KR20230111896A - 판형 열교환기 - Google Patents

Abstract

판형 열교환기에 관한 것으로, 복수의 플레이트가 적층된 구조로 이루어지고, 상기 복수의 플레이트에는 각각 각 플레이트 사이의 유동 공간을 통해 유동하는 매체의 유동 방향을 고려해서 복수의 열과 행을 따라 복수의 딤플 형상부가 형성되며, 각 딤플 형상부는 호 또는 아치 형상으로 형성되는 구성을 마련하여, 각 플레이트 사이에서 매체가 유동하는 방향을 고려해서 아치 또는 호 형상의 딤플 형상부를 복수의 열과 행을 따라 배열해서 유체의 흐름성을 원활하게 하며, 차압을 감소시키고, 와류를 형성하며 유동 단면적을 증가시켜 열교환 효율을 증대할 수 있다.

Description

판형 열교환기{PLATE TYPE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 판형 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적층된 복수의 플레이트 사이의 복수의 유동 공간을 통해 서로 다른 열교환 매체를 이동시켜 열교환을 수행하는 판형 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로, 열에너지를 재사용하거나 용도에 맞게 온도를 낮추거나 높여 사용할 목적 등으로 각종 열교환기가 사용되고 있으며, 자동차에도 각종 열교환기가 구비되고 있다.

자동차 산업에서 각종 구성요소의 소형, 경량화는 연비의 향상으로 이어지고, 소비자의 욕구를 충족시킬 수 있는 차체 디자인을 가능하게 하는 등 여러 가지 이점을 갖기 때문에 각종 구성요소를 소형, 경량화하면서도 고기능화하는 기술이 연구되고 있다.

엔진룸에서 공간확보에 어려움을 겪고 있는 차량용 공조시스템 분야에서도 소형, 경량화를 위한 연구가 계속되고 있는 실정이며, 이로 인하여 차량용 공조시스템의 구성요소인 열교환기도 소형, 경량화와 고효율, 고기능화가 추구되고 있다.

다양한 형태의 열교환기가 있으나, 가장 일반적인 것이 판형 열교환기이다.

상기 판형 열교환기는 복수 개의 플레이트가 적층되어 플레이트를 사이에 두고 제1 매체유동공간과 제2 매체유동공간이 형성되고, 제1 열교환매체가 제1 매체유동공간을 경유하고, 제2 열교환매체가 제2 매체유동공간을 경유하면서 제1 열교환매체와 제2열교환매체 간에 열교환이 이루어지는 구조이다.

차량용 공조시스템에서는 일반적으로 엔진룸 내부에서 충분한 공간을 확보하기 어렵기 때문에, 차량용 공조시스템을 구성하는 열교환기 등의 구성은 소형이면서도 효율을 높일 수 있는 기능이 요구된다.

한편, 최근에는 환경오염을 막기 위해, 전기자동차와 수소 연료전지 자동차 등 친환경 자동차가 개발되고 있으며, 이러한 친환경 자동차에도 판형 열교환기가 적용되고 있다.

예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 종래기술에 따른 판형 열교환기 기술이 개시되어 있다.

한편, 종래기술에 따른 차량용 공조시스템에 적용되는 판형 열교환기는 열 교환 효율을 높이고, 각 플레이트의 내구성을 증대하기 위해, 원형 타입의 딤플 구조가 적용되고 있다.

이와 같이, 각 플레이트에 원형 타입의 딤플 구조를 적용하는 경우, 제조 작업은 용이하나 열교환 효율이 낮은 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해소하기 위해, 이너핀을 플레이트 사이에 삽입하는 방식도 제안되었으나, 이는 열교환 효율은 증가 시킬 수 있으나, 추가 부품으로 인해 플레이트 층간 높이가 증가되는 문제점이 있었다.

따라서 판형 열교환기에 적용되는 각 플레이트의 딤플 구조를 개선해서 열교환 효율을 향상시키고, 각 플레이트의 내구성을 증대할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.

대한민국 특허 등록번호 10-120266호(2012년 11월 19일 공고) 대한민국 특허 등록번호 10-1650160호(2016년 8월 23일 공고)

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열교환 효율을 향상시키고, 각 플레이트의 내구성을 증대할 수 있는 판형 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 각 플레이트 사이를 이동하는 유체의 이동 방향을 고려해서 딤플 형상을 개선하여 유체의 흐름을 최적화하고 차압을 감소시키며 와류 형상을 통해 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 판형 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 각 플레이트의 내구성을 증대하고, 플레이트 층 수를 감소시켜 제품 중량을 감소시키고, 제조 비용을 절감할 수 있는 판형 열교환기를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 판형 열교환기는 복수의 플레이트가 적층된 구조로 이루어지고, 상기 복수의 플레이트에는 각각 각 플레이트 사이의 유동 공간을 통해 유동하는 매체의 유동 방향을 고려해서 복수의 열과 행을 따라 복수의 딤플 형상부가 형성되며, 각 딤플 형상부는 호 또는 아치 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 판형 열교환기에 의하면, 각 플레이트 사이에서 매체가 유동하는 방향을 고려해서 아치 또는 호 형상의 딤플 형상부를 복수의 열과 행을 따라 배열해서 유체의 흐름성을 원활하게 할 수 있다는 효과가 얻어진다.

그리고 본 발명에 의하면, 각 딤플 형상부 사이를 통해 매체가 유동하는 과정에서 차압을 감소시키고, 와류를 형성하며 유동 단면적을 증가시켜 열교환 효율을 증대할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 의하면, 실제 제품을 이용한 내구성 테스트 결과, 복수의 플레이트에 원형 딤플 형상이 형성된 제품에 비해 약 25% 정도 내구성이 증대됨을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명에 의하면, 각 플레이트 사이에 별도의 이너핀을 설치하지 않고, 딤플 형상부를 돌출 형성해서 플레이트의 층 수를 감소시킬 수 있고, 이를 통해 제품의 중량을 감소시키고, 제조 비용을 절감할 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 판형 열교환기의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 A-A' 선에 대한 단면도,
도 3은 도 1에 도시된 복수의 플레이트의 확대 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 B-B' 선에 대한 단면도,
도 5는 도 3에 도시된 플레이트의 분해 사시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 판형 열교환기를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 판형 열교환기의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 A-A' 선에 대한 단면도이다.

이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 판형 열교환기(10)는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 플레이트(30)가 적층된 구조로 이루어지고, 복수의 플레이트(30) 상단과 하단에는 각각 상부 플레이트(11)와 하부 플레이트(12)가 설치될 수 있다.

이와 같이 구성되는 판형 열교환기(10)의 상부 플레이트(11)에는 제1 열교환 매체(이하 '매체'라 약칭함)와 제2 매체가 각각 복수의 플레이트(30) 사이로 공급되는 제1 및 제2 파이프(21,22), 열교환을 수행한 제1 및 제2 매체가 각각 배출되는 제3 및 제4 파이프(23,24)가 설치되고, 하부 플레이트(12)에는 제3 매체가 공급되는 제5 파이프(25) 및 열교환을 수행한 제3 매체가 배출되는 제6 파이프(26)가 설치될 수 있다.

여기서, 제1 및 제2 파이프(21,22)는 각각 판형 열교환기(10)의 일측, 도 1에서 보았을 때 좌측 전단과 후단에 마련되고, 제3 및 제4 파이프(23,24)는 각각 판형 열교환기(10)의 우측 전단과 후단에 마련될 수 있다.

그리고 제5 파이프(25)와 제6 파이프(26)는 각각 판형 열교환기(10)의 우측에 전후 방향을 따라 서로 일정 간격만큼 이격되어 배치될 수 있다.

상기 제1 매체와 제2 매체는 냉각수이고, 상기 제3 매체는 냉매일 수 있다.

그래서 제1 매체는 제1 파이프(21)를 통해 복수의 플레이트(30) 중에서 일부, 예컨대 짝수번째 공간으로 공급되고 해당 공간을 따라 이동하면서 복수의 플레이트 중에서 다른 일부, 예컨대 홀수번째 공간으로 공급되어 이동하는 제3 매체와 열교환을 수행한 후, 제3 파이프(23)를 통해 배출될 수 있다.

제2 매체는 제2 파이프(22)를 통해 복수의 플레이트(30) 중에서 짝수번째 공간으로 공급되고 해당 공간을 따라 이동하면서 복수의 플레이트(30) 중에서 홀수번째 공간을 따라 이동하는 제3 매체와 열교환을 수행한 후, 제4 파이프(24)를 통해 배출될 수 있다.

제3 매체는 제5 파이프(25)를 통해 복수의 플레이트(30) 중에서 홀수번째 공간으로 공급되고 해당 공간을 따라 이동하면서 제1 및 제2 매체와 열교환을 수행한 후 제6 파이프(26)를 통해 배출될 수 있다.

다음, 도 3 내지 도 5를 참조해서 복수의 플레이트의 구조를 상세하게 설명한다.

도 3은 도 1에 도시된 복수의 플레이트의 확대 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 B-B' 선에 대한 단면도이며, 도 5는 도 3에 도시된 플레이트의 분해 사시도이다.

도 3 내지 도 5에는 복수의 플레이트(30) 중에서 상단에 배치되는 일부, 예컨대 4개의 플레이트가 확대 도시된 상태이다.

이하에서는 도 3 내지 도 5에서 보았을 때 가장 상단에서 하방을 향해 순차적으로 적층된 각 플레이트를 제1 내지 제4 플레이트(31 내지 34)라 한다.

제1 내지 제4 플레이트(31 내지 34)는 각각 서로 동일한 단면적을 갖도록 동일한 형상으로 형성되고, 각 플레이트(31 내지 34)에는 서로 이웃하는 플레이트 사이 공간을 이동하는 제1 내지 제3 매체가 흐르는 방향을 고려해서 복수의 딤플 형상부(50)가 마련될 수 있다.

여기서, 제1 플레이트(31)와 제3 플레이트(33)는 서로 동일한 구조를 가지고, 제2 플레이트(32)와 제4 플레이트(34)는 서로 동일한 구조를 가진다.

그래서 이하에서는 제1 플레이트(31)와 제2 플레이트(32)의 구성을 중심으로 상세하게 설명한다.

제1 내지 제4 플레이트(31 내지 34)의 가장자리에는 각 매체가 외부로 누출되지 않도록, 상방을 향해 절곡된 형상으로 형성될 수 있다.

물론, 본 발명은 복수의 플레이트(30) 외면을 차폐하는 케이스(도면 미도시)를 더 포함할 수도 있다.

그리고 제1 내지 제4 플레이트(31 내지 34)의 각 꼭지점 부분에는 제1 내지 제4 파이프(21 내지 24)에 대응되는 위치에 제1 및 제2 매체가 공급 또는 배출되도록, 제1 내지 제4 통공(35 내지 38)이 형성될 수 있다.

또한, 제1 내지 제4 플레이트(31 내지 34)의 일측, 예컨대 도 3에 보았을 때 좌측에는 제5 및 제6 파이프(25,26)에 대응되는 위치에 제3 매체가 공급 또는 배출되도록, 제5 및 제6 통공(39,40)이 형성될 수 있다.

여기서, 제1 및 제3 플레이트(31,33)에 형성된 제1 내지 제4 통공(35 내지 38)의 주변부는 제1 및 제2 매체가 제1 및 제3 플레이트(31,33)의 상부로 유입되지 않도록 상방으로 돌출 형성될 수 있다.

그리고 제1 및 제3 플레이트(31,33)에 형성된 제5 내지 제6 통공(39 내지 40)의 주변부는 제3 매체가 제1 및 제3 플레이트(31,33)의 하부로 유입되지 않도록 하방으로 돌출 형성될 수 있다.

반면, 제2 및 제4 플레이트(32,34)에 형성된 제5 및 제6 통공(39,40)의 주변부는 제3 매체가 제2 및 제4 플레이트(32,34)의 상부로 유입되지 않도록 상방으로 돌출 형성될 수 있다.

그리고 제2 및 제4 플레이트(32,34)에 형성된 제1 내지 제4 통공(35 내지 38)의 주변부는 제1 및 제2 매체가 제1 및 제3 플레이트(31,33)의 하부로 유입되지 않도록 하방으로 돌출 형성될 수 있다.

한편, 제1 플레이트(31)와 제3 플레이트(33)에는 제5 통공(39)을 통해 공급된 제3 매체를 각 플레이트(31,33)의 상부를 전체적으로 유동시킨 후 제6 통공(40) 측으로 전달하도록, 제3 매체의 유동을 가이드하는 제1 및 제3 격벽(41,43)이 상방을 향해 돌출 형성될 수 있다.

예를 들어, 제1 및 제3 격벽(41,43)은 상부에서 보았을 때 대략 'ㄴ' 형상으로 형성될 될 수 있다.

제2 플레이트(32)와 제4 플레이트(34)에는 각각 제1 및 제3 통공(35,37)을 통해 공급된 제1 매체와 제2 매체가 서로 혼합되지 않도록, 제2 및 제4 격벽(42,44)이 상방을 향해 돌출 형성될 수 있다.

제2 및 제4 격벽(42,44)은 각각 제2 플레이트(32)와 제4 플레이트(34)의 대략 중앙부에 좌우 방향을 따라 형성될 수 있다.

그리고 제2 플레이트(32)와 제4 플레이트(34)에는 각각 제1 통공(35)을 통해 공급된 제1 매체를 각 플레이트(32,34)의 전측 상부를 전체적으로 유동시킨 후 제3 통공(33) 측으로 전달하도록, 제1 매체의 유동을 가이드하는 제5 격벽(421, 441)이 상방을 향해 돌출 형성될 수 있다.

또한, 제2 플레이트(32)와 제4 플레이트(34)에는 각각 제2 통공(36)을 통해 공급된 제2 매체를 각 플레이트(32,34)의 후측 상부를 전체적으로 유동시킨 후 제4 통공(34) 측으로 전달하도록, 제2 매체의 유동을 가이드하는 제6 격벽(422,442)이 상방을 향해 돌출 형성될 수 있다.

제5 및 제6 격벽(421,441,422,442)은 각각 제2 및 제4 플레이트(32,34)의 후단과 전단의 대략 중앙부에서 각각 전방과 후방을 향해 연장 형성될 수 있다.

여기서, 제2 및 제4 격벽(42,44)과 제5 및 제6 격벽(421,441,422,442)은 제1 및 제2 매체가 유동할 수 있도록, 서로 연통되지 않고 일정 간격만큼 이격되게 형성되는 것이 바람직하다.

이와 함께, 제1 내지 제4 통공(35 내지 36) 주변에는 각 매체가 공급 또는 배출되도록, 각 매체의 유동을 가이드하는 가이드부(45)가 상방을 향해 돌출 형성될 수 있다.

이와 같이 구성되는 각 플레이트(30)에는 각 플레이트(30) 사이의 공간에 각 유체를 유동시켜 열교환을 수행하는 과정에서 열교환 효율을 높이고, 내부 공간에 발생되는 압력에 의한 변형 및 파열 성능을 증대시킬 수 있도록, 딤플 형상부(50)가 형성될 수 있다.

딤플 형상부(50)는 각 플레이트(30)에 복수의 행과 열을 따라 형성될 수 있다.

예를 들어, 각 플레이트(30)에서 딤플 형상부(50)는 대략 아치 형상이나 호 형상으로 형성되고, 홀수번째 열의 딤플 형상부(50)와 짝수번째 열의 딤플 형상부는 서로 어긋나게 마주보도록 배열될 수 있다.

즉, 홀수번째 열의 딤플 형상부(50)와 짝수번째 열의 딤플 형상부(50)는 서로 마주보도록 대칭을 이루고, 서로 어긋나도록 지그재그 방식으로 배열될 수 있다.

그리고 제1 및 제2 플레이트(31,32)에서 제2 플레이트(32), 즉 짝수번째 플레이트에 형성되는 딤플 형상부(50)는 제1 플레이트(31), 즉 홀수번째 플레이트에 형성된 딤플 형상부(50) 배열과 서로 겹쳐지지 않도록 어긋나게 배열될 수 있다.

즉, 제2 플레이트(32)의 딤플 형상부(50) 열은 제1 플레이트(31)의 딤플 형상부 열 사이에 배치될 수 있다.

따라서 제2 플레이트(32)의 상부에 제1 플레이트(31)가 배치되면, 제1 및 제2 매체는 각각 제1 및 제2 플레이트(31,32) 사이에 형성되는 유동 공간에서 제2 플레이트(32)에 복수의 열과 행을 따라 배열된 복수의 딤플 형상부(50) 사이 공간을 통해 유동한다.

즉, 제1 및 제2 매체는 각 플레이트(30)의 상면에 형성된 딤플 형상부(50) 사이를 통해 유동한다.

이러한 딤플 형상부(50)는 프레스 방식으로 각 플레이트(30)의 하부에서 상방을 향해 가압해서 상방으로 돌출 형성될 수 있다. 그래서 딤플 형상부(50)의 하부에는 오목하게 공간이 형성될 수 있다.

이와 같이 본 발명은 각 플레이트 사이에서 매체가 유동하는 방향을 고려해서 아치 또는 호 형상의 딤플 형상부를 복수의 열과 행을 따라 배열해서 유체의 흐름성을 원활하게 할 수 있다.

그리고 본 발명은 각 딤플 형상부 사이를 통해 매체가 유동하는 과정에서 차압을 감소시키고, 와류를 형성하며 유동 단면적을 증가시켜 열교환 효율을 증대할 수 있다.

실제 제품을 이용한 내구성 테스트 결과, 본 발명은 원형 딤플 형상이 형성된 제품에 비해 약 25% 정도 내구성이 증대됨을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명은 각 플레이트 사이에 별도의 이너핀을 설치하지 않고, 딤플 형상부를 돌출 형성해서 플레이트의 층 수를 감소시킬 수 있고, 이를 통해 제품의 중량을 감소시키고, 제조 비용을 절감할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 각 플레이트 사이에서 매체가 유동하는 방향을 고려해서 아치 또는 호 형상의 딤플 형상부를 복수의 열과 행을 따라 배열해서 유체의 흐름성을 원활하게 하며, 차압을 감소시키고, 와류를 형성하며 유동 단면적을 증가시켜 열교환 효율을 증대하는 판형 열교환기 기술에 적용된다.

10: 판형 열교환기
11: 상부 플레이트 12: 하부 플레이트
21 내지 26: 제1 내지 제6 파이프
30: 플레이트 31 내지 34: 제1 내지 제4 플레이트
35 내지 40: 제1 내지 제6 통공 41 내지 44: 제1 내지 제4 격벽
421,441: 제5 격벽 422,442: 제6 격벽
45: 가이드부
50: 딤플 형상부

Claims (7)

1. 복수의 플레이트가 적층된 구조로 이루어지고,
   상기 복수의 플레이트에는 각각 각 플레이트 사이의 유동 공간을 통해 유동하는 매체의 유동 방향을 고려해서 복수의 열과 행을 따라 복수의 딤플 형상부가 형성되며,
   각 딤플 형상부는 호 또는 아치 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 플레이트 상단과 하단에는 각각 상부 및 하부 플레이트가 설치되고,
   상기 상부 플레이트에는 제1 열교환 매체와 제2 열교환 매체를 각각 상기 복수의 플레이트 중에서 짝수번째 배치된 플레이트 상부로 공급하는 제1 및 제2 파이프와,
   상기 복수의 플레이트에서 열교환을 수행한 상기 제1 및 제2 열교환 매체를 각각 배출하는 제3 및 제4 파이프가 설치되고,
   상기 하부 플레이트에는 제3 열교환 매체를 상기 복수의 플레이트 중에서 홀수번째 배치된 플레이트 상부로 공급하는 제5 파이프 및
   상기 복수의 플레이트에서 열교환을 수행한 상기 제3 열교환 매체를 배출하는 제6 파이프가 설치되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
3. 제2항에 있어서,
   상기 복수의 플레이트는 각각 서로 동일한 단면적을 갖도록 동일한 형상으로 형성되고,
   각 플레이트의 꼭지점 부분에는 각각 상기 제1 내지 제4 파이프에 대응되는 위치에 제1 및 제2 열교환 매체가 공급 또는 배출되도록, 제1 내지 제4 통공이 형성되고,
   각 플레이트의 일측에는 상기 제5 및 제6 파이프에 대응되는 위치에 상기 제3 열교환 매체가 공급 또는 배출되도록, 제5 및 제6 통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 복수의 플레이트 중에서 홀수번째 플레이트에 형성된 상기 제1 내지 제4 통공의 주변부는 상기 제1 및 제2 열교환 매체가 상기 홀수번째 플레이트의 상부로 유입되는 것을 차단하도록 상방으로 돌출 형성되고,
   상기 홀수번째 플레이트에 형성된 상기 제5 내지 제6 통공의 주변부는 상기 제3 열교환 매체가 상기 홀수번째 플레이트의 하부로 유입되는 것을 차단하도록, 하방으로 돌출 형성되며,
   복수번째 플레이트에 형성된 상기 제5 및 제6 통공의 주변부는 상기 제3 열교환 매체가 상기 복수번째 플레이트의 상부로 유입되는 것을 차단하도록 상방으로 돌출 형성되고,
   상기 복수번째 플레이트에 형성된 상기 제1 내지 제4 통공의 주변부는 상기 제1 및 제2 열교환 매체가 상기 복수번째 플레이트의 하부로 유입되는 것을 차단하도록 하방으로 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   각 플레이트에서 홀수번째 열에 배열되는 상기 딤플 형성부와 짝수번째 열에 배열되는 상기 딤플 형상부는 서로 마주보도록 대칭을 이루고, 서로 어긋나도록 지그재그 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 복수의 플레이트 중에서 짝수번째 플레이트에 형성되는 상기 딤플 형상부는 홀수번째 플레이트에 형성되는 상기 딤플 형상부와 서로 어긋나게 배열되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.
7. 제6항에 있어서,
   각 열교환 매체에는 유동 단면적을 증가시키고 열교환 효율을 높이도록, 복수의 열과 행으로 배열된 상기 딤플 형상부 사이를 따라 이동하면서 와류가 형성되는 것을 특징으로 하는 판형 열교환기.

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