KR101088305B1 - 열교환기의 헤더탱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기의 헤더탱크에 관한 것으로, 그 목적은 헤더와 탱크에 형성되는 냉매유동로를 주유동로와 부유동로로 분리하여 냉매가 분산되어 유동되도록 함으로서, 성능 향상을 위해 튜브 폭을 증가시켜도 냉매측 압력 손실을 방지할 수 있고, 소재의 두께를 증가시킬 필요 없으며, 내구성이 향상되는 열교환기의 헤더탱크를 제공함에 있다. 이는 길이방향으로 튜브가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯이 형성된 헤더와, 상기 헤더의 일측면에 결합되어 유로를 형성하는 탱크와, 상기 헤더와 탱크를 상호 결합시키도록 상기 헤더와 탱크의 양측면에 각각 형성된 결합부를 포함하는 열교환기의 헤더탱크에 있어서, 상기 헤더와 탱크가 결합되어 냉매가 유동되도록 주유동로가 형성되고, 상기 탱크의 결합부상의 적어도 어느 일측에 부유동로가 형성되며, 상기 주유동로와 부유동로가 연통되게 상기 튜브를 결합하도록 이루어진 것이다.

헤더, 탱크, 결합부, 튜브, 주유동로, 부유동로

Description

열교환기의 헤더탱크{Header tank for heat exchanger}

도 1은 일반적인 이산화탄소의 냉동사이클을 설명하기 위한 도면.

도 2는 종래에 따른 열교환기의 헤더탱크의 일예를 나타낸 사시도.

도 3은 종래에 따른 열교환기의 헤더탱크의 다른 실시예를 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예를 나타낸 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예를 나타낸 평면도.

도 6은 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예에서 일측에만 부연통로가 형성된 상태를 나타낸 평면도.

도 7은 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예에서 튜브가 탱크의 최외측 결합부에 결합된 상태를 나타낸 평면도.

도 8은 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예에서 탱크의 최외측 결합부에 탭이 형성된 상태를 나타낸 평면도.

도 9는 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예에서 탱크의 최외측 결합부에 탭이 형성되고, 일측에만 부유동로가 형성된 상태를 나타낸 평면도.

도 10은 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제2실시예를 나타낸 사시도.

도 11은 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제2실시예를 나타낸 평면도

도 12는 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제2실시예에서 중간 결합부 상에 형성된 부유동로를 상호 연통시킨 상태의 평면도.

도 13은 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제2실시예에서 중간 결합부 상에 형성된 부유동로를 상호 연통시키고, 상기 부유동로상에 돌출부를 형성시킨 상태의 평면도.

(도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10: 헤더 11: 슬롯

12: 결합공 20: 탱크

21: 연통홈 22: 결합홈

23: 돌출탭 24: 돌출부

30: 결합부 30a: 최외측 결합부

31: 중간결합부 40: 튜브

50: 주유동로 60: 부유동로

본 발명은 열교환기의 헤더탱크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 헤더와 탱크에 형성되는 냉매유동로를 주유동로와 부유동로로 분리하여 냉매가 분산되어 유동되도록 함으로서, 성능 향상을 위해 튜브 폭을 증가시켜도 냉매측 압력 손실을 방지할 수 있고, 소재의 두께를 증가시킬 필요 없으며, 내구성이 향상되는 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 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 탱크(2)에 형성된 냉매유로의 면적이 작아 냉매측의 압력손실이 증가하여 열교환기의 효율을 저하시키는 문제점이 있다.

도 3은 종래에 따른 열교환기의 헤더탱크의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.

도시한 바와 같이 종래의 이산화탄소용 열교환기의 헤더탱크는 원형의 헤더탱크(5)에 형성된 슬롯(5a)에 튜브(4)를 결합시키는 구성이다.

그러나, 상기와 같은 종래의 열교환기는 튜브(4) 폭에 따라 헤더탱크(5)의 크기가 변경되며 성능향상을 위해 튜브(4) 폭을 증가시키면 헤더탱크(5)의 체적이 증가하여 내구성이 저하되는 문제점이 있게 된다.

상기와 같은 단점을 보완하기 위해서 소재의 두께를 증가시키면 헤더탱크(5)의 중량이 증가함과 아울러 제조원가가 상승되는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 헤더와 탱크에 형성되는 냉매유동로를 주유동로와 부유동로로 분리하여 냉매가 분산되어 유동되도록 함으로서, 성능 향상을 위해 튜브 폭을 증가시켜도 냉매측 압력 손실을 방지할 수 있고, 소재의 두께를 증가시킬 필요 없으며, 내구성이 향상되는 열교환기의 헤더탱크를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 길이방향으로 튜브가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯이 형성된 헤더와, 상기 헤더의 일측면에 결합되어 유로를 형성하는 탱크와, 상기 헤더와 탱크를 상호 결합시키도록 상기 헤더와 탱크의 양측면에 각각 형성된 결합부를 포함하는 열교환기의 헤더탱크에 있어서, 상기 헤더와 탱크가 결합되어 냉매가 유동되도록 주유동로가 형성되고, 상기 탱크의 결합부상의 적어도 어느 일측에 부유동로가 형성되며, 상기 주유동로와 부유동로가 연통되게 상기 튜브를 결합하도록 이루어진 것이다.

또한, 상기 부유동로가 주유동로 보다 작은 것이다.

또한, 상기 튜브의 폭방향 양단부가 상기 탱크의 최외측 결합부에 형성된 결합홈 상에 결합되도록 하는 것이다.

또한, 상기 주유동로를 한쌍으로 형성하고, 상기 주유동로 사이 의 중간 결합부 및 양측 결합부에 각각 부유동로를 형성하며, 상기 주유동로, 중간결합부 및 양측 결합부에 각각 상기 튜브를 2열로 배열시킨 것이다.

또한, 상기 중간 결합부 상에 형성된 부유동로는 상호 연통되도록 형성시킨 것이다.

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

도 4는 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예를 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예를 나타낸 평면도이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 열교환기의 헤더탱크는 길이방향으로 튜브(40)가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯(11)이 형성된 헤더(10)와, 상기 헤더(10)의 일측면에 결합되어 유로를 형성하는 탱크(20)와, 상기 헤더(10)와 탱크(20)를 상호 결합시키도록 상기 헤더(10)와 탱크(20)의 양측면에 각각 형성된 결합부(30)를 포함하는 것이다.

또한, 상기 헤더(10)와 탱크(20)가 결합되어 냉매가 유동되도록 주유동로(50)가 형성되고, 상기 탱크(20)의 결합부(30)상의 적어도 어느 일측에 부유동로(60)가 형성되며, 상기 주유동로(50)와 부유동로(60)가 연통되게 상기 튜브(40)를 결합하도록 이루어진 것이다.

즉, 상기 주유동로(50)와 부유동로(60)의 사이의 결합부(30)에는 연통홈(21)을 형성시켜 튜브(40)가 직각방향으로 결합되는 것이다.

또한, 상기 부유동로(60)보다 주유동로(50)의 공간이 더 넓게 이루어져 냉매가 주유동로(50)에서 대부분 유동되며, 상기 주유동로(50)에서 부유동로(60)로 일부 냉매를 분산시켜 이산화탄소용 열교환기에서 고압에 견딜수 있도록 하는 것이다.

상기에서 튜브(40)는 주유동로(50)와 부유동로(60) 전체에 걸쳐 설치되는 것이 바람직하나, 주유동로(50) 측에만 튜브(40)를 결합하여 상기 튜브(40)를 통해 유입된 냉매가 주유동로(50)에서 탱크(20)의 결합부(30) 상에 형성된 연통홈(21)을 통해 부유동로(60)로 연결될 수 도 있을 것이다.

또한, 상기 헤더(10)의 양단부는 절곡되어 상기 탱크(20)를 감싸도록 하여 내압성을 향상시키도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명의 헤더탱크는 주유동로(50)를 중심으로 좌,우측에 각각 부유동로(60)를 형성하는 것이 바람직하나 도 6에서 도시한 바와 같이 결합부(30) 일측에만 부유동로(60)를 형성시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 헤더탱크는 도 7에 도시한 바와 같이 튜브(40)의 폭방향 양단부가 상기 탱크(20)의 최외측 결합부(30a)에 형성된 결합홈(22) 상에 결합되도록 하여 탱크(20)의 가공성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 헤더탱크는 도 8에 도시한 바와 같이 상기 탱크(20)의 최외 측 결합부(30a) 단부에 돌출탭(23)을 형성하여 상기 헤더(10)의 결합부(30) 상에 형성된 결합공(12) 상에 결합하도록 하는 것이다.

상기 돌출탭(23)은 탱크(20)의 길이방향으로 일정간격 이격되게 복수개 형성되도록 하고, 상기 헤더(10)에 형성된 결합공(12)에 결합됨으로서, 결합력을 한층 더 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 헤더탱크는 도 9에 도시한 바와 같이 결합부(30) 일측에만 부유동로(60)를 형성시키고, 상기 탱크(20)의 최외측 결합부(30a) 단부에 돌출탭(23)을 형성하여 상기 헤더(10)에 형성된 결합공(12)에 결합되도록 하여 체결력을 향상시키도록 한다.

도 10은 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제2실시예를 나타낸 사시도이고, 도 11은 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크의 제2실시예를 나타낸 평면도이다. 이하에서는 설명의 편리를 위해 제1실시예와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명한다.

도시한 바와 같이 본 발명의 본 발명의 헤더탱크는 주유동로(50)를 한쌍으로 형성하고, 상기 주유동로(50) 사이의 중간 결합부(31) 및 양측 결합부(30)에 각각 부유동로(60)를 형성하며, 상기 주유동로(50), 중간 결합부(31) 및 양측 결합부(30)에 각각 상기 튜브(40)를 2열로 배열시킨 것이다.

또한, 상기 헤더(10)의 양단부는 절곡하여 탱크(20)를 감싸도록 하며, 상기 탱크(20)의 최외측 결합부(30a)에는 돌출탭(23)을 형성하여 결합력을 형성하도록 하는 것이 바람직하다.

그러나, 본 발명의 헤더탱크에서는 돌출탭(23)을 형성하는 예를 들었을 뿐 이에 한정하는 것이 아니며, 돌출탭(23)을 형성하지 않을 수도 있다.

또한, 본 발명의 헤더탱크는 도 12에 도시한 바와 같이 중간 결합부(31) 상에 형성된 부유동로(60)는 상호 연통되도록 형성시켜 냉매를 한쌍의 주유동로(50) 상에 상호 연통되도록 하여 냉매의 유동 성능을 향상시킬수 있다.

또한, 본 발명의 헤더탱크는 도 13에 도시한 바와 같이 중간 결합부(30) 상에 형성된 부유동로(60)는 상호 연통되도록 형성하되, 상기 부유동로(60)상에 돌출부(24)를 형성하여 내압성을 향상시킬수 있다.

본 발명에 따른 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크는 내압성이 요구되는 이산화탄소 열교환기용으로 사용되는 것으로, 헤더(10)와 탱크(20)에 주유동로(50) 및 부유동로(60)를 형성하여 튜브(40)에서 유동되는 대부분의 냉매는 주유동로(50)로 유동되도록 하고, 상기 주유동로(50)에서 일부의 냉매를 부유동로(60)로 분산하도록 하여 헤더탱크의 내압성을 향상시키도록 하는 것이다.

상기와 같이 열교환기의 헤더탱크에 주유동로(50)와 부유동로(60)를 형성함으로서, 튜브(40)의 폭을 증가시켜도 냉매측 압력손실을 방지할수 있으며, 냉매가 분산 유동됨으로 열교환기의 헤더탱크의 소재 두께를 증가시키지 않아도 된다.

또한, 상기와 같이 주유동로(50)와 부유동로(60)를 형성한 헤더탱크는 길이방향 최외측에 엔드캡(미도시)과 내부의 유로에 복수의 배플(미도시)을 설치하여 다양한 유로를 형성하여 고압용 열교환기에 사용 가능한 것이다.

이상 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 열교환기의 헤더탱크는 헤더와 탱크에 형성되는 냉매유동로를 주유동로와 부유동로로 분리하여 냉매가 분산되어 유동되도록 함으로서, 성능 향상을 위해 튜브 폭을 증가시켜도 냉매측 압력 손실을 방지할 수 있고, 소재의 두께를 증가시킬 필요 없으며, 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 종래 헤더 및 탱크의 결합부 상의 소재부분을 활용하여 주유동로보다 작은 부유동로를 형성하여 냉매 분산에 따른 헤더탱크의 내압성을 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 길이방향으로 튜브(40)가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯(11)이 형성된 헤더(10)와, 상기 헤더(10)의 일측면에 결합되어 유로를 형성하는 탱크(20)와, 상기 헤더(10)와 탱크(20)를 상호 결합시키도록 상기 헤더(10)와 탱크(20)의 양측면에 각각 형성된 결합부(30)를 포함하는 열교환기의 헤더탱크에 있어서,

   상기 헤더(10)와 탱크(20)가 결합되어 냉매가 유동되도록 주유동로(50)가 형성되고, 상기 탱크(20)의 결합부(30)상의 적어도 어느 일측에 부유동로(60)가 형성되며, 상기 주유동로(50)와 부유동로(60)가 연통되게 상기 튜브(40)를 결합하도록 이루어지며,

   상기 주유동로(50)를 한쌍으로 형성하고, 상기 주유동로(50) 사이의 중간 결합부(31) 및 양측 결합부(30)에 각각 부유동로(60)를 형성하며, 상기 주유동로(50), 중간결합부(31) 및 양측 결합부(30)에 각각 상기 튜브(40)를 2열로 배열시킨 것을 특징으로 하는 열교환기의 헤더탱크.
2. 제1항에 있어서, 상기 부유동로(60)가 주유동로(50) 보다 작은 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 열교환기의 헤더탱크.
3. 제1항에 있어서, 상기 튜브(40)의 폭방향 양단부가 상기 탱크(20)의 최외측 결합부(30)에 형성된 결합홈 상에 결합되도록 하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 헤더탱크.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 중간 결합부(30) 상에 형성된 부유동로(60)는 상호 연통되도록 형성시킨 것을 특징으로 하는 열교환기의 헤더탱크.

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