KR20080006795A - 열교환기용 전열판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기용 전열판을 개시한다. 본 발명에 따른 열교환기용 전열판은, 냉매 또는 열매체의 열교환이 이루어지도록, 열교환기의 내부에 다수로 적층 배열되는 전열판에 있어서, 엠보싱 돌기가 다수 배열된 한쌍의 금속 박판이 극간으로 대향 이격된 상태에서 그 테두리가 상호 밀봉 접합되어, 금속 박판 사이에 유체 유동 공간이 형성된 몸체; 몸체의 일측 테두리를 관통하여 유체 유동 통로와 연통되는 유입관; 및 몸체의 타측 테두리를 관통하여 유체 유동 통로와 연통되는 배출관;을 포함하되, 엠보싱 돌기는 몸체의 외측으로 돌출된 꺽쇠형 돌기, 사각형 돌기, 타원형 돌기, 삼각형 돌기 및 다각형 돌기 중 선택된 어느 하나의 돌기인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 금속 박판의 외측으로 돌출 배열되는 다양한 형상의 엠보싱 돌기와, 금속 박판 사이에 배열되는 배플(Baffle)을 구비함으로써, 각종 유체의 열교환 성능이 향상되어 종래에 비해 열교환기의 열효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

열교환기, 전열판, 엠보싱, 배플

Description

열교환기용 전열판{Heat-transfer plate for heat exchanger}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 열교환기용 전열판의 구조를 도시하는 사시도.

도 2는 종래 기술에 따른 다른 열교환기용 전열판의 구조를 도시하는 사시도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기용 전열판의 구조를 도시하는 사시도.

도 4는 도 3의 전열판을 유체 흐름상에서 바라본 측단면도.

도 5 내지 도 9는 엠보싱 돌기의 변형예를 도시하는 사시도.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전열판 조립체의 구조를 개략적으로 도시하는 사시도.

도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기용 전열판을 이용한 열교환 시스템을 개략적으로 도시하는 블럭도.

<도면의 중요 부분에 대한 부호의 설명>

100...전열판 110, 120...금속 박판

111...엠보싱 돌기 112...배플

130...테두리 140...유입관

150...배출관

본 발명은 열교환기용 전열판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 판형 열교환기에 구비된 전열판의 구조를 개선함으로써, 냉매 또는 열매체의 열교환에 따른 열효율을 향상시키는 열교환기용 전열판에 관한 것이다.

일반적으로, 열교환기(Heat exchanger)는 그 내부에 설치되는 전열 구조를 사이에 두고 교호(交互)로 유동하는 고온 유체와 저온 유체 사이에 열교환을 행하여 한 쪽의 유체는 가열되도록 함과 동시에 다른 한 쪽의 유체는 냉각되도록 하는 장치이다. 여기서, 열교환을 위한 전열 매체로 액체와 액체간, 기체와 기체간 또는 기체와 액체간에 사용된다.

열교환기는 그 내부에 설치되는 전열 구조 즉, 유체 상호간의 열교환이 이루어지는 전열체의 형상에 따라 크게 관형 열교환기와 판형 열교환기로 대별된다.

관형 열교환기는 탱크 형상으로 이루어지는 열교환기의 몸체 내부에 파이프 형태의 전열관을 구비한다. 전열관은 다수의 유자(U)관으로 절곡 형성되며, 전열관의 설치 형태에 따라 이중관식, 쉘앤튜브 방식(Shell & Tube Type) 및 전열관의 내 부에 다수의 전열핀이 돌출 형성된 핀 튜브 방식(Pin-Tube Type)으로 구분된다.

통상의 관형 열교환기는 그 접합 구조의 대부분이 용접식이기 때문에 냉매 또는 열매를 포함하는 작동 유체의 종류에 제한이 없고, 고온 및 고압에 유리한 장점이 있으나, 열교환기의 분해가 사실상 불가능하기 때문에 전열관이나 용접 부위의 수리가 곤란하다. 또한, 작동 유체의 양에 따른 전열 면적의 가감이 불가능하여 작동 유체의 사용량에 맞는 크기와 전열 면적의 열교환기를 따로 제작하여야 할 뿐만 아니라, 관형 열교환기 자체의 열효율이 매우 낮기 때문에 비효율적이다.

한편, 판형 열교환기는 전면(全面)에 각종 형상의 요철(凹凸)부가 형성된 직사각판 형상의 금속 전열판을 구비하는데, 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 판형 열교환기의 금속 전열판은 다수로 적층 배열되어 전열판 조립체(10)를 이루고, 전열판에 형성된 4개의 통공(11)이 서로 대응되도록 배열된다. 여기서, 전열판을 통하여 유체가 혼합되지 않고 교대로 순환할 수 있도록, 통공(11)과 전열판의 외주연에 가스켓용 홈이 형성되고, 좌ㆍ우 대칭이 되는 가스켓이 각각의 절연판 사이에 순차적으로 삽입된다.

통상의 판형 열교환기는 전열판 조립체의 구조로 인해 3차원적인 유로를 제공하고, 유체의 흐름에 난류를 유도하여 전열 효율이 높고, 분해 및 조립이 용이한 장점이 있으나, 고온의 작동 유체가 유입될 경우 고무 재질로 이루어지는 가스켓이 국부적으로 작용하는 압력과 작동 유체의 높은 온도에 의하여 밀봉성이 현저히 저하된다. 이에 따라, 고온 및 고압에서 작동 유체의 누설 위험이 매우 크고, 작동 유체가 가스켓과 반응하는 액체일 경우에는 사용이 어려운 한계가 있다.

이러한 한계를 극복한 열교환기용 전열판이 제안되었는데, 대한민국 실용신안등록 제352285호(엠보싱 전열판)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 엠보싱 전열판(20)은 한쌍의 전열 플레이트(21, 22)가 극간으로 이격된 상태에서 그 외주면을 따라 테두리부가 형성되어 전열 플레이트(21, 22) 사이의 밀폐된 공간에 유체의 유동 공간을 형성하고, 테두리부의 일측에 구비된 유입관(24) 및 배출관(25)을 통하여 화살표 방향으로 유체가 유동하고, 각각의 전열 플레이트(21, 22)는 그 몸체 전체에 걸쳐 엠보싱 돌기(23)를 구비함으로써, 냉매 또는 열매체의 전열 면적과 그 유동 시간을 최대화시켜 각종 유체에 대한 열교환 성능을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 전술한 종래의 엠보싱 전열판을 이용한 열교환기의 열효율은 75%이나, 열효율을 더욱 향상시키는데 한계가 있어 왔다. 또한, 엠보싱 전열판의 플레이트 간이 금속용 접착제에 의해 접합되므로, 고온 및 고압에서 작동 유체가 접합부 사이로 누설되는 종래의 문제점을 되풀이하여 왔다. 아울러, 당업자는 전열판의 구조를 개선하여 열교환기의 열효율을 높이고, 전열판의 내구성을 증가시키려는 노력을 계속하여 왔다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 열교환기의 내부에 구비된 전열판의 엠보싱 구조 및 유체 유동 구조를 개선하여, 고온 및 고압에서의 누설 현상을 방지하고, 열교환기의 열효율을 향상시키는 열교환기용 전열판을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열교환기용 전열판은, 냉매 또는 열매체의 열교환이 이루어지도록, 열교환기의 내부에 다수로 적층 배열되는 전열판에 있어서, 엠보싱 돌기가 다수 배열된 한쌍의 금속 박판이 극간으로 대향 이격된 상태에서 그 테두리가 상호 밀봉 접합되어, 상기 금속 박판 사이에 유체 유동 공간이 형성된 몸체; 상기 몸체의 일측 테두리를 관통하여 유체 유동 통로와 연통되는 유입관; 및 상기 몸체의 타측 테두리를 관통하여 유체 유동 통로와 연통되는 배출관;을 포함하되, 상기 엠보싱 돌기는 몸체의 외측으로 돌출된 꺽쇠형 돌기, 사각형 돌기, 타원형 돌기, 삼각형 돌기 및 다각형 돌기 중 선택된 어느 하나의 돌기인 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 엠보싱 돌기는 유체 유동 방향의 이웃하는 엠보싱 돌기와 소정 피치로 이격되어 반복적으로 지그재그 배치된다.

더욱 바람직하게, 상기 금속 박판은 0.1 내지 1.5mm의 두께를 갖는 냉간압연 강판(SPCC)이다.

더 더욱 바람직하게, 상기 테두리는 CO₂ 용접 또는 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접을 통해서 접합된다.

본 발명에 있어서, 상기 유입관 및 배출관은 적어도 하나 이상이다.

본 발명에 따르면, 상기 금속 박판 사이에 유체의 유동 방향과 수직하도록 소정 피치로 배열되는 배플(Baffle);을 더 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 열교환기용 전열판을 구비하는 열교환기를 제공한다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따러서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기용 전열판의 구조를 도시하는 사시도이고, 도 4는 도 3의 전열판을 유체 흐름상에서 바라본 측단면도이고, 도 5 내지 도 9는 엠보싱 돌기의 변형예를 도시하는 사시도이다.

먼저, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 전열판(100)의 구조를 설명하면 다음과 같다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 전열판(100)은 면상에 엠보싱 돌기(111)가 다수 배열된 한쌍의 금속 박판(110, 120), 상기 금속 박판(110, 120)이 내부에 유체 유동 통로(101)를 갖는 전열판(100)의 몸체를 이루도록, 상호 극간으로 이격된 상태에서 그 가장자리를 따라 밀봉 접합된 테두리(130), 상기 테두리(130)의 일측을 관통하여 유체 유동 통로(101)와 연통되는 유입관(140) 및 상기 테두리(130)의 타측을 관통하여 유체 유동 통로(101)와 연통되는 배출관(150)을 포함한다.

상기 금속 박판(110, 120)은 전열판(100)의 몸체로서, 열전도성 및 내부식성을 갖는 판상의 금속 소재이다. 상기 금속 소재로는 두께가 0.1 내지 1.5mm인 냉간압연 강판(SPCC)이 채택될 수 있다. 여기서, 상기 금속 박판(110, 120)의 면상에는 유체의 흐름을 제어하여 유동 시간을 최적화하기 위한 엠보싱 돌기(111)가 형성된다. 이때, 상기 엠보싱 돌기(111)가 몸체의 외측으로 돌출되고, 몸체 내부에 유체 유동 통로(101)가 형성되도록, 상기 금속 박판(110, 120) 상호간은 극간으로 대향 이격되어 접합된다.

상기 엠보싱 돌기(111)는 냉매 또는 열매체의 열교환시, 유입관(140), 유체 유동 통로(101) 및 유출관(150)을 통해서 순차적으로 유동하는 유체의 유동 시간을 최적화하고, 상기 유체가 몸체 전반에 걸쳐 균일한 전열 면적으로 유동하도록 한다. 상기 엠보싱 돌기(111)는 유체의 유동 경로 즉, 유입관(140)에서 유출관(150) 방향을 따라 소정 패턴으로 배열된다. 상기 패턴에서 유동 경로와 수직한 열(列)의 엠보싱 돌기(111)는 소정 피치로 등간격 이격되어 일자 배열되고, 상기 열과 이웃하는 열의 엠보싱 돌기(111)는 유체의 흐름이 지연될 수 있도록, 상기 열과 어긋나게 일자 배열된다. 예컨대, 어느 한 열에 배치된 엠보싱 돌기는 이웃하는 열의 엠보싱 돌기와 대각으로 배치된다.

본 발명의 실시예에서, 상기 엠보싱 돌기(111)는 꺾쇠형(Chevron Type) 돌기가 바람직하나, 냉매 또는 열매체를 포함하는 유체의 유동 시간을 최적으로 지연하 여 열효율을 높일 수 있도록 다양한 형태로 변형될 수 있는데, 도 5 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 엠보싱 돌기(111)가 몸체의 외측으로 돌출된 사각형(Rectangular Type) 돌기, 타원형(Ellipse Type) 돌기, 삼각형(Triangle Type) 돌기 및 다각형(Polygon Type) 돌기 중 선택된 어느 하나의 돌기로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 엠보싱 돌기(111)는 각각의 금속 박막(110, 120)을 프레스 가공 또는 금형 가공을 선택적으로 채택하여 제조할 수 있음은 자명하다.

또한, 상기 금속 박막(110, 120) 사이에는 배플(Baffle, 112)이 구비되어 엠보싱 돌기(111)와 함께 유체 유동 통로(101)를 통해 흐르는 유체 유동을 최적으로 지연할 수 있는데, 상기 배플(112)은 유체 유동 방향과 수직한 열에 일자로 배열되고, 상기 배열은 소정 피치로 등간격 이격되어 반복적으로 이루어진다. 상기 배플(112)은 유체의 흐름상에 형성된 블럭으로서, 유입관(140), 유체 유동 통로(101) 및 유출관(150)을 통해서 순차적으로 유동하는 유체가 블럭 주변에서 균일한 분포의 난류를 형성하고, 상기 난류로 인하여 유체의 유동 시간이 최적으로 지연화될 수 있다.

상기 금속 박막(110, 120) 각각의 테두리(130)는 상호 대향 접합되어 유체 유동 통로(101)를 형성하는 몸체를 형성하는데, 상기 접합은 CO2 용접 또는 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접을 통해서 접합된다. 이때, 상기 접합은 금속 박막(110, 120) 각각의 엠보싱 돌기(111)가 상호 대향 배치되어 몸체의 외측에 돌출되고, 상기 몸체 내부에 밀폐된 유체 유동 통로가 형성되도록 이루어진다. 상기 용접 방식(Welding Type)을 통한 접합은 고온 및 고압에서의 유체 누출 위험을 방지 할 수 있어 종래의 금속용 접착제를 사용하여 접합하는 땜 방식(Brazing Type)에 비해 유체 유동 통로(101)를 안정적으로 밀봉할 수 있음은 자명하다.

상기 유입관(140) 및 배출관(150)은 냉매 또는 열매체가 흐르는 배관과 연결되어 유체를 유입 및 배출한다. 여기서, 상기 유입관(140) 및 배출관(150)은 적어도 한쌍 이상으로 구비되고, 상기 유체 유동 통로(101)와 연통되도록 설치된다.

전술한 바와 같이, 상기 전열판(100)에 구비된 엠보싱 돌기(111) 및 배플(112)은 유체의 유동 경로 상에 배치되어 난류 흐름을 유도하고, 이에 따라, 상기 유체가 전열판(100)의 내부를 균일한 전열 면적으로 유동하여 열교환기의 열효율을 향상시키게 된다.

본 발명에 따른 용접 방식으로 접합된 금속 박막(110, 120)과, 소정 형상 및 배열을 갖는 엠보싱 돌기(111) 및 배플(112)을 구비하는 전열판(100)의 열효율은 81%로 종래의 75%가 한계인 원형 엠보싱 돌기를 갖는 전열판의 열효율보다 높다.

전술한 구조의 전열판은 냉매 또는 열매체의 열교환이 이루어지도록, 열교환기의 내부에 다수로 밀착 배열되는데, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 전열판(100)은 동일 방향으로 다수 적층되어 전열판 조립체(200)를 이루고, 상기 전열판 조립체(200)는 고온 유체와 저온 유체의 열교환을 위하여 열교환기의 내부에 설치된다.

상기 전열판 조립체(200)는 고온 및 저온의 열교환기를 구비하는 냉방기 및 냉온수기에 선택적으로 채택되어 열교환 시스템에서 버려지는 열을 최대한 회수함으로써, 유체의 열교환에 따른 성능계수(Coefficient Of Performance, COP)를 향상 시키는데, 도 11을 참조로 본 발명에 따른 전열판을 이용한 열교환 시스템을 설명하면 다음과 같다.

도 11에 도시된 바와 같이, 흡수기(310)에서 토출된 저온의 흡수액(320)은 저온 및 고온 열교환기(330, 340)를 거쳐 고온 재생기(350)로 유동하고, 상기 고온 재생기(350)에 유입된 저온의 흡수액(320)은 버너(360)에 의해 가열된다. 한편, 고온의 흡수액(370)은 고온 열교환기(340)로 유동하여 저온의 흡수액(320)과 열교환한 이후, 저온 재생기(380)로 유동하고, 상기 저온 열교환기(330)에서 저온의 흡수액(320)과 열교환한 이후, 상기 흡수기(310)로 유동된다.

이때, 상기 저온 및 고온 흡수액(320, 370)은 열교환기에 장착된 다수의 전열판으로 유동하여 열교환되며, 상기 열교환을 통해서 저온의 흡수액 온도는 고온의 흡수액 온도와 열교환된 만큼 상승하게 되어 성능계수가 향상된다.

전술한 열교환 시스템에 적용된 열교환기의 전열판은 종래에 비해 높은 효율의 열효율을 제공하며, 고온 및 고압으로 유동하는 화학 유체에도 적용이 가능하도록 누설 위험이 없는 밀봉 구조를 제공한다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 금속 박판의 외측으로 돌출 배열되는 다양한 형상의 엠보싱 돌기와, 금속 박판 사이에 배열되는 배플(Baffle)을 구비함으로써, 각종 유체의 열교환 성능이 향상되어 종래에 비해 열교환기의 열효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 냉간압연 강판으로 이루어진 한쌍의 금속 박판이 용접 방식을 통해서 접합됨으로써, 고온 및 고압에서의 유체 누설 현상이 방지되고, 전열판의 내구성이 향상된다.

Claims (7)

1. 냉매 또는 열매체의 열교환이 이루어지도록, 열교환기의 내부에 다수로 적층 배열되는 전열판에 있어서,

   엠보싱 돌기가 다수 배열된 한쌍의 금속 박판이 극간으로 대향 이격된 상태에서 그 테두리가 상호 밀봉 접합되어, 상기 금속 박판 사이에 유체 유동 공간이 형성된 몸체;

   상기 몸체의 일측 테두리를 관통하여 유체 유동 통로와 연통되는 유입관; 및

   상기 몸체의 타측 테두리를 관통하여 유체 유동 통로와 연통되는 배출관;을 포함하되,

   상기 엠보싱 돌기는 몸체의 외측으로 돌출된 꺽쇠형 돌기, 사각형 돌기, 타원형 돌기, 삼각형 돌기 및 다각형 돌기 중 선택된 어느 하나의 돌기인 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열판.
2. 제1항에 있어서,

   상기 엠보싱 돌기는 유체 유동 방향의 이웃하는 엠보싱 돌기와 소정 피치로 이격되어 반복적으로 지그재그 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열판.
3. 제2항에 있어서,

   상기 금속 박판은 0.1 내지 1.5mm의 두께를 갖는 냉간압연 강판(SPCC)인 것 을 특징으로 하는 열교환기용 전열판.
4. 제3항에 있어서,

   상기 테두리는 CO₂ 용접 또는 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접을 통해서 접합되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열판.
5. 제4항에 있어서,

   상기 유입관 및 배출관은 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열판.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 금속 박판 사이에 유체의 유동 방향과 수직하도록 소정 피치로 배열되는 배플(Baffle);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 전열판.
7. 제1항 내지 제6항 중 선택된 어느 한 항의 열교환기용 전열판을 구비하는 열교환기.

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