KR101401987B1 - 판형 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 제작이 용이하면서도 플레이트 상에서의 온도 및 속도 분포를 최적화할 수 있는, 쉐브론 형상을 가지는 플레이트로 이루어지는 판형 열교환기를 제공함에 있다.
본 발명의 판형 열교환기는, 복수 개의 플레이트(100)가 적층되어 제1열교환매체가 유동하는 제1매체공간(110)과 제2열교환매체가 유동하는 제2매체공간(120)이 교대로 형성되며, 상기 플레이트(100)에는 상기 제1매체공간(110)으로 제1열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 제1매체유입구(112a) 및 제1매체배출구(112b)와; 상기 제1매체유입구(112a) 및 상기 제1매체배출구(112b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제1열교환매체를 수용 및 유동시키는 제1매체탱크부(111)와; 상기 제2매체공간(120)으로 제2열교환매체를 각각 유입 및 배출시키는 제2매체유입구(122a) 및 제2매체배출구(122b)와; 상기 제2매체유입구(122a) 및 상기 제2매체배출구(122b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제2열교환매체를 수용 및 유동시키는 제2매체탱크부(121);가 구비되어 이루어지는 판형 열교환기(1000)에 있어서, 상기 플레이트(100)에는 다수 개의 쉐브론(chevron, 150) 형상이 병렬 배치된 형태로 형성되되, 다수 개의 상기 쉐브론(150) 중 일부의 끝단부는 상기 플레이트(100)의 벽면과 밀접하게 연장되어 차단부(S1)를 형성하고, 나머지 일부의 끝단부는 상기 플레이트(100)의 벽면과 이격되어 이격부(S2)를 형성하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

판형 열교환기 {Plate Type Heat Exchanger}
본 발명은 판형 열교환기에 관한 것이다.
열교환기는 일반적으로 열교환매체의 유입 및 배출이 이루어지는 한 쌍의 헤더탱크와, 상기 헤더탱크들을 연결하여 열교환매체를 그 내부로 유통시키면서 열교환을 이루어지게 하는 튜브로 구성된다. 이 때 형태별로 열교환기를 크게 두 종류로 나눌 수 있는데, 다수 개의 튜브를 탱크에 삽입하는 형태로 이루어지는 핀-튜브 타입 열교환기와, 다수 개의 플레이트가 적층되어 튜브부 및 탱크부가 형성되는 플레이트 타입 열교환기(판형 열교환기)이다. 이 중 판형 열교환기의 경우 핀-튜브 타입 열교환기에 비해 조립이 간편하고 필요 부품 수가 적어서 생산성이 좋으며 부피를 줄일 수 있어 엔진 룸 공간 확보에 유리한 등 여러 장점이 있어 널리 사용되고 있다. 특히 판형 열교환기는 플레이트의 형상을 변화시킴으로써 핀-튜브 타입 열교환기에 비해 좀더 복잡하고 다양화된 유로 설계가 가능하여, 특히 이종의 유체가 유통하면서 서로 열교환을 일으키는 경우 판형 열교환기가 적용되는 것이 바람직하다. 이러한 경우, 상기 판형 열교환기는 한 유체가 흐르는 층과 다른 유체가 흐르는 층이 서로 교대로 적층 배치되는 형태로 이루어지게 된다. 이 때 물론 이종의 유체들이 서로 섞이지 않도록 유로가 형성되어야 함은 당연하며, 무엇보다도 어느 하나의 층 내에서의 각 유체의 흐름이 각각 원활하면서도 균일하게 이루어지도록 유로를 구성해야 한다.
도 1은 이러한 일반적인 판형 열교환기의 구조를 간략히 도시하고 있다. 상술한 바와 같이 이러한 판형 열교환기는 2종의 서로 다른 열교환매체가 유통되게 되며, 각각을 제1열교환매체 및 제2열교환매체로 칭한다. 이러한 판형 열교환기는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 제1매체유입구(2)로 유입된 제1열교환매체가 한 쌍의 플레이트(1) 사이의 제1매체유동공간을 경유하여 제1매체배출구(3)로 배출되고, 제2매체유입구(4)로 유입된 제2열교환매체가 다른 한 쌍의 플레이트(1) 사이의 제2매체유동공간을 경유하여 제2매체배출구(5)로 배출되게 된다. 도시된 바와 같이 상기 제1매체유동공간과 상기 제2매체유동공간은 서로 교대로 적층 배치되게 형성되며, 따라서 각각의 제1열교환매체와 제2열교환매체는 플레이트(1)를 통해 서로 열교환을 할 수 있게 된다.
이러한 이종 유체간 열교환을 할 수 있도록 형성되는 판형 열교환기는, 차량용으로서 수냉식 컨덴서나 수냉식 오일 쿨러 등과 같은 용도로 널리 사용된다. 수냉식 컨덴서로 사용될 경우 제1열교환매체/제2열교환매체는 각각 냉각수/냉매가 되며, 수냉식 오일 쿨러로 사용될 경우 제1열교환매체/제2열교환매체는 각각 냉각수/오일이 된다. 최근 차량용 공조 시스템에서의 냉각 효율을 높이기 위하여 다각도로 연구가 이루어지고 있는데, 냉매나 오일 등을 수냉식으로 냉각할 경우 전통적인 공랭식에 비해 효율이 좋아지기 때문에, 특히 수냉식 컨덴서의 경우 그 사용이 확대되고 있다.
상술한 바와 같은 판형의 이종 열교환기에서는, 층간 즉 이종의 열교환매체 간의 열교환이 원활하게 일어날 수 있도록 하는 것이 중요하며, 따라서 열교환면적을 넓히기 위하여 플레이트 상에 요철 형상 등을 형성하는 것이 일반적이다.
도 2(A)는 일본특허공개 제1997-189495호(1997.07.22, "플레이트식 열교환기")를 도시한 것으로서, 상술한 바와 같은 판형의 이종 열교환기가 도시되어 있는데, 각 플레이트를 보면 층마다 방향이 다른 요철이 형성되도록 하고 있는 것을 알 수 있다. 도 2(A)에서 도면부호 3, 4로 표시된 바와 같은 식의, 리브가 사선 방향으로 연장되며 한 번 이상 방향이 꺾이도록 형성되는 형태, 즉 V자 형태를 쉐브론(chevron) 형태라고 한다. 도 2(B)는 일본특허공개 제1998-339590호(1998.12.22, "플레이트식 열교환기")를 도시한 것인데, 여기에서는 플레이트 상에 쉐브론 형태가 일부만 형성되어 있는 예시를 보여 주고 있다. 도 2(C)는 미국특허공개 제20060053833호(2006.03.16, "Condenser, in particular for a motor vehicle air conditioning circuit, and circuit comprising same")로서, 도시된 바와 같이 쉐브론 형태의 핀을 플레이트 사이에 개재시킴으로써 열교환효율을 높이는 구조를 개시한다.
도 3은 쉐브론이 형성된 플레이트의 실시예들을 도시하고 있다. 도 3(A)는 쉐브론이 형성된 플레이트들이 적층되었을 때의 형태로서, 도시된 바와 같이 유체가 흐르면서 접촉되는 면이 매우 넓어지게 되어 열교환효율이 좋아질 것을 쉽게 예상할 수 있다. 한편 도 3(B), (C)에서와 같이 판면 상에 전체적으로 쉐브론이 형성되도록 플레이트를 제작할 때, 쉐브론의 끝단부가 도 3(B)와 같이 플레이트의 벽면에 밀접하도록 제작하려고 할 경우, 플레이트 벽면 형성 공정이 이루어지는 부분과 쉐브론 형성 공정이 이루어지는 부분이 일부 겹치게 될 우려가 있고, 따라서 쉐브론의 끝단부와 플레이트 벽면이 만나는 부분의 판재가 지나친 변형에 의하여 손상되거나 파손될 우려가 있다. 이와 같은 금형 및 제작 상의 한계 때문에, 도 3(C)와 같이 플레이트 벽면에서 쉐브론 끝단부가 소정 간격 이격된 형태가 되도록 제작하는 것이 일반적이다.
도 3(C)와 같은 플레이트에서 열교환매체가 흐를 때, 쉐브론들이 겹쳐져 있는 부분(도 3(A)와 같이 형성되는 부분)에서는 흐름 저항이 높을 수밖에 없다. 반면, 쉐브론 끝단부가 플레이트 벽면으로부터 이격된 부분(이하 이격부)은 흐름을 가로막는 형상이 없어 흐름 저항이 매우 낮다. 열교환이 원활하게 일어나도록 하기 위해서는 열교환매체가 쉐브론들이 겹쳐져 있는 부분으로 흘러야 하는 것이 바람직한데, 상술한 바와 같이 이격부에서의 낮은 흐름 저항 때문에 상당량의 열교환매체가 이격부를 통해 흘러가 버리게 되는 문제가 생긴다. 이와 같이 열교환매체가 이격부를 통해 흘러감으로써 그만큼의 열교환효율에 손실을 보게 되며, 결국 열교환기의 열교환효율을 떨어뜨리는 문제가 생긴다.
뿐만 아니라 이와 같이 흐름 분배가 불균일하게 이루어짐으로써, 플레이트 상에서의 온도 분포 및 열교환매체 유속 분포 등 역시 불균일하게 되어, 열교환효율을 더욱 나쁘게 하는 원인이 된다.
1. 일본특허공개 제1997-189495호(1997.07.22, "플레이트식 열교환기") 2. 일본특허공개 제1998-339590호(1998.12.22, "플레이트식 열교환기") 3. 미국특허공개 제20060053833호(2006.03.16, "Condenser, in particular for a motor vehicle air conditioning circuit, and circuit comprising same")
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 제작이 용이하면서도 플레이트 상에서의 온도 및 속도 분포를 최적화할 수 있는, 쉐브론 형상을 가지는 플레이트로 이루어지는 판형 열교환기를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 판형 열교환기는, 복수 개의 플레이트(100)가 적층되어 제1열교환매체가 유동하는 제1매체공간(110)과 제2열교환매체가 유동하는 제2매체공간(120)이 교대로 형성되며, 상기 플레이트(100)에는 상기 제1매체공간(110)으로 제1열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 제1매체유입구(112a) 및 제1매체배출구(112b)와; 상기 제1매체유입구(112a) 및 상기 제1매체배출구(112b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제1열교환매체를 수용 및 유동시키는 제1매체탱크부(111)와; 상기 제2매체공간(120)으로 제2열교환매체를 각각 유입 및 배출시키는 제2매체유입구(122a) 및 제2매체배출구(122b)와; 상기 제2매체유입구(122a) 및 상기 제2매체배출구(122b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제2열교환매체를 수용 및 유동시키는 제2매체탱크부(121);가 구비되어 이루어지는 판형 열교환기(1000)에 있어서, 상기 플레이트(100)에는 다수 개의 쉐브론(chevron, 150) 형상이 병렬 배치된 형태로 형성되되, 다수 개의 상기 쉐브론(150) 중 일부의 끝단부는 상기 플레이트(100)의 벽면과 밀접하게 연장되어 차단부(S1)를 형성하고, 나머지 일부의 끝단부는 상기 플레이트(100)의 벽면과 이격되어 이격부(S2)를 형성하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 플레이트(100)는 쉐브론 피치(pitch)가 10% 내지 20% 범위 내의 값을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다. (이 때, A: 최초 차단부(S1)에서 최후 차단부(S1)까지의 거리, B: 하나의 차단부(S1)에서 최근접 차단부(S1)까지의 거리라 할 때, 쉐브론 피치(%) = 100 * B/A )
또한, 상기 쉐브론(150)은 적어도 1개 이상의 V자 형상의 비드가 상기 플레이트(100)로부터 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 쉐브론(150)은 적어도 1개 이상의 V자 형상이 연결된 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 판형 열교환기(1000)는 V자 형상의 꼭지점 방향과 흐름 방향이 일치하도록 배치된 쉐브론(150)을 갖는 제1플레이트 및 상기 제1플레이트의 쉐브론(150)의 V자 형상의 꼭지점 방향과 반대되는 방향으로 배치된 쉐브론(150)을 갖는 제2플레이트가 서로 교대로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 판형 열교환기(1000)는 상기 제1플레이트 및 상기 제2플레이트 각각의 상기 차단부(S1)가 서로 맞닿도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 쉐브론 형상을 가지는 플레이트로 이루어지는 판형 열교환기에 있어서, 플레이트의 제작이 용이하면서도 열교환효율을 극대화할 수 있게 되는 큰 효과가 있다. 구체적으로 설명하자면, 종래에는 쉐브론 형상을 가지는 플레이트 제작 시, 금형 및 제작 상의 한계로 인하여 쉐브론 끝단부가 플레이트 벽면에서 소정 간격 이격된 형태가 되도록 되어 있어, 이 이격부로 열교환매체가 흘러감으로써 플레이트 상에서의 온도 및 유속 분포가 불균일해지는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에서는 쉐브론 끝단부의 일부가 플레이트 벽면에 밀접하여 열교환매체의 흐름을 차단하도록 형성함으로써, (쉐브론 끝단부 모두가 플레이트 벽면에 밀접하게 된 형상에 비해서는) 금형 및 제작이 용이하도록 하면서도, 밀접부의 피치를 적절히 조절하여 플레이트 상에서의 온도 및 유속 분포를 종래보다 훨씬 개선하여, 궁극적으로는 열교환효율을 극대화할 수 있게 되는 것이다.
도 1은 일반적인 판형 열교환기.
도 2는 종래의 판형 열교환기.
도 3은 종래의 쉐브론 형상을 가지는 플레이트.
도 4는 본 발명의 판형 열교환기.
도 5는 본 발명의 쉐브론 형상을 가지는 플레이트.
도 7은 본 발명의 쉐브론 형상을 가지는 플레이트에서의 온도 및 유속 분포.
도 8은 차단부 피치에 따른 열교환성능 및 압력강하량 관계 그래프.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 판형 열교환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 판형 열교환기를 도시한 것이다. 본 발명의 판형 열교환기의 기본적인 구조는 일반적인 판형 열교환기와 유사하다. 보다 구체적으로 설명하자면, 본 발명의 판형 열교환기(1000)는, 복수 개의 플레이트(100)가 적층되어 제1열교환매체가 유동하는 제1매체공간(110)과 제2열교환매체가 유동하는 제2매체공간(120)이 교대로 형성되며, 상기 플레이트(100)에는 상기 제1매체공간(110)으로 제1열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 제1매체유입구(112a) 및 제1매체배출구(112b)와; 상기 제1매체유입구(112a) 및 상기 제1매체배출구(112b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제1열교환매체를 수용 및 유동시키는 제1매체탱크부(111)와; 상기 제2매체공간(120)으로 제2열교환매체를 각각 유입 및 배출시키는 제2매체유입구(122a) 및 제2매체배출구(122b)와; 상기 제2매체유입구(122a) 및 상기 제2매체배출구(122b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제2열교환매체를 수용 및 유동시키는 제2매체탱크부(121);가 구비되어 이루어진다. 이와 같이 상기 제1매체공간(110) 및 상기 제2매체공간(120)이 교대로 적층된 형태로 형성됨으로써 상기 플레이트(100)를 통해 제1열교환매체 및 제2열교환매체가 서로 열교환할 수 있게 된다.
이러한 판형 열교환기(1000)에서, 열교환성능이 더욱 향상되도록 상기 판형 열교환기(1000)는 상기 제1열교환매체 및 상기 제2열교환매체가 대향류를 이루도록 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 판형 열교환기(1000)가 수냉식 컨덴서로서 활용될 경우, 상기 제1열교환매체 및 상기 제2열교환매체가 각각 냉각수 및 냉매 또는 냉매 및 냉각수일 수 있다. 물론 상기 판형 열교환기(1000)의 용도가 수냉식 컨덴서로 한정되는 것은 아니며, 이종의 유체가 서로 열교환하도록 형성되는 열교환기, 예를 들어 수냉식 오일 쿨러 등과 같은 용도로 사용될 수도 있으며, 즉 상기 제1열교환매체 및 상기 제2열교환매체는 서로 다른 유체라면 설계자나 사용자의 목적, 의도 등에 따라 얼마든지 변형 실시될 수 있다.
이 때, 상술한 바와 같이 제1열교환매체 및 제2열교환매체 간의 열교환면적을 넓혀 열교환효율을 향상시키도록, 상기 플레이트(100)에는 다양한 형태의 요철 등의 형상이 형성되는 것이 일반적이다. 본 발명의 판형 열교환기(1000)는 열교환면적을 넓히도록 상기 플레이트(100)에 도 4에 도시된 바와 같이 다수 개의 쉐브론(chevron, 150) 형상이 병렬 배치된 형태로 형성되게 하고 있다. 쉐브론이란 앞서 설명한 바와 같이 V자 형상을 일컫는 용어로서, 보다 구체적으로는, 상기 쉐브론(150)은 적어도 1개 이상의 V자 형상의 비드가 상기 플레이트(100)로부터 돌출되어 형성된다.
상기 쉐브론(150) 형상에 대하여 좀더 부연하자면, 상기 쉐브론(150)은 적어도 1개 이상의 V자 형상이 연결된 형태로 형성될 수 있다. 도 4 및 도 5에서는 상기 쉐브론(150)이 1개의 V자 형상으로 형성된 형태를 보여 주고 있으나, 도 7의 예시에서는 상기 쉐브론(150)이 2개의 V자 형상이 연결된 형태, 즉 W자와 같은 형태로 형성된 경우를 보여 주고 있다. 물론 이 뿐만 아니라, V자 형상이 3개 이상 연결되어 VVV와 같은 형태 등으로 형성될 수도 있다.
상기 판형 열교환기(1000)의 적층 구조에 대하여 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 판형 열교환기(100)는, V자 형상의 꼭지점 방향과 흐름 방향이 일치하도록 배치된 쉐브론(150)을 갖는 제1플레이트 및 상기 제1플레이트의 쉐브론(150)의 V자 형상의 꼭지점 방향과 반대되는 방향으로 배치된 쉐브론(150)을 갖는 제2플레이트가 서로 교대로 적층되어 형성되도록 한다. 상기 플레이트(100)를 어떻게 배치하느냐에 따라 동일한 형상의 상기 플레이트(100)가 제1플레이트가 될 수도 있고 제2플레이트가 될 수도 있다. 또는, 제1플레이트와 제2플레이트가 서로 다른 형상이 되도록 할 수도 있으며, 이 경우 제1플레이트 및 제2플레이트를 통칭하여 플레이트(100)라고 한다.
앞서 설명한 바와 같이 상기 플레이트(100) 상에 상기 쉐브론(150)을 형성시키는 과정에서, 도 3(B)에서와 같이 상기 쉐브론(150)의 끝단부가 상기 플레이트(100)의 벽면과 밀접하게 형성되게 할 경우, 제작 시 밀접한 부분이 과도한 변형으로 인하여 손상이 일어날 우려가 있고, 이러한 우려 때문에 금형 제작이 난해해지는 등의 문제가 있었다. 반면, 이러한 문제를 피하기 위하여 도 3(C)에서와 같이 상기 쉐브론(150)의 끝단부가 상기 플레이트(100)의 벽면과 이격되게 형성되게 할 경우, 이 이격부에서의 열교환면적이 다른 부분보다 훨씬 좁기 때문에 전체적인 열교환성능이 떨어지고 온도 분포가 고르지 못하게 되며, 또한 흐름 저항의 차이 때문에 유속 분포 또한 고르지 못하게 되어 열교환성능을 더욱 떨어뜨리는 요인이 되는 문제가 있었다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해소하기 위하여, 도 5에 도시된 바와 같은 플레이트(100) 형상을 제시한다. 구체적으로 설명하자면, 본 발명의 플레이트(100)는 도 5에 도시된 바와 같이, 다수 개의 상기 쉐브론(150) 중 일부의 끝단부는 상기 플레이트(100)의 벽면과 밀접하게 연장되어 차단부(S1)를 형성하고, 나머지 일부의 끝단부는 상기 플레이트(100)의 벽면과 이격되어 이격부(S2)를 형성하도록 형성된다. 즉, 상기 이격부(S2) 부분으로 흘러가는 열교환매체의 흐름을 중간중간 상기 차단부(S1)로 끊어 줌으로써, 상기 이격부(S2)로 열교환매체가 완전히 흘러가버리지 않고 다시 상기 쉐브론(150)들의 겹침 영역(즉 도 3(A)와 같이 형성되는 영역)으로 되돌아올 수 있도록 하는 것이다. 도 4에 도시된 상기 판형 열교환기(100)에서 볼 때, 이와 같이 쉐브론(150)의 V자 형상의 꼭지점 방향이 층마다 서로 반대가 되도록 배치될 때(즉 제1플레이트와 제2플레이트가 교대로 적층되어 이루어질 때), 상기 판형 열교환기(1000)는 상기 제1플레이트 및 상기 제2플레이트 각각의 상기 차단부(S1)가 서로 맞닿도록 형성되어, 상기 차단부(S1)가 상기 이격부(S2) 부분으로 흘러가는 열교환매체의 흐름을 끊어 줄 수 있게 된다.
도 6은 도 4에서와 같이 상기 쉐브론(150) 방향이 교대로 바뀌도록 상기 플레이트(100)들이 적층될 때의 상면도 및 측면도를 도시한 것이다. (상면도에서는 겹쳐져 있는 플레이트를 점선으로 도시하였다.) 도시된 바와 같이 상하의 각 플레이트(100)에서 상기 차단부(S1) 부분이 서로 맞닿아 열교환매체의 흐름을 차단하고, 상기 이격부(S2) 부분은 빈 공간을 형성함으로써 열교환매체가 그 공간으로 흘러갈 수 있게 됨을 알 수 있다.
이와 같이 함으로써, 먼저 열교환매체의 흐름이 이격부(S2)로 집중되는 것을 막고 열교환매체가 반드시 상기 쉐브론(150)들이 겹쳐지는 영역을 통과하여 흐르도록 할 수 있게 되어, 도 3(C)와 같은 종래의 쉐브론 플레이트 형태에 비해 유속 분포가 훨씬 균일화되고, 물론 이에 따라 온도 분포도 균일화된다. 본 발명에서와 같이 상기 쉐브론(150)들이 차단부(S1) 및 이격부(S2)를 형성하면서 형성된 플레이트(100)에서의 온도 분포 및 유속 분포의 한 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 도 7(A)는 온도 분포를, 도 7(B)는 유속 분포를 각각 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 온도 및 유속이 플레이트 벽면 부근에서의 집중 현상이 거의 발견되지 않고 전체적으로 균일하게 분포되는 것을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명에서와 같이 다수 개의 상기 쉐브론(150) 중 일부의 끝단부는 상기 차단부(S1)를 형성하고, 나머지 일부의 끝단부는 상기 이격부(S2)를 형성하도록 할 경우, 도 3(B)와 같은 종래의 쉐브론 플레이트 형태에 비해 제작 및 금형 상의 난해함이 훨씬 줄어들게 된다. 이러한 쉐브론 플레이트를 제작할 때, 쉐브론 간에도 판재의 변형이 크게 일어나고, 또한 쉐브론 - 플레이트 벽면 간에도 판재의 변형이 크게 일어나는데, 도 3(B)와 같은 형태의 경우 쉐브론 - 플레이트 벽면 영역에서는 쉐브론 간의 변형 및 쉐브론 - 플레이트 벽면 간의 변형이 겹치게 되어 판재의 지나친 변형이 초래되며, 이에 따라 제대로 원하는 형상으로 성형되지 않거나 또는 제작 과정에서 판재가 찢어지는 등의 손상이 발생하는 등 불량이 발생할 가능성이 매우 높았다. 그러나 도 5의 본 발명에서와 같이, 다수 개의 상기 쉐브론(150) 중 일부의 끝단부는 상기 차단부(S1)를 형성하고, 나머지 일부의 끝단부는 상기 이격부(S2)를 형성하도록 하면, 이러한 제작 과정에서의 변형의 겹침을 막을 수 있어 상술한 바와 같은 올바르지 못한 형상으로 성형되는 문제, 판재의 찢어짐 등 손상이나 파손 문제 등을 해소할 수 있어, 제작 및 금형 상의 난해함을 크게 저감시킬 수 있는 것이다.
이 때, 상기 차단부(S1)가 얼마나 자주 존재하도록 할 것인지에 대한 최적화가 필요하다. 상기 차단부(S1)가 너무 많게 형성될 경우에는 열교환성능은 좋아지는 반면 도 3(B)의 쉐브론 형상의 문제점들(제작 및 금형 상의 난해함)이 강화되며, 반대로 상기 차단부(S1)가 너무 적게 형성될 경우에는 제작이 용이해지는 반면 도 3(C)의 쉐브론 형상의 문제점들(온도 및 유속 분포가 이격부 쪽으로 집중되어 불균일해짐, 열교환성능 저하)이 강화될 우려가 있어, 적절한 정도를 결정하여 설계하여야만 한다.
먼저 도 5를 참조하여, 최초 차단부(S1)에서 최후 차단부(S1)까지의 거리를 A라 하고, 하나의 차단부(S1)에서 최근접 차단부(S1)까지의 거리(즉 차단부(S1)들 간 간격)을 B라 하고, 이를 이용하여 쉐브론 피치(pitch)를 100 * B/A(%)로 정의한다.
도 8은 차단부 피치에 따른 열교환성능 및 압력강하량 관계 그래프를 도시한 것으로, 보다 구체적으로는 냉각수 흐름에서의 열교환성능 및 압력강하량을 측정한 결과이다. 도 8에서 보면, 쉐브론 피치가 커질수록 (즉 상기 차단부(S1)가 적게 형성될수록) 열교환성능이 떨어져서 나빠지는 대신 압력강하량은 낮아져서 좋아지는 경향을 보이고, 반대로 쉐브론 피치가 작아질수록 (즉 상기 차단부(S1)가 많게 형성될수록) 열교환성능이 올라가서 좋아지는 대신 압력강하량은 높아져서 나빠지는 경향을 보임을 알 수 있다. 이 때 열교환기에서 열교환매체 흐름에서의 압력강하량을 낮추는 것이 시스템 전체적인 효율을 높이는 데 좋기는 하지만, 궁극적으로 열교환기에서 가장 추구되어야 할 것은 열교환성능의 향상이다. 이에 따라, 열교환성능의 손실이 그리 크지 않으면서 압력강하량도 너무 높지 않은 정도가 되게 할 수 있도록, 도 8에서 표시된 바와 같이 상기 플레이트(100)는 쉐브론 피치가 10% 내지 20% 범위 내의 값을 가지도록 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000: (본 발명의) 판형 열교환기
100: 플레이트
110: 제1매체공간 111: 제1매체탱크부
112a: 제1매체유입구 112b: 제1매체배출구
120: 제2매체공간 121: 제2매체탱크부
122a: 제2매체유입구 122b: 제2매체배출구
150: 쉐브론(chevron)
S1: 차단부 S2: 이격부

Claims (6)

  1. 복수 개의 플레이트(100)가 적층되어 제1열교환매체가 유동하는 제1매체공간(110)과 제2열교환매체가 유동하는 제2매체공간(120)이 교대로 형성되며, 상기 플레이트(100)에는 상기 제1매체공간(110)으로 제1열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 제1매체유입구(112a) 및 제1매체배출구(112b)와; 상기 제1매체유입구(112a) 및 상기 제1매체배출구(112b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제1열교환매체를 수용 및 유동시키는 제1매체탱크부(111)와; 상기 제2매체공간(120)으로 제2열교환매체를 각각 유입 및 배출시키는 제2매체유입구(122a) 및 제2매체배출구(122b)와; 상기 제2매체유입구(122a) 및 상기 제2매체배출구(122b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제2열교환매체를 수용 및 유동시키는 제2매체탱크부(121);가 구비되어 이루어지는 판형 열교환기(1000)에 있어서,
    상기 플레이트(100)에는 다수 개의 쉐브론(chevron, 150) 형상이 병렬 배치된 형태로 형성되되,
    다수 개의 상기 쉐브론(150) 중 일부의 끝단부는 상기 플레이트(100)의 벽면과 밀접하게 연장되어 차단부(S1)를 형성하고, 나머지 일부의 끝단부는 상기 플레이트(100)의 벽면과 이격되어 이격부(S2)를 형성하며,
    상기 플레이트(100)는, 쉐브론 피치(pitch)가 10% 내지 20% 범위 내의 값을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
    (이 때,
    A: 최초 차단부(S1)에서 최후 차단부(S1)까지의 거리
    B: 하나의 차단부(S1)에서 최근접 차단부(S1)까지의 거리
    라 할 때, 쉐브론 피치(%) = 100 * B/A )
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 쉐브론(150)은
    적어도 1개 이상의 V자 형상의 비드가 상기 플레이트(100)로부터 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 쉐브론(150)은
    적어도 1개 이상의 V자 형상이 연결된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 판형 열교환기(1000)는
    V자 형상의 꼭지점 방향과 흐름 방향이 일치하도록 배치된 쉐브론(150)을 갖는 제1플레이트 및 상기 제1플레이트의 쉐브론(150)의 V자 형상의 꼭지점 방향과 반대되는 방향으로 배치된 쉐브론(150)을 갖는 제2플레이트가 서로 교대로 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 판형 열교환기(1000)는
    상기 제1플레이트 및 상기 제2플레이트 각각의 상기 차단부(S1)가 서로 맞닿도록 형성되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
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