KR20060089162A - 열 교환용 플레이트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플레이트의 열전도(熱傳導) 부분의 표면과 배면에서 각각 요철(凹凸) 패턴을 동일하게 형성하고, 각각의 유체에 대한 열전도 조건을 대략 동일하게 할 수 있고, 플레이트의 표면과 배면에서 각각의 유체에 대한 열전도 성능을 충분히 유지시켜서 열교환 효율이 향상된 열 교환용 플레이트를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 플레이트 상의 요철 패턴은, 다수의 융기부(11)와 오목부(12)가 동일하게 배열되고, 또한 상기 요철이 표면과 배면의 각 면에서 교대로 배열됨으로써 표면과 배면이 동일한 패턴으로 형성되고, 하나의 플레이트를 다른 플레이트와 동일한 면 끼리 마주보게 하고, 또한 각각의 융기부(11)의 정상부(11a) 끼리 접촉시켜서 복수개가 병렬된 상태에서 일체화시키면, 플레이트 사이의 각각의 간극도 플레이트에 접하는 부분을 비롯하여 대략 동일한 형상이 되므로, 이들 간극을 흐르는 열 교환용 유체에 대해 플레이트 표면과 배면에 각각 동일한 열전도 환경을 부여할 수 있어서, 유체의 유동 상태나 성질과 상태에 좌우되지 않고 적절한 열전도가 이루어진다.

플레이트, 열 교환, 열전도, 유체, 요철, 융기부, 오목부

Description

열 교환용 플레이트{HEAT EXCHANGE PLATE}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열 교환용 플레이트의 개략적인 구성도이다.

도 2는 도 1의 A-B 부분 확대도이다.

도 3은 도 1의 A-B 부분 확대 사시도이다.

도 4는 도 2의 C-C 단면도, D-D 단면도, 및 E-E 단면도이다.

도 5는 도 2의 F-F 단면도 및 G-G 단면도이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 열 교환용 플레이트의 병렬 조합 상태에서의 플레이트간의 한쪽 간극 및 다른 쪽 간극의 구성을 설명한 도면이다.

[부호의 설명]

10: 열 교환용 플레이트 11: 융기부

11a: 정상부 12: 오목부

12a: 저부 13: 천이 곡면 부분

14, 15: 간극

[특허 문헌 1] 일본국 특개평 3(1991)-91695호 공보

[특허 문헌 2] 일본국 특개 2003-194490호 공보

[특허 문헌 3] 일본국 특개 2002-257488호 공보

본 발명은 금속 박판의 성형에 의해 얻어지고, 복수개가 병렬된 상태로 일체화되어 열교환기를 이루는 열 교환용 플레이트에 관한 것으로서, 특히 복수개가 일체화된 상태에서 열교환을 행하는 열 교환용 유체를 플레이트 표면과 배면을 따라서 잘 흐르게 하면서, 플레이트와 각각의 유체간의 열전도(熱傳導)에 관한 조건을 동일하게 설정하여, 유체끼리의 열교환을 적절하게 행할 수 있는 열 교환용 플레이트에 관한 것이다.

종래에는, 고온 유체와 저온 유체 사이에서 열교환을 행하는 열교환기의 사용에 있어서, 열전도율을 크게 하여 열교환 성능을 높이고자 하는 경우에, 플레이트식 열교환기가 많이 이용되었다.

상기 플레이트식 열 교환기는, 복수개의 판형 플레이트를 소정의 간격을 두고 평행하게 중첩시키고, 각각의 플레이트 사이를 각각 유로로하며, 각각의 유로에는 플레이트를 1매 걸러서 고온 유체와 저온 유체를 교대로 흐르게하여, 각각의 플레이트를 통하여 열을 교환시키는 구조를 가진다. 이와 같은 종래의 플레이트식 열교환기의 일례로서, 일본국 특개평 3-91695호 공보에 기재된 것이 있다.

이와 같은 종래의 플레이트식 열교환기에는, 플레이트 사이를 일정 간격으로 유지시킴과 동시에 유체의 통로부로서 구획하는 탄성 소재로 형성된 개스킷 (gasket)이 각각의 플레이트 사이에 설치되어 있다. 그러나, 각각의 플레이트 사이를 흐르는 각각의 열 교환용 유체의 압력이 높은 경우, 유체 압력에 의하여 개스킷이 변형되고, 유체끼리 격리시킬 수 없게 되거나 플레이트 간격이 변동되어서 열교환을 효과적으로 행하지 못할 우려가 있기 때문에, 개스킷이 견딜 수 있는 압력 범위 내에서만 열 교환용 유체를 사용할 수 있는 문제점이 있었다.

이러한 이유로 인하여, 최근, 탄성 소재로 형성된 개스킷 등을 이용하지 않고, 소정 간격으로 배치되고 금속 박판으로 형성된 각 플레이트 단부를 용접에 의하여 서로 직접 접합시켜서, 각각의 플레이트의 표면과 배면의 양측에 열 교환용 유체의 유로가 되는 간극부를 형성하면서 플레이트를 일체화시키도록 구성되는 열교환기가 제안되어 있고, 특히 본 발명자가 발명한 예로서, 금속 박판으로 형성한 복수개의 플레이트를 병렬 상태로 하고, 각각의 플레이트 사이에 간극을 생기게 하여 각각의 플레이트 주위단(round edges) 끼리를, 열 교환용 유체 유통용의 개구 부분을 제외하고 용접하여 각각의 플레이트를 일체화시키고, 또한 각각의 플레이트의 하나의 개구 부분 측 단부에 종단판을 일체로 용접하여 하나의 개구 부분 주위를 종단판으로 둘러싼 상태로 형성한 열교환 유닛이, 일본국 특개 2003-194490호 공보에 개시되어 있다.

한편, 이러한 플레이트식 열교환기의 열전도면 형상으로서는, 종래부터 헤링본 타입의 요철(凹凸) 패턴이 많이 이용되고 있지만, 이 형상에서는 압력 손실의 저감과 내압 강도 확보를 양립시키기 곤란하여서, 최근 다른 요철 패턴 형상이 여러 가지 제안되어 있고, 예를 들면, 일본국 특개 2002-257488호 공보에 기재된 것 이 있다.

상기 종래의 열교환기에서의 플레이트는, 실부(sealing part)의 내측 부분에, 플레이트의 두께 방향으로 산 모양이며 상단부가 평탄하도록, 또한 상면에서 보았을 때 방형(方形)으로 형성되는 열전도면 요소를 복수개 구비하는 구성으로 되어 있고, 이 플레이트가 복수매 적층되어 하나의 열교환기를 형성하는 구조로 되어 있다.

종래의 열교환기(열교환 유닛)는 상기 각 특허 문헌에 나타낸 구성으로 되어 있고, 상기 특허 문헌 1 및 2에서의 플레이트에도 응용 가능한 요철 패턴을 가지는, 상기 특허 문헌 3에 나타낸 종래의 플레이트는, 열교환기의 구성에 있어서, 교대로 상하 반전되어 적층되고, 플레이트에서의 열전도면 요소의 상단부와 여기에 인접하는 플레이트의 유로 교차 부분이 접촉하도록 되어 있고, 열전도면 요소가 돌출되는 방향을 동일한 방향으로 맞추어서 적층되며, 유로를 이루는 플레이트 사이의 각각의 간극은, 한 간격씩 적층 방향과 직교하는 방향의 위치 관계가 180˚씩 회전하여 교대하지만, 그 형상은 동일하게 되어 있다.

그러나, 종래의 열 교환용 플레이트를 동일한 방향으로 중첩시킨 경우, 유로 형상은 동일하지만, 플레이트의 표면과 배면의 각 면은 요철이 반전되어 서로 대칭이 되는 상이한 형상이 되고, 플레이트를 따라 흐르는 각 유체의 움직임도 크게 상이하므로, 열 교환용 플레이트 표면과 배면의 양쪽에서 유체에 대하여 동일한 열전도 조건을 부여하지 못하고, 플레이트의 각 면과 각각의 유체 사이의 열전도 상태 를 동일하게 함으로써 열 교환용 유체 사이의 충분한 열교환 효율을 확보하고자 하는 경우에는 적절하게 대응할 수 없는 문제점이 있었다.

플레이트 표면과 배면의 각각의 면의 형상이 상이한 경우라도, 각 면이 각각 접하는 각 열 교환용 유체의 특성이나 유동 상태와 합치하면, 표면과 배면의 양쪽에서 열전도 상태가 상이하더라도, 플레이트와 각각의 유체의 열전도 효율을 개별적으로 높여셔 유체 사이의 열교환 효율을 전체적으로 향상시킬 수 있지만, 플레이트 각 면의 형상은, 유체의 소정 유동 상태에 따라서 특화되므로, 열교환기로서의 용도나 열교환기 내에서의 플레이트 배치 관계에 의해, 플레이트 사이의 각 간극을 흐르는 열 교환용 유체의 유동 조건이 변화되거나 유체 자체가 다른 유체로 교체되는 경우, 열전도 능력이 최적인 상태로부터 크게 벗어나게 되어 극단적인 성능 저하가 발생하는 등, 범용성이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 과제를 해소하기 위해 이루어진 것이며, 플레이트의 열전도 부분의 표면과 배면의 각 요철 패턴을 서로 동일한 형상으로서 최적화하고, 다른 플레이트와 중첩시켜서 일체화를 적절하게 행하면서, 플레이트의 표면과 배면의 각 요철 패턴에 따른 유로 형상 및 각각의 유체에 대한 열전도 조건을 거의 동일하게 설정할 수 있고, 플레이트의 표면과 배면의 어느 쪽에서도 각각의 유체에 대한 열전도 성능을 충분히 확보하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 열 교환용 플레이트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 열 교환용 플레이트는, 소정의 요철 패턴을 가지는 대략 금 속 판형체이며, 동일한 면 끼리 마주보는 쌍을 형성하고, 상기 쌍들을 복수개 중첩한 상태에서 일체화되어 열교환기를 구성하고, 표면 측에서 접하는 하나의 열 교환용 유체와 배면 측에서 접하는 다른 열 교환용 유체 사이에서 열교환을 행하는 열 교환용 플레이트에 있어서, 상기 요철 패턴으로서, 한쪽 면 측에 소정의 배열로 형성되는 소정의 융기 형상 다수의 융기부와, 상기 한쪽 면 측에서 2개 이상의 상기 각 융기부에 둘러싸이는 중간 위치마다 융기부 융기 방향에 대해서 역방향으로 패인 오목한 형상이 다수개 형성되는 오목부를 구비하고, 각각의 상기 융기부가 곡면으로 이루어지는 외주면을 가지고, 하나의 융기부의 주위에 복수개의 다른 융기부가 등 간격으로 또한 상기 하나의 융기부를 중심으로 등각 간격으로 배열되고, 각각의 상기 오목부는, 둘러싸인 복수개의 상기 융기부의 외주면에 각각 일부 연속되는 곡면으로 이루어지는 내주면을 가지고, 상기 융기부와 동일한 피치와 동일한 배열을 가지고, 상기 한쪽 면 측에서의 오목부의 정확히 배면에서 상기 오목부가 뒤집힌 형상을 가지는 다른 면 측의 융기 부분이 상기 융기부와 동일힌 형상을 가지고, 한쪽 면 측에서의 융기부의 정확히 배면에서 상기 융기부가 뒤집힌 형상을 가지는 다른 면 측의 패인 부분이, 상기 오목부와 동일 형상을 가져서, 표면과 배면에서 동일한 패턴을 가지는 형상이 된다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 플레이트 상의 요철 패턴이, 다수의 융기부와 오목부를 같은 배열 상태에서 또한 요철이 표면과 배면의 각 면에서 교대되기만 하는 표면과 배면이 동일한 패턴 형상으로서 형성되고, 다른 플레이트와 같은 면 끼리를 마주보게 하고, 또한 각 융기부의 정상부 끼리를 접촉시킨 복수개가 병렬 상 태에서 일체화되면, 융기부와 오목부가 표면 및 배면에서 동일하게 배열되는 면 형상에 따라, 플레이트 사이의 각 간극도 플레이트에 접하는 부분을 시작으로 하여 대략 동일한 형상으로서 나타남으로써, 이들 각 간극을 흐르는 열 교환용 유체에 대해 플레이트의 표면과 배면이 각각 동일한 열전도 환경을 제공할 수 있고, 유체의 유동 상태나 성질의 상태에 좌우되지 않고 플레이트와 각각의 유체의 열전도를 적절히 진행시켜서 열 교환용 유체 간에 효율적으로 열교환이 이루어진다. 또, 각 플레이트 사이의 간극이, 요철 배열 방향으로 각각 확대 및 축소를 반복하면서 직선형으로 연속되고, 또한 서로 교차하는 대략 망 상태 구조의 유로를 형성하게 되어, 열 교환용 유체의 흐름 관계가 보통류, 대향류, 및 직교류의 어느 경우에도 열 교환용 유체의 흐름에 대략 동일한 움직임을 부여하여 거의 동일한 열전도 성능을 얻을 수 있고, 각 열 교환용 유체의 흐름이 어느 방향으로 조합된다 하더라도 저압력 손실로 순조롭게 열전도를 행할 수 있어서, 열교환기 설계의 자유도를 높일 수 있고 범용성이 우수하게 된다.

또, 본 발명에 따른 열 교환용 플레이트는 필요에 따라, 상기 융기부가, 플레이트 표면 상의 직교하는 2방향으로 소정의 동일한 피치로 각각 배치된 매트릭스 배열이 되는 동시에, 상기 오목부가 네 개의 융기부를 각각 모퉁이부로 하는 최소 정방형 영역의 중앙에 배치되어 융기부와 동일한 매트릭스 배열이 되어, 상기 융기부 및 오목부가, 소정의 피치로 교대로 정렬된 상태가 되는 매트릭스 배열 중의 대각선 배열 방향에서의 연속 단면 형상을, 대략 사인파형이 되어, 상기 한쪽 면 측에서의 상기 각 융기부와 인접하는 다른 융기부와의 중간 부위, 및 상기 각 오목부 와 인접하는 다른 오목부와의 중간 부위가, 각각 융기부의 융기 방향에 대하여 오목부 저부와 융기부 정상부의 대략 중간 높이가 된다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 각 융기부를 플레이트 표면상의 직교하는 2방향으로 소정의 동일한 피치로 배치하는 매트릭스 배열로 하고, 각 오목부 대하여도 동일한 배열로 하고, 또한 각 융기부와 각 오목부가 교대로 정렬된 배열 방향에서의 단면 형상이 융기부의 정상부와 오목부의 저부를 통과하는 대략 사인 곡선을 이루도록 융기부의 외주면 형상 및 오목부의 내주면 형상이 설정되고, 플레이트의 각 면이 각 방향에 규칙적이며 주기적으로 요철 변화하는 곡면 형상으로서 형성되므로, 플레이트를 어느 방향으로 사용하더라도 플레이트 사이에서의 압력 손실이 억제되고, 열 교환용 유체의 순조로운 유동 및 순조로운 열전도를 실현하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 각 방향에서 스무드한 곡면 형상을 사용함으로써 플레이트에 가하는 힘을 분산시킬 수가 있고, 강도를 향상시켜 유체의 높은 압력에 대응할 수 있어 성형성도 향상시킬 수 있다. 또한, 열 교환용 유체의 한쪽에 해수를 플레이트 사이에 도입하는 경우, 곡면 부분에는 생물계 오염이 잘 부착되지 않고, 장기간에 걸쳐 성능이 저하되지 않는다.

또, 본 발명에 의한 열 교환용 플레이트는 필요에 따라, 상기 열 교환용 플레이트를 이루는 직사각형 또는 방형의 대략 판형의 각변에 대해, 상기 각 융기부와 오목부가 교대로 일렬로 정렬된 방향을 평행 또는 직각으로 하는 요철 패턴 배치로 형성된다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 플레이트의 요철 패턴을 각 융기부와 오목부의 교대 배열 방향이 플레이트 각 변과 평행 또는 직각이 되는 배치로 하고, 플레이트 각 변을 수평 또는 수직 방향으로 각각 일치시켜서 지지시키면, 플레이트 병렬 상태에서의 플레이트 사이에서 열 교환용 유체의 주된 유로가 되는, 각 융기부에 끼워진 골 부분과 각 오목부와의 직선형 연속 부분이, 수직 방향에 대해 경사져서 연속하는 상태가 되므로, 플레이트를 따라 흐르는 열 교환용 유체가 경사 방향으로 진행되어 분기 및 합류하면서 플레이트 각 부에 순조롭게 퍼지게 되어, 열 교환용 유체를 플레이트 전체에 넓게 골고루 퍼지게하여 플레이트와 유체 사이의 열전도를 촉진시켜서, 열교환 효율을 높일 수 있다.

또, 본 발명에 의한 열 교환용 플레이트는 필요에 따라, 상기 융기부가, 정상부로서 소정 면적의 평탄면을 가진다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 융기부의 정상부로서 대략 평탄 부분을 설치하고, 플레이트를 중첩시켰을 때에 상기 정상부의 대략 평탄 부분끼리 접촉시킴으로써, 플레이트를 중첩시킨 병렬 상태에서 융기부끼리 면 접촉에 의하여 안정되고, 대향하는 융기부가 서로 옆으로 어긋나지 않고 확실하게 밀착하여 위치 관계를 유지할 수 있어서, 플레이트 사이를 일정 거리로 유지시킬 수 있고, 유체 압력에 대한 강도를 높일 수 있다.

이하, 본 발명의 일실시예를 도 1 내지 도 6에 따라 설명한다. 도 1은 본 실시예에 따른 열 교환용 플레이트의 개략적인 구성도, 도 2는 도 1의 A-B 부분 확대도, 도 3은 도 1의 A-B 부분 확대 사시도, 도 4는 도 2의 C-C 단면도, D-D 단면도, 및 E-E 단면도, 도 5는 도 2의 F-F 단면도 및 G-G 단면도, 도 6은 본 실시예에 따른 열 교환용 플레이트의 병렬 조합 상태에서의 플레이트 사이의 한쪽의 간극 및 다른 쪽의 간극의 구성을 설명한 도면이다.

상기 각각의 도면에서 본 실시예에 따른 열 교환용 플레이트(10)는, 직사각형의 금속으로 형성되고 대략 판형이며, 프레스 성형되는 요철 패턴으로서, 플레이트 표면에 대해 소정의 융기 형상이 되어 등 피치의 매트릭스 배열 상태에서 다수개가 형성되는 융기부(11)와, 상기 융기부(11)에 둘러싸이는 각 중간 부분에 융기부(11)의 융기 방향과 역방향으로 패인 오목 형상으로서 다수 형성되는 오목부(12)를 구비하는 구성이다.

요철 패턴을 이루는 상기 각 융기부(11)는, 플레이트의 한쪽 면 측에서의 면상의 직교하는 2방향으로 소정의 동일한 피치로 각각 배치되는 매트릭스 배열이 되고, 주위에 네개 있는 다른 융기부(11)에 접하는 각 부위의 형상을 각각 동일하게 하는 회전 대칭형의 곡면으로 이루어지는 외주면을 가지는 융기 형상이 되는 구성이다. 상기 융기부(11)에서는, 정상부(11a)가 원형의 평탄 부분으로 형성되고, 상기 정상부(11a) 이외의 외주면은, 정상부(11a) 측에서 보았을 때 끝으로 갈수록 퍼지는 모양이 되는 곡면 형상이 된다.

상기 오목부(12)는, 플레이트에서의 한쪽 면 측의 표면 각 부에서 상기 각 융기부(11)를 네 귀퉁이로 하는 최소의 정방형 영역의 중심에 맞는 각 위치에, 저부(12a) 및 그 위쪽으로 상기 네 개의 각 융기부(11)의 외주면과 연속하는 곡면으로 이루어지는 내주면을 가지고, 한쪽 면 측에서의 융기부(11)의 융기 방향과 역방향으로 패인 오목 형상으로 형성되는 구성이며, 상기 융기부(11)와 동일하게 매트 릭스 배열이 된다.

이들 융기부(11)의 외주면과 오목부(12)의 내주면은, 각 융기부(11)와 오목부(12)가 등 간격으로 교대로 정렬된 상태가 되는 매트릭스 배열 중의 대각선 배열 방향에서, 융기부(11)와 오목부(12)가 연속하는 단면 형상이 대략 정현 파형이 되도록 형성되어 있고, 융기부(11)에서는 상기 외주면에서의 오목부(12)와 연속하는 부분과 다른 융기부(11)에 연속하는 둘레 부분이 연속되는 스무드한 곡면이 되어 있다. 또, 오목부(12)의 내주면은, 주위의 융기부(11)의 외주면에 연속하는 각 부위의 형상을 동일하게 형성할 뿐 아니라 주위 근방에 네 개 있는 다른 오목부(12)와도 내주면 둘레부 끼리를 스무드하게 연속시키면서, 이 연속하는 각 부위의 형상을 동일하게 형성하는 회전 대칭형의 곡면이 되어 있다.

각 융기부(11)와 인접하는 다른 융기부(11)와의 중간 위치, 및 상기 각 오목부(12)와 인접하는 다른 오목부(12)와의 중간 위치는, 각각 인접하는 곡면을 순조롭게 연속시키는 천이 곡면 부분(13)이 되어 있고, 상기 천이 곡면 부분(13)은 각각 융기 높이 방향에 대하여 오목부(12)의 저부와 융기부(11)의 정상부의 중간 높이 위치가 되어 있다. 융기부(11)와 오목부(12)는 서로 직접 외주면과 내주면을 스무드하게 연속시키는 동시에, 모두 주위 사방으로 각각 천이 곡면 부분(13)을 개재시키면서 가장 가까운 다른 융기부(11) 또는 오목부(12)를 각각 연속 면으로서 인접시킴으로써, 플레이트의 요철 패턴 부분 전체가 스무드하게 연속하는 곡면에서 형성되고, 플레이트에 가하는 힘을 분산 시킬 수가 있어서, 강도를 향상시켜서 유체의 높은 압력에 대응할 수 있고 또한 성형성도 향상된다.

그리고, 상기 열 교환용 플레이트(10)에서는, 한쪽 면 측에서의 오목부(12)의 정확히 배면에서 상기 오목부(12)가 뒤집힌 형상을 가지는 다른 쪽 면 측의 융기 부분이 상기 융기부(11)와 동일한 형상을 가지고, 한쪽 면 측에서의 융기부(11)의 정확히 배면에서 상기 융기부(11)가 뒤집힌 형상을 가지는 다른 쪽의 면 측의 패인 부분이 상기 오목부(12)와 동일한 형상을 가지고, 표면과 배면에서 동일하게 융기부(11)와 오목부(12)가 다수 배치되는 패턴 형상을 이루도록 구성된다. 상기 열 교환용 플레이트(10) 상에서의 융기부(11) 및 오목부(12)는, 각각의 매트릭스 배열에서의 소정 피치를 가지는 각 배열 방향이 직사각형의 플레이트 각변에 대해 45˚ 경사진 방향이 되도록 형성되고, 이에 따라, 융기부(11)와 오목부(12)가 교대로 정렬된 대각선 배열 방향이, 플레이트 각변에 대해 정확하게 평행 또는 직각이 된다.

상기 열 교환용 플레이트(10)는, 동일한 형상의 다른 플레이트와 동일한 면 끼리를 마주보게 하고, 상기 융기부(11)의 정상부(11a) 끼리 접촉시킨 복수개의 병렬 상태에서 일체화되고, 접촉 부분 이외의 각 플레이트 사이에 열 교환용 유체가 흐를 수 있도록 간극을 가지는 열교환기를 구성하는 것이며, 플레이트 표면 측에서 접하는 하나의 열 교환용 유체와 배면 측에서 접하는 다른 열 교환용 유체 사이에서 열교환을 행하게 한다. 상기 플레이트를 일체화시킨 상태에서 플레이트의 오목 부분끼리 접하므로, 강도가 높고 플레이트 사이에 높은 압력이 가해져도 쉽게 변형되지 않고, 플레이트 간격의 변화가 억제되며, 열 교환용 유체끼리의 압력 차가 큰 상태에도 대응할 수 있다.

상기 융기부(11)의 정상부(1la)끼리를 맞닿게 하여 열 교환용 플레이트(10)를 중첩시킨 상태에서는, 플레이트 사이의 각 간극(14)에서, 맞닿는 정상부(11a)를 제외한 융기부(11)의 외주면끼리, 천이 곡면 부분(13), 및 더 낮은 오목부(12)끼리가 각각 소정의 간격으로 대향하는 상태가 되어 있고, 이들 융기부(1l)의 외주면 사이와 오목부(12) 사이에 생기는 각 간극이 연통하여 직선형의 유로를 이루고 있다. 이들 유로는 융기부(11) 사이보다 오목부(12) 사이에서 유로 단면적이 커지고, 각각의 유로는 확대, 축소를 반복하면서 직선형으로 연속하고, 또한 서로 교차·연통되어 있다(도 6 참조).

한편, 플레이트를 사이에 두고 반대 측의 간극(15)에 있어서도, 플레이트의 요철 패턴이 동일 형상이므로 동일한 상태가 되고, 상기와 마찬가지로, 확대 및 축소를 반복하면서 연속하는 유로가, 서로 교차·연통하고 있다(도 6 참조). 통상, 상기 플레이트를 중첩시틴 상태에서, 플레이트 각변은 수평 또는 수직 방향으로 각각 일치시켜 지지되므로, 플레이트 사이의 주된 유로 부분, 즉, 플레이트의 각 오목부(12)와 천이 곡면 부분(13)을 따라 연속하는 간극 부분은 경사지게 된다. 이들 간극(14)과 간극(15)의 형상 및 크기는, 플레이트가 표면 및 배면에 의해 서로 요철이 반전하고 있는 형상이며, 또한 동일한 면끼리를 마주보게 중첩시킬 수 있으므로, 요철 위치가 서로 각 배열 방향으로 반 피치만큼 어긋나 있지만, 이 점을 제외하고 동일하게 형성되어 있다.

다음에, 본 실시예에 관한 열 교환용 플레이트를 사용한 열교환기의 사용 상태에 대하여 설명한다. 열 교환용 플레이트(10)가 복수개 병렬 상태에서 일체로 조합된 유닛화 상태에서는, 플레이트에 접하는 한쪽의 간극(14)에 하나의 열 교환용 유체를 유입·유출시키는 한편, 상기 간극(14)에 열 교환용 플레이트(10)를 사이에 두고 위치하는 반대 측의 간극(15)에, 다른 열 교환용 유체를 흐르게 하면, 두 개의 열 교환용 유체의 사이에서 열교환이 이루어지게 된다.

각 플레이트 사이의 간극(14, 15)이 각 플레이트 형상에 대응하고, 각 융기부(11)의 정렬된 각 방향의 각각에 대하여 직선형으로 연속하고, 또한 서로 교차·연통된 상태가 되고, 간극(14, 15)에 각각 흐르는 두 개의 열 교환용 유체의 관계가 보통류, 대향류, 또는 직교류의 어느 경우라 하더라도, 흐름에 대하여 열 교환용 유체에 대략 동일한 조건이 부여되고, 두 개의 유체가 어느 방향으로 조합되더라도, 유로에서의 압력 손실을 억제하여 순조롭게 간극(14, 15)에서 흐르게 하여 , 효율적으로 열교환이 이루어지게 된다.

예를 들면, 열 교환용 유체가 서로 대향되어 흐르는 경우, 한쪽의 간극(14)에서는, 각 융기부(11)나 오목부(12)의 배열 방향이 되는 경사지는 각 방향으로 향하여, 융기 높이의 가장 낮은 오목부(12) 사이와 중간 높이의 천이 곡면 부분(13) 사이를 주로 하는 유로도 연속하고, 이것을 열 교환용 유체가 아래로 흐르는 상태가 되어 있는 것 외에, 반대 측의 간극(15)에서는, 융기부(11) 뒤편의 오목부(12)사이와 천이 곡면 부분(13) 사이를 주로 하는 유로가 경사지게 연속되고, 이것을 다른 열 교환용 유체가 흐르는 상태가 되어 있고, 각각 열 교환용 유체가 경사지게 진행되면서 자연스럽게 합류 및 분기하여 열 교환용 플레이트(10)의 표면 및 배면의 각 부에 골고루 미치게 된다.

이와 같이 하여 열 교환용 유체가 플레이트 전체에 넓게 골고루 퍼지므로, 플레이트와 각각의 유체 사이의 열전도가 촉진되고, 또한 플레이트 사이에서 확대 및 축소를 반복하여 연속되는 독특한 형상을 가지고, 또한 플레이트 표면과 배면의 양측에서 각 열 교환용 유체의 성질을 충분히 고려한 열전도 특성으로 설정된 동일한 플레이트 요철 형상에 따른 동일한 간극(14, 15)을 유로로 하여 각 열 교환용 유체는 통과되고 있고, 열 교환용 플레이트(10)와 각 열 교환용 유체 사이에서는 효율적으로 열전도가 진행되고, 유체 사이에서의 열교환 효율이 크게 향상된다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 열 교환용 플레이트에 있어서는, 플레이트 상의 요철 패턴이, 다수의 융기부(11)와 오목부(12)를 같은 배열 상태로 또한 요철이 표면과 배면의 각 면에서 교대함으로써 표면과 배면이 동일한 패턴으로 형성되고, 다른 플레이트와 동일한 면 끼리 마주보게 하고, 또한 각 융기부(11)의 정상부(11a) 끼리 접촉시킨 복수개의 병렬 상태에서 일체화시키면, 융기부(11)와 오목부(12)가 표면 및 배면에 의해 동일하게 배열되는 면 형상을 따라서, 플레이트 사이의 각 간극(14, 15)도 플레이트에 접하는 부분을 비롯하여 대략 동일한 형상으로서 나타나므로, 이들 각 간극(14, 15)을 흐르는 열 교환용 유체에 대해 플레이트의 표면과 배면이 각각 동일한 열전도 환경을 제공할 수 있어서, 유체의 유동 상태나 성질 및 상태에 좌우되지 않고 플레이트와 각 유체의 열전도가 적절히 진행되어, 열 교환용 유체 사이에서 효율적으로 열교환이 이루어진다. 또, 각 플레이트 사이의 간극이, 요철 배열 방향으로 각각 확대 및 축소를 반복하면서 직선형으로 연속되고, 또한 서로 교차하는 대략 망 형상의 유로를 이루게 되어, 열 교환용 유체의 흐 름 관계가 보통류, 대향류, 및 직교류 중 어느 경우에도 열 교환용 유체의 흐름에 대략 동일한 움직임을 부여하고, 대략 동일한 열전도 성능을 얻을 수 있어, 각 열 교환용 유체의 흐름이 어느 방향과 조합되더라도 저압력 손실로 순조롭게 열전도를 행할 수 있어서, 열교환기 설계의 자유도를 높일 수 있고 범용성이 우수하게 된다.

그리고, 상기 실시예에 따른 열 교환용 플레이트에 있어서, 요철 패턴 형상을 가지는 열전도 부분 이외의 부분에 대해서는 임의로 구성할 수도 있고, 플레이트의 주위 둘레부 형상이나 개구 구멍의 적절한 설정에 의하여, 플레이트 단부를 용접으로 서로 직접 접합함으로써 복수개의 플레이트를 일체화하여 구성되는 플레이트식 열교환기나, 개스킷을 각 플레이트 사이에 배치한 상태에서 복수개의 플레이트를 밀착하여 일체화시켜서 구성되는 플레이트식 열교환기 등의 열 교환용 플레이트로서 사용할 수 있다.

또, 상기 실시예에 따른 열 교환용 플레이트에 있어서, 요철 패턴을 이루는 각 융기부(11)나 오목부(12)의 배열로서는, 하나의 융기부(11) 또는 오목부(12)를 중심으로 하여 사방으로 천이 곡면 부분(13)을 개재시키면서 융기부(11) 또는 오목부(12)를 각각 등 간격으로 배치한 매트릭스 배열을 사용하는 구성에 대해서 설명하고 있지만, 이에 한정되지 않고 하나의 융기부 또는 오목부의 주위에 복수개의 다른 융기부 또는 오목부가 등 간격으로, 또한 상기 하나의 융기부 또는 오목부를 중심으로 등각 간격으로 존재하고, 융기부와 오목부가 동일하게 되는 배열 상태가 된다면, 예를 들면, 하나의 융기부의 주위에 등 간격 또한 등각 간격으로 세 개의 오목부를 배치하고, 또한 그 외측에 여섯 개의 융기부를 등 간격으로, 또한 등각 간격으로 배치하고, 오목부가 항상 세 개의 융기부를 모퉁이부에 배치한 최소의 정삼각형 영역의 중심에 배치되는 상태를 만들어, 각 융기부 또는 오목부를 각각 지그재그로 배열하는 등, 하나의 융기부의 근방에 존재하는 다른 융기부나 오목부의 배치 수를 다양하게 설정한 다른 배열을 사용하여 구성할 수도 있고, 플레이트 사이의 각 간극이 이루는 유로가 거기에 도입되는 열 교환용 유체의 특성에 적절히 대응할 수 있도록 정밀하게 조정할 수 있다.

또, 상기 실시예에 따른 열 교환용 플레이트에 있어서는, 매트릭스 배열이 되는 각 융기부(11)의 직교하는 두 개의 배열 방향이, 대략 직사각형의 플레이트의 각변에 대해 어느 하나의 방향으로 45˚경사진 상태로서 형성되는 요철 패턴을 사용하여 구성하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 융기부(11)의 배열 방향이 플레이트의 각변에 대해 평행 또는 직각, 또는 임의의 각도로 경사지는 요철 패턴을 채용하여 구성할 수도 있고, 열교환기의 용도나 유체가 흐르는 방향의 설정에 따라 최적인 요철 패턴이 되도록 플레이트 형상을 적절하게 선택할 수 있다.

본 발명에 의하면, 플레이트의 요철 패턴을 각 융기부와 오목부의 교대 배열 방향이 플레이트 각 변과 평행 또는 직각이 되는 배치로 하고, 플레이트 각 변을 수평 또는 수직 방향으로 각각 일치시켜서 지지시키면, 플레이트 병렬 상태에서의 플레이트 사이에서 열 교환용 유체의 주된 유로가 되는, 각 융기부에 끼워진 골 부분과 각 오목부와의 직선형 연속 부분이, 수직 방향에 대해 경사져서 연속하는 상태가 되므로, 플레이트를 따라 흐르는 열 교환용 유체가 경사 방향으로 진행되어 분기 및 합류하면서 플레이트 각 부에 순조롭게 퍼지게 되어, 열 교환용 유체를 플레이트 전체에 넓게 골고루 퍼지게 하여 플레이트와 유체 사이의 열전도를 촉진시켜서, 열교환 효율을 높일 수 있다.

Claims (4)

1. 소정의 요철(凹凸) 패턴을 가지는 대략 금속제의 판형체로 형성되고, 동일한 면 끼리 마주보는 쌍을 형성하고, 상기 쌍들을 복수개 중첩한 상태에서 일체화시켜서 열교환기를 구성하고, 표면 측에서 접하는 하나의 열 교환용 유체와 배면 측에서 접하는 다른 열 교환용 유체 사이에서 열교환을 행하는 열 교환용 플레이트(heat exchange plate)에 있어서,

   상기 요철 패턴으로서, 한쪽 면 측에 소정의 배열로 형성되고 소정의 융기 형상을 가지는 다수의 융기부와, 상기 한쪽 면 측에서의 2개 이상의 상기 각 융기부에 둘러싸이는 중간 위치마다 융기부가 융기하는 방향에 대해서 역방향으로 패인 오목 형상이 다수개 형성되는 오목부를 가지고,

   각각의 상기 융기부는, 곡면으로 이루어지는 외주면을 가지고, 하나의 융기부의 주위에 복수개의 다른 융기부가 등 간격으로, 또한 상기 하나의 융기부를 중심으로 등각 간격으로 배열되고,

   각각의 상기 오목부는, 둘러싸인 복수개의 상기 융기부의 외주면에 각각 일부 연속되는 곡면으로 이루어지는 내주면을 가지고, 상기 융기부와 동일한 피치(pitch)와 동일한 배열을 가지고,

   상기 한쪽 면 측에서의 오목부의 정확히 배면에서 상기 오목부가 뒤집힌 형상을 가지는 다른 쪽 면 측의 융기 부분이 상기 융기부와 동일한 형상을 가지고, 또한 한쪽 면 측에서의 융기부의 정확히 배면에서 상기 융기부가 뒤집힌 형상을 가 지는 다른 쪽 면 측의 패인 부분이, 상기 오목부와 동일한 형상을 가져서, 표면과 배면에서 각각 동일한 패턴의 형상이 형성된 것을 특징으로 하는 열 교환용 플레이트.
2. 제1항에 있어서,

   상기 융기부는 플레이트 표면상의 직교하는 2방향으로 소정의 동일한 피치로 매트릭스 형상으로 배열되고, 상기 오목부는 4 개의 융기부를 각각 모서리로 하는 최소 정방형 영역의 중앙에 배치되어 융기부와 동일한 매트릭스 형상으로 배열되고,

   상기 융기부 및 오목부가 소정 피치로 교대로 정렬된 매트릭스 배열 중의 대각선 배열 방향에서의 연속적인 단면 형상은 대략 사인 파형을 이루고,

   상기 한쪽 면 측에서 각각의 상기 융기부와 인접하는 다른 융기부의 중간부 위, 및 각각의 상기 오목부와 인접하는 다른 오목부의 중간 부위는 각각 융기부가 융기하는 방향에 대하여 오목부의 저부와 융기부의 정상부의 대략 중간 높이가 되는 것을 특징으로 하는 열 교환용 플레이트.
3. 제2항에 있어서,

   상기 열 교환용 플레이트를 이루는 직사각형 또는 정방형의 대략 판형체의 각각의 변에 대해, 각각의 상기 융기부와 오목부가 교대로 나란히 일렬을 이루는 방향을 평행 또는 직각으로 하는 요철 패턴으로 배치되는 것을 특징으로 하는 열 교환용 플레이트.
4. 제2항에 있어서,

   상기 융기부는 정상부로서 소정의 면적을 가지는 대략 평탄면을 구비하는 것을 특징으로 하는 열 교환용 플레이트.

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