KR20130101533A - 박막 필름 복합 열 교환기 - Google Patents

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로버트 맥기니스
그레이 맥구르간
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오아시스 워터, 인크.
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Abstract

본 발명은 일반적으로 박막 필름 복합 열 교환기 및 박막 필름 복합 열 교환기를 제조하는 방법에 관한 것이다. 열 교환기는 실리콘, 클레이, 세라믹, 브릭, 또는 금속과 같은 무기 물질을 포함하나 이로 제한되지 않는 폴리머 또는 다른 물질로 만들어질 수 있다. 본 발명에 따른 열 교환기는 비부식성이고 내구성이며 열 전달 저항 및 물질 비용을 최소화하기 위하여 박막 코팅으로 도포될 수 있는 물질로 만들어질 수 있다.

Description

박막 필름 복합 열 교환기{THIN FILM COMPOSITE HEAT EXCHANGERS}
본 발명은 일반적으로 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막 및 개방 구조를 가지는 다공성 지지부 위에 열 전달 물질의 박막 필름을 사용하는 것에 관한 것이다.
일반적으로, 열 교환기는 하나의 물질로부터 다른 물질로 열을 수동적으로 전달하는 디바이스이다. 이 물질은 일반적으로 액체 또는 기체이다. 열 교환기에 의해 수행되는 작업은 물체가 가열될 때 이 물체 내에 포함된 열 에너지가 이 물체와 환경 사이에 평형이 도달될 때까지 주변 환경 쪽으로 확산될 수 있다는 점에서 열역학 법칙에 기초한다. 열 교환기는 전력 발전소, 화학 공장, 석유화학 공장, 석유 정제소, 천연 가스 처리 및 하수 처리장에서 공간 가열, 냉동, 공기 조절, 열 전달을 포함하나 이로 제한되지 않는 폭넓은 사용을 구비한다.
기본 열 교환기 설계는 일반적으로 장벽에 의해 분리된 2개의 챔버 또는 통로를 수반한다. 전송될 열 에너지를 가지는 공급 스트림은 하나의 통로로 통과되고 열 에너지를 수신할 수 있는 스트림은 다른 통로로 통과된다. 이 스트림은 동류 또는 반류 흐름(co- or counter-current flow)일 수 있다. 열 전달율이 이 전달 저항과 일치할 때까지 장벽을 통과하는 것에 의해 2개의 스트림 사이에 열이 확산된다. 사용되는 열 교환기의 유형과 사이즈는 장벽으로 사용되는 물질의 유형과, 그 위상, 온도, 밀도, 점도, 압력, 화학 조성, 및 여러 다른 특성을 포함하는 도입된 물질 스트림의 여러 특성에 좌우된다.
열 교환기의 2개의 가장 일반적인 유형은 쉘 및 튜브 유형 열 교환기, 및 판 및 프레임 유형 열 교환기이다. 다른 유형의 열 교환기는 단열 휠 유형 열 교환기, 판 핀 유형 열 교환기, 유체 열 교환기, 폐기열 회수 유닛, 동적 스크레이프 면 열 교환기, 위상 변환 열 교환기, 직접 접촉 열 교환기, 공기 코일, 및 나선형 열 교환기를 포함하나 이로 제한되지 않는다.
나선형 열 교환기는 나선형 튜브 구성을 말할 수 있으나, 보다 종종, 반류 배열의 2개의 채널을 형성하도록 코일링된 한 쌍의 평판 면이다. 나선형 열 교환기는 일반적으로 공간의 효율적인 사용과 낮은 에너지 비용과 연관된다. 일부 응용은 저온 살균, 침지 가열, 열 회수, 사전 가열, 유출 냉각, 및 슬러지 처리를 포함하나 이로 제한되지 않는다.
쉘 및 튜브 유형 열 교환기는 번들(bundle)로 배열되고 스페이서 판 내에 삽입하는 것에 의해 쉘 내에 서스펜딩되는 일련의 튜브로 구성된다. 이들은 그 물질의 강도로 인해 강력하고, 그 물질의 높은 열 계수 및 그 설계에 의해 야기된 유체 혼합 프로파일로 인해 효과적인 것으로 고려된다. 이들은 일반적으로 더 높은 압력과 더 높은 온도 응용에 적합하고, 종종 오일 정제소 및 다른 대형 화학 공정에서 사용된다. 튜브는 강력하고 열 전도성이고 내부식성 물질로 만들어져야 한다. 고품질 튜브 물질은 일반적으로 구리 합금, 스테인리스 스틸, 탄소 강철, 비철 구리 합금, 인코넬(Inconel), 니켈, 하스테로이(Hastelloy) 및 티타늄을 포함하나 이들로 제한되지 않는 금속이다.
판형 열 교환기는 넓은 표면 영역을 지니는 다수의 박막의 약간의 분리된 판과 열 전달을 위한 유체 흐름 통로로 구성된다. 이 판은 통상 금속으로 만들어진다. 판형 열 교환기는 일반적으로 콤팩트하고 높은 전체 열 전달 계수와 연관된다. 유체는 판에 걸쳐 확산되어 열 전달을 용이하게 하고 이에 온도 변화의 속도를 크게 증가시킨다. 이들은 중압 및 저압 물질 사이에 열을 전달하는데 매우 적합하다. 이런 유형의 대형 열 교환기는 판 및 프레임 유형이라고 불리고, 종종 가열, 통풍 및 공기 조절 응용에 사용된다. 작은 판형 열 교환기는 가정용 가열 및 온수에 사용된다. 매우 작은 땜질 형태는 콤비네이션 보일러의 온수 부분에 사용된다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 막 물질 대신에 상이한 물질(예를 들어, 높은 열 공차 및 전달 특성을 가지는 열 전달 물질)을 사용하고, 초미세 여과 막(ultrafiltration membrane)과는 대조적으로 마이크로 여과 막(microfiltration membrane)에 더 유사한 구조를 생성하기 위한 지지 구조를 위한 추가적인 물질 및 제조 수단을 병합하여, 이에 의해 예를 들어 더 낮은 비용, 더 높은 성능 및 낮은 내부식성 내지 무부식성과 같은 예기치 않은 값진 이익을 갖는 신규한 박막 필름 복합 폴리머 열 교환기를 생성하는 것이다.
본 발명은 일반적으로 박막 필름 복합 열 교환기 및 박막 필름 복합 열 교환기를 제조하는 방법에 관한 것이다. 열 교환기는 실리콘, 클레이(clay), 세라믹, 브릭(brick), 또는 금속과 같은 무기 물질을 포함하나 이로 제한되지 않는 폴리머 또는 다른 물질로 만들어질 수 있다. 하나 이상의 측면에 따르면, 열 교환기는 내부식성, 내구성이고, 열 전달 저항 및 물질 비용을 최소화하기 위하여 박막 코팅으로 적용될 수 있는 물질로 만들어질 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명은 본 출원이 우선권을 주장한 미국 특허 출원 번호 12/862,584에 개시된 순방향 삼투 제조 기술을 수정하고 이를 개선한 것으로서, 예를 들어 막 물질 대신에 상이한 물질(예를 들어, 높은 열 공차 및 전달 특성을 가지는 열 전달 물질)을 사용하고, 초미세 여과 막(ultrafiltration membrane)과는 대조적으로 마이크로 여과 막(microfiltration membrane)에 더 유사한 구조를 생성하기 위한 지지 구조를 위한 추가적인 물질 및 제조 수단을 병합하여, 이에 의해 예를 들어 더 낮은 비용, 더 높은 성능 및 낮은 내부식성 내지 무부식성과 같은 예기치 않은 값진 이익을 갖는 신규한 박막 필름 복합 폴리머 열 교환기를 생성하는 것이다.
일 측면에서, 본 발명은 박막 필름 복합 열 교환기를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 직물(fabric) 또는 페이퍼(paper)와 같은 베이스 지지 구조를 제조하는 단계, 위상 반전으로 만들어진 다공성 폴리머와 같은 다공성 지지층을 형성하기 위해 지지 구조에 물질을 도포하는 단계, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 또는 폴리에터에틸케톤(PEEK)과 같은 열 전달 물질을 이 지지층에 코팅하는 단계를 포함한다. 열 전달 물질은 알려진 증착 방법, 예를 들어, 증기 증착, 또는 잉크젯 유형 프린팅 방법을 통해 도포될 수 있다. 이 열 교환 기판은 판과 프레임 유형 또는 쉘과 튜브 유형 설계와 같은 열 교환기 설계에 사용되는 유형의 모듈에 배치될 수 있다. 접착제, 엘라스토머 물질 및/또는 다른 기계적 수단이 제조를 촉진할 수 있다. 사용되는 물질의 선택은 열 교환기가 동작하도록 의도될 수 있는 여러 파라미터, 즉 온도, 압력 및 화학적 환경을 포함하는 파라미터에 의해 알려질 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 지지 구조는 비대칭이거나 대칭일 수 있고 단일 유닛(예를 들어, 폴리설폰(PS)만) 또는 라미네이트(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 위의 PS)로서의 폴리머로 구성될 수 있다. 하나 이상의 실시예에 따르면, 지지 구조는 적어도 하나의 표면의 다공성 구조에 대하여 초미세 여과(UF) 또는 마이크로 여과(MF)일 수 있다. 일 실시예에서, 열 교환기는 수정된 UF 또는 MF 막을 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 지지 구조는 폴리머의 위상 반전으로 형성될 수 있다. 전기스펀 지지부는 또한 PET 또는 다른 유사한 폴리머를 가지고 또는 없이 사용될 수 있다. 세라믹 지지부, 세라믹 또는 유사한 물질로 만들어진 리소그래피식으로 생성된 다공성 지지부 또는 개방된 다공성 지지부를 생성하는 임의의 다른 기술이 사용될 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 지지 물질은 우수한 강도 특성을 가지는 내열성 내약품성인 물질이다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 박막 필름 복합 막 제조와 관련된 기술은 본 발명에 따른 열 교환기의 설계 및 제조에 적용될 수 있다. 지지부는 바람직하게는 막 기술과 관련된 문헌에 한정된 바와 같이 ㎛ 단위로 측정된 낮은 구조 파라미터(S)를 구비할 수 있다. S 값은 특정 응용에 적합하도록 선택될 수 있고, 일부 실시예에서, 300 미만의 S 값이 바람직하고, 보다 바람직하게는 150 미만이고, 이는 MF 막 지지 구조에서 달성될 수 있다. S 값을 더 낮게 하는 속성은 지지부의 기공 구조의 더 우수한 박막도(thinness) 및 공극률(porosity) 및 더 낮은 비틀림(tortuosity)이다. 본질적으로, S 값이 낮으면 낮을수록, 지지 구조를 통한 열 및 물질 전달이 더 우수하다. 적어도 일부 실시예는 삼투적으로 구동되는 막 시스템에서 염의 확산을 촉진하는 낮은 구조적 파라미터가 열 및 물질 전달을 촉진할 수 있는 다공성 지지 물질을 사용하여 열 전달 응용에 유사한, 예기치 않은 이익을 전달하는 것을 구현하는 것에 관한 것이다. 이 지지부는 사용되는 물질과 방법에 따라 평판 시트로, 중공 섬유로, 또는 세라믹 단일체를 구비하는 임의의 개수의 다른 구조로 형성될 수 있다.
박막 복합 막 제조 기술을 사용하는 하나 이상의 실시예에 따르면, 열 교환 패널을 제조하는 방법은 적어도 제1 및 제2 분리가능한 층을 포함하는 이층(bilayer) 지지 구조를 제공하는 단계, 지지층을 형성하기 위해 지지 구조의 제1 층에 물질을 도포하는 단계, 열 교환 패널을 형성하기 위해 지지층에 열 전달 물질을 도포하는 단계, 및 지지 구조의 제2 층으로부터 지지 구조의 제1 층을 분리시키는 것에 의해 열 교환 패널을 방출(release)하는 단계를 포함할 수 있다.
지지 구조가 이층 구조를 구비하는 실시예에서, 지지 구조의 제1 층은 약 50ft3/ft2/min 이상의 프레지어 공기 투과율(Frazier air permeability)을 지닐 수 있다. 지지 구조의 제1 층에 도포되는 물질은 약 5 내지 20g/㎡의 코팅으로 도포될 수 있다. 열 교환 패널은 약 125마이크론 미만의 전체 두께를 지닐 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 열 전달 물질은 PVDF 또는 PEEK와 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 일반적으로, 열 전달 물질은 내약품성 내열성이고, 불투과성이어야 하며, 박막 층으로 도포될 수 있어야 한다. 일부 실시예에서, 열 전달 물질은 폴리아마이드, 폴리파이퍼라진(polypiperazine) 또는 블록 코폴리머를 더 포함할 수 있다.지지 구조는 폴리머 페이퍼 및 트리코트(tricot) 유형 메쉬(mesh) 물질 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 지지층은 예를 들어 폴리아크릴로나이트릴, PS, PET, 폴리프로필렌(PP), 또는 그 조합물과 같은 물질로 만들어질 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 지지 구조의 제1 및 제2 층을 분리시키는 것에 의해 열 교환 패널을 방출하는 단계는 지지 구조의 적어도 일부에 기공 구조를 변경하는 것에 의해 지지 구조의 공극률을 개선하고 비틀림을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 지지 구조의 제2 층을 재사용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 열 교환 패널을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 기본적으로 제조 장비의 범위 내에 유지되는 기판 대체물(replacement)로 사용되는 제조 벨트(예를 들어, 컨베이어 벨트), 드럼, 또는 유사한 구조 위에 페이퍼리스 지지 구조를 주조하는 단계를 포함한다. 벨트는 여러 물질 층의 증착을 위한 지지부를 제공하지만, 폐기되거나 재사용되는 공정의 종단에서 제거되는 것이 아니라 제조 장비에 보유되고 재사용될 수 있다. 본 방법은 페이퍼리스 지지 구조 위에 지지 물질을 증착하는 단계, 지지 물질 위에 열 전달 물질을 증착하는 단계, 및 열 교환 패널을 형성하기 위해 제조 벨트로부터 페이퍼리스 지지 구조를 디라미네이팅(delaminating)하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 페이퍼리스 지지 구조와 지지층은 별도의 공정에서 도포될 수 있는 열 전달 물질을 증착하기 전에 디라미네이팅될 수 있다. 일부 실시예에서, 벨트 또는 드럼은 지지 구조의 일부를 보유하는 면을 제공하도록 구성되고 배열될 수 있다. 임의의 보유된 지지 구조는 물질의 누적이나 증착 및 붕괴 공정(disruption process)의 유효한 억제를 방지하기 위해 벨트나 드럼의 완전한 회전에 앞서 제거될 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 열 교환 패널은 약 75마이크론 미만의 직물층, 이 직물층 위에 도포된 약 50마이크론 미만의 지지층, 및 이 지지층 위에 도포된 열 전달층을 포함할 수 있다. 열 교환 패널은 약 125마이크론 미만의 전체 두께를 지닐 수 있다.
일부 실시예에서, 열 전달층은 본 명세서에 개시된 폴리머 중 어느 것을 포함할 수 있다. 지지 구조는 PET를 포함할 수 있고 물질 전체의 약 30g/㎡ 미만을 포함할 수 있다. 지지 물질(즉, 지지층)은 약 8 내지 17.5g/㎡의 코팅으로 도포될 수 있다. 지지 구조, 지지 물질, 및 열 전달층 전체의 결합된 중량은 약 20 내지 40g/㎡일 수 있다. 지지 구조는 습식 부직포 공정(wet laid process)으로 만들어질 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 다공성 지지층의 상부는 조밀한 폴리머 열 전달층으로 코팅될 수 있고, 이 지지층은 열 전달 물질을 수용하는 평활한 및/또는 다공성 면을 제공한다. 이것은 박막 폴리머 필름을 생성하는 계면 폴리머화, 증착, 압출 및 다른 방법을 포함하는 여러 기술에 의해 결함 없는 박막 층으로 코팅될 수 있다. 이상적으로, 코팅 물질은 강력하고, 높은 열 전도성(박막층으로 적층될 때)을 지니고, 내열성 내약품성이다. 이런 점에서 유용할 수 있는 폴리머는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)(예를 들어, 듀퐁사로부터 구입가능한 테플론(Teflon)(등록상표))과 같은 풀루오로화된 폴리머, 및 PP, PVDF, PEEK, 폴리아마이드(나일론 또는 이와 유사한 것) 및 PS와 같은 열 교환용으로 고려되는 다른 폴리머를 포함한다. 하나 이상의 실시예에 따르면, 비대칭 지지부는 최상층이 조밀하도록 만들어질 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 박막 폴리머 필름은 매우 높은 열 전달 특성을 지닐 수 있다. 하나 이상의 실시예에 따르면, 초박막 열 전달 필름은 약 10㎛ 두께 미만이거나 심지어 훨씬 더 얇을 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 약 100㎚의 폴리아마이드 필름이 PS 지지층 위에 주조될 수 있다. 필름은 전체 물질에 고강도 특성을 제공하는 방식으로 지지될 수 있다. 물질의 두께는 또한 시간에 따라 내마모성으로 선택될 수 있다. 이 열 전달 물질은 금속 열 교환기에 대해 저가일 수 있고 상대적으로 큰 표면 영역이 원하는 열 전달 응용에 맞는 모듈과 포맷으로 패키징될 수 있다. 많은 경우에 열 전달 효과는 사실 박막 필름 열 교환 물질의 열 전달에 낮은 저항으로 인해 그리고 구조적 지지의 물질 전달에 낮은 저항으로 인해 종래의 열 교환기에 비해 우수할 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 판 및 프레임 유형, 중공 섬유 및 나선형으로 감긴 구성을 포함하는 막에 사용되는 것과 유사한 포맷이 사용될 수 있다.
나아가, 일부 실시예에서, 열 전달 물질의 두께는 기본 열 전달 저항은 물질 그 자체로부터 오는 것이 아니라 열 전달 물질의 표면에 대한 그리고 열 교환 패널의 다공성 지지 구조에서의 열 및 물질 전달 효과로부터 오는 것으로 구성된다. 열 전달 모듈의 전체 열 전달 계수(U)는 열 및 그 연관된 특성을 전달하는 2개의 유체의 위상과 구조적 파라미터에 좌우될 수 있다.
일 측면에서, 본 발명은 열 교환 패널을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 제1 및 제2 층을 구비하는 지지 구조를 제공하는 단계, 박막 다공성 지지층을 형성하기 위해 지지 구조의 제1 층에 제1 물질을 도포하는 단계, 박막의 비다공성의 열 전달층을 형성하기 위해 제1 물질 지지층에 제2 물질을 도포하는 단계, 및 상기 지지 구조의 제2 층으로부터 지지 구조의 제1 층을 방출하는 것에 의해 열 교환 패널을 방출하는 단계를 포함한다.
여러 실시예에서, 본 방법은 지지 구조 또는 지지층 중 적어도 하나에서 기공 구조를 변경하는 단계를 포함한다. 지지 구조를 제공하는 단계는 지지 구조로서 초미세 여과 막이나 마이크로 여과 막을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 지지 구조는 직물 층 및/또는 비대칭 구조를 포함한다. 일부 실시예에서, 지지 구조는 약 2mil 내지 약 4mil의 두께를 지닌다. 하나 이상의 실시예에서, 제1 물질은 약 1mil 내지 약 2mil의 두께를 지닐 수 있고 위상 반전을 통해 도포될 수 있다. 여러 실시예에서, 이것은 폴리설폰 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시예에서, 제2 물질은 약 10㎛ 이하의 두께를 지닐 수 있고 박막 필름 증착 방법을 통해 도포될 수 있다. 여러 실시예에서, 제2 물질은 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에터에틸케톤 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 복수의 열 교환 패널을 구비하는 열 교환기에 관한 것이다. 열 교환 패널은 높은 공극률 및 낮은 비틀림을 지니는 박막 지지 구조를 포함한다. 최적의 두께, 공극률 및 비틀림은 특정 응용에 맞게 변경될 수 있으나, 일 예에서 50마이크론 이하의 두께와 0.5 이하의 비틀림이 250㎛ 미만의 S를 초래할 수 있다. 패널은 박막 다공성 지지층을 형성하기 위해 지지 구조의 제1 측에 배치된 제1 물질과, 박막 비다공성 열 전달층을 형성하기 위해 지지층 위에 배치된 제2 물질을 더 포함한다. 특정 실시예에서, 지지 구조와 지지층은 물질과 열 전달을 촉진하도록 구성되고, 열 전달층은 물질 전달을 방지하는 동시에 열 전달을 촉진하도록 구성된다.
여러 실시예에서, 열 교환기는 하우징을 포함하며, 여기서 복수의 열 교환 패널 각각은 판 및 프레임 유형 열 교환기를 형성하도록 하우징 내에 적층된다. 다른 실시예에서, 열 교환기는 원통형 하우징을 포함하고, 여기서 복수의 열 교환 패널 각각은 관형 부재를 형성하도록 나선형으로 감겨있고, 상기 복수의 관형 부재는 쉘 및 튜브 유형 열 교환기를 형성하도록 원통형 하우징 내에 길이방향으로 배치된다. 일부 실시예에서, 열 교환기는 각 열 교환 패널의 제1 측 위 열 교환기를 통해 제1 액체 스트림을 지향시키는 제1 입구와 제1 출구, 및 각 열 교환 패널의 제2 측 위 열 교환기를 통해 제2 액체 스트림을 지향시키는 제2 입구 및 제2 출구를 구비하는 하우징을 포함한다. 일 실시예에서, 열 교환 패널은 제1 액체 스트림이 다공성 지지 구조와 직접 유체 연통하고, 제2 유체 스트림이 열 전달층과 직접 유체 연통하도록 배향된다. 추가적인 실시예에서, 박막 지지 구조는 폴리머 페이퍼를 포함하고, 제1 물질은 폴리설폰 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중 적어도 하나를 포함하고, 제2 물질은 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에터에틸케톤 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 중 적어도 하나를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 박막 지지 구조는 이층 기판일 수 있으며, 일 실시예에서 이층 기판은 제거가능한 백킹층(backing layer)을 구비할 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은 열 교환기를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 내부 영역을 한정하고 제1 입구, 제1 출구, 제2 입구, 및 제2 출구를 구비하는 하우징을 제공하는 단계; 제1 측면과 제2 측면을 구비하는 복수의 열 교환 패널을 형성하는 단계; 상기 하우징의 내부 영역 내에 복수의 열 교환 패널 각각을 배치하는 단계; 상기 복수의 열 교환 패널 각각의 제1 측면을 하우징의 제1 입구 및 제1 출구에 유체적으로 연결하는(fluidly coupling) 단계; 및 상기 복수의 열 교환 패널 각각의 제2 측면을 하우징의 제2 입구 및 제2 출구에 유체적으로 연결하는 단계를 포함한다. 열 교환 패널은 높은 공극률 및 낮은 비틀림을 지니는 박막 지지 구조, 이 지지 구조의 제1 측면 위에 배치되고 박막 다공성 지지층을 형성하는 제1 물질, 및 상기 지지층 위에 배치되고 박막 비다공성 열 전달층을 형성하는 제2 물질을 포함한다. 열 교환 패널은 본 명세서에 개시된 여러 물질로 만들어질 수 있고, 예를 들어 특정 유형의 열 교환기, 예를 들어, 쉘 및 튜브 유형 또는 판 및 프레임 유형의 열 교환기를 수용하도록 나선형으로 감겨있게 형성될 수 있다.
본 명세서에 개시된 본 발명의 이점 및 특징과 함께 이들 목적 및 다른 목적은 이하 상세한 설명과 첨부 도면을 참조하여 보다 명백할 것이다. 나아가, 본 명세서에 설명된 여러 실시예의 특징은 서로 배타적인 것이 아니고 여러 조합과 변경으로 존재할 수 있는 것으로 이해된다.
도면에서, 동일한 참조 부호는 일반적으로 여러 도면에 걸쳐 동일한 부분을 나타낸다. 또한, 도면은 반드시 축척에 맞는 것이 아니며, 일반적으로 본 발명의 원리를 설명하는데 강조점이 있으며 본 발명의 한계를 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 명확화를 위하여, 모든 성분이 모든 도면에 표시된 것은 아닐 수 있다. 이하 상세한 설명에서 본 발명의 여러 실시예는 이하 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 열 교환 패널의 사시도;
도 1a는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 대안적인 열 교환 패널의 사시도;
도 2는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 열 교환기의 사시도;
도 3은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 다른 열 교환기의 사시도.
본 발명에 따른 열 교환 패널 또는 기판은 일반적으로 열 전달층에 기계적 및 구조적 지지부를 제공하는 다공성 지지 구조를 포함하며, 여기서 지지 구조는 매우 낮은 두께 및 비틀림을 지닌다. 열 교환 패널은 의도된 응용에 따라 나선형으로 감긴, 관형 및 평판 시트를 포함하는 여러 형태로 형성될 수 있다. 열 전달 특성은 이상적인 성능을 달성하도록 최적화되어야 하며 특정 응용들 사이에서 변할 수 있다.
지지 구조의 두께와 비틀림을 감소시키는 것이 바람직하나, 지지 물질의 두께 또는 중량을 감소시키려는 노력은 주름이나 접힘 없이 제조 라인을 통해 지지 물질을 연결하는 능력이 없는 것과 같은 처리 문제와 연관될 수 있다. 심각한 경우에 파손이 일어날 수 있고 이는 제조사에 상당한 비용을 초래할 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 개선된 열 전달 특성을 위한 감소된 두께를 가지는 열 교환 패널을 제조하는 것이 촉진될 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 지지 구조의 두께가 감소될 수 있다. 더 얇은 지지 구조는 지지층을 통해 개선된 열 및 물질 전달과 감소된 비용과 연관될 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 제조된 열 교환 패널 또는 기판(10)의 일 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 열 교환 패널(10)은 지지층(12) 위에 배치된 열 전달층(14)을 포함하며, 열 전달층(14)는 지지 기판 또는 지지 구조(13) 위에 배치된다. 열 전달층(14)은 지지층(12) 위에 배치되고, 일반적으로 비다공성 박막 필름이고, 여기서 지지층(12)은 일반적으로 매우 낮은 두께와 비틀림(tortuosity)을 가지는 매우 다공성인 지지 구조이다. 지지 구조(13)는 낮은 두께와 비틀림을 더 지닌다. 일반적으로, 지지층(12)은 일부 실시예에서의 주요 목적이 높은 다공성 지지 구조(13)와 열 전달층(14) 사이에 평활한 계면 면(smooth interface surface)을 제공하는 것이므로, 지지 구조(13)보다 상당히 더 얇다. 지지 구조(13)는 본 명세서에 설명된 방식 중 어느 것에 따라 제조될 수 있고, 예를 들어, 예를 들어 이층 제조 기술로 제조될 수 있다. 열 교환 패널(10)의 전체 두께는 지지 구조(13)의 두께를 감소시키는 것에 의해 감소되며, 이는 열 교환 패널(10)에 기계적 및 구조적 지지부를 제공한다. 일부 실시예에서, 지지 구조(13)는 80g/㎡의 평량(basis weight)과 약 4ft3/ft2/min의 프레지어 공기 투과율을 가지는 약 4mil 두께이다. 일반적으로, 열 교환 패널(10)은 여러 유형의 열 교환기에 사용될 수 있고, 예를 들어, 복수의 패널이 본 명세서에 설명된 바와 같이 판 및 프레임 조립체로 조립되거나 나선형으로 감길 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 이층 기판은 열 교환 패널 제조를 촉진하도록 제공될 수 있다. 이층 기판은 최종 열 교환 패널에 구조적 지지 기능을 하는 상부 구조 지지층을 포함할 수 있다. 이층 기판의 구조적 지지층은 이층 기판의 구조적 지지층 위에, 일부 실시예에서 열 전달층과 이층 기판 사이에 선택적 지지부/계면 층 위에 열 전달층의 도포 및 처리를 포함하여 제조에 필요한 전체 두께를 제공하는 동시에 종래의 지지층에 비해 감소된 두께일 수 있다. 일부 실시예에서, 이층 기판은 여분의 두께를 제공하도록 구조적 지지층에 더하여 제거가능한 백킹층을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 백킹층은 제조 공정을 촉진하기 위해 구조적 지지층에 증가된 두께를 임시적으로 제공하는 대형 희생층일 수 있다. 제거가능한 백킹층은 열 전달 패널 제조에 후속하여 구조적 지지층으로부터 분리되도록 의도될 수 있다. 다른 실시예에서, 이층 기판은 열 교환 패널 제조에 후속하여 접촉 없이 유지되도록 의도된 백킹층을 포함할 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 백킹층은 구조적 지지층에 연결되어 유지되고 열 교환기에 병합될 수 있다.
이층 기판의 상부 지지층은 일반적으로 예를 들어 종래의 막 지지층에 비해 감소된 두께의 가벼운 평량층일 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 상부 지지층은 PET일 수 있다. 일부 실시예에서, 상부 지지층과 백킹층은 동일한 물질로 만들어질 수 있다. 다른 실시예에서, 이들은 상이한 물질로 만들어질 수 있다. 이층 기판은 2개의 층이 서로 막 제조 공정에서 강도, 주름 저항 및 일반적인 처리에 대하여 기존 표준 PET 지지층과 유사하게 수행될 수 있게 하는 특성을 특징으로 할 수 있다.
도 1a는 이층 기판의 형태인 지지 구조(13)를 사용하는 열 교환 패널(10')을 도시한다. 이층 지지 구조(13)는 최종 열 교환 패널(10)에 구조적 지지부 기능을 하는 상부 지지층(16)과, 열 교환 패널(10)을 제조하는데 필요할 수 있는 추가적인 두께/지지부, 예를 들어, 지지층(16) 위에 지지층(12')과 열 전달층(14')의 도포 및 처리를 제공하는 제거가능한 백킹층(18)을 포함한다. 일부 실시예에서, 열 교환 패널(10')은 (상부 지지층(16)의 특성에 따라) 지지층(12')을 포함하지 않을 수 있으나, 필요한 경우 이것은 지지 구조(13)와 열 전달층(14') 사이에 계면을 제공하는 외에 열 교환 패널(10')에 추가적인 지지부를 제공할 수 있다. 제거가능한 백킹층(18)은 열 교환 패널(10)을 제조하는 것에 후속하여 상부 지지층(16)으로부터 분리될 수 있다. 이 경우에, 백킹층(18)은 열 교환 패널(10)의 제조 동안 지지층(16)에 증가된 두께를 임시적으로 제공하는 대형 희생층이다. 다른 실시예에서, 백킹층(18)은 열 교환 패널(10)의 제조에 후속하여 지지층(16)에 연결되어 유지될 수 있고, 하나 이상의 열 교환 패널(10)로 형성된 열 교환기에 병합될 수 있다.
일부 실시예에서, 백킹층(18)은 일반적으로 약 6ft3/ft2/min 미만의 프레지어 공기 투과율을 가지는 약 2 내지 약 4mil 두께일 수 있다. 지지층(16)은 일반적으로 약 100ft3/ft2/min을 초과하는 프레지어 공기 투과율을 가지는 약 2mil 두께 미만일 수 있다. 열 교환 패널(10')은 약 125마이크론 미만의 전체 두께를 지닐 수 있다. 지지층은 물질 전체의 약 30g/㎡ 미만을 포함할 수 있다. 지지 물질 층(12')은 약 1 내지 2mil 두께이고 약 8 내지 약 17.5g/㎡의 코팅으로 도포될 수 있다. 전술된 바와 같이, 열 전달층은 약 10㎛ 미만의 두께일 수 있다. 지지 구조(13), 지지 물질(12') 및 열 전달층(14') 전체의 결합된 중량은 약 20 내지 약 40g/㎡일 수 있다. 지지층(16)은 습식 부직포 공정, 건식 부직포 공정, 또는 직포 물질로 만들어질 수 있다. 대안적으로, 지지층(16)은 전기 스핀 방법과 같은 전계의 존재에서 증착에 의해 만들어질 수 있다. 물질은 압력으로 구동되는 막 지지부의 제조에 일반적으로 사용되는 PET 또는 다른 폴리머를 포함할 수 있으며, 추가적으로 친수성을 가지도록 설계될 수 있다. 일부 실시예에서, 지지층(16)은 폴리머 페이퍼와 같은 페이퍼일 수 있다. 일부 비 제한적인 실시예에서, 지지층(16)은 지지층(12')과 열 전달층(14')의 계면 폴리머화를 위한 지지부를 생성하기에 적합한 PET, PP, PS, 폴리아크릴로나이트릴(PAN), 또는 다른 다공성 폴리머로 만들어질 수 있다.
열 전달층(14') 및/또는 지지층(12')은 막 제조와 유사한 제조 공정 동안 이층 지지 구조(13)의 지지층(16)에 도포될 수 있다. 열 전달층(14')은 전술된 바와 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시예에 따라 다층 기판은 지지 구조(13)가 더 튼튼하고 더 두꺼워서 이에 의해 주름과 찢어짐을 덜 받으므로, 단일 층보다 더 용이하게 코팅될 수 있다. 처리에 후속하여 백킹층(18)이 분리되고 제거될 수 있다. 이층 지지 구조(13)를 사용하는 것에 의해 감소된 두께의 구조적 지지층을 가지는 열 교환 패널(10')은 표준 제조 장비와 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 분리 단계는 열 전달층(14')의 도포 전에 수행될 수 있다. 추가적인 제조 기술은 아래에 설명된다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 개시된 제조 방법은 PS와 같은 지지 물질(층 16)이 백킹층(18)으로 최소 침투하는 것을 특징으로 하여 백킹층(18)의 분리와 제거를 촉진할 수 있다. 임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, 다수의 층을 사용하는 것은 여분의 물질이 백킹층(18)으로 침투하는 것을 차단하는 것에 의해 삼투통과 영향을 완화시킬 수 있다. 그리하여, 백킹층(18)은 분리에 후속하여 크게 접촉 없이 유지될 수 있어 백킹층(18)의 재사용이나 재활용을 가능하게 하여 추가적인 효율과 비용 절감을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 백킹층(18)은 크게 희생층일 수 있다. 다른 실시예에서, 백킹층(18)은 회전 벨트 또는 드럼과 같은 제조 장비 그 자체 내에서 재활용될 수 있다. 일부 실시예에서, 백킹층 또는 벨트는 지지 물질(층 16)을 충분히 침투시킬 수 있어 백킹 물질이 제거시에 구조적 지지층(16)의 기공 구조의 유리한 붕괴가 발생할 수 있다. 이것은 다공성 지지층(16)의 베이스가 이 붕괴가 없는 경우 가질 수 있는 것보다 더 개방적이고 더 다공성인 구조를 가지게 할 수 있다. 최적의 백킹층 특성은 완전한 침투를 허용함이 없이 다공성 지지 물질의 약간의 침투 또는 "삼투통과"를 허용할 수 있어서 백킹층이 제거될 때 기공 구조가 그 위 열 전달층에 결함을 야기함이 없이 개방된다.
적어도 일부 실시예에서, 이층 기판은 실질적으로 높은 방출 물질 위에 지지 폴리머를 주조하는 것에 의해 형성될 수 있고, 지지 폴리머 위에 열 전달층을 주조한 후에 지지 폴리머는 베이스 물질로부터 벗겨질 수 있어서 지지층과 열 전달층만이 유지될 수 있다. 다른 실시예에서, 이층 물질은 열 교환 패널 제조 공정에서 아용하기 위해 상업적으로 구입될 수 있다.
전술된 바와 같이, 희생적 또는 재활용가능한 백킹층을 제거하는 것은 그 제거 전에 백킹층과 이전에 계면된 폴리머 지지층의 베이스 영역에서 보다 개방된 기공 구조를 생성할 수 있다. 이것은 최종 열 교환 패널을 통해 개선된 열 및 물질 전달을 초래할 수 있다. 다공성 폴리머 지지부의 최하부 부분에서 상대적으로 폐쇄된 기공 구조부의 찢어짐이나 다른 붕괴는 공극률을 상당히 개선시키고 지지 구조의 비틀림을 감소시키는 것을 특징으로 하는 구조를 생성할 수 있다. 많은 경우에, 이 폴리머 지지부의 기공 구조는 두께 대부분을 통해 실질적으로 개방되어 있으나 베이스 물질과 폴리머 위상이 상호작용한다는 점에서 폐쇄되어 있다. 다공성 지지부의 일부가 베이스 층으로 침투하는 경우, 이 층을 제거하는 것은 다공성 층에 걸쳐 발견될 수 있는 훨씬 더 개방된 구조를 노출시켜 베이스에 타이트한 층을 제거할 수 있다.
하나 이상의 추가적인 실시예에 따르면, 희생적이거나 제거가능한 백킹층을 포함하는 이층 기판을 사용하는 것이 아니라, 전체적으로 최종 열 교환 패널의 일부이도록 의도된 이층 기판이 구현될 수 있다. 이 실시예에서, 지지 폴리머(예를 들어, 층 12)는 트리토크 유형의 메쉬 지지 물질의 일측 또는 양측 위에 직접 주조될 수 있다. 폴리우레탄 또는 다른 접착제는 메쉬 층에 지지층을 접합하는데 사용될 수 있다. 지지 폴리머는 특정 실시예에서 PET일 수 있다. 열 전달층은 이 지지 폴리머 코팅 중 어느 것 위에 도포되어 최종 열 교환 패널을 형성할 수 있다.
일부 실시예에서, 트리코트 층은 기존의 제조 기계에서 처리될 수 있는 이층 기판을 생성하도록 얇은 PET 층에 라미네이팅될 수 있다. 제조하기 전에 이들 층을 결합하는 것에 의해 트리코트의 강도는 얇은 PET를 처리하는데 사용될 수 있고 최종 이층 물질은 트리코트를 포함하는 열 교환 패널이 열 교환기에 직접 포함될 수 있다는 점에서 분리를 요구하지 않는다. 임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, 트리코트 백킹은 웹 파손부에 상대적으로 불투과성이고 표준 4㎜ PET에 비해 우수한 강도를 지니므로 열 교환 패널 제조 효율을 증가시킬 수 있다. 이것은 제조 공정에서 감소된 주름과 접힘을 야기하여 수율을 증가시킨다.
하나 이상의 실시예에 따라 이층 기판은 지지 폴리머 및 폴리머/직물 계면의 물질 전달 특성을 개선시키기 위해 미리 습윤될 수 있다. N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 다이메틸 포름아마이드(DMF), 다이메틸 설폭사이드(DMSO), 트라이에틸 포스페이트, 다이메틸 아세트아마이드와 같은 용매가 미리 습윤을 위해 사용될 수 있다. 미리 습윤은 더 개방된 기공 구조를 생성할 수 있고, 폴리머 지지부에 기공의 막힘을 덜 유발할 수 있고, 매크로 공극 형성을 촉진하는 것에 의해 폴리머 공극률을 개선할 수 있고, 기공 구조를 개선시켜 비틀림을 감소시킬 수 있다. 이들 특성은 사용되는 경우 제거가능한 백킹층을 분리시키는 것에 의해 실현되고 더 개선될 수 있다. 이들 특성은 예를 들어 폴리머를 지지 물질에 초과 침투하는 것을 방지하는 것에 의해 지지 트리코트 메쉬 및 PET 직물과 같이 분리되도록 의도되지 않은 이층 조립체를 사용할 때 특히 바람직할 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 열 교환 패널을 제조하는 공정은 지지층(예를 들어, 도 1a에서 지지층(12')) 및/또는 열 전달층(예를 들어, 도 1에서 열 전달층(14))을 생성하는 용매 용액에서 폴리머를 증착할 수 있는 주조 기계를 통해 지지 물질의 이층 시트, 예를 들어 PET 페이퍼의 2개의 층을 전달하도록 구동 시스템을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 지지층(12')과 열 교환 층(14')은 단일 연속 공정에서 순차적으로 도포된다. 대안적으로, 지지층(12')과 열 전달층(14')은 별개의 공정/기계에서 도포될 수 있다. 장력은 일반적으로 주름과 접힘 가능성을 감소시키기 위하여 유지될 수 있다. 이층 지지 물질은 서로 압착된 2개의 층으로 구성되어 하부층이 이후 제거될 수 있다.
이층 기판은 용매 예를 들어 DMF에서, 폴리머, 예를 들어, PS의 용액을 도포하는 폴리머 도포 디바이스로 운반될 수 있다. 코팅 시, 이층 기판은 폴리머가 이층 기판의 상부층에 석출되는 급랭욕(quenching bath)에 들어갈 수 있다. 냉각 배쓰의 온도는 변할 수 있고, 최종 열 교환 패널의 하나 이상의 특성에 영향을 미칠 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 열 교환 패널의 개선된 특성은 100? 내지 110? 범위의 급랭욕 온도와 연관될 수 있다. 이층 기판의 상부층은 응결된 폴리머 층이 이층 기판의 상부층으로부터 분리될 수 있는 약 10psig를 초과하는 디라미네이션 압력을 초래할 만큼 충분한 용액의 침투를 허용하도록 설계된다. 이와 대조적으로, 이층 기판의 백킹층은 2개의 지지 물질 층이 제조 후에 분리될 수 있도록 폴리머 침투를 방지하도록 설계된다. 백킹층의 기본 목적은 기존의 기계(예를 들어, 막 제조 기계)가 열 교환 패널(10)에 필요한 초박막 열 전달층(14)과 초박막 지지층(12)을 운반하는 것을 허용할 만큼 충분한 강도를 제공하는 것에 의해 처리하는 동안 상부층의 주름과 접힘을 방지하는 것이다. 나머지 제조는 표준 헹굼과 주조 장비를 사용하여 완성된다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 열 전달층(14)은 전체 열 교환 패널 두께를 일반적으로 최소화하면서 원하는 열 전달 특성을 부여하는데 충분한 두께를 특징으로 할 수 있다. 특정 실시예에서, 열 전달층은 약 50㎚ 내지 약 200㎚의 평균 두께를 지닐 수 있다. 열 전달층의 두께는 가능한 한 제한되는 것이 요구되지만, 코팅 면에 결합을 방지할 만큼 두꺼운 것이 요구된다. 열 전달층은 폴리머화, 예를 들어 계면 폴리머화를 통해 다공성 지지부의 표면 위에 형성될 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 지지층(12 또는 16)은 전체 열 교환 패널 두께를 일반적으로 최소화하면서 제조 및 사용 동안 지지 및 구조적 안정성을 제공하기에 충분한 두께를 특징으로 할 수 있다. 특정 실시예에서, 지지층은 약 10㎛ 내지 약 75㎛의 평균 두께를 지닐 수 있다. 일반적으로 지지층은 열 전달층(14)의 계면 폴리머화를 위해 지지면의 품질을 손상시킴이 없이 가능한 한 얇은 것이 바람직하다. 지지층이 더 평활하면 할수록, 일반적으로 이 기준에 필요한 지지 물질의 두께는 더 작아진다. 적어도 일부 실시예에서, 이 층은 약 40㎛ 미만이다.
하나 이상의 실시예에 따라 다공성 지지부로 사용하기에 적합할 수 있는 폴리머는 PS, 폴리에터설폰(PES), PES-케톤, PEEK, 폴리(프탈라지논 에터 설폰 케톤), PAN, PP, 폴리비닐 플루오라이드(PVF), 폴리에터이미드(PEI), 셀룰로스 아세테이트, 셀룰로스 다이아세테이트 및 셀룰로스 트라이아세테이트 폴리아크릴로나이트릴을 포함한다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 박막 필름 복합 열 교환 패널은 제1 복수의 기공을 가지는 제1 측면과, 제2 복수의 기공을 가지는 제2 측면을 구비하는 다공성 지지부를 포함할 수 있으며, 여기서 제1 복수의 기공의 실질적으로 전부의 평균 직경은 약 50㎚ 내지 약 500㎚이고, 제2 복수의 기공의 실질적으로 전부의 평균 직경은 약 5㎛ 내지 약 50㎛이지만, 본 발명의 범위 내에서 더 큰 기공 직경이 고려된다. 특정 실시예에서, 제1 복수의 기공과 제2 복수의 기공은 유체 연통가능하다. 상부층(예를 들어, 구조적 지지층 16)의 목적은 고품질의 지지층(예를 들어, 층 12)이 계면 폴리머화 또는 다른 증착 방법에 의해 형성되게 하고, 예를 들어 계면 폴리머화 또는 다른 증착 방법에 의하여 그 위에 배치된 초박막 열 전달층(예를 들어, 층 14)에 기계적 지지부를 제공하는 것이다. 나머지 지지 구조의 목적은 가능한 한 얇으면서 가능한 한 개방되고 최소로 비틀어지게 하는 것이다. 하부 쪽으로 큰 기공은 이 목적을 촉진할 수 있다. 하나 이상의 실시예에 따르면, 폴리머 첨가제는 다공성 지지부에 분산될 수 있다. 이 첨가제는 지지부 구조에 강도 또는 다른 바람직한 특성을 추가할 수 있다. 열 전달층은 다공성 지지부의 제1 측면 위에 도포될 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 열 교환 패널을 제조하는 방법은 적어도 제1 층과 제2 층을 구비하는 지지 구조를 제공하는 단계, 지지층을 형성하기 위해 상기 지지 구조의 제1 층에 물질을 도포하는 단계, 상기 열 교환 패널을 형성하기 위해 상기 지지층에 열 전달 물질을 도포하는 단계, 및 상기 지지 구조의 제2 층으로부터 지지 구조의 제1 층을 분리하는 것에 의해 열 교환 패널을 방출하는 단계를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 열 교환 패널을 제조하는 방법은 적어도 박막 지지층을 구비하는 지지 구조를 제공하는 단계, 지지 구조를 형성하기 위해 지지층에 물질을 도포하는 단계, 하나의 부품으로서 박막 지지층과 물질 구조를 방출하는 단계, 및 열 교환 패널을 형성하기 위해 열 전달 물질로 지지 구조를 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 열 교환 패널은 약 75마이크론 미만의 직물 층, 상기 직물 층 위에 도포된 약 50마이크론 미만의 지지층, 및 상기 지지층 위에 도포된 열 전달층을 포함할 수 있다. 열 교환 패널은 약 125마이크론 미만의 전체 두께를 지닐 수 있다. 지지층은 물질 전체의 약 30g/㎡ 미만을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 지지 물질은 약 5 내지 20g/㎡의 코팅으로 도포될 수 있다. 일부 실시예에서, 코팅은 약 8 내지 17.5g/㎡일 수 있다. 지지층, 지지 물질, 및 열 전달층 전체의 결합된 중량은 20 내지 40g/㎡일 수 있다. 지지층은 습식 부직포 공정으로 만들어질 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 폴리머 또는 다른 물질은 초박막 지지 구조를 가지는 열 교환 패널을 형성하기 위해 박막 직물 또는 부직물 또는 무기 기판 위에 여러 알려진 기술을 통해 증착될 수 있다. 일부 실시예에서, 제조에 사용되는 기판은 다층 지지부를 포함할 수 있다. 초미세 여과(UF) 기판이 다층 직물 또는 부직물 지지부 위에 배치되어, 하나 이상의 층이 열 교환기 구성 전에 제조 공정의 종단에서 제거될 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 기판 물질의 기공의 사이즈는 그 표면 위에 계면 폴리머화 열 전달층의 적절한 형성을 촉진하기 위해 UF 범위, 예를 들어, 약 100㎚ 내지 약 1㎛ 직경일 수 있다. 일부 실시예에서, 증착은 PS 또는 PAN과 같은 폴리머의 위상 반전을 포함할 수 있다. UF 기판에 연결되어 유지되는 층은 바람직한 특성, 예를 들어, 선택적인 지지층을 위해 UF 층에 확산을 개선시키는 높은 공극률, 낮은 비틀림, 박막도 또는 다른 특성과, 열 전달층을 위해 우수한 열 전달 특성, 내약품성 및 비다공성에 대해 최적화될 수 있다.
일부 실시예에서, 열 전달 코팅된 UF 물질은 예를 들어 폴리머의 위상 반전으로 배치된 후 직물 또는 부직물 지지부 위에 열 전달층의 계면 폴리머화가 후속하여, 열 교환 패널의 제조 후에 지지부는 UF 및 열 전달 물질만이 열 교환기에 사용될 수 있게 남겨두고 제거될 수 있다. 일부 비제한적인 실시예에서, UF 층은 열 전달층으로 증착되어 코팅될 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 기판은 의도적으로 분리가능한 지지부를 포함할 수 있다.
이 지지 구조는 폴리머 아래에 있거나 이 내에 부분적으로 둘러싸이거나 완전히 둘러싸일 수 있다. 일부 실시예에서, 박막 열 전달층의 계면 폴리머화 또는 코팅이 구현될 수 있다. 다른 실시예에서, 다공성 지지층을 제거가능한 물질 위에 증착하는 것, 제조 장비에서 물질 처리를 개선시키는 데 사용되지만 최종 막 제품의 일부이도록 의도된 것은 아닌 벨트 또는 다른 선형 이동 백킹 물질로부터 디라미네이트하는 것은 백킹을 구비하지 않는 초박막 지지 구조를 생성하는데 사용될 수 있다. 박막 열 전달층은 페이퍼리스 지지부의 표면 위에 증착될 수 있다. 일부 실시예에서, 열 전달층은 벨트로부터 지지부의 디라미네이트 전에 지지부 위에 증착될 수 있다.
지지 필름은 부직물일 수 있고 임의의 물질로 만들어질 수 있으나, 박막도, 높은 공극률 및 낮은 비틀림이 일반적으로 바람직하다. 지지 필름의 두께는 변할 수 있다. 일부 실시예에서, 지지 필름은 약 100마이크로미터 미만, 약 80마이크로미터 미만, 약 50마이크로미터 미만 또는 심지어 이보다 더 얇을 수 있다. 적어도 일 실시예에서, 다공성 폴리에스테르 부직물 지지 필름이 기판으로 사용될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 열 교환 패널을 제조하는 방법은 약 50마이크로미터 두께 미만의 박막 직물 또는 부직물 백킹을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 지지층과 열 전달층은 직물 백킹에 도포될 수 있다. 박막 직물 또는 부직물 지지층(상부층)은 약 100ft3/ft2/min을 초과하는 프레지어 공기 투과율을 특징으로 할 수 있다. 박막 직물 또는 부직물 백킹층(하부층)은 약 10ft3/ft2/min 미만의 프레지어 공기 투과율을 특징으로 할 수 있다. 일부 실시예에서, 하부 백킹층에 약 5ft3/ft2/min의 프레지어 공기 투과율이 바람직할 수 있다. 적어도 일부 실시예에서, 박막 직물 또는 부직물 백킹층은 약 30g/㎡의 평량 미만일 수 있다. 직물 백킹층에 도포된 지지층은 두께 약 40마이크로미터 미만일 수 있다. 열 전달층은 폴리머 지지층에 도포될 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 열 교환 패널은 막을 제조하는데 현재 사용되는 제조 라인에서 처리될 수 있다. 하나 이상의 실시예에 따르면, 박막 열 교환 패널이 처리되는 방법은 기계의 이산 부분에서 장력을 제어하도록 통합된 구동 시스템의 사용을 포함할 수 있다. 보조 수동 또는 자동 웹 조향 디바이스들이 더 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 기계 설계는 열 교환 패널의 주름과 접힘을 초래할 수 있는 열 교환 패널의 오버 장력을 감소시키기 위해 영역마다 약 10% 이하의 장력 강하를 허용할 수 있다. 선형 인치당 약 1파운드 미만의 장력이 열 교환 패널의 주름을 방지할 수 있다. 기계의 설계는 일반적으로 열 교환 패널이 침수된 영역에서 지지되지 않은 열 교환 패널의 자유 범위를 웹 폭의 1/2 미만으로 제한할 수 있다. 일부 비제한적인 실시예에서, 기계 설계는 또한 열 교환 패널의 주름과 접힘을 방지하기 위해 롤러 폭의 선형 바닥마다 약 0.001인치의 공차로 광학적 정렬을 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 전술된 열 교환 패널(10)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 하우징(120, 220)에 의해 한정된 내부 영역(104, 204) 내에 위치될 수 있다. 하우징(120, 220)은 내부에 위치된 하나 또는 복수의 열 교환 패널(10)을 수용하도록 사이즈 정해지고 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 2는 판 및 프레임 유형 열 교환기(100)를 도시하며, 여기서 복수의 열 교환 패널(110)은 종래의 판 및 프레임 유형 열 교환기에 잘 알려져 있는 바와 같이 하우징(120) 내에 적층되고 적절히 이격된다. 열 교환기(100)는 열 교환기(100)로 2개 이상의 유체 스트림을 도입하고 이로부터 2가지 이상의 유체 스트림을 제거하기 위한 복수의 포트(102)를 포함한다. 도 3은 쉘 및 튜브 유형 열 교환기(200)의 일례를 도시하며, 여기서 복수의 나선형으로 감긴 열 교환 패널(210)은 원통형 하우징(220) 내에 배치된 튜브를 형성한다. 열 교환기(200)는 여러 유체 스트림을 위한 입구와 출구를 제공하는 포트(202)를 더 포함한다. 쉘 및 튜브 유형 열 교환기(200)의 구성은 이들 유형의 열 교환기를 위한 알려진 제조 기술과 일치한다.
예언적인 예
하나 이상의 실시예에 따르면, 낮은 구조적 파라미터 지지부 위에 0.5㎛ 두께의 PEEK 필름은 약 67,000W/㎡-K의 열 전달 계수를 가지는 6㎜ 스테인리스 강철 열 전달 표면을 통해 일어날 수 있는 것보다 상당히 더 높은 500,000W/㎡-K의 율로 PEEK 필름을 통해 열 전달을 제공할 수 있다. 박막 필름 복잡체 또는 종래의 금속 표면의 열 교환기의 전체 열 전달 계수는 열 교환 물질의 각 측에 대한 열 및 물질 전달 계수에 의해 결정될 수 있다. 일부 경우에, 하나 이상의 실시예에 따라 박막 필름 복합 열 교환기는 유사하거나 우수한 열 교환 특성을 지닐 수 있으나, 많은 경우에 상당히 우수한 내부식성 및 상당히 낮은 비용을 가질 수 있다. 추가적으로, 열 교환기의 일측만이 높은 내약품성을 요구하는 경우, 더 저렴한 물질의 박막 필름은 이 측면과 대향할 수 있는 반면, 훨씬 더 저렴한 물질의 지지 구조는 다른 곳을 향할 수 있다.
본 발명의 일부 예시적인 실시예를 이제 설명하였으나, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 전술된 바가 단지 예시를 위한 것일 뿐, 발명을 제한하는 것이 아니라는 것이 명백할 것이다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자의 범위 내에서 수많은 변형과 다른 실시예가 가능하고 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다. 특히, 본 명세서에 제시된 많은 예시는 방법 동작 또는 시스템 요소의 특정 조합을 수반할 수 있으나, 이들 동작 및 이들 요소는 동일한 목적을 달성하는 다른 방식으로 조합될 수 있는 것으로 이해된다.
나아가, 본 발명은 본 명세서에 설명된 각 특징, 시스템, 서브시스템 또는 기술에 관한 것이고 본 명세서에 설명된 2가지 이상의 특징, 시스템, 서브시스템 또는 기술 중 임의의 조합에 관한 것이고, 이 특징, 시스템, 서브시스템, 및 기술이 서로 불일치하지 않는 경우 2가지 이상의 특징, 시스템, 서브시스템 및/또는 방법 중 임의의 조합은 임의의 청구범위에 구현된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다. 나아가, 일 실시예에 따라 설명된 동작, 요소 및 특징은 다른 실시예에서 유사한 역할을 배제하는 것으로 의도된 것이 아니다.
나아가, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에 설명된 파라미터 및 구성은 예시적인 것이고, 실제 파라미터 및/또는 구성은 본 발명의 시스템과 기술이 사용되는 특정 응용에 따라 좌우된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특정 실시예와 균등한 것을 과도한 실험을 사용하지 않고 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 그러므로, 본 명세서에 설명된 실시예는 단지 예시를 위하여 제시된 것이고 임의의 첨부된 특허청구범위와 균등물의 범위 내에서 본 발명은 구체적으로 설명된 바와는 다르게 실시될 수 있는 것으로 이해된다.
10: 열 교환 패널
12: 지지층
13: 지지 기판 또는 지지 구조
14: 열 전달층

Claims (22)

  1. 열 교환 패널을 제조하는 방법으로서,
    제1 층과 제2 층을 포함하는 지지 구조를 제공하는 단계;
    상기 지지 구조의 상기 제1 층에 제1 물질을 도포하여, 박막 다공성 지지층을 형성하는 단계;
    전달층상기 제1 물질 지지층에 제2 물질을 도포하여, 박막 비다공성 열 전달층을 형성하는 단계; 및
    상기 지지 구조의 상기 제2 층으로부터 상기 지지 구조의 상기 제1 층을 방출하는 것에 의해 상기 열 교환 패널을 방출(releasing)하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지지 구조 또는 상기 지지층 중 적어도 하나에 있는 기공 구조를 변경하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 지지 구조를 제공하는 단계는 상기 지지 구조로서 마이크로 여과 막을 제공하는 단계를 포함하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 지지 구조는 직물 층을 포함하는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 지지 구조는 비대칭 구조를 포함하는 것인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 지지 구조는 약 2mil 내지 약 4mil의 두께를 지니는 것인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 물질은 약 1mil 내지 약 2mil의 두께로 도포되는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 물질은 위상 반전을 통해 도포되는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 물질은 폴리설폰 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중 적어도 하나를 포함하는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제2 물질은 약 10㎛ 이하의 두께로 도포되는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제2 물질은 박막 증착 방법을 통해 도포되는 것인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제2 물질은 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에터에틸케톤 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 중 적어도 하나를 포함하는 것인 방법.
  13. 복수의 열 교환 패널들을 포함하는 열 교환기로서, 상기 열 교환 패널들은
    높은 공극률과 낮은 비틀림을 지니는 박막 지지 구조;
    상기 지지 구조의 제1 측면(side) 위에 배치되고 박막 다공성 지지층을 형성하는 제1 물질; 및
    상기 지지층 위에 배치되고 박막 비다공성 열 전달층을 형성하는 제2 물질을 포함하는 열 교환기.
  14. 제13항에 있어서, 하우징을 더 포함하되, 상기 복수의 열 교환 패널 각각은 상기 하우징 내에 적층되어, 판 및 프레임 유형(plate and frame type)의 열 교환기를 형성하는 열 교환기.
  15. 제13항에 있어서, 원통형 하우징을 더 포함하되, 상기 복수의 열 교환 패널 각각은 나선형으로 감겨있어 관형 부재(tubular member)를 형성하고, 상기 복수의 관형 부재는 상기 원통형 하우징 내에 길이방향으로 배치되어 쉘 및 튜브 유형(shell and tube type)의 열 교환기를 형성하는 것인 열 교환기.
  16. 제13항에 있어서, 각 열 교환 패널의 제1 측면 위 상기 열 교환기를 통해 제1 유체 스트림을 지향하기 위한 제1 입구와 제1 출구, 및 각 열 교환 패널의 제2 측면 위 상기 열 교환기를 통해 제2 액체 스트림을 지향하기 위한 제2 입구와 제2 출구를 구비하는 하우징을 더 포함하는 열 교환기.
  17. 제13항에 있어서, 상기 박막 지지 구조는 폴리머 페이퍼(polymeric paper)를 포함하는 것인 열 교환기.
  18. 제13항에 있어서, 상기 제1 물질은 폴리설폰 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 중 적어도 하나를 포함하는 것인 열 교환기.
  19. 제13항에 있어서, 상기 제2 물질은 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리에터에틸케톤 또는 폴리테트라플루오로에틸렌 중 적어도 하나를 포함하는 것인 열 교환기.
  20. 제13항에 있어서, 상기 박막 지지 구조는 이층 기판을 포함하는 것인 열 교환기.
  21. 제20항에 있어서, 상기 이층 기판은 제거가능한 백킹층을 포함하는 것인 열 교환기.
  22. 열 교환기를 제조하는 방법으로서,
    내부 영역을 한정하며 제1 입구, 제1 출구, 제2 입구 및 제2 출구를 구비하는 하우징을 제공하고,
    제1 측면과 제2 측면을 구비하는 복수의 열 교환 패널을 형성하되, 상기 패널은, 높은 공극률과 낮은 비틀림을 지니는 박막 지지 구조와, 상기 지지 구조의 제1 측면 위에 배치되고 박막 다공성 지지층을 형성하는 제1 물질과, 상기 지지층 위에 배치되고 박막 비다공성 열 전달층을 형성하는 제2 물질을 포함하고,
    상기 하우징의 내부 영역 내에 상기 복수의 열 교환 패널 각각을 배치하고,
    상기 복수의 열 교환 패널 각각의 제1 측면을 상기 하우징의 상기 제1 입구와 상기 제1 출구에 유체적으로 연결하고(fluidly coupling),
    상기 복수의 열 교환 패널 각각의 제2 측면을 상기 하우징의 상기 제2 입구와 상기 제2 출구에 유체적으로 연결하는 것을 포함하는 열 교환기의 제조 방법.
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