KR20130050287A - 열 교환 수단, 방법, 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

열 전달 장치 및 그 제조 방법이 제공된다. 열 전달 장치는 사용시 열 전달 매체와 접촉하고 그를 통해 열 전달 매체와 작동 매체 간에 열이 전달될 수 있는 열 교환 표면을 형성하는 열 전달 부재를 포함한다. 상기 장치의 몸체는 유체 연통가능한 관계로 이루어진 제 1 챔버(11), 제 2 챔버(12), 및 제 3 챔버(13)를 형성한다. 상기 몸체는 상기 열 전달가능 매체를 상기 제 2 챔버(12)로부터 상기 제 1 챔버(11)로 전달한 다음 상기 제 3 챔버(13)로 전달하거나, 또는 상기 제 3 챔버(13)로부터 상기 제 1 챔버(11)로 전달한 다음 상기 제 2 챔버(12)로 전달하도록 구성되며, 상기 제 2 챔버(12)는 샌드위치되거나, 그렇지 않으면 상기 몸체 내에서 상기 제 1 챔버(11)와 상기 제 3 챔버(13) 내에 위치된다.

Description

열 교환 수단, 방법, 및 시스템{MEANS, METHOD AND SYSTEM FOR HEAT EXCHANGE}
본 발명은 이하의 것들로 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어 흡수식 냉동 시스템(absorption refrigeration system)에 이용하기 위한 열교환장치 또는 열교환기, 이러한 장치, 교환기, 또는 시스템을 제조하는 방법, 이러한 장치, 교환기, 또는 시스템을 작동시키는 방법, 및 이러한 장치, 교환기, 또는 시스템에 이용하기 위한 열 전달가능 또는 전달 매체에 관한 것이다.
냉동 유닛 및 열 펌프들에 있어, 열 및 질량(mass)의 전달은 열 교환기들의 표면에서 일어난다. 결과적으로, 유체(fluid)에서 유체로, 유체에서 증기로, 또는 증기에서 유체로의 열 전달이 가능해진다. 증기 상태와 유체 상태 간의 주된 압력 차이들, 또는 화학적으로 강한(chemically aggressive) 매체로 인한 부식 안정성(corrosion stability)은 이러한 이용 분야에서 신뢰성 있는 열 교환기들에 대한 난제들 중 일부에 지나지 않는다.
종래의 흡수식 냉동 시스템에서, 예를 들어 열 교환기들은 상당한 길이를 갖는 파이프들의 다발로 형성된다. 이러한 교환기들에서, 파이프 다발들은 냉간 성형(cold forming)에 의해 또는 용접된 시임들을 사용함으로써 시일들을 통해 금속 플레이트들에 양방향으로 통합된다. 긴 파이프 다발들을 이용할 때의 단점은 온도 차이들로 인해 파이프 다발에서 야기되는 압력 차들이 비용 집약적 방법들(동시에 이 방법들은 흔히 시스템의 열 전달 및 에너지 효율성에 악영향을 미침)에 의해 보상되어야 한다는 점이다. 또한, 파이프 다발들을 이용하는 시스템들은 제조하기 어렵고 비용이 많이 든다.
또한, 효율적인 열 전달은 파이프 다발들을 통한 열 전달가능 매체의 균등한 분배를 필요로 한다. 수평적 디자인(horizontal design)의 경우에, 열전달가능한 매체는 파이프들 위에 위치되는 살수 탱크들(trickling tanks)이나 적절한 수의 스프레이 노즐들을 이용하여 분배될 수 있다. 균등한 분배를 달성하기 위해, 살수 탱크들은 흔히 다수의 상대적으로 작은 보어홀들(boreholes)을 포함한다. 하지만, 이는 적어도 살수 탱크들의 보어홀들 또는 노즐들의 보어홀들 중 몇몇이 순환 중에 존재하는 먼지나 금속 입자들로 인해 막힐 위험을 수반한다. 보어홀들의 막힘은 열 전달의 효율성을 저감시킨다.
이해할 수 있듯이, 열 교환 장치의 효율성은 벽 면의 표면적 및 열적 특성, 열 전달 매체(예를 들어, 열 전달 액체)의 유속, 및 다른 동적 파라미터들을 포함하는 여러 인자들에 따라 정해진다. 열 교환기 패널들을 가로지르는 열 전달 액체의 난류의 유속(turbulent flow rate)은 특정 범위까지는 열 전달 과정을 촉진할 수 있다. 하지만, 특정 기하학적 구조(specific geometry)의 최적의 유속이 초과될 경우 열 교환 장치 입구 및 출구를 가로지르는 압력 강하는 기하급수적으로 커진다. 이러한 압력 강하는 장치에 치명적이다. 또한, 열 전달 액체가 최적의 속도를 초과하는 속도로 유동할 경우, 열 전달 표면이 열 전달 매체와 열 에너지를 교환하기에 충분한 시간이 없기 때문에 탈이(desorption)/흡수 프로세스의 전체 성능의 계수들도 작아질 것이다. 액체일 수 있는 열 전달 매체의 보다 높은 유속을 실현하기 위해서는, 보다 큰 직경의 덕트 또는 튜브가 이용되어야 한다. 하지만, 이는 덕트/튜브/챔버의 열 전달 표면의 제한된 증가만을 제공할 수 있다. 따라서, 엔지니어들은 부득이하게 한편으로는 유속을, 다른 한편으로는 열 교환기의 입구 및 출구를 가로지르는 압력 강하를 절충해야 한다.
특히, 열 교환기가 폐기물(waste) 또는 태양 열에서 통상적인 낮은 열 레벨로 구동될 경우, 열 교환기의 입구와 출구 간의 온도 구배도 그 성능을 결정하는 데 있어 중요한 인자이다. 첫째, 냉각제의 증발은 증기 상태로 가는 데 높은 열 에너지를 축적하며, 응축기에서의 액체 상태로의 후속되는 응축은 높은 압력에서 신속한 열 전달을 필요로 한다. 둘째로, 증발된 냉각제가 흡수 스테이지로 들어가는 경우, 흡수 전달 용액 내에 이러한 증발 냉각제를 용해시키는 것은 상당한 열 에너지를 소진시키며, 따라서 낮은 압력에서 신속한 열 전달을 다시 필요로 한다.
신속한 열 전달을 달성하기 위하여, 엔지니어들은 수동형 냉각(passive cooling)을 이용하며, 여기서 열 전달 매체는 열 교환기를 통해 직접적으로 유동한다. 수동형 냉각에서는, 파이프의 직경을 증가시킴으로써 입구 및 출구를 가로지르는 압력을 유지시키는 것이 가능하다. 하지만, 이용가능한 표면 대 볼륨 비(surface to volume aspect ratio)의 저감으로 인해, 효율적인 열 교환기를 실현할 수 없다. 비록 마이크로-채널 냉각기들(micro-channel coolers)은 증가된 표면적으로 인해 탁월한 열 전달이 가능하지만, 시스템에 걸쳐 상당한 압력 강하가 존재한다. 이러한 상당한 압력 강하는 장치의 신뢰성에 치명적일 뿐만 아니라, 열 펌프들의 전체 성능의 계수들도 저감시킨다.
본 발명의 목적은 열 전달 효율, 압력 강하, 열 전달 장치 제조, 장치 내구성, 및/또는 열 전달 시스템의 확장성(expandability)의 문제들을 해결하거나, 또는 적어도 공중에 대안을 제공하는 것이다.
DE-OS 2238045는 수질 정화를 위한 필름-형 증발기를 위한 열 교환기의 디자인을 개시하고 있다. 이 열 교환기에서, 물은 스프레이 노즐들에 의해 수평방향으로 장착된 파이프들(이 파이프들을 통해 고온의 수증기가 유동함)의 다발 상에 스프레이된다. 고온의 물은 파이프들의 외부에 걸쳐 유동하는 표면의 막들로부터 물을 증발시킨다. 열 교환기, 또는 증발기는 다중 시스템의 일부일 수 있다. 열 교환기의 파이프들은 내측 및 외측에서 주름이 져(corrugated) 있을 수 있다. 파이프들의 단부들 간의 큰 압력 차이로 인한 기계적 손상을 최소화시키기 위하여, 파이프들과 금속 플레이트들 간 시일들의 적절한 보강이 제안된다.
EP 095291 3 B1은 가압된 증기로부터 유체 상으로 열이 전달되는 디자인을 개시하고 있다. 유체는 증발되어, 예를 들어 해수용 담수화 설비(desalinization plant)를 작동시킨다. 상기 디자인에서, 백-형 채널들(bag-like channels)은 맞은편에 위치되는 플라스틱 필름들로부터 형성되며, 이에 의해 외부 표면에서는 유체의 증발이, 내부 표면에서는 응축이 일어난다. 채널들의 유연성은 가압 동안의 부풀어 오름(bulging)에 대한 여유(leeway)를 제공한다. EP 095291 3 Bl은 또한 다중 열 교환기 포일들의 줄배열(lining up)을 이용하는 디자인을 개시하고 있다. 이 타입의 디자인은 흡수식 냉동 시스템의 분사기(ejector)에 대해 이용가능하다.
본 발명의 제 1 실시형태에 따르면, 열 전달 장치가 제공되며, 상기 열 전달 장치는, 사용시 열 전달가능 매체 또는 열 전달 매체와 접촉하며 그를 통해 열 전달가능 매체와 작동 매체(working medium) 간에 열이 전달될 수 있는 열 교환 표면을 형성하는 제 1 열 전달 부재, 및 상기 열 전달가능 매체를 포함하는 장치 몸체를 포함하며, 상기 몸체는 유체 연통가능한 관계로 이루어진 적어도 제 1 챔버, 제 2 챔버, 및 제 3 챔버를 형성하고, 상기 몸체는 상기 열 전달가능 매체의 유체를 상기 제 2 챔버로부터 상기 제 1 챔버로 전달한 다음 상기 제 3 챔버로 전달하거나, 또는 상기 제 3 챔버로부터 상기 제 1 챔버로 전달한 다음 상기 제 2 챔버로 전달하도록 구성되며, 상기 제 2 챔버는 샌드위치되거나, 그렇지 않으면 상기 몸체 내에서 상기 제 1 챔버와 상기 제 3 챔버 사이에 위치된다. 열 전달 장치의 이 구조는 종래의 장치들과 비교하여 열 전달에 있어 상대적으로 높은 효율성을 달성하지만, 몸체 내로의 열 전달가능 매체 도입시에 높은 압력을 발생시킬 필요가 없다. 열 전달 부재를 가로지르는 열 전달 플럭스(W/m2K)는 10L/min의 유량에서 25,000 W/m2K에 도달할 수 있다. 이러한 열 전달 플럭스는 종래의 장치들에 의해 달성될 수 있는 것보다 실질적으로 크다. 종래 장치들의 열 전달 플럭스는 통상적으로 14,000 W/m2K보다 높게는 도달될 수 없다.
몸체에는 열 전달가능 매체가 제 2 챔버로 드나들 수 있게 하는 제 1 통로, 및 열 전달가능 매체가 제 3 챔버로 드나들 수 있게 하는 제 2 통로가 제공되는 것이 바람직하다. 제 1 통로는 열 전달가능 매체가 몸체에서 나올 수 있게 하는 출구인 한편, 제 2 통로는 열 전달가능 매체가 몸체로 들어갈 수 있게 하는 입구일 수 있으며, 이와 반대의 관계도 가능하다. 상황들에 따라, 통로는 편의에 맞게 입구 또는 출구일 수 있다.
일 실시예에서, 열 전달 부재는 열 전달 부재와 제 1 챔버 간에 열 전달이 일어날 수 있도록 제 1 챔버 또는 그 일부와 직접적으로 접촉하지만, 제 2 챔버와는 직접적으로 접촉하지 않을 수 있다. 이러한 실시예에서는, 열 전달 부재와 열 전달가능 매체 간에 직접적으로 열 교환이 일어난다.
몇몇 실시예에서, 몸체에는 제 1 챔버로부터 제 2 챔버로 또는 제 2 챔버로부터 제 1 챔버로 열 전달가능 매체가 전달될 수 있게 하는 채널들이 제공될 수 있다. 몸체에는 제 1 챔버로부터 제 3 챔버로 또는 제 3 챔버로부터 제 1 챔버로 열 전달가능 매체가 전달될 수 있게 하는 채널들이 제공될 수 있다.
챔버들 중 적어도 하나는 일반적으로 서로 병렬로 배치되는 적어도 한 쌍의 대향되는 플레이트들로 만들어지는 것이 유리하다. 제 1 챔버 및 제 2 챔버는 복수의 개구부가 제공되고 일반적으로 균등하게 분포되는 플레이트에 의해 분리되어, 열 전달가능 매체가 제 1 챔버로부터 제 2 챔버로 또는 제 2 챔버로부터 제 1 챔버로 전달될 수 있게 한다. 균등하게 분포되는 개구부들 및/또는 채널들의 제공은 챔버 내에서 열 전달가능 매체의 일반적으로 균질한 온도를 가능하게 하며, 플레이트들에 걸친 온도 구배를 최소화시킨다.
제 1 챔버 및 제 3 챔버는 복수의 채널들이 제공되고 일반적으로 균등하게 분포되는 제 2 챔버에 의해 분리되어, 열 전달 가능 매체가 제 2 챔버를 우회해(bypass) 제 1 챔버로부터 제 3 챔버로 또는 제 3 챔버로부터 제 1 챔버로 전달될 수 있게 한다.
일 실시예에서, 몸체는 제 1 챔버, 제 2 챔버, 또는 제 3 챔버로 들어가거나 또는 나가는 열 전달가능 매체의 유동 방향을 조절하는 수단을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 몸체는 유체 연통가능한 관계로 이루어지는 제 4 챔버, 제 5 챔버, 및 제 6 챔버를 더 형성할 수 있으며, 몸체는 열 전달가능 매체가 제 5 챔버로부터 제 4 챔버로 전달된 다음 제 6 챔버로, 또는 제 6 챔버로부터 제 4 챔버로 전달된 다음 제 5 챔버로 전달될 수 있도록 구성되며, 제 5 챔버는 샌드위치되거나 그렇지 않으면 제 4 챔버와 제 6 챔버 사이에 위치될 수 있다.
다른 실시예에서, 장치는 사용시 열 전달가능 매체 또는 열 전달 매체와 접촉하며 그를 통해 열 전달가능 매체와 작동 매체 간에 열이 전달될 수 있는 열 교환 표면을 형성하는 제 2 열 전달 부재를 더 포함할 수 있으며, 몸체는 제 3 챔버와 함께 유체 연통가능한 관계로 이루어진 제 4 챔버 및 제 5 챔버를 더 포함할 수 있으며, 상기 몸체는 상기 열 전달가능 매체를 상기 제 4 챔버로부터 상기 제 5 챔버로 전달한 다음 상기 제 3 챔버로 전달하거나, 또는 상기 제 3 챔버로부터 상기 제 4 챔버로 전달한 다음 상기 제 5 챔버로 전달하도록 구성되며, 상기 제 4 챔버는 샌드위치되거나, 그렇지 않으면 상기 제 3 챔버와 상기 제 5 챔버 사이에 위치될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 장치는 베이스 유체(base fluid) 및 고체 나노필러(solid nanofiller)를 포함하는 열 전달 매체를 더 포함할 수 있으며, 여기서
Figure pct00001
은 100 이상이다. 이러한 전달 매체의 이용은 열 전달 매체와 작동 매체 간의 열 교환을 더욱 개선시킨다.
본 발명의 제 2 실시형태에 따르면, 상승한 온도의 구역과 하강한 온도의 구역 간의 열 에너지의 교환을 위한 열 전달 장치가 제공되며, 상기 열 전달 장치는, 열 전달가능 매체, 상기 열 전달가능 매체를 포함하기 위한 장치 몸체 및 열 전달 부재를 포함하고, 상기 장치 몸체는 상기 열 전달가능 매체가 상기 상승한 온도의 구역과 상기 하강한 온도의 구역 사이에서 이동할 수 있도록 구성되며, 상기 열 전달 부재는 사용시 상기 열 전달가능 매체가 접촉하고, 그를 통해 상기 열 전달 부재 일 측의 상기 열 전달가능 매체와 상기 열 전달 부재의 반대 측의 작동 매체 간에 열이 전달될 수 있는 열 교환 표면을 형성하며, 상기 열 전달가능 매체는 베이스 유체 및 고체 나노필러를 포함하며,
Figure pct00002
은 100 이상이다.
열 전달가능 매체의 점성은 1 내지 5,000 mPa·s인 것이 바람직하다. 고체 나노필러의 적어도 하나의 디멘션(dimension)은 150 W/mK 이상의 열전도도를 가질 수 있다.
본 발명의 제 3 실시형태에 따르면, 상술된 바와 같이 적어도 2 개의 열 전달 장치를 포함하는 열 전달 장치 조립체가 제공된다.
본 발명의 제 4 실시형태에 따르면, 열 교환 장치를 포함하는 열 교환기 또는 상술된 바와 같은 열 교환 장치 조립체가 제공된다.
본 발명의 제 5 실시형태에 따르면, 열 전달 장치를 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은, 제 1 캐비티가 제 1 벽과 제 2 벽 사이에 형성되고, 제 2 캐비티가 제 2 벽과 제 3 벽 사이에 형성되고, 제 3 캐비티가 제 3 벽과 제 4 벽 사이에 형성되며, 제 2 캐비티가 샌드위치되거나 그렇지 않으면 제 1 캐비티와 제 3 캐비티 사이에 위치되도록 적층 방식(layered manner)으로 배치되는 적어도 제 1 벽, 제 2 벽, 제 3 벽, 및 제 4 벽을 갖는 장치 몸체를 제공하는 단계, 상기 제 1 캐비티, 상기 제 2 캐비티 및 상기 제 3 캐비티가 유체 연통가능한 관계로 이루어지도록 상기 벽들에 채널들을 제공하는 단계, 및 유체가 상기 장치 몸체로 들어가 처음에는 제 2 캐비티 내로, 두번째로는 제 1 캐비티 내로, 그리고 세번째로는 제 3 캐비티 내로 들어간 다음 상기 장치 몸체를 빠져나오거나, 또는 처음에는 제 3 캐비티 내로, 두번째로는 제 1 캐비티 내로, 그리고 세번째로는 제 2 캐비티 내로 들어간 다음 상기 장치 몸체를 빠져나오도록, 유체가 상기 제 2 캐비티를 드나들 수 있도록 하는 제 1 통로, 유체가 제 3 캐비티를 드나들 수 있도록 하는 제 2 통로를 상기 장치 몸체에 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 벽들 중 적어도 하나를 사전제조하는 단계 및/또는 상기 사전제조된 벽들을 조립하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 사전제조된 벽들의 이용은 열 전달 장치가 모듈식으로(modularly) 그리고 비용 효율적으로 구성될 수 있게 한다. 또한, 이는 특정한 열 교환 요구에 부응하도록 보다 큰 설계 자유도를 제공한다.
본 발명의 제 6 실시형태에 따르면, 흡수식 냉동 시스템에서 이용하기 위한 열 전달 장치가 제공되며, 상기 장치는, 제 1 플레이트와 상기 제 1 플레이트 맞은편에 위치되는 제 2 플레이트 사이에 배치되는 제 1 유체 챔버, 상기 제 1 유체 챔버로부터 먼 쪽을 향하는 제 2 플레이트의 측과 상기 제 2 플레이트 맞은편에 위치되는 제 3 플레이트 사이에 배치되는 제 2 유체 챔버, 및 상기 제 2 유체 챔버로부터 먼 쪽을 향하는 제 3 플레이트의 측과 상기 제 3 플레이트 맞은편에 위치되는 제 4 플레이트 사이에 배치되는 제 3 유체 챔버를 제공하도록 구성된다. 또한, 상기 장치는, 제 2 플레이트가 제 1 유체 챔버와 제 2 유체 챔버 간의 유체 교환을 위해 전체 제 2 플레이트를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 1 개구부들을 포함하고, 제 2 플레이트가 제 1 유체 챔버와 제 3 유체 챔버 간의 유체 교환을 위하여 제 1 연결 채널들에 의해 제 3 플레이트의 개구부들과 연결되는 전체 제 2 플레이트를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 2 개구부들을 포함하도록 구성된다. 제 3 개구부들도 마찬가지로 전체 제 3 플레이트를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포된다. 여기서, 플레이트에 걸친 온도 구배가 최소화될 수 있도록 열 전달 매체는 열 전달 목적으로 개구부들을 통해 모든 플레이트들의 전체 표면을 가로질러 분포된다.
일 실시예에서, 장치는, 제 3 유체 챔버로부터 먼 쪽을 향하는 제 4 플레이트의 측과 제 4 플레이트 맞은편에 위치되는 제 5 플레이트 사이에 배치되는 제 4 유체 챔버, 및 제 4 유체 챔버로부터 먼 쪽을 향하는 제 5 플레이트의 측과 제 5 플레이트 맞은편에 위치되는 열 전달을 위한 제 6 플레이트 사이에 배치되는 제 5 유체 챔버를 포함할 수 있다. 상기 장치는 제 5 플레이트가 제 5 유체 챔버와 제 4 유체 챔버 간의 유체 교환을 위해 전체 제 5 플레이트를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 4 개구부들을 포함하도록 구성될 수 있다. 제 5 플레이트는 전체 제 5 플레이트를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 5 개구부들이 더 제공되며 제 4 플레이트의 제 6 개구부들과 연결된다. 제 5 개구부들 및 제 6 개구부들은 제 5 유체 챔버와 제 3 유체 챔버 간의 유체 교환을 위하여 제 2 연결 채널들에 의해 연결된다. 제 6 개구부들 역시 전체 제 4 플레이트를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포된다.
다른 실시예에서, 장치는 열 전달을 위해 제 1 유체 챔버 맞은편의 제 1 플레이트의 측에 배치되는 제 7 플레이트를 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 상기 장치는 제 7 플레이트와 제 7 플레이트 맞은편에 위치된 제 8 플레이트 사이에 위치되는 제 6 유체 챔버를 포함한다. 제 7 유체 챔버는 제 6 유체 챔버로부터 먼 쪽을 향하는 제 8 플레이트의 측과 제 8 플레이트 맞은편에 위치되는 제 9 플레이트 사이에 배치되며, 제 8 유체 챔버는 제 7 유체 챔버로부터 먼 쪽을 향하는 제 9 플레이트의 측과 제 9 플레이트 맞은편에 위치되는 제 10 플레이트 사이에 배치된다. 제 8 플레이트는 제 6 유체 챔버와 제 7 유체 챔버 간의 유체 교환을 위해 전체 제 8 플레이트를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 7 개구부들, 및 전체 제 8 플레이트를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되며 제 6 유체 챔버와 제 8 유체 챔버 간의 유체 교환을 위해 제 3 연결 채널들에 의하여 전체 제 9 플레이트를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 9 개구부들과 연결되는 제 8 개구부들을 포함한다.
장치는 제 2 유체 챔버 내로 유동하는 공급 라인 및 제 3 유체 챔버와 연결되는 방출 라인, 또는 제 3 유체 챔버 내로 유동하는 공급 라인 및 제 2 유체 챔버와 연결되는 방출 라인을 포함하는 것이 바람직하다.
장치는 제 1 플레이트의 표면이 구조화 설계(designed structured)되도록 구성되는 것이 유리하다.
바람직한 실시예에서, 장치는 제 1 유체 챔버로부터 먼 쪽을 향하는 제 1 플레이트의 측은 단일 부품 또는 통합 부로서 작동 매체를 위한 컨덕트(conduct)와 연결되도록 구성될 수 있다. 장치는 제 1 플레이트, 제 2 플레이트, 제 3 플레이트 및 제 4 플레이트가 실질적으로 병렬로 배치되도록 구성될 수 있다. 장치는 유체 챔버들 중 적어도 하나에 유동 조절을 위한 고정물들(fixtures)을 포함할 수 있다.
본 발명의 제 7 실시형태에 따르면, 본 발명의 제 6 실시형태에서 기술된 바와 같은 적어도 하나의 열 전달 장치를 포함하는 열 교환기가 제공된다.
본 발명의 제 8 실시형태에 따르면, 본 발명의 제 7 실시형태에서 기술된 바와 같은 적어도 하나의 열 교환기를 포함하는 흡수식 냉동 시스템이 제공된다.
본 발명의 제 9 실시형태에 따르면, 상승한 온도의 구역과 하강한 온도의 구역 간의 열 에너지의 전달을 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는 상기 상승한 온도의 구역과 상기 하강한 온도의 구역 사이에서 열 전달 매체가 이동가능한 열 교환 표면이 제공되는 적어도 하나의 통로를 포함하며, 상기 열 전달 매체는 베이스 유체 및 고체 나노필러를 포함하며,
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는 100 이상이다.
열 전달 매체의 점성은 1 내지 5,000 mPa·s인 것이 바람직하다. 고체 나노필러의 적어도 하나의 디멘션은 150 W/mK 이상의 열전도도를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 장치는 열 교환기이다.
다른 실시예에서, 장치는 2 상(dual phase)의 흡수/탈이 프로세스에 이용하기에 적절하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 열 전달 매체는 용해되거나 화학적으로 결합된 형태의 가스를 포함하거나 수용한다. 가스는 수소일 수 있다. 나노필러에는 적어도 하나의 금속 촉매가 코팅될 수 있다. 장치는 열 에너지, 태양열, 연소 또는 폐기물 에너지를 도입함으로써 가스를 방출하도록 구성될 수 있다. 장치는 발열 에너지 방출에 의해 액체 내로 가스를 흡수하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 장점은 기계적으로 강건하고(robust), 높은 열적 효율성을 가지며, 따라서 특히 경제적인 해법을 제공하는, 플라스틱, 금속, 및 복합 재료들의 사전제조된 플레이트들을 이용하여 쉽게 생산될 수 있다는 점이다. 이에 의해, 채널들(채널 플레이트들)을 갖거나 갖지 않는 열 전달을 위한 플레이트들에 대하여 가열 또는 냉동 매체의 분배를 위한 많은 수의 개구부들이 제공될 수 있으며, 이는 작동 매체에 의하여 병렬로 나아가는 채널들에서 크로스-플로우되거나(cross-flowed) 막과 같이 오버플로우(overflowed) 된다.
제 1 플레이트와 접촉하는 작동 매체는 제 1 유체 챔버 맞은편에 위치되는 제 1 플레이트의 측에 제공될 수 있다. 다수의 균등하게 분포된 제 1 및 제 2 개구부들에 의하여 제 1 플레이트의 전체 표면에서 균등한 열 전달이 보장될 수 있으며, 이는 제 1 플레이트를 따르는 작동 매체의 전도도와는 크게 독립적이다.
장치는 모듈식 구성 방법(modular construction method)으로 쉽게 생산될 수 있으며, 이에 의해 상이한 유동 상황들이 쉽게 보장될 수 있도록 상이한 플레이트들 및 고정물들이 제공될 수 있다. 이에 의해 용액 혼합물(solution mixture)에 대한 균등한 냉동/가열을 제공하는 것이 가능하다. 상기 장치는 비용-효과적이며 효율적으로 생산될 수 있는 단순하고 콤팩트한 구조를 포함하여 이루어질 수 있다. 특히, 유체 챔버들을 한정하는 다수의 플레이트들로 만들어지는 샌드위치-형 실시예가 제공될 수 있다. 플레이트의 한 측이나 양 측에서 수행될 수 있는 유동의 컨덕턴스(conductance)를 위해 유체 챔버들 내에 고정물들이 제공될 수 있다.
결과적으로, 열 교환기 및/또는 흡수식 냉동 시스템에 있어 상술된 장점들을 제공하는 것이 가능하다. 다수의 장치들은 서로 밀도 있게 연결될 수 있으며, 그 결과 특히 콤팩트한 디자인이 달성될 수 있다.
열 교환기들을 통한 열 구동 흡수 및 탈이 프로세스들의 다양한 응용예들이 존재한다. 이들은 열 펌프들, 냉장고, 에어-컨디셔너, 흡수식 냉동기(absorption chillers), 및 액체 캐리어 유체 내로의 수소의 탈이/흡수(hydrogen desorption/absorption into liquid carrier fluids)를 포함한다.
이하, 첨부 도면들을 참조하여 비-제한적인 예시의 방법으로 본 발명의 실시예들을 설명할 것이다.
도 1은 흡수식 냉동 사이클의 간략화된 개략도;
도 2는 본 발명에 따른 열 교환 장치의 제 1 실시예의 단면도;
도 3은 본 발명에 따른 열 교환 장치의 제 2 실시예의 단면도;
도 4는 본 발명에 따른 열 교환 장치의 제 3 실시예의 단면도;
도 5는 본 발명에 따른 열 교환 장치의 제 4 실시예의 단면도;
도 6은 본 발명에 따른 열 교환 장치의 제 5 실시예의 단면도;
도 7은 본 발명에 따른 열 교환 장치의 제 6 실시예의 단면도;
도 8은 열 전달을 위해 플레이트와 연결되는 작동 매체를 위한 컨덕터의 단면도;
도 9는 도 8에 따른 컨덕터의 일 모델의 평면도;
도 10은 도 8에 따른 컨덕터의 다른 모델의 평면도;
도 11은 본 발명에 따른 열 전달 장치 일 실시예의 제 1 플레이트의 평면도;
도 12는 본 발명에 따른 강하막(falling film)을 갖는 열 교환 장치의 일 실시예의 사시도;
도 13은 본 발명에 따른 다수의 열 교환 장치들을 포함하는 열 전달을 위한 열 교환기를 나타낸 사시도;
도 14는 흡수식 냉동기의 작동 원리를 예시한 개략도;
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 열 교환 시스템의 개략도;
도 16은 본 발명에서 이용하기에 적합한 나노-재료들의 기능화(functionalization)를 예시한 도;
도 17은 나노유체들(nanofluids)의 예들 및 투과 전자현미경(TEM)에 의한 나노필러들의 존재를 나타낸 도;
도 18은 나노유체들 내의 나노필러들의 작은 입자 크기에 관한 실험 결과들을 나타낸 도이다.
도 1은 태양열 전원을 갖는 흡수식 냉동 시스템(9)의 개략도를 나타내고 있다. 예를 들어, 분사기로서 지정된 흡수식 냉동 시스템의 용매 증발기(solvent evaporator; 91) 내에 암모니아 수용액(ammonia water solution)이 포함될 수 있다. 이 경우에, 상기 수용액은 예를 들어 태양열 시스템으로부터 증기나 고온 수에 의해 간접적으로 가열된다. 태양열 시스템과 대안적으로, 필요한 증발 온도를 제공할 수 있는 여타 적합한 열원이 이용될 수 있다. 암모니아 증기는 순차적으로 용매 증발기(91)로부터 빠져나간다. 대개의 경우에, 증기들은 분리 칼럼(separation column) 또는 정류 칼럼(rectification column)(도 1에 도시 안됨)을 통해 물 잔류물(water residues)로부터 분리된 다음, 액화기(liquefier; 92) 내로 공급된다. 그 다음, 액화된 암모니아는 고-압 수집기(도 1에 도시 안됨)에 저장된다. 컨디셔닝을 위해, 연결된 냉동 소비체들(refrigeration consumers)로부터의 공기 유동은 열 교환기(93) 내로 전달되며, 여기서 냉동 암모니아가 압력 저감에 의해 증발되고 공기 유동이 냉각된다.
열 교환 후에, 암모니아 증기들은 흡수기(94)에 의하여 흡입 채널을 통해 흡입된다. 용매 증발기(91)로부터의 잔류물, 즉 저-암모니아 냉동 용액은 흡수제로 이용된다. 저-암모니아 용액은 흡수기(94) 내로 도입되고, 흡수기(94)는 외부 냉각에 의해 순환 냉각되어 용액의 열을 제거한다. 저-암모니아 용액은 포화될 때까지 암모니아를 흡수하려는 경향을 갖는다. 그 다음, 흡수기(94) 내에서 농축된 포화 용액은 다시 용매 증발기(91) 내로 펌핑된다.
외부 냉각의 냉각수는 공기-냉각 장치(95)에 의하여 폐쇄 사이클에서 작동 온도까지 재컨디셔닝된다.
암모니아 대신, 흡습성 염(hygroscopic salt)도 이용될 수 있다.
이 타입의 흡수식 냉동 시스템(9) 대신에, 후술되는 열 전달 장치 및 후술되는 열 교환기가 특히 효율적으로 이용될 수 있다. 결과적으로, 쉽고, 비용-효과적이며 높은 효율성으로 흡수식 냉동 시스템(9)을 제공하는 것이 가능하다.
도 2 내지 도 7은 흡수식 냉동 시스템에서 이용하기 위한 본 발명에 따른 열 전달 장치들의 다양한 실시예들을 나타내고 있다.
도 2는 전달 장치의 제 1 실시예를 나타내고 있다. 상기 장치는 열 전달을 위한 제 1 플레이트(또는 벽)(21)와 제 1 플레이트(21) 맞은편에 위치되는 제 2 플레이트(22) 사이에 배치되는 제 1 유체 챔버(11), 제 1 유체 챔버(11)로부터 먼 쪽을 향하는 제 2 플레이트(22)의 측과 제 2 플레이트(22) 맞은편에 위치되는 제 3 플레이트(13) 사이에 배치되는 제 2 유체 챔버(12), 및 제 2 유체 챔버(12)로부터 먼 쪽을 향하는 제 3 플레이트(23)의 측과 제 3 유체 플레이트(23) 맞은편에 위치되는 제 4 플레이트 사이에 배치되는 제 3 유체 챔버(13)를 포함한다. 제 2 플레이트(22)는 제 1 유체 챔버(11)와 제 2 유체 챔버(12) 간의 유체 교환을 위해 전체 제 2 플레이트(22)를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 1 개구부들(31)을 포함한다. 제 2 플레이트는 전체 제 2 플레이트(22)를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 2 플레이트(22)의 제 2 개구부들(32)을 포함하며, 상기 제 2 개구부들(32)은 제 1 유체 챔버(11)와 제 3 유체 챔버(13) 간의 유체 교환을 위해 제 1 연결 채널들(41)에 의해 제 3 플레이트(23)의 제 3 개구부들(33)과 연결된다. 제 3 개구부들 또한 전체 제 3 플레이트(23)를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포된다. 일 작동에 있어, 입구 형태의 공급 라인(51)은 제 3 유체 챔버(13)에 연결되어, 유체가 제 3 유체 챔버(13)에 의해 형성되는 캐비티 내로 먼저 유동하게 한다. 출구 형태의 방출 라인(52)은 제 2 유체 챔버(12)에 연결되어, 유체가 제 2 유체 챔버(12)의 캐비티로부터 빠져나가게 한다. 이 실시예에서의 액체의 유동 경로는 도 2에 화살표들로 도시되어 있다.
하지만, 다른 작동 및 응용예들에서는 유체가 라인(52)을 통해 들어가고 라인(51)으로부터 빠져나갈 수 있다는 점에서 유체의 유동 방향이 역전될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 실시예들에서, 상기 장치는 열 전달가능 또는 전달 유체가 처음에는 제 2 유체 챔버(12)로 도입되고, 두 번째로는 제 1 개구부들(31)을 통해 제 1 유체 챔버(11) 내로 도입될 수 있게 한다. 제 1 유체 챔버(11)에 도달할 시에, 유체는 플레이트(21)의 열 교환 표면과 접촉하게 되고, 유체와 플레이트 간의 열 교환이 이루어지며, 결과적으로 제 1 유체 챔버에서 유체의 온도가 변화된다. 유체와 제 1 플레이트 간의 온도 차이에 따라, 열이 유체로부터 제 1 플레이트로 전달되거나 제 1 플레이트로부터 유체로 전달된다. 세 번째로, 유체는 제 1 유체 챔버를 벗어나, 연결 채널들(41)의 맞은편 단부들에 의하여 연결되고 상기 연결 채널들(41)에 의해 형성되는 제 2 개구부들(32) 및 제 3 개구부들(33)을 통해 제 3 유체 챔버(13) 내로 들어간다.
제 2 유체 챔버(12) 및 제 3 유체 챔버(13)에서는 각각 단지 소량의 열 교환만 일어나며, 제 1(또는 제 2) 개구부들을 통해 제 1 유체 챔버(11) 내로 유동하기 전 또는 후에는 유체가 제 2 유체 챔버 및 제 3 챔버 내에서 거의 균일한 온도를 갖는다는 것을 이해하여야 한다. 전체 제 2 플레이트(22)를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 1 개구부들(31)[및 제 2 개구부들(32)]로 인해, 제 1 플레이트(21) 상으로 유동하는 유체는 전체 영역에서 실질적으로 같은 온도를 갖도록 구성될 수 있다. 제 1 개구부들(31) 및 제 2 개구부들(32)의 균등하게 교번하는 분포로 인해, 유체 셀들이 형성되며, 이에 의해 유체는 실질적으로 제 1 개구부들(31) 중 하나로부터 제 1 플레이트(11)로 유동한 다음, 인접한 제 2 개구부들(32) 중 하나를 통과하도록 구성될 수 있다(또는 역방향으로의 진행도 가능하다).
제 1 플레이트(21)와 접촉하는 작동 매체는 제 1 유체 챔버(11) 맞은편에 위치되는 제 1 플레이트(21)의 측 상에 제공될 수 있다. 다수의 균등하게 분포되는 제 1 및 제 2 개구부들에 의하여, 제 1 플레이트(21)의 전체 표면에서 균등하고 균질한 열 전달이 보장되며, 이는 제 1 플레이트(21)를 따르는 작동 매체의 컨덕트(61)와는 크게 독립적이다.
열 전달을 향상시키기 위해, 제 1 플레이트(21)의 표면은 구조화 설계될 수 있다. 유체와 제 1 플레이트(21) 간의 접촉 표면의 확대는 이러한 구조화(structuring)에 의하여 쉽게 달성될 수 있으며, 이에 의해 개선된 열 전달을 달성할 수 있다.
또한, 제 1 플레이트(21)의 표면을 구조화함으로써 작동 매체와 제 1 플레이트(21) 간의 접촉 표면의 확대를 달성할 수도 있다. 특히, 제 1 유체 챔버로부터 먼 쪽을 향하는 제 1 플레이트(21)의 측은 단일 부품으로서 작동 매체의 컨덕트(61)와 연결되어 제공될 수 있다. 컨덕트(61)는 특히 개방 또는 폐쇄 채널로서 설계될 수 있다. 이러한 방식으로, 작동 매체와 제 1 플레이트(21) 간의 효율적인 열 전달을 보장할 수 있다.
공급 라인(51) 및/또는 방출 라인(52)은 적어도 제 2 유체 챔버(12) 및/또는 제 3 유체 챔버(13)의 영역에서 장치와 탈착-불가능하게 연결될 수 있다.
유체의 입구 영역에서 제 1 유체 챔버(11) 내로 노즐들(53)이 제공될 수 있으며, 이에 의하여 제 1 유체 챔버(11) 내에서의 유체의 유동 방향에 영향을 미칠 수 있다. 결과적으로, 장치의 효율성을 개선시킬 수 있다. 노즐들(53)은 원뿔형 노즐들로서 설계될 수 있다. 본 발명의 과정 동안의 연구들은 제 1 유체 챔버(11) 내에서 유체의 난류를 발생시키는 것은 유체의 보다 균질한 온도 차이를 가능하게 하며, 따라서 열 전달에 있어 보다 높은 효율성을 달성할 수 있음을 보여주었다.
도 3은 도 2의 열 전달 장치와 유사한 열 전달 장치의 제 2 실시예를 나타내고 있다. 이 장치에서, 제 1 유체 챔버(11) 내에서의 유동은 유동 조절을 위한 고정물들(54)의 이용에 영향을 받을 수도 있다. 고정물들(54)은 스크루-모양의 형태들을 갖는 격자-형상 인서트(grid-shaped insert)로서 설계될 수 있다. 결과적으로, 제 1 연결 채널들(41)과 제 1 유체 챔버(11) 간에 압력 손실을 크게 저감시킬 수 있다. 압력 손실의 저감은 보다 낮은 유입 유체의 압력이 요구됨을 의미하며, 보다 낮은 압력은 보다 높은 에너지 효율성 및 장치의 보다 높은 내구성을 의미한다.
또한, 고정물들(54)은 플레이트들(21, 22, 23, 24) 중 1 이상과 견고하게 연결될 수 있으며, 특히 단일 또는 통합 부로서 연결될 수도 있다.
연구들에 따르면 유체의 유동이 스크루-형상의 패턴을 나타낼 경우 열 전달의 효율성이 높아질 수 있음을 판명하였다. 따라서, 노즐들 및/또는 고정물들은 이러한 패턴을 나타내도록 유체의 유동을 조작하도록 구성될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 열 전달 장치들 모두에서, 제 1 플레이트(21), 제 2 플레이트(22), 제 3 플레이트(23), 및 제 4 플레이트(24)는 실질적으로 병렬로 배치된다. 이 구조는, 한편으로는 상대적으로 단순한 방식으로 장치의 제조를 가능하게 한다. 다른 한편으로, 일반적으로 평행한 구조는 다수의 장치들이 블록 조립체(block assembly)에 의해 보다 큰 열 교환기 내에 함께 조립되도록 할 수 있다.
장치에는 모듈식 디자인이 제공될 수 있다. 이에 의해, 케이싱(55)의 일 개구부는 제 1 플레이트(21)에 의해 폐쇄될 수 있다. 그 다음, 제 2 플레이트(22) 및 제 3 플레이트(23)는 케이싱(55) 내에 삽입된다. 케이싱(55)은 제 4 플레이트(24)를 이용하여 제 1 플레이트(21) 맞은편 측에서 폐쇄될 수 있다. 이러한 디자인에 의하면, 장치는 제조 및 비용의 관점 모두에서 효율적으로 제조될 수 있다.
또한, 고정물들(54)[및 스페이서들(spacers)]은 플레이트들의 편향을 방지하기 위하여 장치의 플레이트들(21, 22, 23, 24) 사이에 삽입될 수 있다. 고정물들(54) 및/또는 스페이서들은, 특히 단일 부품 또는 통합 부로서 플레이트들(21, 22, 23, 24)과 연결될 수도 있다.
장치는 상이하게 형성된 플레이트들(21, 22, 23, 24) 및/또는 인서트들(54)에 의해 변화하는 요건들에 맞게 용이하게 구성될 수 있음을 이해하여야 한다. 결과적으로, 상이한 온도 범위들 및/또는 유체들에 대해 장치의 매우 높은 효율성을 보장하는 것이 가능하다. 필요할 경우, 플레이트들(21, 22, 23, 24) 중 하나 및/또는 인서트들(54) 중 하나를 변경함으로써 향상된 효율성을 얻을 수 있다면 장치는 쉽게 변형될 수도 있다.
본 발명의 과정 동안의 연구들은, 제 1 플레이트(21)가 금속 또는 금속계 재료로 만들어지고, 제 2 플레이트(22), 제 3 플레이트(23), 및 제 4 플레이트(24)가 예를 들어 보온성 열가소성 수지(heat-insulating thermoplastic polymer)로 만들어지는 경우, 제 1 플레이트(21)에 대해서는 효율적인 열 전달이 제공되며, 이에 의해 제 2 플레이트(22), 제 3 플레이트(23) 및 제 4 플레이트(24)는 보온재로서 작용한다는 것을 보여주었다. 케이싱(55), 공급 라인(51) 및 방출 라인(52)도 보온성 열가소성 수지로 설계될 수 있다. 열가소성 수지로 만들어지는 부분은 단순한 방식으로, 예를 들어 사출 성형(injection molding)에 의해 생산될 수 있다. 필요한 공간, 무게, 및 생산비는 이들 부품들을 이용하면 저감된다.
도 5는 열 전달 장치의 제 4 실시예를 나타내고 있다. 이 실시예는 차이들이 존재하기는 하나 도 2의 실시예와 유사하다. 제 3 유체 챔버(13)로부터 먼 쪽을 향하는 제 4 플레이트(24)의 측과 제 4 플레이트(24) 맞은편에 위치되는 제 5 플레이트(25) 사이에 배치되는 제 4 유체 챔버(14), 및 제 4 유체 챔버(14)로부터 먼 쪽을 향하는 제 5 플레이트(25)의 측과 제 5 플레이트(25) 맞은편에 위치되는 열 전달을 위한 제 6 플레이트(26) 사이에 배치되는 제 5 유체 챔버(25)가 제공된다. 제 5 플레이트(25)는 제 5 유체 챔버(15)와 제 4 유체 챔버(14) 간의 유체 교환을 위해 전체 제 5 플레이트(25)를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 4 개구부들(34)을 포함하며, 전체 제 5 플레이트(25)를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 5 플레이트(25)의 제 5 개구부들(35)은 제 5 유체 챔버(15)와 제 3 유체 챔버(13) 간의 유체 교환을 위해 제 2 연결 채널들(42)에 의하여 전체 제 4 플레이트(24)를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 4 플레이트(24)의 제 6 개구부들(36)과 연결된다. 이러한 구조에 의하면, 장치의 2 개 측들, 즉 제 1 플레이트(21) 및 제 6 플레이트(26)에서 열 전달이 이루어질 수 있다. 이 실시예에서는, 도 2에 따른 장치가 실질적으로 배가되며(doubled), 이에 의해 제 3 유체 챔버(13)는 두 번 이용되고, 따라서 모든 부분들이 복제되어야 하는 것은 아님을 이해하여야 한다. 결과적으로, 열 전달을 위한 큰 표면을 갖는 콤팩트한 디자인을 제공할 수 있다.
당업자라면, 제 5 유체 챔버(15)는 제 1 유체 챔버(11)와 유사하게 설계될 수 있음을 이해할 것이다. 제 4 유체 챔버(14)는 제 2 유체 챔버(12)와 유사하게 설계될 수 있다.
제 4 플레이트(24)는 제 3 플레이트(23)와 유사하게 설계되고, 및/또는 제 5 플레이트(25)는 제 2 플레이트(22)와 유사하게 설계되며, 및/또는 제 6 플레이트(26)는 제 1 플레이트(21)와 유사하게 설계될 수 있다.
장치를 제조할 때, 케이싱은 제 1 플레이트(21) 및 제 6 플레이트(26)에 의하여 폐쇄되며, 그들 사이에 위치되는 플레이트들, 즉 제 2 플레이트(22), 제 3 플레이트(23), 제 4 플레이트(24) 및 제 5 플레이트(25)는 케이싱(55) 내에 삽입된다.
도 4는 본 발명에 따른 장치의 제 3 실시예를 나타내고 있다. 제 3 실시예는 도 2의 장치와 유사하다. 이 실시예에서, 제 1 유체 챔버(11) 맞은편에 위치되는 열 전달을 위한 제 1 플레이트(21)의 측에 배치되는 열 전달을 위한 제 1 플레이트(27)가 제공된다. 또한, 제 1 유체 챔버(11)로부터 먼 쪽을 향하는 제 7 플레이트(27)의 측과 제 7 플레이트(27) 맞은편에 위치되는 제 8 플레이트(28) 사이에 배치되는 제 6 유체 챔버(16)가 제공된다. 제 6 유체 챔버(16)로부터 먼 쪽을 향하는 제 8 플레이트(28)의 측과 제 8 플레이트(28) 맞은편에 위치되는 제 9 플레이트(29) 사이에 배치되는 제 7 유체 챔버(17)가 제공된다. 제 7 유체 챔버(17)로부터 먼 쪽을 향하는 제 9 플레이트(29)의 측과 제 9 플레이트(29) 맞은편에 위치되는 제 10 플레이트(30) 사이에 배치되는 제 8 유체 챔버(18)가 제공된다
제 8 플레이트(28)는 제 6 유체 챔버(16)와 제 7 유체 챔버(17) 간의 유체 교환을 위해 전체 제 8 플레이트(28)를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 7 개구부들(37)을 포함하며, 제 8 플레이트(28)의 제 8 개구부들(38)은 제 6 유체 챔버(16)와 제 8 유체 챔버(18) 간의 유체 교환을 위해 제 3 연결 채널들(43)에 의해 전체 제 9 플레이트(29)를 가로질러 실질적으로 균등하게 분포되는 제 9 플레이트(29)의 제 9 개구부들(39)과 연결된다.
이 구조에 의하면, 제 1 플레이트(21)와 제 7 플레이트(27) 둘 모두를 통해 열 교환이 이행된다는 점에서 제 1 유체 챔버(11)와 제 6 유체 챔버에 각각 배치되는 두 작동 매체 간에 열 교환이 일어날 수 있다. 도 2에 따른 장치는 실질적으로 배가된다.
당업자라면, 제 6 유체 챔버(16)가 제 1 유체 챔버(11)와 유사하게 설계될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 제 7 유체 챔버(17)는 제 2 유체 챔버(12)와 유사하게 설계될 수 있으며, 및/또는 제 8 유체 챔버(18)는 제 3 유체 챔버(13)와 유사하게 설계될 수 있다.
제 7 플레이트(27)는 제 1 플레이트(21)와 유사하게 설계되고, 및/또는 제 8 플레이트(28)는 제 2 플레이트(22)와 유사하게 설계되고, 및/또는 제 9 플레이트(29)는 제 3 플레이트(23)와 유사하게 설계되며, 및/또는 제 10 플레이트(30)는 제 4 플레이트(24)와 유사하게 설계될 수 있다.
제 1 플레이트(21), 작동 매체의 컨덕트(61) 및 제 7 플레이트(27)는 단일 부품 또는 통합 부로서, 예를 들어 작동 매체를 위한 보어홀들을 갖는 블록으로서 설계될 수 있으며, 이에 의해 본 발명에 따라 제 1 유체 챔버(11)와 대향되는 블록의 영역은 제 1 플레이트(21)를, 제 6 유체 챔버(16)와 대향되는 블록의 영역은 제 7 플레이트(27)를, 그리고 보어홀들을 갖는 블록의 영역은 작동 매체의 컨덕트(61)를 나타낸다.
플레이트들(21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30)은 장치의 제조의 용이성을 위해 실질적으로 병렬로 배치되는 것이 바람직하다.
유체 및/또는 작동 매체에 노출되는 모든 표면에는 추가적인 금속계 코팅이 제공될 수 있다. 결과적으로, 장치의 매우 긴 사용 수명이 보장될 수 있다.
유체와 접촉하는 표면들 중 적어도 일부는 나노코팅을 포함하며, 이에 의해 매우 작은 유동 저항성 및 열 교환의 높은 효율성을 보장하는 것이 가능하다.
도 6에 따른 제 5 실시예는 도 5에 따른 제 4 실시예와 대응되며, 이에 의해 제 1 유체 챔버(11) 및 제 5 유체 챔버(15)에 고정물들(54)이 제공된다.
도 7은 본 발명에 따른 열 전달 장치의 제 6 실시예를 예시하고 있다. 이 실시예는 케이싱(55)이 보강 설계되었으나 도 6의 장치와 일반적으로 유사하다. 결과적으로, 특별한 내압적 디자인을 달성하는 것이 가능하다. 케이싱(55)은 금속 또는 금속계 재료로 생산된다. 재료는 열 전달을 위한 플레이트들(21, 26, 27)에도 이용되는 것이 바람직하다. 열 전달(21, 26, 27)을 위한 플레이트들은, 예를 들어 냉간 성형에 의해 케이싱(55)과 단일 부품으로서 설계되어 제공될 수 있다. 제 6 실시예에서는, 예를 들어 케이싱(55)의 2 개의 이분체들 간의 결합부가 납땜, 냉간 성형 또는 접착에 의해 폐쇄될 수 있다.
연구들에 따르면, 본 발명에 따른 열 전달 장치들의 실시예들의 열 전달 부재에 걸친 열 전달 플럭스(W/m2K)는 10 L/min의 유속에서 25,000 W/m2K에 도달할 수 있다는 것을 보여주었다. 이러한 열 전달 플럭스는 종래의 장치들에 의해 달성될 수 있는 것보다 실질적으로 크다. 종래 장치들의 열 전달 플럭스는 통상적으로 14,000 W/m2K보다 높게는 도달될 수 없다. 연구들은 또한, 본 발명에 따른 신규한 장치들과 종래 장치들과의 비교는 특정한 신규 장치에 걸쳐 동일한 압력 하강이 존재할 경우 통상적으로 열 교환 효율성이 2 배 만큼 높다는 것을 보여주었다.
도 8은 열 전달을 위한 플레이트들(21, 26, 27) 중 하나와 연결되는 작동 매체를 위한 컨덕트(61)의 일 모델의 단면도를 나타내고 있다. 컨덕트(61)는 유체 또는 가스 상태로의 작동 매체의 유동을 위한 채널들을 포함한다. 작동 매체와 열 전달가능 유체 간의 열 교환을 위해 플레이트들(21, 26, 27)의 열 전달 표면들 사이에는 복수의 리브들(ribs; 62)이 제공되고 위치된다. 컨덕트(61)는 150 W/mK보다 큰 열 전도 계수를 갖는 재료로 만들어지는 것이 바람직하다. 컨덕트는 열 전달을 위해 플레이트들(21, 26, 27) 중 하나와 단일 부품으로서 연결될 수 있으며, 예를 들어 구조 에칭(structured etching)과 같은 화학적 처리에 의해, 디프 드로잉(deep drawing), 밀링 또는 드릴링과 같은 기계적 변형에 의해, 다수의 부품들의 결합에 의해, 또는 적합한 몰딩 방법들에 의해 생산될 수 있다. 컨덕트(61)는 작동 매체의 유동-관통 냉각 또는 가열 구조들(flow-through cooling or heating structures)을 위한 유체 채널들을 나타낸다. 하지만, 이러한 구성은 폐쇄된 열 파이프로서 설계되는 것도 바람직할 수 있다. 이는, 고체 물질의 저온 저장소에 대한 접근이 활용될 수 있는 상황들, 예를 들어 우주선의 외부 측이 항상 매우 낮은 온도로 되어 있는 우주비행의 응용예들(astronautic applications)에 대해 활용되는 상황들에서 특히 유리하다.
도 9 및 도 10 각각은 도 8의 컨덕트(61)와 유사한 컨덕트들의 상이한 실시예들의 평면도를 나타내고 있다.
도 8(및 도 9와 도 10)에 도시된 바와 같이, 컨덕트(61)는 일 측에서 맞은편 측까지 이어지는 리브들(62) 간의 작동 매체를 위한 다수의 채널들을 제공한다. 채널들의 단면은 임의로 구현될 수 있어, 예를 들어 둥글거나 직사각형으로 이루어질 수 있다. 채널들의 단부에는, 작동 매체를 개별 채널들 상으로 분배 또는 수집하는 분배기들(distributors; 63)이 제공될 수 있다. 분배기들(63)은 연결 파이프들에 의하여 작동 매체의 공급 라인들 및 방출 라인들과 연결될 수 있다.
본 발명의 과정 동안의 연구들은 금속들 또는 금속으로 밀봉된 흑연들(metallically sealed graphites)이 작동 매체의 기밀 전도(gastight conductance)에 매우 적합한 열 전도 재료들이라는 것을 보여주었다. 알루미늄 및 구리 그룹들로부터의 금속계 재료들이 이용되는 것이 바람직하다. 특히 고압 조건들 하에서는, AlSiC와 같은 금속으로 코팅된 금속-매트릭스 복합체들이 매우 적합하다.
도 10에 도시된 채널들은 구불구불한 형상(meander-shaped)의 디자인을 갖는다. 이 디자인에 의하면, 열 전달 및 작동 매체를 위한 플레이트들(21, 26, 27) 간에 매우 효율적인 열 전달이 달성될 수 있다.
도 11은 열 전달 장치 일 실시예의 제 2 플레이트(22)의 평면도를 나타내고 있으며, 이에 의해 제 1 개구부들(31) 및 제 2 개구부들(32)의 가능한 분포를 알 수 있다.
도 12는 강하막(falling film)을 갖는 열 전달 장치의 일 실시예의 사시도이다. 강하막에 의하면, 열 전달을 위한 플레이트들(21, 26, 27)을 따라 작동 매체가 강하막을 형성한다. 이 구조에서, 제 1 플레이트(21) 및 제 6 플레이트(26)는 장치의 외부 측들을 형성하며, 이에 의해 양 측 상에서의 열 전달이 계획된다.
제 1 플레이트(21) 및 제 6 플레이트(26) 각각은 작동 매체를 위한 연속적 오버플로우 표면(continuous overflow surface)을 형성한다.
슬롯-형상으로 설계될 수 있는 다수의 웰(well) 개구부들(65)을 갖는 공급 파이프(feeder pipe; 64)는 현수된 상태로 배치되는 제 1 플레이트(21) 및 제 6 플레이트(26)의 외부 측들에 작동 매체를 공급한다. 작동 매체는 2-상 작동 매체, 예를 들어, 용매 증발기(91)를 위한 부-암모니아 암모니아-워터 혼합물(ammonia-rich ammonia-water mixture), 또는 흡수식 냉동 시스템(9)의 흡수기(94)를 위한 저-암모니아 암모니아-워터 혼합물일 수 있다. (다른 응용예들에서, 작동 매체는 수소 함유 또는 수소-포함가능 매체일 수 있다.) 웰 개구부들(65)로부터 제 1 플레이트(21) 및/또는 제 6 플레이트(26) 상으로 솟아나게 함(welling up)으로써, 이들 플레이트들(21, 26)의 막-형 습윤(film-like wetting)이 이러한 방식으로 보장될 수 있다. 그로 인한 가스는 (도 12에 점선으로 나타낸 바와 같이) 갭을 통해 동일 디자인의 이웃하는 장치들로 빠져나갈 수 있다.
이 디자인의 특별한 장점은 그것의 현수된 형태 및 특성에 있다. 이 디자인에 의하면, 시간에 걸쳐 발생되는 화학적, 기계적 또는 생물학적 특성의 오염 영향들(soiling effect)이 오작동을 야기하지 않는다. 먼지 입자는 중력으로 인해 장치의 최하단 부로 모이며, 이곳에 사용하기 쉬운 수집 용기가 제공될 수 있다.
열 전달을 위한 플레이트들(21, 26, 27)은 적어도 열 방사선을 흡수하는 영역들에 코팅이 제공될 수 있다. 이 코팅은 특히 작동시 열이 흡수되도록 계획된 측에 대한 방편으로서 나타난다.
도 13은 도 12의 복수의 열 전달 장치들을 포함하는 열 교환기(7)를 나타내고 있다. 이 디자인에서, 열 교환기(7)는 표준 요소들로부터의 임의의 성능 요건들을 위한 조립에 대해 장치들의 특히 공간-절약적인 모듈식 라인-업을 가능하게 한다.
도 1에 나타낸 암모니아-수용액이 흡수식 냉동 시스템(9)에서 이용될 경우, 암모니아 증기의 공급 또는 제거를 위해 2 개의 이웃하는 열 전달 장치들 간의 갭이 활용될 수 있다. 이러한 디자인의 이용에 의하면, 내압 및 외압 차이들을 매우 작게 유지시키는 것이 가능하다. 하지만, 기계적으로 콤팩트한 구조를 이용하여 어떠한 기능적 손상도 없이 내부와 외부 간의 주요한 압력 차이들을 만드는 것도 가능하다.
이 디자인에 의하면, 다수의 열 전달 장치들이 열 교환기(7)에 대해 병렬로 연결될 수 있다. 대안적으로, 다수의 열 전달 장치들이 직렬로 연결될 수도 있다. 열 전달 장치들이 병렬로 연결되는 경우, 열 교환기(7)는 열 교환기 블록 또는 조립체로 조합되며, 필요할 경우 열 교환기(7)는 함께 직렬로 연결되는 다수의 열 교환기 블록들을 포함할 수도 있다.
예를 들어, 서리-방지 수, 탈이온 수, 또는 버퍼 수(buffered water)가 유체로서 이용될 수 있다.
유체가 고 커패시터(high capacity)를 갖는 액체인 경우 특히 유리한 것으로 나타난다. 이에 의해 나노입자들을 갖는 유체가 제공될 수 있다.
적어도 일 방향으로 100 nm보다 작은 직경 및/또는 150 W/mK보다 큰 열 전도도를 갖는 입자들 또는 화이버들이 첨가된 유체가 특히 유리한 것으로 판명되었다.
나노-기술의 발전으로 인해, 나노-스케일에서 탁월한 특성들을 나타내는 재료들이 구성되어 왔다. 특히, 탄소 나노튜브들(CNTs)은 뛰어난 열 전도도 및 전기 전도도를 갖는 것으로 나타났다. 몇몇 고립된(isolated) 탄소 나노튜브들에 대해, 최대 6,600 W/mK에 이르는 높은 값의 길이방향 열 전도도(longitudinal thermal conductivity)가 보고되었다.
본 발명은 열 전달 장치들에 관한 실시형태들과 관련되어 있으나, 본 발명은 열 전달 장치들에서 이용될 경우 보다 높은 열 교환 속도 및/또는 낮은 압력 강화를 가능하게 하거나 또는 적어도 개선시키는 열 전달가능 또는 열 전달 매체와도 관련되어 있다. 이러한 설명의 배경에서, 매체는 나노유체로서 명명될 수도 있으며, 높은 열용량 또는 열 전도도를 가져 보다 낮은 유동 속도가 실현될 수 있으며, 따라서 이러한 장치들에서의 압력 하강의 문제를 저감시킨다. 본 발명의 이 실시형태는 흡수식 냉동 에어-컨디셔닝 시스템(absorption chiller air-conditioning system)에 적용가능하지만, 2-상 흡수/탈이 장치(dual-phase absorption/desorption apparatus)를 포함하는 다른 응용예들, 예를 들어 수소 흡수/탈이 프로세스들도 분명 존재한다는 데 유의하여야 한다.
도 14는 용해되거나 화학적으로 결합된 형태의 액체 및 유동성 증기(fluent vapour)를 포함하는 2-상 작동 매체 또는 용액을 포함하는 탈이기(101)를 나타내고 있다. 작동 용액은 유체 매트릭스의 베이스 유체에 고체 나노필러를 더 포함시킴으로써 나노유체로 만들어질 수 있다. 탈이기(101)는 2-상 작동 용액에 연료-연소, 폐기물-열 또는 태양열로부터의 충분한 열 에너지를 제공하여 탈이 유동성 상(desorbing fluent phase)이 작동 용액으로부터 증발되도록 함으로써 탈이기(101)로부터 응축기(102)로 증기를 전달한다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 열 교환기(105)의 열 패널 표면(153)에서는, 태양-, 폐기물-, 에너지 소작(energy cauterization) 또는 연료-연소 열 에너지로부터 충분한 열 에너지를 수집한 후에 나노필러계 열 전달 유체가 탈이기(101)로 들어갈 때 덕트(154)를 통해 덕트(155)로(또는 그 역 방향으로) 높은 열 에너지를 전달한다. 이러한 높은 열 에너지의 나노유체는 제 2 상으로 부양되어(boost) 덕트(151)를 통해 공급되는 작동 용액으로부터 분리되며, 이는 또한 나노유체 없는 것 보다 훨씬 더 빨리 탈이기(101)에서 나노유체로 합성될 수도 있다. 높은 열 에너지 증기 상은 열 교환기(105)로부터 덕트(150)를 거쳐 응축기(102)로 유동하는 한편, 나노필러 매트릭스 유체용 베이스 유체가 남아 있는 저급(poor) 작동 유체 용액은 덕트(152)를 통해 흡수기(104)로 되돌아 온다.
응축기(102)에서, 탈이기(101)로부터 탈이된 증기는 가스 상태에서 액체 상태로 냉각된다. 응축기(102)에서, 열 교환시 높은 효율성을 달성하기 위해 추가 나노유체에 의하여 냉각된 열 교환기가 채택된다. 나노유체는 냉각제로부터의 열을 상승한 온도 구역에서 하강한 온도 구역으로 전도시킨다.
도 15에 나타낸 바와 같이, 탈이기(101)에서 발생된 높은 열 에너지를 갖는 증기는 덕트(151)를 통해 전달되어, 상기 열 에너지가 낮은 온도 구역과 교환됨으로써 탈이된 증기가 액체로 응축된다. 나노유체는 이러한 목적을 위해 열 패널(153)을 가로지르는 덕트(154)로부터 덕트(155)로(또는 그 역 방향으로) 펌핑된다. 매우 높은 열 용량을 갖는 나노유체는 열 에너지를 외부 재-냉각기(re-cooler; 153)로 전달하여, 작동 유체가 응축을 위해 덕트(151)로부터 덕트(152)로(또는 그 역 방향으로) 증발하여 냉각제가 된다. 낮은 열 에너지를 갖는 응축된 냉각제는 덕트(151)를 통해 덕트(152)로(또는 그 역 방향으로) 유동한다.
액체 냉각제가 팽창 밸브를 통해 증발기(3)로 들어가는 경우, 증발기(103) 내의 압력은 하강한다. 이러한 저감된 압력 하에서, 냉각제는 주변 온도 하에 증발하여 가용 열 에너지를 흡수함으로써 한정된 냉각 회로에 냉각 효과를 제공한다. 응축기(102)에 배치되는 유사한 열 펌프 장치에 의하면, 본 발명에 따른 열 교환기(105)는 증발기(103)에도 적용될 수 있다. 이 경우에, 냉각제 증기는 덕트(151 또는 152)를 통해 열 교환기(105)로 들어간다. 냉각 서클의 나노유체는 증발 루프와 역방향-유동하거나 또는 그와 평행하게 열 교환기(105)로 들어간다. 증발 루프에서, (저감된 압력 하에 있는) 냉각제는 냉각 서클에서 나노필러-보강 냉각수에 의해 제공되는 주변으로부터의 상당한 양의 열 에너지의 흡수시에 증발된다. 냉각 용액 내의 나노필러들의 증가된 열 용량으로 인해, 흡수된 에너지의 양은 나노유체 부재시의 양보다 많다. 증발 후에, 냉각제 증기는 흡수를 위해 흡수기(104)로 들어가는 반면, 나노유체는 다른 루프에서 재회수되고 냉동 에너지를 소비하면서 결국 루프로 되돌아 온다.
높은 고유 에너지를 갖는 냉각제 증기가 흡수기(104)로 들어가는 경우, 이는 흡수기(104)에서 나노 유체 매트릭스의 베이스 유체로서의 역할을 하는 흡수 (저급 작동) 유체 내로 흡수된다. 흡수 용액 내로의 냉각제 증기의 용해는 바로 소멸되는 데 필요한 열 에너지를 방출한다. 이는 나노필러 합성 용액을 이용함으로써 가속화될 수 있다. 열 에너지는 작동 용액 내의 이러한 나노필러들의 보다 높은 열 전도도에 의해 보다 효율적이고 효과적으로 수용되고, 외부의 재-냉각 루프가 열 교환기(105)와 같은 구조를 가지며 외부 히트 싱크(heat sink) 또는 냉각 타워들에 연결되는 열 교환기(105)의 외부 재-냉각 루프에서 다른 나노유체를 통해 열이 전달되어 나가는 열 교환기 상으로 전달된다. 이와 유사하게, 열 교환기(105)는 또한 흡수기(104)의 핵심 부분들 중 하나이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 보다 높은 열 에너지의 작동 유체는 덕트(151)를 통해 흡수기(104)로 유동하며, 높은 열 용량을 갖는 나노유체는 외부 히트 싱크 또는 냉각 타워들로 가는 열 에너지의 소멸을 돕는다. 상기 작용 유체의 열이 아직 불완전하게 소멸되었을 때를 위해, 이는 2차 열 소멸을 위해 덕트(152)를 이용해 재-루핑된다. 상기 작동 유체가 완전하게 열이 소멸되는 동안, 이는 덕트(150)를 통해 흡수기(104)로부터 유동하고, 결국 연속적인 재사이클링을 위해 탈이기(101) 내로 다시 들어간다.
그러므로, 열 교환기(105)는 상술된 탈이기(101), 응축기(102), 증발기(103), 및 흡수기(104) 각각에서 이용될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 장치에서, 유체 형태, 예를 들어 액체 형태의 열 전달 매체(그리고 소위 "나노유체")는 상승한 온도의 구역과 하강한 온도의 구역 간의 열 에너지의 전달을 위한 움직임을 위해 장치의 덕트 내에 포함된다. 나노유체는 베이스 유체, 예를 들어 액체에서 열 전도성 고체 나노필러들을 포함하는 유체 매트릭스이다. 베이스 유체는 물, 유기물, 무기물, 유기금속, 중합체일 수 있으며, 단일의 종이거나 상이한 조합들로 이루어질 수 있다.
유체 매트릭스는 다음의 물리적 특성 및 화학적 특성들, 즉 낮은 증기압, 높은 끓는점, 높은 비열용량, 낮은 열팽창성 및 열 전도 나노필러를 이용한 양호한 습윤성을 가져야 한다. 열 전도 나노필러들과 매트릭스 간의 습윤은 매우 중요하며 나노-유체의 열적 특성을 결정한다. 이들 열 전도 나노필러 재료들은 뛰어난 열 전도도를 가져야 하며[적어도 하나의 디멘션은, 예를 들어 AlN, Al, Ag, Cu, 나노그래파이트(nanographites) 및 다이아몬드에 대응되는 150 W/mK보다 큰 열 전도도를 가진다], 기계적 혼합, 셰어링(shearing) 또는 자전공전식 혼합(planetary mixing)에 의해 유체 내에서 잘 분산되어야 한다. 이러한 열 전도 나노필러들은 유기물, 무기물, 유기-금속, 중합체일 수 있으며, 단일 종들(single species)이거나 상이한 조합들로 이루어질 수 있다. 나노필러의 함량은 0.1 vol.% 내지 20 vol.%로 가변적이고, 점성은 1 내지 5000 mPa·s의 범위에 있으며, 여기서 농도는 나노유체의 열 저항성/열 전도도에 영향을 미친다. 열 전도 필러들은 나노-스케일이므로, 그들의 표면적은 증가한다. 뛰어난 열 전도는 베이스 액체 내에서의 나노필러들의 양호한 분산에 의해서만 실현될 수 있다. 양호한 분산을 위해 물리적 또는 화학적 처리가 나노재료들에 적용될 수 있다.
높은 종횡비 및 관상 구조를 갖는 나노재료들이 열 전도 필러들로서 선택되었다. 나노재료들은 추가적인 조작을 위한 표면들을 준비하기 위해 먼저 기능화되고 활성화된다. 적절한 반응들의 완료 후에, 마무리된 제품은 수성 또는 액체 매체 내에서 쉽게 용해되거나 분산될 수 있다. 나타낸 예시를 증명하기 위하여, 발명자들은 2 개 이상의 하이드록실 그룹들을 갖는 유기 탄화수소와 같은 하이드록실-함유 유기물 분자들과 반응시키는 화학적 반응을 선택하였다. 이들 하이드록실 그룹들은 분자 내에서 하나의 특정 탄소 원자 또는 상이한 탄소 원자에 결합될 수 있다. 그것이 25 ℃에서 액체이고, 낮은 증기압과, 분지쇄 및 부분적 분기들을 갖는 직쇄(straight chains with partial branchings)의 높은 끓는점을 갖는다면 이러한 유기 탄화수소의 분자 구조에 특별한 제약들은 존재하지 않는다. 탄화수소들은 2 내지 50 개, 바람직하게는 4 내지 20 개의 탄소 원자들을 포함할 수 있다. 하이드록실 그룹들의 존재와 더불어, 다른 기능 그룹들, 예컨대 알케닐(alkenyl), 알킬(alkyl), 카르보닐(carbonyl), 아미노(amino), 카르복실릭(carboxylic), 실록산(siloxane)도 바람직하다. 상술된 탄화수소들과 더불어, 가교제(cross-linking agent), 용해제(dissolution agent), 추가 안정제들(additional stabilizers), 계면활성제들(surfactants), 촉매제들(catalysts) 또는 나노재료들의 분산을 돕거나, 나노유체의 열 전도도를 강화시키거나, 또는 유기 탄화수소와의 반응을 더 유도하는 화학제들도 부가될 수 있다. 적절한 나노필러는 고체 탄화 나노튜브들(CNTs)일 수 있다. 탄소 나노튜브의 적어도 하나의 디멘션은 100 nm 보다 작은 직경으로 되어 있으며, 탄소 나노튜브의 적어도 하나의 디멘션은 150 W/mk 이상, 예를 들어 최대 3,500 W/mk까지의 열 전도도를 갖는 것이 바람직하다.
재료들
본 명세서에 언급된 모든 화학제들은 다른 언급이 없다면 Aldrich로부터 온라인으로 구입하였고, 그들은 다른 언급이 없는 한 수용되어 쉽게 이용된다. 다이클로로메테인(dichloromethane: DCM)은 분자체들(molecular sieves) 위에서 건조되었고 칼슘 하이드라이드 위에서 증류되었다. 수용되는 것으로서 프리스틴 나노재료들(pristine nanomaterials)이 이용되었다. 본 명세서에서 비교되는 방법을 예시하기 위하여, PEG 100, PEG 200, PEG 300 및 PEG 400 - 각각 통상적으로 이용가능한 폴리에틸렌 글리콜임 - 이 각각의 베이스 유체로서 이용되었다.
특성화
10 ℃/min의 가열 속도에서 질소 하에 Perkin Elmer TGA 7에 관해 열중량 분석이 수행되었다. FT-IR 스펙트럼들이 Perkin Elmer 16 PC FT-IR 스펙트로포토미터를 이용하여 기록되었다. 200 kV에서 작동하는 JEOL 201OF 기구를 이용하여 TEM 이미지가 얻어졌다. 입자 크기 분포는 Coulter LS230을 이용하여 측정되었다. 열 저항은 통상적인 실험 장치를 이용함으로써 측정되었다.
합성
중격(septum) 및 자석교반자(magnetic stirrer bar)가 구비된 둥근-바닥 플라스크 내에 (나노재료인) 고체 탄소 나노튜브들 0.3 g이 부가되었다. 그 다음, 시스템은 하루 동안 실온에서 100 ml의 농축된 황산과 질산의 혼합물 내에서 교반되었다. 그에 따른 혼합물들은 탈이온수로 희석되고 필터링되었다. 결과물들은 탈이온수로 철저히 세척되었고 40℃ 진공에서 하룻밤 동안 건조되었다. 블랙 파우더(black powder)는 99% 수율(0.298g)로 분리되었다. IR(박막), υ(cm-1): 1716 (C=0 신축).
중격 및 자석교반자가 구비된 500 ml의 2-넥 플라스크(two-necked flask) 내로 상술된 블랙 파우더 0.3 g 및 새로 증류된 DCM 300 ml가 부가되었다. 25 mL의 증류된 DCM 내에 용해된 1 g의 PEG 100은 적하 깔대기(dropping funnel)를 통해 부가되었다. 혼합물은 질소 하에서 120℃로 48 시간 동안 환류(reflux)되었다. 실온까지 냉각된 후에, 혼합물은 4500 rpm으로 원심분리되었으며, 분명한 DCM 층이 분리되었다. 이에 따라 형성된 합성물(hybrid)의 정화는 원 생성물(crude product)을 DCM으로 반복적으로 세척한 뒤 혼합물을 원심분리하여 상청액(supernatant)을 제거함으로써 이행되었다. PEG 100 합성물의 블랙 파우더는 24.6 %의 수율(0.319 g)로 분리되었다. IR(박막), υ(cm-1): 1093.(C-0-신축), 1451.9(CH2 말단), 1584.1(=C 신축), 1731.9(C=0 신축), 2873(C-H 신축). 그 성능을 강화시키기 위하여, 나노필러는 적어도 하나의 금속계 촉매로 코팅될 수도 있다.
탄소 나노튜브들을 상이한 화학제들(PEG 100, PEG 200, PEG 300 및 PEG 400)과 반응시키되 동일한 반응 매체를 거치도록 함으로써, 상이하게 기능화된 합성물들이 합성되었다. 실제로, 표면 개질 또는 기능화는 레이저 절개 또는 여타 물리적 수단에 의해 촉진된다. 따라서, 화학적 개질은 일 예로서만 이용된다.
합성물의 열적 안정성 및 유연쇄를 결정하기 위하여, 열중량분석(TGA)이 채택되었다. 프리스틴 반응물(pristine reactant)(즉, 사전처리되지 않은 반응물)은 매우 안정적이며, 800 ℃에서 가열되었을 때 무게의 아주 적은 부분만이 손실된다. 한편, 반응된 합성물들은 200 ℃ 부근에서 열화되기 시작한다. 이는 합성물들이 일반적으로 열분해(thermolysis)에 대해 낮은 저항성을 나타내기 때문인 것으로 이해가능하다. 아래의 표 1은 합성되지 않은 반응물과 비교하여 합성된 합성물들의 무게 손실 비율을 나타내고 있다.
Figure pct00004
a 400℃에서 EGA 데이터로부터 계산됨
합성물들에 대한 프리스틴 반응물들의 나노재료들의 개질이 분산의 개선을 도왔는지 여부를 점검하기 위하여, 탈이온수에 0.1 wt%의 PEG 300 및 PEG 400이 부가되었으며, 혼합물들이 1 시간 동안 초음파처리 되었다(ultrasonicated). 퇴적(sedimentation) 및 정화 후에, 균질한 용액이 추출되었다. 나노유체들, 즉 합성물 PEG 300 및 PEG 400은 6 달 이상 동안 안정적이었다. 블랙 용액들이 균질하게 남아 변하지 않았다는 것은 주목할 만 하다. PEG 300 및 PEG 400의 수성 용액들의 사진들이 도 17에 제시되어 있다. 현저한 대조로, 어떠한 처리도 하지 않은 프리스틴 샘플은 잘 분산되지 못했으며 30분 후에 병의 바닥에 침전되기 시작했다. PEG 100, PEG 200, PEG 300 및 PEG 400의 그에 따른 합성물 나노유체들의 점성은 500 mPa·s보다 작았다.
합성물 PEG 100, PEG 200, PEG 300 및 PEG 400에서의 상청액의 입자 크기들은 한 달을 기준으로 점검되었다. 크기의 분포들은 6 달 내에는 거의 변하지 않았음이 판명되었으며, 이는 초음파처리 후에 재-응집(re-agglomeration)은 관측되지 않았다는 것을 의미한다. 도 18에 나타낸 바와 같이, 실온에서 6 개월 동안 저장 후에 용액의 안정성에 있어 고무적인 결과가 존재하였다. 합성물 PEG 300 및 PEG 400의 입자 크기들은 0.4 내지 2.5 ㎛의 범위에 걸쳐 있는 반면, 처리되지 않은 프리스틴 반응물의 입자 크기들은 10 내지 800 ㎛의 범위에 걸쳐 있었으며, 이들 모두는 탈 이온수 내에서 소멸되었다. 이는 사전-처리된 PEG 300 및 PEG 400이 그들의 크기가 매우 작았음에도 불구하고 6 개월 이상의 기간 동안 균질하게 분산되어 유지된 이유를 설명하고 있다. TEM 분석은 복합물의 형태에 대한 보다 선명한 사진을 제공한다. 도 17에 나타난 바와 같이, 처리되지 않은 프리스틴 반응물("1"로 표시됨)의 TEM 이미지에서는 많은 클러스터들(clusters)이 관측되었으며, 이는 저급한 분산을 나타낸다. 이와는 대조적으로, 도 18에 나타난 바와 같이, 처리된 합성물 PEG 300(X3로 표시됨) 및 처리된 합성물 PEG 400(X4로 표시됨)은 나노필러들이 잘 분산되고 서로 분리되어 있는 개별 구조들을 제공하고 있다.
열적 특성들
처리되지 않은 프리스틴 반응물 및 합성물들 PEG 100, PEG 200, PEG 300, PEG 400의 열적 저항성은 알콜 내에서 대략 15 wt.%의 나노필러들을 혼합함으로써 시험되었다. 열적 저항성의 측정은 2 개의 잘-폴리싱된 열전대들(thermo couples) 사이에 나노유체를 샌드위치시키는 통상적인 방법을 이용하여 이행되었다. 대략 160.8 W의 전력 하에, 열전대들의 온도 차이가 측정되었다. 그 다음, 측정된 값은 열적 저항을 얻기 위해 전력으로 나누어졌다. 그에 따른 점성은 3000 mPa·s보다 낮은 것으로 판명되었다.
아래의 표 2에 나타낸 바와 같이, 합성물 PEG 100, PEG 200, PEG 300, PEG 400의 열적 저항은 흥미롭게도 더 낮은 저항을 나타내었으며, 그 차이는 14 %에 이른다. 이는 매트릭스들 내에서의 나노필러들의 보다 양호한 분산에 의한 것으로서 설명될 수 있으며, 따라서 열이 축 방향을 따라 효율적으로 전도된다. 또한, 분산의 언급된 향상으로 인해, 나노재료들 간의 접촉이 크게 향상된다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 처리되지 않은 프리스틴 반응물은 크게 응집된 나노재료의 클러스터들을 나타내며, 크기가 10 내지 800 ㎛에 이른다. 나노튜브들의 네트워크는 제한되며, 열은 효과적으로 전달될 수 없다. 이와는 대조적으로, 그 파생물들(derivatives), 즉 PEG 100, PEG 200, PEG 300 및 PEG 400의 입자 크기들은 (0.4 내지 2.5 ㎛ 정도로) 훨씬 더 작다. 개별 나노 재료는 매트릭스들 내에서 잘 분산되는 것으로 판명되며, 따라서 열 전도를 위한 와이드 프로세스 윈도우(wide process window)를 가능하게 한다.
Figure pct00005
a15 wt% 샘플들이 분산되어 있음.
b측정들은 15 분 관측 후에 160.8 W에서 이행됨.
상술된 예시는 본 발명의 중요성, 즉 열 소멸에 있어 열 전달 매체로서 작용하며 본 발명의 메커니즘의 이해를 보다 용이하게 돕는 나노유체의 뛰어난 성능을 광범위하게 증명하고 있다. 물론, 위에서 이용된 분자 구조, 화학제들, 화학적 처리는 그 목적이 단지 증명을 위한 것에 불과하므로, 본 발명의 범위는 과도하게 제한되어서는 안된다.
열 교환 장치들의 설계와 연관된 통상적인 문제는 기하학적 수단에 의해 상승한 온도의 구역과 하강한 온도의 구역 간의 열 교환 속도를 증가시키기 위한 열 전달 표면의 표면적을 증대시키는 요건에 있다. 하지만, 열 전달 매체 내의 고체 함량의 표면적과 구역 분리 표면의 면적의 비를 증대시키는 데에는 그리 많은 노력이 들지 않았다. 또한, 이 노력은 유체 내 첨가제들의 크기 및 부식 현상에 의하여 방해를 받아 왔다.
본 발명에 따르면, 증가된 유속에서도 현저한 화학적 또는 물리적 부식 현상이 없는 나노재료들, 예를 들어 상술된 바와 같은 탄소 나노튜브들을 선택하는 것이 가능하다. 이러한 나노재료들은 유효 (고체)유체 표면적(Afl)과 덕트 또는 열 교환 챔버의 외피 표면적(Aex)의 비, 즉
Figure pct00006
을 크게 증가시킬 수 있다.
최신 기술에 의한 열 교환기에 대해, Afl의 값은 액체에 의한 열 교환의 습윤된 표면과 같다. 원통형을 갖는 예시를 설명하면, Afl의 값은 2πRL - 여기서, L은 덕트의 길이 - 이며, 이는 Aex와 같은 값을 갖는다. 그러므로, 덕트가 액체로 가득 채워진다고 할 때, 열 교환기의 전형인 원통형 타입에 대한 Afl/Aex의 값은 1에 근접한다. 열 교환기의 기하학적 구조들을 엔지니어링한다 하더라도, Aex만 변하며, 실제로 그에 따라 비 Afl/Aex는 1보다 작아질 것이다.
하지만, 나노필러들을 부가하면, 100 vol.%에 대한 질소 흡수에 의하여 측정되는 Afl의 값=πR2L·BET·ρ·vol.%이며, 여기서 ρ는 나노유체의 밀도이고, BET는 나노유체 내의 고체 나노필러의 측정된 표면적이다. 따라서:
Figure pct00007
이다.
본 발명에서 이용될 수 있는 제 1 유형의 나노유체에 대하여, 반경 10 cm의 실린더에서 100 m2/g의 BET 값 및 1.3 g/cm3의 밀도를 갖는 1 vol.%의 CNT를 이용하면,
Figure pct00008
의 값은 6,500,000(즉, 6.5 × 106)이다.
Figure pct00009
의 값에 대한 추가적인 예시들은 아래의 표 3에 제시되어 있다.
Figure pct00010
덕트라는 용어가 이용되지만, 덕트는 실제로는 열 교환 표면을 제공하는 통로라는 데 유의하여야 한다. 덕트는 원형이 아닐 수도 있으며, 직사각형 단면을 가질 수 있다. 따라서, Aex는 열 교환 표면의 면적을 지칭하는 것으로 이해하여야 한다.
Figure pct00011
위의 표에 나타낸 바와 같이, 대략 100인
Figure pct00012
의 값은 3 % 넘게 열 교환의 효율성을 향상시킬 수 있으며, 이는 실제에 있어 상당한 것이다. 대략 325 또는 그 이상의
Figure pct00013
의 값은 10 % 이상으로 효율성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
본 발명이 보다 잘 기능하도록 하기 위하여 위하여, 나노유체의 점성, 밀도 및 유속과 나노필러들의 열 전도도는 조심스럽게 선택되어 장치의 보다 나은 성능을 달성하도록 한다.
본 발명자들의 연구에 따르면, 본 발명에 이용하기 적합한 나노유체들의 점성들은 다음과 같다.
Figure pct00014
이러한 나노유체들의 점성은 500 내지 5000에 걸쳐 있음을 알 수 있다.
유체역학에서, 레이놀즈 수(Re)는 관성력과 점성력의 비를 측정하고 따라서 그에 대응해 주어진 유동 조건들을 정량화하는 무차원 수이다.
이는 통상적으로 아래와 같다:
Figure pct00015
;
여기서, ρ는 유체의 밀도이고,
V는 유체의 체적이고,
L은 파이프의 직경이며,
μ는 유체의 동점성계수이다.
레이놀즈 수는 유체 역학적 문제들의 차원 분석에 있어 중요하며, 이는 또한 상이한 유동 체계들, 예컨대 층류 또는 난류를 특성화하는 데에도 이용된다. 층류는 작은 레이놀즈 수에서 발생되고, 여기서는 점성력이 지배적이며, 원활하고 일정한 유체 움직임으로 특성화되는 반면, 난류는 큰 레이놀즈 수에서 발생되며 임의의 회오리(random eddies), 소용돌이(vortices), 및 다른 유동의 불안정성을 발생시키는 경향이 있는 관성력들에 의해 지배된다.
최상의 열-교환 능력의 달성에 있어, 장치 크기들 및 재료 엔지니어링의 보다 나은 이해가 필요하고, 반복적인 최적화와 실험들에 의해 최적화되어야 하며, 예를 들어 덕트(51 및 52)의 직경들, 덕트 내측의 압력, 및 작동 용액들의 엔탈피와 관련된 유속은 그들이 열 교환 성능에 영향을 미치기 때문에 잘 이해되어야 한다.
본 발명이 보다 잘 기능하도록 하기 위하여, 장치의 덕트 내 나노유체의 유동은 층류이어야 한다. PEG 200을 상이한 부피 백분율의 CNT로 분산되는 유체 캐리어이고 열 교환기에서 파이프의 반경이 0.1 m라고 고려하면, 유동 조건들의 다양한 시나리오들이 아래의 표 6으로 요약된다.
Figure pct00016
파이프 내 열 전달 유체 내에 나노필러들(즉, CNT)가 없는 시나리오 1의 경우에, 유사한 열 교환 성능을 달성하기 위해 유체의 유동 속도가 증가되었다.
이러한 나노-유체를 이용하여 이행되는 본 발명에 따라 구성된 장치에서는, 입구 및 출구에 걸쳐 같은 압력 강하를 고려함으로써 열 전달 능력이 2 배만큼 향상될 수 있음이 판명되었다. 탄소 나노섬유들의 높은 열 용량으로 인해, 점성에 대한 심각한 방해 없이 열 전달 능력은 증대될 수 있으며 그에 대응되는 유체의 유속이 훨씬 더 느려질 수 있다.
본 발명이 열 교환기들을 배경으로 주로 설명되었으나, 본 발명은 2 상 흡수/탈이 프로세스에서 사용하기 위한 장치에도 적용가능하다. 특히, 이러한 응용예에서, 열 전달 작동 매체는 용해되거나 화학적으로 결합되는 형태의 가스, 예를 들어 수소를 포함하거나 또는 수용한다. 이러한 구성에 의하여, 상기 장치는 태양열, 연소 또는 폐기물 에너지로부터 열 에너지를 도입함으로써 가스, 즉 수소를 방출할 수 있다.
상술된 설명은 예시에 불과하고 이에 의해 본 발명이 수행될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 본 발명에 대한 수정 및/또는 변경이 이행될 수도 있음을 이해하여야 한다. 또한, 간명히 하기 위해 단일 실시예를 배경으로 설명된 본 발명의 다양한 특징들 또한 별도로 제공되거나 적절한 하위-조합구성들로 제공될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 설명부에서 상술된 종래기술은 인용 참조된다.

Claims (20)

  1. 열 전달 장치에 있어서,
    (a) 사용시 열 전달가능 매체와 접촉하며 그를 통해 상기 열 전달가능 매체와 작동 매체(working medium) 간에 열이 전달될 수 있는 열 교환 표면을 형성하는 제 1 열 전달 부재, 및
    (b) 상기 열 전달가능 매체를 포함하는 장치 몸체를 포함하며,
    (i) 상기 몸체는 유체 연통가능한 관계로 이루어진 적어도 제 1 챔버, 제 2 챔버, 및 제 3 챔버를 형성하고,
    (ⅱ) 상기 몸체는 상기 열 전달가능 매체를 상기 제 2 챔버로부터 상기 제 1 챔버로 전달한 다음 상기 제 3 챔버로 전달하거나, 또는 상기 제 3 챔버로부터 상기 제 1 챔버로 전달한 다음 상기 제 2 챔버로 전달하도록 구성되며,
    (ⅲ) 상기 제 2 챔버는 샌드위치되거나, 그렇지 않으면 상기 몸체 내에서 상기 제 1 챔버와 상기 제 3 챔버 사이에 위치되는 열 전달 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체에는 상기 열 전달가능 매체가 상기 제 2 챔버로 드나들 수 있게 하는 제 1 통로, 및 상기 열 전달가능 매체가 상기 제 3 챔버로 드나들 수 있게 하는 제 2 통로가 제공되는 열 전달 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 통로는 상기 열 전달가능 매체가 상기 몸체에서 나올 수 있게 하는 출구인 한편, 상기 제 2 통로는 상기 열 전달가능 매체가 상기 몸체로 들어갈 수 있게 하는 입구이거나, 또는 상기 제 1 통로는 상기 열 전달가능 매체가 상기 몸체로 들어갈 수 있게 하는 입구인 한편, 상기 제 2 통로는 상기 열 전달가능 매체가 상기 몸체에서 나올 수 있게 하는 출구인 열 전달 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 전달 부재는 상기 열 전달 부재와 상기 제 1 챔버 간에 열 전달이 일어날 수 있도록 상기 제 1 챔버 또는 그 일부와 직접적으로 접촉하지만, 상기 제 2 챔버와는 직접적으로 접촉하지 않는 열 전달 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체에는 상기 제 1 챔버로부터 상기 제 2 챔버로 또는 상기 제 2 챔버로부터 상기 제 1 챔버로 상기 열 전달가능 매체가 전달될 수 있게 하는 채널들이 제공되는 열 전달 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체에는 상기 제 1 챔버로부터 상기 제 3 챔버로 또는 상기 제 3 챔버로부터 상기 제 1 챔버로 상기 열 전달가능 매체가 전달될 수 있게 하는 채널들이 제공되는 열 전달 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버들 중 적어도 하나는 일반적으로 서로 병렬로 배치되는 대향하는 적어도 한 쌍의 플레이트들로 만들어지는 열 전달 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 챔버 및 상기 제 2 챔버는 복수의 개구부가 제공되고 일반적으로 균등하게 분포되는 플레이트에 의해 분리되어, 상기 열 전달가능 매체가 상기 제 1 챔버로부터 제 2 챔버로 또는 상기 제 2 챔버로부터 상기 제 1 챔버로 전달될 수 있게 하는 열 전달 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 챔버 및 상기 제 3 챔버는 복수의 채널들이 제공되고 일반적으로 균등하게 분포되는 상기 제 2 챔버에 의해 분리되어, 상기 열 전달 가능 매체가 상기 제 2 챔버를 우회해(bypass) 상기 제 1 챔버로부터 상기 제 3 챔버로 또는 상기 제 3 챔버로부터 상기 제 1 챔버로 전달될 수 있게 하는 열 전달 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체는 상기 제 1 챔버, 상기 제 2 챔버, 또는 상기 제 3 챔버로 들어가거나 또는 나가는 상기 열 전달가능 매체의 유동 방향을 조절하는 수단을 포함하는 열 전달 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    (a) 상기 몸체는 유체 연통가능한 관계로 이루어지는 제 4 챔버, 제 5 챔버, 및 제 6 챔버를 더 형성할 수 있으며,
    (b) 상기 몸체는 상기 열 전달가능 매체가 상기 제 5 챔버로부터 상기 제 4 챔버로 전달된 다음 상기 제 6 챔버로, 또는 상기 제 6 챔버로부터 상기 제 4 챔버로 전달된 다음 상기 제 5 챔버로 전달될 수 있도록 구성되며,
    (c) 상기 제 5 챔버는 샌드위치되거나 그렇지 않으면 상기 제 4 챔버와 상기 제 6 챔버 사이에 위치되는 열 전달 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용시 상기 열 전달가능 매체와 접촉하며 그를 통해 상기 열 전달가능 매체와 상기 작동 매체 간에 열이 전달될 수 있는 열 교환 표면을 형성하는 제 2 열 전달 부재를 더 포함하며,
    (a) 상기 몸체는 상기 제 3 챔버와 함께 유체 연통가능한 관계로 이루어진 제 4 챔버 및 제 5 챔버를 더 형성하고,
    (b) 상기 몸체는 상기 열 전달가능 매체를 상기 제 4 챔버로부터 상기 제 5 챔버로 전달한 다음 상기 제 3 챔버로 전달하거나, 또는 상기 제 3 챔버로부터 상기 제 4 챔버로 전달한 다음 상기 제 5 챔버로 전달하도록 구성되며,
    (c) 상기 제 4 챔버는 샌드위치되거나, 그렇지 않으면 상기 제 3 챔버와 상기 제 5 챔버 사이에 위치되는 열 전달 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    베이스 유체(base fluid) 및 고체 나노필러(solid nanofiller)를 포함하는 열 전달 매체를 더 포함하며,
    여기서
    Figure pct00017
    은 100 이상인 열 전달 장치.
  14. 상승한 온도의 구역과 하강한 온도의 구역 간의 열 에너지의 교환을 위한 열 전달 장치에 있어서,
    (a) 열 전달가능 매체,
    (b) 상기 열 전달가능 매체를 포함하기 위한 장치 몸체, 및
    (c) 열 전달 부재를 포함하고,
    (i) 상기 몸체는 상기 열 전달가능 매체가 상기 상승한 온도의 구역과 상기 하강한 온도의 구역 사이에서 이동할 수 있도록 구성되며,
    (ⅱ) 상기 열 전달 부재는 사용시 상기 열 전달가능 매체와 접촉하고, 그를 통해 상기 열 전달 부재 일 측의 상기 열 전달가능 매체와 상기 열 전달 부재의 반대 측의 작동 매체 간에 열이 전달될 수 있는 열 교환 표면을 형성하며,
    (ⅲ) 상기 열 전달가능 매체는 베이스 유체 및 고체 나노필러를 포함하며,
    (ⅳ)
    Figure pct00018
    은 100 이상인 열 전달 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 열 전달가능 매체의 점성은 1 내지 5,000 mPa·s인 열 전달 장치.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 고체 나노필러의 적어도 하나의 디멘션(dimension)은 150 W/mK 이상의 열전도도를 갖는 열 전달 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 상기 열 전달 장치를 적어도 2 개 이상 포함하는 열 전달 장치 조립체.
  18. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 열 전달 장치 또는 제 17 항에 따른 열 전달 장치 조립체를 포함하는 열 교환기.
  19. 열 전달 장치 제조 방법에 있어서,
    (a) 제 1 캐비티가 제 1 벽과 제 2 벽 사이에 형성되고, 제 2 캐비티가 상기 제 2 벽과 제 3 벽 사이에 형성되고, 제 3 캐비티가 상기 제 3 벽과 제 4 벽 사이에 형성되며, 상기 제 2 캐비티가 샌드위치되거나 그렇지 않으면 상기 제 1 캐비티와 상기 제 3 캐비티 사이에 위치되도록 적층 방식(layered manner)으로 배치되는 적어도 상기 제 1 벽, 상기 제 2 벽, 상기 제 3 벽, 및 상기 제 4 벽을 갖는 장치 몸체를 제공하는 단계,
    (b) 상기 제 1 캐비티, 상기 제 2 캐비티 및 상기 제 3 캐비티가 유체 연통가능한 관계로 이루어지도록 상기 벽들에 채널들을 제공하는 단계, 및
    (c) 유체가 상기 장치 몸체로 들어가 처음에는 상기 제 2 캐비티 내로, 두번째로는 상기 제 1 캐비티 내로, 그리고 세번째로는 상기 제 3 캐비티 내로 들어간 다음 상기 장치 몸체를 빠져나오거나, 또는 처음에는 상기 제 3 캐비티 내로, 두번째로는 상기 제 1 캐비티 내로, 그리고 세번째로는 상기 제 2 캐비티 내로 들어간 다음 상기 장치 몸체를 빠져나오도록, 유체가 상기 제 2 캐비티를 드나들 수 있도록 하는 제 1 통로, 유체가 상기 제 3 캐비티를 드나들 수 있도록 하는 제 2 통로를 상기 몸체에 제공하는 단계를 포함하는 열 전달 장치 제조 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 벽들 중 적어도 하나를 사전에 제조하는 단계를 포함하는 열 전달 장치 제조 방법.
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