KR100938802B1 - 마이크로채널 열교환기 - Google Patents

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KR100938802B1
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유영준
박근홍
진상욱
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Abstract

본 발명은 미세가공 기술에 의하여 마이크로 채널을 갖는 레이어들을 적층형성시킨 열교환기에 관한 것으로, 곡면 외형 형상을 갖는 몸체부에 각 마이크로 채널의 길이와 단면적을 일정하게 구성함으로써 유로별 편차를 최소화시키고 열교환 효율을 향상시킬 수 있게 구성되었다.
열교환기, 마이크로채널, PCHE

Description

마이크로채널 열교환기{HEAT EXCHANGER HAVING MICRO-CHANNELS}
본 발명은 미세가공 기술에 의하여 마이크로 채널을 형성시킨 열교환기에 관한 것이다.
특수한 용도에 사용되는 열교환기는 다른 일반적인 열교환기와는 달리 고온 고압이라는 환경에 사용되거나, 중량 또는 공간 등과 같은 제한 조건을 만족시키기 위해 소형화와 내구성이 요구되는 경우도 있다.
기체 대 기체(Gas-to-Gas)만의 열교환은 총열전달계수가 낮아 동일한 열교환을 위해서 더 큰 전열면적을 필요로 하게 되며, 이는 중량 및 공간 제한조건이 있는 상황에는 채택이 어려운 점이 있다.
마이크로 채널 열교환기의 일종인 Printed Circuit Heat Exchanger(PCHE)는 식각가공하여 유로를 형성한 서로 다른 판을 격판을 사이에 두고 교대로 접합하여 만든 열교환기로서, 밀리미터급의 작은 유로를 형성시킬 수 있으며, 기체뿐만 아니라 액체도 자유롭게 흐르면서도 큰 전열면적을 갖게 함으로써 사용공간대비 큰 전열면적을 갖는 장점이 있다. 또한, PCHE는 고온 고압 사용 환경에 유리한 열교환기를 구성할 수 있는 장점이 있으며, 미세 전자기기 시스템(Micro electro mechanical system;MEMS) 분야의 발전으로 다양한 미세 가공기술들을 활용하여 다양한 형상으로 제작할 수 있다.
소형성과 우수한 성능을 갖는 PCHE는 컴퓨터, 반도체를 비롯한 정보기술 분야에서 뿐만 아니라 에너지 관련 산업 등의 에너지기술(Energy Technology)분야에서도 다양하게 적용되고 있다. 나아가, 고온, 고압, 마이크로채널 열교환기를 필요로 하는 석유화학 플랜트로부터 연료전지 반응기 및 폐열회수장치, CO2 히트펌프 및 온수기의 냉동공조산업, 등 타 산업들에 파급효과가 매우 크다.
일반적인 경우 열교환기는 열전달이 증가함과 동시에 압력강하가 증가하지만, 마이크로채널 열교환기의 형상 설계를 통해 압력 강하량은 작게 유지하면서 열전달량은 크게 발생시킬 수 있다.
그런데, 알려져 있는 종래의 방식에 의한 사각형상의 열교환기의 경우, 유로의 형상과 외형이 단순하기 때문에 유로의 형상을 설계하는 것이 비교적 용이하나, 열교환기가 장착될 장치 내의 공간 조건을 맞추기 어려운 경우가 많다. 특히, 전체 외형이 곡선을 이루는 경우라면 동일한 길이를 갖는 유로의 설계가 더욱 어려운 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 외형이 곡선을 이루는 경우에 동일한 길이를 갖는 마이크로 채널들을 형성시킴으로써 고성능을 구현할 수 있는 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명과 관련된 마이크로채널 열교환기는, 마이크로 채널을 형성한 복수의 레이어가 적층 형성된 열교환기 몸체부; 상기 열교환기 몸체부의 일측 단부에 상호 분리되게 부착되는 고온부 입구몸체 및 저온부 출구몸체; 및 상기 열교환기 몸체부의 타측 단부에 상호 분리되게 부착되는 저온부 입구몸체 및 고온부 출구몸체를 포함하고, 상기 열교환기 몸체부의 폭을 형성하는 양 측면은 제1곡면 프로파일과 상기 제1곡면 프로파일에 평행한 제2곡면 프로파일을 가질 수 있게 각각 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 열교환기 몸체부는, 고온유체가 흐르기 위한 평행한 복수의 제1마이크로 채널이 형성된 고온부 레이어; 및 저온유체가 흐르기 위한 평행한 복수의 제2마이크로 채널이 형성된 저온부 레이어를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1마이크로 채널 및 제2마이크로 채널은 2 이상인 n개의 유로를 포함하고, i번째(i는 자연수) 유로는 Xi의 길이를 갖는 입구 부와, Wi의 길이를 갖는 곡선부 및 Yi의 길이를 갖는 출구부를 포함하며, 상기 Xi, Yi 및 Wi는 다음의 식을 만족시키도록 구성될 수 있다.
Xi + Yi + Wi = 일정
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 곡선부들 어느 하나의 곡선부와 인접된 다른 하나의 곡선부 사이의 폭은 길이방향을 따라 일정하게 유지되도록 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 곡선부는 파형으로 형성될 수 있다.
본 발명과 관련된 열교환기에 의하면, 곡면 외형이 적용된 몸체부에 마이크로채널을 형성함으로써 직선유로를 갖는 종래의 열교환기에 비하여 열교환 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 곡면 외형의 몸체부에 파형의 마이크로 채널을 적용하되, 각 마이크로 채널의 총길이와 단면적을 갖도록 함으로써 유로별 편차를 최소화시킬 수 있다.
또한 이와 같이 구성된 곡면 외형을 가지면서도 열전달 성능이 우수한 열교환기는 직선형의 종래의 열교환기를 설치하기 어려운 곳에서도 용이하게 설치될 수 있어 장착성을 개선시킨다.
이하, 본 발명과 관련된 마이크로채널 열교환기를 첨부한 도면을 참고로 하 여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명과 관련된 마이크로 채널 열교환기의 일 예를 보인 사시도이다. 도 1에 도시된 것과 같이, 열교환기는 곡선 형상을 갖는 열교환기 몸체부(10)와, 열교환기 몸체부(10)의 일측 단부에 상호 분리되게(seperated) 부착된 고온부 입구몸체(20) 및 저온부 출구몸체(50)와, 열교환기 몸체부(10)의 타측 단부에 부착된 저온부 입구몸체(40) 및 고온부 출구몸체(30)를 포함하고 있다.
열교환기 몸체부(10)의 폭을 이루기 위한 양 측면(60A)(60B) 중 어느 한 측면(60A)은 제1곡면 프로파일을 가지며, 다른 한 측면(60B)은 제1곡면 프로파일과 평행한 제2곡면 프로파일을 갖는다. 제1곡면 프로파일과 제2곡면 프로파일은 원호(arc) 형태로 형성되는 것이 가능하며, 나아가 타원 또는 포물선이나 이들이 복합된 형태로 형성될 수도 있다.
고온부 입구몸체(20)의 단부에는 고온입구파이프(21)가 형성되어 있으며, 하나의 고온입구파이프(21)에서 들어온 고온유체는 고온부 입구몸체(20)에 의하여 각 마이크로 채널로 분산되어 열교환기 몸체부(10) 내부를 흐르며 저온유체와 열교환을 하고 고온부 출구몸체(30)에서 합쳐진 후 고온출구파이프(31)를 통하여 배출된다. 마찬가지 방법으로, 저온부 입구몸체(40)의 단부에는 저온입구파이프(41)가 형성되어 있으며, 하나의 저온입구파이프(41)에서 들어온 저온유체는 저온부 입구몸체(40)에 의하여 상기 고온부 마이크로 채널과는 상이한 마이크로 채널로 분산되어 열교환기 몸체부(10) 내부를 흐르며 고온유체와 열교환을 하고 저온부 출구몸체(50)에서 합쳐진 후 저온출구파이프(51)를 통하여 배출된다.
도 2는 도 1의 마이크로채널 열교환기의 저온부 입구몸체와 고온부 츨구몸체를 열교환기 몸체부로부터 분리하여 도시한 분리 사시도이고, 도 3은 열교환몸체부를 이루는 단위 모듈의 분해 사시도이다.
도 2 및 도 3에 의하면, 열교환기 몸체부(10)는 마이크로 채널이 형성된 레이어가 복수 개로 적층되어 있는 구조로 되어 있다.
단위 모듈(10')은 고온부 레이어(12), 저온부 레이어(13) 및 격판(11)으로 이루어져 있다. 고온부 레이어(12)에는 고온유체가 흐르는 복수의 제1마이크로 채널(12a)이 형성되어 있으며, 저온부 레이어(13)에는 저온유체가 흐르는 복수의 제2마이크로 채널(13a)이 형성되어 있다.
단위 모듈(10')을 이루는 고온부 레이어(12)와 저온부 레이어(13)는 모두 평면도로 보았을 때에는 위에서 설명한 두 개의 측면부(60A,60B) 외에 단부면들(61A,61B,61C,61D)도 공통으로 포함한다. 이들 단부면(61A,61B,61C,61D)은 같은 사이즈를 갖는 고온부 입구몸체(20) 및 저온부 출구몸체(50)와, 고온부 출구몸체(30) 및 저온부 입구몸체(40)가 부착될 수 있도록 중심 원호에 대하여 대칭 형태로 되어 있다.
고온부 레이어(12)와 저온부 레이어(13)는 격판(11)을 사이에 두고 접합됨으로써, 제1마이크로 채널(12a)과 제2마이크로 채널(13a)을 각각 밀폐시킨다. 따라서, 제1마이크로 채널(12a)을 흐르는 고온유체는 격판(11)을 통하여 제2마이크로 채널(13a)의 저온유체와 열교환을 하게 된다.
마이크로채널 열교환기(1)는 각 채널에 걸리는 유동 분배를 균일하게 하기 위해 압력강하량를 일정하게 맞추는 방법을 사용하고 있다. 즉, 열교환기 효율을 결정하는 중요한 인자가 될 수 있는 열교환기의 유로길이는 각 유로로 유입되는 유량의 편차로 인한 효율감소를 제거하기 위하여, 각각 모두 같게 설정될 필요가 있다. 만약 유로 길이가 달라지면, 유로길이가 짧은 쪽으로 유량이 과다 공급되면서 열교환기의 전체 효율에 치명적인 영향을 주게 된다. 또한, 압력강하량를 일정하게 맞추기 위해 각 채널에 흐르는 모든 유로의 전체 길이와 형상을 동일하도록 제작하고 있다. 한편, 직선형 유로보다 물결무늬 모양의 파형유로가 열전달과 압력강하가 큰 형상이지만, 유로의 진행방향 기준으로 약 30˚에서 압력강하 대비 열전달이 가장 효과적이라는 것이 알려져 있다.
따라서, 본 실시예는 곡면 외형 형상을 갖는 열교환기의 고효율화를 위하여, 곡선 외형을 갖는 열교환기 몸체부(10) 내부를 흐르는 유로를 파형으로 구현하면서도 각 유로의 총 길이를 일정하게 형성시킨 것을 개시한다.
도 4는 마이크로 채널의 각각의 형상을 개략적인 평면도이다.
즉, 각각의 유로길이를 모두 일정하게 유지하기 위한 하나의 방법으로써, 입구부, 출구부 및 내부유로부로 구분될 수 있는 열교환기 몸체부의 유로형상을 도 4에서와 같이 입구부 길이(X1, ..., Xi, ..., Xn)와 출구부 길이(Y1, ...,, Yi, ..., Yn)의 합을 일정하게 하고, 내부유로의 길이(W1, ..., Wi, ..., Wn)를 동일하게 하여 전체 유로길이를 일정하게 한 것이다.
Xi + Yi + Wi = 일정
이때 유로의 단면적이 각 유로별로 차이가 있을 경우 동일한 길이에도 불구하고 열교환 효율이 나빠질 수 있기 때문에, 유로의 단면적도 동일하게 유지되도록 하는 것이 바람직하다.
열교환기의 효율 증가를 위하여 열교환 판의 유로 형상을 단순 평행옵셋 방법으로 파형 형상의 유로로 설계하는 경우, 유로의 겹침 현상이 발생할 수 있다.
도 5는 본 발명과 관련된 일 예로서, 완만한 곡선형 유로(15a)가 적용된 마이크로 채널(15)의 평면도이다. 도 5에 도시된 마이크로 채널(15)의 경우, 유로(15a)간의 겹칩은 발생하지 않으며, 유로의 총합은 일정하다.
도 6은 본 발명과 관련된 일 예로서, 파형 유로를 작도하기 위한 과정을 보인 설명도이다.
도 6(a)에 도시된 것과 같이, 우선, 구현하려는 곡면 형상을 결정하고 이를 제1가상선(71)으로 작도한다.
다음으로 도 6(b)와 같이, 제1가상선(71)과 동일한 형상으로 형성된 제2가상선(74)을 중심선(72)에 맞추어 원하는 간격(M)으로 띄어 준다.
그리고, 중심선(72)을 기준으로 하여 제1가상선(71) 및 제2가상선(74)을 일정한 W의 간격으로 세로 가상선들(75)을 작도한다.
다음으로, 도 6(c)에 도시된 것과 같이, W의 간격으로 그려준 세로 가상선들(75)과 M간격으로 띄어준 제1가상선(71) 및 제2가상선(74)의 교차점들을 잇는다.
그리고, 도 6(d)와 같이 교차점의 모서리를 곡선으로 처리하면 파형의 제1중심선(77)이 완료된다. 이렇게 파형유로의 제1중심선(77)을 파형의 폭만큼 띄어 작도하면 유로 1개가 완성된다.
이와 같이 작도된 마이크로 채널은 도 7에 도시되어 있다. 즉, 도 7은 본 발명과 관련된 마이크로 채널의 일 평면도로서, 유로간의 겹침이 없으면서도 파형의 곡선유로를 갖는 마이크로 채널(16a)을 얻을 수 있다. 파형의 마이크로 채널(16a)은 직선유로만을 갖는 종래의 예에 비하여 열교환기의 성능이 월등히 향상될 뿐만 아니라, 도 5에서 도시한 완만한 곡선부를 갖는 마이크로 채널에 비하여도 열교환기의 성능이 향상될 수 있다.
이와 같이, 두 변이 곡면 형상을 갖는 몸체부(10)에 압력강하 대비 열전달이 우수한 파형 형상을 적용함으로써 몸체부(10)의 곡면프로파일의 크기를 줄이고, 파형유로의 진행각이 위치에 따라 달라지도록 구성할 수 있다.
상기와 같이 설명된 마이크로 채널을 갖는 열교환기는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용되지 않는다. 상기 실시예들은 당업자에 의하여 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 마이크로 채널 열교환기의 일 예를 보인 사시도
도 2는 도 1의 마이크로채널 열교환기의 저온부 입구몸체와 고온부 츨구몸체를 열교환기 몸체부로부터 분리하여 도시한 분리 사시도
도 3은 열교환몸체부를 이루는 단위 모듈의 분해 사시도
도 4는 마이크로 채널의 각각의 형상을 개략적인 평면도
도 5는 본 발명과 관련된 일 예로서, 완만한 곡선형 유로가 적용된 마이크로 채널의 평면도
도 6은 본 발명과 관련된 일 예로서, 파형 유로를 작도하기 위한 과정을 보인 설명도
도 7은 본 발명과 관련된 마이크로 채널의 일 평면도
**도면중 주요부분에 대한 부호의 설명**
10: 열교환기 몸체부 11: 격판
12: 고온부 레이어 12a: 제1마이크로채널
13: 저온부 레이어 13a: 제2마이크로채널
16: 파형의 유로를 갖는 마이크로채널
50A,50B: 곡면프로파일을 갖는 열교환기 몸체부의 측면

Claims (5)

  1. 마이크로 채널을 형성한 복수의 레이어가 적층 형성된 열교환기 몸체부;
    상기 열교환기 몸체부의 일측 단부에 상호 분리되게 부착되는 고온부 입구몸체 및 저온부 출구몸체; 및
    상기 열교환기 몸체부의 타측 단부에 상호 분리되게 부착되는 저온부 입구몸체 및 고온부 출구몸체를 포함하고,
    상기 열교환기 몸체부의 폭을 형성하는 양 측면은 제1곡면프로파일과 상기 제1곡면프로파일에 평행한 제2곡면프로파일을 가지며,
    상기 마이크로 채널은 2 이상인 n개의 유로를 포함하고, 상기 유로들 중 i번째(i는 n보다 작거나 같은 자연수) 유로는 Xi의 길이를 갖는 직선형의 입구부와, Wi의 길이를 갖는 원호상의 곡선부 및 Yi의 길이를 갖는 직선형의 출구부를 포함하되, 상기 Xi, Yi 및 Wi는 Xi + Yi + Wi = 일정 관계를 만족시키도록 형성되며,
    상기 각 곡선부는, 일정한 수직간격(M)을 갖는 평행한 원호상의 제1 및 제2가상선들과, 상기 제1 및 제2가상선에 수직하며 일정한 수평간격(W)으로 배치되는 세로 가상선들이 만나는 점들을 순차적으로 잇는 선들의 모서리 부분이 곡선 형태로 연결됨으로써 생기는 파형(wave form)으로 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로채널 열교환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열교환기 몸체부는,
    고온유체가 흐르기 위한 평행한 복수의 제1마이크로 채널이 형성된 고온부 레이어; 및
    저온유체가 흐르기 위한 평행한 복수의 제2마이크로 채널이 형성된 저온부 레이어를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로채널 열교환기.
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