KR102155778B1 - 열교환기 - Google Patents

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KR102155778B1
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김재중
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구일공조(주)
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Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 헤더 파이프를, 내부에 축 방향을 따라 유동통로를 형성하는 바디, 바디가 헤더 파이프에 접합 가능하도록 바디의 둘레면을 감싸도록 구비되는 클래드재, 및 클래드재의 비산화를 방지하기 위해 바디와 클래드재 사이 또는 한 쌍의 클래드재 사이에 배치되는 플럭스판재로 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 종래 기술과 달리 열교환기의 헤더 파이프의 둘레면에 구비되는 클래드재에 플럭스 알갱이의 비산을 방지하는 플럭스판재를 판재 형상으로 형성 후 성형함에 따라 플럭스 분말을 클래드재의 표면에 도포하는 기존 방식 대비 열교환기의 조립성과 생산성을 향상시키며, 플럭스 알갱이의 비산을 방지함으로써 유해물질의 배출을 저감할 수 있다.

Description

열교환기{HEAT-EXCHANGER}
본 발명은 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열교환기의 헤더 파이프의 둘레면에 구비되는 클래드재에 플럭스 알갱이의 비산을 방지하는 플럭스판재를 판재 형상으로 형성 후 성형함에 따라 플럭스 분말을 클래드재의 표면에 도포하는 기존 방식 대비 열교환기의 조립성과 생산성을 향상시키며, 플럭스 알갱이의 비산을 방지함으로써 유해물질의 배출을 저감하고자 하는 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로, 열교환기의 종류 중 가장 널리 사용되는 대표적인 열교환기는 열교환기 관과 방열핀을 강제적으로 밀착시켜 조립 제작하는 핀 앤 튜브 방식의 열교환기와, 열교환기 관과 방열핀을 상호 용접하여 밀착력을 높여 열교환 효율을 증대시킨 마이크로 채널 방식의 열교환기를 들 수 있다.
열교환기를 제조할 경우 통상적으로 알루미늄 부품들을 모두 조립 또는 적층하여 고정함으로써 알루미늄 부품 어셈블리를 만들고, 이 알루미늄 부품 어셈블리를 노(爐)에 넣어 소정온도로 가열하는 브레이징을 통하여 알루미늄 부품들을 서로 접합함으로써 열교환기를 제조하게 된다.
핀 앤 튜브 방식의 열교환기는 대한민국 공개특허 공개번호 제2004-0082571(2004.09.30) 등에 개시되어 있고, 마이크로 채널 방식의 열교환기는 대한민국 공개특허 공개번호 제2012-0044848호(2012.05.08) 등에 개시되어 있다.
핀 앤 튜브 방식의 열교환기는 열교환기 관과 방열핀이 강제적으로 밀착 결합되지만, 용접 등에 의하여 일체화가 되지 않아 열교환기 관과 방열핀이 미세한 간격으로 떨어져 있기 때문에 마이크로 채널 방식의 열교환기보다 열교환 효율이 떨어지는 단점이 있다.
마이크로 채널 방식의 열교환기는 열교환용 관과 방열핀이 서로 용접으로 접합되기 때문에 열교환용 관과 방열핀 간의 접촉면적 증대로 인하여, 핀 앤 튜브 방식의 열교환기에 비해 열교환 효율이 높은 장점이 있지만, 마이크로 채널 치수의 결과로서 통로의 수력 직경은 매우 작고 제한적이어서 높은 압력 강하를 초래하는 단점이 있다.
특히, 핀 앤 튜브 방식의 열교환기는 열교환기 관에 대한 확관 공정과, 열교환기 관에 기타 부품 등을 용접하는 공정과, 최종 제품의 검사 공정 등이 차례로 진행된다.
그리고, 마이크로 채널 방식의 열교환기는 열교환기 관과 방열핀이 이종 금속으로 된 경우, 또는 접합력 향상을 위하여, 열교환기 관과 방열핀 간의 접촉부에 플럭스를 도포하여 건조시킨다.
다음으로, 열교환기 관과 방열핀 간의 접촉부를 용접하여 일체화시킨다.
이러한 마이크로 채널 방식의 열교환기는 열교환용 관과 방열핀이 서로 용접으로 접합되기 때문에 열교환용 관과 방열핀 간의 접촉면적 증대로 인하여 열교환 효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
상기한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래기술을 의미하는 것은 아니다.
기존 핀 앤 튜브 방식의 열교환기와 마이크로 채널 방식의 열교환기는 조립 전(前) 또는 조립 후(後)의 열교환기 관과 방열핀 간의 접촉부에 플럭스를 도포하는데, 브레이징재 및 플럭스를 각각 별도로 공급하여 브레이징하는 공정으로 인해 일손이 많이 들어 생산성이 저하되고, 접합부에 충분한 플럭스를 도포하기 위해서는 플럭스를 다량으로 사용할 수밖에 없으므로 과잉 플럭스에 의한 플럭스 알갱이(일명 '에바가루')가 발생되는 문제점이 있다.
따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 열교환기의 헤더 파이프의 둘레면에 구비되는 클래드재에 플럭스 알갱이의 비산을 방지하는 플럭스판재를 판재 형상으로 형성 후 성형함에 따라 플럭스 분말을 클래드재의 표면에 도포하는 기존 방식 대비 열교환기의 조립성과 생산성을 향상시키며, 플럭스 알갱이의 비산을 방지함으로써 유해물질의 배출을 저감하고자 하는 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 열교환기는: 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍으로 이루어지고, 상호 마주하는 내측에 삽입홀을 축 방향을 따라 복수 개 통공하는 알루미늄 재질의 헤더 파이프; 및 한 쌍의 상기 헤더 파이프의 대응되는 삽입홀에 양측이 삽입되어, 냉매의 유로를 형성하는 알루미늄 재질의 열교환 튜브를 포함한다.
상기 헤더 파이프는, 내부에 축 방향을 따라 유동통로를 형성하는 바디; 상기 바디가 상기 헤더 파이프에 접합 가능하도록 상기 바디의 둘레면을 감싸도록 구비되고, 상기 헤더 파이프의 재질인 알루미늄보다 융점이 낮은 재질인 한 쌍의 클래드재; 및 상기 바디의 외측에서, 한 쌍의 상기 클래드재 사이에 배치되는 플럭스판재를 포함한다.
상기 헤더 파이프는 상기 삽입홀의 내측 가장자리를 따라 내부 방향으로 절곡되는 절곡부를 형성한다.
상기 절곡부에 의해, 상기 헤더 파이프의 최외측을 형성하는 상기 클래드재가 상기 헤더 파이프와 접합되는 것을 특징으로 한다.
상기 헤더 파이프를 구성하는 상기 바디, 상기 플럭스판재 및 상기 클래드재는 겹쳐진 상태로 접합된 후 튜브 타입으로 성형되고 나서, 대향하는 가장자리끼리 접합되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기는 종래 기술과 달리 열교환기의 헤더 파이프의 둘레면에 구비되는 클래드재에 플럭스 알갱이의 비산을 방지하는 플럭스판재를 판재 형상으로 형성 후 성형함에 따라 플럭스 분말을 클래드재의 표면에 도포하는 기존 방식 대비 열교환기의 조립성과 생산성을 향상시키며, 플럭스 알갱이의 비산을 방지함으로써 유해물질의 배출을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 요부 확대 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 요부 확대 절개도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 헤더 파이프의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤더 파이프의 제작 상태도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤더 파이프의 제작 상태도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 열교환기의 실시예들을 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 요부 확대 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 요부 확대 절개도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기의 헤더 파이프의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤더 파이프의 제작 상태도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(10)는 헤더 파이프(20), 열교환 튜브(30) 및 방열핀(40)을 포함한다.
특히, 본 발명에 따른 열교환기(10)는 산업용, 가정용 및 차량용 등의 공기조화장치에 적용 가능하다.
헤더 파이프(20)는 일정거리 이격되어 나란하도록 한 쌍으로 구비된다. 이때, 헤더 파이프(20)는 열교환용 냉매가 출입 가능하도록 유입포트(22)와 유출포트(24)를 구비한다.
아울러, 헤더 파이프(20)는 알루미늄 재질로 이루어진다.
알루미늄은 가볍고, 비교적 강도가 높으며, 열교환성능이 우수할 뿐만 아니라 가공성이 우수하다는 장점으로 인하여 공기조화장치를 구성하는 열교환기(10)의 중요한 소재로 사용되고 있다.
그리고, 헤더 파이프(20)는 단면상 원형 또는 다각형 등 다양한 형상으로 적용 가능하고, 편의상 대략 사각 형상인 것으로 도시한다.
한 쌍의 헤더 파이프(20)는 상호 마주하는 내측에 삽입홀(26)을 축 방향을 따라 복수 개 통공한다.
또한, 열교환 튜브(30)는 한 쌍의 헤더 파이프(20)의 대응되는 삽입홀(26)에 양측이 삽입되고, 관 형상으로 이루어진다. 그래서, 어느 하나의 헤더 파이프(20)의 유입포트(22)로 유입된 냉매는 헤더 파이프(20)와 열교환 튜브(30)를 지그 재그 궤적을 따라 유동 후 유출포트(24)로 유출된다.
열교환 튜브(30)는 알루미늄 재질로 이루어진다.
특히, 열교환기(10)는 알루미늄 재질로 이루어진 열교환 튜브(30)의 축 방향으로 양측 가장자리가 헤더 파이프(20)의 대응되는 삽입홀(26)에 삽입됨으로써 조립되고, 이 후 노(爐)에 넣어 소정온도로 가열하는 브레이징을 통하여 접촉 부위가 서로 접합된다. 그래서, 열교환기(10)는 조립 완성이 되고, 열교환 튜브(30)와 헤더 파이프(20)의 접촉 부위로 냉매가 유출되는 것이 방지된다.
이때, 열교환 튜브(30)는 하나의 헤더 파이프(20)의 삽입홀(26) 개수만큼 구비되고, 핀 튜브 타입 등 다양한 형상으로 적용 가능하다.
아울러, 방열핀(40)은 이웃한 열교환 튜브(30) 사이에 배치되어 상측의 열교환 튜브(30)와 하측의 열교환 튜브(30)에 번갈아 접촉된다. 그리고, 방열핀(40)은 열 전달율이 높은 재질로 이루어진다(전열성을 갖는다). 그래서, 방열핀(40)은 열교환 튜브(30)의 열기를 식히는 역할을 한다. 물론, 방열핀(40)은 다양한 형상으로 구비될 수 있다.
한편, 헤더 파이프(20)는 바디(110), 클래드재(120) 및 플럭스판재(130)로 이루어진다.
특히, 알루미늄 재질로 이루어진 헤더 파이프(20)는 알루미늄 재질로 이루어진 열교환 튜브(30)에 접합되기 위해 알루미늄보다 융점이 낮은 클래드재(120)(브레이징재)를 압출에 의하여 선재 형태 또는 링 형태로 만들거나, 압연에 의하여 클래딩처리하거나, 또는 분말의 형태로 만들어 이를 조립된 헤더 파이프(20)와 열교환 튜브(30)의 접합부에 피복(분사)한다. 그래서, 헤더 파이프(20)와 열교환 튜브(30)는 브레이징 접합이 가능하다.
상세히, 바디(110)는 헤더 파이프(20)의 형상을 이루는 것으로서, 내부에 축 방향을 따라 냉매의 유동을 위해 유동통로(112)를 형성한다.
그리고, 클래드재(120)는 바디(110)가 헤더 파이프(20)에 접합 가능하도록 바디(110)의 둘레면을 감싸도록 구비된다.
특히, 클래드재(120)는 Al-Si합금을 주재로 하여 이루어진 것이 주로 사용되지만 브레이징 시에는 바디(110)의 표면에 형성되는 산화피막, 즉 산화알루미늄(Al2O3)이 생성되어 브레이징재의 유동성을 방해하기 때문에 미접합부위가 발생하기 쉽고, 접합상태도 양호하지 못하다.
따라서, 비산화분위기를 조성하여 대기 중에서도 산소와 모재와의 접촉을 차단하여 산화알루미늄막의 생성을 막을 수 있도록, 플럭스판재(130)가 구비된다.
플럭스판재(130)는 플럭스의 비산화를 방지하기 위해, 바디(110)와 클래드재(120) 사이, 클래드재(120)의 외측면 중 적어도 어느 하나에 배치된다.
특히, 비산화분위기를 조성하기 위한 플럭스판재(130)로는 불화물계 플럭스가 가장 많이 사용되며, 이 불화물계 플럭스 중에서도 알칸 인터내셔널 리미티드사에서 시판하고 있는, KF 및 AlF3로 조성된 노콜록(NOCOLOK) 플럭스가 사용된다.
아울러, 플럭스판재(130)는 클래드재(120)의 표면에 분사하여 코팅됨으로써 형성되는 층(layer)이 아닌, 판재나 입체적으로 성형된 후 클래드재(120)의 표면에 접합된다.
편의상, 플럭스판재(130)는 바디(110)와 클래드재(120) 사이에 배치되는 것으로 도시한다.
플럭스판재(130)가 바디(110)와 클래드재(120)에 브레이징 처리됨으로써 조직이 바디(110)와 클래드재(120)에 결합된다. 그래서, 플럭스판재(130)는 바디(110)와 클래드재(120)에 견고하게 고정 결합되고, 기존의 분사 코팅 처리 대비 플럭스 알갱이가 비산되는 것이 방지된다.
아울러, 플럭스판재(130)가 클래드재(120)에 면접촉된 상태를 유지함으로써 기존의 분사 코팅 처리로 인한 특정 부위에 집중 코팅되는 것이 방지됨에 따라, 헤더 파이프(20)의 표면에 매끈하게 된다.
따라서, 바디(110)와 플럭스판재(130) 및 클래드재(120)가 순서대로 적층된다.
그리고, 플럭스판재(130)는 두께에 한정하지 않는다.
또한, 헤더 파이프(20)는 삽입홀(26)의 내측 가장자리를 따라 내부 방향으로 절곡되는 절곡부(140)를 형성한다.
절곡부(140) 부위에 해당되는 헤더 파이프(20)의 최외측을 형성하는 클래드재(120)가 열교환 튜브(30)와 접촉된다.
특히, 삽입홀(26)의 가장자리가 삽입홀(26) 내부로 절곡되는 절곡부(140)를 형성함에 따라, 헤더 파이프(20)와 열교환 튜브(30)의 접촉 면적이 증가됨으로써, 헤더 파이프(20)는 열교환 튜브(30)와 견고하게 브레이징 접합된 상태를 유지하고 상호 밀봉력이 우수하게 된다.
이때, 바디(110)와 플럭스판재(130) 및 클래드재(120)가 순서대로 적층됨에 따라, 클래드재(120)가 열교환 튜브(30)의 둘레면과 브레이징 접합 처리된다.
또한, 헤더 파이프(20)를 구성하는 바디(110), 플럭스판재(130) 및 클래드재(120)는 판 형상으로 제작되어 겹쳐진 상태로 접합된 후 튜브 타입으로 성형된다. 이 후, 겹쳐진 상태로 브레이징 접합된 바디(110), 플럭스판재(130) 및 클래드재(120)는 튜브 형상으로 말아진 상태로 대향하는 가장자리끼리 브레이징 접합 처리된다. 그래서, 헤더 파이프(20)가 완성된다.
이때, 플럭스판재(130)는 펼쳐진 바디(110)와 클래드재(120)에 완전히 포개지는 크기로 이루어진다.
물론, 바디(110), 플럭스판재(130) 및 클래드재(120) 중 적어도 어느 하나는 튜브 타입으로 압출 성형될 수도 있다.
그리고, 열교환 튜브(30)는, 헤더 파이프(20)와 마찬가지로, 판재 형상의 플럭스판재(130)가 구비될 수 있다.
결과적으로, 플럭스판재(130)가 판 형상으로 제작된 후 브레이징 접합으로 바디(110)와 클래드재(120)를 결속함으로써, 기존의 플럭스 분사 코팅으로 인한 에바가루가 발생되지 않고, 열교환기(10) 특히 헤더 파이프(20)의 표면이 매끈하여 상품성이 우수하며 흘러내리는 응축수가 잔류함에 의한 곰팡이나 악취의 발생이 방지된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 헤더 파이프의 제작 상태도이다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기(10)는 헤더 파이프(20), 열교환 튜브(30) 및 방열핀(40)을 포함한다.
특히, 헤더 파이프(20)는 열전달 효율 등을 고려하여, 바디(110)의 외측에 한 쌍(2겹)의 클래드재(120)를 적층하고, 클래드재(120) 사이에 플럭스판재(130)를 구비한다.
이에 따라, 헤더 파이프(20)는 바디(110), 클래드재(120), 플럭스판재(130) 및 클래드재(120)가 순서대로 적층되는 것으로 한다.
또한, 헤더 파이프(20)를 구성하는 바디(110), 클래드재(120), 플럭스판재(130) 및 클래드재(120)는 판 형상으로 제작되어 겹쳐진 상태로 접합된 후 튜브 타입으로 성형된다. 이 후, 겹쳐진 상태로 브레이징 접합된 클래드재(120), 플럭스판재(130) 및 클래드재(120)는 튜브 형상으로 말아진 상태로 대향하는 가장자리끼리 브레이징 접합 처리된다. 그래서, 헤더 파이프(20)가 완성된다.
미설명된 도면부호는 상술한 것으로 대체한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10: 열교환기 20: 헤더 파이프
26: 삽입홀 30: 열교환 튜브
40: 방열핀 110: 바디
120: 클래드재 130: 플럭스판재
140: 절곡부

Claims (3)

  1. 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍으로 이루어지고, 상호 마주하는 내측에 삽입홀을 축 방향을 따라 복수 개 통공하는 알루미늄 재질의 헤더 파이프; 및 한 쌍의 상기 헤더 파이프의 대응되는 삽입홀에 양측이 삽입되어, 냉매의 유로를 형성하는 알루미늄 재질의 열교환 튜브를 포함하고,
    이웃하게 배치되는 상기 열교환 튜브 사이에 배치되어, 상대적으로 상측의 열교환 튜브와 상대적으로 하측의 열교환 튜브에 번갈아 접촉되며, 전열성을 갖는 방열핀을 포함하며,
    상기 헤더 파이프는, 내부에 축 방향을 따라 유동통로를 형성하는 바디; 상기 바디가 상기 헤더 파이프에 접합 가능하도록 상기 바디의 둘레면을 감싸도록 구비되고, 상기 헤더 파이프의 재질인 알루미늄보다 융점이 낮은 재질인 한 쌍의 클래드재; 및 상기 바디의 외측에서, 한 쌍의 상기 클래드재 사이에 배치되는 플럭스판재를 포함하여,
    상기 플럭스판재는 판재 형상으로 이루어진 상태로 비산화분위기를 조성하기 위해 순수 알루미늄 재질 또는 알루미늄 합금재질로 이루어져, 대기 중에서도 산소와 모재와의 접촉을 차단함으로써, 상기 클래드재의 표면에 산화알루미늄막의 생성을 방지하기 위해, 한 쌍의 상기 클래드재 사이에 배치되며, 양측면이 각각 상기 클래드재에 브레이징 처리되어 상기 클래드재에 면끼리 결합되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 헤더 파이프는 상기 삽입홀의 내측 가장자리를 따라 내부 방향으로 절곡되는 절곡부를 형성하고,
    상기 절곡부에 의해, 상기 헤더 파이프의 최외측을 형성하는 상기 클래드재가 상기 헤더 파이프와 접합되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 헤더 파이프를 구성하는 상기 바디, 상기 플럭스판재 및 상기 클래드재는 겹쳐진 상태로 접합된 후 튜브 타입으로 성형되고 나서, 대향하는 가장자리끼리 접합되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
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