JP2019504984A

JP2019504984A - 熱交換装置

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Publication number: JP2019504984A
Application number: JP2018541353A
Authority: JP
Inventors: リム，ジョンソ
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Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2019-02-21
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Abstract

熱交換装置が開示される。本発明による熱交換装置は、流入または流出される流体を分配または統合する流体分配／統合部と、流体分配／統合部に結合され、複数の板の内部に少なくとも一つの管路が単位面積当たりの流量に基づいて複数の管路に分岐し、分岐されたそれぞれの管路が単位面積当たりの流量に基づいて少なくとも一段階以上再分岐する流体管路が形成された流体管路プレートと、複数の板の内部に流体管路プレートの最終段階によって分岐されたそれぞれの管路に対応して直線方向の管路が形成された微細管路プレートとを含み、流体分配／統合部及び流体管路プレートは微細管路プレートを基準として対称的に形成されることを特徴とする。

Description

本発明は熱交換装置に関するもので、より詳しくは、熱抵抗を大きく減少してガスやオイルのようなエネルギー資源の使用量を最小化しながら温水及び暖房の効率を高めることができる熱交換装置に関するものである。

一般に、熱交換装置は熱伝導効率の良い熱交換体を通じて温度の高い流体から温度の低い流体に熱を伝達する装置であって、エアコン、ボイラー、冷蔵庫、ヒーターなどの製品で主に用いられる。

その中で、ボイラーは密閉された容器に盛られた水を容器内部または外部で加熱して温水または高温、高圧の水蒸気を発生させる装置であって、ボイラーによって発生された温水または水蒸気は高温状態であるので、このような高温の特性を利用して冬季暖房用として用いるか発生された水蒸気の高圧特性を利用して火力発電所の蒸気タービンなどを可動させることで電力を生産するなど多様な分野に利用されている。

特に、他の化石燃料に比べて環境汚染が少ない天然ガスの消費は全世界的に大きく増えており、最近シェールガス（ｓｈａｌｅｇａｓ）の採掘により今後天然ガスを利用した暖房及び温水はより一層拡大されることと期待される。

現在、暖房や温水のための家庭用及び産業用ガスボイラーのような熱交換装置が大きく普及されており、廃熱を回収して再利用するコンデンシング技術の開発により、その効率も２０％以上大きく増加された。しかしながら、地球温暖化による異常気象現象によって冬の平均温度は漸次に下がるだけでなく厳しい寒さが数日間持続したりし、それによりオイル、ガスなどのエネルギー資源の消費はより増加するようになった。

従って、ガスやオイル、電気などのエネルギーの使用量を最小化しながら温水及び暖房の効率を高めることができる熱交換装置に対する開発の必要性が大きく台頭された。

韓国登録実用新案公報第２０−０２５５２１０号（登録日：２００１．１１．１２）

本発明は前述した問題点を解決するために創案されたもので、熱抵抗を大きく減小してガスやオイル、電気のようなエネルギー資源の使用量を最小化しながら温水及び暖房の効率を高めることができる熱交換装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達するために、本発明の一側面による熱交換装置は、流入または流出される流体を分配または統合する流体分配／統合部と、流体分配／統合部に結合され、複数の板の内部に少なくとも一つの管路が単位面積当たりの流量に基づいて複数の管路に分岐し、分岐されたそれぞれの管路が単位面積当たりの流量に基づいて少なくとも一段階以上再分岐する流体管路が形成された流体管路プレートと、複数の板の内部に流体管路プレートの最終段階によって分岐されたそれぞれの管路に対応して直線方向の管路が形成された微細管路プレートと、を含み、流体分配／統合部及び流体管路プレートは微細管路プレートを基準として対称的に形成されることを特徴とする。

前述した熱交換装置は、複数の板の内部に流体管路プレートの最終段階によって分岐されたそれぞれの管路に対応する管路が形成され、それぞれの管路が単位面積当たりの流量に基づいて少なくとも一段階以上複数の管路に分岐する中間流体管路が形成された中間管路プレートをさらに含むことができる。この場合、微細管路プレートは複数の板の内部に中間管路プレートの最終段階によって分岐されたそれぞれの管路に対応する管路が直線方向に形成され、中間管路プレートは微細管路プレートを基準として対称的に形成される。

ここで、流体管路プレート、微細管路プレート及び中間管路プレートは所定の深さと幅で凸面と凹面が繰り返される板状からなる。

また、微細管路プレートまたは微細管路プレートを基準として下端の中間管路プレートに複数の発火点が形成される。

ここで、流体管路プレート及び中間管路プレートは１：２または１：３でそれぞれの管路が分岐することが好ましい。

また、流体管路プレートはダイカスト（ｄｉｅｃａｓｔｉｎｇ）または切削加工を利用して円形の管路が形成され、中間管路プレート及び微細管路プレートはエッチング（ｅｔｃｈｉｎｇ）を利用して管路が形成されることが好ましい。

また、流体管路プレート、中間管路プレート及び微細管路プレートは管路が設置された二つの板をブレイジングまたははんだ付け方式で接合して形成されることができる。

また、流体管路プレート及び中間管路プレートはそれぞれ管路の分岐される段階に対応して複数の層が結合して構成されることができる。

また、流体管路プレート、微細管路プレート及び中間管路プレートはそれぞれ平たい板からなって互いに結合され、微細管路プレートまたは微細管路プレートを基準として下方の中間管路プレートの位置に少なくとも一本の熱線が水平方向に設置されることができる。

また、中間管路プレート及び微細管路プレートは３Ｄプリンターを利用して一体に形成されることもできる。

本発明によれば、温水器、ボイラーのような熱交換装置の熱抵抗を大きく減小して、ガスやオイル、電気のようなエネルギー資源の使用量を最小化しながら温水及び暖房の効率を高めることができる。

また、本発明によれば、流体が流れる管路を単位面積当たりの流量に基づいて複数の段階に分岐することによって熱交換機に流入して流出されるまでの流体の流れが円滑に行われるできる。

また、本発明によれば、管路の分岐構造と微細管の形成を板構造で形成することによって、ボイラーの製造を容易にするだけでなく、製造費用を大きく節減することができる。

また、本発明によれば、熱交換装置を微細管路プレートを基準として対称的な構造で形成し、それぞれの管路の単位面積当たり流量に基づいて管路が分岐される構造を形成することによって、内部を流れる流体の圧力損失を減少し、気泡の生成を防ぎ、流体の流れに障害が発生することを防止することができる。

また、本発明によれば、化石燃料を燃料で用いないで、電気を利用して電気熱線を通じて流体を加熱することによって、化石燃料の使用を節減すると同時に、短時間で流体を加熱することができる。

本発明の一実施例による熱交換装置の見掛けケースを示した図面であって、図１ａは見掛けケースの斜視図であり、図１ｂは見掛けケースの平面図であり、図１ｃは見掛けケースの側面図である。本発明の一実施例による熱交換装置の構成を概略的に示した図面である。図２に示した熱交換装置の流体分配／統合部の例を概略的に示した図面である。図２に示した熱交換装置の流体管路プレートを概略的に示した図面である。図２に示した熱交換装置の微細管路プレートを概略的に示した図面である。図２に示した熱交換装置の中間管路プレートを概略的に示した図面である。図６に示した中間管路プレートの発火点が設置される例を示した図面である。流体管路プレート、微細管路プレート及び中間管路プレートが結合された熱交換装置の斜視図である。図２に示した熱交換装置の管路の形成例を示した断面図である。本発明の他の実施例による熱交換装置の側断面図である。図１０に示した熱交換装置の平面図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の実施例による熱交換装置を詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例による熱交換装置の見掛けケースを示した図面であって、図１ａは見掛けケースの斜視図であり、図１ｂは見掛けケースの平面図であり、図１ｃは見掛けケースの側面図である。

図１によれば、本発明の実施例による熱交換装置は、図１に示したような見掛けケース１０内に装着されることができる。この時、見掛けケース１０は直方体の形状で具現されることができ、上面と下面にはガス、オイル、水などの流体の流入及び流出のための配管が貫通される配管口１２が形成されることができる。

図２は本発明の実施例による熱交換装置の構成を概略的に示した図面である。

図２によれば、本発明の実施例による熱交換装置は、流体分配／統合部１１０、流体管路プレート１２０、微細管路プレート１３０及び中間管路プレート１４０を含むことができる。

流体分配／統合部１１０は、熱交換装置の流体流入口側及び流体流出口側にそれぞれ設置され、流入または流出される流体を分配または統合する。この時、流体分配部１１０は図３に示したように、熱交換装置に流入される流体を１次分配器１１２で複数の管路１１４に分配し、それぞれの管路１１４を通じて流れる流体を複数のプレート分配器１１６で分配する。

流体統合部１１０は流体分配部１１０と同じ構造からなり、流体分配部１１０と対称的に設置されるので、流体分配部１１０と同じ参照番号を付与した。この時、流体統合部１１０は熱交換装置から流出される流体を複数のプレート統合器１１６を利用して統合し、それぞれのプレート統合器１１６を通じて流れる流体を複数の管路１１４に再統合し、最終統合器１１２でそれぞれの管路１１４を通じて流出される流体を統合して外部へ排出する。以下では流体統合部１１０に対する説明は流体分配部１１０の説明を参照する。

流体管路プレート１２０は流体分配／統合部１１０にそれぞれ結合され、複数の板の内部に少なくとも一つの管路が単位面積当たりの流量に基づいて複数の管路に分岐し、分岐されたそれぞれの管路が単位面積当たりの流量に基づいて少なくとも一段階以上再分岐する流体管路が形成される。この時、流体管路プレート１２０は、図４に示したように、所定の深さと幅で凸面と凹面が繰り返される板状からなることができる。また、流体管路プレート１２０は一方の板にダイカスト（ｄｉｅｃａｓｔｉｎｇ）または切削加工を利用して半円形の管路溝を形成し、他方の板に対向する半円形の管路溝を形成した後、二つの板をブレイジングまたははんだ付け方式で接合することができる。また、流体管路プレート１２０は、図４に示したように、管路が分岐する段階によって複数の層で具現されることもできる。即ち、最上端層の流体管路プレート１２２は流体分配部１１０から流体が流入される流体流入孔１２５が垂直に形成され、二番目層の流体管路プレート１２４の上端にはそれぞれの流体流入孔１２５を通じて流体が流れる上端管路１２６とそれぞれの流体流入孔１２５が分岐する形態の分岐流入孔１２６が垂直に形成されることができる。このような層構造は管路の分岐する段階によって複数の層に具現されることができる。この時、それぞれの管路は１：２または１：３の形態で分岐することができ、分岐するそれぞれの管路の直径は分岐前の管路の単位面積当たりの流量に基づいて決めることができる。即ち、Ａ管路が三つのＢ管路に分岐されたと仮定すれば、単位面積当たりの流量は数学式１のように成立することができる。

（数１）
（π／４）×（Ａ管路の直径）^２×Ａ管路の流体速度＝３×（π／４）×（Ｂ管路の直径）^２×Ｂ管路の流体速度

ここで、分岐前の管路の流量と分岐後の管路の合わせた流量が異なる場合、流体の流れに障害が発生する虞があるので、それぞれの管路の間の流量は一定するように保持されることが好ましい。従って、数学式１のような単位面積当たりの流量に基づいて分岐されるそれぞれの管路の直径を決めることができる。

微細管路プレート１３０は複数の板の内部に流体管路プレート１２０の最終段階によって分岐されたそれぞれの管路に対応して直線方向の管路が形成される。即ち、微細管路プレート１３０は、図５ａに示したように、流体管路プレート１２０と同じ形態の複数の板からなり、それぞれの板の内部に流体管路プレート１２０の最終段階によって分岐された管路に対応する管路１３２が直線方向に形成される。この時、微細管路プレート１３０はエッチング（ｅｔｃｈｉｎｇ）を利用して二つの板にそれぞれ互いに対向する半円形の管路を形成し、ブレイジングまたははんだ付け方式で接合することができる。ここで、流体分配／統合部１１０及び流体管路プレート１２０は微細管路プレート１３０を基準として対称的に形成されることが好ましい。

一方、エッチング技術は物質表面の選択された部分に所望のパターンを発生させるために酸やその他腐蝕剤を用いて化学的に腐食させて取り除く技術で、半導体集積回路の製造工程などで用いられる。エッチングにはウェットエッチング、ドライエッチング（プラズマエッチング）、イオンミリングの三種類の方法がある。ウェットエッチングはエッチング液を用いる方法で、低費用で、選択性も良いが、表面を汚し、またレジストをアンダーカットしやすい。プラズマエッチングには中性プラズマを用いるのと荷電プラズマを用いるのがある。アンダーカットは顕著に減少されるが（特に荷電プラズマの場合）選択性が悪い。最後に、イオンミリングはイオンビームでレジストを取り除くことで、選択性、精密度は良いが、作業が遅く、また陽レジストの場合のみに用いることができる（陰レジストでは厚さが変わるためアンダーカットしやすい）。

ブレイジングまたははんだ付けは金属薄板を接合するためにブレイジング（Ｂｒａｚｉｎｇ）を用いる技術で、硬質はんだ付け（ｈａｒｄｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）とも言い、真鍮ろう、銀ろうなどを接着剤として接着部を加熱し、これを溶解させて接合する。この時、接着剤をろう材と言い、粉末または板状のものが多い。被接着剤より低溶融点のものを用い、フラックス（溶剤）は接着面の清浄のために用い、ホウ素系のものが多い。全体を加熱接着させる作業を炉内ろう付（ｆｕｒｎａｃｅｂｒａｚｉｎｇ）という。

中間管路プレート１４０は流体管路プレート１２０と微細管路プレート１３０との間に設置されることができる。微細管路プレート１３０の管路は毛細圧現象を発生させるために１ｍｍ以下の直径を有することが好ましいが、このためには流体管路プレート１２０の最上端の管路の直径を考慮して複数段階の分岐過程が必要な場合もある。

ここで、毛細管現象は非常に狭い穴を有する管の中に液体が上がる現象で、ボレリ（ＧｉｏｖａｎｎｉＢｏｒｅｌｌｉ）は液体が管の中に上がる高さは管の内部直径に反比例することを証明した。通常、管の直径が０．５ｍｍである場合、上がる水の高さは約５０ｍｍ程度である。

中間管路プレート１４０は流体管路プレート１２０及び毛細管プレート１３０と同じ形態の複数の板で具現され、それぞれの板の内部に流体管路プレート１２０の最終段階によって分岐されたそれぞれの管路に対応する管路が形成され、それぞれの管路が単位面積当たりの流量に基づいて少なくとも一段階以上複数の管路に分岐する中間流体管路が形成される。この時、中間管路プレート１４０は１：２または１：３にそれぞれの管路が分岐された形態がエッチング方式で形成されるか、分岐される段階によって図６に示したように垂直管路が形成された複数の層が結合されることもできる。この場合、それぞれの層の形態は流体管路プレート１２０の層構造と類似するので、ここではその詳細な説明を省略する。また、中間管路プレート１４０は微細管路プレート１３０と同じく、ブレイジングまたははんだ付け方式で薄板を接合して形成されることができる。また、中間管路プレート１４０及び微細管路プレート１３０は３Ｄプリンターを利用して一体に形成されることもできる。この時、３Ｄプリンターを利用する方法は公知された多様な技術を適用することができ、ここではその詳細な説明を省略する。

ここで、微細管路プレート１３０は複数の板の内部に中間管路プレート１４０の最終段階によって分岐されたそれぞれの管路に対応する管路が直線方向に形成され、中間管路プレート１４０は微細管路プレート１３０を基準として対称的に形成される。この時、微細管路プレート１３０を基準として下端の中間管路プレート１４０は、図７に示したように、複数の層構造１４２、１４４の中最下層１４４のそれぞれの板の間に複数の発火点１４６を備えることができる。ここで、発火点１４６は管路を流れる流体の温度を高めるためのもので、板と板との間に不規則な形態で備えることができる。また、ここでは、発火点１４６が中間管路プレート１４０に形成されたことで示して説明したが、発火点１４６は微細管路プレート１３０の最下端の板と板との間に形成されることもできる。

図８は流体管路プレート、微細管路プレート及び中間管路プレートが結合された熱交換装置の斜視図である。

図８によれば、本発明の実施例による熱交換装置は流体管路プレート１２０及び中間管路プレート１４０をそれぞれ複数の板で形成し、それぞれの板内に分岐された形態の管路を形成することによって微細管路プレート１３０内に毛細管を形成することができる。

図９は本発明の実施例による熱交換装置の管路の形成例を示した断面図である。

図９に示したように、４つの管路がそれぞれ１：２→１：２→１：３→１：３→１：３に分岐したと仮定すれば、微細管路プレート１３０には４３２個の管路が形成される。このような方式で微細管路プレート１３０は１ｍｍ以下の直径を有する毛細管を形成し、流体速度の流れに障害が生ずることを防止することができる。

一般的なボイラー装置の場合、外部で供給される熱で管内部の流体を加熱する。この時、管内部の水を加熱するためには外部の熱が管を通じて内部の水に伝達されなければならないが、この過程で管の厚さによる熱抵抗と管の熱伝導率による熱抵抗、管内部の空間体積による熱抵抗などが発生する。

本発明の実施例では、一般的に約２０ｍｍの直径を有する管を１ｍｍ以下で具現することによって、熱抵抗を最小化して流体を瞬間的に加熱することができるようになる。即ち、直径２０ｍｍの管はその管壁の厚さが約２ｍｍで、管内部の流体が移動する断面積は０．０００３１４ｍ^２である。直径が０．５ｍｍの管であると仮定すれば、管壁の厚さは０．１５ｍｍであり、内部に流体が移動する断面積は０．００００００１９６ｍ^２である。単純に算術的に計算すれば、厚さによる熱抵抗は１３倍、面積による熱抵抗は１６００倍減少したことが分かる。これは、言い替えれば０．５ｍｍの管で構成された束形態の燃焼機内の熱交換機を加熱すれば、熱抵抗がほとんど発生しないということを意味する。既存のボイラーシステムが数百度で加熱して１００度以内の温水を生産した場合、本発明の実施例による熱交換装置は１００度以内の温度で加熱して９０度以上の温水を生産することができる。

図１０は本発明の他の実施例による熱交換装置の側断面図であり、図１１は図１０に示した熱交換装置の平面図である。

図１０及び図１１によれば、本発明の実施例による熱交換装置は、流体管路プレート１２０、微細管路プレート１３０及び中間管路プレート１４０が所定の深さと幅で凸面と凹面が繰り返される板状からなる代りに、それぞれが平たい板からなって互いに結合されることができる。この時、微細管路プレート１３０または微細管路プレート１３０を基準として下方の中間管路プレート１４０の位置に少なくとも一本の電気熱線１４８が水平方向に設置されることができる。この時、微細管路プレート１３０の微細管路または中間管路プレート１４０の管路を流れる流体と電気熱線１４８との間には熱抵抗がほとんどないので流体を短い時間内に加熱することができる。

Claims

流入または流出される流体を分配または統合する流体分配／統合部と、
前記流体分配／統合部に結合され、複数の板の内部に少なくとも一つの管路が単位面積当たりの流量に基づいて複数の管路に分岐し、分岐されたそれぞれの管路が単位面積当たりの流量に基づいて少なくとも一段階以上再分岐する流体管路が形成された流体管路プレートと、
複数の板の内部に前記流体管路プレートの最終段階によって分岐されたそれぞれの管路に対応する管路が形成され、それぞれの管路が単位面積当たりの流量に基づいて少なくとも一段階以上複数の管路に分岐する中間流体管路が形成された中間管路プレートと、
複数の板の内部に前記中間管路プレートの最終段階によって分岐されたそれぞれの管路に対応する管路が直線方向に形成された微細管路プレートと、を含み、
前記流体分配／統合部、前記流体管路プレート及び前記中間管路プレートは前記微細管路プレートを基準として対称的に形成されることを特徴とする熱交換装置。
前記流体管路プレート、前記微細管路プレート及び前記中間管路プレートは所定の深さと幅で凸面と凹面が繰り返される板状からなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
前記微細管路プレートまたは前記微細管路プレートを基準として下方の前記中間管路プレートに複数の発火点が形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
前記流体管路プレート及び前記中間管路プレートは１：２または１：３でそれぞれの管路が分岐することを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
前記流体管路プレートはダイカスト（ｄｉｅｃａｓｔｉｎｇ）または切削加工を利用して円形の管路が形成され、
前記中間管路プレート及び前記微細管路プレートはエッチング（ｅｔｃｈｉｎｇ）を利用して管路が形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
前記流体管路プレート、前記中間管路プレート及び前記微細管路プレートは管路が設置された二つの板をブレイジングまたははんだ付け方式で接合して形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
前記流体管路プレート及び前記中間管路プレートはそれぞれ管路の分岐される段階に対応して複数の層が結合して構成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
前記流体管路プレート、前記微細管路プレート及び前記中間管路プレートはそれぞれ平たい板からなって互いに結合され、前記微細管路プレートまたは前記微細管路プレートを基準として下方の前記中間管路プレートの位置に少なくとも一本の熱線が水平方向に設置されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
前記中間管路プレート及び前記微細管路プレートは３Ｄプリンターを利用して一体に形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。