KR102667381B1 - 유체 흐름을 개선한 판형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체 흐름을 개선한 판형 열교환기에 관한 것으로서, 복수 개의 전열판이 적층되어 가열유체가 유동하는 공간과 수열유체가 유동하는 공간이 교대로 형성되며, 상기 전열판에는 가열유체 또는 수열유체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 4개의 유체홀이 상부와 하부의 양측 모서리에 배치되어 가스켓에 의하여 해당 공간을 가열유체 또는 수열유체를 선택적으로 유동하도록 제한하고 유체의 누출을 막도록 구성되는 판형 열교환기에 있어서; 상기 전열판의 유체홀은 서로 대각 방향으로 연장된 유체홀이 각각 유체를 유입 및 배출하도록 구성되며; 상기 전열판에는 상기 유체홀의 외측으로 동심원을 이루면서 함몰 형성되는 원호부와, 상하로 배치되는 유체홀의 외측을 수직으로 연결하는 수직부와, 상부와 하부에 양측으로 배치된 유체홀과 일단은 접선을 이루고 상호 교차한 후 수직부와 연결되는 경사부를 포함하여 구성되어 가스켓이 장착되는 가스켓홈과; 상기 가스켓홈과 상기 전열판의 테두리 사이에 간격을 두며 돌출 형성되는 복수 개의 돌출부와; 상기 유체홀에서 동심원을 이루는 원호부 방향으로 방사형으로 배열되어 돌출되는 제1 가이드 돌출부와; 상기 원호부에서 인접한 경사부 방향으로 방사형으로 배열되어 돌출되는 네 개의 제2 가이드 돌출부와; 교차하는 두 개의 경사부에 이등변을 형성하고 양 끝단을 연결하는 삼각형의 공간에서 인접한 두개의 제2 가이드 돌출부의 돌출된 부분이 연장 형성되되 돌출된 사이 홈의 연장선은 함몰 형성되어 유체의 흐름이 분산 또는 수렴되도록 하는 두 개의 제3 가이드 돌출부와; 상하 제3 가이드 돌출부의 사이 사각의 공간에서 수직 방향으로 유로를 형성하는 복수 개의 수직 가이드 돌출부와; 상기 수직 가이드 돌출부의 중앙에 상하 및 좌우로 모서리가 배치되는 마름모의 형상의 공간에서 수평방향으로 인접한 전열판과 밀착하지 않는 높이로 돌출 연장되어 유체의 흐름을 지연시키는 복수 개의 수평 돌출부 영역을 구비함을 특징으로 하는 유체 흐름을 개선한 판형 열교환기에 관한 것이다.

Description

유체 흐름을 개선한 판형 열교환기{The plate type heat exchanger with improved fluid flow}

본 발명은 유체 흐름을 개선한 판형 열교환기에 관한 것으로서, 좀더 상세하게 설명하면 판형 열교환기에서 인접한 전열판 사이를 흐르면서 열교환이 이루어지도록 하는 유체가 전열판 전체에 걸쳐 고르게 퍼져 이동하도록 하여 일부 구역에서 열교환이 많거나 적게 이루어지는 것을 방지하여 열교환 효율을 높일 수 있도록 하기 위하여 개발된, 유체 흐름을 개선한 판형 열교환기에 관한 것이다.

판형 열교환기란 양측의 커버 사이에 얇은 전열판을 테두리에 인접하여 장착되는 가스켓(Gasket)에 의하여 소폭 이격된 상태에서 여러장 겹쳐서 구성되어 인접한 전열판 사이에는 가열유체와 수열유체가 교대로 흐르도록 형성되어 가열유체로에 전열판을 통하여 수열유체로 열교환이 이루어지도록 형성된 것이다.

이러한 전열판에는 유체가 공급되고 배출되는 상하 각각 한 쌍의 유체홀이 형성되고 가스켓은 유체의 외부 누출방지를 위해 밀봉하는 역할과 하부의 유체홀 중 하나와 상부의 유체홀 중 하나를 통하여 가열유체 또는 수열유체 중 하나가 흘러갈 수 있도록 하며, 두 종류의 가열유체와 수열유체가 전열판 사이 공간을 교대로 흐르도록 한다.

이러한 판형 열교환기는 작게는 에어컨, 냉장고, 컴퓨터, 살균기에서부터 자동차의 라지에이터, 발전소, 냉각탑 등 일반 가정에서 사용하는 기기에서 산업현장에 이르기까지 폭넓게 사용되고 있는 것이며, 가정용 기기에서는 소음이 크고 주변 먼지가 내구성에 크게 영향을 미치는 팬을 이용한 냉각방식 보다는 상대적으로 소음이 적고 안정적이기에 사용하는 경우가 증가하고 있다.

특히 대형 냉장 또는 냉동고의 경우 공기를 이용한 방법이 아닌 수냉식으로 판형 열교환기가 장착되는 냉각탑을 이용하는 경우가 많다.

도 5는 종래의 판형 열교환기를 나타낸 사시도로서, 종래의 판형 열교환기(100)은 내부에 복수 개의 전열판이 적층되어 있으며, 외부로는 가열유체와 냉매도 대표되는 수열유체가 공급되고 배출될 수 있도록 네 개의 배관 연결부(110)를 구비하고 있다.

이러한 판형 열교환기(100)의 내부 전열판에는 유체가 접촉하는 면적을 최대한 늘어나면서 유체의 이동을 억제하여 접촉 시간을 증가하기 위한 개념의 주름이 형성되어 있으며 하부의 유체홀에서 유체가 고르게 퍼질 수 있도록 하는 유로와 상부의 유체홀로 모일 수 있도록 하는 유로 및 중간에 유체의 흐름이 느려지도록 하는 서로 반대방향으로 연장되는 사선의 빗살형 주름이 조합되는 것이 일반적이다.

하지만 이러한 빗살형 주름은 주름이 다른 전열판의 주름 상단과 밀착하여 그 사이에 유로가 형성되는 개념이 대부분으로 상하 유체홀을 연결하는 임의의 직선경로에서는 유체의 흐름이 빠르고 외곽을 통과하는 유체의 흐름은 상대적으로 느릴 수 밖에 없어 전열판에서 고른 열교환이 이루어진다고 볼 수 없다.

즉 전열판에서의 고른 열교환은 열교환기의 효율을 높일 수 있는 방안으로 서로 다른 이동경로를 통하여 이동하는 유체가 균일한 열교환이 이루어질 수 있도록 유체의 흐름이 빠른 곳의 속도는 지연시키고 느린 곳을 빠르게 하여 균일한 연교환이 이루어지도록 하는 전열판의 개선이 필요하다고 할 수 있다.

대한민국특허등록 제10-1157711-0000호 (2012년06월12일) 대한민국특허등록 제10-1203674-0000호 (2012년11월15일) 대한민국특허등록 제10-1693245-0000호 (2016년12월30일) 대한민국공개특허 제10-2021-0112150호 (2021년09월14일)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 그 목적은 판형 열교환기에서 투입되는 유체가 공급되어 배출되는 과정에서 상대적으로 짧은 경로를 빠르게 지나가는 흐름은 느리게 하고 상대적으로 긴 경로를 느리게 지나가는 흐름은 빠르게 이루어지도록 하여 전열판 전체적으로 고른 열교환이 이루어질 수 있도록 하는 유체 흐름을 개선한 판형 열교환기를 개발하는 것에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명의 구성은, 복수 개의 전열판이 적층되어 가열유체가 유동하는 공간과 수열유체가 유동하는 공간이 교대로 형성되며, 상기 전열판에는 가열유체 또는 수열유체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 4개의 유체홀이 상부와 하부의 양측 모서리에 배치되어 가스켓에 의하여 해당 공간을 가열유체 또는 수열유체를 선택적으로 유동하도록 제한하고 유체의 누출을 막도록 구성되는 판형 열교환기에 있어서;

상기 전열판의 유체홀은 서로 대각 방향으로 연장된 유체홀이 각각 유체를 유입 및 배출하도록 구성되며;

상기 전열판에는 상기 유체홀의 외측으로 동심원을 이루면서 함몰 형성되는 원호부와, 상하로 배치되는 유체홀의 외측을 수직으로 연결하는 수직부와, 상부와 하부에 양측으로 배치된 유체홀과 일단은 접선을 이루고 상호 교차한 후 수직부와 연결되는 경사부를 포함하여 구성되어 가스켓이 장착되는 가스켓홈과;

상기 가스켓홈과 상기 전열판의 테두리 사이에 간격을 두며 돌출 형성되는 복수 개의 돌출부와;

상기 유체홀에서 동심원을 이루는 원호부 방향으로 방사형으로 배열되어 돌출되는 제1 가이드 돌출부와;

상기 원호부에서 인접한 경사부 방향으로 방사형으로 배열되어 돌출되는 네 개의 제2 가이드 돌출부와;

교차하는 두 개의 경사부에 이등변을 형성하고 양 끝단을 연결하는 삼각형의 공간에서 인접한 두개의 제2 가이드 돌출부의 돌출된 부분이 연장 형성되되 돌출된 사이 홈의 연장선은 함몰 형성되어 유체의 흐름이 분산 또는 수렴되도록 하는 두 개의 제3 가이드 돌출부와;

상하 제3 가이드 돌출부의 사이 사각의 공간에서 수직 방향으로 유로를 형성하는 복수 개의 수직 가이드 돌출부와;

상기 수직 가이드 돌출부의 중앙에 상하 및 좌우로 모서리가 배치되는 마름모의 형상의 공간에서 수평방향으로 인접한 전열판과 밀착하지 않는 높이로 돌출 연장되어 유체의 흐름을 지연시키는 복수 개의 수평 돌출부 영역을 구비하면 바람직하다,

본 발명의 구성은, 상기 수평 돌출부 영역이 형성되는 마름모 형상의 공간에는 원형으로 돌출되어 인접한 전열판과 밀착하여 간격을 유지하도록 하는 하나 이상의 간격유지 돌출부가 형성되면 바람직하다.

본 발명의 구성은, 상기 간격유지 돌출부는 복수인 경우에 수평상 동일선상에 등간격으로 형성되면 바람직하다.

본 발명의 구성은, 상기 수평 돌출부가 형성되는 마름모 형상의 공간은 상하로 두 개 이상이 배치되면 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명은 판형 열교환기에서 투입되는 유체가 공급되어 배출되는 과정에서 상대적으로 짧은 경로를 빠르게 지나가는 흐름은 느리게 하고 상대적으로 긴 경로를 느리게 지나가는 흐름은 빠르게 하여 배출되는 지점에서의 온도 변화를 최대한 동일하도록 유체 흐름을 개선한 판형 열교환기의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전열판을 나타낸 정면도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스켓이 장착된 상태를 나타낸 정면도
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 개념도
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 개념도
도 5는 종래의 판형 열교환기를 나타낸 사시도

이에 본 발명의 구성을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전열판을 나타낸 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스켓이 장착된 상태를 나타낸 정면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 개념도이다.

도 1 내지 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명은 복수 개의 전열판(1)이 적층되어 가열유체가 유동하는 공간과 수열유체가 유동하는 공간이 교대로 형성되며, 상기 전열판(1)에는 가열유체 또는 수열유체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 4개의 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)이 상부와 하부의 양측 모서리에 배치되어 가스켓(2)에 의하여 해당 공간을 가열유체 또는 수열유체를 선택적으로 유동하도록 제한하고 유체의 누출을 막도록 구성되는 판형 열교환기에서 본 발명은 전열판(1)의 구조를 개선하여 유체의 흐름이 열교환이 보다 효율적으로 이루어지도록 하는 목적으로 개발하였다.

이에 본 발명은 기본적으로 상기 전열판(1)의 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)은 서로 대각 방향으로 연장된 유체홀이 각각 유체를 유입 및 배출하도록 구성되는 열교환기에 적용되는 구성이며, 가장 일반적인 수직방향으로 배열된 유체홀에서 동일한 유체를 유입하고 배출하는 대부분의 열교환기와 차이가 있다고 할수 있으나, 본발명과 동일하게 대각선으로 유입 및 배출되는 소수의 장치도 있다.

본 발명에서, 상기 전열판(1)에는,

상기 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)의 외측으로 동심원을 이루면서 함몰 형성되는 원호부와, 상하로 배치되는 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)의 외측을 수직으로 연결하는 수직부와, 상부와 하부에 양측으로 배치된 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)과 일단은 접선을 이루고 상호 교차한 후 수직부와 연결되는 경사부를 포함하여 구성되어 가스켓(2)이 장착되는 가스켓홈(12)과;

상기 가스켓홈(12)과 상기 전열판(1)의 테두리 사이에 간격을 두며 돌출 형성되는 복수 개의 돌출부(13)와;

상기 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)에서 동심원을 이루는 원호부 방향으로 방사형으로 배열되어 돌출되는 제1 가이드 돌출부(14)와;

상기 원호부에서 인접한 경사부 방향으로 방사형으로 배열되어 돌출되는 네 개의 제2 가이드 돌출부(15)와;

교차하는 두 개의 경사부에 이등변을 형성하고 양 끝단을 연결하는 삼각형의 공간에서 인접한 두개의 제2 가이드 돌출부(15)의 돌출된 부분이 연장 형성되되 돌출된 사이 홈의 연장선은 함몰 형성되어 유체의 흐름이 분산 또는 수렴되도록 하는 두 개의 제3 가이드 돌출부(16)를 구비한다.

위의 구성은 이미 선행하는 특허 및 다양한 실시 예에서 전술한 바와 같이 수직 방향으로 유입되고 배출되는 구조의 판형 열교환기에서 이미 사용되는 구조로 상기 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)에서 최초 배출되는 유체는 돌출부(13) 사이의 공간으로 이동한 후 개방된 원호부와 경사부를 통과하여 비교적 균일하게 분산되어 이동하고, 배출시에는 역으로 수렴되어 배출되는 구조를 가진다.

이때 가스켓(2)은 한 종류의 유체만 이동할 수 있도록 하나를 개방하면 다른 하나는 막히도록 하는 구조를 가지며, 복수 개의 전열판(1)을 적층하고 가압할 때 각종 돌출부는 인접한 전열판과 밀착되고 그 사이에 유로를 형성하며, 가스켓(2)은 가압되면서 밀폐되는 구조를 가지게 된다.

본 발명의 가장 큰 특징은, 상하 제3 가이드 돌출부(16)의 사이 사각의 공간에서 수직 방향으로 유로를 형성하는 복수 개의 수직 가이드 돌출부(17)와; 상기 수직 가이드 돌출부(17)의 중앙에 상하 및 좌우로 모서리가 배치되는 마름모의 형상의 공간에서 수평방향으로 인접한 전열판(1)과 밀착하지 않는 높이로 돌출 연장되어 유체의 흐름을 지연시키는 복수 개의 수평 돌출부 영역(18)을 구비하는 구조라고 할 수 있다.

종래에는 좌측 또는 우측으로 경사진 돌출부 들을 조합한 형상이 대부분이지만, 도면에 도시된 바와 같이 상기 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)을 대각으로 연결하는 최단거리와 외곽으로 굴절된 경로를 통과하는 거리와는 거리와 유체의 속도에서 차이가 발생할 수 밖에 없으며, 이러한 결과는 최종 도달한 유체의 온도가 상이하여 열교환 효율이 떨어진다는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 유체의 속도를 지연시키는 구간 즉 수평 돌출부 영역(18)이 형성되는 구간을 중앙에서 외곽으로 갈수록 줄어드는 마름모의 형상을 가지도록 하여, 짧은 구간에서는 유속이 느리게 흐르게 하고, 상대적으로 먼 구간에서는 유속이 빠르도록 하여 균일한 열교환이 이루어지도록 한 것이다.

이러한 마름모 형상은 본 발명에서 유체홀이 11c에서 11b로 이동하는 일 예를 도시하였지만 11a에서 11d로 이동할 경우 또는 그 반대의 경우에도 동일하게 유속을 제어할 수 있게 된다.

또한 본 발명에서는 상기 수평 돌출부 영역(18)이 형성되는 마름모 형상의 공간에는 원형으로 돌출되어 인접한 전열판(1)과 밀착하여 간격을 유지하도록 하는 하나 이상의 간격유지 돌출부(19)가 형성됨을 특징으로 하는 실시 예를 나타내었다.

본 발명에서 상기 수평 돌출부 영역(18)은 인접한 전열판(1)과 밀착하는 것이 아니라 이격된 폭이 상기 수평 돌출부 영역(18)에 의하여 좁고 넓은 구간이 반복되도록 하여 유체의 흐름을 지연시키는 것으로, 사용에 따라 이 부분인 압력에 의하여 팽창하거나 인접한 공간의 압력에 의하여 수축할 우려가 발생하게 되며, 본 발명은 이러한 팽창과 수축을 방지하기 위하여 간격유지 돌출부(19)를 구비하는 것이다.

상기 간격유지 돌출부(19)는 복수인 경우에 수평상 동일선상에 등간격으로 형성된다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 개념도로서, 상기 수평 돌출부 영역(18)이 형성되는 마름모 형상의 공간은 상하로 두 개 이상이 배치됨을 특징으로 하는 실시 예를 나타내었다.

상기 실시 예는 본 발명에서 수직 가이드 돌출부(17)이 형성된 구간이 많을 경우 유체의 흐름이 빨라지면서 열교환 효율이 떨어질 우려가 있으며 이를 최소화하기 위한 수단으로 더 넓은 면적에 수평 돌출부 영역(18)을 형성하여 효율을 증가시킬 수 있도록 하는 것이며, 제작에 있어 그 형상과 그기 및 수에 따라서 구간에 따른 유속의 변화가 차이가 날 것이므로 가장 효율적인 유체의 흐름이 될 수 있도록 보다 치밀한 구조의 설계가 필요하다고 할 수 있다.

1 : 전열판
11a, 11b, 11c, 11d : 유체홀 12 : 가스켓홈
13 : 돌출부 14 : 제1 가이드 돌출부
15 : 제2 가이드 돌출부 16 : 제3 가이드 돌출부
17 : 수직 가이드 돌출부 18 : 수평 돌출부 영역
19 : 간격유지 돌출부
2 : 가스켓
100 : 판형 열교환기

Claims (4)

1. 복수 개의 전열판(1)이 적층되어 가열유체가 유동하는 공간과 수열유체가 유동하는 공간이 교대로 형성되며, 상기 전열판(1)에는 가열유체 또는 수열유체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 4개의 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)이 상부와 하부의 양측 모서리에 배치되어 가스켓(2)에 의하여 해당 공간을 가열유체 또는 수열유체를 선택적으로 유동하도록 제한하고 유체의 누출을 막도록 구성되는 판형 열교환기에 있어서;
   상기 전열판(1)의 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)은 서로 대각 방향으로 연장된 유체홀이 각각 유체를 유입 및 배출하도록 구성되며;
   상기 전열판(1)에는 상기 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)의 외측으로 동심원을 이루면서 함몰 형성되는 원호부와, 상하로 배치되는 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)의 외측을 수직으로 연결하는 수직부와, 상부와 하부에 양측으로 배치된 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)과 일단은 접선을 이루고 상호 교차한 후 수직부와 연결되는 경사부를 포함하여 구성되어 가스켓(2)이 장착되는 가스켓홈(12)과;
   상기 가스켓홈(12)과 상기 전열판(1)의 테두리 사이에 간격을 두며 돌출 형성되는 복수 개의 돌출부(13)와;
   상기 유체홀(11a, 11b, 11c, 11d)에서 동심원을 이루는 원호부 방향으로 방사형으로 배열되어 돌출되는 제1 가이드 돌출부(14)와;
   상기 원호부에서 인접한 경사부 방향으로 방사형으로 배열되어 돌출되는 네 개의 제2 가이드 돌출부(15)와;
   교차하는 두 개의 경사부에 이등변을 형성하고 양 끝단을 연결하는 삼각형의 공간에서 인접한 두개의 제2 가이드 돌출부(15)의 돌출된 부분이 연장 형성되되 돌출된 사이 홈의 연장선은 함몰 형성되어 유체의 흐름이 분산 또는 수렴되도록 하는 두 개의 제3 가이드 돌출부(16)와;
   상하 제3 가이드 돌출부(16)의 사이 사각의 공간에서 수직 방향으로 유로를 형성하는 복수 개의 수직 가이드 돌출부(17)와;
   상기 수직 가이드 돌출부(17)의 중앙에 상하 및 좌우로 모서리가 배치되는 마름모의 형상의 공간에서 수평방향으로 인접한 전열판(1)과 밀착하지 않는 높이로 돌출 연장되어 유체의 흐름을 지연시키는 복수 개의 수평 돌출부 영역(18)을 구비하며,
   상기 수평 돌출부 영역(18)이 형성되는 마름모 형상의 공간에는 원형으로 돌출되어 인접한 전열판(1)과 밀착하여 간격을 유지하도록 하는 하나 이상의 간격유지 돌출부(19)가 형성되며,
   상기 간격유지 돌출부(19)는 복수인 경우에 수평상 동일선상에 등간격으로 형성되며,
   상기 수평 돌출부 영역(18)이 형성되는 마름모 형상의 공간은 상하로 두 개 이상이 배치됨을 특징으로 하는 유체의 흐름을 개선한 판형 열교환기.
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