KR20040052214A - 열교환기 어셈블리와 열교환기 매니폴드 - Google Patents

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KR20040052214A
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Abstract

본 발명은 헤드 파이프와 테일 파이프 또는 피더 파이프 사이를 신장하는 다수의 평형 가열 파이프를 갖는 매니폴드를 포함하는 열 교환기에 관한 것이다. 이 테일 파이프는 가열 파이프에 평행한다. 이 가열 파이프는 헤드 파이프와 테일 파이프 사이를 평행하게 신장하는 많은 캐필러리 범위를 제한한다. 헤드 파이프, 테일 파이프 및 캐필러리의 중공 내부는 매니폴드 내에 밀폐된 유동체 저장고를 한정한다. 저장고는 매니폴드가 작동할 때 열 전도성 유동체를 보유한다. 매니폴드는 열 전달 표면을 제공한다. 열 전달 표면은 열전기적 모듈의 열의 냉각 면 또는 가열 면의 어느 하나와 접촉하여 위치될 수 있다. 열 전달 표면은 헤드 파이프, 테일 파이프 또는 가열 파이프 상에 위치된다. 전류가 열전기적 모듈에 적용될 때, 저장고 내에 포함된 유동체에 대한 냉각 또는 가열 효과는 캐필러리 내에서 유동체 이동을 유도하여 열 전달을 고양한다. 매니폴드는 하나 또는 그 이상의 유사 매니폴드로 조립될 수 있어 제일 매니폴드는 모듈의 일 열에 의해 가열되고 제이 인접 매니폴드는 매니폴드 사이에 위치된 같은 열의 모듈에 의해 냉각된다.

Description

열교환기 어셈블리와 열교환기 매니폴드{Heat exchanger assembly and heat exchange manifold}
통상적인 냉장고 및 에어 컨디셔닝 시스템과 같은 많은 종래의 열 교환 시스템은 주위 환경으로 방출될 때 잠재적으로 유해한 열적으로 전도성인 가스성의 유동체를 사용하고 있다. 이런 유해한 가스성 유동체를 환경에 덜 유해한 대체적인 유동체로 대체하기 위한 노력이 행해져 왔다. 그러나, 이런 시스템은 다양한 제한과 상대적으로 낮은 열 전달 효능을 갖는다.
종래의 냉각 및 가열 시스템은 통상적인 열 교환 매니폴드, 열적으로 전도성인 유동체를 위한 파이핑 및 펌핑 시스템을 포함하였다. 몇몇의 종래의 시스템은 또한 특징적으로 냉각 또는 가열 기능을 제한하기 위한 열전기적 모듈을 합체한다. 예를 들어, 다음의 미국 특허들은 이런 종래의 시스템의 예를 기술한다: 이노우에 등의 미국특허 6,354,086호, 헤드의 의 미국특허 5,232,516호, 케르너의 미국특허5,269,146호, 셔르프케 등의 미국특허5,540,567호, 아떼이 등의 미국특허 5,653,111호, 동의 미국특허 5,675,973호. 전기 예들은 이들 특허에 기술된 가열전달 또는 냉각 시스템 내에서 유동체의 이송을 위한 통상적인 유동체 펌핑 및 파이핑 시스템을 기술한다.
몇몇 종래의 시스템은 복합 유동체 교반자를 합체함에 의해 열 교환의 효능을 개선하기 위한 시도를 하였다. 이노우에 등의 미국특허 6,354,086호는 이런 교반자가 기술된 종래 특허의 예이다. 미국특허 5,269,146호는 휴대용 냉장 상자, 호텔 및 레스토랑용 서빙 카트 및 보온병 같은 열적으로 절연된 컨테이너용 밀폐 시스템 가열 및 냉각 시스템을 기술한다. 열 전도성 유동체는 밀폐된 루프 순환 시스템을 통해 순환된다. 가열된 또는 냉각된 유동체는 주변 대류 공기와 열 교환을 위해 에어 코어 열 교환기를 통과한다. 이 특허는 유동체가 효과적인 열 전달을 증진하기 위해 밀폐된 시스템을 통해 높은 속도로 펌프된다.
이들 종래의 시스템은 다음에 기술되는 캐필러리 유동 시스템의 본연의 유동체 유동 특성과 자연력의 사용과 연계된 개선된 효능을 갖는 열 교환 시스템을 제공하는 이점을 제시하지 못하였다.
본 발명은 냉각 및 가열 시스템을 포함하는 열 전달 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 열전기적으로 파워된 열 전달 시스템을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태의 요소의 사시도 및 부분 단면도이고,
도 2는 도 1의 실시형태의 선택된 부분의 부분 확대 사시도이고,
도 3은 도 1의 실시형태의 일 부의 분해 사시도이고,
도 4는 도 3에 도시된 일 요소를 그 요소의 일 면을 나타내기 위하여 90도로 회전된 확대 부분 단면이고,
도 5는 도 4에 도시된 실시형태의 상부 구성부분의 확대 부분 단면도이고,
도 6은 다수의 열 교환기가 열전기적 모듈의 직선 뱅크와 열 접촉으로 배열된 본 발명의 다른 실시형태이고,
도 7은 도 6에 도시된 실시형태의 분해 사시도이고,
도 8은 개략적 형태로 도 7에 도시된 실시형태의 단면도이고,
도 9는 열전기적 모듈의 몇 뱅크가 가열 파이프의 공통면의 배열을 따라 수직으로 배열된 본 발명의 다른 실시형태의 분해 사시도이고,
도 10은 도 9의 실시형태에서 가열 파이프의 부분 확대도이다.
본 발명은 헤드 파이프와 테일 파이프 또는 피더 파이프 사이를 신장하는 다수의 평형 가열 파이프를 갖는 매니폴드를 갖는 열 교환기를 포함한다. 이 테일 파이프는 가열 파이프에 평행한다. 이 가열 파이프는 헤드 파이프와 테일 파이프 사이를 평행하게 신장하는 많은 캐필러리 범위를 제한한다. 헤드 파이프, 테일 파이프 및 캐필러리의 중공 내부는 매니폴드 내에 밀폐된 유동체 저장고를 한정한다. 저장고는 매니폴드가 작동할 때 열 전도성 유동체를 보유한다. 일 실시형태에서,매니폴드는 열전기적 모듈의 일 열의 가열 면 뿐 아니라 냉각 면을 접촉하기 위한 표면을 제공한다. 접촉 표면은 헤드 파이프, 테일 파이프 및 가열 파이프의 외측 벽에 의해 한정된다. 전류가 열전기적 모듈에 적용될 때, 매니폴드 저장고 내에 포함된 유동체에 대한 냉각 또는 가열 효과는 캐필러리 내에서 유동체 이동을 유도하여 열 전달을 고양한다. 매니폴드는 하나 또는 그 이상의 유사 매니폴드로 조립될 수 있어 제일 매니폴드는 모듈의 일 열에 의해 가열되고 제이 인접 매니폴드는 매니폴드 사이에 위치된 같은 열의 모듈에 의해 냉각된다.
다른 실시형태에서, 매니폴드는 대체적인 열 에너지 원과 연계하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 매니폴드는 제이 열 전도성 유동체류와 열적으로 그리고 작동적으로 연계될 수 있다. 예를 들어, 태양 동력 시스템에서, 매니폴드는 열 에너지를 제이 순환 열전도성 유동체류에 모아 전달하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 열 교환 매니폴드는 다양한 열 교환 시스템에 사용될 수 있어, 이들의 몇몇은 열전기적 모듈을 포함할 수 있다, 다른 예에서, 열 교환 매니폴드는 열전기적 모듈을 합체하지 않는 시스템에 사용될 수 있다.
본 발명은 또한 펠티에르(Peltier) 장치로 또한 알려진 열전기적 모듈과 열적으로 연계한 둘 또는 그 이상의 유사 매니폴드를 포함하는 열 교환기 어셈블리를 포함한다. 이 펠티에르 장치는 매니폴드의 하나 또는 그 이상의 표면과 열적 접촉으로 위치된다. 접촉 표면은 헤드 파이프, 테일 파이프 또는 특정 매니폴드의 헤드 파이프의 상에 위치될 수 있다. 전형적으로, 펠티에르 장치는 하나 이상의 외부 전원이 적용된 유사 유닛의 열로 배열된다. 절연 가스켓이 또한 인접 매니폴드 사이에 제공될 수 있다. 각 절연 가스켓은 일 열의 펠티에르 장치를 수용하기 위한 공을 갖는다. 이 가스켓은 일 열의 펠티에르 장치의 엣지에 인접한 바람직하지않을 수 있는 열 전달을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 인접한 쌍의 매니폴드는 함께 유지될 수 있어 일 열의 펠티에르 장치가 열의 일 측면 상의 일 매니폴드를 냉각하고 펠티에르 장치 열의 다른 면 상에 유지된 다른 매니폴드를 가열한다. 이 가스켓은 또한 열 교환기의 조립 동안에 펠티에르 장치에 우발적 손상을 방지하기 위해 사용될 수 있다. 그렇지 않다면, 예를 들어, 만일 클램프가 매니폴드 조립을 보지(保持)하기 위해 사용된다면, 클램프의 과도한 죔은 매니폴드 사이에 유지된 열전기적 펠티에르 장치를 뭉그러지게하거나, 부러지게하거나 또는 손상시킬 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 열전기적 모듈의 배열된 뱅크와 연계하여 사용하는 열 전달 매니폴드를 제공한다. 이 매니폴드는 냉각 및 가열 시스템, 가열 펌프, 및 기타 관련 시스템을 포함하는 다양한 열 교환 시스템과 연계하여 사용될 수 있다. 이 매니폴드는 특히 프레온과 같은 통상의 냉매 및 기타 잠재적인 유해 냉매의 사용을 피하는 것이 바람직한 경우에 유용하다.
전형적으로 매니폴드는 아래에 보다 자세하게 기술되는 바와 같이, 매니폴드가 작동중일 때 일반적으로 수직 방향으로 위치된다. 일 측면에서, 매니폴드는 수직으로 마주하는 피더 파이프 또는 테일 파이프와 평행으로 나란한 밀폐된 헤드 파이프를 포함한다. 테일 파이프는 열전도성 유동체를 공급하기 위한 유동체 개구가 제공된다. 몇가지 예에서, 유동체 개구는 다시 밀봉될 수 있다. 다수의 일반적으로 평면의 가열 파이프는 헤드 파이프와 테일 파이프 사이에 위치된다. 몇가지 경우에, 헤드 파이프의 평면면이 헤드 파이프 및 테일 파이프의 세로축과 평행되도록 헤드 파이프가 위치되어 것이 바람직하다. 이 배열에서, 가열 파이프는 같은 평면으로 위치되어 이들의 평면면이 헤드 파이프 및 테일 파이프의 길이를 따라 나란하다.
상술된 바와 같이, 열전도성 유동체는 매니폴드의 밀폐된 유동체 저장고 내에 제공된다. 열 교환은 매니폴드의 유동체 저장고 내에서 열전도성 유동체의 반복된 증류 및 응축과 열전기적 모듈의 작동을 통해 일어난다.
다른 예에서, 평면 가열 파이프를 이들의 면이 헤드 파이프 및 테일 파이프의 길이를 가로질러 위치되도록 향하게하는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 이 배열에서, 평면 가열 파이프는 수직으로 마주하는 헤드 파이프 및 테일 파이프의 세로 축을 가로지르도록 향하여진다.
각 가열 파이프는 일반적으로 신장되고 평평하다. 가열 파이프는 가열 파이프의 길이를 따라 신장하는 캐필러리 채널로 내부적으로 분할된다. 바람직하기로는, 이 채널은 가열 파이프의 길이를 따라 신장하는 캐필러리의 단일 층을 형성한다. 각 캐필러리 채널은 가열 파이프의 일단으로부터 가열 파이프의 타단으로 신장한다. 캐필러리 채널은 가열 파이프와 마주된 테일 파이프 사이에 유동체 연통을 제공한다.
매니폴드는 평면 배열로 나란한 다수의 열전기적 모듈과 조합되어 사용될 수 있어 모듈의 모든 가열 면이 배열의 일 면을 따르고 모듈의 냉각 면은 배열의 마주하는 면을 따른다. 열전기적 모듈은 또한 일 열로 배열되어 모듈 열의 일 면이 냉각 면을 한정하고 마주하는 면이 가열 면을 한정한다. 모듈의 열은 매니폴드에 인접하여 배치되어 매니폴드와 열적 교류를 이룬다. 많은 경우에 있어, 열적 교류는 일 열의 가열 또는 냉각 면을 모듈에 의해 한정된 면에 대해 접촉함에 의해 제공된다. 매니폴드에 대한 냉각 면 또는 가열 면의 어느 것을 위치하는 것이 냉각 또는 가열 기능이 그 매니폴드에 대해 바람직한지 여부를 결정하는 것이라는 것은 통상인에 의해 이해될 것이다.
몇 예에 있어서, 열전기적 모듈의 열(列)은 헤드 파이프, 테일 파이프 또는 가열 파이프의 같은 평면 배열의 것에 의해 한정된 면과 접촉되게 위치될 수 있다. 열전기적 모듈의 열과 매니폴드 사이의 접촉 배열의 예가 아래에 보다 자세하게 기술된다.
본 발명의 다른 측면에서, 가열 파이프에서 캐필러리 채널은 일반적으로 가열 파이프의 내부 벽과 외부 벽에 의해 한정된 일반적으로 사다리꼴형 튜브이다. 바람직하기로는, 내부 벽은 가열 파이프의 일 면으로부터 가열 파이프의 맞은 면으로 똑바로 신장한다. 그러나, 캐필러리는 형상에 있어 필수적으로 장방형 또는 사다리꼴이 아닌 다른 단면 형상을 갖도록 제조될 수 있다. 캐필러리의 상대적인 사이즈는 바람직한 열 교환 시스템의 특성과 디자인 요구에 따라 다양하게 변한다. 수 기재 열전도성 유동체 시스템의 사용을 위한 바람직한 시스템에서, 캐필러리의 직경은 전형적으로 약 4미리미터("mm") 이하의 범위이다. 수 기재 유동체에 부가제 또는 다른 유동체의 부가는 캐필러리 내에서 혼합물의 유동체 흐름 특성에 영향을 미칠 수 있다. 결론적으로, 캐필러리의 직경은 시스템에 사용하기 위해 선택된 특정 유동체의 특정한 흐름 특성을 수용하도록 조정될 수 있다. 캐필러리에 대한 최적 직경을 포함하는 디자인 특성은 수 기재 유동체 시스템과 비 수성 시스템 사이의 차이를 고려하도록 각색될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 매니폴드는 작동을 위해 위치되어 캐필러리가 일반적으로 수직한 방향으로 신장한다. 캐필러리 내에서 유동체 흐름과 열 전달 특성은 이 수직 배열에 의해 고양된다. 열전기적 모듈의 냉각 면을 접촉하도록 선택된 매니폴드에서, 모듈의 일 열이 매니폴드의 상단 근처에 위치되어 캐필러리 내에 일반적으로 하방으로 열과 유동체 흐름 경향을 고양하는 것이 바람직하다. 열전기적 모듈의 가열 면을 접촉하도록 선택된 매니폴드에서, 모듈의 일 열이 매니폴드의 바닥 근처에 위치되는 것이 바람직하다. 이 후자의 경우에. 캐필러리 내로 상승하는 열전도성 유동체의 경향은 시스템 내로 열 전달을 고양하는 경향이 있다.
바람직한 실시형태에서, 캐필러리는 가열 파이프의 외측 벽 내에 캐필러리의 단일 층으로 배열된다. 다른 예에서, 캐필러리의 다중 층은 비록 많은 경우에서, 이런 배열이 바람직하지 않을 수 있지만, 가열 파이프의 외측 벽 내에 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 측면에 있어서, 매니폴드는 평행 매니폴드의 뱅크 안에 배열된 다른 유사 매니폴드와 연계되어 사용될 수 있다.
매니폴드는 바람직하기로는, 상대적으로 강하고, 탄성적이고 열전도성인 물질로 만들어 지며, 가장 바람직하기로는 과도한 부식을 허용하지 않는 금속이다. 특히 알루미늄이 본 발명의 많은 적용에 대한 구성에 유용한 물질이다. 물론 이 기술 분야의 통상인은 다른 금속, 합금 또는 바금속 물질을 포함하는 기타 물질이 특정한 조건과 상황을 고려하여 사용에 바람직할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
다른 측면에서, 본 발명은 밀폐된 유동체 저장고를 제공하는 방법을 포함한다. 유동체 저장고는 부피를 한정하고 헤드 파이프와 테일 파이프 사이에 유동체 연통하는 헤드 파이프, 테일 파이프 및 다수의 캐필러리를 포함할 수 있다. 이 방법은 더욱이, 저장고로 부터 공기를 제거하는 단계; 및 저장고의 제일 부에 액상의 유동체를 채우기 위한 그리고 저장고의 잔여부에 증기상의 유동체를 채우기 위해 열전도성 유동체를 도입하는 단계를 포함한다.
저장고 내의 유동체는 소망하는 적용에 의존하여 가열되거나 냉각될 수 있다. 바람직하기로는, 저장고 내의 유동체는 액상이 저장고 부피의 약 40 내지 70%를 점할 때 까지 채워진다. 증기상은 저장고 부피의 약 30 내지 60% 사이를 점한다. 바람직한 냉각 적용에서, 적당한 냉매가 저장고 부피의 약 60%-70%가 액상으로 채워지고, 부피의 30%-40%가 증기상으로 채워질 때 까지 충진된다. 가열 적용에서, 적당한 유동체가 내부 부피의 약 40%-50%가 액상으로 채워지고, 부피의 50%-60%가 증기상으로 채워질 때 까지 충진된다. 이 방법은 또한 저장고가 열전도성 유동체로 사입되기 전에 (저장고 내에 진공을 형성하기 위해) 유동체 저장고로부터 포획된 공기의 실질적으로 전부를 제거하는 단계를 포한한다. 몇 열전도성 유동체가 본 발명의 열 전달 시스템 내에 사용되기에 바람직하다.
도 1은 열 교환기 매니폴드 230이 사시도로 도시된 것이다. 이 매니폴드 230은 테일 파이프(또는 피드 파이프)234 위에 수직으로 위치된 헤드 파이프 231를 포함한다. 말단 지지체 232는 헤드 파이프 231과 테일 파이프 234에 연결된 고체 바(bar)이다. 바 232는 부가적인 지지를 제공하여 중공 방사 핀 233에 대한 손상이나 우발적인 변형에 대해 매니폴드 구조를 강화한다.
도 1, 2 및 4를 참고로, 각 방사 핀 233은 평평하고, 신장되고 필히 중공인 평면 구조이다. 각 방사 핀 233은 신장된 면 15와 맞은 면(도시 생략)을 갖는다.두 맞은 면은 방사 핀 233의 두개의 상응하는 외측 벽에 의해 한정된다. 면 15를 포함하는 외측 벽의 표면은 열 전달을 고양하기 위해 핀-형 돌출부 10과 짜여진다. 각 방사 핀 233의 내부는 내부 벽 17에 의해 채널 235로 분할된다. 이 채널은 각 방사 핀의 길이를 따라 신장하고 방사 핀의 맞은 편 정상과 바닥 말단에서 개도된다.
도 3은 단일 매니폴드 230의 개개의 요소를 도시한다. 방사 핀 233은 매니폴드가 완전히 조립될 때 헤드 파이프와 테일 파이프에 연결된다. 액세스 포트 14는 테일 파이프, 헤드 파이프 및 캐필러리의 내부 체임버로부터 포획된 공기를 실질적으로 진공이 이루어질 때 까지(바람직하기로는 시스템이 대략 10-6Torr에 도달 할 때 까지)제거하기 위한 스파웃트를 제공한다. 그런 다음 액세스 포트 14는 테일 파이프, 헤드 파이프 및 캐필러리의 내부 체임버에 특정 적용을 위해 선택된 열 전도성 유동체를 사입하기 위해 사용된다. 매니폴드가 적당한 유동체로 채워진 후, 액세스 포트는 적절한 스토퍼 또는 캡 236을 적용하여 밀폐된다. 캡 236은 우발적인 캡 236의 손실이나 유동체의 누출을 방지하기 위해 액세스 포트 14에 적절하게 부착 유지된다. 캡은 매니폴드의 유동체 내용물에 서비스 기술자의 접근을 허용하도록 하는 방식으로 나선으로 조여지거나 또는 다른 방식으로 유지된다. 대체가능한 캡은 필요하다면, 기술자에게 대체, 누출 또는 유동체 부가를 허용할 수 있다. 각 방사 핀 233의 저단 3은 테일 파이프 234에 보호 유지된다. 바람직하기로는, 각 저단 3은 테일 파이프 234의 상단 벽을 따라 제공된 상응하는 개구 12로 삽입된다.유사하게, 도 5에 도시된 바와 같이, 각 방사 핀 233의 상부 말단 33은 헤드 파이프231의 하부 벽 상에 상응하는 개구 22 안에 핀의 상단 33을 삽입함에 의해 헤드 파이프 231에 유지된다. 내부 채널 235는 테일 파이프 234와 헤드 파이프 231 안으로 각각 개도되고, 이에 의해 각 파이프 231과 234의 내부 체임버 사이에 유동체의 유동을 허용한다.
열전기적 모듈 250의 직선 배열은 테일 파이프 234에 인접하여 배치된다. 각 열전기적 모듈 250은 나란하여 각 냉각 면이 화살표 C에 의해 나타난 방향으로 냉각한다. 각 모듈의 가열 면은 화살표 H에 의해 나타난 방향으로 열을 방출한다. 직선 배열이 테일 파이프 234의 상응하는 면 23과 접하여 위치될 때 모듈은 테일 파이프를 가열하고, 차례로 밀봉 매니폴드 유닛 230 내에 함유된 내부 유동체를 가열한다. 이 후 유동체는 가열 파이프 233의 내부 내에 제공된 캐필러리 내에서 상방으로 이동(화살표 T로 지적됨)하는 경향을 나타낸다. 상방으로 이동하는 유동체가 헤드 파이프 231의 내부 체임버에 도달할 때, 유동체는 헤드 파이프를 따라 흐르는 경향이 있다.
열전기적 모듈에는 도시되지 않은 적당한 전원으로부터 전기적 흐름이 제공된다. 전원은 특정한 적용을 위해 열 전달 요구와 열전기적 모듈을 위한 적절한 조작적 요구로 선택된 DC 파워 유닛이 전형적이다. 배터리로 파워된 전원, 휴대용 발전기 또는 다른 전원이 휴대용 열 교환 유닛에 사용될 수 있다. 다른 적절한 전원이 필요에 따라 선택될 수 있다.
열전기적 모듈의 냉각 면을 가열 면으로의 전환(또는 그 역으로)은 열전기적모듈에 적용된 전류의 극성을 열으로 함에 의해 수행될 수 있음은 이 분야의 통상인에게 명백한 것으로 인식된다. 예를 들어, 특정 열 교환기 어셈블리에서 열전기적 모듈에 적용된 전기적 흐름의 극성을 변경하는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇의 경우에 조작자에 의해 선택된 조작적인 설정에 따라 가열 및 냉각 목적으로 위해 동일한 어셈블리를 사용하는 것이 가능하다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 매니폴드는 전기적 흐름을 발생하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 매니폴드는 가열된 유동체가 열전기적 모듈(도시 생략)의 일 면을 둘러 싼 유동체 쟈켓을 통해 펌프되는 시스템에 사용될 수 있다. 이런 시스템은 태양 가열 시스템 및 기타 적용과 연합하여 특히 사용될 수 있다.
도 6, 7 및 8은 열 교환기 배열 200에 조합된 세개의 동일한 매니폴드 210, 220 및 230을 나타내는 본 발명의 바람직한 실시형태를 도시한다. 상부 가열 매니폴드 210 및 230은 내부 하부 냉각 매니폴드 220의 맞은편 면 상에 유지된다. 장 나선 볼트 280(어셈블리 워셔 281이 제공됨)은 상응하는 너트 282가 제공되어 함께 고정시 볼트와 너트 어셈블리는 외측 클램핑 플레이트 44 및 45를 안정하게 유지하여 매니폴드를 그 위치에 유지한다. 열전기적 모듈의 두 직선 뱅크 240 및 250은 매니폴드 210, 220 및 230의 상응하는 테일 파이프 214, 224 및 234 사이에 끼워진다. 절연 가스켓 260 및 270은 적당한 절연 물질로 구성된다. 각 가스켓은 열전기적 모듈의 상응하는 배열의 차원에 상응하는 내부 공간을 제공한다. 모듈 240 및 250의 직성 배열은 절연 가스켓 260 및 270 내에 장착되어 모듈의 접촉 엣지를 따라 바람직하지 않은 열 전달을 최소화 한다. 가스켓은 또한 만일 보트와 너트 어셈블리가 다중 매니폴드 배열의 조립 간에 과도하게 조여지면 열전기적 모듈에 우발적인 꺽임이나 손상을 방지하기 위해 적절히 강화될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 열전기적 모듈이 배열되어 직선 배열 240에서 모든 모듈이 위치되어 이들의 냉각 면이 매니폴드 220에서 테일 파이프 224의 인접한 외측 벽을 냉각한다. 유사하게, 직선 배열 250에서 열전기적 모듈이 위치되어 이들의 냉각 면이 매니폴드 220에서 테일 파이프 224의 맞은편 외측 벽을 냉각한다. 하부 매니폴드 220 상의 냉각 효과(화살표 C에 의해 나타남)는 하부 방사 핀 223 내에 제공된 캐필러리(도시 생략) 내에서 열전도성 유동체의 일반적인 하방 이동 Tc를 유발한다. 냉각된 유동체는 하부 헤드 파이프 221 쪽으로 흐르는 경향이 있다. 동시에, 열전기적 모듈 배열의 가열 면 240 및 250은 상부 매니폴드 210, 230의 테일 파이프 214 및 234의 인접 외측 벽을 가열한다. 테일 파이프 214 및 234의 가열은 상부 매니폴드 210, 230의 하부 방사 핀 213, 233 내에 캐필러리(도시 생략) 내에서 열전도성 유동체의 일반적인 상방 이동 TH를 유발한다. 가열된 유동체는 상부 매니폴드 210, 230의 상부 헤드 파이프 211, 231 쪽으로 흐르는 경향이 있다.
도 9 및 10을 참고로 본 발명의 다른 실시형태가 수직으로 위치된 가열 파이프 220의 동평면 배열을 나타낸다. 가열 파이프 220의 동평면 배열은 테일 파이프 230 및 헤드 파이프 210과 유동체 연통으로 유지된다. 이 실시형태에서, 매니폴드(도시 생략)의 테일 파이프는 파이프 230의 환형 쟈켓 내에 둘러싸여진다. 파이프 230에는 유동체 유입 및 유출구가 제공되어, 쟈켓 파이프 230의 세로 축을 따라 유동체의 이동을 허용한다. 제이 유동체는 유동체 유입구로, 쟈켓 파이프 230의 환형 쟈켓 내로 펌프되고 그 제이 유동체는 유동체 유출구를 통해 배출된다. 매니폴드 내의 열전도성 유동체는 쟈켓 파이프 230의 환형 쟈켓을 통해 흐르는 제이 유동체와 유동체 연통을 하지 않는다.
밀접하게 유지된 열전기적 모듈의 다수의 수평 뱅크는 가열 파이프 220의 동평면 배열과 접촉한다. 이 특정한 열 교환기 시스템에서, 열전기적 모듈 240의 가열 면(도시 생략)은 바람직하기로는 전부 위치되어 이들이 함유된 유동체를 가열하여 폐쇄된 말단 헤드 파이프 210으로 유동체의 상부 흐름을 유도한다. 대체적인 열 전도성 유동체가 냉각 쟈켓 299를 통해 펌프될 수 있다. 모듈의 가열 면이 가열 파이프를 가열하도록 위치되기 때문에 모듈의 냉각 면은 냉각 쟈켓 299과 접촉하여 냉각 쟈켓을 통해 흐르는 유동체를 냉각하는 것으로 이해된다.
열전도성 유동체는 아주 다양한 수 기재 및 비수 기재 유동체로부터 선택될 수 있다는 것은 이 분야의 통상인에 의해 쉽게 이해될 수 있을 것이다. 수 기재 시스템을 사용하는 것이 바람직한 경우, 시스템은 응결방지 부가제를 부가함에 의해 응결을 방지할 수 있다. 적당한 부가제는 또한 매니폴드의 캐필러리 및 기타 내부 표면 내에 스케일과 기타 증착의 형성을 저해하도록 선택될 수 있다. 바람직하지 않은 증착은 그렇지 않으면 열 교환기 시스템의 작동 중에 효과적인 열 전달을 저해한다.
본 발명의 매니폴드에서 사용될 때 어떤 열전도성 유동체가 특히 유용한 특성을 나타냈다. 다음의 표는 어떤 적용에 사용될 수 있는 몇가지 유동체를 동정하는 것으로, "OS-12b"가 바람직한 열전도성 유동체이다.
1)OS-600a™
분류 OS-600a HCFC-22 HFC-1
분자량 58.12 120.93 102.03
끓는 온도(℃) -11.76 -29.8 -26.5
0℃에서 증류의 가열(Kj/Kg) 355.7 149.8 198.7
열적 안정성 안정 안정 안정
화학적 안정성 안정 안정 안정
부식 없음 없음 없음
방향성(LFL & UFL) 1.4-8.4% 부재 부재
자동발화 온도(℃) 462 부재 부재
독성 없음 없음 없음
O.D.P.(오존 방출 포텐셜) 0 1 0
G.W.P.(100년의 축적 시간으로CO2에 대한 관계에서 지구 온난화 포텐셜) <3 8,100 1,300
윤활제 미네랄 미네랄 에스테르
2)OS-22a™
분류 OS-22a HCFC-22 HFC-1
분자량 44.49 120.93 102.03
끓는 온도(℃) -42.7 -29.8 -26.5
0℃에서 증류의 가열(Kj/Kg) 324.95 149.8 198.7
열적 안정성 안정 안정 안정
화학적 안정성 안정 안정 안정
부식 없음 없음 없음
방향성(LFL & UFL) 3.2-9.5% 부재 부재
자동발화 온도(℃) 520 부재 부재
독성 없음 없음 없음
O.D.P.(오존 방출 포텐셜) 0 1 0
G.W.P.(100년의 축적 시간으로CO2에 대한 관계에서 지구 온난화 포텐셜) <3 8,100 1,300
윤활제 미네랄 미네랄 에스테르
3)FOR12B™
분류 FOR12B HCFC-22 HFC-1
분자량 110.5 120.93 102.03
끓는 온도(℃) -30.40 -29.8 -26.5
0℃에서 증류의 가열(Kj/Kg) 176.07 149.8 198.7
열적 안정성 안정 안정 안정
화학적 안정성 안정 안정 안정
부식 없음 없음 없음
방향성(LFL & UFL) 3.2-9.5% 부재 부재
자동발화 온도(℃) 부재 부재
독성 없음 없음 없음
O.D.P.(오존 방출 포텐셜) 0 1 0
G.W.P.(100년의 축적 시간으로CO2에 대한 관계에서 지구 온난화 포텐셜) 1,002 8,100 1,300
윤활제 미네랄 미네랄 에스테르
4)FOR12A™
분류 FOR12A HCFC-22 HFC-1
분자량 105.3 120.93 102.03
끓는 온도(℃) -28.54 -29.8 -26.5
0℃에서 증류의 가열(Kj/Kg) 188.9 149.8 198.7
열적 안정성 안정 안정 안정
화학적 안정성 안정 안정 안정
부식 없음 없음 없음
방향성(LFL & UFL) 부재 부재 부재
자동발화 온도(℃) 부재 부재 부재
독성 없음 없음 없음
O.D.P.(오존 방출 포텐셜) 0 1 0
G.W.P.(100년의 축적 시간으로CO2에 대한 관계에서 지구 온난화 포텐셜) 1,111 8,100 1,300
윤활제 에스테르 미네랄 에스테르
5)OS-12b™
분류 OS-12b HCFC-22 HFC-1
분자량 113.38 120.93 102.03
끓는 온도(℃) -26.59 -29.8 -26.5
0℃에서 증류의 가열(Kj/Kg) 248.3 149.8 198.7
열적 안정성 안정 안정 안정
화학적 안정성 안정 안정 안정
부식 없음 없음 없음
방향성(LFL & UFL) 부재 부재 부재
자동발화 온도(℃) 부재 부재 부재
독성 없음 없음 없음
O.D.P.(오존 방출 포텐셜) 0 1 0
G.W.P.(100년의 축적 시간으로CO2에 대한 관계에서 지구 온난화 포텐셜) <3 8,100 1,300
윤활제 미네랄 미네랄 에스테르
6)OS-12a™
분류 OS-12a HCFC-22 HFC-1
분자량 57.9 120.93 102.03
끓는 온도(℃) -34.5 -29.8 -26.5
0℃에서 증류의 가열(Kj/Kg) 367.0 149.8 198.7
열적 안정성 안정 안정 안정
화학적 안정성 안정 안정 안정
부식 없음 없음 없음
방향성(LFL & UFL) 3.7-9.5% 부재 부재
자동발화 온도(℃) 540 부재 부재
독성 없음 없음 없음
O.D.P.(오존 방출 포텐셜) 0 1 0
G.W.P.(100년의 축적 시간으로CO2에 대한 관계에서 지구 온난화 포텐셜) <3 8,100 1,300
윤활제 미네랄 미네랄 에스테르
7)OS-502a™
분류 OS-502a HCFC-22 HFC-1
분자량 43.60 120.93 102.03
끓는 온도(℃) -45.02 -29.8 -26.5
0℃에서 증류의 가열(Kj/Kg) 371.14 149.8 198.7
열적 안정성 안정 안정 안정
화학적 안정성 안정 안정 안정
부식 없음 없음 없음
방향성(LFL & UFL) 3.2-9.5% 부재 부재
자동발화 온도(℃) 부재 부재
독성 없음 없음 없음
O.D.P.(오존 방출 포텐셜) 0 1 0
G.W.P.(100년의 축적 시간으로CO2에 대한 관계에서 지구 온난화 포텐셜) 3 8,100 1,300
윤활제 미네랄 미네랄 에스테르
상기 표 1은 대한민국의 테크노켐사에 의해 공표된 자료로부터 재생산된 것이다.
™-대한민국 테크노켐사의 상표임.
적절한 유동체가 선택된 후, 매니폴드의 내부로부터 공기를 제거하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 공기는 액세스 포트 14를 통해 제거될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 대략 96%의 포획된 공기가 제거되고, 그 후, 열전도성 유동체가 매니폴드의 저장고의 내부로 사입된다. 냉각 적용에 관련된 바람직한 예에서, 유동체는 유동체 저장고의 내부 부피의 약 60%-70%가 액상으로 채워지고, 내부 부피의 나머지 30%-40%가 증기상으로 채워질 때 까지 충진된다. 비록 이들이 사입된 유동체의 바람직한 양이지만, 다른 양 또한 다른 예에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 가열 적용에서, 바람직하기로는 적당한 유동체가 선택되고 나서 내부 부피의 약 40%-50%가 선택된 열전도성 유동체의 액상으로 채워지고, 약 50%-60%가 증기상으로 채워질 때 까지 충진된다.
몇 열전도성 유동체가 가열 적용에 바람직하고 다른 적절한 유동체는 본 발명의 열 교환 매니폴드를 포함하는 냉각 적용에 사용하기에 보다 바람직하다. 예를 들어, R-142, R-141B 및 기타와 같은 통상적인 냉동제가 적당하게 변형된 열 교환 매니폴드로 냉각 적용에 사용될 수 있다. 이 적용은 또한 종래의 플루오로-카본 기재 냉매에 비해 환경적으로 이점을 제공하는 최근에 이용가능한 OS-12b™ 및 OS-12a™을 확인한다.
다른 통상적인 유동체 또한 사용될 수 있다. 예를 들어 가열 적용에서 물, 아세톤, 에탄올 및 메탄올을 포함하는 많은 종래의 유동체가 상대적으로 저-비용의 열전도성 유동체 선택으로 바람직할 수 있다. 상기 표 1은 가열 분야에서 사용될 수 있는 열전도성 유동체의 다수의 다른 잠정적, 환경적인 이점을 확인한다. 이들 유동체의 하나 이상이 환경적 문제를 제기할 수 있는 통상적인 유동체의 대체에서 적절한 적용에 사용될 수 있다고 여겨진다. 그러나, 잠정적으로 유용한 유동체의 전기 예는 단지 설명을 위한 것이고 모든 적절한 열전도성 유동체의 배타적인 리스로로 한정하기 위한 것이 아니다.
몇 열 교환 시스템에서, 알루미늄제 매니폴드는 특히 유용한 것으로 알려져있다. 또한 직경이 약 4mm의 단면 직경을 갖는 캐필러리가 특히 열 전달 분야에서 유효한 것으로 밝혀졌다. 다른 경우에서, 보다 적은 효과적인 직경을 갖는 캐필러리를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 단면으로 관찰할 때 일반적으로 사다리꼴인 캐필러리 튜브는 1mm X 1.4mm 또는 그 이하의 차원을 가질 수 있다. 다른 예에서, 캐필러리는 약 05mm X 0.6mm의 단면 차원을 가질 수 있다. 물론 캐필러리의 사이즈는 다양한 디자인을 고려하여 선택될 수 있다.
그러나, 캐필러리의 최적 사이즈는 특정 열 교환 시스템에서 사용하기 위해 선택된 열전도성 유동체의 물리적 특성에 따라 가변할 수 있다. 예를 들어, 유동체 점도와 기타 인자들이 특정 시스템에서 캐필러리의 최적의 유효 직경에 영향을 미칠 수 있다. 다수의 인자들이 유동성 수행에 영향을 미치고 따라서 열 교환 시스템에 제공된 캐필러리의 최적 및 최대 직경에 영향을 미친다.
열전도성 유동체는 매니폴드의 캐필러리 내에서 유동체에 발휘된 모세혈관 작용과 유동체의 냉각 및 가열 부분에 기인하여 매니폴드의 내부 채널 내에서 흐르는 경향이 있다는 것은 명백할 곳이다. 본 발명의 일 이점은 매니폴드의 내부 체임버 내에서 열전도성 유동체를 순환하기 위한 순환 펌프를 제공할 필요가 없다는 것이다. 비록 순환 펌프가 부가되는 경우가 있기는 하지만, 이런 펌프는 매니폴드 내에 제공된 열전도성 유동체를 순환하기 위해 필요되는 것이 아니다. 또한, 몇 분야에서, 순환 펌프는 열전기적 모듈과 매니폴드의 하나 이상의 외부 표면과 열적으로 연통한 제이 유동체를 순환하기 위해 제공될 수 있는 것이다.
열전기적 모듈은 또한 펠티에르 장치와 같은 기술에 공지되어 있다. 펠티에르 장치의 초기 실시예는 전류의 적용에 의해 가열 및 냉각 효과를 발생하는 일반적으로 웨이퍼-형 구조이다. 대부분의 실시형태에서, DC 전원이 이용되어 타겟 바디나 시스템 구성요소에 일정한 가열 또는 냉각 효과를 발생한다.
비록 바람직한 실시형태를 상기에 기술하였고 본 발명의 몇가지 다른 실시형태의 상세한 설명이 열전기적 모듈과 열적으로 연통하는 열 교환 매니폴드의 사용을 기술하였으나, 이 매니폴드는 또한 다른 시스템에 사용될 수 있다. 몇 시스템에서, 매니폴드는 열전기적 모듈과 직접적인 열 접촉을 하지 않을 수 있다. 다른 경우에, 매니폴드는 열전기적 모듈을 포함하지 않는 열 전달 시스템에 사용될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시형태를 참고로 기술하였다. 그러나, 본 발명의 다른 실시형태도 이 분야의 통상인에 의해 명백할 것이다. 따라서, 이들 다른 실시형태도 첨부된 청구범위로 본 발명의 범위 내에 포함될 것이다.

Claims (26)

  1. 열 교환기에 사용하기 위한 매니폴드에 있어서, 이 매니폴드는:
    제일 세로 축을 한정하는 신장된 헤드 파이프, 이 헤드 파이프는 다수의 신장된 가열 파이프와 유동체를 연통함,
    다수의 캐필러리 채널을 한정하는 각 가열 파이프, 이 채널은 신장된 테일 파이프와 유동체를 연통하고, 테일 파이프는 제일 수직 축에 평행한 제이 수직 축을 한정함,
    열전도성 유동체용 내부 저장고와 내부 유동체 저장고와 유동체 연통을 위한 개구를 한정하는 매니폴드,
    매니폴드가 작동할 때 제일의 일반적 수직 평면을 한정하는 매니폴드를 포함함을 특징으로 하는 열 교환기 매니폴드.
  2. 제 1항에 있어서, 외부 열 전달 표면을 한정하는 열 교환기 매니폴드.
  3. 제 2항에 있어서, 열 전달 표면은 다수의 열전기적 모듈과 열적으로 연통하기 위한 제이 평면을 한정하는 열 교환기 매니폴드.
  4. 제 3항에 있어서, 열 전달 표면은 평면 배열로 배열된 헤드 파이프, 테일 파이프 및 가열 파이프의 하나 이상에 의해 한정되는 열 교환기 매니폴드.
  5. 제 4항에 있어서, 액세스 포트가 내부 저장고로 접근을 방지하기 위해 재밀봉될 수 있는 열 교환기 매니폴드.
  6. 제 4항에 있어서, 각 가열 파이프는 마주하는 평형 평면의 외부 벽의 쌍을 포함하고, 가열 파이프 내의 캐필러리 채널은 일 외부 벽으로부터 다른 외부 벽으로 가열 파이프 내에서 신장하는 다수의 내측 벽에 의해 한정되는 열 교환기 매니폴드.
  7. 제 6항에 있어서, 캐필러리 채널은 가열 파이프 내에 캐필러리의 단일 층을 형성하는 열 교환기 매니폴드.
  8. 제 7항에 있어서, 캐필러리 채널에 의해 한정된 단면 직경은 약 4mm 이하인 열 교환기 매니폴드.
  9. 제 8항에 있어서, 열전도성 물질로 구성된 열 교환기 매니폴드.
  10. 제 9항에 있어서, 캐필러리 채널은 매니폴드에 의해 한정된 제일 평면을 따라 신장하는 열 교환기 매니폴드.
  11. 제 10항에 있어서, 매니폴드는 매니폴드가 작동할 때 상단과 하단을 제한하고, 매니폴드가 열전도성 유동체를 냉각하기 위해 열전기적 모듈과 작동적으로 연계될 때 열 전달 표면은 상단에 인접하고, 매니폴드가 열전도성 유동체를 가열하기 위해 열전기적 모듈과 작동적으로 연계될 때 열 전달 표면은 하단에 인접하는 열 교환기 매니폴드.
  12. 제 11항에 있어서, 열 전달 표면은 테일 파이프에 의해 한정되는 열 교환기 매니폴드.
  13. 제 12항에 있어서, 테일 파이프가 액세스 포트를 한정하는 열 교환기 매니폴드.
  14. 제 11항에 있어서, 가열 파이프의 평면의 표면은 동일한 면이고 제일 및 제이 세로 축과 나란한 열 교환기 매니폴드.
  15. 제 14항에 있어서, 접촉 표면은 가열 파이프의 같은면의 표면에 의해 한정되는 열 교환기 매니폴드.
  16. 제 15항에 있어서, 저장고와 유동체를 연통하기 위한 유입구 및 유출구를 한정하는 열 교환기 매니폴드.
  17. 제 4항에 있어서, 매니폴드의 열 전달 표면은 열전기적 모듈의 열에 의해 한정된 가열 면 또는 냉각 면의 어느 하나와 열적으로 연통하고, 제이 매니폴드의 열 전달 표면은 열전기적 모듈의 열에 의해 한정된 가열 면 또는 냉각 면의 다른것과 열적으로 연통하고, 열전기적 모듈의 열은 매니폴드가 작동을 위해 조립될 때 매니폴드와 제이 매니폴드 사이에 위치되는, 조립시, 제이형 매니폴드와 연합하여 조립되는 열 교환기 매니폴드.
  18. 제 17항에 있어서, 제이 매니폴드에 매니폴드를 유지하기 위한 클램핑 요소를 포함하는 열 교환기 매니폴드.
  19. 제 18항에 있어서, 클램핑 요소는 매니폴드에 의해 한정된 제일 외부 벽에 대해 배치되는 제일 클램핑 플레이트와 제이 매니폴드에 의해 한정된 제이 외부 벽에 대해 배치되는 제이 클램핑 플레이트, 및 제이 매니폴드를 향해 매니폴드를 압압하기 위한 고정 요소를 포함하는 열 교환기 매니폴드.
  20. 제 19항에 있어서, 내부 통공을 한정하는 가스켓을 포함하고, 이 가스켓은 매니폴드의 열 전달 표면에 인접하여 위치되고, 통공은 열전기적 모듈의 열을 수용하는 긴 공간을 한정하는 열 교환기 매니폴드.
  21. 제 1항에 있어서, 열전기적 모듈의 다수의 열과 열적 연통을 위한 열 전달 표면을 한정하는 열 교환기 매니폴드.
  22. 한정된 부피를 갖는 밀폐된 유동체 저장고를 제공하는 것; 저장고로 부터 공기를 제거하는 것; 저장고에 열전도성 유동체를 도입하는 것; 저장고의 제일 부에 액상의 유동체를 채우는 것; 그리고 저장고의 제이 부에 증기상의 유동체를 채는 것을 포함하는 열전달 시스템을 제공하는 방법.
  23. 제 22항에 있어서, 저장고 내에 유동체를 가열 또는 냉각 단계를 포함하는 방법.
  24. 제 23항에 있어서, 유동체는 액상이 저장고 부피의 약 40% 내지 70%를 점할 때 까지 그리고 증기상은 저장고 부피의 약 30% 내지 60% 사이를 점할 때 까지 채워지는 방법.
  25. 제 24항에 있어서, 유동체는 OS-600a, OS-22a, FOR12B, FOR12A, OS-12b, OS-12a, OS-502a, R-142, R-141B, 물, 아세톤, 에탄올 및 메탄올을 포함하는 방법.
  26. 제 25항에 있어서, 열전도성 유동체가 저장고 내에 도입되기 전에 실질적으로 모든 공기가 저장고로부터 제거되는 방법.
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