KR20030087561A - 열 교환기 - Google Patents

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KR20030087561A
KR20030087561A KR10-2003-0028847A KR20030028847A KR20030087561A KR 20030087561 A KR20030087561 A KR 20030087561A KR 20030028847 A KR20030028847 A KR 20030028847A KR 20030087561 A KR20030087561 A KR 20030087561A
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KR
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heat exchanger
plate
plate member
ridges
channel
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KR10-2003-0028847A
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English (en)
Inventor
조지 윌슨
Original Assignee
스미스 그룹 피엘씨
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Abstract

다중 플레트 이중 유동 경로를 갖는 열 교환기는 직립한 지그재그 벽(75)에 의해 분리된 여러개의 종방향 채널(72)이 제공된 중앙부(71)를 갖는 여러개의 적층된 플레이트(70)를 포함하며, 채널(72)은 리지(74)가 바닥(72A)에 제공되고, 바닥 및 리지는 유동 경로를 따라 파도모양이다. 얕은 리지(75)는 유동 경로에 대해서 측면으로 연장되고 경계층 유동을 감소키기는 파동모양을 갖는다.

Description

열 교환기{HEAT EXCHANGER}
본 발명은 열교환기에 관련되는데, 특히 빌딩 환기 시스템에 사용되는 열 교환기에 관련된다.
열교환기는 빌딩 환기시스템에 사용되어 빌딩에서 나온 더운공기와 빌딩에 공급되는 찬공기 간에 열을 교환시킨다. 이러한 방식으로 빌딩의 온도를 유지하는데 필요한 에너지양을 최소화할 수 있다.
이상적인 열 교화기는 열전달 효율이 높아야 하는데, 선호적으로 약 90%정도가 되어야 하며, 배압(back pressure)이 낮아서 열교환기에 공기를 통과시키는데 사용되는 팬에 의한 에너지 소비를 감소시킨다. 열교환기는 두 개의 공기 유동경로 간의 누수가 적어야 하며 적은 비용으로 제조하기가 쉬어야 한다.
열 교환기의 한 예로써 GB 0121865.0이 있다.
효율이 높고 배압이 낮으면서 누수가 적인 열 교환기를 만들기란 매우 어렵다. 열교환기의 효율을 증가시킬 수 있는 중요한 요소로써 경계층 효과를 감소시키는 것이 있다.
본 발명의 목적은 이러한 열 교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 한가지 관점을 따라서 인접한 플레이트 부재 사이에 두 개의 분리된 유체 유동경로를 형성하기 위해 서로 평행하게 축적된 여러개의 플레이트 부재를 갖는 열 교환기를 제공한다. 플레이트는 경계층 효과(boundary layer effect)를 감소시키기에 충분하게 유체 유동경로를 따라 파도모양의 표면을 갖으며, 각 플레이트 부재는 유동 경로를 따라 측면으로 연장된 표면 구조물을 갖는다.
표면 구조물은 약 20mm 내지 35mm 사이의 일정한 간격으로 이격되며, 선호적으로 약 25mm의 간격이다. 표면 구조물은 선호적으로 얕은 리브를 갖는다. 플레이트 부재는 선호적으로 거친 주조 방식으로 만들어진 오렌지 껍질 같은 조직을 갖는다. 각 플레이트 부재는 표면에 분포되어 있으며 플레이트 부재 재료로 만들어진 여러개의 지지부재를 갖는다. 지지부재는 유체 유동 방향에 평행하게 연장된 길다란 모양이다. 하나의 플레이트 부재의 지지부재는 인접한 부재의 지지부재와 가까이에 있지만 일렬로 정렬되지 않으므로 지지부재가 서로 겹치지 않고, 인접한 플레이트 부재와 지지부재가 접촉함으로써 적층된 플레이트 부재를 수직으로 지지하게 된다. 플레이트 부재는 선호적으로 여러개의 직선의 종방향으로 연장된 리지를 갖으며, 리지는 선호적으로 지그재그 모양의 지지리지(support ridge)로 인해 서로 분리된 그룹에 배열되고, 지지리지는 직선지리 보다 높고 인접한 플레이트에 있는 지그재그 리지와는 모양이 반대이다. 열교환기는 선호적으로 양 단부에 삼각형 영역이 있어서 서로 경사긴 입력부 및 출력부 표면을 갖는다. 교환기는 선호적으로 정점을 따라 수직으로 연장된 최소한 하나의 가늘고 기다란 탄성부재를 갖으며, 플레이트 부재 사이에서 일정한 간격으로 떨어진 핑거(finger)를 갖으며, 교환기는 또한 각각의 탄성부재 혹은 대향된 측면을 따라 연장된 가늘고 길다란 클램핑 부재를 갖으며, 각 탄성 부재를 그 사이에서 압축시킨다.
본 발명의 또 다른 관점을 따라 본 발명의 전술된 한가지 관점을 따른 열 교환기를 위한 플레이트 부재가 제공된다.
본 발명을 따른 열교환기 조립체이 설명된다.
도 1은 조립체의 계통도.
도 2는 열교환기 유닛의 사시도.
도 3은 교환기 하우징 측면 패널에 대한 사시도.
도 4는 열 교환기 플레이트 하단부의 평면도.
도 5는 열 교환기 플레이트 상단부의 평면도.
도 6은 열교환기 플레이트 가장자리의 확대도.
도 7은 플레이트 지지피크가 어떻게 놓이는지를 도시하는 단순화되어 도시된 종방향 단면도.
도 8은 플레이트 지지피크가 어떻게 놓이는지를 도시하는 단순화되어 도시된 측방향 단면도.
도 9A,9B는 지지피크의 상대적인 위치를 도시하는 A,B형 플레이트를 단순하게 도시한 평면도.
도 10은 A,B형 플레이트에 지그재그벽 형태가 단순하게 도시된 평면도.
도 11은 플레이트의 가장자리가 어떻게 측 패널과 함께 놓이는지를 도시하는 교환기에 대한 횡단면도.
도 13,14는 교환기에 사용된 폼씰링 스트립(foam sealing strip)에 대한 사시도.
도 15는 폼스트립을 조립하는 단계를 도시하는 도면.
* 부호 설명 *
1 : 하우징2,3: 입력부
4,5 : 출력부6 : 교환유닛
7,8 : 공기 유동경로10,11 : 전기팬
12 : 하단패널13 : 상단 패널
14,15 : 측패널
도 1,2에 도시된 바와 같이 열교환 조립체는 각 네 개의 코너에 위치한 두 개의 입력부(2,3) 및 두 개의 출력부(4,5)를 갖는 외부 하우징(1)을 갖는다. 열교환 유닛(6)은 하우징(1) 내에 위치하여 하우징을 통과하는 두 개의 공기유동 경로(7,8)를 형성한다. 제 1 유동경로(7)는 입력부(2)에서부터 교환유닛(6)을 거처 반대쪽 코너에 있는 출력부(4)로 연장되고, 작동시 실내에서 나온 따뜻한 공기를 수용한다. 제 2 유동경로(8)는 입력부(3)에서부터 출력부(5)로 연장되며, 작동시 외부로부터 차가운 공기를 수용하게 된다. 교환유닛(6)은 제 1 유동경로(7)를 따라 유동한 공기로부터 열을 제 2 유동경로(8)에서 유동하는 공기로 전달하여 빌딩에공급된 신선한 공기가 따뜻해지도록 한다. 조립체는 두 개의 출력부(4,5)에 두 개의 종래형태의 전기팬(10,11)을 갖고 있어서 각 유동경로(7,8)를 따라 공기가 빠져 나갈 수 있도록 한다.
열교환 유닛(6)은 역유동 방식으로 두 개의 평행하며 수직인 측면(61,62)과 두 개의 입력부 및 출력부를 제공하는 네 개의 면(63-66)으로 구성된다. 유닛(6)은 수평의 하단부(67) 및 상단부(68)를 갖는다. 두 개의 팬(10,11)이 작동함으로써 하우징의 입력부(2)를 통해 따뜻한 공기가 들어가서 입력부 표면(63)으로 유동하여 유닛(6)을 통해 대각선 방향에 있는 출력부 표면(65)으로 유동하여 출력부(4)로 나가게 된다.
도 3-11에 도시된 바와 같이, 열교환 유닛(6)은 47개가 평행하게 적층되어 있고 6면으로 된 열교환기 플레이트(70)로 구성되는데, 23개의 쌍과 하나의 플레이트로 구성되는 것이다. 플레이트 개수가 다를 수도 있다.
통상적으로 플레이트는 폭이 300mm이고 정점 사이의 길이가 650mm이다. 플레이트(70)는 하단 패널(12), 상단 패널(13), 및 두 개의 측패널(14,15) 안에 있다. 열교환 플레이트(70) 검정색이며 탄소함유 uPVC의 얇은 판에 형성된 진공으로 되어 있고, 상기 uPVC는 열전도성이 높고 효율적인 방열기이다. 플레이트(70)는 표면이 몰딩되어 열전달을 개선시키고 플레이트를 서로 지지하게 된다. 열교환 플레이트(70)는 하단형(A)과 상단형(B)의 두 가지 다른 형태로 되어 있다. 서로 쌍을 이루어 네 개의 측면이 서로 용접되며, 두 개의 대각선으로 마주보는 측면은 공기의 출입을 위해 개방되어 있다. 플레이트(A,B)는 차례차례로 적층된다. 하단형플레이트(A)의 상측면과 상단평 플레이트의 하단면 사이의 공간은 제 1 유동경로(7)의 일 부분을 형성한다. 상단 플레이트의 상단면과 하단 플레이트의 하단면 사이의 공간은 제 2 유동경로(8)의 일부분을 형성한다. 하단형 플레이트(70A)의 구조가 도 4을 참고로 설명될 것이다.
플레이트(70A)는 8개의 종방향으로 평행한 채널(72)로 분할된 직사각형의 몸체(71)를 갖는데, 상기 채널은 지그재그형태와 측면이 삼각형으로 된 윗방향으로 돌출된 벽(73)에 의해 서로 분리되어 있다. 벽(73)은 인접해 있는 플레이트를 지지하고 그 공간을 지지하는 역할을 한다. 각 채널의 폭만큼 서로 일정하게 이격된 5개의 평행한 리지(ridge)는 각 채널(72)을 따라 연장된다. 리지(74)는 측면이 삼각형이지만 벽(73) 높이의 절반이다. 리지(74)의 하측 가장자리는 서로 접촉해 있고,릿지의 꼭대기는 도 6에 도시된 바와 같이 삼각형 골짜기 부분으로 인해 서로 분리되어 있다. 리지(74)는 위에서 보면 직선이지만 리지 및 채널(72)의 바닥(72A)은 도 7에 도시된 바와 같이 길이 방향을 따라 14개의 산과 골 부분이 연결되어 있어서 파도모양을 갖는다. 꼭지점과 꼭지점 사이의 높이는 약 0.5mm이다. 리지(74)는 공기가 채널(72)을 따라 공기가 막힘없이 유동할 수 있도록 하며, 공기와 접촉하는 플레이트(70A)의 표면적을 증가시킨다. 벽(73) 및 리지(74)는 플레이트의 종방향 강도를 향상시킨다. 채널(72)의 파도모양 바닥(72A)은 채널을 따라 공기가 유동할 때 플레이트 사이에서 공기가 버펫팅(buffeting)을 증가시켜 경계층 효과(boundary layer effect)를 감소시키는데 도움을 주는 중요한 역할을 한다.
채널(72)은 플레이트의 폭을 따라 측면으로 연장된 15개의 리브(75)에 의해차단된다. 리브(75)는 리지(74)에 비교해 볼 때 얕은데, 1mm 이하이며, 벽(73) 및 리지에 대해서 연장되어 있다. 인접한 리브(75) 사이의 공간은 약 20mm 내지 35mm 사이이며, 선호적으로는 25mm이다. 리브(75)는 일정한 간격으로 공기의 외란(disturbance)를 증가시켜 경계층 효과를 감소시킨다. 경계층은 거리가 약 32mm가 되어 리브 사이의 공간은 이 보다 약간 작게 선택된다.
각 채널(72)은 채널을 따라 이격된 14개의 지지부재 혹은 피크(peak)(80)를 포함한다. 피크(80)는 위에서 보았을 때 직사각형 모향인데, 길이가 9mm이고 폭이 1mm이며, 측면은 삼각형이다. 피크(80)는 리지(74)에서 위쪽으로 돌출되며, 특히 제 2,4 리지에서 서로 일정하게 이격되어 있다. 피크(80)는 인접한 플레이트(70) 사이의 공간을 유지하는데, 특히 약 3mm정도로 유지한다.
도 6 및 도 11에 도시된 바와 같이, 직사각형 영역(71)의 가장자리(81,82)는 가장자리의 폭에 대해서 1/2정도의 길이를 따라 연장된 반원형 측면을 갖는 종방향 요홈(84) 및 내부 경계벽(83)을 갖는다. 가장자리(81,82)의 상측면은 상측 플레이트(70B)에 용접된다.
몸체(71)의 각 대향된 단부에서, 플레이트(70A)는 출력부 및 입력부(90,91)를 갖는데, 모두 삼각형이다. 입력부(90)의 한 측면(92)은 상측 플레이트(70B)에 용접되고, 다른 쪽 측면(93)은 개방되어 있다. 입력부(90)의 표면은 약간 리브형태로 되어 있고, 평행한 리브(94)는 플레이트의 측면을 따라 연장되며, 일반적으로 공기유동 방향에 교차된다. 입력부(90)는 개방측면(93)에 수직으로 연장되며 연속적으로 지그재그 벽(73)을 형성하는 6개의 높게 솟은 벽(95)을 갖는다. 상기리브(94) 및 벽(95)은 채널(72)의 단부 열(row)에 대해서 고르게 개방측(93)으로 공기를 유입시키는 역할을 한다. 리브(94)는 공기 유동에 약간의 난류를 형성한다.
출력부(91)는 닫힌, 용접된 측면(96)과 개방된 측면(97)을 갖는다. 출력부(91)는 리브(98) 및 벽(99)을 갖고 있어서 공기가 채널(72)에서 개방측면(97)으로 가도록 돕는다.
리지, 벽등 플레이트(70A)에 형성된 모든 것들은 플레이트의 재료로 몰딩되어서 플레이트의 두께가 표면에 대해서 일정하게 되도록 하며, 반대쪽 표면에 대해서 모양이 반대가 되어 서로 일치하도록 형성된다. 플레이트의 전체 상측 및 하측면은 과립형의 오렌지 껍데기 조직같이 되어 있다. 상기 조직은 선호적으로 거칠게 모래주조로 마무리된다. 상기 조직은 플레이트의 경계층 형성을 막게 된다.
상단형 플레이트(70B)(도 5)는 상측면에 비슷한 표면 구조물을 갖는데, 플레이트(70A)에의 구조물과 동일한 번호가 매겨져서 따옴표(')가 붙어 있다. 플레이트(70B)는 벽(73)과 같이 지그재그 모양의 벽(73')을 갖는데, 모양이 반대이다. 이러한 방식으로 벽(73,73')은 인접한 플레이트에서 서로 교차되며, 도 10에 도시된 바와 같이 플레이트를 서로 지지해준다. 플레이트(70B)의 리지(74')는 하단 플레이트의 리지와 정렬되어 있다. 그러나 피크(80')는 하단 플레이트(70A)와는 약간 다르게 되어 있는데, 측면으로 정렬되지만 도 6-8에 도시된 바와 같이 피크 길이와 같은 거리만큼 종방향으로 배열된다. 이로서 피크(80,80')가 서로 포개어지지 않지만 그 공간은 피크가 플레이트(70) 스택에 수직강도를 제공하기에 충분할 만큼 가까이 있게 된다.
상측 플레이트(70B)의 삼각형 좌, 우 영역(90',91')은 하단 플레이트(70A)와 유사한데, 왼쪽 영역(90')의 상측면은 출력부를 제공하도록 되어 있고, 오른쪽 영역(91')은 입력부를 제공하도록 되어 있다. 내부 리브(94',98') 및 벽(95',99')은 개방 측면(96')으로부터 채널(72')의 단부를 통해 개방측면(92')을 공기를 유동시키는 역할을 한다.
두 개의 플레이트(70A,70B)는 서로 네 측면이 용접되어 있다. 직사각형 영역(71')의 측면을 따라 상측 플레이트(70B)의 가장자리(81',82')는 평평하고 반원형 요홈(84)의 반대쪽 측면을 따라 하단 플레이트(70A)의 가장자리에 용접되어서 요홈의 개방된 측면은 씰링되어 공기가 차 있는 종방향 씰을 형성하게 된다. 그와 동시에, 하단 플레이트(70A)의 막힌 측면(91,92)은 상단 플레이트(70B)의 측면(91',92')에 용접되어 있다. 플레이트970)는 하단패널(12), 상단 패널(13) 및 측패널(14,15)에 의해 서로 적층되어 고정되어 있다. 측패널(14,15)(도 3, 11에 잘 도시됨)은 길이 방향을 따라 수평으로 연장된 22개의 평행한 슬롯(100)과 함께 견고한 검은색 ABS 플라스틱으로 몰딩된다. 슬롯(100)의 폭은 플레이트의 용접된 가장자리(81,82)가 반원형 구조물(84)과 함께 단단히 맞춰 들어가도록 선택되는데, 상기 반원형 구조물은 플레이트 가장자리 구면에 공기가 유동되는 것을 효과적으로 씰링한다. 슬롯(100)의 공간은 인접한 플레이트 간의 정확한 공간을 제공하며, 플레이트(A,B) 간의 정확한 공간은 하단측(A) 플레이트의 표면모양으로 인해 이루어진다.
유닛(6)은 측 패널(14,15)을 하단패널(12)에 클립핑하고 한 쌍의 열교환 플레이트(70A,70B)를 측 패널을 따라 슬롯(100)에 넣어서 조립된다. 모든 플레이트(70)가 제 위치로 들어가면, 상측 패널(13)은 측 채널(14,15)의 상측 가장자리에 클립핑된다. 상측 패널(13)은 상단 플레이트(70B)의 피크(80')에 상응하는 하단 표면의 홈(180)을 갖는다. 피크(80')는 홈(180)을 수용하여 피크가 플레이트(70B)를 상단 패널(13)로부터 이격되지 않도록 하며 많은 양의 공기가 플레이트와 상단 패널 사이로 유동하도록 한다.
서로 적층된 플레이트(70)와 함께, 하단 및 상단 플레이트(70A,70B)의 개방된 가장자리(93,93')는 인접한 각각의 플레이트에 용접되어서, 공기가 표면(63)에서 인접한 하단 플레이트 및 상단 플레이트 사이를 유동하지 못하도록 한다. 이와 유사하게, 가장자리(97,97')는 표면(65)에서 용접된다.
적층된 플레이트(70)에서 공기가 빠지고 공급되는 정점(101)에 전이부가 있기 때문에 상기 영역이 두 경로(7,8) 사이에서 누수가 발생되지 않도록 효율적으로씰링되는 것이 중요하다. 도 11에 도시된 바와 같이 이것은 두개의 폼씰링 스트립(102)으로 이루어지는데, 상기 스트립은 도 12에 도시된 바와 같이 가장가리에 대해서 직각으로 연장된 짧은 절단부(103)를 한 쪽 가장자리를 따라 갖는다. 절단부(103)의 개수는 적층된 플레이트(70)의 개수와 동일하다. 스트립(102)은 도 15에 도시된 방식대로 정점(101)의 어느 한 측면에 조립되며, 각 절단부(103) 사이의 스트립 핑거(104)는 정점(101)에서 플레이트(70) 사이로 연장된다. 도 13,14에 도시된 두 개의 클램핑 스트립(105,106)은 도 15에 도시된 바와 같이 폼 스트립(102)의 대향된 측면을 따라 위치하며, 서로 클램핑되어 폼 스트립을 플레이트(70)의 씰링으로 압축시킨다.
유사한 폼 스트립(도시 안됨)이 각 코너(110-113)에 사용되는데, 여기서 열교환 플레이트(70)는 각 측면 패널(14,15)의 슬롯(100)으로부터 돌출된다. 수직 클램핑 스트립(114)은 폼스트립을 압축시키고 제 자리에 고정시켜 슬롯(100)에 누구를 방지하는데 사용된다.
본 발명의 장치는 높은 배압(back pressure) 없이도 효율이 높은 열교환을 제공한다. 이러한 장치로 두 개의 공기 유동이 누수되는 것을 감소시킨다.

Claims (16)

  1. 인접한 플레이트 부재(70)의 사이에서 번갈이 두 개의 분리된 유체 유동경로를 형성하기 위해 서로 평행하게 적층된 여러개의 플레이트 부재(70)를 갖는 열 교환기에서, 상기 플레이트 부재(70)는 경계층 효과를 감소시키기에 충분한 유체 유동경로를 따라 파도모양을 갖으며, 각 플레이트 부재(70)는 유동경로를 따라 측면으로 연장된 표면 구조물(75)을 갖는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 측면으로 연장된 구조물(75)은 얕은 리브의 형태인 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  3. 제 1 항 혹은 제 2 항에 있어서, 각 구조물은 높이가 1mm를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  4. 전술된 항 중 어느 한 항에 있어서, 플레이트 부재(70)의 표면은 무늬가 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 전술된 항 중 어느 한 항에 있어서, 플레이트 부재(70)는 위쪽으로 돌출된 벽(73) 사이에 형성되고 바닥(72A)을 제공하는 여러개의 채널(72)로 형성되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  6. 제 5 항에 있어서, 각 채널(72)은 벽(73) 사이의 채널을 따라 평행하게 종방향으로 연장되며 바닥(72A)으로부터 직립한 여러개의 동일한 간격으로 이격된 리지(74)가 제공되는데, 높이는 벽 보다 낮으며, 각 채널(72)의 리지(74) 및 바닥(72A)은 길이 방향으로 파도모양인 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  7. 제 6 항에 있어서, 바닥(72A) 및 리지(74)의 파도모양인 얕고 여러 가지 모양이어서 채널(72)을 따라 여러개의 산과 골을 제공하는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  8. 제 5 항에 및 종속항 중 아무 항에 있어서, 채널과 결합도는 위쪽으로 돌출된 벽(73)은 플레이트 부재(70)의 종방향으로 지그재그 모양인 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  9. 제 8 항에 있어서, 지그재그 형태는 하나의 플레이트 부재(70)와 인접한 플레이트 부재(70) 사이처럼 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  10. 제 6 항에 있어서, 지지부재(80)는 각 채널(72)맏 최소한 하나의 리지(74)가 제공되며, 직립형으로 되어 있고 인접한 플레이트 부재를 지지하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  11. 제 6 항에 있어서, 지지부재(80)는 리지(74)의 종방향으로 일정한 간격을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  12. 제 11 항에 있어서, 지지부재980)는 플레이트 부재 재료로 만들어지며 유체유동 방향에 평행한 길다란 모양인 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 지지부재(70)는 여러개의 리지(80)가 제공되며, 리지(74)의 지지부재(80)는 나머지 리지(74)에 있는 것에서 오프셋되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 플레이트 부재(70)에서 지지부재(80)는 인접한 플레이트 부재(70)의 지지부재(80)로부터 오프셋되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  15. 전술된 항 중 어느 한 항에 있어서, 양 단부의 삼각형 영역(90,91)은 정점(101)에서 만나며 서로 경사진 출력부 및 입력부 표면을 제공하는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  16. 제 14 항에 있어서, 하나의 길다란 탄성부재(102)는 정점(101)을 따라 수직으로 연장되며, 플레이트 부재 사이에서 일정한 간격으로 있는 핑거(104)를 갖는데, 교환기는 각 탄성무재 혹은 대향된 측면을 따라 연장된 길다란 클램핑 부재(105,106)를 갖고 그 사이에서 탄성부재9102)를 압축하는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
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