KR20070048707A - 판형 열교환기 - Google Patents

Abstract

유동 경로들은 동일한 질량유량들에서 서로 다른 압력강하를 가지며 두 유체 유동에 대해 개별적인 유동 경로들로 구성되는 판형 열교환기는, 본 발명에 따라서 두 개의 판(4, 5)들의 적층되는 쌍들에 의해 경제적으로 형성될 수 있으며, 상기 쌍들은 프레스된(pressed) 패턴들로 제공되고, 한 쌍(4, 5) 중 하나 이상의 판(4)은 두 개 이상의 서로 다른 프레스 깊이(D1, D2)들을 제공하고, 상대적으로 작은 프레스 깊이(D2)는 상대적으로 큰 프레스 깊이(D1)의 40% 이상이다.

Description

판형 열교환기 {A PLATE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열교환을 위하여 제 1 유체 및 제 2 유체에 대해 두 개 이상의 개별적인 유동 경로들로 구성되는 판형 열교환기에 관한 것으로, 상기 두 유동 경로들은 실질적으로 영구히 서로 연결된 열교환기 판들에 의해 형성되며, 상기 열교환기 판들은 융기부들 및 함몰부들의 헤링본 패턴과 두 유체들의 동일한 질량유량들에서 서로 다른 압력강하를 제공한다.

상기 유형의 다수의 열교환기들은 가열수에 의해 수돗물을 가열시키기 위하여 뿐만 아니라 주택난방을 위해 사용된다. 난방수의 유입 온도는 75℃ 정도이며 난방수의 배출 온도는 대략 60℃ 정도가 될 수 있다. 수돗물의 유입 온도는 대략 10℃이고 수돗물의 배출 온도는 대략 55℃이다. 이는 난방수의 질량유량이 수돗물의 질량유량의 2.5배가 되어야 한다는 것을 의미한다. 따라서 난방수 유동 경로의 횡단면을 수돗물 유동 경로의 횡단면보다 더 넓게 만드는 것이 경제적이다. 이는 예를 들어 헤링본 패턴의 하부들을 변화시키지 않은 채 헤링본 패턴의 상부들을 편평하고 상대적으로 넓게 만듦으로써 구현된다.

열교환기를 “비대칭”으로 개선시킴에도 불구하고, 열교환기의 효율을 추가적으로 증대시키는 것 즉, 판형 열교환기의 무게를 증가시키지 않고 열교환 유체들 간에 열전달을 향상시키는 것이 목적이다.

1999년 7월 2일 공고된 일본 특허 출원 11173771 A호는 동일한 질량유량 상태의 유동 경로들에서 서로 다른 압력강하를 가지는 판형 열교환기를 공개한다.

이는 피치 즉, 헤링본 패턴에서 인접한 융기부들의 접촉들 사이의 거리를 증가시킴으로써 구현된다. 상기 공지된 장치는 물과 냉각수 사이에 열을 교환하기에 적합하며, 상기 냉각수는 상대적으로 작은 압력강하를 가지며 유동 경로를 통하여 흐르는 물을 의미한다. 워터 채널을 형성하는 판들의 일부분들에 작은 함몰부들을 만듦으로써, 결빙으로 인한 판형 열교환기의 손상이 발생되지 않는다. 하지만 판들 사이의 접촉 영역들이 상대적으로 커서 유체들 사이에 열교환 손실이 발생된다. 물의 유동을 안내하는 채널들의 작은 함몰부들은 그에 대응하는 냉각수 유동 경로의 매우 좁은 유동 채널들을 야기한다. 인접한 판들 사이의 접촉 영역들은 판형 열교환기의 탄성을 증가시키기 위하여 강성적으로 서로 연결되지 않으며, 열교환기의 기계적 강도는 다소 약해서 열교환기가 높은 압력 유체들에 부적합할 것이다.

또한 일본 특허 출원 11281283 A호는 두 열교환 유체들의 압력강하들이 동일한 질량유량들 상태에서 서로 다른 열교환기를 공개한다. 상기 명세서의 도 5에서 도시된 실시예에 따라서, 헤링본 패턴을 형성하는 유동 경로들은 상대적으로 큰 유동 횡단면적을 가지는 채널들로 구성되며, 상기 유동 횡단면적은 상대적으로 큰 횡단면의 채널들에 두 개의 작은 제 2 함몰부들을 제공한다. 이는 상대적으로 높은 전체 압력강하를 가지는 유동 경로가 매우 다양한 압력강하들을 야기하는 부분들로 구성될 것임을 의미한다. 이는 열을 교환하기 위한 열교환기에 있어서 재료사용이 비경제적인 방법이다. 또한 제 2 함몰부들의 증가하는 숫자와 함께 피치도 증가함에 따라, 열교환기의 기계적 강도는 상대적으로 적은 접촉점들의 숫자로 인해 감소할 것이며, 상기 접촉점들에서 판들은 강성을 지니고 연결될 수 있다.

본 발명의 목적은 “비대칭” 판형 열교환기를 설계하는데 있으며, 열교환기의 기계적 강도를 높게 유지할 때, 상기 열교환기에서 판들의 재료는 상대적으로 경제적으로 사용되고, 따라서 열교환기의 효율이 증대된다.

본 발명에 따라서, 적어도 몇몇의 쌍을 이루는 판에서 상대적으로 낮은 압력강하를 가지는 유동 경로를 형성하는 함몰부들은, 적어도 부분적으로는 선택적으로 두 개의 서로 다른 프레스 깊이들을 가지며, 상기 프레스 깊이들은 열교환기 판의 헤링본 패턴을 형성하는 융기부들의 상부들에 의해 형성되는 평면으로부터 측정되고, 서로 다른 프레스 깊이들 중 상대적으로 작은 프레스 깊이는 헤링본 패턴의 두 상부들 사이에 위치되고, 상대적으로 큰 프레스 깊이의 40% 이상이며, 이에 따라서 높은 압력강하를 가지는 유동 채널을 형성하기 위하여 인접한 판의 상부들을 연결하는 융기부들의 상부들은 실질적으로 교차선들에 의해 형성되는 지점들을 따라 서로 접촉한다.

본 발명은 첨부된 도면에 관하여 하기에서 상세히 기술된다.

도 1은 판형 열교환기의 공지된 유형에서 판을 도시한 평면도.

도 2는 도 1에 따르는 두 판들이 서로 겹쳐진(두 판 중 한 판은 뒤집어서 포개진) 교차 패턴을 도시한 도면.

도 3은 도1에서 라인 A-A를 따라 절단한 단면도.

도 4는 도 1에 따르는 네 개의 판들은 적층되어, 도 2의 라인 B-B를 따라 절단한 단면도.

도 5는 공지된 “비대칭” 판형 열교환기를 통해 도 4에 대응하는 단면도.

도 6은 일본 특허 출원 11173771 A호에 따르는 판형 열교환기를 통해 도 4 및 도 5에 대응하는 단면도.

도 7은 일본 특허 출원 11281283 A호에 따르는 판형 열교환기를 통해 도 6에 대응하는 단면도.

도 8은 본 발명에 따르는 열교환기의 두 인접한 판들(판들은 별개로 도시됨)을 통해 도 4 내지 도 7에 도시된 단면들에 대응하는 단면도.

도 9는 본 발명에 따르는 열교환기의 네 개의 판들을 통해 절단한 단면도.

도 10 내지 12는 본 발명의 대안의 실시예들을 도시하는 도면.

도 1은 공지되고 널리 사용되는 판형 열교환기의 판(1)의 평면도를 도시하 며, 상기 열교환기는 융기부(ridge, 2)들 및 함몰부(depression, 3)들의 헤링본 패턴(herring bone pattern)으로 제공된다. 열교환기에서 상기 유형의 적층 판들은 스택(stack)에서 각각의 판을 서로 뒤집어 포갬으로써 형성된다. 도 2는 융기부들과 함몰부들의 교차 상태를 도시한다.

도 1에서 라인 A-A를 따라 절단한 단면도인 도 3은 피치(pitch, P)와 프레스 깊이(press depth, D)를 도시하며, P와 D의 값들은 판형 열교환기의 중요한 특징을 나타낸다.

도 4는 도 1 내지 도 3에 따르는 열교환기에서 네 개의 판들을 통해 도 2의 라인 B-B를 따라 절단한 단면도를 도시한다. 상기 판들에 의해 제한되는 열교환 유체(fluid)들의 두 유동(flow)들은 서로 다른 해칭(hatching)에 의해 도시된다. 두 유동 경로들이 동일한 질량유량들에서 동일한 압력강하를 제공한다.

피치(P)를 증가시키고 융기부들의 상부(top, 2)들을 편평하게 만듦으로써, 유체들 중 한 유체의 유동 경로는 또 다른 유체의 유동 경로보다 상대적으로 큰 횡단면을 가진다.

하지만 도 5에서 도시된 바와 같이, 열교환 판들 사이의 접촉 영역(contact area)들은 상대적으로 크다. 상기 접촉 영역들은 유체들의 두 유동들 사이에서 열교환을 위하여 사용될 수 없다.

도 6은 일본 특허 출원 11173771호를 따르는 종래 기술의 판형 열교환기(“비대칭” 유형의 판형 열교환기)를 도시하며, 상기 열교환기에서 상대적으로 큰 횡단면적을 가지고 유동 경로를 제한하는 판들의 쌍들은 헤링본 패턴의 융기부들을 형성하는 상부들의 프레스 깊이(D1)보다 작은 프레스 깊이(D2)의 함몰부들로 제공된다. 이는 결빙 형성에 의해 야기되는 손상에 대해 판형 열교환기가 상대적으로 저항력있게 만든다. 판들 사이의 평면 접촉 영역(plan contact area)들과 사용되지 않는 열교환은 본 실시예에서 계속 기술된다.

“비대칭” 판형 열교환기를 제조하기 위한 또 다른 제안이 일본 특허 출원 11281283 A호에서 기술된다. 이 경우, 열교환기의 판들 사이의 접촉 영역들은 작은 함몰부들을 포함하는 영역들에 의한 평면 접촉 영역들을 대체함으로써 형성된다. 이는 도 7에서 도시되며, 상대적으로 큰 압력강하를 포함하는 유동 경로는 큰 횡단면을 가지는 채널(channel)들과 상대적으로 상당히 작은 횡단면들을 가지는 두 배 이상의 채널들로 구성된다. 상기 구성은 상대적으로 넓은 횡단면들을 가지는 유동 채널에서보다 상대적으로 상당히 낮은 유동 속도(flow rate)로 인하여 좁은 채널들에서의 열전달에 심각한 해를 끼친다.

도 8은 본 발명에 따르는 두 개의 열교환기 판들을 통해 도 4 내지 도 7에 도시된 단면들에 대응하는 단면도를 도시한다. 제 1 프레스 깊이 즉, 융기부들의 상부들에 의해 형성되는 평면과 융기부들의 하부(bottom)들에 의해 형성되는 가장 낮은 평면 사이의 거리는 D1로 도시된다. 헤링본 패턴의 융기부들로 형성된 상부들의 평면과 소수(minor) 함몰부들을 형성하는 하부의 평면 사이의 거리로 정의되는 제 2 프레스 깊이는 D2로 도시된다. 헤링본 패턴의 피치는 P로 도시된다.

도 8에서 도시된 두 개의 판(4, 5)들의 헤링본 패턴들은 각각에 대해 거울상(mirror image)이며 따라서 두 개의 툴(tool)들은 판들의 압축(pressing)을 위해 사용된다. 또한 각각의 판들은 교차(crossing) 헤링본 패턴들을 얻기 위하여 스택(stack)에서 인접한 판들에 대해 평면상에서 180°돌려져야 한다. 도 9는 도 8에서 도시된 유형들의 네 개의 판(4, 5, 6, 7)들을 통해 절단한 단면도이며, 도 4 내지 도 7에서 도시된 단면 C-C에 대응한다. 열교환 유동들을 위해 형성된 세 개의 채널들은 두 개의 서로 다른 해칭(hatching)들에 의해 도시된다. 도 9에서 판(5, 6)들에 의해 제한되는 유동을 위한 저항력(resistance)은 판(4, 5) 또는 판(6, 7)에 의해 제한되는 유동을 위한 저항력보다 높다. 하지만 판들 사이의 접촉 영역들은 최소로 유지되고, 판들이 납땜(soldering)에 의해 서로 연결되는 접촉들의 숫자는 실질적이며, 상기 접촉 영역들은 열교환기에 기계적 강도를 제공한다. 도 9에서 도시된 8에 의해 형성된 횡단면들을 통해 유체들의 실질적인 질량유량을 유지하는 것이 핵심적인 사항이다. 상기 영역(8)을 통한 질량유량은 질량유량의 횡단면적과 거의 비례하며, 이는 프레스 깊이(D2)의 크기에 주로 좌우된다. 도 7에서 도시된 바와 같이 작은 프레스 깊이(D2)는 상기 영역(8)을 작게 만들고 유체 통로(passage of fluid)를 거의 막는다. 작은 제 2 프레스 깊이는 도 5에서 도시된 헤링본 패턴을 형성하는 융기부들 사이의 큰 접촉 영역들과 같은 영향을 준다.

제 2 프레스 깊이(D2)는 프레스 깊이(D1)의 40% 이상, 바람직하게 대략 50%가 되어야 한다고 공지된다.

도 10은 도 9의 단면도에 대응하는 단면도를 도시하며, 한 쌍의 판(4, 5)들중 한 판(4)만이 두 개의 서로 다른 프레스 깊이들을 가진다. 또 다른 한 판은 5로 도시되고, 하나의 프레스 깊이만을 가지는 종래의 형태로 구성된다. 도 10에 따르 는 두 개의 판(4, 5)들은 서로에 대해 거울상인 패턴들을 가지지 않으며, 접촉하는 융기부들의 교차영역을 얻기 위해 판의 회전(turning)이 필요하지 않도록 형성될 수 있다.

도 11의 실시예에 따라서, 판(5)의 제 2 프레스 깊이(D2)는 판(6)의 제 2 프레스 깊이(D3)보다 상대적으로 크다.

도 12는 판(4)이 두 개의 서로 다른 제 2 프레스 깊이들을 가지는 실시예를 도시한다. 프레스 깊이(D2)는 판의 한 영역에 사용되고 프레스 깊이(D4)는 판의 또 다른 영역에서 사용된다.

본 발명에 따르는 열교환기는 상기 기술된 판들의 쌍과는 다른 쌍을 이루는 판들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇의 쌍을 이루는 판들은 도 4에서 도시된 공지된 유형을 포함할 수 있으며, 상기 판들은 동일한 질량유량의 경우에 열교환기 미디어(media)를 위한 유동 채널에서 동일한 압력강하를 제공한다.

Claims (5)

1. 열을 교환하기 위하여, 제 1 유체 및 제 2 유체에 대해 두 개 이상의 개별적인 유동 경로(flow path)들을 포함하고, 상기 두 유동 경로들은 융기부(ridge)들과 함몰부(depression, 2, 3)들의 헤링본 패턴(herring bone pattern)이 제공된 영구적으로 서로 연결된 열교환기 판(4, 5, 6, 7)들에 의해 형성되며, 두 유체(fluid)들의 동일한 질량유량(mass flow)들에서 서로 다른 압력강하(pressure drop)를 제공하는 판형 열교환기에 있어서,

   적어도 몇몇의 쌍을 이루는 판에서 상대적으로 낮은 압력강하를 가진 유동 경로를 형성하는 함몰부들은, 적어도 부분적으로는 선택적으로 두 개의 서로 다른 프레스 깊이(press depth, D1, D2)들을 가지며, 상기 프레스 깊이들은 열교환기 판의 헤링본 패턴을 형성하는 융기부들의 상부(top)들에 형성되는 평면(plan)으로부터 측정되고, 서로 다른 프레스 깊이들 중 상대적으로 작은 프레스 깊이(D2)는 헤링본 패턴의 두 상부들 사이에 위치되고 상대적으로 큰 프레스 깊이(D1)의 40% 이상이며, 이에 따라서 높은 압력강하를 가지는 유동 채널(flow channel)을 형성하기 위하여 인접한 판의 상부들을 연결하는 융기부들의 상부들은 교차선(crossing line)들에 의해 형성되는 지점들을 따라 서로 접촉하는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서, 상대적으로 작은 프레스 깊이(D2)는 상대적으로 큰 프레 스 깊이(D1)의 50% 정도인 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
3. 제 1 항 및 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 한 쌍의 판들을 포함하고, 상기 판들에서 오직 한 판만은 두 개의 서로 다른 프레스 깊이들을 가지는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기(도 10).
4. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 한 쌍의 판들을 포함하고, 상기 판들에서 두 판들은 두 개의 서로 다른 제 2 프레스 깊이들을 가지는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기(도 11).
5. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 한 쌍의 판들을 포함하고, 상기 판들에서 한 판은 두 개의 서로 다른 제 2 프레스 깊이를 가지는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기(도 12).

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