KR101973543B1 - 차량용 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔진이나, 냉각기에서 발생되는 열의 회수를 목적으로 하는, 차량용 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 브레이징을 이용해 열교환기의 헤더와 튜브 결합 시 사용되는 클래드로 인해 튜브의 유로가 막히거나, 핀이 녹아 열교환 효율이 저하되는 것을 방지한 차량용 열교환기에 관한 것이다.

Description

차량용 열교환기{Heat Exchanger for Motor Vehicle}
본 발명은 엔진이나, 냉각기에서 발생되는 열의 회수를 목적으로 하는, 차량용 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 브레이징을 이용해 열교환기의 헤더와 튜브 결합 시 사용되는 클래드로 인해 튜브의 유로가 막히거나, 핀이 녹아 열교환 효율이 저하되는 것을 방지한 차량용 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 라디에이터는 차량용 열교환기의 하나이며, 이러한 열교환기는 에어컨시스템에 사용되는 응축기와 증발기 및 엔진냉각을 위하여 사용되는 라디에이터가 대표적인 예이다. 이러한 라디에이터는 크게 4부분으로 이루어지는데, 이는 탱크와 헤더가 결합되는 한 쌍의 헤더탱크와, 상기 각 헤더탱크가 상통될 수 있도록 연결되는 튜브와, 튜브를 통해 순환되는 냉매의 열을 치환하는 전열핀으로 구성된다.
위와 같은 구성의 라디에이터는 열을 치환하기 위해서 외부와의 차단이 요구된다. 특히 헤더와 탱크의 결합부위에서 냉매의 유출이 자주 발생되는데, 이는 개스킷의 기밀 유지 상태와, 탱크의 구조에 기인한다.
도 1에는 일반적인 열교환기(H)의 전체사시도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 열교환기(H)는, 일정거리 이격되어 나란하게 구비되는 한 쌍의 헤더탱크(10, 20)와, 헤더탱크(10, 20)에 양단이 고정되어 열교환매체 유로를 형성하는 튜브(30)와, 튜브(30) 사이에 개재되는 핀(40)을 포함하여 이루어진다.
한편, 브레이징(brazing)은 경납땜(hard soldering)이라고도 하며, 용융점이 약 섭씨450도 이상인 경납(황동납, 은납, 금납, 양백납, 망가니즈납, 니켈크로뮴납 등)을 접착제로 하여 접착부를 가열하고 이것을 용해시켜 이종물질을 접합시키는 것을 말한다. 열교환기(H)의 제조에 있어서도 헤더탱크(10, 20)와 튜브(30) 접합 시 브레이징 공법을 이용한다. 헤더탱크(10, 20)와 튜브(30)를 브레이징으로 접합하기 위해서는 헤더탱크(10, 20)나 튜브(30) 중 어느 하나에 접착제 층이 구비되어야 하나, 최근에는 튜브(30)를 압출 성형으로 제조하는 경우가 대부분이기 때문에 헤더탱크(10, 20) 상에 접합제 층을 구비한다.
도 2에는 브레이징 공법을 이용해 접합된 헤더탱크(10)와 튜브(30)의 결합 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 헤더탱크(10)는 냉매가 수용되는 공간이 형성된 탱크(11)와, 탱크(11)의 개방면을 밀폐함과 동시에 튜브(30)가 결합되는 헤더(12)를 포함하여 구성된다. 이때 헤더(12)의 일면 또는 타면에 브레이징을 위한 클래드(C)가 접합되어 튜브(30)가 헤더(12)에 끼움 결합된 상태에서 결합부를 가열하게 되면 클래드(C)가 용해되고, 굳는 과정에서 튜브(30)가 헤더(12)에 결합된다.
도 3에는 도 2a에 도시된 바와 같이 클래드(C)가 헤더(12)의 상면에 접합된 상태에서 브레이징을 수행한 경우 헤더(12)와 튜브(30)의 결합을 도시한 평면도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 2b에 도시된 바와 같이 클래드(C)가 헤더(12)의 하면에 접합된 상태에서 브레이징을 수행한 경우 헤더(12)와 튜브(30) 및 핀(40)의 결합을 도시한 정면도가 도시되어 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이 클래드(C)가 헤더(12)의 상면에 접합된 상태에서 브레이징을 수행한 경우 도 3에 도시된 바와 같이 튜브(30)를 헤더(12)의 튜브 홀(12a)에 삽입 후 브레이징 시 튜브(30)에 용해된 클래드(MC)가 점착될 수 있고, 용해된 클래드(MC)가 경화되면 튜브(30)의 냉매유로(31)를 막을 수 있는 문제가 발생한다.
도 2b에 도시된 바와 같이 클래드(C)가 헤더(12)의 하면에 접합된 상태에서 브레이징을 수행한 경우 도 4에 도시된 바와 같이 튜브(30)의 외측면을 따라 흘러내린 용해된 클래드(MC)로 인해 박막으로 이루어진 핀(40)이 녹을 수 있다. 이를 방지하기 위해 헤더(12)의 하면에서 하방으로 일정 구간은 핀(40)이 형성되지 않는 핀갭(g) 구간이 존재하게 되고, 핀(40)이 형성되지 않는 만큼 열교환 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 헤더와 튜브의 브레이징 접합을 위한 클래드 층이 헤더의 외면에 노출되지 않고, 헤더의 일면과 타면 사이에 구비된 차량용 열교환기를 제공함에 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 차량용 열교환기는, 일정거리 이격되어 나란하게 구비되는 한 쌍의 헤더탱크(100)와, 헤더탱크(100)에 양단이 고정되어 열교환매체 유로를 형성하는 튜브(300)와, 튜브(300) 사이에 개재되는 핀(400)을 포함하여 이루어지는 차량용 열교환기(H)에 있어서, 상기 헤더탱크(100)는, 내부에 냉매가 유동하도록 공간이 형성되며, 일측 또는 타측에 개방면이 형성된 탱크(110)와, 상기 탱크(110)의 개방면을 밀폐하며, 일정 간격으로 형성된 튜브 홀(125)에 튜브(300)가 삽입되어 브레이징 결합되는 헤더(120)를 포함하고, 상기 헤더(120)에는, 브레이징 결합을 위한 클래드 층(C)이 구비되되, 상기 클래드 층(C)은, 상기 헤더(120)의 외면에 노출되지 않도록 상기 헤더(120)의 길이 방향을 따라 내측에 형성된다.
또한, 상기 클래드 층(C)은, 상기 헤더(120) 상에 튜브(300) 결합을 위한 튜브 홀(125) 형성 시 튜브 홀(125)의 내면 상에 노출되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 클래드 층(C)은, 상기 헤더(120)와 튜브(300)의 결합을 위한 브레이징 시 상기 튜브 홀(125)의 두께 방향으로 흘러나와 상기 튜브 홀(125)과 상기 튜브(300)의 결합면에 고루 분포되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 클래드 층(C)은, 상기 튜브 홀(125)의 내면 원주 방향을 따라 폐곡선을 이루며 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 헤더(120)는, 한 쌍의 알루미늄 시트(121)와, 상기 한 쌍의 알루미늄 시트(121) 사이에 삽입되어 접합되는 클래드 층(C)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 클래드 층(C)은, 상기 헤더(120)의 두께 방향 중앙에 배치되거나, 상기 중앙에서 어느 한 측에 치우쳐 배치된다.
다른 실시 예로, 상기 헤더(120)는, 알루미늄 시트(121)의 일면 또는 타면에 클래드 층(C)을 형성한 후, 상기 클래드 층(C)이 중앙에 위치하도록 상기 알루미늄 시트(121)를 반으로 접어 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 클래드 층(C)의 두께(T2)는, 상기 헤더(120)의 두께(T1)의 5~15%로 이루어진다.
또한, 상기 핀은, 상기 헤더(120)와 튜브(300)의 브레이징 결합부와 인접한 부위에도 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 튜브(300)는, 압출 성형으로 제조되어, 클래드 층이 구비되지 않는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 차량용 열교환기는 헤더 외측으로 브레이징을 위한 클래드 층이 노출되지 않기 때문에 브레이징 시 클래드로 인한 튜브의 냉매유로 막힘을 방지하여 열교환기의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 브레이징 시 튜브 외면으로 클래드가 흘러내리는 것을 최소화하여 튜브 상에 핀이 삭제되는 핀갭을 줄일 수 있고, 핀이 증가됨에 따라 열교환 면적이 늘어나 열교환기의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 열교환기의 전체사시도
도 2는 브레이징 공법을 이용한 종래의 헤더탱크와 튜브의 결합 단면도
도 3은 클래드가 헤더의 상면에 접합된 상태에서 브레이징을 수행한 경우 헤더와 튜브의 결합을 도시한 평면도
도 4는 클래드가 헤더의 하면에 접합된 상태에서 브레이징을 수행한 경우 헤더와 튜브 및 핀의 결합을 도시한 정면도
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 헤더의 단면도
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 헤더의 제작 공정 및 헤더 단면도
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 헤더탱크와 튜브의 결합 단면도
도 8은 도 7의 결합부 확대단면도
도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 헤더를 이용해 브레이징을 수행한 경우 헤더와 튜브의 결합을 도시한 평면도
도 10은 본 발명의 일실시 예에 따른 헤더를 이용해 브레이징을 수행한 경우 헤더와 튜브 및 핀의 결합을 도시한 정면도
도 5에는 본 발명의 일실시 예에 따른 열교환기의 브레이징 공법에 적용된 헤더(120)의 단면도가 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열교환기의 브레이징 공법에 적용되는 헤더(120)의 제작 공정 및 헤더(120) 단면도가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 헤더(120)는 기본적으로 알루미늄 재질로 이루어질 수 있으며, 튜브(300, 도 7 참조)와의 브레이징 접합을 위한 클래드 층(C)을 포함한다. 헤더(120)는 클래드 층(C)이 외면에 노출되지 않도록 한 쌍의 알루미늄 시트(121) 사이에 클래드 층(C)이 삽입된 상태에서 접합하여 구성될 수 있다.
이때 클래드 층(C)은 도 5a에 도시된 바와 같이 헤더(120)의 두께 방향 중앙에 위치할 수도 있고, 도 5b에 도시된 바와 같이 헤더(120)의 두께 방향 중앙에서 어느 한 측에 치우쳐 위치할 수도 있다.
또한, 클래드 층(C)의 두께(T2)는 헤더(120)의 두께(T1)의 5~15% 로 형성될 수 있다. 5% 이하이면, 클래드 층(C)으로 인한 접합 효과가 떨어져 헤더(120)와 튜브(130)의 결합부에 리크가 발생될 수 있다. 반대로 15% 이상이면 헤더(120)의 내구성이 떨어져 충격이나 진동 발생 시 헤더(120)에 크랙이 발생할 수 있다.
다른 실시 예로 도 6a에 도시된 바와 같이 단일 알루미늄 시트(121)를 준비하고, 알루미늄 시트(121)의 일면 또는 타면에 클래드 층(C)을 형성한 후 도 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이 클래드 층(C)이 두께 방향 중앙에 위치하도록 알루미늄 시트(121)를 반으로 접어 헤더(120)를 구성할 수 있다. 위 실시 예를 통해 헤더(120)를 구성할 경우 기존의 알루미늄 시트(121)의 일면 또는 타면에 클래드 층(C)을 형성하는 제조 공정을 이용하여 본 발명의 헤더(120)를 제조할 수 있는 장점이 있고, 한 쌍의 알루미늄 시트(121) 사이 두께 방향 정중앙에 클래드 층(C)이 배치된 헤드(120)의 제조가 가능하다.
도 7에는, 위와 같은 본 발명의 일실시 예에 따른 헤더(120)를 이용한 헤더탱크(100)와 튜브(300)의 결합 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 헤더탱크(100)는 내부에 냉매가 유동하도록 공간이 형성되며, 일측 또는 타측에 개방면이 형성된 탱크(110)와, 탱크(110)의 개방면을 밀폐하며, 일정 간격으로 형성된 튜브 홀(125, 도 8 참조)에 튜브(300)가 삽입되어 브레이징 결합되는 헤더(120)를 포함한다.
이때 헤더(120) 상에 구비된 클래드 층(C)은 헤더(120)의 일면 또는 타면으로 노출되지 않도록 구성되어 브레이징 시 헤더(120)의 상측이나 하측으로 클래드가 흘러내리는 것을 최소화한다.
더욱이 헤더(120)의 일면이나 타면에 클래드 층(C)이 구비된 상태에서 브레이징을 수행할 경우 클래드(C)가 헤더(120)와 튜브(300)의 결합면에 고루 용해되어 분포되지 않고, 결합면 일측이나 타측에 치우쳐 용해되고, 굳어지기 때문에 결합 강도가 충분히 확보되지 않는다. 반면 본 실시예의 열교환기의 경우 브레이징을 수행할 경우 클래드(C)가 헤더(120)와 튜브(300)의 결합면에 고루 용해되어 분포하기 때문에 기존 결합부에 비해 향상된 결합강도 및 리크 방지 효과를 갖는다.
도 8에는, 위와 같은 본 발명의 일실시 예에 따른 헤더(120)를 이용한 헤더탱크(100)와 튜브(300)의 결합부 부분 확대 단면도가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 헤더(120) 상에 튜브 홀을 형성하기 위해 헤더(120)를 버링(B)하게 되는 데 이때 버링 방향은 헤더(120)의 외측에서 탱크(110) 방향으로 버링홀을 형성한다. 튜브 홀이 형성된 헤더(120)에 튜브(300)를 삽입한 상태에서 브레이징을 수행하면, 헤더(120)의 내측에 위치한 클래드 층(C)이 용해되어 용해된 클래드(MC)가 튜브 홀의 내면과 튜브(300)의 결합면에 고루 분포되게 되어 브레이징이 완료되었을 때 헤더(120)와 튜브(300)의 결합면 강도가 기존에 비해 높아지게 된다.
도 9에는 본 발명의 일실시 예에 따른 헤더(120)의 클래드(C)가 헤더(120)의 외측에 노출되지 않고 접합된 상태에서 브레이징을 수행한 경우 헤더(120)와 튜브(300)의 결합 평면도가 도시되어 있고, 도 10에는 헤더(120)의 클래드(C)가 헤더(120)의 외측에 노출되지 않고 접합된 상태에서 브레이징을 수행한 경우 헤더(120)와 튜브(300) 및 핀(400)의 결합을 도시한 정면도가 도시되어 있다.
도 8에 도시된 바와 같이 클래드(C)가 헤더(120)의 외면에 노출되지 않은 상태에서 브레이징을 수행한 경우 도 9에 도시된 바와 같이 튜브(300)를 헤더(120)의 튜브 홀(121)에 삽입 후 브레이징 시 튜브(300)에 클래드(C)가 점착되지 않기 때문에 튜브(300)의 냉매유로(310)가 막히는 것을 방지하여 열교환기의 열교환 효율이 향상된다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 클래드(C)가 헤더(120)의 외면에 노출되지 않은 상태에서 브레이징을 수행한 경우 도 10에 도시된 바와 같이 튜브(300)의 외측면을 따라 용해된 클래드(C)가 흘러내리지 않기 때문에 핀(400)이 형성되지 않는 핀갭(G, 도 4 참조) 구간이 존재하지 않게 되고, 핀 갭 구간에 핀(400)이 추가 형성되는 만큼 열교환 효율이 향상된 효과가 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
H : 열교환기
100 : 헤더 탱크
110 : 탱크
120 : 헤더 121 : 알루미늄 시트
125 : 튜브 홀
C : 클래드 층 MC : 용해된 클래드
300 : 튜브 310 : 냉매 유로

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 일정거리 이격되어 나란하게 구비되는 한 쌍의 헤더탱크(100)와, 헤더탱크(100)에 양단이 고정되어 열교환매체 유로를 형성하는 튜브(300)와, 튜브(300) 사이에 개재되는 핀(400)을 포함하여 이루어지는 차량용 열교환기(H)에 있어서,
    상기 헤더탱크(100)는,
    내부에 냉매가 유동하도록 공간이 형성되며, 일측 또는 타측에 개방면이 형성된 탱크(110)와, 상기 탱크(110)의 개방면을 밀폐하며, 일정 간격으로 형성된 튜브 홀(125)에 튜브(300)가 삽입되어 브레이징 결합되는 헤더(120)를 포함하고,
    상기 헤더(120)에는,
    브레이징 결합을 위한 클래드 층(C)이 구비되되, 상기 클래드 층(C)은, 상기 헤더(120)의 외면에 노출되지 않도록 상기 헤더(120)의 길이 방향을 따라 내측에 형성되되,
    상기 클래드 층(C)은,
    상기 헤더(120) 상에 튜브(300) 결합을 위한 튜브 홀(125) 형성 시 튜브 홀(125)의 내면 상에 노출되고, 상기 헤더(120)와 튜브(300)의 결합을 위한 브레이징 시 상기 튜브 홀(125)의 두께 방향으로 흘러나와 상기 튜브 홀(125)과 상기 튜브(300)의 결합면에 고루 분포되는 것을 특징으로 하는, 차량용 열교환기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 클래드 층(C)은,
    상기 튜브 홀(125)의 내면 원주 방향을 따라 폐곡선을 이루며 형성되는 것을 특징으로 하는, 차량용 열교환기.
  5. 일정거리 이격되어 나란하게 구비되는 한 쌍의 헤더탱크(100)와, 헤더탱크(100)에 양단이 고정되어 열교환매체 유로를 형성하는 튜브(300)와, 튜브(300) 사이에 개재되는 핀(400)을 포함하여 이루어지는 차량용 열교환기(H)에 있어서,
    상기 헤더탱크(100)는,
    내부에 냉매가 유동하도록 공간이 형성되며, 일측 또는 타측에 개방면이 형성된 탱크(110)와, 상기 탱크(110)의 개방면을 밀폐하며, 일정 간격으로 형성된 튜브 홀(125)에 튜브(300)가 삽입되어 브레이징 결합되는 헤더(120)를 포함하고,
    상기 헤더(120)에는,
    브레이징 결합을 위한 클래드 층(C)이 구비되되, 상기 클래드 층(C)은, 상기 헤더(120)의 외면에 노출되지 않도록 상기 헤더(120)의 길이 방향을 따라 내측에 형성되되,
    상기 헤더(120)는,
    한 쌍의 알루미늄 시트(121)와, 상기 한 쌍의 알루미늄 시트(121) 사이에 삽입되어 접합되는 클래드 층(C)을 포함하여 이루어진, 차량용 열교환기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 클래드 층(C)은,
    상기 헤더(120)의 두께 방향 중앙에 배치되거나, 상기 중앙에서 어느 한 측에 치우쳐 배치되는, 차량용 열교환기.
  7. 일정거리 이격되어 나란하게 구비되는 한 쌍의 헤더탱크(100)와, 헤더탱크(100)에 양단이 고정되어 열교환매체 유로를 형성하는 튜브(300)와, 튜브(300) 사이에 개재되는 핀(400)을 포함하여 이루어지는 차량용 열교환기(H)에 있어서,
    상기 헤더탱크(100)는,
    내부에 냉매가 유동하도록 공간이 형성되며, 일측 또는 타측에 개방면이 형성된 탱크(110)와, 상기 탱크(110)의 개방면을 밀폐하며, 일정 간격으로 형성된 튜브 홀(125)에 튜브(300)가 삽입되어 브레이징 결합되는 헤더(120)를 포함하고,
    상기 헤더(120)에는,
    브레이징 결합을 위한 클래드 층(C)이 구비되되, 상기 클래드 층(C)은, 상기 헤더(120)의 외면에 노출되지 않도록 상기 헤더(120)의 길이 방향을 따라 내측에 형성되되,
    상기 헤더(120)는,
    알루미늄 시트(121)의 일면 또는 타면에 클래드 층(C)을 형성한 후, 상기 클래드 층(C)이 중앙에 위치하도록 상기 알루미늄 시트(121)를 반으로 접어 이루어진 것을 특징으로 하는, 차량용 열교환기.
  8. 제 3항 또는 제 5항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 클래드 층(C)의 두께(T2)는,
    상기 헤더(120)의 두께(T1)의 5~15%로 이루어진, 차량용 열교환기.
  9. 제 3항 또는 제 5항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 핀은,
    상기 헤더(120)와 튜브(300)의 브레이징 결합부와 인접한 부위에도 형성되는 것을 특징으로 하는, 차량용 열교환기.
  10. 제 3항 또는 제 5항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 튜브(300)는,
    압출 성형으로 제조되어, 클래드 층이 구비되지 않는 것을 특징으로 하는, 차량용 열교환기.
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