KR101893807B1 - 차량용 열교환기 - Google Patents

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아르만도 마조니
에데르 노모또
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발레오 시스테마스 오토모티보스 엘티디에이.
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Abstract

본 발명은 차량용 열교환기(10)로서, 제1 헤더(14) 및 제2 헤더(16), 복수의 튜브(22, 29, 30, 31)를 포함하고 있고, 상기 제1 헤더(14)는 고온 유체 유입구(18) 및 저온 유체 배출구(20)에 연결되어, 상기 제1 헤더(14)는 벽(28)에 의해 분리된 고온 영역(24) 및 저온 영역(26)을 포함하고 있고, 상기 복수의 튜브(22, 29, 30, 31)는, 각각의 튜브가 제1 헤더(14)와 제2 헤더(16) 사이에 유체 연통을 제공하고, 제1 헤더(14)의 고온 영역(24) 내에서 벽(28) 옆에 배치되고 "고온단 튜브"라 불리는 하나의 튜브(31) 및 제1 헤더(14)의 저온 영역(26) 내에서 벽(28) 옆에 배치되고 "저온단 튜브"라 불리는 하나의 튜브(32)를 구비하고 있는 바의 열교환기(10)에 관한 것이다. 상기 열교환기(10)는 고온 영역(24) 내에 배치된 다른 튜브(29) 내의 유체 유량에 비해 고온단 튜브(31) 내의 유체 유량을 감소시키기 위한 유량 감소기(36)를 포함한다.

Description

차량용 열교환기{HEAT EXCHANGER FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 그러한 차지 에어 쿨러(charge air cooler; CAC)와 같은 열교환기에 관한 것이다(하지만, 이에 한정되는 것은 아니다).
대부분의 열교환기는 충전 공기 유동의 경로로 배열되는 다열의 튜브를 포함하며, 냉매(예를 들어 공기)가 다열의 튜브를 통해 유동한다. 일반적으로, 특히 차지 에어 쿨러에 있어서, 열교환기는 고온 공기 유입구와 더불어 저온 공기 배출구를 구비하여 고온 공기 영역과 저온 공기 영역을 한정하는 제1 헤더를 포함하고 있다. 튜브들 중의 한쪽 부분이 고온 공기 영역에 연결되는 한편, 튜브들 중의 다른쪽 부분이 저온 공기 영역에 연결되고, 양쪽 고온 영역과 저온 영역이 벽에 의해 분리된다.
이러한 열교환기에 의해 초래되는 한 가지 난점은, 헤더 내에서 고온 공기 영역이 저온 공기 영역 옆에 배치되기 때문에, "저온단 튜브(cold end tube)"라 불리는 저온 공기를 전송하는 또 다른 튜브 바로 옆에 배치되는 "고온단 튜브(hot end tube)"라 불리는 고온 공기를 전송하는 하나의 튜브를 구비한다는 점이다. 따라서, 고온단 튜브와 저온단 튜브 사이의 온도 차이가 열교환기의 작은 영역 내에 높은 온도 구배를 초래하고, 그 결과 헤더 근방의 튜브의 균열을 일으킬 수 있다.
본 발명의 하나의 목적은 더 높은 내구성의 열교환기를 제공하는 데 있다.
이를 위해, 본 발명의 목적은 차량용 열교환기로서,
제1 헤더 및 제2 헤더,
복수의 튜브를 포함하고 있고,
상기 제1 헤더는 고온 유체 유입구 및 저온 유체 배출구에 연결되어, 상기 제1 헤더는 벽에 의해 분리된 고온 영역 및 저온 영역을 포함하고 있고,
상기 복수의 튜브는, 각각의 튜브가 제1 헤더와 제2 헤더 사이에 유체 연통을 제공하고, 제1 헤더의 고온 영역 내에서 벽 옆에 배치되고 "고온단 튜브"라 불리는 하나의 튜브 및 제1 헤더의 저온 영역 내에서 벽 옆에 배치되고 "저온단 튜브"라 불리는 하나의 튜브를 구비하고 있는 바의 열교환기에 있어서,
상기 열교환기는 고온 영역 내에 배치된 다른 튜브 내의 유체 유량에 비해 고온단 튜브 내의 유체 유량을 감소시키기 위한 유량 감소기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기이다.
이와 같은 열교환기는 저온단 튜브와 고온단 튜브 사이의 온도 구배가 작아지기 때문에 유리하다. 실제로, 고온단 튜브에 존재하는 유량 감소기 덕분에, 적은 유체가 고온단 튜브를 통과하고, 유체 속도가 따라서 저하된다. 이는 고온 영역에 연결된 다른 튜브들 내에서보다 덜 뜨거운 유체를 발생시키고, 따라서 저온단 튜브 내의 유체의 온도 구배가 감소된다. 그러므로, 통상적으로 이들 튜브에 가해지게 되는 열응력도 감소되고, 튜브의 파손의 위험성이 감소됨으로써, 전체 열교환기의 내구성을 증대시킨다.
바람직하게는, 상기 유체는 공기이다. 따라서, 고온 유체 유입구 및 저온 유체 배출구는 각각 고온 공기 유입구 및 저온 공기 배출구이며, 유량 감소기는 고온단 튜브 내의 공기 유량을 감소시킨다.
유량 감소기는 고온단 튜브 내의 유체 유동을 감소시킬 수 있는 어떠한 수단을 포함한다는 것에 유의해야 한다. 유량 감소기는 고온단 튜브 내의 유체 유량이 0가 되도록, 즉 튜브를 통과하는 유체가 없도록 고온단 튜브 내의 유체 유량을 감소시킬 수 있다.
유량 감소기는 제1 헤더 내에, 제2 헤더 내에, 제1 및 제2 헤더 내에 또는 고온단 튜브 내에 배치될 수 있다.
상술한 열교환기는 또한 다음의 특징부들 중의 하나 이상을 단독으로 또는 조합적으로 포함할 수 있다.
유량 감소기는 제1 헤더 내에서 고온단 튜브에 대해 상류측에 배치되는 벽을 포함한다. 이 구성은 특히 고온단 튜브 상류측에서의 제1 헤더의 단면 및 그에 따른 고온단 튜브로 진입하는 유체의 양을 감소시킴으로써, 효과적인 공기 유량 감소를 제공하는 것을 가능하게 해준다.
상기 벽은 1 내지 2000 mm2, 바람직하게는 1 내지 1200 mm2, 더 바람직하게는 20 내지 320 mm2로 이루어지는 면적을 한정하는 개구부와 같이 바람직하게는 원형 형상을 가지는 개구부를 포함한다.
유량 감소기는 제1 헤더 내에서 고온단 튜브의 전방에 위치되는 부분품을 포함한다. 이와 같은 유량 감소기의 특정적인 위치결정은 고온단 튜브 전방의 제1 헤더의 단면이 감소되는 것을 가능하게 해준다. 바람직하게는, 상기 부분품은 튜브의 폭 또는 직경과 크거나 같은 폭 또는 직경을 가진다.
고온단 튜브는 유체 유입구를 포함하고 있고, 유량 감소기는 제1 헤더 내에 유량 감소기와 유체 유입구 사이의 거리가 0 내지 20 mm의 범위 내에 있도록 위치된다. 이는 제1 헤더의 단면의 크기 감소를 가능하게 해준다.
유량 감소기는 고온단 튜브에 배치되어 고온단 튜브를 부분적으로 또는 완전히 차단하는 벽을 포함한다. 이 방법으로, 유량 감소기는 제1 또는 제2 헤더의 구성과 독립적으로, 튜브와 함께 제작되거나 튜브와 조립될 수 있는 동시에, 헤더들은 표준형으로 유지될 수 있다.
유량 감소기는 제2 헤더 내에서 고온단 튜브의 유체 배출구 근방에 배치된다. 이와 같은 제2 헤더 내에서의 유량 감소기의 위치결정은 고온단 튜브 내의 공기 유량을 감소시키는 변형적인 방법을 제공한다. 제1 헤더 내의 유량 감소기에 더하여, 유량 감소기가 제2 헤더 내에 배치될 때는, 고온단 튜브 내의 추가적인 공기 유량 감소를 가능하게 해준다.
열교환기는 고온 영역 내에서 고온단 튜브 옆에 배치되는 고온 튜브 내의 유체 유량을 감소시키기 위한 유량 감소기를 포함한다. 고온단 튜브 옆에 배치되는 고온 튜브 내의 공기 유량의 감소는 온도 구배를 더욱 감소시키는 것을 가능하게 해준다.
고온단 튜브는 열교환기 내에서 다른 튜브들로부터 고온단 튜브를 구별하는 것을 가능하게 해주는 식별 수단을 포함한다. 상기 식별 수단은 바람직하게는 열교환기의 코어 상에 제공되는 상보적인 실수 방지 장치와 공조하도록 구성되는 실수 방지 장치를 포함한다. 이러한 식별 수단은 다른 튜브들과의 혼동 없이 열교환기 내에 고온단 튜브를 정확하게 위치시키는 것을 보장한다.
열교환기는 차지 에어 쿨러이다. 일반적으로, 이와 같은 차지 에어 쿨러는 자동차 산업에서 수퍼 차지식(super charged) 또는 터보 차지식(turbo charged) 엔진의 압축 공기를 냉각시키는 데 사용된다. 하지만, 열교환기는 달리 라디에이터, 콘덴서, 오일 쿨러 및 배기 가스 쿨러에 적용될 수도 있을 것이다.
본 발명은 예시로서 주어지고 여기에 간단히 설명되는 첨부도면을 참조하는 상세한 설명으로부터 더욱 명확히 이해될 것이다.
도 1은 열교환기의 제1 실시형태에 따른 열교환기의 3차원 도면이다.
도 2는 도 1과 유사한 열교환기의 개략적 종단면도이다.
도 3은 도 2의 V 부분의 확대도이다.
도 4는 열교환기의 또 다른 실시형태에 따른 열교환기의 개략적 부분 종단면도이다.
도 5는 열교환기의 제3 실시형태에 따른 열교환기의 개략적 부분 종단면도이다.
도 6은 열교환기의 제4 실시형태에 따른 열교환기의 개략적 부분 종단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같은 제1 실시형태에 따른 차량용 열교환기(10)는 본 예에서 수퍼 차지식(super charged) 또는 터보 차지식(turbo charged) 엔진의 압축 공기를 냉각시키기 위한 차지 에어 쿨러이다.
열교환기(10)는 코어(12), 제1 헤더(14) 및 제2 헤더(16)를 포함하고 있다. 제1 헤더(14)는 고온 유체 유입구(18) 및 저온 유체 배출구(20)에 연결되어 있다. 이 실시예에서, 유체는 공기이며, 열교환기(10)는 이 공기가 순환하는 것을 가능하게 해주어, 이 공기가 이 실시예에서 역시 공기일 수 있는 냉매에 의해 냉각될 수 있다.
열교환기(10)의 코어(12)는 기본적으로 종방향(도 1에서 수직방향)으로 뻗어 있는 평행육면체 형상을 가지고, 2개의 양측 종방향 면을 포함하고 있고, 제1 헤더(14) 및 제2 헤더(16)가 코어(12)의 각각의 종방향 면에 각각 연결되어 있다. 코어(12)는 복수의 튜브(22)를 포함하고 있고, 각각의 튜브는 제1 및 제2 헤더(14, 16) 사이에 유체 연통을 제공한다. 본 실시예에서, 튜브(22)는 평면형이고; 이들은 냉매 공기 유동의 방향(F)에 평행하게 뻗어 있는 평면형 측면들을 가지고 있다. 선택적으로, 튜브(22)는 예컨대 원통 형상과 같은 다른 형상을 가질 수도 있을 것이다.
제1 헤더(14)는 사실상 고온 공기 영역 및 저온 공기 영역인 고온 유체 영역(24) 및 저온 유체 영역(26)을 포함하고 있다. 고온 영역(24)은 고온 공기 유입구(18)에 의해 고온 공기를 수취하여, 이 공기를 제2 헤더(16) 쪽으로 재전송하고, 저온 영역(26)은 제2 헤더(16)로부터 공기를 수취하여, 이를 저온 공기 배출구(20) 쪽으로 재전송한다.
도 2는 벽(28)에 의해 분리되어 있는 고온 영역(24) 및 저온 영역(26)을 도시하고 있다. 이 실시예에서, 벽(28)은 제1 헤더(14)의 중간 구역에 배치되어 있다. 복수의 튜브(22)는 고온 영역(24)에 연결되어 있는 고온 튜브(29) 및 저온 영역(26)에 연결되어 있는 저온 튜브(30)를 포함하고 있다. 튜브들은 열교환기의 코어(12)를 통과하는 냉매의 흐름(F)과 열을 교환하는 방식으로 배열되어 있다. 고온 튜브(29)는 제1 헤더(14)로부터 고온 공기를 취입하여 그것을 제2 헤더(16) 쪽으로 전송하도록 되어 있는 한편, 저온 튜브(30)는 제2 헤더(16)로부터 저온 공기를 취입하여 그것을 제1 헤더(14)로 전송하도록 되어 있다. 따라서, 제2 헤더(16)는 고온 튜브(29) 내에서 냉각된 고온 공기를 취입하여 그것을 저온 튜브(30) 내에 분배하도록 되어 있다. 이들 저온 튜브(30)는 저온 공기를 제1 헤더(14) 쪽으로 전송하여 저온 공기를 더 냉각시키도록 되어 있다.
고온 튜브(29) 중, 하나의 튜브(31)는 제1 헤더(14)의 고온 영역(24) 내에서 벽(28) 옆에 배치된다. 이 튜브는 이해의 용이성을 위해 "고온단 튜브(hot end tube)"로 지칭된다. 이 고온단 튜브(31)는 제1 헤더(14) 내에 배치되고 그것을 통해 고온 공기가 유동하게 되는 공기 유입구(34)를 포함하고 있다. 동일한 방식으로, 저온 튜브(30) 중의 하나의 튜브가 제1 헤더(14)의 저온 영역(26) 내에서 벽(28) 옆에 배치되어, "저온단 튜브(cold end tube)"(32)로 지칭된다.
이 실시형태에서, 제1 헤더(14)는 다른 고온 튜브(29)의 유체 유량에 비해 고온단 튜브(31) 내의 유체 유량을 감소시키기 위한 유량 감소기(36)를 포함하고 있다. 이 유량 감소기(36)는 제1 헤더(14)의 고온 영역(24) 내에서 고온단 튜브(31)에 대해 상류측에 배치되어 있다. 더 정확하게는, 유량 감소기(36)는 고온단 튜브(31)의 유입구(34)의 전방에 배치되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 유량 감소기(36)는 고온단 튜브(31)의 단면 형상과 유사한 단면 형상을 갖는 부분품(36)을 포함하고 있다. 이 실시형태에 있어서, 부분품(36)은 바람직하게 튜브(31)의 폭과 유사한 폭을 갖는 완전한 직사각형이다. 하지만, 유량 감소기(36)의 부분품(36)은, 다른 고온 튜브(29)의 공기 유량과 대비되는 고온단 튜브(31)의 공기 유량의 감소를 가능하게 해주기만 한다면, 직사각형이 아닌 다른 형상으로 될 수도 있을 것이다. 고온단 튜브(31)는 제1 헤더(14) 내에 유량 감소기(36)와 고온단 튜브(31)의 공기 유입구(34) 사이의 거리가 0 내지 20 mm의 범위 내에 있도록, 예컨대 약 10 mm이도록 위치된다.
특히 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같은 유량 감소기(36)의 다른 구성들이 사용될 수 있다. 제1 실시형태의 유사한 특징부들을 지시하는 데 사용된 도면부호들이 이들 다른 실시형태들에 대해 재사용된다.
도 4에 따르면, 유량 감소기(36)는 제1 헤더(14)의 고온 영역(24) 내에서 고온단 튜브(31)와 고온단 튜브(31) 옆의 튜브(46) 사이에 배치된 벽을 포함하고 있다. 튜브(46)는 제2 고온 튜브(46)로도 지칭된다. 이 특정 실시형태에 있어서, 유량 감소기(36)의 이 벽은 제1 헤더(14)의 단면을 부분적으로 폐쇄하여 공기가 고온단 튜브(31)의 공기 유입구(34)에 도달하기 위한 간극을 남겨두는 박형 배플(thin baffle)의 외형을 가지고 있다.
이러한 특정 실시형태에서, 열교환기(10)는 제2 헤더(16) 내에서 고온단 튜브(31) 및 그 옆의 고온 튜브(46)의 공기 배출구(44) 근방에 배치되는 추가적인 유량 감소기(42)를 포함하고 있다. 추가적인 유량 감소기(42)는 따라서 고온단 튜브(31) 옆의 고온 튜브(46) 내의 공기 유량을 감소시키는 것을 가능하게 해주고, 고온단 튜브(31) 내의 공기 유량도 더 감소된다.
도 5에 따르면, 유량 감소기(36)의 벽(37)은 제1 헤더(14)의 고온 영역(24) 내에서 고온단 튜브(31)와 제2 고온 튜브(46) 사이에 배치되어 있다. 이 유량 감소기(36)의 벽(37)은 원형 형상이고 1 내지 2000 mm2, 바람직하게는 1 내지 1200 mm2 또는 더 바람직하게는 20 내지 320 mm2의 범위 내인, 예컨대 약 20 mm2인 면적을 한정하는 개구부(48)를 포함하고 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 유량 감소기(36)는 고온단 튜브(31)의 하부에 배치되어 고온단 튜브(31)의 하부를 완전히 차단하여 공기 유량이 0으로 감소되게 하는 벽(40)을 포함하고 있다. 하지만, 감소된 공기 유동을 허용하기 위해 벽(40)이 고온단 튜브(31)를 부분적으로만 차단하고 있을 수 있는 것을 예상할 수 있을 것이다. 벽(40)이 고온단 튜브를 완전히 차단하고 있는 경우에는, 튜브들의 양단부를 폐쇄하는 것이 바람직하고, 이 구성은 유량 감소기가 고온단 튜브의 상부에 배치되는 제2 벽을 포함하는 것을 의미한다. 그와 같은 폐쇄 튜브를 갖춘 고온단 튜브(31)를 포함하는 열교환기(10)의 제조를 용이하게 하기 위해, 열교환기(10)는 열교환기(10) 내에서 다른 튜브들로부터 고온단 튜브(31)를 구별하기 위해 제공되는 수단을 식별 수단을 포함한다. 이 식별 수단은 바람직하게는 열교환기의 코어(12) 상에 제공되는 상보적인 실수 방지 장치와 공조하도록 구성되는 실수 방지 장치(mistake-proofing device)를 포함한다. 이와 같은 장치는 예를 들어 튜브(22) 중의 나머지 튜브보다 작은 직경을 가지는 특정 고온단 튜브(31)일 수 있으며, 제1 헤더가 상기 특정 제1 고온단 튜브(31)를 수용하기 위한 대응하는 직경의 슬롯을 가진다.
상술한 여러 실시형태들은 수많은 방법으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 제1 헤더(14) 내에 배치되는 유량 감소기(36)가 제2 고온 튜브(46) 전방에 형성되어, 고온단 튜브와 더불어 제2 고온 튜브 내의 유량 감소를 발생시킬 수 있다. 선택적으로, 유량 감소기(36)는 제1 헤더(14) 내에, 고온단 튜브(31) 내에 및/또는 제2 고온 튜브(46) 내에 배치되는 여러 가지 부분품들을 포함할 수 있다.

Claims (10)

  1. 차량용 열교환기(10)로서,
    제1 헤더(14) 및 제2 헤더(16),
    복수의 튜브(22, 29, 30, 31)를 포함하고 있고,
    상기 제1 헤더(14)는 고온 유체 유입구(18) 및 저온 유체 배출구(20)에 연결되어, 상기 제1 헤더(14)는 벽(28)에 의해 분리된 고온 영역(24) 및 저온 영역(26)을 포함하고 있고,
    상기 복수의 튜브(22, 29, 30, 31)는, 각각의 튜브가 제1 헤더(14)와 제2 헤더(16) 사이에 유체 연통을 제공하고, 제1 헤더(14)의 고온 영역(24) 내에서 벽(28) 옆에 배치되고 "고온단 튜브"라 불리는 하나의 튜브(31) 및 제1 헤더(14)의 저온 영역(26) 내에서 벽(28) 옆에 배치되고 "저온단 튜브"라 불리는 하나의 튜브(32)를 구비하고 있는 바의 열교환기(10)에 있어서,
    상기 열교환기(10)는 고온 영역(24) 내에 배치된 다른 튜브(29) 내의 유체 유량에 비해 고온단 튜브(31) 내의 유체 유량을 감소시키기 위한 유량 감소기(36)를 포함하고,
    상기 유량 감소기(36)는 제1 헤더(14) 내에서 고온단 튜브(31)에 대해 상류측에 배치되고,
    상기 열교환기(10)는 제2 헤더(16) 내에서 고온단 튜브(31) 및 고온단 튜브(31) 옆의 고온 튜브(46) 양자 모두의 유체 배출구들(44) 근방에 배치되는 추가적인 유량 감소기(42)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기(10).
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유량 감소기(36)는 제1 헤더(14) 내에서 고온단 튜브(31)에 대해 상류측에 배치되는 벽(37)을 포함하고, 상기 벽(37)은 개구부(48)를 포함하고 있고, 상기 개구부(48)는 원형 형상을 가지고 1 내지 2000 mm2로 이루어지는 면적을 한정하는 것을 특징으로 하는 열교환기(10).
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유량 감소기(36)는 제1 헤더(14) 내에서 고온단 튜브(31)의 전방에 위치되는 부분품을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기(10).
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 고온단 튜브(31)는 유체 유입구(34)를 포함하고 있고, 상기 유량 감소기(36)는 제1 헤더(14) 내에 유량 감소기(36)와 유체 유입구(34) 사이의 거리가 0 내지 20 mm의 범위 내에 있도록 위치되는 것을 특징으로 하는 열교환기(10).
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 유량 감소기(36)는 고온단 튜브(31)에 배치되어 고온단 튜브(31)를 부분적으로 또는 완전히 차단하는 벽(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기(10).
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 고온단 튜브(31)는 열교환기 내에서 다른 튜브(29, 30)로부터 고온단 튜브(31)를 구별하는 것을 가능하게 해주는 식별 수단을 포함하고, 상기 식별 수단은 열교환기의 코어(12) 상에 제공되는 상보적인 실수 방지 장치와 공조하도록 구성되는 실수 방지 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기(10).
  10. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환기는 차지 에어 쿨러인 것을 특징으로 하는 열교환기(10).
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