KR101075167B1 - 열교환기의 헤더탱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기의 헤더탱크에 관한 것으로, 그 목적은 압출재의 제1탱크부재에 양면 클래드재로 이루어진 제2탱크부재를 결합하여 탱크를 형성하고, 상기 탱크에 헤더를 맞대기 접합하도록 하는 열교환기의 헤더탱크를 제공함에 있다. 이는 길이방향으로 압출튜브가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯이 형성된 헤더와, 상기 헤더의 일측면에 고정되어 냉매유로를 형성시키는 탱크로 이루어진 열교환기의 헤더탱크에 있어서, 상기 탱크는, 압출재로 이루어진 제1탱크부재와, 양면 클래드재로 이루어져 상기 제1탱크부재의 일면에 결합되는 제2탱크부재를 포함하고, 상기 탱크의 양단면이 상기 헤더의 양단면과 접합된 것이다.

헤더, 탱크

Description

열교환기의 헤더탱크{Header tank for heat exchanger}

도 1은 일반적인 이산화탄소의 냉동사이클을 설명하기 위한 도면.

도 2는 종래에 따라 열교환기의 헤더탱크의 일예를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 평단면도.

도 5는 본 발명에 따른 열교환기의 조립과정을 설명하기 위한 도면.

(도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10: 헤더

11: 슬롯

20: 탱크

21: 제1탱크부재

22: 제2탱크부재

본 발명은 열교환기의 헤더탱크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 냉매로 사용하는 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 파괴되지 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 압축과 정이고, 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 형성된 다.

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

도 2는 종래에 따라 열교환기의 헤더탱크의 일예를 나타낸 단면도이다.

도시한 바와 같이 종래의 이산화탄소용 열교환기의 헤더탱크는 길이방향으로 압출튜브(3)가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯(1a)이 형성되고, 일측이 개방된 반원형상으로 이루어진 헤더(1)와, 양단부에 절곡부(2a)가 형성되어 상기 헤더(1)의 양단부를 감싸면서 결합되어 냉매유로를 형성시키는 탱크(2)로 구성된다.

또한, 상기 헤더(1)는 클래드재로 이루어지며, 상기 탱크(2)는 이산화탄소 냉매의 특성상 고압에 견딜수 있도록 소재 두께가 기존의 R134a 냉매용 소재보다 통상 2배 이상 증가되어야 함으로 절곡과 같은 제작성의 많은 어려움이 있어 압출재로 압출한 후 상기 헤더(1)와 브레이징 결합하게 된다.

또한, 상기 탱크(2)에는 작동유체가 출입하는 연결파이프(4)가 설치되는데 브레이징하기 위해서 별도의 브레이징링(4a)등을 결합하게 된다.

그러나, 종래의 열교환기의 헤더탱크는 절곡부(2a)가 헤더탱크 외측으로 돌출되어 차량의 엔진룸 내부에 장착과정에서 장착성이 불편한 문제점이 있다.

또한, 압출 가공으로 제작하는 탱크(2)는 압출 가공의 특성상 프레스 가공보다 연한 재질을 사용하여 무게가 증가하고, 재료비도 증가하는 문제점이 있다.

또한, 압출 가공으로 제작하는 탱크(2)는 클래드재를 사용할 수 없기 때문에 브라켓이나 입출구파이프와 같은 부속물을 장착하기 위해서는 별도의 브레이징링 등이 필요하다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 압출재의 제1탱크부재에 양면 클래드재로 이루어진 제2탱크부재를 결합하여 탱크를 형성하고, 상기 탱크에 헤더를 맞대기 접합하도록 하는 열교환기의 헤더탱크를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 길이방향으로 압출튜브가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯이 형성된 헤더와, 상기 헤더의 일측면에 고정되어 냉매유로를 형성시키는 탱크로 이루어진 열교환기의 헤더탱크에 있어서, 상기 탱크는, 압출재로 이루어진 제1탱크부재와, 양면 클래드재로 이루어져 상기 제1탱크부재의 일면에 결합되는 제2탱크부재를 포함하고, 상기 탱크의 양단면이 상기 헤더의 양단면과 접합된 것이다.

또한, 상기 제2탱크부재는 상기 제1탱크부재의 외측면에 밀착되며, 상기 제2탱크부재의 양단부가 내측으로 절곡되어 상기 제1탱크부재의 양단부를 감싸도록 이루어진 것이다.

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

도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크를 나타낸 도면이다.

도시한 바와 같이 열교환기의 헤더탱크는 길이방향으로 압출튜브(30)가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯(11)이 형성된 헤더(10)와, 상기 헤더(10)의 일측면에 고정되어 냉매유로를 형성시키는 탱크(20)로 이루어져 있다.

상기 헤더(10)는 클래드재로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

상기 탱크(20)는 제1탱크부재(21)와 제2탱크부재(22)로 나누어지며, 상기 제1탱크부재(21)는 압출재로 이루어지고, 제2탱크부재(22)는 양면 클래드재로 이루어짐과 아울러 상기 제1탱크부재(21)에 일면이 밀착되어진다.

상기와 같이 탱크(20)를 제1탱크부재(21)와 제2탱크부재(22)로 이루어지도록 하여 이산화탄소 열교환기에서 요구되는 내압성을 향상시키도록 하는 것이다.

또한, 제2탱크부재(22)는 제1탱크부재(21)의 외측에 밀착되도록 하는 것이 바람직하고, 상기 제2탱크부재(22)의 양단부가 내측으로 절곡되어 상기 제1탱크부재(21)의 양단부를 감싸도록 이루어진 것이다.

또한, 상기 탱크(20)와 헤더(10)의 양단부의 단면두께가 동일하여 맞대기 접합되어 종래의 헤더탱크와 같이 외측으로 돌출되는 절곡부가 형성되지 않게 된다.

즉, 상기 제2탱크부재(22)의 양면이 클래드재로 이루어져 제1탱크부재(21)의 외면에 밀착시키고, 상기 제2탱크부재의 양단부를 내측으로 절곡시켜 상기 제1탱크부재의 양단부를 감싸도록 하여 탱크를 형성하며, 상기 탱크를 상기 헤더의 단부에 밀착시킨 상태에서 브레이징을 함으로서, 상기 제1,2탱크부재와 헤더의 브레이징이 용이하게 이루어지고, 탱크(20)의 외면에 별도의 냉매입출구파이프(40) 등을 결합하는 경우에도 별도의 브레이징링이 불필요한 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 열교환기의 조립과정을 설명하기 위한 도면이다.

도시한 바와 같이 양면 클래드 판재를 일정한 곡률로 밴딩하고, 양단부를 내측으로 절곡하게 하여 제2탱크부재(22)를 형성하고, 제1탱크부재(21)를 압출 성형으로 제작한 상태에서 상기 제1탱크부재(21)의 외면에 제2탱크부재(22)를 밀착시켜 가조립하게 된다.

이때 제1탱크부재(21)는 제2탱크부재(22)와 동일한 곡률로 이루어지고, 제2탱크부재(22)의 양단부가 제1탱크부재(21)의 양단부를 감싸도록 이루어진다.

상기와 같이 탱크(20)를 무게가 무겁고, 재료비가 비싼 압출재로 전부 형성하지 않고, 제1탱크부재(21)는 압출재로 형성하고, 제2탱크부재(22)는 클래드재로 형성하도록 하여 무게 및 재료비 부담을 줄일 수 있다.

또한, 상기와 같이 제1,2탱크부재(21)(22)를 결합하여 탱크(20)를 형성한 후 상기 탱크(20)에 대응되는 헤더(10)를 클래드재로 형성한 상태에서 상기 탱크(20)와 헤더(10)의 양단부를 맞대기 접합하게 브레이징 결합되도록 함으로서, 탱크(20)의 외면에 입출구파이프(미도시)와 같은 부속물을 브레이징링 등의 별도의 부품없이 간단히 브레이징이 가능하게 하며, 탱크(20)와 헤더(10)를 맞대기 접합하여 내압성을 향상시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 조립되는 본 발명의 열교환기의 헤더탱크를 이용하여 열교환기의 조립과정을 설명하면 다음과 같다.

상기 헤더(10)에 형성된 복수의 슬롯에 압출튜브(30)를 삽입하고, 탱크(20)의 외면에 냉매입출구파이프(40)를 결합하여 헤더탱크를 가조립하게 되고, 헤더탱크의 상하단부는 엔드캡(미도시) 등으로 폐쇄하게 된다.

또한, 상기와 같이 조립한 헤더탱크를 한쌍으로 형성한 상태에서 압출튜브(30)의 타측에 또 다른 헤더탱크를 조립하며, 압출튜브(30)의 사이에 방열핀을 개재한 상태에서 브레이징 결합하게 된다.

본 고안은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명한 것이나, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게는 다양한 변형 및 다른 실시예가 가능하다는 점이 이해될 것이다.

이상 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크는 압출재의 제1탱크부재에 양면 클래드재로 이루어진 제2탱크부재를 결합하여 탱크를 형성하고, 상기 탱크에 헤더를 맞대기 접합하도록 하여 종래와 같이 외측으로 절곡부 등이 돌출되지 않아 엔진룸에 장착성이 향상된다.

또한, 상기 탱크를 무게가 무겁고, 재료비가 비싼 압출재로 전부 형성하지 않고, 압출재와 클래드재를 동시에 사용함으로 무게 및 재료비에 대한 부담을 줄일수 있다.

또한, 탱크의 외면이 클래드재로 이루어져 입출구파이프와 같은 부속물을 별도의 부품없이 간단이 브레이징 가능하다.

Claims (2)

1. 길이방향으로 압출튜브(30)가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯이 형성된 헤더(10)와, 상기 헤더(10)의 일측면에 고정되어 냉매유로를 형성시키는 탱크(20)로 이루어진 열교환기의 헤더탱크에 있어서,

   상기 탱크(20)는, 압출재로 이루어진 제1탱크부재(21)와, 양면 클래드재로 이루어져 상기 제1탱크부재(21)의 일면에 결합되는 제2탱크부재(22)를 포함하고,

   상기 탱크(20)의 양단면이 상기 헤더(10)의 양단면과 접합되며,

   상기 제2탱크부재(22)는 상기 제1탱크부재(21)의 외측면에 밀착되며, 상기 제2탱크부재(22)의 양단부가 내측으로 절곡되어 상기 제1탱크부재(21)의 양단부를 감싸도록 이루어진 것을 특징으로 하는 열교환기의 헤더탱크.
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