KR101578306B1 - 열교환기의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각수 또는 오일과 같은 유체를 냉각시키는 열교환기의 제조방법 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코어의 헤더와 상,하부탱브를 브레이징로드로 접합하여 접합강도와 기밀성을 향상시킬 수 있는 열교환기의 제조방법에 관한 것이다.

Description

열교환기의 제조방법{Manufacturing method of heat exchanger}

본 발명은 냉각수 또는 오일과 같은 유체를 냉각시키는 열교환기의 제조방법 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코어의 헤더와 상,하부탱브를 브레이징로드로 접합하여 접합강도와 기밀성을 향상시킬 수 있는 열교환기의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 선박 또는 자동차 등의 엔진을 구동함에 있어, 연소실 안의 연소가스의 온도는 2000℃ 이상에 이르고, 이 온도의 상당한 양이 실린더, 실린더 헤드, 피스톤, 밸브 등에 전도된다.

이러한 부분의 온도가 과도하게 높아지면 부품 재료의 강도가 저하되어 고장이 생기거나 수명이 단축되고, 연소상태가 나빠져 노킹이나 조기 점화가 발생하며 그 결과 엔진의 출력이 저하된다.

또, 냉각이 불완전한 상태에서는 실린더 벽의 유막이 끊기는 등의 윤활기능의 저하와 냉각수의 변질 등으로 이상마모, 눌러 붙는 등 고장의 원인이 된다. 반대로 지나치게 냉각되면 연소에서 발생한 열량 가운데 냉각으로 손실되는 열량이 크기 때문에, 엔진의 열효율이 낮아지고 연료 소비량의 증가하는 등의 문제가 생기므로 엔진의 온도를 알맞게 유지해주어야 한다. 이와 같이 엔진을 통과하며 가열된 냉각수는 라디에이터라 불리는 열교환기를 통해 적정한 수준으로 냉각시켜야 한다.

이러한 라디에이터는 냉각수가 유입되는 유입구가 형성된 상부탱크와, 배수구가 형성된 하부탱크와, 상부탱크로부터 유입된 냉각수를 이 냉각수와 직교 유동하는 외부공기에 의해 냉각시키는 라디에이터 코어를 포함하여 구성된다.

한편, 종래의 라디에이터는 가장 먼저 라디에이터 코어의 각 구성을 조립하여 브레이징 용접을 통해 완성한 후 이 라디에이터 코어에 상,하부탱크를 접합하고, 상,하부탱크에 냉각수를 공급하고 배출시키기 위한 파이프 등을 접합하는 과정을 개별적으로 작업하여 제조된다.

이때, 상기의 과정에서 각 탱크와 라디에이터 사이의 접합 및 각 탱크에 파이프의 접합은 상기 브레이징 용접 또는 TIG(TungstenInert Gas)용접을 통해 이루어진다.

상기 TIG용접은 텅스텐봉을 전극으로 하는 토치(Touch) 내에서 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He) 등 불활성가스로 아크 및 용융부를 차폐하여 대기중의 산소, 질소의 침입을 차단하면서 모재와의 사이에 아크를 발생시켜 그 열로 모재 및 용가재를 녹여서 용접하는 방법이다.

상기의 TIG용접은 용접 입열의 조정이 용이하기 때문에 박판 용접에 매우 좋은 장점을 가지므로, 특히 라디에이터 코어에 상,하부탱크를 접합하는 데에 주로 사용된다. 그러나 TIG용접을 통해 라디에이터 코어와 상,하부탱크를 접합하는 것은 이 TIG용접이 다른 용접방법과 비교할 때 상대적으로 용접속도가 느리고 많은 비용이 소요되는 단점을 갖는다.

한편, 라디에이터 코어에 상,하부탱크를 클래드 알루미늄합금 재질로 구성하고, 브레이징 용접을 통해 접합하는 경우에는 TIG용접에 비해 공정은 간소화되나, 접합강도가 낮아진다는 문제가 있다.

1. 대한민국 공개특허 제10-2013-0101743호 2. 대한민국 공개특허 제10-2013-0117421호 3. 대한민국 등록특허 제10-1374925호

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 상,하부탱크의 단부에 삽입부를 형성하여 삽입부 내에 브레이징플레이트를 삽입한 상태에서 브레이징하기 때문에 종래 클래드 알루미늄 합금에 비해 접합강도 및 기밀성이 향상되며, 종래 Tig용접 방식에 비해 시간 및 비용을 감소시킬 수 있는 열교환기의 제조방법을 제공하는 것이다.

이를 위해 본 발명에 따른 열교환기의 제조방법은 상,하부탱크를 마련하는 단계와; 양측에 헤더가 형성된 코어를 마련하는 단계와; 상기 상,하부탱크에 각각 상기 헤더의 양측 단부가 삽입되는 삽입부를 마련하는 단계와; 상기 삽입부 내면에 브레이징플레이트를 안착시키는 단계와; 상기 삽입부에 상기 헤더의 단부를 삽입하여 상기 상,하부탱크와 상기 코어를 가결합하는 단계와; 상기 상,하부탱크와 가결합된 코어를 브레이징로에 넣고 가열시켜 상기 상,하부탱크와 상기 헤더를 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기의 삽입부는 바닥부와, 상기 바닥부의 양측에서 절곡되는 스커트부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기의 스커트부에는 상기 바닥부와 동일 평면 상에 위치하는 끼움홈이 형성되고, 상기 브레이징플레이트는 평판 형상으로 이루어지며 상기 끼움홈에 끼워져 고정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기의 브레이징플레이트는 상기 바닥부 및 스커트부에 각각 대응하는 제1바닥부 및 제1스커트부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기의 스커트부에는 끼움홈이 형성되고, 상기 브레이징플레이트는 상기 제1스커트부의 외측으로 돌출되어 상기 끼움홈에 끼워지는 돌기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기의 상,하부탱크와 상기 코어를 가결합하기 전에 상기 삽입부 내면 또는 상기 헤더 단부의 외면에 클래드층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기의 제조방법은 상,하부탱크와 상기 코어를 가결합한 다음, 상기 삽입부와 헤더와의 틈새를 줄이기 위해 상기 삽입부의 외측을 압착한 상태에서 브레이징이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 열교환기의 제조방법에 의하면, 상,하부탱크의 단부에 삽입부를 형성하여 삽입부 내에 브레이징플레이트를 삽입한 상태에서 브레이징하기 때문에 종래 클래드 알루미늄 합금에 비해 접합강도 및 기밀성이 향상되며, 종래 Tig용접 방식에 비해 시간 및 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기를 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 헤더와 상,하부탱크가 결합된 모습을 도시하는 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 상,하부탱크의 단부에 형성된 삽입부를 도시하는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 삽입홈에 브레이징플레이트가 삽입되는 모습을 도시하는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 상,하부탱크와 상기 코어가 가결합된 모습을 도시하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 삽입부가 압착되는 모습을 도시하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 상,하부탱크와 가결합된 코어가 브레이징되는 모습을 도시하는 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기를 도시하는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 헤더와 상,하부탱크가 결합된 모습을 도시하는 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 열교환기(100)는 크게 상부탱크(110)와, 상기 상부탱크(110)와 이격 설치되는 하부탱크(110a)와, 상기 상,하부탱크(110,110a)와 각각 결합하는 한 쌍의 헤더(131)와 상기 한 쌍의 헤더(131)의 사이에 배치되는 코어(130)를 포함한다.

상기 상부탱크(110)에는 가열된 유체가 유입되는 유입구가 형성된다. 그리고 하부탱크(110a)에는 상부탱크(110)를 통해 유입되어 코어(130)를 지나면서 냉각되는 유체가 배출되는 유출구가 형성된다. 상기 유체는 특별한 제한이 없으며, 물 또는 오일인 것을 예시할 수 있다.

상기 유입구와 유출구에는 각각 유입관(151)과 유출관(153)이 연결되어 있다.

상기 코어(130)는 상호 이격된 상태로 배치되는 한 쌍의 헤더(131)와, 한 쌍의 헤더(131)의 사이에서 유체가 유동할 수 있는 구조로 이루어지는 것으로서, 코어(130)의 구조에는 특별한 제한이 없다. 그리고 이러한 코어의 구조는 대한민국 공개특허 제10-2013-0101743호, 대한민국 공개특허 제10-2013-0117421호 및 대한민국 등록특허 제10-1374925호 등에 제시되어 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 헤더(131)는 상,하부탱크(110,110a)와 각각 브레이징에 의해 접합하게 되는데, 이를 위해 상기 상,하부탱크(110,110a) 및 헤더(131)는 클래드층이 형성된 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.

다만, 클래드층만으로는 충분한 접합강도와 기밀성을 확보하기 어렵기 때문에, 본 발명에서는 상기 상,하부탱크(110,110a)에 상기 헤더(131)의 양측 단부가 삽입되는 ∪자 형상의 삽입부(111)를 형성하고, 삽입부(111) 내측에는 후술할 브레이징플레이트가 안착된 상태에서 브레이징이 이루어지기 때문에 접합강도를 향상시킬 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열교환기의 제조방법을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 열교환기의 제조방법은 크게 S1단계 내지 S6단계로 이루어질 수 있다.

도 1 및 도 2를 다시 참조하면, S1단계 및 S2단계는 상,하부탱크(110,110a) 및 코어(130)를 마련하는 단계이다.

상기 상,하부탱크(110,110a)는 각각 반원통 형상으로 이루어지며, 압출 성형되는 것을 예시할 수 있다.

상기 코어(130)의 양측에는 헤더(131)가 형성되며, 상기 헤더(131)는 상기 상,하부탱크(110,110a)와 대응되는 형상으로 이루어지며, 프레스 성형되는 것을 예시할 수 있다.

상기 상,하부탱크(110,110a) 또는 헤더(131)는 금속 또는 합금으로 이루어지고, 표면에는 시트 형상의 클래드층(121)(도 5 참조)이 형성될 수 있다.

상기 클래드층(121)은 상기 금속 또는 합금보다 용융점이 낮으며, 브레이징시 용융된다.

상기 상,하부탱크(110,110a), 헤더(131) 및 클래드층은 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있으며, 클래드층을 구성하는 알루미늄 합금은 상,하부탱크(110,110a), 헤더(131)를 구성하는 알루미늄 합금보다 낮은 융점을 가지게 된다. 따라서 후술할 브레이징로에서는 상,하부탱크(110,110a), 헤더(131)는 용융되지 않고 클래드층(121)만 용융될 수 있는 온도로 가열하게 된다. 그리고 상기 클래드층(121)은 브레이징로에서 용융되면 필릿(fillet)을 생성하여 상기 상,하부탱크 및 헤더를 접합하게 된다.

도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 상,하부탱크의 단부에 형성된 삽입부를 도시하는 단면도이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 삽입홈에 브레이징플레이트가 삽입되는 모습을 도시하는 사시도이다.

상기 S3단계는 상,하부탱크(110,110a)에 각각 상기 헤더(131)의 양측 단부가 삽입되는 삽입부(111)를 마련하는 단계이고, 상기 S4단계는 상기 삽입부(111) 내면에 브레이징플레이트(120)를 안착시키는 단계이다.

상기 삽입부(111)는 바닥부(112)와, 상기 바닥부(112)의 양측에서 절곡되는 스커트부(113)로 구성되며, 대략 ∪ 형상인 것을 예시할 수 있다.

그리고 상기 삽입부는 도 3a와 같이 스커트부의 일측에 끼움홈이 형성될 수도 있고, 도 3b와 같이 끼움홈이 생략된 구조로 이루어질 수도 있다.

한편, 상기 브레이징플레이트(120)는 삽입부(111)의 내면에 안착되고, 브래이징시 상기 클래드층과 함께 용융되어 상기 상,하부탱크(110,110a)와 헤더(131)를 접합시키는 것으로써, 도 4a에 도시된 바와 같이 평판 형상으로 이루어질 수 있다. 이 경우 각 스커트부(113)에 끼움홈(114)을 형성하여 상기 브레이징플레이트(120)의 양단부가 끼움홈(114)에 끼움결합하도록 구성할 수 있으며, 상기 끼움홈(114)은 상기 브레이징플레이트(120)가 바닥부(112)에 밀접하게 배치될 수 있도록 상기 바닥부(112)와 동일 평면 상에 위치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 브레이징플레이트(120)는 도 4b에 도시된 바와 같이 삽입부(111)에 대응하는 형상, 구체적으로 상기 바닥부(112)에 대응하는 제1바닥부(120a)와, 스커트부(113)에 대응하는 제1스커트부(120b)와, 제1스커트부(120b)의 외측에 돌출 형성되는 돌기(120c)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 스커트부(113)에는 상기 돌기가 끼워질 수 있도록 끼움홈(114)이 형성된다.

또한, 상기 브레이징플레이트(120)는 도 4c에 도시된 바와 같이 상기 바닥부(112)에 대응하는 제1바닥부(120a)와, 스커트부(113)에 대응하는 제1스커트부(120b)로 이루어지되, 도 4b와 달리 돌기(120c)가 생략된 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 도시하지 않았으나 브레이징플레이트(120) 외면에 접착제 등을 도포하여 삽입부(111) 내면에 고정할 수 있다.

도 4b 및 도 4c와 같이, 브레이징플레이트(120)가 삽입부(111)에 대응하는 ∪자 형상으로 이루어지는 경우에는 상,하부탱크(110,110a) 내지 헤더(131)에 클래드층이 형성되지 않더라도 충분한 접합강도를 구현할 수 있다.

도 5는 본 발명의 상,하부탱크와 상기 코어가 가결합된 모습을 도시하는 단면도이고, 도 6은 본 발명의 삽입부가 압착되는 모습을 도시하는 단면도이다.

도 5를 참조하면, S5단계는 삽입부(111)에 헤더(131)의 단부를 삽입하여 상,하부탱크(110,110a)와 상기 코어(130)를 가결합하는 단계이다. 그리고, 도 1을 다시 참조하면, 상,하부탱크(110,110a)의 일단에는 유입관(151), 유출관(153)을 결합하며, 타단에는 탱크밀봉마개(155)를 결합한다.

이와 같이, 삽입부(111)에 헤더(131)가 삽입하여 상,하부탱크(110,110a)와 상기 코어(130)가 가결합된 상태에서는 삽입부(111)와 헤더(131)의 단부 사이에 틈이 생기게 되는데, 삽입부(111)와 헤더(131) 사이의 틈을 최소화하기 위해 도 6에 도시된 바와 같이 삽입부(111)의 외측을 지그장치(Z)로 압착할 수 있다.

한편, 브레이징플레이트(120)가 도 4b 및 도 4c에 도시된 바와 같이 ∪자 형상으로 이루어진 경우, 상기 헤더(131)는 삽입부(111)에 안착된 브레이징플레이트(120) 내에 삽입하게 된다.

도 7은 본 발명의 상,하부탱크와 가결합된 코어가 브레이징되는 모습을 도시하는 단면도이다.

도 7을 참조하면, S6단계는 상,하부탱크(110,110a)와 가결합된 코어(130)를 브레이징로(B)에 넣고 가열시켜 상기 상,하부탱크(110,110a)와 상기 헤더(131)를 접합하는 단계이다.

상기 브레이징로(B)에서 가열이 이루어지면 상기 브레이징플레이트(120) 및 헤더(131) 상에 형성된 클래드층(121)은 용융되면서 일체로 융합하게 된다.

종래에는 클래드층(121)만으로 브레이징이 이루어지기 때문에 충분한 접합강도와 기밀성을 확보하기 어려웠으나, 본 발명에서는 클래드층(121)과 함께 브레이징플레이트(120)가 용융되고, 이들이 모세관 현상에 의해 삽입부(111) 내면과 헤더(131)를 타고 스커트부(113)와 바닥부(112) 쪽으로 이동하면서 헤더(131)와 삽입부(111)는 밀접하게 접합하게 된다.

이와 같이 본 발명에서는 브레이징플레이트를 가열하여 상,하부탱크와 헤더를 밀접하게 접합시키기 때문에 종래 클래드 알루미늄 합금에 비해 접합강도 및 기밀성이 향상되며, 종래 Tig용접 방식에 비해 시간 및 비용을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 열교환기
110, 110a : 상부탱크, 하부탱크 111 : 삽입부
112 : 바닥부 113 : 스커트부
114 : 끼움홈 120 : 브레이징플레이트
120a : 제1바닥부 120b : 제1스커트부
120c : 돌기 121 : 클래드층
130 : 코어 131 : 헤더
151 : 유입관 153 : 유출관
155 : 탱크밀봉마개 Z : 지그장치
B : 브레이징로

Claims (7)

1. 상,하부탱크를 마련하는 단계와;
   양측에 헤더가 형성된 코어를 마련하는 단계와;
   상기 상,하부탱크에 각각 상기 헤더의 양측 단부가 삽입되는 삽입부를 마련하는 단계와;
   상기 삽입부 내면에 브레이징플레이트를 안착시키는 단계와;
   상기 삽입부에 상기 헤더의 단부를 삽입하여 상기 상,하부탱크와 상기 코어를 가결합하는 단계와;
   상기 상,하부탱크와 가결합된 코어를 브레이징로에 넣고 가열시켜 상기 상,하부탱크와 상기 헤더를 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 삽입부는 바닥부와, 상기 바닥부의 양측에서 절곡되는 스커트부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 스커트부에는 상기 바닥부와 동일 평면 상에 위치하는 끼움홈이 형성되고,
   상기 브레이징플레이트는 평판 형상으로 이루어지며 상기 끼움홈에 끼워져 고정되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 브레이징플레이트는 상기 바닥부 및 스커트부에 각각 대응하는 제1바닥부 및 제1스커트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 스커트부에는 끼움홈이 형성되고,
   상기 브레이징플레이트는 상기 제1스커트부의 외측으로 돌출되어 상기 끼움홈에 끼워지는 돌기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 상,하부탱크와 상기 코어를 가결합하기 전에 상기 삽입부 내면 또는 상기 헤더 단부의 외면에 클래드층을 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 상,하부탱크와 상기 코어를 가결합한 다음, 상기 삽입부와 헤더와의 틈새를 줄이기 위해 상기 삽입부의 외측을 압착한 상태에서 브레이징이 이루어지는 것을 특징으로 하는 열교환기의 제조방법.

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