KR20060132822A - 다중 유체 열교환기 및 그 제조 방법 - Google Patents

다중 유체 열교환기 및 그 제조 방법 Download PDF

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데이비드 엠. 스코빌
겐 나카야마
리차드 티. 게브하드
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모다인 매뉴팩츄어링 컴파니
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Abstract

제3의 유체 흐름에 의해 가열 또는 냉각되는 2종류 이상의 유체 흐름을 위한 별도의 유동 경로를 가지는 다중 유체 열교환기는, 양 단부(14)를 가지며 평행하게 이격된 기다란 제1 및 제2 튜브형 헤더(10, 12), 각각의 상기 헤더(10, 12)에 이격되어 있는 기다란 튜브 슬롯(16), 상기 헤더(10, 12) 사이에서 연장되며 단부가 상기 튜브 슬롯(16) 중 정렬된 하나에 수용되는 복수의 납작한 튜브(20), 각각의 상기 헤더에서 상기 납작한 튜브(20) 중 하나에 의해 점유되어 있지 않은 하나의 튜브 슬롯(24), 각각의 상기 헤더의 한 쌍의 배플(30), 및 2개의 군(A, B) 각각에서 적어도 인접하는 튜브 사이에서 연장되어 열전달을 하는 핀(26, 32)을 포함하고, 상기 기다란 튜브 슬롯(16) 중에서 한쪽 헤더의 튜브 슬롯(16)은 다른 쪽 헤더의 슬롯과 대면하여 정렬되어 있고, 상기 각각의 헤더의 하나의 튜브 슬롯(16)은 서로 정렬되어 있으며 상기 헤더의 단부 사이의 소정의 위치에서 2개의 상기 납작한 튜브의 군 사이에 위치되고, 상기 한 쌍의 배플(30) 중에서 하나는, 상기 하나의 튜브 슬롯(16)의 한쪽, 및 상기 한쪽의 인접하는 튜브 슬롯(16) 사이에 배치되고, 다른 하나는, 상기 하나의 튜브 슬롯(16)의 반대쪽, 및 상기 반대쪽의 인접하는 튜브 슬롯(16) 사이에 배치된다.
다중 유체, 열교환기, 가열, 냉각, 헤더, 슬롯, 튜브, 배출공, 배플

Description

다중 유체 열교환기 및 그 제조 방법 {MULTI-FLUID HEAT EXCHANGER AND METHOD OF MAKING SAME}
본 발명은 열교환기에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 2개 이상의 상이한 열교환 유체가 제3의 열교환 유체에 의해 가열 및 냉각되는 다중 유체 열교환기에 관한 것이다.
이중 유체 열교환기와 같은 다중 유체 열교환기가 공지되어 있다. 이러한 열교환기의 전형적인 한 가지 용도는 2개의 상이한 열교환 유체를 차량에 응용하는 것이다. 그러나, 상기 열교환기는 2개의 유체 중 하나 또는 모두가 제3의 유체에 의해 가열될 수 있는 다른 응용에 사용될 수도 있다.
차량의 용도로 의도된 시스템의 일 예가, 1934년 2월 27일자로 Mac Pherson에게 허여된 미국특허 제1,948,929호에 개시되어 있다. 상기 특허에는 열교환기의 일부가 엔진 냉각제를 냉각하기 위한 라디에이터로 사용되고 열교환기의 나머지는 완전히 상이한 종류의 유체, 즉 내연기관용 윤활유를 냉각하도록 사용되는 이중 유체 열교환기가 기재되어 있다.
2002년 5월 28일자로 Marsais에게 허여된 미국특허 제6,394,176호에는, 냉각되는 유체 중 하나는 차량의 에어컨디셔닝 시스템을 위한 냉매이고 다른 하나는 동 력전달장치의 윤활유이다.
이러한 시스템에서는, 상기 2종류의 가열 및/또는 냉각되는 유체가 혼합되는 것이 방지되어 이들 유체가 사용되고 있는 시스템의 오작동을 방지할 필요가 있다. 이러한 열교환기는, 특히 차량 시스템에 사용되는 경우, 체적이 작고 경량일 필요가 있다. 저체적은 설계자에게 공간적 제약을 최소화해주어서, 연료 효율이 향상된, 공기역학적으로 "매끄러운" 차량을 설계할 수 있도록 한다. 마찬가지로, 중량의 최소화 또한 차량의 연료 효율을 향상시키게 된다.
이러한 열교환기는 저가로 제조될 필요가 있으며, 열교환기의 제1 열교환 유체가 취급되는 부분과 제2 열교환 유체가 취급되는 부분 사이에 단열이 제공될 필요가 있다.
이를 위해, 상기 미국특허 제6,394,176호에는, 납작한 튜브를 수용하는 슬롯을 수용하는 라인 튜브를 구비한 튜브형 헤더를 채용하는 열교환기가 기재되어 있다. 상기 튜브의 인접하는 것들 사이에는 사행 핀(serpentine fin)이 연장되어 결합된다.
일 실시예에서는, 열교환기의 양측 사이에 단열을 제공하기 위해, 튜브 중 하나는 "데드 튜브(dead tube)"이며, 이것은 어느 열교환 유체도 통과하지 않는 튜브를 의미한다. 헤더에서, 상기 데드 튜브는 각각의 단부가 배플(baffle)에 의해 격리되어 헤더 내부의 유체 사이에서 열전달이 최소화되도록 한다. 데드 튜브는 또한, 이러한 열교환기에서 흔히 볼 수 있는 핀을 통해 튜브 사이의 열전달을 최소화시킨다.
이러한 이중 유체 열교환기의 제조상의 곤란성은, 열교환기가 제조 공정에서 브레이징될 때 상승된 온도가, 배플에 의해 데드 튜브 내부에 감금되어 있는 가스에 작용하여 가스의 압력을 상승시키고, 하나 이상의 배플과 대응되는 헤더의 접점에 미세한 누출을 야기할 수 있다. 데드 튜브의 반대쪽에 있는 배플에서 누출이 일어나는 경우, 상호 혼합의 가능성이 존재하게 된다. 또한, 배플 사이의 공간으로 누출될 수 있는 임의의 유체가 미리 배출되어 상호 혼합을 회피할 수 있는 수단이 없다.
본 발명의 주 목적은 신규의 개선된 다중 유체 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 누출, 및 2종류 이상의 열교환 유체의 상호 혼합을 야기할 수 있는 배플 격리된 헤더의 형성 가능성을 최소화할 수 있는 다중 유체 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은, 다중 유체 열교환기, 및 종래의 조립 기술에 적용 가능하여 조립 라인의 변경이 불필요한 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적 실시예는, 제3의 유체 흐름에 의해 가열 또는 냉각되는 적어도 2종류의 유체 흐름을 위한 별도의 유동 경로를 가지는 다중 유체 열교환기로서, 양 단부를 가지며 평행하게 이격된 기다란 제1 및 제2 튜브형 헤더를 포함함으로써 전술한 목적 중 적어도 하나를 달성한다. 각각의 헤더에는 기다란 튜브 슬롯이 이격되어 있으며, 한쪽 헤더의 튜브 슬롯은 다른 쪽 헤더의 슬롯과 대면하여 정렬되어 있다. 헤더 사이에는 복수의 납작한 튜브가 연장되며 그 단부는 정렬된 튜브 슬롯 중 하나에 수용된다. 각각의 헤더에서 하나의 튜브 슬롯은 하나의 납작한 튜브에 의해 점유되어 있지 않으며, 한쪽 헤더의 점유되지 않은 하나의 튜브 슬롯은 다른 쪽 헤더의 점유되지 않은 하나의 튜브 슬롯과 정렬되어 있으며 헤더의 단부 사이의 소정의 위치에서 2개의 납작한 튜브 군이 이루어지도록 위치된다. 각각의 헤더에는 한 쌍의 배플이 위치되며, 하나는 튜브 슬롯의 한쪽에 배치되고 다른 하나는 튜브 슬롯의 다른 한쪽에 배치된다. 2개의 군 각각에서 적어도 인접하는 튜브 사이에는 핀이 연장되어 열을 전달한다.
바람직한 실시예에서, 각각의 군의 말단 튜브에는 추가의 핀이 제공되어 열전달을 하게 되며, 상기 말단 튜브 중 하나는 점유되지 않은 튜브 슬롯의 한쪽에 인접되고, 상기 말단 튜브의 나머지는 점유되지 않은 튜브 슬롯의 반대쪽에 인접된다.
바람직한 실시예에서, 모든 핀은 사행 핀이며 추가의 핀의 핀 높이는 다른 핀의 핀 높이의 2배보다 크다. 바람직한 실시예에서, 제2 핀의 높이는 제1 핀의 높이의 2배에 하나의 튜브의 작은 쪽 치수를 더한 것과 동일하다.
일 실시예에서, 다중 유체 열교환기는 제3의 유체 흐름에 의해 가열 또는 냉각되는 적어도 2종류의 유체 흐름을 위한 별도의 유동 경로를 가지도록 제공된다. 다중 유체 열교환기는, 양 단부를 가지며 평행하게 이격된 기다란 제1 및 제2 튜브형 헤더를 포함하고, 각각의 헤더에는 기다란 튜브 슬롯이 이격되어 구비되며, 한쪽 헤더의 튜브 슬롯은 다른 쪽 헤더의 튜브 슬롯과 정렬되어 대면한다. 열교환기는 또한 양쪽 헤더 사이에서 연장되며 하나의 튜브 슬롯에 정렬되어 수용되는 단부를 가지는 복수의 납작한 튜브를 포함한다. 각각의 헤더에는 배출공이 제공되며, 이들 배출공은 서로 정렬되고 헤더의 단부 사이에서 납작한 튜브의 2개의 군 사이의 소정 위치에 배치된다. 각각의 헤더에는 한 쌍의 배플이 제공되고, 하나의 배플은 배출공의 한쪽에서 한쪽의 튜브 슬롯 사이에 인접하여 배치되고, 다른 하나의 배플은 배출공의 반대쪽에서 반대쪽의 튜브 슬롯 사이에 인접하여 배치된다. 제1 사행 핀은 2개의 군 각각의 인접 튜브 사이에서 연장되어 접합된다. 제2 사행 핀은 그 높이가 제1 사행 핀의 높이보다 크며 배출공의 반대쪽 인접 튜브 슬롯에서 한쪽의 인접 튜브 슬롯에 있는 튜브 사이에서 연장된다.
본 발명의 다중 유체 열교환기 제조 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.
a. 각각의 헤더의 길이방향과 대략 횡방향으로 연장되며 이격된 기다란 튜브 슬롯을 구비하는 2개의 기다란 튜브형 헤더를 제공하는 단계,
b. 각각의 헤더에서 배출공으로 사용하기 위해 튜브 슬롯을 선택하되, 양쪽 헤더의 배출공 튜브 슬롯은 동일한 위치에 있으며, 상기 배출공 튜브 슬롯의 양쪽에서 각각의 헤더에 배플을 설치하는 단계,
c. 상기 헤더를, 튜브 슬롯이 서로 대면되고 대응되는 튜브 슬롯이 서로 대향되도록 정렬시키는 단계,
d. 사행 핀과, 상기 튜브 슬롯에 수용되는 치수를 가지는 단부를 구비한 납작한 튜브를 교대로 샌드위치함으로써 열교환기 코어를 성형하되, (i) 하나를 제외한 모든 사행 핀은 인접하는 튜브 슬롯 사이의 거리와 대략 동일한 핀 높이를 갖고, (ii) 모든 사행 핀 중 하나는 상기 배출공 튜브 슬롯과 정렬되도록 위치되는 2개의 튜브 슬롯 사이의 거리와 대략 동일한 핀 높이를 가지도록 하는 단계,
e. 상기 튜브의 단부를 상기 배출공 튜브 슬롯이 아닌 상기 튜브 슬롯 중 대응되는 하나에 들어가도록 함으로써 상기 헤더를 코어에 끼우는 단계,
f. 상기 핀의 크레스트(crest)가 상기 튜브에 접촉하여 샌드위치되도록 상기 코어를 상기 헤더의 길이방향으로 충분히 압축시키는 단계, 및
g. 상기 튜브 슬롯 내의 튜브 단부 및 상기 사행 핀과 상기 튜브가 샌드위치되도록 금속열역학적으로 접합시키는 단계.
바람직한 실시예에서, 상기 단계 d는 적어도 상기 단계 c에 선행된다.
본 발명은 또한 상기 단계 f가 상기 단계 e에 선행되는 것을 고려할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 단계 b는 각각의 상기 헤더의 배출공 튜브 슬롯의 양쪽에서 상기 헤더의 배플 수용 슬롯을 형성하는 단계 및 상기 배플을 상기 배플 수용 슬롯에 삽입하는 단계를 포함한다.
바람직한 실시예에서, 상기 헤더, 상기 핀, 상기 튜브, 및 상기 배플은 금속으로 형성되며, 상기 단계 g 전에, 상기 헤더와, 상기 튜브 단부와, 상기 배플의 접점, 및 상기 튜브와 상기 핀의 접점에 브레이징 컴파운드(brazing compound)를 배치하는 단계가 선행된다. 또한, 상기 단계 f는 상기 단계 g가 실행되는 동안에 유지되며, 상기 단계 g는 상기 단계 e의 결과에 따른 조립체를 브레이징 온도로 상승시키도록 실행된다.
바람직한 실시예에서, 상기 금속은 알루미늄 또는 그 합금이다.
일 형태에서, 제3의 유체에 의해 가열 또는 냉각되는 적어도 2종류의 유체에 대한 다중 유체 열교환기를 제조하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다.
a) 헤더의 길이방향과 대략 횡방향으로 연장되며 이격된 기다란 튜브 슬롯을 구비하는 2개의 기다란 튜브형 헤더를 제공하는 단계,
b) 각각의 헤더에 배출공을 제공하되, 양쪽 헤더의 배출공은 동일한 위치에 있으며, 상기 배출공의 양쪽에서 각각의 헤더에 배플을 설치하는 단계,
c) 상기 헤더를, 튜브 슬롯이 서로 대면되고 대응되는 튜브 슬롯이 서로 대향되도록 정렬시키는 단계,
d) 사행 핀과, 상기 튜브 슬롯에 수용되는 치수를 가지는 단부를 구비한 납작한 튜브를 교대로 샌드위치하되, 상기 핀 중 하나는 상기 배출공과 정렬되도록 배치되어, 상기 배출공의 양쪽 배플에 인접하여 위치되는 튜브 슬롯에 수용되는 한 쌍의 튜브 사이에서 연장되며 다른 사행 핀보다 큰 핀 높이를 가지도록 하는 단계,
e) 상기 튜브의 단부를 상기 튜브 슬롯 중 대응되는 하나에 들어가도록 함으로써 상기 헤더를 코어에 끼우는 단계,
f) 상기 핀의 크레스트가 상기 튜브에 접촉하여 샌드위치되도록 상기 코어를 상기 헤더의 길이방향으로 충분히 압축시키는 단계, 및
g) 상기 튜브 슬롯 내의 튜브 단부 및 상기 사행 핀과 상기 튜브가 샌드위치되도록 금속열역학적으로 접합시키는 단계.
본 발명의 목적 및 실시예에 관한 설명에 있어서, 본 발명의 모든 실시예가 본 발명의 모든 또는 임의의 특정 목적을 달성할 필요는 없다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 이하의 첨부도면을 참조한 상세한 설명을 통해 본 발명의 다른 목적 및 장점이 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 이중 유체 열교환기의 측부 입면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 열교환기의 제조에 적용된, 종래 기술의 열교환기 조립 방법에 대한 전형적인 단계를 예시하는 블록도이다.
이하, 차량 응용 환경에서의 이중 유체 열교환기에 대한 실시예를 설명하며, 여기서 열교환기는 차량 에어컨디셔닝 시스템 및 오일 쿨러의 냉매용 응축기 또는 가스 쿨러의 역할을 한다. 그러나, 본 발명의 열교환기는 차량 응용에 한정되지 않으며 냉각 작용에 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 냉매 및 오일과 같은 2종류의 유체를 사용하는 것에 한정되지 않고 다른 여러 유체를 사용할 수 있다. 마찬가지로, 예시된 실시예에서, 2종류의 유체 각각은 열교환기에서 하나의 경로를 이용한다. 그러나, 특정 용도를 위해 다중 경로가 고려될 수 있으며, 예를 들면, 특히 상이한 열에서 상이한 통과가 일어나는 다열(multiple row) 열교환기를 형성하기 위한 1열 튜브 열교환기의 배플링 시스템과 같은 공지된 여러 수단에 의해 제공될 수 있다. 또한, 특정의 바람직한 사용 모드 또는 청구범위에 언급된 것 이외의 유체에 제한이 없다.
도 1은 본 발명에 따른 다중 유체 열교환기의 일 실시예를 도시하며, 한 쌍 의 기다란 헤더(10, 12)를 포함한다. 헤더(10, 12)는 튜브형인 것이 바람직하고, 대략 원통형 형상인 것이 보다 바람직하다. 튜브형 헤더(10, 12)의 단부(14)는, 예를 들어 플러그와 같은 임의의 적절한 수단에 의해 폐쇄되며, 필요에 따라 입구 및/또는 출구 피팅(fitting)으로 폐쇄될 수 있다. 각각의 헤더는 양 단부(14) 사이에 복수의 튜브 슬롯(16)을 포함한다. 튜브 슬롯(16)은 헤더(10, 12)의 길이방향과 횡방향으로 기다랗고 서로 균일하게 이격되어 있다. 필수적인 것은 아니지만, 각각의 튜브 슬롯(16) 사이에는 내압 돔(pressure resistant dome)(18)이 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 돔(18)은 실질적으로 공지되어 있으며 1986년 10월 7일자로 Saperstein 등에게 허여된 미국특허 제4,615,385호에 기재되어 있다.
복수의 납작한 튜브(20)는 헤더(10, 12) 사이에서 연장되며 튜브 슬롯(16) 중 하나에 정렬되어 수용되는 양 단부(22)를 갖는다. 튜브(20)는 각각의 헤더에서 노출의 목적으로 배출공(weep hole)의 역할을 하는 튜브 슬롯(24)을 제외한 모든 튜브 슬롯(16)에 배치된다. 종래 기술의 사행 핀(26)이 종래의 방식으로 튜브(20) 사이에 개재되어 열교환을 한다. 일반적으로, 이것은, 예를 들어 브레이징과 같은 공지된 방식으로 튜브(20)의 납작한 측벽에 핀을 브레이징하는 것에 의해 이루어지며, 필요한 경우, 솔더링과 같은 다른 금속열역학적 접합 기술이 사용될 수도 있다.
각각의 배출공 튜브 슬롯(24)의 각 측부에는, 배플 수용 슬롯(28)이 헤더(10, 12)에 형성된다. 배플 수용 슬롯(28)은, 양쪽에 있는 헤더(10, 12) 각각의 내부를 밀봉하도록 적소에 브레이징되는 종래의 배플(30)을 수용한다. 도 1에 도 시한 바와 같이, 배플 수용 슬롯(28) 및 배플(30)은, 각각의 배출공 튜브 슬롯(24)과, 인접하는 하나의 튜브(20) 사이에 위치된다.
추가의 사행 핀(32)은, 서로 인접하며 배플(30) 중 대응되는 것과 바로 인접하는 2개의 튜브(20) 사이, 즉 배출공 튜브 슬롯(24)을 중심으로 한 2개의 튜브 사이에서 연장된다.
어셈블리는, 배출공 튜브 슬롯(24)의 한쪽에 있는 튜브(20)의 A군 및 배출공 튜브 슬롯(24)의 반대쪽에 있는 튜브(20)의 B군에 대한 입구 또는 출구 포트(34, 36)에 의해 완성된다. A군의 튜브는 포트(34, 36) 간에 유체 연통되고, B군의 튜브는 포트(34, 36)의 배출공 튜브 슬롯(24) 반대쪽에서 헤더(10, 12)의 내부로 개구된 입구 및/또는 출구 포트(38, 40)와 유체 연통된다. 최종적으로, 종래의 사이드 플레이트(42)가 헤더(10, 12) 사이에서 단부(14)에 인접하여 연장되고, 튜브(20)와 함께 핀(26) 및 추가의 핀(32)을 샌드위치하여, 핀(26) 및 추가의 핀(32)의 크레스트(crest)(44)가 튜브(20), 및 열교환기의 단부, 즉 사이드 플레이트(42)와 실질적으로 맞닿도록 한다.
구성요소는 모두 금속으로 형성되며, 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 바람직하다. 포트(34, 36, 38, 40)의 접점, 각각의 헤더(10, 12), 튜브 단부(22) 및 튜브 슬롯(16)의 접점, 배플(30)과 헤더(10, 12)의 접점에는 브레이즈 컴파운드(braze compound)가 배치된다. 브레이즈 컴파운드는, 경우에 따라 사행 핀(26) 및 추가의 사행 핀(32)과 튜브(20) 또는 사이드 플레이트(42)의 접점에도 배치된다. 브레이즈 컴파운드는, 필수적인 것은 아니지만, 클래딩(cladding)으로서 존재 하는 것이 바람직하다.
이상 설명을 통해, 당업자들은, B군의 튜브를 통과하는 유체는 각각의 헤더(10, 12)에 2개의 배플(30)이 존재함으로써 B군을 통과하는 유체와 이중으로 격리되는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 누출이 있다고 해도, 이러한 누출은 배플(30)과 어느 한쪽 헤더(10, 12) 사이의 공간으로 유입되어 배출공 튜브 슬롯(24)을 통해 대기 중으로 빠져나가므로, 상호 혼합되는 결과를 회피할 수 있다.
또한, 브레이징 중에 배플(30) 사이의 가스 압력이 상승되는 것이, 배출공 튜브 슬롯(24) 사이에 데드 튜브가 연장되지 않는다는 사실로 인해 방지될 수 있어서, 배플(30)과 각각의 헤더(10, 12) 사이의 공간은 대기압으로 된다. 따라서, 배플(30)에 대한 누출 경로 형성이 드물어진다.
본 발명의 특징 중 하나인 튜브 슬롯(16)은 배출공 튜브 슬롯(24)을 포함하며 헤더(10, 12)의 길이를 따라 균일하게 이격될 수 있다. 이 경우, 이러한 튜브 슬롯을 형성하기 위한 종래의 장비는 헤더(10, 12) 제조 시에 변경될 필요가 없다. 또한, 전술한 열교환기는 종래의 조립 라인에서 제조될 수 있다는 사실을 이해하여야 한다. 특히, 사행 핀(26)은, 핀 높이가 인접하는 튜브 슬롯(16)의 인접 에지 사이의 거리와 동일하거나 약간 더 크게 형성된다. 또한, 추가의 핀(32)은, 그 높이가 핀(26) 높이의 2배에 납작한 튜브(20)의 작은 쪽 치수를 더한 것과 동일하도록 선정된다. 핀 높이는 종래에 정해진 것과 동일하며 핀(26) 또는 핀(32)의 양쪽 크레스트(44) 사이의 거리와 동일하다. 납작한 튜브(20)의 작은 쪽 치수, 즉 납작한 한쪽 벽과 납작한 다른 한쪽 벽 사이의 외측 치수 또한 종래와 같이 정해진다.
본 발명의 바람직한 형태에서, A군의 튜브(20)와 연관되는 튜브 슬롯(16)은 군 내에서 균일하게 이격되고, B군의 튜브(20)와 연관되는 튜브 슬롯(16)은 군 내에서 균일하게 이격되지만 A군의 튜브와 연관되는 튜브 슬롯(16)과 동일한 간격을 갖지는 않는다. 이를 통해, B군의 튜브(20)는 A군의 튜브(20)와 상이한 작은 쪽 치수를 가질 수 있어서, A군 및 B군의 튜브(20)를 통과하는 특정 유체의 상이한 요구를 수용하도록 한다. 이 경우, A군 및 B군 튜브(20) 모두에 대한 사행 핀(26)은, A군 튜브(20) 사이의 간격과 B군 튜브(20) 사이의 간격이 동일하다면, 동일한 핀 높이를 가질 수 있다. 또한, 추가의 핀(32)의 높이는, 배출공 튜브 슬롯(24)과 A군 및 B군 각각과 연관되는 인접 튜브 슬롯(16), 및 배출공 튜브 슬롯(24)의 작은 쪽 치수 사이에서 선택되는 간격에 따른 핀 높이를 가지게 되지만, 추가의 핀(32)의 높이는 어떤 경우에도 나머지 사행 핀(26)의 핀 높이보다 커야 한다.
또한, 바람직하지는 않지만, 배출공 튜브 슬롯(24)은, 튜브 슬롯의 형태는 아니지만, 드릴링되거나 펀칭된 단순한 원형 구멍, 또는 편리하게 형성될 수 있는 다른 기하학적 형상을 가지도록 펀칭되거나 기계가공된 구멍의 단순한 배출공으로 대체될 수 있다.
따라서, 본 발명은 도 2에 예시한 것과 같은 종래의 성형 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 도 2에서, 제1 제조 단계(50)는 튜브 슬롯(16, 24) 및 배플 슬롯(28)을 가지는 헤더(10, 12)를 성형하기 위한 것이다. 또한, 열교환기 코어는, 종래의 방식으로, 사이드 플레이트(42), 사행 핀(26), 및 추가의 핀(32)을 튜브(20)와 교호시켜서 튜브(20)와 사이드 플레이트(42) 사이에 핀이 샌드위치되도록 함으로써 형성된다. 이 과정을 나타내는 단계를 블록 52로 나타내었다.
코어는 종래와 같이 형성된다. 즉, 코어는 튜브(20), 사이드 플레이트(42), 및 필요한 경우의 핀(26, 32)으로 구성된다.
그리고, 코어는 도 1의 화살표(54) 방향으로 압축되어 핀(26, 32)의 크레스트(44)를 튜브(20)와 실질적으로 맞닿도록 하며, 도 2의 블록 56에 예시한 바와 같이, 그 사이에서 샌드위치되도록 한다. 이로 인해, 압축되어 핀(26, 32)의 크레스트(44)와 튜브(20)가 충분히 근접되어, 예를 들어 브레이징 컴파운드, 땜납 등에 의해 금속열역학적으로 접합됨으로써, 존재할 수도 있는 임의의 간극이 사전에 폐쇄된다. 압축은 튜브 단부(22)를 튜브 슬롯(16) 사이의 간격과 대응되는 간격이 되도록 이루어진다.
핀과 튜브의 샌드위치, 또는 코어의 성형에 있어서, 추가의 핀(32)은, 추가의 조립에 따라, 도 1에 도시된 것과 같이 배출공 튜브 슬롯(24)과 정렬되도록, 적절하게 위치되는 것이 중요하다.
그리고, 헤더(10, 12)는 튜브(20)의 단부와 정렬되어 고정된다(블록 58). 실제로, 이것은 종래의 브레이징 고정 방식으로 이루어져 적절한 정렬이 유지된다. 브레이징으로 고정된 최종 조립품은 브레이징 오븐 등에 놓이고(블록 60), 브레이징 온도로 가열되어 전술한 여러 접점의 브레이징 컴파운드가 용융되어 접합되고 여러 부품의 접점이 밀봉된다.
추가의 핀(32)을 배출공 튜브 슬롯(24)과 정렬하여 사용하면 공정이 간단해진다는 것을 이해하여야 한다. 우선, 전술한 바와 같이, 종래 방식으로 형성한 헤 더(10, 12)를 채용할 수 있게 해준다. 그리고, 추가의 핀(32)이 존재함으로 인해, 화살표(54) 방향으로 압축이 이루어져 핀(26, 32)이 튜브(20)에 접합되어 핀과 튜브 사이에 양호한 열전달 관계를 제공한다.
또한, 추가의 핀(32)의 핀 높이가 핀(26)의 핀 높이에 비해 크기 때문에, A군의 튜브(20)와 B군의 튜브(20) 사이에 양호한 단열이 이루어진다. 우선, 핀 높이가 크면 열전달 경로를 길게 하여, 핀 높이가 작은 핀(26)에 의해 격리되어 있는 튜브(20)에 비해, 추가의 핀(32)에 의해 격리되어 있는 튜브(20)에 대한 하나의 튜브(20)로부터의 열전달을 방해하게 된다. 다음에, 핀(32)이, 헤더(10, 12) 사이에서 핀(26, 32)을 통해 튜브(20) 사이를 전형적으로 통과하게 되는 냉각 유체 또는 가열 유체의 경로에 위치되고, 그 핀 높이가 크기 때문에, 가열 유체 또는 냉각 유체의 온도를 좌우하는 경향이 커서 A군의 사이드 플레이트(42) 반대쪽 최내측 튜브(20)를, B군의 사이드 플레이트(42) 반대쪽 최내측 튜브(20)와 단열시킨다.
이상으로부터, 본 발명에 따른 다중 유체 열교환기는 경제적으로 제조되며, 추가의 핀(32)을 사용하는 것과 배출공 튜브 슬롯(24) 사이에서 연장되는 데드 튜브를 생략하는 것을 제외하고는, 기존의 제조 기술을 변경할 필요가 없다는 것을 이해하여야 한다.
또한, 브레이징 중에 가스 압력이 상승되어 헤더(10, 12) 사이의 배플(30)에서 누출이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 추가의 핀(32)을 사용함으로써, 양호한 단열이 유지된다.
이상, 본 발명에 따른 다중 유체 열교환기의 바람직한 형태를, A군 및 B군 각각을 통과하는 2종류의 유체를 사용하기에 적절한 이중 유체 열교환기의 형태로 설명하였으나, 본 발명에 따른 열교환기는 2종류 이상의 유체를 수용하도록 만들어질 수도 있으며, 상기 2종류의 유체 흐름 외에 추가의 유체가 흐를 수 있는, A군 및 B군 이외의 추가의 튜브 군을 구비할 수도 있다. 이와 관련하여, 배출공 튜브 슬롯(24)(또는 대체 배출공), 배플(20), 및 추가의 핀(32)이, 상이한 유체 흐름을 위한 각각의 인접 튜브 군 사이에 반복되거나, 인접 튜브 군을 통과하는 2종류의 유체 흐름 사이의 상호 혼합 및/또는 열전달이 큰 문제가 아닌 경우에는 배출공을 구비하거나 구비하지 않은 하나의 배플 및/또는 추가의 핀(32)이 인접 튜브 군 사이에 제공될 수 있다. 따라서, 청구범위에서 한정되지 않는 한, 이중 유체 열교환기에는 제한이 없다.

Claims (16)

  1. 제3의 유체 흐름에 의해 가열 또는 냉각되는 2종류 이상의 유체 흐름을 위한 별도의 유동 경로를 가지는 다중 유체 열교환기에 있어서,
    양 단부를 가지며 평행하게 이격된 기다란 제1 및 제2 튜브형 헤더,
    각각의 상기 헤더에 이격되어 있는 복수의 기다란 튜브 슬롯,
    상기 제1 헤더와 제2 헤더 사이에서 연장되며 양 단부가 상기 튜브 슬롯 중 대응되는 슬롯에 수용되는 복수의 납작한 튜브,
    각각의 상기 헤더에서 상기 납작한 튜브 중 하나에 의해 점유되어 있지 않은 하나의 튜브 슬롯,
    각각의 상기 헤더의 한 쌍의 배플, 및
    핀
    을 포함하고,
    상기 기다란 튜브 슬롯 중에서 한쪽 헤더의 튜브 슬롯은 다른 쪽 헤더의 슬롯과 대면하여 정렬되어 있고,
    상기 각각의 헤더의 상기 점유되어 있지 않은 하나의 튜브 슬롯은 서로 정렬되어 있으며 상기 헤더의 단부 사이의 소정의 위치에서 2개의 상기 납작한 튜브 군 사이에 위치되고,
    상기 핀은 상기 2개의 군 각각에서 적어도 인접하는 튜브 사이에서 연장되어 열전달을 하고,
    상기 한 쌍의 배플 중에서 하나는, 한쪽의 튜브 슬롯과 그 인접하는 튜브 슬롯 사이에 배치되고, 다른 하나는, 반대쪽 튜브 슬롯과 그 인접하는 튜브 슬롯 사이에 배치되는
    다중 유체 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 2개의 군의 말단 튜브에 열교환을 위한 추가의 핀을 포함하고, 상기 말단 튜브 중 하나는 한쪽의 인접한 튜브 슬롯에 배치되고, 상기 말단 튜브 중 나머지 하나는 반대쪽의 인접한 튜브 슬롯에 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 유체 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 핀은 모두 사행(serpentine) 핀이며, 상기 추가 핀의 핀 높이는 다른 핀의 핀 높이의 2배보다 큰 것을 특징으로 하는 다중 유체 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2개의 군 중 하나와 연관되는 튜브 슬롯은 상기 2개의 헤더 각각에서 군을 이루어 실질적으로 균일하게 이격되고, 상기 2개의 군 중 다른 하나와 연관되는 튜브 슬롯은 상기 2개의 헤더 각각에서 군을 이루어 실질적으로 균일하게 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 다중 유체 열교환기.
  5. 제3의 유체 흐름에 의해 가열 또는 냉각되는 2종류의 유체 흐름을 위한 별도의 유동 경로를 가지는 다중 유체 열교환기에 있어서,
    양 단부를 가지며 평행하게 이격된 기다란 제1 및 제2 튜브형 헤더,
    각각의 상기 헤더에 이격되어 있는 복수의 기다란 튜브 슬롯,
    상기 제1 헤더와 제2 헤더 사이에서 연장되며 양 단부가 상기 튜브 슬롯 중 대응하는 슬롯에 수용되는 복수의 납작한 튜브,
    서로 정렬되어 있으며 상기 헤더의 단부 사이의 소정의 위치에서 2개의 상기 납작한 튜브의 2개의 군 사이에 위치되는 배출공(weep hole),
    각각의 상기 헤더의 한 쌍의 배플,
    2개의 군 각각에서 적어도 인접하는 튜브 사이에서 연장되어 열전달을 하는 핀,
    상기 2개의 군 각각의 인접하는 튜브 사이에서 연장되어 접합되며 제1 핀 높이를 가지는 제1 사행 핀, 및
    상기 한쪽의 인접하는 튜브 슬롯의 튜브와 상기 반대쪽의 인접하는 튜브 슬롯의 튜브 사이에서 연장되어 있으며 상기 제1 핀 높이보다 큰 제2 핀 높이를 가지는 제2 사행 핀
    을 포함하고,
    상기 기다란 튜브 슬롯 중에서 한쪽 헤더의 튜브 슬롯은 다른 쪽 헤더의 슬롯과 대면하여 정렬되어 있고,
    상기 한 쌍의 배플 중에서 하나는, 상기 배출공의 한쪽, 및 상기 한쪽의 인접하는 튜브 슬롯 사이에 배치되고, 다른 하나는, 상기 배출공의 반대쪽, 및 상기 반대쪽의 인접하는 튜브 슬롯 사이에 배치되는
    다중 유체 열교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 핀 높이는 상기 제1 핀 높이의 2배에 상기 튜브 중 하나의 작은 쪽 치수를 더한 것과 동일한 것을 특징으로 하는 다중 유체 열교환기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 2개의 군 중 하나와 연관되는 튜브 슬롯은 상기 헤더 각각에서 군을 이루어 실질적으로 균일하게 이격되고, 상기 2개의 군 중 다른 하나와 연관되는 튜브 슬롯은 상기 헤더 각각에서 군을 이루어 실질적으로 균일하게 이격되는 것을 특징으로 하는 다중 유체 열교환기.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 배출공은 각각 상기 헤더의 튜브 슬롯 중 하나의 튜브 슬롯의 형태로 제공되고, 상기 하나의 튜브 슬롯은 임의의 상기 납작한 튜브에 의해 점유되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 다중 유체 열교환기.
  9. 제3의 유체에 의해 가열 또는 냉각되는 2종류 이상의 유체를 위한 다중 유체 열교환기의 제조 방법에 있어서,
    a) 각각의 헤더의 길이방향에 대해 실질적으로 횡방향으로 연장되며 이격된 기다란 튜브 슬롯을 구비하는 2개의 기다란 튜브형 헤더를 제공하는 단계,
    b) 양쪽 헤더의 배출공 튜브 슬롯이 동일한 위치에 있도록, 각각의 상기 헤더에서 배출공으로 사용하기 위해 배출공 튜브 슬롯을 선택하고, 상기 배출공 튜브 슬롯의 양쪽에서 각각의 헤더에 배플(baffle)을 설치하는 단계,
    c) 상기 튜브 슬롯들이 서로 대면되도록 하며 대응되는 튜브 슬롯이 서로 대향되도록 상기 헤더를 정렬시키는 단계,
    d) 사행 핀과, 상기 튜브 슬롯에 수용되는 치수를 가지는 단부를 구비한 납작한 튜브를 교대로 배치치함으로써 열교환기 코어(core)를 성형하되, i) 1개를 제외한 모든 사행 핀은 인접하는 튜브 슬롯 사이의 거리와 대략 동일한 핀 높이를 갖고, ii) 제외된 상기 1개의 사행 핀은 상기 배출공 튜브 슬롯과 정렬되어 위치되는 2개의 튜브 슬롯 사이의 거리와 실질적으로 동일한 핀 높이를 가지도록, 성형하는 단계,
    e) 상기 튜브의 단부를 상기 배출공 튜브 슬롯이 아닌 상기 튜브 슬롯 중 대응되는 튜브 슬롯에 들어가도록 함으로써 상기 헤더를 상기 코어에 끼우는 단계,
    f) 상기 핀의 크레스트(crest)가 상기 핀을 협지시킨 상기 튜브들과 접촉하도록 상기 코어를 상기 헤더의 길이방향으로 압축시키는 단계, 및
    g) 상기 튜브 슬롯 내에 위치하는 튜브 단부들과 상기 사행 핀을, 상기 사행 핀을 협지시키는 상기 튜브에 샌드위치되도록 금속열역학적으로 접합시키는 단계
    를 포함하는 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단계 f)가 적어도 상기 단계 c)에 선행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 단계 f)가 상기 단계 e)에 선행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 단계 f)가 상기 단계 e)에 선행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 단계 b)는 각각의 상기 헤더의 배출공 튜브 슬롯의 양쪽에서 상기 헤더에 배플 수용 슬롯을 형성하는 단계 및 상기 배플을 상기 배플 수용 슬롯에 삽입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 헤더, 상기 핀, 상기 튜브, 및 상기 배플은 금속으로 형성되며, 상기 단계 g) 전에, 상기 헤더와, 상기 튜브 단부와, 상기 배플의 접점, 및 상기 튜브와 상기 핀의 접점에 브레이징 컴파운드(brazing compound)를 배치하는 단계가 선행되고, 상기 단계 f)는 상기 단계 g)가 실행되는 동안에 유지되며, 상기 단계 g)는 상기 단계 e)의 결과에 따른 조립체를 상승된 브레이징 온도로 처리함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 금속은 알루미늄 또는 알루미늄합금인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  16. 제3의 유체에 의해 가열 또는 냉각되는 2종류 이상의 유체를 위한 다중 유체 열교환기의 제조 방법에 있어서,
    a) 헤더의 길이방향에 대해 실질적으로 횡방향으로 연장되며 이격된 기다란 튜브 슬롯을 구비하는 2개의 기다란 튜브형 헤더를 제공하는 단계,
    b) 상기 각각의 헤더에 배출공을 제공하되, 양쪽 헤더의 배출공은 동일한 위치에 있으며, 상기 배출공의 양쪽에서 각각의 헤더에 배플을 설치하는 단계,
    c) 상기 헤더를, 튜브 슬롯이 서로 대면되고 대응되는 튜브 슬롯이 서로 대향되도록 정렬시키는 단계,
    d) 사행 핀과, 상기 튜브 슬롯에 수용되는 치수를 가지는 단부를 구비한 납작한 튜브를 교대로 배치하되, 상기 핀 중 하나는 상기 배출공과 정렬되도록 배치되어, 상기 배출공의 양쪽 배플에 인접하여 위치되는 튜브 슬롯에 수용되는 한 쌍 의 튜브 사이에서 연장되며 다른 사행 핀보다 큰 핀 높이를 가지도록 하는 단계,
    e) 상기 튜브의 단부를 상기 튜브 슬롯 중 대응되는 튜브 슬롯에 들어가도록 함으로써 상기 헤더를 상기 코어에 끼우는 단계,
    f) 상기 핀의 크레스트가 상기 튜브들과 접촉하도록 상기 코어를 상기 헤더의 길이방향으로 압축시키는 단계, 및
    g) 상기 튜브 슬롯 내에 위치하는 튜브 단부들과 상기 사행 핀을, 상기 사행 핀을 협지시키는 상기 튜브에 샌드위치되도록 금속열역학적으로 접합시키는 단계
    를 포함하는 제조 방법.
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