KR20010062305A - 열교환기용 절첩 튜브 및 그 제조 방법 - Google Patents

열교환기용 절첩 튜브 및 그 제조 방법 Download PDF

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유웬페이
로즈유진이
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레슬리 씨. 호지스
비스테온 글로벌 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

본 발명은 기부와, 이로부터 이격되고 대향된 상부와, 일 측면을 따라 기부와 상부 사이에 개재된 제1 측부와, 다른 측면을 따라 기부와 상부 사이에 개재된 제2 측부를 구비한 열 교환기용 절첩 튜브 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 절첩 튜브는 초기 웨브 폭과 초기 외측 견부 반경을 갖는 적어도 하나의 내부 웨브를 갖고 적어도 하나의 내부 웨브를 초기 웨브 폭보다 작은 최종 웨브 폭로 그리고 초기 외측 견부 반경 보다 작은 최종 외측 견부 반경으로 압축하고 복수의 유체 포트를 형성하는 기부와 상부 중 적어도 하나를 또한 구비한다

Description

열 교환기용 절첩 튜브 및 그 제조 방법{FOLDED TUBE FOR A HEAT EXCHANGER AND METHOD OF MAKING SAME}
본 발명은 자동차용 열 교환기에 관한 것으로, 특히 자동차의 열 교환기용 절첩 튜브 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자동차의 공기 조화 시스템의 응축기와 같은 열 교환기에 튜브를 제공하는 것은 공지된 바이다. 통상, 튜브는 제2 유체 매체가 그 외부와 접촉하는 동안 내부와 접촉하는 제1 유체 매체를 운반한다. 통상, 제1 유체 매체는 액체 또는 2상 액체 및 가스 혼합물이고, 제2 유체 매체는 가스이다. 제1 유체 매체와 제2 유체 매체 사이에 온도 차이가 존재하는 경우에, 열은 튜브의 열 전도성 벽을 통해 이들 2개의 매체들 사이에서 전달될 것이다.
튜브 내부에 운반된 유체의 난류를 유발하도록 열 전도가 가능한 전도성 재료의 표면적을 증가시키고 튜브의 파열 강도를 증가시키도록 튜브의 내부에 주름진 핀 또는 리브가 제공된다는 것은 공지된 바이다. 이러한 튜브를 제조하는 하나의 공지된 방법은 튜브가 제조된 후에 대체로 평탄한 튜브 내로 주름진 핀을 물리적으로 삽입하도록 하는 것이다. 이는 튜브 내로 삽입될 주름진 핀이 매우 얇고 삽입 공정 중에 변형되기 쉽기 때문에 매우 어려운 공정이다.
열 교환기용 튜브를 형성하는 다른 하나의 공지된 방법은 압출 공정으로 튜브를 압출하는 것이다. 이러한 구조에 있어서, 내부 리브는 압출 중에 형성된다. 그러나, 이러한 압출 튜브는 생산 비용이 상대적으로 비싸다.
열교환기용 튜브를 형성하는 다른 공지된 방법은 러그를 평탄하고 긴 시트에 제공하여 튜브를 형성하도록 시트 단부를 절첩하는 것이다. 그런 후, 튜브 단부는 납땜된다. 이러한 튜브의 일예는 미국 특허 제5,386,629호에 개시된다. 상기 특허에 있어서, 튜브는 러그들 사이에 유동 경로를 가질 수도 있다. 그러나, 헤드 조인트로 절첩된 튜브의 질은 누수를 방지하기 위해 작을수록 좋고 외측 웨브 견부가 얼마나 작게 사용되느냐와 관련이 있다.
매우 작은 외측 웨브 견부 반경을 절첩된 튜브에 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 절첩된 튜브용 소형 웨브 견부를 달성하는 방법이 제공되는 것이 바람직하다. 열 교환기의 열 전달을 향상시키는 절첩 튜브를 제공하는 것이 더 바람직하다. 따라서, 이러한 필요성을 달성하는 자동차의 열 교환기용 절첩 튜브를 제공할 필요가 당업계에 있게 된다.
따라서, 본 발명은 열 교환기용 절첩 튜브에 관한 것이다. 절첩 튜브는 기부, 이로부터 이격되고 대향된 상부와, 일 측면를 따라 기부와 상부 사이에 개재된 제1 측부와, 다른 측면을 따라 기부와 상부 사이에 개재된 제2 측부를 구비한다. 절첩 튜브는 초기 웨브 폭과 초기 외측 견부 반경을 갖는 적어도 하나의 내부 웨브를 갖고 적어도 하나의 내부 웨브를 초기 웨브 폭보다 작은 최종 웨브 너브로 그리고 초기 외측 견부 반경보다 작은 최종 외측 견부 반경으로 압축하고 복수의 유체 포트를 한정하는 기부와 상부 중 적어도 하나를 또한 구비한다.
또한, 본 발명은 열 교환기용 절첩 튜브를 제조하는 방법에 관한 것이다.방법은 대체로 평탄한 시트를 제공하는 단계와, 시트를 절첩하여 제1 절첩부와 제2 절첩부를 갖는 적어도 하나의 내부 웨브를 형성하는 단계를 구비한다. 또한, 방법은 적어도 하나의 내부 웨브의 폭과 외측 견부 반경을 압축하도록 적어도 하나의 내부 웨브를 압축하는 단계를 구비한다. 이 방법은 시트를 절첩하고, 기부와, 이에 대향하는 상부와, 상부와 기부 사이에 개재된 제1 측부와, 상부와 기부 사이에 개재된 제2 측부를 형성하여 적어도 하나의 내부 웨브가 복수의 유체 포트를 제공하도록 상부 또는 기부 중 하나와 접촉하게 하는 단계를 더 구비한다.
본 발명의 장점은 응축기와 같은 열 교환기용 절첩 튜브가 액체 냉매를 응축하기 위한 자동차의 공기 조화 시스템에 제공된다는 것이다. 본 발명의 다른 장점은 절첩 튜브가 스탬핑 가공되고 절첩되어 압출 튜브보다 제조하기에 더 경제적이라는 것이다. 본 발명의 또 다른 장점은 절첩 튜브가 제조 시의 다량의 잠재적인 누수를 최소화하도록 보다 양호한 납땜 가공을 위한 작은 웨브 견부를 가진다는 것이다. 본 발명의 또 다른 장점은 절첩 튜브를 제조하는 방법은 매우 작은 외측 견부 반경을 달성하도록 금속 내부를 압인 가공함으로써 제공된다는 것이다. 본 발명의 또 다른 장점은 절첩 튜브가 유체 혼합을 달성하고 열 교환기의 열 전달을 향상시키도록 수직 톱니부로써 상승된(enhance) 웨브를 가질 수도 있다는 것이다. 본 발명의 또 다른 장점은 절첩 튜브 제조 방법이 유체 혼합을 달성하도록 웨브의 압인 가공 중에 특정 롤(roll)에 의해 도입된 수직 톱니부(vertical serration)에 의해 웨브를 상승시키고 보조 난류발생기(turbulator)에 대한 필요성을 제거함으로써 제공되는 것이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부 도면과 함께 이후의 명세서를 숙독한 후에 보다 잘 이해함에 따라 이제 알 것이다.
도1은 자동차용 열 교환기와의 작동 관계가 도시된 본 발명에 의한 절첩 튜브의 정면도.
도2는 도1의 절첩 튜브의 부분 사시도.
도3 내지 도5는 도1의 절첩 튜브를 제조하는 본 발명에 의한 방법의 단계를 도시하는 부분 정면도.
도6은 도5의 선 6-6을 따라 취한 평면도.
도7은 도2의 원 7내의 절첩 튜브의 일부분의 확대 정면도.
도8은 도7의 절첩 튜브의 일부분의 확대 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 열 교환기
12: 절첩 튜브
22: 핀
40: 내부 웨브
44 : 톱니부
50: 롤러
도면, 특히 도1을 참조하면, (도시되지 않은) 공기 조화 시스템용 응축기와 같이 본 발명에 의한 열 교환기(10)의 일예가 (도시되지 않은) 자동차에 대해 도시된다. 열 교환기(10)는 대향 배치된 헤더(14, 16)들 사이에서 연장하는 본 발명에 의한 복수의 대체로 평행한 절첩 튜브(12)를 구비한다. 열 교환기(10)는 헤더(14)에 형성된 열 교환기(10) 내로 냉각 유체를 안내하기 위한 유체 입구(18)와 헤더(16)에 형성된 열 교환기(10) 외부로 냉각 유체를 향하게 하기 위한 출구(20)를 구비한다. 또한, 열 교환기(10)는 각 튜브(12)의 외부에 부착된 포선형(convoluted) 또는 구불구불한(serpentine) 복수의 핀(22)들을 또한 구비한다. 핀(22)은 각각의 튜브(12) 사이에 배치된다. 핀(22)은 튜브(12)로부터 열을 전도하면서 열 교환기(10)에 걸친 공기 유동에 의한 대류 열 전달을 위한 추가 표면적을 제공한다. 절첩 튜브를 제외하고는 열 교환기(10)가 당업계에 공지된 것을 알 것이다. 절첩 튜브(12)는 자동차 이외의 다른 적용예의 열 교환기에 사용될 수 있다는 것을 또한 알 것이다.
도2 내지 도8에 의하면, 절첩 튜브(12)는 종방향으로 연장하고 대체로 평탄하다. 절첩 튜브(12)는 통상 평탄하고 측방향으로 연장하는 기부(24)를 구비한다. 절첩 튜브(12)는 소정 거리로 기부(24)로부터 이격되고 서로 대향된 상부(26)를 또한 구비한다. 상부(26)는 대체로 평탄하고 측방향으로 연장한다. 절첩 튜브(12)는 일 측면을 따라 상부(26)와 기부(24) 사이에 개재된 제1 측부(28)를 구비한다. 제1 측부(28)는 대체로 아치형이다. 절첩 튜브(12)는 다른 측면을 따라 상부(26)와 기부(24) 사이에 개재되고 제1 측부(28)에 대향된 제2 측부(30)를 또한 구비한다. 절첩 튜브(12)는 대체로 사각형의 단면을 가진다. 절첩 튜브(12)는 임의의 적절한 단면 형상을 가질 수도 있다는 것을 알 것이다.
도2에 의하면, 제2 측부(30)는 대체로 아치형이고 기부(24)의 제1 단부(32)와 상부(26)의 제2 단부(34)로부터 형성된다. 제1 단부(32)는 대체로 아치형이고 내향으로 연장하는 견부(38)에 의해 형성된 리세스(36)를 가진다. 제2 단부(34)는 대체로 아치형이고 제1 단부(32)에 중첩되고 제2 측부(30)의 대체로 동일한 평면인 외주부를 제공하도록 리세스(36)에서 종결된다. 제1 측부는 단일 벽 두께를 가지고 제2 측부는 자동차를 주행시키는 동안 돌조각에 대한 여분의 강도를 위해 이중 벽 두께이다. 바람직하게는, 절첩 튜브의 벽 두께는 최대 0.35mm이다. 기부(24), 상부(26), 제1 측부(28) 및 제2 측부(30)는 절첩 튜브(12)용의 내부 또는 중공의 채널을 형성하는 것을 알 것이다.
도2, 도7 및 도8에 의하면, 절첩 튜브(12)는 절첩 튜브(12)의 내부에 복수의 포트 또는 유동 통로(42)를 형성하도록 기부(24) 및 상부(26) 모두 또는 그 중 하나로부터 연장하는 적어도 하나의, 바람직하게는 복수의 내부 웨브(40)를 구비한다. 도시된 실시예에 있어서, 기부(24)는 측방향으로 이격되고 종방향 및 상향으로 연장하는 2개의 내부 웨브(40)를 가진다. 상부(26)는 측방향으로 이격되고 종방향 및 하향으로 연장하는 3개의 내부 웨브(40)를 가진다. 내부 웨브(40)는기부(24) 상의 내부 웨브(40)중 하나가 6개의 포트(42)를 형성하도록 상부(26) 상의 한 쌍의 내부 웨브(40)들 사이에 배치되도록 엇갈리게 연장한다. 내부 웨브(40)의 개수는 원하는 포트(42)의 개수를 제공하도록 변할 수 있다는 것을 알 것이다.
각각의 내부 웨브(40)는 종방향으로 연장하고 제1 부분(44) 및 제2 부분(46)을 가진다. 내부 웨브(40)는 초기 설정 내부 웨브 높이 및 설정 내부 웨브 폭 또는 두께 및 초기의 설정 외측 견부 반경에 대해 기부(24) 및/또는 상부(26)의 제1 절첩부(44)와 제2 절첩부(46)를 그 위에 다시 절첩함으로써 형성된다. 도시된 실시예에 있어서, 초기 설정 내부 웨브 높이는 약 0.7812mm이고 균일한 초기 설정 내부 웨브 폭은 약 0.68mm이고 초기 설정 외측 견부 반경은 0.12mm이다. 초기 설정 웨브 두께가 균일하다는 것을 알 것이다.
도7에 의하면, 내부 웨브(40)가 초기에 형성된 후에, 상대적으로 작은 외측 견부 반경(r)을 달성하도록 그 기부에서 내부 웨브(40)의 폭을 압축하도록 압인 가공과 같은 종래의 공정에 의해 압축되거나 또는 측방향으로 돌출된다. 도시된 실시예에 있어서, 내부 웨브(40)는 최종 설정 내부 웨브 높이(h) 및 설정 내부 웨브 폭 또는 두께(w) 및 설정 외측 견부 반경(r)을 가진다. 도시된 실시예에 있어서, 최종 설정 웨브 높이(h)는 약 1.4mm이고 최종 설정 내부 웨브 두께(w)는 약 3.0mm이고 최종 외측 견부 반경(r)은 그 기부에서 약 0.10mm 이다. 도시된 실시예에 있어서, 내부 웨브(40)는 제1 절첩부(44) 및 제2 절첩부(46) 모두 또는 그 중 하나로부터 측방향 외향으로 연장하는 수직 톱니부(48)에 의해 상승될 수도 있다. 톱니부(48)는 웨브(40)의 전체 길이를 따른 복수의 산(peak)과 골(valley)과 유사하게 되도록 제1 절첩부(44)와 제2 절첩부(46)를 따라 종방향으로 이격된다. 톱니부(48)는 포트(44)를 통한 유체의 유동에 수직 배향된다. 톱니부(48)는 열 전달을 위한 유체 혼합 및 내부 표면적을 더 제공하도록 작은 치형부(tiny teeth)와 유사하다. 내부 웨브(40)가 초기에 형성된 후에, 톱니부(48)는 압인 가공과 같은 종래의 공정 중에 기술될 특수 롤로 형성된다. 톱니부(48)는 웨브의 외측 견부를 압인 가공하지 않고 형성될 수도 있고 웨브(40)의 외측 견부는 측부 돌출의 결과로서 톱니부(48)를 형성하지 않고서 압인 가공될 수도 있다는 것을 알 것이다. 내부 웨브(40)는 유체 혼합과 열 전달을 더 제공하도록 톱니부(48)에 의해서 더 개선될 수도 있다는 것을 알 것이다. 내부 웨브(40)가 기부(24)와 상부(26) 사이에서 소정의 거리 또는 간격을 유지한다는 것을 알 것이다.
절첩 튜브(12)는 소정의 유압 직경(hydraulic diameter)을 포트(42)에 제공하도록 측방향으로 이격된 내부 웨브(40)를 가진다. 유압 직경은 유체 통로 또는 포트(40)의 각각의 단면적에 4를 곱하고 대응 유체 통로 또는 포트(42)의 습윤 페리미터(wet perimeter)로 나눔으로써 정의된다. 유압 직경이 작을수록 양호한 열 전달을 초래하지만, 유압 직경은 효율적인 열 전달을 달성하도록 1.27mm(0.050 인치), 보다 양호하게는 1.78mm(0.070 인치) 보다 큰 것이 바람직하다. 예컨대, 포트(42)는 유압 직경이 1.8mm(0.0708 인치) 또는 1.79mm인 경우에 3.71mm의 단면적과 8.25mm의 습윤 페리미터를 가진다.
절첩 튜브(12)는 공지된 납땜 재료로 그 내부 및 외부가 코팅된다. 그 결과, 납땜 재료는 단부를 함께 납땜하도록 모세관 유동 작용에 의해 기부(24)의 제1 단부(32)와 상부(26)의 제2 단부(34) 사이에서 유동한다. 또한, 납땜 재료는 내부 웨브(40)와 기부(24)의 정점과 상부(26) 사이에서 유동하여 이들을 함께 납땜한다.
도3 내지 도6에 의하면, 본 발명에 의한 절첩 튜브(12) 제조 방법이 도시된다. 이 방법은 종방향 길이부를 따라 각각의 단부(32, 34) 에지를 갖는 기부(24)와 상부(26)를 형성하는 납땜 재료로 코팅된 긴 변형 가능한 재료의 통상 평면인 시트(70)를 제공하는 단계를 포함한다. 기부(24)와 상부(26)의 단부(32, 34)는 평탄하거나 또는 아치형일 수 있다. 이 방법은 도3에 도시된 바와 같이 먼저 제1 절첩부(44)와 제2 절첩부(46)로 내부 웨브(40)를 형성하도록 측방향 측부로부터 시트를 초기 설정 웨브 높이, 폭 및 외측 견부 반경으로 절첩하는 단계를 포함한다. 방법은 도3에 도시된 바와 같이 내부 웨브(40)를 압축하도록 측방향 돌출부에 의해 내부 웨브(40)를 최종 설정 웨브 폭로 압축하는 단계를 더 포함한다. 또한, 상기 압축 단계는 하부 각형 롤러(52)로 시트(70)를 지지하면서 상부 각형 롤러(50)로 웨브(40)의 외측 견부 반경을 압인 가공하는 단계를 포함한다. 도6에 도시된 바와 같이, 방법은 원주에 대한 돌출부 또는 톱니부(54)를 상부 각형 롤러(50)에 제공할 수도 있다. 방법은 도4 및 도5에 도시된 바와 같이 웨브 압인 가공 단계 중에 상부 각형 롤러(50) 상의 돌출부(54)에 의해 웨브(40)를 따라 복수의 톱니부(48)를 형성하는 단계를 포함할 수도 있다. 방법은 단부(32, 34)들이 제1 측부(28)와 제2 측부(30) 및 포트(42)를 형성하도록 만날 때까지 서로를 향해 단부(32, 34)들을 절첩하여 도2에 도시된 바와 같이 단부(34)를 함께 연결하는 단계를 구비한다. 방법은 단부(32, 34) 및 내부 웨브(44)를 기부(24) 및/또는 상부(26)에 납땜하도록 납땜 재료를 용융시키기 위해 소정의 온도로 절첩 튜브(12)를 가열함으로써 절첩 튜브(12)를 납땜하는 단계를 구비한다. 그런 후, 절첩 튜브(12)는 단부(32, 34)들을 함께 그리고 내부 웨브(44)와 기부(24) 및 상부(26)를 함께 고정시키도록 용융된 납땜 재료를 응고시키도록 냉각된다. 절첩 튜브(12)는 톱니부(48)가 측방향 돌출부에 의한 압축 단계 중에 형성되는 것을 제외하고는 전술된 바와 같이 형성될 수도 있다는 것을 알 것이다.
본 발명은 도식적인 방법으로 기술되었다. 본원에서 사용된 용어는 그 어원일 뿐이며 이에 제한되지 않는다는 것을 알 것이다.
본 발명의 다수의 변형 및 변경이 이상의 기술 측면에서 가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 기술된 것과 같이 실시될 수도 있다.
본 발명의 절첩 튜브를 제공함으로써, 열 교환기의 열 전달을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 열 교환기용 절첩 튜브를 제조하는 방법에 있어서,
    대체로 평탄한 시트를 제공하는 단계와,
    시트를 절첩하여 제1 절첩부와 제2 절첩부를 갖는 적어도 하나의 내부 웨브를 형성하는 단계와,
    적어도 하나의 내부 웨브의 폭과 외측 견부 반경을 압축하도록 적어도 하나의 내부 웨브를 압축하는 단계와,
    시트를 절첩하고, 기부와, 이에 대향하는 상부와, 기부와 상부 사이에 개재된 제1 측부와 상부와 기부 사이에 개재된 제2 측부를 형성하여 적어도 하나의 내부 웨브가 복수의 유체 포트를 제공하기 위해 상부 또는 기부 중 하나와 접촉하게 하는 단계를
    포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 절첩 튜브 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 내부 웨브의 폭을 감소시키도록 적어도 하나의 내부 웨브를 압착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 절첩 튜브 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 내부 웨브 상의 외측 견부 반경을 감소시키도록 적어도 하나의 내부 웨브를 압인 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 절첩 튜브 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 내부 웨브 상에 복수의 상승부를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 절첩 튜브 제조 방법.
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