KR20130069669A - 열 교환기용 헤더 및 헤더를 구비한 열 교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 교환기용 헤더 및 열 교환기에 관한 것이다. 관형 헤더는 내부 유체 통로(25)를 갖는 적어도 하나의 연결 플랜지(5, 6)를 수용할 수 있는 형태이고, 길이방향 개방 벽을 갖고, 평행한 유체 흐름 튜브를 수용하도록 의도된 슬롯이 설치된 헤더 플레이트(header plate)(8); 및 조립 후에 상기 헤더 플레이트의 길이방향 개구를 폐쇄하는 커버(9)를 포함하고, 상기 커버의 벽은 유체의 흐름을 위한 구멍(27)을 한정하는 적어도 하나의 외부 칼라(collar)(28)를 가지며, 상기 연결 플랜지(5, 6)는 상기 커버(9)에 부착되고 상기 헤더(3, 4) 상에서 크림핑되는 방식으로 구성되며, 그에 의해 상기 내부 통로(25)가 상기 칼라 내에서 상기 구멍(27)과 유체 연통하게 한다. 양호하게는, 상기 칼라(28)는 상기 칼라가 연장되기 시작하는 상기 커버(9)의 벽 두께보다 감소된 벽 두께(33)를 갖고, 그에 의해 상기 플랜지의 상기 내부 통로(25)를 향한 유체의 흐름을 위한 상기 구멍(27)의 단면을 최대화한다.

Description

열 교환기용 헤더 및 헤더를 구비한 열 교환기{HEAT EXCHANGER MANIFOLD AND A HEAT EXCHANGER EQUIPPED WITH SUCH A MANIFOLD}

본 발명은 열 교환기용 헤더 또는 헤더 박스(header box)에 관한 것이고, 이 헤더가 설치된 열 교환기에 관한 것이다.

논의되는 열 교환기는 차량에 부착되는 것으로 고려되지만, 그에 한정되지는 않으며, 적합한 적용에서 교환기는 차량의 공기 컨디셔닝 루프(conditioning loops) 또는 회로에 설치되는 콘덴서(condensers), 또는 엔진의 냉각 루프 또는 회로에 설치되는 라디에이터(radiators)를 형성한다. 그러나, 이들 열 교환기의 다른 적용은 본 발명의 범주로부터 벗어남 없이 또한 예상될 수 있다.

일반적으로, 이러한 형태의 열 루프를 위한 열 교환기는 평행한 튜브의 번들과 두 개의 헤더를 포함하고, 평행한 튜브의 대응하는 단부가 이 헤더에 고정 및 밀봉 방식으로 연결된다. 따라서, 유체, 예를 들면 루프 내에서 사용되는 냉각수(coolant)는 튜브를 통해서 압축기와 직면하는 상류 헤더로부터 팽창기와 직면하는 하류 헤더를 향해 유동할 수 있고, 이 유체는 튜브를 청소하는 외부 가압 공기 흐름에 의해 기상(vapor phase)으로부터 액상으로 통과하도록 이루어져 있으며, 튜브 내에서 및/또는 튜브 사이에서 디스럽터(disrupters) 또는 디바이더(dividers)의 부가에 의해 증가된 표면적은 열 교환을 최적화한다.

본 발명의 경우에, 교환기는 경납땜(brazing)에 의해 제조되는 형태이고, 사용되는 헤더는 "두-부품 헤더(two-part headers)" 또는 "두-부품 헤더 박스"로 알려진 두 개의 부품으로 설계될 수 있다.

전체 관형 형상을 갖는 헤더의 이러한 형태의 헤더는,

길이방향 개방 벽을 갖고, 평행한 유체 흐름 튜브의 대응하는 단부를 수용하도록 의도된 슬롯이 제공된 헤더 플레이트(header plate); 및

조립 후에 헤더 플레이트의 길이방향 개구를 폐쇄하고, 유체의 흐름을 위한 구멍을 한정하는 적어도 하나의 외부 칼라(collar)를 갖는 커버를 포함한다.

부가적으로, 연결 플랜지는 관련된 루프의 팽창기 또는 압축기로 이어지는 도관과 헤더 사이를 연결하기 위해서 알려진 방식으로 헤더에 부착된다. 특히, 연결 플랜지는 이러한 목적을 위해 제공된 헤더 내의 구멍과 직면하는 내부 유체 통로를 갖고, 플랜지는 일반적으로 커버의 외부 칼라를 에워싼다. 플랜지는 크림핑(crimping)에 의해 체결되고, 헤더 플레이트의 에지는 커버 상에 놓여 있는 플랜지의 대응하는 에지 상으로 굽혀진다. 교환기는 특히 헤더 플레이트, 헤더 커버와 플랜지, 및 튜브가 함께 조립되고 밀봉되는 것을 보장하도록 경납땜 노(brazing furnace)에 배치된다.

다른 플랜지는 특히 자동차의 새시 또는 다른 인접한 교환기를 포함하는 자동차의 지지 부품에 교환기를 체결하기 위한 플랜지와 같은 이들 헤더 상에 또한 고정될 수 있다.

특히 칼라 상에 코팅을 제공하는 것에 의해 플랜지가 위치 설정되어 경납땜되는 것을 가능하게 하는 칼라 때문에, 그리고 전체 조립의 크림핑 때문에, 이러한 방법으로 만족스러운 결과가 얻어지지만, 칼라를 사용하는 이러한 해결은 교환기의 효율과 관련한 문제점을 일으킨다.

이는 직경을 따라 측정된 칼라 벽의 이중 두께가 이용가능한 통로 단면을 충분하게 감소시키는 경향이 있기 때문이다. 따라서, 이 지점에서 증가된 압력 강하가 있다.

이는 플랜지가 각 헤더의 헤더 플레이트의 굽힘 에지와 커버 사이에서 크림핑되는 콘덴서형 교환기의 상술한 케이스에서 더 임계적이게 된다. 따라서, 칼라의 내경, 즉 냉각수의 흐름을 위한 구멍의 직경이 헤더의 폭(불가피한 공간 제약으로 인해 증가될 수 없음)에 의해 제한되기 때문에, 또는 달리 말해 서로를 향해 굽혀지는 플레이트의 두 에지의 크림핑 폭에 의해, 통로를 한정하는 플랜지의 두 두께에 의해, 그리고 커버로부터 연장하는 칼라의 벽의 두 직경의 두께에 의해 결정되기 때문에, 칼라에서 구멍의 단면은 제한된다.

본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것이다. 이러한 목적을 위해, 본 발명에 따른 열 교환기용 헤더는, 내부 유체 통로를 갖는 적어도 하나의 연결 플랜지를 수용할 수 있고, 조립 후에 헤더 플레이트의 길이방향 개구를 폐쇄하는 커버를 포함하는 형태를 가지며, 상기 헤더 플레이트는 상기 커버와 상호 작용하여 특히 관형 형태로 이루어진 헤더를 형성한다. 상기 커버의 벽은 유체의 흐름을 위한 구멍을 한정하는 적어도 하나의 외부 칼라를 갖고, 상기 헤더는 상기 플랜지를 상기 커버 상에 크림핑되게 구성되며, 그에 의해 내부 통로가 상기 칼라 내에서 구멍과 유체 연통하게 한다. 달리 말해, 상기 플랜지는 상기 커버에 부착되도록 의도된다.

상기 헤더 플레이트에는 예를 들어 평행한 유체 흐름 튜브를 수용하도록 의도된 슬롯이 제공된다.

본 발명에 따르면, 상기 칼라는 이 칼라가 연장되기 시작하는 상기 커버의 벽 두께보다 작은 벽 두께를 갖고, 그에 의해 상기 플랜지의 내부 통로를 향해 및/또는 내부 통로로부터 멀리 유체의 흐름을 위한 상기 구멍의 단면을 최대화한다.

따라서, 칼라에서 벽 두께의 의도된 감소는 플랜지의 내부 통로에 보다 근접한 구멍의 단면을 증가시키고, 그에 의해 내부 압력 강하면에서 저하를 제한한다.

예를 들어, 칼라의 벽의 두께 감소는 상기 커버의 벽의 두께에 비해 적어도 30%이다. 바람직하게는, 칼라 벽의 두께 감소는 상기 커버의 벽의 두께에 비해 50% 내지 80%이다.

따라서, 두께에 있어서 이러한 감소에 대해, 플랜지 통로와 칼라 구멍의 단면 사이의 차이로 인해 전체 압력 강하의 증가는 5% 내지 10%로 제한된다. 이러한 방법에서의 감소시에, 칼라 두께는 그럼에도 불구하고 플랜지에 대해 헤더의 기계적 강도 특징을 유지하기에 충분하다. 커버의 나머지 벽의 두께의 80% 이상의 칼라 벽의 감소는 칼라의 영역에서 헤더를 약화시킬 것이다.

바람직하게는, 플랜지는 헤더 플레이트의 길이방향 개구를 한정하는 평행한 에지를 사용하여 크림핑되며, 이러한 평행한 에지는 상기 커버에 부착된 상기 플랜지 상에 제공된 대응하는 에지 상으로 굽혀진다.

특히, 헤더 플레이트에 적절하게 커버를 위치 설정하기 위하여, 헤더 플레이트의 벽에는, 상기 커버의 길이방향 에지가 조립 후에 헤더 플레이트의 길이방향 개구를 밀봉하도록 지지하는 내부 정지부(stops)가 제공된다.

양호하게는, 상기 헤더 플레이트의 단면은 실질적으로 U자형상이고, 그 개구는 상기 연결 플랜지를 수용하도록 구성된 상기 커버에 의해 결합된다.

다른 특징에 따르면, 상기 커버의 벽의 외부면에는, 상기 헤더 플레이트 및 플랜지와 상기 커버의 후속 경납땜에 이용하기 위한 코팅이 제공된다.

본 발명은 평행한 유체 흐름 튜브의 번들에 의해 상호 연결되는 두 개의 헤더를 포함하는 형태의 열 교환기에 관한 것이다.

첨부된 도면은 본 발명이 어떻게 적용될 수 있는지를 명확하게 도시할 것이다. 이들 도면에서, 동일한 도면부호는 유사한 요소를 지시한다.

도 1은 본 발명에 따라 헤더가 유체 연결 플랜지를 구비하는 열 교환기의 예시적 실시예의 개략 평면도,
도 2는 도 1의 선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 취한 부분 확대 단면도로서, 관련된 헤더의 칼라 내의 구멍 및 연관된 유체 연결 플랜지의 내부 통로를 관통하여 도시하는 도면.

도 1에 도시된 열 교환기(1)는 예를 들어 차량의 내부를 위한 공기 컨디셔닝 루프(conditioning loop) 또는 차량의 엔진 냉각 루프의 콘덴서(condenser) 또는 라디에이터(radiator)일 수 있다.

구조적 관점에서, 열 교환기(1)는 알려진 방식으로, 평행한 튜브(2)의 번들(bundle)을 포함하고, 이 튜브에서 단부(2A)는 논의되는 루프에서 흐르는 작동 유체(F)의 흐름 방향으로 각각 도면부호(3 및 4)로 지시된 상류 및 하류 헤더 또는 헤더 박스에 고정 및 밀봉 방식으로 연결된다. 입구 유체 연결 플랜지(5)와 출구 유체 연결 플랜지(6)는 하기에 설명되는 바와 같이 각각 이들 헤더에 부착된다.

특히, 유체가 흐르는 튜브(2)는 직사각형(oblong) 단면을 갖고, 디바이더(dividers)(7)는 이 튜브 사이에 배열되며, 그에 의해 열 교환기(1) 내에서 흐르는 유체와 이 교환기를 통과하는 외부 공기 흐름 사이에서 열 교환을 위한 표면을 증가시킨다. 튜브(2)의 내측은 디바이더와 같이 열 교환 표면과 또한 튜브의 기계적 강도를 증가시키는 디스럽터(disrupter)를 또한 포함할 수 있다. 압출된 튜브가 또한 사용될 수 있다. 각 튜브는 예를 들어 유체 흐름을 위한 복수의 평행한 내부 채널을 형성한다.

상류 헤더(3) 및 하류 헤더(4)는 전체적으로 동일하고 일반적으로 관형 형상이다. 이들은 "두-부품(two-part)" 형태이다. 즉, 이들 각각은 헤더 플레이트(8)와 밀봉 커버(9)로 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 헤더 플레이트(8)는 실질적으로 둥근 U자형상의 형태인 단면을 갖고, 따라서 그 벽(10)은 두 개의 평행한 측면 윙(wings) 또는 브랜치(branches)(12)에 의해 연장된 베이스(11)를 한정하고, 윙 또는 브랜치의 말단 에지(terminal edges)(14)는 도면에서 커버에 의해 채워지는 길이방향 개구(15)를 한정한다. 평행한 튜브(2)의 대응 단부(2A)를 수용하는 직사각형 슬롯(16)은 플레이트의 길이를 따라 헤더 플레이트(8)의 베이스(11)에 형성된다. 도 2에는, 단부가 U자형 헤더 플레이트의 측면 브랜치(12)로부터 헤더 안으로 돌출하는 측면 정지부(stop)(17)와 만날때까지 도시된 튜브의 단부(2A)는 슬롯(16)을 통과하는 것이 도시되어 있다.

또한, 커버(9)는 실질적인 U자형 단면을 갖고, 벽(20)은 헤더 플레이트(8)보다 짧은 평행한 측면 브랜치 또는 윙(22)에 의해 연장된 완만한 오목 베이스(21)를 형성한다. 특히 밀봉 커버의 폭의 면에서 크기는 측면 브랜치(22)가 헤더 플레이트(8)의 측면 브랜치(12) 사이에서 머리-꼬리 연결 구성으로 끼워지도록 되어 있다. 다시, 커버(9)의 브랜치(22)의 말단 에지(24)는 헤더 플레이트(8)의 내측에 설치된 두 개의 돌출 정지부(17)에 대해 지지되지만, 그 반대 측면에 튜브(2)의 단부(2A)가 배치된다.

커버(9)와 헤더 플레이트(8)의 조립은 내부 공간(23)을 형성하고, 이 공간에서 루프의 작동 유체가 흐르게 되어 있다. 도시된 예시에서, 커버(9)의 베이스(21)는 조립 후에 플레이트(8)의 말단 에지(14) 뒤에 배치되는 것을 주목해야 한다. 따라서, 헤더(3 또는 4)의 단면은 안착되는 U자형상의 플레이트(8) 또는 커버(9)의 결과로 대략 직사각형이나, 다른 형상일 수도 있다. 칸막이(partition)(도시 생략)는 헤더를 밀봉하기 위해 헤더의 길이방향 단부의 각각에 설치된다.

도 2는 교환기(1)의 출구 플랜지(6)로 알려진 유체 연결 플랜지를 도시하지만, 플랜지(5, 6)가 구조적 및 기능적으로 유사하기 때문에, 명확하게는 논의되는 플랜지는 본 발명의 범위를 벗어남 없이 입구 플랜지(5)로 알려진 유체 연결 플랜지일 수 있다. 동일한 방식에서, 입구 플랜지(5)와 출구 플랜지(6)가 각각 상류 및 하류 헤더 상에 도시되어 있지만, 이 두 플랜지(5, 6)는 특히 내부 분리 칸막이를 갖는 헤더의 경우에, 도 1에 파선으로 지시된 플랜지(6)에 의해 도시된 바와 같이 동일한 관형 헤더(5) 상에 그리고 그 각 단부에 배치될 수 있다.

이들 입구 및 출구 플랜지의 기능은, 예를 들어 상류 헤더(3)와 면하는 논의되는 루프의 압축기와 상류 관형 헤더(3)의 내부 공간 사이에, 그리고 하류 관형 헤더(4)의 내부 공간(23)과 하류 관형 헤더와 면하는 팽창기 사이에 있는 도시하지 않는 도관을 통해, 그리고 플랜지에 형성된 유체 통로(25)를 통한 유체 연결부를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 위해, 알 수 있는 바와 같이, 플랜지는 일반적으로 평행육면체 형상이고, 각각은 일 면(26)을 가지며, 이것 상에서 대응하는 유체 통로(25)가 개방되고, 이어서 커버(9)의 베이스(21)의 외측 상에서 확고한 연결부(positive connection)에 의해 끼워지고; 커버의 칼라(28)에 형성된 구멍(27)과 연통하게 놓이며; 마지막으로 헤더 플레이트에 의해 유지되는 것을 의도한다. 칼라(28)는 예를 들어 중심 위치에서 커버의 베이스(21)에 설치된다.

도 2에 부분적으로 도시된 출구 연결 플랜지(6)의 경우에, 그리고 동일한 설명이 입구 연결 플랜지(5)에 적용되는 것을 유념하면, 평행육면체 플랜지(6)의 단부면(26)은 파선으로 도시된 바와 같이 브랜치의 연장부 내에 있는 헤더 플레이트(8)의 에지(14) 사이에서 길이방향 개구(15) 안으로 삽입되고, 이러한 방식에서 플랜지(6)의 유체 통로(25)를 한정하는 원통형 벽(29)은 커버의 베이스(21)로부터 수직하게 연장하는 원통형 칼라(28) 둘레에 결합된다. 따라서, 커버(9) 상에 플랜지(6)의 중심 설정 및 정확한 위치 설정이 보장된다. 이는 플랜지의 접촉면(26)의 평행한 측면 에지(30)가 가능한 밀접하게 커버의 오목 베이스(21)의 형상과 정합하는 것을 주목해야 하고, 이러한 방식에서 또한 U자형 헤더 플레이트(8)의 평행한 브랜치(12) 사이에 또한 끼워질 수 있다. 이들 평행한 측면 에지(30)는 커다란 평행한 횡방향 면(31)에 대해 플랜지(6)의 전체를 따라 외향으로 돌출하는 립(lips)(32)을 형성하고, 이로부터 이들이 시작하고, 이들 립은 플랜지의 돌출 립(32)의 형태로 말단 에지(31) 상으로 헤더 플레이트(8)의 측면 평행한 브랜치(12)의 말단 에지(14)를 구부리는 것에 의해 플랜지를 관형 헤더(4) 상에 크림핑되게 한다. 따라서 플랜지는 커버(9)의 베이스(21)와 헤더 플레이트(8)의 굽힘 에지(14) 사이에 고정되고, 칼라(28) 내의 구멍(27)과 플랜지(6)의 내부 통로(25)는 이 지점에서 동축이다.

칼라 내의 구멍(27)의 단면과 플랜지의 통로(25)의 단면 사이의 변경에 의해 나타난 압력 강하를 감소하기 위하여, 커버로부터 연장하는 칼라의 벽(33)의 두께(e)는 커버의 벽(20)의 나머지의 두께(E)로부터, 다시 말해 커버의 평행한 측면 브랜치와 베이스의 벽으로부터 감소한다. 이 벽 두께는 어떤 적합한 기계적 작동(스트레칭(stretching), 스웨이징(swaging) 등)에 의해 감소된다.

따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 칼라(28)의 벽(33)의 두께 감소는 50% 정도이지만, 최종 조인트를 약화할 어떤 위험없이 70% 또는 심지어 80% 만큼일 수도 있다. (벽(20)에 대응하는) 감소 전에 칼라의 두께(E)는 파선으로 도시되어 있고; 따라서, 구멍(27)의 단면은 루프의 효율을 극단적으로 개선하는 작은 압력 강하를 위해 유체가 공간(23)으로부터 플랜지(6)를 통해 흐르는(화살표 F로 지시된 바와 같이) 것을 허용하기 위해 최적화된다.

칼라 벽 두께의 감소가 없는 경우, 전체 내부 압력 강하의 증가가 20% 내지 30%인 것으로 나타났고, 이것은 특히 유해하다.

그러나, 칼라 구멍(27)의 직경이 본 발명에 따른 칼라 벽 두께의 감소에 의해 플랜지의 내부 통로(25)의 직경만큼 가능한 근접하게 된다면, 전체 내부 압력 강하의 증가는 수용가능한 5% 내지 10%로 제한된다.

플랜지(6)와 커버(9) 사이의 밀봉은 칼라 벽의 외측 둘레에 적층되고 이 벽을 경납땜으로 플랜지에 접합하는 코팅(도시 생략)에 의해 제공되는 한편, 다른 코팅은 헤더 플레이트와 커버의 직면하는 브랜치 사이와, 튜브 단부와 직사각형 슬롯 사이에 제공된다.

참조를 위해, 도 1은 도면부호(35)로 지시된 다른 플랜지를 도시하고, 이 플랜지는 동일한 방식으로 크림핑함으로써 관형 헤더(3,4)에 부착되고, 교환기(1)를 차량의 적합한 지지부에 고정 및 헤더 중 하나와 유체 연통하는 유체 저장 보틀(bottle)의 부착을 위해 의도된 것이다.

Claims (8)

1. 내부 유체 통로(25)를 갖는 적어도 하나의 연결 플랜지를 수용하도록 구성되고, 조립 후에 헤더 플레이트의 길이방향 개구를 폐쇄하는 커버(9)를 포함하는 형태의 열 교환기용 헤더(header)로서, 상기 헤더 플레이트는 상기 커버와 상호 작용하여 헤더를 형성하며, 상기 커버의 벽은 유체의 흐름을 위한 구멍(27)을 한정하는 적어도 하나의 외부 칼라(28)를 갖고, 상기 헤더는 상기 플랜지가 상기 커버(9) 상에 크림핑되게 하도록 구성되며, 그에 의해 상기 내부 유체 통로(25)가 상기 칼라 내의 상기 구멍(27)과 유체 연통하게 하는, 상기 열 교환기용 헤더에 있어서,
   상기 칼라(28)는 상기 칼라(28)가 연장되기 시작하는 상기 커버(9)의 벽 두께보다 작은 벽 두께(33)를 갖고, 그에 의해 유체 흐름을 위한 상기 구멍(27)의 단면을 최대화하는 것을 특징으로 하는
   열 교환기용 헤더.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 칼라(28)의 벽(33)의 두께 감소는 상기 커버(9)의 벽(20)의 두께에 비해 적어도 30%인
   열 교환기용 헤더.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 칼라(28)의 벽(33)의 두께 감소는 상기 커버(9)의 벽(20)의 두께에 비해 50% 내지 80%인
   열 교환기용 헤더.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 플랜지(5, 6)는 상기 헤더 플레이트(8)의 길이방향 개구를 한정하는 평행한 에지(14)를 사용하여 크림핑되고, 상기 평행한 에지는 상기 커버에 부착되는 상기 플랜지 상에 제공된 대응하는 에지(30) 상으로 굽혀지는
   열 교환기용 헤더.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 헤더 플레이트(8)의 벽(10)에는 내부 정지부(stop)(17)가 제공되어 있고, 상기 커버의 길이방향 에지(24)는, 상기 내부 정지부에 대해, 조립 후에 상기 헤더 플레이트(8)의 길이방향 개구를 밀봉하도록 지지되는
   열 교환기용 헤더.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 헤더 플레이트(8)의 단면은 실질적으로 U자형상이고, 그 개구는 상기 연결 플랜지(5, 6)를 수용하도록 구성된 상기 커버(9)에 의해 결합되는
   열 교환기용 헤더.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 커버(9)의 벽의 외부면(26)에는, 상기 헤더 플레이트 및 상기 플랜지와 상기 커버의 후속 경납땜에서 사용하기 위한 코팅이 제공되는
   열 교환기용 헤더.
8. 평행한 유체 흐름 튜브(2)의 번들에 의해 상호 연결된 두 개의 헤더(3, 4)를 포함하는 형태의 열 교환기에 있어서,
   상기 헤더(3, 4) 중 적어도 하나는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 헤더인 것을 특징으로 하는
   열 교환기.

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