KR100727821B1 - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉매를 이용하여 공기 및 유체를 냉각시키기 위한 냉각시스템 또는 열매를 이용하여 공기 및 유체를 가열시키기 위한 가열시스템 각각에 사용할 수 있는 열교환기에 관한 것으로, 외부로부터 공급되는 냉매 또는 열매 중 어느 하나의 열교환용 매체를 순환시켜서 열교환작용을 하도록 구성되는 열교환기에 있어서,

상기 열교환기는 일정간격으로 다수의 요홈부가 형성된 두장의 금속판들을 상기한 요홈부들이 서로 마주하여 열교환용 매체를 순환시킬 수 있는 순환통로가 형성되도록 맞대어 놓고 상기한 각 요홈부들 사이사이에 형성되어 서로 면접촉하는 평탄부를 심용접으로 용접하여 순환통로가 일정간격으로 다수 형성된 열교환판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 발명이다.

열교환기, 열교환판, 순환통로, 순환용 헤더, 분할헤더, 보강파이프

Description

열교환기{Heat exchanger}

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 일실시예 분해 사시도.

도 2 (A)(B)(C)는 본 발명의 열교환판의 제조공정도.

도 3은 본 발명의 열교환판과 헤더의 결합상태 단면도.

도 4는 도 3의 D-D선 단면도.

도 5는 본 발명의 열교환판의 다른 실시예.

도 6은 도 5의 E-E선 단면도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 열교환기 2 : 열교환판

2a,2b : 금속판 21 : 순환통로

22,23 : 요홈부 24,25 : 평탄부

3a,3b : 순환용 헤더 31∼35 : 분할헤더

36a,36b : 상부 덮개판 37a,37b : 하부 덮개판

38a,38b : 중간 칸막이판 39 : 순환공

4a,4b : 회전전극 5a,5b : 공급관 및 회수관

6 : 보강파이프 R : 전류

본 발명은 냉매(冷媒)를 이용하여 공기 및 유체를 냉각시키기 위한 냉각시스템 또는 열매(熱媒)를 이용하여 공기 및 유체를 가열시키기 위한 가열시스템 각각에 사용할 수 있는 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 냉매를 사용하는 냉각시스템의 열교환기 또는 열매를 사용하는 가열시스템의 열교환기는 주로 열전도가 우수한 재질인 동(銅)으로 된 파이프가 주로 이용되고 있으며, 이러한 동파이프로 열교환기를 구성하고자 할 때에는 상기한 동파이프를 지그재그상으로 형성된 것을 복수열로 배관한 다음 그 복수열의 동파이프 각각의 양단에 냉매 및 열매로 사용되는 열교환용 매체를 공급 및 회수하기 위한 공급용 헤더와 회수용 헤더 각각을 연결시키는 구조로 열교환기를 구성하고 있다.

그러나 상기와 같은 종래 기술의 열교환기는 동파이프를 지그재그상으로 배관하는 작업이 매우 까다롭고 어려울 뿐 아니라 복수열로 배설하는 작업에 시간과 인력이 소요된다는 것이 단점으로 지적되어 왔으며, 또한 단위면적당 열교환 효율을 높이기 위해 구경이 작은 동파이프를 촘촘한 간격으로 배설하였을 경우에는 냉매 또는 열매인 열교환용 매체가 공급용 헤더에 연결된 복수의 동파이프로 각각 흐를 때 구경이 작고 또 굴곡진 부분이 많아 흐름저항이 많이 발생되어 오히려 열교환 효율이 떨어지는 단점이 있으며, 이러한 문제를 해결하고자 흐름저항을 줄이기 위해 큰 구경의 동파이프를 사용하게 될 경우에는 지그재그상으로 배설되는 파이프 간의 간격이 넓어지게 되기 때문에 단위면적당 열효율이 저하되는 현상이 나타나게 되는 한편, 작은 구경으로 배설된 동파이프와 같은 열수(列數)로 배설하게 되면 열교환기의 크기가 필요 이상으로 커지게 되는 현상이 나타나게 되는 단점이 있다.

한편, 동(구리)는 다른 금속 예를 들면, 알루미늄보다 고가이기 때문에 열교환기를 동파이프로 제작하게 될 경우에는 열교환기의 설치비가 비싸지게 되며, 또한 알루미늄 재질로 제조된 열교환기는 공기 및 물 등에 장기간동안 노출되었을 때에는 부식되는 현상이 나타나 사용수명이 짧아지게 된다는 것이 문제점으로 지적되고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술에서 나타나는 제반 사항을 감안하여 동(구리)보다 싼 가격의 스테인레스스틸 재질로 제조된 열교환기를 제공하기 위하여 제안된 것으로서, 롤링압착가공 또는 프레스가공에 의하여 다수의 요홈부가 일정간격으로 형성된 두장의 스테인레스스틸제 금속판재를 롤링가공된 요홈부들이 서로 마주하도록 맞대어 놓고 심용접(Seam welding)하여 다수의 순환통로가 형성된 열교환판을 제조한 다음, 상기 열교환판의 양단에 스테인레스스틸 파이프로 된 순환용 헤더를 각각 용접하여 상기한 열교환판에 형성된 다수의 순환통로들이 양측 순환용 헤더에 의하여 지그재그상으로 연결되도록 하는 구조로서 열교환기의 제조공정을 단순화시킬 수 있도록 하였으며, 또한 열교환판에 형성된 다수의 순환통로들이 직선상으로 형성된 상태에서 양측 순환용 헤더에 의하여 지그재그상으로 연결되도록 하므로서 냉매 및 열매인 열교환용 매체의 흐름저항을 줄여 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 열교환기를 제공하는데 목적을 두고 발명한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

외부로부터 공급되는 냉매 또는 열매 중 어느 하나의 열교환용 매체를 순환시켜서 열교환작용을 하도록 구성되는 열교환기에 있어서,

상기 열교환기는 일정간격으로 다수의 요홈부가 형성된 두장의 금속판들을 상기한 요홈부들이 서로 마주하여 열교환용 매체를 순환시킬 수 있는 순환통로가 형성되도록 맞대어 놓고 상기한 각 요홈부들 사이사이에 형성되어 서로 면접촉하는 평탄부를 심용접으로 용접하여 순환통로가 일정간격으로 다수 형성된 열교환판을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열교환판 양단에는 외부로부터 공급되는 열교환용 매체를 다수의 순환통로들 각각으로 순환시키기 위하여 상기한 다수의 순환통로들과 연통하게 되는 다수의 순환공들이 형성되어 있는 양측 순환용 헤더가 용접되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열교환판에 형성된 다수의 순환통로로 순환하게 되는 열교환용 매체를 지그재그상으로 순환되게 하기 위하여 상기 열교환판 양단에 용접되는 양측 순환용 헤더 각각은 상기한 다수의 순환통로들 중 하나 이상의 순환통로를 통해 열교환매체를 동시에 순환시킬 수 있도록 복수개로 분할 형성된 상태에서 용접에 의해 일직선상으로 결합되어지되, 복수개로 분할 형성된 각 분할헤더들 중에서 상부 분할헤더의 경우에는 그 상단이 상부 덮개판에 의해 밀폐되고 하부 분할헤더의 경 우에는 그 하단이 하부 덮개판에 의하여 밀폐되며, 또 하나 이상의 중간 칸막이판에 의하여 상,하부 및 중간 분할헤더들이 서로간에 차단된 상태로 양측 순환용 헤더를 형성하도록 용접 연결되므로서 외부로부터 공급되는 열교환용 매체가 상기한 양측 순환용 헤더를 통해서 열교환판에 형성된 다수의 순환통로를 통해 지그재그상으로 순환되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 양측 순환용 헤더들 중 선택된 일측이나 타측 순환용 헤더의 상,하측에 용접되는 상,하부 분할헤더에는 외부로부터 공급되는 열교환용 매체를 유입시키기 위한 공급관 및 열교환판을 지그재그상으로 순환작용을 완료한 열교환용 매체를 회수하기 위한 회수관이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열교환판에 형성된 다수의 순환통로 각각에는 열교환용 매체의 순환압력이 열교환판에 작용되지 않도록 하면서 열교환용 매체가 흐를 수 있도록 하기 위한 보강파이프가 삽입 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면에 따라서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 일실시예 분해 사시도이며, 도 2 (A)(B)(C)는 본 발명의 열교환판의 제조공정도이고, 도 3은 본 발명의 열교환판과 헤더의 결합상태 단면도이며, 도 4는 도 3의 E-E선 단면도이고, 도 5는 본 발명의 열교환판의 다른 실시예이며, 도 6은 도 5의 F-F선 단면도를 도시한 것이다.

도면부호 1은 열교환기를 나타내는 것으로, 상기 열교환기(1)는 냉매 또는 열매 중 어느 하나의 열교환용 매체가 순환되므로서 공기나 물 등의 유체를 냉각시키거나 또는 가열시키는 열교환판(2)과, 이의 양단에 용접되어 열교환용 매체를 순 환시키는 양측 순환용 헤더(3a)(3b)로 이루어져 있다.

상기 열교환판(2)은 녹슬지 않는 스테인레스스틸제로 된 두장의 금속판(2a)(2b)을 이용하여 다수의 순환통로(21)들이 일정간격으로 형성된 구조로 되어 있는바, 이를 도 2의 도시예로 설명한다.

상기한 금속판(2a)(2b) 각각은 도 2의 (A) 도시와 같이 평면상으로 된 금속판을 도 2의 (B) 도시와 같이 압착롤러 또는 프레스를 이용하여 일측으로 돌출되는 다수의 요홈부(22)(23)들이 일정한 간격으로 연속해서 형성되도록 압착가공한다.

상기와 같이 압착가공된 두장의 금속판(2a)(2b)들을 도 2의 (C) 도시와 같이 요홈부(22)(23)들이 개구된 부분이 서로 마주하도록 맞대어 놓고 상기한 각 요홈부(22)(23)들 사이사이에 형성되어 서로 면접촉하게 되는 평탄부(24)(25)들 각각의 양면을 상,하부 회전전극(4a)(4b)으로 압착하면서 전류(R)를 통전시키는 심용접(Swam welding)방법으로 용접하게 되면 양측 금속판(2a)(2b)들 각각에 형성된 다수의 요홈부(22)(23) 사이사이의 평탄부(24)(25)들은 서로 용접되는 것이며, 이와 같이 심용접된 두장의 금속판(2a)(2b) 각각에 형성되어 서로 마주하는 요홈부(22)(23)들 내측에는 마치 파이프의 중공부와 같은 순환통로(21)가 일정간격으로 다수 형성되어지는 것이며, 이와 같이 심용접으로 접합된 열교환판(2)에 다수 형성되어 있는 순환통로(21)들 각각의 양단은 개방된 상태이다.

상기와 같이 두장의 금속판(2a)(2b)을 이용하여 제조된 열교환판(2)의 양단에는 냉각용 냉매 또는 가열용 열매 중 선택된 어느 하나의 열교환용 매체를 순환시키기 위한 양측 순환용 헤더(3a)(3b)가 용접되며, 상기한 양측 순환용 헤더들 각 각은 복수개씩 분할된 분할헤더들이 용접 결합되어 열교환판(2)에 형성된 다수의 순환통로(21)들을 통해서 열교환용 매체를 지그재그상으로 순환시킬 수 있는 구조를 가지고 있는데, 본 발명에서는 설명의 편의상 도면에 도시된 바와 같이 열교환판(2)에 총 12개의 순환통로(21)가 형성되어 있고, 또 총 12개의 순환통로(21)들 중 3개씩의 순환통로들이 1개 조로 편성되어 열교환 매체를 같은 방향으로 순환시킬 수 있도록 총 4개 조로 편성하여 열교환용 매체를 지그재그상으로 순환시킬 수 있도록 하기 위하여 양측 순환용 헤더(3a)(3b) 중 일측 순환용 헤더(3a : 도면상 좌측부분)는 총 3개로 분할 형성된 상,중,하부 분할헤더(31,32,33)로 구성되고, 타측 순환용 헤더(3b : 도면상 우측부분)는 총 2개로 분할 형성된 상,하부 분할헤더(34,35)로 구성된 것을 실시예로 하고 있으며, 또한 상기와 같이 복수개로 분할 형성된 양측 순환용 헤더(3a)(3b)들의 상,하부 분할헤더(31,33)(34,35) 각각의 상,하단은 상,하부 덮개판(36a,36b)(37a,37b)이 용접되어 밀폐된 구조로 형성되어 있으며, 일측 순환용 헤더(3a)의 상,하부 분할헤더(31,33)와 이들 사이에 형성되는 중간 분할헤더(32)들 각각은 2개의 중간 칸막이판(38a)이 개재된 상태로 용접되어 서로간에 밀폐 차단된 구조로 형성되어 있으며, 또한 타측 순환용 헤더(3b)의 상,하부 분할헤더(34,35) 사이에는 1개의 중간 칸막이판(38b)이 개재된 상태로 용접되어 서로간에 밀폐 차단된 구조로 형성되어 있다.

또한 상기와 같이 복수개씩으로 분할 형성된 각 분할헤더(31∼35)들 각각에는 열교환판(2)에 형성된 다수의 순환통로(21)들과 연통하게 되는 순환공(39)들이 복수개씩 일정간격으로 형성되어 있다. 즉, 도면에 도시되어 있는 바와 같이 일측 순환용 헤더(3a)의 상,하부 분할헤더(31,33)에는 각기 3개씩의 순환공(39)들이 형성되어 있고, 이의 중간 분할헤더(32) 및 타측 순환용 헤더(3b)의 상,하부 분할헤더(34,35) 각각에는 6개씩의 순환공(39)들이 형성되어 있다.

따라서 상기 열교환판(2)의 양단에는 양측 순환용 헤더(3a)(3b)들의 각 분할헤더들 각각에 복수개씩 형성된 순환공(39)들이 열교환판(2)에 형성된 다수의 순활통로(21)들과 연결된 상태로 용접되는 것이다.

그리고 상기한 양측 순환용 헤더(3a)(3b)들 중 도면과 같이 외부로부터 공급되는 열교환용 매체를 열교환판(2)으로 순환시키기 위한 공급관(5a)은 일측 순환용 헤더(3a)의 상부 분할헤더(31)에 형성하는 한편, 열교환판(2)을 지그재그상으로 순환한 열교환용 매체를 회수하여 재사용하게 하거나 또는 외부로 방출시키기 위한 회수관(5b)은 일측 순환용 헤더(3a)의 하부 분할헤더(33)에 형성할 수 있으며, 또는 도면에 도시하지 아니하였지만 타측 순환용 헤더(3b)를 3개 이상으로 분할 형성하였을 경우에는 열교환용 매체를 회수하는 회수관(5b)을 타측 순환용 헤더(3b)의 분활헤더에 형성시킬 수도 있다.

한편, 도 5 및 도 6의 도시는 열교환판(2)의 다른 실시예로서, 이 실시예에서는 두장의 금속판(2a)(2b)을 심용접공정으로 접합된 열교환판(2)에 다수 형성된 순환통로(21) 각각에 보강파이프(6)를 삽입시킨 상태에서 양측 순환용 헤더(3a)(3b)를 용접 결합한 것인데, 이때 상기한 보강파이프(6)들의 양단은 각 순환통로(21)의 양단에서 돌출되어 양측 순환용 헤더(3a)(3b) 각각에 형성된 순환공(39)들에 끼여진 상태로 용접되게 하므로서 열교환기(1)로 공급되는 열교환용 매 체를 강한 압력으로 공급하게 되더라도 보강파이프(6)들이 열교환용 매체의 압력이 순환통로(21)에 직접 영향을 주지않고 보강파이프(6)를 통해서만 순환되도록 하므로서 열교환판(2)을 보호할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명은 도 3의 도시와 같이 외부에서 공급되는 열교환용 매체가 공급관(5a)를 통해 일측 순환용 헤더(3a)의 상부 분할헤더(31)로 유입되면 상기한 상부 분할헤더(31)에 의해 1개조로 편성된 3개의 순환통로(21)를 통해 열교환용 매체가 고른 압력으로 분배된 상태로 타측 순환용 헤더(3b)의 상부 분할헤더(34)로 유입된 후 다시 3개로 편성된 1조의 순환통로(21)를 통해 일측 순환용 헤더(3a)의 중간 분할헤더(32)쪽으로 흐르게 되는 순환과정을 반복하게 되며, 이러한 순환과정의 반복작용은 양측 순환용 헤더(3a)(3b) 각각의 분할헤더들 사이에 개재된 상태로 용접된 중간 칸막이판(38a,38b)들에 의하여 이루어지게 되며, 열교환용 매체는 열교환판(2)에 각조로 구분된 3개씩의 순환통로(21)들을 통해 지그재그상으로 순환되는 과정에서 열교환작용을 행하게 되는데, 상기한 각 순환통로(21)를 순환하게 되는 열교환용 매체는 각 요홈부(22)(23)들과 이들 사이사이에 형성된 평탄부(24)(25)를 통해서 열교환작용을 행하게 되므로서 본 발명의 열교환판(2)은 열교환면적이 확장된 상태가 되어 열교환 효율이 향상되는 것이며, 또한 상기 열교환판(2)에 형성된 다수의 순환통로(21)들은 직선상으로 형성되어 있고, 또 양측 순환용 헤더(3a)(3b)를 형성하는 각 분할헤더들은 각조로 편성된 3개의 순환통로(21)들을 합한 단면적을 갖는 큰 구경의 파이프로 형성되어 있어 각조로 편성된 3개의 순환통로(21)를 흐르게 되는 열교환용 매체에 저항을 줄여줄 수 있으므로 열교환 매 체의 열교환 효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

그리고 상기한 순환통로(21)들 각각에 보강파이프(6)를 내설시킨 열교환판(2)은 열교환용 매체를 강한 압력으로 순환시키게 되더라도 보강파이프(6) 자체가 강한 압력을 견디게 되므로서 열교환판(2)을 안전하게 보호하면서 열교환 매체를 순환시킬 수 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 압착롤러 또는 프레스로 압착가공하여 일정간격으로 형성된 다수의 요홈부가 형성된 2장의 스테인레스스틸제 금속판들이 상기한 요홈부들이 순환통로를 형성시킬 수 있도록 서로 맞대어 놓고 심용접으로 접합시킨 열교환판은 그에 형성된 다수의 순환통로들이 직선상으로 형성되어 있어 열교환 매체가 저항없이 원활하게 순환되도록 하는 효과와 함께 다수의 순환통로를 형성하는 다수의 요홈부들과 요홈부들 사이사이에 형성된 평탄부들 전체가 열교환작용을 하도록 하므로서 열교환면적을 증대시킬 수 있는 효과를 제공하게 되며, 또한 열교환판 양단에 용접되는 양측 순환용 헤더들은 상기한 열교환판에 형성된 순환통로보다 큰 구경을 가진 스테인레스스틸제 파이프로 형성되어 있어 상기 열교환판에서 각조로 구분된 복수의 순환통로를 통해 순환되는 열교환 매체의 흐름저항이 최대한 줄어들게 하므로서 열교환 효율을 향상시킬 수 있게 하는 효과를 제공하게 된다.

Claims (5)

1. 일정간격으로 다수의 요홈부가 형성된 두장의 금속판을 상기한 요홈부들이 서로 마주하여 열교환용 매체를 순환시킬 수 있는 다수의 순환통로가 형성되도록 맞대어 놓고 용접하여 형성된 열교환판과, 외부로부터 공급되는 열교환 매체를 상기 열교환판에 형성된 다수의 순환통로 각각으로 순환시키기 위하여 상기한 각 순환통로들과 연통하는 다수의 순환공이 형성된 상태로 상기 열교환판 양단에 용접되는 양측 순환용 헤더를 포함하여 구성된 열교환기에 있어서,

   상기 열교환판은 두장의 금속판 각각의 요홈부들 사이사이에 형성된 평탄부들이 서로 면접촉하도록 맛대어진 상태에서 심용접으로 접합되며, 상기한 각 순환통로를 흐르는 열교환용 매체의 순환압력이 상기 열교환판에 직접 작용되지 않도록 하면서 열교환 매체를 손환시킬 수 있도록 하기 위하여 상기한 순환통로 각각에 보강파이프가 삽입되어 있되, 또한 상기한 보강파이프의 양단은 양측 순환용 헤더 각각에 형성된 다수의 순환공에 각각 끼워진 상태로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 열교환판에 형성된 다수의 순환통로로 순환하게 되는 열교환용 매체를 지그재그상으로 순환되게 하기 위하여 상기 열교환판 양단에 용접되는 양측 순환용 헤더 각각은 상기한 다수의 순환통로들 중 하나 이상의 순환통로를 통해 열교환매체를 동시에 순환시킬 수 있도록 복수개로 분할 형성된 상태에서 용접에 의해 일직선상으로 결합되어지되, 복수개로 분할 형성된 각 분할헤더들 중에서 상부 분할헤더의 경우에는 그 상단이 상부 덮개판에 의해 밀폐되고 하부 분할헤더의 경우에는 그 하단이 하부 덮개판에 의하여 밀폐되며, 또 하나 이상의 중간 칸막이판에 의하여 상,하부 및 중간 분할헤더들이 서로간에 차단된 상태로 양측 순환용 헤더를 형성하도록 용접 연결되므로서 외부로부터 공급되는 열교환용 매체가 상기한 양측 순환용 헤더를 통해서 열교환판에 형성된 다수의 순환통로를 통해 지그재그상으로 순환되도록 구성된 것을 특징으로 하는 열교환기.
4. 삭제
5. 삭제

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