KR102275342B1 - 흑연블록열교환기, 그 제조방법 및 흑연블록열교환기를 포함하는 열교환기시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 내부에 유로가 형성된 흑연블록열교환기, 그 제조방법 및 흑연블록열교환기를 포함하는 열교환기시스템에 관한 것이다.

Description

흑연블록열교환기, 그 제조방법 및 흑연블록열교환기를 포함하는 열교환기시스템 {GRAPHITE BLOCK HEAT EXCHANGER, METHOD FOR MANUFACTURING SAME, AND HEAT EXCHANGER SYSTEM USING SAME}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 내부에 유로가 형성된 흑연블록열교환기, 그 제조방법 및 흑연블록열교환기를 포함하는 열교환기시스템에 관한 것이다.

일반적으로 열 교환기는 하나의 매체로부터 또 다른 매체로 열을 전달하기 위해 사용되는 장치로서, 열전도계수가 큰 전도체를 사이에 두고 유체와 유체간 또는 유체와 기체간의 열을 교환함으로 냉각 또는 가열을 수행하게 되므로, 온도가 다른 두 유체가 서로 섞이지 않으면서 온도가 높은 유체로부터 온도가 낮은 유체로 열을 교환하도록 하는 장치를 가리킨다.

따라서, 열교환기는 고온체의 유체 또는 기체의 냉각을 목적으로 하는 냉각기와, 저온체의 유체 또는 기체를 가열하기 위한 가열기와, 증기를 응축시켜 액화 목적으로 하는 응축기와 저온측의 유체의 증발을 목적으로 하는 증발기 등이 적용된다. 열교환기는 에어컨과 같은 가정용 공기 조화 시스템으로부터 대형공장의 화학 공정이나 발전에 이르기까지 넓은 범위의 분야에서 실제적으로 많이 사용되고 있다.

한편, 컴퓨터 등과 같은 전자 기기들은 일반적으로 열을 발생시키는 부품들을 포함하고 있는 것인바, 이러한 열을 발생시키는 부품들의 열기를 냉각시키기 위한 공냉식 또는 가스와 냉매를 이용한 냉각장치가 사용되고 있다. 그러나, 종래의 냉각용 열교환기는 주관 또는 본체의 표면에 다수의 방열핀이 형성된 구조를 이루고 있는 것인바, 단순히 방열핀을 통해 열의 방출이 가능하게 되어 있어 그 방열효과가 제한되는 단점이 있었다.

이와 같이, 전자 조립체 및 개별 구성요소와 같은 다양한 디바이스의 소형화, 증가된 복잡성 및/또는 증가된 기능적 용량은 종종 성능을 유지하고 손상을 회피하기 위해 발산되어야 하는 더 많은 열이 발생되게 하지만, 종래의 열을 발산하기 위한 방법은 물리적 크기, 중량, 전력 소비, 비용, 또는 다른 파라미터에 관한 냉각 요건 및 설계 제약을 만족하는 것에 실패할 수도 있다. 이에 따라, 다양한 열원으로부터 열을 발산하기 위한 효율적인 수단에 대한 지속적인 요구가 존재한다.

또한, 종래 알려진 열교환기의 재질은 주로 금속이나 플라스틱소재가 사용되고 있는데 부식성유체 및/또는 초고온의 유체 등과 같은 특별한 환경에서는 부식이나 형태 변형 등으로 인해 내구성이 떨어지는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허번호 제10-1742386호

본 발명자들은 다수의 연구결과 고 부식성 유체 및/또는 초고온 유체의 열교환에 적합한 흑연블록을 이용한 열교환기 및 그 제조방법을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 고 부식성 유체 및/또는 초고온 유체의 열교환에 활용할 수 있는 재질 및 구조를 갖는 흑연블록열교환기, 그 제조방법 및 흑연블록열교환기를 포함하는 열교환기시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 흑연블록 내부에 유로를 제작하여 출입구를 단순화함으로써 경량화 및 소형화가 가능하며, 별도의 후조립 공정 없이 일체로 제작 가능한 흑연블록열교환기, 그 제조방법 및 흑연블록열교환기를 포함하는 열교환기시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전위차 부식을 방지하여 내구성을 증가시킬 수 있는 흑연블록 열교환기 제조방법 및 그 방법으로 제조된 흑연블록 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 흑연블록; 상기 흑연블록의 표면에 입구와 출구가 형성되고, 상기 입구와 출구를 지면에 평행하게 연결하는 일정 직경 및 길이를 갖는 중공이 일정 형상으로 상기 흑연블록 내부에 형성되어 구성된 유로부; 및 상기 유로부의 입구 및 출구에서 일정거리까지 형성된 탭핑부;를 포함하는 흑연블록열교환기를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유로부의 표면에 500마이크론 두께 이하로 코팅되어 형성된 고분자수지막부를 더 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유로부를 구성하는 중공은 서로 인접하는 간격이 3mm이상을 이루도록 형성된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 흑연블록의 상부에 형성되는 방열핀부를 더 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유로부를 구성하는 중공의 일부 면은 흑연볼트부로 이루어진다.

또한, 본 발명은 흑연블록을 준비하는 단계; 상기 흑연블록 내부에 형성할 유로부의 형상에 따라 상기 흑연블록의 전면, 후면, 좌측면 및 우측면 중 1개 이상의 면에서 그 일측 입구는 각각의 면에 형성된 관통공이고, 그에 대향되는 타측 출구는 상기 흑연블록으로 폐쇄된 구조를 갖는 일정길이의 중공을 상기 각각의 면에 수직하고 지면에 평행하게 동일직경으로 형성하여 이루어진 단일유로를 1개 이상 가공하는 단계; 상기 1개 이상의 단일유로의 관통공, 상기 중공 중 관통공부터 일정위치의 빈 공간 및 상기 중공의 특정위치의 빈 공간 중 하나 이상에 흑연볼트부의 체결이 가능하도록 다수의 탭핑부를 가공하는 단계; 상기 탭핑부가 가공된 단일유로의 내부를 고압의 물로 세척한 뒤 건조하는 단계; 및 상기 1개 이상의 단일유로의 관통공 중 상기 유로부의 입구 및 출구로 정해진 단일유로를 제외한 나머지 단일유로는 상기 중공을 이루는 관통공부터 일정위치까지의 빈 공간 및 상기 중공의 특정위치의 빈 공간 중 하나 이상에 형성된 탭핑부와 흑연볼트부의 체결을 통해 상기 빈 공간을 메워서 상기 흑연블록 내부에 유로부를 완성하는 단계;를 포함하는 흑연블록 열교환기 제조방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 완성된 유로부의 표면에 고분자수지막을 형성하는 단계;를 더 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 고분자수지막을 형성하는 단계는 상기 완성된 유로부가 고분자수지로 가득 채워질 때까지 상기 유로부에 고분자수지를 투입하는 단계; 상기 고분자수지로 채워진 유로부에 압축공기를 가하여 상기 유로부를 비우는 단계; 및 상기 유로부의 표면에 코팅된 고분자수지를 경화시켜 고분자수지막을 형성하는 단계;를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 고분자수지막을 형성하는 단계를 수행하기 전에 상기 완성된 유로부를 산유체로 처리하는 단계;를 더 수행한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 흑연블록의 상부에 방열핀을 형성하는 단계 및 상기 흑연블록의 표면을 유제로 처리하는 단계 중 하나 이상을 더 포함한다.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 흑연블록 열교환기 또는 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 흑연블록 열교환기를 다수 포함하는데, 상기 다수의 열교환기는 배열순서에 따라 선순위 열교환기에 형성된 유로부의 출구에 후순위 열교환기에 형성된 유로부의 입구가 연결되도록 결합되는 것을 특징으로 하는 흑연블록 열교환기 복합체를 제공한다.

또한, 본 발명은 폐쇄된 공간을 형성하고 상기 폐쇄된 공간 내부로 유체가 주입되는 주입구 및 상기 폐쇄된 공간에서 외부로 유체가 배출되는 배출구를 포함하는 닫힌 공간부; 상기 닫힌 공간부 내부에 배치되는 상술된 어느 하나의 흑연블록 열교환기 또는 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 흑연블록 열교환기; 상기 흑연블록 열교환기의 유로부를 따라 이동되는 발열유체; 및 상기 주입구를 통해 상기 닫힌공간부 내부로 주입되어 상기 흑연블록 열교환기의 외부를 감싸도록 상기 폐쇄된 공간에 채워진 후 상기 배출구를 통해 상기 닫힌공간부 외부로 배출되는 냉각유체;를 포함하는 열교환기 시스템을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 냉각유체는 액체 또는 기체로서, 강제환류 및 대류 중 하나 이상을 통해 상기 발열유체보다 낮은 온도를 유지한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 닫힌 공간부 내부에 상기 흑연블록 열교환기가 다수 배치되는 경우, 상기 다수의 열교환기는 배열순서에 따라 선순위 열교환기에 형성된 유로부의 출구에 후순위 열교환기에 형성된 유로부의 입구가 연결되도록 결합된다.

상술된 본 발명에 의하면, 고 부식성 유체 및/또는 초고온 유체의 열교환에 활용할 수 있는 재질 및 구조를 갖는 흑연블록열교환기, 그 제조방법 및 흑연블록열교환기를 포함하는 열교환기시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 흑연블록 내부에 유로를 제작하여 출입구를 단순화함으로써 경량화 및 소형화가 가능하며, 별도의 후조립 공정 없이 일체로 제작이 가능하다.

또한, 본 발명에 의하면 내열성, 내화학성이 우수하고 전위차 부식을 방지하여 금속이나 폴리머 대비 내구성을 크게 증가시킬 수 있으므로, 유지보수가 어려운 구조를 갖는 특수 분야에서 유용하게 활용이 가능하다.

본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 흑연블록 열교환기의 개략투시사시도이고, 도 1b는 지면에 수직한 A-A'선 단면도이고, 도 1c는 지면에 평행한 B-B'선 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 흑연블록 열교환기의 개략투시사시도이고, 도 2b는 지면에 수직한 A-A'선 단면도이고, 도 2c는 지면에 평행한 B-B'선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 흑연블록 열교환기 제조방법의흐름도이다.
도 4는 도 3에 도시된 흐름도에 따라 흑연블록 열교환기를 제조하는 일 구현예에 따른 순서를 도시한 공정도이다.
도 5는 본 발명의 흑연블록 열교환기 제조시 사용되는 흑연볼트의 일 구현예를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 흑연블록 열교환기를 포함하는 열교환시스템의 개략 측단면도이다.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명의 기술적 특징은 고부식성 유체 및/또는 초고온 유체의 열교환에 활용할 수 있는 재질인 흑연블록 내부에 유로를 제작하여 출입구를 단순화함으로써 경량화 및 소형화가 가능하고, 별도의 후조립 공정 없이 일체로 제작이 가능하며, 내열성과 내화학성이 우수하고 전위차 부식을 방지하여 금속이나 폴리머 대비 내구성을 크게 증가시킬 수 있는 흑연블록열교환기, 그 제조방법 및 흑연블록열교환기를 포함하는 열교환기시스템에 있다.

즉, 일반적으로 흑연소재를 활용한 열교환기와 같은 제품은 다수의 흑연 파이프 내부로 고온의 유체가 흐르고, 흑연 파이프 주위로 냉각유체를 흘려 흑연파이프를 식혀 주는 구조로 설계되므로 대형으로 제작될 수밖에 없었는데, 이러한 구조의 열교환기는 다수의 흑연파이프의 입구 측과 출구 측을 모두 밀폐시켜야하며, 출입구 측의 체결 부품의 크기가 커지는 문제가 발생함에 따라 제작비용 및 밀봉에 따른 문제가 발생하고 소형화시켜야 하는 제품에 적용하기에는 한계가 있었기 때문이다.

따라서, 본 발명의 흑연블록열교환기는 흑연블록; 상기 흑연블록의 표면에 입구와 출구가 형성되고, 상기 입구와 출구를 지면에 평행하게 연결하는 일정 직경 및 길이를 갖는 중공이 일정 형상으로 상기 흑연블록 내부에 형성되어 구성된 유로부; 및 상기 유로부의 입구 및 출구에서 일정거리까지 형성된 탭핑부;를 포함한다.

또한, 본 발명의 흑연블록 열교환기 제조방법은 흑연블록을 준비하는 단계; 상기 흑연블록 내부에 형성할 유로부의 형상에 따라 상기 흑연블록의 전면, 후면, 좌측면 및 우측면 중 1개 이상의 면에서 그 일측 입구는 각각의 면에 형성된 관통공이고, 그에 대향되는 타측 출구는 상기 흑연블록으로 폐쇄된 구조를 갖는 일정길이의 중공을 상기 각각의 면에 수직하고 지면에 평행하게 동일직경으로 형성하여 이루어진 단일유로를 1개 이상 가공하는 단계; 상기 1개 이상의 단일유로의 관통공, 상기 중공 중 관통공부터 일정위치의 빈 공간 및 상기 중공의 특정위치의 빈 공간 중 하나 이상에 흑연볼트부의 체결이 가능하도록 다수의 탭핑부를 가공하는 단계; 상기 탭핑부가 가공된 단일유로의 내부를 고압의 물로 세척한 뒤 건조하는 단계; 및 상기 1개 이상의 단일유로의 관통공 중 상기 유로부의 입구 및 출구로 정해진 단일유로를 제외한 나머지 단일유로는 상기 중공을 이루는 관통공부터 일정위치까지의 빈 공간 및 상기 중공의 특정위치의 빈 공간 중 하나 이상에 형성된 탭핑부와 흑연볼트부의 체결을 통해 상기 빈 공간을 메워서 상기 흑연블록 내부에 유로부를 완성하는 단계;를 포함한다. 필요한 경우 상기 완성된 유로부의 표면에 고분자수지막을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있는데, 이 경우 상기 고분자수지막을 형성하는 단계를 수행하기 전에 상기 완성된 유로부를 산유체로 처리하는 단계;를 더 수행할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 흑연블록 열교환기의 개략투시사시도이고, 도 1b는 지면에 수직한 A-A'선 단면도이고, 도 1c는 지면에 평행한 B-B'선 단면도이며, 도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 흑연블록 열교환기의 개략투시사시도이고, 도 2b는 지면에 수직한 A-A'선 단면도이고, 도 2c는 지면에 평행한 B-B'선 단면도이다. 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 흑연블록 열교환기 제조방법의 흐름도이고, 도 4는 도 3에 도시된 흐름도에 따라 흑연블록 열교환기를 제조하는 일 구현예에 따른 순서를 도시한 공정도이다.도 5는 본 발명의 흑연블록 열교환기 제조시 사용되는 흑연볼트의 일 구현예를 도시한 것이고, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 흑연블록 열교환기를 포함하는 열교환시스템의 개략 측단면도이다.

도 1a 내지 도 1c를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 흑연블록 열교환기(100)구조를 구체적으로 살펴보면, 도시된 바와 같이 흑연블록 열교환기(100)는 흑연블록(110), 유로부(120) 및 탭핑부(130)를 포함한다. 필요한 경우 흑연볼트부(140) 및 고분자수지막부(160) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

흑연블록(110)은 천연 또는 인조 흑연재질로서 가로, 세로 및 높이가 수센티미터에서 수십센티미터인 육면체로서, 서로 대향되는 전면과 후면, 좌측면과 우측면 및 하면과 상면으로 이루어질 수 있는데, 일 구현예로서 도시된 바와 같이 가로길이가 세로 길이보다 길고, 가로길이 및 세로 길이는 높이보다 긴 직육면체일 수 있다.

유로부(120)는 흑연블록(110) 내부에 형성되어 발열유체가 흐를 수 있는 공간을 제공하는 구성요소로서, 흑연블록(110)의 표면 즉 전면, 저면, 좌측면 및 우측면 중 어느 하나 이상에 입구(121)와 출구(122)가 형성되고, 입구(121)와 출구(122)를 지면에 평행하게 연결하는 일정 직경 및 길이를 갖는 중공(123)이 일정 형상으로 흑연블록(110) 내부에 형성된 것일 수 있다. 유로부(120)의 형상은 입구(121) 및 출구(122)의 위치에 따라 다양한 형상으로 구성될 수 있는데, 도시된 바와 같이 일 구현예로서 유로부(120)의 형태가 전체적으로 중앙에 놓인 U자와 그 양측에 뒷 집힌 U자가 각각 배열된 형태를 이루도록 구현할 수 있다. 이와 같이 유로부(120)는 흑연블록(110)의 내부에 형성되므로, 유로부(120)의 형태에 따라 흑연블록(110)은 그 내부가 제거되어 빈 공간 즉 중공(123)을 형성하게 되는데, 유로부(120)를 구성하는 중공(123)은 서로 인접할 때 3mm이상의 간격을 유지하도록 형성되어야만 유로부(120)를 이루는 흑연블록(110) 내부의 벽이 무너지지 않게 하면서 유로부(120)를 적절하게 가공할 수 있다.

탭핑부(130)는 유로부(120)의 입구(121) 및 출구(122)에서 일정거리까지 설치되어 외부에서 뜨거운 발열유체(300)를 유로부(120)의 입구(121)로 유입시켜서 유로부(120)를 통과하는 동안 냉각된 발열유체(300)가 출구(122)를 통해 외부로 배출될 수 있도록 연결 관을 설치하기 위한 구성요소로서 연결 관의 직경에 따라 적절한 직경으로 암나사부 형태의 탭핑부(130)가 형성될 수 있다.

흑연볼트부(140)는 흑연재질로 된 볼트형태의 구성요소로서 탭핑부(130)에 체결되어 중공의 일부 면 및 흑연블록(110)의 표면 일부를 구성할 수 있다. 즉, 흑연블록(110) 내부에 유로부(120)를 형성하는 두 가지 방법-첫 번째 방법은 유로부(120)의 수평단면이 일표면에 각각 형성된 두 개의 흑연블록을 접합시켜 완전한 유로부(120)를 형성하는 것이고, 두 번째 방법은 흑연블록(110)에 직접 구멍을 뚫어서 유로부(120)를 형성하는 방법 중 두 번째 방법이 사용되는 경우 후술하는 바와 같이 유로부(120)의 형태에 따라 흑연블록(110)의 각 표면에서 흑연블록(110) 내부로 단일유로인 다수의 중공이 형성되므로 불필요한 빈 공간이 채워져야 하는데, 흑연블록(110)과 동일 재질을 갖는 흑연볼트부(140)를 활용하게 되면 용이하게 빈 공간을 메울 수 있기 때문이다.

고분자수지막부(160)는 유로부(120)의 내부를 통과하는 발열유체(300)에 의해 흑연불순물 유입 등과 같은 부작용을 방지하기 위해 유로부(120)의 내부표면에 형성되는 구성요소로서, 일 구현예로서 불소계수지, 에폭시계 수지, PEEK, PET 등의 고분자수지를 이용하여 500마이크론 이하의 두께를 갖는 고분자수지코팅막을 형성할 수 있다.

도 2a 내지 도 2c를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 흑연블록 열교환기(100)의 구조를 구체적으로 살펴보면, 도시된 바와 같이 방열핀부(150)를 흑연블록(110)에 더 형성한 것을 제외하면 도 1a 내지 도 1c에 도시된 흑연블록 열교환기(100)와 동일하므로 방열핀부(150)에 대해서만 설명하기로 한다. 즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 흑연블록 열교환기(100)는 흑연블록(110), 유로부(120) 및 탭핑부(130)를 포함하는데, 필요한 경우 흑연볼트부(140), 방열핀부(150) 및 고분자수지막부(160) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있기 때문이다.

방열핀부(150)는 흑연블록 열교환기(100)의 접촉면적을 넓혀서 열교환 효율을 향상시키기 위한 구성요소로서, 도시된 바와 같이 흑연블록(110)의 상부표면에 형성될 수 있다. 방열핀부(150)의 재질은 구리 등과 같이 열전도성이 우수한 금속 또는 탄소재질일 수 있는데, 특히 방열핀부(150)가 금속재질인 경우 방열핀부(150)와 흑연블록(110)의 접촉면에 방열그리스가 적용되고, 방열핀부(150)의 갈바닉부식을 방지하기 위해 유제처리 또는 도장이 실시될 수 있을 것이다. 필요한 경우, 흑연블록(110)의 상부표면은 방열핀부(150)가 용이하게 결합될 수 있도록 가공될 수 있는데, 일 구현예로서 방열핀부(150)가 끼워지는 홈부가 형성될 수 있다.

도시하지는 않았지만, 방열핀부(150)의 상부에는 쿨링팬을 더 장착할 수도 있을 것이다.

도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 흑연블록 열교환기 제조방법을 구체적으로 살펴본다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 흑연블록 열교환기 제조방법은 흑연블록(110)을 준비하는 단계, 흑연블록(110) 내부에 형성될 유로부(120)의 형상에 따라 흑연블록(110)에 단일유로(① 내지 ⑦)를 1개 이상 가공하는 단계, 1개 이상 가공된 단일유로를 이루는 중공의 일정위치에 다수의 탭핑부(130)를 가공하는 단계, 단일유로를 이루는 중공내부를 세척한 후 건조하는 단계, 가공된 탭핑부(130)에 흑연볼트부(140)를 체결하여 중공의 빈공간을 특정위치에서 메워서 흑연블록(110) 내부에 유로부(120)를 완성하는 단계, 완성된 유로부(120)를 산유체로 처리하는 단계 및 산유체로 처리된 유로부 표면에 고분자수지막부(160)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서 단일유로는 그 일측 입구는 흑연블록(110)의 전후면 및 좌우측면 중 어느 하나의 면에 형성된 관통공이고, 그에 대향되는 타측 출구는 흑연블록(110)으로 폐쇄된 구조를 갖는 일정길이의 중공이 전체적으로 관통공이 형성된 면에는 수직하고 지면에 평행하게 동일직경으로 형성된 구조를 의미한다.

도 4를 참조하여, 흑연블록(110) 내부에 유로부(120)를 형성하는 공정을 보다 구체적으로 살펴보면, 먼저 도 4(A)에 도시된 바와 같이 유로부(120)의 형상을 결정하고 결정된 형상에 따른 흑연블록(110) 내에서의 유로부(120)의 크기 및 가공 위치 등을 포함하여 밀링머신 또는 CNC선반 작동에 필요한 요소들을 입력한다.

도 4(B)에 도시된 바와 같이 흑연블록(110)의 전면(111)에서 후면(112) 방향으로 일정위치까지 단일유로 ①, ② 및 ③을 이루도록 동일 직경 및 길이를 갖는 중공을 지면에 평행하게 순차적으로 또는 동시에 각각 형성한다.

도 4(C)에 도시된 바와 같이, 흑연블록(110)의 후면(112)에서 전면(111)방향으로 일정위치까지 중공을 형성하여 단일유로 ④를 형성한 후 흑연블록(110)의 좌측면(113)에서 우측면(114)을 향해 단일유로 ①의 단부를 지나 단일유로 ④와 만날 때까지 중공을 형성하여 단일유로 ⑤를 형성한다.

도 4(D)에 도시된 바와 같이, 흑연블록(110)의 우측면(114)에서 좌측면(113)을 향해 단일유로 ③의 단부를 지나 단일유로 ②의 단부와 만날 때까지 중공을 형성하여 단일유로 ⑥을 형성한다. 단일 유로 ⑥을 형성하기 전이나 후 또는 동시에 단일유로 ⑦을 형성할 수 있는데, 단일유로 ⑦은 흑연블록(110)의 우측면(114)에서 단일유로 ④의 단부가 위치한 좌측면(113)을 향해 단일유로 ③ 및 ②를 지나 단일유로 ④의 단부까지 형성된 중공으로 이루어진다.

도 4(E)에 도시된 바와 같이, 흑연블록(110) 내부에 단일유로 ① 내지 ⑦이 형성되면, 단일유로 ① 내지 ⑦은 모두 그 일측입구에서 일정위치까지 탭핑부(130)가 각각 형성될 수 있다. 특히, 단일유로 ②, ④, ⑤, ⑥ 및 ⑦에 형성된 탭핑부(130)에는 흑연볼트부(140)가 체결되어 흑연블록(110)의 표면 일부 또는 유로부(120)를 이루는 중공의 일부를 형성한다. 보다 구체적으로 탭핑부(130)의 형성위치를 살펴보면 단일유로 ②는 그 일측 입구에서 단일유로 ⑦의 중공과 만나는 위치까지, 단일유로 ④는 그 일측입구에서 단일유로 ⑤의 중공단부와 만나는 위치까지, 단일유로 ⑤는 그 일측 입구에서 단일유로 ①의 중공단부와 만나는 위치까지, 단일유로 ⑥은 그 일측 입구에서 단일유로 ③의 중공단부와 만나는 위치까지, 단일유로 ⑦은 그 일측입구에서 단일유로 ②의 중공과 만나는 위치까지 탭핑부(130)가 형성된다.

한편, 단일유로 ①과 단일유로 ③에 형성된 탭핑부(130)에는 흑연볼트부(140)가 아니라 발열유체가 통과하는 연결관이 각각 연결되므로, 유로부(120)의 입구(121)를 이루는 단일유로 ①과 유로부(120)의 출구(122)를 이루는 단일유로 ③은 그 일측 입구에서 그 내부의 일정위치까지 연결되는 연결 관의 크기를 고려하여 탭핑부(130)를 형성할 수 있다.

이와 같이 탭핑부(130)가 형성되면 유로부(120) 내부에 존재하는 흑연먼지나 조각 등 이물질을 제거하기 위해 탭핑부(130)가 가공된 단일유로 ① 내지 ⑦의 내부를 고압의 물로 세척한 뒤 건조하는 단계가 수행될 수 있다. 흑연블록(110)의 완전한 건조를 위해 고온에서 충분히 건조단계를 수행하는데 일 구현예로서 110℃에서 4시간 이상 수행할 수 있다.

도 4(F)에 도시된 바와 같이, 흑연블록(110) 내부의 단일유로에 형성된 다수의 탭핑부(130)는 유로부(120)의 입구(121)를 이루는 단일유로 ①과 유로부(120)의 출구(122)를 이루는 단일유로 ③에 형성된 탭핑부(130)를 제외한 나머지 탭핑부에 도 5에 도시된 형태의 흑연볼트부(140)를 체결함으로써 불필요한 빈 공간을 메워서 흑연블록(110) 내부에 도 4(A)에서 계획한 형태의 유로부(120)가 형성된 흑연블록 열교환기(100)를 완성할 수 있다.

이와 같이 완성된 흑연블록 열교환기(100)가 완성되면, 그대로 사용할 수도 있지만, 그 성능을 보다 향상시키기 위해 유로부(120)의 내부표면에 고분자수지막부(160)를 형성하는 것은 물론 흑연블록(110)의 상부에 방열핀부(150)를 더 형성할 수도 있다.

고분자수지막부(160)는 완성된 유로부의 표면에 형성하게 되는데, 일 구현예로 완성된 유로부가 고분자수지로 가득 채워질 때까지 유로부(120)에 고분자수지를 투입하는 단계; 고분자수지로 채워진 유로부(120)에 압축공기를 가하여 유로부(120)를 비우는 단계; 및 유로부(120)의 표면에 코팅된 고분자수지를 경화시켜 고분자수지막을 형성하는 단계;를 포함하여 수행될 수 있다. 여기서 고분자수지를 경화하는 단계는 사용되는 고분자수지의 종류에 따라 가열, 냉각 등 온도변화를 통해 또는 용제 처리 등의 화학적 방법을 통해 수행할 수 있다.

또한, 고분자수지막부(160)는 유로부(120)의 내부표면에 형성되므로, 고분자수지막부(160)를 보다 잘 형성하기 위해 황산, 질산, 염산 등 산유체로 처리하는 단계를 더 수행할 수 있다. 즉 산유체로 처리하게 되면 유로부(120)의 내부표면을 식각하여 거칠게 함으로써 고분자수지막과 흑연블록의 접착성을 강화할 수 있기 때문이다.

추가적으로 흑연블록(110)의 표면을 유제로 처리하는 단계를 더 수행하게 되면 흑연블록 열교환기(100)의 흑연재질 특유의 문제로 인한 분진문제를 해결할 수 있다. 여기서 유체로 처리하는 단계는 윤활유를 흑연블록(110)의 표면에 스프레이 처리하여 수행될 수 있는데, 사용되는 유제는 유제처리에 사용되는 것으로 알려진 공지된 모든 물질이 사용 가능하다. 특히 윤활유를 사용할 수 있는데, 일 구현예로서 윤활제(WD118)가 사용될 수 있다.

도 6을 참조하여 본 발명의 열교환기 시스템(1)의 일 구현예를 구체적으로 살펴보면, 본 발명의 열교환기 시스템(1)은 닫힌 공간부(200), 흑연블록열교환기(100), 발열유체(300) 및 냉각유체(400)를 포함할 수 있다.

닫힌 공간부(200)는 흑연블록 열교환기(100)와 냉각유체(400)를 수용하는 구성요소로서, 폐쇄된 공간(230)을 형성하고 폐쇄된 공간(230) 내부로 유체가 주입되는 주입구(210) 및 폐쇄된 공간(230)에서 외부로 유체가 배출되는 배출구(220)를 포함하여 그 폐쇄된 공간(230)에 채워진 냉각유체(400)가 일정한 온도를 유지할 수 있도록 구성되기만 하면 공지된 모든 기술적 수단을 사용할 수 있는데, 일 구현예로서 챔버가 될 수 있다.

흑연블록열교환기(100)는 상술된 구조를 갖고 다만, 흑연블록열교환기(100)의 유로부(120)의 입구(121)를 통해 뜨거운 발열유체(300)가 닫힌 공간부(230) 외부에서 흑연블록열교환기로 유입되고 유로부(120)의 출구(122)를 통해 냉각된 발열유체(300)가 닫힌 공간부(230) 외부로 배출되도록 연결관이 형성될 수 있다. 또한 도시하지는 않았으나, 흑연블록 열교환기(100)는 하나만 사용되는 것이 아니라 흑연블록 열교환기가 다수개 결합된 복합체 형태로 닫힌 공간부(200)에 설치될 수도 있다. 여기서, 흑연블록 열교환기 복합체는 흑연블록 열교환기를 다수 포함하는데, 다수의 열교환기는 배열순서에 따라 선순위 열교환기에 형성된 유로부의 출구에 후순위 열교환기에 형성된 유로부의 입구가 연결되도록 흑연블록 열교환기가 직접 결합되거나 연결관을 통해 연결되는 형태로 구현될 수 있다.

발열유체(300)는 닫힌 공간부(200) 내부에 배치되는 흑연블록 열교환기(100)의 유로부(120)를 따라 이동되는 유체로서 고내식성 및/또는 초고온의 기체 또는 액체상의 유체일 수 있다.

냉각유체(400)는 주입구(210)를 통해 닫힌공간부(200) 내부로 주입되어 흑연블록 열교환기(100)의 외부를 감싸도록 폐쇄된 공간(230)에 채워진 후 배출구(220)를 통해 닫힌공간부(200) 외부로 배출되는 액체 또는 기체상의 유체로서, 강제환류 및 대류 중 하나 이상을 통해 닫힌공간부(200) 내에서 발열유체(300)보다 낮은 온도를 유지할 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

1: 열교환기 시스템 100: 흑연블록 열교환기
110: 흑연블록 111: 전면
112: 후면 113: 좌측면 114: 우측면
120: 유로부 121: 입구
122: 출구 123: 중공
130: 탭핑부 140: 볼트부
150: 방열핀부 160: 고분자수지막부
200: 닫힌 공간부
210: 주입구 220: 배출구
230: 폐쇄된 공간 300: 발열유체
400:냉각유체

Claims (14)

1. 흑연블록;
   상기 흑연블록의 표면에 입구와 출구가 각각 1개씩 형성되고, 상기 입구와 출구를 지면에 평행하게 연결하는 일정 직경 및 길이를 갖는 중공이 일정 형상으로 상기 흑연블록 내부에 형성되어 구성된 유로부; 및
   상기 유로부의 입구 및 출구에서 각각 일정거리까지 형성된 탭핑부;를 포함하는데,
   상기 유로부는 전체적으로 중앙에 놓인 U자를 중심으로 그 양측에 뒤 집힌 U자가 각각 배열된 형태를 갖는 일정형상의 중공으로 구현되어 상기 입구에서 상기 출구까지 연속해서 연결되며, 상기 일정형상의 중공은 서로 인접하는 간격이 3mm이상을 이루도록 형성되고,
   상기 유로부의 내부 표면에 500마이크론 두께 이하로 코팅되어 형성된 고분자수지막부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연블록 열교환기.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 흑연블록의 상부에 형성되는 방열핀부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연블록 열교환기.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 유로부를 구성하는 중공의 일부 면은 흑연볼트부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 흑연블록 열교환기.
   
6. 흑연블록을 준비하는 단계;
   상기 흑연블록 내부에 형성할 유로부의 형상에 따라 상기 흑연블록의 전면, 후면, 좌측면 및 우측면 중 1개 이상의 면에서 그 일측 입구는 각각의 면에 형성된 관통공이고, 그에 대향되는 타측 출구는 상기 흑연블록으로 폐쇄된 구조를 갖는 일정길이의 중공을 상기 각각의 면에 수직하고 지면에 평행하게 동일직경으로 형성하여 이루어진 단일유로를 1개 이상 가공하는 단계;
   상기 1개 이상의 단일유로의 관통공, 상기 중공 중 관통공부터 일정위치의 빈 공간 및 상기 중공의 특정위치의 빈 공간 중 하나 이상에 흑연볼트부의 체결이 가능하도록 다수의 탭핑부를 가공하는 단계;
   상기 탭핑부가 가공된 단일유로의 내부를 고압의 물로 세척한 뒤 건조하는 단계; 및
   상기 1개 이상의 단일유로의 관통공 중 상기 유로부의 입구 및 출구로 정해진 단일유로를 제외한 나머지 단일유로는 상기 중공을 이루는 관통공부터 일정위치까지의 빈 공간 및 상기 중공의 특정위치의 빈 공간 중 하나 이상에 형성된 탭핑부와 흑연볼트부의 체결을 통해 상기 빈 공간을 메워서 상기 흑연블록 내부에 유로부를 완성하는 단계; 를 포함하는데,
   상기 완성된 유로부는 전체적으로 중앙에 놓인 U자를 중심으로 그 양측에 뒤 집힌 U자가 각각 배열된 형태를 갖는 일정형상의 중공으로 구현되어 상기 입구에서 상기 출구까지 연속해서 연결되며, 상기 일정형상의 중공은 서로 인접하는 간격이 3mm이상을 이루도록 형성되고,
   상기 완성된 유로부의 표면에 고분자수지막을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연블록 열교환기 제조방법.
   
7. 삭제
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 고분자수지막을 형성하는 단계는 상기 완성된 유로부가 고분자수지로 가득 채워질 때까지 상기 유로부에 고분자수지를 투입하는 단계;
   상기 고분자수지로 채워진 유로부에 압축공기를 가하여 상기 유로부를 비우는 단계; 및
   상기 유로부의 표면에 코팅된 고분자수지를 경화시켜 고분자수지막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연블록 열교환기 제조방법.
   
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 고분자수지막을 형성하는 단계를 수행하기 전에 상기 완성된 유로부를 산유체로 처리하는 단계;를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 흑연블록 열교환기 제조방법.
   
10. 제 6 항, 제 8 항, 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흑연블록의 상부에 방열핀을 형성하는 단계 및 상기 흑연블록의 표면을 유제로 처리하는 단계 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연블록 열교환기 제조방법.
    
11. 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항 중 어느 한 항의 흑연블록 열교환기 또는 제 6 항, 제 8 항, 제 9 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 흑연블록 열교환기를 다수 포함하는데,
    상기 다수의 열교환기는 배열순서에 따라 선순위 열교환기에 형성된 유로부의 출구에 후순위 열교환기에 형성된 유로부의 입구가 연결되도록 결합되는 것을 특징으로 하는 흑연블록 열교환기 복합체.
    
12. 폐쇄된 공간을 형성하고 상기 폐쇄된 공간 내부로 유체가 주입되는 주입구 및 상기 폐쇄된 공간에서 외부로 유체가 배출되는 배출구를 포함하는 닫힌 공간부;
    상기 닫힌 공간부 내부에 배치되는 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항 중 어느 한 항의 흑연블록 열교환기 또는 제 6 항, 제 8 항, 제 9 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 흑연블록 열교환기;
    상기 흑연블록 열교환기의 유로부를 따라 이동되는 발열유체; 및
    상기 주입구를 통해 상기 닫힌공간부 내부로 주입되어 상기 흑연블록 열교환기의 외부를 감싸도록 상기 폐쇄된 공간에 채워진 후 상기 배출구를 통해 상기 닫힌공간부 외부로 배출되는 냉각유체;를 포함하는 열교환기 시스템.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 냉각유체는 액체 또는 기체로서, 강제환류 및 대류 중 하나 이상을 통해 상기 발열유체보다 낮은 온도를 유지하는 것을 특징으로 하는 열교환기 시스템.
    
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 닫힌 공간부 내부에 상기 흑연블록 열교환기가 다수 배치되는 경우, 상기 다수의 열교환기는 배열순서에 따라 선순위 열교환기에 형성된 유로부의 출구에 후순위 열교환기에 형성된 유로부의 입구가 연결되도록 결합되는 것을 특징으로 하는 열교환기 시스템.

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