KR101992482B1 - 3d프린터를 이용한 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상판 및 하판과 양쪽의 측판으로 감싸진 틀체 내부에 전열관들이 상기 상판 및 하판을 관통하여 일렬종대 및 일렬횡대로 다수개 나열되고, 상기 횡방향으로 나열된 전열관들은 양쪽으로 갈라졌다가 합쳐지는 다수의 분기관들이 다단으로 형성되어 분기관들의 사이로 외기가 통과되고, 상기 전열관들의 서로 이웃한 각 분기관들은 합쳐져서 열교환대상물이 각 전열관들에 퍼져나가도록 함으로써, 방열면적이 확대되고, 또한 이들 구성요소들이 전자빔용해법(EBM) 또는 선택 레이저소결(SLS) 프린팅 기법에 의해 동시에 성형되도록 한 3D프린터를 이용한 열교환기에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 상판, 하판 및 양쪽의 측판이 3D프린팅되어 외기가 수평으로 통과하는 틀체가 일체로 구성되고; 상기 틀체 내부에는 다수의 전열관이 일렬종대 및 일렬횡대로 다수열 3D프린팅 되는데, 상기 전열관들은 상단 및 하단이 상기 상판 및 하판을 관통하여서 열교환대상물체가 흘러가게 일체로 구비되고; 상기 전열관들은 양쪽으로 갈라진 뒤 다시 합쳐지는 분기관들이 다단으로 다수개 구비되고, 상기 횡방향의 분기관들은 서로 접하는 부분이 통하게 합류부로 구성되어서 상기 횡방향의 전열관들이 하나로 연결되도록 3D프린팅되는 특징이 있다.

Description

3D프린터를 이용한 열교환기{The heat exchangers using a 3D printer}
본 발명은 3D프린터를 이용한 기체용 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상판 및 하판과 양쪽의 측판으로 감싸진 틀체 내부에 전열관들이 상기 상판 및 하판을 관통하여 일렬종대 및 일렬횡대로 다수개 나열되고, 상기 전열관들은 양쪽으로 갈라졌다가 합쳐지는 다수의 분기관들이 다단으로 형성되어 분기관들의 중앙으로 외기가 통과되고, 상기 횡방향의 전열관들은 서로 이웃한 각 분기관들이 합쳐져서 하나로 연결되도록 함으로써, 방열면적이 확대되고, 또한 이들 구성요소들이 전자빔용해법(EBM) 또는 선택 레이저소결(SLS) 프린팅 기법에 의해 동시에 성형되도록 한 3D프린터를 이용한 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 기체용 판형 열교환기는 폐 가스 및 배기 가스 등의 고온 가스를 이용하여 차가운 공기 등의 급기 유체를 뜨겁게 데우는 열교환기를 의미하는 것으서 데우고자하는 공기와 열 매개 가스는 전열판재가 형성하는 가로통로와 세로통로에서 교차되면서 열교환되는 구조이다. 이러한 판형 열교환기는 전열판재를 적층하여 가로통로와 세로통로가 교차되는 구조를 형성하는데, 상기 전열판재의 사방 모서리부는 상기 가로통로와 세로통로의 끝단이 서로 엇갈리게 마주 접하는 부분이다. 상기 모서리부는 가로측의 가로통로와 세로측의 세로통로가 직각으로 교차되며 상하 엇갈리는 입체적인 형태로 개방된 부분이므로 이 모서리부분을 막아 열교환 중인 가스의 누설을 막을 필요가 있다.
종래에는 직각으로 절곡된 모서리밀폐수단을 상기 전열판재의 사방 모서리에 대고 세로통로 또는 가로통로의 안쪽에서 용접하는 방법을 사용하였다. 따라서 작업자가 용접봉을 가로통로 및 세로통로의 내부로 넣고 작업하다 보니 작업자세가 불편하고 용접부위가 안쪽으로 향하여 직접 확인하기 어려운 단점이 있었다. 특히 가로통로 및 세로통로가 1mm 이내의 소형이고, 전열판재 역시 0.1mm ∼ 0.15mm의 두께를 갖는 소형 박판일 경우 용접으로 모서리부를 밀폐시킨다는 것은 불가능하였다.
본 발명자는 이러한 문제를 해소하고자 국내특허 제1356474호에 판형열교환기를 제안한 바 있다. 이는 소형 박판의 전열판재를 다수개 나열하여 서로 교차되는 가로통로와 세로통로가 반복 형성되도록 하되, 상기 전열판재의 상단 및 하단을 안정되게 고정하는 끼움자리가 마련된 상부틀 및 하부틀을 구비함으로써, 압력 및 온도차로 인하여 전열판재의 팽창변화가 방지되고 전열판재를 상부틀 및 하부틀에 꼽으면 가로 및 세로통로의 간격이 일정하게 유지되고 또한 전열판재가 꼽힌 끼움자리는 브레이징 또는 레이저로 쉽게 용접할 수 있다.
그러나 소형 박판의 전열판재를 절곡하고, 이를 상,하부틀에 꼽아 고정시키는 기술은 정밀도를 요하는 작업으로 대량생산이 어렵다. 특히 기체의 유속이 빠를 경우 전열면적 또는 전열길이를 늘려 열교환효율이 떨어지지 않도록 해야되나, 제한된 크기 내에서 전열면적이나 길이를 키우는데 한계가 있었다.
최근에는 소형이면서 내부 구조가 복잡한 형태이더라도 일체로 생산가능한 3D프린터들이 개발되고 있다. 연속적인 층들을 증착하여 제품을 생산하기 위한 두 가지 잘 알려진 방법으로 선택 레이저 소결(SLS)법 및 전자빔용해법(EBM)이 있다. 이 방법들은 모두 재료의 연속적인 얇은 단면들을 증착하여 3차원의 제품들을 제조한다. 평평한 표면 위에 분말의 얇은 층을 분산하는 것을 수반한다. 층이 표면 위에 분산된 후, 레이저 또는 전자빔이 선택된 분말 영역에 닿아 이 영역들을 융합(fuse)한다. 분말의 연속적인 층들은 선행 층들 위에 분산되고 레이저 또는 전자빔에 의한 소결 또는 융합에 의해 3차원 제품이 만들어진다.
이러한 3D프린터를 이용하면 제한된 크기의 틀체 내부에 전열관을 종횡방향으로 배치하고 전열관들을 서로 연결하며, 또한 전열관을 복잡한 형태의 격자형 방열구조로 만들어서 열교환면적을 증가시키는 것이 가능해진다.
본 발명은 종래의 문제점을 감안하여 개발한 것으로서, 본 발명의 목적은 상판 및 하판과 양쪽의 측판으로 감싸진 틀체 내부에 전열관들이 상기 상판 및 하판을 관통하여 일렬종대 및 일렬횡대로 다수개 나열되고, 상기 전열관들은 양쪽으로 갈라졌다가 합쳐지는 다수의 분기관들이 다단으로 형성되어 분기관들의 중앙으로 외기가 통과되고, 상기 횡방향의 전열관들은 서로 이웃한 분기관들이 합쳐져서 하나로 연결되도록 함으로써, 방열면적이 확대되고, 또한 이들 구성요소들이 전자빔용해법(EBM) 또는 선택 레이저소결(SLS) 프린팅 기법에 의해 동시에 성형되도록 한 3D프린터를 이용한 열교환기를 제공함에 있다.
이를 위하여 본 발명은 상판, 하판 및 양쪽의 측판이 3D프린팅되어 외기가 수평으로 통과하는 틀체가 일체로 구성되고; 상기 틀체 내부에는 다수의 전열관이 일렬종대 및 일렬횡대로 다수열 3D프린팅 되는데, 상기 전열관들은 상단 및 하단이 상기 상판 및 하판을 관통하여서 열교환대상물체가 흘러가게 일체로 구비되고; 상기 전열관들은 양쪽으로 갈라진 뒤 다시 합쳐지는 분기관들이 다단으로 다수개 구비되고, 상기 횡방향의 분기관들은 서로 접하는 부분이 통하게 합류부로 구성되어서 상기 횡방향의 전열관들이 하나로 연결되도록 3D프린팅되는 특징이 있다.
본 발명에 따르면 직경 1mm 내외의 소형 전열관이 틀체 내부에 일렬종대 및 일렬횡대로 다수개 나열되는데, 이들 전열관들의 상,하단은 틀체의 상판 및 하판을 관통한다. 따라서 상판으로부터 공급되는 열교환대상물이 각각의 전열관들에 동시에 공급된 뒤 각 전열관들의 하단으로 빠져나간다.
횡방향으로 나열된 전열관들은 양쪽으로 갈라졌다가 합쳐지는 다수의 분기관들이 다단으로 구비되는데, 이들 분기관들은 육각형의 모양으로 구성된다. 그리고 각 분기관들의 육각형 중앙에는 외가가 빠져나가는 통로가 형성되어 전열관 및 분기관들의 내부로 흐르는 열교환대상물과 열교환된다. 또한 각 전열관들의 서로 이웃한 분기관들은 합쳐져서 열교환대상물이 각 전열관들의 내부로 넓게 퍼져 확산된다.
결국 열교환대상물이 각 전열관들 마다 단독으로 통과되는 것이 아니라 횡방향으로 나열된 다수의 전열관들의 내부로 지그재그 형태로 퍼져 나가면서 통과 길이가 늘어나므로 열교환 면적이 증가되는 효과가 있다. 또한 횡방향으로 나열된 각 전열관들의 사이에도 외기가 통과되는 보조통로가 만들어지므로 열교환효율이 향상되는 이점이 있다.
그리고 상기 틀체, 전열관 및 분기관들은 선택 레이저 소결(SLS) 또는 전자빔용해법(EBM)의 프린팅 기법에 의해 형성되는데, 평평한 표면 위에 금속분말의 얇은 층을 형성하고, 레이저 또는 전자빔이 선택된 분말 영역에 닿아 이 영역들을 융합(fuse)하고, 분말의 연속적인 층들은 선행 층들 위에 분산되고 레이저에 의한 소결 또는 융합에 의해 3차원의 틀체, 전열관 및 분기관들이 일체로 완성되어 복잡한 형상의 열교환기를 빠르게 생산할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명 한 실시예의 열교환기의 조립 사시도
도 2는 본 발명 한 실시예의 열교환기의 일부 사시도
도 3은 본 발명 한 실시예의 열교환기의 정면도
도 4는 본 발명 한 실시예의 열교환기의 일부 확대 정단면도
도 5는 도 3의 A - A선 단면도
도 6는 도 3의 B - B선 단면도
도 1 내지 도 6에서 본 발명 한 실시예의 열교환기는 상판(11), 하판(12) 및 양쪽의 측판(13)으로 직사각형태의 중공상 틀체(10)가 일체로 3D프린팅 되는데, 상기 틀체(10)의 내부 공간은 외기가 수평으로 통과되는 부분이다. 이 틀체(10)의 내부에 열교환대상물이 수직으로 통과되는 다수의 전열관(30)들이 일체로 3D프린팅된다. 상기 전열관(30)들의 상,하단은 상기 상판(11) 및 하판(12)을 관통하여 틀체(10)의 외부로 연결되게 3D프린팅 되는데, 상기 전열관(30)들은 내경이 1mm 내외이고, 외경이 3mm 내외로써, 소형으로 제작된다.
상기 전열관(30)들은 상기 틀체(10)의 내부에 일렬종대 및 일렬횡대 방향으로 다수개 나열되는데, 횡방향으로 나열된 전열관(30)들은 양쪽으로 갈라졌다가 합쳐지는 다수의 분기관(31)들이 다단으로 구비된다. 이들 분기관(31)들은 원호형 또는 다각형으로 갈라지는데, 이들 갈라진 틈새로 통로(40)가 형성되어 외기가 통과된다. 바람직하게는 분기관(31)들은 육각형으로 갈라지고 합쳐지는 모양을 구성하며, 육각형의 중앙에는 외기가 관통하는 통로(40)가 형성된다. 또한 분기관(31) 및 전열관(30)들은 단면이 육각형으로 구성되어 표면적이 원형 파이프에 비하여 늘어나도록 구성된다.
또한 횡방향으로 나열된 전열관(30)들은 서로 이웃한 분기관(31)들이 하나로 합쳐지는 합류부(32)를 가지는데, 상기 횡방향의 전열관(30)들이 합류부(32)를 통하여 하나로 연결된다. 따라서 횡방향의 전열관(30)들의 상단으로 유입된 열교환대상물은 합류부(32)로 인하여 모든 전열관(30)의 내부로 퍼지면서 열교환길이가 늘어난다. 그리고 횡방향 전열관(30)들의 서로 이웃한 부분은 상,하측의 합류부(32)로 인하여 보조통로(41)가 형성되는데, 이 보조통로(41) 역시 육각형의 벌집 모양으로 형성된다.
결국 횡방향의 전열관(30)들은 다단의 분기관(31)들이 합류부(32)와 합쳐지면서 육각형의 벌집모양을 형성하고, 분기관(31)들의 중앙 및 전열관(30)들의 사이에는 벌집모양의 육각형 통로(40) 및 보조통로(41)가 형성된다.
그리고 상기 상판(11) 및 하판(12)에는 반구형의 상부커버(20) 및 하부커버(21)가 각각 3D프린팅 되어 일체로 구비되고, 상부커버(20)의 내부에는 상기 각 전열관(30)들의 상단으로 열교환대상물을 공급하기 위한 투입공간부(23)가 마련되고, 상기 상부커버(20)에는 상기 투입공간부(23)와 통하는 입구(22)가 3D프린팅 과정에서 형성된다. 그리고 상기 하부커버(21)에는 상기 전열관(30)들의 하단과 통하는 배출공간부(24)가 마련되고, 상기 하부커버(21)에는 상기 배출공간부(24)와 통하는 출구(25)가 3D프린팅 과정에서 형성된다. 미설명부호 33은 측판(13)과 근접된 분기관(31)을 잡아주는 지지부이다.
이처럼 구성된 본 발명 한 실시예는 상기 틀체(10), 커버(20)(21) 및 전열관(30)들이 선택 레이저 소결(SLS) 또는 전자빔용해법(EBM)의 프린팅 기법에 의해 형성된다. 3D프린팅과정에서 상기 틀체(10)를 세우거나 또는 눕혀서 제작할 수 있는데, 작업의 효율성을 및 3D프린터 장치의 크기에 맞게 작업자가 판단하여 제작한다.
만약 상기 틀체(10)를 세워서 제작할 경우 3D프린팅 과정을 살펴보면, 평평한 표면 위에 금속분말의 얇은 층을 형성하고, 레이저 또는 전자빔이 선택된 분말 영역에 닿아 이 영역들을 융합(fuse)하고, 분말의 연속적인 층들은 선행 층들 위에 분산되고 레이저/전자빔에 의한 소결/융합되는데, 하부커버(21)가 먼저 형성되고, 하판(12), 측판(13), 전열관(30), 상판(11), 및 상부커버(20)의 순으로 제작되어 3차원의 열교환기가 완성된다.
상기 전열관(30)들은 상,하단이 상판(11) 및 하판(12)의 외부로 통하는데, 상판(11) 및 하판(12)에는 상부커버(20) 및 하부커버(21)가 구비되어 열교환대상물체가 상기 전열관(30) 내부로 공급된다. 또한 상기 각 전열관(30)들의 횡방향으로 나열된 부분은 다단으로 분기관(31)들이 형성되고, 또한 이웃한 분기관(31)들은 서로 통하는 합류부(32)로 구성된다. 따라서 횡방향의 전열관(30)들은 모두 연결되어 전열길이가 늘어나는 효과가 있다.
본 발명 한 실시예의 열교환과정을 설명하면, 먼저 입구(22)를 통하여 투입공간부(23)로 열교환대상물체가 투입된다. 상기 투입공간부(23)에는 일렬종대 및 일렬횡대로 나열된 다수의 전열관(30)들의 상단이 연결되어 있으므로, 이들 전열관(30)들의 내부로 열교환대상물체가 들어간다.
상기 횡방향으로 나열된 전열관(30)들은 합류부(32)를 통하여 서로 연결된다. 따라서 횡방향으로 나열된 전열관(30)들의 내부로 유입된 열교환대상물체는 분기관(31)과 합류부(32)를 거치면서 열교환길이가 늘어난다. 또한 분기관(31)의 중앙 및 전열관(30)들의 사이에는 통로(40) 및 보조통로(41)가 형성되어 외기가 통과된다. 따라서 열교환대상물체와 외기가 서로 교차되면서 열교환된다. 상기 전열관(30) 및 분기관(31)들은 단면이 육각형으로 구성되어 표면적이 늘어난 형태이므로 열교환성이 향상된다.
그리고 각 전열관(30)을 통과한 열교환대상물체는 상기 전열관(30)의 하단을 통하여 배출공간부(24)로 모인 뒤 하부커버(21)의 출구(25)를 따라 다음 공정으로 공급된다.
10 : 틀체 11 : 상판
12 : 하판 13 : 측판
20 : 상부커버 21 : 하부커버
22 : 입구 23 : 투입공간부
24 : 배출공간부 25 : 출구
30 : 전열관 31 : 분기관
32 : 합류부 40 : 통로
41 : 보조통로

Claims (4)

  1. 상판, 하판 및 양쪽의 측판이 3D프린팅되어 외기가 수평으로 통과하는 틀체가 일체로 구성되고; 상기 틀체 내부에는 다수의 전열관들이 일렬종대 및 일렬횡대로 떨어져서 다수열 3D프린팅 되는데, 상기 전열관들은 상단 및 하단이 상기 상판 및 하판을 관통하여서 열교환대상물체가 흘러가게 일체로 구비된 3D프린터를 이용한 열교환기에 있어서,
    상기 각 전열관들은 양쪽으로 갈라진 뒤 다시 합쳐지는 분기관들이 동일선상에 놓이도록 다단으로 다수개 구비되고, 상기 각 분기관들의 갈라진 틈에는 외기가 지나가는 통로가 형성되며;
    상기 각 분기관들의 서로 이웃한 부분은 상기 통로를 제외하고 방열판이 일체로 3D프린팅됨을 특징으로 하는 3D프린터를 이용한 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전열관 및 분기관들은 단면이 육각형으로 구성되고,
    상기 통로는 육각형이 되도록 상기 분기관들이 3D프린팅됨을 특징으로 하는
    3D프린터를 이용한 열교환기.
  3. 삭제
  4. 삭제
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