KR102612317B1 - 열교환기 - Google Patents

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야시르 아라파트
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웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
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Abstract

컴팩트 열교환기는 상호 부착되고 적층 조형을 통해서 형성되는 복수의 매우 얇은 층으로 형성된다. 이러한 적층 조형은, 열교환기의 유동 채널의 구성 및 이러한 유동 채널의 배열이 개선된 열전달 성능을 위해서, 열적 및 기계적 응력에 대한 개선된 내성을 위해서, 및 열교환기가 놓이게 될 환경과 같은 다른 인자에 기초한 최적화를 위해서 최적화될 수 있게 한다.

Description

열교환기
본 발명은 일반적으로 컴팩트 열교환기에 관한 것이며, 보다 구체적으로 적층 조형(additive manufacturing)을 통해서 형성되는 컴팩트 열교환기에 관한 것이다.
열교환기는 각각 통상적으로 제 1 온도에서 유체를 수용하는 고온(hot) 레그 및 보다 낮은 제 2 온도의 별도 유체를 수용하는 저온(cold) 레그를 구비하며, 두 개의 레그는 고온 레그 내의 유체로부터 저온 레그 내의 유체로의 열전달을 초래하기 위해 상호 열전달 관계에 있다. 열교환기는 일반적으로 그 의도된 목적에 효과적이었지만, 무제한적이지는 않았다.
컴팩트 열교환기가 상대적으로 고온의 유체와 상대적으로 저온의 유체 사이에 금속 또는 다른 열전도성 재료로 형성된 것과 같은 특정 형태의 계면을 포함하기 때문에, 계면 자체는 두 개의 유체 사이의 열 차이와 압력 차이 및 다른 요인으로 인해 응력을 받는다. 이러한 응력은 컴팩트 열교환기의 장기 탄성에 해로울 수 있다. 그러나, 현재의 제조 방법은 컴팩트 열교환기를 이러한 응력에 의한 휘어짐 및 손상으로부터 비용-효과적으로 보호하는데 있어서 제한적인 성공을 거두었다.
또한, 임의의 주어진 컴팩트 열교환기의 효율은 무엇보다도 고온 레그 및 저온 레그 내의 유동 채널의 구성에 종속된다. 컴팩트 열교환기의 공지된 제조 방법은 채널이 구성될 수 있는 방법에 제한을 두었으며, 그 결과 컴팩트 열교환기는 성능이 제한되었다. 따라서 개선이 요구될 것이다.
개선된 열교환기는 상호 부착되고 적층 조형을 통해서 형성되는 복수의 매우 얇은 층으로 형성된다. 이러한 적층 조형은, 열교환기의 유동 채널의 구성 및 이러한 유동 채널의 배열이 개선된 열전달 성능을 위해서, 열적 및 기계적 응력에 대한 개선된 내성을 위해서, 및 열교환기가 놓이게 될 환경과 같은 다른 인자에 기초한 최적화를 위해서 최적화될 수 있게 한다.
따라서, 본 발명의 일 양태는 적층 조형을 통해서 상호 부착되는 복수의 층으로 형성되는 개선된 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 양태는 열전달을 위해 최적화되는 채널을 갖는 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 양태는 열적 및 기계적 응력을 감소시키기 위해 최적화되는 채널을 갖는 개선된 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 양태는 상호 부착된 복수의 층으로 형성되는 개선된 열교환기를 제공하는 것이며, 여기에서 층은 열교환기의 헤더 전체보다 작거나, 유체적으로 상호 격리되는 제 1 채널의 적어도 일부와 제 2 채널의 적어도 일부를 갖는 코어의 일부이거나, 또는 채널의 적어도 일부 및 헤더의 적어도 일부이다.
따라서, 본 발명의 일 양태는 상호 부착되어 함께 코어 및 헤더 장치를 형성하는 복수의 층을 구비하는 것으로 대체로 기술될 수 있는 개선된 컴팩트 열교환기를 제공하는 것이며, 상기 코어 안에는 복수의 채널이 형성되고, 상기 복수의 채널은 다수의 제 1 채널 및 다수의 제 2 채널을 포함하며, 상기 다수의 제 1 채널의 적어도 일부는 상기 다수의 제 2 채널의 적어도 일부와 열전달 관계에 있도록 위치되고, 상기 헤더 장치는 다수의 채널 중 적어도 일부의 채널과 유체 연통하는 적어도 하나의 제 1 헤더를 포함하며, 상기 적어도 하나의 제 1 헤더는 채널 단부 및 연결 단부를 갖고, 상기 채널 단부는 코어에 인접하여 위치하며, 상기 적어도 일부의 채널과 직접 유체 연통하는 다수의 유동 연결부를 구비하고, 상기 연결 단부는 다른 유동 구조물과 유체 연통적으로 연결되도록 구성되는 개구부를 가지며, 상기 적어도 하나의 헤더는 채널 단부와 연결 단부 사이에서 연장되고 다수의 유동 연결부와 개구부 사이의 유체 연통을 가능하게 하는 유동 통로를 포함한다. 상기 복수의 층 중 적어도 하나의 층은, 적어도 하나의 제 1 헤더의 일부분이지만 전체보다 작은 부분을 구비하는 것으로 대체로 기술될 수 있고 유동 통로의 적어도 일부가 그 안에 형성된 층과, 유체적으로 상호 격리되는 제 1 채널의 적어도 일부 및 제 2 채널의 적어도 일부가 그 안에 형성된 코어의 적어도 일부를 구비하는 것으로 대체로 기술될 수 있는 층과, 복수의 채널 중 하나의 채널의 적어도 일부가 그 안에 형성된 코어의 적어도 일부를 구비하는 것으로 대체로 기술될 수 있고 적어도 하나의 제 1 헤더의 일부를 추가로 포함하며 유동 통로의 적어도 일부가 그 안에 형성된 층 중 적어도 하나이다.
하기 설명을 첨부 도면과 함께 숙독함으로써, 본 발명에 대한 추가 이해가 얻어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 개선된 컴팩트 열교환기의 사시도이다.
도 2는 도 1의 열교환기의 개략 분해도이다.
도 3은 열전달 관계에 있는 도 1의 열교환기의 제 1 레그 및 제 2 레그의 유체 유동 경로의 도시도이다
도 4는 도 1의 4-4 라인을 따라서 취한 통상적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 개선된 컴팩트 열교환기의 단면도를 도시하는 것을 제외하고 도 4와 유사한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 개선된 열교환기의 단면도를 도시하는 것을 제외하고 도 5와 유사한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 개선된 열교환기의 단면도를 도시하는 것을 제외하고 도 4와 유사한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 개선된 컴팩트 열교환기의 개략도이다.
도 9는 도 8의 열교환기의 단부도이다.
도 10은 도 8의 컴팩트 열교환기의 유동 채널의 도시도이다.
도 11은 도 10에 도시된 유동 채널의 다른 도시도이다.
도 12는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 개선된 컴팩트 열교환기의 개략도이다.
유사한 참조부호는 명세서 전체에 걸쳐서 유사한 부분을 지칭한다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 개선된 컴팩트 열교환기(4)가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 컴팩트 열교환기(4)는 적층 조형을 통해서 형성된다. 예를 들어 그리고 비제한적으로, 적층 조형은 분말형 금속 입자 또는 다른 형태의 입자의 연속 층을 상하로 배치하고, 레이저, 이온 빔 또는 다른 형태의 농축된 에너지를 금속 입자의 각 층에 선택적으로 인가하여 특정 금속 입자를 함께 융합시키거나 및/또는 다른 층에 융합시킴으로써 수행될 수 있다. 완료되었을 때, 금속 입자 층의 스택은 통상적으로, 함께 융합되어 결과적 제품을 형성하는 일부 금속 입자 및 융합되지 않는 다른 금속 입자를 포함한다. 금속 입자 층의 스택에 압축 공기의 폭발을 인가하면 융합된 금속 입자로부터 융합되지 않은 금속 입자가 제거되어 완성품이 얻어진다. 필요하다면, 완성품은 적층 조형에 고유한 다공성을 감소시키기 위해 소결 또는 기타 가공을 통한 추가 가공을 겪을 수 있다. 적층 조형의 다른 형태는 다형(polymorphic) 결합제를 사용하여 금속 분말들을 함께 접착시키는 단계 및 이후 입자들을 함께 융합시키기 위해 소결시키는 단계를 포함한다. 다른 이러한 기술이 존재하며, 이는 본 출원에서 마찬가지로 사용될 수 있다. 이하에서 보다 자세하게 설명되듯이, 열교환기(4)를 형성하기 위한 적층 조형의 새롭고 독창적인 사용은 유리하게 열교환기(4)가 최적화된 열전달 및/또는 열적 및 기계적 응력에 대한 최적화된 내성 및/또는 기타 최적화를 위해 구성될 수 있게 한다.
개선된 열교환기(4)는 적층 조형 공정의 일부로서 현장에서 공동-형성되는 코어(6) 및 헤더 장치(8)를 구비한다고 말할 수 있다. 즉, 열교환기(4)는 도 2에서 참조부호 12A, 12B, 12C로 지칭되는 것과 같은 복수의 층을 포함하며, 이들 층은 상호 부착되고 단일 피스 유닛으로서 공동-형성된다. 도 2는 열교환기(4)가 복수의 층으로 형성되고 이들 복수의 층이 층(12A, 12B, 12C)으로 표시되는 것을 개략적으로 나타내도록 의도된 것으로 이해된다. 그러나, 적층 조형의 사용은 도 2에 개별적으로 명시된 세 개의 층보다 훨씬 많은 개수의 층을 보다 통상적으로 채용하는 것이 추가로 이해된다. 즉, 층(12A, 12B, 12C)은 그 자체 각각이 적층 조형 공정을 사용하여 다른 층에 개별적으로 융합되는 다수의 개별 층을 구비할 것이며, 따라서 도 2의 층(12A, 12B, 12C)의 묘사는 이러한 적층 조형 공정의 성능을 명확히 도시하기 보다는 적층 조형 공정을 단지 예시하도록 의도된 것이다.
도 1 및 도 2에서 알 수 있듯이, 코어(6)는 융합된 금속 재료로 형성되는 코어 보디(14)를 구비한다고 말할 수 있으며, 코어 보디(14) 안에는 복수의 채널(16)이 형성되는 것을 알 수 있다. 채널(16)은 통상적으로 세장형이며, 채널(16)의 일부는 둘 이상의 연장 방향을 가질 수 있다. 채널(16)은 도 2에서 층(12A) 상에 보이는 것과 같은 복수의 제 1 채널(20) 및 도 2에서 층(12B) 상에 보이는 것과 같은 복수의 제 2 채널(22)을 구비한다. 이하에서 보다 자세하게 설명되듯이, 복수의 채널(16)은 경우에 따라서 다른 목적으로 제공되는 복수의 다른 채널(16)을 구비할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "다수의" 및 그 변형 표현은 하나의 양을 포함하여 임의의 비제로 양(non-zero quantity)을 광범위하게 지칭하는 것이다.
헤더 장치(8)는 도 1에서와 같이 참조부호 24A, 24B, 24C, 24D로 지칭되는 복수의 헤더를 구비한다고 말할 수 있지만, 이러한 헤더는 본 명세서에서 개별적으로 또는 총괄적으로 참조부호 24로 지칭될 수도 있음을 알아야 한다. 열교환기(4)는 본 명세서에 제시된 예에서, 헤더(24) 중 적어도 일부의 근처 영역에서 교차 유동을 갖는 역류 열교환기이다. 따라서, 예시적 헤더(24) 중에서, 헤더(24A)는 예시적 제 1 입구 헤더이고, 헤더(24B)는 예시적 제 2 출구 헤더이다. 헤더(24A, 24B)는 도 3에 도시되어 있고 도시된 예시적 실시예에서 저온 레그인 제 1 레그(28)를 형성하기 위해 제 1 채널(20)과 유체 연통된다. 헤더(24C)는 예시적 제 2 입구 헤더이고, 헤더(24D)는 예시적 제 2 출구 헤더이다. 헤더(24C, 24D)는 마찬가지로 도 3에 도시되어 있고 도시된 예시적 실시예에서 고온 레그인 제 2 레그(30)를 형성하기 위해 제 2 채널(22)과 유체 연통된다. 제 1 및 제 2 레그(28, 30), 즉 예시적 저온 및 예시적 고온 레그는 상호 열전달 관계에 놓이며 도 3에서는 코어 보디(14)가 없이 도시되어 있다. 본 명세서에서 "저온" 및 "고온" 등의 용어의 사용은 속성상 단지 예시적 것으로 의도되며 완전히 비제한적인 것으로 의도됨을 명확히 알아야 한다.
도 2로부터 추가로 이해될 수 있듯이, 헤더(24A, 24B, 24C, 24D) 각각은 채널 단부(32A, 32B, 32C, 32D)를 각각 구비하며, 이들 채널 단부는 본 명세서에서 개별적으로 또는 총괄적으로 참조부호 32로 지칭될 수 있다. 각각의 채널 단부(32)는 다양한 채널(16)과 바로 인접해서 그와 유체 연통하여 배치된다. 헤더(24A, 24B, 24C, 24D) 각각은 추가로 연결 단부(36A, 36B, 36C, 36D)를 각각 구비하며, 이들 연결 단부는 각각 각각의 채널 단부(32)와 대향하여 위치하고 비제한적으로 파이프 등과 같은 다른 유동 구조물과 유체 연통하여 연결되도록 구성된다. 헤더(24A, 24B, 24C, 24D) 각각은 그 안에 유동 통로(38A, 38B, 38C, 38D)가 각각 형성된다고 말할 수 있으며, 이들 유동 통로는 본 명세서에서 개별적으로 또는 총괄적으로 참조부호 38로 지칭될 수 있다. 유동 통로(38) 각각은 각각의 채널 단부(32)와 각각의 연결 단부(36) 사이에서 연장되며 헤더(24)와 제 1 및 제 2 채널(20, 22) 사이의 유체 연통을 가능하게 한다.
도 2의 층(12A, 12B)으로부터 가장 잘 이해될 수 있듯이, 헤더(24A, 24B, 24C, 24D) 각각은 개구부(40A, 40B, 40C, 40D)를 각각 구비하며, 이들 개구부는 본 명세서에서 개별적으로 또는 총괄적으로 참조부호 40으로 지칭될 수 있다. 개구부(40)는 각각의 연결 단부(36)에 위치한다. 헤더(24A, 24B, 24C, 24D) 각각은 추가로 복수의 유동 연결부(44A, 44B, 44C, 44D)를 각각 구비하며, 이들 유동 연결부는 본 명세서에서 개별적으로 또는 총괄적으로 참조부호 44로 지칭될 수 있다. 유동 연결부(44)는 각각 제 1 채널(20) 중 하나와 또는 제 2 채널(22) 중 하나와 직접 유체 연통한다. 이하에서 보다 자세하게 설명되듯이 유동 통로(38)는 개구부(40)와 유동 연결부(44) 사이에서 연장되어 그 사이에 유체 연통을 제공하며 각각의 제 1 및 제 2 채널(20, 22)과의 유체 연통을 제공한다. 이와 관련하여, 헤더(24A, 24B)가 제 1 채널(20)과 유체 연통되어 제 1 레그(28)를 형성하고 헤더(24C, 24D)가 제 2 채널(22)과 유체 연통되어 제 2 레그(30)를 형성하는 것이 반복되며, 제 1 레그(28) 및 제 2 레그(30)는 유체적으로 상호 격리되고 오히려 상호 열전달 관계로 배치되는 것을 알아야 한다.
도 2의 층(12A, 12B)으로부터 알 수 있듯이, 각각의 유동 통로(38)는 대응 개구부(40)와 유체 연통하는 복수의 유동 연결부(44)를 구비하며, 전술했듯이 유체 연통하는 대응 제 1 채널(20) 또는 제 2 채널(22)과 직접 유체 연통한다. 개구부(40) 중 하나를 통한 유체 유동은 대응 유동 연결부(44)를 통한 포괄 유동을 형성하고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
헤더(24) 각각은, 살아있는 생물의 혈관이 제공된 유체 유동을 필요로 하는 모든 것을 직접 공급하는 메인 유동 채널 및 예를 들어 그와 유체 연통하는 연속적으로 보다 작은 제 2 채널 및 제 3 채널을 구비하는 방식으로, 개구부(40)와 복수의 대응 유동 연결부(44) 사이에 유동 연통을 제공하여 유동 연결부(44)와 대응 제 1 채널(20) 또는 제 2 채널(22) 사이에 직접 유체 연통을 제공하도록 구성된다. 이것은 상대적으로 큰 통로 및 복수의 더 작은 통로가 모두 유체 유동을 상대적으로 더 작은 채널 내로 또는 그로부터 반드시 인도하지 않는 공통 플레넘(plenum)과 유체 연통하는 유동 시스템의 종래 매니폴드와 유리하게 대조적이다. 유체가 상대적으로 큰 채널로부터 플레넘 내로 유동하고 이후 상대적으로 더 작은 채널 내로 유동하는 예에서, 유체 유동은 작은 채널과의 연결부에 인접하여 위치하는 플레넘의 영역에 충돌한다. 이러한 충돌은 이러한 위치에서의 유동 정체와 그에 따른 압력 강하 및 난류를 초래한다.
마찬가지로, 유체가 상대적으로 더 작은 채널로부터 플레넘 내로 유동하고 이후 상대적으로 더 큰 채널 밖으로 유동하는 예에서, 플레넘 내로의 유체 유동은 자유 제트의 형태이며 이는 자유 제트가 플레넘 내의 유체와 혼합될 때 압력 강하를 겪는다. 이러한 상황에서, 상대적으로 더 작은 채널로부터 인도되는 유체 유동을 수용하도록 정렬되지 않는 플레넘 영역은 유체 정체 영역을 겪으며 따라서 와류 및 그로 인한 난류를 겪는다. 플레넘-타입 유동 시스템에서의 이러한 유체 유동은 예시적 플레넘-기반 기하구조에서 필연적으로 발생하는 압력 강하 및 기타 유동 제한으로 인해 또한 이러한 유동 시스템에서 발생하는 진동 및 기계적 응력으로 인해 최적에 미치지 못한다.
그러나, 개선된 열교환기(4)의 헤더(24)는 개구부(40)와 대응 유동 통로(44) 사이에 개선된 유체 연통을 제공하도록 구성되는 것이 유리하다. 도 2에서 추가로 알 수 있듯이, 예시적 유동 연결부(44) 각각은 개구부(40)를 통해서 유동하는 유체 유동의 일부인 제 1 유동 통로 부분(46)을 구비한다. 예시적 유동 연결부(44) 각각은 제 2 유동 통로 부분(48) 및 제 3 유동 통로 부분(50)을 추가로 구비한다. 제 3 유동 통로 부분(50)은 채널 단부(32)에 위치하며, 연결된 제 1 채널(20) 또는 제 2 채널(22)에 대한 직접 유체 연통을 제공하는 것이다. 제 2 유동 통로 부분(48) 각각은 대응 제 1 유동 통로 부분(46)과 대응 제 3 유동 통로 부분(50) 사이에 개재된다. 즉, 임의의 주어진 유동 연결부(44)의 제 1, 제 2 및 제 3 유동 통로(46, 48, 50)는 제 3 유동 통로 부분(50)을 통해서 발생하는 유체 유동이 대응 제 1 유동 통로 부분(46)을 통한 포괄 유체 유동의 일부이고 그 반대의 경우도 마찬가지이도록 유체 연통에 있어서 순차적으로 함께 연결된다.
이와 관련하여, 헤더(24) 각각은 개구부(40)와 대응 유동 연결부(44) 사이에 유동 방향을 제공하는 다수의 일차 유동 디렉터(54) 및 다수의 이차 유동 디렉터(56)를 구비하는 것을 알 수 있다. 예시적 이차 유동 디렉터(56)는 일반적으로 각각 코어(6)에 인접하여 위치하고 한 쌍의 제 1 채널(20) 또는 한 쌍의 제 2 채널(22) 사이에 위치한다.
하기 예는 유체가 개구부(40A)에 진입하고 유동 통로(38A)를 통해서 유동 연결부(44A)로부터 그와 직접 유체 연통하는 제 1 채널(20)에 유입되는 헤더(24A)에 관한 것이다. 헤더(24A)에서, 유체는 초기에 개구부(40A)를 통해서 제 1 유동 통로 부분(46)에 유입되고 여기에서 유체는 일차 유동 디렉터(54)의 한 쌍의 외표면 부분(58W, 58X)과 마주치며, 일차 유동 디렉터는 유체를 상대적으로 더 작지만 보다 풍부한 제 2 유동 통로 부분(48)으로 인도한다. 각각의 제 2 유동 통로 부분(48)에서의 유체 유동은 이후 제 2 유동 통로 부분(48)으로부터의 유체 유동을 상대적으로 더 작지만 보다 풍부한 제 3 유동 통로 부분(50)으로 분할하는 이차 유동 디렉터(56) 각각의 한 쌍의 외표면 부분(60W, 60X)과 마주친다. 다른 세트의 외표면 부분(60Y, 60Z)이 도 2에서 층(12B) 상에 도시되어 있으며, 이는 층(12A) 상에 적어도 부분적으로 형성되는 것으로 도시되어 있는 제 2 유동 통로 부분(48A)으로부터의 유체 유동을 추가로 분할하고, 이러한 제 2 유동 통로 부분(48A)으로부터의 유체 유동을 층(12C)의 하측에 위치하고 따라서 도 2에서 명확히 보이지 않는 다른 세트의 제 1 채널(20) 내로 인도한다.
본 명세서에서 총괄적으로 또는 개별적으로 참조부호 60으로 지칭될 수 있는 외표면 부분(60W, 60X, 60Y, 60Z)은 따라서, 헤더(24A)의 예에서, 제 2 유동 통로 부분(48) 중 하나로부터의 유체 유동을 복수의 상대적으로 더 작은 제 3 유동 통로 부분(50) 및 이후 그와 유체 연통하는 제 1 통로(20)로 분할 및 인도함으로써 제 3 유동 통로 부분(50)의 일부를 형성한다. 따라서 외표면 부분(60)은 이차 유동 디렉터(56)의 부재 시에 존재하게 될 정체 및 압력 강하의 적어도 일부를 유리하게 회피한다. 마찬가지로, 외표면 부분(58W, 58X)은 제 1 유동 통로 부분(46)으로부터의 유동을 다수의 상대적으로 더 작은 제 2 유동 통로 부분(48)으로 분할 및 인도한다. 이는 개구부(40A)로부터 유동 연결부(44A)로의 유동 시의 압력 강하 및 난류를 종래의 매니폴드와 비교하여 감소시킨다.
유체가 헤더(24) 중 하나, 예를 들어 출구 헤더(24B)를 통해서 역방향으로 유동하고 있을 때, 일차 유동 디렉터(54)는 대응 제 1 채널(20)과 직접 유체 연통하며 유동을 제 3 유동 통로 부분(50)으로부터 상대적으로 더 큰 제 2 유동 통로 부분(48)으로 인도한다. 마찬가지로, 일차 유동 디렉터(54)는 유체가 개구부(40B)로부터 연결된 파이프 등과 같은 다른 유동 구조물 내로 유동할 수 있도록 유체 유동을 최소 압력 강하와 더불어 제 2 유동 통로 부분(48)으로부터 헤더(24B)의 제 1 유동 통로 부분(46)으로 인도한다.
따라서, 개구부(40) 중 하나와 대응 유동 연결부(44) 사이에 매끄러운 유체 연통을 제공하도록 유동 통로(38)를 구성함으로써, 감소된 압력 강하가 가능하고, 난류 및 정체가 적은 개선된 유체 유동이 가능함을 알 수 있으며, 이 모두는 유체 유동 환경에서 바람직하다. 전술한 적층 조형 공정은 개선된 열교환기(4)가 그 헤더(24)가 이런 식으로 설계된 상태로 구성될 수 있게 하며, 이것은 비교적 저렴한 방식으로 수행될 수 있다. 따라서, 개선된 열교환기(4)의 개선된 헤더(24)는 열교환기(4)가 매우 바람직하고 유리한 비용-효과적이고 기계적으로 신뢰성있는 방식으로 개선된 유체 유동 성능을 가질 수 있게 한다. 또한, 적층 조형 공정의 다양성 및 가변성은 헤더(24)의 설계가 유체 유동을 위해 최적화될 수 있게 하는 바, 즉 유체 시스템 설계 소프트웨어를 채용하는 컴퓨터 시스템으로 설계될 수 있게 하며, 완성된 설계는 그 설계가 제공된 열교환기를 간단히 제조할 적층 조형 기계에 다운로드될 수 있다. 이러한 최적화는 적절한 최적화를 제공하기 위해 임의의 주어진 적용의 다양한 요구에 따라서 변경될 수 있으며, 이러한 수정의 효율성은 매우 유리하고 바람직하다.
도 4에서 알 수 있듯이, 제 1 및 제 2 채널(20, 22)은 관통 유동 방향을 가로질러 배향되고 도시된 예시적 실시예에서 아치형, 비원형이며 대략 계란형 또는 타원형 또는 반타원형 형상의 둘레(62)를 갖는 단면 형상의 것이다. 둘레(62)의 형상은 낮은 압력 강하를 제공하는 동시에 증가된 열전달율을 제공하도록 최적화되는 유동 채널의 단면 형상의 예이다. 본 명세서의 다른 곳에서 보다 상세히 설명되듯이, 임의의 주어진 채널의 형상은 열적 및 기계적 응력과 같은 광범위한 고려사항 중 임의의 것에 대한 최적화를 제공하고 다른 고려사항에 기초한 최적화를 제공하도록 맞춤화될 수 있다. 도 4에서의 도시된 예시적 제 1 채널(20) 및 도시된 예시적 제 2 채널(22)은 동일한 형상을 갖는 것으로 도시되어 있고 따라서 동일한 둘레(62) 또는 형상 인자(form factor)를 가지며 또한 동일한 크기를 갖는다. 또한, 예시적 방식으로, 제 1 채널(20)은 도 4에서 복수의 제 1 열(70)로 배열되고 제 2 채널(22)은 도 4에서 마찬가지로 복수의 제 2 열(72)로 배열되며, 제 1 열(70)은 제 2 열(72)과 엇갈린다. 제 1 및 제 2 채널(20, 22)의 둘레(62)는 그 단축보다 긴 장축을 갖는다고 말할 수 있으며, 제 1 채널(20)의 장축들은 다양한 제 1 열(70)을 따라서 상호 정렬된다. 마찬가지로 제 2 채널(22)은 제 2 열(72)을 따라서 정렬되는 장축을 갖는다고 말할 수 있다. 제 1 및 제 2 열(70, 72)은 도 4의 관점에서 수평 방향으로 배향된다. 도 4에서의 제 1 및 제 2 채널(20, 22)의 예시적 배치에서, 제 1 채널(20)의 제 1 열(70)은 제 2 채널(22)의 제 2 열(72)에 인접하여 배치되며 제 2 채널의 제 2 열은 다시 제 1 채널(20) 등의 다른 제 1 열(70)에 인접하여 배치된다.
도 4에서 추가로 알 수 있듯이, 코어 보디(14)는 열교환기(4)의 외부를 향하고 제 1 및 제 2 채널(20, 22)로부터 대체로 멀리 향하는 벽면(68)을 갖는 벽(64)을 구비한다. 벽(64)은 제 1 채널(20) 중 하나와 벽면(68) 사이의 벽 두께(76A)이고 제 2 채널(22) 중 하나와 벽면(68) 사이의 다른 벽 두께(76B)인 것으로 말할 수 있다. 이와 관련하여, 벽 두께(76A)는 벽면(68)과 그것에 가장 가까운 제 1 채널(20)의 둘레(62) 사이의 최소 두께를 지칭할 것이다. 벽 두께(76B)는 마찬가지로 벽면(68)과 그것에 가장 가까운 제 2 채널(22)의 둘레(62) 사이의 최소 거리인 것으로 정의될 것이다. 본 명세서에 도시된 예시적 실시예에서, 벽 두께(76A)는 벽 두께(76B)보다 작은 것을 알 수 있다. 비교적 큰 벽 두께(76B)는 예를 들어 제 2 채널(22)이 제 1 채널(20)에 의해 운반되는 상대적으로 더 큰 압력, 즉 정압의 유체를 운반할 때 코어 보디(14)의 더 큰 강도를 제공하도록 유리하게 최적화되었다. 이러한 최적화는 정압, 동압 등의 차이에 기초할 수 있으며, 본 명세서에 제시되는 벽 두께(76A, 76B) 사이의 다양한 관계는 이러한 최적화가 주어진 예시적 환경에 사용하기 위해 제공할 수 있는 것의 예로서 단지 의도된 것이다.
제 1 채널(20)과 제 2 채널(22)의 배열 및 그 사이의 벽(64)의 두께 등을 포함하는, 제 1 채널(20)과 제 2 채널(22) 사이의 관계의 최적화의 다른 형태는 필요에 따라 제공될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 채널(20, 22)은 서로간에 다양한 인접 관계를 갖는 것으로 도 4에 도시되어 있다. 임의의 주어진 제 1 또는 제 2 채널(20 또는 22)[도 4에 제시된 예에서 제 1 채널(20)]은 참조부호 78A로 도시하듯이 유체 연통하는 다른 채널(16)과 인접하여 배치되고, 또한 마찬가지로 참조부호 78B로 도시하듯이 유체 연통하는 다른 이러한 채널(16)과 인접하여 배치된다. 즉, 도시된 예시적 실시예에서, 제 1 채널(20)의 적어도 일부는 각각 도시된 예시적 실시예에서 참조부호 78A 및 78B로 도시되는 한 쌍의 다른 제 1 채널(20) 사이에 위치한다. 코어(6)의 주위에 있는 채널과 같은 일부 채널(16)은 본 명세서에 제시되는 모든 관계를 다른 채널(16)의 다수는 갖더라도 반드시 갖지 않을 수도 있음을 알 것이다. 관계(78A, 78B)는 도 4의 관점에서 수평 방향으로 배향되고, 세 개의 식별된 제 1 채널(20)은 동일한 제 1 열(70)에 있다.
참조부호 78A 및 78B로 도시하듯이 두 개의 인접한 제 1 채널(20) 사이에 위치하는 전술한 제 1 채널(20)은 추가로 그와 유체적으로 격리되는 네 개의 다른 채널(16), 즉 참조 부호 78C, 78D, 78E, 78F로 지칭되는 네 개의 인접한 제 2 채널(22)에 인접한다. 지칭된 관계(78C, 78D, 78E, 78F)는 도 4의 관점에서 수직적이지도 수평적이지도 않고 오히려 도 4에서 경사 또는 대각선 배향인 방향으로 배향된다.
인접 관계(78A, 78B)에 의해 나타나 있듯이, 표시된 인접한 제 1 채널(20)은 제 1 거리(90)만큼 서로 분리되어 있음을 알 수 있는데, 이는 코어 보디(14)가 제 1 채널(20)의 인접한 쌍 사이에서 제 1 거리(90)에 해당하는 최소 두께인 것을 의미한다. 예시적 제 1 거리(90)는 도시된 예시적 실시예에서 제 1 채널(20)의 양 인접한 쌍 사이에서 동일하다. 이 제 1 거리(90)는 도 4의 예에서 상호 유체 연통하는 인접한 채널(16) 사이의 거리인 것이 반복된다.
이러한 제 1 채널(20)은 또한 그것에 인접하고 제 1 채널(20)로부터 유체적으로 격리되는 네 개의 다른 채널(16), 즉 인접 관계(78C, 78D, 78E, 78F)를 갖는 것으로 도시된 네 개의 제 2 채널(22)로부터 제 2 거리(92)에 있다고 말할 수 있으며, 이 거리는 제 2 거리(92)와 동일하다. 제 2 거리(92)는 제 1 채널(22) 중 하나와 제 1 채널(20)로부터 유체적으로 격리되는 인접한 제 2 채널(22)의 각각 사이의 코어 보디(14)의 최소 두께를 나타낸다. 도시된 예시적 실시예에서, 제 2 거리(92)는 예를 들어 상호 동일한 것으로 도시되어 있다.
이와 관련하여, 제 1 거리(90)와 제 2 거리(92)는 열전달율, 열적 및 기계적 응력, 유량 및 압력의 다양한 고려사항과, 열교환기(4)의 설계를 생성할 때 존재할 수 있는 다른 고려사항 사이의 최적화를 제공하기 위해 필요에 따라 조절될 수 있음을 알 수 있다.
도 4의 제 1 및 제 2 채널(20, 22) 각각은 상호 동일한 단면적(96)을 갖는 것으로 도시되어 있다는 것도 알아야 한다. 다시, 단면적(96)은 본 명세서에서 언급되는 다양한 성능 인자 및/또는 기타 인자를 최적화하기 위해 필요하거나 제공될 수 있는 다른 최적화 중 임의의 것과 관련하여 필요에 따라 조절될 수 있다.
도 2에서 특히 층(12B) 상에서 추가로 알 수 있듯이, 복수의 채널(16)은 제 1 채널(20) 중 하나와 그것에 인접한 벽면(68) 사이의 벽(64)에 형성되는 추가 채널(80)을 추가로 구비한다. 추가 채널(80)은 세장형이고 열교환기(4)의 외부로의 개구부(84)를 구비하며 그 내부에 일종의 또는 다른 종류의 기구(86)를 수용하도록 구성된다. 예를 들어, 기구(86)는 온도 센서 등과 같은 장치일 수 있으며, 이 경우에 추가 채널(80)은 기구 채널일 수 있다. 마찬가지로, 기구(86)는 대신에 저온 유체 및 고온 유체가 채널(16)에 처음 도입될 때 열 충격을 감소시키기 위해 열교환기(4)를 예열하도록 구성되는 다수의 히터일 수 있다. 이러한 가열은 코어(6) 상의 열 응력의 급격한 개시의 가능한 유해한 효과를 감소시키기 위해 열적 사이클 동안에 특히 유리할 것이다. 기구(86)가 다수의 히터인 경우에, 추가 채널(80)은 도 2에 명시된 것과 다른 코어(6) 상의 어느 곳에 위치될 수 있고 그 안에 다수의 히터를 수용하게 될 하나 이상의 이러한 추가 채널(80)일 수도 있다.
추가 채널(80)은 열교환기(4)의 전체 설계의 일부이며, 따라서 벽(64)은 추가 채널(80)이 열교환기(4) 상의 이산 위치에 형성됨으로 인해 초래될 수 있는 열적 및 기계적 응력과 기타 응력의 집중을 견뎌내도록 최적화될 수 있음을 알아야 한다. 이와 관련하여, 추가 채널(80) 근처에서의 코어 보디(14)의 치수는 필요에 따라 더 무겁게 구성될 수 있거나 또는 추가 채널(80)은 상대적으로 최소의 및/또는 기계적 응력과 더불어 및/또는 다른 고려사항에 기초하여 코어 보디(14) 상의 다른 위치에 교호적으로 배치될 수 있다.
추가 채널(80)은 적층 조형 공정 도중의 그 초기 제조 중에 열교환기(4)에 형성되며, 그 결과 추가 채널(80)은 예를 들어 벽(64)에 적용되는 드릴 비트에 의해 추가 채널(80)을 형성하는 것으로부터 기인할 수 있는 가공 경화 또는 기타 잔류 응력으로부터 자유로울 것이다. 또한 개구부(84)는 추가 채널(80)의 종방향 범위에 대해 경사지는 헤더(24B)의 표면 상에 배치된다는 것에 유의해야 하며, 이것은 통상적으로 종래의 드릴 비트가 사용될 경우에 이러한 각도로 드릴링하기에 매우 어려울 것이다. 이러한 추가 채널 또는 이를 위한 파일럿 구멍을 외표면에 대해 이러한 개방 관계로 드릴링할 수 있도록 레이저 등과 같은 다른 공정이 이러한 시나리오에 채용될 수 있다. 그러나, 이러한 레이저 또는 기타 방법의 사용은 본 명세서에서 언급되는 적층 조형 공정을 사용할 때 추가 채널(80)을 형성하기 위한 유리하게 최소인 비용에 비해서 고비용이라는 것도 알아야 한다.
따라서 열교환기(4)는 압력 강하, 열적 및 기계적 응력, 열전달 효율에 대해 바람직한, 즉 최적화된 특성을 다른 고려사항에 기초하여 제공하는 전체 설계를 제공하기 위해 그 다양한 구조와 제 1 및 제 2 레그(28, 30)가 함께 최적화되는 식으로 설계되는 것을 알 수 있다. 특정 용도의 요구에 따라서, 열교환기(4)의 부분과 제 1 및 제 2 레그(28, 30)의 부분 사이의 다양한 상호관계는 다양한 압력 및 온도와 같은 다른 용도의 다른 요구 및 다른 이러한 고려사항을 충족하기 위해 최소 비용으로 최적화되는 다른 최적화를 유리하게 제공하기 위해 특정 용도의 요구에 따라서 조절될 수 있다.
열교환기(4)와 유사한 개선된 열교환기(104)가 도 5에 개략적으로 도시되어 있으며 이는 열교환기(4)의 도 4의 단면도와 유사한 단면도로 도시된다. 열교환기(104)는 외부로부터 열교환기(4)와 동일하게 보이도록 구성될 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다.
열교환기(104)는, 복수의 제 1 채널(120) 및 복수의 제 2 채널(122)을 구비하고 세장형인 복수의 채널(116)이 그 안에 형성된 코어(106)를 구비한다. 제 1 채널(120)은 상호 유체 연통하고 마찬가지로 제 2 채널(122)은 상호 유체 연통하며, 제 1 채널(120)은 제 2 채널(122)로부터 유체적으로 격리된다.
도 5에 구성된 예시적 실시예에서, 제 1 및 제 2 채널(120, 122)은 아치형 및 비원형 둘레(162)를 갖는 형상의 것이며, 그 전부는 상호 동일한 크기 및 형상의 것이다. 완전성을 위해서, 크기 및/또는 형상은 열교환기가 사용되도록 의도된 특정 환경에서 열교환기(104)의 필요한 최적화에 따라서 필요에 따라 변경될 수 있음이 반복된다. 코어(106)는 벽면(168)을 갖는 벽(164)을 가지며, 제 1 및 제 2 채널(120, 122)은 벽면(168)으로부터 동일한 거리에 있다. 즉, 벽(164)은 벽면(168)과 그것에 인접한 제 1 채널(120) 사이의 최소 벽 두께(176A)의 것이며, 벽 두께(176A)는 벽면(168)과 그것에 인접한 제 2 채널(122) 사이의 다른 최소 벽 두께(176B)와 동일하다. 다시, 이러한 벽 두께는 특정 용도의 요구에 따라서 최적화될 수 있다.
도 5에서 추가로 알 수 있듯이, 제 1 및 제 2 채널(120, 122)은 이들 제 1 채널(120) 및 제 2 채널(122)이 상호 유체 연통하는 수평한 채널 열로 배치되지 않으므로 도 4에 도시된 열교환기(4)에서의 제 1 및 제 2 채널(20, 22)과 다른 구조의 것이다. 도 4에서의 열(row)은 제 1 및 제 2 채널(20, 22)의 장축과 정렬되는 것이 반복되며, 이는 도 5에서의 제 1 및 제 2 채널(120, 122)의 경우가 아니다. 오히려, 각각의 제 1 채널(20)은 이것과 유체적으로 격리되는 네 개의 채널(116), 즉 네 개의 제 2 채널(122)과 인접하며, 추가로 이것과 유체 연통하는 다른 네 개의 기타 채널(116), 즉 네 개의 다른 제 1 채널(120)과 인접한다. 예를 들어, 도 5는 제 1 채널(120) 중 하나가 이것과 유체 연통하고 있는 네 개의 다른 인접한 제 1 채널(120)과 네 개의 인접 관계(178A, 178B, 178C, 178D)를 갖는 것을 도시하고 있다. 인접 관계(178A, 178B, 178C, 178D)는 도 5에 대해 수평 방향으로도 수직 방향으로도 배향되지 않으며 오히려 경사 방향 또는 대각선 배향에 놓인다. 이 동일한 제 1 채널(120) 및 다른 이러한 제 1 채널(120)은 각각 이것과 유체적으로 격리되고 열전달 관계에 있는 네 개의 다른 채널(116), 즉 네 개의 제 2 채널(122)과, 인접 관계(178E, 178F, 178G, 178H)로 나타내듯이 추가로 인접한다. 예시적 인접 관계(178E, 178F, 178G, 178H)는 예로서 도 5의 관점에서 수평 및 수직 방향으로 배향된다. 벽면(168)에 인접한 채널(116)은 각각 그것과 유체 연통하는 네 개의 다른 채널(116) 및 그것과 유체 격리되는 다른 네 개의 채널(116)과 반드시 인접하지 않음을 알 수 있지만, 예시적 열교환기(104)의 다른 채널(116)은 이러한 관계를 공유하는 것을 알아야 한다. 제 1 채널(120)과 제 2 채널(122) 사이의 이러한 상호관계는 일반적으로 통상적으로 예를 들어 열교환기(4)와 비교해서 제 1 채널(120)과 제 2 채널(122) 사이에 더 큰 열전달율을 제공할 수 있을 것이다. 도 5에서의 제 1 및 제 2 채널(120, 122)의 이러한 배열은 열교환기(104)가 사용되도록 의도된 일련의 환경에서의 최적화된 열전달과 같은 특정 목적을 위한 최적화의 결과일 수 있다.
또한 인접 관계(178A, 178B, 178C, 178D)는 각각 동일한 제 1 거리(190)에 있음을 알 수 있다. 인접 관계(178E, 178G)는 도 5의 관점에서 수평 방향에 있으며, 이 관계는 제 2 거리(192)에 의해 제 1 채널(120)이 인접한 제 2 채널(122) 중 두 개로부터 분리됨을 나타내고, 두 개의 제 2 거리(192)는 상호 동일하다. 제 1 채널(120)은 또한 관계(178F, 178H)로 표시되는 다른 두 개의 인접한 제 2 채널(122) 사이에서 도 5의 관점에서 수직 방향으로 제 3 거리(194)만큼 이격되며, 제 3 거리(194)는 상호 동일하다. 제 1 거리(190), 즉 상호 유체 연통하고 따라서 잠재적으로 동일하거나 유사한 온도에 있는 제 1 채널(120) 사이의 거리는 제 2 거리(192) 및 제 3 거리(194) 중 어느 하나보다 큰 것을 알 수 있다. 제 2 및 제 3 거리(192, 194)는 제 1 채널(120)과 유체적으로 격리되고 제 1 채널(120)과 열전달 관계에 있으며 다른 온도에 놓일 제 2 채널(122)과 제 1 채널(120) 사이의 거리이다. 제 1, 제 2 및 제 3 거리(190, 192, 194)로 표시되는 이러한 상대적 위치설정, 즉 벽(164)의 두께는 열전달율 및 효율이 임의의 특정 용도의 요구에 따라 어떻게 최적화 또는 조절될 수 있는지의 추가 예를 제공한다.
또한 제 1 및 제 2 채널(120, 122)은 그 안에서의 유동 방향을 가로지르는 방향으로 동일한 단면적(196)을 갖는 것을 알아야 한다. 이러한 단면적(196)의 유사성은 주어진 적용에서의 적합성에 대한 다양한 기준 중 임의의 것을 충족시키는 성능을 제공하도록 조절될 수 있는 복수의 관계 중의 하나인 것이 반복된다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 개선된 열교환기(204)는 도 6에서 그 코어(206)가 횡단면도로 개략 도시되어 있다. 코어(206) 안에는 복수의 세장형 채널(216)이 형성되고, 이들 복수의 세장형 채널은 상호 유체 연통하는 복수의 제 1 채널(220, 221) 및 상호 유체 연통하는 복수의 제 2 채널(222, 223)을 포함한다. 예시적 제 1 채널(220) 및 예시적 제 2 채널(222)은 각각 도 5에서의 제 1 및 제 2 채널(120, 122)의 예시적 둘레(162)와 동일한 크기 및 형상인 둘레(262)를 갖는 단면 형상, 즉 계란형 또는 타원형 또는 반타원형의 것이다. 그러나 제 1 채널(221) 및 제 2 채널(223)은 원형 둘레(263)인 아치형인 것을 알아야 한다. 제 1 및 제 2 채널(220, 222)은 하나의 단면적(296)을 가지며, 제 1 채널(221) 및 제 2 채널(223)은 도시된 예시적 실시예에서 단면적(296)보다 작은 다른 단면적(297)을 갖는다.
제 1 채널(220, 221) 각각은 일반적으로, 인접 관계(178A, 178B, 178C, 178D, 178E, 178F, 178G, 178H)와 위치적으로 유사한 인접 관계(278A, 278B, 278C, 278D, 278E, 278F, 278G, 278H)에 의해 명시되듯이 [아마도 코어(206)의 주위에서는 제외하고] 제 2 채널(222, 223)과 동일한 형태의 상호관계를 공유한다. 그러나, 제 1 및 제 2 채널(221, 223)이 상대적으로 더 작은 단면적(297)을 갖게 함으로써 제 1 채널(220 또는 221) 중 임의의 것과 [인접 관계(278A, 278B, 278C, 278D)에 따라서] 대각선으로 인접하는 네 개의 다른 제 1 채널(220 또는 221) 사이의 제 1 거리(290)는 도 5에서의 제 1 거리(190)보다 큰 것을 알아야 한다. 마찬가지로, 제 1 거리(290)는 채널(216)과 그것과 유체 연통하지 않고 오히려 그로부터 유체적으로 격리되는 한 쌍의 수평으로 인접한 다른 채널(216) 사이의 인접 관계(278E, 278G)로 나타나는 제 2 거리(292)보다 크다. 이러한 제 2 거리(292)는 마찬가지로 제 1 및 제 2 채널(220, 222)의 수직으로 인접한 쌍 사이에서 및 수직으로 인접한 제 1 및 제 2 채널(221, 223) 사이에서 각각 도 6의 관점에서 수직 방향으로 표시되는 제 3 거리(294) 및 제 4 거리(295)보다 크다. 다시, 이러한 간격 및 상호관계는, 열전달을 최적화할 수 있거나 및/또는 상호 유체적으로 격리되고 그 사이에 열적 및 기계적 응력이 존재하게 될 채널(216) 사이에 위치하는 코어(206)의 구성 재료를 최적화할 수 있도록, 인접한 채널(216) 사이의 상대 근접성 또는 상대 거리를 제공한다.
제 1 채널(220)은 벽(264)의 벽면(268)으로부터 하나의 거리(276A)에 있으며 제 2 채널(222)은 벽면(268)으로부터 상기 거리(276A)와 동일한 제 2의 이러한 거리(276B)에 있음을 도 6에서 추가로 알 수 있다. 특정 용도의 요구 및 열교환기(204)의 필요한 성능에 따라서 다른 상대적, 동일한 및/또는 불균일한 벽 두께가 제공될 수 있다.
따라서 다양한 채널(216) 사이의 위치 및 다양한 채널(216)의 다양한 형상 및 크기는 열전달 능력, 열적 및 기계적 응력, 및 기타 이러한 인자에 관한 다양한 최적화 인자에 기초하여 선택될 수 있음을 알 수 있다. 다른 변형예가 명백할 것이다.
도 6에는 도 5에 도시된 열교환기(104)와 상이한 다른 열교환기(204)가 단면도로서 도시되어 있지만, 도 6은 도 5의 다양한 채널(116)이 채널(116)을 따르는 하나의 종방향 위치로부터 동일한 채널을 따르는 다른 종방향 위치로 크기 및 형상이 변화할 수 있는 방법을 대안적으로 도시하기 위해 사용될 수 있음을 알아야 한다. 예를 들어, 도 6은 제 1 채널(120) 중의 일부는 도 5에 도시되는 열교환기 내의 한 위치로부터 도 6에 도시되는 동일 열교환기 내의 다른 위치로 이행될 수 있음을 대안적으로 도시할 수 있다. 예를 들어, 도 5의 제 1 채널(120) 중의 일부는 그 형상 및 단면적에 있어서 도 5에 도시되어 있듯이 그 종방향 범위를 따르는 하나의 위치에서의 아치형 원형으로부터 도 6에 도시되어 있듯이 그 종방향 범위를 따르는 다른 위치에서의 다른 아치형 형상 및 단면적이도록 변경될 수 있다. 동일한 것은 도 5와 도 6 사이에서 상대적으로 더 작은 원형의 제 2 채널(223)로 이행되는 특정한 제 2 채널(122)도 동일하다고 말할 수 있다. 예를 들어 다양한 채널의 크기 및 형상의 이러한 변화는 대응적으로 그 사이에서 코어의 벽의 치수를 변경할 것이며 또한 이러한 채널의 유동 특성을 변경할 것이다. 이러한 설계는 의도된 적용을 위한 특정 열교환기의 성능 요구를 초래할 수 있다. 따라서 열교환기 내의 임의의 주어진 채널은 그 종방향 범위의 전체를 따라서 고정된 단면 형상이거나 또는 고정된 단면 둘레 또는 단면적일 필요가 없으며 오히려 이러한 치수 및 대응 벽 치수는 주어진 용도의 특정 요구에 따라서 달라질 수 있음을 알아야 한다. 마찬가지로, 변화하는 벽 치수는 주어진 용도에서의 열적 및 기계적 응력에 대한 필요한 내성에 기초하여 최적화되는 것일 수 있으며, 채널 형상 및 크기는 코어의 벽의 이러한 최적화에 기인하는 것이다.
이러한 최적화의 다른 예가 도 7에 도시되어 있으며, 도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 다른 열교환기(304)를 도시한다. 열교환기(304)는 그 채널(316)이 도 4에 도시된 열교환기(304) 내의 한 위치로부터 도 7에 도시된 동일한 대체 열교환기(304) 내의 다른 위치로 이행하는 코어 보디(314)를 갖는 코어(306)를 갖는다. 즉, 도 7은 제 1 채널(20)이 도 4의 그 단면적(96)으로부터 동일 열교환기(304) 내의 다른 위치(도 7에 의해 명시됨)에서의 상대적으로 더 작은 단면적(398)으로 변경되는 방식을 나타낼 수 있다. 추가 예로서, 제 2 채널(22)은 참조부호 22 및 322로 도시하듯이 도 4와 도 7 사이에서 변경되지 않을 수도 있다. 즉, 도 4에서의 단면적(96) 및 도 7에 도시된 단면적(396)은 제 2 채널이 크기 및 형상에 있어서 도 4와 도 7 사이의 거리를 따라서 변함없이 유지되고 그 종방향 범위의 그 부분을 따라서 동일한 둘레(62, 362)를 갖지만 도 4와 도 7 사이의 동일한 거리를 따라서 제 1 채널은 상대적으로 더 작아질 수도 있음을 나타낼 수 있다. 이는 도 7에 도시된 위치에서의 열 충격을 피할 필요성과 같은 다양한 이유 또는 기타 이유로 이루어질 수 있다. 이러한 열 충격은 잠재적으로, 제 1 채널(320)을 통한 상대적으로 더 저온인 유동을 감소시킴으로써 및/또는 열교환기(304)의 초기 작동 중의 어떤 시점에서 그 사이에 열 충격을 가질 수 있는 유체적으로 격리된 채널 사이에 참조부호 392로 지칭되는 상대적으로 더 큰 벽 두께를 제공함으로써 열교환기(304)의 시동 중에 완화될 수 있다. 완성의 동일성을 위해서, 도 7에서의 상대적으로 더 작은 제 1 채널(320)은 상호 유체 연통하는 (도 7의 관점에서) 수평으로 인접한 제 1 채널(320) 사이에서 변경된 제 1 거리(391)를 초래하는 반면에, 수평으로 인접한 제 2 채널(322) 사이의 제 1 거리(390)는 도 4에서의 제 1 거리(90)와 변함이 없다는 것을 알아야 한다.
제 1 채널(320)은 정렬된 제 1 열(370)로 유지되고 제 2 채널(322)은 정렬된 제 2 열(372)로 유지되지만, 다른 실시예에서 반드시 그러할 필요는 없다. 제 1 채널(320) 중 하나와 그것과 유체 연통하는 한 쌍의 인접한 채널(320) 사이의 인접 관계(378A, 378B)는 대략 동일한 배향으로, 즉 도 4에서와 같이 수평하게 유지되지만, 제 1 채널(320)은 서로 간에 상이한 거리를 갖는다. 이러한 제 1 채널(320)과 이로부터 유체적으로 격리되는 네 개의 대각선으로 인접한 제 2 채널(322) 사이의 인접 관계는 인접 관계(378C, 378D, 378E, 378F)로 표시되고, 이들 인접 관계는 도 4에서와 같이 대략 동일한 대각선 배향을 갖지만, 상대 거리는 마찬가지로 제 1 채널(320)의 더 작은 단면적(398)으로 인해 변경된다. 또한 예로서, 도 7에서의 제 1 채널(320)은 그것과 벽(364)의 벽면(368) 사이에 벽 두께(376A)를 갖는 반면에 제 2 채널(322)은 그것과 벽면(368) 사이에 상대적으로 더 큰 벽 두께(376B)를 갖는 것을 알 수 있다.
따라서 본 명세서에 기재된 개선된 컴팩트 열교환기(304) 및 기타 열교환기의 다양한 채널 및 그 변형예는 그 종방향 길이를 따라서 변경될 수 있는 다양한 둘레 및 단면적을 가질 수 있음이 명백해야 한다. 더욱이, 이러한 열교환기는 유체적으로 상호 격리되지만 하나의 방식으로 또는 다른 방식으로 상호 열전달 관계에 놓이는 세 개 이상의 레그를 가질 수 있다. 또한 채널들의 서로에 대한 상대 위치는 마찬가지로 채널의 종방향 범위를 따라서 또는 다른 방식으로 변경될 수 있음을 알아야 한다. 이러한 채널의 종방향 범위의 위치 함수로서의 채널 구조의 이러한 모든 변경은 다시 열적 및 자기적 응력에 대한 내성에 관한 특정 열전달 특성 및/또는 기타 특성과 특정 용도의 요구에 따라서 달성될 수 있는 유동 특성 및 기타 특성을 달성하기 위해 채용될 수 있는 다양한 최적화 기술 중 하나이다. 다른 변형예가 명백할 것이다.
본 발명의 제 5 실시예에 따른 개선된 컴팩트 열교환기(404)는 도 8 및 도 9에서 코어(406)를 구비하는 것으로 도시되어 있으며 또한 전술한 것과 유사할 수 있는 개략 도시된 헤더 장치(408)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 코어(406)는 복수의 제 1 채널(420), 복수의 제 2 채널(422) 및 팽창 채널(480)을 구비하는 복수의 채널(416)이 그 안에 형성된 코어 보디(414)를 구비한다.
제 1 및 제 2 채널(420, 422)은 팽창 채널(480)의 원주 주위에 번갈아 배치된다. 제 1 채널(420)은 상호 유체 연통하고 제 2 채널(422)도 마찬가지로 상호 유체 연통하지만, 제 1 채널(420)은 제 2 채널(422)로부터 유체적으로 격리된다. 제 1 및 제 2 채널(420, 422)이 상호 번갈아 배치되기 때문에, 제 1 및 제 2 채널(420, 422)의 각각의 인접한 쌍 사이의 코어(406)의 벽은 그 사이의 온도차로 인해 상당한 열적 및 기계적 응력을 겪을 가능성이 있다. 팽창 채널(480)은 제 1 채널(420)과 제 2 채널(422) 모두로부터 유체적으로 격리되며, 제 1 및 제 2 채널(420, 420)을 통한 유체 유동을 크게 변경시키지 않으면서 코어 보디(414)가 팽창 채널(408) 내로 팽창되는 것을 허용하기 위해 제공된다.
제 1 및 제 2 채널(420, 422) 각각은 비타원형이고 비원형이며 전술한 다른 둘레 형상과는 다른 아치형 형상의 둘레(465)를 갖는 단면 형상을 갖는 것을 알 수 있다. 오히려, 둘레(465)는 열전달과 압력 강하 사이에 다른 형태의 최적화를 제공하기 위해 여러 갈래로 갈라지거나 및/또는 다른 고려사항을 위해 최적화된다. 제 1 및 제 2 채널(420, 422) 각각은 상호 동일한 단면적(499)을 갖는다.
따라서 팽창 채널(480)은 특정 용도의 요구에 따라서 열교환기(404) 내의 특정한 열적 또는 기계적 응력을 완화시키도록 제공될 수 있음을 알 수 있다. 팽창 채널(480)은 본 명세서에서 언급된 적층 조형 공정 중에 현장에서 형성된다. 상이한 크기 및/또는 형상 및/또는 위치의 다른 확장 채널(480)이 본 발명의 개념을 벗어나지 않으면서 다른 실시예에서 제공될 수 있다.
제 1 및 제 2 채널(420, 422)은 도 10 및 도 11에서 그 자체로, 즉 코어(406) 없이 도시되어 있음을 추가로 알 수 있다. 제 1 및 제 2 채널(420, 422)은 그 종방향 범위를 따라서 다수의 파형부(undulation)(418A, 418B, 418C, 418D)를 갖도록 형성되는 것을 도 10 및 도 11에서 알 수 있다. 본 명세서에서 총괄적으로 또는 개별적으로 참조부호 418로 지칭될 수 있는 파형부(418A, 418B, 418C, 418D)는 예를 들어 도 11의 좌측에서 우측으로 또는 우측에서 좌측으로 이동할 때 점진적으로 발생하는 제 1 및 제 2 채널(420, 422)의 연장 방향으로의 변화를 나타낸다. 이러한 파형부(418)는 다양한 구성 중 임의의 구성일 수 있으며, 열전달 특성의 최적화를 위해서 및/또는 열적 및 기계적 응력의 해소를 위해서 또는 다른 이유로 제공될 수 있다. 이러한 파형부는 본 명세서의 다른 곳에 기재되는 전술한 열교환기 중 임의의 것에 성능 최적화를 달성할 수 있는 다른 방법으로서 제공될 수 있다.
본 발명의 제 6 실시예에 따른 개선된 컴팩트 열교환기(504)가 도 12에 전반적으로 도시되어 있다. 컴팩트 열교환기(504)는 함께 연결되는 복수의 코어 부분(507X, 507Y)을 구비하는 코어(506)를 구비한다. 도시된 예시적 실시예에서, 컴팩트 열교환기(504)는, 함께 연결되고 코어(506)와 연결되는 복수의 헤더 부분(525X, 525Y, 525Z)을 구비하는 헤더 장치(508)를 추가로 구비한다.
컴팩트 열교환기(504)는 본 명세서의 다른 곳에서 제시되는 코어(6) 등이 전술한 적층 조형 공정을 수행하는 종래의 장비를 사용하여 쉽게 제조될 수 있는 것보다 훨씬 더 큰 열교환기(504)를 제공하기 위해 어떻게 함께 연결되는지를 보여준다. 즉, 임의의 주어진 시간에 이용 가능한 적층 조형 장비는 제한된 크기에 불과한 부품을 생산할 수 있으며, 열교환기(504)는 이러한 부품들이 단일 적층 조형 공정 중에 제조될 수 없고 특정 용도에 적합한 크기의 상대적으로 큰 열교환기(504)를 제공하기 위해 어떻게 크기조정(scale)될 수 있는지를 보여준다.
예시적 코어 부분(507X, 507Y)은 비교적 직선형이고 세장형인 채널 부분(517)[제 1 채널 부분, 코어 부분(507X)]을 갖는 것으로 또는 하나 이상의 굴곡부를 구비하는 채널 부분[제 2 채널 부분, 코어 부분(507Y)]을 갖는 것으로 도시되어 있다. 이러한 채널 부분(517)은 다양한 코어 부분(507X, 507Y)으로 형성되는 소정의 포괄 유동 채널(516)(제 1 및 제 2 채널)을 제공하기 위해 필요에 따라서 소결 또는 기타 확산 접합 작업을 통해서 상호 단부-대-단부 연결될 수 있다. 즉, 예시적 포괄 채널(516)은 채널(516)을 형성하기 위해 단부-대-단부 연결되는 복수의 채널 부분(517)을 구비하는 것으로 도 12에 도시되어 있다.
헤더 장치(508)는 복수의 헤더(524A, 524B, 524C, 524D)를 구비하며, 이들 헤더는 본 명세서에서 총괄적으로 또는 개별적으로 참조부호 524로 지칭될 수 있다. 다양한 헤더(524)는 열교환기(504)의 용도에 적합한 소정의 성능 특성을 달성하기 위해 필요에 따라 헤더 부분(525X, 525Y, 525Z)의 다양한 조합으로 형성된다. 도 8 및 도 9에 도시되어 있는 코어 또는 본 명세서의 다른 곳에서 언급되는 다른 코어 또는 그 변형예의 임의의 것은 특정 용도의 요구에 따라서 도 12에 개략적으로 도시되어 있는 코어 부분(507X, 507Y)의 임의의 하나 이상으로서 채용될 수 있음을 명확히 알아야 한다. 또한, 유동 채널의 위치, 크기, 형상 등의 상호관계 중 임의의 것은 최적화를 위해서 또는 다른 이유로 필요에 따라 열교환기(504)에 통합될 수 있다.
따라서 본 명세서에 제시되는 다양한 컴팩트 열교환기 및 그 부품은 다양한 용도에 요구되는 최적화를 제공하기 위해 광범위한 특징부 및 그 각종 부품 사이의 상호관계 중 임의의 것을 가질 수 있음을 알 수 있다. 최적화는 유체 유동 성능에 기초하여 및/또는 열전달 성능에 기초하여 및/또는 열적 및/또는 기계적 응력에 대한 내성에 기초하여, 및/또는 최적화를 위한 다른 기반에 기초하여 제공될 수 있다. 이러한 최적화는 전술한 적층 조형 공정이 제공될 경우 매우 비용 효과적이다. 본 명세서에 기재되는 다양한 특징부 및 상호관계는 본 발명의 개념을 벗어나지 않는 한도 내에서 임의의 방식으로 조합될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예가 상세히 설명되었지만, 통상의 기술자라면 본 발명의 전체적인 사상의 관점에서 이들 세부 사항에 대한 다양한 변형 및 수정이 개발될 수 있음을 알 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는 단지 예시적인 것이며, 첨부된 청구범위의 전체 범위와 그 임의의 및 모든 등가물에 부여되는 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아님을 의미한다.

Claims (17)

  1. 컴팩트 열교환기(4)에 있어서,
    상호 부착되어 함께 코어(6) 및 헤더 장치를 형성하는 복수의 층(12A, 12B, 12C)을 포함하고;
    상기 코어 안에는 복수의 채널(16)이 형성되고, 상기 복수의 채널은 다수의 제 1 채널(20) 및 다수의 제 2 채널(22)을 포함하며, 상기 다수의 제 1 채널의 적어도 일부는 상기 다수의 제 2 채널의 적어도 일부와 열전달할 수 있도록 위치되고;
    상기 헤더 장치는 다수의 채널 중 적어도 일부의 채널과 유체 연통하는 적어도 하나의 제 1 헤더(24A)를 포함하며;
    상기 적어도 하나의 제 1 헤더는 채널 단부(32A) 및 연결 단부(36A)를 갖고, 상기 채널 단부는 코어에 인접하여 위치하며 상기 적어도 일부의 채널과 직접 유체 연통하는 다수의 유동 연결부(44A)를 구비하고, 상기 연결 단부는 다른 유동 구조물과 유체 연통적으로 연결되도록 구성되는 개구부(40)를 가지며, 상기 적어도 하나의 제 1 헤더는 채널 단부와 연결 단부 사이에서 연장되고 다수의 유동 연결부와 개구부 사이의 유체 연통을 가능하게 하는 유동 통로(38A)를 포함하며;
    상기 복수의 층 중 적어도 하나의 층은, 복수의 채널 중 하나의 채널의 적어도 일부가 그 안에 형성된 코어의 적어도 일부를 포함하고, 상기 개구부의 적어도 일부를 포함하는 상기 적어도 하나의 제 1 헤더의 일부를 추가로 포함하며, 유동 통로의 적어도 일부가 그 안에 형성된 층이고,
    상기 적어도 하나의 제 1 헤더는 다수의 유동 디렉터(54, 56)를 포함하며, 상기 유동 통로는, 상기 개구부와 상기 적어도 일부의 채널 중 대응 채널 사이에서 함께 연장되고 그 사이에서의 유체 유동을 허용하는 복수의 유동 통로 부분(46, 48, 50)을 포함하며, 상기 다수의 유동 디렉터 중 적어도 하나의 제 1 유동 디렉터는 코어에 인접하여 그리고 다수의 제 1 채널 중 한 쌍의 제 1 채널 사이에 위치되며, 상기 적어도 하나의 제 1 유동 디렉터는 외표면(60)을 가지며, 상기 외표면의 일부는 상기 한 쌍의 제 1 채널 중 하나의 제 1 채널과 유체 연통하는 복수의 유동 통로 부분 중 하나의 유동 통로 부분의 적어도 일부를 형성하는
    컴팩트 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널 중 적어도 일부의 채널 각각은, 비원형인 형상을 갖는 아치형 둘레(62)를 가지는
    컴팩트 열교환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 일부의 채널에 인접하여 위치하는 다른 채널은, 상기 비원형인 형상과 상이한 다른 형상을 갖는 다른 아치형 둘레(263)를 가지는
    컴팩트 열교환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 제 1 채널은 상호 유체 연통하고 상기 다수의 제 2 채널은 상호 유체 연통하며, 상기 다수의 제 1 채널은 상기 다수의 제 2 채널로부터 유체적으로 격리되고, 상기 다수의 제 1 채널 중 하나 이상의 제 1 채널은 다수의 제 1 채널 중 세 개 이상의 다른 제 1 채널에 인접하여 위치하며, 또한 다수의 제 2 채널 중 세 개 이상의 제 2 채널에 인접하여 위치하는
    컴팩트 열교환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어는 그 일 측면에 다수의 제 1 채널 중 하나의 제 1 채널과 다수의 제 2 채널 중 하나의 제 2 채널 양자가 배치되고, 그 다른 측면에 다수의 제 1 채널 및 다수의 제 2 채널로부터 멀리 향하는 벽면(68)이 구비되는 벽(64)을 포함하며, 벽면과 제 1 채널 사이의 벽의 최소 두께(76A)는 벽면과 제 2 채널 사이의 벽의 최소 두께(76B)와 상이한
    컴팩트 열교환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어는 함께 부착되는 복수의 코어 부분(507X, 507Y)을 포함하고, 상기 복수의 코어 부분 중 적어도 일부의 코어 부분 각각 안에는 복수의 채널 부분(517)이 형성되며, 상기 복수의 채널 부분은 다수의 제 1 채널 부분 및 다수의 제 2 채널 부분을 포함하며, 다량의 복수의 코어 부분 각각의 다수의 제 1 채널 부분 중 하나의 제 1 채널 부분은 다수의 제 1 채널 중 하나의 제 1 채널(516)의 적어도 일부를 형성하기 위해 함께 단부-대-단부 연결되고, 다량의 복수의 코어 부분 각각의 다수의 제 2 채널 부분 중 하나의 제 2 채널 부분은 다수의 제 2 채널 중 하나의 제 2 채널의 적어도 일부를 형성하기 위해 함께 단부-대-단부 연결되는
    컴팩트 열교환기.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 외표면의 다른 부분은 상기 한 쌍의 제 1 채널 중 다른 제 1 채널과 직접 유체 연통하는 복수의 유동 통로 부분 중 다른 유동 통로 부분의 적어도 일부를 형성하는
    컴팩트 열교환기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 헤더는 제 1 입구 헤더이고, 상기 헤더 장치는 제 1 출구 헤더(24B)를 추가로 포함하며;
    상기 제 1 입구 헤더는 그 입구 단부에서 다수의 제 1 채널의 적어도 일부와 유체 연통하고;
    상기 제 1 출구 헤더는 그 출구 단부에서 다수의 제 1 채널의 적어도 일부와 유체 연통하며;
    상기 층들 중 적어도 하나는, 다수의 제 1 채널 중 하나의 제 1 채널의 적어도 일부가 그 안에 형성된 코어의 일부를 포함하고, 상기 제 1 채널의 적어도 일부와 유체 연통하는 제 1 입구 헤더의 일부 및 제 1 출구 헤더의 일부를 추가로 포함하는 층인
    컴팩트 열교환기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 헤더 장치는 제 2 입구 헤더(24C) 및 제 2 출구 헤더(24D)를 추가로 포함하며, 상기 제 2 입구 헤더는 그 입구 단부에서 다수의 제 2 채널의 적어도 일부와 유체 연통하고, 상기 제 2 출구 헤더는 그 출구 단부에서 다수의 제 1 채널의 적어도 일부와 유체 연통하는
    컴팩트 열교환기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 채널 중 적어도 일부의 채널은 연장 방향을 따라 연장되고, 연장 방향을 따라 다수의 파형부(418)를 구비하는
    컴팩트 열교환기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어는 상기 복수의 채널 중 한 쌍의 인접한 채널 사이에 위치하는 벽(64)을 포함하고, 상기 벽은 코어 상의 한 위치에서 두께를 가지며, 따라서, 상기 한 쌍의 인접한 채널은 상기 두께와 동일한 거리(92)만큼 이격되고, 상기 벽은 상기 위치로부터 이격된 코어 상의 다른 위치에서 다른 두께를 가지며, 따라서, 상기 한 쌍의 인접한 채널은 상기 다른 두께와 동일한 다른 거리(392)만큼 이격되고, 상기 두께와 상기 다른 두께는 동일하지 않은
    컴팩트 열교환기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 제 1 채널은 상호 유체 연통하고, 상기 다수의 제 2 채널은 상호 유체 연통하며, 상기 복수의 채널은 다수의 제 1 채널로부터 유체적으로 격리되고 다수의 제 2 채널로부터 유체적으로 격리되는 다수의 추가 채널(80, 480)을 추가로 포함하는
    컴팩트 열교환기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 다수의 추가 채널은 다수의 제 1 채널 중 하나의 제 1 채널 및 다수의 제 2 채널 중 하나의 제 2 채널 중 적어도 하나에 인접하여 위치하는 추가 채널(80, 480)을 포함하는
    컴팩트 열교환기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 코어는 상기 추가 채널과 상기 코어의 외부 사이에서 연장되는 개구부(84)가 그 안에 형성되는
    컴팩트 열교환기.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 추가 채널(480)은 다수의 제 1 채널 중 복수의 제 1 채널에 인접하여 위치하고, 또한 다수의 제 2 채널 중 복수의 제 2 채널에 인접하여 위치하는
    컴팩트 열교환기.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 코어는 다수의 추가 채널 내에 수용되고 컴팩트 열교환기를 예열하도록 작동 가능하게 구성되는 다수의 히터(86)를 추가로 포함하는
    컴팩트 열교환기.
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