KR20130022738A - 적층형 인쇄회로기판 전열기 및 이를 활용한 기체 가열장치 - Google Patents

적층형 인쇄회로기판 전열기 및 이를 활용한 기체 가열장치 Download PDF

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Abstract

열교환 효율이 우수하고 크기가 작은 기체 가열장치가 개시된다. 기체 가열장치는, 표면에 다수의 미세 유로가 형성된 인쇄회로기판이 다수개 적층된 발열체부, 상기 발열체부를 수용하는 하우징 및 상기 하우징 내부로 기체를 유입하고 유출시키는 헤더부를 포함하여 구성된다.

Description

적층형 인쇄회로기판 전열기 및 이를 활용한 기체 가열장치{STACKED TYPE PRINTED CIRCUIT ELECTRIC HEATER AND GAS HEATER USING THEREOF}
본 발명은 인쇄회로기판을 이용하여 크기가 작고 열전달 효율이 우수한 기체 가열장치에 관한 것이다.
기존의 금속발열체를 이용한 고온가열기의 경우, 금속발열봉다발 집합체를 발열시켜 그 주변의 기체를 가열하는 방식이 일반적으로 쓰인다. 그러나 이러한 방식의 금속발열봉다발 집합체로 구현할 수 있는 단위 부피당 열전달 면적에는 한계가 있기 때문에 열전달 효율이 제한적이다.
이러한 문제는 기체 가열기 크기와 성능에 영향을 미치며, 예를 들어, 3인치 배관에서 0.5㎏/s 유량의 상온 헬륨을 300℃로 가열하기 위해서 일반적으로4.5m 길이의 헬륨 가열기 2기가 필요하다. 또한, 성능 면에서 금속발열체가 녹는 문제로 인하여 기체를 900℃ 이상으로 가열하기 어렵다. 이러한 문제로 인해 1000℃ 이상의 초고온 영역에서는 발열체 재질로 흑연 계열을 사용할 수 있다. 그러나 흑연 발열체는 산소가 포함된 환경에서는 사용이 불가능하고, 흑연 가루가 배관을 오염시키는 문제와 흑연의 기계적 강도가 매우 낮아 다루기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 기존의 금속발열체는 봉 또는 판 형태의 발열체가 군집을 이루기 때문에, 발열체에 전력을 공급하기 위해 각각의 배선이 요구되며, 이러한 배선으로 인하여 유로 내 기체 흐름을 방해하거나, 잔 고장의 원인이 될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 열전달 효율이 높고 크기가 작은 기체 가열장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 500℃ 이상 고온에서 사용이 가능한 기체 가열장치를 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 실시예들에 따른 기체 가열장치는, 표면에 다수의 미세 유로가 형성된 인쇄회로기판이 다수개 적층된 발열체부, 상기 발열체부를 수용하는 하우징 및 상기 하우징 내부로 기체를 유입하고 유출시키는 헤더부를 포함하여 구성된다.
일 측에 따르면, 상기 유로는 상기 인쇄회로기판 표면에 식각을 이용하여 형성된다. 여기서, 상기 발열체부는 상기 인쇄회로기판이 확산접합(diffusion welding, DFW), 용접(welding), 납땜(brazing), 또는 확산접착(diffusion bonding) 중 어느 하나의 방법으로 적층 및 결합된다. 또한, 상기 발열체부는 상기 유로의 방향이 서로 일치하거나 서로 교차되도록 다수의 인쇄회로기판이 적층된다.
일 측에 따르면, 상기 유로는 상기 인쇄회로기판 상에서 직선, 곡선 또는 지그재그 형태 중 어느 하나 이상의 형태로 형성된다.
일 측에 따르면, 상기 하우징은 압력용기로 형성된다.
일 측에 따르면, 상기 발열체부의 일측에는 전원을 인가하기 위한 배선이 구비된다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면 미세 유로가 형성된 다수의 인쇄회로기판이 적층되므로 크기가 작고 열전달 효율이 우수하고 크기가 작은 기체 가열장치를 제공할 수 있다.
또한, 높은 열전달 효율을 통해 금속 발열체와 기체와의 온도 차를 획기적으로 감소시켜 기존의 금속 발열체를 이용한 기체 가열기 보다 높은 온도인 500℃ 이상의 고온 영역에서 사용이 가능하며, 비금속(흑연) 발열체를 사용하지 않으므로 오염을 방지할 수 있다.
또한, 배선으로 인한 유로 내 기체 흐름을 방해하거나 잔 고장의 원인을 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 가열장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 기체 가열장치에서 발열체부의 단면도이다.
도 3은 도 1의 발열체부의 평면도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 가열장치(10)에 대해 상세하게 설명한다.
기체 가열장치(10)는 인쇄회로기판(111)이 다수 개 적층 형성된 발열체부(11)와 하우징(12) 및 헤더부(13)를 포함하여 형성된다.
발열체부 (11)는 표면에 다수의 미세 유로(112)가 형성된 인쇄회로기판(111)이 다수 개 적층되어 형성된다.
인쇄회로기판(111)은 소정 형태 및 프로파일을 갖는 다수의 유로(112)가 형성된다. 유로(112)는 인쇄회로기판(111)에 식각 등의 방법으로 형성된다. 여기서, 적층형 인쇄회로기판 집합체 내부에 수많은 소형 유로(예를 들어, 직경 10㎜ 이하)가 집적되어 있기 때문에 같은 유동면적을 기준으로 기존 기체 가열장치에 비해 열전달 면적이 수 배 크며, 이를 바탕으로 기체 가열장치를 획기적으로 소형화 할 수 있다.
유로(112)는 기체의 유동이 원활하게 이루어지도록 다수의 유로가 조밀하게 형성된다. 또한, 유로(112)를 유동하는 기체의 열교환이 단시간에 효과적으로 이루어지고 열전달 면적을 최대화할 수 있도록 미세 유로(112)가 형성된다. 또한, 유로(112)는 열교환이 효과적으로 이루어질 수 있도록 유동 길이를 최대화할 수 있도록 형성된다.
본 실시예에서는 도 3에 도시한 바와 같이, 유로(112)가 인쇄회로기판(111)의 면 상에서 긴 채널이 대략 'ㄹ'자 또는 'S'자 형태로 형성될 수 있다. 이는 인쇄회로기판(111) 상에서 기체의 유동 길이를 최대화하기 위한 일 예이다.
그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 유로(112)의 길이와 형태 및 수는 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다. 즉, 유로(112)는 단순한 직선이나 곡선이 다수 개 배치된 형태로 형성될 수 있다. 또는 유로(112)는 곡선 형태나 지그재그 형태, 지그재그 형태에 비해 꺾이는 부분이 완만한 곡선 형태를 갖는 웨이브 형태, 중첩된 다각형 형태 중 어느 하나의 형태 또는 두 개 이상의 형태가 중첩 혼합된 형태를 가질 수 있다.
발열체부(11)는 유로(112)의 방향이 서로 일치하거나 서로 교차하도록 인쇄회로기판(111)이 적층된다. 여기서, 유로(112)의 방향이 '일치'한다고 함은, 도 2에 도시한 바와 같이, 각 인쇄회로기판(111)에 형성된 유로(112)에 기체가 유입 및 유출되는 방향과 진행하는 방향이 서로 일치하는 것을 의미한다. 그리고 유로(112)의 방향이 '교차'한다고 함은, 서로 인접하여 적층된 인쇄회로기판(111)에서 유로(112)에 기체가 유입 및 유출되는 방향이 서로 평행하지 않고 소정의 각도로 진행되는 것을 의미한다. 일 예로 유로(112)가 90° 교차하거나, 서로 180° 반대방향으로 교차될 수 있다.
또는, 소정 매수의 인쇄회로기판(111)은 유로(112)의 방향이 일치하도록 배치되고, 상기한 인쇄회로기판(111)에 인접한 소정 매수의 인쇄회로기판(111)은 상기 인쇄회로기판(111)의 유로(112)와 교차하도록 배치될 수 있다. 즉, 소정 매씩의 인쇄회로기판(111)이 한 그룹으로 그룹화되어 배치되는 것도 가능하다.
그리고 유로(112)가 형성된 인쇄회로기판(111)을 적층한다.
여기서 각 인쇄회로기판(111)은 적층된 상태에서 위치를 고정시키기 위해서 접착될 수 있다. 예를 들어, 인쇄회로기판(111)은 확산접합(diffusion welding, DFW)하여 서로 적층 및 결합시킨다. 또는, 인쇄회로기판(111)은 용접(welding), 납땜(brazing), 또는 확산접착(diffusion bonding) 중 어느 하나의 방법으로 서로 적층 및 결합될 수 있다.
또한, 발열체부(11)는 열의 발산이 용이하도록 금속 재질로 형성된다. 예를 들어, 발열체부(11)는 하스텔로이(hastelloy), 인코넬(inconel), 인코로이(incoloy), 모넬(monel), 철(steel), 스테인리스 스틸(stainless steel), 구리(cupper), 티타늄(titanium), 니켈-크롭 합금, 철-크롬 합금 중 어느 하나의 금속 또는 두가지 이상 혼합된 금속 재질로 형성될 수 있다. 여기서, 본 실시예들에 따르면, 발열체부(11)로 금속 재질로 형성함으로써 흑연 계열 등의 비금속 재질의 발열체를 사용하는 경우 배관을 오염시키거나 기계적 강도가 낮다는 단점을 해결할 수 있다.
하우징(12)은 발열체부(11)를 수용하고 외부와 단열 및 전열 재질로 형성된다. 또한, 하우징(12)은 고압(예를 들어, 100 기압 이상) 환경에서도 기체를 안정적으로 가열할 수 있도록 압력 용기로 구성된다.
하우징(12)의 일측에는 하우징(12) 내부로 기체를 유입 및 유출시키는 헤더부(13)가 구비된다.
발열체부(11)에 전원을 인가하기 위한 배선(14)이 발열체부(11) 일측에 구비된다. 배선(14)은 도면에 도시한 바와 같이 적층된 인쇄회로기판(111)의 외부에 구비되므로, 배선(14)이 유로(112) 및 유동에 영향을 주지 않는다. 또한, 배선(14) 및 하우징(12)의 구조를 단순화시킬 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 미세 유로(112)가 다수 형성된 인쇄회로기판(111)을 다수매 적층하여 형성하므로, 같은 유동면적을 기준으로 하였을 때, 열전달 면적이 크기 때문에 열전달 효율이 높고, 기체 가열장치(10)의 크기를 효과적으로 소형화할 수 있다. 또한, 본 실시예들에 따르면, 필요한 만큼의 인쇄회로기판(111)을 적층하여 제작하므로, 대용량 기체 가열장치(10)의 제작이 가능하다. 또한, 압력 용기의 하우징(12) 내부에 발열체부(11)가 구비되므로 내열 및 내압 특성이 우수하다. 또한, 배선 작업의 필요가 없기 때문에 구조를 단순화시킬 수 있고, 배선 및 배선 다발에 의해 유로가 간섭이 발생하지 않으며, 고장이 적고 유지보수가 용이하다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 기체 가열장치
11: 발열체부
12: 하우징
13: 헤더부(header)
14: 배선
111: 기판
112: 유로

Claims (8)

  1. 표면에 다수의 미세 유로가 형성된 인쇄회로기판이 다수개 적층된 발열체부;
    상기 발열체부를 수용하는 하우징; 및
    상기 하우징 내부로 기체를 유입하고 유출시키는 헤더부;
    를 포함하는 기체 가열장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로는 상기 인쇄회로기판 표면에 식각을 이용하여 형성된 기체 가열장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발열체부는 상기 인쇄회로기판이 확산접합(diffusion welding, DFW), 용접(welding), 납땜(brazing), 또는 확산접착(diffusion bonding) 중 어느 하나의 방법으로 적층 및 결합되는 기체 가열장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발열체부는 상기 유로의 방향이 서로 일치하거나 서로 교차되도록 다수의 인쇄회로기판이 적층되는 기체 가열장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유로는 상기 인쇄회로기판 상에서 직선, 곡선, 지그재그, 웨이브 형태 중 어느 하나 또는 하나 이상의 형태가 결합된 형태로 형성된 기체 가열장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 발열체부는 상기 인쇄회로기판 상에서 채널이 'ㄹ'자 또는 'S'자 형상으로 형성된 기체 가열장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 압력용기인 기체 가열장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발열체부의 일측에는 전원을 인가하기 위한 배선이 구비되는 기체 가열장치.
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