KR20130079325A - 열교환기 제조 방법 및 열교환기 - Google Patents

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베르너 얀쩨르
안드레아 본크
우베 빌트
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보아 발크- 운트 콤펜자토렌 테크놀로지 게엠베하
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Abstract

본 발명은 열교환기를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 제조 방법에 따르면, 열방출을 위한 적어도 하나의 플레이트가 파형 몸체의 2개의 이웃한 파형부 사이로 삽입되며, 파형부들은 삽입된 플레이트가 파형부들 사이에서 억지끼움 및 비억지끼움 결합 방식으로 고정되게끔 서로 압착된다. 또한, 본 발명은 유체를 냉각하기 위한 상기 열교환기에 관한 것이며, 상기 열교환기는 부분적으로 파형 몸체로서 형성되는 튜브를 포함하고, 파형 몸체의 2개의 파형부 사이에 고정되는 열방출을 위한 적어도 하나의 플레이트를 갖는다.

Description

열교환기 제조 방법 및 열교환기{METHOD FOR PRODUCING A HEAT EXCHANGER AND HEAT EXCHANGER}
본 발명은, 부분적으로 파형 몸체(corrugated body)로서 형성되는 튜브를 포함하여 유체를 냉각하기 위한 열교환기를 제조하기 위한 방법과, 부분적으로 파형 몸체로서 형성되는 튜브를 포함하여 유체를 냉각하기 위한 열교환기에 관한 것이다.
상기 유형의 열교환기는 유체(기체 또는 액체) 간에 열교환을 실행하기 위해 이용된다. 냉각되거나 가열되어야 하는 제1 유체는 튜브를 관류한다. 상기 튜브는 이 튜브를 둘러싸는 추가의 용기 내로 안내되고, 상기 추가의 용기는 제2 유체를 포함하되, 제2 유체는 제1 유체를 포함하는 튜브를 둘러싸며 두 유체는 상호 간에 온도 차이를 나타낸다. 상기 열교환기는 예컨대 자동차에서 배기가스를 재순환하거나 엔진 폐열을 통해 차량의 실내로 향하는 공급 공기를 난방하기 위한 시스템 등에서 이용되며, 상기 시스템의 경우, 내연기관의 배기가스와 같은 배출 공기가 열교환기에 의해 냉각된다. 상기 유형의 시스템은 EP 1 136 780 A2에 기재되어 있으며, 이 경우, 제1 액체를 운반하는 제1 튜브는 제2 튜브에 의해 둘러싸이며, 이 제2 튜브는 형성된 중간 공간부 내로 다른 온도를 갖는 제2 액체를 안내한다. 열교환기는 파형 몸체를 통해 이동 가능하게 형성된 2개의 피팅(fitting)과 직선으로 형성된 중심 부재(center part)를 포함한다. 또한, 제1 내부 튜브에서는 이 제1 튜브의 중심 부재에서 중심 부재의 외연부의 둘레에 축 방향으로 핀(fin)들이 형성되며, 이들 핀은 외연부의 둘레에 분포되어 형성된다. 이런 경우, 핀들은 중심 부재의 길이보다 약간 더 짧게 제조된다. 나관(bare tube)과 핀들의 길게 늘어진 접촉면에 의해서는 튜브의 길이에 걸쳐서 강력한 응력 구조가 발생하되, 이에 기여하는 결정적인 요소는 유체의 상이한 온도에 의해 튜브를 따라 발생하는 상이한 온도 기울기이다.
또한, 이와 관련하여, 환형으로 튜브의 둘레에 대개는 용접에 의해 고정되어 있는 횡방향 핀들을 포함하는 열교환기도 공지되었다. 상기 열교환기는 작은 열교환면, 다시 말하면 튜브와 핀 사이의 연결면을 포함하며, 그에 의하여 상기 핀 다수가 튜브 상에 장착될 수 있게 된다. 바로 이런 점에서, 예컨대 배기관에서 관찰되는 것처럼, 온도 기울기가 큰 경우, 튜브 벽부 내에 원주 방향의 구속 응력(restraint stress)이 발생하며, 이런 구속 응력은 하중이 강한 경우, 용접부에 부정적인 영향을 미칠 수 있고 고비용의 수리를 초래한다.
또한, 핀들을 포함하는 나관 대신에 제1 유체를 안내하는 내부 부재로서 하나 이상의 파형 몸체를 나타내는 열교환기도 공지되었다. 파형 몸체의 이용은 종래 기술에 따르는 열교환기의 기능성을 증가시키는데, 그 이유는 파형부(wave)에 의해 튜브의 내부에서 기체의 유속이 감속되기 때문이다. 파형부는 기체의 주요 흐름 방향에 대해 측면 공간부들을 생성하며, 그에 의하여 튜브의 내부에서 기체의 전체 속도 프로파일(profile)의 감속을 제공하는 난류가 생성된다. 내부 유체의 더욱 오랜 체류 시간(dwell time)에 의해서는 파형 몸체의 외부에서 제2 유체와의 지속적인 열교환이 제공된다. 그러나 지금까지의 구성은 높은 중량에 도달하는 구조적으로 복잡한 구성을 나타낸다.
본 발명의 목적은, 최초에 언급한 유형의 열교환기에 있어서, 구조적으로 간단하면서도 경제적으로 제조되는 상기 열교환기를 제공하는 것에 있다. 추가의 목적은, 상기 열교환기를 위한 튜브를 제조하기 위한 방법을 제안하는 것에 있다.
본 발명에 따라 상기 목적은, 최초에 언급한 유형의 방법에 있어서, 열방출을 위한 하나 이상의 플레이트가 파형 몸체의 두 파형부 사이에 삽입되고, 파형부들은 삽입된 플레이트가 파형부들 사이에서 고정되는 방식으로 상호 간에 압착되는 것을 특징으로 하는 상기 방법에 의해 달성된다. 또한, 본 발명은, 최초에 언급한 유형의 열교환기에 있어서, 열방출을 위한 하나 이상의 플레이트가 파형 몸체의 2개의 파형부 사이에 삽입될 수 있고 억지끼움 및 비억지끼움 결합 방식(form- und kraftschlussig ; positive and non-positive fit)으로 고정되어 있는, 상기 열교환기를 제공한다.
본 발명에 따른 열교환기는, 부분적으로 파형 몸체로서 사전 제조되는 튜브를 포함한다. 증가된 열방출은 본 발명에 따른 열교환기에 의해서 추가로 금속 소재의 플레이트가 파형 몸체의 2개의 연속되는 파형부 사이에 고정됨으로써 달성된다. 플레이트의 이용에 의해서는 외부 유체로 향하는 내부 유체의 열전달이 열교환면의 표면 확대에 의해 향상된다. 열교환면을 추가로 확대하기 위해 바람직하게는 상기 열교환면은 파형부와 플레이트 사이에서 상이한 파고(wave height)에 의해 변경될 수 있다. 상대적으로 더욱 높은 파고에 의한 결과로, 플레이트에서 압착 후에 보다 나은 고정이 이루어지고 파형부와 플레이트 사이의 더욱 큰 표면은 변경되고 향상된 열방출을 촉진한다. 복수의 플레이트의 이용을 통해서 열방출이 목표한 바대로 제어될 수 있으며, 특히 바람직하게는 2개의 플레이트가 튜브의 측면 중 반경 방향에서 서로 마주보는 측면들로부터 2개의 파형부 사이로 삽입될 수 있다. 그에 의하여 전체 외연부에 걸쳐서 균일한 열방출이 보장된다. 이를 위해 본 발명에 따라 바람직하게는 하나 이상의 플레이트는 장방형 형태를 포함하고, 플레이트는 튜브로 향해 있는 테두리에 파곡부(wave trough) 내 파형 몸체의 지름에 부합하는 반원형 홈부(recess)를 포함하되, 플레이트 및/또는 튜브는 특수강으로 제조된다. 바람직하게는 제공되는 플레이트들의 두께는 파형 몸체의 파형부들 사이에 위치하는 파곡부의 폭을 초과하지 않는다. 플레이트가 파형부들 사이에 더욱 잘 삽입될 수 있고 테두리는 튜브에 더욱 잘 밀착될수록, 압착도 더욱 더 향상된다.
열교환기의 제조는 특히 간단하다. 파곡부 내 튜브의 지름에 부합하는 반원형 홈부를 사전에 포함하게 되는 적합한 플레이트는 파형 몸체의 2개의 이웃한 파형부 사이에 삽입된다. 그런 후에 상기 파형부들은, 삽입된 플레이트가 파형부들 사이에서 억지끼움 및 비억지끼움 결합 방식으로 고정되게끔, 중간에 위치하는 플레이트와 함께 압착된다. 특히 견고한 압착 결합을 위해 본 발명에 따라서는 파형부들이 공구를 이용한 축 방향 단압(upsetting)을 통해 반경 방향으로 플레이트에 균일하게 압착된다. 그에 따라 튜브에 플레이트를 고정하더라도 용접 솔기는 필요하지 않게 된다. 또한, 바람직하게는 고정하기 전에 플레이트들이 튜브의 측면 중 반경 방향에서 서로 마주보는 측면으로부터 2개의 이웃한 파형부 사이로 삽입되며, 그에 의하여 환형의 삽입물(insert)이 아니라, 다수의 부재로 구성되고 간단하게 제공되는 삽입물이 이용되면서, 환형 핀들을 포함하는 용접된 변형예에 비해 개량이 이루어지게 된다. 다수의 부재로 이루어진 플레이트 삽입물들에 의해서 열팽창에 의한 원주 방향의 구속 응력은 방지된다. 그에 따라 열교환기는 통상적인 용접된 열교환기에서의 경우보다 온도 기울기에 의해 발생하는 기계적 하중에 더욱 적게 노출된다. 특별한 장점은 열교환 매체로서 공기를 이용하는 점에 있다. 따라서 교환용 기체나 액체로서 이용되는 제2 유체를 위한 추가의 배치 구조가 필요하지 않게 된다. 전체적인 구성은 더욱 작고 치밀(compact)해진다. 또한, 튜브와 플레이트 사이의 또 다른 다양한 재료 조합도 생각해볼 수 있으며, 그에 의하여 열방출은 더욱 최적화될 수 있다.
본 발명의 추가의 장점 및 특징은 특허 청구 범위와, 본 발명의 실시예가 도면과 관련하여 상세하게 설명되어 있는 하기의 구체적인 내용의 설명으로부터 지시된다.
도 1은 본 발명에 따른 열교환기의 전체 모습을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열교환기를 절단하여 측면에서 도시한 횡단면도이다.
도 3은 열방출을 위한 플레이트를 도시한 정면도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 제조 방법의 제1 단계의 상태를 도시한 사시도이다.
도 4b는 본 발명에 따른 제조 방법의 제2 단계의 상태를 도시한 횡단면도이다.
도 4c는 본 발명에 따른 제조 방법의 제3 단계의 상태를 도시한 횡단면도이다.
도 1과 도 2에는 본 발명에 따른 열교환기(1)의 전체 모습 및 윤곽이 각각 개략도와 측면도로 도시되어 있다. 열교환기(1)는 파형 몸체(3)를 구비한 튜브(2)를 포함한다. 여기서 튜브(2)와 파형 몸체(3)는 바람직하게는 특수강으로 구성되며 일체형으로 제조된다. 파형 몸체(3)는 파곡부(4.1) 및 파봉부(4.2)(wave crest)를 구비한 파형부(4)들을 포함한다. 압착된 2개의 파형부(4) 사이에는 플레이트(5)가 배치되어 있다. 도 1에 도시된 실시예에서는 예시로서 단일의 플레이트(5)만 파형부(4)들 사이에 고정된 상태로 도시되어 있다. 또한, 복수의 플레이트도 삽입될 수 있으며, 이 경우, 플레이트들은 일측의 측면으로부터 뿐만 아니라, 튜브에 대해 서로 마주보고 위치하는 2개의 측면으로부터 삽입될 수 있으며, 그에 따라 반경 방향에서 서로 다른 방향으로 향하게 된다. 이는 각각의 공간 내지 열방출 소요에 따라 유연하게 이용될 수 있다.
도 3에는 상기 유형의 플레이트(5)가 도시되어 있다. 여기서 플레이트(5)는 장방형의 기본 형태를 나타내되, 차후에 파형 몸체(3)로 향하는 플레이트 자체의 테두리(5.1)에는 반원형 홈부(5.2)가 제공된다. 홈부(5.2)는, 파형 몸체(3)의 파곡부(4.1)의 반경 중심점들에 의해 결정되는 지름 D2에 상응하는 지름 D1을 나타낸다(이에 대해서는 도 2 참조). 이 경우, 플레이트(5)는 또 다른 형태로도 형성될 수 있으며, 따라서 다양한 길이 및 높이를 갖는 장방형 이외에도 반원 또는 3각형의 형상도 가능하다. 최적의 골격 형상(skeleton form)을 보장하기 위해, 플레이트는 최대한, 고정 전 2개의 파형부(4) 사이의 간격 내지 파곡부(4.1)의 폭에 상응하는 두께를 보유해야 한다. 그에 따라 고정 후, 억지끼움 및 비억지끼움 결합 방식의 결합이 보장된다. 바람직하게는 플레이트(5)는 특수강으로 제조되되, 열방출의 최적화를 위해서 예컨대 구리와 같은 또 다른 재료도 가능하다.
도 4a 내지 4c에는 상기 열교환기(1)를 제조하기 위한 방법의 제조 단계에 따른 상태가 횡단면도로 도시되어 있다. 예시로서 2개의 플레이트(5)가 튜브(2)의 상부 및 하부로부터 파형 몸체(3)로 접근하는 방법이 도시되어 있다. 플레이트(5)들은 튜브(2)의 연장 방향에 대해 수직 방향으로 2개의 파형부(4) 사이의 파곡부(4.1) 내로 삽입되며(도 4b 참조), 경우에 따라 상기 위치에서 고정된다. 이 경우, 플레이트(5)의 반원형 홈부(5.2)는 파곡부(4.1)의 바닥부에서 중심 위치를 찾을 수 있게끔 보조한다. 플레이트(5)가 튜브(2)에 대해 수직 방향으로 삽입되면, 플레이트(5)를 둘러싸는 파형부(4)들의 양쪽 측면에, 요컨대 플레이트(5)의 왼쪽 파형부(6.1) 및 오른쪽 파형부(6.2)에 공구(미도시)를 부착한다. 그에 이어서 상기 공구로 관련된 파형부들을 서로 반대되는 축 방향으로 균일하게 서로 압착하며, 그에 따라 플레이트(5)의 왼쪽 파형부(6.1)와 플레이트(5)의 오른쪽 파형부(6.2)가 서로 압착된다. 이 경우, 파형부(4)들은 완전하게 서로 압착되며, 그에 의하여 플레이트(5)는 억지끼움 및 비억지끼움 결합 방식으로 고정된다. 그런 후에 파형부(4)들로부터 공구를 다시 분리하고, 복수의 플레이트가 파형 몸체(3)에 고정되어야 하는 경우라면 추가의 삽입용 플레이트(5)로 이동시킨다. 동일한 파형부(4)들 사이에 2개의 플레이트(5)가 삽입되어야 한다면, 플레이트(5)들을 서로 마주보게끔 튜브(2)로 접근시켜 고정하고 함께 압착할 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기(1)에 의해서는, 추가의 플레이트들 내지 상이한 재료 쌍의 이용에 의해 추가로 최적화될 수 있으면서 간단하게 제조되고 경제적인 열교환기가 제공된다. 열방출의 추가의 최적화는 파고와 그 안쪽에 압착된 플레이트의 표면에 의해 결정되는 열교환면의 변경을 통해 달성된다. 또한, 플레이트의 압착에 의해서는 용접된 열교환기에서 통상적인 것과 같은 원주 방향의 구속 응력이 완전하게 방지된다. 이는 플레이트들이 개별적으로 삽입되며 튜브에 환형으로 고정되지 되지 않는 것을 통해 달성된다. 용접에 비해 달성되는 특별한 장점은 압착부의 증가된 기계적 운동성이다. 재료들은, 용접식 해결 방법에 비해서, 특히 온도를 바탕으로 재료들의 상이한 열적 팽창에 의해 야기되는 응력을 보상할 정도로 상호 간에 큰 유격을 갖는다. 경제적인 관점은 특히, 각각의 구조 및 크기를 갖는 파형 몸체가 사전에 성형되어 이용될 수 있다는 점에 있다. 적합한 플레이트들의 삽입 및 압착 공정은 열교환기에 대한 각각의 요건에 따라 변경될 수 있으며 큰 비용 없이도 기존의 생산 공정에 통합될 수 있다. 압착되지 않은 파형부들은 열교환기의 추가의 장점을 제공하는데, 요컨대 상기 파형부들이 강성의 튜브에 의해서는 제공되지 않는 운동성과 보상 특성을 열교환기에 제공한다는 장점이 있다.
1: 열교환기
2: 튜브
3: 파형 몸체
4: 파형부
4.1: 파곡부
4.2: 파봉부
5: 플레이트
5.1: 테두리
5.2: 홈부
6.1: 왼쪽 파형부
6.2: 오른쪽 파형부
D1: 홈부의 지름
D2: 파곡부 내 반경 중심점들에 따른 지름

Claims (10)

  1. 부분적으로 파형 몸체로서 형성되어 있는 튜브를 포함하여 유체를 냉각하기 위한 열교환기를 제조하기 위한 방법에 있어서, 열방출을 위한 하나 이상의 플레이트가 상기 파형 몸체의 2개의 파형부 사이에 삽입되고, 상기 파형부들이 상기 삽입된 플레이트가 파형부들 사이에 고정되는 방식으로 상호 간에 압착되는 것을 특징으로 하는 열교환기 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파형부들이 공구에 의한 축 방향 단압(upsetting)에 의해 반경 방향으로 플레이트에 균일하게 압착되는 것을 특징으로 하는 상기 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    고정 전에 2개의 플레이트가 반경 방향에서 서로 마주보는 튜브의 측면들로부터 2개의 이웃한 파형부 사이로 삽입되는 것을 특징으로 하는 상기 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    플레이트들이 파곡부 내 튜브의 반경 중심점들에 따른 지름에 부합하는 반원형 홈부를 사전에 포함하게 되는 것을 특징으로 하는 상기 제조 방법.
  5. 부분적으로 파형 몸체(3)로서 형성되어 있는 튜브(2)를 포함하여 배기가스를 냉각하기 위한 열교환기에 있어서, 열방출을 위한 하나 이상의 플레이트(5)가 상기 파형 몸체(3)의 2개의 파형부(4) 사이에 삽입되고 상기 2개의 파형부(4) 사이에서 고정되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하나 이상의 플레이트(5)가 장방형 또는 반원형 형태를 보유하는 것을 특징으로 하는 상기 열교환기.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 플레이트(5)는 상기 튜브(2)로 향해 있는 테두리(5.1)에 파곡부(4.1) 내 파형 몸체(3)의 지름(D1)에 부합하는 반원형 또는 U자형 홈부(5.2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 열교환기.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개의 플레이트(5)가 반경 방향에서 서로 마주보는 튜브(2)의 측면들로부터 2개의 파형부(4) 사이로 삽입되는 것을 특징으로 하는 상기 열교환기.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    파형부(4)들과 플레이트(5) 사이에서 생성되는 열교환면이 상이한 파고에 의해 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 상기 열교환기.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 플레이트(5) 및/또는 상기 튜브(2)가 특수강으로 제조되는 것을 특징으로 하는 상기 열교환기.
KR20127025205A 2010-05-22 2011-05-20 열교환기 제조 방법 및 열교환기 KR20130079325A (ko)

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