KR20130061755A

KR20130061755A - 열 교환기 다공형 핀

Info

Publication number: KR20130061755A
Application number: KR1020137011048A
Authority: KR
Inventors: 스와미나단 선더; 블라디미르 일라이 게슈타인; 조지 아미르 메스키; 패트릭 앨런 휴튼
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2013-06-11
Also published as: EP2622298A1; CN103119388B; TWI463104B; KR101431998B1; RU2528235C1; US20130167584A1; JP2013542394A; JP5715259B2; CN103119388A; WO2012044288A1; SG188403A1; TW201213761A

Abstract

플레이트 핀 열 교환기가 핀을 포함하는 절곡된 핀 시트를 포함하고, 상기 핀 시트가 절곡되지 않은 상태일 때, 상기 복수의 천공 구멍은 핀 시트 상에서 평행한 열을 따라 배치되고, 상기 핀 시트 상의 천공 구멍의 평행한 열은 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격(S1), 평행한 열들을 따라 이어지는 천공 구멍들 사이의 제2 간격(S2), 인접한 천공 구멍의 평행한 열의 천공 구멍 간의 제3 간격(또는 오프셋, S3), 및 천공 구멍 직경(D)을 포함하고, 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격과 천공 구멍 직경의 비율(S1/D)은 0.75 내지 2.0의 범위에 있으며, 핀과 천공 구멍의 평행한 열 간의 각도는 5도보다 작거나 같은(≤5°) 것이다.

Description

열 교환기 다공형 핀 {HEAT EXCHANGER PERFORATED FINS}

프로세스 스트림들을 가열, 냉각, 비등, 증발, 또는 응축할 목적으로, 일반적으로 플레이트 핀(plate-fin) 열 교환기가 프로세스 스트림들 사이의 열을 교환하는데 사용된다. 이러한 열 교환기에서 프로세스 환경은 단상 또는 이상 유동 및 열 전달과 관련된다. 어떤 플레이트 핀 교환기는 단 2개의 스트림을 포함하는 한편, 다른 교환기들은 플레이트 핀 유로의 다중 세트 내에 다중 스트림을 포함한다. 개별적인 스트림들은 노즐 또는 헤더를 이용하여 열 교환기로 공급되고 열 교환기에서 인출될 수 있다. 각각의 스트림은 인접한 플레이트 핀 유로의 뱅크 내에 할당된 특정 플레이트 핀 유로로 흘러들어 간다. 개별적인 플레이트 핀 유로들은 핀에 의해 떨어져 있는 분할 시트 쌍들 사이에 포함되고, 플레이트 핀 유로들은 바깥 원주 상에서 사이드바 및 엔드바에 의해 둘러싸여 있어서 서로 격리될 수 있고, 대상이 되는 유체를 포함할 수 있다. 스트림들이 상이한 온도로 서로 인접한 플레이트 핀 유로 내에서 흐를 때, 스트림들은 주된 열 전달 표면인 분할 시트를 통해서뿐만 아니라, 보조 열 전달 표면이며 스트림들을 분리시키는 핀 레그를 통해서 열을 교환한다.

플레이트 핀 교환기는 평탄한 핀, 다공형 핀, 치형 핀, 및 물결형 핀과 같은 다양한 타입의 핀들을 사용하여 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 산업상 이용되고 있지만 비효율적인 방식으로 이용되는 다공형 핀을 다룬다. 본 발명에 따르면, 다공형 핀을 갖는 플레이트 핀 열 교환기는 비록 다른 열 전달 프로세스에서 사용될 수 있으나, 공기 분리와 같은 극저온 프로세스에서 특정한 적용예를 갖는다.

스트림 또는 유체가 플레이트 핀 열 교환기 채널로 유입될 때, 주지의 입구 효과로 인해 높은 열 전달 계수를 나타낸다. 입구 효과 후에, 스트림 또는 유체는 곧 매우 낮은 열 전달 계수를 갖는 정상 상태 환경에 이를 것이다. 특히 유동이 난류 상태 또는 층류와 난류 상태 사이의 전이 상태에 있는 경우, 유체가 따라서 유동하는 모든 표면에 인접하여 층류 및 점성 경계 층이 형성된다고 알려져 있다. 전반적인 효과는 이러한 교환기에서 평균적인 열 전달 계수를 낮추는 것이다. 낮은 열 전달 계수 환경은 예컨대 핀에 천공 구멍이나 치형을 도입하는 것과 같은 다양한 수단을 통하여 이러한 경계 층을 주기적으로 방해하여, 적어도 부분적으로 반전시킬 수 있다. 핀에 천공 구멍 또는 치형을 도입하는 것은 열 전달 성능을 향상시키지만 이러한 도입은 압력 손실도 증가시키므로, 향상된 성능을 얻기 위해서는 핀의 천공 구멍 또는 치형의 기하 구조 및 배열이 중요하다. 특히 다공형 핀들의 경우에 중요한데, 다공형 핀들이 유동을 방해하여 천공 구멍에 가장 가까운 곳에서 국부적인 열 전달 계수를 증가시키는 반면, 핀에 천공 구멍을 도입하는 것은 원래의 재료에 열 교환기로부터의 전반적인 열 전달에 이익이 되는 표면 영역의 손실도 야기하기 때문이다. 예컨대, 천공 구멍의 형태로 금속을 제거하는 것도 남는 재료의 강도를 크게 약화시킬 수 있다. 따라서, 다공형 핀을 사용하여 플레이트 핀 열 교환기의 성능을 향상시키는 문제는 복잡하고, 특히 향상된 성능을 얻기 위하여 이러한 천공 구멍을 사용하는 기하 구조 및 배열이 중요하다.

역사적으로, 플레이트 핀 열 교환기에 관한 간행물들은 일반적으로 플레이트 핀 열 교환기의 전반적인 기하 구조 및 그 제조에 관한 기초적인 방법에 대해 설명한다. 이러한 간행물들은 플레이트 핀 열 교환기의 많은 구성 요소, 구성 요소 사이의 관계, 및 구성 요소들이 어떻게 서로 조립 및 납땜 되는지에 대해 다루는 한편, 이 간행물들은 이러한 플레이트 핀 열 교환기에서 사용될 수 있는 다공형 핀에 대해 간단하게 설명한다. 명목상 세부사항을 개시한 몇몇의 경우에서도, 이 간행물들은 어떤 바람직한 기하 구조 및 사용 패턴에 대해 다루지는 않는다.

예컨대, 1997년 6월 22일에서 27일까지 유타(Utah)주 스노우버드(Snowbird)의 클리프 라지 앤드 컨퍼런스 센터(Cliff Lodge and Conference Center)에서 열린 국제 프로세스 산업 컨퍼런스(International Conference for the Process Industries)의 논문집(proceeding)에서 알. 케이. 샤(R.K. Shah)가 편집한 "프로세스 산업용 컴팩트 열 교환기(Compact Heat Exchangers for the Process Industries)"의 한 챕터인 스미토모 프리시전 프로덕츠(Sumitomo Precision Products, SPP)에서 온 쇼조 호타(Shozo Hotta)의 "프로세스 산업용 알루미늄 브레이징된 플레이트 핀 열 교환기(Aluminum Brazed Plate Fin Heat Exchangers for Process Industries)"에서 열 교환기의 주요 공급 회사인 SPP의 플레이트 핀 열 교환기에 대한 개괄적인 설명이 개시된다. 특히 이 참고문헌의 181페이지의 그림 4는 다공형 핀을 포함하는 통상적인 핀 타입에 대한 포토그래픽 증거를 제공한다. 그 참고문헌에서 개시 및 교시하는 바와 같이, 다공형 핀들은 편평한 시트에 천공 구멍의 주 축선에 대해 임의의 큰 각도로 작고 둥근 구멍 또는 천공 구멍이 규칙적으로 천공된 시트를 절곡하여 형성한다. 그러나 그 이상의 세부적인 내용은 없다.

이 제조 방법은 산업에서 전반적인 비용을 축소하기 위한 매우 통상적인 방법이다. 몇몇 표준 다공 시트 재료들이 다양한 크기를 갖는 넓은 범위의 완성된 핀을 제조하는데 사용될 수 있다. 그러나 이러한 타입의 다공형 핀의 제조 방법은 핀 상에 불규칙적인 천공 구멍의 배열을 야기하여 다공형 핀의 성능을 불량하게 한다.

선더(Sunder) 등에게 허여된 미국 특허 제6,834,515 B2호 "텍스쳐가 있는 표면을 구비한 플레이트 핀 교환기(Plate Fin Exchanger with Textured Surfaces)"도 다양한 다공형 핀을 개시한다. 선더의 특허는 다른 다공형 핀의 성능을 향상시키는 표면 텍스쳐의 사용을 교시한다. 선더의 특허의 도 2B는 핀의 상면 및 측면을 따라 천공 구멍 열을 갖는 예시적인 핀을 도시하고, 상기 천공 구멍은 좌우로 나란하다. 선더의 특허의 예시 1은 다공형 핀이 약 10%의 개방 영역을 갖는다고 서술한다. 그러나 천공 구멍에 대한 다른 세부사항은 제공되지 않는다.

헨드릭스(Hendrix)에게 허여된 미국 특허 제5,603,376호 "전자 캐비닛용 열 교환기(Heat Exchanger for Electronics Cabinet)"는 비바람에 견디는(weathertight) 밀폐식 전자 캐비닛과 외부 환경 사이의 수동적 열 교환을 위한 열 교환기를 설명한다. 헨드릭스의 특허의 도 2는 천공 구멍(25)를 구비한 열 생성 측면 핀(21)을 도시한다. 헨드릭스의 특허는 다공 시트 재료를 주름 가공하거나 절곡하여 핀(21)을 형성하는 것을 교시한다. 천공 구멍은 절곡된 부분의 수직 방향이라고 일컬어진다. 헨드릭스의 특허의 도 2는 천공 구멍이 핀(21)의 측면을 따라 하나의 열로 배열되지만, 파형의 골 또는 마루가 형성된 아랫면 상에는 천공 구멍이 없음을 도시한다. 또한, 헨드릭스의 특허는 천공 구멍의 위치에 관하여 교시하지 않는다.

"플레이트 핀 열 교환기의 4개의 기본 핀에서 층류 및 열 전달 상의 3차원 수치 시뮬레이션"[와이. 주(Y. Zhu) 및 와이. 리(Y. Li) 저, 열 전달 저널(Journal of Heat Transfer), 2008년 11월, vol.130, 111801-1 내지 8]에서, 4개의 샘플의 성능에 관하여 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)에 기초한 계산을 수행하는 것을 개시한다. 주 및 리의 논문은 열 교환기들이 처음 도입된 이래로 나타난 컴팩트한 열 교환기들에 대한 다수의 주요 간행물들을 열거하고, 이어서 "저자들이 알고 있는 한, 다공형 핀 내에서 완전한 3차원 유동 및 열 전달은 문헌상 거의 주목받지 못하였다"고 서술한다.

이러한 서술은 중요한 의미가 있고, 출원인의 결론, 즉 다공형 핀에 관해 기술 분야에서 공지된 것은 차선의 것이라는 점을 지지하고 이끌어내는 것으로 보인다.

4가지 타입의 핀을 비교한 부분에서 주 및 리의 논문의 저자들은 하나의 특정한 예시적인 다공형 핀 기하 구조에서 CFD 계산을 하였다. 연산 크기와 시간을 합리적으로 유지하기 위해 저자들은 논문의 2페이지에 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 최소한의 반복 구조만을 포함하였다. 다공형 핀을 위해 모델링된 단면은 핀의 한 파장 반을 나타내고, 단면은 핀 길이의 상면 및 하면 각각 절반씩과 하나의 핀 전체 높이를 포함한다. 이것들은 상면과 하면 상에 연속된 천공 구멍의 절반과 핀 높이 상에 전체 크기 천공 구멍을 유동 길이를 따라 전체에 차례로 포함한다. 도 1D에 도시된 바와 같이, 전체 구조가 유동 길이를 따라 각 핀 채널의 상면, 하면, 및 측면을 따라 천공 구멍들의 하나의 열에 정확하게 대응하고, 전부 측방향으로 나란하다. 표 1에 나타난 바와 같이 천공 구멍의 직경은 8mm 이고, 핀들을 따른 천공 구멍의 간격은 도 6C 및 7C로부터 유추할 수 있는 바와 같이 중심부터 중심까지 대략 1.4mm 가 되는 것으로 나타난다. 이 천공 구멍의 빈도는 플레이트 핀 유로의 측면 상에서만 개방 영역이 대략 16%로 나타난다(주와 리의 논문은 개방 영역을 결정할 때 핀의 상면 또는 하면 상에 있는 천공 구멍은 세지 않거나 고려하지 않는데, 핀의 상면과 하면 상의 천공 구멍은 분할 시트에 의해 덮여있기 때문이다). 이러한 개방 영역의 결정은 명세서의 칼럼 아래 표 1에 나타난다. 이러한 패턴은 다공 시트가 핀으로 형성되기 전의 편평한 다공 시트 상에서 대략 20%에 다다르는 개방 영역인 것으로 계산된다. 이 기하 구조는 저자들이 모델링하도록 선택한 전형적인 사례를 나타내는 것으로 보이며, 저자들이 천공 구멍 패턴 및 기하 구조의 면에서 바람직하다고 고려하였다는 암시 또는 교시는 없다.

따라서 전술한 하나의 특정한 예시적인 다공형 핀 기하 구조는 저자들이 핀의 4개의 타입(평탄한 핀, 다공형 핀, 스트립-오프셋 핀, 및 물결형 핀 타입)과 비교하는데 사용한 단지 대표적인 다공형 핀일 뿐이다. 저자들이 모델링한 패턴 및 기하 구조는 본 출원에서 교시하는 것과 상이하다.

요컨대, 다공형 핀에 관한 이전의 설명들은 플레이트 핀 교환기에 사용된 다공형 핀의 기하 구조에 관한 세부사항을 설명한다. 그리고 개방 영역과 같은 기하 구조의 양태가 인용될 때에도, 플레이트 핀 열 교환기의 전반적인 자금 및 작동 비용이 최소화될 수 있는 최선의 성능을 얻기 위해 어떻게 천공 구멍의 위치를 설정하는지 또는 어떻게 천공 구멍에 대하여 최선의 기하 구조를 선택하는지에 대한 교시가 없다.

플레이트 핀 열 교환기의 효율을 증가시키고 성능을 개선하는 것이 요구된다.

또한 열 교환기의 효율을 개선하기 위해 플레이트 핀 교환기의 플레이트 핀 유로 내에 단상 스트림의 난류 특성을 개선하는 것이 요구된다.

또한 공기 분리에서 사용되는 것과 같은 극저온 적용예 및 다른 열 전달 적용예를 위한 높은 성능 특성을 보여주는 플레이트 핀 교환기가 요구된다.

또한 이전에 개시된 것보다 더 컴팩트하고/컴팩트하거나 더 효율적인 플레이트 핀 교환기를 사용하는 더 효율적인 공기 분리 프로세스가 요구된다.

또한 생산된 제품의 단위 수량당 더 효율적이고/효율적이거나 더 저렴한 공기 분리 공정을 야기하는 열 교환기의 크기, 무게 및/또는 비용을 최소화하고 플레이트 핀 교환기의 디자인이 요구된다.

또한 더 우수하고 더 바람직한 결과를 제공하기 위해 이전에 개시된 핀 보다 더 나은 성능을 낼 수 있는 천공 구멍 패턴 및 기하 구조를 구비한 핀을 사용하고, 이전에 개시된 핀의 단점을 극복하는 플레이트 핀 열 교환기를 조립하는 방법이 요구된다.

개시된 실시예는 플레이트 핀 열 교환기에 사용하기 위한 핀 천공 구멍의 새로운 패턴 및 새로운 기하 구조를 제공함으로써 허용 압력 강하의 제약 하에서 전반적인 열 전달 성능을 최대화하여 본 기술 분야의 요구를 만족시킨다. 이전에 개시된 핀 패턴 및 기하 구조보다 나은 핀 천공 구멍의 새로운 패턴 및 새로운 기하 구조의 이점은, (1) 체적의 상당한 감소, (2) 열 전달 효율의 상당한 증가, (3) 압력 강하 손실의 상당한 감소, (4) 열 교환기 시스템의 전반적인 자금 및 작동 비용을 감소시킬 수 있는 (1) 내지 (3)의 신중한 조합을 포함하고, 이로 인해 이러한 열 교환기 시스템을 이용하는 프로세스의 자금 및 작동 비용도 감소한다.

여기에 포함된 개시된 실시예들은 유동이 핀 유동 채널과 대체로 평행한 이지웨이 핀을 주로 목표로 하는 한편, 교시들도 어떤 열 전달 함수를 동시에 수행하는 핀들의 분배에 적용될 수 있고, 유동은 배타적인 것은 아니나 대체로 핀 유동 채널과 평행이다. 여기에 개시된 실시예들은 플레이트 핀 교환기의 플레이트 핀 유로 내에서, 예컨대 여기에 개시된 천공 구멍 패턴 및 기하 구조를 구비한 핀 채널을 포함하는 플레이트 핀 교환기의 플레이트 핀 유로 내에서 적어도 파장의 80% 이상, 더 바람직하게는 적어도 파장의 90% 이상, 가장 바람직하게는 파장의 100% 이상의 상 변화 없는 열을 전달하는 유체 스트림의 적용예에 특히 적합하다.

제1 실시예에서, 플레이트 핀 열 교환기로서, 높이, 너비, 및 길이를 갖는 핀들을 포함하는 절곡된 핀 시트로서, 상기 절곡된 핀 시트는 제1 분할 시트 및 제2 분할 시트 사이에 위치하는 것인 절곡된 핀 시트와 제1 사이드 바 및 제2 사이드 바를 포함하고, 제1 사이드 바는 제1 분할 시트 및 제2 분할 시트 사이에 절곡된 핀 시트의 제1 사이드에 인접하여 위치하고, 제2 사이드 바는 제1 분할 시트 및 제2 분할 시트 사이에 절곡된 핀 시트의 제2 사이드에 인접하여 위치하여 플레이트 핀 유로의 적어도 일부를 형성하며, 상기 핀 시트는 복수의 천공 구멍을 포함하며, 상기 핀 시트가 절곡되지 않은 상태일 때, 상기 복수의 천공 구멍은 핀 시트 상에서 평행한 열을 따라 배치되고, 상기 핀 시트 상의 천공 구멍의 평행한 열은 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격(S1), 평행한 열들을 따라 이어지는 천공 구멍들 사이의 제2 간격(S2), 인접한 천공 구멍의 평행한 열의 천공 구멍 간의 제3 간격(또는 오프셋, S3), 및 천공 구멍 직경(D)을 포함하고, 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격과 천공 구멍 직경의 비율(S1/D)은 0.75 내지 2.0의 범위에 있으며, 핀과 천공 구멍의 평행한 열 간의 각도는 5도보다 작거나 같은(≤5°) 것인 플레이트 핀 열 교환기가 개시된다.

제2 실시예에서, 제1 실시예에 따라 구성된 플레이트 핀 열 교환기 내의 적어도 2개의 스트림 사이에서 열을 교환하는 프로세스로서, 적어도 하나의 스트림은 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 80% 이상 상 변화 없는 열 전달을 받고, 적어도 하나의 스트림의 레이놀즈 수는 800 내지 100,000의 범위 내, 더 바람직하게는 1,000 내지 10,000의 범위 내인 것인 프로세스가 개시된다.

제3 실시예에서, 제1 실시예에 따라 플레이트 핀 열 교환기를 이용하는 극저온 증류에 의해 공기로부터 질소, 산소 및/또는 아르곤을 분리하는 프로세스로서, 적어도 하나의 스트림은 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 80% 이상, 더 바람직하게는 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 90% 이상, 그리고 가장 바람직하게는 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 100% 이상 상 변화 없는 열 전달을 받는 것인 프로세스가 개시된다.

제4 실시예에서, 플레이트 핀 열 교환기를 제조하는 방법으로서, (a) 적어도 하나의 다공형 시트를 제공하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 다공형 시트가 평행한 열을 따라 배치된 복수의 천공 구멍을 포함하고, 이러한 다공형 시트 상의 천공 구멍의 평행한 열은 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격(S1), 평행한 열들을 따라 이어지는 천공 구멍들 사이의 제2 간격(S2), 인접한 천공 구멍의 평행한 열의 천공 구멍 간의 제3 간격(또는 오프셋, S3), 및 천공 구멍 직경(D)을 포함하고, 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격과 천공 구멍 직경의 비율(S1/D)은 0.75 내지 2.0의 범위에 있는 것인 단계; (b) 절곡된 다공형 시트를 형성하기 위해 적어도 하나의 다공 시트를 핀이 되도록 절곡하는 단계로서, 핀과 천공 구멍의 평행한 열 간의 각도가 5도보다 작거나 같게(≤5°)되는 것인 단계; (c) 예비 플레이트 핀 유로를 형성하기 위해, 적어도 하나의 절곡된 다공 시트의 제1 측면에 인접하게 제1 사이드 바를 배치하고, 적어도 하나의 절곡된 다공 시트의 제2 측면에 인접하게 제2 사이드 바를 배치하며, 적어도 하나의 절곡된 다공 시트의 제1 단부에 인접하게 제1 분배기 핀을 배치하고, 적어도 하나의 절곡된 다공 시트의 제2 단부에 인접하게 제2 분배기 핀을 배치하며, 제1 분배기 핀에 인접하게 제1 엔드 바를 배치하고, 제2 분배기 핀에 인접하게 제2 엔드 바를 배치하는 단계; (d) 제1 분할 시트 및 제2 분할 시트 사이에 단계(c)의 예비 플레이트 핀 유로를 배치하여 플레이트 핀 유로를 형성하는 단계를 포함하는 방법이 개시된다.

후술하는 발명을 실시하기 위한 구체적 내용뿐만 아니라 전술한 과제의 해결 수단은 첨부된 도면과 함께 더 잘 이해된다. 실시예들을 도시하기 위하여 예시적인 구성들에 대한 도면이 첨부되어 있으나, 본 발명은 개시된 특정 방법 및 수단에 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천공 구멍 패턴 및 기하 구조를 갖는 핀들을 구비한 플레이트 핀 열 교환기의 기본 요소 또는 소조립체에 대한 분해된 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 핀들에 천공 구멍 패턴이 형성되기 이전에 평탄화한 플레이트 상의 천공 구멍 패턴의 실시예를 도시한 개략도이다.
도 3은 다공형 핀의 상대적인 열 전달 및 압력 손실 성능을 S1/D 함수로서 바람직한 영역을 표시하여 도시한 그래프이다.

본 발명의 일 실시예는 플레이트 핀 유로의 적어도 일부에 다공형 핀을 포함하는 플레이트 핀 교환기 및 이러한 플레이트 핀 교환기를 조립하는 방법에 관한 것이다. 다공형 핀들은 편평한 다공 시트를 사용하여 조립된다. 형성된 핀들은 편평한 시트 상의 천공 구멍 패턴과 특별한 관계가 있다. 어떤 플레이트 핀 유로들은 전술한 핀들을 구비하는 한편, 다른 플레이트 핀 유로들은 예컨대 평탄한 핀, 다공형 핀, 스트립-오프셋 핀 및 물결형 핀 타입을 포함하는 상이한 타입의 핀들을 구비할 수 있다. 이러한 다공형 핀을 포함하는 플레이트 핀 열 교환기는 다른 열 전달 프로세스에서도 사용될 수 있으나, 공기 분리와 같은 극저온 프로세스에서 특정한 적용예를 갖는다.

도 1에 따르면, 본 발명의 플레이트 핀 열 교환기는 수개의 플레이트 핀 유로를 포함하고, 플레이트 핀 유로 중 몇 개는 분할 시트들 또는 플레이트들(30, 40), 사이드바들(50, 60) 사이에 적어도 하나의 핀 시트(10)를 배치하고 핀(도시하지 않았으나 본 기술 분야에서 일반적으로 공지된) 및 엔드바(도시하지 않았으나 본 기술 분야에서 일반적으로 공지된)를 분배하여 만들어진다. 이러한 플레이트 핀 유로들의 적어도 일부에는 천공 구멍(20)의 특별한 패턴이 포함된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 핀 시트(10)로 형성되기 전에, 핀 시트(10)는 알루미늄, 구리, 또다른 합금, 또는 본 기술 분야에서 핀의 제작용으로 공지된 다른 열 전도 재료와 같은 금속으로 편평하게 만든 시트이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 편평한 핀 시트(10)는 천공 구멍(20)을 포함한다. 편평한 시트는 수개의 천공 구멍의 평행한 열을 포함하는 특별한 천공 구멍 패턴을 갖고, 각 평행한 열(100, 200, 300)은 천공 구멍(1A, 1B, 1C; 2A, 2B, 2C; 3A, 3B, 3C)을 포함한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 일 실시예에서, 핀 시트(10)를 형성하기 위해 편평한 시트를 절곡할 때 요구되는 핀의 방향에 평행한 방향을 따라 천공 구멍(1A, 1B, 1C; 2A, 2B, 2C; 3A, 3B, 3C)의 열이 배열될 것이다. 핀들이 이지웨이 핀으로서 이용될 때, 유동의 공칭 스트림 라인은 도 2에 도시한 바와 같이 천공 구멍의 방향에 평행할 것이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 천공 구멍은 직경(D)를 갖는다. 평행한 천공 구멍 열(100, 200, 300) 사이의 공간은 도면부호(S1)로 표시하고, 스트림 유동 방향으로 순차적인 천공 구멍 사이의 공간{즉, 천공 구멍(2A) 및 천공구멍(2B) 사이}은 도면부호(S2)로 표시한다. 인접한 평행 열(100, 200, 300)에서 천공 구멍 사이의 오프셋{즉 천공 구멍(2A) 및 천공 구멍(3A) 사이}은 도면부호(S3)로 표시한다.

일 실시예에서, 출원인은 후술할 파라미터가 후술할 범위 내에 고정될 때 놀라운 결과를 발견하였다. (1) 천공 구멍 직경(D)이 1 mm 내지 4 mm 범위 내, (2) 개방 영역이 5 % 내지 25 % 범위 내, (3) S3/S2 비율이 0.25 내지 0.75 범위 내, 그리고 (4) S1/D 비율이 0.75 내지 2.0 범위 내, 가장 바람직하게는 0.75 내지 1.0 범위 내일 때, 플레이트 핀 열 교환기는 이에 따르지 않은 종래의 열 교환기에 비하여 더 높은 효율 및 향상된 성능을 보여준다.

가장 바람직한 설비/실시예에서, 유체 유동 방향은 평행한 천공 구멍 열(100, 200, 300)에 평행하지만, 바람직한 설비/실시예에서 유체 유동의 방향은 평행한 천공 구멍 열(100, 200, 300)의 방향에서 5°이내이다. 이것은 핀을 형성할 때 핀 시트(10)가 핀이 절곡된 것과 평행한 천공 구멍 열(100, 200, 300) 사이의 각도가 가장 바람직하게는 0°인 한편, 5°와 같거나 그보다 작도록 절곡되어야 한다는 것을 의미한다.

핀 시트(10)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 원형인 천공 구멍(20)을 포함할 수 있으나, 당업자들은 그 모양에 구애받지 않고 타원형, 직사각형, 평행사변형, 및 다른 모양을 포함한 원형이 아닌 천공구멍도 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.

다른 실시예에서, 천공 구멍의 오프셋 열의 배열은 도 2에 도시한 바와 같이 2줄 마다 반복된다{즉, 열(100)은 열(300), 열(500;미도시), 및 열(700;미도시) 등에서 유사하게 오프셋 될 것이다}. 또한, 편평한 다공 시트들이 피닝(finning) 작업에서 핀으로 절곡될 때, 피닝 다이스(finning dies)에서 재료가 어떻게 유동하는지의 기계적인 디테일 때문에 완성된 핀 시트(10)의 천공 구멍의 구조는 복잡한 관계인 경향이 있다. 일 실시예에서, 평탄한 시트는 완성된 핀 시트(10)에서 핀 파장의 10배 마다 적어도 한번 반복되는 천공 구멍 패턴이 있도록, 더 바람직하게는 핀 파장의 5배 마다 적어도 한번 반복되는 천공 구멍 패턴이 있도록 절곡되고, 이러한 다공형 핀을 포함하는 열 교환기 플레이트 핀 유로의 적어도 50%, 더 바람직하게는 80%, 가장 바람직하게는 100%에서 천공 구멍 패턴이 있도록 한다.

다른 실시예에서, 전체로서 참조에 의하여 포함된 선더 등에게 허여된 미국 특허 제6,834,515호 "텍스쳐 표면을 구비한 플레이트 핀 교환기(Plate Fin Exchangers with Textured Surfaces)"에 교시된 바에 의하면 표면 텍스쳐는 재료들이 절곡되어서 핀이 되기 전에 다공 시트에 적용될 것이다. 대안으로서, 표면 텍스쳐는 편평한 다공 시트를 핀으로 만드는 과정에서 만들 수 있다.

여기에 설명된 실시예들은 적어도 핀의 일부는 그 높이가 0.25 인치 내지 1 인치(0.635 센티미터 내지 2.54 센티미터), 더 바람직하게는 0.40 인치 내지 0.75 인치(1.016 센티미터 내지 1.905 센티미터)의 범위 내, 및 가장 바람직하게는 0.5 인치 내지 0.6 인치(1.27 센티미터 내지 1.524 센티미터)의 범위 내인 것인 플레이트 핀 열 교환기에 적합하다. 실시예들은 이러한 플레이트 핀 유로에서 유체 유동 상태가 층류와 난류 상태 사이의 전이 상태이거나 난류 상태일 때 적용되는 것이 바람직하다. 이것은 800 내지 100,000 및 더 바람직하게는 1,000 내지 10,000의 레이놀즈 수(Reynolds Number)로 표현될 수 있다. 레이놀즈 수는 아래와 같이 계산된다.

Re = ρV D / μ

여기서,

Re = 레이놀즈 수;

ρ = 유체 밀도;

V = 유체 속도;

μ = 유체 점도;

D = 4 A / P;

A = 유체 유동 단면 영역; 및

P = 유체 유동 원주.

플레이트 핀 유로를 위해, 유압 직경(D)를 개별적인 플레이트 핀 유로에 기초하여 계산하는 것이 일반적이고, 본 계산은 A(유체 유동 단면 영역) 및 P(유체 유동 둘레)에 기여하는 천공 구멍을 조정하는 것 없이 기본 금속 시트를 사용하는 것에 기초한다.

본 발명의 실시예들은 플레이트 핀 열 교환기가 종래의 플레이트 핀 열 교환기에 비하여 더 컴팩트하게 만들어질 수 있고, 따라서 공기 분리 플랜트와 같은 플랜트의 복합 자금 및 작동 비용을 절약하기 때문에 중요한 가치가 있다.

예시 1.

핀의 기하 구조 내에서 천공 구멍의 영향에 대하여 더 잘 이해하기 위해, 몇개의 샘플 문제를 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics; CFD)을 이용하여 풀었다. 이 기법을 사용함에 있어서, 문제의 전산 크기를 제한하기 위해 전산을 몇몇의 반복 구조로 제한하는 것이 일반적이다. 그러나 특정 천공 구멍 패턴의 영향을 정량화하려고 할 때, 심지어 문제를 플레이트 핀 유로 내에 부채널이 하나인 것으로 제한할 때도 열 교환기의 전반적인 기하 구조는 매우 복잡하다. 이러한 이유로 상이한 타입의 근사가 사용되었다.

대부분의 플레이트 핀 열 교환기에서 보조 표면 영역이 전체 영역 중 지배적인 부분이 되는 경향이 있다. 전술한 바와 같이, 이는 주된 표면 영역을 나타내는 분할 시트 또는 플레이트(30, 40)에 걸쳐 분리하는 핀 레그에 의해 표시되는 영역이다. 천공 구멍 배치의 영향을 이해하기 위해, 2개의 무한 평행 플레이트의 대표적인 주기적 영역은 그것들 사이에 공기가 유동할 때 일어나는 열 전달 및 압력 손실을 정량화하여 모델링한다. 평탄화된 시트 상에 천공 구멍의 일반적인 도식은 도 2에 도시된다.

예시 1은 열 교환기 및/또는 분배의 목적으로 사용되는 이지웨이 핀과 관련되고, 전술한 바와 같이 유동 방향은 도 2에서 표시된 대로 일반적으로 핀 방향과 평행이다.

다양한 간격(S1, S2, 및 S3)이 천공 구멍의 직경(D) 및 전반적인 개방 영역 상수를 유지하면서 변경되는 많은 예시적인 사례에서 CFD를 사용하여 문제가 해결된다. 특히 오프셋(S3)이 간격(S2)의 반과 같게 맞춰지는 한편, 간격(S1) 및 간격(S2)는 동시에 변경된다. 이러한 예시적인 사례에서, 단 하나의 독립적인 파라미터 및 결과가 표 1에 나열되고 도 3에 도시된다.

파라미터	S1/S2	S1/D	상대 열 전달	상대 압력 손실
사례 1	0.037	0.5417	1.2626	1.2140
사례 2	0.071	0.7500	1.2469	1.1806
사례 3	0.127	1.0000	1.2465	1.1789
사례 4	0.224	1.3292	1.2162	1.1689
사례 5	0.348	1.6583	1.1951	1.1554
사례 6	0.500	1.9875	1.1881	1.1505
사례 7	0.679	2.3167	1.1347	1.1031
사례 8	0.886	2.6458	1.0632	1.0483
사례 9	1.120	2.9750	1.0000	1.0000

예시적인 계산은 천공 구멍의 패턴 변화에 의해 얻어지는 압력 손실 및 열 전달률의 상대값을 보여준다. 예시적인 데이터는 간격의 천공 구멍에 대한 비율이 거의 3일 때 일어나는 값에 대하여 비율 조절 후에 플로팅 되었다. 이 비율이 거의 2로 낮아짐에 따라, 열 전달에서 중요한 개선점이 생긴다. 표 1에 나타난 바에 따르면, 열 전달의 증가는 대응하는 압력 손실의 증가보다 크다. 따라서, 비율 2로 설계된 교환기는 비율 3으로 설계된 열 교환기에 비하여 약 1.2배로 짧아질 수 있다. 이것은 길이와 체적의 상당한 감소이다. 만약 비율이 2 아래로 감소되면, 개선이 계속되고 특히 비율이 0.75 및 1 사이의 값일 때 우수한 값이 얻어진다. 이 비율의 범위에서 열 전달의 개선은 약 1.25배이다. 길이 또는 체적은 상호간에 0.8 또는 80퍼센트(80%)가 될 것이 요구된다. 이것은 20퍼센트(20%)의 상당한 크기 감소를 나타내고, 한편 압력 손실도 0.94 또는 94퍼센트(94%)와 같은 1.18/1.25의 비율로 감소한다. 따라서, 20퍼센트(20%)의 길이 또는 체적의 감소가 있을 수 있고, 한편, 6퍼센트(6%)의 압력 손실의 감소도 있다.

이전에 공지 또는 개시된바 없이 여기에서 개시된 천공 구멍 위치의 배열에 의해 얻어질 수 있는 중요한 개선점들이 있다. 실제로, 표현 서술, 영향, 또는 도해를 통해 몇몇의 이전의 개시는 이러한 배열을 교시하지 않는다. 도 3에 도시한 바와 같이, 비율 0.75 내지 2.0의 범위가 바람직하고, 0.75 내지 1.0의 범위가 특히 바람직하다.

예시 2.

예시 2는 여기에 포함된 교시를 이용하여 얻어진 예시적인 개선점을 설명한다. 전술한 바와 같이, 종래의 플레이트 핀 열 교환기의 다공형 핀에 관한 교시는 여기에 서술된 바람직한 기하 구조 또는 천공 구멍 패턴에 대해 논하지 않았다. 그러나 상기 인용한 주(Zhu) 등에 의한 CFD 논문은 평탄한 핀, 치형 핀, 및 물결형 핀과 같은 다른 형태의 핀들과 비교하여 특정한 다공형 핀의 효과를 연구하였다. 본 예시는 예시 1에서 설명한 바와 같은 방식으로 주 등에 의한 CFD 논문에 사용된 천공 구멍 패턴을 적용하여 생성되었다.

핀으로 절곡되기 이전에 편평한 시트 상의 천공 구멍 패턴의 파라미터는 다음과 같다. 천공 구멍 직경(D) = 0.8 mm; 개방 영역 = 20 %; S1 = 1.81 mm; S2 = 1.39 mm; 및 S3 = 0 이다. 종래 기술에 의한 핀을 사용한 열 교환기의 성능을 상대적으로 계산한 값이 표 2에 나타난다.

파라미터	CFD 논문	개시된 예시적인 실시예
천공 구멍 직경, mm	0.8	2.4
개방 영역, %	20	10
S1, mm	1.81	2.4
S2, mm	1.39	18.96
S3, mm	0.0	9.48
S1/D	2.26	1.0
S3/S2	0.0	0.5
상대 열 전달 게수	1.00	1.26
상대 압력 구배	1.00	1.26
교환기의 상대적 길이	1.00	0.79
교환기의 상대적 체적	1.00	0.79
교환기 내의 상대적 압력손실	1.00	1.00

표 2에 나타난 바와 같이, 개시된 예시적인 실시예의 상대 열 전달 계수 및 상대 압력 구배가 CFD 논문 열 교환기보다 26% 높고, 개시된 예시적인 실시예의 교시에 따라 구성된 열 교환기는 CFD 논문의 교시를 기초로 구성된 열 교환기와 비교하여 상대적으로 길이가 짧고(21% 감소) 상대적으로 체적이 작은데(21% 감소), 두 열 교환기는 같거나 매칭되는 열 전달 듀티(duty) 및 압력 강하를 갖는다. 이는 개시된 예시적인 실시예의 교시에 따라 제작된 핀을 사용하는 것이 CFD 논문의 교시보다 실질적으로 유리하다.

본 발명의 양태들은 다양한 구성의 바람직한 실시예에 관하여 설명하고, 다른 유사한 실시예를 이용할 수 있거나, 본 발명에서 벗어나지 않고 본 발명의 동일한 기능을 수행하기 위한 전술한 실시예로 수정 및 부가가 만들어질 수 있음이 이해된다. 예컨대, 후술하는 양태들은 본 개시의 일부임이 이해되어야 한다.

양태 1. 플레이트 핀 열 교환기로서,

높이, 너비, 및 길이를 갖는 핀들을 포함하는 절곡된 핀 시트로서, 상기 절곡된 핀 시트는 제1 분할 시트 및 제2 분할 시트 사이에 위치하는 것인 절곡된 핀 시트와 제1 사이드 바 및 제2 사이드 바를 포함하고,

제1 사이드 바는 제1 분할 시트 및 제2 분할 시트 사이에 절곡된 핀 시트의 제1 사이드에 인접하여 위치하고, 제2 사이드 바는 제1 분할 시트 및 제2 분할 시트 사이에 절곡된 핀 시트의 제2 사이드에 인접하여 위치하여 플레이트 핀 유로의 적어도 일부를 형성하며,

상기 핀 시트는 복수의 천공 구멍을 포함하며, 상기 핀 시트가 절곡되지 않은 상태일 때, 상기 복수의 천공 구멍은 핀 시트 상에서 평행한 열을 따라 배치되고, 상기 핀 시트 상의 천공 구멍의 평행한 열은 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격(S1), 평행한 열들을 따라 이어지는 천공 구멍들 사이의 제2 간격(S2), 인접한 천공 구멍의 평행한 열의 천공 구멍 간의 제3 간격(또는 오프셋, S3), 및 천공 구멍 직경(D)을 포함하고, 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격과 천공 구멍 직경의 비율(S1/D)은 0.75 내지 2.0의 범위에 있으며, 핀과 천공 구멍의 평행한 열 간의 각도는 5도보다 작거나 같은(≤5°) 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 2. 양태 1에 있어서, 상기 핀과 천공 구멍의 평행한 열 간의 각도는 0도(0°)인 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 3. 양태 1 또는 양태 2에 있어서, 상기 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격과 천공 구멍 직경의 비율(S1/D)은 0.75 내지 1.0의 범위에 있는 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 4. 양태 1 내지 양태 3 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 인접한 천공 구멍의 평행한 열의 천공 구멍 간의 제3 간격(또는 오프셋, S3)과 상기 평행한 열들을 따라 이어지는 천공 구멍들 사이의 제2 간격(S2)의 비율이 0.25 내지 0.75의 범위 내에 있는 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 5. 양태 1 내지 양태 4 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 절곡된 핀 시트의 5% 내지 25%의 영역이 절곡되지 않은 상태에서 천공 구멍으로 점유되는 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 6. 양태 1 내지 양태 5 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 천공 구멍 직경(D)은 1 mm 내지 4 mm 범위 내인 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 7. 양태 1 내지 양태 6 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 천공 구멍의 모양이 원형 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 8. 양태 1 내지 양태 6 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 천공 구멍의 모양이 타원형, 직사각형, 또는 평행사변형인 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 9. 양태 1 내지 양태 8 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 인접한 천공 구멍의 평행한 열들은 교대로 오프셋되어 천공 구멍의 평행한 열의 위치가 다른 천공 구멍의 열마다 반복되는 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 10. 양태 1 내지 양태 8 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 인접한 천공 구멍의 평행한 열은 오프셋되어, 절곡된 핀 시트의 핀들 상에 천공 구멍의 평행한 열의 위치가 핀 파장의 10배 마다 적어도 한번 정확하게 반복되고, 바람직하게는 핀 파장의 5배 마다 적어도 한번 반복되며, 이러한 다공형 핀을 포함하는 열 교환기 플레이트 핀 유로의 적어도 50%, 더 바람직하게는 플레이트 핀 유로의 80%, 가장 바람직하게는 플레이트 핀 유로의 100%에서 반복되는 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 11. 양태 1 내지 양태 10 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 절곡된 핀 시트는 표면 텍스쳐를 포함하는 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 12. 양태 1 내지 양태 11 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 핀 높이는 0.25 인치 내지 1 인치의 범위 내이고, 더 바람직하게는 0.4 인치 내지 0.75 인치의 범위 내이며, 가장 바람직하게는 0.5 인치 내지 0.6인치의 범위 내인 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 13. 양태 1 내지 양태 12 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 절곡된 핀 시트는 이지웨이 열 교환기 핀 또는 분배기 핀인 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 14. 양태 1 내지 양태 13 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 플레이트 핀 유로는 유체 스트림을 수용하도록 조정되고, 상기 유체 스트림은 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 80% 이상, 더 바람직하게는 90% 이상, 그리고 가장 바람직하게는 100% 이상 상 변화 없는 열 전달을 받는 것인 플레이트 핀 열 교환기.

양태 15. 양태 1 내지 양태 13 중 어느 한 양태에 따라 구성된 플레이트 핀 열 교환기 내의 적어도 2개의 스트림 사이에서 열을 교환하는 프로세스로서, 적어도 하나의 스트림은 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 80% 이상 상 변화 없는 열 전달을 받고, 적어도 하나의 스트림의 레이놀즈 수는 800 내지 100,000의 범위 내, 더 바람직하게는 1,000 내지 10,000의 범위 내인 것인 프로세스.

양태 16. 양태 1 내지 양태 13 중 어느 한 양태의 플레이트 핀 열 교환기를 이용하는 극저온 증류에 의해 공기로부터 질소, 산소 및/또는 아르곤을 분리하는 프로세스로서, 적어도 하나의 스트림은 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 80% 이상, 더 바람직하게는 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 90% 이상, 그리고 가장 바람직하게는 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 100% 이상 상 변화 없는 열 전달을 받는 것인 프로세스.

양태 17. 플레이트 핀 열 교환기를 제조하는 방법으로서,

(a) 적어도 하나의 다공형 시트를 제공하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 다공형 시트가 평행한 열을 따라 배치된 복수의 천공 구멍을 포함하고, 이러한 다공형 시트 상의 천공 구멍의 평행한 열은 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격(S1), 평행한 열들을 따라 이어지는 천공 구멍들 사이의 제2 간격(S2), 인접한 천공 구멍의 평행한 열의 천공 구멍 간의 제3 간격(또는 오프셋, S3), 및 천공 구멍 직경(D)을 포함하고, 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격과 천공 구멍 직경의 비율(S1/D)은 0.75 내지 2.0의 범위에 있는 것인 단계;

(b) 절곡된 다공형 시트를 형성하기 위해 적어도 하나의 다공 시트를 핀이 되도록 절곡하는 단계로서, 핀과 천공 구멍의 평행한 열 간의 각도가 5도보다 작거나 같게(≤5°)되는 것인 단계;

(c) 예비 플레이트 핀 유로를 형성하기 위해, 적어도 하나의 절곡된 다공 시트의 제1 측면에 인접하게 제1 사이드 바를 배치하고, 적어도 하나의 절곡된 다공 시트의 제2 측면에 인접하게 제2 사이드 바를 배치하며, 적어도 하나의 절곡된 다공 시트의 제1 단부에 인접하게 제1 분배기 핀을 배치하고, 적어도 하나의 절곡된 다공 시트의 제2 단부에 인접하게 제2 분배기 핀을 배치하며, 제1 분배기 핀에 인접하게 제1 엔드 바를 배치하고, 제2 분배기 핀에 인접하게 제2 엔드 바를 배치하는 단계;

(d) 제1 분할 시트 및 제2 분할 시트 사이에 단계(c)의 예비 플레이트 핀 유로를 배치하여 플레이트 핀 유로를 형성하는 단계;

(e) 플레이트 핀 열 교환기를 형성하기 위해 단계(d)의 플레이트 핀 유로를 다른 플레이트 핀 유로와 조합하는 단계; 및

(f) 플레이트 핀 열 교환기를 브레이징하는 단계

를 포함하는 플레이트 핀 열 교환기를 제조하는 방법.

양태 18. 양태 17에 있어서, 상기 플레이트 핀 열 교환기를 제조하는 방법은 단계(b)에서 적어도 하나의 다공 시트를 절곡하기 이전에 적어도 하나의 다공 시트에 표면 텍스쳐를 적용하는 단계를 더 포함하는 플레이트 핀 열 교환기를 제조하는 방법.

그러므로 청구된 발명은 임의의 일 실시예 또는 양태에 제한될 수 없고, 오히려 첨부된 청구항에 따른 폭과 범위가 이해될 수 있다.

Claims

플레이트 핀(plate fin) 열 교환기로서,
높이, 너비, 및 길이를 갖는 핀들을 포함하는 절곡된 핀 시트로서, 상기 절곡된 핀 시트는 제1 분할 시트 및 제2 분할 시트 사이에 위치하는 것인 절곡된 핀 시트와 제1 사이드 바 및 제2 사이드 바를 포함하고,
제1 사이드 바는 제1 분할 시트 및 제2 분할 시트 사이에 절곡된 핀 시트의 제1 사이드에 인접하여 위치하고, 제2 사이드 바는 제1 분할 시트 및 제2 분할 시트 사이에 절곡된 핀 시트의 제2 사이드에 인접하여 위치하여 플레이트 핀 유로의 적어도 일부를 형성하며,
상기 핀 시트는 복수의 천공 구멍을 포함하며, 상기 핀 시트가 절곡되지 않은 상태일 때, 상기 복수의 천공 구멍은 핀 시트 상에서 평행한 열을 따라 배치되고, 상기 핀 시트 상의 천공 구멍의 평행한 열은 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격(S1), 평행한 열들을 따라 이어지는 천공 구멍들 사이의 제2 간격(S2), 인접한 천공 구멍의 평행한 열의 천공 구멍 간의 제3 간격(또는 오프셋, S3), 및 천공 구멍 직경(D)을 포함하고, 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격과 천공 구멍 직경의 비율(S1/D)은 0.75 내지 2.0의 범위에 있으며, 핀과 천공 구멍의 평행한 열 간의 각도는 5도보다 작거나 같은(≤5°) 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1에 있어서, 상기 핀과 천공 구멍의 평행한 열 간의 각도는 0도(0°)인 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1에 있어서, 상기 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격과 천공 구멍 직경의 비율(S1/D)은 0.75 내지 1.0의 범위에 있는 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1에 있어서, 상기 인접한 천공 구멍의 평행한 열의 천공 구멍 간의 제3 간격(또는 오프셋, S3)과 상기 평행한 열들을 따라 이어지는 천공 구멍들 사이의 제2 간격(S2)의 비율이 0.25 내지 0.75의 범위 내에 있는 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1에 있어서, 상기 절곡된 핀 시트의 5% 내지 25%의 영역이 절곡되지 않은 상태에서 천공 구멍으로 점유되는 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1에 있어서, 상기 천공 구멍 직경(D)은 1 mm 내지 4 mm 범위 내인 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1에 있어서, 상기 천공 구멍의 모양이 원형 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1에 있어서, 상기 천공 구멍의 모양이 타원형, 직사각형, 또는 평행사변형인 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1에 있어서, 상기 인접한 천공 구멍의 평행한 열들은 교대로 오프셋되어 천공 구멍의 평행한 열의 위치가 다른 천공 구멍의 열마다 반복되는 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1에 있어서, 상기 인접한 천공 구멍의 평행한 열은 오프셋되어, 절곡된 핀 시트의 핀들 상에 천공 구멍의 평행한 열의 위치가 핀 파장의 10배 마다 적어도 한번 정확하게 반복되고, 바람직하게는 핀 파장의 5배 마다 적어도 한번 반복되며, 이러한 다공형 핀을 포함하는 열 교환기 플레이트 핀 유로의 적어도 50%, 더 바람직하게는 플레이트 핀 유로의 80%, 가장 바람직하게는 플레이트 핀 유로의 100%에서 반복되는 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1에 있어서, 상기 절곡된 핀 시트는 표면 텍스쳐를 포함하는 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 청구항에 있어서, 상기 핀 높이는 0.25 인치 내지 1 인치의 범위 내이고, 더 바람직하게는 0.4 인치 내지 0.75 인치의 범위 내이며, 가장 바람직하게는 0.5 인치 내지 0.6인치의 범위 내인 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1에 있어서, 상기 절곡된 핀 시트는 이지웨이 열 교환기 핀 또는 분배기 핀인 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 청구항에 있어서, 상기 플레이트 핀 유로는 유체 스트림을 수용하도록 조정되고, 상기 유체 스트림은 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 80% 이상, 더 바람직하게는 90% 이상, 그리고 가장 바람직하게는 100% 이상 상 변화없는 열 전달을 받는 것인 플레이트 핀 열 교환기.
청구항 1에 따라 구성된 플레이트 핀 열 교환기 내의 적어도 2개의 스트림 사이에서 열을 교환하는 프로세스로서, 적어도 하나의 스트림은 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 80% 이상 상 변화 없는 열 전달을 받고, 적어도 하나의 스트림의 레이놀즈 수는 800 내지 100,000의 범위 내, 더 바람직하게는 1,000 내지 10,000의 범위 내인 것인 프로세스.
청구항 1의 플레이트 핀 열 교환기를 이용하는 극저온 증류에 의해 공기로부터 질소, 산소 및/또는 아르곤을 분리하는 프로세스로서, 적어도 하나의 스트림은 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 80% 이상, 더 바람직하게는 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 90% 이상, 그리고 가장 바람직하게는 플레이트 핀 유로의 길이의 적어도 100% 이상 상 변화 없는 열 전달을 받는 것인 프로세스.
플레이트 핀 열 교환기를 제조하는 방법으로서,
(a) 적어도 하나의 다공형 시트를 제공하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 다공형 시트가 평행한 열을 따라 배치된 복수의 천공 구멍을 포함하고, 이러한 다공형 시트 상의 천공 구멍의 평행한 열은 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격(S1), 평행한 열들을 따라 이어지는 천공 구멍들 사이의 제2 간격(S2), 인접한 천공 구멍의 평행한 열의 천공 구멍 간의 제3 간격(또는 오프셋, S3), 및 천공 구멍 직경(D)을 포함하고, 천공 구멍의 평행한 열들 간의 제1 간격과 천공 구멍 직경의 비율(S1/D)은 0.75 내지 2.0의 범위에 있는 것인 단계;
(b) 절곡된 다공형 시트를 형성하기 위해 적어도 하나의 다공 시트를 핀이 되도록 절곡하는 단계로서, 핀과 천공 구멍의 평행한 열 간의 각도가 5도보다 작거나 같게(≤5°)되는 것인 단계;
(c) 예비 플레이트 핀 유로를 형성하기 위해, 적어도 하나의 절곡된 다공 시트의 제1 측면에 인접하게 제1 사이드 바를 배치하고, 적어도 하나의 절곡된 다공 시트의 제2 측면에 인접하게 제2 사이드 바를 배치하며, 적어도 하나의 절곡된 다공 시트의 제1 단부에 인접하게 제1 분배기 핀을 배치하고, 적어도 하나의 절곡된 다공 시트의 제2 단부에 인접하게 제2 분배기 핀을 배치하며, 제1 분배기 핀에 인접하게 제1 엔드 바를 배치하고, 제2 분배기 핀에 인접하게 제2 엔드 바를 배치하는 단계;
(d) 제1 분할 시트 및 제2 분할 시트 사이에 단계(c)의 예비 플레이트 핀 유로를 배치하여 플레이트 핀 유로를 형성하는 단계;
(e) 플레이트 핀 열 교환기를 형성하기 위해 단계(d)의 플레이트 핀 유로를 다른 플레이트 핀 유로와 조합하는 단계; 및
(f) 플레이트 핀 열 교환기를 브레이징하는 단계
를 포함하는 플레이트 핀 열 교환기를 제조하는 방법.
청구항 17에 있어서, 상기 플레이트 핀 열 교환기를 제조하는 방법은 단계(b)에서 적어도 하나의 다공 시트를 절곡하기 이전에 적어도 하나의 다공 시트에 표면 텍스쳐를 적용하는 단계를 더 포함하는 플레이트 핀 열 교환기를 제조하는 방법.