KR20180108484A - 내구성 개선을 위한 인터쿨러 - Google Patents

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페트르 파비엔
스테판 조이스
마렉 벌씩
마틴 소푸치
스테판 흐라박
잰 포비실
듀라이 듀라이스워미
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한온시스템 주식회사
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Abstract

열 교환기용 플레이트는 제 1 단부, 제 1 단부에 대향하는 제 2 단부, 유체 표면 및 외부 표면을 갖는 실질적 평면 몸체를 포함한다. 제 1 컵은 몸체의 제 1 단부에 인접한 몸체의 외부 표면으로부터 연장된다. 제 2 컵은 몸체의 외부 표면으로부터 연장되고, 몸체의 제 2 단부로부터 이격된다.

Description

내구성 개선을 위한 인터쿨러{INTERCOOLER FOR IMPROVED DURABILITY}
본 특허 출원은 2017년 3월 24일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/476,316호의 우선권을 청구한다. 상기 특허 출원의 전체 개시(disclosure)는 본 명세서에서 참고로 통합된다.
본 발명은 일반적으로 플레이트 열 교환기에 관한 것으로서, 특히, 플레이트 열 교환기의 내구성을 최대화하도록 구성된 플레이트 및 핀 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 알려진 바와 같이, 냉각제 시스템은 차량의 엔진 공기 회로 및 따라서 엔진을 통해 흐르는 공기를 냉각시키기 위해 차량에 사용된다. 냉기(cooler air)는 엔진의 효율을 최대화하고, 엔진에 대한 과도한 마모 또는 열 손상을 방지하는 밀도를 증가시킬 것이다. 냉각제 펌프는 냉각제가 냉각제 시스템을 통해 흐르게 한다. 열 교환기가 냉각제 시스템에서 엔진 공기 시스템을 통해 흐르는 공기와 냉각제 시스템을 통해 흐르는 냉각제 사이에 열을 전달하기 위해 사용된다. 열 교환기는 핀 사이에 플레이트 조립체를 개재한 열 교환 코어를 포함한다. 플레이트 조립체는 냉각제가 흐르는 흐름 경로를 형성하는 한 쌍의 플레이트를 포함한다. 엔진 공기 회로의 공기는 핀을 통해 인접한 플레이트 조립체의 중간으로 흐른다.
차량 제조업체가 시스템 효율을 개선하기 위해 지속적으로 노력함에 따라, 한가지 해결책은 냉각제 시스템의 간헐적 동작을 활용하는데 있으며, 여기서 냉각제 펌프는 열 교환이 불필요하거나 엔진 공기 회로를 통해 흐르는 공기가 냉각될 필요가 없을 때 비활성화된다. 냉각제 펌프를 비활성화시킴으로써, 엔진 공기 회로를 통해 흐르는 공기의 온도는 제어될 수 있다. 공기의 온도를 제어하는 것은 엔진 공기 회로의 구성 요소 상에 형성되는 응축을 방지하고, 차량이 어떤 부하에서 동작할 때 연료 효율을 향상시킬 수 있다.
냉각제 시스템의 간헐적인 동작은 에너지 사용을 최소화하는 데 효과적이지만, 연속 동작 냉각제 시스템에 비해 열 교환기를 통해 더 큰 온도 변동을 야기한다. 이러한 큰 온도 변동은 냉각 시스템 내에서 특히 열 교환기의 플레이트 조립체와 핀 열 교환기 코어를 통해 열 응력을 초래한다. 결과적으로, 온도 변동은 피로와 관련된 문제로 인해 시간이 지남에 따라 열 교환기의 바람직하지 않은 동작을 초래할 수 있다.
플레이트 조립체는 서로 연결되고, 냉각제 시스템의 간헐적인 동작으로 인한 온도 변동에 의해 유발된 열 팽창 및 수축의 큰 변화를 수용하는 데 적합하지 않다. 예를 들어, 더욱 높은 열 응력은 통상적으로 열 교환 코어의 매니폴드를 형성하는 플레이트 조립체의 냉각제 개구에서 발생하거나 냉각제 개구에 인접하여 발생한다. 부가적으로, 증가된 열 응력은 또한 열 교환기의 더 따뜻한 면에 인접하거나 열 교환기의 공기 유입면에 인접한 플레이트 조립체의 측면에서 발생한다. 통상적으로, 핀은 플레이트 조립체의 일부의 길이를 따라 맞물려 연장되지만, 플레이트 조립체의 전체 길이를 따라 연장되지 않는다. 예를 들어, 핀은 통상적으로 길이에 대해 플레이트의 중간 부분에만 맞물리며, 핀의 단부는 통상적으로 플레이트의 개구를 포함하는 플레이트 조립체의 단부로부터 이격된다. 열 교환기 코어의 핀은 통상적으로 증가된 열 응력(즉, 플레이트 조립체의 개구 및/또는 공기 입구에 인접한 플레이트 조립체의 측면에 근접하여 증가된 열 응력)을 받는 플레이트 조립체의 영역에서, 있다면, 플레이트 조립체에 최소 지지를 제공한다. 따라서, 자동차 산업에서 냉각제 시스템의 열 교환기의 내구성을 최대화하는 것이 계속 요구되고 있다.
따라서, 본 기술 분야에서 열 팽창 및 수축의 변화에 의해 유발되는 응력을 최소화하는 열 교환기의 필요가 존재하며, 특히 최대화된 피로 수명(fatigue life)을 제공하는 열 교환 코어를 갖는 열 교환기가 필요하다.
본 개시에 따르면, 열 팽창 및 수축의 변화에 의해 유발되는 응력을 최소화하는 열 교환기, 특히, 최대화된 피로 수명을 제공하는 열 교환 코어를 갖는 열 교환기가 놀랍게도 발견되었다.
본 개시의 실시예에 따르면, 열 교환기용 플레이트가 개시된다. 플레이트는 제 1 단부, 제 1 단부에 대향하는 제 2 단부, 유체 표면 및 외부 표면을 갖는 실질적 평면 몸체를 포함한다. 제 1 컵은 몸체의 제 1 단부에 인접한 몸체의 외부 표면으로부터 연장된다. 제 2 컵은 몸체의 외부 표면으로부터 연장되고, 몸체의 제 2 단부로부터 이격된다.
본 개시의 또 다른 실시예에 따르면, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체가개시된다. 플레이트 및 핀 조립체는 유체 표면, 외부 표면, 제 1 단부, 제 2 단부, 외부 표면으로부터 외측으로 연장되는 제 1 컵, 및 외부 표면으로부터 외측으로 연장되는 제 2 컵을 갖는 플레이트를 포함한다. 핀이 플레이트의 외부 표면과 맞물린다. 핀은 루브르 영역(louvre region) 및 비-루브르 영역을 갖는다. 비-루브르 영역은 플레이트의 폭에 대해 제 1 컵에 인접한 플레이트와 맞물린다. 루브르 영역은 플레이트의 길이에 대해 제 1 컵과 제 2 컵의 중간에서 플레이트와 맞물린다.
열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체는 유체 표면, 외부 표면, 제 1 단부, 제 2 단부, 제 1 컵 및 제 2 컵을 갖는 플레이트를 포함한다. 플레이트는 플레이트의 유체 표면으로부터 외측으로 연장되는 복수의 돌출부를 포함한다. 핀은 플레이트의 외부 표면과 맞물리고, 제 1 절단부 및 제 2 절단부를 포함한다. 제 1 절단부는 제 1 컵을 수용하고, 제 2 절단부는 제 2 컵을 수용한다.
본 발명의 상술한 목적 및 장점뿐만 아니라 다른 것은 첨부된 도면에 비추어 고려될 때 본 발명의 바람직한 실시예의 다음의 상세한 설명을 읽음으로써 당업자에게 쉽게 명백해질 것이다.
도 1은 공기 시스템으로부터의 공기 및 냉각제 시스템으로부터의 냉각제를 수용하는 열 교환 코어가 도시되는 본 개시의 실시예에 따른 열 교환기의 개략적인 부분 단면 입면도이다.
도 2는 도 1의 열 교환기의 플레이트 조립체의 제 1 플레이트의 평면도이다.
도 3a는 도 2의 제 1 플레이트의 부분 상면 사시도이다.
도 3b는 도 2의 제 1 플레이트의 부분 하면 사시도이다.
도 4는 본 개시의 다른 실시예에 따른 제 1 플레이트의 확대된 부분 상면 사시도이다.
도 5는 제 1 플레이트를 오버레이(overlay)하는 도 1의 열 교환 코어의 핀을 개략적으로 표현한 도 1-3B의 플레이트 조립체의 제 1 플레이트의 평면도이며, 여기서 핀은 점선 대각선으로 도시된다.
도 6은 본 개시의 다른 실시예에 따른 제 1 플레이트의 평면도이다.
도 7은 제 1 플레이트를 오버레이하는 본 개시의 다른 실시예에 따른 핀을 개략적으로 표현한 도 6의 제 1 플레이트의 평면도이며, 여기서 핀은 점선 대각선으로 도시된다.
도 8은 본 개시의 다른 실시예에 따른 제 1 플레이트의 평면도이다.
도 9는 제 1 플레이트를 오버레이하는 본 개시의 다른 실시예에 따른 핀을 개략적으로 표현한 도 8의 제 1 플레이트의 평면도이며, 여기서 핀은 점선 대각선으로 도시된다.
도 10a-10b는 본 개시의 다른 실시예에 따른 개략적인 제한 돌출부를 도시하는 도 8의 제 1 플레이트의 부분 평면 평면도이다.
도 11은 도 1의 열 교환 코어의 핀의 부분 상면 사시도이다.
다음의 상세한 설명 및 첨부된 도면은 본 발명의 다양한 실시예를 설명하고 예시한다. 이러한 설명 및 도면은 당업자가 본 발명을 제작하고 사용할 수 있도록 하는 역할을 하고, 어떠한 방식으로든 본 발명의 범위를 제한하지 않는다. 개시된 방법과 관련하여, 제시된 단계는 본질적으로 예시적이며, 따라서 단계의 순서는 반드시 필요하거나 중요하지 않다.
도 1에서, 본 개시에 따른 열 교환기(10)가 도시된다. 열 교환기(10)는 차량의 냉각제 시스템(2)으로부터의 냉각제 및 차량의 공기 시스템(4)으로부터의 공기를 수용하도록 구성된다. 냉각제 시스템(2)은 열 교환기(10)를 통해 하나 이상의 냉각제 소스로부터 냉각제를 운반하고, 예를 들어, 냉각제 시스템(2)을 통해 냉각제를 운반하기 위한 펌프와 같은 유체 이동기(6)를 포함한다. 공기 시스템(4)은 차량의 (도시되지 않은) 엔진과 유체 연통된다. 열 교환기(10)를 통한 냉각제의 흐름 방향은 실선 화살표로 나타내어지고, 열 교환기(10)를 통한 공기의 흐름 방향은 점선 화살표로 나타내어진다.
열 교환기(10)는 냉각제와 이를 통해 흐르는 공기 사이에 열을 전달하도록 구성된다. 열 교환기(10)는 플레이트 열 교환기로서 구성되며, 아래에서 더 상세하게 설명된다. 예를 들어, 열 교환기(10)는 예를 들어 수냉식 충전 공기 냉각기로서 구성된다. 그러나, 열 교환기(10)는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 다른 타입의 플레이트 열 교환기로서 구성될 수 있다. 냉각제 시스템(2)은 동작 모드와 비동작 모드 사이를 간헐적으로 순환하도록 구성된다. 동작 모드에서, 유체 이동기(6)는 동작하여 냉각제가 냉각제 시스템(2)을 통해, 따라서 열 교환기(10)를 통해 흐르도록 한다. 비동작 모드에서, 유체 이동기(6)는 동작하지 않고, 냉각제는 냉각제 시스템(2)을 통해 이동하도록 야기된다. 냉각제 시스템(2)은 동작 모드와 비동작 모드 사이를 순환하여 냉각제 시스템(2)을 열적으로 제어한다.
열 교환기(10)는 열 교환 코어(12)를 포함한다. 열 교환 코어(12)는 플레이트 조립체(14) 사이에 개재된 복수의 플레이트 조립체(14) 및 핀(16)을 포함한다. 각각의 플레이트 조립체(14)는 제 1 플레이트(14a) 및 제 2 플레이트(14b)로부터 형성된다. 제 1 플레이트(14a) 및 제 2 플레이트(14b)는 그 사이에 흐름 채널(18)을 형성하도록 유체 표면(24)에 유체 표면(24)을 적층한다. 컵(19)은 각각의 플레이트(14a, 14b)의 외부 표면(25)으로부터 연장된다. 각각의 컵(19)은 평면 림(32)에서 끝나는 개구(20)를 형성하는 칼라(collar)(34)를 포함한다. 컵(19)은 플레이트 조립체(14)가 함께 적층될 때 열 교환기(10)의 매니폴드(22)를 형성하도록 협력한다. 매니폴드(22)의 하나의 입구는 냉각제를 냉각제 입구(26)로부터 플레이트 조립체(14)의 흐름 채널(18)로 운반하고, 매니폴드(22)의 하나의 출구는 냉각제를 플레이트 조립체(14)의 흐름 채널(18)로부터 냉각제 출구(28)로 운반한다. 각각의 플레이트 조립체(14)의 플레이트(14a, 14b)는, 예를 들어, 브레이징(brazing)에 의해 서로 결합된다. 용접, 스탬핑, 볼팅, 피닝 또는 임의의 다른 결합 수단과 같은 다른 결합 수단이 플레이트(14a, 14b)를 함께 결합하는데 사용될 수 있다.
열 교환기(10)의 핀(16)의 각각은 공기 시스템(4)으로부터의 공기를 수용하는 공간 내에서 플레이트 조립체(14)의 인접한 플레이트 조립체의 중간에 배치되며, 공기는 핀(16)을 통해 흐른다. 각각의 핀(16)은 플레이트 조립체(14)의 인접한 플레이트 조립체의 외부 표면(25)과 맞물린다. 핀(16)은 플레이트 조립체(14)의 흐름 채널(18)을 통해 흐르는 냉각제와 핀(16)을 통해 흐르는 공기 사이의 열 전달을 최대화하도록 구성된다. 핀(16)에 대한 추가의 설명은 본 명세서에서 아래에 더 상세히 설명된다.
도 2-3b는 참조를 위해 플레이트 조립체(14)의 제 1 플레이트(14a)를 도시한다. 그러나, 도시되거나 참조되지 않았지만, 제 2 플레이트(14b)는 제 1 플레이트(14a)와 실질적으로 동일한 것으로 이해되어야 한다. 조립에서, 플레이트(14a, 14b)는 서로 반대 방향으로 배치되며, 플레이트(14a, 14b)는 서로 거울상(mirror image)이다. 따라서, 제 1 플레이트(14a)를 설명하기 위해 본 명세서에서 사용된 설명은 달리 지시되지 않는 한 제 2 플레이트(14b)를 실질적으로 설명한다.
플레이트(14a)는 흐름 채널(18)의 일부를 형성하기 위한 유체 표면(24) 및 핀(16)과 맞물리기 위한 외부 표면(25)을 갖는 실질적 평면의 직사각형 몸체(30)를 포함한다. 몸체(30)는 컵(19)을 포함하는 개구부(30a)와 개구부(30a)의 중간에 배치되거나 컵(19)을 포함하지 않는 몸체(30)의 부분에 배치된 전이부(transitional portion)(30b)로 분할된다. 부분(30a, 30b) 사이의 분할은 폭 방향의 점선으로 개략적으로 표시된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 용어 "실질적으로"는 당업자가 명세서 및 도면의 관점에서 인식하는 바와 같이 "대부분은 아니지만 완전하게(mostly, but not perfectly)" 또는 "대략"을 의미한다. 몸체(30)는 이의 표면(24, 25)으로부터 외측으로 연장되는 (칼라(34), 본 명세서에서 아래에 더 상세히 설명되는 돌출부(36) 또는 에지와 같은) 표면 또는 결합 특징(feature)을 포함할 수 있다. 그러나, 도시된 바와 같이, 결합 또는 표면 특징과 관계없는 몸체의 두께는 플레이트(14a)의 길이 또는 폭을 따라 실질적으로 일정하다.
한 쌍의 컵(19), 제 1 컵(19a) 및 제 2 컵(19b)은 몸체(30)의 개구부(30a)의 플레이트(14a)의 대향하는 길이 방향 단부(31)에 인접하여 형성된다. 도 2-3b에 도시된 바와 같이, 컵(19)은 두 개의 반원형 단부가 한 쌍의 선형 부분에 의해 연결되는 절두 단면 형상을 갖는다. 그러나, 도 4에 도시된 다른 실시예에서, 컵(19)은 실질적으로 원형 단면 형상을 갖는다. 컵(19)의 다른 단면 형상은 원하는 대로 고려될 수 있다는 것이 이해된다. 제 1 컵(19a)은 출구 컵으로서 구성되고, 제 2 컵(19b)은 입구 컵으로서 구성된다.
각각의 컵(19)의 외주는 칼라(34)에 의해 한정된다. 평면 림(32)은 플레이트(14a)의 외부 표면(25)에 평행하게 형성되고 이로부터 이격된다. 칼라(34)는 림(32)을 플레이트(14a)에 연결한다. 칼라(34)는 몸체(30)에 대해 아치형 볼록 표면을 갖는다. 도 3a-4에 더욱 명백히 도시된 바와 같이, 칼라(34)의 반경은 가변적일 수 있다. 특히, 칼라(34)의 반경은 플레이트(14a)의 인접한 단부(31)로부터 칼라(34)의 내부 단부를 향하여 내향으로 점진적으로 감소할 수 있다. 칼라(34)의 가변 반경은 냉각제 시스템(2)의 간헐적 사이클 동안 플레이트(14a)의 전단 응력을 최소화한다, 구체적으로, 가변 반경은 일정한 반경을 갖는 칼라를 가진 플레이트에 비해 응력의 15%의 감소를 제공한다는 것이 밝혀졌다. 그러나, 원한다면, 칼라(34)는 실질적으로 평면일 수 있는 것으로 이해된다.
복수의 돌출부(36)는 플레이트(14a)의 유체 표면(24)으로부터 외측으로 연장된다. 돌출부(36)는 스탬핑 또는 몰딩 프로세스와 같은 성형 프로세스로 인해 플레이트(14a)의 각각의 외부 표면(25) 상의 돌출부(36)에 대응하는 형상을 갖는 복수의 압입부(indentation)(38)를 형성한다. 그러나, 돌출부(36)는 돌출부(36)를 생성하기 위해 사용되는 성형 프로세스에 따라 압입부(38)없이 형성될 수 있다.
도시된 실시예에서, 돌출부(36)는 안내 돌출부(36a), 제한 돌출부(36b) 및 난류(turbulating) 돌출부(36c)를 포함한다. 안내 돌출부(36a) 및 제한 돌출부(36b)는 각각의 컵(19)의 주변에 형성되고, 아치형 배치로 정렬된다. 복수의 난류 돌출부(36c)는 플레이트(14a, 14b)의 유체 표면(24)에 걸쳐 균일하게 또는 불규칙하게 분포된다. 예를 들어, 몸체(30)의 개구부(30a)는 불규칙하게 분포된 난류 돌출부(36c)를 포함하고, 몸체(30)의 전이부(30b)는 균일하게 분포된 난류 돌출부(36c)를 포함한다.
안내 돌출부(36a)는 각각의 컵(19)으로부터 플레이트(14a)의 측면(40)을 향해 반경 방향 외측으로 연장되는 긴(elongated) 돌출부이다. 안내 돌출부(36a)는 아치 형상으로 연장되며, 각각의 안내 돌출부(36a)는 대향 컵(19)에 대해 볼록한 방식으로 구부려진다. 안내 돌출부(36a)는 냉각제의 흐름을 컵(19)으로 지향하도록 구성된다. 안내 돌출부(36a)는 점진적으로 크기가 정해질 수 있으며, 연속적인 안내 돌출부(36a)의 길이는 플레이트(14a)의 인접한 단부(31)로부터의 거리가 증가함에 따라 감소된다. 안내 돌출부(36a)의 크기를 점진적으로 정하는 것은 플레이트의 단부(31) 부근에서 흐르는 냉각제의 방해를 최소화하고, 플레이트(14a)의 전체에 걸쳐 균일한 냉각제 흐름 분포를 최대화한다. 도시된 실시예에서, 6개의 안내 돌출부(36a)는 유체 표면(24) 상에 형성된다. 그러나, 원한다면, 6개보다 많거나 적은 안내 돌출부(36a)가 유체 표면(24) 상에 형성될 수 있다는 것이 이해된다. 제 1 플레이트(14a)의 안내 돌출부(36a)는 제 2 플레이트(14b)의 안내 돌출부(36a)와 정렬되고 맞물려 플레이트 조립체(14)를 형성하도록 함께 적층될 때 흐름 채널(18) 내에 흐름 경로를 형성한다. 제 2 플레이트(14b)의 안내 돌출부(36a)와 제 1 플레이트(14a)의 안내 돌출부(36a)의 맞물림은 이를 통해 냉각제가 흐르지 못하게 하고, 냉각제가 원하는 대로 흐름 경로를 통해 흐르게 한다. 제 1 플레이트(14a)의 안내 돌출부(36a)는 예를 들어 브레이징(brazing) 프로세스에 의해 제 2 플레이트(14b)의 안내 돌출부(36a)에 결합하기 위해 구성된다. 그러나, 플레이트(14a, 14b)의 안내 돌출부(36a)는 원하는 대로 다른 알려진 프로세스에 의해 서로 결합될 수 있다.
제한 돌출부(36b)는 각각의 컵(19)에 인접하여 형성되고, 각각의 플레이트(19)의 내측 반원 단부를 둘러싸고 있다(circumscribe). 제한 돌출부(36b)는 각각의 컵(19) 사이에 흐르는 냉각제의 직접 흐름을 최소화하도록 구성된다. 도시된 실시예에서, 제한 돌출부(36b)는 타원형(obround) 단면 형상을 갖는다. 그러나, 제한 돌출부(36b)의 다른 형상은 당업자에 의해 이해될 것이다. 도시된 바와 같이, 5개의 제한 돌출부(36b)는 플레이트(14a)의 유체 표면(24) 상에 형성된다. 그러나, 원한다면, 5개보다 많거나 적은 제한 돌출부(36b)가 플레이트(14a)의 유체 표면(24) 상에 형성될 수 있다는 것이 이해된다. 제 1 플레이트(14a)의 제한 돌출부(36b)는 제 2 플레이트(14b)의 제한 돌출부(36b)와 정렬되고 맞물려 플레이트 조립체(14)를 형성하도록 함께 적층될 때 흐름 채널(18) 내에 흐름 경로를 형성한다. 제 2 플레이트(14b)의 제한 돌출부(36b)와 제 1 플레이트(14a)의 제한 돌출부(36b)의 맞물림은 냉각제를 제한 돌출부(36b) 주변으로 흐르도록 지향시킨다. 제 1 플레이트(14a)의 제한 돌출부(36b)는 예를 들어 브레이징 프로세스에 의해 제 2 플레이트(14b)의 제한 돌출부(36b)에 결합하기 위해 구성된다. 그러나, 플레이트(14a, 14b)의 제한 돌출부(36b)는 원하는 대로 다른 알려진 프로세스에 의해 서로 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 제 1 플레이트(14a)의 제한 돌출부(36b)는 제 2 플레이트(14b)의 제한 돌출부(36b)와 정렬되지만 맞물리지 않을 수 있으며, 냉각제는 제 1 플레이트(14a)의 제한 돌출부(36b)와 제 2 플레이트(14b)의 제한 돌출부(36b) 사이에 최소한으로 흐를 수 있다.
난류 돌출부(36c)는 특히 냉각제가 컵(19) 사이에 흐를 때 난류 돌출부(36c)를 가로 질러 및 그 주위에 냉각제의 난류 흐름을 야기하도록 구성된다. 난류 돌출부(36c)는 원형 단면 형상을 갖는다. 그러나, 다른 형상의 난류 돌출부(36c)는 당업자에 의해 알 수 있을 것이다. 일 실시예에서, 난류 돌출부(36c)는 유체 표면(24)으로부터 최소한으로 연장되는 딤플(dimple)로서 구성되며, 난류 돌출부(36c)는 제 2 플레이트(14b)의 난류 돌출부(36c)와 맞물리지 않는다. 난류 돌출부(36c)의 각각은 유체 표면(24)으로부터 실질적으로 동일한 높이로 연장될 수 있거나 난류 돌출부가 다양한 높이에서 유체 표면(24)으로부터 연장될 수 있다. 제 1 플레이트(14a)의 난류 돌출부(36c)는 제 2 플레이트(14b)의 난류 돌출부(36c)와 정렬되거나 오정렬될 수 있다는 것이 이해된다. 다른 실시예에서, 제 1 플레이트(14a)의 난류 돌출부(36c)의 일부는 제 2 플레이트(14b)의 난류 돌출부(36c)와의 맞물림을 위해 구성된다.
도 5는 플레이트(14a)의 외부 표면(25) 위에 놓여 있고 맞물리는 핀(16)(경사선으로 표시됨) 중 하나의 개략적인 윤곽 표현을 갖는 플레이트(14a)를 도시한다. 핀(16)은 외부 표면(25)의 거의 전체와 맞물리고, 컵(19)과 플레이트(14a)의 측면(40) 사이의 표면(25)의 개구부(30a)를 포함한다. 핀(16)은 컵(19)을 노출시키고, 림(32) 및 칼라(34)를 수용하도록 구성된 절단부(42)를 포함한다. 절단부(42)는 림(32)이 절단부(42)를 통해 연장되도록 허용하며, 제 1 플레이트(14a)의 림(32)은 핀(16)으로부터의 방해없이 플레이트 조립체(14)를 형성하기 위해 제 2 플레이트(14b)의 림(32)과 맞물릴 수 있다. 절단부(42)에 의해, 핀(16)은 외부 표면(25)의 전체 길이를 실질적으로 연장하여, 컵(19)과 플레이트(14a)의 측면(40) 사이의 외부 표면(25)의 개구부와 맞물리도록 허용된다. 이점으로, 핀(16)은 냉각제와 열 교환기(10)를 통해 흐르는 공기 사이의 최대화된 열 전달을 용이하게 하고, 함께 적층될 때 플레이트 조립체(14)에 대한 최대화된 구조적 지지를 제공한다.
도시된 실시예에서, 핀(16)은 비-루브르 핀 영역(44) 및 루브르 핀 영역(46)을 포함한다. 비-루브르 핀 영역(44)(우측에서 좌측으로 하향 경사지는 선으로 표시됨)은 핀 표면 상에 루브르가 형성되지 않은 핀(16)의 부분을 포함한다. 그러나, 윈도우와 같은 다른 표면 특징은 비-루브르 핀 영역(44)의 핀(16)의 표면을 통해 형성될 수 있다는 것이 이해된다. 루브르 핀 영역(46)(좌측에서 우측으로 하향 경사지는 선으로 표시됨)은 이의 표면 상에 형성된 (도 11에 도시된) 루브르(48)를 가진 핀(16)의 부분을 포함한다. 비-루브르 핀 영역(44)은 제 1 플레이트(14a)의 개구부(30a)에 대응하여 이와 정렬된다. 비-루브르 핀 영역(44)은 컵(19)을 포함하는 플레이트(14a)의 부분 및 컵(19)의 길이와 실질적으로 동일한 길이에서 플레이트(14a)의 인접한 일 측면(40)으로부터 플레이트(14a)의 인접한 다른 측면(40)까지 플레이트(14a)의 폭을 따라 연장된다. 루브르 핀 영역(46)은 제 1 플레이트(14a)의 전이부(30b)에 대응하고 이와 정렬된다. 루브르 핀 영역(46)은 비-루브르 핀 영역(44)을 포함하지 않는 핀(16)의 나머지 부분을 따라 연장된다. 예를 들어, 루브르 핀 영역(46)은 컵(19)을 포함하지 않는 플레이트(14a)의 길이에서 플레이트(14a)의 인접한 일 측면(40)으로부터 플레이트(14a)의 인접한 다른 측면(40)까지 플레이트(14a)의 폭을 따라 연장된다.
도 11은 비-루브르 핀 영역(44), 루브르 핀 영역(46) 및 절단부(42)의 섹션을 더 상세히 예시하는 핀(16)의 실시예를 도시한다. 핀(16)은 연속적인 주름진 시트(corrugated sheet)로부터 형성되고, 비-루브르 핀 영역(44), 이의 벽(50) 상에 형성된 루브르(48)를 갖는 루브르 영역(46) 및 절단부(42)를 포함한다. 핀(16)은 하나의 단일 핀 유닛으로부터 일체로 형성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 핀(16)은 핀(16)의 길이에 대해 핀(16)의 중심에 함께 결합되거나 그 중심에 맞물리는 실질적으로 동일한 2개의 별개의 핀 유닛으로부터 형성될 수 있다.
도 6은 본 개시의 다른 실시예에 따른 플레이트(114a)를 도시한다. 도 1-5의 플레이트(14a)의 특징과 유사한 도 6의 플레이트(114a)의 특징은 참조를 위해 선행하는 "1"을 제외하고는 동일한 참조 번호로 표시된다. 플레이트(114a)는 컵(119)이 플레이트(114a)의 단부(131)로부터 이격되는 것을 제외하고는 도 1-5의 플레이트(14a)와 유사하다. 예를 들어, 컵(119)은 컵(119)의 길이와 같거나 큰 거리 또는 플레이트(114a)의 길이의 4 분의 1과 같거나 큰 거리에서 단부(131)로부터 이격된다. 그러나, 컵(119)은 원하는대로 임의의 거리에서 단부(131)로부터 이격될 수 있다. 이점으로, 컵(119) 사이의 거리는 최소화된다. 결과적으로, 열 팽창에 의해 야기된 열 응력 및 변형은 플레이트(114a)의 공기 유입 단부에서 특히 최소화된다. 단부(131)로부터 컵(119)의 간격은 이점으로 플레이트(114a)의 단부(131)에 인접한 플레이트(114a)의 구조적 완전성(structural integrity)을 향상시킨다.
플레이트(114a)는 안내 돌출부(136a)와 제한 돌출부(136b)를 포함한다. 그러나, 안내 돌출부(136a)는 컵(119) 및 플레이트(114a)의 단부(131)의 중간에 배치된다. 제한 돌출부(136b)는 연속적이고 플레이트(114a)의 중심부를 향한 폐쇄 단부 및 플레이트(114a)의 단부(131)를 향한 개방 단부를 갖는 실질적으로 U자형 패턴으로 연장된다. 도시된 바와 같이, 한 쌍의 안내 돌출부(136a)는 플레이트(114a)의 양단부(131)에 형성되며, 안내 돌출부(136a)의 각각은 제한 돌출부(136b)의 개방 단부 주변에 배치된다. 안내 돌출부(136a)는 컵(119) 사이에 냉각제의 흐름을 안내하도록 구성된다. 제한 돌출부(136b)는 컵(119) 사이의 냉각제의 직접 흐름을 방지한다.
도 7은 플레이트(114a)를 오버레이하고 이와 맞물리는 본 개시의 다른 실시예에 따른 핀(116)의 개략도이다. 도 7의 핀(116)은 도 5 및 도 11의 핀(16)과 실질적으로 유사하다. 도 5 및 도 11의 핀(16)과 실질적으로 유사한 도 7의 핀(116)의 특징은 참조를 위해 선행하는 "1"을 제외하고는 동일한 참조 번호로 표시된다. 핀(116)은 비-루브르 핀 영역(144) 및 루브르 핀 영역(146)을 포함한다. 루브르 핀 영역(146)은 제 1 플레이트(114a)의 전이부(130b)에 대응하여 이와 정렬된다. 도시된 실시예에서, 루브르 핀 영역(146)은 컵(119) 중간의 플레이트(114a)의 길이 및 플레이트(114a, 114b)의 측면(140) 중간의 플레이트(114a)의 폭을 따라 연장된다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 루브르 핀 영역(146)은 또한 플레이트(114a)의 단부(131)로부터 이격된 컵(109)을 수용하도록 플레이트(114a) 및 컵(119)의 각각의 단부(131)의 중간으로 연장된다. 비-루브르 핀 영역(144)은 제 1 플레이트(114a)의 개구 영역(130a)에 대응하고 이와 정렬된다. 비-루브르 핀 영역(144)은 컵(119)의 길이와 실질적으로 동일한 길이로 플레이트(114a)의 개구 부분(130a)에서 플레이트(114a)의 측면(140) 중간의 플레이트(114a)의 폭을 따라 연장된다.
도 8은 본 개시의 다른 실시예에 따른 플레이트(214a)를 도시한다. 도 1-7의 플레이트(14a, 114a)의 특징과 유사한 도 8의 플레이트(214a)의 특징은 참조를 위해 선행하는 "2"를 제외하고는 동일한 참조 번호로 표시된다. 제 1 컵(19a)이 도 6의 컵(119)과 유사한 플레이트(214a)의 단부(231) 중 대응하는 단부로부터 이격되는 것을 제외하고는 플레이트(214a)는 도 1-7의 플레이트(14a, 114a)와 유사하다. 제 2 컵(219b)은 도 1-5의 컵(19)과 유사한 단부(231) 중 대응하는 단부에 바로 인접하여 형성된다. 도 1-7의 플레이트(14a, 114a)는 플레이트(14a, 114a)의 길이 l의 중심을 통해 연장되는 폭 방향 축에 대해 대칭이다. 그러나, 도 8의 플레이트(214a)는 플레이트(214a)의 길이의 중심을 통해 연장되는 폭 방향 축에 대해 비대칭이다.
도 9는 도 8의 플레이트(214a)를 오버레이하고 이와 맞물리는 본 개시의 다른 실시예에 따른 핀(216)의 개략도이다. 도 9의 핀(216)은 도 5 및 도 11의 핀(16) 및 도 7의 핀(116)과 실질적으로 유사하다. 도 5 및 도 11의 핀(16)의 특징과 유사한 도 9의 핀(216)의 특징은 참조를 위해 선행하는 "2"를 제외하고는 동일한 참조 번호로 표시된다. 핀(216)은 비-루브르 핀 영역(244) 및 루브르 핀 영역(246)을 포함한다. 루브르 핀 영역(246)은 제 1 플레이트(214a)의 전이부(230b)에 대응하여 이와 정렬된다. 도시된 실시예에서, 루브르 핀 영역(246)은 컵(219) 중간의 플레이트(214a)의 길이 및 플레이트(214a, 214b)의 측면(240) 중간의 플레이트(214a)의 폭을 따라 연장된다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 루브르 핀 영역(246)은 또한 제 1 컵(219a) 및 단부(231) 중 대응하는 단부의 중간으로 연장된다. 비-루브르 핀 영역(244)은 제 1 플레이트(214a)의 개구 영역(230a)에 대응하고 이와 정렬된다. 비-루브르 핀 영역(244)은 플레이트(214a)의 개구 영역(230a) 및 컵(219)의 길이와 실질적으로 동일한 길이로 플레이트(214a)의 측면(240) 중간의 플레이트(214a)의 폭을 따라 연장된다.
도 10a 및 도 10b는 플레이트(214a)의 제한 돌출부(236c)의 개략적인 대안의 실시예를 도시한다. 도 10a에 도시된 실시예에서, 컵(219)의 폭 방향 측 상의 각각의 한 쌍의 긴 부분 및 컵(219)의 내면 단부에 인접한 한 쌍의 난형(ovular) 부분을 포함하는 제한 돌출부(236c)는 분할된다. 도 10b에서, 제한 돌출부(236c)는 4개의 긴 부분을 포함하도록 분할된다. 제 1 쌍의 긴 부분은 컵(219)의 폭 방향 측에 각각 배치되고, 제 2 쌍의 긴 부분은 폭 방향 및 길이 방향 모두로 제 1 쌍의 긴 부분으로부터 엇갈려 배치된다. 제한 돌출부는 또한 컵(219)의 내면 단부에 인접한한 쌍의 난형 부분을 포함한다. 분할된 제한 돌출부(236c)는 최소량의 냉각제 흐름이 적용에 따라 필요하다면 제한 돌출부의 주위를 완전히 둘러싸는 대신에 제한 돌출부(236c)를 통해 컵(219)으로 직접 흐를 수 있는 공간을 형성한다.
조립하기 위해, 제 1 플레이트(14a, 114a, 214a)는 플레이트 조립체(14)를 형성하기 위해 제 2 플레이트(14b, 114b, 214b)와 맞물린다. 맞물림에서, 제 1 플레이트(14a, 114a, 214a)의 유체 표면(24, 124, 224)은 제 2 플레이트(14b, 114b, 214b)의 유체 표면(24, 124, 224)을 향하며, 제 1 플레이트(14a, 114a, 214a)의 제 1 컵(19a, 119a, 219a)은 제 2 플레이트(14b, 114b, 214b)의 제 1 컵(19a, 119a, 219a)과 정렬되고, 제 1 플레이트(14a, 114a, 214a)의 제 2 컵(19b, 119b, 219b)은 제 2 플레이트(14b, 114b, 214b)의 제 2 컵(19b, 119b, 219b)과 정렬된다. 제 1 플레이트(14a, 114a, 214a)의 림(32, 132, 232)은 제 2 플레이트(14b, 114b, 214b)의 림(32, 132, 232)와 맞물린다. 제 1 플레이트(14a, 114a, 214a)의 돌출부(36, 136, 236)는 흐름 채널(18)을 형성하기 위해 제 2 플레이트(14b, 114b, 214b)의 돌출부(36, 136, 236)와 맞물린다.
적용 시에, 공기는 플레이트(14a, 14b, 114a, 114b, 214a, 214b)의 길이 방향에 실질적으로 평행한 방향 또는 플레이트 조립체(14)를 통한 매니폴드(22) 사이의 냉각제 흐름의 일반적인 방향으로 열 교환기(10) 및 핀(16, 116, 216)을 통해 흐른다. 냉각제는 매니폴드(22) 사이에서 열 교환기(10)를 통한 공기의 흐름 방향과 실질적으로 평행한 방향으로 흐름 채널(18)을 통해 자연적으로 흐른다. 돌출부(36, 136, 236)는 냉각제가 그 근처에 흐르도록 하고, 따라서 열 교환기(10)를 통한 공기의 흐름 방향과 평행하지 않은 방향으로 흐르도록 한다. 결과적으로, 열 전달은 최대화된다.
이점으로, 본 개시에 따른 열 교환기(10)는 열 교환기(10)의 구조적 완전성을 최대화하고, 냉각제 시스템(2)의 간헐적 사이클링 동안 열 전달 효율을 최대화한다.
상술한 설명으로부터, 당업자는 본 발명의 본질적인 특성을 쉽게 확인할 수 있으며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 본 발명을 다양한 용도 및 조건에 적응시키기 위해 본 발명에 대한 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (20)

  1. 열 교환기용 플레이트에 있어서,
    제 1 단부, 상기 제 1 단부에 대향하는 제 2 단부, 유체 표면 및 외부 표면을 갖는 실질적 평면 몸체;
    상기 몸체의 상기 외부 표면으로부터 외측으로 연장되는 제 1 컵; 및
    상기 몸체의 상기 제 2 단부에 인접한 상기 몸체의 상기 외부 표면으로부터 외측으로 연장되는 제 2 컵을 포함하는, 열 교환기용 플레이트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 컵은 냉각제를 상기 열 교환기의 냉각제 입구로부터 상기 플레이트로 운반하는 입구 개구로서 구성된 개구를 포함하고, 상기 제 2 컵은 상기 냉각제를 상기 플레이트로부터 상기 열 교환기의 냉각제 출구로 운반하는 출구 개구로서 구성된 개구를 포함하는, 열 교환기용 플레이트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 플레이트의 유체 표면으로부터 연장되는 복수의 돌출부를 포함하는, 열 교환기용 플레이트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 복수의 돌출부는 안내 돌출부, 제한 돌출부 및 복수의 난류 돌출부를 더 포함하며, 상기 안내 돌출부는 상기 제 1 컵과 상기 제 2 컵 사이로 냉각제의 흐름을 안내하도록 구성되고, 상기 제한 돌출부는 상기 제 1 컵과 상기 제 2 컵 사이로의 냉각제의 흐름을 제한하도록 구성되며, 상기 복수의 난류 돌출부는 상기 제 1 컵과 상기 제 2 컵 사이로 흐르는 상기 냉각제의 난류 흐름을 유발하도록 구성되는, 열 교환기용 플레이트.
  5. 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체에 있어서,
    유체 표면, 외부 표면, 제 1 단부, 제 2 단부, 상기 외부 표면으로부터 외측으로 연장되는 제 1 컵, 및 상기 외부 표면으로부터 외측으로 연장되는 제 2 컵을 갖는 플레이트; 및
    상기 플레이트의 상기 외부 표면과 맞물린 핀을 포함하며, 상기 핀은 루브르 영역 및 비-루브르 영역을 갖고, 상기 비-루브르 영역은 상기 플레이트의 폭에 대해 상기 제 1 컵에 인접한 상기 플레이트와 맞물리고, 상기 루브르 영역은 상기 플레이트의 길이에 대해 상기 제 1 컵과 상기 제 2 컵의 중간에서 상기 플레이트와 맞물리는, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 컵은 냉각제를 상기 열 교환기의 냉각제 입구로부터 상기 플레이트로 운반하는 입구 개구로서 구성된 개구를 포함하고, 상기 제 2 컵은 상기 냉각제를 상기 플레이트로부터 상기 열 교환기의 냉각제 출구로 운반하는 출구 개구로서 구성된 개구를 포함하며, 상기 플레이트는 실질적으로 평면인, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 컵은 상기 플레이트의 상기 제 1 단부로부터 이격되고, 상기 제 2 컵은 상기 플레이트의 상기 제 2 단부로부터 이격되는, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 컵은 상기 플레이트의 상기 제 1 단부로부터 이격되고, 상기 제 2 컵은 상기 플레이트의 상기 제 2 단부에 인접하여 배치되는, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 컵 및 상기 제 2 컵의 각각은 칼라를 가지며, 상기 칼라(34)의 반경은 가변적일 수 있는, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 유체 표면으로부터 외측으로 연장되는 복수의 돌출부를 포함하고, 상기 복수의 돌출부는 안내 돌출부, 제한 돌출부 및 복수의 난류 돌출부를 더 포함하며, 상기 안내 돌출부는 상기 제 1 컵과 상기 제 2 컵 사이로 냉각제의 흐름을 안내하도록 구성되고, 상기 제한 돌출부는 상기 제 1 컵과 상기 제 2 컵 사이로의 냉각제의 흐름을 제한하도록 구성되며, 상기 복수의 난류 돌출부는 상기 제 1 컵과 상기 제 2 컵 사이로 흐르는 상기 냉각제의 난류 흐름을 유발하도록 구성되는, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 안내 돌출부 및 상기 제한 돌출부는 상기 제 1 컵 및 상기 제 2 컵 중 하나 주변에 연장되는, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 안내 돌출부는 아치 형상으로 연장되는, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 컵 및 상기 제 2 컵은 각각 상기 플레이트의 상기 외부 표면으로부터 이격된 평면 림과, 상기 플레이트의 상기 외부 표면으로부터 외측으로 연장되고 상기 평면 림에서 끝나는 칼라를 포함하는, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  14. 제 5 항에 있어서,
    상기 핀은 상기 제 1 컵을 수용하도록 구성된 제 1 절단부와 상기 제 2 컵을 수용하도록 구성된 제 2 절단부를 포함하는, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  15. 제 5 항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 플레이트의 길이의 중심을 통해 연장되는 폭 방향에 대해 대칭인, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  16. 제 5 항에 있어서,
    상기 플레이트는 상기 플레이트의 길이의 중심을 통해 연장되는 폭 방향에 대해 비대칭인, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  17. 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체에 있어서,
    유체 표면, 외부 표면, 제 1 단부, 제 2 단부, 제 1 컵 및 제 2 컵을 갖는 플레이트로서, 상기 플레이트의 상기 유체 표면으로부터 외측으로 연장되는 복수의 돌출부를 포함하는, 상기 플레이트; 및
    상기 플레이트의 상기 외부 표면과 맞물리고, 제 1 절단부 및 제 2 절단부를 포함하는 핀으로서, 상기 제 1 절단부는 상기 제 1 컵을 수용하고, 상기 제 2 절단부는 상기 제 2 컵을 수용하는, 상기 핀을 포함하는, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 핀은 루브르 영역 및 비-루브르 영역을 갖고, 상기 비-루브르 영역은 상기 제 1 컵의 폭에 대해 상기 제 1 컵에 인접한 상기 플레이트와 맞물리고, 상기 루브르 영역은 상기 플레이트의 길이에 대해 상기 제 1 컵과 상기 제 2 컵의 중간에서 상기 플레이트와 맞물리는, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 제 1 컵과 상기 제 2 컵의 각각에 인접하여 형성되고, 상기 제 1 컵과 상기 제 2 컵 사이로 냉각제의 흐름을 안내하도록 구성된 안내 돌출부를 더 포함하고, 상기 돌출부는 상기 제 1 컵과 상기 제 2 컵 사이로의 상기 냉각제의 흐름을 제한하도록 구성된 제한 돌출부를 포함하며, 상기 제 1 컵과 상기 제 2 컵 사이로 흐르는 상기 냉각제의 난류 흐름을 유발하도록 구성된 복수의 난류 돌출부를 포함하는, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 안내 돌출부는 아치 형상으로 연장되고, 상기 제한 돌출부는 단면이 실질적으로 U자형이며, 상기 복수의 난류 돌출부는 단면이 실질적으로 원형인, 열 교환기용 플레이트 및 핀 조립체.
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