KR102050139B1 - 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛과 그 제조방법 및 이 주전열면 열교환유닛을 이용한 열교환시스템 - Google Patents

내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛과 그 제조방법 및 이 주전열면 열교환유닛을 이용한 열교환시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛과 그 제조방법 및 이 주전열면 열교환유닛을 이용한 열교환시스템에 관한 것으로, 열에너지를 제공하는 제1유체와 열에너지를 제공받는 제2유체 상호간에 열에너지가 교환되도록 구성되는 열교환유닛에 있어서, 판형부재이며, 요철라인 형상이며 내측에 배치되는 열교환면과, 외측에 배치되는 용접고정부, 및열교환면 및 용접고정부 사이에 형성되는 용접열-저항부를 포함하는 열교환판부재; 열교환판부재 2개가 적층되어 마주하는 열교환면 사이에 정렬되어 배치되는 브레이징용가제; 및 마주하는 열교환면이 다수의 브레이징-접점에서 브레이징용가제를 매개로 하여 브레이징되어, 소정의 내압성능를 구비함으로써, 제1유체는 제2유체가 유동하는 유체-유동로;를 포함하여, 적층된 열교환판부재의 마주하는 용접고정부는 서로 접하는 용접점에서 용접되어 고정되되, 브레이징되는 온도는 용접되는 온도보다 낮으며, 용접점 용접시에 용접열-저항부는, 용접점은 용접-온도로 가열되고 브레이징-접점은 브레이징-온도로 가열되지 않는 용접열-차단상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛에 관한 것이다.

Description

내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛과 그 제조방법 및 이 주전열면 열교환유닛을 이용한 열교환시스템{Primary Surface Heat Exchanger having Improved Internal Pressure and Manufacturing Method Thereof and Heat Exchange System}
본 발명은 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛과 그 제조방법 및 이 주전열면 열교환유닛을 이용한 열교환시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주전열면이 브레이징 용접된 열교환유닛과 제조 방법 및 이를 이용한 열교환시스템에 관한 것이다.
열교환기는 고온의 유체에서 저온의 유체로 열을 전달하여 저온의 유체의 에너지를 증가시키고, 고온 유체의 에너지를 감소시키는 장치로, 다양한 분야에 사용되고 있다.
종래의 열교환기는, 핀-판형 열교환기와 반용접형 주전열면 열교환기가 제안되었다.
도 1a는 종래의 핀-판형 열교환기의 사시도이며, 도 1b는 종래의 반 용접형 주전열면 열교환판의 사시도이다.
도 1a를 참조하면, 종래의 핀-판형 열교환기는 유체(①,②)가 판(P1)으로 격리되어 유동된다. 핀(P2)은 각 유체(①,②)가 유동하는 공간을 형성하고 유지하며, 유체(①,②)가 일정한 유동 경로를 갖도록 한다. 더불어 판(P1)으로부터 열이 전도됨으로써 열교환 효율을 개선하는 효과가 있다. 그러나 이러한 형태의 열교환기는, 전통적으로 마이크로 터빈의 폐열회수 열교환기로 사용되기는 하였지만, 직교형 유동방향과 핀효율 문제로 고효율이나 소형화에는 어려운 점이 있었다. 또한, 핀(P2)을 통한 열교환 효율의 개선 효과 대비, 제조시 단위 공정이 증가하여 비용이 상승하는 단점이 있다.
도 1b를 참조하면, 종래의 주전열면 열교환기는, 우선 제1, 2고정판(P10, P20)의 제1, 2돌출부(P13, P23)를 서로 마주보게 용접으로 부착하여 고정된다. 제1, 2고정판(P10, P20)에 고정된 제1주전열면부(P12)와 제2주전열면부(P22)가 맞닿아 겹치게 되어 유체의 유동로를 형성한다. 유체(①,②)가 유동하는 유동로는 그 외벽 전체를 주전열면으로 작용하여, 열교환 효율이 높다. 그러나 제1, 2주전열면부(P12, P22)가 서로 밀폐 접착되지 않으면, 유체의 압력이 높아질 경우에 유체의 유동로가 팽창하여 유체 유동로의 기능을 상실함과 동시에 열전달이 나빠지는 문제점이 있다.
한편, 최근에 제1, 2주전열면부(P22)가 맞닿는 부위에 브레이징 용접하여 유체의 유동로를 접합 고정하여 일정 간격을 확보하는 구조를 주전열면 열교환기에 적용하는 시도가 있었지만, 이러한 구조에서는 제1, 2돌출부(P13, P23)를 고정하고 열교환기의 입출구를 만들기 위한 용접 작업에 용이하지 않다.
브레이징 공정의 온도는 일반적인 용접 온도보다 낮다. 유동로의 브레이징 시행 후, 제1, 2돌출부(P13, P23)의 용접 공정을 실시하면, 제1, 2돌출부(P13, P23)에 인접한 브레이징 부위의 용가제가 녹아내리거나 끓어오르면서 신뢰성있는 용접을 저해할 수 있다.
한국 등록특허 10-1468607
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 주전열면을 상대적인 저온에서 브레이징하고, 외주를 고온 용접함으로써, 경량이고 고효율이며 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛을 이용함으로써, 가압식 열교환이 가능한 열교환시스템를 제공하는 것이다.
다만, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로는, 열에너지를 제공하는 제1유체(1)와 열에너지를 제공받는 제2유체(2) 상호간에 열에너지가 교환되도록 구성되는 열교환유닛에 있어서, 판형부재(111)이며, 요철라인 형상이며 내측에 배치되는 열교환면(112)과, 외측에 배치되는 용접고정부(113), 및 열교환면(112) 및 용접고정부(113) 사이에 형성되는 용접열-저항부(114)를 포함하는 열교환판부재(110); 열교환판부재(110) 2개가 적층되어 마주하는 열교환면(112) 사이에 정렬되어 배치되는 브레이징용가제(120, brazing filler metal); 및 마주하는 열교환면(112)이 다수의 브레이징-접점(112-1)에서 브레이징용가제(120)를 매개로 하여 브레이징되어, 소정의 내압성능(131)를 구비함으로써, 제1유체(1) 또는제2유체(2)가 유동하는 유체-유동로(130);를 포함하여, 적층된 열교환판부재(110)의 마주하는 용접고정부(113)는 서로 접하는 용접점(113-1)에서 용접되어 고정되되, 브레이징되는 온도는 용접되는 온도보다 낮으며, 용접점(113-1) 용접시에 용접열-저항부(114)는, 용접점(113-1)은 용접-온도(113-2)로 가열되고 브레이징-접점(112-1)은브레이징-온도(112-2)로 가열되지 않는 용접열-차단상태(114-1)를 유지하는 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛을 제공한다.
또한, 일 실시예에서, 마주하는 열교환면(112)의 요부와 철부가 접하여 브레이징-접점(112-1)을 구성하여 브레이징됨으로써, 유체-유동로(130)는 모든 전열면이 주전열면(primary surface)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛이 될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 브레이징-용가재(120)의 재질은,니켈을 합유한 니켈(Nickel) 브레이징 합금인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛이 가능하다.
또한, 일 실시예에서, 니켈 브레이징 합금은, BNi-2 또는 BNi-4 또는 BNi-5 및 BNi-7 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛이 될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 브레이징-용가재(120)는 브레이징 시트(sheet) 타입인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛이 가능하다.
또한, 일 실시예에서, 브레이징 시트의 두께는 20㎛ 내지 55㎛인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛이 바람직하다.
또한, 일 실시예에서, 내압성능(131)은 4bar 내지 20bar 인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛이 가능하다.
또한, 일 실시예에서, 용접열-저항부(114)의 두께는 내압성능(131)을 만족하는 최소값 이상이며 내지용접열-차단상태(114-1)를 유지하는 최대값 이하인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛이 바람직하다.
또한, 일 실시예에서, 용접열-저항부(114)의 두께는 70㎛ 내지 300㎛ 인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛이 더 바람직하다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로는 (a)판형부재(111)이며, 요철라인 형상이며 내측에 배치되는 열교환면(112)과, 외측에 배치되는 용접고정부(113) 및, 열교환면(112) 및용접고정부(113) 사이에 용접열-저항부(114)를 포함하는 열교환판부재(110)를 준비하는 단계; (b)열교환판부재(110) 2개를 적층하고 마주하는 열교환면(112) 사이에 브레이징용가제(120)(brazing filler metal)를 정렬하여 배치하는 단계; (c) 마주하는 용접고정부(113)를 가용접(tack welding)하여 열교환유닛(100)을 구성하는 단계; (d) 마주하는 열교환면(112)의 다수의 브레이징-접점(112-1)을 브레이징하여,요철라인을 따라 유체-유동로(130)를 형성하는 단계; (e)열교환판부재(110)의 마주하는 용접고정부(113)의 서로 접하는 용접점(113-1)을 완전용접하는 단계; 를 포함하여, (d) 단계의브레이징-온도는 (e) 단계의 용접-온도(113-2)보다 낮으며, (e)단계에서용접열-저항부(114)는,용접점(113-1)은 용접-온도(113-2)로 가열되고, 브레이징-접점(112-1)은 브레이징-온도(112-2)로 가열되지 않는 용접열-차단상태(114-1)를 유지하는 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛의 제조 방법을 제공한다.
또한, 일 실시예에서, 용접열-저항부(114)의 두께는 내압성능(131)을 만족하는 최소값 이상이며 내지용접열-차단상태(114-1)를 만족하는 최대값 이하로 설계되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛의 제조 방법이 될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 용접열-저항부(114)의 두께는 50㎛이상이며 120㎛이하로 설계되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛의 제조 방법이 가능하다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로는, 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛(100); 복수개의열교환유닛(100)을 중첩하고 마주하는 열교환면(112) 사이를 브레이징하고 마주하는 용접고정부(113)를 용접하여 고정한 열교환코어(1100); 열교환코어(1100)를 수용하는 외부로부터 밀폐되며, 열교환용기(1200); 열교환용기(1200)를 관통하고 열교환코어(1100)에 형성된 유체-유동로(130)에 밀폐결합되어, 열에너지를 제공하는 제1유체(1)가 열교환용기(1200)의 외부에서유체-유동로(130)로 공급되는 제1유체-공급관(1310) 및 제1유체(1)가유체-유동로(130)로부터 열교환용기(1200)의 외부로 배출되는 제1유체-배출관(1320); 및 열교환용기(1200)를 관통하고열교환코어(1100)에 형성된 또 다른 유체-유동로(130)에 밀폐결합되어, 열에너지를 제공받는 제2유체(2)가 열교환용기(1200)의 외부에서또 다른 유체-유동로(130)로 공급되는 제2유체-공급관(1410) 및 또 다른 유체-유동로(130)로부터 제2유체(2)가 열교환용기(1200) 외부로 배출되는 제2유체-배출관(1420);을 포함하여, 제1유체(1)가 유동하는 유체-유동로(130)는 열교환용기(1200)의 내부와 격리되고, 제2유체(2)가 유동하는 유체-유동로(130)는 열교환용기(1200)의 내부에 개방됨으로써, 제1유체(1)와 제2유체(2)가 교환면(112)을 매개로하여 열에너지를 교환하는 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛을 이용한 열교환시스템을 제공한다.
또한, 일 실시예에서, 열교환용기(1200) 내부압력인 용기압력 및 1유체(1)가 유동하는 유체-유동로(130) 내부의 압력인 제1유체(1) 압력을 측정하는 압력측정부(1510); 및, 용기압력과 1유체(1)압력의 차이를, 사용자가 미리 설정한 압력차이범위 이내로 제어하는 압력제어부(1520)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛을 이용한 열교환시스템이 가능하다.
또한, 일 실시예에서, 열교환용기(1200) 내부 및 1유체(1)가 유동하는 체-유동로(130) 내부의 압력이, 20bar 내지 100bar 인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛을 이용한 열교환시스템이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 열교환유닛은, 주전열면을 상대적인 저온에서 브레이징하고, 외주를 고온 용접함으로써, 경량이고 고효율이며 압축비가 높은 터빈시스템의 폐열회수에 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르는 열교환 시스템은 가압식 열교환이 가능한 특징이 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1a는 종래의 핀-판형 열교환기의 사시도.
도 1b는 종래의 반 용접형 주전열면 열교환판의 사시도
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛의 사시도.
도 2b는 도 2a의 열교환유닛의 C-C'단면의 Cp 지점의 측단면도.
도 3a 내지 도 3d는 도 2의 열교환유닛을 제조 방법을 설명하는 공정별 측단면도.
도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛에 적용되는 용접열-저항부의 최적 두께 설계 개념도.
도 4본 발명의 일 실시예에 따른 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛을 이용한 열교환코어의 측단면도
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 시스템의 투시 사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 시스템의 작동을 설명하는 블럭 흐름도.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
제 1 실시예의 구성
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 구성을 상세히 설명하기로 한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛의 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 열교환유닛의 C-C'단면의 Cp 지점의 측단면도이다.
도 2a 내지 도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 내압성능이 향상된 주전열면 열교환 유닛은, 열교환판부재(110)와 브레이징용가제(120, brazing filler metal) 및, 유체-유동로(130)로 구성됨을 알 수 있다.
열교환판부재(110)는 판형부재(111)이며, 내측에 배치되는 열교환면(112)과 외측에 배치되는 용접고정부(113) 및 용접열-저항부(114)를 포함한다. 열교환면(112)는 요철라인 형상으로, 판형인 열교환판부재(110)의 내측에 배치된다. 용접고정부(113)는 열교환유닛(100)을 복수개 적층하여 고정할 때 용접점(113-1)을 제공하며, 열교환판부재(110)의 형상을 유지한다. 용접열-저항부(114)는 열교환면(112) 및 용접고정부(113) 사이에 형성된다.
브레이징용가제(120)는 열교환판부재(110) 2개가 적층되어 마주하는 열교환면(112) 사이에 정렬된 후 브레이징됨으로써, 상측과 하측의 열교환면(112)을 고정한다. 다수의 브레이징 접점(112-1)에서 열교환면이 브레이징되면, 그 사이에 유체-유동로가 형성되며 이 유체-유동로(130)들은 서로 밀폐된다. 유체-유동로(130)는 열교환 매체인 제1유체(1) 또는 제2유체(2)가 유동하며, 열교환판부재(110) 및 브레이징용가제(120)의 물성을 만족하는 내압성능(미도시, 131)을 갖는다.
적층된 열교환판부재(110)는 용접고정부(113)의 용접점(113-1)이 용접됨으로써 서로 고정된다. 브레이징용가제(120)가 브레이징되는 온도는, 용접점(113-1)이 용접되는 온도보다 낮다. 따라서, 용접열-저항부(114)는, 용접점(113-1)에 용접될 때, 용접점(113-1)은 용접-온도(미도시,113-2)로 가열되고 브레이징-접점(112-1)은 브레이징-온도(미도시,112-2)로 가열되지 않는 용접열-차단상태(114-1)를 유지한다.
용접열-차단상태(114-1)는 용접점(113-1)을 가열하여 용접할 때, 용접점(113-1)을 가열하기 위해 인가된 열에너지가, 브레이징-접점(112-1)으로 전도되지 않는 상태이다.
고압/고효율 소형 열교환기를 제조하기 위해서는, 두께가 얇은 주전열면 구조를 채용하며, 유동로가 내압성능을 구비해야 한다. 전술한 바와 같이, 도 1b에 도시된 일반적인 주전열면 열교환기는, 유동로가 내압성능을 부여하기 위하여, 제1, 2주전열면부(P22)에 브레이징하여 고압 작동이 가능한 유동로를 형성한다.
브레이징은 미세 구조에 대해 적용 가능한 용접 방법중에 하나로서, 모재를 구성하는 물질의 고상선 온도보다 브레이징 용가재를 구성하는 물질의 액상선 온도가 더 높다. 즉, 모재에는 변형이 없으며, 용가재만 변형되어 모재와 모재를 융착한다. 반면에 일반적인 용접은 용가재와 모재가 함께 용융되어 융착된다. 하나의 모재에 일반적인 용접과 브레이징이 공법이 적용되면, 용접 온도보다 브레이징-온도가 낮다. 따라서 브레이징후 용접 공정이 적용되면 브레이징된 부위의 브레이징 용가재가 변형되어, 브레이징 상태를 변형할 수 있다.
도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 같이 용접열-저항부(114)는, 브레이징-접점(112-1)과 용접점(113-1) 사이에 형성되며, 열교환판부재(110)가 특정한 길이와 두께로 형성될 수 있다. 용접점(113-1)에 인가된 열 에너지는 용접열-저항부(114)를 통하여 브레이징-접점(112-1)으로 전달된다.
고체 내부에서 열에너지의 전달은, 열전도(heat conduction) 현상으로 일어난다. 열전도는 물질의 구조와 물성으로 산출되는 열저항으로 평가될 수 있다. 열을 전달하는 물체의 두께가 얇을수록 또는 단면적이 작을수록, 해당 물체의 열저항은 커진다. 열저항이 커지면 열전도 현상이 감소하기 때문에, 열을 차단하는 효과가 나타난다.
본 발명의 일 실시예에 따른 주전열면 열교환유닛(100)은, 경량화 및 고효율화를 위하여 얇은 판재를 를 이용하여 열교환판부재(110)를 구성하였다. 용접열-저항부(114)는 브레이징-접점(112)과 용접점(113-1) 사이의 열교환판부재(110)의 일부로서 두께가 얇고 특정한 길이를 가짐으로써, 열저항이 크다. 용접점(113)이 용접될 때 인가되는 열에너지는, 용접열-저항부(114)를 통과할때 그 대부분이 용접열-저항부(114) 자체를 가열하여, 브레이징-접점(112)으로 전도되지 못한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 주전열면 열교환유닛(100)은 얇은 열교환판부재(110)를 사용하여 주전열면과 용접열-저항부(114)를 구성함으로서, 경량화된 고압/고효율 열교환 성능을 구비할 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 브레이징-접점(112-1)은 마주하는 열교환면(112)의 요부와 철부가 접하는 지점에 형성됨으로써, 유동로 벽체 전체가 열교환의 매개체가 되는 주전열면이 된다.
또한, 브레이징용가제(120)는 니켈을 합유한 니켈(Nickel) 브레이징 합금인 것으로서, 바람직하게는, BNi-2 또는 BNi-4 또는 BNi-5 및 BNi-7 중 어느 하나가 될 수 있다. 브레이징-용가재(120)는 브레이징 시트(sheet) 타입인 일 수 있으며, 브레이징 시트의 두께는 바람직하게는 20㎛ 내지 55㎛이다.
도 3a 내지 도 3d는 도 2a의 열교환유닛을 제조 방법을 설명하는 공정별 측단면도이다.
우선 도 3a를 참조하면, 열교환판부재(110)를 준비하며, 열교환면(112)과 용접점고정부(113)를 형성한다. 열교환면(112)는 요철구조로 성형되며, 용접점고정부(113)는 열교환판부재(110)에 용접될 수 있다. 용접점고정부(113)는 가용접(tack welding)됨으로서, 열교환판부재(110)의 휨이나, 뒤틀림 현상을 방지할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 열교환판부재(110) 2개를 적층하고 마주하는 열교환면(112) 사이에 브레이징용가제(120)를 정렬하여 배치한 후, 마주하는 용접고정부(113)를 가용접(tack welding)한다.
도 3c를 참조하면, 마주하는 열교환면(112)의 다수의 브레이징-접점(112-1)을 브레이징하여, 요철라인을 따라 유체-유동로(130)를 형성한다. 브레이징-온도(미도시,112-2)는 용접-온도(미도시,113-2)보다 낮기 때문에, 가용접된 용접점은 브레이징 과정에서 변형이나 손상은 발생하지 않는다.
도 3d를 참조하면, 열교환판부재(110)의 마주하는 용접고정부(113)의 서로 접하는 용접점(113-1)을 완전용접한다. 용접점(113)을 완전용접할 때, 가용접할때보다 더 많은 열 에너지가 용접점에 인가된다. 인가된 열 에너지는, 용접점(113-1)에서 브레이징-접점(112-1) 사이의 용접열-저항부(114)에서 차단되어, 브레이징-접점(112-1)을 가열하지 못한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접열-저항부(114)는 열고환판부재(110) 자체로 구성되어, 용접점(113-1)과 동일한 재질과 구조를 갖는다. 용접열-저항부(114)의 끝단이 용접점(113-1)과 동일하므로, 용접점(113-1)에 국한되어 열 에너지가 집중된다.
도 3e는 본 발명의 일 실시예에 따른 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛에 적용되는 용접열-저항부의 최적 두께 설계 개념도를 도시하였다.
용접열-저항부(114)의 두께는 내압성능(미도시, 131)을 만족하는 최소값 이상이며 용접열-차단상태(114-1)를 유지하는 최대값 이하로 설계될 수 있으며, 바람직하게는 50㎛ 내지 120㎛이다.
도 2a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 용접열-저항부(114)는 얇은 열교환판부재(110)의 일부로 구성된다. 전술한 바와 같이, 얇은 열교환판부재(110)는 열교환효율을 높이면 경박단소한 열교환기를 제작하기 위해 필수적인 설계요소이다.
열교환효율을 향상시키기 위해서 열교환판부재(110)의 두께를 얇게 하면, 유체유동로(130)의 내압성능이 감소할 수 있다. 따라서 소정의 내압성능을 만족하는 최소 두께값을 용접열-저항부의 최소 두께로 설계할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛을 이용한 열교환코어의 측단면도이며, 또한, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 시스템의 투시 사시도이다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환시스템은, 열교환유닛(100)과, 열교환코어(1100)와, 열교환용기(1200)와, 제1유체-공급관(1310)과, 제1유체-배출관(1310)과, 제2유체-공급관(1410) 및 제2유체-배출관(1420)으로 구성된다.
열교환유닛(100)은 내압성능이 향상된 주전열면을 구비하며, 열교환유닛(100) 복수개가 중첩하여 열교환코어(1100)를 구성한다. 열교환코어(1100)는 중첩되어 마주하는 열교환면(112) 사이를 브레이징하고 마주하는 용접고정부(113)를 용접하여 고정하여 형성된다. 열교환용기(1200)는 열교환코어(1100)를 수용하는 밀폐용기이다.
제1유체-공급관(1310) 및 제1유체-배출관(1320)은 은 열교환용기(1200)를 관통하여 열교환코어(1100)에 형성된 유체-유동로(130)에 밀폐결합된다. 제1유체-공급관(1310)은, 열에너지를 제공하는 제1유체(1)를 열교환용기(1200)의 외부에서 상기 유체-유동로(130)로 공급한다. 또한, 제1유체-배출관(1320)은 제1유체(1)를 유체-유동로(130)로부터 열교환용기(1200)의 외부로 배출한다.
제2유체-공급관(1410) 및 제22유체-배출관(1420)은 열교환용기(1200)를 관통하여 열교환코어(1100)에 형성된 또 다른 유체-유동로(130)에 밀폐결합된다. 제2유체-공급관(1310)은, 열에너지를 제공하는 제2유체(2)를 열교환용기(1200)의 외부에서 또 다른 유체-유동로(130)로 공급한다. 또한, 제2유체-배출관(1420)은 제2유체(2)를 또 다른 유체-유동로(130)로부터 열교환용기(1200)의 외부로 배출한다.
이때, 제1유체(1)가 유동하는 유체-유동로(130)는 열교환용기(1200)의 내부와 격리되어 밀폐된다. 또한, 제2유체(2)가 유동하는 유체-유동로(130)는 열교환용기(1200)의 내부에 개방될 수 있다.
제 1 실시예의 동작
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예의 동작을 상세히 설명하기로 한다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 시스템은, 내압성능이 구비된 열교환코어(1100)를 포함함을 확인할 수 있다.
열교환코어(1100)의 유체-유동로(130)는 두 가지 열교환매체(①, ②)가 유동하며 열교환 한다. 모든 열교환면(112)는 주전열면으로 기능하여, 하나의 열교환 매체는 또 다른 열교환매체로 감싸진다.
전술한 바와 같이, 브레이징-접점(112-1)은 마주하는 열교환면(112)의 요부와 철부가 접하는 지점에 형성된다. 하나의 열교환매체가 유동하는 유동로는, 다른 열교환매체가 유체-유동로(130)로 완전히 둘러 쌓인다. 또한, 유체-유동로(130)는, 두개의 열교환면(112)가 브레이징되어 형성되므로, 내압성능를 구비한다. 또한,
두 가지 열교환매체(①, ②)가 모두 유체-유동로(130)의 내압성능 이상의 압력으로 주입되면, 열교환코어(1100) 내측에 배치되는 유체-유동로(130)는 평형상태(equilibri㎛)를 유지할 수 있다. 하지만, 열교환코어 외측에 배치되는 유체-유동로(130)는 평형상태를 유지할 수 없어서 파손될 수 있다.
더불어, 모든 유체-유동로(130)를 유동하는 유체의 압력이 일정하지 않을 수 있다. 또한, 열교환매체의 유동 속도에 따라서, 유체-유동로(130)의 위치에 따라 압력 차이가 나타날 수 있다. 이와 같은 불균일한 예측 불가한 압력 분포로 인해서, 유체-유동로(130)가 파손될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 시스템의 작동을 설명하는 블럭 흐름도이다.
제1유체(1)가 제1유체-공급관(1310)을 통하여 유체-유동로(130)로 공급된다(S01). 동시에 제2유체(2)는 제2유체-공급관(1410)을 통하여 열교환용기(1200)로 공급된다. 전술한 바와 같이, 열교환코어(1100)의 유체-유동로중 제1유체(1)가 유동하는 유체-유동로(130)를 제외한 또 다른 유체-유동로(130)에 제2유체(2)가 유동한다. 제2유체(2)가 유동하는 또 다른 유체-유동로(130)는 열교환용기 내에서 개방되어 있다. 열교환용기(1200)로 공급된 제2유체(2)는 또 다른 유체-유동로(130)로 유입된다.
유체-유동로(130)에서 유동하는 제1유체(1) 및 제2유체(2)가 서로 열교환한다(S02). 열교환된 제1유체(1)는 1유체-배출관(1320)으로 배출되며, 제2유체(2)는 제2유체-배출관(1420)을 통하여 열교환용기(1200)외부로 배출된다(S03).
제1유체(10) 및 제2유체(2)가, 열교환용기(1200)의 허용 내압을 만족하는 범위에서 동일한 압력으로 열교환용기(1200)에 공급되면, 열교환코어(1100)의 유체-유동로(130)는 파손되지 않고 평형상태를 유지할 수 있다.
전술한 바와 같이 제2유체(2)가 유동하는 유체-유동로(130)는 열교환용기(1200) 내부에서 개방된다. 반면에 제1유체(1)가 유동하는 유체-유동로(130)는 열교환용기(1200) 내부와 격리되어 밀폐된다. 본 발명에 따른 유체-유동로(130)는 하나의 열교환매체가 유동하는 유체-유동로(130)로서 다른 열교환매체가 유동하는 유체-유동로(130)로 완전히 둘러 쌓인다. 따라서, 제1유체와 제2유체가 유체-유동로(130)의 내압성능(미도시, 131)보다 높은 동일한 압력으로 공급되더라도 열교환코어(1100)의 모든 유체-유동로(130)는 평형을 유지할 수 있다.
또한, 유체-유동부(130) 내부의 위치별 압력에 차이가 발생할 수 있다. 두 유체(1,2)의 압력이 동일하면 평형상태를 유지하지만, 차이가 발생하면, 그만큼 유체-유동부(130)가 압력을 받는다. 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 유체-유동부(130)는 자체적으로 내압성능(미도시, 131)을 구비한다. 유체-유동부(130)의 위치별 압력차이가 발생하여, 유체-유동부(130)에 압력이 인가되면, 내압성능(미도시, 131)이 허용하는 범위 내에서 그 압력을 견딜 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 시스템은, 열교환용기(1200)의 허용 내압을 만족하고 유체-유동부(130)의 내압성능(미도시, 131)보다 고압으로 유체(1,2)가 유동할 수 있다. 이때, 열교환용기(1200) 및 유체-유동부(130)의 위치별 압력차이는, 유체-유동부(130)의 내압성능(미도시, 131) 범위 내에서 허용될 수 있다.
변형 실시예의 동작
상기와 같은 바람직한 실시예의 변형 실시예로서, 압력제어부를 더 구비한 열교환 시스템으로 변경할 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 5의 열교환 시스템은 압력측정부(1510)및 압력제어부(1520)를 더 구비함으로써, 유체-유동로(130)의 내압성능(미도시, 131)을 초과하는 유체압력 차이를 제어할 수 있다.
압력측정부(1510)는 제1,2유체(1,2)가 유동하는 유체-유동로(130) 및 열교환용기(1200) 내부의 압력을 측정(S04)한다.
열교환용기(1200) 외부에서 제1, 2유체공급관(1310, 1410)을 통하여 제1, 2유체(1,2)가 공급될 때, 항상 일정한 압력을 유지하여야 한다. 제1유체공급관(1301)과 유체-유동로(130), 그리고 제2유체공급관(1410)과 열교환용기(1200) 및 유체-유동로(130)의 구조적 차이가 있다. 유체공급부(1310, 1410)에서 제어되는 유체(1,2)의 압력이 열교환용기(1200) 또는 유체-유동부(130) 내부에서 동일하게 유지되지 않을 수 있다.
압력제어부(1520)는, 이 두 압력의 차이값인 내부압력차이(1511)와 사용자가 미리 설정하는 압력차이허용범위(1521)를 기반으로 하여, 제1, 2 유체(1,2)의 공급 압력을 조절한다. 공급압력이 조절됨으로써, 열교환용기(1200) 및 제1,2유체(1,2)가 유동하는 유체-유동로(130) 내부의 압력이 제어된다(S05).
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시 예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시 예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
100. 열교환유닛
110. 열교환판부재
111. 판형부재.
112. 열교환면.
113. 용접고정부
113-1. 용접점
114. 용접열-저항부
120. 브레이징 용가제
130. 유체-유동로.
1000. 열교환시스템.
1100. 열교환코어
1200. 열교환용기
1310. 제1유체공급관
1320. 제1유체배출관
1410. 제2유체공급관
1420. 제2유체배출관
1510. 압력측정부
1520. 압력제어부

Claims (15)

  1. 열에너지를 제공하는 제1유체(1)와 열에너지를 제공받는 제2유체(2) 상호간에 열에너지가 교환되도록 구성되는 열교환유닛에 있어서,
    판형부재(111)이며, 요철라인 형상이며 내측에 배치되는 열교환면(112)과, 외측에 배치되는 용접고정부(113), 및 상기 열교환면(112) 및 상기 용접고정부(113) 사이에 형성되는 용접열-저항부(114)를 포함하는 열교환판부재(110);
    상기 열교환판부재(110) 2개가 적층되어 마주하는 상기 열교환면(112) 사이에 정렬되어 배치되는 브레이징용가제(120, brazing filler metal);및
    마주하는 상기 열교환면(112)이 다수의 브레이징-접점(112-1)에서, 상기 브레이징용가제(120)를 매개로 하여 브레이징되어 소정의 내압성능(131)를 구비함으로써, 상기 제1유체(1) 또는 상기 제2유체(2)가 유동하는 유체-유동로(130);를 포함하여,
    적층된 상기 열교환판부재(110)의 마주하는 상기 용접고정부(113)는 서로 접하는 용접점(113-1)에서 용접되어 고정되되,
    상기 브레이징되는 온도는 상기 용접되는 온도보다 낮으며,
    상기 용접점(113-1) 용접시에 상기 용접열-저항부(114)로 인해, 상기 용접점(113-1)은 용접-온도(113-2)로 가열되고 상기 브레이징-접점(112-1)은 브레이징-온도(112-2)로 가열되지 않는 용접열-차단상태(114-1)를 유지하고,
    상기 마주하는 열교환면(112)의 요부와 철부가 접하여 상기 브레이징-접점(112-1)을 구성하여 브레이징됨으로써, 상기 유체-유동로(130)는 모든 전열면이 주전열면(primary surface)으로 구성되며,
    상기 브레이징용가제(120)는 상기 용접점(113-1)이 용접되기 전에 브레이징되는 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 브레이징용가제(120)의 재질은,
    니켈을 합유한 니켈(Nickel) 브레이징 합금인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 니켈 브레이징 합금은,
    BNi-2 또는 BNi-4 또는 BNi-5 및 BNi-7 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 브레이징용가제(120)는 브레이징 시트(sheet) 타입인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 브레이징 시트의 두께는 20㎛ 내지 55㎛인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 내압성능(131)은 4bar 내지 20bar 인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 용접열-저항부(114)의 두께는 상기 내압성능(131)을 만족하는 최소값 이상이며 내지 상기 용접열-차단상태(114-1)를 유지하는 최대값 이하인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 용접열-저항부(114)의 두께는 70㎛ 내지 300㎛ 인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛.
  10. 제 1 항에 따른 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛의 제조 방법에 있어서,
    (a)판형부재(111)이며, 요철라인 형상이며 내측에 배치되는 열교환면(112)과, 외측에 배치되는 용접고정부(113), 및 상기 열교환면(112) 및 상기 용접고정부(113) 사이에 용접열-저항부(114)를 포함하는 열교환판부재(110)를 준비하는 단계;
    (b) 상기 열교환판부재(110) 2개를 적층하고 마주하는 상기 열교환면(112) 사이에 브레이징용가제(120)(brazing filler metal)를 정렬하여 배치하는 단계;
    (c) 마주하는 상기 용접고정부(113)를 가용접(tack welding)하여 열교환유닛(100)을 구성하는 단계;
    (d) 마주하는 상기 열교환면(112)의 다수의 브레이징-접점(112-1)을 브레이징하여, 상기 요철라인을 따라 유체-유동로(130)를 형성하는 단계;
    (e) 상기 열교환판부재(110)의 마주하는 상기 용접고정부(113)의 서로 접하는 용접점(113-1)을 완전용접하는 단계;를 포함하여,
    (d) 단계의 브레이징-온도는 (e) 단계의 용접-온도(113-2)보다 낮으며,
    (e)단계에서 상기 용접열-저항부(114)는, 상기 용접점(113-1)은 용접-온도(113-2)로 가열되고, 상기 브레이징-접점(112-1)은 브레이징-온도(112-2)로 가열되지 않는 용접열-차단상태(114-1)를 유지하고,
    상기 (d) 단계에서 상기 유체-유동로(130)는 상기 마주하는 열교환면(112)의 요부와 철부가 접하여 상기 브레이징-접점(112-1)을 구성하여 브레이징됨으로써, 모든 전열면이 주전열면(primary surface)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 용접열-저항부(114)의 두께는 상기 내압성능(131)을 만족하는 최소값 이상이며 내지 상기 용접열-차단상태(114-1)를 만족하는 최대값 이하로 설계되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 용접열-저항부(114)의 두께는 70㎛이상이며 300㎛이하로 설계되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛의 제조 방법.
  13. 열교환시스템에 있어서,
    내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛(100);
    복수개의 상기 열교환유닛(100)을 중첩하고 마주하는 열교환면(112) 사이를 브레이징하고 마주하는 용접고정부(113)를 용접하여 고정한 열교환코어(1100);
    상기 열교환코어(1100)를 수용하고 외부로부터 밀폐되는 열교환용기(1200);
    상기 열교환용기(1200)를 관통하고 상기 열교환코어(1100)에 형성된 유체-유동로(130)에 밀폐결합되어, 열에너지를 제공하는 제1유체(1)가 상기 열교환용기(1200)의 외부에서 상기 유체-유동로(130)로 공급되는 제1유체-공급관(1310) 및 제1유체(1)가 상기 유체-유동로(130)로부터 상기 열교환용기(1200)의 외부로 배출되는 제1유체-배출관(1320);및
    상기 열교환용기(1200)를 관통하고 상기 열교환코어(1100)에 형성된 또 다른 유체-유동로(130)에 밀폐결합되어, 열에너지를 제공받는 제2유체(2)가 상기 열교환용기(1200)의 외부에서 상기 또 다른 유체-유동로(130)로 공급되는 제2유체-공급관(1410) 및 상기 또 다른 유체-유동로(130)로부터 제2유체(2)가 상기 열교환용기(1200) 외부로 배출되는 제2유체-배출관(1420);을 포함하여,
    상기 제1유체(1)가 유동하는 유체-유동로(130)는 상기 열교환용기(1200)의 내부와 격리되고, 상기 제2유체(2)가 유동하는 유체-유동로(130)는 상기 열교환용기(1200)의 내부에 개방됨으로써,
    상기 제1유체(1)와 상기 제2유체(2)가 상기 열교환면(112)을 매개로하여 열에너지를 교환하고,
    상기 열교환용기(1200) 내부압력인 용기압력 및 상기 제1유체(1)가 유동하는 상기 유체-유동로(130) 내부의 압력인 제1유체(1) 압력을 측정하는 압력측정부(1510); 및,
    상기 용기압력과 상기 제1유체(1)압력의 차이를, 사용자가 미리 설정한 압력차이범위 이내로 제어하는 압력제어부(1520)를 더 구비하며,
    상기 열교환코어(1100)는 상기 열교환면(112) 사이의 브레이징이 상기 용접고정부(113)의 용접보다 우선적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛을 이용한 열교환시스템.
  14. 삭제
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 열교환용기(1200) 내부 및 상기 제1유체(1)가 유동하는 상기 유체-유동로(130) 내부의 압력이,
    20bar 내지 100bar 인 것을 특징으로 하는 내압성능이 향상된 주전열면 열교환유닛을 이용한 열교환시스템.
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