WO2017135595A2 - 열교환 장치 - Google Patents

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WO2017135595A2
WO2017135595A2 PCT/KR2017/000587 KR2017000587W WO2017135595A2 WO 2017135595 A2 WO2017135595 A2 WO 2017135595A2 KR 2017000587 W KR2017000587 W KR 2017000587W WO 2017135595 A2 WO2017135595 A2 WO 2017135595A2
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    • B29C67/00—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00
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    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
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    • F24H1/101—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply
    • F24H1/102—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply with resistance
    • F24H1/105—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using electric energy supply with resistance formed by the tube through which the fluid flows
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
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    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/107—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium using fluid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0043—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another
    • F28D9/005—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another the plates having openings therein for both heat-exchange media
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/04—Fastening; Joining by brazing

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger, and more particularly, to a heat exchanger capable of increasing the efficiency of hot water and heating while greatly reducing heat resistance and minimizing the use of energy resources such as gas or oil.
  • the heat exchanger is a device that transfers heat from a high temperature fluid to a low temperature fluid through a heat exchanger having good heat conduction efficiency, and is mainly used in products such as air conditioners, boilers, refrigerators, and heaters.
  • a boiler is a device that generates hot water or high temperature and high pressure steam by heating water contained in a closed container inside or outside the container. It is used in various fields such as electric power generation by operating the steam turbine of a thermal power plant using the high pressure characteristic of generated steam or heating for winter.
  • heat exchangers such as domestic and industrial gas boilers for heating or hot water are widely used, and the efficiency has also increased by more than 20% due to the development of condensing technology for recovering and recycling waste heat.
  • the average temperature in winter is not only gradually decreasing but also the cold weather lasts for several days, which leads to an increase in the consumption of energy resources such as oil and gas.
  • Patent Document 1 Registered Utility Model Publication No. 20-0255210 (Registration Date: November 12, 2001)
  • the present invention was devised to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a heat exchange device that can greatly increase the efficiency of hot water and heating while greatly reducing heat resistance and minimizing the use of energy resources such as gas, oil, and electricity. do.
  • the fluid distribution / integration unit for distributing or integrating the incoming or outgoing fluid; Coupled to the fluid distribution / integration unit, at least one conduit within the plurality of plates branches into the plurality of conduits based on the flow rate per unit area, and each branched conduit is at least one step based on the flow rate per unit area
  • a fluid conduit plate on which a fluid conduit which abnormally re-branches is formed and a micro-conduit plate in which linear conduits are formed in correspondence with each conduit branched by the final step of the fluid conduit plate in the plurality of plates, wherein the fluid distribution / integration unit and the fluid conduit plate are micro-conduit plates. It is characterized in that it is formed symmetrically based on.
  • a conduit corresponding to each conduit branched by the final step of the fluid conduit plate is formed in the plurality of plates, and each conduit includes at least one or more steps based on a flow rate per unit area. It may further include; an intermediate pipe passage plate formed with an intermediate fluid pipe branching to the pipeline.
  • the micro-pipe plate is formed in a straight line corresponding to each of the passages branched to the final stage of the intermediate pipe plate in the interior of the plurality of plates in a linear direction, the intermediate pipe plate is formed symmetrically with respect to the micro-pipe plate do.
  • the fluid channel plate, the micro channel plate and the intermediate channel plate has a shape of a plate in which convex and concave surfaces are repeated with a set depth and width.
  • a plurality of flash points are formed in the intermediate pipe line plate at the bottom of the micro pipe line plate or the micro pipe line plate.
  • the fluid channel plate and the intermediate channel plate is preferably 1: 2 or 1: 3, each branch is branched.
  • the fluid channel plate is formed by circular casting using die casting or cutting, and the intermediate channel plate and the micro channel plate are preferably formed by etching.
  • fluid channel plate, the intermediate channel plate and the micro-channel plate may be formed by joining the two plate is installed by the brazing or soldering method.
  • the fluid channel plate and the intermediate channel plate may be configured by combining a plurality of layers respectively corresponding to the step of branching the pipeline.
  • the fluid channel plate, the micro channel plate and the intermediate channel plate are each composed of a flat plate and are coupled to each other, at least one strand of the hot wire at the position of the lower intermediate channel plate relative to the micro channel plate or the micro channel plate in the horizontal direction Can be installed.
  • intermediate channel plate and the micro-channel plate may be integrally formed using a 3D printer.
  • the heat resistance of a heat exchanger such as a water heater and a boiler is greatly reduced, thereby minimizing the use of energy resources such as gas, oil, and electricity, thereby increasing the efficiency of hot water and heating.
  • the flow of the fluid to flow into and out of the heat exchanger can be made smoothly by branching the pipeline through which the fluid flows in several stages based on the flow rate per unit area.
  • a heat exchanger device in a symmetrical structure based on the micro-pipe plate and forming a structure in which the pipe line is branched based on the flow rate per unit area of each pipe line, reducing the pressure loss of the fluid flowing therein Therefore, it is possible to prevent the generation of bubbles and to prevent the occurrence of disturbances in the flow of the fluid.
  • FIG. 1 is a view showing an outer case of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • Figure 1 (a) is a perspective view of the outer case
  • Figure 1 (b) is a plan view of the outer case
  • Figure 1 (c) Is a side view of an exterior case.
  • FIG. 2 is a view schematically showing the configuration of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view schematically showing an example of the fluid distribution / integration unit of the heat exchanger device shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a view schematically showing a fluid channel plate of the heat exchanger device shown in FIG. 2.
  • FIG. 5 is a view schematically showing a microtubule plate of the heat exchanger device shown in FIG. 2.
  • FIG. 6 is a view schematically showing an intermediate tube plate of the heat exchanger device shown in FIG. 2.
  • FIG. 7 is a view showing an example in which the flash point of the intermediate pipe plate shown in FIG. 6 is installed.
  • FIG. 8 is a perspective view of a heat exchanger device in which a fluid channel plate, a micro channel plate, and an intermediate channel plate are combined.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating an example of a conduit of the heat exchanger shown in FIG. 2.
  • FIG. 10 is a side cross-sectional view of a heat exchanger according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a plan view of the heat exchanger shown in FIG. 10.
  • FIG. 11 is a plan view of the heat exchanger shown in FIG. 10.
  • FIG. 1 is a view showing an outer case of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention
  • Figure 1 (a) is a perspective view of the outer case
  • Figure 1 (b) is a plan view of the outer case
  • Figure 1 (c) Is a side view of an exterior case.
  • a heat exchanger may be mounted in an exterior case 10 as shown in FIG. 1.
  • the exterior case 10 may be implemented in the shape of a rectangular parallelepiped, and an upper surface and a lower surface may include a pipe hole 12 through which pipes for inflow and outflow of fluids, such as gas, oil, and water, pass.
  • FIG. 2 is a view schematically showing the configuration of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • a heat exchange apparatus may include a fluid distribution / integration unit 110, a fluid channel plate 120, a micro channel plate 130, and an intermediate channel plate 140. .
  • the fluid distribution / integration unit 110 is installed at the fluid inlet side and the fluid outlet side of the heat exchanger, respectively, and distributes or integrates the inflow or outflow of fluid.
  • the fluid distribution unit 110 as shown in Figure 3, distributes the fluid flowing into the heat exchange device from the primary distributor 112 to a plurality of pipelines 114, flowing through each of the pipelines 114 The fluid is distributed to the plurality of plate distributors 116.
  • the fluid integrating unit 110 has the same structure as that of the fluid distributing unit 110, and is installed symmetrically with the fluid distributing unit 110, and thus the same reference numeral as that of the fluid distributing unit 110 is given. At this time, the fluid integration unit 110 integrates the fluid flowing out of the heat exchanger using a plurality of plate integrator 116, the fluid flowing through each plate integrator 116 to a plurality of conduits 114. Reintegrate and integrate the fluid exiting through each conduit 114 in the final integrator 112 and discharge to the outside.
  • the description of the fluid integration unit 110 refers to the description of the fluid distribution unit 110.
  • the fluid conduit plate 120 is coupled to the fluid distribution / integration unit 110, respectively, and at least one conduit branches into a plurality of conduits based on a flow rate per unit area in the plurality of plates, and each branched conduit A fluid conduit is formed which rebranches at least one step based on the flow rate per unit area.
  • the fluid channel plate 120 may have a shape of a plate in which convex and concave surfaces are repeated with a set depth and width.
  • the fluid channel plate 120 forms a semicircular conduit groove by die casting or cutting on one plate, and forms a semicircular conduit groove opposite to the other plate.
  • the plates can be joined by brazing or soldering.
  • the fluid conduit plate 120 may be embodied in a plurality of layers according to the branching of the conduit. That is, the fluid channel plate 122 of the uppermost layer is vertically formed with a fluid inlet hole 125 through which fluid flows from the fluid distribution unit 110, and the upper part of the fluid channel plate 124 of the second layer has The upper flow path 126 through which the fluid flowing through the fluid inlet 125 flows and the branch inlet hole 126 in which the respective fluid inlet holes 125 branch may be vertically formed.
  • Such a layer structure may be implemented in a plurality of layers according to the branching step of the conduit.
  • the flow of the fluid may occur, so that the flow rates between the respective pipe lines are preferably kept constant. Therefore, the diameters of the respective pipes branched based on the flow rate per unit area as shown in Equation 1 can be determined.
  • etching techniques are chemically corroded and removed using an acid or other caustic to generate a desired pattern on a selected portion of the material surface, and are used in the manufacturing process of semiconductor integrated circuits and the like.
  • etching There are three methods of etching: wet etching, dry etching (plasma etching), and ion milling.
  • Wet etching uses an etching solution, which is low in cost and good in selectivity, but is easy to dirty the surface and undercut the resist.
  • Plasma etching includes the use of neutral plasma and the use of charged plasma. Undercuts are significantly reduced (particularly for charged plasmas) but with poor selectivity.
  • ion milling removes resist with an ion beam, which has good selectivity and precision, but is slow to work and can only be used for positive resists (it is easy to undercut because the thickness varies in negative resists).
  • Brazing or soldering is a technique that uses brazing to join a thin metal plate, also called hard soldering, and heats an adhesive part using brass solder, silver lead, or the like as an adhesive, and dissolves and bonds the same.
  • the adhesive is called brazing, and it is often powder or plate-like.
  • the lower melting point than the adhesive is used, and the flux (solvent) is used for the cleanliness of the bonding surface, and there are many boron-based ones.
  • the process of heat bonding the whole is called furnace brazing.
  • the intermediate pipeline plate 140 may be installed between the fluid pipeline plate 120 and the micro pipeline plate 130.
  • the conduit of the micro-conduit plate 130 preferably has a diameter of 1 mm or less.
  • a branching process of several stages is required in consideration of the diameter of the uppermost conduit of the fluid conduit plate 120. It may be.
  • the intermediate conduit plate 140 is implemented with a plurality of plates of the same shape as the fluid conduit plate 120 and the capillary plate 130, each branched by the final step of the fluid conduit plate 120 inside each plate.
  • a conduit corresponding to the conduit is formed, and an intermediate fluid conduit in which each conduit branches into a plurality of conduits at least one or more stages based on a flow rate per unit area is formed.
  • the intermediate pipe plate 140 is a 1: 2 or 1: 3 branch of each pipe is formed by the etching method or a plurality of layers in which the vertical pipe is formed as shown in Figure 6 according to the step of branching May be combined.
  • the shape of each layer is similar to the layer structure of the fluid channel plate 120, and thus detailed description thereof is omitted here.
  • the intermediate pipe line plate 140 may be formed by bonding a thin plate in a brazing or soldering manner similar to the micro pipe line plate 130.
  • the intermediate pipe plate 140 and the micro-pipe plate 130 may be integrally formed using a 3D printer. At this time, the method using the 3D printer can be applied to a variety of known techniques, the detailed description thereof will be omitted.
  • the micro-conduit plate 130 is a line corresponding to each of the pipes branched to the final stage of the intermediate pipe plate 140 inside the plurality of plates are formed in a straight direction
  • the intermediate pipe plate 140 is a micro-pipe It is formed symmetrically with respect to the plate 130.
  • the intermediate pipeline plate 140 on the lower side of the micro pipeline plate 130 may be disposed between the plates of the lowermost layer 144 among the plurality of layer structures 142 and 144. May have a flash point 146 of.
  • the ignition point 146 is to increase the temperature of the fluid flowing through the pipe, it may be provided in an irregular shape between the plate and the plate.
  • the flash point 146 is shown and described as being formed in the intermediate pipe plate 140, the flash point 146 may be formed between the plate and the bottom of the micro-pipe plate 130.
  • FIG. 8 is a perspective view of a heat exchanger device in which a fluid channel plate, a micro channel plate, and an intermediate channel plate are combined.
  • the heat exchange apparatus by forming the fluid pipe plate 120 and the intermediate pipe plate 140 each of a plurality of plates, by forming a branched pipe passage in each plate Capillary tube may be formed in the micro-channel plate 130.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing an example of the formation of the pipeline of the heat exchanger according to the embodiment of the present invention.
  • the micro-pipe path plate 130 forms a capillary tube having a diameter of 1 mm or less, and can prevent an obstacle in the flow of the fluid velocity.
  • the fluid inside the tube is heated by heat supplied from the outside.
  • the external heat in order to heat the water inside the tube, the external heat must be transferred to the water inside the tube. In this process, the heat resistance due to the thickness of the tube and the heat resistance due to the thermal conductivity of the tube, Thermal resistance, etc. will occur.
  • a 20 mm diameter tube has a thickness of about 2 mm and a cross sectional area of fluid inside the tube is 0.000314 m 2 . If it is assumed that the pipe is 0.5mm in diameter, the thickness of the pipe wall is 0.15mm, and the cross-sectional area in which the fluid moves inside is 0.000000196m 2 . Simply calculating arithmetic shows that the thermal resistance by thickness is 13 times and the thermal resistance by area is reduced by 1600 times.
  • FIG. 10 is a side cross-sectional view of a heat exchanger according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a plan view of the heat exchanger illustrated in FIG. 10.
  • the fluid conduit plate 120, the micro-conduit plate 130, and the intermediate conduit plate 140 are convex and concave surfaces with a set depth and width.
  • each may be made of a flat plate and joined to each other.
  • at least one strand of the electric heating wire 148 may be installed in the horizontal direction at the position of the intermediate pipe line plate 140 on the basis of the micro pipe line plate 130 or the micro pipe line plate 130.

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Abstract

열교환 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 열교환 장치는, 유입 또는 유출되는 유체를 분배 또는 통합하는 유체분배/통합부; 유체분배/통합부에 결합되고, 복수의 판의 내부에 적어도 하나의 관로가 단위면적당의 유량에 기초하여 복수의 관로로 분기하며, 분기된 각각의 관로가 단위면적당의 유량에 기초하여 적어도 한 단계 이상 재분기하는 유체관로가 형성된 유체관로 플레이트; 및 복수의 판의 내부에 유체관로 플레이트의 최종 단계에 의해 분기된 각각의 관로에 대응하여 직선방향의 관로가 형성된 미세관로 플레이트;를 포함하며, 유체분배/통합부 및 유체관로 플레이트는 미세관로 플레이트를 기준으로 대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환 장치
본 발명은 열교환 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열저항을 크게 줄여 가스나 기름과 같은 에너지 자원의 사용량을 최소화하면서 온수 및 난방의 효율을 높일 수 있는 열교환 장치에 관한 것이다.
일반적으로 열교환 장치는 열전도 효율이 좋은 열교환체를 통해 온도가 높은 유체로부터 온도가 낮은 유체에 열을 전달하는 장치로서 에어컨, 보일러, 냉장고, 히터 등의 제품에서 주로 사용된다.
그 중, 보일러는 밀폐된 용기에 담긴 물을 용기 내부 또는 외부에서 가열하여 온수 또는 고온, 고압의 수증기를 발생시키는 장치로서, 보일러에 의해 발생된 온수 또는 수증기는 고온의 상태이므로 이러한 고온의 특성을 이용하여 겨울철 난방용으로 사용하거나 발생된 수증기의 고압 특성을 이용하여 화력발전소의 증기터빈 등을 가동시킴으로써 전력을 생산하는 등 다양한 분야에 이용되고 있다.
특히, 다른 화석연료에 비해 환경오염이 적은 천연가스의 소비는 전 세계적으로 크게 늘고 있으며, 최근 셰일가스(shale gas)의 채굴로 향우 천연가스를 이용한 난방 및 온수는 더욱 더 확대될 것으로 기대된다.
현재, 난방이나 온수를 위한 가정용 및 산업용 가스 보일러와 같은 열교환 장치가 크게 보급되어 있으며, 폐열을 회수하여 재활용하는 콘덴싱 기술의 개발로 그 효율 또한 20% 이상 크게 증가되었다. 그러나 지구 온난화에 의한 이상기후 현상으로 인해 겨울의 평균온도는 점차적으로 내려가고 있을 뿐만 아니라 강추위가 며칠 동안 지속되기도 하며, 이로 인해 기름, 가스 등의 에너지자원의 소비는 더욱 증가하게 되었다.
따라서 가스나 기름, 전기 등의 에너지 사용량을 최소화하면서 온수 및 난방의 효율을 높일 수 있는 열교환 장치에 대한 개발의 필요성이 크게 대두되었다.
<선행기술문헌>
<특허문헌>
(특허문헌 1) 등록실용신안공보 제20-0255210호 (등록일자: 2001. 11. 12)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 열저항을 크게 줄여 가스나 기름, 전기와 같은 에너지 자원의 사용량을 최소화하면서 온수 및 난방의 효율을 높일 수 있는 열교환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 열교환 장치는, 유입 또는 유출되는 유체를 분배 또는 통합하는 유체분배/통합부; 유체분배/통합부에 결합되고, 복수의 판의 내부에 적어도 하나의 관로가 단위면적당의 유량에 기초하여 복수의 관로로 분기하며, 분기된 각각의 관로가 단위면적당의 유량에 기초하여 적어도 한 단계 이상 재분기하는 유체관로가 형성된 유체관로 플레이트; 및 복수의 판의 내부에 유체관로 플레이트의 최종 단계에 의해 분기된 각각의 관로에 대응하여 직선방향의 관로가 형성된 미세관로 플레이트;를 포함하며, 유체분배/통합부 및 유체관로 플레이트는 미세관로 플레이트를 기준으로 대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
전술한 열교환 장치는, 복수의 판의 내부에 유체관로 플레이트의 최종 단계에 의해 분기된 각각의 관로에 대응하는 관로가 형성되고, 각각의 관로가 단위면적당의 유량에 기초하여 적어도 한 단계 이상 복수의 관로로 분기하는 중간 유체관로가 형성된 중간관로 플레이트;를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 미세관로 플레이트는 복수의 판의 내부에 중간관로 플레이트의 최종 단계로 분기된 각각의 관로에 대응하는 관로가 직선방향으로 형성되고, 중간관로 플레이트는 미세관로 플레이트를 기준으로 대칭적으로 형성된다.
여기서, 유체관로 플레이트, 미세관로 플레이트 및 중간관로 플레이트는 설정된 깊이와 폭으로 볼록한 면과 오목한 면이 반복되는 판의 형상으로 이루어진다.
또한, 미세관로 플레이트 또는 미세관로 플레이트를 기준으로 하단의 중간관로 플레이트에 복수의 발화점이 형성된다.
여기서, 유체관로 플레이트 및 중간관로 플레이트는 1:2 또는 1:3으로 각각의 관로가 분기하는 것이 바람직하다.
또한, 유체관로 플레이트는 다이케스팅(die casting) 또는 절삭가공을 이용하여 원형의 관로가 형성되며, 중간관로 플레이트 및 미세관로 플레이트는 에칭(etching)을 이용하여 관로가 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 유체관로 플레이트, 중간관로 플레이트 및 미세관로 플레이트는 관로가 설치된 두 개의 판을 브레이징 또는 솔더링 방식으로 접합하여 형성될 수 있다.
또한, 유체관로 플레이트 및 중간관로 플레이트는 각각 관로의 분기되는 단계에 대응하여 복수의 층이 결합하여 구성될 수 있다.
또한, 유체관로 플레이트, 미세관로 플레이트 및 중간관로 플레이트는 각각 평평한 판으로 이루어져 서로 결합되며, 미세관로 플레이트 또는 미세관로 플레이트를 기준으로 하방의 중간관로 플레이트의 위치에 적어도 한 가닥의 열선이 수평방향으로 설치될 수 있다.
또한, 중간관로 플레이트 및 미세관로 플레이트는 3D 프린터를 이용하여 일체로 형성될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 온수기, 보일러와 같은 열교환 장치의 열저항을 크게 줄여 가스나 기름, 전기와 같은 에너지 자원의 사용량을 최소화하면서 온수 및 난방의 효율을 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 유체가 흐르는 관로를 단위면적당의 유량에 기초하여 여러 단계로 분기함으로써 열교환기로 유입하여 유출되기까지의 유체의 흐름이 원활하게 이루어질 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 관로의 분기구조와 미세관의 형성을 판구조로 형성함으로써 보일러의 제조를 용이하게 할뿐만 아니라 제조비용을 크게 절감시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 열교환 장치를 미세관로 플레이트를 기준으로 대칭적인 구조로 형성하고 각각의 관로의 단위면적당 유량에 기초하여 관로가 분기되는 구조를 형성함으로써, 내부를 흐르는 유체의 압력손실을 줄이며, 기포의 생성을 막고, 유체의 흐름에 장애가 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 화석연료를 연료로 사용하지 않고 전기를 이용하여 전기열선을 통해 유체를 가열함으로써 화석연료의 사용을 절감시킴과 동시에 빠른 시간 내에 유체를 가열할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치의 외관 케이스를 나타낸 도면으로서, 도 1(a)는 외관 케이스의 사시도이며, 도 1(b)는 외관 케이스의 평면도이고, 도 1(c)는 외관 케이스의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 나타낸 열교환 장치의 유체분배/통합부의 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 나타낸 열교환 장치의 유체관로 플레이트를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 2에 나타낸 열교환 장치의 미세관로 플레이트를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 2에 나타낸 열교환 장치의 중간관로 플레이트를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 6에 나타낸 중간관로 플레이트의 발화점이 설치되는 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 유체관로 플레이트, 미세관로 플레이트 및 중간관로 플레이트가 결합된 열교환 장치의 사시도이다.
도 9는 도 2에 나타낸 열교환 장치의 관로의 형성 예를 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 장치의 측 단면도이다.
도 11은 도 10에 나타낸 열교환 장치의 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 열교환 장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 장치의 외관 케이스를 나타낸 도면으로서, 도 1(a)는 외관 케이스의 사시도이며, 도 1(b)는 외관 케이스의 평면도이고, 도 1(c)는 외관 케이스의 측면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환 장치는 도 1에 도시한 바와 같은 외관 케이스(10) 내에 장착될 수 있다. 이때, 외관 케이스(10)는 직육면체의 형상으로 구현될 수 있으며, 상면과 하면에는 가스, 기름, 물 등의 유체의 유입 및 유출을 위한 배관이 관통되는 배관구(12)가 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환 장치는 유체분배/통합부(110), 유체관로 플레이트(120), 미세관로 플레이트(130) 및 중간관로 플레이트(140)를 포함할 수 있다.
유체분배/통합부(110)는 열교환 장치의 유체 유입구 측 및 유체 유출구 측에 각각 설치되며, 유입 또는 유출되는 유체를 분배 또는 통합한다. 이때, 유체분배부(110)는 도 3에 도시한 바와 같이, 열교환 장치로 유입되는 유체를 1차 분배기(112)에서 다수의 관로(114)로 분배하며, 각각의 관로(114)를 통해 흐르는 유체를 복수의 플레이트 분배기(116)로 분배한다.
유체통합부(110)는 유체분배부(110)와 동일한 구조로 이루어지며, 유체분배부(110)와 대칭적으로 설치되는 것이므로, 유체분배부(110)와 동일한 참조번호를 부여하였다. 이때, 유체통합부(110)는 열교환 장치로부터 유출되는 유체를 복수의 플레이트 통합기(116)를 이용하여 통합하며, 각각의 플레이트 통합기(116)를 통해 흐르는 유체를 다수의 관로(114)로 재통합하고, 최종 통합기(112)에서 각각의 관로(114)를 통해 유출되는 유체를 통합하여 외부로 배출한다. 이하에서는 유체통합부(110)에 대한 설명은 유체분배부(110)의 설명을 참조한다.
유체관로 플레이트(120)는 유체분배/통합부(110)에 각각 결합되고, 복수의 판의 내부에 적어도 하나의 관로가 단위면적당의 유량에 기초하여 복수의 관로로 분기하며, 분기된 각각의 관로가 단위면적당의 유량에 기초하여 적어도 한 단계 이상 재분기하는 유체관로가 형성된다. 이때, 유체관로 플레이트(120)는 도 4에 도시한 바와 같이, 설정된 깊이와 폭으로 볼록한 면과 오목한 면이 반복되는 판의 형상으로 이루어질 수 있다. 또한, 유체관로 플레이트(120)는 한쪽의 판에 다이캐스팅(die casting) 또는 절삭가공을 이용하여 반원형의 관로 홈을 형성하고, 다른 한쪽의 판에 대향하는 반원형의 관로 홈을 형성한 후, 두 개의 판을 브레이징 또는 솔더링 방식으로 접합할 수 있다. 또한, 유체관로 플레이트(120)는 도 4에 도시한 바와 같이, 관로가 분기하는 단계에 따라 복수의 층으로 구현될 수도 있다. 즉, 최상단 층의 유체관로 플레이트(122)는 유체분배부(110)로부터 유체가 유입되는 유체유입공(125)이 수직으로 형성되며, 두 번째 층의 유체관로 플레이트(124)의 상단에는 각각의 유체유입공(125)을 통해 흘러내린 유체가 흐르는 상단관로(126)와 각각의 유체유입공(125)이 분기하는 형태의 분기유입공(126)이 수직으로 형성될 수 있다. 이와 같은 층구조는 관로의 분기하는 단계에 따라 복수의 층으로 구현될 수 있다. 이때, 각각의 관로는 1:2 또는 1:3의 형태로 분기할 수 있으며, 분기하는 각각의 관로의 지름은 분기 전의 관로의 단위면적당의 유량에 기초하여 결정할 수 있다. 즉, A 관로가 세 개의 B 관로로 분기되었다고 가정하면, 단위면적당의 유량은 수학식 1과 같이 성립할 수 있다.
[수학식 1]
(π/4)x(A 관로의 직경)2 x A 관로의 유체속도
= 3 x (π/4)x(B 관로의 직경)2 x B 관로의 유체속도
여기서, 분기 전의 관로의 유량과 분기 후의 관로의 합친 유량이 다른 경우 유체의 흐름에 장애가 발생할 수 있으므로, 각각의 관로 사이의 유량은 일정하게 유지되는 것이 바람직하다. 따라서 수학식 1과 같은 단위면적당의 유량에 기초하여 분기되는 각각의 관로의 지름을 결정할 수 있다.
미세관로 플레이트(130)는 복수의 판의 내부에 유체관로 플레이트(120)의 최종 단계에 의해 분기된 각각의 관로에 대응하여 직선방향의 관로가 형성된다. 즉, 미세관로 플레이트(130)는 도 5(a)에 도시한 바와 같이, 유체관로 플레이트(120)와 동일한 형태의 복수의 판으로 이루어지며, 각각의 판의 내부에 유체관로 플레이트(120)의 최종단계에 의해 분기된 관로에 대응하는 관로(132)가 직선방향으로 형성된다. 이때, 미세관로 플레이트(130)는 에칭(etching)을 이용하여 두 개의 판에 각각 서로 대향하는 반원형의 관로를 형성하고, 브레이징 또는 솔더링 방식으로 접합할 수 있다. 여기서, 유체분배/통합부(110) 및 유체관로 플레이트(120)는 미세관로 플레이트(130)를 기준으로 대칭적으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 에칭 기술은 물질 표면의 선택된 부분에 희망하는 패턴을 발생시키기 위하여 산이나 기타 부식제를 사용하여 화학적으로 부식시켜 제거하는 기술로서, 반도체 집적회로의 제조공정 등에서 사용된다. 에칭에는 웨트 에칭, 드라이 에칭(플라스마 에칭), 이온밀링의 세 가지 방법이 있다. 웨트 에칭은 에칭액을 사용하는 것으로 비용이 적게 들고 선택성도 좋지만 표면을 더럽히고 또 레지스트를 언더컷 하기 쉽다. 플라스마 에칭에는 중성 플라스마를 사용하는 것과 하전 플라스마를 사용하는 것이 있다. 언더컷은 현저하게 감소되지만(특히, 하전 플라스마의 경우) 선택성은 떨어진다. 마지막으로 이온 밀링은 이온 빔으로 레지스트를 제거하는 것으로, 선택성, 정밀도는 좋지만 작업이 느리고 또 양 레지스트의 경우에만 사용할 수 있다(음 레지스트에서는 두께가 변동하기 때문에 언더컷하기 쉽다).
브레이징 또는 솔더링은 금속 박판을 접합하기 위해 브레이징(Brazing)을 사용하는 기술로서 경납땜(hard soldering)이라고도 하며, 놋쇠납, 은납 등을 접착제로 하여 접착부를 가열하고, 이것을 용해시켜서 접합시킨다. 이때, 접착제를 경납이라 하며, 분말 또는 판상인 것이 많다. 피접착제보다 저용융점의 것을 사용하고, 플럭스(용제)는 접착면의 청정을 위해서 사용하며 붕소계의 것이 많다. 전체를 가열 접착시키는 작업을 노내 납땜(furnace brazing)이라 한다.
중간관로 플레이트(140)는 유체관로 플레이트(120)와 미세관로 플레이트(130)의 사이에 설치될 수 있다. 미세관로 플레이트(130)의 관로는 모세압 현상을 발생시키기 위하여 1mm 이하의 직경을 갖는 것이 바람직한데, 이를 위해서는 유체관로 플레이트(120)의 최상단의 관로의 직경을 고려하여 여러 단계의 분기과정이 필요할 수도 있다.
여기서, 모세관 현상은 매우 좁은 구멍을 가진 관속으로 액체가 올라가는 현상으로서, 보렐리((Giovanni Borelli)는 액체가 관속으로 올라가는 높이는 관의 내부직경에 반비례한다는 것을 증명하였다. 통상적으로 관의 직경이 0.5mm 이면 올라가는 물의 높이는 약 50mm 정도이다.
중간관로 플레이트(140)는 유체관로 플레이트(120) 및 모세관 플레이트(130)와 동일한 형태의 복수의 판으로 구현되며, 각각의 판의 내부에 유체관로 플레이트(120)의 최종 단계에 의해 분기된 각각의 관로에 대응하는 관로가 형성되고, 각각의 관로가 단위면적당의 유량에 기초하여 적어도 한 단계 이상 복수의 관로로 분기하는 중간 유체관로가 형성된다. 이때, 중간관로 플레이트(140)는 1:2 또는 1:3으로 각각의 관로가 분기된 형태가 에칭 방식으로 형성되거나, 분기되는 단계에 따라 도 6에 도시한 바와 같이 수직관로가 형성된 복수의 층이 결합될 수도 있다. 이 경우, 각각의 층의 형태는 유체관로 플레이트(120)의 층구조와 유사하므로, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 중간관로 플레이트(140)는 미세관로 플레이트(130)와 마찬가지로, 브레이징 또는 솔더링 방식으로 박판을 접합하여 형성될 수 있다. 또한, 중간관로 플레이트(140) 및 미세관로 플레이트(130)는 3D 프린터를 이용하여 일체로 형성될 수도 있다. 이때, 3D 프린터를 이용하는 방법은 공지된 다양한 기술을 적용할 수 있으며, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서, 미세관로 플레이트(130)는 복수의 판의 내부에 중간관로 플레이트(140)의 최종 단계로 분기된 각각의 관로에 대응하는 관로가 직선방향으로 형성되고, 중간관로 플레이트(140)는 미세관로 플레이트(130)를 기준으로 대칭적으로 형성된다. 이때, 미세관로 플레이트(130)를 기준으로 하단의 중간관로 플레이트(140)는 도 7에 도시한 바와 같이, 복수의 층구조(142, 144) 중 최하층(144)의 각각의 판의 사이에 복수의 발화점(146)을 구비할 수 있다. 여기서, 발화점(146)은 관로를 흐르는 유체의 온도를 높이기 위한 것으로서, 판과 판 사이에 불규칙한 형태로 구비될 수 있다. 또한, 여기서는 발화점(146)이 중간관로 플레이트(140)에 형성된 것으로 도시하고 설명하였지만, 발화점(146)은 미세관로 플레이트(130)의 최하단의 판과 판 사이에 형성될 수도 있다.
도 8은 유체관로 플레이트, 미세관로 플레이트 및 중간관로 플레이트가 결합된 열교환 장치의 사시도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환 장치는 유체관로 플레이트(120) 및 중간관로 플레이트(140)를 각각 복수의 판으로 형성하고, 각각의 판 내에 분기된 형태의 관로를 형성함으로써 미세관로 플레이트(130) 내에 모세관을 형성할 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열교환 장치의 관로의 형성 예를 나타낸 단면도이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 4개의 관로가 각각 1:2 -> 1:2 -> 1:3 -> 1:3 -> 1:3으로 분기하였다고 가정하면, 미세관로 플레이트(130)에는 432개의 관로가 형성된다. 이와 같은 방식으로 미세관로 플레이트(130)는 1mm 이하의 직경을 갖는 모세관을 형성시키며, 유체속도의 흐름에 장애가 생기는 것을 방지할 수 있다.
일반적인 보일러 장치의 경우, 외부에서 공급되어지는 열로 관 내부의 유체를 가열한다. 이때, 관 내부의 물을 가열하기 위해서는 외부의 열이 관을 통해 내부의 물로 전달되어야 하는데, 이 과정에서 관의 두께에 의한 열저항과 관의 열전도율에 의한 열저항, 관 내부의 공간 체적으로 인한 열저항 등이 발생하게 된다.
본 발명의 실시예에서는 일반적으로 20mm 정도의 직경을 가지고 있는 관을 1mm 이하로 구현함으로써, 열저항을 최소화하여 유체를 순간적으로 가열할 수 있게 된다. 즉, 20mm 직경의 관은 그 관벽의 두께가 약 2mm 정도이며 관 내부의 유체가 이동하는 단면적은 0.000314m2 이다. 만일, 직경이 0.5mm 인 관이라고 가정하면 관벽의 두께는 0.15mm 이며 내부에 유체가 이동하는 단면적은 0.000000196m2 이다. 단순히 산술적으로 계산해 보면 두께에 의한 열저항은 13배, 면적에 의한 열저항은 1600배 감소하였음을 알 수 있다. 이는 다시 말해서 0.5mm의 관으로 구성된 다발형태의 연소기 내의 열교환기를 가열하게 되면 열저항이 거의 발생하지 않는다는 것을 의미한다. 기존의 보일러 시스템이 수백도로 가열하여 100도 이내의 온수를 생산한다면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환 장치는 100도 이내의 온도로 가열하여 90도 이상의 온수를 생산해 낼 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 장치의 측 단면도이며, 도 11은 도 10에 나타낸 열교환 장치의 평면도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환 장치는 유체관로 플레이트(120), 미세관로 플레이트(130) 및 중간관로 플레이트(140)가 설정된 깊이와 폭으로 볼록한 면과 오목한 면이 반복되는 판의 형상으로 이루어지는 대신에, 각각이 평평한 판으로 이루어져 서로 결합될 수 있다. 이때, 미세관로 플레이트(130) 또는 미세관로 플레이트(130)를 기준으로 하방의 중간관로 플레이트(140)의 위치에 적어도 한 가닥의 전기열선(148)이 수평방향으로 설치될 수 있다. 이때, 미세관로 플레이트(130)의 미세관로 또는 중간관로 플레이트(140)의 관로를 흐르는 유체와 전기열선(148) 사이에는 열저항이 거의 없기 때문에 유체를 짧은 시간 내에 가열할 수 있게 된다.

Claims (9)

  1. 유입 또는 유출되는 유체를 분배 또는 통합하는 유체분배/통합부;
    상기 유체분배/통합부에 결합되고, 복수의 판의 내부에 적어도 하나의 관로가 단위면적당의 유량에 기초하여 복수의 관로로 분기하며, 분기된 각각의 관로가 단위면적당의 유량에 기초하여 적어도 한 단계 이상 재분기하는 유체관로가 형성된 유체관로 플레이트;
    복수의 판의 내부에 상기 유체관로 플레이트의 최종 단계에 의해 분기된 각각의 관로에 대응하는 관로가 형성되고, 각각의 관로가 단위면적당의 유량에 기초하여 적어도 한 단계 이상 복수의 관로로 분기하는 중간 유체관로가 형성된 중간관로 플레이트; 및
    복수의 판의 내부에 상기 중간관로 플레이트의 최종 단계로 분기된 각각의 관로에 대응하는 관로가 직선방향으로 형성된 미세관로 플레이트;
    를 포함하며,
    상기 유체분배/통합부, 상기 유체관로 플레이트 및 상기 중간관로 플레이트는 상기 미세관로 플레이트를 기준으로 대칭적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유체관로 플레이트, 상기 미세관로 플레이트 및 상기 중간관로 플레이트는 설정된 깊이와 폭으로 볼록한 면과 오목한 면이 반복되는 판의 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미세관로 플레이트 또는 상기 미세관로 플레이트를 기준으로 하방의 상기 중간관로 플레이트에 복수의 발화점이 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유체관로 플레이트 및 상기 중간관로 플레이트는 1:2 또는 1:3으로 각각의 관로가 분기하는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체관로 플레이트는 다이케스팅(die casting) 또는 절삭가공을 이용하여 원형의 관로가 형성되며,
    상기 중간관로 플레이트 및 상기 미세관로 플레이트는 에칭(etching)을 이용하여 관로가 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유체관로 플레이트, 상기 중간관로 플레이트 및 상기 미세관로 플레이트는 관로가 설치된 두 개의 판을 브레이징 또는 솔더링 방식으로 접합하여 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유체관로 플레이트 및 상기 중간관로 플레이트는 각각 관로의 분기되는 단계에 대응하여 복수의 층이 결합하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유체관로 플레이트, 상기 미세관로 플레이트 및 상기 중간관로 플레이트는 각각 평평한 판으로 이루어져 서로 결합되며, 상기 미세관로 플레이트 또는 상기 미세관로 플레이트를 기준으로 하방의 상기 중간관로 플레이트의 위치에 적어도 한 가닥의 열선이 수평방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 중간관로 플레이트 및 상기 미세관로 플레이트는 3D 프린터를 이용하여 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
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