KR20190006657A - 열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작동유체의 비등을 촉진시켜 열저항을 줄임으로써 열교환 파이프의 성능을 향상시킬 수 있는 열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 중공부가 마련된 금속파이프 내부에 인서트부재가 배치되도록 하여 상기 금속파이프의 내측면과 상기 인서트부재의 외측면 사이에 공간부를 형성하는 공간부 형성단계; 상기 금속파이프의 내측면에 다공성 코팅층을 형성하기 위해 상기 공간부에 금속 입자들을 포함하는 코팅층 형성재료를 충진시키는 충진단계; 상기 공간부에 충진된 상기 금속 입자들 소결시키는 소결단계; 및 상기 금속파이프 내부에 배치된 상기 인서트부재를 제거하는 인서트부재 제거단계를 포함하는 열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템을 제공한다.

Description

열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템{Manufacturing method of heat exchange pipe, Heat exchange pipe and Heat-recovery system using the same}

본 발명은 열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 작동유체의 비등을 촉진시켜 열저항을 줄임으로써 열교환 파이프의 성능을 향상시킬 수 있는 열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템에 관한 것이다.

써모싸이펀 열교환기는 공장 등의 폐열회수장치, 컴퓨터의 마이콤을 냉각하는 장치에 많이 활용하는 열교환기이다. 써모싸이펀 열교환기는 밀봉된 파이프 배관내에서 펌프 등 별도의 동력을 이용하지 않고 열역학적인 증발과 응축에 의한 압력차 및 중력을 이용하여 냉매가 증발부에서 응축부로 연속적으로 순환함으로서 열을 증발부로부터 응축부로 전달시키는 것이다.

종래의 써모싸이펀 열교환기에 사용되는 열교환 파이프는 응축부와 증발부, 그리고 응축부와 증발부를 연결하는 연결부를 갖는다.

이러한 종래의 상기 열교환 파이프는 증발부를 측으로 열이 가해지면 증발부에서 작동유체가 증발하고 증기압의 차이에 의하여 증기는 연결부를 통과하여 응축부로 이동하게 된다. 이동한 증기는 응축부에서 응축하고 응축잠열은 외부로 빠져나가게 된다. 응축된 유체는 중력에 의하여 금속 파이프의 내측벽을 통하여 흘러내리고 연결부를 지나 증발부로 다시 돌아가면서 열교환이 이루어진다.

최근에는 열교환 파이프의 열교환 성능을 향상시키기 위한 다양한 연구가 수행되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2000-005218호(발명의 명칭 : 써모싸이펀 열교환기, 2000. 08. 16. 공개)

본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열교환기 파이프에 다공성 코팅층을 구비함으로써, 작동유체의 비등을 촉진시켜 열저항을 줄임으로써 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 중공부가 마련된 금속파이프 내부에 인서트부재가 배치되도록 하여 상기 금속파이프의 내측면과 상기 인서트부재의 외측면 사이에 공간부를 형성하는 공간부 형성단계; 상기 금속파이프의 내측면에 다공성 코팅층을 형성하기 위해 상기 공간부에 금속 입자들을 포함하는 코팅층 형성재료를 충진시키는 충진단계; 상기 공간부에 충진된 상기 금속 입자들 소결시키는 소결단계; 및 상기 금속파이프 내부에 배치된 상기 인서트부재를 제거하는 인서트부재 제거단계를 포함하고, 상기 금속 입자의 재질은 상기 금속파이프의 재질과 열팽창률이 동일한 재질이 사용되고, 상기 인서트부재의 재질은 상기 금속 입자의 재질보다 열팽창률이 작은 재질이 사용된 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 금속파이프와 상기 금속 입자는 구리 또는 스테인리스 스틸 재질 중 어느 하나의 재질이 사용되고, 상기 인서트부재는 탄소재질로 형성된 탄소봉이 사용될 수 있다.

상기 소결단계에서 상기 금속 입자는 상기 금속파이프의 내측면에만 융착되어 상기 다공성 코팅층을 형성하며, 상기 금속입자의 크기가 커질수록 상기 다공성 코팅층의 두께가 크게 형성될 수 있다.

한편, 상기 열교환 파이프 제조방법은 상기 인서트부재와, 상기 인서트부재와 일체로 형성되되 상기 금속 파이프가 삽입될 수 있는 삽입 공간부를 갖는 금형 몸체부를 포함하는 인서트 금형을 제작하는 단계를 더 포함하며, 상기 삽입 공간부는 상기 인서트부재를 둘러싸고 있는 형태를 가질 수 있다.

상기 열교환 파이프 제조방법은 상기 코팅층 형성재료를 준비하는 준비단계를 더 포함하며, 상기 코팅층 형성재료는 상기 코팅층 형성재료의 유동성을 확보하기 위한 폴리머 입자를 더 포함하며, 상기 준비단계에서는 상기 금속입자와 상기 폴리머 입자를 교반시켜 혼합할 수 있다.

여기서, 상기 충진단계는, 상기 금속 입자와 폴리머 입자가 혼합된 혼합물을 사출공정에 의해 충진될 수 있다.

상기 열교환 파이프 제조방법은 상기 공간부에 충진된 상기 혼합물에 솔벤트를 넣어 상기 폴리머 입자를 융해시키는 융해단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 소결단계에서, 상기 공간부에 충진된 상기 혼합물 중 상기 금속 입자들은 상기 금속파이프 내측면에 융착되고, 상기 융해단계에서 제거되지 않고 남은 폴리머가 제거될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 본 발명은 외부의 열원과 접촉되어 내부의 작동유체를 증발시키기 위한 증발부와, 상기 증발부에서 기화된 기체상태의 작동유체를 응축시키기 위한 응축부와, 상기 증발부와 응축부를 연결하기 위한 연결부를 가지며 내부에 밀폐공간을 형성하는 금속파이프; 그리고, 상기 증발부의 내측표면에 코팅되어 상기 작동유체의 비등을 촉진시키는 다공성 코팅층;을 포함하는 열교환 파이프를 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 의하면, 상술한 열교환 파이프; 상기 열교환 파이프를 설치하기 위한 제1 측벽 및 제2 측벽을 갖는 열교환 본체; 폐열원에서 배출되는 유체와의 열교환을 위한 제1 열교환 공간부와, 외부에서 유입되는 가열대상유체와의 열교환을 위한 제2 열교환 공간부를 독립적으로 구획하기 위하여 상기 열교환 본체에 설치되는 공간 구획부재;를 포함하며, 상기 열교환 파이프의 증발부의 자유단은 상기 제1 열교환 공간부를 형성하는 상기 제1 측벽 상에 고정되고, 상기 열교환 파이프의 응축부의 자유단은 상기 제2 열교환 공간부를 형성하는 상기 제2 측벽상에 고정되되, 상기 열교환 파이프의 연결부는 상기 공간 구획부재를 관통하는 것을 특징으로 하는 열회수 시스템을 제공한다.

여기서, 상기 증발부의 자유단은 상기 열교환 본체 상에서 지면을 기준으로 상기 응축부의 자유단보다 낮게 설치될 수 있다.

상기 열회수 시스템은 상기 열교환 파이프와 상기 공간 구획부재 사이에 배치되어 상기 제1 열교환 공간부와 상기 제2 열교환 공간부가 서로 연통되는 것을 방지하는 실링부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 열교환 파이프의 내측면에 다공성 코팅층을 구비함으로써, 증발부에 수용된 작동유체의 비등을 촉진시켜 열저항을 줄임으로써 열교환 파이프의 열전달 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

둘째, 본 발명은 다공성 코팅층을 형성하는 금속입자로 열교환 파이프의 금속파이프와 동일한 열팽창률을 가진 재질을 사용하고 인서트부재로 금속입자 보다 열팽창률이 작은 재질을 사용함에 따라 열교환 파이프에 다공성 코팅층을 용이하게 융착시킬 수 있는 이점이 있다.

셋째, 다공성 코팅층을 갖는 열교환 파이프를 사용함으로써 폐열원에서 방출되는 유체로부터 열을 효율적으로 회수할 수 있게 되어 에너지 효율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프의 제조공정을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 파이프의 제조공정을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 따른 열교환 파이프의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 다공성 코팅층이 없는 경우와 다공성 코팅층이 있는 경우의 열전도 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 다공성 코팅층의 코팅 두께와 열전달계수와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명 따른 열회수 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환 파이프 제조방법의 일 실시예에 따른 제조방법을 순차적으로 나타낸 그래프이다. 도 1을 참조하여, 본 발명의 따른 열교환 파이프 제조방법의 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따를 열교환 파이프 제조방법은 열교환 파이프 내측면에 다공성 코팅층을 형성하는 방법인 것으로서, 상기 열교환 파이프(100) 제조방법은 공간부 형성단계와, 충진단계와, 소결단계 및 인서트부재 제거단계를 포함한다.

먼저, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 금속파이프(10)와 인서트부재(20) 사이에 공간부(30)를 형성하는 공간부(30) 형성과정이 수행된다.

즉, 상기 공간부 형성단계는 중공부(11)가 마련된 금속파이프(10) 내부에 인서트부재(20)가 배치되도록 하여 상기 금속파이프(10)의 내측면과 상기 인서트부재(20)의 외측면 사이에 공간부(30)를 형성하는 것이다.

이때, 상기 금속파이프(10)는 원통 형상으로 형성되고, 상기 인서트부재(20)는 금속파이프(10)와 동일한 형상인 원통 형상으로 형성되되, 상기 공간부(30)를 형성하기 위하여 상기 금속파이프(10)의 직경 보다 작은 직경을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 공간부(30)는 후술하는 다공성 코팅층(40)을 형성하기 위해 코팅층 형성재료가 충진되는 공간인 것이다.

다음, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 공간부(30)에 코팅층 형성재료를 충진시키는 충진과정이 수행된다.

즉, 상기 충진단계는 상기 금속파이프(10)의 내측면에 상기 다공성 코팅층(40)을 형성하기 위해 상기 공간부(30)에 금속입자(51)들을 포함하는 코팅층 형성재료를 충진시키는 것이다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 금속입자(51)들만을 이용하여 상기 다공성 코팅층(40)을 형성시키는 것이 제시되며, 상기 금속파이프(10)의 내측면과 상기 인서트부재(20)의 외측면 사이에 형성된 상기 공간부(30)에 상기 금속입자(51)를 충진시켜 상기 다공성 코팅층(40)을 형성한다. 이때, 상기 금속입자(51)들은 디스펜서와 같은 별도의 장치에 의하여 충진될 수 있다.

한편, 상기 금속입자(51)의 재질은 상기 금속파이프(10)의 재질과 열팽창률이 동일한 재질이 사용되고, 상기 인서트부재(20)의 재질은 상기 금속입자(51)의 재질보다 열팽창률이 작은 재질이 사용되는 것이 바람직하다.

이는 상기 다공성 코팅층(40)을 형성하는 상기 금속입자(51)가 상기 금속파이프(10)에 잘 융착될 수 있도록 하기 위한 것이다. 구체적으로, 상기 금속파이프(10)와 금속입자(51)가 동일한 열팽창률을 가진 재질을 사용하고, 상기 인서트부재(20)가 상기 금속입자(51)의 재질보다 열팽창률이 작은 재질을 사용하게 되면 후술하는 소결과정에서 상기 금속입자(51)는 상기 금속파이프(10)의 내측면에 융착되지만, 열팽창률이 작은 인서트부재(20)에는 융착되지 않게 된다.

이때, 상기 금속파이프(10) 및 상기 금속입자(51)의 재질은 구리 또는 스테인리스 스틸 재질 중 어느 한 재질일 사용될 수 있다. 즉, 상기 금속파이프(10)의 재질이 구리 재질이면 상기 금속입자(51)의 재질 또한 구리 재질이 사용되며, 상기 금속파이프(10)의 재질이 스테인리스 스틸의 재질이면 상기 금속입자(51)의 재질 또한 스테인리스 스틸 재질이 사용되는 것이다.

한편, 상기 인서트부재(20)는 탄소재질로 형성된 탄소봉이 사용될 수 있다. 상기 인서트부재(20)로 사용된 탄소재질은 상기 금속파이프(10)에 사용된 재질인 구리 및 스테인리스 스틸 재질보다 열팽창률이 낮은 재질이기 때문에 소결과정 시, 상기 금속입자(51)는 동일한 재질이 사용된 금속파이프(10)의 내측면에만 융착된다.

다음, 도 1d에 도시된 바와 같이, 상기 금속입자(51)를 소결시키는 과정이 수행된다.

상기 소결단계에서 사용되는 소결로(80)에는 소결공간(81)이 마련되어 있고, 상기 소결공간에 상기 금속입자가 충진된 상태의 금속파이프가 놓여지게 된다.

즉, 상기 소결단계는 상기 공간부(30)에 상기 금속입자(51)가 충진된 상태의 금속파이프(10)를 상기 소결로(80)에 배치한 상태에서 상기 금속입자(51)에 대한 소결과정이 수행되는 것이다.

결과적으로, 소결단계에서 상기 금속입자(51)는 열팽창률이 동일한 상기 금속파이프(10)의 내측면에만 융착된 상태가 된다.

다음, 도 1e에 도시된 바와 같이, 상기 금속파이프(10)로부터 상기 인서트부재(20)를 제거하는 제거 과정이 수행된다.

즉, 상기 인서트부재(20) 제거단계에서는 상기 소결과정에서 상기 금속입자(51)가 금속파이프(10) 내측면에만 융착된 상태이기 때문에 상기 금속파이프(10)로부터 인서트부재(20)를 수월하게 제거할 수 있게 된다.

상술한 과정을 통하여, 상기 금속파이프(10) 내측면에 금속입자(51)로 이루어진 다공성 코팅층(40)이 구비된 열교환 파이프(100)를 제작할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 파이프(100) 제조방법의 다른 실시예에 따른 제조방법을 순차적으로 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하여, 본 발명의 따른 열교환 파이프(100) 제조방법의 다른 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 다른 실시예에 따를 열교환 파이프(100) 제조방법은 열교환 파이프(100) 내측면에 다공성 코팅층(40)을 형성하는 다른 방법인 것으로서, 본 실시 예에 따른 열교환 파이프(100) 제조방법은 상술한 일 실시예에서 제시된 방법과 달리 인서트 금형(52)을 제작단계와, 준비단계와, 융해단계를 더 포함할 수 있다.

본 실시 예에서 인서트부재(20)는 인서트 금형(60)의 일부로 제작된다. 즉, 본 실시 예에서는 상술한 실시 예와 달리 상기 인서트부재(20)가 마련된 상기 인서트 금형(52)이 사용된 것이 제시된다.

먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 인서트 금형(52)을 제작하는 단계가 수행된다.

이때, 상기 인서트 금형(52)에는 상기 인서트부재(20)와, 상기 인서트부재(20)와 일체로 형성되되 상기 금속파이프(10)가 삽입될 수 있는 삽입 공간부(61)를 갖는 금형 몸체부(62)를 포함한다. 여기서, 삽입 공간부(61)는 상기 인서트부재(20)를 둘러싸도록 형성될 수 있다.

다음, 상기 공간부(30)를 형성하는 과정이 수행된다.

즉, 제조자는 상기 인서트 금형(52)에 마련된 상기 인서트부재(20)에 상기 금속파이프(10)를 삽입시켜 상기 코팅층 형성재료를 충진시키기 위한 공간부(30)를 형성한다.

구체적으로, 상기 금속파이프(10)가 상기 인서트부재(20)에 삽입되면, 상기 금속파이프(10)는 상기 인서트 금형(52)에 마련된 상기 삽입 공간부(61)에 안착된 상태가 되고, 상기 금속파이프(10) 내측면과 상기 인서트부재(20)의 외측면 사이에는 공간부(30)가 형성된다.

다음, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 코팅층 형성재료를 준비하는 과정이 수행된다.

한편, 본 발명에 따른 다른 실시예의 상기 코팅층 형성재료는 상기 코팅층 형성재료의 유동성을 확보하기 위한 폴리머 입자(52)를 더 포함될 수 있다. 이때, 상기 코팅층 형성재료에 상기 폴리머 입자(52)가 포함된 것은 상기 금속입자(51)가 상기 공간부(30)로 충진되는 과정에서 유동성을 확보하여 더욱 잘 충진될 수 있도록 하기 위해 포함된 것이다.

즉, 상기 준비단계에서는 상기 금속입자(51)와 상기 폴리머 입자(52)를 교반시켜 혼합하는 과정이 수행되는 것이고, 이로 인해 상기 금속입자(51)와 폴리머 입자(52)가 혼합된 혼합물이 만들어지게 된다.

다음, 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 혼합물을 공간부(30)에 충진시키는 충진하는 과정이 수행된다.

이때, 상기 공간부(30)에 상기 금속입자(51)와 폴리머 입자(52)가 혼합된 혼합물을 충진시키는 공정은 사출공정에 의해 수행될 수 있다.

다음, 도시되지는 않았지만, 상기 혼합물의 충진된 금속파이프(10)로부터 상기 인서트 금형(52)을 제거하는 제거 과정이 수행된다.

다음, 도 2d에 도시된 바와 같이, 상기 금속파이프(30)의 내측면에 충진된 혼합물 중 폴리머 입자를 융해시키는 융해과정이 수행된다.

구체적으로, 상기 융해과정은 융해 공간(71)이 마련된 융해 용기(72)에서 수행된다. 즉, 제조자는 혼합물이 충진된 상기 금속파이프(10)를 융해 공간(71)에 배치한 다음 솔벤트(70)를 공급하여 상기 폴리머 입자(52)를 융해시킨다. 상기 융해과정을 통해, 상기 혼합물 중의 폴리머 입자(52)의 상당 부분이 제거된다.

다음, 도 2e에 도시된 바와 같이, 상기 혼합물을 소결시키는 과정이 수행된다.

상기 소결과정은 소결 공간(81)이 마련된 소결로(80)에서 수행된다. 즉, 제조자는 상기 인서트 금형(52)을 상기 소결 공간(81)에 배치한 상태에서 상기 금속입자(51)를 소결시키게 된다. 이와 같은 과정을 통하면, 상기 융해과정에서 제거되지 않은 폴리머는 제거되고 상기 금속입자(51)는 상기 금속파이프(10)의 내측면에 융착된 상태가 된다.

상술한 과정을 통하여, 상기 금속파이프(10) 내측면에 금속입자(51)로 이루어진 다공성 코팅층(40)이 구비된 열교환 파이프(100)가 제작될 수 있다.

상기 금속파이프(10)의 내측면에 상기 다공성 코팅층(40)이 형성된 이후에는 상기 금속파이프(10)의 일단을 밀폐시키는 공정이 수행된다.

다음으로, 제조자는 작동유체를 상기 금속파이프(10)의 내부에 주입한 후, 상기 금속파이프(10)의 주입부를 실링하게 된다. 상기 금속파이프(10)의 주입부가 실링되기 전에 상기 금속파이프(10)의 내부에 존재하는 공기를 빼내어 상기 금속파이프(10)의 내부를 진공상태로 만드는 과정이 수행된다.

도 3은 본 발명에 따른 열교환 파이프(100)의 구조를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하여, 상기 전술한 방법에 의해 제작된 열교환 파이프(100)의 세부구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 열교환 파이프(100)는 외부의 열원과 접촉되어 내부의 작동유체를 증발시키기 위한 증발부(110)와, 상기 증발부(110)에서 기화된 기체상태의 작동유체를 응축시키기 위한 응축부(120)와, 상기 증발부(110)와 응축부(120)를 연결하기 위한 연결부(130)를 가지며 내부에 밀폐공간을 형성하는 금속파이프(10) 그리고, 상기 증발부(110)의 내측표면에 코팅되어 상기 작동유체의 비등을 촉진시키는 다공성 코팅층(40)을 포함한다.

상기 금속파이프(10)의 상기 증발부(110)는 상기 금속파이프(10)에 내부에 저장된 작동유체를 증발시키기 위한 영역이다. 상기 증발부에서 액체상태의 작동유체가 고온의 외부의 열원과 접촉되면 고온 기상의 작동유체로 변환된다.

상기 금속파이프(10)의 상기 응축부(120)는 상기 증발부(110)에서 기화된 기체상태의 작동유체를 응축시키기 위한 영역이다. 상기 응축부(120)에서 고온 기상의 작동유체가 저온의 외부 열원과 접촉되면, 액체상태의 작동유체로 변환된다.

상기 연결부(130)는 상기 응축부(120)와 상기 증발부(110) 사이에 마련되어 상기 응축부(120)와 상기 증발부(110)를 연결시키는 영역이다. 이때, 상기 연결부(130)에서는 열교환은 이루어지지 않으며 액상과 기상의 작동유체가 공존하는 부분이고, 상기 증발부(110)에서 증발된 기체 상태의 작동유체가 유동되고, 상기 응축부(120)에서 응축된 액체상태의 작동유체가 유동된다.

상기 다공성 코팅층(40)은 상기 증발부(110)의 내측표면에 코팅되어 상기 작동유체의 비등을 촉진시킨다.

상기 다공성 코팅층(40)은 복수의 구멍들에 의하여 작동유체와 접촉되는 표면적이 증가하기 때문에 상기 작동유체와의 열교환 면적이 증가되고, 이로 인하여 상기 작동유체의 비등이 촉진되게 된다.

한편, 도시되지는 않았지만, 상기 응축부(120) 내측면에는 응축된 작동유체가 상기 증발부(110)로 잘 흐를 수 있도록 요철 구조의 유로홈이 형성될 수도 있다. 상기 요철구조의 유로 홈은 외부의 저온 열원과의 열교환 면적을 넓히게 되어 상기 작동유체의 응축을 촉진시키는 기능도 함께 수행하게 된다.

이상과 같은 구성된, 상기 열교환 파이프(100)는 증발부(110)에 열이 가해지면 증발부(110)에서 작동유체가 증발하고 증기압의 차이에 의하여 증기는 연결부(130)를 통과하여 응축부(120)로 이동하게 된다.

이때, 상기 증발부(110)에 구비된 다공성 코팅층(40)은 증발부(110)에 수용된 작동유체의 비등을 촉진시켜 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.

이동한 증기는 상기 응축부(120)에서 응축하고 응축잠열은 외부로 빠져나가게 된다. 응축된 작동유체는 중력에 의하여 상기 금속파이프(10)의 내측벽을 통하여 흘러내리고 상기 연결부(130)를 지나 증발부(110)로 다시 유입되어 열교환이 이루어지게 된다.

도 4는 다공성층이 형성되지 않은 경우와, 다공성 코팅층이 형성된 경우의 열전도 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 다공성 코팅층이 형성된 열교환 파이프의 경우에는 외부의 열원에 노출되는 열교환 파이프의 표면온도와 작동유체의 비등이 일어나는 포화온도의 차이(ΔTsat)가 다공성 코팅층이 구비되지 않은 종래의 열교환 파이프보다 작더라도 작동유체의 비등이 일어남을 알 수 있다.

본 발명에 따른 열교환 파이프의 제조방법에 의하여 제조된 다공성 코팅층이 형성된 열교환 파이프는 다공성 코팅층이 구비되지 않은 종래의 열교환 파이프보다 열저항이 작고, 이로 인하여 비등이 촉진됨을 알 수 있다.

예를 들어, 동일한 히트플럭스(q") 100(W/cm2)를 뽑아내기 위해서 본 발명의 경우에는 열교환 파이프의 표면온도와 작동유체의 비등이 일어나는 포화온도의 차이(ΔTsat)가 약 2.5도인 반면, 종래의 열교환 파이프는 20도 정도이어야 한다.

즉, 동일한 열을 뽑아내는데 종래의 열교환 파이프의 표면온도는 본 발명의 경우보다 17.5도 정도 더 높아야 하기에 더 많은 열원이 공급되어야 함을 알 수 있다.

결과적으로, 열교환 파이프에 상기 다공성 코팅층(40)이 구비됨에 따라 열저항이 작아지게 되어 증발부에 수용된 작동유체의 비등이 촉진됨으로써 열교환 성능이 월등하게 향상되는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 다공성 코팅층의 코팅 두께와 열전달계수와의 관계를 나타낸 그래프 이다. 도 5를 참조하여, 다공성 코팅층의 코팅 두께와 열전달계수와의 관계를 설명하면 다음과 같다.

구체적으로, 도 5는 다공성 코팅층의 두께에 따른 열전달 계수를 측정하고, 열전달 계수가 가장 높은 제1 열전달 계수를 갖는 최적두께를 기준으로 다공성 코팅층의 두께를 무차원으로 노말라이징(normalizing)시키고, 열전달 계수는 제1 열전달 계수를 기준으로 노말라이징(normalizing) 시킨 값을 나타낸 그래프이다.

도 5를 참조하면, 다공성 코팅층은 열전달 성능이 가장 뛰어난 최적의 코팅두께가 존재함을 알 수 있다.

구체적으로, 다공성 코팅층의 두께가 최적의 두께보다 작은 경우 다공성 코팅층에 의한 열저항이 작동유체의 비등을 촉진시키는 정도가 약하고, 최적의 두께보다 더 두꺼울 경우 작동유체가 비등되어 다공성 코팅층을 빠져 나올 때 유동저항이 발생하게 되어 열전달 파이프의 열전달 성능이 떨어지게 된다.

결과적으로, 다공성 코팅층의 두께는 최적의 두께를 가지도록 설계되는 것이 바람직하며, 상기 다공성 코팅층의 두께의 최적 범위로는 100 ~ 300㎛ 이내로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 다공층 코팅층을 형성하는 금속입자의 크기에 따라 상기 다공성 코팅층의 최적 두께가 다르게 설정된다. 예를 들면, 금속입자가 제1 입자크기를 가지는 경우에 다공성 코팅층의 최적 두께가 제1 설정두께이고, 금속입자가 상기 제1 입자크기보다 큰 제2 입자크기를 가지는 경우에 다공성 코팅층의 최적 두께가 제2 설정두께라고 한다면, 상기 제1 설정두께는 상기 제2 설정두께 보다 얇게 설정되는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 상기 금속입자의 크기가 작으면 작을수록 상기 다공성 코팅층에 형성되는 기공의 크기가 작기 때문에 작동유체와 접촉하는 표면적이 증가하게 되고, 상기 작동유체와의 표면적이 최적의 범위를 넘어서게 되면 오히려 유동저항이 증가하게 되어 열저항이 증가하기 때문이다.

도 6은 본 발명에 따른 열교환 파이프를 이용한 열회수 시스템을 개략적 나타낸 도면이다. 도 3 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 열회수 시스템의 세부구성을 설명하면 이하와 같다.

본 발명에 따른 열회수 시스템은 다공성 코팅층(40)이 구비된 열교환 파이프(100)와, 열교환 본체(200)와, 공간 구획부재(300)를 포함한다.

상기 열교환 본체(200)는 상기 열교환 파이프(100)를 설치하기 위한 제1 측벽(201) 및 제2 측벽(203)을 가지고 있다. 이때, 상기 제1 측벽(201)과 상기 제2 측벽(203)은 상기 열교환 파이프(100)의 길이 방향을 따라 소정 간격 이격된 상태로 배치될 수 있다.

상기 공간 구획부재(300)는 상기 열교환 본체(200)에 설치되며, 폐열원에서 배출되는 유체와의 열교환을 위한 제1 열교환 공간부(210)와, 외부에서 유입되는 가열대상유체와의 열교환을 위한 제2 열교환 공간부(230)를 독립적으로 구획한다.

이때, 상기 열교환 파이프(100)의 증발부(110)의 자유단은 상기 제1 열교환 공간부(210)를 형성하는 상기 제1 측벽(201) 상에 고정되고, 상기 열교환 파이프(100)의 응축부(120)의 자유단은 상기 제2 열교환 공간부(230)를 형성하는 상기 제2 측벽(203)상에 고정될 수 있다.

상기 열교환 파이프(100)의 연결부(130)는 상기 공간 구획부재(300)를 관통한 상태로 설치된다.

한편, 상기 열회수 시스템은 상기 열교환 파이프(100)와 상기 공간 구획부재(300) 사이에 배치되어 상기 제1 열교환 공간부(210)와 상기 제2 열교환 공간부(230)가 서로 연통되는 것을 방지하는 실링부재(400)를 더 포함할 수 있다.

물론, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 열교환 파이프(100)와 상기 공간 구획부재(300)는 용접을 통하여 밀폐될 수도 있을 것이다.

한편, 상기 열교환 파이프(100)의 증발부(110)의 자유단은 상기 열교환 본체(200) 상에서 지면을 기준으로 상기 응축부(120)의 자유단보다 낮게 설치되는 것이 바람직하다. 이는 상기 응축부(120)에서 응축된 작동유체가 자중에 의해 상기 증발부(110)로 유동될 수 있도록 하기 위함이다.

이상 전술한 바와 같은 본 발명의 열회수 시스템의 작동과정을 설명하면 이하와 같다.

폐열원에서 배출된 고온의 유체가 상기 열교환 본체(200)의 상기 제1 열교환 공간부(210)로 유입되어 액체상태의 작동유체가 내장된 상기 열교환 파이프(100)의 증발부(110)와 접촉이 이루어진다.

이때, 상기 증발부(110)에 구비된 다공성 코팅층(40)과 접촉하고 있는 작동유체는 증발되고, 증발된 작동유체는 상기 연결부(130)를 경유하여 응축부(120)로 이동된다.

이때, 상기 열교환 본체(200)의 상기 제2 열교환 공간부(230)로 유입되는 온도가 낮은 외부유체와 기체상태의 작동유체가 열교환됨으로써 기체상태의 작동유체는 액체 상태로 응축된다.

다음, 액체 상태로 응축된 상기 작동유체는 상기 열교환 파이프(100)의 내측면을 타고 증발부(110)로 이동된다. 이때 상기 응축부(120)는 상기 증발부(110)보다 지면을 기준으로 높은 위치에 있기 때문에 응축된 작동유체는 중력에 의하여 상기 증발부(110)로 이동하게 된다.

이와 같은 과정을 반복함으로써, 상기 열회수 시스템은 폐열원에서 배출되는 유체로부터 열을 회수할 수 있게 된다.

결과적으로, 다공성 코팅층을 갖는 열교환 파이프를 사용함으로써 폐열원에서 방출되는 유체로부터 열을 효율적으로 회수할 수 있게 되어 에너지 효율을 증대시킬 수 있게 된다. 회수된 열은 외부의 난방 장치 등에 공급되는 열원으로 사용할 수 있다.

상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.

10: 금속파이프 11: 중공부
20: 인서트부재 30: 공간부
40: 다공성 코팅층 51: 금속입자
52: 폴리머 입자 60: 인서트 금형
61: 삽입공간부 62: 금형 몸체부
70: 솔벤트 100: 열교환 파이프
110: 증발부 120: 응축부
130: 연결부 200: 열교환 본체
201: 제1 측벽 203: 제2 측벽
210: 제1 열교환 공간부 230: 제2 열교환 공간부
300: 공간 구획부재 400: 실링부재

Claims (12)

1. 중공부가 마련된 금속파이프 내부에 인서트부재가 배치되도록 하여 상기 금속파이프의 내측면과 상기 인서트부재의 외측면 사이에 공간부를 형성하는 공간부 형성단계;
   상기 금속파이프의 내측면에 다공성 코팅층을 형성하기 위해 상기 공간부에 금속 입자들을 포함하는 코팅층 형성재료를 충진시키는 충진단계;
   상기 공간부에 충진된 상기 금속 입자들 소결시키는 소결단계; 및
   상기 금속파이프 내부에 배치된 상기 인서트부재를 제거하는 인서트부재 제거단계를 포함하고,
   상기 금속 입자의 재질은 상기 금속파이프의 재질과 열팽창률이 동일한 재질이 사용되고, 상기 인서트부재의 재질은 상기 금속 입자의 재질보다 열팽창률이 작은 재질이 사용된 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 금속파이프와 상기 금속 입자는 구리 또는 스테인리스 스틸 재질 중 어느 하나의 재질이 사용되고, 상기 인서트부재는 탄소재질로 형성된 탄소봉이 사용된 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 소결단계에서 상기 금속 입자는 상기 금속파이프의 내측면에만 융착되어 상기 다공성 코팅층을 형성하며, 상기 금속입자의 크기가 커질수록 상기 다공성 코팅층의 두께가 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 인서트부재와, 상기 인서트부재와 일체로 형성되되 상기 금속 파이프가 삽입될 수 있는 삽입 공간부를 갖는 금형 몸체부를 포함하는 인서트 금형을 제작하는 단계를 더 포함하며,
   상기 삽입 공간부는 상기 인서트부재를 둘러싸고 있는 것을 특징을 하는 열교환 파이프 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 코팅층 형성재료를 준비하는 준비단계를 더 포함하며,
   상기 코팅층 형성재료는 상기 코팅층 형성재료의 유동성을 확보하기 위한 폴리머 입자를 더 포함하며,
   상기 준비단계에서는 상기 금속입자와 상기 폴리머 입자를 교반시켜 혼합하는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 충진단계는,
   상기 금속 입자와 폴리머 입자가 혼합된 혼합물을 사출공정에 의해 충진되도록 하는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
7. 제 5항에 있어서,
   상기 공간부에 충진된 상기 혼합물에 솔벤트를 넣어 상기 폴리머 입자를 융해시키는 융해단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
8. 제 6항에 있어서,
   상기 소결단계에서,
   상기 공간부에 충진된 상기 혼합물 중 상기 금속 입자들은 상기 금속파이프 내측면에 융착되고, 상기 융해단계에서 제거되지 않고 남은 폴리머가 제거되는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 기재된 열교환 파이프의 제조방법에 의해 제작된 열교환 파이프에 있어서,
   외부의 열원과 접촉되어 내부의 작동유체를 증발시키기 위한 증발부와, 상기 증발부에서 기화된 기체상태의 작동유체를 응축시키기 위한 응축부와, 상기 증발부와 응축부를 연결하기 위한 연결부를 가지며 내부에 밀폐공간을 형성하는 금속파이프; 그리고,
   상기 증발부의 내측표면에 코팅되어 상기 작동유체의 비등을 촉진시키는 다공성 코팅층;을 포함하는 열교환 파이프.
10. 제 9항에 따른 열교환 파이프;
    상기 열교환 파이프를 설치하기 위한 제1 측벽 및 제2 측벽을 갖는 열교환 본체;
    폐열원에서 배출되는 유체와의 열교환을 위한 제1 열교환 공간부와, 외부에서 유입되는 가열대상유체와의 열교환을 위한 제2 열교환 공간부를 독립적으로 구획하기 위하여 상기 열교환 본체에 설치되는 공간 구획부재;를 포함하며,
    상기 열교환 파이프의 증발부의 자유단은 상기 제1 열교환 공간부를 형성하는 상기 제1 측벽 상에 고정되고, 상기 열교환 파이프의 응축부의 자유단은 상기 제2 열교환 공간부를 형성하는 상기 제2 측벽상에 고정되되,
    상기 열교환 파이프의 연결부는 상기 공간 구획부재를 관통하는 것을 특징으로 하는 열회수 시스템.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 증발부의 자유단은 상기 열교환 본체 상에서 지면을 기준으로 상기 응축부의 자유단 보다 낮게 설치된 것을 특징으로 하는 열회수 시스템.
12. 제 10항에 있어서,
    상기 열교환 파이프와 상기 공간 구획부재 사이에 배치되어 상기 제1 열교환 공간부와 상기 제2 열교환 공간부가 서로 연통되는 것을 방지하는 실링부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열회수 시스템.

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