KR101625302B1

KR101625302B1 - 열교환기

Info

Publication number: KR101625302B1
Application number: KR1020140158719A
Authority: KR
Inventors: 정기석
Original assignee: (주)해송엔지니어링
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2016-05-27
Also published as: KR20160057737A

Abstract

본 발명은 냉각수 또는 오일과 같은 유체를 냉각시키는 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 헤드바에 홀 또는 홈 형태의 열전달부를 형성함으로써, 열전달부를 통한 추가적인 공기의 흐름이 가능하여 열교환 효율을 높일 수 있으며, 헤드바에 열전달홈을 형성하여 브레이징 접합시 가열된 공기가 흐를 수 있는 공간을 제공함으로써 헤드바의 가열 속도를 높이고 접합 불량을 방지할 수 있는 열교환기에 관한 것이다.

Description

열교환기{Heat exchanger}

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 냉각수(열매체)는 열교환기를 통해 적정한 수준으로 냉각시켜야 한다. 냉각수와 마찬가지로 엔진을 구동할 때 엔진오일, 미션오일 등이 필수적으로 사용되며, 오일(열매체)은 엔진 실린더, 크랭크 샤프트와 같은 기계적 부품의 냉각 및 섭동부위의 마찰을 줄이기 위한 윤활작용을 하며, 열교환기를 통해 냉각시켜야 한다.

도 8a는 종래 열교환기를 도시하는 사시도이고, 8b는 도 8a의 A부분을 확대 도시한 도면으로서, 이를 참조하면 열교환기는 오일과 같은 열매체가 유입되는 유입구(15)가 형성된 상부탱크(10)와, 유출구(25)가 형성된 하부탱크(20)와, 상부탱크(10)로부터 유입된 오일을 외부공기에 의해 냉각시키는 코어 어셈블리(30)를 포함하여 구성된다.

상기 코어 어셈블리는 가장 먼저 코어 어셈블리의 각 구성을 조립하여 브레이징 용접을 통해 완성한 후 이 코어 어셈블리에 상,하부탱크를 접합하고, 상,하부탱크에 냉각수를 공급하고 배출시키기 위한 파이프 등을 접합하는 과정을 개별적으로 작업하여 제조된다.

그리고 코어 어셈블리(30)는 에어핀(42)과, 에어핀(42)의 상하로 배치되는 헤드바(43)로 이루어지는 다수의 에어유닛(41)을 포함하는 에어부(40) 및 각 에어유닛(41)의 좌우로 배치되는 다수의 오일 유닛(미도시)을 포함하는 오일부(50)로 이루어지며, 상기 에어유닛과 오일유닛은 플레이트를 경계로 교대로 배치된다.

한편, 상기 헤드바(43)는 그 좌우에 배치된 플레이트(54)에 브레이징 접합하게 되는데, 플레이트에 비해 두껍고 상기 플레이트에 비해 가열 속도가 느리기 때문에, 브레이징시 플레이트와의 접합 불량이 발생하는 문제가 있다.

또한, 상기 헤드바는 구조적으로 에어부의 상,하단을 완전히 밀폐하고 있기 때문에 헤드바의 단면적 만큼 공기의 유동량이 적어져 열교환 효율이 낮아지는 문제가 있다.

1. 대한민국 등록특허 제10-1417218호 2. 대한민국 공개특허 제10-2013-0117421호 3. 대한민국 등록특허 제10-1374925호

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 헤드바에 홀 또는 홈 형태의 열전달부를 형성함으로써, 열전달부를 통한 추가적인 공기의 흐름이 가능하여 열교환 효율을 높일 수 있으며, 헤드바에 열전달홈을 형성하여 브레이징 접합시 가열된 공기가 흐를 수 있는 공간을 제공함으로써 헤드바의 가열 속도를 높이고 접합 불량을 방지할 수 있는 열교환기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 열전달홈에 브레이징로드를 설치한 상태에서 브레이징 접합하기 때문에 열전달홈에 의해 줄어든 접합면을 보상하여 견고한 접합을 할 수 있는 열교환기를 제공하는 것이다.

이를 위해 본 발명에 따른 열교환기는 상부탱크; 상기 상부탱크와 이격 설치되는 하부탱크; 상기 상부탱크 및 하부탱크 사이에 배치되는 코어 어셈블리;를 포함하는 것으로서, 상기 코어 어셈블리는 다수의 플레이트와, 상기 플레이트에 의해 구획되어 교대로 배치되는 다수의 제1,2공간부와, 상기 제1공간부에 설치되는 열매체유닛과, 상기 제2공간부에 설치되는 에어유닛을 포함하며, 상기 열매체유닛은 상기 제1공간부 내에 설치되는 핀과, 상기 제1공간부의 전,후단을 각각 밀폐하도록 종방향으로 배치되는 한 쌍의 튜브바를 포함하고, 상기 에어유닛은 상기 제2공간부 내에 설치되는 에어핀과, 상기 제2공간부의 상,하단을 각각 밀폐하도록 횡방향으로 배치되는 한 쌍의 헤드바를 포함하며, 상기 헤드바는 인접하는 상기 플레이트와 브레이징 접합하는 막대 형상의 헤드바 몸체와, 상기 플레이트와 접촉하는 면에 형성되는 열전달홈과, 상기 헤드바 몸체에 관통 형성되는 열전달부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기의 열전달부는 상기 헤드바 몸체의 횡방향으로 관통 형성되는 홀 형상으로 이루어지며, 브레이징시 가열된 공기가 통과하여 상기 헤드바 몸체의 가열 속도를 향상시키고, 열매체와 공기의 열교환시 공기가 통과하여 열교환 효율을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기의 열전달부는 상기 헤드바 몸체의 중앙 영역을 관통하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기의 열전달부는 상기 헤드바 몸체의 좌,우측 영역을 각각 관통하도록 한 쌍이 마련되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기의 열전달홈은 횡방향으로 관통 형성되어 브레이징시 가열된 공기가 통과하여 헤드바 몸체의 가열 속도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기의 열전달홈은 상기 헤드바 몸체의 좌우 측면에 각각 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기의 헤드바는 상기 열전달홈에 브레이징로드가 삽입된 상태에서 브레이징되어 상기 플레이트와 접합되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 열교환기에 의하면, 헤드바에 홀 또는 홈 형태의 열전달부를 형성함으로써, 열전달부를 통한 추가적인 공기의 흐름이 가능하여 열교환 효율을 높일 수 있으며, 헤드바에 열전달홈을 형성하여 브레이징 접합시 가열된 공기가 흐를 수 있는 공간을 제공함으로써 헤드바의 가열 속도를 높이고 접합 불량을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기에 의하면, 열전달홈에 브레이징로드를 설치한 상태에서 브레이징 접합하기 때문에 열전달홈에 의해 줄어든 접합면을 보상하여 견고한 접합을 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 정면도이다.
도 3은 도 1의 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 열매체유닛과 에어유닛을 확대하여 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 AA단면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 서로 다른 구조의 열전달부 및 열전달홈이 형성된 본 발명의 헤드바를 도시하는 사시도들이다.
도 7은 본 발명의 열전달홈에 브레이징로드가 삽입된 상태에서 브레이징이 이루지는 모습을 도시하는 도면이다.
도 8a는 종래 열교환기를 도시하는 사시도이고, 8b는 도 8a의 A부분을 확대 도시한 도면이다.

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

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기를 도시하는 사시도이고, 도 2는 도 1의 정면도이며, 도 3은 도 1의 평면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 열교환기(100)는 열매체를 냉매인 공기로 냉각시키는 것으로서, 크게 상부탱크(110)와, 상기 상부탱크(110)와 이격 설치되는 하부탱크(120)와, 상기 상부탱크(110) 및 하부탱크(120) 사이에 배치되는 코어 어셈블리(130)를 포함한다.

상기 열매체는 오일 또는 냉각수인 것을 예시할 수 있으며, 이하에서는 열매체가 오일인 것을 중심으로 설명한다.

상부탱크(110)에는 차량의 엔진 등의 각 부분을 돌고 난 고온의 오일이 유입되는데, 이를 위해 열매체유입구(111)가 형성된다. 코어 어셈블리(130)는 상부탱크(110)를 통해 유입된 오일이 지나면서 하부탱크(120) 측으로 이동되는데, 이러한 과정에서 외부 공기에 의해 오일이 냉각된다. 하부탱크(120)에는 상술한 바와 같이 코어 어셈블리(130)를 지나면서 냉각되는 오일이 오일펌프(미도시)로 유출되는데, 이를 위해 열매체유출구(121)가 형성된다.

상기 코어 어셈블리(130)는 다수의 플레이트(131)와, 상기 플레이트(131)에 의해 구획되어 교대로 배치되는 다수의 제1,2공간부(140,150)와, 상기 제1공간부(140)에 설치되는 열매체유닛(141)과, 상기 제2공간부(150)에 설치되는 에어유닛(151)과, 상기 코어 어셈블리(130)의 양 측면에는 배치되는 코어 가드(133)를 포함한다.

상기 열매체유닛(141)은 상기 상부탱크(110)를 통해 유입된 오일이 다수의 제1공간부(140)를 통해 수직방향으로 흘러내리면서 에어유닛(151)을 통과하는 공기에 의해 냉각되도록 하는 것으로서, 상기 제1공간부(140) 내에 설치되어 오일이 열접촉을 하며 통과할 수 있는 구조의 핀(142)과, 상기 제1공간부(140)의 전,후단을 각각 밀폐하도록 종방향으로 배치되는 한 쌍의 튜브바(143)를 포함한다.

상기 에어유닛(151)은 상기 제2공간부(150) 내에 설치되며 금속박판이 주름진 모양으로 형성되는 에어핀(152)과, 상기 제2공간부(150)의 상,하단을 각각 밀폐하도록 횡방향으로 배치되는 한 쌍의 헤드바(153)를 포함한다.

상기 제1공간부(140)는 전,후단이 각각 상기 튜브바(143)에 의해 밀폐되고, 상,하단이 개방된 구조로 이루어지며, 상기 제2공간부(150)는 상,하단이 각각 상기 헤드바(153)에 의해 밀폐된다.

따라서 상기 상부탱크(110)로 공급된 가열된 오일은 상기 제1공간부(140)의 개방된 상단을 통해 상기 제1공간부(140)로 유입되고 상기 헤드바(153)에 의해 상단이 밀폐된 상기 제2공간부(150)로는 유입되지 못한다. 그리고 상기 가열된 오일을 냉각하는 공기는 전,후단이 개방된 제2공간부(150)로는 유입되나 전,후단이 상기 튜브바(143)에 의해 밀폐된 제1공간부(140)로는 유입되지 못한다.

즉, 상기 오일은 상기 제1공간부(140) 내에 설치된 핀(142)과 접촉하면서 흘러내리고, 상기 공기는 상기 제2공간부(150) 내에 설치된 에어핀(152)과 접촉하면서 흐르게 된다.

상기 가열된 오일과 냉매인 공기와의 열교환을 위해 상기 핀(142) 및 에어핀(152)은 각각 상기 플레이트(131)와 브레이징 접합된다.

따라서 상기 핀, 에어핀 및 플레이트는 각각 열전도성이 우수한 구리, 구리합금, 알루미늄 및 알루미늄합금으로 이루어지는 것을 예시할 수 있다. 그리고 상기 핀, 에어핀 및 플레이트의 각 표면에는 가용체인 클래드층(미도시)이 마련되어 상기 클래드층의 브레이징을 통해 서로 접합된다.

상기 헤드바(153) 및 튜브바(143)도 상기 핀(142) 및 에어핀(152)과 마찬가지로, 상기 플레이트(131)와 브레이징 접합되기 때문에 클래드층이 마련된 금속으로 이루어진다.

도 4는 본 발명에 따른 열매체유닛과 에어유닛을 확대하여 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4의 AA단면도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 헤드바(153)는 상술한 바와 같이, 상기 제2공간부(150)의 상단 및 하단을 밀폐하여 상기 오일이 제2공간부(150) 내로 유입되지 못하게 하는 역할을 하는 것으로서, 상기 플레이트(131)의 가로와 대응되는 길이의 막대 형상으로 이루어진다.

그리고 상기 헤드바(153)는 인접하는 상기 플레이트(131)와 브레이징 접합하는 막대 형상의 헤드바 몸체(154)와, 상기 플레이트와 접촉하는 상기 헤드바 몸체(154)의 좌,우 측면에 형성되는 상기 헤드바 몸체(154)에 관통 형성되는 열전달부(155) 및 열전달홈(157)을 포함한다.

상기 열전달부(155)는 상기 헤드바 몸체(154)의 횡방향으로 관통 형성되는 홀 형상으로 이루어진다.

그리고 상기 열전달부(155)는 상기 오일과 공기의 열교환시 공기가 통과하여 열교환 효율을 향상시키는 역할을 한다.

상기 헤드바(153)는 상기 제2공간부(150)의 상,하단을 밀폐하기 때문에 공기가 흐를 수 있는 공간이 줄어들게 되는데, 상기 헤드바(153)에 공기의 흐름 방향과 동일하게 관통되는 열전달부(155)를 통해 공기가 흐를 수 있는 추가적인 공간을 제공함으로써, 열교환 효율을 높일 수 있게 된다.

한편, 상기 열전달홈(157)은 브레이징시 가열된 공기가 통과하여 상기 헤드바 몸체(154)의 가열 속도를 향상시키는 역할을 수행한다.

상기 헤드바 몸체(154)는 상기 플레이트(131)에 비해 두껍기 때문에 브레이징시 상기 플레이트(131)와 접하는 접합면(154a)으로의 가열이 상기 플레이트(131)에 비해 늦으며, 상기 플레이트(131)와의 접합 불량이 발생하기 쉽다.

이때, 상기 헤드바 몸체(154)에 좌,우 측면에 횡방향으로 관통되는 상기 열전달홈(157)를 형성함으로써, 브레이징시 가열된 공기가 상기 열전달홈(157)을 통과하여 헤드바 몸체(154)의 좌,우 측면의 가열 속도를 높이고, 브레이징 불량을 방지할 수 있게 된다.

도 6a 내지 도 6d는 서로 다른 구조의 열전달부 및 열전달홈이 형성된 본 발명의 헤드바를 도시하는 사시도들이다.

본 발명의 헤드바(153)에는 도 6a와 같이 중앙 영역에 길이방향으로 관통 형성되는 하나의 열전달부(155)가 형성되거나, 도 6b와 같이 좌우로 한 쌍의 열전달부(155a)가 관통 형성될 수 있으며, 도 6c와 같이 하면에 홈 형상으로 요입된 구조의 열전달부(155b)가 형성될 수 있다.

한편, 상기 열전달홈(157,157a)은 도 6a에 도시된 바와 같이 개구부로부터 내측으로 요입될수록 좁아지는 삼각 단면 구조로 이루어지거나 또는 도 6b에 도시된 바와 같이 사각 단면 구조인 다각형의 단면 구조로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 열전달홈(157b)은 도 6c에 도시된 바와 같이 개구부가 좁은 평형사변형의 단면 구조로 이루어질 수 있다. 이와 같이 열전달홈(157b)의 개구부가 좁게 구성하는 경우, 도 6a와 대비할 때 헤드바(153)의 접합면(154a)의 면적을 증가시킴과 동시에 브레이징시 가열된 공기의 유입이 가능하여 보다 밀접하게 접합할 수 있다. 마찬가지 이유로, 상기 열전달홈(157c)은 도 6d에 도시된 바와 같이 호 내지 원 형상의 단면 구조로 이루어지되, 호 내지 원의 지름보다 개구부가 좁게 형성하는 것이 바람직하다.

그리고 도 6a 내지 도 6c에 도시된 열전달부와, 도 6a 내지 도 6d에 도시된 열전달홈은 서로 조합하여 구성할 수 있다.

결론적으로, 본 발명에 따른 열교환기는 헤드바에 홀 또는 홈 형상의 열전달부를 형성하여 오일과 공기의 열교환시 공기가 흐를 수 있는 추가적인 공간을 제공함으로써 열교환 효율을 향상시킴과 동시에 헤드바에 열전달홈을 형성하여 브레이징 접합시 가열된 공기가 흐를 수 있는 공간을 제공함으로써 헤드바의 가열 속도 및 접합력을 높이고 접합 불량을 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 7은 본 발명의 열전달홈에 브레이징로드가 삽입된 상태에서 브레이징이 이루지는 모습을 도시하는 도면이다.

도 7을 참조하면, 상기 헤드바(153)는 상기 열전달홈(157)에 브레이징로드(160)가 삽입된 상태에서 브레이징되어 상기 플레이트(131)와 접합하도록 구성할 수 있다.

예를 들어, 도 6a 내지 도 6d와 같이 열전달홈(157)이 완전 비워진 상태에서 브레이징이 이루어지는 경우에는 가열된 공기의 유입이 원활하여 가열 속도를 높일 수 있으나, 개구부(157a)가 커질수록 상기 플레이트(131)와의 접합되는 접합면(154a)이 줄어들게 된다.

그러나, 상기 열전달홈(157)에 가용체인 브레이징로드(160)를 삽입한 상태에서 브레이징하게 되면 상기 헤드바(153)의 열전달홈(157) 및 플레이트(131)가 용융된 상기 브레이징로드(160a)에 의해 밀접하게 접합하게 된다.

이때, 상기 브레이징로드(160)는 열전달홈(157)에 가열된 공기가 충분히 유입될 수 있는 단면적으로 구성하며, 예를 들어 열전달홈(157)의 단면적 대비 30~50%로 구성하는 것을 예시할 수 있다. 상기 용융된 브레이징로드(160a)는 젖음성에 의해 상기 플레이트(131)를 타고 오르기 때문에 상기 범위의 단면적으로 구성하더라도 충분한 접합력의 향상을 기대할 수 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 : 상부탱크
111 : 열매체유입구 120 : 하부탱크
121 : 열매체유출구 130 : 코어 어셈블리
131 : 플레이트 133 : 코어 가드
140 : 제1공간부 141 : 열매체유닛
142 : 핀 143 : 튜브바
150 : 제2공간부 151 : 에어유닛
152 : 에어핀 153 : 헤드바
154 : 헤드바 몸체 154a : 접합면
155 : 열전달부 157 : 열전달홈
160 : 브레이징로드 160a : 용융된 브레이징로드

Claims

상부탱크; 상기 상부탱크와 이격 설치되는 하부탱크; 상기 상부탱크 및 하부탱크 사이에 배치되는 코어 어셈블리;를 포함하는 열교환기에 있어서,
상기 코어 어셈블리는 다수의 플레이트와, 상기 플레이트에 의해 구획되어 교대로 배치되는 다수의 제1,2공간부와, 상기 제1공간부에 설치되는 열매체유닛과, 상기 제2공간부에 설치되는 에어유닛을 포함하며,
상기 열매체유닛은 상기 제1공간부 내에 설치되는 핀과, 상기 제1공간부의 전,후단을 각각 밀폐하도록 종방향으로 배치되는 한 쌍의 튜브바를 포함하고,
상기 에어유닛은 상기 제2공간부 내에 설치되는 에어핀과, 상기 제2공간부의 상,하단을 각각 밀폐하도록 횡방향으로 배치되는 한 쌍의 헤드바를 포함하며,
상기 헤드바는 인접하는 상기 플레이트와 브레이징 접합하는 막대 형상의 헤드바 몸체와, 상기 플레이트와 접촉하는 좌우 측면에 각각 횡방향으로 관통 형성되는 열전달홈과, 상기 헤드바 몸체에 관통 형성되는 열전달부를 포함하고,
적어도 상기 플레이트와 헤드바 표면에는 가용체인 클래드층이 마련되어 각 클래드층이 브레이징시 공급되는 가열된 공기에 의해 서로 접합되며,
상기 열전달홈은 상기 헤드바 몸체의 좌우 측면 중앙에 형성되어 상기 가열된 공기가 상기 헤드바 몸체의 중앙 영역을 통과하면서 상하로 균일하게 열을 전달하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 열전달부는 상기 헤드바 몸체의 횡방향으로 관통 형성되는 홀 형상으로 이루어지며, 브레이징시 가열된 공기가 통과하여 상기 헤드바 몸체의 가열 속도를 향상시키고, 열매체와 공기의 열교환시 공기가 통과하여 열교환 효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제2항에 있어서,
상기 열전달부는 상기 헤드바 몸체의 중앙 영역을 관통하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제2항에 있어서,
상기 열전달부는 상기 헤드바 몸체의 좌,우측 영역을 각각 관통하도록 한 쌍이 마련되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 헤드바는 상기 열전달홈에 브레이징로드가 삽입된 상태에서 브레이징되어 상기 플레이트와 접합되는 것을 특징으로 하는 열교환기.