KR20180037439A - 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세히는 마이크로 채널로 이루어진 열교환판의 입구측에서 발생되는 아이싱 현상에 의해 유로가 막힘을 방지하여 원활한 열교환기 성능을 확보할 수 있게 된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기는, 제1 플레이트와, 상기 제1 플레이트에 형성되는 복수 개의 제1 입, 출구와, 상기 제1 입, 출구를 연결하는 복수 개의 제1 마이크로 채널로 이루어지는 제1 열교환판; 및 상기 제1 열교환판과 접하도록 구비되는 것으로, 제2 플레이트와, 상기 제2 플레이트에 형성되는 복수 개의 제2 입, 출구와, 상기 제2 입, 출구를 연결하는 복수 개의 제2 마이크로 채널로 이루어지는 제2 열교환판;이 순차적으로 복수 교번 적층되되, 상기 제1 열교환판의 입구측에는 채널과 채널 사이에 복수 개의 제1 관통홀이 형성되고, 상기 제2 열교환판에는 상기 제1 관통홀에 대응되는 위치에 복수 개의 제2 관통홀이 형성되어 상기 제1 열교환판을 통과하는 유체보다 상대적으로 고온의 디아이싱 유체가 상기 제1 및 2 관통홀을 통과하는 것을 특징으로 한다.

Description

디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기{THE MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER WITH DEICING FUNCTION}
본 발명은 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로 채널을 따라 상대적으로 매우 낮은 온도의 유체가 흐를때 열교환이 이루어지기 전 입구측에서 아이싱이 발생하여 유로를 막는 현상을 방지하여 원활한 열교환기 성능을 확보하기 위한 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기에 관한 것이다.
현재 산업현장에 적용되는 열교환기는 정밀성과 초소형화가 요구됨에 따라 마이크로 스케일의 열교환기 개발이 진행되고 있으며, 이와 같은 열교환기는 연료전지분야, 석유 산업에서 필요로 하는 화학 반응분야, 의료기기의 냉각분야, 전자 장비 냉각분야 등에 응용이 되고 있다.
종래 마이크로 스케일의 열교환기에 사용되는 열교환판은 마이크로 채널(microchannel)을 구비한 얇고 작은 금속 플레이트를 수 장에서 수십 장 적층하여 제작되며, 이와 같은 마이크로 채널을 일반적으로 에칭 공정에 의해 제조된다.
마이크로 채널을 구비하는 열교환기는 폭이 좁은 마이크로 채널을 만들고 그 채널형태의 유로를 통해 유체를 흘려 고온의 유체와 상대적으로 저온의 유체가 상호 열교환되게 되며, 채널의 크기가 작아지고 채널의 수가 늘어날수록 큰 전열면적을 가지므로 종래 열교환기와 비교하여 우수한 성능과 함께 소형화 및 경량화가 가능하여 다양한 분야에서 마이크로 채널 열교환기의 적용에 대한 관심이 늘어나고 있다.
특히 대용량의 열교환기가 필요한 플랜트일수록 소형화로 인한 플랜트 건설 및 유지보수 등의 비용 절감 효과가 크게 나타나며, LNG-FPSO에 사용되는 액화 플랜트처럼 공간의 제약이 큰 플랜트 환경에서도 열교환기의 소형화는 필수적이다.
도 1은 특허문헌인 (KR) 등록특허 제10-1233346호인 마이크로 열교환기로, 제1 미세채널(110) 및 제2 미세채널(210)의 입구 및 출구가 형성된 열교환기의 4면에 구비되는 포트(300)를 통해 열교환을 위한 해당 유체를 균일하게 공급 또는 회수하며, 공급된 해당 유체는 포트(300)와 열교환기 사이에 구비되는 헤더(400)에 의해 각각의 제1 미세채널(110) 및 제2 미세채널(210)으로 균일하게 분배되거나, 제1 미세채널(110) 및 제2 미세채널(210)을 통과한 유체를 수집되게 된다.
이때 상대적으로 매우 낮은 온도의 유체를 열매체로 할 경우 열교환이 이루어지기 전 입구측에서 아이싱(icing)이 발생하여 유로를 막는 현상이 나타나 열교환 효율이 감소하고, 나아가 최종적으로 전체 시스템의 성능을 저하시키는 문제점이 초래되게 된다.
(KR) 등록특허공보 등록특허 제10-1233346(등록일, 2013년 2월 7일)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 상대적으로 매우 낮은 온도의 유체가 흐를 경우 열교환이 이루어지기 전 열교환판의 입구측에서 발생되는 아이싱 현상에 의해 유로가 막히는 것을 방지함으로써 원활한 열교환기 성능을 확보하기 위한 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기는, 제1 플레이트와, 상기 제1 플레이트에 형성되는 복수 개의 제1 입, 출구와, 상기 제1 입, 출구를 연결하는 복수 개의 제1 마이크로 채널로 이루어지는 제1 열교환판; 및 상기 제1 열교환판과 접하도록 구비되는 것으로, 제2 플레이트와, 상기 제2 플레이트에 형성되는 복수 개의 제2 입, 출구와, 상기 제2 입, 출구를 연결하는 복수 개의 제2 마이크로 채널로 이루어지는 제2 열교환판;이 순차적으로 복수 교번 적층되되, 상기 제1 열교환판의 입구측에는 채널과 채널 사이에 복수 개의 제1 관통홀이 형성되고, 상기 제2 열교환판에는 상기 제1 관통홀에 대응되는 위치에 복수 개의 제2 관통홀이 형성되어 상기 제1 열교환판을 통과하는 유체보다 상대적으로 고온의 디아이싱 유체가 상기 제1 및 2 관통홀을 통과하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 복수 개의 제1 관통홀은 상기 제1 플레이트와 일체로 돌출 형성되는 제1 확장부에 형성되고, 상기 복수 개의 제2 관통홀은 상기 제1 플레이트의 제1 확장부에 대응되게 제2 플레이트와 일체로 돌출 형성되는 제2 확장부에 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 마이크로 채널은 제1 플레이트의 길이방향을 따라 굴곡되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 마이크로 채널은 제2 플레이트의 길이방향을 따라 직선으로 관통 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 마이크로 채널은 상기 제2 플레이트의 길이방향을 따라 굴곡되게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 및 2 관통홀이 형성된 채널과 채널 사이 간격은 제1 및 2 관통홀이 형성되지 아니한 채널과 채널 사이 간격보다 상대적으로 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 및 2 열교환판의 입, 출구 측에 해당 유체를 공급 또는 회수하는 포트, 상기 포트 및 마이크로 채널 열교환기 사이에 제1 및 제2 마이크로 채널로 분배하거나 상기 제 1 마이크로 채널 및 제 2 마이크로 채널을 통과한 유체를 수집하는 헤더가 구비되되, 상기 제1 열교환판의 입구측 헤더에는 상기 디아이싱 유체가 제1 열교환판의 유체 공급방향에 수직방향으로 공급되고 회수되는 포트가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어진 본 발명의 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기에 의하면, 마이크로 채널로 이루어진 열교환판의 입구측에서 발생되는 아이싱 현상에 의해 유로가 막힘을 방지하여 원활한 열교환기 성능을 확보할 수 있게 된다.
그 결과, 상대적으로 매우 낮은 온도의 유체를 취급하는 산업 분야에서도 열교환기에 대한 신뢰성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 특허문헌에 제시된 마이크로 열교환기를 나타내는 도면
도 2는 본 발명에 따른 제1 열교환판을 나타내는 도면
도 3은 본 발명에 따른 제2 열교환판을 나타내는 도면
도 4는 도 2의 "A"부분을 확대한 도면
도 5는 도 3의 "B"부분을 확대한 도면
도 6은 본 발명에 따른 열교환기에 헤더 및 포트가 결합된 상태를 나타내는 도면
도 7은 본 발명에 따른 제1 열교환판의 다른 실시예를 나타내는 도면
도 8은 본 발명에 따른 제2 열교환판의 다른 실시예를 나타내는 도면
도 9는 본 발명에 따른 제2 열교환판의 또 다른 실시예를 나타내는 도면
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 제1 열교환판을 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 제2 열교환판을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 열교환판(10)은 평판형상의 제1 플레이트(11)와, 상기 제1 플레이트(10)에 형성되는 복수 개의 제1 입, 출구(12, 13)와, 상기 제1 입, 출구(12, 13)를 연결하는 복수 개의 제1 마이크로 채널(15)로 이루어진다.
상기 제1 열교환판(10)과 접하도록 구비되는 제2 열교환판(20)은 도 3에 도시된 바와 같이 평판형상의 제2 플레이트(21)와, 상기 제2 플레이트(21)에 형성되는 복수 개의 제2 입, 출구(22, 23)와, 상기 제2 입, 출구(22, 23)를 연결하는 복수 개의 제2 마이크로 채널(25)로 이루어진다.
상기 제1 열교환판(10)의 제1 입구(12)를 통하여 제1 유체가 유입된 다음, 제1 마이크로 채널(15)을 통과하여 제1 출구(13)로 빠져나가게 되며, 제2 유체는 제2 열교환판(20)의 제2 입구(22)을 통해 유입된 다음, 제2 마이크로 채널(25)를 통과하여 제2 출구(23)로 빠져나가게 되어 상기 2개의 유체는 서로 다른 층의 채널로 유입됨으로써 혼합되지 않고, 각 플레이트를 매개체로 하여 상호 열을 전달하여 열교환을 하게 된다.
이때 상기 제1, 2 마이크로 채널(15, 25)은 일정 깊이의 홈 형태로 형성되게 되며, 상기 홈의 깊이나 폭, 그리고 형성 갯수는 열교환기가 사용되는 사용양태, 용량 등에 따라 다양하게 변경할 수가 있음은 물론이다.
이와 같이 이루어진 제1 열교환판(10)에 접하도록 제2 열교환판(20)을 위치시키는 것을 순차적으로 복수 교번되게하여 적층시키 후 브레이징 등 접합방법을 사용하여 본 발명에 따른 열교환기를 제조하게 된다.
도 4는 도 2의 "A"부분을 확대한 도면이며, 도 5는 도 3의 "B"부분을 확대한 도면이다.
도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1 열교환판(10)의 입구측에는 제1 마이크로 채널(15)과 채널 사이에 복수 개의 제1 관통홀(18)이 형성되고, 상기 제2 열교환판(20)에는 상기 제1 관통홀(18)에 대응되는 위치에 복수 개의 제2 관통홀(28)이 형성되게 된다.
상기 제1 관통홀(18)은 도 4에 도시된 바와 같이, 상대적으로 매우 낮은 온도의 제1 유체를 열매체로 할 경우 열교환이 이루어지기 전 입구측에서 발생되는 아이싱(icing) 현상에 의해 유로가 막히는 현상을 방지하고자 제1 열교환판(10)의 입구측 영역에 형성되는 것이 바람직하며, 이때 홈 형상으로 이루어져 있는 제1 마이크로 채널(15)과 인접하는 채널, 즉 채널과 채널 사이 공간에 채널 방향을 따라서 복수 개 형성되게 된다.
여기서, 상기 제2 관통홀(28)을 제1 관통홀(18)의 위치에 대응되게 형성되도록 하는 것은, 제1, 2 열교환판(10, 20)을 적층시킬 경우 상기 제1, 2 관통홀(18, 28)끼리 상호 연통되도록 하기 위함이며, 이때 상기 제2 관통홀(28) 역시 제2 마이크로 채널(25)과 채널 사이에 위치되게 됨은 물론이다.
한편, 상기 제1 관통홀(18)을 보다 용이하게 형성하기 위하여 상기 제1 열교환판(10)의 입구측 채널과 채널 사이의 간격을 이와 같은 제1 관통홀(18)이 형성되지 아니한 채널과 채널 사이 간격보다 상대적으로 넓게 형성하는 것이 바람직하며, 이는 상기 제2 관통홀(28)의 경우에도 마찬가지로 형성되게 된다.
즉, 상기 제1 및 2 관통홀(18, 28)이 형성된 각 채널과 채널 사이 간격은 제1 및 2 관통홀(18, 28)이 형성되지 아니한 채널과 채널 사이 간격보다 상대적으로 넓게 형성되게 된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제1 마이크로 채널(15)은 제1 플레이트(11)의 길이방향을 따라 굴곡되게 형성되며, 상기 제2 마이크로 채널(25)은 도 3에 도시된 바와 같이 제2 플레이트(21)의 길이방향을 따라 직선으로 관통 형성되게 된다.
전술한 구성을 갖는 제1 열교환판(10) 및 제2 열교환판(20)의 제1 미세채널(15) 및 제2 미세채널(25)은 경로가 서로 교차하는 크로스 플로우(cross flow) 방식이나 서로 평행하게 지나가는 카운터 플로우(counter flow) 방식 등 다양하게 형성될 수가 있으며, 이는 열교환기 용도 등을 고려한 열교환 효율에 맞춰 적절하게 가변될 수가 있음은 물론이다.
도 6은 본 발명에 따른 열교환기에 헤더 및 포트가 결합된 상태를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 열교환기(50)는 도 6에 도시된 바와 같이, 포트(30) 및 헤더(40)가 구비된다. 여기서, 포트(30)는 입구 및 출구가 형성된 열교환기(50)의 4면에 구비되어 열교환을 위한 유체를 균일하게 공급 또는 회수하는 장치이며, 헤더(40)는 포트(30)와 열교환기(50) 사이에 구비되어 포트(30)에서 공급되는 유체를 각 미세채널로 균일하게 분배하거나 각 미세채널을 통과한 유체를 수집하는 장치이다.
즉, 도 2와 3에 도시된 제1 및 2 열교환판(10, 20)을 순차적으로 적층시킨 다음, 해당 입, 출구측 헤드(40) 및 포터(30)를 연결하여 본 발명에 따른 열교환기(50)를 구성하게 되며, 상기 제1 열교환판(10)으로 제1 유체가 공급 또는 회수되고, 제2 열교환판(20)으로 제2 유체가 공급 또는 회수되어 그 과정에서 제1, 2 마이크로 채널(15, 25)을 통과하는 제1, 2 유체의 온도차에 의해 상호 열교환이 이루어지게 된다.
전술한 바와 같이 제1 및 2 열교환판(10, 20)을 순차적으로 적층시 상기 제2 관통홀(28)은 제1 관통홀(18)의 위치에 대응되게 형성되어 있으므로 상기 제1 및 2 관통홀(18, 28)끼리는 상부 열교환판에서 하부 열교환판까지 상호 연통되게 된다.
이때 상기 제1 및 2 관통홀(18, 28)로 디아이싱 유체가 공급되게 되는데, 이를 위하여 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 열교환판의 입구측 헤더에는 디아이싱 유체가 공급 또는 회수되는 포트가 더 구비되며, 상기 포트를 통하여 제1 열교환판의 유체 공급방향에 수직방향으로 상기 디아이싱 유체가 공급 또는 회수되게 된다.
이럴 경우, 제1 열교환판(10)에 상대적으로 매우 낮은 온도의 제1 유체가 열매체로 공급될 경우 열교환이 이루어지기 전 입구측에서 아이싱(icing) 현상이 발생하게 되나, 상기 제1 열교환판(10)을 통과하는 제1 유체보다 상대적으로 고온의 디아이싱 유체가 상기 제1 및 2 관통홀(18, 28)을 통하여 흐르게 됨으로써 제1 열교환판(10)의 입구측에서 발생되는 아이싱 현상을 방지할 수가 있다.
도 7은 본 발명에 따른 제1 열교환판의 다른 실시예를 나타내는 도면이며, 도 8은 본 발명에 따른 제2 열교환판의 다른 실시예를 나타내는 도면이며, 도 9는 본 발명에 따른 제2 열교환판의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다른 실시예의 제1 열교환판(10)은 제1 입구(12)측에 제1 플레이트(11)와 일체로 돌출 형성되는 제1 확장부(19)가 형성되어 상기 제1 확장부에(19)에 전술한 제1 관통홀(18)이 형성되게 되며, 제2 열교환판(20)에는 상기 제1 확장부(19)에 대응되는 위치에 제2 플레이트(21)와 일체로 돌출 형성되는 제2 확장부(29)가 형성되어 상기 제2 확장부(29)에 전술한 제2 관통홀(28)이 형성되게 된다.
여기서, 제1 열교환판(10)의 제1 마이크로 채널(15)은 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 플레이트(11)의 길이방향을 따라 굴곡되게 형성되며, 상기 제1 열교환판(10)과 접하도록 구비되는 제2 열교환판(20)의 제2 마이크로 채널(25)은 도 8에 도시된 바와 같이 제2 플레이트(21)의 길이방향을 따라 직선으로 관통 형성되거나, 또는 도 9에 도시된 바와 같이 제2 플레이트(21)의 길이방향을 따라 굴곡되게 형성될 수 있다.
이때 도 9의 경우 제2 열교환판(20)의 제2 입, 출구(22, 23)는 도 7에 도시된 제1 열교환판(10)의 제1 입, 출구(12, 13)와 대향되는 위치에 각각 형성되며, 이와 같이 굴곡지게 형성되는 제1, 2 마이크로 채널에 의해 열전달 길이가 늘어남으로써 상대적으로 열전달 효율이 상승되는 이점이 있다.
이와 같이 제1 확장부 및 제2 확장부(19, 29)를 제1 및 2 플레이트(11, 21)에서 일체로 돌출되게 형성할 경우, 제1 열교환판의 입구측 헤더를 보다 용이하게 결합가능하게 되며, 아울러 열교환판내에 마이크로 채널의 길이를 최대한 확보가 가능하여 열전달 효율을 상승시키는 효과가 있다.
또한, 도 8 및 9에 도시된 제2 열교환판(20)의 경우 마이크로 채널(25)이 형성되지 있지 않은 제2 확장부(29)에다 제2 관통홀(28)을 바로 형성할 수가 있어 작업성도 휠씬 뛰어나게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면 상대적으로 매우 낮은 온도의 유체가 유입되는 경우 열교환기의 입구측에서 발생되는 아이싱 현상을 방지하도록 한 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기를 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 이와 같은 본 발명이 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 마이크로 채널이 플레이트의 길이방향을 따라 굴곡되게 형성되거나 길이방향을 따라 직선으로 관통 형성되는 것뿐 아니라 다양한 형태의 마이크로 채널에도 적용할 수 있게 되는 등 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.
10: 제1 열교환판 11: 제1 플레이트
15: 제1 마이크로 채널 18: 제1 관통홀
19: 제1 확장부
20; 제2 열교환판 21: 제2 플레이트
25: 제2 마이크로 채널 28: 제2 관통홀
29: 제2 확장부
30: 포트 40: 헤드
50: 열교환기

Claims (7)

  1. 제1 플레이트와, 상기 제1 플레이트에 형성되는 복수 개의 제1 입, 출구와, 상기 제1 입, 출구를 연결하는 복수 개의 제1 마이크로 채널로 이루어지는 제1 열교환판; 및
    상기 제1 열교환판과 접하도록 구비되는 것으로, 제2 플레이트와, 상기 제2 플레이트에 형성되는 복수 개의 제2 입, 출구와, 상기 제2 입, 출구를 연결하는 복수 개의 제2 마이크로 채널로 이루어지는 제2 열교환판;이 순차적으로 복수 교번 적층되되,
    상기 제1 열교환판의 입구측에는 채널과 채널 사이에 복수 개의 제1 관통홀이 형성되고, 상기 제2 열교환판에는 상기 제1 관통홀에 대응되는 위치에 복수 개의 제2 관통홀이 형성되어 상기 제1 열교환판을 통과하는 유체보다 상대적으로 고온의 디아이싱 유체가 상기 제1 및 2 관통홀을 통과하는 것을 특징으로 하는 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 관통홀은 상기 제1 플레이트와 일체로 돌출 형성되는 제1 확장부에 형성되고, 상기 복수 개의 제2 관통홀은 상기 제1 플레이트의 제1 확장부에 대응되게 제2 플레이트와 일체로 돌출 형성되는 제2 확장부에 형성되는 것을 특징으로 하는 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 채널은 제1 플레이트의 길이방향을 따라 굴곡되게 형성되는 것을 특징으로 하는 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 채널은 제2 플레이트의 길이방향을 따라 직선으로 관통 형성되는 것을 특징으로 하는 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 채널은 상기 제2 플레이트의 길이방향을 따라 굴곡되게 형성되는 것을 특징으로 하는 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 2 관통홀이 형성된 채널과 채널 사이 간격은 제1 및 2 관통홀이 형성되지 아니한 채널과 채널 사이 간격보다 상대적으로 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 2 열교환판의 입, 출구 측에 해당 유체를 공급 또는 회수하는 포트, 상기 포트 및 마이크로 채널 열교환기 사이에 제1 및 제2 마이크로 채널로 분배하거나 상기 제 1 마이크로 채널 및 제 2 마이크로 채널을 통과한 유체를 수집하는 헤더가 구비되되, 상기 제1 열교환판의 입구측 헤더에는 상기 디아이싱 유체가 제1 열교환판의 유체 공급방향에 수직방향으로 공급되고 회수되는 포트가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 디아이싱 기능이 구비된 마이크로 채널 열교환기.
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