KR102249945B1 - 증발 및 흡수유닛 - Google Patents

Abstract

흡열 펌프(absorption heat pump) 또는 단일 냉각수 냉각 공정(single coolant cooling process)을 위한 증발기는, 열교환 스트립(strip)을 형성하기 위하여, 서로 간의 거리를 유지시키는 가압된 패턴이 제공된 다수의 판들, 증기 유도(vapor leading) 공간들 및 외부벽들을 포함하고, 상기 열교환 스트립은 내부의 표면들에 의해 유체경로(flow channel)들이 형성되도록 설계되며, 상기 유체경로들은 열 매개체 유입구 및 열 매개체 배출구와 연결되고, 냉각수는, 냉각수 유입구에 의해 열 매개체 경로들 위에 제공된, 열 매개체 경로들의 외부 표면들 상에서 강하막을 형성하고, 상기 유입구로부터 상기 배출구로 흐르는 열 매개체로부터의 열에 의하여, 상기 외부 표면들로부터 증발되는 냉각수는 상기 증기 유도 공간들로 들어가고, 상기 증기 유도 공간들에는 상기 열교환 스트립과 상기 외부벽 사이에 제공된다.

Description

증발 및 흡수유닛{AN EVAPORATION AND ABSORPTION UNIT}

본 발명은 흡수식 열펌프(absorption heat pump) 또는 단일 냉각수 냉각공정을 위한 증발기(evaporator)와 관련된다. 증발기는 다수의 쌓여진 판들을 포함한다. 판들에는 가압된 패턴이 제공된다. 열교환 스트립(strip), 증기 유도(vapor leading)공간들 및 외부벽을 형성하기 위하여, 가압된 패턴은 판들 간의 거리를 유지시킨다. 스트립의 내측 표면들에 의해 유체경로가 형성되도록, 열교환 스트립이 만들어진다. 유체경로들은 열운송 유입구 및 열운송 배출구로 연결된다. 냉각수 유입구에 의해 열운송 경로 위에 냉각수가 제공됨으로써, 냉각수는 열운송 경로들의 외측 표면들 상에 강하막(falling film)을 형성한다. 유입구에서 배출구로의 열운송 흐름으로부터 전달된 열에 의해 외부 표면들로부터 기화된 냉각수는, 빠르게 증기유도 공간들로 들어간다.

흡수 시스템은 오랜 시간 동안 냉동기, 예를 들면 호텔방의 미니바(mini bars) 및 모바일기기와 전력공급이 없는 오지를 위한 냉동기에 사용되었다.

흡수식냉동기는 두 유체 냉각수의 흡수(absorption) 및 수착(sorption)을 이용하고, 고온 열원에 의해, 예를 들면 가스 버너, 동력을 받는다. 흡수 공정의 기능은 당업자에게 잘 알려져 있어서, 상세히 논의되지 않을 것이다.

지난 십여 년간, 흡열 펌프에 대한 급격한 관심이 있었다: 유럽에서, 가스로 열을 축적하는 것인 매우 일반적이고, 적어도 요소 2(factor 2)에 의해 흡열 펌프는 가스의 소비를 줄이는 가능한 수단이다.

흡열 회로에는, 적어도 다른 다섯 가지의 열교환기들이 있다: 하나의 발생기(generator), 여기서 냉각수 용액은 고온 열원에 의해 가열되어 휘발성 요소는 매개체(carrier)에서 끓어 버린다. 응축기(condenser), 여기서 휘발성 요소는 응축된다. 증발기, 여기서 휘발성 요소는 저온 열원에 의해 증발된다. 흡수기(absorber), 여기서 낮은 휘발성 요소는 매개체로 흡수된다. 용액 열교환기, 여기서 발생기로부터의 매개체가 발생기를 향하고 있으며 높은 성분의 휘발성 요소를 가지는 흡수기부터의 매개체와 열교환 한다.

열펌프가 소위 온/오프 작동에 의해 조절되는 경우에, 흡수 공정의 빠른 시작을 위하여 증발기와 흡수기의 열적 관성(thermal inertia)이 가능한 작은 것이 중요하다.

오늘날, 이러한 것은, 튜브 및 쉘(tube-and-shell) 열교환기를 제공하고 열교환기에 포함된 튜브들 상에 강화막을 제공하는 수단을 제공함으로써 일반적으로 해결된다. 예를 들어 튜브 속의 흐르는 브라인(brine)을 가지는, 열교환기에 의해 강하막으로부터 형성된 증기는, 튜브들로 둘러 쌓인 쉘에 의해 한정된 공간으로 빠르게 들어간다.

그러나 튜브 및 쉘 열교환기는, 특히 작은 크기의 흡열 펌프는 제조하기 비싸다.

튜브 및 쉘 열교환기의 최근 발전 중 하나는, 가압된 능선(ridge)들 및 고랑(groove)들의 패턴을 가지는 시트(sheet) 금속으로부터 튜브가 제조된 열교환기이다. 가압된 능선들 및 고랑들의 패턴은, 유체 경로를 형성하면서 이웃하는 판들이 서로 거리를 유지하도록 채택된다. 여기서, 다른 모든 경로는, 시트 금속을 용접하여 제조되거나 주조 금속 프레임으로 제조된 압력 밀폐형 칸에서, 주변으로 완전히 열려 있다. 이러한 어셈블리의 제조도 비싸고 재료 소모적이다.

본 발명의 목적은, 종래의 열교환기의 이점을 가지면서 좀 더 비용 효율적인 방식으로 제조되는 열교환기를 제공하는 것이다.

상기 및 다른 문제들은, 열교환 스트립 및 외부 벽들 사이에 증기 유도 공간이 제공되는 증발기에 의해 해결된다.

증기 유도 공간들의 경로들 사이의 가스 흐름 차이를 균등화시키기 위하여, 개구들이 제공될 수 있다.

증발기로부터 비-증발(non-evaporated) 냉각수를 추출하는 것을 가능하게 하기 위하여, 증발되지 않고 냉각수 유입구로부터 열교환 스트립의 외부 표면 상에 낙하된 냉각수를 내보내는 냉각수 방출구가 제공될 수 있다.

냉각수 유입구 위에 위치된 가스 배출구는 증발된 유체를 내보내는데 이용될 수 있다.

증발기가 흡수 공정에서 이용되면, 흡수 영역은 가스 배출구로 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 흡수 영역은 증발기 영역과 일치할 수 있다.

제조 과정을 용이하게 하기 위하여, 증발기 영역 및 흡수 영역은 시트(sheet) 메탈의 같은 조각으로부터 제조될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 증발기가 이용될 수 있는 예시적인 흡수 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발기에 이용되는 가압된 판의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 증발기에 이용되는 가압된 판의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 증발기에 이용되는 가압된 판의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 증발기에 이용되는 가압된 판의 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 증발기를 실시하는데 이용 가능한 또 다른 판이다.
도 7은 본 발명에 따른 증발기에 이용되는 다른 다양한 판이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가압된 판의 개략적 평면도이다.

도 1에서, 예시적인 흡열 펌프(absorption heat pump) 시스템(1)은 응축기(condenser, 100), 제1 스로틀 밸브(throttling valve, 11), 증발기(evaporator, 120), 흡수기(absorber, 130), 펌프(140), 제2 스로틀 밸브(150), 용액 열교환기(solution heat exchanger, 160) 및 발생기(170)를 포함한다. 이러한 요소들은, 휘발성 요소(volatile component) 및 휘발성 요소를 흡수할 수 있는 매개체(carrier)의 혼합물을 담은 파이프 망에 의해 연결된다.

이후에는, 도 1의 요소를 참조로 흡수 공정이 간략하게 설명될 것이다.

발생기에서 매개체와 휘발성 요소의 혼합물은 고온 열원, 예를 들면 기름 또는 가스 불에 의해 가열된다. 휘발성 요소는 매개체로부터 분리될 것이고, 가스의 형태로 응축기에 운반되고, 가스 증기는 열교환기, 예를 들면 건물의 난방 시스템의 열매개체(heat carrier)에서 응축된다. 휘발성 요소 증기의 발생과 응축은 모두 상대적으로 높은 압력하에서 발생한다.

액상 휘발성 요소는 스로틀 밸브를 지나서, 휘발성 요소의 압력, 및 결국엔 끊는 점은 떨어진다. 스로틀 밸브 이후에, 휘발성 요소는 증발기로 들어가고, 여기서 저온 열원에 의해, 예를 들면 토양수 또는 지하수로부터 열을 흡수하는 브라인 회로(brine circuit)에 의해, 휘발성 요소는 증발된다. 그 후에, 기체의 휘발성 요소는 흡수기로 들어가고, 여기서 발생기로부터의 액상 매개체가 분사되어 기체의 휘발성 요소가 매개체에 흡수될 수 있다. 흡수는 열을 발생시킨다. 열은, 예를 들어 건물의 난방 시스템의 열매개체와 열교환 된다.

흡수된 휘발성 요소를 가지는 매개체는, 용액 열교환기를 통하고 펌프에 의해 발생기로 펌프 된다. 여기서, 흡수된 휘발성 요소를 가지는 매개체는 발생기를 지난 매개체와 열교환 한다. 발생기를 지난 매개체는 낮은 성분의 휘발성 요소를 가지므로, 흡수된 휘발성 요소를 가지는 매개체는 상대적으로 높은 온도를 가지는 발생기로 들어가고 낮은 성분의 휘발성 요소를 가지는 매개체는 상대적으로 낮은 온도를 가지는 흡수기로 들어간다. 발생기 및 응축기에서 높은 압력을 유지하기 위하여, 스로틀 밸브는 필요하다.

도 2에서, 상술한 과정에 적합한 증발기에 포함된 판이 개략적으로 보여진다. 바람직하게, 판 200은 시트(sheet) 금속으로 만들어지고 능선들(ridges) 및 고랑들(grooves)이 제공된다. 능선들 및 고랑들은 후술하는 방식으로 유체 경로를 형성하면서 이웃한 판들이 서로 간의 거리를 유지하도록 정렬된다. 바람직하게, 시트 금속들은 증발기를 형성하기 위하여 쌓여지고 땜질될 수 있다.

판 200은 판 평면으로부터 수직한 방향으로 연장된 스커트(skirt, 미도시)를 가지는 모서리 영역(210)을 포함한다. 이러한 스커트는, 상술한 바와 같이 쌓여진 판들이 땜질되면 단단한 밀봉을 형성하도록, 이웃한 판들의 스커트와 접촉하도록 설계된다. 모서리 영역으로의 연결에서, 능선들(220) 및 고랑들(230)을 포함하는 영역이 제공될 수 있다. 땜질 작업 동안에 쌓인 판들이 같게 되거나 수축되지 않게 하는 지지체를 형성하도록, 능선들 및 고랑들은 이웃하는 판들의 능선들 및 고랑들과 접촉하도록 설계된다.

판 200은 또한 증발되는 유체를 위한 유입구(240)를 포함한다. 유입구는 장막(shroud, 245), 브라인 배출구(250), 브라인 유입구(260) 및 적어도 하나의 비증기(non-evaporated) 유체를 위한 배출구(270)에 의해 부분적으로 둘러싸인다. 판 200은 또한 가스 배출구(280) 및 선택적인 가스 순환 개구(290)를 개시한다. 브라인 유입구(260)와 브라인 배출구(250) 사이에 유체경로를 형성하기 위하여, 증발기 스트립(evaporator strip, 300)에는 능선들(310)과 고랑들(320)이 제공된다.

기본적으로 판 200의 거울상(mirror image)인 이웃하는 판들과의 협동을 통하여 유체경로를 형성하도록 판 200은 설계된다. 미러링(mirroring)의 유일한 예외는 모서리 영역 및 증발기 스트립의 능선들과 고랑들의 방향이다. 도 2에서 증발기 스트립의 능선들과 고랑들은 위를 가리키는 화살촉 모양을 형성하는데 반해, 이웃하는 판들에서 증발기 스트립의 능선들과 고랑들은 아래를 가리키는 화살촉 모양을 형성한다. 모서리 영역의 능선들과 고랑들은 오른쪽 위를 가리키며, 이에 반해 이웃한 판들의 능선들과 고랑들은 오른쪽 아래를 가리킨다. 따라서, 판의 능선들은 위쪽 이웃하는 판의 도랑들과 접촉점을 형성하고, 판의 고랑들은 아래쪽 이웃하는 판의 능선들과 접촉점을 형성한다.

스커트를 가지는 모서리 영역을 제공하는 대신에, 올라간 지역을 가지는 모서리 영역을 제공하는 것이 가능함을 알 수 있다. 판이 뒤집어 지면, 올라간 지역은 이웃하는 판의 대응되는 올라간 지역과 접촉된다. 이와 같은 판의 구조에서, 도 2에 도시된 바와 같이 능선들(310)과 고랑들(320)이 해링본(herringbone) 패턴을 가질 수 없다. 그보다, 능선들(310)과 고랑들(320)은 전체 증발기 스트립(300)에 걸쳐서 경사지 형태로 연장되어야 한다: 반대로, 이웃하는 스트립의 능선들과 고랑들과 교차하는 부분이 없다.

스트립(300) 및 모든 포트 개구(port opening)들을 둘러싸는 판 영역은, 예를 들어 브라인, 가스, 액상 휘발성 요소 및 매개체의 제어된 흐름을 가지도록 다른 높이로 제공된다. 판 200을 참조하면, 브라인 유입구 및 브라인 배출구 주변의 판 영역은 낮은 높이로 제공되고, 반면에 장막, 증발된 유체의 유입구 주변의 판 영역, 스트립(300) 및 적어도 하나의 증발되지 않은 유체의 배출구는 높은 높이로 제공된다. 판 200에 이웃하는 판들은 판 200의 거울상이며, 이것은 브라인 유입구 및 브라인 배출구 주변의 판 영역은 높은 높이로 제공되고, 반면에 증발된 유체의 유입구 주변의 판 영역, 스트립(300) 및 적어도 하나의 증발되지 않은 유체의 배출구는 낮은 높이로 제공됨을 의미한다.

그러면, 판 200을 이웃하는 판들의 더미 속에 배치함으로써, 판들 사이에 다른 경로들이 형성될 것이다. 이후에서, 판 200과 판 200 위에 놓여지는 이웃하는 판 사이의 경로 형성이 개시된다. 상술한 바와 같이, 이웃하는 판들은 서로의 거울상이다. 두 이웃하는 판들에서 장막, 증발된 유체의 유입구 주변의 판 영역, 스트립(300) 주변의 영역 및 증발되지 않은 유체의 적어도 배출구 주변의 영역은 서로 접촉한다는 것을 의미한다. 이웃하는 판들의 능선들과 고랑들 또한 서로 접촉하여, 판들은 서로 간의 거리를 유지한다.

두 판들 사이의 접촉면들은 이후의 땜질 과정에서 단단한 밀봉을 형성한다. 여기서, 판들이 제조되는 금속보다 낮은 녹는점을 가지는 땜질 재료를 이용한 땜질에 의해 판들은 서로 결합된다. (일반적으로, 땜질 재료는 구리이나, 다른 물질들을 사용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 실리콘 및/또는 인(phosphorous)과 같은 녹는점을 저하시키는 형태의 첨가물을 가진 스테인리스 스틸이 있다. 바람직하게, 판들은 스테인리스 스틸로 만들어 진다.)

그런 이유로, 다른 공간들 또는 유체경로들이 판들 사이에 형성된다. 판 200의 일면에 브라인 유입구와 브라인 배출구 사이에 유체경로가 있고, 판 200의 타면에 증기화될 유체의 유입구로부터 적어도 하나의 증기화되지 않은 유체까지 유체경로(295) 또는 증기 유도(vapor leading) 공간들이 있다. 같은 유체경로(295)가 선택적인 가스 순환 개구들(290) 및 가스 배출구(280)와 소통된다. 가스 순환 개구들(290)은, 증기 유도 공간에서 가스 압력에 관한 차이를 안정화시키는 역할을 한다. 또한, 이웃한 증기 유도 공간들을 서로 간에 분할하는 판 영역에서 재료를 제거함으로써, 증발기의 열적 관성(thermal inertia)이 작아진다. 다시 말해, 공정의 시작에서부터 증발기에서 증기의 특정한 질량유량(mass flow)까지의 시간이 짧아진다.

브라인흐름 경로와 이러한 흐름 경로 사이에 유체의 접촉은 없을 것이다. 앞서 기술한 바와 같이, 겹치는 스커트들 사이의 상호작용에 의하여 판들의 둘레 주변에 단단한 밀봉이 있다. 마지막 판들(미도시)은 판들의 더미(stack)의 양측에 정렬되고, 증발기로부터 출입하는 유체를 허용하는 적절한 개구들이 제공된다. 당연히, 마지막 판들에는 가스 순환 개구들(290)이 없다.

사용 시에는, 판 200과 더미로 쌓여진 이웃하는 판들을 포함하고 증발기를 형성하도록 땜질되는 증발기는, 상부 위치하는 가스 배출구 및 하부 위치하는 적어도 하나의 증발되지 않은 유체의 배출구와 같이 배치된다. 브라인 유입구 및 배출구는 둘 사이에 브라인 흐름을 제공하는 외부 순환망(circuitry)과 연결된다.

증기화될 유체의 유입구는 유체의 근원(source)으로 연결된다. (도 1을 참조하여 기술한 열펌프 시스템의 경우에, 유체의 근원은 팽창 밸브로부터 유입되는 유체이다.) 가스 배출구는 흡수기로 연결된다. 모든 스트립(300)의 표면이 냉각수에 의해 젖는 것이 확보된다면, 증발기의 효율은 상승된다. 이를 확실히 하는 하나의 방법은, 예를 들면 유럽특허출원 08　499 27.2에 개시된 타입의 분배 파이프를 유입구(240)에서 제공하는 것이다. 분배 파이프에서 개구들은 모든 판들의 사이 공간으로의 흐름을 균등하게 분배할 것이다.

휘발성 요소의 매우 낮은 비율이 증발되면, 적어도 하나의 증기화되지 않은 유체(본 경우에, 매개체 및 휘발성 요소의 혼합물)의 배출구 일측은, 증기화될 유체의 유입구로 연결될 수 있다. 적어도 하나의 증기화되지 않은 유체의 배출구 타측은, 앞서 기술한 흡수 시스템의 발생기로 연결된다.

도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에서, 증발기 및 흡수기는 하나의 유닛(unit)으로 결합될 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 증발기 및 흡수기가 결합된 판 400이 제시된다. 판 400은 바깥 테두리(rim, 420)를 포함하고, 바깥 테두리에는 스커트(미도시)들이 제공된다. 결합된 증발기와 흡수기를 형성하기 위하여 판 400과 이웃하는 판들이 더미로 쌓일 때, 스커트들은 서로 겹치도록 정렬되어 둘레에 밀봉을 제공한다.

도 3에 보이는 바와 같이, 판 400은 길이 방향의 중심축의 오른쪽 면과 왼쪽 면이 같게 보이는 요소들을 포함한다. 이후에서, 결합된 증발기 및 흡수기는, 도 3의 오른쪽에 증발기 그리고 왼쪽에는 흡수기를 가진 것으로 여겨진다. 장막(415)에 의해 부분적으로 커버되는 증발된 유체의 유입구(440)는 매개체의 유입구(640)에 대응되고, 브라인 배출구(450)는, 예를 들어 건물 난방 시스템의 열 매개체의 배출구(650)에 대응된다. 증발기 스트립(500)은 흡수기 스트립(700)에 대응된다. 두 개의 스트립(500, 700)에는 능선들(510, 710)과 고랑들(520, 720)의 가압된 패턴이 제공된다. 결합된 증발기/흡수기를 형성하기 위하여 더미로 쌓여질 때, 능선들과 고랑들은 판 400을 이웃하는 판들과의 거리를 유지하도록 정렬된다.

적어도 하나의 증기화되지 않은 유체의 배출구(470)는, 흡수된 휘발성 요소를 가지는 매개체 용액의 배출구(670)의 적어도 하나와 대응된다.

증발기 영역과 흡수기 영역 사이에, 칸막이 벽, 분할 벽(800)이 있다. 이 벽은 다양한 다른 방식으로 설계될 수 있다. 예를 들면, 스커트(410)를 계속 연장하여 벽을 형성할 수 있다. 또한, 밀봉이 형성되도록 판 400 및 이웃하는 판들 상에 높고 낮은 영역들을 제공할 수 있다. 이러한 맥락에서, 스커트 및 높고 낮은 영역들을 설계하여 분할 벽 내에서 밀폐하는 밀봉 영역이 제공되는 것은 가능하다. 이것은 열적이 관점에서 매우 유익하다. 대부분의 열교환기들은 진공상태의 노(furnace)에서 땜질되고, 밀봉 공간이 형성되면 땜질 이후에도 진공이 유지된다.

알려진 바와 같이, 진공은 가장 좋은 열적 절연체이다. 분할 벽 내에 진공의 공간을 제공함으로써, 흡수기 영역과 증발기 영역 사이의 열전달은 상당히 줄어들 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 증발기의 일 실시예로서 판 1100이 제시된다. 판 1100은 매개체 및 휘발성 요소의 혼합물의 유입구(1100) 및 기체의 휘발성 요소의 배출구(1120), 브라인 유입구(1130), 브라인 배출구(1140) 및 매개체 배출구(1150)를 포함한다. 더불어, 판 1100은 두 개의 구분된 영역 AA와 AB를 포함한다. AA영역은 능선들 AR과 고랑들 AG를 포함하고, AB영역은 능선들 Ar과 고랑들 Ag를 포함한다. 도 4에 보이는 바와 같이, 영역 AA 및 AB의 능선들과 고랑들은 약간 다른 방향으로 이어지고, 고랑들 Ar보다 고랑들 AR이 두 배가 많다.

사용 시에, 판 1100은, 대응되는 매개체, 휘발성 요소, 그것들의 용액들과 브라인을 위한 유입구 및 배출구 개구들, 그리고 AA 및 AB와 대응되는 영역을 가지는 두 개의 다른 판들과 이웃한다. 판 1100에 이웃하는 판들은 판1100과 매우 유사하나, 능선들과 고랑들의 높이 및 유입구와 배출구 개구들을 둘러싸는 영역은 서로 거울상이다. 또한, 이웃하는 판들의 AA 및AB 영역의 능선들과 고랑들은 정렬되어, 이웃하는 판들의 능선들과 고랑들은 이웃하는 판들의 능선들과 고랑들의 교차부분 사이에 접촉점들을 형성한다. 또한, 판들의 모서리 영역들에는 스커트가 제공되고, 이웃하는 판들의 스커트들이 두 개의 판들 사이에 공간을 밀봉하도록 겹쳐지게 설계된다.

본 발명에 따른 증발기를 형성하기 위하여, 상술한 많은 수의 판 1100 및 이웃하는 판들은, 도 2-3을 참조한 실시예에 개시된 바와 같이, 판들의 더미를 형성하기 위하여 서로 쌓여진다. 일반적으로, 땜질 재료의 층은 판들 사이의 공간에 위치되고, 이 후에 증발기를 땜질하기 위하여, 판들의 더미가 땜질 오븐(brazing oven)에 놓여진다. 땜질 동안에 능선들과 고랑들에 의해 접촉점들이 형성되고 판들의 스커트들이 같이 땜질되어, 판들은 서로 간의 사이에 판 사이 공간을 형성한다.

앞에 개략적으로 기술한 바와 같이, 유입구 및 배출구 개구들 둘러싸는 영역은 다른 높이들로 제공될 수 있어서, 개구들과 판 사이의 공간들 사이의 선택적인 소통이 얻어질 수 있다.

판 1100의 경우에, 브라인 유입구(1130) 및 브라인 배출구(1140) 사이의 소통이 되고, 매개체/ 휘발성 요소의 유입구 및 배출구들(1110, 1120, 1150) 사이에 소통이 된다. 브라인 유입구 및 배출구 사이에 소통은 판들의 첫 번째 쌍 사이의 AA영역 상에서 이루어지고, 냉각수 유입구 및 배출구 사이의 소통은 AA 및 AB 영역 양쪽에서 이루어진다.

사용 시에, 브라인 유입구(1130)에서 브라인 배출구(1140)로 흐르고 휘발성 요소의 끓는점 보다 높은 온도를 가지는 브라인 또는 다른 에너지 공급자가 있다. 바람직하게, 중력의 반대로 브라인이 위쪽으로 이동하도록 증발기는 장착됨이 유의되어야 한다.

증발될 매개체 및 휘발성 요소의 혼합물은 냉각수 유입구(1110)를 통하여 들어오고, AA 영역에 의해 경계된 공간의 벽들로 떨어질 수 있다. 능선들 AR 및 고랑들 AG가 다른 방향으로 이어지기 때문에, 액상 혼합물은 균일하게 퍼지고 AA 영역의 대부분을 덮을 수 있는 막을 형성한다. 기술한 바와 같이, 브라인 온도는 휘발성 요소의 끓는점을 넘기는 정도이다. 이로 인하여, 휘발성 요소는AA 영역을 덮는 막으로부터 끊을 수 있다. AA 영역을 덮는 막으로부터 증발된 휘발성 요소는 이 영역을 빠져나가고, 어떠한 브라인과도 열교환이 일어나지 않는 AB 영역으로 들어갈 수 있다. 증발된 냉각수는 다른 곳으로 갈 수 없기 때문에, 배출구(1120)을 통하여 AB 영역을 떠날 수 밖에 없다.

AB 영역에 대해서 말하면, 증발된 냉각수가 판의 양면 상의 포트(1120)까지 이동할 수 있는 개구들을 제공함으로써 이 영역의 유효 체적(efficient volume)을 증가시킬 수 있다. 이러한 경우, AA 영역의 브라인 흐름 영역이 AB 영역과의 소통으로부터 밀봉되는 것은 당연히 결정적이다.

종래기술의 판형 증발기와 비교하여, 증발된 냉각수에 매우 약간의 과열이 있을 수 있다.

도 5에서, 본 발명의 다른 실시예가 제시된다. 도 4에 나타난 실시예에서, 형상들은 11 대신 12로 시작하는 4자리 숫자들로 지정되었다. 예를 들어, 도 1의 실시예에서 브라인 유입구 포트 1130은 도 5의 실시예에서 1230으로 지칭된다. 그 외에는 형상들의 기능은 도 4의 실시예에서 나타낸 바와 같다.

도 4의 실시예와 도 5의 실시예 사이의 주요한 큰 차이는, 도 5의 실시예에서 증발된 냉각수의 과열이 더 적을 수 있다는 것이다. 12A 영역에서 증발되는 시간부터 열교환이 일어나지 않는12B 영역으로 들어가기까지, 증발된 냉각수가 이동하는 중간 거리가 더 짧기 때문이다.

본 발명의 다른 실시예에서 결합된 증발기 및 응축기라 불리는 판 1400이 도 6에 나타난다. 이전의 실시예들과 같이, 도 6의 판 1400은 더미 속에 놓여져서, 당업자에게 잘 알려진 방식으로 이웃하는 판들은 열교환을 하기 위한 유체 흐름의 공간을 형성한다. 본 실시예에 따른 결합된 유닛은 매개체 및 휘발성 요소의 혼합물의 유입구(1310), 매개체의 배출구, 브라인 유입구(1330), 브라인 배출구(1340), 브라인 가열 영역(13A)을 포함하여, 유입구 1310로 들어가는 매개체와 혼합된 휘발성 요소가 13A 영역에 떨어질 때 증발된다. 개구 1320은, 앞서 개시된 실시예의 AB 및 12B 영역들과 같은 기능을 가지는 13B 영역과 연결된다.

응축기 1400은 1C 영역 및1D 영역으로 명명되는 두 개의 분명한 영역을 포함한다. 1C 영역은 열교환이 발생하지 않는 13B 영역과 유사하고, 1D 영역은 개구들(1320)을 통하여 응축기로 들어온 기체 물질과 두 개의 이웃한 판들에 경계 지워진 공간으로 냉각 유입구(1410)를 통하여 들어가는 냉각 액체 사이에 열교환이 있는 13A 영역과 유사하다. 냉각 액체는 배출구(1420)를 통하여 공간을 떠나며, 가스 매개물을 담은 공간들과는 접촉하지 않는다. 가스와 냉각 액체 사이의 열교환은 가스를 작은 물방울 형태로 응축시키고, 추출될 때부터 응축액 배출구(1430)에 도달할 때까지 물방울은 뭉쳐서 1D 영역으로 떨어지는 액체 흐름이 된다.

더불어, 용액 유입구(1440)는 배출구(1430)와 소통을 위하여 정렬된다. 사용 시에, 매우 낮은 휘발성 요소 함량을 가지며 이에 따라 높은 친화성을 가지는 매개체는 용액 유입구를 통하여 공급되어, 1D 영역 상에 강하막을 형성할 수 있다. 거기서, 매개체는 열을 생성하면서 기체의 휘발성 요소를 흡수할 수 있다. 열은 냉각 유입구(1410) 및 배출구(1420) 사이를 이동하는 유체에 전달될 수 있다. 이 공간을 이동하는 유체는, 예를 들면 실내 난방 시스템에서 가열 유체일 수 있다.

일 실시예에서, 1D 영역은, 결과적으로 유입구 및 배출구(1410, 1420)도, 생략될 수 있다. 이러한 경우에, 차가워지는 외부 열교환기 (미도시)로의 배출구(1430)로부터 유입구(1440)까지의 망(loop)에서 흐르는 차가운 액체 사이의 접촉으로 인하여 응축(또는 흡수)는 발생한다. 이러한 실시예에서는, 모든 판들의 양면이, 응축기로 들어온 가스가 응축되거나 폐회로 망을 순환하는 액체 속으로 흡수되는 영역으로, 이용될 수 있다.

도 7에서 제시된 판 2000을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예가 개시된다. 판 2000은 가스 배출구(2100), 용액 유입구(2110), 제1 브라인 연결부(2120), 제2 브라인 연결부(2130) 및 매개체 배출구(2150)를 포함한다. 장막(2140)은 용액 유입구(2110)를 덮는다. 더불어, 이웃하는 판들에서 서로 간의 거리를 유지시켜서, 판들 사이에 판 사이 유체경로가 형성되도록, 판에는 가압된 능선들과 고랑들의 패턴이 제공된다. 높거나 낮은 높이를 제공함으로써, 다른 개구들 사이에 선택적 소통을 제공할 수 있다. 이러한 것은 도 2 및 3을 참조로 상술한 바와 같은 방식으로 이루어질 수 있고, 따라서 상세히 기술하지 않는다.

판 2000은, 가스 영역(2001), 강하막 영역(2002) 및 침수 영역(flooded area, 2003)으로 명명된, 세 개의 다른 영역을 포함한다.

제1 및 제2 브라인 연결부(2120, 2130)가 서로 간에 유체 소통이 가능하고, 가스 배출구(2100), 용액 유입구(2110) 및 매개체 배출구(2150)가 서로 간에 유체 소통이 되도록, 배출구 및 유입구는 정렬된다. 브라인 연결부 사이의 유체 소통은 강하막 영역(2001) 및 침수 영역(2003)을 통하여 이루어질 수 있고, 용액 영역, 매개체 배출구 및 가스 배출구 사이의 소통은 전체 판 영역을 걸쳐서 이루어진다. 당업자에게 이해될 수 있는 바와 같이, 브라인 연결부들 사이의 소통은 제1 판의 사이공간에서 이루어지고, 가스 배출구(2100), 용액 유입구(2110) 및 매개체 배출구(2150) 사이의 소통은 제2 판의 사이공간에서 이루어질 수 있다.

사용 시에, 매개체 및 휘발성 요소를 포함하는 용액은 용액 유입구를(2110) 통하여 들어올 수 있다. 장막(2140)은, 이러한 용액이 아래로 강하막 영역(2002)으로 흐르도록 확실히 한다. 강하막 영역에서, 용액은 침수 영역(2003)을 향하여 아래로 떨어지는 얇은 막을 형성하고, 사이에 용액이 흐르는 판들의 반대편 면에서, 브라인 연결부들(2120, 2130) 사이의 브라인 흐름과 열교환 한다.

강하막이 침수 영역(2003)으로 모두 떨어짐에 따라, 휘발성 요소의 상당한 부분이 증발되고, 가스 영역(2001)을 통하여 증발기를 떠난다. 일부 휘발성 요소를 포함하는 남은 매개체는, 바람직하게는 휘발성 요소를 일부 함량으로 가지는 매개체로 채워진 침수 영역으로 들어간다. 그러나, 상술한 바와 같이, 브라인도 침수 영역으로 흐른다. 이 영역에서 매개체와 브라인 사이에 열교환이 있을 수 있다는 것을 의미한다. 이로 인하여, 남은 휘발성 요소의 일부는 침수 영역에서도 끓을 수 있다.

마지막으로, 낮은 함량의 휘발성 요소를 가지는 매개체는 매개체 배출구(2150)로부터 추출될 수 있다.

강하막 영역에서 용액으로부터 휘발성 요소가 충분하게 증발되지 않은 경우에, 강하막 영역과 침수 영역을 거치는 추가적 순환을 위하여 매개체 배출구로부터 용액의 유입구로 매개체를 펌프하는 것이 필요할 수 있다. 이러한 경우에, 매개체 배출구 위에 배치된 제2 유입구가 제공됨이 바람직하다. 이러한 제2 유입구를 통하여 강하막을 거치는 추가적 순환을 위하여, 매개체가 용액 유입구 안으로 들어가게 이끌어질 수 있어서, 침수 영역에서 보유 시간 및 휘발성 요소를 끓이기 위한 시간이 증가되게 된다.

앞에서 간략히 기술한 바와 같이, 판 400과 판 200은, 증발기 및/또는 결합된 증발기와 흡수기를 형성하기 위하여, 이웃하는 판들과 서로 땜질된다. 땜질 공정은 판들(스테인리스 스틸이나 알루미늄일 수 있다.)에 땜질 재료의 코팅(coating)를 제공하는 것을 포함한다. 판을 따라 잘라지고 가압된 얇은 판 형태의 땜질 재료를 공급하는 것도 가능하다. 땜질 재료는 판들이 만들어지는 재료보다 낮은 녹는점을 가진다. 스테인리스 스틸을 위한 땜질 재료의 알려진 예시들은, 구리 및 녹는점 저하제-예를 들면 붕소 (B) 및/또는 인 (P) 및/또는 실리콘 (Si)이 섞인 스테인리스 스틸이다.

그러나, 흡수 공정인 경우에, 매개체 및 휘발성 요소 모두는 종종 공격적이다. 이로 인하여, 화학적으로 좀 더 불활성한 땜질 재료들을, 예를 들면 크롬(Cr) 및/또는 니켈(Ni)을 사용하는 것이 필요할 수 있다.

또 다른 선택은, 냉각수 및 브라인과 접촉하는 상태가 되는 판들(200, 400)의 면들에 대하여 별도의 땜질 재료들을 사용하는 것이다. 상술한 바와 같이, 판들(200, 400)과 각각의 이웃하는 판들은 완전히 동일하지 않다. 그로 인하여, 판들과 이웃하는 판들을 가압하기 위해 같은 도구를 사용하는 것은 불가능하다. 따라서, 판들과 제1 땜질 재료의 얇은 판을 같이, 그리고 이웃하는 판들과 제2 땜질 재료를 같이 가압하는 것이 가능하다. 이렇게 함으로써, 증발기 및/또는 흡수기 또는 브라인 경로(예를 들면, 유입구들 및 배출구들 각각의 사이의 경로들)를 땜질하는 제1 땜질 재료 및 모든 다른 유체 경로들을, 예를 들면 냉각수와 접촉하게 되는 유체 경로들을 땜질하는 제2 땜질 재료를 가지는 결합된 흡수기를 얻는 것이 가능하다. 제1 땜질 재료는 구리이고, 제2 땜질 재료는 냉각수에 대하여 좋은 저항성을 가지는 땜질 재료, 예를 들면 니켈 또는 크롬 또는 그들의 결합일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 도 8에 제시된다. 이 실시예에서, 많은 수의 동일한 열교환기 판들(3000)은 서로 쌓여진다. 각 열교환기판에는 올려진 영역들과 내려진 영역들을 포함하는 가압된 패턴이 제공된다.

더 상세히, 판 3000은, 높은 높이가 제공되는 아래에 정의된 영역을 제외한 전체 영역을 커버하는 기본적이고 낮은 높이를 가진다.

1. 열교환기 판의 전체 둘레를 따라 이어진 모서리 영역 (3010)

2. 장막(3020)

3. 해링본 능선들(3030)

4. 열교환 영역(3040)

5. 분할 벽(3050)

6. 포트 개구들(3070) 주변의 올라간 영역

더불어, 판 3000에는 낮은 높이에 배치된 포트 개구들(3080)이 제공된다.

열교환기판들의 더미를 형성하기 위하여 쌓여질 때, 열교환기판은 하나 걸러서 이웃하는 판들과의 관계에서 뒤집어진다. 이에 의해, 다음의 것이 얻어진다.

제1 사이공간에는, 이웃하는 판들의 모서리 영역(3010), 장막(3020), 해링본 능선들(3030), 열교환 영역들(3040) 사이의 교차점들, 분할 벽들(3050) 및 포트 개구들(3070) 주변의 올라간 영역들(3060) 사이에 연결이 있다. 모든 다른 영역들은 유체 흐름에 대하여 열린 사이공간을 형성할 것이다. 인접한 제2 사이공간에서, 포트 개구들 (3060, 3061, 3062, 3063)사이에 각각 유체 경로가 있다. 해링본 능선들(3030) 사이의 공간들 있으나, 이러한 공간들은 유체 흐름에 관한 어떠한 기능도 가지지 않는다.

사용 시에, 열교환기 판들 3000의 더미(stack)에 의해 형성된 열교환기는, 예를 들면 도 8에 도시된 바와 같이, 위쪽을 가리키는 해링본 패턴과 같이 배치된다. 상승된 유체는 분산되거나, 제1 사이공간으로 유체적으로 연결된 포트 개구들(3080)로 주입될 것이다. 포트 개구(3080)로부터, 유체는 장막(3020)에 의해 측면으로 너무 멀리 흐르지 않도록 제한되면서 포트 개구(3070)를 지나서 아래로 떨어질 것이다. 유체는 열교환 영역(3040)과 접촉하고 그 위에 강하막, 예를 들면 열교환 영역(3040) 위에 천천히 아래로 굽이쳐 흐르는 막을 형성한다. 강하막은 포트 개구 3071를 지나서 아래로 포트 개구 3081까지 이어진다. 분할 벽 3050은, 분할 멱3050의 반대쪽 면으로 유체가 들어가는 것을 제한한다.

증발될 유체에 의해 생성된 강하막은, 포트 개구들(3070, 3071) 사이에서 순환하는 제2 유체와 열교환을 하고, 증기화된 유체는 열교환 영역(3043)을 떠나고 응축되면서 해링본 패턴(3030)을 지날 것이다. 해링본 패턴은 이중의 기능을 가지고 있다. 첫째로, 이웃하는 판들 사이에 지지체를 제공하고, 둘째로, 액체 상태의 증발될 유체가 지나는 것을 막는다. 해링본 패턴에 의하여, 증발된 유체를 따라서 가고 있는 액상의 증발될 유체는, 해링본 패턴을 지나기 위하여 중력을 극복하여만 된다. 중력을 극복할 수 없는 액상 유체는, 분할 벽의 반대쪽 면으로 들어가는 것이 제한되었던 액체 유체로 돌아가게 된다.

해링본 고랑들(3030)의 반대쪽 면 상에, 이전에 기술한 강하막 배치와 같은 형태를 가지는 제2 강하막 열교환기가 있다. 제2 강하막 열교환기는, 이전에 기술한 강하막 배치부터 증발된 유체를 응축하거나 흡수한다.

도 8에 따른 실시예는 하나 또는 몇 개 줄의 열전달 제동(braking) 테이크아웃(takeout, 390)을 포함할 수 있다. 이러한 열전달 제동 테이크아웃은 개구의 형태, 바람직하게 길게 늘어지거나 천공된 반-개구(punched semi-opening)일 수 있다. 여기서, 개구들의 재료는 바닥 높이로부터 비스듬하게 연장되는 텅(tongue, 395)의 형태로 남겨질 수 있다. 도 8의 실시예에서, 모든 텅들이 같은 방향으로 향하는 것이 유익하다.

도 8의 실시예에서 강하막 사이의 열전달을 감소시키는 것을 제외한 이점은, 개구 또는 반-개구가 증발된 유체를 판 사이공간 사이로 이동할 수 있게 하는 것이다. 판 사이공간의 강하막 배열의 증발 용량과 흡수 용량 사이에 부조화가 있을 때 유용할 것이다.

이해될 수 있는 바와 같이, 도 8에 따른 실시예의 판 3000은, 상기 기술한 어떠한 땜질 방법들에 의해서도 결합될 수 있다.

상기 기술은 본 발명의 바람직한 실시예들의 예시들임이 알려져야 한다. 보호의 범위는 첨부된 청구항들에 의해서만 결정되어야 한다.

예를 들어, 상기에 따른 증발기는 단지 흡수 공정을 위하여 사용되지 않고, 일반적인 단일 요소 냉각수를 가지는 냉각 및/또는 난방 과정을 위한 증발기 또는 응축기일 수 있다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 종래의 증발기는, 일반적으로 반대 흐름 모양으로 정렬된 인라인(inline) 증발로 작동한다. 증발될 액상 냉각수가, 열교환이 예정된 브라인이 가장 낮은 온도를 가지는 판 사이공간으로 허용된다는 것을 의미한다. 한 동안 판 사이공간을 지나고 난 후에, 냉각수는 끊기 시작한다. 이러한 맥락에서, 증발하는 제1 냉각수는 판에 가장 가까운 냉각수임이 주목되어야 한다. 판에 가장 가까운 증발된 냉각수가 냉각수로 열을 전달하게 하는 것은 매우 비효율적이다. 냉각수의 증발된 층이 판의 표면에서 액상 냉각수를 분리하면, 열전달 효율이 매우 낮다는 것은 당업자에게 잘 알려져 있다. 액상의 냉각수가 종래의 증발기를 떠나지 않게 하기 위하여, 냉각수는 과열되어야 한다.

본 발명에 따른 증발기에 대하여, 이러한 문제는 피해지거나 적어도 완화될 수 있다. 어떠한 열전달도 더 이상 발생하지 않게 예정된 영역으로 들어가지 전까지 증발된 냉각수는 짧은 경로만을 이동한다. 영역의 표면 상의 냉각수 유입구로부터 유입된 냉각수의 일정한 강하로부터 형성된 막은, 열교환 영역의 표면 상에 기체의 냉각수 거품이 형성된 후에 빠르게 개선될 것이다. 가스는 빠르게 A 영역을 떠나고 가스 배출구로 이어진 영역으로 들어간다.

종래의 증발기와 비교하여, 증발된 냉각수의 매우 작은 과정이 있을 뿐이다. 이것은 난방 또는 냉각 시스템의 효율에 있어서 매우 유용한다.

도 3, 6 또는 8에 따른 결합된 증발기 및 흡수기의 가능한 이용은 소금물의 담수화이다. 그러한 경우에, 소금물은 유입구(440, 1310, 3080)를 통하여 들어온다. 유입구(460)에서 배출구(450, 1340, 1330)로 지나는 가열 유체와 열교환 하면서 막의 형태로 강하된다. 소금이 든 용액으로부터 증발한 물은, 유입구 및 배출구(660, 650, 1410, 1420)로 연결된 열교환 영역으로 이동한다. 여기서, 물은 물방울로 응축되고 물방울은 배출구(670, 1430)로 흐른다. 여기서, 물이 담수화 된다.

유입구 및 배출구(450, 460, 1330, 1340) 사이의 거리가 충분히 멀면, 유입구(440, 1310)를 통하여 들어온 소금물에서 상당한 양의 물을 증발시키고 배출구(470, 1315)로 소금물만을 추출하는 것이 가능하다. 그러나, 대부분의 경우에서, 가열 유체와 열전달 및 관련된 증발을 하고 용액을 더 농도 높이는 추가 순환을 위하여, 배출구로부터 유입구로 농도 높은 물의 일부를 재순환 시키는 것이 필요하다는 것은 아니다.

Claims (12)

1. 열교환 스트립(strip)을 형성하기 위하여, 서로 간의 거리를 유지시키는 가압된 패턴이 제공된 다수의 판들;
   증기 유도(vapor leading) 공간들; 및
   외부벽들을 포함하고,
   상기 열교환 스트립은 내부의 표면들에 의해 유체경로(flow channel)들이 형성되도록 설계되며, 상기 유체경로들은 열 매개체 유입구 및 열 매개체 배출구와 연결되고,
   냉각수는, 냉각수 유입구에 의해 열 매개체 경로들 위에 제공된, 열 매개체 경로들의 외부 표면들 상에서 강하막을 형성하고,
   상기 유입구로부터 상기 배출구로 흐르는 열 매개체로부터의 열에 의하여, 상기 외부 표면들로부터 증발되는 냉각수는 상기 증기 유도 공간들로 들어가고,
   상기 증기 유도 공간들에는 상기 열교환 스트립과 상기 외부벽 사이에 제공되고,
   상기 냉각수 유입구 위에 위치하는 가스 배출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡열 펌프(absorption heat pump) 또는 단일 냉각수 냉각 공정(single coolant cooling process)을 위한 증발기.
   
2. 제1항에 있어서,
   증발되지 않고 냉각수 유입구로부터 상기 열교환 스트립의 상기 외부 표면 위에 떨어진 냉각수를 내보내기 위하여, 상기 증발기의 아래 부분에 냉각수 배출구가 더 제공되는 증발기.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 냉각수 유입구 주변에 위치한 열교환 스트립의 아래 부분은 상기 외부벽들까지 연장된 증발기.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 증기 유도 공간들에는 개구들이 제공되는 증발기.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   증발기 영역 및
   상기 가스 배출구와 연결된 흡수 영역을 더 포함하는 증발기.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 흡수 영역은 상기 증발기 영역과 동일한 증발기.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 증발기 영역 및 상기 흡수 영역은 같은 시트(sheet) 금속으로부터 제조되는 증발기.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 증발기 영역 및 상기 흡수 영역은 세미-타이트(semi tight) 벽에 의해 분할되는 증발기.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 세미-타이트 벽은, 벽을 통과하는 액상 유체를 멈추도록 설계된 해링본(herringbone) 패턴을 포함하는 증발기.
    
11. 제8항에 있어서,
    상기 증발기 영역과 상기 흡수 영역 사이의 열전달을 감소시키기 위하여, 열전달 제동(braking) 테이크아웃(takeout)들을 더 포함하는 증발기.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 열전달 제동 테이크아웃은 반-개구를 포함하고,
    상기 반-개구는 재료가 텅(tongue)의 형태로 남겨진 증발기.
    

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