KR20090089386A - 고 효율 열 교환기 및 제습기 - Google Patents

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프레드릭 시몬 반 헤스비크
요하네스 안토니우스 마리아 라인더스
폴 메그너스 클락슨
안드레아스 제이.엘. 나이센
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옥시콤 비히어 비.브이.
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Abstract

열 교환기(20)는 대체로 평행한 관계로 이격되게 배열된, 대체로 평면인 한 쌍의 열 전도 판(10)들과, 상기 판들을 서로 분리시키고 각각 제 1 방향과 제 2 방향의 유동을 위해 상기 판들 사이에 제 1(26) 및 제 2(28) 흐름 채널을 형성하는 스페이싱 요소(22)를 포함하고, 적어도 상기 제 1 흐름 채널(26)에서 상기 판들이 핀(14)들로 분할되고, 이 핀(14)들은 상기 제 1 방향으로 서로 분리되어 있으며 상기 제 1 방향에 수직인 판(10)으로부터 다수의 오프셋 위치들로 오프셋되어 있다.

Description

고 효율 열 교환기 및 제습기 {H1GH EFFICIENCY HEAT EXCHANGER AND DEHUMIDIFIER}
본 발명은 최소 열 차이로 처리되는 주요 또는 생성 공기 스트림과 보조 또는 작동 공기 스트림 사이에서 열을 교환할 수 있는 타입의 고 효율 열 교환 장치에 관한 것이다. 이 같은 장치는 가정용 목적을 위해 환기와 조합된 열의 회수를 제공하도록 작동될 수 있으며 또한 증발형 냉각 장치에서 이용될 수 있다. 본 발명은 또한 공기를 제습하기 위하여 냉각 장치와 조합되는 고 효율 열 교환기의 이용에 관한 것이다.
열 교환기 장치의 하나의 형태 또는 또 다른 형태는 실제로 모든 장치 및 공정에 존재한다. 작동 성능은 불가피하게 열의 형태로 에너지를 방출하는 것을 포함한다. 요구되지 않는 경우, 열은 종종 예를 들면, 냉각 핀을 구비하여 제공되는 적절한 열 전도면을 경유하여 대기로 방출된다. 열의 양이 과도하거나 유용한 목적을 위해 적용될 수 있는 경우, 특정 열 교환기는 예를 들면 또 다는 시스템으로 열을 전달하기 위해 제공될 수 있다. 열 교환은 또한 상이한 매체 사이에서 발생될 수 있으며, 가스, 액체, 및 고체 매체는 요구되는 성능에 따라 모두 조합되도록 조정될 수 있다. 본 발명은 공기 대 공기 타입의 열 교환기에 관련된다. 그럼에 도 불구하고 열이 고체 매체를 통한 전도에 의해 하나의 공기 스트림으로부터 다른 공기 스트림으로 전달될 수 있다.
공기 대 공기 열 교환기는 멤브레인 또는 판 타입 열교환기로서 가장 통상적으로 형성된다. 제 1 채널은 열 전도판 또는 멤브레인에 의해 제 2 채널로부터 분리된다. 각각의 채널을 통한 공기 유동 및 열의 제 1 및 제 2 스트림은 전도 벽을 통하여 다른 스트림으로 전달된다. 최적 효율을 위해, 공기 스트림은 역 유동으로 대체로 서로 반대방향으로 유동하도록 배치된다. 소정의 상황에서, 유동은 교차 유동(cross-flow)으로 발생할 수 있어, 하나의 유동이 나머지 유동에 대해 수직하게 유동하는 것을 실제로 나타낸다. 대체로, 열 전도 멤브레인은 유용한 열 전도 특성을 가지는 재료로 형성된다. 금속, 특히 강 및 알루미늄이 선호될 수 있다. 그러나, 소정의 상황에서, 낮은 열 전도도를 가지는 재료가 이용될 수 있고, 최소화되는 재료 두께로 처리된다. 멤브레인을 통하여 전달되는 열의 양은 멤브레인에 걸친 열 구배에 비례하기 때문에, 멤브레인의 두께 감소는 열 전도도에서의 감소를 신속하게 상쇄할 수 있다.
소정의 멤브레인 및 판 열 교환기 설계로 발생될 수 있는 문제점은 유동 방향으로 열 교환기를 따른 원하지 않는 열 전도의 존재이다. 이러한 문제점은 저 온 구배에 걸쳐 작동하도록 설계되는 고 효율 열 교환기에서 중요하다. 역 유동 배치에 대해, 유동 방향으로 열 교환기를 통한 열 전도는 입구와 배출구 사이의 열 차이의 감소를 초래한다. 이러한 이유 때문에, 플라스틱 재료는 종종 가열 및 환기 시스템에서의 열 회수 장치에 대해 선호된다.
또한 판 차제가 제 1 스트림으로부터 제 2 스트림으로 판의 평면 내에서 열을 전달하는 방식으로 열 교환기 내에 판을 설치하는 것이 이전에 제안되었다. 제 1 및 제 2 채널의 분리는 판 차체에 의한 것이 아닌 인접한 판들 사이의 분리기에 의해 제공된다. 분리기가 더 이상 열 전달 기능을 갖지 않기 때문에, 단열 재료로 제조될 수 있어, 유동의 종방향으로의 열 유동을 위한 단면을 감소시킨다. 이러한 타입의 장치는 JP58035387 A호에 도시된다. 그럼에도 불구하고, 가능하게는 효율에서의 단지 제한된 개선 및 더 큰 표면적을 달성하는데 증가된 제조 복잡성 때문에, 이러한 작동 원리는 대체로 채택되지 않는다. 열 교환의 효율을 개선하기 위해 시도되는 추가 장치는 US 5832992호에 도시된다. 상기 공보에 따라, 다수의 와이어가 공기가 통과하여 유동할 수 있는 매트 내에 배치된다. 와이어는 상대적으로 서로 밀접하게 패킹(pack)되어 와이어 직경의 1.5 내지 2.5 배의 피치를 가진다.
열 교환에 밀접하게 관련되는 또 다른 분야는 가습(제습)이다. 가열, 냉각, 환기 및 공기 제어(air-conditioning) 산업에서, 열 교환 및 제습 또는 가습은 서로 관련된다. 가습은 대체로 엔트로피의 증가가 공정을 촉진시키기 때문에 간단하다. 그러나 제습은 에너지를 요구하며 설계자에게 상당한 부담이 된다. 종래의 제습기는 예를 들면 실리카 겔 등을 이용하여 제습기 휠(desiccant wheel)을 이용하였다. 제습기는 제습기 위로 통과하는 공기 스트림으로부터 습기를 흡수한다. 증기를 흡수함으로써, 상당한 에너지가 방출되어 공기 스트림 또는 제습기 휠이 가열되었다. 냉각 시스템에서, 이러한 열의 흡수는 냉각 효율을 감소시킨다. 제습 기는 또한 흡수된 습기를 증발시킴으로써 주기적으로 재생되어야 한다. 이러한 단계는 또한 액체 증발의 잠열에 대응하는 상당한 에너지를 요구한다. 이러한 타입의 제습기 휠은 US 5542968호에 공개되어 있다.
높은 습도의 공기에 대해, 제습의 선택적인 방식이 또한 제안되었다. 공기의 이슬점 아래로 공기를 냉각시킴으로써, 증기의 응축이 발생하게 된다. 비록 공기가 100% 상대 습도의 수준에 근접하게 남아 있지만, 공기의 절대 습도가 낮아 지게 된다. 후속적으로 공기(물이 없는)를 원래 온도로 가열할 때, 절대 온도가 일정하게 남아 있는 동안 상대 습도는 낮아지게 된다. 이 방법은 이론적으로 상대적으로 효율적이지만 실제로 원하는 결과를 달성하기 위하여 높은 효율 열 회수 요소를 요구한다. 이러한 이유 때문에, 원리는 냉각 및 환기 시스템에서 제습을 위해 널리 이용되지 않는다. 이러한 타입의 하나의 장치가 EP0861403 A호에 기재되어 있다.
본 발명에 따라, 대체로 평면인 관계로 이격되게 배열되는 대체로 평면인 한 쌍의 열 전도 판들, 판들을 서로 분리시키고 각각 제 1 방향 및 제 2 방향의 유동을 위해 판들 사이에 제 1 및 제 2 흐름 채널을 형성하는 스페이싱 요소를 포함하는 열 교환기가 제공되고, 적어도 제 1 채널 내에서 판들이 핀으로 분할되고, 핀은 제 1 방향으로 서로 분리되고 제 1 방향으로 수직인 판으로부터 다수의 오프셋 위치로 오프셋된다.
바람직한 일 실시예에서, 열 교환기는 적어도 제 2 채널 내에 있는 핀 상에 물 보유면 및 제 2 패널 내의 핀을 적시기 위한 물의 공급원을 포함한다. 이러한 방식으로, 열 교환기는 간접 증발형 냉각을 위해 이용될 수 있다.
가장 바람직하게는, 물 보유면은 핀의 하나의 표면 상에만 제공된다.
물 보유면은 예를 들면, 핀 상으로 코팅되거나 부착될 수 있는 개별 층일 수 있거나, 핀의 친수성을 개선하기 위하여 핀의 표면 처리로서 형성될 수 있다.
거칠기 처리된 표면과 같은 핀 표면의 부분으로서 물 보유 요소는 에칭 또는 유사 공정에 의해 달성될 수 있다.
포트랜드 시멘트와 같은 시멘트질의 재료는 종래에는 물 보유층으로서 이용하기에 매우 바람직한 것으로 알려졌었다. 선택적으로, 섬유 재료가 이용될 수 있다. 물 보유층은 제 2 유동으로부터 단열시킴으로써 판으로부터 열 전달을 차단하지 않는 것이 매우 중요하다는 것을 알 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 가요성 물 보유면이 핀 상에 제공된다. 가요성 물 보유면을 제공함으로써, 액체 보유면의 공간적 분배와 같은 바람직한 특성이 형성되기 전에 핀으로 전달될 수 있다. 핀은 이어서 원하는 형상으로 편리하게 형성될 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 물 보유층은 개방 구조물을 가져서, 이용 중, 열 교환 매체가 물 보유층의 개방 구조물을 통하여 핀 표면과 직접 접촉할 수 있도록 한다. 이에 의해, 뜨거운 열 및 잠열 모두를 열 교환기 위로 유동하는 열 매체로 전달하기 위한 열 교환기의 성능이 강화된다. 개방 구조물은 물 보유층을 형성하는 섬유 재료의 섬유들 사이에 공간을 포함할 수 있다. 이 같은 섬유 재료는 개방 구조물을 가지는 직물 또는 부직물 층일 수 있다.
섬유 재료는 접착제 또는 다른 유사한 방식에 의해 핀으로 부착될 수 있다. 바람직하게는, 접착제 및 섬유 재료는 원하는 형상으로 핀을 형성할 때 얇은 조각으로 갈라지지 않도록 하여야 한다. 접착제가 이용되는 곳에서, 접착제는 핀 또는 물 보유층의 특성을 강화하도록 선택될 수 있다. 따라서, 접착제는 물 보유 특성 또는 열 전도 특성, 또는 둘다를 가지기 위해 선택될 수 있으며 이러한 층들 중 어느 하나의 일 부분을 형성하도록 고려될 수 있다.
간접 증발형 냉각기에 대해, 제 2 흐름 채널에서만 핀 상의 물 보유 표면을 제공하는 거이 유용할 수 있다. 제 1 채널 내에 물 보유면의 제공은 공기 스트림으로부터 제 1 채널 내의 핀으로 열 전달의 감소된 계수를 초래할 수 있다. 간접 증발형 냉각기의 제 1 채널 내의 물 보유면의 제공은 또한 소정의 시장의 법에 의해 금지될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 핀 상으로 인쇄되고, 분무되고, 또는 전달되는 재료를 포함하는 물 보유면을 가진다. 이러한 인쇄 재료는 물을 보유하기 위하여 친수성일 수 있거나 표면 인장 또는 모세관 작용에 의해 물을 보유하기 위해 작용하는 패턴으로 제공될 수 있다. 이 같은 패턴은 예를 들면 재료의 격리 영역을 포함할 수 있고, 격리 영역은 공기 스트림으로 아래의 핀 개방의 부분을 남겨 놓으면서 물 보유를 허용하는 거리 만큼 이격된다. 재료의 고립된 영역 대신, 또는 원하는 물 보유를 제공하는 인터링크 영역이 제공될 수 있다.
핀 표면 상으로 재료를 인쇄하는 바람직한 하나의 실시예는 잉크제트 프린팅이다.
잉크제트 인쇄 방법의 특별한 장점은 핀 상으로 또는 후속적으로 핀으로 형성되는 판 상으로 매우 정확하게 배치될 수 있다. 이는 물 보유면이 제 1 채널이 아닌 제 2 채널 내로만 제공되도록 하며, 물 보유면의 패턴화된 분배를 허용한다.
간접적 증발형 냉각에는 냉각 효과를 생성하는 잠열의 증발이 있다. 간접 증발형 냉각기의 젖은 채널에서 발생하는 이러한 냉각 효과가 건조 채널로 효과적으로 전달되는 것을 보장하기 위하여, 물 흡수가 핀 표면에서 가능한 많이 발생되어야 한다. 이는 히트 싱크 영역이 건조 채널과 열적으로 밀접하게 접촉하는 것을 보장한다.
판의 평면으로부터 다수의 위치로 오프셋되는 핀의 제공은 간접 증발형 냉각의 경우 특히 유용하다. 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 다수의 오프셋 위치 내의 핀의 제공은 핀 위로 유동하는 공기 스트림 내의 층류 경계 유동을 감소시킨다. 증류 경계 유동을 감소시킴으로써 핀 표면에서 물의 향상된 흡수가 달성되고 이는 차례로 더욱 효과적인 간접 증발형 냉각을 초래한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 적어도 제 2 채널 내의 핀 상에 물 보유면 및 제 2 채널 내에 핀을 적시기 위한 물의 공급원이 제공되는 본 발명에 따른 열 교환기를 포함하는 간접 증발형 냉각기, 바람직하게는 이슬점 냉각기가 제공된다.
본 발명의 열 교환기의 바람직한 일 실시예에 따라, 핀은 제 1 방향으로 반복되는 그룹으로 순차적으로 배치되고, 각각의 반복되는 그룹의 핀은 서로로부터 수직하게 제 1 방향으로 오프셋된다. 바람직하게는, 각각의 반복 그룹의 핀을 서로로부터 적어도 5개의 오프셋 위치들 중 하나로 오프셋된다. 이러한 의미로, 하나의 핀이 판의 면과 부합되기 때문에 서로에 대해 5개의 오프셋 위치의 핀들이 판에 대해 4개의 위치에 대응한다는 것에 주목할 수 있다. 각가의 그룹으로 핀을 형성함으로써, 자동화된 절차에서 적절한 열 전도 재료의 판으로부터 핀들을 제조하기가 더 용이하다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 채널 내의 핀은 각각 핀으로부터 분리되고 핀들이 동일한 절대 길이를 가지도록 형성된다. 핀의 절대 길이는 핀이 판으로 연결되는 위치들 사이의 핀의 외형을 따른 거리로서 측정된다. 핀의 절대 길이(L)는 성형 핀(formed fin)들 중 하나와 평행하게 형성되는 점선으로서 도 9에 도시된다.
동일한 절대 길이를 가진 각각의 핀을 형성함으로써, 판 내에 핀의 형성에 의한 비틀림이 회피될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 다수의 열 전도판이 제공될 수 있고 각각의 인접한 쌍의 판들 사이에 제 1 및 제 2 흐름 채널을 형성하는 스페이싱 요소를 이용하여 서로 이격되고 대체로 평행한 관계로 배치될 수 있다. 이 같은 방식에서, 적층된 열 교환기는 단위 용적 당 높은 열 교환 성능을 제공하도록 생산될 수 있다.
가장 바람직하게는, 스페이싱 요소 또는 요소들은 단열 재료를 포함한다. 이는 유동 방향으로 기생 열 전도를 감소시키는 기능을 할 수 있다. 그러나, 제 1 채널로부터 제 2 채널로의 열 전달을 증가시키도록 전도 스페이서를 이용하는 것이 완전히 가능하다. 상기 경우에서, 열 배리어는 열의 종방향 전도를 감소시키는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 선택적인 일 실시예에 따라, 제 1 방향으로 유동을 위한 제 1 흐름 채널, 제 2 방향으로 유동을 위한 제 2 흐름 채널, 제 2 흐름 채널로부터 제 1 흐름 채널을 분리하는 스페이싱 요소 및 제 1 및 제 2 흐름 채널 모두 내로 스페이싱 요소를 통하여 연장하는 다수의 열 전도 핀을 포함하는 열 교환기가 제공되고, 적어도 제 1 채널 내의 핀은 코드(chord) 길이를 가지고 반복 그룹으로 배치되어, 각각의 반복 그룹의 핀은 제 1 방향으로 서로에 대해 엇갈리게 하여 제 1 방향에 대해 수직한 방향으로 서로로부터 오프셋되며 제 1 방향으로 인접한 그룹 내의 대응하는 핀의 피치가 코드 길이의 적어도 3배에 대응한다.
유동 방향으로 서로로부터 이격되고 유동방향에 대해 수직한 방향으로 서로로부터 이격되는 다수의 핀을 제공함으로써, 열 교환기의 더 큰 열 전달 계수가 달성될 수 있다. 또한 젖은 핀 표면으로부터 더 큰 비율의 물 흡수가 달성될 수 있다.
이론에 구속되지 않고, 유동이 각각의 핀에 의해 반복적으로 간섭되어 유동 방향으로 제한된 길이의 핀이 경계 층의 증강을 감소시킨다. 이러한 이론에 따라, 핀은 매트릭스로 배치되어, 각각의 핀은 이러한 매트릭스 내에서 주의깊게 선택된 위치를 가진다. 매트릭스 내의 각각의 핀의 위치는 아래의 설명을 고려하여 선택된다.
매체, 예들 들면 가스의 유동이 핀 위로 통과할 때, 경계 층이 핀의 표면에서 유동 내에 점차적으로 형성되어, 이는 층류로서 공지된 것을 형성한다. 이러한 경계 층은 매체의 주요 바디와 핀 사이의 열 전달을 감소시키는 단열 층으로서 작용한다. 그 결과는 매체가 핀의 길이를 따라 유동할 때 열 전달의 감소이다. 간접 증발형 냉각기의 경우, 이러한 경계 층은 핀 표면에 걸쳐 높은 습도 공기 층을 형성하는 것으로 믿어진다. 이러한 층은 높은 습도때문에 물을 흡수하기 위한 능력을 감소시킨다. 또한 공기 유동이 메인 바디로부터의 적은 습도의 공기가 물 흡수를 위해 핀 표면에 도달하는 것을 방지한다. 따라서 열 교환기 내의 열 전달을 감소시켜 간접 증발형 냉각기 내에서의 물 흡수가 감소되기 때문에 이 같은 경계 층의 존재는 단점이 된다.
핀 표면에서 경계 층의 형성에 의한 열 교환기 내의 층류 유동의 증강을 감소시키기 위해, 핀은 유동 방향으로 길이가 제한된다. 이러한 방식으로, 경계 층이 핀 표면에 형성되기 전 또는 경계 층이 핀 표면에 형성될 때 매체는 핀을 넘어 유동한다. 매체 유동이 핀을 넘을 때 층류 유동는 점차적으로 난류 유동으로 변환된다. 이를 고려하여, 유동 방향으로 정렬되는 핀은 매체가 하류부 핀의 전방 에지에 도달할 때까지 유용한 열 전달이 다시 발생할 수 있도록 상류부 핀에 의해 발생되는 층류 유동이 난류 유동으로 충분히 변환되도록 적절히 이격된다. 또한, 이러한 하류부 핀은 길이가 유동 방향으로 제한되고 추가의 하류부 핀으로부터 충분히 이격되어 매체가 다음 하류부 핀에 도달하기 전에 난류 유동이 재설정되도록 한다. 이러한 방식으로, 층류, 고립 유동이 충분히 회피되어 매체와 핀 사이의 유용한 열 전달이 얻어지고 및/또는 핀 표면으로부터 물의 유용한 흡수가 달성된다.
유동 방향으로 하나의 핀의 전방 에지와 바로 인접하는 핀의 전방 에지 사이 사이의 거리인, 바람직한 피치는 3개 이상의 코드(chord)이며, 더욱 바람직하게는 5개 이상의 코드이다. 코드 길이(c)는 유동 방향으로 볼 때 핀의 리딩 에지와 트레일링 에지 사이의 길이이다(도 1 및 도 6 참조).
위의 고려에 부가하여, 유동 방향으로 수직한 방향으로 인접한 핀은 이러한 인접한 핀들의 경계 층들 사이의 과잉 간섭을 회피하도록 적절히 이격되어야 한다.
이러한 고려를 이용하여, 과잉 경계 층 간섭을 회피하도록 유동 방향에 대해 수직한 방향으로 충분히 이격된 핀의 로(row) 및 층류 유동을 회피하도록 유동방향으로 충분히 이격된 핀의 컬럼(column)을 포함하는 핀의 매트릭스(matrix)가 제공된다.
열 교환의 더 큰 효율을 달성하기 위하여, 많은 개수의 핀 및 이에 따른 열 교환을 위한 큰 표면적을 제공하는 것이 유용하다. 그러나, 이는 전술된 고려시 잠식(encroaching) 없이 수행되어야 한다.
바람직한 일 실시예에서, 각각의 반복되는 그룹은 n 개의 핀을 포함하고 제 1 방향으로 인접한 그룹 내의 대응한 핀의 피치는 코드 길이의 n 배에 대응한다. 각각의 반복 그룹의 핀은 바람직하게는 서로로부터 n개의 오프셋 위치들 중 하나로 오프셋된다. 더욱 바람직하게는 n은 5 이상이고 각각의 핀은 두 개 이상의 오프셋 위치 만큼 다음 인접한 핀으로부터 이격된다.
열 전도판 및 핀을 형성하는 재료는 우수한 전도체이어야 한다. 따라서, 금속, 특히 알루미늄이 바람직하며 이는 가볍고 원하는 형상으로 용이하게 형성되기 때문이다.
대부분의 목적을 위해, 장치는 제 1 및 제 2 채널이 역류 유동에서 작동되도록 배치되는 것이 바람직하다. 그럼에도 불구하고, 특히 채널들 중 하나 내의 핀이 다른 채널 내의 핀에 대해 대체로 수직하게 배항되도록 배치됨으로써 교차 유동 작동(cross flow operation)이 또한 이용될 수 있다.
본 발명의 중요한 양태에 따라, 열 교환기는 간접 증발형 냉각기의 코어(core)를 형성한다. 이를 위해, 적어도 제 2 채널 내의 핀 상의 물 보유면 및 제 2 패널 내의 핀을 적시기 위한 물의 공급원을 제공한다. 제 2 채널 내에서 유동하는 공기는 물 보유면으로부터 습기를 흡수할 수 있다. 습기의 증발을 위한 잠열은 판을 따른 열 전도에 의해 제 1 채널 내를 유동하는 공기를 냉각하는 기능을 한다. 바람직하게는 냉각기는 이슬점 냉각 타입이어서, 제 2 유동은 예를 들면 제 1 유동의 일 부분을 분기함으로써 선냉각(pre-cooled)된다. 본 발명에 따른 열 교환기의 증가된 효율 때문에, 낮은 온도가 상당히 더 컴팩트한(compact) 구성으로 달성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라, 냉각 요소와 조합되어 위의 열 교환기를 포함하는 제습기가 제공된다. 제습기는 냉각 요소로 열 교환기의 제 1 채널을 통하여 공기의 유동이 통과하여 제 2 채널을 통하여 냉각 요소로부터 냉각된 공기를 회수하도록 배열된다. 열 교환기 내에 그리고 냉각기에 형성되는 응축된 물은 수집되어 적절한 배수부를 경유하여 제거된다. 열 교환기의 증가된 효율 때문에, 제습기의 전체 효율이 상당히 개선된다. 냉각 요소는 종래의 공기 제어 유닛일 수 있거나 선택적으로 물 냉각 장치를 포함한다.
제습기 또는 증발형 냉각기로서 이용하기 위해 또한 열 교환기를 수용하기 위한 하우징, 제 1 채널에 연결되는 유입 덕트, 제 1 및 제 2 채널로부터 연결되는 유출 덕트, 제 1 및 제 2 채널을 통하여 공기의 순환을 일으키기 위한 공기 순환 장치, 물 공급원 또는 배수부 및 장치의 작동을 제어하기 위한 제어기가 제공된다. 이 같은 장치는 이어서 스탠드 얼론 유닛(stand alone unit)으로서 작동될 수 있거나 더 큰 가열 및 환기 시스템 내로 통합될 수 있다. 또한, 온도, 압력, 습도 및 다른 이 같은 센서가 작동을 모니터링하기 위한 하우징 내에 그리고 제어기로 피드백을 제공하는 것이 필요한 곳에 제공될 수 있다.
본 발명은 또한 열 교환기의 제조 방법에 관한 것으로, 대체로 평면인 열 저도판을 제공하는 단계, 서로 연결되는 다수의 세장형(elongate) 핀 내로 판을 형성하여 판의 평면으로부터 다수의 오프셋 위치로 오프셋하는 단계, 제 1 및 제 2 유동 영역 내로 분리하기 위하여 판으로 스페이싱 재료의 세장형 스트립을 적용하는 단계, 스페이싱 재료 상으로 제 2 형성판을 적용하는 단계, 다수의 제 1 및 제 2 흐름 채널을 형성하도록 스트립 및 성형 판을 선택적으로 적용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서 스페이싱 재료는 프레임으로서 제공된다. 이 같은 프레임은 서로로부터 이격되고 하나 이상의 지지 비임으로 외측 단부에 부착되는 된 다수의 실질적으로 평행한 스페이싱 요소를 포함한다. 지지 비임은 정정 관계로 스페이싱 요소를 홀딩하도록 작용하여 스페이싱 요소가 제 1 및 제 2 유동 영역 중간에 판의 부분을 용이하게 제공할 수 있다. 바람직하게는 지지 비임은 임시 스캐폴드(scaffold)로서 이용되어 스페이싱 요소가 고정된 후, 예를 들면 절단 또는 스냅핑(snapping)에 의해 제거된다.
프레임을 이용함으로써 바람직한 하나의 방법은 제 1 성형 판을 제공하는 단계, 성형 판으로 스페이싱 요소으 제 1 프레임을 적용하는 단계, 스페이싱 요소의 제 1 프레임으로 제 2 성형 판을 적용하는 단계, 및 제 2 성형 판으로 스페이싱 요소의 제 2 프레임을 적용하는 단계를 포함한다. 이러한 단계는 원하는 개수의 판이 적층될 때까지 계속된다. 이러한 방식으로 스페이싱 요소 및 삽입된 판의 적층물이 구성될 수 있다.
접착제는 바람직하게는 판으로 스페이싱 요소를 부착하기 위해 제공된다. 이러한 접착제는 바람직하게는 열 및/또는 압력 활성 접착제이다. 스페이싱 요소 상의 코팅으로서 편리하게 제공될 수 있다.
접착제는 각각의 프레임 설치 단계 후 활성화될 수 있다. 그러나, 바람직한 하나의 제조 방법은 스페이싱 요소 및 삽입된 판의 적출물을 형성하는 단계 및 이어서 접착제를 활성화시키도록 적층물에 열 및/또는 압력을 인가하는 단계를 포함한다. 이러한 방식으로 접착 단계는 다중 판에 대해 한번 수행되는 것만이 필요하다.
열 접착제를 활성화시키는 바람직한 하나의 방법은 적층물을 통해 고온 공기를 통과시키는 것이다.
지지 비임은 바람직하게는 적층물의 접착 후 스페이싱 요소의 프레임으로부터 제거된다.
스페이싱 요소의 프레임으로 선택적으로 또는 조합하여 이용될 수 있는 선택적인 일 실시예에서, 실질적으로 평행한 판은 연속 시이트로서 형성된다. 연속 시이트는 콘서티나 같은 방식(concertina like fashion)으로 연속 시이트를 접음으로써 실질적으로 평행한 판의 적층물 내로 형성된다. 이러한 방식으로 실질적으로 평행한 판의 적층물은 단일 시이트 재료로 형성될 수 있다. 따라서 간단한 제조 공정이 얻어질 수 있다.
이 같은 공정에서 스페이싱 요소의 제 1 세트는 시이트의 부분으로서 형성되는 제 1 판으로 인가되고, 시이트는 이어서 자체적으로 역으로 접혀져서 시이트의 제 2 판 부분 및 제 1 판 사이에 스페이싱 요소가 삽입되며, 스페이싱 요소의 제 2 세트가 제 2 플레이트 부분으로 적용되며, 이전 단계가 판의 적층물을 형성하기 위하여 반복된다.
본 발명은 열 교환기의 제조 방법에 관한 것으로, 특별한 순서 없이, 다수의 세장형 열 전도 재료의 스트립을 제공하는 단계, 열 교환기 내의 제 1 흐름 채널 및 제 2 채널을 분리하는 스페이싱 요소를 형성하는 단계, 및 각각의 세장형 스트립이 제 1 및 제 2 흐름 채널 둘다 내로 스페이싱 요소를 통하여 연장하는 열 전도 핀을 형성하도록 스페이싱 요소 내로 세장형 열 전도 재료의 스트립을 결합시키는 단계를 포함한다.
열 전도 재료의 스트립은 열 저도 재료의 판을 쉬레딩(sheredding), 절단 또는 스탬핑(stamping)에 의해 또는 적절한 열 전도 재료의 사출(extrude)에 의한 것과 같은 다수의 선택적인 방식으로 형성될 수 있다.
본 발명의 추가의 양태는 증발형 냉각기를 제조하는 방법에 관한 것으로, 특별한 순서 없이, 다수의 열 전도 핀을 제공하는 단계로서, 각각의 핀의 적어도 일 부분이 물 보유면을 가지는, 핀 제공 단계, 제 1 흐름 채널 및 제 2 흐름 채널을 분리하는 스페이싱 요소 내로 핀을 결합하는 단계를 포함하며, 각각의 핀이 스페이싱 요소를 통하여 두 개의 제 1 및 제 2 흐름 채널 내로 연장하도록 하여, 물 보유면은 적어도 제 2 흐름 채널 내에 존재한다.
본 발명의 특징 및 장점은 다수의 전형적인 실시예의 도면을 참조할 때 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열 교환기의 판의 사시도이며,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열 교환기의 일 부분의 사시도이며,
도 3은 도 2의 열 교환기의 측면도이며,
도 4는 이슬점 냉각 장치로서 구성되는 열 교환기의 사시도이며,
도 5는 본 발명의 열 교환기가 제습기로서 배치될 수 있는 방식의 개략도이며,
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 열 교환기의 일 부분의 사시도이며,
도 7A 내지 도 7C는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열 교환기의 제 1 제조 방법의 단계를 보여주며,
도 8A 내지 도 8E는 제 2 실시예에 따른 열 교환기의 제 2 제조 방법의 단계 를 보여주며,
도 9는 핀 내로 형성되는 열 교환기용 판의 일 부분의 측면도이며,
도 10은 도 9의 핀을 포함하는 열 교환기의 측면도이다.
도 1은 본 발명의 열 교환기 내에 이용하기 위한 열 교환 요소(10)의 사시도이다. 열 교환 요소(1)는 약 70 마이크론 두께의 냉각 어닐링된 알루미늄 시이트로 형성되는 대체로 평면인 판(10)을 포함한다. 판(10)은 판(10)을 따라 제 1 방향(X)으로 대체로 직선으로 연장하는 분리기 영역(12)을 포함한다. 판(10)은 또한 일련의 세장형 핀(14)으로 분리된다. 핀(14)은 대체로 방향(X)에 대해 수직한 방향(Y)로 연장하고 각각의 핀(14)은 슬릿(16)에 의해 주변으로부터 분리된다. 따라서 핀(14)은 단부에서 분리기 영역(12)에 부착되는 브리지 형태이다. 핀(14)은 그룹(18)으로 배치된다. 각각의 핀(14A, B, C, D, E)은 상이한 양 만큼 방향(Z)으로 판(10)의 평면으로부터 오프셋된다. 핀(14A, 및 14D)은 상방으로 오프셋되고 핀(14B 및 14E)은 하방으로 오프셋된다. 핀(14C)은 판(10)의 평면에 배치된다. 그룹(18)은 판(10)을 따라 자체적으로 반복된다. 각각의 핀은 유동 방향으로 핀의 리딩 에지와 트레일링 에지 사이의 길이로서 얻어진 코드 길이(c)를 가진다.
도 2는 도 1에 도시된 바와 같이 다수의 판(10)으로 형성된 본 발명의 열 교환기(20)의 일 부분의 사시도이다. 도 2에 따라, 판(10)은 인접한 판(10)들 사이에 분리기 영역(12)으로 위치하는 스페이서(22)와 적층 관계로 배치된다. 스페이서(22)는 판(10)을 이격시키고 이들을 함께 본딩하는 기능을 하는 열가소성 접착제 를 포함한다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 핀(14)은 분리기 영역(12)으로 연결되는 램프 부분(24)을 가진다. 램프 부분(24)은 스페이서(24)를 위치시키고 분리기 영역(12)을 따라 스페이서를 배치하는 것을 한정하는 것을 보조한다. 도 2로부터 볼 수 있는 바와 같이, 스페이서(22)는 열 교환기(20)를 제 1 흐름 채널(26) 및 제 2 흐름 채널(28)로 분리한다.
도 3은 도 2의 열 교환기(20)의 측면도이다. 도 3으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 스페이서(22)는 제 2 채널(28)로부터 제 1 채널(26)을 분리하는 멤브레인을 효과적으로 형성한다. 또한 도 3으로부터, 핀(14A, B, C, D)의 오프셋 관계를 볼 수 있다.
도 10은 선택적인 열 교환기(20)의 측면도이다. 도 10에 제공된 스페이서(22)는 6각형 단면을 가진다. 도 2의 스페이서(22)와 유사한, 이러한 6각형 단면은 핀(14)의 램프 부분(24)과 접하며, 이 부분은 스페이서(22)가 조립되는 협동 시이트를 형성한다. 이러한 방식으로 스페이싱 요소(22)의 정확한 고정 위치가 달성된다. 다른 단면이 스페이서(22)용으로 이용될 수 있다는 것이 본원 발명의 기술분야의 기술자에게 명백할 것이다.
도 9는 또한 도 1 내지 도 3에 도시된 것에 대해 선택적인 핀 형성부를 보여준다. 도시된 바와 같이, 도 9의 핀은 채널 내의 다른 핀과 같이 각각 하나가 동일한 절대 길이(L)를 가지도록 형성된다. 핀의 절대 길이는 도 9에서 L로 표시된 점선에 의해 도시되는, 핀이 판에 연결되는 지점들 사이의 핀의 외형을 따른 거리로서 측정된다.
판 내에 핀을 형성할 때, 판의 불리한 비틀림이 발생할 수 있으며, 이는 특히 핀이 판으로부터 스탬핑에 의해 형성될 때의 경우이다. 핀이 모두 동일한 절대 길이를 가지도록 형성되는 것을 보장함으로써, 이러한 비틀림을 회피할 수 있다.
도 2, 3 및 10의 열 교환기 구성은 대체로 평면인 열 전도판이 서로 연결되어 판의 평면으로부터 다수의 오프셋 위치로 오프셋되는 다수의 세장형 핀 내로 형성되는 방법에 의해 형성될 수 있다. 핀은 동일한 평면 내에 일련의 연결된 스트립을 형성하도록 판을 첫번째로 절단하고, 이어서 두번째로 스탬핑, 벤딩, 스트레칭 또는 핀(14)을 위한 원하는 오프셋 위치가 주어지도록 원하는 형상으로 핀을 유사하게 형성함으로써 형성될 수 있다.
판이 형성될 때 스페이서(22)는 분리기 영역(12) 내에 배치된다. 여기서 스페이서는 램프 부분(24)에 의해 일시적으로 홀딩된다. 제 2 성형 판은 이어서 스페이서(22)에 부가되어, 스페이서의 상부에 분리기 부분(12)을 배치한다. 이러한 단계는 이어서 도 2, 3 및 10에 도시된 바와 같이 삽입된 스페이서 및 판의 적층물을 구성하기 위해 반복된다.
스페이서(22)는 단부에서 연결되고 판의 분리기 영역(12)에 대응하도록 이격되는 다수의 평행한 스페이서를 포함하는 사출 성형 프레임으로서 제공된다. 이는 유용하게는 스페이서가 벌크(bulk) 내의 판 상에 배치될 수 있는 것을 의미한다.
스페이서(22)는 열 활성 접착제의 외부면이 제공된다. 적층부가 형성될 때, 고온 공기가 적층부를 통하여 취입되고 압력이 인가되어 스페이서(22)들을 서로를 향하여 가압한다. 이러한 방식으로 접착제가 활성화되어 적층부가 서로 부착된다.
적층부가 부착된 후 프레임 상에 존재하는 지지 비임이 제거된다.
선택적인 방법에서 스페이서(22)는 다중 노즐 사출 헤드로부터 분리기 영역912) 내로 사출된다. 스페이서는 바람직하게는 판 표면 위 및 아래와 접촉하도록 배치되는 열 활성화 접착제의 비드와 공유 사출된다. 이러한 접착제는 제조 동안 함께 적층부를 일시적으로 홀딩하는 초기 택(tack)을 제공한다. 적층의 완료 후, 고온 공기가 적층물을 통과하여 접착제를 활성화시키고 압력이 스페이서들의 라인을 따라 인가되어 적층물을 서로 가압한다.
정밀한 적층물 높이는 스페이서를 압착하기 위한 압력의 인가에 의해 달성될 수 있다.
도 10에서 최종 층(15)은 채널(26, 28)을 밀봉하도록 제공되어 핀(14) 위에 공기 유동용 통로를 형성하도록 한다.
도 4는 도 2의 열 교환기(20)가 이슬점 냉각기(52) 내로 제조되는 방법을 보여준다. 도 4의 이슬점 냉각기는 이슬점 냉각기의 구성의 기본 원리를 설명하도록 여기서 도시된다. 도시된 핀(14)은 이슬점 냉각기에서 이용할 수 있는 하나의 타입의 핀이다. 바람직하게는, 그러나, 핀(14)은 위에서 제시된 원리와 같이 결정된 방식(도 4에 도시되지 않음)으로 배열되며, 이는 핀이 층류 유동 및 경계 층 간섭을 회피하도록 적절히 이격되어야 한다는 것이다. 간단함을 위해, 단지 32개의 짧은 채널이 도시되며, 실제로 판(10)은 모든 방향으로 상당히 멀리 연장될 수 있어 채널(26, 28)의 길이 및 개수 모두 더 크게 된다는 것을 이해하게 된다.
도 4에 따라, 제 2 채널(28) 내의 판(10)에는 액체 보유층(30)이 제공된다. 편리함을 위해, 이러한 층(30)은 단지 부분적으로 도시된다. 도 4는 또한 제 1 채널(26)을 위한 유입 덕트(34)를 도시한다. 유입 덕트(34)는 판(10)을 지나 연장하는 스페이서(22)의 재료에 의해 형성된다. 이러한 재료는 이어서 저절한 몰딩 기술에 의해 폐쇄형 유입 덕트(34)로 형성된다. 유입 덕트(34)는 순환 장치(35)로부터 제 1 채널(26)로 유입 공기를 지향시켜 유입 공기가 제 2 채널(28)로부터 나오는 공기 유동(B)와 별개로 유지되도록 하는 기능을 한다. 이슬점 냉각기로서 이용 중, 유동(B)은 통상적으로 습기로 포화되어 배출된다. 제 1 채널(26) 또는 제 2 채널(28)을 위한 입구 또는 배출구로서 덕트를 형성하는 다른 방법이 필요할 때 적용될 수 있다.
물 분배 시스템(36)은 또한 도 4에 도시된다. 물 분배 시스템(36)은 물의 소적(droplet;44)을 제 2 채널(28) 내로 배출하기 위해 물 공급원(39)으로부터 배출구로 형성되는 일련의 도관(38)의 형태이다. 핀들(14) 사이의 슬릿(16)은 소적(44)이 판(10)을 통하여 아래 위치하는 다른 판(10)으로 통과하는 것을 허용한다. 선택적인 물 분배 시스템이 또한 이용될 수 있다. 바람직한 장치는 그 내용이 본 명세서에서 전체적으로 참조되는, 실질적으로 국제 특허 출원 제 WO04/76931호에 설명된 바와 같은 옥시셀 루프톱(Oxycell Rooftop) 400 증발형 냉각기에서 현재 이용되는 시스템이다. 물 공급원(39) 및 순환 장치(35) 모두 제어기(50)에 의해 제어된다. 상기 장치는 적절한 하우징(도시안됨)으로 둘러싸일 수 있다.
증발형 냉각기의 효율적 작동에 있어 중요한 인자는 액체 보유층(30)의 성질이다. 액체 보유층이라고 지칭하였지만, 이 층은 사실상 액체 보유 및 방출층이라 는 것을 명확히 알 수 있다. 이러한 액체 보유층에 대한 요구는 물을 쉽게 내줘서 증발에 대한 최소 저항을 받도록 한다는 점이다. 또한 물을 신속하고 효과적으로 모든 관련 표면들에 분배해야 한다는 것이 중요하다. 따라서 흡습성이 없이 친수성이어야, 바람직하게는 주로 표면 장력 효과에 의해 물을 보유해야 한다.
도 4의 실시예에서, 액체 보유층(30)이 섬유 재료로 형성된다. 이 층(30)은 핀(fin, 14)들의 금속이 층(30)의 섬유들 사이의 공간을 통해 보일 수 있도록 매우 개방된 구조를 갖는 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 이것은 핀(14)들을 완전히 덮어버리지(smother) 않고 핀들로부터 직접적인 열 전달을 촉진하는 것으로 이해될 것이다. 두꺼운 위킹(wicking)층을 이용한 종래의 장치들은 열 전달층을 효과적으로 절연하여 열(thermal heat)의 전달을 방지하였다. 물 보유층(30)을 형성하기 위한 예시적 재료는 네덜란드의 란토르 비.브이.(Lantor B.V.)로부터 입수할 수 있는 20g/㎡ 폴리에스테르/비스코스 50/50 블렌드이다. 다른 예시적 재료는 네덜란드의 콜본드 엔.브이.(Colbond N.V.)로부터 ColbackTM이란 이름으로 입수할 수 있는 30g/㎡ 폴리아미드 코팅 폴리에스테르 섬유이다. 합성 섬유나 양털(wool)같은 천연 섬유를 포함한 유사한 특성을 갖는 기타 재료들이 사용될 수도 있다. 필요하다면, 액체 보유층(30)이 코팅되거나 향균 특성 또는 기타 오염방지 특성을 제공하도록 처리될 수 있다.
액체 보유층(30)은 판(10)에 점착성있게(adhesively) 부착될 수 있다. 전술한 란토르 섬유 및 알루미늄과 함께 사용하도록, 2 미크론의 2-성분 폴리우레탄 접 착제 층이 탁월한 결과를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 이와 같이 얇은 층으로 존재할 때, 열 전달에 대한 그의 효과는 무시할 수 있다. 또한, 액체 보유층의 존재는 판(10)으로부터 제 2 유동(B)으로의 열 전달에만 영향을 주고 제 1 채널(26)과 제 2 채널(28) 사이의 판(10) 내부에서 열 전도에는 심각한 영향을 미치지 않는다는 사실을 주지해야 한다. 전술한 섬유 층들은 연속 프로세스로 성형 핀(formed fin)이나 기타 형상이 될 수 있는 라미네이트(laminate)로 제공될 수 있어서, 제조 목적에 있어 이상적인 것으로 밝혀졌다. 포틀랜드 시멘트(Portland cement)와 같은 기타 액체 보유층들도 사용될 수 있는데, 비록 아직까지는 열 교환 요소의 형성 이전에 제공되면 균열이나 박편(flake)이 생기는 경향이 있어서 생산이 보다 복잡하기는 하지만, 실제로 탁월한 특성을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 그럼에도 불구하고, 알루미늄 산화물과 같은 다른 표면 마감재(finish)가 요구되는 위킹(wiking) 및 물 보유(water retention)를 제공하기에 적합할 수 있다.
도 4에 도시된 이슬점 냉각기(52)의 작동에 대해 설명한다. 제 1 공기 유동(A)이 온도(T1)에서 입구(34)로 들어가고 제 1 채널(26)을 통해 흐른다. 이 유동(A)은 순환 장치(35)에 의해 구동된다. 이 유동(A)은 판(10)으로의 열 전달에 의해 이슬점에 가까운 온도(T2)로 냉각된다. 냉각된 제 1 유동(A)이 제 1 채널(26)으로부터의 출구에서 냉각된 생성물 유동(C)과 제 2 유동(B)을 형성하도록 갈라진다. 생성물 유동(C)은 적절한 덕트에 의해 냉각된 공기를 필요로 하는 곳으로 전달된다. 제 2 유동(B)은 제 2 채널(28)을 통해 되돌아 온다. 제 2 유동이 돌아올 때, 이 유동은 판(10)으로부터의 열 전달에 의해 가열되고 액체 보유층(30)으로부터의 증발에 의해 습기를 취한다. 제 2 채널(28)로부터의 출구에서, 유동(B)은 그 원래 온도(T1)에 가깝게 복귀하였을 것이나 거의 100% 포화될 것이다. 유동(A)과 유동(B) 간의 엔탈피 차이는 생성물 유동(C)에 대해 이용가능한 냉각의 양을 나타낸다.
도 4의 구성에서, 제 1 채널(26)로부터 판(10)을 통해 제 2 채널(28)로 그 양 측면으로 양 방향(H)으로 열이 전도될 수 있다는 사실을 알 수 있다. 열은 또한 유동의 방향으로 전달될 수 있는데, 이것은 일반적으로 바람직하지 않다. 핀(14)들의 존재는 스페이서 영역(12)으로 제한되는 종방향 열 전달을 감소시킨다.
도 5는 본 발명의 열 교환기(20)에 기초한 제습기(58)를 도식적으로 나타낸 것이다. 도 5에 따르면, 제습기(58)가 도 2와 관련하여 설명된 열 교환기(20)를 포함한다. 열 교환기(20)는 제 1 및 제 2 채널(26, 28)을 포함한다. 또한, 냉각 요소(62)를 갖는 에어컨(60) 및 팬(64)이 제공된다. 에어컨(60)은 일반적으로 냉각 사이클(refrigeration cycle)에서 작동하는 종래의 장치이다. 냉각 요소(62)는 냉각 회로의 증발기 코일의 부분을 형성한다. 열 교환기(20) 아래에 누액 받이(drip tray, 66)가 배치된다. 냉각 요소(62) 아래에 거터(gutter, 68)가 배치된다. 거터(68)와 누액 받이(66)는 배수부(drain, 70)에 연결되어 있다. 도 5에 도시되지 않았지만 제 1 채널(26)로부터의 배출구를 공기 유동을 운반하기 위해 냉각 요소(62)에 연결하고 냉각 요소(62)를 제 2 채널(28)에 대한 입구로 다시 연결하기 위해 유동 연결부들이 있다. 역시 도시되지 않았지만 제 2 채널(28)로부터의 배출구로부터 팬(64)에 그리고 팬(64)으로부터 거주 공간(72)에 이르는 유동 연결부들 이 있다.
사용시, 제습기(58)는 다음과 같이 작동한다. 팬(64)이 작동하여 제 2 채널(28)을 통해 공기를 흡인하여 거주 공간(72)에 전달한다. 주위로부터 제 1 채널(26)을 통해 냉각 요소(62)를 거치도록 공기가 흡인된다. 제 1 채널(26)을 향해 입구에서 제습기(58)로 들어가는 공기는 온도(T1)를 가지며 상대 습도는 100%에 가깝다. 이 공기는 제 1 채널(26)을 통해 제 2 채널(28)로 이동할 때 열 교환에 의해 선냉각(pre-cooled)되고, 이 열 교환은 판(10)을 따라 발생한다. 이것이 냉각될 때, 공기 내에 존재하는 습기가 응축하여 핀(14)들 위에 모이고, 핀들 사이의 슬릿(16)들은 응축된 물이 누액 받이(66)로 방출되어 모이게 한다. 응축물의 수집을 돕기 위해, 핀(14)들, 특히 제 1 채널 내에 있는 핀들에 코팅이 제공되어 물의 위킹이나 배출을 촉진할 수 있다.
제 1 채널을 떠날 때, 공기는 온도(T1) 미만에 있는 온도(T2)를 가질 것이다. 상대 습도는 100%일 것이다. 다음으로, 공기가 냉각 요소(62) 위를 지나고 여기에서 에어컨(60)의 냉매와 열을 교환한다. 이 공기는 더 낮은 온도(T3)로 냉각된다. 냉각 요소(62)에 의한 추가 냉각 동안, 공기는 100% 습도의 포화선을 따라가고 추가로 물이 응축된다. 이 물은 거터(68)내에 모이고 누액 받이(66)로부터의 물과 함께 배수부(70)로 이동한다. 냉각된 공기가 냉각 요소(62)를 떠날 때 열 교환기(20)로 되돌아가서 제 2 채널(28)을 통과한다. 이 공기가 제 2 채널(28)을 통과할 때 제 1 채널(26)을 흐르는 공기와의 열교환에 의해 데워진다. 열 교환의 효율은 제 2 채널(28)로부터의 출구에서 공기가 대체로 원래 온도(T1)에 이르는 정도이 다. 그러나 이 공기는 상당량의 습기를 잃었을 것이고 주위 공기에 비해 훨씬 낮은 상대 습도를 가질 것이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열 교환기(100)의 한 요소의 사시도를 나타낸 것이다. 도 6에 따르면, 양 측면에 돌출하는 핀(114)들을 갖는 스페이서(122)가 제공된다. 스페이서의 측면 영역들이 제 1 채널(126)과 제 2 채널(128)을 형성한다. 제 1 내지 3도의 실시예와는 달리, 도 6의 열 교환기의 핀(114)들은 금속 판의 일부가 아니다. 이 핀(114)들은 스페이서(122) 내에 개별적으로 매립된 전도성 재료의 세장형(elongate) 스트립들이다. 각 핀(114)은 연속적이고 스페이서(122)를 통과한다. 이런 식으로 각 핀(114)이 제 1 및 제 2 채널 내로 돌출해 들어가도록 스페이서(122) 내에 매립된다. 도 6에서 볼 수 있듯이, 핀(114)들은 앞선 실시예들의 위치들에 공간적으로 대응하는 핀 그룹들(114A-E) 내에 배열된다. 이러한 위치들의 다른 변경도 물론 가능하다. 또한, 납작한 스트립들이 도시되었으나, 핀으로 지칭한 것은 프로펠러날개(aerofoil) 모양, 막대, 튜브 등을 포함하는 더 복잡한 모양을 포함하는 것을 의도하였다. 도 6의 열 교환기(100)는 또한 도 4의 이슬점 냉각기 또는 도 5의 제습기와 같은 장치들에 병합될 수도 있다.
도 7A 내지 7C는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열 교환기(100)의 제 1 제조 방법의 단계들을 나타낸 것이다. 도 7A에 따르면 알루미늄 시이트(sheet, 104)의 공급기(102)가 도시되어 있다. 시이트(104)가 절단기(shredder, 106)에 공급되고, 이것이 폭(c)을 갖는 다수의 개별 스트립(108)을 생성한다. 이 치수는 이하에서 코드(c)로 칭하기로 한다. 이격된 평행 라인들에서 스트립(108)의 제 1 열(112)이 지 그(jig, 미도시)상에 놓인다. 각 스트립(108)은 코드(c)의 4배에 해당하는 거리만큼 이웃 스트립과 이격된다. 플라스틱 재료의 다수의 비드(110)가 대체로 직교 관계로 스트립(108) 위로 사출된다(extrude). 이 비드(110)들은 여기에 자세히 기술하지 않은 이 분야에 잘 알려진 사출 노즐(extrusion nozzle)로부터 사출될 수 있다.
도 7B는 열 교환기(100)의 제조 방법에서 후속 단계를 나타낸다. 비드(110)의 사출에 후속하여, 스트립(108)의 제 2 열(116)이 비드(110)들 위로 놓여진다. 제 2 열(116) 내의 스트립(108)들은 제 1 열(112)내의 스트립(108)들에 평행하게 놓이지만 제 1 열(112)의 스트립(108)에 대해 코드(c)의 두 배만큼 엇갈려있다(staggered). 그런 후에, 비드(110)와 스트립(108)의 추가의 교번하는 층들이 서로의 위로 적용되어 3차원 구조물을 쌓는다.
도 7C는 완성된 열 교환기(100)를 나타낸다. 각 비드(110)의 층이 용융 상태로 아래의 층 위로 사출되기 때문에, 아래 층의 비드(110)들과 밀접한 접촉을 하게 된다. 이런 식으로, 각 표면으로부터 돌출하는 핀들(114A-E)을 갖는 연속적인 스페이서(122)가 생성된다. 도 6에 도시된 열 교환기 요소와 달리, 도 7C의 열 교환기(100)는 다수의 제 1 및 제 2 채널(126, 128)을 포함하고, 이로써 핀들(114A-E)이 모든 채널들을 가로질러 연속적이다. 숙련자가 이해하는 바와 같이, 열 교환기(100)의 제조에 수많은 변형이 시행될 수 있다. 앞선 실시예에서와 같이, 스트립(108)들은 구리 또는 합성 재료들을 포함하는 임의의 기타 적절한 열 전도 재료로 형성될 수 있다. 또한 성능의 향상, 특히 물 보유층들의 성능 향상을 위해 스트 립(108)들에 적절한 코팅 또는 피복(covering)이 제공될 수도 있다. 또한, 비드(110)들 및 스페이서(122)들이 대체로 직선형으로 도시되었으나, 구조물의 강도를 향상시키기 위해 곡선형이나 물결형의 벽도 형성될 수 있다.
도 8A 내지 8E는 제 2 실시예에 따른 열교환기의 제 2 제조 방법의 단계들을 나타낸다. 도 8A에 따르면, 상반부(132)와 하반부(134)를 포함하는 몰드(130)가 제공된다. 상, 하반부(132, 134)는 일반적으로 상보적인 형상을 가지며 제 1 방향으로 뻗은 단차형(stepped) 표면들(136A-E)과 상기 제 1 방향에 대체로 수직인 제 2 방향으로 뻗은 종방향 홈들(138)을 갖는다.
도 8B에서, 다수의 알루미늄 스트립(108)들이 몰드 하반부(134)의 단차형 표면들(136A-E)상으로 배치된다. 이 스트립(108)들은 도 7A의 절단기(106)와 같은 장치에 의해 생성될 수도 있고 미리 절취된(pre cut) 스트립으로서 직접 공급될 수도 있다. 또한 하나의 판이 몰드(130) 또는 적절한 프레스의 작용에 의해 스트립(108)들로 절단되는 것도 가능하다.
도 8C에서 몰드(130)를 폐쇄하기 위해 몰드 상반부(132)가 몰드 하반부(134) 위로 덮혀진다. 종래의 사출 성형 기술에 따라 용융된 플라스틱 재료(140)가 홈드(138)로 주입된다.
도 8D에서, 플라스틱 재료의 냉각시, 몰드(130)가 개방된다. 이 플라스틱 재료(140)는 핀(114A-E)으로서 스트립(108)들이 매립된 스페이서(122)들을 구비한 대체로 직사각형 격자(grid)의 형태인 열 교환기 요소(142)를 형성하게 된다.
도 8E에서 열교환기 요소(142)가 다른 유사한 요소(142)들과 적층되어 제 1 및 제 2 채널(126, 128)을 갖는 열 교환기(100)를 형성한다. 단일 구조물을 형성하기 위해 인접 요소들(142) 사이에 적당한 접착 물질(144)이 도포된다. 숙련자라면 대안적인 접합 기법들이 사용될 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 특히, 스페이서(122)들은 서로 결합되는 상보적인 상, 하부면(예컨대, 돌기부(tongue)와 홈)을 구비하게 형성될 수 있다. 이 상보적인 면들은 단지 정렬을 위한 것일 수도 있고 후속하는 접착제와 함께 또는 접착제 없이 요소(142)들을 기계적으로 연결하는데 기여할 수도 있다. 위 실시예들과 관련하여 알 수 있는 바와 같이, 스페이서들은 직선형일 필요는 없고 완성된 열 교환기의 구조적 강도를 증가시키기 위해 대안적으로 곡선형, 물결형 또는 지그재그 경로일 수 있다. 또한, 납작한 스트립(108)들이 도시되었으나, 핀들(114A-G)은 전술한 바와 같은 대안적 단면들을 가질 수 있고 각이 질(angled) 수도 있다. 따라서 스트립(108)들이 제 2 채널(128)과 다르게 제 1 채널(126)의 영역에서 각이 진 것도 본 발명의 범주에 속한다. 이런 식으로 대향 유동(counter flow) 및 교차 유동(cross flow)을 포함하여 열 교환기(100)에 다른 유동 형태(flow regime)가 적용될 수 있다.
따라서, 본 발명을 전술한 특정 실시예들을 참고로 하여 기술하였다. 이러한 실시예들은 이 분야의 숙련자에게 잘 알려진 대안적 형태와 다양한 변경으로도 가능하다. 특히, 냉각 요소의 구성은 도 5에 도식적으로 나타낸 설계와 전혀 다를 수 있고 추가 냉각 요소들이 이 제공될 수도 있다. 또한, 이슬점 냉각기와 제습기로 나타내었으나, 본 발명의 열 교환기는 효율적인 열 교환 또는 재생이 중요시되는 기타 시스템에 이용될 수 있다. 또한, 본 열 교환기가 전체적으로 평판들의 적층 구성으로 기술되었지만 예를 들어 열 교환기 판과 스페이서를 말아서 롤(roll)을 형성하는 것 등에 의해 다른 구성들로도 유사한 효과를 얻을 수 있다는 점을 알 수 있을 것이다.
전술된 것 외에 다양한 변형들이 본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않고 여기에 기술된 구조들과 기법들에 의해 이루어질 수 있다. 따라서, 비록 특정한 실시예들이 기술되었으나, 이들은 예시적인 것에 불과하며 본 발명의 범주를 제한하지 않는다.

Claims (25)

  1. 대체로 평행한 관계로 이격되게 배열된, 대체로 평면인 한 쌍의 열 전도 판들과,
    상기 판들을 서로 분리시키고 각각 제 1 방향과 제 2 방향의 유동을 위해 상기 판들 사이에 제 1 및 제 2 유동 채널을 형성하는 스페이싱 요소들을 포함하고,
    적어도 상기 제 1 유동 채널에서 상기 판들이 핀(fin)들로 분할되고, 이 핀들은 상기 제 1 방향으로 서로 분리되어 있으며 상기 제 1 방향에 수직인 판으로부터 다수의 오프셋 위치들로 오프셋되어 있는
    열 교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 상기 제 2 유동 채널에서 상기 핀들 상의 물 보유면 및 상기 제 2 유동 채널에서 상기 핀들을 적시는 물 공급원을 포함하는
    열 교환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 핀들은 상기 제 1 방향에 수직인 판으로부터 적어도 4개의 위치로 오프 셋되는
    열 교환기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀들이 코드 길이를 가지고 반복적인 그룹으로 배열되며, 이로써 각 반복적인 그룹의 핀들이 상기 제 1 방향으로 서로 엇갈려 있고 상기 제 1 방향에 수직인 방향으로 서로 오프셋되어 있으며 또한 상기 제 1 방향으로 인접한 그룹들의 상응하는 핀들의 피치가 상기 코드 길이의 세 배 이상, 더 바람직하게는 상기 코드 길이의 다섯 배 이상인
    열 교환기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 제 1 및 제 2 유동 채널들을 포함하는
    열 교환기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 채널 내의 오프셋된 핀들이 서로 동일한 절대 길이(absolute length)를 갖도록 형성되는
    열 교환기.
  7. 대체로 평면인 열 전도 판을 제공하는 단계와,
    상기 판을, 서로 연결되고 상기 판의 평면으로부터 다수의 오프셋 위치로 오프셋된 다수의 핀들로 형성하는 단계와,
    스페이싱 재료의 세장형 스트립들을 상기 판에 적용하여 격자를 형성하는 단계와,
    추가 격자를 형성하기 위해 상기 단계들을 반복하는 단계와,
    다수의 제 1 및 제 2 유동 채널을 형성하기 위해 상기 격자들을 적층하는 단계를 포함하는
    열 교환기의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    스페이싱 재료의 다수의 스트립들이 상기 판 위로 동시에 사출되는
    열 교환기의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 스페이싱 재료가 적어도 부분적으로 접착제, 바람직하게는 열 반응(heat active) 접착제로 코팅된 사출 성형된 프레임으로서 제공되는
    열 교환기의 제조 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    성형된 판들과 스페이싱 재료의 다수의 격자들이 서로 적층되고, 그런 다음 가압 및/또는 가열되어 이 격자들을 서로 부착시키는
    열 교환기의 제조 방법.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 전도 핀들이 코드 길이를 가지고 반복적인 그룹으로 배열되며, 이로써 각 반복적인 그룹의 핀들이 제 1 방향으로 서로 엇갈려 있고 상기 제 1 방향에 수직인 방향으로 서로 오프셋되어 있으며 또한 상기 제 1 방향으로 인접한 그룹들의 상응하는 핀들의 피치가 상기 코드 길이의 세 배 이상인
    열 교환기의 제조 방법.
  12. 제 1 방향의 유동을 위한 제 1 유동 채널과,
    제 2 방향의 유동을 위한 제 2 유동 채널과,
    상기 제 1 유동 채널과 상기 제 2 유동 채널을 분리시키는 스페이싱 요소와,
    상기 스페이싱 요소를 통해 상기 제 1 및 제 2 유동 채널 내로 연장하는 다수의 열 전도 핀들을 포함하고,
    적어도 상기 제 1 유동 채널에서 상기 핀들이 코드 길이를 가지고 반복적인 그룹으로 배열되며, 이로써 각 반복적인 그룹의 핀들이 상기 제 1 방향으로 서로 엇갈려 있고 상기 제 1 방향에 수직인 방향으로 서로 오프셋되어 있으며 또한 상기 제 1 방향으로 인접한 그룹들의 상응하는 핀들의 피치가 상기 코드 길이의 세 배 이상인
    열 교환기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 핀들이 상기 스페이싱 요소를 통해 개별적으로 연장하는 전도성 재료의 개별 스트립들을 포함하는
    열 교환기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    대체로 평행한 관계로 이격되게 배열되고 상기 스페이싱 요소를 통해 연장하는 다수의 열 전도 판들을 포함하고, 상기 판들은 상기 제 1 및 제 2 유동 채널에 핀들을 형성하도록 철취되어 있는
    열 교환기.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스페이싱 요소 또는 요소들이 열적 절연 재료를 포함하는
    열 교환기.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 스페이싱 요소들 및 다수의 제 1 및 제 2 유동 채널들을 더 포함하는
    열 교환기.
  17. 제 1, 3, 4, 5, 6 항 또는 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 열 교환기를 포함하고, 적어도 상기 제 2 유동 채널에서 상기 핀들 상의 물 보유면과 제 2 유동 채널에서 상기 핀들을 적시는 물 공급원을 더 포함하는
    증발형 냉각기.
  18. 제 1 항 내지 제 6 항 또는 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 열 교환기를 포함하고 냉각 요소를 더 포함하며,
    상기 제 1 유동 채널을 통해 상기 냉각 요소로 공기의 유동을 통과시키고 냉각된 공기를 상기 냉각 요소로부터 상기 제 2 유동 채널을 통해 복귀시키도록 배열된
    제습기.
  19. 열 교환기의 제조 방법으로서,
    세장형 열 전도 재료의 다수의 스트립들을 제공하는 단계와,
    상기 열교환기 내에서 제 1 방향의 유동을 위한 제 1 유동 채널과 제 2 방향의 유동을 위한 제 2 유동 채널을 분리시키는 스페이싱 요소를 형성하는 단계와,
    세장형 열 전도 재료의 상기 스트립들을 상기 스페이싱 요소로 병합시켜서 각 세장형 스트립이 상기 스페이싱 요소를 통해 상기 제 1 및 제 2 유동 채널 내로 연장하는 열 전도 핀을 형성하도록 하는 단계를, 특별한 순서없이 포함하는
    열 교환기의 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    세장형 열 전도 재료의 상기 스트립들이 열 전도 재료의 판을 절단(shredding) 또는 스탬핑(stamping)함으로써 형성되는
    열 교환기의 제조 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 세장형 스트립들을 병합한 상기 스페이싱 요소들이,
    단일 평면 내에 있는 열 전도 재료의 대체로 평행하고 이격된 세장형 스트립들의 제 1 층을 제공하는 단계와,
    격자를 형성하기 위해, 스페이싱 재료의 세장형 스트립들을 열 전도 스트립들의 상기 제 1 층에, 상기 열 전도 스트립에 대해 대체로 수직으로 적용하는 단계와,
    단일 평면 내에 있는 대체로 평행하고 이격된 열 전도 스트립들의 제 2 층을 앞서 적용된 스페이싱 재료에 적용하는 단계와,
    앞서 적용된 스페이싱 재료와 동시에 스페이싱 재료의 세장형 스트립들을 열 전도 스트립들의 상기 제 2 층에 적용하는 단계
    에 의해 형성되는
    열 교환기의 제조 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    대체로 수평하고 이격된 플랫폼들을 갖는 제 1 반부(half) 및 이 제 1 반부와 상보적인 제 2 반부를 포함하는 몰드가 제공되고, 상기 플랫폼들 상에 열 전도 재료의 세장형 스트립들이 놓일 수 있고, 상기 플랫폼들에 대체로 수직으로 홈들이 뻗어 있고, 스페이싱 요소를 형성하기 위해 상기 플랫폼들 위에 세장형 열 전도 스트립들을 놓고 상기 홈들 내로 알맞은 재료를 주입함으로써 상기 세장형 스트립들을 병합한 스페이싱 요소가 형성되고, 이로써 격자를 형성하는
    열 교환기의 제조 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    다수의 격자들이 형성되고 그런 다음 적층되어 다수의 제 1 및 제 2 유동 채널들을 형성하는
    열 교환기의 제조 방법.
  24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서,
    상기 플랫폼들이 서로 상이한 높이들에 있어서 상기 스트립들이 상기 제 1 방향에 수직인 방향으로 서로 오프셋되는
    열 교환기의 제조 방법.
  25. 제 19 항 내지 제 24 항에 있어서,
    상기 열 전도 핀들이 코드 길이를 가지고 반복적인 그룹들로 배열되고, 이로써 각 반복적인 그룹의 핀들이 상기 제 1 방향으로 서로 엇갈려 있고 상기 제 1 방향에 수직인 방향으로 서로 오프셋되며 또한 상기 제 1 방향으로 인접한 그룹들의 상응하는 핀들의 피치가 상기 코드 길이의 세 배 이상인
    열 교환기의 제조 방법.
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