KR20100025153A - 대향류 열교환기 - Google Patents

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KR20100025153A
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김기홍
이정재
박지용
구중삼
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한라공조주식회사
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Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로 보다 상세하게는 튜브의 상하의 표면 온도차가 적어 튜브사이를 통과하는 공기의 상하온도차가 적게 되는 대향류 열교환기에 관한 것이다.
플레이트, 구획리브, 차단리브, 열교환기, 대향류

Description

대향류 열교환기{COUNTER FLOW TYPE HEAT EXCHANGER}
본 발명은 열교환기에 관한 것으로 보다 상세하게는 튜브의 상하의 표면 온도차가 적어 튜브사이를 통과하는 공기의 상하온도차가 적게 되는 대향류 열교환기에 관한 것이다.
근래 자동차 산업에 있어서 세계적으로 환경과 에너지에 대한 관심이 높아짐에 따라 연비 개선을 위한 연구가 이루어지고 있으며 다양한 소비자의 욕구를 만족시키기 위해 경량화ㆍ소형화 및 고기능화를 위한 연구개발이 꾸준히 이루어지고 있다.
특히, 열교환기는 공조장치의 일부로서 열교환에 의해 차량 내부 온도를 조절하는 냉방 또는 난방 장치로서, 차량 내부에서 충분한 공간을 확보하기 어려운 실정이기 때문에 작은 크기를 가지면서도 높은 효율을 가지는 열교환기를 제조하기 위한 노력이 있어왔다.
도1은 종래의 카운터 플로우 방식의 열교환기의 개략적 사시도를, 도2는 도1의 튜브를 구성하는 플레이트의 사시도를, 도3은 도1의 열교환기의 작동도를 나타낸다. 도1을 참조하면 종래의 열교환기(10)는 제1 플레이트(11, 도2 참조) 및 제2 플레이트(21, 도2참조)가 상호 접합됨으로써 형성되는 다수개의 튜브(31)를 가진다.
도2를 참조하면 제1 플레이트(11)는 상단부에 외측방향으로 돌출되는 제1 컵(13) 및 제2 컵(15)을 가진다. 제1 컵(13) 및 제2 컵(15)에는 제1 슬로트(13-S) 및 제2 슬로트(15-S)가 각각 관통 형성된다.
도2를 참조하면 제1 플레이트(11)의 내측면에는 제1 컵(13)과 제2 컵(15) 구획된 유로가 형성되도록 구획리브(16)가 돌출 형성된다. 구획리브(16)는 상단부 양측이 제1 슬로트(13-S) 및 제2 슬로트(15-S)에 각각 연접하며 돌출되어 하방으로 연장 형성된다.
도2를 참조하면 제1 슬로트(13-S)의 인접 하부에는 제1 비드(17-1)가 돌출 형성되고, 제1 비드(17-1)의 하부에는 난류를 형성하기 위한 제2 비드(17-2)가 돌출 형성된다.
도2를 참조하면 제2 슬로트(15-S)의 인접 하부에는 제1 비드(18-1)가 돌출 형성되고, 제1 비드(18-1)의 하부에는 난류를 형성하기 위한 제2 비드(18-2)가 돌출 형성된다.
제2 플레이트(21)는 제1 플레이트(11)와 대칭적으로 형성된다. 도면부호 23은 제1 컵, 도면부호 25는 제2 컵을 나타낸다.
도1을 참조하면 상호 인접한 튜브(31)의 제1 플레이트(11)의 제1 컵(13)과 제2 플레이트(21)의 제1 컵(23)이 결합되어 제1 탱크(T1)를 이루고, 상호 인접한 튜브(31)의 제1 플레이트(11)의 제2 컵(15)과 제2 플레이트(21)의 제2 컵(25)이 결 합되어 제2 탱크(T2)를 이룬다.
도1을 참조하면 다수개의 튜브(31) 중 우측단에 위치한 튜브(31-R)에는 우측 엔드플레이트(41-R)가 체결되고, 좌측단에 위치한 튜브(31-L)에는 좌측 엔드플레이트(41-L)가 체결된다.
도1을 참조하면 좌측 엔드플레이트(41-L)에는 열교환 매체가 유입되는 유입관(51) 및 열교환 매체가 유출되는 유출관(52)이 연결된다. 유입관(51)은 좌측 엔드플레이트(41-L)를 통하여 제1 탱크(T1)에 연결되고, 유출관(52)은 좌측 엔드플레이트(41-L)를 통하여 제2 탱크(T2)에 연결된다.
도1을 참조하면 이웃한 튜브(31)와 튜브(31) 사이에는 방열핀(도면부호 미부여)이 설치된다.
도3 및 도1을 참조하면 유입관(51)을 통하여 유입된 열교환 매체는 제1 탱크(T1)를 통하여 우측으로 흐르게 된다. 한편, 제1 탱크(T1)를 통과하는 열교환 매체의 일부는 각각의 튜브(31)에 형성된 제1 슬로트(13-S, 도2 참조)를 통하여 각각의 튜브(31) 내부에 유입되어 구획리브(16, 도2 참조)에 의해 형성된 "U"자형의 유로를 따라 흐른 뒤 각각의 튜브(31)에 형성된 제2 슬로트(15-S, 도2 참조)를 통하여 유출된다. 한편, 각각의 튜브(31)의 제2 슬로트(15-S, 도2 참조)를 통하여 유출된 열교환 매체는 제2 탱크(T2)를 통하여 우측에서 좌측으로 흐른며, 최종적으로 유출관(52)을 통하여 유출된다.
도3을 참조하면 각각의 튜브(31)를 통과하는 열교환 매체는 "U"자 형의 유로를 형성하므로, 즉 대향류를 형성하므로 일방향 흐름 방식에 비하여 튜브(31)의 표 면온도가 고르게 되어, 열교환기의 상부와 하부를 통과하는 공기의 온도차가 작아지는 장점이 있다.
그러나 종래의 열교환기는 "U"자 형의 유로를 형성하며 순환하는 동안 하나의 구획리브(16)를 중심으로 열교환이 이루어져 열교환량이 충분하지 않아 튜브(31)의 표면온도가 아직도 충분하게 균일하게 되지 않는 문제점이 있다.
본 발명은 각각의 튜브를 통과하는 열교환 매체의 열교환량을 증대시켜 각각의 튜브의 상측온도와 하측온도 차가 작아져 각각의 튜브 사이를 통과하는 공기 중 상층공기와 하층공기의 온도차를 줄일수 있는 열교환기를 제공하고자 한다.
본 발명은 제1 플레이트(100)와 제2 플레이트(200)가 접합되어 이루어지는 튜브(300)가 다수개 일렬로 적층되며, 상기 튜브(300)의 상단부 또는 하단부에 상기 튜브(300)와 연통된 탱크가 형성되고, 상기 탱크에 유입관 및 유출관이 각각 형성되며, 상기 튜브 사이에 핀이 개재되어 이루어진 열교환기에 있어서, 상기 제2 플레이트(200)는, 높이방향의 일단부에 외측방향으로 돌출되며 제1 슬로트(211)가 관통 형성되는 제1 컵(210); 상기 제1 컵(210)으로부터 높이방향을 따라 타단부 방향으로 소정거리 이격되어 외측으로 돌출되며 상기 제1 슬로트(211) 보다 폭이 작은 제2 슬로트(221)가 관통 형성되는 제2 컵(220); 상기 제1 컵(210)과 제2 컵(220) 사이에 상호 구획된 높이방향의 유로가 형성되도록, 상기 제2 슬로트(221)를 사이에 두고 일측단이 각각 상기 제1 슬로트(211)에 연접하고 타측단이 높이 방향의 타측단과 소정거리 이격된 지점까지 돌출 형성되는 2 개의 구획리브(231, 232); 상기 2개의 구획리브(231, 232) 사이에 형성된 유로 중 상기 제1 슬로트(211)와 제2 슬로트(221) 사이에 형성되는 유로를 차단하도록, 상기 제1 슬로트(211)와 제2 슬로트(221) 사이에 위치하며 양측단이 상기 2개의 구획리브(231, 232)에 연접하며 내측으로 돌출 형성되는 차단리브(241);를 포함하는 것을 특징으로 하는 대향류 열교환기에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 컵(210) 및 제2 컵(220)은 상기 제2 플레이트(200)의 상단부에 형성될 수 있는데, 상기 2개의 구획리브(231, 232)는 일자형으로서 상호 평행하게 형성되되, 상기 2개의 구획리브(231, 232) 안쪽에 형성된 유로의 폭은 상기 2개의 구획리브(231, 232) 바깥쪽에 형성된 2개의 유로의 폭을 합한 것과 동일하도록 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 튜브(300) 중 일측단 튜브(300-L) 및 타측단 튜브(300-R)에는 일측 엔드플레이트(410) 및 타측 엔드플레이트(420)가 각각 연결 설치되고, 상기 유입관은 상기 일측 엔드플레이트(410)를 통하여 상기 일측단 튜브(300-L)의 제1 컵(110)에 연통되도록 설치되고, 상기 유출관은 상기 일측 엔드플레이트(410)를 통하여 상기 일측단 튜브(300-L)의 제2 컵(120)에 연통되도록 설치되기도 한다.
본 발명은 각각의 튜브 내측을 통과하는 열교환 매체가 이중으로 열교환을 수행하므로 각각의 튜브의 상하측의 표면온도차가 작아져 튜브 사이를 통과하는 공기 중 상층공기와 하층공기의 온도차가 작아지는 장점이 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도4는 본 발명의 일실시예의 플레이트의 사시도를 나타낸다.
도4를 참조하면 본 발명에 따른 일실시예는 제1 플레이트(100) 및 제2 플레이트(200)를 가진다.
도4를 참조하면 제2 플레이트(200)는 상단부에 외측방향으로 돌출되는 제1 컵(210)을 가진다. 제1 컵(210)에는 외측과 내측을 관통하는 관통공인 제1 슬로트(211)가 형성된다.
도4를 참조하면 제2 플레이트(200)에는 제2 컵(220, 도5 참조)이 외측방향으로 돌출 형성된다. 제2 컵(220)은 제1 컵(210)의 하방으로 소정거리 이격된 위치에 형성된다. 제2 컵(220)에는 외측과 내측을 관통하는 관통공인 제2 슬로트(221)가 형성된다. 제2 슬로트(221)의 폭은 제1 슬로트(211)의 폭 보다 작게 형성된다.
도4를 참조하면 제2 플레이트(200)의 내측에는 제1 구획리브(231) 및 제2 구획리브(232)가 돌출 형성된다. 제1 구획리브(231) 및 제2 구획리브(232)는 제2 슬로트(221)를 사이에 두고 소정 거리 이격되어 형성된다. 제1 구획리브(231) 및 제2 구획리브(232)는 상측단이 제1 슬로트(211)에 연접하며 하측단이 하방향으로 연장 형성된다. 제1 구획리브(231) 및 제2 구획리브(232)에 의하여 튜브(300) 내부에 제1 컵(210)과 제2 컵(220)을 연결하는 구획된 "W"자 형의 유로가 형성된다. 따라서 제1 구획리브(231) 및 제2 구획리브(232)의 하측단은 제2 플레이트(200)의 하측단으로부터 소정거리 이격된 지점까지 연장 형성된다.
도4를 참조하면 제1 구획리브(231) 및 제2 구획리브(232)는 일자형으로 상호 평행하게 형성된다. 한편, 제1 구획리브(231) 및 제2 구획리브(232) 사이에 형성되는 중앙 유로의 폭(W0)은 제1 구획리브(231)에 의해 중앙 유로 일측에 형성된 유로 의 폭(W1)과 제2 구획리브(232)에 의하여 중앙 유로 타측에 형성된 유로의 폭(W2)을 합한 것과 같고, 중앙 유로의 일측에 형성된 유로의 폭(W1)과 중앙 유로의 타측에 형성된 유로의 폭(W2)은 동일하다.
도4를 참조하면 제1 슬로트(211)와 제2 슬로트(221) 사이에는 차단리브(241)가 돌출 형성된다. 차단리브(241)는 일측단이 제1 구획리브(231)에 연결되고, 타측단이 제2 구획리브(232)에 연결된다. 차단리브(241)는 수평방향으로 형성될 수 있다. 차단리브(241)에 의하여 제1 구획리브(231) 및 제2 구획리브(232) 사이에 형성된 유로 중 제1 슬로트(211) 하부와 제2 슬로트(221) 상부에 형성된 유로가 차단된다.
도4를 참조하면 제1 구획리브(231)에 의해 중앙 유로 일측에 형성된 유로 중 제1 슬로트(211)의 하측에는 다수개의 제1 비드(251)가 돌출 형성될 수 있다. 제1 비드(251)는 제1 슬로트(211)로부터 유입되는 열교환 매체가 상기 중앙 유로 일측에 형성된 유로로 고르게 분산되도록 하기 위한 것이다.
도4를 참조하면 마찬가지로 제2 구획리브(232)에 의해 중앙 유로 타측에 형성된 유로 중 제1 슬로트(211)의 하측에는 다수개의 제2 비드(252)가 돌출 형성될 수 있다. 제2 비드(252)는 제1 슬로트(211)로부터 유입되는 열교환 매체가 상기 중앙 유로 타측에 형성된 유로로 고르게 분산되도록 하기 위한 것이다.
도4를 참조하면 상기 중앙 유로 중 제2 슬로트(221) 하측에는 제3 비드(253)가 돌출 형성될 수 있다. 제3 비드(253)는 상기 중앙 유로로부터 제2 슬로트(221)로 열교환 매체가 고르게 유출되도록 하기 위한 것이다.
도4를 참조하면 제1 플레이트(100)는 제2 플레이트(200)와 대칭을 이루도록 형성된다. 도면부호 110은 제1 컵을, 111은 제1 슬로트를, 120(도6 참조)은 제2 컵을, 121은 제2 슬로트를, 131은 제1 구획리브를, 132는 제2 구획리브를, 141은 차단리브를, 151은 제1 비드를, 152는 제2 비드를, 153는 제3 비드를 나타낸다.
도5는 본 발명의 일실시예의 튜브의 사시도를 나타낸다.
도5를 참조하면 제1 플레이트(100)와 제2 플레이트(200)는 상호 접합되어 하나의 튜브(300)를 형성한다. 따라서 튜브(300)의 일측면 외측으로는 제1 플레이트(100)의 제1 컵(110) 및 제2 컵(120, 도6 참조)이 돌출 형성되고, 타측면 외측으로는 제2 플레이트(200)의 제1 컵(210) 및 제2 컵(220)이 돌출 형성된다.
도6은 본 발명의 일실시예의 개략적 사시도를 나타낸다.
도6을 참조하면 본 발명에 따른 일실시예는 다수개의 튜브(300)를 가진다. 상호 이웃한 튜브(300)는 좌측에 위치한 튜브(300)의 제1 컵(210) 및 제2 컵(220, 도5 참조)이 우측에 위치한 튜브(300)의 제1 컵(110) 및 제2 컵(120)에 각각 체결된다. 상호 이웃한 튜브(300) 중 좌측에 위치한 튜브(300)의 제1 컵(210)이 우측에 위치한 튜브(300)의 제1 컵(110)에 체결됨으로써 제1 탱크(T1)를 이루고, 상호 이웃한 튜브(300) 중 좌측에 위치한 튜브(300)의 제2 컵(220, 도5 참조)이 우측에 위치한 튜브(300)의 제2 컵(120)에 체결됨으로써 제2 탱크(도면 미도시)를 이룬다.
도6을 참조하면 다수개의 튜브(300) 중 좌측단 튜브(300-L)에는 좌측 엔드플레이트(410)가 연결 설치되고, 우측단 튜브(300-R)에는 우측 엔드플레이트(420)가 연결 설치된다. 좌측 엔드플레이트(410)에는 유입관(도면 미도시)을 제1 탱크(T1) 에 연결하기 위한 제1 연결관(411)이 돌출 형성되고, 유출관(도면 미도시)을 제2 탱크(도면 미도시)에 연결하기 위한 제2 연결관(412)이 돌출 형성될 수 있다. 우측 엔드플레이크(420)는 우측단 튜브(300-R)의 제1 컵(210) 및 제2 컵(220, 도5 참조)을 폐쇄하며 설치될 수 있다.
도6을 참조하면 상호 이웃한 2개의 튜브(300) 사이, 좌측 엔드플레이트(410)와 좌측단 튜브(300-L) 사이 및 우측단 튜브(300-R)와 우측 엔드플레이트(420) 사이에는 각각 방열핀(도면부호 미부여)이 설치된다.
이하 상기한 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.
도7는 본 발명의 일실시예의 작동도를 나타낸다.
도7을 참조하면 제1 연결관(411)을 통하여 유입된 열교환 매체는 제1 탱크(T1)를 따라 좌측으로부터 우측으로 흐른다.
도7을 참조하면 제1 컵(110, 도6 참조)을 통하여 각각의 튜브(300)에 유입된 열교환 매체는 제1 슬로트(111, 도4 참조)를 통하여 상기 중앙 유로의 일측에 형성된 폭 W1의 유로 및 상기 중앙 유로의 타측에 형성된 폭 W2의 유로에 유입된다. 상기 폭 W1의 유로 및 폭 W2의 유로에 유입된 열교환 매체는 하방으로 유동한다. 이이서 제1 구획리브(131, 231, 도4 참조) 및 제2 구획리브(132, 232, 도4 참조)의 하단부에서 상호 합류되어 폭 WO의 유로를 따라 상방으로 유동한다.
즉, 각각의 튜브(300)에 유입된 열교환 매체는 제1 구획리브(131, 231, 도4 참조) 및 제2 구획리브(132, 232, 도4 참조)에 의하여 "W"자 형의 유로를 형성하면 유동한다. 이때, 폭 W1의 유로를 흐르는 열교환 매체는 제1 구획리브(131, 231, 도 4 참조)를 통하여 중앙 유로를 흐르는 열교환 매체와 열교환을 하고, 폭 W2의 유로를 흐르는 열교환 매체는 제2 구획리브(132, 232, 도4 참조)를 통하여 폭 W0의 중앙 유로를 흐르는 열교환 매체와 열교환을 하게 된다. 따라서 폭 W0의 중앙 유로를 흐르는 열교환 매체는 일측 및 타측 양측에서 유입되는 열교환 매체와 이중으로 열교환을 하게 되어, 각각의 튜브(300)의 표면온도는 종래기술에 비하여 균일하게 된다. 각각의 튜브(300)의 표면온도가 보다 균일해짐에 따라 각각의 튜브(300) 사이를 통과하는 공기의 상하온도도 종래기술에 비하여 균일해지게 된다.
도7을 참조하면 폭 WO의 유로를 따라 상방으로 유동한 열교환 매체는 제1 플레이트(100)의 제2 슬로트(121, 도4 참조)를 통하여 제2 컵(120, 도6 참조)으로 유출된 뒤, 제2 탱크(도면 미도시)를 경유하여 제2 연결관(412, 도6 참조)을 통하여 유출된다.
도6을 참조하면 상기한 일실시예의 경우 좌측단 튜브(300-L, 도6 참조)의 제1 컵(110)에 유입관(도면 미도시)이 연결되고, 좌측단 튜브(300-L, 도6 참조)의 제2 컵(120)에 유출관(도면 미도시)이 연결되는 것으로 하였으나, 다른 실시예의 경우 좌측단 튜브(300-L, 도6 참조)의 제1 컵(110)에 유출관(도면 미도시)이 연결되고, 좌측단 튜브(300-L, 도6 참조)의 제2 컵(120)에 유입관(도면 미도시)이 연결될 수 있다.
또한 다른 실시예의 경우 좌측단 튜브(300-L, 도6 참조)의 제1 컵(110)에 유입관(도면 미도시)이 연결되고, 우측단 튜브(300-R)의 제2 컵(220, 도5 참조)에 유출관(도면 미도시)이 연결될 수 있다. 이 경우 좌측 엔드플레이트(410)는 좌측단 튜브(300-L, 도6 참조)의 제2 컵(120)을 폐쇄하고, 우측 엔드플레이트(420)는 우측단 튜브(300-R)의 제1 컵(210)을 폐쇄할 수 있다.
또한 다른 실시예의 경우 제1 컵(110, 210)은 플레이트(100, 200)의 하단부에 형성되고, 제2 컵(120, 220)은 각각 제1 컵(110, 210)으로부터 상방으로 소정거리 이격되며 형성될 수 있다.
도1은 종래의 카운터 플로우 방식의 열교환기의 개략적 사시도.
도2는 도1의 튜브를 구성하는 플레이트의 사시도.
도3은 도1의 열교환기의 작동도.
도4는 본 발명의 일실시예의 플레이트의 사시도
도5는 본 발명의 일실시예의 튜브의 사시도.
도6은 본 발명의 일실시예의 개략적 사시도.
도7는 본 발명의 일실시예의 작동도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100:제1 플레이트
110:제1 컵 111:제1 슬로트
120:제2 컵 121:제2 슬로트
131:제1 구획리브 132:제2 구획리브
141:차단리브
151:제1 비드 152:제2 비드
153:제3 비드
200:제2 플레이트
210:제1 컵 211:제1 슬로트
220:제2 컵 221:제2 슬로트
231:제1 구획리브 232:제2 구획리브
241:차단리브
251:제1 비드 252:제2 비드
253:제3 비드
300:튜브 300-L:좌측단 튜브
300-R:우측단 튜브
410:좌측 엔드플레이트 411:제1 연결관

Claims (4)

  1. 제1 플레이트(100)와 제2 플레이트(200)가 접합되어 이루어지는 튜브(300)가 다수개 일렬로 적층되며, 상기 튜브(300)의 상단부 또는 하단부에 상기 튜브(300)와 연통된 탱크가 형성되고, 상기 탱크에 유입관 및 유출관이 각각 형성되며, 상기 튜브 사이에 핀이 개재되어 이루어진 열교환기에 있어서,
    상기 제2 플레이트(200)는,
    높이방향의 일단부에 외측방향으로 돌출되며 제1 슬로트(211)가 관통 형성되는 제1 컵(210);
    상기 제1 컵(210)으로부터 높이방향을 따라 타단부 방향으로 소정거리 이격되어 외측으로 돌출되며 상기 제1 슬로트(211) 보다 폭이 작은 제2 슬로트(221)가 관통 형성되는 제2 컵(220);
    상기 제1 컵(210)과 제2 컵(220) 사이에 상호 구획된 높이방향의 유로가 형성되도록, 상기 제2 슬로트(221)를 사이에 두고 일측단이 각각 상기 제1 슬로트(211)에 연접하고 타측단이 높이 방향의 타측단과 소정거리 이격된 지점까지 돌출 형성되는 2 개의 구획리브(231, 232);
    상기 2개의 구획리브(231, 232) 사이에 형성된 유로 중 상기 제1 슬로트(211)와 제2 슬로트(221) 사이에 형성되는 유로를 차단하도록, 상기 제1 슬로트(211)와 제2 슬로트(221) 사이에 위치하며 양측단이 상기 2개의 구획리브(231, 232)에 연접하며 내측으로 돌출 형성되는 차단리브(241);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 대향류 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 컵(210) 및 제2 컵(220)은 상기 제2 플레이트(200)의 상단부에 형성되는 것을 특징으로 하는 대향류 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 2개의 구획리브(231, 232)는 일자형으로서 상호 평행하게 형성되되, 상기 2개의 구획리브(231, 232) 안쪽에 형성된 유로의 폭은 상기 2개의 구획리브(231, 232) 바깥쪽에 형성된 2개의 유로의 폭을 합한 것과 동일하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 대향류 열교환기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜브(300) 중 일측단 튜브(300-L) 및 타측단 튜브(300-R)에는 일측 엔드플레이트(410) 및 타측 엔드플레이트(420)가 각각 연결 설치되고,
    상기 유입관은 상기 일측 엔드플레이트(410)를 통하여 상기 일측단 튜브(300-L)의 제1 컵(110)에 연통되도록 설치되고,
    상기 유출관은 상기 일측 엔드플레이트(410)를 통하여 상기 일측단 튜브(300-L)의 제2 컵(120)에 연통되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 대향류 열교환기.
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