KR20020032602A

KR20020032602A - 열전달 장치

Info

Publication number: KR20020032602A
Application number: KR1020027003652A
Authority: KR
Inventors: 로이트너슈테판; 바일페트라
Original assignee: 클라우스 포스, 게오르그 뮐러; 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2001-06-09
Publication date: 2002-05-03
Also published as: US20030094271A1; ES2248358T3; WO2002008680A1; EP1305561B1; BR0106982A; EP1305561A1; DE50107511D1; US7040387B2; JP2004504584A; DE10035939A1

Abstract

제1 유체로부터, 상기 제1 유체로부터 분리되어 있는 제2 유체로의 열전달을 위한 2개 이상의 층들(1, 2, 3), 특히 판들(1, 2, 3)을 포함하는 스택 또는 쉘 형태의 구조를 가지며, 각각의 층(1, 2, 3)은 다수의 통로(11, 12, 13)를 갖는 열전달 영역과 흐름 방향으로 상기 열전달 영역 이전에 배열된 유입 영역과 흐름 방향으로 상기 열전달 영역 이후에 배열된 유출 영역을 포함하는 열전달 장치가 제안된다. 상기 유입 및/또는 유출 영역은 하나 이상의 지지 요소(18)를 포함한다.

Description

열전달 장치{HEAT TRANSFER DEVICE}

예를 들어 고압측 냉각제가 관류하는 제1 통로 및 저압측 냉각제가 관류하며 상기 제1 통로로부터 분리되어 있는 제2 통로를 갖는 열교환기가 CO₂-차량 에어컨 장치에 제공되어 있다.

상기 CO₂-프로세스에서 출력 및 효율을 높이기 위해, 소위 내부 열교환기가 제공된다. 이 내부 열교환기를 상기 냉각제(CO₂)가 역방향으로 또는 순방향으로 지나간다. 이 때 상기 유체는 열교환기에서 한 번은 가스 쿨러로부터 증발기로 그리고 두 번째는 증발기와 컴프레서 사이를 관류한다. 상기 내부 열교환기의 주된 임무는 상기 냉각제를 팽창 전에 냉각시키는 것이다. 이 열은 고압측 가스 쿨러로부터 증발기 하류의 저압측으로 방출된다(컴프레서로 유입 전에). 부분적으로는 여전히 액상인 냉각제가 상기 컴프레서에 도달하기 전에 완전히 증발된다.

가능한 이용 영역들은 차량용 에어컨, 히트 펌프, 소용량의 휴대용 에어컨,제습기, 건조기, 연료 전지 시스템 및 유사 적용예들에서의 열교환기에 존재한다.

질량 및 용적을 줄이기 위해 비교적 간단하게 제조된 열교환기는 이미 공지되어 있다. 작은 구조로 큰 열량을 전달하기 위해, 예를 들어 소위 마이크로-열교환기가 제공된다. 이 열교환기들은 특히 상하로 적층되어 용접되거나 나사 고정되거나 또는 그에 상응하게 연결되는 구조화된 판들로 이루어진다. 이와 동시에 상기 열교환기에 제공된 대응 통로들이 밀폐된다. 이 열교환기에서 서로 열접촉하는 유체들은 상기 통로를 지나 판들 사이로 안내된다.

상기 마이크로-열교환기에서 유체는 유입구 또는 유출구를 통해 개별 층들 안으로 안내되므로, 여러 층들에서 교대로 열흡수 및 열방출하는 유체가 흘러가게 된다. 이 때 상기 개별 통로들로부터 유체의 배분 및 그 결합은 유입 영역 또는 유출 영역에서 이루어진다. 이 영역들에서 각각의 유체 흐름들이 분류되거나 또는 합류된다.

이 때 상기 유입 영역과 유출 영역의 중첩은 소위 자유 횡단면을 발생시킨다.

상기 양 유체의 압력차가 크기 때문에 개별 층들은 상기 자유 횡단면의 영역에서 상당히 다른 압력 수준을 견뎌내야 한다.

상기 자유 횡단면의 영역에서 압력을 받는 면적이 큰 것은 큰 재료 응력의 발생 때문이고, 이 때 소재 변형이 일어나는, 예를 들면 부품이 고장날 수 있다.

본 발명은 제1항의 전제부에 따라, 제1 유체로부터, 상기 제1 유체로부터 이격되어 있는 제2 유체로의 열전달을 위한 2개 이상의 층들, 특히 판들을 포함하며 적층 또는 쉘 형태의 구조를 갖는 장치에 관한 것이다.

도1은 종래 기술에 따른 열 교환기의 구조 조건 및 흐름 조건의 개략도이다.

도2는 종래 기술에 따라 2개 층을 중복시킨 자유 횡단면의 개략도이다.

도3은 직선형 지지 요소들을 가지며 크기를 줄인 본 발명에 따른 자유 횡단면의 개략도이다.

도4는 강화 지지 요소들을 가지는 본 발명에 따른 유입 및 유출 영역의 개략도이다.

도5는 곡선형 지지 요소들을 포함하는 또 다른 유입 및 유출 영역의 개략도이다.

본 발명의 목적은 용적이 작은 경우에도 열전달 면적을 비교적 크게 구현하며, 상기 양 유체의 압력 수준이 서로 상당히 다를지라도 고장없는 동작을 보장하는 열전달 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적은 도입부에 언급한 방식의 종래 기술을 기초로하여 청구항 제1항의 특징부에 의해 달성된다.

종속항들에 언급된 특징들을 통해 본 발명의 유리한 실시가 가능해진다.

본 발명의 장치의 특징으로는 상기 유입 영역 및/또는 유출 영역이 하나 이상의 지지 요소를 포함한다는 것이다. 본 발명에 따르면 그 때문에 자유 횡단면과 특히 상기 유입 또는 유출 영역에서 발생하는 휨 모멘트가 감소하게 된다. 이로써, 압력을 받는 면적이 특히 비교적 저압으로 동작되는 측에서 지지되며 그 결과 상기 판의 단점이 되는 변형이 억제되는 것이 보장된다.

또한, 상기 지지 요소의 유리한 배열에서는 각각의 판에 제공된 본 발명에 따른 지지 요소는 경우에 따라서는 비교적 견고한 덮개판이 압력을 흡수할 때까지 각각의 판에 적절한 압력을 전달하므로, 상기 판의 변형 및 전체 부품의 고장이 효과적으로 억제된다.

바람직하게는 유입 영역 및 유출 영역에 다수의 지지 요소가 제공됨으로써, 초래된 자유 횡단면도 그리고 발생하는 휨 응력도 감소하게 된다.

상기 유입 영역의 확대에 상응하게 이것은 상기 열전달 영역을 가리키는 쪽에서 비교적 많은 지지 요소를 갖는 것이 유리하다. 그러나 유입 영역의 상기 유입구를 가리키는 쪽에는 비교적 적은 지지 요소가 제공된다. 그 상당물이 유출 영역에 전달되는 것이 유리하다.

예를 들어 종래 기술에 일치하는 구성과 구조에 비해, 바람직하게는 소재 응력의 감소 때문에 본 발명에 따른 열교환기는 더 큰 압력차로 작동된다. 그 대신에, 본 발명에 따른 열교환기는 종래 기술에 비해 양 유체 사이의 압력차가 동일한 경우 두께가 얇은 판들을 가질 수 있으며, 이는 바람직하게는 전달하려는 열 출력이 주어진 경우 전체 열교환기의 질량 및 용적 감소를 확실히 가져올 수 있다.

상기 지지 요소에서 열전달 면적을 높이면 본 발명에 따른 열교환기의 열전달이 부가적으로 개선되는 것은 유익하다. 이는 전달하려는 열 출력이 주어진 경우 본 발명에 따른 열교환기의 용적이 부가적으로 감소될 수 있게 한다.

본 발명의 특별한 구성에서 상기 지지 요소의 길이는 그 폭의 여러배가 되게 구성될 수 있다. 이로써, 상기 지지 요소가 예를 들어 흐름 저항을 비교할 경우 더 큰 지지 효과 및 열전달 면적을 갖는 것이 보장된다. 본 발명에 따르면 이 열교환기는 상기 양 유체 흐름들 사이에 더 큰 압력차을 가지지만, 상기 열교환기에서 단점이 되는 소재 변형 또는 고장이 발생하지 않게 된다.

상기 지지 요소가 유체-유도 요소로서 형성되어 있는 것은 유익하다. 이렇게하여 유체-흐름이 본 발명에 따른 지지 요소에 의해 개선될 수 있다. 본 발명에 따른 지지 요소에 의해 상기 유체는 상기 열전달 영역의 통로들에 균일하게 배분되고 양호한 흐름을 위해 상기 통로들로부터 합쳐져 적절한 수집 통로로 계속 유도된다. 이렇게하여 상기 열전달 영역의 통로 구조의 보다 균일한 배분이 변환되고, 이는 다시 상기 열교환기의 개선된 열전달을 제공한다.

본 발명의 특별한 실시예에서 2개의 인접한 지지 요소는 20°이하, 바람직하게는 10°와 15°사이의 각도로 배열되어 있다. 종래 기술에 따른 상기 유체-흐름의 개방각, 소위 확산각(diffuser angle)은 때때로 50°이상된다. 2개의 인접한 지지 요소들 사이에 본 발명에 따른 비교적 작은 개방각은 예를 들어 유입 영역에서 또는 유출 영역에서 유체-흐름의 분리를 억제하므로, 단점이되는 에너지 손실이 감소되고 그와 동시에 상기 열전달 영역의 통로 구조의 불균일한 제공이 억제될 수 있다. 이 때 주된 흐름비에 따르며 예를 들어 개방각, 유체 압력 및 열전달 영역의 지지 요소 및 통로의 배열 및 구성에 따르는 레이놀즈 수가 중요하다.

특히 상기 흐름비를 개선하기 위해 상기 지지 요소의 측벽은 직선형으로 그리고/또는 곡선형으로 형성될 수 있다. 이 때 지지 요소의 구성은 다각형 형태로 생각해 볼 수도 있다. 상기 지지 요소가 소재 기술 상으로 및 기하학적으로 형성되도록 하기 위해, 지지 요소가 최대 지지 효과와 매우 좋은 흐름 배분을 비교적 작은 흐름 압력 손실에서 달성되도록 구성되는 것은 바람직하다. 선택적으로는 긴 지지 요소가 상기 지지 효과 및 흐름 유도의 개선을 위한 확장 영역을 가질 수도 있다.

본 발명의 특별한 구성에서 하나 이상의 지지 요소가 열전달 영역의 2개의 통로들 사이에 분리벽의 연장부로서 형성될 수 있다. 이렇게하여 예를 들어 열전달 영역의 통로들의 확실히 더 균일한 제공이 구현될 수 있다.

상기 지지 요소의 적절한 배열로 상기 흐름 유도의 또 다른 개선이 제공될 수 있다. 지지 요소가 통로 분리벽의 연장부로서 형성되어 있으면, 지지 요소로부터 통로 분리벽의 곡선형 전이부가 제공되는 것이 유리하다. 곡선형 전이부는 유리한 유체-흐름을 가져오므로, 불리한 압력 손실은 최소화될 수 있다. 이 때 예를 들면 상기 지지 요소가 곡선형 측벽을 가질뿐만 아니라 통로 분리벽이 가장자리 영역에서 하나 이상의 곡선형 측벽을 가질 수도 있으므로, 더 양호한 유체-흐름이 발생할 수 있다. 이 때 또한 비교적 작은 곡선부를 가지는 용이하게 굽혀진 영역이 있는 전이부가 실현될 수 있다.

층 또는 쉘 형태 장치의 여러 층들이 평평한 또는 돔 형상의 판으로서 또는 직경이 다르므로 그 안에 적층될 수 있는 원통형 요소로서 형성되므로, 본 발명에 따른 열교환기의 제작이 유리하게 실현될 수 있는 것이 장점이다. 평판의 변형예에서 열교환기를 폐쇄하는 덮개판이 제공되는 것은 유리하다.

기본적으로 상기 지지 요소의 구성 및 배열은 열전달 영역의 통로들에 맞춰진다. 상기 층 안에 또는 그 위에 있는 예를 들어 상기 통로들 및 지지 요소들은 절삭 또는 코팅 제조 방법에 의해 만들어질 수 있으므로, 상기 지지 요소 및 통로들은 비교적 작게 만들어질 수 있다.

상기 판에 상응하는 리세스가 포토리소그래피 구조화 공정 및 그 다음 에칭 공정을 통해 만들어지므로 경우에 따라서는 모든 프로세스 단계들이 각각의 작업 단계들에서 열전달 영역의 통로들의 제조 및 유입 또는 유출 영역에서의 지지 요소의 제조를 위해서 구현될 수 있다.

소정의 실시예에서 상기 열교환기는 적층되거나 서로 납땜된 판들을 통해 형성되고, 이 판들 안에 적어도 부분적으로 적절한 리세스가 예를 들어 통로들 또는 지지 요소들의 형성을 위해 제공되어 있다. 이 때 상기 판들 사이에 납땜 공정 동안 적어도 하나의 납땜층이 제공된다. 이 납땜층은 진공에서 또는 불활성 가스에서 실시되는 것이 유리하다. 바람직하게는 그 사이에 있는 하나 이상의 납땜층을 갖는 상기 층들이 상기 부재의 후속 배열 시에 적층될 수 있으며, 특히 냉각 상태에서, 납땜 공정 이전에 프레스될 수 있다. 별도의 납땜 공정 전에 상기 판들을 프레스함으로써 비교적 고온에서 상기 판들의 강한 프레스가 생략될 수 있다. 이로써 비교적 비싸며 높은 납땜 온도를 견뎌야 하는 프레스 기계가 불필요해진다.

본 발명의 실시예는 도면에 도시되어 있으며 이 도면을 이용해 하기에서 상술된다.

도1에는 종래 기술에 따른 열교환기가 도시되어 있다. 이 열교환기는 열전달을 위한 개별 판(1, 2, 3)을 가지며, 이 때 이 판들은 서로 용접되어 있으며 2개의 덮개판(8, 9) 사이에 싸여있고 이 판들에 작은 통로(11, 12, 13) 및 관류구(4, 5, 6, 7)가 제공되어 있다. 상기 덮개판(8)의 유입구(14)에서 유입되는 고압의 CO₂는 (화살표 FE2) 열전달판(1)의 관류구(4)를 관통하여 중앙의 열전달판(2)으로 흘러 들어가며 상기 통로(12)를 통해 화살표 방향으로 아래로 지나가서 거기에서 다시 열전달판(1)의 관류구(6)와 덮개판(8)의 유출구(6)를 통해 흘러나온다(화살표 FA2). 또한, 빗살 무늬 화살표에서 알 수 있는 것처럼, 저압의 CO₂는 (화살표FE1) 상기 덮개판(8)의 유입구(15) 안으로 흘러 들어와 상기 열전달판(1)의 통로(11)를 통해 아래로부터 위로 지나가 다시 상기 열전달판(2)의 관류구(5)를 관통해 열전달판(3)에 도달하여, 작은 통로를 통해 아래로부터 위로 그리고 상기 열전달판(3, 2, 1)의 관류구(7)를 통해 덮개판(8)의 유출구(17)를 통해 흘러 나온다(화살표 FA1).

이와 같이 고압 냉각제(흑색 화살표)가 제1 방향으로 그리고 저압 냉각제(빗살 무늬 화살표)가 그 역의 방향으로 상기 도시된 열교환기를 관류한다.

도1에 도시된 열교환기는 이해의 편의를 위해 단지 3개의 열전달판(1, 2, 3)들을 갖고 있다. 이것은 상기 열전달판(1, 2, 3)으로 규정된 개별 층들로 이루어지고, 이 층들을 역방향으로 CO₂가 관류하며, 이 때 이 CO₂는 한 편으로 고온에서 고압(약 150바아까지)을 취하며 다른 한편으로 저온에서 저압(약 60바아까지)을 취한다.

형성되는 열전달 조건들에 상기 열교환기를 바람직하게 적응시키기 위해, 상기 열전이가 상기 유체의 물성과 흐름 상태에 의해 정해진다는 것이 고려되야 한다. 그러나, 통상 저압측에서 열전이 효율은 고압측에서의 열전이 효율보다 훨씬 더 작은 것이 일반적이다. 그러므로 상기 열교환기의 체적을 가장 효율적으로 이용하기 위해, 기본적으로, 고압측에서 열전이 효율과 열전달 면적의 적이 저압측의 열전이 효율과 열전달 면적에 적응되게 하는 것이다. 이는 예를 들어 작은 통로(11, 12, 13)가 형성되어 있는 개별 프로파일, 즉 열전달판(1, 2, 3)들로 이루어지는 도면에 도시된 콤팩트한 열교환기의 경우 상기 작은 통로(11, 12, 13)의 유압 직경의 적응을 통해 이루어진다.

또한, 열전달 영역의 열전이 효율 및 열전달 면적을 작은 통로(11, 12, 13)의 흐름 안내를 통해 예를 들어 다각형 형태로 확대할 수 있다.

본 발명에 따른 열교환기는 동, 동합금, 특수강, 알루미늄 및 다른 소재로 만들어질 수 있는 것이 장점이다.

본 발명에 따른 열교환기는 차량, 특히 자동차에서 CO₂-에어컨 장치의 내부 열교환기로서 이용되는 것은 유리하다.

예를 들어, 도1에서 흑색 화살표를 통해 표시된 제1 (고압) 관류 통로는 상기 에어컨의 가스 쿨러로부터 증발기로의 제1 유동로에 있으며 도면에서 빗살 무늬 화살표를 통해 표시된 제2 (저압) 흐름 통로는 증발기로부터 컴프레서로의 제 2 의 유동로에 있다.

상기 제1 유동로는 약 150바아까지의 고압과 고온의 상태에 있으며 제2 유동로는 약 60바아까지의 저압과 상대적으로 낮은 온도가 주가 된다.

도2에는 자유 횡단면(24)이 도시되어 있으며, 이는 예를 들어 종래 기술에 따라 유체(I)의 유입 영역(E1)과 유체(II)의 유출 영역(A2)을 중복시킴으로써 발생한다. 자유 횡단면(24)은 압력을 받는 비교적 큰 면적을 가짐으로써 비교적 큰 응력을 받을 수밖에 없다는 것은 분명하며, 이는 특히 판(2, 3)의 변형 및 열교환기의 고장을 초래할 수도 있다.

도3에는 상기 양 판(2, 3)의 유출구가 도2의 유출구에 일치하게 도시되어 있다. 그러나, 상기 판(2, 3)의 본 발명에 따른 유입 및 유출 영역은 본 발명에 따른 지지 요소(18)를 가진다. 도3에 따른 상기 지지 요소(18)는 직선형 지지 요소(18)로 형성되어 있다. 이 때 몇 개의 지지 요소(18')는 통로 분리벽(19)의 연장부로서 형성되어 있다.

또한, 도3에서 알 수 있는 것은 2개의 인접한 지지 요소(18)들로 형성된 개방각(α)은 본 발명에 따른 지지 요소(18)가 없으면 종래 기술에 따른 개방각(β)보다 훨씬 더 작다는 것이다. 그러므로, 상기 지지 요소(18)를 이용한 구조화를 통해 상기 유체의 흐름이 열전달 영역의 통로들에 균일하게 배분되며 상기 개방각은 예를 들어 약 50°로부터 약 10°내지 15°로 작아진다. 이는 특히 유체 흐름의 분리가 억제되게 하며, 이런 분리는 에너지 손실 및 통로 구조(11, 12, 13)의 불균일하게 할 수 있다. 상기 분리의 억제 및 그 결과 상기 에너지 손실의 감소는 주 레이놀즈 수에 따른다. 또한, 이는 특히 개방각과 유체의 조정 압력에도 따른다.

그 외에도, 도3에서 알 수 있는 것은 도2의 자유 횡단면(24)에 비해 감소된자유 횡단면(23)이 압력을 받는 면적의 상당한 감소를 보여주며 발생하는 휨 응력을 감소시킨다는 것이다. 그 때문에 상기 판(1, 2, 3)의 변형 또는 열교환기의 고장이 억제된다.

도4에는 특히 지지 요소(18)가 도시되어 있으며, 이 때 이 지지 요소는 본 발명에 따른 지지 작용을 강화하기 위해 국지적인 강화부(20)를 갖는다.

도5에는 곡선형 측벽을 가지는 지지 요소(18)가 도시되어 있다. 상기 지지 요소(18)의 본 발명에 따른 구성은 특히 유리한 흐름 가이드 및 통로(11, 12, 13)에 유체의 배분을 야기한다. 도5에 도시된 곡선형 지지 요소는 각형의 전이부(21)를 갖는다. 이 때 도면에 상세하게 도시되지 않은 곡선형 전이부(21)는 흐름 가이드의 개선을 가져온다. 곡선형 전이부(21)에서 통로 분리벽(19)의 곡선형 단부 영역 역시 유리하다.

본 발명에 따른 지지 요소(18)는 발생하는 부하를 훨씬 더 양호하게 배분하므로, 이것은 부가적으로 지지 기능도 갖는다. 종래 기술에 따르면 특히 상기 발생 부하가 주로 상기 판(1, 2, 3)의 가장자리 영역들에 의해 받아들여질 수밖에 없으므로, 본 발명에 따른 지지 요소(18)에 의해 예를 들어 가장자리 영역에서 재료가 절약되는 것이 장점이다.

기본적으로, 교대로 열흡수 및 열방출 유체가 정방향으로 또는 역방향으로 상기 판(1, 2, 3)을 관류한다. 이 때 예를 들면 열흡수 및 열방출 면적의 확대를 위해 다수의 예를 들면 2개의 인접한 판(1, 2)을 동일 유체가 관류하며 다른 유체는 그 다음 판(3) 또는 다수의 인접 판들을 관류하게 된다.

Claims

제1 유체로부터, 상기 제1 유체로부터 분리되어 있는 제2 유체로의 열전달을 위한 2개 이상의 층들(1, 2, 3), 특히 판들(1, 2, 3)을 포함하는 스택 또는 쉘 형태의 구조를 가지며, 각각의 층(1, 2, 3)은 다수의 통로(11, 12, 13)를 갖는 열전달 영역과 흐름 방향으로 상기 열전달 영역 이전에 배열된 유입 영역과 흐름 방향으로 상기 열전달 영역 이후에 배열된 유출 영역을 포함하는 열전달 장치에 있어서,

상기 유입 및/또는 유출 영역은 하나 이상의 지지 요소(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 지지 요소의 길이는 그 폭의 여러배인 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 요소(18)는 유체 유도 요소(18)로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 인접한 지지 요소(18)가 서로 20°이하의 각도로 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 요소의 측벽은 직선형으로 그리고/또는 곡선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 지지 요소(18)가 분리벽(19)의 연장부로서 2개의 통로 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 요소(18)로부터 분리벽(19)으로 곡선형 전이부(21)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 층들(1, 2, 3)은 평평한 또는 돔 형상의 판(1, 2, 3)으로서 형성되거나, 또는 그 직경이 다르기 때문에 그 속에 적층될 수 있는 원통형 요소(1, 2, 3)로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.