KR20180050843A - 판형 열교환기 - Google Patents

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KR20180050843A
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이상용
고광옥
김택근
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 판형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제1열교환매체가 유입 및 배출되되, 제1열교환매체와 열 교환되는 제2열교환매체와 제3열교환매체가 유동하는 열교환매체 유로를 단수의 플레이트를 이용하여 서로 분리함으로써, 제한된 공간 내에서 3종류의 열교환매체의 열관리가 가능할 뿐만 아니라, 제한된 공간 내에서 적어도 둘 이상의 열교환매체의 열 교환을 수행할 수 있는 판형 열교환기에 관한 것이다.

Description

판형 열교환기{Plate Type Heat Exchanger}
본 발명은 판형 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제1열교환매체가 유입 및 배출되되, 제1열교환매체와 열 교환되는 제2열교환매체와 제3열교환매체가 유동하는 열교환매체 유로를 단수의 플레이트를 이용하여 서로 분리함으로써, 제한된 공간 내에서 열교환매체의 열관리가 가능한 판형 열교환기에 관한 것이다.
자동차 산업은 전 세계적으로 환경과 에너지에 대한 관심이 높아짐에 따라 연비 개선을 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 연비 개선을 위한 경량화, 소형화 및 고기능화를 위한 연구 개발이 꾸준히 이루어지고 있다.
특히, 차량의 공조시스템에 있어서, 엔진룸 내부에는 충분한 공간을 확보하기 어렵기 때문에 공조시스템을 구성하는 열교환기 등의 구성은 소형이면서도 효율을 높일 수 있는 기능이 요구되고 있다.
도 1은 종래의 판형 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 판형 열교환기는 제1열교환매체가 유입되는 제1입구파이프(10)와 배출되는 제2출구파이프(미도시), 제2열교환매체가 유입되는 제2입구파이프(30)와 배출되는 제2출구파이프(미도시) 및 복수 적층되어 각각 제1열교환매체와 제2열교환매체가 교대로 유동되는 제1유동부(51) 및 제2유동부(52)를 형성하는 플레이트(50)를 포함한다.
한편, 최근 하이브리드 타입 또는 새로운 장치의 이용 등에 따라 추가적으로 열교환매체를 냉각할 필요가 있으므로, 별도의 열교환기를 장착하거나 3종류의 열교환매체를 열 교환하기 위한 방안이 연구되고 있다.
도 2는 상술된 예의 열교환기를 나타낸 도면으로, 하나의 플레이트에 6개의 홀이 형성되고, 각각의 플레이트가 형성하는 공간에 선택적으로 제1열교환매체, 제2열교환매체 및 제3열교환매체가 유동되도록 한다.
좀 더 상세하게는 도 2의 (A)에는 제1열교환매체가 유동되는 공간을 도시하였고, 도 2의 (B)에는 제2열교환매체가 유동되는 공간을 도시하였으며, 도 2의 (C)에는 제3열교환매체가 유동되는 공간을 도시하였다.
도 2에 도시된 판형 열교환기는 별도의 열교환기를 추가할 필요 없이 3종류의 열교환매체를 열 교환할 수 있는 장점이 있다.
그러나 단일 플레이트에 3종류의 열교환매체가 유동되기 위한 6개의 홀이 형성되어야 하므로, 형성된 홀의 면적만큼 열교환매체가 유동하면서 열 교환되기 위한 면적이 줄어드는 문제점이 있다.
또한, 플레이트의 형상이 복잡해지므로 플레이트 내부 유로간의 접합 및 실링을 해야 하는 영역이 커져 내구성이 저하되는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 내부의 리크(leak) 발생 시 검출이 어렵고 3종류의 열교환매체가 혼합될 수 있는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1338441호
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 제1열교환매체가 유입 및 배출되되, 제1열교환매체와 열 교환되는 제2열교환매체와 제3열교환매체가 유동하는 열교환매체 유로를 단수의 플레이트를 이용하여 서로 분리함으로써, 제한된 공간 내에서 열교환매체의 열관리가 가능한 판형 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 판형 열교환기는 제1열교환매체가 유입되는 제1유입파이프 및 배출되는 제1배출파이프와 연통되도록 각각 중공되는 제1연통홀과 제2연통홀 및 제2열교환매체가 유입되는 제2유입파이프 및 배출되는 제2배출파이프와 상부로부터 연통되도록 각각 중공되는 제3연통홀과 제4연통홀을 포함하는 제1플레이트를 포함하되, 상기 제1플레이트가 복수 적층되어 각각 제1열교환매체 및 제2열교환매체가 교대로 유동되는 제1유동부 및 제2유동부를 형성하는 제1플레이트부; 상기 제1연통홀 및 제2연통홀과 연통되도록 각각 중공되는 제5연통홀과 제6연통홀 및 제3열교환매체가 유입되는 제3유입파이프 및 배출되는 제3배출파이프와 하부로부터 연통되도록 각각 중공되는 제7연통홀과 제8연통홀이 형성되는 제2플레이트를 포함하되, 상기 제2플레이트가 상기 제1플레이트부 하부에 복수 적층되어 제1열교환매체 및 제3열교환매체가 교대로 유동되는 제3유동부 및 제4유동부를 형성하는 제2플레이트부; 및 상기 제1플레이트부와 제2플레이트부 사이에 형성되어 제1열교환매체는 통과시키되, 제2열교환매체와 제3열교환매체의 유동을 우회시키는 우회플레이트;를 포함한다.
또한, 상기 우회플레이트는 상기 제1연통홀과 제5연통홀이 연통되도록 중공되는 제1관통홀과, 상기 제2연통홀과 제6연통홀이 연통되도록 중공되는 제2관통홀을 포함하는 제1열교환매체관로부; 및 상기 제3연통홀과 제7연통홀 및 제4연통홀과 제8연통홀을 서로 차단하여 제2열교환매체와 제3열교환매체를 우회시키는 우회부;를 포함한다.
또한, 상기 우회부는 제2열교환매체의 유동 방향을 전환시키도록 하부방향으로 절곡되어 형성되는 제2열교환매체우회로와, 제3열교환매체의 유동 방향을 전환시키도록 2열교환매체우회부로부터 상부방향으로 절곡되어 형성되는 제3열교환매체우회로를 포함한다.
또한, 상기 판형 열교환기는 상기 제1연통홀과 제5연통홀, 제2연통홀과 제6연통홀, 제3연통홀과 제7연통홀 및 제4연통홀과 제8연통홀이 각각 동일한 위치에 형성된다.
또한, 상기 판형 열교환기는 상기 제1플레이트부와 제2플레이트부로 유입 및 배출되는 제1열교환매체, 제2열교환매체 및 제3열교환매체를 각각 제어하는 입출력포트를 더 포함한다.
본 발명에 따른 판형 열교환기는 단수의 플레이트를 이용하여 제2열교환매체 유로와 제3열교환매체 유로를 서로 분리함으로써, 제한된 공간 내에서 열교환매체의 열관리가 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 판형 열교환기는 종래의 판형 열교환기에 비해 열 교환되기 위한 열교환매체의 수가 증가하더라도 열 교환 유효 면적에는 차이가 없는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 판형 열교환기는 다수의 열교환매체에 대해 열교환매체가 연통되는 연통홀의 위차가 동일한 플레이트를 공용으로 사용할 수 있으므로, 플레이트의 취급 및 제작이 용이한 장점이 있다.
도 1은 종래의 다수의 열교환매체를 열 교환하는 판형 열교환기를 나타낸 도면.
도 2는 종래의 다수의 열교환매체를 열 교환하는 판형 열교환기를 나타낸 또 다른 도면.
도 3은 본 발명에 따른 판형 열교환기를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 판형 열교환기를 나타낸 또 다른 도면.
도 5는 본 발명에 따른 판형 열교환기의 우회플레이트를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 판형 열교환기의 제1열교환매체 유동의 실시예를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 판형 열교환기의 제2열교환매체 및 제3열교환매체 유동의 실시예를 나타낸 도면.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 판형 열교환기를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 3 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 판형 열교환기는 크게 판형 플레이트가 적층되어 형성되는 제1플레이트부(100)와, 상기 제1플레이트부(100) 하부에 판형 플레이트가 적층되어 형성되는 제2플레이트부(200) 및 상기 제1플레이트부(100)와 제2플레이트부(200) 사이에 형성되는 우회플레이트(300)를 포함하여 형성된다.
상기 제1플레이트부(100)는 판형의 제1플레이트(110)가 복수 적층되어 제1열교환매체 및 제2열교환매체가 교대로 유동하며 열 교환되며, 상기 제2플레이트부(200)는 판형의 제2플레이트(210)가 상기 제1플레이트부(100) 하부에 복수 적층되어 제1열교환매체와 제3열교환매체가 교대로 유동하며 열 교환된다.
상기 우회플레이트(300)는 판형의 단수 플레이트로서, 상기 제1플레이트부(100)와 제2플레이트부(200) 사이에 형성되며, 제1열교환매체는 통과시켜 상기 제1플레이트부(100)와 제2플레이트부(200) 모두 유동 가능하게 하되, 제2열교환매체와 제3열교환매체는 서로 차단되도록 우회시킴으로써, 제2열교환매체와 제3열교환매체가 혼합되는 것을 방지한다.
즉, 본 발명에 따른 판형 열교환기는 제1플레이트부(100)와 제2플레이트부(200) 및 우회플레이트(300)로 구성되는 하나의 판형 열교환기이되, 단수의 플레이트를 이용하여 제2열교환매체와 제3열교환매체가 서로 독립적으로 열 교환하도록 할 수 있다.
상술된 제1플레이트부(100)와 제2플레이트부(200)를 형성하도록 적층되는 제1플레이트(110)와 제2플레이트(120)를 좀 더 상세하게 설명한다.
적층되어 상기 제1플레이트부(100)를 형성하는 제1플레이트(110)는 제1열교환매체가 유입되는 제1유입파이프(410) 및 제1열교환매체가 배출되는 제1배출파이프(420)와 연통되도록 각각 중공되는 제1연통홀(111)과 제2연통홀(112)을 포함한다.
이와 더불어, 상기 제1플레이트(110)는 제2열교환매체가 유입되는 제2유입파이프(430) 및 제2열교환매체가 배출되는 제2배출파이프(440)와 상부로부터 연통되도록 각각 중공되는 제3연통홀(113)과 제4연통홀(114)을 포함한다.
상술된 구성을 가지는 제1플레이트(110)는 복수 적층되어 각각 제1열교환매체 및 제2열교환매체가 교대로 유동되는 제1유동부(150) 및 제2유동부(160)를 형성하며, 제1열교환매체와 제2열교환매체가 상기 제1유동부(150) 및 제2유동부(160)를 유동하며 열 교환된다.
적층되어 상기 제2플레이트부(200)를 형성하는 제2플레이트(210)는 상기 제1연통홀(111) 및 제2연통홀(112)과 연통되도록 각각 중공되어 형성되는 제5연통홀(211)과 제6연통(212)홀을 포함한다.
이와 더불어, 상기 제2플레이트(210)는 제3열교환매체가 유입되는 제3유입파이프(450) 및 제3열교환매체가 배출되는 배출파이프(460)와 하부로부터 연통되도록 각각 중공되는 제7연통홀(213)과 제8연통홀(214)을 포함한다.
상술된 구성을 가지는 제2플레이트(210)는 상기 제1플레이트부(100) 하부에 복수 적층되어 각각 제1열교환매체 및 제3열교환매체가 교대로 유동되는 제3유동부(250) 및 제4유동부(360)를 형성하며, 제1열교환매체와 제3열교환매체가 상기 제3유동부(250) 및 제4유동부(360)를 유동하며 열 교환된다.
이때, 상술된 상부와 하부는 제1플레이트부(100)의 상부에 형성되는 제2유입파이프(430) 및 제2배출파이프(440)를 통해 유입 및 배출되는 제2열교환매체와 제2플레이트부(200)의 하부에 형성되는 제3유입파이프(450) 및 제3배출파이프(460)를 통해 유입 및 배출되는 제3열교환매체가 서로 반대 방향에서 유입 및 배출되는 것을 표현하기 위한 도면에 도시된 방향으로서 한정하지 않으며, 제1열교환매체는 제1플레이트부(100)와 제2플레이트부(200) 모두 유동 가능하므로, 제1열교환매체가 유입 및 배출되는 제1유입파이프(410)와 제1배출파이프(420)는 판형 열교환기의 상부 또는 하부 중 선택되는 곳에 형성될 수 있다.
상기 우회플레이트(300)는 제1플레이트부(100)와 제2플레이트(200) 사이에 형성되며, 제1열교환매체는 제1플레이트(100)와 제2플레이트부(200)로 유동 가능하도록 통과시키되, 제2열교환매체와 제3열교환매체의 유동은 서로 우회시키도록 형성된다.
좀 더 상세하게는, 상기 우회플레이트(300)는 단수의 판형 플레이트로 형성되며, 제1플레이트(110)의 제1연통홀(111)과 제2플레이트(210)의 제5연통홀(211)이 서로 연통되도록 중공되는 제1관통홀(311)과, 제1플레이트(100)의 제2연통홀(112)과 제2플레이트(210)의 제6연통홀(212)이 서로 연통되도록 중공되는 제2관통홀(312)을 포함하는 제1열교환매체관로부(310)를 포함한다.
상기 제1관통홀(311)과 제2관통홀(312)은 제1열교환매체를 제1플레이트부(100)와 제2플레이트부(200) 사이를 유동되도록 관로 형상으로 형성되는 것이 바람직하나, 한정하지 않는다.
이와 더불어, 상기 우회플레이트(300)는 제1플레이트(110)의 제3연통홀(113)과 제2플레이트(210)의 제7연통홀(213) 및 제1플레이트(110)의 제4연통홀(114)과 제2플레이트(210)의 제8연통홀(214)을 차단하여 제2열교환매체 및 제3열교환매체를 우회시키는 우회부(320)를 포함한다.
이때, 상기 우회부(320)는 제2열교환매체의 유동 방향을 우회시키도록 하부방향으로 절곡되어 형성되는 제2열교환매체우회로(321)와, 제3열교환매체의 유동 방향을 우회시키도록 상부방향으로 절곡되어 형성되는 제3열교환매체유회로(322)로 형성될 수 있다.
즉, 상기 우회부(320)는 제2열교환매체와 제3열교환매체를 우회시키기 위한 각각의 구성이 필요하지 않고, 단수의 플레이트를 절곡하여 제2열교환매체와 제3열교환매체를 각각 우회시키는 제2열교환매체우회로(321) 및 제3열교환매체우회로(322)를 형성함으로써, 우회플레이트(300)를 용이하게 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 단수의 플레이트를 이용하여 3종류의 열교환매체를 통과시키거나 우회시킬 수 있으므로, 판형 플레이트의 높이를 최소화할 수 있다.
아울러, 제2열교환매체유로(321)와 제3열교환매체유로(322)는 절곡되어 우회로를 형성하되, 제2열교환매체와 제3열교환매체를 우회시키고자 하는 방향으로 경사를 가지도록 절곡되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 제2열교환매체유로(321)와 제3열교환매체유로(322)는 우회시키고자 하는 방향으로 경사를 가지도록 형성됨으로써, 제2열교환매체와 제3열교환매체의 유동하는 유동로에 사각지대가 발생하는 것을 억제하여 안정적인 유동이 가능하게 하며, 열 교환 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
아울러, 본 발명에 따른 판형 플레이트는 상술된 구성을 가짐으로써, 상기 제1연통홀(111)과 제5연통홀(211), 제2연통홀(112)과 제6연통홀(212), 제3연통홀(113)과 제7연통홀(213) 및 제4연통홀(114)과 제8연통홀(214)은 서로 동일한 위치에 형성되도록 제1플레이트(110)와 제2플레이트(210)를 제작할 수 있다.
즉, 본 발명에 다른 판형 열교환기는 제1플레이트의 제3연통홀(113)과 제7연통홀(213) 및 제4연통홀(114)과 제8연통홀(214)의 위치가 서로 동일하더라도, 상기 우회플레이트(300)에 의해 제2열교환매체와 제3열교환매체가 혼합되는 것을 방지할 수 있으므로, 이는 연통홀의 위치가 동일한 제1플레이트(110) 및 제2플레이트(210)를 형성할 수 있다.
즉, 하나의 플레이트 제조 공정을 통해 제1플레이트(110)와 제2플레이트(210)를 형성하고, 단수의 우회플레이트(300)를 이용하여 제2열교환매체 및 제3열교환매체를 제어할 수 있으므로, 제1플레이트(110)와 제2플레이트(210)를 별도로 제조하기 위한 추가적인 제작비용이 발생하지 않는 장점이 있다.
또한, 4개의 연통홀을 가지는 플레이트를 이용하여 제1플레이트부(100)와 제2플레이트부(200)를 형성하되, 상기 우회플레이트(300)를 이용하여 제2열교환매체 및 제3열교환매체를 제어할 수 있으므로, 열 교환되기 위한 열교환매체의 수에 따라 6개로 형성되는 판형 플레이트에 비해, 4개의 연통홀만을 포함하여 열 교환 면적이 줄어드는 문제가 발생하지 않아 열 교환 효율이 증대되는 장점이 있다.
본 발명에 따른 판형 열교환기는 유입되는 제1열교환매체와 제2열교환매체 및 제3열교환매체와 열 교환되는 판형 열교환기로서, 제2열교환매체와 제3열교환매체는 서로 다른 압력과 온도를 가지므로, 이를 제어해야 함은 물론이다.
이를 위해 상기 제1플레이트부와 제2플레이트부는 각각의 입출력포트를 구비함으로써, 제2열교환매체 및 제3열교환매체가 우회되어 제1열교환매체와 열 교환되는 효율을 높이는 것이 바람직하다.
100 : 제1플레이트부
110 : 제1플레이트
111 : 제1연통홀 112 : 제2연통홀
113 : 제3연통홀 114 : 제4연통홀
150 : 제1유동부 160 : 제2유동부
200 : 제2플레이트부
210 : 제2플레이트
211 : 제5연통홀 212 : 제6연통홀
213 : 제7연통홀 214 : 제8연통홀
250 : 제3유동부 260 : 제4유동부
300 : 우회플레이트
310 : 제1열교환매체통과부
311 : 제1관통홀 312 : 제2관통홀
320 : 우회부
321 : 제2열교환매체우회로 321 : 제3열교환매체우회로
410 : 제1유입파이프 420 : 제1배출파이프
430 : 제2유입파이프 440 : 제2배출파이프
450 : 제3유입파이프 460 : 제3배출파이프

Claims (5)

  1. 제1열교환매체가 유입되는 제1유입파이프(410) 및 배출되는 제1배출파이프(420)와 연통되도록 각각 중공되는 제1연통홀(111)과 제2연통홀(112) 및 제2열교환매체가 유입되는 제2유입파이프(430) 및 배출되는 제2배출파이프(440)와 상부로부터 연통되도록 각각 중공되는 제3연통홀(113)과 제4연통홀(114)을 포함하는 제1플레이트(110)를 포함하되, 상기 제1플레이트(110)가 복수 적층되어 각각 제1열교환매체 및 제2열교환매체가 교대로 유동되는 제1유동부(150) 및 제2유동부(160)를 형성하는 제1플레이트부(100);
    상기 제1연통홀(111) 및 제2연통홀(112)과 연통되도록 각각 중공되는 제5연통홀(211)과 제6연통홀(212) 및 제3열교환매체가 유입되는 제3유입파이프(450) 및 배출되는 제3배출파이프(460)와 하부로부터 연통되도록 각각 중공되는 제7연통홀(213)과 제8연통홀(214)이 형성되는 제2플레이트(210)를 포함하되, 상기 제2플레이트(210)가 상기 제1플레이트부(100) 하부에 복수 적층되어 제1열교환매체 및 제3열교환매체가 교대로 유동되는 제3유동부(250) 및 제4유동부(260)를 형성하는 제2플레이트부(200); 및
    상기 제1플레이트부(100)와 제2플레이트부(200) 사이에 형성되어 제1열교환매체는 통과시키되, 제2열교환매체와 제3열교환매체의 유동을 우회시키는 우회플레이트(300);를 포함하는 판형 열교환기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 우회플레이트(300)는
    상기 제1연통홀(111)과 제5연통홀(211)이 연통되도록 중공되는 제1관통홀(311)과,
    상기 제2연통홀(112)과 제6연통홀(212)이 연통되도록 중공되는 제2관통홀(312)을 포함하는 제1열교환매체관로부(310); 및
    상기 제3연통홀(113)과 제7연통홀(213) 및 제4연통홀(114)과 제8연통홀(214)을 서로 차단하여 제2열교환매체와 제3열교환매체를 우회시키는 우회부(320);를 포함하는 판형 열교환기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 우회부는
    제2열교환매체의 유동 방향을 전환시키도록 하부방향으로 절곡되어 형성되는 제2열교환매체우회로(321)와,
    제3열교환매체의 유동 방향을 전환시키도록 2열교환매체우회부(321)로부터 상부방향으로 절곡되어 형성되는 제3열교환매체우회로(322)를 포함하는 판형 열교환기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 판형 열교환기는
    상기 제1연통홀(111)과 제5연통홀(211), 제2연통홀(112)과 제6연통홀(212), 제3연통홀(113)과 제7연통홀(213) 및 제4연통홀(114)과 제8연통홀(214)이 각각 동일한 위치에 형성되는 판형 열교환기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 판형 열교환기는
    상기 제1플레이트부(100)와 제2플레이트부(200)로 유입 및 배출되는 제1열교환매체, 제2열교환매체 및 제3열교환매체를 각각 제어하는 입출력포트를 더 포함하는 판형 열교환기.
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