KR20160150030A - 열 교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 교환기에 관한 것으로, 매니폴드와 상기 열 교환기의 메인 바디 사이에 특정한 클림프된 조인트 구성을 가진 열 교환기에 관한 것이다. 조인트를 달성하기 위하여, 매니폴드는 둘레 가장자리, 즉 메인 바디에 결합된 가장자리에 근접하게 분배된 캐비티들을 포함한다. 메인 바디는 매니폴드가 지지되는 계단 모양의 시트를 구비한다. 시트 주변으로, 메인 바디는, 적어도 둘레 가장자리에 인접한 밴드에서, 매니폴드를 외부에서 둘러싸는 세그먼트를 구비한다. 이 둘레 밴드는 스트립들을 정의하는 슬롯들을 구비하고, 상기 스트립들은 상기 슬롯과 자유 가장자리 사이에 위치되어서, 쉘의 캐비티들의 내부를 향하여 소성 변형되는 스트립들은 매우 강성이고 강한 결합력과 함께 조인트를 확립한다.

Description

열 교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열 교환기로, 특별하게는 내부 연소 운송 수단들에서 주로 질소 산화물 배출을 감소시키기 위한 EGR(Exhaust Gas Recirculation, 배출가스환원장치) 시스템들을 위한 열 교환기이다. 이 열 교환기의 주 적용은 액체 냉각수에 의하여, 뜨거운 가스, 재순환된 가스로부터 열을 제거하는 것이다.

발명은 매니폴드와 열 교환기의 메인 바디 사이에 특정한 클림프 된(crimped) 조인트(joint) 구성에 의하여 특징지어진다. 조인트를 달성하기 위하여 매니폴드는 둘레 가장자리(perimetral edge), 즉 메인 바디에 결합된 가장자리에 근접하게 분배된 캐비티들을 포함한다. 메인 바디는 매니폴드가 지지되는 계단 모양의 시트(seat)를 구비한다. 시트 주변으로, 메인 바디는, 적어도 둘레 가장자리에 인접한 밴드에서, 매니폴드를 외부에서 둘러싸는 세그먼트를 구비한다. 이 둘레 밴드(perimetral band)는 스트립(strip)들을 정의하는 슬롯들을 구비하고, 상기 스트립들은 상기 슬롯과 자유 가장자리(free edge) 사이에 위치되어서, 매니폴드의 캐비티들의 내부를 향하여 소성 변형되는 스트립들은 매우 강성이고 강한 결합력과 함께 조인트를 확립한다.

이 조인트의 특정한 구성은 현재 알려진 조인트들에 대비하여 매우 짧은 제조 시간들을 허용하고 제조 공구 세공(manufacturing tooling)은 덜 비싸다.

가장 강렬한 개발을 겪어왔던 기술의 분야들 중 하나는 EGR 시스템들을 위한 열 교환기들의 분야이다. 배기 가스로부터 측정된 재순환된 가스의 온도는 매우 높은 값들에 도달한다. 열 교환기 이전에 EGR 시스템의 세그먼트에서 위치된 모든 부품들은 높은 온도의 대상이 된다. 특히, 재순환된 가스의 온도를 감소시키는 데 원인이 되는 열 교환기는 뜨거운 가스가 진입하는 매니폴드와 매우 강성이고 강하고 신뢰할 만한 조인트를 요구하는 열 교환기 사이에 조인트를 구비한다.

하나의 매우 믿을 만한 조인트는 조인트의 영역 주변으로 둘레 주변으로 분배된 스크류들 또는 볼트들의 사용에 기초한 잘 알려진 조인트이다. 그러한 조인트들의 단점은 스크류 조이는 작동(screw tightening operation)이 스크류로 하여금 교환기의 바디로부터 이격되어서 조이는 공구가 스크류 상에 작동하는 것을 허용한다. 부착될 메인 바디에 관하여 각각의 스크류의 이격(spacing)은 더 큰 장치들을 생기게 하고, 엔진 베이 상에 패킹 용량(packing capacity)을 저해하고 장치의 총 무게를 상승시킨다. 이 조여진 해결책과 연관된 또 다른 단점은 교환기의 효율적인 제조가 단단히 조이는 토크 리미터(tightening torque limiter)들과 같이 다른 액세서리들 외에 각각의 스크류를 위한 하나의 엑츄에이터를 요구한다는 점이다. 각각의 엑츄에이터의 가격은 비싸고, 특히 많은 스크류들이 있다면, 공구 세공의 가격 또한 높다.

조여진 조인트들에 대안은 클림프 된 구성들 또는 클림핑(crimping)함으로써 형성되는 구성들의 사용이다. 클림프 된 조인트는, 부품들 중 하나에서 배열된, 하나 이상의 고정하는 요소들에 의하여 두 부품들 사이에, 다른 부품의 고정을 확립하기 위하여 소성 변형되는, 조인트로 이해된다.

열 교환기의 메인 바디와 매니폴드 사이에 클림핑으로써 형성되는 조인트들이 있다. 클림핑에 의하여 형성된 이러한 조인트들에서, 매니폴드는 탄성적으로 변형 가능한 개스킷의 중개(intermediation)와 함께 열 교환기의 메인 바디의 시트 상에 지지된다. 매니폴드는 메인 바디의 탭(tab)들과 협동하는 둘레 립(perimetral rib)을 구비한다. 매니폴드가 탄성적으로 변형 가능한 개스킷에 의하여 형성된 시트 상에 배치되면, 매니폴드의 둘레 립 상에 탭으로 하여금 지지될 때까지, 메인 바디의 탭들은 이러한 목적을 위하여 특별하게 구성되는 공구 세공(tooling)에 의하여 소성 변형하여서, 바디들, 매니폴드와 메인 바디 모두 함께 더 근접하여 제공된다. 이러한 두 개의 부품들을 함께 더 근접하게 제공하는 것은, 탄성적으로 변형 가능한 개스킷 상에 압축력을 생기게 한다. 탭들이 소성 변형하는 것을 고려하면, 조인트는 영구적이다.

이 조인트의 단점들 중 하나는 탭들의 소성 변형이 항상 탄성 변형의 특정 정도를 수반한다는 점이다. 공구 세공이 변형의 특정 정도를 부과(impose)할 때, 공구 세공이 제거될 때 탭은 특정 변형을 회복시키고 본래의 형상과 공구 세공에 의하여 부과된 형상 사이에 중간의 형상을 얻는다. 이 탄성 회복의 정도가 작더라도, 결과는 탄성적으로 변형 가능한 개스킷의 압축값이 설계 동안 계산하기에 어려운 불확실성 수준을 구비한다는 것이다.

추가적으로, 부품들, 열 교환기의 메인 바디 및 매니폴드 모두 사이에 조인트는 메인 바디와 매니폴드 사이에 탄성 적으로 변형 가능한 개스킷을 구비하여서 높은 응력들의 경우에 부품들 사이에 상대적인 위치를 변경하는 것을 가능하게 하고, 특히 시간이 지남에 따라 탄성적으로 변형 가능한 개스킷이 마모를 겪어왔다면, 기밀(air-tightness)을 위태롭게 하는 것을 가능하게 한다.

본 발명은, 클림핑에 의하여 형성된 조인트를 제공하지만 상기 확인된 단점들을 구비하지 않는, 즉 설계 조건들 하에서 매우 낮은 불확실성과 함께 열 교관기의 메인 바디와 매니폴드 사이에 압축 정도를 확립하는 것을 허용하고, 결과적인 조인트는 매우 강성이고, 기밀을 유지하는 제조 장점들을 구비한 조인트를 제공한다.

본 발명은 열 교환기로, 바람직하게는 EGR 시스템에서 냉각하는 재순환된 가스를 위한 열 교환기로, 상기 열 교환기에서 상기 열 교환기의 메인 바디와 매니폴드 사이에 조인트는 특정한 클림프하는 구성에 의한다.

열 교환기가 EGR 시스템에서 차갑고 뜨거운 재순환된 가스에 적용될 때, 열 교환기의 메인 바디와 교환기로 입구 매니폴드(inlet manifold) 사이에 발명에 따른 클림프 된 조인트를 사용하는 것은, 이것이 더 높은 온도에 지배를 받는 것이 바로 조인트이고, 이러한 더 요구하는 조건들에서조차 발명에 따른 조인트는 조인트를 고정되게 유지할 수 있기 때문에 특정한 장점들을 구비한다.

발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명은 서로에 부착될 두 개의 부품들을 포함한다:

쉘을 차례로 포함하는 메인 바디 및 매니폴드를 포함하고,

상기 쉘은 제1 유체, 특히 냉각될 가스의 통로를 위한 하나 이상의 열 교환 튜브들을 수용하고, 상기 제1 유체에서 상기 열 교환 튜브들은 상기 쉘의 두 개의 반대하는 단부들 사이에 연장하고;

상기 쉘은 제2 유체, 특히 냉각 유체의 통로를 위한 열 교환 튜브들 및 상기 쉘의 내부 면 사이에 공간을 포함하고; 및

상기 메인 바디는, 상기 쉘의 상기 단부들 중 적어도 하나에서, 배플을 포함하여서 상기 열 교환 튜브들이 상기 쉘의 단부들 중 하나를 통하여 상기 배플에 부착되고; 및

상기 매니폴드는 상기 배플에 부착된 상기 열 교환기의 튜브들의 내부와 유체 소통하고, 상기 매니폴드는 상기 메인 바디에 부착된다.

메인 바디는 열 교환기의 바디이고, 상기 바디에서 교환기의 튜브들의 다발(bundle)이 위치되고 결국 상기 바디에서 열 에너지가 냉각될 가스로부터 액체 냉각수로 전달된다. 가스는 튜브들의 다발의 튜브들의 내부를 통하여 통과하고 액체 냉각수는 튜브들의 다발의 튜브들의 외부 주변으로 순환하고 쉘에 의하여 제한된다. 유체들은 분리되어서 교환기 튜브들의 벽을 통하여 뜨거운 가스로부터 액체 냉각수로 열이 전달된다.

열 교환기의 바람직한 구성은 그 안에 수용된 열 교환 튜브들의 다발에 의하여 결정된 길이 방향으로 연장하는 쉘의 구성이다. 발명이 쉘로 하여금 튜브들의 다발의 튜브들의 각각의 단부들의 하나를 수용하는 배플(baffle)을 단부들 중 하나에서 구비하도록 요구하더라도, 바람직한 구성은 두 개의 배플들을 사용하는 것으로, 하나는 쉘의 각 단부에서 있어서 하나의 배플이 튜브들의 다발의 튜브들의 일 단부를 수용하고, 쉘의 반대하는 면 상에 위치된 다른 배플은 튜브들의 반대하는 단부를 수용한다.

쉘의 내부 면, 교환기 튜브들과 배플 또는 배플들에 의하여 확립된 열 교환기 면에 의하여 경계가 정해진 내부 공간은 액체 냉각수가 순환하는 공간이다. 이 공간은 액체 냉각수의 순환을 위한 입구 및 출구 포트들을 구비한다.

냉각될 가스에 관하여, 열 교환 튜브들의 내부를 접근하기 위하여, 상기 가스는 매니폴드를 통하여 진입하고, 바람직하게는 매니폴드는 클림핑에 의하여 열 교환기의 메인 바디에 부착된다. 뜨거운 가스가 교환기 튜브들의 내부를 통하여 통과한 후, 그 열을 발산하고, 이후 사용을 위한 도관(conduit)으로 가스를 이끄는 제2 매니폴드로 나간다. 이 제2 매니폴드가 그러한 방식과 같이 확인되어왔더라도, 다양한 실시예들에 따라, 예를 들어, 더 소형의 구성들을 생기게 하면서, 밸브들과 같은 다른 요소들의 부품들에 의하여 형성될 수 있다.

열 교환 튜브들의 단부들의 일부가 부착되고 클림핑에 의하여 형성된 조인트가 확립되는 열 교환기의 메인 바디의 일 측 상에 위치된 배플은 액체 냉각수와 가스의 공간 사이에 분리를 확립하는 요소들 중 하나이어서 열 교환기의 메인 바디에 부착될 매니폴드에 있는 가스가 배플에 부착된 튜브들의 내부와 유체 소통한다.

발명은 추가적으로 다음과 같이 특징지어진다:

- 상기 매니폴드는 둘레 가장자리(perimetral edge) 및 둘레(perimeter) 주변으로 분배되고 상기 둘레 가장자리로부터 이격된 상기 매니폴드의 외부 면 상에 복수의 캐비티들을 포함하고,

- 상기 메인 바디는 적어도 상기 매니폴드의 둘레 가장자리에 인접한 밴드(band)에 의하여 상기 매니폴드를 외부에서 둘러싸는 세그먼트에서 연장되고, 상기 메인 바디는 스테핑(stepping)을 포함하여서 상기 스테핑 상에 상기 매니폴드의 상기 둘레 가장자리의 시트(seat)가 배열되고; 및

- 상기 매니폴드를 외부에서 둘러싸는 상기 메인 바디의 상기 세그먼트는, 각 상기 캐비티들 내에서, 상기 매니폴드의 두 개 이상의 캐비티들과 일치하고, 상기 매니폴드를 외부에서 둘러싸는 상기 메인 바디의 상기 세그먼트의 상기 가장자리 및 상기 가장자리로부터 이격되는 슬롯(slot) 사이에 구성되는 스트립(strip)을 포함하여서, 상기 슬롯에 의하여 확립된 상기 스트립의 자유 가장자리(free edge)가 상기 매니폴드의 상기 둘레 가장자리에 가장 가깝게 배열된 상기 캐비티의 면 상에 지지되도록, 소성 변형에 의하여, 상기 스트립이 상기 매니폴드의 상기 캐비티로 진입한다.

메인 바디는 매니폴드의 둘레 가장자리에서 시트를 확립하는 스텝(step)을 포함한다. 이 시트는 열 교환기의 메인 바디와 매니폴드 사이에 직접적인 또는 간접적인 접촉을 확립한다. 매니폴드는 발명의 제1 측면에 따른 클림핑을 확립하는 메인 바디의 변형 가능한 요소를 위한 서포트(support)로서 역할하는 그 주변부 주변으로 분배되는 하나 이상의 캐비티들을 구비한다. 캐비티들은 매니폴드의 둘레 가장자리에 근접하고 그로부터 이격된다. 차례로, 메인 바디는 매니폴드를 외부에서 둘러싸는 세그먼트에 따라 연장된다. 세그먼트가 매니폴드를 외부에서 둘러싸거나 매니폴드 주변으로 진행하는 방식은 매니폴드의 둘레 가장자리를 적어도 부분적으로 덮고 특별하게는 매니폴드의 캐비티들에 도달하는 밴드에 의한다. 밴드가 매니폴드의 둘레 가장자리를 완전히 덮는다면, 강성도(rigidity)는 더 크고 조인트는 또한 더 강하다.

캐비티들에 도달하는 메인 바디의 세그먼트는 스트립을 구비한다. 스트립은 매니폴드를 외부에서 둘러싸는 세그먼트의 가장자리와 상기 가장자리로부터 이격된 슬롯 사이에 정의된다. 매니폴드를 외부에서 둘러싸는 메인 바디의 세그먼트의 바람직한 구성은, 적어도 캐비티가 위치된 곳에서, 슬롯이 밴드의 자유 가장자리에 바람직하게 일직선이고 평행한 곳인 밴드의 형태이다.

스트립은 주로 둘레 방향(perimetral dirction)으로 연장하고 두 개의 가장자리들을 구비하는 것으로, 하나는 둘레 밴드의 자유 가장자리이고 다른 하나는 스트립의 다른 일 측 상에 위치되고 슬롯에 의하여 정의된다. 예를 들어, 슬롯은 다이컷(die cut)에 의하여 만들어질 수 있고, 언급한 바와 같이 스트립의 자유 가장자리들의 하나를 생기게 한다.

조인트가 확립되기 전에, 스트립은 캐비티 주변으로 외부에서 통과한다. 조인트는 스트립 상에 외부로부터 압력을 가함으로써 확립되고, 바람직하게는 이의 중앙 부분에서, 캐비티의 내부를 향하여 스트립으로 하여금 소성 변형하도록 하는 영구적인 변형을 생산한다. 슬롯의 위치에 있어서 슬롯이 발생시키는 스트립의 자유 가장자리는 캐비티의 내부 면과 접촉하고, 조인트의 압축 응력들을 견디기 위하여 그 위에 지지되도록 하여야 한다. 다시 말하면, 조인트는, 캐비티의 내부 면 상에, 슬롯에 의하여 발생되는 그 가장 자리를 통하여, 캐비티의 내부를 향하여 소성 변형되고, 스트립의 서포트를 통하여 압축을 유지한다.

캐비티의 내부 면 상에 소성 변형된 스트립의 서포트가 확립되고, 상기 내부 면의 법선 방향(normal direction)은 교환기의 메인 바디와 매니폴드 사이에 압축 방향으로 주로 지향된다. 교환기의 메인 바디와 매니폴드 사이에 시트가 하나의 평면에 포함된다면, 소성 변형된 스트립이 그 위로 지지되는 캐비티의 내부 면의 법선 방향은 상기 평면에 수직인 방향으로 주로 지향된다.

이 경우에, 발명의 바람직한 실시예에 따라 스트립이 그 위에 지지되는 캐비티의 내부 면이 교환기의 바디의 길이 방향에 관하여, 작은 각도로, 기울어지고, 스트립의 서포트에서 쐐기(wedging)를 생기게 하기 때문에, 수직 방향에서 "주로" 지향된다고 언급된다. 기울어짐은 조인트에서 압축의 정도의 조절을 촉진(favor)하는 서포트 영역에서 캐비티의 면을 생기게 한다. 스트립의 변형이 더 클수록, 즉 상기 스트립이 캐비티를 추가적으로 진입해야 하도록 부과되고, 상기 스트립이 가하는 압축력이 더 크다.

스트립의 변형은 캐비티로 진입의 방향인 반면, 캐비티의 내부 면 상에 스트립의 지지력(supporting force)은 스트립의 소성 변형을 달성하기 위하여 변형이 일어나왔던 방향에 본질적으로 수직인 방향이다. 이 조건의 기술적인 효과는 소성 변형을 거동할 때 스트립의 어느 탄성 회복도 조인트의 방향에 수직인 방향에서 발생하고, 결국 조인트에서 압축 응력에 영향을 주지 않는다. 서포트가 확립되는 면이 기울어짐에도 불구하고, 탄성 회복은 조인트에서 압축에 의하여 확립된 방향 상에 그 돌출(projection)의 매우 작은 요소를 구비할 것이고, 그 효과를 최소화한다.

스텝에 의하여 구성되는 매니폴드의 시트는 열 교환기의 메인 바디에서 있고, 매니폴드를 둘러싸거나 매니폴드 주변으로 진행하는 세그먼트에 관하여 동일하다는 것이 본원을 통하여 표시되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 스텝에 의하여 구성되는 시트 및 메인 바디에서 마련된 매니폴드를 둘러싸거나 매니폴드 주변으로 진행하는 세그먼트는 상기 메인 바디의 구체적인 부품들에서 위치될 수 있다.

그러한 부품들은, 제1 실시예에 따라, 시트가 스텝과 같이 구성되고 그것이 둘러싸는 세그먼트가 쉘인 곳인 제1 부품이고; 제2 실시예에 따라, 시트가 스텝과 같이 구성되고 그것이 둘러싸는 세그먼트가, 조인트가 확립되는 매니폴드의 일 측 상에 위치 되는 튜브들의 다발의 단부들을 수용하는 배플인 곳인 제2 부품이다. 이 제2 실시예가 더 복잡한 구성을 구비하는 것을 고려하면, 상세하게 발명을 설명하기 위하여 두 개의 구성들에 따라 그것은 사용될 어떤 것이다.

제1 실시예는, 예를 들어, 쉘에서 내부를 향하여 굽이(bend)에 의하여 매니폴드를 위한 스테핑(stepping) 또는 시트를 정의함으로써 수행될 수 있고, 매니폴드를 부분적으로 덮고 스트립들이 변형 가능한 곳인 밴드에 대응하는 쉘의 단부에서 확장이 되게 한다(leave an expansion).

도면들을 참조하여 추가적으로 상사하게 기재될 제2 예는 쉘과 배플이 다른 두께들을 구비할 수 있다는 장점을 구비한다. 쉘은 배플과 조인트의 강도(strength) 요구조건들과는 다른 강도 요구조건들을 구비한다. 이 구성은 기능들 각각을 위한 적절한 두께들을 확립하는 것을 허용한다.

본 발명의 효과는 명세서 내에 포함되어 있다.

발명의 이러한 및 다른 특징들과 장점들은 첨부된 도면들을 참조하여 예시적이고 비제한적인 예시의 방법으로 단지 주어진, 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명에 기초하여 더 잘 이해될 것이다.
도 1a는 발명에 따른 열 교환기의 실시예의 외부 사시도를 도시한다.
도 1b는 튜브들의 다발에 의하여 결정된 길이 방향에 평행한 중간평면에 의하여 구획된 정면도에서 도 1a의 동일한 장치를 도시한다.
도 1c는 상기 배플을 통하여 매니폴드와 함께 조인트에 기초한 하기에서 도시될 예시들 중 어느 하나에 따른 배플의 세부 사항의 사시도를 도시한다.
도 1d는 조인트 힘이 클림핑에 의하여 보장되는 구체적인 방식뿐만 아니라, 배플에 의하여 정의된 시트 상에 매니폴드의 서포트 영역에서 단면도를 도시한다.
도 2는 탄성적으로 변형 가능한 개스킷과 함께 단단히 조임(tightness)이 달성되고, 도 1a 및 도 1b에서 도시된 동일한 실시예의 분해 사시도를 도시한다.
도 3은 클림핑에 의하여 형성된 조인트가 확립되는 곳인 두 개의 캐비티들과 일치하는 중앙 부분에서 및 교환기 튜브들에 의하여 결정된 길이 방향에 평행한 평면에 따른 동일한 실시예의 단면도를 도시한다. 도면은 조인트를 확립하는 변형을 수행하기 전 스트립들의 구성에 대응한다.
도 4는 스트립들이 열 교환기의 메인 바디와 매니폴드 사이에 조인트를 확립하도록 이미 변형되어왔고, 이전 도면에서와 같이 동일한 단면도를 도시한다.
도 5 및 도 6은, 스트립들의 변형을 거동하기 전과 후로, 상기 스트립에서, 클림핑에 의하여 형성된 조인트가 형성되는 곳인 두 개의 캐비티들과 일치하는 중앙 위치에서 및 교환기 튜브들에 의하여 결정된 길이 방향에 평행한 평면에 의하여 매니폴드가 절반으로 단면되어 왔고, 이 단면은 매니폴드의 내부와 조인트의 세부 사항들을 관찰하는 것을 허용하는, 도 1의 장치와 같은 사시도를 도시한다.
도 7은 단단히 조임이 미리 확립된 변형의 정도를 초기에 허용하지만, 일단 미리 확립된 변형이 능가되면, 강성의 방식으로 거동하는 금속 개스킷과 함께 달성되는, 제2 실시예의 분해 사시도를 도시한다.
도 8은 클림핑에 의하여 형성된 조인트가 확립되고, 교환기 튜브들에 의하여 결정된 길이 방향에 평행한 평면에 따라 및 두 개의 캐비티들과 일치하는 중앙 위치에서 동일한 제2 실시예의 단면도를 도시한다. 상기 도면은 조인트를 확립하는 변형을 거동하기 전에 스트립들의 구성에 대응한다.
도 9는 스트립들이 열 교환기의 메인 바디와 매니폴드 사이에 조인트를 확립하기 위하여 이미 변형되어 왔고, 이전 도면에서와 같이 동일한 단면도를 도시한다.
도 10 및 도 11은 스트립들의 변형을 거동하기 전과 후로, 클림핑에 의하여 형성된 조인트가 확립되는 곳인 두 개의 캐비티들과 일치하는 중앙 위치에서 및 교환기 튜브들에 의하여 결정된 길이 방향에 평행한 평면에 의하여 절반으로 매니폴드가 단면되어 왔고, 이 단면은 매니폴드의 내부와 조인트의 세부 사항들을 관찰하는 것을 허용하는, 제2 실시예의 사시도를 도시한다.

제1 독창적인 측면에 따르면, 본 발명은 열 교환기를 위한 장치에 관한 것으로, 열 교환기의 메인 바디와 상기 열 교환기의 매니폴드들 중 적어도 하나가 클림핑에 의하여 형성된 구체적인 조인트에 의하여 부착된다.

발명의 제1 실시예는 열 교환기의 사시도에 의하여 도 1a에서 도시된다. 설명될 실시예들의 열 교환기는 EGR 시스템에서 재순환된 가스를 냉각시키는 데 특히 적합하다.

이 실시예에 따른 열 교환기는 직사각형 단면을 구비한 관 모양의 요소와 같이 구성되는 쉘(1.1)을 포함하는 메인 바디(1)를 구비한다.

도 1b는 제1 배플(3)이 쉘(1.1)의 일 단부에서 도시되고 제2 배플(1.5)이 반대하는 단부에서 도시되는, 열 교환기의 단면도를 도시한다.

제1 배플(3) 및 제2 배플(1.5) 사이에 연장하는 열 교환 튜브들의 다발(2)은 쉘(1.1) 내부에 수용된다. 쉘(1.1) 내부에 튜브(2)들의 다발에 의하여 남겨진 공간은 쉘(1.1)의 단부들에서 위치된 입구 및 출구(1.3, 1.4) 사이에 순환하는 액체 냉각수를 수용한다.

뜨거운 가스는 이 실시예에서 주조(molding)에 의하여 제조된 매니폴드(4)의 입구(4.4)를 통하여 진입한다. 매니폴드(4)의 내부는 튜브(2)들의 다발의 튜브들의 내부와 유체 소통하여서 매니폴드(4)를 진입하는 가스는 열을 발산하기 위하여 튜브(2)들의 다발의 내부로 통과한다. 튜브(2)들의 다발을 지난 후에, 가스는 나가게 되고, 이 실시예에서 찍어낸(stamped) 판금(sheet metal)에서 제조된, 출구 매니폴드(1.2)의 내부 공간에 도달한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 출구 매니폴드(1.2)는 이미 냉각된 EGR 가스 도관에 결합하는 것을 허용하는 그 출구에서 플랜지(1.6)를 구비한다.

본원 내내, 메인 바디(1)와 함께 클림핑에 의하여 부착되는 부품은 매니폴드(4)로서 확인되어 왔는데, 이 확인은 상기 매니폴드의 기능을 고려한 것이기 때문으로, 상기 매니폴드의 기능은 튜브(2)들의 다발의 내부와 함께 상기 매니폴드가 수용하는 가스의 유체 소통을 확립하는 것이다; 그럼에도 불구하고, 다른 실시예들에 따라 매니폴드는 유동률(flow rate) 관리 밸브 또는 동일한 기능을 확인하는 어느 다른 요소의 메인 바디일 수 있고 상기 메인 바디 상에 조인트가 제1 독창적인 측면에 따라 확립된다.

발명의 목적은 매니폴드(4)와, 이 경우 흡입 매니폴드, 열 교환기의 메인 바디(1) 사이에 조인트이다. 이 실시예에서, 이 조인트는 메인 바디의 요소들 중 하나, 제1 배플(3)에 의하여 마련된 메인 바디(1)의 구성에 의하여 행해진다.

도 1c에서 주로 도시되고 단면도들로 도 3 및 도 4에서 도시되고 도 2의 분해 사시도에서 장착되는, 제1 배플(3)은 평평한 다이 컷(die cut)되고 찍어낸(stamped) 플레이트이다. 열 교환 튜브(2)들의 단부들을 수용하는 천공부(perforation)들은 다이 컷에 의하여 획득된다. 이러한 다이 컷들은 열 교환 튜브(2)들에 가로지르는 본질적으로 평평한 면 상에 있다.

이 평평한 면은 쉘(1.1)의 면에 평행한 두 개의 세그먼트들에 따라 연장되는 것으로, 제1 세그먼트(3.1)는 쉘(1.1)의 내부 면에 맞서 아담하게(snugly) 배열되고 제2 세그먼트(3.2)는 연장하는 더 큰 단면을 구비하여서 메인 바디(1) 상에 지지되는 매니폴드(4)의 둘레 가장자리(4.1)에 인접한 밴드의 형태인 영역에서 매니폴드(4)를 둘러싼다.

단면도들에서, 제1 세그먼트(3.1) 및 제2 세그먼트(3.2)는 매니폴드(4)를 위한 시트(seat)를 제공하는 스테핑(stepping, 3.3)에 의하여 연결되는, 일직선이고 평행함과 같이, 도 3 및 도 4에서 도시된다.

도 3의 단면도 및 도 5의 사시도는 조인트를 확립하기 전에 제1 배플(3)의 구성을 도시한다.

도 2는 둘레 가장자리(4.1)에 근접한 주변 영역에서 균등하게 분배된 복수의 캐비티(4.2)들과 함께 매니폴드(4)를 도시하는 것으로, 하나는 상기 둘레 가장자리(4.1)로부터 이격되더라도 메인 바디(1) 상에 시트를 확립한다.

도 4 및 도 5는, 도 1d에 도시된 조인트의 확대도에서 주로, 둘레 가장자리(4.1)가 제1 배플(3)의 스테핑(3.3)에 의하여 형성된 시트 상에 직접적으로 어떻게 지지되는지 도시한다. 스테핑(3.3) 상에 서포트를 확립하는 둘레 가장자리(4.1)의 외부 면은 탄성적으로 변형 가능한 둘레 개스킷(5)을 위한 하우징의 형태로 함몰된 공간을 발생시키는 스텝(step, 4.3)을 도시한다. 이 실시예에서, 탄성적으로 변형 가능한 둘레 개스킷(5)은 원형의 단면을 구비한 탄성의 고리이다.

탄성적으로 변형 가능한 둘레 개스킷(5)의 압축은 두 개의 강성 부품들의 면들에 의하여 가해진 압력 때문으로, 상기 매니폴드(4)의 스텝(4.3)의 면 및 스테핑(3.3)의 면은 상기 매니폴드(4)를 위한 시트로서 역할을 한다. 이 두 개의 면(4.3, 3.3)들 사이에 거리가 둘레 개스킷(5)의 치수들보다 더 작은 것을 고려하면, 개스킷(5)은 압축에 지배를 받는다. 매니폴드의 둘레 가장자리(4.1)가 시트 상에 직접적으로 지지되기 때문에, 매니폴드(4)의 둘레 가장자리(4.1) 및 스텝(4.3) 사이에 거리에 관한 조건은 탄성적으로 변형 가능한 둘레 개스킷(5)에 맞서 누르는 면(4.3, 3.3)들 사이에 거리에 관하여 등가 조건의 결과를 낳는다.

매니폴드(4)의 둘레 가장자리(4.1)는 스테핑(3.3) 상에 직접적으로 지지되고, 그에 따라 매니폴드(4)의 둘레 가장자리(4.1) 및 스텝(4.3) 사이에 거리는 매니폴드(4)와 메인 바디(1) 사이에 압력의 정도에 의존하기 보다는 매니폴드(4)의 스텝(4.3)의 치수들에 의존한다. 이 스텝(4.3)의 허용 오차(tolerance)들은 이의 기계 가공(machining) 동안 매우 정확하게 제어될 수 있어서, 둘레 개스킷(5) 또는 O-링 상에 압력은 생산 공정으로부터 기인하는 상당한 변화(variation)들을 지속시키는 상기 개스킷(5) 없이 확립될 수 있다.

이 실시예에서, 매니폴드(4)의 캐비티(4.2)가 두 개의 본질적으로 평행한 측벽(4.2.1, 4.2.2)들을 어떻게 구비하는 지 도시될 수 있고, 캐비티(4.2)의 바닥(4.2.3)에서 벽이 상기 벽들을 가로지르고, 상기 벽들 모두가 곡선의 전이 표면(curved transition surface)들에 의하여 부착된다.

조인트에서 서포트로서 역할하는 캐비티(4.2)의 측벽(4.2.1), 즉 제1 배플(3)의 스테핑(3.3)에서 배치된 매니폴드(4)의 둘레 가장자리(4.1)에 가장 가까운 벽은 중요하다.

도 3 및 도 4의 단면도들 및 도 2의 사시도는 스트립(3.4)들을 생기게 하는 일 세트의 슬롯(3.5)들과 함께 배플(3)의 제2 세그먼트(3.2)를 도시한다. 슬롯(3.5)들은 제1 배플(3)의 제2 세그먼트(3.2)의 자유 가장자리에 평행하게 지향되고, 두 개의 평행한 자유 가장자리들 사이에 정의된 스트립(3.4)들을 생기게 하는 것으로, 예를 들어 다이 컷에 의하여, 상기 자유 가장자리들은 배플(3)의 제2 세그먼트(3.2)의 자유 가장자리와 슬롯(3.5)에 의하여 발생되는 가장자리이다.

변형 전에, 스트립(3.4)들은 캐비티(4.2)들을 덮으면서 위치되는 평평한 세그먼트들이고, 상기 캐비티와 함께 상기 스트립들은 조인트를 확립하기 위하여 협력한다. 이 조인트는 캐비티(4.2)의 내부를 향하여 스트립(3.4)을 누름으로써 확립되고, 영구적인 변형을 생기게 한다.

도 1c는 스트립(3.4)의 변형된 면이 튜브(2)들의 다발이 연장하는 길이 방향에 여전히 평행한 곳인, 변형된 스트립(3.4)들과 함께 배플(3)을 상세히 도시한다. 이 방향은 조인트의 압축 방향이고, 스트립(3.4)들이 거대한 응력을 흡수할 수 있는 방향이다. 마찬가지로, 이 방향은, 스트립의 변형과 어느 가능한 탄성 회복 모두 발생하고, 이의 효과를 최소화하는 방향에 수직인 방향이다.

배플(3) 및 쉘(1.1) 사이에 조인트는 바람직하게 납땜(braze)에 의한다.

도 3 및 도 5는 슬롯(3.5)들과 함께 제1 평평한 배플(3)의 제2 세그먼트(3.2)를 도시하고, 도 2, 도 4 및 도 6은 클림핑에 의하여 형성되는 조인트를 생기게 하는 영구적인 변형들을 발생시킨 후에 결과적인 구성과 함께 동일한 제2 세그먼트(3.2)를 도시한다.

특히, 도 4는 변형 후 스트립(3.4)의 중앙 부분의 최종 위치를 도시하고, 상기 스트립은 매니폴드(4)의 둘레 가장자리(4.1)에 가장 가깝게 배열된 캐비티의 면(4.2.1) 상에 슬롯(3.5)에 의하여 발생된 자유 가장자리를 통하여 서포트를 확립한다. 이 특별한 경우에서, 매니폴드(4)의 둘레 가장자리(4.1)에 가장 가깝게 배열된 캐비티(4.2)의 면(4.2.1)은 매니폴드(4)의 둘레 가장자리(4.1)에 가장 가까운 측벽이다.

이 실시예에서, 매니폴드(4)의 둘레 가장자리(4.1)에 가장 가까운 측벽(4.2.1)은 경미한 경사(α)를 도시하여서 캐비티(4.2)는 상기 캐비티(4.2)의 바닥에서보다 입구에서 약간 더 개방된다. 도 1d는 열 교환기의 길이 방향에 관하여 각도(α)의 경사와 함께 스트립(3.4)의 서포트 면으로서 역할을 하는 측벽(4.2.1)의 법선 방향(

)을 도시한다. 이 각도는 점선에 의하여 도시되고 스트립(3.4)의 서포트 점에서 측벽(4.2.1)의 단면에 의하여 정의된 곡선 상에 그려진 접선(tangent)에서 또한 도시된다.

스트립(3.4)의 변형이 캐비티(4.2)의 바닥(4.2.3)의 벽을 향하여 더 커지도록 이 경사(α)는 스테핑(3.3)에 의하여 형성된 시트를 통하여 제1 배플(3)에 맞서 매니폴드(4)의 압력을 증가시키는 쐐기(wedging)의 정도를 확립한다.

도 7 내지 도 11은 매니폴드(4)와 메인 바디(1) 사이에 단단히 조임(tightness)과 함께 직접적으로 연결된 요소들을 제외하고 제1 실시예에서와 같이 동일한 요소들과 함께 제2 실시예를 도시한다. 그러므로, 공통의 요소들의 설명은 유효하고 효율성을 위하여, 단단히 조임을 위한 대안적인 해결에 관련된 구성에서의 변경들만 하기에서 설명된다.

도 7은 열 교환기의 메인 바디(1)에 관하여 매니폴드(4)의 분해도이다. 이 사시도에서, 제1 실시예의 탄성적으로 변형 가능한 개스킷(5)은 금속 개스킷(6)으로 대체돼 왔다. 이 경우에서, 매니폴드(4)는 개스?을 수용하기 위한 스테핑(4.3)을 구비하는 것이 아니라 금속 개스킷(6)이, 매니폴드(4)의 자유 가장자리(4.1)와 시트로서 작용하는 배플(3)의 스테핑(3.3) 사이에 개재되도록 배치된다.

금속 개스킷(6)은, 상기 금속 개스킷을 압축하는 두 개의 평행한 면들 사이에 가두어(trap)질 때 평평한 구성을 달성할 때까지 변형하도록 불연속의 단면을 구비한다. 이 평평한 구성에서, 금속 개스킷(6)은 더 이상 움직이지(yield) 않고 강성 고체와 같이 거동하기 시작한다. 이렇게 구성된 금속 개스킷(6)은 높은 부착 압력을 요구한다. 그럼에도 불구하고, 발명에 따른 클림프 된 조인트는 충분한 힘을 제공하고, 적절한 기밀(air-tightness)과 치수 안정성(dimensional stability)을 보장하는 것이 확인되어 왔다.

개스킷을 압축한 후, 개스킷을 압축하는 면들 사이에 평평한 구성을 달성하기에 충분한 변형을 일으키고, 개스킷이 추가적으로 변형하지 않는 것을 고려하면, 이렇게 구성된 금속 개스킷(6)은 제한된 압축을 구비하는 개스킷으로서 본원에서 확인된다. 이 구성에서, 금속 개스킷(6)을 압축하는 면들 사이에 분리는 금속 개스킷(6)이 구성되어 왔던 플레이트의 본질적으로 두께이다. 제한된 압축을 구비하는 개스킷이라는 조건은 이 구성(6)이 일단 압축되면, 강성 고체와 같이 거동하고, 결국 매니폴드(4)와 스테핑(3.3) 사이에 서포트는 제1 실시예에서 사용된 직접적인 접촉에 관하여 동일한 치수 안정성을 유지한다는 것을 의미한다.

도 10 및 도 11은 제1 실시예를 위한 도 5 및 도 6에서 도시된 과정과 등가인 방식으로 캐비티(4.2)들 내부에 스트립들의 변형에 의하여 부착 과정을 도시한다.

바람직한 구성은, 조인트가 둘레 영역을 따라 확립되고, 적어도 상기 둘레 영역의 각기둥 모양의(prismatic) 구성의 각각의 일 측의 세그먼트들을 따라 캐비티(4.2)들의 균등하게 분배된 분리를 확립한다.

어느 실시예들에서, 적어도 매니폴드의 둘레 가장자리(4.1)에 인접한 밴드에 의하여 매니폴드(4)를 외부에서 둘러싸는 세그먼트(3.2)에서 위치된 변형 가능한 스트립(3.4)들은 더 넓은 밴드와 함께 더 강해지도록 구성될 수 있어서, 변형 가능한 스트립(3.4)들은 변형 가능한 스트립(3.4)에 인접한 제2의, 비변형된 스트립을 구비한다. 변형 가능한 스트립(3.4)들은, 조인트 이후 스트립들이 변형된 어떤 것이기 때문에 그와 같이 언급되어 왔다. 조인트 이후 상기 스트립들은 변형된 스트립(3.4)들이다.

이 제2의, 비변형된 인접한 스트립을 획득하는 하나의 방법은 서로 평행하고 제2 세그먼트(3.2)의 자유 가장자리에 평행한 두 개의 슬롯들을 가하는 것에 의하는 것으로, 제1 슬롯(3.5)은 캐비티(4.2)의 내부 면(4.2.1)과 함께 자유 서포트 가장자리를 발생시키기 위한 것이고 제2 슬롯은 변형 가능한 스트립(3.4) 및 비변형된 스트립 사이에 분리를 확립하기 위한 것이다.

두 개의 평행한 슬롯들에 의하여 획득된 이 강화된 구성은 메인 바디(1)의 쉘(1.1)이, 상기 매니폴드(4)와 함께 클림프 된 조인트를 허용하는 스트립들과 매니폴드(4)를 위한 시팅 스텝(seating step)을 정의하는 어떤 것일 때 또한 적용 가능하다.

또 다른 발명의 목적은 기재된 예시들 중 어느 하나에 따라 구성된 열 교환기를 포함하는 더 소형이고 더 가벼운 구성을 구비한 EGR 시스템이다.

1 : 메인 바디
1.1 : 쉘
2 : 열 교환 튜브
3 : 배플
3.2 : 세그먼트
3.3 : 스테핑
3.4 : 스트립
3.5 : 슬롯
4 : 매니폴드
4.1 : 둘레 가장자리
4.2 : 캐비티
4.2.1 : 캐비티의 면

Claims (10)

1. 쉘(1.1)을 차례로 포함하는 메인 바디(1) 및 매니폴드(4)를 포함하고,
   상기 쉘(1.1)은 제1 유체, 특히 냉각될 가스의 통로를 위한 하나 이상의 열 교환 튜브(2)들을 수용하고, 상기 제1 유체에서 상기 열 교환 튜브(2)들은 상기 쉘(1.1)의 두 개의 반대하는 단부들 사이로 연장하고,
   상기 쉘(1.1)은 상기 쉘(1.1)의 내부 면과 제2 유체, 특히 냉각 유체의 통로를 위한 상기 열 교환 튜브(2)들 사이에 공간을 포함하고, 및
   상기 메인 바디(1)는, 상기 쉘(1.1)의 상기 단부들 중 적어도 하나에서, 배플(3)을 포함하여서 상기 열 교환 튜브(2)들이 상기 쉘의 단부들 중 어느 하나를 통하여 상기 배플(3)에 부착되고,
   상기 매니폴드(4)는 상기 배플(3)에 부착된 상기 열 교환 튜브(2)들의 내부와 유체 소통하고, 상기 매니폴드(4)는 상기 메인 바디(1)에 부착되고,
   상기 매니폴드(4)는, 상기 매니폴드의 외부 면 상에 둘레 주변으로 분배되고 둘레 가장자리(4.1)로부터 이격되는, 복수의 캐비티(4.2)들 및 둘레 가장자리(4.1)를 포함하고,
   상기 메인 바디(1)는 적어도 상기 매니폴드의 둘레 가장자리(4.1)에 인접한 밴드에 의하여 상기 매니폴드(4)를 외부에서 둘러싸는 세그먼트(3.2)에서 연장되고, 상기 메인 바디(1)는 스테핑(3.3)을 포함하여서 상기 스테핑(3.3) 상에 상기 매니폴드(4)의 상기 둘레 가장자리(4.1)의 시트가 배열되고; 및
   상기 매니폴드(4)를 외부에서 둘러싸는 상기 메인 바디(1)의 상기 세그먼트(3.2)는, 상기 매니폴드(4)의 두 개 이상의 캐비티(4.2)들과 일치하고 각각의 상기 캐비티(4.2)들에서, 상기 매니폴드(4)를 외부에서 둘러싸는 상기 메인 바디(1)의 상기 세그먼트(3.2)의 상기 가장자리 및 상기 가장자리로부터 이격되는 슬롯(3.5) 사이에 구성되는 스트립(3.4)을 포함하여서, 상기 슬롯(3.5)에 의하여 확립된 상기 스트립(3.4)의 자유 가장자리가 상기 매니폴드(4)의 상기 둘레 가장자리(4.1)에 가장 가깝게 배열된 상기 캐비티(4.2)의 면(4.2.1) 상에 지지되도록, 소성 변형에 의하여, 상기 스트립(3.4)이 상기 매니폴드(4)의 상기 캐비티(4.2)로 진입하는 것을 특징으로 하는, 열 교환기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 메인 바디(1)의 상기 배플(3)은, 상기 메인 바디의 둘레 주변으로, 두 개의 연속적인 세그먼트들에 따라 상기 매니폴드(4)를 향하여 연장하고,
   상기 두 개의 연속적인 세그먼트들에 있어서,
   상기 배플(3)의 제1 세그먼트(3.1)는 상기 쉘(1.1) 또는 상기 메인 바디(1) 중 어느 하나의 상기 내부 면 상에 지지되고 있고, 상기 배플의 제2 세그먼트(3.2)는 상기 매니폴드(4)를 외부에서 둘러싸는 상기 메인 바디(1)의 세그먼트가 생기게 하고, 적어도 상기 매니폴드의 둘레 가장자리(4.1)에 인접한 밴드에 의하여 연장하고; 및
   상기 제1 세그먼트(3.1) 및 상기 제2 세그먼트(3.2) 사이에, 상기 배플(3)은 스테핑(3.3)에 따라 구성되는 전이를 포함하고, 상기 스테핑(3.3)은 상기 매니폴드(4)의 상기 둘레 가장자리(4.1)를 위한 서포트를 확립하는 상기 메인 바디(1)의 스테핑인, 열 교환기.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 스트립(3.4)은 상기 매니폴드(4)의 상기 캐비티(4.2)의 상기 면 상에 지지되고, 상기 매니폴드(4)의 상기 캐비티(4.2)의 상기 면은 경사져서(α), 상기 캐비티(4.2)의 내부를 향하여 상기 스트립(3.4)의 변형이 더 클수록, 상기 매니폴드(4)와 상기 배플(3) 사이의 압축이 더 큰, 열 교환기.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 매니폴드(4)의 상기 둘레 가장자리(4.1)는 상기 스테핑(3.3) 상에 직접적으로 지지되고; 및
   상기 매니폴드(4)의 상기 둘레 가장자리(4.1)는 하우징을 생기게 하는 스텝(4.3)을 구비하고, 상기 하우징은 탄성적으로 변형 가능한 둘레 개스킷(5)을 수용하고, 상기 개스킷에서 상기 매니폴드(4)의 상기 둘레 가장자리(4.1) 및 상기 스텝(4.3) 사이의 거리는 상기 둘레 개스킷(5)의 치수들보다 작은, 열 교환기.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 매니폴드(4)의 상기 둘레 가장자리(4.1)는 제한된 압축을 구비하는 금속 개스킷(6)의 개재와 함께 상기 스테핑(3.3) 상에 지지되어서, 즉, 미리 정해진 압축 값 이후에 상기 금속 개스킷이 강성 개스킷과 같이 거동하는, 열 교환기.
   
6. 제5항에 있어서,
   제한된 압축을 구비하는 상기 금속 개스킷(6)은 불연속의 및/또는 계단 모양의 섹션을 구비하는, 열 교환기.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 매니폴드(4)의 상기 캐비티(4.2)들은 상기 매니폴드(4)의 상기 둘레 가장자리(4.1) 주변으로 균등하게 분배되는, 열 교환기.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 배플(3)은 다이 컷되고 찍어낸 판금으로 만들어지는, 열 교환기.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 배플(3)과 상기 쉘(1) 또는 상기 메인 바디 중 어느 하나 사이에 조인트는 납땜에 의한 것인, 열 교환기.
   
10. 제1항에 따른 열 교환기를 포함하는 EGR 시스템.
    

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