KR20170082865A - 바 플레이트형 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열에 의한 변형을 방지할 수 있는 자동차용 열교환기를 제안하고 있다. 본 발명의 열교환기는, 상판과 하판, 그리고 그 사이에 개재되는 아웃터핀으로 이루어지는 튜브가 다수 적층되어 튜브 외부로는 저온의 유체가 흐르고, 튜브 사이에는 튜브바아에 의하여 형성되는 통로에 헤더를 통하여 고온의 유체가 흐르도록 구성되어 있다. 여기서 상판과 하판 사이의 양측단부에는 헤더바아가 설치되고, 상판과 하판 사이의 중간부분에는 코어바아가 설치되어 있다. 그리고 헤더바아 및 코어바아는, 상판과 접촉하는 상면과 하판과 접촉하는 하면을 각각 구비함과 동시에 헤더바아와 코어바아의 적어도 일측에는, 폐쇄형 살빼기부분 또는 개방형 살빼기부분을 형성하는 것에 의하여, 펼쳐지면 상판 및 하판과 같은 판상의 부재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

바 플레이트형 열교환기{Heat exchanger of bar plate type}

본 발명은 바 플레이트형(Bar plate type) 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플레이트 타입의 열교환기에서 아우터핀(Outer fin)이 개재되는 플레이트 사이를 지지하는 헤더바아 및 코어바아 부근에서 열 응력에 기인하는 결함의 발생을 방지할 수 있도록 구성되는 바 플레이트형 열교환기에 관한 것이다.

바 플레이트형 열교환기는 중장비에서 라디에이터용, 챠지에어쿨러 또는 오일쿨러용으로 널리 사용되고 있다. 이와 같은 바 플레이트형 열교환기는 도 1에 도시한 바와 같이, 상부판(12) 및 하부판(14) 사이에 아웃터핀(16)이 설치되어 있다. 그리고 하부판(14)과 그 밑에 설치되는 상부판(22) 사이에는 한 쌍의 튜브바아(26)가 설치되어 있어서, 상하에 위치하는 하부판(14)과 상부판(22) 사이에는 고온의 유체가 흐르는 통로(24)를 형성하게 된다.

이와 같은 구조가 상하부에서 다수 적층되는 것에 의하여 플레이트 타입의 열교환기를 이루게 된다. 여기서 상기 고온유체통로(24)로는 탱크(도시 생략)를 통하여 냉각시키고자 하는 유체가 흐르게 되고, 상기 상부판(12)과 하부판(14) 사이로는 저온의 유체(냉각풍)가 흐르게 된다. 이러한 저온상태의 유체(냉각풍)는 아웃터핀(16)과의 열교환을 통하여 고온유체통로(24)를 흐르는 유체와의 열교환 효율을 더욱 높이게 된다.

여기서 상기 아웃터핀(16)은 상부판(12)과 하부판(14) 사이에 설치되는데, 이렇게 설치되는 아웃터핀(16)이 설치될 수 있는 공간을 확보하고 유지하기 위하여, 상부판(12)과 하부판(14) 사이에는 헤더바아(30) 및 코어바아(32)가 설치된다. 즉, 상부판(12)과 하부판(14) 사이에서 양측 단부에는 헤더바아(20)가 설치되고, 중간 부분에는 방열기의 견고성 확보(변형 및 쳐짐 방지)를 위하여 코어바아(32)가 설치되는 것이다.

이와 같은 헤더바아(30) 및 코어바아(32)는, 상부판(12)과 하부판(14)을 정해진 간격을 유지할 수 있도록 가로방향(도면 상 수평 방향)으로 일정한 면적을 가지도록 성형된다. 이러한 헤더바아(30) 및 코어바아(32)는 알미늄을 압출 성형하는 것으로 만들어진다. 그러나 이와 같이 가로 방향으로 일정한 길이를 가지도록 헤더바아(30) 및 코어바아(32)를 성형하게 되면, 상하의 높이도 있기 때문에 실질적으로는 상당히 큰 체적을 가질 수밖에 없다.

이와 같이 헤더바아(30) 및 코어바아(32)가 큰 체적을 가지는 반면, 그것들과 접촉한 상태로 고정되어 있는 상부판(12) 및 하부판(14)은 얇은 판상의 것이기 때문에 온도 변화에 기초하여 상당한 문제점이 대두된다. 즉, 고온과 상온 사이의 반복적인 온도 변화가 발생하게 되면, 열에 의한 팽창 및 수축이 뒤따를 수밖에 없다. 그러나 헤더바아(30) 및 코어바아(32)의 열에 의한 팽창 및 수축은, 얇은 상부판(12) 및 하부판(14)의 열에 의한 팽창 및 수축과 동일할 수는 없는 것이다.

따라서 열에 의한 변형이 서로 다르게 발생하게 되기 때문에, 이러한 열 변형에 의한 크랙 등과 같은 단점이 발생할 수밖에 없다. 즉, 운전이 시작되면 일체화된 열교환기 자체가 고온과 상온 사이에서 온도 변화가 계속 반복되고, 이렇게 반복되는 온도변화는 실질적으로 열에 기인하는 잔류 응력으로 남게 되면서 장시간에 걸친 응력 집중에 의하여, 크랙 등의 결함이 발생하게 되는 원인이 된다.

이와 같은 열응력에 의한 크랙 등과 같은 결함은 헤더바아 및 코어바아와 판상의 부재 사이에서 주로 발생하게 되는데, 이는 얇은 두께를 가지는 상부판 및 하부판과 두껍게 형성되는 헤더 사이의 연결 부분 또는 경계 부분에서 주로 발생하게 된다. 이상에서 살펴본 바와 같이, 종래의 헤더바아 및 코어바아에 의하면, 얇은 두께를 가지는 상부판 및 하부판은, 두껍게 형성된 헤더바아 및 코어바아에 비하여 상대적으로 빨리 고온화되거나 빨리 저온화되기 때문에, 그 연결 부분에서 반복되는 열응력에 의하여 결함이 발생하게 되는 것이다.

본 발명의 목적은, 반복되는 고온 및 상온의 변화에 대하여, 열에 의한 잔류응력의 발생을 최대한 방지함으로서 장기간 사용에도 크랙 등의 결함의 발생을 최대한 억제할 수 있도록 구성되는 중장비용 바 플레이트형 열교환기를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 발명자는, 종래와 같은 열에 기인한 잔류 응력의 발생은 서로 연결되고 있는 부재들의 두께 차이에 기인하고 있는 것으로 파악하고, 가능하면 두께의 차이를 줄일 수 있도록 하는데 착상하고 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의하면, 상판과 하판, 그리고 그 사이에 개재되는 아웃터핀으로 이루어지는 튜브가 다수 적층되어 튜브 내부로는 저온의 유체가 흐르고, 튜브 사이에는 튜브바아에 의하여 형성되는 통로에 헤더를 통하여 고온의 유체가 흐르는 자동차용 열교환기에 있어서; 상기 상판과 하판 사이의 양측단부에는 헤더바아가 설치되고, 상판과 하판 사이의 중간부분에는 코어바아가 설치된다. 여기서 헤더바아 및 코어바아는, 상판과 접촉하는 상면과 하판과 접촉하는 하면을 각각 구비한다. 그리고 헤더바아와 코어바아의 적어도 일측에는, 폐쇄형 살빼기부분 또는 개방형 살빼기부분을 형성하는 것에 의하여, 펼쳐지면 상판 및 하판과 같은 판상의 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.

실시 예에 의하면, 헤더바아는 폐쇄형 살빼기부분을 구비하는 것이 바람직하다.

다른 실시 예에 의하면, 헤더바아 또는 코어바다에 형성되는 폐쇄형 살빼기부분의 내부에는, 열교환을 위한 내부핀이 성형되어 있다.

이상에서와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 헤더바아 및 코어바아는 실질적으로 펼쳐지면 판상의 부재로 형성되거나, 판상의 부재가 서로 조합되는 것에 의하여 만들어지고 있음을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 헤더바아 및 코어바아는, 궁극적으로는 상판 및 하판과 동일하게 판상의 부재이기 때문에, 실질적으로 용접 등에 의한 잔류 열응력의 최소화를 이룰 수 있게 된다.

즉, 본 발명에 의하면, 열에 기초하는 변형을 최소화하면서, 열교환이 발생하는 과정에서 또는 열교환이 완료된 시점에서의 응력을 최대한 완충시킬 수 있도록 구성하고 있는 것이다. 따라서 열에 의한 손상을 최대한 방지할 수 있음과 동시에 열교환 효율을 더욱 좋게 할 수 있는 자동차용 열교환기를 제공하는 것이 가능하게 되는 장점도 기대된다.

도 1은 종래의 바 플레이트형 열교환기의 예시도.
도 2는 본 발명 열교환기의 예시 정면도.
도 3은 본 발명의 코어바아가 설치되는 부분의 예시 정면도.
도 4는 본 발명의 코어바아의 다른 실시 예의 단면 예시도.

다음에는 도면에 도시한 실시 예에 기초하면서 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다. 본 발명의 바 플레이트형 열교환기의 전체적 구조는 위에서 설명한 종래의 것과 유사하고, 도 2에 도시한 바와 같이, 상판(52)과 하판(54) 사이에 개재되는 헤더바아(70) 및 코어바아(90)의 구성이 상이하다고 할 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 헤더바아(70)는, 헤더(78)가 설치되는 열교환기의 양측 단부에서 상판(52) 및 하판(54) 사이에 삽입되어 고정되는 것이라고 할 수 있다. 그리고 도 3에 도시한 코어바아(90)는 열교환기의 중간 부분에서 상판(52)과 하판(54) 사이에 설치되는 것이다. 그리고 하판(54)과, 그 하판의 하부에 설치되는 상판(62) 사이는, 실질적으로 열교환이 필요한 고온의 유체가 유입되는 고온유체통로를 형성함은 위에서 설명한 바와 같다.

이러한 고온유체통로의 형성을 위하여, 하판(54)과 상판(62) 사이에는 튜브바아(56)가 설치되어 있다. 즉, 하판(54)과 상판(62) 사이의 양측에는 한 쌍의 튜브바아(56)가 각각 설치되어 그 사이를 통하여 열교환을 원하는 고온의 유체가 흐르도록 구성된다. 여기서 이러한 고온의 유체는 헤더(78) 내부를 경유하여 하나의 튜브 사이를 흐르게 된다. 그리고 상대적으로 저온의 유체는, 상기 헤더바아(70)에 의하여 형성되는 상판(52)과 하판(54) 사이를 흐르게 된다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 헤더바아(70)는, 상판(52)이 접촉되는 상면(72)과 하판(54)이 접촉되는 하면(74)을 구비하고 있다. 이러한 상면(72) 및 하면(74)은 실제로는 평면을 형성하고 있다고 할 수 있고, 상판(52) 및 하판(54)과 각각 고정(블레이징)되어 유체가 내부를 기밀 상태로 통과할 수 있도록 한다. 그리고 상기 헤더바아(70)는, 상판(52)과 하판(54) 사이에 설치되는 지그재그 형상을 가지는 아웃터핀(60)을 정확한 위치에 유지시키기 위한 다수의 아암(76)을 구비하고 있다.

예를 들면 상기 아암(76)은, 상면(72)에서 연속되면서 내측(아웃터핀 측)으로 돌출되는 상부아암(76a)과, 하면(74)에서 연속되면서 내측으로 돌출되는 하부아암(76c), 그리고 그 사이에서 내측으로 연장된 중간아암(76b)으로 구성된다. 이와 같은 다수의 아암(76)은 상판(52)과 하판(54) 사이에 개재되는 아웃터핀(60)이 정해진 위치를 유지할 수 있도록 접촉 상태로 지지하게 된다. 여기서 상기 아웃터핀(60)은 열교환될 저온 상태의 유체(냉각풍)와 접촉하는 부분이다.

그리고 본 발명에 의한 헤더바아(70)는 살빼기부분(80)을 구비하고 있다. 도 2에 도시한 실시 예에서, 상기 살빼기부분(80)는, 헤더바아(70)의 중간 부분에서 전후(도면을 기준) 방향으로 연장 성형되어 있는 것이고, 헤더바아(70)의 길이 방향을 따라서 내측에 성형되는 것이어서 폐쇄형의 살빼기부분(80)이라고 할 수 있다.

이와 같이 헤더바아(70)의 길이 방향을 따라서 살빼기부분(80)을 형성함으로써, 도 2에 도시한 실시 예의 헤더바아(70)는 실질적으로 중공형의 구성을 가지게 된다. 이와 같이 헤더바아(70)가 중공형으로 만들어지게 되면, 전체적으로 보면, 판 형상에 아주 가까운 형상을 가지게 된다고 할 수 있다. 즉, 상술한 살빼기부분(80)에 의하여 헤더바아(70)가 펼쳐지면 실제로 판 형상을 가질 수 있게 된다고 할 수 있는데, 이는 실질적으로는 그것과 접촉하면서 고정되는 상판(52) 및 하판(54)과 유사한 형상을 가지게 된다는 것을 의미한다.

이와 같이 살빼기부분(80)이 성형됨으로써, 작동 및 비작동 시의 온도 변화가 발생하게 되면, 이러한 온도 변화에 따라서 헤더바아(70)는 상판(52) 및 하판(54)과 아주 유사한 열 변형을 일으키게 된다. 즉 살빼기부분(80)이 형성된 헤더바아(70)는, 그것과 접촉하면서 고정된 상판(52) 및 하판(54)과 유사한 형태로 팽창하거나 수축하는 등 아주 유사한 열변형을 발생시킬 것이다. 그리고 이러한 것은, 실질적으로 열에 의하여 발생하는 응력 집중을 최대한 분산시키게 되는 것과도 동일한 의미를 가진다고 할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에서는, 헤더바아(70)의 살빼기부분(80)을 통하여 전체적인 체적을 줄임과 동시에 판 형상에 가까운 형상을 가지도록 하여, 그것과 접촉한 상태로 고정되는 부분과 유사한 열적 변화가 발생할 수 있도록 하는 점에 기초하고 있음을 알 수 있다. 본 실시 예에서 살빼기부분(80)은 헤더바아(70)의 내부에서 길이 방향으로 성형되고 있는데, 이는 실질적으로 헤더바아(70)를 중공의 테두리 부분(관 형상)으로 형성하여 판 형상에 최대한 유사한 형상을 가지게 함으로써, 바 플레이트형상의 상판(52) 및 하판(54)과 유사한 형태 또는 유사한 시간 동안 열 변형이 일어나도록 하는 것임을 이해할 수 있을 것이다.

그리고 이와 같이 헤더바아(70)의 중앙부분에 폐쇄된 형태의 살빼기부분(80)를 성형함으로써, 온도 변화에 기인하여 발생한 열 응력을 최대한 전체적으로 분산시킬 수 있을 것이라고 기대된다. 이와 같이 온도 변화에 기초하는 열 변형이 시간적으로 또는 형상적으로 비슷하거나 공통적으로 일어나도록 하면서, 열에 기초하여 발생하는 잔류 응력을 최대한 분산시킬 수 있다는 것은, 궁극적으로는 열 변형에 의한 손상, 예를 들면 크랙의 발생 등을 최소화시킬 수 있다는 것으로 이해될 수 있음은 자명하다.

그리고 도 3에 도시한 바와 같이, 상판(52) 및 하판(54) 사이의 중간부분에는, 코어바아(90)가 각각 설치되어 있다. 이러한 코어바아(90)도 상판(52)과 하판(54) 사이에서 유체의 통로를 형성할 수 있도록 설치되는 것이라고 할 수 있다. 그리고 하나의 상판(52) 및 하판(54)을 포함하는 하나의 튜브 사이에는 튜브바아(56)가 설치되어 있고, 그 사이를 통하여 고온의 유체가 흐르게 됨은 상술한 바와 같다.

본 발명의 코어바아(90)도, 상판(52)에 접촉하는 상면(92)과, 하판(54)에 접촉하는 하면(94)을 구비하고 있고, 중심부분에는 살빼기 부분(82)이 형성되어 있다. 이러한 살빼기 부분(82)도 위에서 설명한 바와 같은 폐쇄형 살빼기 부분이다. 그리고 코어바아(90)의 양측면에는 각각 다수의 아암(96)이 형성되어 있는데, 상부아암(96a), 하부아암(96c), 그리고 중간아암(96c)이다. 이러한 아암(96)의 기능은 상술한 헤더바아(70)의 각각의 아암(76)과 동일하다.

본 실시 예에 있어서도, 상술한 바와 같이, 살빼기 부분(82)에 의하여 코어바아(90)도 중공형으로 성형됨은 상술한 바와 같다. 따라서 본 실시 예의 코어바아(90)도 관형상을 가지게 되면서, 길이 방향으로 절개되어 전체적으로 펼쳐지게 되면 판상의 형태를 가지게 됨을 알 수 있다. 따라서 본 실시 예에 의한 코어바아(90)도, 상술한 헤더바아(70)와 동일하게 중공의 테두리 부분(관 형상)으로 형성하여 판 형상에 최대한 유사한 형상을 가지게 함으로써, 바 플레이트형상의 상판(52) 및 하판(54)과 유사한 형태 또는 유사한 시간 동안 열 변형이 일어나도록 하는 것임을 이해할 수 있을 것이다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 헤더바아(70) 및 코어바아(90)는, 살빼기 부분(80,82)을 통하여 펼쳐지면 판상의 부재와 유사하도록 성형하고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 헤더바아(70) 및 코어바아(90)를 성형함으로써, 그것과 접촉하는 상판(52) 및 하판(54)과의 사이에서 잔류 열응력이 발생하는 것을 최소화하고 있음을 알 수 있다.

다음에는 도 4를 같이 참조하면서 본 발명의 다른 실시 예에 대하여 살펴보기로 한다. 이하에서 설명하는 실시 예의 코아바아는, 모두 상판(52)과 접촉하는 상면 및 하판(54)과 접촉하는 하면을 구비하고 있음은 모두 공통적이다. 그리고 D이러한 상면 및 하면의 구성은 위 실시 예와 동일하고, 모두 공통적인 것이어서 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

(a)에 도시한 실시 예는, 이미 위에서 설명한 바와 같은 실시예이다. 그리고 (b)에 도시한 실시 예의 코어바아(90)의 폐쇄형 살빼기부분(82)의 내부에서, 열교환을 위한 내부핀(84)을 더 형성하고 있는 실시 예이다. 이러한 내부핀(84)에 의하여 열교환이 더욱 효율적임과 동시에, 상판 및 하판과의 사이에서 열교환시 잔류 응력을 최소화시킬 수 있을 것으로 기대된다.

(c)에 도시한 실시 예는, 폐쇄형 살빼기부분(82)의 일측의 아암을 제거하고, 일측에만 아암(96)을 성형하고 있는 실시 예임을 알 수 있다. 그리고 (d)에 도시한 실시 예는 (c)에 도시한 실시 예에서, 폐쇄형 살빼기부분(82)의 내부에 좌우방향으로 배열되는 내부핀(86)을 성형하고 있음을 알 수 있다. (b)에 도시한 실시 예는 내부핀(84)이 상하 방향으로 배열됨에 비하여, (d)의 실시 예는 좌우 방향으로 내부핀(84)을 배열하고 있다.

(e)에 도시한 실시 예에 의하면, 상면과 하면과 인접한 부분에 삼각형의 폐쇄형 살빼기부분(82)을 상하에서 각각 형성하고 있다. 또한 중간에 관형상을 생략할 수 있도록, 양측면에도 개방된 형태의 살빼기부분(88)을 형성하고 있음을 알 수 있다. 본 실시 예에서의 개방형 살빼기부분(88)은 실제로는 상하로 배열되는 중앙의 연결부분(89)을 제외하고, 양측면을 모두 살빼기함으로써 성형되고 있음을 알 수 있다.

즉, 본 발명에서의 코어바아(90)는, 펼쳐지면 상판(52) 및 하판(54)과 유사하게 판상을 이룰 수 있도록 형성하고 있으며, 이러한 구조를 위하여 폐쇄형의 살빼기부분(80,82) 뿐만 아니라 개방형 살빼기부분(88)도 형성할 수 있음을 알 수 있다. 그리고 (f)에 도시한 실시 예에 있어서는, 상면과 하면을 제외하고, 중앙에서 상하를 연결하는 연결부(89)의 양측에 모두 충분할 정도의 개방형 살빼기부분(88)을 형성하고 있어서, 이러한 코어바아(90)도 펼치게 되면, 상판(52) 및 하판(54)과 유사하게 판상으로 형성됨을 알 수 있다.

또는 개방형 살빼기부분(88)을 구비하는 코어바아(90)에 있어서는, 판상의 부분을 서로 조합하여 만들어지고 있는 것으로 이해될 수 있음도 물론이다. 그리고 (a) 및 (b)에 도시한 실시 예에 있어서도, 폐쇠형 살빼기부분(80,82)의 양측에는 개방형 살빼기부분이 포함된 형태라고 이해하는 것이 바람직할 것으로 기대된다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 범주 내에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 다른 여러 가지 변형이 가능함은 당연하고, 본 발명의 보호범위는 첨부한 특허청구의 범위에 기초하여 해석되어야 할 것임도 당연하다고 할 수 있다.

52 ..... 상판
54 ..... 하판
62 ..... 상판
70 ..... 헤더바아
78 ..... 헤더
80, 82 ..... 폐쇄형 살빼기부분
84, 86 ..... 내부핀
88 ..... 개방형 살빼기부분
89 .... 중앙의 연결부

Claims (3)

1. 상판과 하판, 그리고 그 사이에 개재되는 아웃터핀으로 이루어지는 튜브가 다수 적층되어 튜브 내부로는 저온의 유체가 흐르고, 튜브 사이에는 튜브바아에 의하여 형성되는 통로에 헤더를 통하여 고온의 유체가 흐르는 자동차용 열교환기에 있어서;
   상기 상판과 하판 사이의 양측단부에는 헤더바아가 설치되고, 상판과 하판 사이의 중간부분에는 코어바아가 설치되며;
   상기 헤더바아 및 코어바아는, 상판과 접촉하는 상면과 하판과 접촉하는 하면을 각각 구비하고;
   상기 헤더바아와 코어바아의 적어도 일측에는, 폐쇄형 살빼기부분 또는 개방형 살빼기부분을 형성하는 것에 의하여, 펼쳐지면 상판 및 하판과 같은 판상의 부재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 열교환기.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 헤더바아는 폐쇄형 살빼기부분을 구비하는 자동차용 열교환기.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 헤더바아 또는 코어바다에 형성되는 폐쇄형 살빼기부분의 내부에는, 열교환을 위한 내부핀이 성형되는 자동차용 열교환기.
   

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