WO2019013429A1 - 열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템 - Google Patents

열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a heat exchange pipe manufacturing method, a heat exchange pipe and a heat recovery system using the same, more particularly, to a heat exchange pipe manufacturing method capable of improving the performance of a heat exchange pipe by promoting boiling of a working fluid, Pipe and a heat recovery system using the same.
  • thermosyphon heat exchanger is a heat exchanger that is widely used for waste heat recovery devices such as factories, and devices for cooling a computer microcomputer.
  • the thermosyphon heat exchanger circulates the refrigerant continuously from the evaporator to the condenser by using pressure difference and gravity due to thermodynamic evaporation and condensation without using any separate power such as a pump in the sealed pipe piping, To the condenser.
  • the heat exchange pipe used in the conventional thermosyphon heat exchanger has a condensing portion and an evaporating portion, and a connecting portion connecting the condensing portion and the evaporating portion.
  • the working fluid evaporates in the evaporation unit and the vapor moves to the condensation unit through the connection unit due to the difference in the vapor pressure.
  • the transferred steam condenses in the condensation section and the latent heat of condensation escapes to the outside.
  • the condensed fluid flows down through the inner wall of the metal pipe due to gravity, passes through the connecting portion, and returns to the evaporator to perform heat exchange.
  • One aspect of the present invention provides a heat exchange pipe manufacturing method, a heat exchange pipe, and a heat recovery system using the same, which can maximize energy efficiency by reducing heat resistance by promoting boiling of a working fluid by providing a porous coating layer on a heat exchanger pipe will be.
  • a method of manufacturing a heat exchange pipe includes forming a space portion between an inner surface of the metal pipe and an outer surface of the insert member so that an insert member is disposed inside a metal pipe provided with a hollow portion, A filling step of filling the space part with a coating layer forming material including metal particles to form a porous coating layer on the inner surface of the metal pipe, a sintering step of sintering the metal particles filled in the space part,
  • the metal member is made of a material having the same thermal expansion coefficient as the material of the metal pipe, and the material of the insert member is a material of the metal particles A material having a smaller thermal expansion coefficient is used.
  • the metal pipe and the metal particles may be made of either copper or stainless steel, and the insert member may be a carbon rod formed of a carbon material.
  • the metal particles are fused only to the inner surface of the metal pipe to form the porous coating layer.
  • a method of manufacturing a heat exchange pipe comprising the steps of: fabricating an insert mold including a mold body integrally formed with the insert member and having an insertion space portion into which the metal pipe can be inserted; And the insertion space portion may have a shape that surrounds the insert member.
  • the coating layer forming material further comprises polymer particles for securing fluidity of the coating layer forming material, and in the preparing step, the metal particles
  • the polymer particles can be mixed by stirring.
  • a mixture of the metal particles and the polymer particles may be filled by an injection process.
  • the method for manufacturing a heat exchange pipe may further include a melting step of melting the polymer particles by introducing a solvent into the mixture filled in the space.
  • the metal particles in the mixture filled in the space are fused to the inner surface of the metal pipe, and the remaining polymer can be removed without being removed in the fusing step.
  • a heat exchange pipe comprising: an evaporation portion for contacting an external heat source to evaporate a working fluid therein; a condensing portion for condensing a working fluid in a gaseous state vaporized in the evaporation portion; And a porous coating layer formed on an inner surface of the evaporator to facilitate boiling of the working fluid.
  • the evaporator may include a metal pipe forming a closed space therein, and a connection part connecting the evaporator and the condenser, have.
  • a flow path groove having a concave-convex structure may be formed on the inner surface of the condensing portion.
  • a heat recovery system includes a heat exchange body having a heat exchange pipe, a first sidewall and a second sidewall for installing the heat exchange pipe, a first heat exchange body for heat exchange with a fluid discharged from the waste heat source, And a space partition member provided in the heat exchange body for independently partitioning a heat exchange space part and a second heat exchange space part for heat exchange between the heat exchange fluid flowing from the outside and the free end of the evaporation part of the heat exchange pipe, Wherein a free end of the condensing portion of the heat exchange pipe is fixed on the second sidewall forming the second heat exchange space portion, and the connection portion of the heat exchange pipe is fixed to the first heat exchange space portion, It is possible to penetrate the partition member.
  • the free end of the evaporator may be installed lower than the free end of the condenser with respect to the ground on the heat exchange body.
  • the heat recovery system may further include a sealing member disposed between the heat exchange pipe and the space partition member to prevent the first heat exchange space and the second heat exchange space from communicating with each other.
  • the heat exchange pipe manufacturing method, the heat exchange pipe and the heat recovery system using the same according to the present invention have the following effects.
  • the present invention has an advantage that the heat transfer performance of the heat exchange pipe can be improved by reducing the heat resistance by promoting the boiling of the working fluid contained in the evaporation portion by providing the porous coating layer on the inner surface of the heat exchange pipe.
  • the metal particles forming the porous coating layer are made of a material having the same thermal expansion coefficient as that of the metal pipe of the heat exchange pipe and a material having a thermal expansion coefficient smaller than that of metal particles is used as the insert member, There is an advantage that it can be welded.
  • FIG. 1 is a view illustrating a process of manufacturing a heat exchange pipe according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view illustrating a process of manufacturing a heat exchange pipe according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a heat exchange pipe according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing a comparison of heat conduction performance between the case where the porous coating layer is not formed and the case where the porous coating layer is formed.
  • FIG. 5 is a graph showing a relationship between a coating thickness and a heat transfer coefficient of the porous coating layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic view illustrating a structure of a heat recovery system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6
  • FIG. 1 is a view illustrating a method of manufacturing a heat exchange pipe according to an embodiment of the present invention. A method of manufacturing a heat exchange pipe according to an embodiment of the present invention will now be described with reference to FIG.
  • the method for manufacturing a heat exchange pipe is a method for forming a porous coating layer on a side surface of a heat exchange pipe, wherein the method for manufacturing the heat exchange pipe 100 includes a space forming step, a filling step, Removal step.
  • a space forming step of forming a space portion 30 between the metal pipe 10 and the insert member 20 is performed.
  • the insert member 20 is disposed inside the metal pipe 10 provided with the hollow portion 11 so that the inner surface of the metal pipe 10 and the outer surface of the insert member 20 Thereby forming the space portion 30 in the step of FIG.
  • the metal pipe 10 is formed in a cylindrical shape
  • the insert member 20 is formed in a cylindrical shape having the same shape as that of the metal pipe 10.
  • the space portion 30 Is formed so as to have a smaller diameter than the diameter of the base 10.
  • the space 30 is a space filled with a coating layer forming material to form a porous coating layer 40 described later.
  • a filling step of filling the space portion 30 with the coating layer forming material is performed.
  • the filling step is to fill the space portion 30 with the coating layer forming material including the metal particles 51 to form the porous coating layer 40 on the inner surface of the metal pipe 10.
  • a method of forming the porous coating layer 40 using only the metal particles 51 is disclosed.
  • the porous particles 40 are formed by filling the metal particles 51 in the space 30 formed between the outer surfaces.
  • the metal particles 51 may be filled by a separate device such as a dispenser.
  • the metal particles 51 are formed of a material having the same coefficient of thermal expansion as the metal pipe 10 and the insert member 20 is made of a material having a thermal expansion coefficient smaller than that of the metal particles 51.
  • the metal particles 51 forming the porous coating layer 40 is adhered well to the metal pipe 10.
  • the metal pipe 10 and the metal particles 51 are made of a material having the same thermal expansion coefficient and the insert member 20 is made of a material having a thermal expansion coefficient smaller than that of the metal particles 51, The metal particles 51 are fused to the inner surface of the metal pipe 10 but not to the insert member 20 having a small thermal expansion coefficient.
  • the material of the metal pipe 10 and the metal particles 51 may be either copper or stainless steel. That is, when the material of the metal pipe 10 is made of copper, copper is used for the metal particles 51. If the material of the metal pipe 10 is made of stainless steel, Stainless steel materials are used.
  • the insert member 20 may be formed of a carbon rod formed of a carbon material. Since the carbon material used for the insert member 20 is a material having a thermal expansion coefficient lower than that of copper and stainless steel used for the metal pipe 10, the metal particles 51 are made of the same material And is welded only to the inner side surface of the metal pipe 10 formed.
  • a sintering step of sintering the metal particles is performed.
  • the sintering furnace 80 used in the sintering step is provided with a sintering space 81 and a metal pipe 10 filled with the metal particles 51 is placed in the sintering space 81.
  • the metal pipe (10) filled with the metal particles (51) in the space (30) is placed in the sintering furnace (80) Is performed.
  • the metal particles 51 are welded only to the inner surface of the metal pipe 10 having the same thermal expansion coefficient.
  • an insert member removing step for removing the insert member from the metal pipe is performed.
  • the insert member 20 is removed from the metal pipe 10 It can be easily removed.
  • the heat exchange pipe 100 having the porous coating layer 40 formed of the metal particles 51 on the inner surface of the metal pipe 10 may be manufactured through the above process.
  • FIG. 2 is a view sequentially illustrating a method of manufacturing a heat exchange pipe according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, a method of manufacturing a heat exchange pipe according to another embodiment of the present invention will now be described.
  • the method of manufacturing a heat exchange pipe according to another embodiment of the present invention is different from the method of forming the porous coating layer 40 on the inner side of the heat exchange pipe 100.
  • the method may further include a step of preparing the insert mold 52, a preparing step, and a melting step.
  • the insert mold 60 in which the insert member 20 is partly included is used, unlike the above-described embodiment.
  • the step of manufacturing the insert die is performed.
  • the insert die 60 is provided with an insert member 20 and a mold body portion 62 having an insertion space portion 61 formed integrally with the insert member 20 and into which the metal pipe 10 can be inserted ).
  • the insertion space 61 may be formed to surround the insert member 20.
  • the manufacturer inserts the metal pipe 10 into the insert member 20 provided in the insert die 60, and inserts the space portion 30 for filling the coating layer forming material .
  • the metal pipe 10 when the metal pipe 10 is inserted into the insert member 20, the metal pipe 10 is seated in the insertion space 61 provided in the insert metal mold 60, 10 and the outer surface of the insert member 20, a space 30 is formed.
  • a preparation step for preparing the coating layer forming material is performed.
  • the coating layer forming material may further include polymer particles 52 for securing fluidity of the coating layer forming material.
  • the reason why the polymer particles 52 are included in the coating layer forming material is that the metal particles 51 are filled with the space portion 30 to ensure fluidity and fill the space.
  • the metal particles 51 and the polymer particles 52 are mixed and stirred, thereby forming a mixture of the metal particles 51 and the polymer particles 52 .
  • a filling step of filling the mixture into the space portion is performed.
  • the process of filling the mixture of the metal particles 51 and the polymer particles 52 in the space part 30 may be performed by an injection process.
  • a melting step of melting the polymer particles in the mixture filled in the inner surface of the metal pipe 10 is performed.
  • the melting step is performed in the melting vessel 72 provided with the melting space 71.
  • the manufacturer places the metal pipe 10 filled with the mixture in the melting space 71, and then supplies the solvent 70 to melt the polymer particles 52. Through the melting process, a substantial portion of the polymer particles 52 contained in the mixture are removed.
  • the sintering step is performed in a sintering furnace 80 provided with a sintering space 81.
  • the manufacturer sinters the metal particles 51 in a state in which the insert mold 60 is disposed in the sintering space 81. Through this process, the polymer that has not been removed in the melting step is removed, and the metal particles 51 are fused to the inner surface of the metal pipe 10.
  • the heat exchange pipe 100 having the porous coating layer 40 made of the metal particles 51 on the inner surface of the metal pipe 10 may be manufactured through the above process.
  • the manufacturer injects a working fluid into the metal pipe 10, and then seals the injection part of the metal pipe 10.
  • a process of removing the air existing in the metal pipe 10 and evacuating the inside of the metal pipe 10 is performed before the injection part of the metal pipe 10 is sealed.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a structure of a heat exchange pipe according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the structure of the heat exchange pipe 100 manufactured by the above-described manufacturing method will be described.
  • the heat exchange pipe 100 includes an evaporation part 110 for contacting an external heat source to evaporate the working fluid inside the evaporation part 110, And a connecting portion 130 for connecting the evaporator 110 and the condenser 120.
  • the metal pipe 10 forms an enclosed space inside the condenser 120,
  • a porous coating layer 40 is formed on the inner surface of the evaporator 110 to promote boiling of the working fluid.
  • the evaporator 110 of the metal pipe 10 is an area for evaporating the working fluid stored in the metal pipe 10.
  • the working fluid in the liquid state in the evaporator 110 is brought into contact with the external heat source at a high temperature, it is converted into a working fluid at a high temperature.
  • the condensing portion 120 of the metal pipe 10 is an area for condensing the gaseous working fluid vaporized in the evaporating portion 110.
  • the working fluid at a high temperature in the condenser 120 comes into contact with the external heat source at a low temperature, it is converted into a working fluid in a liquid state.
  • connection unit 130 is provided between the condenser 120 and the evaporator 110 to connect the condenser 120 to the evaporator 110. At this time, heat exchange is not performed in the connection part 130, and a working fluid in a liquid state and a gas phase coexist.
  • the porous coating layer 40 is coated on the inner surface of the evaporator 110 to promote boiling of the working fluid.
  • the heat exchange area with the working fluid is increased, thereby promoting boiling of the working fluid.
  • a flow path groove having a concavo-convex structure may be formed on the inner surface of the condensing portion 120 so that the condensed working fluid flows smoothly through the evaporation portion 110.
  • the flow channel of the concavo-convex structure widens the heat exchange area with the external low-temperature heat source and also functions to accelerate the condensation of the working fluid.
  • the porous coating layer 40 formed on the evaporator 110 may promote the boiling of the working fluid contained in the evaporator 110 to improve the heat exchange performance.
  • the vapor evaporated from the evaporator 110 and moved to the condenser 120 is condensed in the condenser 120 and the latent heat of condensation escapes to the outside.
  • the condensed working fluid flows downward through the inner wall of the metal pipe 10 by gravity and flows back to the evaporator 110 through the connecting portion 130 to perform heat exchange.
  • FIG. 4 is a graph showing a comparison of heat conduction performance between the case where the porous coating layer is not formed and the case where the porous coating layer is formed.
  • the heat exchange pipe according to an embodiment of the present invention includes the porous coating layer, the heat resistance is smaller than that of the conventional heat exchange pipe without the porous coating layer, and boiling can be promoted.
  • the same heat flux (q ") 100 (W / cm 2) in the case of the present invention in order to extract a has a saturated temperature difference between the surface temperature and the boiling of the working fluid of the heat pipe takes place ( ⁇ T sat) is about 2.5 While the conventional heat exchange pipe should be about 20 degrees.
  • the same heat is extracted, and the surface temperature of the conventional heat exchange pipe must be 17.5 degrees higher than that of the present invention, so that more heat sources must be supplied.
  • the heat exchange pipe 100 is provided with the porous coating layer 40, the heat resistance is reduced, and the boiling of the working fluid accommodated in the evaporator 110 is promoted. As a result, the heat exchange performance is improved remarkably.
  • FIG. 5 is a graph showing a relationship between a coating thickness and a heat transfer coefficient of the porous coating layer according to an embodiment of the present invention.
  • the heat transfer coefficient according to the thickness of the porous coating layer is measured, and the thickness of the porous coating layer is normalized on the basis of the optimum thickness having the first heat transfer coefficient with the highest heat transfer coefficient,
  • the coefficient is a graph showing a value obtained by normalizing the first heat transfer coefficient.
  • the porous coating layer has the best coating thickness with the best heat transfer performance.
  • the heat resistance by the porous coating layer promotes the boiling of the working fluid
  • the thickness is thicker than the optimum thickness
  • the working fluid boils off the porous coating layer
  • the flow resistance is generated at the time of emergence, and the heat transfer performance of the heat transfer pipe is deteriorated.
  • the thickness of the porous coating layer is designed to have an optimum thickness, and the optimal range of the thickness of the porous coating layer is preferably within 100 to 300 ⁇ m.
  • the optimum thickness of the porous coating layer is set to be different according to the size of the metal particles forming the porous layer coating layer. For example, when the metal particles have a first particle size, when the optimal thickness of the porous coating layer is a first predetermined thickness, and the metal particles have a second particle size larger than the first particle size, It is preferable that the first set thickness is set to be thinner than the second set thickness.
  • the resistance is increased and the thermal resistance is increased.
  • FIG. 6 is a schematic view illustrating a structure of a heat recovery system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6
  • a heat recovery system includes a heat exchange pipe 100 having a porous coating layer 40, a heat exchange body 200, a space partition member 300, .
  • the heat exchange body 200 has a first side wall 201 and a second side wall 202 for installing the heat exchange pipe 100.
  • the first sidewall 201 and the second sidewall 202 may be spaced apart from each other along the longitudinal direction of the heat exchange pipe 100.
  • the space partition member 300 is installed in the heat exchange body 200 and has a first heat exchange space part 210 for heat exchange with the fluid discharged from the waste heat source and heat exchange fluid And the second heat exchange space 230 for the second heat exchange space 230 are separately partitioned.
  • the free end of the evaporator 110 of the heat exchange pipe 100 is fixed on the first sidewall 201 forming the first heat exchange space 210, and the condensation of the heat exchange pipe 100
  • the free end of the portion 120 may be fixed on the second side wall 202 forming the second heat exchange space portion 230.
  • connection portion 130 of the heat exchange pipe 100 is installed through the space partition member 300.
  • the heat recovery system is disposed between the heat exchange pipe 100 and the space partition member 300 to prevent the first heat exchange space 210 and the second heat exchange space 230 from communicating with each other And may further include a sealing member 400.
  • the present invention is not limited to this, and the heat exchange pipe 100 and the space partition member 300 may be sealed through welding.
  • the free end of the evaporator 110 of the heat exchange pipe 100 is installed lower than the free end of the condenser 120 with respect to the ground on the heat exchange main body 200. This is for the purpose of allowing the working fluid condensed in the condenser 120 to flow to the evaporator 110 due to its own weight.
  • the high temperature fluid discharged from the waste heat source flows into the first heat exchange space part 210 of the heat exchange body 200 and contacts the evaporation part 110 of the heat exchange pipe 100, .
  • the working fluid in contact with the porous coating layer 40 provided in the evaporator 110 is evaporated, and the evaporated working fluid is moved to the condenser 120 via the connection part 130.
  • the external fluid having a low temperature flowing into the second heat exchange space part 230 of the heat exchange body 200 is heat-exchanged with the gaseous working fluid, so that the gaseous working fluid condenses into a liquid state.
  • the working fluid condensed in the liquid state is transferred to the evaporator 110 on the inner surface of the heat exchange pipe 100.
  • the condensing part 120 is positioned higher than the evaporating part 110 with respect to the paper surface, the condensed working fluid moves to the evaporating part 110 by gravity.
  • the heat recovery system can recover heat from the fluid discharged from the waste heat source.
  • the heat exchange pipe having the porous coating layer it is possible to efficiently recover heat from the fluid discharged from the waste heat source, thereby increasing the energy efficiency.
  • the recovered heat can be used as a heat source to be supplied to an external heating device or the like.
  • connection part 200 heat exchange body

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Abstract

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

Description

열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템
본 발명은 열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 작동유체의 비등을 촉진시켜 열저항을 줄임으로써 열교환 파이프의 성능을 향상시킬 수 있는 열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템에 관한 것이다.
써모싸이펀 열교환기는 공장 등의 폐열회수장치, 컴퓨터의 마이콤을 냉각하는 장치에 많이 활용하는 열교환기이다. 써모싸이펀 열교환기는 밀봉된 파이프 배관 내에서 펌프 등 별도의 동력을 이용하지 않고 열역학적인 증발과 응축에 의한 압력차 및 중력을 이용하여 냉매가 증발부에서 응축부로 연속적으로 순환함으로써 열을 증발부로부터 응축부로 전달시킨다.
종래의 써모싸이펀 열교환기에 사용되는 열교환 파이프는 응축부와 증발부, 그리고 응축부와 증발부를 연결하는 연결부를 갖는다.
이러한 종래의 상기 열교환 파이프는 증발부를 향해 열이 가해지면 증발부에서 작동유체가 증발하고 증기압의 차이에 의하여 증기는 연결부를 통과하여 응축부로 이동하게 된다. 이동한 증기는 응축부에서 응축하고 응축 잠열은 외부로 빠져나가게 된다. 응축된 유체는 중력에 의하여 금속 파이프의 내측벽을 통하여 흘러내리고 연결부를 통과하여 증발부로 다시 돌아가면서 열교환이 이루어진다.
최근에는 열교환 파이프의 열교환 성능을 향상시키기 위한 다양한 연구가 수행되고 있다.
본 발명의 일 측면은, 열교환기 파이프에 다공성 코팅층을 구비하여 작동유체의 비등을 촉진시켜 열저항을 줄임으로써 에너지 효율을 극대화시킬 수 있는 열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프 제조방법은, 중공부가 마련된 금속 파이프 내부에 인서트 부재가 배치되도록 하여 상기 금속 파이프의 내측면과 상기 인서트 부재의 외측면 사이에 공간부를 형성하는 공간부 형성단계, 상기 금속 파이프의 내측면에 다공성 코팅층을 형성하기 위해 상기 공간부에 금속 입자들을 포함하는 코팅층 형성재료를 충진시키는 충진단계, 상기 공간부에 충진된 상기 금속 입자들을 소결시키는 소결단계, 및 상기 금속 파이프 내부에 배치된 상기 인서트 부재를 제거하는 인서트 부재 제거단계를 포함하고, 상기 금속 입자의 재질은 상기 금속 파이프의 재질과 열 팽창률이 동일한 재질이 사용되고, 상기 인서트 부재의 재질은 상기 금속 입자의 재질보다 열 팽창률이 작은 재질이 사용된다.
여기서, 상기 금속 파이프와 상기 금속 입자는 구리 또는 스테인리스 스틸 재질 중 어느 하나의 재질이 사용되고, 상기 인서트 부재는 탄소재질로 형성된 탄소봉이 사용될 수 있다.
상기 소결단계에서 상기 금속 입자는 상기 금속 파이프의 내측면에만 융착되어 상기 다공성 코팅층을 형성하며, 상기 금속 입자의 크기가 커질수록 상기 다공성 코팅층의 두께가 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 파이프 제조방법은, 상기 인서트 부재와, 상기 인서트 부재와 일체로 형성되되 상기 금속 파이프가 삽입될 수 있는 삽입 공간부를 갖는 금형 몸체부를 포함하는 인서트 금형을 제작하는 단계를 더 포함하며, 상기 삽입 공간부는 상기 인서트 부재를 둘러싸고 있는 형태를 가질 수 있다.
상기 열교환 파이프 제조방법은 상기 코팅층 형성재료를 준비하는 준비단계를 더 포함하며, 상기 코팅층 형성재료는 상기 코팅층 형성재료의 유동성을 확보하기 위한 폴리머 입자를 더 포함하며, 상기 준비단계에서는 상기 금속 입자와 상기 폴리머 입자를 교반시켜 혼합할 수 있다.
상기 충진단계에서, 상기 금속 입자와 폴리머 입자가 혼합된 혼합물을 사출공정에 의해 충진되도록 할 수 있다.
상기 열교환 파이프 제조방법은, 상기 공간부에 충진된 상기 혼합물에 솔벤트를 넣어 상기 폴리머 입자를 융해시키는 융해단계를 더 포함할 수 있다.
상기 소결단계에서, 상기 공간부에 충진된 상기 혼합물 중 상기 금속 입자들은 상기 금속 파이프 내측면에 융착되고, 상기 융해단계에서 제거되지 않고 남은 폴리머가 제거될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 의한 열교환 파이프는, 외부의 열원과 접촉되어 내부의 작동유체를 증발시키기 위한 증발부와, 상기 증발부에서 기화된 기체상태의 작동유체를 응축시키기 위한 응축부와, 상기 증발부와 응축부를 연결하는 연결부로 구성되고, 내부에 밀폐공간을 형성하는 금속 파이프를 포함하며, 상기 작동유체의 비등을 촉진시킬 수 있도록 상기 증발부의 내측면에 다공성 코팅층이 형성되는 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프에서, 상기 응축부의 내측면에는 요철구조의 유로 홈이 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 의한 열회수 시스템은, 상술한 열교환 파이프, 상기 열교환 파이프를 설치하기 위한 제1 측벽 및 제2 측벽을 갖는 열교환 본체, 폐열원에서 배출되는 유체와의 열교환을 위한 제1 열교환 공간부와, 외부에서 유입되는 가열대상 유체와의 열교환을 위한 제2 열교환 공간부를 독립적으로 구획하기 위하여 상기 열교환 본체에 설치되는 공간 구획부재를 포함하며, 상기 열교환 파이프의 증발부의 자유단은 상기 제1 열교환 공간부를 형성하는 상기 제1 측벽 상에 고정되고, 상기 열교환 파이프의 응축부의 자유단은 상기 제2 열교환 공간부를 형성하는 상기 제2 측벽상에 고정되되, 상기 열교환 파이프의 연결부는 상기 공간 구획부재를 관통할 수 있다.
여기서, 상기 증발부의 자유단은 상기 열교환 본체 상에서 지면을 기준으로 상기 응축부의 자유단보다 낮게 설치될 수 있다.
상기 열회수 시스템은, 상기 열교환 파이프와 상기 공간 구획부재 사이에 배치되어 상기 제1 열교환 공간부와 상기 제2 열교환 공간부가 서로 연통되는 것을 방지하는 실링부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 열교환 파이프의 내측면에 다공성 코팅층을 구비함으로써, 증발부에 수용된 작동유체의 비등을 촉진시켜 열저항을 줄임으로써 열교환 파이프의 열전달 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
둘째, 본 발명은 다공성 코팅층을 형성하는 금속 입자로 열교환 파이프의 금속 파이프와 동일한 열 팽창률을 가진 재질을 사용하고 인서트 부재로 금속 입자 보다 열 팽창률이 작은 재질을 사용함에 따라 열교환 파이프에 다공성 코팅층을 용이하게 융착시킬 수 있는 이점이 있다.
셋째, 다공성 코팅층을 갖는 열교환 파이프를 사용함으로써 폐열원에서 방출되는 유체로부터 열을 효율적으로 회수할 수 있게 되어 에너지 효율을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프의 제조공정을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 파이프의 제조공정을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 다공성 코팅층이 형성되지 않은 경우와 다공성 코팅층이 형성된 경우의 열전도 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 코팅층의 코팅 두께와 열전달계수와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열회수 시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프의 제조방법을 순차적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프 제조방법을 설명하는 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프 제조방법은 열교환 파이프 내측면에 다공성 코팅층을 형성하는 방법으로서, 상기 열교환 파이프(100) 제조방법은 공간부 형성단계와, 충진단계와, 소결단계 및 인서트 부재 제거단계를 포함한다.
먼저, 도 1(a) 및 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 금속 파이프(10)와 인서트 부재(20) 사이에 공간부(30)를 형성하는 공간부 형성단계가 수행된다.
즉, 상기 공간부 형성단계는 중공부(11)가 마련된 금속 파이프(10) 내부에 인서트 부재(20)를 배치시켜 상기 금속 파이프(10)의 내측면과 상기 인서트 부재(20)의 외측면 사이에 공간부(30)를 형성하는 단계이다.
이때, 상기 금속 파이프(10)는 원통 형상으로 형성되고, 상기 인서트 부재(20)는 금속 파이프(10)와 동일한 형상인 원통 형상으로 형성되되, 상기 공간부(30)를 형성하기 위하여 상기 금속 파이프(10)의 직경 보다 작은 직경을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 공간부(30)는 후술하는 다공성 코팅층(40)을 형성하기 위해 코팅층 형성재료가 충진되는 공간이다.
다음으로, 도 1(c)에 도시된 바와 같이, 상기 공간부(30)에 코팅층 형성재료를 충진시키는 충진단계가 수행된다.
즉, 상기 충진단계는 상기 금속 파이프(10)의 내측면에 다공성 코팅층(40)을 형성하기 위해 상기 공간부(30)에 금속 입자(51)들을 포함하는 코팅층 형성재료를 충진시키는 단계이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 입자(51)들만을 이용하여 상기 다공성 코팅층(40)을 형성시키는 방법이 제시되며, 상기 금속 파이프(10)의 내측면과 상기 인서트 부재(20)의 외측면 사이에 형성된 상기 공간부(30)에 상기 금속 입자(51)를 충진시켜 상기 다공성 코팅층(40)을 형성한다. 이때, 상기 금속 입자(51)들은 디스펜서와 같은 별도의 장치에 의하여 충진될 수 있다.
한편, 상기 금속 입자(51)는 상기 금속 파이프(10)와 열 팽창률이 동일한 재질로 이루어지고, 상기 인서트 부재(20)는 상기 금속 입자(51)보다 열 팽창률이 작은 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
이는 상기 다공성 코팅층(40)을 형성하는 금속 입자(51)가 상기 금속 파이프(10)에 잘 융착될 수 있도록 하기 위함이다. 구체적으로, 상기 금속 파이프(10)와 금속 입자(51)가 열 팽창률이 동일한 재질로 이루어지고, 상기 인서트 부재(20)가 상기 금속 입자(51)보다 열 팽창률이 작은 재질로 이루어지게 되면, 후술하는 소결 과정에서 상기 금속 입자(51)는 상기 금속 파이프(10)의 내측면에 융착되지만, 열 팽창률이 작은 인서트 부재(20)에는 융착되지 않게 된다.
이때, 상기 금속 파이프(10) 및 금속 입자(51)의 재질은 구리 또는 스테인리스 스틸 재질 중 어느 하나의 재질이 사용될 수 있다. 즉, 상기 금속 파이프(10)의 재질이 구리 재질이면 상기 금속 입자(51)에는 구리 재질이 사용되며, 상기 금속 파이프(10)의 재질이 스테인리스 스틸의 재질이면 상기 금속 입자(51)의 재질에는 스테인리스 스틸 재질이 사용되는 것이다.
한편, 상기 인서트 부재(20)는 탄소재질로 형성된 탄소봉이 사용될 수 있다. 상기 인서트 부재(20)로 사용된 탄소재질은 상기 금속 파이프(10)에 사용된 재질인 구리 및 스테인리스 스틸 재질보다 열 팽창률이 낮은 재질이기 때문에 소결 과정 시, 상기 금속 입자(51)는 동일한 재질로 이루어진 금속 파이프(10)의 내측면에만 융착된다.
다음으로, 도 1(d)에 도시된 바와 같이, 상기 금속 입자를 소결시키는 소결단계가 수행된다.
상기 소결단계에서 사용되는 소결로(80)에는 소결 공간(81)이 마련되어 있고, 상기 소결 공간(81)에 상기 금속 입자(51)가 충진된 상태의 금속 파이프(10)가 놓여지게 된다.
즉, 상기 소결단계는, 상기 공간부(30)에 금속 입자(51)가 충진된 상태의 금속 파이프(10)를 상기 소결로(80)에 배치한 상태에서 상기 금속 입자(51)에 대한 소결이 수행되는 단계이다.
결과적으로, 상기 소결단계에서 상기 금속 입자(51)는 열 팽창률이 동일한 금속 파이프(10)의 내측면에만 융착된 상태가 된다.
다음으로, 도 1(e)에 도시된 바와 같이, 상기 금속 파이프로부터 인서트 부재를 제거하는 인서트 부재 제거단계가 수행된다.
즉, 상기 인서트 부재(20) 제거단계에서는, 상기 소결 과정에서 상기 금속 입자(51)가 금속 파이프(10)의 내측면에만 융착된 상태이기 때문에 상기 금속 파이프(10)로부터 인서트 부재(20)를 수월하게 제거할 수 있다.
상술한 과정을 통하여, 상기 금속 파이프(10) 내측면에 금속 입자(51)로 이루어진 다공성 코팅층(40)이 형성된 열교환 파이프(100)를 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 파이프 제조방법을 순차적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 파이프 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환 파이프 제조방법은, 열교환 파이프(100) 내측면에 다공성 코팅층(40)을 형성하는 방식이 다른 방법으로서, 본 실시예에 따른 열교환 파이프 제조방법은, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법과 달리, 인서트 금형(52) 제작단계와, 준비단계와, 융해단계를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상술한 실시예와는 달리, 인서트 부재(20)가 일 부분으로 포함된 인서트 금형(60)이 사용된다.
먼저, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 상기 인서트 금형을 제작하는 단계가 수행된다.
상기 인서트 금형(60)에는 상기 인서트 부재(20)와, 상기 인서트 부재(20)와 일체로 형성되되 상기 금속 파이프(10)가 삽입될 수 있는 삽입 공간부(61)를 갖는 금형 몸체부(62)가 포함된다. 상기 삽입 공간부(61)는 상기 인서트 부재(20)를 둘러싸는 구조로 형성될 수 있다.
다음으로, 공간부를 형성하는 과정이 수행되며, 제조자는 상기 인서트 금형(60)에 마련된 인서트 부재(20)에 금속 파이프(10)를 삽입시켜 상기 코팅층 형성재료를 충진시키기 위한 공간부(30)를 형성한다.
구체적으로, 상기 금속 파이프(10)가 인서트 부재(20)에 삽입되면, 상기 금속 파이프(10)는 인서트 금형(60)에 마련된 삽입 공간부(61)에 안착된 상태가 되고, 상기 금속 파이프(10)의 내측면과 상기 인서트 부재(20)의 외측면 사이에는 공간부(30)가 형성된다.
다음으로, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 상기 코팅층 형성재료를 준비하는 준비단계가 수행된다.
상기 코팅층 형성재료에는 상기 코팅층 형성재료의 유동성을 확보하기 위한 폴리머 입자(52)가 더 포함될 수 있다. 여기에서, 상기 코팅층 형성재료에 상기 폴리머 입자(52)가 포함된 것은 금속 입자(51)가 상기 공간부(30)로 충진되는 과정에서 유동성을 확보하여 더욱 잘 충진될 수 있도록 하기 위함이다.
즉, 상기 준비단계에서는 상기 금속 입자(51)와 폴리머 입자(52)를 교반시켜 혼합하는 과정이 수행되고, 이로 인해 상기 금속 입자(51)와 폴리머 입자(52)가 혼합된 혼합물이 만들어지게 된다.
다음으로, 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 상기 혼합물을 공간부에 충진시키는 충진하는 충진단계가 수행된다.
이때, 상기 공간부(30)에 상기 금속 입자(51)와 폴리머 입자(52)가 혼합된 혼합물을 충진시키는 공정은 사출공정에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, 도시되지는 않았지만, 상기 혼합물이 충진된 금속 파이프(10)로부터 상기 인서트 금형(60)을 제거하는 제거 과정이 수행된다.
다음으로, 도 2(d)에 도시된 바와 같이, 상기 금속 파이프(10)의 내측면에 충진된 혼합물 중 폴리머 입자를 융해시키는 융해단계가 수행된다.
상기 융해단계는 융해 공간(71)이 마련된 융해 용기(72)에서 수행된다. 제조자는 혼합물이 충진된 상기 금속 파이프(10)를 융해 공간(71)에 배치한 후, 솔벤트(70)를 공급하여 상기 폴리머 입자(52)를 융해시킨다. 상기 융해과정을 통해, 상기 혼합물에 포함된 폴리머 입자(52)의 상당 부분이 제거된다.
다음으로, 도 2(e)에 도시된 바와 같이, 상기 혼합물을 소결시키는 소결단계가 수행된다.
상기 소결단계는 소결 공간(81)이 마련된 소결로(80)에서 수행된다. 제조자는 상기 인서트 금형(60)을 상기 소결 공간(81)에 배치한 상태에서 상기 금속 입자(51)를 소결시키게 된다. 이와 같은 과정을 통해, 상기 융해단계에서 제거되지 않은 폴리머는 제거되고, 상기 금속 입자(51)는 금속 파이프(10)의 내측면에 융착된다.
상술한 과정을 통하여, 상기 금속 파이프(10) 내측면에 금속 입자(51)로 이루어진 다공성 코팅층(40)이 구비된 열교환 파이프(100)가 제조될 수 있다.
상기 금속 파이프(10)의 내측면에 상기 다공성 코팅층(40)이 형성된 이후에는 상기 금속 파이프(10)의 일단을 밀폐시키는 공정이 수행된다.
다음으로, 제조자는 작동유체를 상기 금속 파이프(10)의 내부에 주입한 후, 상기 금속 파이프(10)의 주입부를 실링하게 된다. 상기 금속 파이프(10)의 주입부가 실링되기 전에 상기 금속 파이프(10)의 내부에 존재하는 공기를 빼내어 상기 금속 파이프(10)의 내부를 진공상태로 만드는 과정이 수행된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하여, 전술한 제조방법에 의해 제작된 열교환 파이프(100)의 구성을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프(100)는, 외부의 열원과 접촉되어 내부의 작동유체를 증발시키기 위한 증발부(110)와, 상기 증발부(110)에서 기화된 기체상태의 작동유체를 응축시키기 위한 응축부(120)와, 상기 증발부(110)와 응축부(120)를 연결하기 위한 연결부(130)로 구성되고, 내부에 밀폐공간을 형성하는 금속 파이프(10)를 포함하며, 상기 작동유체의 비등을 촉진시킬 수 있도록 상기 증발부(110)의 내측면에는 다공성 코팅층(40)이 형성된다.
상기 금속 파이프(10)의 증발부(110)는 금속 파이프(10) 내부에 저장된 작동유체를 증발시키기 위한 영역이다. 상기 증발부(110)에서 액체 상태의 작동유체가 고온의 외부의 열원과 접촉되면 고온 기상의 작동유체로 변환된다.
상기 금속 파이프(10)의 응축부(120)는 상기 증발부(110)에서 기화된 기체상태의 작동유체를 응축시키기 위한 영역이다. 상기 응축부(120)에서 고온 기상의 작동유체가 저온의 외부 열원과 접촉하게 되면, 액체 상태의 작동유체로 변환된다.
상기 연결부(130)는 상기 응축부(120)와 증발부(110) 사이에 마련되어 상기 응축부(120)와 상기 증발부(110)를 연결시키는 영역이다. 이때, 상기 연결부(130)에서는 열교환은 이루어지지 않으며 액상과 기상의 작동유체가 공존하며, 상기 증발부(110)에서 증발된 기체 상태의 작동유체가 유동되고, 상기 응축부(120)에서 응축된 액체 상태의 작동유체가 유동된다.
상기 다공성 코팅층(40)은 상기 증발부(110)의 내측표면에 코팅되어 상기 작동유체의 비등을 촉진시킨다.
상기 다공성 코팅층(40)은 복수의 구멍들에 의하여 작동유체와 접촉되는 표면적이 증가하기 때문에 상기 작동유체와의 열교환 면적이 증가되고, 이로 인하여 상기 작동유체의 비등이 촉진된다.
한편, 도시되지는 않았지만, 상기 응축부(120)의 내측면에는 응축된 작동유체가 상기 증발부(110)로 잘 흐를 수 있도록 요철 구조의 유로 홈이 형성될 수 있다. 상기 요철구조의 유로 홈은 외부의 저온 열원과의 열교환 면적을 넓히게 되어 상기 작동유체의 응축을 촉진시키는 기능도 함께 수행하게 된다.
이와 같이 구성된 상기 열교환 파이프(100)는, 상기 증발부(110)에 열이 가해지면 증발부(110)에서 작동유체가 증발하고 증기압의 차이에 의하여 증기는 연결부(130)를 통과하여 응축부(120)로 이동하게 된다.
이때, 상기 증발부(110)에 형성된 다공성 코팅층(40)은 증발부(110)에 수용된 작동유체의 비등을 촉진시켜 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 증발부(110)로부터 증발하여 응축부(120)로 이동한 증기는, 상기 응축부(120)에서 응축하고 응축 잠열은 외부로 빠져나가게 된다. 응축된 작동유체는 중력에 의하여 상기 금속 파이프(10)의 내측벽을 통하여 흘러내리고 상기 연결부(130)를 지나 증발부(110)로 다시 유입되어 열교환이 이루어지게 된다.
도 4는 다공성 코팅층이 형성되지 않은 경우와 다공성 코팅층이 형성된 경우의 열전도 성능을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 다공성 코팅층이 형성된 열교환 파이프의 경우에는 외부의 열원에 노출되는 열교환 파이프의 표면온도와 작동유체의 비등이 일어나는 포화온도의 차이(ΔTsat)가 다공성 코팅층이 형성되지 않은 종래의 열교환 파이프보다 작더라도 작동유체의 비등이 일어남을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 파이프는 다공성 코팅층을 구비하고 있으므로, 다공성 코팅층이 구비되지 않은 종래의 열교환 파이프보다 열저항이 작고, 비등을 촉진시킬 수 있다.
예를 들어, 동일한 히트 플럭스(q") 100(W/cm2)를 뽑아내기 위해서 본 발명의 경우에는 열교환 파이프의 표면온도와 작동유체의 비등이 일어나는 포화온도의 차이(ΔΔTsat)가 약 2.5도인 반면, 종래의 열교환 파이프는 20도 정도이어야 한다.
즉, 동일한 열을 뽑아내는데 종래의 열교환 파이프의 표면온도는 본 발명의 경우보다 17.5도 정도 더 높아야 하기에 더 많은 열원이 공급되어야 함을 알 수 있다.
결과적으로, 열교환 파이프(100)에 다공성 코팅층(40)이 구비됨에 따라 열저항이 작아지게 되어 증발부(110)에 수용된 작동유체의 비등이 촉진됨으로써 열교환 성능이 월등하게 향상되는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 코팅층의 코팅 두께와 열전달계수와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 다공성 코팅층의 두께에 따른 열전달 계수를 측정하고, 열전달 계수가 가장 높은 제1 열전달 계수를 갖는 최적두께를 기준으로 다공성 코팅층의 두께를 무차원으로 노말라이징(normalizing)시키고, 열전달 계수는 제1 열전달 계수를 기준으로 노말라이징 시킨 값을 나타낸 그래프를 확인할 수 있다.
도 5를 참조하면, 다공성 코팅층은 열전달 성능이 가장 뛰어난 최적의 코팅두께가 존재함을 알 수 있다.
구체적으로, 다공성 코팅층의 두께가 최적의 두께보다 작은 경우, 다공성 코팅층에 의한 열저항이 작동유체의 비등을 촉진시키는 정도가 약하고, 최적의 두께보다 더 두꺼울 경우, 작동유체가 비등되어 다공성 코팅층을 빠져 나올 때 유동 저항이 발생하게 되어 열전달 파이프의 열전달 성능이 떨어지게 된다.
결과적으로, 다공성 코팅층의 두께는 최적의 두께를 가지도록 설계되는 것이 바람직하며, 상기 다공성 코팅층의 두께의 최적 범위로는 100 ~ 300㎛ 이내로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 다공층 코팅층을 형성하는 금속 입자의 크기에 따라 상기 다공성 코팅층의 최적 두께가 다르게 설정된다. 예를 들면, 금속 입자가 제1 입자크기를 가지는 경우에 다공성 코팅층의 최적 두께가 제1 설정 두께고, 금속 입자가 상기 제1 입자크기보다 큰 제2 입자크기를 가지는 경우에 다공성 코팅층의 최적 두께가 제2 설정 두께라고 한다면, 상기 제1 설정 두께는 상기 제2 설정 두께 보다 얇게 설정되는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 상기 금속 입자의 크기가 작으면 작을수록 상기 다공성 코팅층에 형성되는 기공의 크기가 작기 때문에 작동유체와 접촉하는 표면적이 증가하게 되고, 상기 작동유체와의 표면적이 최적의 범위를 넘어서게 되면 오히려 유동 저항이 증가하게 되어 열저항이 증가하기 때문이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열회수 시스템의 구조를 개략적 나타낸 도면이다.
도 6을 도 3과 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열회수 시스템은 다공성 코팅층(40)이 구비된 열교환 파이프(100)와, 열교환 본체(200)와, 공간 구획부재(300)를 포함한다.
상기 열교환 본체(200)는 상기 열교환 파이프(100)를 설치하기 위한 제1 측벽(201) 및 제2 측벽(202)을 가지고 있다. 이때, 상기 제1 측벽(201)과 상기 제2 측벽(202)은 상기 열교환 파이프(100)의 길이 방향을 따라 소정 간격 이격된 상태로 배치될 수 있다.
상기 공간 구획부재(300)는 상기 열교환 본체(200)에 설치되며, 폐열원에서 배출되는 유체와의 열교환을 위한 제1 열교환 공간부(210)와, 외부에서 유입되는 가열대상 유체와의 열교환을 위한 제2 열교환 공간부(230)를 독립적으로 구획한다.
이때, 상기 열교환 파이프(100)의 증발부(110)의 자유단은 상기 제1 열교환 공간부(210)를 형성하는 상기 제1 측벽(201) 상에 고정되고, 상기 열교환 파이프(100)의 응축부(120)의 자유단은 상기 제2 열교환 공간부(230)를 형성하는 상기 제2 측벽(202)상에 고정될 수 있다.
상기 열교환 파이프(100)의 연결부(130)는 상기 공간 구획부재(300)를 관통한 상태로 설치된다.
한편, 상기 열회수 시스템은 상기 열교환 파이프(100)와 상기 공간 구획부재(300) 사이에 배치되어 상기 제1 열교환 공간부(210)와 상기 제2 열교환 공간부(230)가 서로 연통되는 것을 방지하는 실링부재(400)를 더 포함할 수 있다.
물론, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 열교환 파이프(100)와 상기 공간 구획부재(300)는 용접을 통하여 밀폐될 수도 있을 것이다.
한편, 상기 열교환 파이프(100)의 증발부(110)의 자유단은 상기 열교환 본체(200) 상에서 지면을 기준으로 상기 응축부(120)의 자유단보다 낮게 설치되는 것이 바람직하다. 이는 상기 응축부(120)에서 응축된 작동유체가 자중에 의해 상기 증발부(110)로 유동될 수 있도록 하기 위함이다.
이상에서 전술한 바와 같은 본 발명의 열회수 시스템의 작동과정을 설명하면 이하와 같다.
폐열원에서 배출된 고온의 유체가 상기 열교환 본체(200)의 상기 제1 열교환 공간부(210)로 유입되어 액체 상태의 작동유체가 내장된 상기 열교환 파이프(100)의 증발부(110)와 접촉이 이루어진다.
이때, 상기 증발부(110)에 구비된 다공성 코팅층(40)과 접촉하고 있는 작동유체는 증발되고, 증발된 작동유체는 상기 연결부(130)를 경유하여 응축부(120)로 이동된다.
이때, 상기 열교환 본체(200)의 상기 제2 열교환 공간부(230)로 유입되는 온도가 낮은 외부유체와 기체상태의 작동유체가 열교환됨으로써 기체상태의 작동유체는 액체 상태로 응축된다.
다음으로, 액체 상태로 응축된 상기 작동유체는 상기 열교환 파이프(100)의 내측면을 타고 증발부(110)로 이동된다. 이때 상기 응축부(120)는 상기 증발부(110)보다 지면을 기준으로 높은 위치에 있기 때문에 응축된 작동유체는 중력에 의하여 상기 증발부(110)로 이동하게 된다.
이와 같은 과정을 반복함으로써, 상기 열회수 시스템은 폐열원에서 배출되는 유체로부터 열을 회수할 수 있게 된다.
결과적으로, 다공성 코팅층을 갖는 열교환 파이프를 사용함으로써 폐열원에서 방출되는 유체로부터 열을 효율적으로 회수할 수 있게 되어 에너지 효율을 증대시킬 수 있게 된다. 회수된 열은 외부의 난방 장치 등에 공급되는 열원으로 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
<부호의 설명>
10: 금속 파이프 11: 중공부
20: 인서트 부재 30: 공간부
40: 다공성 코팅층 51: 금속 입자
52: 폴리머 입자 60: 인서트 금형
61: 삽입 공간부 62: 금형 몸체부
70: 솔벤트 100: 열교환 파이프
110: 증발부 120: 응축부
130: 연결부 200: 열교환 본체

Claims (13)

  1. 중공부가 마련된 금속 파이프 내부에 인서트 부재가 배치되도록 하여 상기 금속 파이프의 내측면과 상기 인서트 부재의 외측면 사이에 공간부를 형성하는 공간부 형성단계;
    상기 금속 파이프의 내측면에 다공성 코팅층을 형성하기 위해 상기 공간부에 금속 입자들을 포함하는 코팅층 형성재료를 충진시키는 충진단계;
    상기 공간부에 충진된 상기 금속 입자들을 소결시키는 소결단계; 및
    상기 금속 파이프 내부에 배치된 상기 인서트 부재를 제거하는 인서트 부재 제거단계를 포함하고,
    상기 금속 입자의 재질은 상기 금속 파이프의 재질과 열 팽창률이 동일한 재질이 사용되고, 상기 인서트 부재의 재질은 상기 금속 입자의 재질보다 열 팽창률이 작은 재질이 사용되는 열교환 파이프 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 파이프와 상기 금속 입자는 구리 또는 스테인리스 스틸 재질 중 어느 하나의 재질이 사용되고, 상기 인서트 부재는 탄소재질로 형성된 탄소봉이 사용되는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소결단계에서 상기 금속 입자는 상기 금속 파이프의 내측면에만 융착되어 상기 다공성 코팅층을 형성하며, 상기 금속 입자의 크기가 커질수록 상기 다공성 코팅층의 두께가 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인서트 부재와, 상기 인서트 부재와 일체로 형성되되 상기 금속 파이프가 삽입될 수 있는 삽입 공간부를 갖는 금형 몸체부를 포함하는 인서트 금형을 제작하는 단계를 더 포함하며,
    상기 삽입 공간부는 상기 인서트 부재를 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅층 형성재료를 준비하는 준비단계를 더 포함하며,
    상기 코팅층 형성재료는 상기 코팅층 형성재료의 유동성을 확보하기 위한 폴리머 입자를 더 포함하며,
    상기 준비단계에서는 상기 금속 입자와 상기 폴리머 입자를 교반시켜 혼합하는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 충진단계는,
    상기 금속 입자와 폴리머 입자가 혼합된 혼합물을 사출공정에 의해 충진되도록 하는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 공간부에 충진된 상기 혼합물에 솔벤트를 넣어 상기 폴리머 입자를 융해시키는 융해단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 소결단계에서,
    상기 공간부에 충진된 상기 혼합물 중 상기 금속 입자들은 상기 금속 파이프 내측면에 융착되고, 상기 융해단계에서 제거되지 않고 남은 폴리머가 제거되는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프 제조방법.
  9. 외부의 열원과 접촉되어 내부의 작동유체를 증발시키기 위한 증발부와, 상기 증발부에서 기화된 기체상태의 작동유체를 응축시키기 위한 응축부와, 상기 증발부와 응축부를 연결하는 연결부로 구성되고, 내부에 밀폐공간을 형성하는 금속 파이프를 포함하며,
    상기 증발부의 내측면에 다공성 코팅층이 형성되어 상기 작동유체의 비등을 촉진시키는 열교환 파이프.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 응축부의 내측면에 요철구조의 유로 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환 파이프.
  11. 제 9 항에 따른 열교환 파이프;
    상기 열교환 파이프를 설치하기 위한 제1 측벽 및 제2 측벽을 갖는 열교환 본체; 및
    폐열원에서 배출되는 유체와의 열교환을 위한 제1 열교환 공간부와, 외부에서 유입되는 가열대상 유체와의 열교환을 위한 제2 열교환 공간부를 독립적으로 구획하기 위하여 상기 열교환 본체에 설치되는 공간 구획부재를 포함하며,
    상기 열교환 파이프의 증발부의 자유단은 상기 제1 열교환 공간부를 형성하는 상기 제1 측벽 상에 고정되고, 상기 열교환 파이프의 응축부의 자유단은 상기 제2 열교환 공간부를 형성하는 상기 제2 측벽상에 고정되되,
    상기 열교환 파이프의 연결부는 상기 공간 구획부재를 관통하는 열회수 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 증발부의 자유단은 상기 열교환 본체 상에서 지면을 기준으로 상기 응축부의 자유단 보다 낮게 설치되는 것을 특징으로 하는 열회수 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 열교환 파이프와 상기 공간 구획부재 사이에 배치되어 상기 제1 열교환 공간부와 상기 제2 열교환 공간부가 서로 연통되는 것을 방지하는 실링부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열회수 시스템.
PCT/KR2018/003670 2017-07-11 2018-03-28 열교환 파이프 제조방법, 열교환 파이프 및 이를 이용한 열회수 시스템 Ceased WO2019013429A1 (ko)

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