KR102231142B1 - 열교환 판 및 열교환기 - Google Patents

Abstract

제1 매체와 제2 매체 사이의 열교환기를 위한 판(100)이며, 판(100)은 주 연장 평면 및 주 길이방향(L)과 관련되고, 상기 주 평면에 실질적으로 평행하게 연장되고 제1 유동 방향(F1)으로 제1 표면(101)을 따라 대체로 유동하는 제1 매체와 접촉하도록 배열된 제1 열전달 표면(101); 및 상기 주 평면에 실질적으로 평행하게 연장되고 제2 유동 방향(F2)으로 제2 표면(102)을 따라 대체로 유동하는 제2 매체와 접촉하도록 배열된 제2 열전달 표면(102)을 포함한다. 본 발명은 제1 표면(101)이 제1 유동 방향(F1)으로 연장하는 적어도 2개의 평행한 개방 단부형 채널(122)을 한정하는 돌출 리지(121)를 포함하고, 제2 표면(102)이 상기 리지(121)의 이웃하는 각각의 쌍 사이에서 상기 채널(122) 내에 배열된 복수의 돌출 딤플(123)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환 판 및 열교환기

본 발명은 열교환기 판 및 복수의 이런 판을 포함하는 열교환기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 응축기형 판형 열교환기에 유용하다.

다양한 유형의 열교환기가 많은 다양한 용례에서 사용된다. 특정 유형의 종래 기술의 열교환기는 판형 열교환기이며, 이는 열교환될 상이한 매체의 유동 채널이 이러한 판의 스택 내에서 인접한 열교환 판 사이에 형성되고, 특히 이러한 판상의 대응 열교환 표면에 의해 한정된다.

특히, 판형 열교환기는 비교적 얇은 스탬핑된 시트 금속 단편으로부터 유리하게 제조될 수 있으며, 이 금속 단편은 열교환기를 형성하도록 결합될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 열교환기는 비교적 효율적으로 제조될 수 있다.

종래 기술은 특히 판형 생선뼈 형상의 돌출 패턴을 갖는 열교환기를 설명하는 WO2009112031A3, EP1630510B2 및 EP1091185A3을 포함한다.

또한, EP0186592B1은 딤플이 제공된 판을 갖는 판형 열교환기를 설명한다.

그러나, 여전히 충분한 열교환 효율을 달성하면서 앞서 설명한 유형의 이런 판형 열교환기에서 충분한 기계적 안정성을 달성하는 문제점이 있다. 특히 이는 대형 열교환기에서 문제가 된다.

또 다른 문제점은 열교환기를 가로지르는 특정 최대 허용 압력 강하 하에서 충분한 열교환 효율을 달성하는 것이다.

또한, 이 문제는 구체적으로 히트 펌핑 및 특히 냉동 응용과 같은 응축기형 열교환기에 존재한다. 또한, 이러한 응용에서, 높은 열교환 능력 및 냉매의 효율적인 응축을 유지하면서, 사용된 냉매의 양을 최소화하는 것이 또한 바람직하다.

특히, 종래의 생선뼈 형상의 돌출 패턴에 관해서, 이들은 큰 접촉 표면 및 매체 난류로 인한 양호한 열전달을 제공한다. 그러나 이들은 압력 강하와 관련하여 효율 측면에서 잘 기능하지 못하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 열 매체의 양을 또한 최소로 유지하면서 압력 강하에 대해 충분한 효율을 제공하는 생선뼈형 판을 설계하는 것이 어렵다.

본 발명은 앞서 설명한 문제점을 해결하여 매우 효율적이고 기계적으로 안정한 열교환기를 제공한다. 특히, 응축기형 열교환기의 경우, 본 발명은 냉매의 필요한 양을 최소로 유지하는 동시에 예컨대 냉매의 효율적인 응축을 유지하면서 이러한 이점을 제공한다.

따라서, 본 발명은 제1 매체와 제2 매체 사이의 열교환기용 판에 관한 것으로, 판은 주 연장 평면 및 주 길이방향과 관련되며, 상기 주 평면에 실질적으로 평행하게 연장하면서 대체로 제1 유동 방향으로 제1 열전달 표면을 따라 유동하는 제1 매체와 접촉하도록 배열된 제1 열전달 표면; 및 상기 주 평면에 실질적으로 평행하게 연장되고 제2 유동 방향으로 대체로 제2 열전달 표면을 따라 유동하는 제2 매체와 접촉하도록 배열된 제2 열전달 표면을 포함하며, 제1 열전달 표면은 제1 유동 방향으로 연장하는 적어도 2개의 평행한 개방 단부형 채널을 한정하는 돌출 리지를 포함하고, 제2 열전달 표면은 이웃하는 각각의 상기 돌출 리지의 쌍 사이에서 상기 평행한 개방 단부형 채널에 배열된 복수의 돌출 딤플을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 예시적인 실시예 및 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 예시적인 실시예에 따른 열교환기 판의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 열교환기 판의 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 열교환기 판의 부분적으로 제거된 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 열교환기 내에서 상기 판의 배향을 개략적으로 예시하는 3개의 추가적인 대응 열교환기 판과 함께 도 3에 도시된 열교환기 판의 횡단면의 평면 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 바람직한 장착 배향으로 도 5에 도시된, 도 1에 도시된 열교환기 판의 평면 측면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 예시적인 실시예에 따른 열교환기 판의 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 열교환기 판의 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 평면도이고, 2개의 단면 A-A 및 B-B가 예시되어 있다.
도 9는 본 발명에 따른 열교환기의 사시도이다.
도 10은 도 9에 도시된 열교환기의 평면도이며, 단면 A-A가 예시되어 있다.

모든 도면은 동일한 부품을 나타내는 공통 참조 번호 세트를 공유한다. 또한, 도면에 도시된 2개의 주요 예시적인 열교환 판(100, 200)의 경우, 각 참조 번호의 각각의 2개의 마지막 자릿수는 적용 가능한 경우 이들 2개의 판의 대응하는 부분을 나타낸다.

따라서, 도 1 내지 도 5는 제1 매체와 제2 매체 사이의 열교환기를 위한 판(100)을 도시한다. 제1 및 제2 매체는 각각 서로 독립적으로 액체 또는 기체이고, 및/또는 본 발명에 따른 열교환기에서의 구성요소 부분으로서 상기 판(100)을 사용하여 상기 매체 사이에서 발생하는 열교환 작용의 결과로서 하나의 매체에서 다른 매체로 전이할 수 있다.

판(100, 200)은 이 도면에는 표시되어 있지 않지만 도 1, 도 5, 도 7 및 도 8에서 지면 평면에 놓여 있는 주 평면과 관련되어 있다. 판(100, 200)은 또한 주 길이방향(L) 및 교차 방향(C)과 더 관련된다. 교차 방향(C)은 주 길이방향(L)에 수직이고 주 평면에 평행하다.

판(100)은 상기 주 평면에 실질적으로 평행하게 연장되고 열교환 동안 제1 매체와 접촉하도록 배열된 제1 열전달 표면(101)을 포함하고, 제1 매체는 대체로 상기 열교환기에서 판(100)의 사용 중에 제1 유동 방향(F1)으로 제1 열전달 표면(101)을 따라 유동한다. 판(100)은 또한 상기 주 평면에 실질적으로 평행하게 연장되고 이런 사용 중에 대체로 제2 유동 방향(F2)으로 제2 열전달 표면(102)을 따라 유동하는 제2 매체와 접촉하도록 배열된 제2 열전달 표면(102)을 포함한다. 유동 방향(F1, F2) 모두는 길이방향(L)에 실질적으로 평행한 것이 바람직하다.

도면에 도시된 유동 방향(F1 및 F2)은 판(100)이 대향 유동 열교환기를 위한 것임을 유의해야 한다. 그러나, 본원에 설명된 원리는 평행 유동 열교환기에도 적용 가능하며, 이 경우 F1과 F2는 동일한 방향으로, 또는 적어도 대체로 동일한 방향으로 지향될 것이라는 것을 알 수 있다.

판(100)은 길이방향(L)에서 역순으로 제1 영역(110), 제2 영역(120) 및 제3 영역(130)을 포함한다. 제1 영역(110) 및 제3 영역(130)은 매체 입구 및 출구를 포함하고, 제2 영역(120)은 매체가 영역(110, 130) 사이에서 그를 가로질러 이송되는 전달 영역이다. 바람직하게는, 길이방향(L)으로 판(100)의 전체 길이의 적어도 절반을 점유하는 전달 영역(120)을 따라서는 매체 입구 또는 출구가 없다.

판(100)은 또한 제1 매체용 입구(131) 및 제1 매체용 출구(112)뿐만 아니라 제2 매체용 입구(111) 및 제2 매체용 출구(132)를 포함한다. 이들 제1, 2 매체용 입구(131, 111) 및 제1, 2 매체용 출구(112, 132)는 판(100)의 관통 구멍의 형태일 수 있다. 도면에서, 상기 관통 구멍은 원형 형상을 갖는다. 그러나, 정사각형 형상과 같은 임의의 적절한 형상이 사용될 수 있음을 알 수 있다. 판(100, 200)이 바람직하게는 동일하거나 실질적으로 동일하기 때문에(일부가 거울상인 것 제외 - 제1 및 제2 유형의 판(100, 200)에 관해서 아래 참조), 판(100, 200)이 적층될 때 이들 관통 구멍은 정렬되어 관련 관통 구멍의 형상과 동일한 단면 형상을 갖는 터널을 형성한다. 사용 중에, 판(100)이 본 발명에 따른 열교환기 내의 복수의 이런 판(100) 중 하나로서 장착될 때, 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 제1, 2 매체용 입구 및 출구(131; 112; 111; 132)는 동일한 판 스택 내의 다른 판의 대응하는 입구/출구에 연결되어 일반적인 제1 매체 입구, 제1 매체 출구, 제2 매체 입구 및 제2 매체 출구 포트를 형성한다. 그 다음, 입구 포트는 제1 및 제2 매체 각각을 각각의 판의 제1, 2 매체용 입구(131; 111)로 분배하도록 배열되고; 출구 포트는 제1, 2 매체용 출구(112; 132)로부터 그리고 열교환기로부터 멀어지는 방향으로 제1 및 제2 매체 각각을 운반하도록 배열된다.

제1 매체용 입구(131) 및 제2 매체용 출구(132)는 바람직하게는 제3 영역(130)에 완전히 배열되는 반면에, 제2 매체용 입구(111) 및 제1 매체용 출구(112)는 바람직하게는 상기 제1 영역(110) 내에 완전히 배열된다.

유동 방향(F1, F2)을 따라, 제1 및 제2 매체는 각각의 제1, 2 매체용 입구(131, 111)와 각각의 제1, 2 매체용 출구(112, 132) 사이의 동일한 판 스택 내의 인접한 판(100)에 의해 형성된 채널 내에서 유동한다.

특히, 본 발명에 따른 열교환기는 제1 유형 및 제2 유형의 2 가지 유형의 복수의 판(100)을 포함한다. 상기 제1 판(100a) 및 상기 제2 판(100b) 모두의 판(100)은 그 자체가 본원에 설명된 유형의 판이며, 여기서, 상기 제2 유형의 판은 관련 판(100)의 상기 주 평면에 관해 상기 제1 유형의 판의 형상에 대해 실질적으로 거울상인 형상을 갖는다. 제1 유형의 모든 판은 제1 유형의 판의 그룹 내에서 동일할 수 있으며, 제2 유형의 모든 판은 그 그룹 내에서 동일할 수 있다. 또한, 판은 서로 상하로 적층된 스택으로 배열되고(판의 주 평면에 수직인 방향으로 적층되며, 주 평면은 평행하게 배열됨), 상기 제1 및 제2 유형의 판은 교번적으로 배열된다. 제1 및 제2 유형의 판이 거울상이기 때문에, 인접한 판 상에 배열된 돌출 딤플 및 돌출 리지 중 대응하는 것들은 서로 직접 접촉하여 머무르며, 그래서, 인접한 판의 대응하는 제1 열전달 표면(101) 및/또는 제2 열전달 표면(102)은 서로 직접 맞닿고, 상기 제1 및 제2 매체를 위한 유동 채널(103, 104)은 상기 제1, 2 열전달 표면(101, 102) 사이에 형성된다. 이는 판(100)을 사용하여 도 4에 도시되어 있으며, 명확성을 증가시키기 위해 인접한 판의 각 쌍 사이의 작은 거리가 있는 상태로 도시되어 있다. 그러나, 장착된 상태에서는, 거리가 없다 - 이웃하는 판(100)의 돌출 딤플(123)과 돌출 리지(121)가 서로 직접 접촉하도록 판(100)이 배열된다.

판(200)(이하 참조)은 본 발명에 따른 대응하는 열교환기의 구성요소 부분을 구성하도록 대응하는 방식으로 바람직하게 적층될 수 있음을 알 수 있다. 도 6으로부터 명백한 바와 같이, 판(200)은 (판(100)과는 대조적으로) 판(200)의 주변부 주위로 연장하는 굴곡 에지(205)를 갖는다. 굴곡 에지(205)는 판(200)의 주 평면에 대해 굴곡되어 있으며 판(200)을 함께 결합시켜 상기 판(200)의 스택을 형성하도록 하는 프로세스를 단순화할 목적을 갖는다. 이러한 굴곡 에지(205)가 존재하는 경우, 굴곡 에지(205)는 판(200)의 돌출 리지 및 돌출 딤플과 반대로 제1 및 제2 유형의 판 사이에서 거울상을 형성하지 않는다.

이러한 열교환기에 있어서, 적절하게 설계된 단부 판이 사용되어, 양 스택 단부에서 스택내에서 마지막 판(100, 200)을 밀봉하고, 밀봉된 열교환기를 형성하며, 그 입구/출구 포트만이 전술된 입구 및 출구 포트이다.

따라서, 각각의 판(100)은 제1 매체가 제한 측면 벽으로서의 제1 열전달 표면(101)을 갖는 유동 채널(103)(도 4 참조) 내에서 이송되고 제2 매체가 제한 측면 벽으로서 제2 열전달 표면(102)을 갖는 유동 채널(104) 내에서 이송된 결과로서, 상기 제1 및 제2 매체 사이에서 열을 전달하고, 유동 채널(103, 104)은 상기 판(100)에 의해서만 분리된다. 보다 구체적으로, 제1 매체는 인접한 판(100a, 100b)의 대향하는 각각의 표면(101)에 의해 형성된 채널에서 유동하고, 제1 매체가 열교환하는 제2 매체는 인접한 판(100b, 100a)의 대향하는 각각의 표면(102)에 의해 형성된 대응하는 채널 내에서 유동한다. 또한 도 9와 10을 참조한다.

본 발명에 따르면, 제1 열전달 표면(101)은 제1 유동 방향(F1)으로 연장되는 적어도 2개의 평행한 개방 단부형 채널(122)을 한정하는 돌출 리지(121)를 포함한다. 또한, 제2 열전달 표면(102)은 이웃하는 각각의 상기 돌출 리지(121)의 쌍 사이에서 상기 평행한 개방 단부형 채널(122) 내에 배열된 복수의 돌출 딤플(123)을 포함한다.

여기에서, "리지"는 돌출 리지가 배열되는 관련 표면(101)의 세장형 돌출 기하학적 특징을 지칭한다. 바람직하게는, 제1 열전달 표면(101)의 그러한 돌출 리지(121)는 대향 표면(102)의 대응하는 세장형 만입부 또는 오목부와 관련된다.

유사하게, "딤플"은 본원에서 관련 돌출 딤플이 배열되는 관련 표면(102)의 점 형상 돌출 기하학적 특징을 지칭한다. 바람직하게는, 이러한 돌출 딤플은 대향 표면(101)의 대응하는 점 형상 만입부 또는 오목부와 관련된다. 도면에서, 돌출 딤플은 대체로 원형 형상으로 도시되어 있다. 그러나, 응용에 따라 정사각형 또는 8각형과 같은 임의의 적절한 형상이 사용될 수 있음을 알 수 있다. 그러므로, "점 형상"이라는 단어는 "관련 판의 주 평면에서 세장형이 아닌 특정 점 둘레에 대체로 중심설정된 형상을 갖는" 것을 의미하는 의도이다.

돌출 리지 및 돌출 딤플 모두는 바람직하게는 인접하게 배열된 거울상 열교환기 판의 대응하는 돌출 리지 또는 돌출 딤플 각각의 대응하는 평면형 상단 표면과 맞닿도록 배열된 평면형 상단 표면을 갖도록 배열된다.

판(100)은 바람직하게는 판(100) 주 평면 전체에 걸쳐, 특히 돌출 리지(121)와 돌출 딤플(123, 113, 114, 133, 134)(이하 참조)을 가로질러 바람직하게는 실질적으로 동일한 재료 두께로, 시트 금속으로 제조된다. 바람직하게는, 판(100)은 원하는 형상으로 스탬핑된 시트 금속 단편으로부터 제조된다.

형성된 평행한 개방 단부형 채널(122)에 배열된 채널 형성 돌출 리지(121) 및 돌출 딤플(123)의 이러한 패턴을 갖는 열교환 판(100)은 본원에 설명된 유형의 열교환기의 구성요소 부분으로서 사용될 때 매우 양호한 기계적 안정성을 제공하면서, 여전히 광범위한 응용에 걸쳐 상기 제1 및 제2 매체 사이에서 여전히 매우 효율적으로 열을 전달할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 판(100)을 사용하면 매우 작은 체적의 제1 및/또는 제2 매체만을 사용하는 열교환기를 달성하도록 매우 작은 높이(아래 참조)로 돌출 리지 및 돌출 딤플을 설계할 수 있다. 특히, 돌출 리지 높이를 매우 작게 할 수 있어, 제1 매체의 양을 감소시킬 수 있다. 이러한 소형화는 효율 및 압력 강하 요건을 위태롭게 하지 않으면서 이루어질 수 있다.

도 6 내지 도 8은 제2 예시적인 열교환기 판(200)을 도시하며, 이는 대응하는 제1 열전달 표면(201) 및 제2 열전달 표면(202); 영역(210, 220, 230); 입구(211, 231); 출구(212, 232); 돌출 리지(221), 평행한 개방 단부형 채널(222) 및 돌출 딤플(223)을 갖는다. 이 제2 열교환기 판(200)은 제1 판(100)과 유사한 이점을 제공한다.

도면에 도시된 바와 같이, 상기 돌출 리지(121, 221)는 바람직하게는 적어도 3개, 바람직하게는 적어도 5개(예시적인 판(100)에서, 6개의 평행한 개방 단부형 채널(122)이 존재하며, 예시적인 판(200)에서는 7개의 평행한 개방 단부형 채널(222)이 존재함)의, 제1 유동 방향(F1)으로 연장하는, 평행한 개방 단부형 채널(122)을 형성한다. 본 발명자는 소형 열교환기에 대해, 상당한 이점이 2개, 일부 경우에는 적어도 3개의 이런 채널로 이미 달성될 수 있으며, 대형 열교환기에 대해서는 더 많은 채널이 더 양호한 제1 매체의 분포를 제공할 것임을 발견하였다.

평행한 개방 단부형 채널(122)은 길이방향(L)을 따라 판(100)의 실질적으로 전체 제2 영역(120)을 따라 연장되는 것이 바람직하다. 특히, 평행한 개방 단부형 채널(122) 중 적어도 3개는 각각 바람직하게는 판(100)의 길이방향(L)으로 전체 길이의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 60%를 따라 연장된다.

돌출 딤플(123)은 적어도 3개의 평행한 개방 단부형 채널(122)을 따라, 바람직하게 모든 평행한 개방 단부형 채널(122)을 따라 배열되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 돌출 딤플(123)은 각 개별 평행한 개방 단부형 채널(122)의 실질적으로 전체 길이를 따라, 바람직하게는 실질적으로 등거리로 분포된다. 바람직하게는, 돌출 딤플(123)을 갖는 각각의 채널은 그 각각의 길이를 따라 적어도 3개, 바람직하게는 적어도 5개, 바람직하게는 적어도 10개의 이런 돌출 딤플(123)을 갖도록 배열된다. 인접한 평행한 개방 단부형 채널(122)의 돌출 딤플(123)은 바람직하게는 이들이 도면에 개시된 바와 같이 서로에 대해 길이방향(L)으로 다소 변위되도록 배열된다.

하나의 바람직한 실시예에 따르면, 평행한 개방 단부형 채널(122)은 제1 매체가 액체 형태일 때 그리고 판(100)이 사용을 위해 장착된 상태로 배열될 때 - 장착된 상태는 도 5에 도시됨 -, 평행한 개방 단부형 채널/유동 채널(122, 103)(여기서, 유동 채널(103)은 앞서 설명한 바와 같이 2개의 대향한 거울상 평행한 개방 단부형 채널(122) 부분으로 형성됨)에서 제1 매체가 완전히 비워질 수 있게 하는 형상을 갖도록 배열된다. 이 장착된 상태에서, 판(100)의 주 평면은 실질적으로 수직방향으로 배향되고, 교차 방향(C)은 수직방향(V)에 대해 소정 각도(A)로 배열되고, 길이방향(L)은 수평 방향(H)에 대해 동일한 각도(A)로 경사진다. 이 각도(A)는 바람직하게는 5° 내지 40°이다. 상기 제1 매체가 완전히 비워지게 하기 위해, 돌출 리지(121) 각각의 적어도 하나의 각각의 측면 벽(도 5에서, 수직 방향으로 상향 지향하는 측면 벽)의 곡률은 상기 교차 방향(C) 및 주 평면에서 국소 최소점을 갖지 않는다. 판(100)이 도 5에 도시된 배향으로 장착될 때 돌출 리지(121)의 측면 벽이 평행한 개방 단부형 채널(122)의 바닥을 형성하기 때문에, 이러한 국소 최소점의 부재는 액체 동작 중에 어떠한 액체 제1 매체도 이러한 국소 최소점에 포획되지 않을 것이며, 결과적으로, 평행한 개방 단부형 채널(122)이 완전히 비워질 수 있는 것을 보증한다. 물론, 각 돌출 리지(121)의 길이방향 단부에서, 관련 돌출 리지 측면 벽의 곡률은 하향 굴곡되지만, 이는 여기에서 의도된 의미에서의 국소 최소점으로 계산되지 않는다.

판(100)이 도 5에 도시된 바와 같이 약간 비스듬히 장착된 배향에 있을 때 평행한 개방 단부형 채널(122)이 완전히 비워 질 수 있다는 것은 본 발명의 중요한 양태이며, 그 이유는 이 양태가 효율 및 강인성의 측면에서 앞서 설명된 장점을 여전히 달성하면서 아래에 더 상세히 설명된 바람직한 응축 열교환기 응용에 대해 양호한 효율을 달성하기 때문이다. 또한 응축물이 포획되는 영역에서의 과열에 관련한 문제를 피할 수 있다.

상기 돌출 리지(121) 중 적어도 하나, 바람직하게는 적어도 2개의 이웃하는 것들은 상기 제1 유동 방향(F1)을 따라 적어도 하나의 위치에서 중단되어 상기 평행한 개방 단부형 채널(122)의 대응하는 이웃하는 것들을 통해 유동하는 제1 매체에 대해 각각의 혼합 구역(124)을 형성한다. 더욱 바람직하게는, 상기 혼합 구역(124)은 제1 유동 방향(F1)을 따라 상기 적어도 하나의 위치에 존재하는 상기 평행한 개방 단부형 채널(122)의 전부 또는 적어도 대부분을 상호 연결시킨다. 이는 열교환기의 구조적 강인성을 유지하면서 우수한 열전달 효율을 제공한다. 제1 매체를 교차 방향에 걸쳐 고르게 분포시킴으로써, 열전달 프로세스가 균일해지므로 판(100)의 장력 또한 최소로 유지된다. 대안 실시예에 따르면, 혼합 구역(124)은 제1 유동 방향(F1)을 따라 상기 적어도 하나의 위치에 존재하는 상기 평행한 개방 단부형 채널(122) 모두를 상호 연결하지 않는다.

특히, 몇몇 이러한 혼합 구역(124)은 등거리 배열과 같이 길이방향(L)을 따라 상이한 위치에 배열되는 것이 바람직하다. 또한 도면에 도시된 바와 같이 이웃하는 혼합 구역(124)이 교차 방향(C)으로 서로에 대해 변위되어 적어도 하나의 평행한 개방 단부형 채널(122)이 적어도 하나의 혼합 구역을 지나쳐 중단 없이 연장되는 것이 바람직하다.

도 1 내지 도 5에서, 혼합 구역(124)은 대응하는 돌출 리지(121)에서 단순한 중단부로 배열되어, 제1 매체가 관련 혼합 구역(124)에서 평행한 개방 단부형 채널(122) 사이에서 혼합될 수 있게 한다. 그러나, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 대안적으로, 제2 열전달 표면(102)은 적어도 하나의 돌출 장벽 구조, 바람직하게는 제2 유동 방향(F2)에 실질적으로 수직한 방향으로 연장하고 상기 혼합 구역(224)에 배열된 돌출 리지(225)를 포함하여 제2 매체에 대한 투과성 장벽을 형성하는 것이 바람직하다. 돌출 리지(225)는 대안적으로 제2 매체에 대해 투과성이 아니지만, 제1 매체가 지나칠 수 있게 하더라도, 이를 곡선형 경로를 따라 이동하게 하도록 전체 교차 방향(C)을 가로질러 연장되지는 않는 연결된 장벽을 포함할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 판(100)은 주 길이방향(L)을 따라 역순으로 제1, 2, 3 영역(110, 120, 130)을 포함하는 것이 바람직하다. 제3 영역(130)은 제1 열전달 표면(101) 상에 제1 매체 입구 영역을 포함할 수 있다. 제2 영역(120)은 제1 열전달 표면(101) 상에 제1 매체 전달 영역을 포함할 수 있다. 제1 영역(110)은 제1 열전달 표면(101) 상에 제1 매체 출구 영역을 포함할 수 있다.

바람직한 실시예에서, 제1 열전달 표면(101)은 제1 유동 방향(F1)의 상이한 위치에 배열된 앞서 설명한 유형의 적어도 3개의 혼합 구역(124)을 포함하고, 상기 혼합 구역(124)은 제1 유동 방향(F1)으로 볼 때 제1 매체 입구 영역(130)으로부터 더 멀리 떨어져서보다 제1 매체 입구 영역(130)에 더 가까이에서, 더 밀집되거나 더 근접하게 배열된다. 이러한 가변적 혼합 영역(124)의 밀도는 도면에 도시되어 있지 않음에 유의한다.

또한, 제1 매체 입구, 전달 및 출구 영역을 갖는 바람직한 경우에, 판(100)은 바람직하게는 그 대향한 제2 열전달 표면(102) 상에 제1 매체 출구 영역과 중첩하는 제2 매체 입구 영역 및 제1 매체 입구 영역과 중첩하는 제2 매체 출구 영역을 더 포함한다. 그후, 이는 대향 유동 열교환기에서 사용하기 위한 판을 형성한다. 대안적으로, 평행 유동 열교환기의 경우, 판(100)은 제2 열전달 표면(102) 상에 제1 매체 출구 영역과 중첩되는 제2 매체 출구 영역 및 제1 매체 입구 영역과 중첩하는 제2 매체 입구 영역을 포함할 수 있다. 두 열교환기 유형 모두에 대해, 판(100)은 바람직하게는 제2 열전달 표면(102) 상에 제1 매체 전달 영역과 중첩하는 제2 매체 전달 영역을 포함한다.

특히, 상기 제1 매체 입구 영역은 제1 매체 입구(131)를 포함하는 반면, 제1 매체 출구 영역은 제1 매체 출구(112)를 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 특히 열교환기가 응축기형 열교환기인 경우에, 제1 매체 입구(131)는 제1 매체 출구(112)보다 주 평면에서 더 큰, 바람직하게는, 적어도 2배의 크기, 즉, 단면을 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 이 단면 크기는 제1 매체 입구(131) 및 제2 매체 출구(112)가 관통 구멍인 바람직한 경우에 구멍 크기이다. 이러한 구성은 열교환의 결과로서 기체상에서 액체상으로 응축되는 제1 매체를 사용할 때 효율적인 구성을 제공한다.

또한, 제1 매체 입구 영역은 상기 평행한 개방 단부형 채널(222) 중 적어도 2개의 각각의 입구에 제1 매체를 분배하도록 배열된 돌출부(235)의 패턴(도 6 및 도 7 참조), 바람직하게는 제1 매체 유동 방향(F1)을 따라 구성요소를 갖도록 연장되는 짧은 리지를 포함하는 것이 바람직하다.

제1 매체 출구 영역에 관해서, 도 1 내지 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 영역은 제1 유동 방향(F1)에 대해 경사진 방향으로 연장하는 적어도 하나, 바람직하게는 적어도 2개의 바람직하게는 평행한 채널(116)을 형성하는, 적어도 2개, 바람직하게는 적어도 3개의 돌출 리지(115)를 제1 열전달 표면(101) 상에 포함하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 평행한 채널(116)은 제1 매체 출구(112)를 향하여 제1 매체를 압박하는 방향으로 연장한다. 이는 특히 도 5에 도시된 것과 같은 경사진 배향으로 장착될 때 열교환기의 (액체상 응축 제1 매체로부터의) 매우 효율적인 배액을 제공한다. 바람직하게는, 제1 열전달 표면(101) 평행한 채널(116)은 평행한 채널(116)을 따라 제2 열전달 표면(102) 돌출 딤플(117)을 포함한다.

매우 바람직한 실시예에 따르면, 평행한 개방 단부형 채널(122, 222)에 배열된 앞서 설명한 돌출 리지(121, 221) 및 돌출 딤플(123, 223)을 제외하고, 제1 열전달 표면(101)과 제2 열전달 표면(102) 중 적어도 하나, 바람직하게는 둘 모두는 각각의 복수의 추가적인 돌출 딤플을 포함한다. 도면에서, 이러한 추가적인 딤플은 제1 영역(110, 210)에서 제1 열전달 표면(101, 201) 돌출 딤플(113, 213); 제3 영역(130, 230)에서 제1 열전달 표면(101, 201) 돌출 딤플(133, 233); 제1 영역(110, 210)에서 제2 열전달 표면(102, 202) 돌출 딤플(114, 214); 및 제3 영역(130, 230)에서 제2 열전달 표면(102, 202) 돌출 딤플(134, 234)로서 예시되어 있다. 판(100, 200)은 모든 4개 또는 이들 유형의 돌출 딤플(113, 133, 114, 134; 213, 233, 214, 234)을 포함하는 것이 바람직하다.

이들 도출 딤플은 판(100, 200) 각각의 제1, 2 열전달 표면(101, 102; 201, 202)에 걸친 각각의 매체 분배, 열전달 효율의 증가 및 열교환기에 대한 기계적 안정성의 제공이라는 하는 공동의 목적을 공유한다.

특히, 제1 열전달 표면(101, 201)은 제2 열전달 표면(102, 202) 추가적인 돌출 딤플(114, 134; 214, 234)의 수에 비해 더 많은, 바람직하게는 적어도 2배 많은, 바람직하게는 적어도 3배 많은 상기 추가적인 돌출 딤플(113, 133; 213, 233)을 포함한다. 이는 특히 그 기계적 안정성을 위태롭게 하지 않으면서 특히 응축기형 열교환기의 경우에 매우 효율적인 열전달을 달성하는 것으로 입증되었다. 또한, 이는 열교환기에 대한 더 큰 매체 압력 저항성을 취급할 가능성을 달성한다.

도 4로부터 명백한 바와 같이, 제1 매체 유동 채널(103)은 (각각의 판(100)의 주 평면에 수직인 방향으로) 제2 매체 유동 채널(104)보다 낮다. 이는 열교환의 결과로서 제1 매체가 응축되는 응축기형 열교환기의 경우에 특히 바람직하다.

특히, 앞서 설명한 돌출 딤플 및 돌출 리지의 상기 주 평면에 수직인 각각의 높이는 상기 제1 매체 유동 채널(103)에서의 제1 매체에 대한 제1 유동 높이 및 상기 제2 매체 유동 채널(104)에서 제2 매체에 대한 제2 유동 높이를 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 제2 유동 높이는 제1 유동 높이 보다 적어도 2배, 바람직하게는 적어도 5배 큰 것이 바람직하다.

모든 대응하는 돌출 딤플 및 돌출 리지가 인접한 거울상 판 사이에 맞닿게 하기 위해, 각 제1, 2 열전달 표면(101, 102; 201, 202) 상의 모든 돌출 딤플 및 돌출 리지는 상기 주 평면으로부터 측정될 때 동일한 높이로 이루어지는 것이 바람직하다.

특히 바람직한 실시예에서, 제1 매체 유동 채널(103)의 제1 유동 높이는 최대 1.5㎜, 바람직하게는 최대 1㎜, 바람직하게는 적어도 0.4㎜이다. 이는, 맞닿는 돌출 딤플 및 돌출 리지 사이의 브레이징 재료와 같은, 판을 함께 결합시키는 데 사용되는 임의의 추가적인 재료를 포함하여, 개별 돌출 딤플 및 돌출 리지의 높이가 최대 0.75㎜ 이상, 바람직하게는 0.50㎜, 바람직하게는 적어도 0.20㎜라는 의미이다. 함께 브레이징된 구조(아래 참조)의 바람직한 경우에, 바람직하게는 가열하기 전에 구리 포일과 같은 포일의 형태로 사용되는 브레이징 재료는 0.01㎜ 내지 0.08㎜ 두께인 것이 바람직하다.

평행한 개방 단부형 채널(122, 222)에 관하여, 이들은 바람직하게는 교차 방향(C)으로 5 내지 20㎜, 바람직하게는 8 내지 15㎜ 폭이다.

매우 바람직한 실시예에 따르면, 판(100, 200)은 인접한 거울상의 판(100, 200)의 상기 딤플 및 리지 중 대응하는 것들이 상단 면끼리 함께 브레이징되도록 앞서 설명한 스택 구조에서 함께 브레이징됨으로써 함께 열교환기를 형성한다. 이는 상기 리지와 딤플 사이에 형성된 복잡한 채널의 완전성을 위험하게 하지 않으면서 매우 튼튼한 구성을 형성한다. 특히, 판(100, 200)은 바람직하게는 스테인리스 강으로 제조되고 구리 또는 니켈을 사용하여 함께 브레이징되거나; 또는 대안적으로 판(100, 200)은 알루미늄으로 제조되고 알루미늄을 사용하여 함께 브레이징될 수 있다. 실제로, 판(100, 200)은 브레이징 포일 재료를 사이에 두고 상기 스택 구조로 배열된다. 그 다음, 전체 스택은 노에서 열을 받게 되고, 브레이징 재료가 용융되어 앞서 설명한 딤플 및 리지를 통해 판(100, 200)을 함께 영구적으로 결합하게 한다.

특히, 본 발명에 따른 이러한 열교환기는 바람직하게는 폐쇄된 대향 또는 평행 유동 열교환기일 수 있으며, 제1 매체를 상기 판(100)의 상기 제1 열전달 표면(101)과 접촉하는 각각의 상기 제1 매체 유동 채널(103)에 분배하도록 배열된 제1 매체 입구 포트(353); 제1 매체를 상기 제1 열전달 표면(101)과 접촉하는 상기 제1 매체 유동 채널(103)로부터 열교환기 외부로 유도하도록 배열된 제1 매체 출구 포트(351); 제2 매체를 상기 판의 제2 열전달 표면(102)과 접촉하는 각각의 제2 매체 유동 채널(104)로 분배하도록 배열된 제2 매체 입구 포트(350); 및 상기 제2 매체를 제2 열전달 표면(102)과 접촉하는 상기 제2 매체 유동 채널(104)로부터 열교환기의 외부로 유도하도록 배열된 제2 매체 출구 포트(352)를 포함한다. 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 판(200)을 사용하는 열교환기에 대해서도 대응하는 내용은 마찬가지이다.

특히, 앞서 설명한 바와 같이, 열교환기는 기체상의 제1 매체를 제2 매체와 열교환시켜 제1 매체를 액체 형태로 응축시키도록 배열된 응축기형 열교환기이다. 이 경우, 열교환기는 응축된 액체 제1 매체가 그후 제1 매체 출구 포트(351)로부터 유출되도록 배열되는 것이 바람직하다.

특히, 본 발명은 제1 매체가 냉매, 바람직하게는 탄화수소, 바람직하게는 프로판인 특정 경우에 유용하다. 유사하게, 제2 매체는 바람직하게는 액체, 바람직하게는 물일 수 있다.

이러한 열교환기의 바람직한 용도는 냉동기 또는 냉장고와 같은 냉각 장치에서의 열교환기로서의 용도; 히트 펌프에서의, 실내 공기, 물 또는 이와 특성이 유사한 것들의 가열 목적; 식품 산업과 같은 산업 열교환 및 냉장 목적; 등을 포함한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 열교환기는 그 가장 긴 치수가 최대 1 미터이다.

도 9 및 도 10은 도 6 내지 도 8에 도시되고 앞서 설명한 유형의 복수의(도시된 예에서 10개) 열교환 판(200)을 포함하는 열교환기(300)를 도시한다. 판(200)은 상하로 적층되고, 모든 다른 판(200)은 또한 앞서 설명한 바와 같이 그 인접한 이웃하는 판에 대해 거울상이다. 각 판(200)의 굴곡 에지(205)는 열교환기(300)에서 거울상을 형성하지 않는다는 것을 유의해야 한다.

제1 매체는 제1 매체 입구 포트(353)를 통해 열교환기(300)로 진입하고, 제1 매체 입구 포트는 각각의 인접 한 쌍의 판(200) 사이에 형성된 모든 채널과 연통되며, 그 각각의 제1 열전달 표면(201)에 의해 한정된다. 바람직하게는, 이들 채널은 평행하며, 따라서 제1 매체는 제1 유동 방향(F1)을 따라 평행 유동으로 유동한다. 그 다음, 제1 매체는 이들 채널로부터 수집되어 제1 매체 출구 포트(351)를 통해 배출된다.

제2 매체는 제2 매체 입구 포트(350)를 통해 열교환기(300)로 진입하고, 제2 매체 입구 포트는 각각의 인접 한 쌍의 판(200) 사이에 형성된 모든 채널과 연통되며, 그 각각의 제2 열전달 표면(202)에 의해 한정된다. 바람직하게는, 이들 채널은 평행하며, 따라서 제2 매체는 제2 유동 방향(F2)을 따라 평행 유동으로 유동한다. 그 다음, 제2 매체는 이들 채널로부터 수집되어 제2 매체 출구 포트(352)를 통해 배출된다.

따라서, 제1 및 제2 매체 모두의 유동은 각각의 입구 포트와 출구 포트 사이의 상기 스택 내의 개별 판의 쌍(200) 사이에서 상기 유형의 복수의 채널을 통해 평행 유동 방식으로 유동하는 것을 알 수 있다.

도 10에 가장 잘 도시된 바와 같이, 열교환기(300)는 또한 판(200) 스택의 각각의 말단 단부에 상기 채널을 한정하기 위한 단부 판(360, 361)을 포함하여, 열교환기(300)가 포트(350-353)를 제외하면 완전히 폐쇄되고, 액체 및 기체 밀폐되는 것을 보증한다.

앞서, 바람직한 실시예가 설명되었다. 그러나, 본 발명의 기본 사상을 벗어나지 않고 개시된 실시예에 많은 수정이 이루어질 수 있음은 본 기술 분야의 숙련자에게 명백하다.

일반적으로, 판(100, 200) 및 열교환기의 앞서 설명된 특징은 적용 가능하다면, 자유롭게 조합될 수 있다.

판(100)에 관해 언급된 모든 것은 판(200)에 동일하게 관련되며, 적용 가능하다면 반대의 경우도 마찬가지이다. 따라서, 판(200)은 또한 예를 들어 판(100)에 도시된 바와 같이 비스듬한 돌출 리지(115)의 패턴, 등으로 배열될 수 있다.

도면에 도시된 딤플 및 리지의 특정 패턴은 앞서 설명한 설계 원리가 존중되는 한 변할 수 있다.

따라서, 본 발명은 설명된 실시예에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범위 내에서 변경될 수 있다.

Claims (15)

1. 기체상의 제1 매체를 제2 매체와 열교환하여 제1 매체가 액체 형태로 응축되게 하도록 배열된 응축기형 열교환기용 판(100; 200)이며, 판(100; 200)은 주 평면 및 주 길이방향(L)과 관련되고,
   상기 주 평면에 평행하게 연장되고 제1 매체와 접촉하도록 배열된 제1 열전달 표면(101; 201)을 포함하고, 제1 매체는 제1 유동 방향(F1)으로 제1 열전달 표면(101; 201)을 따라 유동하고;
   상기 주 평면에 평행하게 연장되고 제2 매체와 접촉하도록 배열된 제2 열전달 표면(102; 202)을 포함하고, 제2 매체는 제2 유동 방향(F2)으로 제2 열전달 표면(102; 202)을 따라 유동하고,
   제1 열전달 표면(101; 201)은 제1 유동 방향(F1)으로 연장하는 2개 이상의 평행한 개방 단부형 채널(122; 222)을 한정하는 돌출 리지(121; 221)를 포함하고,
   제2 열전달 표면(102; 202)은 이웃하는 각각의 쌍의 상기 돌출 리지(121; 221) 사이에서 상기 평행한 개방 단부형 채널(122; 222) 내에 배열된 복수의 돌출 딤플(123; 223)을 포함하는, 판에 있어서,
   상기 돌출 딤플(123; 223) 및 돌출 리지(121; 221)의 주 평면에 수직인 각각의 높이는 제1 매체에 대한 제1 유동 높이 및 제2 매체에 대한 제2 유동 높이를 한정하고, 제2 유동 높이는 제1 유동 높이 보다 2배 이상 더 큰 것을 특징으로 하는, 판(100; 200).
2. 제1항에 있어서, 상기 돌출 리지(121; 221)는 상기 제1 유동 방향(F1)으로 연장되는 3개 이상의 평행한 개방 단부형 채널(122; 222)을 한정하는 것을 특징으로 하는, 판(100; 200).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 판(100; 200)은 주 길이방향(L)에 수직이면서 주 평면에 평행한 교차 방향(C)과 관련되고, 상기 돌출 리지(121; 221) 각각의 하나 이상의 각각의 측면 벽의 곡률은 주 평면 및 상기 교차 방향(C)에서 국소 최소점을 갖지 않는 것을 특징으로 하는, 판(100; 200).
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 돌출 리지(121; 221)의 하나 이상은 상기 제1 유동 방향(F1)을 따라 하나 이상의 위치에서 중단되어 상기 평행한 개방 단부형 채널(122; 222) 중 대응하는 이웃하는 채널을 통해 유동하는 제1 매체에 대한 각각의 혼합 구역(124; 224)을 한정하는 것을 특징으로 하는, 판(100; 200).
5. 제4항에 있어서, 상기 혼합 구역(124; 224)은 제1 유동 방향(F1)을 따른 상기 하나 이상의 위치에 존재하는 상기 평행한 개방 단부형 채널(122; 222)을 상호 연결하는 것을 특징으로 하는, 판(100; 200).
6. 제4항에 있어서, 제2 열전달 표면(202)은 제2 유동 방향(F2)에 수직인 방향으로 연장하며 상기 혼합 구역(224)에 배열된, 제2 매체를 위한 투과성 장벽을 형성하는 하나 이상의 돌출 장벽 구조(225)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 판(200).
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 판(100; 200)은 주 길이방향(L)을 따라 순서대로 제1 매체 입구 영역, 제1 매체 전달 영역 및 제1 매체 출구 영역을 포함하고, 상기 평행한 개방 단부형 채널(122; 222)은 제1 매체 전달 영역에 배열되는 것을 특징으로 하는, 판(100; 200).
8. 제7항에 있어서, 판(100; 200)은,
   판(100; 200)의 제2 열전달 표면(102; 202) 상에서 제1 매체 출구 영역과 중첩되는 제2 매체 입구 영역 및 판(100; 200)의 제2 열전달 표면(102; 202) 상에서 제1 매체 입구 영역과 중첩되는 제2 매체 출구 영역; 또는
   판(100; 200)의 제2 열전달 표면(102; 202) 상에서 제1 매체 출구 영역과 중첩되는 제2 매체 출구 영역 및 판(100; 200)의 제2 열전달 표면(102; 202) 상에서 제1 매체 입구 영역과 중첩되는 제2 매체 입구 영역을 포함하고,
   상기 판(100; 200)은,
   판(100; 200)의 제2 열전달 표면(102; 202) 상에서 상기 제1 매체 전달 영역과 중첩되는 제2 매체 전달 영역을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 판(100; 200).
9. 제7항에 있어서, 제1 매체 입구 영역은 제1 매체를 상기 평행한 개방 단부형 채널(222) 중 2개 이상의 각각의 입구로 분배하도록 배열된 돌출부의 패턴(235)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 판(200).
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 유동 방향(F1) 또는 제2 유동 방향(F2) 또는 둘 다는 주 길이방향(L)에 평행한 것을 특징으로 하는, 판(100; 200).
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 열전달 표면(101; 201) 및 상기 제2 열전달 표면(102; 202) 모두는 상기 평행한 개방 단부형 채널(122; 222)에 배열된 상기 돌출 딤플(123; 223) 이외에, 각각의 복수의 추가적인 돌출 딤플(113, 114, 133, 134; 213, 214, 233, 234)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 판(100; 200).
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 유동 높이는 제1 유동 높이 보다 5배 이상 더 큰 것을 특징으로 하는, 판(100; 200).
13. 제1 유형(100a) 및 제2 유형(100b)의 복수의 판(100; 200)을 포함하는 열교환기이며, 상기 제1 유형 및 상기 제2 유형 모두의 판(100; 200)은 제1항 또는 제2항에 따른 판(100; 200)이며, 그러나 상기 제2 유형의 판(100; 200)은 상기 제1 유형의 판(100; 200)의 형상에 거울상인 형상을 갖고, 판(100; 200)은 서로 상하로 스택으로 배열되며, 상기 제1 유형 및 제2 유형의 판(100; 200)은 교번적으로 배열되고, 인접한 판(100; 200)의 상기 돌출 딤플(123; 223) 및 돌출 리지(121; 221)의 대응하는 것들은 인접한 판(100; 200)의 대응하는 제1 열전달 표면(101; 201) 및 제2 열전달 표면(102; 202) 중 하나 또는 둘 다가 서로 맞닿도록 그리고 상기 제1 및 제2 매체를 위한 유동 채널(103, 104)이 상기 제1, 2 열전달 표면(101, 102; 201, 202) 사이에 형성되도록 서로 직접 접촉하여 머무르는, 열교환기.
14. 제13항에 있어서, 상기 판(100; 200)은 인접한 거울상의 판(100; 200)의 상기 돌출 딤플(123, 223) 및 돌출 리지(121; 221)의 대응하는 것들이 함께 브레이징되도록 함께 브레이징되는 것을 특징으로 하는, 열교환기.
15. 제13항에 있어서, 열교환기는 폐쇄된 대향 또는 평행 유동 열교환기이며,
    상기 판(100; 200)의 각각의 제1 열전달 표면(101; 201)에 상기 제1 매체를 분배하도록 배열된 제1 매체 입구 포트(353);
    제1 매체를 상기 제1 열전달 표면(101; 201)으로부터 그리고 열교환기 외부로 유도하도록 배열된 제1 매체 출구 포트(351);
    제2 매체를 상기 판(100; 200)의 각각의 제2 열전달 표면(102; 202)에 분배하도록 배열된 제2 매체 입구 포트(350); 및
    제2 매체를 상기 제2 열전달 표면(102; 202)으로부터 그리고 열교환기 외부로 유도하도록 배열된 제2 매체 출구 포트(352)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열교환기.

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