KR20170124083A - 열 교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관용 열 교환기(1)에 관한 것으로, 튜브 바디(2, 2') 및 튜브 바디(2, 2')에 대해 이어지는 플랜지(3)를 구비한다. 플랜지(3)가 드로잉된 또는 말린 판금 구성요소로서 설계된 제1 원형 부분(4) 및/또는 제2 원형 부분(5)을 구비한다는 점이 본 발명에 있어서 중요하다.
이로 인해서, 특히 가볍고 재작업 요구로부터 자유로운 플랜지(3)가 구현될 수 있다.

Description

열 교환기{HEAT EXCHANGER}

본 발명은 청구범위 제1항의 서문에 따른 기본 튜브 및 적어도 부분적으로 기본 튜브에 대해 이어지는 플랜지(flange)를 구비한 내연기관용 열 교환기에 관한 것이다.

DE 2012 211 311 A1로부터 튜브 바디 및 튜브 바디에 대해 적어도 부분적으로 이어지는 플랜지를 구비한 내연기관용 일반적 열 교환기가 알려졌으며, 이러한 튜브 바디 내에는 단부측 상의 튜브 플레이트 내에 고정되는 제1 유체 전달 튜브가 배치된다. 튜브 바디 내에서 이어지는 튜브는 이 경우에 예를 들어 배출가스를 위한 제1 흐름 덕트를 형성하는 반면, 튜브와 튜브 바디 사이에는 예를 들어 냉각수를 위한 제2 흐름 덕트가 형성된다. 열 교환기는 자신의 단부 영역들 중 적어도 하나 상에 튜브 바디에 대해 이어지며 열 교환기와 한 조각으로 형성되는 플랜지를 포함한다. 특히 플랜지를 열 교환기의 튜브 바디와 한 조각으로 설계함으로써, 추가적인 조립 단계가 생략될 수 있다.

DE 10 2010 025 031 A1로부터 유사하게 원주식 고리 및 단부측 튜브 플레이트를 구비한 튜브 바디를 갖는 내연기관용 열 교환기가 알려졌으며, 여기에서 튜브 플레이트는 튜브 바디에 접속된다. 튜브 플레이트의 영역 내에 단부 캡 각각이 배치되고, 이는 탈착 가능한 클램핑 요소에 의해 결합되고 고리에 접속되는, 원주식으로 외부로 향하는 플랜지를 포함한다. 클림핑(crimping)과 고리 사이에, 원주식 밀봉 요소가 추가로 배치된다. 이러한 고리는 판금으로부터 생산되고 이것의 단면 내에는 웹(web)을 통해서 열 교환기의 기본 튜브에 접속되는, 서로에 대해 V형으로 배향된 레그(leg)들을 포함한다.

열 교환기는 예를 들어 복귀되는 내연기관의 배출가스 성분의 열 회복 또는 냉각을 위한 역할을 한다. 연소 공기로의 복귀를 통해서, 특히 높은 연소 온도와 결합된 희박 혼합기(lean mixture)의 이용시에 배출가스 내의 환경적으로 해로운 질소 산화물 성분이 감소된다. 일반적으로, 이러한 열 교환기는 각각의 단부측 상에서 튜브 플레이트에 접속되는 튜브 바디를 제공한다. 배출가스를 전달하는 튜브는 튜브 바디 내의 튜브 번들 내로 결합되며 대향하는 튜브 플레이트들 사이에서 연장하거나 또는 이들 내에 고정된다. 튜브 플레이트들에 접속된 튜브 바디는 따라서 냉각 유체가 흐를 수 있는 챔버를 형성하며, 이를 통해서 배출가스가 튜브 번들을 통과한다.

상류 또는 하류에 접속된 구성요소에 열 교환기 및 특히 배출가스 열 교환기를 접속시킬 수 있도록 일반적으로 관련 구성요소들에 대해 사출 몰딩 또는 다이 캐스팅(die casting) 방법을 이용함으로써, 또는 이러한 방법들의 이용이 가능하지 않은 경우 그에 대한 조립에 의해서 직접 생성되는 플랜지가 제공된다. 일반적으로, 플랜지는 캐스팅로서 설계된다.

종래기술에서의 단점은 특히 플랜지가 기계적으로 높은 비용으로 마감되어야 하는 추가의 구성요소를 구성한다는 점이다. 그러나, 캐스팅으로서 형성된 이러한 플랜지가 상당히 무겁다는 사실이 추가의 단점으로 입증되었으며, 이것은 특히 자동차에서 사용될 때 연료 소비를 증가시키고 높은 재료 비용을 발생시킨다.

따라서 본 발명은 특히 종래기술로부터 알려진 단점을 극복하는 일반적인 타입의 열 교환기를 위한 향상된 실시예를 언급하는 문제를 다룬다.

본 발명에 따르면, 이러한 문제는 독립 청구항 제1항의 주제를 통해 해결된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항들의 주제이다.

본 발명은 그 자체로서 알려진 내연기관용 열 교환기에서 열 교환기의 튜브 바디에 대해 이어지는 플랜지를 처음으로 제1 및 원형 부분 및 제2 원형 부분으로부터 조립하는 전반적인 아이디어에 기초하며, 이때 두 부분은 드로잉되거나 말린 판금 구성요소로서 형성된다. 이로 인해서, 캐스팅과 비교하여 구현될 수 있는 중량 장점을 가질 뿐 아니라 정교하며 따라서 값비싼 기계적 재작업이 추가로 생략될 수 있다. 본 발명을 이용하여 이전의 일련의 설계를 사용하는 것보다 더 비용 효율적인 열 교환기를 생산하는 것이 가능하다. 플랜지를 두 부분으로 분할함으로써, 깊게 드로잉되는 부분들의 폭에 대한 높이의 비율로 인해, 과거의 1조각 플랜지에서 가능하지 않았던 드로잉 또는 롤링이 이제 처음으로 가능하다. 플랜지가 더욱 깊게 드로잉 되어야 하고 플랜지의 지름이 작을수록, 균열의 형성으로 인해 생산 프로세스는 불가능에 가까운 정도로 더욱 어려워진다. 2조각 고리 설계를 통해서 더욱 단순하고 더욱 선호할 수 있는 드로잉 또는 롤링 프로세스를 구현하는 것이 가능하다. 두 절반의 플랜지의 비교적 단순한 설계를 통해서 더 나은 표면 속성이 생성될 수 있으며, 그 결과로서 예를 들어 플랜지-온 구성요소의 경우에서 표면 처리가 생략될 수 있거나 또는 보다 비용 효율적인 밀봉이 사용된다는 점이 또한 유리하다. 바람직하게, 열 교환기는 배출가스 열 교환기로서 설계되며, 플랜지는 추가의 구성요소들의 접속을 위한 역할을 한다.

본 발명에 따른 솔루션의 바람직한 추가의 발전에서, 플랜지의 두 부분 모두가 튜브 바디에 용접, 납땜, 크림핑 또는 글루 접착된다. 열 교환기가 배출가스 열 교환기로서 설계된 경우에서 비교적 뜨거운 배출가스가 튜브 바디 내에서 이어지는 튜브 번들 내에서 전달되기 때문에, 단지 냉각 매체가 튜브 바디 및 튜브 번들에 의해 형성된 챔버를 통해 흐르며, 그에 따라 글루 접착을 통해서 외부 상의 튜브 바디에 대해 놓인 플랜지를 접속시키는 것이 이론적으로 가능하다. 유사하게 납땜 또는 용접 또는 크림핑이 가능하며, 여기에서 이것은 플랜지가 고리로서 설계되며 열 교환기의 튜브 바디에 대해 완전히 이어진다는 전제조건을 요구한다. 순수하게 이론적으로, 이 경우에서는 서로에 대해 접속되거나 또는 이격되어 배치되지 않고, 단지 플랜지의 두 부분을 서로에 대해 놓는 것이 또한 명백하게 고려될 수 있다.

본 발명에 따른 솔루션의 추가의 바람직한 실시예에서, 플랜지는 V형 단면 및/또는 접촉 영역을 구비하며, 이를 이용하여 튜브 바디에 대해 평평하게 놓인다. V형 단면을 갖는 플랜지의 설계를 통해서, 고정 윤곽이 생성되며, 그 위에 예를 들어 클램핑 고리가 배치된다. 열 교환기에 고정될 추가 구성요소는 클램핑 고리 및 플랜지 사이에 클램핑된다. 접촉 영역은 플랜지와 튜브 바디 사이의 더 넓은 접촉 영역을 제공하며 이는 특히 간격 납땜의 경우에서 바람직하다. 플랜지가 튜브 바디에 글루로 접착되는 경우에서조차도, 더 넓은 글루 접착 영역이 그에 따라 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 솔루션의 바람직한 추가의 발전에서, 플랜지의 제1 및 제2 부분이 동일한 부분들로서 형성된다. 두 개의 동일한 부분들로부터 플랜지를 형성함으로써, 특히 동일한 도구가 두 부분에 대해 사용될 수 있기 때문에 생산 비용이 감소될 수 있다.

본 발명에 따른 솔루션의 바람직한 추가의 발전에서, 추가의 튜브 바디가 제공되고, 각각의 경우 두 개의 튜브 바디는 하우징 부분으로서 설계되고, 이때 각 하우징 부분 상에는 함께 플랜지를 형성하고 말린 판금 구성요소로서 설계된 제1 또는 제2 원형 부분이 배치된다. 따라서, 튜브 바디뿐 아니라 팟(pot) 형태로 설계된 하우징 부분 상에도 상응하는 플랜지를 제공하는 것이 가능하며, 여기에서 플랜지의 제1 부분은 튜브 바디 상에 배치되며 플랜지의 제2 부분은 추가의 튜브 바디 상에 배치된다. 하우징 부분으로서 설계된 이러한 두 개의 튜브 바디의 면 단부 조립에 따라서, 공동의 플랜지가 두 부분으로부터 획득된다. 명백하게, 두 부분은 또한 서로로부터 이격되어 배치될 수 있다. 여기에서도, 두 개의 하우징 부분들을 접속시키기 위해서 플랜지를 두 부분으로 분할함에 따라 2조각 고리 설계를 생성하는 것이 매우 바람직하며, 이는 단순하며 동시에 비용 효율적인 드로잉 또는 롤링 프로세스에서 생산될 수 있다. 드로잉되거나 말린 판금 구성요소로서 생산된 플랜지의 부분들은 추가적으로 더 나은 표면 속성을 가지며 특히 후속 표면 처리를 요구하지 않는다. 동시에, 더욱 비용 효율적인 밀봉 또한 더 나은 표면 속성으로 인해 사용될 수 있다. 열 교환기의 밀봉은 분리 표면의 영역 내의 두 튜브 부분의 밀봉 접속에 의해서 및/또는 플랜지의 두 부분의 밀봉 접속을 통해서 실시될 수 있다.

이에 대안적으로, 플랜지의 두 부분이 동일한 부분들로서 형성되지 않고 제1 부분이 제2 부분보다 작은 외부 지름을 가지며 동일한 것으로 푸시될 수 있는 것 또한 고려될 수 있다. 이 경우, 두 부분은 오버랩 영역 내에서 서로에 접속되며, 예를 들어 서로에 밀착하게 납땜된다. 명백하게, 플랜지의 두 부분은 이러한 경우에서 또한 단지 서로에 대해서 놓일 수 있으며 추가 클램프에 의해서 수용될 수 있다. 추가로, 각 부분은 자신의 개별 접촉 영역을 통해서 튜브 바디 또는 하우징 부분에 명백히 접속되고, 예를 들어 납땜된다. 동일한 부분들로부터 조립된 플랜지와 비교하여 이러한 방식으로 생산된 플랜지는 사이즈가 상이한 두 부분을 요구하지 않지만, 적어도 오버랩 영역에서는 이것에 의해서 적어도 미세한 오차 오프셋이 가능하며, 그 결과 특히 생산 오차가 더욱 쉽게 보상될 수 있다. 이러한 방식으로 열 교환기를 밀봉하는 것은 또한 분리 표면의 영역 내의 두 튜브 부분의 밀착 접속에 의해서 및/또는 플랜지의 두 부분의 밀봉 접속을 통해서 실시될 수 있다.

본 발명의 추가의 중요한 특성들 및 장점들이 하위청구항, 도면 및 도면의 방식으로 연관된 도면의 설명으로부터 획득된다.

위에서 언급된 특성들 및 아래에서 설명될 특성들은 언급된 각각의 조합으로 사용될 수 있을 뿐 아니라 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고 특성들의 다른 조합으로 또는 특성들 자체로 사용될 수 있음이 이해될 것이다.

본 발명의 바람직한 예시적인 실시예들은 도면에 도시되었으며 아래의 설명에서 더욱 상세하게 설명되고, 여기에서 동일한 참조번호는 동일하거나 유사한 또는 기능적으로 동일한 구성요소들과 관련된다.

도면에는 각각의 경우에 개략적으로 다음과 같이 도시되었다:
도 1은 동일한 부분으로서 형성된 두 부분을 갖는 2-부분 플랜지를 구비한 본 발명에 따른 열 교환기를 통한 단면도,
도 2는 플랜지를 함께 형성하는 서로 다른 부분들을 갖는, 도 1에서와 같은 도면,
도 3은 각각의 경우에 플랜지의 일부분이 배치되고 두 부분이 동일한 부분들로서 설계되는, 각각이 하우징 부분을 형성하는 두 튜브 바디를 구비한 도 1에서와 같은 도면,
도 4는 플랜지의 서로 다른 크기의 부분들을 갖는, 도 3에서와 같은 도면.

도 1 내지 4에 따르면, 도시되지 않은 내연기관을 위한 본 발명에 따른 열 교환기(1)는 튜브 바디(2)에 대해 이어지는 플랜지(3)를 구비한 튜브 바디(2)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 이러한 플랜지(3)는 이제 드로잉 되거나 말린 판금 구성요소로서 형성되고 함께 플랜지(3)를 형성하는 제1 원형 부분(4) 및 제2 원형 부분(5)을 포함한다. 이 경우에서 두 부분(4, 5)은 동일한 튜브 바디(2) 상에 또는 상이한 튜브 바디(2, 2') 상에 배치될 수 있다.

도 1에 따른 두 부분(4, 5)을 보면, 이러한 부분들이 동일한 부분들로서 형성되며 이 때문에 하나 및 동일한 드로잉 도구로 비용 효율적으로 생산될 수 있음이 주목될 수 있다. 각각의 이러한 두 부분(4, 5)은 접촉 영역(6, 7)을 포함하며 개별 접촉 영역(6, 7)을 통해 튜브 바디(2)의 외부 원주에 대해 평평하게 놓인다. 이 때문에, 튜브 바디(2)로의 개별 접촉 영역(6, 7)을 통한 플랜지(3)의 개별 부분(4, 5)의 평평한 접속이 예를 들어 납땜 또는 글루에 의해 가능하다.

도 1을 보면 플랜지(3)의 두 부분(4, 5)이 페이스 단부에서 서로 접속될 수 있으며, 예를 들어 납땜된다는 것이 추가로 주목될 수 있다. 서로에 대한 두 부분(4, 5)의 이러한 고정된 접속은 실시될 수 있지만 필수적인 것은 아니며, 이는 두 부분(4, 5)이 서로로부터 이격되어 배치될 수도 있거나 또는 단지 서로에 대해 느슨하게 놓일 수 있음을 의미한다. 본 경우에서의 플랜지(3)는 사다리꼴 형태의 단면을 가지며 밀봉 표면(8)을 제공한다. 이러한 밀봉 표면(8)의 방식으로 추가의 구성요소가 예를 들어 클램핑 고리에 의해 튜브 바디(3)에 밀봉식으로 접속될 수 있다.

도 2에 따른 본 발명에 따른 열 교환기(1)의 실시예를 보면, 여기에 도시된 플랜지(3)의 경우에 제1 부분(4)이 제2 부분(5)보다 작은 외부 지름을 가지며 동일한 지름으로 푸시될 수 있고 특정 경우에서는 사실상 푸시된다는 점이 주목될 수 있다. 이러한 경우에서 두 부분(4, 5)은 오버랩 영역(9) 내에서 서로 접속되고, 특히 서로에 납땜되며, 여기에서 오버랩 영역(9) 내의 접속이 제공될 수 있지만 반드시 그러한 것은 아니다.

도 3 및 4에 따른 본 발명에 따른 열 교환기(1)의 실시예를 보면, 추가의 튜브 바디(2')가 튜브 바디(2) 옆에 제공되며, 여기에서 페이스 단부에 있는 두 튜브 바디(2, 2')는 분리 표면(10)에서 서로 인접한다. 도 3에 따라 도시된 열 교환기(1)의 경우에서, 플랜지(3)는 다시 두 부분 내에, 즉 제1 부분(4) 및 제2 부분(5)으로부터 형성되며, 여기에서 제1 부분(4)은 예를 들어 자신의 접촉 영역(6)을 통해서 튜브 바디(2)에 납땜되어 접속되고 제2 부분(5)은 자신의 접촉 영역(7)을 통해서 튜브 바디(2')에 접속된다. 명백하게, 플랜지(3)의 두 부분(4, 5)은 또한 단지 서로에 대해 놓일 수 있으며 도 3에 도시된 비연속선으로 도시된 바와 같이, 추가 클램프(11)에 의해 수용될 수 있다. 이러한 경우에 두 튜브 바디(2, 2')는 플랜지(3)의 두 원형 부분(4, 5)과 같이 드로잉 또는 말린 판금 구성요소들로서 각각 형성된다. 도 3에 따르면, 플랜지(3)의 두 부분(4, 5)은 동일한 부분들로서 형성되며 따라서 도 1에 따른 실질적으로 동일한 플랜지(3)와 동일한 장점을 가진다. 도 4에서, 플랜지(3)의 제1 부분(4)은 제2 부분(5)보다 작은 외부 지름을 가지며 동일하게 푸시될 수 있다. 이러한 특정 경우에서, 제1 부분(4)은 이미 제2 부분(5) 내로 푸시되고 그 결과 도 2에 따라 기술된 오버랩 영역(9)이 생성된다. 이러한 오버랩 영역(9)에서, 두 부분(4, 5)은 서로에 밀봉식으로 접속될 수 있다.

일반적으로, 열 교환기(1)는 예를 들어 배출가스 열 교환기로서 설계될 수 있다.

도 3 및 4에 도시된 튜브 바디(2, 2')를 서로에 대해 밀봉하기 위해서, 이들은 분리 표면(10)의 영역 내에서 서로에 대해 밀봉식으로 접속되어야만 하고/하거나 플랜지(3)의 두 부분(4, 5)이 서로에 대해 그리고 또한 개별 튜브 바디(2, 2')에 대해 모두 밀봉식으로 접속되어야만 한다.

이전의 단일 또는 한 조각의 플랜지(3)를 두 개의 원형 부분(4, 5)으로 분할함으로써, 판금의 두께에 대한 높이의 비율에 따라서 원치 않은 균열 형성이 발생할 수 있기 때문에 과거에 한 조각의 플랜지를 이용하여 가능하지 않았던, 문제없는 드로잉 또는 말린 판금 구성요소로서 이들이 생산될 수 있다. 이러한 2부분 균열 설계를 통해서 더 단순하고 보다 비용 효율적인 생산 프로세스가 가능하며, 이는 열 교환기(1)의 생산 비용을 감소시킨다. 플랜지(3)의 두 부분(4, 5)의 비교적 단순한 설계를 통해 더 나은 표면 속성이 생성될 수 있으며 그 결과로서 예를 들어 플랜지-온(flanged-on) 구성요소의 경우에서 표면 마감이 생략될 수 있거나 또는 비용 효율적인 밀봉이 사용될 수 있다는 점이 추가로 바람직하다. 특히 두 부분(4, 5)을 동일한 부분으로 설계하는 것은 생산 비용을 추가로 감소시킨다.

Claims (14)

1. 내연기관용 열 교환기(1)로서,
   상기 열 교환기(1)는 튜브 바디(2, 2') 및 상기 튜브 바디(2, 2')에 대해 이어지는 플랜지(3)를 구비하고,
   상기 플랜지(3)가 드로잉된(drawn) 또는 말린(rolled) 판금 구성요소로서 설계된 제1 원형 부분(4) 및/또는 제2 원형 부분(5)에 의해 형성된다는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 부분 및 상기 제2 부분(4, 5)은 동일한 부분들로서 형성되는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 두 부분(4, 5)은 각각 상기 튜브 바디(2, 2')의 외부 원주에 대해 평평하게 놓이는 접촉 영역(6, 7)을 갖는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.
4. 제 3 항에 있어서,
   - 상기 두 부분(4, 5)이 면 단부에서 서로에 대해서 그리고 상기 튜브 바디(2, 2')로의 상기 접촉 영역(6, 7)과 접속, 특히 납땜되거나,
   - 상기 두 부분(4, 5)이 서로 이격되어 배치되는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 부분(4)은 상기 제2 부분(5)보다 작은 외부 지름을 가지며 동일하게 푸시될 수 있는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 두 부분(4, 5)은 오버랩 영역(9) 내에서 서로에 접속, 특히 서로에 납땜되거나 또는 단지 서로에 대해 놓이는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.
7. 제 1 항에 있어서,
   추가의 튜브 바디(2')가 제공되고, 상기 두 개의 튜브 바디(2, 2')는 하우징 부분들로서 설계되고, 각각의 하우징 부분 상에는 함께 상기 플랜지(3)를 형성하며 둘 모두가 드로잉된 또는 말린 판금 구성요소로서 설계되는 제1 또는 제2 원형 부분(4, 5)이 배치되는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 제1 부분 및 상기 제2 부분(4, 5)은 동일한 부분들로서 설계되는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
   상기 두 부분(4, 5)은 각각 상기 하우징 부분의 외부 원주에 대해 평평하게 놓이는 접촉 영역(6, 7)을 갖는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.
10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 두 부분(4, 5)이 상기 면 단부에서 서로에 접속, 특히 서로에 밀착하게 납땜되고/되거나,
    - 상기 두 하우징 부분들이 분리 표면(10)의 상기 면 단부에서 서로에 대해 접속, 특히 밀착하게 접속되는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.
11. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 부분(4)은 상기 제2 부분(5)보다 작은 외부 지름을 가지며 동일하게 푸시될 수 있는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 두 부분(4, 5)은 각각 상기 하우징 부분의 외부 원주에 대해 평평하게 놓이는 접촉 영역(6, 7)을 갖는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    - 상기 두 부분(4, 5)은 서로에 접속, 특히 오버랩 영역(9) 내에서 서로에 밀착하게 납땜되거나,
    -상기 두 부분(4, 5)은 클램프(11)에 의해 수용되는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기(1)는 배출가스 열 교환기로서 설계되는 것으로 특징지어지는, 열 교환기.

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