KR20070061754A - 열교환기 및 열교환기 매니폴드 제조 방법 - Google Patents

열교환기 및 열교환기 매니폴드 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 평행한 열 교환관(5) 및 슬롯(4)을 구비한 두 개의 매니폴드(1)로 이루어지는 냉각 코어를 갖는 열 교환기에 관한 것으로, 열 교환관(5)의 단부들은 각각의 매니폴드와 유체연결되도록 삽입되며, 각 슬롯(4)은 슬롯 개구(7) 및 매니폴드의 변형된 벽부로부터 형성된 평행하게 이어지는 슬롯 벽부에 의해 형성된다. 열 교환기의 구조 강성을 개선하기 위해, 상기 슬롯(4)의 외측면들은 매니폴드 외측 표면에 요면(2)을 형성하는 매니폴드 벽부에 대해 내측으로 변형되고, 상기 슬롯(4)의 내측면들은 매니폴드 내측 표면에 철면(3)을 형성하는 매니폴드 벽부에 대해 내측으로 변형되며, 철면(3)들은 열 교환관(5)의 단부의 종방향 에지의 적어도 일부분을 수용하도록 슬롯 벽부(10)를 형성하는 홈(6)들을 포함한다. 이러한 열 교환기 매니폴드 제조 방법이 또한 제공된다.

Description

열교환기 및 열교환기 매니폴드 제조 방법{A HEAT EXCHANGER AND A METHOD OF MANUFACTURING A HEAT EXCHANGER MANIFOLD}
도 1은 초기 매니폴드 프로파일 단편의 횡단면도 및 축측도(axonometric view).
도 2는 요철 덴트(concavo-convex dents)를 형성한 후의 초기 매니폴드 프로파일 단면의 횡단면도 및 축측도.
도 3은 두 개의 열 교환관들이 대응 슬롯 내부에 삽입된 최종 매니폴드 단편의 도면.
도 4는 도 3의 슬롯의 횡단면도.
도 5는 도 4의 슬롯의 평면도.
도 6은 슬롯 홈에 인접한 구조를 상세히 도시하고 있는, 도 4의 슬롯의 단편의 축측도.
도 7a, 7b, 7c 및 7d는 네 개의 상이한 슬롯 실시예에 적합한 열 교환관의 단편을 갖는 매니폴드 벽부를 따르는 슬롯의 단면도.
도 8은 축측도에서 직사각형 단면을 갖는 매니폴드의 다른 실시예의 부분도.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
1: 열 교환기 매니폴드 2: 요면
3: 철면 4: 슬롯
5: 열 교환관 6: 홈
7: 슬롯 개구 8: 숄더부
9: 편평한 부분 10: 슬롯 벽부
11: 매니폴드 벽부
본 발명은 복수의 평행한 열 교환관들로 이루어진 냉각 코어, 및 슬롯을 구비하는 두 개의 매니폴드를 갖는 열 교환기에 관한 것이며, 상기 열 교환관들의 단부들은 각 매니폴드와 유체연결되도록 삽입되고, 각각의 슬롯은 슬롯 개구, 및 매니폴드의 변형된 벽부로부터 형성된 평행하게 이어지는 슬롯 벽부에 의해 형성된다. 이러한 열 교환기 매니폴드를 제조하는 방법이 또한 제공된다.
통상적인 열 교환기는 내부에 냉각 코어 도관이 삽입되는 개구를 갖는 매니폴드를 포함한다. 이러한 열 교환기에서, 냉각 코어 도관은 탱크의 일 벽부와만 접촉상태로 유지된다. 따라서, 결과적으로 이음부가 작으며, 이는 구조의 강성을 감소시킨다.
이러한 문제에 대한 해결책은 미합중국 특허 제5,842,515호에 제시되어 있으며, 이 특허는 복수의 대응하는 열 교환관들을 수용하기 위한 복수의 개구들을 갖도록 형성된 편평한 바닥부를 갖는 매니폴드, 및 편평한 바닥부의 대향 측면들로부 터 연장하며 도관들을 안내하기 위한 개구에 대응하는 복수의 홈을 갖는 한 쌍의 수직 벽부를 포함하는 열 교환기를 개시한다. 횡방향으로 연장하거나 수직 벽부로부터 외측으로 융기하는 한 쌍의 연결부가 제공되어, 중공 내부공간을 형성하고 매니폴드의 외측 표면을 형성하도록 함께 연결된다.
이러한 문제에 대한 다른 해결책이 미합중국 특허 제5,743,329호에 제안되어 있으며, 이 특허는 외부 케이싱 및 내부 케이싱을 가지며, 상기 매니폴드의 종축에 대체로 수직인 평면내에 놓이는 하나 이상의 슬롯을 포함하는 매니폴드를 갖는 열 교환기를 개시하고 있으며, 상기 슬롯은 평행하게 이어지는 매니폴드의 슬롯 벽부에 의해 제한되는 폭이 좁은 측면들에 의해 형성되며, 평행하게 이어지는 매니폴드의 슬롯 벽부는 대체로 매니폴드 종축 둘레의 원에 대한 접선을 따라 연장된다. 슬롯의 폭은 적어도 매니폴드의 내경과 동일하여 슬롯이 편평한 열 교환관을 수용할 수 있다. 슬롯의 벽부는 벽 두께가 일정한 매니폴드의 변형된 벽부로부터 형성되고, 슬롯 벽부의 외측면은 매니폴드의 외부 케이싱 외부에 놓인다. 상기 슬롯 벽부의 내측면은 매니폴드 내부 케이싱에 대해 방사상 외측으로 편향되며, 슬롯 벽부와 매니폴드 내부 케이싱 사이에는 숄더부가 형성된다.
본 발명의 목적은 개선된 구조 강성을 갖는 열 교환기를 제공하는 것이며, 이러한 열 교환기에서 매니폴드는 안정적이고 정확한 방법으로 열 교환관의 단부와 연결된다. 본 발명의 다른 목적은 단순하고 확실한 열 교환기 매니폴드 제조방법을 제공하는 것이며, 이러한 방법은 추후 최종 열 교환기에 통합될 수 있도록 열 교환기 매니폴드의 예비조립 및 제조를 용이하게 한다.
본 발명에 따르면, 슬롯의 외측면이 매니폴드 벽부에 대해 내측으로 변형되어 매니폴드 외측 표면에 요면(concavities)을 형성하고, 상기 슬롯의 외측면이 매니폴드 벽부에 대해 내측으로 변형되어 매니폴드 내측 표면에 철면(convexities)을 형성하는 열 교환기가 제공되며, 상기 철면은 열 교환관의 종방향 에지의 적어도 일부를 수용하도록 슬롯 벽부를 형성하는 홈들을 포함한다.
본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 열 교환기 매니폴드를 제조하는 방법이 또한 제공되며, 이 방법은,
(ⅰ) 매니폴드의 관형상 폐쇄 프로파일을 형성하는 단계,
(ⅱ) 상기 매니폴드의 외측 및 내측 표면에 한 쌍의 요면 및 철면을 각각 형성하도록 양 측면으로부터 내측으로 프로파일 벽부를 변형시키는 단계,
(ⅲ) 내측으로 변형된 곡선형 매니폴드 벽부에 의해 둘러싸인 슬롯 개구들을 형성하도록 각각의 철면 쌍들 사이에 상기 매니폴드를 랜싱(lancing)하는 단계, 및
(ⅳ) 각각의 철면 쌍들의 내부에 홈들을 절삭하는 단계,를 포함한다.
본 발명의 다른 바람직한 특징 및 이점들은 하기의 상세한 설명 및 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.
이하, 하기의 도면을 참조로 예로서 본 발명을 설명한다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 열 교환기 매니폴드(1)는 초기에 폐쇄되어 있는 벽 두께(w)의 알루미늄 합금 프로파일로 제조될 수 있다. 이러한 유형의 프로파일은 시판되고 있거나, 대안적으로 당업자에게 공지되어 있는 통상적인 방법, 예를 들면 용접 또는 압출과정에 의해 제조될 수 있다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 방법의 다음 단계에서, 관형 매니폴드(1) 프로파일의 벽부는 매니폴드(1)의 외측 및 내측 표면에 각각 요면(2) 및 대응 철면(3)을 갖는 일련의 요철 덴트를 형성하도록, 매니폴드의 종축에 수직하게 매니폴드의 대향면 상에서 내측으로 변형된다.
이러한 변형으로 인해, 요면(2)의 바닥들 사이의 거리(Z)는 매니폴드 외경(D)보다 작은 반면, 철면(3)의 상부들 사이의 거리(X)는 매니폴드 내경(d)보다 작다. 요면(2) 및 철면(3) 사이의 매니폴드 프로파일의 벽 두께(w)는 실질적으로 다른 곳의 매니폴드 벽 두께와 동일하다.
도 3에는 최종 매니폴드(1)의 단편이 도시되어 있다. 요철 덴트의 각 쌍은 열 교환관(5)의 슬롯(4)에 적합한 베이스 구조를 형성한다. 슬롯(4)은 철면(3)의 상부에서 아래로 매니폴드 벽부를 랜싱하여 형성되며, 각 슬롯(4)의 형상은 내부에 삽입되는 각각의 열 교환관(5)의 단부 횡단면 형상과 대응한다. 슬롯의 세부 구조 및 랜싱 과정은 특히 도 4를 참조로 하기에 설명된다.
도면의 명확성을 위해, 내측 변형 단계(도 2) 후의 매니폴드는 슬롯을 형성하는 단계(도 3) 후의 매니폴드로 별도로 도시되어 있으며, 매니폴드 벽부에 요철 덴트를 제공하는 단계 및 적절한 도구를 이용하여 단일한 작업으로 슬롯을 랜싱하는 단계를 결합하는 것이 가능하며 유리함이 이해될 것이다.
실질적으로 편평한 두 개의 열 교환관(5)은 매니폴드(1)의 대응 슬롯(4) 내 부에 삽입된 것으로 도시되어 있다. 전체 열 교환기는 복수의 평행한 열 교환관(5)에 의해 연결된 두 개의 매니폴드(1)를 포함한다. 예비 조립후에, 열 교환기는 원샷 브레이징 작업(one shot brazing operation)이 진행되는 오븐 내부에 배치된다.
철면(3)의 상부에서 하부로 매니폴드를 랜싱하는 과정은 철면(3) 내에 둥근 홈(6)을 형성한다. 이들 홈(6)은 슬롯 개구(7)의 외부 에지에 통합되는 외측 단부를 갖는다. 홈(6)은 도관(5) 및 매니폴드(1) 사이에 연결부 표면 영역을 증가시키며, 이에 따라 도관(5) 및 매니폴드(1) 사이의 연결이 보다 견고해지고, 열 교환기의 전체 구성이 구조적으로 더 강해진다.
또한, 홈(6)은 열 교환기를 예비 조립하는 동안 도관(5)을 매니폴드(1) 내부로 안내하기 용이하게 하는데, 이를 위해 홈들은 도관(5)의 종방향 에지에 정확히 조립된다. 또한, 홈(6)은 도관의 단부들의 추가 이동을 방지하는 내측 숄더부(8)를 포함한다. 이들 홈은 각 도관(5)이 홈(6)의 대응 숄더부(8)와 접촉할 때까지 각 도관(5)이 동일한 거리만큼 매니폴드(1)의 슬롯(4) 내부에 삽입되도록 보장한다.
이러한 매니폴드의 실시예에서, 인접하는 슬롯 개구(7)들 사이의 벽부는 매니폴드 슬롯을 랜싱하는 최종 단계중에 형성된 편평한 부분(9)을 포함한다. 편평한 부분(9)은 랜싱된 개구(7) 상에 모래시계형 변형 효과를 감소시키고, 매니폴드 개구의 균일한 폭을 보장한다.
도 4 및 도 5는 모든 필수적인 형상 및 치수를 갖는 슬롯(4)의 횡단면을 도 시한다. 슬롯 개구의 폭(L) 또는 슬롯 홈들 사이의 거리는 도관(5)의 폭에 대응하는 반면, 슬롯 개구(7) 및 홈(6)의 내측 숄더부(8) 사이의 거리는 도관(5) 삽입 깊이와 동등한 슬롯 깊이(h)를 결정한다. 슬롯의 깊이(h)는 홈(6)이 형성되는 철면의 전체 길이(H)보다 짧다. 관형 매니폴드의 경우, 홈(6)의 최대 허용 깊이(h)는 명백히 철면(3)의 길이(H)에 좌우된다. 슬롯 벽부(10)의 두께(E)는 초기 매니폴드 프로파일의 두께(w)보다 얇다.
도 5의 평면도에 도시되어 있는 바와 같이, 요면(2)의 폭(B)은 슬롯(4)의 폭(C)보다 넓다. 또한, 관형 매니폴드 프로파일에서, 요면의 깊이(A)는 철면의 길이(H) 및 그에 따른 슬롯 홈(6)의 허용 가능한 최대 깊이(h)를 결정한다.
슬롯에 인접한 매니폴드 벽부의 구조를 도시하고 있는 도 6을 참조하면, 슬롯 개구(7)의 종방향 측면들은 랜싱 작업에 의해 형성된 곡선형 매니폴드 벽부(11)에 의해 둘러싸인다. 이는 랜싱 작업으로 야기된 노칭과 융기를 결합한 결과로, 열 교환관 및 매니폴드(1) 사이에 확대된 접촉 표면적을 초래한다.
슬롯을 제조하는데 적절한 도구에는 일체로 형성된 한 쌍의 전단 및 성형 부재들이 있을 것이며, 이들 부재들은 요철 슬롯 덴트를 형성하는 단계, 슬롯 개구를 랜싱하는 단계 및 단일 공정으로 홈을 형성하는 단계들을 통합시킨다.
또한, 이러한 도구는 슬롯(4)을 랜싱하는 중에 매니폴드 프로파일 내에 편평한 부분(9)을 형성하기 위한 펀칭부를 포함할 수 있다.
명백하게, 슬롯은 적절한 도구를 이용하여 연속적으로 번갈아 제조되고, 보다 바람직하게는 두 개의 슬롯들 사이의 거리에 의해 평행하게 이격되어 배치된 일 련의 연결된 도구들을 동시에 이용하여 슬롯을 각각 덴팅/랜싱/절단한 후에, 두 개의 슬롯들 사이의 미리 형성된 거리에 의해 매니폴드 프로파일을 변위시킬 수 있다.
또한, 슬롯은 전술한 것과 다른 유형의 도구를 사용하여 제조될 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명에 따른 방법은 예를 들면 직사각형, 원형 또는 타원형과 같이 다양한 슬롯 형상을 형성하는데 사용될 수 있다. 또한, 이러한 방법은 용이하게 실행되고 자동화될 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 매니폴드 벽부를 따르는 슬롯 형상의 예시적인 단면도를 나타낸다. 도 7a는 요면(2) 및 철면(3)이 실질적으로 타원형인 슬롯을 도시하고 있다. 실질적으로 직사각형인 요면(2b) 및 철면(3b)을 갖는 슬롯이 도 7b에 도시되어 있다. 도 7c는 이중 요면(2c) 및 대응하는 이중 철면(3c)을 갖는 슬롯을 도시하며, 이들은 예를 들면, 덴트의 형상을 반영하는 적절한 형상의 압착 부재를 갖는 도구를 이용하여 형성될 수 있다. 도 7d는 실질적으로 직사각 형상인 이중 요면(2d) 및 철면(3d)을 갖는 슬롯을 도시하고 있다.
도 8은 직사각형 단면을 갖는 본 발명에 따른 매니폴드(1a)의 다른 예시적 실시예를 나타낸다. 도 3의 매니폴드에 비해서, 이 프로파일은 매니폴드 프로파일의 높이를 따라 실질적으로 일정한 깊이의 요면 및 철면을 갖는 덴트를 포함한다.
본 발명에 따른 열 교환기의 전술한 실시예들은 단지 예시일뿐이다. 도면은 반드시 일정한 비율일 필요는 없으며, 일부 특징들은 과장되거나 축소될 수 있다. 또한, 열 교환기가 자동차의 공기조화 시스템의 방열기 또는 응축기일 수 있음이 당업자에게 이해될 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기는 개선된 구조 강성을 가지며, 매니폴드가 안정적이고 정확한 방법으로 열 교환관의 단부와 연결될 수 있도록 하며, 본 발명에 따른 열교환기 매니폴드 제조 방법은 단순하고 확실하며 열 교환기 매니폴드의 예비조립 및 제조를 용이하게 할 수 있다.

Claims (6)

  1. 하나 이상의 열 교환관을 포함하는 냉각 코어, 및 슬롯을 구비하는 하나 이상의 매니폴드를 갖는 열 교환기로서,
    상기 열 교환관의 일단부가 상기 매니폴드와 유체연결되도록 삽입되고, 각 슬롯이 슬롯 개구 및 상기 매니폴드의 변형된 벽부에 형성된 슬롯 벽부에 의해 형성되는, 냉각 코어를 갖는 열 교환기에 있어서,
    상기 슬롯(4)의 외측면들이 상기 매니폴드 벽부에 대해 내측으로 변형되어 상기 매니폴드(1) 외측 표면에 요면(2)을 제공하고,
    상기 슬롯(4)의 내측면들이 상기 매니폴드 벽부에 대해 내측으로 변형되어, 상기 매니폴드(1) 내측 표면에 철면(3)을 제공하며,
    상기 열 교환관(5)의 단부의 종방향 에지의 적어도 일부분을 수용하도록 상기 슬롯 벽부(10)를 제공하는 상기 철면(3) 내에 홈(6)들이 형성되는 것을 특징으로 하는
    냉각 코어를 갖는 열 교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 홈(6)의 내측 단부들이 숄더(8)에 의해 제한되며, 상기 숄더(8)는 상기 열 교환관(5)의 단부들을 상기 매니폴드(1) 내부로 삽입하는 깊이를 제한하는 것을 특징으로 하는
    냉각 코어를 갖는 열 교환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 매니폴드(1)가 인접하는 슬롯 개구(7)들 사이에 편평한 부분(9)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    냉각 코어를 갖는 열 교환기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매니폴드(1)는 관형상이며, 횡단면이 실질적으로 직사각형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는
    냉각 코어를 갖는 열 교환기.
  5. 열 교환관을 수용하는 복수의 슬롯들을 포함하는 열 교환기 매니폴드를 제조하는 방법으로서,
    상기 열 교환관의 단부들이 상기 매니폴드와 유체연결되도록 삽입되고, 각 슬롯이 슬롯 개구 및 상기 매니폴드의 변형된 벽부로부터 형성된 슬롯 벽부에 의해 형성되는, 열 교환기 매니폴드 제조 방법에 있어서,
    (ⅰ) 매니폴드의 관형상 폐쇄 프로파일을 형성하는 단계,
    (ⅱ) 상기 매니폴드의 외측 및 내측 표면에 한 쌍의 요면 및 철면을 각각 형성하도록 양 측면으로부터 내측으로 프로파일 벽부를 변형시키는 단계, 및
    (ⅲ) 내측으로 변형된 곡선형 매니폴드 벽부에 의해 둘러싸인 슬롯 개구들을 형성하도록 각각의 철면 쌍들 사이에 상기 매니폴드를 랜싱하는 단계,
    (ⅳ) 각각의 철면 쌍들의 내부에 홈들을 절삭하는 단계,를 포함하는 것을 특징으로 하는
    열 교환기 매니폴드 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    인접하는 슬롯 개구들 사이에 편평한 부분을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    열 교환기 매니폴드 제조방법.
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