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KR100225296B1 - 열교환기용 플레이트 - Google Patents

열교환기용 플레이트

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KR100225296B1
KR100225296B1 KR1019920017409A KR920017409A KR100225296B1 KR 100225296 B1 KR100225296 B1 KR 100225296B1 KR 1019920017409 A KR1019920017409 A KR 1019920017409A KR 920017409 A KR920017409 A KR 920017409A KR 100225296 B1 KR100225296 B1 KR 100225296B1
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KR
South Korea
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plate
beads
longitudinal
heat exchanger
plates
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데이비드더블유. 버트랜드
캐서린엘. 프라지에
케빈비. 와이즈
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다니엘 엠. 스톡
포드자동차주식회사
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Abstract

그 종방향 길이를 따라 배열되는 종방향 리브를 구비한 평면 장형부재로 구성되며, 플레이트-핀 열 교환기용 플레이트가 개시되어진다. 상기 플레이트는 또한 종방향 리브 높이보다 더 큰 높이를 가지는 제1형 비이드 및 상기 종방향 리브의 높이와 거의 같은 높이를 가지는 제2형 비이드를 더 포함한다. 상기 비이드들은 한쌍의 동일 플레이트들이 라미네이트 될 때 서로 맞보는 관계로 위치되며 소정의 종방향 길이의 평면공간을 가지는 열로 배열되어 열 교환기를 형성시킨다. 이상에서 설명된 바와 같은 다수의 적층 플레이트로 구성되는 열 교환기가 역시 개시되어진다.

Description

열 교환기용 플레이트
제1도는 본 발명의 원리에 따라 구성된 열 교환기의 정면도.
제2도는 제1도의 열 교환기의 평면도.
제3도는 본 발명의 원리에 따라 구성된, 제1도의 열 교환기에 사용되는 플레이트의 정면도.
제4도는 제3도의 플레이트를 4-4선을 따라 절취한 단면도.
제5도는 제3도의 플레이트를 5-5선을 따라 절취한 부분의 단면도.
제6도 및 제7도는 변형례에 따른 비드 구성체를 도시하는, 제3도의 플레이트 일부의 확대도.
제8a도는 제1도의 열 교환기의 일부를 8-8선을 따라 절취한 단면도.
제8b도는 제8a도의 열 교환기의 일부를 8A-8A 선을 따라 절취한 단면도.
제9도는 제2도의 열교환기의 일부를 9-9선을 따라 절취한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 플레이트 24 : 리브
26 : 제1유체 전달부 28 : 제2유체 전달부
30 : 제1종 비드 32 : 평면 공간
34 : 제2종 비드 46 : 호형 비드
48 : L형 베인 50, 52 : 플랜지
56 : 유동 경로
본 발명은 자동차용 열 교환기에 관한 것이다. 더 구체적으로 설명하면, 본 발명은 각각의 플레이트가 높이가 상이한 복수 개의 비드(bead) 구성부를 포함하는 플레이트-핀형 열 교환기(plate-fin type heat exchanger)에 관한 것이다.
플레이트-핀 열 교환기는 당업계에서 공지되어 있는 것이다. 이러한 형태의 열 교환기에 있어서, 복수 개의 긴 플레이트들이 적층 공정(lamination process) 등을 통해 서로 결합되어 복수 개의 유체 이동용 통로를 형성한다. 각각의 통로는 한쌍의 결합된 플레이트의 내향 표면에 의해 형성된다. 결합된 플레이트의 내향 표면은 통상 중앙 유체 전달부를 형성한다. 통로는 유체가 열 교환기를 형성하는 복수 개의 결합된 플레이트를 통해 흐를 수 있도록 서로 연결된다. 공지된 바와 같이, 전도성 핀 스트립은 결합된 플레이트 쌍들의 외향 표면들 사이에 위치한다. 이러한 형태의 열 교환기는 특히 자동차의 공기 정화 장치용 증발기로서 유용하다.
다양한 플레이트 디자인이 열 교환기의 열 전달 계수를 개선하기 위해 제안되어 왔다. 냉각될 유체의 난류화 및 혼합이 증가하도록 복수 개의 유체가 흐름용 통로를 형성함으로써, 열 전달 계수를 개선시킬 수 있다. 이렇게 제안된 플레이트 디자인이 본 발명의 출원인에게 허여된 미합중국 특허 제4,600,053호에 개시되어 있다. 상기 특허 제4,600,053호의 플레이트에 있어서, 열 교환기내의 하나의 유체 통로를 형성하는 플레이트 쌍의 각각에 복수 개의 비드가 형성되어 있다. 적층된 플레이트는 두 종류의 별개 비드를 포함한다. 제1종 비드는 플레이트의 표면 위로 연장하고 상부가 평탄한 표면으로 종료된다. 제2종 비드는 적층된 플레이트 표면 위로 연장되고 상부가 만곡된 표면으로 종료된다. 이러한 제1 및 제2종 비드는 한쌍의 플레이트가 서로 적층될 때 하나의 플레이트에 있는 제1종 비드가 다른 플레이트에 있는 제2종 비드와 결합 접촉하도록 배열되어 있다. 이런 식으로, 열 교환기는 각각의 통로내에 유체의 유동을 위해 형성된 복수 개의 유동 경로를 구비한다. 그러나, 결합될 한쌍의 플레이트를 조립할 때, 두 종류의 비드 사이의 접촉 지점에서 플레이트 상호간의 미끄러짐 때문에 플레이트를 정렬하는 것은 어렵다. 또한, 비드 대 비드 접촉(bead-to-bead contact)을 형성함으로써, 인접한 플레이트 쌍 사이의 핀들과 접촉하는 플레이트의 외향 표면의 이용 가능한 표면적이 적어져 열 전달 성능이 떨어지게 된다.
본 발명은 부재의 종축에 대체로 평행하게 배치되는 종방향 러브(rib)를 구비한 대체로 평탄한 긴 부재로 이루어지고 플레이트-핀 열 교환기에 사용되는 플레이트를 제공함으로써 전술한 과제들을 해결한다. 전술한 리브는 통상 소정의 제1거리만큼 이 부재 평면으로부터 대체로 수직으로 연장한다. 또, 상기 플레이트는 소정의 제1거리보다 더 큰 소정의 제2거리만큼 이 부재의 평면으로부터 수직으로 연장하는 복수 개의 제1비드와, 소정의 제1거리와 거의 동일한 거리만큼 상기 부재의 평면으로부터 수직으로 연장하는 복수 개의 제2비드를 포함한다. 종방향 리브는 긴 부재의 종방향 길이 중 적어도 일부를 따라 연장하여, 이 부재를 제1종방향부와 제2종방향부로 분할하는데, 각각의 부분들의 전체 표면적은 거의 같다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 복수 개의 제1비드는 중간의 평면 공간으로 분리된 복수 개의 열(row)로 배열되며, 이 공간들은 소정의 종방향 길이를 가진다. 비드의 열은 부재의 각각의 제1 및 제2종방향부에 배치되는데, 열은 제1종방향부의 비드 열이 제2종방향부의 평면 공간에 인접하게 되며 그 역도 성립한다. 본 명세서에서는 복수 개의 긴 플레이트 부재를 구비하는 열 교환기가 더 개시되는데, 각각의 플레이트 부재는 대체로 전술한 바와 같이 구성된다. 복수 개의 열 교환기 플레이트는 함께 결합되어 중간에 유체가 이동할 수 있는 복수 개의 통로를 형성하며, 각각의 통로는 한 쌍의 결합된 플레이트의 내향 표면에 의하여 형성된다.
각각의 결합된 플레이트 쌍은 그 사이에 제1 및 제2유체 전달부를 형성하고, 각각의 플레이트 쌍은 인접한 플레이트 쌍과 상호 연결되므로, 유체는 열 교환기내에서 위와 같은 복수개의 플레이트를 통해 흐를 수 있다.
본 발명의 목적은 비드 대 평탄면 접촉(bead-to-flat area contact)을 형성하여 플레이트의 미끄러짐을 감소시키고, 핀 대 플레이트 접촉 표면적을 최대화하여 열 전달 능력을 증진시키도록 구성된 복수 개의 긴 플레이트를 구비한 열 교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제조 공정중 플레이트 쌍들 사이의 미끄러짐이 감소되고, 대향 플레이트들의 오배열(misalignment)에 대해 보다 큰 공차를 가지며, 비드 수가 감소되어 플레이트의 뒤틀림 가능성이 감소되는 플레이트-핀형 열 교환기용 플레이트를 제공하는 것이다.
본 발명의 여러 가지 목적, 특징 및 장점들이 이하의 도면, 상세한 설명 및 청구의 범위를 통해 명백해질 것이다.
도면을 참조하면, 제1도 및 제2도에는 특히 차량의 공기 조화 장치에 사용되도록 구성된 증발기 형태의 플레이트-핀 열 교환기(10)가 도시되어 있다. 이 열교환기(10)는 적층 형태의 긴 플레이트(12)를 포함하는데, 이 긴 플레이트(12) 쌍들은 서로 면 대 면(face-to-face) 결합되어 인접한 쌍들 사이로 냉매가 흐르는 교대(alternate) 통로를 제공한다. 상기 플레이트는 브레이징(brazing) 또는 적층 공정 등의 여러 가지 공지된 공정에 의해 결합될 수 있다. 결합된 플레이트(12) 쌍들 사이에는 열 전달 핀(14)이 배치되어 공지된 바와 같이 열 전달 면적을 증가시킨다. 결합된 플레이트 쌍 및 핀 조립체는 엔드시트(endsheet)(16) 안쪽에 배치되어 있다.
전술한 열 교환기(10)는 열 교환기(10)의 일단부에 위치한 헤더(18)에 형성된 입구(20)와 출구(22)를 구비한다. 이 헤더(18)는 결합된 플레이트(12) 쌍들 사이의 통로와 직접 연통되어 있고, 아래의 설명에 의해서 명백해지는 것처럼, 플레이트들의 일단부에 정렬된 구멍들이 헤더(18)의 입구 및 출구(20,22) 사이를 연통시킨다. 제1도 및 제2도의 열 교환기에 있어서 냉매는 입구(20) 안으로 도입되어 공지된 방법으로 복수 개의 결합된 플레이트(12) 쌍을 통과한다. 이어서, 냉매가 출구(22)를 통해 방출되면 냉각 사이클이 완료된다.
플레이트-핀 열 교환기(10)의 제조는 당업계에 공지된 방법으로 수행된다. 형성된 복수 개의 긴 플레이트는 통상 알루미늄 브레이징 합금으로 코팅된 알루미늄재로 형성된다. 전체 유닛을 형성하는데 사용되는 여러 구성품들은 알루미늄 스톡으로 만들어져서, 제1도 및 제2도에 도시된 바와 같이 조립되고, 이 금속이 함께 브레이징되는 진공 브레이징 작업을 거쳐 완성품을 형성하게 된다. 그 외에도, 다른 공지의 방법을 이용해 상기 열 교환기(10)를 제조할 수 있다. 본 발명은 특별한 제조 공정에 국한되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 열 교환기(10)는 적층된 복수 개의 긴 플레이트(12)를 포함한다. 이들 플레이트는 함께 적층되어, 통상 적층된 플레이트 쌍의 유체 전달부에 위치된 복수 개의 통로를 형성한다. 제3도 내지 제5도에 도시된 바와 같이, 제1도 및 제2도의 열 교환기에 사용된 플레이트(12)는 통상 플레이트의 종축에 대체로 평행하게 배치되어 있는 종방향 리브(24)를 포함한다. 종방향 리브(24)는 플레이트(12) 평면으로부터 0.040∼0.045 인치만큼 소정의 높이로 수직으로 연장한다. 제3도의 실시예에 있어서, 리브(24)는 상기 플레이트(12) 전체 길이의 약 75%까지 연장한다. 그러나 후술하는 바와 같이, 리브(24)의 길이가 플레이트(12)를 통해 이루어지는 유량에 따라 증가 또는 감소된다는 것은 당업자에게 명백하다.
리브(24)는 플레이트(12)를 제1유체 전달부(26)와 제2유체 전달부(28)로 분할한다. 각각의 유체 전달부(26,28)는 각각의 전체 표면적이 거의 같다. 한쌍의 동일한 플레이트(12)가 면 대 면으로 적층되면 유체 전달부(26,28)는 인접 플레이트 사이의 복수 개의 통로를 형성한다. 명백하겠지만, 유체는 결합 플레이트 쌍의 플레이트 조립체의 제1유체 전달부(26)로 들어가서 플레이트의 바닥을 향해 종방향으로 흐르고, 제2유체 전달부(28)로 방향 전환되어 제2유체 전달부(28)의 상부에서 방출된다.
플레이트(12)의 각각의 유체 전달부(26,28)는 리브(24)의 높이보다 더 큰 거리만큼 상기 부재 평면으로부터 대체로 수직으로 연장하는 복수 개의 제1종 비드(30)를 포함한다. 바람직한 실시예에 있어서, 복수개의 비드(30)의 높이는 종방향 리브(24) 높이의 거의 2배의 높이로 되거나 대략 0.088 인치이다. 제3도의 실시예에 도시한 바와 같이, 비드(30)는 1열마다 4개의 비드가 있는 복 수개의 열로 배열되어 있다. 거리가 d2인 평면 공간(32)이 비드(30)의 각 열 사이에 형성되어 있다. 공간(32)의 종방향 길이(d2)는 비드(30)의 길이와 거의 같다. 제3도에 도시된 바와 같이, 대다수의 비드(30)는 타원형으로 구성되어 있고, 플레이트(12)의 종축과 대체로 평행한 주통로(major access)를 가진다.
또한, 제3도에 도시된 바와 같이, 플레이트(12)의 제1유체 전달부(26)에 있는 타원형 비드(30)의 각 열은 플레이트(12)의 제2유체 전달부(28)의 타원형 비드(30)의 열들 사이의 평면 공간(32)에 인접해 있다. 비드(30)는 동일한 플레이트들이 적층되어 제8a도 및 제8b도에 도시된 바와 같이 적층되어 내향 표면들이 서로 결합될 때, 제1유체 전달부의 비드 열이 제2유체 전달부(28)의 비드 열 사이의 평면 공간(32)내에 착지되도록 배열되어 있는데, 그 역도 가능하다. 이와 같이 본 발명은 종래에 공지된 비드 대 비드 접촉에 의존하지 않기 때문에 제조 공정중 플레이트의 정렬은 종래의 열 교환기에 비해 현저히 개선된다. 또한, 어느 한 유체 전달부에 있는 비드 열을 인접한 유체 전달부의 평면 공간과 짝지워지게 함으로써, 각 유체 전달부(26,28)로 흐르는 유체에 대해 실질적인 복수 개의 유동 경로가 형성되어 유체가 완전히 혼합될 수 있다. 또한, 핀들과 인접하는 플레이트 후면의 전체 표면적은 증가되고, 그에 따라 열 교환기(10)의 열 방출 능력이 향상된다.
본 발명은 각 비드 열이 4개의 비드를 포함하는 제3도에 도시된 형태에 국한되는 것은 아니다. 본 발명에 따르면, 각 열은 하나의 열마다 2개의 비드 또는 3개의 비드를 포함할 수 있다. 또한, 각 비드 열 사이의 평면 공간(32)은 타원형 비드 길이보다 20 내지 30%가 증가된 간격으로 형성될 수도 있다. 이에 따라, 핀이 접촉하는 전체 표면적이 증가되어 열 교환기의 열 방출 능력이 향상된다. 또한, 제3도에 도시된 바와 같이, 복수 개의 제1종 비드(30)는 타원형 또는 비타원형으로 형성될 수 있으며, 비타원형 비드는 제3도에서 원형 비드(30')로 도시되어 있다.
제6도 및 제7도는 유체를 제1유체 전달부로부터 제2유체 전달부로 유도하기 위하여, 원형 비드가 호형 및 L형 비드 또는 호형 및 L형 베인(vane)으로 대체된 비드 구성부의 변형례를 도시하고 있다. 제6도 및 제7도에 도시된 바와 같이, 호형 및 L형인 비드 또는 베인 각각은 종방향 리브의 거의 2배의 높이로 구성되어 있어서, 동일한 플레이트가 면 대 면 관계로 적층될 때, 이 호형 비드(46) 또는 L형인 베인(48)은 대향 플레이트의 인접부와 대응 또는 접촉한다. 이에 따른 장점으로서 유체 흐름이 플레이트(12)의 입구 전달부로부터 출구 전달부로 유도되어 전환부(turn) 주위에서 냉매압 강하가 줄고 흐름이 가속된다.
제3도에 도시된 것과는 다른 패턴으로 제1종 및 제2종의 비드를 배열할 수 있다. 요구되는 유일한 인자는, 플레이트 쌍이 서로 적층될 때 제1종 비드가 인접 플레이트의 평면 공간과 접촉되고 후속하여 재료들이 진공 브레이징 작업에서 적층될 때 그들 사이에 고상 결합되는 접촉이 형성될 것이라는 점이다.
제3도를 다시 참조하면, 본 발명의 플레이트(12)는 도면 부호 34로 표시된 제2종 비드(34)를 더 포함한다. 이 비드(34)는 플레이트(12)의 잔여의 종방향 길이를 따라 리브(24)에 후속하여 배열되어 있다. 복수 개의 비드(34)의 높이는 리브(24)의 높이와 거의 동일하므로, 동일한 플레이트가 서로 적층될 때 제2종 비드(34)는 인접 플레이트의 제2종 비드(34)와 접촉한다. 이러한 방식으로, 각 쌍의 적층된 플레이트에는 상호 견고히 결합되고 주위로 유체가 흐르게 하는 복수 개의 비드(34)가 마련된다. 비록 제2종 비드(34)를 제3도에서 원형으로 도시하였지만, 이 비드는 다른 형태일 수도 있다. 본 발명은 제3도에 도시된 원형 비드에만 국한되지는 않는다.
또한, 플레이트(12)는 인접한 플레이트 쌍과 연통되어 유체를 전달하는 입구(40)와 출구(42)를 포함한다. 각각의 입구(40)와 출구(42)는 포트(port) 주위를 부분적으로 에워싸는 플랜지(50,52)를 구비한다. 이 플랜지(50,52)는 플레이트들이 조립체로서 서로 결합될 때 인접 플레이트 쌍들 사이에 견고한 맞물림을 제공한다. 이것은 후술될 제8도 및 제9도에서 쉽게 알수 있다. 이 플레이트는 바닥 플랜지(54)를 구비하는데, 이 플랜지(54)는 플레이트들이 서로 결합 또는 적층될 때 플레이트 조립체의 정렬을 쉽게 하기 위해 인접 플레이트와 견고하게 맞물린다.
제8a도, 제8b도 및 제9도를 참조하면, 제8a도 및 제9도는 제1도 및 제2도의 열 교환기(10)의 단면도를 나타낸다. 제8a도는 하나의 인접 플레이트(12')에 부착된 한 쌍의 적층된 플레이트(12-12)의 종방향 단면도를 보여준다. 제8도에 도시된 바와 같이, 적층된 플레이트 쌍 조립체(12-12)는 한 쌍의 플레이트로부터 다른 쌍으로 흐르는 유체를 철저히 혼합하는 복수 개의 유동 경로(56)를 구비한다. 제8b도에서 더욱 명확히 알수 있는 바와 같이, 제1종 비드(30)는 인접 플레이트의 평면 공간(32)과 접촉되어 있다.
제9도는 복수 개의 적층된 플레이트 쌍의 입구(40) 및 출구(42)의 상세도이다. 도시된 바와 같이, 입구(40)의 플랜지부(50)는 다음의 후속 플레이트와 견고하게 맞물리고, 출구(42)의 플랜지부(52)는 인접된 짝과 견고하게 체결되어 있다. 이러한 방식으로, 열 교환기내에서의 플레이트의 정렬이 보다 용이하게 이루어지며, 종래 기술의 구성에서 종종 문제가 되었던 대응하는 플레이트 쌍 사이의 미끄러짐이 감소된다.
본 발명의 다양한 수정 및 변형이 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게 있어서 명백히 가능할 것이다. 본 명세서에 착안된 이들 또는 다른 모든 변형은 다음의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 플레이트-핀 열 교환기용 플레이트로서, 종방향 리브(rib)가 있는 대체로 평탄하고 긴 부재와, 복수 개의 제1종 비드(bead)와, 복수 개의 제2종 비드를 구비하며, 상기 리브는 상기 부재의 종축에 평행하게 배열되고 부재의 평면으로부터 대체로 수직으로 소정의 제1거리만큼 연장되고, 상기 제1종 비드는 상기 부재의 평면으로부터 상기 소정의 제1거리보다 큰 소정의 제2거리만큼 대체로 수직으로 연장되며, 상기 제2종 비드는 상기 부재의 평면으로부터 상기 소정의 제1거리와 거의 같은 거리만큼 대체로 수직으로 연장되는 것을 특징으로 하는 플레이트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부재가 전체 표면적이 거의 같은 제1종방향부와 제2종방향부로 분할되도록 상기 종방향 리브는 대체로 상기 부재의 종방향 길이만큼 연장되는 것을 특징으로 하는 플레이트.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수 개의 제2종 비드는 상기 리브에 후속하여 상기 부재의 잔여 종방향 길이를 따라 정렬되며, 이 복수 개의 비드 각각의 사이에는 소정 간격이 있는 것으로 특징으로 하는 플레이트.
  4. 제2항에 있어서, 상기 복수 개의 제1종 비드는 평면 공간을 사이에 두고 분리되는 복수 개의 열로 배열되고, 상기 평면 공간은 소정의 종방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 플레이트.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수 개의 열은 상기 제1종방향부의 비드 열이 상기 제2종방향부의 평면 공간에 인접하게 되도록 그리고 상기 제2종방향부의 비드 열이 상기 제1종방향부의 평면 공간에 인접하게 되도록 상기 부재의 각각의 상기 제1 및 제2종방향부에 배치되는 것을 특징으로 하는 플레이트.
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