燃料電池用マイクロ熱交換器及び製作方法
【課題】燃料電池などで使用できるマイクロ熱交換器及び製作方法を提供する。
【解決手段】本発明によるマイクロ熱交換器は第１流体が流れるために金属板上に並列形成された多数の微細チャンネル、前記微細チャンネルのそれぞれに流体を供給及び排出する供給チャンネル及び排出チャンネル、前記金属板に通孔されて形成され前記供給チャンネルと排出チャンネルのそれぞれに連結される第１連結口、第２流体が供給及び排出される第２連結口が備えられる複数の金属板が積層接合された熱交換部；前記積層接合された熱交換部の上部と下部に互いに対称に接合される固定板と、第１流体と第２流体とがそれぞれ供給及び排出され、第１連結口と第２連結口と連通されるように前記固定板に通孔された導管で備えられたマニホールド；とを含み、前記多数の金属板及び前記熱交換部と固定板との間の接合は接合用薄板が介されてろう付け接合になることを特徴とする。
【解決手段】本発明によるマイクロ熱交換器は第１流体が流れるために金属板上に並列形成された多数の微細チャンネル、前記微細チャンネルのそれぞれに流体を供給及び排出する供給チャンネル及び排出チャンネル、前記金属板に通孔されて形成され前記供給チャンネルと排出チャンネルのそれぞれに連結される第１連結口、第２流体が供給及び排出される第２連結口が備えられる複数の金属板が積層接合された熱交換部；前記積層接合された熱交換部の上部と下部に互いに対称に接合される固定板と、第１流体と第２流体とがそれぞれ供給及び排出され、第１連結口と第２連結口と連通されるように前記固定板に通孔された導管で備えられたマニホールド；とを含み、前記多数の金属板及び前記熱交換部と固定板との間の接合は接合用薄板が介されてろう付け接合になることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池などに使われるマイクロ熱交換器に関するものであって、より詳しくは微細チャンネルが形成された金属板を接合用薄板と交番積層してろう付け接合したマイクロ熱交換器及び製作方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に熱伝達は相異の温度にある部分、特にその境界部分間でより激しく発生されるエネルギーの移動であるが、熱的移動関係において、物質の移動を伴うことなく高温部からこれと接している低温部へ熱が伝達される伝導と、流体の移動に基づいて熱を伝達する対流と、熱によって浮かんでいる原子集団が電磁気波を放出する輻射などを総称する。
【０００３】
この中、特に対流は流体と固体との間の熱交換として概念化され、産業に用いられている。特に強制対流を利用する場合、例えば、管壁内外の熱交換は熱交換器の基本的な熱交換の概念として適用されたものである。
【０００４】
産業現場に対する熱交換器の適用は、特に高発熱の情報通信分野において電子部品またはその素材のように精密性と超小型化が要求される分野と密接な関係を持っている。電子部品の発熱性は電子部品を含む機器全体の性能に大きな影響を及ぼしているが、熱交換器の装着のためにその規模の縮小が要求されてきて、これに応じてマイクロスケールの熱交換器の開発に至った。
【０００５】
これと共に燃料電池分野、石油産業において必要とする化学反応分野、医療機器の冷却分野、核発電分野、航空機の電子装備冷却分野、高発熱レーザー冷却分野、淡水化機械の海水蒸発管分野などに応用が可能であると知られている。
【０００６】
特に、燃料電池分野の場合、ノートブック電源用などで脚光を浴び始めて燃料電池に採用される熱交換器のサイズがさらに小型化されている趨勢であるが、小型化に伴う熱交換性能の低下によってサイズ及び性能の限界にぶつかっている実情である。
【０００７】
このようなマイクロ熱交換器を含めて大部分の熱交換器は流体の強制対流に基づいて作動される。マイクロ熱交換器の応用範囲として、燃料電池システム、医薬品の製造工程、表面に一方向に沿って微細チャンネルが並列形成された一連の金属板を積層して構成される構造である。このような各微細チャンネルに沿って流体が移送され、従って微細チャンネルの壁は流体の移動方向を提示／誘導し、強制する。
【０００８】
このように、強制的／能動的に流体移送を用いるマイクロ熱交換器においては、流体の移送を強制／誘導できる微細チャンネルの設計が重要である。一般に微細チャンネルは、微細加工技術によってフライス加工して形成されるものが一般的である。微細チャンネルの設計が重要であるのは、装置の小型化によって検査や計測が難しくなるからである。例えば、微細チャンネル内で流体の流速、温度、特に装置全体及び各微細チャンネルに加えられる圧力及び温度に対する計測が容易でなく、これによってその制御が難しい。
【０００９】
このような計測及び制御技術の発展のためには、マイクロ熱交換器の製作技術において特に微細チャンネルが形成された各金属板の合着技術が重要である。
【００１０】
マイクロ熱交換器の製作技術において、既に知られたように、微細チャンネルの加工以後に微細チャンネルが形成された各金属板を合着する技術分野は、特に各微細チャンネルが受ける圧力及び温度に対する高い耐圧性および耐熱性の確保という目的を達成することができる工程分野である。
【００１１】
従来マイクロ熱交換器の製作において、微細チャンネルが形成された各金属板の合着技術であって、レーザーを熱源で積層された金属板の枠を接合する技術、はんだ付け材料を各金属板に予め塗布、蒸着、鍍金した状態でまたははんだ付け材料なしで各金属板を数百度の温度でプレスする技術である拡散接合（diffusion bonding）技術などが知られている。
【００１２】
また、熱交換器において流体の出入り口用導管及びその固定板材からなるマニホールドは、導管を固定板材に溶接し、先に言及したレーザー溶接または拡散接合技術を用いて金属板に接合して製作される。
【００１３】
しかし、各金属板の微細チャンネルは相対的に陥没された部位である。そして、このような陥没形成によって相対的に突出される壁体が当然存在する。このような壁体即ち、各微細チャンネルを区分する部位は、従来の接合技術に基づいてマイクロ熱交換器が製作される場合、個別的に接合されていない。従って、製作されたマイクロ熱交換器において、各微細チャンネル部位が位する高温／高圧の環境で、高い耐圧性及び耐熱性を担保することができないという問題点をもたらすようになる。
【００１４】
また、従来の接合技術を用いる場合、特に電気化学的な別途の鍍金工程が追加され、なお高温におけるプレス工程は非常に長い作業時間がかかるなど、その生産効率が劣って大量生産が不適であるという問題点があった。それで、製品の生産単価が非常に高く、これによって当該産業全般にわたって凡庸に使用するには無理であった。
【００１５】
なお、マニホールド製作の場合、一々に溶接を進めなければならなく、完全封止のために十分注意が要望されるなど作業条件において厳しい側面があった。
【００１６】
このように従来のマイクロ熱交換器の製作技術は、微細チャンネルが形成された金属板の接合工程の施行時において、生産効率が低下し、製作／使用されるマイクロ熱交換器の耐熱性及び耐圧性が低下し、加えて、マニホールドの接合工程の施行時に厳しすぎる作業条件に伴い生産効率が低下するという問題点を抱えている。
【００１７】
また、図１のように、ケーシング1100とケーシング1100内部のマイクロ熱交換器1000との間には、断熱層1200が充填されている。断熱層1200は、例えばセラミックウールからなる。これにより、マイクロ熱交換器1000から発生した交換熱がケーシング1100に伝導されることが防止される。このように、ケース1100の挿入工程及び断熱層1200の形成工程は必要である。
【００１８】
このように、別途のケーシング1100を備えるのは勿論、断熱層1200生成工程などが要求されることによって低廉な価格の熱交換器を提供することができないのみならず、前述した断熱層生成工程において不良品が多く量産され事実上製造完了された多数のマイクロ熱交換器1000が廃棄処分されることとなり、かかる要因は製造原価の上昇に直結する。
【００１９】
また、前記した別途の工程を通じてその体積が増大するしかなく、その体積を小さくするためには前述したマイクロ熱交換器1000を小さく形成し且つ断熱層1200を薄く充填したり、ケーシング1100の厚さをより薄く製作するしかなく、断熱効率を低減させることは勿論、これによる熱交換の効率を著しく低下させるしかないという短所がある。
【００２０】
これと伴って、体積は勿論、その重量も増大する。したがって、ケーシング1100の外部に放射される輻射熱を源泉的に解消できなくその取り扱いが難しく、外部機器に輻射熱が伝導されるしかなく装置の耐久性を大きく低下させるというなどのもう一つの問題点があった。
【発明の開示】
【００２１】
本発明のマイクロ熱交換器は、第１流体が流れるために金属板上に並列形成された多数の微細チャンネル、前記微細チャンネルのそれぞれに流体を供給及び排出する供給チャンネル及び排出チャンネル、前記金属板に通孔されて形成され前記供給チャンネルと排出チャンネルのそれぞれに連結される第１連結口、第２流体が供給及び排出される第２連結口が備えられる複数の金属板が積層接合された熱交換部；前記積層接合された熱交換部の上部と下部に互いに対称に接合される固定板と、第１流体と第２流体とがそれぞれ供給及び排出される第１連結口と第２連結口と連通されるように前記固定板に通孔された導管で備えられたマニホールド；とを含み、前記多数の金属板及び前記熱交換部と固定板との間の接合は接合用薄板が介されてろう付け接合になることを特徴とする。
【００２２】
なお、熱交換部は、前記金属板の第１連結口と隣り合う金属板の第２連結口が互いに連通され、金属板の微細チャンネルと隣り合う金属板の微細チャンネルが所定の角度をなして交差されるように交番積層接合されることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の前記それぞれの金属板には、前記供給チャンネルと排出チャンネルは前記微細チャンネルに相応してそれぞれ分岐及び合流されるように分配チャンネルがさらに形成されることを特徴とする。
【００２４】
なお、本発明の前記熱交換部は、前記微細チャンネルの外郭の所定部位面を貫通する一つまたはそれ以上の断熱孔がさらに備えられた金属板で積層されて形成される空間部である断熱部が備えられることを特徴とし、前記マニホールドと前記熱交換部との間にはそれぞれマニホールドの導管と連通される貫通孔を備えた断熱パネルがさらに介されてろう付け接合されることが望ましく、前記断熱パネルは微細チャンネルが形成された方向に所定形状の凹部が一つまたは複数個備えられるのがさらに望ましい。また、ろう付け接合時に印加される真空工程によって断熱部または凹部が真空に設定されることが望ましい。
【００２５】
また、本発明の前記断熱パネル及びこれと積層締結される前記もう一つのマニホールドを一体で貫通して前記凹部または断熱部と連通される一つ以上の真空ポートがさらに備えられることを特徴とする。
【００２６】
本発明のマイクロ熱交換器の製造方法は、ａ）流体の供給チャンネル及び排出チャンネルと複数の微細並列チャンネル及び前記供給チャンネルと排出チャンネルのそれぞれに連結される第１連結口と第２連結口を加工して金属板を用意する段階；ｂ）前記微細チャンネルが一方向に位置させ、前記多数の金属板の間に接合用薄板を介させて積層して熱交換部を形成する段階；ｃ）前記熱交換部の上部と下部に互いに対称に接合し、前記第１連結口と第２連結口に連通されるそれぞれの導管を各固定板に仮接して各マニホールドを形成する段階；ｄ）前記各固定板に対する該各導管の結合部位にペースト状態の接合用材を塗布する段階；ｅ）固定治具及び前記固定治具に対して移動する移動治具の間に前記熱交換部及び各固定板及び各マニホールドを流体の供給及び排出経路に対応させて組立て、前記熱交換部の金属板に均一の荷重が加えられるように前記移動治具の上部に相対的に小さいサイズの荷重部を配置して組立体を形成する段階;ｆ）多数の前記各組立体をろう付け炉に投入し、前記接合用薄板と接合用材の溶融温度以上に加熱及び接合する段階；及びｇ）前記組立体を前記ろう付け炉から排出し、前記固定治具、移動治具及び荷重部を除去する段階；とを含むことを特徴とする。
【００２７】
また、前記ｂ）熱交換部の形成段階は、前記金属板の第１連結口と隣り合った金属板の第２連結口が互いに連通され、金属板の微細チャンネルと隣り合った金属板の微細チャンネルが所定の角度をなして交差されるように交番積層させる段階をさらに含むことを特徴とする。
【００２８】
なお、前記ａ）金属板の用意段階は、前記微細チャンネルと第１連結口が連通されてぞれぞれ分岐及び合流されるようにする分配チャンネルを前記供給チャンネルと排出チャンネルにさらに加工することを特徴とし、前記ｂ）熱交換部を形成する段階は、前記微細チャンネルが形成される前記金属板の一面が下方に向かうように配置させる段階がさらに含まれることを特徴とする。
【００２９】
さらに、前記ａ）金属板の用意段階は、同一部位に同一形状の断熱孔を穿孔する段階をさらに含むことを特徴とし、前記ｂ）熱交換部の形成段階は、前記マニホールドと金属板の間に断熱パネルを積層し、接合用薄板を介させて積層させる段階をさらに含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を上述する。ただし、提示された実施例は例示的目的のみならず、本発明の技術思想がこれら実施例から限られるものではない。
【００３１】
＜実施例１＞
図２乃至図１０は本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【００３２】
本発明による製作方法は、微細チャンネル20aが形成された各金属板20を各マニホールド30、70の間に積層／逆転／整列／組立／接合して熱交換器200を製作する方法に関するものである。特に、各金属板20を接合用薄板220と交番積層する工程が含まれ、このような工程は各微細チャンネル20aの境界部位が全て接合の対象となる方法を含む。この際、金属板20は合い異なる温度の各流体が交番して供給及び排出されるように金属板20の微細チャンネル20aと隣り合った金属板20の微細チャンネル20aが所定の角度をなして交差されるように積層接合させる。また、前記微細チャンネル20aが形成された前記金属板20の一面が下方に向かうように配置させてろう付けを実施する。これによって、接合用薄板220の溶融体が微細チャンネル20aへ流入されることを防止することができる実益が提供される。
【００３３】
図２乃至図１０に図示されたように、先ず各金属板20に一方向に沿って約１mm以下の幅及び／または深さを有し、それぞれが互いに並列配置される微細チャンネル20aを収得するためにプレス加工またはフライス加工のような一般的な機械加工またはポートエッチング、精密鋳造、メタルインジェックションモールディングなどのような特殊加工を実施する。
【００３４】
このとき、微細チャンネル20aの加工領域として、金属板20の中央で四角の加工対象部位を選び、該部位に微細チャンネル20aを並列加工し、微細チャンネル20aが形成された領域周辺に４つの孔を貫通して加工する。各孔は金属板20の各角に対応する支点で互いに対称を形成させるが、各マニホールド30、70をなす各導管50、60、90、100が連結され、各金属板20が積層／接合される場合管路を形成して低温または高温の流体が移送されながら各微細チャンネル20aに対して供給／排出されるための各連結口20f、20gである。このような各連結口20f、20gのうち対角される位置にあり微細チャンネル20aと連結されたものが第１連結口20fであり、微細チャンネル20aと連結構造なしで互いに対角の位置に形成されたものが第２連結口20gである。この第１連結口20fと第２連結口20gは第１流体と第２流体とがそれぞれ供給及び排出されるようにする。
【００３５】
この際、各第１連結口20fを基点として微細チャンネル20aと連結されるように微細チャンネル20aの形成領域に向かって漸次的に拡大され相通する位置及び形状で供給チャンネル20bと排出チャンネル20dとを形成させる。このとき、流体が供給チャンネル20bから各微細チャンネル20aに分岐され且つ各微細チャンネル20aから排出チャンネル20dへ合流されるように前記微細チャンネル20aに相応する供給分配チャンネル20c及び排出分配チャンネル20eを形成させるのが望ましいS1100。
【００３６】
これによって、図２のような金属板20が用意される。
【００３７】
そして、このように準備された多数の金属板20を互いに合い異なる温度の各流体が交番して供給及び排出されるように金属板の微細チャンネルと隣り合った金属板の微細チャンネルが所定の角度をなして交差されるように積層させ、接合用薄板220と交番して積層する。接合用薄板220は、ろう付け炉300で接合過程を施行する場合、溶融される接合媒体として用いられるもので、材質がアルミニウムである金属板20を使用する場合アルミニウムとシリコンの合金を使用し、銅合金である場合は銀または銀含有合金、ステンレス系列合金または耐熱合金の場合はニッケル系列の合金または純銅を使用する。そして、ろう付け接合時に微細チャンネル20aが塞がれることを防止するために０.１mm以下の厚さを有し、望ましくは０.０２５〜０.０５mm程度の厚さを有するものを使用する。
【００３８】
先ず、金属板20と同一のサイズの接合用薄板220上に金属板20を積層し、微細チャンネル20aの形成方向が上から見えるように微細チャンネル20aが形成された一面を上方にして載せる。その次、積層によって直下においてある金属板20と微細チャンネル20aの形成方向が交差されるように交番させて他の金属板20を載せる。このときにも微細チャンネル20aが上方に配置する。そうすると、各第１連結口20f及び第２連結口20gは微細チャンネル20aの形成方向が同一なもの同士に同一な位置に配置される構造が設けられる。以後、所望数の金属板20と接合用薄板220が積層されると、マニホールド30、70との接合のために接合用薄板220が位置するように配置する。これによって金属板20と接合用薄板220とが積層された熱交換部10が形成される。従って、製品が完成され使用される場合、かかる各連結口20f、20gを通して流体が流れる場合、第１連結口20fに流入されて供給チャンネル20b及び微細チャンネル20aに提供されて流れ、排出チャンネル20d及び対角位置の第１連結口20fを通して排出される。
【００３９】
そして、その下の第２連結口20gに流入されるとすぐ通過されて最下の第１連結口20fに至って該微細チャンネル20aに流入されるなど流体の交番で供給及び排出される構造が設けられる。結局、先から列挙した各連結口20f、20gと対向される位置にある連結口、即ち一つの金属板20から第１連結口20fと第２連結口20gに相異なる温度の流体がそれぞれ提供されることを考えると、高温の流体と低温の流体とが交番に供給及び排出され、従って隣り合った各金属板20間の熱交換が可能である構造を有するものが微細チャンネル20aの形成方向に基づいて交番積層する本発明の積層技法によって可能であるS1200。
【００４０】
このような本発明による積層技法は、接合用薄板220が金属板20の一面全般にわたって対面する構造を有することによって、以後施行されるろう付け接合過程において接合用薄板220が溶融されるとき、微細チャンネル20aの境界部位も溶融接合の対象とする方法を提示する。
【００４１】
このように、金属板20と接合用薄板220の交番積層と、各金属板20間の微細チャンネル20aの形成方向に基づいてなされる交番積層過程を実施した後、各金属板20と各接合用薄板220とが積層された熱交換部10をひっくり返して配置させる。そうすると、金属板20の微細チャンネル20aが下方に向かう。これによって以後実施されるろう付け接合過程で接合用薄板220の溶融体が微細チャンネル20aに流入されることが防止できるS1210。
【００４２】
そして、第１マニホールド30と第２マニホールド70とを製作するが、先ず金属板20と同一のサイズを有し、金属板20より相対的に厚い二つの第１固定板40と第２固定板80を用意する。それから、各固定板40、80には金属板20の第１連結口20f及び第２連結口20gに対応される位置及びサイズで二つの孔をドリルあけで加工する。このような各孔に第１導管50及び第２導管60と第３導管90及び第４導管100を点溶接で接合して金属板20の積層で第１連結口20f及び第２連結口20gになる導管構造と相通する構造を有する各マニホールド30、70を完成するS1300。
【００４３】
以後、各固定板40、80と該固定板に接合された部位で各導管50、60、90、100の周辺に接合用薄板220と同一な材質を有し、ペースト状態である接合用材230を塗布するS1400。
【００４４】
このとき、先に構成された金属板20と接合用薄板220が積層された熱交換部10は、その逆転過程で積層姿勢がずれる余地がある。従って、整列のために強制拘束する必要があるが、金属板20と接合用薄板220は四角形状であるため、その対角の角部位に整列治具240を密着させて整列する。整列治具240は側部に金属板20と接合用薄板220の角部位が挟んで密着できるように対応する形状で陥没されている棒構造であって、金属板20と同一の材質またはセラミック材質を用いる。この際、同一の材質の場合、整列治具240が金属板20と付かないように表面にセラミックを含有した液体を予め塗布することが必要である。
【００４５】
また、ろう付け接合過程において、金属板20の熱膨張によって座屈が生じないように整列治具240の停止摩擦力より熱交換部10の高さ方向、即ち該位置の重力方向の荷重がさらに大きくように製作されたものの使用が望ましい。このような各整列治具240を熱交換部10の各角部位につけて圧迫すれば整列が容易になされるS1410。
【００４６】
そして、各マニホールド30、70と熱交換部10の組立を補助する固定治具290と移動治具270を用意する。移動治具270及び固定治具290は組み立てる各マニホールド30、70と熱交換部10の上部及び下部に配置される厚い板材形態であって、逆転／整列された熱交換部10においてその上部及び下部に位置する該マニホールドの各導管50、60、90、100と干渉が生じないように孔が形成されている。
【００４７】
先ず、床に固定治具290をおき、その上に第１マニホールド30をひっくり返し第１導管50及び第２導管60を固定治具290の孔に差し込む。そして、その上に整列治具240と共に熱交換部10を載せる。この過程において各整列治具240は下部に配置された第１マニホールド30の第１固定板40を熱交換部10と共に整列させる。以後、熱交換部10の上部に第２マニホールド70を載せて整列治具240で熱交換部10に整列させる。そしてその上に移動治具270を載せて移動治具270の各孔に第２マニホールド70の第３導管90及び第４導管100を差し込む。
【００４８】
このとき、固定治具290の両側には高さ方向に沿って固定されたガイド280が配置されている。各ガイド280は移動治具270の両側に対応する位置で形成され、ガイド280に比べて相対的に大きく形成された各孔に差し込まれるように組み立てる。そして、移動治具270の上部に荷重部260を載せる。荷重部260は組立体210が所定の荷重を受けながらろう付け接合がなされるようにするために約１０ｇ/cm2以上の荷重を加えられる金属重量物であって、金属板20の厚さなどを考えて約５０〜１５０ｇ/cm2であるものが望ましい。この際、相対的に表面積の大きな板材形態の移動治具270が荷重部260と組立体210との間に位置するため、加える荷重によって移動治具270がガイド280に沿って下向移送されながら荷重部260の荷重が組立体210の全般にわたって均一に加えられる構造が設けられる。
【００４９】
これによって、ろう付け炉300に投入される組立体210が完成されるS1500。
【００５０】
このように組立てられた多数の組立体210をろう付け炉300に投入する。このとき、ろう付け炉300の内部を真空状態で組成したり不活性ガス、還元性ガスなどで満たす。そして、ろう付け炉300を稼動させ、金属板20間の接合用薄板220と導管に塗布されたペースト状態の接合用材230の溶融点以上で加熱して各金属板20及び各固定板40、80と、各固定板40、80及び導管を接合させる。この際、接合用薄板220は金属板20の一面全体に密着されているため、微細チャンネル20aの各境界部位にも接合がなされる。そして、熱交換部10が微細チャンネル20aの形成された面が下方に向かうようにして接合されるため、接合用薄板220の溶融体が微細チャンネル20aに流入されない。
【００５１】
それで、各金属板20の各微細チャンネル20aをなす各境界部位が近接配置された上／下の各金属板20の他面と密着されながらそれぞれの微細チャンネル20aが流路を形成する構造のマイクロ熱交換器200が完成されるS1600。
【００５２】
ろう付け接合過程が終わると、ろう付け炉300から排出し、固定治具290、移動治具270及び整列治具240と荷重部260を除去した後、必要な場合後処理工程で表面に排出された残留溶融体を除去するS1700。
【００５３】
図１１は本発明の実施例に従って製作されたマイクロ熱交換器200の分解斜視図である。図１１に図示されたように、上述した製作方法で製作されたマイクロ熱交換器200は、微細チャンネル20aの形成方向が互いに交差／配置されるように積層／接合された多数の金属板20を含む熱交換部10と、金属板20の積層方向に沿って熱交換部10の一側と他側に配置される第１マニホールド30と第２マニホールド70を含めて構成される。
【００５４】
この際、各金属板20の第１連結口20fと第２連結口20gは、金属板20が微細チャンネル20aの形成方向に基づいて交番積層されて一つの管路を形成し、この管路は各マニホールド30、70の各導管50、60、90、100と相通する構造を有するようになる。従って、各導管50、60、90、100を通して流体が流入される場合は各連結口20f、20gから微細チャンネル20aまで形成された供給チャンネル20bを通して各微細チャンネル20aに流体が供給され、排出チャンネル20dを通して流体が流出される構造が設けられる。また、各微細チャンネル20aの形成方向が交差／配置されるように積層された金属板20の結合構造によって交番配置される金属板20同士に同一温度の流体が循環される構造が設けられる。
【００５５】
ここで、具体的な流体の循環経路を説明すると、先ず、第１マニホールド30と近接した１番目の金属板20で第１マニホールド30の第１導管50を通して例えば高温の流体が流入されると第１導管50と相通した金属板20の第１連結口20fを通して高温の流体が提供され、次いで供給チャンネル20bを通して流体が流れて供給チャンネル20bに分岐形成された供給分配チャンネル20cを通して該微細チャンネル20aに流体が流入される。
【００５６】
このような流体は微細チャンネル20aを流し排出チャンネル20dを通して排出される。このとき、第１固定板40に隣り合う金属板20から高温の流体が提供された第１連結口20fと対向された位置の第２連結口20gに第２導管60を通して低温の流体が提供されると、すぐその後方の金属板20の第１連結口20f、供給チャンネル20b、微細チャンネル20a及び排出チャンネル20dを通して流れるため、隣り合った各金属板20には合い異なる温度の流体が流れて、結果的に熱的相関関係を隣り合う金属板20間に有する構造が設けられる。
【００５７】
なお、第１マニホールド30と対向される位置で第２マニホールド70が配置され、その第３導管90及び第４導管100は第１導管50及び第２導管60が連結された第１連結口20fと第２連結口20gに対向される第１連結口20f及び第２連結口20gに連結される構造であり、第１導管50の高温の流体は先に説明した循環過程を通じて第３導管90に排出され、第２導管60の高温の流体は第４導管100に排出される。この際、各流体の提供方向は同一方向でない相反された方向に各マニホールド30、70の各導管50、60、90、100に提供するものは本発明によるマイクロ熱交換器200の該使用分野の暖房、冷却による設計変更に応じて可能である。
【００５８】
＜実施例２＞
図１２乃至図２０は本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。図１２乃至図２０に図示されたように、熱交換部10の整列に整列ピン250を使用して強制拘束する方法が提示されている。
【００５９】
先ず、中央領域に微細チャンネル20aを並列形成させ、各角に近接して互いに対角位置を有する２つの第１連結口20f及び第２連結口20gを穿孔して形成させる。そして、対角の位置にある２つの第１連結口20fから微細チャンネル20aの形成領域まで漸拡される供給チャンネル20bおよび排出チャンネル20dを形成させる。この際、流入または排出される流体が円滑に流れるように供給チャンネル20b及び排出チャンネル20dを分岐させてそれぞれ供給分配チャンネル20cと排出分配チャンネル20eを形成させる。
【００６０】
そして、金属板20の各枠に近接して中央に各連結口20f、20gより相対的に小さい内径を有する孔を各１つずつ総計４つを穿孔する。このような孔が整列口20hである。各整列口20hは熱交換部10の整列過程で整列ピン250を使用して整列するために形成させたものであるS2100。
【００６１】
以後積層の時、各微細チャンネル20aの形成方向を識別するために微細チャンネル20aが形成された金属板20の一面を上方にし、各金属板20と接合用薄板220を交番／積層して熱交換部10を形成させる。このような金属板20と接合用薄板220の交番積層と共に微細チャンネル20aの形成方向を基準として交番に積層する技法を進める。即ち、一つの金属板20に接合用薄板220を介して互いに異なる金属板20を積層するとき、各金属板20の微細チャンネル20aが互いに交差されるように積層させることを繰り返す。それで、金属板20を基準として、１つの金属板20を介してある２つの金属板20はその微細チャンネル20aの形成方向が同一になり、接合用薄板220を基準として１つの接合用薄板220を介して近接積層された各金属板20の微細チャンネル20aは互いに交差するようになる。このとき、熱交換部10の積層方向の両側に各マニホールド30、70が接合されるように熱交換部10の最上と最下には積層順番に合わせて接合用薄板220を配置させるS2200。
【００６２】
このような積層姿勢では、ろう付け接合を実施する場合、微細チャンネル20a内に接合用薄板220の溶融体が流入される余地があるため、これを防止するために熱交換部10を微細チャンネル20aが下方に向かうように配置させるS2210。
【００６３】
そして、各マニホールド30、70を製作する。先ず、金属板20より厚い第１固定板40と第２固定板80を用意し、各固定板40、80に各連結口20f、20gと対応する位置で４つの孔を穿孔する。そして、金属板20の整列口20hに対応する位置及びサイズで固定板整列ピン250を形成する。このうち、各連結口20f、20gに対応して形成させた孔のうち、一枠に沿って配置される２つの孔に第１導管50及び第２導管60と第３導管90及び第４導管100をそれぞれ点溶接して結合させ第１マニホールド30及び第２マニホールド70を製作するS2300。
【００６４】
以後、各導管50、60、90、100と各固定板40、80との結合部位の周辺に接合用薄板220と同一な材質を有し、ペースト状態である接合用材230を塗布するS2400。
【００６５】
このとき、熱交換部10をなす各金属板20は互いに結合関係がなく、その積層姿勢が整列されていないため、先に形成させた各金属板20の整列口20hに整列ピン250を連続に差し込むことによって、各金属板20を整列させるS2410。
【００６６】
そして、このように備えられた熱交換部10と各マニホールド30、70を組立てるために、組立を補助する部材を使用する。これが移動治具270及び固定治具290である。移動治具270及び固定治具290は厚い板材であって、各マニホールド30、70の各導管50、60、90、100が差し込まれるように孔が形成されており、固定治具290の両側には棒形状のガイド280が固定されてこのガイド280に移動治具270が上／下に案内／昇降する構造である。
【００６７】
先ず、固定治具290の各孔に第１マニホールド30の第１導管50及び第２導管60を差し込んで固定し、その上に整列され微細チャンネル20aが下に向かうように熱交換部10を載せる。この際、各整列ピン250は第1固定板40の第１固定板整列口40aに差し込んで熱交換部10と共に整列させる。そして、交換部10の上に第２マニホールド70を載せる。この際、第２固定板80の第２固定板整列口80aに各整列ピン250を差し込む。それで、各マニホールド30、70と熱交換部10が組立てられる。
【００６８】
以後、移動治具270を第２マニホールド70上に載せ、第２マニホールド70の第３導管90及び第４導管100を差し込む。そして、移動治具270上に荷重部260を載せる。それで、荷重部260の荷重が移動治具270を通して熱交換部10の高さ方向に沿って均一に加える組立体210が完成されるS2500。
【００６９】
このような組立体210を多数製作し、ろう付け炉300内に投入した後、接合用薄板220及び接合用材230の溶融温度以上で加熱して各金属板20を接合して微細チャンネル20aの境界部位が隣り合った金属板20の他面に合着されることによって流路を形成し、各固定板40、80に各導管50、60、90、100が接合されると同時に各マニホールド30、70が熱交換部10に合着される。それで、マイクロ熱交換器200が完成されるS2600。
【００７０】
そして、完成されたマイクロ熱交換器200から固定治具290、移動治具270、荷重部260及び整列ピン250を分離／除去し、外部へ排出された残留溶融体を除去する仕上げの工程を進むS2700。
【００７１】
図２１は本発明の他の実施例に従って製作されたマイクロ熱交換器200の分解斜視図である。図２１に図示されたように、上述した製作方法で製作されたマイクロ熱交換器200は、各金属板20が微細チャンネル20aの形成方向に基づいて交番に配置された構造であって、隣接配置された各金属板20で該微細チャンネル20aからなる流路に各金属板20別に合い異なる温度の流体が流れによって熱交換がなされる構造である。
【００７２】
このために熱交換器200は、各金属板20が積層配置された熱交換部10と、熱交換部10の両側に配置され、合い異なる温度の流体を提供／排出する第１マニホールド30及び第２マニホールド70を含めて構成される。
【００７３】
ここで、熱交換器10は、ろう付け接合を通じて各金属板20が積層／接合されたものであって、各流体が各金属板20の微細チャンネル20aを通して流れる場合、熱交換がなされる部分である。
【００７４】
このような金属板20は、図１１からのように、一面の中央に並列形成され、全般的に四角の領域を形成する多数の微細チャンネル20aを含み、微細チャンネル20aと連結される供給チャンネル20b及び排出チャンネル20dを含む。そして、供給チャンネル20b及び排出チャンネル20dが分岐されて形成されるものが供給分配チャンネル20c及び排出分配チャンネル20eである。
【００７５】
そして、供給チャンネル20b及び排出チャンネル20dの基点には金属板20を貫通し、対角配置された２つの第１連結口20fが形成される。また、各第１連結口20fと対向される位置で互いに対角に金属板20を貫通して該微細チャンネル20aの流れの経路とは構造的に連関性のない２つの第２連結口20gが形成される。
【００７６】
ここで、金属板20は微細チャンネル20aの形成方向を基準に隣り合ったもの同士に交差するように配置されている。従って、第１連結口20fとその後の金属板20の第２連結口20gが連結されながら管路を形成する構造がなされる。
【００７７】
この際、第１連結口20fは該微細チャンネル20aに相通し、第２連結口20gは該微細チャンネル20aとは連結関係がないため、該提供流体は第１連結口20fを通過する場合のみに提供される。そして、対角の位置にある第１連結口20fと第２連結口20gを考えると、提供された流体が供給チャンネル20b及び微細チャンネル20aを通して流れて排出チャンネル20dを通して排出され、対角の位置にある第１連結口20fを通して排出されて再びその後方の第２連結口20gを通過してその後方の第１連結口20fに提供され、先言及した流体の流れの経路を繰り返すようになる構造が設けられる。
【００７８】
万が一、合い異なる温度の流体を一つの金属板20で対向される第１連結口20f及び第２連結口20gに別途提供すれば、結局各金属板20には合い異なる温度の流体が該微細チャンネル20aを通して流れながら隣り合ったもの同士に熱交換がなされる構造が設けられる。
【００７９】
そして、第１マニホールド30は、熱交換部10の一側に配置されて熱交換部10を構成する各金属板10に対して流体を提供するものであって、第１固定板40と、第１固定板40の一側に並べて配置され、相通に連結された第１導管50及び第２導管60を含む構造である。
【００８０】
この際、第１固定板40は前方金属板20の第１連結口20f及び第２連結口20gに第１導管50及び第２導管60が対応する位置で対面／接合されている。従って、第１導管50及び第２導管60には該第１連結口20fと第２連結口20gが連結され、このような連結構造によって熱交換部10に高温及び低温の流体がそれぞれ提供される構造が設けられる。
【００８１】
そして、第１導管50は第１連結口20fに連結される構造であって、万が一高温の流体が提供される場合、該金属板20の供給チャンネル20b、供給分配チャンネル20c、微細チャンネル20a、排出チャンネル20d、排出分配チャンネル20eを通して高温の流体が流れて対角位置の第１連結口20fを通して後方の他の金属板20に提供されることができる。
【００８２】
このような後方の金属板20は前方の金属板20と微細チャンネル20aの形成方向が交差／配置されているため、前方の第１連結口20fと後方の第２連結口20gが相通する構造が設けられる。従って、後方の金属板20の微細チャンネル20aには高温の流体が流れず、該第２連結口20gを通してすぐ後方金属板20の第１連結口20fに提供され、先に言及された順番に合わせて流体が交番に供給及び排出される構造が設けられる。
【００８３】
そして、第２導管60は、第１固定板40と隣り合った金属板20の第２連結口20gに連結されている。第２導管60は、第１導管50とは相異である温度を有する流体を第２連結口20gに提供し、例えば低温の流体を提供する場合はこのような第２連結口20gの後方には他の金属板20の第１連結口20fが連通されている。
【００８４】
従って、低温の流体は第１固定板40と隣り合った金属板20の微細チャンネル20aには提供されず、その後方の金属板20の第１連結口20fに提供され、供給チャンネル20b、供給分配チャンネル20c、微細チャンネル20a、排出チャンネル20d、排出分配チャンネル20eの順番で流れ、対角位置の第１連結口20fを通してその後方の金属板20の第２連結口20gに提供される低温の流体が交番に供給及び排出される構造が設けられる。
【００８５】
そして、第２マニホールド70は各金属板20が積層された熱交換部10を介して第１マニホールド30と対向される位置に配置されたものであって、第１マニホールド30から熱交換部10に提供した高温流体及び低温流体が排出されるようにするため該位置の金属板20と接合された第２固定板80と、第２固定板80に接合／連結された第３導管90及び第４導管100を含む。第３導管90及び第４導管100は、第１導管50及び第２導管60が下に位置した該金属板20の第１連結口20f及び第２連結口20gに連結されたものとは違って、該金属板20の上に位置した第１連結口20f及び第２連結口20gに連結された構造である。
【００８６】
図２２は本発明に従って製作されたマイクロ熱交換器200で接合された熱交換部10の縦断面構造を示すための写真であり、図２３は図２２に図示された写真において、微細チャンネル20aに該される部位を示す拡大写真である。図２２、図２３には、図示されたように、熱交換部10を積層方向に切断した断面が図示されている。接合用薄板220はろう付け接合工程を通じて金属板20の各面に溶融／接合され、特に微細チャンネル20aの境界部位もこのような接合に用いられたことがわかる。
【００８７】
それで、微細チャンネル20aとこれに当接される金属板20の他面からなる各流路構造のみが黒く示しているなど、流体の流れに関連された部分を除いて金属板20の各面の全般にわたって接合がなされることがわかる。
【００８８】
以上から上述したように、本発明によるマイクロ熱交換器及び製作方法において、各マニホールド30、70を熱交換部10に対してその各導管50、60、90、100の位置を異にして配置したり、各金属板20の積層個数を異にするのは該使用分野で要求されている設計仕様によって異にすることができるというのは勿論である。
【００８９】
なお、供給チャンネル20bと排出チャンネル20dが微細チャンネル20aの形成領域を介して対角される各第１連結口20fに向かって形成されているが、その以外に微細チャンネル20aの形成領域を介して両側に対向するように第１連結口20fを形成し、これに供給チャンネル20b及び排出チャンネル20dを形成する構造で代替して使用できるということは当然である。
【００９０】
＜実施例３＞
図２４は本発明による熱交換器の分解断面図であり、図２５は本発明のもう一つの実施例による金属板の平面図であり、図３０は本発明の実施例による断熱パネルの斜視図である。
【００９１】
図２４、図３０、図３３を調べてみれば、本発明による断熱型熱交換器は、多数の金属板20が相互直角方向に交番積層されてなる熱交換部10、前記熱交換部10の両端にそれぞれ積層される２つの断熱パネル310、320及び前記断熱パネル310、320上にそれぞれ積層される第１及び第２マニホールド30、70を備える概略的構成を有する。
【００９２】
ここで、前記熱交換部10は、多数の金属板20が交番積層され、前記金属板20間にそれぞれ接合用薄板220が介されてろう付け接合方式に従って締結完了されることにより、本発明による前記金属板20には、図２５のように所定形状の断熱孔22が穿孔されて前述した接合方式によって前記断熱孔22により所定の空間部としての断熱部23が前記熱交換部10の内部に備えられる構成的特徴を有する。
【００９３】
金属板に形成される前記断熱孔22の形状は、円形、楕円形、三角形、弧形またはこれらを組み合った形態でなされ、前記金属板の強度を大きく低下されないように図２８に図示されたようにトラス構造を採択することができ、また図２９に図示されたように前記微細チャンネルの外郭部位で直列または並列で複数個重ね穿孔され、前記微細チャンネルから伝導された交換熱が前記金属板の枠部位に伝導されることを防止できるようにすることで熱伝達流路の制御を通じた効率的な断熱効果を達成することができる。
【００９４】
特に、真空にされたろう付け炉内でろう付け接合方式をするため、断熱部内の真空が保持された状態で接合になり断熱部の断熱効果が増加するようになる。
【００９５】
図２５では前記金属板20上に多数の断熱孔22を穿孔形成し、連結口20fと微細チャンネル20aが隣り合った部位面に構成して前記微細チャンネル20aと連結口20fと隣り合った部位面で交換熱の伝導を防止することができる構成を例示している。
【００９６】
また、断熱パネル310、320は、図３０のような構成であって、断熱パネル310の一面上に多数の凹溝311が備えられ、前記凹溝311をなして前記金属板20または前記マニホールド30、70と相互当接する面を支持するクロス（Cross）形状の支持部312が備えられ、前記断熱パネル310の裏面は平坦面からなり前記金属板20または前記マニホールド30、70とろう付け接合になるように構成される。
【００９７】
図２４のように前記断熱パネル310は、前記凹部311が構成された面が前記第１マニホールド30と、そして断熱パネル320は前記凹部311が構成された面が熱交換部10の一端に備えられた金属板20と相互ろう付け接合される。このような締結原理に従う具体的な作用効果は後述する。
【００９８】
従って、熱交換部10を経由するにつれて交換熱が金属板20の枠部位面に伝導されることによる廃熱の発生、これによる熱交換効率の減少を防止できることは勿論、先行発明から要求されたケーシング1100及び断熱層1200などを備えなくても優れた断熱効果があって製造工程の単純化及び体積が減少し、特に積層に使用される金属板を穿孔することによって従来の熱交換器に比べても重量が減少される長所がある。
【００９９】
＜実施例４＞
図２５乃至図２９は、金属板の多様な変形例をそれぞれ図示した平面図であって、金属板20に備えられる断熱孔22を所定形状と部位面にそれぞれ形成したものを例示している。
【０１００】
これをより詳細に調べてみれば、図２５及び図２７は断熱孔22を構成するにおいて金属板20の強度が大きく低下されないようになされた例示図であり、図２８及び図２９は断熱効率をより改善した形態のものを図示している。
【０１０１】
特に、図２８及び図２９に図示された多数の断熱孔22及び前記断熱孔22間に形成される伝導部21の構成は、交換熱から発生される伝導熱が前記金属板20の外径方向に伝導される前に前記伝導部21を経由しなければならないが、前記伝導部21の表面積をより長く設定することは勿論、前記伝導部21間に断熱孔22が配置されることによって交換熱のうちごく一部のみが前記金属板20の外径に伝導されるようにすることで熱交換効率を大幅に改善すると同時に、前記熱交換部10などを火傷の恐れなく把持できるなどの容易な取り扱いの可能性などを提供できるという利点がある。
【０１０２】
望ましくは、図２５及び図２７に開示された金属板20は、比較的に金属板20が多く要求されない小型熱交換器に適用されるのが妥当であり、図２８及び図２９に開示された金属板20は、比較的多くの金属板20が積層構成される熱交換器に適用されて弱い強度が多数の金属板20の接合締結力によって相当部分を改善するようになることがよい。
【０１０３】
＜実施例５＞
図３１及び図３２は、図３０の変形例をそれぞれ図示した斜視図であって、それぞれ別途の空間部で区画された断熱部23が相互連通され、前記断熱部23内部の真空設定を簡単に具現できるような断熱パネル310、320の構成をそれぞれ例示している。
【０１０４】
図３１によると、断熱パネル310によって前記熱交換部10の一端に位置する金属板20とろう付け接合締結時にそれぞれの空間部として区画された前記断熱部23が相互連通されるようになり、図３２は先に言及した図３０と同一な構成を有し、多数の凹部311が相互連通されるように前記凹部311間に構成される支持部312の所定部位面を所定形状とサイズで切り欠けた切欠溝313によって前記凹部311間に空気が流動自在になることがわかる。
【０１０５】
従って、図３１及び図３２からのように構成された前記断熱パネル310、320は、断熱効率を改善するために前記断熱部23の内部が真空状態で保持されなければならないため、図３１のように凹部311が備えられた断熱パネル310の所定部位面が貫通された一つの通孔314のみで真空管などを挿入して熱交換器の製造直後または使用中にも断熱部23の内部が適正な真空に保持できるなどの長所がある。
【０１０６】
＜実施例６＞
図３３は、本発明による熱交換器の他の例を図示した分解斜視図であって、先に言及した実施例５の断熱パネル310、320、実施例４の金属板20を採択構成し、第１マニホールド30のうち断熱パネル310に備えられた通孔314と相応する部位面上に真空ポート110を構成して熱交換部10の内部に構成される多数の断熱部23が一つの真空ポート110を通して真空に保持できることを図示しており、この際、真空ポート110は複数個が設けられてもよい。また、真空ポートにクランプ手段または真空バルブを備えることによって適切な真空を保持することができる。
【０１０７】
＜実施例７＞
図３４は本発明による熱交換器の製造工程図である。
【０１０８】
図３４によると、先に記載された金属板20に備えられる微細チャンネル20a、分配チャンネル20e、連結口20fなどの構成物を形成する金属板20の製造工程において、先に記載された断熱孔22を穿孔する断熱孔の穿孔段階S3100が付加され、これと共に先記載された構成的特徴を有する断熱パネル310、320及びマニホールド30、70を製造する。
【０１０９】
以後、ろう付け接合工程を行うために前記した構成物、即ち多数の金属板20、断熱パネル310、320及びマニホールド30、70の洗浄及び接合用薄板220を前記多数の金属板20間と、前記熱交換部10と断熱パネル310、320間、そして前記マニホールド30、70と前記断熱パネル310、320間に介して相互積層及び組み立てる洗浄／組立段階S3200が進められる。
【０１１０】
それ以後、前述のように組み立てられた熱交換器をろう付け炉（図示せず）に引き込んで真空に保持された状態で前記した構成物を締結結合する接合段階S3300が進められ、前記接合段階S3300を完了した熱交換器をろう付け炉（図示せず）から引き出して洗浄及び仕上げをする段階S3400を進むことで完了される。
【０１１１】
ここで、前記接合段階S3300によれば、先に開示された先行発明と同一になされ、前述した実施例７に開示された積層される金属面と真空ポート110を通して熱交換部10の内部に区画された断熱部23に真空設定段階S3310が進められ、加熱段階S3320が進めることによって前述した各構成物が接合用薄板220の溶融／ぬれ（Wetting）／凝固作用によって相互堅く接合締結されるろう付け接合段階S3330が進められてろう付け炉（図示せず）から引き出す段階S3340が進められる。
【０１１２】
以後、接合段階S3300を通じて接合用薄板220をきれいに仕上げる仕上げ及び洗浄段階S3400を完了することによって完成されるものである。
【０１１３】
従って、先行発明と比べてみると、金属板20及び断熱パネル310、320の製造段階のみを除いてはその接合工程などが同一に具現されることにより既存の生産ラインをそのまま保持することができて別途の生産ラインを増設しなくてもよく、これと伴って、別途のケーシング、断熱層などの構成と製造工程を省略しても優秀な断熱効能を有する熱交換器の提供が可能であるという長所がある。
【０１１４】
＜実施例８＞
前述した製造工程のうち、いずれか一つにおいて真空設定をより効率的に行うために前記断熱孔22の内径及び／または前記断熱パネル310、320の凹溝311上にゲッター（Getter）を塗布及び／または形成及び／または注入する段階を追加可能である。
【０１１５】
通常の真空方法は、真空ポンプのみを用いているため、所望の真空度を達成しがたく、技術的に解決すべき問題点がたくさん生じるのは勿論、高費用であった。
【０１１６】
ゲッターは、固体状態であり吸着作用の強い接触ゲッターと、気体状態であり強い化合作用を示す分散ゲッターで両分され、このようなゲッターは活性炭／バリウム／マグネシウム／ジルコニウム／赤いリンなどで具現されるが、これらから選ばれる一つまたはそれ以上のゲッターをペーストまたは粉末形態の接触ゲッターを塗布または形成したり気体状態の分散ゲッターを注入する別途の工程を追加することもできる。
【０１１７】
前記ゲッターの塗布などの工程は、当業者であれば誰でも容易に実施可能である周知慣用の技術であるため、本明細書ではその詳細な説明を省略する。
【０１１８】
また、本発明による断熱型熱交換器は多様に変形実施が可能である。即ち、前述した多様な実施例の特定の構成物を相互に変形及び組合せが可能であり、これも本発明の技術範疇内にあると言える。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
以上から説明した本発明によるマイクロ熱交換器及び製作方法によると、接合用薄板の交番積層工程で一度にろう付け接合が可能な方法を提示し、なお微細チャンネルが形成された金属板の一面を下方に向かうようにする工程が含まれて、接合時接合用薄板の溶融体が微細チャンネルへ流入されないため、精密性が担保されて追加の工程なしで微細チャンネルの境界部位の全てを接合の対象とすることができる。
【０１２０】
このように微細チャンネルの境界部位すべてを接合の対象とできるため、製作されたマイクロ熱交換器で微細チャンネルがなす各流路に対する耐熱性、耐圧性が極大化できる長所がある。
【０１２１】
そして、各金属板の該微細チャンネルが交差／配置されるように積層される構造を有することによってより高い効率の熱交換になるという効果がある。
【０１２２】
なお、別途のケーシング及び断熱層の処理工程が要求されずに断熱効率に優れる熱交換器を提供することができるものは勿論、重量と体積を大きく軽減させることができ、輻射熱の発生を抑制して外部機器の耐久性を低減させないという長所がある。
【０１２３】
また、製作が容易であり、不良率を著しく低減できるのは勿論、断熱効率が大幅改善されて熱交換の効率を大きく増進させることができ、多数の金属板が相互対向される部位面上に所定形状及び間隔で一つまたはそれ以上の断熱孔を穿孔し、前記金属板がろう付け接合方法に従って締結されることにより前記断熱孔によって生成される断熱部の内部を真空状態に設定して前記金属板の外径への伝導される廃熱発生を防止することができるという利点がある。
【０１２４】
さらに、先に言及された断熱孔を金属板上に形成し、前記金属板の強度を大きく低減させない形状と模様でなされた上で、微細チャンネルなどの熱交換部から金属板の外径に伝導される廃熱の発生を大幅抑制可能であり、マニホールドと前記マニホールドと金属板との間に別途の断熱パネルを介してろう付け接合締結してマニホールドで伝導される廃熱発生を大きく抑制することができる効果がある最も有用な発明である。
【０１２５】
特に、ノートブック電源用などで脚光を浴びている燃料電池に採用される熱交換器の性能を低下させないのみならず、熱交換器をさらに小型化することができるという長所がある。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】従来技術による熱交換器の内部構成図である。
【図２】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図３】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図４】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図５】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図６】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図７】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図８】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図９】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１０】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１１】本発明の実施例に従って製作されたマイクロ熱交換器の分解斜視図である。
【図１２】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１３】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１４】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１５】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１６】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１７】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１８】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１９】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図２０】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図２１】本発明の他の実施例に従って製作されたマイクロ熱交換器の分解斜視図である。
【図２２】本発明に従って製作されたマイクロ熱交換器において接合された積層体の縦断面構造を示すための写真である。
【図２３】図２２に図示した写真において、微細チャンネルに該される部位を示す拡大写真である。
【図２４】本発明のもう一つの他の実施例による熱交換器の分解断面図である。
【図２５】金属板の多様な変形例を図示した平面図である。
【図２６】金属板の多様な変形例を図示した平面図である。
【図２７】金属板の多様な変形例を図示した平面図である。
【図２８】金属板の多様な変形例を図示した平面図である。
【図２９】金属板の多様な変形例を図示した平面図である。
【図３０】本発明の実施例による断熱パネルの斜視図である。
【図３１】図３０の変形例を図示した斜視図である。
【図３２】図３０の変形例を図示した斜視図である。
【図３３】本発明による熱交換器のもう一つの他の例を図示した分解斜視図である。
【図３４】本発明によるもう一つの他の実施例による熱交換器の製造工程図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１１００：ケーシング １２００：断熱層
１０：熱交換部 ２０：金属板
２０ａ：微細チャンネル ２０ｂ：供給チャンネル
２０ｃ：供給分配チャンネル ２０ｄ：排出チャンネル
２０ｅ：排出分配チャンネル ２０ｆ：第１連結口
２０ｇ：第２連結口 ２０ｈ：整列口
２１：伝導部 ２２：断熱孔
２３：断熱部 ３０：第１マニホールド
４０：第１固定板 ５０：第１導管
６０：第２導管 ７０：第２マニホールド
８０：第２固定板 ９０：第３導管
１００：第４導管 １１０：真空ポート
２００：マイクロ熱交換器 ２１０：組立体
２２０：接合用薄板 ２３０：接合用材
２４０：整列治具 ２５０：整列ピン
２６０：荷重部 ２７０：移動治具
２８０：ガイド ２９０：固定治具
３００：ろう付け炉 ３１０、３２０：断熱パネル
３１１：凹溝 ３１２：支持部
３１３：切欠溝 ３１４：通孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池などに使われるマイクロ熱交換器に関するものであって、より詳しくは微細チャンネルが形成された金属板を接合用薄板と交番積層してろう付け接合したマイクロ熱交換器及び製作方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に熱伝達は相異の温度にある部分、特にその境界部分間でより激しく発生されるエネルギーの移動であるが、熱的移動関係において、物質の移動を伴うことなく高温部からこれと接している低温部へ熱が伝達される伝導と、流体の移動に基づいて熱を伝達する対流と、熱によって浮かんでいる原子集団が電磁気波を放出する輻射などを総称する。
【０００３】
この中、特に対流は流体と固体との間の熱交換として概念化され、産業に用いられている。特に強制対流を利用する場合、例えば、管壁内外の熱交換は熱交換器の基本的な熱交換の概念として適用されたものである。
【０００４】
産業現場に対する熱交換器の適用は、特に高発熱の情報通信分野において電子部品またはその素材のように精密性と超小型化が要求される分野と密接な関係を持っている。電子部品の発熱性は電子部品を含む機器全体の性能に大きな影響を及ぼしているが、熱交換器の装着のためにその規模の縮小が要求されてきて、これに応じてマイクロスケールの熱交換器の開発に至った。
【０００５】
これと共に燃料電池分野、石油産業において必要とする化学反応分野、医療機器の冷却分野、核発電分野、航空機の電子装備冷却分野、高発熱レーザー冷却分野、淡水化機械の海水蒸発管分野などに応用が可能であると知られている。
【０００６】
特に、燃料電池分野の場合、ノートブック電源用などで脚光を浴び始めて燃料電池に採用される熱交換器のサイズがさらに小型化されている趨勢であるが、小型化に伴う熱交換性能の低下によってサイズ及び性能の限界にぶつかっている実情である。
【０００７】
このようなマイクロ熱交換器を含めて大部分の熱交換器は流体の強制対流に基づいて作動される。マイクロ熱交換器の応用範囲として、燃料電池システム、医薬品の製造工程、表面に一方向に沿って微細チャンネルが並列形成された一連の金属板を積層して構成される構造である。このような各微細チャンネルに沿って流体が移送され、従って微細チャンネルの壁は流体の移動方向を提示／誘導し、強制する。
【０００８】
このように、強制的／能動的に流体移送を用いるマイクロ熱交換器においては、流体の移送を強制／誘導できる微細チャンネルの設計が重要である。一般に微細チャンネルは、微細加工技術によってフライス加工して形成されるものが一般的である。微細チャンネルの設計が重要であるのは、装置の小型化によって検査や計測が難しくなるからである。例えば、微細チャンネル内で流体の流速、温度、特に装置全体及び各微細チャンネルに加えられる圧力及び温度に対する計測が容易でなく、これによってその制御が難しい。
【０００９】
このような計測及び制御技術の発展のためには、マイクロ熱交換器の製作技術において特に微細チャンネルが形成された各金属板の合着技術が重要である。
【００１０】
マイクロ熱交換器の製作技術において、既に知られたように、微細チャンネルの加工以後に微細チャンネルが形成された各金属板を合着する技術分野は、特に各微細チャンネルが受ける圧力及び温度に対する高い耐圧性および耐熱性の確保という目的を達成することができる工程分野である。
【００１１】
従来マイクロ熱交換器の製作において、微細チャンネルが形成された各金属板の合着技術であって、レーザーを熱源で積層された金属板の枠を接合する技術、はんだ付け材料を各金属板に予め塗布、蒸着、鍍金した状態でまたははんだ付け材料なしで各金属板を数百度の温度でプレスする技術である拡散接合（diffusion bonding）技術などが知られている。
【００１２】
また、熱交換器において流体の出入り口用導管及びその固定板材からなるマニホールドは、導管を固定板材に溶接し、先に言及したレーザー溶接または拡散接合技術を用いて金属板に接合して製作される。
【００１３】
しかし、各金属板の微細チャンネルは相対的に陥没された部位である。そして、このような陥没形成によって相対的に突出される壁体が当然存在する。このような壁体即ち、各微細チャンネルを区分する部位は、従来の接合技術に基づいてマイクロ熱交換器が製作される場合、個別的に接合されていない。従って、製作されたマイクロ熱交換器において、各微細チャンネル部位が位する高温／高圧の環境で、高い耐圧性及び耐熱性を担保することができないという問題点をもたらすようになる。
【００１４】
また、従来の接合技術を用いる場合、特に電気化学的な別途の鍍金工程が追加され、なお高温におけるプレス工程は非常に長い作業時間がかかるなど、その生産効率が劣って大量生産が不適であるという問題点があった。それで、製品の生産単価が非常に高く、これによって当該産業全般にわたって凡庸に使用するには無理であった。
【００１５】
なお、マニホールド製作の場合、一々に溶接を進めなければならなく、完全封止のために十分注意が要望されるなど作業条件において厳しい側面があった。
【００１６】
このように従来のマイクロ熱交換器の製作技術は、微細チャンネルが形成された金属板の接合工程の施行時において、生産効率が低下し、製作／使用されるマイクロ熱交換器の耐熱性及び耐圧性が低下し、加えて、マニホールドの接合工程の施行時に厳しすぎる作業条件に伴い生産効率が低下するという問題点を抱えている。
【００１７】
また、図１のように、ケーシング1100とケーシング1100内部のマイクロ熱交換器1000との間には、断熱層1200が充填されている。断熱層1200は、例えばセラミックウールからなる。これにより、マイクロ熱交換器1000から発生した交換熱がケーシング1100に伝導されることが防止される。このように、ケース1100の挿入工程及び断熱層1200の形成工程は必要である。
【００１８】
このように、別途のケーシング1100を備えるのは勿論、断熱層1200生成工程などが要求されることによって低廉な価格の熱交換器を提供することができないのみならず、前述した断熱層生成工程において不良品が多く量産され事実上製造完了された多数のマイクロ熱交換器1000が廃棄処分されることとなり、かかる要因は製造原価の上昇に直結する。
【００１９】
また、前記した別途の工程を通じてその体積が増大するしかなく、その体積を小さくするためには前述したマイクロ熱交換器1000を小さく形成し且つ断熱層1200を薄く充填したり、ケーシング1100の厚さをより薄く製作するしかなく、断熱効率を低減させることは勿論、これによる熱交換の効率を著しく低下させるしかないという短所がある。
【００２０】
これと伴って、体積は勿論、その重量も増大する。したがって、ケーシング1100の外部に放射される輻射熱を源泉的に解消できなくその取り扱いが難しく、外部機器に輻射熱が伝導されるしかなく装置の耐久性を大きく低下させるというなどのもう一つの問題点があった。
【発明の開示】
【００２１】
本発明のマイクロ熱交換器は、第１流体が流れるために金属板上に並列形成された多数の微細チャンネル、前記微細チャンネルのそれぞれに流体を供給及び排出する供給チャンネル及び排出チャンネル、前記金属板に通孔されて形成され前記供給チャンネルと排出チャンネルのそれぞれに連結される第１連結口、第２流体が供給及び排出される第２連結口が備えられる複数の金属板が積層接合された熱交換部；前記積層接合された熱交換部の上部と下部に互いに対称に接合される固定板と、第１流体と第２流体とがそれぞれ供給及び排出される第１連結口と第２連結口と連通されるように前記固定板に通孔された導管で備えられたマニホールド；とを含み、前記多数の金属板及び前記熱交換部と固定板との間の接合は接合用薄板が介されてろう付け接合になることを特徴とする。
【００２２】
なお、熱交換部は、前記金属板の第１連結口と隣り合う金属板の第２連結口が互いに連通され、金属板の微細チャンネルと隣り合う金属板の微細チャンネルが所定の角度をなして交差されるように交番積層接合されることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の前記それぞれの金属板には、前記供給チャンネルと排出チャンネルは前記微細チャンネルに相応してそれぞれ分岐及び合流されるように分配チャンネルがさらに形成されることを特徴とする。
【００２４】
なお、本発明の前記熱交換部は、前記微細チャンネルの外郭の所定部位面を貫通する一つまたはそれ以上の断熱孔がさらに備えられた金属板で積層されて形成される空間部である断熱部が備えられることを特徴とし、前記マニホールドと前記熱交換部との間にはそれぞれマニホールドの導管と連通される貫通孔を備えた断熱パネルがさらに介されてろう付け接合されることが望ましく、前記断熱パネルは微細チャンネルが形成された方向に所定形状の凹部が一つまたは複数個備えられるのがさらに望ましい。また、ろう付け接合時に印加される真空工程によって断熱部または凹部が真空に設定されることが望ましい。
【００２５】
また、本発明の前記断熱パネル及びこれと積層締結される前記もう一つのマニホールドを一体で貫通して前記凹部または断熱部と連通される一つ以上の真空ポートがさらに備えられることを特徴とする。
【００２６】
本発明のマイクロ熱交換器の製造方法は、ａ）流体の供給チャンネル及び排出チャンネルと複数の微細並列チャンネル及び前記供給チャンネルと排出チャンネルのそれぞれに連結される第１連結口と第２連結口を加工して金属板を用意する段階；ｂ）前記微細チャンネルが一方向に位置させ、前記多数の金属板の間に接合用薄板を介させて積層して熱交換部を形成する段階；ｃ）前記熱交換部の上部と下部に互いに対称に接合し、前記第１連結口と第２連結口に連通されるそれぞれの導管を各固定板に仮接して各マニホールドを形成する段階；ｄ）前記各固定板に対する該各導管の結合部位にペースト状態の接合用材を塗布する段階；ｅ）固定治具及び前記固定治具に対して移動する移動治具の間に前記熱交換部及び各固定板及び各マニホールドを流体の供給及び排出経路に対応させて組立て、前記熱交換部の金属板に均一の荷重が加えられるように前記移動治具の上部に相対的に小さいサイズの荷重部を配置して組立体を形成する段階;ｆ）多数の前記各組立体をろう付け炉に投入し、前記接合用薄板と接合用材の溶融温度以上に加熱及び接合する段階；及びｇ）前記組立体を前記ろう付け炉から排出し、前記固定治具、移動治具及び荷重部を除去する段階；とを含むことを特徴とする。
【００２７】
また、前記ｂ）熱交換部の形成段階は、前記金属板の第１連結口と隣り合った金属板の第２連結口が互いに連通され、金属板の微細チャンネルと隣り合った金属板の微細チャンネルが所定の角度をなして交差されるように交番積層させる段階をさらに含むことを特徴とする。
【００２８】
なお、前記ａ）金属板の用意段階は、前記微細チャンネルと第１連結口が連通されてぞれぞれ分岐及び合流されるようにする分配チャンネルを前記供給チャンネルと排出チャンネルにさらに加工することを特徴とし、前記ｂ）熱交換部を形成する段階は、前記微細チャンネルが形成される前記金属板の一面が下方に向かうように配置させる段階がさらに含まれることを特徴とする。
【００２９】
さらに、前記ａ）金属板の用意段階は、同一部位に同一形状の断熱孔を穿孔する段階をさらに含むことを特徴とし、前記ｂ）熱交換部の形成段階は、前記マニホールドと金属板の間に断熱パネルを積層し、接合用薄板を介させて積層させる段階をさらに含むことを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例を上述する。ただし、提示された実施例は例示的目的のみならず、本発明の技術思想がこれら実施例から限られるものではない。
【００３１】
＜実施例１＞
図２乃至図１０は本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【００３２】
本発明による製作方法は、微細チャンネル20aが形成された各金属板20を各マニホールド30、70の間に積層／逆転／整列／組立／接合して熱交換器200を製作する方法に関するものである。特に、各金属板20を接合用薄板220と交番積層する工程が含まれ、このような工程は各微細チャンネル20aの境界部位が全て接合の対象となる方法を含む。この際、金属板20は合い異なる温度の各流体が交番して供給及び排出されるように金属板20の微細チャンネル20aと隣り合った金属板20の微細チャンネル20aが所定の角度をなして交差されるように積層接合させる。また、前記微細チャンネル20aが形成された前記金属板20の一面が下方に向かうように配置させてろう付けを実施する。これによって、接合用薄板220の溶融体が微細チャンネル20aへ流入されることを防止することができる実益が提供される。
【００３３】
図２乃至図１０に図示されたように、先ず各金属板20に一方向に沿って約１mm以下の幅及び／または深さを有し、それぞれが互いに並列配置される微細チャンネル20aを収得するためにプレス加工またはフライス加工のような一般的な機械加工またはポートエッチング、精密鋳造、メタルインジェックションモールディングなどのような特殊加工を実施する。
【００３４】
このとき、微細チャンネル20aの加工領域として、金属板20の中央で四角の加工対象部位を選び、該部位に微細チャンネル20aを並列加工し、微細チャンネル20aが形成された領域周辺に４つの孔を貫通して加工する。各孔は金属板20の各角に対応する支点で互いに対称を形成させるが、各マニホールド30、70をなす各導管50、60、90、100が連結され、各金属板20が積層／接合される場合管路を形成して低温または高温の流体が移送されながら各微細チャンネル20aに対して供給／排出されるための各連結口20f、20gである。このような各連結口20f、20gのうち対角される位置にあり微細チャンネル20aと連結されたものが第１連結口20fであり、微細チャンネル20aと連結構造なしで互いに対角の位置に形成されたものが第２連結口20gである。この第１連結口20fと第２連結口20gは第１流体と第２流体とがそれぞれ供給及び排出されるようにする。
【００３５】
この際、各第１連結口20fを基点として微細チャンネル20aと連結されるように微細チャンネル20aの形成領域に向かって漸次的に拡大され相通する位置及び形状で供給チャンネル20bと排出チャンネル20dとを形成させる。このとき、流体が供給チャンネル20bから各微細チャンネル20aに分岐され且つ各微細チャンネル20aから排出チャンネル20dへ合流されるように前記微細チャンネル20aに相応する供給分配チャンネル20c及び排出分配チャンネル20eを形成させるのが望ましいS1100。
【００３６】
これによって、図２のような金属板20が用意される。
【００３７】
そして、このように準備された多数の金属板20を互いに合い異なる温度の各流体が交番して供給及び排出されるように金属板の微細チャンネルと隣り合った金属板の微細チャンネルが所定の角度をなして交差されるように積層させ、接合用薄板220と交番して積層する。接合用薄板220は、ろう付け炉300で接合過程を施行する場合、溶融される接合媒体として用いられるもので、材質がアルミニウムである金属板20を使用する場合アルミニウムとシリコンの合金を使用し、銅合金である場合は銀または銀含有合金、ステンレス系列合金または耐熱合金の場合はニッケル系列の合金または純銅を使用する。そして、ろう付け接合時に微細チャンネル20aが塞がれることを防止するために０.１mm以下の厚さを有し、望ましくは０.０２５〜０.０５mm程度の厚さを有するものを使用する。
【００３８】
先ず、金属板20と同一のサイズの接合用薄板220上に金属板20を積層し、微細チャンネル20aの形成方向が上から見えるように微細チャンネル20aが形成された一面を上方にして載せる。その次、積層によって直下においてある金属板20と微細チャンネル20aの形成方向が交差されるように交番させて他の金属板20を載せる。このときにも微細チャンネル20aが上方に配置する。そうすると、各第１連結口20f及び第２連結口20gは微細チャンネル20aの形成方向が同一なもの同士に同一な位置に配置される構造が設けられる。以後、所望数の金属板20と接合用薄板220が積層されると、マニホールド30、70との接合のために接合用薄板220が位置するように配置する。これによって金属板20と接合用薄板220とが積層された熱交換部10が形成される。従って、製品が完成され使用される場合、かかる各連結口20f、20gを通して流体が流れる場合、第１連結口20fに流入されて供給チャンネル20b及び微細チャンネル20aに提供されて流れ、排出チャンネル20d及び対角位置の第１連結口20fを通して排出される。
【００３９】
そして、その下の第２連結口20gに流入されるとすぐ通過されて最下の第１連結口20fに至って該微細チャンネル20aに流入されるなど流体の交番で供給及び排出される構造が設けられる。結局、先から列挙した各連結口20f、20gと対向される位置にある連結口、即ち一つの金属板20から第１連結口20fと第２連結口20gに相異なる温度の流体がそれぞれ提供されることを考えると、高温の流体と低温の流体とが交番に供給及び排出され、従って隣り合った各金属板20間の熱交換が可能である構造を有するものが微細チャンネル20aの形成方向に基づいて交番積層する本発明の積層技法によって可能であるS1200。
【００４０】
このような本発明による積層技法は、接合用薄板220が金属板20の一面全般にわたって対面する構造を有することによって、以後施行されるろう付け接合過程において接合用薄板220が溶融されるとき、微細チャンネル20aの境界部位も溶融接合の対象とする方法を提示する。
【００４１】
このように、金属板20と接合用薄板220の交番積層と、各金属板20間の微細チャンネル20aの形成方向に基づいてなされる交番積層過程を実施した後、各金属板20と各接合用薄板220とが積層された熱交換部10をひっくり返して配置させる。そうすると、金属板20の微細チャンネル20aが下方に向かう。これによって以後実施されるろう付け接合過程で接合用薄板220の溶融体が微細チャンネル20aに流入されることが防止できるS1210。
【００４２】
そして、第１マニホールド30と第２マニホールド70とを製作するが、先ず金属板20と同一のサイズを有し、金属板20より相対的に厚い二つの第１固定板40と第２固定板80を用意する。それから、各固定板40、80には金属板20の第１連結口20f及び第２連結口20gに対応される位置及びサイズで二つの孔をドリルあけで加工する。このような各孔に第１導管50及び第２導管60と第３導管90及び第４導管100を点溶接で接合して金属板20の積層で第１連結口20f及び第２連結口20gになる導管構造と相通する構造を有する各マニホールド30、70を完成するS1300。
【００４３】
以後、各固定板40、80と該固定板に接合された部位で各導管50、60、90、100の周辺に接合用薄板220と同一な材質を有し、ペースト状態である接合用材230を塗布するS1400。
【００４４】
このとき、先に構成された金属板20と接合用薄板220が積層された熱交換部10は、その逆転過程で積層姿勢がずれる余地がある。従って、整列のために強制拘束する必要があるが、金属板20と接合用薄板220は四角形状であるため、その対角の角部位に整列治具240を密着させて整列する。整列治具240は側部に金属板20と接合用薄板220の角部位が挟んで密着できるように対応する形状で陥没されている棒構造であって、金属板20と同一の材質またはセラミック材質を用いる。この際、同一の材質の場合、整列治具240が金属板20と付かないように表面にセラミックを含有した液体を予め塗布することが必要である。
【００４５】
また、ろう付け接合過程において、金属板20の熱膨張によって座屈が生じないように整列治具240の停止摩擦力より熱交換部10の高さ方向、即ち該位置の重力方向の荷重がさらに大きくように製作されたものの使用が望ましい。このような各整列治具240を熱交換部10の各角部位につけて圧迫すれば整列が容易になされるS1410。
【００４６】
そして、各マニホールド30、70と熱交換部10の組立を補助する固定治具290と移動治具270を用意する。移動治具270及び固定治具290は組み立てる各マニホールド30、70と熱交換部10の上部及び下部に配置される厚い板材形態であって、逆転／整列された熱交換部10においてその上部及び下部に位置する該マニホールドの各導管50、60、90、100と干渉が生じないように孔が形成されている。
【００４７】
先ず、床に固定治具290をおき、その上に第１マニホールド30をひっくり返し第１導管50及び第２導管60を固定治具290の孔に差し込む。そして、その上に整列治具240と共に熱交換部10を載せる。この過程において各整列治具240は下部に配置された第１マニホールド30の第１固定板40を熱交換部10と共に整列させる。以後、熱交換部10の上部に第２マニホールド70を載せて整列治具240で熱交換部10に整列させる。そしてその上に移動治具270を載せて移動治具270の各孔に第２マニホールド70の第３導管90及び第４導管100を差し込む。
【００４８】
このとき、固定治具290の両側には高さ方向に沿って固定されたガイド280が配置されている。各ガイド280は移動治具270の両側に対応する位置で形成され、ガイド280に比べて相対的に大きく形成された各孔に差し込まれるように組み立てる。そして、移動治具270の上部に荷重部260を載せる。荷重部260は組立体210が所定の荷重を受けながらろう付け接合がなされるようにするために約１０ｇ/cm2以上の荷重を加えられる金属重量物であって、金属板20の厚さなどを考えて約５０〜１５０ｇ/cm2であるものが望ましい。この際、相対的に表面積の大きな板材形態の移動治具270が荷重部260と組立体210との間に位置するため、加える荷重によって移動治具270がガイド280に沿って下向移送されながら荷重部260の荷重が組立体210の全般にわたって均一に加えられる構造が設けられる。
【００４９】
これによって、ろう付け炉300に投入される組立体210が完成されるS1500。
【００５０】
このように組立てられた多数の組立体210をろう付け炉300に投入する。このとき、ろう付け炉300の内部を真空状態で組成したり不活性ガス、還元性ガスなどで満たす。そして、ろう付け炉300を稼動させ、金属板20間の接合用薄板220と導管に塗布されたペースト状態の接合用材230の溶融点以上で加熱して各金属板20及び各固定板40、80と、各固定板40、80及び導管を接合させる。この際、接合用薄板220は金属板20の一面全体に密着されているため、微細チャンネル20aの各境界部位にも接合がなされる。そして、熱交換部10が微細チャンネル20aの形成された面が下方に向かうようにして接合されるため、接合用薄板220の溶融体が微細チャンネル20aに流入されない。
【００５１】
それで、各金属板20の各微細チャンネル20aをなす各境界部位が近接配置された上／下の各金属板20の他面と密着されながらそれぞれの微細チャンネル20aが流路を形成する構造のマイクロ熱交換器200が完成されるS1600。
【００５２】
ろう付け接合過程が終わると、ろう付け炉300から排出し、固定治具290、移動治具270及び整列治具240と荷重部260を除去した後、必要な場合後処理工程で表面に排出された残留溶融体を除去するS1700。
【００５３】
図１１は本発明の実施例に従って製作されたマイクロ熱交換器200の分解斜視図である。図１１に図示されたように、上述した製作方法で製作されたマイクロ熱交換器200は、微細チャンネル20aの形成方向が互いに交差／配置されるように積層／接合された多数の金属板20を含む熱交換部10と、金属板20の積層方向に沿って熱交換部10の一側と他側に配置される第１マニホールド30と第２マニホールド70を含めて構成される。
【００５４】
この際、各金属板20の第１連結口20fと第２連結口20gは、金属板20が微細チャンネル20aの形成方向に基づいて交番積層されて一つの管路を形成し、この管路は各マニホールド30、70の各導管50、60、90、100と相通する構造を有するようになる。従って、各導管50、60、90、100を通して流体が流入される場合は各連結口20f、20gから微細チャンネル20aまで形成された供給チャンネル20bを通して各微細チャンネル20aに流体が供給され、排出チャンネル20dを通して流体が流出される構造が設けられる。また、各微細チャンネル20aの形成方向が交差／配置されるように積層された金属板20の結合構造によって交番配置される金属板20同士に同一温度の流体が循環される構造が設けられる。
【００５５】
ここで、具体的な流体の循環経路を説明すると、先ず、第１マニホールド30と近接した１番目の金属板20で第１マニホールド30の第１導管50を通して例えば高温の流体が流入されると第１導管50と相通した金属板20の第１連結口20fを通して高温の流体が提供され、次いで供給チャンネル20bを通して流体が流れて供給チャンネル20bに分岐形成された供給分配チャンネル20cを通して該微細チャンネル20aに流体が流入される。
【００５６】
このような流体は微細チャンネル20aを流し排出チャンネル20dを通して排出される。このとき、第１固定板40に隣り合う金属板20から高温の流体が提供された第１連結口20fと対向された位置の第２連結口20gに第２導管60を通して低温の流体が提供されると、すぐその後方の金属板20の第１連結口20f、供給チャンネル20b、微細チャンネル20a及び排出チャンネル20dを通して流れるため、隣り合った各金属板20には合い異なる温度の流体が流れて、結果的に熱的相関関係を隣り合う金属板20間に有する構造が設けられる。
【００５７】
なお、第１マニホールド30と対向される位置で第２マニホールド70が配置され、その第３導管90及び第４導管100は第１導管50及び第２導管60が連結された第１連結口20fと第２連結口20gに対向される第１連結口20f及び第２連結口20gに連結される構造であり、第１導管50の高温の流体は先に説明した循環過程を通じて第３導管90に排出され、第２導管60の高温の流体は第４導管100に排出される。この際、各流体の提供方向は同一方向でない相反された方向に各マニホールド30、70の各導管50、60、90、100に提供するものは本発明によるマイクロ熱交換器200の該使用分野の暖房、冷却による設計変更に応じて可能である。
【００５８】
＜実施例２＞
図１２乃至図２０は本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。図１２乃至図２０に図示されたように、熱交換部10の整列に整列ピン250を使用して強制拘束する方法が提示されている。
【００５９】
先ず、中央領域に微細チャンネル20aを並列形成させ、各角に近接して互いに対角位置を有する２つの第１連結口20f及び第２連結口20gを穿孔して形成させる。そして、対角の位置にある２つの第１連結口20fから微細チャンネル20aの形成領域まで漸拡される供給チャンネル20bおよび排出チャンネル20dを形成させる。この際、流入または排出される流体が円滑に流れるように供給チャンネル20b及び排出チャンネル20dを分岐させてそれぞれ供給分配チャンネル20cと排出分配チャンネル20eを形成させる。
【００６０】
そして、金属板20の各枠に近接して中央に各連結口20f、20gより相対的に小さい内径を有する孔を各１つずつ総計４つを穿孔する。このような孔が整列口20hである。各整列口20hは熱交換部10の整列過程で整列ピン250を使用して整列するために形成させたものであるS2100。
【００６１】
以後積層の時、各微細チャンネル20aの形成方向を識別するために微細チャンネル20aが形成された金属板20の一面を上方にし、各金属板20と接合用薄板220を交番／積層して熱交換部10を形成させる。このような金属板20と接合用薄板220の交番積層と共に微細チャンネル20aの形成方向を基準として交番に積層する技法を進める。即ち、一つの金属板20に接合用薄板220を介して互いに異なる金属板20を積層するとき、各金属板20の微細チャンネル20aが互いに交差されるように積層させることを繰り返す。それで、金属板20を基準として、１つの金属板20を介してある２つの金属板20はその微細チャンネル20aの形成方向が同一になり、接合用薄板220を基準として１つの接合用薄板220を介して近接積層された各金属板20の微細チャンネル20aは互いに交差するようになる。このとき、熱交換部10の積層方向の両側に各マニホールド30、70が接合されるように熱交換部10の最上と最下には積層順番に合わせて接合用薄板220を配置させるS2200。
【００６２】
このような積層姿勢では、ろう付け接合を実施する場合、微細チャンネル20a内に接合用薄板220の溶融体が流入される余地があるため、これを防止するために熱交換部10を微細チャンネル20aが下方に向かうように配置させるS2210。
【００６３】
そして、各マニホールド30、70を製作する。先ず、金属板20より厚い第１固定板40と第２固定板80を用意し、各固定板40、80に各連結口20f、20gと対応する位置で４つの孔を穿孔する。そして、金属板20の整列口20hに対応する位置及びサイズで固定板整列ピン250を形成する。このうち、各連結口20f、20gに対応して形成させた孔のうち、一枠に沿って配置される２つの孔に第１導管50及び第２導管60と第３導管90及び第４導管100をそれぞれ点溶接して結合させ第１マニホールド30及び第２マニホールド70を製作するS2300。
【００６４】
以後、各導管50、60、90、100と各固定板40、80との結合部位の周辺に接合用薄板220と同一な材質を有し、ペースト状態である接合用材230を塗布するS2400。
【００６５】
このとき、熱交換部10をなす各金属板20は互いに結合関係がなく、その積層姿勢が整列されていないため、先に形成させた各金属板20の整列口20hに整列ピン250を連続に差し込むことによって、各金属板20を整列させるS2410。
【００６６】
そして、このように備えられた熱交換部10と各マニホールド30、70を組立てるために、組立を補助する部材を使用する。これが移動治具270及び固定治具290である。移動治具270及び固定治具290は厚い板材であって、各マニホールド30、70の各導管50、60、90、100が差し込まれるように孔が形成されており、固定治具290の両側には棒形状のガイド280が固定されてこのガイド280に移動治具270が上／下に案内／昇降する構造である。
【００６７】
先ず、固定治具290の各孔に第１マニホールド30の第１導管50及び第２導管60を差し込んで固定し、その上に整列され微細チャンネル20aが下に向かうように熱交換部10を載せる。この際、各整列ピン250は第1固定板40の第１固定板整列口40aに差し込んで熱交換部10と共に整列させる。そして、交換部10の上に第２マニホールド70を載せる。この際、第２固定板80の第２固定板整列口80aに各整列ピン250を差し込む。それで、各マニホールド30、70と熱交換部10が組立てられる。
【００６８】
以後、移動治具270を第２マニホールド70上に載せ、第２マニホールド70の第３導管90及び第４導管100を差し込む。そして、移動治具270上に荷重部260を載せる。それで、荷重部260の荷重が移動治具270を通して熱交換部10の高さ方向に沿って均一に加える組立体210が完成されるS2500。
【００６９】
このような組立体210を多数製作し、ろう付け炉300内に投入した後、接合用薄板220及び接合用材230の溶融温度以上で加熱して各金属板20を接合して微細チャンネル20aの境界部位が隣り合った金属板20の他面に合着されることによって流路を形成し、各固定板40、80に各導管50、60、90、100が接合されると同時に各マニホールド30、70が熱交換部10に合着される。それで、マイクロ熱交換器200が完成されるS2600。
【００７０】
そして、完成されたマイクロ熱交換器200から固定治具290、移動治具270、荷重部260及び整列ピン250を分離／除去し、外部へ排出された残留溶融体を除去する仕上げの工程を進むS2700。
【００７１】
図２１は本発明の他の実施例に従って製作されたマイクロ熱交換器200の分解斜視図である。図２１に図示されたように、上述した製作方法で製作されたマイクロ熱交換器200は、各金属板20が微細チャンネル20aの形成方向に基づいて交番に配置された構造であって、隣接配置された各金属板20で該微細チャンネル20aからなる流路に各金属板20別に合い異なる温度の流体が流れによって熱交換がなされる構造である。
【００７２】
このために熱交換器200は、各金属板20が積層配置された熱交換部10と、熱交換部10の両側に配置され、合い異なる温度の流体を提供／排出する第１マニホールド30及び第２マニホールド70を含めて構成される。
【００７３】
ここで、熱交換器10は、ろう付け接合を通じて各金属板20が積層／接合されたものであって、各流体が各金属板20の微細チャンネル20aを通して流れる場合、熱交換がなされる部分である。
【００７４】
このような金属板20は、図１１からのように、一面の中央に並列形成され、全般的に四角の領域を形成する多数の微細チャンネル20aを含み、微細チャンネル20aと連結される供給チャンネル20b及び排出チャンネル20dを含む。そして、供給チャンネル20b及び排出チャンネル20dが分岐されて形成されるものが供給分配チャンネル20c及び排出分配チャンネル20eである。
【００７５】
そして、供給チャンネル20b及び排出チャンネル20dの基点には金属板20を貫通し、対角配置された２つの第１連結口20fが形成される。また、各第１連結口20fと対向される位置で互いに対角に金属板20を貫通して該微細チャンネル20aの流れの経路とは構造的に連関性のない２つの第２連結口20gが形成される。
【００７６】
ここで、金属板20は微細チャンネル20aの形成方向を基準に隣り合ったもの同士に交差するように配置されている。従って、第１連結口20fとその後の金属板20の第２連結口20gが連結されながら管路を形成する構造がなされる。
【００７７】
この際、第１連結口20fは該微細チャンネル20aに相通し、第２連結口20gは該微細チャンネル20aとは連結関係がないため、該提供流体は第１連結口20fを通過する場合のみに提供される。そして、対角の位置にある第１連結口20fと第２連結口20gを考えると、提供された流体が供給チャンネル20b及び微細チャンネル20aを通して流れて排出チャンネル20dを通して排出され、対角の位置にある第１連結口20fを通して排出されて再びその後方の第２連結口20gを通過してその後方の第１連結口20fに提供され、先言及した流体の流れの経路を繰り返すようになる構造が設けられる。
【００７８】
万が一、合い異なる温度の流体を一つの金属板20で対向される第１連結口20f及び第２連結口20gに別途提供すれば、結局各金属板20には合い異なる温度の流体が該微細チャンネル20aを通して流れながら隣り合ったもの同士に熱交換がなされる構造が設けられる。
【００７９】
そして、第１マニホールド30は、熱交換部10の一側に配置されて熱交換部10を構成する各金属板10に対して流体を提供するものであって、第１固定板40と、第１固定板40の一側に並べて配置され、相通に連結された第１導管50及び第２導管60を含む構造である。
【００８０】
この際、第１固定板40は前方金属板20の第１連結口20f及び第２連結口20gに第１導管50及び第２導管60が対応する位置で対面／接合されている。従って、第１導管50及び第２導管60には該第１連結口20fと第２連結口20gが連結され、このような連結構造によって熱交換部10に高温及び低温の流体がそれぞれ提供される構造が設けられる。
【００８１】
そして、第１導管50は第１連結口20fに連結される構造であって、万が一高温の流体が提供される場合、該金属板20の供給チャンネル20b、供給分配チャンネル20c、微細チャンネル20a、排出チャンネル20d、排出分配チャンネル20eを通して高温の流体が流れて対角位置の第１連結口20fを通して後方の他の金属板20に提供されることができる。
【００８２】
このような後方の金属板20は前方の金属板20と微細チャンネル20aの形成方向が交差／配置されているため、前方の第１連結口20fと後方の第２連結口20gが相通する構造が設けられる。従って、後方の金属板20の微細チャンネル20aには高温の流体が流れず、該第２連結口20gを通してすぐ後方金属板20の第１連結口20fに提供され、先に言及された順番に合わせて流体が交番に供給及び排出される構造が設けられる。
【００８３】
そして、第２導管60は、第１固定板40と隣り合った金属板20の第２連結口20gに連結されている。第２導管60は、第１導管50とは相異である温度を有する流体を第２連結口20gに提供し、例えば低温の流体を提供する場合はこのような第２連結口20gの後方には他の金属板20の第１連結口20fが連通されている。
【００８４】
従って、低温の流体は第１固定板40と隣り合った金属板20の微細チャンネル20aには提供されず、その後方の金属板20の第１連結口20fに提供され、供給チャンネル20b、供給分配チャンネル20c、微細チャンネル20a、排出チャンネル20d、排出分配チャンネル20eの順番で流れ、対角位置の第１連結口20fを通してその後方の金属板20の第２連結口20gに提供される低温の流体が交番に供給及び排出される構造が設けられる。
【００８５】
そして、第２マニホールド70は各金属板20が積層された熱交換部10を介して第１マニホールド30と対向される位置に配置されたものであって、第１マニホールド30から熱交換部10に提供した高温流体及び低温流体が排出されるようにするため該位置の金属板20と接合された第２固定板80と、第２固定板80に接合／連結された第３導管90及び第４導管100を含む。第３導管90及び第４導管100は、第１導管50及び第２導管60が下に位置した該金属板20の第１連結口20f及び第２連結口20gに連結されたものとは違って、該金属板20の上に位置した第１連結口20f及び第２連結口20gに連結された構造である。
【００８６】
図２２は本発明に従って製作されたマイクロ熱交換器200で接合された熱交換部10の縦断面構造を示すための写真であり、図２３は図２２に図示された写真において、微細チャンネル20aに該される部位を示す拡大写真である。図２２、図２３には、図示されたように、熱交換部10を積層方向に切断した断面が図示されている。接合用薄板220はろう付け接合工程を通じて金属板20の各面に溶融／接合され、特に微細チャンネル20aの境界部位もこのような接合に用いられたことがわかる。
【００８７】
それで、微細チャンネル20aとこれに当接される金属板20の他面からなる各流路構造のみが黒く示しているなど、流体の流れに関連された部分を除いて金属板20の各面の全般にわたって接合がなされることがわかる。
【００８８】
以上から上述したように、本発明によるマイクロ熱交換器及び製作方法において、各マニホールド30、70を熱交換部10に対してその各導管50、60、90、100の位置を異にして配置したり、各金属板20の積層個数を異にするのは該使用分野で要求されている設計仕様によって異にすることができるというのは勿論である。
【００８９】
なお、供給チャンネル20bと排出チャンネル20dが微細チャンネル20aの形成領域を介して対角される各第１連結口20fに向かって形成されているが、その以外に微細チャンネル20aの形成領域を介して両側に対向するように第１連結口20fを形成し、これに供給チャンネル20b及び排出チャンネル20dを形成する構造で代替して使用できるということは当然である。
【００９０】
＜実施例３＞
図２４は本発明による熱交換器の分解断面図であり、図２５は本発明のもう一つの実施例による金属板の平面図であり、図３０は本発明の実施例による断熱パネルの斜視図である。
【００９１】
図２４、図３０、図３３を調べてみれば、本発明による断熱型熱交換器は、多数の金属板20が相互直角方向に交番積層されてなる熱交換部10、前記熱交換部10の両端にそれぞれ積層される２つの断熱パネル310、320及び前記断熱パネル310、320上にそれぞれ積層される第１及び第２マニホールド30、70を備える概略的構成を有する。
【００９２】
ここで、前記熱交換部10は、多数の金属板20が交番積層され、前記金属板20間にそれぞれ接合用薄板220が介されてろう付け接合方式に従って締結完了されることにより、本発明による前記金属板20には、図２５のように所定形状の断熱孔22が穿孔されて前述した接合方式によって前記断熱孔22により所定の空間部としての断熱部23が前記熱交換部10の内部に備えられる構成的特徴を有する。
【００９３】
金属板に形成される前記断熱孔22の形状は、円形、楕円形、三角形、弧形またはこれらを組み合った形態でなされ、前記金属板の強度を大きく低下されないように図２８に図示されたようにトラス構造を採択することができ、また図２９に図示されたように前記微細チャンネルの外郭部位で直列または並列で複数個重ね穿孔され、前記微細チャンネルから伝導された交換熱が前記金属板の枠部位に伝導されることを防止できるようにすることで熱伝達流路の制御を通じた効率的な断熱効果を達成することができる。
【００９４】
特に、真空にされたろう付け炉内でろう付け接合方式をするため、断熱部内の真空が保持された状態で接合になり断熱部の断熱効果が増加するようになる。
【００９５】
図２５では前記金属板20上に多数の断熱孔22を穿孔形成し、連結口20fと微細チャンネル20aが隣り合った部位面に構成して前記微細チャンネル20aと連結口20fと隣り合った部位面で交換熱の伝導を防止することができる構成を例示している。
【００９６】
また、断熱パネル310、320は、図３０のような構成であって、断熱パネル310の一面上に多数の凹溝311が備えられ、前記凹溝311をなして前記金属板20または前記マニホールド30、70と相互当接する面を支持するクロス（Cross）形状の支持部312が備えられ、前記断熱パネル310の裏面は平坦面からなり前記金属板20または前記マニホールド30、70とろう付け接合になるように構成される。
【００９７】
図２４のように前記断熱パネル310は、前記凹部311が構成された面が前記第１マニホールド30と、そして断熱パネル320は前記凹部311が構成された面が熱交換部10の一端に備えられた金属板20と相互ろう付け接合される。このような締結原理に従う具体的な作用効果は後述する。
【００９８】
従って、熱交換部10を経由するにつれて交換熱が金属板20の枠部位面に伝導されることによる廃熱の発生、これによる熱交換効率の減少を防止できることは勿論、先行発明から要求されたケーシング1100及び断熱層1200などを備えなくても優れた断熱効果があって製造工程の単純化及び体積が減少し、特に積層に使用される金属板を穿孔することによって従来の熱交換器に比べても重量が減少される長所がある。
【００９９】
＜実施例４＞
図２５乃至図２９は、金属板の多様な変形例をそれぞれ図示した平面図であって、金属板20に備えられる断熱孔22を所定形状と部位面にそれぞれ形成したものを例示している。
【０１００】
これをより詳細に調べてみれば、図２５及び図２７は断熱孔22を構成するにおいて金属板20の強度が大きく低下されないようになされた例示図であり、図２８及び図２９は断熱効率をより改善した形態のものを図示している。
【０１０１】
特に、図２８及び図２９に図示された多数の断熱孔22及び前記断熱孔22間に形成される伝導部21の構成は、交換熱から発生される伝導熱が前記金属板20の外径方向に伝導される前に前記伝導部21を経由しなければならないが、前記伝導部21の表面積をより長く設定することは勿論、前記伝導部21間に断熱孔22が配置されることによって交換熱のうちごく一部のみが前記金属板20の外径に伝導されるようにすることで熱交換効率を大幅に改善すると同時に、前記熱交換部10などを火傷の恐れなく把持できるなどの容易な取り扱いの可能性などを提供できるという利点がある。
【０１０２】
望ましくは、図２５及び図２７に開示された金属板20は、比較的に金属板20が多く要求されない小型熱交換器に適用されるのが妥当であり、図２８及び図２９に開示された金属板20は、比較的多くの金属板20が積層構成される熱交換器に適用されて弱い強度が多数の金属板20の接合締結力によって相当部分を改善するようになることがよい。
【０１０３】
＜実施例５＞
図３１及び図３２は、図３０の変形例をそれぞれ図示した斜視図であって、それぞれ別途の空間部で区画された断熱部23が相互連通され、前記断熱部23内部の真空設定を簡単に具現できるような断熱パネル310、320の構成をそれぞれ例示している。
【０１０４】
図３１によると、断熱パネル310によって前記熱交換部10の一端に位置する金属板20とろう付け接合締結時にそれぞれの空間部として区画された前記断熱部23が相互連通されるようになり、図３２は先に言及した図３０と同一な構成を有し、多数の凹部311が相互連通されるように前記凹部311間に構成される支持部312の所定部位面を所定形状とサイズで切り欠けた切欠溝313によって前記凹部311間に空気が流動自在になることがわかる。
【０１０５】
従って、図３１及び図３２からのように構成された前記断熱パネル310、320は、断熱効率を改善するために前記断熱部23の内部が真空状態で保持されなければならないため、図３１のように凹部311が備えられた断熱パネル310の所定部位面が貫通された一つの通孔314のみで真空管などを挿入して熱交換器の製造直後または使用中にも断熱部23の内部が適正な真空に保持できるなどの長所がある。
【０１０６】
＜実施例６＞
図３３は、本発明による熱交換器の他の例を図示した分解斜視図であって、先に言及した実施例５の断熱パネル310、320、実施例４の金属板20を採択構成し、第１マニホールド30のうち断熱パネル310に備えられた通孔314と相応する部位面上に真空ポート110を構成して熱交換部10の内部に構成される多数の断熱部23が一つの真空ポート110を通して真空に保持できることを図示しており、この際、真空ポート110は複数個が設けられてもよい。また、真空ポートにクランプ手段または真空バルブを備えることによって適切な真空を保持することができる。
【０１０７】
＜実施例７＞
図３４は本発明による熱交換器の製造工程図である。
【０１０８】
図３４によると、先に記載された金属板20に備えられる微細チャンネル20a、分配チャンネル20e、連結口20fなどの構成物を形成する金属板20の製造工程において、先に記載された断熱孔22を穿孔する断熱孔の穿孔段階S3100が付加され、これと共に先記載された構成的特徴を有する断熱パネル310、320及びマニホールド30、70を製造する。
【０１０９】
以後、ろう付け接合工程を行うために前記した構成物、即ち多数の金属板20、断熱パネル310、320及びマニホールド30、70の洗浄及び接合用薄板220を前記多数の金属板20間と、前記熱交換部10と断熱パネル310、320間、そして前記マニホールド30、70と前記断熱パネル310、320間に介して相互積層及び組み立てる洗浄／組立段階S3200が進められる。
【０１１０】
それ以後、前述のように組み立てられた熱交換器をろう付け炉（図示せず）に引き込んで真空に保持された状態で前記した構成物を締結結合する接合段階S3300が進められ、前記接合段階S3300を完了した熱交換器をろう付け炉（図示せず）から引き出して洗浄及び仕上げをする段階S3400を進むことで完了される。
【０１１１】
ここで、前記接合段階S3300によれば、先に開示された先行発明と同一になされ、前述した実施例７に開示された積層される金属面と真空ポート110を通して熱交換部10の内部に区画された断熱部23に真空設定段階S3310が進められ、加熱段階S3320が進めることによって前述した各構成物が接合用薄板220の溶融／ぬれ（Wetting）／凝固作用によって相互堅く接合締結されるろう付け接合段階S3330が進められてろう付け炉（図示せず）から引き出す段階S3340が進められる。
【０１１２】
以後、接合段階S3300を通じて接合用薄板220をきれいに仕上げる仕上げ及び洗浄段階S3400を完了することによって完成されるものである。
【０１１３】
従って、先行発明と比べてみると、金属板20及び断熱パネル310、320の製造段階のみを除いてはその接合工程などが同一に具現されることにより既存の生産ラインをそのまま保持することができて別途の生産ラインを増設しなくてもよく、これと伴って、別途のケーシング、断熱層などの構成と製造工程を省略しても優秀な断熱効能を有する熱交換器の提供が可能であるという長所がある。
【０１１４】
＜実施例８＞
前述した製造工程のうち、いずれか一つにおいて真空設定をより効率的に行うために前記断熱孔22の内径及び／または前記断熱パネル310、320の凹溝311上にゲッター（Getter）を塗布及び／または形成及び／または注入する段階を追加可能である。
【０１１５】
通常の真空方法は、真空ポンプのみを用いているため、所望の真空度を達成しがたく、技術的に解決すべき問題点がたくさん生じるのは勿論、高費用であった。
【０１１６】
ゲッターは、固体状態であり吸着作用の強い接触ゲッターと、気体状態であり強い化合作用を示す分散ゲッターで両分され、このようなゲッターは活性炭／バリウム／マグネシウム／ジルコニウム／赤いリンなどで具現されるが、これらから選ばれる一つまたはそれ以上のゲッターをペーストまたは粉末形態の接触ゲッターを塗布または形成したり気体状態の分散ゲッターを注入する別途の工程を追加することもできる。
【０１１７】
前記ゲッターの塗布などの工程は、当業者であれば誰でも容易に実施可能である周知慣用の技術であるため、本明細書ではその詳細な説明を省略する。
【０１１８】
また、本発明による断熱型熱交換器は多様に変形実施が可能である。即ち、前述した多様な実施例の特定の構成物を相互に変形及び組合せが可能であり、これも本発明の技術範疇内にあると言える。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
以上から説明した本発明によるマイクロ熱交換器及び製作方法によると、接合用薄板の交番積層工程で一度にろう付け接合が可能な方法を提示し、なお微細チャンネルが形成された金属板の一面を下方に向かうようにする工程が含まれて、接合時接合用薄板の溶融体が微細チャンネルへ流入されないため、精密性が担保されて追加の工程なしで微細チャンネルの境界部位の全てを接合の対象とすることができる。
【０１２０】
このように微細チャンネルの境界部位すべてを接合の対象とできるため、製作されたマイクロ熱交換器で微細チャンネルがなす各流路に対する耐熱性、耐圧性が極大化できる長所がある。
【０１２１】
そして、各金属板の該微細チャンネルが交差／配置されるように積層される構造を有することによってより高い効率の熱交換になるという効果がある。
【０１２２】
なお、別途のケーシング及び断熱層の処理工程が要求されずに断熱効率に優れる熱交換器を提供することができるものは勿論、重量と体積を大きく軽減させることができ、輻射熱の発生を抑制して外部機器の耐久性を低減させないという長所がある。
【０１２３】
また、製作が容易であり、不良率を著しく低減できるのは勿論、断熱効率が大幅改善されて熱交換の効率を大きく増進させることができ、多数の金属板が相互対向される部位面上に所定形状及び間隔で一つまたはそれ以上の断熱孔を穿孔し、前記金属板がろう付け接合方法に従って締結されることにより前記断熱孔によって生成される断熱部の内部を真空状態に設定して前記金属板の外径への伝導される廃熱発生を防止することができるという利点がある。
【０１２４】
さらに、先に言及された断熱孔を金属板上に形成し、前記金属板の強度を大きく低減させない形状と模様でなされた上で、微細チャンネルなどの熱交換部から金属板の外径に伝導される廃熱の発生を大幅抑制可能であり、マニホールドと前記マニホールドと金属板との間に別途の断熱パネルを介してろう付け接合締結してマニホールドで伝導される廃熱発生を大きく抑制することができる効果がある最も有用な発明である。
【０１２５】
特に、ノートブック電源用などで脚光を浴びている燃料電池に採用される熱交換器の性能を低下させないのみならず、熱交換器をさらに小型化することができるという長所がある。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】従来技術による熱交換器の内部構成図である。
【図２】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図３】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図４】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図５】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図６】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図７】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図８】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図９】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１０】本発明の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１１】本発明の実施例に従って製作されたマイクロ熱交換器の分解斜視図である。
【図１２】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１３】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１４】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１５】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１６】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１７】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１８】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図１９】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図２０】本発明の他の実施例によるマイクロ熱交換器の製作方法の各工程構成図である。
【図２１】本発明の他の実施例に従って製作されたマイクロ熱交換器の分解斜視図である。
【図２２】本発明に従って製作されたマイクロ熱交換器において接合された積層体の縦断面構造を示すための写真である。
【図２３】図２２に図示した写真において、微細チャンネルに該される部位を示す拡大写真である。
【図２４】本発明のもう一つの他の実施例による熱交換器の分解断面図である。
【図２５】金属板の多様な変形例を図示した平面図である。
【図２６】金属板の多様な変形例を図示した平面図である。
【図２７】金属板の多様な変形例を図示した平面図である。
【図２８】金属板の多様な変形例を図示した平面図である。
【図２９】金属板の多様な変形例を図示した平面図である。
【図３０】本発明の実施例による断熱パネルの斜視図である。
【図３１】図３０の変形例を図示した斜視図である。
【図３２】図３０の変形例を図示した斜視図である。
【図３３】本発明による熱交換器のもう一つの他の例を図示した分解斜視図である。
【図３４】本発明によるもう一つの他の実施例による熱交換器の製造工程図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１１００：ケーシング １２００：断熱層
１０：熱交換部 ２０：金属板
２０ａ：微細チャンネル ２０ｂ：供給チャンネル
２０ｃ：供給分配チャンネル ２０ｄ：排出チャンネル
２０ｅ：排出分配チャンネル ２０ｆ：第１連結口
２０ｇ：第２連結口 ２０ｈ：整列口
２１：伝導部 ２２：断熱孔
２３：断熱部 ３０：第１マニホールド
４０：第１固定板 ５０：第１導管
６０：第２導管 ７０：第２マニホールド
８０：第２固定板 ９０：第３導管
１００：第４導管 １１０：真空ポート
２００：マイクロ熱交換器 ２１０：組立体
２２０：接合用薄板 ２３０：接合用材
２４０：整列治具 ２５０：整列ピン
２６０：荷重部 ２７０：移動治具
２８０：ガイド ２９０：固定治具
３００：ろう付け炉 ３１０、３２０：断熱パネル
３１１：凹溝 ３１２：支持部
３１３：切欠溝 ３１４：通孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体が流れるために金属板上に並列形成された多数の微細チャンネル、前記微細チャンネルのそれぞれに流体を供給及び排出する供給チャンネル及び排出チャンネル、前記金属板に通孔されて形成され前記供給チャンネルと排出チャンネルのそれぞれに連結される第１連結口、第２流体が供給及び排出される第２連結口が備えられる複数の金属板が積層接合された熱交換部；
前記積層接合された熱交換部の上部と下部に互いに対称に接合される固定板と、第１流体と第２流体とがそれぞれ供給及び排出される第１連結口と第２連結口と連通されるように前記固定板に通孔された導管で備えられたマニホールド；とを含み、
前記多数の金属板及び前記熱交換部と固定板との間の接合は接合用薄板が介されてろう付け接合になることを特徴とするマイクロ熱交換器。
【請求項２】
熱交換部は、前記金属板の第１連結口と隣り合う金属板の第２連結口が互いに連通され、金属板の微細チャンネルと隣り合う金属板の微細チャンネルが所定の角度をなして交差されるように交番積層接合されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項３】
前記それぞれの金属板には、前記供給チャンネルと排出チャンネルは前記微細チャンネルに相応してそれぞれ分岐及び合流されるように分配チャンネルがさらに形成されることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項４】
前記熱交換部は、前記微細チャンネルの外郭の所定部位面を貫通する一つまたはそれ以上の断熱孔がさらに備えられた金属板で積層されて形成される空間部である断熱部が備えられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項５】
前記マニホールドと前記熱交換部との間にはそれぞれマニホールドの導管と連通される貫通孔を備えた断熱パネルがさらに介されてろう付け接合されることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項６】
前記断熱パネルは微細チャンネルが形成された方向に所定形状の凹部が一つまたは複数個備えられることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項７】
ろう付け接合時に印加される真空工程によって断熱部または凹部が真空に設定されることを特徴とする請求項４または請求項６に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項８】
前記断熱パネル及びこれと積層締結される前記もう一つのマニホールドを一体で貫通して前記凹部または断熱部と連通される一つ以上の真空ポートがさらに備えられることを特徴とする請求項７に記載の断熱型熱交換器。
【請求項９】
ａ）流体の供給チャンネル及び排出チャンネルと複数の微細並列チャンネル及び前記供給チャンネルと排出チャンネルのそれぞれに連結される第１連結口と第２連結口を加工して金属板を用意する段階；
ｂ）前記微細チャンネルが一方向に位置させ、前記多数の金属板の間に接合用薄板を介させて積層して熱交換部を形成する段階；
ｃ）前記熱交換部の上部と下部に互いに対称に接合し、前記第１連結口と第２連結口に連通されるそれぞれの導管を各固定板に仮接して各マニホールドを形成する段階；
ｄ）前記各固定板に対する該各導管の結合部位にペースト状態の接合用材を塗布する段階；
ｅ）固定治具及び前記固定治具に対して移動する移動治具の間に前記熱交換部及び各固定板及び各マニホールドを流体の供給及び排出経路に対応させて組立て、前記熱交換部の金属板に均一の荷重が加えられるように前記移動治具の上部に相対的に小さいサイズの荷重部を配置して組立体を形成する段階;
ｆ）多数の前記各組立体をろう付け炉に投入し、前記接合用薄板と接合用材の溶融温度以上に加熱及び接合する段階；及び
ｇ）前記組立体を前記ろう付け炉から排出し、前記固定治具、移動治具及び荷重部を除去する段階；とを含むことを特徴とするマイクロ熱交換器の製作方法。
【請求項１０】
前記ｂ）熱交換部の形成段階は、前記金属板の第１連結口と隣り合った金属板の第２連結口が互いに連通され、金属板の微細チャンネルと隣り合った金属板の微細チャンネルが所定の角度をなして交差されるように交番積層させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のマイクロ熱交換器の製作方法。
【請求項１１】
前記ａ）金属板の用意段階は、前記微細チャンネルと第１連結口が連通されてぞれぞれ分岐及び合流されるようにする分配チャンネルを前記供給チャンネルと排出チャンネルにさらに加工することを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ熱交換器の製作方法。
【請求項１２】
前記ｂ）熱交換部を形成する段階は、前記微細チャンネルが形成される前記金属板の一面が下方に向かうように配置させる段階がさらに含まれることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ熱交換器の製作方法。
【請求項１３】
前記ａ）金属板の用意段階は、同一部位に同一形状の断熱孔を穿孔する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ熱交換器の製作方法。
【請求項１４】
前記ｂ）熱交換部の形成段階は、前記マニホールドと金属板の間に断熱パネルを積層し、接合用薄板を介させて積層させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ熱交換器の製作方法。
【請求項１】
第１流体が流れるために金属板上に並列形成された多数の微細チャンネル、前記微細チャンネルのそれぞれに流体を供給及び排出する供給チャンネル及び排出チャンネル、前記金属板に通孔されて形成され前記供給チャンネルと排出チャンネルのそれぞれに連結される第１連結口、第２流体が供給及び排出される第２連結口が備えられる複数の金属板が積層接合された熱交換部；
前記積層接合された熱交換部の上部と下部に互いに対称に接合される固定板と、第１流体と第２流体とがそれぞれ供給及び排出される第１連結口と第２連結口と連通されるように前記固定板に通孔された導管で備えられたマニホールド；とを含み、
前記多数の金属板及び前記熱交換部と固定板との間の接合は接合用薄板が介されてろう付け接合になることを特徴とするマイクロ熱交換器。
【請求項２】
熱交換部は、前記金属板の第１連結口と隣り合う金属板の第２連結口が互いに連通され、金属板の微細チャンネルと隣り合う金属板の微細チャンネルが所定の角度をなして交差されるように交番積層接合されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項３】
前記それぞれの金属板には、前記供給チャンネルと排出チャンネルは前記微細チャンネルに相応してそれぞれ分岐及び合流されるように分配チャンネルがさらに形成されることを特徴とする請求項２に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項４】
前記熱交換部は、前記微細チャンネルの外郭の所定部位面を貫通する一つまたはそれ以上の断熱孔がさらに備えられた金属板で積層されて形成される空間部である断熱部が備えられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項５】
前記マニホールドと前記熱交換部との間にはそれぞれマニホールドの導管と連通される貫通孔を備えた断熱パネルがさらに介されてろう付け接合されることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項６】
前記断熱パネルは微細チャンネルが形成された方向に所定形状の凹部が一つまたは複数個備えられることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項７】
ろう付け接合時に印加される真空工程によって断熱部または凹部が真空に設定されることを特徴とする請求項４または請求項６に記載のマイクロ熱交換器。
【請求項８】
前記断熱パネル及びこれと積層締結される前記もう一つのマニホールドを一体で貫通して前記凹部または断熱部と連通される一つ以上の真空ポートがさらに備えられることを特徴とする請求項７に記載の断熱型熱交換器。
【請求項９】
ａ）流体の供給チャンネル及び排出チャンネルと複数の微細並列チャンネル及び前記供給チャンネルと排出チャンネルのそれぞれに連結される第１連結口と第２連結口を加工して金属板を用意する段階；
ｂ）前記微細チャンネルが一方向に位置させ、前記多数の金属板の間に接合用薄板を介させて積層して熱交換部を形成する段階；
ｃ）前記熱交換部の上部と下部に互いに対称に接合し、前記第１連結口と第２連結口に連通されるそれぞれの導管を各固定板に仮接して各マニホールドを形成する段階；
ｄ）前記各固定板に対する該各導管の結合部位にペースト状態の接合用材を塗布する段階；
ｅ）固定治具及び前記固定治具に対して移動する移動治具の間に前記熱交換部及び各固定板及び各マニホールドを流体の供給及び排出経路に対応させて組立て、前記熱交換部の金属板に均一の荷重が加えられるように前記移動治具の上部に相対的に小さいサイズの荷重部を配置して組立体を形成する段階;
ｆ）多数の前記各組立体をろう付け炉に投入し、前記接合用薄板と接合用材の溶融温度以上に加熱及び接合する段階；及び
ｇ）前記組立体を前記ろう付け炉から排出し、前記固定治具、移動治具及び荷重部を除去する段階；とを含むことを特徴とするマイクロ熱交換器の製作方法。
【請求項１０】
前記ｂ）熱交換部の形成段階は、前記金属板の第１連結口と隣り合った金属板の第２連結口が互いに連通され、金属板の微細チャンネルと隣り合った金属板の微細チャンネルが所定の角度をなして交差されるように交番積層させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のマイクロ熱交換器の製作方法。
【請求項１１】
前記ａ）金属板の用意段階は、前記微細チャンネルと第１連結口が連通されてぞれぞれ分岐及び合流されるようにする分配チャンネルを前記供給チャンネルと排出チャンネルにさらに加工することを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ熱交換器の製作方法。
【請求項１２】
前記ｂ）熱交換部を形成する段階は、前記微細チャンネルが形成される前記金属板の一面が下方に向かうように配置させる段階がさらに含まれることを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ熱交換器の製作方法。
【請求項１３】
前記ａ）金属板の用意段階は、同一部位に同一形状の断熱孔を穿孔する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ熱交換器の製作方法。
【請求項１４】
前記ｂ）熱交換部の形成段階は、前記マニホールドと金属板の間に断熱パネルを積層し、接合用薄板を介させて積層させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のマイクロ熱交換器の製作方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図２２】
【図２３】
【公表番号】特表２００７−５２９７０７（Ｐ２００７−５２９７０７Ａ）
【公表日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５００６７６（Ｐ２００７−５００６７６）
【出願日】平成１７年２月２１日（２００５．２．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００５／０００４６７
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０８０９０１
【国際公開日】平成１７年９月１日（２００５．９．１）
【出願人】（５０６２８６６３０）スペグ カンパニー リミテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月２１日（２００５．２．２１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＫＲ２００５／０００４６７
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０８０９０１
【国際公開日】平成１７年９月１日（２００５．９．１）
【出願人】（５０６２８６６３０）スペグ カンパニー リミテッド (2)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]