KR20170027244A - 컬렉터 관을 갖는 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 컬렉터 관(2) 및 이 컬렉터 관(2)과 이어져 있는 다수의 열교환 관(1)을 갖는 열교환기에 관한 것으로서, 상기 열교환기는 상기 컬렉터 관(2)의 내부 용적을 감소시키기 위한 변위 부재(3)가 컬렉터 관(2) 내에 배치되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 상기와 같은 유형의 열교환기를 제조하기 위한 방법과도 관련이 있다.

Description

컬렉터 관을 갖는 열교환기 {HEAT EXCHANGER WITH COLLECTOR TUBE}
본 발명은 하나 이상의 컬렉터 관(collector tube) 및 상기 컬렉터 관과 이어져 있는 다수의 열교환 관(heat exchanger tube)을 갖는 열교환기에 관한 것이다. 이와 같은 종류의 열교환기들은 예를 들면 가스 냉각기(gas cooler)로서, 이산화탄소, 즉 냉매로서 R744를 갖는 고압 냉매 순환계들에 삽입된다.
상기와 같은 고압 냉매 순환계들은 예를 들어 R744 열 펌프에 사용되거나, 자동차 에어컨용으로도 사용된다. 선행 기술에서는 가스 냉각기용으로 상기와 같은 장치들에 일체로 된 컬렉터 관들이 삽입되어 있다. 이러한 컬렉터 관들은 최대 내압 강도(compressive strength)와 관련하여 그 형상이 최적화되었다. 따라서 상기 컬렉터 관들의 형상은 대개 실린더형이고, 횡단면은 원형 또는 타원형이다. 고압 냉매 열교환기들에 있어서는, 컬렉터 관과 이어져 있는 열교환 관으로서 다수의 얇은 유체 채널을 갖는 납작 관(flat tube), 소위 멀티 포트 관(multiport-tube)이 사용되는 경우가 많다. 고압 냉매 열교환기들은 작동 중에 약 130bar의 압력을 견뎌 내야하며, 안전상의 이유로 이러한 컴포넌트들에는 330bar의 파열압 요건이 설정된다. 선행 기술에 사용된, 원형 또는 타원형 횡단면을 갖는 실린더형 관들은 그들의 내압 강도와 관련하여 이미 최적화된 형상을 갖고 있다. 열교환기의 제조 시 컬렉터 관들에는 납작 관들을 위한 리세스들이 천공되고, 이러한 경우 후속해서 상기 납작 관들은 상기 리세스들 내부로 삽입되어 컬렉터 관에 납땜된다. 컬렉터 관들의 내부 직경은 납작 관의 폭보다 큰데, 그 이유는 상기 납작 관이 컬렉터 관에 의해 완전히 수용되기 때문이다. 이러한 구조적 형상에서 고압 냉매 열교환기의 내부 용적은 결정적으로 납작 관의 폭 그리고 그와 연관된 컬렉터 관의 내부 용적에 의해 결정된다.
자동차 에어컨 시스템의 R744 냉매 순환계의 최대 특정 충전량은 안전상의 이유로, 냉각 장치의 내부 용적과 관련하여 250g/l(리터당 그램)으로 규정되어 있다. 시스템이 정지되거나 공기 조화 장치가 오프(OFF)될 경우, 그리고 온도가 31℃의 임계 온도를 넘을 경우에는 모든 컴포넌트에 상기 250g/l의 최대 특정 충전량이 적용된다. 그러나 냉각 장치 작동 중에는, 시스템에서 개별 컴포넌트들에 당연히 상이한 압력이 설정된다. 가스 냉각기에서 냉매는 높은 압력과 매우 높은 밀도를 갖는다. 이와 관련하여, 가스 냉각기 및 내부 열교환기에는 최대 1000g/l의 특정 밀도가 설정된다. 그에 반해 저압측에서는 약 70g/l의 특정 밀도가 설정된다.
본 발명의 과제는 열교환기 전체 구조의 내압 강도를 감소시키지 않으면서, 상기 열교환기의 내부 고압 용적 감소를 달성하는 것이다. 또한, 본 발명의 과제는 구조 측면에서 단순하고 비용 측면에서 경제적인 해결책을 이용하여 향상된 열교환기를 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항들에 따른 특징들을 갖는 대상과 방법에 의해서 해결된다. 개선예들은 종속 청구항들에 개시되어 있다.
상기 과제는 특히 하나 이상의 컬렉터 관 및 이 컬렉터 관과 이어져 있는 다수의 열교환 관을 갖는 열교환기에 의해서 해결되며, 이 경우 상기 컬렉터 관 내에는 컬렉터 관의 내부 용적을 감소시키기 위한 변위 부재가 배치되어 있다.
바람직하게 열교환 관들은 다채널 납작 관(multichannel flat tube)으로 형성되어 있으며, 이로 인해 고압 냉매 장치들에서 가스 냉각기로서 열교환기의 뛰어난 적합성이 달성될 수 있다.
특히 바람직하게 컬렉터 관은, 재차 특히 고압 냉매 적용예들에 있어서 내압 강도와 관련하여 가급적 적은 취약점(weak point)을 나타내기 위해 일체로 된 컬렉터 관으로 형성되어 있다. 바람직하게 상기 컬렉터 관은 원형 또는 타원형을 갖는 실린더형 형상을 갖는다.
매우 바람직하게 컬렉터 관 내에 배치된 변위 부재는 이러한 컬렉터 관과 이어지는 교차 지점(intersection)들을 만들기 위한 맨드릴(mandrel)로 형성되어 있다. 그러므로 상기 변위 부재는 바람직하게 조립 및 제조 공정 동안 이중 기능으로 인해 추가적인 유용함을 갖고 제조 시퀀스에 유익하게 통합되는 맨드릴로서 사용될 수 있다.
상기 변위 부재는 바람직하게 실린더형 중공체(hollow body), 반 실린더(half cylinder) 또는 일체 실린더(solid cylinder)로 형성되어 있다. 변위 부재 재료의 적재 중량과 관련하여, 상기 변위 부재는 알루미늄으로 형성되는 것이 바람직한데, 그 이유는 알루미늄은 예컨대 고압 냉매로서 R744에 특히 적합할 뿐만 아니라, 바람직하게는 자동차 에어컨의 컴포넌트 중량 관점에서 볼 때 상기 알루미늄과 같이 중량이 매우 가벼운 재료가 드물기 때문이다.
본 발명은 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 따른 열교환기를 제조하기 위한 방법과도 관련이 있으며, 상기 방법은
- 맨드릴로서 변위 부재를 컬렉터 관에 삽입하는 단계,
- 맨드릴을 이용하여 컬렉터 관을 고정하는 단계,
- 열교환 관들을 수용하기 위해 컬렉터 관의 벽에 리세스들을 형성하는 단계,
- 열교환 관들을 컬렉터 관의 리세스들에 삽입하고 분리 벽들 및 엔드 캡(end cap)들을 장착하는 단계,
- 열교환 관들, 분리 벽들 및 엔드 캡들과 컬렉터 관을 납땜하는 단계를 포함하고,
- 이 경우 변위 부재로서 맨드릴은 컬렉터 관 내에서 유지된다.
바람직하게 컬렉터 관의 벽들에는 천공 방법에 의해 적은 비용으로 열교환 관들용 리세스들이 제공될 수 있다.
특히 바람직한 방식으로, 가스 냉각기로 사용하기 위한 열교환기는 R744를 냉매로 갖는 고압 냉매 순환계에 삽입될 수 있다.
본 발명의 콘셉트는, 250g/l의 최대 특정 충전량을 초과하지 않기 위하여, 고압측 냉매 순환계 컴포넌트들의 내부 용적을 최소로 감소시키거나 저압측 용적을 상당히 상승시키는 아이디어를 따른다. 이 경우 고압측 내부 용적을 감소시키는 것이 더 우수한 것으로 나타났는데, 그 이유는 상기와 같은 설계의 추가 장점으로서 순환계 내에서 냉매량이 추가로 감소될 수 있기 때문이다.
따라서, 본 발명의 콘셉트는, 열교환기를 납땜하기 이전에 변위 부재가 삽입됨으로써 파열압 강도와 관련하여 컬렉터 관의 디자인이 변경되지 않고, 그리고 재차 상기 변위 부재에 의해 열교환기 및 그와 더불어 전체 냉매 순환계의 내부 용적 감소가 모든 포지티브한 결과로 달성될 수 있다는 데서 완성된다. 특히 바람직하게는, 상기와 같은 내부 용적 감소가 고압 냉매 열교환기의 확증된 구조에 영향을 주지 않는다는 점이 부각된다.
결과적으로 본 발명에 따라 변형된 냉매 장치들에서 어큐뮬레이터 용적이 감소될 수 있다. 또한, 전체 시스템의 충전량 감소는 본 발명에 따른 열교환기 사용 시에 경제적, 환경적 그리고 안전 기술적 관점에서 매우 바람직한 양상으로 작용한다. 더 나아가, 고압측 내부 용적 감소로 인해 냉매 250g/l의 시스템 기본값이 준수된다. 특히 두드러지는 점은, 컴포넌트들이 기본 공정으로 간단히 제조될 수 있다는 것이다. 용적을 감소시키는 부재인 동시에 통합된 보조 수단으로서 변위 부재의 이중 기능은 열교환기의 제조 공정 범위 내에서 명확하게 부각된다. 심지어 컬렉터 관 내에 열교환 관들을 위한 리세스를 제조할 때 제조 공정 및 제조 시퀀스가 맨드릴로서 설계되는 변위 부재에 의해 간략화 되는 동시에 개선된다.
본 발명의 실시예들의 또 다른 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 관련 도면을 참조하는 실시예들에 대한 하기의 상세한 설명으로부터 드러난다. 도면에 대한 설명:
도 1은 선행 기술에 따라 컬렉터 관 및 다채널 납작 관을 갖는 고압 냉매 열교환기를 도시한 부분 확대 단면도이고,
도 2는 변위 부재와 함께 열교환기를 도시한 부분 확대 단면도이며, 그리고
도 3은 열교환기를 도시한 종단면도이다.
도 1에는 본 발명과 관련되는 세부 영역으로 선행 기술에 따른 열교환기가 도시되어 있다. 이 경우 컬렉터 관(2) 및 다채널 납작 관(1)으로서 열교환 관(1)이 평면도로 도시되어 있다. 상기 다채널 납작 관(1)은 거의 상기 컬렉터 관(2) 중앙까지 삽입되어 있고, 다채널 납작 관(1)의 단부 영역은 컬렉터 관(2)에 의해 완전히 수용된다. 이때 다채널 납작 관(1)의 단부는 컬렉터 관(2)에 의해 완전히 둘러싸여 있다. 대안적으로는 다채널 납작 관(1)의 앞쪽 측면 벽이 컬렉터 관(2)의 벽과 납땜된다.
도 1에 따른 도면과 달리 도 2에는, 변위 부재(3)가 컬렉터 관(2)에 삽입되어 있고, 다채널 납작 관(1)이 상기 변위 부재에 거의 도달한다. 변위 부재(3)의 용적은 컬렉터 관(2)의 내부 용적을 감소시키고, 그 결과 임계적인 고압 영역에서 냉매 순환계의 용적을 감소시킨다.
도 3에는 컬렉터 관 내에 배치되는 변위 부재(3)와 컬렉터 관 양측에 배치되는 엔드 캡(4)들을 갖는 컬렉터 관(2)의 종단면도가 도시되어 있다. 다채널 납작 관(1)들은 규칙적인 간격으로 리세스들을 통해 컬렉터 관(2) 내부로 삽입되어 이 컬렉터 관과 납땜된다.
일체로 된 컬렉터 관(2)은 용접 관으로 제조되는데, 이때 컬렉터 관에는 다채널 납작 관(1)을 수용하기 위한 리세스들이 천공된다. 관의 변형을 방지하기 위한 천공 공정용 맨드릴로서 바람직하게는 변위 부재(3)가 사용되며, 이러한 변위 부재는 천공 후에 컬렉터 관(2) 내에서 유지된다. 변위 부재는 알루미늄 관 또는 알루미늄 중공체 또는 알루미늄 일체 실린더로서 납땜 공정 동안 경우에 따라서는 분리 벽들 및 컬렉터 관(2)의 엔드 캡(4)들에 공동 연결된다. 따라서 컬렉터 관(2) 내에 배치된 알루미늄 실린더는 변위 부재(3)로뿐만 아니라 천공 공정 동안에는 맨드릴로도 사용되며, 이때 상기 맨드릴은 제조 공정 이후에도 컬렉터 관(2) 내에서 유지된다.
1: 열교환 관, 다채널 납작 관
2: 컬렉터 관
3: 변위 부재
4: 엔드 캡

Claims (10)

  1. 하나 이상의 컬렉터 관(collector tube)(2) 및 이 컬렉터 관(2)과 이어져 있는 다수의 열교환 관(heat exchange tube)(1)을 갖는 열교환기로서,
    상기 컬렉터 관(2)의 내부 용적을 감소시키기 위한 변위 부재(3)가 컬렉터 관(2) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환 관(1)들이 다채널 납작 관(multichannel flat tube)(1)으로 형성된 것을 특징으로 하는, 열교환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 컬렉터 관(2)이 일체로 된 컬렉터 관(2)으로서 형성된 것을 특징으로 하는, 열교환기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컬렉터 관(2)이 원형 또는 타원형 횡단면을 갖는 실린더형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 열교환기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변위 부재(3)가 상기 컬렉터 관(2)과 이어지는 교차 지점(intersection)들을 만들기 위한 맨드릴(mandrel)로 형성된 것을 특징으로 하는, 열교환기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변위 부재(3)가 실린더형 중공체(hollow body), 반 실린더(half cylinder) 또는 일체 실린더(solid cylinder)로 형성된 것을 특징으로 하는, 열교환기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변위 부재(3)가 알루미늄으로 형성된 것을 특징으로 하는, 열교환기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 열교환기를 제조하기 위한 방법으로서, 상기 방법은
    - 맨드릴로서 상기 변위 부재(3)를 상기 컬렉터 관(2)에 삽입하는 단계,
    - 상기 맨드릴을 이용하여 상기 컬렉터 관(2)을 고정하는 단계,
    - 상기 열교환 관(1)들을 수용하기 위해 상기 컬렉터 관(2)의 벽에 리세스들을 형성하는 단계,
    - 상기 열교환 관(1)들을 상기 컬렉터 관(2)의 리세스들에 삽입하고 분리 벽들 및 엔드 캡(end cap)(4)들을 장착하는 단계,
    - 상기 열교환 관(1)들, 분리 벽들 및 엔드 캡(4)들과 상기 컬렉터 관(2)을 납땜하는 단계를 포함하고,
    - 이 경우 변위 부재(3)로서 상기 맨드릴이 상기 컬렉터 관(2) 내에서 유지되는, 열교환기 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열교환 관(1)들을 위한 리세스들이 상기 컬렉터 관(2)의 벽에 천공되는 것을 특징으로 하는, 열교환기 제조 방법.
  10. R744를 냉매로 갖는 고압 냉매 순환계에서 가스 냉각기(gas cooler)로서 사용되는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 열교환기의 용도.
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