KR101202773B1 - 마이크로 채널 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로 채널 열교환기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 마이크로 채널 열교환기는 적어도 하나의 채널이 형성된 복수의 금속 기판이 적층된 마이크로 채널 열교환기에 있어서, 상기 금속 기판은 복수의 기공이 형성된 기공부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 마이크로 채널 열교환기에 의하면 축방향 열전도로 인한 열교환기의 효율 저하를 방지할 수 있는 장점이 있다.

Description

마이크로 채널 열교환기{MICRO CHANNEL HEAT EXCHANGER}

본 발명은 마이크로 채널 열교환기에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 적어도 하나의 채널이 형성된 복수의 금속 기판이 적층된 마이크로 채널 열교환기에 있어서, 상기 금속 기판은 복수의 기공이 형성된 기공부를 포함하여, 열교환기 효율 저하에 영향을 미치고 있는 축방향 열전도를 최소화하고, 열교환기의 경량화 및 보다 용이한 접합 공정이 가능한 마이크로 채널 열교환기에 관한 것이다.

열교환기란 공정의 흐름을 구성하는 고정장치물의 일종으로서, 기?액상의 유체가 포함하고 있는 열을 튜브(Tube) 또는 판(Plate)의 형태를 지닌 전열면을 통해 냉각수, 공기, 유체 상호 간에 열전달을 일으켜 가열, 냉각, 응축 등의 기능을 수행하는 설비이다.

열교환기는 그 형태에 따라 다양하게 분류가능하며, 특히 평판식 열교환기의 경우 튜브와 핀 대신에, 다수의 평판을 일정 간격으로 배치하고, 평판을 하나 걸러서 마다 각각 서로 다른 온도의 유체를 통과시켜, 판과 판 사이를 흐르는 유체의 온도차를 이용하여 열교환을 하는 열교환기로서, 압력손실이 적어 열전달 효율이 매우 높고, 청소 및 조립 작업이 용이하다는 장점이 있다.

이러한 평판식 열교환기 내에서 일어나는 열전달 현상을 살펴 보면, 고온의 유체로부터 채널 벽으로 대류에 의해 열이 전달되고, 이 열이 열전도에 의해 저온 유체에 인접해 있는 채널 벽으로 이동한 후, 채널 벽으로부터 저온의 유체로 대류 열전달이 일어나면서 열교환이 이루어지게 된다.

한편, 극저온에서 사용되는 열교환기의 경우, 외부와의 온도 차이가 크므로 열교환기의 재료로 금속관을 사용하면 금속관의 축방향으로 열유입이 크게 나타나며, 열교환 유체의 이송 방향과 나란한 방향으로도 열전도가 이루어지는데, 이를 축방향 열전도라 부른다. 상온에서는 무시할 수 있는 효과이나, 수소 액화 시스템과 같이 저온 영역에서 사용되는 열교환기의 경우, 이로 인하여 열교환기의 효율이 저하된다고 여러 연구 결과를 통해 알려지고 있다. ("수소액화 시스템용 이중관 열교환기의 유용도 측정". 1999. J.of the Korean Hydrogen Energy Society. 최항집 외 4인. 참조)

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 미국 등록 특허 제 7,000,427호에서는 냉매 마이크로 채널을 형성하고, 열전도도가 높은 알루미늄 대신에 스테인리스 스틸, 세라믹, 도는 고분자 등을 이용한 열교환기에 대하여 개시하고 있으나, 이와 같은 소재를 사용할 경우, 열교환기가 무거워지며, 제조가 용이하지 않다는 문제가 있었다.

한편, 최근에는 채널의 크기를 줄여 열교환기를 소형화하는 방향으로 연구 개발이 진행되고 있다.

이를 위해, 미세 채널이 형성된 금속 기판을 채널의 손상이나 새는 부분 없이 잘 접합하는 것이 중요한 기술적 과제로 나타나고 있으며, 이러한 접합 공법으로 고온에서 금속 박판들을 고압으로 눌러 접합하는 확산 접합법 및 용가재를 이용하여 금속 박판을 접합하는 블레이징 접합법 등이 알려져 있다.

일반적으로 확산 접합법의 경우, 장비가 고가이고, 적용 가능한 소재가 한정적이라는 문제가 있었으며, 특히 대면적의 박판을 접합하는 것이 매우 어렵다는 문제가 존재하였으며, 블레이징 접합법의 경우, 경제적이며, 어렵지 않은 기술이나, 사용하는 용가재가 접합 과정에서 녹으면서 미세 채널을 막아 버리는 문제점이 존재하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에 의한 마이크로 채널 열교환기는 복수의 기공이 형성된 기공부를 포함하여 축방향 열전도로 인한 열교환기의 효율 저하를 방지하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 마이크로 채널 열교환기는 상기 축방향 열전도를 줄이기 위해 스테인리스 스틸과 같은 열전도도가 낮은 금속을 소재로 사용할 필요가 없어, 열교환기를 경량화하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 기판의 블레이징 접합에 의하더라도, 블레이징 시 녹은 용가재를 금속 기판 표면 기공부의 기공이 흡수하여 채널이 막히는 문제를 방지하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 채널 열교환기는 적어도 하나의 채널이 형성된 복수의 금속 기판이 적층된 마이크로 채널 열교환기에 있어서, 상기 금속 기판은 복수의 기공이 형성된 기공부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 기공부의 상기 기공은 폐쇄형 기공(Closed Cell)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기공의 직경은 상기 채널의 폭 또는 높이 중 작은 치수의 1/100 내지 1/5인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기공의 직경은 10㎛ 내지 200㎛인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 금속은 상기 기공부를 형성하도록 성형이 가능한 금속인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기공부를 형성하도록 성형이 가능한 금속은 알루미늄인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 금속 기판을 적층 시 블레이징 접합법에 의해 적층시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에 의한 마이크로 채널 열교환기는 복수의 기공이 형성된 기공부를 포함하여 축방향 열전도로 인한 열교환기의 효율 저하를 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 마이크로 채널 열교환기는 상기 축방향 열전도를 줄이기 위해 스테인리스 스틸과 같은 열전도도가 낮은 금속을 소재로 사용할 필요가 없어, 열교환기를 경량화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 기판의 블레이징 접합에 의하더라도, 블레이징 시 녹은 용가재를 금속 기판 표면 기공부의 기공이 흡수하여 채널이 막히는 문제를 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 마이크로 채널 열교환기의 단면을 도시한 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 마이크로 채널 열교환기의 단면을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 마이크로 채널 열교환기의 사시도.

이하, 본 발명에 의한 마이크로 채널 열교환기에 대하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 2는 본 발명에 따른 마이크로 채널 열교환기의 단면도이다.

도 2와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 채널 열교환기는 적어도 하나의 채널(20)이 형성된 복수의 금속 기판(10)이 적층 되어 형성되며, 상기 금속 기판(10)은 복수의 기공(31)이 형성된 기공부(30)를 포함한다.

상기 금속 기판(10)은 열교환기의 주 소재로써, 상기 마이크로 채널(20)이 형성되기 위한 부재에 해당한다.

여기서, 상기 금속 기판(10)이 적층 되어 열교환기가 형성되는 것이 바람직하나, 단일 기판으로도 열교환기로서의 역할을 수행해도 무방하다.

또한, 상기 금속 기판(10)의 적층 시 확산 접합 방법 또는 블레이징 접합법 중 어느 것을 사용하여도 무방하나, 바람직하게는 블레이징 접합을 통하여 적층 시키는 것이 바람직하다. 이는, 비교적 저가이고, 쉽게 접근 가능한 접합 기술이며, 블레이징 접합시 나타나는 문제점을 하기한 기공부(30)에 의하여 해결할 수 있어 제조 공정이 효율적이기 때문이다.

한편, 상기 금속 기판(10)은 복수개의 밀폐된 내부기공(31)과 복수개의 표면기공(32)으로 이루어진 기공부(30)를 포함한다.

상기 기공부(30)에서 내부기공(31)은 상기 금속 기판(10)의 열전도도를 낮추어, 극저온 상태에서 금속 기판의 열전도율이 상대적으로 높아지는 것을 막아, 축방향 열전도를 최소화함으로써 채널간의 열교환이 원활히 이루어지도록 하며, 이에 의해 열전도율이 낮은 스테인리스 스틸을 소재로 이용할 필요가 없이, 가벼운 알루미늄을 이용하여 열교환기의 경량화를 달성할 수 있으며, 표면기공(32)은 금속 기판(10)이 블레이징 접합을 통하여 접합하더라도 녹은 용가재를 흡수하기 때문에 유로가 막히는 문제도 최소화하는 역할을 한다.

또한, 상기 기공부(30)의 내부기공(31)은 복수로 형성되는 것이 바람직하며, 기공이 많이 형성될수록, 금속의 밀도가 낮아지며, 금속 전체의 공극률이 증가하게 된다. 이 경우, 내부기공(31)의 직경이 채널(20)에 비해 상당히 작으므로, 기공(31)을 통한 대류(Convection) 및 복사(Radiation)에 의한 열전달은 무시할 수 있으며, 금속보다 상대적으로 열 전도도가 낮은 매질인 공기로 채워지거나 진공 상태인 기공부(30)가 다수 형성됨으로써 금속 전체의 열전도도가 낮아지게 된다.

여기서, 상기 기공부(30)가 형성된 상기 금속 기판의 공극률은 50 내지 90%인 것이 효과적이며, 바람직하게는 60 내지 80%, 가장 바람직하게는 70%인 것이 효과적이다. 공극률 50% 미만의 경우, 경량화 효과가 미미하고, 열 전도율 감소 효과가 낮아, 축방향 열전도를 감소시키는 효과가 미미하며, 공극률이 90%를 초과할 경우, 기계적 강도가 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 70%의 공극률에서 본 발명의 목적인 경량화와 열전도율을 감소시키는 효과를 가장 극대화시킬 수 있다.

또한, 상기 기공부(30)의 내부기공(31)은 기공간에 서로 연결됨이 없이 폐쇄형 기공(Closed Cell)으로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 개방형 기공(Open Cell)의 경우 발생할 수 있는 열교환 유체 간의 섞임이나 외부로 유출되는 문제를 방지하기 위함이다.

여기서, 상기 내부기공(31)의 직경은 상기 채널(20)의 폭 또는 높이 중 적어도 하나의 1/100 내지 1/5인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 채널(20)의 폭 또는 높이 중 적어도 하나의 1/20 내지 1/10인 것이 효과적이다. 또한, 상기 기공(31)의 크기가 상기 채널(20) 크기보다 충분히 작아야 기공으로 인한 유로 형상의 왜곡을 방지할 수 있으므로, 상기 내부기공(31)의 직경이 상기 채널(20)의 폭 또는 높이 중 작은 치수의 1/100 내지 1/5인 것이 바람직하다. 나아가, 상기 내부기공(31)의 직경이 상기 채널(20)의 폭 또는 높이 중 작은 치수의 1/20 내지 1/10의 범위 내에서, 내부기공(31)으로 인한 채널(20) 형상의 왜곡을 최소화시킬 수 있다.

또한, 상기 기공부(30)의 폐쇄형 내부기공(31)의 직경은 10㎛ 내지 200㎛인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 20㎛ 내지 60㎛, 가장 바람직하게는 40㎛인 것이 효과적이다. 10㎛ 미만의 경우, 기공이 너무 작아 기공에 의한 열전도도 감소의 효과를 기대하기 어려우며, 200㎛를 초과할 경우, 채널(20)과 채널 사이를 연결시켜 유체 간에 섞이는 문제가 발생할 수 있다. 나아가 상기 기공이 40㎛의 직경을 가질 경우 기공으로 인한 채널 형상의 왜곡을 최소화시킬 수 있다.

한편, 상기 금속 기판(10)의 금속 소재는 기공부(30)를 형성하도록 성형이 가능한 금속이면 무방하나, 바람직하게는 알루미늄이 효과적이다. 알루미늄은 성형성이 우수하며, 열전도도가 우수하고, 밀도가 낮아 가벼운 열교환기의 제조가 가능한 장점이 있다.

마지막으로, 상기 채널(20)은, 서로 다른 온도의 유체가 흐르기 위한 통로로써, 채널 간 열전달이 이루어지는 부분에 해당한다.

도 3과 같이, 동일 금속 기판상에 형성된 채널(20)로 동일한 온도의 유체가 흐르며, 고온 유체(201)와 저온 유체(202)가 흘러가면서, 서로 다른 층간의 채널 사이에서 열전달이 이루어진다.

여기서, 상기 채널의 폭은, 500㎛ 내지 700㎛로 형성되며, 더욱 바람직하게는 600㎛로 형성된다. 또한, 상기 채널의 높이는, 300㎛ 내지 500㎛로 형성되며, 더욱 바람직하게는 400㎛로 형성된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

10 : 금속 기판
20 : 채널
201 : 고온 유체
202 : 저온 유체
30 : 기공부
31 : 내부 기공
32 : 표면 기공

Claims (7)

1. 적어도 하나의 채널이 형성된 복수의 금속 기판이 블레이즈 접합법에 의해 적층된 마이크로 채널 열교환기에 있어서,
   상기 금속 기판은 복수개가 서로 연결되지 않고 밀폐되며, 축방향의 열전달을 막아 상기 채널간의 열전달을 향상시키는 내부기공; 블레이징 접합에 의해 발생하는 용가재를 흡수하는 복수개의 표면기공; 을 포함하는 기공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열교환기.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 내부기공 또는 상기 표면기공의 직경은 상기 채널의 폭 또는 높이 중 작은 치수의 1/100 내지 1/5인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열교환기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 내부기공 또는 상기 표면기공의 직경은 10㎛ 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열교환기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 금속은 상기 기공부를 형성하도록 성형이 가능한 금속인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열교환기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 기공부를 형성하도록 성형이 가능한 금속은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열교환기.
7. 삭제

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