KR101067674B1 - 고압용 열교환기의 헤더탱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압용 열교환기의 헤더탱크에 관한 것으로, 그 목적은 헤더와 결합되는 탱크의 결합부에는 일정간격으로 튜브 결합홈이 형성되며, 상기 헤더의 두께를 튜브 두께의 2배이하로 형성하도록 하여 내압성 및 가공성을 향상시키도록 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크를 제공함에 있다. 이는 길이방향으로 튜브가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯이 형성된 헤더와, 냉매가 유동되는 유로를 형성하는 탱크부 및 상기 탱크부의 양측에 형성되어 상기 헤더에 접면되는 결합부로 이루어진 탱크를 포함하고, 상기 탱크의 결합부에는 일정간격으로 튜브 결합홈이 형성되며, 상기 헤더의 두께(t2)를 상기 튜브 두께(t1)의 2배 이하로 형성하도록 하는 것이다.

헤더, 탱크, 강도보강부재

Description

고압용 열교환기의 헤더탱크{Header tank for heat exchanger for high pressure}

도 1은 일반적인 이산화탄소의 냉동사이클을 설명하기 위한 도면.

도 2는 종래에 따라 고압용 열교환기의 헤더탱크의 일예를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 분해사시도.

도 4는 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 사시도.

도 5는 도 4의 A - A선 단면도.

도 6은 도 5의 B - B선 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크에서 탱크의 저면을 나타낸 도면.

도 8은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크에 서포트가 결합된 상태를 나타낸 단면도.

도 9는 도 8의 화살표 C 방향에서 바라본 측면도.

도 10은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 다른 실시예를 나타낸 사시도.

(도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10: 헤더 11: 슬롯

12: 브레이징홀 20: 탱크

21: 탱크부 22: 결합부

23: 튜브 결합홈 24: 브레이징홀

30: 튜브 40: 서포트

41: 엔드캡부 50: 방열핀

본 발명은 고압용 열교환기의 헤더탱크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 헤더와 결합되는 탱크의 결합부에는 일정간격으로 튜브 결합홈이 형성되며, 상기 헤더의 두께를 튜브 두께의 2배이하로 형성하도록 하여 내압성 및 가공성을 향상시키도록 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크에 관한 것이다.

차량용 냉방시스템에 있어서 널리 사용되어 온 냉매로는 프레온(freon) 등이 있다.

상기 프레온은 일반적으로 무색무취의 기체이며, 그 종류로는 프레온-12(디클로로디플루오르메탄:CCl2F2), 프레온-22(클로로디플루오르메탄:CHClF2) 등이 있다.

프레온은 화학적으로 안정하고 폭발성이 없으며 불연성, 무독성의 냉매이므로, 냉장고 및 냉동기, 가정용 또는 차량용 에어콘 등의 냉매로서 사용되어 왔다.

그러나, 프레온은 화학적으로 매우 안정하므로 사용 후 대기로 방출되면 파 괴되지 아니하고 성층권까지 도달하고, 성층권에서는 태양의 자외선에 의해 프레온의 염소원자가 분해되며, 이 염소원자는 지구로 입사되는 자외선을 차단하는 역할을 하는 오존층 파괴의 주요 원인이 된다.

따라서 1987년에는 프레온의 생산 및 소비량을 규제하고 점차 다른 냉매로 대체할 것을 합의하는 몬트리올 의정서가 채택되기에 이르렀다.

이산화탄소는 상기 프레온을 대체하여 사용되는 냉매로서, 이산화탄소는 그 유해성이 프레온에 비하여 적고, 압축효율이 높으며, 외부 유체(공기)에 대한 열전달특성이 우수하고, 체적냉방능력(증발잠열 x 기체밀도)이 우수하여 압축기의 용량을 감소시킬 수 있다는 등의 점에서 대체냉매로서 환영받고 있다.

이산화탄소의 압력-엔탈피 선도인 도 1 을 참조하여 이산화탄소의 냉동사이클을 설명하면 다음과 같다.

a-b 과정은 기상의 이산화탄소가 압축기에서 고온고압으로 압축되는 압축과정이고, b-c 과정은 상기 고온고압의 이산화탄소가 가스쿨러(종래의 증기압축식 냉동사이클에 있어서의 응축기에 해당하는 구성요소)에서 냉각되는 냉각과정이며, c-d 과정은 상기 냉각된 이산화탄소가 교축밸브 등에 의해서 저온저압으로 교축되는 교축과정이고, d-a 과정은 상기 교축된 이산화탄소가 증발기에 의해서 증발되는 증발과정이다. 이 증발과정에서 상기 이산화탄소가 증발잠열을 공기 등의 외부 유체로부터 빼앗아 외부유체를 냉각시킨다.

상기 이산화탄소를 냉매로서 사용하는 냉방시스템은, 그 작동원리 및 구성이 종래의 냉방시스템과 전반적으로 유사하나, 냉방사이클에 있어서의 압축과정 후에 고온의 냉매로부터 외부공기로 열을 방출하는 과정에서 냉매가 상변화 없이 고압의 기상의 상태로 있다는 점이 상이하다.

이는 도 1에서 알 수 있는 바와 같이 이산화탄소의 임계점에서의 온도가 약 31℃로서, 프레온 등과 같은 증기압축식 냉동사이클에 사용되는 냉매의 임계점 온도보다 낮은 데에 기인한 것이다.

냉방장치의 통상적 조건을 상정하여 이산화탄소의 냉동사이클을 설정해보면, 가스쿨러로부터 냉매의 열을 충분히 방출하기 위하여는 상기 가스쿨러의 냉매유출구의 온도가 외부유체의 온도보다 높아야 하므로, 도 1 에 있어서의 c점의 온도는 40℃ 정도는 되어야 한다.

이에 따라 상기 가스쿨러의 온도를 40℃ 정도로 높게 하면 가스쿨러의 유입구 부근의 온도가 100℃를 초과하는 매우 높은 온도를 가지게 되고, 따라서 도 1 의 a-b-c-d-a를 따라서 형성될 수도 있는 냉동사이클은 e-f-g-h-e를 따라서 형성된다.

결국 이산화탄소는 매우 높은 압력하에서 작동하게 되므로 냉방장치, 특히 가스쿨러는 매우 높은 압력을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다.

도 2는 종래에 따라 고압용 열교환기의 헤더탱크의 일실시예를 나타낸 단면도이다.

도시한 바와 같이 종래의 이산화탄소용 열교환기의 헤더탱크는 튜브(4)가 결합되는 복수의 슬롯(1a)이 형성된 헤더플레이트(1)와, 상기 헤더플레이트(1)에 결합되어 냉매유로를 형성하는 탱크(2)와, 상기 헤더플레이트(1)와 탱크(2) 사이에 개재되는 보강판(3)으로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 열교환기의 헤더탱크는 헤더플레이트(1)와 탱크(2) 사이에 보강판(3)을 설치함으로서, 내압성이 향상되고, 상기 보강판(3)에 의해 강도가 보강됨은 물론 소재 두께가 감소되는 효과가 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 열교환기의 헤더탱크는 헤드플레이트(1)와 탱크(2) 사이에 보강판(3)을 결합시킴으로서 별도의 부품이 필요하여 부품수가 증가되는 문제점이 있다.

또한, 상기 보강판(3)의 무게에 의해 헤더탱크의 전체 중량이 증가함과 아울러 제조원가가 상승되는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 헤더와 결합되는 탱크의 결합부에는 일정간격으로 튜브 결합홈이 형성되며, 상기 헤더의 두께를 튜브 두께의 2배이하로 형성하도록 하여 내압성 및 가공성을 향상시키도록 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 길이방향으로 튜브가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯이 형성된 헤더와, 냉매가 유동되는 유로를 형성하는 탱크부 및 상기 탱크부의 양측에 형성되어 상기 헤더에 접면되는 결합부로 이루어진 탱크를 포함하고, 상기 탱크의 결합부에는 일정간격으로 튜브 결합홈이 형성되며, 상기 헤더의 두께(t2)를 상기 튜브 두께(t1)의 2배 이하로 형성하도록 하는 것이다.

또한, 상기 튜브 결합홈과 튜브 사이에 일정간격의 틈새가 형성되도록 하는 것이다.

또한, 상기 헤더와 탱크의 결합부 중 적어도 어느 일측에는 브레이징홀이 형성된 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예를 나타낸 도면이다.

도시한 바와 같이 고압용 열교환기의 헤더탱크는 길이방향으로 튜브(30)가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯(11)이 형성된 헤더(10)와, 냉매가 유동되는 유로를 형성하는 탱크부(21) 및 상기 탱크부(21)의 양측에 형성되어 상기 헤더(10)에 접면되는 결합부(22)로 이루어진 탱크(20)를 포함한다.

또한, 상기 탱크(20)의 결합부(22)에는 일정간격으로 튜브 결합홈(23)이 형성되며, 상기 헤더(10)의 두께(t2)를 상기 튜브(30) 두께(t1)의 2배 이하로 형성하도록 하는 것이 바람직하다.

상기에서 헤더(10)의 두께(t2)를 상기 튜브(30) 두께(t1)의 2배 이하로 하는 이유는 상기 헤더(10)에 형성되는 슬롯(11)을 피어싱(piercing) 가공하기 가장 좋은 조건인 것이다.

상기 탱크(20)는 압출 또는 단조 가공으로 제작될 수 있으며, 압출 가공시 튜브(30)가 결합되는 튜브 결합홈(23)은 기계가공을 하게 된다.

또한, 상기 튜브 결합홈(23)과 튜브(30) 사이에 일정간격의 틈새(T)가 형성되도록 하여 냉매의 유동이 원활하게 이루어지도록 한다.

즉, 튜브(30)에서 유동되는 냉매가 탱크부(21)에서 뿐만 아니라 튜브 결합홈(23)에서 틈새(T)를 통해 헤더탱크의 길이방향 전체로 전달되는 것이다.

또한, 상기 헤더(10)와 탱크(20)의 접합면에는 각각 브레이징홀(12)(24)를 형성하도록 하여 브레이징시 클래드재가 상기 브레이징홀(12)(24)에 유입되도록 하여 브레이징성을 향상시키도록 한다.

한편 도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크에 서포트가 결합되는 상태의 일예를 나태낸 도면으로서, 상호 결합된 상기 헤더(10)와 탱크(20)의 양단부에 탱크부(21)를 밀폐시키는 엔드캡부(41)가 형성된 서포트(40)가 결합되도록 하는 것이다.

즉, 최외측에 위치되는 방열핀(50)을 서포트(40)로 지지함과 아울러 상기 서포트(40)에 형성된 엔드캡부(41)로 탱크부(21)를 밀폐시켜 엔드캡 기능을 동시에 가능하게 하는 것이다.

도 10은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 다른 실시예를 나타낸 사시도이다.

이 실시예는 튜브(30)가 2열로 배치되는 상태를 도시한 것으로, 도 3 내지 도 9에서 도시한 튜브(30)가 1열로 배치되는 구성과 기본적으로 동일함으로 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 고압용 열교환기의 헤더탱크는 내압성이 요구되는 이산화탄소 열교환기용으로 사용되는 것으로, 슬롯(11)이 형성된 헤더(10)에 탱크부(21) 및 결합부(22)로 이루어진 탱크(20)가 결합된다.

이때 상기 헤더(10)의 두께(t2)를 상기 튜브(30) 두께(t1)의 2배 이하로 형성하도록 하여 상기 헤더(10)에 슬롯(11)을 피어싱 가능한 최소의 두께로 형성하도록 한다.

또한, 상기 탱크(20)의 튜브 결합홈(23)을 형성하도록 하고, 상기 튜브 결합홈(23)에 튜브(30)를 결합하되 튜브(30)와 결합홈 사이에 틈새(T)를 형성하여 냉매의 유동을 원활하게 한다.

또한, 상기와 같이 탱크(20)에 튜브 결합홈(23)을 형성하여 헤더탱크의 유로 단면적을 최소로함으로서, 내압성이 향상될 뿐만 아니라 튜브 결합홈(23)과 튜브(30) 사이에 브레이징성이 향상된다.

또한, 상기 헤더(10)와 탱크(20)의 결합면에 브레이징홀(12)(24)을 형성하여 브레이징시에 클래드재가 유입이 원활히 이루어지도록 하여 브레이징성을 향상시킬 수 있다.

이상 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 헤더탱크는 헤더와 결합되는 탱크의 결합부에는 일정간격으로 튜브 결합홈이 형성되며, 상기 헤더의 두께를 튜브 두께의 2배이하로 형성하도록 하여 내압성 및 가공성을 향상시킬 수 있다.

또한, 종래의 보강판 등이 불필요함으로서, 무게가 감소되어 전체적으로 헤 더탱크의 중량을 감소된다.

또한, 튜브 결합홈에 튜브 사이에 틈새가 형성되어 브레이징됨으로서, 냉매의 유동이 원활히 이루어질수 있으며, 브레이징성도 향상된다.

Claims (3)

1. 길이방향으로 튜브(30)가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯(11)이 형성된 헤더(10)와, 냉매가 유동되는 유로를 형성하는 탱크부(21) 및 상기 탱크부(21)의 양측에 형성되어 상기 헤더(10)에 접면되는 결합부(22)로 이루어진 탱크(20)를 포함하고,

   상기 탱크(20)의 결합부(22)에는 일정간격으로 튜브 결합홈(23)이 형성되며, 상기 헤더(10)의 두께(t2)를 상기 튜브(30) 두께(t1)의 2배 이하로 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크.
2. 제1항에 있어서, 상기 튜브 결합홈(23)과 튜브(30) 사이에 일정간격의 틈새(T)가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크.
3. 제1항에 있어서, 상기 헤더(10)와 탱크(20)의 결합부(22) 중 적어도 어느 일측에는 브레이징홀(12)(24)이 형성된 것을 특징으로 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크.

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