KR100547668B1 - 자동차 열교환기용 헤더탱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉매의 열교환이 원활이 이루어질 수 있도록 헤더탱크의 내용적을 변환시킨 구조의 자동차 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상호 대향 배치되는 제 1, 2헤더탱크의 내용적이 가감되도록 단차를 형성하여 냉매튜브로 불균일하게 유/출입되는 냉매를 균일하게 순환시킴으로써, 열교환의 상승 효과가 발현되는 구조의 자동차 열교환기용 헤더탱크에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 각 냉매튜브의 전반에 걸쳐 냉매를 균등하게 유입되게 함으로써, 실제 열교환 면적이 극대화되어 열교환기의 성능을 향상시키는데 효과가 있다.

열교환기, 냉매, 헤더, 탱크, 튜브, 전열핀, 자동차, 라디에이터

Description

자동차 열교환기용 헤더탱크{Header-Tank For Heat Exchanger Using In Vehicle}

도 1a은 종래의 자동차 열교환기를 도시한 사시도,

도 1b는 도 1a의 헤더탱크를 도시한 분해사시도,

도 1c는 도 1a에 따른 액상 및 기상 냉매 분포를 도시한 개념도,

도 2a는 제 1실시예에 따른 자동차 열교환기를 도시한 사시도,

도 2b는 도 2a에서 발췌된 본 발명의 제 1헤더탱크를 도시한 분해사시도,

도 3a는 제 2실시예에 따른 자동차 열교환기를 도시한 사시도,

도 3b는 도 3a에서 발췌된 본 발명의 제 2헤더탱크를 도시한 분해사시도,

도 3c는 도 2b 및 3b에 따른 액상 및 기상 냉매 분포를 도시한 개념도,

※ 도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명※

1: 헤더탱크 1a: 헤더

1ab: 튜브홀 1b: 탱크

3: 캡 5: 냉매튜브

7: 전열핀 9: 열교환기

10: 제 1헤더탱크 11: 헤더

11a: 튜브홀 12: 탱크

20: 제 2헤더탱크 30: 단차

100: 자동차 열교환기용 헤더탱크 200: 열교환기

210: 캡 220: 냉매튜브

230: 전열핀 G: 기상

L: 액상

본 발명은 내부로 유입된 냉매의 열교환이 원활이 이루어질 수 있도록 헤더탱크의 내용적을 변환시킨 구조의 자동차 열교환기용 헤더탱크에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상호 대향 배치되는 제 1, 2헤더탱크의 내용적이 가감되도록 단차를 형성하여 다수의 냉매튜브로 불균일하게 유/출입되는 냉매를 균일하게 순환시켜 열교환의 상승 효과가 발현되는 구조의 자동차 열교환기용 헤더탱크에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 열교환기는 공조장치와 엔진냉각수계통에 설치되어 냉매 및 냉각수를 외부공기의 유동을 이용하여 원하는 온도로 변화시키는 역활을 하는데, 이러한 열교환기 중 공조장치에 사용되는 열교환기는 컨덴서, 증발기 및 엔진냉각을 위하여 사용되는 라디에이터가 대표적인 예이다.

상기와 같은 공조장치에 사용되는 에어컨 시스템의 구성을 살펴보면, 냉매를 고온 고압의 가스로 변환하는 압축기와, 고온 고압의 가스를 액화하는 컨덴서와, 수분과 먼지 등을 제거하고 냉방부하에 맞게 필요한 양을 증발기로 공급할 수 있도 록 냉매를 일시 저장하는 리시버드라이어와, 증발기에서 열교환이 용이하도록 저온 저압의 서리와 같은 형태로 만드는 팽창밸브와, 블로워 유니트에 의하여 유입되는 공기와 열교환하여 냉기를 생성하는 증발기로 구성되며, 증발기를 거친 냉매는 다시 압축기로 순환 반복하게 된다.

이러한 열교환기중 응축기와 증발기는 에어컨의 작동에 필요한 냉매를 고온 고압의 상태 또는 저온 저압의 상태에서 주위의 잠열과 열교환하여 냉매를 액화시키거나 증발시켜 냉기를 생성시키게 되고, 라디에이터는 엔진의 실린더를 경유하여 고온화 된 냉각수를 주위의 잠열과 열교환함으로써 저온상태로 변온시키는 역활을 한다.

이하에서는 상기에서 설명된 응축기 및 증발기와 같은 자동차용 열교환기에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 설명하기로 한다.

도 1a은 종래의 자동차 열교환기의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 헤더탱크를 도시한 분해사시도이며, 도 1c는 액상 및 기상 냉매 분포를 도시한 개념도이다. 도 1a, 도 1b 및 도 1c에 도시된 바와 같이, 열교환기(9)는 저온의 냉매를 유입시켜 흡열되는 열로 냉매의 온도를 상승시키기 위한 장치이다.

이러한 열교환기(9)는 상호 대향 배치되는 한쌍의 헤더탱크(1)와, 상기 각 헤더탱크(1)의 양측 개구부에 결합되어 냉매 유로를 밀폐하는 캡(3)과, 상기 각 헤더탱크(1)의 사이에 병렬 결합되는 다수의 냉매튜브(5)와, 상기 각 냉매튜브(5)의 사이에 결합되는 전열핀(7)으로 구성된다.

여기서 헤더탱크(1)는 헤더(1a)와 탱크(1b)로 구성된다. 아울러 헤더(1a)에 는 냉매튜브(5)를 결합시키기 위한 튜브홀(1ab)이 다수 형성되어 구성된다. 이러한 구성은 하부에 배치된 헤더탱크(1)를 통해 냉매를 유입시키고 냉매튜브(5)를 거처 상부에 배치된 헤더탱크(1)로 냉매를 배출시키기 위한 구성이다.

그러나 이러한 구성의 열교환기(9)는 헤더탱크(1)의 내부로 흐르는 냉매가 각각의 냉매튜브(5)로 불규칙하게 유입되는 문제점이 있다. 즉, 내부로 순환되는 냉매는 액상(L)과 기상(G)이 혼합되어 있는 상태로써, 액상(L)의 냉매가 냉매튜브(5)로 불규칙하게 유입될 경우, 기상(G)의 냉매 또한 불규칙하게 유입된다.

이러한 냉매튜브로의 불규칙한 냉매 유입 현상은 아래와 같다.

냉매가 하부에 배치된 헤더탱크(1)를 지나는 경우, 도 3과 같이 자중의 영향 때문에 액상(L) 냉매는 헤더탱크(1)의 하류 영역에서 그 용량이 급격히 집중되는 현상이 발생되고, 이와 반대로 상류 영역에서의 기상(G) 냉매는 감소되는 문제점이 발생된다.

이와 상반되게 액상(L)의 냉매가 감소되는 헤더탱크(1)의 상류 영역에서는 기상(G) 냉매가 증가되고 액상(L) 냉매는 감소되는 현상이 발생된다. 따라서 상류 영역의 해당 냉매튜브로(5)는 액상(L) 냉매의 결핍이 발생되어 열교환되는 성능이 저하되는 문제점이 발생되었다.

따라서 본원발명에서는 이러한 문제점을 감안하여 각 냉매튜브(5)의 전반에 걸쳐 액상(L) 및 기상(G)의 냉매가 균일하게 순환될 수 있는 구조의 자동차 열교환기용 헤더탱크를 개발하기에 이르렀다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은, 내부로 유입된 냉매의 열교환이 원활이 이루어질 수 있도록 헤더탱크의 내용적을 변환시킨 구조의 자동차 열교환기용 헤더탱크를 제공하는 것이며, 더 나아가 또 다른 목적은, 상호 대향 배치되는 제 1, 2헤더탱크의 내용적이 가감되도록 단차를 형성하여 냉매튜브로 불균일하게 유/출입되는 냉매를 균일하게 순환시켜 열교환의 상승 효과가 발현되는 구조의 자동차 열교환기용 헤더탱크를 제공하는 것이다.

그러므로 본 발명의 목적들은, 상호 대향 배치되어 내부 유로를 형성하는 한쌍의 제 1, 2헤더탱크와, 상기 각 헤더탱크의 양측 개구부에 결합되어 냉매 유로를 밀폐하는 캡과, 상기 각 헤더탱크의 사이에 병렬 결합되는 다수의 냉매튜브와, 상기 각 냉매튜브의 사이에 결합되는 전열핀으로 구성되는 열교환기에 있어서,

상기 제 1, 2헤더탱크는 길이방향을 따라 냉매튜브를 병렬 결합할 수 있도록 다수의 튜브홀이 형성되는 헤더와, 상기 헤더에 형상적으로 대응되어 결합되는 탱크로 분리 구성되고,

상기 제 1헤더탱크의 탱크는 냉매의 순환방향을 따라 내용적이 감소하도록 적어도 2개 이상의 단차를 형성하는 것을 특징으로 하는 자동차 열교환기용 헤더탱크에 의해서 달성된다.

아울러 상호 대향 배치되어 내부 유로를 형성하는 한쌍의 제 1, 2헤더탱크와, 상기 각 헤더탱크의 양측 개구부에 결합되어 냉매 유로를 밀폐하는 캡과, 상기 각 헤더탱크의 사이에 병렬 결합되는 다수의 냉매튜브와, 상기 각 냉매튜브의 사이에 결합되는 전열핀으로 구성되는 열교환기에 있어서,

상기 제 1, 2헤더탱크는 길이방향을 따라 냉매튜브를 병렬 결합할 수 있도록 다수의 튜브홀이 형성되는 헤더와, 상기 헤더에 형상적으로 대응되어 결합되는 탱크로 분리 구성되고,

상기 각 탱크는 내용적이 가감되도록 적어도 2개 이상의 단차를 형성하는 것을 특징으로 하는 자동차 열교환기용 헤더탱크에 의해서 달성된다.

이하에서는 본 발명에 따른 자동차 열교환기용 헤더탱크에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

도 2a는 제 1실시예에 따른 자동차 열교환기의 사시도이며, 도 2b는 도 2a에서 발췌된 본 발명의 제 1헤더탱크를 도시한 분해사시도이다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 자동차 열교환기용 헤더탱크(100)는 열교환기(200)의 내부로 유입된 냉매의 열교환이 원활이 이루어질 수 있도록 냉매의 유동방향을 따라 내용적을 가감시킨 구조이다.

이러한 구조의 본원발명이 포함된 자동차 열교환기(200)는 크게 4부분으로 구성되는데, 이는 상호 대향 배치되어 내부 유로를 형성하는 한쌍의 제 1, 2헤더탱크(10,20)와, 상기 각 헤더탱크(10,20)의 양측 개구부에 결합되어 냉매 유로를 밀폐하는 캡(210)과, 상기 각 헤더탱크(10,20)의 사이에 병렬 결합되는 다수의 냉매튜브(220)와, 상기 각 냉매튜브(220)의 사이에 결합되는 전열핀(230)으로 구성된 다.

여기서 각 헤더탱크(10,20) 중 하부에 배치된 것이 제 1헤더탱크(10)이고, 제 1헤더탱크(10)의 상부 즉, 제 1헤더탱크(10)에 대해 수직한 방향으로 이격되어 상부에 배치된 것이 제 2헤더탱크(20)이다.

이러한 각 헤더탱크(10,20)는 내부로 냉매가 유/출입 될 수 있도록 내부 유로가 형성된 중공의 형상을 취하는데, 이는 각 헤더탱크(10,20)가 헤더(11)와 탱크(12)로 분리 구성되어 가능하다.

이 때 상기 각 헤더탱크(10,20)는 조립성과 생산성을 확보하기 위해 선택적으로 헤더(11)와 탱크(12)를 일체로 구성할 수 있음은 물론이다.

아울러 각 헤더(11)에는 냉매튜브(220)를 결합시킬 수 있도록 다수의 튜브홀(11a)이 형성되는데, 이러한 튜브홀(11a)은 헤더(11)의 폭방향으로 형성되어 길이방향을 따라 소정간격을 두고 다수 형성되어 구성된다.

한편 제 1헤더탱크(10)의 탱크(12)는 냉매의 유동방향을 따라 내용적이 감소하도록 2개의 단차(30)가 형성된 구조이다. 이러한 구조의 탱크(12)를 측부에서 보았을 경우, 하부 높이가 줄어드는 계단형상을 취한다. 아울러 탱크(12)의 내부에서 보았을 경우에는 그 깊이가 점차 줄어드는 형상이다.

이는 제 1헤더탱크(10)의 내용적을 감소시켜 냉매의 유동방향으로 갈수록 속도수두는 높이고 압력수두는 낮추기 위함이다. 그러나 이 때 제 1헤더탱크(10)는 밀폐되어 있기 때문에 속도수두와 함께 압력수두도 동시에 높아질 수 있는 구조가 마련된다.

이와 같은 구조는 냉매의 유동방향으로 갈수록 제 1헤더탱크(10)의 내용적을 점차 줄어들게 하여 유입되는 액상(L) 냉매가 냉매튜브(220) 속으로 균등하게 유입되게 하기 위함이다.

이를 상세히 설명하면, 제 1헤더탱크(10)의 내용적의 감소는 상대적으로 액상(L) 냉매가 몰릴 수 있는 영역을 줄어들게 하여 액상(L) 냉매가 각각의 냉매튜브(220) 속으로 균등하게 유입될 수 있도록 하는 것이다.

이 때 조건은 냉매가 제 1헤더탱크(10)로 유입되어 제 2헤더탱크(20)로 유출되는 수직상향 유동방향인 것이 요구된다.

도 3a는 제 2실시예에 따른 자동차 열교환기의 사시도이며, 도 3b는 도 3a에서 발췌된 본 발명의 제 2헤더탱크를 도시한 분해사시도이다. 도 3a 및 도 3b와 같이, 제 1헤더탱크(10)의 탱크(12)는 냉매의 유동방향을 따라 내용적이 감소될 수 있도록 2개의 단차(30)가 형성된 구조이고, 이와 반대로 제 2헤더탱크(20)의 탱크(12)는 냉매의 유동방향을 따라 내용적이 증가되도록 2개의 단차(30)가 형성된 구조이다.

이는 제 2헤더탱크(20)의 내용적을 냉매의 유동방향을 따라 점차 증가시켜 냉매의 유동방향으로 갈수록 속도수두는 낮추고 압력수두는 높이 위함이다. 때문에 제 2헤더탱크(20)의 출구 표면 온도가 균일화될 수 있는 구조가 마련될 수 있다.

도 3c는 도 2b 및 3b에 따른 액상 및 기상 냉매 분포를 도시한 개념도이다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 제 1헤더탱크(10)로 유입되는 냉매 중 액상(L)은 자중에 의해 높이가 낮은 곳으로 유동되는 경향을 가지게 된다. 하지만 제 1헤더탱크(10)의 내용적에 의해 상대적으로 냉매 상류측은 저압으로 그 반대측은 고압으로 유지된다.

그래서 액상(L) 냉매는 제 1헤더탱크(10) 내부의 압력차와 중력에 의해 균등하게 분배되어 냉매튜브(220)로 고루 유입된다.

때문에 냉매튜브(220)에 기상(G)과 액상(L) 냉매가 균등하게 유입되어 전열 핀(230)을 통한 열교환 면적이 극대화되어 최상의 조건에서 열교환이 이루어진다.

이상에서와 같이 본 발명의 자동차 열교환기용 헤더탱크(100)는 각 탱크(12)의 내용적이 감소되도록 실시예로 2개의 단차(30)를 형성하였지만, 각 헤더탱크(10,20)의 크기 또는 냉매의 용량에 따라 단차(30)를 다수개(예를 들어 3, 4, 5, 6, 7개) 형성하여 구성할 수 있다.

아울러 본 발명은 증발기를 예시하여 설명되었지만, 응축기에도 응용하여 사용할 수 있음은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차 열교환기용 헤더탱크는 각 냉매튜브의 전반에 걸쳐 냉매를 균등하게 유입되게 함으로써, 실제 열교환 면적이 극대화되어 열교환기의 성능을 향상시키는데 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (6)

1. 상호 대향 배치되어 내부 유로를 형성하는 한쌍의 제 1, 2헤더탱크(10,20)와, 상기 각 헤더탱크(10,20)의 양측 개구부에 결합되어 냉매 유로를 밀폐하는 캡(210)과, 상기 각 헤더탱크(10,20)의 사이에 병렬 결합되는 다수의 냉매튜브(220)와, 상기 각 냉매튜브(220)의 사이에 결합되는 전열핀(230)을 포함하는 열교환기(200)에 있어서,

   상기 제 1, 2헤더탱크(10,20)는 길이방향을 따라 냉매튜브(220)를 병렬 결합할 수 있도록 다수의 튜브홀(11a)이 형성되는 헤더(11)와, 상기 헤더(11)에 형상적으로 대응되어 결합되는 탱크(12)로 분리 구성되고,

   상기 제 1헤더탱크(10)의 탱크(12)는 냉매의 순환방향을 따라 내용적이 감소하도록 적어도 2개 이상의 단차(30)를 형성하는 것을 특징으로 하는 자동차 열교환기용 헤더탱크.
2. 상호 대향 배치되어 내부 유로를 형성하는 한쌍의 제 1, 2헤더탱크(10,20)와, 상기 각 헤더탱크(10,20)의 양측 개구부에 결합되어 냉매 유로를 밀폐하는 캡(210)과, 상기 각 헤더탱크(10,20)의 사이에 병렬 결합되는 다수의 냉매튜브(220)와, 상기 각 냉매튜브(220)의 사이에 결합되는 전열핀(230)을 포함하는 열교환기(200)에 있어서,

   상기 제 1, 2헤더탱크(10,20)는 길이방향을 따라 냉매튜브(220)를 병렬 결합 할 수 있도록 다수의 튜브홀(11a)이 형성되는 헤더(11)와, 상기 헤더(11)에 형상적으로 대응되어 결합되는 탱크(12)로 분리 구성되고,

   상기 각 탱크(12)는 내용적이 가감되도록 적어도 2개 이상의 단차(30)를 형성하는 것을 특징으로 하는 자동차 열교환기용 헤더탱크.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 제 1, 2헤더탱크(10,20)는 헤더(11)와 탱크(12)가 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 자동차 열교환기용 헤더탱크.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 냉매의 유동방향은 제 1헤더탱크(10)로 유입되어 제 2헤더탱크(20)로 유출되는 수직상향 유동방향인 것을 특징으로 하는 자동차 열교환기용 헤더탱크.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2헤더탱크(20)의 탱크(12)는 냉매의 유동방향을 따라 내용적이 증가하는 것을 특징으로 하는 자동차 열교환기용 헤더탱크.

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