KR20230021956A

KR20230021956A - 열 교환기

Info

Publication number: KR20230021956A
Application number: KR1020210103997A
Authority: KR
Inventors: 원지연; 김영근
Original assignee: (주)위온
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2023-02-14

Abstract

본 발명의 열 교환기는, 유체가 흐르는 튜브와, 상기 튜브가 삽입되어 고정되는 홀(hole)이 형성된 헤더 플레이트로, 상기 헤더 플레이트는: 제1 유체의 경계면을 형성하는 제1 플레이트와, 제2 유체의 경계면을 형성하는 제2 플레이트 및 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 및 상기 튜브의 외주에 위치하는 압축 실(seal)을 포함한다.

Description

열 교환기{HEAT EXCHANGER}

본 기술은 열 교환기와 관련된다.

열 교환기(heat exchanger)는 한 유체(액체, 기체)의 온도를 다른 유체로 전달하는 장치이다. 기존 열 교환기는 고온의 유체가 흐르는 관로 내에 다수의 관로를 설치하고 낮은 온도의 유체를 흘려 유체들 사이에 열 교환이 이루어지도록 한다. 두 유체들 사이의 열 교환 효율을 향상시키기 위하여 관로의 면적을 크게 형성한다. 상온 이상의 액체를 관으로 유동시키고, 관에 연결된 핀(fin)을 통하여 방열하는 구조를 가지는 라디에이터 등의 장치도 열 교환기의 범주에 속한다.

종래 기술의 열 교환기는 헤더(header)에 유체가 흐르는 관로가 삽입되는 복수의 홀(hole)들이 형성되고, 관로는 헤더 플레이트 홀에 어느 일정한 방향으로 만곡되어 형성된 플레어(flare)를 통하여 삽입된다. 튜브의 표면과 플레어 표면이 접촉함으로써 열 교환기 내부의 유체가 외부로 유출되는 것을 막는다. 그러나, 종래 기술에 의한 열 교환기는 플레어된 표면과 튜브의 표면 사이로 유체가 유출되어 퓸(fume)이 발생하고, 퓸에 의하여 헤더가 부식된다는 문제가 있었다.

본 기술로 해결하고자 하는 과제 중 하나는 상기한 종래 기술의 난점을 해소하기 위한 것이다. 즉, 퓸이 유출되는 것을 막을 수 있는 열 교환기를 제공하는 것이 본 기술로 해결하고자 하는 과제 중 하나이다.

본 발명의 열 교환기 헤더 플레이트는, 유체가 흐르는 튜브와, 상기 튜브가 삽입되어 고정되는 홀(hole)이 형성된 헤더 플레이트로, 상기 헤더 플레이트는: 제1 유체의 경계면을 형성하는 제1 플레이트와, 제2 유체의 경계면을 형성하는 제2 플레이트 및 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 및 상기 튜브의 외주에 위치하는 압축 실(seal)을 포함한다.

본 발명의 열 교환기는, 제1 유체가 유입되는 제1 챔버와, 제2 유체가 유입되고, 튜브를 통하여 흐르는 제1 유체와 제2 유체 사이에서 열 교환이 이루어지는 열 교환 챔버와, 튜브가 삽입되어 고정되는 홀(hole)이 형성된 헤더 플레이트로, 헤더 플레이트는: 제1 챔버의 경계면을 형성하는 제1 플레이트와, 열 교환 챔버의 경계면을 형성하는 제2 플레이트 및 제1 플레이트와 제2 플레이트 및 튜브의 외주에 위치하는 압축 실(seal)을 포함한다.

본 발명의 일 예로, 상기 제1 플레이트의 단부와 및 상기 제2 플레이트의 단부 중 어느 하나 이상에는 모따기(chamfer) 구조가 형성되고, 상기 모따기 구조에는 상기 압축 실이 수용된다.

본 발명의 일 예로, 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트는 서로를 향해 밀착되며, 상기 압축 실이 상기 모따기 구조에 의하여 V 자형으로 압축되어 밀봉을 수행한다.

본 발명의 일 예로, 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트는, 체결구로 서로를 향해 밀착된다.

본 발명의 일 예로, 상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트가 서로 밀착됨에 따라 상기 압축 실이 상기 튜브와 상기 제1 플레이트 사이 및 상기 튜브와 상기 제2 플레이트 사이를 실링한다.

본 발명의 일 예로, 상기 튜브는, 스테인리스 파이프와, 상기 스테인리스 파이프를 피복하는 불소 수지를 포함한다.

본 발명의 일 예로, 상기 제1 플레이트는 스테인리스 재질이고, 상기 제1 유체는 상기 스테인리스에 반응을 일으키지 않는 유체이다.

본 발명의 일 예로, 상기 제2 플레이트는 불소 수지 재질이고, 상기 제2 유체는 상기 불소 수지에 반응을 일으키지 않는 유체이다.

본 발명의 일 예로, 상기 홀의 직경은, 상기 튜브의 외경에 비하여 더 크다.

본 발명에 의하면, 제1 플레이트와 제2 플레이트가 서로를 향하여 밀착됨에 따라 압축 실이 압축되어 플레이트와 튜브 사이의 유로 형성을 차단할 수 있다는 장점이 제공된다.

도 1은 본 실시예에 의한 열 교환기(10)의 단면을 개요적으로 도시한 도면이다.
도 2는 제1 플레이트(210), 제2 플레이트(220) 및 홀에 삽입된 튜브(100)의 개요를 도시한 도면이다.
도 3은 제1 플레이트(210), 제2 플레이트(220) 및 압축 실(300)을 확대한 도면이다.
도 4는 제1 플레이트(210)와 제2 플레이트(220)가 서로를 향하여 밀착할 때의 상태를 도시한 도면이다.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 열 교환기(10)의 단면을 개요적으로 도시한 도면이고, 도 2는 열 교환기(10) 제1 챔버(C1)의 단면을 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 열 교환기(10)는 제1 유체(F1)의 유입구(IN)와 유출구(OUT)가 형성된 제1 챔버(C1)와, 제1 유체(F1)와 제2 유체(F2) 사이에서 열교환이 이루어지는 열 교환 챔버(CE)와, 열 교환 챔버(CE)를 거친 제1 유체(F1)를 잠시 저장하는 제2 챔버(C2)를 포함한다.

도 1로 예시된 실시예에서, 제1 챔버(C1)에는 제1 유체(F1)가 유입되는 유입구(IN)와 제1 유체(F1)가 유출되는 유출구(OUT)가 형성된다. 다만, 도시되지 않은 실시예에서, 유입구는 제1 챔버에 형성되나, 유출구는 제2 챔버(C2)에 형성될 수 있다. 제1 챔버(C1) 및 제2 챔버(C2)에는 제1 유체가 어느 한 방향으로 흐를 수 있도록 격벽이 형성된다. 열 교환 챔버(CE)에는 제2 유체의 유입구(IN2)와 제2 유체의 유출구(OUT2)가 형성된다.

열 교환 챔버(CE)에서는 튜브(100)을 통하여 흐르는 제1 유체(F1)와 유입구(IN2)를 통하여 유입된 제2 유체(F2) 사이에서 열교환이 이루어진다. 일 실시예로, 제1 유체는 액체, 기체 중 어느 하나일 수 있으며, 제2 유체는 액체, 기체 중 어느 하나일 수 있다.

제1 챔버(C1), 제2 챔버(C2) 및 열 교환 챔버(CE)에는 각각 플랜지(FL)가 형성된다. 제1 챔버(C1)와 열 교환 챔버(CE)는 플랜지(FL)에 형성된 홀을 이용하여 볼트와 너트 구조 등의 체결 구조로 서로 체결된다. 제2 챔버(C2)와 열 교환 챔버(CE)는 플랜지(FL)에 형성된 홀을 이용하여 볼트와 너트 구조 등의 체결 구조로 서로 체결된다.

제1 유체는 유입구(IN)을 통하여 좌측의 제1 챔버(C1)로 유입된다. 유입된 유체는 좌측의 제1 챔버에 형성된 튜브(100)의 개구를 통하여 열 교환 챔버(CE)를 통과한다. 열 교환 챔버(CE)에는 제2 유체로 충전되며, 튜브(100)를 통하여 흐르는 제1 유체(F1)와 열 교환이 이루어진다. 우측의 제2 챔버(C2)에 도달한 유체는 다시 튜브(100)를 통하여 열 교환 챔버(CE)를 가로질러 이동하며 열 교환 채버(CE)에 충전된 제2 유체와 열 교환을 수행한다.

이와 같이 제1 유체는 열 교환 챔버(CE)를 가로질러 이동하면서 열 교환 챔버(CE)에 위치하는 제2 유체와 열교환한다. 일 예로, 제1 유체가 제2 유체에 비하여 온도가 낮은 경우에는 열 교환 챔버(CE)에서 제1 유체는 제2 유체를 냉각시킨다. 다른 예로, 제1 유체가 제2 유체에 비하여 온도가 높은 경우에는 열 교환 챔버(CE)에서 제1 유체는 제2 유체를 가열시킨다.

열 교환기(10)는 유체가 흐르는 튜브(100)와, 상기 튜브가 삽입되어 고정되는 홀(hole)이 형성된 헤더 플레이트(200)로, 상기 헤더 플레이트(200)는 제1 유체의 경계면을 형성하는 제1 플레이트(210)와, 제2 유체의 경계면을 형성하는 제2 플레이트(220) 및 제1 플레이트와(210) 상기 제2 플레이트(220) 및 상기 튜브(100)의 외주에 위치하는 압축 실(seal, 300)을 포함한다.

열 교환기(10)는 제1 유체(F1)의 경계를 형성하는 제1 플레이트(210)와 제2 유체(F2)의 경계를 형성하는 제2 플레이트(220)를 포함한다. 제1 플레이트(210)와 제2 플레이트(220)에는 튜브(100)들이 관통하여 고정되는 홀들이 형성된다.

일 실시예로, 제1 유체(F1)는 제1 플레이트(210)를 부식시키거나, 제1 플레이트(210)와 화학적 반응을 일으키지 않는 유체일 수 있으며, 마찬가지로 제2 유체(F2)는 제2 플레이트(220)를 부식시키거나, 제2 플레이트(220)와 화학적 반응을 일으키지 않는 유체이다.

일 예로, 제1 유체(F1)는 물일 수 있으며, 제1 플레이트(210)는 스테인리스 재질로, STS, SUS, ASTM-A240, ASME-SA240 중 어느 하나의 재질일 수 있다. 또한, 제2 유체는 화학물질(chemical)일 수 있으며, 제2 플레이트(220)는 PTFE, PFA, ETFE, PVDF 등의 불소 수지중 어느 하나일 수 있다.

도 3은 제1 플레이트(210), 제2 플레이트(220) 및 홀에 삽입된 튜브(100)의 개요를 도시한 도면이다. 도 4는 제1 플레이트(210)와 제2 플레이트(220)가 서로를 향하여 밀착할 때 도 3에서 굵은 파선 부분을 예시한 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 튜브(100)는 튜브(100)의 표면을 피복하는 불소 수지(120)와 불소 수지(120)로 피복된 스테인리스 재질의 튜브(110)를 포함할 수 있다. 일 예로, 스테인리스 튜브(110)를 피복하는 불소 수지는 PTFE, PFA, ETFE, PVDF, ECTFE 중 어느 하나일 수 있으며, 튜브(110)는 STS, SUS, ASTM-A213, ASME-SA213 중 어느 하나의 재질일 수 있다.

도시된 것과 같이 튜브(100)는 제1 플레이트(210)와 제2 플레이트(220)에 형성된 홀을 관통하여 배치된다. 유체는 튜브(100)를 통하여 흐르면서 열을 교환한다.

제1 플레이트(210)와 제2 플레이트(220)가 튜브(100)와 마주하는 지점은 사선으로 모따기(chamfer) 가공되며, 모따기 가공 영역(C)에는 압축 실(seal, 300)이 위치한다.

도시된 실시예에서, 제1 플레이트(210), 제2 플레이트(220) 모두에 모따기 가공 영역(C)이 형성된 것을 예시하나, 도시되지 않은 실시예는 제1 플레이트의 단부와 및 상기 제2 플레이트의 단부 중 어느 하나에 모따기 가공이 될 수 있다.

일 실시예로, 압축 실(300)은 PTFE, PFA, ETFE, PVDF, ECTFE 등의 불소 수지 재질 중 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 압축 실(300)은 외부에서 제공되는 압축력에 따라 형태가 변화하는 물질로, 제1 유체(F1) 및 제2 유체(F2)에 대하여 낮은 반응성을 가지는 물질이면 충분하다.

도 3 및 도 4로 예시된 실시예에서, 제1 챔버(C1)과 열 교환 챔버(CE), 제1 챔버(C2)과 열 교환 챔버(CE)가 체결 부재로 체결됨에 따라 제1 플레이트(210) 및 제2 플레이트(220)는 서로를 향하여 밀착한다. 일 예로, 체결 부재는 플랜지(FL)의 홀에 삽입되어 제1 챔버(C1)과 열 교환 챔버(CE), 제1 챔버(C2)과 열 교환 챔버(CE)를 밀착시키는 볼트 및 너트일 수 있다.

제1 플레이트(210)와 제2 플레이트(220)가 서로 밀착함에 따라 압축 실(300)은 모따기 가공 영역(C)의 형상에 따라 압축되고, 튜브(100) 방향으로 팽창한다. 팽창한 압축 실(300)은 제1 플레이트(210)와 제2 플레이트(220) 사이에 형성될 수 있는 유로를 차단한다. 따라서, 유체의 퓸(fume)이 방출되는 것을 막을 수 있다.

또한, 도 3 내지 도 4로 예시된 도면과 같이 모따기 가공된 영역은 V 자형으로 형성될 수 있으며, 제1 플레이트(210)와 제2 플레이트(220)가 서로 밀착함에 따라 압축실(300)이 밑변의 영역으로 돌출하여 아래의 플레이트(200)와 튜브(100) 사이 공간을 차단한다.

또한 도 3과 도 4로 예시된 것과 같이 제1 플레이트(210)와 제2 플레이트(220)에 형성된 홀의 직경은 튜브(100)의 직경보다 클 수 있다. 이와 같이 형성함으로써 조립성과 제조성을 향상시킬 수 있다.

압축 실(300)은 제1 유체(F1)가 제1 플레이트(210)와 튜브(100)의 외주 표면을 따라 제2 유체(F2)의 방향으로 투과하거나, 제2 유체(F2)가 제2 플레이트(220)와 튜브(100)의 외주 표면을 따라 제1 유체(F1)의 방향으로 투과하는 것을 막을 수 있다.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 열 교환기 100: 튜브
110: 스테인리스 스틸 튜브 120: 수지 피복
200: 헤더 플레이트 210: 제1 플레이트
220: 제2 플레이트 300: 압축 실

Claims

제1 유체가 흐르는 튜브가 삽입되어 고정되는 홀(hole)이 형성된 헤더 플레이트로,
상기 헤더 플레이트는:
상기 제1 유체의 경계면을 형성하는 제1 플레이트와,
제2 유체의 경계면을 형성하는 제2 플레이트 및
상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 및 상기 튜브의 외주에 위치하는 압축 실(seal)을 포함하는 열 교환기 헤더 플레이트.
제1항에 있어서,
상기 제1 플레이트의 단부와 및 상기 제2 플레이트의 단부 중 어느 하나 이상에는
모따기(chamfer) 구조가 형성되고,
상기 모따기 구조에는 상기 압축 실이 수용되는 열 교환기 헤더 플레이트.
제2항에 있어서,
상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트는
서로를 향해 밀착되며,
상기 압축 실이 상기 모따기 구조에 의하여 V 자형으로 압축되어 밀봉을 수행하는 열 교환기 헤더 플레이트.
제3항에 있어서,
상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트는,
볼트 및 너트로 서로를 향해 밀착되는 열 교환기 헤더 플레이트.
제3항에 있어서,
상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트가 서로 밀착됨에 따라
상기 압축 실이 상기 튜브와 상기 제1 플레이트 사이 및 상기 튜브와 상기 제2 플레이트 사이를 실링하는 열 교환기 헤더 플레이트.
제1항에 있어서,
상기 튜브는,
스테인리스 파이프와,
상기 스테인리스 파이프를 피복하는 불소 수지를 포함하는 열 교환기 헤더 플레이트.
제1항에 있어서,
상기 제1 플레이트는 스테인리스 재질이고,
상기 제1 유체는 상기 스테인리스에 반응을 일으키지 않는 유체인 열 교환기 헤더 플레이트.
제1항에 있어서,
상기 제2 플레이트는 불소 수지 재질이고,
상기 제2 유체는 상기 불소 수지에 반응을 일으키지 않는 유체인 열 교환기 헤더 플레이트.
제1항에 있어서,
상기 홀의 직경은,
상기 튜브의 외경에 비하여 더 큰 열 교환기 헤더 플레이트.
제1 유체가 유입되는 제1 챔버와,
제2 유체가 유입되고, 튜브를 통하여 흐르는 상기 제1 유체와 상기 제2 유체 사이에서 열 교환이 이루어지는 열 교환 챔버;
상기 튜브가 삽입되어 고정되는 홀(hole)이 형성된 헤더 플레이트로,
상기 헤더 플레이트는:
상기 제1 챔버의 경계면을 형성하는 제1 플레이트와,
상기 열 교환 챔버의 경계면을 형성하는 제2 플레이트 및
상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트 및 상기 튜브의 외주에 위치하는 압축 실(seal)을 포함하는 열 교환기.
제10항에 있어서,
상기 제1 플레이트의 단부와 및 상기 제2 플레이트의 단부 중 어느 하나 이상에는
모따기(chamfer) 구조가 형성되고,
상기 모따기 구조에는 상기 압축 실이 수용되는 열 교환기.
제10항에 있어서,
상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트는
서로를 향해 밀착되며,
상기 압축 실이 상기 모따기 구조에 의하여 V 자형으로 압축되어 밀봉을 수행하는 열 교환기.
제12항에 있어서,
상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트는,
볼트 및 너트로 서로를 향해 밀착되는 열 교환기.
제12항에 있어서,
상기 제1 플레이트와 상기 제2 플레이트가 서로 밀착됨에 따라
상기 압축 실이 상기 튜브와 상기 제1 플레이트 사이 및 상기 튜브와 상기 제2 플레이트 사이를 실링하는 열 교환기.
제10항에 있어서,
상기 튜브는,
스테인리스 파이프와,
상기 스테인리스 파이프를 피복하는 불소 수지를 포함하는 열 교환기.
제10항에 있어서,
상기 제1 플레이트는 스테인리스 재질이고,
상기 제1 유체는 상기 스테인리스에 반응을 일으키지 않는 유체인 열 교환기.
제10항에 있어서,
상기 제2 플레이트는 불소 수지 재질이고,
상기 제2 유체는 상기 불소 수지에 반응을 일으키지 않는 유체인 열 교환기.
제10항에 있어서,
상기 홀의 직경은,
상기 튜브의 외경에 비하여 더 큰 열 교환기.