KR100594185B1 - Plate with three-dimensional microchannel and heat exchanger using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열교환기에 적층 형성되며, 대각선 방향 모서리에 형성된 유입구 및 유출구와 부분적으로 연통되는 유체 유입부 및 유체 유출부를 구비하고, 상기 유체 유입부와 유체 유출부 사이에 형성되어 유입구로부터 유입된 유체를 유체 유입부로부터 유체 유출부를 통해 유출구로 흐르도록 하는 마이크로 채널을 구비하는 플레이트로서, 상기 마이크로 채널은: 상기 플레이트의 전방면에 소정의 간격을 가지고 배열 형성되는 다수개의 전방면 오목홈들과; 상기 플레이트의 후방면에 소정의 간격을 가지고 배열 형성되되, 상기 전방면 오목홈들의 형성방향과는 어긋나는 방향으로 형성되는 다수개의 후방면 오목홈들과; 그리고 상기 전방면 오목홈들의 저부와, 상기 전방면 오목홈들과 어긋나는 방향으로 형성되는 후방면 오목홈들의 저부가 만나는 부분에서 상기 플레이트가 관통 형성되어, 전방면 오목홈을 흐르는 유체와 후방면 오목홈을 흐르는 유체가 혼합되도록 하는 복수개의 혼합공간들을 구비하는 것을 특징으로 하며, 상기 혼합공간에서 주유동 방향과 다른 방향을 가지는 2차 유동인 와류를 발생시키는 플레이트를 제공하며, 상기 2차 유동에 의해서 이웃하는 플레이트 사이에 열교환 효율을 높일 수 있는 열교환기를 제공한다.According to the present invention, a fluid inlet and a fluid outlet part are formed in a heat exchanger and partially communicated with inlets and outlets formed at diagonal corners, and are formed between the fluid inlet part and the fluid outlet part to draw fluid introduced from the inlet part. A plate having microchannels for flowing from a fluid inlet to a outlet through a fluid outlet, the microchannel comprising: a plurality of front concave grooves arranged at predetermined intervals on the front face of the plate; A plurality of rear surface concave grooves arranged on the rear surface of the plate at predetermined intervals, the rear surface concave grooves being formed in a direction that is displaced from a direction in which the front concave grooves are formed; The plate is formed through the bottom portion of the front concave grooves and the bottom of the rear concave grooves formed in a direction that is displaced from the front concave grooves so that the fluid flowing through the front concave groove and the rear concave groove. It characterized in that it comprises a plurality of mixing spaces for allowing the fluid flowing through the mixing, and provides a plate for generating a vortex which is a secondary flow having a direction different from the main flow direction in the mixing space, the neighboring by the secondary flow It provides a heat exchanger that can increase the heat exchange efficiency between the plates.
열교환기, 플레이트, 3차원 마이크로 채널, MEMSHeat exchanger, plate, three-dimensional microchannels, MEMS
Description
도 1은 종래의 마이크로 채널을 구비한 플레이트를 도시한 도면;1 shows a plate with conventional microchannels;
도 2는 도 1의 플레이트를 사용한 종래의 열교환기의 열교환 상태를 나타내는 도면;2 is a view showing a heat exchange state of a conventional heat exchanger using the plate of FIG.
도 3은 본 발명에 따르는 3차원 마이크로 채널이 형성된 플레이트의 일실시예를 나타내는 도면;3 shows an embodiment of a plate on which a three-dimensional microchannel is formed in accordance with the present invention;
도 4는 도 3의 마이크로 채널 중 하나를 확대하여 도시한 확대 사시도;4 is an enlarged perspective view showing one of the microchannels of FIG. 3 in an enlarged manner;
도 5는 본 발명에 따르는 3차원 마이크로 채널이 형성된 플레이트의 또 다른 실시예를 나타내는 도면;5 shows yet another embodiment of a plate on which a three-dimensional microchannel is formed according to the invention;
도 6은 도 5의 마이크로 채널 중 일부를 확대하여 도시한 확대 사시도;6 is an enlarged perspective view illustrating an enlarged portion of the microchannel of FIG. 5;
도 7의 (a), (b), (c)는 본 발명에 따르는 마이크로 채널의 패턴의 또 다른 실시예를 나타내는 도면; 그리고 7 (a), 7 (b) and 7 (c) show another embodiment of a pattern of microchannels according to the present invention; And
도 8은 본 발명에 따르는 3차원 마이크로 채널이 형성된 플레이트를 이용한 열교환기의 구조를 나타내는 도면이다.8 is a view showing the structure of a heat exchanger using a plate on which three-dimensional microchannels are formed according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
20 : 플레이트 21 : 관통홀20
22 : 유체 유입부 23 : 유체 유출부22: fluid inlet 23: fluid outlet
30 : 3차원 마이크로 채널 31 : 전방면 오목홈30: three-dimensional microchannel 31: front concave groove
32 : 후방면 오목홈 33 : 혼합공간32: rear concave groove 33: mixing space
40 : 격판40: diaphragm
본 발명은 마이크로 채널을 가지고 열교환기를 구성하는 플레이트 및 이를 이용한 열교환기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 유동 혼합을 보다 활발히 일으킬 수 있는 3차원 마이크로 채널을 형성하고, 상기 유동 혼합으로 인해서 발생하는 와류 등의 2차 유동에 의해서 열교환 성능을 향상시킨 3차원 마이크로 채널을 구비한 플레이트 및 이를 이용한 열교환기에 관한 것이다. The present invention relates to a plate having a microchannel and constituting a heat exchanger, and a heat exchanger using the same. More specifically, a plate having a three-dimensional microchannel which forms a three-dimensional microchannel capable of more actively mixing flow, and has improved heat exchange performance by a secondary flow such as a vortex generated by the flow mixing, and the same. It relates to a heat exchanger used.
열교환기에 사용되는 마이크로 채널이란 특성 길이가 1 mm보다 작고 1㎛보다 큰 채널을 말한다. MEMS(Micro Elector-Mechanical System) 기술 중 하나인 마이크로 채널을 구비하는 열교환기는, 정상상태의 관내 유동에서 관내 열전달 계수가 관직경에 반비례한다는 것을 이용하여 폭이 좁은 마이크로 채널을 만들고 그 채널 속으로 유체를 흘려 고온의 유체와 저온을 유체를 열교환시킴으로써 소형 장치의 냉각에 사용된다. Microchannels used in heat exchangers are channels whose characteristic length is less than 1 mm and larger than 1 μm. Heat exchangers with microchannels, one of the MEMS (Micro Elector-Mechanical System) technologies, make narrow microchannels by making the heat transfer coefficients inversely proportional to the diameter of the tubes in steady-state tube flow, It is used for the cooling of small devices by flowing heat exchanged fluid with high temperature and low temperature.
최근 기계 및 전자장비가 점점 소형화됨에 따라 단위면적당 발열량이 크게 증가하게 되었으며, 이로 인해서 시스템을 안정적으로 운영할 수 있도록 냉각시키 는 냉각시스템의 한계를 초과하여 시스템의 불안정 및 운영 정지의 문제가 대두되고 있다. The recent miniaturization of mechanical and electronic equipment has resulted in a significant increase in the amount of heat generated per unit area, which has led to the problem of system instability and shutdown due to exceeding the limit of the cooling system that cools the system for stable operation. have.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 마이크로 채널을 구비한 소형의 열교환기에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 현재에는 도 1 및 도 2에 도시한 것과 같은 마이크로 채널을 구비한 플레이트 및 이를 사용하여 소형 장치를 냉각시키는 열교환기가 사용되고 있다. 이러한 열교환기는 전자 장비뿐만 아니라 빠른 시간 안에 목표온도에 도달하는 것이 필요한 화학공정에 사용되고 있으며 특히 현재에는 연료로부터 수소를 분리하는 기기인 연료전지의 개질기(reformer)에도 활발하게 사용되고 있다. In order to solve this problem, studies on a small heat exchanger having a micro channel have been actively conducted. At present, a plate having a micro channel as shown in FIGS. 1 and 2 and a small device using the same are cooled. Heat exchanger is used. Such heat exchangers are used not only for electronic equipment, but also for chemical processes that require reaching a target temperature in a short time, and are particularly actively used in reformers of fuel cells, which are devices that separate hydrogen from fuel.
도 2에 도시한 바와 같이, 열교환기는 내부에 상기 마이크로 채널(11 : 11a, 11b)을 구비하는 플레이트(10 : 10a, 10b)를 적층하고 고온의 유체가 흐르는 플레이트(10a)의 전방 또는 후방에 저온의 유체가 흐르는 플레이트(10b)를, 또는 저온의 유체가 흐르는 플레이트의 전방 또는 후방에 고온의 유체가 흐르는 플레이트를 배치하는 구성을 가지고 있다. 구체적으로 살펴보면, 도 1에 도시한 바와 같이 각각의 플레이트(10)는 전체적으로 사각형의 형상을 가지고 있으며, 일측면에 대각선 방향으로 유체가 흐를 수 있도록 오목하게 파인 유체 수용부(12)를 구비하고 있다. 상기 유체 수용부(12)의 중앙부에는 직선형태를 가지는 다수개의 마이크로 채널(11)이 배열 형성되어 있다. As shown in FIG. 2, the heat exchanger has a plate 10: 10a and 10b having the microchannels 11: 11a and 11b stacked therein, and is placed in front of or behind the
또한 상기 플레이트(10)의 대각선 방향으로 유입구(13) 및 유출구(14)가 형성되어 있으며 상기 유입구(13) 및 유출구(14)의 위치까지 상기 유체 수용부(12)가 형성되어 있다. 유체는 도 2에 도시한 것과 같이 유입구(13) 및 유출구(14)를 관통하여 흐르며 유입구(13)를 통해서 유체 수용부(12)의 좌측 공간으로 흘러들어와 유체 수용부(12)의 중앙에 형성된 마이크로 채널(11)을 통과하여 유체 수용부(12)의 우측으로 흘러들어가 유출구(14)를 통해서 유출된다. 도 1에서 플레이트(10)에 형성된 유입구(13) 및 유출구(14)와 대칭되는 위치에 형성된 홀(15)은 유체 수용부(12)와 연결되어 있지 않기 때문에, 도 2에 도시한 것과 같이 이웃하는 플레이트로 유체를 통과시키는 기능을 할 뿐, 유체 수용부(12)로 유체가 흐르게 되지 않는다. 또한 마이크로 채널(11)은 도 1의 확대도에 기재된 바와 같이 다수개의 오목홈(110)이 소정의 간격을 가지고 배열되어 있는 구조를 가지고 있으며, 상기 오목홈(110)을 통해서 유체가 통과하게 된다.In addition, the
이러한 플레이트(10)가 여러개 적층되어 열교환기를 이루게 되며, 도 2에 도시한 것과 같이, 플레이트(10a)는 유체가 좌측에서 우측으로 흐르도록 형성된 유체 수용부(12a) 및 마이크로 채널(11a)을 구비하고 있으며, 이웃하게 위치되는 플레이트(10b)는 유체가 우측에서 좌측에서 흐르도록 형성된 유체 수용부(12b)를 구비하고 있다. 플레이트(10a)에는 유입구(13a)를 통해서 들어온 고온의 유체가 유체 수용부(12a) 및 마이크로 채널(11a)을 통과하여 유출구(14a)로 흐르게 되며, 마찬가지로 플레이트(10b)에 유입구(13b)를 통해서 들어온 저온의 유체가 마이크로 채널(11b)을 통과하여 유출구(14b)로 흐르게 된다. 상기 플레이트(10a)에 형성된 홀(15a)은 유체를 플레이트(10a)의 유체 수용부(12a) 및 마이크로 채널(11a)로는 통과하지 않고 이웃하는 플레이트(10b)의 유입구(13b)로 흐르도록 하며, 상기 플레이트(10b)에 형성된 홀(15b) 역시 유체를 플레이트(10b)의 유체 수용부(12b) 및 마이크로 채널(11b)로는 통과시키지 않고 이웃하는 또 다른 플레이트의 유입구로 흐르도록 한다. 따라서 상기 적층된 플레이트(10a, 10b)는 각각 고온의 유체 및 저온의 유체 만이 흐르게 되며 각각의 고온의 유체 및 저온의 유체는 마이크로 채널(11a, 11b)을 이동하면서 서로 열교환하게 된다.
상기 살펴 본 마이크로 열교환기의 플레이트(10)에 형성된 마이크로 채널(11)은 직관 형태를 가지고 있고, 고온의 유체와 저온의 유체 사이의 거리도 마이크로 단위이므로 전도 열저항이 적어져 높은 열전달 성능을 나타낸다. 하지만 마이크로 채널(11)을 지나는 유동 또한 마이크로 단위의 특성 길이를 가지므로 마이크로 채널(11)을 지나는 유체의 속도가 큰 경우에도 그 유동의 형태는 층류가 되고 유동 방향에 대해서 수직방향을 가지는 2차 유동이 없기 때문에 대류로 인한 열전달의 효과를 낼 수 없는 문제점이 있다. The
본 발명은 상기 종래의 마이크로 열교환기의 플레이트에서 발생하는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유동이 혼합될 수 있는 혼합공간을 구비하고 채널을 따라 유체가 흐를 때 2차 유동인 와류를 발생시키는 3차원 마이크로 채널을 형성함으로써 채널내 유동혼합에 의해 보다 높은 열전달 성능을 가지는 플레이트 및 이를 이용한 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the problems occurring in the plate of the conventional micro heat exchanger, having a mixing space that can be mixed with the flow and the three-dimensional micro-channel for generating a secondary flow vortex when the fluid flows along the channel An object of the present invention is to provide a plate having a higher heat transfer performance by flow mixing in a channel and a heat exchanger using the same.
상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 대각선 방향 모서리에 형성된 유입구 및 유출구와, 상기 유입구 및 유출구와 반대되는 대각선 방향 모서리에 형성된 홀과, 상기 유입구 및 유출구와 부분적으로 연통되는 유체 유입부 및 유체 유출부와, 그리고 상기 유체 유입부 및 유체 유출부와의 사이에 형성되는 마이크로 채널을 구비하는 복수개의 플레이트를 복수개 적층시키고, 각각의 플레이트의 유입구와 유출구가 이웃하는 플레이트 유입구와 유출구와 서로 반대방향으로 위치하도록 적층되며, 하나의 플레이트에 고온의 유체를, 그리고 이웃하는 플레이트에 저온의 유체를 흐르도록 하여 유체간에 열교환시키는 열교환기로서, 상기 플레이트의 상기 유체 유입부 및 유체 유출부는 플레이트의 전후방향으로 관통형성되며, 상기 마이크로 채널은 : 상기 플레이트의 전방면에 소정의 간격을 가지고 배열 형성되는 다수개의 전방면 오목홈들과; 상기 플레이트의 후방면에 소정의 간격을 가지고 배열 형성되되, 상기 전방면 오목홈들의 형성방향과는 어긋나는 방향으로 형성되는 다수개의 후방면 오목홈들과; 그리고 상기 전방면 오목홈들의 저부와, 상기 후방면 오목홈들의 저부가 만나는 부분에서 상기 플레이트를 관통하는 복수개의 혼합공간을 구비하며, 상기 적층되는 플레이트와 플레이트 사이에, 4개의 모서리에 관통홀이 형성되어 있는 격판을 구비하는 것을 특징으로 하며 이러한 구성에 의해서 상기 전방면 오목홈 및 후방면 오목홈을 따라 흐르는 유체가 혼합공간에서 합쳐져 주유동 방향과 다른 방향을 가지는 2차 유동을 발생시키도록 하여 열교환기 내에서 플레이트간의 열교환이 활발하게 일어나도록 한다..In order to achieve the above object, the present invention provides an inlet and an outlet formed in a diagonal corner, a hole formed in a diagonal corner opposite to the inlet and the outlet, a fluid inlet and a fluid outlet partially communicating with the inlet and the outlet. And a plurality of plates including a plurality of plates having microchannels formed between the fluid inlet and the fluid outlet, and the inlets and outlets of each plate are opposed to neighboring plate inlets and outlets. A heat exchanger which is stacked to be positioned and heat exchanges between fluids by allowing a high temperature fluid to flow in one plate and a low temperature fluid in a neighboring plate, wherein the fluid inlet and the fluid outlet of the plate are in the front and rear directions of the plate. Penetrating, the microchannel is: To have a predetermined gap on the front face of the front plate a plurality of concave grooves formed and arranged; A plurality of rear surface concave grooves arranged on the rear surface of the plate at predetermined intervals, the rear surface concave grooves being formed in a direction that is displaced from a direction in which the front concave grooves are formed; And a plurality of mixing spaces penetrating the plate at a portion where the bottom of the front concave grooves and the bottom of the rear concave grooves meet, and a through hole is formed at four corners between the stacked plate and the plate. And a diaphragm having a diaphragm formed therein, whereby the fluid flowing along the front concave groove and the rear concave groove merges in the mixing space to generate a secondary flow having a direction different from the main flow direction. Allow for active heat exchange between the plates in the vessel.
또한 본 발명에 있어서, 상기 마이크로 채널을 형성하기 위해서 플레이트의 전방면 및 후방면에 형성되는 전방면 오목홈들 및 후방면 오목홈들이 일정한 간격을 두고 배열 형성된 규칙적인 패턴을 가지도록 함으로써 제작을 용이하게 한다.In addition, in the present invention, the front concave grooves and the rear concave grooves formed in the front and rear surfaces of the plate to form the micro-channel has a regular pattern arranged at regular intervals to facilitate the production Let's do it.
또한 본 발명에 있어서, 상기 전방면 오목홈들과 후방면 오목홈들이 동일한 패턴을 가지도록 형성되며, 전방에서 보았을 경우 전방면 오목홈들과 후방면 오목홈들은 서로 거울 대칭을 이루도록 하여 전방면 오목홈들 및 후방면 오목홈들의 제작시 동일한 패턴을 사용함으로서 제작을 용이하게 한다.Further, in the present invention, the front concave grooves and the rear concave grooves are formed to have the same pattern, and when viewed from the front, the front concave grooves and the rear concave grooves are mirror-symmetrical with each other and the front concave. The use of the same pattern in the fabrication of the grooves and the back concave grooves facilitates the fabrication.
또한 본 발명에 있어서, 상기 패턴은 오목홈들이 소정의 경사를 가지도록 기울어진 직선형상일 수 있다.In addition, in the present invention, the pattern may be a straight line inclined so that the recessed grooves have a predetermined slope.
또한 본 발명에 있어서, 상기 패턴은 오목홈들이 직선형의 직선부와 경사를 가지는 경사부가 반복적으로 연속되는 형상을 가질 수 있다. Further, in the present invention, the pattern may have a shape in which the concave grooves are linearly inclined and the inclined portion having the inclined repeatedly.
또한 본 발명에 있어서, 상기 패턴은 오목홈들이 전체적으로 V자형을 이루는 형상일 수 있다. In addition, in the present invention, the pattern may be a shape in which the concave grooves entirely form a V-shape.
또한 본 발명에 있어서, 상기 마이크로 채널의 전방면 오목홈들 및 후방면 오목홈들은 식각하는 방법을 사용하여 형성함으로써 보다 정확하고 규칙적인 오목홈의 형상을 구현할 수 있다. In addition, in the present invention, the front concave grooves and the rear concave grooves of the micro channel may be formed using an etching method to realize a more accurate and regular shape of the concave groove.
또한 본 발명은 열교환기에 적층 형성되며, 대각선 방향 모서리에 형성된 유입구 및 유출구와 부분적으로 연통되는 유체 유입부 및 유체 유출부를 구비하고, 상기 유체 유입부와 유체 유출부 사이에 형성되어 유입구로부터 유입된 유체를 유체 유입부로부터 유체 유출부를 통해 유출구로 흐르도록 하는 마이크로 채널을 구비하는 플레이트로서, 상기 마이크로 채널은 : 상기 플레이트의 전방면에 소정의 간격을 가지고 배열 형성되는 다수개의 전방면 오목홈들과; 상기 플레이트의 후방면에 소정의 간격을 가지고 배열 형성되되, 상기 전방면 오목홈들의 형성방향과는 어긋나는 방향으로 형성되는 다수개의 후방면 오목홈들과; 그리고 상기 전방면 오목홈들의 저부와, 상기 후방면 오목홈들의 저부가 만나는 부분에서 상기 플레이트를 관통하는 복수개의 혼합공간을 구비하며, 상기 마이크로 채널을 형성하는 전방면 오목홈들 및 후방면 오목홈들은 각각 직선형의 직선부와 경사를 가지는 경사부가 반복적으로 연속되는 형상을 가지는 것을 특징으로 하며 상기 혼합공간에서 발생하는 2차 유동을 더욱 활발하게 발생시킬 수 있다.In another aspect, the present invention is laminated to the heat exchanger, having a fluid inlet and a fluid outlet part in communication with the inlet and the outlet formed in the diagonal corner, the fluid formed between the fluid inlet and the fluid outlet inlet flows from the inlet A plate having microchannels for flowing from a fluid inlet to a outlet through a fluid outlet, said microchannel comprising: a plurality of front face recesses arranged at predetermined intervals on a front face of said plate; A plurality of rear surface concave grooves arranged on the rear surface of the plate at predetermined intervals, the rear surface concave grooves being formed in a direction that is displaced from a direction in which the front concave grooves are formed; And a plurality of mixing spaces penetrating the plate at a portion where the bottoms of the front concave grooves and the bottom of the rear concave grooves meet, and the front concave grooves and the rear concave grooves forming the microchannel. Each of the straight linear portion and the inclined portion having an inclination has a shape that is repeated continuously, it is possible to more actively generate the secondary flow generated in the mixed space.
이하 본 발명에 따르는 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명에 따르는 3차원 마이크로 채널이 형성된 플레이트의 일실시예를 나타내는 도면이며, 도 4는 도 3의 마이크로 채널 중 하나를 확대하여 도시한 확대 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따르는 3차원 마이크로 채널이 형성된 플레이트의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이며, 도 6은 도 5의 마이크로 채널 중 일부를 확대하여 도시한 확대 사시도이며, 도 7의 (a), (b), (c)는 본 발명에 따르는 마이크로 채널의 패턴의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이며, 도 8은 본 발명에 따르는 3차원 마이크로 채널이 형성된 플레이트를 이용한 열교환기의 구조를 나타내는 도면이다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. 3 is a view showing an embodiment of a plate on which a three-dimensional microchannel according to the present invention is formed, FIG. 4 is an enlarged perspective view showing one of the microchannels of FIG. 3 in an enlarged view, and FIG. FIG. 6 is a view illustrating another example of a plate on which a dimensional microchannel is formed, and FIG. 6 is an enlarged perspective view showing a part of the microchannel of FIG. 5 in an enlarged manner, and FIGS. 8 is a view showing another embodiment of the pattern of the microchannel according to the present invention, Figure 8 is a view showing the structure of a heat exchanger using a plate with a three-dimensional microchannel according to the present invention.
도 3에 따르면 본 발명에 따르는 3차원 마이크로 채널(30)이 형성된 플레이트(20)는 종래와 같이 사각형의 형상을 가지고 있으며, 4개의 귀퉁이에 관통홀(21) 이 형성되어 있으며, 이중 대각선으로 배치된 한쌍은 유체를 플레이트(20)의 내부로 흐르게 하는 유입구(210) 및 유출구(211)가 되며, 다른 한쌍의 관통홀(212)은 유체를 이웃하는 플레이트로 흐르도록 하는 통로 역할을 한다.According to FIG. 3, the
상기 플레이트(20)의 내부에는 상기 유입구(210) 및 유출구(211)의 일부와 연통되어 있는 유체 유입부(22)와 유체 유출부(23)가 플레이트(20)를 관통하도록 형성되어 있으며, 상기 유체 유입부(22)와 유체 유출부(23) 사이인 상기 플레이트(20) 중앙부분에는 3차원 마이크로 채널(30)이 형성되어 있다. 유체는 유입구(210)를 통해 흘러들어와 유체 유입부(22)를 거쳐 마이크로 채널(30) 사이를 통과하여 유체 유출부(23)를 통해 유출구(211)로 빠져나가게 된다.The
본 발명에 따르는 마이크로 채널(30)은 플레이트(20)의 일측면에만 오목홈들을 형성하는 종래의 플레이트와는 달리, 도 3에서 확대하여 나타낸 것과 같이 플레이트(20) 양측면인 전방면(201) 및 후방면(202) 모두에 오목홈들(31, 32)을 형성한 것에 특징이 있다. 구체적으로, 도 3에 도시한 것과 같이 플레이트 전방면(201)에는 소정의 간격을 두고 전방면 오목홈들(31)이 형성되어 있으며, 후방면(202) 역시 소정의 간격을 두고 후방면 오목홈들(32)이 형성되어 있다. 상기 오목홈들(31, 32)에 있어서 오목홈들 사이의 간격은 일정할 필요는 없으며 설계에 따라서 다양한 간격을 가질 수 있다.
또한 상기 전방면 오목홈들(31)은 플레이트(20)의 모서리를 연결하는 직선에 대해서 소정의 경사를 가지고 있으며, 상기 후방면 오목홈들(32)은 전방면 오목홈들(31)의 형성방향과는 어긋나는 방향으로 형성되어 있다. 상기 전방면 오목홈들(31) 및 후방면 오목홈들(32)은 소정의 깊이를 가지도록 형성되어 있으며, 전방면 오목홈들(31)의 저부와 후방면 오목홈들(32)의 저부가 만나게 되는 부분에서는 전후방을 관통하는 공간(33)이 복수개 형성되며 상기 공간(33)은 전방면 오목홈들(31)을 통과하는 유체와 후방면 오목홈들(32)을 통과하는 유체가 만나는 혼합공간(33)이 된다. 상기 오목홈들(31, 32)은 규칙적인 패턴 또는 설계에 따라서 불규칙한 패턴을 가질 수 있으며, 플레이트(20)를 관통하는 혼합공간(33)이 형성되는 패턴을 가지는 것이 바람직하다.In addition, the front
도 4에 도시한 것과 같이 상기 전방면 오목홈들(31)을 통과하여 혼합공간(33)에 도달하는 유체는 좁은 공간에 확장된 공간으로 이동하기 때문에 주유동 방향과 다른 방향을 가지는 와류 등이 발생할 수 있으며, 또한 혼합공간(33)으로 어긋나는 방향을 가지고 유입되는 후방면 오목홈들(32)을 통과하는 유체와 혼합되기 때문에 유선의 방향이 변경되는 등 주 유동방향과는 다른 방향(특히, 주유동 방향에 수직한 방향)을 가지는 2차 유동인 와류가 발생하게 된다. 이러한 2차 유동인 와류에 의해 마이크로 채널 내에서의 유동은 층류에 비해서 열전달을 더욱 활발하게 일으키게 되기 때문에 본 발명에 따르는 3차원 마이크로 채널은 상기 와류에 의해서 종래에 비해서 높은 열전달 효율을 가지게 된다. As shown in FIG. 4, since the fluid reaching the mixing
상기 마이크로 채널의 패턴은 도 3 내지 도 6에 도시한 것과 같이 상기 전방면 오목홈들(31)과 후방면 오목홈들(32)을 대량으로 용이하게 형성하기 위해서 규칙적인 패턴을 가질 수 있다. 상기 규칙적인 패턴은 상기 전방면 오목홈들(31) 또는 후방면 오목홈들(32) 중 적어도 하나의 면 또는 양면에 모두 형성될 수 있다. 또한 양면에 형성되는 오목홈들(31, 32)의 패턴은 서로 다른 패턴 형상을 가질 수 있으며, 동일한 패턴을 가질 수 있다. 도 3 내지 도 6은 양면에 형성된 오목홈들(31, 32)이 서로 동일한 패턴을 가지는 경우를 도시하고 있다. 이때 전방면(201)에 전방면 오목홈들(31)의 패턴을 규칙적으로 가공한 후, 플레이트(20)를 뒤집어서 동일한 패턴을 후방면(202)에 가공함으로써 후방면 오목홈들(32)을 형성하게 되어 가공이 용이하게 된다. 이러한 경우에도 후방면(202)에 가공된 후방면 오목홈들(32)은 전방에서 보았을 경우 전방면 오목홈들(31)과 어긋나는 형상을 가지게 되며, 전방면 오목홈들(31)과 후방면 오목홈들(32)의 저부가 만나는 부분에 대해서는 플레이트(20)를 관통하는 혼합공간(33)이 형성된다. 3 to 6, the pattern of the micro channel may have a regular pattern to easily form the front
상기 전방면 오목홈들(31), 후방면 오목홈들(32) 및 혼합공간(33)을 가공할 때 상기 유체 유입부(22) 및 유체 유출부(23)를 함께 가공할 수 있으며, 상기 유체 유입부(22) 및 유체 유출부(23)는 종래와는 달리 관통된 형상을 가지고 있기 때문에 상기 전방면 오목홈들(31)과 후방면 오목홈들(32)에 유체를 흘려보낼 수 있다. When the front
상기 마이크로 채널(30)은 일예로 도 3에서 보는 바와 같이 전방면 오목홈들(31)은 일정한 경사를 가지고 기울어진 패턴으로 형성되어 있으며, 이를 뒤집어서 동일한 패턴으로 후방면 오목홈들(32)을 가공할 수 있다. 또한 도 5에 도시한 것과 같이 전방면(201)에 형성되는 전방면 오목홈들(31)을 오목홈의 통로를 따라 직선부(311)와, 소정의 경사로 기울어진 경사부(312)가 반복되는 형상으로 가공하고, 동일한 패턴으로 후방면(202)의 후방면 오목홈들(32)을 가공할 수 있다. 상기 전방면 오목홈들(31)과 후방면 오목홈들(32)이 만나는 부분인 혼합공간(33)은 육각형의 모양으로 만들어지게 된다. 도 6에 나타낸 것과 같이 상기 육각형의 혼합공간(33)은 전방면 오목홈들(31)과 후방면 오목홈들(32)을 통해서 서로 경사를 가지는 유체가 다시 합쳐져 직선방향으로 흐르다가 다시 이웃하는 전방면 오목홈들(31) 및 후방면 오목홈들(32)로 갈라져 흐르게 되기 때문에 유체의 유선 방향의 변경이 급하게 일어나기 때문에 2차 유동인 와류를 보다 많이 발생시킬 수 있다. For example, as shown in FIG. 3, the
또한 도 7의 (a) 내지 (c)에 도시한 것과 같이 상기 전방면 오목홈들(31) 및 후방면 오목홈들(32)이 이루는 패턴은 전체적으로 V자형 또는 V자형을 복수개 형성하는 구조를 가지는 등 규칙적인 배열을 가질 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이 상기 전방면 오목홈들(31) 및 후방면 오목홈들(32)은 서로 다른 패턴을 가질 수 있다. 예를 들면 전방면 오목홈들(31)이 도 3의 경사형 패턴일 경우, 후방면 오목홈들(32)이 도 5의 패턴 또는 도 7의 패턴을 가질 수 있다.In addition, as shown in (a) to (c) of FIG. 7, the pattern formed by the front
상기 3차원 마이크로 채널(30)을 형성하는 전방면 오목홈들(31) 및 후방면 오목홈들(32)은 화학적 식각 방법을 통해서 제작이 가능하다. 즉 플레이트(20)의 전방면(201) 및 후방면(202)에 형성하고자 하는 마이크로 채널(30)의 패턴을 그리고 패턴에 대해서 부식액을 사용하여 부식시킴으로써 패턴이 그려진 부분만이 오목홈들이 되도록 식각으로 하게 되면, 전방면 오목홈들(31) 및 후방면 오목홈들(32), 그리고 천공된 혼합공간(33), 유체 유입부(22) 및 유출부(23)를 형성할 수 있게 된다.The front
도 8을 참조하면, 열교환기는 본 발명에 따르는 3차원 마이크로 채널(30)을 구비하는 플레이트(20)를 여러개 적층시킴으로써 구성됨을 알 수 있다. 본 발명에 따르는 플레이트(20)는 상기 살펴본 바와 같이 마이크로 채널(30)내의 혼합공간 (33), 유체 유입부(22) 및 유출부(23)가 천공되어 있기 때문에, 상기 플레이트(20)를 다수개 적층시키고 마이크로 채널(30)을 통해서 흐르는 유체가 이웃하는 플레이트(20)로 유입되지 않도록 하기 위해서는 하나의 플레이트(20a)와 이웃하는 플레이트(20b)와의 사이에 격판(40)을 구비하고 있다. 상기 격판(40)들은 네 귀퉁이에 관통홀(41)이 형성되어 있으며 상기 관통홀(41)들은 유체가 흐르는 통로로서 작용을 한다.Referring to FIG. 8, it can be seen that the heat exchanger is constructed by stacking
본 발명에 따르는 열교환기는 상기 3차원 마이크로 채널을 구비한 플레이트(20a)들이 이웃하는 플레이트(20b)와 유체의 흐름이 서로 반대 방향이 되도록 배치된다. 구체적으로 도 8에서 전방으로부터 홀수번째의 플레이트(20a, 20c)는 우측 상부에서 좌측 하부로 유체가 이동하도록 배치되며, 짝수번째 플레이트(20b, 20d)는 유체가 좌측 상부에서 우측 하부로 이동하도록 배치된다.The heat exchanger according to the present invention is arranged such that the
또한 홀수번째의 플레이트(20a, 20c)에는 고온의 유체가 흐르도록 하며, 짝수번째의 플레이트(20b, 20d)에는 저온의 유체가 흐르도록 하여 고온의 유체 및 저온의 유체가 각각 플레이트들의 3차원 마이크로 채널(30)을 통과하면서 이웃하는 플레이트의 유체와 열교환할 수 있도록 한다.In addition, high-temperature fluid flows through the odd-numbered
이때 본 발명에 따르는 플레이트는 3차원 마이크로 채널을 형성하고 있기 때문에 유체가 와류 등 2차 유동을 발생시켜 채널 내 유체의 혼합을 원활하게 하므로 열전달 효율을 향상시키게 된다.In this case, since the plate according to the present invention forms a three-dimensional microchannel, the fluid generates secondary flow such as vortex to smoothly mix the fluid in the channel, thereby improving heat transfer efficiency.
상기 살펴본 바와 같이 본 발명은 플레이트에 유체가 이동하는 3차원 마이크로 채널을 구비하여, 서로 다른 유동방향을 가지는 유체가 혼합공간에서 혼합되어 주유동 방향과는 다른 방향을 가지는 2차 유동인 와류를 발생시킴으로써 이웃하는 플레이트에서 흐르는 유체와 열교환을 활발하게 진행할 수 있도록 한다. As described above, the present invention includes a three-dimensional microchannel in which fluid moves in a plate, and fluids having different flow directions are mixed in a mixing space to generate vortices that are secondary flows having a direction different from the main flow direction. It allows active exchange of heat with fluid flowing from neighboring plates.
또한 본 발명은 플레이트의 전방면과 후방면에 동일한 패턴을 가지고 거울 대칭인 오목홈들로 형성할 수 있도록 함으로써 가공이 용이한 이점을 가지고 있다.In addition, the present invention has the advantage of easy processing by being able to form a mirror-symmetrical concave groove with the same pattern on the front and rear surfaces of the plate.
상기 살펴본 실시예는 본 발명에 따르는 기술사상에 대한 하나의 예시에 불과하며, 본 발명의 기술 사상은 후술하는 청구범위에 기재된 내용에 의해서 정해지며, 상기 실시예를 통해서 당업자가 용이하게 설계변경할 수 있는 범위를 포함한다.The above-described embodiment is merely one example of a technical idea according to the present invention, the technical idea of the present invention is defined by the contents described in the claims to be described later, and those skilled in the art can easily design changes through the embodiments It includes the range that it is.
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