KR20130114076A

KR20130114076A - 판형 열 교환기

Info

Publication number: KR20130114076A
Application number: KR1020137000429A
Authority: KR
Inventors: 토마스 달버그
Original assignee: 스웹 인터네셔널 에이비이
Priority date: 2010-07-08
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2013-10-16
Also published as: KR101803281B1; ES2550483T9; PL2591303T3; ES2550483T3; WO2012004100A1; EP2591303A1; DK2591303T5; US20130180699A1; JP2013530374A; US9389028B2; JP6018053B2; EP2591303B1; DK2591303T3; PT2591303E; CN103026166A; CN103026166B; EP2591303B9

Abstract

매질 사이의 열 교환을 위한 판형 열 교환기는 복수 개의 적층 플레이트(A, B, C, D)를 포함하고, 플레이트에는 융기(R)와 홈(G)을 포함하는 대규모 프레스 패턴이 구비됨으로써, 제1 적층 플레이트 쌍(A, B)과 제2 적층 플레이트 쌍(C, D) 사이의 공간에 매질을 위한 유로가 형성되도록 상기 제1 적층 플레이트 쌍(A, B)과 상기 제2 적층 플레이트 쌍(C, D)을 상호간에 이격시킨다. 플레이트 쌍 사이에는 대규모 프레스 패턴의 인접한 플레이트 쌍이 상호간에 접촉하는 접점이 구비된다. 제1 적층 플레이트 쌍(A, B)과 제2 적층 플레이트 쌍(C, D)의 각각을 이루는 플레이트는 융기(r)와 홈(g)을 포함하는 소규모 프레스 패턴에 의하여 상호간에 이격된다.

Description

판형 열 교환기{A PLATE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 매질 사이의 열 교환을 위한 판형 열 교환기에 관한 것으로서, 상기 열 교환기는 복수 개의 적층 플레이트를 포함하고, 상기 플레이트에는 융기(ridges)와 홈(grooves)을 포함하는 대규모 프레스 패턴(large scale pressed pattern)이 구비되며, 이는 제1 및 제2 적층 플레이트 쌍을 상호간에 이격시킴으로써 매질을 위한 유로가 상기 플레이트 쌍 사이의 공간에 형성되게 하고, 대규모 프레스 패턴의 인접한 플레이트 쌍이 상호간에 접촉하는 접점을 플레이트 쌍 사이에 제공하기 위함이다.

열 교환기는 두 매질이 상호간에 열 교환하는 다양한 응용분야에서 널리 사용되고 있다.

판형 열 교환기, 특히 브레이징 판형 열 교환기(brazed plate heat exchangers)는 수년 간 대부분의 응용분야에서 가장 효율적이고 경제적인 해법임이 입증되었다. 당해 기술분야의 숙련기술자에게 잘 알려진 것처럼, 브레이징 판형 열 교환기는 플레이트 사이에 접점을 제공하게끔 융기와 홈의 프레스 패턴이 구비되는 복수 개의 열 교환 플레이트를 포함하고, 이로 인해 인접한 플레이트를 상호간에 이격시킴으로써 플레이트 사이의 유로(interpolate flow channels)를 형성한다. 인접한 플레이트는 접점에서 상호간에 납땜된다. 대부분의 브레이징 판형 열 교환기는 "대칭적(symmetric)"이다. 즉, 대부분의 브레이징 판형 열 교환기는 모든 플레이트 사이의 유로에 대해서 동일 질량유동에 대한 동일 유동저항을 가진다.

게다가, 판형 열 교환기는 높은 압력에 잘 견디는 것으로는 알려져 있지 않다. 대부분의 열 교환기는 20 또는 30바(bars)의 설계 파열압력을 가진다. 이것은 대부분의 응용분야에서 충분하고, 특히 냉동 회로에 사용하는 경우에도 충분하지만, 이산화탄소를 냉매로 사용하는 응용분야에서 지금까지는 브레이징 판형 열 교환기가 충분히 튼튼하지는 못했다.

브레이징 판형 열 교환기의 설계 압력을 높이기 위한 노력, 예를 들어 열 교환기의 외부 가장자리에 보강 구조물을 설치하는 등 여러 가지 노력이 있었다.

수십 년간, 열 교환 플레이트의 프레스 패턴이 "좁으면(narrow)" 즉, 열 교환 플레이트의 프레스 패턴의 융기와 홈 사이의 거리를 짧게 하면 브레이징 열 교환기의 설계 압력이 증가한다는 것이 알려져 있다.

당해 기술분야의 숙련기술자에게 잘 알려진 것처럼, 대부분의 응용분야에서 모든 유로가 동일한 설계 압력을 가질 필요는 없다. 대부분의 경우에, 냉매 유로는 훨씬 높은 설계 압력을 요한다. 냉매와 열 교환하는 매질을 위한 유로가 높은 설계 압력을 가지게 하는 것은 종종 피할 수 없지만, 무의미하다. 그와 반대로, 상기 매질을 위한 유로가 높은 설계 압력을 가지는 것은 종종 이롭지 못하다. 높은 설계 압력을 가지면서, 플레이트 사이의 접점은 높은 표면 밀도를 가지고 플레이트 사이의 거리는 짧아지기 때문에 압력 강하가 증가하게 된다.

공지의 열 교환기에서의 다른 문제점은 같은 길이의 유로를 가진다는 것이다. 이는 열 전달 관점에서 보면 매우 효율적이지 않다. 예를 들어, 소금용액과 금속 사이의 열 전달율은 냉각수와 금속 사이 보다 상당히 높다. 따라서, 소금용액 유로의 길이는 일정하게 유지하는 반면, 냉각수 유로의 길이는 증가시킬 필요가 있을 것이다.

본 발명은 매질 사이의 열 교환을 위한 판형 열 교환기에서의 상술하거나 기타의 문제점들을 해결하고자 한다.

열 교환기는 복수 개의 적층 플레이트를 포함한다. 플레이트에는 융기(R)와 홈(G)을 포함하는 대규모인 제1 프레스 패턴이 구비됨으로써, 제1 적층 플레이트 쌍과 제2 적층 플레이트 쌍 사이의 공간에 제1 매질을 위한 유로가 형성되도록 상기 제1 적층 플레이트 쌍과 상기 제2 적층 플레이트 쌍을 상호간에 이격시킨다. 또한, 플레이트 쌍 사이에는 대규모 프레스 패턴의 인접한 플레이트 쌍이 상호간에 접촉하는 접점이 구비된다.

각각의 플레이트 쌍의 플레이트는 융기와 홈을 포함하는 소규모 프레스 패턴에 의하여 상호간에 이격된다.

대규모 융기(R)와 홈(G)은 열 교환 플레이트의 폭을 가로질러 비스듬히 횡단하는 길게 뻗은 융기와 홈으로 이루어질 수 있고, 플레이트 쌍은 인접하는 플레이트 쌍의 융기와 홈이 상호간에 교차함으로써 상호간에 적층된다.

다른 실시예에서, 대규모 융기와 홈은 헤링본 패턴(herringbone pattern)으로 형성될 수 있고, 인접한 플레이트 쌍의 인접한 플레이트에서의 헤링본 패턴의 정점은 반대 방향을 가리킨다.

촘촘하고 튼튼한 열 교환기가 될 수 있도록, 열 교환 플레이트는 상호간에 납땜될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 대규모 프레스 패턴에 의하여 형성되는 유로와 소규모 프레스 패턴에 의하여 형성되는 유로는 유효 길이를 달리할 수 있고, 파열 압력을 다양하게 할 수 있다.

이하에서, 본 발명은 첨부되는 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 열 교환기에 포함되는 4개의 열 교환 플레이트의 단면 사시도이다.
도 2는 도 1의 4개의 플레이트에서 임의 선택된 단면을 도시한 단면도이다.

도 1은 4개의 열 교환 플레이트(A, B, C, D)의 단면 사시도이다. 4개의 플레이트에는 열 교환 플레이트의 폭(미도시)을 비스듬히 횡단하는 융기(R)와 홈(D)으로 이루어지는 대규모 프레스 패턴(large scale pressed pattern)이 구비된다.

열 교환 플레이트(A, B)를 포함하는 열 교환 플레이트 쌍은 대규모 프레스 패턴의 융기(R)와 홈(G)이 상호간에 평행하고(parallel) 동기적으로(synchronously) 연장되도록 배치된다. 열 교환 플레이트(C, D)는 다른 열 교환 플레이트 쌍을 형성하고, 여기서 융기(R)와 홈(G)은 상호간에 평행하고 동기적으로 연장된다. 열 교환 플레이트를 적층하여 열 교환기를 형성하는 과정에서, 각각 열 교환 플레이트(A, B)와 열 교환 플레이트(C, D)로 이루어지는 2개의 열 교환 플레이트 쌍은 열 교환 플레이트(B, C)의 융기(R)와 홈(G)이 교차하여 열 교환 플레이트(B, C) 사이에 접점을 형성하도록 배치된다. 융기(R)와 홈(G) 사이의 접점은 열 교환 플레이트를 상호간 이격시킴으로써 유로(BC)를 형성한다.

모든 열 교환 플레이트(A, B, C, D)에는 융기(r)와 홈(g)을 포함하는 소규모 프레스 패턴(small-scale pressed pattern)도 구비된다. 융기(r)와 홈(g)은 융기(R)와 홈(G)을 포함하는 대규모 프레스 패턴에 통합되고, 열 교환 플레이트(C, D) 사이에 접점을 형성하기 위해 열 교환 플레이트(D)의 홈(g)이 열 교환 플레이트(C)의 융기(r)에 교차하도록 배치되며, 그로 인해 열 교환 플레이트는 상호간에 이격되고 좁은 유로(CD)를 형성하며, 그와 동시에 접점은 후술하는 납땜 작업 후에 열 교환 플레이트가 상호간에 접합되는 연결부를 제공한다. 열 교환 플레이트(A, B)에도 소규모 홈(g)과 소규모 융기(r)가 구비되고, 그로 인해 열 교환 플레이트(A, B)는 상호간에 이격되고 좁은 유로(AB)를 형성한다.

대규모 및 소규모 프레스 패턴에 의해 구비되는 유로(AB, CD, CD)를 통해 선택적인 유체 유동을 인가하기 위하여, 포트 구멍(port openings)(미도시) 근처의 영역(미도시)은 당해 기술분야의 숙련기술자에게 공지된 방식으로 다른 높이에 구비된다.

열 교환기의 열 교환 플레이트에는 당해 기술분야의 숙련기술자에게 공지된 방식으로 인접한 열 교환 플레이트의 가장자리부와 협력하여 밀폐된 환상 가장자리부(sealed circumferential edge portion)를 형성하는 가장자리부도 구비된다.

도시된 실시예에서는 4개의 다른 종류의 열 교환 플레이트가 사용되고 있다. 포트 구멍이 동일 사이즈를 가진다면, 2개 타입의 열 교환 플레이트를 사용하는 것이 가능하지만, 4개 타입의 열 교환 플레이트를 사용함으로써, 포트 구멍이 2개의 다른 사이즈를 가지게 하는 것이 가능하다.

2개의 다른 포트 사이즈를 사용하는 것은 유익하고, 이는 홈(G)과 융기(R)를 포함하는 대규모 프레스 패턴에 의하여 형성되는 유로(BC)의 유동면적은 홈(g)과 융기(r)를 포함하는 소규모 프레스 패턴에 의하여 형성되는 유로(AB, CD)의 유동면적보다 상당히 크기 때문이다. 유로의 유동면적을 다르게 하고 포트 구멍의 사이즈를 동일하게 하면 포트 구멍이 너무 작아지거나 너무 커지게 될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 소규모 홈과 융기에 의하여 정의되는 유로에 이어지는 포트 구멍은 대규모 홈과 융기에 의하여 정의되는 유로에 이어지는 포트 구멍보다 작다.

융기(r)와 홈(g)을 가지는 소규모 프레스 패턴에 의하여 형성되는 유로(AB, CD)는 대규모 프레스 패턴에 의하여 정의되는 방식으로 완만히 굽이쳐 흐를 것이라는 것은 상술한 설명에서 알 수 있을 것이다. 이는 이러한 유로의 유효 길이는 융기(R)와 홈(G)을 포함하는 대규모 프레스 패턴에 의하여 형성되는 유로의 유효 길이와 비교하여 더 크다는 것을 의미한다.

이는 본 발명에 따른 열 교환기의 예정된 용법 중 하나 즉, 이산화탄소와 소금물 사이의 열 교환에서 매우 유용하다. 금속과 이산화탄소 사이의 열 교환율은 소금물과 금속 사이 보다 상당히 낮다는 것은 당해 기술분야의 숙련기술자에게 잘 알려져 있다. 이산화탄소를 위한 열 유로의 유효 길이를 증가시킴으로써, 열 교환기의 실제 길이를 증가시키지 않고도 열 교환기의 열 교환 능력은 상당히 증가할 것이다.

이는 여러 케이스에서 매우 유용하다는 것은 열 교환기 분야의 숙련기술자에게 잘 알려져 있다. 열 교환율은 소규모 유로를 통해 이동하는 매질에서 종종 더 낮다.

본 발명에 따른 열 교환기의 추가적인 장점은 큰 유로(BC)와 작은 유로(AB, CD)의 다양한 파열 압력 특성을 가질 수 있다는 것이다. 이는 융기(r)와 홈(g)을 상호간에 가깝게 배치함으로써 이룰 수 있다. 융기(r)와 홈(g)이 상호간에 가깝게 배치되면, 플레이트 사이에 보다 많은 접점이 형성될 것이다. 그로 인해 파열 압력은 증가할 것이다.

융기(R, r)와 홈(G, g)은 상호간에 교차하는 길게 뻗은 융기와 홈으로 상술되었다. 하지만, 본 발명의 다른 실시예들에서, 융기(R, r)와 홈(G, g)은 "딤플(dimple)" 즉, 완만한 원뿔꼴의 함몰부와 돌출부의 형상일 수 있다. 단, 프레스 패턴에서 "음각(negative)"의 프레스 성형이 없는 것이 중요하다. 즉, 프레스 패턴의 프레싱 후에 프레스 장치는 프레스 된 플레이트를 해방하여야 한다.

본 발명에 따른 열 교환기의 플레이트(A, B, C, D)는 상호간에 납땜되는 것이 바람직하지만, 가장자리부(미도시)와 포트 영역에 개스킷이 구비됨으로써 개스킷으로 밀폐된 열 교환기를 형성하는 것도 가능하다.

A, B, C, D: 열 교환 플레이트
R, r: 융기
G, g: 홈

Claims

매질 사이의 열 교환을 위한 판형 열 교환기에 있어서,
상기 열 교환기는 복수 개의 적층 플레이트(A, B, C, D)를 포함하고,
상기 플레이트에는 융기(R)와 홈(G)을 포함하는 대규모 프레스 패턴이 구비됨으로써, 제1 적층 플레이트 쌍(A, B)과 제2 적층 플레이트 쌍(C, D) 사이의 공간에 매질을 위한 유로가 형성되도록 상기 제1 적층 플레이트 쌍(A, B)과 상기 제2 적층 플레이트 쌍(C, D)을 상호간에 이격시키고, 상기 플레이트 쌍 사이에는 대규모 프레스 패턴의 인접한 플레이트 쌍이 상호간에 접촉하는 접점이 구비되며,
상기 제1 적층 플레이트 쌍(A, B)과 상기 제2 적층 플레이트 쌍(C, D)의 각각을 이루는 플레이트는 융기(r)와 홈(g)을 포함하는 소규모 프레스 패턴에 의하여 상호간에 이격되는 것을 특징으로 하는 판형 열 교환기.
제1항에 있어서,
상기 대규모 융기(R)와 홈(G)은 열 교환 플레이트의 폭을 가로질러 비스듬히 횡단하는 길게 뻗은 융기와 홈으로 이루어질 수 있고,
상기 플레이트 쌍은 인접하는 플레이트 쌍의 융기(R)와 홈(G)이 상호간에 교차함으로써 상호간에 적층되는 것을 특징으로 하는 판형 열 교환기.
제1항에 있어서,
상기 대규모 융기(R)와 홈(G)은 헤링본 패턴(herringbone pattern)으로 형성되고, 인접한 플레이트 쌍의 인접한 플레이트에서의 헤링본 패턴의 정점은 반대 방향을 가리키는 것을 특징으로 하는 판형 열 교환기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 교환 플레이트는 상호간에 납땜되는 것을 특징으로 하는 판형 열 교환기.