KR102073625B1 - 인쇄기판형 열교환기 및 이를 포함하는 열교환 장치 - Google Patents

인쇄기판형 열교환기 및 이를 포함하는 열교환 장치 Download PDF

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KR102073625B1
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양기훈
김정길
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두산중공업 주식회사
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Abstract

본 발명은 인쇄기판형 열교환기에 있어서, 고온의 유체와 저온의 유체가 유동하는 유로 외곽에 고온 유체가 흐르는 L자형 수조를 형성하여 저온 유체에 의해 유로가 결빙되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은 별도의 구성 요소 추가 없이 플레이트 상에 개구를 형성함으로써 추가적인 채널, 즉 수조를 형성할 수 있어 간단한 방법으로 유로 결빙 방지 구조를 제조할 수 있다.

Description

인쇄기판형 열교환기 및 이를 포함하는 열교환 장치 {Printed circuit heat exchanger and heat exchanging device comprising it}
본 발명은 열교환기 및 이를 포함하는 열교환 장치에 관한 것이다.
열교환기란 두 유체 간에 열을 주고받도록 하게 하는 장치를 말한다. 일반적으로 열교환기는 고온 및 저온의 유체가 튜브 또는 플레이트를 각각 통과하면서 열을 교환하며, 열은 고온 유체로부터 저온의 유체로 이동한다.
인쇄기판형 열교환기(Printed circuit heat exchanger, PCHE)는 미세 유로를 갖는 열교환기이다. 인쇄기판형 열교환기는 복수의 금속판을 적층하여 진공의 고온 고압분위기에서 확산접합하여 제조된다. 금속판 상에는 화학적 에칭법에 의해 미세 유로가 형성된다. 인쇄기판형 열교환기는 미세 유로가 형성된 복수의 금속판을 적층함으로써, 전열면적을 증가시킬 수 있다는 장점이 있다. 이에 따라 열교환기의 전체적인 소형화 및 경량화가 가능하다.
또한, PCHE는 일반적으로 스테인리스강 및 Ni기 합금과 같은 물성이 우수한 소재로 제작이 되기 때문에 기존의 열교환기를 사용할 수 없었던 고온, 고압 및 극저온 환경에 사용할 수 있는 장점이 있다.
하지만, 극저온 환경에서 PCHE를 사용하는 경우 극저온의 유체에 의해 고온의 유체가 냉각되는 일이 발생할 수 있다. 특히, 유속이 느린 지점에서 결빙이 발생하거나, 열교환 장치를 급 정지하는 경우 유로 및 헤더에 잔존하는 극저온 유체로 인하여 잔존하는 고온 유체가 냉각될 수 있다. 유로 내부에서 유체가 냉각되면 펌프 및 기타 부속 부품의 손상을 가져올 수 있고, 재운행시 동작의 지연이 발생할 수 있는 문제가 있다.
따라서 유로 내의 결빙을 방지할 수 있는 인쇄기판형 열교환기의 개발이 필요하다.
등록특허 제10-0938802호 (명칭: 마이크로채널 열교환기)
본 발명은 간단한 구성으로 유로 내의 결빙을 방지할 수 있는 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기는 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포함한다. 제1 플레이트는 직사각 형상이며, 외곽에 형성된 L자 형상의 제1 L자형 개구, 제1 L자형 개구와 이격되어 위치하며 직사각형의 대각선 상으로 대칭적으로 형성된 제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구, 반대측 대각선 상으로 대칭적으로 형성된 제1 및 제2 저온 헤더 형성 개구, 단부가 제1 고온 헤더 형성 개구와 제2 고온 헤더 형성 개구에 각각 연결되도록 형성된 복수의 제1 유로, 제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구와 L자형 개구를 연결하는 누설 유로를 구비한다. 제2 플레이트는 직사각 형상이며, 외곽에 형성된 L자 형상의 제1 L자형 개구, 제1 L자형 개구와 이격되어 위치하며 직사각형의 대각선 상으로 대칭적으로 형성된 제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구, 반대측 대각선 상으로 대칭적으로 형성된 제1 및 제2 저온 헤더 형성 개구, 단부가 제1 저온 헤더 형성 개구와 제2 저온 헤더 형성 개구에 각각 연결되도록 형성된 복수의 제2 유로를 구비한다. 복수의 제1 플레이트와 복수의 제2 플레이트는 교번으로 적층될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 및 제2 플레이트에는 제1 L자형 개구와 중심점을 기준으로 대칭인 위치에 제2 L자형 개구가 더 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 L자형 개구는 제2 L자형 개구의 면적보다 넓을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 복수의 제1 유로에 있어, 제1 저온 헤더 형성 개구에 인접하여 위치한 유로는 내측 유로보다 폭이 넓을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 복수의 제1 유로에 있어, 제1 저온 헤더 형성 개구에 인접하여 위치한 유로의 배치 간격은 내측 유로의 배치 간격보다 좁을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기는 복수의 제1 및 제2 플레이트가 적층되어 제1 L자형 개구가 L자 형태의 수조를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기는 복수의 제1 및 제2 플레이트가 적층되어 제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구가 제1 및 제2 고온 헤더를 형성하고, 제1 및 제2 저온 헤더 형성 개구가 제1 및 제2 저온 헤더를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기는 몸체부, 제1 고온 헤더, 제2 고온 헤더, 제1 L자형 캐비티, 제1 저온 헤더, 제2 저온 헤더를 포함한다. 몸체부는 상면에 유로가 형성된 복수의 제1 플레이트 및 제2 플레이트가 적층되어 형성된다. 제1 고온 헤더로는 고온 유체가 유입되어 제1 플레이트로 유체를 순환시킨다. 제2 고온 헤더는 제1 플레이트를 유동한 고온 유체를 회수한다. 제1 L자형 캐비티는 몸체부의 외곽에 배치되고, 하방으로 소정 깊이로 공간이 형성된다. 제1 L자형 캐비티는 제1 고온 헤더로부터 유체를 공급받아 제2 고온 헤더로 유체를 회수시킨다. 제1 저온 헤더로는 저온 유체가 유입되어 제2 플레이트로 유체를 순환시킨다. 제2 저온 헤더는 제2 플레이트를 유동한 저온 유체를 회수시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 몸체부는 제1 L자형 캐비티와 대칭되는 위치에 제2 L자형 캐비티를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 L자형 캐비티는 제2 L자형 캐비티보다 폭이 더 넓을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 L자형 캐비티의 깊이는 몸체부의 높이의 1/2 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치는 인쇄기판형 열교환기, 상부 커버 및 하부 커버를 포함한다. 인쇄기판형 열교환기는 몸체부, 제1 고온 헤더, 제2 고온 헤더, 제1 L자형 캐비티, 제1 저온 헤더, 제2 저온 헤더를 포함한다. 몸체부는 상면에 유로가 형성된 복수의 제1 플레이트 및 제2 플레이트가 적층되어 형성된다. 제1 고온 헤더로는 고온 유체가 유입되어 제1 플레이트로 유체를 순환시킨다. 제2 고온 헤더는 제1 플레이트를 유동한 고온 유체를 회수한다. 제1 L자형 캐비티는 몸체부의 외곽에 배치되고, 하방으로 소정 깊이로 공간이 형성된다. 제1 L자형 캐비티는 제1 고온 헤더로부터 유체를 공급받아 제2 고온 헤더로 유체를 회수시킨다. 제1 저온 헤더로는 저온 유체가 유입되어 제2 플레이트로 유체를 순환시킨다. 제2 저온 헤더는 제2 플레이트를 유동한 저온 유체를 회수시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치에서 몸체부는 제1 L자형 캐비티와 대칭되는 위치에 제2 L자형 캐비티를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치에서 제1 L자형 캐비티는 제2 L자형 캐비티보다 폭이 더 넓을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치에서 제1 L자형 캐비티의 깊이는 몸체부의 높이의 1/2 이하일 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 인쇄기판형 열교환기의 외곽에 고온의 유체가 흐르는 수조를 구비하여 저온의 유체로 인하여 유로가 결빙되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 사고 등으로 고온의 유체가 흐르지 않는 경우에도 수조에 고온의 유체가 머물러 있어 유로의 결빙을 방지하고, 부속 기기의 손상을 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 실시 형태에 따르면, 결빙으로 유로가 막힌 경우에도 외곽에 유지되는 고온의 유체에 의해 결빙 구간이 녹는 시간을 경감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 및 제2 플레이트를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 플레이트를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 플레이트 및 열교환 장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 유로의 일부가 폭이 넓게 형성된 상태를 나타내는 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 유로의 일부가 간격이 좁게 배치된 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 수조의 깊이가 상이하게 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설 명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 및 제2 플레이트를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인쇄기판형 열교환기(1000)는 몸체부(1000'), 제1 고온 헤더(1310), 제2 고온 헤더(1320), 제1 저온 헤더(1410), 제2 저온 헤더(1420), 제1 L자형 캐비티(1510), 제2 L자형 캐비티(1520)를 포함한다. 몸체부(1000')는 제1 및 제2 플레이트(1100, 1200)가 적층되어 형성된다.
제1 플레이트(1100) 및 제2 플레이트(1200)는 교번으로 적층될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 플레이트(1100) 및 제2 플레이트(1200)가 교번으로 적층되나, 필요에 따라 제1 플레이트(1100) 및 제2 플레이트(1200)가 1:2 또는 2:1로 적층될 수도 있다. 제1 플레이트 및 제2 플레이트(1100, 1200)에 형성된 유로(1140, 1240)에는 각각 다른 종류의 유체가 유동한다. 제1 플레이트(1100) 상에는 고온의 유체가, 제2 플레이트(1200) 상에는 저온의 유체가 유동할 수 있다. 예를 들어, 제1 플레이트(1100)를 유동하는 유체는 에틸렌글리콜(EG;Ethylene glycol) 또는 물일 수 있으며, 제2 플레이트(1200)를 유동하는 유체는 액화천연가스(LNG;Liquefied natural gas)와 같은 극저온의 유체일 수 있다.
제1 및 제2 플레이트(1100, 1200)는 스테인리스 스틸, Ni기 합금 등의 내열 소재로 제작된다. 제1 및 제2 플레이트(1100, 1200) 상에는 유로가 형성되어 있다. 스테인레스 스틸 등의 소재로 된 플레이트를 에칭하여 플레이트 상에 미세 유로를 형성한다.
제1 플레이트(1100) 및 제2 플레이트(1200)는 복수 개가 적층되어 확산 접합된다.
제1 고온 헤더(1310)는 몸체부(1000')의 깊이 방향으로 공간을 형성한다. 제1 고온 헤더(1310)로 고온 유체가 유입되어, 제1 플레이트(1100)로 유체를 순환시킨다.
제2 고온 헤더(13200는 제1 고온 헤더(1310)와 대각선으로 대칭인 위치에 형성되며, 몸체부(1000')의 깊이 방향으로 공간을 형성한다. 제2 고온 헤더(1320)는 제1 플레이트(1100)를 유동한 유체를 회수한다.
제1 저온 헤더(1410)는 몸체부(1000')의 깊이 방향으로 공간을 형성한다. 제1 저온 헤더(1410)로 저온의 유체가 유입되어, 제2 플레이트(1200)로 유체를 순환시킨다.
제2 저온 헤더(1420)는 제1 저온 헤더(1410)와 대각선으로 대칭인 위치에 형성되며, 몸체부(1000')의 깊이 방향으로 공간을 형성한다. 제2 저온 헤더(1420)는 제2 플레이트(1100)를 유동한 유체를 회수한다.
제1 L자형 캐비티(1510)는 몸체부(1000')의 외곽에 배치된다. 제1 L자형 캐비티(1510)는 몸체부(1000')의 깊이 방향으로 소정 깊이로 공간을 형성한다. 제1 L자형 캐비티(1510)는 일단에서 제1 고온 헤더(1310)로부터 유체가 유동하여 고온의 유체로 채워진다. 제1 L자형 캐비티(1510)의 타단에서는 캐비티를 채우던 유체가 제2 고온 헤더(1320)로 회수된다.
제2 L자형 캐비티(1520)는 몸체부(1000')의 외곽에 배치되되, 제1 L자형 캐비티(1510)와 대칭되는 위치에 배치된다. 제2 L자형 캐비티(1520)는 몸체부(1000')의 깊이 방향으로 소정 깊이로 공간을 형성한다. 제2 L자형 캐비티(1520)는 일단에서 제1 고온 헤더(1310)로부터 유체가 유동하여 고온의 유체로 채워진다. 제1 L자형 캐비티(1510)의 타단에서는 캐비티를 채우던 유체가 제2 고온 헤더(1320)로 회수된다.
제1 및 제2 플레이트(1100, 1200)에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(1100)는 직사각 형상이다. 제1 플레이트(1100)에는 제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구(1111, 1112), 제1 및 제2 저온 헤더 형성 개구(1121, 1122), 제1 및 제2 L자형 개구(1131, 1132), 복수의 제1 유로(1140), 복수의 누설 유로(1142)가 형성된다.
제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구(1111, 1112)는 제1 플레이트(1100)의 중심점을 기준으로 대칭인 위치에 배치된다. 제1 고온 헤더 형성 개구(1111)는 복수개의 제 1 및 제2 플레이트(1100, 1200)가 적층되었을 때, 하나로 공간으로 연결되어 제1 고온 헤더(1310)를 형성한다. 제1 고온 헤더(1310)로 고온의 유체가 유입되며, 제1 고온 헤더(1310)는 유입된 고온의 유체를 각각의 제1 플레이트(1100)의 유로(1140)로 순환시킨다.
제2 고온 헤더 형성 개구(1112)는 복수개의 제 1 및 제2 플레이트(1100, 1200)가 적층되었을 때, 하나로 공간으로 연결되어 제2 고온 헤더(1320)를 형성한다. 제2 고온 헤더(1320)는 제1 유로(1140)를 통과한 유체를 회수한다.
제1 유로(1140)는 복수개가 이웃하여 배치된다. 복수의 제1 유로(1140)는 양 단부가 각각 제1 고온 헤더 형성 개구(1111) 및 제2 고온 헤더 형성 개구(1112)에 연결된다. 유체는 제1 고온 헤더(1310)로부터 유입되어, 복수의 제1 유로(1140)를 유동하여 제2 고온 헤더(1320)로 회수된다. 본 실시예에서 제1 유로는(1140)는 직선 형상이나, 지그재그 형상, 물결 형상 또는 벌집 구조 형상 등일 수도 있다.
제1 및 제2 저온 헤더 형성 개구(1121, 1122)는 제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구(1111, 1112)와 반대되는 대각선 상에 위치한다. 제1 및 제2 저온 헤더 형성 개구(1121, 1122)는 서로 제1 플레이트(1100)의 중심점을 기준으로 대칭인 위치에 배치된다. 제1 저온 헤더 형성 개구(1121)는 복수개의 제 1 및 제2 플레이트(1100, 1200)가 적층되었을 때, 하나로 공간으로 연결되어 제1 저온 헤더(1410)를 형성한다. 제2 저온 헤더 형성 개구(1122)는 복수개의 제 1 및 제2 플레이트(1100, 1200)가 적층되었을 때, 하나로 공간으로 연결되어 제2 저온 헤더(1420)를 형성한다.
제1 플레이트(1100)의 외곽에는 L자 형상의 제1 L자형 개구(1131)가 형성된다. 제1 플레이트(1100)의 중심점을 기준으로 대칭인 위치에는 제2 L자형 개구(1132)가 형성된다. 제1 및 제2 L자형 개구(1131, 1132)는 직사각형 형상의 제1 플레이트(1100)의 외곽을 따라 배치된다. 접합시 내구성을 확보하기 위하여 제1 및 제2 L자형 개구(1131, 1132)는 제1 플레이트(1100)의 외곽면으로부터 소정 간격 이격되어 위치한다. 제1 플레이트(1100)의 외곽면 중 개구가 형성되지 않은 부분은 적층시 복수의 플레이트(1100, 1200)를 지지하는 연결 지지대의 역할을 한다.
제1 L자형 개구(1131)는 제1 L자형 개구(1131)의 일측 단부에서 제1 고온 헤더 형성 개구(1111)와 누설 유로(1142)를 통해 연결된다. 제1 L자형 개구(1131)는 복수개의 제 1 및 제2 플레이트(1100, 1200)가 적층되었을 때, 하나의 공간으로 연결되어 L자 형상의 수조인, 제1 L자형 캐비티(1510)를 형성한다. 제1 고온 헤더(1310)로 유입된 고온의 유체 중 일부가 제1 누설 유로(1142)를 통해 제1 L자형 캐비티(1510)를 채워, 캐비티 내부에 고온의 유체가 머물도록 한다. 제1 누설 유로(1142)는 적어도 하나 이상이 형성되며, 필요에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 제1 누설 유로(1142)의 개수는 열교환을 하는 저온 유체의 종류에 따라서 다르게 설계될 수 있다.
한편, 제1 및 제2 L자형 개구(1131, 1132)의 면적의 합은 전체 유로의 면적의 1~10%일 수 있다. 전체 유로 면적의 10%를 넘는 경우 제1 플레이트(1200) 상에 유로를 배치할 수 있는 면적이 많이 좁아지며, 결과적으로 유로 결빙을 위해 필요 이상의 공간을 사용하여 열교환기 전체 효율이 떨어지기 때문이다.
제1 L자형 개구(1131)의 타측 단부에서는 제1 L자형 개구(1131)와 제2 고온 헤더 형성 개구(1112)가 제2 누설 유로(1144)에 의해 연결된다. 제1 L자형 캐비티(1510) 내를 유동하는 고온 유체는 제1 누설 유로(1144)를 통하여 제2 고온 헤더(1320)로 회수된다. 제2 누설 유로(1144)는 적어도 하나 이상이 형성되며, 필요에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 제1 누설 유로(1142)의 개수는 열교환을 하는 저온 유체의 종류에 따라서 다르게 설계될 수 있다.
제2 L자형 캐비티 역시 제1 L자형 캐비티와 마찬가지로 구성되며, 동일한 설명이므로 생략한다.
도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 제2 플레이트(1200)는 직사각 형상이다. 제2 플레이트(1200)에는 제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구(제1 및 제2 개구, 1211, 1212), 제1 및 제2 저온 헤더 형성 개구(제3 및 제4 개구, 1221, 1222), 제1 및 제2 L자형 개구(1231, 1232), 복수의 제2 유로(1240)가 형성된다.
제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구(1211, 1212)는 제2 플레이트(1100)의 중심점을 기준으로 대칭인 위치에 배치된다. 제1 고온 헤더 형성 개구(1111)는 복수개의 제 1 및 제2 플레이트(1100, 1200)가 적층되었을 때, 하나로 공간으로 연결되어 제1 고온 헤더(1310)를 형성한다.
제2 고온 헤더 형성 개구(1212)는 복수개의 제 1 및 제2 플레이트(1100, 1200)가 적층되었을 때, 하나로 공간으로 연결되어 제2 고온 헤더(1320)를 형성한다.
제1 및 제2 저온 헤더 형성 개구(1221, 1222)는 제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구(1211, 1212)와 반대되는 대각선 상에 위치한다. 제1 및 제2 저온 헤더 형성 개구(1221, 1222)는 서로 제2 플레이트(1100)의 중심점을 기준으로 대칭인 위치에 배치된다. 제1 저온 헤더 형성 개구(1221)는 복수개의 제 1 및 제2 플레이트(1100, 1200)가 적층되었을 때, 하나로 공간으로 연결되어 제1 저온 헤더(1410)를 형성한다. 제1 저온 헤더(1410)로 저온 또는 극저온의 유체가 유입되며, 제1 저온 헤더(1410)는 유입된 저온 또는 극저온의 유체를 각각의 제2 플레이트(1200)의 유로(1240)로 순환시킨다.
제2 저온 헤더 형성 개구(1222)는 복수개의 제 1 및 제2 플레이트(1100, 1200)가 적층되었을 때, 하나로 공간으로 연결되어 제2 저온 헤더(1420)를 형성한다. 제2 저온 헤더(1320)는 제2 유로(1240)를 통과한 유체를 회수한다.
제2 유로(1240)는 복수개가 이웃하여 배치된다. 복수의 제2 유로(1240)는 양 단부가 각각 제1 저온 헤더 형성 개구(1221) 및 제2 저온 헤더 형성 개구(1222)에 연결된다. 유체는 제1 저온 헤더(1410)로부터 유입되어, 복수의 제2 유로(1240)를 유동하여 제2 저온 헤더(1420)로 회수된다. 본 실시예에서 제2 유로는(1240)는 직선 형상이나, 지그재그 형상, 물결 형상 또는 벌집 구조 형상 등일 수도 있다.
제2 플레이트(1200)의 외곽에는 L자 형상의 제1 L자형 개구(1231)가 형성된다. 제2 플레이트(1200)의 중심점을 기준으로 대칭인 위치에는 제2 L자형 개구(1232)가 형성된다. 제1 및 제2 L자형 개구(1231, 1232)는 직사각형 형상의 제2 플레이트(1200)의 외곽을 따라 배치된다. 접합시 내구성을 확보하기 위하여 제1 및 제2 L자형 개구(1231, 1232)는 제2 플레이트(1200)의 외각면으로부터 소정 간격 이격되어 위치한다.
한편, 제1 및 제2 L자형 개구(1231, 1232)의 면적의 합은 전체 유로의 면적의 1~10%일 수 있다. 전체 유로 면적의 10%를 넘는 경우 제2 플레이트(1200) 상에 유로를 배치할 수 있는 면적이 많이 좁아지며, 결과적으로 유로 결빙을 위해 필요 이상의 공간을 사용하여 열교환기 전체 효율이 떨어지기 때문이다.
제1 및 제2 플레이트(1100, 1200)는 1:1의 비율로 적층될 수도 있으나, 필요에 따라 2:1 또는 1:2 등의 비율로 적층될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 및 제2 플레이트(1100, 1200) 두 종류의 플레이트를 적층시키는 것을 예로 들었으나, 이에 한정하지는 않으며, 유동시키는 유체의 종류에 따라 3개 이상 종류의 플레이트가 적층되어 열교환기를 형성할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 플레이트를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 플레이트 및 열교환 장치를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 제1 L자형 개구(1131)의 면적이 제2 L자형 개구(1132)의 면적보다 크게 형성될 수 있다. 제1 L자형 개구(1131)는 저온 유체가 유입되는 제1 저온 헤더(1410)의 부근에 위치한다. 제1 저온 헤더(1410)의 부근은 제1 저온 헤더(1410)로 유입되는 유체에 의해 유로가 결빙될 가능성이 현저히 높다. 따라서 제1 저온 헤더(1410) 부근에 위치한 제1 L자형 캐비티(1510)를 더 크게 형성함으로써, 열교환기의 유로 배치 면적을 확보하면서도 원하는 결빙 방지 효과를 낼 수 있다.
다른 실시예에서는 L자형 개구를 제1 저온 헤더 부근 한 곳에만 배치시킬 수도 있다. 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(1100) 상에 제1 L자형 개구(1131)만이 형성되어 있을 수 있다. 제1 L자형 개구(1131)는 제1 저온 헤더(1410)로 유입되는 유체에 의해 유로가 결빙될 가능성이 현저히 높은 제1 저온 헤더(1410)의 부근에만 위치됨으로써, 열교환기(1000)의 유로 배치 면적을 충분히 확보할 수 있다.
도 4의 (b)는 하나의 L자형 캐비티(1510)만 형성된 인쇄기판형 열교환기가 도시되어 있으며, 두 개의 L자형 캐비티(1510, 1520)를 구비하는 것에 비하여 열교환기(1000)를 더욱 소형화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 유로의 일부가 폭이 넓게 형성된 상태를 나타내는 도면이고, 도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 유로의 일부가 간격이 좁게 배치된 상태를 나타내는 도면이다.
제1 저온 헤더(1410)의 부근은 제1 저온 헤더(1410)로 유입되는 저온 또는 극저온 유체에 의해 주변 유로가 결빙될 가능성이 현저히 높다. 한편, 제1 플레이트(1100)와 제2 플레이트(1200)가 적층될 때, 제1 플레이트(1100)에 형성된 제1 유로(1140)와 제2 플레이트(1200)에 형성된 제2 유로(1140)는 대칭인 형상으로 배치된다. 즉, 제1 저온 헤더(1410)의 부근에서는 제1 저온 헤더(1410)로부터 유체가 유입되는 유입부와 제1 고온 헤더(1310)로부터 유체가 유입되는 유입부가 충분히 열교환을 할 수 없어, 제1 저온 헤더(1410)의 부근의 유로에서 유로가 결빙될 가능성이 있다. 따라서 제1 저온 헤더(1410)의 부근의 유로는 내측에 배치된 유로보다 그 폭을 넓게 하여 유로 내의 열용량을 크게 할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 저온 헤더 형성 개구(1121)에 인접한 제1 유로(1140)를 폭이 넓도록 형성할 수 있다.
다른 실시예에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 저온 헤더 형성 개구(1121)에 인접한 제1 유로(1140)의 간격을 내측에 위치한 유로의 간격보다 좁게 형성하여, 이웃하는 층에 위치한 제2 유로(1240) 대비 많은 양의 고온의 유체가 유동하도록 할 수 있다.
다른 실시예에서는 제1 저온 헤더 형성 개구(1121)에 인접한 제1 유로(1140)의 깊이를 내측에 위치한 유로의 깊이보다 깊게 형성하여 유로 내의 열용량을 크게 할 수 있다. 예를 들어, 내측 유로의 깊이가 1mm라면, 제1 저온 헤더 형성 개구(1121)에 인접한 제1 유로(1140)의 깊이는 1.5~2mm가 될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 수조의 깊이가 상이하게 형성된 것을 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인쇄기판형 열교환기에서 제1 및 제2 L자형 수조는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 몸체부(1000')의 높이를 따라 전체적으로 형성될 수도 있고, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 몸체부(1000') 높이의 절반 이하의 높이로 형성될 수 있다.
예를 들어, 400여개의 제1 및 제2 플레이트(1100, 1200)가 적층된다고 할때, 상부에 있는 200여개의 제1 및 제2 플레이트(1100, 1200)에는 제1 L자형 개구 및 제2 L자형 개구(1131, 1132)가 둘 다 형성되고, 하부에 위치한 200여개의 제1 및 제2 플레이트(1100, 1200)에는 제1 L자형 개구 및 제2 L자형 개구(1131, 1132)가 형성되지 않을 수 있다. 일부 층에서만 L자형 개구를 형성하면 되므로, 하부 영역에서 유로 배치 영역을 확보할 수 있다. 한편, 다른 실시예에서는 필요에 따라 제1 L자형 캐비티(1510)와 제2 L자형 캐비티(1520)의 깊이를 다르게 설계할 수도 있다. 예를 들어, 제1 L자형 캐비티(1510)를 제2 L자형 캐비티(1520)보다 더 깊게 형성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치를 나타내는 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 열교환 장치(2000)는 인쇄기판형 열교환기(2100), 상부 커버(2200), 하부 커버(2300)를 포함할 수 있다.
인쇄기판형 열교환기(2100)는 제1 및 제2 플레이트(1100, 1200)가 교번으로 적층되어 형성된다. 제1 및 제2 플레이트(1100, 1200)의 상면에는 유로가 형성된다. 플레이트는 40~50개, 많게는 500여장 적층되어 확산 접합된다. 적층 및 접합되어 형성된 인쇄기판형 열교환기(2100)의 상부에 상부 커버(2200)가 장착된다. 인쇄기판형 열교환기(2100)의 하부에는 하부 커버(2300)가 장착된다. 상부 커버 및 하부 커버(2200, 2300)는 접합된 복수의 플레이트들(1100, 1200)을 안정적으로 고정시킨다. 상부 커버 및 하부 커버(2200, 2300)의 재질은 인쇄기판형 열교환기(2100)의 플레이트와 같은 재질, 예를 들어 스테인리스 스틸로 형성될 수 있다.
상부 커버(2200)에는 인쇄기판형 열교환기(2100)의 헤더에 유체를 공급 및 회수하는 고온 유체 공급구(2210), 고온 유체 회수구(2220), 저온 유체 공급구(2230), 저온 유체 회수구(2240)가 구비된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000 : 인쇄기판형 열교환기 1000' : 몸체부
1100 : 제1 플레이트 1200 : 제2 플레이트
1111, 1211 : 제1 고온 헤더 형성 개구
1112, 1212 : 제2 고온 헤더 형성 개구
1121, 1221 : 제1 저온 헤더 형성 개구
1122, 1222 : 제2 저온 헤더 형성 개구
1131, 1231 : 제1 L자형 개구
1132, 1232 : 제2 L자형 개구
1140 : 제1 유로 1240 : 제2 유로
1310 : 제1 고온 헤더 1320 : 제2 고온 헤더
1410 : 제1 저온 헤더 1420 : 제2 저온 헤더
1510 : 제1 L자형 개구 1520 : 제2 L자형 개구

Claims (15)

  1. 직사각 형상이며, 외곽에 형성된 L자 형상의 제1 L자형 개구, 상기 제1 L자형 개구와 이격되어 위치하며 직사각형의 대각선 상으로 대칭적으로 형성된 제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구, 반대측 대각선 상으로 대칭적으로 형성된 제1 및 제2 저온 헤더 형성 개구, 단부가 상기 제1 고온 헤더 형성 개구와 상기 제2 고온 헤더 형성 개구에 각각 연결되도록 형성된 복수의 제1 유로, 상기 제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구와 상기 제1 L자형 개구를 연결하는 누설 유로를 구비하는 제1 플레이트; 및
    직사각 형상이며, 외곽에 형성된 L자 형상의 제1 L자형 개구, 상기 제1 L자형 개구와 이격되어 위치하며 직사각형의 대각선 상으로 대칭적으로 형성된 제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구, 반대측 대각선 상으로 대칭적으로 형성된 제1 및 제2 저온 헤더 형성 개구, 단부가 상기 제1 저온 헤더 형성 개구와 상기 제2 저온 헤더 형성 개구에 각각 연결되도록 형성된 복수의 제2 유로를 구비하는 제2 플레이트;를 포함하고,
    복수의 상기 제1 플레이트와 복수의 상기 제2 플레이트가 교번으로 적층된 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 플레이트에는 상기 제1 L자형 개구와 중심점을 기준으로 대칭인 위치에 제2 L자형 개구가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 L자형 개구는 상기 제2 L자형 개구의 면적보다 넓은 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 유로에 있어, 제1 저온 헤더 형성 개구에 인접하여 위치한 유로는 내측 유로보다 폭이 넓은 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 유로에 있어, 제1 저온 헤더 형성 개구에 인접하여 위치한 유로의 배치 간격은 내측 유로의 배치 간격보다 좁은 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    복수의 제1 및 제2 플레이트가 적층되어 제1 L자형 개구가 L자 형태의 수조를 형성하는 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    복수의 제1 및 제2 플레이트가 적층되어 상기 제1 및 제2 고온 헤더 형성 개구가 제1 및 제2 고온 헤더를 형성하고, 상기 제1 및 제2 저온 헤더 형성 개구가 제1 및 제2 저온 헤더를 형성하는 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기.
  8. 상면에 유로가 형성된 복수의 제1 플레이트 및 제2 플레이트가 적층되어 형성된 몸체부;
    고온 유체가 유입되어 상기 제1 플레이트로 유체를 순환시키는 제1 고온 헤더;
    상기 제1 플레이트를 유동한 고온 유체를 회수하는 제2 고온 헤더;
    상기 몸체부의 외곽에 배치되고, 하방으로 소정 깊이로 공간이 형성되며, 상기 제1 고온 헤더로부터 유체를 공급받아 상기 제2 고온 헤더로 유체를 회수시키는 제1 L자형 캐비티;
    저온 유체가 유입되어 상기 제2 플레이트로 유체를 순환시키는 제1 저온 헤더; 및
    상기 제2 플레이트를 유동한 저온 유체를 회수하는 제2 저온 헤더;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 몸체부는 상기 제1 L자형 캐비티와 대칭되는 위치에 제2 L자형 캐비티를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 L자형 캐비티는 상기 제2 L자형 캐비티보다 폭이 더 넓은 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 L자형 캐비티의 깊이는 상기 몸체부의 높이의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기.
  12. 인쇄기판형 열교환기;
    상기 인쇄기판형 열교환기의 상부에 장착되는 상부 커버; 및
    상기 인쇄기판형 열교환기의 하부에 장착되는 하부 커버;를 포함하고,
    상기 인쇄기판형 열교환기는,
    상면에 유로가 형성된 복수의 제1 플레이트 및 제2 플레이트가 적층되어 형성된 몸체부와,
    고온 유체가 유입되어 상기 제1 플레이트로 유체를 순환시키는 제1 고온 헤더와,
    상기 제1 플레이트를 유동한 고온 유체를 회수하는 제2 고온 헤더와,
    상기 몸체부의 외곽에 배치되고, 하방으로 소정 깊이로 공간이 형성되며, 상기 제1 고온 헤더로부터 유체를 공급받아 상기 제2 고온 헤더로 유체를 회수시키는 제1 L자형 캐비티와,
    저온 유체가 유입되어 상기 제2 플레이트로 유체를 순환시키는 제1 저온 헤더와,
    상기 제2 플레이트를 유동한 저온 유체를 회수하는 제2 저온 헤더를 구비하는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 몸체부는 상기 제1 L자형 캐비티와 대칭되는 위치에 제2 L자형 캐비티를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 L자형 캐비티는 상기 제2 L자형 캐비티보다 폭이 더 넓은 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 L자형 캐비티의 깊이는 상기 몸체부의 높이의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
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