KR100767101B1

KR100767101B1 - 나선형 유체유동을 갖는 마이크로 믹서 및 이를 포함하는연료전지용 ｃｏ 저감기

Info

Publication number: KR100767101B1
Application number: KR1020060089732A
Authority: KR
Inventors: 김경태; 전진혁
Original assignee: 주식회사 두산
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2007-10-17

Abstract

본 발명은 나선형 유체유동을 갖는 마이크로 믹서 및 이를 포함하는 연료전지용 CO 저감기에 대한 것으로서, 적어도 두 종류 이상의 유입되는 유체를 혼합시키는 관형상의 덕트 구조를 가지는 마이크로 믹서에 있어서, 상기 마이크로 믹서의 인입구에 상기 유체가 혼합되어 유동하는 방향에 대하여 수직으로 설치되는 제1유체를 도입하기 위한 제1인입공, 상기 마이크로 믹서의 인입구에 상기 제1유체와 혼합되는 제2유체를 도입하기 위한 혼합되는 유체가 유동하는 방향에 대하여 평형하게 설치되는 제2인입공, 상기 제1유체와 제2유체가 혼합된 유체 유동을 가이드하고 혼합하기 위하여 상기 덕트 내부에 형성된 안내 부재, 및 상기 안내 부재에 의하여 안내되고 선회되어 흐르는 유체를 수직 방향으로 연결되는 다른 덕트로 배출하도록 상기 덕트의 바닥면에 형성된 배출공을 포함하며, 두 가지 이상의 유체를 효과적으로 혼합시킬 수 있으며, 혼합하려고 하는 유체의 유량의 차이가 심하게 나는 경우 또한 효과적으로 혼합시킬 수 있다.

마이크로 믹서, 유체 유동, 선택적 산화반응, 3차원 혼합, CO 저감기

Description

나선형 유체유동을 갖는 마이크로 믹서 및 이를 포함하는 연료전지용 ＣＯ 저감기{Micro mixer generating spiral fluid flow and CO reducer for fuel cell using the same}

도1은 종래의 일반적인 케닉스 스태틱 믹서의 구성도이다.

도2는 본 발명에 따른 나선형 유체유동을 갖는 마이크로 믹서의 상세 구성도이다.

도3은 본 발명에 따른 나선형 유체유동을 갖는 마이크로 믹서의 일 실시예이다.

도4a, 도4b, 도4c는 본 발명에 따른 나선형 유체유동을 갖는 마이크로 믹서의 사시도이다.

도5a, 도5b, 도5c는 본 발명에 따른 일실시예로서 도4c의 마이크로 믹서를 제작한 샘플 사진들이다.

도6은 본 발명에 따른 마이크로 믹서를 채용한 연료전지용 CO 저감기의 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20 : 덕트 21, 22, 23 : 안내부재

24 : 수평부재 25 : 배출공

30 : 배출용 덕트 100 : 마이크로믹서

본 발명은 나선형 유체유동을 갖는 마이크로 믹서 및 이를 포함하는 연료전지용 CO 저감기에 대한 것으로서, 두개 이상의 액체상, 점액상 또는 기체상을 혼합하기 위한 마이크로 믹서로서, 간단한 형상의 마이크로 단위의 미세구조를 도입하여 압력손실을 최대한 줄이며, 마이크로 구조에 따른 나선형 유동을 기반으로 하여 유체의 혼합을 유도하는 마이크로 믹서 및 CO 저감기에 관한 것이다.

일반적으로, 유체의 혼합의 목적은 두 가지 이상의 유체를 섞어 공간적 또는 시간적으로 고르게 분포시키는데 있다고 할 수 있다. 이러한 서로 다른 유체를 혼합하는 방법에서 현존장치들은 기계적 장치를 이용하여 축에 달린 블레이드의 회전운동이나 상승 또는 하강운동을 통하여 유체들을 혼합하게 된다.

즉 기존의 대규모 시스템의 경우 레이놀드(Reynolds)수가 큼을 이용하여 유체 내에서 프로펠러를 돌리거나 자기 구슬 등의 움직이는 파트를 유체 내에 도입하여 이들을 통해 난류(Turbulent flow)를 유발함으로써 효과적인 유체의 혼합을 얻을 수 있었다.

그러나, 초소형 시스템의 경우 레이놀드(Reynolds)수가 크게 줄어들어 층류(laminar flow)외에 난류가 형성되지 않으므로, 확산(diffusion)에 의한 혼합 밖에 기대할 수 없게 되어 결과적으로 균일한 유체의 혼합물을 얻기가 어려워진다.

이에 대규모 시스템의 혼합 성능을 기대하여 마이크로 채널 내부에 움직이는 파트를 도입하여 능동혼합(active mixing) 방법을 통해 혼합 성능의 향상을 가져오기도 하지만 이 경우 마이크로 채널 내부의 미세 소량 유체의 누출가능성과 함게 제조가 어려워 제조 원가가 비싸게 되며, 사용, 세척 및 다른 마이크로 장치들과의 통합에 상당한 어려움이 따르게 한다.

이와 달리 마이크로 채널 내부에 정적인 여러 미세 구조를 도입함으로써, 유체가 섞일 수 있게 유도하는 수동혼합(passive mixing) 방법도 있는데, 이 경우 상기한 능동 혼합방법보다 혼합 성능은 떨어질 수 있으나, 능동 혼합방법의 문제점을 해결할 수 있으며, 특히 제조원가가 크게 떨어지고 다른 마이크로 장치들과의 통합을 용이하게 하는 장점을 가질 수 있다.

이러한 요구에 발맞추어 여러 가지 수동 혼합 방법을 이용한 마이크로 믹서들이 보고되고 있다.

하지만 기존 기술의 수동 혼합 방법들의 경우, 마이크로 채널 내부에 많은 장애물들을 설치하여 큰 압력 손실을 유발하게 되는 단점을 안고 있으며, 게다가 점점 복잡한 장애물들을 세우게 되어 제조공정을 어렵게 만들어 제조 원가를 상승시키는 단점을 가지고 있다.

도 1은 기존의 고분자 가공 기술에 있어서 수동혼합(passive mixing) 방법 중에서 가장 대표적이고 일반적인 케닉스 스태틱 믹서(kenics static mixer)의 구성을 보여준다.

이 믹서는 시계 방향과 반 시계 방향의 짧은 나선형 부재(helical element, 11)들이 교대로 원형 파이프(10) 내에 고정되어 있는 구조를 가지고 있다.

이들 나선형 부재들은 파이프의 내부 벽에 고정되어 있으며, 각 부재들이 도시된 바와 같이 직각을 이루며 교번하여 위치된 것이 특징이다.

이 믹서의 유체는 파이프(10) 끝단의 압력 차에 의해 구동되는 것이 특징이며, 파이프(10) 내에 위치하는 이 나선형 요소(11)들은, 상기 압력 차에 의해 유체가 파이프(10)의 축 방향으로 흐를 경우 축 방향 이외에 파이프(10) 축의 횡단 방향으로 유동을 형성 시킨다. 결과적으로 믹서로 들어오는 두 유체(12, 13)들은 나선형 요소(11)들에 의해 계속해서 절반으로 분할될 뿐 아니라, 횡단 방향의 유동에 의해 방사선 방향의 혼합도 이루어져 효과적인 두 유체의 혼합을 얻을 수 있다.

그런데, 상기와 같이 효과적인 유체 혼합을 유도하는 케닉스 스태틱 믹서는 소형으로 제작하기가 힘들며, 소형으로 제작 시 정밀가공으로 인한 제작이 비싸다는 문제점을 가지고 있다.

한편, 고분자전해질 연료전지의 경우 수소를 직접 사용하거나, 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등을 개질하여 제조된 수소를 사용하게 된다.

이때 개질된 가스의 경우에는 불가피하게 일산화탄소가 발생하게되어 전기를 생성시키는 스택부분에서의 애노드 촉매를 피독시켜 연료전지의 수명을 단축시키고 전기생성을 억제시키게 된다.

따라서, 상기 일산화탄소의 제거를 위하여 소량의 공기 또는 산소를 주입시켜 일산화탄소와 선택적 산화 반응을 일으켜서 이산화탄소로 바꾸어주어야 하는데, 상기 선택적 산화 반응을 잘 일으키기 위한 변수 중 유입되는 가스의 조성이 중요 하게 되며, 그중 유입되는 가스에서 일산화탄소와 산소의 원활한 혼합이 관건이 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 보다 간단한 형상의 미세 구조를 도입하여, 압력손실을 최대한 줄이면서 또한 제작이 간단하고, 저비용으로 두 가지 이상의 서로 다른 유체를 나선형 유동을 기반으로 효과적인 유체의 혼합을 유도하는 마이크로 믹서를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 연료전지의 개질가스에서 발생하는 일산화탄소를 효율적으로 산화시켜서 이산화탄소로 변화시키는 선택적 산화반응을 활발하게 일으키도록 일산화탄소와 산소의 효과적인 혼합을 유도하는 마이크로 믹서를 포함하는 연료전지용 CO 저감기를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나선형 유체유동을 갖는 마이크로 믹서는, 적어도 두 종류 이상의 유입되는 유체를 혼합시키는 관형상의 덕트 구조를 가지는 마이크로 믹서에 있어서, 상기 마이크로 믹서의 인입구에 상기 유체가 혼합되어 유동하는 방향에 대하여 수직으로 설치되는 제1유체를 도입하기 위한 제1인입공, 상기 마이크로 믹서의 인입구에 상기 제1유체와 혼합되는 제2유체를 도입하기 위한 혼합되는 유체가 유동하는 방향에 대하여 평형하게 설치되는 제2인입공, 상기 제1유체와 제2유체가 혼합된 유체 유동 을 가이드하고 혼합하기 위하여 상기 덕트 내부에 형성된 안내 부재, 및 상기 안내 부재에 의하여 안내되고 선회되어 흐르는 유체를 수직 방향으로 연결되는 다른 덕트로 배출하도록 상기 덕트의 바닥면에 형성된 배출공을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서에 있어서, 상기 제1유체는 유량이 제2유체보다 많고, 상기 제1인입공의 직경은 상기 제2인입공의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서에 있어서, 상기 배출공이 위치한 쪽의 덕트 가로폭은 테이퍼되어 점차로 단면적이 좁아지도록 형성한 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서에 있어서, 상기 안내부재에 추가로 유체흐름과 직교하게 배치되어 유체의 유동 방향을 급선회하도록 하는 수평부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서에 있어서, 상기 안내부재가 유체의 진행방향과 직교하는 기준선에 대하여 안내부재의 연장선과의 각도가 각각 순차적으로 각도가 증가하게 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서에 있어서, 상기 안내부재는 하나 이상의 다수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서에 있어서, 상 기 안내부재와 상기 수평부재의 길이는 유체의 진행방향으로 가면서 점차로 짧아지는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서에 있어서, 상기 마이크로 믹서는 상기 덕트 구조를 가지는 제1덕트관, 제2덕트관이 층을 달리하면서 상기 제1덕트관의 배출공과 상기 제2덕트관의 인입공이 결합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서에 있어서, 상기 마이크로 믹서는, 상기 덕트 구조를 가지는 제1덕트관, 제2덕트관 및 제3덕트관이 층을 달리하면서 상기 제1덕트관의 배출공은 상기 제2덕트관의 인입공이 결합하고, 상기 제2덕트관의 배출공은 상기 제3덕트관의 인입공이 결합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서에 있어서, 상기 마이크로 믹서는 동일한 층에 배치되는 상기 안내부재, 수평 부재, 상기 인입공이 새겨진 상기 제1덕트관과 안내부재, 수평 부재가 새겨진 상기 제3덕트관이 형성된 제1플레이트, 상기 안내 부재, 수평 부재와 배출용 덕트 구조가 형성된 제2플레이트, 및 상기 제1덕트관과 상기 제2플레이트 사이에 결합되며, 상기 제1덕트관의 배출공과 상기 제2덕트관의 인입공의 역할을 하는 개구와 상기 제2덕트관의 배출공과 제3덕트관의 인입공의 역할을 하는 개구와 상기 제3덕트관의 배출공의 역할을 하는 개구가 형성된 제3플레이트를 포함하여 함께 결합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서에 있어서, 상기 플레이트들은 용접 또는 브레이징 또는 레이저 접합에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 연료전지용 CO 저감기는, 연료전지의 개질가스와 공기 또는 산소가 인입되어 촉매가 충진되거나 코팅된 반응기를 통과하도록 된 연료전지용 CO 저감기에 있어서, 적어도 두 종류 이상의 유입되는 유체를 혼합시키는 관형상의 덕트 구조를 가지는 마이크로 믹서로서, 상기 마이크로 믹서의 인입구에 상기 유체가 혼합되어 유동하는 방향에 대하여 수직으로 설치되는 제1유체를 도입하기 위한 제1인입공, 상기 마이크로 믹서의 인입구에 상기 제1유체와 혼합되는 제2유체를 도입하기 위한 혼합되는 유체가 유동하는 방향에 대하여 평형하게 설치되는 제2인입공, 상기 제1유체와 제2유체가 혼합된 유체 유동을 가이드하고 혼합하기 위하여 상기 덕트 내부에 형성된 다수의 직선상의 안내 부재, 상기 다수의 직선상의 안내 부재에 의하여 혼합된 유체의 유동의 방향을 급선회하도록 진행방향과 수직하게 형성된 수평 부재, 및 상기 안내 부재와 상기 수평 부재에 의하여 안내되고 선회되어 흐르는 유체를 수직 방향으로 연결되는 다른 덕트로 배출하도록 상기 덕트의 바닥면에 형성된 배출공을 포함하며, 상기 배출공이 위치한 쪽의 덕트 가로폭은 테이퍼되어 점차로 단면적이 좁아지도록 형성한 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서를 상기 반응기 전단에 설치한 것을 특징으로 하는 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 도면에 도시된 실시예에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

도2는 본 발명에 따른 나선형 유체유동을 갖는 마이크로 믹서의 상세 구성도이고, 도3은 본 발명에 따른 나선형 유체유동을 갖는 마이크로 믹서의 일 실시예이고, 도4a, 도4b, 도4c는 본 발명에 따른 나선형 유체유동을 갖는 마이크로 믹서의 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서의 상세구조는 적어도 두 종류 이상의 유입되는 유체를 혼합시키는 관형상의 덕트 구조를 가지는 마이크로 믹서에 있어서, 상기 마이크로 믹서(100)의 인입구에 상기 유체가 혼합되어 유동하는 방향에 대하여 수직으로 설치되는 제1유체를 도입하기 위한 제1인입공(A), 상기 마이크로 믹서의 인입구에 상기 제1유체와 혼합되는 제2유체를 도입하기 위한 혼합되는 유체가 유동하는 방향에 대하여 평형하게 설치되는 제2인입공(B), 상기 제1유체와 제2유체가 혼합된 유체 유동을 가이드하고 혼합하기 위하여 상기 덕트(20) 내부에 형성된 다수의 직선상의 안내 부재(21, 22, 23), 및 상기 안내 부재(21, 22, 23)에 의하여 안내되고 선회되어 흐르는 유체를 수직 방향으로 연결되는 다른 덕트(30)로 배출하도록 상기 덕트(20)의 바닥면에 형성된 배출공(25)을 포함한다.

여기서, 상기 안내부재(21, 22, 23)에 추가하여 유체흐름과 직교하게 배치되어 유체의 유동 방향을 급선회하도록 하는 수평부재(24)를 더 포함할 수 있다.

이때, 인입구 부분에는 주 흐름으로 들어가는 제1유체(비교적 유량이 많은 유체)의 제1인입공(A)은 예를들면, 약 2mm 정도의 지름을 갖는 관으로 마이크로 믹서(100)의 유체 흐름의 수직 방향으로 설치한다.

또한 제2유체(유량이 적은 유체)는 예를들면 0.9mm의 지름을 갖는 관으로 믹서의 유체흐름과 평행방향으로서 믹서의 중심부분에 설치한다.

상기 제1유체와 제2유체가 만나서 소정의 각도 및 길이를 갖는 마이크로 단위의 미세구조가 있는 나선형 유동 흐름을 형성시키는 부분으로 흘러들어가게 된다.

소정의 각도 및 길이를 갖는 마이크로 단위의 미세구조에 의하여 유체는 서로 나누어지게되며, 또한 미세구조의 각도, 반응기 밑부분의 형태와 밑부분으로 내려가는 관연결에 의하여 나선형 유체 유동을 형성한다.

그리고, 상기 배출공(25)이 위치한 쪽의 덕트(20) 가로폭은 테이퍼되어 점차로 단면적이 좁아지도록 형성하여 유체 유동을 더 효율적으로 일으키게 할 수 있다.

도3을 참조하면, 나선형 유체 유동이 형성되는 부분이 총 3 부분으로 이루어진 마이크로 믹서를 나타낸다.

상기 나선형 유체 유동은 상기 덕트(20)의 배출공과 결합하는 층이 다른 덕트(20)의 인입공이 결합하면서 나선형 유체 유동은 2차원적인 혼합과 더불어 3차원적인 혼합이 발생하게 된다.

도2는 마이크로 믹서(100)를 구성하는 덕트(20)의 나선형 유체흐름을 일으키는 부분을 확대한 것이다.

도2에서 도시된 구조는 총 5개의 부분(21번 ~25번) 과 몸체(26번)로 구성되어 있다.

상기 5개의 부분 중 3개는 안내부재(21, 22 23)이고, 24번은 수평 부재이다.

이때, 상기 5개 부재의 길이는 다음과 같이 설계될 수 있고, 가로크기는 21번 > 22번 > 23번 > 24번순으로 정해진다.

	가로(㎜)	세로(㎛)	각도(도)
21번	2.4	300	60
22번	2.07	300	80
23번	1.82	300	120
24번	1.65	300	0

또한, 도2를 참조하면, 상기 다수의 안내부재(21, 22, 23) 및/또는 상기 수평부재(24)가 이루는 각도는 유체의 진행방향과 직교하여 가정한 기준선을 기준으로 상기 다수의 안내부재의 연장선과의 각도가 각각 순차적으로 소정의 규칙을 갖게 된다.

즉, 도2에서 상기 다수의 안내부재(21, 22, 23)가 유체의 진행방향과 직교하여 가정한 기준선을 기준으로 각도가 각각 a<b<c와 같이 점차적으로 증가하게 배열되어 있는 것을 볼 수 있다.

예컨대, 안내부재의 개수가 3개일 경우, 약60도, 약80도, 약120도 등과 같이 순차적으로 각도를 변화시켜 형성할 수 있다.

하지만, 상기 안내부재는 하나 이상의 다수개로 형성되며, 수평부재도 하나 이상 설치될 수 있고, 상기 수치화된 각도는 일실시예에 불과하며, 상기 안내부재 및/또는 수평부재의 개수에 따라 상기 언급한 소정의 규칙을 벗어나지 않는 범위에서 그 각도가 달라 질수 있다.

여기서, 배출공(25)이 21번 구성 안내부재의 바로 밑 부분에 있기 때문에 유체가 배출공(25)으로 바로 빠져나갈 가능성이 크므로 바로 배출공(25)쪽으로 나가는 것을 방지하기 위해서 어느 정도의 각도 및 유체가 흘러가지 못하게 21번 안내부재을 사용하여 차단하게 된다.

배출공(25)이 덕트(20)의 오른쪽에 있으므로 21번 안내부재을 이용하여 유체가 배출공(25)의 반대편으로 흘러갈 수 있도록 한다.

또한, 21번 안내부재와 22번 안내부재 간격사이, 22번 안내부재와 23번 안내부재 간격 사이 그리고 23번 안내부재 왼쪽의 공간 간격 사이로 유체가 흘러가므로 그 간격을 조절함으로써 유체가 나선형 흐름을 일으킬 수 있게 안내부재 길이와 각도 설정을 하게 한다.

23번 안내부재의 경우 22번 안내부재와 23번 안내부재 간격 사이를 만들어 주는 역할을 하게 되고 23번 안내부재 왼쪽부분으로 유체가 흘러들어가게 함으로써 밑부분에서 나가는 배출공(25) 방향으로 흐름을 만들어주어 좀 더 효과적으로 나선형 유동이 형성되게 하고 또한 주흐름 유체를 분리를 많이 시켜 유체가 쪼개지고 다시 합치는 과정을 거치기 위한 것이다.

21번 안내부재와 22번 안내부재 사이의 간격, 22번 안내부재와 23번 안내부재 사이의 간격 그리고 23번 안내부재 왼쪽의 공간 간격 사이를 조절하여 23번 안내부재 왼쪽의 공간 간격 사이로 들어가는 유체가 흘러 내려와서 24번 수평부재의 도움을 받아 배출공 쪽으로 유체가 흘러나가게 한다.

만약 23번 안내부재 왼쪽의 공간 간격사이로 들어가는 유체의 양을 많게 하기위해서 23번 안내부재 왼쪽의 공간을 넓히고, 21번 안내부재와 22번 안내부재 사이의 유체가 흘러갈 수 있는 간격 및 22번 안내부재와 23번 안내부재 사이의 유체가 흘러갈 수 있는 간격을 좁게 만들면, 좀 더 나은 나선형 유체 흐름을 형성시킬 수 없게 된다.

그 이유는 23번 안내부재 왼쪽의 공간을 넓히고 21번 안내부재와 22번 안내부재 사이 간격 및 22번 안내부재와 23번 안내부재 사이의 간격을 좁히면 23번 안내부재 왼쪽 공간으로 대부분의 유체가 흐르기 때문에 나선형 유체가 형성되지 못하게 되므로, 적당히 서로 상대적인 간격을 이루어야 한다.

21번 안내부재, 22번 안내부재, 23번 안내부재에 의해서 유체의 흐름을 분리시켜 특정한 각도로 유체가 흘러들어갈 수 있게 하지만 21번 안내부재, 22번 안내부재, 23번 안내부재에 추가로 24번 수평부재를 형성하여 배출공으로 나아가는 유체의 나선형 흐름을 좀 더 향상시킬 수 있다.

또한, 24번 수평부재에 의해서 유체를 두 갈래로 나눈 것은 유체를 나누어 보통 원 전체에 유체가 특정한 각도로 전체적으로 들어가는 것이 가장 나선형 유체 흐름을 형성시키기에 좋지만 이러한 평판형 및 유체가 나가는 출구 방향이 정중심이 있지 않는 경우 그러한 구조를 형성시키기가 어렵게 된다.

그래서 24번 수평부재를 형성시켜서 최대한 나선형 유체 흐름을 형성시킬 수 있도록 추진역할을 할 수 있게 한다.

또한, 상기 배출공(25)은 유체가 나가는 출구로써 이부분에 의해서 압력차로 인한 유체가 나선형 흐름으로 다른 층에 있는 두번째 단(2단)으로 나갈수 있다.

만약 이 부분을 3차원 구조로 z축 방향으로 형성시키지 않고 같은 동일 평면위에서 오른쪽으로 출구를 만들게 될 경우 나선형 유체흐름은 형성되지 않는다.

일반적인 케닉스 스태틱 믹서의 나선형 유체흐름은 믹서 안의 구조가 형성되고 어느 정도의 길이를 가지게 되는데, 본 발명에서는 이러한 '어느 정도의 길이' 라는 부분을 평면형에서 구현하고, z축을 사용하여 보상해주는 역할을 하게 된다.

덕트(20) 아래 부분의 직사각형 부분을 깎아서 비스듬한 모양으로 테이퍼가 형성되게 함으로써 좀 더 유체가 흐르지 않는 공간을 제거 시켜서, 나선형 유체흐름을 형성시키는 효과를 좀 더 증대시키는 역할을 하게 된다.

도4a 내지 도4c는 상기 덕트(20)와 배출용 덕트(30)를 결합하여 구성되는 마이크로 믹서의 실시예들이다.

도4a는 상술한 구조의 덕트(20)와 배출용 덕트(30)를 층이 다르게 하여 결합시켜서 나선형 유체 유동의 2차원적인 혼합과 3차원적인 혼합을 이끌어낸다.

도4b는 상술한 구조의 덕트(20) 2개와 배출용 덕트(30)를 2단으로 배치하여 배출공과 인입공을 결합시켜서 나선형 유체 유동의 2차원적인 혼합과 더불어 높이를 달리하여 유체가 덕트를 흐르게 함으로써 3차원적인 혼합을 생성한다.

이때, 상기 마이크로 믹서(100)는 상기 덕트 구조를 가지는 제1덕트관(20), 제2덕트관(20)이 층을 달리하면서 상기 제1덕트관(20)의 배출공(25)과 상기 제2덕트관의 인입공(A)이 결합되어 이루어지게 된다.

도4c는 도2에 도시된 바와 같이, 세개의 덕트(20)와 배출용 덕트(30)를 3단으로 배치하여 나선형 유체 유동을 더 많이 일으키게 한 것이다.

또한, 도4c에 도시된 상기 마이크로 믹서(100)는 상기 덕트 구조를 가지는 제1덕트관(20), 제2덕트관(20) 및 제3덕트관(20)이 층을 달리하면서 상기 제1덕트관(20)의 배출공(25)은 상기 제2덕트관(20)의 인입공(A)이 결합하고, 상기 제2덕트관(20)의 배출공(25)은 상기 제3덕트관(20)의 인입공(A)이 결합하여 이루어지는 것 이다.

도5a, 도5b, 도5c는 본 발명에 따른 일실시예로서 도4c의 마이크로 믹서를 제작한 샘플 사진이다.

도5a 내지 도5c를 참조하면, 상기 마이크로 믹서(100)는 동일한 층에 배치되는 상기 안내부재, 수평 부재, 상기 인입공이 새겨진 상기 제1덕트관과 안내부재, 수평 부재가 새겨진 상기 제3덕트관이 형성된 제1플레이트(도5a), 상기 안내 부재, 수평 부재와 배출용 덕트 구조가 형성된 제2플레이트(도5c), 및 상기 제1덕트관과 상기 제2플레이트 사이에 결합되며, 상기 제1덕트관의 배출공과 상기 제2덕트관의 인입공의 역할을 하는 개구와 상기 제2덕트관의 배출공과 제3덕트관의 인입공의 역할을 하는 개구와 상기 제3덕트관의 배출공의 역할을 하는 개구가 형성된 제3플레이트(도5b)를 포함하는 것으로서, 제2플레이트(도5c)는 맨 아래층에 위치되고, 그 위에 제3플레이트(도5b)가 위치하며, 마지막으로 그 위에 제1플레이트(도5a)가 위치되어 적층결합하여 이루어지는 것이다.

상기 도5에 도시된 마이크로 믹서를 제작하기 위한 플레이트는 SUS(Al, Cu)를 밀링, 에칭 또는 펀칭으로 가공하여 적층시킨 후 용접, 브레이징, 또는 레이저 접합으로 최종 접합된다.

이하, 도6에 도시된 바와 같이 상기 제작되는 마이크로 믹서를 채용한 연료전지용 CO 저감기에 대하여 설명한다.

한편, 연료전지용 CO 저감기는 연료전지의 개질가스와 공기 또는 산소가 인입되어 촉매가 충진 또는 코팅된 반응기를 통과하도록 하여 CO 가스가 산소와 결합 하여 발열반응을 일으키고 이산화탄소로 변환되는 선택적 산화 반응을 일으키게 하여 연료전지의 스택부분에서의 애노드 촉매를 피독시키는 일산화탄소를 저감시키기 위한 것이다.

도6을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 CO 저감기는 상기 반응기 전단에 마이크로 믹서를 설치한 것으로서, 상기 마이크로 믹서는 적어도 두 종류 이상의 유입되는 유체를 혼합시키는 관형상의 덕트 구조를 가지는 마이크로 믹서로서, 상기 마이크로 믹서의 인입구에 상기 유체가 혼합되어 유동하는 방향에 대하여 수직으로 설치되는 제1유체를 도입하기 위한 제1인입공, 상기 마이크로 믹서의 인입구에 상기 제1유체와 혼합되는 제2유체를 도입하기 위한 혼합되는 유체가 유동하는 방향에 대하여 평형하게 설치되는 제2인입공, 상기 제1유체와 제2유체가 혼합된 유체 유동을 가이드하고 혼합하기 위하여 상기 덕트 내부에 형성된 다수의 직선상의 안내 부재, 상기 다수의 직선상의 안내 부재에 의하여 혼합된 유체의 유동의 방향을 급선회하도록 진행방향과 수직하게 형성된 수평 부재, 및 상기 안내 부재와 상기 수평 부재에 의하여 안내되고 선회되어 흐르는 유체를 수직 방향으로 연결되는 다른 덕트로 배출하도록 상기 덕트의 바닥면에 형성된 배출공을 포함하며, 상기 배출공이 위치한 쪽의 덕트 가로폭은 테이퍼되어 점차로 단면적이 좁아지도록 형성한 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서(100)를 설치하는 것이다.

도4에 도시된 마이크로믹서에 있어서, 상기 마이크로 믹서를 통과한 후의 제1유체의 농도변화와 제2유체의 농도를 조사하여 결과를 다음 표에 나타내었다.

	Y축(폭방향)						Z축(높이방향)
	제1유체(mol/㎥)			제2유체(mol/㎥)			제1유체(mol/㎥)			제2유체(mol/㎥)
믹서수	최고	최저	차이	최고	최저	차이	최고	최저	차이	최고	최저	차이
1개 (도4a)	43.4	42.4	1	2	0.8	1.2	43.05	42.98	0.07	1.1	0.65	0.45
2개 (도4b)	43.06	42.94	0.12	2.5	2	0.5	43.05	43	0.05	1.55	1.3	0.25
3개 (도4c)	42.96	42.95	0.012	1.42	1.24	0.18	42.97	42.96	0.01	1.31	1.23	0.08

상기 표에서 나선형 유체유동을 일으키는 부분인 마이크로믹서의 개수를 늘릴수록 Y축 및 Z축의 최고농도와 최저농도의 차이가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.

상기 CO 저감기에서 선택적 산화반응에서 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 과정 외에 수소와 산소가 결합하여 물이 생성되는 경쟁반응이 함께 일어날 수 있는데, 본 발명에 따른 마이크로 믹서를 장치하지 않은 경우에 있어서는 온도 변화에 따라 유입되는 개질가스의 일산화탄소와 공기 중의 산소는 거의 반응을 하지 않고 수소와 반응을 일으키는 반면, 상기 마이크로 믹서를 설치한 경우에 있어서는 유체 유동의 영향에 따라 현격하게 일산화탄소의 배출농도가 감소된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 나선형 유체유동을 갖는 마이크로 믹서는 두 가지 이상의 유체를 효과적으로 혼합시킬 수 있으며, 또한 혼합하려고 하는 유체의 유량의 차이가 심하게 나는 경우 또한 효과적으로 혼합시킬 수 있다.

그리고, 간단한 구조를 이용하였기 때문에 마이크로 믹서의 형상이 간단하여 수동 혼합형 마이크로 믹서의 큰 단점 중에 하나인 압력 손실을 크게 줄일 수 있 다.

또한, 간단한 구조로 인하여 쉽게 제작이 용이하고 대량생산이 용이하므로, 다른 소형 반응기 및 장치들과의 연결이 쉽고, 연료전지 분야에 활용될 수 있는 장점을 가지고 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체적인 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

적어도 두 종류 이상의 유입되는 유체를 혼합시키는 관형상의 덕트 구조를 가지는 마이크로 믹서에 있어서,

상기 마이크로 믹서의 인입구에 상기 유체가 혼합되어 유동하는 방향에 대하여 수직으로 설치되는 제1유체를 도입하기 위한 제1인입공;

상기 마이크로 믹서의 인입구에 상기 제1유체와 혼합되는 제2유체를 도입하기 위한 혼합되는 유체가 유동하는 방향에 대하여 평형하게 설치되는 제2인입공;

상기 제1유체와 제2유체가 혼합된 유체 유동을 가이드하고 혼합하기 위하여 상기 덕트 내부에 형성된 안내 부재; 및

상기 안내 부재에 의하여 안내되고 선회되어 흐르는 유체를 수직 방향으로 연결되는 다른 덕트로 배출하도록 상기 덕트의 바닥면에 형성된 배출공을 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서.
제 1 항에 있어서,

상기 배출공이 위치한 쪽의 덕트 가로폭은 테이퍼되어 점차로 단면적이 좁아지도록 형성한 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서.
제 1 항에 있어서,

상기 제1유체는 유량이 제2유체보다 많고, 상기 제1인입공의 직경은 상기 제 2인입공의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서.
제 1 항에 있어서,

상기 안내부재는 하나 이상의 다수개로 형성되는 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서.
제 1 항에 있어서,

상기 안내부재에 추가로 유체흐름과 직교하여 배치되어 유체의 유동 방향을 급선회하도록 하는 수평부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 안내부재가 유체의 진행방향과 직교하는 기준선에 대하여 안내부재의 연장선과의 각도가 각각 순차적으로 증가하게 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서.
제 6 항에 있어서,

상기 안내부재가 유체의 진행방향과 직교하는 기준선에 대하여 각각 60도, 80도, 120도로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서.
제 5 항에 있어서,

상기 안내부재와 상기 수평부재의 길이는 유체의 진행방향으로 가면서 점차로 짧아지는 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서.
제 1 항에 있어서,

상기 마이크로 믹서는 상기 덕트 구조를 가지는 제1덕트관, 제2덕트관이 층을 달리하면서 상기 제1덕트관의 배출공과 상기 제2덕트관의 인입공이 결합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서.
제 1 항에 있어서,

상기 마이크로 믹서는, 상기 덕트 구조를 가지는 제1덕트관, 제2덕트관 및 제3덕트관이 층을 달리하면서 상기 제1덕트관의 배출공은 상기 제2덕트관의 인입공과 결합하고, 상기 제2덕트관의 배출공은 상기 제3덕트관의 인입공과 결합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서.
제 10 항에 있어서,

상기 마이크로 믹서는 동일한 층에 배치되는 상기 안내부재, 수평 부재, 상기 인입공이 새겨진 상기 제1덕트관과 안내부재, 수평 부재가 새겨진 상기 제3덕트 관이 형성된 제1플레이트, 상기 안내 부재, 수평 부재와 배출용 덕트 구조가 형성된 제2플레이트, 및 상기 제1덕트관과 상기 제2플레이트 사이에 결합되며, 상기 제1덕트관의 배출공과 상기 제2덕트관의 인입공의 역할을 하는 개구와 상기 제2덕트관의 배출공과 제3덕트관의 인입공의 역할을 하는 개구와 상기 제3덕트관의 배출공의 역할을 하는 개구가 형성된 제3플레이트를 포함하여 함께 결합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서.
제 11 항에 있어서,

상기 플레이트들은 용접 또는 브레이징 또는 레이저 접합에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서.
연료전지의 개질가스와 공기 또는 산소가 인입되어 촉매가 충진되거나 코팅된 반응기를 통과하도록 된 연료전지용 CO 저감기에 있어서,

적어도 두 종류 이상의 유입되는 유체를 혼합시키는 관형상의 덕트 구조를 가지는 마이크로 믹서로서, 상기 마이크로 믹서의 인입구에 상기 유체가 혼합되어 유동하는 방향에 대하여 수직으로 설치되는 제1유체를 도입하기 위한 제1인입공;

상기 마이크로 믹서의 인입구에 상기 제1유체와 혼합되는 제2유체를 도입하기 위한 혼합되는 유체가 유동하는 방향에 대하여 평형하게 설치되는 제2인입공;

상기 제1유체와 제2유체가 혼합된 유체 유동을 가이드하고 혼합하기 위하여 상기 덕트 내부에 형성된 다수의 직선상의 안내 부재;

상기 다수의 직선상의 안내 부재에 의하여 혼합된 유체의 유동의 방향을 급선회하도록 진행방향과 수직하게 형성된 수평 부재; 및

상기 안내 부재와 상기 수평 부재에 의하여 안내되고 선회되어 흐르는 유체를 수직 방향으로 연결되는 다른 덕트로 배출하도록 상기 덕트의 바닥면에 형성된 배출공을 포함하며, 상기 배출공이 위치한 쪽의 덕트 가로폭은 테이퍼되어 점차로 단면적이 좁아지도록 형성한 것을 특징으로 하는 나선형 유체 유동을 갖는 마이크로 믹서를 상기 반응기 전단에 설치한 것을 특징으로 하는 연료전지용 CO 저감기.