KR200302522Y1 - 전기히터가 구비된 열교환기의 코어 유닛 - Google Patents

Abstract

본 고안은 전기히터가 구비된 열교환기의 코어 유닛에 관한 것으로서, 다수개의 평행한 납작 튜브(32)와, 각각이 인접한 두 개의 납작튜브(32) 사이에 배치된 다수개의 주름핀(34)과, 코어 유닛의 소정부위에 두 개의 주름핀 사이에서 상기 납작 튜브 대신에 주름핀의 주름정상부에 부착된 한쌍의 지지판(46, 46') 및 이 한쌍의 지지판의 내부에 배치된 전기히터(48)를 포함하고, 상기 지지판이 부착된 주름핀에서 상기 지지판의 반대측 주름 정상부에는, 납작튜브와 주름핀의 사이를 단열하도록 단열판(52, 52')이 밀착하여 배치되어 있어, 전기히터에서 발생된 열이 냉각수에 전달되지 않으므로 성능저하를 방지할 수 있고, 전기히터에 인접하는 주름핀의 높이를 5mm이상으로 하고 발열소자의 설정온도를 170℃ 이상으로 하여 충분한 방열 용량 및 효율적인 열전달을 수행할 수 있다.

Description

전기히터가 구비된 열교환기의 코어 유닛{core unit of heat exchanger with electric heater}

본 고안은 엔진효율화에 따른 차량 엔진에 의해 가열된 온수의 열량부족을 해결하기 위해 직접 공기를 가열하도록 전기히터가 내부에 일체로 배치된 열교환기에 관한 것이다.

전기히터가 내부에 통합된 열교환기는, 엔진 냉각수가 공기를 가열하도록 이용되는 것으로서, 냉각수의 온도가 낮을 때, 예를 들면 엔진이 막 시동되었을 때, 전기히터가 열을 발생시키기 위해서 턴-온(turn on)되며, 이에 의해 공기가 가열된다. 이와 같이 전기히터가 내부에 통합된 열교환기는 별도의 PTC 히터를 갖는 구조에 비해 난방공기 송풍시스템에서의 압력손실을 감소시키며, PTC 히터는 설정온도에서 그의 저항을 급격하게 변화시키는 정온도 특성을 가지므로 온도 제어 회로를 반드시 제공할 필요가 없어 그의 구동회로가 단순하게 구성될 수 있다.

도1 및 도3은 종래 대한민국 등록특허 제334619호로 개시된 전기히터가 구비된 열교환기를 나타낸다. 도시한 바와 같이 열교환기 코어 유닛(3)은 주름핀(7)을 사이에 두고 배치된 다수의 납작튜브(6)를 가지고, 측면판(8a, 8b)는 최외측 주름핀(7)상에 배치되며, 한쌍의 지지판(10, 10 : 도3에 도시)은 코어 유닛(3)의 세부분에서 납작튜브(6) 대신에 인접한 두 개의 주름핀(7)의 주름 정상부 사이에 거리 L만큼 떨어져 배치되고, 전기히터(9)는 상기 한쌍의 지지판(10, 10) 사이에 삽입되어 그 내부에서 고정된다. 참조 부호 12 및 13은 코어 유닛(3)의 공기 유출측의 표면 및 공기 유입측의 표면에 각각 배치된 부식방지용 금속으로 제작된 체결부재 또는 밴드이다. 상기 체결부재(12, 13)은 상기 측면판(8a, 8b)의 중간에 형성된 홈에 맞물리는 걸쇠부분을 가지며, 지지판(10, 10)에 전기히터(9)를 고정하는 역할을 한다. 상기 거리 L은 전기히터의 두께와 동일하다.

코어 유닛(3)의 측면에 배치된 탱크는 온수 유입탱크(1)와 온수 유출탱크(2)로 나누어지고, 연결탱크(19)가 탱크(1, 2)의 대향측으로 물을 복귀시키기 위해 배치되며, 유입관(4)를 통해 유입탱크(1)로 유입된 온수는 코어 유닛(3)의 좌측의 납작튜브(6)를 통과하여 연결탱크(19)로 도입되고, 연결탱크(19)로부터 온수는 코어 유닛(3)의 우측의 납작튜브(6)를 통해 유출탱크(2)로 도입되어 유출관(5)으로부터 배출된다.

상기 전기히터(9)는 PTC 히터로서, 도2에 도시한 바와 같이 납작한 발열소자(9a) 및 발열소자(9a)의 대향 표면에 배치된 길고 납작한 전극판(9b, 9c)로 구성된 3개 층의 샌드위치 구조를 가지면, 절연물질로 제작된 절연피복재(9d)가 전극판(9b, 9c)의 외주를 덮으며, 상기 전극판(9b, 9c)에 접속되어 외부회로와 연결되는 단자(9e, 9f)를 가진 구조이다.

이와 같이 구성된 열교환기에서, 공기 송풍기가 작동하여 공기는 납작튜브(6)와 주름핀(7) 사이의 공간으로 송풍되고, 온수는 엔진에 설치된 위터 펌프에 의해 유입관(4)을 통해 엔진으로부터 유입탱크(1)로 유동하고 납작튜브(6)를 통과하는 동안에 주름핀(7)를 통해 난방공기를 가열한 후, 유출탱크(2)에 모여 유출관(5)을 통해 배출되어 엔진으로 복귀한다.

한편, 엔진 밖으로 유출하는 수온이 낮으면, 전기회로의 스위치가 닫혀 전기히터(9)에 전원이 인가되어, PTC 히터인 전기히터(9)의 발열소자(9a)는 급전되어 열을 발생시키며, 열은 전극판(9b, 9c), 절연피복재(9d) 및 지지판(10, 10)을 통해 주름핀(7)으로 전도된다. 따라서 물이 충분이 가열되지 않았더라도 공기는 짧은 시간에 가열된다. 상기 발열소자(9a)는 그 저항이 기설정 온도(T0)에서 급격히 증가하는 정온도특성을 가지는 PTC소자로 구성되므로, 그의 온도를 기설정 온도까지 자동적으로 조절한다.

그런데, 물의 온도가 낮아 상기 PTC 히터가 가동되면, PTC 히터에 인접한 주름핀 부분의 온도는 납작튜브에 인접한 주름핀 부분의 온도보다도 높게 되는데, 상기 PTC 히터의 설정온도가 너무 높다면, PTC 히터에 의해 발생된 열은 물로 전달된다. 즉, 상기 PTC 히터는 난방 공기를 효율적으로 가열할 수 없다. 반면에 설정온도가 너무 낮다면, PTC 히터는 난방 공기를 가열할 정도로 충분한 열을 발생시킬 수 없게 된다.

따라서, 종래 전기히터(PTC 히터)를 구비한 열교환기에서는, 주름핀(7)의 높이를 3.9 ~ 5.0mm로 제한하고, 발열소자의 설정온도도 120 ~ 170℃로 제한하여 제작 사용하였다. 즉, 주름핀의 높이가 3.9mm 이하이면 납작튜브 수에 대한 주름핀의 열전도면적의 비율이 너무 작아서 충분한 방열 용량을 가질 수 없고, 주름핀의 높이가 5.0mm 이상이면 주름핀의 중간부분의 온도가 납작튜브에 인접한 주름핀 부분의 온도보다 지나치게 낮아서 핀의 온도 사이에서 차이를 감소시키고 이로 인해 난방 공기 온도가 효율적인 열전달을 수행하기에는 너무 작게 되는 것이다. 그리고, 핀의 높이가 3.9 ~ 5.0 mm 사이에서는, PTC 히터(9)의 설정온도(T0)는 80 ~ 120℃가 되는데 이러한 설정온도를 제공하기 위해서는 발열소자(9a)가 120 ~ 170℃ 사이의 온도에서 저항을 급격히 변화시키는 정온도특성을 가지는 것이다.

이와 같이 주름핀의 높이 및 PTC 히터의 설정온도를 제한해야 하는 설계상의 제약으로 말미암아 종래에는 난방 시스템별 다양한 최적용량의 열교환기의 제작이 불가능하다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 고안은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 고안의 목적은 주름핀의 높이 및 PTC 히터의 설정온도에 구애됨이 없이 충분한 방열 용량 및 효율적인 열전달을 수행하는 다양한 용량의 열교환기를 제작하게 하는 전기히터가 구비된 열교환기의 코어 유닛을 제공하는데 있다.

도1은 종래 전기히터가 구비된 열교환기를 나타내는 사시도,

도2는 도1의 전기히터의 부분 사시도,

도3은 도1의 열교환기의 코어 유닛의 전기히터 부근을 나타내는 개략도,

도4는 본 고안의 전기히터가 구비된 열교환기를 나타내는 사시도,

도5는 본 고안의 전기히터 모듈을 나타내는 사시도(단자가 제외된 상태),

도6은 본 고안의 전기히터 모듈의 평면도,

도7은 도4의 열교환기의 코어 유닛의 전기히터 부근을 나타내는 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

22 : 코어 유닛 24 : 온수 유입탱크

26 : 온수 유출탱크 28 : 연결탱크

32 : 납작튜브 34, 44, 44' : 주름핀

36, 38 : 보강판 40 : 모듈화된 전기히터

42 : 유입관 54 : 유출관

46, 46' : 지지판 48 : 전기히터(PTC 히터)

52, 52' : 단열판 52a, 52'a : 걸림돌기

본 고안에 의한 전기히터가 구비된 열교환기의 코어 유닛은, 다수개의 평행한 납작 튜브와, 각각이 인접한 두 개의 납작튜브 사이에 배치된 다수개의 주름핀과, 코어 유닛의 소정부위에 두 개의 주름핀 사이에서 상기 납작 튜브 대신에 주름핀의 주름정상부에 부착된 한쌍의 지지판 및 이 한쌍의 지지판의 내부에 배치된 전기히터를 포함하고, 상기 지지판이 부착된 주름핀에서 상기 지지판의 반대측 주름 정상부에는, 납작튜브와 주름핀의 사이를 단열하도록 단열판이 밀착하여 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 전기히터와, 상기 전기히터의 외측에 배치된 한쌍의 지지판과, 상기 지지판에 그 주름정상부가 부착된 주름핀과, 상기 지지판에 부착된 주름핀의 외측에 배치된 단열판은 일체로 모듈화되어 있다.

상기 단열판의 양측 가장자리에는 모듈화된 전기히터가 용이하게 설치되도록 상기 납작튜브에 끼워져 걸리는 걸림돌기가 형성된다.

상기 전기히터의 전극판에 전원을 공급하는 단자는 상기 모듈화된 전기히터의 길이방향 양측으로 연장되어 열교환기 탱크 앞측에 위치하는 것이 바람직하며, 단자는 모듈화된 전기히터에서 전기배선으로 대치할 수 있다.

이하, 본 고안의 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도4는 본 고안이 적용된 열교환기의 사시도이다. 도시한 바와 같이 열교환기 코어유닛(22)의 일측에는 온수 유입탱크(24)와 온수 유출탱크(26)로 나누어진 탱크가 배치되고, 상기 열교환기 코어유닛(22)의 타측에는 연결탱크(28)가 배치된다.

상기 코어 유닛(22)은 다수개의 평행한 납작튜브(32)가 그 사이에 주름핀(34)을 매개로 순차적으로 배치되고, 최외측 주름핀(34)상에는 보강판(36, 38)이 배치되고, 상기 코어 유닛(22)의 일정수로 모듈화된 전기히터(40)가 결합된다. 이 모듈화된 전기히터(40)는 용량 및 성능에 의해 결정된 수량을 선정하여 코어유닛(22)에 결합된다.

상기 온수 유입탱크(24)에는 온수가 유입되는 유입관(42)이 연통하여 용착되고, 상기 온수 유출탱크(26)에는 온수가 유출하는 유출관(54)이 연통하여 용착된다.

상기 납작튜브(32)는 그 양단이 상기 온수 유입탱크(또는 온수 유출탱크) 및연결탱크에 연통되어 브레이징되고, 상기 주름핀(34)과 납작튜브(32), 상기 주름핀(34)과 보강판(36, 38)도 브레이징에 의해 용착되는데, 가조립된 후 노내에서 브레이징되어 제조된다.

상기 코어 유닛(22)의 각 구성요소는 후술하는 단열판을 제외하고 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된다.

도5 및 도7에 도시한 바와 같이, 상기 모듈화된 전기히터(40)는 하나의 납작튜브와 그 양측에 인접하여 배치된 두 개의 주름핀 대신에 결합된 것으로서, 한 쌍의 주름핀(44, 44')의 주름정상부에 지지판(46, 46')이 각각 부착되고, 상기 지지판(46, 46')의 내부에는 전기히터(48)가 배치되며, 상기 주름핀(44, 44')에서 상기 지지판(46, 46')이 부착된 반대측 주름 정상부에는 납작튜브와 주름핀의 사이를 단열하도록 단열판(52, 52')이 밀착하여 배치된 구조이다. 그리고, 상기 모듈화된 전기히터(40)의 양단에는 상기 온수 유입탱크(또는 온수 유출탱크)와 단열되도록 단열판(53)이 부착되어 있다.

상기 전기히터(48)와, 상기 전기히터(48)의 외측에 배치된 한쌍의 지지판(46, 46')과, 상기 지지판(46, 46')에 그 주름정상부가 부착된 주름핀(44, 44')과, 상기 지지판(46, 46')에 부착된 주름핀(44, 44')의 외측에 배치된 단열판(52, 52')은, 모듈화되지 않고 코어 유닛(22)에 브레이징 되어 제조될 수도 있으며, 상기 모듈화된 전기히터(40)를 구성하는 모든 부품은 전도성 내열본드에 의해 접합되어 제조될 수 있다.

상기 주름핀(44, 44')은 상기 주름핀(34)과 유사하며, 상기 한쌍의지지판(46, 46')은 거리 L 만큼 떨어져 배치되는데 이 거리 L은 전기히터(48)의 두께와 동일하다. 상기 전기히터(48)는 PTC 히터로서, 도2에 도시한 종래의 전기히터와 동일하다.

그리고, 상기 단열판(52, 52')은 절연의 역할을 겸하는 재질인 것이 바람직하며, 공지의 단열재질로 제작된다. 도5에 도시한 바와 같이 상기 단열판(52, 52')의 양측 가장자리에는 모듈화된 전기히터(40)가 용이하게 설치되도록 상기 납작튜브(32)에 끼워져 걸리는(도4에 도시) 걸림돌기(52a, 52'a)가 단열판(52, 52')의 폭방향으로 연장되어 형성된다. 상기 걸림돌기(52a, 52'a)는 납작튜브에 고정되어 빠지지 않도록 그 끝단부가 구부려져 걸림부를 형성하고 있으므로 종래의 전기히터와 같은 체결부재가 필요없다.

도6에 도시한 바와 같이, 상기 모듈화된 전기히터(40)의 양측에는 전기히터(48)의 전극판에 전원을 공급하는 단자(48a, 48b)가 돌출되어 있는데, 상기 단자(48a, 48b)는 상기 모듈화된 전기히터(40)의 길이방향 양측으로 연장되어 열교환기 탱크 앞측에 위치하게 되어 있다. 상기 단자(48a, 48b)의 조립위치는 도4에 도시되어 있다. 한편, 모듈화된 전기히터에서 단자 대신 전기배선으로 연결할 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 고안에 의한 전기히터가 구비된 열교환기에서, 공기 송풍기가 작동하여 공기는 납작튜브(32)와 주름핀(34) 사이의 공간으로 송풍되고, 온수는 엔진에 설치된 워터 펌프에 의해 유입관(42)을 통해 엔진으로부터 유입탱크(24)로 유동하고 납작튜브(32)를 통과하는 동안에 주름핀(34)을 통해 난방공기를 가열한 후, 유출탱크(26)에 모여 유출관(44)을 통해 배출되어 엔진으로 복귀하게 되는데, 그 중간에 상기 연결탱크(28)을 통해 리턴되어 전체적으로 U형 유로를 형성하게 된다.

그리고, 엔진 밖으로 유출하는 수온이 낮으면, 전기회로의 스위치가 닫혀 전기히터(48)에 전원이 인가되어, PTC 히터인 전기히터(48)의 발열소자는 급전되어 열을 발생시키며, 이에 따라 발생된 열은 지지판(46, 46')을 통해 주름핀(44, 44')으로 전도된다. 따라서 물이 충분히 가열되지 않았더라도 공기는 짧은 시간에 가열된다. 이때, 상기 단열판(52, 52')에 의해 주름핀(44, 44')에 전도된 열을 납작튜브(32)로 전달되지 않으므로, 주름핀(44, 44')의 높이나 전기히터(48)의 발열소자의 설정온도를 제한할 필요가 없이 충분한 방열 용량 및 효율적인 열전달을 수행하는 다양한 최적용량의 열교환기를 제작할 수 있다. 또한 난방용량에 맞게 모듈화된 전기히터 수량의 선정이 용이하고 이로 인한 전기히터의 열수제어를 통해 최적난방 제어가 가능하다.

그리고, 전기히터(48), 지지판(46, 46'), 주름핀(44, 44') 및 단열판(52, 52')가 모듈화되어 있으므로, 제조가 간단하다. 또한 단열판(52, 52')에 형성된 걸림돌기(52a, 52'a)에 의해 납작튜브(32)에 용이하고 견고하게 설치되므로, 종래와 같이 열교환기의 중간부를 가로지르는 별도의 밴드 및 체결부재가 불필요하다.

본 고안은 상기 실시예에 한정되지 않고 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

본 고안에 의한 전기히터가 구비된 열교환기의 코어 유닛에 의하면, 주름핀의 높이 및 PTC 히터의 설정온도에 구애됨이 없이 충분한 방열 용량 및 효율적인 열전달을 수행하는 다양한 용량의 열교환기를 제작할 수 있으며, 전기히터의 모듈화로 열교환기 제조 및 설치가 용이하다.

Claims (4)

1. 다수개의 평행한 납작 튜브와, 각각이 인접한 두 개의 납작튜브 사이에 배치된 다수개의 주름핀과, 코어 유닛의 소정부위에 두 개의 주름핀 사이에서 상기 납작 튜브 대신에 주름핀의 주름정상부에 부착된 한쌍의 지지판, 및 이 한쌍의 지지판의 내부에 배치된 전기히터를 포함하고,

   상기 지지판이 부착된 주름핀에서 상기 지지판의 반대측 주름 정상부에는, 납작튜브와 주름핀의 사이를 단열하도록 단열판이 밀착하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 전기히터가 구비된 열교환기의 코어 유닛.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전기히터와, 상기 전기히터의 외측에 배치된 한쌍의 지지판과, 상기 지지판에 그 주름정상부가 부착된 주름핀과, 상기 지지판에 부착된 주름핀의 외측에 배치된 단열판은 일체로 모듈화되어 있는 것을 특징으로 하는 전기히터가 구비된 열교환기의 코어 유닛.
3. 제2항에 있어서,

   상기 단열판의 양측 가장자리에는 모듈화된 전기히터가 용이하게 설치되도록 상기 납작튜브에 끼워져 걸리는 걸림돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 전기히터가 구비된 열교환기의 코어 유닛.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 전기히터의 전극판에 전원을 공급하는 단자는 상기 모듈화된 전기히터의 길이방향 양측으로 연장되어 열교환기 탱크 앞측에 위치하는 것을 특징으로 하는 전기히터가 구비된 열교환기의 코어 유닛.