KR20180057115A - 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그에 관한 것이다. 이를 위하여, 평면상에서 파형으로 요철이 형성된 금속시트인 복수개의 열교환판이 사이에 삽입되어, 상기 복수개의 열교환판을 압착하는 상부금형 및 하부금형을 포함하고, 상기 상부금형 및 상기 하부금형이 상기 복수개의 열교환판과 접하는 면은 곡면으로 구성되고, 상기 상부금형 및 상기 하부금형의 폐형 시, 상기 복수개의 열교환판이 벤딩된 상태로 압착되고, 상기 복수개의 열교환판이 벤딩된 상태에서 상기 복수개의 열교환판의 단부가 용접되어 경량화되는 것을 특징으로 하는 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그를 제공할 수 있다. 이에 따르면, 열교환판의 벤딩 작업 이후에 발생되는 열교환판의 불량이 최소화되는 효과가 발생된다. 기존의 열교환판은 2개의 열교환판의 단부를 용접한 뒤에 벤딩하여 길이차이에 의해 열교환판 사이의 공간이 뜨는 문제가 발생하고 있었다.

Description

무인기용 소형화 열교환판 용접 지그{Welding zig of miniaturized heat exchanger for Unmanned Aerial Vehicle}

본 발명은 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그에 관한 것이다.

열교환기는 저온유체와 고온유체 간의 열교환을 위한 장치로서 다양한 분야에 사용되고 있다. 예를 들어, 발전소, 가스터빈, 가열장치, 공기조절기, 냉동장치, 촉매반응기 등의 화학산업 등에서 가열기, 예열기, 과열기, 재가열기, 냉각기, 응축기 및 증발기 등으로 사용된다.

이러한 열교환기에는 열교환 방식에 따라 격벽식, 축열식으로 나눠질 수 있으며, 격벽식 열교환기는 벽에 의해 분리된 공간에 서로 온도가 다른 유체가 흐르고, 벽을 통한 열전도 및 벽 표면에서의 유체 대류에 의해 열 교환이 이루어지는 형식의 열교환기이다. 이러한 격벽식 열교환기에는 관열형, 핀튜브형, 플레이트핀형으로 구분될 수 있다. 본 발명은 격벽식 열교환기에 이용되는 웨이비핀 구조의 열교환판에 관한 것이다.

도 1은 웨이비핀 구조의 열교환판을 도시한 평면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 열교환판은 평면상으로 파형이 연장되는 요철이 형성된 금속시트에 양측을 프레스 가공하여 구성할 수 있다. 이는 유체의 대류를 발생시키고, 접촉면적과 접촉시간을 향상시키기 위한 구성이다. 주전열면의 일측에서 저온 유체가 유입되면 주전열면에서 열을 전달받은 후 타측으로 토출되게 된다.

도 2는 열교환판을 컴팩트하게 결합한 평면 열교환기를 도시한 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유입되는 유체는 제1유체(A)라고 정의하고, 제1유로를 3개의 채널로 구분하였을 때, 가장 긴 유로는 1번 채널, 중간 유로는 2번 채널, 가장 짧은 유로는 3번 채널로 기재하였다. 제2유체(B)는 열교환판(1)의 사이의 제2유로에 흐르면서 제1유체(A)에 열에너지를 전달하게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 열교환판(1)에는 주전열면(10)이 포함될 수 있다.

최근의 열교환기에는 컴팩트 고효율 열교환기를 추종하며, 고종횡비의 미세 채널 주름 핀을 이용하여 모든 전열면을 주전열면으로 하는 원통형, 박스형 PSHE(Primary Surface Heat Exchanger), 에칭판과 핀을 함께 사용하는 하이브리드형 열교환기, 미세 채널을 갖는 GTL 반응기 등이 있다. PSHE는 스테인레스 스틸로 제작되며 저압 영역에서 낮은 압력 손실과 고온의 동작 환경을 요구하는 사용처에 특히 적합하다. 기존 열교환기로는 사용이 어려웠던 마이크로 가스 터빈(Micro Gas Turbine), 고체 산화물 연료 전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 폐열회수 시스템(Recuperator), 다양한 발전 시스템에 훌륭하게 적용되며 설계에 따라 GTL 반응기나 기화기 등에도 훌륭하게 적용되어 강력한 성능을 발휘한다.

최근 무인기 기술의 발달에 의해 무인기에 탑재되는 열교환기의 소량화 및 경량화에 대한 요구가 가파르게 증가하고 있는 추세이다. 무인기(Unmanned Aerial Vehicle)에 Micro Gas Tubine System으로 탑재되는 열교환기에서는 소형 경량화가 중요한 요소 중 하나이다. 마이크로 가스터빈은 일반적으로 발전 용량이 대략 300kW 미만의 소형 가스 터빈을 의미한다. 마이크로 가스 터빈 발전 시스템은 분산발전에 적용할 수 있도록 크기가 작다는 장점을 갖고 있지만, 시스템이 소형이 되면 부피에 비해 면적의 비율이 커지므로, 열손실이나 마찰의 영향이 커서 효율 저하와 함께 고속 회전에 의한 물리적 손실이 크다는 단점을 갖게 된다.

도 3은 마이크로 가스터빈에 이용되는 환영(Annular Type) 열교환기를 도시한 모식도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로 가스터빈용 PSHE는 환형 또는 박스형인 열교환기가 이용될 수 있다.

등록특허 10-0918607 등록특허 10-1177359 등록실용 20-0324980

무인기의 마이크로 가스터빈에 이용되는 환형 열교환기에 적용되는 열교환판은 도 3에 도시된 바와 같이 복수개의 벤딩이 된 열교환판이 집합된 것으로서, 각각의 열교환판에 벤딩이 필요하다. 또한, 2장의 열교환판이 하나의 모듈로 포개지도록 구성되어야 열의 교환을 이끌어낼 수 있는데, 2장의 열교환판이 해당 열교환판의 각 단부에서 용접되어 하나의 기능을 위한 최소단위인 모듈로 구성되게 된다. 도 4, 5는 열교환판(1)의 모식도 및 사진이고, 도 4,5에 도시된 바와 같이, 주전열면(10)의 일측에 스티프너(12), 사선압착부(20), 압착부(16)가 구성되는 것을 볼 수 있다. 2장의 열교환판(1)이 겹쳐서 용접이 이루어지는 경우, 스티프너(12)가 맞닿으면서 용접이 이루어진다.

도 6은 기존의 열교환판의 용접을 위한 지그를 도시한 모식도, 도 7은 기존의 열교환판의 용접을 위한 지그를 도시한 사진이다. 도 6, 7에 도시된 바와 같이, 기존의 용접 지그는 2장의 열교환판(1)이 겹쳐지도록 배치되어 기존의 용접 지그(100)의 상판(101)과 하판(102)이 압착된 상태에서, 스티프너(12) 부분을 용접하게 된다. 이때, 열선(103)이 구성된 기존의 용접 지그(100)를 이용할 수도 있다.

하지만, 길이가 같은 2장의 열교환판의 단부를 용접한 뒤, 벤딩 공정을 거치게 되면 열교환판(1)의 길이가 맞지 않게 되면서 2장의 열교환판에 공간이 생기는 문제가 발생된다. 도 8은 기존의 열교환판을 용접 및 벤딩하면서 발생되는 문제를 도시한 모식도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 기존에는 환형 열교환기를 제작할 때 열교환판을 벤딩하면서 각 열교환판끼리 길이 차이가 발생되어 열교환판 사이의 공간이 뜨는 문제가 발생하였다. 이는 무인기용 환형 열교환기의 전체 효율 및 성능과 직결되었다.

또한, 이를 해결하기 위해서는 열교환판 단부와 다른 열교환판 단부의 사이에 특정 두께의 바를 삽입하고 함께 용접하여 벤딩 시 발생되는 길이차이를 최소화하는 방법도 있을 수 있다. 하지만, 이는 경량화에 실패하는 방법으로서, 무인기용 환형 열교환기에 이용되기 어려운 방법이었다.

따라서 본 발명은 상기 제시된 문제점을 개선하기 위하여 창안되었다.

본 발명의 목적은, 열교환판의 용접을 인볼류트 곡선이 적용된 용접지그를 이용하여 벤딩 압착한 상태에서 열교환판의 양 단을 용접하여 벤딩 공정 이후에도 열교환판 사이의 공간이 뜨지 않는 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그를 제공하는 데에 있다.

이하 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적 수단에 대하여 설명한다.

본 발명의 목적은, 무인기용 환형 열교환기에 있어서, 제1유체와 제2유체의 열을 교환하기 위해, 내부에 환형으로 벤딩된 열교환판을 복수개 구비하도록 구성되는 열교환기 본체; 상기 제1유체가 외부에서 상기 열교환기 본체로 유입되도록 구성되는 제1유체 유입부; 상기 제1유체가 상기 열교환기 본체에서 외부로 토출되도록 구성되는 제1유체 토출부; 상기 제2유체가 외부에서 상기 열교환기 본체로 유입되도록 구성되는 제2유체 유입부; 및 상기 제2유체가 상기 열교환기 본체에서 외부로 토출되도록 구성되는 제2유체 토출부;를 포함하고, 제1유체와 제2유체가 상기 열교환판의 일구성인 주전열면을 사이에 두고 열교환을 하도록 구성되며, 상기 열교환판은, 용접 지그에 의해 2개가 벤딩된 상태에서 압착되고, 단부가 용접되는 것을 특징으로 하는 무인기용 환형 열교환기를 제공하여 달성될 수 있다.

본 발명의 다른 목적은, 평면상에서 파형으로 요철이 형성된 금속시트인 복수개의 열교환판이 사이에 삽입되어, 상기 복수개의 열교환판을 압착하는 상부금형 및 하부금형을 포함하고, 상기 상부금형 및 상기 하부금형이 상기 복수개의 열교환판과 접하는 면은 곡면으로 구성되고, 상기 상부금형 및 상기 하부금형의 폐형 시, 상기 복수개의 열교환판이 벤딩된 상태로 압착되고, 상기 복수개의 열교환판이 벤딩된 상태에서 상기 복수개의 열교환판의 단부가 용접되어 경량화되는 것을 특징으로 하는, 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그를 제공하여 달성될 수 있다.

본 발명의 다른 목적은, 곡면을 포함하는 제2항에 따른 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그를 이용하여, 상부금형과 하부금형의 사이에 복수개의 열교환판을 장착하고, 압착을 수행하여 상기 복수개의 열교환판을 벤딩된 상태로 고정하는 벤딩 고정 단계; 및 상기 복수개의 열교환판이 벤딩 고정된 상태에서 상기 복수개의 열교환판의 단부를 용접하게 되는 단부 용접 단계;를 포함하는, 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그를 이용한 열교환판 제작방법을 제공하여 달성될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 이하와 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명의 일실시예에 따르면, 열교환판의 벤딩 작업 이후에 발생되는 열교환판의 불량이 최소화되는 효과가 발생된다. 기존의 열교환판은 2개의 열교환판의 단부를 용접한 뒤에 벤딩하여 길이차이에 의해 열교환판 사이의 공간이 뜨는 문제가 발생하고 있었다.

둘째, 본 발명의 일실시예에 따르면, 환형 열교환기를 소형 경량화할 수 있으므로, 무인기에 용이하게 적용될 수 있는 효과가 발생된다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 웨이비핀 구조의 열교환판을 도시한 평면도,
도 2는 열교환판을 컴팩트하게 결합한 평면 열교환기를 도시한 사시도,
도 3은 마이크로 가스터빈에 이용되는 환영(Annular Type) 열교환기를 도시한 모식도,
도 4, 5는 열교환판의 모식도 및 사진,
도 6은 기존의 열교환판의 용접을 위한 지그를 도시한 모식도,
도 7은 기존의 열교환판의 용접을 위한 지그를 도시한 사진,
도 8은 기존의 열교환판을 용접 및 벤딩하면서 발생되는 문제를 도시한 모식도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그(2)를 도시한 것,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그(2)에 의해 압착되는 열교환판(1)의 모식도를 도시한 것,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그(2)에 의해 용접되는 열교환판(1)의 단계를 도시하느 흐름도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그(2)를 이용한 열교환판 제작방법을 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

무인기용 소형화 열교환판 용접 지그

무인기용 소형화 열교환판 용접 지그와 관련하여, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그(2)를 도시한 것이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그(2)는 상부금형(21), 하부금형(22)을 포함할 수 있다.

상부금형(21) 및 하부금형(22) 중 적어도 어느 하나는 구리소재로 구성될 수 있고, 적어도 어느 하나는 내부에 가열수단(100)과 냉각수단을 포함하도록 구성될 수 있다. 상부금형(21)과 하부금형(22)의 사이에 가공 전 열교환판(1)이 위치되며, 상부금형(21)과 하부금형(22)의 폐형에 의해 압착되고, 개형된 후에 작업자에 의해 수거된다.

이때, 상부금형(21) 및 하부금형(22)은 열교환판(1)과 접하는 면이 곡면으로 구성될 수 있다. 열교환판(1)은 지그에 의해 압착될 때, 벤딩된 상태에서 압착되게 된다. 또한, 벤딩 압착된 상태에서 스티프너와 같은 열교환판(1)의 단부가 용접되게 된다.

열교환판(1)과 다른 열교환판(1)의 단부에 수행되는 용접은 레이저 용접이나 GTA 용접(TIG 용접)으로 이루어진다. 용접 후 강도가 보장되어야 하는 것은 물론 압력을 가했을 때 반드시 기밀 유지가 되어야 하기 때문에 용접 단계는 매우 중요하다. 레이저 용접은 레이저 광선의 높은 에너지 밀도를 응용한 첨단 용접법이다. 현존하는 용접법 중에서 전자빔 용접을 제외하고 에너지 밀도가 가장 높기 때문에, 고융점 금속의 용접이 가능하고 용접 입열량이 작으므로 열 영향부(HAZ, Heat Affected Zone)도 작다. 따라서 수축이나 뒤틀림 등의 열변형이 작고, 신뢰성이 높은 접합이 가능하다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그(2)에 의해 압착되는 열교환판(1)의 모식도를 도시한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그(2)에 따르면 열교환판(1)은 벤딩된 상태로 지그에 물리게 된다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그(2)에 의해 용접되는 열교환판(1)의 단계를 도시하느 흐름도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 기존의 단계와 달리 벤딩이 용접보다 먼저 이루어지고, 용접 과정에서 벤딩이 수행되기 때문에, 용접 후 열교환판(1)의 사이에 공간이 발생하는 불량 문제가 발생되지 않는 효과가 있다.

무인기용 소형화 열교환판 용접 지그를 이용한 열교환판 제작방법

무인기용 소형화 열교환판 용접 지그(2)를 이용한 열교환판 제작방법과 관련하여, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그(2)를 이용한 열교환판 제작방법을 도시한 것이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그(2)를 이용한 열교환판 제작방법은 벤딩 고정 단계(S10), 단부 용접 단계(S11)를 포함할 수 있다.

벤딩 고정 단계(S10)는 곡면을 포함하는 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그(2)를 이용하여, 상부금형(21)과 하부금형(22)의 사이에 열교환판(1)을 장착하고, 압착을 수행하여 열교환판(1)의 벤딩된 상태로 고정하는 단계를 의미한다.

단부 용접 단계(S11)는 열교환판(1)이 벤딩 고정된 상태에서 열교환판(1)의 단부를 용접하게 되는 단계를 의미한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

1: 열교환판
2: 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그
10: 주전열면
12: 스티프너
16: 압착부
20: 사선압착부
21: 상부금형
22: 하부금형
100: 기존의 용접 지그
101: 상판
102: 하판
103: 열선

Claims (2)

1. 평면상에서 파형으로 요철이 형성된 금속시트인 복수개의 열교환판이 사이에 삽입되어, 상기 복수개의 열교환판을 압착하는 상부금형 및 하부금형을 포함하고,
   상기 상부금형 및 상기 하부금형이 상기 복수개의 열교환판과 접하는 면은 곡면으로 구성되고,
   상기 상부금형 및 상기 하부금형의 폐형 시, 상기 복수개의 열교환판이 벤딩된 상태로 압착되고,
   상기 복수개의 열교환판이 벤딩된 상태에서 상기 복수개의 열교환판의 단부가 용접되어 경량화되는 것을 특징으로 하는,
   무인기용 소형화 열교환판 용접 지그.
   
2. 곡면을 포함하는 제2항에 따른 무인기용 소형화 열교환판 용접 지그를 이용하여, 상부금형과 하부금형의 사이에 복수개의 열교환판을 장착하고, 압착을 수행하여 상기 복수개의 열교환판을 벤딩된 상태로 고정하는 벤딩 고정 단계; 및
   상기 복수개의 열교환판이 벤딩 고정된 상태에서 상기 복수개의 열교환판의 단부를 용접하게 되는 단부 용접 단계;
   를 포함하는,
   무인기용 소형화 열교환판 용접 지그를 이용한 열교환판 제작방법.
   

Images