도 6과 같이 구멍부(25)가 형성되어 있다. 본 실시예에서는 유로(23)의 병렬로(31) 사이에서 바디(9)를 판두께 방향으로 관통하여 복수의 구멍부(25)가 설치되어, 후술하는 열전도체(51)를 구멍부(25)에 각각 삽입하도록 되어 있다.

각 구멍부(25)는 평면에서 보아 유로(23)의 절곡로(33)의 내측으로부터 병렬로(31)를 따라서 바디(9)의 폭방향으로 연장되어 있고, 바디(9)의 길이방향에서의 치수보다도 폭방향에서의 치수가 큰 슬릿형상이다. 구멍부(25)의 양단부는 원호형으로 형성되어 있다. 또한, 구멍부(25)와 유로(23)의 사이는 가까우면 가까울수록 좋지만, 구멍부(25)와 유로(23)를 구획하는 바디(9)의 강도나 기능 등을 손상하지 않는 것이 필요하다.

도 7은 전열플레이트(11)를 도시하며, (A)는 평면도, (B)는 측면도, 도 8은 바디의 구멍부와 전열플레이트의 열전도체와의 관계를 도시하며, (A)는 평면도, (B)는 단면도이다.

도 5 및 도 7과 같이, 한 쌍의 전열플레이트(11)는 각각 본 실시예의 전열부재이고, 바디(9)를 거쳐서 피열교환유체와의 사이에서 열교환을 행한다. 각 전열플레이트(11)는 부재 본체인 플레이트 본체(49)와 열전도체(51)를 구비하고 있다. 또한, 한 쌍의 전열플레이트(11)는 동일 구성이기 때문에, 기본적으로 일방에 대해서만 설명한다.

플레이트 본체(49)는 바디(9)에 대응한 평면 사각형의 판형상으로 형성되어 있다. 본 실시예의 플레이트 본체(49)는 바디(9)보다도 판두께가 작고, 플레이트 본체(49)의 네 귀퉁이에는 바디(9)와 마찬가지로 체결공(53)이 판두께 방향으로 관통하고 있다.

플레이트 본체(49)의 재질은 바디보다도 열전도율이 높은 금속류, 합성수지류, 세라믹스류 등이다. 이 플레이트 본체(49)는 일측면이 바디(9)의 외면(9a)에 접촉하는 접촉면(49a)으로 되어 있다. 접촉면(49a)에는 복수의 열전도체(51)가 설치되어 있다.

열전도체(51)는 플레이트 본체(49)의 접촉면(49a)으로부터 돌출하여 바디(9)의 내부에 설치되는 벽형상으로 되어 있다. 본 실시예의 열전도체(51)는 플레이트 본체(49)와 일체로 형성되고, 플레이트 본체(49)와 동일한 재질로 되어 있다. 따라서, 열전도체(51)는 바디(9)보다도 열전도율이 높은 재료로 이루어진다. 예를 들면, 바디(9)는 스텐레스강으로 형성하고, 플레이트 본체(49) 및 열전도체(51)는 알루미늄으로 형성한다.

또한, 열전도체(51)를 플레이트 본체(49)와 별체로 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 열전도체(51)를 플레이트 본체(49)와는 상이한 재질로 해도 된다.

상기와 같이 열전도체(51)는 각각 바디(9)의 구멍부(25)에 삽입되고, 이것에 의해 바디(9)의 내부로의 배치가 행해진다. 각 열전도체(51)는 삽입된 구멍부(25)보다도 작게 형성되어 있다. 본 실시예에 있어서는, 도 8 (B)와 같이, 삽입방향에서의 치수가 짧게 형성되어 구멍부(25) 내에 삽입방향의 간극(G1)을 구획한다. 보다 상세하게는, 본 실시예에 있어서는, 바디(9)를 사이에 두고 한 쌍의 전열플레이트(11)의 상호에 대응하는 열전도체(51)가 바디(9)의 동일의 구멍부(25)에 양측으로부터 삽입되고, 그들에 대응하는 열전도체(51) 사이에 간극(G1)을 구획한다. 이러한 간극(G1)에 의해 바디(9)와 열전도체(51)의 열팽창차를 흡수가능하게 한다.

또한, 본 실시예에 있어서는, 도 8 (A)와 같이, 평면에서 보아 열전도체(51)가 바디(9)의 구멍부(25)보다도 삽입방향에 대한 교차방향에서의 단면형상이 약간 작게 형성되어 있고, 간극(G1)과 함께 바디(9)와 열전도체(51)와의 열팽창차를 흡수가능하게 하는 간극(G2, G3)을 가진다.

간극(G2)은 바디(9)의 폭방향에서의 간극이고, 간극(G3)은 바디(9)의 길이방향의 간극이다. 간극(G2, G3)은 간극(G1)보다 작고, 간극(G3)은 간극(G2)보다도 작다. 또한, 간극(G2, G3)을 생략할 수도 있다. 또한, 간극(G1)을 생락하여, 간극(G2, G3)의 어느 일방 또는 쌍방을 설치하는 것도 가능하다.

도 2, 도 3 및 도 5와 같이, 한 쌍의 히터플레이트(13)는 각각 본 실시예의 발열체이고, 마이카히터로 이루어진다. 단, 히터플레이트(13)는 마이카히터에 한정되는 것은 아니며, 알루미나히터 등의 세라믹히터나 다른 히터를 사용해도 된다. 또한, 한 쌍의 히터플레이트(13)는 동일 구성이기 때문에, 기본적으로 일방에 대해서만 설명한다.

히터플레이트(13)는 전열플레이트(11)의 플레이트 본체(49)와 동일 형상으로 형성되어 있다. 단, 히터플레이트(13)는 플레이트 본체(49)보다도 판두께가 작다. 히터플레이트(13)의 판두께의 설정은 히터의 용량 등에 따라서 임으로 행해진다.

히터플레이트(13)에는 급전용의 배선(55)이 접속되어 있고, 통전제어에 의해 설정온도까지 발열한다. 본 실시예에서, 히터플레이트(13)는 전열플레이트(11)의 타측면 상에 중합되어 있고, 전열플레이트(11) 및 바디(9)를 거쳐서 유로(23)의 피열교환유체를 가열한다. 히터플레이트(13)의 네 귀퉁이에는 전열플레이트(11) 및 바디(9)와 마찬가지로 체결공(도시하지 않음)이 형성되어 있다.

또한, 피열교환유체의 냉각을 행하는 경우는 히터플레이트(13) 대신에 냉각플레이트를 이용하면 된다. 냉각플레이트로서는, 예를 들면 페르티에 효과를 이용한 페르티에 소자 등을 이용하는 것도 가능하다.

한 쌍의 누름플레이트(15)는 각각 전열플레이트(11)의 플레이트 본체(49)와 동일한 형상으로 형성되며, 예를 들면 금속류, 합성수지류, 세라믹스류 등에 의해 형성할 수 있다. 누름플레이트(15)의 네 귀퉁이에는 전열플레이트(11) 등과 마찬가지로 체결공(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 이들 누름플레이트(15)는 양측의 히터플레이트(13) 상에 중첩되어, 열교환기(7)의 적층구조의 외측에서 볼트(17) 및 너트(19)에 의한 체결을 행한다.

볼트(17)는 한 쌍의 누름플레이트(15), 한 쌍의 히터플레이트(13), 한 쌍의 전열플레이트(11), 및 볼트(9)의 체결공(21, 53) 등을 삽통하여, 헤드부(57)가 일방의 누름플레이트(15) 상에 위치하고, 숫나사부(59)의 선단에 타방의 누름플레이트(15) 상에 위치하는 너트(19)가 나합되어 있다.

[케이스]

케이스(5)는, 도 1 ~ 도 3과 같이 판형의 베이스부(61) 상에 상자형부(63)가 부착되어 구성되어 있다. 케이스(5)의 재질은 특히 한정되는 것은 아니지만, 본 실시예에서 스텐레스강 등의 금속류로 이루어진다.

베이스부(61)는 사각형 판형상으로 형성되고, 고정용 구멍(65)이 형성되어 있다. 이 고정용 구멍(65)에 의해 열교환유닛(1)이 벽 등에 고정가능하게 되어 있다. 베이스부(61)의 재질은 금속류 등이고, 본 실시예에서 스텐레스강으로 되어 있다.

베이스부(61)의 폭방향의 양측에는 상자형부(63)를 부착하기 위한 판형상의 부착판(67a, 67b)이 입설되어 있다. 일방의 부착판(67a)은 타방의 부착판(67b)보다 높게 형성되고, 상단에 열교환기(7)의 배선(55)을 지지하는 오목부(69)가 형성되어 있다.

이 베이스부(61) 상에는 바닥이 높은 형상으로 굴곡한 중판(71)이 나사(73)에 의해 부착되어 있다. 중판(71)은 베이스부(61)와 마찬가지로 금속류 등으로 이루어지고, 본 실시예에서 스텐레스강으로 형성되어 있다. 이 중판(71) 상에 열교환기(7)가 부착되어 있다. 본 실시예에서는 열교환기(7)의 바디(9), 전열플레이트(11), 누름플레이트(15)를 체결하는 볼트(17) 및 너트(19)를 이용하여, 열교환기(7)가 직접 중판(71)에 접촉하지 않도록 되어 있다.

구체적으로는, 너트(19)가 중판(71)에 당접함과 함께 너트(19)로부터 돌출하는 볼트(17)의 숫나사부(59)의 선단이 중판(71)을 삽통하고, 그 숫나사부(59)의 선단에 고정용의 너트(75)가 나합되어 있다.

중판(71)의 길이방향의 양측에는 판형상의 대좌부(77)가 입설되어 있다. 대좌부(77)의 상단에는 오목부(79)가 형성되어 있고, 오목부(79)에 의해 열교환기(7)의 조인트(41)를 재치시켜서 지지한다.

이 상태에서 상자형부(63)가 베이스부(61)의 부착판(67a, 67b)에 나사(81)에 의해 부착되어 있다. 상자형부(63)는 베이스부(61)와 마찬가지로 금속류 등으로 이루어지고, 본 실시예에서 스텐레스강으로 되어 있다.

상자형부(63)는 열교환기(7)의 조인트(41)를 삽통하기 위한 슬릿(83) 및 열교환기(7)의 배선(55)을 삽통하기 위한 슬릿(85)이 형성되어 있다. 배선(55)은 슬릿(85)으로부터 인출된 후, 상자형부(63)의 측면에 부착된 클램프부(87)에 의해 유지되어 있다.

[열교환 등]

열교환유닛(1)에 의해 배관(3a, 3b)을 흐르는 열교환유체를 소망의 온도로 할 때는, 먼저 열교환기(7)의 히터플레이트(13)를 통전제어에 의해 발열시킨다. 히터플레이트(13)가 발열하면, 그 열이 전열플레이트(11)에 전달된다. 전열플레이트(11)로부터 플레이트 본체(49) 및 열전도체(51)를 거쳐서 바디(9)에 열이 전달된다. 그리고, 바디(9)와 그 유로(23) 내를 흐르는 피열교환유체와의 사이에 열교환이 행해지는 것으로 피열교환유체가 가열되게 된다(도 5 참조).

이때, 열교환기(7)에서는 바디(9)의 내부에 이르는 열전도체(51)에 의해 열전도율을 향상시켜서, 높은 열교환효율을 실현할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는, 도 9와 같이, 유로(23)의 절곡로(33)가 굴곡부(35)의 하류측에서 피열교환유체에 모서리(43)에 따른 난류를 생기게 하여, 피열교환유체의 밀도가 낮은 부분과 밀도가 높은 부분의 사이의 열이동이 활발하게 되고, 또한 피열교환유체와 유로(23)의 내면과의 사이 효율 좋게 열이동시키는 것이 가능하게 되어, 보다 높은 열효율이 실현된다.

더욱이, 본 실시예에서는 벽형상의 열전도체(51)가 난류가 생기는 유로(23)의 병렬로(31)를 따라서 위치하기 때문에, 피열교환유체와 유로(23)의 내면과의 사이에서 효율 좋게 열이동시키는 부분을 효과적으로 가열할 수 있어서, 보다 높은 열교환효율이 실현된다,

또한, 본 실시예의 열교환기(7)에서는 열전도체(51)가 벽형상으로 형성되어 있는 것에 의해, 종래와 같은 원주핀형상의 열전도체와 비교하여 열교환기(7) 전체로서 열전도체(51)의 표면적을 사이즈에 대응하여 약 4배까지 확대하는 것이 가능하게 되어, 열교환효율의 저하가 없는 정도가 아니라 높은 열교환효율이 실현된다.

이러한 열교환시에는, 전열플레이트(11) 및 바디(9)가 열에의해 팽창하지만, 그 열팽창차를 도 8에 도시하는 간극(G1, G2, G3)의 존재의 의해 흡수하는 것이 가능하여, 유로(23)에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

구체적으로는 전열플레이트(11)가 바디(9)보다도 열팽창계수가 높은 재료로 형성되어 있는 경우에도, 전열플레이트(11)가 간극(G1, G2, G3)을 메우도록 팽창하는 것으로 바디(9)와의 열팽창차를 흡수할 수가 있다. 그 외에도, 간극(G2, G3)이 메워지는 것으로 열전도체(51)와 바디(9)의 구멍부(25)와의 밀착도가 높아지고, 열교환효율을 조정가능하게 한다.

[열교환율]

실시예 1과 비교예와의 사이에서 설정온도에 대한 출구온도를 비교했다. 비교예는 실시예 1의 벽형상의 각 열전도체(51) 대신에 국제공개 제 WO2013/180047 호로 공개된 복수의 원주핀형상의 열전도체를 채용한 것이다.

출구온도로서는 피열교환유체의 유량을 10L/min으로 하고, 히터플레이트의 설정온도를 100℃, 200℃, 300℃, 400℃, 500℃로 한 경우의 열교환기의 출구에서의 피열교환유체의 온도를 측정했다.

마찬가지로 피열교환유체의 유량을 1L/min으로 한 경우에 대해서도 실시예 1과 비교예를 비교했다.

비교결과를 도 10 및 도 11에 도시한다. 도 10은 실시예 1과 비교예와의 피열교환유체의 설정온도에 대한 출구온도를 대비하여 도시하는 도표이며, (A)는 피열교환유체의 유량이 10L/min의 경우, (B)는 1L/min의 경우를 도시한다. 도 11의 (A) 및 (B)는 각각 도 10(A) 및 도 10(B)의 결과를 플롯한 그래프이다.

도 10(A) 및 도 11(A)와 같이, 유량이 10L/min의 경우는 실시예 1과 비교예의 사이에 현저한 차이는 나타나지 않는다. 따라서, 비교예는 유량이 10L/min에서 실시예 1과 동등한 열교환율이 얻어지는 것으로 되어 있다. 또한, 열변환율은 히터플레이트의 온도에 대한 출구온도의 비율이다 (이하 동일함).

이러한 실시예 1과 비교예를 유량이 1L/min의 경우에 적용하면, 도 10(B) 및 11(B)와 같이, 비교예가 실시예 1에 대하여 100℃ ~ 400℃ 에서 열변환율이 떨어지고 있다는 것을 알 수 있다. 특히 설정온도 300℃에서는 열변환율이 70%를 하회하기까지 현저하게 떨어지고 있다.

따라서, 비교예에서는 피열교환유체의 유량이 변화하면 열변환율을 유지할 수 없었음에 대하여, 실시예 1에서는 피열교환유체의 유량에 상관없이 높은 열교환효율의 실현에 의해 높은 열변환율을 유지할 수가 있다.

이것은 도 12로부터 명확하다. 도 12는 실시예 1에 대해서 상이한 피열교환유체의 유량에서의 열변환율을 비교하여 도시한 그래프이다. 도 12에서, 파선은 열변환율 90%의 라인이다. 도 12와 같이, 실시예 1에서는 유량이 0.5L/min, 1L/min, 5L/min, 10L/min, 20L/min, 30L/min 일 때의 어느 경우에 있어서도 열변환율이 90%를 상회하고 있다.

[리스폰스]

실시예 1의 열교환기(7)를 이용하여 히터플레이트(13)의 온도를 200℃로 하고, 유량을 6L/min, 10L/min, 20L/min으로 한 경우에 대하여, 출구온도가 100℃로부터 상승하여 200℃부근에서 안정하기까지에 필요한 시간을 리스폰스로서 계측했다. 도 13(A) ~ (C)는 각각 유량이 6L/min, 10L/min, 20L/min의 결과이다.

도 13(A) ~ (C)와 같이, 유량이 6L/min의 경우는 리스폰스가 11초, 유량이 10L/min의 경우는 리스폰스가 10.5초, 20L/min의 경우는 리스폰스가 5.7초였다.

비교예는 어느 유량에서도 리스폰스가 50초 정도였기 때문에, 실시예 1에서는 높은 열교환효율의 실현에 의해 리스폰스를 대폭으로 향상시킬 수가 있다.

또한, 실시예 1에서는, 도 13(A) ~ (C)와 같이, 단열재를 비교예보다도 작게 하고 있음에도 불구하고, 비교예와 같이 케이스 온도가 60℃ ~ 70℃에서 안정되어 있다. 따라서, 실시예 1는 비교예보다도 열교환효율이 향상하고 있는 것이 확인할 수 있었다.

[실시예 1의 효과]

본 실시예의 열교환기(7)는 피열교환유체를 유통시키는 유로(23)를 가지는 바디(9)와 바디(9)를 거쳐서 피열교환유체와의 사이에서 열교환을 행하는 전열플레이트(11)를 구비한다. 전열플레이트(11)는 바디(9)의 외면(9a)에 접촉하는 접촉면(49a)을 가지는 플레이트 본체(49)와 플레이트 본체(49)의 접촉면(49a)으로부터 돌출하여 바디(9)의 내부에 배치된 복수의 벽형상의 열전도체(51)를 구비한다. 바디(9)는 유로(23)를 피한 위치에서 복수의 벽형상의 열전도체(51)를 각각 삽입에 의해 감합시켜서 내부로의 배치를 행하게 하는 복수의 슬릿형의 구멍부(25)를 구비한다. 각 열전도체(51)는 감합하고 있는 구멍부(25)보다도 작게 형성되어, 구멍부(25)와의 사이에 간극(G1, G2 또는 G3)을 구획한다.

따라서, 본 실시예의 열교환기(7)는 열교환기(7)의 바디(9)의 구멍부(25)에 열전도체(51)를 감합시키는 구조에서 바디(9)와 열전도체(51)와의 열팽창차를 간극(G1, G2 또는 G3)에 의해 흡수하는 것을 가능하게 하여, 유로(23)에 크랙이 생기는 것을 방지할 수 있다.

더구나, 본 실시예의 열교환기(7)는 열전도체(51)를 벽형상으로 하는 것으로 열전도체(51)를 구멍부(25)보다도 작게 해도 열교환효율이 저하하는 것을 방지할 수 있을뿐 아니라 열교환효율을 향상시키는 것도 가능하게 된다.

결과로서, 본 실시예에서는 높은 열변환율을 유지하면서 피열교환유체의 상이한 유량에 대응할 수가 있고, 또한 열교환기(7)의 히터온도에 대한 피열교환유체의 온도변화의 리스폰스도 현저하게 향상시킬 수 있다.

본 실시예의 열전도체(51)는 각각 구멍부(25)보다도 삽입방향에서의 치수가 짧게 형성되어 간극(G1)을 구획한다. 따라서, 간극(G1)에 의해 열전도체(51)와 바디(9)의 열팽창차를 확실하게 흡수가능하게 한다.

또한, 본 실시예에서는 열전도체(51)가 구멍부(25)보다도 삽입방향에 대한 교차방향에서의 단면형상이 작게 형성되어 간극(G2, G3)을 구획하므로, 열전도체(51) 및 바디(9)의 열팽창차의 흡수시에 간극(G2, G3)이 메워지는 것으로 열전도체(51)와 바디(9)의 밀착도가 높아지고, 열교환효율을 조정가능하게 한다.

본 실시예에서는 구멍부(25)가 바디(9)를 관통하여 설치되고, 전열플레이트(11)가 바디(9)를 사이에 두고 한 쌍 설치되어, 한 쌍의 전열플레이트(11)의 상호에 대응하는 열전도체(51)가 동일한 구멍부(25)의 양측으로부터 삽입되어, 대응하는 열전도체(51) 사이에 간극(G1)을 구획한다.

따라서, 본 실시예에서는 바디(9)의 양측에 전열플레이트(11)를 배치하여 확실하게 열교환을 행할 수가 있다.

본 실시예의 열전도체(51)는 플레이트 본체(49)에 일체로 형성되어 있으므로, 바디(9)로의 조립을 용이하게 행할 수 있다.

유로(23)는 병렬로 배치된 병렬로(31)와 병렬로(31)를 연결하는 절곡형상의 절곡로(33)를 구비하고, 열전도체(51)는 유로(23)의 병렬로(31)를 따라서 병렬로(31) 사이에 위치한다.

따라서, 본 실시예에서는 유로(23)에 대하여 벽형상의 열전도체(51)를 효과적으로 배치할 수가 있다.

또한, 본 실시예에서는 절곡로(33)가 절곡형상의 내측이 모서리(43)를 가지는 굴곡형상이므로, 하류측에서 피열교환유체에 모서리(43)에 따른 난류를 생기게 하여, 피열교환유체의 밀도가 낮은 부분과 밀도가 높은 부분의 사이의 열이동이 활발하게 되고, 또한 피열교환유체와 유로(23)의 내면과의 사이에서 효율 좋게 열이동시키는 것이 가능하게 되어, 보다 높은 열교환효율이 실현된다.

더욱이, 본 실시예에서는 벽형상의 열전도체(51)가 난류가 생기는 유로(23)의 병렬로(31)를 따라서 위치하기 때문에, 피열교환유체와 유로(23)의 내면과의 사이에서 효율 좋게 열이동시키는 부분을 효과적으로 가열할 수 있어서, 보다 높은 열교환효율이 실현된다.

또한, 본 실시예에서는 절곡로(33)가 절곡형상의 외측에서 모서리가 없는 만곡면(45)을 가지는 굴곡형상이므로, 과도한 난류를 방지하여 피열교환유체의 압력손실을 억제할 수 있다.

실시예 2

도 14는 본 발명의 실시예 2에 관한 열교환기의 단면도이다. 실시예 2는 실시예 1과 대응하는 구성부분에 동일한 부호 또는 동일한 부호에 A를 붙인 부호를 이용하여 중복된 설명을 생략한다.

본 실시예의 열과환기(7A)는 한 쌍의 전열플레이트(11Aa, 11Ab)의 일방의 전열플레이트(11Aa)에만 열전도체(51A)를 설치한 것이다. 전열플레이트(11Ab)는 열전도체를 가지지 않고, 판형상의 플레이트 본체(49)로만 이루어져 있다.

열전도체(51A)는 실시예 1에 대하여 길이방향으로 연설되어 있고, 타방의 전열플레이트(11Ab)의 사이에 삽입방향의 간극(G1)이 구획되어 있다.

이러한 실시예 2에서도, 실시예 1과 마찬가지의 작용효과를 발휘할 수 있다.

실시예 3

도 15는 본 발명의 실시예 3에 관한 열교환기의 바디의 유로의 일부를 도시하는 개념도이다. 실시예 3은 실시예 1과 대응하는 구성부분에 동일한 부호 또는 동일한 부호에 B를 붙인 부호를 이용하여 중복된 설명을 생략한다.

본 실시예에서는 유로(23B)의 절곡로(33B)의 외측을 전체로서 모서리가 없는 만곡형상으로 한 것이다.

따라서, 실시예 3에서는, 절곡로(33B)의 절곡형상의 내측의 모서리(43)에 의해 난류를 발생시킴과 함께, 절곡형상의 외측의 전체로서의 모서리가 없는 만곡형상에 의해, 보다 확실하게 과도한 난류를 방지할 수 있다. 이 때문에, 본 실시예에서는 피열교환유체의 압력손실을 최소한으로 억제하면서 난류를 확실하게 발생시키는 것이 가능하게 된다.

그 외, 실시예 3에서도 실시예 1과 마찬가지의 작용효과를 발휘할 수 있다.

실시예 4

도 16은 본 발명의 실시예 4에 따른 열교환기를 가지는 열교환유닛의 일부를 단면으로 표시한 측면도이다. 실시예 4는 실시예 1과 대응하는 구성부분에 동일한 부호 또는 동일한 부호에 C를 붙인 부호를 이용하여 중복된 설명을 생략한다. 또한, 도 16에서는 케이스(5)의 도시를 생략하고 있다.

열교환유닛(1C)은 열교환기(7)의 범위에 반사재(89)를 배치한 것이다. 반사재(89)는 열교환기(7)에 대향하는 내면(89a)이 경면형상으로 되어 있고, 열교환기(7)로부터의 방사열을 반사하여 열교환기(7)의 열교환효율을 향상시킨다.

반사재(89)는 금속제의 판이나 박 등으로 형성할 수 있다. 단, 반사재(89)는 케이스(5)에 의해 구성하는 것도 가능하다. 이 경우, 케이스(5)의 내면을 경면으로 마무리가공하면 된다.

따라서, 실시예 4에서는 열교환기(7)의 열교환효율을 보다 향상시킬 수 있다. 그 외, 실시예 4에서도 실시예 1과 마찬가지의 작용효과를 발휘할 수 있다.

실시예 5

도 17은 본 발명의 실시예 5에 따른 열교환기에 이용되는 전열플레이트를 도시하는 단면도이다. 실시예 5는 실시예 1과 대응하는 구성부분에 동일한 부호 또는 동일한 부호에 D를 붙인 부호를 이용하여 중복된 설명을 생략한다.

전열플레이트(11D)는 동(銅)으로 형성함과 함께 표면에 은의 코팅(91)을 형성한 것이다.

금속류로 전열플레이트(11D)를 형성하는 경우는 재료로서 알루미늄을 이용하는 것이 일반적이다. 그러나 알루미늄의 융점은 660℃로 상대적으로 낮고, 열교환기의 고온화에 한계가 있다. 이것에 대하여, 본 실시예에서는 융점이 1080℃로 상대적으로 높은 동에 의해 전열플레이트(11D)를 형성하기 때문에, 열교환기의 고온화에 대응할 수 있다. 단, 동은 반도체제조공정 등의 일부 용도에서 오염물질이기 때문에, 본 실시예에서는 동에 의해 형성한 전열플레이트(11D)의 표면에 비오염물질인 은(銀)에 의한 코팅(91)을 실시하고 있다. 또한, 비오염물질은 은에 한정되는 것은 아니며, 열교환기의 용도에 따른 적절한 것을 채용하면 된다.

7 : 열교환기
9 : 바디
9a : 외면
11 : 전열플레이트 (전열부재)
23 : 유로
25 : 구멍부
31 : 병렬로
33 : 절곡로
43 : 모서리
49 : 플레이트 본체(부재 본체)
49a : 접촉면
51 : 열전도체
G1, G2, G3 : 간극

Claims (8)

1. 피열교환유체를 유통시키는 유로를 가지는 바디와,
   상기 바디를 거쳐서 상기 피열교환유체와의 사이에서 열교환을 행하는 전열부재를 구비하고,
   상기 전열부재는 상기 바디의 외면에 접촉하는 접촉면을 가지는 부재 본체와, 이 부재 본체의 접촉면으로부터 돌출하여 상기 바디의 내부에 배치된 복수의 벽형상의 열전도체를 구비하고,
   상기 바디는 상기 유로를 피한 위치에서 상기 복수의 벽형상의 열전도체를 각각 삽입에 의해 감합시켜서 상기 내부로의 배치를 행하게 하는 복수의 슬릿형상의 구멍부를 구비하고,
   각 열전도체는 감합하고 있는 구멍부보다도 작게 형성되어 이 구멍부와의 사이에, 상기 바디와 상기 열전도체의 열팽창차를 흡수하는 간극을 구획하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 열전도체는 각각 상기 구멍부보다도 삽입방향에서의 치수가 짧게 형성되어 상기 간극을 구획하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 구멍부는 상기 바디를 관통하여 설치되고,
   상기 전열부재는 상기 바디를 사이에 두고 한 쌍 설치되고, 상호에 대응하는 열전도체가 상기 구멍부의 양측으로부터 삽입되어, 이 대응하는 열전도체 사이에 상기 간극을 구획하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 열전도체는 부재 본체에 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 열전도체는 각각 상기 구멍부보다도 삽입방향에 대해 교차하는 방향에서의 단면형상이 작게 형성되어 상기 간극을 구획하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 유로는 병열로 배치된 병렬로와, 이 병렬로를 연결하는 절곡형상의 절곡로를 구비하고,
   상기 열전도체는 상기 유로의 병렬로를 따라서 상기 병렬로 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 절곡로는 상기 절곡형상의 내측이 모서리를 가지는 굴곡형상인 것을 특징으로 하는 열교환기.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 절곡로는 상기 절곡형상의 외측이 모서리가 없는 만곡형상인 것을 특징으로 하는 열교환기.

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