KR20040078117A - 열교환기 - Google Patents
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Abstract
활성 표면(1)과 유체 사이에 열교환을 발생하도록 유체가 흐르는 활성 표면(1)을 가지는 열교환기가 개시된다. 활성 표면(1)은 황금 분할(Golden Section)에 부합하는 적어도 하나의 대수 곡선과 대체로 일치하는 곡률을 가진다.
Description
고체 물질과 유체 사이의 열 에너지 전달을 보조하기 위해 상당수의 구조물들이 개발되었다. 단지 몇개의 예중에는 히트싱크(heat sink), 방열 히터, 자동차 라디에이터 및 공조 열교환기가 있다. 히트 싱크는 고체 물질의 냉각과 관련되는 것으로 통상 생각되며 고체 물질과 결합된 핀들의 열을 구비한다. 이러한 장치의 주요 목적은 유체와 접촉하는 고체 재료의 표면적을 증가시켜 유체로의 열에너지 전달을 증가시키는 것이다. 물론, 열을 이루는 핀들은 유체를 가열하는 것을 목적으로 하는 가열기구에 또한 사용될 수 있음은 잘 알려져 있다. 자동차의 라디에이터는 냉매로부터 라디에이터의 코아로 열에너지를 전달하고 이어서 라디에이터 코아로부터 대기중으로 전달하여 엔진으로부터 대기로 열을 전달하도록 구성되어 있다. 후자의 열 전달은 또한 표면적을 증가시키기 위한 핀들에 의해 보조된다. 유사한 설비들이 다양한 응용예들에서 발견될 수 있다.
고체와 유체 사이의 열에너지 전달에 사용되는 이러한 구조물들의 종래 구조는 고체와 유체 사이에 형성되는 표면적을 최대화하도록 이루어졌다. 그러나 열전달에 있어서 이러한 구조물들의 효율은 고체 재료를 향한 유체의 흐름에 또한 의존한다. 상당한 표면적을 제공하는 많은 구조물들이 제안되었으나 구조물을 통과하는 유체의 제한된 흐름에 기인하여 크게 효과적이지 못하였다. 많은 경우 자연적인 흐름은 열교환기를 통과하는 가압적인 유체 흐름에 의해 보충되었다.
자연은 가장 효과적인 에너지 전달 시스템을 사용하는 것으로 인간에 알려져 있다. 항상 자연은 소용돌이 운동속에서 열을 전파한다. 가장 효과적인 상태에서 이러한 소용돌이는 3차원의 단일한 소용돌이로 집중된다. 이러한 대류(convectional) 열전달은 등각의 대수적인(logarthmic) 와류로 표현되며, 압축과 팽창의 비율이 대략 1:0.618 혹은 이상적인 황금비율이다. 이러한 윷체속의 흐름 구조의 일예로 토네이도가 있다. 또 다른 예로서는 대폭발로부터 발생하는 화염과 연기의 패턴을 들 수 있다. 종래 기술에서는 이러한 자연적인 흐름의 특성에 대해 거의 주의를 기울이지 않았다.
자연은 항상 저항이 가장 작은 통로를 따라 흐르는 것이 알려지고 있다. 자연에서의 운동과 성장은 특별한, 구체적인, 그리고 대수적인 기하학적 수열 - 3차원의 황금 분할(Golden Section), 혹은 등각 나선류 - 로 진행한다. 본 발명의 의도는 자연의 등각적이고 대수적인 운동 통로에 완전하게 근접하거나 부분적으로 근접함으로써 유체들을 자연적인 흐름 경향에 인도함으로써 최적의 에너지 전달을 유도하는 것이다. 본 발명은 자연의 와류 기하학(vortical flow geometry)에 관련된다.
난류 구조는 히트 펌프와 같이 작용한다. 즉, 온도 편차가 존재하는 곳에서만 존재할 수 있으며, 역도 또한 같다. 본 발명은 소용돌이의 예외적인 냉각 특성을 이용하고자 한다. 부분적인 효과로서는 난류 기하학이 높고 소란스럽지 않은 단열 팽창의 비율을 제공할 수 있는 것, 즉 최적의 시간과 거리에서 열이 방출되거나 얻어질 수 있다는 것이다.
가장 간단하고도 기본적이며 가장 일반적인 형태의 소용돌이는 와륜(vortex ring) 또는 토로이드(toroid)이다(도 1 3, 도 14).
와륜의 가장 흥미롭고 유용한 성질은 현저히 낮은 마찰을 가지고 유체와 열의 신속하고 고에너지 효율적인 운반자라는 점이다.
라디에이터, 열교환기 혹은 히트 싱크의 냉각 효율을 최적화하기 위하여 각각의 소용돌이 구조를 발생시키고 유지하며 이용하는 것이 유용하다. 유체 흐름은 내적으로 및 외적으로 형상이 토로이드이며, 버나드 셀(Benard cell), 대류 소용돌이(convection vortex), 혹은 잠재적인 소용돌이 형상이다. 상기 설명한 모든 형상들은 대략 3차원의 황금 분할(Golden Section), 혹은 등각 나선형이다.
종래기술에서의 이러한 양호한 예가 랭키-힐쉬(Ranque-Hilsch) 관이다(도13).
본 발명에 따른 실시예들의 설계 기준을 전체적으로 혹은 부분적으로 적용하면 기존의 열전달 구조물의 성능을 향상시킬 것이다.
본 발명은 종래의 히트 싱크나 열 도체 보다 더욱 효과적으로 고체 물질로부터 혹은 고체 물질로 열에너지가 전달되도록 보조하며 주위의 유체로 혹은 유체로부터 최적으로 열에너지를 전달하는(반대 방향도 동일) 열 전달 구조물(히트 싱크, 열교환기 혹은 라디에이터)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 두개의 고체와 유체(fluid) 도체들이 인접해서 일측으로부터 타측으로 열전달이 요구되는 경우에 적용될 수 있다. 다른 용도로서 본 발명은 전자회로판의 히트 싱크, 라디에이터의 냉각핀, 압축기와 내연기관, 라디에이터와 열교환기의 유체 운반 튜브, 공조 및 냉동 시스템, 플라즈마 발생기, 및 유체 혹은 바이메탈 열교환기에 적용된다.
도 1은 황금 분할 혹은 피보나치 진행(Pibonacci Progression)을 나타낸 도면,
도 2는 황금 분할에 일치하는 자연적인 소용돌이의 개략적인 측면도,
도 3은 황금 분할 소용돌이의 구조에 대한 기하급수적인 진행비를 도시한 그래프도,
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열교환기의 측면도,
도 5는 도 4 도시 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열교환기의 단부를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열교환기의 측면도,
도 7은 도 6 도시 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열교환기의 단부를 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 열교환기의 측면도,
도 9는 도 8 도시 본 발명의 제 3 실시예에 따른 열교환기의 단부를 도시한 도면,
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 열교환기의 측면도,
도 11은 제 4 실시예에 따른 열교환기의 측단면도,
도 12는 제 4 실시예의 열교환기 단부를 도시한 도면,
도 13은 랭키-힐시(Ranque-Hilsch)관의 개략적인 도면,
도 14는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 냉동기의 개략적인 도면,
도 15는 내연기관 및 냉동 시스템의 냉각 라디에이터를 개략적으로 도시한 도면,
도 16은 도 14및 도 15의 라디에이터에 도시되는 본 발명에 따른 일 형태의 날개를 개략적으로 근접하여 도시한 도면,
도 17은 유체나 열 에너지의 와류 모드를 보이는 와륜의 중심을 개략적으로 도시한 도면이다.
따라서 본 발명은 황금 분할에 부합하는 적어도 하나의 대수 곡선과 대체로 일치하는 곡률을 가지는 활성 표면과 유체 사이에 열교환을 발생하도록 유체가 그 위로 유동하는 활성 표면을 가지는 열 교환기에 관한 것이다.
본 발명의 다른 특징에 따르면 활성 표면 위로 자연적인 소용돌이의 소용돌이도(vorticity)에 일치하는 유체 흐름을 발생하도록 활성 표면은 자연적인 소용돌이의 소용돌이도와 대체로 일치한다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, 활성 표면은 가로질러 유동하는 유체의 소용돌이의 회전 운동을 발생하도록 구성된다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 열교환기는 두세트의 유체 흐름 사이에 경계부를 제공하여 일측 유체로부터 타측 유체로의 열 전달을 촉진하는 데, 이 경계부의 양면은 활성 표면을 가진다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 열교환기는 하나 이상의 날개를 가진다.
본 발명의 양호한 특징에 따르면, 활성 표면은 복족류 혹은 두족류(Cephalopoda) 족의 연체동물문(phylum Mollusca)의 껍질의 외부 구조와 일치하는 구조를 가진다.
본 발명의 특수한 실시예에 따르면, 활성 표면은 볼루티디아(Volutidea), 아르고노타(Argonauta), 앵무조개속(Notilus), 코니디아(Conidea), 터비니디아 (Turbinidea) 속으로부터 선택된 종의 껍질의 외부 구조와 일치하는 구조를 가진다.
본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 따르면, 활성 표면은 복족류 혹은 두족류의 연체동물문의 껍질의 내부 구조와 일치하는 구조를 가진다.
또한, 본 발명의 특수한 실시예에 따르면, 활성 표면은 고둥류(Volutidea), 아르고노타(Argonauta), 앵무조개(Notilus), 코니디아(Conidea), 터비니디아 (Turbinidea) 속으로부터 선택된 종의 껍질의 내부 구조와 일치하는 구조를 가진다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 열교환기는 구상 혹은 타원형 구조의 덕트와 유입구 및 유출구를 구비하며, 유입구와 유출구 사이의 구조물의 내면의 곡률은 대체로 대수 곡선에 일치하거나 대부분의 영역에서 황금 분할의 특징에 일치한다.
본 발명의 양호한 특징에 따르면, 활성 표면의 곡률은 일차원적이다.
본 발명의 다른 양호한 실시예에 따르면, 활성 표면의 곡률은 이차원적이다.
본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 따르면, 활성 표면은 황금 분할에 따라 변화하는 깊이를 가진다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 열교환기는 히트 싱크와, 몸체로부터 연장하며 열이 교환되는 하나 이상의 날개를 구비한 활성 표면을 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 활성 표면은 달팽이관(whorl)의 구조를 가진다.
본 발명은 이하의 여러 실시예들에 대한 설명을 통해 더욱 잘 이해될 것이다.
이하에서 설명하는 각각의 실시예들은 고체 표면과 유체 사이의 열전달을 발생하도록 구성된 열교환기에 관한 것이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 자연의 자연력 영향하에서 운동하는 모든 유체는 나선이나 소용돌이를 이루어 운동하는 경향이 있다.이러한 나선이나 소용돌이는 일반적으로 황금 분할(Golden Section), 혹은 피보나찌 진행(Pibonacci Progressions)로 알려진 수학적 진행에 합치한다. 각각의 실시예들은 유체가 자연적으로 선호하는 통로를 따라 유동할 수 있게 작용하며, 이로써 이러한 열교환기들에 통상 사용되는 장치에서 보통 발견되는 교란이나 마찰에 의해 발생하는 비효율성을 저하시킬 수 있다. 종래 개발된 기술들은 자연적인 유체 흐름 경향과 덜 친화적이다.
여기에서 설명된 각각의 실시예들의 열교환기들은 일반적으로 모든 면에서 황금 분할에 의거하여 설계되었으며, 따라서 열교환기가 나선형 구조이며 적어도 일반적으로 황금 분할의 특징에 합치하는 유체 통로를 제공하는 것이 각각의 실시예들의 하나의 특징이다. 황금 분할의 특성이 도 1에 도시되고 있는데, 황금 분할에 따라 나선이 겹치지 않는 것을 보여준다. 나선이 겹치지 않으므로 등각 반경(예컨대, E, F, G, H, I, J)에서 측정된 곡선 반경의 성장도가 일정하다. 이는 각각의 연속 사이의 각각의 반경에 대한 삼각 표현으로부터 설명되는 데, 1:0.618의 비율에 합치하고 곡선 전체에 대해 일정한 a:b = b:a+b 식에 대응한다.
열교환기를 구성하는 표면들의 곡률이 2차원 혹은 3차원 형상을 가지고 실질적으로 황금 분할의 특징에 부합하며 유체 통로의 단면의 변화도 실질적으로 황금 분할의 특징에 부합하는 것은 각각의 실시예들의 특징이다. 더우기, 황금 분할의 특징은 복족류(Gastropoda) 혹은 두족류(Cephalopoda) 족의 연체동물문(phylum Mollusca)의 껍질의 외부 및 내부 구조의 형태로 자연에서 발견됨이 알려져 있으며, 열교환기들에 의해 형성된 유체 통로들이 복족류 혹은 두족류 족의 연체동물문의 하나 이상의 껍질의 외부 및 내부 구조와 일반적으로 일치하는 것은 본 발명 실시예들중 적어도 일부의 공통 특징이다.
황금 분할의 곡률에 실질적으로 합치하는 곡률을 가지는 통로를 통해 유체가 흐르게 되면 표면 위로 흐르는 유체는 대체로 세차지 않고 그 결과 공동화하는 경향이 작다는 것은 유체 흐름의 특징인 것으로 알려져 있다.
따라서, 표면을 흐르는 유체 흐름은 통로가 대체로 황금 분할에 부합하지 않는 종래예들에서 보다 더욱 효과적이다. 이러한 통로를 통과하는 통로중에서 유체에 발생하는 난류의 정도가 감소되므로 본 발명의 여러 실시예들에 따른 열교환기들은 균등한 크기 특징을 가지는 종래의 열교환기들에서 가능하였던 것 보다 더 큰 효율로 고체 재료와 유체 사이에 열을 전달한다. 표면을 흐르는 유체는 유선형이며 모든 유체가 흐른다. 이 구조에 의하면 종래의 시스템에서 통상 발생하였던 문제인 정체(stagnant) 유체의 활발치 못한 포켓을 피하게 된다.
도 4, 5, 6, 7, 8, 9,10,11 및 12는 본 발명에 따른 열교환기의 여러 실시예들을 도시한다. 각각의 실시예들이 상이한 형상을 가지지만 그것들이 히트 싱크로서 작동함에 있어 공통적인 특징들을 공유한다. 따라서, 도면중에서 동일한 수자들은 유사한 특징을 나타내기 위해 사용되었다.
각각의 실시예들에서 열교환기는 소용돌이(vortex)의 공동화한 중심이나 고둥류(volute), 청자 고둥류 및 바다 갑각류의 중앙부 구부러진 부위나 격막(septa)과 유사한 방식으로 형성된 활성 표면(active surface)을 가진다. 각각의 실시예는 열에너지원으로부터 연장하며 거기에 부착되도록 형성된 베이스(2)를 가진다. 열이 베이스(2)로부터 장치의 활성 표면 위로 흐르는 유체로 전달되므로 유체는 장치의 원단부를 향하여 가속하며, 그에 따라 유체는 단열적으로 냉각하여 열교환기의 활성 표면과 유체 사이의 온도 편차를 유지할 수 있어서 추가적인 열 교환을 촉진한다.
활성 표면(1)은 도 6, 7, 10, 11, 및 12 도시와 같이, 하나의 날개 혹은 리브를 구비하거나 혹은 선택적으로 복수의 날개들을 구비할 수 있다. 또한, 열교환기(1)는 필요한 적용예에 따라 황금 분할과 전체적으로 혹은 부분적으로 일치하게 외형의 폭이 증감한다(도 6 및 도 8을 도 4와 비교). 날개들은 고체 혹은 중공형일수 있으며, 도 14 및 16에 도시된 바와 같이 소용돌이 형상의 공간(void)을 나타낸다.
본 발명에 따른 열교환기들은 다양한 용도로 사용될 수 있다. 예컨대, 도 4, 6, 및 8에 도시된 본 발명의 실시예들에 따른 히트 싱크(heat sink)는 반도체, 변압기, 냉동기, 및 가열기기와 같은 광범위한 열원에 냉각을 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 응용예들에서 열교환기의 표면 위로 소용돌이형 유체 흐름을 발생하는 것에 의해 더욱 효과적인 열 전달이 이루어진다. 효과적인 유체 흐름이란 열교환기를 더욱 효율적이고 유효하게 사용할 수 있어서 종래의 설계 보다 열교환기가 작아질 수 있음을 의미한다.
이미 언급한 바와 같이 열교환기의 표면들 위로의 유체 흐름을 향상시키는효과외에 본 발명은 또한 몸체에서의 온도 편차를 발생할 또 다른 기구를 제공한다. 도 4 내지 도 12에 도시된 실시예에서 베이스(2)에서 유체가 시스템에 유입하는 경우 최대 속도와 최소 압력을 얻도록 원단부(3)를 향하는 운동으로 반경방향에서 유체는 신속하게 가속된다. 따라서, 유체 온도는 단열적으로 저하되어 소용돌이 전체에 걸쳐 온도 편차를 발생한다. 이러한 온도 편차는 소용돌이 흐름에서는 본래적이다. 몸체는 적절한 설계를 통해 이러한 온도 편차를 이용할 수 있도록 제작될 수 있다.
도 13은 압축 공기가 (13)에서 수직으로 관에 유입하는 랭키-힐시(Ranque-Hilsch) 관을 도시한다. 온도 편차가 관을 가로질러 반경 방향으로 발생되며 중심축에서 유체는 더욱 냉각된다. 더우기, 중심에서 관을 따라 흐르는 유체는 진공에서의 흐름과 반대이다. 따라서, 랭키 효과에 의해 일 단부(14)에서 냉각 공기가 방출되고 타 단부(15)에서 더운 공기가 방출된다. 이러한 기구를 통해 -50℃의 온도는 용이하게 얻어진다. 이러한 기구들은 현재로는 크게 에너지 효율적이지 못하다. 이러한 장치들이 소용돌이의 온도 편차를 연구하는데 집중하였으나 파이(Phi) 소용돌이 기하학에 따라 설계되지는 못하였다. 따라서, 내적으로 발생하는 난류와 마찰에 의해 많은 에너지가 소비된다. 도 14에 도시한 본 발명의 제 5 실시예는 본 발명에 따라 제조된 랭키-힐시(Ranque-Hilsch) 관과 유사한 냉동기를 구비한다. 그러나 이는 도 13에 도시된 평행하게 배치된 팡프를 사용하지 않으며 모든 표면이 황금 분할에 따라 3차원 곡선에 근접한 도 4 내지 도 12 도시 실시예들중 하나를 중공형으로 구성한 것일 수 있다. 가스는 유입구(1)를 통해 중공의 나선형 날개(5)로 유입하며, 유출구(3)를 통해 흐른다. 도중에 가스는 가속되고 연속적인 온도 강하와 함께 압력 강하를 경험한다. 랭키-힐시 관에서와 같이, 더운 공기는 윷ㄹ구(2)를 통해 팽창하고 차가운 공기는 유출구(3)를 통해 전달된다.
이러한 장치들이 본 발명의 원리들을 기초하여 다시 설계되면 상당한 효율 향상이 달성된다.
도 15 및 도 16은 날개나 벤트(7)들이 관통하여 전방이나 후방의 벽에 부착되는 액체나 갓 탱크를 도시하는 데, 여기에서 다른 액상 매체는 날개를 경유하여탱크를 통과하여 유동한다. 대신에 (6)은 벤트(7)가 형성된 금속과 같은 재료의 고체 블록일 수 있다. 도 14 및 15의 날개나 벤트는 이상 설명한 바와 같은 원리에 입각한 도 16 도시의 모래시계와 같은 형상일 수 있다. 벤트(7)를 통하여 유체가 흐르면 탱크의 일측(8) 혹은 블록(6)과 대향측(9) 사이에 온도 편차를 발생하여 블록을 가로질러 열의 상호교환을 발생한다.
본 발명의 범위는 상기 설명한 실시예들의 특정한 범위로 한정될 필요가 없음을 이해해야 한다.
명세서를 일관해서 달리 설명한 바가 없다면, 포함한다(comprise)라는 표현은 설명한 구성요소나 구성요소의 그룹을 포함하는 것을 의미하며 다른 구성요소나 구성요소의 그룹을 배제하는 것을 의미하지는 않는다.
Claims (18)
- 황금 분할(Golden Section)에 부합하는 적어도 하나의 대수 곡선과 대체로 일치하는 곡률을 가지는 활성 표면과 유체 사이에 열교환을 발생하도록 유체가 그 위로 유동하는 활성 표면을 가지는 열 교환기.
- 제 1항에 있어서, 활성 표면은, 자연적인 소용돌이의 소용돌이도(vorticity)에 일치하는 유체 흐름을 활성 표면 위로 발생하도록 자연적인 소용돌이의 소용돌이도와 대체로 일치하는 열교환기.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 활성 표면은 가로질러 유동하는 유체의 소용돌이의 회전 운동을 발생하도록 구성된 열교환기.
- 상기 항들중 어느 한 항에 있어서, 열에너지는, 열전달이 필요한 제 2 매체에 대해 3차원의 대수적인 소용돌이 운동으로 전달되는 열교환기.
- 상기 항들중 어느 한 항에 있어서, 두 세트의 유체 흐름 사이에 양면이 활성 표면을 가지는 경계부를 제공하여 일측 유체로부터 타측 유체로의 열 전달을 촉진하는 열교환기.
- 상기 항들중 어느 한 항에 있어서, 자연적인 소용돌이의 구조로 설정되는 소용돌이 동선에 합치하는 열교환기.
- 상기 항들중 어느 한 항에 있어서, 활성 표면의 곡률은 일차원적인 열교환기.
- 제 1항 내지 제 7항중 어느 한 항에 있어서, 활성 표면의 곡률은 이차원적인 열교환기.
- 상기 항들중 어느 한 항에 있어서, 활성표면은 황금 분할에 따라 변화하는 깊이를 가지는 열교환기.
- 상기 항들중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 날개를 가지는 열교환기.
- 상기 항들중 어느 한 항에 있어서, 활성 표면은 복족류 혹은 두족류의 연체동물문의 껍질의 외부 구조와 일치하는 구조를 가지는 열교환기.
- 상기 항들중 어느 한 항에 있어서, 활성 표면은 고둥류(Volutidea), 아르고노타(Argonauta), 앵무조개(Notilus), 코니디아(Conidea), 터비니디아 (Turbinidea) 속으로부터 선택된 종의 껍질들의 외부 구조와 일치하는 구조를 가지는 열교환기.
- 상기 항들중 어느 한 항에 있어서, 활성 표면은 복족류 혹은 두족류 족의 연체동물문의 껍질의 내부 구조와 일치하는 구조를 가지는 열교환기.
- 상기 항들중 어느 한 항에 있어서, 활성 표면은 고둥류(Volutidea), 아르고노타(Argonauta), 앵무조개(Notilus), 코니디아 (Conidea), 터비니디아 (Turbinidea) 속으로부터 선택된 종의 껍질의 내부 구조와 일치하는 구조를 가지는 열교환기.
- 제 1항 내지 제 9항중 어느 한 항에 있어서, 구상 혹은 타원형 구조의 덕트와 유입구 및 유출구를 구비하며, 유입구와 유출구 사이의 구조물의 내면의 곡률은 대체로 대수 곡선에 일치하거나 대부분의 영역에서 황금 분할의 특징에 일치하는 열교환기.
- 제 1항 내지 제 9항중 어느 한 항에 있어서, 몸체로부터 연장하며 열이 교환되는 하나 이상의 날개를 구비한 히트 싱크를 구비하는 열교환기.
- 제 1항 내지 제 9항중 어느 한 항에 있어서, 달팽이관(whorl)의 구조를 가지는 열교환기.
- 본 명세서중에 실질적으로 설명된 바와 같은 열교환기.
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