KR20060076840A - 고압용 열교환기의 헤더탱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압용 열교환기의 헤더탱크에 관한 것으로, 그 목적은 헤더와 탱크의 내주면에 냉매 유통공이 형성된 복수개의 강도보강부재를 일정간격으로 배치하여 헤더탱크의 강도를 보강하도록 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크를 제공함에 있다. 이는 길이방향으로 압출튜브가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯이 형성된 헤더와, 상기 헤더의 일측면에 결합되는 탱크와, 중앙에 냉매 유통공이 형성되고, 상기 헤더와 탱크의 내주면에 외주면이 접합되며, 길이방향으로 일정간격 복수개 배치되도록 하는 강도보강부재로 이루어진 것이다.

헤더, 탱크, 강도보강부재

Description

고압용 열교환기의 헤더탱크{Header tank for heat exchanger for high pressure}

도 1은 일반적인 이산화탄소의 냉동사이클을 설명하기 위한 도면.

도 2는 종래에 따라 고압용 열교환기의 헤더탱크의 일예를 나타낸 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예를 나타낸 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예를 나타낸 평면도로서, 구성요소가 결합되기 전 상태의 도면.

도 5는 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예를 나타낸 평면도로서, 구성요소가 결합된 후 상태의 도면.

도 6은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예를 나타낸 측단면도.

도 7은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제2실시예를 나타낸 사시도.

도 8은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제2실시예를 나타낸 평면도로서, 구성요소가 결합되기 전 상태의 도면.

도 9는 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제2실시예를 나타낸 평면도로서, 구성요소가 결합된 후 상태의 도면.

도 10은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제2실시예를 나타낸 측단면도.

도 11은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제3실시예를 나타낸 사시도.

도 12는 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제3실시예를 나타낸 평면도로서, 구성요소가 결합되기 전 상태의 도면.

도 13은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제3실시예를 나타낸 평면도로서, 구성요소가 결합된 후 상태의 도면.

도 14는 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제3실시예를 나타낸 측단면도.

도 15는 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제4실시예를 나타낸 사시도.

도 16은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제4실시예를 나타낸 평면도로서, 구성요소가 결합되기 전 상태의 도면.

도 17은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제4실시예를 나타낸 평면도로서, 구성요소가 결합된 후 상태의 도면.

도 18은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제4실시예를 나타낸 측단면도.

(도면중 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10: 헤더 11: 슬롯

20: 탱크 21: 단턱

22: 보강부 23: 절곡부

30: 강도보강부재 31: 냉매 유통공

32: 단차부 33: 돌기

40: 압출튜브 50: 엔드캡

본 발명은 고압용 열교환기의 헤더탱크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 냉매로 사용하는 고압용 열교환기의 헤더탱크에 관한 것이다.

차량용 냉방시스템에 있어서 널리 사용되어 온 냉매로는 프레온(freon) 등이 있다.

상기 프레온은 일반적으로 무색무취의 기체이며, 그 종류로는 프레온-12(디클로로디플루오르메탄:CCl2F2), 프레온-22(클로로디플루오르메탄:CHClF2) 등이 있다.

프레온은 화학적으로 안정하고 폭발성이 없으며 불연성, 무독성의 냉매이므로, 냉장고 및 냉동기, 가정용 또는 차량용 에어콘 등의 냉매로서 사용되어 왔다.

그러나, 프레온은 화학적으로 매우 안정하므로 사용 후 대기로 방출되면 파 괴되지 아니하고 성층권까지 도달하고, 성층권에서는 태양의 자외선에 의해 프레온의 염소원자가 분해되며, 이 염소원자는 지구로 입사되는 자외선을 차단하는 역할을 하는 오존층 파괴의 주요 원인이 된다.

따라서 1987년에는 프레온의 생산 및 소비량을 규제하고 점차 다른 냉매로 대체할 것을 합의하는 몬트리올 의정서가 채택되기에 이르렀다.

이산화탄소는 상기 프레온을 대체하여 사용되는 냉매로서, 이산화탄소는 그 유해성이 프레온에 비하여 적고, 압출효율이 높으며, 외부 유체(공기)에 대한 열전달특성이 우수하고, 체적냉방능력(증발잠열 x 기체밀도)이 우수하여 압축기의 용량을 감소시킬 수 있다는 등의 점에서 대체냉매로서 환영받고 있다.

이산화탄소의 압력-엔탈피 선도인 도 1 을 참조하여 이산화탄소의 냉동사이클을 설명하면 다음과 같다.

a-b 과정은 기상의 이산화탄소가 압축기에서 고온고압으로 압축되는 압축과정이고, b-c 과정은 상기 고온고압의 이산화탄소가 가스쿨러(종래의 증기압축식 냉동사이클에 있어서의 응축기에 해당하는 구성요소)에서 냉각되는 냉각과정이며, c-d 과정은 상기 냉각된 이산화탄소가 교축밸브 등에 의해서 저온저압으로 교축되는 교축과정이고, d-a 과정은 상기 교축된 이산화탄소가 증발기에 의해서 증발되는 증발과정이다. 이 증발과정에서 상기 이산화탄소가 증발잠열을 공기 등의 외부 유체로부터 빼앗아 외부유체를 냉각시킨다.

상기 이산화탄소를 냉매로서 사용하는 냉방시스템은, 그 작동원리 및 구성이 종래의 냉방시스템과 전반적으로 유사하나, 냉방사이클에 있어서의 압축과정 후에 고온의 냉매로부터 외부공기로 열을 방출하는 과정에서 냉매가 상변화 없이 고압의 기상의 상태로 있다는 점이 상이하다.

이는 도 1에서 알 수 있는 바와 같이 이산화탄소의 임계점에서의 온도가 약 31℃로서, 프레온 등과 같은 증기압축식 냉동사이클에 사용되는 냉매의 임계점 온도보다 낮은 데에 기인한 것이다.

냉방장치의 통상적 조건을 상정하여 이산화탄소의 냉동사이클을 설정해보면, 가스쿨러로부터 냉매의 열을 충분히 방출하기 위하여는 상기 가스쿨러의 냉매유출구의 온도가 외부유체의 온도보다 높아야 하므로, 도 1 에 있어서의 c점의 온도는 40℃ 정도는 되어야 한다.

이에 따라 상기 가스쿨러의 온도를 40℃ 정도로 높게 하면 가스쿨러의 유입구 부근의 온도가 100℃를 초과하는 매우 높은 온도를 가지게 되고, 따라서 도 1 의 a-b-c-d-a를 따라서 형성될 수도 있는 냉동사이클은 e-f-g-h-e를 따라서 형성된다.

결국 이산화탄소는 매우 높은 압력하에서 작동하게 되므로 냉방장치, 특히 가스쿨러는 매우 높은 압력을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다.

도 2는 종래에 따라 고압용 열교환기의 헤더탱크의 일실시예를 나타낸 단면도이다.

도시한 바와 같이 종래의 고압용 열교환기의 헤더탱크는 헤더(1)와 탱크(2)의 내주면에 내구성을 향상시키도록 압출재의 보강부재(3)를 결합하고, 상기 헤더(1) 및 보강부재(3)의 길이방향으로 일정간격으로 튜브(미도시)가 삽입되는 슬롯 (1a)을 형성한 것이다.

또한, 상기 압출재의 보강부재(3)에는 길이방향으로 관통공(3a)이 형성되어 있다.

상기와 같은 고압용 열교환기의 헤더탱크는 헤더(1)와 탱크(2)의 내부에 압출재의 보강부재(3)를 결합함으로 고압에 견딜수 있고, 브레이징 시에 브레이징 면적을 넓일 수 있게 된다.

그러나, 상기와 같은 헤더탱크는 보강부재(3)가 압출재로 이루어져 재료비가 많이 소요되고, 상기 보강부재(3)에 길이방향으로 형성된 관통공(3a)을 형성하기 위해 가공비도 많이 소요되는 문제점이 있다.

또한, 상기 헤더탱크의 단면이 원형으로 이루어져 상기 헤더탱크의 내부에 결합되어진 보강부재(3)와의 결합공차가 정밀하여야 하고, 상기 결합공차가 정밀하게 가공되지 않으며, 브레이징 과정에서 버블리크가 발생될 위험이 있다. (참고로, 버블리크는 부재가 겹치는 부위에서 브레이징이 않되는 부위를 나타냄.)

즉, 보강부재(3)는 압출재로 구성되고, 헤더(1)가 클래드재로 구성되어 상기 헤더(1)의 클래드재가 압출재의 보강부재(3)와 탱크(2)를 브레이징시 결합시키게 되는데 정밀하게 가공되지 않으며 버블리크가 발생되는 것이다.

또한, 상기 헤더탱크의 내부에 일체형의 보강부재(3)를 결합시켜 헤더탱크의 무게도 증가하는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목 적은 헤더와 탱크의 내주면에 냉매 유통공이 형성된 복수개의 강도보강부재를 일정간격으로 배치하여 헤더탱크의 강도를 보강하도록 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 길이방향으로 압출튜브가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯이 형성된 헤더와, 상기 헤더의 일측면에 결합되는 탱크와, 중앙에 냉매 유통공이 형성되고, 상기 헤더와 탱크의 내주면에 외주면이 접합되며, 길이방향으로 일정간격 복수개 배치되도록 하는 강도보강부재로 이루어진 것이다.

또한, 상기 강도보강부재의 외주면에 단차부를 형성하고, 상기 단차부가 삽입고정되도록 상기 헤더와 탱크의 결합 단부 중 어느 일측에 안착홈을 길이방향으로 각각 형성시킨 것이다.

또한, 상기 강도보강부재의 외주면의 일부분으로부터 외측으로 연장되도록 적어도 하나의 돌기 형성시키고, 상기 돌기를 상기 헤더와 탱크 중 적어도 일측에 형성된 결합홈에 결합되도록 하는 것이다.

또한, 상기 탱크의 양단부가 상기 헤더의 내주면에 삽입되도록 이루어진 것이다.

또한, 상기 탱크의 양단부에 단턱을 형성시키고, 상기 단턱을 상기 헤더의 내주면에 삽입되도록 하는 것이다.

또한, 상기 단턱에 대응되는 부위에 상기 헤더를 감싸도록 하는 보강부를 더 형성하도록 하는 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제1실시예를 나타낸 도면이다.

도시한 바와 같이 고압용 열교환기의 헤더탱크는 길이방향으로 압출튜브(40)가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯(11)이 형성된 헤더(10)와, 상기 헤더(10)의 일측면에 결합되는 탱크(20)와, 중앙에 냉매 유통공(31)이 형성되고, 상기 헤더(10)와 탱크(20)의 내주면에 외주면이 접합되며, 길이방향으로 일정간격 복수개 배치되도록 하는 강도보강부재(30)로 이루어진 것이다.

또한, 상기 강도보강부재(30)의 외주면에 단차부(32)를 형성하고, 상기 단차부(32)가 삽입 고정되도록 상기 헤더(10)와 탱크(20)의 결합 단부 중 어느 일측에 안착홈(G)을 길이방향으로 각각 형성시킬수 있으며, 바람직하게는 탱크(20)에 안착홈(G)을 형성하도록 한다.

또한, 상기 탱크(20)의 양단부가 상기 헤더(10)의 내주면에 삽입되도록 하여 내압성을 향상하도록 한다.

그리고, 상기 헤더(10)는 양면 클래드재로 형성하도록 하며, 상기 탱크(20)는 압출 또는 클래드재를 프레스로 형성할 수 있으며, 상기 강도보강부재(30)는 양면 또는 단면의 클래드재나 무클래드재를 프레스 성형하여 브레이징성을 향상되도록 한다.

또한, 상기 강도보강부재(30)는 내압 요구 사양에 따라 일정 피치(pich)로 배치하도록 한다.

한편, 본 발명의 강도보강부재(30)의 중앙에 형성된 냉매 유통공(31)을 천공하지 않게 되면, 엔드캡(50)이나 배플(미도시)로 사용할 수 있게 된다.

도 7 내지 도 10은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제2실시예를 나타낸 도면이다. 도면상 제1실시예와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명한다.

도시한 바와 같이 고압용 열교환기의 헤더탱크는 길이방향으로 압출튜브(40)가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯(11)이 형성된 헤더(10)와, 상기 헤더(10)의 일측면에 결합되는 탱크(20)와, 중앙에 냉매 유통공(31)이 형성되고, 상기 헤더(10)와 탱크(20)의 내주면에 외주면이 접합되며, 길이방향으로 일정간격 복수개 배치되도록 하는 강도보강부재(30)로 이루어진 것이다.

또한, 상기 탱크(20)의 양단부에 단턱(21)을 형성시키고, 상기 단턱(21)을 상기 헤더(10)의 내주면에 삽입되도록 하며, 상기 단턱(21)에 안착홈(G)을 형성시켜 상기 강도보강부재(30)의 단차부(32)를 결합시키도록 하는 것이 바람직하다.

상기 안착홈(G)에 강도보강부재(30)의 단차부(32)를 결합함으로써, 헤더탱크 내부에서 강도보강부재(30)의 위치가 어긋나거나 하는 등의 조립불량을 방지할 수 있다.

즉, 브레이징시 헤더(10), 탱크(20) 및 강도보강부재(30) 등의 가결합력을 충분히 제공하는 구조이다.

도 11 내지 도 14는 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제3실시 예를 나타낸 도면이다. 도면상 제1,2실시예와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명한다.

도시한 바와 같이 고압용 열교환기의 헤더탱크는 길이방향으로 압출튜브(40)가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯(11)이 형성된 헤더(10)와, 상기 헤더(10)의 일측면에 결합되는 탱크(20)와, 중앙에 냉매 유통공(31)이 형성되고, 상기 헤더(10)와 탱크(20)의 내주면에 외주면이 접합되며, 길이방향으로 일정간격 복수개 배치되도록 하는 강도보강부재(30)로 이루어진 것이다.

또한, 상기 탱크(20)의 양단부에 단턱(21)을 형성시키고, 상기 단턱(21)을 상기 헤더(10)의 내주면에 삽입되도록 하며 상기 단턱(21)에 대응되는 부위에 상기 헤더(10)를 감싸도록 하는 보강부를 더 형성하도록 한다.

또한, 상기 단턱(21)에는 안착홈(G)이 형성되도록 하여 강도보강부재(30)에 형성된 단차부(32)가 결합되도록 하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 탱크(20)에 단턱(21)과 보강부를 형성하여 헤더(10)와의 결합력을 향상시킴과 아울러 내부에 강도보강부재(30)를 결합하도록 하여 내압성을 향상시킬 수 있다.

도 15 내지 도 18은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크의 제4실시예를 나타낸 도면이다. 도면상 제1,2,3실시예와 동일한 구성요소에는 동일한 부호를 부여하여 설명한다.

도시한 바와 같이 고압용 열교환기의 헤더탱크는 길이방향으로 압출튜브(40)가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯(11)이 형성된 헤더(10)와, 상기 헤더(10)의 일측 면에 결합되는 탱크(20)와, 중앙에 냉매 유통공(31)이 형성되고, 상기 헤더(10)와 탱크(20)의 내주면에 외주면이 접합되며, 길이방향으로 일정간격 복수개 배치되도록 하는 강도보강부재(30)로 이루어진 것이다.

또한, 상기 탱크(20)의 양단부를 연장하여 상기 헤더(10)를 감싸도록 하는 절곡부(23)를 형성하도록 하는 것이다.

또한, 상기 헤더탱크의 내부에 결합된 강도보강부재(30)는 외주면의 일부분으로부터 외측으로 연장되도록 적어도 하나의 돌기(33) 형성시키고, 상기 돌기(33)를 상기 헤더(10)와 탱크(20) 중 적어도 일측에 형성된 결합홈(S)에 결합되도록 하는 것이다.

즉, 이 실시예는 기존의 응축기와 같이 헤더(10)를 탱크(20)의 절곡부(23)가 감싸는 형태로 이루어지고, 강도보강부재(30)도 배플의 중앙에 관통공을 형성시키는 형태를 이루도록 한 것이다.

한편, 돌기(33)를 갖는 도 15와 같은 구조에서도, 헤더탱크 일측에 안착홈을 형성하고 강도보강부재에 단차부를 형성하여 결합할 수 있다는 것을 밝혀 둔다.

본 발명에 따른 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 고압용 열교환기의 헤더탱크는 내압성이 요구되는 이산화탄소 열교환기용으로 사용되는 것으로, 압출재의 탱크(20) 단부에 형성된 안착홈(G)에 강도보강부재(30)의 단차부(32)를 결합한 상태에서 양면클래드재의 헤더(10)에 결합하게 된다.

이때 상기 강도보강부재(30)는 양면 또는 단면의 클래드재나 무클래드재를 프레스 성형하여 브레이징성을 향상할 수 있도록 한다.

또한, 상기와 같이 헤더(10)와 탱크(20)의 내부에 내압의 요구 사양에 따라 일정 피치(pich)로 강도보강부재(30)를 설치함으로서, 종래와 같이 일체형 강도보강부재(30)에 비해 제조비용 및 헤더탱크의 무게를 대폭 축소할 수 있게 된다.

한편, 헤더탱크의 최외측에 배치되는 엔드캡(50)과 유로를 구획하는 배플(미도시)은 본 발명의 강도보강부재(30)에서 냉매 유통공(31)을 천공하지 않게 되면 형성할 수 있어 열교환기의 구조가 간단하게 제조성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 고압용 열교환기의 헤더탱크는 헤더(10)와 탱크(20)의 결합부를 다양한 형태로 변형하여 내압성을 향상시킬 수 있게 된다.

이상 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 고압용 열교환기의 헤더탱크는 헤더와 탱크의 내주면에 관통공이 형성된 복수개의 강도보강부재를 일정간격으로 배치하여 헤더탱크의 강도를 보강하도록 함으로서, 이산화탄소 열교환기에서 필수적으로 요구되는 내압성을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 강도보강부재에 형성되는 관통공을 천공하지 않고, 이를 엔드캡이나 배플로 활용할 수 있어 헤더탱크의 구조가 간단하고, 제조가 간단하게 이루어지게 된다.

또한, 요구되는 강도에 따라 강도보강부재가 결합되는 안착홈의 간격, 개수를 적절히 조절하여 손쉽게 헤더탱크를 제작할 수 있다.

또한, 구성품(헤더, 탱크, 강도보강부재)간의 결합력이 향상되어 브레이징시 불량발생을 최소화할 수 있다.

Claims (6)

1. 길이방향으로 압출튜브(40)가 삽입 고정되도록 복수의 슬롯(11)이 형성된 헤더(10)와,

   상기 헤더(10)의 일측면에 결합되는 탱크(20)와,

   중앙에 냉매 유통공(31)이 형성되고, 상기 헤더(10)와 탱크(20)의 내주면에 외주면이 접합되며, 길이방향으로 일정간격 복수개 배치되도록 하는 강도보강부재(30)로 이루어진 것을 특징으로 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크.
2. 제1항에 있어서, 상기 강도보강부재(30)의 외주면에 단차부(32)를 형성하고, 상기 단차부(32)가 삽입고정되도록 상기 헤더(10)와 탱크(20)의 결합 단부 중 어느 일측에 안착홈(G)을 길이방향으로 각각 형성시킨 것을 특징으로 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크.
3. 제1항에 있어서, 상기 강도보강부재(30)의 외주면의 일부분으로부터 외측으로 연장되도록 적어도 하나의 돌기(33) 형성시키고, 상기 돌기(33)를 상기 헤더(10)와 탱크(20)중 적어도 일측에 형성된 결합홈(S)에 결합되도록 하는 것을 특징으로 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크.
4. 제1항에 있어서, 상기 탱크(20)의 양단부가 상기 헤더(10)의 내주면에 삽입 되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크.
5. 제1항에 있어서, 상기 탱크(20)의 양단부에 단턱(21)을 형성시키고, 상기 단턱(21)을 상기 헤더(10)의 내주면에 삽입되도록 하는 것을 특징으로 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크.
6. 제5항에 있어서, 상기 단턱(21)에 대응되는 부위에 상기 헤더(10)를 감싸도록 하는 보강부(22)를 더 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 고압용 열교환기의 헤더탱크.

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