KR20110002555A - 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열교환기에 관한 것이다.

본 발명의 열교환기는, 상, 하 또는 좌, 우에 대응되어 위치되고 열교환매체가 유동되는 헤더탱크와, 상기 각각의 헤더탱크에 끝부분이 각각 연결되고 열교환매체가 유동되는 복수 개의 튜브와, 상기 각각의 튜브 사이에 개재되어 있는 복수 개의 핀을 포함하여 구성된 열교환기에 있어서, 상기 헤더탱크는, 튜브가 삽입되어 연결되는 튜브삽입홀이 형성되고, 삽입된 튜브와의 접합면이 증가되도록 돌출부가 형성되는 클래드시트; 및 상기 클래드시트와 결합되어 외부에 노출되지 않는 열교환매체유동공간을 형성하되 유동되는 열교환매체가 클래드시트에 연결된 튜브로 유입될 수 있도록 형성하고, 클래드시트의 돌출부와 클래드시트에 삽입된 튜브가 각각 삽입되는 돌출부삽입홈과 튜브삽입홈이 형성되고, 돌출부삽입홈과 튜브삽입홈은 클래드시트에 삽입된 튜브를 지지해주는 헤더파이프;로 이루어져 있다.

본 발명의 열교환기에 구비된 헤더탱크는, 헤더파이프와 클래드시트를 포함하는 구조로 되어 있는데 튜브가 삽입되는 클래드시트에 튜브와의 접합면을 증가시킬 수 있는 돌출부가 형성되어 있어 소형, 경량화되면서도 내압성이 우수하다.

열교환기, 클래드시트, 헤더파이프, 내압, 헤더탱크

Description

열교환기{THE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 헤더탱크, 튜브, 핀을 포함하여 구성된 열교환기에 관한 것이다.

열에너지를 재사용하거나 용도에 맞게 온도를 낮추거나 높여 사용할 목적 등으로 각종 열교환기가 사용되고 있으며, 자동차에도 각종 열교환기가 구비되고 있다.

자동차 산업에서 각종 구성요소의 소형, 경량화는 연비의 향상으로 이어지고, 소비자의 욕구를 충족시킬 수 있는 차체 디자인을 가능하게 하는 등 여러 가지 이점을 갖기 때문에 각종 구성요소를 소형, 경량화하면서도 고기능화하는 기술이 연구되고 있는 실정이다.

엔진룸에서 공간확보에 어려움을 겪고 있는 차량용 공조시스템 분야에서도 소형, 경량화를 위한 연구가 계속되고 있는 실정이며, 이로 인하여 차량용 공조시스템의 구성요소인 열교환기도 소형, 경량화와 고효율, 고기능화가 추구되고 있다.

다양한 형태의 열교환기가 있지만 판형 열교환기와 튜브형 열교환기가 주로 사용되고 있다.

대부분의 판형 열교환기는 복수 개의 플레이트가 적층되어 플레이트를 사이에 두고 제1매체유동공간과 제2매체유동공간이 형성되고, 제1열교환매체가 제1매체유동공간을 경유하고 제2열교환매체가 제2매체유동공간을 경유하면서 제1열교환매체와 제2열교환매체 간에 열교환이 이루어지는 구조이다.

튜브형 열교환기는 도 1과 같이 상, 하 또는 좌, 우 양단에 헤더탱크(100)가 있고 그 사이를 다수 개의 튜브(200)로 연결하여 열교환매체를 유통시키며, 튜브(200)들 사이에는 핀(300)이 구비되어 있는 형태로서, 그 내부에서의 열교환매체의 흐름은 기본적으로 다음과 같다.

먼저 일측 헤더탱크에 열교환매체가 유입되면, 이 열교환매체는 헤더탱크 일측에 개통된 다수 개의 얇은 튜브를 따라 흘러가게 된다.

튜브는 매우 얇은 납작관 형태를 가지고 있으며 보통 금속 재질로 만들어지기 때문에, 튜브 내를 흘러가는 열교환매체는 외부와의 열교환이 매우 원활하게 이루어지게 된다.

또한, 이와 같은 열교환이 더욱 원활하도록 하기 위해 튜브들 사이에 열전달면적을 넓히기 위한 핀이 구비된다.

튜브를 통해 흘러간 열교환매체는 다른 쪽 헤더탱크로 유입된다.

도 1은 간단한 열교환매체의 흐름을 보여주기 위해 좌, 우에 헤더탱크가 1개씩만 구비되어 있는 매우 간단한 구조를 도시한 것이다.

열교환매체는 액체나 기체에 해당되는데 차량용 냉방시스템을 위한 냉매의 역할을 하는 것일 때 프레온(freon) 가스가 주로 사용되어 왔다.

이것은 프레온(freon) 가스가 화학적으로 안정하고 폭발성이 없으며 불연성, 무독성의 냉매이기 때문이었다.

그런데 프레온 가스는 사용 후 대기로 방출되어도 파괴되지 않고 성층권까지 도달하며, 성층권에서 태양의 자외선에 의해 염소 원자가 분해되면서 지구로 입사되는 자외선을 차단하는 역할을 하여 결국 오존층을 파괴하는 원인물질이라는 문제점이 있는 것이었다.

이로 인하여, 1987년에는 프레온의 생산 및 소비량을 규제하고 점차 다른 냉매로 대체할 것을 합의하는 몬트리올의정서가 채택되기에 이르렀으며, 프레온을 대체하여 사용되는 냉매로 유해성이 적고, 압출 효율이 높으며, 열전달 특성이 우수하고, 체적냉방능력이 우수한 이산화탄소가 대체 냉매로서 사용되고 있는 실정이다.

그러나 이산화탄소를 냉매로 사용하려면 고압을 필요로 하기 때문에 내압에 강한 열교환기가 요구되고, 이로 인해 내압에 강한 헤더파이프의 개발이 요구되었다.

내압에 강한 헤더파이프를 제작하기 위하여 압출재를 사용하고, 압출재와 튜브를 접합시키기 위한 매개체 및 내압성 보강을 위하여 클래드 시트를 중첩하여 사용하는 기술이 안출되었다.

그러나 헤더파이프에 이웃한 튜브삽입홀 사이에 내경이 일정하지 않은 곡면부와 클래드 시트가 선접촉을 하면, 곡면부의 좌,우측에는 빈공간이 형성되어 열교 환기의 내압성이 저하되는 문제점이 있는 것이었다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 본 발명 출원인의 선출원인 한국 특허출원 제10-2006-0085079호와 같이 헤더파이프와 클래드시트가 결합되는 열교환기에서 내압성의 향상을 위하여 헤더파이프의 튜브삽입홀을 절삭 가공 후 펀칭하여 헤더파이프와 클래드시트 사이가 면적촉되도록 하는 기술 등이 안출되었다.(도 2 내지 도 3 참조)

그런데 상기와 같은 종래기술은, 튜브가 삽입된 부분이 취약하여 튜브가 벌어지면서 파열되는 현상이 발생되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 튜브의 격벽 두께를 두껍게 하는 등 헤더탱크를 형성하는 소재들의 두께를 두껍게 할 수 있으나 그러한 경우 소형, 경량화되지 못할 뿐만 아니라 열교환기의 제조원가가 상승하는 문제점이 발생된다.

소재들의 두께를 두껍게 하지 않기 위해 소재의 강성을 높이는 방법도 있으나 이 방법 역시 문제점 해소에 한계가 있고, 열교환기의 제조원가가 상승하는 문제점이 발생된다.

또 다른 방법으로서 일본 공개특허 JP2000-266484호와 같이 튜브의 유로 피치를 다르게 하는 기술을 적용할 수도 있으나 유로 피치 증가를 위하여 격벽 두께가 두꺼워지므로 중량이 증가되는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하려는 것으로서, 더욱 상세하게는 소형 경량화되면서도 내압성이 우수하여 파열현상 등이 발생되지 않는 헤더탱크가 구비된 열교환기를 제공하려는데 목적이 있다.

또, 헤더탱크의 제조원가를 낮추어 저렴한 열교환기를 제공할 수 있도록 하려는 목적도 있다.

본 발명에서는 헤더탱크를 구현함에 있어 헤더파이프와 클래드시트를 갖는 형태로 구현하고, 튜브가 삽입되는 클래드시트에 튜브와의 접합면을 증가시킬 수 있는 돌출부를 형성하여 소형, 경량화되면서도 내압성이 우수한 헤더탱크가 되도록 한다.

또, 헤더파이프에는 클래드시트의 돌출부와 클래드시트에 삽입된 튜브가 각각 삽입되는 돌출부삽입홈과 튜브삽입홈이 형성되어 클래드시트에 삽입된 튜브가 헤더파이프에 의해 지지되도록 함으로써 내압성이 더욱 우수하도록 한다.

이러한 본 발명의 열교환기는, 상, 하 또는 좌, 우에 대응되어 위치되고 열교환매체가 유동되는 헤더탱크를 갖는다.

또, 상기 각각의 헤더탱크에 끝부분이 각각 연결되고 열교환매체가 유동되는 복수 개의 튜브를 갖는다.

또, 상기 각각의 튜브 사이에 개재되어 있는 복수 개의 핀을 갖는다.

또, 상기 헤더탱크는, 튜브가 삽입되어 연결되는 튜브삽입홀이 형성되고, 삽입된 튜브와의 접합면이 증가되도록 돌출부가 형성되는 클래드시트를 갖는다.

뿐만 아니라, 상기 클래드시트와 결합되어 외부에 노출되지 않는 열교환매체유동공간을 형성하되 유동되는 열교환매체가 클래드시트에 연결된 튜브로 유입될 수 있도록 형성하는 헤더파이프를 갖는다.

상기 헤더파이프는 클래드시트의 돌출부와 클래드시트에 삽입된 튜브가 각각 삽입되는 돌출부삽입홈과 튜브삽입홈이 형성되고, 돌출부삽입홈과 튜브삽입홈은 클래드시트에 삽입된 튜브를 지지해주는 형태가 된다.

상기 클래드시트의 돌출부(11)는 굴곡을 형성하면서 돌출되고, 이와 같이 돌출된 부분이 중첩되어 있도록 구현할 수 있다.

또, 상기 헤더파이프(20)가 복수 개의 열교환매체유동공간(30)을 형성하도록 되어 있거나 상기 클래드시트(10)가 복수 개의 헤더파이프(20)에 각각 삽입되는 돌출부(11)를 갖도록 구현할 수 있다.

본 발명의 열교환기에 구비된 헤더탱크는, 헤더파이프와 클래드시트를 포함하는 구조로 되어 있는데 튜브가 삽입되는 클래드시트에 튜브와의 접합면을 증가시킬 수 있는 돌출부가 형성되어 있어 소형, 경량화되면서도 내압성이 우수하다.

또, 클래드시트의 돌출부와 클래드시트에 삽입된 튜브가 각각 삽입되는 돌출 부삽입홈과 튜브삽입홈이 헤더파이프에 형성되어 클래드시트에 삽입된 튜브가 헤더파이프에 의해 지지되도록 된 경우 내압성이 더욱 우수하다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 헤더탱크, 튜브, 핀을 갖는 열교환기에 관한 것이다.

따라서 본 발명의 열교환기는 상, 하 또는 좌, 우에 대응되어 위치되고 열교환매체가 유동되는 헤더탱크(100)를 갖는다.

또, 각각의 헤더탱크(100)에 끝부분이 각각 연결되고 열교환매체가 유동되는 복수 개의 튜브(200)를 갖는다.

또, 각각의 튜브(200) 사이에 개재되어 있는 복수 개의 핀(300)을 갖는다.

그런데 본 발명은 견고한 헤더탱크를 갖는 열교환기를 제공하려는 목적을 갖는다.

즉, 종래와 달리 소형 경량화되면서도 내압성이 우수하여 파열현상 등이 발생되지 않는 헤더탱크가 구비된 열교환기를 제공하려는 것이다.

특히, 튜브(2)가 삽입된 부분에서 튜브(2)가 벌어지면서 파열되는 현상이 발 생되는 문제점을 해소하려는 목적을 갖는다.

이를 위하여 본 발명에서는 헤더탱크를 구현함에 있어 클래드시트(10)와 헤더파이프(20)를 갖는 형태로 구현한다.

그러나 내압성을 높이기 위해 튜브(2)의 격벽 두께를 두껍게 하는 등 헤더탱크를 형성하는 소재들의 두께를 두껍게 구현한다면 소형, 경량화하는 추세에 부응하지 못할 뿐만 아니라 열교환기의 제조원가가 상승하는 문제점이 발생된다.

소재의 강성을 높이는 방법 역시 내압성을 높이는데 한계가 있고, 열교환기의 제조원가가 상승하는 문제점이 발생된다.

이러한 이유로 본 발명에서는 튜브가 삽입되는 클래드시트(10)에 튜브(2)와의 접합면을 증가시킬 수 있는 돌출부(11)를 형성한다.

즉, 헤더탱크에 파열이 발생되는 이유는 다양하지만 소형, 경량화를 위해 헤더파이프(20)나 클래드시트(10)가 얇고 가벼운 소재로 구현되기 때문이라는 원인이 큰 비중을 차지한다.

특히, 튜브(2)가 삽입된 부분 등에서 파열이 자주 발생되는 이유는 클래드시트(10)의 두께가 얇아 클래드시트(10)와 튜브(2)와의 접합면이 크지 않기 때문이었다.

따라서 본 발명에서는 튜브(2)와 클래드시트(10)와의 접합면이 증가되도록 클래드시트(10)에 돌출부(11)를 형성하는 것이다.

이러한 돌출부(11)는 클래드시트(10)의 전체적인 두께를 증가시키지는 않으면서도 내압성은 향상되도록 할 수 있는 특징이 있다.

이러한 돌출부(11)는 다양한 형태로 구현될 수 있는데 도 5과 같이 돌기 형태로 구현될 수도 있고, 도 4와 같이 클래드시트(10)의 일부분이 절곡된 형태로 구현할 수도 있다.

즉, 본 발명의 클래드시트(10)는 성형을 통해 얻을 수도 있지만 판재를 절단, 밴등하는 등의 프레스가공을 통해 얻을 수도 있는 것이다.

클래드시트(10)의 돌출부(11)가 절곡된 형태가 되도록 구현함에 있어서는, 도 4과 같이 돌출부(11)가 중첩된 형태로 구현할 수 있다.

한편, 클래드시트(10)에는 튜브(200)가 삽입되어 연결되는 튜브삽입홀(12)이 형성된다.

본 발명의 구성요소인 헤더파이프(20)는, 클래드시트(10)와 결합되어 외부에 노출되지 않는 열교환매체유동공간(30)을 형성하되 유동되는 열교환매체가 클래드시트(10)에 연결된 튜브(2)로 유입될 수 있도록 형성하는 것이다.

상기와 같은 헤더파이프(20)가 클래드시트(10)에 삽입된 튜브(2) 등을 지지해주도록 하여 헤더탱크의 내압성이 더욱 우수하도록 할 수도 있다.

구체적으로 설명하면, 헤더파이프(20)를 구현함에 있어, 클래드시트(10)와 결합되었을 때 클래드시트(10)의 튜브삽입홀(12)에 삽입된 튜브(2)가 삽입되는 튜브삽입홈(22)을 갖는 형태로 구현할 수 있다.

상기와 같은 구조는 헤더파이프(20)가 튜브(2)를 지지해주는 것이기 때문에 튜브(2)의 연결상태가 견고하여 더욱 우수한 내압성을 확보할 수 있다.

상기와 같은 튜브삽입홈(22)만을 갖는 형태보다는 클래드시트(10)에 형성된 돌출부(11)가 삽입된 돌출부삽입홈(21)을 더 구비한 형태로 구현하는 것이 더욱 우수한 내압성을 확보할 수 있다.

상기와 같이 돌출부삽입홈(21)과 튜브삽입홈(22)을 갖는 구조는 클래드시트(10)에 삽입된 튜브(2)를 더욱 견고하게 지지해주는 구조이다.

즉, 삽입된 튜브(2)가 헤더탱크의 축선 방향으로 벌어지려는 응력을 별도의 부재 없이 감소시킬 수 있는 것이다.

물론, 클래드시트(10)에 삽입된 튜브(2)를 안정적으롤 지지해주기 위해 돌출부삽입홈(21)이나 튜브삽입홈(22)은 튜브와 브레이징(brazing) 등의 방법으로 일체화되거나 튜브(2)와 인접되도록 한다.

튜브삽입홀(12)이나 튜브삽입홈(22)이 튜브(2)와 브레이징(brazing) 등의 방법으로 일체화된 경우 삽입된 튜브(2)가 내구성 향상에 도움이 되는 구조물화되기 때문에 더욱 우수한 내압성을 확보할 수 있다.

본 발명의 헤더파이프(20)는 성형법을 통해 제작할 수도 있고, 프레스가공을 통해 제작할 수도 있다.

전술한 돌출부삽입홈(21)을 갖는 구조라면 성형법이나 프레스가공법 중 어떤 방법을 사용하더라도 가공비 등의 제조원가를 절감하고 제작에 소요되는 시간도 단축할수 있는 특징이 있다.

즉, 가공면적이 줄어 가공시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라 가공툴의 사용에 의한 가공툴의 소모도 줄일 수 있고, 헤더파이프(20) 자체의 중량도 줄일 수 있 는 것이다.

본 발명의 헤더파이프(20)는, 도 7과 같이 열교환매체유동공간(30)과 연결된 열교환매체충진공간(40)을 갖는 구조로 구현할 수 있다.

이때 외부로부터 유입된 열교환매체가 열교환매체충진공간(40)을 경유하여 열교환매체유동공간(30)으로 유입되거나 열교환매체유동공간(30)의 열교환매체가 열교환매체충진공간(40)을 경유하여 유동되도록 구현한다.

본 발명의 기술적 사상은 다양한 형태의 헤더탱크 구조에 적용이 가능하다.

구체적인 예로 설명하면, 헤더탱크의 구조 중 헤더파이프(20)의 횡방향으로 복수 개의 튜브(2)가 위치된 형태가 있다.

이러한 구조에 본 발명을 적용하는 경우라면 도 6과 같이 튜브삽입홈(22)을 클래드시트(10)의 횡방향으로 복수 개 형성하고, 돌출부(11)가 각각의 튜브삽입홈(22)에 대응되어 위치되도록 함으로써 적용이 가능하다.

또, 본 발명의 기술적 사상은, 하나의 헤더탱크에 복수 개의 열교환매체유동공간(30)이 형성되어야 하는 경우에도 적용이 가능하다.

이를 위해 헤더파이프(20)가 복수 개의 열교환매체유동공간(30)을 형성하도록 구현될 수 있다.(도 6참조)

또, 하나의 헤더탱크에 복수 개의 헤더파이프(20)가 구비되는 경우 하나의 클래드시트(10)가 복수 개의 헤더파이프(20)에 각각 삽입되는 돌출부(11)를 갖는 형태로 구현될 수 있다.

본 발명에 있어서, 헤더탱크로 열교환매체가 유입되거나 유출되도록 하는 구조는 종래기술에서와 같은 방식으로 구현할 수 있다.

또, 배플(Baffle) 및 앤드 캡(End cap)의 구조도 종래기술에서와 같은 방식으로 구현할 수 있다.

이러한 구조는 이미 공지된 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.

도 1은 종래의 튜브형 열교환기 구조를 설명하기 위한 개략도

도 2는 헤더파이프와 클래드시트로 이루어진 헤더탱크의 구조를 설명하기 위한 개략도

도 3은 종래의 헤더탱크 구조를 설명하기 위한 분해 사시도

도 4는 본 발명의 열교환기에 구비된 헤더탱크를 설명하기 위한 개략도

A : 헤더탱크의 단면도

B : 헤더탱크의 분해 사시도

도 5는 본 발명의 클래드시트에 형성된 돌출부가 돌기 형태인 구조를 설명하기 위한 헤더탱크의 단면 개략도

도 6은 횡방향으로 다수 개의 튜브가 결합된 본 발명의 헤더탱크 구조를 설명하기 위한 단면 개략도

도 7은 열교환매체유동공간과 열교환매체충진공간을 갖는 헤더탱크의 구조를 설명하기 위한 단면 개략도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10. 클래드시트 11. 돌출부

12. 튜브삽입홀 20. 헤더파이프

21. 돌출부삽입홈 22. 튜브삽입홀

30. 열교환매체유동공간 40. 열교환매체충진공간

100. 헤더탱크 200. 튜브

300. 핀

Claims (3)

1. 상, 하 또는 좌, 우에 대응되어 위치되고 열교환매체가 유동되는 헤더탱크(100)와, 상기 각각의 헤더탱크(100)에 끝부분이 각각 연결되고 열교환매체가 유동되는 복수 개의 튜브(200)와, 상기 각각의 튜브(200) 사이에 개재되어 있는 복수 개의 핀(300)을 포함하여 구성된 열교환기에 있어서,

   상기 헤더탱크(100)는, 튜브(200)가 삽입되어 연결되는 튜브삽입홀(12)이 형성되고, 삽입된 튜브(200)와의 접합면이 증가되도록 돌출부(11)가 형성되는 클래드시트(10); 및

   상기 클래드시트(10)와 결합되어 외부에 노출되지 않는 열교환매체유동공간(30)을 형성하되 유동되는 열교환매체가 클래드시트(10)에 연결된 튜브(200)로 유입될 수 있도록 형성하고, 클래드시트(10)의 돌출부(11)와 클래드시트(10)에 삽입된 튜브(200)가 각각 삽입되는 돌출부삽입홈(21)과 튜브삽입홈(22)이 형성되고, 돌출부삽입홈(21)과 튜브삽입홈(22)은 클래드시트(10)에 삽입된 튜브(200)를 지지해주는 헤더파이프(20);로 이루어진 것을 특징으로 하는, 열교환기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 돌출부(11)는 굴곡을 형성하면서 돌출되고, 상기 돌출된 부분이 중첩되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환기.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 헤더파이프(20)가 복수 개의 열교환매체유동공간(30)을 형성하도록 되어 있으며, 상기 클래드시트(10)가 복수 개의 헤더파이프(20)에 각각 삽입되도록 돌출부(11)를 갖는 것을 특징으로 하는, 열교환기.

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