WO2025005452A1 - 가공 공정으로 제작된 유로기판을 이용한 적층형 열교환기 - Google Patents

가공 공정으로 제작된 유로기판을 이용한 적층형 열교환기 Download PDF

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WO2025005452A1
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outlet
paths
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김대환
강진훈
조대원
박태국
김상교
이상혁
배승훈
김선민
김재형
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Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
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Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
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    • 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
    • F28D9/0062—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 spaced plates with inserted elements
    • F28D9/0075—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 spaced plates with inserted elements the plates having openings therein for circulation of the heat-exchange medium from one conduit to another
    • 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
    • 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
    • F28F3/08—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2210/00—Heat exchange conduits
    • F28F2210/10—Particular layout, e.g. for uniform temperature distribution
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2255/00—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger using a flow path substrate manufactured by a processing process, and more specifically, to a laminated heat exchanger manufactured by forming flow paths and inlets and outlets of the flow paths on a flat plate by a cutting processing process and then laminating the flat plates, wherein the flow paths and inlets and outlets of the flow paths are manufactured by a processing process such as laser processing, making processing easy, and capable of forming a composite flow path through various laminated structures.
  • a printed circuit heat exchanger is a type of heat exchanger that is manufactured by forming microchannels on a flat plate using a chemical etching method and then laminating them.
  • the ability of the refrigerant or working fluid to flow in a complex manner on a single flat plate to further enhance the cooling or heating effect is limited, and the formation of a complex path for variously supplying or discharging the refrigerant or working fluid into or out of the interior of the heat exchanger is also limited.
  • a laminated heat exchanger includes a first flow path substrate and a first inlet/outlet substrate.
  • the first flow path substrate has a plurality of first flow paths formed therein that extend in a first direction.
  • the first inlet/outlet substrate is laminated on the first flow path substrate, and a plurality of first inlet/outlet passages are formed at each of corners facing each other in the first direction.
  • each of the first flow paths extends through the first flow path substrate, and each of the first inlet/outlet passages partially overlaps each of the first flow paths, so that a fluid flowing in or out through the first inlet/outlet passages is provided to the first flow paths.
  • each of the first inlet/outlet channels may include a first inlet channel extending a predetermined length through the first inlet/outlet channel substrate from a first edge of the first inlet/outlet channel substrate, and a first outlet channel extending a predetermined length through the first inlet/outlet channel substrate from a second edge opposite the first edge.
  • the method may further include a second path substrate laminated on the first path substrate and having a plurality of second paths formed thereon that extend in a direction different from the extension direction of the first paths, and a second path substrate laminated on the second path substrate and having a plurality of second paths formed at respective corners facing each other in a second direction perpendicular to the first direction.
  • each of the second inlet/outlet paths may include a second inlet path extending a predetermined length through the second inlet/outlet path substrate from a third edge of the second inlet/outlet path substrate, and a second outlet path extending a predetermined length through the second inlet/outlet path substrate from a fourth edge opposite the third edge.
  • each of the second channels may include a first sub-channel extending along the second direction and partially overlapping the second inlet channel, a second sub-channel extending from the first sub-channel and extending along the first direction, and a third sub-channel extending from the second sub-channel and extending along the second direction and partially overlapping the second outlet channel.
  • each of the first euros, the second euros, the first input/output channels, and the second input/output channels can be formed by a cutting process on the first euro substrate, the second euro substrate, the first input/output channel substrate, and the second input/output channel substrate.
  • each of the first euros, the second euros, the first inlet/outlet channels and the second inlet/outlet channels may extend in parallel with a plurality of equal spacings from each other.
  • the temperature of the fluid flowing in and out through the first inlet and outlet and the temperature of the fluid flowing in and out through the second inlet and outlet may be different from each other.
  • a laminated heat exchanger includes a first channel substrate and a first inlet/outlet substrate.
  • the first channel substrate has first and second inclined planes, each of which extends in different directions at each end, and a plurality of first channels are formed therein.
  • the first inlet/outlet substrate includes a first inlet/outlet substrate laminated on the first channel substrate, and has first and second branching planes, each of which extends and overlaps each of the first and second inclined planes, and a plurality of first inlet/outlet channels are formed therein.
  • each of the first channels extends through the first channel substrate, and each of the first inlet/outlet channels partially overlaps each of the first channels, so that fluid flowing in through the first inlet/outlet channels is provided to the first channels.
  • each of the first channels may include a first short channel extending in a first direction along a flat portion of the first channel substrate, and a first extension channel extending along the flat portion of the first channel substrate and the first inclined surface
  • each of the first inlet/outlet channels may include a first through hole formed to penetrate the first inlet/outlet channel substrate and aligned with an end of the first short channel, and a first inlet channel formed along the first inclined surface and partially overlapping with the first extension channel.
  • the first shortened paths and the first extended paths are formed alternately along a second direction perpendicular to the first direction, and the first shortened paths and the first extended paths can extend through the first path substrate.
  • the first inlet may be formed as a single channel with a predetermined area on the first inclined surface.
  • the area of the first inlet may be formed so as to partially overlap with the first extension channel in the length direction of the first extension channel and overlap with the outermost first extension channels in the width direction of the first extension channel.
  • the invention further includes a second channel substrate laminated on the first input/output channel substrate, each of edges of both ends branching into first and second inclined planes extending in different directions, and having a plurality of second channels formed therein; and a second input/output channel substrate laminated on the second channel substrate, each of edges of both ends branching into first and second branch planes extending and overlapping the first and second inclined planes of the second channel substrate, respectively, and having a plurality of second input/output channels formed therein, wherein each of the second channels extends through the second channel substrate, and each of the second input/output channels partially overlaps each of the second channels, such that fluid flowing in through the second input/output channels can be provided to the second channels.
  • each of the second paths may include a second short path extending in the first direction along the flat portion of the second path substrate, and a second extended path extending along the flat portion of the second path substrate and the second inclined surface.
  • Each of the second inlet/outlet channels may include a second through hole formed to penetrate the second inlet/outlet path substrate and aligned with an end of the second short path, and a second inlet channel extending along the second inclined surface and partially overlapping the second extended path.
  • the second inflow path may be formed as a single flow path with a predetermined area on the second inclined surface.
  • the first through hole is open to the second extension path in the stacking direction, so that fluid introduced through the second inlet path can flow into the second extension path or flow through the second extension path and the first through hole into the first shortened path.
  • the second through hole is open to the first extension path in the stacking direction, so that fluid introduced through the first inlet path can flow into the first extension path or flow through the first extension path and the second through hole into the second shortened path.
  • first flow path substrate in the first flow path substrate, the first input/output substrate, the second flow path substrate, and the second input/output substrate that are stacked in the vertical direction, different types of fluids can pass through the flow paths that are adjacent to each other in the left/right direction and the flow paths that are adjacent to each other in the vertical direction.
  • a laminated heat exchanger by manufacturing the substrates in a laminated structure so that the flow paths are connected to each other in the vertical direction, a cooling flow path, a heating flow path, and further a composite flow path of a working fluid can be formed.
  • the positions of the inlets and outlets and the shapes of the paths can be configured in various ways, and the inlets and outlets of the fluids that should flow separately can be effectively distinguished, making it easy to configure a composite path.
  • the limitation that only one cooling fluid or heating fluid can flow on one substrate in the past can be improved, the performance of heat exchange can be further improved, and the internal pressure performance can be maintained excellently.
  • a commercial cutting processing process such as laser processing or waterjet processing
  • the cooling fluid and the heating fluid are supplied only through a single inlet passage, so that the cooling fluid and the heating fluid can be alternately supplied on a single substrate, thereby further improving the heat exchange performance.
  • Figure 1 is an exploded perspective view illustrating a layered heat exchanger according to one embodiment of the present invention.
  • Fig. 2a is a cross-sectional view taken along line I-I' of Fig. 1
  • Fig. 2b is a cross-sectional view taken along line II-II' of Fig. 1.
  • Figure 3 is a perspective view illustrating the laminated heat exchanger of Figure 1.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view illustrating a layered heat exchanger according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 5a is a cross-sectional view taken along line III-III' of Fig. 4
  • Fig. 5b is a cross-sectional view taken along line IV-IV' of Fig. 4
  • Fig. 5c is a cross-sectional view taken along line V-V' of Fig. 4.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view illustrating a layered heat exchanger according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 7a is a cross-sectional view taken along line VI-VI' of Fig. 6, and Fig. 7b is a cross-sectional view taken along line VII-VII' of Fig. 6.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view illustrating a layered heat exchanger according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2a is a cross-sectional view taken along line I-I' of FIG. 1
  • FIG. 2b is a cross-sectional view taken along line II-II' of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating the layered heat exchanger of FIG. 1.
  • the laminated heat exchanger (100, hereinafter referred to as a heat exchanger) includes a first flow path substrate (110), a first inlet/outlet path substrate (120), a second flow path substrate (130), and a second inlet/outlet path substrate (140).
  • the above heat exchanger (100) may have an overall square block shape and may have a structure in which the first input/output path substrate (110) to the second input/output path substrate (140) are sequentially laminated.
  • FIG. 3 a structure in which four substrates of the first input/output substrate (110) to the second input/output substrate (140) are laminated is exemplified, but the second input/output substrate (140) may be additionally laminated on the lower surface of the first input/output substrate (110), and the first input/output substrate (110) may be additionally laminated on the upper surface of the second input/output substrate (140).
  • additional substrates may be laminated in the order of the first input/output substrate (110), the first input/output substrate (120), the second input/output substrate (130), and the second input/output substrate (140).
  • FIGS. 1 and 2 it is illustrated that the first input/output substrate (110) and the first input/output substrate (120) are additionally positioned on the upper surface of the second input/output substrate (140).
  • the most basic four-layered structure of the heat exchanger (100) is only exemplified, and the four-layered structures can be continuously layered in the required number in the upper direction as well as in the lower direction to configure the heat exchanger (100).
  • the above first euro substrate (110) has a square plate shape, and as illustrated, may have a rectangular plate shape in which the length in the first direction (X) is longer than the length in the second direction (Y) perpendicular to the first direction.
  • the thickness of the first euro substrate (110) is sufficient so that a penetrating euro can be formed through a conventional cutting processing process such as laser processing, waterjet processing, etc., and there is no limitation on the thickness.
  • the above first euro substrate (110) includes a plurality of first euros (115) extending in the first direction (X).
  • the first flow paths (115) are flow paths that extend in a straight line in the first direction (X), and a plurality of flow paths are formed parallel to each other in the second direction (Y). Accordingly, a plurality of flow paths that extend in the first direction (X) are formed parallel to each other on the first flow path substrate (110).
  • each of the first flow paths (115) extends between the first and second edges (111, 112) facing each other in the first direction (X) of the first flow path substrate (110), and is not structured to open by penetrating the first and second edges (111, 112). That is, the first flow paths (115) are formed only on the inner side of the first and second edges (111, 112), and thus, a predetermined gap is formed between both ends of the first flow path (115) from the first and second edges (111, 112).
  • the above first euros (115) extend parallel to each other along the extension direction of the third and fourth edges (113, 114) which is perpendicular to the first and second edges (111, 112).
  • the above first flow path (115) can be formed through a conventional cutting processing process, such as laser processing, waterjet processing, etc. That is, by forming the first flow paths (115) through the first flow path substrate (110) using a laser processing machine, etc., the first flow paths (115) have an open flow path structure with an open shape.
  • the first filaments (115) can be formed in a relatively easy and highly precise shape.
  • the first euro substrate (110) is not limited to a material that can form a euro using a conventional cutting processing process such as laser processing or waterjet processing.
  • the first input/output substrate (120) is laminated on the first euro substrate (110) and is finally bonded so as to be in close contact with the upper surface of the first euro substrate (110).
  • the first input/output substrate (120) and the first euro substrate (110) can be subjected to various bonding processes such as diffusion bonding, and since bonding is sufficient when finally performed, the specific process is not limited.
  • the above first input/output board (120) has a rectangular plate shape of the same size as the first euro board (110), and a plurality of first input/output boards (125) are formed.
  • the first inlet/outlet channels (125) include a plurality of first inlet channels (126) formed on a first edge (121) of the first inlet/outlet channel substrate (120), and a plurality of first outlet channels (127) formed on a second edge (122) of the first inlet/outlet channel substrate (120).
  • first edge (121) and the second edge (122) are edges facing each other along the first direction (X), and correspond to edges positioned above the first and second edges (111, 112) of the first euro substrate (110) described above, respectively.
  • the first inflow paths (126) and the first outflow paths (127) can be extended to a predetermined length, and each can be extended parallel to the extension direction of the third and fourth edges (123, 124).
  • first inflow passages (126) are formed on the first edge (121) and have a structure that is opened to the outside through the first edge (121).
  • first outflow passages (127) are also formed on the second edge (122) and have a structure that is opened to the outside through the second edge (122).
  • first inflow paths (126) and the first outflow paths (127) are formed through a processing process such as laser processing, similar to the first paths (115) described above, and accordingly, the first corner (121) and the second corner (122) can be formed to have a structure that repeatedly protrudes or is recessed toward the outer surface, as illustrated by the first inflow paths (126) and the first outflow paths (127).
  • each of the first inflow channels (126) is formed to be aligned with one end of the first channels (115), and each of the first outflow channels (127) is formed to be aligned with the other end of the first channels (115).
  • the first channels (115) extend in the first direction (X) along which the third and fourth edges (113, 114, 123, 124) extend, and likewise, the first inflow channels (126) and the first outflow channels (127) also extend in the first direction (X), so that when they overlap each other, they are aligned to eventually extend in the first direction (X).
  • the first inflow paths (126) are formed to a predetermined length, and the opening structure in which the first inflow paths (126) are formed is aligned with the opening structure at one end of the first flow paths (115), that is, at the end positioned close to the first edge (111), in a vertical direction.
  • first outlets (127) are also formed to a predetermined length, and the opening structure in which the first outlets (127) are formed is aligned with the opening structure at the end positioned close to the other end of the first flow paths (115), that is, the second edge (112), in a vertical direction.
  • each of the first inflow paths (126) is aligned with one end of the first euros (115) and is opened, and each of the first outflow paths (127) is aligned with the other end of the first euros (115) and is opened.
  • the above second euro substrate (130) also has a square plate shape, and the size of the above second euro substrate (130) is the same as that of the above first euro substrate (110) as well as the above second euro substrate (120).
  • the second euro board (130) includes a plurality of second euros (135), each of which includes a first sub-euro (136), a second sub-euro (137), and a third sub-euro (138).
  • Each of the second flow paths (135) has, as illustrated, a structure in which an ‘L’ shape and an ‘ ⁇ ’ shape are continuous overall. That is, the first sub-flow path (136) extends in the second direction (Y) from a position adjacent to the third edge (133) of the second flow path substrate (130), the second sub-flow path (137) extends in the first direction (X) from the first sub-flow path (136), and the third sub-flow path (138) extends again in the second direction (Y) from the second sub-flow path (137) to a position adjacent to the fourth edge (134) of the second flow path substrate (130).
  • the third edge (133) and the fourth edge (134) correspond to edges that extend along the first direction (X) and face each other along the second direction (Y) of the third substrate (130). That is, in the heat exchanger (100) of the present embodiment, the laminated substrates all have first to fourth edges, and the first and second edges are edges that face each other at both ends along the first direction (X), and the third and fourth edges correspond to edges that face each other at both ends along the second direction (Y).
  • the third and fourth corners (133, 134) are corners that are aligned in the same direction as the third and fourth corners (113, 114) of the first euro substrate (110) described above, and correspond to corners that are arranged in a direction perpendicular to the arrangement direction of the first and second corners (111, 112).
  • the second euro (135) is positioned so that both ends face the third and fourth corners (133, 134), but, as in the first euro board (115), both ends of the second euro (135) are positioned so as to be spaced apart from the third and fourth corners (133, 134) by a predetermined distance. Accordingly, in the third euro board (130), the third and fourth corners (143, 144) are not formed to be open to the outside or to penetrate.
  • the second euro board (135) is formed in a form that penetrates only the inside of the third euro board (130), and has a structure that is not open to the outside through any of the corners.
  • the formation of the second euro (135) is formed by a processing process such as the laser processing described above, and is formed by penetrating the third euro substrate (130) and having a structure that opens the third euro substrate (130) in the vertical direction.
  • the third euro substrate (130) is bonded to the upper surface of the first input/output substrate (120), and the bonding process is also not limited.
  • the above second input/output circuit board (140) is laminated on the third euro board (130) and is finally bonded so as to be in close contact with the upper surface of the third euro board (130). At this time, the bonding process is also not limited.
  • the above second input/output board (140) also has the same size and shape as each of the previously described boards, and a plurality of second input/output boards (145) are formed.
  • the second inlet/outlet channels (145) include a plurality of second inlet channels (146) formed on the third edge (143) of the second inlet/outlet channel substrate (140), and a plurality of second outlet channels (147) formed on the fourth edge (144) of the second inlet/outlet channel substrate (140).
  • the third corner (143) and the fourth corner (144) are corners that face each other along the second direction (Y), and correspond to corners located above the third and fourth corners (133, 134) of the second euro substrate (130) described above, respectively.
  • the second inflow channels (146) are formed on the third edge (143) as illustrated, and have a structure that is opened to the outside through the third edge (143). However, the second inflow channels (146) are formed only in the area where the first sub-channels (131) are formed on the third edge (143). At this time, the second inflow channels (146) are formed in a direction parallel to the extension direction of the first edge (141).
  • each of the second inflow channels (146) is formed to be aligned with each of the first sub-channels (131) in the vertical direction.
  • each of the second inflow channels (146) and each of the first sub-channels (131) are aligned to be open to each other in the vertical direction in which they are stacked.
  • the second outlets (147) are also formed on the fourth edge (144) and have a structure that opens to the outside through the fourth edge (144). However, the second outlets (147) are formed only in the area where the third sub-channels (133) are formed on the fourth edge (144). At this time, the second outlets (147) are formed in a direction parallel to the extension direction of the second edge (142).
  • each of the second outflow channels (147) is formed to be aligned with each of the third sub-channels (133) in the vertical direction.
  • each of the second outflow channels (147) and each of the third sub-channels (133) are aligned to be open to each other in the vertical direction in which they are stacked.
  • the second inflow paths (146) and the second outflow paths (147) are also formed through a processing process such as laser processing, and accordingly, a portion of the third corner (143) and the fourth corner (144) can be formed to have a structure that repeatedly protrudes or is recessed toward the outer surface, as illustrated by the second inflow paths (146) and the second outflow paths (147).
  • the first euro substrate (110) may be additionally laminated on top of the second input/output substrate (140), and a redundant description thereof will be omitted.
  • the fluid (A) introduced through the first inlet (126) of the first inlet/outlet substrate (120) is provided through the first flow path (115) of the first flow path substrate (110). Thereafter, after passing through the first flow path (115), it is discharged (A') to the outside through the first outlet (127) of the first inlet/outlet substrate (120).
  • the fluid (B) introduced through the second inlet (146) of the second input/output substrate (140) is provided through the second flow path (135) of the second flow path substrate (130). Thereafter, after passing through the second flow path (135), it flows out (B') to the outside through the second outlet (147) of the second input/output substrate (140).
  • cooling fluid and the heating fluid can be alternately supplied in the upper and lower directions on one heat exchanger (100).
  • heat exchanger 100
  • the cooling fluid supply unit (not shown) that supplies the cooling fluid and the heating fluid supply unit (not shown) that supplies the heating fluid can be provided at different positions, for example, at positions that intersect each other in a vertical direction, so that the space utilization and ease of processing can be improved in the layout design of the fluid supply units.
  • the cooling fluid recovery unit (not shown) that recovers the cooling fluid and the heating fluid recovery unit (not shown) that recovers the heating fluid can also be provided at positions that intersect each other in a vertical direction, so that the space utilization can be improved.
  • first inlet (126) through which the cooling fluid is supplied and the second inlet (146) through which the heating fluid is supplied are positioned perpendicular to each other on a plane, and similarly, the first outlet (122) through which the cooling fluid is recovered and the second outlet (147) through which the heating fluid is recovered are positioned perpendicular to each other on a plane.
  • the fluid passing through the first flow path (115) may flow in the opposite direction. That is, the fluid passing through the first flow paths may flow so as to flow into the first outlet (122) and flow out into the first inlet (126), thereby controlling the heat exchange performance in various ways.
  • Fig. 4 is an exploded perspective view illustrating a layered heat exchanger according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 5a is a cross-sectional view taken along line III-III' of Fig. 4
  • Fig. 5b is a cross-sectional view taken along line IV-IV' of Fig. 4
  • Fig. 5c is a cross-sectional view taken along line V-V' of Fig. 4.
  • the heat exchanger (200) according to the present embodiment is substantially the same as the heat exchanger (100) described with reference to FIGS. 1 to 3, except that the first edge of the laminated substrate structure is branched into two inclined planes or two branching planes, the second edge is branched into two inclined planes or two branching planes, and the flow path forming structure according to this is omitted. Therefore, redundant description is omitted.
  • the first edge also has a symmetrical structure, which is substantially the same as the branching structure of the second edge as illustrated, and for the convenience of explanation, the illustration of the first edge having a symmetrical structure is omitted.
  • the heat exchanger (200) also includes a first flow path substrate (210), a first inlet/outlet substrate (220), a second flow path substrate (230), and a second inlet/outlet substrate (240) that are stacked on top of each other in the vertical direction, and at this time, as in the heat exchanger (100) described above, this stacking structure can be continuously repeated.
  • the first euro substrate (210) has an overall square plate shape, but the second edge (212) of the end in the first direction (X) extends to branch into a pair of first and second inclined planes (213, 214). At this time, as described above, the first edge, which is the other end in the first direction (X) of the first euro substrate (210), also extends to branch into a pair of first and second inclined planes like the second edge (212).
  • the first euro substrate (210) includes a flat plate portion (P) having a square plate shape, and first and second inclined planes (213, 214) that additionally extend in the first direction (X) from a branch region (S) formed at an end of the flat plate portion (P), and the first and second inclined planes (213, 214) may additionally extend in a positive 45 degrees (+45 ⁇ ) and negative 45 degrees (-45 ⁇ ) direction, respectively, with respect to the extension direction of the first direction (X).
  • the angles at which the first and second inclined planes (213, 214) extend may vary.
  • the second edge (212) side of the first euro substrate (210) may extend in an overall ‘ ⁇ ’ shape.
  • the first euro board (210) includes a plurality of first euros (217), and the first euros (217) include first extension euros (218) and first shortened euros (219). At this time, the first extension euros (218) and the first shortened euros (219) are formed in a plurality of alternating directions.
  • Each of the first extension paths (218) extends along the first direction (X) on the flat plate (P), and additionally extends along the second inclined surface (214) through the branching region (S). Accordingly, the first extension path (218) may extend horizontally and then, for example, extend so as to be inclined in one direction while being bent by a positive 45 degrees.
  • the first extension paths (218) may be extended onto the first inclined plane (213), but in this case, since the arrangement of paths formed on other substrates described later is variable, for convenience of explanation, the first extension paths (218) are described as being extended onto the second inclined plane (214) as an example. At this time, when the first extension paths (218) are extended onto the first inclined plane (213), the first extension paths (218) may likewise be extended to be inclined in one direction while being bent by, for example, a positive 45 degrees.
  • the ends of the first extension paths (218) do not extend to the outside of the second inclined surface (214). That is, the end edges of the second inclined surface (214) are not opened to the outside, and the first extension paths (218) penetrate and extend only within the inside of the second inclined surface (214).
  • each of the first shortened paths (219) extends only on the flat portion (P) in the first direction (X), and in the branching region (S), each of the first extended paths (218) extends only a certain length in the direction in which it extends, and does not extend to the second inclined surface (214) or the first inclined surface (213).
  • the paths extending to the second inclined plane (214) are only the first extension paths (218).
  • the intervals between the first extension paths (218) extending to the second inclined plane (214) are relatively widely spaced.
  • the first filaments (217) are formed by opening so as to penetrate the first filament substrate (210) as described above.
  • the first filaments (217) extend toward the first edge side as described above, although not shown, and the branching structure at the first edge has a structure that is symmetrical to that at the second edge (212) side described above. At this time, the description of this symmetrical structure is omitted as it is redundant.
  • the other end of the first filaments (217), that is, the end of the first extension filaments (218) formed on the second inclined surface (214), does not open the edge of the second inclined surface (214) and is positioned so as to be spaced apart from the edge of the second inclined surface (214) by a predetermined distance.
  • the above first input/output board (220) also has an overall square plate shape, but the second edge (222) of the end in the first direction (X) extends to branch into a pair of first and second branching surfaces (223, 224).
  • the first input/output board (220) is a board that is laminated and bonded on the first flow board (210), and the branching shape and square plate shape of the first input/output board (220) are substantially the same as those of the first flow board (210).
  • the above first input/output board (220) includes a plurality of first input/output channels (227), and the first input/output channels (227) include first through holes (228) and first inlet channels (229).
  • the first through-holes (228) are formed at regular intervals in plurality on the branching area (S) from which the branching surfaces (223, 224) begin to extend in the first input/output path substrate (220). At this time, the first through-holes (228) are aligned with the ends of the first short-axis paths (219) on the first path substrate (210) that are stacked in the vertical direction. That is, the ends of the first short-axis paths (219) that are formed by extending to the branching area (S) are aligned with the first through-holes (228), respectively, and accordingly, the first through-holes (228) and the first short-axis paths (219) are opened to each other.
  • the spacing between the first through holes (228) should be the same as the spacing between the first short-axis paths (219).
  • the first inflow paths (229) are formed in plurality on the second branch surface (224), and are formed in a plurality in a direction parallel to the extension direction of the second branch surface (224). At this time, the ends of the first inflow paths (229) are formed to the end edges of the second branch surface (224), and accordingly, the second branch surface (224) has a structure that is open to the outside.
  • first inflow paths (229) overlap with the first extension paths (218) formed on the second inclined surface (214) in the vertical direction, respectively.
  • the length of the first inflow paths (229) is formed to be smaller than the length of the second inclined surface (214) or the second branch surface (224), and thus, they can overlap only a part of the length of the first extension paths (218).
  • the extension length of the first inflow paths (229) on the second branch surface (224) partially overlaps with the extension length of the first extension paths (218) on the second inclined surface (214), and the overlapping length is not limited.
  • the first corner side of the first input/output substrate (220) has a structure that is symmetrical to the second corner side (22).
  • the fluid flowing in through the first inflow paths (229) is provided to the first extension paths (218) from the second branch surface (224) toward the second inclined surface (214).
  • first extension paths (218) are formed on the first flow path substrate (210), and the fluid introduced through the first inflow paths (229) passes through the flat portion (P) of the first flow path substrate (210) and ultimately flows out through an outflow path formed symmetrically to the first inflow paths (229) at the first corner of the first flow path substrate (210).
  • the second euro substrate (230) also has an overall square plate shape, but the second edge (232) of one end in the first direction (X) extends to branch into a pair of first and second inclined surfaces (233, 234).
  • the second euro substrate (230) is laminated and bonded on the first input/output path substrate (220), and the structure and shape excluding the euro are substantially the same.
  • the second euro board (230) includes a plurality of second euros (237), and the second euros (237) include second extension euros (238) and second shortened euros (239). At this time, the second extension euros (238) and the second shortened euros (239) are formed alternately.
  • Each of the second extension paths (238) extends in the first direction (X) on the flat plate (P), and also extends further onto the first inclined plane (233) through the branching area (S). That is, the second extension paths (238) extend further onto the first inclined plane (233) rather than in the direction of the second inclined plane (214) along which the first extension paths (218) extend. Accordingly, the second extension paths (238) may extend in a horizontal direction and then, for example, extend so as to be inclined in one direction while bending by negative 45 degrees.
  • the second extension path (238) extends only from the inside of the first inclined surface (233) and does not penetrate the edge of the first inclined surface (233) and is exposed to the outside.
  • each of the second shortened paths (239) extends only on the flat portion (P) in the first direction (X), and in the branching area (S), each of the second extended paths (238) extends only a certain length in the extending direction, and does not extend to the second inclined surface (234) or the first inclined surface (233). Accordingly, the spacing between the second extended paths (238) formed on the first inclined surface (233) increases more than the spacing between the second paths (237) on the flat portion (P).
  • the second gulls (237) are also opened to penetrate the second gull substrate (230).
  • the second gulls (237), as described above, are extended toward the first edge side, although not shown, and the branching structure at the first edge has a structure that is symmetrical to that at the second edge (232) side described above. In this case, the description of this symmetrical structure is omitted as it is redundant.
  • the other end of the second ducts (237), that is, the end of the second extension ducts (238) formed on the first inclined surface (233), does not open the edge of the first inclined surface (233) and is positioned so as to be spaced apart from the edge of the first inclined surface (233) by a predetermined distance.
  • first through holes (228) are aligned with the second extension paths (238) formed on the second path substrate (230) laminated on the upper surface of the first input/output path substrate (220).
  • the spacing distance of the first through holes (228) should be formed to be the same as the spacing distance of the second extension paths (238).
  • the second extension paths (238), the first through holes (228), and the first shortened paths (219) are opened and connected to each other in the vertical direction.
  • the second input/output board (240) also has an overall square plate shape, but the second edge (242) of the end in the first direction (X) extends to branch into a pair of first and second branching surfaces (243, 244).
  • the second input/output board (240) is a board that is laminated and bonded on the second path board (230), and the branching shape and square plate shape of the second input/output board (240) are substantially the same as those of the second path board (230).
  • the second input/output board (240) includes a plurality of second input/output channels (247), and the second input/output channels (247) include second through holes (248) and second inlet channels (249).
  • the second through-holes (248) are formed at regular intervals in plurality on the branching area (S) from which the branching surfaces (243, 244) begin to extend in the second input/output path substrate (240). At this time, the second through-holes (248) are aligned with the ends of the second short-axis paths (239) on the second path substrate (230) that are stacked in the vertical direction. That is, the ends of the second short-axis paths (239) that are formed by extending to the branching area (S) are aligned with the second through-holes (248), and accordingly, the second through-holes (248) and the second short-axis paths (239) are opened to each other.
  • the second inflow paths (249) are formed in multiple numbers on the first branch surface (243), and are formed in multiple numbers in a direction parallel to the extension direction of the first branch surface (243). At this time, the ends of the second inflow paths (249) are formed to extend to the end corners of the first branch surface (243), and accordingly, the first branch surface (243) has a structure in which the ends are open to the outside.
  • the second inflow paths (249) overlap with the second extension paths (238) formed on the first inclined surface (233) in the vertical direction, respectively.
  • the length of the second inflow paths (249) is formed to be smaller than the length of the first inclined surface (233) or the first branch surface (243), and thus, they can overlap only a part of the length of the second extension paths (238).
  • extension length of the second inflow paths (249) on the first branch surface (243) partially overlaps with the extension length of the second extension paths (238) on the first inclined surface (233), and the overlapping length is not limited.
  • the first corner of the second input/output substrate (240) has a symmetrical structure with the second corner (242) and performs the same function.
  • the fluid flowing in through the second inflow paths (249) is provided to the second extension paths (238) from the first branch surface (243) in the direction of the first inclined surface (233).
  • the second extension channels (238) are formed on the second flow path (230), and the fluid introduced through the second inflow channels (249) passes through the flat portion (P) of the second flow path (230) and ultimately flows out through an outflow channel formed symmetrically to the second inflow channels (249) at the first corner of the second flow path (230).
  • the second through holes (248) are aligned with the first extension paths (218) formed on the first path substrate (210) laminated on the upper surface of the second input/output path substrate (240).
  • the first through holes (228) and the first short-axis paths (219) are open to each other, and the second through holes (248) and the second short-axis paths (239) are open to each other.
  • the second input/output path substrate (240) is laminated on the lower surface of the first input/output path substrate (210), and the first input/output path substrate (210) is laminated on the upper surface of the second input/output path substrate (240).
  • the second through holes (248) are opened on the lower surface with the second shortened paths (239) and on the upper surface with the first extended paths (218).
  • first through holes (228) are open to the first shortened paths (219) on the lower surface and open to the second extended paths (238) on the upper surface.
  • the fluid introduced through the first inflow paths (229) can flow along the first extension path (218) and flow out through the outflow paths formed at the first corner of the first flow path plate (210), and at the same time, can flow through the second through hole (248) to the second shortened path (239), and the fluid flowing into the second shortened path (239) can merge with the first extension path at the first corner of the second flow path plate (230) and flow out through the outflow paths formed at the first corner.
  • the fluid introduced through the second inflow paths (249) can flow along the second extension path (238) and flow out through the outflow paths formed at the first corner of the second flow path plate (230), and at the same time, can flow through the first through hole (228) to the first short flow path (219), and the fluid that has flowed into the first short flow path (219) can merge with the second extension path at the first corner of the first flow path plate (210) and flow out through the outflow paths formed at the first corner.
  • a cooling fluid providing unit that provides, for example, a cooling fluid to the first inflow path (229) and a heating fluid providing unit (not shown) that provides, for example, a heating fluid to the second inflow path (249) can be positioned in different directions, thereby making it possible to improve the ease of overall layout design and space utilization.
  • the heat exchanger (200) includes a first flow path substrate (210), a first inlet/outlet substrate (220), a second flow path substrate (230), and a second inlet/outlet substrate (240) that are stacked on top of each other, and at this time, even if this stacking structure is repeated continuously, the first inlet channels (229) and the second inlet channels (249) are only opened to each other along the stacking direction, and are positioned at fixed points on a plane perpendicular to the stacking direction. Accordingly, the ease of overall layout design of the fluid providing unit (not shown) that provides fluid to the first inlet channel (229) and the fluid providing unit (not shown) that provides fluid to the second inlet channel (249) and the improvement of space utilization are possible.
  • the fluid passing through the first extension path (218) and the second shortened path (239) can flow in opposite directions. That is, the fluid passing through the first extension path (218) and the second shortened path (239) can be introduced into the outlets formed at the first corner and discharged through the first inflow path (229), thereby controlling the heat exchange performance.
  • Fig. 6 is an exploded perspective view illustrating a layered heat exchanger according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 7a is a cross-sectional view taken along line VI-VI' of Fig. 6, and Fig. 7b is a cross-sectional view taken along line VII-VII' of Fig. 6.
  • the heat exchanger (300) also includes a first flow board (310), a first inlet/outlet board (320), a second flow board (330), and a second inlet/outlet board (340).
  • the planar extension shapes of each board as well as the branching shapes of the second corners are all the same, and the branching shape of the first corner, which is symmetrical to the branching shape of the second corner, has a symmetrical structure, so that the drawing is generated, as in the heat exchanger (200) described above.
  • first flow path (317) formed on the first flow path substrate (310) and the second flow path (337) formed on the second flow path substrate (330) also have the same structure as in the heat exchanger (200) described above.
  • the first inlet (329) formed on the first inlet/outlet substrate (320) does not have a structure in which multiple paths extend in parallel, but has a structure in which a single integrated opening is formed entirely on the second branch surface (324).
  • the second branch surface (324) has a structure in which the end side is open, and as illustrated, may have a frame structure in the shape of the letter ‘ ⁇ ’ overall.
  • the area in which the first inflow path (329) is formed can be formed by considering the area in which the first extension paths (318) are formed, which ultimately overlap each other in the vertical direction. That is, the length in which the first extension path (318) is formed on the second inclined plane (314) can be determined by considering the length in which the first inflow path (329) is formed on the second branching plane (324). Similarly, when the first extension paths (318) are formed while being spaced apart from each other on the second inclined plane (314), the width in which the first inflow path (329) is formed on the second branching plane (324) can be determined by considering the gap between the first extension paths (318) located at the outermost positions.
  • first inlet (329) since it is sufficient for the first inlet (329) to overlap with the first extension path (318) by a certain length in the longitudinal direction, it is sufficient for the first extension path (318) to be formed to have a length that overlaps with a length that extends on the second inclined surface (314).
  • the first inflow path (329) since the first inflow path (329) must overlap with all of the first extension paths (318), it must have a width that overlaps with the outermost first extension paths (318) formed on both sides on the second inclined surface (314). Accordingly, the width of the first inflow path (329) must have a width that overlaps with all of the first extension paths (318) formed on the outermost side among the first extension paths (318).
  • the second inlet (349) formed on the second inlet/outlet substrate (340) also has a structure in which a single integrated opening is formed entirely on the first branch surface (343).
  • the first branch surface (343) also has a structure in which the end side is open, and as illustrated, may have a frame structure in the shape of the letter ‘ ⁇ ’ overall.
  • This ‘ ⁇ ’ shaped frame structure is formed symmetrically on the first corner side, as described above, although not shown.
  • the area where the second inflow path (349) is formed must also take into account the area where the second extension path (338) is formed, which overlaps in the vertical direction, just like the area where the first inflow path (329) is formed.
  • the second inflow path (349) it is sufficient for the second inflow path (349) to overlap with the second extension path (338) in the longitudinal direction by a certain length, so it is sufficient for the second extension path (338) to be formed to have a length that overlaps with a length that extends on the first inclined surface (343).
  • the second inflow path (349) since the second inflow path (349) must overlap with all of the second extension paths (338), it must have a width that overlaps with the second extension paths (338) formed on the first inclined surface (343) on both sides. Accordingly, the width of the second inflow path (349) must have a width that can overlap with all of the second extension paths (338) formed on the outermost side among the second extension paths (338).
  • the structure or shape of the paths or through holes which are omitted from the description, are the same as in the heat exchanger (200) described above.
  • the composite flow of the fluid is substantially the same as in the heat exchanger (200) described above.
  • the fluid introduced through the first inlet passage (329) can flow along the first extended passage (318) and ultimately flow out through an outlet passage formed symmetrically with the first inlet passage (329) at the first corner of the first passage plate (310), and at the same time, can flow through the second through hole (348) to the second shortened passage (339), and the fluid that has flowed into the second shortened passage (339) can flow out through an outlet passage formed at the first corner of the second passage plate (330).
  • the fluid introduced through the second inflow path (349) can flow along the second extension path (338) and flow out through an outflow path formed at the first edge of the second flow path plate (330), and at the same time, can flow through the first through hole (328) to the first short flow path (319), and the fluid that has flowed into the first short flow path (319) can flow out through an outflow path formed at the first edge of the first flow path plate (310).
  • a cooling fluid providing unit that provides, for example, a cooling fluid to the first inflow path (329) and a heating fluid providing unit (not shown) that provides, for example, a heating fluid to the second inflow path (349) can be positioned in different directions, thereby making it possible to improve the ease of overall layout design and space utilization.
  • the cross-sectional area of the flow is expanded, so that the pressure drop occurring inside the inlet can be reduced, which is an advantage.
  • a laminated heat exchanger by manufacturing the substrates in a laminated structure so that the flow paths are connected to each other in the vertical direction, a cooling flow path, a heating flow path, and further a composite flow path of a working fluid can be formed.
  • the positions of the inlets and outlets and the shapes of the paths can be configured in various ways, and the inlets and outlets of the fluids that should flow separately can be effectively distinguished, making it easy to configure a composite path.
  • the limitation that only one cooling fluid or heating fluid can flow on one substrate in the past can be improved, the performance of heat exchange can be further improved, and the internal pressure performance can be maintained excellently.
  • a commercial cutting processing process such as laser processing or waterjet processing
  • the cooling fluid and the heating fluid are supplied only through a single inlet passage, so that the cooling fluid and the heating fluid can be alternately supplied on a single substrate, thereby further improving the heat exchange performance.

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Abstract

적층형 열교환기는 제1 유로기판 및 제1 입출로 기판을 포함한다. 상기 제1 유로기판은 제1 방향으로 연장되는 복수의 제1 유로들이 형성된다. 상기 제1 입출로 기판은 상기 제1 유로기판 상에 적층되고, 상기 제1 방향으로 서로 마주하는 모서리들 각각에 복수의 제1 입출로들이 형성된다. 이 경우, 상기 제1 유로들 각각은 상기 제1 유로기판을 관통하여 연장되고, 상기 제1 입출로들 각각은 상기 제1 유로들 각각과 일부 중첩되어, 상기 제1 입출로들을 통해 유입 또는 유출되는 유체가 상기 제1 유로들로 제공된다.

Description

가공 공정으로 제작된 유로기판을 이용한 적층형 열교환기
본 발명은 가공 공정으로 제작된 유로기판을 이용한 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 평판 상에 유로 및 유로의 유출입구를 절단 가공공정으로 형성한 후, 평판을 적층하여 제작하는 적층형 열교환기로서, 유로 및 유로의 유출입구를 레이저 가공과 같은 가공공정을 통해 제작하여 가공이 용이하며, 다양한 적층 구조를 통해 복합 유로를 형성할 수 있는 적층형 열교환기에 관한 것이다.
인쇄기판형 열교환기(printed circuit heat exchanger)는 열교환기의 한 종류로서, 주로 화학적 에칭방법으로 평판 상에 미세유로를 형성하고, 이를 적층하여 제작되는 열교환기를 의미한다.
이러한 인쇄기판형 열교환기의 경우, 높은 절연면적을 가지면서도 부피나 무게를 최소화할 수 있어, 동일 열교환 용량 대비 크기를 대폭 감소시킬 수 있는 장점이 있으며, 초고온 환경이나 초고압 환경, 나아가 극저온 환경에서도 사용이 가능하여, 특히 조선해양 산업이나, 발전산업, 수소산업 등에 그 수요가 증가하고 있다.
다만, 이러한 인쇄기판형 열교환기의 경우, 일본국 공개특허 제2019-086278호 또는 대한민국 공개특허 제10-2023-0006280호에서와 같이 다양하게 개발되고는 있으나, 기본적으로 냉매 또는 작동유체가 제공되는 유로는, 주로 화학적 에칭방법을 통해 형성되는 기술이 개발되고 있을 뿐이다.
그러나, 이러한 화학적 에칭방법을 통해 평판 상에 유로를 형성하여 적층하는 적층 구조의 경우, 상하방향으로 적층된 평판 사이에서의 유로의 교환이 어려운 한계가 있다. 또한, 상기 화학적 에칭방법의 경우, 유로의 형상을 정밀하게 가공하기 어려운 한계도 있다.
이에 따라, 냉매 또는 작동유체가 하나의 평판 상에서 복합적으로 유동되어 냉각 또는 가열 효과를 보다 향상시키는 것이 제한적이며, 열교환기의 내부로 냉매 또는 작동유체를 다양하게 제공하거나 유출하는 복합 유로의 형성 역시 제한적이다.
관련 선행기술 문헌으로는 일본국 공개특허 제2019-086278호, 및 대한민국 공개특허 제10-2023-0006280호가 있다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 평판 상에 유로 및 유로의 유출입구를 절단 가공공정으로 형성한 후, 평판을 적층하여 제작하는 적층형 열교환기에서, 유로 및 유로의 유출입구를 레이저 가공과 같은 가공공정을 통해 제작하여 가공이 용이하며, 다양한 적층 구조를 통해 복합 유로를 형성함으로써, 열교환 효율을 보다 향상시킬 수 있는 적층형 열교환기를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 적층형 열교환기는 제1 유로기판 및 제1 입출로 기판을 포함한다. 상기 제1 유로기판은 제1 방향으로 연장되는 복수의 제1 유로들이 형성된다. 상기 제1 입출로 기판은 상기 제1 유로기판 상에 적층되고, 상기 제1 방향으로 서로 마주하는 모서리들 각각에 복수의 제1 입출로들이 형성된다. 이 경우, 상기 제1 유로들 각각은 상기 제1 유로기판을 관통하여 연장되고, 상기 제1 입출로들 각각은 상기 제1 유로들 각각과 일부 중첩되어, 상기 제1 입출로들을 통해 유입 또는 유출되는 유체가 상기 제1 유로들로 제공된다.
일 실시예에서, 상기 제1 입출로들 각각은, 상기 제1 입출로 기판의 제1 모서리에서 상기 제1 입출로 기판을 관통하여 소정 길이만큼 연장되는 제1 유입로, 및 상기 제1 모서리에 마주하는 제2 모서리에서 상기 제1 입출로 기판을 관통하여 소정 길이만큼 연장되는 제1 유출로를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 입출로 기판 상에 적층되고, 상기 제1 유로들의 연장 방향과 다른 방향으로 연장되는 복수의 제2 유로들이 형성되는 제2 유로기판, 및 상기 제2 유로기판 상에 적층되고, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 서로 마주하는 모서리들 각각에 복수의 제2 입출로들이 형성되는 제2 입출로 기판을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 유로들 각각은 상기 제2 유로기판을 관통하여 연장되고, 상기 제2 입출로들 각각은 상기 제2 유로들 각각과 일부 중첩되어, 상기 제2 입출로들을 통해 유입 또는 유출되는 유체가 상기 제2 유로들로 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 입출로들 각각은, 상기 제2 입출로 기판의 제3 모서리에서 상기 제2 입출로 기판을 관통하여 소정 길이만큼 연장되는 제2 유입로, 및 상기 제3 모서리에 마주하는 제4 모서리에서 상기 제2 입출로 기판을 관통하여 소정 길이만큼 연장되는 제2 유출로를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 유로들 각각은, 상기 제2 유입로와 일부 중첩되며 상기 제2 방향을 따라 연장되는 제1 서브유로, 상기 제1 서브유로로부터 연장되어 상기 제1 방향을 따라 연장되는 제2 서브유로, 및 상기 제2 서브유로로부터 연장되어 상기 제2 방향을 따라 연장되고 상기 제2 유출로와 일부 중첩되는 제3 서브유로를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 유로들, 상기 제2 유로들, 상기 제1 입출로들 및 상기 제2 입출로들 각각은, 상기 제1 유로기판, 상기 제2 유로기판, 상기 제1 입출로 기판 및 상기 제2 입출로 기판에 절단 가공 공정으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 유로들, 상기 제2 유로들, 상기 제1 입출로들 및 상기 제2 입출로들 각각은, 복수개가 서로 동일한 이격거리를 가지면서 평행하게 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 입출로들을 통해서 유입 및 유출되는 유체의 온도와, 상기 제2 입출로들을 통해서 유입 및 유출되는 유체의 온도는 서로 다를 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 다른 실시예에 의한 적층형 열교환기는 제1 유로기판 및 제1 입출로 기판을 포함한다. 상기 제1 유로기판은 양 끝단의 모서리들 각각이 서로 다른 방향으로 연장되는 제1 및 제2 경사면들로 분기되고, 복수의 제1 유로들이 형성된다. 상기 제1 입출로 기판은 상기 제1 유로기판 상에 적층되고, 양 끝단의 모서리들 각각이 상기 제1 및 제2 경사면들과 각각 중첩되며 연장되는 제1 및 제2 분기면들로 분기되고, 복수의 제1 입출로들이 형성되는 제1 입출로 기판을 포함한다. 이 경우, 상기 제1 유로들 각각은 상기 제1 유로기판을 관통하여 연장되고, 상기 제1 입출로들 각각은 상기 제1 유로들 각각과 일부 중첩되어, 상기 제1 입출로들을 통해 유입되는 유체가 상기 제1 유로들로 제공된다.
일 실시예에서, 상기 제1 유로들 각각은, 상기 제1 유로기판의 평판부를 따라 제1 방향으로 연장되는 제1 단축유로, 및 상기 제1 유로기판의 평판부 및 상기 제1 경사면을 따라 연장되는 제1 연장유로를 포함하고, 상기 제1 입출로들 각각은, 상기 제1 단축유로의 끝단과 정렬되며, 상기 제1 입출로 기판을 관통하도록 형성되는 제1 관통홀, 및 상기 제1 경사면을 따라 형성되며, 상기 1 연장유로와 일부 중첩되는 제1 유입로를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 단축유로들 및 상기 제1 연장유로들은 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 교번적으로 형성되고, 상기 제1 단축유로들 및 상기 제1 연장유로들은 상기 제1 유로기판을 관통하며 연장될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 유입로는, 하나의 단일유로로 상기 제1 경사면 상에 소정 면적으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 유입로의 면적은, 상기 제1 연장유로의 길이 방향으로는 상기 제1 연장유로와 일부 중첩되고, 상기 제1 연장유로의 너비 방향으로는 최 외측의 제1 연장유로들과 중첩되도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 입출로 기판 상에 적층되고, 양 끝단의 모서리들 각각이 서로 다른 방향으로 연장되는 제1 및 제2 경사면들로 분기되고, 복수의 제2 유로들이 형성되는 제2 유로기판, 및 상기 제2 유로기판 상에 적층되고, 양 끝단의 모서리들 각각이 상기 제2 유로기판의 제1 및 제2 경사면들과 각각 중첩되며 연장되는 제1 및 제2 분기면들로 분기되고, 복수의 제2 입출로들이 형성되는 제2 입출로 기판을 더 포함하며, 상기 제2 유로들 각각은 상기 제2 유로기판을 관통하여 연장되고, 상기 제2 입출로들 각각은 상기 제2 유로들 각각과 일부 중첩되어, 상기 제2 입출로들을 통해 유입되는 유체가 상기 제2 유로들로 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 유로들 각각은, 상기 제2 유로기판의 평판부를 따라 상기 제1 방향으로 연장되는 제2 단축유로, 및 상기 제2 유로기판의 평판부 및 상기 제2 경사면을 따라 연장되는 제2 연장유로를 포함할 수 있다. 상기 제2 입출로들 각각은, 상기 제2 단축유로의 끝단과 정렬되며, 상기 제2 입출로 기판을 관통하도록 형성되는 제2 관통홀, 및 상기 제2 경사면을 따라 연장되며, 상기 제2 연장유로와 일부 중첩되는 제2 유입로를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 유입로는, 하나의 단일유로로 상기 제2 경사면 상에 소정 면적으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 관통홀은 상기 제2 연장유로와 적층방향으로 서로 개방되어, 상기 제2 유입로를 통해 유입된 유체는 상기 제2 연장유로로 유동되거나, 상기 제2 연장유로 및 상기 제1 관통홀을 통과하여 상기 제1 단축유로로 유동될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 관통홀은 상기 제1 연장유로와 적층방향으로 서로 개방되어, 상기 제1 유입로를 통해 유입된 유체는 상기 제1 연장유로로 유동되거나, 상기 제1 연장유로 및 상기 제2 관통홀을 통과하여 상기 제2 단축유로로 유동될 수 있다.
일 실시예에서, 상하 방향으로 적층되는 상기 제1 유로기판, 상기 제1 입출로 기판, 상기 제2 유로기판 및 상기 제2 입출로 기판에서, 좌우방향으로 서로 인접하는 유로, 및 상하방향으로 서로 인접하는 유로에서 서로 다른 종류의 유체가 통과할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 적층형 열교환기에서 기판들의 적층구조에서, 상하방향으로 서로 유로가 연결되도록 제작함으로써, 냉각유로와 가열유로, 나아가 작동유체의 복합유로를 형성할 수 있다.
특히, 냉각유체, 가열유체 또는 작동유체의 유입구나 유출구와, 상기 유체들의 유동유로들을 서로 다른 기판 상에 형성함으로써, 유입구 및 유출구의 위치나 유로의 형상을 다양하게 구성할 수 있으며, 분리되어 유동되어야 하는 유체들의 유입구 및 유출구를 효과적으로 구분할 수 있어, 복합유로의 구성이 용이하다.
이에, 상기 복합유로의 구성을 통해, 종래 하나의 기판에 하나의 냉각유체 또는 가열유체만 유동될 수 있는 한계를 개선할 수 있으며, 열교환의 성능을 보다 향상시킬 수 있으며, 내압 성능을 우수하게 유지할 수 있다.
이는, 기판 상에 레이저 가공 또는 워터젯(waterjet) 가공 등과 같은 상용 절단 가공공정을 통해 관통되는 구조의 유로를 형성하는 것으로 구현될 수 있는 것으로, 종래의 에칭 공정을 통한 유로 형성에서 에칭 조건을 복잡하게 제어해야 하는 문제를 해결하여, 단순한 절단 가공공정으로 보다 용이하고 복잡한 유로의 형성이 가능할 수 있다.
나아가, 분기되며 연장되는 기판을 적층 형성한 상태에서, 관통홀과 입출로를 최적 설계함으로써, 냉각유체와 가열유체를 하나의 유입로를 통해서만 제공하는 것으로, 하나의 기판 상에 냉각유체와 가열유체가 교번적으로 공급될 수 있으므로, 열교환 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 적층형 열교환기를 도시한 분해 사시도이다.
도 2a는 도 1의 I-I' 선을 따라 절단한 단면도이고, 도 2b는 도 1의 II-II'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 1의 적층형 열교환기를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 적층형 열교환기를 도시한 분해 사시도이다.
도 5a는 도 4의 III-III' 선을 따라 절단한 단면도이고, 도 5b는 도 4의 IV-IV' 선을 따라 절단한 단면도이며, 도 5c는 도 4의 V-V' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 적층형 열교환기를 도시한 분해 사시도이다.
도 7a는 도 6의 VI-VI' 선을 따라 절단한 단면도이고, 도 7b는 도 6의 VII-VII' 선을 따라 절단한 단면도이다.
<부호의 설명>
100, 200, 300 : 적층형 열교환기
110, 210, 310 : 제1 유로기판 120, 220, 320 : 제1 입출로 기판
130, 230, 330 : 제2 유로기판 140, 240, 340 : 제2 입출로 기판
115, 217, 317 : 제1 유로 135, 236, 337 : 제2 유로
125, 227, 327 : 제1 입출로 126, 229, 329 : 제1 유입로
127 : 제1 유출로 228, 328 : 제1 관통홀
145, 247, 347 : 제2 입출로 146, 249, 349 : 제2 유입로
147: 제2 유출로 248, 348 : 제2 관통홀
213, 233, 313, 333 : 제1 경사면
214, 234, 314, 334 : 제2 경사면
223, 243, 323, 343 : 제1 분기면
224, 244, 324, 344 : 제2 분기면
111, 121, 131, 141 : 제1 모서리
112, 122, 132, 142, 212, 222, 232, 242, 312, 322, 332, 342 : 제2 모서리
113, 123, 133, 143, 215, 225, 235, 245, 315, 325, 335, 345 : 제3 모서리
114, 124, 134, 144, 216, 226, 236, 246, 316, 326, 336, 346 : 제4 모서리
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 적층형 열교환기를 도시한 분해 사시도이다. 도 2a는 도 1의 I-I' 선을 따라 절단한 단면도이고, 도 2b는 도 1의 II-II' 선을 따라 절단한 단면도이다. 도 3은 도 1의 적층형 열교환기를 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 적층형 열교환기(100, 이하 열교환기라 함)는 제1 유로기판(110), 제1 입출로 기판(120), 제2 유로기판(130) 및 제2 입출로 기판(140)을 포함한다.
상기 열교환기(100)의 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 전체적으로 사각 블록 형상을 가질 수 있으며, 상기 제1 유로기판(110) 내지 상기 제2 입출로 기판(140)이 순차적으로 적층되는 구조를 가질 수 있다.
다만, 도 3을 통해서는, 설명의 편의상 상기 제1 유로기판(110) 내지 상기 제2 입출로 기판(140)의 4개의 기판들이 서로 적층된 구조를 예시하였으나, 상기 제1 유로기판(110)의 하면에는 상기 제2 입출로 기판(140)이, 상기 제2 입출로 기판(140)의 상면에는 상기 제1 유로기판(110)이 추가로 적층되는 것은 물론, 상기 제1 유로기판(110), 상기 제1 입출로 기판(120), 상기 제2 유로기판(130) 및 상기 제2 입출로 기판(140)의 순서를 가지면서 추가적인 기판들이 적층될 수 있다. 이를 위해, 도 1 및 도 2를 통해서는 제2 입출로 기판(140)의 상면에 상기 제1 유로기판(110) 및 상기 제1 입출로 기판(120)이 추가로 위치하는 것을 도시하였다.
즉, 도 3을 통해서는, 상기 열교환기(100)의 가장 기본적인 4개의 적층 구조를 예시한 것에 불과하며, 상기 4개의 적층 구조는 상부 방향으로는 물론 하부 방향으로도 필요한 개수만큼 연속적으로 적층되어 상기 열교환기(100)를 구성할 수 있다.
나아가, 이하에서 설명하는 상기 4개의 적층 구조에 의한 유로의 형성 역시, 상기 4개의 적층 구조에서의 유로는 추가적인 적층 구조에서도 동일하게 적용됨은 자명하다.
상기 제1 유로기판(110)은 사각 플레이트 형상을 가지며, 도시된 바와 같이 제1 방향(X)으로의 길이가 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향(Y)으로의 길이보다 긴 장방형 플레이트 형상을 가질 수 있다.
이 때, 상기 제1 유로기판(110)의 두께는 레이저 가공, 워터젯(waterjet) 가공 등과 같은 종래의 절단 가공공정을 통해 관통되는 형태의 유로가 형성될 수 있으면 충분하며, 그 두께가 제한되지는 않는다.
상기 제1 유로기판(110)은 상기 제1 방향(X)으로 연장되는 복수의 제1 유로들(115)을 포함한다.
이 때, 상기 제1 유로들(115)은 상기 제1 방향(X)으로는 직선으로 연장되는 유로이며, 상기 제2 방향(Y)으로는 복수개가 서로 평행하게 형성된다. 이에, 상기 제1 유로기판(110) 상에는 상기 제1 방향(X)으로 연장되는 유로들이 복수개가 서로 평행하게 형성된다.
한편, 상기 제1 유로들(115) 각각은, 상기 제1 유로기판(110)에서, 상기 제1 방향(X)으로 서로 마주하는 제1 및 제2 모서리들(111, 112)의 사이에서 연장되는 것으로, 상기 제1 및 제2 모서리들(111, 112)을 관통하여 개방하는 구조는 아니다. 즉, 상기 제1 유로들(115)은 상기 제1 및 제2 모서리들(111, 112)의 내측으로만 형성되며, 이에, 상기 제1 및 제2 모서리들(111, 112)로부터 상기 제1 유로(115)의 양 끝단 사이에는 소정의 간격이 형성된다.
상기 제1 유로들(115)은 제1 및 제2 모서리들(111, 112)에 수직인 제3 및 제4 모서리들(113, 114)의 연장 방향을 따라 서로 평행하게 연장된다.
상기 제1 유로(115)는 예를 들어, 레이저 가공, 워터젯(waterjet) 가공 등과 같은 종래의 절단 가공공정을 통해 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 유로기판(110)에 대하여, 레이저 가공기 등을 이용하여 상기 제1 유로기판(110)을 관통하도록 상기 제1 유로들(115)을 형성하는 것으로, 상기 제1 유로들(115)은 개구된 형상의 개방 유로 구조를 가지게 된다.
이 때, 레이저 가공 외에도, 다양한 기판 관통 또는 개방 가공 방법이 적용될 수 있으며, 이러한 직접 가공 공정이 적용되므로, 상기 제1 유로들(115)은 상대적으로 용이하고 정밀도 높은 형태로 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 유로기판(110)은 상기 레이저 가공, 워터젯(waterjet) 가공 등과 같은 종래의 절단 가공공정으로 유로의 형성이 가능한 재질이면 제한되지는 않는다.
상기 제1 입출로 기판(120)은 상기 제1 유로기판(110) 상에 적층되는 것으로, 최종적으로는 상기 제1 유로기판(110)의 상면에 밀착되도록 접합된다. 이때, 상기 제1 입출로 기판(120)과 상기 제1 유로기판(110)은 확산 접합과 같은 다양한 접합 공정이 적용될 수 있으며, 최종적으로 접합되면 충분하므로 구체적인 공정이 제한되지는 않는다.
상기 제1 입출로 기판(120)은 상기 제1 유로기판(110)과 동일한 크기의 장방형 플레이트 형상을 가지며, 복수의 제1 입출로들(125)이 형성된다.
이 때, 상기 제1 입출로들(125)은, 상기 제1 입출로 기판(120)의 제1 모서리(121) 상에 형성되는 복수의 제1 유입로들(126), 및 상기 제1 입출로 기판(120)의 제2 모서리(122) 상에 형성되는 복수의 제1 유출로들(127)을 포함한다.
이 경우, 상기 제1 모서리(121) 및 상기 제2 모서리(122)는, 상기 제1 방향(X)을 따라 서로 마주하는 모서리인 것으로, 앞서 설명한 상기 제1 유로기판(110)의 제1 및 제2 모서리들(111, 112)의 상부에 각각 위치하는 모서리들에 해당된다.
이 때, 상기 제1 유입로들(126) 및 상기 제1 유출로들(127)은 소정 길이로 연장될 수 있으며, 각각은 제3 및 제4 모서리들(123, 124)의 연장 방향을 따라 평행하게 연장될 수 있다.
상기 제1 유입로들(126)은 도시된 바와 같이, 상기 제1 모서리(121) 상에 형성되는 것으로, 상기 제1 모서리(121)를 통해 외부로 개방되는 구조를 가진다. 마찬가지로, 상기 제1 유출로들(127)도 상기 제2 모서리(122) 상에 형성되어 상기 제2 모서리(122)를 통해 외부로 개방되는 구조를 가진다.
즉, 상기 제1 유입로들(126) 및 상기 제1 유출로들(127)은 앞선 상기 제1 유로들(115)과 마찬가지로 레이저 가공과 같은 가공 공정을 통해 형성되는 것으로, 이에 따라 상기 제1 유입로들(126) 및 상기 제1 유출로들(127)에 의해 상기 제1 모서리(121) 및 상기 제2 모서리(122)는 도시된 바와 같이, 외면을 향해 돌출되거나 함입되는 구조가 반복되도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 유입로들(126) 각각은 상기 제1 유로들(115)의 일 끝단과 서로 정렬되도록 형성되며, 상기 제1 유출로들(127) 각각은 상기 제1 유로들(115)의 타 끝단과 서로 정렬되도록 형성된다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 유로들(115)은 제3 및 제4 모서리들(113, 114, 123, 124)이 연장되는 제1 방향(X)으로 연장되며, 마찬가지로 상기 제1 유입로들(126) 및 상기 제1 유출로들(127)도 상기 제1 방향(X)으로 연장되므로, 서로 중첩되는 경우, 결국 상기 제1 방향(X)으로 연장되도록 정렬된다.
즉, 상기 제1 유입로들(126)은 소정 길이로 형성되는데, 상기 제1 유입로들(126)이 형성되는 개구 구조는, 상기 제1 유로들(115)의 일 끝단, 즉 상기 제1 모서리(111)에 근접하도록 위치하는 끝단의 개구 구조와 적층되는 상하방향으로 서로 정렬된다.
마찬가지로, 상기 제1 유출로들(127)도 소정 길이로 형성되는데, 상기 제1 유출로들(127)이 형성되는 개구 구조는, 상기 제1 유로들(115)의 타 끝단, 즉 상기 제2 모서리(112)에 근접하도록 위치하는 끝단의 개구 구조와 적층되는 상하방향으로 서로 정렬된다.
이에 따라, 서로 적층되는 상기 제1 유로기판(110) 및 상기 제1 입출로 기판(120) 상에서, 상기 제1 유입로들(126) 각각은 상기 제1 유로들(115)의 일 끝단과 서로 정렬되며 개방되고, 상기 제1 유출로들(127) 각각은 상기 제1 유로들(115)의 타 끝단과 서로 정렬되며 개방된다.
상기 제2 유로기판(130)도 사각 플레이트 형상을 가지며, 상기 제2 유로기판(130)의 크기는 상기 제1 유로기판(110)은 물론 상기 제2 유로기판(120)과 동일하다.
상기 제2 유로기판(130)은 복수의 제2 유로들(135)을 포함하는데, 상기 제2 유로들(135) 각각은 제1 서브유로(136), 제2 서브유로(137) 및 제3 서브유로(138)를 포함한다.
상기 제2 유로들(135) 각각은, 도시된 바와 같이, 전체적으로 ‘L’자 형상과 ‘ㄱ’자 형상이 연속되는 구조를 가진다. 즉, 상기 제1 서브유로(136)는 상기 제2 유로기판(130)의 제3 모서리(133)에 인접한 위치로부터 상기 제2 방향(Y)으로 연장되고, 상기 제2 서브유로(137)는 상기 제1 서브유로(136)로부터 상기 제1 방향(X)으로 연장되며, 상기 제3 서브유로(138)는 상기 제2 서브유로(137)로부터 다시 상기 제2 방향(Y)으로 연장되어 상기 제2 유로기판(130)의 제4 모서리(134)에 인접한 위치까지 연장된다.
이 때, 상기 제3 모서리(133) 및 상기 제4 모서리(134)는, 상기 제3 유로기판(130)에서, 상기 제1 방향(X)을 따라 연장되며 상기 제2 방향(Y)을 따라 서로 마주하는 모서리들에 해당된다. 즉, 본 실시예에서의 상기 열교환기(100)에서는, 상기 적층되는 기판들이 모두 제1 내지 제4 모서리들을 가지는데, 상기 제1 및 제2 모서리들은 상기 제1 방향(X)을 따라 서로 양 끝단에 마주하는 모서리이며, 상기 제3 및 제4 모서리들은 상기 제2 방향(Y)을 따라 서로 양 끝단에 마주하는 모서리에 해당된다.
이에, 상기 제3 및 제4 모서리들(133, 134)은, 앞서 설명한 상기 제1 유로기판(110)에서의 상기 제3 및 제4 모서리들(113, 114)과 서로 동일한 방향으로 정렬되는 모서리이며, 상기 제1 및 제2 모서리들(111, 112)의 배치되는 방향과는 수직인 방향으로 배치되는 모서리에 해당된다.
즉, 상기 제3 유로기판(130)에서는, 상기 제2 유로(135)는 양 끝단이 상기 제3 및 제4 모서리들(133, 134)을 향하도록 위치하며, 다만, 상기 제2 유로(135)의 양 끝단은 상기 제1 유로(115)에서와 마찬가지로, 상기 제3 및 제4 모서리들(133, 134)과는 소정 거리 이격되도록 위치한다. 이에 따라, 상기 제3 유로기판(130)에서는, 상기 제3 및 제4 모서리들(143, 144)은 외부로 개방되거나 관통되도록 형성되지 않는다. 상기 제2 유로(135)는 상기 제3 유로기판(130)의 내부에만 관통되는 형태로 형성되고, 어느 하나의 모서리를 통해서도 외부로 개방되지 않는 구조를 가진다.
이러한 상기 제2 유로(135)의 형성은 앞서 설명한 레이저 가공 등과 같은 가공 공정으로 형성되며, 상기 제3 유로기판(130)을 관통하여, 상기 제3 유로기판(130)을 상하방향으로 개방하는 구조로 형성된다.
또한, 상기 제3 유로기판(130)은 상기 제1 입출로 기판(120)의 상면 상에 접합되며, 접합 공정 역시 제한되지는 않는다.
상기 제2 입출로 기판(140)은 상기 제3 유로기판(130) 상에 적층되는 것으로, 최종적으로 상기 제3 유로기판(130)의 상면에 밀착되도록 접합되고, 이 때 접합 공정 역시 제한되지는 않는다.
상기 제2 입출로 기판(140) 역시 앞서 설명한 각각의 기판들과 그 크기 및 형상은 동일하며, 복수의 제2 입출로들(145)이 형성된다.
이 때, 상기 제2 입출로들(145)은, 상기 제2 입출로 기판(140)의 제3 모서리(143) 상에 형성되는 복수의 제2 유입로들(146), 및 상기 제2 입출로 기판(140)의 제4 모서리(144) 상에 형성되는 복수의 제2 유출로들(147)을 포함한다.
이 경우, 상기 제3 모서리(143) 및 상기 제4 모서리(144)는, 상기 제2 방향(Y)을 따라 서로 마주하는 모서리인 것으로, 앞서 설명한 상기 제2 유로기판(130)의 제3 및 제4 모서리들(133, 134)의 상부에 각각 위치하는 모서리들에 해당된다.
상기 제2 유입로들(146)은 도시된 바와 같이, 상기 제3 모서리(143) 상에 형성되는 것으로, 상기 제3 모서리(143)를 통해 외부로 개방되는 구조를 가진다. 다만, 상기 제2 유입로들(146)은 상기 제3 모서리(143) 상에서, 상기 제1 서브유로들(131)이 형성되는 영역에만 형성된다. 이 때, 상기 제2 유입로들(146)은 상기 제1 모서리(141)의 연장 방향에 평행한 방향으로 형성된다.
특히, 상기 제2 유입로들(146) 각각은, 상기 제1 서브유로들(131) 각각과 상하방향으로 서로 정렬되도록 형성된다. 그리하여, 상기 제2 유로기판(130)과 상기 제2 입출로 기판(140)에서, 상기 제2 유입로들(146) 각각과 상기 제1 서브유로들(131) 각각은 적층되는 상하방향으로 서로 개방되도록 정렬된다.
마찬가지로, 상기 제2 유출로들(147)도 상기 제4 모서리(144) 상에 형성되어 상기 제4 모서리(144)를 통해 외부로 개방되는 구조를 가진다. 다만, 상기 제2 유출로들(147)은 상기 제4 모서리(144) 상에서, 상기 제3 서브유로들(133)이 형성되는 영역에만 형성된다. 이 때, 상기 제2 유출로들(147)은 상기 제2 모서리(142)의 연장 방향에 평행한 방향으로 형성된다.
특히, 상기 제2 유출로들(147) 각각은, 상기 제3 서브유로들(133) 각각과 상하방향으로 서로 정렬되도록 형성된다. 그리하여, 상기 제2 유로기판(130)과 상기 제2 입출로 기판(140)에서, 상기 제2 유출로들(147) 각각과 상기 제3 서브유로들(133) 각각은 적층되는 상하방향으로 서로 개방되도록 정렬된다.
한편, 상기 제2 유입로들(146) 및 상기 제2 유출로들(147)도 레이저 가공과 같은 가공 공정을 통해 형성되는 것으로, 이에 따라 상기 제2 유입로들(146) 및 상기 제2 유출로들(147)에 의해 상기 제3 모서리(143) 및 상기 제4 모서리(144)의 일부는 도시된 바와 같이, 외면을 향해 돌출되거나 함입되는 구조가 반복되도록 형성될 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 유로기판(110)은 상기 제2 입출로 기판(140)의 상부에 추가로 적층될 수 있으며, 이에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
한편, 도 2 및 도 3을 참조하면, 앞서 설명한 바와 같은 기판이 상하방향으로 서로 적층되는 구조를 가지는 상기 열교환기(100)에서는, 상기 제1 입출로 기판(120)의 제1 유입로(126)를 통해 유입되는 유체(A)는 상기 제1 유로기판(110)의 제1 유로(115)를 통해 제공된다. 이 후, 상기 제1 유로(115)를 통과한 후, 상기 제1 입출로 기판(120)의 제1 유출로(127)를 통해 외부로 유출(A')된다.
이와 달리, 상기 제2 입출로 기판(140)의 제2 유입로(146)를 통해 유입되는 유체(B)는 상기 제2 유로기판(130)의 상기 제2 유로(135)를 통해 제공된다. 이 후, 상기 제2 유로(135)를 통과한 후, 상기 제2 입출로 기판(140)의 제2 유출로(147)를 통해 외부로 유출(B')된다.
이 때, 예를 들어, 유체(A, A')가 냉각 유체이고, 유체(B, B')가 가열 유체라고 가정한다면, 도 2b에서와 같이, 냉각 유체와 가열유체는 하나의 열교환기(100) 상에서 상하방향으로 서로 교번적으로 공급될 수 있다. 이를 통해, 다양한 복합 유로를 형성할 수 있어, 냉각 유체와 가열 유체의 접촉 면적을 증가시켜 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 실시예의 경우, 냉각 유체를 공급하는 냉각 유체 공급부(미도시)와, 가열 유체를 공급하는 가열 유체 공급부(미도시)를 서로 다른 위치, 예를 들어 서로 수직 방향으로 교차하는 위치에 구비할 수 있으므로, 유체 공급부의 배치 설계에서 공간 활용성 및 가공 용이성을 향상시킬 수 있다. 이는 냉각 유체를 회수하는 냉각 유체 회수부(미도시)와, 가열 유체를 회수하는 가열 유체 회수부(미도시)도 동일하게 수직 방향으로 교차하는 위치에 구비할 수 있어, 공간 활용성을 향상시킬 수 있다.
이는, 냉각 유체가 공급되는 상기 제1 유입로(126)와 가열 유체가 공급되는 상기 제2 유입로(146)가 평면상에서 서로 수직 방향으로 위치하고, 마찬가지로 냉각 유체를 회수하는 상기 제1 유출로(122)와 가열 유체가 회수되는 제2 유출로(147)가 평면상에서 서로 수직 방향으로 위치하기 때문이다.
나아가, 본 실시예에서, 상기 제1 유로(115)를 통과하는 유체는 반대 방향으로 유동될 수도 있다. 즉, 상기 제1 유로들을 통과하는 유체는 상기 제1 유출로(122)로 유입되어 상기 제1 유입로(126)로 유출되도록 유동되어, 열교환 성능을 다양하게 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 적층형 열교환기를 도시한 분해 사시도이다. 도 5a는 도 4의 III-III' 선을 따라 절단한 단면도이고, 도 5b는 도 4의 IV-IV' 선을 따라 절단한 단면도이며, 도 5c는 도 4의 V-V' 선을 따라 절단한 단면도이다.
본 실시예에 의한 상기 열교환기(200)는, 적층되는 기판 구조에서 제1 모서리가 2개의 경사면 또는 2개의 분기면으로 분기되고, 제2 모서리가 2개의 경사면 또는 2개의 분기면으로 분기되는 구조 및 이에 따른 유로 형성 구조를 제외하고는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 상기 열교환기(100)와 실질적으로 동일하다. 이에, 중복되는 설명은 생략한다.
도 4 내지 도 5c를 통해서는, 상기 제1 모서리가 분기되는 구조는 생략하였으며, 상기 제2 모서리가 분기되는 구조에 대하여만 도시하였다. 이 경우, 상기 제1 모서리 역시 도시된 바와 같은 상기 제2 모서리의 분기 구조와 실질적으로 동일하게, 대칭 구조를 가지는 것으로, 설명의 편의를 위해 대칭되는 구조의 상기 제1 모서리에 대한 도시는 생략하였다.
도 4 내지 도 5c를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 열교환기(200)도, 상하방향으로 서로 적층되는 제1 유로기판(210), 제1 입출로 기판(220), 제2 유로기판(230) 및 제2 입출로 기판(240)을 포함하며, 이 때, 이러한 적층구조가 연속적으로 반복될 수 있음은 앞서 설명한 상기 열교환기(100)에서와 같다.
상기 제1 유로기판(210)은 전체적으로 사각 플레이트 형상을 가지되, 제1 방향(X)의 끝단의 제2 모서리(212)는 한 쌍의 제1 및 제2 경사면들(213, 214)로 분기되도록 연장된다. 이 때, 상기 제1 유로기판(210)에서 상기 제1 방향(X)의 다른 끝단인 제1 모서리 역시 상기 제2 모서리(212)와 같이 한 쌍의 제1 및 제2 경사면들로 분기되도록 연장되는 구조임은 앞서 설명한 바와 같다.
즉, 상기 제1 유로기판(210)은 사각 플레이트 형상을 가지는 평판부(P)와, 상기 평판부(P)의 끝단에 형성되는 분기영역(S)으로부터 상기 제1 방향(X)으로 추가로 연장되는 제1 및 제2 경사면들(213, 214)을 포함하며, 상기 제1 및 제2 경사면들(213, 214)은 상기 제1 방향(X)의 연장 방향에 대하여 양의 45도(+45˚) 및 음의 45도(-45˚) 방향으로 각각 추가로 연장될 수 있다. 물론, 상기 제1 및 제2 경사면들(213, 214)이 연장되는 각도는 다양하게 가변될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 유로기판(210)의 제2 모서리(212) 측은, 전체적으로 ‘ㅅ’자 형상으로 연장될 수 있다.
상기 제1 유로기판(210)은 복수의 제1 유로들(217)을 포함하는데, 상기 제1 유로들(217)은 제1 연장 유로들(218) 및 제1 단축 유로들(219)을 포함한다. 이 때, 상기 제1 연장 유로들(218) 및 상기 제1 단축 유로들(219)은 복수개가 서로 교번적으로 형성된다.
상기 제1 연장 유로들(218) 각각은 상기 제1 방향(X)으로 상기 평판부(P) 상에서 연장되는 것은 물론, 상기 분기영역(S)을 통과하여 상기 제2 경사면(214) 상으로도 추가로 연장된다. 이에 따라, 상기 제1 연장 유로(218)는 수평 방향으로 연장된 이후, 예를 들어 양의 45도 만큼 꺾이면서 일 측 방향으로 경사지도록 연장될 수 있다.
물론, 이 때, 상기 제1 연장 유로들(218)은 상기 제1 경사면(213) 상으로 연장될 수도 있으나, 이 경우 후술되는 다른 기판 상에 형성되는 유로들의 배치 상태가 가변되므로, 설명의 편의상 상기 제1 연장 유로들(218)은 상기 제2 경사면(214) 상으로 연장되는 것을 예시하여 설명한다. 이 때, 상기 제1 연장 유로들(218)이 상기 제1 경사면(213) 상으로 연장되는 경우, 상기 제1 연장 유로들(218)은 마찬가지로 예를 들어 양의 45도 만큼 꺾이면서 일 측 방향으로 경사지도록 연장될 수 있다.
나아가, 상기 제1 연장 유로들(218)이 상기 제2 경사면(214) 상으로도 추가로 연장되는 경우라 하더라도, 상기 제1 연장 유로들(218)의 끝단이 상기 제2 경사면(214)의 외측으로 연장되지는 않는다. 즉, 상기 제2 경사면(214)의 끝단 모서리가 외측으로 개방되지 않으며, 상기 제1 연장 유로들(218)은 상기 제2 경사면(214)의 내부에서만 관통되며 연장된다.
이와 달리, 상기 제1 단축 유로들(219) 각각은 상기 제1 방향(X)으로 상기 평판부(P) 상에서만 연장되며, 상기 분기영역(S)에서는 상기 제1 연장 유로들(218) 각각이 연장되는 방향으로 일정 길이만큼만 연장되고, 상기 제2 경사면(214)은 물론 상기 제1 경사면(213)으로는 연장되지 않는다.
이에, 상기 제2 경사면(214)으로 연장되는 유로는 상기 제1 연장 유로들(218) 뿐이다. 또한, 상기 제2 경사면(214)으로 연장되는 상기 제1 연장 유로들(218) 사이의 간격은, 상대적으로 넓게 이격된다.
상기 제1 유로들(217)은 앞서와 같이 상기 제1 유로기판(210)을 관통하도록 개구되며 형성된다. 이 경우, 상기 제1 유로들(217)은 앞서 설명한 바와 같이, 도시는 생략하였으나, 상기 제1 모서리 측을 향하여 연장되며, 상기 제1 모서리에서의 분기 구조는 앞서 설명한 상기 제2 모서리(212) 측에서와 동일하게 대칭되는 구조를 가진다. 이 때, 이러한 대칭 구조에 대하여는 중복되는 것으로 설명을 생략한다.
이 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 유로들(217)의 타 끝단, 즉 상기 제2 경사면(214) 상에 형성되는 상기 제1 연장 유로들(218)의 끝단은 상기 제2 경사면(214)의 모서리를 개방시키지 않으며, 상기 제2 경사면(214)의 모서리와는 소정 거리 이격되도록 위치하게 된다.
상기 제1 입출로 기판(220)도, 전체적으로 사각 플레이트 형상을 가지되, 제1 방향(X)의 끝단의 제2 모서리(222)는 한 쌍의 제1 및 제2 분기면들(223, 224)로 분기되도록 연장된다. 이 때, 상기 제1 입출로 기판(220)은 상기 제1 유로기판(210) 상에 적층 및 접합되는 기판인 것으로, 상기 제1 입출로 기판(220)의 이러한 분기되는 형상 및 사각 플레이트 형상은 상기 제1 유로기판(210)과 실질적으로 동일하다.
상기 제1 입출로 기판(220)은, 복수의 제1 입출로들(227)을 포함하는데, 상기 제1 입출로들(227)은 제1 관통홀들(228) 및 제1 유입로들(229)을 포함한다.
상기 제1 관통홀들(228)은 상기 제1 입출로 기판(220)에서, 상기 분기면들(223, 224)이 연장되기 시작하는 분기영역(S) 상에 복수개가 일정한 간격으로 형성된다. 이 때, 상기 제1 관통홀들(228)은 상하방향으로 서로 적층되는 상기 제1 유로기판(210) 상에서, 상기 제1 단축 유로들(219)의 끝단들과 서로 정렬된다. 즉, 상기 제1 단축 유로들(219) 중 상기 분기영역(S)으로 연장되어 형성되는 끝단들이 상기 제1 관통홀들(228)과 각각 정렬되는 것으로, 이에 따라 상기 제1 관통홀들(228)과 상기 제1 단축 유로들(219)은 서로 개방된다.
이상과 같이, 상기 제1 관통홀들(228)의 서로 이격되는 간격은, 상기 제1 단축 유로들(219) 사이의 서로 이격되는 간격과 동일하여야 한다.
상기 제1 유입로들(229)은 상기 제2 분기면(224) 상에 복수개가 형성되는 것으로, 상기 제2 분기면(224)의 연장 방향과 평행한 방향으로 복수개가 형성된다. 이 때, 상기 제1 유입로들(229)의 끝단은 상기 제2 분기면(224)의 끝단 모서리까지 형성되는 것으로, 이에 따라 상기 제2 분기면(224)은 외부로 개방되는 구조를 가진다.
또한, 상기 제1 유입로들(229)은 상하방향으로 상기 제2 경사면(214)에 형성되는 상기 제1 연장 유로들(218)과 각각 중첩된다. 이 때, 상기 제1 유입로들(229)의 길이는 상기 제2 경사면(214) 또는 상기 제2 분기면(224)의 길이보다는 작게 형성되는 것으로, 이에 따라 상기 제1 연장 유로들(218)의 일부 길이에만 중첩될 수 있다.
즉, 상기 제1 유입로들(229)의 상기 제2 분기면(224) 상에서의 연장 길이는 상기 제1 연장 유로들(218)의 상기 제2 경사면(214) 상에서의 연장 길이와 일부 중첩되면 충분하며, 그 중첩되는 길이는 제한되는 것은 아니다.
이 경우, 상기 제1 입출로 기판(220)의 제1 모서리 측이 상기 제2 모서리(22) 측과 동일하게 대칭인 구조를 가짐은 앞서 설명한 바와 같다.
이상과 같이, 상기 제1 유입로들(229)이 상하방향으로 상기 제1 연장 유로들(218)과 중첩되므로, 상기 제1 유입로들(229)을 통해 유입되는 유체는 상기 제2 분기면(224)으로부터 상기 제2 경사면(214) 방향으로 상기 제1 연장유로들(218)로 제공된다.
한편, 상기 제1 연장유로들(218)은 상기 제1 유로기판(210) 상에 형성되는 것으로, 상기 제1 유입로들(229)을 통해 유입된 유체는, 상기 제1 유로기판(210)의 평판부(P)를 통과하고, 최종적으로는 상기 제1 유로기판(210)의 제1 모서리에 상기 제1 유입로들(229)과 대칭으로 형성되는 유출로를 통해 외부로 유출된다.
또한, 상기 제2 유로기판(230)도 전체적으로 사각 플레이트 형상을 가지되, 제1 방향(X)의 일 끝단의 제2 모서리(232)는 한 쌍의 제1 및 제2 경사면들(233, 234)로 분기되도록 연장된다.
이 때, 상기 제2 유로기판(230)은 상기 제1 입출로 기판(220) 상에 적층되며 접합되는 것으로, 유로를 제외한 구조나 형상은 실질적으로 동일하다.
상기 제2 유로기판(230)은 복수의 제2 유로들(237)을 포함하는데, 상기 제2 유로들(237)은 제2 연장 유로들(238) 및 제2 단축 유로들(239)을 포함한다. 이 때, 상기 제2 연장 유로들(238) 및 상기 제2 단축 유로들(239)은 서로 교번적으로 형성된다.
상기 제2 연장 유로들(238) 각각은 상기 제1 방향(X)으로 상기 평판부(P) 상에서 연장되는 것은 물론, 상기 분기영역(S)을 통과하여 상기 제1 경사면(233) 상으로도 추가로 연장된다. 즉, 상기 제2 연장 유로들(238)은 상기 제1 연장 유로들(218)이 연장되는 상기 제2 경사면(214) 방향이 아닌 상기 제1 경사면(233) 상으로 추가로 연장된다. 이에 따라, 상기 제2 연장 유로(238)는 수평 방향으로 연장된 이후, 예를 들어 음의 45도 만큼 꺾이면서 일 측 방향으로 경사지도록 연장될 수 있다.
이 때, 상기 제2 연장 유로(238)는 상기 제1 경사면(233)의 내부에서만 연장되는 것으로, 상기 제1 경사면(233)의 모서리를 관통하여 외부로 노출되지는 않는다.
이와 달리, 상기 제2 단축 유로들(239) 각각은 상기 제1 방향(X)으로 상기 평판부(P) 상에서만 연장되며, 상기 분기영역(S)에서는 상기 제2 연장 유로들(238) 각각이 연장되는 방향으로 일정 길이만큼만 연장되고, 상기 제2 경사면(234)은 물론 상기 제1 경사면(233)으로는 연장되지 않는다. 이에 따라, 상기 제1 경사면(233) 상에 형성되는 상기 제2 연장 유로들(238) 사이의 이격 간격은 상기 평판부(P)에서의 상기 제2 유로들(237) 사이의 이격 간격보다 증가하게 된다.
상기 제2 유로들(237)도 상기 제2 유로기판(230)을 관통하도록 개구되는데, 이 경우, 상기 제2 유로들(237)은 앞서 설명한 바와 같이, 도시는 생략하였으나, 상기 제1 모서리 측을 향하여 연장되며, 상기 제1 모서리에서의 분기 구조는 앞서 설명한 상기 제2 모서리(232) 측에서와 동일하게 대칭되는 구조를 가진다. 이 때, 이러한 대칭 구조에 대하여는 중복되는 것으로 설명을 생략한다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제2 유로들(237)의 타 끝단, 즉 상기 제1 경사면(233) 상에 형성되는 상기 제2 연장 유로들(238)의 끝단은 상기 제1 경사면(233)의 모서리를 개방시키지 않으며, 상기 제1 경사면(233)의 모서리와는 소정 거리 이격되도록 위치하게 된다.
또한, 상기 제1 관통홀들(228)은 상기 제1 입출로 기판(220)의 상면에 적층되는 상기 제2 유로기판(230)에 형성되는 제2 연장 유로들(238)과 정렬된다.
즉, 상기 제1 관통홀들(228)의 이격 거리는 상기 제2 연장 유로들(238)의 이격 거리와 동일하게 형성되어야 한다. 그리하여, 상하방향으로, 상기 제2 연장 유로들(238), 상기 제1 관통홀들(228) 및 상기 제1 단축 유로들(219)이 서로 개방되며 연결된다.
상기 제2 입출로 기판(240)도, 전체적으로 사각 플레이트 형상을 가지되, 제1 방향(X)의 끝단의 제2 모서리(242)는 한 쌍의 제1 및 제2 분기면들(243, 244)로 분기되도록 연장된다. 이 때, 상기 제2 입출로 기판(240)은 상기 제2 유로기판(230) 상에 적층 및 접합되는 기판인 것으로, 상기 제2 입출로 기판(240)의 이러한 분기되는 형상 및 사각 플레이트 형상은 상기 제2 유로기판(230)과 실질적으로 동일하다.
상기 제2 입출로 기판(240)은, 복수의 제2 입출로들(247)을 포함하는데, 상기 제2 입출로들(247)은 제2 관통홀들(248) 및 제2 유입로들(249)을 포함한다.
상기 제2 관통홀들(248)은 상기 제2 입출로 기판(240)에서, 상기 분기면들(243, 244)이 연장되기 시작하는 분기영역(S) 상에 복수개가 일정한 간격으로 형성된다. 이 때, 상기 제2 관통홀들(248)은 상하방향으로 서로 적층되는 상기 제2 유로기판(230) 상에서, 상기 제2 단축 유로들(239)의 끝단들과 서로 정렬된다. 즉, 상기 제2 단축 유로들(239) 중 상기 분기영역(S)으로 연장되어 형성되는 끝단들이 상기 제2 관통홀들(248)과 각각 정렬되는 것으로, 이에 따라 상기 제2 관통홀들(248)과 상기 제2 단축 유로들(239)은 서로 개방된다.
상기 제2 유입로들(249)은 상기 제1 분기면(243) 상에 복수개가 형성되는 것으로, 상기 제1 분기면(243)의 연장 방향과 평행한 방향으로 복수개가 형성된다. 이 때, 상기 제2 유입로들(249)의 끝단은 상기 제1 분기면(243)의 끝단 모서리까지 연장되어 형성되는 것으로, 이에 따라 상기 제1 분기면(243)은 끝단이 외부로 개방되는 구조를 가진다.
또한, 상기 제2 유입로들(249)은 상하방향으로 상기 제1 경사면(233)에 형성되는 상기 제2 연장 유로들(238)과 각각 중첩된다. 이 때, 상기 제2 유입로들(249)의 길이는 상기 제1 경사면(233) 또는 상기 제1 분기면(243)의 길이보다는 작게 형성되는 것으로, 이에 따라 상기 제2 연장 유로들(238)의 일부 길이에만 중첩될 수 있다.
즉, 상기 제2 유입로들(249)의 상기 제1 분기면(243) 상에서의 연장 길이는 상기 제2 연장 유로들(238)의 상기 제1 경사면(233) 상에서의 연장 길이와 일부 중첩되면 충분하며, 그 중첩되는 길이는 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 제2 입출로 기판(240)의 제1 모서리가 상기 제2 모서리(242)와 대칭 구조를 가지며 동일한 기능을 수행함은 앞서 설명한 바와 같다.
이상과 같이, 상기 제2 유입로들(249)이 상하방향으로 상기 제2 연장 유로들(238)과 중첩되므로, 상기 제2 유입로들(249)을 통해 유입되는 유체는 상기 제1 분기면(243)으로부터 상기 제1 경사면(233) 방향으로 상기 제2 연장유로들(238)로 제공된다.
한편, 상기 제2 연장유로들(238)은 상기 제2 유로기판(230) 상에 형성되는 것으로, 상기 제2 유입로들(249)을 통해 유입된 유체는, 상기 제2 유로기판(230)의 평판부(P)를 통과하고, 최종적으로는 상기 제2 유로기판(230)의 제1 모서리에 제2 유입로들(249)과 대칭으로 형성된 유출로를 통해 외부로 유출된다.
또한, 상기 제2 관통홀들(248)은 도시하지는 않았으나, 상기 제2 입출로 기판(240)의 상면에 적층되는 상기 제1 유로기판(210)에 형성되는 제1 연장 유로들(218)과 정렬된다.
한편, 상기 제1 관통홀들(228)과 상기 제1 단축 유로들(219)은 서로 개방되고, 상기 제2 관통홀들(248)과 상기 제2 단축 유로들(239)은 서로 개방됨은 앞서 설명한 바와 같다.
이 때, 상기 제1 유로기판(210)의 하면에 상기 제2 입출로 기판(240)이 적층되고, 상기 제2 입출로 기판(240)의 상면에 상기 제1 유로기판(210)이 적층되므로, 결국, 상기 제2 관통홀들(248)은 하면에서는 상기 제2 단축 유로들(239)과 개방되고 상면에서는 상기 제1 연장 유로들(218)과 개방된다.
마찬가지로, 상기 제1 관통홀들(228)은 하면에서는 상기 제1 단축 유로들(219)과 개방되고 상면에서는 상기 제2 연장 유로들(238)과 개방된다.
그리하여, 도 5a 내지 도 5c를 통해 도시된 바와 같이, 상기 제1 유입로들(229)을 통해 유입된 유체는 상기 제1 연장유로(218)를 따라 유동되어 상기 제1 유로기판(210)의 제1 모서리에 형성되는 유출로들을 통해 외부로 유출될 수 있으며, 이와 동시에 상기 제2 관통홀(248)을 통과하여 상기 제2 단축유로(239)로도 유동될 수 있고, 이렇게 상기 제2 단축유로(239)로 유동된 유체는 상기 제2 유로기판(230)의 제1 모서리에서 상기 제1 연장유로와 합쳐져 상기 제1 모서리에 형성된 유출로들을 통해 외부로 유출될 수 있다.
이와 달리, 상기 제2 유입로들(249)을 통해 유입된 유체는 상기 제2 연장유로(238)를 따라 유동되어 상기 제2 유로기판(230)의 제1 모서리에 형성된 유출로들을 통해 외부로 유출될 수 있으며, 이와 동시에 상기 제1 관통홀(228)을 통과하여 상기 제1 단축유로(219)로도 유동될 수 있고, 이렇게 상기 제1 단축유로(219)로 유동된 유체는 상기 제1 유로기판(210)의 제1 모서리에서 상기 제2 연장유로와 합쳐져 상기 제1 모서리에 형성된 유출로들을 통해 외부로 유출될 수 있다.
즉, 이러한 복합적인 유체의 유동에 의해, 도 5c에서와 같이, 하나의 기판 상에서도 좌우방향으로 서로 인접하는 유로에 서로 다른 종류의 유체(즉, 냉각 유체와 가열 유체)가 통과하는 것은 물론, 상하로 적층된 기판 상에서도 상하방향으로 서로 인접하는 유로에 서로 다른 종류의 유체가 통과할 수 있는, 복합 유로의 형성이 가능하게 된다.
특히, 상기 분기면들 또는 상기 경사면들이 향하는 위치가 다르기 때문에, 상기 제1 유입로(229)의 위치와 상기 제2 유입로(249)의 위치가 서로 다르게 위치하게 된다. 따라서, 상기 제1 유입로(229)로 예를 들어 냉각 유체를 제공하는 냉각 유체 제공부(미도시)와, 상기 제2 유입로(249)로 예를 들어 가열 유체를 제공하는 가열 유체 제공부(미도시)는 서로 다른 방향으로 배치될 수 있으며, 이에 따라 전체적인 배치 설계의 용이성 및 공간 활용도 향상이 가능하게 된다.
특히, 본 실시예에 의한 상기 열교환기(200)는, 상하방향으로 서로 적층되는 제1 유로기판(210), 제1 입출로 기판(220), 제2 유로기판(230) 및 제2 입출로 기판(240)을 포함하며, 이 때, 이러한 적층구조가 연속적으로 반복된다 하더라도 상기 제1 유입로(229)들과 상기 제2 유입로(249)들이 적층 방향을 따라 서로 개방될 뿐, 적층 방향과 수직한 평면상에서 고정된 지점에 위치하게 된다. 따라서, 상기 제1 유입로(229)에 유체를 제공하는 유체 제공부(미도시)와, 상기 제2 유입로(249)에 유체를 제공하는 유체 제공부(미도시)의 전체적인 배치 설계의 용이성 및 공간 활용도 향상이 가능하게 된다.
한편, 본 실시예에서, 상기 제1 연장유로(218)와 상기 제2 단축유로(239)를 통과하는 유체는 반대 방향으로 유동될 수 있다. 즉, 상기 제1 연장유로(218)와 상기 제2 단축유로(239)를 통과하는 유체는 상기 제1 모서리에 형성된 유출로들로 유입시키고, 상기 제1 유입로(229)로 유출시킴으로, 열교환 성능을 제어할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 적층형 열교환기를 도시한 분해 사시도이다. 도 7a는 도 6의 VI-VI' 선을 따라 절단한 단면도이고, 도 7b는 도 6의 VII-VII' 선을 따라 절단한 단면도이다.
본 실시예에 의한 상기 열교환기(300)의 경우, 제1 및 제2 유입로들(329, 349)의 구조를 제외하고는, 도 4 내지 도 5c를 참조하여 설명한 상기 열교환기(200)와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.
도 6 내지 도 7b를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 열교환기(300)도, 제1 유로기판(310), 제1 입출로 기판(320), 제2 유로기판(330) 및 제2 입출로 기판(340)을 포함하며, 각 기판들의 평면 연장 형상은 물론 분기되는 제2 모서리의 분기 형상은 모두 동일하고, 상기 제2 모서리의 분기 형상과 대칭되는 제1 모서리의 분기 형상에 대하여는 대칭 구조를 가져 도면에서의 도시가 생력된 것은, 앞선 상기 열교환기(200)에서와 같다.
또한, 상기 제1 유로기판(310)에 형성되는 제1 유로(317), 및 상기 제2 유로기판(330)에 형성되는 제2 유로(337) 역시 그 구조는 앞선 상기 열교환기(200)에서와 같다.
다만, 상기 제1 입출로 기판(320)에 형성되는 제1 유입로(329)는, 복수의 유로들이 평행하게 연장되는 구조가 아니며, 하나의 일체화된 개구부가 제2 분기면(324) 상에 전체적으로 형성되는 구조를 가진다. 이에, 상기 제2 분기면(324)은 끝단 측이 개방되는 구조를 가지며 도시된 바와 같이, 전체적으로 ‘ㄷ’자 형상의 프레임 구조를 가질 수 있다.
이 때, 상기 제1 유입로(329)가 형성되는 면적은, 결국 상하방향으로 서로 중첩되는 상기 제1 연장유로(318)가 형성되는 면적을 고려하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 연장유로(318)가 상기 제2 경사면(314) 상에서 형성되는 길이를 고려하여, 상기 제1 유입로(329)가 상기 제2 분기면(324) 상에서 형성되는 길이가 결정될 수 있다. 마찬가지로, 상기 제1 연장유로들(318)이 상기 제2 경사면(314) 상에서 서로 이격되며 형성되는 경우, 가장 외측에 위치하는 제1 연장유로들(318) 사이에서의 간격을 고려하여, 상기 제1 유입로(329)가 상기 제2 분기면(324) 상에서 형성되는 너비가 결정될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 유입로(329)는 상기 제1 연장유로(318)와 길이방향으로는 일부 길이가 중첩되면 충분하므로, 상기 제1 연장유로(318)가 상기 제2 경사면(314) 상에서 연장되는 길이와 일부 중첩되는 길이를 가지도록 형성되면 충분하다.
다만, 상기 제1 유입로(329)는 상기 제1 연장유로들(318) 전체와 서로 중첩되어야 하므로, 상기 제2 경사면(314) 상에서 형성되는 양 측 가장 외측의 상기 제1 연장유로들(318)과 중첩되는 너비를 가져야 한다. 이에, 상기 제1 유입로(329)의 너비는 상기 제1 연장유로들(318) 중 가장 외측에 형성되는 제1 연장유로들(318)과 모두 중첩되는 너비를 가져야 한다.
또한, 상기 제2 입출로 기판(340)에 형성되는 제2 유입로(349) 역시, 하나의 일체화된 개구부가 제1 분기면(343) 상에 전체적으로 형성되는 구조를 가지다. 이에, 상기 제1 분기면(343) 역시 끝단 측이 개방되는 구조를 가지며 도시된 바와 같이, 전체적으로 ‘ㄷ’자 형상의 프레임 구조를 가질 수 있다.
이러한 ‘ㄷ’자 형상의 프레임 구조는, 도시하지는 않았으나, 상기 제1 모서리 측에 대칭으로 형성됨은 앞서 설명한 바와 같다.
나아가, 상기 제2 유입로(349)가 형성되는 면적 역시, 상기 제1 유입로(329)가 형성되는 면적에서와 같이, 상하방향으로 중첩되는 상기 제2 연장유로(338)의 형성 면적을 고려하여야 한다.
이에, 상기 제2 유입로(349)는 상기 제2 연장유로(338)와 길이방향으로는 일부 길이가 중첩되면 충분하므로, 상기 제2 연장유로(338)가 상기 제1 경사면(343) 상에서 연장되는 길이와 일부 중첩되는 길이를 가지도록 형성되면 충분하다.
다만, 상기 제2 유입로(349)는 상기 제2 연장유로들(338) 전체와 서로 중첩되어야 하므로, 상기 제1 경사면(343) 상에서 형성되는 양 측 가장 외측의 상기 제2 연장유로들(338)과 중첩되는 너비를 가져야 한다. 이에, 상기 제2 유입로(349)의 너비는 상기 제2 연장유로들(338) 중 가장 외측에 형성되는 제2 연장유로들(338)과 모두 중첩될 수 있는 너비를 가져야 한다. 기타, 설명이 생략되는 유로나 관통홀들의 구조나 형상은 앞선 상기 열교환기(200)에서와 같다.
한편, 이러한 본 실시예에 의한 상기 열교환기(300)에서는, 유체의 복합 유동은 앞선 상기 열교환기(200)에서와 실질적으로 동일하다.
즉, 도 7a 및 도 7b를 추가로 참조하면, 상기 제1 유입로(329)를 통해 유입된 유체는 상기 제1 연장유로(318)를 따라 유동되고, 최종적으로는 상기 제1 유로기판(310)의 제1 모서리에 상기 제1 유입로(329)와 대칭으로 형성된 유출로를 통해 외부로 유출될 수 있으며, 이와 동시에 상기 제2 관통홀(348)을 통과하여 상기 제2 단축유로(339)로도 유동될 수 있고, 이렇게 상기 제2 단축유로(339)로 유동된 유체는 상기 제2 유로기판(330)의 제1 모서리에 형성되는 유출로를 통해 외부로 유출될 수 있다.
이와 달리, 상기 제2 유입로(349)를 통해 유입된 유체는 상기 제2 연장유로(338)를 따라 유동되어 상기 제2 유로기판(330)의 제1 모서리에 형성되는 유출로를 통해 외부로 유출될 수 있으며, 이와 동시에 상기 제1 관통홀(328)을 통과하여 상기 제1 단축유로(319)로도 유동될 수 있고, 이렇게 상기 제1 단축유로(319)로 유동된 유체는 상기 제1 유로기판(310)의 제1 모서리에 형성되는 유출로를 통해 외부로 유출될 수 있다.
즉, 이러한 복합적인 유체의 유동에 의해, 도 5c에서 설명한 바와 같이, 하나의 기판 상에서도 좌우방향으로 서로 인접하는 유로에 서로 다른 종류의 유체(즉, 냉각 유체와 가열 유체)가 통과하는 것은 물론, 상하로 적층된 기판 상에서도 상하방향으로 서로 인접하는 유로에 서로 다른 종류의 유체가 통과할 수 있는, 복합 유로의 형성이 가능하게 된다.
또한, 본 실시예의 경우에도, 상기 분기면들 또는 상기 경사면들이 향하는 위치가 다르기 때문에, 상기 제1 유입로(329)의 위치와 상기 제2 유입로(349)의 위치가 서로 다르게 위치하게 된다. 따라서, 상기 제1 유입로(329)로 예를 들어 냉각 유체를 제공하는 냉각 유체 제공부(미도시)와, 상기 제2 유입로(349)로 예를 들어 가열 유체를 제공하는 가열 유체 제공부(미도시)는 서로 다른 방향으로 배치될 수 있으며, 이에 따라 전체적인 배치 설계의 용이성 및 공간 활용도 향상이 가능하게 된다.
또한, 상기 제1 유입로(329)와 상기 제2 유입로(349)를 흐르는 유체의 경우, 유동 단면적이 확대됨으로, 유입로 내부에서 발생하는 압력강하를 줄일 수 있다는 장점을 얻을 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 적층형 열교환기에서 기판들의 적층구조에서, 상하방향으로 서로 유로가 연결되도록 제작함으로써, 냉각유로와 가열유로, 나아가 작동유체의 복합유로를 형성할 수 있다.
특히, 냉각유체, 가열유체 또는 작동유체의 유입구나 유출구와, 상기 유체들의 유동유로들을 서로 다른 기판 상에 형성함으로써, 유입구 및 유출구의 위치나 유로의 형상을 다양하게 구성할 수 있으며, 분리되어 유동되어야 하는 유체들의 유입구 및 유출구를 효과적으로 구분할 수 있어, 복합유로의 구성이 용이하다.
이에, 상기 복합유로의 구성을 통해, 종래 하나의 기판에 하나의 냉각유체 또는 가열유체만 유동될 수 있는 한계를 개선할 수 있으며, 열교환의 성능을 보다 향상시킬 수 있으며, 내압 성능을 우수하게 유지할 수 있다.
이는, 기판 상에 레이저 가공 또는 워터젯(waterjet) 가공 등과 같은 상용 절단 가공공정을 통해 관통되는 구조의 유로를 형성하는 것으로 구현될 수 있는 것으로, 종래의 에칭 공정을 통한 유로 형성에서 에칭 조건을 복잡하게 제어해야 하는 문제를 해결하여, 단순한 절단 가공공정으로 보다 용이하고 복잡한 유로의 형성이 가능할 수 있다.
나아가, 분기되며 연장되는 기판을 적층 형성한 상태에서, 관통홀과 입출로를 최적 설계함으로써, 냉각유체와 가열유체를 하나의 유입로를 통해서만 제공하는 것으로, 하나의 기판 상에 냉각유체와 가열유체가 교번적으로 공급될 수 있으므로, 열교환 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (20)

  1. 제1 방향으로 연장되는 복수의 제1 유로들이 형성되는 제1 유로기판; 및
    상기 제1 유로기판 상에 적층되고, 상기 제1 방향으로 서로 마주하는 모서리들 각각에 복수의 제1 입출로들이 형성되는 제1 입출로 기판을 포함하며,
    상기 제1 유로들 각각은 상기 제1 유로기판을 관통하여 연장되고,
    상기 제1 입출로들 각각은 상기 제1 유로들 각각과 일부 중첩되어, 상기 제1 입출로들을 통해 유입 또는 유출되는 유체가 상기 제1 유로들로 제공되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 입출로들 각각은,
    상기 제1 입출로 기판의 제1 모서리에서 상기 제1 입출로 기판을 관통하여 소정 길이만큼 연장되는 제1 유입로; 및
    상기 제1 모서리에 마주하는 제2 모서리에서 상기 제1 입출로 기판을 관통하여 소정 길이만큼 연장되는 제1 유출로를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 입출로 기판 상에 적층되고, 상기 제1 유로들의 연장 방향과 다른 방향으로 연장되는 복수의 제2 유로들이 형성되는 제2 유로기판; 및
    상기 제2 유로기판 상에 적층되고, 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 서로 마주하는 모서리들 각각에 복수의 제2 입출로들이 형성되는 제2 입출로 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 유로들 각각은 상기 제2 유로기판을 관통하여 연장되고,
    상기 제2 입출로들 각각은 상기 제2 유로들 각각과 일부 중첩되어, 상기 제2 입출로들을 통해 유입 또는 유출되는 유체가 상기 제2 유로들로 제공되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2 입출로들 각각은,
    상기 제2 입출로 기판의 제3 모서리에서 상기 제2 입출로 기판을 관통하여 소정 길이만큼 연장되는 제2 유입로; 및
    상기 제3 모서리에 마주하는 제4 모서리에서 상기 제2 입출로 기판을 관통하여 소정 길이만큼 연장되는 제2 유출로를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제2 유로들 각각은,
    상기 제2 유입로와 일부 중첩되며 상기 제2 방향을 따라 연장되는 제1 서브유로;
    상기 제1 서브유로로부터 연장되어 상기 제1 방향을 따라 연장되는 제2 서브유로; 및
    상기 제2 서브유로로부터 연장되어 상기 제2 방향을 따라 연장되고 상기 제2 유출로와 일부 중첩되는 제3 서브유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 유로들, 상기 제2 유로들, 상기 제1 입출로들 및 상기 제2 입출로들 각각은,
    상기 제1 유로기판, 상기 제2 유로기판, 상기 제1 입출로 기판 및 상기 제2 입출로 기판에 절단 가공 공정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 유로들, 상기 제2 유로들, 상기 제1 입출로들 및 상기 제2 입출로들 각각은,
    복수개가 서로 동일한 이격거리를 가지면서 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제1 입출로들을 통해서 유입 및 유출되는 유체의 온도와, 상기 제2 입출로들을 통해서 유입 및 유출되는 유체의 온도는 서로 다른 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  10. 양 끝단의 모서리들 각각이 서로 다른 방향으로 연장되는 제1 및 제2 경사면들로 분기되고, 복수의 제1 유로들이 형성되는 제1 유로기판; 및
    상기 제1 유로기판 상에 적층되고, 양 끝단의 모서리들 각각이 상기 제1 및 제2 경사면들과 각각 중첩되며 연장되는 제1 및 제2 분기면들로 분기되고, 복수의 제1 입출로들이 형성되는 제1 입출로 기판을 포함하고,
    상기 제1 유로들 각각은 상기 제1 유로기판을 관통하여 연장되고,
    상기 제1 입출로들 각각은 상기 제1 유로들 각각과 일부 중첩되어, 상기 제1 입출로들을 통해 유입되는 유체가 상기 제1 유로들로 제공되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 유로들 각각은,
    상기 제1 유로기판의 평판부를 따라 제1 방향으로 연장되는 제1 단축유로; 및
    상기 제1 유로기판의 평판부 및 상기 제1 경사면을 따라 연장되는 제1 연장유로를 포함하고,
    상기 제1 입출로들 각각은,
    상기 제1 단축유로의 끝단과 정렬되며, 상기 제1 입출로 기판을 관통하도록 형성되는 제1 관통홀; 및
    상기 제1 경사면을 따라 형성되며, 상기 1 연장유로와 일부 중첩되는 제1 유입로를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 단축유로들 및 상기 제1 연장유로들은 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 교번적으로 형성되고,
    상기 제1 단축유로들 및 상기 제1 연장유로들은 상기 제1 유로기판을 관통하며 연장되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제1 유입로는,
    하나의 단일유로로 상기 제1 경사면 상에 소정 면적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 유입로의 면적은,
    상기 제1 연장유로의 길이 방향으로는 상기 제1 연장유로와 일부 중첩되고,
    상기 제1 연장유로의 너비 방향으로는 최 외측의 제1 연장유로들과 중첩되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 입출로 기판 상에 적층되고, 양 끝단의 모서리들 각각이 서로 다른 방향으로 연장되는 제1 및 제2 경사면들로 분기되고, 복수의 제2 유로들이 형성되는 제2 유로기판; 및
    상기 제2 유로기판 상에 적층되고, 양 끝단의 모서리들 각각이 상기 제2 유로기판의 제1 및 제2 경사면들과 각각 중첩되며 연장되는 제1 및 제2 분기면들로 분기되고, 복수의 제2 입출로들이 형성되는 제2 입출로 기판을 더 포함하며,
    상기 제2 유로들 각각은 상기 제2 유로기판을 관통하여 연장되고,
    상기 제2 입출로들 각각은 상기 제2 유로들 각각과 일부 중첩되어, 상기 제2 입출로들을 통해 유입되는 유체가 상기 제2 유로들로 제공되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 유로들 각각은,
    상기 제2 유로기판의 평판부를 따라 상기 제1 방향으로 연장되는 제2 단축유로; 및
    상기 제2 유로기판의 평판부 및 상기 제2 경사면을 따라 연장되는 제2 연장유로를 포함하고,
    상기 제2 입출로들 각각은,
    상기 제2 단축유로의 끝단과 정렬되며, 상기 제2 입출로 기판을 관통하도록 형성되는 제2 관통홀; 및
    상기 제2 경사면을 따라 연장되며, 상기 제2 연장유로와 일부 중첩되는 제2 유입로를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제2 유입로는,
    하나의 단일유로로 상기 제2 경사면 상에 소정 면적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 관통홀은 상기 제2 연장유로와 적층방향으로 서로 개방되어,
    상기 제2 유입로를 통해 유입된 유체는 상기 제2 연장유로로 유동되거나, 상기 제2 연장유로 및 상기 제1 관통홀을 통과하여 상기 제1 단축유로로 유동되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 제2 관통홀은 상기 제1 연장유로와 적층방향으로 서로 개방되어,
    상기 제1 유입로를 통해 유입된 유체는 상기 제1 연장유로로 유동되거나, 상기 제1 연장유로 및 상기 제2 관통홀을 통과하여 상기 제2 단축유로로 유동되는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
  20. 제15항에 있어서,
    상하 방향으로 적층되는 상기 제1 유로기판, 상기 제1 입출로 기판, 상기 제2 유로기판 및 상기 제2 입출로 기판에서,
    좌우방향으로 서로 인접하는 유로, 및 상하방향으로 서로 인접하는 유로에서 서로 다른 종류의 유체가 통과하는 것을 특징으로 하는 적층형 열교환기.
PCT/KR2024/006316 2023-06-29 2024-05-10 가공 공정으로 제작된 유로기판을 이용한 적층형 열교환기 Ceased WO2025005452A1 (ko)

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