KR102100785B1

KR102100785B1 - 고효율 열교환기 및 고효율 열교환 방법

Info

Publication number: KR102100785B1
Application number: KR1020147035593A
Authority: KR
Inventors: 요이치 기무라
Original assignee: 헨미 게이산쟈쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2020-04-14
Also published as: JPWO2013180047A1; TW201408983A; KR20150020578A; JP5992518B2; WO2013180047A1; US20150159958A1

Abstract

과제: 고순도 피열교환 유체에 적용할 수 있는 고효율의 열교환기를 제공한다. 해결 수단: 피열교환 유체의 유로와, 그 유로를 흐르는 피열교환 유체에 접촉하는 열전달 구조체를 구비하고, 피열교환 유체와 열전달 구조체와의 접촉면을 통해 전열형 열교환을 이루는 열교환기에 있어서, (1) 피열교환 유체와 접촉하는 열전달 구조체의 표면은 피열교환 유체에 대하여 안정적인 재질로 이루어지고, (2) 열전달 구조체에는 열전도체를 구비하고, 열전도체는 열전도율이 양호한 재료로 이루어지고, (3) 피열교환 유체와의 접촉면의 근방이며 피열교환 유체에는 접촉하지 않는 위치에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 열전달 구조체와 피열교환 유체가 접촉하는 면에서의 열전도 효율이 높여져 있는 열교환기.

Description

고효율 열교환기 및 고효율 열교환 방법{HIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGER AND HIGH-EFFICIENCY HEAT EXCHANGE METHOD}

본 발명은, 적용 분야가 한정되지 않는 열교환 기술에 관한 것이다. 특히, 산이나 알칼리 등의 부식성 물질의 기체 또는 액체의 열교환이나, 고순도수, 반도체를 제조할 때의 고순도 규소 화합물 등을 온도 제어할 때 유용하고, 열교환 시에 발생하는 장치류의 부식이나 고순도 물질의 오염 문제 해결 및 열교환 비율의 향상이 실현된다.

즉, 본 발명은, 물질의 냉각, 가열이나 온도 조절을 필요로 하는 기술 분야 전반에 있어서, 장치의 부식, 불순물에 의한 오염이 적고 고효율의 열교환기 및 열교환 방법을 제공할 수 있다.

그리고, 본 명세서에서는, 가열원 뿐만 아니라, 흡열원도 포함하여 「열원」이라고 하는 경우가 있다. 또한, 본 명세서에서의 「유체」에는, 가열 또는 급열에 의해 상(相)변화(예를 들면, 액체로부터 기체로의 상변화)를 수반하는 것도 포함된다.

열교환기는 온도가 상이한 2개의 물체를 직접적으로 또는 간접적으로 접촉시켜 열을 전달하여 한쪽 물체를 가열 또는 냉각시키는 장치이며, 보일러, 증기 발생기, 식품 제조나 화학 약품 제조, 냉장 보관과 같은 산업용으로서, 냉각 공정, 가열 공정, 냉장에 사용되고 있다.

열교환기는, 통상, 피(被)열교환 물질의 특성에 따른 구조를 구비한 것이며, 예를 들면, 불화 수소산, 질산, 황산 등의 부식성이 큰 약액에 대하여 열교환을 행하는 약액용 열교환기로서는, 내약품성이 있는 열교환기를 사용하여 부식성이 높은 강산, 강알칼리 등의 유체를 가열 및 냉각시킬 필요가 있으며, 이러한 경우에는, 산이나 알칼리에 침범되기 어려운 수지 재료로 이루어지는 접촉부 재료를 열매체 중에 침지하여 열교환을 행하는 간접 가열이 대표적이다.

도 1은, 대표적인 간접 열교환을 나타낸 모식도이며, 수지제 관(1) 내를 피열교환 유체(산, 알칼리, 물 등)가 입구(2)로부터 출구(3)로 반송되는 동안에, 열원(5)에 의해 온도가 조정된 열매체(4)에 의해 수지제 관(1)을 통하여 열교환이 행해진다. 이 방법은 접촉 측의 수지제 파이프(1)의 표면적을 증가시키는, 예를 들면, 열매체(4) 중의 관(1)을 길게 함으로써 열매체(4)와의 접촉 면적을 증가시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있지만, 이에 따라, 열원으로 유체를 온도 조절하는 장치나 용기류를 포함하여 비용면에서도 고가의 장치가 되는 경우가 있다. 또한, 열매체를 통하지 않고 직접 열원과의 열교환을 하는 직접 가열 방식의 대표적인 예를 도 2에 나타내면, 피열교환 유체에 대하여 내식성(耐蝕性)이 양호한 재질로 이루어지고, 온도 특성이 우수한 재료로 이루어지는 관(1)에 열원(5)이 접촉하여 직접 열교환한다.

어느 방식에 있어서도, 피열교환 유체 또는 열교환 매체에 의해 반송관 등의 장치가 부식되지 않을 것, 열교환 공정에 있어서 피열교환 유체를 오염시키지 않을 것, 및 열교환이 효율적으로 행해질 것이 필요하다.

이에, 반송관이 열교환 매체 또는 피열교환 유체에 의해 부식 등의 영향이 미치지 않도록, 반송관을 수지나 세라믹스류로 피복하여 보호하는 것이 행해지고 있다.

예를 들면, 고온 가스 분위기 중에 설치되고 상기 고온 가스로부터 전열관(傳熱管) 내의 피가열 유체에 열교환을 하는 열교환용 전열관에 있어서, 피가열 유체가 흐르는 관은 내열 합금으로 이루어지고, 상기 내열 합금관의 외측을, 열팽창 완충재를 통하여 세라믹스 합금 복합 재료로 이루어지는 커버재로 덮는 3층 구조로 이루어지고, 상기 커버재를 구성하는 세라믹스 합금 복합 재료는 Al과 AlN을 포함하고, AlN을 1 wt% 이상 90 wt% 이하, (Al＋AlN＋AlON)의 합계 비율이 50 wt% 이상 100 wt% 이하인 열교환용 전열관(특허 문헌 1)이 제안되어 있다.

불소 수지는, 각종 약제에 대하여 내식성 및 내열성이 우수한 것으로 알려져 있지만, 예를 들면, 반송관을 불소 수지 만으로 구성하면, 불소 수지 자체가 본래 열 불량 도체이므로, 열교환 효율이 낮고, 소정 온도에 도달하는 데 장시간을 요 하며, 또한 소정 온도에서의 온도 제어의 정밀도도 좋지 못한 결점을 개선하기 위하여, 불소 수지를 열전도성이 양호한 금속 등의 표면에 피막 형성하는 것에 대해 많이 제안되어 있다. 예를 들면, 기체 상에 불소 수지를 함유하는 적어도 2층의 도막을 가지는 가스 사용 설비용 부재에 있어서, 기재(基材) 상에 도장(塗裝)되는 최하층 막으로부터 최상층 막을 따라, 각 층 중 불소 수지의 함유량을 순차적으로 증대시키고, 또한 무기 충전제의 함유량을 순차적으로 감소시킨 도막을 가지는 열교환기 등으로서 사용되는 가스 사용 설비용 부재(특허 문헌 2)나,

내식성이 우수한 알루미늄 합금재 및 부식성을 가지는 유체를 매체로 하는 전열부(傳熱部)에 상기 알루미늄 합금재를 사용한 플레이트핀식(plate pin type) 열교환기, 플레이트식 열교환기를 제공함으로써, 부식성을 가지는 유체를 매체로 하는 전열부를 사용한 플레이트핀식 열교환기, 플레이트식 열교환기 등에 사용하는 알루미늄 합금재 표면에, 유기 포스폰산 베이스부 피막을 가지고, 다시 그 위에, 건조 후의 막 두께로 1㎛∼100㎛의 평균 두께의 불소 수지 도료 피막을 가지고, 도막 밀착의 내구성(耐久性)을 향상시켜, 해수 등의 부식성을 가지는 유체에 대한 내식성이 우수하게 하는 것(특허 문헌 3)에 대하여 제안되어 있다.

이와 같이, 열전도이 양호한 금속에 수지 코팅하는 방법이 일반적이지만, 2종류의 재료의 열팽창이 상이하므로, 팽창 수축에 대응하기 어려워 코팅층이 박리하는 경우가 있어, 금속부의 부식 및 금속류에 의한 오염의 원인이 되는 문제가 생기는 경우가 있다. 또한 이 방법에서는, 수지 코팅부의 핀홀(pinhole)로부터의 대상 유체가 침투하여 전술한 문제를 피할 수 없다.

또한, 열전도성 및 내식성이 우수한 탄소가 채용되는 경우가 있다. 예를 들면, 열교환기를 사용하여 전열면을 변질시키지 않고, 염소를 포함하는 염화수소 수용액을 대량으로 가열 또는 냉각할 수 있는 방법에 있어서, 열교환기의 전열면이 불소 수지 함침 카본으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하고, 이 열교환기는, 하우징 내에, 불소 수지 함침 카본으로 구성되어 이루어지는 블록이며, 염화수소 수용액이 유통하는 염화수소 수용액 유로와, 열매체가 유통하는 열매체 유로가 설치된 블록을 배치하여 이루어지는 블록식 열교환기가 제안되어 있다(특허 문헌 4).

또한, 접액부(接液部)가 금속에 대응할 수 있는 피열교환 물질에 대해서는 스테인레스 강으로 이루어지는 열교환기를 사용할 수 있다. 그러나, 스테인레스 강은 금속 중에서도 열전도율이 낮고 일정한 열교환 능력을 얻기 위해서는 용량이 큰 열원을 사용할 필요가 있어, 본체의 대형화 및 소비 전력의 증대가 요구되는 문제가 있다.

이와 같이, 높은 내식성을 얻음과 동시에 열교환 효율을 증대시킬 목적으로, 각종 재료가 열교환기에 사용하는 시도가 이루어졌지만, 특히 부식성이 높은 피열교환 물질에 대응할 수 있는, 열교환 효율이 높은 열교환 기술의 개발이 요구되고 있었다.

일본 특허 제3674401호 공보 일본공개특허 제2004-283699호 공보 일본공개특허 제2008-156748호 공보 일본공개특허 제2006-289799호 공보 일본공개특허 평9-280786호 공보

본 발명은, 상기 종래 기술을 감안하여, 피열교환 유체에 대한 열교환 성능 및 내식성이 모두 높은 열교환기를 제공하는 것이다.

종래의 열교환기에서는 피열교환 유체를 열교환할 때 유체가 접촉하는 부재를 열원, 냉매 등의 열매체에 접촉시키고 열교환하는 방법이 일반적이지만, 접촉 부재의 재질은 유체의 특성에 맞추어서 선택되고 있었다. 그러나, 선택한 접촉 부재의 재질이 반드시 열전도가 우수하지는 않으며, 그 경우에는, 예를 들면, 열원인 전열 히터를 다수 사용하거나, 용량이 큰 전열 히터를 사용함으로써 열전도가 낮은 부재의 결점을 보충할 필요가 있는 경우가 있다. 그렇게 되면, 열교환에서의 에너지 효율은 낮고, 기기도 대형화되는 경우가 많았다.

본 발명은, 피열교환 유체의 특성에만 주목하여 접촉부의 재질을 선택한 경우라도 고효율의 열교환을 행할 수 있는 것을 특징으로 하지만, 나아가서는, 장치가 대규모로 되지 않아, 저비용으로 컴팩트한 제품으로 만들 수 있다. 본 발명은, 열교환 대상 유체를 선택하지 않고 넓은 분야에서의 응용이 가능한, 고효율 열교환기의 제공을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은, 피열교환 유체에 의한 기기의 부식이 없으며, 또한, 열교환된 유체가 오염되지 않는 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명은, 부식성이 강한 불산이나 염화수소 등의 수용액이나 기체, 수산화나트륨 등의 알칼리 수용액의 가열 또는 냉각에 있어서 열전도 특성이 우수한 열교환기를 제공한다. 또한, 본 발명은, 피열교환 유체의 고순도를 유지하면서 고효율의 열교환을 가능하게 하는 열교환 기술을 제공한다.

본 발명은 이하에 기재된 기술적 사항으로 구성된다.

[1] 열원과, 피열교환 유체에 접촉하는 열전달 구조체와, 열원으로부터의 열을 열전달 구조체에 전열하는 전열 부재를 구비하고, 피열교환 유체와 열전달 구조체와의 접촉면을 통해 전열형 열교환을 이루는 열교환기에 있어서, 열전달 구조체는, 유입구, 유출구 및 피열교환 유체 유로를 가지는 보디와, 보디에 장착되는 다수의 열전도체를 구비하여 이루어지고, 피열교환 유체와의 접촉면을 구성하는 피열교환 유체 유로의 내벽면은 피열교환 유체에 대하여 안정적인 재질로 이루어지는 것과, 열전도체는 보디의 재료보다 열전도율이 양호한 재료로 이루어지는 것과, 열전도체는, 피열교환 유체 유로의 근방이며 피열교환 유체에는 접촉하지 않는 위치에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.

[2] 다수의 열전도체가, 피열교환 유체 유로를 협지(sandwich)하여 대향 배치된 복수의 열전도체를 포함하는 [1]에 기재된 열교환기.

[3] 전열 부재가, 보디를 협지하는 2개의 전열 부재로 이루어지고, 2개의 전열 부재 각각으로부터 1 이상의 열전도체가 연장되는 [1] 또는 [2]에 기재된 열교환기. 여기서, 열전도체가 연장되는 태양에는, 전열 부재와 열전도체가 일체로 성형되는 태양뿐만 아니라, 전열 부재에 별개의 열전도체가 장착되는 태양 도 포함된다.

[4] 열전도체가, 핀형의 구조를 가지는 것인 [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

[5] 다수의 열전도체 중 적어도 일부가, 판형의 전열 부재와 일체로 형성되는 [4]에 기재된 열교환기.

[6] 다수의 열전도체 중 적어도 일부가, 지그재그 구조의 외측면을 가지는 것인 [4] 또는 [5]에 기재된 열교환기. 바람직하게는, 다수의 열전도체의 과반수를 지그재그 구조의 외측면을 가지는 것으로 한다.

[7] 외측면의 표면적이, 볼록부가 없는 외측면으로 한 경우의 1.5배∼3배가 되는 지그재그 구조인 [6]에 기재된 열교환기.

[8] 지그재그 구조의 외측면을 가지는 열전도체가, 나사인 [6] 또는 [7]에 기재된 열교환기.

[9] 지그재그 구조의 외측면을 가지는 열전도체가, 헤드부가 평탄한 나사인 [8]에 기재된 열교환기.

[10] 피열교환 유체 유로가, 복수의 굴곡부를 가지는 [1] 내지 [9] 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

[11] 피열교환 유체 유로가, 유입구 측으로 방향 전환하는 리턴 굴곡부를 가지는 [10]에 기재된 열교환기.

[12] 유입구에 가까운 쪽에 배치된 열전도체 중 적어도 일부가, 유입구로부터 먼 쪽에 배치된 열전도체와 비교하여 열전도율이 높은 재료로 이루어지는 열전도체인 [1] 내지 [11] 중 어느 하나에 기재된 열교환기. 여기서, 유입구에 가까운 쪽이란, 예를 들면, 유로의 전체 길이 중 유입구로부터 1/2, 1/3 또는 1/4을 말하여, 유입구로부터 먼 쪽도 마찬가지이다.

[13] 유입구로부터 먼 쪽과 비교하여, 유입구에 가까운 쪽에서는 열전도체의 개수가 많고, 또한 고밀도로 배치되어 있는 [1] 내지 [12] 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

[14] 유출구가, 외계와 연통되는 토출구인 [12] 또는 [13]에 기재된 열교환기.

[15] [1] 내지 [13] 중 어느 하나에 기재된 열교환기를 복수 개 적층하여 이루어지는 열교환기.

[16] 피열교환 유체 유로의 내벽면이, 수지인 [1] 내지 [15] 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

[17] 피열교환 유체 유로의 내벽면이, 금속 또는 카본인 [1] 내지 [15] 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

[18] 다수의 열전도체가, 구리로 이루어지는 열전도체 및 알루미늄으로 이루어지는 열전도체를 포함하는 [1] 내지 [17] 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

[19] 열원이, 가열원인 [1] 내지 [18] 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

[20] 열원이, 흡열원인 [1] 내지 [18] 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

[21] [1] 내지 [20] 중 어느 하나에 기재된 열교환기를 사용하여, 유체와 전열형 열교환을 행하는 열교환 방법.

[22] [12]에 기재된 열교환기를 사용하여, 유체와 전열형 열교환을 행하는 열교환 방법으로서, 유입구에 가까운 쪽에, 유입구로부터 먼 쪽과 비교하여 열전도율이 상대적으로 높은 재료로 이루어지는 열전도체를 배치하고, 유입구로부터 먼 쪽에, 유입구로부터 가까운 쪽과 비교하여 열전도율이 상대적으로 낮은 재료로 이루어지는 열전도체를 배치함으로써, 피열교환 유체 유로의 상류측과 하류측에서 생기는 온도 분포의 불균일을 억제하는 열교환 방법.

[23] [13]에 기재된 열교환기를 사용하여, 유체와 전열형 열교환을 행하는 열교환 방법으로서, 유입구에 가까운 쪽에, 유입구로부터 먼 쪽과 비교하여 열전도율이 상대적으로 높은 재료로 이루어지는 열전도체를 배치하고, 유입구로부터 먼 쪽에, 유입구로부터 가까운 쪽과 비교하여 열전도율이 상대적으로 낮은 재료로 이루어지는 열전도체를 배치함으로써, 피열교환 유체 유로의 상류측과 하류측에서 생기는 온도 분포의 불균일을 억제하는 열교환 방법.

[24] [16]에 기재된 열교환기를 사용하여, 부식성을 가지는 유체와 전열형 열교환을 행하는 열교환 방법.

다른 관점에서는, 본 발명은 이하에 기재된 기술적 사항으로 구성된다.

(1) 피열교환 유체의 유로와, 그 유로를 흐르는 피열교환 유체에 접촉하는 열전달 구조체를 구비하고, 피열교환 유체와 열전달 구조체와의 접촉면을 통해 전열형 열교환을 이루는 열교환기에 있어서,

(a) 열전달 구조체는, 피열교환 유체와의 접촉면을 구성하는 표면은 피열교환 유체에 대하여 안정적인 재질로 이루어지고,

(b) 열전달 구조체에는 열전도체가 장착되고, 그 열전도체는 열전달 구조체의 재료보다 열전도율이 양호한 재료로 이루어지고,

(c) 열전도체는, 피열교환 유체와의 접촉면의 근방이며 피열교환 유체에는 접촉하지 않는 위치에 장착되어 있는 것,

을 특징으로 하는 열전달 구조체와 피열교환 유체가 접촉하는 면에서의 열전도 효율이 높여져 있는 열교환기.

(2) 열전도체가 핀형의 구조를 가지는 것인 상기 (1)에 기재된 열교환기. 여기서, 핀형의 구조로서는, 예를 들면, 원기둥 형상, 다각 기둥 형상이 있으며, 외측면이 지그재그 구조인 것도 포함된다.

(3) 열전도체가 지그재그 구조의 표면을 가지는 것인 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 열교환기.

(4) 열전달 구조체의 피열교환 유체와의 접촉면이 지그재그 구조로 되어 있는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

(5) 피열교환 유체의 유로가, 피열교환 유체를 난류화하여 열전달율의 효율화를 도모하는 되접기 구조로 되어 있는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

(6) 유로가, 구경(口徑) 및/또는 전체 길이를 변경할 수 있도록 구성되어 있는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

(7) 피열교환 유체가, 기체 또는 액체인 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

(8) 열전달 구조체의 재료가, 수지 또는 금속인 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

(9) 열전도체가, 열전달 구조체의 재료보다 열전도율이 양호한 금속인 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 열교환기.

(10) 피열교환 유체에 열전달 구조체를 접촉시켜, 피열교환 유체와 열전달 구조체와의 접촉면을 통해 전열형 열교환을 행하는 열교환 방법에 있어서,

에 의해 열전달 구조체와 피열교환 유체가 접촉하는 면에서의 열전도 효율이 높이고 있는 것을 특징으로 하는 열교환 방법.

(11) 열전도체가 핀형의 구조를 가지는 것인 상기 (10)에 기재된 열교환 방법.

(12) 열전도체가 지그재그 구조의 표면을 가지는 것인 상기 (10) 또는 (11)에 기재된 열교환 방법.

(13) 열전달 구조체의 피열교환 유체와의 접촉면이 지그재그 구조로 되어 있는 상기 (10) 내지 (12) 중 어느 하나에 기재된 열교환 방법.

(14) 피열교환 유체의 유로가, 피열교환 유체를 난류화하여 열전달율의 효율화를 도모하는 되접기 구조로 되어 있는 상기 (10) 내지 (13) 중 어느 하나에 기재된 열교환 방법.

(15) 유로가, 구경 및/또는 전체 길이를 변경할 수 있도록 구성되어 있는 상기 (10) 내지 (14) 중 어느 하나에 기재된 열교환 방법.

(16) 피열교환 유체가, 기체 또는 액체인 상기 (10) 내지 (15) 중 어느 하나에 기재된 열교환 방법.

(17) 열전달 구조체의 재료가, 수지 또는 금속인 상기 (10) 내지 (16) 중 어느 하나에 기재된 열교환 방법.

(18) 열전도체가, 열전달 구조체의 재료보다 열전도율이 양호한 금속인 상기 (10) 내지 (17) 중 어느 하나에 기재된 열교환 방법.

본 발명에 의해 이하에 기재된 효과를 얻을 수 있다.

산, 알칼리류는 금속에 대하여 격렬하게 반응하므로, 그 접촉부에 금속을 사용할 수는 없다. 그래서, 종래에는, 접촉부에 수지를 사용한 열교환기가 사용되고 있었지만, 열전도율이 낮으므로, 열효율이 좋지 못하고, 장치로서의 구성도 크고 복잡하게 되어 있었다. 본 발명에 의해 높은 열교환 효율로 컴팩트한 구조의 열교환기를 제공할 수 있고, 또한, 열교환기와 산이나 알칼리 등의 피열교환 유체와의 반응은 회피되므로, 고순도의 산, 알칼리 등의 온도 조정이 미량 성분에 의해 오염되지 않고 가능하게 된다. 또한, 고순도수 등의 산, 알칼리 이외의 물질도 액상(液狀), 가스상 등 그 형태에 관계없이 적용이 가능하다.

또한, 본 발명은, 유체 역학과 열역학을 구사하여, 직접 가열 방식을 채용함으로써, 피열교환 유체와의 접촉부를 모두 수지제로 한 경우에도, 전력을 절약하고, 공간을 절약하며, 변환 효율이 양호한 열교환 기술을 제공할 수 있다.

또한, 피가열 유체와의 접촉부를 메탈 프리로 하여 직접 열교환을 행하는 구성이라도, 80% 이상의 열교환 능력을 실현 가능한 점에서도, 종래의 기술보다 뛰어나게 우수한 성능을 가지는 열교환기의 제공을 본 발명은 가능하도록 했다고 말할 수 있다.

도 1은 종래의 대표적인 간접 가열에 의한 열교환을 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래의 대표적인 직접 가열에 의한 열교환을 나타낸 개략도이다.
도 3은 복수의 독립된 열전도체를 사용한 전열형 열교환기의 일례를 나타낸 개략 단면도이다.
도 4는 복수의 열전도체가, 전열 플레이트와 일체로 되어 있는 전열형 열교환기의 일례를 나타낸 개략 단면도이다.
도 5는 지그재그 표면 구조를 가지고 있는 열전도체를 사용한 전열형 열교환기의 일례를 나타낸 개략 단면도이다.
도 6은 피열교환 유체의 유로가 지그재그 형상을 이루고 있는 전열형 열교환기의 일례를 나타낸 개략 단면도이다.
도 7은 본 발명의 구체예 1에 따른 열교환기의 단면 구조를 나타낸 도면이며, 도 7-1은 세로면(수직 방향), 도 7-2는 평면(수평 방향)에서의 단면을 나타낸다.
도 8은 열교환 능력을 시험한 장치의 배치를 나타낸 도면이다.
도 9는 서모그래피에 의한 온도 분포의 확인을 행한 도면이며, 진한 부분에는 열전도체가 설치되어 온도가 주위보다 상승하고 있는 것을 나타낸다.
도 10은 시험 결과의 출구 가스 온도와 설정 온도의 측정값의 관계를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 수지를 통한 열교환과 금속 면을 통한 열교환의 열교환 능력을 대비한 도면이다.
도 12는 피열교환 유체의 유로의 지그재그 구조를 설명하는 모식 단면도이며, (a)는 표면적을 2배로 하는 경우를 설명하는 도면이며, (b)는 피치 깊이의 조절을 설명하는 도면이다.
도 13은 열전도체의 배치 변화를 나타낸 개략 단면도이다. (a)는, 피열교환 유체 유로를 협지하는 2개의 열전도체를 위쪽으로부터 연장한 배치예이다. (b)는, 피열교환 유체 유로를 협지하는 2개의 열전도체를 위쪽 및 아래쪽으로부터 연장한 배치예이다. (c)는, 피열교환 유체 유로를 협지하는 4개의 열전도체를 위쪽 및 아래쪽으로부터 연장한 배치예이다. (d)는, (a)의 열전도체의 배치 예에 있어서, 열전도체의 외측면을 지그재그 구조로 한 구성예이다. (e)는, (b)의 열전도체의 배치예에 있어서, 열전도체의 외측면을 지그재그 구조로 한 구성예이다. (f)는, (c)의 열전도체의 배치예에 있어서, 열전도체의 외측면을 지그재그 구조로 한 구성예이다.
도 14는 도 13에 있어서, 전열 플레이트와 복수의 열전도체를 일체로 성형한 구성예이다. (a)는, 피열교환 유체 유로를 협지하는 2개의 열전도체를 위쪽으로부터 연장한 배치예이다. (b)는, 피열교환 유체 유로를 협지하는 2개의 열전도체를 위쪽 및 아래쪽으로부터 연장한 배치예이다. (c)는, 피열교환 유체 유로를 협지하는 4개의 열전도체를 위쪽 및 아래쪽으로부터 연장한 배치예이다. (d)는, (a)의 열전도체의 배치예에 있어서, 열전도체의 외측면을 지그재그 구조로 한 구성예이다. (e)는, (b)의 열전도체의 배치예에 있어서, 열전도체의 외측면을 지그재그 구조로 한 구성예이다. (f)는, (c)의 열전도체의 배치예에 있어서, 열전도체의 외측면을 지그재그 구조로 한 구성예이다.
도 15는 상이한 재질의 열전도체를 배치한 경우의 온도 분포를 설명하는 도면이며, (a)는 동일 종류의 열전도체를 배치한 경우의 평면도와 온도 분포도이며, (b)는 상이한 재질의 열전도체를 장착한 경우의 평면도와 온도 분포도이다.
도 16은 상류측과 하류측에서 상이한 밀도로 열전도체를 배치한 열교환기의 평면도이다.
도 17은 본 발명의 샤워 헤드가 장착된 열교환기의 단면 구조를 나타낸 도면이며, (a)는 평면(수평 방향), (b)은 세로면(수직 방향)에서의 단면을 나타낸다.
도 18은 도 7에 나타낸 열교환기를 적층하여 다단 구성의 열교환기로 한 경우의 측면도이다.
도 19는 본 발명의 구체예 2에 따른 온도 조절 공급 장치의 구성도이다.

본 발명은, 피열교환 유체가 통과하는 통로와, 그 통로를 통과하는 피열교환 유체에 접촉하는 열전달 구조체를 구비하고, 피열교환 유체와 열전달 구조체와의 접촉면을 통해 전열형 열교환을 이루는 열교환기에 있어서,

(1) 열전달 구조체는, 피열교환 유체와의 접촉면을 구성하는 표면은 피열교환 유체에 대하여 안정적인 재질로 이루어지고,

(2) 열전달 구조체에는 열전도체가 장착되고, 그 열전도체는 열전달 구조체의 재료보다 열전도율이 양호한 재료로 이루어지고,

(3) 열전도체는, 피열교환 유체와의 접촉면의 근방이며 피열교환 유체에는 접촉하지 않는 위치에 장착되어 있는 것,

을 특징으로 하는 열전달 구조체와 피열교환 유체가 접촉하는 면에서의 열전도 효율이 높여져 있는 열교환기 및 열교환 방법에 관한 것이다.

본 발명은, 피열교환 유체와 서로 영향을 주지 않는 재질(재료)로 이루어지는 열전달 구조체에는, 열전달 구조체(특히 피열교환 유체와 접촉하는 부분)의 재료보다 열전도율이 양호한 재료로 이루어지는 열전도체를 유체와 접촉하지 않는 위치에 장착하고, 열전달용 구조체를 가열 또는 냉각함으로써, 피열교환 유체에 열원으로부터의 열을 전달시킴으로써 유체를 효율적으로 가열, 냉각시키는 것을 가능하게 한 것이다.

일반적으로, 열교환기에 의해 가열 또는 냉각시키는 피열교환 유체에는 다양한 특성을 가지는 액체나 기체가 대상이 되고 있다. 예를 들면, 산 또는 알칼리의 수용액이 화학 반응 또는 에칭 처리 등에 사용되지만, 이들은 금속에 대하여 격렬하게 반응하므로, 산이나 알칼리와의 접촉부에는 금속을 사용할 수 없는 경우가 많다. 이러한 반응성이 있는 피열교환 유체의 열교환에 사용되는 열교환기에는 수지를 사용한 제품이 있지만, 수지는 열전도율이 낮으므로, 열교환 효율은 좋지 못하고, 필요로 하는 전력도 커지고 그 형상 구조도 크고 복잡하게 되는 경우가 많다.

본 발명의 열교환기는, 직접 가열 방식을 채용하고, 피열교환 유체와의 접촉면을 구성하는 표면은 피열교환 유체에 대하여 안정적인 재질로 이루어지는 것이면 제한은 없고, 예를 들면, 접촉부는 모두 수지임에도 불구하고 전력을 절약하고, 공간을 절약하며, 열효율이 80% 이상의 양호한 효율의 열교환을 제공하는 것을 가능하도록 한다.

[피열교환 유체]

본 발명에서의 피열교환 유체는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 염산, 황산, 질산, 크롬산, 인산, 불산, 아세트산, 과염소산, 브롬화수소산, 불화 규산, 붕산 등의 부식성을 가지는 산류, 암모니아, 수산화 칼륨, 수산화 나트륨 등의 알칼리류, 및 염소화 규소 등의 금속염류 등의 용액 또는 기체, 나아가서는 고순도수가 있다. 이들 피열교환 유체는, 다른 물질과의 반응 원료로서, 또는 에칭액 등의 반응 공정에 사용되는 약액으로서 사용되며 열교환기에 의해 적절한 온도로 제어되어 목적에 사용된다. 본 발명의 열교환기는, 이들 피열교환 유체를 고효율로, 미량 불순물의 오염이 없는 상태에서 가열, 냉각 또는 온도 제어를 행할 수 있다.

[열전달 구조체]

본 발명의 열전달 구조체는, 피열교환 유체와의 접촉면이 되는 표면과 열전도체를 가진다. 피열교환 유체와 접촉하는 열전달 구조체의 접촉면은, 피열교환 유체에 대하여 안정적인 재질로 이루어진다. 즉, 열교환이 행해지는 온도 영역에 있어서, 열전달 구조체의 표면과 피열교환 유체가 반응하지 않는 재질 또는 표면으로부터 열전달 구조체의 성분이 용출하지 않는 재질이 선택된다. 피열교환 유체의 반응성(부식성)은, 열전달 구조체의 표면의 재질 및 접촉 온도 등에 따라 상이하며, 또한, 피열교환 유체의 용도, 성상(性狀)에 의해서도 열교환 후의 순도의 허용 범위가 상이하므로, 한 마디로 특정할 수는 없다. 예를 들면, 반도체 장치의 제조에 사용되는 금속 할로겐화물이나 에칭제에서는 고순도의 물질이 사용되므로, 열교환 처리에 의한 순도의 저하는 허용되지 않는다. 그러나, 터빈용의 열교환기이면 열교환 처리에 의한 피열교환 유체의 순도의 변화는 문제되지 않는 경우가 많다.

피열교환 유체와 접촉하는 열전달 구조체의 표면이 되는 부재의 재질(재료)로서는, 철, 탄소강, 스테인레스강, 알루미늄, 티탄 등의 금속류, 불소 수지, 폴리에스테르 등의 합성 수지류, 세라믹스류 등으로부터 적절하게 선택하여 사용되지만, 부식성이 강한 산류를 열교환하는 경우에는 불소 수지가 바람직하다. 불소 수지로서는, 예를 들면, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE), 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체(ETFE), 폴리비닐플루오라이드(PVF), 불화 폴리프로필렌(FLPP), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF) 등을 예시할 수 있다.

본 발명의 열교환기의 열전달 구조체는 내부에 열전도체를 구비하고, 열전도체는 열전달 구조체(특히 피열교환 유체와 접촉하는 부분)의 재료보다 열전도율이 양호한 재료로 이루어지고, 또한 피열교환 유체와의 접촉면(피열교환 유체 유로)의 근방이며 피열교환 유체에는 접촉하지 않는 위치에 장착되어 있다.

열전달 구조체에 대하여 도 3을 참조하면서 그 일례에 대하여 그 구조를 설명한다. 도 3의 열교환기(101)는, 보디(61)를 가지는 열전달 구조체(6), 열전도체(62), 열원이 되는 히터 플레이트(51), 전열 플레이트(52a, 52b), 및 피열교환 유체 유로(7)를 구비하고, 히터 플레이트(51)로부터의 열은 전열 플레이트(52a, 52b)를 통하여 열전달 구조체(6)(보디(61) 및 열전도체(62))로 확산된다. 확산된 열에 의해 보디(61) 및 열전도체(62)는 가열됨과 동시에 열은 접촉면(63)을 통해 유로(7)를 통과하는 피열교환 유체를 가열한다. 도 3의 점선 화살표는, 보디(61)로부터 열이 전달되는 모양을 나타내고 있다. 열전도체(62)는 보디(61)의 재료보다 열전도율이 양호하므로, 보디(61)보다 온도가 빨리 상승하여 피열교환 유체로의 열교환을 효율적으로 행할 수 있다. 열전도체(62)는 보디(61)에 매립되고 전열 플레이트(52a) 또는 히터 플레이트(51)와 접촉되고 있다. 열전도체(62)와 유로(7)는 가능한 접근하고 있는 것이 효율적인 열교환을 하기 위해서 바람직하다. 유로(7)의 내벽면은, 유지보수성의 관점에서는 요철(凹凸)이 없는 평면 또는 곡면으로 하는 것이 바람직하지만, 열교환 능력을 높이는 관점에서는 지그재그 구조로 하는 것이 바람직하다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 원기둥형의 열전도체(62)는 개별적으로, 보디(61)에 구비된 구멍에 삽입함으로써 설치할 수 있다. 또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 전열 플레이트(52)와 복수의 열전도체(62)가 일체로 성형되고, 보디(61)에 설치된 구멍에 열전도체(62)를 삽입함으로써 설치된다. 열전도체(62)의 설치 위치 및 설치 수는 열교환의 효율 등을 고려하여 결정된다. 또한, 열전도체(62)의 표면적을 크게 함으로써 열전도체(62)로부터의 열의 확산을 균일하게 또한 효율적으로 행할 수 있다. 표면적을 확대하려면 도 5에 나타낸 바와 같이 열전도체(62)의 외측면을 지그재그 구조로 하는 것이 바람직하다. 달리 말하면, 열전도체(62)의 외면의 길이 방향으로 환형의 산(山)이 연속하는 구조(즉, 산과 골(谷)이 교호적(交互的)으로 연속하는 구조)로 하는 것이 바람직하다. 여기에 말하는 환형의 산이 연속하는 구조에는, 나사의 산과 홈과 같이 나선형으로 산 및 홈이 형성되는 경우도 포함된다. 더욱 바람직하게는, 열전도체(62)의 외측면의 표면적이, 산(볼록부)이 없는 동일 직경의 원기둥체의 외측면의 표면적의 예를 들면, 1.5배∼3배가 되도록 지그재그 구조를 형성한다. 지그재그 구조의 열전도체(62)의 설치는, 보디(61)가 수지제일 때는 수지의 경화 전의 유연한 상태일 때 설치한 후 경화시키거나, 수지의 경화 후에 드릴 등으로 구멍을 뚫어 지그재그 구조의 열전도체를 나사 삽입하는 등에 의해 행할 수 있다. 보디(61)를 금속으로 하는 경우에는 구멍 뚫기 가공이 주가 된다.

도 13은, 열전도체(62)의 배치 변화를 나타낸 개략 단면도이다. (a)는, 피열교환 유체 유로(7)를 협지하는 2개의 열전도체(62)를 위쪽으로부터 연장한 배치예이다. (b)는, 피열교환 유체 유로(7)를 협지하는 2개의 열전도체(62)를 위쪽 및 아래쪽으로부터 연장한 배치예이다. (c)는, 피열교환 유체 유로(7)를 협지하는 4개의 열전도체(62)를 위쪽 및 아래쪽으로부터 연장한 배치예이다. (d)는, (a)의 열전도체(62)의 배치예에 있어서, 열전도체(62)의 외측면을 지그재그 구조로 한 구성예이다. (e)는, (b)의 열전도체(62)의 배치예에 있어서, 열전도체(62)의 외측면을 지그재그 구조로 한 구성예이다. (f)는, (c)의 열전도체(62)의 배치예에 있어서, 열전도체(62)의 외측면을 지그재그 구조로 한 구성예이다. 도 13의 (a)∼(f)의 모든 구성에서, 피열교환 유체 유로(7)를 협지하여 복수의 열전도체(62)가 대향 배치되어 있다.

도 13의 (a)∼(f)의 모든 구성에서, 히터 플레이트(51a 및 51b)와, 전열 플레이트(52a 및 52b)와, 보디(61)와, 피열교환 유체 유로(7)를 구비하고 있다. 이들 요소는, 히터 플레이트가 2장인 점을 제외하고, 도 3 및 도 5의 열교환기(101)와 동일한 구성이므로, 설명을 생략한다. 그리고, 도 13의 (a) 및 (d)에 있어서는, 아래쪽의 히터 플레이트(51b)를 설치하지 않아도 된다.

도 14는, 도 13에 있어서, 전열 플레이트(52)와 복수의 열전도체(62)를 일체로 성형한 구성예이다. 도 14의 (a)∼(f)의 모든 구성에 있어서, 피열교환 유체 유로(7)를 협지하여 복수의 열전도체(62)가 대향 배치되어 있다. 전열 플레이트(52)와 복수의 열전도체(62)를 일체로 성형한 점을 제외하고는, 도 4 및 도 13과 동일한 구성이므로, 설명을 생략한다.

도 15는, 상이한 재질의 열전도체를 배치한 경우의 온도 분포를 설명하는 도면이며, (a)는 동일 종류의 열전도체(62)를 배치한 경우의 평면도와 온도 분포도이며, (b)는 상이한 재질의 열전도체(62)를 장착한 경우의 평면도와 온도 분포도이다.

도 15의 (a) 및 도 15의 (b)의 모든 열교환기(104)에 있어서, 전열 플레이트(52) 및 보디(61)(도시하지 않음)에 열전도체(62)를 삽입하기 위한 135개의 장착공이 대략 등 간격으로 설치되어 있다. 각 열전도체(62)는, 전열 플레이트(52) 및 보디(61)의 장착공에 착탈 가능하게 장착된다. 예를 들면, 각 열전도체(62)를 헤드부가 평탄한 나사에 의해 구성하고, 장착공에 나사 결합되어 장착할 수도 있다. 다수의 열전도체(62)를, 복수의 재질로 이루어지는 열전도체(62)를 조합하여 구성할 수도 있다. 복수의 재질로 이루어지는 열전도체(62)를 조합함으로써, 유로(7)의 상류측과 하류측에서 생기는 온도 분포 불균일을 해소할 수 있다. 또한, 고가의 재질로 이루어지는 열전도체(62)를 필요한 장소에만 배치하고, 다른 장소에는 염가의 재질로 이루어지는 열전도체(62)를 배치함으로써, 제조 비용를 저감시키는 것이 가능하다.

도 15의 (a)에서는, 모든 열전도체(62)를 알루미늄제 핀에 의해 구성하고, 도 15의 (b)에서는, 좌측으로부터 5열째까지의 열전도체(62)를 알루미늄제의 핀에 의해 구성하고, 좌측으로부터 6열째 이후의 열전도체(62)를 구리제 핀에 의해 구성하고 있다. 즉, 도 15의 (a)에서는 열전도체(62)로서 135개의 알루미늄제 핀을 장착하고 있는 데 비해, 도 15의 (b)에서는 열전도체(62)의 상류측에 45개의 구리제 핀을 장착하고, 하류측에 알루미늄제 핀을 장착하고 있다.

도 15의 (a) 및 도 15의 (b)의 우측 도면은, 온도 분포 이미지를 나타낸 도면이다. 도 15의 (a)에서는 좌측 절반이 상대적으로 저온이며, 우측 절반이 상대적으로 고온인데 비해, 도 15의 (b)에서는 온도 분포 불균일이 일단 해소되어 있다. 이와 같이, 열전도율이 높은 재료로 이루어지는 열전도체(62)를 상류측에 배치하고, 열전도율이 상대적으로 낮은 재료로 이루어지는 열전도체(62)를 하류측에 배치함으로써, 상류측과 하류측의 온도 분포 불균일을 저감할 수 있다. 그리고, 온도 분포 불균일을 저감시킴으로써, 보디, 전열 플레이트 등의 변형을 억제할 수 있고, 또한, 히터 수명의 단수명화를 방지할 수 있다. 또한, 유입구 통과시의 온도와 유출구 통과시의 온도차(ΔT)가 커지면 열변성이 생기는 유체에서는, ΔT가 커지지 않도록 출력을 낮추어서 가열을 행하는 것이 종래에는 필요했지만, 온도 분포 불균일을 저감시킨 본 발명의 열교환기에 의하면, 고효율의 열교환을 행할 수 있게 된다.

도 16은, 상류측과 하류측에서 상이한 밀도로 열전도체(62)를 배치한 열교환기(104)의 평면도이다. 이 열교환기(104)는, 모든 열전도체(62)를 알루미늄제 핀에 의해 구성하고 있고, 전열 플레이트(52), 보디(61) 등의 구성은, 도 15의 열교환기(104)와 동일하다. 도 16에서는, 좌측으로부터 5열째까지는 상하 방향으로 9개의 열전도체(62)를 배치하고, 좌측으로부터 6∼15 열째는 상하 방향으로 4개 또는 5개의 열전도체(62)를 배치하고 있다. 이와 같이, 상류측은 고밀도로 열전도체(62)를 배치하고, 하류측은 저밀도로 열전도체(62)를 배치하는 것에 의해서도, 상류측과 하류측의 온도 분포 불균일을 저감할 수 있다. 그리고, 도 16의 열교환기(104)에 있어서, 열전도율이 상이한 재료로 이루어지는 열전도체(62)를 상류측과 하류측에 배치하여, 상류측과 하류측의 온도 분포 불균일을 더욱 정밀하게 조절하도록 할 수도 있다.

도 17은, 샤워 헤드가 형성된 열교환기(105)의 단면 구조를 나타낸 도면이며, (a)는 평면(수평 방향), (b)은 세로면(수직 방향)에서의 단면을 나타낸다. 샤워 헤드가 형성된 열교환기(105)는, 히터 플레이트(51)와, 전열 플레이트(52)와, 다수의 열전도체(62)와, 피열교환 유체 유로(7)를 가지는 보디(61)를 구비하여 이루어지고, 보디(61)에 유로(7)와 연통되는 다수의 토출구(75)가 형성되어 있다. 샤워 헤드가 형성된 열교환기(105)는, 2개의 유입구(83a, 83b)를 가지고 있고, 유입구로부터 유로(7)에 피열교환 유체(73)는, 가열되어 토출구(75)로부터 토출된다. 즉, 샤워 헤드가 형성된 열교환기(105)에서는, 외계와 연통되는 토출구(75)가 유출구로 된다.

다수의 열전도체(62)는, 도 15의 (b)와 마찬가지로, 유입구(83a, 83b)에 가까운 상류측에 배치된 구리제의 핀형 부재와 하류측에 배치된 알루미늄제의 핀형 부재로 이루어지고, 유로(7)의 전체 길이에 걸친 온도 분포 불균일이 최소한이 되도록 구성되어 있다. 달리 말하면, 좌우 양 변에 가까운 쪽은 주로 구리제의 핀형 부재가 배치되고, 중앙 부분에는 주로 알루미늄제의 핀형 부재가 배치되어 있다. 또한, 유로(7)에는, 다수의 굴곡부(71)가 형성되어 있고, 이 굴곡부(71)에 있어서 피열교환 유체가 유로벽에 충돌하여 난류가 발생함으로써, 가열의 불균일이 해소되도록 되어 있다. 따라서, 다수의 토출구(75) 각각으로부터, 실질적으로 동일한 온도의 유체가 토출된다. 그리고, 샤워 헤드가 형성된 열교환기(105)는, 주로 가스를 토출하는 가스 샤워에 사용되지만, 액체를 토출하는 경우도 있다.

샤워 헤드가 형성된 열교환기(105)는, 그 상단에 1 또는 복수의 샤워 헤드가 형성되지 않은 열교환기를 배치하고, 열교환기(105)의 2개의 유입구와 상단의 열교환기의 유출구를 분기 배관으로 접속함으로써 다단 구성으로 할 수도 있다(후술하는 도 18 참조).

도 6은, 본 발명을 구현화한 원통형 열교환기(102)의 주요부 단면도이다. 원통형의 열원(5)의 내면에는, 열전도체(62)와 보디(61)로 이루어지는 열전달 구조체(6)가 설치되고, 열전도체(62)는 지그재그 형상을 한 면을 유로 측에, 평탄한 면을 열원(5)에 접하게 하고, 보디(61)는 열전도체(62)의 표면을 덮는 동시에 유로(7)를 형성하여 피열교환 유체와 접한다. 여기서, 보디(61)는 열전도체(62)의 표면에 형성된 박막으로 하는 것이 바람직하고, 또한, 피열교환 유체와 접하는 면은 열전도체(62)와 동일하게 지그재그 형상을 이루는 것이 바람직하다. 접촉 표면적을 증가시킨 지그재그 형상으로 함으로써 표면에서의 열교환 효율이 향상된다.

도 12는, 피열교환 유체의 유로의 지그재그 구조를 설명하는 모식 단면도이며, (a)는 표면적을 2배로 하는 경우를 설명하는 도면이며, (b)는 피치 깊이의 조절을 설명하는 도면이다.

도 12의 (a)는, 피열교환 유체(73)와 접촉하는 열전달 구조체(6)의 내측면을, 그 단면이 1변 2 ㎜의 정삼각형이 연속하는 지그재그 구조로 한 예이다. 즉, 열전달 구조체(6)의 내측면은, 그 길이 방향으로 환형의 산(山)이 연속하는 구조로 되어 있다. 이 지그재그 구조에 의하면, 열전달 구조체(6)의 내측면의 표면적이, 지그재그 구조가 없는 평탄한 내측면의 2배로 되므로, 열교환 효율을 배증시키는 것이 가능하다. 열전달 구조체(6)의 지그재그 구조는 도 12에 나타낸 것으로 한정되지 않고, 열전달 구조체(6)의 내측면의 표면적이, 예를 들면, 1.5배∼3배로 되도록 지그재그 구조를 형성하는 것에 대하여 개시하고 있다.

열전달 구조체(6)의 내측면의 표면적을 증가시킬수록 열교환 효율이 향상되지만, 피열교환 유체(73)의 유량, 점성 등의 성질에 따라서는, 표면적을 함부로 증가시키는 것이 바람직하지 않는 경우도 있다. 도 12의 (b)의 좌측 도면은, 열전달 구조체(6)의 내측면과 유체(73)의 사이에 공극(74)이 생긴 상태를 나타내고 있다. 이 상태에서는, 열전달 구조체(6)의 내측면과 유체(73)에 비접촉 부분이 형성되므로, 열교환 효율은 저하된다. 따라서, 이와 같은 공극(74)에 의한 비접촉 부분의 발생이 예상될 경우에는, 지그재그 구조의 피치(홈)를 크게 함으로써, 비접촉 부분이 생기지 않도록 조절할 필요가 있다. 원통형 열교환기(102)를 착탈 가능하게 구성하고, 피치가 상이한 복수의 원통형 열교환기(102)를 준비하도록 할 수도 있다.

[열전도체의 재질과 피열교환 유체와의 거리]

열전도체(62)는 보디(61)보다 열전도율이 양호한 재질 물질이 사용되지만, 열전도율이 양호하다는 것은, 양 측 재질의 값의 상대적인 대비이며, 절대적인 값이 특정되는 것은 아니다. 예를 들면, 열전도율은, 플라스틱에서 약 0.2 W/(m·K)이며, 불소 수지 약 0.25, 탄소강 약 47, 스테인레스강 약 15, 알루미늄 237, 순동 386, 파이렉스 유리(PYREX: 등록상표) 약 1의 값을 통상 나타낸다. 이들 중에서 재질을 상대적인 열전도율을 고려하여 선택하면 되고, 불소 수지는 이들 중에서는 낮은 값이므로, 불소 수지를 보디(61)로 하는 경우에는 어느 재질로 된 것을 열전도체로 하더라도 열효율은 향상된다. 또한, 열전달 구조체(6)(보디(61))의 재료가 금속인 경우, 예를 들면, 스테인레스강을 보디로 하는 경우에는, 열전도체가, 열전달 구조체(6)(보디(61))의 재료보다 열전도율이 양호한 금속, 예를 들면, 탄소강, 알루미늄, 순동을 열전도체로서 선택할 수 있다. 다만, 열전도체의 재질(재료)은 열전도율이 높을수록 바람직하다.

예를 들면, 피열교환 유체와 열전달 구조체(6)의 접촉면(63)을 불소 수지로 코팅하여 보디(61)를 스테인레스강으로 하는 열교환기가 알려져 있지만, 8 ㎜ 두께의 스테인레스강과 불소 수지에 의한 내식 피복을 행한 판의 총괄 전열 계수를 측정한 예에서는, 스테인레스 만에서는 1070 W/(m²·K)인데 비해, 500㎛의 내식 피복을 형성하면 상기 전열 계수는 291이 되고 전열량이 1/3이 되는 결과가 얻어지고 있다. 또한, 50㎛의 내식 피복을 형성한 경우에는 845의 전열 계수가 되는 것으로 보고되어 있다.

따라서, 열전도체와 피열교환 유체 사이의 거리는 가능한 한 가까운 것이 바람직하다.

[열교환기의 구체예 1]

본 발명의 구체예 1에 따른 열교환기의 구조를 구체적으로 나타낸다. 도 7에 나타낸 열교환기(103)는, 150 ㎜×195 ㎜×높이 34 ㎜의 직육면체로 이루어지고, 피열교환 유체가 입구 커넥터(유입구)(81)로부터 들어가서 출구 커넥터(유출구)(82)로부터 유출될 때까지 많은 굴곡점(굴곡부)(71, 72)을 가지는 피열교환 유체의 유로(7)를 통과함으로써 열교환된다. 유로(7)는 불소 수지로 이루어지는 블록으로 이루어지는 보디(61)에 홈형의 공간을 형성함으로써 형성되어 있다. 유로(7)의 양측에는 600㎛의 간격을 두고 열전도체(62)가 172개 설치되어 있다. 열전도체(62)는 직경 3 ㎜, 길이 18 ㎜ 구리제의 십자공(十字孔)이 형성된 접시형 소나사(헤드부가 평탄한 나사)로 이루어지고 열전달 구조체의 보디(61)에 형성된 구멍에 전열 플레이트(52a)를 통해 나사 고정되어 있다. 이 나사는 상면이 평평하게 되어 있으므로, 전열 플레이트(52a)의 상면을 면일(面一)로 할 수 있다. 홈이 형성되는 나사의 보디부는, 끝이 가늘지 않은 동일한 직경의 원기둥형인 것이 바람직하다. 열전도체(62)에 규격 나사를 사용함으로써, 열교환기의 제조 비용를 현저하게 저감시키는 것이 가능하다. 예를 들면, JIS 규격 나사인 M3×20 mm 피치 0.5 ㎜(구리), M4×12 ㎜ 피치 0.7 ㎜(알루미늄)를 사용하는 것에 대하여 개시하고 있다.

도시하지 않은 열원은, 전열 플레이트(52a) 중 적어도 열전도체(62)가 설치되어 있는 영역과 접촉하도록 설치되어 있다. 열원은, 전열 플레이트(52a 및 52b)의 양면과 접촉하도록 설치하는 것이 바람직하다. 이 열원으로서는, 예를 들면, 히터 용량 1600W의 니크롬선을 열원으로 하는 스테인레스제 플레이트, 히터 용량 4000W의 니켈 합금을 열원으로 하는 마이카제 플레이트가 예시된다. 열원의 노출되는 면은 단열재로 덮는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 열교환기(103)의 가장 외측의 면의 전체면을 단열재로 덮도록 한다.

전열 플레이트(52b)는, 전열 플레이트(52a)와 물리적으로 연결되어 있고, 열원으로부터의 열은 전열 플레이트(52a, 52b)를 통하여 열전도체(62) 및 보디(61)에 전달된다. 도 7의 구성예에서는, 전열 플레이트(52a)를 상면, 전열 플레이트(52b)를 바닥면으로 하고, 이들을 연결하는 프레임체로 이루어지는 중공의 직육면체 구조로 하고 있다. 전열 플레이트(52a, 52b)(및 프레임체)는, 열전도체(62)와 동일한 재료로 구성할 수도 있고, 열전도체(62)보다 열전도율이 양호한 재료로 구성할 수도 있다.

열전도체(62)와 유로(7)(피열교환 유체)와의 간격은 600㎛로서 접근하고 있으므로, 열전도는 양호하다. 피열교환 유체가 통과하는 유로(7)는 폭 6 ㎜, 깊이 20 ㎜, 길이 1795 ㎜이며, 도중에 몇 번이나 굴곡점(굴곡부)을 가지고 있다. 이 굴곡부를 증가시키기 위해서는, 유로의 진행 방향을 180° 바꾸는 굴곡부를 설치하는 것뿐만 아니라, 유로의 진행 방향을 되돌아가는 리턴 굴곡부도 설치하는 것이 바람직하다. 즉, 도 7의 구성예에서는, 유로의 진행 방향을 유입구 측(IN 방향)으로 90° 바꾸는 리턴 굴곡부(72)를 설치하고, A 및 B의 2개의 유로 계통을 구성함으로써, 굴곡부를 증가시키도록 하고 있다. 이 유로 계통은, 도 7의 2개로 한정되지 않고, 3개 이상이라도 된다. 이 굴곡점(굴곡부)에 있어서, 유로를 흐르는 피열교환 유체는 유로벽에 충돌하여 난류를 형성하게 되므로, 유로벽(접촉면)에서의 열교환이 효율적으로 된다. 또한, 평행하게 배치된 2개의 유로(7)의 사이에는, 복수의 열전도체를 설치하는 것이 바람직하다. 여기서, 2개의 평행한 유로는, 예를 들면, 도 7에서 부호 "7, 7"이 부여된 2개의 유로와 같은 배치 관계에 있는 것을 가리킨다. 다른 관점에서는, 대략 등 간격으로 배치된 열전도체(62)의 간극으로 빠져나가도록 유로(7)가 사행하도록 설치하는 것이 바람직하다.

도 7에 나타낸 본 발명의 열교환기(103)를 커넥터(81, 82)에서 복수 결합함으로써 열교환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 열전도체(62)의 설치 위치, 설치층의 개수에 대해서는 열교환의 효율을 실제로 검토하면서 설치하는 것이 가능하며, 피열교환 유체의 온도가 규정보다 지나치게 낮은 개소에는, 해당하는 보디(61)에 열전도체(62)의 설치용 구멍을 새로 설치하여 열전도체(62)를 설치할 수 있도록 가공할 수 있다.

도 18은, 도 7에 나타낸 열교환기(103)를 적층하여 다단 구성의 열교환기로 만든 경우의 측면도이다. 상단이 되는 열교환기(103)의 입구 커넥터(81)와 하단이 되는 출구 커넥터(82)를 배관(83a∼83c)에 의해 접속함으로써, 다단 구성으로 할 수 있다. 도 18의 예에서는 4단 구성으로 하고 있지만 이 구성으로 한정되지 않고, 2단 이상이면 임의의 단수(段數)로 할 수 있다. 이와 같이 열교환기를 다단 구성으로 한 경우, 최하층 이외의 열교환기에서는, 유로(7)가 위쪽에 있는 열원뿐만 아니라 아래쪽에 있는 열원으로부터도 가열된다. 즉, 도 18의 예에서는, 전열 플레이트(52b)가, 그 아래쪽에 있는 열원(히터 플레이트)으로부터도 가열된다. 다단 구성으로 하는 경우, 적층 면이 되는 면은 단열재로 덮지않고, 아래의 단에 있는 열원과 위의 단에 있는 전열 플레이트가 직접 접하도록 한다.

이와 같이, 본 발명의 열교환기에서는, 다단 구성으로 함으로써, 유로의 길이를 용이하게 연장할 수 있다. 또한, 본 발명의 열교환기에서는, 피열교환 유체의 유량에 맞추어서 내부 구조는 변경하지 않고, 유로의 구경 치수 및 전체 길이를 변경함으로써 대유량(大流量)으로부터 소유량까지의 대응을 가능하게 하고 있다.

예를 들면, 질소 가스 환산으로 10 L/분 이하의 유량을 열 변환하는 경우에는 보디 치수를 1/2의 사이즈로 해도 80% 이상의 열교환 성능을 얻을 수 있다. 50 L/분 이상의 유량을 열교환하는 경우에는 보디 치수를 크게 함으로써 대응이 가능하다.

[열교환기의 구체예 2]

도 19는, 본 발명의 구체예 2에 따른 온도 조절 공급 장치(110)의 구성도이다. 이 온도 조절 공급 장치(110)는, 냉각용 열교환기(106)와 냉각 장치(111)와 배관(112a, 112b 및 113a, 113b)을 구비하여 구성된다.

냉각용 열교환기(106)는, 열전달 구조체(6)와 쿨러 플레이트(54a, 54b)를 구비하여 구성된다. 열전달 구조체(6)는, 열교환기(101∼104)와 동일한 것을 사용할 수 있다. 쿨러 플레이트(54a, 54b)는, 모두 그 내부에 냉매가 순환하는 유로가 둘러쳐져 있다. 냉매는, 예를 들면, 부동액, 가스 냉매를 사용한다. 냉각 장치(111)에 의해 냉각된 냉매는 배관(112a)을 통하여 냉각용 열교환기(106)에 공급되고, 냉각용 열교환기(106)를 통과할 때 열을 흡수하고, 배관(112b)을 통하여 냉각 장치(111)로 복귀하고, 다시 배관(112a)을 통하여 냉각용 열교환기(106)에 공급된다. 냉각용 열교환기(106)에는 배관(113a)으로부터 피열교환 유체(73)(예를 들면, 순수)가 공급되고, 냉각용 열교환기(106)를 통과할 때 냉각되고, 배관(113b)으로부터 배출된다.

이하에서, 본 발명의 구체예를 실시예로서 기재하지만, 이들 실시예는 구체예를 나타낸 것이므로 이들에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

상기한 열교환기의 구체예에서 기재한 도 7의 열교환기(103)와 동일한 구성의 열교환기(12)를 사용하여, 본 발명에 의해 열교환 효율이 향상되는 것을 실증(實證)했다.

시험은, 도 8에 나타낸 장치의 배치에 의해 행하였다. 유량 제어기(10)에 의해 그 유량이 제어된 공기(9)를 버블링(bubbling) 장치(11)에 있어서 물을 포함하게 하고, 이어서, 열교환기(12)를 통과시켰다. 열교환기(12)에는 전열(電熱) 패널 온도 제어 장치(13), PFA(테트라플루오로에틸렌·퍼플루오로알킬비닐 에테르 공중합체) 내부 온도 계측기(14), 출구 가스 온도 계측기(15)가 배치되어 열교환을 감시하였다. 또한, 보디(61) 표면의 온도 분포를 서모그래피에 의해 계측하였다. 서모그래피에 의한 계측 결과를 도 9에 나타내었다. 도면에서 색이 진한 부분이 온도가 높은 부분이며, 온도가 높은 부분은 열전도체(62)의 설치 개소와 일치하는 것이 확인되었다. 또한, 열교환기 전체의 온도 분포에는 편향은 없으며 균일한 가열을 행할 수 있는 것을 알았다.

실시예 2

본 실시예에서는, 실시예 1과 동일한 장치를 사용하여, 설정 온도 40∼160 ℃, 유량 10∼50 L/분의 넓은 범위에서 시험하여 출구 온도를 측정하였다. 그 결과를 도 10에 나타내었다. 설정 온도, 유량이 넓은 범위에서 열변환율이 80% 이상인 것이 판명되었다. 본 발명의 열교환기는 동일한 장치에서 광범위한 유량에 유연하게 대응할 수 있는 것이 판명되었다.

실시예 3

본 실시예에서는, 실시예 1에서 사용한 전열 패널을 사용하여, 피열교환 유체와의 열전달이 수지를 개입시키는 본 발명 열교환기와 스테인레스강을 개입시키는 종래의 열교환기와의 성능을 대비하였다. 본 발명에서는, 실시예 1과 동일하게, 가습 공기를 열교환했다. 한편, 종래의 열교환기에서는 건조 질소를 열교환했다. 그 결과를 도 11에 나타내었다. 메탈 30 L은 스테인레스강을 사용한 열교환기의 측정 결과, 수지 30 L는 본 발명의 열교환기의 측정 결과이다. 도 11로부터, 본 발명의 열교환기에서는 접촉 부분이 수지제임에도 불구하고, 종래의 스테인레스강제의 제품과 동등한 성능을 나타내는 것이 인정되었다.

또한, 본 발명의 열교환기에서는 H₂0의 미스트(mist)에 대하여 시험된 것이며, 종래품에서는 건조 질소를 대상으로 한다. 물의 미스트를 포함하는 공기는 물의 잠열(潛熱)에 해당하는 열을 필요로 하므로 본 발명이 도 11에서 나타낸 것 이상으로 고성능인 것을 엿볼 수 있다.

[산업상 이용 가능성]

본 발명의 열교환기는, 열교환성이 우수함과 동시에 피열교환 유체에 의한 열교환기의 부식 및 부식에 따른 피열교환 유체의 오염을 방지하는 것을 가능하게 하는 것이며, 부식성의 약제 및 고순도 물질의 순도를 저하시키지 않고 열교환에 의해 가열, 냉각 및 온도 제어를 효율적으로 실행할 수 있다. 예를 들면, 고순도의 물질을 취급하는 반도체 제조의 프로세스에 사용하는 약품류의 가열, 냉각에 유용하다. 본 발명의 열교환기 및 열교환 방법은, 화학, 의약품, 식품, 섬유, 전력, 원자력 산업 등, 제품의 순도를 내식성이 요구되는 가열·증발 장치, 냉각·응축 장치 등의 고효율의 열교환기로서 폭 넓은 이용이 가능하게 된다.

1: 수지제의 관
2: 가열 대상물 입구
3: 가열 대상물 출구
4: 열매체
5: 열원
51: 히터 플레이트
52: 전열 플레이트(전열 부재)
53: 단열재
54: 쿨러 플레이트
6: 열전달 구조체
61: 보디
62: 열전도체
63: 접촉면
7: 피열교환 유체 유로
71: 피열교환 유체 유로의 굴곡부
72: 피열교환 유체 유로의 리턴 굴곡부
73: 피열교환 유체
74: 공극
75: 토출구
8: 커넥터
81: 입구 커넥터(유입구)
82: 출구 커넥터(유출구)
83: 배관
9: 공기
10: 유량 제어 기기
11: 공기의 수중 로의 버블링 장치
12: 열교환기
13: 전열 패널 온도 제어·계측 장치
14: 내부 온도 계측 장치
15: 출구 가스 온도 계측 장치
101∼104: 열교환기
105: 샤워 헤드가 형성된 열교환기
106: 냉각용 열교환기
110: 온도 조절 공급 장치
111: 냉각 장치
112∼113: 배관

Claims

열원, 피(被)열교환 유체(流體)에 접촉하는 열전달 구조체, 및 상기 열원으로부터의 열을 상기 열전달 구조체에 전열(傳熱)하는 전열 부재를 구비하고, 상기 피열교환 유체와 상기 열전달 구조체와의 접촉면을 통해 전열형 열교환을 이루는 열교환기에 있어서,
상기 열전달 구조체는, 유입구, 유출구, 및 피열교환 유체 유로를 가지는 보디와, 상기 보디에 장착되는 다수의 열전도체를 구비하여 이루어지고,
상기 피열교환 유체와의 접촉면을 구성하는 피열교환 유체 유로의 내벽면은 상기 피열교환 유체에 대하여 안정적인 재질로 이루어지고,
상기 열전도체는 상기 보디의 재료보다 열전도율이 양호한 재료로 이루어지고,
상기 열전도체는, 핀형 구조를 가지고, 상기 피열교환 유체 유로의 근방이며 상기 피열교환 유체에는 접촉하지 않는 위치에 장착되어 있는,
열교환기.
제1항에 있어서,
상기 다수의 열전도체가, 상기 피열교환 유체 유로를 협지(sandwich)하여 대향 배치된 복수의 열전도체를 포함하는, 열교환기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전열 부재가, 상기 보디를 협지하는 2개의 전열 부재로 이루어지고, 상기 2개의 전열 부재의 각각으로부터 1 이상의 열전도체가 연장되는, 열교환기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 다수의 열전도체 중 적어도 일부가, 판형의 전열 부재와 일체로 형성되는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 다수의 열전도체 중 적어도 일부가, 지그재그 구조의 외측면을 가지는, 열교환기.
제5항에 있어서,
상기 지그재그 구조의 외측면의 표면적이, 볼록부가 없는 외측면으로 한 경우의 1.5배∼3배로 되는 지그재그 구조인, 열교환기.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 지그재그 구조의 외측면을 가지는 열전도체가, 나사인, 열교환기.
제7항에 있어서,
상기 지그재그 구조의 외측면을 가지는 열전도체가, 헤드부가 평탄한 나사이며, 열전도체 및 전열 부재의 상면이 판형인 열원과 면에서 접촉하는, 열교환기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 피열교환 유체 유로가, 복수의 굴곡부를 포함하는, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 유입구에 가까운 쪽에 배치된 상기 열전도체 중 적어도 일부가, 상기 유입구로부터 먼 쪽에 배치된 열전도체와 비교하여 열전도율이 높은 재료로 이루어지는 열전도체인, 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 유입구로부터 먼 쪽과 비교하여, 상기 유입구에 가까운 측에서는 열전도체의 개수가 많으며, 또한 고밀도로 배치되어 있는, 열교환기.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 유출구가, 외계와 연통되는 토출구인, 열교환기.
제1항 또는 제2항에 기재된 열교환기를 복수 개 적층하여 이루어지는 열교환기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 피열교환 유체 유로의 내벽면이, 수지, 금속 또는 카본인, 열교환기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 다수의 열전도체가, 구리로 이루어지는 열전도체 및 알루미늄으로 이루어지는 열전도체를 포함하는, 열교환기.
제15항에 있어서,
상기 보디가, 수지 또는 스테인레스강으로 이루어지는, 열교환기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 열원이, 가열원 또는 흡열원인, 열교환기.
제1항 또는 제2항에 기재된 열교환기를 사용하여, 유체와 전열형 열교환을 행하는, 열교환 방법.
제10항에 기재된 열교환기를 사용하여, 유체와 전열형 열교환을 행하는 열교환 방법으로서,
유입구에 가까운 쪽에, 유입구로부터 먼 쪽과 비교하여 열전도율이 상대적으로 높은 재료로 이루어지는 열전도체를 배치하고, 상기 유입구로부터 먼 쪽에, 상기 유입구로부터 가까운 쪽과 비교하여 열전도율이 상대적으로 낮은 재료로 이루어지는 열전도체를 배치함으로써, 피열교환 유체 유로의 상류측과 하류측에서 생기는 온도 분포의 불균일을 억제하는, 열교환 방법.
제11항에 기재된 열교환기를 사용하여, 유체와 전열형 열교환을 행하는 열교환 방법으로서,
유입구에 가까운 쪽에, 유입구로부터 먼 쪽과 비교하여 열전도체의 개수가 많으며, 또한 고밀도가 되도록 열전도체를 배치함으로써, 피열교환 유체 유로의 상류측과 하류측에서 생기는 온도 분포의 불균일을 억제하는, 열교환 방법.
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