KR20070117102A - 열교환기의 헤더 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기의 헤더 구조에 관한 것으로 열교환기의 헤더부재(3)가 몸체 내부에 돌설되는 리브부(10)와, 튜브결합구멍(3a)을 통해 결합하는 튜브플레이트부재(1)의 단부를 상기 리브부(10)에 결합시키는 리브결합부(20)를 포함하는 것이다.

즉, 튜브플레이트부재(1)는 헤더부재(3)의 튜브결합구멍(3a)으로 결합하여 그 외측면이 튜브결합구멍(3a)에 밀착되어 블레이징되고, 그 단부가 리브부(10)에 결합하여 블레이징되어 고정되는 것이다.

따라서, 헤더부재(3)와 튜브플레이트부재(1)를 더욱 견고하게 결합하여 고정시킬 수 있어 결합부분에서의 내압성과 내구성이 증대되고, 초임계 사이클에서 사용되는 고압의 냉매의 고압에도 견딜 수 있는 강성을 가지는 효과가 있는 것이다.

Description

열교환기의 헤더 구조{Header Structure of Heat Exchanger}

도 1a 내지 도 1b는 종래의 열교환기 헤더 구조를 도시한 요부확대도

도 2는 본 발명의 구성을 도시한 분해사시도

도 3a 내지 도 3c는 본 발명인 헤더부재의 실시 예를 도시한 단면도

도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 결합상태를 도시한 사용상태도

*도면 중 주요 부호에 대한 설명*

1 : 튜브플레이트부재 2 : 핀부재

3 : 헤더부재 10 : 리브부

11 : 리브돌기 12 : 리브가이더

20 : 리브결합부 21 : 노치홈

22 : 튜브끼움홈

본 발명은 열교환기의 헤더 구조에 관한 것으로 더 상세하게는 헤더의 내압 강도를 증대시켜 초임계 냉동사이클에서 사용이 가능하도록 발명된 것이다.

일반적으로 자동차에는 탑승객의 호흡이나 외부 대기 상태, 외부의 온도변화 등에 의하여 오염된 실내를 신선한 상태로 유지하거나 실내 온도를 냉, 난방하여 탑승자의 신체에 적합한 온도로 유지시켜 쾌적한 실내 환경을 형성할 수 있도록 하는 공조장치가 설치된다.

이 공조장치에는 차량 엔진룸의 전방에 설치되어 열교환을 통해 외부공기를 가열, 냉각시키는 열교환기가 구비된다.

이 열교환기는 내부로 열 교환되는 유체가 통과되며, 간격을 두고 다수개 구비되는 튜브플레이트부재와, 이 튜브플레이트부재 사이에 장착되어 열을 전달하는 면적을 넓히는 핀부재와, 상기 튜브플레이트부재의 양 단부에 결합하여 연통되며 내부에 열교환 유체를 통과시키는 한 쌍의 헤더부재를 포함한다.

그리고 통상의 냉방용 열교환기는 냉매를 헤더부재로 유입시킨 후 각 튜브플레이트부를 통과시킨 후 헤더부재를 통해 배출하여 냉동 사이클로 재순환시키면서 주변 공기의 열을 빼앗아 냉기로 만드는 것이다.

도 1a에서 도시한 바와 같이 통상의 헤더부재(3)는 관형상으로 하나의 몸체를 가지도록 형성되어 일측에 튜브플레이트부재(1)의 단부가 결합하는 튜브결합구멍(3a)이 간격을 두고 다수개 뚫려진다.

또 도 1b에서 도시한 바와 같이 헤더부재(3)는 양 단이 각각 접합되어 관형상으로 형성된 두개의 헤드몸체를 가짐으로써 일측에 튜브플레이트의 단부가 결합하는 튜브결합구멍(3a)이 간격을 두고 다수개 뚫려진다.

상기 열교환기의 헤더부재(3)와 튜브플레이트부재(1)의 결합은 상기 튜브결합구멍(3a)에 튜브플레이트부재(1)를 결합한 후 용접하여 고정시키거나 열교환기 몸체 전체를 조립한 후 브레이징(Brazing)하여 고정시키고 있다.

그러나 상기한 종래의 열교환기는 헤더부가 단순히 관형상으로 형성되어 프레온냉매를 사용하여 냉매의 압력이 낮은 기존의 냉동 사이클에서는 사용이 가능하나 사용 냉매의 압력이 높은 초임계 냉동사이클에서는 그 내압을 견디기에 부족한 문제점이 있었던 것이다.

또, 근래에는 지구 온난화 문제로 프레온 냉매의 사용이 규제되고 있어 이를 대체하는 이산화탄소 냉매를 사용이 증대되고 있는 추세로, 이 이산화탄소를 냉매로 사용하는 이산화탄소 냉동사이클은 고압측, 즉, 압축기의 토출압력이 냉매의 임계압력을 초월하여 100 ~ 150kgf/㎠에 이르므로 단순한 관형상의 헤더부로는 튜브플레이트를 견고히 결합시키기 어려운 폐단이 있었던 것이다.

또한 튜브플레이트부는 헤더부의 튜브결합구멍으로 결합하여 블레이징되어 고정되므로, 블레이징되는 접촉 고정면이 작아 헤더부 내로 유입되는 냉매의 압력에 견디지 못하고 그 결합부분이 분리되는 문제점이 있었던 것이다.

본 발명의 목적은 헤더부 내부에 고정리브를 돌설하고, 이 고정리브에 튜브플레이트부의 단부를 접촉시킴으로써 헤더부와 튜브플레이트부가 견고히 결합되어 고정될 수 있도록 하여 내압강도를 증대시키고, 냉매의 압력이 높은 초임계 냉동사이클에서 사용이 가능한 열교환기의 헤더 구조를 제공하는 데 있다.

이러한 본 발명의 목적은 내부로 열 교환되는 유체가 통과되며, 간격을 두고 다수개 구비되는 튜브플레이트부재와, 이 튜브플레이트부재 사이에 장착되어 열을 전달하는 면적을 넓히는 핀부재와, 내부에 유체가 통과하는 유로가 형성된 관형상의 몸체 일측면에 상기 튜브플레이트부재의 단부가 결합하는 튜브결합구멍이 간격을 두고 다 수개 형성되어 상기 튜브플레이트부재의 양 단부에 각각 결합하는 한 쌍의 헤더부재를 포함한 열교환기에 있어서, 상기 헤더부재는 몸체 내부에 돌설되는 리브부와, 튜브결합구멍을 통해 결합하는 튜브플레이트부재의 단부를 상기 리브부에 결합시키는 리브결합부를 포함함으로써 달성된다.

즉, 상기 튜브플레이트부재는 단부가 리브결합부를 통해 리브부로 결합하여 블레이징되므로 단부는 리브부에 블레이징되어 고정되고, 외측면은 튜브결합구멍과 블레이징되어 고정됨으로써 헤더부재에 견고하게 장착 고정되는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 구성을 도시한 분해사시도로서, 다수의 튜브플레이트부재 사이에 핀부재가 장착되어 열교환기몸체를 이루고 이 열교환기몸체의 양 측으로 본 발명인 헤더부재가 튜브플레이트부재의 단부로 결합하는 것을 나타내고 있다.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명인 헤더부재의 실시 예를 도시한 단면도로서, 도 3a 내지 도 3b는 리브부가 헤드부재에 일체로 접혀져 내부로 돌출된 것을 나타내고 있고, 도 3c는 리브부가 별도로 제조되어 헤더부재의 내부에 구비되는 가이드부에 삽입되어 결합되는 것을 나타내고 있다.

도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 결합상태를 도시한 사용상태도로서, 도 4a는 리브결합부가 튜뷰플레이트부재의 단부에 형성되는 노치홈으로 형성되는 것을 나타내고 있고, 도 4b는 리브결합부가 리브부에 간격을 가지고 다수개 형성되는 튜브끼움홈으로 형성되는 것을 나타내고 있다.

이하, 도 2에서 도시한 바와 같이 본 발명인 열교환기는 유체가 통과되는 튜브형상의 튜브플레이트부재(1)가 간격을 두고 다수개 구비되고, 이 튜브플레이트부재(1)의 사이에 열교환 면적을 넓히는 핀부재(2)가 장착되어 열교환기몸체를 형성하고, 이 열교환기 몸체의 양 측에 각각 튜브플레이트부재(1)로 유체를 유입, 순환시키는 헤더부재(3)가 장착되어 조립되는 것이다.

상기 헤더부재(3)는 각각 열교환유체를 유입시키는 유체유입관과 유체배출관이 연결된다.

즉, 상기 열교환기는 한 헤더부재(3)로 유체유입관을 통해 열교환 유체가 유입되면 각 튜브플레이트부재(1)를 통과해 반대편 헤더부재(3)로 열교환 유체가 모인 후 유체배출관을 통해 다시 배출되어 순환되는 구조를 가지는 것이다.

상기 튜브플레이트부재(1), 핀부재(2), 헤더부재(3)는 열전도성이 우수하고 가볍고 강도가 높은 알루미늄재질로 이루어지며, 각각을 결합하여 조립한 후 블레이징하여 열교환기로 제조되는 것이다.

이 열교환기는 헤더부재(3)로 연결되는 유체유입관을 통해 열교환유체가 헤더부재(3) 내부로 유입된 후 튜브플레이트부재(1)를 통과하면서 열교환기몸체의 전부로 순환되고, 순환 중에 외부공기와 열교환되면서 주위 공기를 가열하거나, 공기의 열을 뺏어 냉각시키는 것이다.

또 열교환기몸체를 순환하여 열교환된 유체는 다시 헤더부재(3)로 배출되어 일시적으로 저장된 다음 모여서 유체배출관으로 배출되어 난방사이클 또는 냉방사이클을 통해 순환되게 되는 것이다.

상기 열교환기에 의해 가열 또는 냉각된 공기는 덕트를 통해 자동차의 실내로 송풍되는 것이다.

이러한 열교환기는 종래의 공지된 구성으로 본 발명의 구성에 포함됨을 밝혀둔다.

본 발명인 헤더부재(3)는 내부에 유체가 통과하는 유로가 형성된 관형상의 몸체를 가지고, 이 몸체 일측면에 상기 튜브플레이트부재(1)의 단부가 결합하는 튜브결합구멍(3a)이 간격을 두고 다 수개 형성되며, 내부에 상기 튜브결합구멍(3a)을 향해 돌설된 리브부(10)가 구비된다.

이 리브부(10)는 도 3a 내지 도 3b에 도시한 바와 같이 헤더부재(3)의 몸체에 일체로 연장되어 접혀져 헤더부재(3)의 내부로 돌출되도록 형성될 수도 있다.

또 리브부(10)는 도 3c에서 도시한 바와 같이 별도로 제조되는 리브돌기(11)와, 헤더부재(3)의 내부에 구비되며 상기 리브돌기(11)가 삽입되는 리브삽입홈(12a)이 길이방향으로 파여진 리브가이더(12)를 포함할 수도 있다.

상기 리브돌기(11)는 상기 리브가이더(12)의 리브삽입홈(12a)에 결합한 후 열교환기 전체 브레이징 시 함께 브레이징되어 헤더부재(3)의 내부로 돌설되게 되는 것이다.

상기 리브부(10)는 외측에 블레이징시트(30)를 구비하거나 블레이징 용제를 도포한 클래드층(31)을 형성하여 튜브플레이트부재(1)가 접촉되어 블레이징될 경우 별도의 처리 없이 블레이징 가능하도록 하는 것이 바람직하다.

또한 상기 튜브결합구멍(3a)은 내측으로 프레스 가공에 의한 버어링부(3b)를 가지도록하여 튜브플레이트부재(1)와의 접촉면적을 확대하는 것이 바람직하다.

상기 헤더부재(3)는 도 3a에서 도시한 바와 같이 이음새 없는 하나의 몸체를 가지는 관형상을 이루고 몸체 내부로 리브부(10)가 접혀져 돌출되도록 압출가공하여 제조된다.

또 상기 헤더부재(3)는 도 3b에서 도시한 바와 같이 리브부(10)가 접혀져 돌출된 판재를 굴곡시켜 양 단부를 접함함으로써 제조할 수도 있다.

즉, 판재를 굴곡시키기 전에 판재를 두 겹으로 접어 리브부(10)를 형성하고 리브부(10)가 형성된 후 판재를 굴곡시켜 헤더몸체를 형성하고 판재의 단부는 접합되어 브레이징되는 것이다.

한편, 상기 리브부(10)는 리브결합부(20)를 통해 튜브플레이트부재(1)의 단부에 결합하며, 결합 후 블레이징되어 튜브플레이트부재(1)의 단부가 고정되는 것이다.

이 리브결합부(20)는 도 4a에서 도시한 바와 같이 튜브플레이트부재(1)의 단부에 형성되는 노치홈(21)으로 형성된다.

즉, 튜브플레이트부재(1)는 노치홈(21)으로 리브부(10)의 단부가 삽입되어 결합하고, 이렇게 결합된 상태에서 블레이징되어 리브부(10)에 고정되는 것이며 리브부(10)가 노치홈(21)에 삽입되므로 그 접촉면적이 넓어 일정이상의 블레이징 강 도를 확보할 수 있는 것이다.

또 상기 리브결합부(20)는 도 4b에서 도시한 바와 같이 리브부(10)에 간격을 두고 다수개 형성되는 튜브끼움홈(22)으로 형성된다.

이 튜브끼움홈(22)은 헤더부재(3)의 몸체에 형성되는 튜브결합구멍(3a)에 대응되는 개수와 간격을 가지고 형성되어 튜브결합구멍(3a)으로 결합하는 각 튜브플레이트부재(1)의 단부가 끼워져 결합하게 되는 것이다.

즉, 상기 튜브플레이트부재(1)는 그 단부가 리브부(10)에 파여진 튜브끼움홈(22)에 끼워져 결합하고 이렇게 결합된 상태에서 블레이징되어 리브부(10)에 고정되는 것이며 그 단부가 리브부(10) 내로 삽입되므로 그 접촉 면적이 넓어 일정이상의 블레이징 강도를 확보할 수 있는 것이다.

상기한 바와 같이 튜브플레이트부재(1)는 헤더부재(3)의 튜브결합구멍(3a)으로 결합하여 그 외측면이 튜브결합구멍(3a)에 밀착되어 블레이징되고, 그 단부가 리브부(10)에 결합하여 블레이징되어 고정되는 것이다.

헤더부재(3)와 튜브플레이트부재(1)는 리브부(10)와 튜브결합구멍(3a)을 통해 이중으로 브레이징되어 고정됨으로 헤더부재(3)의 내부로 유입되는 고압의 냉매에 의해 헤더부재(3)가 밀려 튜브플레이트부재(1)의 단부에서 분리되는 것을 방지하고 이산화 탄소 냉매의 고압을 견딜 수 있는 충분한 내압강도를 가지게 되는 것이다.

상기한 본 발명의 구성에 의하면 헤더부재와 튜브플레이트부재를 더욱 견고 하게 결합하여 고정시킬 수 있어 결합부분에서의 내압성과 내구성이 증대되고, 초임계 사이클에서 사용되는 고압의 냉매의 고압에도 견딜 수 있는 강성을 가지는 효과가 있는 것이다.

Claims (9)

1. 내부로 열 교환되는 유체가 통과되며, 간격을 두고 다수개 구비되는 튜브플레이트부재(1)와, 이 튜브플레이트부재(1) 사이에 장착되어 열을 전달하는 면적을 넓히는 핀부재(2)와, 내부에 유체가 통과하는 유로가 형성된 관형상의 몸체 일측면에 상기 튜브플레이트부재(1)의 단부가 결합하는 튜브결합구멍(3a)이 간격을 두고 다 수개 형성되어 상기 튜브플레이트부재(1)의 양 단부에 각각 결합하는 한 쌍의 헤더부재(3)를 포함한 열교환기에 있어서,

   상기 헤더부재(3)는 몸체 내부에 돌설되는 리브부(10)와, 튜브결합구멍(3a)을 통해 결합하는 튜브플레이트부재(1)의 단부를 상기 리브부(10)에 결합시키는 리브결합부(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 헤더 구조.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 헤더부재(3)는 이음새 없는 하나의 몸체를 가지는 관형상을 이루고 몸체 내부로 리브부(10)가 접혀져 돌출되도록 압출가공하여 제조되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 헤더 구조.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 헤더부재(3)는 리브부(10)가 접혀져 돌출된 판재를 굴곡시켜 양 단부를 접함함으로써 제조한 것을 특징으로 하는 열교환기의 헤더 구조.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 리브부(10)는 헤더부재(3)의 몸체에 일체로 연장되어 접혀져 헤더부재(3)의 내부로 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 헤더 구조.
5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

   상기 리브부(10)는 별도로 제조되는 리브돌기(11)와, 헤더부재(3)의 내부에 구비되며 상기 리브돌기(11)가 삽입되는 리브삽입홈(12a)이 길이방향으로 파여진 리브가이더(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 헤더 구조.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 리브결합부(20)는 튜브플레이트부재(1)의 단부에 형성되는 노치홈(21)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기의 헤더 구조.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 리브결합부(20)는 리브부(10)에 간격을 두고 다수개 형성되는 튜브끼움홈(22)으로 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기의 헤더 구조.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 리브부(10)는 외측에 블레이징시트(30)를 구비한 것을 특징으로 하는 열교환기의 헤더 구조.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 리브부(10)는 외측에 블레이징 용제를 도포한 클래드층(31)을 형성한 것을 특징으로 하는 열교환기의 헤더 구조.

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