KR20090018002A

KR20090018002A - 열교환기

Info

Publication number: KR20090018002A
Application number: KR1020080080055A
Authority: KR
Inventors: 앤드류 마틴 롤트; 앤써니 고든 레이젤
Original assignee: 롤스-로이스 피엘씨
Priority date: 2007-08-15
Filing date: 2008-08-14
Publication date: 2009-02-19
Also published as: US8387248B2; EP2025427A3; KR101455136B1; US20090044933A1; US20130186606A1; EP2025427B1; DE602008003361D1; GB0715979D0; EP2025427A2

Abstract

맨드렐 주위에 전기 주조에 의해 열교환기 쉘이 형성되는 열교환기가 제공된다. 상기 쉘은 열교환기 모듈을 제공하기 위해 부착되어 접합된다. 상기 쉘은 프레스로 형성되는 것이 아니기 때문에, 쉘 내에 깊은 홈을 얻기 위한 재료 신장과 관련된 문제를 회피할 수 있고, 더욱 바람직한 두께로 쉘을 만들 수 있어 더욱 효율적인 열교환을 달성할 수 있다. 또, 쉘 두께의 감소는 중량도 감소시킬 것이므로, 항공 우주 산업(aerospace) 및 자동차 스포츠과 연관되는 것 등의 특정한 애플리케이션에서의 열교환기의 수용도(acceptability)를 향상시킨다.

Description

열교환기 {HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열교환기에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 높은 열전달 효율을 얻기 위해 사용되는 물결형(corrugated type) 열교환기에 관한 것이다.

파형(wavy), 횡단 물결형(cross-corrugated), 횡단 파형(cross-wavy) 및 헤링본(herringbone) 형상의 판 형상(plate geometry)을 사용하는 주면형 열교환기(primary surface heat exchanger)는 널리 알려져 있다. 가장 일반적인 유형은 결합 볼트(tie bolt)를 사용하여 수 개의 판을 죄어 조립된다. 밀봉을 위해 탈착 가능한 개스킷(removable gasket)을 사용함으로써, 청소를 위해 판을 분리할 수는 있지만, 이 구성은 실제로 저온 애플리케이션에만 적합하다.

최근에, 판들 사이의 접촉점들 및 접촉선들에서 융합 공정(fusion process)에 의해 서로 고정되는 부재(material)의 사전 제작된(pre-formed) 층들의 스택을 포함하는 판형 열교환기 또는 횡단 물결형 열교환기가 제공되었다. 판은 프레스 공정(pressing process)에 의해 형성되는 얕은 물결 주름이며, 프레스 공정에는 깊은 물결 주름을 더욱 효율적으로 얻는 것과 관련하여 엄격한 제한이 존재한다는 것을 인식하게 될 것이다. 깊은 물결 주름은 주어진 유동 통로(flow path) 밀도에 대해 더 강한 구조를 가능하게 할 것이므로, 압축하에 구부러지기가 덜 쉽다.

유감스럽게도, 판 시트의 프레싱은 신장 효과(elongation effect)에 의해 제한되므로, 예를 들면 2.2의 피치 대 깊이의 비는 열교환기 제작에 적합한 대부분의 재료에 실제적이지 않은 약 40%의 평균 신장을 요구할 것이다. 또한, 깊은 물결 주름을 만들기 위해 시트 재료를 접는 기계적인 대안이 있을 수 있지만, 판들의 에지들이 서로 결합되어 밀봉될 수 있도록 하기 위해서는 판들의 에지들에서 이들 물결 주름을 "제거(ironed out)"할 필요가 있을 것이다. 그러므로 이 모든 공정에는 단점이 있다.

열교환기는 여러 환경 및 용도로 디자인되고, 몇몇 환경에서 열교환기의 중량 및 구조적 강도가, 열교환기의 중량 및 강도는 물론 열수력 성능(thermo hydraulic performance)이 수용도(acceptability)에 더욱 중요한 다른 용도들에서 만큼 중요하지 않다는 것을 알게 될 것이다.

본 발명의 측면에 따르면,

a) 표면을 가지는 맨드렐(mandrel)을 형성하는 단계,

b) 상기 맨드렐의 상기 표면 상에 유동 패턴(flow pattern)을 형성하여 상기 맨드렐 상에 연관 형상(association feature)을 제공하는 단계,

c) 상기 맨드렐의 상기 표면 상에 코팅을 제공하여 연관 형상을 가지는 열교환기 쉘(heat exchanger shell)을 제공하는 단계,

d) 상기 열교환기 쉘로부터 상기 맨드렐을 제거하여 중공(hollow)의 열교환기 쉘을 형성하는 단계,

e) 상기 연관 형상이 정렬되어, 각각의 중공 열교환기 쉘이 외면 상의 유동 패턴 및 내면 상의 유동 패턴을 가지도록, 스택으로 복수의 상기 중공의 열교환기 쉘을 배치하는 단계,

f) 상기 중공의 열교환기 쉘의 외면 상의 상기 유동 패턴이 상기 중공의 열교환기 쉘들 사이에 유동 채널(flow channel)을 제공하도록, 정렬된 상기 중공의 열교환기 쉘의 상기 연관 형상을 가지는 열 교환기를 제공하기 위해, 상기 스택 내의 상기 복수의 중공의 열교환기 쉘을 통합(consolidate)하는 단계

를 포함하는 열교환기를 형성하는 방법이 제공된다.

보통은, 상기 코팅은 전기 주조(electro-forming)에 의해 전극인 상기 맨드렐 상에 형성된다.

전형적으로, 상기 코팅은 무전해 증착(electro-less deposition)에 의해 상기 맨드렐 상에 형성된다.

전형적으로, 상기 열교환기 쉘은 중공의 구조체(hollow structure)이다. 이와는 달리, 상기 열교환기 쉘은 개방형 판(open plate)이다.

될 수 있는 한, 상기 열교환기 쉘은 스택 내의 상기 열교환기 쉘들의 연관(association)을 용이하게 하는 에지 플랫(edge flat)을 가진다.

될 수 있는 한, 상기 열교환기 쉘은 열교환기를 제공하기 위해 상기 열교환기 쉘들의 연관을 용이하게 하는 틈(aperture)들을 가진다. 될 수 있는 한, 상기 틈들은 상기 열 교환기를 형성하기 위해 상기 스택 내로 통합될 때 동시에 배치된다.

일반적으로, 상기 맨드렐 상의 상기 패턴은 내부와 외부 양쪽에 사선의 유동 채널들을 생성한다. 상기 열교환기 쉘들은 통합되어 상기 열교환기 쉘들 내의, 그리고 인접하는 열교환기 쉘들 사이의 유동 통로들이 요구되는(desired) 각도로 횡단한다. 약 15° 내지 165°의 넓은 각도 범위가 대항류(counter flow) 열교환기 또는 평행류(parallel flow) 열교환기에 사용될 수 있다. 가능한 한, 상기 요구되는 각도는 약 75° 내지 105°범위 내이고, 바람직하게는 횡단류 디자인(cross flow design)에 대해 약 90° 정도이다.

일반적으로, 상기 맨드렐은 도전성 재료(electrically conductive material)로 형성된다. 가능한 한, 상기 맨드렐은 도전성 재료로 코팅된다. 일반적으로, 상기 열교환기 쉘은 상기 맨드렐을 전기 도금조(electro plating bath) 내에 위치시키고, 적절한 전류를 상기 맨드렐에 흐르게 하여, 상기 맨드렐의 표면에 도금액에 의해 전기 증착이 일어나게 하여 상기 열교환기 쉘로서 전기 주조된 코팅을 형성함으로써 형성된다. 다르게는, 이른바 무전해 공정이 상기 맨드렐을 코팅하는데 사용될 수있다.

여기서 설명한 바와 같이 전기 주조는, 희생 애노드(sacrificial anode) 또는 노블 애노드(noble anode)를 사용하는 것을 포함하는 임의의 전기 주조 공정들과, 외부의 전기 회로나 애노드를 필요로 하지 않는 일반적으로 무전해 주조(electro-less forming)로 알려진 공정들도 포함한다.

전형적으로, 상기 맨드렐은 희생되는 것이고, 상기 열교환기 쉘을 남겨두기 위해 제거된다. 전형적으로, 상기 맨드렐은 융해(melting), 증발(evaporation), 연소(burning) 또는 에칭(ecthing)에 의해 상기 열교환기로부터 제거된다.

다르게는, 상기 쉘이 중공의 구조체가 아니면, 일단 형성된 상기 맨드렐로부터 비틀어 제거(prised)되거나 그렇지 않으면 들어올려 제거되고(lifted), 상기 멘드렐은 가능한 한 재사용될 수 있다.

바람직하게는, 상기 멘드렐은 복수의 유동 채널 패턴을 포함하여, 상기 열교환기 쉘들이 상기 스택 내에서 전후에 복수의 유동 통로를 만들도록 한다. 일반적으로, 상기 스택은, 상기 스택 내의 열교환기 쉘들 사이를 연결하는 유동 통로를 제공하기 위해 헤더 부재(header element)와 연관되어 있다.

될 수 있는 한, 상기 열교환기 쉘들은 용해(fusing) 또는 접합(bonding) 또는 전기 주조된 조인트(electro formed joint)의 형성 또는 납땜(brazing) 또는 적당한 다른 공정에 의해 열교환기를 제공하는 것과 연관되어 있다. 다르게는, 상기 열교환기 쉘들은 서로 죄어질 수 있다.

또한, 상기 맨드렐은 비전도성을 가지거나, 전기 주조된 열교환기 쉘의 두께에 변화(variation)를 주기 위해, 상기 맨드렐 상의 다른 영역들에 비해 감소된 도전 성능(electrical conductive performance)을 가지는 형상으로 형성될 수 있다.

전형적으로, 상기 맨드렐은 전기적 접속을 제공하는 형상(feature)들을 포함할 것이다. 일반적으로, 상기 전극들의 위치는 전기 주조 시에 적절한 쉘 두께를 제공하기 위한 것이다.

될 수 있는 한, 상기 쉘의 일부는 상기 맨드렐의 제거를 용이하게 하기 위해 제거된다. 될 수 있는 한, 상기 쉘의 제거되는 상기 일부는 상기 맨드렐을 취급하거나 전기적 접속을 제공하기 위해 사용되는, 상기 맨드렐의 부분들 위에 형성된다. 될 수 있는 한, 상기 쉘의 제거되는 상기 부분은 사용 시에 상기 열교환기 쉘에 개구(opening)를 제공할 필요가 있다.

될 수 있는 한, 상기 방법은 열교환기를 만들기 위해 맨드렐을 쌍으로 제공하여,연관용의 마찬가지로 쌍을 이루는 열교환기 쉘을 만드는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명에 따르면, 전술한 방법에 의해 형성되는 열교환기가 제공된다.

또한, 본 발명의 측면들에 따르면, 스택 내에서 서로 연관되는 복수의 중공의 열교환기 쉘을 포함하고, 중공의 열교환기 쉘 각각은 내면 상의 유동 패턴 및 외면 상의 유동 패턴을 가지고, 상기 중공의 열교환기 쉘의 상기 외면 상의 상기 유동 패턴은 상기 중공의 열교환기 쉘들 사이에 유동 채널을 제공하는, 열교환기가 제공된다.

가능한 한, 상기 열교환기 쉘 각각은, 통합을 강화하기 위한 틈들을 가진다. 전형적으로, 상기 틈들은 형성된 쉘들 사이의 접촉하는 접합부(contacting juncion)들에 위치되어 있다. 될 수 있는 한, 상기 틈들은 접합 재료(bonding material)를 수용한다. 될 수 있는 한, 상기 접합 재료는 납땜 재료(braze material) 또는 접착제(adhesive)이다.

될 수 있는 한, 상기 형성된 쉘은 열교환을 촉진하기 위한 핀 또는 다른 구 조체를 포함한다.

전형적으로, 상기 열교환기는 각각의 전기 주조된 쉘 내의 유동 통로들을 연결하기 위한 헤더 부재를 포함한다. 될 수 있는 한, 상기 헤더 부재는 상기 열교환기 내의 상기 유동 통로 중 일부를 하나의 입력 및 출력 통로에 함께 연결하고, 상기 열교환기 내의 다른 유동 통로들 주위의 영역(area)들은 상기 헤더 부재에 의해 상기 열교환기로부터 다른 입력 유동 통로 및 출력 유동 통로에 연결된다.

될 수 있는 한, 상기 열교환기는 서로 연관된 다수의 전기 주조된 쉘을 포함하는 모듈 세그먼트로 형성되므로, 상기 세그먼트는 수리 또는 유지보수를 위해 탈착 가능하다.

이하, 본 발명의 실시예를 오직 예로서 첨부도면을 참조하여 설명한다.

본 발명의 측면들에 따르면, 다수의 전기 주조된 중공의 쉘은 스택이 되어 둘 이상의 유체(fluid)를 위한 열교환기를 만든다. 쉘은 일반적으로 프로파일(profile)이 팬케익처럼 평평하다. 쉘들은 함께 죄어지거나 영구적으로 접합된다. 중공의 쉘 각각은 유체 중 하나를 수용하고, 매니폴드(manifold)에 대해 개구를 가진다. 매니폴드는 스택의 외피(envelope) 내의 쉘들을 상호 연결하는 내부 매니폴드인 것이 바람직하다. 될 수 있는 한, 열교환기는 파형, 횡단 물결형, 횡단 파형 또는 헤링본의 판 형상(plate geometry), 또는 본 제조 공정에 의해 제조할 수 있는 다른 새로운 형상을 가질 수 있는 주면형 열교환기(primary surface heat exchanger)이다. 선택적으로, 열교환기는 또한 전기 주조에 의해 제조될 수 있거나 없는, 중공의 열교환기 쉘의 형태일 필요가 없는 보조 열전달 표면(secondary heat transfer surface) 및/또는 단판(end plate, 端板)을 포함한다. 쉘들을 함께 접합하는 경우는, 접착제의 사용에 의해, 또는 납땜이나 확산 접합(diffusion bonding)에 의해 접합할 수 있다. 쉘들을 접합하지 않고, 단지 함께 조이는 경우이면, 밀봉을 강화하기 위해 개스킷을 사용하는 옵션이 있다. 열교환기의 중량을 최소화하기 위해, 쉘들은 얇은 벽을 가질 수 있지만, 스택의 어느 끝쪽의 쉘들은 매니폴드 연결부의 부착을 용이하게 하기 위해 좀 더 두꺼운 벽을 가질 수 있다.

열교환기 각각, 또는 보다 큰 열교환기의 모듈은 하나 이상의 개별 디자인을 가지는 둘 이상의 개별 쉘을 포함한다. 전형적으로, 열교환기 각각 또는 열교환기의 모듈은 5개 내지 500개의 쉘을 포함하고, 또한 하나 이상의 단판을 포함한다.

쉘은 맨드렐 상에 재료를 증착(deposite)하여 만든다. 맨드렐은 임의의 방법으로 제조될 수 있지만, 경제적으로 대량 생산할 수 있는 사출 성형(injection molding)에 의해 제조하는 것이 바람직하다. 맨드렐은 도전성 재료로 제조될 수 있거나, 또는 도전성 코팅이 제공될 수 있다. 이 도전성 코팅은 담금(dipping), 분무(spraying), 진공 코팅 또는 무전해 도금과 같은, 공지의 방법으로 도포될 수 있다. 선택적으로, 각 맨드렐 또는 맨드렐 상의 도전성 코팅의 일정한 영역들은 전기 주조되는 쉘 내에 기능성의 개구(funtional opening)를 남기기 위해 전기 절연층 또는 코팅으로 도금 방지(stoped off)될 수 있다. 맨드렐은 전기 주조되는 쉘 내에 유사한 형상을 만들도록 배치된, 홈(groove), 릿지(ridge), 핌플(pimple) 및 딤플(dpimple)을 포함할 수 있는 표면 형상을 가질 수 있다. 이 형상들은 열전달을 강화시켜 유체의 통행을 촉진시킬 수 있다. 맨드렐은 또한 조립용의 위치설정 형상(location feature)을 제공할 수 있다. 또한 맨드렐은, 자신에 대한 전기적 접속을 만들고 도금조 내에 맨드렐을 매달기 위한 하나 이상의 형상을 구비하고 있다. 맨드렐은 또한 취급이나 툴링(tooling) 목적으로, 또는 맨드렐의 보다 부서지기 쉬운 부분의 지지를 도우거나, 또는 사출 성형을 위한 러너(runner) 및 라이저(riser)와의 연결을 만들기 위한 형상을 구비할 수 있다. 또한 맨드렐은 복수의 관통 구멍을 포함하여, 이 관통 구멍 내부에 증착되는 재료가 전기 주조된 쉘의 반대면(opposite face)을 함께 묶을 수 있도록 한다. 이 관통 구멍이 전기 주조에 의해 증착된 재료의 두께에 비해 비교적 크면, 이들이 전기 주조된 쉘 내에 관통 구멍을 만들 것이다. 이 관통 구멍은 내부 매니폴드의 생성하기 위해 및/또는 타이바(tie bar) 또는 다른 조립이나 장착 형상을 위한 구멍을 제공하기 위해 사용될 수 있다.

쉘은 합금(니켈-코발트, 니켈-텅스텐 또는 니켈-인 등)을 생성할 동시 증착되는 재료를 포함하는, 전기 주조가 가능한 임의의 재료(청동 또는 니켈 등)로 형성될 수 있다. 선택적으로, 쉘에 층형 구조를 제공하기 위해 하나 이상의 금속 또는 합금이 차례로 증착될 수 있다. 이것은 전기 주조된 쉘의 다공성(porosity)의 감소, 내부식성(corrosion resistance)의 향상, 열전도성의 향상, 열팽창의 제어, 또는 접착이나 납땜이나 확산 접합의 증진, 또는 건강 및 안전 또는 미학(aesthetics)과 같은 다른 이유로 수행될 수 있다.

또한, 먼저 형성된 층(earlier layer)들에 도금 방지제(stop off material)를 도포하지 않는 경우에, 국부적인 보강(reinforcement)을 위해 추가적인 전기 주조된 층들이 사용할 수 있다. 다르게는, 도금조 내의 맨드렐 주위의 추가적인 전극에 비전도 차폐물(non conducting shield)을 배치하고, 그 전극에 대한 전류를 조정함으로써, 각 쉘의 두께를 국부적으로 조작할 수 있다.

각각의 전기 주조된 쉘의 일부는 전기 주조 공정이 완료된 후에 잘려나가서, 맨드렐 재료는, 예를 들면 사용된 재료에 따라 융해(melting), 증발(evaporation), 연소(burning) 또는 에칭(ecthing)일 수 있는 적절한 공정에 의해 제거될 수 있다. 임의의 도금 방지제 또한 제거되어야 할 것이다. 전형적으로, 잘려나간 부분은 전기적 접속을 형성하기 위해 사용된 맨드렐의 부분과 최종 조립에 필요하지 않은 임의의 다른 취급 또는 툴링 형상을 포함할 것이다. 바람직하게는, 잘려나간 부분은 매니폴드에 대한 개구와 같은, 쉘 내에 기능성의 개구를 만드는 것이 바람직한 경우에 잘려나간다.

중공의 쉘과 임의의 다른 구성요소는 완전한 열교환기 또는 더 큰 열교환기 조립체를 구축하는데 사용되는 모듈에 함께 결합된다. 열교환기는 유체의 대항류(counter flow), 횡단류(cross flow) 또는 평행류(parallel flow), 또는 좀더 복잡한 다중류 배치(multi pass flow arrangement)를 위해 구성될 수 있다.

이 방법으로 제조된 열교환기는, 강건(robust)하고, 소형이며, 매우 경량이어서, 특히 우주 항공 산업 및 기타 중량이 중요한 애플리케이션에 적합할 수 있다. 이 열교환기는 고온 능력(high temperature capability)과 양호한 열적 및 기 계적 내충격성(shock resistance)을 가진다.

도 1 내지 도 3은 횡단류 횡단 물결형 열교환기의 전형적인 맨드렐 구성과 본 발명의 측면들에 따라 제조된 맨드렐 및 쉘의 바람직한 디자인 형상을 나타낸 것이다. 예의 디자인은 항공기용 엔진(aero engine)에 사용하는 매우 경량인 공기 대 공기(air to air)간 열교환기에 특히 적합하다.

도 1은 횡단 물결형 열교환기의 일부인 전기 주조되는 쉘용의 맨드렐(1)의 도면이다. 앞서 언급한 바와 같이, 쉘은 일반적으로 도전성 재료로 형성되거나 도전성 재료로 코팅된 기재(base material)로 형성된다.

인식하게 될 것인 바와 같이, 열교환기를 만들기 위해 다수의 쉘(1)을 제조하여 스택이 형성되도록 한 다음 함께 고정될 수 있도록 할 것이다. 맨드렐의 특정 형상과 이것에 의한 쉘은, 맨드렐(1) 상에 쉘을 만들기 위해 전기 도금조 내에서의 전기 접속을 위한 툴 구멍(tool hole) 또는 부착 지점(attachment point)(2)을 포함한다. 형성된 대로의 맨드렐(1) 또는 도금이나 증착에 의해 맨드렐(1) 상에 형성된 전기 도금된 쉘의 다음 기계가공에 대한 레지스터(register) 또는 기준(reference)용의 위치 형상(location feature)을 제공하기 위해, 딤플(dimple)(3)이 제공된다.

맨드렐(1)은 전기 주조된 쉘 내에서, 연관을 만들고 열교환기를 형성하기 위해 스택 내의 쉘들 사이의 납땜 또는 확산 접합을 만드는 능력을 촉진할 것인 다수의 평평한 표면 영역(4)을 포함할 수 있다.

맨드렐(1) 및 이것에 의해 맨드렐(1) 상에 형성된 전기 주조된 쉘은 사선의 홈들을 포함할 것인데, 이 홈의 깊이는 전형적으로, 최종적으로 형성된 열교환기 내의 낮은 압력 저항을 위해, 열교환기 내의 각각의 횡단류 통로를 만들기 위한 맨드렐(1)의 두께의 거의 절반이 될 것이다. 맨드렐(1)의 이면(rear surface)에 유사한 홈이 형성될 것임을 알게 될 것이다. 앞서 언급한 바와 같이, 도 1에서의 홈(5)은 사선이지만, 특히 최종적으로 형성되는 열교환기의 층들 내의 각각의 유동 통로들 사이의 요구되는 횡단 각도의 결정과 관련하여, 홈의 다른 배향(orientation)도 제공될 수 있다는 것을 인식하게 될 것이다. 또한, 반대면 쪽의 구멍의 일부 또는 전부가 가로지르는 경우에, 작은 구멍 또는 틈(6)이 맨드렐(1) 내에 제공될 수 있다.

맨드렐(1)은 또한 최종적인 열교환기 내의 유체 분배의 면에서 각종 연관 형상을 제공하거나 기계가공 목적으로 레지스트레이션(registration)을 제공할 수 있는 더 큰 관통 구멍(7)을 포함할 수 있다.

맨드렐(1)은 또한 열교환기 쉘를 전기 주조하는 동안에 맨드렐의 다른 부분들의 분리를 유지하고 지지하는 역할을 할 것인 납땜 영역(braze area)(8)을 포함할 수 있다. 이 납땜 영역(8)은 전형적으로 쉘이 형성되면 열교환기를 만들기 위해 잘려나갈 것이다. 전형적으로, 맨드렐(1)의 일부는, 함께 고정되는 전기 주조된 열교환기 쉘들의 스택을 포함하는 최종적인 열교환기 내에 인테그랄 매니폴드(integral manifold)의 벽(9)을 전기 주조를 통해 만들기 위해 활용될 것이다. 매니폴드 섹션 또는 벽(9)은 하나 이상의 관통 구멍(7)으로부터 매니폴드를 만들기 위해 납땜되거나, 그렇지 않으면 함께 고정된다.

도 2는 도 1에 나타낸 맨드렐(1)의 일부에 대한 더욱 상세한 설명을 제공한다. 도 2의 묘사에서 알 수 있는 바와 같이, 보이는 전방 표면에서의 맨드렐(1) 내의 각각 형상의 외형은 실선으로 제공하고, 맨드렐(1)의 바닥면에서의 형상들은 점선으로 표시하는 투명도로서 나타나 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 맨드렐(1)은 전기 주조에 의해 맨드렐(1)의 형상을 반영할 것인 열교환기 쉘을 만들 것이다. 이러한 환경에서, 딤플(3) 또는 다른 형상이 스택 내의 다른 쉘들에 대한 위치와 함께 그 후의 기계가공 공정을 위해 전기 주조된 열교환기 쉘을 레지스트레이션 및 연관을 가능하게 하기 위해 사용되고, 관통 구멍(7)은 벽 부분(9)에 의해 열교환기의 매니폴드를 만들 수 있다. 도 2에서 특히 중요한 것은 맨드렐(1)의 양쪽에 홈 또는 물결 주름(5)을 만드는 것이다. 유의할 것은, 홈(5)은 사선이지만 맨드렐(1)의 각 가장자리에서의 홈(5a, 5b)은 각각 실질적으로 서로 수직이라는 것이다. 하지만, 요구되는 각도는 전형적으로 75°내지 105°범위일 수 있다. 홈(5a, 5b)들 사이를 가로지르는 위치에, 구멍 또는 틈(6)이 제공된다.

유의할 것은, 툴링 구멍을 제외한 에지(10)와 같은 모든 외부 에지는 매끈하게 둥글려진다는 것이다. 이러한 스무딩(smoothing)은 본 발명의 측면에 따른 열교환기를 형성하기 위해 요구되는 두께의 열교환기 쉘을 만들기 위해 균일한 재료의 증착을 얻는데 바람직하다.

도 3은, 도 1에 나타낸 맨드렐(1)의 에지(10) 사시도를 제공한다. 에지(10)는, 앞서 언급한 바와 같이 사선으로 배열되고 여러 위치에서 요구되는 각도로 횡단하는 홈(5a, 5b) 내로 전개된다. 이러한 환경에서, 에지(10)는 일반적으로 홈(5a, 5b)의 영역 내에서 파형이지만, 앞서 언급한 바와 같이 일반적으로 맨드렐(1) 상의 균일한 재료 증착을 제공하기 위해 매끈하다.

전술한 바와 같이, 전기 주조 공정 및 무전해 증착 공정은 잘 알려져 있으며, 그러한 환경에서 맨드렐(1)은 전해질을 포함하는 적절한 도금조 내에 위치될 것임을 인식하게 될 것이다. 따라서, 필요한 경우에 맨드렐(1)을 통해 전류를 공급함으로써, 본 발명의 측면에 따른 전기 주조되는 열교환기를 만들기 위해, 맨드렐(1) 상에 동(copper)과 같은 재료가 증착될 것임을 알게 될 것이다. 이러한 접근법은, 횡단류 디자인 및 깊은 물결 주름의 얇은 판이 다수의 접합 조인트(bonded joint)를 없앨 수 있도록 하여, 열교환기의 유효 표면적을 증가시키고 더욱 정교한 열전달 표면 형상의 가능성을 넓힌다.

둥글린 에지, 및 단순 프레스한 시트에 비해 더욱 복잡한 프로파일을 가지는 평평한 쉘을 제조할 수 있기 때문에, 개방형 측면을 가진(open sided) 횡단류 매트릭스의 입구 손실(entry loss) 및 출구 손실(exit loss)을 상당히 감소시킬 수 있다.

물결 주름들 사이의 교차 각도가 약 90도이고 횡단류 디자인에 적합한, 횡단 물결형 주면 열교환기 매트릭스의 열수력 성능(체적 양호도(volume goodness) 및 면적 양호도(area goodness))은, 전형적으로 피치 대 깊이 비율이 2.2 미만인 깊은 물결 주름을 가짐으로써, 크게 향상되었음을 실험으로 확인하였다. 깊은 물결 주름은 또한 주어진 밀도에 대해 더욱 강한 구조체를 얻을 수 있어 압축 상태에서 덜 쉽게 구부러지게 한다. 역으로 말하면, 깊은 물결 주름은 주어진 강도에 대해 더 욱 경량의 구조체를 제공할 수 있기 때문에, 더욱 얇은 섹션이 사용될 수 있다. 하지만, 이전의 판 횡단 물결형 열교환기와 일부 다른 제안된 매트릭스 디자인은 더 얕은 물결 주름을 사용한다. 그 이유 중 하나는, 평평한 시트를 단순히 프레싱하여 깊은 주름을 만드는 것이 어렵기 때문이다. 2.2의 피치 대 깊이의 비율은 평균 40%의 물결 주름을 요구하는데, 이는 대부분의 재료에 실제적이지 않다. 접이법(folding)은 더 깊은 물결 주름을 만들 수 있지만, 이 물결 주름은, 판의 에지들이 서로 결합되어 밀봉될 수 있도록 판의 에지들에서 제거될 필요가 있을 것이다. 이것은 어렵고, 미국특허 제4,434,637호에 기재된 바와 같이, 특수한 기계를 필요로 하는 노동 집약적인 공정이다.

깊은 물결 주름이 있는 판의 제조 시의 어려움은 전기 주조에 의해 극복되며, 조립될 부품의 수는 중공의 쉘 구조체의 반대쪽과 마찬가지로 판들을 쌍으로 제조함으로써 반감된다. 납땜 조립 시에, 이것은 또한 필요한 납땜 재료의 양을 감소시키고, 납땜에 기인한 열전달 표면적(heat transfer surface area)의 감소는, 물결 주름이 틈과 교차하는 경우에 쉘들의 대향면(opposing face)들을 맨드렐에 구멍을 내어 함께 묶으면 더욱 감소되므로, 거기에서는 납땜 금속 또는 다른 접합 재료가 불필요하다. 이 경우에, 고압의 유체는 쉘 내에 유지되는 것이 가장 유리하고, 낮은 압력의 유체는 쉘들 사이에 형성된 통로를 채운다. 그러면, 매니폴드 주위를 제외하고는 쉘들을 서로 접합해야 할 필요가 없어, 더욱 간편한 횡단류 열교환기를 제조할 수 있다.

앞서 제공한 예는 한 세트의 인테그랄 매니폴드를 만들기 위해 함께 고정되 는 전기 주조된 열교환기 쉘을 가지는, 개방형 측면을 가진 횡단류 열교환기의 일반적인 예이다. 하지만, 동일한 원리를 사용하여, 선택적으로 인테그랄 매니폴드의 쌍을 둘 이상 가지는. 대항류 열교환기 또는 평행류 열교환기를 제조할 수 있다. 두 가지 유체를 사용하는 디자인의 경우, 제1 유체는 제2 유체를 수용하는 쉘들 사이의 틈새(interstice)에 있을 수 있거나, 이와는 달리 각각의 유체가 자신의 쉘 세트 내에 수용될 수도 있다. 후자의 구성은, 하나의 유체가 다른 유체를 결코 오염시킬 수 없다는 것의 보증을 필요로 하는 경우 및 열교환기가 임의의 누설(leak)을 밝히기 위해 "자동 표시(tell tale)" 배출 시스템(drain system)을 갖춰야 하는 경우에, 특히 유리할 것이다.

다르게는, 열교환기는 둘 이상의 유체 스트림(fluid stream)과 같이 사용하도록 구성될 수 있다.

열교환기는 또한 전형적으로 낮은 밀도의 유체를 가지는 측일, 하나 이상의 유동 측(flow side)에, 보조 열전달 표면을 포함하는 하이브리드 디자인일 수 있다.

전기 주도된 쉘은 영구적으로 접합되는 것이 아니라 함께 죄어질 수 있다. 이들 고유의 유연성(flexibility)을 이용하여 개별 개스킷을 사용하거나 사용하지 않고, 인접하는 쉘들 사이에 우수한 밀봉을 제공할 수 있다.

인식하게 될 것인 바와 같이, 본 발명의 측면에 따른 열교환기는 다른 열교환기 디자인에 비해 매우 소형 경량이어서, 중량에 민감한 애플리케이션이나, 자동 추진 또는 자동차 스포츠 애플리케이션에 특히 접합하다. 또한, 본 발명의 측면에 따른 열교환기 쉘로 구성된 열교환기는 공기 대 공기 열교환기(air to air heat exchange)의 애플리케이션에 특별히 접합하지만, 공기 대 공기 열교환기로 한정되는 것이 아님을 알게 될 것이다.

앞서 언급한 바와 같이, 열교환기 쉘에 대해 전기 주조를 사용하여, 열교환기를 제공할 수 있다. 특히, 열교환기를 만드는 쉘의 전기 주조는 프레싱 공정에 대한 제한 없이 쉘 두께에 변화를 줄 수 있다. 이러한 환경에서, 쉘 각각의 두께를 프레스된 쉘에 비해 줄일 수 있으며, 열교환기의 중량은 조정되고 따라서 전형적으로 감소된다. 또한, 전체 열교환기 구조를 고려함으로써, 맨드렐을 통해 흐르는 전류의 전도, 절연 및 조정에 대한 적절한 기술의 사용, 및 맨드렐 주위에 배치된 보조 전극을 통해, 뼈대(skeleton) 또는 보강 웨브(wweb reinforcement) 사이에 얇은 벽 섹션을 가지는 열교환기 쉘의 비교적 두꺼운 뼈대 구조를 정할 수 있다. 이것에 의해 열교환기 쉘의 중량을 또 감소시킬 수 있고, 따라서 스택이 전체 열교환기로서 형성되었다. 여하튼, 틈과 같은 형상은 이렇게 g형성될 수있다.

본 발명에 따른 열교환기를 형성하는 방법은, 처음에 전기 주조에 의해 열교환기 쉘이 형성될 맨드렐을 규정하는 단계를 포함할 것이다. 전형적으로, 앞서 언급한 바와 같이, 이 맨드렐들은 필요한 경우에 매끈한 표면을 가지고 사출 성형될 것이다. 맨드렐은 재사용할 수 있거나, 필요에 따라 제거될 수 있다. 어느 경우든, 전기 주조된 열교환기 쉘은 일정한 단계에서 맨드렐로부터 떼어내야 한다는 것을 알게 될 것이다. 이러한 환경에서, 전형적으로 맨드렐은 형성된 쉘로부터 맨드렐을 때어내거나 그렇지 않으면 분리할 수 있도록 하기 위해 제거될 수 있는 영역 들을 포함할 것이다. 그러므로 열교환기로서 스택 내에서 조합하기 위한 원하는 열교환기 쉘 형상(geometry)을 만들기 위해서는 맨드릴에 대한 최초의 디자인이 중요하다.

열교환기 쉘 뿐만 아니라 그 쉘을 만들기 위해 필요한 형상을 만들기 위한 전기 주조 공정과 맨드렐로부터 쉘을 제거하는 것에 대해서는 알려져 있다. 전형적으로, 앞서 설명한 바와 같이, 맨드렐은 전기 도금조 내에 잠겨야 하므로, 맨드렐을 전기 도금조 내에 매달 도구 또는 방법이 맨드렐에 전기 연결을 제공하는 수단과 함께 제공되어야 한다.

그러한 도구의 조작 및 전기 연결에 필요한 형상(feature)은 최후의 열교환기에서 명확히 요구되지 않을 것이므로, 제거될 것이고, 또는 분배 매니폴드 또는 다른 것의 일부로서 형성된 열교환기 내에서 보조 용도(auxiliary use)로서 제공될 것이다.

전술한 바와 같이, 맨드렐은, 유동 통로가 열교환기를 형성하는 스택 내의 인접한 쉘들에 의해 만들어지도록, 재진입하지 않는(non re-entrant) 열교환기 쉘을 만들 수 있다. 다르게는, 맨드렐은, 필수적으로 중심에 이 맨드렐이 있는 중공 구조이고 맨드렐의 표면 전체 위에 전기 주조되는 열교환기 쉘을 만들 수 있다. 이러한 환경에서, 맨드렐은 제거되어야 하는데, 나중에 열교환기를 형성하기 위해 스택으로 조립될 수 있는 중공의 구조체를 남기기 위해 일반적으로 융해, 연소, 부식 또는 에칭에 의해 이루어진다. 또한 전극의 위치설정는 전기 주조의 유효성을 조절할 수 있으므로, 필요에 따라 쉘 두께를 조절할 수 있다는 알게 될 것이다. 전형적으로, 요구되는 쉘 두께를 얻기 위해 맨드렐에 전기적으로 접속되는 적절한 수의 전극(애노드)이 배치될 것이다. 맨드렐의 제거는 융해, 증발, 연소 또는 에칭에 의해 이루어질 수 있지만,

일반적으로 쉘은 얇은 특성이 있을 것이 때문에, 스택의 변형(malformation)을 초래할 수 있고 따라서 최종적인 열교환기의 변형을 초래할 수 있는 쉘 내에서의 찌끄러짐을 방지하기 위해 주의를 기울여야 한다.

될 수 있는 한, 최종적인 열교환기 스택을 관통하는 유동 통로 및 채널을 정하기 위해 나중에 서로 연관될 수 있는 쌍으로 열교환기 쉘이 만들어지도록, 맨드렐이 배치될 것이다. 이러한 환경에서, 전술한 바와 같이, 각각의 열교환기 쉘은 레지스트레이션 및 기준을 얻기 위해 딤플들 또는 다른 형상들을 포함할 수 있다. 이 딤플들은 또한 맨드렐의 형성에 이어 필요한 경우, 각각의 쉘에 대한 기계가공을 위한 기준을 제공할 것이다.

도 4는 스택으로 형성된 다수의 열교환기 쉘(42)을 포함하는 열교환기(42)에 대한 개략적인 설명을 제공한다. 열교환기 쉘(42)은 전술한 바와 같이 맨드렐 상에 전기 주조되고, 열교환기 쉘(42)의 부분들 사이를 접촉 접합 또는 볼트(도시하지 않음)로 함께 가압함으로써 적절하게 연관된다. 열교환기(41)는

제1 유체(X)를 위한 제1 입구(inlet)(43) 및 출구(outlet)(44) 쌍과, 제2 유체(Y)를 위한 제2 입구(45) 및 출구(46)를 가져서, X와 Y 사이의 열교환과 횡단류가 존재한다.

해당 기술분야의 당업자는 본 발명을 변형 및 개조할 수 있다는 것을 알 것 이므로, 적절한 디자인과 맨드렐의 선택을 통해, 열교환기를 제공하기 위해 나중에 스택으로 함께 고정되었던 각각의 판에 채널을 한정하기 위해 평평한 시트의 재료를 효과적으로 프레싱하였던 이전의 시스템이 제공할 수 있었던 것보다 더 넓은 범위의 열교환기를 제공할 수 있다는 것을 인식하게 될 것이다.

도 1은 본 발명의 측면에 따른 열교환기 쉘을 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 측면에 따라 전기 주조된 열교환기 쉘을 형성하기 위한 맨드렐의 형상을 나타낸 개략도이다.

도 3은, 도 2에 나타낸 맨드렐의 에지를 나타낸 도면이다.

도 4는 열교환기의 개략도이다.

Claims

a) 표면을 가지는 맨드렐(mandrel)을 형성하는 단계,

b) 상기 맨드렐의 상기 표면 상에 유동 패턴(flow pattern)을 형성하여 상기 맨드렐 상에 연관 형상(association feature)을 제공하는 단계.

c) 상기 맨드렐의 상기 표면 상에 코팅을 제공하여 연관 형상을 가지는 열교환기 쉘(shell)을 제공하는 단계,

d) 상기 열교환기 쉘로부터 상기 맨드렐을 제거하여 중공(hollow)의 열교환기 쉘을 형성하는 단계,

e) 상기 연관 형상이 정렬되어, 각각의 중공 열교환기 쉘이 외면 상의 유동 패턴 및 내면 상의 유동 패턴을 가지도록, 복수의 상기 중공의 열교환기 쉘을 스택으로 배치하는 단계,

f) 상기 중공의 열교환기 쉘의 외면 상의 상기 유동 패턴이 상기 중공의 열교환기 쉘들 사이에 유동 채널(flow channel)을 제공하도록, 정렬된 상기 중공의 열교환기 쉘의 상기 연관 형상을 가지는 열 교환기를 제공하기 위해, 상기 스택 내의 상기 복수의 중공의 열교환기 쉘을 통합(consolidate)하는 단계

를 포함하는 열교환기의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 c)는 전기 주조(electro forming)에 의해 상기 맨드렐 상에 상기 코팅을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 맨드렐은 상기 전기 주조를 위한 전극인, 열교환기의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 c)는 무전해 증착(electro-less deposition)에 의해 상기 맨드렐 상에 상기 코팅을 제공하는 단계를 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 열교환기 쉘의 상기 연관 형상은, 상기 스택 내의 상기 중공의 열교환기 쉘들의 연관을 용이하게 하는 에지 플랫(edge flat)을 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 열교환기 쉘의 상기 연관 형상은, 상기 스택 내의 상기 중공의 열교환기 쉘들의 연관을 용이하게 하는 복수의 구멍(aperture)을 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 b)는 상기 맨드렐의 상기 표면 상에 사선의 홈(diagonal groove)을 형성하는 단계를 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제6항에 있어서,

상기 단계 e)는, 상기 중공의 열교환기 쉘에 인접하는 홈들이 요구되는 각도로 횡단하도록 상기 중공의 열교환기 쉘들을 배치하는 단계를 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제7항에 있어서,

상기 요구되는 각도는 약 75° 내지 105°범위 내인, 열교환기의 형성 방법.
제7항에 있어서,

상기 요구되는 각도는 약 90°내인, 열교환기의 형성 방법.
제2항에 있어서,

상기 단계 a)는 도전성 재료(electrically conductive material)로 상기 맨드렐을 형성하는 단계를 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제2항에 있어서,

상기 단계 a)는 상기 맨드렐을 도전성 재료로 코팅하는 단계를 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제2항에 있어서,

상기 단계 c)는, 상기 맨드렐을 전기 도금조(electro plating bath) 내에 위치시키고, 적절한 전류를 상기 맨드렐에 흐르게 하여, 상기 맨드렐의 표면에 도금액에 의해 전기 증착이 일어나게 하여 상기 열교환기 쉘로서 전기 주조된 코팅을 형성하는 단계를 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 맨드렐은 희생되는 것이고, 상기 열교환기 쉘을 남겨두기 위해 제거되는, 열교환기의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 b)는 상기 맨드렐의 상기 표면 상에 복수의 유동 통로 패턴을 형성하는 단계를 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 e)는, 상기 스택 내의 열교환기 쉘들 사이를 연결하는 유동 통로를 제공하기 위해 상기 스택을 헤더 부재(header element)와 연관시키는 단계를 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 f)는, 열교환기를 제공하기 위해 접합(bonding)과 납땜(brazing)을 포함하는 군으로부터 선택된 방법에 의해 상기 열교환기 쉘들을 연관시키는 단계를 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 a)는, 전기 주조된 열교환기 쉘의 두께에 변화를 주기 위해, 상기 맨드렐 상의 다른 영역들에 비해 감소된 도전 성능(electrical conductive performance)을 가지는 형상(feature)으로 상기 맨드렐을 형성하는 단계를 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 d)는, 융해(melting), 증발(evaporation), 연소(burning) 및 에칭(ecthing)을 포함하는 군으로부터 선택된 방법에 의해, 상기 열교환기 쉘로부터 상기 맨드렐을 제거하는 단계를 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제1항에 있어서,

상기 단계 d)는 상기 맨드렐의 제거를 용이하게 하기 위해 상기 쉘의 일부를 제거하는 단계를 포함하는, 열교환기의 형성 방법.
제19항에 있어서,

상기 쉘의 제거되는 상기 일부는, 상기 맨드렐을 취급하거나 전기적 접속을 제공하기 위해 사용되는, 상기 맨드렐의 부분들 위에 형성되어 있는, 열교환기의 형성 방법.
제19항에 있어서,

상기 쉘의 제거되는 상기 부분은, 사용 시에 상기 열교환기 쉘에 개구(opening)를 제공할 필요가 있는, 열교환기의 형성 방법.
제14항에 있어서,

상기 단계 b)는, 상기 맨드렐의 반대편 표면(opposite surface)에 유동 통로 패턴을 형성하는 단계를 포함하고,

상기 유동 통로 패턴은 사선의 홈들을 포함하며,

상기 반대쪽 표면 상의 상기 사선의 홈들은 75°내지 105°범위 내의 각도로 횡단하는, 열교환기의 형성 방법.
스택 내에 서로 연관되는 복수의 중공의 열교환기 쉘을 포함하고,

상기 중공의 열교환기 쉘 각각은 내면 상의 유동 패턴 및 외면 상의 유동 패턴을 가지며,

상기 중공의 열교환기 쉘의 상기 외면 상의 상기 유동 패턴은 상기 중공의 열교환기 쉘들 사이에 유동 채널을 제공하는,

열교환기.
제23항에 있어서,

상기 유동 통로는 사선인, 열교환기.
제24항에 있어서,

상기 중공의 열교환기 쉘에 인접하는 상기 유동 통로는 요구되는 각도로 횡단하는, 열교환기.
제25항에 있어서,

상기 요구되는 각도는 약 75°내지 105°범위 내인, 열교환기.
제26항에 있어서,

상기 각도는 약 90°인, 열교환기.
제23항에 있어서,

상기 열교환기의 주변을 밀봉하기 위해, 상기 중공의 열교환기 쉘들 중 적어도 일부에 플랫(flat)을 포함하는, 열교환기.
제23항에 있어서,

상기 중공의 열교환기 쉘 각각은, 자신의 유동 채널을 한정하는, 열교환기.
제23항에 있어서,

상기 중공의 열교환기 셀 각각은, 통합을 강화하기 위한 구멍들을 가지는, 열교환기.
제30항에 있어서,

상기 구멍들은, 상기 중공의 열교환기 쉘 각각의 접촉하는 접합부(contacting juncion)들에 위치되어 있는, 열교환기.
제30항에 있어서,

상기 구멍들은 접합 재료(bonding material)를 수용하는, 열교환기.
제32항에 있어서,

상기 접합 재료는, 납땜 재료(braze material) 및 접착제(adhesive)를 포함하는 군으로부터 선택되는, 열교환기.
제23항에 있어서,

상기 중공의 열교환기 쉘은 열교환을 촉진하기 위한 핀(pin)을 포함하는, 열교환기.
제23항에 있어서,

상기 열교환기는, 상기 공중의 열교환기 쉘 각각 내의 유동 통로를 연결하기 위한 헤더 부재(header element)를 포함하는, 열교환기.
제35항에 있어서,

상기 헤더 부재는, 상기 열교환기 내의 상기 유동 통로 중 일부를 하나의 입력 및 출력 통로에 함께 연결하고, 상기 열교환기 내의 다른 유동 통로들 주위의 영역(area)들은 상기 헤더 부재에 의해 상기 열교환기로부터 다른 입력 유동 통로 및 출력 유동 통로에 연결되는, 열교환기.
제23항에 있어서,

상기 중공의 열교환기 쉘 각각의 반대편 외면 상의 상기 유동 통로는, 사선의 홈들을 포함하고,

상기 중공의 열교환기 쉘 각각의 상기 반대편 외면 상의 상기 사선의 홈들은, 75°내지 105°범위 내의 각도로 횡단하는, 열교환기.