KR100742694B1 - 내고압성 열교환기와 이를 채용한 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내고압성 열교환기와 이를 채용한 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 내고압성 열교환기는 그 길이방향의 일단에서 타단까지 관통되는 유로가 소정간격을 두고 다수개로 형성되는 한쌍의 헤드부; 상기 한쌍의 헤드부에 양단이 각각 기밀하게 결합되되, 그 내부에는 다수개의 유동홀이 형성된 다수개의 튜브; 및 상기 다수개의 튜브 사이에 위치되는 핀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 내고압성 열교환기는 별도의 공정없이 최소한의 프레스 공정, 압출공정, 절단공정 및 브레이징을 통하여 작업이 간편하도록 하고, 기존 제조 공정의 단일화와 제조공정 단축으로 제조원가를 절감하여 생산성을 높이며, 특히 높은 작동압력의 냉매인 이산화탄소의 사용시에도 유체의 흐름이 고르게 분포되게 하여 효율증가와 함께 증발 및 응축에 대한 내압성, 내진성 및 내구성을 향상시키고, 사용자에게 고품질의 내고압성 열교환기를 제공하여 신뢰감을 주는 효과가 있다.

열교환기, 이산화탄소, 냉매, 응축기, 증발기, 헤드, 튜브, 핀, 유로

Description

내고압성 열교환기와 이를 채용한 시스템{Heat exchanger in high pressure resisting property and system to apply the same}

도1은 종래의 열교환기를 보여주는 사시도.

도2는 본 발명에 따른 열교환기의 사시도.

도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기 요부의 일부 분해사시도.

도4는 도3의 결합사시도.

도5는 본 발명의 제1실시예에 따른 다른 각도에서 본 요부의 일부 절개사시도.

도6은 도5의 A-A´선 단면도.

도7은 도5의 B-B´선 단면도.

도8은 본 발명의 제2실시예에 따른 요부의 일부 절개사시도.

도9는 도8의 C-C´선 단면도.

도10은 도8의 D-D´선 단면도.

도11은 본 발명의 제3실시예에 따른 요부의 종단면사시도.

도12는 본 발명의 제3실시예에 따른 요부의 결합상태를 보여주는 횡단면도.

도13은 도12의 다른 유형의 튜브 적용을 보여주는 횡단면도.

도14a는 본 발명에 따른 제1헤드부의 볼록형상을 보여주는 사시도.

도14b는 본 발명에 따른 제1헤드부의 편평형상을 보여주는 사시도.

도14c는 본 발명에 따른 제1헤드부의 오목형상을 보여주는 사시도.

도15는 본 발명의 제4실시예에 따른 요부의 횡단면사시도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 종래 열교환기 20 : 내고압성 열교환기

30 : 튜브 30a : 유동홀

30b : 돌출부 40 : 핀

50 : 헤드부 60 : 제1헤드부

60a,70d : 결합홈 60c : 보강부

61 : 주벽 62 : 유로구획벽

63 : 유로 64 : 연장벽

70 : 제2헤드부 70a : 스토퍼

70b : 결합부 70c : 분배부

70e : 돌기 75 : 홈

80 : 캡 90 : 유입부

95 : 유출부

본 발명은 내부에 흐르는 냉각수나 냉매같은 유체를 열교환시키는 열교환기와 이를 채용한 시스템에 관한 것으로, 유체 중 특히 높은 작동압력의 냉매인 이산화탄소를 사용시에도 유체의 흐름이 원활하게 이루어지게 하고 고압에 견디게 하여 증발 및 응축에 대한 내압성, 내진성 및 내구성을 향상시키며, 되도록 적은 공정을 거쳐 제작될 수 있는 구조를 제공하여 제조원가를 절감하고 생산성을 높이는 내고압성 열교환기와 이를 적용한 시스템에 관한 것이다.

보통, 열교환기는 목적에 따라 유체인 냉매를 내부에 흐르게 하여 외부와 열교환하여 기화시킴으로써 냉기가 생성되는 증발기와 유체를 내부에 흐르게 하여 외부와 열교환하여 액화시켜 온기가 생성되는 응축기로 나뉜다.

이러한 열교환기는 가스쿨러를 포함하는 운송수단인 자동차용이나 일반 가전용의 공기조화기용 및 냉동기용으로 수요가 많다.

도1은 일반적인 열교환기(10)를 나타낸 것으로, 이와 같은 열교환기에 있어서 냉매가 유입되고 튜브로 분배하며 다시 외부로 유출되도록 하는 원기둥 형태의 헤더탱크가 구비된다.

이러한 열교환기의 냉매는 암모니아(NH3), CFC계, HCFC계, HFC계, 탄산가스(CO2), 부탄(butane, C4H10), 에탄(ethane, C2H6), 프로판(propane, C3H3) 등 여러가지가 이용되고 있는데, 이 CFC계는 흔히, 프레온가스라 불리는 염화불화탄소로 지구온난화와 함께 오존층을 파괴하는 주범이고, 전세계는 협약에 의하여 전면 사용금지되었으며, 대체물질로 오존층을 파괴하지 않는 HFC계가 사용되는데, 이 또한 지구온난화 지수가 1인 이산화탄소(CO₂)보다 훨씬 높은 1300으로 방출을 억제하고, 현재는 단계적으로 그 사용량을 줄여야 하는 상황이다. 이런 현실에서 기존 냉매의 대체물질로 오존층의 파괴가 없고, 무독성 및 불연성을 가지며, 가격이 싸고, 지구온난화 지수가 1로 매우 낮은 친환경의 이산화탄소(CO₂)가 각광받으면서 열교환기에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이 이산화탄소는 단위 체적당 작동 압력이 기존 냉매에 비해 6~10배 정도로 매우 높아 그에 따른 고압에 견디는 하우징설계와 제조기술이 필요하다.

도1에서와 같이 일반적인 열교환기의 헤더탱크에 이산화탄소 냉매가 공급될 경우, 기존 헤더탱크의 일통체형 유로는 유체 체적에 비해 헤드부의 설계구조가 고압에 견디지 못하는 디자인이고, 두께가 작기 때문에 큰 작동압력, 예를 들면 약 200bar이상의 고압이 내부벽에 발생하는 경우 에는 파열이 생겨서 견디지 못하는 문제점이 있다.

현재, 그러한 노력으로 기존 열교환기의 구조 형상을 그대로 둔 채 열교환기의 두께를 전체적으로 크게 하거나 일반 가스쿨링용의 열교환기에 단순 가공만 하는 시도가 있었으나, 전자는 튜브 내 냉매 흐름이 균일하지 못하며, 무거워서 경량화를 이루지 못하고, 열교한 성능이 떨어지며, 제조비용이 높게 되는 문제점이 있고, 후자는 제조공정의 추가로 생산성이 떨어지며, 이산화탄소 열교환기의 안전을 고려한 최대 설계압력인 350bar정도까지 훨씬 미치지 못하는 실정이다.

이처럼, 내고압성 열교환기가 많이 연구되고 있지만, 전세계적 환경협약과 엄청난 수요에 비하여 기술적인 문제와 생산성 문제로 실용화되지는 못하여 보다 적은 현실적인 제조비용과 생산성을 가지는 내고압성 열교환기가 요구된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 최소한의 프레스공정, 압출공정, 절단공정 및 브레이징을 이용하여 작업이 간편하고, 제조 공정의 단일화와 공정 단축으로 제조원가를 절감하며, 최적 형상을 통해 높은 작동압력의 냉매, 냉각수 및 냉각유같은 유체를 사용시, 내압성, 내진성 및 내구성을 증가시키고, 용도와 크기에 따라 용이하게 변경가능한 고품질의 신뢰성있는 내고압성 열교환기와 이를 채용한 시스템를 제공하는 데에 목적이 있다.

본 발명에 따른 내고압성 열교환기는 그 내부를 통해 흐르는 내부 유체와 그 외부에 흐르는 외부 유체 사이의 열교환을 수행하는 열교환기에 있어서, 그 길이방향의 일단에서 타단까지 관통되는 유로가 소정간격을 두고 다수개로 형성되며, 상호 소정거리 이격되서 배치되는 한쌍의 헤드부; 상기 한쌍의 헤드부에 양단이 각각 기밀하게 결합되되, 그 내부에는 상기 헤드부의 유로와 연통되도록 다수개의 유동홀이 형성되고, 상기 헤드부의 길이방향을 따라 다수개로 구비되는 튜브; 및 상기 다수개의 튜브 사이에 위치되는 핀을 포함한다.

상기 헤드부는, 상기 튜브가 삽입되는 측면 및 양단 방향으로 개방되는 상기 유로, 상기 유로간에 형성되는 유로구획벽, 및 상기 다수개로 형성된 유로의 양측에 상기 유로와 평행하게 형성되고 상기 튜브가 삽입되는 측면 및 양단 방향으로 개방되는 결합홈을 포함하는 제1헤드부; 및 상기 제1헤드부의 개방된 측면에 밀착되도록 대응되는 형상을 가지고, 테두리가 상기 결합홈에 끼워지는 제2헤드부를 포함하고, 상기 헤드부의 양단을 밀폐하는 캡이 더 구비되며, 상기 제1헤드부, 제2헤드부, 튜브, 캡, 핀, 유입부 및 유출부의 상호간 접합 부분은 브레이징되는 것이 바람직하다.

상기 유로구획벽의 횡단면을 제외한 상기 제1헤드부 내부의 횡단면 두께는, 상기 유로구획벽의 횡단면 두께보다 더 두꺼운 것이 바람직하고, 상기 튜브가 결합되는 방향의 상기 유로구획벽의 단부 폭은, 상기 제1헤드부와 제2헤드부가 밀착결합되는 면적이 최대화되도록 나머지 유로구획벽의 폭보다 더 큰 것이 바람직하다.

상기 튜브가 삽입되는 방향의 상기 제1헤드부의 측면 형상이 볼록, 오목 또는 편평할 수 있고, 상기 제2헤드부는 상기 유로구획벽와 소정 간격으로 이격되고 상기 튜브의 단부가 더 이상 진입되지 않도록 하는 스토퍼를 가질 수 있으며, 상기 제2헤드부는 상기 튜브를 감싸도록 내측으로 절곡되고 절곡된 내부에 공간부가 형성된 결합부를 가질 수 있고, 상기 제2헤드부는 양단에 형성되고 상기 유로간 연통되도록 하는 공간부를 가진 분배부를 더 포함할 수 있다.

상기 제1헤드부와 제2헤드부의 접하는 부분에는 상호 끼워지도록 각각 요부와 철부가 형성되는 것이 바람직하고, 상기 제1헤드부는 상기 제2헤드부와 접하는 유로구획벽 중 인접한 유로구획벽를 연결하고 상기 연결한 부위에 개방된 홈이 형성된 보강부를 가지며, 상기 제2헤드부는 상기 홈에 끼워지도록 대응되는 형상과 위치를 가지는 돌기를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 튜브의 단부는 상기 헤드부의 길이방향으로 기울기를 가지거나, 상기 헤드부의 길이방향과 직각방향으로 기울기를 가질 수 있으며, 상기 튜브의 단부는 상기 튜브의 단부와 유로가 밀착되지 않도록 상기 튜브의 단부에서 연장되는 돌출부를 구비할 수 있고, 상기 튜브의 단부는 상기 헤드부의 길이방향 및 길이방향과 직각방향으로 평행하게 편평한 형상을 가질 수 있다.

또한, 상기 헤드부는 내부를 횡으로 구획하는 한 개 이상의 베플을 갖는 것이 바람직하며, 상기 내고압성 열교환기는 증발기용 또는 가스쿨러를 포함하는 응축기용일 수 있고, 상기 내부 유체는 이산화탄소일 수 있다.

또한, 상기 내고압성 열교환기는 공기조화기, 운송수단 또는 산업플랜트를 포함하는 시스템에 적용될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 다음의 세가지로 상세히 설명한다.

도1은 종래의 열교환기를 보여주는 사시도이며, 도2는 본 발명에 따른 열교환기의 사시도이고, 도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기 요부의 일부 분해사시도이며, 도4는 도3의 결합사시도이고, 도5는 본 발명의 제1실시예에 따른 다른 각도에서 본 요부의 일부 절개사시도이다.

도2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 내고압성 열교환기(20)는 크게 소 정 간격을 갖는 한 쌍의 헤드부(50), 상기 헤드부(50) 사이에서 소정 간격을 갖고 적층되는 복수의 튜브(30), 및 상기 이웃하는 튜브(30) 사이에 구비되는 핀(40)을 포함한다. 이하 본 발명의 요부인 헤드부(50)에 대하여 상세히 설명한다.

도3 내지 도5에 나타낸 바와 같이, 상기 헤드부(50)는 횡단면이 대략 빗형태를 가지며 장방형으로 연장되는 제1헤드부(60) 및 상기 튜브(30)의 단부와 연통되고 기밀 결합되며, 상기 제1헤드부(60)와 결합되되 그 사이에 냉매 유로를 형성하는 제2헤드부(70)로 구성된다. 상기 일측 제1헤드부(60)에는 냉매가 유입되는 유입부(90)가 구비되고, 상기 타측 제1헤드부(60)에는 튜브(30)를 거쳐 수집된 냉매가 배출되는 유출구(95)가 구비된다.

상기 제1헤드부(60)는 횡단면이 대략 빗형태인 장방형 부재로, 보다 구체적으로는 소정 길이를 갖는 주벽(61), 및 상기 주벽(61)의 폭방향으로 일정간격을 갖고 상기 주벽(61)으로부터 직교되게 연장되는 복수개의 유로구획벽(62)으로 이루어진다. 따라서 상기 유로구획벽(62)들 간에 다수의 유로(63)가 형성된다. 여기에서 상기 유로구획벽(62)의 단부에는 그에 직교되게 소정 길이 연장되는 연장벽(64)이 형성되어 상기 유로(63)보다 좁은 냉매 토출구를 형성한다.

또한, 상기 제1헤드부(60)와 제2헤드부(70)가 끼움결합방식으로 결합될 경우, 상기 제2헤드부(70)의 양단부가 결합될 수 있도록 상기 유로구획벽(62)이 형성되는 동일방식으로 상기 제1헤드부(60)의 양단부에 결합홈(60a)이 형성된다.

상기 제1헤드부(60)와 제2헤드부(70)를 통해 형성된 냉매 유로에서, 그 냉매 유로에서 작용되는 압력은 유로구획벽(62)에 의해 서로 상쇄되므로 실질적으로는 유로(63)군의 전체 둘레의 내벽에 가하는 압력만 작용한다. 즉, 이는 내부 유체가 상기 헤드부에 작용하는 압력이 분산되어 상기 유로 면적이 감소되는 방향으로 내부 유체를 다수 분배시킴으로써, 종래의 일통체형과 똑같은 유체의 체적이라도 헤드부의 단위면적당 내부벽에 가하는 작동압력을 낮게 하여 높은 작동압력에 견디도록 한다. 이때, 유로구획벽(62)를 제외한 제1헤드부(60)의 다른 부분의 두께는 고압에 견딜 수 있도록 유로구획벽(62)의 두께보다도 훨씬 더 큰 것이 바람직하고, 상기 튜브(30)가 결합되는 방향의 상기 유로구획벽(62)의 단부 폭, 즉 연장벽(64)의 폭은 상기 제1헤드부(60)와 후술할 제2헤드부(70)가 브레이징 후 강한 결합력을 갖게끔 밀착결합되는 면적이 최대화되도록 나머지 유로구획벽(62)의 폭보다 더 큰 것이 바람직하며, 제1헤드부(60)는 내부입자분포가 조밀한 높은 징집도를 갖게끔 알루미늄(Al)-"6005"로 압출성형되어 제작되는 것이 바람직하다.

상기 제1헤드부(60)는 그 유로구획벽(62)의 연장 길이가 일측으로부터 갈수록 증가되어 중앙부에서 정점을 이루고 타측으로 갈수록 다시 감소하는, 즉 횡단면형상이 블록형상으로 이루어질 수 있고(도14a 참조), 편평형상으로 이루어질 수 있으며(도14b 참조), 도14a와 반대로 오목형상을 가질 수 있다(도14c 참조). 상기 편평형상은 일반적인 형상이며, 상기 볼록 및 오목형상은 상기 튜브(30)의 단부가 상기 유로구획벽(62)에 밀착되었을 시, 상기 유동홀(30a)이 상기 유로구획벽(62)에 완전 밀착되지 않게 하여 각 유동홀(30a)과 유로(63)간에 공간부를 형성시켜서 원활한 유체흐름이 가능하게 한다.

도6은 도5의 A-A´선 단면도이고, 도7은 도5의 B-B´선 단면도이며, 도8은 본 발명의 제2실시예에 따른 요부의 일부 절개사시도이고, 도9는 도8의 C-C´선 단면도이며, 도10은 도8의 D-D´선 단면도이다.

상기 제2헤드부(70)는 일측이 개방되어 개방된 측의 테두리가 상기 결합홈(60a)에 대응, 결합되는 형상을 가진다. 그리고, 상기 제2헤드부(70)는 소정간격을 갖고 이격 배치되는 튜브(30)의 양단부가 삽입되는 부분에 양단부를 감싸면서 내부로 절곡되고 외형으로는 튜브(30)측으로 돌출,결합되어 브레이징되는 다수의 결합부(70b)를 구비할 수 있다. 이 결합부(70b)는 튜브(30)의 양단부가 강제 밀착될 수 있도록 결합홈(70d)을 가진다. 이때, 튜브(30)는 결합홈(70d)의 내면과 접촉결합되는 면적이 크므로, 그 결합력은 프레스 공정에 의해 형성된 헤드부의 홈에 튜브를 삽입하는 종래의 브레이징 결합력보다 훨씬 크게 된다. 그리고, 제2헤드부(70)내에는 도5, 도6 및 도7에서 보는 것과 같이, 다수 유로(63)에서 나오는 충분한 유량의 유체가 튜브(30)의 다수 유동홀(30a)로 균등하면서 원활하게 드나들 수 있도록 상기 결합부(70b)의 절곡된 내부 및 상기 유로구획벽(62)와 튜브(30)의 단부간에 공간부가 형성될 수 있다. 또한, 상기 결합부(70b)는 도9 및 도10에서 보는 것과 같이, 상기 공간부를 형성하지 않은 형태, 즉 절곡시키지 않아 제작하기 쉬운 형태로 프레스공정에 의해 제작되는 것이 바람직하다.

또, 상기 제2헤드부(70)는 양단에 돌출형성되어 상기 각 유로(63)에 유체가 골고루 흐르도록 다수의 유로(63)를 연결하는 일정 공간의 분배부(70c)를 더 포함할 수 있으며, 상기 유입부(90) 또는 유출부(95)가 제2헤드부(70)에 형성될 수 있는 등 얼마든지 설계가능하며, 내벽의 어느 한 부분에 압력이 집중되지 않고 내벽 전체에 균일한 압력이 골고루 가해질 수 있으며, 높은 평탄도를 갖도록 알루미늄(Al)-"3003"을 베이스(내부)로 하고, 브레이징 용접제에 해당하는 클래드메탈(clad metal)인 알루미늄(Al)-"4343" 또는 알루미늄(Al)-"4045"를 양면(외부)으로 겹친 채 프레스공정으로 제작되는 것이 바람직하다.

상기 제2헤드부(70)는 도8, 도9 및 도10에 나타낸 바와 같이, 상기 튜브(30)의 양단부가 상기 유로(63)측 및 유로구획벽(62)와 소정간격 떨어지면서 더 이상 진입하지 않도록 하는 스토퍼(70a)를 가질 수 있다. 이 스토퍼(70a)로 인해 유동홀(30a)과 유로(63)측 및 유로구획벽(62)간에 다단의 충분한 공간부가 형성되어 저항없이 원활한 유체의 흐름을 가능하게 하며, 높은 작동압력에 의한 취약한 부분이 생기지 않도록 어느 한 곳에 집중되지 않으면서 균일하게 압력이 작용하도록 한다.

이러한 제1헤드부(60)와 제2헤드부(70)로 이루어진 헤드부(50)는 내부를 구획하도록 본 실시예에서 한 개의 베플(미도시)을 갖는다. 이 베플은 유체의 작동압력이 떨어지는 것을 방지하고, 균일한 유체의 분산이 이루어지도록 하는 것으로 하나당 보통 15%의 효율향상을 가져와 한개에서 최대 다섯개까지 열교환기에 구비되는 것이 바람직하다. 또, 상기 베플은 본 발명에서 도2의 도면상 좌측 헤드부(50)의 내부 중간지점에 격벽으로 형성되어 있으며, 이는 얼마든지 복수개 설치가능하고, 그럴때마다 유입부(90) 또는 유출부(95)의 위치는 적정한 위치로 변경될 수 있다.

상기 튜브(30)는 유체가 흘러 외부와 열교환될 수 있고, 일평면상에 평행하게 배열된 유동홀(30a)을 가지며, 높은 징집도를 갖게끔 알루미늄(Al)-"1050"으로 압출성형되어 제작된다. 그리고, 본 실시예에서 상기 유동홀(30a)은 열전달 효율이 우수한 직경 0.5mm~1.0mm인 미세흐름관이며, 이 직경은 얼마든지 이 수치에 한정되지 않고 다양하게 변경이 가능하다.

그리고, 상기 튜브(30)는 양단부가 상기 유로(63)측 및 유로구획벽(62)와 소정간격 떨어지면서 더 이상 진입하지 않도록 상기 스토퍼(70a)와 비슷한 기능으로, 공간부를 형성하기 위하여 도6에 나타낸 바와 같이, 유동홀(30a)과 유로(63)사이에서 유체가 저항없이 용이하게 흐를 수 있으면서 높은 작동압력에 의한 취약한 부분이 생기지 않도록 즉, 어느 한 곳에 집중되지 않음과 동시에 균일하게 압력이 작용하도록 공간부를 제공하기 위한 돌출부(30b)를 가질 수 있다. 또, 상기 튜브(30)의 단부는 일반적으로 도6 및 도9에 나타낸 바와 같이, 상기 헤드부(50)의 길이방향 및 길이방향과 직각방향으로 평행하게 편평한 형상을 가진다.

도11은 본 발명의 제3실시예에 따른 요부의 종단면사시도이고, 도12는 본 발명의 제3실시예에 따른 요부의 결합상태를 보여주는 횡단면도이며, 도13은 도12의 다른 유형의 튜브 적용을 보여주는 횡단면도이다.

또, 상기 튜브(30)의 단부는 도11 및 도12에 나타낸 바와 같이, 상기 헤드부(50)의 길이방향 중 유체의 흐름방향쪽으로 경사지는 형태로서 예각의 기울기를 가질 수 있으며, 유로(63)측 및 유로구획벽(62)측과 간헐적 선접촉되고, 이 경사지는 형태에 의해 생긴 공간부로 인하여 상기 유동홀(30a)이 상기 유로구획벽(62)에 완전 밀착되지 않아 각 유동홀(30a)과 유로(63)간의 원활한 유체흐름이 가능하게 된다.

또한, 상기 튜브(30)의 단부는 도13에 나타낸 바와 같이, 상기 헤드부(50)의 길이방향과 직각방향으로 예각의 기울기를 가질 수 있어, 유로(63)측 및 유로구획벽(62)측과 거의 점접촉되고, 이 경사진 것에 의해 위의 상기 헤드부(50)의 길이방향 중 유체의 흐름방향쪽으로 경사지는 형태로서, 이 경사지는 형태에 의해 생긴 공간부로 인하여 상기 유동홀(30a)이 상기 유로구획벽(62)에 완전 밀착되지 않아 각 유동홀(30a)과 유로(63)간의 원활한 유체흐름이 가능한 비슷한 효과를 얻을 수 있다.

위와같은 상기 튜브(30)의 경사진 양단부 형상들은 기존의 한번 커팅공정에 의해 제작되며, 후술할 각 구성요소간 브레이징 결합시, 상기 제2헤드부(70)의 브레이징 용접제에 해당하는 클래드메탈(clad metal)인 알루미늄이 녹아 모세관현상에 의하여 상기 튜브(30)의 단부와 유로구획벽(62)간의 공간으로 흘러들어가더라도 유동홀(30a)을 막지 않도록 방지하는 역활도 한다.

상기 핀(40)은 상기 인접한 튜브(30)들을 연결하여 외부의 공기와 열교류를 하는 수단으로, 열교환 효율을 높이기 위해 공기와의 접촉면적을 높인 지그재그 형상으로 튜브(30)사이에 설치되며, 알루미늄(Al)-"3003"을 베이스(내부)로 브레이징 용접제에 해당하는 클래드메탈(clad metal)인 알루미늄(Al)-"4343"을 양면(외부)으로 겹친 채 제작된다.

상기 캡(80)은 상기 헤드부(50)의 양단을 밀폐하고, 상기 유로(63)간 연통되는 공간부를 가질 수 있으며, 내벽의 어느 한 부분에 압력이 집중되지 않고 내벽 전체에 균일한 압력이 골고루 가해질 수 있게 높은 평탄도를 갖도록 알루미늄(Al)- "3003"을 외부로 브레이징 용접제에 해당하는 클래드메탈(clad metal)인 알루미늄(Al)-"4343"을 내부로 겹친 채 제작된다.

또, 상기 캡(80)은 도7에 나타낸 바와 같이, 분배부(70c)가 형성된 경우, 그에 대응되는 2단형상이 되며, 후술할 유입부(90) 또는 유출부(95)는 캡(80)에 형성되는 것이 바람직하며, 도10에 나타낸 바와 같이, 분배부(70c)가 형성되지 않은 경우, 그에 대응되는 1단형상이 되며, 후술할 유입부(90) 또는 유출부(95)는 헤드부(50) 중 제1헤드부(60)에 형성되는 것이 바람직하다.

또, 상기 유입부(90)는 유체가 상기 헤드부(50)로 들어오는 입구 역활을 하는 것으로, 상기 헤드부(50)의 양단에 형성되어 상기 유로(63)와 내통되고, 상기 유출부(95)는 유체가 상기 헤드부(50)로부터 나가는 출구 역활을 하는 것으로, 상기 헤드부(50)의 양단에 형성되어 상기 유로(63)와 내통되며, 이 유입부(90)와 유출부(95)는 다양한 형태로 적정 위치에 형성될 수 있고, 알루미늄(Al)-"6005" 또는 알루미늄(Al)-"3003"으로 제작된다.

위와같은 기존 단일화된 압출공정, 프레스공정 및 절단공정으로 제작된 구성요소로 이루어진 본 발명에 따른 내고압성 열교환기는 유입부(90) 및 유출부(95)를 제1헤드부(60)와 접촉될 부위에 브레이징 용접제인 알루미늄(Al)-"4343" 또는 알루미늄(Al)-"4045"으로 감싸 제1헤드부(60)와 밀착결합시키고, 상기 제1헤드부(60), 제2헤드부(70), 튜브(30), 핀(40) 및 캡(80)을 각 제 위치에 밀착결합시킨 후 전기로 내에 이를 투입하여 온도를 높여 알루미늄(Al)-"3003"의 용융점인 약 670℃보다 낮은 약 600℃ 부근에서 약 590℃의 용융점을 갖는 제2헤드부(70)의 브레이징 용접 제인 알루미늄(Al)-"4343" 또는 알루미늄(Al)-"4045"를 녹여 상기 제1헤드부(60), 제2헤드부(70), 튜브(30), 핀(40), 캡(80), 유입부(90) 및 유출부(95)간 접하는 부분이 브레이징, 밀폐결합되는 방식으로 제작된다.

이때, 위 각 구성부품들이 브레이징에 의해 결합되는 데에 있어, 제1헤드부(60)와 제2헤드부(70)의 브레이징시, 이들 사이간에 틈이 생기지 않고 균일하게 브레이징될 수 있도록 하고, 보다 브레이징 결합력을 강하게 하여 높은 작동압력을 견디도록 하기 위해 인접한 튜브(30)사이에 위치하는 상기 유로구획벽(62)측과 제2헤드부(70)의 밀착선상의 중간 부위에 각각 요부(

)와 철부(

)를 형성하여 보다 더 강한 밀폐결합이 될 수 있고, 이러한 요부 및 철부는 엠보싱형태처럼 국부적으로 형성될 수 있다. 또한, 밀착접촉되는 부분 중 특히, 제2헤드부(70)의 테두리를 상기 결합홈(60a)에 삽입하는 경우 이 결합홈(60a)에 코킹(caulking)이 이루어질 수 있으며, 이러한 코킹은 제조 공정의 용이성을 위해 각 결합접촉되는 부분들의 길이방향으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또, 앞서 설명한 대로, 상기 제1헤드부(60)와 제2헤드부(70)는 브레이징 전 밀착되는 부위에 틈이 생겨 불균일한 결합이 발생하지 않게 하고 브레이징 후 강한 결합력을 갖도록 조립 결합시 대응되는 요철이 각각 형성될 수 있는데, 특히 도15에 나타낸 바와 같이, 상기 유로구획벽(62)와 제2헤드부(70)가 접하는 부분 중 인접한 개방된 측의 유로구획벽(62)를 연결하고, 상기 연결된 개방된 측에 홈(75)이 형성된 보강부(60c)를 가지며, 상기 제2헤드부(70)는 상기 홈(75)에 끼워지도록 대 응되는 형상과 위치를 가지는 돌기(70e)를 구비하는 식으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 보강부는 상기 돌기(70e)가 홈(75)에 끼워질 때 유로구획벽(62)가 벌어지지 않도록 보강하는 역활을 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 내고압성 열교환기(20)의 작동을 설명하면 다음과 같다.

유입부(90)를 통해 들어온 유체는 분배부(70c)를 거쳐 하나의 제1헤드부(60)의 내부에 형성된 다수의 유로(63)에 골고루 배분되고, 헤드부(50)의 길이방향으로 이동하다가 베플에 막혀져 연통된 소정간격 배치된 결합홈(70d)에 삽입된 튜브(30)로 흐른다. 이때, 유체는 튜브(30)를 통과하면서 튜브(30)와 핀(40)을 통해 외부 공기와 열교환하게 된다. 그리고, 열교환한 유체는 다시 다른 하나의 제1헤드부(60)의 내부에 형성된 다수의 유로(63)에 골고루 배분되고, 헤드부(50)의 길이방향으로 이동한 후 나머지의 소정간격 배치된 결합홈(70d)에 삽입된 튜브(30)로 흘러 처음 제1헤드부(60)의 내부에 형성된 다수의 유로(63)와 분배부(70c)를 거치고서 유출부(95)를 통해 배출된다. 이 과정에서, 이산화탄소를 포함한 냉매나 냉각수같은 유체는 외부 공기의 온도에 근접하게 된다.

본 내고압성 열교환기(20)는 약 200bar~350bar의 높은 작동압력이 걸릴지라도 앞서 설명한 다음과 같은 이유로 견고하게 정상 작동 상태를 유지하게 된다.

첫째, 제조시부터 높은 징집도를 가진 압출공정과 높은 평탄도를 가진 프레스공정에 의해 제작된 각 구성요소들은 결합시에도 각 체결부 및 이음부의 균일함으로 유체의 높은 팽창력을 어느 한 곳에 집중시키지 않고 고르게 분산시킨다.

둘째, 상기 유로의 총 부피가 증가되는 방향으로 단위체적의 내부 유체를 각 유로에 분배시켜 배열된 다수의 유로(63) 및 유로구획벽(62)를 형성한 구조는 내부 유체의 단위 체적당 내벽에 작용하는 압력을 분산시켜, 똑같은 유체량에 대해서도 헤드부의 단위면적당 내부벽이 부담하는 내압을 줄여 더 높은 내압성을 가지게 한다.

셋째, 돌기(70e)와 홈(75)같은 제1헤드부(60)와 제2헤드부(70)의 접하는 부분에 형성된 요철이 브레이징 전 제1헤드부(60)와 제2헤드부(70)간의 틈없이 균일하게 밀착되어 조립되게 하고, 브레이징 후 전체적으로 강한 체결력을 발휘하도록 하며, 돌출된 결합부(70b)의 넓은 접촉면적을 통해 튜브(30)의 양단부가 강력히 지지되도록 하고, 동시에 상기 연장벽(64)의 단부 폭이 상기 유로구획벽(62)의 폭보다 더 큼으로써, 제1헤드부(60), 제2헤드부(70) 및 튜브(30)가 상호 접촉되는 넓은 브레이징 면적으로 견고하게 지지되도록 한다. 또한, 상기 유로구획벽(62)의 횡단면을 제외한 상기 제1헤드부(60) 내부의 횡단면 두께는, 상기 유로구획벽(62)의 횡단면 두께보다 더 커서, 내부 유체의 작동고압에 견디도록 한다.

넷째, 분배부(70c)를 통해 유체가 다수의 유로(63)에 고르게 흐를 수 있도록 하고, 튜브(30) 단부의 적절한 위치고정을 통해 종래처럼 헤드부로 깊숙히 삽입된 불필요한 단부가 유체가 흐르는 데에 저항으로 작용하는 것을 방지하며, 연장벽(64)의 볼록 및 오목형상, 스토퍼(70a), 튜브(30)의 돌출부(30b) 또는 튜브(30)의 기울기를 통해 상호 밀착될 수 있는 유로(63)와 튜브(30)의 단부간에 공간부를 만들어 유체가 큰 저항없이 완만하게 흐르도록 한다.

다섯째, 위와 관련하여 세밀한 최적 설계를 통해 작동압력이 작용하더라도 이를 각 부품으로 최대한 흡수시키고, 각 부품의 브레이징 용접부분에 기계적응력이 가해지는 것을 최소화하며, 이 브레이징 용접부분은 본래 목적인 기밀성만을 유지할 수 있게 하여 고압에 견디도록 한다.

그리고, 각 구성요소의 형상 및 구조는 기존의 프레스공정, 압출공정, 절단공정 및 브레이징 이외 별도 공정추가없이 최소한의 공정으로 제작된다.

본 발명에 따른 내고압성 열교환기(20)는 냉매를 이용하는 증발기 또는 응축기 특히, CO₂ 쿨러같은 가스쿨러를 포함한 응축기에 적용될 수 있고, 본 발명에 따른 내고압성 열교환기(20)의 유체는 특히, 냉매인 이산화탄소(co2)일 수 있으며, 종래의 냉매일 수도 있음은 당연하다.

특히, 본 발명에 따른 내고압성 열교환기(20)는 자동차, 오토바이, 기차, 선박, 비행기, 헬기 등과 같은 운송수단의 가스쿨러(gas cooler) 또는 공기조화기뿐만 아니라 에어컨, 에어 드라이어(air dryer), 냉동기, 제습기를 포함한 일반 공기조화기에 적용될 수 있으며, 전자부품, 전자기기, 전자통신설비 또는 각 산업 플랜트(plant)에서 내고압성 열교환기가 필요한 곳에 얼마든지 이용되는 등 산업재화 또는 산업설비를 포함한 시스템에 이용될 수 있다.

또, 본 발명에 따른 내고압성 열교환기(20)는 실질적으로 동일한 구조를 갖고, 내부 유체인 냉각수 또는 냉각유를 이용하는 라디에이터에 적용될 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 내고압성 열교환기(20)를 기본단위로 하여 복수개로 병렬구성하거나 직렬구성하는 등 얼마든지 응용이 가능한 것임은 자명하다.

또한, 상기 제2헤드부(70)의 스토퍼(70a) 또는 분배부(70c)는 정상적인 작동이 가능한 범위내에서 생략가능하며, 제1헤드부(60)의 연장벽(64)형상 및 결합부(70b)의 형상과 캡(80)형상, 튜브(30)의 단부형상은 각각의 실시예에 한정되지 않고, 앞서 설명한 다양한 형태로 채택돼 정상적인 작동이 가능한 범위내에서 각각 독립되어 각 구성요소마다 조합이 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

본 발명에 따른 내고압성 열교환기는 별도 용접, 가공 등의 공정없이 최소한의 프레스공정, 압출공정, 절단공정 및 브레이징을 통하여 작업이 간편하도록 하고, 내고압성의 열교환기를 제작하는 데에 기존 제조 공정의 단일화 및 제조공정 단축으로 제조원가를 절감하여 생산성을 높이며, 동시에 최적 헤드부의 형상과 결합구조를 통해 전체적으로 균일한 체결력이 작용하도록 하여 유체중 냉각수뿐만 아니라 냉매, 특히 높은 작동압력의 냉매인 이산화탄소의 사용시에도 유체의 흐름이 고르게 분포되게 하고 원활하게 이루어지게 하여 효율증가와 함께 증발 및 가스쿨링같은 응축에 대한 내압성, 내진성 및 내구성을 향상시키고, 용도와 크기에 상관 없이 사양에 따라 용이하게 변경가능하는 등 사용자에게 고품질의 내고압성 열교환기를 제공하여 신뢰감을 주는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 자동차산업 및 냉동공조관련 산업에서 특히, 친환경적인 이산화탄소를 냉매로 하는 열교환기 및 이를 적용한 시스템를 제공하고, 오존층에 악영향을 미치는 냉매의 열교환기를 대체함으로써, 온실가스 배출감소에도 기여하며, 나아가 세계 지구환경 개선에 기여하는 효과가 있다.

Claims (18)

1. 그 내부를 통해 흐르는 내부 유체와 그 외부에 흐르는 외부 유체 사이의 열교환을 수행하는 열교환기에 있어서,

   그 길이방향의 일단에서 타단까지 관통되는 유로가 소정간격을 두고 다수개로 형성되고 양단에 결합홈이 형성되는 제1헤드부와, 상기 제1헤드부와 상호 소정거리 이격되서 배치되며 테두리가 상기 제1헤드부의 결합부에 결합되는 제2헤드부와, 상기 제1헤드부 및 상기 제2헤드부의 양단에 구비되어 양단을 밀폐하는 캡을 포함하는 헤드부;

   상기 한쌍의 헤드부에 양단이 각각 기밀하게 결합되되, 그 내부에는 상기 헤드부의 유로와 연통되도록 다수개의 유동홀이 형성되고, 상기 헤드부의 길이방향을 따라 다수개로 구비되는 튜브; 및

   상기 다수개의 튜브 사이에 위치되는 핀을 포함하는

   내고압성 열교환기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1헤드부는 상기 튜브가 삽입되는 측면 및 양단 방향으로 개방되는 상기 유로, 상기 유로간에 형성되는 유로구획벽, 및 상기 다수개로 형성된 유로의 양측에 상기 유로와 평행하게 형성되고 상기 튜브가 삽입되는 측면 및 양단 방향으로 개방되는 결합홈을 포함하고,

   상기 제2헤드부는 상기 제1헤드부의 개방된 측면에 밀착되도록 대응되는 형상을 가지고, 테두리가 상기 결합홈에 끼워지며,

   상기 제1헤드부, 제2헤드부, 튜브, 캡, 핀, 유입부 및 유출부의 상호간 접합 부분은 브레이징되는

   내고압성 열교환기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 유로구획벽의 횡단면을 제외한 상기 제1헤드부 내부의 횡단면 두께는,

   상기 유로구획벽의 횡단면 두께보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는

   내고압성 열교환기.
4. 제2항에 있어서,

   상기 튜브가 결합되는 방향의 상기 유로구획벽의 단부 폭은,

   상기 제1헤드부와 제2헤드부가 밀착결합되는 면적이 최대화되도록 나머지 유로구획벽의 폭보다 더 큰 것을 특징으로 하는

   내고압성 열교환기.
5. 제2항에 있어서,

   상기 튜브가 삽입되는 방향의 상기 제1헤드부의 측면 형상이 볼록하거나 오목한

   내고압성 열교환기.
6. 제2항에 있어서,

   상기 튜브가 삽입되는 방향의 상기 제1헤드부의 측면 형상이 편평한

   내고압성 열교환기.
7. 제2항에 있어서,

   상기 제2헤드부는,

   상기 유로구획벽와 소정 간격 이격되고 상기 튜브의 단부가 더 이상 진입되지 않도록 하는 스토퍼를 가지는

   내고압성 열교환기.
8. 제2항에 있어서,

   상기 제2헤드부는,

   상기 튜브를 감싸도록 내측으로 절곡되고 절곡된 내부에 공간부가 형성된 결합부를 가지는

   내고압성 열교환기.
9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제2헤드부는,

   양단에 형성되고 상기 유로간 연통되도록 하는 공간부를 가진 분배부를 더 포함하는

   내고압성 열교환기.
10. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제1헤드부와 제2헤드부의 접하는 부분에는 상호 끼워지도록 각각 요부와 철부가 형성되는

    내고압성 열교환기.
11. 제10항에 있어서,

    상기 제1헤드부는,

    상기 제2헤드부와 접하는 유로구획벽 중 인접한 유로구획벽를 연결하고, 상기 연결한 부위에 개방된 홈이 형성된 보강부를 가지며,

    상기 제2헤드부는,

    상기 홈에 끼워지도록 대응되는 형상과 위치를 가지는 돌기를 구비하는

    내고압성 열교환기.
12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 튜브의 단부는,

    상기 헤드부의 길이방향으로 기울기를 가지거나,

    상기 헤드부의 길이방향과 직각방향으로 기울기를 가지는

    내고압성 열교환기.
13. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 튜브의 단부는,

    상기 튜브의 단부와 유로가 밀착되지 않도록 상기 튜브의 단부에서 연장되는 돌출부를 구비하는

    내고압성 열교환기.
14. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 튜브의 단부는,

    상기 헤드부의 길이방향 및 길이방향과 직각방향으로 평행하게 편평한 형상을 가지는

    내고압성 열교환기.
15. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 헤드부는,

    내부를 횡으로 구획하는 한 개 이상의 베플을 갖는

    내고압성 열교환기.
16. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 내고압성 열교환기는,

    증발기용 또는 가스쿨러를 포함하는 응축기용인 것을 특징으로 하는

    내고압성 열교환기.
17. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 내부 유체는 이산화탄소인

    내고압성 열교환기.
18. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 내고압성 열교환기가 적용된 공기조화기, 운송수단 또는 산업플랜트를 포함하는 시스템.

Images