KR102137501B1

KR102137501B1 - 열교환기

Info

Publication number: KR102137501B1
Application number: KR1020140098123A
Authority: KR
Inventors: 한지훈; 정성우; 이상민; 정동미
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2020-07-24
Also published as: KR20160015627A

Abstract

본 발명에 따른 열교환기(1000)는 다수의 삽입홀(111)이 길이방향으로 배열 형성되는 헤더(110)와, 상기 헤더(110)에 결합되는 탱크(120)를 포함하여, 서로 일정간격 이격되게 배치되는 한 쌍의 헤더탱크(100); 상기 헤더(110)의 삽입홀(111)에 각각 양단이 삽입 고정되어 냉각수유로를 형성하는 다수의 튜브(200); 및 상기 다수의 튜브(200) 사이에 각각 설치되는 다수의 핀(300);을 포함하며, 상기 헤더(110)는 상기 다수의 삽입홀(111) 사이에 길이방향으로 굴곡지게 형성되는 굴곡리브(112)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기{Heat Exchanger}

본 발명은 차량의 공조에 주로 이용되는 열교환기에 관한 것이다.

열교환기는 온도차가 있는 두 환경 사이에서 한쪽의 열을 흡수하여 다른쪽으로 열을 방출시키는 장치로서, 실내의 열을 흡수하여 외부로 방출할 경우에는 냉방 시스템으로서, 외부의 열을 흡수하여 실내로 방출할 경우에는 난방 시스템으로서 작용하게 된다.

도 1은 종래의 열교환기를 나타낸 사시도, 도 2는 종래의 헤더탱크를 나타낸 분해도, 도 3은 종래의 헤더탱크와 튜브를 나타낸 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 열교환기는 다수의 튜브 삽입홀(11a)이 길이방향으로 배열 형성되며 상기 튜브 삽입홀(11a)들 사이에 각각 다수의 리브(11b)가 형성되는 헤더(11)와, 상기 헤더(11)에 결합되는 탱크(12)를 포함하여, 서로 일정간격 이격되게 배치되는 한 쌍의 헤더탱크(10); 상기 헤더(11)의 튜브삽입홀(11a)에 양단이 삽입 고정되어 냉매유로를 형성하는 다수의 튜브(20); 및 상기 튜브(20)들 사이에 개재되는 다수의 핀(30);을 포함하여 이루어진다.

이 때, 종래의 열교환기는 상기 헤더탱크와 튜브의 내부에 고온의 냉각수와 저온의 냉각수가 유통되어 서로 열교환된다.

도 4는 종래의 열교환기에 구성된 헤더의 냉각수 유통에 의한 열변형 상태를 나타낸 부분 단면도, 도 5는 종래의 열교환기에 구성된 튜브의 열응력 상태를 나타낸 내구해석도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 열교환기에 구성된 헤더(11)는 다수의 리브(11b)가 각각 고온의 냉각수 또는 저온의 냉각수와 접촉되며, 다수의 리브(11b)에는 고온의 냉각수 및 저온의 냉각수와 동시 접촉되는 곳이 발생한다.

이 때, 상기 리브(11b)는 고온의 냉각수가 접촉되는 부분과 저온의 냉각수가 접촉되는 부분의 열팽창률 차이에 의해 열변형이 발생하며, 상기 리브(11b) 사이에 설치된 튜브(20)에 열변형으로 인한 열응력을 가하여 크랙을 유발하는 문제점이 있다.

특히, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 리브(11b)는 열변형으로 인한 열응력을 튜브(20)의 특정영역으로 집중적으로 가하여 튜브(20)의 크랙을 집중적으로 유발하는 것을 확인할 수 있었다. 이 때, 상기 튜브(20)가 받은 열응력은 12.4067MPa이였다.

따라서 상술한 문제점을 해결하기 위한 다양한 열교환기의 개발이 필요한 실정이다.

이와 관련된 기술로서, 본 출원인은 한국공개특허 제2014-0027757호의 열교환기를 제시한 적이 있었다.

한국공개특허 제2014-0027757호 (2014.03.07)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 헤더의 뒤틀림 변형으로 인해 헤더에 가해지는 뒤틀림 응력을 굴곡리브가 완충하여 헤더의 강성이 보강될 수 있고, 헤더에 끼워진 튜브에 헤더의 열변형으로 인해 가해지는 열응력을 최소화하여 튜브의 파손을 방지할 수 있는 열교환기를 제공하기 위한 것이다.

또한, 상기 굴곡리브(112)는 상기 삽입홀(111)에 맞닿는 일단 및 타단이 각각 상기 튜브(200)가 삽입되는 방향으로 돌출되어 형성되는 제1돌출부(112-1) 및 제2돌출부(112-2)와, 상기 제1돌출부(112-1) 및 제2돌출부(112-2)와 각각 연결되어 상기 튜브(200)가 삽입되는 방향의 반대방향으로 돌출되어 형성되는 제3돌출부(112-3) 및 제4돌출부(112-4)와, 상기 제3돌출부(112-3)와 제4돌출부(112-4)를 연결하며 상기 튜브(200)가 삽입되는 방향으로 돌출되어 형성되는 제5돌출부(112-5)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 굴곡리브(112)는 상기 제5돌출부(112-5)가 상기 제1돌출부(112-1) 및 제2돌출부(112-2)보다 낮게 돌출 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 굴곡리브(112)는 상기 제5돌출부(112-5)를 중심으로 대칭되게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 헤더(110)는 상기 굴곡리브(112)의 두께가 상기 헤더(110)의 다른 영역의 두께보다 얇게 형성되는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 열교환기는 헤더의 삽입홀에 끼워지는 튜브 사이에 굴곡지게 형성된 굴곡리브를 포함하여 구성됨으로써, 헤더의 뒤틀림 변형으로 인해 헤더에 가해지는 뒤틀림 응력을 굴곡리브가 완충하여 헤더의 강성이 보강될 수 있고, 헤더에 끼워진 튜브에 헤더의 열변형으로 인해 가해지는 열응력을 굴곡리브가 완충하여 튜브의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 열교환기를 나타낸 사시도
도 2는 종래의 헤더탱크를 나타낸 분해도
도 3은 종래의 헤더탱크와 튜브를 나타낸 단면도
도 4는 종래의 열교환기에 구성된 헤더의 냉각수 유통에 의한 열변형 상태를 나타낸 부분 단면도
도 5는 종래의 열교환기에 구성된 튜브의 열응력 상태를 나타낸 내구해석도
도 6은 본 발명에 따른 열교환기를 나타낸 사시도
도 7은 본 발명에 따른 헤더와 튜브를 나타낸 분해사시도
도 8은 본 발명에 따른 헤더와 튜브를 나타낸 단면도
도 9는 본 발명에 따른 열교환기에 구성된 튜브의 열응력 상태를 나타낸 내구해석도

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 6은 본 발명에 따른 열교환기(1000)를 나타낸 사시도, 도 7은 본 발명에 따른 헤더(110)와 튜브(200)를 나타낸 분해사시도, 도 8은 본 발명에 따른 헤더(110)와 튜브(200)를 나타낸 단면도이다.

도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기(1000)는 한 쌍의 헤더탱크(100), 다수의 튜브(200), 및 다수의 핀(300)을 포함하여 구성된다.

상기 한 쌍의 헤더탱크(100)는 냉각수가 유통되는 유로를 형성하며, 서로 일정간격 이격되게 배치된다.

또한, 상기 헤더탱크(100)는 헤더(110)와 탱크(120)의 결합에 의해 형성되며, 상기 헤더탱크(100)에는 냉각수가 유입되는 입구파이프와 출구파이프가 각각 결합된다.

상기 헤더(110)는 다수의 튜브(200)가 각각 삽입되기 위한 다수의 삽입홀(111)이 길이방향으로 배열 형성된다.

상기 탱크(120)는 상기 헤더(110)에 결합되어, 내부에 냉각수가 유통되기 위한 공간이 형성된다.

상기 다수의 튜브(200)는 상기 한 쌍의 헤더탱크(100)의 헤더(110) 삽입홀(111)에 각각 양단이 삽입 고정되며, 브레이징에 의해 양단이 고정되어 냉각수가 유통되는 냉각수유로를 형성한다.

상기 다수의 핀(300)은 상기 다수의 튜브(200) 사이에 각각 설치되어 상기 튜브(200)에 유통되는 냉각수의 방열 면적을 넓혀서 열교환 효율을 극대화하는 역할을 한다.

또한, 상기 헤더(110)는 상기 다수의 삽입홀(111) 사이에 길이방향으로 굴곡지게 형성되는 굴곡리브(112)를 포함하여 구성된다.

상기 굴곡리브(112)는 고온의 냉각수가 접촉되는 부분과 저온의 냉각수가 접촉되는 부분의 열팽창률 차이에 의해 열변형이 발생하더라도 굴곡진 구조로 인해 마치 스프링처럼 상기 삽입홀(111)에 끼워지는 튜브(200)에 가해지는 열응력을 완충하게 된다.

도 9은 본 발명에 따른 열교환기(1000)에 구성된 튜브(200)의 열응력 상태를 나타낸 내구해석도이다,

도 9에 도시된 바와 같이, 상기 굴곡리브(112)의 열변형으로 인한 열응력이 상기 굴곡리브(112)의 굴곡진 구조에 의해 완충되면서 상기 튜브(200)에 가해져서 상기 튜브(200)의 크랙을 방지하는 것을 확인할 수 있었다.

이 때, 상기 튜브(200)가 받은 열응력은 11.2117MPa 이였다. 한편, 종래의 튜브(200)가 받은 열응력은 12.4067MPa으로, 상기 튜브(200)가 받은 열응력이 10% 정도 저감되는 것을 확인할 수 있었다.

이에 따라, 본 발명에 따른 열교환기(1000)는 헤더(110)의 삽입홀(111)에 끼워지는 튜브(200) 사이에 굴곡지게 형성된 굴곡리브(112)를 포함하여 구성됨으로써, 헤더(110)의 뒤틀림 변형으로 인해 헤더(110)에 가해지는 뒤틀림 응력을 굴곡리브(112)가 완충하여 헤더(110)의 강성이 보강될 수 있고, 헤더(110)에 끼워진 튜브(200)에 헤더(110)의 열변형으로 인해 가해지는 열응력을 굴곡리브(112)가 완충하여 튜브(200)의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.

한편, 상기 굴곡리브(112)는 제1돌출부(112-1), 제2돌출부(112-2), 제3돌출부(112-3), 제4돌출부(112-4), 및 제5돌출부(112-5)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 제1돌출부(112-1) 및 제2돌출부(112-2)는 상기 굴곡리브(112)의 상기 삽입홀(111)(또는 상기 튜브(200))에 맞닿는 일단 및 타단이 각각 상기 튜브(200)가 삽입되는 방향으로 돌출되어 형성된다.

상기 제3돌출부(112-3) 및 제4돌출부(112-4)는 상기 제1돌출부(112-1) 및 제2돌출부(112-2)와 각각 연결되어 상기 튜브(200)가 삽입되는 방향의 반대방향으로 돌출되어 형성된다.

상기 제5돌출부(112-5)는 상기 제3돌출부(112-3)와 제4돌출부(112-4)를 연결하며 상기 튜브(200)가 삽입되는 방향으로 돌출되어 형성된다.

즉, 상기 굴곡리브(112)는 'W'자 형태로 형성되며, 상기 제2돌출부(112-2), 제3돌출부(112-3), 제4돌출부(112-4)가 열변형이 발생하더라도 스프링처럼 상기 삽입홀(111)에 끼워지는 튜브(200)에 가해지는 열응력을 완충하게 된다.

또한, 상기 굴곡리브(112)는 상기 제5돌출부(112-5)가 상기 튜브(200)가 삽입되는 방향으로 상기 제1돌출부(112-1) 및 제2돌출부(112-2)보다 낮게 돌출 형성되며 상기 제3돌출부(112-3) 및 제4돌출부(112-4)보다는 높게 돌출 형성된다.

이에 따라, 본 발명에 따른 열교환기(1000)는 상기 굴곡리브(112)의 굴곡진 형상에 의해 상기 헤더탱크(100)의 내부에 유통되는 냉각수의 흐름이 막히는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 굴곡리브(112)는 상기 제5돌출부(112-5)는 중심으로 대칭되게 형성될 수 있다.

이 때, 상기 굴곡리브(112)는 열변형이 발생하더라도 열변형이 모든 영역으로 균일하게 분산되어 상기 삽입홀(111)에 끼워지는 튜브(200)에 가해지는 열응력을 더욱 완충할 수 있다.

도 7을 참조하면 상기 헤더(110)는 상기 굴곡리브(112)의 두께가 상기 헤더(110)의 다른 영역 두께보다 얇게 형성될 수 있다.

이 때, 상기 헤더(110)는 상기 굴곡리브(112)의 두께(L112)가 상기 헤더(110)의 다른 영역 두께(L110)의 20 내지 40%로 이루어질 수 있다.

단, 상기 굴곡리브(112)의 두께(L112)가 얇아지면 상기 굴곡리브(112)의 압축력은 증가되나 열변형으로 인한 파손 가능성이 높아지고, 상기 굴곡리브(112)의 두께(L112)가 두꺼워지면 상기 굴곡리브(112)의 열변형으로 인한 파손 가능성은 낮아지나 압축력을 감소하므로, 상기 굴곡리브(112)의 두께(L112)는 위와 같은 수치로 한정하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상기 헤더(110)는 상기 굴곡리브(112)의 압축력이 좀 더 증가되어 상기 삽입홀(111)에 끼워지는 튜브(200)에 가해지는 열응력을 더욱 완충할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000 : 본 발명에 따른 열교환기
100 : 헤더탱크
110 : 헤더
111 : 삽입홀
112 : 굴곡리브
112-1 : 제1돌출부
112-2 : 제2돌출부
112-3 : 제3돌출부
112-4 : 제4돌출부
112-5 : 제5돌출부
120 : 탱크
200 : 튜브
300 : 핀

Claims

다수의 삽입홀(111)이 길이방향으로 배열 형성되는 헤더(110)와, 상기 헤더(110)에 결합되는 탱크(120)를 포함하여, 서로 일정간격 이격되게 배치되는 한 쌍의 헤더탱크(100);
상기 헤더(110)의 삽입홀(111)에 각각 양단이 삽입 고정되어 냉각수유로를 형성하는 다수의 튜브(200); 및
상기 다수의 튜브(200) 사이에 각각 설치되는 다수의 핀(300);을 포함하며,
상기 헤더(110)는 상기 다수의 삽입홀(111) 사이에 길이방향으로 굴곡지게 형성되는 굴곡리브(112)를 포함하되,
상기 굴곡리브(112)는,
상기 삽입홀(111)에 맞닿는 일단 및 타단이 각각 상기 튜브(200)가 삽입되는 방향으로 돌출되어 형성되는 제1돌출부(112-1) 및 제2돌출부(112-2)와,
상기 제1돌출부(112-1) 및 제2돌출부(112-2)와 각각 연결되어 상기 튜브(200)가 삽입되는 방향의 반대방향으로 돌출되어 형성되는 제3돌출부(112-3) 및 제4돌출부(112-4)와,
상기 제3돌출부(112-3)와 제4돌출부(112-4)를 연결하는 제5돌출부(112-5)를 포함하여, 상기 제5돌출부(112-5)를 중심으로 대칭되게 형성되며,
상기 제5돌출부(112-5)는, 상기 제3돌출부(112-3) 및 제4돌출부(112-4)의 상기 튜브(200)가 삽입되는 방향의 반대방향으로 돌출되는 높이가 상기 제1돌출부(112-1) 및 제2돌출부(112-2)의 튜브(200)가 삽입되는 방향으로 돌출되는 높이에 비해 작게 형성되어, 상기 튜브(200)가 삽입되는 방향으로 상기 삽입홀(111) 형성 영역과 이격되게 위치되는 것을 특징으로 하는 열교환기(1000).
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 헤더(110)는
상기 굴곡리브(112)의 두께가 상기 헤더(110)의 다른 영역의 두께보다 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기(1000).