KR102330582B1 - 미세유로형 열교환기 및 이의 제조방법 - Google Patents

미세유로형 열교환기 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미세유로를 형성한 복수 개의 플레이트를 적층하여 제1 유체와 제2 유체의 사이에 열교환하는 미세유로형 열교환기에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기는 제1 유로홈이 형성되는 제1 유로플레이트, 상기 제1 유로플레이트와 겹쳐지며 상기 제1 유로홈과 겹쳐져 제2 유체가 지나는 미세유로를 형성하는 제2 유로홈이 형성되는 제2 유로플레이트, 및 상기 미세유로를 지나는 제1 유체의 전열면적이 증가되도록 상기 제1 유로플레이트와 상기 제2 유로플레이트의 사이에 삽입되는 중간플레이트를 포함한다. 따라서, 열교환 효율을 향상시키고, 부피를 최소화하여 소형화할 수 있을 뿐만 아니라, 제작비용을 감소시키고, 무게를 경감시킬 수 있다.

Description

미세유로형 열교환기 및 이의 제조방법{Micro-channel Printed Heat Exchanger and manufacturing there of}
본 발명은 미세유로를 형성한 복수 개의 플레이트를 적층하여 제1 유체와 제2 유체의 사이에 열교환하는 미세유로형 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 열교환기는 두 개의 제1 유체를 금속 튜브로 분리하여 지나도록 함으로써, 서로 열교환함에 따라 온도가 높은 제1 유체에서 온도가 낮은 제2 유체로 열을 전달하여 서로 열교환한다.
통상의 열교환기는 효율을 높이기 위해 접촉면적을 넓히도록 핀이 형성되는 데, 외부로 핀이 돌출될 경우, 고압에서 금속튜브가 버티지 못해 고압의 환경에서 열교환기를 사용하고자 할 때에는 판이 적층된 형태의 플레이트형 열교환기가 설치된다.
종래의 플레이트형 열교환기는 한국등록특허공보 제10-0628958호(2006.9.27.공고)에 "접합 금속판을 이용한 마이크로 열교환기"로 개시된 바가 있다.
상기한 종래의 접합 금속판을 이용한 마이크로 열교환기는 각 모서리 영역에 제 1, 2, 3, 4 연결공이 각각 관통 형성되고, 미세채널을 가진 금속판을 교호적으로 적층하여 이루어지고, 제 1 매니폴드에 제 1, 2 도관이 형성되고, 제 2 매니폴드에 제 3, 4 도관이 형성된 마이크로 열교환기에 있어서, 금속판은 소정 두께의 모재층; 및 모재층의 양면중 적어도 일면에 접합되고, 모재층 보다 낮은 융점을 갖는 클래드층으로 구성되고, 금속판의 양면중 클래드층이 접합된 면에는, 제1 유체의 진행방향에 대해 다수의 미세 채널이 식각된 미세채널부; 미세채널부의 일측과 제 1 연결공 사이에 식각된 공급채널; 및 미세채널부의 타측과 제 2 연결공 사이에 식각된 배출채널;이 모재층과 클래드층에 함께 식각되어 형성되는 형태로 구성되었다.
이러한 종래의 접합 금속판을 이용한 마이크로 열교환기는 금속판을 적층하는 형태로 설치하기 때문에 외부에 핀을 형성하지 않고도 고압환경에서도 손상없이 열교환을 수행할 수 있었다.
하지만 종래의 접합 금속판을 이용한 마이크로 열교환기는 열교환하기 위한 제1 유체가 지나는 미세채널의 표면적이 넓지 않아 제1 유체의 열교환성이 하락될 뿐만 아니라, 금속판이 용융접합되어 내구성이 약할 뿐만 아니라, 용융접합하기 위해 각 금속판에 접합용 박판을 설치해야 하기 때문에 제조공정이 복잡한 문제점이 있었다.
또한, 종래의 접합 금속판을 이용한 마이크로 열교환기는 미세채널에 제1 유체가 접촉되는 전열면적이 작아 열교환성이 하락되고, 미세체널의 외측과 중앙을 지나는 제1 유체의 유속차이로 인해 미세체널의 외측과 중앙을 지나는 제1 유체의 열교환 온도가 차이가 발생하여 열교환성이 하락될 뿐만 아니라, 열교환할 시간을 충분히 확보하지 못해 열교환성이 하락되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 접합 금속판을 이용한 마이크로 열교환기는 열교환성이 하락됨에 따라 마이크로 열교환기의 크기가 상대적으로 비대해져 소형화가 어려울 뿐만 아니라, 이로 인해 중량이 증가되어 취급이 어려우며 제조비용이 증가되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 제1 유체가 지나는 미세유로에 중간플레이트를 설치하여 전열면적을 넓힘으로써, 제1 유체의 열교환 효율을 향상시켜 제1 유체의 신속한 냉각과 가열이 가능한 미세유로형 열교환기 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 난류발생부에 의해 미세유로를 지나는 제1 유체에 난류를 발생함으로써, 제1 유체의 열교환시간을 충분히 확보하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 미세유로 내에서 제1 유체의 난류를 발생하여 미세유로의 외측과 중앙에 위치하는 제1 유체가 고루 섞이면서 지나기 때문에 균일하게 열교환하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있으며, 신속하게 열교환을 수행할 수 있는 미세유로형 열교환기 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 열교환 효율을 향상시킴에 따라 부피를 최소화시켜 소형화할 수 있어 제작비용을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 무게를 감소시켜 탑재하중을 낮춰 운송체의 탑재 시에 탑재공간을 최소화하고, 소모 동력을 감소시킬 수 있는 미세유로형 열교환기 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 확산접합에 의해 각 플레이트를 접합하여 내구성이 견고하여 고압환경에서도 손상을 방지할 수 있으며, 제조공정을 단순화시켜 제작비용을 감소시킬 수 있는 미세유로형 열교환기 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기는 제1 유로홈이 형성되는 제1 유로플레이트, 상기 제1 유로플레이트와 겹쳐지며 상기 제1 유로홈과 겹쳐져 제2 유체가 지나는 미세유로를 형성하는 제2 유로홈이 형성되는 제2 유로플레이트, 및 상기 미세유로를 지나는 제1 유체의 전열면적이 증가되도록 상기 제1 유로플레이트와 상기 제2 유로플레이트의 사이에 삽입되는 중간플레이트를 포함한다.
상기 중간플레이트는 상기 제1 유로플레이트와 상기 제2 유로플레이트의 사이에 확산접합될 수 있다.
상기 중간플레이트는 상기 미세유로를 지나는 제1 유체에 난류를 발생시켜 열교환 효율을 향상시키도록 상기 미세유로와 대응되는 위치에서 돌출되거나 홈 또는 구멍 또는 상기 미세유로를 상하 분할하여 교번하는 흐름층을 형성하는 난류발생부를 포함할 수 있다.
상기 제1 유로플레이트 또는 상기 제2 유로플레이트의 외면에 겹쳐져 상기 제1 유체와 열교환하는 제2 유체가 지나는 매체유로가 형성된 매체플레이트를 포함할 수 있다.
상기 매체플레이트는 상기 제2 유체가 지나는 제1 매체홈이 형성되는 제1 매체플레이트, 및 상기 제1 매체플레이트와 겹쳐지며 상기 제1 매체홈과 겹쳐져 상기 매체유로를 형성하는 제2 매체홈이 형성되는 제2 매체플레이트, 및 상기 매체유로를 지나는 제2 유체의 전열면적이 증가되도록 상기 제1 매체플레이트와 상기 제2 매체플레이트의 사이에 삽입되는 상기 중간플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유로형 열교환기.
본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기를 제조하는 제조방법은 상기한 실시예에 따른 미세유로형 열교환기의 제조방법으로서, 상기 제1 유로플레이트에 제1 유로홈을 형성하는 단계, 상기 제2 유로플레이트에 제2 유로홈을 형성하는 단계, 상기 중간플레이트를 마련하는 단계, 상기 매체플레이트에 매체유로를 형성하는 단계, 및 상기 제1 유로플레이트와 상기 중간플레이트, 및 상기 제2 유로플레이트를 차례로 겹치고, 제1 유로플레이트 또는 제2 유로플레이트에 상기 매체플레이트를 적층한 적층체를 복수 개 적층한 상태에서 미리 설정된 온도와 압력으로 가압하여 확산접합하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 제1 유로플레이트와 제2 유로플레이트의 사이에 중간플레이트가 설치되어 미세유로의 전열면적을 넓힘으로써, 제1 유체의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 난류발생부에 의해 미세유로를 지나는 제1 유체에 난류가 발생하여 미세유로에 접촉성을 향상시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 열교환 효율을 향상시켜 미세유로형 열교환기의 크기를 최소화하여 소형화할 수 있을 뿐만 아니라, 소형화로 인해 무게를 감소시킬 수 있으며, 운송체에 설치할 경우, 설치공간을 최소화하고 무게를 감소시켜 운송체의 소요동력을 감소시킬 수 있다.
또한, 적층체를 확산접합에 의해 접합하여 제조하기 대문에 제조공정을 단순화시킬 수 있으며, 제작비용을 감소시키고, 견고하게 접합되어 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기를 구성하는 적층체를 분리한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기를 구성하는 제1 유로플레이트를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기를 구성하는 제2 유로플레이트를 도시한 저면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기를 구성하는 중간플레이트를 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기를 구성하는 매체플레이트를 도시한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기를 구성하는 중간플레이트를 도시한 평면도로서, 미세유로에서 난류발생부의 위치를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기를 구성하는 중간플레이트를 도시한 평면도로서, 미세유로의 변형예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기를 도시한 측단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기를 도시한 정단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기를 도시한 측단면도로서, 변형예의 매체플레이트를 적용한 상태를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기(100)는 일례로, 고압환경에서의 수소의 압축성을 향상시키기 위한 수소냉각기에 적용하여 사용할 수 있으며, 이외의 고압환경에서 제1 유체와 제2 유체를 열교환하기 위한 다양한 산업분야에 적용할 수 있다.
실시예에서는 제1 유체는 피가열 또는 피냉각되는 유체이고, 제2 유체는 제1 유체와 열교환하기 위한 가열 또는 냉각된 열전매체인 것으로 설명하지만, 제1 유체가 열전매체일 경우, 제2 유체는 피가열 또는 피냉각되는 유체일 수 있다.
그리고, 제1 유체와 제2 유체는 기체 또는 액체이거나, 어느 하나는 유체 다른 하나는 기체일 수도 있다.
도 1 내지 도 3, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기(100)는 제1 유로플레이트(120), 및 제2 유로플레이트(130)를 포함할 수 있다.
제1 유로플레이트(120)는 판의 형상으로 형성될 수 있으며, 제1 유로플레이트(120)는 예컨대, 금속과 같은 열전도성이 높은 재료로 형성될 수 있다.
제1 유로플레이트(120)의 양면 중 어느 한면에는 열교환하기 위한 제1 유체가 지나는 제1 유로홈(125)이 형성될 수 있다.
제1 유로홈(125)은 제1 유체의 순환거리를 증대시켜 열교환 효율을 높이도록 지그재그의 형태, 또는 제1 유체가 분산되는 형태, 또는 제1 유체가 순환하는 유로의 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 제1 유로플레이트(120)에는 제1 유로홈(125)의 양단에 제1 유로홈(125)과 연통되는 제1 유입공(121)과 제1 유입공(121)으로 유입되어 제1 유로홈(125)을 거쳐 열교환한 제1 유체가 배출되는 제1 배출공(123)이 각각 관통하여 형성될 수 있다.
다른 일례의 제1 유로홈(125)은 제1 유입공(121)과 제1 배출공(123)을 통해 이동하지 않고 제1 유로플레이트(120)의 외부에서 제1 유로플레이트(120)의 일측단으로 유입되어 제1 유로홈(125)을 거쳐 제1 유로플레이트(120)의 타측단을 통해 제1 유로플레이트(120)의 외부로 바로 배출될 수 있도록 제1 유로플레이트(120)의 길이방향 또는 폭방향으로 직선 또는 대각선 또는 지그재그로 관통된 형태로 형성할 수도 있다.
제1 유로홈(125)은 미리 설정된 경로, 폭, 및 깊이를 가지도록 제1 유로플레이트(120)의 일면에 화학적인 식각 또는 기계적인 가공에 의해 형성될 수 있다.
제2 유로플레이트(130)는 판의 형상으로 형성될 수 있으며, 제2 유로플레이트(130)는 예컨대, 금속과 같은 열전도성이 높은 재료로 형성될 수 있다.
제2 유로플레이트(130)의 양면 중 어느 한면에는 열교환히기 위한 제1 유체가 지나는 제2 유로홈(135)이 형성될 수 있다.
제2 유로홈(135)은 제1 유체의 순환거리를 증대시켜 열교환 효율을 높이도록 지그재그의 형태, 또는 제1 유체가 분산되는 형태, 또는 제1 유체가 순환하는 유로의 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 제2 유로플레이트(130)에는 제2 유로홈(135)의 양단에 제2 유로홈(135)과 연통되는 제2 유입공(131)과 제2 유입공(131)으로 유입되어 제2 유로홈(135)을 거쳐 열교환한 제1 유체가 배출되는 제2 배출공(137)이 각각 관통하여 형성될 수 있다.
다른 일례의 제2 유로홈(135)은 제2 유입공(131)과 제2 배출공(137)을 통해 이동하지 않고 제2 유로플레이트(130)의 외부에서 제2 유로플레이트(130)의 일측단으로 유입되어 제2 유로홈(135)을 거쳐 제2 유로플레이트(130)의 타측단을 통해 제2 유로플레이트(130)의 외부로 바로 배출될 수 있도록 제2 유로플레이트(130)의 길이방향 또는 폭방향으로 직선 또는 대각선 또는 지그재그로 관통된 형태로 형성할 수도 있다.
그리고, 제1 유로플레이트(120) 및 제2 유로플레이트(130)에서 미세유로(124)에서 이격되어 미세유로(124)에 연통되지 않는 부분에 하기에 설명할 제2 유체가 이동하는 공급연통공(127,137)이 형성되며, 제2 유체가 토출되는 토출연통공(129,139)이 서로 이격되어 제1 유로플레이트(120) 및 제2 유로플레이트(130)에 각각 형성될 수 있다.
제2 유로홈(135)은 제1 유로홈(125)과 대칭된 형태로 제2 유로플레이트(130)의 제1 유로홈(125)과 마주하는 일면에 화학적인 식각 또는 기계적인 가공에 의해 형성될 수 있다.
제1 유로홈(125)과 제2 유로홈(135)은 서로 마주하도록 위치시킨 상태에서 제1 유로플레이트(120)와 제2 유로플레이트(130)를 겹쳤을 때, 제1 유로플레이트(120)와 제2 유로플레이트(130)의 사이로 제1 유체가 지나는 미세유로(124)를 형성할 수 있다.
한편, 미세유로(124)는 제1 유입공(121) 및 제2 유입공(131)이 위치하는 일단에서 제1 배출공(123) 및 제2 배출공(137)이 위치하는 타단까지 동일한 폭을 가질 수 있지만, 미세유로형 열교환기(100)의 형상에 따라 일부 구간에는 서로 다른 폭을 가지도록 형성될 수도 있다.
미세유로(124)를 지나는 제1 유체는 미세유로형 열교환기(100)와 열교환하여 냉각 또는 가열되는 기체 또는 액체일 수 있으며, 제1 유체는 미세유로형 열교환기(100)와 열교환하여 가열 또는 냉각되는 제1 유체일 수 있다.
도 1, 도 4, 및 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기(100)는 중간플레이트(140)를 포함할 수 있다.
이 중간플레이트(140)는 제1 유로플레이트(120)와 제2 유로플레이트(130)의 사이에 삽입되어 위치할 수 있으며, 중간플레이트(140)는 제1 유로홈(125)과 제2 유로홈(135)에 의해 형성되는 미세유로(124)를 지나는 제1 유체와의 열을 교환하는 전열면적을 증대시켜 제1 유체의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 중간플레이트(140)를 제1 유로플레이트(120)와 제2 유로플레이트(130)에 삽입하면, 미세유로(124)의 단면을 원형으로 형성하고, 미세유로(124)의 지름이 D, 미세유로(124)의 전체길이가 L이라고 할 경우, 미세유로(124)의 내측 둘레 면적은 중간플레이트(140)가 없을 경우 πD*L로 계산되지만, 중간플레이트(140)가 삽입될 경우에는 대략 (2+π)D*L로 계산되기 때문에 중간플레이트(140)가 없을 때보다 전열면적이 60% 증가하여 제1 유체의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
중간플레이트(140)는 제1 유로플레이트(120)와 제2 유로플레이트(130)의 둘레와 대응되는 두레를 갖는 판의 형상으로 형성될 수 있으며, 중간플레이트(140)는 제1 유로플레이트(120)와 제2 유로플레이트(130)의 두께보다는 얇은 박판의 형태로 형성될 수 있다.
중간플레이트(140)도 예컨대, 금속 또는 그라이파이트와 같은 열전도성이 높은 재료로 형성될 수 있다.
중간플레이트(140)에서 미세유로(124)와 대응되는 부분에는 미세유로(124)에 난류를 발생시켜 제1 유체가 충분히 열교환하여 지나도록 난류를 발생시키는 난류발생부(145)가 형성될 수 있다.
난류발생부(145)는 실시예에서와 같이 미세유로(124)를 따라 중간플레이트(140)에 복수 개의 구멍을 형성하는 형태로 구성할 수도 있지만, 구멍의 둘레에 돌출된 돌기를 더 형성하거나, 제1 유체가 저항하는 관통하지 않은 홈을 더 추가적으로 형성하는 형태로도 구성할 수도 있다.
실시예에서는 난류발생부(145)를 중간플레이트(140)로 구획되는 미세유로(124)를 관통하도록 구멍을 형성하여 중간플레이트(140)로 구획되는 제1 유로홈(125)과 제2 유로홈(135)을 제1 유체가 교번하는 흐름층을 형성하여 각 흐름층에서 열교환하며 난류를 발생함으로써, 제1 유체에 난류를 발생하도록 구성하였다.
물론, 난류발생부(145)의 형상과 모양에 따라 난류발생 정도를 설정할 수 있으며, 미세유로(124)의 위치에 따라 제1 유체의 이동속도 또는 열교환 효율을 조절하도록 서로 다른 크기로 형성될 수도 있으며, 유체의 이동방향향을 향하거나, 그 반대방향을 향해 경사지도록 관통된 구멍의 형태로 형성될 수도 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 난류발생부(145)를 구멍의 형태로 구성할 경우, 제1 유로홈(125)에서 제2 유로홈(135)으로 갈수록 좁아지게 관통된 구멍과 제2 유로홈(135)에서 제1 유로홈(125)로 갈수록 좁아지게 관통된 구멍을 미세유로(124)를 따라 교대로 복수 개를 형성하여 제1 유로홈(125)과 제2 유로홈(135)의 사이에서 난류발생부(145)를 통해 이동하는 제1 유체의 교반성을 향상시킬 수 있다.
또한, 난류발생부(145)에 의해 난류가 발생하면서, 미세유로(124)의 내주에 위치하는 제1 유체와 미세유로(124)의 중심을 지나는 제1 유체를 서로 혼합되도록 함으로써, 열교환 효율을 향상시킴과 동시에 미세유로(124)의 내주에서 마찰력에 의해 제1 유체가 이동하는 속도와 미세유로(124)의 중앙에서 마찰력이 없이 지나는 제1 유체의 속도를 균일하게 함으로써, 제1 유체의 전체적인 온도차를 최소화하여 열교환할 수 있으며, 미세한 온도 변화라도 신속하게 열교환할 수 있다.
또한, 난류발생부(145)에 의해 미세유로(124)의 상하로 제1 유체가 교번하며 이동하면서 제1 유체의 흐름에 변곡이 발생하고, 제1 유체의 이동거리가 증대되면서, 제1 유체의 접촉성을 향상시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 난류발생부(145)에 의해 대류열전도율을 높임으로써, 제2 유체와 제1 유체의 사이에 열전도율을 높일 수 있으며, 미세유로형 열교환기(100)의 효율을 증대시키고, 부피를 감소시켜 소형화 할 수 있을 뿐만 아니라, 소형화로 인한 제작비용의 절감 및 운송체의 탑재시 탑재무게(Paylaod)의 절감으로 인해 공간절약 및 동력을 절약할 수 있다.
중간플레이트(140)에는 제1 유로플레이트(120)의 제1 유입공(121)과 제2 유로플레이트(130)의 제2 유입공(131)을 연통하도록 관통된 중간유입공(141)이 형성될 수 있으며, 제2 유로플레이트(130)의 제1 배출공(123)과 제2 유로플레이트(130)의 제2 배출공(137)을 연통하도록 관통된 중간배출공(143)이 형성될 수 있다.
또한, 중간플레이트(140)에는 제1 유로플레이트(120) 및 제2 유로플레이트(130)의 공급연통공(127,137)과 연통되는 중간공급공(147)이 형성되고, 토출연통공(129,139)과 연통되는 중간토출공(149)이 각각에 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
도 1, 도 5, 도 8, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기(100)는 매체플레이트(150)를 포함할 수 있다.
매체플레이트(150)는 제2 유체가 지나면서 제2 유체의 온도에 따라 매체플레이트(150)와 열교환하여 미세유로형 열교환기(100)를 가열 또는 냉각할 수 있다.
여기서, 제2 유체는 가열기 또는 냉각기에 의해 가열 또는 냉각된 제1 유체 또는 기체일 수 있다.
매체플레이트(150)는 판의 형상으로 형성될 수 있으며, 매체플레이트(150)에는 제2 유체가 지나는 매체유로(155)가 형성될 수 있다.
매체플레이트(150)에는 매체유로(155)의 일단을 통해 제2 유체가 공급되는 매체공급공(157)이 관통형성되고, 매체유로(155)를 지난 후 제2 유체가 토출되도록 매체유로(155)의 타단에 매체토출공(159)이 관통형성될 수 있다.
이때 매체공급공(157)과 매체토출공(159)은 제1 유로플레이트(120)의 제1 유로홈(125)과 제1 배출공(123), 및 제2 유로플레이트(130)의 제2 유로공과 제2 배출공(137)이 서로 겹쳐지지 않는 매체플레이트(150)의 위치에 형성될 수 있다.
여기서, 매체플레이트(150)와 제1 유로플레이트(120), 중간플레이트(140) 및 제2 유로플레이트(130)로 구성되는 적층체(110)를 복수 개 적층하여 미세유로형 열교환기(100)를 구성하는 경우, 매체공급공(157)과 제1 유로플레이트(120)와 제2 유로플레이트(130)에 각각 형성된 공급연통공(127,137), 및 중간플레이트(140)에 형성되는 중간공급공(147)이 서로 연통되면서, 각 적층체(110)의 매체유로(155)로 제2 유체를 공급하는 공급유로를 형성한다.
또한, 매체토출공(159)과 제1 유로플레이트(120)와 제2 유로플레이트(130)에 각각 형성된 토출연통공(129,139), 및 중간플레이트(140)에 형성되는 중간토출공(149)이 서로 연통되면서, 각 적층체(110)의 매체유로(155)를 거친 제2 유체가 토출되는 토출유로를 형성한다.
이때, 복수 개의 적층체(110)의 가장 하단 또는 가장 상단에 위치하는 매체플레이트(150)의 매체공급공(157)이 제2 유체를 공급하기 위한 공급구가 될 수 있으며, 이 매체플레이트(150)의 매체토출공(159)이 제2 유체를 외부로 토출하는 토출구가 될 수 있다.
매체플레이트(150)에는 매체플레이트(150)에 적층된 제1 유로플레이트(120)와 제2 유로플레이트(130)의 사이에 구성되는 미세유로(124)로 제1 유체가 유입되는 관통된 유입연통공(151)이 형성되고, 유입연통공(151)과 이격되어 미세유로(124)를 거친 제1 유체가 배출되는 배출연통공(153)이 형성될 수 있다.
여기서, 유입연통공(151)은 제1 유로플레이트(120)에 형성되는 제1 유입공(121) 또는 제2 유로플레이트(130)에 형성되는 제2 유입공(131)과 대응되는 위치에 형성될 수 있으며, 배출연통공(153)은 제1 유로플레이트(120)에 형성되는 제1 배출공(123) 또는 제2 유로플레이트(130)에 형성되는 제2 배출공(137)과 대응되는 위치에 형성될 수 있다.
제1 유로플레이트(120)와 중간플레이트(140) 및 제2 유로플레이트(130)에 매체플레이트(150)를 적층된 적층체(110)를 복수 개 적층한 경우, 매체플레이트(150)의 유입연통공(151)과 제1 유로플레이트(120)의 제1 유입공(121), 제2 유로플레이트(130)의 제2 유입공(131) 및 중간플레이트(140)의 중간유입공(141)이 서로 연통되면서, 각 적층체(110)의 미세유로(124)로 제1 유체를 공급하는 유입유로를 형성한다.
또한, 매체플레이트(150)의 배출연통공(153)과 제1 유로플레이트(120)의 제1 배출공(123), 제2 유로플레이트(130)의 제2 배출공(137) 및 중간플레이트(140)의 중간배출공(143)이 서로 연통되면서, 배출유로를 형성하여 각 적층체(110)의 미세유로(124)를 거친 제1 유체가 배출유로를 통해 배출된다.
매체플레이트(150)는 제1 유로플레이트(120), 중간플레이트(140), 및 제2 유로플레이트(130)를 차례로 적층된 상태에서 제1 유로플레이트(120) 또는 제2 유로플레이트(130) 중 어느 하나 또는 둘 모두에 겹쳐진 상태로 미리 설정된 온도와 압력으로 가압하여 확산접합하는 형태로 서로 접합될 수 있다.
그리고 매체플레이트(150)에는 매체플레이트(150)에 적층된 제1 유로플레이트(120)와 제2 유로플레이트(130)의 사이에 구성되는 미세유로(124)로 제1 유체를 공급하기 위해 관통된 유입연통공(151) 배출연통공(153)이 관통하여 형성될 수 있으며, 유입연통공(151)은 제1 유로유입공 및 제2 유로유입공과 연결되고, 배출연통공(153)은 제1 유로배출공 및 제2 유로배출공과 연결된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 변형예의 매체플레이트(150)는 제1 매체플레이트(150a)와 제2 매체플레이트(150b)를 포함할 수 있다.
제1 매체플레이트(150a)와 제2 매체플레이는 서로 겹쳐져 구성될 수 있으며, 제1 매체플레이트(150a)의 양면 중 어느 한면에는 제2 유체가 지나는 제1 매체홈(155a)이 형성되고, 제2 매체플레이트(150b)에는 제2 매체홈(155b)이 형성되어 제1 매체홈(155a)과 제2 매체홈(155b)이 서로 마주하도록 제1 매체플레이트(150a)와 제2 매체플레이트(150b)가 겹쳐진 상태에서 제1 매체홈(155a)과 제2 매체홈(155b)에 의해 매체유로(155)를 구성할 수 있다.
그리고, 제1 매체플레이트(150a)에는 제1 매체홈(155a)의 양단에 각각 제1 매체공급공(157)과 제1 매체토출공(159)이 형성되고, 제2 매체플레이트(150b)에는 제2 매체유로(155b)의 양단에 각각 제2 매체공급공과 제2 매체토출공이 형성되어 제1 매체플레이트(150a)와 제2 매체플레이트(150b)가 겹쳐진 상태에서 제1 매체공급공과 제2 매체공급공을 통해 제2 유체가 유입되면서, 제1 매체홈(155a)과 제2 매체홈(155b)로 구성된 매체유로(155)를 지나 제1 매체토출공과 제2 매체토출공을 통해 토출될 수 있다.
그리고, 제1 매체플레이트(150a)와 제2 매체플레이트(150b)의 사이에는 상기한 중간플레이트(140)가 더 설치되어 중간플레이트(140)의 난류발생부(145)가 매체유로(155)에 난류를 발생함으로써, 제2 유체가 제1 매체플레이트(150a) 및 제2 매체플레이트(150b)와 열교환하는 시간을 충분히 확보하여 제1 유체와의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
이 난류발생부(145)에 대한 효과는 제1 유로플레이트(120)와 제2 유로플레이트(130)의 미세유로(124)에 작용하는 효과와 동일하므로 효과에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기(100)는 덮개플레이트(160)를 포함할 수 있다.
덮개플레이트(160)는 매체플레이트(150)의 노출된 매체유로(155)를 덮어 매체유로(155)를 밀폐할 수 있다.
덮개플레이트(160)는 매체플레이트(150)의 외형과 대응되는 형상으로 형성될 수 있으며, 덮개플레이트(160)는 가장 상부 또는 가장 하부에 위치하는 매체플레이트(150)의 매체유로(155)가 개방될 경우, 매체플레이트(150)에 겹쳐져 매체유로(155)를 밀폐할 수 있다.
덮개플레이트(160)는 매체유로(155)를 밀폐할 뿐만 아니라, 유입유로, 배출유로, 공급유로, 및 토출유로의 외측단을 함께 밀폐하여 제1 유체 및 제2 유체가 외부로 유출되는 것을 차단할 수 있다.
덮개플레이트(160)는 열전도성이 높은 재료로 형성될 수 있으며, 판의 형상으로 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 각 구성 간의 작용과 효과를 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기(100)의 제조방법과 함께 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기(100)의 제조방법은 먼저 제1 유로플레이트(120)에 제1 유로홈(125)을 형성한다.
제1 유로플레이트(120)는 열교환 효율이 높은 재료로 형성된 판을 제1 유로플레이트(120)를 형성하고자 하는 형상대로 재단하고, 제1 유로플레이트(120)에 제1 유입공(121), 제1 배출공(123), 공급연통공(127,137), 및 토출연통공(129,139)을 관통하고, 제1 유로플레이트(120)의 양측면 중 어느 한 면에 미리 설정된 폭, 경로 및 깊dl에 맞춰 제1 유로홈(125)을 형성한다.
제1 유로홈(125)은 제1 유로플레이트(120)의 어느 한 측면에 화학적인 시각 또는 기계적인 가공에 의해 형성할 수 있다.
그리고, 제1 플레이트에 제1 유로홈(125)이 형성되면, 제2 플레이트를 열교환 효율이 높은 재료로 형성된 판을 제2 유로플레이트(130)를 형성하고자 하는 형상대로 재단하고, 제2 유입공(131), 제2 배출공(137), 공급연통공(127,137) 및 토출연통공(129,139)을 관통하고, 제2 유로플레이트(130)의 양측면 중 어느 한 면에 미리 설정된 폭, 경로 및 깊이 맞춰 제2 유로홈(135)을 형성한다.
제2 유로홈(135)은 제1 유로홈(125)과 마찬가지로 제2 유로플레이트(130)의 어느 한 측면에 화학적인 시각 또는 기계적인 가공에 의해 형성할 수 있으며, 제1 유로홈(125)은 제2 유로홈(135)은 겹쳐졌을 때, 제1 유체가 지나는 미세유로(124)를 형성하도록 서로 대칭된 형태로 형성될 수 있다.
제2 유로플레이트(130)에 제2 유로홈(135)이 형성되면, 중간플레이트(140)를 제작하는 데, 중간플레이트(140)는 열전도성이 높은 재료로 형성된 판을 재단하고, 중간유입공(141), 중간배출공(143), 중간공급공(147), 및 중간토출공(149)을 관통하고, 제1 유로홈(125)과 제2 유로홈(135)이 겹쳐져 형성되는 미세유로(124)와 대응되는 위치에 난류발생부(145)를 형성한다.
난류발생부(145)는 미세유로(124)를 따라 홈, 돌기 또는 구멍을 복수 개 이격시켜 형성하는 형태로 형성할 수 있다.
중간플레이트(140)가 제작되면 매체플레이트(150)를 제작하는데, 매체플레이트(150)는 미리 설정된 매체플레이트(150)의 형상으로 판을 재단하고 유입연통공(151), 배출연통공(153), 매체공급공(157), 및 매체토출공(159)을 관통하여 형성한다.
그리고, 매체플레이트(150)의 양측 면 중 어느 한면에는 제2 유체가 지나는 매체유로(155)를 형성한다.
매체유로(155)는 미리 설정된 경로, 폭, 및 깊이에 따라 화학적인 식각 또는 기계적인 가공에 의해 형성할 수 있다.
매체플레이트(150)는 변형예에서와 같이 제1 매체플레이트(150a)와 제2 매체플레이트(150b)로 구성되는 경우, 제1 매체플레이트(150a)에 제1 매체공급공(157) 및 제1 매체토출공(159), 유입연통공(151), 및 배출연통공(153)을 관통형성하고, 미리 설정된 폭, 경로, 및 깊이로 제1 매체홈(155a)를 형성하고, 제2 매체플레이트(150b)에 제2 매체공급공(157) 및 제2 매체토출공(159), 유입연통공(151) 및 배출연통공(153)을 관통형성하고, 제1 매체홈(155a)와 대칭되는 형태로 제2 매체홈(155b)을 형성한다.
매체플레이트(150)가 제작되면, 매체플레이트(150), 제2 유로플레이트(130), 중간플레이트(140), 제1 유로플레이트(120)를 차례로 적층한 적층체(110)를 복수 개를 적층하고, 가장 상부에 위치하는 제1 유로플레이트(120)에는 매체플레이트(150)를 하나 더 적층한 뒤, 덮개플레이트(160)를 더 겹쳐 매체유로(155)를 밀폐한 상태로 고정지그에 고정한다.
여기서, 매체플레이트(150)가 제1 매체플레이트(150a)와 제2 매체플레이트(150b)로 구성된 경우, 제1 매체플레이트(150a)와 제2 매체플레이트(150b)의 사이에 중간플레이트(140)를 삽입한 뒤, 제2 유로플레이트(130), 중간플레이트(140), 제1 유로플레이트(120)를 차례로 적층한 적층체(110)를 복수 개 적층한다.
이때, 각 플레이트를 적층할 때, 미세유로형 열교환기(100)의 부속부품을 같이 조립한 상태로 고정지그에 고정할 수 있다.
고정지그에 적층체(110)가 고정되면, 적층된 각 플레이트가 확산접합에 의해 접합될 수 있도록, 미리 설정된 온도 및 미리 설정된 압력으로 가압하여 각 플레이트가 확산접합에 의해 접합시킬 수 있다.
여기서, 적층체(110)는 예컨대, 고안 가압기(Hot Press)에 적층체(110)를 반입하고, 고온 가압기에 의해 적층체(110)를 가압하면서 확산접합하고, 냉각한 후 가압력을 해제한다.
이와 같이 제작된 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기(100)는 공급유로의 끝단으로 제2 유체가 유입되면, 제2 유체는 공급유로를 통해 각 적층체(110)의 매체플레이트(150)의 매체유로(155)로 진입하고, 매체유로(155)를 지나면서, 매체플레이트(150)와 열교환하여 매체플레이트(150)를 가열 또는 냉각하고, 매체플레이트(150)의 열은 제1 유로플레이트(120)와 제2 유로플레이트(130) 및 중간플레이트(140)로 전도된다.
그리고, 매체유로(155)를 지난 제2 유체는 토출유로를 통해 토출된다.
유입유로에는 제1 유체가 공급되며, 유입유로로 공급되는 제1 유체는 각 적층체(110)의 미세유로(124)를 지나면서, 열교환하여 제1 유체가 냉각 또는 가열되며, 미세유로(124)를 지난 제1 유체는 배출유로를 통해 배출되는 형태로 제1 유체와 제2 유체가 열교환한다.
여기서, 제1 유체가 미세유로(124)를 지날 때에는 미세유로(124)가 중간플레이트(140)에 의해 미세유로(124)에 제1 유체가 접촉되어 열교환하는 전열면적이 증가되면서 열교환 효율이 향상되며, 난류발생부(145)에 의해 미세유로(124)를 지나는 제1 유체에 난류가 발생하면서, 제1 유체가 미세유로(124)에서 열교환하는 시간을 충분히 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 유체와 미세유로(124)의 내에서 접촉성 및 유로흐름의 변곡과 흐름의 길이를 향상시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 매체플레이트(150)가 제1 매체플레이트(150a)와 제2 매체플레이트(150b)로 구성된 경우에도 제1 매체플레이트(150a)와 제2 매체플레이트(150b)의 사이에 중간플레이트(140)가 삽입됨에 따라 매체유로(155)를 지나는 제2 유체에도 난류를 발생시킴에 따라 제2 유체의 전열면적을 증가시킬 뿐만 아니라, 접촉성을 향상시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 매체플레이트(150), 제1 유로플레이트(120), 중간플레이트(140) 및 제2 유로플레이트(130)를 확산접합에 의해 접합함으로써, 내구성을 향상시켜 고압환경에서도 견고하게 버틸 수 있으며, 제작이 용이하기 때문에 제작공정을 감소시켜 제작비용을 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 미세유로형 열교환기(100)는 제1 유로홈(125)과 제2 유로홈(135)의 사이에 위치하는 중간플레이트(140)에 의해 제1 유체와 열교환하는 전열면적이 증가되어 제1 유체의 열교환 효율을 향상시킴으로써, 신속하게 열교환할 수 있다.
또한, 중간플레이트(140)에 형성된 난류발생부(145)에 의해 미세유로(124)를 지나는 제1 유체에 난류를 발생함으로써, 제1 유체와의 열교환시간을 충분히 확보하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 제1 유체를 균일하게 열교환하고, 대류열전도율을 크게함으로써, 제1 유체와 제2 유체의 사이의 열전도율을 높이고, 미세유로형 열교환기(100)의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 미세유로형 열교환기(100)의 크기를 최소화시켜 소형화할 수 있다.
또한, 미세유로형 열교환기(100)의 소형화 인해 제조비용을 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 미세유로형 열교환기(100)를 운송체에 탑재 시 탑재무게의 감소로 인해 공간절약과 소모되는 동력을 절약할 수 있다.
또한, 각 플레이트(120,130,140,150)들이 미리 설정된 온도에서 미리 설정된 압력으로 가압하여 접합하는 확산접합에 의해 접합되기 때문에 내구성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 제조공정을 단순화하여 제작비용을 절감시킬 수 있는 이점이 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
100: 미세유로형 열교환기 110: 적층체
120: 제1 유로플레이트 121: 제1 유입공
123: 제1 배출공 124: 미세유로
125: 제1 유로홈 127,137: 공급연통공
129,139: 토출연통공 130: 제2 유로플레이트
131: 제2 유입공 135; 제2 유로홈
137: 제2 배출공 140: 중간플레이트
141: 중간유입공 143: 중간배출공
145: 난류발생부 147: 중간공급공
149: 중간토출공 150: 매체플레이트
150a: 제1 매체플레이트 150b: 제2 매체플레이트
151: 유입연통공 153: 배출연통공
155: 매체유로 155a: 제1 매체홈
155b: 제2 매체홈 157: 매체공급공
159: 매체토출공 160: 덮개플레이트

Claims (6)

  1. 제1 유체와 제2 유체를 열교환하는 미세유로형 열교환기에 있어서,
    제1 유로홈이 형성되는 제1 유로플레이트,
    상기 제1 유로플레이트와 겹쳐지며 상기 제1 유로홈과 겹쳐져 상기 제1 유체가 지나는 미세유로를 형성하는 제2 유로홈이 형성되는 제2 유로플레이트, 및
    상기 미세유로를 지나는 제1 유체의 전열면적이 증가되도록 상기 제1 유로플레이트와 상기 제2 유로플레이트의 사이에 삽입되는 중간플레이트를 포함하고,
    상기 중간플레이트는 상기 미세유로를 지나는 제1 유체에 난류를 발생시켜 열교환 효율을 향상시키도록 상기 미세유로와 대응되는 위치에서 구멍의 형태로 형성되는 난류발생부를 포함하며,
    상기 제1 유로홈은 상기 제1 유로플레이트의 양면 중 어느 한 면에 형성되고, 상기 제2 유로홈은 상기 제2 유로플레이트의 양면 중 제1 유로홈과 마주하는 면에 형성되며,
    상기 난류발생부의 구멍의 형태는
    상기 제1 유로홈에서 상기 제2 유로홈으로 갈수록 좁아지게 관통된 구멍과 상기 제2 유로홈에서 제1 유로홈으로 갈수록 좁아지게 관통된 구멍이 상기 미세유로를 따라 교대로 복수 개 형성된 것을 특징으로 하는 미세유로형 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중간플레이트는
    상기 제1 유로플레이트와 상기 제2 유로플레이트의 사이에 확산접합되는 것을 특징으로 하는 미세유로형 열교환기.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 유로플레이트 또는 상기 제2 유로플레이트의 외면에 겹쳐져 상기 제1 유체와 열교환하는 제2 유체가 지나는 매체유로가 형성된 매체플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유로형 열교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 매체플레이트는
    상기 제2 유체가 지나는 제1 매체홈이 형성되는 제1 매체플레이트,
    상기 제1 매체플레이트와 겹쳐지며 상기 제1 매체홈과 겹쳐져 상기 매체유로를 형성하는 제2 매체홈이 형성되는 제2 매체플레이트, 및
    상기 매체유로를 지나는 제2 유체의 전열면적이 증가되도록 상기 제1 매체플레이트와 상기 제2 매체플레이트의 사이에 삽입되는 상기 중간플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유로형 열교환기.
  6. 제4항에 기재된 미세유로형 열교환기의 제조방법으로서,
    상기 제1 유로플레이트에 제1 유로홈을 형성하는 단계,
    상기 제2 유로플레이트에 제2 유로홈을 형성하는 단계,
    상기 중간플레이트를 마련하는 단계,
    상기 매체플레이트에 매체유로를 형성하는 단계, 및
    상기 제1 유로플레이트, 상기 중간플레이트, 및 상기 제2 유로플레이트를 차례로 겹치고, 제1 유로플레이트 또는 제2 유로플레이트에 상기 매체플레이트를 적층한 형태의 적층체를 복수 개 적층한 상태에서 미리 설정된 온도와 압력으로 가압하여 확산접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유로형 열교환기의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20120075838A (ko) * 2010-12-29 2012-07-09 한국원자력연구원 초고온가스 원자로용 열교환기
KR20200121102A (ko) * 2019-04-15 2020-10-23 두산중공업 주식회사 마이크로 채널 열교환기 및 이를 포함하는 열교환 장치

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