KR20210095673A - 마이크로 채널 열 교환기 - Google Patents
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Abstract
교대로 적층된 적어도 하나의 고온 열 교환 플레이트 및 적어도 하나의 저온 열 교환 플레이트를 포함하는 마이크로 열 교환기로서, 고온 유체 입구, 및 고온 유체 출구는 각각의 상기 고온 열 교환 플레이트를 통해 고온 유체를 통과시키도록 배치되며, 저온 유체 입구, 및 저온 유체 출구는 각각의 상기 저온 열 교환 플레이트을 통해 저온 유체를 통과시키도록 배치되고, 상기 고온 열 교환 플레이트는 고온 마이크로 채널을 포함하며, 상기 저온 열 교환 플레이트는 저온 마이크로 채널을 포함하고, 상기 채널들은 유체들의 유동 방향으로 연장되는 길이를 가지며, 각각의 상기 채널의 측벽은 각각의 상기 채널의 중심선을 대칭 축으로 하는 대칭 물결형 패턴을 갖고, 상기 고온 열 교환 플레이트, 및 상기 저온 열 교환 플레이트는 상기 고온 마이크로 채널, 및 상기 저온 마이크로 채널이 정렬되는 모양으로 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열 교환기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 화학 공학이 관련된 마이크로 채널 열 교환기에 관한 것이다.
현재까지 마이크로 채널 열 교환기(microchannel heat exchange) 개발에 대한 연구 보고가 존재해 왔다. 일반적인 크기의 채널들과 비교할 때, 마이크로 채널은 쉘, 튜브 열 교환기, 플레이트, 및 프레임 열 교환기와 같은 일반 열 교환기보다 더 높은 열 전달 성능을 제공한다. 이는 마이크로 채널에서의 유체 흐름이 채널 벽으로부터 유체로 열을 더 빨리 전달할 수 있기 때문이다. 이때 각 채널의 유체들은 유사한 횡 단면 온도를 갖고, 마이크로 채널의 열 전달 표면적은 동일한 부피의 일반 크기 채널보다 높으며, 채널에서의 압력 강하는 일반 열 교환기에 비해 상대적으로 낮다. 그러나, 마이크로 채널들에는 적용에 제한이 되는 몇 가지 단점들이 존재한다. 예를 들어, 채널이 좁기 때문에 막히기 쉬운 점과, 특히 산업 분야에서 제작 가능성이 낮다는 점이다.
열 교환기의 채널 특성은 열 교환기의 열 교환 성능에 중요한 것으로 알려져 있으며, 채널 특성은 채널의 제작 가능성과 채널의 구성을 함께 나타내는 매개 변수다. 따라서 열 교환기의 성능을 높이고 앞서 언급한 한계들을 극복하기 위해 채널 특성을 지속적으로 개발하려는 시도가 있어 왔다.
미국 특허출원공개공보 제20040031592호에는 3개 이상의 유체 스트림들의 열 교환을 위한 마이크로 채널을 포함하는 열 교환기가 개시되어 있다. 여기서 상기 채널의 벽은 열 전달 표면적을 증가시키도록 배치된 핀을 구비한 평평한 형태이다. 그러나, 상기 핀의 설치로 인해 열 교환기 내부의 오염률을 증가하였다. 그에 따라, 열 교환 성능이 급격히 감소하고 열 교환기의 압력 강하가 증가했다. 또한, 이러한 설계는 고압 유체와 함께 사용될 때 한계에 이르게 되는 문제를 가진다.
미국 특허공보 제4516632호에는 교대로 적층된 슬롯형(slotted) 열 교환 플레이트와 비 슬롯(unslotted) 열 교환 플레이트를 포함하는 열 교환기가 개시되어 있는데, 상기 슬롯형 열 교환 플레이트는 서로 다른 온도들을 갖는 유체들의 교차-유동(cross-flow) 배열을 형성하기 위해 서로에 대해 90도를 이루도록 교대로 배치된다. 그러나, 상기 유동 구성이 높은 열 교환 성능을 제공하는 것은 아니다.
유럽 특허공보 제1875959호에는 교대로 적층된 마이크로 채널 열 교환 플레이트를 포함하는 열 교환기의 설치를 이용한 에멀션(emulsion) 제조 공정이 개시되어 있으며, 여기서 상기 채널은 뱀 형태로 설계된다. 이는 상기 채널에 두 개의 유동 패턴들, 즉 역류(counter-current) 방향과 병류(co-current) 방향을 제공했다. 그러나, 상기 채널 설계에 의하면, 채널이 오염 물질에 의해 더 쉽게 막히고, 채널의 한 쪽에서 다른 쪽까지의 단일 유동 방향 경로인 경우보다 채널의 세척이 더 어려웠다.
미국 특허공보 제8858159호에는 가스 터빈 엔진에서 블레이드의 열을 감소시키기 위해 저온 공기가 통과하는 냉각 채널들을 포함하는 가스 터빈 엔진이 개시되어 있다. 여기서 상기 냉각 채널들에는 곡선형의 내부 및 외부 리브들이 장착되어 있고 받침대들(pedestals)은 각각 열 교환 성능을 높이기 위해 한 쌍의 리브들 사이에 위치되어 있다. 그러나, 각 쌍의 리브들 사이에 있는 상기 받침대들의 특성은 매우 다른 압력을 갖는 유체들 또는 점도가 높은 유체들 간의 열 전달에 적용할 때 제한이 되었던 열 교환기의 압력 강하를 증가시킬 수 있다.
미국 특허출원공개공보 제20100314088호에는 교대로 적층된 마이크로 채널로 구성된 플레이트를 포함하는 열 교환기가 개시되어 있다. 여기서 상기 플레이트는 곡선형으로 설계되고 상기 마이크로 채널들은 유체의 유동 방향을 따라 평행한 채널을 형성하는 비대칭 물결형 패턴으로 설정되어 있다. 채널들의 직선 부분, 및 곡선 부분의 총 길이는 일정하도록 설정되어 있다. 그러나, 상기 특허는 폭 크기, 곡선 반경 등과 같은 상기 물결형 채널의 적절한 특성들은 개시하지 않고 있다.
태국 특허출원공개공보 제1601007738호에는 온도가 다른 유체들의 열 교환을 위한 열 교환기로서, 교대로 적층된 적어도 하나의 평평한 열 교환 플레이트; 적어도 하나의 고온 열 교환 플레이트; 및 적어도 하나의 저온 열 교환 플레이트를 포함하는 열 교환기가 개시되어 있다. 각 채널의 측벽은 대칭 물결형 패턴을 가지며, 대칭 축은 각 채널의 중심선이다. 이는 열 교환 성능을 향상시켰다. 그러나, 여전히 열 교환 성능이 충분히 높지 않았고 유동 방향에 수직인 채널의 배열이 적절하지 않다는 한계들을 가졌다. 이러한 한계들은 산업 분야에서 본 발명의 제조 가능성을 어렵게 만들었다.
상술한 이유들로 인하여, 본 발명은 열 교환 성능이 높고, 압력이 매우 상이한 유체들을 위한 열 교환기와 관련된 문제들을 감소시키고, 산업 분야에서 본 발명의 제조가 용이한 마이크로 채널 열 교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 열 교환 성능이 높고, 압력이 매우 상이한 유체들을 위한 열 교환기와 관련된 문제들을 줄이고, 산업 분야에서 본 발명의 제조가 용이한 마이크로 채널 열 교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 교대로 적층된 적어도 하나의 고온 열 교환 플레이트 및 적어도 하나의 저온 열 교환 플레이트를 포함하는 마이크로 열 교환기로서, 고온 유체 입구, 및 고온 유체 출구는 각각의 상기 고온 열 교환 플레이트를 통해 고온 유체를 통과시키도록 배치되며, 저온 유체 입구, 및 저온 유체 출구는 각각의 상기 저온 열 교환 플레이트를 통해 저온 유체를 통과시키도록 배치되고, 상기 고온 열 교환 플레이트는 고온 마이크로 채널을 포함하며, 상기 저온 열 교환 플레이트는 저온 마이크로 채널을 포함하고, 상기 채널들은 유체들의 유동 방향으로 연장되는 길이를 가지며, 각각의 상기 채널의 측벽은 각각의 상기 채널의 중심선을 대칭 축으로 하는 대칭 물결형 패턴을 갖고, 상기 고온 열 교환 플레이트, 및 상기 저온 열 교환 플레이트는 상기 고온 마이크로 채널, 및 상기 저온 마이크로 채널이 정렬되는 모양(pattern)으로 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열 교환기를 개시한다.
도 1은 적어도 하나의 고온 열 교환 플레이트 및 적어도 하나의 저온 열 교환 플레이트를 포함하는 본 발명에 따른 열 교환기의 일 양태를 보여주는 도면이다.
도 2는 적어도 하나의 고온 열 교환 플레이트; 적어도 하나의 저온 열 교환 플레이트; 및 적어도 하나의 평면 열 교환 플레이트를 포함하는 본 발명에 따른 열 교환기의 일 양태를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 열 교환기의 열 교환 플레이트 배열의 일 양태를 보여주는 도면이다.
도 4는 유동 방향에 수직인 본 발명에 따른 열 교환기의 열 교환 플레이트 배열의 일 양태를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 열 교환기의 각각의 고온 마이크로 채널 및 각각의 저온 마이크로 채널의 일 양태를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 열 교환기의 고온 열 교환 플레이트 및 저온 열 교환 플레이트의 일 양태에 대한 a) 아이소메트릭, b) 평면도, 및 c) 저면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 열 교환기의 고온 열 교환 플레이트 및 저온 열 교환 플레이트의 또 다른 양태에 대한 a) 등각 투영도, b) 평면도, 및 c) 저면도이다.
도 8은 대칭 물결형 채널을 포함하는 비교 열 교환기의 고온 열 교환 플레이트 및 저온 열 교환 플레이트와, 고온 채널과 저온 채널 간의 교번 시퀀스를 구비하기 위한 열 교환 플레이트의 배열의 일 양태를 보여주는 a) 등각 투영도, b) 평면도, 및 c) 정면도이다.
도 9는 도 6에 따른 열 교환기의 열 교환 플레이트 배열의 일 양태를 보여주는 도면이다.
도 10은 비대칭 물결형 채널을 포함하는 비교 열 교환기의 고온 열 교환 플레이트 및 저온 열 교환 플레이트의 일 양태를 보여주는 a) 등각 투영도, b) 평면도, 및 c) 정면도이다.
도 11 직선 채널을 포함하는 비교 열 교환기의 고온 열 교환 플레이트 및 저온 열 교환 플레이트의 일 양태를 보여주는 a) 등각 투영도, b) 평면도, 및 c) 정면도이다.
도 2는 적어도 하나의 고온 열 교환 플레이트; 적어도 하나의 저온 열 교환 플레이트; 및 적어도 하나의 평면 열 교환 플레이트를 포함하는 본 발명에 따른 열 교환기의 일 양태를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 열 교환기의 열 교환 플레이트 배열의 일 양태를 보여주는 도면이다.
도 4는 유동 방향에 수직인 본 발명에 따른 열 교환기의 열 교환 플레이트 배열의 일 양태를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 열 교환기의 각각의 고온 마이크로 채널 및 각각의 저온 마이크로 채널의 일 양태를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 열 교환기의 고온 열 교환 플레이트 및 저온 열 교환 플레이트의 일 양태에 대한 a) 아이소메트릭, b) 평면도, 및 c) 저면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 열 교환기의 고온 열 교환 플레이트 및 저온 열 교환 플레이트의 또 다른 양태에 대한 a) 등각 투영도, b) 평면도, 및 c) 저면도이다.
도 8은 대칭 물결형 채널을 포함하는 비교 열 교환기의 고온 열 교환 플레이트 및 저온 열 교환 플레이트와, 고온 채널과 저온 채널 간의 교번 시퀀스를 구비하기 위한 열 교환 플레이트의 배열의 일 양태를 보여주는 a) 등각 투영도, b) 평면도, 및 c) 정면도이다.
도 9는 도 6에 따른 열 교환기의 열 교환 플레이트 배열의 일 양태를 보여주는 도면이다.
도 10은 비대칭 물결형 채널을 포함하는 비교 열 교환기의 고온 열 교환 플레이트 및 저온 열 교환 플레이트의 일 양태를 보여주는 a) 등각 투영도, b) 평면도, 및 c) 정면도이다.
도 11 직선 채널을 포함하는 비교 열 교환기의 고온 열 교환 플레이트 및 저온 열 교환 플레이트의 일 양태를 보여주는 a) 등각 투영도, b) 평면도, 및 c) 정면도이다.
본 발명은 이하의 실시예들에 따라 설명된 바와 같은 마이크로 채널을 갖는 플레이트를 포함하는 열 교환기에 관한 것이다.
본원에 사용되는 임의의 양태는 달리 언급되지 않는 한 본 발명의 다른 양태들에 대한 적용을 포함하는 것을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 또는 과학 용어는, 달리 언급하지 않는 한 통상의 기술자에 의해 이해되는 정의를 갖는다.
본 명세서에 언급되는 임의의 도구, 장비, 방법 또는 화학 물질은 본 발명에서만 특정한 도구, 장비, 방법 또는 화학 물질임을 명시하지 않는 한 통상의 기술자에 의해 일반적으로 작동되거나 사용되는 도구, 장비, 방법 또는 화학 물질을 의미한다.
청구 범위 또는 명세서에서 "포함하는"과 함께 단수 명사 또는 단수 대명사의 사용은 "하나", "하나 이상", "적어도 하나", 및 "하나 또는 하나 이상"을 지칭한다.
이하의 세부 설명들은 본 발명의 명세서에서 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 적어도 하나의 고온 열 교환 플레이트 및 적어도 하나의 저온 열 교환 플레이트가 교대로 적층된 마이크로 채널 열 교환기를 개시하며, 이때 각각의 상기 고온 열 교환 플레이트를 통해 고온 유체를 통과시키도록 고온 유체 입구와 고온 유체의 출구가 배치되고, 각각의 상기 저온 열 교환 플레이트를 통해 저온 유체가 통과되도록 저온 유체 입구 및 저온 유체의 출구가 배치되며, 고온 열 교환 플레이트는 고온 마이크로 채널을 포함하고 저온 열 교환 플레이트는 저온 마이크로 채널을 포함하며, 상기 채널들은 유체의 유동 방향으로 연장되는 길이를 가지고, 각각의 상기 채널의 측벽은 각각의 상기 채널의 중심선을 대칭 축으로 하여 대칭 물결형 패턴을 가지며, 고온 열 교환 플레이트와 저온 열 교환 플레이트는 고온 마이크로 채널과 저온 마이크로 채널이 정렬되는 모양으로 배열된다.
도 1은 본 발명에 따른 열 교환기의 일 양태를 나타낸다. 이 양태에서, 마이크로 채널 열 교환기는 교대로 적층된 적어도 하나의 고온 열 교환 플레이트(11) 및 적어도 하나의 저온 열 교환 플레이트(12)를 포함하고, 고온 유체 입구(13) 및 고온 유체의 출구(14)는 각각의 상기 고온 열 교환 플레이트(11)를 통해 고온 유체를 통과시키도록 배치되고, 저온 유체 입구(15) 및 저온 유체 출구(16)는 각각의 저온 열 교환 플레이트(12)를 통해 저온 유체를 통과시키도록 배치되며, 고온 열 교환 플레이트(11)는 고온 마이크로 채널(17)을 포함하고 저온 열 교환 플레이트(12)는 저온 마이크로 채널(18)을 포함하며, 상기 채널들은 유체들의 유동 방향으로 연장되는 길이를 가지며, 각각의 상기 채널의 측벽은 각각의 상기 채널의 중심선을 대칭 축으로 하여 대칭 물결형 패턴을 갖고, 고온 열 교환 플레이트(11) 및 저온 열 교환 플레이트(12)는 고온 마이크로 채널(17)과 저온 마이크로 채널(18)이 정렬되는 모양으로 배열된다.
도 2, 도 3, 및 도 4는 본 발명에 따른 열 교환기의 또 다른 양태를 보여준다. 이 양태에서, 마이크로 채널 열 교환기는 교대로 적층된 적어도 하나의 고온 열 교환 플레이트(11); 적어도 하나의 저온 열 교환 플레이트(12); 및 적어도 하나의 플랫 열 교환 플레이트(19)를 포함하고, 고온 유체 입구(13) 및 고온 유체 출구(14)는 각각의 상기 고온 열 교환 플레이트(11)를 통해 고온 유체를 통과시키도록 배치되고, 저온 유체 입구(15) 및 저온 유체의 출구(16)는 각각의 상기 저온 열 교환 플레이트(12)를 통해 저온 유체를 통과시키도록 배치되며, 고온 열 교환 플레이트(11)는 고온 마이크로 채널(17)을 포함하고, 저온 열 교환 플레이트(12)는 저온 마이크로 채널(18)을 포함하며, 상기 채널들은 유체들의 유동 방향으로 연장되는 길이를 가지며, 각각의 상기 채널의 측벽은 각각의 중심선을 대칭 축으로 하는 대칭 물결형 패턴을 가지며, 고온 열 교환 플레이트(11) 및 저온 열 교환 플레이트(12)는 고온 마이크로 채널(17) 및 저온 마이크로 채널(18)이 정렬되는 모양으로 배열된다.
일 실시예에서, 도 5에 도시된 바와 같이 고온 마이크로 채널(17) 및 저온 마이크로 채널(18)의 각각의 채널은 100 내지 5,000㎛ 범위의 평균 폭(y), 100 내지 5,000㎛ 범위의 채널들 간의 폭(z), 아래 수학식에 따른 곡선 길이(ｘ) 및 곡선 반경(r)을 갖는다:
ｘ
2r,
여기서 ｘ는 100 내지 100,000㎛ 범위이다.
바람직하게는, 고온 마이크로 채널(17) 및 저온 마이크로 채널(18)은 1,000 내지 3,000㎛ 범위의 평균 폭(y), 1,000 내지 3,000㎛ 범위의 채널 간의 폭(z), 1,000 내지 5,000㎛ 범위의 곡선 길이(ｘ), 1,000 내지 5,000㎛ 범위의 곡선 반경(r)을 갖는다.
일 실시예에서, 고온 열 교환 플레이트(11), 저온 열 교환 플레이트(12), 및 플랫 열 교환 플레이트(19)는 10 내지 10,000㎛ 범위의 두께, 바람직하게는 약 100 내지 2,000㎛ 범위의 두께를 갖는다.
적절한 강도와 치수 안정성으로 서로 다른 온도를 갖는 유체들의 열 교환을 효과적으로 수행하기 위해, 상기 열 교환 플레이트는 탄소 강, 스테인레스 강, 알루미늄, 티타늄, 백금, 크롬, 구리 또는 이들의 합금으로, 바람직하게는 스테인리스 스틸 316L(SS316L)로 만들어질 수 있다.
일 실시예에서, 고온 열 교환 플레이트(11) 및 저온 열 교환 플레이트(12)는 와이어 컷 제조 기술, 포토 케미컬 머신(PCM, photo chemical machine) 제조 기술 또는 컴퓨터 수치 제어 밀링 머신 기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 이렇게 얻어진 플레이트의 특성은 도 6에 도시된 바와 같거나, 포토 케미컬 머신(PCM) 제조 기술 또는 컴퓨터 수치 제어 밀링 머신 기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 얻어진 플레이트의 특성들은 도 7에 도시된 바와 같다.
상기 열 교환 플레이트는 확산 접합 공정에 의해 접합될 수 있으며, 여기서 그 접촉면에 걸쳐 각 측면에서 공작물의 원자가 확산되어 발생하는 결합은 표면의 균질성을 가져오고, 접합의 중요 인자들은 온도, 시간, 접촉면에서의 압력, 표면 거칠기, 및 확산 접합 공정의 환경들이다.
일 실시예에서, 고온 유체 입구(13) 및 저온 유체 입구(15)는 서로 다른 온도를 갖는 유체들이 역류 방향으로 흐르게 하도록 열 교환기의 대향 측면들 상에 배치되며, 상기 유체들은 적어도 1℃의 온도 차, 바람직하게는 적어도 10℃의 온도 차를 갖는다.
통상의 기술자에게 공지된 바와 같이, 상기 고온 열 교환 플레이트(11) 및 상기 저온 열 교환 플레이트(12)는 2개 이상의 플레이트들로부터 교대로 적층될 수 있다. 또한, 상기 고온 열 교환 플레이트(11), 상기 저온 열 교환 플레이트(12), 및 상기 플랫 열 교환 플레이트(19)은 3개 이상의 플레이트들로부터 교대로 적층될 수 있다. 이러한 플레이트들은 열 교환기에 높은 유속을 갖는 유체들의 열 교환을 위한 채널들을 많이 형성하기 위해 더 많은 개수로 쌓일 수 있다.
도 2의 본 발명에 따른 열 교환기의 성능을 종래 기술에 따른 채널을 포함하는 열 교환기와 비교하기 위해, 고온 채널, 및 도 8과 도 9에 따른 대칭 물결형 벽을 갖는 저온 채널을 포함하는 열 교환기와, 비대칭 물결형 패턴과 직선 채널(각각 도 10 및 도 11의 형태에 따름)을 갖는 고온 채널, 및 저온 채널을 포함하는 열 교환기를 컴퓨터로 구축하여, 후술하는 바와 같이 앤시스 플루언트(ANSYS Fluent) 소프트웨어 버전 19.1을 사용하는 유체 역학 모델을 사용하여 테스트하였다.
본 발명에 따른 열 교환기
열 교환기 1
플랫 열 교환 플레이트(19)의 두께는 약 0.1mm이고, 고온 열 교환 플레이트(11) 및 저온 열 교환 플레이트(12)의 두께는 약 1mm였다. 도 5에 도시된 고온 마이크로 채널(17) 및 저온 마이크로 채널(18)은 약 2,000㎛의 평균 폭(y), 약 3,000㎛의 곡선 길이(ｘ), 약 4,000㎛의 곡선 반경(r), 약 0.5mm의 채널들 간의 폭(z), 및 약 240mm의 채널 길이를 갖는다.
열 교환기 2
플랫 열 교환 플레이트(19)는 약 1mm의 두께를 갖고, 고온 열 교환 플레이트(11) 및 저온 열 교환 플레이트(12)의 약 1mm의 두께를 갖는다. 도 5에 도시된 고온 마이크로 채널(17) 및 저온 마이크로 채널(18)은 약 2,000㎛의 평균 폭(y), 약 3,000㎛의 곡선 길이(ｘ), 약 4,000㎛의 곡선 반경(r), 약 0.5mm의 채널들 간의 폭(z), 및 약 240mm의 채널 길이를 갖는다.
열 교환기 3
플랫 열 교환 플레이트(19)는 약 0.5mm의 두께를 갖고, 고온 열 교환 플레이트(11) 및 저온 열 교환 플레이트(12)의 약 1mm의 두께를 갖는다. 도 5에 도시된 고온 마이크로 채널(17) 및 저온 마이크로 채널(18)은 약 2,000㎛의 평균 폭(y), 약 3,000㎛의 곡선 길이(ｘ), 약 4,000㎛의 곡선 반경(r), 약 1mm의 채널들 간의 폭(z), 및 약 240mm의 채널 길이를 갖는다.
열 교환기 4
플랫 열 교환 플레이트(19)는 약 1mm의 두께를 갖고, 고온 열 교환 플레이트(11) 및 저온 열 교환 플레이트(12)의 약 1mm의 두께를 갖는다. 도 5에 도시된 고온 마이크로 채널(17), 및 저온 마이크로 채널(18)은 약 2,000㎛의 평균 폭(y), 약 3,000㎛의 곡선 길이(ｘ), 약 4,000㎛의 곡선 반경(r), 약 1mm의 채널들 간의 폭(z), 및 약 240mm의 채널 길이를 갖는다.
비교 열 교환기
열 교환기 A
사용된 열 교환기는, 약 0.5mm의 두께를 갖는 고온 열 교환 플레이트 및 저온 열 교환 플레이트와, 도 9에 도시된 바와 같이 저온 채널 사이과 고온 채널이 교대로 구성된 열 교환 플레이트의 배열을 제외하고 열 교환기 1에 기재된 바와 같은 구성을 포함한다.
열 교환기 B
사용된 열 교환기는, 비대칭 물결형 패턴을 갖는 고온 및 저온 채널들과, 도 10에 도시된 바와 같이 약 0.5mm의 두께를 갖는 고온 열 교환 플레이트 및 저온 열 교환 플레이트를 제외하고 열 교환기 1에 기재된 바와 같은 구성을 포함한다.
열 교환기 C
사용된 열 교환기는, 유동 방향을 따른 직선 특성을 갖는 고온 및 저온 채널들과, 도 11에 도시된 바와 약 0.5mm의 두께를 갖는 고온 열 교환 플레이트 및 저온 열 교환 플레이트를 제외하고 열 교환기 1에 기재된 바와 같은 구성을 포함한다.
앞서 설명한 바와 같이 채널의 서로 다른 특성들을 포함하는 열 교환기는 다음 매개 변수들을 사용하여, 앤시스 플루언트 소프트웨어 버전 19.1을 사용한 전산 유체 역학 모델로 열 교환 성능을 테스트하였다. 모델에 사용된 유체들은 서로 다른 온도의 물이었으며, 고온 유체는 약 80℃이고 저온 유체는 약 20℃였다. 상기 유체들은 각각의 경로에서 약 111mL/min의 유속으로 역류 방향으로 흘려졌다. 그 결과는 표 1에 나와 있다.
표 1은 고온 유체 출구의 온도, 저온 유체 출구의 온도, 및 서로 다른 특성들을 포함하는 열 교환기의 열 교환률을 나타낸다.
| 열 교환기 | 고온 유체 출구 온도 (℃) |
저온 유체 출구 온도 (℃) |
열 교환률 (Kcal/hr) |
증가한 열 교환기 성능의 백분율* |
| A | 64.1 | 35.9 | 3,980 | 94 |
| B | 66.6 | 33.1 | 3,346 | 63 |
| C | 71.8 | 28.2 | 2,049 | 0 |
| 1 | 63.1 | 36.9 | 4,230 | 106 |
| 2 | 63.8 | 36.2 | 4,065 | 98 |
| 3 | 62.7 | 37.2 | 4,324 | 111 |
| 4 | 63.4 | 36.5 | 4,163 | 103 |
* 열 교환기 C의 증가한 열 교환기 성능의 비교 백분율은 아래 수학식으로 계산되었다:
열 교환기 X의 증가한 열 교환기 성능의 백분율
= 
표 1에서 본 발명에 따른 열 교환기 1, 2, 3 및 4를 비교 열 교환기 A, B 및 C와 비교하면, 본 발명에 따른 열 교환기가 더 높은 열 교환률을 제공했고, 본 발명 3에 따른 열 교환기는 최고 성능을 제공했음을 알 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열 교환기와 종래 기술에 따른 채널을 포함하는 열 교환기를 크기 측면에서 열 교환기 성능을 비교하기 위해, 전술한 바와 같이 채널의 다른 특성들을 포함하는 열 교환기는, 두 개 채널용 고온 채널들, 두 개 채널용 저온 채널, 및 고온 채널과 저온 채널 사이에 배치되는 플랫 열 교환 플레이트를 포함하는 유동 방향에 수직인 채널 면적을 고려한 크기 비교를 수행했다. 그 결과는 표 2에 나와 있다.
표 2는 서로 다른 특성들을 포함하는 열 교환기의 유동 방향에 수직인 채널 면적의 비교를 나타낸다.
| 열 교환기 | 총 수직 채널 면적 (mm2) | 감소한 열 교환기 면적의 백분율** |
| A | 20 | 0 |
| B | 20 | 0 |
| C | 20 | 0 |
| 1 | 15 | 25 |
| 3 | 18 | 10 |
** 열 교환기 C에 비한 감소한 열 교환기 면적의 백분율은 아래 수학식으로 계산되었다:
열 교환기 X의 감소한 열 교환기 면적의 백분율
= 
표 2는 종래 기술에 따른 열 교환기에 대한 본 발명에 따른 열 교환기의, 유동 방향에 수직인 채널 면적의 비교를 나타낸 것으로서, 이는 유동 방향에 수직인 전체 채널 면적과 감소하는 열 교환기 면적의 백분율로부터 고려될 수 있다. 이 표에서, 본 발명에 따른 열 교환기 1 및 3은 종래 기술에 따른 열 교환기보다 더 작지만 더 높은 열 교환 성능을 제공함을 알 수 있다.
이상의 결과들로부터 본 발명에 따른 열 교환기는 온도가 매우 다른 유체들의 열 교환에 효과적이면서 더 작은 크기를 갖는 것으로 확인되었다. 그에 따라, 생산 비용이 절감될 수 있다. 이는 본 발명의 목적들에서 언급한 바와 같이 산업 분야에서 본 발명의 제조 가능성을 제공한다.
본 발명의 최상의 모드는 본 발명의 설명에 제공된 바와 같다.
Claims (9)
- 교대로 적층된 적어도 하나의 고온 열 교환 플레이트(11) 및 적어도 하나의 저온 열 교환 플레이트(12)를 포함하고,
고온 유체 입구(13) 및 고온 유체 출구(14)가 각각의 상기 고온 열 교환 플레이트(11)를 통해 고온 유체를 통과시키도록 배치되며,
저온 유체 입구(15) 및 저온 유체 출구(16)가 각각의 상기 저온 열 교환 플레이트(12)를 통해 저온 유체를 통과시키도록 배치되고,
상기 고온 열 교환 플레이트(11)는 고온 마이크로 채널(17)을 포함하며, 상기 저온 열 교환 플레이트(12)는 저온 마이크로 채널(18)을 포함하고,
상기 채널들은 유체들의 유동 방향으로 연장되는 길이를 가지며, 각각의 상기 채널의 측벽은 각각의 상기 채널의 중심선을 대칭 축으로 하는 대칭 물결형 패턴을 갖고,
상기 고온 열 교환 플레이트(11) 및 상기 저온 열 교환 플레이트(12)는 상기 고온 마이크로 채널(17) 및 상기 저온 마이크로 채널(18)이 정렬되는 모양으로 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열 교환기.
- 제 1 항에 있어서,
플랫 플레이트(19)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열 교환기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 고온 마이크로 채널(17) 및 상기 저온 마이크로 채널(18)은, 100 내지 5,000㎛ 범위의 평균 폭(y), 100 내지 5,000㎛ 범위의 상기 채널들 간의 폭(z), 및 아래 수학식에 따른 곡선 길이(ｘ)와 곡선 반경(r)을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열 교환기:
ｘ2r
여기서 ｘ는 100 내지 100,000㎛ 범위이다.
- 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 고온 마이크로 채널(17) 및 상기 저온 마이크로 채널(18)은, 1,000 내지 3,000㎛ 범위의 평균 폭(y), 1,000 내지 3,000㎛ 범위의 상기 채널들 간의 폭(z), 1,000 내지 5,000㎛ 범위의 곡선 길이(ｘ), 및 1,000 내지 5,000㎛ 범위의 곡선 반경(r)을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열 교환기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 고온 열 교환 플레이트(11), 저온 열 교환 플레이트(12), 및 플랫 열 교환 플레이트(19)는 10 내지 10,000㎛ 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열 교환기.
- 제 5 항에 있어서,
상기 고온 열 교환 플레이트(11), 저온 열 교환 플레이트(12), 및 플랫 열 교환 플레이트(19)는 100 내지 2,000㎛ 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열 교환기.
- 제 1 항에 있어서,
상기 고온 유체 입구(13) 및 상기 저온 유체 입구(15)는, 서로 다른 온도를 갖는 유체들이 역류 방향으로 흐르도록 하기 위해, 상기 열 교환기의 대향하는 측 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열 교환기.
- 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서,
서로 다른 온도를 갖는 상기 유체들은 적어도 1℃의 온도 차를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열 교환기.
- 제 8 항에 있어서,
상이한 온도를 갖는 상기 유체들은 적어도 10℃의 온도 차를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 열 교환기.
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