KR20200127055A - 매니폴드를 포함한 열교환기 - Google Patents

Abstract

열교환기는 적층 구성의 열교환기 플레이트들을 포함하여 각 열교환기 플레이트가 인접된 열교환기 플레이트와 이격된다. 인접하는 열교환기 플레이트 사이의 간격은 외부 유체 통로를 형성하며, 각 외부 유체 통로는 제 1 유체를 수용하도록 구성된다. 각 열교환기 플레이트는 주변 에지와, 제 2 유체를 수용하도록 구성된 내부 유체 통로를 포함한다. 내부 통로 유체는 주변 에지에서 개방된 유입구와 유출구를 포함한다. 열교환기는 각 열교환기 플레이트의 유입구와 유체 연통된 공급 챔버와, 각 열교환기 플레이트의 유출구와 유체 연통된 배출 챔버를 갖는 매니폴드를 포함한다.

Description

매니폴드를 포함한 열교환기{HEAT EXCHANGER INCLUDING MANIFOLD}

본 출원은 2012년 10월 31일자로 출원된 미국 가출원 제61/720,591호 및 2012년 10월 16일자로 출원된 미국 예비출원 제61/714,538호를 우선권으로 주장하며, 이 출원들은 전체적으로 본 명세서에서 참고로 설명된다.

본 발명은 유체 간에 열을 전달하는 것에 관한 것으로, 특히 열교환 플레이트를 이용하여 유체 간에 열을 전달하는 것에 관한 것이다.

전 세계의 열대 대양 및 바다는 독특한 재생 가능한 에너지원을 제공한다. 해양 열에너지 전환(Ocean Thermal Energy Conversion; OTEC)은 해양 열대 지역 내에 열로 저장된 태양 에너지를 이용하여 재생 가능한 에너지를 생산하는 방법이다. OTEC 공정은 열대 수역의 표면과 심해 사이의 온도 차이를 이용하여 전기 에너지를 생산하기 위해 열 기관을 구동한다. OTEC 열 기관에 필요한 온수는 100 피트의 깊이 또는 그 이하의 해양의 표면에서 발견된다. OTEC 기관의 냉각을 위한 일정한 냉수원은 2700 피트 내지 4200피트 사이 또는 그 이상의 깊이에서 발견된다. 이러한 깊이가 전형적으로 인구 밀접 지역 또는 평탄한 대륙에 인접한 곳에서 발견되지 않기 때문에 연안 발전소가 요구된다.

높은 효율의 다단계 열교환 시스템을 갖는, 물에 뜨고 적은 상하 동요(heave)의 OTEC 발전소가 제안되고 있으며, 이 발전소에서는 온수 및 냉수 공급 도관 그리고 열교환기가 플로팅 플랫폼에 구조적으로 통합되고 그리고 열 기관을 구동하기 위하여 사용된다. 결과적으로 열 기관이 발전기를 구동하며, 그로 인하여 전력이 얻어진다.

일부 태양에서, 발전소는 에너지원으로서 해양 열 에너지 변환 공정을 이용한다.

다른 태양은 높은 효율을 갖는 부동 저상하 동요 OTEC 발전소, 다단계 열교환 시스템에 관한 것으로서, 여기서 온수 및 냉수 공급 도관 그리고 열교환 모듈은 플로팅 플랫폼 또는 발전소 구조체에 구조적으로 일체화된다.

본 발명의 예시적인 실행의 일부 태양에서, 열교환기는 적층된 구성의 2개 이상의 열교환기 플레이트를 포함하여 각 열교환기 플레이트가 인접한 열교환기 플레이트와 이격되고, 인접한 열교환기 플레이트 사이의 간격은 외부 유체 통로를 형성하며, 각 외부 유체 통로는 제 1 유체를 수용하도록 구성된다. 각 열교환기 플레이트는 주변 에지, 제 2 유체를 수용하도록 구성된 내부 유체 통로, 주변 에지에서 개방된 내부 유체 통로 내로의 유입구, 그리고 각 열교환기 플레이트의 유입구와 유체 연통된 매니폴드를 포함한다.

본 발명의 다른 예시적인 실행에서, 열교환기는 하나 이상의 하기 특징을 포함할 수 있다: 매니폴드는 열교환기 플레이트에 의하여 형성된 평면에 수직한 방향으로 연장된 매니폴드 챔버를 포함한다. 매니폴드는 각 열교환기 플레이트의 주변 에지의 부분에서 돌출된 탭을 포함하며, 여기서 각 탭은 내부 통로와 유체 연통된 탭 통로를 포함하고, 각 탭은 그 탭 통로를 가로막는 개구를 포함하며, 각 탭의 개구들은 열교환기 플레이트에 의하여 형성된 평면에 수직한 방향으로 정렬되고 또한 매니폴드 챔버를 형성한다. 또한, 매니폴드 챔버의 내부 표면은 하나의 탭의 탭 통로의 제 1 표면과 인접한 탭의 탭 통로의 제 2 표면 사이의 연결부에 대응하는 조인트를 포함한다. 각 플레이트의 탭은 강성 재료 내에서 캡슐화된다. 각 플레이트의 탭은 유체 불투과성 재료 내에서 캡슐화된다. 매니폴드는 적어도 부분적으로 강성 재료 내에서 캡슐화된다. 매니폴드는 제 2 열교환기의 매니폴드에 연결되도록 구성되어 매니폴드들은 유체 연통된다.

본 발명의 또 다른 예시적인 실행은 하나 이상의 하기 특징을 포함할 수 있다: 각 플레이트는 제 1 외부 열교환 표면 및 제 1 외부 열교환 표면 반대측의 제 2 외부 열교환 표면을 가지며, 열교환기가 사용 중일 때 제 1 및 제 2 외부 열교환 표면은 제 1 유체와 유체 접촉된다. 열교환기는 내부 유체 통로로부터의 유출구를 포함하며, 이 유출구는 주변 에지에서 개방된다. 매니폴드는 각 열교환기 플레이트의 유출구와 유체 연통되며, 그리고 매니폴드는 제 2 유체를 내부 유체 통로의 유입구에 공급하도록 구성된 제 1 매니폴드 챔버 및 내부 유체 통로의 유출구로부터의 제 2 유체를 수용하도록 구성된 제 2 매니폴드 챔버를 포함하며, 여기서 제 1 매니폴드 챔버는 제 2 매니폴드 챔버로부터 격리된다. 제 1 매니폴드 챔버는 제 2 매니폴드 챔버와 다른 체적을 갖는다. 내부 통로는 열교환기 플레이트의 평평한 내부 표면과 열교환기 플레이트의 평평하지 않은 내부 표면 사이에서 형성된다. 각 열교환기 플레이트는 비평면의 제 1 열교환 표면 그리고 제 1 열교환 표면과 반대되고 평면인 제 2 열교환 표면을 포함하며, 열교환기 플레이트의 적층 구성은 적층체의 하나의 플레이트의 제 1 열교환 표면이 적층체의 인접한 플레이트의 제 2 열교환 표면을 향하도록 열교환기 플레이트를 배치하는 것을 포함한다. 내부 유체 통로는 플레이트의 단지 하나의 측부로부터 외측으로 팽창되고, 그로 인하여 플레이트 제 1부분은 내부 유체 통로의 위치에 대응하는, 외측으로 돌출된 영역을 포함하며, 그리고 플레이트 제 2 부분은 변형되지 않는다. 내부 유체 통로는 다수의 소형 채널을 포함한다.

일부 예시적인 실행에서, 2개 이상의 열교환기 플레이트가 수직방향으로 적층된다. 다른 태양에서, 2개 이상의 열교환기 플레이트는 수평방향으로 적층된다. 열교환기 플레이트는 어떠한 방식으로도 배치될 수 있으며, 여기서 유체가 각 열교환기 플레이트를 둘러싸고 그리고 각 열교환기 플레이트를 지나 흐르도록 하기 위하여 개별 열교환기 플레이트 사이에 갭이 존재한다.

다른 예시적인 실행에서, 열교환기는 적층 구성의 열교환기 플레이트들을 포함하되, 각 열교환기 플레이트는 인접한 열교환기 플레이트와 이격되고, 인접한 열교환기 플레이트 간의 간격은 외부 유체 통로를 형성하며, 각 외부 유체 통로는 제 1 유체를 수용하도록 구성된다. 열교환기 플레이트는 주변 에지, 제 2 유체를 수용하도록 구성된 내부 유체 통로, 주변 에지에서 개방되며 내부 유체 통로의 제 1 단부로의 유입구, 주변 에지에서 개방되며 내부 유체 통로의 제 2 단부로의 유출구, 그리고 각 열교환기 플레이트의 유입구와 유체 연통된 공급 챔버와 각 열교환기 플레이트의 유출구와 유체 연통된 배출 챔버를 갖는 매니폴드를 포함한다.

본 발명의 다른 예시적인 실행은 하기 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 매니폴드 공급 챔버와 매니폴드 배출 챔버 각각은 열교환기 플레이트에 의하여 형성된 평면에 수직한 방향으로 연장된다. 매니폴드는 각 열교환기 플레이트의 주변 에지의 부분으로부터 돌출된 탭을 포함하되, 각 탭은 내부 유체 통로 유입구와 유체 연통된 탭 유입구 통로 그리고 내부 유체 통로 유출구와 유체 연통된 탭 유출구 통로를 포함하며, 각 탭은 탭 유입구 통로를 가로막는 탭 유입구 개구와 탭 유출구 통로를 가로막는 탭 유출구 개구를 포함하고, 각 탭의 탭 유입구 개구는 매니폴드 공급 챔버를 형성하며, 그리고 매니폴드 챔버의 내부 표면은 한 탭의 탭 유입구 통로의 제 1 표면과 인접한 탭의 탭 유입구 통로의 제 2 표면 사이의 연결부에 대응하는 조인트를 포함하고, 각 탭의 탭 유출구 개구는 매니폴드 배출 챔버를 형성하며, 그리고 매니폴드 배출 챔버의 내부 표면은 한 탭의 탭 유출구 통로의 제 1 표면과 인접한 탭의 탭 유출구 통로의 제 2 표면 사이의 연결부에 대응하는 조인트를 포함한다. 각 플레이트의 탭은 강성 재료 내에서 캡슐화된다. 각 플레이트의 탭은 유체 불투과성 재료 내에서 캡슐화된다. 매니폴드는 적어도 부분적으로 강성 재료 내에서 캡슐화된다. 매니폴드는 제 2 열교환기의 매니폴드에 연결되도록 구성되어 매니폴드들은 유체 연통된다. 각 플레이트는 제 1 외부 열교환 표면 및 제 1 외부 열교환 표면과 반대의 제 2 외부 열교환 표면을 가지며, 열교환기가 사용 중일 때 제 1 및 제 2 외부 열교환 표면은 제 1 유체와 유체 접촉된다. 매니폴드 공급 챔버는 매니폴드 배출 챔버와는 다른 체적을 갖는다.

본 발명의 또 다른 예시적인 실행은 하기 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 내부 통로는 열교환기 플레이트의 평평한 내부 표면과 열교환기 플레이트의 평평하지 않은 내부 표면 사이에 형성된다. 각 열교환기 플레이트는 비평면의 제 1 열교환 표면 그리고 제 1 열교환 표면 반대측의 평면인 제 2 열교환 표면을 포함하며, 열교환기 플레이트의 적층 구성은 적층체의 하나의 플레이트의 제 1 열교환 표면이 적층체의 인접한 플레이트의 제 2 열교환 표면을 향하도록 열교환기 플레이트를 배치하는 것을 포함한다. 내부 유체 통로는 플레이트의 단지 한 부분으로부터 외측으로 팽창되고, 그로 인하여 플레이트 제 1 부분은 내부 유체 통로의 위치에 대응하는, 외측으로 돌출된 영역을 포함하며, 그리고 플레이트 제 2 부분은 변형되지 않는다. 내부 유체 통로는 다수의 소형 채널을 포함한다.

본 발명의 일부 예시적인 실행에서, 열교환기는 적층된 열교환기 플레이트들을 포함하되, 각 열교환기 플레이트는 제 1 유체를 수용하도록 구성된 내부 유체 통로, 제 1 외부 표면 그리고 제 1 외부 표면 반대측의 제 2 외부 표면을 포함한다. 제 1 외부 표면은 평면이며, 제 2 외부 표면은 열교환기 플레이트 내의 내부 통로의 위치에 대응하는 돌출된 영역을 포함하고, 그리고 열교환기 플레이트는 제 1 외부 표면에 수직한 축을 따라 적층되어 하나의 열교환기 플레이트의 제 1 외부 표면은 인접한 열교환기 플레이트의 제 2 외부 표면을 향한다.

다른 예시적인 실행은 하기 특징의 하나 이상을 포함할 수 있다: 하나의 열교환기 플레이트의 제 1 외부 표면이 인접한 열교환기 플레이트의 제 2 외부 표면과 이격되도록 열교환기 플레이트들은 배치된다. 열교환기가 사용 중일 때 제 1 외부 표면과 제 2 외부 표면 각각은 제 2 유체와 유체 접촉된다.

본 발명의 일부 태양에서, 열교환기 제조 방법은 제 1 외부 열교환 표면을 제공하는 제 1 측부, 제 1 측부 반대측의 제 2 외부 열교환 표면을 제공하는 제 2 측부 그리고 중간 유체 통로를 갖는 열교환기 플레이트를 마련하는 것; 절단 개구가 내부 통로를 차단하도록 플레이트 내의 개구를 절단하는 것; 다수의 절단 플레이트를 형성하기 위하여 위의 단계를 반복하는 것; 정렬된 절단된 개구를 갖는 플레이트 적층체를 제공하기 위하여 정렬 축을 따라 절단된 플레이트를 적층하는 것; 그리고 절단 개구의 절단 에지를 연결하는 것을 포함하여, 하나으ㅏㅣ 플레이트의 제 1 측부가 인접한 플레이트의 제 2 측부와 연결되고 그리고 연결된 개구들에 의하여 적어도 부분적으로 형성된 체적 내에 매니폴드 챔버가 형성되되, 매니폴드 챔버는 각 내부 통로와 유체 연통된다.

본 발명의 예시적인 태양은 하기의 부가적인 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있는 방법을 포함한다: 플레이트 적층체의 최외측 플레이트의 절단 개구에 플랜지를 부착하는 것 및 연결된 플레이트의 부분과 플랜지의 페룰부를 플라스틱 내에 캡슐화. 열교환기는 각 플레이트의 주변 에지의 부분으로부터 돌출된 탭을 더 포함하며, 각 플레이트의 절단 개구는 탭 내에 위치된다. 열교환기의 탭은 탭을 형성하기 위하여 사용된 재료와는 다른 캡슐화 재료 내에 캡슐화된다. 열교환기의 탭은 플라스틱 내에 캡슐화된다. 적층은 플라스틱을 배치하는 것을 포함하여 하나의 플레이트의 측부가 인접한 플레이트의 제 2 측부를 향한다. 내부 유체 통로를 갖는 열교환기 플레이트를 제공하는 것은 제 1 패널과 제 2 패널을 제공하는 것; 설정된 패턴으로 제 1 패널의 표면에 접합 방지제를 도포하는 것; 접합제가 제 1 시트와 제 2 시트 사이에 있도록 제 1 패널과 제 2 패널을 적층하는 것; 플레이트를 형성하기 위하여 적층된 제 1 및 제 2 패널을 롤-접합하는 것; 그리고 설정된 패턴과 대응하는 내부 통로를 형성하기 위하여 플레이트를 팽창시키는 것을 포함한다. 플레이트를 팽창시키는 단계 동안에, 제 2 패널은 주입된 공기의 압력에 의하여 변형되며, 제 1 패널은 주입된 공기의 압력에 의하여 변형되지 않고 남아 있는다. 플레이트를 팽창시키는 것은 제 1 패널과 제 2 패널 사이에 공기를 주입하는 것을 포함한다. 절단 개구의 절단 에지를 연결하는 것은 한 플레이트의 제 1 패널을 인접한 플레이트의 제 2 패널에 연결하는 것을 포함한다. 플레이트들을 적층하는 것은 정렬 지그를 제공하는 것과 정렬 지그 내에 플레이트를 위치시키는 것을 포함하여 정렬된 주변 에지와 절단 개구를 갖는 플레이트 적층체를 제공한다. 적층 후에, 정렬 지그는 플레이트 적층체와 함께 남아있는다.

예시적인 방법은 또한 하기의 부가 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 플레이트 적층체의 최외측 플레이트의 외측을 향하는 측부의 절단 개구에 커넥터를 연결. 내부 통로는 유입구 단부과 유출구 단부를 포함하며, 플레이트 내의 개구를 절단하는 단계는 내부 통로의 유입구 단부를 가로막는 유입구 개구를 절단하는 것과 내부 통로의 유출구 단부를 가로막는 유출구 개구를 절단하는 것을 포함하고, 절단 에지를 연결하는 단계는 유입구 개구의 절단 에지를 연결하는 것을 포함하여 한 플레이트의 제 1 측이 인접한 플레이트의 제 2 측에 연결되고, 연결된 유입구 개구에 의하여 적어도 부분적으로 형성된 체적 내에 매니폴드 공급 챔버가 형성되어 매니폴드 공급 챔버는 내부 통로의 유입구 단부과 유체 연통되고 유출구 개구의 절단 에지를 연결하여 한 플레이트의 제 1 측이 인접 플레이트의 제 2 측에 연결되며, 연결된 유출구 개구에 의하여 적어도 부분적으로 형성된 체적 내에 매니폴드 배출 챔버가 형성되어 매니폴드 배출 챔버는 내부 통로의 유출구 단부과 유체 연통된다. 매니폴드 공급 챔버와 매니폴드 배출 챔버는 단일 매니폴드 내에 있어 공급 챔버와 배출 챔버 사이에는 유체 연통이 존재하지 않는다. 본 명세서에서 설명된 열교환기는 향상된 열전달 효율을 제공하며, 그리고 따라서 예를 들어 최대 효율과 전력 생산을 위하여 고성능의 열 사이클을 이용하는 OTEC 열기관의 효율을 향상시킨다. 비등 및 응축 과정에서의 열전달뿐만 아니라 열교환기 재료 및 설계는 일 파운드의 온수에서 추출될 수 있는 에너지의 양을 제한한다. 그러나, 증발기와 응축기에서 사용된 열교환기는 낮은 손실 수두를 갖는 높은 체적의 냉수 및 온수를 흐름을 이용하여 기생 부하를 제한한다. 열교환기는 또한 높은 열전달 계수를 제공하여 효율을 향상시킨다. 열교환기는 온수와 냉수 유입구 온도에 맞추어진 재료와 설계를 통합하여 효율을 향상시킨다. 열교환기 설계는 적은 양의 재료와 함께 간단한 구성 방법을 이용하여 비용 및 체적을 줄인다.

본 발명의 일부 예시적인 실행에서, 조립 공정 동안에 유입구와 배출구 연결부가 플레이트와 일체로 형성되고 인접 플레이트에 용접된 매니폴드를 이용하여 작동 유체는 플레이트 주변 측부 에지를 따라 열교환기의 각 플레이트에 공급되고 각 플레이트로부터 배출된다. 용접된 연결부를 포함하는 매니폴드는 에폭시로 둘러싸여 있으며, 여기서 에폭시는 매니폴드 영역 내의 플레이트 사이를 흘러 조립체에 구조적 보강을 제공하고 그리고 물이 용접된 표면과 접촉하는 것을 방지한다. 각 튜브의 각 단부가 열교환기 플레이트 또는 공급 라인에 견고하게 연결되어야 하기 때문에 이는 튜브를 이용하여 공급된 일부 플레이트 열교환기에 대한 개선이다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 열교환기의 플레이트당 무려 4개의 유입구 연결부와 8개의 유출구 연결부가 요구된다. 직선 피트당 약 20개 플레이트의 밀도에서, 20피트 모듈 내에 무려 4,800개의 개별적인 연결부가 요구될 수 있다. 이는 제조 실행 문제뿐만 아니라 품질 관리 문제를 부과한다. 연결부는 또한 해수 환경에 노출된 상태로 있게 된다. 유리하게는, 열교환기의 일측 주변 에지에서 매니폴드를 이용함에 의하여 튜브 연결부의 사용이 전체적으로 제거되며, 그리고 상응하는 제조 실행적 그리고 품질 관리 문제가 방지된다.

본 발명의 다른 예시적인 실시예에서, 본 명세서에서 설명된 열교환기는 내부 유체 통로를 형성하기 위하여 팽창된 플레이트로 형성되며, 여기서, 팽창된 영역은 플레이트의 단지 일측 상에서 돌출되고, 다른 측은 기본적으로 평평하게 남아 있다. 플레이트 길이를 따라 팽창이 일어나는 곳과 관계없이 이는 플레이트 간의 간격이 일관된 최대 그리고 최소 간격을 갖는 것을 허용한다. 플레이트의 일측에서만 팽창된 영역이 돌출되는 플레이트(본 명세서에서 "단면 플레이트"로 언급됨)를 사용하는 것은 플레이트를 형성하기 위하여 사용된 롤-접합 제조 공정과 관련된 길이 방향의 치수의 불일치의 영향을 감소시킨다. 비록 높이가 일관될지라도 롤러들 사이의 용해 금속의 롤 접합 공정은 길이 방향의 치수 반복성의 고유 문제를 갖고 있다. 팽창된 영역이 플레이트의 양측에서 돌출된 롤 접합된 플레이트(본 명세서에서 "양면 플레이트" 언급됨)가 열교환기 내에서 적층될 때, 치수의 변형은 인접 플레이트들의 팽창된 부분이 서로 바로 맞은 편에 위치되는 구성을 야기하며, 이는 기대된 것보다 높은 압력 손실과 낮은 열전달을 갖는 핀치포인트를 야기한다. 단면 플레이트를 제공함에 의하여 그리고 한 플레이트의 돌출된 부분이 인접 플레이트의 평평한 부분을 향하도록 열교환기 내에 플레이트를 배치함에 의하여 치수 변형의 부정적인 영향이 방지된다. 또한 실험실 결과는 양면 플레이트의 흐름 그리고 공칭 간격과 동일한 흐름 그리고 공칭 간격에서 일면 플레이트를 위한 압력 손실이 현저하게 감소된 것을 확인해준다.

본 명세서 내에 설명된 본 발명의 실행, 실시예 그리고 예는 위에서 설명된 바와 같이 조합될 수 있거나 개시된 특징의 다른 조합 형태일 수 있다.

하나 이상의 실시예의 세부 사항이 첨부된 도면 그리고 하기의 설명 내에 제시되어 있다. 다른 특징, 대상 그리고 이점이 설명 및 도면 그리고 청구범위로부터 명백할 것이다.

도 1은 예시적인 OTEC 열 기관을 도시한 도면.
도 2는 예시적인 OTEC 발전소를 도시한 도면.
도 3은 다른 예시적인 OTEC 발전소를 도시한 도면.
도 4는 도 3의 OTEC 발전소의 열교환기 장치의 횡단면도. .
도 5는 쉘 및 튜브형 열교환기를 도시한 도면.
도 6은 플레이트형 열교환기를 도시한 도면.
도 7은 다른 플레이트형 열교환기를 도시한 도면.
도 8은 다단계 열교환기 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
도 9는 다단계 열교환기 시스템의 열교환 모듈을 예시적으로 도시한 도면.
도 10은 4단계 열교환기 시스템의 사시도.
도 11은 도 10에 도시된 다단계 열교환기 시스템의 열교환 모듈의 사시도.
도 12는 단일 열교환기 어레이의 사시도.
도 13은 도 12의 선 13-13을 따라서 본 열교환기 어레이의 사시적인 횡단면도.
도 13a는 도 13의 부분의 확대 도면.
도 14는 열교환 플레이트의 평면도.
도 15a는 플랜지 커넥터의 단부를 도시한 도면.
도 15b는 도 15a의 플랜지 커넥터의 분해 측면도.
도 16은 플랜지 커넥터를 포함한 매니폴드의 부분의 측단면도.
도 17은 클램프의 사시도.
도 18은 열교환기 어레이의 부분의 횡단면도.
도 19는 일반적인 고압 증기 사이클의 P-h 선도.
도 20은 열 사이클의 P-h 선도.
도 21은 양면 플레이트의 팽창된 부분의 횡단면도.
도 22는 일면 플레이트의 팽창된 부분의 횡단면도.
도 23은 매니폴드를 포함하는 열교환기 어레이를 제조하는 방법 단계의 플로우 차트.
도 24는 공기 주입 유입구를 포함하는 플레이트의 개략적인 평면도.
도 25는 공기 주입 유입구를 포함하는 다른 플레이트의 개략적인 평면도.
도 26은 탭을 포함하는 플레이트의 부분의 평면도.
도 27은 플레이트 적층체 및 적층체 내에서 플레이트를 정렬하기 위하여 사용된 정렬 지그를 도시한 도면.
도 28은 도 26의 선 28-28을 따른 횡단면도.
도 29는 매니폴드 챔버를 형성하기 위하여 플레이트를 절단하고 연결한 후의 도 28의 횡단면도.
도 29a는 랩 조인트를 포함하는 매니폴드 공급 챔버의 부분 횡단면도.
도 30은 포트의 분해도.
도 31은 포트 내에서 탭 부분과 함께 배치된 열교환기 적층체의 개략적인 측면도.
도 32는 매니폴드의 플랜지 커넥터가 클램프를 이용하여 연결된 2개의 열교환기 어레이의 측면도.
도 33은 부분적으로 조립된 증발기 유니트의 일부 제거된 사시도.
도 34a는 다른 플랜지 커넥터의 단부를 도시한 도면.
도 34b는 도 34a의 플랜지 커넥터의 분해 측면도.
도 35는 다른 플랜지 커넥터를 도시한 응축기 매니폴드의 횡단면도.
도 36은 증발기 열교환 플레이트의 상부 사시도.
도 37은 선 37-37을 따라서 본 바와 같은 도 36의 열교환 플레이트의 부분의 횡단면도.
도 38은 도 36의 열교환 플레이트의 평면도.
도 39는 응축기 열교환 플레이트의 상부 사시도.
도 40은 선 40-40을 따라서 본 바와 같은 도 38의 열교환 플레이트의 부분의 횡단면도.
도 41은 도 39의 열교환 플레이트의 평면도.
도 42는 도 38 및 도 41의 선 42-42를 따라서 본 바와 같은 열교환 플레이트의 부분의 횡단면도.
도 43은 도 38 및 도 41의 선 43-43을 따라서 본 바와 같은 열교환 플레이트의 부분의 횡단면도.
도 44는 도 38 및 도 41의 선 44-44를 따라서 본 바와 같은 열교환 플레이트의 부분의 횡단면도.
도 45는 도 38 및 도 41의 선 45-45를 따라서 본 바와 같은 열교환 플레이트의 부분의 횡단면도.
도 46은 플레이트에 대하여 구역 1, 구역 2 그리고 구역 3의 위치를 도시한 열교환 플레이트의 평면도.
도 47은 코쿤 내에서 둘러싸인 어레이의 상부 단부를 도시한 도면.
도 48은 도 48의 어레이 및 코쿤의 사시도
도 49는 핸들을 포함하는 도 48의 코쿤 및 어레이의 사시도.

다양한 도면에서 동일한 참고 부호는 동일한 요소를 지시한다.

고효율, 다단계 열교환 장치 및 시스템이 본 명세서에서 설명된다. 열교환 장치 및 시스템이 온수 및 냉수 공급 도관 그리고 열교환기가 플로팅 플랫폼 또는 지상 플랫폼에 구조적으로 일체화된 OTEC 발전소 내에서 사용되고 그리고 열기관을 구동하기 위하여 사용된 예시적인 실시예가 제공된다. 위에서 설명된 바와 같이, OTEC는 전기를 발생시키기 위하여 지구의 해양 내에 저장된 태양으로부터의 열 에너지를 이용하는 공정이다. OTEC 공정은 랜킨 사이클에 동력을 제공하기 위하여 열대 지방에서 발견된 따듯한 지표수와 차가운 심층수 사이의 물 온도 차이를 이용하며, 따듯한 지표수는 열원으로서 작용하며 차가운 심층수는 열 싱크의 역할을 수행한다. 랜킨 사이클 터빈은 전력을 생산하는 발전기를 구동시킨다.

OTEC 발전소에 대한 적용으로 열교환 장치와 시스템이 본 명세서 내에 설명될지라도, 열교환 장치와 시스템은 OTEC 발전소 내에서의 사용에 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 명세서 내에 설명된 열교환 장치와 시스템은 증기 펌프 응축기 그리고 다른 폐열 변환 장치 그리고 핵연료 발전소의 수동 냉각 시스템 및 태양열 동력 담수화 설비와 같은 고효율 열교환을 필요로 하는 다른 적용에도 유용할 것이다. 도 1은 따듯한 해수 유입구(12), 증발기(14), 따듯한 해수 유출구(15), 터빈(16), 차가운 해수 유입구(18), 응축기(20), 차가운 해수 유출구(21), 작동 유체 도관(22) 그리고 작동 유체 펌프(24)를 포함한 일반적인 OTEC 랜킨 사이클 열 기관(10)을 도시한다.

가동 중에, 열기관(10)은 다수의 작동 유체 중 어느 하나, 예를 들어 암모니아와 같은 상업적 냉매를 사용할 수 있다. 다른 작동 유체는 프로필렌, 부탄, R-22 및 R-134a 그리고 이들의 대체물일 포함할 수 있다. 약 75°F 내지 85°F 사이 또는 그 이상의 따듯한 해수는 따듯한 해수 유입구(12)를 통하여 해양 표면 또는 해양 표면 바로 아래에서 끌어 올려지며, 그리고 결과적으로 암모니아 작동 유체는 증발기(14)를 통과한다. 암모니아는 약 9.3 atm의 증기 압력까지 끓여진다. 증기는 작동 유체 도관(22)을 따라 터빈(16)으로 운반된다. 암모니아 증기가 터빈(16)을 통과함에 따라 암모니아 증기는 팽창되고 동력을 생산하여 전기 발전기(25)를 구동시킨다. 그후 암모니아 증기는 응축기(20)로 들어가며, 여기서 약 3000피트의 심해 깊이에서 끌어 올려진 차가운 해수에 의하여 암모니아 증기는 액체로 냉각된다. 차가운 해수는 약 40°F의 온도에서 응축기로 들어간다. 응축기의 약 51°F의 온도에서의 암모니아 작동 유체의 증기 압력은 6.1 atm이다. 따라서 현저한 압력 차이는 터빈(16)을 구동하기 위하여 그리고 전력을 발생시키기 위하여 이용될 수 있다. 암모니아 작동 유체가 응축됨에 따라 작동 유체는 작동 유체 도관(22)을 통하여 작동 유체 펌프(24)에 의하여 증발기(14) 내로 뒤로 펌핑된다.

OTEC가 다른 작동 유체와 낮은 온도 및 압력을 사용한다는 것에 의하여 다르다는 점을 제외하고는 도 1에서의 열 기관(10)은 기본적으로 대부분의 증기 터빈의 랜킨 사이클과 동일하다. 열원(예를 들어, 따듯한 해수)과 냉 열 싱크(예를 들어, 심해수)가 이용되어 전력을 생산하도록 OTEC 사이클이 반대 방향으로 가동된다는 점을 제외하고는 도 1의 열 기관(10)은 또한 상업적인 냉각 설비(예를 들어, 전력을 이용한 열 펌프)와 유사하다.

도 2는 일반적인 부동 OTEC 발전소(200)의 구성 요소를 도시한 도면으로서, 이 발전소는 용기 또는 플랫포옴(210), 따듯한 해수 유입구(212), 온수 펌프(213), 증발기(214), 따듯한 해수 유출구(215), 터빈 발전기(216), 냉수 파이프(217), 냉수 유입구(218), 냉수 펌프(219), 응축기(220), 냉수 유출구(221), 작동 유체 도관(222), 작동 유체 펌프(224) 그리고 파이프 연결부(230)를 포함한다. OTEC 발전소(200)는 또한 전기 발생, 변환 및 전송 시스템, 추진, 스러스터 또는 계류 시스템과 같은 위치 제어 시스템뿐만 아니라 다양한 보조 및 지원 시스템(예를 들어, 개인 숙소, 비상 발전, 휴대용 식수, 폐수 및 중수, 소방, 피해 대책, 예비 부력 및 다른 공통적인 선상 또는 해양 시스템)을 포함할 수 있다.

기본적인 열 기관 그리고 도 1 및 도 2의 시스템을 이용한 OTEC 발전소의 실행은 3% 또는 그 이하의 비교적 낮은 전체 효율을 갖는다. 이 낮은 열 효율 때문에 OTEC 가동은 발생된 전력의 킬로와트 당 동력 시스템을 통한 많은 양의 물의 흐름을 필요로 한다. 결과적으로 이는 넓은 열교환 표면적을 갖는 많은 열교환기를 필요로 한다.

OTEC 가동의 효율을 개선하기 위하여 그리고 구성 및 가동 비용을 줄이기 위하여 본 명세서에서 설명된 시스템과 접근 방법은 기술적 도전을 다룬다.

최대 효율과 동력 생산을 위하여 본 명세서에서 설명된 OTEC 열 기관(10)은 고효율 열 사이클을 이용한다. 비등 및 응축 공정에서의 열전달뿐만 아니라 열교환기 재료 및 설계는 1파운드의 따듯한 해수로부터 추출될 수 있는 에너지의 양을 제한한다. 증발기(214) 그리고 응축기(220) 내에서 사용된 열교환기는 기생 부하를 제한하기 위하여 낮은 손실 수두를 갖는, 큰 부피의 온수와 냉수 흐름을 사용한다. 열교환기는 또한 높은 열전달 계수를 제공하여 효율을 향상시킨다. 열교환기는 온수와 냉수 유입구 온도에 맞추어진 재료와 설계를 통합하여 효율을 향상시킨다. 열교환기 설계는 적은 양의 재료와 함께 간단한 구성 방법을 이용하여 비용 및 체적을 줄일 수 있다.

터빈 발전기(216)는 낮은 내부 손실을 갖는 고효율이며 또한 작동 유체에 맞추어 조정될 수 있어 효율을 향상시킨다.

도 3은 이전의 OTEC 발전기의 효율을 향상시키고 이와 관련된 많은 기술적 저항을 극복하는 OTEC 시스템의 실행을 도시한다. 이 실행은 선박 또는 플랫폼을 위한 스파(spar)를 포함하며 열교환기 그리고 스파에 일체화된 필수적인 관련된 냉수 및 온수 배관을 갖는다.

스파(310)는 OTEC 발전소와 함께 사용하기 위한 필수적인 다단계 열교환 시스템을 수용한다. 스파(310)는 흘수선(305) 아래에 있는 수중부(311)에 놓여진 플랫폼(360)을 포함한다. 수중부(311)는 온수 흡입부(340), 증발기부(344), 온수 배출부(346), 응축기부(348), 냉수 흡입부(350), 냉수 파이프(351), 냉수 배출부(352), 기계 데크부(354)를 포함한다.

가동시, 75°F 내지 85°F의 따듯한 해수는 온수 흡입부(340)를 통하여 퍼올려지며 구조적으로 일체화된 온수 도관(도시되지 않음)을 통하여 스파(310)로 흘러내린다. OTEC 열기관의 다량의 물 흐름 요구 조건으로 인하여 온수 도관은 500,000 gpm 내지 6,000,000 gpm의 증발기부(344)로 흐름을 안내한다. 온수 도관은 6피트 내지 35피트 또는 그 이상의 직경을 갖는다. 이 치수로 인하여, 온수 도관은 스파(310)의 수직 구조 부재이다. 온수 도관은 스파(310)를 수직방향으로 지지하기에 충분한 강도의 넓은 직경 파이프일 수 있다. 대안적으로 온수 도관은 스파(310)의 구성에 일체화된 통로일 수 있다.

온수는 그 후 하나 이상의 적층된 다단계 열교환기를 수용하는 증발기부(344)를 통하여 흐른다. 여기서, 열교환기는 작동 유체를 증기로 데우기 위하여 증발기(314)로 작동하도록 구성된다. 따듯한 해수는 그후 온수 배출부(346)를 통하여 스파(310)에서 배출된다. 온수 배출구는 온수 배출 온도와 거의 동일한 온도인 해양 열층의 깊이로 또는 해양 열층에 가깝게 위치하거나 또는 온수 배출 파이프를 통하여 안내되어 환경 영향을 제한한다. 온수 취수구 또는 냉수 취수구에 의한 열 재순환을 방지하기 위하여 온수 배출구는 충분한 깊이로 안내될 수 있다.

차가운 해수는 약 40°F의 온도의 2,500 내지 4,200피트 또는 그 이상의 깊이로부터 냉수 파이프(351)를 통하여 끌어 올려진다. 차가운 해수는 냉수 흡입부(350)를 통하여 스파(310)로 들어간다. OTEC 열기관의 다량의 물 흐름 요구 조건으로 인하여 차가운 해수 도관은 500,000 gpm 내지 6,000,000 gpm의 응축기부(348)로 흐름을 안내한다. 이러한 차가운 해수 도관은 6피트 내지 35피트 또는 그 이상의 직경을 갖는다. 이 치수로 인하여, 차가운 해수 도관은 스파(310)의 수직 구성 부재이다. 냉수 도관은 스파(310)를 수직으로 지지하기에 충분한 강도의 넓은 직경의 파이프일 수 있다. 대안적으로, 냉수 도관은 스파(310)의 구성에 필수적인 통로일 수 있다.

차가운 해수는 그후 응축기(320)로서 가동하도록 구성된 적층된 다단계 열교환기를 수용하고 있는 응축기부(348)를 통하여 위로 흐르며, 여기에서 차가운 해수는 작동 유체를 액체로 냉각시킨다. 차가운 해수는 그후 차가운 해수 배출구(352)를 통하여 스파(310)에서 배출된다. 냉수 배출구는 차가운 해수 배출 온도와 거의 동일한 온도인 해양 열층의 깊이로 또는 해양 열층에 가깝게 위치하거나 또는 차가운 해수 배출 파이프를 통하여 안내된다. 온수 취수구 또는 냉수 취수구에 의한 열 재순환을 방지하기 위하여 냉수 배출구는 충분한 깊이로 안내될 수 있다.

기계 데크부(354)는 증발기부(344)와 응축기부(348) 사이에서 수직방향으로 위치될 수 있다. 증발기부(344) 아래의 위치 결정 기계 데크부(354)는 다단계 증발기를 통한, 취수구로부터 그리고 배출구로의 거의 직선형의 온수 흐름을 허용한다. 응축기부(348) 위의 위치 결정 기계 데크부(354)는 다단계 응축기를 통한, 취수구로부터 그리고 배출구로의 거의 직선형의 냉수 흐름을 허용한다. 기계 데크부(354)는 터빈 발전기(356)를 포함한다. 가동 중에, 증기로 가열된 따듯한 작동 유체는 증발기부(344)에서 하나 이상의 터빈 발전기(356)로 흐른다. 작동 유체는 터빈 발전기(356)에서 팽창하며, 그로 인하여 전력의 생산을 위하여 터빈을 구동한다. 작동 유체는 그후 응축기부(348)로 흐르며, 여기서 작동 유체는 액체로 냉각되고 그리고 증발기부(344)로 펌핑된다.

도 4는 다수의 다단계 열교환기(420)가 스파(310)의 주변 주위에 배치되어 있는 시스템의 실행을 도시한다. 특히, 열교환기는 스포크형 구성으로 스파(310)의 반경을 따라 연장하도록 배치된다. 열교환기(420)는 열 기관 내에 사용된 증발기 또는 응축기일 수 있다. 열교환기의 주변 레이아웃은 스파(310)의 증발기부(344) 또는 응축기부(348)와 함께 사용될 수 있다. 주변 구성은 어떠한 개수의 열교환기(420; 예를 들어 1개의 열교환기, 2 내지 8개의 열교환기, 8 내지 16개의 열교환기, 16 내지 32개의 열교환기 또는 32개 이상의 열교환기)를 지지할 수 있다. 하나 이상의 열교환기(420)는 스파(310)의 단일 데크 상에 또는 다수의 데크(예를 들어, 2, 3, 4, 5 또는 6개 이상의 데크) 상에 주변적으로 배치될 수 있다. 하나 이상의 열교환기가 2개 이상의 데크 사이에서 주변적으로 오프셋될 수 있어 2개의 열교환기는 서로의 위로 수직방향으로 정렬되지 않는다. 하나의 데크 상의 열교환기가 다른 인접 데크 상에서 열교환기와 수직방향으로 나란하게 정렬되도록 하나 이상의 열교환기가 주변적으로 배치될 수 있다.

개별 열교환기(420)는 다단계 열교환 시스템(예를 들어, 2-, 3-, 4-, 5- 또는 6 또는 그 이상 단계의 열교환 시스템)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 열교환기를 통한 따듯한 해수 흐름, 차가운 해수 흐름 그리고 작동 유체 흐름 내에서 낮은 압력 손실을 제공하도록 개별 열교환기(420)가 구성된다.

다단계 열교환기 시스템이 예를 들어 OTEC 열기관의 비교적 낮은 이용 가능한 온도 차이 내에서 비작동 유체(예를 들어, 물)로부터 작동 유체로의 높은 에너지 전달을 가능하게 한다는 것이 알려져 있다. OTEC 발전소의 열역학적 효율은 작동 유체의 온도를 물의 온도에 얼마나 접근시키는지에 관한 함수이다. 열전달의 물리학은 작동 유체의 온도가 물의 온도에 접근함에 따라 에너지를 전달하기 위하여 요구되는 면적이 증가한다는 것을 말해준다. 물의 속도를 증가시키는 것은 열전달 계수를 증가시킬 수 있어 표면적 증가를 상쇄한다. 그러나, 물의 속도를 증가시키는 것은 펌핑을 위하여 요구되는 동력을 크게 증가시킬 수 있으며, 그에 따라 OTEC 발전소 상의 기생 전기적 부하를 증가시킨다.

일부 실시예에서, 열 기관 열역학적 효율을 향상시키기 위하여 4단계 하이브리드 케스케이드 열교환 사이클이 이용되며, 그로 인하여 유체 간에 전달될 필요가 있는 에너지의 양이 감소된다. 결과적으로 이는 요구되는 열교환 표면의 양을 감소시키는 역할을 한다. 하이브리드 케스케이드 열교환 사이클이 함께 계류 중인 발명의 명칭이 스테이브드 해양 열에너지 변환 발전소-냉수 파이프 연결인 미국특허출원 제13/209,9442호 그리고 함께 계류 중인 발명의 명칭이 해양 열에너지 변환 발전소인 미국특허출원 제13/209,865호에 상세히 설명되어 있으며, 이들은 본 명세서 내에서 전체적으로 참고된다.

열교환기의 성능은 유체 간의 이용 가능한 온도 차이뿐만 아니라 열교환기의 표면에서의 열전달 계수에 의하여 영향을 받는다. 열전달 계수는 일반적으로 열전달 표면을 가로지르는 유체의 속도에 의하여 변한다. 보다 높은 유체 속도는 보다 높은 펌핑 동력을 필요로 하며, 그로 인하여 발전소의 순효율을 감소시킨다. 가스켓이 없는 개방된 흐름 열교환기 어레이들이 유체 흐름 방향을 따라 적층되어 있어 이하에서 더 설명될 바와 같이 시스템으로의 그리고 시스템을 통한 유체의 자유로운 흐름을 허용하기 때문에 가스켓이 없는 개방된 흐름 플레이트형 열교환기 어레이를 이용한 하이브리드 케이스케이드 다단계 열교환 시스템은 더 높은 유체 속도 및 더 큰 설비 효율을 가능하게 한다. 따라서 플레이트형 열교환기 어레이 내로 유체를 보내는 것과 관련된 압력 손실은 실질적으로 제거되며, 그리고 어레이 내에서 플레이트의 열전달 표면을 가로질러 비교적 높은 유체 속도가 이루어진다. 이는 특히 전달 라인 내에서 그리고 라인과 플레이트형 열교환기 어레이 사이의 개구 내에서 플레이트로 유체가 전달되는 동안에 높은 압력 손실이 발생되는 일부 전형적인 플레이트형 열교환기 어레이와 비교될 수 있다. 이러한 전형적인 플레이트형 열교환기 어레이에서, 플레이트로 유체가 전달되는 동안에 발생하는 압력 손실은 어레이 내의 플레이트의 열전달 표면을 가로질러 비교적 낮은 유체 속도를 야기하여 상대적으로 낮은 열전달을 야기한다. 하이브리드 케이스케이드 다단계 열교환 구조는 또한 열교환기를 통한 더 낮은 압력 손실을 가능하게 하며, 그리고 수직 설비 구조는 전체 시스템을 가로질러 더 낮은 압력 손실을 용이하게 한다.

통합된 다단계 OTEC 발전소는 열대 그리고 아열대 지역 내의 지표수와 심층수 간의 온도 차이를 이용하여 전기를 생산할 수 있다. 도관 또는 흐름 통로와 같은 연안 선박의 구조체 또는 플랫폼의 구조체를 사용함에 의하여 해수를 위한 전형적인 배관부는 제거될 수 있다. 대안적으로, 따듯한 그리고 차가운 해수 배관부는 선박 또는 플랫폼에 수직 또는 다른 구조적 지지체를 제공하기에 충분한 치수 및 강도의 도관 또는 파이프를 사용할 수 있다. 이 필수적인 해수 도관 부분 또는 통로는 선박의 구조적 부재의 역할을 수행하며, 그로 인하여 부가적인 강철을 위한 요구 조건을 줄인다. 필수적인 해수 통로의 부분으로서, 다단계 열교환 시스템은 외부 물 노즐 또는 배관 연결부의 필요 없이 작동 유체 증발의 다수의 단계를 제공한다. 통합된 다단계 OTEC 발전소는 따듯한 그리고 차가운 해수가 그들의 자연적인 방향으로 흐르는 것을 허용한다. 해양의 더 차가운 구역으로 배출되기 전에 따듯한 해수가 냉각됨에 따라 따듯한 해수는 선박을 통하여 아래로 흐른다. 유사한 방식으로, 해양 깊은 곳으로부터의 차가운 해수가 해양의 더 따듯한 구역으로 배출되기 전에 따듯해짐에 따라 차가운 해수는 선박을 따라 위로 흐른다. 이 구성은 해수 흐름 방향의 변화의 필요성 및 관련된 압력 손실을 방지한다. 이 구성은 또한 요구되는 펌핑 에너지를 줄인다.

다단계 열교환기 시스템은 하이브리드 케스케이드 OTEC 사이클의 사용을 감안한다. 다단계 열교환기 시스템에서, 열교환기들은 적층되어 다수의 열교환기 스테이지 또는 부분을 형성하며, 이 스테이지 또는 부분은 해수를 연속적으로 통과시켜 작동 유체를 적절하게 비등 또는 응축시킨다. 증발기 부분에서, 따듯한 해수는 제 1 스테이지를 통과하며, 이 스테이지에서는 해수가 냉각됨에 따라 작동 유체의 일부를 증발시킨다. 그후 따듯한 해수는 적층체를 지나 다음 열교환기 스테이지 내로 흘러내리며 그리고 다소 낮은 압력 및 온도에서 부가적인 작동 유체를 증발시킨다. 이는 연속적으로 전체 적층체를 통하여 일어난다. 열교환기 시스템의 각 스테이지 또는 부분은 작동 유체 증기를 전력을 발생시키는 전용 터빈에 공급한다. 증발기 스테이지 각각은 터빈 배기부에 대응하는 응축기 스테이지를 갖는다. 차가운 해수는 증발기에 대한 역순서로 응축기 적층체를 통과한다.

다량의 물을 필요로 하는 특성에 의하여, OTEC 시스템, 예를 들어 100메가와트 OTEC 발전소는 예를 들어 유사한 규모의 연소 화력 증기 발전소를 위해 요구되는 것보다 수십 배까지 많은 물을 필요로 할 수 있다. 예시적인 실행에서, 25MW OTEC 발전소는 증발기로 공급되는 분당 약 1,000,000 갤론의 온수 그리고 응축기로의 분당 약 875,000 갤론의 냉수를 필요로 할 수 있다. 작은 온도 차이(약 화씨 35도 내지 화씨 45도)와 함께 물을 펌핑하기 위하여 요구되는 에너지는 효율을 끌어내리는 작용을 하는 반면에 건설 비용을 상승시킨다.

현재 이용 가능한 열교환기는 OTEC 열교환 작동을 위하여 요구되는 다량의 물과 높은 효율성을 처리하기에는 불충분하다. 도 5에 도시된 바와 같이, 쉘과 튜브형 열교환기는 일련의 튜브로 이루어진다. 한 세트의 튜브는 가열되고 냉각되어야 될 작동 유체를 포함한다. 제 2 비작동 유체는 가열되고 냉각되는 튜브를 넘어 이동하여 비작동 유체는 요구되는 열을 제공하고 열을 흡수한다. 튜브의 세트는 튜브 번들로 불리며 그리고 다수 형태의 튜브: 평평한 튜브, 길이 방향으로 핀이 달린 튜브 등으로 이루어질 수 있다. 쉘과 튜브형 열교환기는 전형적으로 고압 응용을 위하여 사용된다. 이는 그들의 형상으로 인하여 쉘과 튜브형 열교환기가 견고하기 때문이다. 쉘과 튜브형 열교환기는 OTEC 가동의 낮은 온도차, 낮은 압력, 높은 체적 특성에 이상적이지 않다. 예를 들어, OTEC 가동에 필요한 다량의 유체를 전달하기 위하여, 전형적인 쉘 및 튜브형 열교환기는 높은 압력 손실과 높은 펌핑 에너지와 관련된 복잡한 배관 장치를 필요로 할 것이다. 또한, 전형적인 쉘 및 튜브형 열교환기는 특히 연안 플랫폼과 같은 역동적 환경에서 제조, 설치 및 유지 보수하기 어렵다. 쉘 및 튜브형 열교환기는 또한 특히 튜브 연결부로의 쉘에 대한 그리고 내부 지지체에 대한 정밀한 조립을 필요로 한다. 더욱이, 쉘 및 튜브형 열교환기는 가끔 낮은 열전달 계수를 가지며 수용될 수 있는 물의 양에서 제한을 받는다.

도 6은 플레이트형 및 프레임형 열교환기를 도시한다. 플레이트형 및 프레임형 열교환기는 다수의 가늘고 약간 분리된 플레이트를 포함할 수 있으며, 이 플레이트는 열전달을 위하여 매우 넓은 표면적과 유체 흐름 통로를 갖는다. 이 적층된 플레이트 구성은 주어진 공간 내에서 전형적인 쉘 및 튜브형 열교환기보다 더 효과적일 수 있다. 가스켓과 브레이징 기술의 발전은 플레이트형 열교환기를 점점 더 실현 가능하게 한다. 개방 루프에서 사용될 때, 주기적인 분해, 세정 및 검사를 허용하기 위하여 이 열교환기들은 정상적으로 가스켓 형태이다. 딥-남땜된 그리고 진공 남땜된 다양한 플레이트와 같은 영구적으로 접합된 플레이트형 열교환기는 흔히 냉동과 같은 폐루프 적용을 위하여 특정된다. 플레이트형 열교환기는 또한 사용된 플레이트의 형태 면에서 그리고 이들 플레이트의 구조 면에서 다르다. 일부 플레이트는 "V형 무늬(chevron)" 또는 다른 패턴이 스탬핑될 수 있으며, 여기사 다른 패턴은 가공된 핀 및/또는 홈일 수 있다.

그러나 플레이트형 및 프레임형 열교환기는 OTEC 적용에서 일부 현저한 불리한 점을 갖는다. 예를 들어, 이러한 종류의 열교환기는 OTEC 시스템과 함께 필요한 다량의 물을 쉽게 수용하지 않은 복잡한 배관 구성을 필요로 할 수 있다. 흔히, 가스켓은 각 쌍의 플레이트 사이에 정확하게 끼워지고 유지되어야 하며, 그리고 가스켓 밀봉을 유지하기 위하여, 볼트를 이용하여 플레이트와 가스켓에 가해지는 현저한 압축력이 요구된다. 단 하나의 고장난 플레이트를 검사 및 수리하기 위하여 플레이트형 열교환기는 전형적으로 복잡한 분해를 필요로 한다. 플레이트형 열교환기에 필요한 재료는 고가의 티타늄 및/또는 스테인리스 스틸에 제한될 수 있다. 이러한 형태의 열교환기는 본질적으로 작동 유체와 비작동 유체 사이에 비교적 동일한 흐름 영역을 제공한다. 유체들 간의 흐름 비율은 전형적으로 1:1이다. 도 6에서 보여질 수 있는 바와 같이, 공급 포트 및 배출 포트가 전형적으로 플레이트의 면 상에 제공되어 전체 열교환 표면적을 감소시키고 그리고 작동 유체와 비작동 유체 각각의 흐름 경로를 복잡하게 한다. 더욱이 플레이트형 열교환기 그리고 프레임형 열교환기는 모든 플레이트를 관통하는 노즐을 위한 복잡한 내부 순환로를 포함한다. 복잡한 흐름 경로는 또한 열전달에 기여하지 않는 현저한 압력 손실을 부과한다.

도 7을 참고하면, 플레이트의 표면 내의 막힘 그리고 작동 유체에 의한 물 흐름에 대한 장애물을 줄이기 위하여 플레이트의 측부 에지에 연결된 튜브를 통하여 작동 유체가 각 플레이트로 공급되고 그리고 각 플레이트로부터 배출되는 열교환기를 제공함에 의하여 위에서 설명된 플레이트형 열교환기의 제한의 일부를 극복하는 것이 제안되었다. 이러한 열교환기 플레이트에서, 각 튜브의 한 단부는 용접 연결을 이용하여 플레이트에 연결되며, 튜브의 다른 단부는 용접 연결 또는 기계적 조인트 연결에 의하여 헤더에 연결된다. 그러나, 아래에서 더 설명될 바와 같이, 각 플레이트는 무려 4개의 유입구 연결부와 8개의 유출구 연결부를 필요로 한다. 직선 피트당 약 20개 플레이트의 밀도에서, 20피트 모듈 내에 무려 4,800개의 개별적인 연결부가 요구될 수 있다. 이는 제조 실행 문제뿐만 아니라 품질 관리 문제를 부과한다. OTEC 열 기관(10) 내에서 사용될 때, 연결부는 또한 해수 환경에 노출된 상태로 있게 된다.

위에서 설명된 열교환기의 제한을 극복하기 위하여 가스켓이 없는 개방 흐름 열교환기가 제공된다. 일부 실행에서, 개별적인 플레이트는 캐비닛에서 수평으로 정렬되어 플레이트 사이에 갭이 존재한다. 작동 유체를 위한 흐름 경로는 높은 열전달을 제공하는 패턴 형태(예를 들어, 교호적인 구불구불한 형태, V형 형태, z-패턴 등)로 각 플레이트의 내부를 통하여 이어진다. 이하에서 더 설명될 바와 같이, 플레이트 또는 작동 유체에 의한 물 흐름의 방해에도 불구하고 차단을 줄이기 위하여 작동 유체는 플레이트의 측부에 제공된 매니폴드를 통하여 각 플레이트로 들어간다. 물과 같은 비작동 유체는 캐비닛을 통하여 수직으로 흐르며 그리고 개방 흐름 플레이트 사이의 갭을 채운다. 일부 실행에서, 비작동 유체는 개방 흐름 플레이트의 모든 측부와 접촉하거나, 개방 흐름 플레이트의 단지 전면 그리고 후면과 접촉한다.

작동 유체의 공급 및 배출을 위한 매니폴드를 포함한 가스켓이 없는 개방 흐름 열교환기는 헤더의 튜브 연결부의 사용을 전적으로 제거한다. 일부 경우에, 조립 공정 동안에 유입구 연결부와 유출구 연결부는 플레이트와 일체로 형성되며 그리고 인접 플레이트에 용접된다. 연결부가 용접되면, 조립체는 카트리지 사이에서 흐르는 에폭시로 둘러싸일 수 있어 이하에서 더 설명될 바와 같이 조립체에 구조적 보강을 제공하고 그리고 해수가 용접된 표면에 접촉하는 것이 방지된다.

도 8을 참고하면, 다단계 열교환기 시스템(520)의 실시예는 수직방향으로 적층된 구성의 다수의 열교환 모듈(521, 522, 523 및 524)을 포함한다. 이 실시예에서, 각 모듈(521, 522, 523 및 524)은 시스템(520)의 단계와 대응한다. 일부 실행에서, 예를 들어, 스파(310) 내에서 증발기(314)로 사용될 때, 적층된 열교환기 모듈은 시스템(520)을 통하여 제 1 증발기 모듈(521)에서 제 2 증발기 모듈(522)로, 제 3 증발기 모듈(523)로, 제 4 증발기 모듈(524)로 아래로 흐르는 따듯한 해수(570)를 수용한다(도 8). 다른 실행에서, 예를 들어, 스파(310) 내에서 응축기(320)로 사용될 때, 차가운 해수(570)는 시스템(520)을 통하여 제 1 응축기 모듈(531)에서 제 2 응축기 모듈(532)로, 제3 응축기 모듈(533)로, 제 4 응축기 모듈(534)로 위로 흐른다. 다른 실시예에서, 따듯한 해수 또는 차가운 해수의 수직 흐름과 비교하여, 작동 유체(580)는 각 열교환기 모듈 내에서 작동 유체 도관을 통하여 수평으로 흐른다. 열교환기 시스템(520)의 수직 다단계 열교환 구조는 통합된 선박과 열교환기 구조(즉, 스파)를 가능하게 하며, 열교환기 스테이지들 사이의 상호 연결 배관을 위한 요구 조건을 제거하며, 그리고 사실상 모든 열교환기 시스템 압력 강하가 열전달 표면에 걸쳐 일어나는 것을 보장한다. 따라서 물의 흐름 방향은 상단에서 바닥으로의 방향 또는 바닥에서 상단으로의 방향일 수 있다. 일부 실시예에서, 물이 가열되거나 냉각될 때, 흐름 방향은 물의 자연적인 방향일 수 있다. 예를 들어, 작동 유체가 응축될 때, 물이 따듯해짐에 따라 물은 수직방향으로 적층된 모듈 장치를 통하여 대류의 자연적인 흐름 내에서 바닥에서 상단으로 흐를 수 있다. 다른 예에서, 작동 유체가 증발될 때, 물이 차가워짐에 따라 물은 상단에서 바닥으로 흐를 수 있다. 또 다른 실시예에서, 비작동 유체는 시스템을 수평으로, 즉 좌측에서 우측으로 또는 우측에서 좌측으로 가로지를 수 있다. 다른 실시예에서, 흐름 방향은 수직방향, 수평방향 또는 수직방향과 수평방향의 조합일 수 있다.

도 9는 다단계 열교환기 시스템(520)의 단일 열교환기 모듈(524)의 세부 구조를 개략적으로 도시한다. 열교환기 모듈(524)은 다수의 열교환 플레이트(1022)를 지지한다. 비작동 유체(570)는 열교환기 모듈(524)을 통하여 수직방향으로 흐르며 플레이트(1022) 각각을 지난다. 실선 화살표는 이 경우에는 물인 비작동 유체(570)의 흐름 방향을 지시한다.

개방 흐름 열교환 모듈(524)은 캐비닛 면(1030)과 캐비닛 측(1031)을 포함한다. 캐비닛 면(1032; 도시되지 않음)는 캐비닛 면(1030)의 반대이고, 캐비닛 측(1033)은 캐비닛 측(1031)의 반대이다. 캐비닛 면(1030, 1032) 그리고 캐비닛(1031, 1033)은 플리넘 또는 물 도관을 형성하며, 비작동 유체는 배관으로 인하여 압력 손실이 거의 없이 플리넘 또는 물 도관을 통하여 흐른다. 도 6에 관하여 위에서 설명된 가스켓을 이용한 플레이트형 열교환기와 대조적으로, 비작동 유체를 포함하는 흐름 챔버를 형성하기 위하여 플레이트들 사이에 가스켓을 사용하기보다는 비작동 유체(570; 예를 들어, 해수)를 포함한 흐름 챔버를 형성하기 위하여 개방 흐름 열교환기 모듈(524)은 캐비닛 측과 캐비닛 면을 사용한다. 따라서 개방 흐름 열교환 모듈(524)은 효과적으로 가스켓이 없다. 이 시스템의 이 태양은 에너지 제공 매체(예를 들어, 해수)로부터 작동 유체를 격리하기 위하여 가스켓에 의존하는 다른 플레이트형 그리고 프레임형 열교환기보다 현저한 이점을 제공한다. 예를 들어, 생물학적 퇴적이 대규모의 부식을 야기한 가스켓 주변에 많은 누설이 있었기 때문에 1980년대와 1990년대에 하와이 자연에너지연구소(NELHA)에서 진행되었던 알루미늄 플레이트형 그리고 프레임형 열교환기의 부식 테스트가 단지 6개월 후에 중단되어야 했다. 플레이트에 대한 가스켓을 밀봉하기 위하여 가스켓을 이용한 플레이트형 그리고 프레임형 열교환기는 압축력에 의존한다. 유니트를 조립하는 것은 플레이트와 압축되지 않은 가스켓을 삽입하기 위한 그리고 그후 원래 길이의 약 50%까지 볼트의 어레이를 조이기 위한 부가적인 공간을 요구한다. 본 발명자들은 OTEC 시스템 내의 플레이트형 그리고 프레임형 설계를 사용하는데 있어 큰 장애로써 가스켓 문제를 확인하였다.

또한, 열교환 플레이트를 위한 측면 에지 장착된 유입구 및 유출구 포트와 조합된 모듈 접근은 전형적으로 플레이트형 열교환 시스템의 면 상에 제공된 공급 포트와 배출 포트의 필요성을 방지한다(예를 들어, 도 5 참조). 이 접근은 각 플레이트의 전체 열교환 표면적을 증가시킬 뿐만 아니라 작동 유체와 비작동 유체 모두의 흐름 경로를 간략화시킨다. 플레이트 사이의 가스켓을 제거하는 것은 또한 흐름에 대한 저항을 야기할 수 있는 현저한 장애물을 제거하는 것이다. 가스켓이 없는 개방 흐름 열교환 모듈은 배압 그리고 관련된 펌핑 요구를 줄일 수 있으며, 따라서 OTEC 발전소의 기생 부하를 줄이며 그리고 공익 기업으로 전달될 수 있는 증가된 동력을 야기한다.

OTEC 응축기(320)의 경우에, 모듈(524)은 바닥에서 차가운 원수 공급부로 개방되고 그리고 상단에서 개방되어 방해받지 않는 유체 연통을 위의 모듈(523)에 제공한다. 수직 연속 모듈 내의 마지막 모듈(521)은 상단에서 원수 배출 시스템으로 개방된다.

OTEC 증발기(314)의 경우, 모듈(521)은 상단에서 따듯한 원수 공급부로 개방되고 그리고 바닥에서 개방되어 방해받지 않는 유체 연통을 아래의 모듈(522)에 제공한다. 수직 연속 모듈 내의 마지막 모듈(524)은 바닥 상에서 따듯한 원수 배출 시스템으로 개방된다.

도 10을 참고하면, 증발기(314) 내에서 사용된 다단계 열교환기 시스템(520)의 예시적인 실시예는 4개의 열교환기 모듈(521, 522, 523, 524)을 포함한다. 이 실시예에서, 각 열교환기 모듈은 4단계 열교환기 시스템의 한 스테이지에 대응한다. 4개의 열교환기 모듈(521, 522, 523, 524)은 지지 프레임(540) 상에서 지지되며, 결과적으로 필라(550)에 의하여 증발기부(344) 내에서 지지된다. 4개의 열교환기 모듈(521, 522, 523, 524) 각각은 동일하며, 그리고 따라서 단지 최하측 모듈(524)만이 상세하게 설명될 것이다.

도 11을 참고하면, 열교환기 모듈(524)은 랙(1002) 상에서 지지된 다수의 열교환기 어레이(1000)를 포함한다. 랙(1002)은 다단계 열교환기 시스템(520)으로 조립될 때 지지 프레임(540)을 협동적으로 결합하도록 구성된다.

도 9, 도 12 및 도 13을 참고하면, 각 열교환기 어레이(1000)는 다수의 개방된 흐름 열교환 플레이트(1022)로 형성된다. 각 개방된 흐름 플레이트(1022)는 전면(1040), 배면(1042) 그리고 주변 에지(1044)를 갖는다. 각 열교환기 어레이(1000) 내에서, 열교환기 어레이(1000) 내에서, 열교환 플레이트(1022)들은 전면과 배면(1040, 1042)에 수직하게 연장된 정렬 축(1005)을 따라서 적층된다. 도시된 실시예에서, 정렬 축(1005)은 수평으로 연장되며 따라서 열교환 플레이트(1002)는 수평 정렬 상태로 배치된다. 또한, 갭(1025)이 인접한 플레이트(1002)들 사이에 제공된다.

전면(1040)과 배면(1042)은 각 플레이트(1022)의 비작동 유체 열전달 표면을 제공한다. 아래에서 더 설명될 내부 작동 유체 통로(1055)는 각 플레이트(1022)의 작동 유체 열전달 표면을 제공한다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이 표면 형상, 처리 그리고 간격을 이용하여 열전달 표면 효율은 개선될 수 있다. 일반적인 알루미늄 기반 구조보다 알루미늄의 합금과 같은 재료 선택은 우수한 경제적인 성과를 제공한다. 열전달 표면은 100 시리즈, 3000 시리즈 또는 5000 시리즈 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 열전달 표면은 티타늄과 알루미늄 합금을 포함할 수 있다.

도 14에 도시된 바와 같이, 각 플레이트(1022)의 주변 에지(1044)는 상단 에지(1045), 바닥 에지(1046), 우측(또는 후방) 에지(1047) 그리고 좌측(또는 전방) 에지(1048)를 포함한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 전방, 후방, 상단, 바닥, 좌측 그리고 우측을 포함하는 방향에 대한 언급은 증발기 구조를 도시한 도 12에 도시된 어레이의 방향에 대하여 이루어지며 그리고 제한되지는 않는다. 예를 들어, 열교환 모듈(524)이 응축기 구조에서 사용될 때, 이 방향은 반전(정렬 축(1005)을 중심으로 공간에서 180도 회전)되어 플레이트의 상단 에지(1045)가 (도시되지 않은) 바닥 에지(1045')가 된다.

플레이트(1022)들은 수평 정렬 상태에서 적층 상태로 정렬되어 제 1 플레이트(1051)의 배면(1042)이 제 1 플레이트(1051)에 인접한 그리고 바로 뒤에 있는 제 2 플레이트(1052)의 전면(1040)을 향하며, 그리고 각 플레이트(1022)의 주변 에지들(1044)은 정렬된다. 균일한 간격이 인접한 플레이트들(1051, 1052) 사이에 제공되는 것을 보장하기 위하여(예를 들어, 각 갭(1025)이 동일한 치수임을 보장하기 위하여), 홈이 있는 받침 플레이트(1006, 1008)가 적층체의 전방측 및 후방측에 제공된다. 제 1 받침 플레이트(1006)는 적층체의 전방측을 따라 배치되며 그리고 탭(1070)에서 플레이트(1022)의 바닥 에지로 연장된다. 제 2 받침 플레이트(1008)는 적층체의 후방측을 따라 배치되며 그리고 플레이트(1022)의 상단 에지에서 바닥 에지로 연장된다. 받침 플레이트(1006, 1008)의, 적층체를 향하는 표면은 적층체 내의 각 플레이트의 전방측 에지(1048) 도는 후방측 에지(1047)를 수용하는 홈를 포함하며, 홈 간격은 원하는 플레이트 간격에 대응한다.

비작동 유체가 랙(1002) 내의 다수의 플레이트(1022)의 전면 및 배면(1040, 1042)을 지나 흐름에 따라 매니폴드(도 12의 1080)를 이용하여 작동 유체(580)가 각 플레이트(1022)의 주변 에지에서의 작동 유체 통로(1055)로 공급되고 그리고 작동 유체 통로로부터 배출되어 갭(1025)을 통한 원수의 흐름에 대한 장애를 방지한다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 매니폴드(1080)는 우측 에지(1048)를 따라 제공된다.

각 플레이트(1022)는 플레이트 내에 있는 작동 유체 통로(1055)를 포함한다. 매니폴드(1080)는 열교환기 어레이(1000)의 각 플레이트(1022)의 작동 유체 통로(1055)와 유체 연통되며 그리고 작동 유체를 열교환기 어레이의 각 플레이트(1022)에 공급한다.

도 14를 참고하면, 작동 유체 통로(1055)는 다수의 평행한 소형 채널(1912)로 형성될 수 있다. 각 개방 흐름 플레이트 내에 내부 흐름 경로를 제공하는 소형 채널들은 번갈아 구불구불한 패턴 형태로 배치되며 따라며 작동 유체(580)의 흐름은 비작동 유체(570)의 흐름 방향에 대해 실질적으로 직교적인 또는 교차하는 흐름이다. 또한, 구불구불한 패턴을 통한 작동 유체(580)의 진행은 비작동 유체(570)의 흐름에 대체로 평행할 수 있거나 비작동 유체(570)의 흐름 방향과 반대일 수 있다. 일부 실시예에서, 흐름 방향이 역전될 때 후속 채널로 유체를 부드럽게 향하게 하기 위하여 베인을 안내하고 그리고 흐름 경로 치수를 변화시키는 것이 실행될 수 있어 평행한 채널들 사이에 흐름 분산을 균일하게 한다. 이 채널 특징 그리고 다른 채널 특징 및 구성이, 발명의 명칭이 대양 열 에너지 변환 발전소-냉수 파이프 연결인 함께 계류 중인 미국특허출원 제13/209,944호에 설명되어 있으며, 이 내용은 전체적으로 참고된다.

작동 유체가 흐름 경로를 따라서 그 상을 액체에서 증기로 변화시키며 그리고 결과적으로 동일한 흐름 경로 영역이 전체 열교환 플레이트 전체를 통하여 사용된다면 작동 유체 압력 강하가 현저하게 증가될 것이라는 점이 알려져 있다. 유체의 증기 품질 변화에 관련된 흐름을 따라 증가된 유체 압력 강하를 감소시키기 위하여 단계당(per pass) 평행한 흐름 통로의 개수가 작동 유체의 흐름 경로를 따라 증가될 수 있다. 예를 들어, 도 14 내의 열교환 플레이트(1022)는 2개의 유입구 통로(1911)를 가지며, 각 통로는 바닥 에지(1046)에 인접한 대응하는 소형 채널(1912) 내로 들어간다. 소형 채널(1912)은 구불구불한 형태로 플레이트를 따라 연장된다. 2개의 소형 채널로부터의 흐름은 제 1 전이점(1914)에서 4개의 소형 채널 내로 들어간다. 4개의 소형 채널로부터의 흐름은 제 2 전이점(1916)에서 6개의 소형 채널 내로 들어간다. 6개의 소형 채널로부터의 흐름은 제 3 전이점(1920)에서 8개의 소형 채널 내로 들어가며, 그리고 8개의 소형 채널로부터의 흐름은 제 4 전이점(1922)에서 10개의 소형 채널 내로 들어간다. 10개의 소형 채널로부터의 흐름은 제 5 전이점(1924)에서 12개의 소형 채널 내로 들어간다. 결과로 나온 12개의 소형 채널은 유체 유출구(1918)를 통하여 빠져나온다.

2개의 유입구 통로(1911)는 매니폴드(1080)에 의하여 작동 유체(580)를 공급받는다. 특히, 매니폴드(1080)는 매니폴드 공급 챔버(1084)를 포함하며, 이 매니폴드 공급 챔버는 정렬 축(1005)과 평행한 방향으로 연장되고 그리고 열교환 어레이(1000)의 각 플레이트(1022)의 4개의 유입구 통로(1911) 각각에 유체 연통된다. 또한, 매니폴드(1080)는 정렬 축(1005)과 평행한 방향으로 연장된 매니폴드 배출 챔버(1086)를 포함하며, 그리고 매니폴드(1080) 내에서 매니폴드 배출 챔버(1086)와 분리되고 격리된다. 열교환기 어레이(1000)의 각 플레이트(1051, 1052)의 4개의 유출구 통로(1918) 각각은 매니폴드 배출 챔버(1086)와 유체 연통되며, 그리고 작동 유체(590)는 8개의 유출구 통로로부터 매니폴드 배출 챔버(1086) 내로 배출된다.

작동 유체와 배출구의 매니폴드(1080)로의 연결을 용이하게 하기 위하여 매니폴드(1080)는 플레이트(1022)의 우측 에지(1078)에 연결된 탭(1070)을 포함한다. 각 탭(1070)은 대응하는 플레이트(1022)와 동일 평면에 있으며 그리고 내부 탭 유입구 통로(1072)를 포함한다. 여기서 내부 탭 유입구 통로는 플레이트(1022)의 각 작동 유체 유입구 통로(1911)와 유체 연통되고 그리고 이 작동 유체 유입구 통로의 연장부를 형성한다. 또한, 각 탭(1070)은 내부 탭 유출구 통로(1074)를 포함하며, 내부 탭 유출구 통로는 플레이트(1022)의 각 작동 유체 유출구 통로(1918)와 유체 연통되고 그리고 이 작동 유체 유출구 통로의 연장부를 형성한다. 아래에서 설명될 바와 같이, 매니폴드 공급 챔버(1084)의 부분을 형성하는 각 탭 내에는 유입구 개구(1076)가 형성되며, 그리고 매니폴드 배출 챔버의 부분을 형성하는 각 탭 내에는 유출구 개구(1078)가 형성된다.

매니폴드 공급 챔버(1084)와 매니폴드 배출 챔버(1086)가 구조적으로 유사할지라도, 증발기로서 사용된 열교환기 어레이(1000)를 위한 매니폴드 공급 챔버(1084)는 대응하는 매니폴드 배출 챔버(1086)보다 작다. 탭 유출구 개구(1078)보다 작은 직경을 갖는 탭 유입구 개구(1076)를 형성함으로써 이는 이루어진다. 이러한 치수 차이는 작동 유체(580)가 액체로써 증발기로 들어가고 그리고 동일한 유체가 가스로서 증발기를 빠져나간다는 사실을 반영한다. 따라서, 열교환기 어레이(1000)가 응축기 내에서 이용될 때, 매니폴드 공급 챔버(1084)는 대응하는 매니폴드 배출 챔버(1086)보다 크다.

사용 중에, 증발기로서 사용된 열교환기 어레이(1000)를 위한 매니폴드 공급 챔버(1084)는 매니폴드 배출 챔버(1086)보다 아래에 위치(예를 들어, 플레이트 상단 에지(1045)로부터 더 멀리 위치)된다. 이는 작동 유체(580)가 액체로써 매니폴드 공급 챔버(1084)로부터 플레이트(1022)로 들어오며 그리고 가스로써 매니폴드 배출 챔버(1086)로 나가기 때문이다. 따라서, 열교환기 어레이(1000)가 응축기 내에서 이용될 때, 상단 에지(1045)에 대한 매니폴드 공급 챔버(1084) 그리고 매니폴드 배출 챔버(1086)의 상대적인 위치는 뒤바뀌며 그리고 탭(1070)은 플레이트의 바닥으로 바뀌어진다. 응축기 상의 포트(1085)는 그후 채널(1911)과 연결되며, 이 채널은 채널(1918)과 연결될 카트리지의 상단으로 작동 유체 가스를 향하게 한다(port). 가스는 상이 변화하며, 그리고 액체 작동 유체는 떨어지고 그리고 포트(1084)(액체 작동 유체는 이 포트를 통하여 배출됨)와 연결된 채널(1912) 내의 카트리지의 바닥에서 수집된다.

매니폴드(1080)는 열교환기 어레이(1000) 내에서 플레이트(1020)의 모든 탭(1070)을 둘러싸는 매니폴드 하우징(1088)을 포함한다. 하우징(1088)은 박스 형상의 외부 주변을 가지며, 그리고 폴리설페이트 기반 에폭시 수지(이하, "에폭시"로 언급됨)와 같은 강성 재료로 형성될 수 있다. 매니폴드 공급 챔버(1084)와 매니폴드 배출 챔버(1086)(증발기; 응축기를 위해서는 공급 챔버와 배출 챔버는 뒤바뀌어진다)을 포함하여 에폭시 내에 탭(1070)을 캡슐화함에 의하여 인접된 탭들(1070) 간에 제공된 용접은 보강되며 작동 유체의 누출에 대한 이차 베리어가 제공된다. 또한, 에폭시가 보강제의 역할을 하기 때문에 에폭시 내에 탭(1070)을 캡슐화하는 것은 플레이트 간격을 설정하고 유지하는 역할을 수행하며 그리고 매니폴드(1080)를 구조적으로 보강한다. 또한 유리하게는 캡슐화는 또한 비작동 유체(580; 예를 들어, 해수)와의 접촉으로부터 모든 연결부를 밀봉한다.

도 15a 및 도 15b를 참고하면, 인접한 매니폴드(1080)들 사이의 유체 연통을 허용하거나 유체 공급 라인으로의 연결을 허용하는 플랜지 커넥터(2000)를 이용하여 열교환기 모듈(5214) 내의 인접한 열교환기 어레이(1000)들의 매니폴드(1080)는 연결된다. 특히, 플랜지 커넥터(2000)는 매니폴드 공급 챔버(1084)의 각 단부에 그리고 매니폴드 배출 챔버(1086)의 각 단부에 제공된다. 각 플랜지 커넥터(2000)는 커넥터 제 1 단부(2002)가 반대쪽의 커넥터 제 2 단부(2010)보다 치수가 큰 형상의 측벽(2016)을 포함한, 절두 원추형 튜브이며, 그리고 커넥터 측벽은 커넥터 제 1 단부(2002)와 커넥터 제 2 단부(2010) 사이에서 만곡진다.

도 12, 도 15, 도 16 및 도 17을 참고하면, 커넥터 제 1 단부(2002)는 플랜지 커넥터(2000)를 인접한 매니폴드(1080)의 대응하는 플랜지 커넥터(2000a)에, 또는 공급 또는 배출 라인(2020)에 연결하기 위하여 사용된다. 커넥터 제 1 단부(2002)는 림(2004)을 포함하며, 그리고 커넥터 제 1 단부(2002)의 단부면(2008) 상의 홈(2006) 내에 오-링(2007)이 제공된다. 오-링(2007)은 연결 표면에서의 작동 유체(580)의 누출을 방지하는 밀봉을 제공한다. 사용시, 플랜지 커넥터(2000)의 커넥터 제 1 단부(2002)를 인접한 플랜지 커넥터(2000a)의 커넥터 제 1 단부(2002)에 고정하기 위하여 클램프(2022; 도 16 및 도 17)가 사용되며, 따라서 각 제 2 단부면(2008)은 접촉하며 그리고 유체 연통이 대응하는 매니폴드 챔버들 사이에 제공된다. 이 목적을 위한 예시적인 클램프는 2개-볼트의 고압 위생 클램프(sanitary clamp)이다.

커넥터 제 2 단부(2010)는 대응하는 매니폴드 공급 챔버(1084) 또는 배출 챔버(1086)보다 약간 큰 외부 직경을 가지며, 그리고 커넥터 제 2 단부(2010)의 단부면(2012)으로부터 길이 방향으로 밖으로 연장된 단차부 또는 페룰(2014)을 포함한다. 단차부(2014)는 대응하는 매니폴드 공급 챔버(1084) 또는 배출 챔버(1086)의 내부 직경과 대응하는 외부 직경을 갖는다. 사용시, 단차부(2014)는 대응하는 매니폴드 공급 챔버(1084) 또는 배출 챔버(1086) 내에 수용되며, 그리고 커넥터 제 2 단부(2010)는 매니폴드(1080)에 고정된다. 일부 실시예에서, 커넥터 제 2 단부(2010)는 매니폴드(1080)에 용접된다.

각 열교환기 모듈(524, 523, 522 및 521)이 유사한 구성 요소를 가지며 그리고 수직방향으로 정렬되어 하나의 모듈 내의 수평방향으로 정렬된 플레이트(1022)가 아래의 모듈 내의 플레이트 상에서 수직방향으로 정렬된다는 것이 인식될 것이다. 하나의 모듈 상의 플레이트(1022)들 사이의 갭(1025)들은 아래의 모듈 내의 플레이트(1022) 사이의 갭(1025) 위에 수직방향으로 정렬된다.

열교환 모듈(524)의 부분의 측횡단면도를 도시한 도 18을 참고하면, 열교환기 어레이(1000) 내의 플레이트 장치의 예시적인 실행은 적어도 전면(1040) 그리고 배면(1042)을 포함하는 외부 표면을 갖는 적어도 하나의 제 1 개방 흐름 열교환 플레이트(1051)를 포함한다. 사용시, 외부 표면은 차가운 원수와 같은 비작동 유체(570)와 유체 연통되며 그리고 비작동 유체에 둘러싸인다. 제 1 개방 흐름 플레이트(1051)는 또한 매니폴드(1080)와 유체 연통되고 그리고 매니폴드(1080)를 통하여 작동 유체(580)를 수용하도록 구성된 내부 통로(1055)를 포함한다. 적어도 하나의 제 2 개방 흐름 열교환 플레이트(1052)는 제 1 개방 흐름 열교환 플레이트(1051)와 수평방향으로 나란한 제 2 플레이트(1052)의 전방 외부면(1040)은 제 1 플레이트(1051)의 후방 외부면(1042)을 향한다. 제 1 개방 흐름 열교환 플레이트(1051)는 실질적으로 제 2 개방 흐름 열교환 플레이트(1052)와 동일하다. 즉, 제 1 플레이트(1051)와 같이, 제 2 플레이트(1052)의 외부 표면은 매니폴드(1080)와 유체 연통되며 그리고 비작동 유체(570)로 둘러싸여 있다. 또한 제 2 개방 흐름 플레이트(1052)는 매니폴드(1080)와 유체 연통되고 그리고 작동 유체(580)를 수용하도록 구성된 내부 통로(1055)를 포함한다.

제 1 개방 흐름 열교환 플레이트(1051)는 갭(1025)에 의하여 제 2 개방 흐름 열교환 플레이트(1052)와 분리되며, 비작동 유체(570)는 갭(1025)을 통하여 흐른다. 작동 유체(580)는 내부 작동 유체 흐름 통로(1055)를 통하여 흐른다.

위에서 설명된 바와 같이, 일부 실행에서, 단일 열교환 모듈(524)은 단일 단계의 하이브리드 케스케이드 OTEC 사이클에 전용일 수 있다. 일부 실행에서, 도 8 및 도 10에 도시되고 설명된 바와 같이, 4개의 열교환 모듈(521, 522, 523, 524)은 수직방향으로 정렬된다. 일부 실행에서, 작동 유체 공급 및 배출 라인을 갖는 모듈은 각 플레이트의 주변 에지(1044)에 위치된 매니폴드(1080)에 연결된다. 이는 플레이트의 면(1040, 1042) 상에 위치된 작동 유체 도관을 갖는 것 그리고 플레이트 면(1051, 1052) 내에서의 작동 유체의 흐름과 플레이트 면(1040, 1042)을 따르는 비작동 유체의 흐름을 방해하는 것을 방지한다.

예를 들어, 가스켓이 없는 다단계 열교환 시스템은 하나 이상의 개방 흐름 플레이트 각각 내의 내부 통로를 흐르는 제 1 작동 유체와 유체 연통된 하나 이상의 개방 흐름 플레이트를 포함하는 제 1 단계 열교환 모듈을 포함할 수 있다. 작동 유체는 각 개별적인 플레이트의 주변 에지에 각각 연결된 유체 공급 챔버(1084)와 유체 배출 챔버(1086)를 포함하는 제 1 매니폴드를 통하여 각 플레이트로 공급 그리고 각 플레이트로부터 배출될 수 있다. 제 1 단계 열교환 모듈과 수직방향으로 나란한 제 2 단계 열교환 모듈이 또한 포함된다. 제 2 단계 열교환 모듈은 하나 이상의 개방 흐름 플레이트 각각 내의 내부 통로를 흐르는 제 2 작동 유체와 유체 연통된 하나 이상의 개방 흐름 플레이트를 포함한다. 제 2 작동 유체는 각 개별적인 플레이트의 주변 에지에 각각 연결된 유체 공급 챔버(1084)와 유체 배출 챔버(1086)를 포함하는 제 2 매니폴드를 통하여 각 플레이트로 공급 그리고 각 플레이트로부터 배출된다. 물과 같은 비작동 유체는 먼저 제 1 단계 열교환 모듈을 통하여 그리고 하나 이상의 개방 흐름 플레이트 각각의 주변에서 흘러 제 1 작동 유체와의 열교환을 허용한다. 비작동 유체는 그후 제 2 단계 열교환 모듈을 통하여 그리고 하나 이상의 개방 흐름 플레이트 각각 주변에서 흘러 제 2 작동 유체와의 열교환을 허용한다.

제 1 단계 열교환 모듈은 플레이트들 사이에 갭을 갖는 수평 정렬 상태의 다수의 개방 흐름 플레이트를 포함한다. 제 2 단계 열교환 모듈 또한 제 2 단계 열교환 모듈 내에서 플레이트들 사이에 갭을 갖는 수평 정렬 상태의 다수의 개방 흐름 플레이트를 포함한다. 제 2 스테이지 열교환 모듈 내의 다수의 개방 흐름 플레이트와 갭은 제 1 스테이지 열교환 모듈 내의 다수의 개방 흐름 플레이트와 갭과 수직방향으로 나란하다. 이는 제 1 및 제 2 스테이지 열교환 모듈을 통과하는 비작동 유체의 흐름 내의 압력 손실을 줄인다. 비작동 유체가 한 모듈에서 이웃 모듈로 직접적으로 배출됨에 의하여 비작동 유체 내에서의 압력 손실은 또한 감소되며, 그로 인하여 광대한 그리고 대규모의 배관 시스템의 필요성이 제거된다. 일부 실시예에서, 어레이(1000) 내에서 개별 플레이트(1022)의 간격을 유지하기 위하여 사용되고 그리고 플레이트 측부 에지(1047, 1048)에 인접하게 위치된 받침 플레이트(1006, 1008)는 비작동 유체가 흐르는 도관을 형성한다.

예시적인 4단계 OTEC 시스템의 각 스테이지의 각 어레이 내의 플레이트의 개방 흐름 구성으로 인하여, 작동 유체에 대한 비작동 유체의 유량비는 가장 일반적인 플레이트형 열교환기 시스템의 전형적인 1:1에서 증가된다. 일부 실행에서, 비작동 유체의 유량비는 1:1보다 크다(예를 들어, 2:1보다 크거나, 10:1보다 크거나, 20:1보다 크거나, 30:1보다 크거나, 40:1보다 크거나, 50:1보다 크거나, 60:1보다 크거나, 70:1보다 크거나, 80:1보다 크거나, 또는 100:1보다 크다).

열교환기 모듈의 다단계 구성이 응축기로서 사용될 때, 비작동 유체가 제 2 스테이지 열교환 모듈로 들어갈 때보다 낮은 온도에서 비작동 유체(예를 들어, 차가운 해수)는 일반적으로 제 1 스테이지 열교환 모듈로 들어가며, 그리고 비작동 유체가 제 3 스테이지 열교환 모듈로 들어갈 때보다 낮은 온도에서 비작동 유체는 그후 제 2 스테이지 열교환 모듈로 들어가고, 그리고 비작동 유체가 제 4 스테이지 열교환 모듈로 들어갈 때보다 보통 낮은 온도에서 비작동 유체는 제 3 스테이지 열교환 모듈로 들어간다.

열교환기 모듈의 다단계 구성이 증발기로서 사용될 때, 비작동 유체가 제 2 스테이지 열교환 모듈로 들어갈 때보다 높은 온도에서 비작동 유체(예를 들어, 따듯한 해수)는 일반적으로 제 1 스테이지 열교환 모듈로 들어가며, 그리고 비작동 유체가 제 3 스테이지 열교환 모듈로 들어갈 때보다 높은 온도에서 비작동 유체는 그후 제 2 스테이지 열교환 모듈로 들어가고, 그리고 비작동 유체가 제 4 스테이지 열교환 모듈로 들어갈 때보다 보통 높은 온도에서 비작동 유체는 제 3 스테이지 열교환 모듈로 들어간다.

열교환기 모듈의 다단계 구성이 응축기로서 사용될 때, 작동 유체가 제 2 스테이지 열교환 모듈에서 나올 때보다 낮은 온도에서 작동 유체(예를 들어, 암모니아)는 일반적으로 제 1 스테이지 열교환 모듈을 나오며, 그리고 작동 유체가 제 3 스테이지 열교환 모듈에서 나올 때보다 낮은 온도에서 작동 유체는 제 2 스테이지 열교환 모듈을 나오며, 그리고 작동 유체가 제 4 스테이지 열교환 모듈에서 나올 때보다 보통 낮은 온도에서 작동 유체는 제 3 스테이지 열교환 모듈을 나온다.

열교환기 모듈의 다단계 구성이 증발기로서 사용될 때, 제 2 스테이지 열교환 모듈에서 나오는 작동 유체보다 높은 온도에서 작동 유체(예를 들어, 암모니아)는 일반적으로 제 1 스테이지 열교환 모듈을 나오며, 그리고 제 3 스테이지 열교환 모듈에서 나오는 작동 유체보다 높은 온도에서 작동 유체는 제 2 스테이지 열교환 모듈을 나오며, 그리고 작동 유체가 제 4 스테이지 열교환 모듈에서 나올 때보다 보통 높은 온도에서 작동 유체는 제 3 스테이지 열교환 모듈을 나온다.

4단계 OTEC 사이클의 실행의 예시적인 열 균형이 본 명세서에서 설명되며 그리고 일반적으로 이 개념을 도시한다.

일부 실행에서, 가스켓이 없는 4단계 열교환 시스템은 하나 이상의 개방 흐름 플레이트를 갖는 제 1 단계 열교환 모듈을 포함하며, 각 플레이트는 비작동 유체로 둘러싸인 적어도 전면과 배면을 갖는 외부 표면을 포함한다. 각 플레이트는 또한 제 1 작동 유체와 유체 연통되어 제 1 작동 유체는 내부 통로를 통하여 흐른다. 각 플레이트에 전용인 공급 라인과 배출 라인에 의하여 작동 유체는 각 플레이트로 공급되고 그리고 각 플레이트에서 배출된다.

4단계 열교환 시스템은 또한 제 1 열교환 모듈과 수직방향으로 나란한 제 2 스테이지 열교환 모듈을 포함하며, 제 2 스테이지 열교환 모듈은, 제 1 스테이지의 플레이트와 실질적으로 유사하고 그리고 제 1 스테이지의 플레이트와 수직방향으로 나란한 하나 이상의 개방 흐름 열교환 플레이트를 포함한다.

제 1 및 제 2 스테이지 열교환 모듈과 실질적으로 유사한 제 3 스테이지 열교환 모듈이 또한 포함되며 그리고 이 열교환 모듈은 제 2 스테이지 열교환 모듈과 수직방향으로 나란하다. 제 1, 제 2 그리고 제 3 스테이지 열교환 모듈과 실질적으로 유사한 제 4 스테이지 열교환 모듈이 포함되며 그리고 이 열교환 모듈은 제 3 스테이지 열교환 모듈과 수직방향으로 나란하다.

가동 중에, 각 플레이트의 내부 흐름 통로 내를 흐르는 제 1 작동 유체와의 열 상호 작용을 위하여 비작동 유체는 제 1 단계 열교환 모듈을 통하여 흐르며 그리고 모듈 내에서 각각의 개방 흐름 플레이트를 둘러싼다. 그후 제 2 작동 유체와의 열 상호 작용을 위하여 비작동 유체는 제 2 단계 열교환 모듈을 통하여 흐른다. 그후 제 3 작동 유체와의 열 상호 작용을 위하여 제 3 스테이지 열교환 모듈을 통하여 흐르기 전에 비작동 유체는 제 2 작동 유체와의 열 상호 작용을 위하여 제 2 스테이지 열교환 모듈을 통하여 흐른다. 제 4 작동 유체와의 열 상호 작용을 위하여 제 4 스테이지 열교환 모듈을 통하여 흐르기 전에 비작동 유체는 제 3 작동 유체와의 열 상호 작용을 위하여 제 3 스테이지 열교환 모듈을 통하여 흐른다. 비작동 유체는 그후 열교환 시스템으로부터 배출된다.

OTEC 가동의 낮은 온도 차이(전형적으로, 화씨 35도 내지 화씨 85도)는 비작동 유체와 작동 유체의 흐름 내에 방해물이 없는 열교환 플레이트 설계를 필요로 한다. 또한, 플레이트는 작동 유체의 낮은 온도 상승 에너지 변환을 지지하기에 충분한 표면적을 제공하여야 한다.

일반적인 발전 시스템은 전형적으로 증기 동력 사이클과 대형 온도 상승 시스템을 이용한 연소 공정을 이용한다. 환경적인 문제 그리고 불균형한 화석 연료 공급 문제가 더욱 확산됨에 따라, 본 명세서에서 설명된 OTEC 시스템의 실행과 같은 그리고 태양 열 및 해양 열과 같은 재생 가능한 에너지 원을 이용한 낮은 온도 상승 에너지 변환(LTLEC) 시스템이 더욱 중요해질 것이다. 일반적인 증기 동력 사이클이 연소 공정으로부터의 그리고 보통 매우 높은 온도의 배기 가스를 이용하는 반면에, LTLEC 사이클은 섭씨 30도 내지 섭씨 100 범위의 낮은 온도 에너지원을 이용한다. 따라서, LTLEC 사이클의 열원과 열 싱크 사이의 온도 차이는 증기 동력 사이클의 열원과 열 싱크 사이의 온도 차이보다 매우 작다.

도 19는 압력-엔탈피(P-h) 선도 내에서의 일반적인 고온 증기 동력 사이클의 과정을 도시한다. 증기 동력 사이클의 열 효율은 30 내지 35% 범위이다.

반대로, 도 20은 OTEC 가동에 사용된 것과 같은 LTLEC 사이클의 P-h 선도를 도시한다. LTLEC 사이클을 위한 전형적인 열 효율은 2 내지 10%이다. 이는 일반적인 고온 증기 동력 사이클의 열 효율의 거의 1/3 내지 1/10이다. 그러나, LTLEC 사이클은 일반적인 동력 사이클보다 더 넓은 치수의 열교환기를 필요로 한다.

본 명세서에서 설명된 열교환 플레이트는 높은 열전달 성능 그리고 열원 및 열 싱크 유체 측에서의 낮은 압력 강하를 제공하여 시스템 효율에 영향을 미치는 펌핑 동력 요구 조건을 제한한다. OTEC 그리고 다른 LTLEC 사이클을 위하여 설계된 이들 열교환 플레이트는 다음의 특징을 포함할 수 있다:

1) 소형 채널 구조를 갖는 작동 유체 흐름 경로. 이는 롤-접합된 알루미늄 열교환 플레이트 내에 제공될 수 있으며 그리고 작동 유체와 비작동 유체 사이에 넓은 활성 열전달 영역을 제공한다;

2) 열원과 열 싱크 비작동 유체 사이의 압력 강하를 현저하게 줄이기 위하여 플레이트들 사이에 제공된 갭. 이렇게 하여, 열원 그리고 열 싱크 유체 측을 위한 비교적 넓은 유체 흐름 영역이 제공될 수 있는 반면에, 동력 사이클의 작동 유체를 위한 비교적 좁은 유체 흐름 영역이 유지된다.

3) 작동 유체의 흐름 통로 내에서 단계당 채널 개수를 점진적으로 변화시키는 구성이 흐름을 따르는 상 변화 작동 유체의 압력 강하를 줄일 수 있다. 플레이트 내의 채널의 개수는 작동 유체, 가동 조건 및 열교환기 기하학적 구조에 따라 설계된다.

4) 파상의 작동 유체 흐름 경로 또는 채널 구성은 열전달 성능을 향상시킬 수 있다.

5) 작동 유체 흐름 채널 내에서 그리고 평행한 채널 중에서, 흐름 채널의 채널 내부 벽의 양 단부는 만곡질 수 있어 흐름 방향이 반전될 때 유체를 후속 채널로 부드럽게 향하게 하도록 하며, 그리고 채널 내부 벽의 단부에서 측벽까지의 불균일한 거리는 평행한 채널들 사이에서 사용될 수 있다.

위의 특징들은 시스템 내에서 필요한 펌핑 동력을 줄일 수 있으며 그리고 열전달 성능을 향상시킬 수 있다.

도 13, 도 13a 그리고 도 18을 다시 참고하면, 소형 채널 롤 접합된 열교환 플레이트(1051 및 1052)가 각 도면에 도시된다. 작동 유체(580)와 비작동 유체(570) 사이의 직교 대향류가 제공된다. 증발기로 사용될 때, 비작동 유체(570; 예를 들어, 해수)는 플레이트(1051, 1052)의 상단 에지(1045)에서 들어가며 그리고 플레이트(1051, 1052)의 바닥 에지(1046)에서 나간다. 작동 유체(580; 예를 들어, 암모니아)는 액체 상태에서 매니폴드(1080)를 통하여 플레이트의 우측 에지(1048)로 들어가며, 증발되고 그리고 최종적으로 더 높은 온도의 비작동 유체(570)로부터 열 에너지를 흡수함에 의하여 증기 상이 된다. 발생된 증기는 매니폴드를 통하여 우측 에지(1048)에서 플레이트를 떠난다.

작동 유체 흐름 채널(1055)이 플레이트 자체 내에 구성되도록 플레이트(1051, 1052)가 롤 접합(roll-bonding) 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 롤 접합은 2개의 금속 패널이 열과 압력에 의하여 서로 용해되고 그리고 그후 2개의 패널 사이에 흐름 채널이 형성되도록 고압 공기로 팽창되는 제조 공정이다. 용해 전에, 탄소 기반 재료가 작동 유체 흐름 채널의 원하는 경로에 대응하는 패턴으로 패널 중 제 1 패널의 상부 표면 상에 프린트된다. 제 2 패널이 이후 제 1 패널 상단에 놓여지며, 그리고 2개의 패널이 그후 열간 압연 프레스를 통하여 굴러가 단일 플레이트를 형성한다. 단일 플레이트에서, 2개의 패널이 탄소 재료가 존재하는 영역을 제외한 모든 부분에서 용해된다. 적어도 하나의 채널이 플레이트의 주변 에지에 프린트되며, 여기서 진동 맨드릴이 2개의 패널 사이에 삽입되어 가압된 공기가 주입되는 포트를 형성한다. 가압된 공기는 금속을 변형 및 팽창시키며 따라서 2개의 패널이 서로 용해되는 것을 방지되는 내부 채널이 형성된다. 롤 접합이 수행될 수 있는 2가지 방법이 있다: 금속이 열간 압연 프레스를 통하여 연속적으로 시트 금속의 롤로 뽑아지는 연속 방법; 또는 미리 절단된 패널이 개별적으로 처리되는 불연속 방법.

도 21을 참고하면, 일부 실시예에서, 2개의 동일한 플레이트(1060)가 서로 롤 접합되어 플레이트(1022')를 형성한다. 예를 들어, 각 패널(1060)은 약 1.05 내지 1.2㎜의 두께, 1545㎜의 길이 그리고 350㎜의 폭을 가지며, 동일 재료로 형성된다. 위에서 설명된 바와 같은 블로우 몰딩에 의하여 작동 유체 흐름 채널의 원하는 경로에 대응하는 패턴을 갖는 연결된 금속 패널들 사이에 채널이 형성된다. 채널(1055)은 12 내지 13.5㎜의 폭(w)과 약 2㎜의 높이(h)를 갖고 형성된다. 플레이트(1022')를 형성하기 위하여 사용된 패널들이 동일하기 때문에, 팽창 동안에 양 패널(1066)이 변형되어 내부 채널이 형성되고, 채널은 각 패널(1060) 내에서 외측으로 균일하게 팽창된다. 결과적인 플레이트(1051)의 양 측(예를 들어, 전면(1040) 그리고 배면(1042))은 윤곽을 가지며 그리고 작동 유체 흐름 채널(1055)의 위치에서 팽창된 부분에 대응하는, 외측으로 돌출된 영역을 포함한다. 결과적인 플레이트 구성은 양면으로서 언급된다.

양면 플레이트 구조를 갖는 제 1 플레이트(1051)와 제 2 플레이트(1052)가 열교환 어레이(100) 내에서 적층된 구조로 서로 인접하게 위치될 때, 플레이트(1051, 1052)는 중첩된 구조(nested configuration)로 배치될 수 있다. 중첩된 구조에서, 한 플레이트(1051)의 돌출 영역이 인접한 플레이트(1052)의 돌출 영역들 사이의 공간 내에 있도록 플레이트(1051, 1052)는 서로로부터 다소 오프셋되게 배치될 수 있다. 그러나, 롤 접합 공정이 일관된 높이를 갖는 플레이트를 제공할지라도, 이는 길이 방향의 치수 반복성의 고유 문제를 갖는다. 결과는 채널의 각 부분의 위치가 믿을 수 있게 제어될 수 없다는 것이다. 예를 들어, 일부 경우에, 플레이트의 돌출 영역들이 플레이트(1051)의 상단 에지(1045)로부터 설계된 거리에 있지 않는다. 양면 플레이트를 이용하는 플레이트를 이용한 열교환기의 실험실 테스트 동안에, 치수 변형이 인접한 플레이트들의 돌출 영역들이 서로 정반대로 위치되는 것을 야기하였고, 이는 플레이트 분리 갭(1025) 내의 핀치 포인트가 기대한 것보다 높은 열 손실 그리고 낮은 열전달로 이어진다는 것이 알려졌다.

도 22를 참고하면, 일부 실시예에서, 양면 플레이트 구조에 관하여 위에서 설명된 치수 가변성 문제를 다루는 플레이트(1022)를 형성하기 위하여 동일한 주변 형상의 2개의 동일하지 않은 패널(1060, 1062)이 서로 롤 접합된다. 2개의 패널(1060, 1062)은 그들의 항복 강도가 다르다는 점에서 동일하지 않다. 예를 들어, 다른 두께를 갖는 또는 다른 재료로 형성된 패널(1060, 1062)을 제공함에 의하여 이는 달성될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같은 블로우 몰딩에 의하여, 작동 유체 흐름 채널(1055)의 원하는 경로에 대응하는 패턴을 갖는 연결된 금속 패널들 사이에 채널이 형성된다.

2개의 유체 사이에 활성 열전달 영역을 증가시키는 반면에 전체 열교환 플레이트의 체적을 줄이기 위하여 작동 유체 흐름 채널(1055)은 비교적 넓은 폭(w) 그리고 비교적 낮은 높이(h)를 갖는다. 채널의 폭(w)은 약 10 내지 약 15㎜의 범위(예를 들어, 11㎜ 이상, 12㎜ 이상, 13㎜ 이상, 14㎜ 이하, 13㎜ 이하 그리고/또는 12㎜ 이하)일 수 있다. 채널의 높이(h)는 약 1 내지 약 3㎜의 범위(예를 들어, 1.25㎜ 이상, 1.5㎜ 이상, 1.75㎜ 이상, 2㎜ 이상, 2.75㎜ 이하, 2.5㎜ 이하, 2.25㎜ 이하 그리고/또는 2㎜ 이하)일 수 있다. 채널 사이의 간격은 약 4 내지 약 8㎜의 범위(예를 들어, 4.5㎜ 이상, 5㎜ 이상, 5.5㎜ 이상, 7.5㎜ 이하, 7㎜ 이하 그리고/또는 6.5㎜ 이하)일 수 있다.

내부 채널(들)을 형성하기 위하여 팽창하는 동안에 패널(1060) 중 하나만이 변형되도록 플레이트를 형성하기 위하여 사용된 패널의 항복 강도의 차이가 제어된다. 이 경우, 채널은 플레이트(1022)의 단지 하나의 측부로부터 외측으로 팽창되어 하나의 측부(즉, 전면(1040))가 작동 유체 흐름 채널(1055)의 위치에 대응하는, 외측으로 돌출된 영역을 포함하고 그리고 다른 측부(즉, 배면(1042))가 변형되지 않은, 따라서 보통 평평하게 남아있는 플레이트(1022)를 야기한다. 결과적인 플레이트 구조는 단면으로서 언급된다.

도 10 내지 도 14에 도시된 실시예에서, 플레이트(1051, 1052)가 단면 플레이트 구성을 갖고 형성된다. 열교환 어레이(1000) 내의 적층된 구조에서 플레이트(1051, 1052)가 서로 인접하게 위치될 때, 작동 유체 흐름 채널의 위치에서 팽창된 부분과 대응하는 돌출 영역을 갖는, 한 플레이트(1052)의 전면(1040)이 대체로 평평한 인접 플레이트(1051)의 배면(1042)을 향하도록 플레이트(1051, 1052)가 배치된다. 또한, 한 플레이트(1052)의 전면(1040)과 인접 플레이트(1051)의 배면(1042) 사이에 갭(1025)이 존재하도록 인접하는 플레이트(1051, 1052)가 배치된다. 예시적인 실시예에서, 플레이트(1051, 1052)는 8㎜의 에지 간격을 가지며, 돌출 영역에 대응하는 위치에서 2.2㎜의 플레이트(1051, 1052) 사이의 최소 갭 치수와 돌출 영역들 사이의 위치에서 4.8㎜의 플레이트(1051, 1052) 사이의 최대 갭 치수를 제공한다.

단면 플레이트 구조는 롤 접합 공정으로 인한 길이 방향 치수 불일치의 영향을 완화한다. 이 구조에서, 길이를 따라 팽창이 일어나는 곳과 관계없이 인접한 플레이트들 간의 간격은 일관된 최대 그리고 최소 간격을 갖는다. 실험실 결과는 동일한 유체 흐름과 공칭 간격을 위한 양면 플레이트 구조에 대하여 압력 손실이 현저하게 감소된 것을 확인해준다.

또한, 단면 플레이트 구조를 갖는 플레이트의 열교환기 어레이를 형성할 때, 한 플레이트(1051)의 돌출 영역이 인접 플레이트(1052)의 돌출 영역들 사이의 공간 내에 있도록 하기 위하여 자리잡을(nest) 필요없다. 대신, 한 플레이트(1052)의, 돌출 영역을 갖는 전면(1040)이 인접한 플레이트(1051)의 대개 평평한 배면(1042)을 향하도록 단면 플레이트(1051, 1052)가 배치된다. 또한, 돌출 영역은 정렬 축(1005)에 평행한 방향으로 배치된다. 평면의 표면에서의 열전달이 일반적으로 돌출 영역을 갖는 표면에서의 열전달보다 낮을지라도, 유체 흐름 경로의 돌출 영역의 존재에 의하여 야기된, 이 플레이트 사이의 갭(1025) 내의 난류에 의하여 이 효과는 적어도 부분적으로 상쇄되며, 이는 낮은 압력 강하를 야기하나, 갭(1025) 내에서의 향상된 속도를 야기한다.

모든 실시예에서, 작동 유체 흐름 채널(1055) 내의 작동 유체 흐름 영역보다 더 넓은 비작동 유체 흐름 영역이 제공된다. 이 구성은 열원 및 열 싱크 유체 측에서의 압력 강하를 감소시킨다.

도 23을 참고하면, 열교환기 어레이(1000)를 제조하는 방법이 이제 설명될 것이다.

단계 3000에서, 본 발명의 방법은 작동 유체(580)의 요구된 유체 흐름 경로에 대응하는 미리 결정된 패턴 형태로 배치된 내부 유체 통로(1055)를 갖는 열교환기 플레이트(1022)를 제공하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 제 1 패널(1060)과 제 2 패널(1062)을 제공함에 의하여 그리고 미리 결정된 패턴 형태로 제 1 패널(1060)의 표면에 접합 방지제를 도포함에 의하여 열교환기 플레이트(1022)가 형성된다. 접합제가 제 1 패널과 제 2 패널 사이에 있도록 이후 제 1 패널과 제 2 패널은 적층된다. 적층된 제 1 및 제 2 패널(1060, 1062)은 그후 롤-접합되어 단일의 플레이트(1022)를 형성한다.

내부 통로(1055)를 갖는 팽창된 플레이트(1022)를 형성하기 위하여 제 1 패널(1060)과 제 2 패널(1062) 사이로 공기를 주입함에 의하여 롤 접합된 플레이트(1022)는 팽창된다. 내부 통로(1055)의 팽창량(예를 들어, 높이 (h))을 제어하기 위하여 그리고 플레이트(1022)의 다른 영역에서의 다른 팽창량을 허용하기 위하여, 통로 팽창 동안에 플레이트(1022)는 (도시되지 않은) 팽창 지그 상에 위치된다. 팽창 지그는 평행하게 배치된 한 쌍의 강체 플레이트를 포함하며, 경질 플레이트들은 그들 사이에 다른 간격을 갖는 구역들을 갖는다. 공기가 주입되는 동안에 경질 플레이트들 사이에 끼워지도록 플레이트(1022)는 지그 내에 위치한다. 공기 주입 동안에 구역 배치에 따라 경질 플레이트는 통로 팽창량을 제한한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 탭(1070)의 위치에 대응하는 제 1 구역은 제 1 높이(h1)를 가지며, 이 제 1 높이는 소형 채널(1912)의 위치에 대응하는 제 2 영역의 제 2 높이(h2)보다 크다.

도 24를 참고하면, 일부 실시예에서, 공기 주입 유입구(1930)는 플레이트(1022) 내에 제공되어 공기 주입을 용이하게 한다. 플레이트(1022)의 주변 에지(1044)에 위치된 공기 주입 탭(1932) 내에 공기 주입 유입구(1930)가 형성된다. 도시된 실시예에서, 공기 주입 탭(1932) 그리고 공기 주입 유입구(1930)는 플레이트(1022)의 측부 에지(1048)에 위치된다. 이 위치는 비작동 유체(570)의 흐름 경로의 밖이기 때문에 이 위치는 유리하며, 따라서 유체 통과 흐름 압력에 부정적인 영향을 미치지 않는다. 그러나 공기 주입 탭(1032) 그리고 공기 주입 유입구(1030)는 (도 25에 도시된) 상단(1045) 또는 바닥 단부(1046)를 포함한 주변 에지(1044)의 다른 위치에 제공될 수 있다.

플레이트(1022)가 팽창된 후, 예를 들어 공기 주입 탭(1932)을 조임에 의하여 공기 주입 유입구(1930)가 닫히며, 그후 예를 들어 용접에 의하여 접합된다. 이 절차는 적층체의 최외측 플레이트를 제외하고 (이하에서 설명된) 적층체를 형성하기 위하여 사용된 모든 플레이트(1022)를 위하여 수행된다. 적층체의 2개의 최외측 플레이트에서, 공기 주입 유입구는 열려진 상태로 남아 있어 납땜과 같은 후속 제조 단계 동안에 플레이트 내에서 증가된 가스의 배기를 허용한다; 그러나, 공기 주입 유입구는 이후에 닫히고 접합된다. 일부 실시예에서, 공기 주입 탭(1032)은 또한 열교환기 모듈(524) 내에서 장착 구조체에 열교환기 어레이(1000)를 연결하기 위한 연결 위치로서 사용된다.

단면 플레이트 구조가 이용된 실시예에서, 본 발명의 방법은 제 2 패널(1062)보다 낮은 항복 강도를 갖는 제 1 패널(1060)을 제공하는 것을 더 포함한다. 그후, 플레이트 내로 공기를 주입하는 단계 동안에, 제 1 패널(1060)은 주입된 공기의 압력에 의하여 변형되며, 그리고 제 2 패널(1062)은 주입된 공기의 압력에 의하여 변형되지 않은 상태로 남아 있는다.

도 26을 참고하면, 단계 3001에서, 내부 통로(1055)를 가로막는 팽창된 플레이트(1022) 내에서 개구가 절단된다. 구체적으로, 탭 유입구 개구(1076)가 모든 탭 유입구 통로(1072)를 가로막는 위치에서 탭(1070) 내에 형성된다. 또한, 탭 유입구 개구(1078)가 모든 탭 유입구 통로(1072)를 가로막는 위치에서 탭(1070) 내에 형성된다. 도 26에서 보여진 바와 같이, 접합 방지제가 패턴 형태(교차 해칭된 영역 참조)로 도포되며, 이는 충분한 보강을 허용하여 정확한 플레이트 절단을 허용한다. 예를 들어, 유출구와 유입구 개구의 내부 공간에 대응하는 원형 영역은 팽창되지 않으나, 대신 접합된 부분을 포함한다. 일부 실시예에서, 예를 들어, 절단 동안에 플레이트 정렬을 유지하는데 도움을 주는 파일럿 드릴 비트를 갖는 고속 구멍 톱을 이용하여 또는 밀링 또는 워터 제트와 같은 다른 절단 공정을 이용하여 절단이 이루어진다.

제 2 패널(1062)에 대하여 제 1 패널(1060)이 팽창되는 단면 플레이트 구성을 이용한 일부 실시예에서, 절단 개구는 제 2 패널(1062) 내에서(예를 들어, 플레이트(1022)의 비팽창 측에서)보다 제 1 패널(1060) 내에서(예를 들어, 플레이트(1022)의 팽창 측에서) 넓게 이루어진다.

단계 3002에서, 내부 유체 통로(1055)를 갖는 열교환기 플레이트(1022)를 제공하는 단계 그리고 플레이트(1022) 내에 절단 개구를 제공하는 단계는 원하는 개수의 절단 플레이트(1022)가 얻어질 때까지 열교환기 어레이(1000)의 각 플레이트(1022)를 위하여 반복된다.

단계 3003에서, 절단 플레이트(1022)는 열교환기 어레이(1000)를 형성하는데 사용하기 위하여 적층된다. 도시된 실시예에서, 정렬 축(1005)과 동일한 방향을 향하는 그리고 정렬 축과 직교하는 전면(1040)을 갖는 다른 플레이트의 상단 상에 배치되도록 48개의 플레이트(1022)가 적층된다. 특히, 플레이트(1022)는 정렬 지그 내에 배치되어 정렬된 주변 에지(1044) 그리고 절단 개구(1076, 1078)를 갖는 플레이트 적층체(230)를 제공한다. 더 많은 또는 더 적은 개수의 플레이트(1022)가 적층될 수 있다는 것 그리고 적층체(230) 내에서의 플레이트의 개수는 특정 응용에 의하여 결정된다는 것이 이해된다.

도 27을 참고하면, 하나 이상의 정렬 고정구를 포함하는 정렬 지그 내에서 절단 플레이트를 적층함에 의하여 플레이트(1022)의 정밀한 정렬이 이루어질 수 있다. 도시된 실시예에서, 정렬 고정구는 사각 로드(2032) 그리고 지그 내에 전략적으로 위치된 원통형 맨드릴(2034)을 포함한다. 플레이트(1022)가 지그 내에 위치될 때, 절단 개구(1076, 1078)는 맨드릴(2034) 위에 위치하며, 그리고 각 플레이트(1022)의 주변 에지(1044) 내에 제공된 내부 코너(2036)에 로드(2032)가 접촉하도록 주변 에지(1044)는 위치된다.

적층된 플레이트가 단면 플레이트 구조를 이용한 실시예에서, 적층 단계는 플레이트(1022)들을 배치하는 것을 더 포함하여 하나의 플레이트의 제 1 외부 열교환 표면(즉, 전면(1040))이 인접한 플레이트의 제 2 외부 열교환 표면(즉, 배면(1042))을 향한다. 균일한 간격이 인접한 플레이트들 사이에 제공되는 것을 보장하기 위하여 위에서 설명된 바와 같이 홈이 있는 받침 플레이트(1006, 1008)가 적층체의 전방측 및 후방측에 제공된다.

절단된 플레이트(1092)들이 적층되고 정렬될 때, 단계 3004에서 설명된 바와 같이, 맨드릴(2034)이 정렬 지그로부터 제거되어 대응하는 개구 내에서의 매니폴드 조립체와 배출 챔버(1084, 1086)의 형성을 허용한다. 로드(2032)는 후속 단계 동안 적층체(2030)를 정렬 상태에 유지하기 위하여 제자리에 남아 있는다. 또한, 정렬 지그는 적층 조립체와 함께 남아 있어 어레이를 위한 코쿤과 같은 용기를 형성하여 손상으로부터 어레이(1000)를 보호하며 그리고 받침 패널(1006, 1008)과의 협동으로 비작동 유체의 흐름을 플레이트(1022)들 사이의 갭(1025)으로 그리고 활성 열전달 표면 영역 위로 보내는 역할을 수행한다.

도 29를 참고하면, 단계 3004에서, 제 1 플레이트(1051)의 절단 개구(1076, 1078)의 절단 에지는 인접한 플레이트(1052)의 대응하는 절단 에지에 연결된다. 플레이트들이 단계 3003에서 정렬될 때, 탭 유입구 통로(1072)와 탭 유출구 통로(1074)에 대응하는 팽창된 지역은 또한 정렬 축(1005)에 평행한 방향으로 정렬된다. 또한, 도 26, 도 28 및 도 29를 참고하면, 플레이트의 팽창 동안에, 플레이트를 형성하는 적어도 하나의 패널(1060)은 변형되어 각 패널(1060, 1062)은 국부적으로 이격되어 압력 유체 통로(1055)를 제공한다. 그 결과 제 1 플레이트(1051)의 배면(1042)은 제 1 플레이트(1051)에 인접한 그리고 제 1 플레이트 아래에 있는 제 2 플레이트(1052)의 전면(1040)에 접촉 또는 거의 접촉한다. 적층체(2030) 내의 각 플레이트(1022)를 위하여, 전면(1040)은 유입구 절단 개구(1076) 그리고 유출구 절단 개구(1078) 각각의 전체 원주부를 따라서 그 위의 플레이트의 배면(1042)에 연결된다. 또한, 적층체(2030) 내의 각 플레이트의 배면은 유입구 절단 개구(1076) 그리고 유출구 절단 개구(1078) 각각의 전체 원주부를 따라서 그 아래 플레이트(1042)의 전면(1040)에 연결된다. 예를 들어, 텅스텐 불활성 가스 (TIG) 용접, 자열 TIG 용접, 스퍼터 TIG 용접 또는 레이저 용접에 의하여 면(1040, 1042)들은 연속적으로 연결되어 환형의 유체 불투과 조인트(1082)를 형성한다. 도 29에서, 용접은 지그재그 선으로 나타내어진다.

이 절차는 유입구 절단 개구(1076)를 따라 각 인접 플레이트의 연결부에 형성된 일련의 환형 조인트(1082)에 의하여 부분적으로 형성된 적층체(2030) 내의 매니폴드 공급 챔버(1084) 그리고 유출구 절단 개구(1078)를 따라 각 인접 플레이트의 연결부에 대응하는 환형 조인트(1082)에 의하여 부분적으로 형성된 (도 29에 도시된) 매니폴드 배출 챔버(1086)를 야기한다. 위에서 설명된 바와 같이, 적층체(2030)의 각 플레이트 내에서, 절단된 개구 각각에서 팽창된 영역은 작동 유체 통로(1055)의 채널(1912)와 유체 연통된다. 예를 들어, 매니폴드 공급 챔버(1084)는 탭 유입구 통로(1072)를 통하여 유입구 통로(1911)와 유체 연통된다. 또한, 매니폴드 배출 챔버(1086)는 탭 유출구 통로(1074)를 통하여 유출구 통로(1918)와 유체 연통된다. 환형 조인트(1082)의 밀봉 특성으로 인하여, 플레이트(1022)의 내부 통로(1055)와 외부 표면 간의 유체 연통 그리고 이에 따라 작동 유체(580)와 비작동 유체(570) 간의 유체 연통이 방지된다.

도 29a를 참고하면, 절단 개구가 제 2 패널 내에서보다(1062; 예를 들어, 전면(1040) 상에서) 제 1 패널(1060) 내에서(예를 들어, 배면(1042) 상에서) 더 넓게 만들어진 실시예에서, 플레이트들이 적층되면, 랩 조인트(L)가 형성된다. 적층체(2030) 내의 각 플레이트(1022)를 위하여, 전면(1040)은 랩 조인트(L)에서 (예를 들어, 유입구 절단 개구(1076)와 유출구 절단 개구(1078) 각각의 전체 원주를 따라) 그 위의 플레이트의 배면(1042)에 연결된다. 또한, 적층체(2030)의 각 플레이트의 배면(1042)은 랩 조인트(L)에서 (예를 들어, 유입구 절단 개구(1076)와 유출구 절단 개구(1078) 각각의 전체 원주를 따라) 그 아래의 플레이트의 전면(1040)에 연결된다. 면(1040, 1042)은, 예를 들어 용접에 의하여 연속적으로 연결되어 환형의 유체 불투과성 조인트(1082)를 형성한다.

이전에 논의된 바와 같이, 적어도 절단 개구(1076, 1078) 근처의, 탭(1070) 내의 탭 통로(1072, 1074)의 팽창량은 플레이트(1022) 내의 작동 유체 통로(1055)의 팽창량보다 높게 이루어진다(예를 들어, 보다 큰 채널 높이(h)를 갖는다). 이 배치에 의하여, 인접하는 플레이트(1022)들(즉, 플레이트(1051, 1052)들) 간의 간격은 유지되는 반면에 환형 조인트가 형성되는 것을 허용한다.

다시 도 16을 참고하면, 단계 3005에서, 적층체(2030)를 형성하기 위하여 사용된 최외측 플레이트(1022)의 외측을 향하는 표면 상에 형성된 탭 유입구 개구(1076) 그리고 탭 유출구 개구(1078)에 플랜지 커넥터(2000)는 용접된다.

최상단 플레이트(1022u)를 위하여, 플랜지 커넥터(2000)는 유입구 절단 개구(1076) 그리고 유출구 절단 개구(1078)에서 전면(1040)에 고정된다. 예를 들어, 유체 불투과성 연결부를 제공하기 위하여 플랜지 커넥터(2000)는 각 개구(1076, 1078) 내에 위치되고 그리고 각 개구(1076, 1078)의 전체 원주를 따라 절단 에지에 용접된다. 또한, 최상단 플레이트(1022u)의 배면(1042)은 유입구 절단 개구(1076) 그리고 유출구 절단 개구(1078) 각각의 전체 원주를 따라 그 아래 플레이트의 전면(1040)에 연결된다. 면(1040, 1042)들은 연속적으로 연결되어 환형의 유체 불투과성 조인트(1082)를 형성한다.

최하단 플레이트(1022l)는 유사하게 처리된다. 측, 최하단 플레이트(1022l)를 위하여, 플랜지 커넥터(2000)는 유입구 절단 개구(1076) 그리고 유출구 절단 개구(1078)에서 후면(1042)에 고정된다. 예를 들어, 유체 불투과성 연결부를 제공하기 위하여 플랜지 커넥터(2000)는 각 개구(1076, 1078) 내에 위치하며, 그리고 각 개구(1076, 1078)의 전체 원주를 따라서 절단 에지에 용접된다. 또한, 최하단 플레이트(1022l)의 전면(1040)은 유입구 절단 개구(1076) 그리고 유출구 절단 개구(1078) 각각의 전체 원주를 따라 그 위의 플레이트의 배면(1042)에 연결된다. 면(1040, 1042)들은 연속적으로 연결되어 환형의 유체 불투과성 조인트(1082)를 형성한다.

단계 3006에서, 열교환기 어레이(1000) 내에서 플레이트(1020)의 모든 탭(1070)을 둘러싸는 매니폴드 하우징(1088)을 형성하기 위하여 열교환기 어레이(1000)의 연결된 탭(1070)들을 에폭시와 같은 플라스틱 재료 내에 캡슐화함에 의하여 매니폴드(1080)의 형성이 완료되어 된다. 매니폴드 하우징(1080)은 에폭시의 외부 표면에 의하여 형성된다.

포트(2050) 내에 적층체(2030)의 연결된 탭들을 위치시키는 것, 포트(2050)의 내부와 연결된 탭(1070)의 외부 표면 사이의 공간에 에폭시를 채우도록 포트(2050)를 에폭시로 채우는 것, 에폭시를 설정하는 것, 그리고 이후 조립체의 부분으로서 남겨지도록 포트(2050)를 그대로 두는 것에 의하여 이루어진다.

도 30을 참고하면, 외부 표면으로부터 외측으로 연장되는 플랜지 커넥터(2000)를 포함하고 그리고 각 플레이트의 측부 에지(1048)에서 연장된 탭(1070)의 복잡한 형상으로 인하여, 포트(2050)은 탭(1070) 위에서 그리고 플랜지 커넥터(2000) 주변에서 조립될 수 있는 다수 부재 구조체로써 형성된다. 특히 포트(2050)는 폴리카보네이트와 같은 플라스틱으로 형성되며 그리고 컨테이너를 형성하기 위하여 서로 조립될 수 있는 제 1 측벽부(2052), 제 2 측벽부(2054) 및 제 3 측벽부(2056)를 갖는다.

제 1 측벽부(2052)는 3개의 측부(2052a, 2052b, 2052c) 그리고 바닥(2052d)을 갖는다. 3개의 측부(2052a, 2052b, 2052c)는 서로 인접하며 또한 바닥(2052d)에 인접하고 그리고 바닥으로부터 위로 연장된다. 제 1 측벽부(2052)의 상부 에지(2052d)는 내부에 플랜지 커넥터(2000)의 측벽(2006)을 수용하도록 치수화된 반원형 컷아웃부(2052f)를 포함한다. 제 2 측벽부(2054)는 3개의 측부(2054a, 2054b, 2054c)를 갖는다. 3개의 측부(2054a, 2054b, 20524)는 서로 인접한다. 또한, 제 2 측벽부(2054)의 하부 에지(2054e)는 내부에 플랜지 커넥터(2000)의 측벽(2006)을 수용하도록 치수화된 반원형 컷아웃부(2052f)를 포함한다. 제 3 측벽부(2056)는 제 1 에지(2056a), 제 2 에지(2056b), 제 3 에지(2056c) 그리고 제 4 에지(2056d)를 갖는 평평한 패널 형태의 단일 측부를 포함한다.

포트(2050)의 조립 동안, 연결된 탭(1070)들이 3개의 측부(2052a, 2052b, 2052c) 그리고 바닥(2052d)에 의하여 형성된 공간 내로 연장되는 방식으로 열교환기 유니트(1000)는 제 1 측벽부 위에 위치되며, 그리고 플랜지(2000)는 컷아웃 부(2052f) 내에 배치된다. 제1측벽부 제 1 측부(2052a)가 제 2 측벽부 제 1 측부(2054a)에 인접하고, 제 1 측벽부 제 2 측부(2052b)가 제 2 측벽부 제 2 측부(2054b)에 인접하고, 제 1 측벽부 제 3 측부(2052c)가 제 2 측벽부 제 3 측부(2054b)에 인접하며, 그리고 플랜지(2000)가 컷아웃부(2052f)의 제 2 측벽부에 내에 수용되는 방식으로 제 2 측벽부(2054)는 그후 제 1 측벽부 상부 에지(2052e)를 따라서 위치된다. 마지막으로, 제 3 측벽부(2056)는 제 1 및 제 2 측벽부(2052, 2054)에 인접하게 위치되어, 제 3 측벽부 제 1 에지(2056a)는 제 1 및 제 2 측벽부(2052, 2054)의 제 1 측부(2052a, 2054a)에 인접하며, 제 3 측벽부 제 2 에지(2056b)는 제 1 측벽부(2052)의 바닥(2052d)에 인접하고, 그리고 제 3 측벽부 제 3 에지(2056c)는 제 1 및 제 2 측벽부(2052, 2054)의 제 3 측부(2052ca, 2054d)에 인접한다. 따라서 포트(2052)가 조립될 때, 연결된 탭(1070)들은 측벽부(2052, 2054, 2056)로 둘러싸인다.

도 31을 참고하면, 조립된 구조에서, 포트(2050)는 개방된 상단을 포함하며 그리고 연결된 탭(1070)을 둘러싸는 반면에, 요구되는 주입된 에폭시 충전제의 양을 최소화하는 치수로 이루어진다. 플레이트 간격을 설정하고 유지하기 위하여, 해수로부터 모든 조인트를 밀봉하기 위하여 그리고 열교환기 어레이(1000)를 보강하기 위하여 포트(2050)는 바닥에서부터 에폭시로 채워진다. 또한, 에폭시는 추가적인 용접된 조인트 지지부와 조립체 보강부, 발생해야 하는 용접된 조인트로부터의 내부 유체 누설에 대한 추가적인 장벽 그리고 연결된 플레이트의 어레이를 위한 단단한 장착 지지 표면을 제공한다. 캡슐화 동안, 캡슐화 재료로 인한 매니폴드 챔버(1084, 1086)의 오염을 방지하기 위하여 플랜지 커넥터(2000) 각각의 유체 통로는 닫혀진다. 캡슐화의 완료 후, 각 플랜지 커넥터(2000)의 적절한 기능을 가능하게 하기 위하여, 특히 이를 통한 유체 흐름을 허용하기 위하여 이 유체 통로는 치워진다. 플랜지 커넥터(2000)가 치워지면, 열교환기 유니트(1000)가 완성된다.

도 11 및 도 32를 참고하면, 다수의 열교환기 어레이(1000)를 포함하는 열교환기 모듈(524)을 형성할 때, 각 개별적인 열교환기 어레이(1000)의 매니폴드(1080)는 인접 열교환기 어레이(1000)의 매니폴드(1080)에 연결된다. 특히, 매니폴드 공급 챔버(1084)가 모듈(524)의 각 열교환기 어레이(1000)와 유체 연통되도록 인접 열교환기 어레이(1000)의 매니폴드 공급 챔버(1084)의 플랜지 커넥터(2000)는 연결된다. 동일하게, 매니폴드 배출 챔버(1086)가 모듈(524)의 각 열교환기 어레이(1000)와 유체 연통되도록 인접 열교환기 어레이(1000)의 매니폴드 배출 챔버(1084)의 플랜지 커넥터(2000)는 연결된다. 인접한 열교환기 어레이(1000)의 플랜지 커넥터(2000)들이 클램프(2020)에 의하여 연결된다. 도시된 실시예에서, 12개의 열교환기 어레이(1000)가 공통 매니폴드에 의하여 연결되고 그리고 열교환기 모듈(524)을 제공한다. 그러나, 모듈(524)을 형성하기 위하여 더 많은 수의 또는 더 적은 수의 열교환 어레이(1000)가 사용될 수 있다는 것이 이해되며, 그리고 사용된 개수는 특정 적용의 요구 조건에 좌우된다.

도 10 및 도 33을 참고하면, 공통 매니폴드(1080)에 의하여 연결된 열교환기 어레이(1000)들은 랙(1002) 상에서 지지된다. 열교환기 어레이(100), 연결된 매니폴드(1080) 그리고 랙(1002)은 함께 열교환기 스테이지를 형성한다. 도시된 실시예에서, 다단계 열교환기 시스템(520)은 하이브리드 케스케이드 OTEC 사이클의 사용을 감안한 4단계 열교환기 모듈이며, 따라서 4개의 열교환기 모듈(521, 522, 523, 524; 제 2 스테이지와 제 4 스테이지만이 도 33에 도시됨)을 포함한다. 열교환기 시스템(520)으로의 조립시, 각 모듈은 지지 프레임(540) 내에 수용되고 지지 프레임 상에서 지지된다. 한 실시예에서, 열교환기 시스템(520) 내에서 열교환기 모듈(521, 522, 523, 524)의 조립을 용이하게 하기 위하여 각 열교환기 모듈의 랙(1002)은 지지 프레임(540) 내에 포함된 대응하는 레일(2080)와 결합하는 (도시되지 않은) 레일을 구비한다. 예를 들어, 랙(1002)은 개별적인 어레이(1000)의 제거 및 유지보수를 위한 선형 추출기가 연속적인 플라스틱 접촉 표면으로 레일 상에 장착되는 것을 가능하게 한다. 또한 어레이 유지보수 동안에, 어레이(100)가 교체될 때까지 일시적인 헤더 커넥터가 모듈(524) 내의 어레이(1000)를 대신할 수 있어, 단지 에너지 전달의 부분적인 감소만을 갖고 열교환기의 평형의 계속적인 작동을 가능하게 한다.

도시된 실시예에서, 스파(310)의 증발기부(344)는 중앙 필라(550) 그리고 필라(550)의 양 측부(552, 554) 각각에 지지된 지지 프레임(540)을 포함한다. 유사한 배치가 응축기부(320) 내에 제공된다.

본 명세서에서 플랜지 커넥터(2000)는 매니폴드(1080)에 용접되는 것으로 설명되며 그리고 매니폴드 챔버 내에 있는 단차부(2014)를 포함하여, 용접된 조인트의 정렬을 제공하고 용접된 조인트의 강도를 개선한다. 그러나, 플랜지 커넥터(2000)는 용접에 의하여 매니폴드(1080)에 고정되는 것으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 플랜지 커넥터(2000)는 접착 접합에 의하여 매니폴드(1080)에 고정될 수 있다. 도 34a 및 도 34b를 참고하면, 접착 접합을 사용한 일부 실시예에서, 접합 표면이 더 큰 면적을 갖도록 하기 위하여 커넥터 제2 단부(2010)는 변형될 수 있다. 특히, 변형된 플랜지 커넥터(2000')는 외측으로 반경 방향으로 돌출되고 그리고 넓은 접합 표면적을 제공하는 립(2018')을 갖는 커넥터 제 2 단부(2010')를 포함할 수 있다.

도 35를 참고하면, 유입구 플랜지 커넥터(2000")는 응축기의 매니폴드 공급 챔버(1084)에 연결되며, 그리고 유출구 플랜지 커넥터(2000"')는 대응하는 매니폴드 배출 챔버(1086)에 연결된다. 유입구 플랜지 커넥터(2000")는 유출구 플랜지 커넥터(2000"')보다 작은 직경, 그러나 그렇지 않으면 유사한 직경을 갖는다. 이러한 이유 때문에, 유입구 플랜지 커넥터(2000")만이 설명될 것이다. 앞서 설명된 도 15b에 도시된 플랜지 커넥터(2000)와 동일하게, 유입구 플랜지 커넥터(2000")는 대응하는 매니폴드 공급 또는 배출 챔버(1084, 1086)의 내부 직경에 대응하도록 치수화된 외부 직경을 갖는 제 1 단차부(2014)를 포함한다. 또한, 유입구 플랜지 커넥터(2000")는 커넥터 제 2 단부(2010)의 단부면(2012)에 인접하게 배치된 제 2 단차부(2015)를 가져 단부면(2012)은 제 1 단차부(2014)와 제 2 단차부(2015) 사이에 단차를 형성한다. 제 2 단차부(2015)는 커넥터 제 1 단부(2002)의 외부 직경보다 작은 그리고 제 1 단차부(2014)의 외부 직경보다 큰 외부 직경을 갖는다. 어레이의 제조 동안에, 제 1 단차부(2014)는 탭 유입구(또는 유출구) 개구 내로 삽입되고 이에 용접된다. 이 과정 동안에, 제 2 단차부(2015)는 열교환 플레이트(1022)의 탭(1070)과 유입구 플랜지 커넥터(2000") 사이의 열 싱크의 균형을 유지하는 역할을 수행한다.

도 36 내지 도 38을 참고하면, 증발기 내에서의 사용을 위하여 구성된 대안적인 열교환 플레이트(3022)는 도 14와 관하여 위에서 설명된 열교환 플레이트(1022)와 유사하다. 유사성을 고려하여, 동일한 특징은 동일한 참고 번호로 언급될 것이다. 열교환 플레이트(3022)는 작동 유체 통로(3055)를 포함하며, 이 작동 유체 통로는 교대로 구불구불한 패턴을 갖는 다수의 평행한 소형 채널(1912)을 포함한다. 작동 유체의 상 변화(즉, 액체에서 증기로 변화)를 수용하기 위하여, 단계당 평행한 흐름 통로의 개수는 통로 유입구에서 통로 유출구로 작동 유체의 흐름 경로를 따라 증가된다. 예를 들어, 도 36의 열교환 플레이트(3022)는 바닥 에지(1046)에 인접한 대응하는 소형 채널(1912) 내로 각각 들어가는 4개의 유입구 통로(1911)를 갖는다. 소형 채널(1912)은 바닥 에지(1046)에서 상단 에지(1045)로 구불구불한 형태로 플레이트를 따라 연장된다. "상단" 또는 "바닥"에 대한 언급은 수직 작동 위치에서 열교환 플레이트의 방향을 나타낸다. 도 38에서, 가동 위치에서의 증발기 열교환 플레이트(3022)가 도시되며, 상단 에지(1045)는 바닥 에지(1046) 위에 놓인다. 제 1 전이점(3914)에서 4개의 소형 채널로부터의 흐름은 6개의 소형 채널 내로 들어간다. 6개의 소형 채널로부터의 흐름은 제 2 전이점(3916)에서 8개의 소형 채널 내로 들어간다. 8개의 소형 채널로부터의 흐름은 제 3 전이점(9920)에서 10개의 소형 채널 내로 들어가며, 그리고 10개의 소형 채널로부터의 흐름은 제 4 전이점(9922)에서 12개의 소형 채널 내로 들어간다. 결과로 나온 12개의 소형 채널은 유체 유출구(1918)를 통하여 빠져 나온다.

4개의 유입구 통로(1911)는 매니폴드 공급 챔버(1084)에 의하여 탭 유입구 통로(1072)를 통하여 액체 상태의 작동 유체(580)를 공급받으며, 그리고 12개의 유출구 통로(1918)는 증기 상태에 있는 작동 유체를 탭 유출구 통로(1074)를 통하여 매니폴드 배출 챔버(1086) 내로 배출한다.

매니폴드 공급 챔버(1084)와 매니폴드 배출 챔버(1086)가 구조적으로 유사할지라도, 매니폴드 공급 챔버(1084)는 대응하는 매니폴드 배출 챔버(1086)와 다른 치수를 갖는다. 예를 들어, 증발기 내에서 어레이(1000)의 부분으로서의 사용을 위하여 구성된 열교환기 플레이트(3022)를 위하여(도 36 내지 도 38), 매니폴드 공급 챔버(1084)는 대응하는 매니폴드 배출 챔버(1086)보다 작다. 이는 탭 유출구 개구(1078)보다 작은 직경을 갖는 탭 유입구 개구(1076)를 형성함에 의하여 이루어진다. 이러한 치수 차이는 작동 유체(580)가 유입구에서 액체로써 증발기로 들어가고 따라서 유체가 배출구에서 가스로서 증발기를 빠져 나감에 따라 동일한 유체보다 적은 전체 통로 체적을 필요로 한다는 사실을 반영한다. 따라서, 응축기에서 어레이(1000)의 부분으로 이용하기 위하여 구성된 열교환기 플레이트(4022)를 위하여(도 39 내지 도 41), 매니폴드 공급 챔버(1084)는 대응하는 매니폴드 배출 챔버(1086)보다 크다.

도 39 내지 도 41을 참고하면, 응축기 내에서 사용하기 위하여 구성된 열교환 플레이트(4022)는 도 36 내지 도 38에 관하여 위에서 설명된 증발기 열교환 플레이트(3022)와 유사하다. 유사성을 고려하여, 동일한 특징은 동일한 참고 번호로 언급될 것이다. 열교환 플레이트(4022)는 작동 유체 통로(4055)를 포함하며, 이 작동 유체 통로는 교대로 구불구불한 패턴을 갖는 다수의 평행한 소형 채널(1912)를 포함한다. 증발기 내의 유입구에서의 유체(예를 들어, 액체)보다 응축기 내의 유입구에서의 비교적 큰 체적의 유체(예를 들어, 가스)를 수용하기 위하여, 비작동 유체의 흐름 방향과 평행한 축과 나란한 작동 유체 유입구 통로(1911)의 개수는 증발기 열교환 플레이트(3022) 내에서보다 응축기 열교환 플레이트(4022) 내에서 더 많다. 작동 유체의 상 변화(즉, 가스에서 액체로 변화)를 수용하기 위하여, 단계당 평행한 흐름 통로의 개수는 통로 유입구에서 통로 유출구로 작동 유체의 흐름 경로를 따라 감소된다. 예를 들어, 도 39의 열교환 플레이트(4022)는 상단 에지(1045)에 인접한 12개의 대응하는 소형 채널(1912) 내로 각각 들어가는 8개의 유입구 통로(1911)를 갖는다. 소형 채널(1912)은 상단 에지(1045)에서 바닥 에지(1046)로 구불구불한 형태로 플레이트를 따라 연장된다. 도 41에서, 응축기 열교환 플레이트(4022)는 그의 가동 위치에 대하여 뒤집혀 도시되며 바닥 에지(1046)가 상단 에지(1045) 위에 놓여진다. 12개의 소형 채널로부터의 흐름은 제 1 전이점(4914)에서 10개의 소형 채널 내로 들어간다. 10개의 소형 채널로부터의 흐름은 제 2 전이점(4916)에서 8개의 소형 채널 내로 들어간다. 8개의 소형 채널로부터의 흐름은 제 3 전이점(4920)에서 6개의 소형 채널 내로 들어가며, 6개의 소형 채널로부터의 흐름은 제 4 전이점(4922)에서 4개의 소형 채널 내로 들어간다. 결과로 나온 4개의 소형 채널은 유체 유출구(1918)를 통하여 빠져 나온다.

8개의 유입구 통로(1911)는 매니폴드 공급 챔버(1084)에 의하여 탭 유입구 통로(1072)를 통하여 증기 상태의 작동 유체(590)를 공급받으며, 그리고 4개의 유출구 통로(1918)는 액체 상태에 있는 작동 유체를 탭 유출구 통로(1074)를 통하여 매니폴드 배출 챔버(1086) 내로 배출한다.

응축기 열교환 플레이트(4022)와 증발기 열교환 플레이트(3022)에서, 소형 채널(1912)은 구불구불한 형태로 상단 에지(1045)에서 바닥 에지(1046)로 플레이트를 따라 연장한다. 소형 채널(1912)은 선형 영역(1912a), 만곡 영역(1912b) 그리고 분류 채널(1912c)을 포함한다. 선형 영역(1912a)은 상단 에지(1045)에 평행하게 연장된다. 만곡 영역(1912b)은 인접한 선형 영역(1912a)들을 연결하며 그리고 플레이트 우측 에지(1047) 또는 좌측 에지(1048)에 인접하게 있다. 분류 채널(1912c)은 대응하는 만곡 영역(1912b)에서 소형 채널로부터 분기된 채널이다. 분류 채널(1912c)은 플레이트(3022, 4022)의 매니폴드 단부를 향하여 개방된 분류 유체 유입구(1912d)를 통하여 대응하는 만곡 영역(1912b)과 유체 연통된다. 특히, 각 분류 채널(1912c)은 단일 위치(예를 들어, 분류 유체 유입구(1912d))에서 미니 채널(1912)과 연결되며, 그리고 각 분류 채널(1912)은 인접한 만곡 영역(1912b) 그리고 대응하는 플레이트 에지(1047 또는 1048)에 의하여 형성된 보통 삼각형의 영역 내에 배치된다. 대체적인 삼각형의 영역을 실질적으로 채우도록 구성된 소형 분기 채널을 제공하기 위하여 각 분류 채널(1912c)은 분기된다. 다른 실시예에서, 예를 들어 구불구불한 소형 채널(1912)과 플레이트 에지(1045, 1046, 1047, 1048) 사이의 공간에서 작동 유체 흐름 통로로 덮여지지 않는 플레이트(3022, 4022)의 영역 내에 분류 채널이 위치된다는 점이 주목될 것이다. 분류 채널을 이 영역에 위치시킴으로 인하여, 작동 유체를 위한 더 큰 열교환 표면적이 제공된다. 또한, 이 영역 내에 분류 채널을 위치시킴에 의하여, 실질적으로 전체 전면이 소형 채널(1912)로 덮여지며, 그로 인하여 미작동 유체 유휴 영역의 풀링(pooling)이 방지되고 그리고 감소된다.

응축기 열교환 플레이트(4022)와 증발기 열교환 플레이트(3022) 각각은 플레이트 우측 에지(1047)에 형성된 컷아웃부(3066, 4066)를 구비한다. 컷아웃부(3066, 4066)는 탭과 인접한 위치에서 플레이트 우측 에지(1047) 내에서 개방되며 그리고 전면(1040)을 향하여 보았을 때 전체적으로 V-형상이다. 어레이의 제조 동안에, 포트(2050)가 컷아웃부(3066, 4066) 내에 수용된다. 컷아웃부(3066, 4066)를 제공함에 의하여, 열교환 어레이(1000) 제조의 채움(potting) 단계 동안에 포트(2050)는 각 탭(1070)의 더 넓은 부분을 둘러쌀 수 있어 플레이트(1022)가 V형 컷아웃부 없이 형성된 어레이보다 에폭시가 각 탭(1070)의 더 넓은 부분 주변에 위치되는 것을 허용한다.

이전에 논의된 바와 같이, 플레이트(1022)는 다수의 구역을 포함하며, 여기서 각 구역은 소형 채널(1912)이 특정 높이로 팽창되는 것이 허용되는 구역에 대응한다. 증발기 열교환 플레이트(3022)와 응축기 열교환 플레이트(4022) 각각은 3개의 구역을 구비한다. 예를 들어, 도 38, 도 42 내지 도 46을 참고하면, 증발기 열교환 플레이트(3022)는 탭(1070) 내에 배치된 제 1 구역(Z1) (예를 들어, 매니폴드 구역, 도 38, 도 42, 도 45 및 도 46 참조), 탭(1070)과 바닥 에지(1046) 사이에서 제 1 에지(1047)를 따라 연장된 제 2 구역(Z2) (예를 들어, 유입구 통로 구역, 도 38, 도 43 및 도 46 참조), 그리고 제 1 및 제 2 구역(Z1, Z2)과 제 2 에지(1048) 사이에서 연장된 제 3 구역(Z3) (예를 들어, 활성 영역, 도 38, 도 44 및 도 46 참조)을 포함한다. 3개의 구역 중에서, 제 1 구역(Z1) 내의 소형 채널(1912)은 가장 큰 높이를 갖는다. 제 2 구역(Z2) 내의 소형 채널(1912)은 제 1 구역(Z1) 내의 소형 채널의 높이보다 작으며 제 3 구역(Z3) 내의 소형 채널(1912)의 높이보다는 큰 높이를 갖는다.

응축기 열교환 플레이트(4022) 또한 3개의 구역을 포함한다. 도 41 내지 도 46을 참고하면, 증발기 열교환 플레이트(3022)와 같이, 응축기 열교환 플레이트는 탭(1070) 내에 배치된 제 1 구역(Z1) (예를 들어, 매니폴드 구역, 도 41, 도 42 및 도 45 참조), 탭(1070)과 바닥 에지(1046) 사이에서 제 1 에지(1047)를 따라 연장된 제 2 구역(Z2) (예를 들어, 유입구 통로 구역, 도 41 및 도 43 참조), 그리고 제 1 및 제 2 구역(Z1, Z2)과 제 2 에지(1048) 사이에서 연장된 제 3 구역(Z3) (예를 들어, 활성 영역, 도 41 및 도 44 참조)을 포함한다. 3개의 구역 중에서, 제 1 구역(Z1) 내의 소형 채널(1912)은 가장 큰 높이를 갖는다. 제 2 구역(Z2) 내의 소형 채널(1912)은 제 1 구역(Z1) 내의 소형 채널의 높이보다 작으며 제 3구역(Z3) 내의 소형 채널(1912)의 높이보다는 큰 높이를 갖는다.

예를 들어, 일부 실시예에서, 제 1 구역(Z1)에서 소형 채널(1912)의 높이는 약 5㎜이며, 제 2 구역(Z2)에서 소형 채널(1912)의 높이는 약 3㎜이며, 그리고 제 3구역(Z3)에서 소형 채널(1912)의 높이는 약 3㎜이다. 어레이(1000) 내에서 배열될 때, 플레이트(3022, 4022)의 제 1 구역(Z1)의 소형 채널은 인접하는 플레이트에 접촉하여 제 1 구역(Z1) 내에서 인접하는 플레이트 간에 실질적인 갭(1025)은 존재하지 않는다. 제 2 구역(Z2) 내에서, 약 2㎜의 갭(1025)이 인접하는 플레이트들 사이에 제공되는 반면에, 제 3 구역(Z3)에서 약 4㎜의 갭(1025)이 인접하는 플레이트들 사이에 제공된다. 구역(Z1, Z2, Z3)의 높이 그리고 구역(Z1, Z2, Z3)의 구성은 열교환 플레이트의 "활성 영역" 내에서의 비작동 유체의 흐름을 유지하는 데 도움을 주도록 구성된다. 활성 영역은 작동 유체와 비작동 유체 간의 실질적으로 대부분의 열전달이 발생하는 플레이트의 영역이며, 그리고 일반적으로 구불구불한 흐름 채널 그리고 분류 채널의 위치이다. 따라서, 도 46에서 보여지는 바와 같이, 열교환 플레이트의 "활성 영역"은 일반적으로 제 3 구역(Z1) 내에 위치한다. 제 3 구역(Z3)이, 제1 및 제 2 구역(Z1, Z2) 내의 소형 채널에 비해 낮은 높이를 갖는 소형 채널로 형성되고 그리고 적층될 때 인접하는 플레이트들 사이에 비교적 넓은 갭(1025)을 야기하기 때문에 이 영역에서 흐름에 대한 저항이 거의 없으며, 그리고 따라서 비작동 유체는 이 영역을 통하여 흐르는 경향이 있을 것이다.

도 47 내지 도 49를 참고하면, 일부 태양에서, 열교환 플레이트(1022, 3022, 4022)의 어레이(1000)는 어레이(1000)를 둘러싸는 일반적인 튜브형 하우징(예를 들어, 코쿤(5000; cocoon))으로 둘러싸일 수 있다. 코쿤(5000)은 측벽(5002), 개방된 제 1 단부(5004) 그리고 제 1 단부(5004)와 반대인, 개방된 제 2 단부(5006)를 포함한다. 개방된 제 1 단부(5004)는 코쿤(5000)의 유입구를 형성하며, 비작동 유체가 어레이(1000)의 인접하는 플레이트(1022, 3022, 4022) 사이의 갭(1025)으로 향하는 것을 가능하게 한다. 개방된 제 2 단부(5006)는 코쿤(5000)의 유출구를 형성하며, 비작동 유체가 플레이트 전방 표면과 후방 표면(1040, 1042)을 넘어 통과한 후 갭(1025)에서 나가는 것을 가능하게 한다. 측벽(5002)은 또한 매니폴드(1080)를 수용하도록 구성된 개구(5008)를 포함하여 어레이가 코쿤(5000)으로 둘러싸일 때 매니폴드(1080)는 개구(5008)를 통하여 연장된다.

코쿤 측벽(5002)은 제 1 측벽 부재(5012)와 제 2 측벽 부재(5014)의 조립체이다. 각 측벽 부재(5012, 5014)는 횡단면에서 보았을 때 L형상을 가지며, 그리고 제 1 측벽 부재(5012)는 제 2 측벽 부재(5014)와 동일하다. 특히, 제 1 측벽 부재(5012)는 제 1 측부(5012a)와 제 2 측부(5012b)를 포함한다. 여기서, 제 2 측부는 제 1 측부(5012a)의 단부에 배치되고 그리고 제 1 측부(5012a)에 수직하게 연장된다. 동일하게, 제 2 측벽 부재(5014)는 제 1 측부(5014a)와 제 2 측부(50124)를 포함하며, 제 2 측부는 제 1 측부(5014a)의 단부에 배치되고 그리고 제 1 측부(5014a)에 수직하게 연장된다. 조립될 때, 제 1 측벽 부재(5012)는 제 2 측벽 부재(5014)와 협동하여 사각 횡단면을 갖고 측부(5012a, 5012b, 5014a, 5014b) 를 포함하는 튜브를 형성한다. 열교환 플레이트(1022, 3022, 4022)는 코쿤 측벽(5002)의 반대 측부(5012a, 5014a)의 내부 표면 상에 형성된 홈(5010) 내에서 지지된다. 홈(5010)들은 서로 평행하며 그리고 정렬 축(1005)과 평행한 방향으로 동일하게 이격되어 있다. 홈 간격은 플레이트(1022, 3022, 4022) 사이의 원하는 거리에 대응한다. 각 홈(5010)은 열교환 플레이트를 수용하고 지지하도록 구성된다. 제 1 및 제 2 측벽 부재(5012, 5014)가 L형상을 갖고 있고 동일하기 때문에 코쿤의 조립이 간략화되며, 그리고 코쿤(5000)의 반대 측부(5012a, 5014a) 상에서의 홈(5010)의 정렬이 보장된다.

도 49를 참고하면, 일부 태양에서, 코쿤은 일 측부(5012a)의 외부 표면 상에 배치된 핸들(5030)을 포함한다. 핸들(5030)은 측부(5012a)에 선택적으로 부착 그리고 이로부터 분리될 수 있으며, 그리고 특히 열교환 모듈(524) 내에서의 설치 동안에 어레이(1000)의 취급을 용이하게 하기 위하여 사용된다.

코쿤(5000)은 다수의 이점을 제공한다. 예를 들어, 코쿤(5000)은 어레이 조립 동안 그리고 가동 중에 열교환기 플레이트(1022, 3022, 4022)를 지지하고 그리고 이들을 평행하게 이격된 관계로 유지하는데 도움을 주도록 구성된다. 예를 들어, 코쿤(5000)은 원하는 플레이트 간격을 갖는, 평행하게 적층된 구성에서 열교환기 플레이트를 유지하며, 그로 인하여 열교환기 어레이(1000)의 방법의 단계 3003에 대하여 위에서 설명된 정렬 지그 및/또는 맨드릴이 필요치 않을 수 있으며, 제조 공정을 간략화시킨다. 코쿤(5000)은 선적 동안 그리고 열교환 모듈(524) 내에서의 다른 어레이와의 조립 동안 외부 구조물로부터의 손상으로부터 열교환기 플레이트(1022, 3022, 4022)를 보호한다. 사용 중에, 코쿤(5000)은 비작동 유체를 어레이(1000) 내로 향하게 하며, 그리고 어레이 내에서 그리고 활성 영역에 걸쳐 비작동 유체의 흐름을 유지시킨다.

또한, 열교환 장치와 시스템이 OTEC 발전소의 증발기와 응축기에 대한 적용과 함께 본 명세서에서 설명될지라도, 열교환 장치와 시스템은 이 적용에 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명된 열교환 장치와 시스템은 증기 펌프 응축기 그리고 다른 폐열 변환 장치와 같은 고효율 열교환을 요구하는 다른 적용 분야 그리고 핵연료 가공 시설의 자연 냉각 시스템에서 유용할 것이다.

열교환 장치 및 제조 방법의 선택된 예시적인 실시예가 위에서 상세하게 설명되었다. 실시예를 명확하게 하기 위하여 필요한 것으로 고려된 구조만이 본 명세서에서 설명되었다는 점이 이해되어야 한다. 다른 일반적인 구조 그리고 시스템의 보조적이고 부수적인 요소의 구조가 본 기술 분야의 지식을 가진 자에 의하여 공지되고 이해된 것으로 추측된다. 더욱이, 장치 및 방법의 작업 예가 위에서 설명된 반면에, 장치와 방법은 위에서 설명된 작업 예에 제한되지 않으며, 다양한 설계 변경이 수행될 수 있다.

Claims (37)

1. 제 1 열교환 표면을 형성하는 전면;
   제 2 열교환 표면을 형성하고, 전면 반대측의 플레이트의 측부 상의 배면;
   전면과 배면 사이에 배치되며, 그 표면은 제 3 열교환 표면을 형성하는 내부 유체 통로
   를 포함하며, 내부 유체 통로는,
   유입 영역을 갖는 유체 유입구;
   유입 영역과 다른 유출 영역을 갖는 유체 유출구; 및
   유입구에서 유출구로 유체를 평행하게 향하게 하도록 각각 구성된, 평행한 유체 채널들을 포함하며, 평행한 유체 채널들은 유체 유입구와 유체 유출구 사이에 유체 채널의 수가 변화하는 적어도 하나의 전이점을 포함하는 것인 열교환 플레이트.
2. 제1항에 있어서, 유입 영역은 유출 영역보다 좁으며, 평행한 유체 채널의 수는 적어도 하나의 전이점에서 증가하는 것인 열교환 플레이트.
3. 제1항에 있어서, 유입 영역은 유출 영역보다 넓으며, 평행한 유체 채널의 수는 적어도 하나의 전이점에서 감소하는 것인 열교환 플레이트.
4. 제1항에 있어서, 평행한 유체 채널들은 적어도 4개의 전이점을 포함하는 것인 열교환 플레이트.
5. 제1항에 있어서, 열교환 플레이트는
   제 1 에지,
   제 1 에지와 이격되고 제 1 에지와 평행하게 연장된 제 2 에지,
   제 1 에지와 제 2 에지 사이에서 연장된 제 3 에지, 및
   제 3 에지와 이격되고 제 3 에지와 평행하게 연장되며, 제 1 에지와 제 2 에지 사이에 연장된 제 4 에지를 포함하고,
   평행한 유체 채널은 제 1 에지와 제 2 에지 사이의 구불구불한 경로를 따라 연장되며, 제 1 에지와 평행하게 연장된 선형 영역, 인접한 선형 영역들을 연결하고 제 3 에지 또는 제 4 에지에 인접하게 있는 만곡 영역 및 만곡 영역과 유체 연통되고 인접한 만곡 영역들 사이에 배치된 분류 채널을 포함하는 것인 열교환 플레이트.
6. 제5항에 있어서, 분류 채널은 만곡 영역, 인접한 만곡 영역 및 대응하는 제 3 에지 또는 제 4 에지 사이에 형성된 거의 삼각형의 영역을 거의 채우도록 구성된 것인 열교환 플레이트.
7. 제1항에 있어서, 열교환 플레이트는
   제 1 에지;
   제 1 에지와 이격되며 제 1 에지와 평행하게 연장된 제 2 에지를 포함하며,
   평행한 유체 채널은 제 1 에지와 제 2 에지 사이의 구불구불한 경로를 따라 연장되고 제 1 에지와 평행하게 연장된 선형 영역 및 인접한 선형 영역들을 연결하는 만곡 영역을 포함하며, 적어도 하나의 만곡 영역은 인접한 만곡 영역들 사이에 있는 분류 채널을 포함하는 것인 열교환 플레이트.
8. 제7항에 있어서, 분류 채널은 대응하는 만곡 영역과 유체 연통된 분류 유체 유입구를 갖는 것인 열교환 플레이트.
9. 제7항에 있어서, 다수의 만곡 영역은 분류 채널을 포함하며, 각 분류 채널은 단일 위치에서 내부 유체 통로와 연결되고, 소형 분기 채널들을 제공하도록 분기되는 것인 열교환 플레이트.
10. 제8항에 있어서, 열교환 플레이트는,
    주변 에지; 및
    주변 에지에서 외측으로 연장되고 제 1 단부에 인접하게 배치된 매니폴드 영역을 포함하며,
    유체 유입구와 유체 유출구는 매니폴드 영역에 배치되고, 분류 채널 유입구는 제 1 단부를 향하여 개방되는 것인 열교환 플레이트.
11. 제1항에 있어서, 열교환 플레이트는,
    주변 에지; 및
    주변 에지에서 외측으로 연장된 매니폴드 영역을 포함하며,
    유체 유입구와 유체 유출구는 매니폴드 영역에 배치되고, 유입구와 유출구는 각각 전면과 평행한 평면에서 개방되는 것인 열교환 플레이트.
12. 제 1 열교환 표면을 형성하는 전면;
    제 2 열교환 표면을 형성하며, 전면 반대측의 플레이트의 측부 상의 배면;
    전면과 배면에 접하는 주변 에지;
    전면과 배면 사이에 배치되며, 그 표면은 제 3 열교환 표면을 형성하고, 유체 유입구와 유체 유출구를 포함하는 내부 유체 통로; 및
    주변 에지로부터 외측으로 연장된 매니폴드 영역을 포함하며,
    유체 유입구와 유체 유출구는 매니폴드 영역 내에 배치되고, 유체 유입구와 유체 유출구 각각은 전면과 평행한 평면에서 개방되는 것인 열교환 플레이트.
13. 제12항에 있어서, 주변 에지는
    적어도 하나의 선형 측부 에지; 및
    선형 측부 에지를 따라 개방된 컷아웃 영역을 포함하며,
    매니폴드 영역은 적어도 하나의 선형 측부 에지로부터 선형 측부 에지에 수직인 방향으로 외측으로 연장되고, 컷아웃 영역은 매니폴드 영역에 인접한 것인 열교환 플레이트.
14. 제12항에 있어서, 주변 에지는
    제 1 에지,
    제 1 에지와 이격되고 제 1 에지와 평행하게 연장된 제 2 에지,
    제 1 에지와 제 2 에지 사이에서 연장된 제 3 에지, 및
    제 3 에지와 이격되고 제 3 에지와 평행하게 연장되며, 제 1 에지와 제 2 에지 사이에서 연장된 제 4 에지를 포함하며,
    매니폴드 영역은 제 3 에지로부터 외측으로 연장되고 제 1 에지와 정렬되는 측부를 포함하며, 컷아웃 영역은 제 3 에지 내에 형성되고 제 3 에지로부터 연장되고, 매니폴드 영역에 인접한 것인 열교환 플레이트.
15. 제14항에 있어서, 컷 아웃 영역은 전면을 향하여 보았을 때에 거의 삼각형인 것인 열교환 플레이트.
16. 제 1 열교환 표면을 형성하는 전면;
    제 2 열교환 표면을 형성하며, 전면 반대측의 플레이트의 측부 상의 배면; 및
    전면과 배면 사이에 배치되며, 그 표면은 제 3 열교환 표면을 형성하는 내부 유체 통로를 포함하며,
    전면은 내부 유체 통로의 위치에 대응하는, 외측으로 돌출된 영역을 포함하며, 외측으로 돌출된 영역은 주어진 위치에서 주어진 위치에서의 내부 유체 통로의 높이에 의하여 규정된 정도로 돌출되고, 높이는 전면에 수직한 방향으로의 치수를 나타내며,
    외측으로 돌출된 영역은 제 1 내부 유체 통로 높이에 대응하는 제 1 구역과, 제 2 내부 유체 통로에 대응하는 제 2 구역을 포함하고, 제 1 내부 유체 통로 높이는 제 2 내부 유체 통로 높이보다 큰 것인 열교환 플레이트.
17. 제16항에 있어서, 제 3 내부 유체 통로 높이에 대응하는 제 3 구역을 더 포함하되, 제 2 내부 유체 통로 높이는 제 3 내부 유체 통로 높이보다 큰 것인 열교환 플레이트.
18. 제17항에 있어서, 제 3 구역은 내부 유체 통로가 구불구불한 경로를 따라 연장되는 영역 내에 배치된 것인 열교환 플레이트.
19. 제16항에 있어서,
    전면과 배면에 접하는 주변 에지,
    내부 유체 통로와 연통된 유체 유입구,
    내부 유체 통로와 연통된 유체 유출구,
    주변 에지에서 외측으로 연장된 매니폴드 영역을 더 포함하고,
    유체 유입구와 유체 유출구는 매니폴드 영역 내에 배치되며,
    제 1 구역은 매니폴드 영역 내에 배치되고, 제 2 구역은 매니폴드 영역 밖에 배치된 것인 열교환 플레이트.
20. 제16항에 있어서, 전면과 배면에 접하는 주변 에지를 더 포함하고, 주변 에지는,
    제 1 에지,
    제 1 에지와 이격되고 제 1 에지와 평행하게 연장된 제 2 에지,
    제 1 에지와 제 2 에지 사이에서 연장된 제 3 에지, 및
    제 3 에지와 이격되고 제 3 에지에 평행하게 연장되며 제 1 에지와 제 2 에지 사이에서 연장된 제 4 에지를 포함하며,
    매니폴드 영역은 제 3 에지로부터 외측으로 연장되고, 제 1 구역은 매니폴드 영역 내에 배치되며, 제 2 구역은 매니폴드 영역과 제 2 에지 사이에서 제3 에지를 따라 연장된 것인 열교환 플레이트.
21. 제2항에 있어서, 제 3 내부 유체 통로 높이에 대응하는 제 3 구역을 더 포함하고, 제 2 내부 유체 통로 높이는 제 3 내부 유체 통로 높이보다 크며, 제 3 구역은 제 1 및 제 2구역과 제 4 에지 사이로 연장된 것인 열교환 플레이트.
22. 튜브형 몸체를 포함하되, 튜브형 몸체는
    환형 홈 및 환형 홈 내에 배치된 밀봉 부재를 포함하는 제 1 단부;
    제 1 단부 반대측에 있고, 매니폴드와 연결되도록 구성된 제 2 단부;
    제 1 단부과 제 2 단부 사이로 연장된 유체 통로; 및
    제 1 단부에서 제 2 단부로 변화하는 외부 직경을 포함하는 것인 매니폴드 커넥터.
23. 제22항에 있어서, 튜브형 몸체는 절두원추형 형상이며, 제 1 단부는 제 2 단부보다 큰 외부 직경을 갖는 것인 매니폴드 커넥터.
24. 제22항에 있어서, 제 2 단부는 단차부를 포함하며, 이에 의해 제 2 단부의 외부 직경은 제 1 단부의 외부 직경보다 작은 것인 매니폴드 커넥터.
25. 제22항에 있어서, 튜브형 몸체는
    제 1 단부과 제 2 단부 간의 중간 점과 제 2 단부 사이에 배치되며, 제 1 단차부에서의 몸체의 외부 직경이 제 1 단부의 외부 직경보다 작도록 구성된 것인 제 1 단차부; 및
    제 1 단차부와 제 2 단부 사이에 배치되며, 제 2 단차부에서의 몸체의 외부 직경이 제 1 단차부의 외부 직경보다 작도록 구성된 것인 제 2 단차부를 포함하는 것인 매니폴드 커넥터.
26. 인접한 열교환기 플레이트에서 각각 이격되도록 하는 적층 구성의 2개 이상의 열교환기 플레이트로서, 인접한 열교환기 플레이트들 사이의 공간은 제 1 유체를 수용하도록 구성된 외부 유체 통로를 형성하는 것인 2개 이상의 열교환기 플레이트,
    각 열교환기 플레이트의 유입구와 유체 연통된 매니폴드; 및
    플레이트의 적층 구성을 둘러싸며, 이격된 관계의 열교환기 플레이트들을 지지하도록 구성된 하우징을 포함하고,
    각 열교환기 플레이트는 주변 에지, 제 2 유체를 수용하도록 구성된 내부 유체 통로, 및 주변 에지에서 개방된 내부 유체 통로 내로의 유입구를 포함하는 것인 열교환기.
27. 제26항에 있어서, 하우징은 측벽, 개방된 제 1 단부 및 제 1 단부 반대측의 개방된 제 2 단부를 포함하고, 개방된 제 1 단부는 제 1 유체를 위한, 각 외부 통로 내로의 유입구를 형성하며, 개방된 제 2 단부는 제 1 유체를 위한, 각 외부 통로로부터의 유출구를 형성하는 것인 열교환기.
28. 제26항에 있어서, 하우징은 매니폴드를 수용하도록 구성된 개구를 포함하며, 매니폴드는 개구를 통하여 연장된 것인 열교환기.
29. 제26항에 있어서, 하우징은 횡단면에서 보았을 때에 직사각형을 형성하도록 배치된 4개의 측부를 포함하며, 하우징의 한 쌍의 대향 측부의 내부면은 평행한 홈을 갖도록 형성되고, 각 홈은 열교환기 플레이트를 수용하고 지지하도록 구성된 것인 열교환기.
30. 제29항에 있어서, 하우징은 각각 L형 횡단면을 갖는 제 1 측벽 부재와 제 2 측벽 부재의 조립체이며, 제 1 측벽 부재는 제 2 측벽 부재와 동일한 것인 열교환기.
31. 제26항에 있어서, 하우징의 외부 표면 상에 배치된 핸들을 더 포함하는 열교환기.
32. 제31항에 있어서, 핸들은 외부 표면으로부터 선택적으로 분리 가능한 것인 열교환기.
33. 플레이트형 열교환기의 조립 방법으로서,
    제 1 외부 열교환 표면을 제공하는 제 1 측부, 제 1 측부의 반대측에 있고 제 2 외부 열교환 표면을 제공하는 제 2 측부, 내부 열교환 표면을 제공하는 내부 유체 통로, 및 내부 유체 통로와 연통된 개구를 갖는 열교환기 플레이트들을 적층하는 것; 및
    하나의 플레이트의 제 1 측부가 인접한 플레이트의 제 2 측부에 연결되도록 그리고 각각의 연결된 개구에 의하여 적어도 부분적으로 형성된 체적 내에 각 플레이트의 내부 유체 통로와 유체 연통된 매니폴드 챔버가 형성되도록 인접 플레이트들의 개구의 에지를 연결하는 것을 포함하는 플레이트형 열교환기의 조립 방법.
34. 제33항에 있어서, 각 열교환기 플레이트는 주변 에지와 주변 에지로부터 외측으로 돌출된 탭을 포함하며, 개구는 탭 내에 배치되고, 플레이트형 열교환기의 조립 방법은 플라스틱 내에 탭을 캡슐화하는 것을 포함하는 것인 플레이트형 열교환기의 조립 방법.
35. 제34항에 있어서, 플레이트 적층체의 최외측 플레이트의 개구에 커넥터를 부착하는 것을 더 포함하며, 플라스틱 내에 탭을 캡슐화하는 것은 플라스틱 내에 플랜지의 부분을 캡슐화하는 것을 포함하는 것인 플레이트형 열교환기의 조립 방법.
36. 제34항에 있어서, 플라스틱 내에 탭을 캡슐화하는 것은
    하우징 내에서 탭을 둘러싸는 것;
    하우징과 탭 사이에 경화되지 않은 에폭시를 배치하는 것; 및
    에폭시가 적어도 부분적으로 경화된 후 하우징을 제거하는 것을 포함하는 것인 플레이트형 열교환기의 조립 방법.
37. 제 33항에 있어서,
    플레이트 적층체의 최외측 플레이트의 외측을 향하는 측부의 개구에 커넥터를 연결하는 것,
    각 커넥터의 단부가 하우징 외부에 있도록 구성된 하우징 내에서 커넥터를 포함하는 적층체의 부분을 둘러싸는 것, 및
    개구들의 연결된 에지들와 커넥터의 적어도 일부가 에폭시로 캡슐화되도록 커넥터를 포함하는 적층체의 부분과 하우징 사이에 에폭시를 배치하는 것을 더 포함하는 플레이트형 열교환기의 조립 방법.

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