KR20170059736A - 공기대 공기 대향류 열교환기 - Google Patents

Abstract

공기대 공기 대향류 열교환기가 개시된다. 본 발명에 의한 공기대 공기 열교환기는 다수의 플레이트가 순차 적층되되, 각 플레이트는 양 끝단부에 개구부가 형성된 헤더가 각각 일체로 구비되며, 상기 한 쌍의 헤더 사이에 양 측면에 측벽이 형성되는 열교환부가 구비된다. 이때, 각 열교환부의 내부에는 다수의 유로가 평행하게 배열되고, 상기 헤더는 개구부를 제외한 구간에 격벽이 형성되며, 상하로 인접한 플레이트의 서로 대향하는 유로가 접하여 채널을 형성한다. 이때, 상기 유로는 적어도 일부 구간의 단면이 긴 아랫변이 없이 개구된 정사다리꼴 형상을 가진다.

Description

공기대 공기 대향류 열교환기{Air to air counterflow heat exchanger}

본 발명은 공기대 공기 대향류 열교환기에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는 셀룰러 타입의 공기대 공기 현열 교환기로서, 응축수의 효과적인 배출과 균일한 채널 내부 압력 유지를 위한 구조를 갖는 대향류 열교환기에 관한 것이다.

WO1997002461 "Heat exchanger with improved configuration"는 도 1에 도시된 바와 같이, 대향류 구간의 양 끝단에 전이부를 거쳐 채널이 합쳐지는 삼각형상의 헤더를 갖는 대향류 열교환기의 구조를 제시한 바 있다.

WO1997002461에 의해 공지된 셀룰러 타입의 공기대 공기 열교환기는 다수의 적층된 프로파일 플레이트에 의해 상부와 하부의 채널이 구분되어 열교환이 효과적으로 이루어지며, 격벽에 의해 혼류가 방지될 수 있는 특성을 보인다.

EP0844454 "Counterflow heat exchanger"는 프로파일 플레이트의 상하에 평판을 깔아서 적층하던 방식을 개선하여, 상하 플레이트가 서로 대향함으로써 비로서 채널을 형성하는 구조를 제시하였다. 이에 의할 때 열교환 소자를 이루는 부품의 종류와 수가 줄어들어 경제성이 향상될 수 있다.

그러나, 채널의 단면이 원모양을 이루는 까닭에 현열교환기에 적용시 응축수가 장력에 의해 넓은 구간을 차지하게 되어 젖은(Wet) 구간이 크게 증가하는 문제점을 보인다.

대한민국 등록특허 10-0991946 "배기열 회수용 열교환기" 또한 원모양의 채널 단면 구조를 갖는 열교환기의 형상을 제시하고 있다.

대한민국 등록특허 10-0991946는 상하의 서로 대향하는 플레이트가 맞닿아 형성하는 채널이 직선형이 아니라 S자의 형태를 가지는 특징을 갖는데, 이 경우 구간별 내부 압력차이로 인한 정압손실이 크게 발생한다.

특히, 대향류 구간을 증가시키기 위해 헤더 부분을 짧게 설계하는 경우 특히 인접 채널간 유입기류의 압력과 속도차이로 인해 성능저하가 발생하는 문제점이 있다.

한편, 도 2는 종래 기술에 의한 열교환기의 채널의 단면 형상을 예시한다. WO1997002461는 도 2의 (a)에 예시된 바와 같은 구조를 가지는데, 많은 수의 셀룰러 타입 열교환기가 이러한 단면구조를 따른다.

상하 프로파일 사이에 평판을 적층하여 전열면을 형성함으로써 넓은 열교환 면적을 확보할 수 있지만, 앞서 살펴본 바와 같은 응축수에 의한 성능 저하가 발생한다.

특히, 열교환 면적 확보를 위하여 채널을 촘촘하게 구성하는 경우 응축수에 의한 젖은(Wet) 구간이 크게 증가하는 문제가 발생한다.

EP0844454와 대한민국 등록특허 10-0991946는 도 2의 (b)와 같은 단면 구조를 가지는데, 위에서 살펴본 바와 같이 응축수가 모이지 않고 퍼져서 넓은 면적을 차지하기 때문에 현열교환기로는 적절하지 못한 형상이라 할 수 있다.

1. WO1997002461 "Heat exchanger with improved configuration" 2. EP0844454 "Counterflow heat exchanger" 3. 대한민국 등록특허 10-0991946 "배기열 회수용 열교환기"

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 개발된 것으로, 정압손실을 최소화함으로써 열교환 성능 저하를 막기 위한 열교환기의 채널구조의 제공을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 응축수에 의한 젖은 구간을 최소화하기 위한 채널구조의 제공에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 공기대 공기 대향류 열교환기는 다수의 플레이트가 순차 적층되되, 각 플레이트는 양 끝단부에 개구부가 형성된 헤더가 각각 일체로 구비되며, 상기 한 쌍의 헤더 사이에 양 측면에 측벽이 형성되는 열교환부가 구비되는 구조를 갖는다.

이때, 각 열교환부의 내부에는 일체로 형성된 다수의 유로가 평행하게 배열된다.

상기 헤더는 개구부를 제외한 구간에 격벽이 형성되며, 상하로 인접한 플레이트의 서로 대향하는 유로가 접하여 채널을 형성하고, 상하로 인접한 플레이트의 개구부는 서로 반대측 방향에 구비된다.

이때, 상기 유로는 적어도 일부 구간의 단면이 긴 아랫변이 없이 개구된 정사다리꼴 형상을 갖는다.

한편, 각 유로는 일정한 진폭을 갖는 사인파형의 형상을 이룬다.

상하로 인접한 두 플레이트의 유로는 상호 밀착되어 지지되되, 파동의 시작 위치가 서로 상이한 사인파형의 형상을 갖는다.

한편, 상기 헤더는 끝 단에 상기 유로의 진행방향과 직교방향으로 단부 격벽이 형성되되, 상기 단부 격벽으로부터 일측 측벽을 잇는 사선 격벽이 일체로 더 형성된다.

반면, 상기 단부 격벽으로부터 타측의 측벽까지는 개구되는 개구부가 형성되어 기류의 유입과 유출이 가능하게 한다.

한편, 각 플레이트는 열교환부와 사선 격벽이 이루는 각도와, 열교환부와 개구부(113, 213)가 이루는 각도가 서로 동일한데, 바람직하게는 40도내지 50도의 각도를 갖는다.

상하 인접한 각 플레이트는 접촉면이 본딩되어 순차 적층되는 구조를 갖는다.

한편, 각 플레이트의 유로 단면은 정사다리꼴의 윗변에 해당하는 평탄부와 상기 평탄부 좌우의 변인 경사부로 이루어지는데, 평탄부의 길이는 바람직하게는 경사부 길이의 20% 미만으로 짧게 설계함이 바람직하다.

본 발명에 의할 때, 헤더를 지나 대향류 구간으로 유입된 기류가 채널 내에서 확산될 수 있도록 함으로써 정압손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 상하단이 잘린 마름모꼴의 육면체 단면구조를 채택함으로써 역삼각형 형태와 비교할 때 응축수에 의해 젖은 구간을 최소화하며, 중력방향에 수직으로 설치되는 경우 모서리 부분에 응축수가 모이도록 함으로써 젖은 구간을 최소화하는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 의한 공기대 공기 대향류 열교환기의 구조를 예시하는 도면,
도 2는 종래기술에 의한 공기대 공기 대향류 열교환기의 채널 형상을 예시하는 도면,
도 3은 본 발명에 의한 공기대 공기 대향류 열교환기의 플레이트의 형상을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명에 의한 공기대 공기 대향류 열교환기의 외형을 예시하는 도면,
도 5는 인접한 상하 플레이트의 유로의 구조를 비교한 도면,
도 6은 구간에 따른 채널의 단면 구조를 설명하는 도면,
도 7은 삼각형 채널구조와 열교환 면적을 비교한 도면,
도 8은 응축수 발생 구간을 설명하는 도면이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하되, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭함을 전제하여 설명하기로 한다.

발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

도 3은 본 발명에 의한 공기대 공기 대향류 열교환기의 플레이트의 형상을 도시하는 도면이며, 도 4는 본 발명에 의한 공기대 공기 대향류 열교환기의 외형을 예시하는 도면이다.

본 발명에 의한 공기대 공기 대향류 열교환기는 도 3에 예시된 바와 같은 다수의 플레이트(100, 200)가 순차 적층됨으로써 제조된다.

플레이트(100, 200)는 서로 다른 적어도 두 종류의 플레이트(100, 200)를 포함한다.

각 플레이트(100, 200)는 기본적으로 같은 구조를 가지나, 기류의 유입방향과 토출방향이 서로 반대이며, 후술하는 바와 같이 유로의 형상이 서로 다르다.

도 3에서는 두 종류의 플레이트 가운데 어느 하나인 제1 플레이트(100)를 예를들어 설명한다.

도 3에 예시된 바에 의할 때, 제1 플레이트(100)는 양 끝단부에 헤더(110)가 구비되며, 한 쌍의 헤더(110) 사이에 열교환부(120)가 구비된다.

헤더(110)는 기류가 유입되거나 유출되는 통로에 해당하며, 어느 한쪽으로 유입되어 열교환부(120)를 경유하여 열교환이 이루어진 다음 다른 쪽으로 토출된다.

제1 플레이트(100)와 다른 종류의 플레이트인 제2 플레이트(200)들은 순차 적층되는데, 접촉면이 본딩되어 적층됨으로써 본 발명에 의한 공기대 공기 열교환기를 이룰 수 있다.

이를 위해 플레이트(100, 200)의 가장자리를 따라 내측방향으로 수평으로 연장부(미도시)를 형성함으로써 본딩처리가 가능하도록 설계할 수 있다.

종래기술에 의할 때, 제조 공정의 측면에서는 고주파 융착 방식에 의하여 적층을 해야 했기 때문에 공정이 복잡했을 뿐만 아니라, 상하의 채널이 동일한 형상을 가지기 때문에 매 층마다 필름막을 넣어서 적층해야 하는 비경제를 초래하였다.

그러나, 도 3에 예시된 바와 같은 구조를 갖는 두 종류의 플레이트(100, 200)를 이용함으로써 각 플레이트(100, 200)의 상단면에 접착제를 롤링하거나 노포한 다음 간단히 적층하는 것만으로도 열교환 소자의 제조가 가능해진다.

특히, 후술하는 바와 같이 채널의 단면 구조를 사다리꼴의 형태로 함으로써, 사다리꼴의 윗면에 해당하는 평탄부(1211, 2211)가 인접하는 상하 플레이트(100, 200)의 대응하는 채널의 경사부(1212, 2212) 사이의 아랫면과 접촉하여 상호 지지하는 구조를 갖게 된다.

즉, 매 층마다 필름막을 추가하지 않고서도 다수의 플레이트(100, 200)들을 본딩 방식에 의하여 적층하는 것이 가능해지며, 충분한 강성을 가질 수 있게 된다.

한편, 누기를 방지하기 위하여 열교환부(120)의 양 측면에는 측벽(122, 222)이 형성된다.

종래기술에 의할 때 헤더는 통상 삼각형의 형상을 가진다. 본 발명에서는 헤더(100)는 바람직하게는 정사다리꼴의 형상을 가진다.

종래기술과 마찬가지로 삼각형의 형상을 가지는 것을 배제하지 않으나, 열교환 면적을 극대화하기 위하여 채널의 길이를 길게 설계할 경우 헤더(100) 부분으로 할애되는 공간이 줄어들게 되며, 기류의 유입각도나 토출각도가 커지게 되는 문제점이 발생한다.

즉, 열교환부(120)에 접한 부위를 밑변이라고 할 때, 헤더의 평면 형상이 정삼각형이 아니라 좌우 하단 내각이 45도에 못미치는 높이가 낮은 삼각형의 형상에 가깝게 되기 때문에 정압손실이 발생할 수 있으며, 이를 피하기 위해서는 설치 방향에 제약을 가지게 된다.

따라서, 본 발명은 헤더(100)의 평면 구조가 정사다리꼴의 형상을 가지도록 함으로써 양측 끝단에 수직으로 세워진 단부 격벽(112)으로부터 열교환부(120)의 양측 측벽(122)으로 이어지는 각도가 약 45도에 가깝도록 설계하는 것을 가능하게 한다.

바람직하게는 40도 내지 50도 사이의 각도를 이루도록 설계함으로써 기류의 유입 및 토출각도가 완만하게 유지되도록 한다.

한편, 헤더(100) 양측 끝단의 단부 격벽(112)은 바람직하게는 유로(121)의 진행방향과 직교방향이며, 단부 격벽(112)으로부터 어느 한 쪽의 측벽(122)으로 이어지는 구간에는 사선 격벽(111)이 일체로 더 형성된다.

단부 격벽(112)과 사선 격벽(111)의 높이는 동일하며, 다른 쪽의 측벽(122)으로 이어지는 구간은 기류의 유입과 토출이 가능하도록 개구되어 개구부(113)가 형성된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 열교환부(120)의 내부에는 다수의 유로(121)가 평행하게 배열된다.

플레이트(100)는 바람직하게는 단일의 판재(바람직하게는 폴리머 계열의 소재)를 가공함으로써 제조되며, 다수의 유로(121)는 판재가 가공되어 아래 위로 돌출됨으로써 형성된 부분을 지칭한다.

상하로 인접한 제1 플레이트(100)의 유로(121)와 제2 플레이트(200)의 유로(221)는 상호간에 접하여 채널(300)을 형성한다.

도 5는 인접한 상하 플레이트의 유로의 구조를 비교한 도면이며, 도 6은 구간에 따른 채널의 단면 구조를 설명하는 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(100)의 유로(121)와 제2 플레이트(200)의 유로(221)는 각각 사인(sine) 파형에 가까운 평면형상을 가진다.

즉, 유로(121, 221)는 열교환부(120, 220)의 길이 방향을 따라서 일정한 파장과 진폭을 갖는 사인파형의 모양으로 길게 연장되는 구조를 가지며, 다수의 유로(121, 221)가 평행하게 배열되는 구조를 갖는다.

이때, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(100)의 유로(121)와 제2 플레이트(200)의 유로(221)는 바람직하게는 파동의 시작 위치가 서로 상이한 사인파형의 평면 형상을 갖는다.

즉, 전구간에 걸쳐서 서로 대칭되는 것이 아니라 반 파장 가량 차이를 둠으로써 서로 엇갈리는 형태를 가지게 된다.

도 6의 (a)는 도 5의 a-a'구간 단면도에 해당한다. 서로 엇갈리게 진행하는 제1 플레이트(100)의 유로(121)와 제2 플레이트(200)의 유로(221)는 반 파장마다 한번씩 만나게 되며 도 6의 (a)에 예시된 바와 같은 단면을 이룬다.

채널(300)은 제1 플레이트(100)의 유로(121)와 제2 플레이트(200)의 유로(221) 사이의 공간에 해당하며, 도 6의 (a)에서는 다수개의 서로 분리된 채널(300)이 존재하는 것처럼 보인다.

그러나, 나머지 구간에서는 도 6의 (b)에 예시된 바와 같이 제1 플레이트(100)의 유로(121)와 제2 플레이트(200)의 유로(221)가 서로 엇갈리면서 공간이 서로 이어지게 된다.

채널(300)을 통과하는 기류는 이어진 공간을 통해 확산될 수 있으며, 이에 따라 유입기류의 구간별 압력차에 의한 정압손실이 개선된다.

한편, 도 2에 예시된 바와 같은 공지의 열교환기는 채널의 단면이 삼각형 또는 원형을 가지는 것이 일반적이며, 응축수가 장력에 의해 넓은 구간을 차지하는 문제점을 살펴본 바와 같다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 제1 플레이트(100)의 유로(121)와 제2 플레이트(200)의 유로(221)의 단면이 각각 아랫변이 개구된 정사다리꼴 형상으로 설계한다.

도 7은 삼각형 채널구조와 열교환 면적을 비교한 도면이다.

도 7에 점선으로 표시된 부분은 전열면을 가상으로 표시한 것에 해당한다. 점선으로 표시된 부분에 전열면을 적층하는 경우 열교환 면적이 증가하지만 정압손실과 응축수에 의한 성능 저하의 문제점이 발생하기 때문에 점선으로 표시된 전열면을 제거하고 단면을 아랫변이 없는 정사다리꼴의 형상으로 한 것이다.

전열면의 부재로 인한 열교환 면적의 축소를 보상하기 위하여 각 플레이트(100, 200)의 유로(121, 221)를 촘촘하게 설계할 수 있다.

즉, 정사다리꼴의 윗변에 해당하는 평탄부(1211, 2211)와 상기 평탄부(1211, 2211) 좌우의 변인 경사부(1212, 2212)의 비율을 1 : 5 이내로, 즉 평탄부(1211, 2211)의 길이가 경사부(1212, 2212) 길이의 20% 미만이 되도록 설계하되, 양쪽 경사부(1212, 2212) 사이의 예각이 40도 미만으로 설계함으로써 열교환 면적을 충분히 확대하는 것이 가능할 뿐 아니라, 후술하는 바와 같이 응축수에 의한 젖은(Wet) 구간 증가의 문제 해소가 가능하다.

도 8의 (a)는 본 발명에 의한 열교환기가 수평으로 설치되어 응축수가 중력에 의해 채널의 저면부위에 응집된 모습을 예시한다.

채널의 단면이 역삼각형 모양인 경우에 비해 응축수가 옆으로 퍼지기 때문에 젖은(Wet) 구간의 면적이 크게 줄어들게 된다.

한편, 도 8의 (b)는 본 발명에 의한 열교환기가 수직으로 설치되어 응축수가 각 모서리 부위를 따라 저면을 향해 이송되는 모습을 예시한다. 모서리의 수가 많을 뿐 아니라 날카로운 예각이 없기 때문에 응축수의 응집력에 의해 젖은 구간이 늘어나는 것을 방지할 수 있다.

상기에서는 제1 플레이트(100)를 기준으로 설명하였으나, 교차 적층 되는 제2 플레이트(200) 또한 기본적으로 같은 구조를 갖는다.

제1 플레이트(100)에 대응되는 위치에 한 쌍의 제2 헤더(210)와 제2 열교환부(220)가 구비된다.

제2 헤더(210)는 제2 단부 격벽(212)의 일측에 제2 사선 격벽(211), 반대측에 제2 개구부(213)를 구비하며, 제2 열교환부(220)는 양측에 세로로 세워진 제2 측벽(222)을 가지며, 내부에 다수의 제2 유로(221)를 갖는다.

다만, 제1 플레이트(100)와 제2 플레이트(200)는 도 4에 도시된 바와 같이 개구부(113, 213)의 위치가 서로 반대이며, 유로(121, 221)가 서로 대향하여 마주보는 형상을 갖는다.

한편, 유로(121, 221)는 사인파형의 평면 형상을 가지되, 바람직하게는 반파장 가랑 차이가 나도록 서로 엇갈리도록 구성된다.

이상 몇 가지의 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상을 살펴보았다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 상기 살펴본 실시예를 다양하게 변형하거나 변경할 수 있음은 자명하다. 또한, 비록 명시적으로 도시되거나 설명되지 아니하였다 하여도 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 본 발명에 의한 기술적 사상을 포함하는 다양한 형태의 변형을 할 수 있음은 자명하며, 이는 여전히 본 발명의 권리범위에 속한다. 첨부하는 도면을 참조하여 설명된 상기의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 기술된 것이며 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예에 국한되지 아니한다.

본 발명은 열교환기 기술분야에 적용될 수 있다.

1 : 응축수
100 : 제1 플레이트
110 : 제1 헤더
111 : 제1 사선 격벽 112 : 제1 단부 격벽
113 : 제1 개구부
120 : 제1 열교환부
121 : 제1 유로
1211 : 제1 평탄부 1212 : 제1 경사부
122 : 제1 측벽
200 : 제2 플레이트
210 : 제2 헤더
211 : 제2 사선 격벽 212 : 제2 단부 격벽
213 : 제2 개구부
220 : 제2 열교환부
221 : 제2 유로
2211 : 제2 평탄부 2212 : 제2 경사부
222 : 제2 측벽
300 : 채널

Claims (7)

1. 다수의 플레이트(100, 200)가 순차 적층되되, 각 플레이트는 양 끝단부에 개구부(113,213)가 형성된 헤더(110,210)가 각각 일체로 구비되며, 상기 한 쌍의 헤더(110,210) 사이에 양 측면에 측벽(122, 222)이 형성되는 열교환부(120, 220)가 구비되며, 각 열교환부(120, 220)의 내부에는 다수의 유로(121,221)가 평행하게 배열되고, 상기 헤더(110, 210)는 개구부(113, 213)을 제외한 구간에 격벽이 형성되며, 상하로 인접한 플레이트(100, 200)의 서로 대향하는 유로(121, 221)가 접하여 채널(300)을 형성하고, 상하로 인접한 플레이트(100, 200)의 개구부(113,213)는 서로 반대측 방향에 구비되는 공기대 공기 열교환기에 있어서,
   상기 유로(121, 221)는 적어도 일부 구간의 단면이 긴 아랫변이 없이 개구된 정사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 공기대 공기 대향류 열교환기.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 유로(121, 221)는 사인파형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 공기대 공기 대향류 열교환기.
3. 제2 항에 있어서,
   상하로 인접한 두 플레이트(100, 200)의 상기 유로(121, 221)는 상호 밀착되어 지지되되, 파동의 시작 위치가 서로 상이한 사인파형의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 공기대 공기 대향류 열교환기.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 헤더(110,210)는 끝 단에 상기 유로(121, 221)의 진행방향과 직교방향으로 단부 격벽(112, 212)이 형성되되, 상기 단부 격벽(112, 212)로부터 일측 측벽(122, 222)을 잇는 사선 격벽(111, 211)이 일체로 더 형성되며, 상기 단부 격벽(112, 212)로부터 타측의 측벽(122, 222)까지는 개구되는 개구부(113, 213)가 형성되는 것을 특징으로 하는 공기대 공기 대향류 열교환기.
5. 제1 항에 있어서,
   각 플레이트(100, 200)는 열교환부(120, 220)와 사선 격벽(111, 211)이 이루는 각도와, 열교환부(120, 220)와 개구부(113, 213)가 이루는 각도가 서로 동일하며, 각각 40도내지 50도인 것을 특징으로 하는 공기대 공기 대향류 열교환기.
6. 제1 항에 있어서,
   상하 인접한 각 플레이트(100, 200)는 접촉면이 본딩되어 순차 적층되는 것을 특징으로 하는 공기대 공기 대향류 열교환기.
7. 제1 항에 있어서,
   각 플레이트(100, 200)의 유로(121, 221) 단면은 정사다리꼴의 윗변에 해당하는 평탄부(1211, 2211)와 상기 평탄부(1211, 2211) 좌우의 변인 경사부(1212, 2212)로 이루어지되,
   평탄부의 길이는 경사부 길이의 20% 미만이며, 양 경사부(1212, 2212) 사이의 예각은 40도 미만인 것을 특징으로 하는 공기대 공기 대향류 열교환기.
   

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