KR100981521B1 - 증발기 및 이를 구비한 연료개질기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증발기 예컨대 소형 고효율의 증발기 및 이를 구비한 연료개질기에 관한 것이다. 본 발명의 증발기는 다단 구조 예컨대 4단 디스크 구조를 구비하며, 각 디스크는 핀구조체로 채워진다. 첫번째의 두 디스크들을 통해서는 배기 가스가 통과하고, 두번째의 두 디스크들을 통해서는 물이 통과하며, 이들 첫번째 두 디스크들과 두번째 두 디스크들은 서로 교대로 적층된다. 또한, 첫번째 두 디스크들은 두번째 두 디스크들 중 하나를 관통하는 제1 배관을 통해 서로 연결되며, 두번째 두 디스크들은 첫번째 두 디스크들 중 하나를 관통하는 제2 배관을 통해 서로 연결된다.

증발기, 연료개질기, 핀구조체, 열교환 표면적, 스테이지, 적층

Description

증발기 및 이를 구비한 연료개질기{Evaporator and fuel reformer having the same}

본 발명은 증발기 및 이 증발기를 구비한 연료개질기에 관한 것이다.

연료개질기(fuel reformer)는 연료를 개질하여 수소가 풍부한 가스를 발생시키는 장치이다. 이러한 연료개질기는 연료전지 등에 사용될 수 있다. 연료전지는 수소와 산소의 전기화화적 반응에 의해 직접 전기 에너지를 발생시키는 청정 발전장치 중 하나이다.

일반적으로 연료개질기는 열원부(heat source)와 개질반응부(reforming reactor)를 구비한다. 열원부는 개질반응부에 필요한 열을 공급하고, 개질반응부는 연료를 개질하여 수소가 풍부한 가스(hydrogen rich gas)를 발생시킨다. 개질반응부는 수증기 개질 방식(steam reforming scheme), 자열 개질 방식(auto-thermal reforming scheme), 부분 산화 방식(partial oxidation scheme), 또는 이들의 조합 방식을 이용하여 수소가 풍부한 가스를 발생시킬 수 있다.

또한, 연료개질기는 연료 효율과 장치 성능을 높이기 위해 증발기를 추가적으로 구비할 수 있다. 이 경우, 증발기는 외부에서 유입되어 증발기 안으로 흐르는 액상의 연료를 증발시키고, 증발된 기상의 연료를 개질반응부에 공급한다.

한편, 수증기 개질 방식의 개질반응부에 액상의 연료나 물이 유입되면, 불균일한 개질 반응으로 인하여 연료개질기의 성능은 크게 감소한다. 이러한 문제를 감소 또는 방지하기 위하여, 기존의 증발기에서는 외부에서 유입되어 증발기 안으로 흐르는 액체 상태의 연료와 물을 증발시키기 위하여 연료개질기의 부피에 비해 상대적으로 긴 채널을 구비한다.

다시 말해서, 기존의 증발기는 긴 채널 구조로 인하여 부피가 크다. 증발기를 소형화하는 경우, 긴 구불구불한 채널로 인하여 증발기가 복잡한 구조를 가지므로 증발기의 제조가 어렵다. 따라서, 작고 제조가 용이하며 고효율의 연료개질기를 제공하기 위하여 증발기 구조에 대한 개선이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 작은 체적에도 불구하고 큰 출력 성능을 발휘할 수 있는 증발기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 작은 체적에도 불구하고 큰 출력 성능을 발휘할 수 있는 증발기를 구비한 연료개질기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 의하면 연료개질기용 증발기가 제공된다. 이 증발기는, 제1 스테이지(first stage), 제2 스테이지, 제1 핀구조체(first fin structure), 및 제2 핀구조체를 포함한다. 제1 스테이지는 제1 챔버, 제1-1 개구부, 및 제1-2 개구부를 구비한다. 제1-1 개구부와 제1-2 개구부는 제1 유체가 제1 챔버로 들어가고 제1 챔버로부터 나오는 것을 허용한다. 제2 스테이지는 스테이지들로 이루어진 하나의 적층체(stack)로서 제1 스테이지와 함께 적층되며, 제2 챔버, 제2-1 개구부, 및 제2-2 개구부를 구비한다. 제2-1 개구부와 제2-2 개구부는 제2 유체가 제2 챔버로 들어가고 제2 챔버로부터 나오는 것을 허용한다. 제1 핀구조체는 제1 챔버 내에 배치되며 제1 챔버 내에서 유동하는 제1 유체와의 열교환 표면적을 증가시키고, 제2 핀구조체는 제2 챔버 내에 배치되며 제2 챔버 내에서 유동하는 제2 유체와의 열교환 표면적을 증가시킨다.

증발기의 일 구현예로서, 제1 핀구조체는 실질적으로 제1 챔버의 내표면에 접촉하며, 및/또는 제2 핀구조체는 실질적으로 제2 챔버의 내표면에 접촉한다.

증발기의 일 구현예로서, 제1 핀구조체는 제1 챔버 내에서 유동하는 제1 유체가 난류를 형성하도록 배치되고, 제2 핀구조체는 제2 챔버 내에서 유동하는 제2 유체가 난류를 형성하도록 배치된다.

일 구현예로서, 증발기는 제3 스테이지, 제1 배관, 제3 핀구조체를 더 포함할 수 있다. 제3 스테이지는 제3 챔버, 제3-1 개구부, 및 제3-2 개구부를 구비한다. 제3-1 개구부와 제3-2 개구부는 제1 유체가 제3 챔버로 들어가고 제3 챔버로부터 나오는 것을 허용한다. 제1 배관은 제2 스테이지를 관통하며 제1 챔버와 제3 챔버를 연결한다. 제3 핀구조체는 제3 챔버 내에 배치되며 제3 챔버 내에서 유동하는 제1 유체와의 열교환 표면적을 증가시킨다. 여기에서, 제1 핀구조체는 실질적으로 제1 챔버의 내표면에 접촉하고, 제2 핀구조체는 실질적으로 제2 챔버의 내표면에 접촉하며, 제3 핀구조체는 실질적으로 제3 챔버의 내표면에 접촉한다. 제1 배관은 제1-1 개구부에 위치하는 또는 결합하는 제1 단부와 제3-2 개구부에 위치하는 또는 결합하는 제2 단부를 구비한다.

또한, 증발기는 제4 챔버, 제4-1 개구부, 및 제4-2 개구부를 구비한 제4 스테이지, 제2 배관, 및 제4 핀구조체를 더 포함할 수 있다. 제4-1 개구부와 제4-2 개구부는 제2 유체가 제4 챔버로 들어가고 제4 챔버로부터 나오는 것을 허용한다. 제2 배관은 제3 스테이지를 관통하며 제2 챔버와 제4 챔버를 연결한다. 제4 핀구조체는 제4 챔버 내에 배치되며 제4 챔버 내에서 유동하는 제2 유체와의 열교환 표면적을 증가시킨다. 여기에서, 제1 핀구조체는 실질적으로 제1 챔버의 내표면에 접촉하고, 제2 핀구조체는 실질적으로 제2 챔버의 내표면에 접촉하며, 제3 핀구조체는 실질적으로 제3 챔버의 내표면에 접촉하며, 제4 핀구조체는 실질적으로 제4 챔버의 내표면에 접촉한다. 제1 배관은 제1-1 개구부에 결합하는 제1 단부와 제3-2 개구부에 결합하는 제2 단부를 구비하고, 제2 배관은 제2-2 개구부에 결합하는 제1 단부와 제4-1 개구부에 결합하는 제2 단부를 구비한다. 제1 유체는 열원부에서 나오는 배기 가스를 포함하고, 제2 유체는 연료 및 물 중 적어도 어느 하나를 포함한다. 각각의 제1, 제2, 제3, 및 제4 핀구조체는 제1 주기를 갖고 제1 방향으로 연장하는 제1 물결 모양(first wave pattern)의 복수의 제1 핀들; 및 실질적으로 제1 물결 모양과 동일한 제2 물결 모양을 구비하며, 복수의 제1 주기와 반주기 어긋나는 제2 주기를 갖고 인접한 두 제1 핀들 사이에 교대로 번갈아 연장하는 복수의 제2 핀들을 포함한다. 각각의 제1, 제2, 제3, 및 제4 핀구조체는 금속성(metallic) 부재로 이루어진다. 제4 핀구조체와 제2 핀구조체는 제3 핀구조체와 제1 핀구조체에서 제4 핀구조체와 제2 핀구조체로 전달된 열 에너지를 이용하여 제2 유체를 액상에서 기상으로 전환하도록 형성된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면 연료개질기용 증발기가 제공된다. 이 증발기는, 제1 스테이지, 제1 핀구조체, 제2 스테이지, 제2 핀구조체, 제3 스테이지, 제3 핀구조체, 제1 배관, 제4 스테이지, 제4 핀구조체, 및 제2 배관을 포함한다. 제1 스테이지는 제1 유체가 제1 챔버로 들어가는 것을 허용하는 제1 유입구(first inlet), 및 제1 유체가 제1 챔버로부터 나오는 것을 허용하는 제1 유출구(first outlet)를 구비한다. 제1 핀구조체는 제1 스테이지 내에 형성된다. 제2 스테이지는 제2 유체가 제2 챔버로 들어가는 것을 허용하는 제2 유입구, 및 제2 유체가 제2 챔 버로부터 나오는 것을 허용하는 제2 유출구를 구비한다. 제2 핀구조체는 제2 스테이지 내에 형성된다. 제3 스테이지는 제1 유체가 제3 챔버로 들어가는 것을 허용하는 제3 유입구, 및 제1 유체가 제3 챔버로부터 나오는 것을 허용하는 제3 유출구를 구비한다. 제3 핀구조체는 제3 스테이지 내에 형성된다. 제1 배관은 제2 스테이지를 관통하며 제1 스테이지와 제3 스테이지를 연결한다. 제4 스테이지는 제2 유체가 제4 챔버로 들어가는 것을 허용하는 제4 유입구, 및 제2 유체가 제4 챔버로부터 나오는 것을 허용하는 제4 유출구를 구비한다. 제4 핀구조체는 제4 스테이지 내에 형성된다. 제2 배관은 제3 스테이지를 관통하며 제2 스테이지와 제4 스테이지를 연결한다.

증발기의 일 구현예로서, 제1 핀구조체는 실질적으로 제1 챔버의 내표면에 접하고, 제2 핀구조체는 실질적으로 제2 챔버의 내표면에 접하며, 제3 핀구조체는 실질적으로 제3 챔버의 내표면에 접하며, 제4 핀구조체는 실질적으로 제4 챔버의 내표면에 접한다.

증발기의 일 구현예로서, 제1 스테이지, 제2 스테이지, 제3 스테이지, 및 제4 스테이지는 이 스테이지들로 이루어진 단일 적층체로서 함께 적층된다.

일 구현예로서, 증발기는 4단 증발기이다.

증발기의 일 구현예로서, 제2 핀구조체는 제1 배관에 의해 관통되는 제1 관통홀(first through-hole)을 구비하고, 제3 핀구조체는 제2 배관에 의해 관통되는 제2 관통홀을 구비하며, 제4 핀구조체는 열원부에서 제3 스테이지로 제1 유체를 공급하기 위한 제3 배관에 의해 관통되는 제3 관통홀을 구비한다.

일 구현예로서, 증발기는 열원부에서 제3 스테이지로 제1 유체를 공급하기 위한 제3 배관, 및 기상의 제2 유체를 개질반응부로 공급하기 위한 제4 배관을 더 포함한다. 여기에서, 제1 배관은 제1 유입구에 결합하는 제1 단부와 제3 유출구에 결합하는 제2 단부를 구비하고, 제2 배관은 제2 유출구에 결합하는 제1 단부와 제4 유입부에 결합하는 제2 단부를 구비하며, 제3 배관은 제3 유입구에 결합하는 제1 단부와 열원부에 결합하는 제2 단부를 구비하고, 제4 배관은 제4 유출구에 결합하는 제1 단부와 개질반응부에 결합하는 제2 단부를 구비한다.

또한, 증발기는 복수의 제1 배관들을 포함할 수 있고, 및/또는 복수의 제4 배관들을 포함할 수 있다. 제2 핀구조체는 복수의 제1 배관들에 의해 각각 관통되는 복수의 관통홀들을 구비할 수 있고, 제3 핀구조체는 제2 배관에 의해 관통되는 제2 관통홀을 구비할 수 있으며, 제4 핀구조체는 열원부에서 제3 스테이지로 제1 유체를 공급하기 위한 제3 배관에 의해 관통되는 제3 관통홀을 구비할 수 있다.

증발기의 일 구현예로서, 제1 유체는 열원부에서 나오는 배기 가스를 포함하고, 제2 유체는 연료 및 물 중 적어도 어느 하나를 포함한다.

증발기의 일 구현예로서, 각각의 제1, 제2, 제3, 및 제4 핀구조체는 제1 주기를 갖고 제1 방향으로 연장하는 제1 물결 모양(first wave pattern)의 복수의 제1 핀들, 및 제1 물결 모양과 동일한 제2 물결 모양을 구비하며, 복수의 제1 주기와 반주기 어긋나는 제2 주기를 갖고 인접한 두 제1 핀들 사이에 교대로 번갈아 연장하는 복수의 제2 핀들을 포함한다.

증발기의 일 구현예로서, 각각의 제1, 제2, 제3, 및 제4 핀구조체는 금속 성(metallic) 부재로 이루어진다.

증발기의 일 구현예로서, 제4 핀구조체와 제2 핀구조체는 제3 핀구조체와 제1 핀구조체에서 제4 핀구조체와 제2 핀구조체로 전달된 열 에너지를 이용하여 제2 유체를 액상에서 기상으로 전환하도록 형성된다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면 연료개질기가 제공된다. 이 연료개질기는, 개질반응부, 증발부, 및 열원부를 포함한다. 증발부는 개질반응부에 제2 유체를 공급한다. 열원부는 증발부에 제1 유체를 공급한다. 증발부는 제1 스테이지로 제1 유체가 들어오는 것을 허용하는 제1 유입구, 및 제1 스테이지로부터 제1 유체가 나가는 것을 허용하는 제1 유출구를 구비한 제1 스테이지; 제1 스테이지 내에 배치되는 제1 핀구조체; 스테이지들의 단일 적층체로서 제1 스테이지와 함께 적층되며, 제2 유체가 들어오는 것을 허용하는 제2 유입구, 및 제2 스테이지로부터 제2 유체가 나가는 것을 허용하는 제2 유출구를 구비한 제2 스테이지; 및 제2 스테이지 내에 배치되는 제2 핀구조체를 포함한다.

연료개질기의 일 구현예로서, 열원부는 개질반응부에 의해 둘러싸이며, 개질반응부에 열을 공급하도록 형성된다. 제1 유체는 열원부에서 나오는 배기 가스를 포함하고, 제2 유체는 연료 및 물 중 적어도 어느 하나를 포함한다.

일 구현예로서, 연료개질기는 증발부에 연결되는 제1 단부 및 열원부에 연결되는 제2 단부를 구비한 제1 배관, 및 증발부에 연결되는 제1 단부 및 개질반응부에 연결되는 제2 단부를 구비한 제2 배관을 더 포함한다.

일 구현예로서, 연료개질기는 개질반응부에서 나오는 개질된 연료(reformed fuel)를 받는 일산화탄소 저감부(carbon monoxide remover)를 더 포함한다.

연료개질기의 일 구현예로서, 증발기는 제3 스테이지, 제3 스테이지 내에 형성된 제3 핀구조체, 제1 배관, 제4 스테이지, 제4 스테이지 내에 형성된 제4 핀구조체, 및 제2 배관을 더 포함할 수 있다. 제3 스테이지는 제1 유체가 제3 스테이지로 들어가는 것을 허용하는 제3 유입구 및 제1 유체가 제3 스테이지로부터 나오는 것을 허용하는 제3 유출구를 구비한다. 이때, 제2 스테이지는 제1 스테이지와 제3 스테이지 사이에 배치된다. 제1 배관은 제2 스테이지를 관통하며 제1 스테이지와 제3 스테이지를 연결한다. 제4 스테이지는 제2 유체가 제4 스테이지로 들어가는 것을 허용하는 제4 유입구 및 제2 유체가 제4 스테이지로부터 나오는 것을 허용하는 제4 유출구를 구비한다. 제2 배관은 제3 스테이지를 관통하며 제2 챔버와 제4 챔버를 연결한다. 여기에서, 연료개질기는 열원부에서 나오는 제1 유체를 제3 스테이지로 공급하기 위한 제3 배관, 및 기상의 제2 유체를 개질반응부로 공급하기 위한 제4 배관을 더 포함한다.

연료개질기의 일 구현예로서, 제1 핀구조체는 실질적으로 제1 스테이지의 내표면에 접촉하고, 제2 핀구조체는 실질적으로 제2 스테이지의 내표면에 접촉한다.

본 발명에 의하면, 증발기의 체적을 감소시키면서 출력을 향상시킬 수 있다. 특히, 상호 열교환을 수행하는 복수의 디스크들을 교차 배치하고 각 디스크 내에 핀구조체를 설치함으로써 배압을 증가시키지 않고 각 디스크 내에서 유체가 닿는 면적(비표면적)을 증대시킬 수 있고, 그것에 의해 열 교환 효율을 높이고, 유체의 기화량을 증대시키며, 또한 유체의 기화량을 균일하게 할 수 있다. 또한, 구조가 단순하여 제조가 용이하고 대량 생산에 유리하다. 아울러, 증발기가 채용된 연료개질기에서 개질반응의 맥동을 낮게 유지하고, 그것에 의해 연료개질기의 성능 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있다. 또한, 증발기가 구비된 연료개질기를 소형화할 수 있고, 그것에 의해 연료개질기의 기동시간을 단축시킬 수 있다.

다시 말하면, 본 실시예의 증발기와 동일 성능 또는 출력을 얻기 위하여 기존의 증발기에서서 예컨대 8단 이상의 다단 구조를 형성해야 하므로 큰 부피를 가진다. 이러한 큰 부피의 증발기는 연료개질기의 전체 크기를 증가시키고 증발기의 기동 또는 예열에 많은 시간을 요구하게 된다.

반면에, 전술한 본 발명의 실시예에서는 내부 핀구조체를 가진 증발기를 제공하여 내부 핀구조체를 통과하는 유체 유동과 증발기의 열교환 표면적을 증가시킨다. 일 구현예에서, 증발기는 핀구조체를 각각 내장한 제1, 제2, 제3 및 제4 스테이지를 구비하는 4단 증발기이다. 제4 및 제2 스테이지들은 제3 스페이지를 관통하는 제2 배관을 통해 서로 연결되고, 제3 및 제1 스테이지들은 제2 스테이지를 관통하는 제1 배관을 통해 서로 연결된다. 제4 및 제2 스테이지들의 핀구조체들은 제1 및 제3 스테이지들의 핀구조체들로부터 전달된 열 에너지를 이용하여 액상의 연료와 물을 기상으로 증발시킨다. 여기에서, 제1 및 제3 스테이지들의 열 에너지는 히터(열원부)로부터 나오는 배기 가스로부터 유도되고, 배기 가스는 제1 및 제3 스테이지들의 핀구조체들을 통해 유동한다. 이와 같이, 제1, 제2, 제3, 및 제4 스테이지들의 핀구조체들은, 증발기의 전체 크기를 증가시키지 않고, 배기 가스와 연료 및 물 사이의 열교환 표면적을 증가시켜 열전달 효율 또는 열교환 효율을 향상시킨다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 구현예를 도시한 것이며, 아래의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하기 위한 것이다.

이하의 상세한 설명에서, 본 발명의 바람직한 실시예들은 본 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예로 한정되지 않는다. 또한, 본 출원서의 내용에 있어서, 어떤 요소가 다른 요소 위에 있다고 할 때, 그것은 그 요소 위에 직접 존재하거나 또 다른 요소를 그 사이에 게재한 채로 그 요소 위에 존재하는 것을 포함한다. 명세서 전체적으로 동일한 참조부호는 동일한 요소를 나타낸다.

이하의 설명에서, 용어 "기상(gas-phase)"은 분자의 간격이 멀고 응집력이 없어 각 분자가 자유로이 유동하므로, 일정한 모양과 부피를 갖지 않고 용기를 채우려는 성질이 있는 유체의 상태를 말한다. 기상의 유체는 액체나 고체 상태의 유체에 비하여 밀도가 훨씬 작고, 압력의 증감으로 부피가 쉽게 변하며, 압축이나 열팽창이 쉬운 성질이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발기의 개략적인 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 증발기(100)는 제1 디스크(110), 제2 디스크(120), 제3 디스크(130), 및 제4 디스크(140)가 서로 적층된 4단 디스크 구조를 구비한다.

제1 디스크(110)는 제1 챔버(112), 유체 소통을 위한 제1 홀(114), 및 제1 챔버(112)에 충진되는 제1 핀구조체(210)를 구비한다. 제2 디스크(120)는 제2 챔버(122), 유체 소통을 위한 제2 홀(124), 및 제2 챔버(122)에 충진되는 제2 핀구조체(220)를 구비한다. 제3 디스크(130)는 제3 챔버(132), 유체 소통을 위한 제3 홀(134), 및 제3 챔버(132)에 충진되는 제3 핀구조체(230)를 구비한다. 제4 디스크(140)는 제4 챔버(142), 유체 소통을 위한 제4 홀(144), 및 제4 챔버(142)에 충진되는 제4 핀구조체(240)를 구비한다.

제3 챔버(132)와 제1 챔버(112)는 제1 배관(150)에 의해 서로 유체소통가능하게 연결된다. 제2 챔버(122)와 제4 챔버(142)는 제2 배관(160)에 의해 서로 유체소통가능하게 연결된다. 제3 디스크(130)와 제1 디스크(110)는 제1 배관(150)의 양단부에 각각 연결되는 또 다른 홀을 구비한다. 제2 디스크(120)와 제4 디스크(140)는 제2 배관(160)의 양단부에 각각 연결되는 또 다른 홀을 구비한다.

제3 디스크(130)의 제3 홀(134)에는 제3 배관(170)이 연결될 수 있다. 제4 디스크(140)의 제4 홀(144)에는 제4 배관(180)이 연결될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 제1 배관(150)은 제2 디스크(120)를 관통하도록 구비되고, 제2 배관(160)은 제3 디스크(130)를 관통하도록 구비되며, 제3 배관(170)은 제 4 디스크(140)를 관통하도록 구비된다. 이러한 관통 구조는 증발기 장치를 더욱 소형화하기 위한 일례이다. 예를 들면, 전술한 각 배관은 특정 디스크를 관통하지 않고 증발기 외부에 구비될 수 있다. 아울러, 제3 배관(170) 및 제4 배관(140)은 중력 방향(y 방향)으로 돌출되도록 설치되어 있는데, 그것은 중력 방향에서 증발기(100)에 결합되는 개질장치를 고려한 것이다.

제1 내지 제4 핀구조체들(210, 220, 230, 240)은 제1 유체 또는 제2 유체와의 사이에 열교환 비표면적을 증가시킨다. 각 핀구조체는 다수의 요철부가 구비된 단일 시트상의 금속성 부재로 형성될 수 있다. 즉, 일 구현예에서, 각 핀구조체는 일 방향으로 연장하는 제1 물결 패턴의 복수의 제1 핀들과, 복수의 제1 핀들의 물결 패턴 주기와 반주기만큼 어긋나게 배치되는 복수의 제2 핀들이 서로 엇갈려서 번갈아 배치된 형태를 구비한다(도 4 참조). 다시 말하면, 일 구현예에서, 각각의 핀구조체들(210, 220, 230, 240)은 일 방향으로 연장하는 제1 물결 패턴의 복수의 제1 핀들과, 제1 물결 패턴과 실질적으로 동일한 제2 물결 패턴을 구비하고 복수의 제1 핀들의 제1 물결 패턴의 제1 주기와 반주기만큼 어긋난 제2 주기로 복수의 제1 핀들의 인접한 두 핀들 사이에 교대로 나란히 연장되는 복수의 제2 핀들을 구비한다. 이와 같이, 각 핀구조체에서 유체는 고르게 분배되어 난류를 형성하며, 고난류 유동을 하게 된다. 따라서 열교환 면적이 크게 증대될 수 있다.

각 핀구조체는 각 디스크 내에 충진되도록 설치된다. 즉, 일 구현예에서, 제1, 제2, 제3, 및 제4 핀구조체들(210, 220, 230, 240) 중 적어도 어느 하나는 실질적으로 대응 챔버들(112, 122, 132, 142) 중 적어도 어느 하나의 내표면에 접촉한 다. 일 구현예에서, 각각의 제1, 제2, 제3, 및 제4 핀구조체들(210, 220, 230, 240)은 실질적으로 대응 챔버(112, 122, 132, 또는 142)의 내표면에 각각 접촉한다. 따라서, 열 에너지를 가진 제1 유체가 제3 디스크(130)와 제1 디스크(110)를 통해 유동할 때, 제1 유체의 열 에너지는 제3 디스크(130)와 제1 디스크(110)를 통해 효율적으로 전달된다. 제3 디스크(130)와 제1 디스크(110)의 열 에너지는 제2 디스크(120)와 제4 디스크(140)에 전달된다. 그리고, 제2 유체가 제2 디스크(120)와 제4 디스크(140)를 통해 유동할 때, 제2 유체는 제2 디스크(120)와 제4 디스크(140)의 열 에너지에 의해 가열되거나 기화된다.

이하, 본 실시예에 따른 증발기 구조를 도시된 예를 참조하여 좀더 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 증발기의 사시도이다. 도 3a는 핀구조체들이 생략된 도 2의 증발기의 분해 사시도이다. 도 3b는 도 3a의 제1 커버 플레이트의 Ⅲ-Ⅲ선을 절취한 개략적인 단면도이다.

도 2 및 도 3a를 참조하면, 본 실시예의 증발기(300)는 제1 내지 제4 커버 플레이트 (또는 스테이지들)(310, 320, 330, 340), 보조 플레이트(341b), 세 개의 제1 배관들(350a, 350b, 350c), 제2 배관(360), 및 제1 내지 제4 핀구조체들(도 4의 410, 420, 430, 440 참조)을 포함한다.

제1 커버 플레이트(310)는 제1면이 개방된 제1 내부공간(또는 챔버)(312)을 형성하는 제1 경계 벽(first circumferential wall, 311)(도 3b 참조), 및 유체 소통을 위한 제1 홀(314)을 구비한다. 여기에서, 제1 커버 플레이트(310)가 디스 크(disk)(또는 실질적으로 납작한 판) 모양일 때, 제1 커버 플레이트(310)의 제1면은 디스크의 서로 마주하는 두 면들 중 하나(디스크의 상측 단부 및 하측 단부에 위치한 두 개의 면들 중 하나)에 대응하여 위치한다. 제1 커버 플레이트(310)의 제1면은 제2 커버 플레이트(320)의 상부면(321a)에 의해 덮인다.

유사하게, 제2 커버 플레이트(320)는 제2면이 개방된 제2 내부공간(또는 챔버)을 형성하는 제2 경계 벽, 및 유체 소통을 위한 제2 홀(324)을 구비한다. 제2 커버 플레이트(320)의 제2면은 제3 커버 플레이트(330)의 상부면(331a)에 의해 덮인다. 제3 커버 플레이트(330)는 제3면이 개방된 제3 내부공간(또는 챔버)을 형성하는 제3 경계 벽, 및 유체 소통을 위한 적어도 하나의 홀을 구비한다. 제3 커버 플레이트(330)의 제3면은 제4 커버 플레이트(340)의 상부면(341a)에 의해 덮인다. 제4 커버 플레이트(340)는 제4면이 개방된 제4 내부공간(챔버)을 형성하는 제4 경계 벽, 및 유체 소통을 위한 적어도 하나의 홀을 구비한다. 제4 스테이지(340)의 제4면은 보조 플레이트(341b)에 의해 덮인다.

보조 플레이트(341b) 및 제4 내지 제1 스테이지들(340, 330, 320, 310)은 서로 접하는 각 가장자리가 용접 등에 의해 서로 결합될 수 있다. 전술한 구성에 의하면, 본 실시예의 증발기(300)는 도 1에 도시한 증발기 구조와 유사하게 4단 디스크 구조를 구비할 수 있다.

세 개의 제1 배관들(350a, 350b, 350c)은 제2 커버 플레이트(320)를 관통하며 제3 커버 플레이트(330)의 제3 내부공간과 제1 커버 플레이트(310)의 제1 내부공간(312)을 유체소통가능하게 연결한다. 이를 위해 각 제1 배관(350a; 350b; 350c)의 일단은 제2 커버 플레이트(320)의 또 다른 3개의 홀들(326a, 326b, 326c)에 각각 연결된다. 그리고 각 제1 배관(350a; 350b; 350c)의 타단은 제3 커버 플레이트(330)의 또 다른 3개의 홀들에 각각 연결된다. 각 제1 배관의 일단과 제2 커버 플레이트(320)의 연결 및/또는 각 제1 배관의 타단과 제3 커버 플레이트(330)의 연결은 나사 결합구조(screw coupling structure)일 수 있다. 본 실시예에서 제1 배관이 세 개인 것은 일 구현예이며, 본 발명은 그러한 구성으로 제한되지 않는다. 예를 들면, 제1 배관은 하나, 둘 또는 넷 이상이 이용될 수 있다.

제2 배관(360)은 제3 커버 플레이트(330)를 관통하며 제2 커버 플레이트(320)의 제2 내부공간과 제4 커버 플레이트(340)의 제4 내부공간을 유체소통가능하게 연결한다. 이를 위해 제2 배관(360)의 일단은 제3 커버 플레이트(330)의 제3 홀(334)에 연결된다. 그리고 제2 배관(360)의 타단은 제4 커버 플레이트(340)의 제4 홀(348)에 연결된다. 제2 배관(360)의 일단과 제3 커버 플레이트(330)의 연결 및/또는 제2 배관(360)의 타단과 제4 커버 플레이트(340)의 연결은 나사 결합구조일 수 있다.

보조 플레이트(341b)는 복수의 홀(344a, 344b, 346)을 구비할 수 있다. 이 홀들 중 하나의 홀(346)에는 제4 커버 플레이트(340)를 관통하며 제3 커버 플레이트(330)의 제3 내부공간으로 유입되는 제1 유체를 가이드하는 제3 배관(370)이 결합될 수 있다. 제3 배관(370)의 일단은 제4 커버 플레이트(340)의 또 다른 홀(343)에 연결된다. 그리고, 보조 플레이트(341b)의 나머지 홀들(344a, 344b)에는 제2 유체의 방출을 가이드하는 두 개의 제4 배관들(380a, 380b)이 각각 연결될 수 있다. 본 실시예에서 제4 배관이 두 개인 것은 일 구현예이며, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 제4 배관은 하나 또는 셋 이상이 이용될 수 있다.

좀더 구체적으로 설명하면, 증발기(300)는 제1 커버 플레이트(또는 스테이지)(310), 제2 커버 플레이트(또는 스테이지)(320), 제3 커버 플레이트(또는 스테이지)(330), 및 제4 커버 플레이트(또는 스테이지)(340)를 포함한다. 제1 스테이지(310)는 제1 유체가 제1 스테이지(310)로 들어가는 것을 허용하는 제1 유입구, 및 제1 유체가 제1 스테이지(310)로부터 나오는 것을 허용하는 제1 홀(또는 유출구)(314)을 구비한다. 제1 핀구조체(도 4의 410 참조)는 제1 스테이지(310)의 챔버(312) 내에 형성된다. 제2 스테이지(320)는 제2 유체가 제2 스테이지(320)로 들어가는 것을 허용하는 제2 홀(또는 유입구)(324), 및 제2 유체가 제2 스테이지(320)로부터 나오는 것을 허용하는 제2 유출구를 구비한다. 제2 핀구조체(도 4의 420 참조)는 제2 스테이지(320)의 챔버 내에 위치한다. 제3 스테이지(330)는 제1 유체가 제3 스테이지(330)로 들어가는 것을 허용하는 제3 유입구, 및 제1 유체가 제3 스테이지(330)로부터 나오는 것을 허용하는 제3 유출구를 구비한다. 이때, 제2 스테이지(320)는 제1 스테이지(310)와 제3 스테이지(330) 사이에 형성된다. 제3 핀구조체(도 4의 430 참조)는 제3 스테이지(330)의 챔버 내에 형성된다. 제1 배관들(350a, 350b, 350c)은 제2 스테이지(320)를 관통하며 제1 스테이지(310)와 제3 스테이지(330)를 연결한다. 제4 스테이지(340)는 제2 유체가 제4 스테이지로 들어가는 것을 허용하는 제4 유입구, 및 제2 유체가 제4 스테이지로부터 나오는 것을 허용하는 제4 유출구들(또는 홀들)(344a, 344b)을 구비한다. 제4 핀구조체(도 4의 440 참조)는 제4 스테이지(340)의 챔버 내에 형성된다. 제2 배관(360)은 제3 스테이지(330)를 관통하며 제2 스테이지(320)와 제4 스테이지(340)를 연결한다.

전술한 구성에 의하면, 제1 유체는 제3 배관(370)과 제4 커버 플레이트(또는 제4 스테이지)(340)의 홀(343)을 통해 제3 내부공간(제3 챔버)으로 유입되며, 제3 핀구조체(도 4의 430 참조)에 열 에너지를 전달하고, 제1 배관들(326a, 326b, 326c)을 통해 제1 내부공간(또는 제1 챔버)(312)으로 유동한다. 그런 다음, 제1 유체는 제1 핀구조체(도 4의 410 참조)에 열 에너지를 전달하고, 제1 커버 플레이트(또는 제1 스테이지)(310)의 제1 홀(314)을 통해 외부로 방출된다.

액상의 제2 유체는 제2 커버 플레이트(또는 제2 스테이지)(320)의 제2 홀(324)을 통해 제2 내부공간(또는 제2 챔버)으로 유입되며, 제2 핀구조체(도 4의 420 참조)를 통과한 후 제2 배관(360)을 통해 제4 내부공간(또는 제4 챔버)으로 유동한다. 그런 다음, 제2 유체는 제4 핀구조체(도 4의 440 참조)를 거쳐 보조 플레이트(341b)의 홀들(344a, 344b)과 제4 배관들(380a, 380b)을 통해 외부로 방출된다. 여기에서, 액상의 제2 유체는 제3 핀구조체와 제1 핀구조체로부터 제2 핀구조체와 제4 핀구조체에 전달된 열 에너지에 의해 기화한다.

도 4는 도 2의 증발기에 구비되는 핀구조체를 설명하기 위한 사시도이다.

도 4를 참조하면, 본 실시예의 제1 내지 제4 핀구조체들(410, 420, 430, 440)은 제1 내지 제4 커버 플레이트들(310, 320, 330, 340)에 구비된 각 내부공간에 각각 충진된다. 여기서, 제1 내지 제4 핀구조체들(410, 420, 430, 440)이 충진된다는 것은 각 핀구조체가 각 커버 플레이트의 내면에 밀착되며, 각 핀구조체의 핀들이 각 내부공간에 실질적으로 균일하게 분포되어 있는 것을 나타낸다. 일 구현예에서, 제1 핀구조체(410)는 실질적으로 제1 커버 플레이트(또는 제1 스테이지)(310)의 내표면에 접촉하고, 제2 핀구조체(420)는 실질적으로 제2 커버 플레이트(또는 제2 스테이지)(320)의 내표면에 접촉하고, 제3 핀구조체(430)는 실질적으로 제3 커버 플레이트(또는 제3 스테이지)(330)의 내표면에 접촉하고, 및/또는 제4 핀구조체(440)는 실질적으로 제4 커버 플레이트(또는 제4 스테이지)(340)의 내표면에 접촉한다. 제2 핀구조체(420)는 세 개의 제1 배관들이 관통하는 세 개의 홀들(422a, 422b, 422c)을 구비할 수 있다. 제3 핀구조체(430)는 제2 배관이 관통하는 홀(432)을 구비할 수 있다. 그리고, 제4 핀구조체(440)는 제3 배관이 관통하는 홀(446)을 구비할 수 있다.

본 실시예의 핀구조체들은 기본적으로 동일한 구조를 구비한다. 핀구조체들의 구조를 좀더 상세히 설명하기 위하여 제4 핀구조체(440)의 일부분이 확대 도시되어 있다.

확대 도시된 부분을 참조하면, 제4 핀구조체(440)는 제1 핀 배열과 제2 핀 배열을 구비한다. 제1 핀 배열은 제1 방향으로 연장하는 복수의 제1 핀들(442)을 구비하고, 제2 핀 배열은 인접한 두 제1 핀들 사이에서 제1 방향으로 반주기 어긋나게 연장하는 복수의 제2 핀들(444)을 구비한다. 다시 말하면, 일 구현예에서, 제4 핀구조체(440)는 제1 주기를 갖고 제1 방향으로 연장하는 제1 물결 모양(first wave pattern)의 복수의 제1 핀들, 및 제1 물결 모양과 실질적으로 동일한 제2 물결 모양을 구비하고, 제1 주기와 반주기 어긋나는 제2 주기를 갖고 인접한 두 제1 핀들 사이에서 교대로 번갈아 연장하는 복수의 제2 핀들을 구비한다. 여기서, 제1 핀(442)과 제2 핀(444)은 시트상 및 스트라이프 형상의 부재에 물결 모양을 부가함으로써 형성될 수 있다. 그리고, 제1 핀(442)과 제2 핀(444)은 열 전달 특성이 우수한 재료 등으로 형성될 수 있다. 본 구현예에서, 제1 핀구조체(440)은 복수의 제1 핀들(442)과 복수의 제2 핀들(444)로 이루어진 단일 층 구조 뿐만 아니라 이들 핀들이 복수개 적층된 다층 구조로 형성될 수 있다.

제1 내지 제3 핀구조체들(410, 420, 430)은 홀의 유무 또는 홀의 위치를 제외하고 제4 핀구조체(440)와 실질적으로 동일한 구조를 구비한다. 본 실시예의 각 핀구조체는 단일 금속판을 프레스 공정(press process)을 통해 찍어낸 후 브레이징(brazing) 함으로써 제작될 수 있다.

전술한 증발기의 구성에 의하면, 각 핀구조체를 통과하는 유체의 활발한 난류 유동이 유도될 수 있다. 따라서, 각 핀구조체와 각 커버 플레이트의 내부공간에 유체가 고르게 분배되고, 그것에 의해 유체와 각 커버 플레이트 간의 열교환 면적이 크게 증대된다. 다시 말하면, 각각의 디스크가 높은 열전달 효율을 갖는다. 따라서, 증발기의 열교환 효율이 향상될 수 있다. 아울러, 증발기를 소형화할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료개질기의 사시도이다.

도 5를 참조하면, 본 실시예의 연료개질기는 증발부(300), 및 원통형 몸체(500)를 구비한다. 증발부(300)는 도 2 내지 도 4를 참조하여 앞서 설명한 증발기이다. 그러므로, 증발부(300)에 대한 상세한 설명은 생략한다.

다만, 원통형 몸체(500)는 제1 연결 배관(512)을 통해 공급되는 제1 연료를 연소시켜 열을 발생시키고, 열 에너지를 가진 제1 유체를 증발부(300)에 공급하며, 증발부(300)로부터 기상의 제2 유체를 받고, 제2 연료를 개질하여 리포메이트(refomate)를 발생시키며, 제2 연결 배관(514)을 통해 리포메이트를 방출하도록 구현될 수 있다. 제1 유체는 약 300 내지 약 400℃의 배가스를 포함하고, 제2 유체는 제2 연료와 수증기를 포함할 수 있다.

본 실시예에서는, 설명의 편의상, 제2 연료가 증발부(300)를 통해 몸체(500)으로 공급되는 것으로 도시되어 있다. 하지만, 그것은 단지 일례일 뿐, 본 실시예의 연료개질기는 당연히 기상의 제2 연료가 증발부(300)에 유입되지 않고 몸체(500)에 직접 공급되도록 구현될 수 있다. 제2 연료는 LPG, 천연가스, 메탄올, 에탄올 등의 탄화수소계 연료를 포함한다.

또한, 본 실시예에서는, 도시의 편의상, 제1 유체를 이송하는 제3 배관(370)과 제2 유체를 이송하는 제4 배관들(380a, 380b)이 증발부(300)와 몸체(500) 사이에 노출되도록 도시되어 있다. 하지만, 그것은 단지 일례일 뿐, 본 실시예의 연료개질기는 당연히 이 배관들이 노출되지 않도록 배관들의 길이를 짧게 하여 증발부(300)와 몸체(500)가 직접 밀착되도록 구현될 수 있다.

도 6은 도 5의 연료개질기의 몸체에 채용가능한 구조를 설명하기 위한 단면도이다.

도 6을 참조하면, 본 실시예의 연료개질기의 몸체(500a)는 열원부(550), 및 개질반응부(600)를 구비한다. 몸체(550a)는 원통 구조의 열원부(550)를 또 다른 원 통 구조의 개질반응부(600)가 둘러싸는 이중 원통 구조를 구비한다.

열원부(550)는 제1 원통 몸체(560), 제1 원통 몸체(560)의 내부 공간(562)에 구비되는 산화촉매(570), 및 점화기(572)를 구비할 수 있다. 제1 원통 몸체(560)의 일측에는 제1 개구부(564)가 구비되고, 타측에는 제2 개구부(566)가 구비된다. 제1 연료와 공기는 제1 개구부(564)를 통해 내부 공간(562)에 공급되고, 산화촉매(570)의 표면에서 산화된다. 이때 생성된 반응열의 일부는 개질반응부(600)에 공급되고, 또 다른 일부는 공기와 함께 제2 개구부(566)를 통해 방출된다. 점화기(572)는 열원부(550)의 동작 초기 내부 공간(562)에 공급된 제1 연료를 점화한다. 제2 개구부(566)는 제3 배관(370)의 일단에 연결될 수 있다(도 5 참조).

개질반응부(600)는 제1 원통 몸체(560)를 동축상에서 둘러싸는 제2 원통 몸체(610), 및 제2 원통 몸체(610)의 내부 공간(612)에 구비되는 개질촉매(620)를 포함한다. 개질촉매(620)는 알갱이형 촉매가 사용될 수 있다. 이 경우, 촉매의 비산을 감소 또는 방지하기 위해 개질촉매(620)는 망상체(622)에 의해 포위될 수 있다. 제2 원통 몸체(610)의 일측에는 제1 개구부(564)를 사이에 두고 두 개의 제3 개구부들(614)이 구비되고, 타측에는 제4 개구부(616)가 구비된다.

본 실시예의 증발기(300)에서 공급되는 수증기와, 증발부(300) 또는 또 다른 배관을 통해 공급되는 기상의 제2 연료는 제3 개구부들(614)을 통해 내부 공간(612)에 공급된다. 제2 연료는 개질촉매(620)를 거치면서 열원부(550)의 열에 의해 개질 반응한다. 개질 반응에 의해 생성된 리포메이트는 제4 개구부(616)를 통해 방출된다. 여기에서, 개질 반응은 수증기 개질(steam reforming), 자열개 질(autothermal reforming) 및 부분산화(partial oxidation) 중 적어도 어느 하나의 개질 반응을 포함하도록 구현될 수 있다.

도 7은 도 5의 연료개질기의 몸체에 채용가능한 또 다른 구조를 설명하기 위한 단면도이다.

도 7을 참조하면, 본 실시예의 연료개질기의 몸체(500b)는 열원부(650), 개질반응부(700), 및 일산화탄소 제거부(750)를 구비한다. 몸체(500b)는 제1 원통 구조의 열원부(650)를 동축상에서 제2 원통 구조의 개질반응부(700)가 둘러싸고, 제2 원통 구조의 개질반응부(770)를 동축상에서 제3 원통 구조가 둘러싸는 삼중 원통 구조를 구비한다.

열원부(650)는 제1 원통 몸체(660), 및 제1 원통 몸체(660)의 내부 공간(562)에 화염을 방출하는 버너(670)를 구비한다. 제1 원통 몸체(660)의 일측에는 제1 개구부(664)가 구비되고, 타측에는 제2 개구부(666)가 구비된다. 공기는 제1 개구부(664)를 통해 내부 공간(662)에 공급된다. 버너(670)의 화염에 의해 생성된 열 에너지의 일부는 개질반응부(700)와 일산화탄소 제거부(750)에 공급되고, 또 다른 일부의 열 에너지는 공기와 함께 제2 개구부(666)를 통해 방출된다. 제2 개구부(666)는 제3 배관(370)의 일단에 연결될 수 있다(도 5 참조).

개질반응부(700)는 제1 원통 몸체(660)를 동축상에서 둘러싸는 제2 원통 몸체(710), 및 제2 원통 몸체(710)의 내부 공간(712)에 구비되는 개질촉매(720)를 포함한다. 개질촉매(720)는 벌집이나 나선형 구조의 지지체와 이 지지체에 코팅되는 촉매층(722)을 구비할 수 있다. 제2 원통 몸체(710)의 일측에는 두 개의 제3 개구 부들(714)이 구비된다. 제3 개구부들(714)은 제4 배관들(380a, 380b)의 일단에 연결될 수 있다(도 5 참조).

일산화탄소 제거부(750)는 제1 원통 몸체(660)와 제2 원통 몸체(710)를 동축상에서 둘러싸는 제3 원통 몸체(760), 및 제3 원통 몸체(760)의 내부 공간(762)에 구비되는 촉매(770)를 포함한다. 촉매(770)는 시프트 촉매 및/또는 프락스(PROX) 촉매를 포함할 수 있다. 시프트 촉매는 저온 및/또는 고온 수성가스전환(water gas shift) 반응을 통해 리포메이트에 함유된 일산화탄소를 제거한다. 프락스 촉매는 선택적산화(preferential CO oxidation) 반응을 통해 리포메이트에 함유된 일산화탄소를 제거한다.

제3 원통 몸체(710)의 내부 공간(762)은 연결 통로(764)를 통해 제2 원통 몸체(710)의 내부 공간(712)가 유체소통가능하게 연결된다. 제3 원통 몸체(710)의 일측에는 제4 개구부(766)가 구비된다. 일산화탄소가 제거된 리포메이트는 내부 공간(762)에서 제4 개구부(766)를 통해 외부로 방출된다.

본 실시예의 증발기(300)에서 공급되는 수증기와, 증발기(300) 또는 또 다른 배관을 통해 공급되는 기상의 제2 연료는 제3 개구부들(714)을 통해 개질반응부(700)의 내부 공간(712)에 공급되고, 제2 연료는 개질촉매(720)를 거치면서 열원부(650)의 열에 의해 개질된다. 그런 다음, 개질 반응에 의해 생성된 리포메이트는 연결 통로(764)를 통해 일산화탄소 제거부(750)의 내부 공간(762)으로 유동하고, 촉매(770)에 의해 일부 일산화탄소가 제거된 후, 제4 개구부(766)를 통해 외부로 방출된다.

본 실시예에서는, 설명의 편의상, 원통 구조의 몸체를 구비한 연료개질기를 도시하고 있다. 하지만, 그것은 단지 일례일 뿐, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 연료개질기는 전술한 본 실시예의 증발기(100; 300)를 구비하면서 다양한 종류와 형태의 몸체를 갖도록 구현될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예의 연료개질기에 이용되는 증발기에서는 각 스테이지의 챔버에 유입된 배가스 또는 물이 챔버 전체로 골고루 퍼지도록 함으로써 배가스의 열과 유입된 제2 유체(예컨대, 물) 사이의 비표면적을 증가시켜 열전달 효율을 높일 수 있다. 또한, 핀구조체에 의해 제2 유체의 기화를 보다 효과적으로 하여 발생된 리포메이트의 맥동 (또는 유량 편차)이 약 ±0.2L/mim 이하로 유지되도록 하였다. 이러한 값은 기존의 약 ±0.65L/mim에 비해 상당히 작은 값으로, 더욱 균일한 유량을 발생시킬 수 있음을 나타낸다.

전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위와 그것의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발기의 개략적인 단면도.

도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 증발기의 사시도.

도 3a는 핀구조체들이 생략된 도 2의 증발기의 분해 사시도

도 3b는 도 3a의 제1 스테이지의 단면도.

도 4는 도 2의 증발기에 구비되는 핀구조체를 설명하기 위한 개략적인 사시도.

도 5는 본 발명의 연료개질기의 사시도.

도 6은 도 5의 연료개질기의 몸체에 채용가능한 구조를 설명하기 위한 단면도.

도 7은 도 5의 연료개질기의 몸체에 채용가능한 또 다른 구조를 설명하기 위한 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100, 300 : 증발기

110, 120, 130, 140, 310, 320, 330, 340 : 스테이지

210, 220, 230, 240, 410, 420, 430, 440 : 핀구조체

500, 500a, 500b : 연료개질기의 몸체

550, 650 : 열원부

600, 700 : 개질반응부

750 : 이산화탄소 저감부

Claims (35)

1. 제1 챔버, 및 상기 제1 챔버에 대하여 제1 유체의 유입 또는 유출을 허용하는 제1-1 개구부 및 제1-2 개구부를 구비하는 제1 스테이지;

   제2 챔버, 및 상기 제2 챔버에 대하여 제2 유체의 유입 또는 유출을 허용하는 제2-1 개구부 및 제2-2 개구부를 구비하며, 상기 제1 스테이지와 함께 하나의 스택으로서 함께 적층되는 제2 스테이지;

   상기 제1 챔버 내부에 구비되며 상기 제1 챔버 내에서 유동하는 상기 제1 유체와의 열교환 표면적을 증가시키는 제1 핀구조체; 및

   상기 제2 챔버 내부에 구비되며 상기 제2 챔버 내에서 유동하는 상기 제2 유체와의 열교환 표면적을 증가시키는 제2 핀구조체를 포함하는 연료 개질기용 증발기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 핀구조체는 상기 제1 챔버의 내표면에 접하는 증발기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제2 핀구조체는 상기 제2 챔버의 내표면에 접하는 증발기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 핀구조체는 상기 제1 챔버 내부에서 상기 제1 유체의 유동에 난류를 형성하도록 구성되며,

   상기 제2 핀구조체는 상기 제2 챔버 내부에서 상기 제2 유체의 유동에 난류를 형성하도록 구성되는 증발기.
5. 제1항에 있어서,

   제3 챔버, 및 상기 제3 챔버에 대하여 제1 유체의 유입 또는 유출을 허용하는 제3-1 개구부 및 제3-2 개구부를 구비하는 제3 스테이지;

   상기 제1 챔버와 상기 제3 챔버를 연결하며 상기 제2 스테이지를 관통하는 제1 배관; 및

   상기 제3 챔버 내부에 구비되며 상기 제3 챔버 내에서 유동하는 상기 제1 유체와의 열교환 표면적을 증가시키는 제3 핀구조체를 더 포함하는 증발기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1 핀구조체는 상기 제1 챔버의 내표면에 접하고,

   상기 제2 핀구조체는 상기 제2 챔버의 내표면에 접하며,

   상기 제3 핀구조체는 상기 제3 챔버의 내표면에 접하는 증발기.
7. 제5항에 있어서,

   상기 제1 배관은 상기 제1-1 개구부에 위치한 제1 단부, 및 상기 제3-2 개구 부에 위치한 제2 단부를 구비하는 증발기.
8. 제5항에 있어서,

   제4 챔버, 및 상기 제4 챔버에 대하여 제2 유체의 유입 또는 유출을 허용하는 제4-1 개구부 및 제4-2 개구부를 구비하는 제4 스테이지;

   상기 제2 챔버와 상기 제4 챔버를 연결하며 상기 제3 스테이지를 관통하는 제2 배관; 및

   상기 제4 챔버 내부에 구비되며 상기 제4 챔버 내에서 유동하는 상기 제2 유체와의 열교환 표면적을 증가시키는 제4 핀구조체를 더 포함하는 증발기.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제1 핀구조체는 상기 제1 챔버의 내표면에 접하고,

   상기 제2 핀구조체는 상기 제2 챔버의 내표면에 접하며,

   상기 제3 핀구조체는 상기 제3 챔버의 내표면에 접하며,

   상기 제4 핀구조체는 상기 제4 챔버의 내표면에 접하는 증발기.
10. 제8항에 있어서,

    상기 제1 배관은 상기 제1-1 개구부에 위치한 제1 단부, 및 상기 제3-2 개구부에 위치한 제2 단부를 구비하고,

    상기 제2 배관은 상기 제2-2 개구부에 위치한 제1 단부, 및 상기 제4-1 개구 부에 위치한 제2 단부를 구비하는 증발기.
11. 제10항에 있어서,

    상기 제1 유체는 열원부로부터 나오는 배기가스를 포함하고,

    상기 제2 유체는 연료 또는 물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 증발기.
12. 제8항에 있어서,

    상기 각 제1, 제2, 제3, 및 제4 핀 구조체는,

    제1 주기를 갖고 제1 방향으로 연장하는 제1 물결 모양의 복수의 제1 핀들; 및

    상기 제1 주기와 반주기 어긋나는 제2 주기를 갖고 상기 제1 방향으로 연장하며 상기 인접한 두 제1 핀들 사이에 게재되도록 상기 제1 핀들과 번갈아 배치되는 복수의 제2 핀들을 포함하는 증발기.
13. 제8항에 있어서,

    상기 각 제1, 제2, 제3, 및 제4 핀구조체는 금속성 부재로 이루어지는 증발기.
14. 제8항에 있어서,

    상기 제2 핀구조체와 상기 제4 핀구조체는 상기 제3 핀구조체와 상기 제1 핀 구조체로부터 전달되는 열 에너지로 액상의 상기 제2 유체를 기상으로 변환하는 증발기.
15. 제1 유체가 유입되는 제1 유입구, 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유출구를 구비하는 제1 스테이지;

    상기 제1 스테이지 내에 구비되는 제1 핀구조체;

    제2 유체가 유입되는 제2 유입구, 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유출구를 구비하는 제2 스테이지;

    상기 제2 스테이지 내에 구비되는 제2 핀구조체;

    상기 제1 유체가 유입되는 제3 유입구, 및 상기 제1 유체가 유출되는 제3 유출구를 구비하는 제3 스테이지;

    상기 제3 스테이지 내에 구비되는 제3 핀구조체;

    상기 제1 스테이지와 상기 제3 스테이지를 연결하며 상기 제2 스테이지를 관통하는 제1 배관;

    상기 제2 유체가 유입되는 제4 유입구, 및 상기 제2 유체가 유출되는 제4 유출구를 구비하는 제4 스테이지;

    상기 제4 스테이지 내에 구비되는 제4 핀구조체; 및

    상기 제2 스테이지와 상기 제4 스테이지를 연결하며 상기 제3 스테이지를 관통하는 제2 배관을 포함하는 연료 개질기용 증발기.
16. 제15항에 있어서,

    상기 제1 핀구조체는 상기 제1 스테이지의 내표면에 접하고,

    상기 제2 핀구조체는 상기 제2 스테이지의 내표면에 접하며,

    상기 제3 핀구조체는 상기 제3 스테이지의 내표면에 접하며,

    상기 제4 핀구조체는 상기 제4 스테이지의 내표면에 접하는 증발기.
17. 제15항에 있어서,

    상기 제1 스테이지, 상기 제2 스테이지, 상기 제3 스테이지, 및 상기 제4 스테이지는 하나의 스택으로서 함께 적층되는 증발기.
18. 제15항에 있어서,

    상기 증발기로서 4단 증발기를 포함하는 증발기.
19. 제15항에 있어서,

    상기 제2 핀구조체는 상기 제1 배관에 의해 관통되는 제1 관통홀을 구비하고,

    상기 제3 핀구조체는 상기 제2 배관에 의해 관통되는 제2 관통홀을 구비하며,

    상기 제4 핀구조체는 열원부에서 상기 제3 스테이지로 상기 제1 유체를 공급하기 위한 제3 배관에 의해 관통되는 제3 관통홀을 구비하는 증발기.
20. 제15항에 있어서,

    열원부에서 상기 제3 스테이지로 상기 제1 유체를 공급하는 제3 배관; 및

    기상의 상기 제2 유체를 개질 반응부로 공급하기 위한 제4 배관을 더 포함하는 증발기.
21. 제20항에 있어서,

    상기 제1 배관은 상기 제1 유입구에 위치한 제1 단부, 및 상기 제3 유출구에 위치한 제2 단부를 구비하고,

    상기 제2 배관은 상기 제2 유출구에 위치한 제1 단부, 및 상기 제4 유입구에 위치한 제2 단부를 구비하고,

    상기 제3 배관은 상기 제3 유입구에 위치한 제1 단부, 및 상기 열원부에 연결되는 제2 단부를 구비하고,

    상기 제4 배관은 상기 제4 유출구에 위치한 제1 단부, 및 상기 개질 반응부에 연결되는 제2 단부를 구비하는 증발기.
22. 제21항에 있어서,

    상기 제1 배관은 복수의 배관들을 구비하는 증발기.
23. 제22항에 있어서,

    상기 제4 배관은 복수의 배관들을 구비하는 증발기.
24. 제23항에 있어서,

    상기 제2 핀구조체는 상기 복수의 제1 배관에 의해 관통되는 복수의 제1 관통홀들을 구비하고,

    상기 제3 핀구조체는 상기 제2 배관에 의해 관통되는 제2 관통홀을 구비하며,

    상기 제4 핀구조체는 열원부에서 상기 제3 스테이지로 상기 제1 유체를 공급하는 제3 배관에 의해 관통되는 제3 관통홀을 구비하는 증발기.
25. 제15항에 있어서,

    상기 제1 유체는 열원부로부터 나오는 배기가스를 포함하고,

    상기 제2 유체는 연료 또는 물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 증발기.
26. 제15항에 있어서,

    상기 각 제1, 제2, 제3, 및 제4 핀 구조체는,

    제1 주기를 갖고 제1 방향으로 연장하는 제1 물결 모양의 복수의 제1 핀들; 및

    상기 제1 주기와 반주기 어긋나는 제2 주기를 갖고 상기 제1 방향으로 연장하며 상기 인접한 두 제1 핀들 사이에 게재되도록 상기 제1 핀들과 번갈아 배치되 는 복수의 제2 핀들을 포함하는 증발기.
27. 제15항에 있어서,

    상기 각 제1, 제2, 제3, 및 제4 핀구조체는 금속성 부재로 이루어지는 증발기.
28. 제15항에 있어서,

    상기 제2 핀구조체와 상기 제4 핀구조체는 상기 제3 핀구조체와 상기 제1 핀구조체로부터 전달되는 열 에너지로 액상의 상기 제2 유체를 기상으로 변환하는 증발기.
29. 개질반응부;

    상기 개질반응부에 제2 유체를 공급하는 증발부; 및

    상기 증발부에 제1 유체를 공급하는 열원부를 포함하고,

    상기 증발부는,

    상기 제1 유체가 유입되는 제1 유입구, 및 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유출구를 구비하는 제1 스테이지;

    상기 제1 스테이지 내에 구비되는 제1 핀구조체;

    상기 제2 유체가 유입되는 제2 유입구, 및 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유출구를 구비하며, 상기 제1 스테이지와 함께 하나의 스택으로서 함께 적층되는 제2 스테이지; 및

    상기 제2 스테이지 내에 구비되는 제2 핀구조체를 구비하는 연료 개질기.
30. 제29항에 있어서,

    상기 열원부는 상기 개질반응부에 의해 둘러쌓이고 상기 개질반응부에 열을 공급하며,

    상기 제1 유체는 상기 열원부에서 나오는 배기 가스를 포함하고,

    상기 제2 유체는 연료 및 물 중 적어도 하나를 포함하는 연료 개질기.
31. 제29항에 있어서,

    상기 열원부에 연결되는 제1 단부, 및 상기 증발기에 연결되는 제2 단부를 구비한 제1 배관; 및

    상기 증발기에 연결되는 제1 단부, 및 상기 개질반응부에 연결되는 제2 단부를 구비한 제2 배관을 더 포함하는 연료 개질기.
32. 제29항에 있어서,

    상기 개질반응부에서 개질된 연료를 받는 일산화탄소 저감부를 더 포함하는 연료 개질기.
33. 제29항에 있어서,

    상기 증발기는,

    상기 제1 유체가 유입되는 제3유입구, 및 상기 제1 유체가 유출되는 제3 유출구를 구비하는 제3 스테이지;

    상기 제3 스테이지 내에 구비되는 제3 핀구조체;

    상기 제1 스테이지와 상기 제3 스테이지를 연결하며 상기 제2 스테이지를 관통하는 제1 배관;

    상기 제2 유체가 유입되는 제4 유입구, 및 상기 제2 유체가 유출되는 제4 유출구를 구비하는 제4 스테이지;

    상기 제4 스테이지 내에 구비되는 제4 핀구조체; 및

    상기 제2 스테이지와 상기 제4 스테이지를 연결하며 상기 제3 스테이지를 관통하는 제2 배관을 더 구비하는 연료 개질기.
34. 제33항에 있어서,

    상기 열원부에서 상기 제3 스테이지로 상기 제1 유체를 공급하는 제3 배관; 및

    상기 개질반응부에 기상의 상기 제2 유체를 공급하는 제4 배관을 더 포함하는 연료 개질기.
35. 제29항에 있어서,

    상기 제1 핀구조체는 상기 제1 스테이지의 내표면에 접하고,

    상기 제2 핀구조체는 상기 제2 스테이지의 내표면에 접하는 연료 개질기.

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