KR101228418B1 - 3차원 마이크로채널 판형 열교환기 및 이를 이용한 열교환 방법 - Google Patents

3차원 마이크로채널 판형 열교환기 및 이를 이용한 열교환 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 마이크로채널 판형 열교환기에 관한 것으로, 마이크로채널이 형성된 플레이트들이 적층되어 이루어진 열교환기에 있어서, 플레이트는 상면에 형성된 제1상부마이크로채널 및 하면에 형성된 제1하부마이크로채널이 형성된 제1플레이트; 및 상면에 형성된 제2상부마이크로채널 및 하면에 형성된 제2하부마이크로채널이 형성된 제2플레이트;가 포함되어 이루어지고, 그리고 제1플레이트 및 제2플레이트는 제1하부마이크로채널과 제2상부마이크로채널을 통해 제2유체가 유동하고, 제2하부마이크로채널과 제1상부마이크로채널을 통해 제1유체가 유동하도록 적층됨으로써, 플레이트의 양면에 각각 마이크로채널이 형성됨으로써 2개의 플레이트만으로 2개의 유체에 대한 열교환이 이루어지고, 제작비용이 감소하면서 열교환 효율이 향상하도록 된 것이다.

Description

3차원 마이크로채널 판형 열교환기 및 이를 이용한 열교환 방법{3-dimensional micro-channel plate-type heat exchanger and method for exchanging heats using thereof}
본 발명은 판형 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환기에서 유체들 상호 간의 열교환을 위해 구비된 플레이트의 개수를 감소시키면서 3차원 유로를 형성하여 강제적으로 유로를 유동하는 유체들을 섞어줌으로써 열교환효율이 향상되도록 한 3차원 마이크로채널 판형 열교환기 및 이를 이용한 열교환 방법에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로채널을 구비한 판형 열교환기는 일측면에만 다수의 마이크로채널을 구비한 얇고 작은 금속판을 다수 적층되고, 홀수층과 짝수층 금속판의 마이크로채널을 각각 유동하는 유체들 상호 간에 열교환이 이루어지는 기기이다. 그러나, 이러한 판형 열교환기는 마이크로채널 속성상 채널 내부를 유동하는 유체의 유체역학적인 특성이 층류영역에 해당되기 때문에 유체와 금속판의 열전달 효율이 낮았다.
마이크로채널을 구비한 판형 열교환기(10)의 다른 형태로는 도 1에 도시된 바와 같이, 유체들 상호 간의 열교환을 위해 제1플레이트(11), 제2플레이트(12) 및 제3플레이트(13)가 적층되어 이루어졌다. 따라서, 제1플레이트(11)의 제1마이크로채널(11a)을 유동하는 제1유체의 일부가 제2플레이트(12)의 제2마이크로채널(12a) 중 일부 채널을 유동하였다. 또한, 제3플레이트(13)의 제3마이크로채널(13a)을 유동하는 제2유체의 일부가 제2플레이트(12)의 제2마이크로채널(12a) 중 잔여 채널을 유동하였다. 이로 인해, 제1플레이트(11)를 유동하는 제1유체 및 제3플레이트(13)를 유동하는 제2유체가 제2플레이트(12)에서 열교환이 이루어졌다.
하지만, 제1유체 및 제2유체는 작은 단면적을 가진 채널 내부를 대략 직선으로 유동되면서 층류유동 형태에서 열교환이 이루어지기 때문에 제1유체 및 제2유체의 열교환 효율의 개선이 극히 미미하다는 문제점이 있었다.
또 다른 개선방향으로 본 발명의 출원인에 의해 도 2 및 도 3에서와 같은 3차원 열교환기(20)가 제안되었고, 이 3차원 열교환기(20)는 플레이트(21)의 전,후면에 각각 상호 어긋나는 방향으로 전방면 오목홈(22a) 및 후방면 오목홈(22b)이 형성된 마이크로 채널(22)이 형성되었다. 또한, 전방면 오목홈(22a)을 통과하는 유체와, 후방면 오목홈(22b)을 통과하는 유체가 만나도록 플레이트(21)의 전,후면에 형성된 오목홈(22a,22b)이 만나는 부위에서는 전,후면이 관통된 혼합공간(23)이 형성되었다.
하지만, 이 3차원 열교환기(20)는 도 2에서와 같이, 제1유체 및 제2유체의 열교환을 위해 최소한 플레이트(21) 양면에 격판(24)이 적층되어야 하기 때문에 열교환기(20)의 제작비용이 상승하고, 약간의 압력차에도 마이크로 채널(22)의 입출구부위의 변형이 불가피하였다. 또한, 제1유체 및 제2유체의 열교환을 위한 플레이트(21) 이외에 각각을 위한 격판(24)들이 모두 접합되어야 하기 때문에 접합부의 불량률이 증가하고, 열교환판 핀역할을 수행하는 플레이트(21)와 격판(24) 상호 간의 접합부의 열접촉저항 때문에 전체적인 열전달효율이 낮았다는 문제점이 있었다.
KR0991113 10 KR0594185 10
본 발명은 상기된 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 단지 2종류의 플레이트의 양면에 마이크로채널이 형성되어 상호 적층되면서 상단 하부의 유로와 하단 상부의 유로가 합쳐져서 만들게 되는 3차원 유로가 형성됨으로써, 유체들 상호 간의 열교환을 위한 플레이트의 개수를 줄이고, 3차원 유로를 갖는 마이크로채널을 통해 유체의 열교환이 활발히 이루어지며, 열교환기의 두께 및 무게를 경감시키면서 유체 상호 간은 물론 플레이트 상호 간의 열전달 효율이 향상되도록 한 3차원 마이크로채널 판형 열교환기 및 이를 이용한 열교환 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3차원 마이크로채널 판형 열교환기는, 마이크로채널이 형성된 플레이트들이 적층되어 이루어진 열교환기에 있어서, 플레이트는 상면에 형성된 제1상부마이크로채널 및 하면에 형성된 제1하부마이크로채널이 형성된 제1플레이트; 및 상면에 형성된 제2상부마이크로채널 및 하면에 형성된 제2하부마이크로채널이 형성된 제2플레이트;가 포함되어 이루어진다.
여기서, 제1플레이트 및 제2플레이트는 제1하부마이크로채널과 제2상부마이크로채널을 통해 제2유체가 유동하고, 제2하부마이크로채널과 제1상부마이크로채널을 통해 제1유체가 유동하도록 적층된다.
이때, 제1하부마이크로채널은 제1상부마이크로채널들 사이에 형성되고, 제2상부마이크로채널은 제2하부마이크로채널들 사이에 형성된다.
또한, 제1하부마이크로채널 및 제2상부마이크로채널은 일정 길이를 갖도록 파형 형상으로 이루어지고, 상호 길이방향으로 동일 중심선을 이루면서 파형 형상이 대칭으로 배치된다.
또한, 제2하부마이크로채널 및 제1상부마이크로채널은 일정 길이를 갖도록 파형 형상으로 이루어지고, 상호 길이방향으로 동일 중심선을 이루면서 파형 형상이 대칭으로 배치된다.
여기서, 제1플레이트는 제1상부마이크로채널과 일단부가 연결되고, 제1플레이트의 일측면에 타단부가 형성되어 제1플레이트의 일측면으로부터 제1유체가 유입되는 제1유입로; 및 제1상부마이크로채널과 일단부가 연결되고, 제1유입로와 반대 위치이면서 제1플레이트의 타측면에 타단부가 형성되어 제1플레이트의 타측면으로 제1유체가 배출되는 제1배출로;가 더 포함되어 이루어진다.
이때, 제1유입로는 제1플레이트를 평면에서 보아 상측 일면의 좌측부위에서 제1유체가 유입되도록 형성되고, 그리고 제1배출로는 제1플레이트를 평면에서 보아 하측 일면의 우측 부위에서 제1유체가 배출되도록 형성된다.
또한, 제1유입로들 중 1개의 유입로는 제1상부마이크로채널들 중 2개의 채널과 연결되도록 형성된다.
이때, 제1유입로들 중 1개의 유입로와 연결된 제1상부마이크로채널들 중 2개의 채널은 중앙분리부에 의해 분리된다.
또한, 제2플레이트는 제2상부마이크로채널에 일단부가 연결되고, 제2플레이트의 일측면에 타단부가 형성되어 제2플레이트의 일측면으로부터 제2유체가 유입되는 제2유입로; 및 제2상부마이크로채널에 일단부가 연결되고, 제2유입로와 반대 위치이면서 제2플레이트의 타측면에 타단부가 형성되어 제2플레이트의 타측면으로 제2유체가 배출되는 제2배출로;가 더 포함되어 이루어진다.
또한, 제2유입로 및 제2배출로는 제2플레이트를 평면에서 보아 우측 및 좌측 일면에서 제2유체가 유입 및 배출되도록 형성된다.
한편, 본 발명에 따른 3차원 마이크로채널 판형 열교환기를 이용한 열교환방법은, 제1플레이트의 일측면으로 제1유체가 유입되고, 제2플레이트의 일측면으로 제2유체가 유입되는 제1단계(S10); 제1플레이트에 유입된 제1유체가 제1상부마이크로채널에서 유동되고, 제2플레이트에 유입된 제2유체가 제2상부마이크로채널에서 유동되는 제2단계(S20); 제1상부마이크로채널에서 유동하는 제1유체 및, 제2상부마이크로채널에서 유동하는 제2유체 상호 간에 열교환이 이루어지는 제3단계(S30); 및 열교환이 끝난 제1유체가 제1플레이트의 타측면으로 배출되고, 제2유체가 제2플레이트의 타측면으로 배출되는 제4단계(S40);가 포함되어 이루어진다.
이때, 제3단계(S30)에서 제1유체의 일부는 파형 형상인 제1상부마이크로채널 및 제2하부마이크로채널이 중첩되어 상호 통하는 부위를 통해 제1상부마이크로채널에서 제2하부마이크로채널로 유동하고, 그리고 제2유체의 일부는 파형 형상인 제2상부마이크로채널 및 제1하부마이크로채널이 상호 중첩되어 상호 통하는 부위를 통해 제2상부마이크로채널에서 제1하부마이크로채널로 유동하여 제1유체 및 제2유체의 열교환이 이루어진다.
상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 플레이트의 양면에 각각 마이크로채널이 형성됨으로써 2개의 플레이트만으로 2개의 유체에 대한 열교환이 이루어지는 효과가 있다.
또한, 플레이트의 개수가 종래의 3∼4개에서 2개로 감소되어 제작비용이 저감되고, 열교환기의 두께 및 무게가 경감되면서 이동 및 유지 보수가 수월해지는 효과가 있다.
또한, 3차원 유로가 형성되어 제2플레이트의 제2상부마이크로채널을 유동하는 제2유체의 일부가 제1플레이트의 제1하부마이크로채널로 유입되어 혼합되고, 제1플레이트의 제1상부마이크로채널을 유동하는 제1유체의 일부가 제2플레이트의 제2하부마이크로채널로 유입되어 혼합됨으로써, 제1하부마이크로채널의 제2유체와 제1상부마이크로채널의 제1유체 상호 간의 열교환이 활발히 이루어져 열교환 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 제1유체가 유동하는 제1플레이트 및, 제2유체가 유동하는 제2플레이트가 종래와 같은 격벽이 없이 상호 직접 접촉됨으로써, 제1플레이트 및 제2플레이트에 의한 열교환이 부가되어 제1,2유체 간의 열교환이 더욱 활발히 이루어지는 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안된다.
도 1은 종래의 일실시예인 마이크로채널 판형 열교환기 개략적으로 도시된 부분 분리사시도이다.
도 2는 종래의 다른 실시예인 마이크로채널 판형 열교환기가 개략적으로 도시된 분리사시도이다.
도 3은 도 2에서의 플레이트가 도시된 확대도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 마이크로채널 판형 열교환기에서 적층된 다수의 플레이트가 개략적으로 도시된 부분 분리사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 제1플레이트의 상면 및 하면에 형성된 제1상부마이크로채널의 평면도 및 제1하부마이크로채널의 저면도가 비교 도시된 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 제1플레이트의 하면 및 제2플레이트의 상면에 형성된 제1하부마이크로채널의 저면도 및 제2상부마이크로채널의 평면도가 비교 도시된 도면이다.
도 7은 도 4에 도시된 제2플레이트의 상면 및 하면에 형성된 제2상부마이크로채널의 평면도 및 제2하부마이크로채널의 저면도가 비교 도시된 도면이다.
도 8은 도 4에 도시된 제2플레이트의 하면 및 제1플레이트의 상면에 형성된 제2하부마이크로채널의 저면도 및 제1상부마이크로채널의 평면도가 비교 도시된 도면이다.
도 9는 도 6에 도시된 제1플레이트의 제1상부마이크로채널 및 제1하부마이크로채널에 대해 평면상 중첩시켜 비교 도시된 도면이다.
도 10은 도 4에 도시된 제1,2플레이트에서 제1상부마이크로채널 및 제2하부마이크로채널 또는, 제1하부마이크로채널 및 제2상부마이크로채널이 평면상 중첩되어 비교 도시된 도면이다.
도 11은 도 7에 도시된 제2플레이트의 제2상부마이크로채널 및 제2하부마이크로채널에 대해 평면상 중첩시켜 비교 도시된 도면이다.
도 12는 도 10의 A-A선 측단면도이다.
도 13은 도 10의 B-B선 측단면도이다.
도 14는 도 10의 C-C선 측단면도이다.
도 15는 도 4에 도시된 열교환기를 이용하여 유체들 상호 간의 열교환하는 방법이 도시된 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
<구성>
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 마이크로채널 판형 열교환기에서 적층된 다수의 플레이트가 개략적으로 도시된 부분 분리사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 제1플레이트의 상면 및 하면에 형성된 제1상부마이크로채널의 평면도 및 제1하부마이크로채널의 저면도가 비교 도시된 도면이며. 도 6은 도 4에 도시된 제1플레이트의 하면 및 제2플레이트의 상면에 형성된 제1하부마이크로채널의 저면도 및 제2상부마이크로채널의 평면도가 비교 도시된 도면이고, 도 7은 도 4에 도시된 제2플레이트의 상면 및 하면에 형성된 제2상부마이크로채널의 평면도 및 제2하부마이크로채널의 저면도가 비교 도시된 도면이며, 도 8은 도 4에 도시된 제2플레이트의 하면 및 제1플레이트의 상면에 형성된 제2하부마이크로채널의 저면도 및 제1상부마이크로채널의 평면도가 비교 도시된 도면이고, 도 9는 도 6에 도시된 제1플레이트의 제1상부마이크로채널 및 제1하부마이크로채널에 대해 평면상 중첩시켜 비교 도시된 도면이며, 도 10은 도 4에 도시된 제1,2플레이트에서 제1상부마이크로채널 및 제2하부마이크로채널 또는, 제1하부마이크로채널 및 제2상부마이크로채널이 평면상 중첩되어 비교 도시된 도면이고, 도 11은 도 7에 도시된 제2플레이트의 제2상부마이크로채널 및 제2하부마이크로채널에 대해 평면상 중첩시켜 비교 도시된 도면이며, 도 12는 도 10의 A-A선 측단면도이고, 도 13은 도 10의 B-B선 측단면도이며, 도 14는 도 10의 C-C선 측단면도이다. 이하에서, 좌상측, 우하측, 하방(上方), 측방(側方), 상측, 하측, 좌측 및 우측 방향 등의 방향 표시는 도 5 및 도 7에 도시된 제1,2플레이트(200,300)의 방위(方位)를 기준으로 하고, 제1,2상부마이크로채널(220,320), 제1,2하부마이크로채널(240,340), 제1,2유입로(210,310) 및 제1,2배출로(230,330)의 위치를 정확히 지시하기 하기 위해 표현된다. 또한, 열교환기(100)를 설명하기 위해 유체(流體)를 예로 들었지만, 기체(氣體), 겔(gel) 등의 유동이 가능한 모든 물질이 가능하다. 또한, 도 5에서 제1상부마이크로채널(220)의 파형의 마루와 골 부위는 제1하부마이크로채널(240)의 파형의 마루와 골 부위가 대칭으로 도시되었다. 이는 작도상 평면도에 대해 저면도를 도시할 때 뒤집어서 도시되기 때문에 대칭으로 보이지만, 실제로는 도 9에서와 같이 마루와 골 부위가 동일하게 도시된다. 이러한 경우는 도 6 내지 도 8에도 동일하게 적용된다.
먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 3차원 마이크로채널 판형 열교환기(100)는 제1플레이트(200) 및 제2플레이트(300)가 교번으로 다수 적층되고, 제1플레이트(200) 및 제2플레이트(300)에 형성된 마이크로채널이 상호 중첩되어 3차원 유로를 형성하도록 이루어진다. 물론, 다수의 제1,2플레이트(200,300)가 적층된 상태에서 최상측에 위치한 제1플레이트(200) 및 최하측에 위치한 제2플레이트(300)에는 각각 엔드플레이트(미도시)가 적층됨은 당연하다. 설명의 편의상 엔드플레이트는 생략한다. 또한, 활발한 열교환을 위해 제1유체(400) 및 제2유체(410)의 유동방향은 반대로 형성된다. 즉, 제1유체(400)가 제1플레이트(200)의 좌측에서 유입되어 우측으로 배출되면, 제2유체(410)는 제2플레이트(300)의 우측에서 유입되어 좌측으로 배출된다.
제1플레이트(200)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1유입로(210), 제1상부마이크로채널(220), 제1배출로(230) 및 제1하부마이크로채널(240)이 포함되어 이루어진다.
여기서, 제1유입로(210)는 제1플레이트(200)의 좌상측 측면에 일단부가 형성되고, 제1상부마이크로채널(220)에 타단부가 연결되도록 형성된다. 따라서, 제1플레이트(200)에 유입되는 제1유체(400)는 유입관(14, 도 1 참조)을 통해 상면으로 유입되는 종래와는 달리 제1플레이트(200)의 좌상측 측면으로부터 유입된다. 물론, 종래와 같이 제1플레이트(200)의 상면으로 제1유체(400)가 유입되는 구성을 이룰 수도 있다. 이 제1유입로(210)는 도면을 참조하면 제1-1유입로(211), 제1-2유입로(212), 제1-3유입로(213), 제1-4유입로(214) 및 제1-5유입로(215)의 총 5개로 이루어지고, 필요에 따라 그 개수는 줄이거나 늘릴 수 있다.
또한, 제1상부마이크로채널(220)은 제1유체(400)가 유동하는 유동로로서, 평면상 마루와 골 부위를 갖는 파형(波形)으로 형성되어 제1유입로(210)에 일단부가 연결되고, 제1배출로(230)에 타단부가 연결되도록 형성된다. 여기서, 제1상부마이크로채널(220)은 제1-1상부마이크로채널(221), 제1-2상부마이크로채널(222), 제1-3상부마이크로채널(223), 제1-4상부마이크로채널(224), 제1-5상부마이크로채널(225), 제1-6상부마이크로채널(226), 제1-7상부마이크로채널(227), 제1-8상부마이크로채널(228), 제1-9상부마이크로채널(229) 및 제1-10상부마이크로채널(229a)의 총 10개로 이루어지고, 필요에 의해 그 개수는 줄이거나 늘릴 수 있다. 또한, 10개의 제1상부마이크로채널(220) 중 2개의 제1상부마이크로채널(220)은 5개의 제1유입로(210) 중 1개의 제1유입로(210)와 연결된다. 예를 들면, 제1-1유입로(211)에 대해 제1-1상부마이크로채널(221) 및 제1-2상부마이크로채널(222), 제1-2유입로(212)에 대해 제1-3상부마이크로채널(223) 및 제1-4상부마이크로채널(224), 제1-3유입로(213)에 대해 제1-5상부마이크로채널(225) 및 제1-6상부마이크로채널(226), 제1-4유입로(214)에 대해 제1-7상부마이크로채널(227) 및 제1-8상부마이크로채널(228) 및, 제1-5유입로(215)에 대해 제1-9상부마이크로채널(229) 및 제1-10상부마이크로채널(229a)이 연결된다. 이를 위해 1개의 제1유입로(210)와 연결된 2개의 제1상부마이크로채널(220)들 사이에는 중앙분리부(250)가 형성된다. 자세하게는, 중앙분리부(250)는 제1-1상부마이크로채널(221) 및 제1-2상부마이크로채널(222)을 분리시키면서 제1-1상부마이크로채널(221) 및 제1-2상부마이크로채널(222)이 제1-1유입로(211)에 연결되도록 형성된다. 물론, 중앙분리부(250)는 다른 제1상부마이크로채널(220)들에게도 동일하게 적용된다.
또한, 제1배출로(230)는 제1유입로(210)에 대해 대칭되도록 형성된다. 즉, 제1배출로(230)는 제1플레이트(200)의 우하측 일측면에 일단부가 형성되고, 제1상부마이크로채널(220)에 타단부가 연결되도록 형성된다. 이때, 제1배출로(230)는 제1유입로(210)와 마찬가지로 제1-1배출로(231), 제1-2배출로(232), 제1-3배출로(233), 제1-4배출로(234) 및 제1-5배출로(235)의 총 5개로 이루어지고, 각각의 제1배출로(230)는 총 10개의 제1상부마이크로채널(220) 중 2개씩 연결된다. 자세하게는, 제1-1배출로(231)에 대해 제1-1상부마이크로채널(221) 및 제1-2상부마이크로채널(222), 제1-2배출로(232)에 대해 제1-3상부마이크로채널(223) 및 제1-4상부마이크로채널(224), 제1-3배출로(233)에 대해 제1-5상부마이크로채널(225) 및 제1-6상부마이크로채널(226), 제1-4배출로(234)에 대해 제1-7상부마이크로채널(227) 및 제1-8상부마이크로채널(228) 및, 제1-5배출로(235)에 대해 제1-9상부마이크로채널(229) 및 제1-10상부마이크로채널(229a)이 연결된다. 여기서, 제1플레이트(200)에서 배출되는 제1유체(400)는 상면에 연결된 유출관(16,도 1 참조)을 통해 배출되는 종래와는 달리, 제1플레이트(200)의 제1배출로(230)를 통해 우하측 측면으로 배출되도록 이루어진다. 물론, 종래와 같이 상면에서 배출되도록 구성될 수도 있다.
또한, 제1하부마이크로채널(240)은 도 5 및 9에서와 같이 제1상부마이크로채널(220)들 사이에 배치되고, 파형 형상은 제1상부마이크로채널(220)의 파형 형상과 동일하게 즉, 마루와 골 부위가 동일하게 위치되면서 양단부가 폐쇄되어 이루어진다. 이때, 제1하부마이크로채널(240)의 길이는 대략 제1상부마이크로채널(220)의 길이와 유사하고, 제1하부마이크로채널(240) 및 제2상부마이크로채널(320)의 중첩으로 형성된 공간은 제2유입로(310) 또는 제2배출로(330)의 공간보다 더 크고, 이 공간에서 제2유입로(310)를 통해 유입된 제2유체(410)가 유동한 후 제2배출로(330)를 통해 배출된다. 여기서, 제1하부마이크로채널(240)은 제1-1하부마이크로채널(241), 제1-2하부마이크로채널(242), 제1-3하부마이크로채널(243), 제1-4하부마이크로채널(244), 제1-5하부마이크로채널(245), 제1-6하부마이크로채널(246), 제1-7하부마이크로채널(247), 제1-8하부마이크로채널(248) 및 제1-9하부마이크로채널(249)의 총 9개로 이루어지며, 필요에 의해 그 개수는 제1상부마이크로채널(220)의 개수에 따라 줄이거나 늘릴 수 있다. 또한, 제1하부마이크로채널(240)을 도 9를 예로 들어 설명하면, 제1-1하부마이크로채널(241)은 제1-1상부마이크로채널(221) 및 제1-2상부마이크로채널(222) 사이에 위치되고, 제1-1하부마이크로채널(241)에서 파형의 마루 및 골 부위는 제1-1상부마이크로채널(221)에서 파형의 마루 및 골 부위와 동일한 방향으로 배치된다. 한편, 제1하부마이크로채널(240)은 제2상부마이크로채널(320)과 길이방향으로 동일 중심선을 가지고, 파형 형상은 상호 대칭으로 배치되며, 이때 제2상부마이크로채널(320)을 유동하는 제2유체(410)가 제1하부마이크로채널(240)에 유입된 후 다시 제2상부마이크로채널(320)로 유동될 수 있도록 배치된다. 이에 대해 도 10을 예로 들어 설명하면, 제1-1하부마이크로채널(241)과 제2-1상부마이크로채널(321)은 길이방향으로 동일 중심선을 가지면서 상호 대칭되는 파형을 갖도록 배치되어 중첩되는 부위에서는 상호 통하도록 이루어진다. 이와 같이, 2개의 파형이 중첩되는 부위를 통해 제2유체(410)가 넘나들 수 있도록 제1-1하부마이크로채널(241)과 제2-1상부마이크로채널(321)은 통하게 된다. 또한, 제1-1하부마이크로채널(241)과 제2-1상부마이크로채널(321)은 인접된 제1-2하부마이크로채널(242) 및 제2-2상부마이크로채널(322)과는 연결되지 않도록 형성된다.
한편, 제2플레이트(300)는 도 7에 도시된 바와 같이, 제2유입로(310), 제2상부마이크로채널(320), 제2배출로(330) 및 제2하부마이크로채널(340)이 형성되어 이루어진다.
여기서, 제2유입로(310)는 제2플레이트(300)의 우측 측면에 일단부가 형성되고, 제2상부마이크로채널(320)에 타단부가 연결되도록 형성된다. 따라서, 제2플레이트(300)에 유입되는 제2유체(410)는 유입관(15, 도 1 참조)을 통해 상면으로 유입되는 종래와는 달리 제1플레이트(200)의 우측 측면으로부터 유입된다. 물론, 종래와 같이 제2플레이트(300)의 상면으로 제2유체(410)가 유입되는 구성을 이룰 수도 있다. 이 제2유입로(310)는 도 7을 참조하면 제2-1유입로(311), 제2-2유입로(312), 제2-3유입로(313), 제2-4유입로(314), 제2-5유입로(315), 제2-6유입로(316), 제2-7유입로(317), 제2-8유입로(318) 및 제2-9유입로(319)의 총 9개로 이루어지고, 필요에 따라 그 개수는 제2상부마이크로채널(320)과 관련하여 줄이거나 늘릴 수 있다.
또한, 제2상부마이크로채널(320)은 도 6 및 도 7에서와 같이, 제2유체(410)가 유동하는 유동로로서, 평면상 파형으로 형성되어 제2유입로(310)에 일단부가 연결되고, 제2배출로(330)에 타단부가 연결되도록 형성된다. 이때, 제2상부마이크로채널(320)은 제2-1상부마이크로채널(321), 제2-2상부마이크로채널(322), 제2-3상부마이크로채널(323), 제2-4상부마이크로채널(324), 제2-5상부마이크로채널(325), 제2-6상부마이크로채널(326), 제2-7상부마이크로채널(327), 제2-8상부마이크로채널(328) 및 제2-9상부마이크로채널(329)의 총 9개로 이루어진다. 여기서, 제1상부마이크로채널(220) 및 제2하부마이크로채널(340)과 유사한 배치를 갖도록, 제2상부마이크로채널(320)은 제2하부마이크로채널(340)들 사이에 배치되면서 파형 형성의 마루와 골 부위가 동일한 방향으로 배치된다. 일예로, 도 11에서와 같이 제2-1상부마이크로채널(321)은 제2-1하부마이크로채널(341) 및 2-2하부마이크로채널(342) 사이에 동일한 파형 형상이 위치하도록 배치된다. 또한, 제2상부마이크로채널(320)과 제1하부마이크로채널(240) 간의 위치 및 파형 형상 배치는 도 10과 더불어 제1하부마이크로채널(240)을 설명하면서 상술되었으므로 생략한다.
또한, 제2배출로(330)는 제2유입로(310)에 대해 대칭되도록 형성된다. 즉, 제2배출로(330)는 도 7에서와 같이, 제2플레이트(300)의 좌측 일측면에 일단부가 형성되고, 제2상부마이크로채널(320)에 타단부가 연결되도록 형성된다. 이때, 제2배출로(330)는 제2유입로(310)와 마찬가지로 제2-1배출로(331), 제2-2배출로(332), 제2-3배출로(333), 제2-4배출로(334), 제2-5배출로(335), 제2-6배출로(336), 제2-7배출로(337), 제2-8배출로(338) 및 제2-9배출로(339)의 총 9개로 이루어지고, 이는 제2유입로(310) 및 제2상부마이크로채널(320)의 개수와 상응하도록 그 개수를 줄이거나 늘릴 수 있다. 여기서, 제2플레이트(300)에서 배출되는 제2유체(410)는 상면에 연결된 유출관(17, 도 1 참조)을 통해 배출되는 종래와는 달리, 제2플레이트(300)의 제2배출로(330)를 통해 촤측 측면으로 배출되도록 이루어진다. 물론, 종래와 같이 상면에서 배출되도록 구성될 수도 있다.
또한, 제2하부마이크로채널(340)은 도 7 및 도 11에서와 같이, 제2상부마이크로채널(320)들을 사이에 두도록 배치되고, 파형 형상은 제2상부마이크로채널(320)의 파형 형상과 동일하게 즉, 마루와 골 부위가 동일하게 위치되면서 양단부가 폐쇄되어 이루어진다. 이때, 제2하부마이크로채널(340)의 길이는 제2상부마이크로채널(320)의 길이보다 짧고, 제2하부마이크로채널(340) 및 제1상부마이크로채널(220)의 중첩으로 형성된 공간은 제1유입로(210) 또는 제1배출로(230)의 공간보다 더 크고, 이 공간에서 제1유입로(210)를 통해 유입된 제1유체(400)가 유동한 후 제1배출로(230)을 통해 배출된다. 여기서, 제2하부마이크로채널(340)은 제2-1하부마이크로채널(341), 제2-2하부마이크로채널(342), 제2-3하부마이크로채널(343), 제2-4하부마이크로채널(344), 제2-5하부마이크로채널(345), 제2-6하부마이크로채널(346), 제2-7하부마이크로채널(347), 제2-8하부마이크로채널(347), 제2-9하부마이크로채널(349) 및 제2-10하부마이크로채널(349a)의 총 10개로 이루어지며, 필요에 의해 그 개수는 제2상부마이크로채널(320) 및 제1상부마이크로채널(220)의 개수에 따라 줄이거나 늘릴 수 있다. 또한, 제2하부마이크로채널(340)을 도 11을 예로 들어 설명하면, 제2-1하부마이크로채널(341) 및 제2-2하부마이크로채널(342)은 제2-1상부마이크로채널(321)을 사이에 두도록 배치되고, 파형의 마루와 골 부위는 동일한 방향으로 배치된다. 또한, 제2하부마이크로채널(340)은 제1상부마이크로채널(220)과 길이방향으로 동일 중심선을 가지고, 파형 형상은 상호 대칭으로 배치된다. 이때, 이들 2개의 파형이 상호 중첩된 부위를 통해 제1상부마이크로채널(220)을 유동하는 제1유체(400)가 제2하부마이크로채널(340)에 유입되어 유동될 수 있도록 배치된다. 이에 대해 도 10을 예로 들어 설명하면, 제2-1하부마이크로채널(341)과 제1-1상부마이크로채널(221)은 길이방향으로 동일한 중심선을 가지면서 상호 대칭된 파형에서 중첩된 부위가 상호 통하도록 배치된다. 이와 같이, 2개의 파형이 중첩된 부위를 통해 제1유체(400)가 넘나들 수 있는 제2-1하부마이크로채널(341)과 제1-1상부마이크로채널(221)은 인접된 제2-2하부마이크로채널(342) 및 제1-2상부마이크로채널(222)과는 연결되지 않도록 형성된다.
이와 같이, 제1플레이트(200) 및 제2플레이트(300)가 중첩된 상태인 도 10에서의 A-A선, B-B선 및 C-C선 측단면도가 도 12 내지 도 14에 도시되어 있다. 도 12 내지 도 14는 제1하부마이크로채널(240) 및 제2상부마이크로채널(320)이 접촉된 상태에서 각각의 파형 형상이 대칭되어 상호 엇갈린 상태를 도시한 것이다. 도 12의 A-A 지점에서는 제1하부마이크로채널(240) 및 제2상부마이크로채널(320)은 상호 이격되고, 제2유체(410)는 각각의 채널로만 이동하는 상태이다. 또한, 도 13 및 도 14의 B-B지점 및 C-C지점에서는 제1하부마이크로채널(240) 및 제2상부마이크로채널(320)이 상호 일부 및 완전 중첩되어 각각의 채널이 서로 통하는 상태로 제2유체(410) 역시 채널을 넘나드는 유동을 할 수 있게 된다.
<방법>
도 15는 도 4에 도시된 열교환기를 이용하여 유체들 상호 간의 열교환하는 방법이 도시된 흐름도이다.
본 발명에 따른 3차원 마이크로채널 판형 열교환기(100)에 의해 유체들 간의 열교환이 이루어지는 방법은, 먼저 제1,2플레이트(200,300)의 측면 방향에서 제1,2유체(400,410)가 각각 제1,2상부마이크로채널(220,320)에 유입(S10)된다. 자세하게는 제1유체(400)는 제1유입로(330)를 통해 제1플레이트(200)의 좌상측 일측면으로부터 유입되고, 제2유체(410)는 제2유입로(310)를 통해 제2플레이트(300)의 우측 일측면으로부터 유입된다.
다음으로, 제1,2유체(400,410)가 각각 제1,2상부마이크로채널(220,320)에 유입되어 유동(S20)된다. 자세하게는, 제1유체(400)는 제1유입로(210)를 통해 유입된 후, 제1상부마이크로채널(220) 및 양단부가 폐쇄된 제2하부마이크로채널(340)의 중첩으로 상기 제1유입로(210)보다 더 크게 형성된 공간에서 유동하게 된다. 또한, 제2유체(410)는 상기 제2유입로(310)를 통해 유입된 후, 제2상부마이크로채널(320) 및 양단부가 폐쇄된 제1하부마이크로채널(240)의 중첩으로 상기 제2유입로(310)보다 더 크게 형성된 공간에서 유동하게 된다. 또한, 제1상부마이크로채널(220) 및 제2하부마이크로채널(340)이 다수의 부분에서 중첩되어 통하고, 제2상부마이크로채널(320) 및 제1하부마이크로채널(240)이 다수의 부분에서 중첩되어 통하게 배치된다. 따라서, 제1유체(400)는 제1상부마이크로채널(220)을 유동하면서 일부가 제2하부마이크로채널(340)로 유입되어 유동되고, 제2유체(410)는 제2상부마이크로채널(320)을 유동하면서 일부가 제1하부마이크로채널(240)로 유입되어 유동된다. 즉, 제1유체(400) 및 제2유체(410)는 각각 제1상부마이크로채널(220) 및 제2상부마이크로채널(320)로 유입되어 유동하는 동안 제1상부마이크로채널(220) 및 제2하부마이크로채널(340), 제2상부마이크로채널(320) 및 제1하부마이크로채널(240)을 넘나들면서 유동하게 된다.
다음으로, 제1,2유체(400,410) 상호 간의 열교환(S30)이 이루어진다. 이때, 제1유체(400)가 제1상부마이크로채널(220) 및 제2하부마이크로채널(340)을, 제2유체(410)가 제2상부마이크로채널(320) 및 제1하부마이크로채널(240)을 넘나들면서 유동하게 되고, 제1유체(400)와 제2유체(410)가 상호 반대 방향으로 유동하면서 열교환이 이루어진다. 또한, 제1유체(400)가 유입되는 제1플레이트(200) 및 제2유체(410)가 유입되는 제2플레이트(300)가 직접 접촉되므로, 플레이트 상호 간의 열교환도 활발히 이루어진다.
끝으로, 제1,2유체(400,410)가 각각 제1,2상부마이크로채널(220,320)을 통해 제1,2플레이트(200,300)의 측면방향으로 배출된다. 자세하게는, 제1유체(400)는 제1상부마이크로채널(220)과 연결된 제1배출로(230)를 통해 제1플레이트(200)의 우하측 일측면으로 배출된다. 또한, 제2유체(410)는 제2상부마이크로채널(320)과 연결된 제2배출로(330)를 통해 제2플레이트(300)의 좌측 일측면으로 배출된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에서 명확히 개시되며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100...3차원 마이크로채널 판형 열교환기,
200...제1플레이트, 210...제1유입구,
220...제1상부마이크로채널, 230...제1배출구,
240...제1하부마이크로채널, 250...중앙 분리부,
300...제2플레이트, 310...제2유입구,
320...제2상부마이크로채널, 330...제2배출구,
340...제2하부마이크로채널, 400...제1유체,
410...제2유체.

Claims (13)

  1. 마이크로채널이 형성된 플레이트들이 적층되어 이루어진 열교환기에 있어서,
    상기 플레이트는,
    상면에 형성된 제1상부마이크로채널(220) 및 하면에 형성된 제1하부마이크로채널(240)이 형성된 제1플레이트(200); 및
    상면에 형성된 제2상부마이크로채널(320) 및 하면에 형성된 제2하부마이크로채널(340)이 형성된 제2플레이트(300);가 포함되어 이루어지고, 그리고
    파형 형상의 상기 제1하부마이크로채널(240) 및 상기 제2상부마이크로채널(320)은 제2유체(420)가 유동하는 공간을 형성하기 위해 길이방향으로 동일 중심선이면서 파형 형상이 대칭되어 다수의 지점에서 상호 통하도록 배치되고,
    파형 형상의 상기 제2하부마이크로채널(340) 및 상기 제1상부마이크로채널(220)은 제1유체(400)가 유동하는 공간을 형성하기 위해 길이방향으로 동일 중심선이면서 파형 형상이 대칭되어 다수의 지점에서 상호 통하도록 배치되며,
    상기 제1,2유체(400,420)의 유동은 평면상 상기 파형 형상에 의한 좌,우의 굴곡형태 및, 측면상 상기 파형 형상이 대칭되어 상호 통하는 지점을 통한 상,하의 승,하강 형태의 3차원 유동형태를 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로채널 판형 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1하부마이크로채널(240)은 상기 제1상부마이크로채널(220)들 사이에 형성되고, 상기 제2상부마이크로채널(320)은 상기 제2하부마이크로채널(340)들 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로채널 판형 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1하부마이크로채널(240) 및 상기 제2하부마이크로채널(340)은 양단부가 폐쇄된 형상이고, 그리고
    상기 제2하부마이크로채널(340)과 상기 제1상부마이크로채널(220) 및, 상기 제1하부마이크로채널(240)과 상기 제2상부마이크로채널(320)의 중첩으로 형성되어 상기 제1,2유체(400,401)가 열교환을 위해 유동하는 공간은 상기 제1,2유체(400,410)가 유입 또는 배출되는 기타 부위의 공간보다 더 큰 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로채널 판형 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1플레이트(200)는,
    상기 제1상부마이크로채널(220)과 일단부가 연결되고, 상기 제1플레이트(200)의 일측면에 타단부가 형성되어 상기 제1플레이트(200)의 일측면으로부터 상기 제1유체(400)가 유입되는 제1유입로(210); 및
    상기 제1상부마이크로채널(220)과 일단부가 연결되고, 상기 제1유입로(210)와 반대 위치이면서 상기 제1플레이트(200)의 타측면에 타단부가 형성되어 상기 제1플레이트(200)의 타측면으로 상기 제1유체(400)가 배출되는 제1배출로(230);가 더 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로채널 판형 열교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1유입로(210)는 상기 제1플레이트(200)를 평면에서 보아 상측 일면의 좌측부위에서 상기 제1유체(400)가 유입되도록 형성되고, 그리고
    상기 제1배출로(230)는 상기 제1플레이트(200)를 평면에서 보아 하측 일면의 우측 부위에서 상기 제1유체(400)가 배출되도록 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로채널 판형 열교환기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1유입로(210)들 중 1개의 유입로는 상기 제1상부마이크로채널(220)들 중 2개의 채널과 연결되도록 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로채널 판형 열교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1유입로(210)들 중 1개의 유입로와 연결된 상기 제1상부마이크로채널(220)들 중 2개의 채널은 중앙분리부(250)에 의해 분리된 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로채널 판형 열교환기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2플레이트(300)는,
    상기 제2상부마이크로채널(320)에 일단부가 연결되고, 상기 제2플레이트(300)의 일측면에 타단부가 형성되어 상기 제2플레이트(300)의 일측면으로부터 상기 제2유체(420)가 유입되는 제2유입로(310); 및
    상기 제2상부마이크로채널(320)에 일단부가 연결되고, 상기 제2유입로(310)와 반대 위치이면서 상기 제2플레이트(300)의 타측면에 타단부가 형성되어 상기 제2플레이트(300)의 타측면으로 상기 제2유체(420)가 배출되는 제2배출로(330);가 더 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로채널 판형 열교환기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2유입로(310) 및 상기 제2배출로(330)는 상기 제2플레이트(300)를 평면에서 보아 우측 및 좌측 일면에서 상기 제2유체(420)가 유입 및 배출되도록 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로채널 판형 열교환기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 3차원 마이크로채널 판형 열교환기를 이용하여 열을 교환하는 방법에 있어서,
    제1플레이트(200)의 일측면에서 제1유입로(210)를 통해 제1유체(400)가 유입되고, 제2플레이트(300)의 일측면에서 제2유입로(310)를 통해 제2유체(410)가 유입되는 제1단계(S10);
    상기 제1유입로(210)를 통해 유입된 상기 제1유체(400)가 제1상부마이크로채널(220) 및 양단부가 폐쇄된 제2하부마이크로채널(340)의 중첩으로 형성되어 상기 제1유입로(210)보다 더 큰 공간에서 유동되고, 상기 제2유입로(310)를 통해 유입된 상기 제2유체(410)가 제2상부마이크로채널(320) 및 양단부가 폐쇄된 제1하부마이크로채널(240)의 중첩으로 형성되어 상기 제2유입로(310)보다 더 큰 공간에서 유동되는 제2단계(S20);
    상기 제1상부마이크로채널(220) 및 상기 제2하부마이크로채널(340)에서 유동하는 상기 제1유체(400) 및, 상기 제2상부마이크로채널(320) 및 상기 제1하부마이크로채널(240)에서 유동하는 상기 제2유체(410) 상호 간에 열교환이 이루어지는 제3단계(S30); 및
    열교환이 끝난 상기 제1유체(400)가 상기 제1상부마이크로채널(220) 및 상기 제2하부마이크로채널(340)의 중첩으로 형성된 공간보다 더 작은 공간을 갖는 제1배출로(230)를 통해 상기 제1플레이트(200)의 타측면으로 배출되고, 상기 제2유체(410)가 상기 제2상부마이크로채널(320) 및 상기 제1하부마이크로채널(240)의 중첩으로 형성된 공간보다 더 작은 공간을 갖는 제2배출로(330)를 통해 상기 제2플레이트(300)의 타측면으로 배출되는 제4단계(S40);가 포함되어 이루어지고, 그리고
    상기 제3단계(S30)에서,
    상기 제1유체(400)의 일부는 파형 형상인 상기 제1상부마이크로채널(220) 및 제2하부마이크로채널(340)이 중첩되면서 상호 통하는 부위를 통해 상기 제1상부마이크로채널(220) 및 제2하부마이크로채널(340)을 넘나들며 좌,우,상,하의 3차원 형태로 유동하고,
    상기 제2유체(410)의 일부는 파형 형상인 상기 제2상부마이크로채널(320) 및 제1하부마이크로채널(240)이 중첩되면서 상호 통하는 부위를 통해 상기 제2상부마이크로채널(320) 및 제1하부마이크로채널(240)을 넘나들며 좌,우,상,하의 3차원 형태로 유동하면서 상호 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 3차원 마이크로채널 판형 열교환기를 이용한 열교환방법.
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