KR20110083400A - 열교환기, 상기 열교환기를 포함하는 음식물 처리기 및 상기 열교환기의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

열교환기 및 상기 열교환기의 제조 방법이 제공된다. 개시된 열교환기는 내부에 복수의 유동채널이 형성되며 온도가 서로 다른 복수의 유동유체 간에 열적 이동이 이루어지고, 상기 복수의 유동채널이 내부를 제1방향으로 관통하도록 형성되는 본체, 및 상기 본체의 상기 제1방향 상에서의 양측 끝단에 체결되는 한쌍의 커버부재를 포함하며, 상기 복수의 유동채널은 상기 커버부재를 통해 출입하는 제1유동유체의 통로로서의 기능을 수행하는 제1유동채널 및 상기 본체의 측면에 연통되어지는 제2유동채널로 이루어지고, 상기 제1유동유체 및 상기 제2유동유체 간에는 상기 본체의 내부를 서로 교차하는 방향으로 열적 교환이 행해지는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기 및 상기 열교환기의 제조 방법{Heat exchanger and method for manufacturing the heat exchanger}
본 발명은 열교환기 및 상기 열교환기의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압출 및 절삭 가공 과정을 통해 내부에 복수의 유동채널이 형성되어 상호 열교환이 원활하게 이루어질 수 있도록 작업 공정이 단순화된 열교환기 및 상기 열교환기의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 열교환기는 온도가 높은 유체로부터 전열벽을 통해서 온도가 낮은 유체에 열을 전달하는 장치로 정의가 가능하다. 열교환기의 구조는 가장 일반적으로 사용되는 것은 금속관을 전열벽으로 하는 것으로, 그 종류로는 주수식, 이중관식, 핀붙이 다관식, 및 투관형식 등의 다양한 실시예가 있다. 상기의 열교환기 중 이중관식 열교환기는 내관과 외관으로 되어 있으며, 내관 내부의 유체와 내관과 외관 사이에 있는 고리 모양 부분의 유체 사이에서 열교환이 이루어진다. 이중관식 열교환기는 구조는 간단하지만 처리하는 양이 적다.
상기의 열교환기 중 대용량인 것에는 커다란 외관에 여러 개의 작은 관을 넣은 투관형식이 적용된다. 열이 높은 유체와 낮은 유체의 흐름에서 같은 방향으로 흐르는 것을 병류형, 반대방향으로 흐르는 것을 역류형, 직각방향으로 흐르는 것을 직교류형이라고 한다. 보통 공업에서 사용되는 전열매체에는 물. 수증기, 공기, 연도가스, 석유, 수은, 나트륨, 칼륨, 및 비페닐에테르와 비페닐의 혼합물인 다우섬(dowtherm) 등이 적용될 수 있다.
이하, 구체적으로 도 1을 참조하여 종래의 플레이트 핀형 열교환기의 구조에 대해 살핀다. 핀형 열교환기(10)는 중공의 원형관(12)과 상기 원형관(12)이 삽입 고정되는 플레이트 핀(14)을 구비한다. 상기 원형관(12) 내부로는 고온의 유체가 유동하게 되는데(도면부호 18참조), 원형관(12)에 밀착 고정되는 플레이트 핀(14)은 원형관(12)의 축방향을 따라 일정 간격으로 적층형성된다.
상기 핀형 열교환기(10)의 작동과정을 보면, 원형관(12) 내부의 고온의 열은 상기 플레이트 핀(14)으로 열확산 과정을 통해 분산되는 과정을 거치고, 이 상태에서 플레이트 핀(14) 방향으로 유동하는 저온의 냉각공기(16)가 플레이트 핀(14)을 냉각함으로써 계속적인 열교환 작용이 될 수 있게 한다.
한편, 핀형 열교환기(10)는 원형관(12)의 플레이트 핀(14) 상에의 압입도에 따라 열교환 효율이 결정되고, 플레이트 핀(14)의 두께에 따라 압입 또는 사용시에 변형 등이 발생하여 품질 저하가 발생할 수 있다. 더불어, 원형관(12)의 유로 단면적이 일반적으로 작아 그 내부를 유동하는 고온 유체의 압력 부하가 크게 작용하여 이로 인해 고압의 펌프 또는 고압력의 송풍팬이 필요하게 된다. 상기의 문제점을 극복하기 위한 방안으로는 압력부하의 저감을 위해 원형관(12)의 개수를 증가시키는 방안이 도출될 수 있는데, 상기 방안의 경우는 공정비용이 상승하고 제조비용이 고가라는 단점이 있게 된다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서, 금속성형부재에 대한 압출 및 절삭 공정을 통해 복수의 유로채널이 형성된 본체 및 상기 본체에 부착되는 커버부재를 조합하여 작업공정의 단순화 및 제조비용의 절감을 기한 열교환기 및 상기 열교환기의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 일 관점에 따른 열교환기는 내부에 복수의 유동채널이 형성되며 온도가 서로 다른 복수의 유동유체 간에 열적 이동이 이루어지고, 상기 복수의 유동채널이 내부를 제1방향으로 관통하도록 형성되는 본체, 및 상기 본체의 상기 제1방향 상에서의 양측 끝단에 체결되는 한 쌍의 커버부재를 포함하며, 상기 복수의 유동채널은 상기 커버부재를 통해 출입하는 제1유동유체의 상기 제1방향으로의 통로로서의 기능을 수행하는 다수의 제1유동채널 및 상기 본체의 측면에 연통되어지는 다수의 제2유동채널로 이루어지고, 상기 제1유동유체 및 상기 제2유동유체 간에는 상기 본체의 내부를 서로 교차하는 방향으로 열적 교환이 행해지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1유동채널과 상기 제2유동채널은 상기 본체 내에서 서로 교대로 배치될 수 있다.
상기 본체에 상기 제1방향을 따라 형성되는 상기 제1 및 제2유동채널은 압출가공을 통하여 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2유동채널에는 소정 형상의 열교환핀이 돌출 형성될 수 있다.
상기 열교환핀은 상기 제1 및 제2유동채널 내에서 엇갈리게 형성될 수 있다.
상기 본체의 측면에 대한 절삭 가공을 통하여 상기 제2유동채널로의 연통이 가능할 수 있다.
상기 커버부재는 상기 본체의 측면으로부터 상기 제2유동채널을 통해 유입되는 제2유동유체가 상기 제1방향을 따라 상기 본체로부터 배출되는 것을 방지할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 다른 관점에 따른 열교환기의 제조 방법은 압출 공정을 통해 상기 복수의 유동채널이 형성된 상기 본체를 성형하는 단계, 상기 압출 공정의 진행 후에, 상기 제2유동채널이 상기 본체의 측면을 통해 외부에 노출되도록 상기 본체에 소정깊이의 절삭 가공을 행하는 단계, 및 상기 절삭 공정이 진행된 후에, 상기 제2유동유체가 상기 제1방향을 따라 상기 본체로부터 배출되는 것을 방지하기 위해 상기 본체의 전후면에 상기 커버부재를 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 본 발명의 열교환기 및 상기 열교환기의 제조 방법은 서로 다른 온도의 열에너지를 보유한 유동유체가 본체 내에 형성된 유동채널을 서로 교차 내지 직교하는 방향으로 유동하는 과정을 통해 열교환이 효과적으로 이루어지게 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본체를 형성하는 과정에서 한번의 압출 공정, 본체 상하단에 대한 절삭 공정, 및 본체 전후면에 커버부재를 부착하는 공정을 통하여 빠른 시간 내에 간이한 방법으로 열교환기를 제조할 수 있다는 점에서 높은 생산성과 경제성이 도출된다.
도 1은 종래의 일반적인 열교환기의 구조를 보이는 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 구조를 보이는 사시도,
도 3은 본 발명의 열교환기의 구성요소인 본체가 압출공정을 통해 형성된 상태를 도시한 사시도,
도 4는 본체의 측면에 대한 절삭가공을 통해 본체 내에 형성된 제2유동채널이 본체의 측면에 노출된 상태를 도시한 사시도,
도 5는 본체의 전후면에 커버부재가 결합되는 상태를 분해 사시도,
도 6은 도 4의 A 방향으로부터 바라보이는 정면도,
도 7은 도 4의 B 방향으로부터 바라보이는 평면도,
도 8은 도 4의 C-C 선에 따른 단면도, 및
도 9는 도 4의 D-D 선에 따른 단면도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 열교환기 및 상기 열교환기의 제조 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 일반적인 열교환기의 구조를 보이는 사시도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 구조를 보이는 사시도, 도 3은 본 발명의 열교환기의 구성요소인 본체가 압출공정을 통해 형성된 상태를 도시한 사시도, 도 4는 본체의 측면에 대한 절삭가공을 통해 본체 내에 형성된 제2유동채널이 본체의 측면에 노출된 상태를 도시한 사시도, 도 5는 본체의 전후면에 커버부재가 결합되는 상태를 분해 사시도, 도 6은 도 4의 A 방향으로부터 바라보이는 정면도, 도 7은 도 4의 B 방향으로부터 바라보이는 평면도, 도 8은 도 4의 C-C 선에 따른 단면도, 및 도 9는 도 4의 D-D 선에 따른 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환장치(100)의 구조에 대해 살핀다. 열교환장치(100)는 복수의 유동채널(120)이 그 내부에 형성되는 본체(110) 및 상기 본체(110)의 전후면 양끝단에 체결되는 커버부재(130)를 구비한다. 본체(110)의 전후면 모서리부에 형성된 체결홈(112)과 커버부재(130)의 모서리부에 형성되는 체결홀(131)은 서로 대응되도록 구성되어져 별도의 체결부재(미도시)를 이용하여 상호 결합이 이루어진다.
본체(110)는 압출과정을 통해 생산이 가능한 단일부재로서 임의의 지점에서의 단면이 동일하게 형성될 수 있게 되는데, 상기의 압출 과정을 통해 빠른 시간 내에 원하는 형상의 제품을 확보하게 된다.
복수의 유동채널(120)은 커버부재(130)를 통해 출입하는 제1유동유체의 통로로서의 기능을 수행하는 제1유동채널(122) 및 본체(110)의 측면에 선택적으로 연통되어지는 제2유동채널(124)로 이루어진다. 도 2에서 보면, 본체(110)의 전후면을 통해 제1유동유체가 이동하는 방향을 제1방향(102), 본체(110)의 측면 상하단을 통해 제2유동유체가 이동하는 방향을 제2방향(104)으로 정의할 수 있는데, 직교좌표계에서 제1방향은 X 방향, 제2방향은 Y 방향으로 설정할 수 있다. 여기에서, 상기 제1,2 방향에 대한 방향설정은 편의상 직교하도록 설정하는 것일 뿐이고, 반드시 직교하는 방향으로 설정되는 것에 한정됨은 아닐 것이다.
제1유동유체는 제1방향(102)을 따라 본체(110)의 후면으로 유입되어 제1유동채널(122)을 거쳐 본체(110)의 전면으로 토출된다. 상기 과정에서 커버부재(130)는 제1유동유체의 흐름을 간섭하지 않게 된다.
제2유동유체는 제2방향(104)을 따라 본체(110)의 측면 상단으로 유입되어 제2유동채널(124)을 거쳐 본체(110)의 측면 하단으로 토출된다. 본체(110)의 측면 상하단과 제2유동채널(124)의 연통은 상기 본체(110) 측상단 및 측하단에 대한 절삭 가공을 통하여 이루어지게 된다. 도 4를 참조하면, 상기의 절삭가공을 통해 본체(110)의 양측면에는 일정한 단차가 형성된다. 상기 단차는 절삭이 이루어진 가공면(116)과 미가공된 기준면(118) 사이에서의 높이차를 의미하는 것으로 상기 단차로 인해서 제2유동채널(124)이 본체(110)의 양측면에 노출되는 상태가 된다.
커버부재(130)는 제2유동유체가 본체(110)의 전면부로 배출되는 것을 방지하게 하는데, 이는 제2유동채널(124)이 본체(110)의 전후면에 연통되는 부분을 커버부재(130)가 폐쇄하는 구조를 형성하면서 가능하게 된다.
커버부재(130)는 제1방향(102)을 따라 본체(110) 내에 유입되는 제1유동유체의 이동이 가능하도록 관통구(134)가 형성된다. 상기 관통구(134)는 프레스 기계를 이용하여 금속판에 대해 피어싱 공정을 수행함으로써 형성될 수 있다. 상기 관통구(134) 사이에 배치되는 차단부(132)는 제2유동유체가 본체(110)의 전후면을 통해 누설되는 것을 방지하게 된다. 그리고, 커버부재(130)의 내측면에는 실링부재(미도시)가 부착됨으로써, 커버부재(130)와 본체(110)가 밀착되는 경우에 유동유체의 누설을 방지하게 할 수 있다.
한편, 상기 제1유동채널(122)과 제2유동채널(124)은 도 6에서 보이는 바와 같이 본체(110) 내에서 상호 교대로 연속배치될 수 있다. 즉, 제1유동채널(122)의 인접하는 양측에는 제2유동채널(124)이 배치됨으로써 제1유동채널(122)에 흐르는 제1유동유체와 제2유동채널(124)에 흐르는 제2유동유체 간에 열적인 교환이 원활하게 일어나게 할 수 있다. 여기에서, 상기 유동채널들(120) 사이에는 소정 형상의 열교환핀(114)이 형성되어져 제1,2유동유체 간의 열교환 성능을 강화할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 열교환기(100)는 열적 교환 내지 배분이 이루어져야 하는 모등 장치에 적용되어질 수 있지만, 특히 음식물 처리기 시스템의 열교환을 위해 사용될 수 있다. 음식물 처리기에서는 음식물에 대한 분쇄, 건조가 이루어지는 건조로에서 발생하는 고온다습한 배기가스와 외부에서 공급된 냉각공기가 열교환기(100)의 유동채널(120) 내에서 서로 교차하는 방향으로 유동함으로써 상호 열교환될 수 있다.
특히, 도 9를 참조하면, 제2방향(104)을 따라 제2유동채널(124)로 들어오는 제2유동유체의 경우는 상기 열교환핀(114)의 존재로 인하여 그 유동과정이 유선형으로 이루어지게 됨으로써 제2유동채널(124)의 표면에 밀착하여 진행하게 되는데, 이는 유동채널들(120) 사이에서의 열전도를 통한 열의 이동성을 증가하게 한다. 여기에서, 제2유동유체의 유선모양을 띤 이동을 지원하기 위해서 열교환핀(114)은 각각의 제2유동채널(124) 내에서 제2방향(104)을 따라 양측 벽면에 엇갈리게 형성되어진다.
압출 공정을 통해 본체(110) 내에 형성된 유동채널들(120)은 제2방향(104)을 따라 형성되는 길이가 다르게 형성된다. 즉, 도 8을 보면 제2유동채널(124)이 제1유동채널(122)보다 상기 제2방향(104)을 기준으로 더 길게 형성됨으로써 상기 제2유동채널(124)의 상하부 끝단이 제1유동채널(122)보다 본체(110)의 측면에 더 근접하게 형성된다. 이하, 도 9는 본체(110)에 절삭 가공이 행해진 상태에서의 단면을 보이고 있는데, 절삭가공이 제2유동채널(124)의 상하부가 외부에 노출되는 정도로만 진행되어 제1유동채널(122)의 상하부는 노출되지 않게 된다.
상기 상태에서 본체(110)의 상단을 통해 유입되는 제2유동유체는 제2유동채널(124)을 관통하여 본체(110)의 하단을 통해 배출된다. 이 과정에서 열교환핀(114)의 돌출형상으로 인하여 제2유동유체는 제2유동채널(124) 내부를 지그재그 형태를 띤 유선모양을 형성하며 유동한다(도면부호 125 참조).
이하, 도 2 내지 도 9를 다시 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 열교환기의 제조방법에 대해 정리하여 설명한다.
먼저, 용융된 성형재료를 펌프를 이용하여 본 발명의 본체(110)의 형상에 부합하는 성형틀에 밀어넣는 압출과정을 행한다. 상기의 압출과정은 크게 정압출법과 역압출법으로 분류되는데 전자는 압출되는 성형재료의 방향이 외부로부터 압력을 가하는 방향과 같은 경우이고, 후자는 이 방향이 반대가 되는 것이다. 본 발명에서는 상기 한번의 압출 공정을 통해 본체(110) 내에 복수의 유동채널(120)을 균일하게 형성하게 된다. 도 3은 압출공정을 통해 형성된 본체(110)를 나타내는 것으로 제1방향(102,X축 방향)을 따라 균일한 형상의 유동채널(120)이 형성된다.
압출공정이 진행된 후에, 본체(110)의 상하단부에 대한 절삭 가공이 행해진다. 상기 절삭가공 과정에서는 제2유동채널(124)의 상하부만 외부에 노출되고, 제1유동채널(122)의 상하부는 노출되지 않게 된다. 도 4는 본체(110)의 상하측면에 절삭이 행해진 상태를 나타내고 있고, 이와 같은 가공을 통해서 제2유동유체가 본체(110)의 상측면을 통해 제2유동채널(124)로 유입되어진다.
본체(110)에 대한 절삭공정이 진행된 후에 커버부재(130)가 상기 본체(110)의 전후면에 부착된다. 커버부재(130)는 제2유동유체가 제1방향(102)을 따라 본체(110)로부터 배출되는 것을 방지하게 하는데, 이는 제2유동채널(124)이 본체(110)의 전후면에 연통되는 부분을 커버부재(130)가 폐쇄하는 구조를 형성하면서 가능하게 된다.
상술한 바와 같이, 본원 발명은 서로 다른 온도의 열에너지를 보유한 유동유체가 본체 내에 형성된 유동채널을 서로 교차 내지 직교하는 방향으로 유동하는 과정을 통해 열교환이 효과적으로 이루어지게 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본체를 형성하는 과정에서 한번의 압출 공정, 본체 상하단에 대한 절삭 공정, 및 본체 전후면에 커버부재를 부착하는 공정을 통하여 빠른 시간 내에 간이한 방법으로 열교환기를 제조할 수 있다는 점에서 높은 생산성과 경제성이 도출된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : 열교환기 110 : 본체
112 : 체결홈 114 : 열교환핀
116 : 가공면 118 : 기준면
120 : 유동채널 122 : 제1유동채널
124 : 제2유동채널 130 : 커버부재
131 : 체결홀 132 : 차단판
134 : 관통구

Claims (8)

  1. 내부에 복수의 유동채널이 형성되며 온도가 서로 다른 복수의 유동유체 간에 열적 이동이 이루어지는 열교환기에 있어서,
    상기 복수의 유동채널이 내부를 제1방향으로 관통하도록 형성되는 본체; 및
    상기 본체의 상기 제1방향 상에서의 양측 끝단에 체결되는 한 쌍의 커버부재;
    를 포함하며,
    상기 복수의 유동채널은 상기 커버부재를 통해 출입하는 제1유동유체의 상기 제1방향으로의 통로로서의 기능을 수행하는 다수의 제1유동채널 및 상기 본체의 측면에 연통되어지는 다수의 제2유동채널로 이루어지고,
    상기 제1유동유체 및 상기 제2유동유체 간에는 상기 본체의 내부를 서로 교차하는 방향으로 열적 교환이 행해지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1유동채널과 상기 제2유동채널은 상기 본체 내에서 서로 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 본체에 상기 제1방향을 따라 형성되는 상기 제1 및 제2유동채널은 압출가공을 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2유동채널에는 소정 형상의 열교환핀이 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 열교환핀은 상기 제1 및 제2유동채널 내에서 엇갈리게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 본체의 측면에 대한 절삭 가공을 통하여 상기 제2유동채널로의 연통이 가능하게 되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 커버부재는 상기 본체의 측면으로부터 상기 제2유동채널을 통해 유입되는 제2유동유체가 상기 제1방향을 따라 상기 본체로부터 배출되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 상기 제 1항 내지 제 7항 중의 어느 하나의 열교환기를 제조하는 방법에 있어서,
    압출 공정을 통해 상기 복수의 유동채널이 형성된 상기 본체를 성형하는 단계;
    상기 압출 공정의 진행 후에, 상기 제2유동채널이 상기 본체의 측면을 통해 외부에 노출되도록 상기 본체에 소정깊이의 절삭 가공을 행하는 단계; 및
    상기 절삭 공정이 진행된 후에, 상기 제2유동유체가 상기 제1방향을 따라 상기 본체로부터 배출되는 것을 방지하기 위해 상기 본체의 전후면에 상기 커버부재를 부착하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조 방법.
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