KR20130085929A - 열 교환기 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

현열 에너지 교환 및 잠열 에너지 교환 효율이 다양화될 수 있고, 제어될 수 있으며, 특히 개선될 수 있어 엔탈피 교환기를 구성할 수 있는 열 교환기 소자가 제공되며, 상기 열 교환기 소자를 제조하는 방법은 a) 설정된 외부 치수를 가지고 가장자리부 안쪽 영역에 주름부가 형성된 판 부재 소자를 제조하는 단계와, b) 기설정된 영역에 기설정된 치수로 상기 판 부재에 천공을 형성하는 단계와 c) 잠열 에너지 회수 기능을 가진 폴리머를 상기 천공에 채우는 단계 및 상기 폴리머를 경화시키는 단계를 포함한다.

Description

열 교환기 소자 및 그 제조방법{Heat exchanger element and method for the production}
본 발명은 열 교환기 소자에 관한 것이다. 나아가, 본 명세서는 열 교환기 소자의 제조 방법을 개시한다. 마지막으로, 본 발명은 개선된 열 교환기 소자를 포함하는 열 교환기에 관한 것이다.
본 발명이 속한 영역에서 목적에 따라 상이한 종류의 열 교환기들이 이용되는 것이 알려져 있다. 일반적으로, 열 교환기는 하나의 유체 또는 매체로부터 다른 곳으로 열 에너지를 회수하는데 이용된다. 이러한 종류의 열 에너지는 현열 에너지(sensible energy)로 불린다. 하나의 유체, 일반적으로 공기의 열 에너지 또는 현열 에너지는 그와 인접하여 흐르는 낮은 온도에 있는 다른 흐름, 예를 들어 평행류(parallel flow), 대향류(counter flow) 또는 직교류(cross flow) 속으로 회수된다. 유체 흐름을 역전시키면, 둘 사이의 교환은 냉각 흐름을 생성하게 될 것이다. 현열 에너지 회수에 이용되는 열 교환기는 일반적으로 금속 또는 플라스틱 판 부재들로 만들어진다. 열 교환기는 직교류, 평행류 또는 대향류를 형성할 수 있는 다양한 유형이 있다. 상기 판 부재들은 그 사이에 유동 채널을 형성하여 유체가 판 부재들 사이를 흐를 수 있도록 한다. 이러한 장치는 예를 들어, 주거용 및 산업용 환기장치(HRV)로 이용된다.
에너지 교환기의 다른 유형은 수분에 의한 소위 잠열 에너지(latent energy)에 관한 것이다. 잠열을 열 교환하기 위해서, 건조제가 코팅된 금속 또는 플라스틱 기판 또는 건조제가 스며든 셀룰로스 또는 폴리머로 만들어진 멤브레인(membrane)들을 이용하는 것이 알려져 있다. 셀룰로스 또는 폴리머로 만들어진 판 부재들 사이에, 판 부재들의 표면을 따라 유체가 지나갈 수 있도록 하는 공기 통로가 형성되어, 수분을 하나의 유체로부터 다른 유체로 전달한다. 상기 멤브레인들은 일반적으로 구조적 강성이 없기 때문에 프레임 또는 그리드(grid)와 결합되어 멤브레인들 사이에 공간을 형성하는 것으로 알려져 있다.
위의 구성을 결합한 경우, 그 에너지 교환기는 엔탈피(Enthalpy) 교환기로 불리운다. 이러한 엔탈피 교환기는 현열 에너지와 잠열 에너지를 교환할 수 있게 하여, 전체 에너지(Total Energy) 회수를 실현한다.
현재 이용 가능한 멤브레인 재료는 롤(roll) 형태로 옮겨진다. 멤브레인 재료는 엔탈피 교환기의 가장 핵심적인 부품이다. 멤브레인은 일종의 그리드 또는 프레임에 고정되어 밀폐되어야 하며, 각각의 멤브레인 층 사이를 유체가 흐를 수 있도록 배치되어야 한다. 따라서, 공지의 엔탈피 교환기는 타협적인 것이 자명하다. 공지의 엔탈피 교환기는 일반적으로 그에 이용되는 멤브레인의 선택적인 범위와 특성에 따라 잠열 에너지를 얻기 위해 현열 에너지를 잃어야 할 것이다.
각각의 소자들로 구성되는 열교환기가 예를 들어, 국제특허공개공보 WO02/072242 A1호에 개시되어 있다. 상기 공보에 따르면 섬유로 만들어지는 각각의 멤브레인들이 그리드 상에 배치된다. 상기 그리드는 상이한 공기 흐름 방향을 형성하기 위해 스테이플러로 고정되어 판 부재들의 방향을 변경시킨다.
국제특허공개공보 WO02/072242호
상술한 종래기술과 관련하여, 본 발명은 열 교환기 소자, 열 교환기 및 열 교환기 소자의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 개선된 열 교환기 소자는 현열 에너지 교환과 잠열 에너지 교환 효율이 다양화되고 제어 가능하며 특별히 개선될 수 있는 엔탈피 교환기를 형성하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면, 상술한 목적은 청구항 제1항에 따른 열 교환기 소자의 제조 방법에 의해 달성된다. 또한, 열 교환기 소자에 대한 상기 목적은 청구항 제11항의 특징을 구비한 소자에 의해 달성된다. 열 교환기는 청구항 제18항에 청구되어 있다. 개선된 다른 기술적 특징들은 종속 청구항에 기재되어 있다.
본 발명에 따르면, 한편으로는 임의 형태의 직교류 및/또는 대향류 에너지 교환기의 공기 유동 채널을 형성하기에 충분한 구조적 강도와 밀도를 가져서 현열 에너지 교환에 적합한 구조적으로 강한 재료로 이용될 수 있으며, 다른 한편으로는 천공(perforation), 개구부(opening) 또는 통공(hole)의 크기 및 수에 의해 잠열 에너지 교환 특성을 가진 폴리머 용액이 채워지는 공간을 형성하는 것이 가능한 새로운 하이브리드 열교환기 소자가 제공된다. 한편의 현열 에너지 교환과 다른 한편의 잠열 에너지 교환 효율은 주위 환경(건조 공기, 습기, 외부 온도 등)의 각각의 필요에 따라 정의, 제어 및 조절 가능하다는 것이 이해될 것이다.
본 발명에 따르면, 판 부재 소자는 알루미늄 또는 플라스틱 또는 이들의 조합으로 만들어진다. 상기 소자에는 주름부가 형성될 수 있다. 주름부는 압력 저하율에 대한 효율을 최적화시키도록 디자인될 수 있다. 상기 주름부는 유사한 판 부재들이 서로 적층되는 경우 그들 사이에 유동 채널이 형성될 수 있도록 한다. 주름부를 형성하는 것에 의하면, 에너지 교환에 이용될 수 있는 표면이 강화된다는 이점이 있다. 이러한 주름부는 가급적 크게 형성되어 표면적을 100% 이상 증가시킬 수도 있다. 더욱이, 상기 주름부는 예를 들어, 편향된 주름부를 선택하거나 판 부재의 위치를 변경하는 것에 의해 대향류 또는 직교류 형태로 배열하는 것이 용이하도록 디자인 될 수 있다.
판 부재의 가장자리부에는 유사한 판 부재들이 적절한 방식으로 함께 고정될 수 있도록 하는 영역이 형성된다. 이러한 고정은 예를 들어 레이저 용접, 초음파 용접(ultra sonic welding)과 같은 용접 및/또는 폴딩(folding), 압착(crimping) 등에 의해 이루질 수 있다. 이러한 고정은 원하는 유동 채널을 형성할 수 있게 할 뿐만 아니라 판 부재 묶음(package)의 강도를 안정화시킨다. 상기 가장자리부 영역은 납작하거나, 굴곡지거나(tongue/groove), 휨 보강되거나, 판 부재들 사이에 강한 밀폐 결합이 이루어지도록 테두리 처리될 수 있다.
천공은 예를 들어 상기 판 부재가 몰딩 가공, 스탬핑 가공, 양각 가공(embossed), 진공 가공에 의해 제작될 때, 동시에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 폴리머는 솔베이(Solvay) 사의 상표명 "에퀴비온(Aquivion)" 또는 크라톤(Kraton) 사의 상표명 "Nexar"과 같은 공지된 제품일 수 있다.
상기 물질은 예를 들어 테트라플루로에틸렌(tetrafluoroethylene), C2F4 및에탄술포닐 플루오라이드(Ethanesufonyl fluoride)로부터 생산된 코폴리머(copolymer) 형태의 이오노머(ionomer), 에탄술포닐 플루오라이드(Ethanesufonyl fluoride), 1,1,2,2-테트라플루로-2-[(트리플루로에테닐)-옥시](1,1,2,2-tetrafluoro-2-[(trifluoroethenyl-oxy], C2F3-O-(CF2)2-SO2F, 술폰화된 블럭 코폴리머일 수 있다.
하지만, 상기 폴리머들은 원하는 특성 및 특징에 따라 채용가능하다.
본 발명에 따르면, 상기 폴리머는 분산(dispersion)을 통해 공급된다. 상기 분산은 스프레이(spray), 디핑(dipping), 실크스크린 인쇄법(serigraphy) 또는 다른 코팅 방법에 의해 폴리머 용액을 통공 또는 천공에 채우거나 덮는 방법에 의해 판 부재에 대해 수행될 수 있다. 잠열 에너지 회수 양 또는 효율은 상기 통공 또는 천공에 의해 형성되는 표면, 통공 또는 천공의 형상 및 위치에 의존한다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 환경적 기능적 조건에 적합한 열 교환기 판 부재를 채용하는 것이 가능하다.
엔탈피 멤브레인을 위한 구조적 소자로서 높은 열 전도성 물질을 이용함으로써, 높은 현열 효율이 보장된다. 천공을 형성하고 폴리머를 선택함으로써, 높은 잠열 회수가 보장된다.
판 부재의 주름부/양각부는 열 교환 표면을 크게 증가시킨다.
각 판 부재의 천공되거나 개구된 부분은 예를 들어 모기장 패턴과 같이 전체 표면 영역의 70% 이상을 차지할 수 있다. 이러한 경우, 상기 표면은 종래 기술에 따른 밋밋한 멤브레인의 표면적을 초과하여 열 교환기 판 부재의 높은 현열 에너지 회수 특성이 감소하는 것을 최소화시킨다. 전체 에너지 회수 효율이 난방 모드에서는 85%에 달하고 냉각 모드에서는 72%에 달할 수 있다. 복수의 최종 생산된 판 부재는 프레임 또는 하우징 속에서 묶음을 형성하도록 서로 적층됨으로써 본 발명에 따른 열 교환기를 형성할 수 있다.
합쳐진 현열 에너지와 잠열 에너지에 대한 높은 전체 에너지 회수 효율 수준은 일부 기후 지역에서의 현열 전용 열 교환기의 필요성을 없애줄 수 있다.
상기 폴리머는 그 속성을 변형 또는 확대시킬 수 있는 첨가제와 혼합될 수 있다. 이것은 예를 들어, 항균성을 가지거나 내화성 요구치(UL)를 만족시킬 수 있도록 해준다. 그 점도는, 판 부재가 최적으로 조정된 열 교환 특성을 가지도록 조정되어, 가급적 높은 습기 교환이 가능하도록 한다.
열 교환기의 현열 에너지 전달 능력 및 잠열 에너지 전달 능력은 조율 및 조정 가능하다는 것이 자명하다. 상기 판 부재는 천공의 다양한 모자이크 형태에 의해 환경적 조건에 따라 변형 가능하다. 예를 들어, 열 교환기는 단지 천공을 적소에 배치하고 판 부재의 구성을 폴리머 처리하는 것에 의해 빙점(-10℃) 아래의 온도에서 동작하도록 디자인될 수 있다.
강성을 가지는 구조적 소자가 판 부재를 형성함으로써 열 교환기에서 멤브레인이 1kpa을 상회하는 차압을 견딜 수 있게 된다. 그 이점은 상업적으로 이용되는 더 큰 열 교환기 구조에 이용하는 것을 가능하게 한다는 것이다.
본 발명은 잠열 에너지 교환뿐 아니라 현열 에너지 교환을 가능하게 하는 에너지 교환기 판 부재를 제조하는 단순한 방법을 제공한다. 상기 판 부재의 디자인 및 변형 가능성은 기술적 요구 및/또는 환경적 조건에 대해 최적화된 열 교환기들을 구성 및 디자인할 수 있도록 해준다.
스탬핑, 주름 가공, 양각 또는 진공 가공된 알루미늄, 스테인레스 스틸 레진 기반 판 부재 및/또는 플라스틱 판 부재는, 겹쳐진 강성 판 부재 묶음을 얻기 위한 예를 들어 진공 그립(vacuum grip)에 의한 조립 공정 및 예를 들어 레이저 용접, 초음파 용접, 초음파 용접, 폴딩, 압착과 같은 밀폐 공정을 포함하는 알려진 자동화 기술을 이용해 제조될 수 있다. 상기 판 부재는 세척 가능하고, 내화성, 항균성 및 누수 방지성과 같은 밀폐성을 가진다. 이러한 것들은 높은 효율의 열 교환기 형성에 필요한 이점들이다.
판 부재의 선택적인 천공과 모자이크 폴리머 마이크로 멤브레인의 기밀성 캐스팅은 구조적인 하이브리드 모자이크 멤브레인을 형성할 수 있게 해준다. 또한, 상기 판 부재의 천공 작업은 미리 프로그램된 연속적인 레이저 공정, 니들 롤러 등과 같은 기계적 시스템 또는 화학적 에칭 공정에 의해 수행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교환기 판 부재의 평면도이다.
도 2는 도 1에 따른 판 부재의 측면도이다.
도면들에서 동일한 구성에는 동일한 도면 부호가 부여되어 있다.
본 발명의 구체적인 특징 및 실시예는 첨부한 도면과 이하 설명에 의해 명백해질 것이다.
교환기 판 부재(1)는 알루미늄, 플라스틱 등으로 만들어진 구조적으로 강성인 판 부재(2)로 이루어진다. 판 부재(2)는 평평한 밀폐용 테두리이며, 밀폐를 위해 변형될 수 있는 테두리부(4)를 구비한다. 테두리부(4)의 일부 영역은 도면 부호 5로 도시된 바와 같이 개방되거나 어긋나서 예를 들어, 유동 채널의 입구 및 출구를 형성한다.
테두리 영역 안에는 주름부(3)가 판 부재(2) 안으로 스탬핑되거나 양각된다. 유사한 판 부재가 함께 밀폐됨에 따라 유동 채널이 형성된다. 예를 들어, 도면 부호 6은 천공이 형성된 영역을 지시한다.
도시의 편의를 위하여, 단지 일부의 천공 영역(6)과 일부의 주름부 영역(3)에만 도면부호가 지시되어 있다.
열 교환기 소자(1)는 한 방향으로만 주름지고 다른 표면에 대해선 개방된 주름부(3)에 의해 증가된 열 교환을 위한 넓은 표면을 가진다. 나아가, 천공 영역(6)은 수분 전달을 위한 잠열 에너지 교환 영역을 형성한다.
이러한 판 부재는 서로 적층되어 예를 들어, 외부에서 내부 공기로의(또는 여름의 프리 쿨링(free cooling)을 위해 그와 반대로의) 열 교환뿐 아니라, 겨울에 외부로부터 내부공기로(또는 여름에 습기 제거 또는 모든 계절에 걸쳐 뜨겁고 습한 기후를 가지는 지역에서는 반대로) 습기를 가져올 수 있는 환기 시스템에 대한 열 교환기를 형성할 수 있다.
도면 및 그 상세한 설명은 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 단지 예시를 설명하기 위한 것이다.
1: 열 교환기 소자
2: 판 부재
3: 주름부
4: 가장자리부
5: 개방된 가장자리
6: 천공

Claims (18)

  1. 열교환기 소자를 제조하는 방법으로서,
    a) 설정된 외부 치수를 가지고 가장자리부 안쪽 영역에 주름부가 형성된 판 부재를 제조하는 단계;
    b) 기설정된 영역에 기설정된 치수로 상기 판 부재에 천공을 형성하는 단계;
    c) 잠열 에너지 회수 기능을 가진 폴리머를 상기 천공에 채우는 단계; 및
    d) 상기 폴리머를 경화시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 판 부재에는 알루미늄이 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 판 부재에는 플라스틱이 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판 부재는 스탬핑 가공에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판 부재는 주름 가공에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판 부재는 몰딩 가공에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판 부재에는 스탬핑 가공에 의해 천공이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 천공은 몰딩 가공 중에 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머는 술폰화된 폴리머인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머는 분산에 의해 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 설정된 외부 치수를 가지고 가장자리부 안쪽 영역에 주름부가 형성된 판 부재를 포함하고,
    상기 판 부재는 기설정된 영역에 기설정된 치수의 천공을 구비하며,
    상기 천공은 잠열 에너지 회수 기능을 가진 폴리머로 채워지는 것을 특징으로 하는 열 교환기 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 천공은 작은 통공인 것을 특징으로 하는 열 교환기 소자.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    천공된 상기 영역은 상기 판 부재 소자의 전체 면적의 70% 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 열 교환기 소자.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폴리머는 술폰화된 폴리머인 것을 특징으로 하는 열 교환기 소자.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판 부재는 다른 유사한 판 부재 소자와 기밀연결(gastight connection)될 수 있는 가장자리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 열 교환기 소자.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 판 부재는 열 교환 표면을 100% 이상 증가시키는 주름부를 구비하는 것을 특징으로 하는 열 교환기 소자.
  17. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주름부는 유체 흐름을 안내하도록 배향되는 것을 특징으로 하는 열 교환기 소자.
  18. 적어도 세 개의 판형 열 교환기 소자들이 평행한 방향으로 서로 고정되어 그 사이로 유체가 유동할 수 있는 두 개의 유체 경로를 형성하는 열 교환기로서,
    상기 판형 열 교환기 소자들은 청구항 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항의 열 교환기 소자인 것을 특징으로 하는 열 교환기.
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