KR100666927B1 - 헤더형 열교환기 - Google Patents

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KR100666927B1
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석경수
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Abstract

본 발명은, 그 내부에 냉매유로가 형성된 다수의 편평한 튜브가 서로 일정한 간격을 유지하게 배열되고, 상기 인접하는 튜브 사이에는 열교환을 용이하게 하는 주름핀이 배설되며, 상기 각 튜브의 양단부에는 관형헤더가 상기 튜브에 연통되게 접속되는 헤더형 열교환기에 있어서, 상기 관형헤더(6)(8)에서 상기 튜브(2)가 삽입되는 측의 외주면에는 관형헤더에 밀착하며 상기 튜브가 삽입되는 슬릿홈이 형성된 제1보강 플레이트(10)가 밀착 결합되고, 상기 관형헤더에서 상기 튜브가 삽입되는 반대측 내주면에는 상기 관형헤더에 밀착하는 제2보강플레이트(11)가 결합되어 있으므로, 관형헤드의 내압성을 충분히 확보하여 이산화탄소를 냉매로 사용할 수 있으며 유체의 편류를 방지하며 튜브의 조립성을 높이는 효과가 있다.

Description

헤더형 열교환기{heat exchanger of header type}
도1은 본 발명이 적용되는 헤더 열교환기의 일예(가스냉각기, 응축기)를 나타내는 입면도,
도2는 관형헤더와 튜브가 연결되는 부위를 나타내는 일부 단면도(제1실시예),
도3은 도2에서 화살표 A-A선에 따른 단면도,
도4는 관형헤더와 튜브가 연결되는 부위를 나타내는 일부 단면도(제2실시예),
도5는 도4에서 화살표 B-B선에 따른 단면도,
도6은 관형헤더와 튜브가 연결되는 부위를 나타내는 일부 단면도(제3실시예),
도7은 도6에서 화살표 C-C선에 따는 단면도,
도8은 본 발명이 적용되는 헤더 열교환기의 다른 예(증발기)를 나타내는 입면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
2 : 튜브 4 : 주름핀
6, 8 : 관형헤더 10 : 제1보강 플레이트
11 : 제2보강 플레이트
본 발명은 헤더형 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 헤더형 열교환기의 관형헤더에 관한 것이다.
일반적으로 헤더형 열교환기는, 그 내부에 냉매유로가 형성된 다수의 편평한 튜브가 서로 일정한 간격을 유지하게 배열되고, 상기 인접하는 튜브 사이에는 열교환을 용이하게 하는 주름핀이 배설되며, 상기 각 튜브의 양단부에는 관형헤더가 상기 튜브에 연통되게 접속되는 구조로 되어 있다.
이러한 헤더형 열교환기는 냉동사이클 상의 방열부(응축기 또는 가스냉각기) 또는 흡열부(증발기)에 적용되는데, 이산화탄소(CO2)등의 낮은 임계점을 갖는 냉매가 사용될 경우, 이산화탄소는 냉동사이클 상에서 방열부(가스냉각기)는 작동압력이 임계점보다 높은 영역에 있으며 높은 성능을 위해서 100 ㎏f/㎠ 이상이 될 수 있고, 흡열부(증발기)는 0℃ 증발온도를 기준으로 할 때 35.5 ㎏f/㎠ 이므로 기존의 냉매를 사용하는 열교환기에 비해 고압에 견딜 수 있도록 하기 위해 관형헤더의 두께를 증가시킨다.
특히, 이산화탄소를 냉매로 사용하는 열교환기로서 멀티플로우(multi-flow) 형이라고 칭하는 열교환기가 주로 사용되는데, 관형헤더는 원형류의 압출/인발 가 공된 일체형 관형헤더, 2조각 또는 그 이상의 조각(헤더플레이트와 헤더커버)이 결합하여 관형헤더를 이루는 분할형 관형헤더도 사용된다.
한편, 일본특허공개 제2003-130584호에 개시된 바와 같이 관형헤더의 내압성을 높이기 위해 프레스 가공된 판형의 양면 크래드소재를 관형헤더의 튜브의 삽입부측에 덧붙여서 관형헤더와 튜브의 브레이징을 원활하게 하면서 관형헤더의 내압성을 어느 정도 높이기도 한다.
그런데, 종래 관형헤더의 두께를 증가시켜서 내압성을 확보하는 구조는 열교환기의 단위체적당 무게가 증가하게 된다. 따라서 자동차와 같은 운송장치는 효율(연비)이 무게에 민감하므로 전체 냉동시스템의 무게 증가로 인해 연료의 사용량을 증가시켜서 효율을 저하시키며, 같은 부피의 열교환기를 제조하기 위해서 더 많은 재료가 소비되므로 제품의 가격이 상승하게 된다는 문제점이 있었다.
그리고, 관형헤더의 튜브 삽입부측에 크래드 소재를 사용하여 내압성을 확보하는 구조는, 튜브 삽입부측은 크래드 소재에 의해 브레이징되므로 어느정도 내압성이 확보되지만, 조립성이 나쁘고 관형헤더의 튜브 삽입부의 반대측 부분의 내압성이 낮아 관형헤더가 파손될 우려가 있다는 문제점이 있었다.
또한, 이산화탄소를 냉매로 사용하는 열교환기에서 분할형 관형헤더일 경우에는 2개의 조각(헤더플레이트와 헤더커버)이 접합하여 관형헤더를 이루므로 접합강도를 충분히 얻을 수가 없으므로 관형헤더의 내압강도를 충분히 확보할 수 없다는 문제점이 있었다. 이때, 관형헤더내에 냉매유통로의 통로 단면적을 크게 하여 유로저항을 작게 하려고 할 경우에는 헤더플레이트와 헤더커버 사이의 접합면적이 작아지고, 접합강도가 낮아져서 더욱 내압성의 저하를 초래하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 관형헤드의 내압성을 충분히 확보하여 이산화탄소를 냉매로 사용할 수 있으며 유체의 편류를 방지하며 튜브의 조립성을 높이는 헤더형 열교환기를 제공하는데 있다.
본 발명에 의한 헤더형 열교환기는, 그 내부에 냉매유로가 형성된 다수의 편평한 튜브가 서로 일정한 간격을 유지하게 배열되고, 상기 인접하는 튜브 사이에는 열교환을 용이하게 하는 주름핀이 배설되며, 상기 각 튜브의 양단부에는 관형헤더가 상기 튜브에 연통되게 접속되는 헤더형 열교환기에 있어서, 상기 관형헤더에서 상기 튜브가 삽입되는 측의 외주면에는 관형헤더에 밀착하며 상기 튜브가 삽입되는 슬릿홈이 형성된 제1보강 플레이트가 밀착 결합되고, 상기 관형헤더에서 상기 튜브가 삽입되는 반대측 내주면에는 상기 관형헤더에 밀착하는 제2보강플레이트가 밀착 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 제1보강 플레이트와 제2보강 플레이트는 상기 관형헤더에 밀착하여 용착되는 알루미늄합금의 크래드재로 되어 있다.
상기 관형헤더는 두 개의 파이프가 병렬로 배치되고, 상기 파이프에는 상기 튜브가 각각 연통되게 접속되며, 상기 파이프에서 상기 튜브가 삽입되는 측의 외주면에는 상기 파이프를 보강하면서 상기 두 개의 파이프를 연결하며 상기 튜브가 삽 입되는 슬릿홈이 형성된 제1보강 플레이트가 밀착 결합되고, 상기 파이프에서 상기 튜브가 삽입되는 반대측 각 내주면에는 상기 파이프를 보강하는 제2보강 플레이트가 밀착 결합되어 있는 구조로 구성될 수도 있다.
상기 제1, 제2보강 플레이트는 상기 관형헤더의 원주를 따라 원주면의 절반 이상을 덮고 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1은 본 발명이 적용되는 헤더 열교환기의 일예로서 가스냉각기 또는 응축기로 사용되는 열교환기를 나타낸다. 도시한 바와 같이, 그 내부에 냉매유로가 형성된 다수의 편평한 튜브(2)가 서로 일정한 간격을 유지하면서 적층되게 배열되고, 상기 인접하는 튜브(2) 사이에는 열교환을 용이하게 하는 주름핀(4)이 배설되며, 상기 각 튜브(2)의 양단부에는 관형헤더(6, 8)가 상기 튜브(2)에 연통되게 접속되어 있으며, 상기 관형헤더(6, 8)에서 상기 튜브(2)가 삽입되는 측의 외주면에는 상기 관형헤더(6, 8)에 밀착하여 감싸는 제1보강플레이트(10)가 브레이징 결합되어 있으며, 상기 배열되는 튜브(2)의 처음과 마지막에는 엔드 플레이트(12)가 상기 주름핀(4)에 용착되어 배설된다. 그리고, 상기 관형헤더(6, 8)에서 상기 튜브(2)가 삽입되는 반대측 내주면에는 상기 관형헤더(6, 8)에 밀착하는 제2보강플레이트(도2 및 도3에 도시)가 브레이징 결합되어 있다.
가스 냉각기 또는 응축기로 사용되는 상기 헤더형 열교환기는 상기 관형헤더(6, 8)가 좌, 우측에 수직방향으로 각각 위치하게 되며, 양측의 관형헤더(6, 8)에는 냉매 출입구(14, 16)가 각각 형성된다.
도2는 관형헤더와 튜브가 연결되는 부위를 나타내는 일부 단면도이고, 도3은 도2에서 화살표 A-A선에 따른 단면도이다(제1실시예). 도시한 바와 같이, 상기 관형헤더(6, 8)에서 상기 튜브(2)가 삽입되는 측의 외주면 및 상기 튜브(2)가 삽입되는 반대측 내주면에 밀착하여 브레이징 결합된 상기 제1, 제2보강 플레이트(10)(11)는 상기 관형헤더(6, 8)의 원주를 따라 외주면 또는 내주면의 절반 이상을 덮고 있다.
상기 제1, 제2보강 플레이트(10)(11)는 알루미늄합금의 클래드(Clad)재로 이루어져 상기 관형헤더(6, 8)에 용착되어 있다. 상기 관형헤더(6, 8)도 알루미늄 합금재로 되어 있다. 상기 제1보강 플레이트(10)에는 상기 튜브(2)가 삽입되는 슬릿홈이 상기 관형헤더(6, 8)의 슬릿홈에 연통하여 형성되어 있다.
도4는 본 발명의 다른 실시예(제2실시예)로서, 관형헤더와 튜브가 연결되는 부위를 나타내는 일부단면도이고, 도5는 도4에서 화살표 B-B선에 따른 단면도이다. 도시한 바와 같이, 본 실시예(제2실시예)에서, 관형헤더(106, 108)는 두 개의 파이프(P1, P2)가 병렬로 배치되고, 상기 파이프(P1, P2)의 외주면에는 상기 튜브(102)가 각각 연통되게 접속되며, 상기 파이프(P1, P2)에서 상기 튜브(102)가 삽입되는 측의 외주면에는 상기 파이프(P1, P2)를 보강하면서 상기 두 개의 파이프(P1, P2)를 연결하는 제1보강플레이트(110)가 밀착하여 결합되어 있고, 상기 파이프(P1, P2)에서 상기 튜브(102)가 삽입되는 반대측 각 내주면에는 상기 파이프를 각각 보강하는 제2보강 플레이트(111)(111)가 브레이징 결합되어 있다.
상기 제1보강 플레이트(110)는 상기 관형헤더(106, 108)의 원주를 따라 외주 면의 절반 이상을 덮고 있는데, 그 중간은 두 개의 파이프(P1, P2)의 인접하는 공간으로 잘록하게 들어간 형상이다. 그리고, 상기 제2보강 플레이트(111)는 각각의 파이프(P1, P2) 내주면에 원주를 따라 밀착하여 내주면의 절반 이상을 덮고 있다.
상기 제1, 제2보강 플레이트(110)(111)는 알루미늄합금의 클래드(Clad)재로 이루어져 상기 관형헤더(106, 108)에 용착되어 있다. 상기 관형헤더(106, 108)도 알루미늄 합금재로 되어 있다. 상기 제1보강 플레이트(110)에는 상기 튜브(102)가 삽입되는 슬릿홈이 상기 관형헤더(106, 108)의 슬릿홈에 연통하여 형성되어 있다.도면에서 미설명부호 104는 주름핀을 나타낸다.
도6는 본 발명의 또 다른 실시예(제3실시예)로서, 관형헤더와 튜브가 연결되는 부위를 나타내는 일부단면도이고, 도7는 도6에서 화살표 C-C선에 따른 단면도이다. 본 실시예(제3실시예)는 두 개의 파이프(P1, P2)가 소정의 간격으로 떨어져 병렬로 배치된 형상으로서, 제1보강 플레이트(210)의 잘록부의 내면이 평탄하게 절단되고, 제1보강 플레이트(210)는 상기 관형헤더(206, 208)의 원주를 따라 외주면의 절반 이상까지 덮여 있다. 튜브(202), 주름핀(204), 관형헤더(206, 208) 및 제2보강 플레이트(211)는 본 발명의 제2실시예(도4 및 도5)와 유사하다.
도8은 본 발명이 적용되는 헤더 열교환기의 다른 예로서 증발기로 사용되는 열교환기를 나타낸다. 도시한 바와 같이, 그 내부에 냉매유로가 형성된 다수의 편평한 튜브(32)가 서로 일정한 간격을 유지하게 배열되고, 상기 인접하는 튜브(32) 사이에는 열교환을 용이하게 하는 주름핀(34)이 배설되며, 상기 각 튜브(32)의 양단부에는 관형헤더(36, 38)가 상기 튜브(32)에 연통되게 접속되어 있으며, 상기 관 형헤더(36, 38)에서 상기 튜브(32)가 삽입되는 측의 외주면에는 상기 관형헤더(36, 38)에 밀착하여 감싸는 제1보강플레이트(40, 41)가 결합되어 있으며, 상기 관형헤더(36, 38)에서 상기 튜브(32)가 삽입되는 반대측 내주면에는 상기 관형헤더(36, 38)의 내주면에 밀착하여 블레이징되는 도시하지 않는 제2보강플레이트가 결합되어 있다. 상기 제1보강 플레이트(40, 41)에는 상기 튜브(32)가 삽입되는 슬릿홈이 상기 관형헤더(36, 38)의 슬릿홈에 연통하여 형성되어 있다.
그리고, 상기 배열되는 튜브(32)의 처음과 마지막에는 엔드 플레이트(42)가 상기 주름핀(34)에 용착되어 배설된다.
증발기로 사용되는 상기 헤더형 열교환기는 상기 관형헤더(36, 38)가 상,하측에 수평방향으로 각각 위치하게 되며, 상측에 위치하는 관형헤더(36)에는 냉매 출입구(44, 46)가 각각 형성된다.
본 발명에 의한 헤더형 열교환기에 의하면, 내압강도 확보를 위해 관형헤더의 두께 전체를 두껍게 할 필요가 없으므로 헤더의 중량증가 없이 충분한 경량성이 확보되므로 열교환기의 효율 및 제조비용을 절감할 수 있다.
그리고, 관형헤더에서 튜브가 삽입되는 측의 외주면 및 반대측 내주면을 보강플레이트로 보강하므로, 튜브를 조립하기가 용이하고 관형헤더의 충분한 내압강도를 얻을 수 있고, 냉매의 유로단면적을 크게 확보하여 유로저항을 감소시킬 수 있으므로 열교환성능을 향상시킬 수 있으며, 내압성을 확보하면서 길이방향에 있어서의 유체의 편류를 방지할 수 있다.
또한, 두 개의 파이프가 병렬로 배치되어 관형헤더를 이룬 구조에서는 보강플레이트에 의해 파이프의 위치결정을 용이하게 하고 파이프의 접속작업을 용이하게 한다는 효과가 있다.
이와 같은 헤더형 열교환기는 특히 이산화탄소를 냉매로 사용하는 열교환기에 적용될 경우에 관형헤더의 내압성이 높아져, 작동시에 냉매압력에 의해 파열사고가 생긴다고 하여도 튜브가 먼저 파열되므로 각 튜브는 관형헤더보다 내용적이 작으므로 파열의 규모가 적게 되어, 차량승객에 대한 파열시의 영향과 피해를 최소한으로 억제하는 것이 가능하다. 즉, 관형헤더의 내측(튜브 삽입부의 반대측) 및 관형헤더의 외측(튜브 삽입부측)의 내압강도가 튜브의 내압강도보다 크므로, 냉매압력에 의해 파열사고가 생긴다고 해도 튜브가 가장 먼저 파열되므로 파열 피해를 최소화하는 것이다.

Claims (4)

  1. 그 내부에 냉매유로가 형성된 다수의 편평한 튜브가 서로 일정한 간격을 유지하게 배열되고, 상기 인접하는 튜브 사이에는 열교환을 용이하게 하는 주름핀이 배설되며, 상기 각 튜브의 양단부에는 관형헤더가 상기 튜브에 연통되게 접속되는 헤더형 열교환기에 있어서,
    상기 관형헤더에서 상기 튜브가 삽입되는 측의 외주면에는 관형헤더에 밀착하며 상기 튜브가 삽입되는 슬릿홈이 형성된 제1보강 플레이트가 밀착 결합되고,
    상기 관형헤더에서 상기 튜브가 삽입되는 반대측 내주면에는 상기 관형헤더에 밀착하는 제2보강플레이트가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 헤더형 열교환기.
  2. 그 내부에 냉매유로가 형성된 다수의 편평한 튜브가 서로 일정한 간격을 유지하게 배열되고, 상기 인접하는 튜브 사이에는 열교환을 용이하게 하는 주름핀이 배설되며, 상기 각 튜브의 양단부에는 관형헤더가 상기 튜브에 연통되게 접속되는 헤더형 열교환기에 있어서,
    상기 관형헤더는 두 개의 파이프가 병렬로 배치되고, 상기 파이프에는 상기 튜브가 각각 연통되게 접속되며,
    상기 파이프에서 상기 튜브가 삽입되는 측의 외주면에는 상기 파이프를 보강하면서 상기 두 개의 파이프를 연결하며 상기 튜브가 삽입되는 슬릿홈이 형성된 제 1보강 플레이트가 밀착 결합되고,
    상기 파이프에서 상기 튜브가 삽입되는 반대측 각 내주면에는 상기 파이프를 보강하는 제2보강 플레이트가 밀착 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 헤더형 열교환기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1, 제2보강 플레이트는 상기 관형헤더에 밀착하여 용착되는 알루미늄합금의 크래드재로 되어 있는 것을 특징으로 하는 헤더형 열교환기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1, 제2보강 플레이트는 상기 관형헤더의 원주를 따라 외주면 또는 내주면의 절반 이상을 덮고 있는 것을 특징으로 하는 헤더형 열교환기.
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