KR20070001819A

KR20070001819A - 열교환 유닛

Info

Publication number: KR20070001819A
Application number: KR1020060058563A
Authority: KR
Inventors: 도요아키 마쓰자키; 다로 와타나베
Original assignee: 가부시키가이샤 제네시스
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2007-01-04
Also published as: US20070000654A1; JP2007010202A; CN1892163A; EP1739379A2; TW200712419A

Abstract

열교환 유닛은 외주 영역의 형상이 서로 동일하지만 중앙의 불규칙 패턴부는 서로 상이한 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포함한다. 불규칙 패턴부는 일 면에 요철 패턴을 가지며 타 면에 상기 요철 패턴과 대응되는 반대의 요철 패턴을 갖는다. 이들 패턴은 형상이 서로 상이하다. 제1 플레이트의 요철 패턴은 제2 플레이트의 요철 패턴과 서로 대칭이 되도록 반대의 요철 관계를 갖는다. 제1 및 제2 플레이트는 교대로 중첩되어 제1 및 제2 플레이트의 외주 영역이 동일한 방향을 향하고 제1 플레이트의 불규칙 패턴의 돌기는 제2 플레이트의 불규칙 패턴의 돌기와 정점에서 접촉된다.

열교환 유닛, 열전달, 플레이트, 유로, 요철, 중첩, 돌기, 오목부, 유체

Description

열교환 유닛 {HEAT EXCHANGE UNIT}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛의 제1 플레이트의 개략적인 구성을 나타내는 평면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛의 제2 플레이트의 개략적인 구성을 나타내는 평면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛용 열교환 플레이트의 배열 상태를 나타내는 사시도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛에 열교환 플레이트가 조립된 상태를 나타내는 측면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛의 제1 플레이트의 부분 확대도이다.

도 6은 도 5의 선 Ⅵ-Ⅵ을 따라 취한 단면도이다.

도 7은 도 5의 선 Ⅶ-Ⅶ을 따라 취한 단면도이다.

도 8은 도 5의 선 Ⅷ-Ⅷ을 따라 취한 단면도이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛의 제2 플레이트의 부분 확대도이다.

도 10은 도 9의 선 Ⅹ-Ⅹ을 따라 취한 단면도이다.

도 11은 도 9의 선 ⅩⅠ-ⅩⅠ을 따라 취한 단면도이다.

도 12는 도 9의 선 ⅩⅡ-ⅩⅡ를 따라 취한 단면도이다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛용 열교환 플레이트의 불규칙 패턴부를 나타내는 부분 확대 단면도이다.

본 발명은 금속 박판으로 형성되며 평행하게 조합되어 서로 일체화된 복수의 열교환 플레이트를 포함하는 열교환 유닛에 관한 것이며, 구체적으로는, 플레이트가 조합된 상태에서 각각의 플레이트 사이에 형성되는 구성이 상이한 유로를 가지며, 각각의 열교환 유체의 특성 차이에 대응하여 적절한 열전달이 이루어질 수 있어서, 열교환 효율을 높일 수 있는 열교환 유닛에 관한 것이다.

고온 유체와 저온 유체 사이에서 열전달(열교환)이 이루어지도록 하는 열교환기의 사용에 있어서, 열전달율을 크게 하여 열교환 성능을 높이고자 하는 경우에는 종래부터 플레이트식 열교환기가 널리 이용되고 있었다. 이 플레이트식 열교환기는 복수의 판형 열전달 플레이트를 평행하게 소정 간격으로 중첩시켜 각각의 플레이트 사이에 유로가 형성되도록 한 구조를 갖는다. 전술한 유로에는 고온 유체와 저온 유체가 교대로 유동하여 각각의 열전달 플레이트를 통하여 열교환이 이루어진다. 이러한 플레이트식 열교환기는 일본 특개평3-91695호 공보에 도 5 및 도 6을 참조하여 종래기술로서 기재되어 있다.

이와 같은 종래의 플레이트식 열교환기에서는, 2개의 인접하는 플레이트 사이에 탄성재로 형성된 개스킷 부재가 배치되어 이들 사이를 일정하게 유지하여 유체의 통로를 구획한다.

이러한 플레이트식 열교환기의 열전달 플레이트에는 종래부터 헤링본(herringbone) 타입의 불규칙 패턴 형상이 많이 이용되고 있었지만, 이 형상에서는 압력 손실의 저감과 내압 강도 확보의 양립이 어렵기 때문에, 최근에는 다른 불규칙 패턴 형상이 여러 가지 제안되고 있으며, 예를 들면, 일본 특개2002-257488호 공보에 개시되어 있다.

전술한 종래의 열교환기에 있어서의 플레이트는 밀봉 부재(개스킷 부재)의 내측 부분에, 플레이트의 두께 방향(즉, 그 단면)으로 마운드 형상으로 상단부가 평탄하게 이루어지는 열전달부를 복수 포함하는 구성으로 되어 있고, 이들 플레이트가 서로 적층되어 하나의 열교환기를 이루는 구조로 되어 있다.

종래의 열교환기는 전술한 종래기술의 문헌에 기재된 구성으로 되어 있다. 상기 일본 특개2000-257488호에 기재된 종래의 플레이트는, 열교환기를 구성하는데 있어서, 교대로 상하 변을 반전시키면서 적층되어 플레이트에 있어서의 열전달부의 상단부(돌출 방향 선단부)와 이것에 인접하는 플레이트의 유로 교차 부분(돌출 방향 저부)이 접촉하도록 되어있다. 이들 플레이트는 열전달부가 동일한 방향으로 돌출되도록의 적층되어 있으므로, 인접하는 2개의 플레이트 사이에 형성되는 각각의 유로는 동일한 패턴을 가지게 된다.

일반적으로 열교환기에 사용되는 2종류의 유체는 화학적 조성이 서로 상이한 물질이어서, 그 특성이 상이할 뿐만 아니라 열교환 시에 있어서의 압력이나 유량 등의 사용 조건도 전혀 상이하다. 따라서, 열교환 시에는 각각의 유체에 따른 열전달을 고려하는 것이 바람직하지만, 플레이트의 양면에 형성되는 유로의 패턴이 동일한 경우, 플레이트에 대한 열전달 조건은 실질적으로 동일하다. 따라서, 각각의 유로를 흐르는 2개의 열교환 유체에 대하여 동일한 열전달 조건으로 열교환을 하지 않을 수 없다. 그러므로, 플레이트 양쪽에서 열교환을 행하는 2개의 열교환 유체의 특성 특성 등의 차이에 대응한 최적인 열전달 조건을 부여할 수 없어, 효율이 좋은 열교환을 행하기 어렵다는 과제가 있었다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 열전달부의 형상이 서로 대칭 관계인 2종류의 플레이트를 사용하고, 각 플레이트 양면의 유로 형상을 상이하게 하여 플레이트 사이를 흐르는 각각의 유체의 특성 차이에 대응 가능하게 하고, 각각의 유체에 대한 열전달 성능을 충분히 확보하여, 높은 열교환 효율을 얻는 열교환 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제1 측면에 따른 열교환 유닛은, 소정의 불규칙 패턴을 가지며 금속 박판제으로 만들어지고 평행하게 조합되어 서로 일체화되는 복수의 열교환 플레이트를 포함하고, 각각의 열교환 플레이트 사이에 제1 열교환 유체가 통과하는 제1 간극부와 제2 열교환 유체가 통과하는 제2 간극부가 교대로 제공되고, 상기 열교환 플레이트는 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포 함하고, 상기 제1 및 제2 플레이트는 그 외주 영역의 형상이 실질적으로 서로 동일하지만 중앙의 불규칙 패턴부는 서로 상이하며, 각각의 제1 및 제2 플레이트의 불규칙 패턴부는 일 면에 요철 패턴을 갖고 타 면에 이와 대응되며 형상이 상이하여 비대칭이 되는 요철 패턴을 가지며 제1 플레이트의 요철 패턴은 제2 플레이트의 요철 패턴과 반대의 요철 관계를 가져서 서로 대칭이 되고, 상기 제1 및 제2 플레이트는 교대로 중첩되어 상기 제1 및 제2 플레이트의 외주 영역이 동일한 방향을 향하며 소정의 거리로 서로 이격을 유지하고 상기 제1 플레이트의 불규칙 패턴부의 돌기는 상기 제2 플레이트의 불규칙 패턴부의 돌기와 정상부가 접촉한다.

본 발명의 제1 측면에 따르면, 열교환 플레이트에 대하여 2종류의 플레이트, 즉 외주 영역의 형상이 실질적으로 서로 동일하지만 돌출 패턴이 서로 반대 형상이 되도록 서로 대칭인 중앙 불규칙 패턴부가 각각 제공되는 제1 및 제2 플레이트가 사용된다. 이러한 2종류의 플레이트, 즉 제1 및 제2 플레이트를 외주 영역이 동일한 방향이 되도록 하면서 교대로 중첩시켜 조립하여, 각각의 열교환 플레이트 외주 영역 사이에 개스킷 부재를 개재시켜 단단히 조이거나 플레이트 사이에 형성되는 2종류의 간극을 제공하는 인접 접촉 영역에서 납땜을 하며, 상기 간극은 중앙에 불규칙 패턴부를 가지는 2개의 인접하게 조합된 플레이트에 따라 플레이트의 양쪽면에서 형상 및 크기가 상이하다. 2개의 인접하는 간극은 서로 상이한 특징을 가지는 유로를 제공하여, 상이한 열전달 성능을 나타낸다. 열교환 유체의 특성에 따른 유로의 형성은 플레이트와 열교환 유체 사이에서 열전달을 효과적으로 수행하여, 유체 사이의 열교환을 효율적으로 행한다. 인접하는 플레이트의 돌기가 서로 접촉 하는 플레이트의 조합 상태에서는 오목부의 반대쪽에 형성되는 돌기가 서로 접촉한다. 플레이트는 외주 영역에서뿐만 아니라 플레이트의 불규칙 패턴부의 다수의 연결 영역에서도 서로 접촉하게 될 수 있다. 열교환 플레이트의 불규칙 패턴부는 2개의 다른 인접 플레이트에 의해 홀딩되어 유닛의 강도를 상당히 향상시켜서, 압력이 높은 플레이트 사이의 간극에 열교환 유체가 도입되는 경우에도 간극의 적절한 형상을 유지하여 적절한 열교환이 행해진다.

본 발명의 열교환 유닛의 제2 측면에서는, 각각의 제1 및 제2 플레이트가 직사각형 또는 정사각형이고, 적어도 각각의 제1 및 제2 플레이트의 불규칙 패턴부가 한쌍의 플레이트 양쪽 변 또는 다른 한 쌍의 플레이트 양쪽 변 사이의 중앙 위치에 대하여 대칭인 형상을 갖는다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 제1 및 제2 플레이트 각각의 불규칙 패턴부가 한쌍의 플레이트 양쪽 변 또는 다른 한 쌍의 플레이트 양쪽 변 사이의 중앙 위치에 대하여 대칭인 형상을 갖는다. 플레이트의 내측을 외측으로 반전시키면 반전되지 않은 플레이트에 대하여 오철의 위치는 그대로인 채 요철 패턴이 반대 관계로 되어, 반전되지 않은 다른 플레이트와 마찬가지로 불규칙 패턴부의 형상이 동일해진다. 따라서, 열교환 플레이트의 제조에 있어서, 프레스 성형 방법으로 적어도 불규칙 패턴부를 위해 동일한 프레스 성형 다이를 사용하는 것이 가능하다. 그 결과, 2종류의 상이한 플레이트의 제조 시에 복잡한 형상을 가지는 불규칙 패턴부에 동일한 다이가 적용될 수 있어서, 비용이 저감되고 생산성이 대폭 향상된다.

본 발명의 열 교환 유닛의 제3 측면에서는, 열교환 플레이트 각각의 불규칙 패턴부가, 원뿔대 또는 다각뿔대 형태로 열교환 플레이트의 표면으로부터 외측으로 돌출되는 돌기, 및 최단 거리로 인접하는 2개의 돌기 사이에 각각이 배치되는 복수의 중간 돌기를 가지며, 각각의 중간 돌기는 상기 2개의 돌기의 대향 면으로 연장되는 하나 이상의 편평부 또는 굴곡부로 형성되며, 각각의 중간 돌기는 돌기의 정상보다 낮은 위치에 놓이는 하나 이상의 정상부를 갖고, 최단 거리로 인접하며 중간 돌기가 개재되는 돌기 및 다른 돌기의 복수의 조합이 동시에 제공되는 배치가 이루어지고, 인접하는 돌기 사이에 복수의 비돌출부가 위치되며 각각의 비돌출부는 돌기의 돌출 방향에 대하여 최저 위치에 위치되며 상기 비돌출부는 돌기 및 중간 돌기에 의해 둘러싸이는 오목부를 제공한다.

본 발명의 제3 측면에 따르면, 각각의 열교환 플레이트의 불규칙 패턴은 원뿔대 또는 다각뿔대 형태로 열교환 플레이트의 표면으로부터 외측으로 돌출되는 돌기, 및 최단 거리로 인접하는 2개의 돌기 사이에 각각이 배치되는 복수의 중간 돌기를 갖는다. 열교환 플레이트가 서로 평행하게 배치되면, 돌기의 정렬 방향을 따라 유사한 불규칙 패턴이 반복되는 간극이 2개의 인접하는 플레이트 사이에 제공되어, 서로 교차되도록 전술한 방향으로 연장되는 망상(reticulation shape)의 선형 유로가 제공된다. 보다 구체적으로,

망상으로 연장되는 각각의 선형 유로는, 동일한 방향으로 교대로 배치되는 확장 영역 및 축소 영역을 포함하는 한편, 전술한 방향과 직각 방향으로 연장되는 선형 유로는 마찬가지로 동일한 직각 방향으로 교대로 배치되는 확장 영역 및 축소 영역을 포함한다. 따라서, 이와 같이 조립된 플레이트를 사용하면, 열교환 유체의 유동 시스템에 상관없이, 즉 평행 유동 시스템, 카운터 유동 시스템, 및 크로스 유동 시스템 중 어느 경우에도 열교환 유체에 대하여 실질적으로 동일한 거동을 부여할 수 있다. 그 결과, 열교환 유체가 그 유동 방향에서 어떠한 방식으로 조합되더라도 낮은 압력 손실로 순조로운 열전달을 행하여 효과적인 열교환이 이루어지도록 할 수 있어서, 열교환기의 설계 자유도가 높아지며 범용성이 탁월해진다. 또한, 열교환 유체가 플레이트를 따라 전술한 2개의 방향으로 자유롭게 흐를 수 있고, 열교환 유체의 유동 방향에 관계없이 일정한 열전달 특성이 얻어질 수 있다. 따라서, 플레이트의 전체 영역에 열교환 유체가 고루 미칠 수 있도록 하여 상기 전체 영역이 유효한 열전달부의 역할을 할 수 있으며, 원뿔 또는 사각뿔의 단순한 조합에 비해 중간 돌기를 통해 유동 조건을 변화시켜서 열전달이 향상되도록 함으로써, 단위 면적당 전열량이 상당히 증가되어 고성능이 달성된다. 또한, 다른 플레이트와 접촉하는 돌기가 원뿔대 또는 다각뿔대의 형태로 제공되어 돌기에 가해진 힘을 원뿔대 또는 다각뿔대의 표면 방향으로 분산시킨다. 그 결과, 조립된 플레이트의 강도는 종래의 열교환 플레이트에 비해 상당히 향상될 수 있고, 따라서 열교환 유체 사이의 압력 차이가 큰 경우에도 2개의 인접하는 플레이트 사이의 거리를 일정하게 유지하는 것이 가능하여, 내압 성능을 높일 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛의 제1 플레이트의 개략적인 구성을 나타내는 평면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛의 제2 플레이트의 개략적인 구성을 나타내는 평면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열교 환 유닛용 열교환 플레이트의 배열 상태를 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛에 열교환 플레이트가 조립된 상태를 나타내는 측면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛의 제1 플레이트의 부분 확대도이고, 도 6은 도 5의 선 Ⅵ-Ⅵ을 따라 취한 단면도이고, 도 7은 도 5의 선 Ⅶ-Ⅶ을 따라 취한 단면도이고, 도 8은 도 5의 선 Ⅷ-Ⅷ을 따라 취한 단면도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛의 제2 플레이트의 부분 확대도이고, 도 10은 도 9의 선 Ⅹ-Ⅹ을 따라 취한 단면도이고, 도 11은 도 9의 선 ⅩⅠ-ⅩⅠ을 따라 취한 단면도이고, 도 12는 도 9의 선 ⅩⅡ-ⅩⅡ를 따라 취한 단면도이고, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛용 열교환 플레이트의 불규칙 패턴부를 나타내는 부분 확대 단면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛(1)은, 각각 제1 및 제2 플레이트의 역할을 하며 개스킷 부재(60)를 통해 서로 평행하게 배치되어 조합되는 2종류의 열교환 플레이트(10, 20)로 이루어진다. 열교환 플레이트(10, 20)는 불규칙 패턴부(30, 40), 및 불규칙 패턴부(30, 40)를 둘러싸는 외주 영역(50)을 각각 갖는다. 각각의 플레이트(10, 20)는 열교환 유체와 접촉하게 되는 양쪽 표면을 갖는다.

직사각형의 금속 박판으로 형성된 열교환 플레이트(10, 20)는 프레스 성형 공정에 의해 중앙 부분에 불규칙 패턴부(30, 40), 및 불규칙 패턴부(30, 40)를 각각 둘러싸는 외주 영역(50)이 형성된다. 제1 열교환 플레이트(10)의 불규칙 패턴부(30)는 제2 열교환 플레이트(20)의 불규칙 패턴부(40)와 반대의 요철 관계를 가져서 서로 대칭을 이룬다. 그 결과, 열교환 플레이트(10, 20)는, 외주 영역(50)의 형상이 동일한 2종류의 상이한 플레이트 형태로 제공되지만, 중앙의 불규칙 패턴부(30, 40) 형상은 서로 상이하여 요철 관계가 서로 반대이다.

제1 열교환 플레이트(10)는, 외주 영역(50) 내측의 플레이트의 4개의 모서리에 종래의 플레이트에서와 동일한 방식으로 형성되는 개구부(11, 12, 13, 14)를 각각 가져서, 열교환 유체가 이들 개구부를 통과할 수 있다. 제2 열교환 플레이트(20) 또한 동일한 방식으로 개구부(21, 22, 23, 24)를 갖는다.

전술한 불규칙 패턴부(30, 40)의 공통적인 기본 형상은 요철 패턴이다. 전술한 불규칙 패턴부(30)는 복수의 돌기(31), 복수의 중간 돌기(33), 및 복수의 오목부(34)를 포함한다. 돌기(31)는 매트릭스 배열에 근거하여 형성되며 플레이트의 표면으로부터 다각뿔대의 형태로 돌출하여 돌기의 4개의 각뿔면이 인접하는 돌기의 각각의 주변 각뿔면과 대향하며 돌기의 4개의 각뿔면과 대응되는 4개의 방향으로 일정한 간격으로 정렬된다. 각각의 중간 돌기(33)는 2개의 인접하는 돌기(31)의 대면하는 각뿔면 사이에 융기부 형태로 위치되어 중간 돌기의 한 쌍의 기부(foot portion)는 대면하는 각뿔면의 대응 능선이 교차하는 최저 위치에 위치하고 중간 돌기의 정점부는 상기 능선의 교차점 사이에 위치된다. 중간 돌기(33)의 정점부는 돌기(31)의 정상부(32)보다 낮은 위치에 놓인다. 각각의 오목부(34)는 사이에 중간 돌기(33)가 놓이지 않고 서로 인접하게 위치되는 돌기 사이의 중앙 위치에 비돌출부의 형태로 제공된다. 오목부(34)는 돌기(31)의 각뿔면에 의해 둘러싸이며 중간 돌기(33)의 표면은 플레이트의 평면과 직각인 방향으로 최저 위치에 놓이도록 경사를 이룬다.

불규칙 패턴부(40)는, 열교환 플레이트(10, 20)의 외주 영역이 동일한 방향으로 대향한다고 가정할 때 불규칙 패턴부(30)와 대칭이며, 복수의 오목부(41), 복수의 중간 계곡부(42), 및 복수의 돌기(43)를 포함한다. 오목부(41)는 다각뿔대 형태로 함몰되도록 매트릭스 배열에 근거하여 형성된다. 각각의 중간 계곡부(42)는 2개의 인접하는 오목부(41)의 대면하는 각뿔면 사이에 함몰부 형태로 위치되어 중간 계곡부(42)의 바닥이 오목부(41)의 바닥보다 높은 위치에 위치되도록 한다. 각각의 돌기(43)는, 사이에 중간 계곡부(42)가 위치되지 않고 서로 인접하게 놓이는 오목부(41) 사이에 플레이트의 평면과 직각인 방향으로 최고 위치에 제공된다. 불규칙 패턴부(40)의 오목부(41)는 불규칙 패턴부(30)의 돌기(31)의 바로 뒤쪽의 형상과 짝을 이룬다. 중간 계곡부(42)는 중간 돌기의 뒤쪽의 형상과 짝을 이룬다. 돌기(43)는 오목부(34)의 뒤쪽 형상과 짝을 이룬다.

돌기(31) 및 오목부(34)는 2개의 인접하는 돌기 사이에서 그 정렬 방향으로 절반의 거리만큼 서로 어긋나도록 위치된다. 오목부(41) 및 돌기(43) 또한 2개의 인접하는 돌기 사이에서 그 정렬 방향으로 절반의 거리만큼 서로 어긋나도록 위치된다. 돌기(31, 43) 및 오목부(34, 41)는 매트릭스 배열에 근거하여 일정한 간격으로 형성된다. 그러나, 전술한 불규칙 패턴부(30, 40)에서, 돌기(31, 42)의 뒤쪽에 형성되는 오목부는 오목부(34, 41)의 형상과 상이하고, 오목부(34, 41)의 뒤쪽에 형성되는 돌기부는 돌기(31, 43)의 형상과 상이하다. 불규칙 패턴부를 가지는 플레이트의 각각의 양쪽면은 서로 비대칭이다.

또한, 불규칙 패턴부(30)의 2개의 인접하는 돌기가 그 사이에 리세스(34)를 위치시키도록 정렬되는 방향뿐만 아니라, 불규칙 패턴부(40)의 2개의 인접하는 리세스(41)가 그 사이에 돌기(43)를 위치되도록 정렬되는 방향은 직사각형 플레이트의 변과 평행하거나 직각을 이룬다. 불규칙 패턴부(30, 40)는 전술한 방향이 플레이트의 변에 대하여 45도의 각도 또는 소정의 각도로 경사를 이루는 구성을 가질 수 있다.

각각의 열교환 플레이트(10, 20)의 외주 영역(50)은 각각의 측부 에지를 따르는 편평부의 형태로 제공된다. 이들 플레이트는 동일한 방향으로 대향하도록 서로 중첩되고, 이들 플레이트의 외주 영역(50) 사이에는 개스킷 부재(60)가 배치된다. 돌기(31)가 돌출되는 열교환 플레이트(10)의 표면이 전방면이고, 돌기(43)가 돌출되는 열교환 플레이트(20)의 표면이 전방면이다.

열교환 플레이트(10, 20)는 동일한 방향으로 향하는 전방면이 서로 중첩되어 위치되고 열교환 유닛(1)으로 조합된다. 이렇게 조립된 상태에서, 인접하는 2개의 플레이트(10, 20)의 외주 영역(50)은 서로 접촉하게 되며, 열교환 플레이트(10)의 불규칙 패턴부(30)의 돌기(31)는 열교환 플레이트(20)의 불규칙 패턴부(40)의 오목부(41)의 두쪽에 형성되는 돌기부와 접촉하게 되며, 열교환 플레이트(10)의 불규칙 패턴부(30)의 오목부(34)의 뒤쪽에 형성되는 돌기부는 열교환 플레이트(20)의 불규칙 패턴부(40)의 돌기(43)와 접촉하게 된다. 그 결과, 2개의 인접하는 플레이트(10, 20) 사이에는 접촉부를 제외하고 열교환 유체가 유동되는 간극이 형성된다.

불규칙 패턴부(30)의 돌기(31)가 돌출되는 제1 간극부(61)에서, 중간 돌기(33)는 대응되는 중간 계곡부(42)의 뒤쪽과 일정한 간격을 유지하며 대면하는 돌 기(31)보다 높이가 낮으며, 리세스(34)는 대응되는 돌기(43)의 뒤쪽과 일정한 간격을 유지하며 대면하는 중간 계곡부(42)보다 높이가 더욱 낮다. 중간 돌기(33)의 전방면 쪽에 형성되는 간극부는 오목부(34)의 전방면 쪽에 형성되는 간극부와 연통하여 선형 유로를 형성한다. 중간 돌기(33)로부터 오목부(34)를 향해 단면적이 증가되는 유로를 가지는 각각의 선형 유로는 확대 영역 및 축소 영역이 반복되어 선형으로 연장되는 한편, 전술한 방향과 직각 방향으로 연장되는 선형 유로는 동일한 직각 방향으로 확대 영역 및 축소 영역이 마찬가지로 반복된다. 제1 간극부(61)는 열교환 플레이트(10, 20)의 동일한 쪽의 2개의 모서리에 제공되는 개구(11, 13, 21, 23)에서 다른 제1 간극부(61) 및 외부와 연통된다.

불규칙 패턴부(40)의 돌기(43)가 돌출되는 제2 간극부(62)에서, 중간 계곡부(42)와 대응되는 중간 돌기(33)의 뒤쪽 사이에 형성되는 터널형의 간극부가 오목부(41)와 대응되는 돌기(31)의 뒤쪽 사이에 제공되는 공간을 서로 연결하여 선형 유로가 형성되도록 한다. 중간 돌기(42)로부터 오목부(41)를 향해 단면적이 증가되는 유로를 가지는 각각의 선형 유로는 오목부(41)가 정렬되는 방향으로 확대 영역 및 축소 영역이 반복되어 선형으로 연장되는 한편, 전술한 방향과 직각 방향으로 연장되는 선형 유로는 동일한 직각 방향으로 확대 영역 및 축소 영역이 마찬가지로 반복된다. 제2 간극부(62)는 전술한 개구(11, 13, 21, 23)가 제공되는 모서리가 아닌 다른 모서리에 제공되는 개구(12, 14, 22, 24)에서 다른 제2 간극부(62) 및 외부와 연통된다.

요철 패턴을 가지는 제1 및 제2 플레이트 각각의 양쪽면은 서로 비대칭이고, 제1 및 제2 플레이트는 교대로 중첩되어서 서로 대칭인 이들 플레이트의 대응면들이 서로 대면하고, 조합되어 하나의 유닛을 이룬다. 그 결과, 제1 간극부(61) 및 제2 간극부(62)는 그 형상 및 크기가 서로 상이하다. 제1 간극부(61)와 제2 간극부 사이의 형상 및 크기의 차이는 이들 간극부에 상이한 열전달 특성을 부여한다. 열교환이 이루어질 2종류의 유체의 특성을 고려하여 간극부의 형상 및 크기를 결정하기 위해 플레이트에 미리 요철 패턴을 형성함으로써, 이들 유체에 대하여 적절한 유동 조건 및 열전달 특성을 제공하는 것이 가능하다. 열교환기는, 대응되는 제1 및 제2 간극부(61, 62)에 각각의 특성을 가지는 열교환 유체가 투입되도록 설계된다.

열교환 플레이트(10, 20)가 가지는 또 다른 특징으로서, 이들 플레이트는 플레이트의 단변의 중심에 대하여 개구 및 불규칙 패턴부(30, 40) 영역이 대칭이다. 따라서, 제1 열교환 플레이트(10)의 내측을 외측으로 180도 회전시켜서, 플레이트의 장변이 위치를 변경하여, 회전되지 않은 플레이트에 대하여 요철만 반대이고 요철의 위치는 그대로 유지되는 상태를 제공한다. 따라서, 회전된 플레이트(10) 및 회전되지 않은 다른 플레이트(20)는 외주 영역(50)의 내부 영역에서 서로 동일하다.

제1 플레이트의 내측이 외측으로 회전되는 경우, 불규칙 패턴부(30, 40)를 포함하는 소정 영역의 제2 플레이트에서도 동일한 형상이 얻어질 수 있다. 따라서, 동일한 방식으로, 2종류의 열교환 플레이트(10, 20)에 대하여 불규칙 패턴부(30, 40)를 형성하는 것이 가능하다. 이 경우, 플레이트의 외주 영역(50)에 대 응되는 프레스 성형 장치의 다이 부분의 위치가 다른 위치에 대하여 조절될 수 있는 프레스 성형 장치를 이용함으로써 상기와 같은 불규칙 패턴부(30, 40)를 형성하는 것이 가능하며, 상기 프레스 성형 장치는, 예를 들어 본 발명의 발명자가 발명한 일본 특개2003-275825호에 개시되어 있다. 이러한 장치의 사용에 있어서, 프레스 방향으로 불규칙 패턴부(30, 40)를 형성하기 위한 중앙의 메인 다이부에 대하여 외주 영역(50)을 형성하기 위한 보조 다이부의 위치 조절은 프레스 장치에서 이루어지고 이에 따라 프레스 성형 공정이 수행된다. 이 경우, 동일한 다이를 이용하여 상이한 2종류의 플레이트를 제조하는 것이 가능하고, 따라서 제조 효율이 상당히 높다.

이하, 본 발명에 다른 열교환 유닛의 조립 단계를 설명한다. 2종류의 열교환 플레이트(10, 20), 즉 외주 영역(50)에서는 동일한 형상을 가지지만 중앙 부분에서는 대칭의 불규칙 패턴부(30, 40)를 가지는 복수의 플레이트(10) 및 복수의 플레이트(20)가 프레스 성형 방법에 의해 미리 준비되는 것으로 가정한다.

소정 개수의 열교환 플레이트(10, 20)가 교대로 중첩되고, 플레이트의 외주 영역(50)과 개구의 외주 사이에 개스킷 부재(60)가 배치된 후, 열교환 플레이트(10, 20)가 교대로 중첩되는 것 외에는, 종래의 플레이트식 열교환기와 마찬가지로, 플레이트의 정렬 방향의 양쪽으로부터 조여져서, 플레이트(10)의 내측이 플레이트(20)에 대하여 외측으로 회전되고 각각의 플레이트(10)의 장변 위치가 변경되어 불규칙 패턴부(30, 40)를 형성하는 표면들이 서로 대면함으로써, 모든 플레이트가 서로 수밀되게 조합되는 열교환 유닛(1)이 이루어진다.

이렇게 얻어진 열교환 유닛(1)에서는, 각각의 열교환 플레이트(10)의 돌기(31)가 있는 쪽에 제1 간극부(61)가 형성되고, 개구(11, 13, 21, 23)는 이 제1 간극부(61)와 연통한다. 제1 간극부(61)와 열교환 플레이트(10, 20)를 사이에 두고 인접하는 위치의 간극으로서 제2 간극부(62)도 형성되며 개구(12, 14, 22, 24)가 이 제2 간극부(62)와 연통한다. 전술한 방식으로 조합된 플레이트로 구성되는 열교환 유닛(1)이 사용되는 경우, 각각의 플레이트의 양쪽 변 중 하나의 변은 수평 또는 수직으로 배치되고, 플레이트 사이의 간극부(61, 62) 내의 메인 유로, 즉 열교환 플레이트(10)의 각 오목부(34)와 중간 돌기(33)를 따라 연속적으로 연장되는 간극, 및 열교환 플레이트(20)의 각 오목부(41)와 중간 계곡부(42)를 따라 연속적으로 연장되는 간극은 경사진 상태로 유지된다.

이하, 열교환기의 역할을 하는, 본 발명의 실시예에 따른 열교환 유닛의 작동을 설명한다. 열교환 유닛(1)을 형성하기 위한 각각의 열교환 플레이트(10, 20)의 2개의 개구(11, 13, 21, 23)를 통해 열교환 유체가 제1 간극부(61)에 투입 및 배출되는 한편, 각각의 열교환 플레이트(10, 20)의 다른 2개의 개구(12, 14, 22, 24)를 통해 다른 열교환 유체가 제2 간극부(62)에 투입 및 배출된다.

열교환 유체가 유동하는 각각의 간극부(61, 62)에서, 유로는 돌기(31, 42) 및 오목부(34, 41)가 정렬되는 경사 방향에서, 주로 오목부 및 중간 돌기(33) 또는 중간 계곡부(42) 주위에서 선형으로 연장된다. 열교환 유체는 전술한 유로에서 유동한다. 그 결과, 열교환 유체는, 간극부(61, 62) 내에서 확장 영역 및 축소 영역이 반복되는 특정 형상을 가지는 유로 내에서 경사 방향으로 유동하고, 자연스럽게 분기 및 합류를 반복하여 열교환 플레이트(10, 20)의 불규칙 패턴부(30, 40)의 플레이트 상하면의 모든 영역에 순조롭게 고루 미친다. 2종류의 열교환 유체가 평행 유동 시스템, 카운터 유동 시스템, 및 크로스 유동 시스템 중 어느 하나에 근거한 유동 관계인 경우에도, 열교환 유체에 실질적으로 동일한 조건을 부여하고 압력 손실을 감소시켜서 열교환 유체의 순조로운 유동을 달성할 수 있다.

열교환 유체가 플레이트 사이에 형성된 각 간극부(61, 62)의 모든 영역에 걸쳐 고루 미쳐서, 플레이트와 열교환 유체 사이의 열전달을 향상시킨다. 또한, 열교환 유체가 플레이트 사이에 형성되고 확장 영역 및 축소 영역이 교대로 위치되는 독특한 형상을 가지는 간극부(61, 62)의 모든 영역에 걸쳐 고루 미쳐서, 플레이트의 양면에 열교환 유체의 특성을 충분히 고려한 열전달 특성을 위한 서로 상이한 형상의 유로가 제공된다. 따라서, 간극부를 통과하는 각각의 열교환 유체와 각각의 열교환 플레이트(10, 20) 사이에 효율적으로 열전달이 진행되어, 열교환 플레이트(10, 20)를 통과하는 열교환 유체의 사이에서 열교환이 순조롭게 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 관한 열교환 유닛에 따르면, 열교환 플레이트(10, 20)를 위한 2종류의 플레이트, 즉 외주 영역의 형상은 서로 실질적으로 동일하지만 요철 패턴이 역관계가 되도록 서로 대칭인 각각의 중앙 불규칙 패턴부(30, 40)가 제공된 제1 및 제2 플레이트가 사용된다. 이러한 2종류의 플레이트, 즉 제1 및 제2 플레이트를 교대로 중첩시켜서 제1 및 제2 플레이트의 외주 영역(50)이 동일한 방향을 향하도록 하고, 플레이트(10, 20)의 외주 영역(50) 사이에 개스킷 부재(60)를 배치하여 조임으로써 조립하면, 이들 플레이트 사이에는 2종류의 간극(61, 62)이 형성되며, 이들 간극은, 중앙의 불규칙 패턴부를 가지는 2개의 인접하게 조합된 플레이트에 따라 플레이트 양면에서의 형상 및 크기가 상이하다. 2개의 인접하는 간극은 서로 상이한 특성을 가지는 유로를 제공하여 상이한 열전달 성능을 발휘한다. 열교환 유체의 특성에 따라 유로를 형성함으로써, 플레이트와 열교환 유체 사이에서 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있고, 따라서 이들 유체 사이의 열교환이 효율적으로 이루어진다.

본 발명의 실시예에 관한 열교환 유닛에 따르면, 불규칙 패턴부(30)는 돌기(31)가 중간 돌기(33)를 통해 4개의 인접하는 돌기(31)에 의해 둘러싸이고 오목부(34)가 2개의 인접하는 돌기 사이에서 절반의 거리만큼 돌기와 어긋나도록 위치되고 불규칙 패턴부(40) 또한 유사한 배치를 가지는 기본 구성을 갖는다. 그러나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않는다. 열교환 플레이트(10, 20)의 불규칙 패턴부(30, 40)가 서로 대칭 형상을 가지는 특정의 설계를 제외하고는, 임의의 원하는 구성으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 불규칙 패턴부의 돌기 형상, 돌기 사이에 중간 돌기의 존재 여부, 돌기를 둘러싸는 다른 돌기의 개수에 대한 조정이 이루어질 수 있다. 이렇게 변형된 구성은 플레이트 사이의 간극에 유입되는 열교환 유체의 특성에 적절히 대응하도록 조정하는 것이 가능하다.

본 발명의 실시예에 관한 열교환 유닛에 따르면, 불규칙 패턴부(30)의 돌기(31)가 각각 다각뿔대 형상을 갖는다. 그러나, 돌기는 오각뿔대나 육각뿔대와 같은 각뿔대의 형상, 또는 원뿔대의 형상을 가져서 열교환기의 성능을 알맞게 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 관한 열교환 유닛에 따르면, 서로의 형상이 대칭인 불규칙 패턴부(30, 40)를 가지는 2종류의 플레이트가 열교환 플레이트(10, 20)가 교대로 중첩되고 이들 플레이트 사이에는 개스킷 부재(60)가 배치되는 유형의 열교환 유닛에 사용된다. 그러나, 본 발명은 이러한 실시예에만 한정되지 않는다. 플레이트가 서로 평행하게 위치되고 수밀 방식으로 납땜되는 경우에는, 외주 영역의 형상이 서로 동일하지만 불규칙 패턴부는 서로 대칭인 2종류의 플레이트를 사용할 수 있어서, 전술한 바와 같은 열교환 유닛과 동일한 열교환 특성 및 높은 내압성을 가지는 열교환 유닛이 제공된다.

Claims

소정의 불규칙 패턴을 가지며 금속 박판으로 형성되고 평행하게 조합되어 서로 일체화되는 복수의 열교환 플레이트를 포함하고, 상기 복수의 열교환 플레이트 사이에는 제1 열교환 유체가 통과하는 제1 간극부 및 제2 열교환 유체가 통과하는 제2 간극부가 교대로 제공되어 있는 열교환 유닛에 있어서,

상기 열교환 플레이트는, 외주 영역의 형상은 실질적으로 서로 동일하지만 중앙의 불규칙 패턴부는 서로 상이한 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포함하고,

상기 제1 및 제2 플레이트 각각의 상기 불규칙 패턴부는 일 면에 요철 패턴을 갖고 타 면에 상기 요철 패턴과 대응되는 반대 요철 패턴을 가지며, 상기 요철 패턴은 상기 반대 요철 패턴과 비대칭이 되도록 서로 상이하고, 상기 제1 플레이트의 요철 패턴은 상기 제2 플레이트의 요철 패턴과 서로 대칭이 되도록 반대의 요철 관계를 가지며,

상기 제1 및 제2 플레이트는, 교대로 중첩되어 상기 제1 및 제2 플레이트의 상기 외주 영역이 동일한 방향을 향하고, 서로 소정의 간격으로 이격되어, 상기 제1 플레이트의 불규칙 패턴부의 돌기는 상기 제2 플레이트의 불규칙 패턴부의 돌기와 서로의 정점에서 접촉되는

것을 특징으로 하는 열교환 유닛.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 열교환 플레이트는 각각 직사각형 또는 정사각형 형상을 갖고,

상기 제1 및 제2 플레이트 각각의 적어도 상기 불규칙 패턴부는 상기 플레이트의 한 쌍의 양쪽 변(side) 또는 다른 한 쌍의 양쪽 변 사이의 중앙 위치에 대하여 대칭인 형상을 가지는

것을 특징으로 하는 열교환 유닛.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 열교환 플레이트 각각의 상기 불규칙 패턴부는, 상기 열교환 플레이트의 표면으로부터 외측으로 원뿔대 또는 다각뿔대의 형태로 돌출된 돌기를 갖고, 각각의 상기 불규칙 패턴부의 복수의 중간 돌기는 서로 최단 거리로 인접하는 2개의 돌기 사이에 위치되며, 각각의 상기 중간 돌기는 상기 2개의 돌기의 대향하는 양면으로 연장되는 하나 이상의 편평부 또는 굴곡부에 의해 형성되고, 각각의 상기 중간 돌기는 상기 돌기의 정상부보다 낮은 위치에 위치되는 하나 이상의 정점부를 가지며,

상기 돌기와, 상기 돌기와 최단 거리로 인접하는 다른 돌기 사이에 중간 돌기가 개재된 조합의 형태가 동시에 복수 형성되는 배치 상태로 되어 있고,

인접하는 중간 돌기 사이에는 복수의 비둘출부가 각각 위치되며, 상기 각각의 비돌출부는 상기 돌기의 돌출 방향에 대하여 최저 높이로 위치되고, 상기 비돌출부는 상기 돌기 및 상기 중간 돌기에 의해 둘러싸이는 오목부를 제공하는

것을 특징으로 하는 열교환 유닛.