KR101418089B1 - 열교환 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유압기계 작동용 유압유의 냉각장치 등으로 활용되는 열교환 장치로서 유압유 등 열유체가 통과하는 쉘(shell)(10) 내부에 냉각수 등의 열매체가 통과하는 튜브(tube)(20)가 다수 설치되어 열매체와 열유체간 열교환이 이루어지는 튜브(20) 내장형 열교환 장치에 관한 것으로, 소기의 형상으로 재단 또는 절곡된 금속제 판체인 폐합박판(12)에 다수의 튜브(20)를 결합하고 폐합박판(12)을 상자 형태로 조합한 후 폐합박판(12) 외면에 합성수지제 피복층(11)을 형성하여 열교환 장치의 쉘(10)을 구성한 것이다.
본 발명을 통하여, 열교환 장치의 내압성 및 기밀성 등 성능 및 내구성은 확보하면서도 생산성을 향상시키고 제조비용을 절감할 수 있다.

Description

열교환 장치 및 그 제조방법{HEAT EXCHANGER AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 유압기계 작동용 유압유의 냉각장치 등으로 활용되는 열교환 장치로서 유압유 등 열유체가 통과하는 쉘(shell)(10) 내부에 냉각수 등의 열매체가 통과하는 튜브(tube)(20)가 다수 설치되어 열매체와 열유체간 열교환이 이루어지는 튜브(20) 내장형 열교환 장치에 관한 것으로, 소기의 형상으로 재단 또는 절곡된 금속제 판체인 폐합박판(12)에 다수의 튜브(20)를 결합하고 폐합박판(12)을 상자 형태로 조합한 후 폐합박판(12) 외면에 합성수지제 피복층(11)을 형성하여 열교환 장치의 쉘(10)을 구성한 것이다.
유체(流體)용 열교환 장치에 있어서, 쉘(10) 내부에 다수의 튜브(20)가 설치되어 쉘(10)을 통과하는 유체와 튜브(20)를 통과하는 유체간 열교환이 이루어지는 방식이 널이 사용되고 있으며, 그 예로서 특허 제1151755호를 들 수 있다.
특허 제1151755호는 유압기계를 작동하는 유압유를 냉각하는 냉각용 열교환기에 관한 것으로서, 유압유가 쉘(10)을 통과하는 유체 즉, 열유체에 해당되고, 냉각수가 튜브(20)를 통과하는 유체 즉, 열매체에 해당된다.
즉, 도 2에서와 같이, 쉘(10)로 유입된 고온의 유압유인 열유체는 쉘(10) 내부에 다수 설치된 튜브(20) 사이를 통과하면서, 급배구(33)를 통하여 보닛(bonnet)(30)으로 유입된 후 튜브(20)를 통과하는 냉각수와의 열교환을 통하여 냉각된 후 배출되는데, 이러한 종래의 열교환 장치에 있어서 튜브(20)가 내장되는 쉘(10)은 통상 주물로 성형된 후 절삭 가공된 금속제 함체(函體) 또는 후판체(厚板體)로 구성된다.
열교환 장치, 특히 유압기계 작동유 냉각용 열교환 장치에 있어서, 쉘(10)은 유압기계 작동유 등 고압의 유체가 직접 통과하는 일종의 압력용기인 바 고도의 기밀성이 요구됨을 물론 고압 유체의 압력에 저항할 수 있는 충분한 내압성(耐壓性) 및 강도가 요구되므로, 도 1에서와 같이, 금속제 후판체로 제작되는데, 동 도면의 상부에 도시된 단면도에서와 같이, 쉘(10)을 통과하는 열유체와 쉘(10)에 내장된 튜브(20)간 접촉도를 확보하기 위하여 쉘(10)의 내부에는 복잡한 형상의 굴곡이 형성되어야 함과 동시에, 열유체와 쉘(10)의 내벽간 마찰을 최소화하고 장기간 사용시 발생될 수 있는 쉘(10) 내벽 조직의 박리를 방지하기 위하여 쉘(10)의 내부 표면은 매끄럽게 가공되어야 한다.
따라서 종래 열교환 장치의 쉘(10)은 주물을 통하여 1차 성형된 후판체를 절삭 또는 연마한 후, 튜브(20)를 결합하고 상자 형태로 조합한 상태에서 용접하여 완성하게 되는 바, 제작 공정이 복잡하고 높은 제작비용이 소요되는 문제점이 있었다.
특히, 쉘(10) 내부 굴곡의 형성과 표면 처리를 위하여 주물, 절삭 및 연마 공정을 순차적으로 수행하여야 할 뿐 아니라, 이후 조립공정에서는 연결부에 대한 정밀한 후판 용접을 수행하여야 했는데, 이들 공정은 자동화가 곤란하고 고도로 숙련된 인력을 필요로 하는 것인 바, 종래 열교환 장치의 쉘(10)은 대량생산은 물론 이를 통한 생산선 향상 및 제조 비용 절감에 한계가 있을 수 밖에 없었다.
또한, 종래 열교환 장치의 쉘(10)은 외부 표면이 금속으로 구성되는 바, 냉각수 등 열매체와 직접 접촉하는 쉘(10)의 외부 표면이 부식되는 심각한 문제점이 있었으며, 이러한 쉘(10)의 내식성 부족은 열매체로서 해수(海水)를 사용하는 원자력 발전소 또는 선박 등의 열교환 장치에 있어서 더욱 심각한 문제점을 야기하였다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 열교환 장치의 쉘(10)을 구성함에 있어서, 내압성과 내부 표면의 정밀도는 확보하면서도 생산성을 향상시키고 제조 비용 또한 절감할 수 있도록 함을 목적으로 한다.
즉, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 외주면에 다수의 원반형 전달핀(21)이 형성된 튜브(tube)(20) 다수가 열유체가 통과하는 쉘(shell)(10) 내부에 열유체의 흐름과 직교하는 방향으로 설치되고, 내부에 열매체가 수용되는 격실(32)이 형성된 보닛(bonnet)(30)이 상기 쉘(10)에 부착되어 튜브(20)와 보닛(30)의 격실(32)이 연결되는 열교환 장치에 있어서, 다수의 폐합박판(12)이 상자 형태로 조합되고, 조합된 폐합박판(12) 내부에는 다수의 튜브(20)가 설치되되 튜브(20)의 양단에는 다수의 결합공(13)이 천공된 폐합박판(12)이 결합되어 튜브(20)의 양측 단부가 폐합박판(12) 외부로 노출되며, 폐합박판(12) 외면에는 합성수지제 피복층(11)이 형성되어 쉘(10)의 외벽이 구성됨을 특징으로 하는 열교환 장치이다.
또한, 상기의 열교환 장치를 제조하는 방법에 있어서, 평행하게 배열된 다수의 튜브(tube)(20)를 포위하여 폐합박판(12)을 조합하되 결합공(13)이 천공된 폐합박판(12)을 튜브(20)의 양단에 결합하고, 튜브(20)가 내장된 폐합박판(12) 조합체의 양단에는 출입구(19)가 형성된 폐합박판(12)을 각각 결합하여, 양 측면에 튜브(20)의 양단이 각각 노출된 상자 형태의 폐합박판(12) 조합체를 구성하는 단계와, 제조 계획 쉘(shell)(10) 형상의 주형(鑄型)이 내부에 형성된 금형(40)에 상기 상자 형태의 폐합박판(12) 조합체를 거치하되, 금형(40)의 내부면 중 튜브(20)가 노출된 상자 형태 폐합박판(12) 조합체의 양 측면과 평행한 면에는 튜브(20)의 직경과 일치하는 내경을 가지는 결합요부(45)가 형성되어, 금형(40)의 합형시 노출된 튜브(20)의 양단이 금형(40) 내부면의 결합요부(45)에 결합되어 금형(40) 내 폐합박판(12) 조합체의 표면과 금형(40) 내부면간 이격상태가 유지되도록 하는 단계와, 합형된 금형(40) 내부로 합성수지를 주입하여 피복층(11)을 형성하고 피복층(11)이 경화되면 금형(40)을 탈형하여 쉘(10)을 취출하는 단계가 포함됨을 특징으로 하는 열교환 장치의 제조방법이다.
본 발명을 통하여, 열교환 장치의 내압성 및 기밀성 등 성능 및 내구성은 확보하면서도 생산성을 향상시키고 제조비용을 절감할 수 있다.
특히, 열교환 장치의 쉘(10)을 구성함에 있어서, 내부의 폐합박판(12)과 외부의 합성수지제 피복층(11)으로 다층 성형하되, 프레스 가공 등을 통하여 자동화 대량생산이 용이한 폐합박판(12)을 적용함으로써, 종래기술을 통한 쉘(10)의 생산시 필수 공정이었던 주물, 절삭 및 연마 등 고비용 저생산성 공정을 생략할 수 있어 종래기술에 비하여 제조 공정 개선하고 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 쉘(10)의 생산과정에서 용접이 배제되거나 최소화되므로 종래기술에 의한 쉘(10)의 생산과정에서 후판체의 용접시 발생되는 과도한 열전달 및 이로 인한 튜브(20) 변형 등의 불량을 근본적으로 방지할 수 있으며, 냉각수 등 열매체와 직접 접촉하는 쉘(10)의 표면이 합성수지로 구성되므로 종래의 열교환 장치에 비하여 월등한 내식성을 확보할 수 있다.
도 1은 종래의 열교환기 예시도
도 2는 본 발명의 사시도 및 대표단면도
도 3은 본 발명의 분해사시도
도 4는 본 발명의 쉘 부분절단 사시도
도 5는 본 발명 쉘의 피복층 부분절단 사시도
도 6은 본 발명의 폐합박판 조립방식 예시도
도 7은 본 발명의 폐합박판 조립상태 사시도
도 8은 본 발명에 적용되는 금형 예시도
도 9는 본 발명에 적용되는 금형의 합형상태 설명도
도 10은 보강봉이 적용된 본 발명의 일 실시예 쉘 발췌 부분절단 사시도
본 발명의 상세한 구성 및 수행과정을 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.
우선 도 2는 본 발명의 외관을 도시한 사시도 및 대표단면도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명은 전, 후 양면에 출입구(19)가 형성된 장방형 밀폐 함체(函體)인 쉘(shell)(10)에 한쌍의 보닛(30)이 부착되고, 도 3에서와 같이, 일측의 보닛(30)에는 한쌍의 급배구(33)가 형성된 구조를 가지며, 도 4에서와 같이, 쉘(10) 내부에는 전달핀(21)이 형성된 튜브(20) 다수가 배치된다.
즉, 도 2 내지 도 4에서와 같이, 본 발명은 외주면에 다수의 원반형 전달핀(21)이 형성된 튜브(20) 다수가 열유체가 통과하는 쉘(10) 내부에 열유체의 흐름과 직교하는 방향으로 설치되고, 내부에 격벽(31)으로 구획되어 열매체가 수용되는 격실(32)이 형성된 보닛(30)이 상기 쉘(10)에 부착되어 튜브(20)와 보닛(30)의 격실(32)이 연결되는 열교환 장치로서, 도 4에서와 같이, 쉘(10) 내부의 표면에는 다수의 곡부(谷部) 및 봉부(峰部)가 반복되는 곡면이 형성되어 열유체와 튜브(20)간 접촉 효율을 확보할 수 있도록 구성된다.
열교환 장치에 있어서 쉘(10)은 고압의 열유체가 통과하는 일종의 압력용기인 바, 고도의 기밀성은 물론 내압성을 갖추어야 하며, 본 발명에서는 도 4 및 도 5에서와 같이, 금속제 폐합박판(12) 외부를 합성수지제 피복층(11)이 피복하여 쉘(10)이 구성된다.
즉, 튜브(20)가 내장되고 상자 형태로 조합된 폐합박판(12) 외부에 합성수지 피복층(11)이 적층되어, 다층 구조의 쉘(10)이 구성되는 것이다.
본 발명의 폐합박판(12)은 쉘(10)의 내벽을 형성하고 튜브(20)가 1차 결합되는 금속제 판체로서, 도 6에서와 같이, 다수의 단위 폐합박판(12)이 상자 형태로 조합되며, 도시된 실시예에서는 상, 하부의 폐합박판(12)에는 곡부와 봉부가 반복되는 곡면이 형성되고, 양 측면의 폐합박판(12)에는 튜브(20)와 동수(同數), 동위치의 결합공(13)이 천공되며, 전, 후단의 폐합박판(12)에는 출입구(19)가 형성된다.
또한 폐합박판(12)간 연결부는 동일한 형태로 절곡 및 재단되어 상자 형태로 조합시 연결부가 밀착되고 조합된 폐합박판(12) 내부가 밀폐된다.
즉, 도 6 및 도 7에서와 같이, 폐합박판(12) 조합체의 상면 및 하면에는 각각 곡면이 형성되고, 이들 상면 및 하면 폐합박판(12)의 양 측단에 밀착되는 결합공(13) 천공 폐합박판(12)의 상, 하단부는 상기 상면 및 하면 폐합박판(12) 곡면의 굴곡과 동일한 형상으로 재단되어, 상자 형태로 폐합박판(12)을 조합할 시 연결부가 밀착되고 내부가 밀폐되는 것이다.
이러한 본 발명의 폐합박판(12)은 튜브(20)가 내장된 상태로 상자 형태로 조합되는데, 조합과정에서 양 측면의 폐합박판(12)에 형성된 결합공(13)에 튜브(20)의 양단이 결합되어 도 7에서와 같이 조합이 완료된 상태의 폐합박판(12)의 양 측면으로는 튜브(20)의 양단이 노출된다.
또한, 도 6에서와 같이, 전, 후단의 폐합박판(12)에는 외곽에 내측으로 돌출된 결합턱(14)을 형성하여 도 7에서와 같이 양 측면과 상, 하면의 폐합박판(12)이 조합된 조합체의 전, 후단에 결합턱(14)이 형성된 폐합판이 각각 결합됨으로써, 별도의 접착 또는 용접 등의 처리 없이도 폐합박판(12)이 상자 형태로 견고하게 결속될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 폐합박판(12)은 금속제 판체를 가공하여 제작될 수 있는데, 특히 프레스 가공을 적용하면 곡면의 형성, 외곽부의 재단 및 결합공(13)의 천공을 간편하게 수행할 수 있으며, 이러한 폐합박판(12)의 프레스 가공을 통하여 주물, 절삭 및 연마 등 일련의 복잡한 공정을 필요로 하는 종래기술에 비하여 비약적으로 향상된 생산성을 확보할 수 있다.
이렇듯, 튜브(20)가 내장되고 상자 형태로 조합된 폐합박판(12) 조합체의 외면에는 도 5에서와 같이, 합성수지제 피복층(11)이 적층 형성됨으로써 쉘(10)에 기밀성 및 내압성을 부여하게 되는데, 이는 도 8 및 도 9에 예시된 바와 같은 합형식 금형(40)을 통하여 사출성형 방식으로 달성될 수 있다.
이러한 본 발명의 열교환 장치 제조방법은 우선, 도 6에서와 같이, 평행하게 배열된 다수의 튜브(tube)(20)를 포위하여 폐합박판(12)을 조합하되 결합공(13)이 천공된 폐합박판(12)을 튜브(20)의 양단에 결합하고, 튜브(20)가 내장된 폐합박판(12) 조합체의 양단에는 출입구(19)가 형성된 폐합박판(12)을 각각 결합하여, 도 7에서와 같이 양 측면에 튜브(20)의 양단이 각각 노출된 상자 형태의 폐합박판(12) 조합체를 구성하는 단계로 개시된다.
이후, 도 8에서와 같이, 제조 계획 쉘(shell)(10) 형상의 주형(鑄型)이 내부에 형성된 금형(40)에 상기 상자 형태의 폐합박판(12) 조합체를 거치하는 단계가 수행되는데, 동 도면의 발췌 확대부에서와 같이 금형(40)의 내부면 중 튜브(20)가 노출된 상자 형태 폐합박판(12) 조합체의 양 측면과 평행한 면에는 튜브(20)의 직경과 일치하는 내경을 가지는 결합요부(45)가 형성되어, 금형(40)의 합형시 노출된 튜브(20)의 양단이 금형(40) 내부면의 결합요부(45)에 결합되어 금형(40) 내 폐합박판(12) 조합체의 표면과 금형(40) 내부면간 이격상태가 유지되도록 한다.
상자 형태의 폐합박판(12) 조합체 외면 전체 즉, 6면에 합성수지제 피복층(11)을 일시에 형성하기 위해서는 합형된 금형(40) 내부에서 폐합박판(12) 조합체가 금형(40) 내벽으로부터 이격된 상태를 유지하여야 하며, 이를 위해서는 금형(40) 내부에서 삽입물인 폐합박판(12) 조합체를 지지할 수 있는 스페이서(spacer)를 설치하여야 하지만, 스페이서는 완성된 성형물의 외관은 물론 강도, 기밀성 및 내압성 등의 성능을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다.
이에, 본 발명에서는 스페이서를 배제하고 금형(40)의 내부 양측 표면에 튜브(20)의 직경과 동일한 내경을 가지는 결합요부(45)를 폐합박판(12) 조합체 양측으로 노출된 튜브(20)와 동수 및 동위치로 형성함으로써, 도 9에서와 같이, 금형(40)의 합형시 노출된 튜브(20)의 양단이 금형(40) 내부면의 결합요부(45)에 결합되어 금형(40) 내 폐합박판(12) 조합체의 표면과 금형(40) 내부면간 이격상태가 유지되도록 한다.
즉, 도 9의 상부에 도시된 단면도에서와 같이, 성형중 금형(40)내 폐합박판(12) 조합체의 위치를 정확하고 안정적으로 유지함과 동시에, 튜브(20) 양단의 개구부를 긴밀하게 폐쇄함으로써 금형(40) 내부로 주입된 용융 합성수지의 튜브(20)내 유입을 차단하는 것이다.
이렇듯 금형(40) 내부에 폐합박판(12) 조합체가 안정적으로 거치된 상태로 합형된 금형(40) 내부에 합성수지를 주입하여 피복층(11)을 형성하고 피복층(11)이 경화되면 금형(40)을 탈형하여 쉘(10)을 취출하는 단계가 수행됨으로써, 다층 구조의 쉘(10)이 완성되며, 이후 도 3에서와 같이, 쉘(10)의 양 측면에 보닛(30)이 부착됨으로써 본 발명이 적용된 열교환 장치가 완성된다.
한편, 도 10은 본 발명의 폐합박판(12) 조합체에 보강봉(47)을 체결한 실시예를 예시한 것으로, 동 실시예를 통하여 조합 및 금형(40)내 투입시 폐합박판(12) 조합체 자체의 결속력을 확보함은 물론, 완성된 쉘(10)의 내압성 또한 향상시킬 수 있다.
10 : 쉘
11 : 피복층
12 : 폐합박판
13 : 결합공
14 : 결합턱
19 : 출입구
20 : 튜브
21 : 전달핀
30 : 보닛
31 : 격벽
32 : 격실
33 : 급배구
40 : 금형
45 : 결합요부
47 : 보강봉

Claims (2)

  1. 외주면에 다수의 원반형 전달핀(21)이 형성된 튜브(tube)(20) 다수가 열유체가 통과하는 쉘(shell)(10) 내부에 열유체의 흐름과 직교하는 방향으로 설치되고, 내부에 열매체가 수용되는 격실(32)이 형성된 보닛(bonnet)(30)이 상기 쉘(10)에 부착되어 튜브(20)와 보닛(30)의 격실(32)이 연결되는 열교환 장치에 있어서,
    다수의 폐합박판(12)이 상자 형태로 조합되고, 조합된 폐합박판(12) 내부에는 다수의 튜브(20)가 설치되되 튜브(20)의 양단에는 다수의 결합공(13)이 천공된 폐합박판(12)이 결합되어 튜브(20)의 양측 단부가 폐합박판(12) 외부로 노출되며;
    폐합박판(12) 외면에는 합성수지제 피복층(11)이 형성되어 쉘(10)의 외벽이 구성됨을 특징으로 하는 열교환 장치.
  2. 청구항 1의 열교환 장치를 제조하는 방법에 있어서,
    평행하게 배열된 다수의 튜브(tube)(20)를 포위하여 폐합박판(12)을 조합하되 결합공(13)이 천공된 폐합박판(12)을 튜브(20)의 양단에 결합하고, 튜브(20)가 내장된 폐합박판(12) 조합체의 양단에는 출입구(19)가 형성된 폐합박판(12)을 각각 결합하여, 양 측면에 튜브(20)의 양단이 각각 노출된 상자 형태의 폐합박판(12) 조합체를 구성하는 단계와;
    제조 계획 쉘(shell)(10) 형상의 주형(鑄型)이 내부에 형성된 금형(40)에 상기 상자 형태의 폐합박판(12) 조합체를 거치하되, 금형(40)의 내부면 중 튜브(20)가 노출된 상자 형태 폐합박판(12) 조합체의 양 측면과 평행한 면에는 튜브(20)의 직경과 일치하는 내경을 가지는 결합요부(45)가 형성되어, 금형(40)의 합형시 노출된 튜브(20)의 양단이 금형(40) 내부면의 결합요부(45)에 결합되어 금형(40) 내 폐합박판(12) 조합체의 표면과 금형(40) 내부면간 이격상태가 유지되도록 하는 단계와;
    합형된 금형(40) 내부로 합성수지를 주입하여 피복층(11)을 형성하고 피복층(11)이 경화되면 금형(40)을 탈형하여 쉘(10)을 취출하는 단계가 포함됨을 특징으로 하는 열교환 장치의 제조방법.
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