KR20030071249A

KR20030071249A - 판형 열교환기

Info

Publication number: KR20030071249A
Application number: KR1020020010861A
Authority: KR
Inventors: 차승식
Original assignee: 차승식
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-03

Abstract

본 발명은 전방판(21)의 포트를 통하여 두 가지 이상의 유체를 대향류로 유동시키는 판형 열교환기에 관련된다. 본 발명의 특징을 살펴보면, 각 전열판(23)과 보강판(24)(25), 그리고 후방판(22) 등을 알루미늄재로 형성함을 주된 특징으로 하되, 전열판(23)은 상기 유체의 출입을 위한 통공(23a)(23b)과 함께 빗살형 유로(23c)를 일체로 구비하고, 통공(24a)(24b)을 구비하는 평판 구조의 전방보강판(24)은 상기 전방판(21)과 전열판(23) 사이에 유체의 누출을 방지하도록 재개된다. 후방보강판(25)은 상기 전열판(23)의 후방측 배면에 접합되고 빗살형 유로(25c)를 구비한다. 후방판(22)은 상기 후방보강판(25)의 배면에 접합되고, 유동압에 의한 변형을 방지하도록 보강턱(22a)을 구비한다.

이에 따라, 전열성이 우수한 이중 구조의 알루미늄 소재를 사용하여 브레이징 접합에서 동판을 배제하더라도 비교적 저온에서 용이하게 판형 열교환기의 제작이 가능하다.

Description

판형 열교환기 {Plate heat exchanger}

본 발명은 판형 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄 소재를 사용하여 성형성, 접합성, 전열성, 경량성 측면에서 유리하도록 제조되는 판형 열교환기에 관한 것이다.

판형 열교환기는 소정의 유로가 형성된 얇은 금속판을 다수 적층하고 두가지 이상의 유체를 열교환하는 수단으로서 소형, 경량화가 가능하면서 효율이 높아 각종 보일러 설비, 폐수처리 설비, 염색설비, 발전소, 소각로 등의 냉각 및 가열장치로 널리 이용되고 있다.

도 1은 일반적인 판형 열교환기의 외관을 나타내는 사시도가 도시된다.

그리고 종래의 판형 열교환기는 스테인레스재로 제조되어져 왔다는 것이 주된 특징인데, 이러한 종래 열 교환기의 구조를 살펴 보면 전방판(11)과 후방판(12) 사이에는 유체의 유동을 위한 다수의 전열판(13)이 적층되고, 전방판(11)에는 제1유체 및 제2유체의 출입을 위한 포트(14)(15)가 설치된다. 통상 전열판(13)은 내구성 향상을 위해 전방판(11) 및 후방판(12)과 함께 스테인레스 강판 소재로 성형되며 볼트와 같은 별도의 체결부재를 사용하지 않고 브레이징(brazing)으로 접합한다.

이를 좀더 구체적으로 설명하면 스테인레스재로 된 전열판(13) 사이마다 얇은 동판을 삽입한 다음 진공 브레이징 방식 또는 수소분위기 연속로 방식으로 접합하고 있다. 그리고 상기 어느 방식이나 산소가 없는 상태에서 브레이징을 수행하여 전열판(13)과 전열판(13) 사이의 접합부에 산화막이 형성되지 않도록 한다.

그러나 종래 판형 열교환기는 얇은 동판을 스테인레스재로 된 전열판(13)사이마다 별도로 삽설해야 하므로 재료비와 가공비가 추가되고, 특히 약 1150??의 고온에서 브레이징해야 하므로 에너지 비용이 과다하는 등 원가 상승요인이 많다는 단점이 있다. 그리고 후자의 수소분위기 연속로 방식은 메쉬벨트상에 다수의 전열판(13)을 순서대로 적층한 다음, 메쉬벨트를 이동시키면서 브레이징을 하므로 전열판(13)의 연속적인 성형이 가능하지만 브레이징 온도가 높은 만큼 열손실도 커지며, 특히 브레이징을 위하여 고가의 메쉬벨트를 시설해야 하는 문제점이 있다.

또한, 스테인레스 소재를 사용하는 경우 판형 열교환기로서의 전열성이 상대적으로 미흡할 뿐 아니라 중량 증가에 따른 운반 및 설치 상의 불이익도 감수해야 한다.

이밖에 종래의 또 다른 방식으로서, 상기한 동판 대신 가스켓을 전열판(13) 사이마다 삽입하고 기계적으로 압착하여 조립하는 방식이 있다. 그러나 이 방식의 판형 열교환기는 설비 용량에 따라 전열판(13)을 추가하여 증설하기 용이하나 전열성의 개선을 기대하기 곤란하고 중량과 외형상 크기도 크게 증가되며, 가스켓과 전열판(13)을 압착하기 위한 별도의 시설이 요구되는 문제가 있다.

이에 따라 본 발명은 상기한 단점을 해결하기 위한 것으로, 전열성이 우수한 경량의 알루미늄 소재를 사용함으로써 동판의 사용을 배제하고 비교적 저온에서 용이하게 제작 가능한 판형 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 판형 열교환기의 외관을 나타내는 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 열교환기의 요부를 분해하여 나타내는 사시도,

도 3은 도 2의 전열판을 부분 확대와 함께 나타내는 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 전열판의 브레이징 구조를 나타내는 도식도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

11, 21: 전방판12, 22: 후방판

13, 23: 전열판14, 15: 포트

24, 25: 보강판

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 전방판(21)의 포트를 통하여 두 가지 이상의 유체를 대향류로 유동시키는 판형 열교환기를 형성함에 있어서,

각 전열판(23)과 보강판(24)(25), 그리고 후방판(22) 등을 알루미늄재로 형성함을 주된 특징으로 하되,

상기 유체의 출입을 위한 통공(23a)(23b)과 함께 빗살형 유로(23c)를 일체로 구비하는 전열판(23); 상기 전방판(21)과 전열판(23) 사이에 유체의 누출을 방지하도록 재개되고, 통공(24a)(24b)을 구비하는 평판 구조의 전방보강판(24); 상기 전열판(23)의 후방측 배면에 접합되고 빗살형 유로(25c)를 구비하는 후방보강판(25); 및 상기 후방보강판(25)의 배면에 접합되고, 유동압에 의한 변형을 방지하도록 보강턱(22a)을 구비하는 후방판(22)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징으로서, 상기 전열판(23)과 보강판(24)(25)은 일변에 절개홈(23d)을 구비하고 대향하는 타변에 걸림턱(23e)을 구비하여 상하를 역전하여 장착시 상호 맞물림 가능하다.

본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 전방판(21)을 포함한 전열판(23), 보강판(24)(25), 후방판(22)은 심재(23')의 외면으로 용융점이 낮은 용가재(23")가 피복된 이중 알루미늄 합금을 사용하여 성형된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 열교환기의 요부를 분해하여 나타내는 사시도로서, 전방판(21)의 포트를 통하여 두 가지 이상의 유체를 대향류로 유동시키는 열교환기에 관하여 도시된다. 제1유체의 출입을 위한 포트(14) 및 제2유체의 출입을 위한 포트(15)는 도 1과 같으나 용도에 따라 포트(14)(15)의 수가 증감되기도 한다. 전방판(21)의 통공(21a)(21b)은 포트(14)(15)가 연결되는 부분이며, 특히 일측의 통공(21b)은 내측으로 일정 높이로 돌출된 부분에 형성된다.

본 발명에 따른 전열판(23)은 상기 유체의 출입을 위한 통공(23a)(23b)과 함께 빗살형 유로(23c)를 일체로 구비한다. 전열판(23)은 수직 중심선을 기준으로 좌우측의 높이차가 유지되는 2단 구조로서 모두 동일한 금형을 이용하여 동일한 형태로 제작된다. 따라서 빗살형 유로(23c)는 높은 부분에서 음각형태, 낮은 부분에서 양각형태로 되지만 모두가 전체적으로 연통된다.

또, 본 발명에 따르면 통공(24a)(24b)을 구비하는 평판 구조의 전방보강판(24)이 상기 전방판(21)과 전열판(23) 사이에 유체의 누출을 방지하도록 재개된다. 전방보강판(24)은 전열판(23)과 동일한 두께의 판재로서 유체가 유동되는 통공(24a)(24b)을 구비하지만 전술한 빗살형 유로(23c)는 구비하지 않고 전방판(21)과 틈새없이 완전히 밀착된다. 일측의 통공(24b)은 전술한 전방판(21)의 통공(21b)과 밀착되도록 동일한 형태로 형성된다.

또, 본 발명에 따르면 빗살형 유로(25c)를 구비하는 후방보강판(25)이 상기 전열판(23)의 후방측 배면에 접합된다. 후방보강판(25)은 유체의 흐름 방향을 전환하여 전방판(21) 측으로 되돌리도록 아무런 통공을 구비하지 않는다. 반면 유체의 유동을 허용하는 빗살형 유로(25c)를 포함한 여타의 구성은 전열판(23)과 전적으로 동일하므로 동일한 금형으로 제작이 가능하다.

또, 본 발명에 따르면 상기 후방보강판(25)의 배면에 접합되는 후방판(22)이 유동압에 의한 변형을 방지하도록 보강턱(22a)을 구비한다. 후방판(22)은 전방판(21)과 동일하게 두꺼운 판재로 성형되나 통공을 구비하지 않는다. 후방보강판(25)은 전열판(23)과 동일하게 높이차를 지닌 2단 구조이므로 후방판(22)과 밀착되지 않는 부분이 존재한다. 후방보강판(25)에서 밀착되지 않은 부분은 유체의 유동압에 의해 변형을 초래하고 기밀이 파손될 우려가 있다. 그러므로 전열판(23)의 일측 통공(23a)을 중심으로 하는 고압 영역에서 보강턱(22a)을 형성하여 밀착시킨다. 보강턱(22a)은 별도의 스페이서를 접합할 수도 있으나, 프레스를 이용한 소성가공으로 일정한 높이로 돌출시키는 것이 바람직하다.

이때, 전방판(21)의 네모서리는 전방보강판(24)을 향하여 약간 연장되도록 절곡되어 조립 위치를 맞추기 용이하다.

도 3은 도 2의 전열판을 부분 확대와 함께 나타내는 구성도가 도시된다.

본 발명의 전열판(23)과 보강판(24)(25)은 일변에 절개홈(23d)을 구비하고 대향하는 타변에 걸림턱(23e)을 구비하여 상하를 역전하여 장착시 상호 맞물림 가능하다. 전술한 바와 같이 전열판(23)은 모두 동일한 형태로 성형되며 조립에 있어서 하나씩 교대로 상하를 180°역전하여적 층된다. 따라서 절개홈(23d)과 걸림턱(23e)은 전열판(23)의 수평 중심선으로부터 동일한 거리에 형성해야 상호 맞물려 결합이 가능하다. 이는 전열판(23)의 적층에 따른 작업과 적절한 적층 상태의 확인이 용이하게 할 뿐 아니라 적층후 브레이징 과정에서 제 위치를 이탈하지 않도록 지지하는 역할도 수행한다.

도 4는 본 발명에 따른 전열판의 브레이징 구조를 나타내는 도식도로서 전열판(23)의 2단 구조와 빗살형 유로(23c)의 위치를 개념적으로 도시한다. 즉, 전술한 바와 같이 전열판(23)의 일면에서 빗살형 유로(23c)를 볼 때 낮은 측은 양각으로 높은 측은 음각으로 나타나면서 일체로 연통된다. 이를 180°씩 교대로 역전하여 적층하면 제1유체가 유동하는 좌측의 공간과 제2유체가 유동하는 우측의 공간으로 분리되지만 빗살형 유로(23c)가 상호 반대측으로도 연장되는 구조이므로 전열성이 향상되어 고효율이 달성된다.

이때, 본 발명에 따르면 상기 전방판(21)을 포함한 전열판(23), 보강판(24)(25), 후방판(22)은 심재의 외면으로 용융점이 낮은 용가재가 피복된 이중 알루미늄 합금을 사용하여 성형된다. 도 4에서 도시하는 것처럼 부호 23'의 심재에 부호 23"의 용가재로 구성되는 이중 알루미늄은 서로 계열이 다른 알루미늄재가 계면상태로 압연된 형태이다. 예컨대 심재로는 용융점이 약 630℃ 정도인 AA3003(3000계열의 알루미늄재)을 사용하고 용가재(Filler metal)로는 용융점이 약 575~590℃ 정도인 4000계열의 AA4045(4000계열의 알루미늄재)를 사용한다. 이에 따라 종래와 같이 동판을 사용하지 않고 단순하게 전열판(23)을 적층한 상태에서 약 600℃ 정도로 브레이징을 수행하면 수초내에 심재(23')표면의 클래드(clad) 층인 용가재(23")가 먼저 용융되어 접합된다. 도시에서 미설명 부호 B는 상호 적층되는 전열판(23)에서 접촉에 의한 브레이징이 이루어지는 부분을 나타낸다.

본 발명에 적용되는 이중 알루미늄의 경우에 용가재의 두께는 심재 두께의 0.05~0.1배로 하는 것이 바람직하다. 통상 전열판(23)의 두께가 0.6㎜인 점을 고려하면 용가재는 0.06㎜가 적절하다. 다만, 본 발명에 따른 브레이징 과정에서 산화피막(Al₂O₃)이 생성되면 접합력이 약화되므로 이를 방지하기 위한 브레이징 공법이 필요하다.

이를 위해 진공 브레이징 방식 또는 질소분위기 연속로 방식을 적용하는데,고진공을 사용하는 전자보다 후자가 제조설비 비용이 매우 저렴하고 유지보수와 단품관리가 용이하여 생산성이 높으므로 전열판(23) 등을 접합하는 주된 방식으로서 질소 분위기 연속로 방식을 적용하는 것이 바람직하다. 그리고 질소분위기 브레이징을 하는 경우 소량의 플럭스(flux)가 필요한 경우가 있으나 일반적으로 세척(cleaning)은 필요없다. 또한 본 발명에서 사용되는 소정의 플럭스 재료로서는 약 10~20%정도의 KAlF₄를 80~90%의 물 또는 증발성 용액에 희석시킨 혼합액을 사용하며, 이러한 혼합액속에 전열판(23) 등을 침지(deeping)한 다음, 디핑이 완료된 전열판(23)을 차례로 적층하고 질소분위기 브레이징을 실시하는 것이 보다 바람직할 것으로 사료된다. 참고로 질소는 대부분의 금속과 불활성(Inert)으로서 폭발성과 가연성이 낮아 안전한 반면 수소는 모재에 따라 수소취성(Hydrogen embrittlement)을 유발한다.

한편, 질소분위기 연속로 방법을 적용하게 되면 브레이징 후 잔존 플럭스재가 알루미늄재의 내식성을 향상시키는 역할을 하여 종래의 스테인레스재에 버금가는 내구성이 보장된다. 외부의 내식성을 향상하기 위해서 분체도장, 아노다이징, 다크로 처리 등을 수행할 수 있어 더욱 내구성이 향상된다.

이러한 방식으로 본 발명의 판형 열교환기는 상호 적층과 동시에 유체의 유로인 모든 통공이 일치하고 접촉되는 부분에서 브레이징 접합으로 완성되며, 이종의 유체가 상호 다른 포트로 유입되어 대향류로 흐르며 전열성이 우수한 알루미늄 소재를 통하여 열교환하는 작동이 수행된다.

이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 전열성이 우수한 이중 구조의 알루미늄 소재를 사용함으로써 브레이징 접합에서 동판을 배제하더라도 비교적 저온에서 용이하게 판형 열교환기의 제작이 가능하다.

또한, 알루미늄재로 된 판형 열교환기는 스테인레스와 동판을 이용한 종래의 판형 열교환기에 비하여 중량을 1/3 정도로 줄일 수 있는 효과외에도 열교환의 효율성이 탁월한, 유용한 효과가 있다 할 것이다.

그리고 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하며, 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims

전방판(21)의 포트를 통하여 두 가지 이상의 유체를 대향류로 유동시키는 판형 열교환기를 형성함에 있어서,

각 전열판(23)과 보강판(24)(25), 그리고 후방판(22) 등을 알루미늄재로 형성함을 주된 특징으로 하되,

상기 유체의 출입을 위한 통공(23a)(23b)과 함께 빗살형 유로(23c)를 일체로 구비하는 전열판(23);

상기 전방판(21)과 전열판(23) 사이에 유체의 누출을 방지하도록 재개되고, 통공(24a)(24b)을 구비하는 평판 구조의 전방보강판(24);

상기 전열판(23)의 후방측 배면에 접합되고 빗살형 유로(25c)를 구비하는 후방보강판(25); 및

상기 후방보강판(25)의 배면에 접합되고, 유동압에 의한 변형을 방지하도록 보강턱(22a)을 구비하는 후방판(22)을 포함하여 이루어지도록 함을 특징으로 하는 판형 열교환기.
제 1 항에 있어서,

상기 전열판(23)과 보강판(24)(25)은 일변에 절개홈(23d)을 구비하고 대향하는 타변에 걸림턱(23e)을 구비하여 상하를 역전하여 장착시 상호 맞물림이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
제 1 항에 있어서,

상기 전방판(21)을 포함한 전열판(23), 보강판(24)(25), 후방판(22)은 심재(23')의 외면으로 용융점이 낮은 용가재(23")가 피복된 이중 알루미늄 합금재를 사용하여 성형된 것임을 특징으로 하는 판형 열교환기.
제 1 항 에 또는 제 3 항에 있어서,

상기 전방판(21)을 포함한 전열판(23), 보강판(24)(25), 후방판(22)의 주된 접합방식으로서 질소분위기 연속로 방식을 적용함을 특징으로 하는 판형 열교환기.