KR101863513B1 - 열교환기 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 내부튜브 전체를 효과적으로 지지하여 소음이 발생하는 것을 방지함과 동시에 유체의 이동경로가 길어지도록 유도하고, 유체가 균일하게 섞일 수 있도록 와류를 형성하여 열교환 효율을 극대화 시킬 수 있으며, 나아가 격벽 및 배플과 외부튜브의 용접성을 향상시킬 수 있는 열교환기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따른 본 발명에 따른 열교환기는, 제1냉매와 제2냉매가 유입되는 외부튜브와, 상기 외부튜브의 내측에 구비되며 상기 제1냉매가 유동하는 다수의 내부튜브와, 상기 외부튜브와 내부튜브 사이에 형성되어 상기 제2냉매가 유동하는 열교환공간 및 상기 열교환공간에 구비되어 내부튜브를 지지하는 배플을 포함하며, 상기 배플은, 상기 외부튜브의 내경과 대응되는 직경을 갖는 플레이트 형상의 배플몸체와, 상기 내부튜브와 대응되는 수로 상기 배플몸체에 관통 형성되어 각 내부튜브가 관통 삽입되며 내부튜브 전체를 지지하는 튜브지지홀과, 상기 배플몸체의 일측에 절곡 형성되어 유동로를 형성하는 가이드편을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기 제조방법은, 내부가 비어 있는 관 형상의 외부튜브를 제조하는 준비단계와, 다수의 튜브지지홀이 형성된 용접부재, 격벽 및 배플을 이용해 내부튜브를 고정한 후 상기 외부튜브의 내측으로 삽입하는 조립단계 및 상기 외부튜브의 단부를 캡으로 밀폐한 후 브레이징(brazing)하는 용접단계를 포함하고, 상기 용접부재는 상기 격벽과 대응되는 형상을 갖는 판상형인 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기 및 이의 제조방법{Heat exchanger and manufacturing method for the same}

본 발명은 다수의 내부튜브 전체를 효과적으로 지지하여 소음이 발생하는 것을 방지함과 동시에 유체의 이동경로가 길어지도록 유도하고, 유체가 균일하게 섞일 수 있도록 와류를 형성하여 열교환 효율을 극대화 시킬 수 있으며, 나아가 격벽 및 배플과 외부튜브의 용접성을 향상시킬 수 있는 열교환기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

열교환기란 온도가 높은 유체로부터 전열벽을 통해 온도가 낮은 유체에 열을 전달하는 장치로, 가열기/냉각기/증발기/응축기 등에 사용된다.

이러한 열교환기는 금속관을 전열벽으로 하는 형식이 가장 일반적으로 사용되며, 주수식/이중관식/핀붙이 다관식/투관형식 등이 있다. 이 중 이중관식 열교환기는 내관과 외관으로 되어 있으며, 내관 내부의 유체와 내관과 외관 사이에 있는 유체 사이에서 열교환이 이루어진다.

열교환기는 공기조화기 등에 적용시 공급되는 냉매의 종류 및 흐름에 따라 냉방 또는 난방 운전이 가능하며, 열교환기 구조의 대표적인 예로는 종래의 "과냉각기 및 이를 구비한 공기조화기(등록특허 10-1645132)"에 구체적으로 공지되어 있다.

이러한 종래의 "과냉각기 및 이를 구비한 공기조화기"에는, 과냉각 본체의 내주면에 결합되는 외주면을 가지는 배플 본체, 배플 본체에 형성되며 다수의 내부튜브 중 일 내부튜브가 관통하는 관통공, 다수의 내부튜브 중 타 내부튜브가 지지되는 다수의 지지홈 및 다수의 지지홈 중 일 지지홈과 타 지지홈을 연결하는 홈 연결부가 포함되고, 배플 본체의 하단부와 과냉각 본체의 내주면이 접하는 기준점을 기준으로, 홈 연결부의 높이(H)는, 과냉각 본체의 중심부가 위치하는 높이(H1)보다 크고, 배플 본체의 중심부에 위치하는 내부튜브의 상단부가 위치하는 높이(H2)보다 작도록 형성되는 배플에 대한 특징이 구체적으로 기재되어 있다.

그러나 공기조화기의 작동 시 진동이 발생하게 되는데, 종래의 "과냉각기 및 이를 구비한 공기조화기"에 기재된 배플은 서로 이격되어 있는 다수의 내부튜브 중 1/2 정도만 지지 가능하기 때문에 공기조화기의 작동 시 배플에 의해 지지되지 못하는 내부튜브들이 흔들리면서 소음이 심하게 발생하는 문제가 있다.

또한, 냉매의 유동량, 유동속도 등에 의해 열교환 효율이 달라지기 때문에 공기조화기에 구비된 밸브를 이용하여 과냉각기의 냉매 유동량, 유동속도 등을 어느 정도 조절하게 되는데, 냉매의 흐름을 제한하는 배플의 직경이 유동 공간부의 내경 절반 정도에 불과하기 때문에 밸브를 이용하더라도 냉매의 유동을 효과적으로 제한하지 못하며, 특히 난방 등을 위해 냉매의 유동시간을 길게 유지해야 할 경우 종래의 배플 구조로는 높은 열교환 효율을 얻을 수 없는 문제가 있다.

그리고 과냉각기의 조립을 위해 본체의 양측 단부를 개구한 후 별도의 캡을 이용하여 양단부를 밀폐하는 구조를 취하고 있는데, 양측 캡이 용접된 부분에서 미세한 틈이 생겨 본체 내부의 진공상태가 유지되지 못하는 문제가 빈번하게 발생하며, 제조비용 및 제조시간이 증가하는 문제가 있다.

이 뿐만 아니라, 배플/내부튜브/외부튜브/격벽 등의 구성에 미세하게 형성되는 틈새를 통해 냉매가 누설되지 않도록 용접을 하게 되는데, 종래에는 링 형상의 용접부재를 모든 내부튜브의 특정 위치마다 삽입하여 녹임으로써 용접을 하였다. 그러나 이러한 경우 원가를 절감하기에는 용이하지만 용접 침투량이 매우 적어 내부 압력이 높아지면 용접된 부분이 쉽게 파손되어 냉매가 누설되는 문제가 있었다.

또한, 모든 내부튜브의 특정 위치마다 용접링을 삽입해야 하기 때문에 작업성이 매우 떨어지는 문제도 있었다.

한국등록특허 10-1645132 (2016. 07. 27)

본 발명의 실시예는, 다수의 내부튜브 전체를 효과적으로 지지하여 소음이 발생하는 것을 방지함과 동시에 유체의 이동경로가 길어지도록 유도하고, 유체가 균일하게 섞일 수 있도록 와류를 형성하여 열교환 효율을 극대화 시킬 수 있으며, 나아가 격벽 및 배플과 외부튜브의 용접성을 향상시킬 수 있는 열교환기 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열교환기는, 제1냉매와 제2냉매가 유입되는 외부튜브와, 상기 외부튜브의 내측에 구비되며 상기 제1냉매가 유동하는 다수의 내부튜브와, 상기 외부튜브와 내부튜브 사이에 형성되어 상기 제2냉매가 유동하는 열교환공간 및 상기 열교환공간에 구비되어 내부튜브를 지지하는 배플을 포함하며, 상기 배플은, 상기 외부튜브의 내경과 대응되는 직경을 갖는 플레이트 형상의 배플몸체와, 상기 내부튜브와 대응되는 수로 상기 배플몸체에 관통 형성되어 각 내부튜브가 관통 삽입되며 내부튜브 전체를 지지하는 튜브지지홀과, 상기 배플몸체의 일측에 절곡 형성되어 유동로를 형성하는 가이드편을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 열교환기 제조방법은, 내부가 비어 있는 관 형상의 외부튜브를 제조하는 준비단계와, 다수의 튜브지지홀이 형성된 용접부재, 격벽 및 배플을 이용해 내부튜브를 고정한 후 상기 외부튜브의 내측으로 삽입하는 조립단계 및 상기 외부튜브의 단부를 캡으로 밀폐한 후 브레이징(brazing)하는 용접단계를 포함하고, 상기 용접부재는 상기 격벽과 대응되는 형상을 갖는 판상형인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 하기와 같은 다양한 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 외부튜브 내측에 배치되는 다수의 내부튜브 중 일부가 아닌 전체를 견고하게 지지하는 구조를 취하고 있으므로 소음이 발생하지 않는다.

둘째, 본 발명은 배플 가이드편의 기울기를 조절하여 유체의 유동속도, 유동량, 유동거리, 유동시간 등을 선택적으로 제어할 수 있다.

셋째, 본 발명은 배플과 배플 사이에 와류가 발생하도록 유도하여 열교환공간 전체 면적에 대해 균일한 냉매 순환이 가능하도록 하며, 밀집되어 있는 내부튜브들 사이에도 냉매가 순환될 수 있도록 하여 열교환 효율을 극대화 시킨다.

넷째, 본 발명은 외부튜브의 양단부 중 일단부에만 조립구를 형성하여 캡을 이용해 밀폐함으로써 캡과 외부튜브 사이의 틈새로 냉매가 유출될 수 있는 가능성을 최소화 하였다.

다섯째, 본 발명은 판상형의 용접부재를 이용하여 격벽 및 배플과 외부튜브를 접합시키 때문에 틈새로 침투하는 용접부재의 침투량이 매우 크고 견고하다.

여섯째, 본 발명은 판상형의 용접부재를 이용하기 때문에 작업성이 용이하여 생산속도를 획기적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환기의 전체적인 외형을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 열교환기의 내부를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열교환기의 냉매 유동 및 와류 형성 예시를 나타낸 도면이다.
도 4 (a)는 본 발명에 따른 열교환기의 요부 구성인 배플의 전면도, (b)는 배면도, (c)는 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 열교환기의 요부 구성인 배플의 가이드편 기울기를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 열교환기의 내부튜브 및 배플, 격벽의 조립 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 열교환기 제조방법의 순서도이다.
도 8은 본 발명에 따른 열교환기 제조방법의 성형가공단계를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 열교환기 제조방법의 조립단계 시 용접부재의 위치를 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 열교환기 제조방법에서 외부튜브의 표면을 가압 변형하는 과정을 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 설명하며, 배경기술 및 이미 설명한 구성의 도면번호는 특별한 언급이 없다면 동일하게 적용된다.

또한, 본 발명의 열교환기 및 제조방법에 관한 설명은 바람직한 실시예로서, 그 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현할 수 있으며, 각 구성에 대한 형상 및 크기 등은 대표적인 실시예를 나타낸 것일 뿐 고정된 것이 아니고, 동일/유사한 효과를 구현할 수 있다면 다양하게 변경 가능하다.

이하에서 표현되는 냉매라 함은 액체, 기체 등 다양한 유체를 의미하며, 제1냉매와 제2냉매는 같은 방향 또는 반대 방향으로 유동할 수 있다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기(1)는 외부튜브(200), 내부튜브(300), 열교환공간(220) 및 배플(100)을 포함한다.

외부튜브(200)는 열교환기(1)의 전체적인 외형을 형성하고 외부로부터 제1냉매와 제2냉매가 유입되는 구성으로, 본 실시예에서는 내부가 비어 있는 원형의 관 형상으로 적용하였지만 다양한 형상으로 변경될 수 있다.

이러한 외부튜브(200)의 내측에는 한 쌍의 격벽(400)이 이격 구비되며, 제1격벽(410)과 제2격벽(420)에 의해 외부튜브(200)의 내측은 다수의 공간으로 구획된다.

구체적으로, 한 쌍의 격벽(400)은 외부튜브(200)의 일단부와 타단부에 각각 위치하여 외부튜브(200)의 내측을 크게 3개의 공간으로 구획하며, 제1냉매가 유입되어 각 내부튜브(300)로 분지되는 유입공간(210)과, 제2냉매가 유입되어 일 방향으로 유동한 후 유출되는 열교환공간(220) 및 각 내부튜브(300)를 통해 유동된 제1냉매가 합지되어 외부튜브(200) 외측으로 유출되는 유출공간(230)을 포함한다.

유입공간(210)의 일측에는 제1냉매의 유입을 위한 제1냉매유입구(211) 및 내부튜브(300)의 삽입을 위한 조립구(212)가 형성되고, 캡(20)에 의해 밀폐되어 진공상태를 유지한다. 조립구(212)는 격벽(400)이 장착된 내부튜브(300)가 삽입될 수 있도록 격벽(400)의 직경과 대응되는 직경으로 형성된다.

열교환공간(220)은 내부튜브(300)의 길이방향을 따라 길게 형성되며, 유입공간(210)에 인접한 일측에는 제2냉매의 유입을 위한 제2냉매유입구(221)가 형성되고 유출공간(230)과 인접한 타단에는 제2냉매의 유출을 위한 제2냉매유출구(222)가 형성된다.

유출공간(230)의 일측에는 합지된 제1냉매의 유출을 위한 제1냉매유출구(231)가 형성되며, 별도의 조립구(212)는 형성되지 않는다.

일반적으로 격벽(400) 및 내부튜브(300)를 조립하기 위해 외부튜브(200)의 양단부를 개구된 조립구(212)를 형성하며, 조립구(212)는 격벽(400)과 대응되는 직경을 가진다.

그러나 외부튜브(200)의 양단부를 개구된 형상으로 적용할 경우 한 쌍의 캡(20)을 장착한 후 용접하여 조립구(212)를 밀폐하여야 하는데, 외부튜브(200)의 직경이 크기 때문에 캡(20)과 외부튜브(200) 사이의 미세한 틈을 완벽하게 차단하는 것이 매우 어렵고 외부튜브(200) 내측의 압력이 높아질 경우 2개의 캡(20) 중 어느 하나만이라도 기밀이 유지되지 못하면 내부의 냉매가 유출되는 문제가 빈번하게 발생하였다.

본 발명에 따른 열교환기(1)는 이러한 문제점을 최소화하기 위해 외부튜브(200)의 일단부는 격벽(400)과 대응되는 직경을 갖는 조립구(212)를 형성하여 캡(20)이 장탈되도록 하되, 반대측 단부는 외부튜브(200)로부터 연장되어 일체로 좁아지는 형상의 제1냉매유출구(231)를 형성하였으며, 제1냉매유출구(231)는 외부튜브(200)와 동일한 중심축을 가진다.

즉, 격벽(400) 및 내부튜브(300)의 삽입을 위한 조립구(212)를 외부튜브(200)의 양단부가 아닌 일단부에만 형성해 하나의 캡(20) 만으로 밀폐할 수 있도록 하여, 누설 문제가 발생할 수 있는 확률 및 제조비용, 제조시간, 제조공정 등을 대폭 감소시켰다.

조립구(400)를 제외한 나머지 제1냉매유입구(211), 제1냉매유출구(231), 제2냉매유입구(221) 및 제2냉매유출구(222)는 격벽(400) 및 내부튜브(300)를 삽입하기 위한 구성이 아닌 냉매의 유입/유출을 위한 구성이기 때문에 단부 전체를 개구하여 형성하는 것이 아닌 일측에 작은 홀을 형성하는 것만으로 충분하므로 격벽(400)보다 작은 직경을 가지도록 형성하는 것이 바람직하며, 조립구(212)처럼 캡(20)으로 밀폐하는 것이 아닌 별도의 냉매관(10)을 용접 연결하여 냉매의 유입/유출이 가능하도록 한다.

외부튜브(200)의 내측에는 제1냉매의 유동을 위한 다수의 내부튜브(300)가 구비된다. 내부튜브(300)의 일단은 제1격벽(410)을 관통하여 제1냉매가 공급되는 유입공간(210)에 위치하고 타단은 제2격벽(420)을 관통하여 제1냉매가 빠져나가는 유출공간(230)에 위치한다.

내부튜브(300)의 위치를 고정시킴과 동시에 외부튜브(200)의 내측을 여러 공간으로 구획하는 제1격벽(410) 및 제2격벽(420)에는 내부튜브(300)의 수와 대응되는 수의 튜브지지홀(120)이 관통 형성되며, 튜브지지홀(120)의 직경은 내부튜브(300)의 직경과 대응된다.

또한, 제1격벽(410)과 제2격벽(420)의 직경은 외부튜브(200)의 내경과 대응된다. 도시되지는 않았지만 내부튜브(300)의 외경과 튜브지지홀(120)의 내경이 밀착되는 부분에는 용접부재에 의해 접합될 수 있으며, 격벽(400)의 외경과 외부튜브(200)의 내경이 밀착되는 부분도 용접부재에 의해 접합될 수 있다.

이러한 구조에 의해, 유입공간(210)과 열교환공간(220)은 제1격벽(410)을 중심으로 독립된 공간을 형성하며, 유출공간(230)과 열교환공간(220) 역시 제2격벽(420)을 중심으로 독립된 공간을 형성한다.

제1격벽(410)에 형성된 다수의 튜브지지홀(120)에는 내부튜브(300)의 일단이 각각 삽입 고정되어 있으므로 제1냉매유입구(211)를 통해 제1냉매가 유입공간(210)으로 공급되면 각 내부튜브(300)의 일단을 통해 제1냉매가 유동하게 된다.

제2격벽(420)에 형성된 다수의 튜브지지홀(120)에는 내부튜브(300)의 타단이 각각 삽입 고정되어 있으므로 내부튜브(300)를 통해 반대방향으로 유동된 제1냉매는 유출공간(230)에서 합지된 후 제1냉매유출구(231)를 통해 외부로 배출된다.

이때, 내부튜브(300)를 타고 유동하는 제1냉매는 제1격벽(410)과 제2격벽(420) 사이에 형성되어 있는 열교환공간(220)을 통과하면서 제2냉매와 열교환을 하게 된다.

즉, 열교환공간(220)의 일측에 구비된 제2냉매유입구(221)를 통해 제2냉매가 공급되면 외부튜브(200)와 내부튜브(300) 사이에 형성된 열교환공간(220)의 길이방향을 따라 제2냉매가 유동하게 되고, 이때 내부튜브(300)의 내측에서 유동하고 있는 제1냉매와 열교환을 한 후 제2냉매유출구(222)를 통해 외부로 배출된다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 열교환공간(220)에는 내부튜브(300) 전체를 지지하는 다수의 배플(100)이 이격 구비되며, 배플(100)에 의해 열교환공간은 여러 영역으로 구획될 수 있다.

배플(100)은 열교환기의 외부튜브 내측에 구비되어 외부튜브(200)와 내부튜브(300) 사이에 유동되는 제2냉매의 흐름을 제한하고, 제2냉매가 유입되는 제2냉매유입구(221)로부터 제2냉매가 빠져나가는 제2냉매유출구(222)까지 제2냉매의 이동경로를 길게 형성하여 적정 시간동안 내부에 머물게 함으로써 열교환 효율을 극대화 시키는 기능을 하며, 배플몸체(110), 튜브지지홀(120) 및 가이드편(140)을 포함한다.

배플몸체(110)는 외부튜브(200)의 내경과 대응되는 직경을 갖는 플레이트 형상으로 형성되며, 내부튜브(300)와 대응되는 수의 튜브지지홀(120)이 관통 형성된다.

배플몸체(110)에 형성되는 튜브지지홀(120)은 상술한 격벽(400)에 형성된 튜브지지홀(120)과 동일하며, 내부튜브(300)가 하나씩 관통 삽입되므로 다수의 내부튜브(300) 전체가 배플몸체(110)에 의해 흔들리지 않고 지지된다.

각 내부튜브(300)는 동일한 직경을 갖는 원형으로 형성될 수 있으며, 실시예에서는 10개의 튜브지지홀(120)을 형성하였지만 직경 및 수량은 다양하게 변경될 수 있다.

배플(100)에는 절곡된 가이드편(140)이 형성되기 때문에, 열교환 효율을 극대화 시키기 위해서는 손실되는 면적을 고려하여 튜브지지홀(120)을 효율적으로 배치해야 한다.

이를 위해 본 발명에서는 배플몸체(110)의 중심부에 가이드편(140)의 절곡되는 경계선(150)과 동일한 방향으로 다수의 제1튜브지지홀(121)을 형성하고, 제1튜브지지홀(121)의 양측에 동일한 방향으로 다수의 제2튜브지지홀(122) 및 제3튜브지지홀(123)을 형성하였다.

이때, 제1튜브지지홀(121)과 제2튜브지지홀(122)은 교번하여 배치되고, 제2튜브지지홀(122)과 제3튜브지지홀(123)은 제1튜브지지홀(121)을 중심으로 대칭되도록 형성하는 것이 가장 바람직하다.

튜브지지홀(120)을 이러한 구조로 형성하면 동일한 공간에 최대한 많은 수의 내부튜브(300)를 삽입하는 것이 가능할 뿐만 아니라 각 내부튜브(300) 사이의 간격이 모두 일정하게 형성되어 균일한 열교환 효율을 확보할 수 있다.

외부튜브(200)의 내경과 배플몸체(110)의 직경이 대응되기 때문에 외부튜브(200)의 내측에 배플(100)이 삽입되면 배플몸체(110)의 외주면과 외부튜브(200)의 내주면이 밀착되어 그 틈으로 냉매가 통과하지 못하게 된다.

따라서, 배플몸체(110) 일측에는 유동로(130)를 형성하기 위한 가이드편(140)이 경계선(150)을 기점으로 절곡 형성되며, 가이드편(140)에 의해 배플몸체(110)의 일부가 외부튜브(200)와 비접촉 되어 유동로(130)를 형성하게 된다.

이러한 가이드편(140)은 외부튜브(200) 내측의 제2냉매가 유동하는 방향 즉, 제2냉매유출구(222) 방향으로 절곡되어 제2냉매의 흐름을 유동로(130)와 인접한 외부튜브(200)의 내측면 방향으로 안내하여 와류가 형성되도록 유도하며, 와류에 의해 제2냉매가 균일하게 섞이고 유동 시간이 증가하여 열교환 효율이 향상되도록 한다.

또한, 상술하였듯이 배플몸체(110)의 한정된 면적 안에 최대한 많은 수의 내부튜브(300)를 삽입하기 위해 다수의 튜브지지홀(120)을 밀집 형성하게 되는데, 배플몸체(110)의 중심부 측에 위치한 내부튜브(300) 사이에는 제2냉매가 유동할 수 있는 간격이 매우 좁게 형성되어 순환이 잘 이루어지지 않게 된다.

즉, 동일한 배플(100)에 삽입되어 있는 내부튜브(300) 일지라도 위치에 따라 열교환 효율이 달라지게 되는데, 본 발명의 가이드편(140)은 유동로(130)를 통과한 제2냉매에 와류 현상이 발생하도록 유도하여 제1배플(101)과 제2배플(102) 사이로 공급된 제2냉매가 균일하게 섞여 내부튜브(300)의 위치와 관계 없이 일정한 열교환 효율을 얻을 수 있도록 한다.

이 뿐만 아니라, 유동로(130) 방향으로 경사지게 절곡된 가이드편(140)의 기울기를 이용해 제2냉매의 유동량 및 유동속도를 조절할 수 있기 때문에 적용되는 상황에 따라 다양한 기울기를 적용하면 제2냉매의 흐름을 원하는 정도로 제어할 수 있다.

가이드편(140)의 기울기는 절곡되는 경계선(0°)을 기준으로 유동로(130)가 형성되는 방향으로 45° 범위 내에서 경사지게 형성될 때 열교환 효율이 향상되며, 20°~25°범위 내에서 형성될 때 최적의 열교환 효율을 확보할 수 있다.

다만, 가이드편(140)이 절곡되는 기울기가 유동로(130) 방향으로 45°를 초과하게 되면 가이드편(140)과 외부튜브(200)의 내주면 사이에 형성되는 유동로(130)가 너무 좁아져 냉매의 유동량이 급격히 줄어들기 때문에 오히려 열교환 효율이 감소할 수 있다.

제2냉매가 외부튜브(200)와 내부튜브(300) 사이에서 유동할 때 이동경로를 짧게 형성하는 것보다는 어느 정도 길게 형성하는 것이 열교환 효율에 있어서 더욱 효과적이므로 다수의 배플(100)을 이격 구비하여 제2냉매의 유동을 제한하며, 내부튜브(300)를 더욱 견고하게 지지한다.

이와 함께, 열교환공간(220) 전체 영역에 균일한 열교환 작용이 가능하도록 서로 마주보는 배플(100)의 가이드편(140)은 상하 방향으로 교번 배치되는 것이 바람직하며, 제2냉매가 직선 방향으로 흐르지 못하고 상하 교번하여 위치하는 유동로(130)를 따라 흐르게 되어 이동경로가 길어질 뿐만 아니라 더욱 균일한 열교환이 가능하게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 열교환기(1)의 열교환 과정에 대해 설명한다.

제1냉매유입구(211)를 통해 유입공간(210)으로 공급된 제1냉매는 분지되어 각 내부튜브를 따라 유출공간 측으로 유동하게 되며, 제2냉매유입구(221)를 통해 열교환공간(220)으로 공급된 제2냉매는 외부튜브(200)와 내부튜브(300) 사이를 따라 반대측에 위치한 제2냉매유출구(222)측으로 유동하게 된다.

제1열교환공간(223)에 유입된 제2냉매는 제1배플(101)에 부딪혀 진행이 제한되고, 외부튜브(200)와 제1가이드편(141) 사이에 형성된 제1유동로(131)를 통과하여 제2열교환공간(224)으로 유동하게 된다.

이때, 절곡 형성된 제1가이드편(141)에 의해 제2냉매의 유동 방향이 직선이 아닌 대각선 상측 방향이 되며, 제1유동로(131)의 형상이 점차적으로 좁아지기 때문에 유속이 증가하여 제1유동로(131)를 통과할 때는 매우 빠르게 지나가게 된다.

제1유동로(131)를 빠르게 통과한 제2냉매는 상측에 위치한 외부튜브(200)의 내벽에 부딪혀 진행방향이 변경되며, 제2배플에 다시 부딪혀 앞으로 나아가지 못하고 대각선 반대 하측 방향으로 진행 경로가 다시 변경된다.

이러한 과정을 통해 와류가 형성되어 제1열교환공간에서 머무는 시간이 길어질 뿐만 아니라 서로 인접한 내부튜브(300) 사이사이를 제2냉매가 통과하며 균일한 열교환이 이루어지게 되고, 제2열교환공간(224) 전체 적으로 제2냉매가 균일하게 순환된다.

어느 정도의 순환이 이루어진 후 제2냉매는 제2배플(102)과 외부튜브(200)의 하측 내벽 사이에 형성된 제2유동로(132)를 통과하여 제3열교환공간(225)으로 유입되며, 동일한 과정을 거쳐 균일한 열교환이 이루어 진다.

이러한 과정을 반복하여 제2냉매는 제4열교환공간(226) 및 제5열교환공간(227)에 도달하게 되며, 제2냉매유출구(222)를 통해 외부튜브(220)의 외측으로 빠져나가게 된다.

이때, 내부튜브(300)를 통해 유동하며 열교환 하였던 제1냉매는 유출공간(230)에 도달하여 합지되며, 제1냉매유출구(231)를 통해 외부로 배출된다.

이하에서는 본 발명에 따른 열교환기 제조방법에 관해 설명한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기 제조방법은 준비단계(S100), 조립단계(S200), 용접단계(S300) 및 검사단계(S400)를 포함한다.

준비단계(S100)는 내부가 비어 있는 관 형상의 외부튜브(200)를 제조하는 단계이며, 피어싱단계(S110), 버링단계(S120) 및 성형가공단계(S130)를 포함한다.

외부튜브(200)의 내측으로 다수의 내부튜브(300), 용접부재(610), 격벽(400) 및 배플(100)을 삽입하기 위해서는 외부튜부(200)의 단부가 개구되어 있어야 하므로, 길게 형성된 관을 일정 크기로 절단하여 외부튜브(200)를 제조한다. 이렇게 제조된 외부튜브(200)의 양단부는 양단부가 개구된 상태가 된다.

외부튜브(200)의 개구된 부분은 내부 구성이 삽입되기 위한 조립구(212)가 되며, 조립구(212)의 직경은 격벽(400)과 대응된다.

피어싱단계(S110)는 외부튜브(200)의 양단부에 제1냉매와 제2냉매의 유입/유출을 위한 홀을 형성하는 단계이다. 프레스 장비를 이용하여 외부튜브(200)의 단부를 고정한 후 측면 방향에 제1냉매유입구(211), 제1냉매유출구(231), 제2냉매유입구(221), 제2냉매유출구(222) 중 적어도 일부를 형성하며, 본 발명의 실시예에서는 후술하는 성형가공단계(S130)를 통해 제1냉매유출구(231)를 일체로 성형하기 때문에 피어싱단계(S110)에서는 제외하고 홀을 형성한다.

버링단계(S120)는 피어싱단계(S110)를 통해 형성된 제1,2냉매유입구(211, 221) 및 제1,2냉매유출구(231, 222)의 외측 방향으로 플랜지(213)를 돌출시키는 단계이며, 추후 냉매관(10)을 삽입하여 용접하였을 때 견고하게 지지될 수 있도록 버팀목 역할을 한다.

성형가공단계(S130)는 개구되어 있는 외부튜브(200)의 양단부 중 일단부에 격벽보다 작은 직경을 갖는 제1냉매유출구(231)를 일체로 성형하는 단계로, 제1냉매유출구(231)는 외부튜브(200)의 끝단 중심부에서 외측 방향으로 돌출 형성된다.

외부튜브(200)와 제1냉매유출구(231)는 서로 직경이 다르기 때문에 일체로 연장 형성되기 위해서는 굴곡진 연결면(214)이 형성되어야 하며, 본 발명에서는 도 7과 같이 가열단계(S131), 성형단계(S132) 및 마감단계(S133)를 실시하여 외부튜브(200)의 일단에 제1냉매유출구(231)를 일체로 형성하였다.

도 8에 도시된 바와 같이, 가열단계(S131)는 고정유닛(510)에 외부튜브(200)를 장착한 후 원판 형상의 가공부재(520)와 외부튜브(200)를 동시에 고속으로 회전시키고, 회전하는 상태에서 외부튜브(200)의 끝단 외주면에 가공부재(520)를 접촉시키는 단계로, 고속으로 회전하는 가공부재(520)와 외부튜브(200)가 접촉됨에 따라 마찰열이 발생된다.

이때 발생하는 마찰열은 외부튜브(200)의 단부를 열변형 시킬 수 있는 온도 이상이 되며, 가공부재(520)를 이용하여 가압하면 그에 대응하여 외부튜브(200)의 형상이 성형된다.

가공부재(520)는 외부튜브(200)의 단부를 절단하기 위한 구성이 아닌 마찰열을 발생시켜 가압 변형시키기 위한 구성이므로, 외부튜브(200)와 접촉되는 가공부재(520)의 모서리는 뾰족하지 않고 완만한 굴곡면을 갖는 것이 바람직하며, 마찰열을 효과적으로 발생시키고 가압력이 전달될 수 있도록 서로 반대 방향으로 회전시키는 것이 바람직하다.

성형단계(S132)는 외부튜브(200)의 단부와 접촉된 상태에서 고속으로 회전하고 있는 가공부재(520)를 외부튜부(200)의 중심축 방향(폭 방향)으로 가압하면서 외부튜브(200)의 길이방향을 따라 왕복 이동시켜 점진적으로 직경이 감소되도록 성형하는 단계이다.

성형단계(S132)를 통해 외부튜브의 단부는 자연스럽게 직경이 감소하면서 굴곡진 연결면(214)이 형성되고, 중심부에는 격벽보다 작은 직경을 갖는 제1냉매유출구(231)가 외측 방향으로 돌출 형성된다.

마감단계(S133)는 돌출된 제1냉매유출구(231)의 외주면과 내주면을 정밀하게 다듬는 단계로, 회전하지 않고 고정되되 끝이 뾰족하게 형성된 커팅부재(530)와, 회전하지 않고 고정되되 제1냉매유출구(231)의 직경보다 작게 형성된 연마부재(540)를 이용한다.

고속으로 회전하고 있는 외부튜브(200)의 제1냉매유출구(231)에 끝이 뾰족하게 형성된 커팅부재(530)의 모서리를 접촉시키면 마찰에 의해 끝단 일부가 절단되며, 커팅부재(530)를 외부튜브의 길이방향을 따라 이동시켜 제1냉매유출구(231)의 표면을 연마한다.

이후 고속으로 외부튜브(200)의 제1냉매유출구(231) 내측으로 연마부재(540)를 삽입하여 내주면과 접촉시키면 회전에 의해 연마가 이루어 진다.

가공부재(520)는 외부튜브(200)의 표면을 연마하는 것이 아닌 성형가공하기 위해 사용되고, 커팅부재(530)는 외부튜브(200)의 끝단 표면을 절단하고 연마하기 위해 사용되며, 연마부재(540)는 제1냉매유출구(231)의 내측면을 연마하기 위해 사용된다.

조립단계(S200)는 용접부재(610), 격벽(400) 및 배플(100)을 이용해 내부튜브(300)를 고정한 후 외부튜브(200)의 내측으로 삽입하는 단계로, 용접부재(610)와 격벽(400) 및 배플(100)에는 서로 동일한 형상 및 수량의 튜브지지홀(120)이 형성되며, 튜브지지홀(120)의 직경 및 수는 내부튜브(300)와 대응된다.

내부튜브(300)를 지지하는 격벽(400) 및 배플(100)의 구조는 상술한 바와 동일하므로 구체적인 설명은 갈음한다.

용접부재(610)는 외부튜브(200)의 내측에 삽입된 격벽(400)과 배플(100)이 외부튜브(200)의 내측면과 견고하게 접합되어 미세한 틈새로 냉매가 누설되지 않도록 하는 구성으로, 동, 은 등의 소재가 적용될 수 있다.

이러한 용접부재(610)는 격벽(400)과 배플(100) 및 외부튜브(200) 사이에 형성되는 미세한 틈새를 제거하는 것뿐만 아니라 격벽(400) 및 배플(100)에 형성된 튜브지지홀(120) 내주면과 내부튜브(300) 사이의 미세한 틈새로 냉매가 누설되지 않도록 튜브지지홀(120)과 내부튜브(300)가 접촉되는 부분을 접합한다.

일반적으로, 외부튜브(200)의 내경과 대응되는 용접링 및 내부튜브(300)의 외경과 대응되는 용접링을 삽입하여 용접을 실시하는데, 이러한 경우 원가를 절감하기에는 용이하지만 침투량이 매우 적어 내부 압력이 높아지면 용접된 부분이 쉽게 파손되어 냉매가 누설되는 문제가 있다.

또한, 각각의 용접링을 내부튜브(300)와 튜브지지홀(120)이 접하는 모든 부분에 삽입해야 하기 때문에 작업성이 매우 떨어지는 문제도 있다.

본 발명은 이러한 종래의 단점을 해결하기 위해 격벽(400)과 대응되는 형상을 갖는 판상형의 용접부재(610)를 적용하였으며, 용접부재(610)의 크기는 격벽(400)과 같거나 조금 작게 형성될 수 있다.

종래에 사용하던 용접링의 경우 내부튜브(300)의 외주면과 외부튜브(200)의 내경에 대응되는 크기로 형성되어 틈새 부분에만 위치하기 때문에 원가는 절감할 수 있지만 실제 녹아서 틈새로 유입되는 용접량이 매우 작다.

반면 본 발명에 따른 판상형 용접부재(610)는 녹기 전 단순히 틈새 부분에만 위치하는 것이 아닌 배플(100)과 격벽(400) 전체 면적에 대응되는 면적을 가지며, 후술하는 용접단계(S300)를 통해 판상형 전체가 녹으면서 모두 틈새 부분으로 스며들기 때문에 매우 견고한 용접이 이루어진다.

또한, 판상용 용접부재(610)의 형상이 격벽(400)과 대응되어 동일한 수량의 튜브지지홀(120)이 형성되어 있으므로 조립이 매우 쉽다.

즉, 종래에는 내부튜브(300)가 10개이고 격벽(400)이 2개, 배플(100)이 4개일 경우, 적어도 60개의 작은 용접링을 내부튜브에 장착하고, 6개의 큰 용접링을 외부튜브(200)의 내경에 장착하여야 했다.

이러한 과정은 모두 수작업으로 이루어지기 때문에 제조시간이 매우 오래 걸릴뿐만 아니라 작업자의 피로도가 높아지고, 작업자의 실수로 인해 어느 한 개의 용접링만 누락되더라도 냉매가 누설되는 문제가 발생한다.

반면 본 발명에 따른 용접부재(610)는 최소 6개만 장착하면 조립이 완료되기 때문에 작업속도가 매우 높고 편리하며, 작업자의 실수로 인해 어느 한 부분이 누설되는 문제를 근본적으로 해결할 수 있다.

격벽(400)은 제1냉매와 제2냉매가 서로 섞이지 않도록 하기 위한 매우 중요한 구성이므로 외부튜브(200)의 내측을 유입공간(210)/열교환공간(220)/유출공간(230)으로 구획하는 격벽(400)은 외부튜브(200)의 내측면과 매우 견고한 접합 상태를 유지해야 한다.

반면, 배플(100)은 제1냉매와 제2냉매의 혼합을 방지하는 것이 아닌 제2냉매의 유동을 제한하기 위한 구성이므로 매우 미세한 누설이 있더라도 열교환기(1)의 작동에 문제가 발생하지는 않는다.

따라서, 판상형의 용접부재(610)는 각 격벽의 양측에 배치하여 양방향에서 용접이 이루어 질 수 있도록 하는 것이 바람직하고, 배플(100)은 양측 또는 적어도 일측에 판상형의 용접부재(610)를 배치하여 용접이 이루어 질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 판상형의 용접부재(610)는 격벽(400)과 동일하게 평면 형상이므로 가이드편(140)의 절곡 방향과 반대되는 배플(100)의 측면에 배치할 때는 밀착이 가능하지만 절곡된 방향 측면에 배치할 때는 가이드편(140)에 의해 밀착되지 못하게 된다.

따라서, 절곡 방향 측에 배치할 때는 배플(100)의 단부를 가이드편(140)과 대응되도록 절곡시켜 배치하는 것이 바람직하다.

조립단계(S200)가 완료되면 격벽(400)이 위치하는 외부튜브(200)의 외측 부분을 가압 변형하여 격벽(400)과 외부튜브(200)를 더욱 강하게 밀착시킨다.

이때 도 9와 같이 외부튜브(200)의 외측을 가압하기 위해 상하 방향으로 움직이는 한 쌍의 가압금형(620)을 이용할 수 있으며, 상하 방향으로 밀착되는 한 쌍의 가압금형(620)에는 외부튜브(200)의 외경보다 미세하게 작은 내경을 갖는 안착홈(621)이 형성된다.

이러한 안착홈(621)은 한 쌍의 가압금형(620)에 각각 1/2씩 형성되어 있으며 서로가 밀착되어 외부튜브(200)의 내경보다 작은 원형의 안착홈(621)을 형성하게 된다. 가압금형(620)에 형성된 안착홈(621)의 직경은 외부튜브(200)의 내경보다 조금 작게 형성되기 때문에 가압이 이루어진 외부튜브(200)의 표면은 미세하게 변형된 상태가 된다.

이때, 가압금형(620)에 의해 눌려지는 부분은 격벽(400)이 위치한 부분의 표면이며, 격벽(400)과 외부튜브(200)는 매우 강하게 밀착된 상태를 유지하게 된다.

용접단계(S300)는 조립구(212)가 개구되어 있는 외부튜브(200)의 단부를 캡(20)으로 밀폐한 후 열처리로에 투입하여 약 1100℃의 온도로 일정 시간동안 브레이징(Brazing)을 실시하는 단계이다.

이때, 외부튜브(200)의 단부에 캡(20)을 장착하기 전에 외부튜브(200)의 단부와 밀착되는 캡(20)의 내측 테두리를 따라 원형의 내부용접링(630)을 삽입한 후 장착한다. 내부용접링(630)은 외부튜브(200)의 직경 이하로 형성되어 캡(20)의 장착 시 외부튜브(200)의 개구된 끝단과 밀착된다.

또한, 캡(20)을 장착하기 전 외부튜브(200)의 외주면에는 외부튜브(200)의 외경과 대응되는 내경을 갖는 외부용접링(640)을 장착한다. 캡(20)이 장착되면 캡의 끝단과 외부튜브(200)의 외주면이 접촉되는 부분에 외부용접링(640)이 위치하게 된다.

캡(20)과 외부튜브(200) 사이에는 완전한 밀폐가 이루어져야 하므로 캡(20)과 외부튜브(200)는 억지끼움으로 장착되는 것이 바람직하다.

캡(20) 장착이 완료된 후 열처리로를 이용하여 약 1100℃의 온도에서 가열하면 판상형의 용접부재(610)와 내부용접링(630) 및 외부용접링(640)이 녹게 된다.

내부용접링(630)은 녹으면서 외부튜브(200)의 단부와 캡(20)의 내면이 밀착되는 부분을 접합시키며, 외부용접링(640)은 녹으면서 외부튜브(200)의 외측면과 캡(20)의 끝단이 만나는 부분을 접합시킨다.

판상형의 용접부재(610)는 녹으면서 튜브지지홀(120)과 내부튜브(300)가 만나는 틈새로 침투하게 되고, 격벽(400) 및 배플(100)과 외부튜브(200)의 내측면이 만나는 틈새로 침투하게 된다.

판상형의 용접부재(610)는 녹으면서 그 상태로 용접이 되는 것이 아닌 틈새로 침투하려는 성질이 있으며, 틈이 없는 부분에는 머물지 않고 틈을 찾아 이동하게 된다.

즉, 판상형으로 형성된 용접부재(610) 전체가 격벽(400) 및 배플(100)의 평면 부분이 아닌 틈새 부분으로 모두 침투하여 용접이 이루어지게 되며, 이에 따라 용접부재(610)의 침투량이 매우 높아져 모든 틈새를 견고하게 용접할 수 있게 된다.

열처리로를 통해 브레이징이 완료되면, 제1,2냉매유입구(211, 221) 및 제1,2냉매유출구(222, 231)에 냉매관(10)을 삽입한 후 토치 용접을 실시한다.

검사단계(S400)는 완성된 열교환기(1)의 내부가 완벽한 진공상태 및 밀폐상태를 유지하는지 공압 테스트하는 단계이다. 유입공간(210)과 열교환공간(220) 및 유출공간(230)은 서로 완벽하게 격리되어 있어야 하며, 제1,2냉매유입구(211, 221)를 통해 유입된 유체가 섞이지 않고 독립되어 배출될 수 있어야 한다.

1 : 열교환기 100 : 배플
200 : 외부튜브 300 : 내부튜브
400 : 격벽 S100 : 준비단계
S200 : 조립단계 S300 : 용접단계
S400 : 검사단계

Claims (7)

1. 제1냉매와 제2냉매가 유입되는 외부튜브; 상기 외부튜브의 내측에 구비되며 제1냉매가 유동하는 다수의 내부튜브; 상기 외부튜브와 내부튜브 사이에 형성되어 제2냉매가 유동하는 열교환공간; 및 상기 열교환공간에 구비되어 내부튜브를 지지하는 다수 배플을 포함하여 구성되고,
   상기 다수 배플은,
   상기 외부튜브의 내경과 대응되는 직경을 갖는 플레이트 형상의 배플몸체와, 상기 내부튜브와 대응되는 수로 상기 배플몸체에 관통 형성되어 각 내부튜브가 관통 삽입되며 내부튜브 전체를 지지하는 튜브지지홀과, 상기 배플몸체의 일측의 경계선을 기점으로 제2냉매의 유동 방향으로 경사지게 절곡되어 외부튜브와 비접촉함으로써 유동로를 형성하는 가이드편을 포함하며,
   상기 가이드편은 제2냉매를 외부튜브의 내측면 방향으로 안내하여 와류가 형성되게 하고, 상기 다수 배플은 가이드편이 서로 교번하여 위치하도록 배치됨을 특징으로 하는 열교환기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가이드편은 내부튜브의 길이 방향에 대하여 20~25°의 각도 범위 내에서 절곡되어 절곡되어 제2냉매의 유동량 및 유동속도 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 외부튜브의 내측을 다수의 공간으로 구획하는 격벽을 포함하고,
   상기 외부튜브의 양단부 중 어느 하나는 상기 격벽과 대응되는 직경의 조립구가 형성되어 캡이 장탈되며, 반대측 단부는 외부튜브로부터 연장되어 일체로 좁아지는 형상의 제1냉매유입구 또는 제1냉매유출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
4. 내부가 비어 있는 관 형상의 외부튜브를 제조하는 준비단계;
   다수의 튜브지지홀이 형성된 용접부재, 격벽 및 다수의 배플을 이용해 내부튜브를 고정한 후 상기 외부튜브의 내측으로 삽입하는 조립단계; 및
   상기 외부튜브의 단부를 캡으로 밀폐한 후 브레이징(brazing)하는 용접단계를 포함하고,
   상기 용접부재는 상기 격벽과 대응되는 형상을 갖는 판상형이며,
   상기 조립단계에서,
   다수 배플은, 상기 외부튜브의 내경과 대응되는 직경을 갖는 플레이트 형상의 배플몸체와, 상기 내부튜브와 대응되는 수로 상기 배플몸체에 관통 형성되어 각 내부튜브가 관통 삽입되며 내부튜브 전체를 지지하는 튜브지지홀과, 상기 배플몸체의 일측의 경계선을 기점으로 제2냉매의 유동 방향으로 경사지게 절곡되어 외부튜브와 비접촉함으로써 유동로를 형성하는 가이드편을 포함하며,
   상기 가이드편은 제2냉매를 외부튜브의 내측면 방향으로 안내하여 와류가 형성되게 하고, 상기 다수 배플은 가이드편이 서로 교번하여 위치하도록 배치됨을 특징으로 하는 열교환기 제조방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 가이드편은 내부튜브의 길이 방향에 대하여 20~25°의 각도 범위 내에서 절곡되어 절곡되어 제2냉매의 유동량 및 유동속도 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 열교환기 제조방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 준비단계 시,
   상기 외부튜브의 양단부를 격벽과 대응되는 직경으로 개구한 후, 일단부는 상기 격벽보다 작은 직경을 갖는 냉매유입구 또는 냉매유출구가 끝단 중심부에서 외측 방향으로 일체로 돌출 형성되도록 성형하는 성형가공단계를 포함하고,
   상기 성형가공은,
   가공부재와 상기 외부튜브를 고속으로 회전시키고 상기 가공부재를 외부튜브의 끝단 외주면에 접촉시키는 가열단계와, 상기 가공부재를 외부튜브의 중심축 방향으로 가압하면서 외부튜브의 길이방향을 따라 왕복 이동하여 점진적으로 직경을 감소시켜 냉매유입구 또는 냉매유출구를 일체로 형성하는 성형단계를 포함하고,
   상기 성형단계는 가공부재와 외부튜브의 마찰열을 이용해 외부튜브의 단부를 성형하는 것을 특징으로 하는 열교환기 제조방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 조립단계 후,
   상기 격벽이 위치하는 외부튜브의 외측 부분을 가압 변형하여 상기 격벽과 외부튜브를 밀착시키는 것을 특징으로 하는 열교환기 제조방법.
   
   

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