KR100437135B1 - 마이크로 열교환기 및 제작방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로 열교환기 및 제작방법에 관한 것으로, 미세 채널이 가공된 금속판을 접합용 박판과 교번 적층하고, 브레이징 접합을 실시하여 미세 채널의 경계부위도 모두 접합의 대상으로 참여하고, 접합되는 마이크로 열교환기를 제작함이 특징이다. 이에 따라 미세 채널로 구성되는 마이크로 열교환기의 각 유로구조는 내열성 및 내압력성이 극대화될 수 있는 효과가 있다.

Description

마이크로 열교환기 및 제작방법{Micro Heat Exchanger And Manufacuring Method Thereof}
본 발명은 마이크로 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세 채널이 형성된 금속판을 접합용 박판과 교번 적층/접합하여 마이크로 열교환기를 제작하는 마이크로 열교환기 및 제작방법에 관한 것이다.
일반적으로 열전달은 상이한 온도에 있는 부분 특히 그 경계부분 사이에서 보다 격렬하게 발생되는 에너지의 이동인 바, 열적 이동관계에서 있어, 물질의 이동을 수반함이 없이 고온부에서 이것과 접하고 있는 저온부로 열이 전달되는 전도와, 유체의 이동에 기인하여 열을 전달하는 대류와, 열에 의해 들뜬 원자집단이 전자기파를 방출하는 복사 등을 총칭한다.
이 중 특히 대류는 유체와 고체 사이의 열교환으로서 개념화되고, 산업에 이용되고 있다. 특히 강제 대류를 이용하는 경우 예를 들어 관벽 내외의 열교환은, 열교환기의 기본적인 열교환 개념으로 적용된 것이다.
산업현장에 대한 열교환기의 적용은, 특히 고발열 정보 통신분야에서 전자부품 또는 그 소재와 같이 정밀성과 초소형화가 요구되는 분야와 밀접한 관계를 갖고 있다. 전자부품의 발열성은 전자부품을 포함하는 기기 전체의 성능에 큰 영향을 미치는 바, 열교환기의 장착을 위해 그 규모의 축소가 요구되어 왔고, 이에 따라 마이크로 스케일의 열교환기 개발에 이르렀다.
이와 더불어 연료전지 분야, 석유 산업에서 필요로 하는 화학 반응분야, 의료기기의 냉각분야, 핵발전 분야, 항공기의 전자장비 냉각분야, 고발열 레이저 냉각분야, 담수화 기계의 해수 증발관 분야 등에 응용이 가능하다고 알려져 있다.
이러한 마이크로 열교환기를 포함하여 대부분의 열교환기는 유체의 강제 대류를 기초로 작동된다. 마이크로 열교환기의 응용범위로서, 연료전지 시스템, 의약품 제조공정, 표면에 일방향을 따라 미세 채널이 병렬 형성된 일련의 금속판을 적층하여 구성되는 구조이다. 이러한 각 미세 채널을 따라 유체가 이송되고, 따라서 미세채널의 벽은 유체의 이동방향을 제시/유도하고, 강제한다.
이와 같이 강제적/능동적 유체 이송을 이용하는 마이크로 열교환기에 있어서, 유체의 이송을 강제/유도할 수 있는 미세 채널의 설계가 중요하다. 일반적으로 미세채널은, 미세가공 기술에 의해 밀링 가공하여 형성되는 것이 일반적이다. 미세채널의 설계가 중요한 것은, 그 장치가 미소한 스케일로 작아짐에 따라서 계측에 큰 어려움이 있기 때문이다. 예를 들어 미세채널 내에서 유체의 유속, 온도 특히장치 전체 및 각 미세채널에 가해지는 압력 및 온도에 대한 계측이 어렵고 이에 따라 그 제어에 어려움을 겪고 있다.
이러한 계측 및 제어기술의 발전을 위해서는, 마이크로 열교환기의 제작기술에서, 특히 미세채널이 형성된 각 금속판의 합착기술이 중요하다.
마이크로 열교환기의 제작기술에서, 이미 알려진 바와 같은, 미세채널의 가공 이후 미세채널이 형성된 각 금속판을 합착하는 기술분야는, 특히 각 미세채널이 받는 압력 및 온도에 대한 높은 내압력성 및 내열성의 확보라는 목적을 달성할 수 있는 공정분야이다.
종래 마이크로 열교환기의 제작에 있어, 미세채널이 형성된 각 금속판의 합착기술로서, 레이져를 열원으로 적층된 금속판의 테두리를 접합하는 기술, 솔더링 재료를 각 금속판에 미리 도포,증착,도금한 상태로 또는 솔더링 재료없이 각 금속판을 수백도의 온도에서 프레스하는 기술인 확산접합(diffusion bonding) 기술 등이 알려져 있다.
또한 열교환기에서 유체의 출입구용 도관 및 그 고정판재로 이루어진 매니폴드는, 도관을 고정판재에 용접하고, 앞서 언급된 레이져 용접 또는 확산접합 기술을 이용하여 금속판에 접합하여 제작된다.
그런데 각 금속판의 미세채널은 상대적으로 함몰된 부위이다. 그리고 이러한 함몰 형성에 따라 상대적으로 돌출되는 벽체가 존재하게 마련이다. 이러한 벽체 즉 각 미세채널을 구분하는 부위는, 종래의 접합기술을 토대로 마이크로 열교환기가 제작될 경우, 개별적으로 접합되지 않고 있다. 따라서 제작된 마이크로 열교환기에서, 각 미세채널 부위가 처하게 되는 고온/고압의 환경에서, 높은 내압성 및 내열성을 담보하지 못하는 문제점을 유발하게 된다.
또한 종래 접합기술을 이용할 경우, 특히 전기화학적인 별도의 도금 공정이 추가되고, 또한 고온에서의 프레스 공정은 매우 긴 작업시간이 소요되는 등 그 생산효율이 떨어져 대량생산이 부적합한 문제점이 있어왔다. 이에 따라 제품의 생산단가가 매우 높고, 이에 따라 해당 산업전반에 걸쳐 범용적으로 사용하기에는 무리가 따른다.
아울러 매니폴드 제작의 경우, 일일이 용접을 진행해야 하고, 완전밀봉을 위해 세심한 주의가 요망되는 등 작업조건에 있어 까다로운 측면이 있어왔다.
이와 같이 종래 마이크로 열교환기의 제작기술은, 미세채널이 형성된 금속판의 접합공정의 시행시 생산효율의 저하와 제작/사용되는 마이크로 열교환기의 내열성 및 내압력성의 저하가 초래되고, 매니폴드의 접합공정의 시행시 지나치게 까다로운 작업조건에 따른 생산효율 저하라는 문제점을 안고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은, 미세 채널이 형성된 금속판과 접합용 박판을 교번 적층하여 접합과정에 각 미세 채널의 경계부위가 접합의 대상으로 참여할 수 있는 마이크로 열교환기 및 제작방법을 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 제 2 목적은, 각 금속판의 적층체를 역전/배치시키고 접합과정을 진행시켜 접합용 박판의 용융체가 미세 채널 내로 유입되는 것을 방지할 수있는 마이크로 열교환기 및 제작방법을 제공하는 것이다.
아울러 본 발명의 제 3 목적은, 각 금속판을 해당 미세 채널의 형성방향을 기준으로 각 미세 채널이 각 금속판의 적층에 따라 서로 교차 배치되도록 하여 제품의 사용시 인접 배치된 금속판과 서로 다른 온도의 유체가 공급되는 구조가 구현될 수 있는 마이크로 열교환기 및 제작방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적들은, 마이크로 열교환기의 제작방법에 있어서,
유체의 공급 채널 및 배출 채널을 갖는 다수의 미세 채널을 병렬 가공하고 금속판을 획득하는 단계(S1100); 상기 금속판과 동일 형상을 갖는 각 접합용 박판을 상기 금속판과 교번 적층하여 적층체를 형성하는 단계(S1200); 상기 금속판과 대응하는 형상의 각 고정판에 상기 미세 채널에 대해 유체를 제공/배출하기 위한 각 도관을 점용접하여 각 매니폴드를 제작하는 단계(S1300); 상기 각 고정판에 대한 해당 각 도관의 결합부위에 페이스트 상태의 접합용재를 도포하는 단계(S1400); 하부의 고정치구 및 상기 고정치구에 대해 승강하는 상부의 이동치구의 사이에 상기 적층체 및 상기 적층체의 적층방향으로 양측으로 배치되는 각 매니폴드를 유체의 공급 및 배출경로에 대응시켜 조립하고, 상기 적층체에 균일한 하중이 가해지도록 상기 이동치구의 상부에 상대적으로 작은 크기의 하중부를 배치하여 조립체를 제작하는 단계(S1500); 다수의 상기 각 조립체를 브레이징로에 투입하고, 상기 접합용 박판 및 접합용재의 용융온도 이상으로 가열/접합하는 단계(S1600); 및 상기 조립체를 상기 브레이징로에서 배출하고, 상기 고정치구, 이동치구 및 하중부를 제거하는 단계(S1700);를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기의 제작방법에 의하여 달성된다.
여기서 상기 금속판의 획득단계(S1100)에서는, 유체흐름의 균일성을 제공하기 위하여 상기 공급 채널 및 배출 채널을 분기시키는 공급분배 채널 및 배출분배 채널을 더 가공하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 적층체를 형성하는 단계(S1200)에서는, 상기 미세 채널이 형성된 상기 금속판의 일면이 위에 오도록 적층하여 상기 적층체를 제작하고, 이후 상기 적층체를 역전/배치시키는 단계(S1210)가 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한 상기 적층체를 형성하는 단계(S1200)에서는, 상기 미세 채널의 형성방향이 서로 교차/배치되도록 상기 각 금속판을 적층하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 접합용재의 도포단계(S1400) 이후, 상기 금속판 및 접합용 박판의 모서리에 대응하는 형상으로 함몰된 정렬치구를 사용하여 상기 적층체를 정렬하는 단계(S1410)가 더 포함되는 것이 바람직하다.
상기한 본 발명의 목적들은, 마이크로 열교환기의 제작방법에 있어서, 유체의 공급 채널 및 배출 채널을 갖는 다수의 미세 채널을 병렬 가공하고, 테두리를 따라 정렬구를 관통 가공하여 금속판을 획득하는 단계(S2100); 상기 금속판과 동일 형상을 갖는 각 접합용 박판을 상기 금속판과 교번 적층하여 적층체를 형성하는 단계(S2200); 상기 금속판과 대응하는 형상의 각 고정판에 상기 미세 채널에 대해 유체를 제공/배출하기 위한 각 도관을 점용접하여 각 매니폴드를 제작하는 단계(S2300); 상기 각 고정판에 대한 해당 각 도관의 결합부위에 페이스트 상태의 접합용재를 도포하는 단계(S2400); 하부의 고정치구 및 상기 고정치구에 대해 승강하는 상부의 이동치구의 사이에 상기 적층체 및 상기 적층체의 적층방향으로 양측으로 배치되는 각 매니폴드를 유체의 공급 및 배출경로에 대응시켜 조립하고, 상기 적층체에 균일한 하중이 가해지도록 상기 이동치구의 상부에 상대적으로 작은 크기의 하중부를 배치하여 조립체를 제작하는 단계(S2500); 다수의 상기 각 조립체를 브레이징로에 투입하고, 상기 접합용 박판 및 접합용재의 용융온도 이상으로 가열/접합하는 단계(S2600); 및 상기 조립체를 상기 브레이징로에서 배출하고, 상기 고정치구, 이동치구 및 하중부를 제거하는 단계(S2700);를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기의 제작방법에 의하여 달성된다.
여기서 상기 금속판의 획득단계(S2100)에서는, 상기 공급 채널 및 배출 채널을 분기시키는 공급분배 채널 및 배출분배 채널을 더 가공하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 적층체를 형성하는 단계(S2200)에서는, 상기 미세 채널이 형성된 상기 금속판의 일면이 위에 오도록 적층하여 상기 적층체를 제작하고, 이후 상기 적층체를 역전/배치시키는 단계(S2210)가 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한 상기 적층체를 형성하는 단계(S2200)에서는, 상기 미세 채널의 형성방향이 서로 교차/배치되도록 상기 각 금속판을 적층하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 접합용재의 도포단계(S2400) 이후, 상기 각 금속판의 해당 정렬구에 연속으로 삽입되는 정렬핀을 사용하여 상기 적층체를 정렬하는 단계(S2410)가 더 포함되는 것이 바람직하다.
아울러 상기한 본 발명의 목적들은, 마이크로 열교환기에 있어서, 유체가 흐르기 위해 미세 채널이 병렬 형성되고 상기 미세 채널에 대해 유체의 공급 채널 및배출 채널이 형성되는 다수의 금속판을 포함하고, 상기 각 금속판이 상기 해당 유체의 온도 차이에 기인하여 열적 상관관계를 갖도록 적층 접합되어 구성되는 적층체; 상기 적층체에 대해 유체의 공급/배출이 이루어질 수 있도록 상기 적층방향 양측의 해당 각 금속판에 서로 대칭 접합되는 각 고정판과, 상기 각 고정판에 상통되도록 접합되고 상기 공급 채널 및 배출 채널에 각각 연결되어 서로 다른 온도의 유체가 공급/배출되는 각 도관을 포함하는 제 1매니폴드 및 제 2매니폴드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기에 의하여 달성된다.
여기서 상기 적층체는, 서로 다른 온도의 각 유체가 해당 미세 채널의 형성방향을 기준으로 상기 각 금속판의 적층순서에 대해 교번하여 공급/순환될 수 있도록 상기 각 금속판의 미세 채널 형성방향을 기준으로 상기 각 금속판이 교번/적층되어 인접한 상기 각 금속판의 해당 미세 채널이 서로 교차/배치되는 구조를 갖는 것이 바람직하다.
그리고 상기 각 금속판에는, 상기 공급 채널 및 배출 채널을 분기시키는 공급분배 채널 및 배출분배 채널이 더 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 적층체에 상기 각 도관과 상통하는 유로구조가 형성될 수 있도록 상기 각 금속판에는 상기 공급 채널 및 배출 채널의 기점에 해당되는 위치로 관통 형성되는 제 1연결구와, 상기 제 1연결구에 대향되게 관통 형성되는 제 2연결구가 포함되고, 상기 미세 채널의 교차 배치에 따라 상기 제 1연결구가 인접한 금속판의 제 2연결구와 동일 축선상에서 서로 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1a∼1i는 본 발명의 제 1실시예에 따른 마이크로 열교환기 제작방법의 각 공정 구성도,
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따라 제작된 마이크로 열교환기의 분해사시도,
도 3a∼3i는 본 발명의 제 2실시예에 따른 마이크로 열교환기 제작방법의 각 공정 구성도,
도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따라 제작된 마이크로 열교환기의 분해사시도,
도 5a는 본 발명에 따라 제작된 마이크로 열교환기에서 접합된 적층체의 종단면구조를 나타내기 위한 사진,
도 5b는 도 5a에 도시된 사진에서, 미세 채널에 해당되는 부위를 나타내는 확대 사진이다.
< 도면의 주요부분에 관한 부호의 설명 >
100 : 적층체 110: 금속판 110a: 미세 채널
110b: 공급 채널 110c: 공급분배 채널 110d: 배출 채널
110e: 배출분배 채널 110f : 제 1연결구 110g: 제 2연결구
110h: 정렬구 200: 제 1매니폴드 210: 제 1고정판
220: 제 1도관 230: 제 2도관 300: 제 2매니폴드
310: 제 2고정판 320: 제 3도관 330: 제 4도관
1000: 마이크로 열교환기 2000: 조립체 2100: 접합용 박판 2200: 접합용재 3100: 정렬치구 3200: 정렬핀 4100: 하중부 4200: 이동치구 4300: 가이드
4400: 고정치구 5000: 브레이징로.
이하 본 발명에 따른 마이크로 열교환기 및 제작방법에 관하여 첨부된 도면과 더불어 설명하기로 한다.
도 1a∼1i는 본 발명의 제 1실시예에 따른 마이크로 열교환기 제작방법의 각 공정 구성도이다.
본 발명에 따른 제작방법은, 미세 채널(110a)이 형성된 각 금속판(110)을 각 매니폴드(200,300)의 사이에 적층/역전/정렬/조립/접합하여 열교환기(1000)를 제작하는 방법에 관한 것이다. 특히 각 금속판(110)을 접합용 박판(2100)과 교번 적층하는 공정이 포함되고, 이러한 공정은 각 미세 채널(110a)의 경계부위가 모두 접합의 대상으로 참여하는 방법을 마련한다. 이 때 바람직하게는 적층된 금속판(110)과 박판(2100)을 역전하여 미세 채널(110a)의 깊이방향과 상반된 방향으로 적층된 배치 상태에서 브레이징을 실시한다. 이에 따라 박판(2100)의 용융체가 미세 채널(110a)로 유입되는 것을 방지할 수 있는 실익이 제공된다.
도 1a∼1i에 도시된 바와 같이, 우선 각 금속판(110)에 일방향을 따라 약 1mm 이하의 폭 및/또는 깊이를 갖고, 각각이 서로 병렬 배치되는 미세 채널(110a)을 수득하기 위해 프레스 가공 또는 밀링가공과 같은 일반적인 기계가공 또는 포토에칭, 정밀주조, 메탈 인젝션 몰딩 등과 같은 특수가공을 실시한다.
이 때 미세 채널(110a)의 가공 영역으로서, 금속판(110)의 중앙으로 사각의가공대상 부위를 선택하고, 해당 부위에 미세 채널(110a)을 병렬 가공하고, 미세 채널(110a)이 형성된 영역 주변으로 4개의 구멍을 관통하여 가공한다. 각 구멍은 금속판(110)의 각 모서리에 대응하는 지점으로 서로 대칭 형성시키는데, 각 매니폴드(200,300)를 이루는 각 도관(220,230,320,330)이 연결되고, 각 금속판(110)이 적층/접합되었을 경우 관로를 형성하여 저온 또는 고온의 유체가 이송되면서 각 미세 채널(110a)에 대해 공급/배출되기 위한 각 연결구(110f,110g)이다. 이러한 각 연결구(110f,110g) 중 대각되는 위치에 있고 미세 채널(110a)과 연결된 것이 제 1연결구(110f)이고, 미세 채널(110a)과 연결구조가 없이 서로 대각의 위치에 형성된 것이 제 2연결구(110g)이다.
이 때 각 제 1연결구(110f)를 기점으로 미세 채널(110a)과 연결될 수 있도록 미세 채널(110a)의 형성영역을 향해 점차적으로 확대되고 상통하는 위치 및 형상으로 공급 채널(110b)과 배출 채널(110d)을 형성시킨다. 이 때 공급 채널(110b)과 배출 채널(110d) 내에 각 미세 채널(110a)로 공급되거나 각 미세 채널(110a)로부터 배출되는 유체가 분배될 수 있도록 공급분배 채널(110c) 및 배출분배 채널(110e)을 형성시켜 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)의 내부를 분기시키는 것이 바람직하다.(S1100)
이에 따라 도 1a와 같은, 금속판(110)이 준비된다.
그리고 이와 같이 준비된 다수의 금속판(110)을 접합용 박판(2100)과 교번하여 적층한다. 접합용 박판(2100)은, 브레이징로(5000)에서 접합과정을 시행할 경우 용융되는 접합매체로서 이용되는 것으로, 재질이 알루미늄인 금속판(110)을 사용할경우 알루미늄과 실리콘의 합금을 사용하고, 구리합금일 경우 은 또는 은 함유합금, 스테인레스 계열 합금 또는 내열합금일 경우 니켈 계열의 합금 또는 순동을 사용한다. 그리고 브레이징 접합시 미세 채널(110a)이 막히는 것을 방지하기 위해 0.1mm 이하의 두께를 갖고 바람직하게는 0.025∼0.05mm 정도의 두께를 갖는 것을 사용한다.
이와 같은 금속판(110)과 박판(2100)을 교번 적층하여 각 금속판(110)이 서로 접합될 수 있는 구조를 마련한다. 그리고 이러한 적층과 더불어 미세 채널(110a)의 형성방향을, 박판(2100)을 사이에 두고 적층되는 각 금속판(110)별로 서로 교차되도록 적층하는 기법을 진행시킨다.
우선 금속판(110)과 동일한 크기의 접합용 박판(2100) 위에 금속판(110)을 적층하되 미세 채널(110a)의 형성방향이 위에서 보일 수 있도록 미세 채널(110a)이 형성된 일면을 위로 하여 올려놓는다. 그다음 적층에 따라 바로 아래에 놓여 있는 금속판(110)과 미세 채널(110a)의 형성방향이 교차/배치되도록 다른 금속판(110)을 올려놓는다. 이 때에도 미세 채널(110a)이 위로 오도록 배치한다. 그러면 각 제 1연결구(110f) 및 제 2연결구(110g)는 미세 채널(110a)의 형성방향이 동일한 것끼리 동일한 위치에 배치되는 구조가 마련된다. 이후 소망하는 개수만큼의 금속판(110)과 박판(2100)이 적층되면, 맨아래에 박판(2100)이 놓였듯이 맨위에도 매니폴드(200,300)와의 접합을 위해 박판(2100)이 위치하도록 배치한다. 이에 따라 금속판(110)과 박판(2100)의 적층체(100)가 형성된다.
이와 같은 본 발명에 따른 적층기법은, 박판(2100)이 금속판(110)의 일면 전반에 걸쳐 대면하는 구조를 갖게 함으로써, 이후 시행될 브레이징 접합 과정에서 접합용 박판(2100)이 용융될 때 그 용융접합의 대상으로 미세 채널(110a)의 경계부위도 참여할 수 있는 방법을 제시한다.
그리고 이와 같은 금속판(110)과 박판(2100)의 교번 적층과 더불어 박판(2100)을 사이에 두고 적층되는 각 금속판(110)에서 그 미세 채널(110a)의 형성방향이 서로 교차/배치되도록 미세 채널(110a)의 형성방향을 기준으로 하는 교번 적층이 이루어진다.
이에 따라 인접/적층된 3개의 금속판(110)이 접합된 경우, 맨 위의 금속판(110)의 제 1연결구(110f)가 그 아래의 금속판(110)의 제 2연결구(110g)에 연결되고, 이러한 제 2연결구(110g)는 맨 아래의 금속판(110)의 제 1연결구(110f)에 연결되는 구조가 마련된다. 따라서 제품이 완성되고 사용될 경우 이러한 각 연결구(110f,110g)를 통해 유체가 흐를 경우 제 1연결구(110f)에 유입되어 공급 채널(110b) 및 미세 채널(110a)에 제공되어 흐르고 배출 채널(110d) 및 대각 위치의 제 1연결구(110f)를 통해 배출된다.
그리고 그 아래의 제 2연결구(110g)에 유입되면 바로 통과되어 맨 아래의 제 1연결구(110f)에 이르러 해당 미세 채널(110a)로 유입되는 등 유체의 교번 순환구조가 마련된다. 결국 앞에서 열거한 각 연결구(110f,110g)와 대향되는 위치에 있는 연결구 즉 하나의 금속판(110)에서 제 1연결구(110f) 대비 제 2연결구(110g)에 상이한 온도의 유체가 각각 제공되는 것을 감안할 경우 고온의 유체와 저온의 유체가 교번하여 제공/순환되고, 따라서 인접한 각 금속판(110)간의 열교환이 가능한 구조를 갖게 하는 것이 미세 채널(110a)의 형성방향을 기준으로 교번 적층하는 본 발명의 적층기법에 의해 가능하다.(S1200)
이와 같이 금속판(110)과 접합용 박판(2100)의 교번적층과, 각 금속판(110)간 미세 채널(110a)의 형성방향을 기준으로 이루어지는 교번적층 과정을 실시한 뒤, 각 금속판(110)과 각 박판(2100)의 적층체(100)를 뒤집어 역전/배치시킨다. 그러면 금속판(110)의 미세 채널(110a)이 아래로 향하게 된다. 이에 따라 이후 실시될 브레이징 접합과정에서 박판(2100)의 용융체가 미세 채널(110a)로 유입되는 것이 방지될 수 있다.(S1210)
그리고 제 1매니폴드(200)와 제 2매니폴드(300)를 제작하는데, 우선 금속판(110)과 동일한 크기를 갖고, 상대적으로 두꺼운 2개의 제 1고정판(210)과 제 2고정판(310)을 준비한다. 그리고 각 고정판(210,310)에는 금속판(110)의 일테두리를 따라 직렬 배치된 제 1연결구(110f) 및 제 2연결구(110g)에 대응되는 위치 및 크기로 2개의 구멍을 드릴링으로 가공한다. 이러한 각 구멍에 제 1도관(220) 및 제 2도관(230)과 제 3도관(320) 및 제 4도관(330)을 점용접으로 접합하여 금속판(110)의 적층으로 제 1연결구(110f) 및 제 2연결구(110g)가 이루게 되는 도관 구조와 상통하는 구조를 갖는 각 매니폴드(200,300)를 완성한다.(S1300)
이후 각 고정판(210,310)과 해당 고정판에 접합된 부위로 각 도관(220,230,320,330)의 주변에 박판(2100)과 동일한 재질을 갖고, 페이스트 상태인 접합용재(2200)를 도포한다.(S1400)
이 때 앞서 구성된 금속판(110)과 박판(2100)의 적층체(100)는, 그 역전과정에서 적층자세가 흐트러질 소지가 다분하다. 따라서 정렬을 위해 강제 구속할 필요가 있는데, 금속판(110)과 박판(2100)은 사각 형상이므로, 그 대각되는 모서리 부위에 정렬치구(3100)를 밀착시키고 정렬한다. 정렬치구(3100)는 측부에 금속판(110)과 박판(2100)의 모서리 부위가 끼워져 밀착될 수 있도록 대응하는 형상으로 함몰되어 있는 봉 구조로서, 금속판(110)과 동일한 재질 또는 세라믹 재질을 이용한다. 이 때 동일한 재질인 경우, 정렬치구(3100)가 금속판(110)과 붙지 않도록 표면에 세라믹을 함유한 액체를 미리 도포하는 것이 필요하다.
또한 브레이징 접합과정에서 금속판(110)의 열팽창으로 인해 좌굴이 발생되지 않도록 정렬치구(3100)의 정지 마찰력보다 적층체(100)의 높이방향 즉 해당 위치의 중력방향의 하중이 더 크도록 제작된 것의 사용이 바람직하다. 이러한 각 정렬치구(3100)를 적층체(100)의 각 모서리 부위에 대고 압박하면, 정렬이 용이하게 이루어지게 된다.(S1410)
그리고 각 매니폴드(200,300)와 적층체(100)의 조립을 보조할 고정치구(4400)와 이동치구(4200)를 준비한다. 이동치구(4200) 및 고정치구(4400)는 조립될 각 매니폴드(200,300)와 적층체(100)의 상부 및 하부에 배치되는 두꺼운 판재 형태로서, 역전/정렬된 적층체(100)에서 그 상부 및 하부에 위치할 해당 매니폴드의 각 도관(220,230,320,330)과 간섭이 발생하지 않도록 구멍이 형성되어 있다.
우선 바닥에 고정치구(4400)를 두고, 그 위에 제 1매니폴드(200)를 뒤집고 제 1도관(220) 및 제 2도관(230)을 고정치구(4400)의 구멍에 끼운다. 그리고 그 위에 정렬치구(3100)와 함께 적층체(100)를 올려놓는다. 이과정에서 각 정렬치구(3100)는 하부에 배치된 제 1매니폴드(200)의 제 1고정판(210)을 적층체(100)와 함께 정렬시킨다. 이후 적층체(100)의 상부에 제 2매니폴드(300)를 올려놓고 정렬치구(3100)로 적층체(100)에 정렬시킨다. 그리고 그 위에 이동치구(4200)를 올려놓고 이동치구(4200)의 각 구멍에 제 2매니폴드(300)의 제 3도관(320) 및 제 4도관(330)을 끼워넣는다.
이 때 고정치구(4400)의 양측에는 높이방향을 따라 고정된 가이드(4300)가 배치되어 있다. 각 가이드(4300)는 이동치구(4200)의 양측에 대응하는 위치로 형성되고 가이드(4300)에 비해 상대적을 크게 형성된 각 구멍에 끼워지도록 조립된다. 그리고 이동치구(4200)의 상부에 하중부(4100)를 올려놓는다. 하중부(4100)는 조립체(2000)가 소정의 하중을 받으면서 브레이징 접합이 이루어지도록 하기 위해 약 10g/㎠ 이상의 하중을 가할 수 있는 금속 중량물로서, 금속판(110)의 두께 등을 감안하여 약 50∼150g/㎠ 인 것이 바람직하다. 이 때 상대적으로 표면적이 큰 판재 형태의 이동치구(4200)가 하중부(4100)와 조립체(2000)의 사이에 위치하게 되므로, 가해지는 하중에 따라 이동치구(4200)가 가이드(4300)를 따라 하향 이송되면서 하중부(4100)의 하중이 조립체(2000) 전반에 걸쳐 균일하게 가해질 수 있는 구조가 마련된다.
이에 따라 브레이징로(5000)에 투입될 조립체(2000)가 완성된다.(S1500)
이와 같이 조립된 다수의 조립체(2000)를 브레이징로(5000)에 투입한다. 이 때 브레이징로(5000)의 내부를 진공상태로 조성하거나 불활성 가스, 환원성 가스등으로 채운다. 그리고 브레이징로(5000)를 가동시키고, 금속판(110) 사이의 접합용 박판(2100)과 도관에 도포된 페이스트 상태의 접합용재(2200)의 용융점 이상으로 가열하여 각 금속판(110) 및 각 고정판(210,310)과, 각 고정판(210,310) 및 도관을 접합시킨다. 이 때 박판(2100)은 금속판(110)의 일면 전체에 밀착되어 있기 때문에, 미세 채널(110a)의 각 경계부위에도 접합이 이루어지게 된다. 그리고 적층체(100)가 역전된 자세에서 접합되므로, 박판(2100)의 용융체가 미세 채널(110a)로 유입되지 않는다.
이에 따라 각 금속판(110)의 각 미세 채널(110a)을 이루는 각 경계부위가 근접 배치된 상/하의 각 금속판(110)의 타면과 밀착되면서 각각의 미세 채널(110a)이 유로를 형성하게 되는 구조의 마이크로 열교환기(1000)가 완성된다.(S1600)
브레이징 접합과정이 끝나면, 브레이징로(5000)에서 배출하고, 고정치구(4400), 이동치구(4200) 및 정렬치구(3100)와 하중부(4100)를 제거한 뒤, 필요한 경우 후처리 공정으로 표면으로 배출된 잔류 용융체를 제거한다.(S1700)
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따라 제작된 마이크로 열교환기(1000)의 분해사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상술한 제작방법으로 제작된 마이크로 열교환기(1000)는, 미세 채널(110a)의 형성방향이 서로 교차/배치되도록 적층/접합된 다수의 금속판(110)을 포함하는 적층체(100)와, 금속판(110)의 적층방향을 따라 적층체(100)의 일측과 타측에 배치되는 제 1매니폴드(200)와 제 2매니폴드(300)를 포함하여 구성된다.
이 때 각 금속판(110)의 제 1연결구(110f)와 제 2연결구(110g)는,금속판(110)이 미세 채널(110a)의 형성방향을 기준으로 교번 적층되면서 하나의 관로를 형성하고, 이 관로는 각 매니폴드(200,300)의 각 도관(220,230,320,330)과 상통하는 구조를 갖게 된다. 따라서 각 도관(220,230,320,330)을 통해 유체가 유입될 경우 각 연결구(110f,110g)에서부터 미세 채널(110a)까지 형성된 공급 채널(110b)을 통해 각 미세 채널(110a)에 유체가 공급되고, 배출 채널(110d)을 통해 배출되는 유체의 흐름경로가 이루어지는 구조가 마련된다. 또한 각 미세 채널(110a)의 형성방향이 교차/배치되도록 적층된 금속판(110)의 결합구조에 따라 교번 배치되는 금속판(110)끼리 동일 온도의 유체가 순환되는 구조가 마련된다.
여기서 구체적인 유체의 순환경로를 설명하면, 우선 제 1매니폴드(200)와 근접한 첫번째 금속판(110)으로 제 1매니폴드(200)의 제 1도관(220)을 통해 예를 들어 고온의 유체가 유입되면, 제 1도관(220)과 상통한 금속판(110)의 제 1연결구(110f)를 통해 고온의 유체가 제공되고, 이어 공급 채널(110b)을 통해 유체가 흐르면서 공급 채널(110b)에 분기 형성된 공급분배 채널(110c)을 통해 해당 미세 채널(110a)로 유체가 유입된다.
이러한 유체는 미세 채널(110a)을 흐르고 배출 채널(110d)을 통해 배출된다. 이 때 제 1고정판(210)에 인접한 금속판(110)에서 고온의 유체가 제공된 제 1연결구(110f)와 대향된 위치의 제 2연결구(110g)에 제 2도관(230)을 통해 저온의 유체가 제공되면, 곧바로 그 후방의 금속판(110)의 제 1연결구(110f), 공급 채널(110b), 미세 채널(110a) 및 배출 채널(110d)을 통해 흐르게 됨으로, 인접한 각 금속판(110)에는 서로 다른 온도의 유체가 흐르게 되어 결과적으로 열적 상관관계를 인접한 금속판(110)간에 갖게 되는 구조가 마련된다.
아울러 제 1매니폴드(200)와 대향되는 위치로 제 2매니폴드(300)가 배치되고, 그 제 3도관(320) 및 제 4도관(330)은 제 1도관(220) 및 제 2도관(230)이 연결된 제 1연결구(110f)와 제 2연결구(110g)에 대향되는 제 1연결구(110f) 및 제 2연결구(110g)에 연결되는 구조인 바, 제 1도관(220)의 고온의 유체는 앞서 설명한 순환과정을 통해 제 3도관(320)으로 배출되고, 제 2도관(230)의 저온의 유체는 제 4도관(330)으로 배출된다. 이 때 각 유체의 제공방향은 동일방향이 아닌 상반된 방향으로 각 매니폴드(200,300)의 각 도관(220,230,320,330)에 제공하는 것은 본 발명에 따른 마이크로 열교환기(1000)의 해당 사용분야의 난방,냉각에 따른 설계변경에 따라 가능할 것이다.
도 3a∼3i는 본 발명의 제 2실시예에 따른 마이크로 열교환기 제작방법의 각 공정 구성도이다. 도 3a∼3i에 도시된 바와 같이, 적층체(100)의 정렬에 정렬핀(3200)을 사용하여 강제 구속하는 방법이 제시되고 있다.
우선 중앙영역에 미세 채널(110a)을 병렬 형성시키고, 각 모서리에 근접하여 서로 대각 위치를 갖는 2개의 제 1연결구(110f) 및 제 2연결구(110g)를 뚫어 형성시킨다. 그리고 대각의 위치에 있는 2개의 제 1연결구(110f)에서부터 미세 채널(110a)의 형성영역까지 점확되는 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)을 형성시킨다. 이 때 유입 또는 배출되는 유체가 원활하게 흐를 수 있도록 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)을 분기시켜 각각 공급분배 채널(110c)과 배출분배 채널(110e)을 형성시킨다.
그리고 금속판(110)의 각 테두리에 근접하여 중앙에 각 연결구(110f,110g)보다 상대적으로 작은 내경을 갖는 구멍을 각 1개씩 총 4개를 뚫는다. 이러한 구멍이 정렬구(110h)이다. 각 정렬구(110h)는 적층체(100)의 정렬과정에서 정렬핀(3200)을 사용하여 정렬하기 위해 형성시킨 것이다.(S2100)
이후 적층시 각 미세 채널(110a)의 형성방향을 식별하기 위해 미세 채널(110a)이 형성된 금속판(110)의 일면을 위로 하고, 각 금속판(110)과 접합용 박판(2100)을 교번/적층하여 적층체(100)를 형성시킨다. 이러한 금속판(110)과 박판(2100)의 교번 적층과 더불어 미세 채널(110a)의 형성방향을 기준으로 교번하여 적층하는 기법을 진행시킨다. 즉, 하나의 금속판(110)에 박판(2100)을 사이에 두고 서로 다른 금속판(110)을 적층할 때, 각 금속판(110)의 미세 채널(110a)이 서로 교차/배치되도록 적층시킴을 반복한다. 이에 따라 금속판(110)을 기준으로, 1개의 금속판(110)을 사이에 두고 있는 2개의 금속판(110)은 그 미세 채널(110a)의 형성방향이 동일하게 되고, 박판(2100)을 기준으로 1개의 박판(2100)을 사이에 두고 근접 적층된 각 금속판(110)의 미세 채널(110a)은 서로 교차/배치되게 된다. 이 때 적층체(100)의 적층방향 양측으로 각 매니폴드(200,300)가 접합될 수 있도록 적층체(100)의 맨위와 맨아래에는 적층순서에 맞게 박판(2100)을 배치시킨다.(S2200)
이러한 적층자세에서는, 브레이징 접합을 실시할 경우 미세 채널(110a) 내로 박판(2100)의 용융체가 유입될 소지가 다분하므로, 이를 방지하기 위해 적층체(100)를 역전/배치시킨다.(S2210)
그리고 각 매니폴드(200,300)를 제작한다. 우선 금속판(110)보다 두꺼운 제 1고정판(210)과 제 2고정판(310)을 준비하고, 각 고정판(210,310)에 각 연결구(110f,110g)와 대응하는 위치로 4개의 구멍을 뚫는다. 그리고 금속판(110)의 정렬구(110h)에 대응하는 위치 및 크기로 고정판 정렬핀(3200)을 뚫는다. 이중 각 연결구(110f,110g)에 대응하여 형성시킨 구멍 중 일테두리를 따라 배치되는 2개의 구멍에 제 1도관(220) 및 제 2도관(230)과 제 3도관(320) 및 제 4도관(330)을 각각 점용접하여 결합시켜 제 1매니폴드(200) 및 제 2매니폴드(300)를 제작한다.(S2300)
이후 각 도관(220,230,320,330)과 각 고정판(210,310)의 결합부위 주변으로 박판(2100)과 같은 재질을 갖고, 페이스트 상태인 접합용재(2200)를 도포한다.(S2400)
이 때 적층체(100)를 이루는 각 금속판(110)은 서로 결합관계가 없어 그 적층자세가 정렬되지 못하므로, 앞에서 형성시킨 각 금속판(110)의 정렬구(110h)에 정렬핀(3200)을 연속하여 끼워넣음으로써, 각 금속판(110)을 정렬시킨다.(S24100)
그리고 이와 같이 구비된 적층체(100)와 각 매니폴드(200,300)를 조립하기 위해, 조립을 보조하는 부재를 사용한다. 이것이 이동치구(4200) 및 고정치구(4400)이다. 이동치구(4200) 및 고정치구(4400)는 두꺼운 판재 형태로서 각 매니폴드(200,300)의 각 도관(220,230,320,330)이 끼워질 수 있도록 구멍이 형성되어 있고, 고정치구(4400)의 양측에는 봉 형상의 가이드(4300)가 고정되어 이 가이드(4300)에 이동치구(4200)가 상/하로 안내/승강하는 구조이다.
우선 고정치구(4400)의 각 구멍에 제 1매니폴드(200)의 제 1도관(220) 및 제2도관(230)을 끼워 고정하고, 그 위에 정렬되고 역전/배치된 적층체(100)를 올려놓는다. 이 때 각 정렬핀(3200)을 제 1고정판(210)의 제 1고정판 정렬구(210a)에 끼워넣어 적층체(100)와 더불어 정렬시킨다. 그리고 적층체(100)의 위에 제 2매니폴드(300)를 올려놓는다. 이 때 제 2고정판(310)의 제 2고정판 정렬구(310a)에 각 정렬핀(3200)을 끼워 넣는다. 이에 따라 각 매니폴드(200,300)와 적층체(100)가 조립된다.
이후 이동치구(4200)를 제 2매니폴드(300) 위에 올리고 제 2매니폴드(300)의 제 3도관(320) 및 제 4도관(330)을 끼워넣는다. 그리고 이동치구(4200) 위에 하중부(4100)를 올려놓는다. 이에 따라 하중부(4100)의 하중이 이동치구(4200)를 통해 적층체(100)의 높이방향을 따라 균일하게 가해지는 조립체(2000)가 완성된다.(S2500)
이와 같은 조립체(2000)를 다수 제작하고, 브레이징로(5000) 내에 투입한 뒤, 접합용 박판(2100) 및 접합용재(2200)의 용융온도 이상으로 가열하여 각 금속판(110)을 접합하여 미세 채널(110a)의 경계부위가 인접한 금속판(110)의 타면에 합착됨으로 유로를 형성하고, 각 고정판(210,310)에 각 도관(220,230,320,330)이 접합됨과 동시에 각 매니폴드(200,300)가 금속판(110)의 적층체(100)에 합착된다. 이에 따라 마이크로 열교환기(1000)가 완성된다.(S2600)
그리고 완성된 마이크로 열교환기(1000)로부터 고정치구(4400), 이동치구(4200), 하중부(4100) 및 정렬핀(3200)을 분리/제거하고, 외부로 배출된 잔류 용융체를 제거하는 마무리 공정을 진행한다.(S2700)
도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따라 제작된 마이크로 열교환기(1000)의 분해사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 앞서 상술한 제작방법으로 제작된 마이크로 열교환기(1000)는, 각 금속판(110)이 미세 채널(110a)의 형성방향을 기준으로 교번하여 배치된 구조인 바, 인접 배치된 각 금속판(110)에서 해당 미세 채널(110a)로 이루어진 유로에 각 금속판(110)별로 서로 다른 온도의 유체가 흐름에 따라 열교환이 이루어지는 구조이다.
이를 위해 열교환기(1000)는, 각 금속판(110)이 적층 배치된 적층체(100)와, 적층체(100)의 양측에 배치되고 서로 다른 온도의 유체를 제공/배출하는 제 1매니폴드(200) 및 제 2매니폴드(300)를 포함하여 구성된다.
여기서 적층체(100)는, 브레이징 접합을 통해 각 금속판(110)이 적층/접합된 것으로, 각 유체가 각 금속판(110)의 미세 채널(110a)을 통해 흐를 경우 열교환이 이루어지는 부분이다.
이러한 금속판(110)은, 도 2에서와 같이, 일면의 중앙에 병렬 형성되고 전반적으로 사각의 영역을 형성하는 다수의 미세 채널(110a)을 포함하고, 미세 채널(110a)의 형성 영역으로 점확되는 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)을 포함한다. 그리고 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)이 분기되어 형성되는 것이 공급분배 채널(110c) 및 배출분배 채널(110e)이다.
그리고 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)의 기점에는 금속판(110)을 관통하고 대각 배치된 2개의 제 1연결구(110f)가 형성된다. 또한 각 제 1연결구(110f)와 대향되는 위치로 서로 대각되게 금속판(110)을 관통하고 해당 미세 채널(110a)의 흐름 경로와는 구조적으로 연관성이 없는 2개의 제 2연결구(110g)가 형성된다.
여기서 금속판(110)은 미세 채널(110a)의 형성방향을 기준으로 인접한 것끼리 교차되게 배치되어 있다. 따라서 제 1연결구(110f)와 그 뒤 금속판(110)의 제 2연결구(110g)가 연결되면서 관로를 형성하는 구조가 이루어진다.
이 때 제 1연결구(110f)는 해당 미세 채널(110a)에 상통하고, 제 2연결구(110g)는 해당 미세 채널(110a)과는 연결관계가 없기 때문에, 해당 제공 유체는 제 1연결구(110f)를 통과할 경우에만 제공된다. 그리고 대각의 위치에 있는 제 1연결구(110f)와 제 2연결구(110g)를 감안할 경우, 제공된 유체가 공급 채널(110b) 및 미세 채널(110a)을 통해 흐르다가 배출 채널(110d)을 통해 배출되고 대각의 위치에 있는 제 1연결구(110f)를 통해 배출되어 다시 그 후방의 제 2연결구(110g)를 통과하여 그 후방의 제 1연결구(110f)에 제공되고 앞서 언급한 유체의 흐름경로를 반복하게 되는 구조를 마련된다.
만일 서로 다른 온도의 유체를 하나의 금속판(110)에서 대향되는 제 1연결구(110f) 및 제 2연결구(110g)에 별도 제공한다면, 결국 각 금속판(110)에는 서로 다른 온도의 유체가 해당 미세 채널(110a)을 통해 흐르면서 인접한 것끼리 열교환이 이루어지는 구조가 마련된다.
그리고 제 1매니폴드(200)는, 적층체(100)의 일측에 배치되어 적층체(100)를 구성하는 각 금속판(110)에 대해 유체를 제공하는 것으로, 제 1고정판(210)과, 제 1고정판(210)의 일측에 나란히 배치되고 상통하게 연결된 제 1도관(220) 및 제 2도관(230)을 포함하는 구조이다.
이 때 제 1고정판(210)은 전방 금속판(110)의 제 1연결구(110f) 및 제 2연결구(110g)에 제 1도관(220) 및 제 2도관(230)이 대응하는 위치로 대면/접합되어 있다. 따라서 제 1도관(220) 및 제 2도관(230)에는 해당 제 1연결구(110f)와 제 2연결구(110g)가 연결되고, 이러한 연결구조에 따라 적층체(100)에 고온 또는 저온의 유체가 제공되는 구조가 마련된다.
그리고 제 1도관(220)은 제 1연결구(110f)에 연결되는 구조인 바, 만일 고온의 유체가 제공될 경우 해당 금속판(110)의 공급 채널(110b), 공급분배 채널(110c), 미세 채널(110a), 배출 채널(110d), 배출분배 채널(110e)을 통해 고온의 유체가 흘러 대각 위치의 제 1연결구(110f)를 통해 후방의 다른 금속판(110)에 제공될 수 있다.
이러한 후방의 금속판(110)은 전방의 금속판(110)과 미세 채널(110a)의 형성방향이 교차/배치되고 있기 때문에, 전방의 제 1연결구(110f)와 후방의 제 2연결구(110g)가 상통하는 구조가 마련된다. 따라서 후방의 금속판(110)의 미세 채널(110a)에는 고온의 유체가 흐르지 않고 해당 제 2연결구(110g)를 통해 곧바로 후방 금속판(110)의 제 1연결구(110f)에 제공되고 앞서 언급된 순서에 맞게 순환되는 등의 고온 유체의 교번 순환구조가 마련된다.
그리고 제 2도관(230)은 제 1고정판(210)과 인접한 금속판(110)의 제 2연결구(110g)에 연결되어 있다. 제 2도관(230)은 제 1도관(220)과는 상이한 온도를 갖는 유체를 제 2연결구(110g)에 제공하는 바, 예를 들어 저온의 유체를 제공할 경우 이러한 제 2연결구(110g)의 후방으로는 다른 금속판(110)의 제 1연결구(110f)가 배치/연결되어 있다.
따라서 저온의 유체는 제 1고정판(210)과 인접한 금속판(110)의 미세 채널(110a)에는 제공되지 않고, 그 후방의 금속판(110)의 제 1연결구(110f)에 제공되어 공급 채널(110b), 공급분배 채널(110c), 미세 채널(110a), 배출 채널(110d), 배출분배 채널(110e)의 순서로 흐르고 대각 위치의 제 1연결구(110f)를 통해 그 후방의 금속판(110)의 제 2연결구(110g)에 제공되는 저온 유체의 교번 순환구조가 마련된다.
그리고 제 2매니폴드(300)는 각 금속판(110)의 적층체(100)를 사이에 두고 제 1매니폴드(200)와 대향되는 위치에 배치된 것으로, 제 1매니폴드(200)에서 적층체(100)에 제공한 고온 유체 및 저온 유체가 배출되도록 하기 위해 해당 위치의 금속판(110)과 접합된 제 2고정판(310)과, 제 2고정판(310)에 접합/연결된 제 3도관(320) 및 제 4도관(330)을 포함한다. 제 3도관(320) 및 제 4도관(330)은, 제 1도관(220) 및 제 2도관(230)이, 아래에 위치한 해당 금속판(110)의 제 1연결구(110f) 및 제 2연결구(110g)에 연결된 것과는 달리, 해당 금속판(110)의 위에 위치한 제 1연결구(110f) 및 제 2연결구(110g)에 연결된 구조이다.
본 발명에서는 짝수개의 금속판(110)의 적층/배치구조가 예시되고 있는 바, 제 1고정판(210)의 아래쪽으로 제공되는 각 유체는 제 2고정판(310)의 위쪽으로 배출된다. 특히 제 1도관(220)의 고온의 유체는 적층체(100)를 지나 제 3도관(320)으로 배출되고, 제 2도관(230)의 저온의 유체는 적층체(100)를 지나 제 4도관(330)으로 배출된다.
이러한 각 유체의 배출위치는 짝수개인 금속판(110)의 적층구조에 따라 결정되는 바, 이외에 홀수개인 금속판(110)의 적층 배치구조일 경우에는 각 도관(220,230,320,330)을 동일한 높이에 배치할 수 있다.
도 5a는 본 발명에 따라 제작된 마이크로 열교환기(1000)에서 접합된 적층체(100)의 종단면구조를 나타내기 위한 사진이고, 도 5b은 도 5a에 도시된 사진에서, 미세 채널(110a)에 해당되는 부위를 나타내는 확대 사진이다. 도 5a,5b에 도시된 바와 같이, 적층체(100)를 적층방향으로 절단한 단면이 도시되고 있다. 접합용 박판(2100)은 브레이징 접합공정을 통해 금속판(110)의 각 면에 용융/접합되고, 특히 미세 채널(110a)의 경계부위도 이러한 접합에 참여하였음을 알 수 있다.
이에 따라 미세 채널(110a)과 이에 맞닿은 금속판(110)의 타면으로 이루어지는 각 유로구조만이 검게 표시되고 있는 등, 유체의 흐름에 관련된 부분을 제외하고 금속판(110)의 각 면 전반에 걸쳐 접합이 이루어졌음을 알 수 있다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로 열교환기 및 제작방법에서, 각 매니폴드(200,300)를 적층체(100)에 대해 그 각 도관(220,230,320,330)의 위치를 달리하여 배치하거나, 각 금속판(110)의 적층개수를 달리하는 것은 해당 사용분야에서 요구되고 있는 설계사양에 따라 달리할 수 있음은 물론이다.
또한 공급 채널(110b)과 배출 채널(110d)이 미세 채널(110a)의 형성영역을 사이에 두고 대각되는 각 제 1연결구(110f)를 향해 형성되고 있지만 이외에, 미세 채널(110a)의 형성영역을 사이에 두고 양측에 대향되게 제 1연결구(110f)를 형성하고 이에 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)을 형성하는 구조로 대체하여 사용할수 있음은 당연하다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 마이크로 열교환기 및 제작방법에 의하면, 접합용 박판의 교번 적층공정으로 단번에 브레이징 접합이 가능한 방법을 제시하고 더불어 적층체를 역전하는 공정이 포함되어 접합시 접합용 박판의 용융체가 미세 채널로 유입되지 않으므로, 정밀성이 담보되면서 추가적인 공정없이 미세 채널의 경계부위 모두가 접합의 대상으로 참여할 수 있는 제작상의 특징이 있다.
이처럼 미세 채널의 경계부위가 접합의 대상으로 모두 참여할 수 있기 때문에, 제작된 마이크로 열교환기에서 미세 채널이 이루는 각 유로에 대한 내열성, 내압력성이 극대화될 수 있는 장점이 있다.
그리고 각 금속판의 해당 미세 채널이 교차/배치되도록 적층되는 구조를 갖음으로, 보다 높은 효율의 열교환이 이루어질 수 있는 효과가 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (14)

  1. 마이크로 열교환기의 제작방법에 있어서,
    유체의 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)을 갖는 다수의 미세 채널(110a)을 병렬 가공하고 금속판(110)을 획득하는 단계(S1100);
    상기 금속판(110)과 동일 형상을 갖는 각 접합용 박판(2100)을 상기 금속판(110)과 교번 적층하여 적층체(100)를 형성하는 단계(S1200);
    상기 금속판(110)과 대응하는 형상의 각 고정판(210,310)에 상기 미세 채널(110a)에 대해 유체를 제공/배출하기 위한 각 도관(220,230,320,330)을 점용접하여 각 매니폴드(200,300)를 제작하는 단계(S1300);
    상기 각 고정판(210,310)에 대한 해당 각 도관(220,230,320,330)의 결합부위에 페이스트 상태의 접합용재(2200)를 도포하는 단계(S1400);
    하부의 고정치구(4400) 및 상기 고정치구(4400)에 대해 승강하는 상부의 이동치구(4200)의 사이에 상기 적층체(100) 및 상기 적층체(100)의 적층방향으로 양측으로 배치되는 각 매니폴드(200,300)를 유체의 공급 및 배출경로에 대응시켜 조립하고, 상기 적층체(100)에 균일한 하중이 가해지도록 상기 이동치구(4200)의 상부에 상대적으로 작은 크기의 하중부(4100)를 배치하여 조립체(2000)를 제작하는 단계(S1500);
    다수의 상기 각 조립체(2000)를 브레이징로(5000)에 투입하고, 상기 접합용 박판(2100) 및 접합용재(2200)의 용융온도 이상으로 가열/접합하는 단계(S1600);및
    상기 조립체(2000)를 상기 브레이징로(5000)에서 배출하고, 상기 고정치구(4400), 이동치구(4200) 및 하중부(4100)를 제거하는 단계(S1700);를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기의 제작방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 금속판(110)의 획득단계(S1100)에서는, 상기 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)을 분기시키는 공급분배 채널(110c) 및 배출분배 채널(110e)을 더 가공하는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기의 제작방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 적층체(100)를 형성하는 단계(S1200)에서는, 상기 미세 채널(110a)이 형성된 상기 금속판(110)의 일면이 위에 오도록 적층하여 상기 적층체(100)를 제작하고,
    이후 상기 적층체(100)를 역전/배치시키는 단계(S1210)가 더 포함되는 것을 특징으로 마이크로 열교환기의 제작방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 적층체(100)를 형성하는 단계(S1200)에서는, 상기 미세 채널(110a)의 형성방향이 서로 교차/배치되도록 상기 각 금속판(110)을 적층하는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기의 제작방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 접합용재(2200)의 도포단계(S1400) 이후, 상기 금속판(110) 및 접합용 박판(2100)의 모서리에 대응하는 형상으로 함몰된 정렬치구(3100)를 사용하여 상기 적층체(100)를 정렬하는 단계(S1410)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기의 제작방법.
  6. 마이크로 열교환기의 제작방법에 있어서,
    유체의 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)을 갖는 다수의 미세 채널(110a)을 병렬 가공하고, 테두리를 따라 정렬구(110h)를 관통 가공하여 금속판(110)을 획득하는 단계(S2100);
    상기 금속판(110)과 동일 형상을 갖는 각 접합용 박판(2100)을 상기 금속판(110)과 교번 적층하여 적층체(100)를 형성하는 단계(S2200);
    상기 금속판(110)과 대응하는 형상의 각 고정판(210,310)에 상기 미세 채널(110a)에 대해 유체를 제공/배출하기 위한 각 도관(220,230,320,330)을 점용접하여 각 매니폴드(200,300)를 제작하는 단계(S2300);
    상기 각 고정판(210,310)에 대한 해당 각 도관(220,230,320,330)의 결합부위에 페이스트 상태의 접합용재(2200)를 도포하는 단계(S2400);
    하부의 고정치구(4400) 및 상기 고정치구(4400)에 대해 승강하는 상부의 이동치구(4200)의 사이에 상기 적층체(100) 및 상기 적층체(100)의 적층방향으로 양측으로 배치되는 각 매니폴드(200,300)를 유체의 공급 및 배출경로에 대응시켜 조립하고, 상기 적층체(100)에 균일한 하중이 가해지도록 상기 이동치구(4200)의 상부에 상대적으로 작은 크기의 하중부(4100)를 배치하여 조립체(2000)를 제작하는단계(S2500);
    다수의 상기 각 조립체(2000)를 브레이징로(5000)에 투입하고, 상기 접합용 박판(2100) 및 접합용재(2200)의 용융온도 이상으로 가열/접합하는 단계(S2600); 및
    상기 조립체(2000)를 상기 브레이징로(5000)에서 배출하고, 상기 고정치구(4400), 이동치구(4200) 및 하중부(4100)를 제거하는 단계(S2700);를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기의 제작방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 금속판(110)의 획득단계(S2100)에서는, 상기 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)을 분기시키는 공급분배 채널(110c) 및 배출분배 채널(110e)을 더 가공하는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기의 제작방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 적층체(100)를 형성하는 단계(S2200)에서는, 상기 미세 채널(110a)이 형성된 상기 금속판(110)의 일면이 위에 오도록 적층하여 상기 적층체(100)를 제작하고,
    이후 상기 적층체(100)를 역전/배치시키는 단계(S2210)가 더 포함되는 것을 특징으로 마이크로 열교환기의 제작방법.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 적층체(100)를 형성하는 단계(S2200)에서는, 상기 미세 채널(110a)의 형성방향이 서로 교차/배치되도록 상기 각 금속판(110)을 적층하는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기의 제작방법.
  10. 제 6항에 있어서, 상기 접합용재(2200)의 도포단계(S2400) 이후, 상기 각 금속판(110)의 해당 정렬구(110h)에 연속으로 삽입되는 정렬핀(3200)을 사용하여 상기 적층체(100)를 정렬하는 단계(S2410)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기의 제작방법.
  11. 마이크로 열교환기에 있어서,
    유체가 흐르기 위해 미세 채널(110a)이 병렬 형성되고 상기 미세 채널(110a)에 대해 유체의 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)이 형성되는 다수의 금속판(110)을 포함하고, 상기 각 금속판(110)이 상기 해당 유체의 온도 차이에 기인하여 열적 상관관계를 갖도록 적층 접합되어 구성되는 적층체(100);
    상기 적층체(100)에 대해 유체의 공급/배출이 이루어질 수 있도록 상기 적층방향 양측의 해당 각 금속판(110)에 서로 대칭 접합되는 각 고정판(210,310)과, 상기 각 고정판(210,310)에 상통되도록 접합되고 상기 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)에 각각 연결되어 서로 다른 온도의 유체가 공급/배출되는 각 도관(220,230,320,330)을 포함하는 제 1매니폴드(200) 및 제 2매니폴드(300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 적층체(100)는, 서로 다른 온도의 각 유체가 해당미세 채널(110a)의 형성방향을 기준으로 상기 각 금속판(110)의 적층순서에 대해 교번하여 공급/순환될 수 있도록 상기 각 금속판(110)의 미세 채널(110a) 형성방향을 기준으로 상기 각 금속판(110)이 교번/적층되어 인접한 상기 각 금속판(110)의 해당 미세 채널(110a)이 서로 교차/배치되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 각 금속판(110)에는, 상기 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)을 분기시키는 공급분배 채널(110c) 및 배출분배 채널(110e)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 적층체(100)에 상기 각 도관(220,230,320,330)과 상통하는 관로구조가 형성될 수 있도록 상기 각 금속판(110)에는 상기 공급 채널(110b) 및 배출 채널(110d)의 기점에 해당되는 위치로 관통 형성되는 제 1연결구(110f)와, 상기 제 1연결구(110f)에 대향되게 관통 형성되는 제 2연결구(110g)가 포함되고,
    상기 미세 채널(110a)의 교차 배치에 따라 상기 제 1연결구(110f)가 인접한 금속판(110)의 제 2연결구(110g)와 동일 축선상에서 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 열교환기.
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