KR102275743B1 - 열교환 패널 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR102275743B1
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국방과학연구소
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Abstract

일 실시 예에 따른 열교환 패널의 제조 방법은 하부에 위치하는 하부 블록층을 형성하는 단계; 상기 하부 블록층의 상부에 열전달 물질이 내부에서 유동하는 열교환 유로를 적층하는 단계; 상기 열교환 유로의 상부에 상부 블록층을 적층하는 단계; 및 상기 열교환 유로의 외부에 충전재를 충전하여 상기 상부 블록층 및 상기 하부 블록층 사이에 위치시키기 위한 연속층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

열교환 패널 및 그 제조 방법{HEAT EXCHANGE PANEL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
아래의 설명은 열교환 패널 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
종래의 공정으로 제작된 내부에 사각형 냉각 채널을 갖는 복합재 열교환기는 적층되어 제조될 수 있다. 적층되어 제조된 예비성형체 블록은 내부의 냉각 유로를 형성하기 위해, 블록의 상부가 노출되는 기계가공 과정을 거친다. 기계가공된 부위에 섬유의 불연속면이 발생할 수 있고, 기계적 강도가 보장되지 않는 날카로운 모서리가 형성될 수 있다. 한편, 상부 및 하부의 블록 간의 접합을 위해 브레이징 층이 이용되기도 한다. 위의 공정을 거쳐 제작된 완성된 복합재 기저 열교환기는 내부의 압력과 외부의 고온 압력에 동시에 노출된다. 이 때 접합층 냉각 채널의 모서리부와 기계가공에 의해 섬유의 불연속면 및 적층 층간의 분리가 발생할 수 있으므로 구조 안전성이 저하될 뿐만 아니라 각 제품마다의 균일성 및 기계적 물성의 불확실성이 증가한다. 더욱이 접합층의 강도는 예비성형체 블록 내부보다 약한 것인 일반적이며 또한 냉각 패널 가공 후 두께 방향으로의 강화 섬유의 부재로 인하여 원하는 기계적 강도를 기대하기 어렵다는 단점이 있다.
한국공개특허 제1999-0067373호 (공개일 1999년 08월 16일) 및 한국공개특허 제1998-033090 (공개일 11998년 07월 25일)에는 열교환 장치에 관하여 개시되어 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
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일 실시 예의 목적은 내열성 및 기계적 강도가 높은 열교환 패널을 제공하기 위한 것이다.
일 실시 예에 따른 열교환 패널의 제조 방법은 하부에 위치하는 하부 블록층을 형성하는 단계; 상기 하부 블록층의 상부에 열전달 물질이 내부에서 유동하는 열교환 유로를 적층하는 단계; 상기 열교환 유로의 상부에 상부 블록층을 적층하는 단계; 및 상기 열교환 유로의 외부에 충전재를 충전하여 상기 상부 블록층 및 상기 하부 블록층 사이에 위치시키기 위한 연속층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 상부 블록층 및 상기 하부 블록층 사이의 공간에서, 상기 열교환 유로의 외부에 충전재를 충전하여 연속층을 형성하는 단계는, 접착성 수지에 함침된 탄소 재질의 단섬유로 채울 수 있다.
상기 열교환 유로는 필라멘트 와인딩, 풀트루전(pultrusion) 또는 풀와인딩(pulwinding) 공정으로 제작될 수 있다.
상기 열교환 유로를 적층하는 단계 이전에 수행되고, 상기 열교환 유로를 형성하는 단계를 더 포함하고, 상기 열교환 유로를 형성하는 단계는, 상기 열교환 유로의 중심 축 방향에 대하여 제 1 필라멘트를 제 1 각도로 맨드럴에 나선형으로 감는 단계; 및 상기 열교환 유로의 중심 축 방향에 대하여 제 2 필라멘트를 상기 제 1 각도와 다른 제 2 각도로 상기 맨드럴에 나선형으로 감는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제 1 각도는, 상기 맨드럴의 중심 축에 수직한 평면을 기준으로 35도 이상이고, 상기 제 2 각도는, 상기 맨드럴의 중심 축에 수직한 평면을 기준으로 15도 이하일 수 있다.
상기 맨드럴의 중심 축에 수직한 평면에 대한 상기 제 1 각도의 크기는, 상기 제 2 각도의 크기의 2배 이상일 수 있다.
상기 열교환 유로를 형성하는 단계는, 상기 제 1 필라멘트 및 상기 제 2 필라멘트를 감은 후 상기 맨드럴을 빼내는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연속층을 형성하는 단계 이후에 수행되고, 탄화 과정을 통하여 상기 접착성 수지를 제거한 상태에서, 상기 접착성 수지가 제거됨에 따라 발생되는 공극을 침투법을 통해 메꿈으로써 강도를 보강하는 후처리 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 침투법은, 화학적 증기 침투법(Chemical Vapor Infiltration, CVI) 또는 액상 실리콘 침투법(Liquid Silicon Infiltration)을 이용할 수 있다.
하부에 위치하는 하부 블록층; 상기 하부 블록층의 상부에 적층되고, 열전달 물질이 내부에서 유동하는 열교환 유로; 상기 열교환 유로의 상부에 적층되는 상부 블록층; 및 상기 상부 블록층 및 상기 하부 블록층 사이의 공간에 위치하고, 상기 열교환 유로의 외부에 충전재가 충전되어 형성된 연속층을 포함할 수 있다.
상기 연속층은 단섬유를 포함할 수 있다.
상기 열교환 유로는, 상기 열교환 유로의 중심 축 방향에 대하여 제 1 각도로 나선형으로 감겨있는 형상을 갖는 제 1 필라멘트; 및 상기 열교환 유로의 중심 축 방향에 대하여 상기 제 1 각도와 다른 제 2 각도로 나선형으로 감겨있는 형상을 갖는 제 2 필라멘트를 포함할 수 있다.
상기 제 1 필라멘트 및 상기 제 2 필라멘트는, 접착성 수지에 함침시킨 탄소섬유일 수 있다.
일 실시 예에 따른 열교환 패널은, 불연속면 및/또는 날카로운 모서리를 최소화할 수 있으므로, 고온에서의 내열성 및 기계적 강도가 우수한 효과가 있다.
일 실시 예에 따른 열교환 패널은, 내부에 배치되는 열전달 유로가 소정의 필라멘트 와인딩 공정을 통하여 제조됨으로써 내압성 및 균질성을 동시에 확보할 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 일 실시 예에 따른 열교환 패널의 단면도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 유로 형성 과정 중 맨드럴이 제거되기 전의 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 a부분 확대도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 열교환 패널의 제조 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 열교환 패널의 제조 과정을 나타낸 순서도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 열교환 패널의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 열교환 패널(1)은 기계적 가공을 배제하여 구성 섬유의 불연속성을 최소화할 수 있고, 구조적 강도를 보장할 수 있다. 예를 들어, 열교환 패널(1)은 하부 블록층(11a), 열교환 유로(13), 상부 블록층(11b) 및 연속층(12)을 포함할 수 있다. 여기서, 하부 블록층(11a) 및 상부 블록층(11b)은 통칭하여 블록층(11)이라고 할 수 있다.
하부 블록층(11a)은 열교환 패널(1)의 하부에 위치할 수 있다. 예를 들어, 하부 블록층(11a)은, 다수의 박판이 적층되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 하부 블록층(11a)은 세라믹이나 탄소 섬유로 구성된 블록 소재로 이루어질 수 있다.
열교환 유로(13)는 하부 블록층(11a)의 상부에 적층되고, 열전달 물질이 내부에서 유동할 수 있다. 열교환 유로(13)는 내부에서 직접 열전달 물질에 의하여 압력을 받을 수 있으므로, 기계적 강도가 보장되어야 하는 부분이다. 예를 들어, 열교환 유로(13)는 풀트루전(pultrusion) 또는 풀와인딩(pulwinding) 공정으로 제작될 수도 있고, 도 2 및 도 3에 대한 설명에서 후술할 바와 같이, 필라멘트 와인딩으로 형성할 수 있다.
상부 블록층(11b)은 열교환 유로(13)의 상부에 적층될 수 있다. 예를 들어, 상부 블록층(11b)은, 다수의 박판이 적층되어 형성될 수 있다. 예를 들어 상부 블록층(11b)은 세라믹이나 탄소 섬유로 구성된 블록 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상부 블록층(11b)은, 하부 블록층(11a)과 동일한 소재로 이루어질 수도 있다.
연속층(12)은 상부 블록층(11b) 및 하부 블록층(11a) 사이의 공간에 위치하고, 열교환 유로(13)의 외부에 충전재가 충전되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 연속층(12)은 단섬유를 포함할 수 있다. 단섬유는 연속층(12)에 분산되어 있는 섬유의 길이가 짧기 때문에, 연속층(12)을 이루는 소재의 불연속성을 최소화할 수 있고, 공극률을 낮출 수 있다. 또한, 고온에서의 기계적 강도가 커질 수 있다. 또한 연속층(12)과 하부 블록층(11a) 및 상부 블록층(11b) 사이의 접합 부분에서 기계적 강도가 감쇄하는 부작용을 줄일 수 있다. 예를 들어, 연속층(12)을 이루는 단섬유의 재질은 블록층(11)의 재질과 동일할 수 있으며, 이 경우 전체 열교환 패널(1)의 기계적 강도 및 균일성을 보다 향상시킬 수 있다.
도 2는 일 실시 예에 따른 유로 형성 과정 중 맨드럴이 제거되기 전의 모습을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 a부분 확대도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 열교환 유로(13)는 필라멘트 와인딩 공정, 즉, 맨드럴(131)에 섬유를 감는 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 섬유는 접착성 수지에 함침시킨 탄소 섬유일 수 있다. 예를 들어, 접착성 수지는 페놀릭 또는 피치계 수지일 수 있고, 탄소 섬유는 얀(yarn) 또는 토우(tow)일 수 있다. 섬유는, 제 1 필라멘트(132a) 및 제 2 필라멘트(132b)를 포함할 수 있다.
제 1 필라멘트(132a)는 열교환 유로(13)의 중심 축 방향에 대하여 제 1 각도(θ1)로 맨드럴(131)에 나선형으로 감겨있는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 각도(θ1)는 맨드럴(131)의 중심 축에 수직한 평면을 기준으로 35도 이상일 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 열교환 유로(13)를 형성하는 제 1 필라멘트가 맨드럴(131)의 중심 축의 길이 방향을 따라서 여러 번 왕복하여 감길 수 있으므로, 열교환 유로(13)의 균질성을 확보할 수 있다.
제 2 필라멘트(133b)는 열교환 유로(13)의 중심 축 방향에 대하여 제 1 각도(θ1)와 다른 제 2 각도(θ2)로 맨드럴(131)에 나선형으로 감겨있는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 2 각도(θ2)는 맨드럴(131)의 중심 축에 수직한 평면을 기준으로 15도 이하일 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 열교환 유로(13)의 중심 축에 대하여 수직하고, 일정한 두께를 갖는 맨드럴(131)의 일부분에 대하여 제 2 필라멘트(132b)가 길게 감길 수 있다. 그에 따라 제 2 필라멘트(132b)로 형성된 열교환 유로(13)는 열교환 유로(13)의 중심축에 수직한 방향의 압력에 견디는 내압성이 우수할 수 있다.
예를 들어, 맨드럴(131)의 중심 축에 수직한 평면에 대하여 제 1 필라멘트(132a)가 이루는 제 1 각도(θ1)의 크기는, 제 2 필라멘트(132b)가 이루는 제 2 각도(θ2)의 크기의 2배 이상일 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 내압성과 균질성을 모두 확보할 수 있는 유로를 형성할 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 열교환 패널의 제조 과정을 나타낸 도면이고, 도 5는 일 실시 예에 따른 열교환 패널의 제조 과정을 나타낸 순서도이다.
도 4 및 도 5에 따르면, 열교환 패널의 제조 과정은, 열교환 유로(13)를 형성하는 단계와, 하부에 위치하는 하부 블록층(11a)을 형성하는 단계(21)와, 하부 블록층(11a)의 상부에 열전달 물질이 내부에서 유동하는 열교환 유로(13)를 적층하는 단계(22)와, 열교환 유로(13)의 외부에 충전재를 충전하여 상부 블록층(11a) 및 하부 블록층(11b) 사이에 위치시키기 위한 연속층(12)을 형성하는 단계(23)와, 상부 블록층(11b)을 형성하는 단계(24)와, 후처리 단계(25)를 포함할 수 있다. 한편, 반대되는 기재가 없는 이상, 상술한 단계들의 순서는 제한되지 않는다는 점을 밝혀 둔다.
열교환 유로(13)를 형성하는 단계는 단계 22 이전에 수행될 수 있다. 열교환 유로(13)는, 예를 들어, (i) 필라멘트 와인딩 공정을 통하여 형성되거나, (ii) 풀트루전(pultrusion) 또는 풀와인딩(pulwinding) 공정을 통하여 형성될 수 있다. 구체적으로 필라멘트 와인딩 공정을 통하여 열교환 유로(13)를 형성하는 단계는 맨드럴(131)에 필라멘트(132)를 감는 단계와, 필라멘트(132)를 감은 후 맨드럴(131)을 빼내는 단계를 포함할 수 있다. 맨드럴(131)에 필라멘트(132)를 감는 단계는 제 1 필라멘트(132a)를 제 1 각도로 맨드럴(131)에 나선형으로 감는 단계와, 제 2 필라멘트(132b)를 제 1 각도(θ1)와 다른 제 2 각도(θ2)로 맨드럴(131)에 나선형으로 감는 단계를 포함할 수 있다.
단계 23에서의 연속층(12)은, 도 4의 3 번째 과정에서 b부분 확대도에 도시한 것처럼, 접착성 수지(122)에 함침된 탄소 재질의 단섬유(121)로 채워질 수 있다. 여기에서. 이해의 편의를 위하여, 개념적으로 접착성 수지(122) 및 단섬유(121)를 도시한 것이나, 실제로 단섬유(121)들은 상호 밀착될 수 있을 정도로 충분히 조밀하게 배치될 수 있다. 도 4는 상부 블록층(11a)을 형성하기 전에 연속층(12)을 형성하는 방법을 예시적으로 도시하고 있으나, 열전달 유로(13)위에 상부 블록층(11a)을 적층한 뒤에, 상부 블록층(11a), 하부 블록층(11b) 및 열전달 유로(13)의 사이 공간으로 연속층(12)을 충전하는 것도 가능하다는 점을 밝혀 둔다.
단계 25는 탄화 과정을 통하여 접착성 수지(122)를 제거한 상태에서, 접착성 수지가 제거됨에 따라 발생되는 공극을 침투법을 통해 메꿈으로써 복합재화 하는 단계를 포함할 수 있다. 도 4의 4 번째 과정에서 c부분 확대도를 참조하면, 접착성 수지(122)가 탄화 과정을 거치면서 기화 또는 승화되어 공극(123)이 되고, 단섬유(121)만이 남은 것을 알 수 있다. 도 4의 5 번째 과정에서 d부분 확대도를 참조하면, 탄화 과정을 통하여 발생한 공극(123)은 침투법을 통해 연속층(12)을 이루는 소재(124)로 메꿔질 수 있다. 예를 들어, 침투법은 화학적 증기 침투법(Chemical Vapor Infiltration, CVI) 또는 액상 실리콘 침투법(Liquid Silicon Infiltration)을 이용할 수 있다. 예를 들어, 상부 및 하부 블록층(11) 및 연속층(12)이 동일한 재질로 형성될 경우, 내열성, 기계적 강도가 증가하여, 열이나 크랙에 대한 안정성을 높일 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (13)

  1. 하부에 위치하는 하부 블록층을 형성하는 단계;
    상기 하부 블록층의 상부에 열전달 물질이 내부에서 유동하는 열교환 유로를 적층하는 단계;
    상기 열교환 유로의 상부에 상부 블록층을 적층하는 단계;
    상기 열교환 유로의 외부에 충전재를 충전하여 상기 상부 블록층 및 상기 하부 블록층 사이에 위치시키기 위한 연속층을 형성하는 단계; 및
    후처리 단계를 포함하고,
    상기 상부 블록층 및 상기 하부 블록층 사이의 공간에서, 상기 열교환 유로의 외부에 충전재를 충전하여 연속층을 형성하는 단계는,
    접착성 수지에 함침된 탄소 재질의 단섬유로 채우고,
    상기 후처리 단계는,
    상기 연속층을 형성하는 단계 이후에 수행되고, 탄화 과정을 통하여 상기 접착성 수지를 제거한 상태에서, 상기 접착성 수지가 제거됨에 따라 발생되는 공극을 침투법을 통해 메꿈으로써 강도를 보강하는 열교환 패널 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환 유로는 필라멘트 와인딩, 풀트루전(pultrusion) 또는 풀와인딩(pulwinding) 공정으로 제작된 것을 특징으로 하는 열교환 패널 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환 유로를 적층하는 단계 이전에 수행되고, 상기 열교환 유로를 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 열교환 유로를 형성하는 단계는,
    상기 열교환 유로의 중심 축 방향에 대하여 제 1 필라멘트를 제 1 각도로 맨드럴에 나선형으로 감는 단계; 및
    상기 열교환 유로의 중심 축 방향에 대하여 제 2 필라멘트를 상기 제 1 각도와 다른 제 2 각도로 상기 맨드럴에 나선형으로 감는 단계를 포함하는 열교환 패널 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 각도는, 상기 맨드럴의 중심 축에 수직한 평면을 기준으로 35도 이상이고,
    상기 제 2 각도는, 상기 맨드럴의 중심 축에 수직한 평면을 기준으로 15도 이하인 것을 특징으로 하는 열교환 패널 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 맨드럴의 중심 축에 수직한 평면에 대한 상기 제 1 각도의 크기는, 상기 제 2 각도의 크기의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 열교환 패널 제조 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 열교환 유로를 형성하는 단계는,
    상기 제 1 필라멘트 및 상기 제 2 필라멘트를 감은 후 상기 맨드럴을 빼내는 단계를 더 포함하는 열교환 패널 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 침투법은, 화학적 증기 침투법(Chemical Vapor Infiltration, CVI) 또는 액상 실리콘 침투법(Liquid Silicon Infiltration)을 이용하는 것을 특징으로 하는 열교환 패널 제조 방법.
  10. 하부에 위치하는 하부 블록층;
    상기 하부 블록층의 상부에 적층되고, 열전달 물질이 내부에서 유동하는 열교환 유로;
    상기 열교환 유로의 상부에 적층되는 상부 블록층; 및
    상기 상부 블록층 및 상기 하부 블록층 사이의 공간에 위치하고, 상기 열교환 유로의 외부에 충전재가 충전되어 형성된 연속층을 포함하고,
    상기 연속층은,
    접착성 수지에 함침된 탄소 재질의 단섬유로 채워지고, 상기 접착성 수지는 탄화 과정을 통하여 제거되고, 상기 접착성 수지가 제거됨에 따라 발생되는 공극을 침투법을 통해 메꾼것을 특징으로 하는 열교환 패널.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 연속층은 단섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 패널.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 열교환 유로는,
    상기 열교환 유로의 중심 축 방향에 대하여 제 1 각도로 나선형으로 감겨있는 형상을 갖는 제 1 필라멘트; 및
    상기 열교환 유로의 중심 축 방향에 대하여 상기 제 1 각도와 다른 제 2 각도로 나선형으로 감겨있는 형상을 갖는 제 2 필라멘트를 포함하는 열교환 패널.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 필라멘트 및 상기 제 2 필라멘트는,
    접착성 수지에 함침시킨 탄소섬유인 것을 특징으로 하는 열교환 패널.
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