KR20170062411A - 자동차 배기가스 냉각 열교환기 및 상기 열교환기를 제조하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 특히 자동차용 배기가스 냉각 열교환기(1)에 관한 것이다. 상기 열교환기는 배기가스 유입구 어댑터(4a) 및 배기가스 배출구 어댑터(4b)를 갖는 열교환기 하우징(2)을 구비하고, 이러한 열교환기 하우징은 둘레를 둘러싸는 방식으로 냉각제용 유동 공간의 경계를 정하고, 상기 냉각제용 유입 개구(9a) 및 배출 개구(9b)를 구비하여 형성되어 있다. 이와 함께 상기 열교환기(1)는 서로 평행하게 배치되어 있고, 배기가스 유동 채널(11)들을 형성하는 판형 열전달 부재(7)들을 구비하여 형성되어 있으며, 이때 배기가스는 상기 열전달 부재들을 관류하고, 액체 냉각제는 상기 열전달 부재들 주변을 돌아서 흐른다. 이러한 경우 열전달 부재(7)는 2개의 벽 부재(7d)를 구비한다. 상기 벽 부재(7d)들은 길이 방향(L)으로 배향된, 마주 놓인 측면에서 유체 밀봉 방식으로 서로 연결되어 있고, 그리고 상기 두 표면에서 핀(15)들을 구비하여 형성되어 있다. 상기 핀(15)들은 한 편으로는 내측면에 그리고 상기 배기가스 유동 채널(11) 내부에, 다른 한 편으로는 상기 열전달 부재(7)의 외측면에 배치되어 있다. 그 밖에 외측면에 서로 이웃하여 배치된 열전달 부재(7)들은 서로 인접하는 단부면에서 냉각제 유동 채널(12)을 형성하도록 유체 밀봉 방식으로 서로 연결되어 있다. 이때 상기 외측면에 배치된 핀(15)들은 냉각제 유동 채널(12) 내부에 배치되어 있다.
본 발명은 또한, 상기 열교환기의 열전달 부재를 제조하기 위한 방법과도 관련이 있다.

Description

자동차 배기가스 냉각 열교환기 및 상기 열교환기를 제조하기 위한 방법{HEAT EXCHANGER FOR COOLING THE EXHAUST GAS IN MOTOR VEHICLES AND METHOD FOR PRODUCING THE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 자동차에서 사용되는 배기가스 냉각 열교환기에 관한 것이다. 이러한 열교환기는 배기가스 유입구 어댑터와 배기가스 배출구 어댑터를 갖는 열교환기 하우징을 구비하고, 상기 열교환기 하우징은 둘레를 둘러싸는 방식으로 냉각제용 유동 공간의 경계를 정하고, 상기 냉각제용 유입 개구 및 배출 개구를 구비한다. 이와 함께 상기 열교환기는 서로 평행하게 배치되어 있고, 배기가스 유동 채널들을 형성하는 판형 열전달 부재들을 구비하여 형성되어 있으며, 이때 배기가스는 상기 열전달 부재들을 관류하고, 액체 냉각제는 상기 열전달 부재들 주변을 돌아 흐른다.

또한, 본 발명은 상기 열교환기의 열전달 부재를 제조하기 위한 방법과도 관련이 있다.

선행 기술에는, 자동차 배기가스, 특히 디젤 구동 자동차의 배기가스에서 질소산화물을 줄일 수 있고 그리고 휘발유 구동 자동차의 연비를 감소시킬 수 있는 자동차용 배기가스 재순환 시스템들이 공지되어 있다. 이와 같은 종류의 배기가스 재순환 시스템들에서는 엔진으로 흡인된 외기(fresh air)가 냉각된 또는 냉각되지 않은 배기가스와 혼합된다.

고온에서 연소 시, 특히 희박한 혼합 가스(lean mixture)가 사용되면, 즉 부분 부하 범위(partial-load range)에서 희박한 혼합 가스가 사용되면, 자동차 엔진에서 환경을 오염시키는 질소 산화물이 생성된다. 이러한 질소산화물 배출을 줄이기 위해서는 연소 시 과잉 공기(excess air)를 감소시키고 고온 정점(high peak temperature)을 낮추는 것이 필수적이다. 연소 속도 및 이와 더불어 최대 연소 온도는 연료-공기-혼합물의 산소 농도를 더 낮게 함으로써 감소시킬 수 있다. 이와 같은 두 가지 효과는 엔진으로 흡입된 외기와 배기가스 부분 흐름의 혼합을 통해 달성된다.

디젤 구동 자동차에서 배기가스 재순환 시스템은 연소 시 산소 비율과 온도 정점 감소 외에도 소음 배출 역시 감소시킨다. 또한, 휘발유 구동 자동차에서는 스로틀 손실(throttle losses)이 감소된다.

그러나 재순환되는 고온의 배기가스 흐름 혼합에 의해서는 연소에 영향을 주는 배기가스 재순환 냉각 효과가 감소된다. 또한, 엔진으로부터 흡인된, 고온의 공기-배기가스-혼합물은 실린더 충전 및 이와 더불어 엔진 출력 밀도에도 부정적인 영향을 미친다. 상기와 같은 부정적인 작용에 대응하기 위하여, 배기가스는 혼합되기 전에 열교환기, 소위 배기가스 열교환기 또는 배기가스 재순환 냉각기(EGR Cooler)에서 냉각된다.

선행 기술에는 배기가스 열교환기의 상이한 실시예들이 공지되어 있다. 그러나 자동차 배출가스 기준 및 연비 조건과 관련하여 더욱 엄격해지는 법률은 자동차 내에서 부품이 차지하는 공간은 더 작아지도록 하되 냉각 필요성은 증가되는 것을 전제로 한다. 이와 같이 정반대되는 요구 사항들은 공지되어 있는 배기가스 열교환기들에 의해 충족되는 경우는 드물다.

도 1a 및 1b에는 핀형 열교환기(fin heat exchanger)로서 형성된 선행 기술의 열교환기(1')가 각각 분해도로 도시되어 있다. 한 편으로는 배기가스에 의해 관류되고, 그리고 다른 한 편으로는 냉각제에 의해 관류되는 상기 열교환기(1')는 제1 열교환기 하우징 부재(2a)와 제2 열교환기 하우징 부재(2b)를 갖는 열교환기 하우징(2)을 구비하며, 이때 상기 열교환기 하우징 부재들은 폐쇄된 상태에서 열교환기 하우징(2)에 의해 둘러싸이는 체적을 완전히 제한한다. 열교환기 하우징(2)의 단부면들에는 배기가스 유입구(3a) 및 배기가스 배출구(3b)가 형성되어 있다. 길이 방향(L)으로 말단에 마주보고 형성된 배기가스 유입구(3a)와 배기가스 배출구(3b) 영역에서는 열교환기 하우징(2)에 의해 둘러싸인 체적이 배기가스 유입구 어댑터(4a)와 배기가스 배출구 어댑터(4b)에 의해 제한되며, 이러한 어댑터들은 각각 개구(5a, 5b), 특히 관통 개구를 구비하여 형성되어 있다.

열교환기 하우징(2)은 다수의 열전달 부재(7')로 이루어진 조립체(6')를 둘러싸는데, 이때 상기 조립체는 열교환기(1')의 코어(6')로서 명명된다. 높이(H) 방향으로 서로 겹쳐서 배치된 판형 열교환기(7')들은 제1 벽 부재(7'a) 및 제2 벽 부재(7'b)를 구비하고, 이러한 벽 부재들은 길이 방향(L)으로 배향된 측면에 서로 유체 밀봉 방식으로 연결되어 있다. 또한, 도 1c에 개별적으로 도시된, 선행 기술의 열전달 부재(7')들은 높이(H) 방향으로 적은 치수, 폭(B) 방향으로 중간 치수, 그리고 길이 방향(L)으로 상대적으로 큰 치수를 가지며, 이 경우 상기 높이(H) 방향으로 치수는 폭(B) 방향으로 치수보다 훨씬 작고, 그리고 상기 폭(B) 방향으로 치수는 길이 방향(L)으로 치수보다 훨씬 작다.

열전달 부재(7')들은 벽 부재(7'a, 7'b)들 사이에 박판으로부터 천공되거나 변형된 핀 부재(7'c)를 각각 구비한다. 열전달 부재(7') 제조 시 상기 핀 부재(7'c)는 벽 부재(7'a, 7'b)들에 의해 둘러싸인 체적 내로 삽입되어 상기 벽 부재(7'a, 7'b)들과 납땜된다.

열교환기(1') 작동 동안, 배기가스는 마주보고 정렬된, 벽 부재(7'a, 7'b)들의 내측면을 따라서 그리고 핀 부재(7'c)의 핀 둘레에 그리고 이와 더불어 열전달 부재(7')를 지나는 배기가스 유동 채널(11)을 관통하고, 반면에 냉각제는 벽 부재(7'a, 7'b)들의 외측면을 따라서 흐른다.

벽 부재(7'a, 7'b)들은 벌징부(bulging)(8')를 구비하여 형성되어 있고, 이러한 벌징부는 열교환기(1') 또는 이러한 열교환기(1')의 코어 조립 상태에서 인접하게 배치되어 있으며, 결과적으로 외측면이 마주보도록 배향된, 이웃한 열전달 부재(7')의 벽 부재(7'a, 7'b)들은 서로 이격되어 배치되어 있다. 그 결과 열전달 부재(7')들 사이에는 간극이 형성되어 있고, 이러한 간극은 냉각제용 유동 경로로서 사용된다. 서로 겹쳐서 배치되어 있고 그리고 열교환기(1')의 코어를 형성하는 열전달 부재(7')들은 열교환기 하우징 부재(2a, 2b)들에 의해 둘러싸여 있으며, 이 경우 외부 열전달 부재(7')와 열교환기 하우징 부재(2a, 2b) 사이에도 마찬가지로 냉각제를 안내하기 위한 간극이 형성되어 있다.

냉각제는 열교환기 하우징 부재(2a) 내에 형성된 유입 개구(9a)를 통해 열교환기 하우징(2)에 의해 둘러싸인 체적 내로 유입되고, 그리고 열교환기 하우징 부재(2a) 내에 형성된 배출 개구(9b)를 통해 배출된다. 이러한 경우 냉각제는 각각 연결부(10a, 10b)를 통해 흐른다.

도 1d에는 선행 기술의 열교환기(1')가 단면도로 도시된다. 배기가스는 배기가스 유입 어댑터(4a)의 개구(5a)를 통해 열교환기(1') 내로 유입되고, 상기 배기가스 유입 어댑터(4a)를 관류할 때 열전달 부재(7')들로 분배된 다음 길이 방향(L)으로 배기가스 유동 채널(11)들을 통해서 열교환기(1')를 지난다. 상기 배기가스 유동 채널(11)들 내부에는 핀 부재(7'c)들이 배치되어 있음으로써, 결과적으로 배기가스는 특히, 열전달 표면(heat transfer surface)을 증가시키는 핀을 따라서 흐른다.

배기가스 배출 어댑터(4b) 내부에서는 배기가스 유동 채널(11)들로 분배된 배기가스 질량 흐름이 다시 혼합되고, 배기가스 배출 어댑터(4b)의 개구(5b)를 통해 열교환기 하우징(2)으로부터 외부로 유도된다.

냉각제는, 각각 인접 배치된 열전달 부재(7')들 사이에 형성된 냉각제 유동 채널(12)들을 통해 흐른다. 결과적으로 상기 냉각제 유동 채널(12)들은 벽 부재(7'a, 7'b)들 또는 열교환기 하우징 부재(2a, 2b)들 에 의해 경계가 정해진다. 인접 배치된 열전달 부재(7')들은 길이 방향(L)으로 배향된 단부면에서 유체 밀봉 방식으로 서로 연결되어 있는데, 즉 바람직하게는 서로 납땜되어 있거나 용접되어 있다.

도 2a 및 2b는 선행 기술의 열전달 부재(7")의 또 다른 실시예를 도시한다. 도 1a 내지 1d의 I자형 관류 열전달 부재(7')와 달리, 열전달 부재(7")는 배기가스에 의해 U자형으로 관류된다. 이때 배기가스는 벽 부재(7"a, 7"b)들에 의해 개방된 상태로 형성된 단부면에서 배기가스 유동 채널(11) 내로 유입되고, 길이 방향(L)으로 열전달 부재(7")의 한 측면에서 이러한 측면에 대해 말단에 형성된 단부로 흘러, 편향된 다음 다시 길이 방향(L)으로, 즉 단부면을 통해 유입된 후 유동 방향에 반대 방향으로, 배기가스 유동 채널(11)을 통해 단부면으로 흐르고, 이어서 상기 단부면에서 열전달 부재(7")의 배기가스 유동 채널(11)로부터 외부로 유도된다. 벽 부재(7"a, 7"b)들 사이에는 핀 부재(7"c)가 삽입되어 있고, 바람직하게는 상기 벽 부재(7"a, 7"b)들과 납땝되어 있다.

벌징부(8")들 중 하나의 벌징부는 길이 방향(L)으로 배향되어 있고, 그리고 핀 부재(7"c)와 관련하여, 유동 방향의 편향에 의해 반대 방향으로 방향 설정된 배기가스의 흐름을 보장하기 위해, 유동 채널을 2개의 영역으로 분할하도록 형성되어 있다.

도 1a 내지 도 1d에 따른 선행 기술의 열전달 부재(7') 그리고 도 2a 및 2b에 따른 선행 기술의 열전달 부재(7")의 실시예들에서, 상기 열전달 부재(7', 7")는 3개 이상의 상이한 그리고 서로 분리된 부재를 구비한다: 배기가스 유동 채널(11)의 상부 절반부로서 제1 벽 부재(7'a, 7"a), 천공된 핀 부재(7'c, 7"c) 그리고 배기가스 유동 채널(11)의 하부 절반부로서 제2 벽 부재(7'b, 7"b). 이때 상기 3개의 부재를 제조하기 위해서는 3개 이상의 상이한 펀칭 공구가 필요하며, 이는 재료와 관련한 공정 복잡성을 증가시키고, 또한 많은 비용을 야기한다.

선행 기술에는 또한, 직사각형 또는 타원형의 횡단면을 갖는 파이프 내부로 하나 또는 다수의 핀을 삽입하여 상기 파이프의 벽과 납땜하는 것이 공지되어 있다. 이 경우 상기 파이프 내부로 삽입되기 전에 핀에는 땜납이 도포되고, 대안적으로는 땜납 박막도 사용된다. 배기가스 유동 채널 내부에 배치된 핀을 갖는 직사각형 횡단면의 파이프들은 단부에서 각각 엔드-홀-플레이트 내로 삽입되고, 상기 파이프들은 배기가스 유입 영역 또는 배기가스 배출구 형역에 배치되어 있다. 핀과 엔드-홀-플레이트를 갖는 직사각형 횡단면의 다수의 파이프는 열교환기의 코어를 형성한다.

직사각형 또는 타원형 횡단면을 갖는 파이프들은 적어도 연속 레이저 용접된 파이프로서 형성되어 있으며, 이 경우 상기 파이프들은, 개별 부재들의 납땜을 보장하기 위해 매우 높은 정밀도 그리고 핀 또는 핀 부재의 정해진 높이 치수를 가져야 한다. 대안적으로, 핀 부재가 파이프 내로 삽입된 후 추가 공구를 이용해서 파이프를 변형하기 위해, 특히 직사각형 횡단면을 갖는 파이프들의 벽을 삽입하기 위해 상기 파이프 벽과 핀 사이 간격이 최소화된다. 파이프와 핀 부재의 납땜을 비로소 가능하게 하는, 고정밀 부재들과 이러한 부재들의 제조 방법들은 많은 수고와 함께 많은 비용을 야기한다. 또한, 냉각제를 특히 도 2a 및 2b에 나타난 벌징부(8")들을 통해 목표한 대로 가이드하는 것이 불가능한데, 그 결과 냉각제를 가이드하기 위한 추가 베플판(baffle plate)이 삽입되어야 한다.

배기가스 재순환 시스템들은 목표한 바대로 웨이브 형태의 핀들을 구비하여 형성되는데, 그 이유는 이러한 웨이브 형태의 핀들은 특히 디젤 구동 자동차에서 바람직하게는 발생 가능한 그을음에 영향을 미치기 때문이다. 또한, 웨이브 형태의 핀들에 의해서는 오토 엔진에서도 배기가스 질량 흐름의 난류 및 이와 더불어 배기가스에서 핀 및 냉각제로의 열전달이 증가된다.

핀 또는 핀 부재와 개별 벽 부재 또는 파이프의 확실하고 우수한 납땜이 필수적인데, 그 이유는 첫째로 핀 또는 핀 부재를 통해서 흡수된 열 흐름이 상기 벽 부재 또는 파이프 벽을 통해 냉각제로 안내된 다음 냉각제로 전달되어야 하기 때문이다. 핀 또는 핀 부재가 벽 부재 또는 파이프 벽과 납땜되어 있지 않은 경우, 배기가스가 공급되는 간극이 형성되고, 이때 상기 간극은 절연 작용하여 열 통과 상황을 상당히 악화시킨다.

계속해서 배기가스 및/그리고 냉각제에 높은 압력이 공급됨으로써, 결과적으로 파이프 벽의 내측면과 외측면 사이에는 높은 압력차가 생긴다. 따라서 핀 또는 핀 부재와 벽 부재 또는 파이프 벽의 납땜은 파이프 벽의 팽창 및 개봉을 방지한다.

핀 또는 핀 부재와 벽 부재 또는 파이프 벽의 연결을 넓은 면적에 걸쳐 보장하기 위해 한 편으로는 핀, 특히 핀 높이 및 벽 부재의 치수가 매우 적은 오차로 정확해야 한다. 다른 한 편으로는 공지된 열교환기 제조 시 매우 많은 땜납이 사용되는데, 이는 비용 집약적인 땝납 페이스트(soldering paste) 외에 제조 시 많은 비용을 야기한다. 그 외에 납땜 공정은 부재들의 확실한 연결을 보장해야 하는데, 부적합한 연결에 의해서는 안정성이 저하되고 균열 위험이 증가된다.

본 발명의 과제는, 가스측 압력 손실이 적고 냉각 성능이 우수한, 자동차에서 사용되는 배기가스 냉각 열교환기를 제공하는 것이다. 이와 함께 상기 열교환기는 소형 구조로 형성되어 설치 공간을 크게 필요로 하지 않아야만 한다. 개별 부재들의 수 또한 최소한이어야 하며, 열교환기의 견고성과 안정성, 더불어 수명이 최대 수준으로 유지되어야 한다. 그 외에 제조 시 야기되는 비용이 최소 수준이어야만 한다.

상기 과제는, 특히 자동차용으로 배기가스 냉각을 위한 본 발명에 따른 열교환기에 의해서 해결된다. 상기 열교환기는 배기가스 유입구 어댑터와 배기가스 배출구 어댑터를 갖는 열교환기 하우징을 구비하고, 상기 열교환기 하우징은 둘레를 둘러싸는 방식으로 냉각제용 유동 공간의 경계를 정하고, 상기 냉각제용 유입 개구 및 배출 개구를 구비한다. 이와 함께 상기 열교환기는 서로 평행하게 배치되어 있고, 배기가스 유동 채널들을 형성하는 판형 열전달 부재들을 구비하여 형성되어 있으며, 이때 배기가스는 상기 열전달 부재들을 관류하고, 액체 냉각제는 상기 열전달 부재들 주변을 돌아 흐른다.

본 발명의 구상에 따르면, 열전달 부재는 각각 상부면과 하부면을 갖는 2개의 벽 부재를 구비한다. 이 경우 상기 벽 부재들은 길이 방향으로 배향된, 마주놓인 측면에서 유체 밀봉 방식으로 서로 연결되어 있고 상기 상부면과 하부면이 핀을 구비하여 형성되어 있다. 이때 상기 핀들은 한 편으로는 내측면 상에 그리고 배기가스 유동 채널의 내부에, 다른 한 편으로는 열전달 부재의 외측면 상에 배치되어 있다. 또한, 외측면에서 마주보는 방식으로 인접하게 배치된 열전달 부재들은 서로 인접한 단부면에서 냉각제 유동 채널을 형성하도록 유체 밀봉 방식으로 서로 연결되어 있다. 이러한 경우 외측면 상에 배치된 핀들은 냉각제 유동 채널 내부에 배치되어 있다.

본 발명의 일 개선예에 따르면, 벽 부재들은 동일하게 형성되어 있다.

핀들은 길이 방향으로 바람직하게는 웨이브 형태로 형성되어 있다.

핀들은 바람직하게는 기본적으로 일정한 높이를 갖는다. 이때 상기 높이는 각각 유동 횡단면을 형성하는 유입 영역과 배출 영역 쪽으로만 낮아진다. 상기 유입 영역과 배출 영역은 각각 열전달 부재의 마주 놓인 단부면 및 이와 더불어 길이 방향으로 연장되는 핀의 단부에 형성되어 있다.

핀의 높이 감소로 인해 개방되는 유동 횡단면은 각각 횡 방향으로, 즉 길이 방향에 수직으로 그리고 이와 더불어 핀에 수직으로 진행된다.

본 발명의 대안적인 제1 실시예에 따르면, 유입 영역 및/또는 배출 영역은 일정한 유동 횡단면을 갖는다.

본 발명의 대안적인 제2 실시예에 따르면, 유입 영역은 유동 방향으로 작아지는 유동 횡단면을 갖고, 그리고 배출 영역은 유동 방향으로 커지는 유동 횡단면을 갖는다. 지정된 유동 방향은 바람직하게 냉각제의 유동 방향과 관련이 있으며, 이때 상기 냉각제는 유입 영역과 배출 영역에서는 바람직하게 길이 방향에 수직으로 그리고 핀에 수직으로 열교환기 내부로 유입되거나 이러한 열교환기로부터 배출된다.

본 발명의 바람직한 추가 실시예에 따르면, 핀들은 배기가스 유동 채널과 냉각제 유동 채널의 유동 횡단면 내부에서 서로 상이한 간격을 갖는다. 그 결과 배기가스 유동 채널과 냉각제 유동 채널의 유동 횡단면은 상이하게 분할된다. 따라서 배기가스 질량 흐름의 압력 손실이 감소되고, 전달되는 열 출력이 증가된다.

본 발명의 일 개선예에 따르면, 박판으로 이루어지는 벽 부재는 주조된 핀들을 구비하여 형성되었다.

상기 벽 부재는 길이 방향으로 뻗어 있는 측면에서 바람직하게는 각 하나의 제1 측벽을 구비하고, 이러한 제1 측벽은 제1 단부면에서 제2 단부면까지 연장된다.

또한, 상기 벽 부재는 폭 방향으로 뻗어 있는 단부면에서 바람직하게는 각 하나의 제2 측벽을 구비하여 형성되어 있으며, 상기 제2 측벽은 제1 측면에서 제2 측면까지 연장된다.

상기 측벽들은 벽 부재의 상부면 또는 하부면에 대해 바람직하게는 구부러진 형태로 배치되어 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 벽 부재들은 금속 재료로부터 형성되어 있다. 상기 벽 부재들은 바람직하게는 서로 납땜되어 있다.

열전달 부재들은 각각 단부면에서 그리고 측면에서 바람직하게는 서로 같은 높이로 배치되어 있다.

본 발명에 따른 열교환기는 과급 공기 냉각에도 적합하다. 이 경우 열교환기는 특수하게 내연 기관의 흡입 영역에 배치되어 엔진에 공급되는 연소 공기의 온도를 감소시키는데 사용된다. 열은 공기에 의해 리드되고, 예를 들면 냉각제로 전달된다.

열교환기는 바람직하게는 알루미늄으로 형성되어 있다.

본 발명의 과제는 또한 벽 부재들로 이루어진 본 발명에 따른 열교환기의 열전달 부재를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법에 의해서 해결된다. 상기 방법은 발명의 구상에 따라 하기 단계들을 포함한다:

- 박판으로 이루어진, 2개 이상의 결합된 벽 부재를 천공하는 단계,

- 벽 부재들 사이에 배치된 측면에서 길이 방향으로 뻗어 있고, 서로 평행하게 배치된 2개의 굽힘 라인(bending line)에서 벽 부재를 90° 각도로 구부리고, 그리고 젖혀진(fold-over) 하나의 벽 부재를 다른 한 벽 부재 위에 올려놓는 단계,

- 상호 인접하는 측면들의 연결 라인(connecting line)을 따라서 일면(one-sided) 납땜하거나 용접하여 배기가스 유동 채널을 폐쇄하는 단계.

본 발명의 일 개선예에 따르면, 상기 방법에 의해 벽 부재들로 이루어진 적어도 2개의 열전달 부재가 제조되고, 이 경우 상기 방법은 하기 단계들을 포함한다:

- 박판으로 이루어진, 4개 이상의 결합된 벽 부재를 천공하는 단계로서, 이때 상기 벽 부재들 사이에 천공 공정 중에 변형되는 영역들이 형성되어 있으며,

- 벽 부재들 사이에 배치된 측면에서 길이 방향으로 뻗어 있고, 서로 평행하게 배치된 2개의 굽힘 라인에서 서로 나란히 배치된 2개의 벽 부재를 90° 각도로 구부리고, 그리고 젖혀진 2개의 벽 부재를 다른 2개의 벽 부재 위에 올려놓는 단계,

- 벽 부재들 사이에 배치된 단부면에서 횡방향으로 뻗어 있고, 서로 평행하게 배치된 2개의 굽힘 라인에서 위 아래로 배치된 2개의 벽 부재를 90° 각도로 구부리고, 그리고 젖혀진 2개의 벽 부재를 다른 2개의 벽 부재 위에 올려놓는 단계,

- 상호 인접하는 측면들의 연결 라인을 따라서 일면 납땜하거나 용접하여 2개의 배기가스 유동 채널과 하나의 냉각제 유동 채널을 폐쇄하는 단계.

핀 구조, 특히 웨이브 형태를 갖는 본 발명에 따른 판형 열교환기는 벽 부재들을 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법과 관련하여 추가의 다양한 장점들을 갖는다:

- 가스측 압력 손실이 적고, 전달될 수 있는 열 출력 레벨이 높으며,

- 소형 구조로 형성되어 설치 공간을 크게 필요로 하지 않으며,

- 개별 부재들의 수가 최소한인 동시에 안정성과 수명이 최대 수준이며 - 이와 관련하여 열교환기 및 동일한 벽 부재들로 이루어지는 열전달 부재 형성 시에는 천공 공구만 요구됨 -,

- 제조 시 조립 부품과 관련된 복잡성이 감소하고, 연결 부분의 불충분한 납땜으로 인한 파손 메커니즘(failure mechanism)이 최소화되며,

- 양측에서 작용하는 압력, 즉 내압과 외압을 견딜 수 있는 충분한 강도를 갖는 핀 윤곽을 갖는 벽 부재들이 제공됨으로써, 또한 이웃하여 배치된 벽 부재들의 핀 윤곽의 납땜이 생략될 수 있으며, 이 경우 상당한 양의 땜납 페이스트가 절감되고, 그리고 불충분한 핀 윤곽 납땜으로 인한 열교환기 파손 가능성이 제거되며,

- 벽 부재 제조 시, 특히 핀 구조, 그 중에서도 핀 높이 제조 시 적은 공차 요건이 주어지며 - 이와 관련하여 유동 채널의 경계를 정하는 2개의 벽 부재는 핀 영역에서 서로 인접하면 안 되기 때문에, 유동 채널들의 확장된 시작 영역과 끝 영역만 높은 수준의 정확도를 가져야 함-,

- 동일한 수준의 열 출력 조건에서 더 적은 재료가 사용되고, 이로 인해 재료 절감이 실현되며,

- 열교환기의 더 낮은 중량으로 인해 자동차의 중량과 가동 질량이 감소되며, 이러한 중량 감소는 연료 절감 및 이산화탄소 배출 감소 효과, 그리고

- 넓은 면적에 걸쳐 이루어지는 납땜 생략으로 인한 제조비용 최소화 효과를 제공한다.

본 발명의 또 다른 세부 사항들, 특징들 및 장점들은 관련 도면을 참조하는 실시예들에 대한 하기의 설명으로부터 드러난다. 도면부에서:
도 3은 핀형 열교환기로서 형성된 열교환기를 분해도로 도시하고,
도 4a 내지 4d는 배기가스 유동 채널과 냉각제 유동 채널을 형성하는 벽 부재들로 이루어지는 열전달 부재들 조립을 사시도로 도시하고,
도 5a, 5b는 각각 냉각제 유입 영역과 배출 영역을 갖는 4개로 구성된, 도 4d의 벽 부재를 측면도와 평면도로 도시하며,
도 6은 냉각제 유입 영역과 배출 영역이 형성된 벽 부재를 평면도로 도시하고,
도 7은 둘레를 둘러싸는 열교환기 하우징 부재들을 제외한 조립 상태에서 열교환기를 측면도로 도시하며,
도 8a, 8b는 둘레를 둘러싸는 열교환기 하우징 부재들을 제외한 조립 상태에서 열교환기를 사시적 측면도와 평면도로 도시하고,
도 9는 U자형으로 관류되는 배기가스 유동 채널용 열전달 부재의 벽 부재를 사시도로 도시하며,
도 10a, 10b는 배기가스측과 냉각제측의 상이한 핀 구조를 개략적으로 도시하고, 또한 유동 채널들을 단면도로 도시하며,
도 11a는 하나의 부품으로 제조된 제1 및 제2 벽 부재로 이루어진 열전달 부재를 도시하고,
도 11b는 도 11a의 다수의 벽 전달 부재를 배기가스 배출구 어댑터와 함께 열교환기의 코어로 조립한 상태에서 도시하며,
도 12a 내지 도 12c는 도 11a와 유사하게, 열전달 부재의 제조 단계 및 열교환기 코어로 조립 단계를 도시하며,
도 13a 내지 도 13c는 하나의 부품으로 제조된 벽 부재들로부터 형성되는 열전달 부재 제조 단계를 도시하고, 그리고
도 14a, 14b는 본 발명의 열교환기와 선행 기술의 열교환기를 둘레를 둘러싸는 열교환기 하우징 부재를 제외한 조립 상태에서 사시적 측면도로 비교 도시한다.

도 3은, 핀형 열교환기로서 형성된 열교환기(1)를 분해도로 보여준다. 배기가스와 냉각제에 의해 관류되는 상기 열교환기(1)는 열교환기 하우징(2)을 구비하여 형성되어 있고, 상기 열교환기 하우징은 제1 열교환기 하우징 부재(2a)와 제2 열교환기 하우징 부재(2b)를 구비하며, 이때 상기 열교환기 하우징 부재들은 폐쇄된 상태에서 열교환기 하우징(2)에 의해 둘러싸이는 체적을 완전히 제한한다. 열교환기 하우징(2)의 단부면들에는 배기가스 유입구(3a)와 배기가스 배출구(3b)가 형성되어 있다. 길이 방향(L)으로 말단에 마주보고 형성된 상기 배기가스 유입구(3a)와 배기가스 배출구(3b) 영역에서는, 열교환기 하우징(2)에 의해 둘러싸인 체적이 배기가스 유입구 어댑터(4a)와 배기가스 배출구 어댑터(4b)에 의해 제한되며, 이러한 어댑터들은 각각 개구(5a, 5b), 특히 관통 개구를 구비하여 형성되어 있다.

열교환기 하우징(2)은 다수의 열전달 부재(7)로 구성된 조립체(6)를 둘러싸고, 이러한 조립체는 열교환기(1)의 코어(6)로도 명명된다. 높이(H) 방향으로 위 아래로 겹쳐진 판형 열전달 부재(7)들은 각각 2개의 벽 부재(7d)로 형성되어 있으며, 이러한 벽 부재들은 길이 방향(L)으로 정렬된 측면에서 유체 밀봉 방식으로 서로 연결되어 있다. 상기 열전달 부재(7)들은 높이(H) 방향으로는 작은 치수, 폭(B) 방향으로는 중간 치수 그리고 길이 방향(L)으로는 상대적으로 큰 치수를 가지며, 이 경우 상기 높이(H) 방향으로 치수는 폭(B) 방향으로 치수보다 훨씬 작고, 그리고 상기 폭(B) 방향으로 치수는 길이 방향(L)으로 치수보다 훨씬 작다. 상기 조립체(6)로 조립된, 열전달 부재(7)들의 벽 부재(7d)들은 단부면에서 서로 같은 높이로 배치되어 있다.

바람직하게는 박판 천공된 상기 벽 부재(7d)들은 표면, 다시 말해 상부면과 하부면에 각각 핀들, 특히 웨이브 형태로 형성된 핀들을 구비한다. 이 경우 상기 핀들은 일정한 높이를 갖는다. 핀들의 웨이브 형태는 벽 부재(7d)의 길이 방향(L) 또는 폭(B) 방향으로의 치수와 관련이 있다.

벽 부재(7d)들은 열교환기(1) 또는 열교환기(1)의 코어(6) 조립 상태에서 각각 핀들이 마주보고 배치되어 있으며, 그 결과 외측면에 마주보고 배향된, 인접한 열전달 부재(7)들의 벽 부재(7d)들은 상기 핀들의 길이 방향 에지가 마주보고 배치되어 있다. 결과적으로 상기 열전달 부재(7)들의 외측은 간극을 형성하며, 이러한 간극은 냉각제 유동 채널(12)로서 사용되고 핀들을 구비한다.

대안적인 제1 실시 형태에 따르면, 유동 채널(11, 12)을 제한하는 2개의 벽 부재(7d)는 핀들 영역에서 상호 인접하지 않는다. 대안적인 제2 실시 형태에 따르면, 냉각제 유동 채널(12) 내부에 배치된 핀들은 서로 인접하며, 반면에 배기가스 유동 채널(11) 내부에 배치된 핀들 사이에는 간극이 형성되어 있다. 이웃하여 배치된 벽 부재(7d)들은 서로 인접한 핀 영역들에서 서로 납땜되거나 용접될 수 있다.

대안적인 추가 실시 형태에 따르면, 이웃하여 배치된 2개의 벽 부재(7d)들은, 이웃하여 배치된 핀들 사이에 배기가스측 그리고/또는 냉각제측 간극이 발생하도록 형성되어 있다. 이 경우 핀들은 미리 정해진 간격으로 서로 인접함으로써, 국부적으로 간극이 형성되지 않고, 핀들이 서로 연결, 바람직하게는 납땜되어 있다. 이 때문에 조립체는 하중 크기에 따라 적은 땜납 비용으로 보강될 수 있다.

높이(H) 방향으로 위 아래로 겹쳐서 배치되어 있고, 열교환기(1)의 코어(6)를 형성하는 열전달 부재(7)들은 열교환기 하우징 부재(2a, 2b)들에 의해 둘러싸여 있고, 이 경우에는 또한, 각각 상기 코어(6)의 외부 열전달 부재(7)들 그리고 열교환기 하우징 부재(2a, 2b)들 사이에 냉각제 유동 채널(12)이 형성되어 있다. 이웃하여 배치된 열전달 부재(7)들은 바람직하게 같은 높이로 배향된 단부면에서 유체 밀봉 방식으로 서로 연결되어 있는데, 다시 말해 바람직하게는 서로 납땜되어 있거나 용접되어 있다.

열교환기(1) 작동 중에는 배기가스가 마주보고 배향된, 벽 부재(7d)들의 내측을 따라 상기 내측에 형성된 웨이브 형태의, 벽 부재(7d)들의 핀 둘레를 돌아서 흐르고, 이에 따라 배기가스 유동 채널(11)을 통해 열전달 부재(7)를 관통하며, 반면에 냉각제는 벽 부재(7d)들의 외측을 따라 상기 외측에 형성된 웨이브 형태의, 벽 부재(7d)들의 핀 둘레를 돌아서 흐른다.

이때 배기가스는 배기가스 유입구 어댑터(4a)의 개구(5a)를 통해 열교환기(1) 내로 유입되고, 상기 배기가스 유입구 어댑터(4a) 관류 시 열전달 부재(7)들로 분할되어 길이 방향(L)으로 배기가스 유동 채널(11)들을 통해 상기 열교환기(1)를 관통한다. 배기가스는 배기가스 유동 채널(11)들에 공급될 때 벽 부재(7d)들에 형성된, 특히 배기가스 열전달 면적을 확장하는 핀들을 따라서 흐른다.

배기가스 배출구 어댑터(4b) 내부에서는 배기가스 유동 채널(11)들로 분할되는 배기가스 질량 흐름이 다시 혼합되고, 상기 배기가스 배출구 어댑터(4b)의 개구(5b)를 통해 열교환기 하우징(2)으로부터 외부로 유도된다.

냉각제는 열교환기 하우징 부재(2a) 내에 형성된 유입 개구(9a)를 통해 열교환기 하우징(2)에 의해 둘러싸인 체적 내로 유입되고, 열교환기 하우징 부재(2a) 내에 형성된 배출 개구(9b)를 통해 외부로 유도된다. 이 경우 냉각제는 각각 냉각제 순환계로 이어지는, 도면에는 도시되지 않은 냉각제용 연결부를 통해 흐른다.

열교환기(1) 내로 유입된 후, 냉각제는 부분 질량 흐름으로 분할되고, 각각 이웃하여 배치된 열전달 부재(7)들 사이 또는 열교환기 하우징 부재(2a, 2b)들에 의해 제한된 냉각제 유동 채널(12)들 통해 안내되며, 이후 혼합된 다음 열교환기 하우징 부재(2a) 내에 형성된 배출 개구(9b)를 통해 외부로 유도된다. 이때 냉각제는 각각 냉각제 순환계로 이어지는, 도면에는 도시되지 않은 냉각제용 연결부를 통해 흐른다.

도 4a 내지 4d에는 벽 부재(7d)들로 이루어지는 열전달 부재(7)들의 조립이 사시도로 도시된다. 상기 벽 부재(7d)들은 코어(6)가 조립된 상태에서 하나 이상의 배기가스 유동 채널(11) 및 하나 이상의 냉각제 유동 채널(12)을 형성한다.

박판 천공된 개별 벽 부재(7d) 각각은 상부면과 하부면에 핀들을 구비하고, 이러한 핀들은 핀 윤곽을 형성한다. 상부면에서의 핀 형성은 마찬가지로 하부면에서의 핀 형성과 결부된다. 이때 핀들은 벽 부재(7d)의 길이 방향(L)으로 웨이브 형태로 형성되어 있다. 또한, 핀들은 서로 평행하게 배치되어 있음으로써, 핀들 사이에 형성된 간극의 유동 횡단면이 항상 일정하고, 이웃하여 형성된 간극의 유동 횡단면이 동일하다.

이 경우 핀들의 웨이브는 서로 일정하게 진행되고, 이웃하여 배치된 벽 주재(7d)들의 핀들은 평행하게 진행된다. 대안적인 실시 형태에 따르면, 이웃하여 배치된 벽 부재(7d)들의 핀들은 방대 방향으로 또는 서로 오프셋 방식으로 형성되어 있음으로써, 핀들은 전체 길이 방향 연장부에 걸쳐 마주 놓이는 형태로 배치되어 있지 않고, 핀들이 서로 교차하는 접촉 영역에서만 인접하며, 이러한 접촉 영역에서 핀들은 서로 교차하는 방식으로 배치되어 있다.

벽 부재(7d)들은 길이 방향(L)으로 진행되는 종 측면들에 각각 제1 측벽(13)을 갖고, 상기 제1 측벽은 상기 벽 부재(7d)의 제1 단부측에서 제2 단부측까지 연장된다. 상기 제1 측벽(13)들은 일정한 높이, 다시 말해 높이(H) 방향으로 일정한 치수를 갖고 그리고 동일한 높이(H) 방향으로 향한다.

폭(B) 방향으로 뻗은 폭이 좁은 측면들에서 벽 부재(7d)들은 각각 제2 측벽(14)을 갖고, 상기 제2 측벽은 상기 벽 부재(7d)의 제1 종 측면에서 제2 종 측면까지 연장된다. 상기 제2 측벽(14)들은 일정한 높이, 다시 말해 높이(H) 방향으로 일정한 치수를 갖고 그리고 동일한 높이(H) 방향으로 향한다. 제1 측벽(13)들과 제2 측벽(14)들은 반대 방향으로 배향되어 있다.

상기 측벽(13, 14)들은 벽 부재(7d)의 표면 쪽으로, 바람직하게는 90° 구부러진 형태로 배치되어 있다.

도 4b에 따르면, 벽 부재(7d)들의 제1 측벽(13)들이 서로 인접하도록 2개의 벽 부재(7d)들이 조립됨으로써, 배기가스 유동 채널(11)이 완전히 제한된다. 핀(15)들을 갖는 각각 마주 놓인 표면들 그리고 서로 인접하는 제1 측벽(13)들은 배기가스 유동 채널(11)을 둘러싼다. 상기 제1 측벽(13)들은 접촉면에서 서로 납땜되거나 용접되며, 그 결과 벽 부재(7d)들의 종 측면에서 유체 밀봉 방식의 제한이 형성된다. 제2 측면(14)들은 반대 방향으로 마주 보고 배치되어 있다.

도 4c에 따르면, 벽 부재(7d)들의 제2 측벽(14)들이 서로 인접하도록 제3 벽 부재(7d)와 이미 서로 연결된 2개의 벽 부재(7d)들이 추가 조립됨으로써, 냉각제 유동 채널(12)의 경계가 완전히 제한된다. 핀(15)들을 갖는 각각 마주 놓인 표면들 그리고 서로 인접하는 제2 측벽(14)들은 냉각제 유동 채널(12)을 둘러싼다. 제2 측벽(14)들은 접촉면에서 서로 납땜되거나 용접되며, 그 결과 벽 부재(7d)들의 단부면에서 유체 밀봉 방식의 제한이 이루어진다. 제1 측면(13)들은 각각 반대 방향으로 마주보고 배치되어 있다.

용접 시 연결될 측벽(13, 14)들은 바람직하게 각각 접합부에서 마주보고 배치되고, 반면에 납땜 시 연결될 측벽(13, 14)들은 바람직하게 겹쳐지는 방식으로 배치됨으로써, 결과적으로 용접 경우보다 납땜 경우에 접촉면이 더 크다.

열교환기(1)의 필요에 따라 그리고 요구되는 크기에 따라, 각각 2개의 벽 부재(7d)로 형성된 열전달 부재(7)의 정해진 후가 서로 연결되고, 이 경우 이웃하여 배치된 벽 부재(7d)들은 높이(H) 방향으로 항상 서로 반대 방향으로 배향되어 있다. 단부면에서 제2 측벽(14)들과 같은 높이로 배향된 벽 부재(7d)들 또는 열전달 부재(7)들은 열교환기(1)의 코어(6)를 형성하고, 상기 열교환기 코어 내부에는 배기가스 유동 채널(11)들 및 냉각제 유동 채널(12)들이 항상 교대로 배치되어 있다.

도 5a 및 5b에는 각각 표시된 냉각제 유입 영역(17) 및 배출 영역(18)을 갖는 4개로 구성된, 도 4d의 벽 부재(7d)가 측면도와 평면도로 도시되어 있다.

이 경우 냉각제는 유입 영역(17)을 통해 유동 방향(16)으로 냉각제 유동 채널(12) 내로 들어간다. 냉각제는 벽 부재(7d)의 단부면을 따라서 또는 제2 측벽(14)을 따라서 유입되고, 핀(15)들 사이에 형성된 간극으로 분할된다. 냉각제의 유동 방향(16)은 유입 영역(17)에서 약 90° 각도로 변경된다.

핀(15)들 사이에 형성된 간극을 관류한 후, 냉각제는 배출 영역(18)에서 다시 혼합되어 약 90° 각도의 유동 방향(16) 변경을 거친 다음, 냉각제 유동 채널(12)로부터 외부로 안내된다.

높이(H) 방향으로의 핀(15)들 그리고 이와 더불어 핀 윤곽 길이 또는 핀 윤곽 삽입 깊이는 냉각제와 더불어 배기가스의 경우에 있어서도 유입 영역(17)들과 배출 영역(18)들 쪽으로 일정하게 감소한다. 이에 따라 냉각제측 유입 영역(17)과 배출 영역(18) 모두에서 각각 냉각제 분포 및 혼합을 위한 자유 공간이 주어진다.

도면에 도시되지 않은 대안적인 실시 형태에 따르면, 높이(H) 방향으로 핀 윤곽 또는 핀 윤곽 삽입 깊이가 오로지 냉각제측에서 유입 영역(17)과 배출 영역(18) 쪽으로 일정하게 감소하고, 배기가스측에서는 변함없이 유지된다.

냉각제를 가이드하기 위한 자유 공간들은 열교환기 하우징(2)에 있는 냉각제 연결부(10a, 10b)의 위치에 따라, 핀(15)들의 삽입 위치를 참고로 상이하게 형성될 수 있다.

도 5b에 따른 열전달 부재(7d)들 형성 시, 냉각제 유입 영역(17)과 배출 영역(18) 모두 동일하면서도 일정한 냉각제 유동 횡단면을 갖는다. 냉각제용 연결부(10a, 10b)들은 열전달 부재(7d)들의 반대 방향으로 놓인 측벽(13)들에 배치되어 있다. 냉각제 유동 채널(12)들은 제1 단부면에서 제2 단부면까지 방향 전환 없이 그리고 이와 더불어 I자형으로 관류된다.

도 6은 냉각제용으로 형성된 유입 영역(17)들 및 배출 영역(18)들을 갖는 벽 부재(7d)들을 평면도로 보여준다. 도 7에는 둘레를 둘러싸는 열교환기 하우징 부재(2a, 2b)들을 포함하지 않는 조립 상태에서 열교환기(1)가 측면도로 도시되어 있다. 도 8a 및 8b에는 둘레를 둘러싸는 열교환기 하우징 부재(2a, 2b)들을 포함하지 않는 조립 상태에서 열교환기(1)가 사시적 측면도로 나타난다.

도 6의 제1 도면에서는 도 5b에 따른 유입 영역(17)과 배출 영역(18)의 실시 형태가 설명된다. 냉각제의 유동 영역(19)은 직사각형 형태를 갖는다. 냉각제용 연결부(10a, 10b)들은 도 5b에 따르면, 반대 방향으로 놓인 열전달 부재(7d)의 제1 측벽(13)들에 또는 제1의 공동 측벽(13)에 배치될 수 있다. 제2 측벽(14)들을 따라 형성되어 있는 유입 영역(17)과 유출 영역(18)의 유동 횡단면은 일정하다.

도 6의 제2 도면에 따른 그리고 도 7에 따른 제2 실시 형태에서, 냉각제의 유동 영역(19)은 평행 사변형 형태를 갖는다. 이 경우 냉각제용 연결부(10a, 10b)들은 반대 방향으로 놓인 열전달 부재(7d)의 제1 측벽(13)들에 또는 5b와 유사하게, 열교환기(1)의 종 측면(13)에 배치되어 있다.

도 6의 제3 도면에 따른 그리고 도 8a 및 8b에 따른 제3 실시 형태에서, 냉각제의 유동 영역(19)은 사다리꼴 형태를 갖는다. 이 경우 냉각제용 연결부(10a, 10b)들은 열전달 부재(7d)의 공동 제1 측벽(13)들에 또는 열교환기(1)의 제1의 공동 종 측면(13)에 배치되어 있다. 높이(H) 방향으로 제1 측벽(13)들의 길이는 핀(15) 또는 핀 윤각에 적합하게 매칭되어 있다. 이 경우 제1 측벽(13)들의 형태는 각각 이웃하여 배치된 핀(15)들에 상응한다.

제2 실시 형태와 제3 실시 형태 모두에서, 유입 영역(17)의 냉각제 유동 횡단면은 냉각제의 유동 방향(16)으로 작아지고, 반면에 배출 영역(18)의 냉각제 유동 횡단면은 냉각제의 유동 방향(16)으로 그리고 제2 측벽(14) 방향으로 커진다.

도 9에는 U자형으로 관류되는 배기가스 유동 채널(11)을 위한 열전달 부재(7)의 벽 부재(7d)가 사시도로 도시된다.

배기가스는 배기가스의 유입/배출 영역(22)에 배치된 배기가스 안내 부재(20)에 의해 유동 방향(21)으로 유동 채널(11)의 제1 부분을 통해 안내된다. 이 경우 상기 유동 채널(11)의 제1 부분은 제1 측벽(13)에 의해 그리고 폭(B)과 관련하여, 길이 방향(L)으로 중앙에 배치된 핀(15)에 의해 유동 채널(11)의 제2 부분과 분리된다. 배기가스측에서 상기 유동 채널의 제1 부분과 제2 부분 사이에 분리벽을 형성하는, 이웃하여 배치된 벽 부재(7d)들의 핀(15)들은 전적으로 평행하게 진행되고 가스 밀봉 방식으로 서로 인접함으로써, 간극이 발생되지 않는다. 이러한 핀(15)들의 반대 방향으로의 배치는 불가능하다. 폭(B)과 관련하여, 길이 방향(L)으로 중앙에 배치된 상기 핀(15)들은 바람직하게 서로 납땜되어 있다.

배기가스가 벽 부재(7d)의 한 단부면에 형성된 편향 영역(23) 내로 연결되는 유동 채널의 제1 부분으로부터 배출된 후, 배기가스의 유동 방향은 약 180° 편향되고, 배기가스는 유동 채널(11)의 제2 부분을 통과하여 다시 배기가스의 유입/배출 영역(22)으로 안내된다. 벽 부재(7d)의 단부 쪽으로 높이가 편향 유동 횡단면을 형성하는 방식으로 작아지도록 핀(15)들은 배기가스측 편향 영역(23)에 형성되어 있다. 이 경우 핀(15)들의 높이는 0㎜까지 감소될 수 있다. 이때, 도면에 도시되지 않은, 열교환기 하우징(2)의 배기가스 유입구(3a) 및 배기가스 배출구(3b)는 열교환기(1)의 한 단부면에 배치되어 있다.

도 10a 및 10b는, 상세하게는 도 10a에 따라, 배기가스측과 냉각제측 상이한 핀 구조를 그리고 10b에 따라, 배기가스 유동 채널(11)들과 냉각제 유동 채널(12)을 개략적으로 보여준다.

도 10a의 상부 도면에는 핀(15)이 유동 채널(11, 12)들을 동일한 유동 횡단면으로 분할한다. 핀(15)은, 유동 채널(11, 12)의 동일한 간격이 실현되도록 형성되어 있다. 도 10a 및 도 10b의 하부 도면에 따라, 유동 채널(11, 12)들의 상이한 간격 분할에 의해서는 배기가스측 유동 횡단면, 다시 말해 배기가스 유동 채널(11)들의 유동 횡단면이 확장될 수 있다. 이에 따라 동시에 냉각제측 유동 횡단면, 즉 냉각제 유동 채널(12)들의 유동 횡단면이 감소된다. 핀(15)들을 적합하게 조정하는 작업은 향상된 열출력 전달을 야기한다. 또한, 배기가스 유동 채널(11)들의 유동 횡단면 확장은 배기가스측 압력 손실 감소를 야기한다.

도 11a에는, 하나의 부품으로 제조된 제1 및 제2 벽 부재(7d)로부터 형성된 열전달 부재(7)가 도시되어 있다. 도 11b는, 하우징(2)의 배기가스 배출구(3b)의 배기가스 배출구 어댑터(4b)와 함께, 열교환기(1)의 코어(6)로 조립된 상태에서, 도 11a의 다수의 열전달 부재(7)를 보여준다.

하부 핀 플레이트(fin-plate)로도 명명되는 제1 벽 부재(7d) 및 상부 핀 플레이트로도 명명되는 제2 벽 부재(7d)는 천공 부품으로 제조된다. 제1 벽 부재(7d)가 각각 후방 제1 측벽(13)을 통해 길이 방향(L)으로 서로 평행하게 진행되는, 그러나 도면에 도시되지 않은 굽힘 라인에서 약 90°구부려짐으로써, 제2 벽 부재(7d)가 제1 벽 부재(7d) 상에 배치되고 배기가스 유동 채널(11)이 둘러싸인다. 인접한 제1 측벽(13)들의 측면 에지의 연결 라인(24)을 따라 일면 납땜 또는 용접에 의해 배기가스 유동 채널(11)이 길이 방향(L)으로 가스 밀봉 방식으로 폐쇄된다.

열교환기(1)는 상기와 같이 제조된 열전달 부재(7)들을 높이(H) 방향으로 위 아래로 겹치게 쌓고, 이렇게 쌓아진 열전달 부재(7)들을 열교환기 하우징(2)의 부재들, 예를 들면 도면에 도시된 배기가스 배출구 어댑터(4b)와 연결함으로써 조립된다.

제1 측벽(13), 제2 측벽(14) 그리고 특히 핀(15)들 또는 핀 구조를 갖는 벽 부재(7d)들로 이루어진 열전달 부재(7)들 제조 시, 특히 핀 구조의 오차 및 특수하게는 높이(H) 방향으로 핀(15)의 길이의 오차에 대해 요구 사항이 적은데, 그 이유는 유동 채널(11, 12)을 제한하는 2개의 벽 부재(7d)가 핀(15) 영역에서 서로 인접할 필요가 없기 때문이다. 다만 유동 채널(11, 12)들의 확대된 출발 영역과 단부 영역들은, 다시 말해 편향/유입 영역(17)과 편향/배출 영역(18)이 높은 정밀도로 제조되어야 한다.

도 12는 (도 11a와 유사하게) 열전달 부재(7)의 제조 단계들 그리고 상기 열전달 부재(7)를 열교환기(1)의 코어(6)로 조립하는 공정을 보여준다.

하부 및 상부 핀 플레이트로도 명명되는 2개의 벽 부재(7d)는 천공 후 서로 나란히 배치되어 있으며, 이는 도 12a에도 나타난다. 길이 방향(L)으로 연장되는, 외부 제1 측벽(13)은 천공 부분의 종 측면에서 표면으로부터 상부로 수직으로 돌출한다. 단부면에서 연장되는 제2 측벽(14)은 천공 부분의 종 측면에서 벗어난 횡 측면에서 표면으로부터 하부로 수직으로 돌출한다. 그 결과 2개의 벽 부재(7d)로 형성된 열전달 부재(7)는 4개의 제2 측벽(14)과 2개의 제1 측벽(13)을 구비하고, 이때 상기 2개의 제1 측벽은 천공 부분의 외부 가장자리에 배치되어 있다. 상기 벽 부재(7d)들 사이에는 핀(15) 또는 핀 윤곽을 포함하지 않는 영역이 형성되어 있으며, 이러한 영역은 추가 과정에서 2개의 추가 제1 측벽(13)으로 변형된다.

벽 부재(7d)들 사이에 형성된, 핀(15)을 포함하지 않는 영역에서 제2 벽 부재(7d)가 서로 평행하게 진행되는 굽힘 라인(25)을 따라 각각 90° 각도로 구부려짐으로써 - 도 12a에 따르면 화살표로 표시됨 - , 제2 벽 부재(7d)가 제1 벽 부재(7d) 상에 배치되고, - 도 12b에 따라 - 배기가스 유동 채널(11)이 둘러싸이게 된다. 인접하는, 그리고 외부 제1 측벽(13)의 굽힘 과정 전에 있는 측면 에지를 연결 라인(24)을 따라서 일면 납땜하거나 용접함으로써 배기가스 유동 채널(11)이 길이 방향으로 가스 밀봉 방식으로 폐쇄된다.

상기와 같이 제조된 열전달 부재(7)는 도 12c에 따라 열교환기(1)의 높이(H) 방향으로 위 아래로 겹쳐서 쌓아진 다음, 배기가스 유입구 어댑터(4a), 배기가스 배출구 어댑터(4b) 및 열교환기 하우징 부재(2a, 2b)와 같이 열교환기 하우징(2)의 부재와 납땜된다.

도 13은 하나의 부품으로 제조된 4개의 벽 부재(7d)로부터 2개의 열전달 부재(7)를 제조하는 단계들을 보여준다.

벽 부재(7d)를 천공 부분 상에 추가로 교환 배치함으로써, 천공 복잡성과 굽힘 복잡성이 더욱 증가될 수 있다. 이 경우 예비 제조된 열전달 부재(7)를 정밀하게 위 아래로 겹쳐 쌓는 공정 그리고 납땜 또는 용접과 같은 다른 제조 단계들이 생략될 수 있다. 항상 더 높은 파손 위험을 나타내는 납땜 연결과 용접 연결 횟수의 상당한 감소 외에도 열교환기(1)의 개별 부재 수가 더욱 감소된다. 2개의 유동 채널(11, 12)의 수뿐만 아니라 예를 들면 6개의 연결부를 포함하는 도 4에 다른 제조에서부터 이제 4개의 연결부를 포함하는 도 12에 다른 제조에서도 이제 단 3개의 연결부만 납땜되거나 용접된다.

천공 후 4개의 벽 부재(7d)는 공동 평면에서 서로 나란히 배치되어 있는데, 이는 도 13에도 도시된다. 외부의 4개의 제1 측벽(13)은 길이 방향(L)으로 연장되고, 천공 부분의 종 측면에서 표면에서부터 수직으로 돌출한다. 단부면에서 연장되는 4개의 제2 측벽(14)은 천공 부분의 종 측면을 벗어난 횡 측면에서 표면으로부터 돌출한다. 4개의 벽 부재(7d)로부터 형성된 열전달 부재(7)는 결과적으로 4개의 제2 측벽(14)과 4개의 제1 측벽(13)을 구비하며, 이때 상기 제1 측벽은 천공 부분의 외부 가장자리에 배치되어 있다. 벽 부재(7d)들 사이에는 핀(15) 또는 핀 윤곽이 없는 4개의 영역이 형성되어 있으며, 이러한 영역은 추가 공정에서 4개의 추가 제1 측벽(13) 그리고 4개의 추가 제2 측벽(14)으로 변형된다.

오른쪽에 배치된 벽 부재(7d)를 각각 오른쪽과 왼쪽에 있는 벽 부재(7d)들 사이에 형성된, 핀(15)이 없고 그리고 서로 평행하게 진행되는 굽힘 라인(25) 영역 -이는 도 13a에 따르면 화살표로 표시됨 -에서 90°굽힌 결과, 상기 오른쪽에 배치된 2개의 벽 부재(7d)가 왼쪽에 배치된 2개의 벽 부재(7d) 상에 적층된다. 이어서 도 13a에서 위에 배치된 그리고 연속하는 벽 부재(7d) 또는 형성된 제1 열전달 부재(7)는 각각 벽 부재 사이(7d)들 사이에 형성된, 핀(15)이 없고 횡방향으로 서로 평행하게 진행되는 굽힘 라인(25)에서 90° 각도로 굽혀지고 마찬가지로 연속 배치된다. 연결 라인(24)에서는 천공된 박판이 중단된다.

2개의 연결 라인(24)을 따라서 인접하는 그리고 굽힘 과정 전에 있는 외부의 4개의 제1 측벽(13)의 측면 에지를 납땜하거나 용접함으로써 2개의 배기가스 유동 채널(11)이 길이 방향(L)으로 가스 밀봉 방식으로 폐쇄되며. 이는 도 13b 및 13c에 나타난다. 마찬가지로 냉각제 유동 채널(12)은 연결 라인(24)을 따라서 인접하는 그리고 굽힘 과정 전에 있는 외부의 2개의 제2 측벽(14)의 측면 에지를 납땜 또는 용접함으로써 폭 방향(B)으로 유체 밀봉 방식으로 폐쇄된다.

하나의 부품으로 제조된 벽 부재의 수 그리고 천공 부분 상에의 교차 배치는, 납땜되거나 용접될 연결 이음부 수를 더 감소시키기 위해 임의로 확대될 수 있다.

도 14a 및 14b는 선행 기술의 열교환기(1')와 본 발명에 따른 열교환기(1)를 각각 둘레를 둘러싸는 열교환기 하우징 부재 없이 조립한 상태에서 사시적 측면도로 비교 도시한다.

이 경우 열교환기(1, 1')들은 기본적으로 벽 부재로부터 형성된 열전달 부재(7)에서는 구별되는 반면, 배기가스 유입구 및 배기가스 배출구(3b) 또는 관련된 배기가스 유입구 어댑터 및 배기가스 배출구 어댑터(4b) 그리고 냉각제용 연결부(10a, 10b)를 갖는 열교환기 하우징에서는 차이가 없다.

1, 1': 열교환기
2: 열교환기 하우징
2a: 제1 열교환기 하우징 부재
2b: 제2 열교환기 하우징 부재
3a: 열교환기 하우징(2)의 배기가스 유입구
3b: 열교환기 하우징(2)의 배기가스 배출구
4a: 열교환기 하우징(2)의 배기가스 유입구 어댑터
4b: 열교환기 하우징(2)의 배기가스 배출구 어댑터
5a: 배기가스 유입구 어댑터의 개구
5b: 배기가스 배출구 어댑터의 개구
6, 6': 열전달 부재 조립체, 코어
7, 7', 7": 열전달 부재
7'a, 7"a: 제1 벽 부재
7b, 7'b, 7"b: 제2 벽 부재
7'c, 7"c: 열전달 부재(7', 7")의 핀 부재
7d: 벽 부재
8, 8', 8": 벽 부재(7'a, 7"a, 7b, 7'b, 7"b)의 벌징부
9a: 냉각제 유입 개구
9b: 냉각제 배출 개구
10a, 10b: 냉각제 연결부
11: 배기가스 유동 채널, 유동 채널
12: 냉각제 유동 채널, 유동 채널
13: 벽 부재(7d)의 제1 측벽
14: 벽 부재(7d)의 제2 측벽
15: 벽 부재(7d)의 핀
16: 냉각제 유동 방향
17: 냉각제 편향/유입 영역 - 냉각제 횡방향 유동
18: 냉각제 편향/배출 영역 - 냉각제 횡방향 유동
19: 냉각제 유동 영역
20: 배기가스 안내 부재
21: 배기가스 유동 방향
22: 배기가스 유입/배출 영역
23: 배기가스 편향 영역
24: 연결 라인
25: 굽힘 라인
L: 길이 방향, 길이
B: 폭
H: 높이

Claims (15)

1. - 둘레를 둘러싸는 방식으로 냉각제용 유동 공간의 경계를 정하고, 상기 냉각제용 유입 개구(9a) 및 배출 개구(9b)를 구비하는, 배기가스 유입구 어댑터(4a) 및 배기가스 배출구 어댑터(4b)를 갖는 열교환기 하우징(2), 그리고
   - 서로 평행하게 배치되어 있고, 배기가스 유동 채널(11)들을 형성하는 판형 열전달 부재(7)들을 구비하고, 이때 배기가스는 상기 열전달 부재들을 관류하고, 액체 냉각제는 상기 열전달 부재들 주변을 돌아서 흐르는, 특히 자동차용 배기가스 냉각 열교환기(1)로서,
   열전달 부재(7)가 각각 상부면과 하부면을 갖는 2개의 벽 부재(7d)를 구비하고, 상기 벽 부재(7d)들은
   - 길이 방향(L)으로 배향된, 마주 놓인 측면에서 유체 밀봉 방식으로 서로 연결되어 있고, 그리고
   - 상기 상부면과 하부면에 핀(fin)(15)들을 구비하여 형성되어 있으며, 상기 핀들은 한 편으로는 내측면에 그리고 상기 배기가스 유동 채널(11) 내부에, 다른 한 편으로는 상기 열전달 부재(7)의 외측면에 배치되어 있으며,
   외측면에 서로 이웃하여 배치된 열전달 부재(7)들이 서로 인접하는 단부면에서 냉각제 유동 채널(12)을 형성하도록 유체 밀봉 방식으로 서로 연결되어 있고, 이때 상기 외측면에 배치된 핀(15)들이 냉각제 유동 채널(12) 내부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환기(1).
2. 제1항에 있어서, 상기 벽 부재(7d)들이 동일하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환기(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 핀(15)들이 길이 방향(L)으로 웨이브 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환기(1).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀(15)들이 일정한 높이로 형성되어 있고, 이때 상기 높이는 각각 유동 횡단면을 형성하는 유입 영역(17) 및 배출 영역(18) 쪽으로 갈수록 작아지며, 상기 유입 영역(17)과 배출 영역(18)은 각각 상기 열전달 부재(7)의 마주 놓인 단부면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환기(1).
5. 제4항에 있어서, 상기유입 영역(17) 및/또는 배출 영역(18)이 일정한 유동 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 열교환기(1).
6. 제4항에 있어서, 상기 유입 영역(17)이 유동 방향(16)으로 작아지는 유동 횡단면을 갖고, 그리고 상기 배출 영역(18)이 유동 방향(16)으로 커지는 유동 횡단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 열교환기(1).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀(15)들이 상기 배기가스 유동 채널(11)과 냉각제 유동 채널(12)의 유동 횡단면 내에서 서로 상이한 간격을 갖는 것을 특징으로 하는, 열교환기(1).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 박판으로 이루어진 상기 벽 부재(7d)가 주조된 핀(15)들을 갖는 것을 특징으로 하는, 열교환기(1).
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전달 부재(7)들이 단부면에서 서로 같은 높이로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환기(1).
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전달 부재(7)들이 측면에서 서로 같은 높이로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환기(1).
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 벽 부재(7d)가 길이 방향(L)으로 뻗어 있는 측면에서 각 하나의 제1 측벽(13)을 구비하고, 이러한 제1 측벽은 제1 단부면에서 제2 단부면까지 연장되는 것을 특징으로 하는, 열교환기(1).
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 벽 부재(7d)가 폭(B) 방향으로 뻗어 있는 단부면에서 각 하나의 제2 측벽(14)을 구비하고, 이러한 제2 측벽은 제1 측면에서 제2 측면까지 연장되는 것을 특징으로 하는, 열교환기(1).
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 벽 부재(7d)들이 금속 재료로부터 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환기(1).
14. 벽 부재(7d)들로부터 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 열교환기(1)의 열전달 부재(7)를 제조하기 위한 방법으로서,
    - 박판으로 이루어진, 2개 이상의 결합된 벽 부재(7d)를 천공하는 단계,
    - 벽 부재(7d)들 사이에 배치된 측면에서 길이 방향(L)으로 뻗어 있고, 서로 평행하게 배치된 2개의 굽힘 라인(bending line)(25)에서 벽 부재(7d)를 90° 각도로 구부리고, 그리고 젖혀진(fold-over) 하나의 벽 부재(7d)를 다른 한 벽 부재(7d) 위에 올려놓는 단계,
    - 상호 인접하는 측면들의 연결 라인(connecting line)(24)을 따라서 일면(one-sided) 납땜하거나 용접하여 배기가스 유동 채널(11)을 폐쇄하는 단계를 포함하는, 열전달 부재 제조 방법.
15. 제14항에 있어서, 2개 이상의 열전달 부재(7)가 벽 부재(7d)들로부터 제조되고,
    - 박판으로 이루어진, 4개 이상의 결합된 벽 부재(7d)를 천공하는 단계로서, 이때 상기 벽 부재(7d)들 사이에 천공 공정 중에 변형되는 영역들이 형성되어 있으며,
    - 벽 부재(7d)들 사이에 배치된 측면에서 길이 방향(L)으로 뻗어 있고, 서로 평행하게 배치된 2개의 굽힘 라인(25)에서 서로 나란히 배치된 2개의 벽 부재(7d)를 90° 각도로 구부리고, 그리고 젖혀진 2개의 벽 부재(7d)를 다른 2개의 벽 부재(7d) 위에 올려놓는 단계,
    - 벽 부재(7d)들 사이에 배치된 단부면에서 횡방향으로 뻗어 있고, 서로 평행하게 배치된 2개의 굽힘 라인(25)에서 위 아래로 배치된 2개의 벽 부재(7d)를 90° 각도로 구부리고, 그리고 젖혀진 2개의 벽 부재(7d)를 다른 2개의 벽 부재(7d) 위에 올려놓는 단계,
    - 상호 인접하는 측면들의 연결 라인(24)을 따라서 일면 납땜하거나 용접하여 2개의 배기가스 유동 채널(11)과 하나의 냉각제 유동 채널(12)을 폐쇄하는 단계를 포함하는, 열전달 부재 제조 방법.

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