KR200475201Y1 - 고온 그라파이트 열 교환기 - Google Patents

Abstract

그라파이트계 열 교환기(100)로서, 특히 태양 발전 시스템에서의 열적인 프로세스의 일부로서 태양 에너지 수용기로 사용되는 열 교환기로서, 에너지 수집 패널(112), 열 확산기(116), 및 열적인 요소(114)를 포함하며, 상기 열 확산기는 밀도가 약 0.6 g/cc 이상이고 두께가 약 10 mm 미만인 가요성 그라파이트로 형성되고, 그리고 상기 열 확산기는 제 1 측면 및 제 2 측면을 도 포함하고, 상기 열 확산기는 상기 열적인 요소와 열 전달 관계를 가지며, 상기 에너지 수집 패널은 그라파이트로 이루어진 하나 이상의 시트 또는 블록을 포함한다.

Description

고온 그라파이트 열 교환기{HIGH TEMPERATURE GRAPHITE HEAT EXCHANGER}

본원 고안은 개선된 고온 그라파이트 열 교환기에 관한 것이고, 특히 태양 발전 시스템의 요소들로서 보다 많은 그리고 보다 균일한 열 전달을 제공하는, 태양열 프로세스에서 사용하기 위한 그라파이트 에너지 수용기(receptor)에 관한 것이다. 그라파이트 열 교환기는 열 전달 유체를 포함하는 열적인(thermal) 요소를 포함하고, 그리고 태양 발전을 위한 전달 유체로의 효율적인 열 전달을 제공한다. 열 교환기는 열 확산기(spreader)를 더 포함할 수 있고, 그러한 열 확산기는 열 전달을 개선하기 위해서 열적인 요소와 열적으로 관련되는 박리형(exfoliated) 그라파이트의 압축된 입자들로 이루어진 하나 이상의 시트를 포함한다.

환경, 연료 공급원의 감소, 및 에너지 효율에 대한 관심이 계속적으로 높아지고 있기 때문에, 태양 발전 설비가 세계적으로 관심의 대상이 되고 있다. 통상적인 태양 발전 설비는 타워-형상의 구성을 가지며, 그러한 구성에서 헬리오스탯(heliostat; 일광 반사 장치)의 필드(field)는 타워 구조물에 장착된 태양 수용기로 태양광을 반사시킨다. 수용기에서의, 또는 열 교환기에서의 집중된 태양 에너지는 수소, 헬륨, 오일 또는 용융 염(molten salt)과 같은 내부의 유체를 높은 온도로 가열한다. 예를 들어, 태양 발전 타워에서, 약 300 ℃의 "저온(cold)" 용융 염이 565 ℃로 가열되고 그리고 이어서 저장용 탱크로 펌핑된다.

발전을 위해서, 용융 염 또는 헬륨과 같은 열 전달 유체가 증기 발생 시스템으로 펌핑되어 통상적인 랜킨(Rankine)-사이클 터빈 시스템을 위한 증기를 생성하고, 그러한 터빈 시스템은 다시 전기를 생산한다. 열 전달 유체로서 오일이 사용될 때, 유사한 프로세스가 채용된다. 태양열 타워의 효율을 최대화하기 위해서, 높은 열 전도성의 물질, 예를 들어 그라파이트가 발전 프로세스를 통해서 태양 에너지를 획득, 저장 및 전달하는 것을 보조하는데 있어서 유리하다.

따라서, 하나 또는 둘 이상의 탄소 또는 그라파이트의, 특히, 예를 들어, 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 시트와 같은 가요성 그라파이트 시트의 이방성(anisotropic) 성질을 이용할 수 있게 함으로써, 열 전달 유체를 수용하는 열적인 요소로 제공되는 열 전달의 균일도를 개선하기 위한, 그리고 환경적 에너지로부터 획득되고 그리고 전달되는 열 플럭스를 개선하기 위한, 열 교환기 즉, 태양열 수용기가 요구되고 있다. 이상적으로, 그러한 태양 에너지 수용기는 높은 온도 및 열적인 사이클링에 대해서 내성을 가지고, 그리고 대류 및 복사에 기인할 수 있는 열 손실을 줄이면서도 태양 에너지의 이용을 최대화할 수 있다.

본원 고안의 일 실시예에서, 열 교환기 시스템은 전달 유체를 수용하는 도관 또는 통로와 같은 열적인 요소, 그리고 열 확산기를 포함하고, 상기 열 확산기는 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트와 같은 하나 이상의 가요성 그라파이트 시트를 포함한다.

본원 고안의 다른 실시예에서, 열 확산기가 열적인 요소와 열적으로 접촉하여, 열 전달을 발생시키는 에너지 수집 패널과 열적인 요소 사이의 열 플럭스를 최대화한다.

또 다른 실시예에서, 열 확산기는 열적인 요소의 "하부 측면(underside)"(하부 측면은 가열되는 표면과 관련하여 사용되었다; 다시 말해서, 하부 측면은 에너지 공급원에 노출되는 표면의 반대쪽 표면을 지칭한다)와 접촉하여, 에너지 수집 패널로부터 열적인 요소로의 열 플럭스를 최대화한다.

또 다른 실시예는 열적인 요소로의 열 플럭스를 개선하는 열 확산기를 제공하고, 그에 따라 상기 열 확산기는 보다 많은 열적 에너지가 열적인 요소에 의해서 흡수될 수 있게 한다.

또 다른 본원 고안의 실시예에서, 밀도가 입방 센티미터당 약 0.6 그램(0.6 g/cc) 이상인 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트를 포함하는 열 확산기는 열적인 요소, 그리고 에너지 수집 패널과 같이 열 전달이 발생되는 열 교환기 시스템의 표면 모두와 열적으로 접촉하도록 배치된다.

다른 실시예에서, 열 확산기는 약 0.1 g/cc 이상의, 가장 바람직하게는 약 1.5 g/cc 이상의 밀도를 가지며, 및/또는 약 10 mm 미만의 두께를 가진다.

또 다른 실시예에서, 주요(major) 표면들에 평행한 열 전도도가 미터-캘빈 당 약 140 와트(140 W/m-K) 이상인 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트를 포함하는 열 확산기는 열적인 요소와 열적으로 접촉되는 상태로 배치되고, 그리고 또한 일반적으로 태양에 의해서 가열되는 에너지 수집 패널과도 접촉할 수 있다.

본원 고안의 또 다른 실시예는 열 전도도가 약 220 W/m-K 이상인, 그리고 보다 바람직하게 약 300 W/m-K 이상인 열 확산기를 포함한다.

본원 고안의 다른 실시예에서, 태양 발전 시스템을 위한 열 교환기의 열적인 요소(들)이 에너지 수집 패널과 합성 그라파이트 기판 사이에 형성된 홈 또는 슬롯 내에 배치되며, 열 확산기가 에너지 수집 패널과 합성 그라파이트 기판 사이에 위치된다.

열 교환기의 또 다른 실시예에서, 열 확산기는 둘 이상의 성분(component), 즉 제 1 성분 및 제 2 성분을 포함하고, 상기 열 확산기의 제 1 성분이 열적인 요소와 그라파이트 기판 사이에 위치된다. 열 확산기의 제 2 성분은 다른 곳에 위치될 수 있다.

일부 실시예에서, 그라파이트 기판은 열적인 요소를 수용하도록 크기가 결정되는 리세스(recess)를 포함한다. 열 확산기가 기판과 협력하여 기판 확산기 리세스를 형성할 수 있다.

다른 실시예에서, 열 교환기 시스템은 그라파이트의 층들을 포함할 수 있고, 그러한 그라파이트의 층들 사이에는 열적인 요소가 위치된다. 그러한 실시예는 또한 열적인 요소 및 그라파이트의 여러 층들과 열 전달 관계로 위치되는 열 확산기를 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 열 교환기 시스템은 열 전달 유체를 내부에 포함하는 열적인 통로가 가로지르는 그라파이트의 층을 포함할 수 있다. 이러한 실시예는 또한 그라파이트 및 열적인 통로와 열 전달 관계로 위치되는 열 확산기를 포함할 수 있다.

열 교환기의 각각의 실시예가 태양열 에너지 수용기를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 열 교환기 시스템은 또한, 바람직하게 합성 그라파이트로 형성되고, 열적인 요소를 수용하는 크기를 가지는 리세스를 구비하는 기판을 포함할 수 있고, 상기 기판은 열 확산기의 제 2 측면에 인접하여 배치되며, 그에 따라 열 확산기가 열적인 요소와 기판 사이에 위치되며, 그리고 상기 기판은 약 120 W/m-K 보다 큰 열 전도도를 가진다. 또한, 일부 실시예에서, 열 확산기는 두 개의 성분 즉, 제 1 성분 및 제 2 성분을 포함할 수 있고, 상기 열 확산기의 제 1 성분은 열적인 요소와 기판 사이에 위치된다. 특정 실시예들에서, 열 확산기의 제 2 성분이 리세스를 가로질러 연장하며, 그에 따라 열 확산기의 제 2 성분이 리세스에서 에너지 수집 패널과 열적인 요소 사이에 위치된다.

본원 고안의 다른 양태는 리세스를 포함하는 기판; 및 열 확산기를 가지는 열 교환기 시스템에 관한 것으로서, 상기 열 확산기는 밀도가 약 0.6 g/cc 이상이고 두께가 약 10 mm 미만인 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트를 포함하며, 상기 열 확산기가 기판의 리세스 내로 연장하여 열적인 요소를 수용할 수 있는 크기를 가지는 기판/확산기 리세스를 형성한다. 다시 말해, 열 확산기가 기판의 리세스 내에 위치되고, 그에 따라, 열 확산기가 기판의 리세스 내에 안착될 때 열 확산기에 의해서 리세스가 형성되어, 기판/확산기 리세스라고 지칭되는 것을 형성한다. 열 확산기는 2개의 성분 즉, 제 1 성분 및 제 2 성분으로 형성될 수 있고, 상기 열 확산기의 제 1 성분이 기판과 협력하여 기판 확산기 리세스를 형성한다.

다른 양태에서, 본원 고안은 제 1 표면 및 제 2 표면을 가지는 구조적 요소; 제 1 표면 및 제 2 표면을 가지는 보호 층; 상기 구조적 요소의 제 2 표면에 근접하여 위치되고, 그리고, 서로에 대해서, 상기 구조적 요소의 제 2 표면을 향해서 배치되는 부분 및 상기 구조적 요소로부터 멀어지는 쪽으로 배치된 부분을 가지는 열적인 요소; 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트를 포함하는 열 확산기를 구비하는 열 교환기 시스템에 관한 것으로서, 이때 상기 열 확산기는 구조적 요소의 제 2 표면 및 열적인 요소 모두와 열 전달 관계로 위치되고, 그리고 또한 상기 열 확산기는 상기 구조적 요소의 제 2 표면으로부터 멀어지는 방향으로 배치된 열적인 요소의 부분과 열 전달 관계로 위치된다.

본원 고안의 다른 양태는 열 교환기 시스템을 제공하는 것을 포함하며, 그러한 열 교환기 시스템은: (a) 제 1 표면 및 제 2 표면을 구비하는 구조적 요소; (b) 상기 구조적 요소의 제 2 표면에 인접하여 위치되고 그리고, 서로에 대해서, 상기 구조적 요소의 제 2 표면을 향해서 배치된 부분 및 상기 구조적 요소로부터 멀어지는 방향으로 배치된 부분을 구비하는 열적인 요소; 및 (c) 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트를 포함하는 열 확산기로서, 상기 열 확산기는 구조적 요소의 제 2 표면 및 열적인 요소 모두와 열 전달 관계로 위치되고, 그리고 또한 상기 열 확산기는 상기 구조적 요소의 제 2 표면으로부터 멀어지는 방향으로 배치된 열적인 요소의 부분과 열 전달 관계로 위치되는 열 확산기를 포함한다.

열 교환기의 일 실시예에서, 열 확산기는 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트를 포함하고, 그러한 시트들 중 하나의 시트는 열적인 요소의 전체 표면과 열 전달되는 관계를 가진다. 바람직하게, 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트는 약 0.6 g/cc 이상, 보다 바람직하게 약 1.1 g/cc 이상, 또한 1.5 g/cc 의 밀도를 가진다. 또한, 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트는 약 140 W/m-K 이상, 보다 바람직하게 약 220 W/m-K 이상, 또는 300 W/m-K 정도로 높은 또는 그 초과의 평면내(in-plane) 열 전도도를 가질 수 있다.

열 전달 시스템은 또한 열 확산기가 기판과 구조적 요소 사이에 위치되도록 구조적 요소의 제 2 표면에 근접하여 배치된 기판을 포함할 수 있으며, 기판은 높은 전도도를 가지며 즉, 기판은 약 120 W/m-K 보다 큰, 보다 바람직하게 약 150 W/m-K 보다 큰 평면내 방향(in-plane direction)의 열 전도도를 가진다.

열 교환기 시스템의 다른 양태는 태양열 타워를 위한 열 교환기 시스템을 제공하는 것을 포함하고, 상기 열 교환기 시스템은: (a) 제 1 표면 및 제 2 표면을 가지는 구조적 요소를 구비하는 에너지 수집 패널; (b) 상기 구조적 요소의 제 1 표면에 인접하여 위치되고 그리고, 서로에 대해서, 상기 구조적 요소의 제 1 표면을 향해서 배치되는 부분 및 상기 구조적 요소로부터 멀어지는 쪽으로 배치된 부분을 가지는 보호 코팅; (c) 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트를 포함하는 열 확산기로서, 상기 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트는 약 0.6 g/cc 이상의 밀도 및 약 140 W/m-K 이상의 평면내 열 전도도를 가지며, 상기 열 확산기는 상기 구조적 요소의 제 2 표면과 열 전달 관계로 위치되고, 그리고 또한 상기 열 확산기는 열적인 요소와 열 전달 관계로 위치되는, 열 확산기를 포함한다.

이하의 상세한 설명으로부터 소위 당업자가 명확하게 이해할 수 있는 이러한 실시예들 및 기타 실시예들이 열 교환기 시스템의 제공에 의해서 획득될 수 있고, 그러한 열 교환기 시스템은 표면을 포함하는 열적인 요소; 및 가요성 그라파이트 열 확산기, 특히 약 0.6 g/cc 이상의 밀도, 바람직하게 약 1.1 g/cc 이상의 밀도, 그리고 약 10 mm 미만의 두께를 가지고, 그리고 또한 제 1 측면 및 제 2 측면을 포함하는 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트를 포함하는 열 확산기를 포함하며, 상기 열 확산기가 상기 열적인 요소 주위를 적어도 부분적으로 둘러싸서 상기 열 확산기의 제 1 측면이 상기 열적인 요소 표면의 일부와 열 전달 관계에 있도록, 상기 열 확산기가 상기 열적인 요소에 대해서 상대적으로 위치된다.

전술한 전반적인 설명 및 후술하는 구체적인 설명 모두는 본원 고안의 실시예들을 제시하고, 그리고 청구범위에 기재된 본원 고안의 본질 및 특성을 이해하기 위한 개관 또는 골격을 제공하기 위한 것임을 이해할 수 있을 것이다. 첨부 도면들은 본원 고안의 추가적인 이해를 제공하기 위해서 포함된 것이고 그리고 본원 명세서에 포함되고 그 일부를 구성한다. 도면들은 본원 고안의 여러 실시예들을 도시하고, 그리고 상세한 설명과 함께, 본원 고안의 원리 및 작동을 설명하는 역할을 한다. 소위 당업자는, 첨부 도면과 관련하여 이하의 설명을 참조할 때 본원 고안의 다른 그리고 추가적인 특징들 및 이점들을 용이하고도 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본원 고안에 따른 열 교환기의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 열 교환기의 부분적인 단면도이다.
도 3은 도 2의 열 교환기의 단면도이다.
도 4는 도 3의 열 교환기의 부분적인 단면도이다.
도 5-9는 본원 명세서에서 설명된 다양한 실시예들에 다른 그라파이트 열 교환기의 부분적인 단면도이다.
도 10은 그라파이트 층의 일 실시예를 도시한 부분적인 단면도이다.
도 11은 열 확산기를 포함하는 그라파이트 층의 일 실시예의 부분적인 단면도이다.
도 12는 열 확산기 및 열적인 하이웨이(highway)를 포함하는 그라파이트 층의 일 실시예의 부분적인 단면도이다.
도 13은 열 교환기 내에 포함된 그라파이트 층(들)의 실시예를 분해하여 도시한 부분적인 단면도이다.
도 14는 열 확산기와 함께 열 교환기에 포함되는 그라파이트 층(들)의 일 실시예의 부분적인 단면도이다.
도 15는 열 교환기 내에 포함될 수 있는 오프셋(offset) 그라파이트 층(들)을 분해하여 도시한 부분적인 단면도이다.
도 16은 열 확산기와 함께 열 교환기에 포함될 수 있는 오프셋 그라파이트 층들의 일 실시예의 부분적인 단면도이다.

전술한 바와 같이, 열 교환기 시스템은 바람직하게 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트와 같은 가요성 그라파이트의 하나 이상의 시트 및 그라파이트로 이루어질 수 있는 에너지 수집 패널을 포함하고, 그리고, 일 실시예에서, 합성 그라파이트로 이루어질 수 있는 기판을 포함하도록 형성된다.

이러한 본원 고안이 고온 태양 열 교환 시스템과 관련하여 설명되어 있지만, 본원 고안이 벽 또는 천장(ceiling) 시스템, 저항(resistance) 시스템, 언더-플로어 스테이플 업(under-floor staple up) 시스템과 같은 복사 바닥 가열 시스템; 및 본원 고안의 개념이 또한 적용될 수 있는 여러 가지 냉각 시스템을 포함하는 다른 타입의 열 교환기 시스템과도 관련된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

특정 실시예에서, 바람직한 실시예에서 천연 그라파이트를 이용하여 형성된, 전술한 박리형 그라파이트의 압축된 입자를 포함하는 열 확산기와 달리, 기판 및 에너지 수집 패널은, 정압적으로(isostatically) 몰딩된, 미립자로부터 프로세싱된, 특히 미세-입자의 미립자로부터 프로세싱된 바람직하게 인공 또는 제조된 그라파이트라고도 지칭되는 합성 그라파이트로 이루어진다. 일부 실시예에서, 합성 그라파이트는 또한 압출 몰딩에 의해서 형성될 수 있다. 기판 및 에너지 수집 패널을 형성하기 위해서 이용되는 그라파이트는, 천연 물질로서 채광되는 것이 아니라, 탄소-계 물질로부터 제조된다.

전술한 바와 같이, 본원 고안은 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트와 같은 가요성 그라파이트를 포함하는 열 확산기를 포함하는 열 교환기에 관한 것이다. 열 확산기는 약 0.6 g/cc 이상, 보다 바람직하게 약 1.1 g/cc 이상, 가장 바람직하게 약 1.5 g/cc 이상의 밀도를 가져야 한다. 실질적인 관점에서, 그라파이트 시트 열 확산기의 밀도에 대한 상한선은 약 2.0 g/cc이다. 열 확산기(박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 초과의 시트로 제조되었다고 하더라도)는 두께가 약 10 mm 이하이어야 하고, 보다 바람직하게 약 2 mm 미만이어야 하고 그리고 가장 바람직하게 약 1 mm 미만이어야 한다.

본원 고안의 실제 적용시에, 복수의 그라파이트 시트의 적층체(laminate)가 전술한 밀도 및 두께 요건을 충족시키기만 한다면, 복수의 그라파이트 시트가 열 확산기로서 사용하기 위해서 단일 물품으로 적층될 수 있을 것이다. 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 시트들이 그 사이에 위치된 압력 감응식 접착제 또는 열 활성화 접착제와 같은 적합한 접착제에 의해서 적층될 수 있을 것이다. 선택되는 접착제는 결합 강도와 두께 최소화 사이에서 균형을 이루어야 하고, 그리고 열 전달이 의도되는 서비스 온도에서 적절한 결합을 유지할 수 있어야 할 것이다. 적합한 접착제는 소위 당업자들에게 공지되어 있을 것이고, 그리고 아크릴계 수지 및 페놀계 수지를 포함한다.

열 확산기를 구성하는 그라파이트 시트(들)는 실제 사용 중에 약 140 W/m-K 이상의 시트 평면에 평행한 열 전도도("평면내(in-plane) 열 전도도" 라고 지칭된다)를 가져야 할 것이다. 보다 바람직하게, 그라파이트 시트(들)의 평면에 평행한 열 전도도는 약 220 W/m-K 이상, 보다 바람직하게 약 300 W/m-K 이상이다. 특정 실시예에서, 열 확산기는 약 500 W/m-K 이상의 평면내 열 전도도를 가진다 다른 실시예에서, 평면내 열 전도도는 약 1500 W/m-K 이상이 될 수 있을 것이다. 적합한 그라파이트 시트의 하나의 예로서, 미국 오하이오 파르마에 소재하는 GrafTech International Holdings Inc.로부터 입수할 수 있는 Graf® 물질이 있다.

물론, 평면내 열 전도도가 높을수록, 열 확산기의 열 확산 특성이 보다 효율적이 된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 실질적인 관점에서, 약 600 W/m-K 까지의 평면내 열 전도도를 가지는 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 시트면 충분하다(all that are necessary). "시트의 평면에 평행한 열 전도도" 및 "평면내 열 전도도"라는 표현은 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 시트가 2개의 주요 표면을 가진다는 것을 나타내며, 그러한 표면은 시트의 평면을 형성한다고 할 수 있을 것이며; 그에 따라, "시트의 평면에 평행한 열 전도도" 및 "평면내 열 전도도"는 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 시트의 주요 표면들을 따른 열 전도도를 구성할 것이다.

열 확산기의 다른 실시예에는 열분해(pyrolytic) 그라파이트 또는 천연 그라파이트와 열분해 그라파이트의 복합체를 포함할 수 있는 그라파이트 시트를 포함할 수 있고, 그러한 그라파이트 시트는 600 W/m-K 또는 그 초과의 평면내 열 전도도를 제공할 수 있고; 사실상, 1500 W/m-K 정도로 높은 열 전도도가 얻어질 수 있다. 특정 실시예에서, "열분해 그라파이트"는 탄화 폴리머 필름으로부터 형성된 그라파이트 물질을 지칭한다. 예를 들어, 열분해 그라파이트의 일부 실시예의 제조시에, 폴리이미드 필름과 같은 필름이 탄화 단계 중에 후속하는 수축을 예상하여 먼저 컷팅되고 그리고 성형된다. 탄화 동안에, 통상적으로 많은 양의 일산화 탄소가 필름으로부터 방출되고, 그에 따라 필름의 상당한 수축이 초래된다. 탄화는 2 단계 프로세스로서 발생되며, 제 1 단계는 제 2 단계 보다 상당히 낮은 온도에서 이루어진다. 폴리이미드 필름 탄화의 제 1 단계 중에, 중량 손실은 주로 폴리이미드 필름의 이미드 부분내의 카르보닐 그룹에서의 단절(breakage)에 기인한다. 구체적으로, 에테르 산소가 제 1 단계의 말기에 손실되는 것으로 보인다. 탄화의 제 2 단계에서, 필름의 이미드 그룹의 분해 중에 질소 가스가 방출된다. 그라파이트화 프로세스는 탄소 원자의 다른 정렬을 초래하는 열처리 온도를 이용하는 고온 열처리를 포함한다. 결과적인 열분해 그라파이트는 시트의 표면에 수직인 c-축의 바람직한 결정학적 배향의 정도가 높고(high degree), 그리고 결과적으로, 매우 이방적이 된다(anisotropic). 사실상, 열 교환기(100)의 구조적 요소들 중 어느 것도 열분해 그라파이트 또는 열분해 그라파이트를 포함하는 복합 그라파이트를 포함할 수 있을 것이다.

유사하게, 열 교환기는 고온 열 흡수 플레이트(종종 에너지 수집 플레이트라고 지칭된다) 및 기판을 포함하며, 그러한 플레이트 및 기판의 각각은 합성 그라파이트를 포함할 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 합성 그라파이트는 중간-입자(medium-grain) 그라파이트일 수 있고, 그러한 중간 입자 그라파이트는, 본원 고안의 목적을 위해서, 최대 약 1.0 mm의, 바람직하게는 약 0.6 mm 내지 약 0.9 mm의 코크스(coke) 입자 크기를 가지는 것으로 규정된다. 다른 실시예에서, 열 흡수 플레이트 및 기판을 형성하는 합성 그라파이트는 코크스 입자 크기가 평균적으로 0.024 mm 또는 그 미만인 미세-입자 그라파이트이다. 에너지 수집 패널 및 그라파이트 기판을 포함하는 합성 그라파이트는 열 전도도가 약 120 W/m-K 이상인 입자를 가진다. 또한, 열 교환기의 일부 실시예에서, 열 흡수 플레이트 및/또는 기판이 압출된 그라파이트를 포함할 수 있으며, 그에 따라 그 각각이 이방성을 제공할 수 있고 그에 따라 열 확산기로 열을 지향시킴으로써 열 교환기 내에서의 열 전달을 효과적으로 지원할 수 있다.

본원 고안의 열 교환기가 주로 태양열 발전 시스템에 관한 내용으로 기술되어 있지만, 본원 고안의 원리가 임의의 다른 유사한 열 교환기 시스템에 구현된 가열 또는 냉각 시스템에도 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

첨부 도면들을 참조하면, 도 1은 고온 열 교환기(100)를 개략적으로 도시한다. 고온 열 교환기(100)는 보호 코팅(110)을 가지는 에너지 수집 패널(112)을 포함하며, 상기 열 교환기(100)가 태양광에 노출되었을 때 열은 상기 보호 코팅을 통해서 흡수된다. 특정 용도에 따라서, 가열 또는 냉각 요소일 수 있고, 또는 그 대신에 열 전달 유체를 위한 통로일 수 있는, 열적인 요소(114)가 에너지 수집 패널(112)과 열 전달 관계를 가진다. 열 전달 관계는 열 에너지가 하나의 물품 또는 독립체(entity)로부터 다른 것으로 전달되는 것을 의미한다.

이하의 설명은 주로 열적인 요소(114)로서 가열 요소에 관한 것이다. 열적인 요소(114)가 또한 냉각 요소를 포함할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 열적인 요소(114)는 보다 일반적으로 가열 또는 냉각할 수 있는 열 전달 요소로서 지칭될 수 있을 것이다. 열 교환기(100)에서, 열적인 요소(114)는 그 주변부에 의해서 가열된다. 또한, 열적인 요소(114)는 열 전달 유체를 이송하기 위한 것으로서 열 교환기(100)의 여러 가지 다른 구조적 특징부들 사이의 가용 공간으로서 형성되는 리세스, 공동(cavity), 또는 통로를 포함할 수 있다.

열적인 요소(114)는 또한, 열 전달 유체 또는 가스를 이송하기 위한 도관 또는 튜브 네트워크를 포함하는 임의의 이용가능한 타입의 열 전달 요소일 수 있으나, 그러한 도관 또는 튜브 네트워크로 제한되는 것은 아니다. "열 전달 유체"라는 문구는 모든 유체, 가스, 겔 및/또는 열 에너지 전달에 적합한 상 변태 매체를 포함할 수 있을 것이다.

보호 코팅(110)은 태양열 시스템 내에서 사용하기에 적합한 타입으로서 산화 방지를 위해서 이용되는 통상적인 임의 물질일 수 있다. 적합한 열적인 요소(114) 및 패널(112)에 대해서 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.

박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트를 포함하는 열 확산기(116)가 에너지 수집 패널(112)과 열 전달 관계를 가지며, 그에 따라, 에너지 수집 패널(112)과 열적으로 결합된다. "열적인 결합"이라는 문구는, 전도, 대류, 또는 복사 관계(후자의 2가지의 관계는, 이하에서 추가적으로 설명하는 바와 같이, 열 확산기(116)가 에너지 수집 패널(112)과 물리적으로 접촉할 필요가 없는 실시예들을 포함한다)를 포함할 수 있다는 것을 주지하여야 한다. 이하에서 보다 구체적으로 설명하는 바와 같이, 합성 그라파이트 기판(118)은 에너지 수집 패널(112)의 아래쪽에 놓이고, 이때 열 확산기(116)는 그라파이트 기판(118)과 에너지 수집 패널(112) 사이에 위치된다.

에너지 수집 패널(112)이 열 확산기(116)와 직접적으로 결합될 필요가 없고 그리고 그라파이트 또는 기타 물질로 이루어진 다양한 층들에 의해서 그로부터 분리될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그에 따라, 열 교환기(100) 내의 물질의 하나의 층이 다른 것의 위쪽에 놓이는 것으로 설명되었을 때, 추가적인 특별한 언급이 없다면, 그 층들이 서로 물리적으로 접촉하여야 한다는 것은 아니다. 사실상, 열 교환기(100)의 성분들 중 임의의 성분이 다른 성분과 서로 물리적인 접촉이 없이 열 전달 관계 또는 열 교환 관계를 가질 수 있을 것이다.

에너지 수집 패널(112)이 태양 에너지의 광열(photothermal) 변환과 연관되기 때문에, 그러한 패널은 매우 높은 온도까지 가열되며, 그리고 이들 온도는 산화를 촉진한다. 에너지 수집 패널(112)의 수명을 연장하기 위해서, 보호 코팅(110)이 산화 속도(rate)를 늦추도록 제공된다. 보호 코팅(110)은, 그라파이트를 산화로부터 보호함으로써, 높은 온도에서 그라파이트의 수명을 연장시킬 수 있는 임의 의 통상적인 물질, 예를 들어, 석영 또는 석영과 유사한 성질을 가지는 물질일 수 있을 것이다.

열 확산기(116)는 또한 열적인 요소(114)와 열 전달 관계를 가진다. 열적인 요소(114)는, 예를 들어, 통상적인 열 교환기 시스템에서 통상적으로 찾아 볼 수 있는 열 전달 물질 또는 장치일 수 있을 것이다. 예를 들어, 열적인 요소(114)는 전기적 배선 요소일 수 있고 또는 용융 염 또는 헬륨과 같은 열 전달 유체를 이송하기 위한 튜브 네트워크를 포함하는 타입일 수 있다. 태양 발전 타워에서, 그러한 튜브 시스템은 일반적으로 티타늄 또는 스테인리스 스틸 튜브를 이용한다. 그러한 시스템들은 또한 내식성의 기타 열-전도성 튜브 물질을 이용할 수 있을 것이다.

열적인 요소(114)의 튜브는 또한 일련의 불침투성, 반-침투성, 또는 투과성 그라파이트 튜브를 포함할 수 있을 것이며, 그러한 튜브는 태양열 수용기를 통해서 헬륨이나 다른 상 변태 매체 또는 열-이송 불활성 가스를 안내할 수 있다. 그러한 그라파이트 튜브는 일련의 수지가 함침(impregnation)된 불침투성 또는 반-불침투성으로 제조될 수 있을 것이다. 열적인 요소(114)로서 그라파이트 튜브를 이용하는 것은 본원 고안에 따라서 고온 열 교환기(100)를 구성하는데 이용되는 여러 가지 물질의 각각의 열팽창 계수의 임의 편차를 완화시킬 수 있을 것이다.

일부 그라파이트 튜브에서와 같이, 만약 열적인 요소(114)를 포함하는 튜브가 불침투성이 아니라면, 투과성 또는 반-투과성 튜브로부터 즉, 투과성 또는 반-투과성 열적인 요소(114)로부터의 가스 손실을 최소화하기 위해서 열 교환기(100)가 헬륨 또는 기타 열 전달 가스로 양압으로 가압될 수 있을 것이다. 또한, 단면에서 전체적으로 둥글게 도시되어 있지만, 열적인 요소(114)가 또한 타원형, 정사각형, 직사각형 등과 같은 다른 단면 형상을 가질 수도 있을 것이다.

열 흡수도(absorptivity)를 개선하기 위해서, 열 확산기(116)가 폴리싱(연마)된 매끄러운(fine) 표면 마감을 가지는 즉, 작은 입자 크기를 가지는 그라파이트를 포함할 수 있을 것이다. 표면 마감이 양호할수록 보다 작은 직경의 튜브 및 보다 높은 열 전달 유체 속도가 구현될 수 있고, 이는 다시 열 확산기(116)를 통한 열적 유동을 전체적으로 개선한다.

열 교환기(100)의 일부 실시예에서, 도 1, 3 및 4-9에 도시된 바와 같이, 기판(118)은 GrafTech International Holdings Inc.에 의해서 생산되는 SLX®Graphite와 같은 고온 용도에서 우수한 고강도 특성을 가지는 중간-입자(medium-grain) 그라파이트와 같은 합성 그라파이트 물질을 포함한다. 기판(118)의 열 전도도는, 제조된 또는 합성 그라파이트 물질이 사용될 때, 평면내 방향으로 약 120 W/m-K 이상, 보다 바람직하게 약 150 W/m-K 이상이 되어야 한다. 바람직하게, 미세-입자 그라파이트가 또한 사용될 수 있으나, 이러한 것이 필수적인 것은 아니다. 그와 같은 경우에, 그라파이트 기판(118)은 가능한 한 많은 열 에너지가 에너지 수집 패널(112)로부터 열적인 요소(114)로 전달될 수 있게 하는 것을 도울 수 있다.

주지하는 바와 같이, 열 확산기(116)가 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트를 포함하고, 그리고 기판(118)과 에너지 수집 패널(112) 사이에 위치될 수 있을 것이다. 그와 같은 경우에, 열 확산기(116)가 열적인 요소(114) 및 에너지 수집 패널(112) 모두와 열 전달 관계를 가지기 때문에, 열 확산기(116)는 열 에너지를 에너지 수집 패널(112)의 표면으로부터 보다 균일하게 열적인 요소(114)의 내외로 확산시킬 것이다(가열 또는 냉각을 통해서 이루어질 것이다).

가장 바람직하게, 열 확산기(116)가 열적인 요소(114)의 전체 외측 표면과 열 전달 관계를 가진다. 그러나, 다른 실시예에서, 열 확산기(116)는 또한 에너지 수집 패널(112)로부터 가장 멀리 있는 열적인 요소(114)의 부분과 열 전달 관계를 가질 수 있을 것이다. 다시 말해서, 도 1-4의 방향에서 볼 때, 열 확산기(116)는 열적인 요소(114) 주위를 적어도 부분적으로 둘러싸여야 할 것이고, 그에 따라 열적인 요소(114)의 적어도 일부와, 바람직하게는 열적인 요소(114)의 전체 표면과, 그러나 그 대신에 단지 열적인 요소(114)의 일부와 열 전달 관계(가장 바람직하게, 실제적인 물리적 접촉)를 가져야 할 것이다.

이러한 방식에서, 열 확산기(116)는, 에너지 수집 패널(112)로부터 가장 먼 열 전달 관계를 가지는(즉, 가장 물리적으로 분리된) 열적인 요소(114)의 부분들 또는 표면들로부터의 열 에너지를 위한 경로를 제공함으로써, 열적인 요소(114)에 대한 열 플럭스를 개선한다. 또한, 열 확산기(116)의 가요성 및 순응성(conformability)은 에너지 수집 패널(112)과의 열 전달을 개선할 수 있고, 이는 효율성 측면에서 중요한 이점이 된다. 또한, 열 확산기(116)가 비교적 균일한 단면 두께 및 밀도를 가지기 때문에, 열 확산기(116)의 바람직한 물리적인 성질은 전체 표면에 걸쳐서 균일하게 된다.

도 5에 도시된 열 교환기(100)의 일 실시예에서, 열 확산기(116)를 형성하기 위해서 사용된 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 시트가 가요성 성질을 가진다면, 열 확산기(116)는 기판(118)과 에너지 수집 패널(112) 사이에 위치될 수 있고, 그리고 열적인 요소(114)의 아래쪽에서 연장할 수 있다("아래쪽"이라는 용어는 에너지 수집 패널(112)로부터 멀어지는 쪽을 향하는 열적인 요소(114)의 부분을 지칭한다는 것을 이해할 수 있을 것이다). 그 대신에, 열 확산기(116)는 2개의 구분되는 성분들 즉, 도 2 및 3에 도시된 바와 같은, 제 1 열 확산기 성분(116a) 및 제 2 열 확산기 성분(116b)으로 형성될 수 있을 것이다. 제 1 열 확산기 성분(116a)은, 전술한 바와 같이, 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트를 포함하고, 그리고 기판(118)과 에너지 수집 패널(112) 사이에 위치되나, 열적인 요소(114)의 아래쪽으로 연장하지 않는다. 그 대신에, 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 열 확산기 성분(116a)은 열적인 요소(114)가 위치되는 영역 내로 연장하지 않고; 또는 제 1 열 확산기 성분(116a)은 열적인 요소(114)의 상부 표면을 완전히 가로질러 연장하고, 그에 따라, 열적인 요소(114)의 상부 부분과 열적으로 양호하게 접촉한다.

제 2 열 확산기 성분(116b)은 열적인 요소(114) 또는 그 표면 주위에 대해서 열적으로(그리고, 바람직하게 물리적으로) 접촉하고 그리고 적어도 부분적으로 둘러싸는 구분되는(discrete) 성분이며, 열적인 요소(114)의 하부측 또는 측부의 부분들을 포함하며, 그리고 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 제 1 열 확산기 성분(116a)과 열적으로 접촉한다(가장 바람직하게는 물리적으로 접촉한다). 제 2 열 확산기 성분(116b)은 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트로 형성될 수 있고, 또는 알루미늄과 같은 금속과 같은 이방성 물질과 같은 다른 물질로 이루어질 수 있다. 제 2 열 확산기 성분(116b)은 제 1 열 확산기 성분(116a)과 상이한 밀도 및/또는 낮은 평면-관통(through-plane) 전도도를 가질 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 제 2 열 확산기 성분(116b)은 열 손실을 줄이기 위해서 제 1 열 확산기 성분(116a) 보다 낮은 평면-관통 전도도를 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 제 2 열 확산기 성분(116b)은 열 손실을 최소화하기 위해서 일부 차폐부(shielding)를 기판(118)에 제공할 수 있을 것이다.

일부 구성에서, 열적인 요소(114)의 측부들을 부분적으로만 둘러싸는 제 2 열 확산기 성분(116b)을 가지는 것이 또한 바람직할 수 있고(도시하지 않음), 그에 따라 열적인 요소(114)가 제 2 열 확산기 성분(116b)에 설치 및/또는 부착될 수 있게 허용하며, 그러한 제 2 열 확산기 성분은 다시 제 1 열 확산기 성분(116a)에 설치 또는 부착된다.

또 다른 실시예에서, 제 2 열 확산기 성분(116b)이 제 1 열 확산기 성분(116a)과 열 전달 관계(그리고, 가장 바람직하게, 실질적인 물리적 접촉)를 유지한다면, 도 8에 도시된 바와 같이, 제 2 열 확산기 성분(116b)이 열적인 요소(114) 주위를 완전히 둘러싸거나 그 주위로 연장될 수 있다.

다른 실시예에서, 기판(118) 또는 에너지 수집 패널(112)이 연속적으로 적층된 높은 열 전도도의 그라파이트 플레이트를 포함한다. 그라파이트 플레이트는, 예를 들어, 열 전도도가 500 W/m-K인 GrafTech®SS500과 같은 적층된 천연 그라파이트를 포함할 수 있을 것이다. 그 대신에, 연속하여 적층된 합성 그라파이트 플레이트가 이용될 수 있을 것이다. 이상적으로는, 열 확산기(116)의 표면으로부터 열적인 요소(114)로 열을 신속하게 이동시키기 위해서, 열 전도도가 높은 그라파이트를 이용하여 적층된 플레이트들을 형성한다.

또 다른 실시예에서, 기판(118) 또는 에너지 수집 패널(112)은 다공성 탄소 또는 전도성 그라파이트 포옴 블록(foam block) 을 포함하며, 이는 열적인 수용기로서 작용한다. 일부 실시예에서, 상온에서 열 전도도가 약 120 W/m-K 이상인, 바람직하게는 약 200 W/m-K 이상인 그라파이트 포옴이 기판으로 이용된다. 열 전달 유체가 다공성 기판을 통해서 또는 기판을 통과하는(cut through) 통로를 통해서 지향될 수 있을 것이다. 기판을 통한 통로들의 배향 및 개체수는 수용기에 걸친 필요 압력 강하에 따라서 달라진다. 가스 유동에 대해서 수직으로 정렬될 수 있는 일련의 도관들이 기판을 컷팅하여 다공도를 개선할 수 있고 그리고 기판에 걸친 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 일 실시예에서, 전도성 그라파이트 포옴 블록이 대기로부터 밀봉될 수 있을 것이다.

에너지 수집 패널(112)은 또한 비-다공성 탄소 또는 그라파이트 블록을 포함할 수 있을 것이다. 기판은 상온에서 열 전도도가 100 W/m-K 또는 그 초과인, 심지어는 150 W/m-K 또는 그 초과인 애노드 그레이드 코크스(anode grade cokes)로부터의 저렴한 그라파이트를 포함할 수 있다.

열 확산기가 가열 요소와 보다 더 열적으로 접촉하는 상태에서 열 확산기(116)를 열 교환기(100)에서 사용하는 것은 에너지 수집 패널(112)로부터 열적인 요소(114)로의 열 플럭스를 상당히 개선할 수 있다. 따라서, 가열 시스템을 위한 가열 요소들을 서로 보다 더 근접하여 정렬시킬 수 있으며, 및/또는 튜브를 통해서 유동하는 전달 유체의 온도를 더 높일 수 있으며, 그 결과로서 에너지 효율이 상당히 개선된다.

열 교환기(100)의 일 실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이, 열적인 요소(114)가 블록(120)들 사이에서 가스 또는 유체 유동 통로(122)를 생성하기 위해서 서로 체결되거나 직접적으로 또는 간접적으로 접합되는(cemented) 연속적인 그라파이트 가공형 블록(machined blocks; 120)에 의해서 형성될 수 있고, 상기 통로(122)는 열적인 요소(114)와 균등하다. 일 실시예에서, 헬륨과 같은 열 전달 유체가 통로(122)를 통해서 방해받지 않고 유동할 수 있게 허용되어 열 교환기(100)의 내외로 열을 전달할 수 있을 것이다. 도 9에서, 열적인 요소(114)는 그라파이트 블록(120)들 사이의 통로(122)로서 형성된다.

일부 실시예에서, 블록(120)을 형성하기 위해서 사용되는 그라파이트는 블록들의 투과도 감소를 위해서 수지 함침될 수 있을 것이다. 고온 그라파이트 시멘트를 이용하여 그라파이트 블록(120)들을 함께 접합할 수 있을 것이다. 또한, 전체 열 교환기(100)가 헬륨 또는 그 대신에 다른 열 전달 유체를 이용하여 양압으로 가압되어, 통로(122)로부터의 가스 손실을 최소화할 수 있을 것이다. 열 교환기(100)를 가압하는 것은 블록(120) 및 통로(122)를 형성하는 그라파이트가 불침투성이 아닐 때 특히 유리하다.

열 교환기(100)의 일부가 가압될 때, 헬륨이 종종 열 전달 유체로서 이용된다. 헬륨은 불활성 가스로서 높은 열 용량을 가짐으로써 유용하나; 그러나, 열 교환기(100)를 가압하기 위해서 다른 상 변태 매체가 대안적으로 사용될 수 있을 것이다.

도 10-12에 도시된 다른 실시예에서, 열적인 요소(114)는 블록으로부터 컷팅되어 그라파이트 블록 플리넘(plenum)을 형성하는 일련의 미리 가공된 통로(126)를 가지는 하나 이상의 그라파이트 블록(124)에 의해서 형성될 수 있을 것이다. 그라파이트 블록(124)은 또한 "그라파이트의 층", "그라파이트의 시트", 또는 "그라파이트의 피스(piece)"로 지칭될 수 있을 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 가공된 통로(126)는 열 교환기(100)의 일부 실시예에서 열적인 요소(114)를 형성한다.

도 11에 의해서 도시된 바와 같이, 통로(126), 및 그에 따른 열적인 요소(114)가 그라파이트의 층으로 라이닝될 수 있고(lined), 이는 열 확산기(116)로서 기능한다. 사실상, 통로(126)가 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트, 열 확산기(116)로 전체적으로 또는 부분적으로 라이닝될 수 있고, 이는 열적인 요소에 대한 열 전달을 개선하기 위해서 열적인 요소와 열 전달 관계를 가진다.

또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트 즉, 열적 하이웨이(117)가 그라파이트 블록(124)을 횡단할 수 있고, 그라파이트 블록(124) 내에 수용될 수 있으며, 또는 통로(126)들 사이에서 연장하여 그에 대한 열 전달을 균일하고 효율적이 되게 도울 수 있다. 도 12는 특별하게 배향된 열적 하이웨이(117)를 포함하는 일 실시예를 도시하나; 그러나, 열적 하이웨이(117)는 통로(126)의 기하학적 형태의 변화에 따라서 그와 달리 위치될 수 있고 그리고 통로(126)를 통해서 연장하도록 위치될 수도 있을 것이다.

열적 하이웨이(117)는 열 전도도가 약 50 W/m-K 이상인; 일부 실시예에서 열 전도도가 약 150 W/m-K 이상 또는 초과인 합성 또는 천연 그라파이트 물질을 포함한다. 그라파이트 블록을 포함하는 열 교환기(100)의 각각의 실시예는 열 전달을 돕기 위해서 그리고 열 손실을 방지하기 위해서 가압될 수 있을 것이다.

도 13에 도시된 다른 실시예에서, 열적인 요소(114)는 제 1 그라파이트 블록(128)과 제 2 그라파이트 블록(130)을 연결함으로써 형성될 수 있고, 상기 각각의 블록은 하나 이상의 블록(128, 130)으로부터 컷팅된 하나 이상의 절반형 슬롯(half slot)을 구비한다. 하나의 절반형 슬롯은 반-원통형 형상이 될 수 있을 것이다. 그에 따라, 제 1 그라파이트 블록(128) 및 제 2 그라파이트 블록(130)이 서로 연결되었을 때, 두 개의 블록(128 및 130)은, 도 14에 도시된 바와 같이, 열 교환기(100)를 통해서 헬륨 또는 기타 열 전달 유체가 유동할 수 있게 하는 일련의 통로(122)를 형성한다. 블록들은 함께 볼트로 체결될 수 있고, 고온 그라파이트 시멘트를 이용하여 함께 접합될 수 있고, 또는 당업계에 공지된 다른 임의 수단에 의해서 연결될 수 있을 것이다. 열적인 요소(114)와 유사한 결과적인 통로(126)가 임의 수의 그라파이트 블록(128, 130)들 사이에 형성될 수 있을 것이다.

보호 층(110)과 열적인 요소(114) 사이의 열적 경로 길이를 줄이기 위해서, 그라파이트 블록(128, 130)의 두께가 최소화될 수 있을 것이다. 또한, 도 14에 도시된 바와 같이, 통로의 각각의 둘레 주위에서의 최대 열 유동을 보장하기 위해서, 천연 또는 합성 그라파이트를 포함하는 열 확산기(116)를 이용하여 통로(126)의 내측을 라이닝할 수 있을 것이다. 열 확산기(116)는, 예를 들어, 박리형 그라파이트의 압축된 입자의 하나 이상의 시트를 포함할 수 있을 것이다. 열 확산기(116)는 통로(126)를 부분적으로 또는 완전히 라이닝 할 수 있을 것이다. 수용된 열 전달 유체의 임의 팽창을 상쇄(offset)시키기 위해서, 열 확산기(116)가 가열시에 팽창될 수 있을 것이다.

통로(126)의 크기는 열 교환기(100)의 열 전달 유체 유입구와 열 전달 유체 배출구 사이에서 증대될 수 있을 것이다. 이러한 통로 크기의 증대는 열 교환기(100)를 통한 열 전달 유체의 경로를 따라서 진행될 수 있을 것이다. 열 교환 유체가 열 교환기(100)를 통해서 이동하고 그리고 가열됨에 따라, 통로(126)의 크기가 증대된다. 통로 크기의 증대는 열 교환기에 걸친 압력 강하를 감소시키는데 도움이 되고, 이는, 예를 들어, 헬륨과 같은 열 전달 유체가 열 교환기(100)의 통로(126)를 통해서 이동할 때 열 전달 유체의 가열 및 팽창을 초래한다. 그라파이트의 이용은 열 전달 유체가 높은 온도에서도 열 확산기(116)를 통해서 이동할 수 있게 하는 구조적으로 견고한 경로를 제공한다.

또한, 통로(126)의 수는 가변적이 될 수 있을 것이다. 예를 들어, 보다 적은 수의 큰 홀들 대신에, 다수의 작은 직경의 통로들이 얇은 그라파이트 블록을 통해서 보어링(bored)될 수 있을 것이다. 작은 홀들은 단위 부피당 보다 넓은 표면적을 가질 것이며, 그에 따라 그라파이트로부터 열 전달 유체로의 열 유동을 최대화할 수 있을 것이다. 작은 홀들에서 압력 강하가 더 커질 것이나, 통상적인 모델링(modeling)을 이용하여 홀의 개체수 대 블록의 고유 강도를 최적화할 수 있을 것이다.

추가적으로, 도 15에 도시된 바와 같이, 복수의 층을 이루는 일련의 통로(126)를 이용하여 열 전달을 최대화할 수 있을 것이다. 복수의 그라파이트 블록(128 및 130)이 층을 형성하여 통로(126)를 형성할 수 있을 것이고, 그리고 적층된 블록(128 및 130)에 의해서 생성된 통로(126)가 서로 오프셋되어 열 전달을 보다 더 촉진할 수 있을 것이다. 통로(126)들의 오프셋과 관계 없이, 각 블록(128 및 130)의 말단부들이 정렬(line up)될 수 있고 그리고 서로 같은 높이를 가질 수 있을 것이다(flush).

도 16에 도시된 바와 같이, 통로(126)의 여러 층들이 열(row) 만큼 서로로부터 오프셋되어, 그라파이트 두께를 최소화하고 그리고 열 확산기(116)의 외부 표면으로부터 열적인 요소(114)로의 즉, 통로(126)로의 열적인 경로 그리고 결과적으로 열 전달 유체에 대한 열적인 경로를 감소시킬 수 있을 것이다. 여기에서, 다시, 도 16에 도시된 바와 같이, 열적 구배를 최소화하기 위해서, 열 확산기(116)가 통로(126)를 부분적으로 또는 완전히 라이닝할 수 있을 것이다.

본원에서 언급된 모든 인용 특허들 및 공보들은 본원 명세서에서 참조로서 포함된다.

이상과 같이 본원 고안을 설명하였지만, 본원 고안이 여러 가지 방식으로 변화될 수 있다는 것을 명확하게 이해할 수 있을 것이다. 모든 그러한 변형 실시예 및 변경 실시예들은 임의의 적절한 조합으로 실행될 수 있을 것이다. 그러한 변형 실시예 및 변경 실시예들은 본원 고안의 사상 및 범위를 벗어난 것으로 간주되지 않으며, 그리고 그러한 모든 변형 실시예 및 변경 실시예들은, 당업자에게 자명한 바와 같이, 실용신안등록 청구범위의 범주에 포함될 것이다.

Claims (15)

1. 열 교환기 시스템으로서:
   (a) 표면을 포함하는 열적인 요소;
   (b) 밀도가 0.6 g/cc 이상이고 두께가 10 mm 미만인 하나 이상의 그라파이트 시트를 포함하고 제 1 표면 및 제 2 표면을 더 포함하는, 열 확산기로서, 상기 열적인 요소 주위를 적어도 부분적으로 둘러싸서 상기 열적인 요소의 표면의 일부와 열 전달 관계에 있도록 상기 열적인 요소에 대해 위치되는, 열 확산기;
   (c) 그라파이트를 포함하는 기판으로서, 상기 열 확산기와 열 전달 관계에 있도록 상기 열 확산기에 대해 위치되는, 기판; 그리고
   (d) 상기 기판으로부터 상기 열적인 요소의 반대쪽에 위치되는, 에너지 수집 패널; 을 포함하며,
   상기 기판은 하나 이상의 합성 그라파이트 층을 포함하는,
   열 교환기 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 기판은, 상기 열적인 요소를 수용하는 크기를 가지는 리세스를 포함하고,
   상기 기판이 상기 열 확산기에 인접하여 배치되어 상기 열 확산기가 상기 열적인 요소와 상기 기판 사이에 위치되며,
   상기 기판은 150 W/m-K 보다 큰 열 전도도를 가지는,
   열 교환기 시스템.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 열 확산기가 제 1 성분 및 제 2 성분의 2개의 성분들을 포함하고,
   또한 상기 열 확산기의 제 1 성분이 상기 열적인 요소와 상기 기판 사이에 위치되는,
   열 교환기 시스템.
   
4. 삭제
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 열 확산기가 제 1 성분 및 제 2 성분의 2개의 성분들을 포함하고,
   또한 상기 열 확산기의 제 2 성분이 상기 리세스를 가로질러 연장하여, 상기 열 확산기의 제 2 성분이 상기 열적인 요소와 상기 에너지 수집 패널 사이에 위치되는,
   열 교환기 시스템.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 그라파이트 시트는, 박리형 그라파이트의 압축된 입자들의 하나 이상의 시트, 그라파이트화된 폴리이미드의 하나 이상의 시트, 또는 양자의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는,
   열 교환기 시스템.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 열적인 요소의 표면의 일부와 열 전달 관계에 있는 표면을 포함하는 구조적 요소를 더 포함하고,
   상기 구조적 요소는 하나 이상의 합성 그라파이트 층을 포함하는,
   열 교환기 시스템.
   
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서,
   제 1 표면 및 제 2 표면을 가지는 보호 층을 더 포함하고,
   상기 보호 층의 제 1 표면이 에너지 공급원과 상기 열적인 요소 사이에 위치되는,
   열 교환기 시스템.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    태양 에너지 수용기를 포함하는,
    열 교환기 시스템.
    
11. 열 교환기 시스템으로서:
    (a) 제 1 표면 및 제 2 표면을 가지는 제 1 합성 그라파이트 층;
    (b) 상기 제 1 합성 그라파이트 층의 제 2 표면 아래쪽에 위치되는 제 2 합성 그라파이트 층;
    (c) 상기 제 1 합성 그라파이트 층과 상기 제 2 합성 그라파이트 층 사이에 위치되는 열적인 요소; 그리고
    (d) 밀도가 0.6 g/cc 이상이고 평면 내 열 전도도가 140 W/m-K 이상인 박리형 그라파이트의 압축된 입자들의 하나 이상의 시트를 포함하는 열 확산기로서, 상기 제 1 합성 그라파이트 층, 상기 제 2 합성 그라파이트 층, 및 상기 열적인 요소와 열 전달 관계에 있도록 위치되는, 열 확산기; 를 포함하는,
    열 교환기 시스템.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 박리형 그라파이트의 압축된 입자들의 하나 이상의 시트가 220 W/m-K 이상의 평면 내 열 전도도를 가지는,
    열 교환기 시스템.
    
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 합성 그라파이트 층이 120 W/m-K 이상의 평면 내 열 전도도를 가지는,
    열 교환기 시스템.
    
14. 열 교환기 시스템으로서:
    (a) 하나 이상의 합성 그라파이트 층;
    (b) 열 전달 유체를 내부에 보유하기 위한 하나 이상의 열적인 통로로서, 상기 하나 이상의 합성 그라파이트 층을 가로지르는, 열적인 통로; 및
    (c) 밀도가 0.6 g/cc 이상이고 평면 내 열 전도도가 140 W/m-K 이상인 박리형 그라파이트의 압축된 입자들의 하나 이상의 시트를 포함하는 열 확산기로서, 상기 하나 이상의 합성 그라파이트 층 및 상기 열적인 통로 모두와 접촉하는, 열 확산기; 를 포함하는,
    열 교환기 시스템.
    
15. 제 14 항에 있어서,
    제 1 표면 및 제 2 표면을 가지는 보호 층을 더 포함하고,
    상기 보호 층의 제 1 표면이 에너지 공급원과 상기 열적인 통로 사이에 위치되는,
    열 교환기 시스템.
    

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