KR20190122810A - 배액 채널이 통합된 열 교환기 판을 사용하는 판 패키지 및 이런 판 패키지를 포함하는 열 교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 교환기 장치용 판 패키지에 관한 것으로, 판 패키지(200)는 제1 유형(A)의 복수의 열 교환기 판(100) 및 제2 유형(B)의 복수의 열 교환기 판(100)을 포함한다. 적어도 제1 유형(A)의 열 교환기 판(100)은 대향 측면 부분들(105)의 적어도 일부를 따라 배액 채널 플랜지(109)를 포함한다. 배액 채널 플랜지(109)는 제1 유형(A)의 제1 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)가 후속 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)에 맞닿거나 중첩하도록 하나의 동일한 방향으로 배향된다. 배액 채널 플랜지(109)는 외부 배액 부분(DP)에 대한 외부 벽을 형성하여 외부 배액 부분(DP)을 배액 채널(111)로 변형시킨다. 본 발명은 또한 열 교환기 장치 내에서의 이러한 판 패키지의 사용, 그리고, 또한, 이와 같은 열 교환기 장치에 관한 것이다.

Description

배액 채널이 통합된 열 교환기 판을 사용하는 판 패키지 및 이런 판 패키지를 포함하는 열 교환기

본 발명은 열 교환기 장치에 사용되는 판 패키지, 열 교환기 장치에서의 이러한 유형의 판 패키지의 사용, 및 이러한 판 패키지를 사용하는 열 교환기 장치에 관한 것이다.

예를 들어 냉기를 발생시키기 위한 응용에서 암모니아와 같은 다양한 유형의 냉각 매체를 증발시키기 위한 열 교환기 장치는 잘 알려져 있다. 증발된 매체는 열 교환기 장치로부터 압축기로 이송되고 압축된 가스 매체는 그 후 응축기에서 응축된다. 그 후, 매체는 팽창이 허용되고, 열 교환기 장치로 재순환된다. 이러한 장치의 일 예는 판-및-쉘 유형의 열 교환기이다.

판-및-쉘 유형 열 교환기의 일 예는 실질적으로 반원형 열 교환기 판으로 구성된 판 패키지를 개시하는 WO2004/111564로부터 공지되어 있다. 반원형 열 교환기 판의 사용은 판 패키지 위의 영역에서 쉘 내부에 큰 체적을 제공하고 이 체적이 액체와 가스의 분리를 개선시키기 때문에 유리하다. 분리된 액체는 쉘의 내부 벽과 판 패키지의 외부 벽 사이의 사이공간을 통해 내부 공간의 상부로부터 내부 공간의 하부에 있는 수집 공간으로 전달된다. 사이공간은 액체를 쉘의 수집 공간을 향해 흡입하는 열 사이펀 루프의 일부이다.

그러나, 한 가지 문제점은 열이 쉘의 내부 벽과 판 패키지 모두로부터 사이공간으로 전달된다는 것이다. 이러한 열은 경우에 따라 공급되는 분리된 액체가 사이공간 내부에서 증발하게 할 수 있다. 이 경우 열 사이펀 루프에 부정적인 영향을 미치며 심지어 때때로 열 사이펀 루프를 중지시킨다.

쉘은 통상적으로 탄소강으로 제조되는 반면, 판 패키지를 구성하는 열 교환기 판은 통상적으로 스테인리스 강으로 제조된다. 또한, 매체는 압축기의 윤활제로서 도입되는 소량의 압축기 오일을 포함한다. 그러나, 시스템이 분리기를 포함하더라도, 성공적으로 분리될 수 없는 불가피한 잔여량의 압축기 오일이 존재한다. 압축기 오일의 잔여량은 ppm(parts per million) 단위로 측정될 수 있는 수준이지만 판 패키지, 그리고, 이에 따라 열 교환기 장치의 전체 효율에 큰 영향을 미친다.

경험에 따르면 압축기 오일은 탄소강에 대해 스테인리스 강과는 다른 친화력을 갖기 때문에 압축기 오일은 쉘의 내부 벽을 따르는 경향이 있다. 그러나, 압축기 오일의 일부는 여전히 열 교환기 판과 접촉하여 매체와 다른 온도 관련 특성을 갖는 압축기 오일로 인해 그 주 표면에 침착물을 형성할 것이다. 침착물은 열 교환기 판의 주 표면을 가로질러, 그리고, 이에 따라, 그 열 전달 표면 상에서 절연 층으로 작용할 것이다. 측정 결과 시간이 지남에 따라 2-5 ppm 범위의 양은 열 교환기 장치의 효율을 20-50%만큼 낮출 수 있는 것으로 나타났다.

낮아진 효율은 통상적으로 판 패키지를 더 크게함으로써 보상된다. 이는 판 패키지의 점유영역을 증가시킴으로써, 즉 개별 열 교환기 판의 표면적을 증가시킴으로써 수행될 수 있다. 다른 공지된 조치는 판 패키지에 더 많은 열 교환기 판을 추가하여 매체와 유체 사이의 이용 가능한 접촉 영역을 증가시키는 것이다. 이 2개의 조치 모두 실질적으로 더 많은 전체 재료 소비를 필요로 하며, 이는 판 패키지와 쉘에 중량과 체적을 추가하여 전체 비용이 추가된다. 따라서, 그 결과, 시장에서 이용 가능한 판 패키지 및 쉘은 종종 압축기 오일의 불가피한 잔류물에 의해 야기되는 문제에 대한 보상을 허용하기 위해 너무 큰 크기를 갖는다.

따라서, 쉘 및 판 패키지로부터 액체 이송 사이공간으로의 열 전달을 제한하여 액체 유동의 증발을 방지하거나 감소시키는 해결책이 필요하다. 또한, 압축기 오일이 열 교환기 판과 접촉하는 문제에 관한 해결책이 필요하다.

본 발명의 목적은 쉘 및 판 패키지로부터 그 사이에 형성된 액체 이송 사이공간으로의 열 전달을 제한하는 판 패키지 설계 및 개별 열 전달 판의 설계를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 열 교환기 판의 열 전달 표면과 접촉하는 압축기 오일의 양을 감소시키는 판 패키지 설계 및 개별 열 전달 판의 설계를 제공하는 것이다.

다른 목적은 열 교환기 장치의 전체 효율을 유지하면서 더 작고, 더 가벼우며, 따라서, 더 저렴한 판 패키지를 제공하는 것을 가능하게 하는 것이다.

이러한 목적은 열 교환기 장치용 판 패키지로 달성되었으며, 판 패키지는 판 패키지 내에 서로 상하로 교대로 배열된, 제1 유형의 복수의 열 교환기 판 및 제2 유형의 복수의 열 교환기 판을 포함하고, 각각의 열 교환기 판은 기하학적 주 연장 평면을 가지며, 교대로 배열된 열 교환기 판은 실질적으로 개방되어 그를 통해 매체의 유동이 증발되는 것을 허용하도록 배열되는 제1 판 사이공간과, 폐쇄되어 매체를 증발시키기 위한 유체의 유동을 허용하도록 배열되는 제2 판 사이공간을 형성하며,

제1 유형 및 제2 유형의 열 교환기 판 각각은 상부 부분, 하부 부분 및 상부 및 하부 부분을 상호 연결하는 2개의 대향 측면 부분들을 갖는 원주방향 에지 부분을 가지며,

제1 유형 및 제2 유형의 열 교환기 판은 대향 측면 부분들의 적어도 일부를 따라 원주방향 에지 부분으로부터 거리를 두고 그를 따라 연장되는 정합 접합부를 더 포함하여, 각각의 제1 판 사이공간을 내부 열 전달 부분과 2개의 외부 배액 부분으로 분리하고,

적어도 제1 유형의 열 교환기 판은 대향 측면 부분들의 적어도 일부를 따라, 기하학적 주 연장 평면으로부터의 방향으로 원주방향 에지 부분으로부터 연장되는 배액 채널 플랜지를 더 포함하고,

각각의 열 교환기 판의 배액 채널 플랜지는 하나의 동일한 방향으로 배향되고, 기하학적 주 연장 평면에 대한 법선을 따른 성분을 갖는 연장부를 가져서 제1 유형의 제1 열 교환기 판의 배액 채널 플랜지가 후속 열 교환기 판의 배액 채널 플랜지에 맞닿거나 중첩되며, 상기 후속 열 교환기 판은 제1 유형의 열 교환기 판 또는 제2 유형의 열 교환기 판이고,

이에 의해, 배액 채널 플랜지는 외부 배액 부분에 대한 외부 벽을 형성함으로써 외부 배액 부분을 배액 채널로 변형시킨다.

따라서, 전술한 유형의 판 패키지 설계에 의해, 쉘의 상부에 존재하는 액체 형태의 냉각 매체가 쉘의 내부 벽의 대향 측면 부분들을 따라, 그러나, 그로부터 거리를 두고, 또한, 열 교환기 판의 대향하는 주 표면들 사이에 형성된 제1 판 사이공간으로부터의 거리를 두고 연장되는 복수의 배액 채널을 따라 내부로 안내될 수 있다. 거리는 배액 채널의 단면을 각각 형성하는 벽 및 조인트의 설계에 따라 적어도 열 교환기 판을 구성하는 시트 재료의 재료 두께에 의해 제공된다. 형성된 거리는 쉘의 내부 벽으로부터 그리고 판 패키지 내의 판 사이공간으로부터 배액 채널을 향한 열 전달을 감소시키고 이에 의해 배액 채널 내부의 액체 매체 증발의 위험을 감소시키며 그에 의해 열 사이펀 루프를 방해 또는 중지시키는 절연부로서 보여질 수 있다. 이에 의해, 보다 안정적인 액체 유동이 촉진된다.

또한, 배액 채널은 통상적으로, 예를 들어 스테인리스 강보다 탄소강에 대한 그 더 강한 친화력으로 인해 압축기 오일이 쉘의 내부 벽의 곡률을 따라 판 패키지의 제1 사이공간으로 전달되는 것을 방지한다. 오히려, 압축기 오일의 제1 판 사이공간으로의 유입은 이제 쉘의 상부 부분을 향하는 길이방향 간극으로 제한되고, 이 길이방향 간극은 제1 사이공간을 향한 개구를 형성한다. 해당 영역의 압축기 오일 양은 일반적으로 더 적다.

제1 판 사이공간과 접촉할 수 있는 압축기 오일의 양을 감소시킴으로써, 열 전달 표면 상에 단열성 침착물이 형성될 위험이 감소된다. 이는 판 패키지가 효율을 유지하면서 점유영역 또는 판 패키지에 포함된 열 교환기 판의 수의 측면에서 더 작아질 수 있게 한다. 이에 의해, 전체 비용이 감소될 수 있다.

또 다른 이점으로서, 배액 플랜지는 열 교환기 판에 전체적으로 개선된 강성을 제공할뿐만 아니라 접합시까지 스택을 적층 및 취급하는 동안 열 교환기 판의 안내에도 기여할 것이다. 이에 의해, 고정구를 덜 복잡하게 할 수 있다.

배액 채널 플랜지가 기하학적 주 연장 평면으로부터의 방향으로 원주방향 에지 부분으로부터 연장되는 구성의 대안 또는 보충으로서, 배액 채널 플랜지는 원주방향 에지 부분으로부터 기하학적 주 연장 평면의 법선에 대해 각도(β)로 연장할 수 있다.

정합 접합부는 제1 유형의 열 교환기 판 및 제2 유형의 열 교환기 판에 형성된 리지에 의해 형성될 수 있거나; 또는 리지를 포함하는 제1 또는 제2 유형의 열 교환기 판 및 본질적으로 평탄한 표면을 포함하는 다른 유형의 열 교환기 판에 의해 형성될 수 있다. 정합 접합부는 유형에 상관 없이 접촉 구역을 구성할 것이며, 이를 따라 열 교환기 판의 스택을 오븐에서 가열하여 접합된 판 패키지를 형성할 때 접합이 형성될 것이다. 적층 동안 중간 접합 재료가 접합부 사이에 배열될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 2개의 정합 접합부를 형성하는 리지는 동일한 또는 상이한 높이를 가질 수 있다.

그 길이방향 연장부를 가로지르는 단면에서 볼 때, 각각의 배액 채널은 배액 채널 플랜지, 외부 배액 부분 및 제1 유형의 열 교환기 판의 접합부에 의해, 그리고 접합부 및 제2 유형의 인접한 열 교환기 판의 외부 배액 부분에 의해 형성될 수 있다.

각각의 배액 채널은 그 길이방향 연장부를 가로지르는 단면에서 볼 때, 그 길이방향 연장부를 따라 균일한 단면 기하형상을 가질 수 있다. 따라서, 과도한 국소 유동 제한이 형성되지 않는다.

제1 유형의 열 교환기 판의 접합부는 제2 유형의 열 교환기 판의 접합부와 밀봉식으로 맞닿을 수 있다. 밀봉 접합 또는 밀봉 중첩은 길이방향 연장부에서 볼 때 실질적으로 폐쇄된 배액 채널을 제공한다. 이에 의해, 그 길이방향을 가로지르는 임의의 방향으로 배액 채널로부터 또는 배액 채널로의 임의의 유동이 방지된다. 중첩은 더 견고한 판 패키지를 추가로 제공하기 때문에 유리하다.

제1 유형의 열 교환기 판의 배액 채널 플랜지는 제1 또는 제2 유형의 후속 열 교환기 판의 배액 채널 플랜지와 밀봉식으로 맞닿거나 밀봉식으로 중첩될 수 있다. 밀봉 중첩에 의해, 임의의 모세관 작용에 의해 압축기 오일이 배액 채널의 횡방향으로 배액 채널로 이주할 위험이 없다. 또한, 중첩은 더 견고한 판 패키지를 추가로 제공하기 때문에 유리하다.

각각의 배액 채널은 원주방향 에지 부분의 상부 부분을 향하는 입구 개구를 가질 수 있고, 상기 입구 개구는 대체로 수평 연장부를 갖는 입구부를 갖는다. 배액 채널의 입구는 판 패키지의 이로 인해 판 패키지의 상부 부분, 그리고, 따라서 판 패키지 위의 쉘의 내부 공간의 자유 체적을 향할 것이다.

각각의 배액 채널은 원주방향 에지 부분의 하부 부분을 향하는 출구 개구를 가질 수 있다. 원주방향 에지 부분의 하부 부분, 따라서 판 패키지의 하부 부분은, 판 패키지가 열 교환기 장치에 사용될 때, 통상적으로 매체를 위한 수집 공간을 향하도록 배열된다. 이에 의해, 액체 상의 매체 또는 배액 채널을 따라 그 내부에서 안내되는 동안 액체 상으로 변환되는 매체는 수집 공간을 향해 안내되어 그 내부로 방출될 것이다.

배액 채널 플랜지의 하부 부분은 원주방향 에지 부분의 측면 부분과 하부 부분 사이의 전이부를 지나 연장될 수 있다. 유동 방향의 변화는 임의의 압축기 오일의 축적물의 방출을 촉진시키는 데 유리한 것으로 나타났다.

판 패키지의 일 실시예에서, 각각의 열 교환기 판의 상부 부분은 만곡되고 각각의 열 교환기 판의 하부 부분은 실질적으로 직선이며,

제1 포트홀은 각각의 열 교환기 판의 하부 섹션에 배열되고 원주방향 에지 부분의 하부 부분으로부터 거리를 두고 위치됨으로써 원주방향 에지 부분의 하부 실질적 직선 부분과 제1 포트홀의 원주방향 에지 사이에 위치된 제1 중간부를 형성하며, 제1 중간부는 제1 포트홀의 중심과 원주방향 에지 부분의 하부 부분 사이의 최단 거리를 포함하고,

제2 포트홀이 열 교환기 판의 상부 섹션에 배열되고 원주방향 에지 부분의 상부 부분으로부터 거리를 두고 위치되어 원주방향 에지 부분의 상부 부분과 제2 포트홀의 원주방향 에지 사이에 위치된 제2 중간부를 형성하고, 제2 중간부는 제2 포트홀의 중심과 원주방향 에지 부분의 상부 부분 사이의 최단 거리를 포함하며,

제1 차폐 플랜지는 제1 중간부의 적어도 일부를 따라 배열되고 원주방향 에지 부분의 하부 부분을 따라 연장부를 가지며, 상기 제1 차폐 플랜지는 최단 거리를 가로지르는 방향에서 볼 때 길이가 제1 포트홀의 직경보다 작고, 보다 바람직하게는 제1 포트홀의 직경의 80%보다 작으며, 및/또는

제2 차폐 플랜지는 제2 중간부의 적어도 일부를 따라 배열되고 원주방향 에지 부분의 상부 부분을 따라 연장부를 가지며, 상기 제2 차폐 플랜지는 최단 거리를 가로지르는 방향에서 볼 때 길이가 제2 포트홀의 직경의 200-80%이고, 보다 바람직하게는 제2 포트홀 직경의 180-120%이다.

열 교환기 판의 스택을 오븐에서 접합시키는 동안 열 교환기 판을 가열할 때, 열은 열 교환기 판의 주변으로부터 그 중심을 향해 전달될 것이다. 열 교환기 판을 가로질러 균일한 온도 구배를 달성하는 시간은 가열되어야 하는 재료의 양에 따라 달라질 것이다. 종래 기술의 열 교환기 판에서, 중간부는 나머지 열 교환기 판보다 빠르게 가열될 것이다. 중간부가 열 교환기 판의 나머지보다 약할 수 있다는 사실과 조합된 이러한 비균일 온도 구배는 중간부의 열 좌굴 위험을 초래한다. 좌굴은 인접한 열 교환기 판 사이의 의도된 접촉 표면을 저해하여 결과적으로 불충분한 접합 및 누설 조인트를 초래할 수 있다. 최악 사례 시나리오에서, 결과적인 판 패키지는 유체를 매체로 누설시킬 수 있으며 이는 수용할 수 없는 결함이다.

적어도, 포트홀에 근접한 중간부의 연장부를 따라 차폐 플랜지를 배열함으로써, 열 차폐 효과가 제공된다. 열 차폐 효과는 중간부 전에 가열되어야 하는 국소적으로 추가된 재료에 의해 야기된다. 국소적으로 추가된 재료를 차폐 플랜지로서 제공함으로써, 추가된 재료는 열 교환기 판의 이용 가능한 열 전달 영역/점유영역의 일부를 형성하지 않고 오히려 판 패키지의 원주방향 측벽을 따라 연장될 것이다. 따라서, 보다 균일한 온도 구배가 제공될 수 있다. 개선된 열 분배는 전체적인 조인트 품질을 개선시켜 누설 위험을 감소시킨다.

차폐 플랜지는 열 차폐부로서 역할을 할뿐만 아니라 또한 열 교환기 판에 전반적인 개선된 강성을 제공하여 취급 중에 열 교환기 판을 덜 연약하게 만든다. 후자는 특히 큰 열 교환기 판의 경우에 그러하다. 또한, 차폐 플랜지는 접합될 때까지 스택의 적층 및 취급 동안 열 교환기 판의 안내에 기여할 것이다. 이에 의해, 고정구를 덜 복잡하게 할 수 있다.

차폐 플랜지의 연장부는 각각의 포트홀이 그를 따라 배열되는 원주방향 에지 부분의 일부의 곡률, 포트홀의 중심과 원주방향 에지 사이의 최단 거리, 포트홀의 직경 및 열 교환기 판 재료의 두께와 같은 파라미터에 따라 달라진다.

실질적으로 직선인 하부 에지 부분은 만곡된 상부 부분에 인접하여 배열된 제2 중간부의 영역보다 큰 제1 중간부의 영역을 형성한다. 제1 및 제2 중간부 각각의 최단 거리가 동일하고 또한 제1 및 제2 포트홀의 직경도 동일한 경우, 제2 중간부의 영역은 제1 중간부의 영역보다 작을 것이다. 대응하는 열 차폐 효과를 허용하기 위해, 제2 차폐 플랜지는 이에 따라 제1 차폐 플랜지보다 길게 만들어져야 한다.

시뮬레이션 및 시험을 통해, 하부 에지 부분이 본질적으로 직선인 경우, 제1 차폐 플랜지는 원주방향 에지 부분의 하부 부분과 제1 포트홀의 중심 사이의 최단 거리를 가로지르는 방향에서 볼 때 제1 포트홀의 직경보다 작고, 보다 바람직하게는 제1 포트홀의 직경의 80%보다 작은 길이를 가질 수 있는 것으로 나타났다. 마찬가지로, 제2 차폐 플랜지는 제2 포트홀 직경의 200-80%의 길이 및 보다 바람직하게는 제2 포트홀 직경의 180-120%의 길이를 가질 수 있다.

다른 양태에 따르면, 본 발명은 열 교환기 장치에서의 앞서 설명한 바와 같은 판 패키지의 사용에 관한 것이다. 판 패키지는 판-및-쉘 유형의 열 교환기에 사용하기에 특히 적합하다. 이러한 사용의 이점은 전술한 단락에서 설명되었으며, 과도한 반복을 피하기 위해 전술한 단락을 참조한다.

또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 실질적으로 폐쇄된 내부 공간을 형성하고 내부 공간을 향하는 내부 벽 표면을 포함하는 쉘을 포함하는 열 교환기 장치에 관한 것으로, 상기 열 교환기 장치는 판 패키지를 포함하도록 배열되고, 상기 판 패키지는

판 패키지 내에 교대로 서로 상하로 배열된 제1 유형의 복수의 열 교환기 판 및 제2 유형의 복수의 열 교환기 판을 포함하고, 각각의 열 교환기 판은 기하학적 주 연장 평면을 가지며 주 연장 평면이 실질적으로 수직인 방식으로 제공되며, 교대로 배열된 열 교환기 판은 실질적으로 내부 공간을 향해 개방되고 증발될 매체의 내부 공간의 하부로부터 내부 공간의 상부로의 상향 순환을 허용하도록 배열되는 제1 판 사이공간 및 내부 공간에 대해 폐쇄되고 매체를 증발시키기 위한 유체의 유동을 허용하도록 배열된 제2 판 사이공간을 형성하며,

제1 유형 및 제2 유형의 열 교환기 판 각각은 상부 부분, 하부 부분 및 상부 및 하부 부분을 상호 연결하는 2개의 대향 측면 부분들을 갖는 원주방향 에지 부분을 가지며,

제1 유형 및 제2 유형의 열 교환기 판은 대향 측면 부분들의 적어도 일부를 따라 원주방향 에지 부분으로부터 거리를 두고 그를 따라 연장되는 정합 접합부를 더 포함하여, 각각의 제1 판 사이공간을 내부 열 전달 부분과 2개의 외부 배액 부분으로 분리하고,

적어도 제1 유형의 열 교환기 판은 대향 측면 부분들의 적어도 일부를 따라, 기하학적 주 연장 평면으로부터의 방향으로 원주방향 에지 부분으로부터 연장되는 배액 채널 플랜지를 더 포함하고,

각각의 열 교환기 판의 배액 채널 플랜지는 하나의 동일한 방향으로 배향되고, 주 연장 평면에 대한 법선을 따른 성분을 갖는 연장부를 가져서 제1 유형의 제1 열 교환기 판의 배액 플랜지가 후속 열 교환기 판의 배액 채널 플랜지에 맞닿거나 중첩되며, 상기 후속 열 교환기 판은 제1 유형의 열 교환기 판 또는 제2 유형의 열 교환기 판이고,

이에 의해, 배액 채널 플랜지는 외부 배액 부분에 대한 외부 벽을 형성함으로써 외부 배액 부분을 배액 채널로 변형시킨다.

이러한 특징의 조합을 갖는 열 교환기 장치의 장점은 열 교환기 판 및 이러한 판을 포함하는 판 패키지와 관련하여 위에서 충분히 설명되었다. 과도한 반복을 피하기 위해 위에 주어진 단락을 참조한다.

바람직한 실시예는 종속항 및 설명에 나타나 있다.

본 발명은 예로서 본 발명의 현재 바람직한 실시예를 나타내는 첨부된 개략도를 참조하여 보다 구체적으로 설명될 것이다.
도 1은 판-및-쉘 유형 열 교환기 장치의 측면으로부터의 개략 단면도를 개시한다.
도 2는 도 1의 열 교환기 장치의 다른 단면도를 개략적으로 개시한다.
도 3은 열 교환기 판을 개시한다.
도 4는 도 3에 개시된 유형의 열 교환기 판을 포함하는 판 패키지의 단면을 개시한다.
도 5는 제1 차폐 플랜지를 가로질러 볼 때의 판 패키지의 단면을 개시한다.
도 6은 열 교환기 장치의 개략적인 단면을 개시한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 판-및-쉘 유형의 통상적인 열 교환기 장치의 개략적인 단면이 개시되어 있다. 열 교환기 장치는 실질적으로 폐쇄된 내부 공간(2)을 형성하는 쉘(1)을 포함한다. 개시된 실시예에서, 쉘(1)은 실질적으로 원통형 쉘 벽(3)(도 1 참조) 및 2개의 실질적으로 평면 단부 벽(도 2에 도시됨)을 갖는 실질적으로 원통형 형상을 갖는다. 단부 벽은 또한 예를 들어 반구 형상을 가질 수 있다. 또한, 쉘(1)의 다른 형상도 가능하다. 쉘(1)은 내부 공간(2)을 향하는 원통형 내부 벽 표면(3)을 포함한다. 단면 평면(p)은 쉘(1)과 내부 공간(2)을 통해 연장된다. 쉘(1)은 단면 평면(p)이 실질적으로 수직인 방식으로 제공되도록 배열된다. 쉘(1)은 예로서 탄소강으로 이루어질 수 있다.

쉘(1)은 액체 상태의 2상 매체를 내부 공간(2)에 공급하기 위한 입구(5) 및 가스 상태의 매체를 내부 공간(2)으로부터 배출하기 위한 출구(6)를 포함한다. 입구(5)는 내부 공간(2)의 하부 공간(2')에서 끝나는 입구 도관을 포함한다. 출구(6)는 내부 공간(2)의 상부 공간(2")으로부터 연장되는 출구 도관을 포함한다. 저온 발생을 위한 응용에서, 매체는 예를 들어 암모니아일 수 있다.

열 교환기 장치는 내부 공간(2)에 제공되는 판 패키지(200)를 포함하고 서로 인접하여 제공되는 복수의 열 교환기 판(100)을 포함한다. 열 교환기 판(100)은 도 3을 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명된다. 열 교환기 판(100)은 예를 들어 용접, 구리 브레이징과 같은 브레이징, 융합 접합 또는 접착을 통해 판 패키지(200)에서 서로 영구적으로 연결된다. 용접, 브레이징 및 접착은 공지된 기술이며, 융합 접합은 WO 2013/144251 A1에 설명된 바와 같이 수행될 수 있다. 열 교환기 판(100)은 철, 니켈, 티타늄, 알루미늄, 구리 또는 코발트 기반 재료와 같은 금속 재료, 즉 주 성분으로서 철, 니켈, 티타늄, 알루미늄, 구리 또는 코발트를 갖는 금속 재료(예를 들어, 합금)로 제조될 수 있다. 철, 니켈, 티타늄, 알루미늄, 구리 또는 코발트가 주 구성 성분일 수 있고 따라서 가장 큰 중량 백분율을 갖는 성분일 수 있다. 금속 재료는 철, 니켈, 티타늄, 알루미늄, 구리 또는 코발트의 함량이 적어도 30 중량%, 예컨대 적어도 50 중량%, 예컨대 적어도 70 중량%일 수 있다. 열 교환기 판(100)은 바람직하게는 스테인리스 강 또는 티타늄과 같은 내식성 재료로 제조된다.

각각의 열 교환기 판(100)은 주 연장 평면(q)을 가지며, 연장 평면(q)은 단면 평면(p)에 실질적으로 수직이고 실질적으로 직교하는 방식으로 판 패키지(200) 및 쉘(1) 내에 제공된다. 단면 평면(p)은 또한 각각의 열 교환기 판(100)을 통해 횡방향으로 연장된다. 개시된 실시예에서, 단면 평면(p)은 또한 이에 따라 각각의 개별 열 교환기 판(100)을 통해 수직 중심 평면을 형성한다.

열 교환기 판(100)은 판 패키지(200)에서 내부 공간(2)을 향해 개방된 제1 사이공간(12) 및 내부 공간(2)을 향해 폐쇄되는 제2 판 사이공간(13)을 형성한다. 입구(5)를 통해 쉘(1)에 공급되는 전술한 매체는 따라서 판 패키지(200) 및 제1 판 사이공간(12) 내로 통과한다.

각각의 열 교환기 판(100)은 제1 포트 개구(107) 및 제2 포트 개구(108)를 포함한다. 제1 포트 개구(107)는 입구 도관(16)에 연결된 입구 채널을 형성한다. 제2 포트 개구(108)는 출구 도관(17)에 연결된 출구 채널을 형성한다. 대안적인 구성에서, 제1 포트 개구(107)는 출구 채널을 형성하고 제2 포트 개구(108)는 입구 채널을 형성한다는 것을 유의하여야 한다. 단면 평면(p)은 제1 포트 개구(107) 및 제2 포트 개구(108) 모두를 통해 연장된다. 열 교환기 판(100)은 입구 채널 및 출구 채널이 제1 판 사이공간(12)과 관련하여 폐쇄되지만 제2 판 사이공간(13)과 관련하여서는 개방되는 방식으로 포트 개구(107 및 108) 주위에서 서로 연결된다. 따라서, 유체는 입구 도관(16) 및 제1 포트 개구(107)에 의해 형성된 관련 입구 채널을 통해 제2 판 사이공간(13)에 공급되고, 제2 포트 개구(108)에 의해 형성된 출구 채널 및 출구 도관(17)을 통해 제2 판 사이공간(13)으로부터 배출될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 판 패키지(200)는 상부 측면 및 하부 측면과 2개의 대향 횡방향 측면을 갖는다. 판 패키지(200)는 실질적으로 하부 공간(2')에 위치되고 판 패키지(200) 아래에서 판 패키지의 하부 측면과 내부 벽 표면(3)의 저부 부분 사이에 수집 공간(18)이 형성되는 방식으로 내부 공간(2)에 제공된다.

또한, 판 패키지(200)의 각 측면에 재순환 채널(19)이 형성된다. 이들은 내부 벽 표면(3)과 각각의 횡방향 측면 사이의 간극에 의해 또는 판 패키지(10) 내에 형성된 내부 재순환 채널로서 형성될 수 있다.

각각의 열 교환기 판(100)은 실질적으로 전체 열 교환기 판(100) 주위에서 연장되고 열 교환기 판(100)의 서로에 대한 상기 영구적인 연결을 허용하는 원주방향 에지 부분(20)을 포함한다. 이들 원주방향 에지 부분(20)은 횡방향 측면을 따라 쉘(1)의 내부 원통형 벽 표면(3)과 맞닿을 것이다. 재순환 채널(19)은 각각의 쌍의 열 교환기 판(100) 사이의 횡방향 측면을 따라 연장되는 내부 또는 외부 간극에 의해 형성된다. 또한, 열 교환기 판(100)은 제1 판 사이공간(12)이 횡방향 측면을 따라, 즉 내부 공간(2)의 재순환 채널(19)을 향해 폐쇄되는 방식으로 서로 연결됨에 유의해야 한다.

본 출원에 개시된 열 교환기 장치의 실시예는 입구(5)를 통해 액체 상태로 공급되고 출구(6)를 통해 가스 상태로 배출되는 2상 매체를 증발시키기 위해 사용될 수 있다. 증발에 필요한 열은, 제2 판 사이공간(13)을 통해 순환되고 출구 도관(17)을 통해 배출되는 물과 같은 유체가 입구 도관(16)을 통해 공급되는 판 패키지(200)에 의해 공급된다. 따라서, 증발된 매체는 내부 공간(2)에서 적어도 부분적으로 액체 상태로 존재한다. 액체 레벨은 도 1에 도시된 레벨(22)로 연장될 수 있다. 결과적으로, 실질적으로 하부 공간(2') 전체가 액체 상태의 매체로 채워지는 반면, 상부 공간(2")은 주로 가스 상태의 매체를 포함한다.

이제, 도 3을 참조하면, 열 교환기 판(100)의 상세한 제1 실시예가 개시된다. 열 교환기 판(100)은 본 발명에 따른 판 패키지(200)의 일부를 형성하도록 의도된다. 열 교환기 판(100)은 아래에 설명된 방식으로 제1 유형(A)의 열 교환기 판 또는 제2 유형(B)의 열 교환기 판으로 쉽게 전환될 수 있다.

열 교환기 판(100)은 프레싱된 박벽 시트 금속 판에 의해 제공된다. 열 교환기 판(100)은 예를 들어 스테인리스 강으로 만들어질 수 있다. 열 교환기 판(100)은 기하학적 주 연장 평면(q) 및 원주방향 에지 부분(101)을 갖는다. 원주방향 에지 부분(101)은 본질적으로 기하학적 주 연장 평면(q)을 가로질러 연장되는 열 전달 표면(102)을 한정한다.

원주방향 에지 부분(101)은 만곡된 상부 부분(103), 실질적으로 직선인 하부 부분(104) 및 상부 및 하부 부분(103, 104)을 상호 연결하는 2개의 대향 측면 부분들(105)을 포함한다. 2개의 대향 측면 부분들(105)은 각각 열 교환기 장치의 쉘(1)의 내부 벽(3)의 곡률에 대응하는 곡률을 갖는다.

열 전달 표면(102)은 리지 및 골의 주름 패턴(106)을 포함한다. 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 (후술될) 제1 및 제2 포트홀(107, 108) 내부 및 주변의 주름 패턴(106)이 제거되었다. 주름(106)은 열 교환기 판(100)의 상이한 부분에서 상이한 방향으로 연장된다. 복수의 열 교환기 판(100)이 서로 상하로 적층되어 판 패키지(200)를 형성할 때, 모든 제2 열 교환기 판(100)(제1 유형(A)의 열 교환기 판)이 도 3에 개시된 방식으로 회전되는 반면 모든 다른 열 교환기 판(100)(제2 유형(B)의 열 교환기)은 단면 평면(p)과 일치하는 실질적으로 수직인 회전축을 중심으로 180도 회전된다. 이에 의해, 인접한 열 교환기 판(100)의 주름(106)은 서로 교차할 것이다. 또한, 인접한 열 교환기 판(100)의 리지가 서로 맞닿는 복수의 접촉점이 형성될 것이다. 적층 동안 열 교환기 판(100) 사이에 접합 재료 층(개시되지 않음)이 배열될 수 있다. 나중에 스택이 오븐에서 가열될 때, 열 교환기 판(100)은 접촉점을 따라 서로 접합되여 복잡한 패턴의 유체 채널을 형성할 것이다. 이러한 방식으로, 판 패키지(200)에 포함된 판에 필요한 기계적 지지가 제공되는 것과 동시에 유체로부터 매체로의 효율적인 열 전달이 보장된다.

열 교환기 판(100)이 판 패키지(200) 내에서 배향되는 방식에 따라, 열 교환기 판(100)의 일 측면은 열 교환기 장치(300)에서 판 패키지(200)의 동작 중에 제1 판 사이공간(12)을 향하고 따라서 2상 매체와 접촉할 것이며, 열 교환기 판(100)의 대향 측면은 제2 판 사이공간(13)을 향할 것이고 따라서 유체와 접촉할 것이다.

열 교환기 판은 판 패키지(200)에 대한 입구 포트를 형성하기 위한 제1 포트홀(107) 및 판 패키지(200)에 대한 출구 포트를 형성하기 위한 제2 포트홀(108)을 포함한다.

개시된 실시예에서, 제1 포트홀(107)은 하부 부분(104)에 근접하여 위치되고 제2 포트홀(108)은 상부 부분(103)에 근접해 위치된다. 열 교환기 판(100)이 판 패키지(200)의 일부를 형성하도록 배열될 때, 유체는 이에 따라 동작 중에 판 패키지(200)의 제2 판 사이공간(12)을 통해 상향 유동하게 된다. 대안적으로, 상부 부분(103)에 제1 포트홀(107) 및 하부 부분(104)에 제2 포트홀(108)을 제공하는 것이 가능하다. 열 교환기 판(100)의 다른 위치에 포트홀(107, 108)을 제공하는 것도 가능하다.

이제, 도 3 및 도 4를 참조하면, 열 교환기 판(100)은 원주방향 에지 부분(101)의 2개의 대향 측면 부분들(105)을 따라 연장되는 배액 채널 플랜지(109)를 포함한다. 배액 채널 플랜지(109)는 또한 원주방향 에지 부분(101)의 하부 부분(104)을 따라 부분적으로 연장되는 연장부를 갖는다.

배액 채널 플랜지(109)는 기하학적 주 연장 평면(q)으로부터의 방향으로 원주방향 에지 부분(101)으로부터 연장된다. 배액 채널 플랜지(109)는 원주방향 에지 부분(101)으로부터 기하학적 주 연장 평면(q)의 법선에 대해 각도(β)로 연장된다.

또한, 열 교환기 판(100)은 원주방향 에지 부분(101)의 2개의 대향 측면 부분들(105)을 따라 연장되는 리지(110)를 포함한다. 리지(110)는 배액 채널 플랜지(109)로부터 거리를 두고 위치되어 그 곡률을 따른다. 개시된 실시예에서, 리지(110)는 또한 원주방향 에지 부분(101)의 상부 부분(103)을 따라 부분적으로 연장되는 연장부를 갖는다.

이제, 도 4를 구체적으로 참조하면, 열 교환기 장치(300)의 쉘(1)에 배열된 판 패키지(200)의 단면이 개시된다. 그 길이방향 연장부를 가로질러 볼 때의 배액 채널(111)이 개시되어 있다. 개시된 실시예에서, 모든 제2 열 교환기 판(100)의 배액 플랜지(109)는 절단되어 그 판을 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100)으로 전환한다. 다른 모든 측면에서, 열 교환기 판은 동일하다.

도 4에 개시된 바와 같이 제1 및 제2 유형(A, B)의 2개의 열 교환기 판(100)이 적층될 때, 2개의 후속 열 교환기 판(100)의 리지(110)는 정합 접합부(112)를 형성할 것이다. 접합 상태에서, 제1 유형(A)의 열 교환기 판(100)의 접합부(112)는 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100)의 대응하는 접합부(112)와 밀봉식으로 맞닿을 것이다.

정합 접합부(112)는 원주방향 에지 부분(101)을 따라 그리고 원주방향 에지 부분으로부터 거리를 두고 연장되어, 각각의 제1 판 사이공간(12)을 내부 열 전달 부분(HTP) 및 2개의 외부 배액 부분(DP)으로 분리한다. 적층될 때, 각각의 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)는 하나의 동일한 방향으로 배향되고, 제1 유형의 제1 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)가 후속 열 교환기 판의 배액 채널 플랜지(109)와 맞닿거나 중첩하도록 주 연장 평면에 대한 법선을 따른 성분을 갖는 연장부를 갖는다. 후속 열 교환기 판(100)은 제1 유형(A)의 열 교환기 판(100) 또는 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100)일 수 있음을 이해해야 한다.

배액 채널 플랜지(109)는 외부 배액 부분(DP)에 대한 외부 벽을 형성하여 외부 배액 부분(DP)을 배액 채널(111)로 변형시킨다. 접합 후, 제1 유형의 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)는 제1 또는 제2 유형의 후속 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)와 밀봉식으로 맞닿거나 밀봉식으로 중첩된다.

배액 채널(111)은 배액 채널 플랜지(109), 외부 배액 부분(DP) 및 제1 유형(A)의 열 교환기 판(100)의 접합부(112)에 의해, 그리고, 제2 유형(B)의 인접한 열 교환기 판(100)의 접합부(112) 및 외부 배액 부분(DP)에 의해 형성되는 그 길이방향 연장부를 가로지르는 단면을 갖는다.

배액 채널(111)은 그 길이방향 연장부를 가로지르는 단면에서 볼 때 그 길이방향 연장부를 따라 균일한 단면 기하형상을 갖는 것이 바람직하다.

결과적인 판 패키지(200)가 열 교환기 장치(300)의 쉘(1)에 배열될 때, 각각의 배액 채널 플랜지(109)는 쉘(1)의 내부 벽(3)과 접촉할 수 있다.

개시된 실시예에서, 리지(110)는 동일한 높이이다. 본 기술 분야의 숙련자는 리지(110)가 상이한 높이일 수 있고 또한 하나의 열 교환기 판(100)에 리지(110)가 제공될 수 있는 반면, 후속 열 교환기 판(100)은 본질적으로 평탄한 정합 접합부(112)를 포함할 수 있음을 이해할 것이다.

이제, 도 3을 다시 참조하면, 배액 채널(111)은 원주방향 에지 부분(101)의 상부 부분(103)을 향하는 입구 개구(113)를 갖는다. 입구 개구(113)는 대체로 수평 연장부를 갖는 입구부(114)를 갖는다. 또한, 배액 채널(111)은 원주방향 에지 부분(101)의 하부 부분(104)을 향하는 출구 개구(115)를 갖는다. 배액 채널 플랜지(109)는 원주방향 에지 부분(101)의 측면 부분(105)과 하부 부분(104) 사이의 전이부를 지나 연장된다.

이제, 도 4를 참조하면, 이러한 유형의 열 교환기 판(100)으로 구성된 판 패키지(200)가 판-및-쉘 유형의 열 교환기 장치(300)에 사용될 때, 쉘(1)의 상부 공간(2")에 존재하는 액체 형태의 매체는 쉘(1)의 내부 벽 표면(3)의 대향 측면 부분들을 따라, 그러나, 그로부터 거리를 두고, 또한, 열 교환기 판(100)의 대향하는 주 표면들 사이에 형성된 제1 판 사이공간(12)으로부터 거리를 두고 연장하는 복수의 배액 채널(111)을 따라 그 내부에서 안내될 수 있다. 거리는 배액 채널(111)의 단면을 각각 형성하는 벽 및 조인트의 설계에 따라 적어도 열 교환기 판(100)을 구성하는 시트 재료의 재료 두께에 의해 제공된다. 형성된 거리는 쉘(1)의 내부 벽 표면(3)으로부터 그리고 판 패키지(200) 내의 제1 판 사이공간(12)으로부터 배액 채널(111)을 향한 열 전달을 감소시키고 이에 의해 배액 채널(111) 내부의 액체 매체 증발의 위험을 감소시키며 그에 의해 열 사이펀 루프를 방해 또는 중지시키는 절연부로서 보여질 수 있다. 이에 의해, 보다 안정적인 액체 유동이 촉진된다.

또한, 배액 채널(111)은 통상적으로, 스테인리스 강보다 탄소강에 대한 그 더 강한 친화력으로 인해 압축기 오일이 쉘(1)의 내부 벽 표면(3)의 곡률을 따라 판 패키지(200)의 제1 사이공간(12)으로 전달되는 것을 방지한다. 배액 채널(111)의 존재에 의해, 쉘(1)의 내부 벽 표면(3)과 판 패키지(200)의 외부 경계 사이의 사이공간 내부에 존재하는 압축기 오일은 배액 채널(111)의 길이방향 연장부를 가로지르는 방향으로 제1 판 사이공간(12) 내로 전달되는 것이 방지된다. 대신에, 압축기 오일의 제1 판 사이공간(12) 내로의 유입은 이제 쉘(1)의 상부 공간(2'')을 향하는 길이방향 간극(116)으로 제한되고, 이 길이방향 간극은 제1 사이공간(12)을 향한 개구를 형성한다.

이제, 도 3을 다시 참조하면, 제1 포트홀(107)은 열 교환기 판(100)의 하부 섹션에 배열되고 원주방향 에지 부분(101)의 하부 부분(104)으로부터 거리를 두고 위치된다. 이에 의해, 제1 포트홀(107)의 원주방향 에지 부분(101)과 원주방향 에지(118) 사이에 위치하는 제1 중간부(117)가 형성된다. 제1 중간부(117)는 제1 포트홀(107)의 중심과 원주방향 에지 부분(101)의 하부 부분(104) 사이의 최단 거리(d1)를 포함한다. 또한, 제1 중간부(117)는 최단 거리(d1)를 따른 높이(Y1)와 최단 거리(d1)를 가로지르는 폭(X1)을 갖는다.

제1 차폐 플랜지(119)는 원주방향 에지 부분(101)의 하부 부분(104)을 따른 연장부를 갖도록 배열된다. 제1 차폐 플랜지(119)는 제1 중간부(117)의 적어도 일부를 따라 연장되도록 배열된다. 제1 차폐 플랜지(119)는 유체와 접촉하도록 의도된 열 교환기 판(100)의 표면, 즉 제2 판 사이공간을 향하도록 의도된 표면을 향해 연장된다.

제1 차폐 플랜지(119)는 최단 거리(d1)를 가로지르는 방향에서 볼 때 제1 포트홀(107)의 직경(D1)보다 작고, 보다 바람직하게는 제1 포트홀(107)의 직경(D1)의 80%보다 작은 길이(L1)를 갖는다.

제2 포트홀(108)은 열 교환기 판(100)의 상부 섹션에 배열되고 원주방향 에지 부분(101)의 상부 부분(103)으로부터 거리를 두고 위치된다. 이에 의해, 원주방향 에지 부분(101)과 제2 포트홀(108)의 원주방향 에지(121) 사이에 위치되는 제2 중간부(120)가 형성된다. 제2 중간부(120)는 제2 포트홀(108)의 중심과 원주방향 에지 부분(101)의 상부 부분(103) 사이의 최단 거리(d2)를 포함한다. 또한, 제2 중간부(120)는 최단 거리(d2)를 따른 높이(Y2)와 최단 거리(d2)를 가로지르는 폭(X2)을 갖는다.

제2 차폐 플랜지(122)는 원주방향 에지 부분(101)의 상부 부분(103)을 따른 연장부를 갖도록 배열된다. 제2 차폐 플랜지(122)는 제2 중간부(120)의 적어도 일부를 따라 연장되도록 배열된다. 제2 차폐 플랜지(122)는 유체와 접촉하도록 의도된 열 교환기 판(100)의 표면, 즉 제2 판 사이공간(13)을 향하도록 의도된 표면을 향해 연장된다.

제2 차폐 플랜지(122)는 최단 거리(d2)를 가로지르는 방향에서 볼 때 제2 포트홀(108)의 직경(D2)의 200-80%인, 보다 바람직하게는 제2 포트홀(108)의 직경(D2)의 180-120%인 길이(L2)를 갖는다.

도 3 및 도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 열 교환기 판(100)의 원주방향 에지 부분(101)의 상부 부분(103)의 곡률은 열 교환기 판(100)의 하부 부분(104)의 곡률과 상이하다. 열 교환기(100)가 판 패키지(200)에 포함되고 열 교환기 장치(300)에 사용될 때, 하부 부분(104)은 판 패키지(200) 아래의 쉘(1)에 형성된 수집 공간(18)을 향하도록 의도된다. 수집 공간(18)이 특정 체적을 갖도록 하기 위해, 하부 부분(104)은 개시된 실시예에서 다소 직선인 반면, 쉘(1)의 상부 공간(2'')을 향하도록 의도된 상부 부분(103)은 볼록 곡률을 갖는다. 따라서, 포트홀(107; 108)에 인접한 원주방향 에지 부분(101)의 연장부는 이용 가능한 중간부(117; 120)의 영역에 영향을 미친다.

하부 부분(104)이 본질적으로 직선인 경우, 하부 부분(104)과 제1 포트홀(107)의 원주방향 에지(118) 사이의 제1 중간부(117)의 높이(Y1)는 단면 평면(p)으로부터의 거리(X1)에 따라 매우 빠르게 증가할 것이다. 이는 만곡된 상부 부분(103)에 인접한 제2 포트홀(108)과 비교될 수 있고, 여기서 만곡된 상부 부분(103)과 제2 포트홀(108)의 원주방향 에지(121) 사이의 제2 중간부(120)의 높이(Y2)는 단면 평면(p)으로부터의 거리(X2)에 따라 더 천천히 증가할 것이다. 이 경우의 결정적인 인자는 만곡된 상부 부분(103)의 반경이다.

열 교환기 판(100)의 스택을 오븐에서 가열할 때 온도 구배를 연구함으로써 이러한 차이로부터의 영향을 볼 수 있다. 만곡된 상부 부분(103)을 갖는 제2 중간부(120)는 직선 하부 부분(104)을 갖는 제1 중간부(117)보다 더 빠르게 가열될 것이다. 제1 및 제2 차폐 플랜지(119; 122)를 도입하고 그 길이(L1; L2)를 각각의 포트홀(107; 108)의 직경(D1; D2)으로 조절함으로써, 가열 차이가 보상될 수 있다. 따라서, 비균일 열 팽창으로 인한 좌굴 및 이에 따른 불충분한 접합의 위험이 처리될 수 있다.

이제, 도 5를 참조하면, 전술한 유형의 복수의 열 교환기 판(100)으로 구성된 판 패키지(200)의 개략적인 단면이 개시되어 있다. 도 5의 단면은 제1 차폐 플랜지(119)를 가로질러 취해진다. 공식적으로, 제2 차폐 플랜지(122)를 가로지르는 대응하는 단면은 동일하게 보일 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 열 교환기 판(100)은 프레싱 이후, 배액 채널 플랜지(109) 및 제1 및 제2 차폐 플랜지(119; 122)를 단순히 절단함으로써 제1 유형(A)의 열 교환기 판(100) 또는 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100)으로 쉽게 전환될 수 있다.

열 교환기 판(100)을 서로 상하로 판 패키지(200)의 형태로 적층할 때, 모든 제2 열 교환기 판(100)은 도 4에 개시된 방식으로 회전되는 반면, 모든 다른 판은 단면 평면(p)과 일치하는 실질적으로 수직인 회전 축을 중심으로 180도 회전된다. 이에 의해, 인접한 열 교환기 판(100)의 주름 패턴(106)이 서로 교차할 것이다. 또한, 인접한 열 교환기 판(100)의 리지(110)가 서로 맞닿는 복수의 접촉점이 형성될 것이다. 종래 기술과 마찬가지로, 적층 동안 열 교환기 판(100) 사이에 접합 재료 층(개시되지 않음)이 배열될 수 있다. 나중에 스택이 오븐에서 가열될 때, 열 교환기 판(100)은 접촉점을 따라 서로 접합되여 복잡한 패턴의 유체 채널을 형성할 것이다. 조인트의 폭은 주름 패턴(106)의 단면에 의존한다는 것을 이해해야 한다.

열 교환기 판(100)이 판 패키지(200) 내에서 배향되는 방식에 따라, 열 교환기 판(100)의 일 측면은 판 패키지(200)의 작동 동안 매체와 접촉하도록 의도된 제1 판 사이공간(12)을 향하도록 의도되는 반면 열 교환기 판(100)의 다른 측면은 물과 같은 유체와 접촉하도록 의도된 제2 판 사이공간(13)을 향할 것이다.

도 4 및 도 5의 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 모든 제2 열 교환기 판(100), 즉, 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100)의 플랜지(109; 119)는 절단되었다. 또한, 제1 유형(A)의 각각의 열 교환기 판(100)의 플랜지(109; 119)는 하나의 동일한 방향으로 배향되고, 제1 유형(A)의 열 교환기 판(100)의 플랜지(109; 119)가 제1 유형(A)의 제2 후속 열 교환기 판(100)의 플랜지(109; 119)와 맞닿거나 중첩하도록 주 연장 평면(q)에 대한 법선을 따른 성분을 갖는 연장부를 갖는다. 2개의 후속 플랜지 사이의 이렇게 형성된 중첩부는 기하학적 주 연장 평면의 법선에 대응하는 방향에서 볼 때 플랜지(109; 119)의 높이(f)의 5-90%에 대응하는 길이(e)를 갖는다.

제1 유형(A)의 열 교환기 판(100)의 플랜지(109; 119)가 후속 열 교환기 판(100)의 플랜지(109; 119)에 맞닿는 것으로 충분할 수 있음을 이해해야 한다.

플랜지(109; 119)는 원주방향 에지 부분(101)으로부터 기하학적 주 연장 평면(q)의 법선에 대해 각도(α, β)로 연장되는 것으로 개시되어 있다. 각도(α, β)는 바람직하게는 법선에 대해 20도보다 작고, 보다 바람직하게는 법선에 대해 15도보다 작다. 각도(α, β)는 0도만큼 작을 수 있음을 이해해야 한다. 각도(α, β)는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.

각도(α, β)는 결합될 2개의 후속 열 교환기 판(100) 모두에 플랜지(109; 119)가 제공되는 지 또는 열 교환기 판(100) 중 하나만이 플랜지(109; 119)를 갖는 지에 의존한다. 열 교환기 판(100) 중 하나만이 플랜지(109; 119)를 갖는 경우, 각도(α, β)는 예컨대, 10도보다 작게, 예컨대 8도보다 작게, 통상적으로는 약 6-7도로 더 작게 형성될 수 있다.

판 패키지(200)를 제공하기 위한 열 교환기 판(100)의 접합은 앞서 설명한 바와 같이 브레이징 또는 융합 접합에 의해 이루어질 수 있다. 열 교환기 판이 스테인리스 강으로 제조될 때 융합 접합이 특히 적합하다.

이제, 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 판 패키지(200)의 일 실시예가 본 발명에 따른 열 교환기 장치(300)에 포함되는 것으로 개략적으로 개시되어 있다. 이 도면에서, 제1 및 제2 차폐 플랜지(109; 122), 그리고, 또한 2개의 대향하는 배액 채널 플랜지(109)가 판 패키지(200)의 밀봉된 원주방향 측벽을 어떻게 형성하는지를 명확하게 알 수 있다. 제1 및 제2 차폐 플랜지(119; 122)의 제한된 길이에 의해; 쉘(1)의 내부와 제1 판 사이공간(12) 사이의 연통은 실질적인 정도로 제한되지 않는다.

첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 내에 있는, 본원에 설명된 실시예에 대한 많은 수정이 있을 것으로 생각된다.

예를 들어, 제1 및 제2 유형의 열 교환기 판은 모든 제2 열 교환기 판(100) 상의 제1 및 제2 플랜지 및 배액 채널 플랜지(109)가 절단되어 제1 및 제2 유형의 열 교환기 판들로 전환되는 것을 제외하고는 동일할 수 있다. 이에 의해, 하나의 동일한 프레스 도구가 사용될 수 있다.

또한, 제2 유형의 열 교환기 판에는 플랜지가 절단되지 않는 앞서 설명한 유형의 플랜지가 제공될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이는 제1 유형의 열 교환기 판의 플랜지가 제2 유형의 열 교환기 판의 플랜지와 밀봉식으로 맞닿을 수 있게 한다.

판 패키지는 판-및-쉘 유형의 열 교환기에 적용되는 것으로 개시되었다. 본 기술 분야의 숙련자는 이 개념이 또한 다른 유형의 열 교환기에 적용 가능하다는 것을 이해할 것이다.

Claims (12)

1. 열 교환기 장치용 판 패키지이며,
   판 패키지(200)는 판 패키지(200) 내에 서로 상하로 교대로 배열된 제1 유형(A)의 복수의 열 교환기 판(100) 및 제2 유형(B)의 복수의 열 교환기 판(100)을 포함하고, 각각의 열 교환기 판(100)은 기하학적 주 연장 평면(q)을 가지며, 교대로 배열된 열 교환기 판(100)은 실질적으로 개방되어 그를 통해 매체의 유동이 증발되는 것을 허용하도록 배열되는 제1 판 사이공간(12)과, 폐쇄되어 매체를 증발시키기 위한 유체의 유동을 허용하도록 배열되는 제2 판 사이공간(13)을 형성하며,
   제1 유형(A) 및 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100) 각각은 상부 부분(103), 하부 부분(104) 및 상부 및 하부 부분(103, 104)을 상호 연결하는 2개의 대향 측면 부분들(105)을 갖는 원주방향 에지 부분(101)을 갖고,
   제1 유형(A) 및 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100)은, 대향 측면 부분들(105)의 적어도 일부를 따라, 원주방향 에지 부분(101)으로부터 거리를 두고 그를 따라 연장되는 정합 접합부(112)를 더 포함하여, 각각의 제1 판 사이공간(12)을 내부 열 전달 부분(HTP)과 2개의 외부 배액 부분(DP)으로 분리하고,
   적어도 제1 유형(A)의 열 교환기 판(100)은, 대향 측면 부분들(105)의 적어도 일부를 따라, 기하학적 주 연장 평면(q)으로부터의 방향으로 원주방향 에지 부분(101)으로부터 연장되는 배액 채널 플랜지(109)를 더 포함하고,
   각각의 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)는 하나의 동일한 방향으로 배향되고, 주 연장 평면(q)에 대한 법선을 따른 성분을 갖는 연장부를 가져서 제1 유형(A)의 제1 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)가 후속 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)에 맞닿거나 중첩되며, 상기 후속 열 교환기 판(100)은 제1 유형(A)의 열 교환기 판(100) 또는 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100)이고,
   이에 의해, 배액 채널 플랜지(109)는 외부 배액 부분(DP)에 외부 벽을 형성함으로써 외부 배액 부분(DP)을 배액 채널(111)로 변형시키는, 판 패키지.
2. 제1항에 있어서, 정합 접합부(112)는
   제1 유형(A)의 열 교환기 판(100) 및 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100)에 형성된 리지(110)에 의해, 또는
   리지(110)를 포함하는 제1 유형(A) 또는 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100) 및 본질적으로 평탄한 표면을 포함하는 다른 유형의 열 교환기 판(100)에 의해
   형성되는, 판 패키지.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 배액 채널(111)은, 그 길이방향 연장부를 가로지르는 단면에서 볼 때, 배액 채널 플랜지(109), 외부 배액 부분(DP) 및 제1 유형(A)의 열 교환기 판(100)의 접합부(112)에 의해, 그리고, 제2 유형(B)의 인접한 열 교환기 판(100)의 접합부(112) 및 외부 배액 부분(DP)에 의해 형성되는, 판 패키지.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 배액 채널(111)은, 그 길이방향 연장부를 가로지르는 단면에서 볼 때, 그 길이방향 연장부를 따라 균일한 단면 기하형상을 갖는, 판 패키지.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 유형(A)의 열 교환기 판(100)의 접합부(112)는 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100)의 접합부(112)와 밀봉식으로 맞닿는, 판 패키지.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 유형(A)의 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)는 제1 또는 제2 유형(A; B)의 후속 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)와 밀봉식으로 맞닿거나 밀봉식으로 중첩되는, 판 패키지.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 배액 채널(111)은 원주방향 에지 부분(101)의 상부 부분(103)을 향하는 입구 개구(113)를 가지며, 상기 입구 개구(113)는 대체로 수평 연장부를 갖는 입구부(114)를 갖는, 판 패키지.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 배액 채널(111)은 원주방향 에지 부분(101)의 하부 부분(104)을 향하는 출구 개구(115)를 갖는, 판 패키지.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 배액 채널 플랜지(109)의 하부 부분(104)은 원주방향 에지 부분(101)의 하부 부분(104)과 측면 부분(105) 사이의 전이부를 지나 연장되는, 판 패키지.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 열 교환기 판(100)의 상부 부분(103)은 만곡되고 각각의 열 교환기 판(100)의 하부 부분(104)은 실질적으로 직선형이며,
    제1 포트홀(107)은 각각의 열 교환기 판(100)의 하부 섹션에 배열되고 원주방향 에지 부분(101)의 하부 부분(104)으로부터 거리를 두고 위치됨으로써 원주방향 에지 부분(101)의 하부 실질적 직선 부분과 제1 포트홀(107)의 원주방향 에지(118) 사이에 위치된 제1 중간부(117)를 형성하며, 제1 중간부(117)는 제1 포트홀(107)의 중심과 원주방향 에지 부분(101)의 하부 부분(104) 사이의 최단 거리(d1)를 포함하고,
    제2 포트홀(108)이 열 교환기 판(100)의 상부 섹션에 배열되고 원주방향 에지 부분(101)의 상부 부분(103)으로부터 거리를 두고 위치되어 원주방향 에지 부분(101)의 상부 부분(103)과 제2 포트홀(108)의 원주방향 에지(121) 사이에 위치된 제2 중간부(120)를 형성하고, 제2 중간부(120)는 제2 포트홀(108)의 중심과 원주방향 에지 부분(101)의 상부 부분(103) 사이의 최단 거리(d2)를 포함하며,
    제1 차폐 플랜지(119)는 제1 중간부(117)의 적어도 일부를 따라 배열되고 원주방향 에지 부분(101)의 하부 부분(104)을 따라 연장부를 가지며, 상기 제1 차폐 플랜지(119)는 최단 거리(d1)를 가로지르는 방향에서 볼 때 길이(L1)가 제1 포트홀(107)의 직경(D1)보다 작고, 보다 바람직하게는 제1 포트홀(107)의 직경(D1)의 80%보다 작으며, 및/또는
    제2 차폐 플랜지(122)는 제2 중간부(120)의 적어도 일부를 따라 배열되고 원주방향 에지 부분(101)의 상부 부분(103)을 따라 연장부를 가지며, 상기 제2 차폐 플랜지(122)는 최단 거리(d2)를 가로지르는 방향에서 볼 때 길이(L2)가 제2 포트홀(108)의 직경(D2)의 200-80%이고, 보다 바람직하게는 제2 포트홀(108)의 직경(D2)의 180-120%인, 판 패키지.
11. 열 교환기 장치(300)에서의 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 판 패키지의 사용.
12. 실질적으로 폐쇄된 내부 공간(2)을 형성하고 내부 공간(2)을 향하는 내부 벽 표면(3)을 포함하는 쉘(1)을 포함하는 열 교환기 장치이며,
    상기 열 교환기 장치(300)는 판 패키지(200)를 포함하도록 배열되고, 상기 판 패키지(200)는
    서로 상하로 판 패키지(200) 내에 교대로 배열된 제1 유형(A)의 복수의 열 교환기 판(100) 및 제2 유형(B)의 복수의 열 교환기 판(100)을 포함하고, 각각의 열 교환기 판(100)은 기하학적 주 연장 평면(q)을 가지며 주 연장 평면(q)이 실질적으로 수직인 방식으로 제공되며, 교대로 배열된 열 교환기 판(100)은 실질적으로 내부 공간(2)을 향해 개방되고 증발될 매체의 내부 공간(2)의 하부(2')로부터 내부 공간(2)의 상부(2")로 상향으로의 순환을 허용하도록 배열되는 제1 판 사이공간(12) 및 내부 공간(2)에 대해 폐쇄되고 매체를 증발시키기 위한 유체의 유동을 허용하도록 배열된 제2 판 사이공간(13)을 형성하며,
    제1 유형(A) 및 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100) 각각은 상부 부분(103), 하부 부분(104) 및 상부 및 하부 부분(103, 104)을 상호 연결하는 2개의 대향 측면 부분들(105)을 갖는 원주방향 에지 부분(101)을 갖고,
    제1 유형(A) 및 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100)은, 대향 측면 부분들(105)의 적어도 일부를 따라, 원주방향 에지 부분(101)으로부터 거리를 두고 그를 따라 연장되는 정합 접합부(112)를 더 포함하여, 각각의 제1 판 사이공간(12)을 내부 열 전달 부분(HTP)과 2개의 외부 배액 부분(DP)으로 분리하고,
    적어도 제1 유형(A)의 열 교환기 판(100)은, 대향 측면 부분들(105)의 적어도 일부를 따라, 기하학적 주 연장 평면(q)으로부터의 방향으로 원주방향 에지 부분(101)으로부터 연장되는 배액 채널 플랜지(109)를 더 포함하고,
    각각의 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)는 하나의 동일한 방향으로 배향되고, 주 연장 평면(q)에 대한 법선을 따른 성분을 갖는 연장부를 가져서 제1 유형(A)의 제1 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)가 후속 열 교환기 판(100)의 배액 채널 플랜지(109)에 맞닿거나 중첩되며, 상기 후속 열 교환기 판(100)은 제1 유형(A)의 열 교환기 판(100) 또는 제2 유형(B)의 열 교환기 판(100)이고,
    이에 의해, 배액 채널 플랜지(109)는 외부 배액 부분(DP)에 외부 벽을 형성함으로써 외부 배액 부분(DP)을 배액 채널(111)로 변형시키는, 열 교환기 장치.

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