KR20120105663A - 인터쿨러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인터쿨러에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 헤더탱크 구조를 개선하여 열응력에 대한 내구성을 강화한 인터쿨러를 제공함에 있다.
본 발명의 인터쿨러는, 외부 공기 송풍 방향에 나란하게 병렬 배치된 복수 개의 튜브(120); 및 상기 복수 개의 튜브(120)의 양쪽에 구비되어 내부로 압축 공기를 유통시키는 한 쌍의 헤더탱크(110); 를 포함하여 이루어지는 인터쿨러(100)에 있어서, 상기 헤더탱크(110)는 상기 튜브(120)가 삽입 결합되는 튜브 홀이 형성되는 헤더(111) 및 상기 헤더(111)와 결합되어 내부에 압축 공기가 유통되는 공간을 형성하는 탱크(112)로 이루어지며, 상기 튜브(120)로 이루어지는 부분을 코어(core)라 할 때, 상기 탱크(112)는 금속 재질로 이루어지며, 압축 공기가 유입되는 측 상기 헤더탱크(110)의 상기 탱크(112)에는 코어에 근접한 위치에 상기 헤더탱크(110)로부터 돌출 형성되는 헤더탱크 핀(115)이 구비되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 헤더탱크 핀(115)은 상기 튜브(120)의 연장 방향에 수직하게 배치되는 판면 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

인터쿨러 {Intercooler}

본 발명은 인터쿨러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 헤더탱크 구조를 개선하여 열응력에 대한 내구성을 강화한 인터쿨러에 관한 것이다.

인터쿨러(intercooler)는, 엔진 출력을 높이기 위해 과급기에 의해 고온 고압으로 압축된 공기를 식혀 주는 장치이다. 엔진의 출력을 높이기 위해서는 실린더에 고압으로 압축된 공기를 유입시켜 주는 것이 좋으나, 문제는 공기가 압축되는 과정에서 온도가 올라가게 되며, 온도가 올라가면 산소의 밀도가 떨어져 결과적으로 실린더 내의 충전 효율이 오히려 떨어지게 되는 문제점이 발생한다. 이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 압축 공기를 식혀주는 인터쿨러를 장착하는데, 인터쿨러에 의해 과급된 공기가 식혀짐으로써 엔진의 연소 효율이 향상되어 연비가 좋아지고 이산화탄소 배출량도 크게 줄어드는 등의 효과가 있어, 특히 발열량이 많은 고성능 엔진 장착 차량에는 반드시 필요한 구성 부품이다.

도 1은 일반적인 인터쿨러를 도시한 것이다. 인터쿨러(100)는 도시된 바와 같이 쿨링 모듈(200)의 후방 하면(미도시) 또는 측면(도 1) 등과 같은 위치에 구비된다. 여기에서 쿨링 모듈(200)은 라디에이터 등과 같은 차량 냉각 시스템 또는 공조 시스템을 구성하는 열교환기로서, 차량에 따라 열교환기의 배치 위치가 다양하게 변화하기 때문에 쿨링 모듈(200)로 통칭하였다. 상기 도 1에 도시되어 있는 인터쿨러(100)는 공랭식으로서, 즉 차량 엔진 룸으로 유입되는 공기를 통과시켜 상기 인터쿨러(100) 내의 공기와 외부 공기 간의 열교환을 일으킴으로써 상기 인터쿨러(100) 내의 공기 온도를 낮추도록 되어 있다.

이러한 인터쿨러(100)는, 일반적인 열교환기와 유사하게 외부 공기 송풍 방향에 나란하게 병렬 배치된 복수 개의 튜브(120) 및 상기 복수 개의 튜브(120)의 양쪽에 구비되어 내부로 압축 공기를 유통시키는 한 쌍의 헤더탱크(110)를 포함하여 이루어지며, 열교환성능을 더욱 높이기 위해 튜브 사이에는 핀(130)이 개재되어 이루어질 수도 있다.

한편, 인터쿨러는 상술한 바와 같이 엔진 과급기에 의하여 고온 고압으로 압축된 공기를 내부로 통과시키면서 외부와 열교환시켜 냉각시키는 장치로서, 운전 조건의 변화가 크고 이에 따라 작동 온도 범위가 매우 넓다. 과급기에 의하여 압축된 공기의 온도는 180℃ 이상으로 매우 높은 온도를 가지고 있는 바, 이러한 고온의 공기가 통과할 때에는 인터쿨러의 온도가 크게 높아지며 공기가 유통되지 않을 때에는 식게 된다. 인터쿨러의 각부가 금속 재질로 이루어질 경우, 특히 헤더탱크와 코어(튜브 및 핀으로 이루어지는 부분)의 연결부에서 급격한 온도 변화가 일어나기 때문에, 헤더탱크 - 코어 연결부에서의 열충격이 크게 나타나게 되는 문제가 있었다. 이러한 열충격에 의하여 헤더탱크 상에 크랙이 발생될 수 있으며, 이러한 크랙은 파손이 일어나게 되는 원인이 된다.

이와 같이 인터쿨러의 운전 조건에 있어서의 극심한 온도 변화 때문에 나타나는 열충격에 의한 손상을 방지하기 위하여, 종래에 인터쿨러의 헤더탱크를 제작함에 있어서, 열변형이 큰 재질인 금속을 배제하고 온도 변화에 대한 열변형이 별로 없는 플라스틱 재질을 사용함으로써 온도 변화에 대처하고자 하는 노력이 있었다.

그런데, 플라스틱으로 헤더탱크가 만들어지게 될 경우 열변형에 의해 발생되는 열충격의 영향은 크게 줄일 수 있는 반면, (금속 재질로 만들어지는 헤더탱크에 비해) 강성이 약하기 때문에 내구성이 떨어지는 문제가 있었다. 또한, 금속 헤더탱크의 경우 소음을 차단하는 효과가 더 크기 때문에, 반대로 플라스틱 헤더탱크를 사용할 경우 소음이 증가하는 문제가 발생하였다.

따라서 내구성과 소음 차단 효과를 위하여 금속 재질의 헤더탱크를 사용하면서도, 상술한 바와 같은 열 및 압력의 변화에 의한 열충격(특히 헤더탱크와 코어 연결부에서의 열충격)을 방지하고자 하는 요구가 당업자 사이에서 꾸준히 있어 왔다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 헤더탱크 구조를 개선하여 열응력에 대한 내구성을 강화한 인터쿨러를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 인터쿨러는, 외부 공기 송풍 방향에 나란하게 병렬 배치된 복수 개의 튜브(120); 및 상기 복수 개의 튜브(120)의 양쪽에 구비되어 내부로 압축 공기를 유통시키는 한 쌍의 헤더탱크(110); 를 포함하여 이루어지는 인터쿨러(100)에 있어서, 상기 헤더탱크(110)는 상기 튜브(120)가 삽입 결합되는 튜브 홀이 형성되는 헤더(111) 및 상기 헤더(111)와 결합되어 내부에 압축 공기가 유통되는 공간을 형성하는 탱크(112)로 이루어지며, 상기 튜브(120)로 이루어지는 부분을 코어(core)라 할 때, 상기 탱크(112)는 금속 재질로 이루어지며, 압축 공기가 유입되는 측 상기 헤더탱크(110)의 상기 탱크(112)에는 코어에 근접한 위치에 상기 헤더탱크(110)로부터 돌출 형성되는 헤더탱크 핀(115)이 구비되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 헤더탱크 핀(115)은 상기 튜브(120)의 연장 방향에 수직하게 배치되는 판면 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 헤더탱크 핀(115)은 돌출된 높이(h)가 2mm 내지 10mm 범위 내로 형성되고, 두께(t)가 0.5mm 내지 2.5mm 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 헤더탱크 핀(115)은 적어도 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탱크(112)는 알루미늄(Al) 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 코어 부근에서 헤더탱크 자체에 핀 구조가 형성되도록 함으로써, 헤더탱크와 코어 연결부에서의 열충격을 크게 완화하여 열응력에 대한 내구성을 크게 강화하는 효과가 있다. 보다 상세히 설명하자면, 열응력이 가장 집중되는 부분이 헤더탱크와 코어의 연결부인 바, 헤더탱크의 코어 부근 위치에 핀 구조를 형성시켜 헤더탱크로 흡수된 열에너지를 일차적으로 발산시켜 주도록 함으로써, 헤더탱크로부터 코어로의 열 이동량을 최소화하여 결과적으로 열응력을 크게 저감시키는 효과가 있는 것이다.

이와 같이 본 발명에 의하면 헤더탱크 구조의 개선을 통해 열응력의 집중 현상을 해소함으로써, 응력 집중부에서의 크랙 발생률을 낮추고 나아가 인터쿨러의 내구성을 높이는 효과 또한 있다.

도 1은 일반적인 인터쿨러의 배치 사시도.
도 2는 본 발명의 인터쿨러.
도 3은 헤더탱크 - 코어 연결부의 열 이동량 분석.
도 4는 본 발명의 헤더탱크 핀의 상세도.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 인터쿨러를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 인터쿨러이다. 본 발명의 인터쿨러(100)의 기본 구성은 일반적인 인터쿨러와 동일하게 헤더탱크(110) 및 튜브(120)를 포함하여 이루어지며, 도시된 바와 같이 핀(130)을 더 포함하여 이루어질 수 있다. 여기에서 상기 튜브(120) 또는 상기 튜브(120) 및 상기 핀(130)으로 이루어진 부분을 코어(core)라고 한다. 또한, 상기 헤더탱크(110)는 상기 튜브(120)가 삽입 결합되는 튜브 홀이 형성되는 헤더(111) 및 상기 헤더(111)와 결합되어 내부에 압축 공기가 유통되는 공간을 형성하는 탱크(112)로 이루어지게 된다.

이 때 본 발명에서는, 압축 공기가 유입되는 측 상기 헤더탱크(110)의 상기 탱크(112)에는 코어에 근접한 위치에 상기 헤더탱크(110)로부터 돌출 형성되는 헤더탱크 핀(115)이 구비되는 것이 특징이다. 상기 헤더탱크 핀(115)이 구비됨으로써 상기 헤더탱크(110)로부터 코어로 전달되는 열 전달량을 최소화하여, 헤더탱크 - 코어 연결부에서 발생되는 열충격을 최소화할 수 있게 된다.

보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 도 3은 종래의 헤더탱크, 즉 본 발명의 헤더탱크 핀이 없는 헤더탱크에 있어서 금속(Al) 재질로 된 탱크와 플라스틱 재질로 된 탱크 두 가지 경우에 대하여 동일 조건에서 실험하고 이를 열화상 카메라로 촬영하여 분석한 결과이다. 실험 조건은 먼저 180℃의 공기를 인터쿨러 내로 유통시켜 인터쿨러를 가열하고(HOT, 1)), 인터쿨러가 완전히 가열된 후에 인터쿨러 내로의 공기 유통을 멈추고 외부 온도 즉 20℃ 정도의 온도를 가지는 공기를 2분 정도 인터쿨러로 송풍시켜 주어 식혀준 후(Hot -> Cool, 2)), 송풍을 끝낸다(Cool, 3)).

도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 금속 탱크를 사용할 경우 플라스틱 탱크를 사용하였을 때와 비교하여 볼 때 2) 실험 조건에서 유입측 헤더탱크에서 코어로의 열 이동량이 매우 크다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 급격하게 증가된 열 이동량 때문에 해당 부분에서 열충격이 크게 발생하고, 이로부터 크랙의 발생 및 전파가 이루어져 결국 인터쿨러의 내구성을 저하시키는 원인이 되는 것이다.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 유입측 헤더탱크, 즉 압축 공기가 유입되는 측 상기 헤더탱크(110)의 상기 탱크(112)에다가, 코어에 근접한 위치에 상기 헤더탱크 핀(115)이 구비되도록 한다. 고온의 압축 공기에 의하여 상기 헤더탱크(110)가 많은 열에너지를 흡수하게 되는데, 이 때 코어에 근접한 위치에 상기 헤더탱크 핀(115)이 구비됨으로써, 상기 헤더탱크(110)로부터 코어로 압축 공기가 유입되기 직전에 상기 헤더탱크(110)가 흡수한 열의 상당량이 상기 헤더탱크 핀(115)에 의하여 외부로 발산될 수 있게 된다. 이에 따라 유입측의 상기 헤더탱크(110) - 코어 연결부에서의 열 이동량이 종래에 비해 훨씬 저감될 수 있으며, 결과적으로 열충격을 크게 줄여 주는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

본 발명의 헤더탱크 핀의 구조에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 상술한 바와 같이 상기 헤더탱크 핀(115)은, 압축 공기가 유입되는 측 상기 헤더탱크(110)의 상기 탱크(112) 상에서, 코어에 근접한 위치에 배치되어 형성되면 된다. 물론 상기 헤더탱크 핀(115)의 형상은 어떻게 형성되어도 무방하나, 제작 상의 편리함 등을 고려하였을 때 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 헤더탱크 핀(115)은 상기 튜브(120)의 연장 방향에 수직하게 배치되는 판면 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같은 형태로 형성될 경우, 상기 탱크(112)가 성형될 때 상기 헤더탱크 핀(115)이 용이하게 동시 성형되도록 할 수 있다.

또한, 상기 헤더탱크 핀(115)은 열교환성능을 높이기 위하여 상기 헤더탱크(110) 상에 적어도 하나 이상 형성되는 것이 바람직하다.

더불어, 상기 헤더탱크 핀(115)은 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 돌출된 높이(h)가 2mm 내지 10mm 범위 내로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 헤더탱크 핀(115)의 높이(h)가 2mm보다 작을 경우 열 발산 효과가 떨어져서 열 이동량 저감 효과가 별로 나타나지 않게 되며, 10mm보다 클 경우 상기 헤더탱크(110)의 사이즈가 너무 커지게 되어 엔진 룸 내 공간 활용성이 나빠지게 된다. 또한 상기 헤더탱크 핀(115)의 두께(t)가 0.5mm 내지 2.5mm 범위 내로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 헤더탱크 핀(115)의 두께(t)가 0.5mm보다 작을 경우 열 발산 효과가 떨어질 뿐만 아니라 제작이 어렵고 파손 위험성이 높으며, 2.5mm보다 클 경우 제작이 난해해지는 문제가 있다. 따라서 상기 헤더탱크 핀(115)의 규격은, 높이(h)가 2mm 내지 10mm 범위 내, 두께(t)가 0.5mm 내지 2.5mm 범위 내로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: 인터쿨러 110: 헤더탱크
111: 헤더 112: 탱크
115: 헤더탱크 핀
120: 튜브 130: 핀

Claims (5)

1. 외부 공기 송풍 방향에 나란하게 병렬 배치된 복수 개의 튜브(120); 및 상기 복수 개의 튜브(120)의 양쪽에 구비되어 내부로 압축 공기를 유통시키는 한 쌍의 헤더탱크(110); 를 포함하여 이루어지는 인터쿨러(100)에 있어서, 상기 헤더탱크(110)는 상기 튜브(120)가 삽입 결합되는 튜브 홀이 형성되는 헤더(111) 및 상기 헤더(111)와 결합되어 내부에 압축 공기가 유통되는 공간을 형성하는 탱크(112)로 이루어지며, 상기 튜브(120)로 이루어지는 부분을 코어(core)라 할 때,
   상기 탱크(112)는 금속 재질로 이루어지며,
   압축 공기가 유입되는 측 상기 헤더탱크(110)의 상기 탱크(112)에는 코어에 근접한 위치에 상기 헤더탱크(110)로부터 돌출 형성되는 헤더탱크 핀(115)이 구비되는 것을 특징으로 하는 인터쿨러.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 헤더탱크 핀(115)은
   상기 튜브(120)의 연장 방향에 수직하게 배치되는 판면 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 인터쿨러.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 헤더탱크 핀(115)은
   돌출된 높이(h)가 2mm 내지 10mm 범위 내로 형성되고, 두께(t)가 0.5mm 내지 2.5mm 범위 내로 형성되는 것을 특징으로 하는 인터쿨러.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 헤더탱크 핀(115)은
   적어도 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 인터쿨러.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 탱크(112)는
   알루미늄(Al) 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 인터쿨러.

Images