WO2012015179A2 - 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기 - Google Patents

열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기 Download PDF

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WO2012015179A2
WO2012015179A2 PCT/KR2011/004954 KR2011004954W WO2012015179A2 WO 2012015179 A2 WO2012015179 A2 WO 2012015179A2 KR 2011004954 W KR2011004954 W KR 2011004954W WO 2012015179 A2 WO2012015179 A2 WO 2012015179A2
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plate
lining
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wrinkles
thermal shock
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임혁
박재홍
조성열
김정규
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주식회사 엘에치이
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0037—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F9/007—Auxiliary supports for elements
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F2265/26—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for allowing differential expansion between elements
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/06—Fastening; Joining by welding

Definitions

  • the present invention relates to a plate heat exchanger having a thermal shock alleviation structure, and more particularly, to reduce stress concentration and fatigue stress caused by thermal shock in a welded plate heat exchanger to extend the life of the product and various heat exchangers are used.
  • the present invention relates to a plate heat exchanger having a thermal shock mitigation structure capable of achieving stability of an industrial system.
  • a heat exchanger is a device that raises or lowers a working fluid to a desired temperature by inducing mutual heat transfer between a high temperature fluid and a low temperature fluid.
  • the plate heat exchanger is a heat exchanger that exhibits high efficiency while having a small installation area or volume.
  • Plate heat exchanger is divided into gasket type and welding type. Weld plate heat exchanger is mainly used in high temperature and high pressure operation environment. Welded plate heat exchangers are manufactured by alternately laminating and welding patterned heat exchangers so that a flow path is formed, and the heat transfer plates contract or expand by heat due to the characteristics of a high temperature operating environment.
  • the present invention described in Korean Patent No. 10-0848329, filed by the applicant of July 20, 2007, forms a buffer space between the heat transfer plate and the pillar supporting the heat transfer plate, and the heat transfer plate is fully cushioned during expansion and contraction of the heat transfer plate.
  • the problem has been solved by allowing the space to move freely.
  • FIG. 1 is a plan view illustrating the structure of a conventional plate heat exchanger
  • FIG. 2 is an enlarged view of an inner part of the upper left side of FIG. 1
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a coupling between a column and a column liner.
  • 4 is a perspective view illustrating a structure in which upper and lower linings are welded and bonded
  • FIG. 5 is a perspective view showing stress concentration phenomenon occurring in upper and lower linings when the upper and lower linings are welded through structural analysis simulations.
  • a plate heat exchanger having a conventional thermal shock alleviation structure includes a column 40 and a column liner 50.
  • the column 40 is installed vertically on the inner four corners of the frames 11, 12, 13, and 14 to form a box shape of a rectangular parallelepiped by joining a plate, and is in close contact with the frames 11, 12, 13, and 14 And prevents fluid from flowing between (11, 12, 13, 14) and column (40).
  • the columns 40 form each column shape, but the inner edges thereof are cut vertically to form flat buffer surfaces.
  • the column liner 50 is formed between the column 40 and the heat transfer plate 30 therein to be vertically long and has a plurality of grooves 51 formed at one side thereof so that the edge of the heat transfer plate 30 is formed in the groove 51. It is inserted and coupled, and the other side is divided into two and adhered to the circumference of the column 40.
  • the buffer surface of the column 40 and the central portion of the column liner 50 are spaced apart from each other to form a buffer space therein, the buffer surface of the column 40 is flat to secure more buffer space. Instead, it may be formed concave.
  • the column liner 50 has a first member 52 having a plurality of grooves 51 formed at one side thereof, and two agents respectively coupled to both sides of the other end of the first member 52 and coupled around the column 40. It consists of two members 53, the second member 53 is made of a material having elasticity.
  • the heat transfer plate 30 is stacked, and then the groove 51 of the first member 52 of the column liner 50 is joined to the heat transfer plate 30 and welded thereto. Thereafter, the end of the second member 53 of the column liner 50 is coupled to the periphery of the pentagonal column 40 as shown in FIG. 2, and then the column 40 is coupled to the inside of the frame. At this time, the ends of the column liner 50 are formed on both sides of the column 40 so as to be in close contact with the inside of the frames 11, 12, 13, and 14.
  • the column liner 50 absorbs the change to prevent breakage.
  • the buffer space is formed only in the middle portion of the heat exchanger plate 30 and the upper and lower linings 60 and 70 due to the structure of the welded plate heat exchanger. Since the heat transfer plate 30 is moved to the buffer space during thermal expansion of the heat transfer plate 30, it is possible to completely solve the structural problem of causing stress concentration on the upper and lower welding portions as shown in FIG. 5. However, there is a problem in that the heat exchanger may be deformed due to stress concentration at the welded portions of the upper and lower linings 60 and 70.
  • the object of the present invention devised in view of the above point is to relieve stress concentration and fatigue stress caused by thermal shock in a welded plate heat exchanger, thereby extending the life of the product and improving the stability of various industrial systems in which the heat exchanger is used.
  • the present invention provides a plate heat exchanger having a thermal shock alleviation structure.
  • Plate heat exchanger having a thermal shock alleviation structure according to the present invention for achieving the object of the present invention as described above, a plurality of heat transfer plates stacked in the interior of the frame, the upper lining and the lower and provided on the upper and lower surfaces of the heat transfer plate respectively
  • the plate heat exchanger configured to include a lining for exchanging heat between the fluids, each of the corners are coupled to the inner four corners of the frame and formed in a square pillar shape, the corners disposed in a position close to the heat transfer plate are removed along the longitudinal direction to cushion A column forming a face, the column being welded between the upper lining and the lower lining; Is formed extending along the longitudinal direction of the column, one side is formed with a plurality of grooves vertices of the laminated heating plate is inserted and coupled to the groove, the other side is open to both sides are coupled to both sides of the column, but the buffer surface of the column A column liner spaced apart from each other to form a buffer space therebetween; And a stress dis
  • the buffer surface of the column is characterized in that it is formed concave.
  • the stress dispersing means may include a first wrinkle pressed on the plate surfaces of the upper lining and the lower lining so as to be parallel to the four corners, and a second press formed to extend toward the four corners at both ends of the first wrinkle. It is characterized by being a wrinkle part which consists of wrinkles.
  • the width of the first wrinkles and the second wrinkles is formed to be 0.55% to 0.75% of the length
  • the length of the first wrinkles and the second wrinkles bent surface is formed to be 110% to 130% of the width It is characterized by.
  • the wrinkles formed in the upper lining protrudes or recessed to have a predetermined height or depth along the thickness direction of the upper lining
  • the wrinkles formed in the lower lining predetermined depth or height along the thickness direction of the lower lining It is characterized in that the recessed or protruded to have.
  • the contact portion where the first wrinkles and the second wrinkles are in contact with each other is characterized in that it is formed to be bent.
  • the plate surface of the upper lining and the lower lining of the inner side of the first wrinkles is characterized in that provided with at least one or more third wrinkles formed in a square shape and protrudes outward in the stacking direction of the heat transfer plate.
  • the stress dispersing means is to cut the plate surface so as to extend toward the four corners at both ends of the first incision and the plate surface in parallel to the four corners on the plate surface of the upper lining and the lower lining, respectively It is characterized in that it is an incision made up of a second incision.
  • the width of the first incision and the second incision is characterized in that it is formed to be 0.55% to 0.75% of the length.
  • the contact portion where the first incision and the second incision is in contact with each other is characterized in that it is formed to be bent.
  • the stress dispersing means is formed by cutting the plate surface parallel to the edge on the plate surface of the upper lining and the lower lining of the position adjacent to any one of the pair of corners of the two opposite sides of the upper lining and the lower lining An incision made up of a first incision, a second incision in which a plate surface is cut from both ends of the first incision toward the corner, and the upper lining at a position proximate to the other pair of corners of the two pairs of opposite edges And a wrinkled portion including a first wrinkle pressed on the plate surface of the lower lining so as to be parallel to the edges, and a second wrinkle pressed on both sides of the first wrinkles toward the edge.
  • the wrinkles formed in the upper lining protrudes or recesses to have a predetermined height or depth along the thickness direction of the upper lining, the wrinkles formed in the lower lining predetermined depth or height along the thickness direction of the lower lining It is characterized in that the recessed or protruded to have.
  • the contact portion where the first cutout portion and the second cutout contact each other, and the contact portion where the first wrinkles and the second wrinkles contact each other is formed to be bent.
  • the width of the first wrinkles, the second wrinkles, the first cutouts, and the second cutouts are formed to be 0.55% to 0.75% of their lengths, and the lengths of the first and second wrinkles bent surfaces are the widths thereof. It is characterized in that it is formed to be 110% to 130% of.
  • the heat transfer plate, the upper lining and the lower lining is characterized in that formed in a square shape.
  • the plate heat exchanger having the thermal shock alleviation structure according to the present invention has an effect of relieving stress concentration and fatigue stress due to thermal shock in the welded portions of the upper and lower linings of the welded plate heat exchanger.
  • 1 is a plan view showing the internal structure of a conventional plate heat exchanger
  • FIG. 2 is an enlarged view in which the inner part of the upper left side of FIG. 1 is enlarged
  • FIG. 3 is a perspective view showing the coupling of the column and the column liner
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a structure in which upper and lower linings are welded and bonded;
  • FIG. 5 is a perspective view showing the stress concentration phenomenon generated in the upper / lower lining when the upper / lower lining is welded through a structural analysis simulation
  • FIG. 6 is an exploded perspective view showing an exploded plate heat exchanger according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a perspective view illustrating a plate heat exchanger having a thermal shock alleviating structure of FIG. 6.
  • FIG. 8 is a perspective view illustrating a structure of the upper lining of FIG. 6 separately;
  • FIG. 9 is a perspective view showing a thermal shock alleviation structure of the plate heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view illustrating stress distribution by thermal expansion structure analysis of a plate heat exchanger having a thermal shock alleviating structure according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a perspective view showing a thermal shock alleviation structure of the plate heat exchanger according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a perspective view illustrating stress distribution by thermal expansion structure analysis of a plate heat exchanger having a thermal shock alleviation structure according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a perspective view illustrating a thermal shock alleviation structure of a plate heat exchanger according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a perspective view illustrating stress distribution by thermal expansion structure analysis of a plate heat exchanger having a thermal shock alleviation structure according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a perspective view showing a thermal shock alleviation structure of the plate heat exchanger according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view showing an exploded plate heat exchanger according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a perspective view showing a plate heat exchanger having a thermal shock mitigation structure of Figure 6
  • Figure 8 is an upper portion of Figure 6 9 is a perspective view showing the structure of the lining separately
  • Figure 9 is a perspective view showing a thermal shock alleviation structure of the plate heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • Figure 10 is a thermal shock alleviation structure according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 11 is a perspective view showing the stress distribution by the thermal expansion structure analysis of the plate heat exchanger provided
  • Figure 11 is a perspective view showing a thermal shock alleviation structure of the plate heat exchanger according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 12 A perspective view showing stress distribution by thermal expansion structure analysis of a plate heat exchanger having a thermal shock alleviating structure according to a third embodiment
  • FIG. 13 is a thermal shock of a plate heat exchanger according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 14 is a perspective view showing a relaxation structure
  • Figure 14 is a perspective view showing the stress distribution by the thermal expansion structure analysis of the plate heat exchanger having a thermal shock relief structure according to a third embodiment of the present invention
  • Figure 15 is 4 is a perspective view illustrating a thermal shock alleviation structure of the plate heat exchanger according to the fourth embodiment.
  • the thermal shock alleviation structure includes a plurality of heat transfer plates 110 stacked inside the frame 100 and upper and lower surfaces of the heat transfer plates 110, respectively.
  • the plate heat exchanger is configured to include the upper lining 120 and the lower lining 130 is to exchange heat between the fluid
  • each of the four inner corners of the frame 100 is formed in a square pillar shape
  • the heat transfer plate 110 The edges disposed at positions close to each other are removed along the longitudinal direction to form a buffer surface, and the column 200 welded and joined between the upper lining 120 and the lower lining 130 and the longitudinal direction of the column 200.
  • a plurality of grooves 310 are formed and the vertices of the heat transfer plate 110 is stacked and coupled to the groove 310, the other side is open to both sides are coupled to both sides of the column 200 column
  • the buffer surface of 200 is mutually The column surface of the upper lining 120 and the lower lining 130 so as to disperse the stress generated during expansion by the heat transfer plate 110 and the heat transfer plate 110 to form a buffer space therebetween. It is configured to include a stress dispersing means 4000 formed in each.
  • the frame 100 forms a constant internal space in which a plate-shaped metal material having a plurality of flow paths is coupled to each other to form an exterior of a heat exchanger, and is shielded from the outside.
  • the upper lining 120 is sequentially stacked.
  • the heat transfer plate 110 is a plate-like member that is sequentially arranged and stacked so as to be spaced apart by a predetermined interval along the height direction of the frame 100, where a substantial heat exchange action occurs.
  • the upper lining 120 and the lower lining 130 are respectively disposed on the upper side and the lower side of the heat transfer plate 110 stacked inside the frame 100, and the contact surface with the column 200 to be described later is welded and joined to the column ( 200 and the upper lining 120 and the lower lining 130 are coupled to each other.
  • the stress dispersing means 4000 may disperse the stress concentrated on the weld joint between the upper lining 120 and the lower lining 130 and the column 200 on the plate surface of the upper lining 120 and the lower lining 130. ) Is provided.
  • the column 200 is formed in a quadrangular column shape and is a pillar standing at four corners of the heat exchanger to stably support the heat transfer plate 110 while maintaining a state in which the heat transfer plate 110 is spaced apart from each other by a predetermined interval.
  • the contacting edge is removed along the longitudinal direction of the frame 100 to form a curved buffer surface, which is effectively formed to be concave inside the column 200.
  • the column liner 300 is formed to extend along the longitudinal direction of the column 200, and one side of the column liner 300 is formed with a plurality of grooves 310. Spread in both sides is coupled to both sides of the column 200 but is spaced apart from each other and the buffer surface of the column 200 to form a buffer space therebetween.
  • the stress distribution means 4000 is formed by pressing the parallel to the four corners on the plate surface of the upper lining 120 and the lower lining 130 at positions close to the four corners of the upper lining 120 and the lower lining 130.
  • the wrinkles 400 are formed of a first wrinkle 410 and a second wrinkle 420 press-processed to extend toward the four corners at both ends of the first wrinkle 410.
  • the amount of change of the heat transfer plate 110 is 0.6% based on the length of the longer side of the horizontal and vertical lengths based on the most commonly used stainless steel. It is preferable to be formed in a curved shape that can absorb the displacement of the degree.
  • the width of the first wrinkles 410 and the second wrinkles 420 is formed to be 0.55% to 0.75% of the length, most preferably the width of the first wrinkles 410 and second wrinkles 420 Is effective to form 0.6% of its length.
  • the weld site may be broken, the first wrinkles 410 and When the width of the second wrinkles 420 is greater than 0.75% of the length, the heat transfer plate 110 is not stably supported.
  • the entire length of the curved surface along the width direction of the first wrinkles 410 and the second wrinkles 420 is formed to be 110% to 130% of the width, most preferably 120% It is effective to be formed into.
  • the contact portion where the first wrinkles 410 and the second wrinkles 420 are in contact with each other is preferably formed to be bent to more effectively disperse the stress concentrated on the portion.
  • the pleats 400 formed on the upper lining 120 are protruded or recessed to have a predetermined height or depth along the thickness direction of the upper lining 120, and the pleats 400 formed on the lower lining 130. Is preferably formed recessed or protruded to have a predetermined depth or height along the thickness direction of the lower lining (130).
  • the plate heat exchanger having a thermal shock alleviation structure having such a structure has a welded portion between the heat transfer plate 300, the upper lining 120, and the lower lining 130, as shown in the stress distribution by the thermal expansion structure analysis of FIG. 9. Even if the heat transfer plate 300 disposed in the remaining middle portion moves to the buffer space during thermal expansion, it can be confirmed that the stress on the welded portions of the upper lining 120, the lower lining 130 and the column 200 is reduced. .
  • the stress distributing means 5000 of the plate heat exchanger having the thermal shock alleviating structure according to the second embodiment of the present invention includes four corners of the upper lining 120 and the lower lining 130.
  • a first cutout 510 having a plate surface cut parallel to the four corners of the upper lining 120 and a lower lining 130 at adjacent positions, and the four cutouts at both ends of the first cutout 510.
  • the cutout 400 includes a second cutout 520 cut into a plate surface to extend toward the edge.
  • the contact portion where the first cutout 510 and the second cutout 520 are in contact with each other is preferably formed to be bent to effectively disperse stress, and the first cutout 611 and the second cutout (
  • the width of the 520 is formed to be 0.55% to 0.75% of the length, and most preferably, the width of the first cutout 510 and the second cutout 520 is 0.6% of the length. to be.
  • the welding portion may be damaged because the absorption of the displacement against heat deformation is not properly performed, and the first cutout ( When the width of the 510 and the second cutout 520 is greater than 0.75% of the length, the heat transfer plate 110 is not stably supported.
  • the plate heat exchanger having a thermal shock alleviation structure is welded to the heat transfer plate 110, the upper lining 120, and the lower lining 130, as shown in the stress distribution by the thermal expansion structure analysis of FIG. 11. Even if the heat transfer plate 110 disposed in the remaining middle portion is moved to the buffer space during thermal expansion, it can be seen that the stress in the welded portion of the upper lining 120, the lower lining 130 and the column 200 is reduced. .
  • the heat transfer plate 300 is thermally expanded and the heat transfer plate 110 is moved between the buffer space when the column liner ( This is because it is possible to disperse the stress generated in the welding portion of the 300 and the upper lining 120 and the lower lining 130.
  • the stress dispersing means 6000 of the plate heat exchanger having the thermal shock alleviation structure according to the third embodiment of the present invention is opposed to the upper lining 120 and the lower lining 130.
  • a cutout 610 consisting of a second cutout 612 cut out of the plate so as to extend toward the edge at both ends of 611, and an upper portion of the position close to the other pair of corners of the two pairs of opposite edges.
  • the pleats 620 formed on the upper lining 120 are protruded to have a predetermined height along the thickness direction of the upper lining 120, and the pleats 620 formed on the lower lining 130 have a lower lining 130. It is formed to have a predetermined depth along the thickness direction of.
  • a contact portion where the first cutout 611 and the second cutout 612 contact each other, and a contact portion where the first wrinkles 621 and the second wrinkles 622 contact each other may effectively distribute stress. It is desirable to be formed to be bent.
  • the widths of the first wrinkles 621, the second wrinkles 622, the first cutouts 611, and the second cutouts 612 are formed to be 0.55% to 0.75% of the length, and most preferably The widths of the first wrinkles 621, the second wrinkles 622, the first cutouts 611, and the second cutouts 612 are effective to be 0.6% of the lengths thereof.
  • the width of the first wrinkles 621, the second wrinkles 622, the first cutout 611 and the second cutout 612 is less than 0.55% of the length, the absorption of the displacement to the thermal deformation is properly made If it is not supported, the welding part may be damaged, and the width of the first wrinkles 621, the second wrinkles 622, the first cutouts 611, and the second cutouts 612 exceeds 0.75% of the length.
  • the heat transfer plate 110 is not stably seated.
  • the entire length of the curved surface along the width direction of the first wrinkles 621 and the second wrinkles 622 is formed to be 110% to 130% of the width, and most preferably 120% It is effective to be formed into.
  • the plate heat exchanger having a thermal shock alleviation structure having such a structure has a welded portion between the heat transfer plate 110, the upper lining 120, and the lower lining 130, as shown in the stress distribution by the thermal expansion structure analysis of FIG. 13. Even if the heat transfer plate 110 disposed in the remaining middle portion is moved to the buffer space during thermal expansion, it can be seen that the stress in the welded portion of the upper lining 120, the lower lining 130 and the column 200 is reduced. .
  • the heat plate 110, the upper lining 120 and the lower lining 130 may be in the form of a square.
  • the upper lining 120 and the lower lining 130 also have a rectangular shape having different lengths of horizontal and vertical sides according to this shape, and deformation of the heat transfer plate 110 occurs under high temperature conditions.
  • the difference between the heat deformation amount of the short side and long side of the upper lining 120, the lower lining 130 is a factor that reduces the stability to thermal shock.
  • the heat transfer plate 110, the upper lining 120 and the lower lining 130 is configured in a square shape, the heat deflection of the short side and the long side are substantially matched, and thus the stability rate due to thermal shock can be further increased.
  • FIG. 15 is a perspective view illustrating a thermal shock alleviation structure of a plate heat exchanger according to a fourth embodiment of the present invention, wherein at least one or more surfaces of the upper lining 120 and the lower lining 130 inside the first wrinkles 410 are formed. Third wrinkles 430 and 440 are formed.
  • the third wrinkles 430 and 440 provided on the upper lining 120 are protruded, and the third wrinkles 430 and 440 formed on the lower lining 130 are preferably recessed. This is to prevent the 430 and 440 from being in contact with the heat exchanger plate 110 located at positions adjacent to the upper lining 120 and the lower lining 130 so as not to disturb the flow of the fluid.
  • the plate heat exchanger having the thermal shock alleviation structure of the present invention has been described through a preferred embodiment, but this is only intended to help the understanding of the present invention, and the technical scope of the present invention is not limited thereto.

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Abstract

본 발명의 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기는 용접형 판형 열교환기가 지니고 있던 열충격에 의한 응력집중과 피로응력을 완화시켜 제품의 수명을 연장시키고 열교환기가 이용 되어지는 각종 산업시스템의 안정성을 도모할 수 있는 것으로서, 프레임의 내부에 적층되는 다수개의 전열판과, 상기 전열판의 상하면에 상하부 라이닝을 각각 구비하여 유체 간의 열교환을 이루는 판형 열교환기에 있어서, 상기 프레임의 내측 네 모서리에 각각 결합되고 사각기둥 형상으로 형성되되 상기 전열판과 근접한 위치에 배치되는 모서리는 길이 방향을 따라 제거되어 완충면을 형성하며, 상기 상부 라이닝과 상기 하부 라이닝 사이에 용접 접합되는 칼럼과; 상기 칼럼의 길이 방향을 따라 연장 형성되며, 일측은 다수개의 홈이 형성되어 적층된 전열판의 꼭지점이 상기 홈에 삽입 결합되며, 타측은 양측으로 벌어져 상기 칼럼의 양측 면에 결합되되 상기 칼럼의 완충면과는 서로 이격되도록 하여 그 사이에 완충공간을 형성하게 되는 칼럼라이너와; 상기 전열판이 열에 의하여 팽창시에 발생하는 응력을 분산시킬 수 있도록 상기 상부 라이닝과 하부 라이닝의 판면에 각각 형성되는 응력분산수단;을 포함하여 구성되어 있다.

Description

열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기
본 발명은 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 용접형 판형 열교환기가 지니고 있던 열충격에 의한 응력집중과 피로응력을 완화시켜 제품의 수명을 연장시키고 열교환기가 이용 되어지는 각종 산업시스템의 안정성을 도모할 수 있는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 열교환기란 고온유체와 저온유체간의 상호 열전달을 유도하여 작동유체를 사용자가 원하는 온도로 높이거나 낮추는 장치이다. 열교환기에는 다양한 종류가 있는데 그 중에서도 요구되는 설치 면적이나 부피가 작으면서도 높은 효율을 내는 열교환기가 바로 판형 열교환기이다.
판형 열교환기는 크게 가스켓 형태와 용접 형태으로 나뉘는데 고온고압하의 작동환경에서는 용접형 판형 열교환기가 주로 쓰이고 있다. 용접형 판형 열교환기는 무늬를 넣은 전열판을 유로가 형성되도록 상호 교호하며 적층시키며 용접하여 제작되는데 고온작동환경의 특성상 열에 의해 전열판이 수축하거나 팽창하게 된다.
특히, 정지되어 있던 상태에서 작동되는 경우(Starting condition) 상온을 유지하고 있는 열교환기의 전열판에 고온의 유체가 유입되어 전열판과 그 전열판을 지지하고 있는 지지기둥과 구조물 사이의 용접부위에서 열충격에 의하여 파손문제가 발생한다는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위하여 본 출원인이 2007년 7월 20일 출원하여 등록받은 등록특허 10-0848329호에 기재된 발명은 전열판과 이를 지지하는 기둥사이에 완충공간을 형성하도록 하여 전열판의 팽창과 수축시 전열판이 완충공간 사이를 자유롭게 이동할 수 있도록 함으로써 상기 문제점들을 해결하고자 하였다.
본 출원인이 출원하여 등록받은 등록특허 10-0848329호에 기재된 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기를 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 종래의 판형 열교환기 내부의 구조를 도시한 평면도이며, 도 2는 도 1의 좌상측의 원내부를 확대한 확대도이고, 도 3은 칼럼과 칼럼라이너의 결합을 나타낸 사시도이며, 도 4는 상/하 라이닝이 용접 접합된 구조를 도시한 사시도이고, 도 5는 상/하 라이닝이 용접될 경우에 상/하 라이닝에서 발생되는 응력집중현상을 구조해석 시뮬레이션을 통하여 보여주는 사시도이다.
이들 도면에 도시한 바와 같이, 종래의 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기는, 칼럼(40)과 칼럼라이너(50)를 포함하게 된다.
칼럼(40)은 판재를 결합하여 직육면체의 상자 형상을 이루게 되는 프레임(11,12,13,14)의 내측 네 모서리에 상하로 길게 설치되며 프레임(11,12,13,14)에 밀착되어 프레임(11,12,13,14)과 칼럼(40) 사이로 유체가 흘러가지 못하도록 구성된다.
칼럼(40)은 각 기둥형상을 이루되 내측의 모서리는 상하로 길게 절단되어 평평한 완충면을 형성하게 된다.
칼럼라이너(50)는 칼럼(40)과 내부의 전열판(30) 사이를 연결하는 것으로 상하로 길게 형성되며 일측은 다수개의 홈(51)이 형성되어 전열판(30)의 가장자리가 홈(51)에 삽입되어 결합되며 타측은 둘로 갈라져 칼럼(40)의 둘레에 밀착된다.
이때, 칼럼(40)의 완충면과 칼럼라이너(50)의 중앙부분은 서로 이격되어 내부에 완충공간을 형성하게 되는데, 상기 완충공간을 보다 많이 확보하기 위해 칼럼(40)의 완충면을 평평하게 하는 대신 오목하게 형성하는 것도 무방하다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기의 작용과 효과에 대해 설명하기로 한다.
칼럼라이너(50)는 일측에 다수개의 홈(51)이 형성된 제1부재(52)와, 제1부재(52)의 타측 말단 양측면에 각각 결합되며 칼럼(40)의 둘레에 결합되는 두 개의 제2부재(53)로 구성되는데, 제2부재(53)는 탄성을 가지는 소재로 제작한다.
먼저 전열판(30)을 적층한 후 칼럼라이너(50)의 제1부재(52)의 홈(51)을 전열판(30)과 결합한 후 용접하게 된다. 이후 칼럼라이너(50)의 제2부재(53)의 말단을 도2에 도시된 바와 같이 5각형을 이루는 칼럼(40)의 둘레에 결합한 후, 칼럼(40)을 프레임 내부에 결합하게 된다. 이때, 칼럼(40)의 양측면에 단을 형성하여 칼럼라이너(50)의 말단이 결합된 상태에서 프레임(11,12,13,14)의 내부에 밀착될 수 있도록 한다.
이후 프레임(11,12,13,14)에 형성된 유입구(11a, 12a, 13a, 14a)를 통해 고온의 유체가 유입되면 전열판(30)이 그 열에 의해 팽창하게 되어 칼럼라이너(50)의 제1부재(52)를 칼럼(40) 측으로 밀게 된다. 이때, 칼럼라이너(50)의 제1부재(52)와 칼럼(40) 사이에는 완충공간이 형성되어 있으므로 제1부재(52)는 제2부재(53)를 구부리면서 칼럼(40) 측으로 이동하게 된다.
이후 열교환기의 작동이 정지되어 전열판(30)이 냉각되는 경우 전열판(30)이 수축하게 되고 이에 따라 제1부재(52)와 제2부재(53)는 제자리로 이동하게 된다.
따라서, 열에 의해 전열판(30)이 팽창하거나 수축하는 경우에도 칼럼라이너(50)가 변화를 흡수하여 파손을 방지하게 된다.
그런데, 이러한 종래의 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기는, 용접형 판형열교환기의 구조상 상기 완충공간은 전열판(30)과 상/하부 라이닝(60, 70)의 용접 부위를 제외한 나머지 가운데 부분에서만 형성이 가능하기 때문에 전열판(30)의 열팽창 시에 상기 완충공간으로 전열판(30)이 이동함으로 인하여 도 5에 도시한 바와 같이 상/하부 용접 부위에 오히려 응력집중현상을 유발한다는 구조적인 문제점을 완전히 해결하지는 못하여 상/하부 라이닝(60, 70)의 용접 부위에서 응력집중현상이 발생함으로써 열교환기가 변형될 수 있다는 문제점이 있다.
상기와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은, 용접형 판형 열교환기가 지니고 있던 열충격에 의한 응력집중과 피로응력을 완화시켜 제품의 수명을 연장시키고 열교환기가 이용 되어지는 각종 산업시스템의 안정성을 도모할 수 있는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기를 제공함에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기는, 프레임의 내부에 적층되는 다수개의 전열판과, 상기 전열판의 상면과 하면에 각각 구비되는 상부 라이닝과 하부 라이닝을 포함하여 구성되어 유체 간의 열을 교환하는 판형 열교환기에 있어서, 상기 프레임의 내측 네 모서리에 각각 결합되고 사각기둥 형상으로 형성되되 상기 전열판과 근접한 위치에 배치되는 모서리는 길이 방향을 따라 제거되어 완충면을 형성하며, 상기 상부 라이닝과 상기 하부 라이닝 사이에 용접 접합되는 칼럼과; 상기 칼럼의 길이 방향을 따라 연장 형성되며, 일측은 다수개의 홈이 형성되어 적층된 전열판의 꼭지점이 상기 홈에 삽입 결합되며, 타측은 양측으로 벌어져 상기 칼럼의 양측 면에 결합되되 상기 칼럼의 완충면과는 서로 이격되도록 하여 그 사이에 완충공간을 형성하게 되는 칼럼라이너와; 상기 전열판이 열에 의하여 팽창시에 발생하는 응력을 분산시킬 수 있도록 상기 상부 라이닝과 하부 라이닝의 판면에 각각 형성되는 응력분산수단;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 칼럼의 완충면은 오목하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 응력분산수단은 상기 상부 라이닝과 하부 라이닝의 판면에 각각 상기 네 모서리와 평행하도록 프레스 가공된 제1주름과, 상기 제1주름의 양단부에서 상기 네 모서리를 향하여 연장되도록 프레스 가공된 제2주름으로 이루어지는 주름부인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1주름과 제2주름의 폭은 그 길이의 0.55% 내지 0.75%가 되도록 형성되고, 상기 제1주름과 제2주름 굴곡면의 길이는 그 폭의 110% 내지 130%가 되도록 형성된 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 상부 라이닝에 형성된 주름부는 상기 상부 라이닝의 두께 방향을 따라 소정의 높이 또는 깊이를 갖도록 돌출 또는 함몰 형성되고, 상기 하부 라이닝에 형성된 주름부는 상기 하부 라이닝의 두께 방향을 따라 소정의 깊이 또는 높이를 갖도록 함몰 또는 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1주름과 상기 제2주름이 상호 접촉되는 접촉 부위는 굴곡지게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1주름 내측의 상부 라이닝과 하부 라이닝의 판면에는 사각 형상으로 형성되고 상기 전열판의 적층 방향을 따라 외측으로 돌출된 적어도 하나 이상의 제3주름이 구비되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 응력분산수단은 상기 상부 라이닝과 하부 라이닝의 판면에 각각 상기 네 모서리와 평행하도록 판면을 절개한 제1절개부와, 상기 제1절개부의 양단부에서 상기 네 모서리를 향하여 연장되도록 판면을 절개한 제2절개부로 이루어지는 절개부인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1절개부와 제2절개부의 폭은 그 길이의 0.55% 내지 0.75%가 되도록 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1절개부와 상기 제2절개부가 상호 접촉되는 접촉 부위는 굴곡지게 형성된 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 응력분산수단은 상기 상부 라이닝과 하부 라이닝의 상호 대향하는 두 쌍의 모서리 중 어느 한 쌍의 모서리와 근접한 위치의 상기 상부 라이닝과 하부 라이닝의 판면에 상기 모서리와 평행하도록 판면을 절개한 제1절개부과, 상기 제1절개부의 양단부에서 상기 모서리를 향하여 연장되도록 판면을 절개한 제2절개부로 이루어지는 절개부와, 상호 대향하는 두 쌍의 모서리 중 다른 한 쌍의 모서리와 근접한 위치의 상기 상부 라이닝과 하부 라이닝의 판면에 상기 모서리와 평행하도록 프레스 가공된 제1주름과, 상기 제1주름의 양단부에서 상기 모서리를 향하여 연장되도록 프레스 가공된 제2주름으로 이루어지는 주름부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 상부 라이닝에 형성된 주름부는 상기 상부 라이닝의 두께 방향을 따라 소정의 높이 또는 깊이를 갖도록 돌출 또는 함몰 형성되고, 상기 하부 라이닝에 형성된 주름부는 상기 하부 라이닝의 두께 방향을 따라 소정의 깊이 또는 높이를 갖도록 함몰 또는 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1절개부와 상기 제2절개부가 상호 접촉되는 접촉부위와, 상기 제1주름과 상기 제2주름이 상호 접촉되는 접촉부위는 굴곡지게 형성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1주름, 제2주름, 제1절개부 및 제2절개부의 폭은 그 길이의 0.55% 내지 0.75%가 되도록 형성되며, 상기 제1주름 과 제2주름 굴곡면의 길이는 그 폭의 110% 내지 130%가 되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 전열판과 상기 상부 라이닝 및 상기 하부 라이닝은 정사각 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기는 용접형 판형 열교환기가 지니고 있던 상부 라이닝 및 하부 라이닝의 용접부위에 열충격으로 인한 응력집중과 피로응력을 완화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상부 라이닝 및 하부 라이닝의 용접부위에 대한 응력집중과 피로응력을 완화시킴으로써 제품의 수명을 연장시키고 열교환기가 이용되어지는 각종 산업시스템의 안정성을 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 판형 열교환기 내부 구조를 도시한 평면도이며,
도 2는 도 1의 좌상측의 원내부를 확대한 확대도이고,
도 3은 칼럼과 칼럼라이너의 결합을 나타낸 사시도이며,
도 4는 상/하 라이닝이 용접 접합된 구조를 도시한 사시도이고,
도 5는 상/하 라이닝이 용접될 경우에 상/하 라이닝에서 발생되는 응력집중현상을 구조해석 시뮬레이션을 통하여 보여주는 사시도이며,
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 판형 열교환기를 분해하여 도시한 분해 사시도이며,
도 7은 도 6의 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기를 도시한 사시도이고,
도 8은 도 6의 상부 라이닝의 구조를 별도로 도시한 사시도이며,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기의 열충격 완화구조를 도시한 사시도이고,
도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기의 열팽창 구조해석에 의한 응력분포를 도시한 사시도이며,
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 판형 열교환기의 열충격 완화구조를 도시한 사시도이고,
도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기의 열팽창 구조해석에 의한 응력분포를 도시한 사시도이며,
도 13은 본 발명의 제3실시예에 따른 판형 열교환기의 열충격 완화구조를 도시한 사시도이고,
도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기의 열팽창 구조해석에 의한 응력분포를 도시한 사시도이며,
도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 판형 열교환기의 열충격 완화구조를 도시한 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 판형 열교환기를 분해하여 도시한 분해 사시도이며, 도 7은 도 6의 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기를 도시한 사시도이고, 도 8은 도 6의 상부 라이닝의 구조를 별도로 도시한 사시도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기의 열충격 완화구조를 도시한 사시도이고, 도 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기의 열팽창 구조해석에 의한 응력분포를 도시한 사시도이며, 도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 판형 열교환기의 열충격 완화구조를 도시한 사시도이고, 도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기의 열팽창 구조해석에 의한 응력분포를 도시한 사시도이며, 도 13은 본 발명의 제3실시예에 따른 판형 열교환기의 열충격 완화구조를 도시한 사시도이고, 도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기의 열팽창 구조해석에 의한 응력분포를 도시한 사시도이며, 도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 판형 열교환기의 열충격 완화구조를 도시한 사시도이다.
이들 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 열충격 완화구조는, 프레임(100)의 내부에 적층되는 다수개의 전열판(110)과, 전열판(110)의 상면과 하면에 각각 구비되는 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)을 포함하여 구성되어 유체 간의 열을 교환하는 판형 열교환기에 있어서, 프레임(100)의 내측 네 모서리에 각각 결합되고 사각기둥 형상으로 형성되되 전열판(110)과 근접한 위치에 배치되는 모서리는 길이 방향을 따라 제거되어 완충면을 형성하며, 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130) 사이에 용접 접합되는 칼럼(200)과, 칼럼(200)의 길이 방향을 따라 연장 형성되며, 일측은 다수개의 홈(310)이 형성되어 적층된 전열판(110)의 꼭지점이 홈(310)에 삽입 결합되며, 타측은 양측으로 벌어져 칼럼(200)의 양측 면에 결합되되 칼럼(200)의 완충면과는 서로 이격되도록 하여 그 사이에 완충공간을 형성하게 되는 칼럼라이너(300)와, 전열판(110)이 열에 의하여 팽창시에 발생하는 응력을 분산시킬 수 있도록 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 판면에 각각 형성되는 응력분산수단(4000)을 포함하여 구성되어 있다.
프레임(100)은 열교환기의 외관을 형성하도록 복수의 유로들이 구비된 판상의 금속재가 상호 결합되어 외부와 차폐되는 일정한 내부 공간을 형성하며, 그 내부 공간에는 하부라이닝(130), 전열판(110), 상부라이닝(120)이 순차적으로 적층되어 있다.
전열판(110)은 프레임(100)의 높이 방향을 따라 소정 간격 이격되도록 순차적으로 배치되어 적층되는 판상의 부재로서, 실질적인 열교환 작용이 발생하는 곳이다.
상부라이닝(120)과 하부라이닝(130)은 각각 프레임(100)의 내부에 적층되는 전열판(110)의 상측과 하측에 각각 배치되며, 후술할 칼럼(200)과의 접촉면은 용접 접합됨으로써 칼럼(200)과 상부라이닝(120) 및 하부라이닝(130)이 상호 결합된다.
그리고, 상부라이닝(120)과 하부라이닝(130)의 판면에는 상부라이닝(120)과 하부라이닝(130)과 칼럼(200)과의 용접 접합부위에 집중되는 응력을 분산시킬 수 있는 응력분산수단(4000)이 구비되어 있다.
칼럼(200)은 사각기둥 형상으로 형성되어 열교환기 내부의 네 모서리에 세워지는 기둥으로서 전열판(110)이 상호 소정 간격 이격된 상태를 유지하면서 안정적으로 지지하는 역할을 하며, 전열판(110)과 상호 접촉되는 모서리는 프레임(100)의 길이 방향을 따라 제거되어 굴곡진 완충면이 형성되어 있는데, 상기 완충면은 칼럼(200)의 내측으로 오목하게 형성되는 것이 효과적이다.
칼럼라이너(300)는 칼럼(200)의 길이 방향을 따라 연장 형성되며, 일측은 다수개의 홈(310)이 형성되어 적층된 전열판(110)의 꼭지점이 홈(310)에 삽입 결합되며, 타측은 양측으로 벌어져 칼럼(200)의 양측 면에 결합되되 칼럼(200)의 완충면과는 서로 이격되도록 하여 그 사이에 완충공간을 형성하게 되는 부재이다.
응력분산수단(4000)은 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 네 모서리와 근접한 위치의 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 판면에 각각 상기 네 모서리와 평행하도록 프레스 가공된 제1주름(410)과, 제1주름(410)의 양단부에서 상기 네 모서리를 향하여 연장되도록 프레스 가공된 제2주름(420)으로 이루어지는 주름부(400)이다.
열교환기의 최대 사용온도 350℃ 내지 400℃에서 전열판(110)의 변화량은 가장 일반적으로 쓰이는 스테인레스 스틸을 기준으로 주름부(400)는 가로와 세로의 길이 중 길이가 더 긴 변의 길이에 대하여 0.6% 정도의 변위를 흡수할 수 있는 굴곡 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
따라서, 제1주름(410)과 제2주름(420)의 폭은 그 길이의 0.55% 내지 0.75%가 되도록 형성되며, 가장 바람직하게는 제1주름(410)과 제2주름(420)의 폭은 그 길이의 0.6%로 형성되는 것이 효과적이다.
제1주름(410)과 제2주름(420)의 폭이 그 길이의 0.55% 미만일 경우에는 열변형에 대한 변위의 흡수가 제대로 이루어지지 않아 용접 부위가 파손될 수 있으며, 제1주름(410)과 제2주름(420)의 폭이 그 길이의 0.75% 초과일 경우에는 전열판(110)이 안정적으로 지지되지 않는다.
그리고, 상술한 바와 동일한 이유로 제1주름(410) 과 제2주름(420)의 폭방향을 따라 굴곡면의 전체 길이는 그 폭의 110% 내지 130%가 되도록 형성되며, 가장 바람직하게는 120%로 형성되는 것이 효과적이다.
제1주름(410)과 제2주름(420)이 상호 접촉되는 접촉 부위는 그 부위에 집중되는 응력을 더 효과적으로 분산시킬 수 있도록 굴곡지게 형성되는 것이 효과적이다.
그리고, 상부 라이닝(120)에 형성된 주름부(400)는 상부 라이닝(120)의 두께 방향을 따라 소정의 높이 또는 깊이를 갖도록 돌출 또는 함몰 형성되고, 하부 라이닝(130)에 형성된 주름부(400)는 하부 라이닝(130)의 두께 방향을 따라 소정의 깊이또는 높이를 갖도록 함몰 또는 돌출 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 의한, 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기는, 도 9의 열팽창 구조해석에 의한 응력분포에 도시한 바와 같이, 전열판(300)과 상부라이닝(120), 하부라이닝(130)의 용접 부위를 제외한 나머지 가운데 부분에서 배치된 전열판(300)이 열팽창 시에 상기 완충공간으로 이동하더라도 상부라이닝(120), 하부라이닝(130)과 칼럼(200)의 용접 부위에 응력이 감소하였음을 확인할 수 있다.
이는, 상부라이닝(120)과 하부라이닝(130)의 판면에 주름부(400)를 구비하여 전열판(110)이 열팽창하여 완충공간 사이로 전열판(110)이 이동할 때 주름부(400)에서 칼럼라이너(300)와 상부라이닝(120) 및 하부라이닝(130)의 용접부위에서 발생하는 응력을 분산시킬 수 있기 때문이다.
도 11에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기의 응력분산수단(5000)은, 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 네 모서리와 근접한 위치의 상기 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 판면에 각각 상기 네 모서리와 평행하도록 판면을 절개한 제1절개부(510)과, 제1절개부(510)의 양단부에서 상기 네 모서리를 향하여 연장되도록 판면을 절개한 제2절개부(520)으로 이루어지는 절개부(400)이다.
제1절개부(510)와 제2절개부(520)가 상호 접촉되는 접촉부위는 응력을 효과적으로 분산시킬 수 있도록 굴곡지게 형성되는 것이 바람직하며, 제1절개부(611)와 제2절개부(520)의 폭은 그 길이의 0.55% 내지 0.75%가 되도록 형성되며, 가장 바람직하게는 제1절개부(510)과 제2절개부(520)의 폭은 그 길이의 0.6%로 형성되는 것이 효과적이다.
제1절개부(510)과 제2절개부(520)의 폭이 그 길이의 0.55% 미만일 경우에는 열변형에 대한 변위의 흡수가 제대로 이루어지지 않아 용접 부위가 파손될 수 있으며, 제1절개부(510)과 제2절개부(520)의 폭이 그 길이의 0.75% 초과일 경우에는 전열판(110)이 안정적으로 지지되지 않는다.
이러한 구성에 의한, 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기는, 도 11의 열팽창 구조해석에 의한 응력분포에 도시한 바와 같이, 전열판(110)과 상부라이닝(120), 하부라이닝(130)의 용접 부위를 제외한 나머지 가운데 부분에서 배치된 전열판(110)이 열팽창 시에 상기 완충공간으로 이동하더라도 상부라이닝(120), 하부라이닝(130)과 칼럼(200)의 용접 부위에 응력이 감소하였음을 확인할 수 있다.
이는, 상부라이닝(120)과 하부라이닝(130)의 판면에 절개부(500)를 구비하여 전열판(300)이 열팽창하여 완충공간 사이로 전열판(110)이 이동할 때 절개부(500)에서 칼럼라이너(300)와 상부라이닝(120) 및 하부라이닝(130)의 용접부위에서 발생하는 응력을 분산시킬 수 있기 때문이다.
도 13에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기의 응력분산수단(6000)은, 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 상호 대향하는 두 쌍의 모서리 중 어느 한 쌍의 모서리와 근접한 위치의 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 판면에 상기 모서리와 평행하도록 판면을 절개한 제1절개부(611)과, 제1절개부(611)의 양단부에서 상기 모서리를 향하여 연장되도록 판면을 절개한 제2절개부(612)으로 이루어지는 절개부(610)와, 상호 대향하는 두 쌍의 모서리 중 다른 한 쌍의 모서리와 근접한 위치의 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 판면에 상기 모서리와 평행하도록 프레스 가공된 제1주름(621)과, 제1주름(621)의 양단부에서 상기 모서리를 향하여 연장되도록 프레스 가공된 제2주름(622)으로 이루어지는 주름부(620)로 이루어진다.
상부 라이닝(120)에 형성된 주름부(620)는 상부 라이닝(120)의 두께 방향을 따라 소정의 높이를 갖도록 돌출 형성되고, 하부 라이닝(130)에 형성된 주름부(620)는 하부 라이닝(130)의 두께 방향을 따라 소정의 깊이를 갖도록 함몰 형성되어 있다.
그리고, 제1절개부(611)와 제2절개부(612)가 상호 접촉되는 접촉부위와, 제1주름(621)와 제2주름(622)가 상호 접촉되는 접촉부위는 응력을 효과적으로 분산시킬 수 있도록 굴곡지게 형성되는 것이 바람직하다.
제1주름(621), 제2주름(622), 제1절개부(611) 및 제2절개부(612)의 폭은 그 길이의 0.55% 내지 0.75%가 되도록 형성되며, 가장 바람직하게는 제1주름(621), 제2주름(622), 제1절개부(611) 및 제2절개부(612)의 폭은 그 길이의 0.6%로 형성되는 것이 효과적이다.
제1주름(621), 제2주름(622), 제1절개부(611) 및 제2절개부(612)의 폭이 그 길이의 0.55% 미만일 경우에는 열변형에 대한 변위의 흡수가 제대로 이루어지지 않아 용접 부위가 파손될 수 있으며, 제1주름(621), 제2주름(622), 제1절개부(611) 및 제2절개부(612)의 폭이 그 길이의 0.75% 초과일 경우에는 전열판(110)이 안정적으로 안착되지 않는다.
그리고, 상술한 바와 동일한 이유로 제1주름(621) 과 제2주름(622)의 폭방향을 따라 굴곡면의 전체 길이는 그 폭의 110% 내지 130%가 되도록 형성되며, 가장 바람직하게는 120%로 형성되는 것이 효과적이다.
이러한 구성에 의한, 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기는, 도 13의 열팽창 구조해석에 의한 응력분포에 도시한 바와 같이, 전열판(110)과 상부라이닝(120), 하부라이닝(130)의 용접 부위를 제외한 나머지 가운데 부분에서 배치된 전열판(110)이 열팽창 시에 상기 완충공간으로 이동하더라도 상부라이닝(120), 하부라이닝(130)과 칼럼(200)의 용접 부위에 응력이 감소하였음을 확인할 수 있다.
이는, 상부라이닝(120)과 하부라이닝(130)의 판면에 절개부(610)와 주름부(620)를 구비하여 전열판(110)이 열팽창 시 종래의 기술에서 가지고 있던 완충공간 사이로 전열판(110)이 이동할 때 절개부(610)와 주름부(620)에서 칼럼라이너(300)와 상부라이닝(120) 및 하부라이닝(130)의 용접부위에서 발생하는 응력을 분산시킴에 기인한 것이다.
전열판(110)과 상부 라이닝(120) 및 하부 라이닝(130)은 정사각 형태로도 가능하다.
이는, 전열판(110)이 직사각 형상이면 이 형태에 따라 상부 라이닝(120) 및 하부라이닝(130)도 가로, 세로변의 길이가 다른 직사각 형태를 가지는데, 고온조건 하에서 전열판(110)의 변형이 발생했다고 가정했을 때 상부 라이닝(120), 하부 라이닝(130)의 짧은 변과 긴 변의 열변형량의 차이를 보이게 되는데 이는 열충격에 대한 안정성을 저하하는 요인이 된다.
전열판(110), 상부 라이닝(120) 및 하부 라이닝(130)을 정사각 형상으로 구성 할 경우 짧은 변과 긴 변의 열변형량이 거의 일치하여 직사각 형상일 때보다 열충격에 의한 안정율을 더욱 높일 수 있다.
즉, 짧은 변과 긴 변의 열 변형량 차이에 의해 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 비틀림을 최소화하는 수단으로 정사각 형태로 구성한다.
도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 판형 열교환기의 열충격 완화구조를 도시한 사시도로서, 제1주름(410) 내측의 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 판면에 적어도 하나 이상의 제3주름(430, 440)이 형성된다.
상부 라이닝(120)에 구비된 제3주름(430, 440)은 돌출 형성되며, 하부 라이닝(130)에 형성되는 제3주름(430, 440)은 함몰 형성되는 것이 바람직하며, 이는 제3주름(430, 440)이 상부 라이닝(120) 및 하부 라이닝(130)과 근접한 위치에 존재하는 전열판(110)과 접촉됨을 방지하여 유체의 흐름을 방해하지 않기 위함이다.
이상, 본 발명의 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기를 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나 이는 발명의 이해를 돕고자 하는 것일 뿐, 본 발명의 기술적 범위를 이에 한정하고자 하는 것이 아님은 물론이다.
본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않고도 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형이나 개조가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경이나 개조는 청구범위의 해석상 본 발명의 기술적 범위 내에 있음은 말할 나위가 없다.

Claims (15)

  1. 프레임(100)의 내부에 적층되는 다수개의 전열판(110)과, 상기 전열판(110)의 상면과 하면에 각각 구비되는 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)을 포함하여 구성되어 유체 간의 열을 교환하는 판형 열교환기에 있어서,
    상기 프레임(100)의 내측 네 모서리에 각각 결합되고 사각기둥 형상으로 형성되되 상기 전열판(110)과 근접한 위치에 배치되는 모서리는 길이 방향을 따라 제거되어 완충면을 형성하며, 상기 상부 라이닝(120)과 상기 하부 라이닝(130) 사이에 용접 접합되는 칼럼(200)과;
    상기 칼럼(200)의 길이 방향을 따라 연장 형성되며, 일측은 다수개의 홈(310)이 형성되어 적층된 전열판(110)의 꼭지점이 상기 홈(310)에 삽입 결합되며, 타측은 양측으로 벌어져 상기 칼럼(200)의 양측 면에 결합되되 상기 칼럼(200)의 완충면과는 서로 이격되도록 하여 그 사이에 완충공간을 형성하게 되는 칼럼라이너(300)와;
    상기 전열판(110)이 열에 의하여 팽창시에 발생하는 응력을 분산시킬 수 있도록 상기 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 판면에 각각 형성되는 응력분산수단(4000,5000,6000);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 칼럼(200)의 완충면은 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 응력분산수단(4000)은 상기 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 판면에 각각 상기 네 모서리와 평행하도록 프레스 가공된 제1주름(410)과, 상기 제1주름(410)의 양단부에서 상기 네 모서리를 향하여 연장되도록 프레스 가공된 제2주름(420)으로 이루어지는 주름부(400)인 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1주름(410)과 제2주름(420)의 폭은 그 길이의 0.55% 내지 0.75%가 되도록 형성되고, 상기 제1주름(410)과 제2주름(420) 굴곡면의 길이는 그 폭의 110% 내지 130%가 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 상부 라이닝(120)에 형성된 주름부(400)는 상기 상부 라이닝(120)의 두께 방향을 따라 소정의 높이 또는 깊이를 갖도록 돌출 또는 함몰 형성되고, 상기 하부 라이닝(130)에 형성된 주름부(400)는 상기 하부 라이닝(130)의 두께 방향을 따라 소정의 깊이 또는 높이를 갖도록 함몰 또는 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1주름(410)과 상기 제2주름(420)이 상호 접촉되는 접촉 부위는 굴곡지게 형성된 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1주름(410) 내측의 상부 라이닝(120)과 하부라이닝(130)의 판면에는 사각 형상으로 형성되고 상기 전열판(110)의 적층 방향을 따라 외측으로 돌출된 적어도 하나 이상의 제3주름(430, 440)이 구비되는 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 응력분산수단(5000)은 상기 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 판면에 각각 상기 네 모서리와 평행하도록 판면을 절개한 제1절개부(510)와, 상기 제1절개부(510)의 양단부에서 상기 네 모서리를 향하여 연장되도록 판면을 절개한 제2절개부(520)로 이루어지는 절개부(500)인 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1절개부(510)와 제2절개부(520)의 폭은 그 길이의 0.55% 내지 0.75%가 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 제1절개부(510)와 상기 제2절개부(520)가 상호 접촉되는 접촉 부위는 굴곡지게 형성된 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 응력분산수단(6000)은 상기 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 상호 대향하는 두 쌍의 모서리 중 어느 한 쌍의 모서리와 근접한 위치의 상기 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 판면에 상기 모서리와 평행하도록 판면을 절개한 제1절개부(611)과, 상기 제1절개부(611)의 양단부에서 상기 모서리를 향하여 연장되도록 판면을 절개한 제2절개부(612)로 이루어지는 절개부(610)와, 상호 대향하는 두 쌍의 모서리 중 다른 한 쌍의 모서리와 근접한 위치의 상기 상부 라이닝(120)과 하부 라이닝(130)의 판면에 상기 모서리와 평행하도록 프레스 가공된 제1주름(621)과, 상기 제1주름(621)의 양단부에서 상기 모서리를 향하여 연장되도록 프레스 가공된 제2주름(622)으로 이루어지는 주름부(620)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 상부 라이닝(120)에 형성된 주름부(620)는 상기 상부 라이닝(120)의 두께 방향을 따라 소정의 높이 또는 깊이를 갖도록 돌출 또는 함몰 형성되고, 상기 하부 라이닝(130)에 형성된 주름부(620)는 상기 하부 라이닝(130)의 두께 방향을 따라 소정의 깊이 또는 높이를 갖도록 함몰 또는 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 제1절개부(611)와 상기 제2절개부(612)가 상호 접촉되는 접촉부위와, 상기 제1주름(621)과 상기 제2주름(622)이 상호 접촉되는 접촉부위는 굴곡지게 형성된 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1주름(410, 621), 제2주름(420, 622), 제1절개부(510, 611) 및 제2절개부(520, 612)의 폭은 그 길이의 0.55% 내지 0.75%가 되도록 형성되며, 상기 제1주름(410, 621) 과 제2주름(420, 622) 굴곡면의 길이는 그 폭의 110% 내지 130%가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전열판(110)과 상기 상부 라이닝(120) 및 상기 하부 라이닝(130)은 정사각 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 열충격 완화구조를 구비한 판형 열교환기.
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