KR20190133824A - 열교환기 - Google Patents

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KR20190133824A
KR20190133824A KR1020180058690A KR20180058690A KR20190133824A KR 20190133824 A KR20190133824 A KR 20190133824A KR 1020180058690 A KR1020180058690 A KR 1020180058690A KR 20180058690 A KR20180058690 A KR 20180058690A KR 20190133824 A KR20190133824 A KR 20190133824A
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heating element
headers
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KR1020180058690A
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한정완
김동배
박지용
임홍영
전영하
지용준
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 종래의 열교환기보다 부품수가 감소되어 조립/제작이 용이하고 보다 경제적으로 제작이 가능한 열교환기에 관한 것으로, 본 발명에 의한 열교환기는 유입되는 유체를 저장하는 한 쌍의 헤더(410,420) 및 복수개가 상기 한 쌍의 헤더(410, 420) 사이에 배치되고, 단일개의 내부에 복수의 유로(80)가 형성되어 상기 한 쌍의 헤더(410, 420)에 저장된 유체가 상기 유로(80)로 유동하되, 인접한 상기 유로(80)가 서로 평행하지 않도록 반복 절곡된 튜브(70)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기{Heat element}
본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세히는 종래의 열교환기보다 부품수가 감소되어 조립/제작이 용이하고 보다 경제적으로 제작이 가능한 열교환기에 관한 것이다.
열교환기는 공조장치의 일부로, 온도차가 있는 두 환경 사이에서 한쪽의 열을 흡수하여 다른 쪽으로 열을 방출시키며, 차량에 설치된 열교환기는 외부에서 유입되는 공기를 냉각시키거나 가열시켜, 차량 내부의 냉/난방용으로 사용할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래 열교환기에 관한 특허인 한국 등록실용신안공보 제20-0302522호("전기히터가 구비된 열교환기의 코어 유닛", 공고일 2003.02.05., 이하 선행문헌 1)에 개시되어 있는 도면을 도시한 것이다. 구체적으로 도 1은 선행문헌 1의 열교환기를 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 일부 구성만을 확대 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 종래 열교환기의 구조 및 열교환기가 차량 내부의 냉방용으로 사용될 경우 동작을 간략히 설명하면, 냉각수는 유입관(10)을 통해 유입탱크(31)로 유입되고, 유입탱크(31)로 유입된 냉각수는 각가의 튜브(40)로 분배된다. 냉각수의 온도는 튜브(40)의 양측으로 형성된 주름핀(60)을 통해 전도되며, 외부에서 도 1에 도시된 열교환기의 튜브와 튜브 사이로 유입되는 공기를 냉각시킨다. 튜브(40)로 유입된 냉각수는 "U"형태로 돌아 유출탱크(32) 및 유출관(20)으로 배출된다.
도 1에 도시된 열교환기를 차량 내부의 난방용으로 사용할 때, 냉각수는 엔진의 가동열로 가열된 후 유입관(10)을 통해 튜브(31)로 유입되는데, 엔진의 가동열이 충분하지 않을 경우 도 1 및 도 2에 도시된 히터(60)를 동작시켜, 냉각수에 충분한 열량을 얻도록 하여, 열교환되는 유체를 가열시킨다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 종래의 열교환기 구조의 경우, 튜브(40)-주름핀(50)-히터(60)-주름핀(50)-튜브(40)와 같은 구조를 가짐으로써 조립하기 용이하지 않은 문제점이 있었다.
한국 등록실용신안공보 제20-0302522호("전기히터가 구비된 열교환기의 코어 유닛", 공고일 2003.02.05.)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명에 의한 열교환기의 목적은 구조가 간단하고 조립/제작이 용이한 열교환기를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의한 열교환기는, 유입되는 유체를 저장하는 한 쌍의 헤더(410,420), 복수개가 상기 한 쌍의 헤더(410, 420) 사이에 배치되고, 단일개의 내부에 복수의 유로(80)가 형성되어 상기 한 쌍의 헤더(410, 420)에 저장된 유체가 상기 유로(80)로 유동하되, 인접한 상기 유로(80)가 서로 평행하지 않도록 반복 절곡된 튜브(70)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 한 쌍의 헤더(410, 420) 사이에 복수의 상기 튜브(70)를 지지하도록 설치되는 튜브 고정부(500)를 더 포함하고, 상기 튜브 고정부(500)는 상기 복수의 튜브(70) 각각을 지지하는 복수의 돌기(510)를 포함하며, 상기 튜브(70)는 인접한 돌기(510) 사이의 홈에 끼움 결합되고, 단일의 상기 튜브(70)의 단면은 지그재그 형상이되, 상기 유로(80)의 경계에서 절곡되며, 상기 튜브(70)는 상기 유로를 형성하는 튜브부(100) 및 상기 튜브부(100)의 외면에 형성된 발열체(200)를 포함하고, 상기 튜브(70)는 상기 발열체(200)를 감싸는 보호필름(300)을 더 포함하며, 상기 발열체(200)에 연결되어 상기 발열체(200)를 발열시키는 발열부를 더 포함하고, 인접한 상기 튜브(70)는 0.8~1.5mm 간격으로 이격되어 배치되고, 상기 튜브(70)의 인접한 절곡된 부분 사이의 간격은 4~6mm이며, 상기 튜브(70)는 수지(resin)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 의한 열교환기에 의하면, 튜브 내부의 유로를 이동하는 냉각수를 가열하는 발열체가 튜브의 외부를 감싸는 보호필름 내부에 배치됨으로써 튜브의 구조가 간단해지고, 튜브 내부에 복수개의 유로가 형성됨으로써 열교환기를 용이하게 조립/제작할 수 있으며, 튜브 고정부가 복수개의 튜브의 외곽을 고정함으로써 보다 용이하게 복수의 튜브 위치를 고정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 열교환기의 평면도.
도 2는 도 1의 일부 구성의 확대도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 열교환기의 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 열교환기의 튜브의 사시도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 열교환기의 튜브의 단면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 열교환기의 부분 단면도.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 열교환기의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 열교환기를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 열교환기는 튜브(70) 및 한 쌍의 헤더(410, 420)를 포함할 수 있으며, 한 쌍의 헤더는 편의상 각각 제1헤더(410)와 제2헤더(420)로 분류한다.
도 3에서 튜브(70)는 복수개가 상하 방향으로 일정 간격 이격되어 배치되되, 연장 형성된 방향을 기준으로 양단에 각각 제1헤더(410)와 제2헤더(420)가 결합될 수 있다.
도 3에는 도시되지 않았지만, 제1헤더(410)와 제2헤더(420) 각각과 튜브(70)가 서로 맞닿는 면에는 튜브(70)가 삽입될 수 있는 별도의 홈이 형성되어, 튜브(70)가 삽입될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 튜브(70) 중 단일개만 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 단일의 튜브(70)는 일측을 향해 연장되며, 튜브(70)가 연장 형성된 방향과 동일한 방향으로 형성된 다수개의 유로를 포함할 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 튜브(70)의 A-A'방향 단면, 즉 튜브(70)가 연장 형성된 방향에 수직한 방향의 단면을 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 튜브(70)는 튜브부(100), 발열체(200) 및 보호필름(300)을 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 튜브부(100)는 튜브(70)의 형상을 유지하고 내부에 형성된 복수개의 유로(80)를 포함하는 부품으로, 튜브(70)의 몸체라고 할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 튜브부(100)는 복수개의 유로(80)를 형성하기 위해 튜브부(100)의 내부 공간을 구획하는 다수의 격벽(110)을 포함할 수 있으며, 격벽(110)은 튜브부(100)와 동일한 방향으로 연장 형성될 수 있다.
튜브부(100) 내부에 형성된 유로(80)는 튜브부(100)의 개구된 양단 중 어느 한측으로는 냉각수가 유입되고, 다른 방향으로는 유로(80)로 유입된 냉각수가 배출된다.
도 5에 도시된 바와 같이 튜브부(100)는 단면이 물결 형상으로 이루어져, 인접한 유로(80)가 서로 평행하지 않는데, 도 5와 같이 단일개의 단면이 물결 형상을 이루는 튜브(70) 복수개가 상하 방향으로 배치되어 본 발명의 일실시예에 의한 열교환기를 형성할 경우, 유로(80) 내부를 유동하는 냉각수와 인접한 튜브(70) 사이를 통과하는 유체(예를 들어 차량의 외부에서 유입된 공기)간의 접촉면적이 증가해 열교환 효율을 향상된다. 본 발명의 일실시예에서 튜브부(100)는 단면이 물결형상으로 형성됨으로써 별도의 냉각핀이 튜브(70)의 외면에 형성되지 않아도 되어, 튜브(70)의 구조가 단순해져 튜브(70) 및 본 발명의 일실시예에 의한 열교환기의 제작이 용이함과 동시에, 보다 경제적으로 열교환기를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 4에 도시된 튜브부(100)의 파장, 즉 인접한 절곡된 부분 사이의 간격(L1)은 4~6mm일 수 있다.
튜브부(100)는 합성수지와 같은 수지재로 제조될 수 있으며, 합성수지의 압출과 같은 방식이 사용될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 발열체(200)는 튜브부(100)의 외면에 형성될 수 있다.
발열체(200)는 튜브(70)의 외부, 본 발명의 일실시예에 의한 열교환기 또는 열교환기의 외부에 위치하는 별도의 전원과 전기적으로 연결될 수 있다. 발열체(200)는 말 그대로 전원을 공급받아 발열하는 부분으로, 일반적인 열선과 같이 니켈, 구리 또는 기타 금속 재질로 형성될 수 있다.
발열체(200)는 튜브부(100)의 길이 방향으로 연장되되, 도 5에 도시된 바와 같이 복수개가 튜브부(100)의 외면 일부에 소정 간격 이격되어 형성될 수 있다. 단, 발열체(200)가 형성되는 튜브부(100) 외면의 위치와 발열체(200)의 개수는 도 5에 도시된 본 실시예에 한정하는 것은 아니며, 단일개의 발열체가 튜브부(100)의 외면 전체를 감싸거나, 외면 일부를 감싸는 형태로도 형성될 수 있다.
발열체(200)는 접착제와 같은 소정의 접착 수단을 통해 튜브부(100)의 외면에 부착될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않고, 발열체(200)를 튜브부(100)의 외면에 고정하는 다양한 방법이 있을 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 보호필름(300)은 튜브부(100)와 발열체(200)를 감싸도록 형성되어 튜브부(100)와 발열체(200)를 외부로부터 보호하고, 발열체(200)에 전원이 공급될 때, 발열체(200)가 도체인 다른 부분과 접촉하지 않도록 절연하는 역할을 한다. 따라서 보호필름(300)은 부도체이며, 소정 정도 유연성을 가지는 재질로 형성될 수 있다.
보호필름(300)으로 발열체(200)를 감쌀 경우, 발열체(200)와 튜브부(100) 사이에는 별도의 접착수단이 필요하지 않을 수 있다. 즉, 보호필름(300)이 발열체(200)를 튜브부(100)에 고정하는 고정수단이 될 수 있다. 일예로써, 도 5에 도시된 바와 같이 본 실시예에서 발열체(200)는 단면이 튜브부(100)의 절곡된 부분의 끝단의 형상과 동일하게 알파벳 V 또는 뒤집어진 알파벳 V 형태가 되는데, 튜브부(100)의 상부 절곡된 부분에 발열체(200)를 위치시킬 경우, 별도의 수단 없이도 튜브부(100)의 상부에 발열체(200) 위치의 정렬이 가능하고, 이후 보호필름(300)을 튜브부(100) 및 발열체(200)를 둘러싸도록 접합할 경우 별도의 접착수단이 없이도 발열체(200)를 튜브부(100)의 외면에 형성할 수 있다. 단, 상기한 방식은 튜브부(100)의 상부에만 가능한 방법일 수 있다.
상술한 바와 같이, 도 3에 도시된 제1헤더(410)와 제2헤더(420)는 상하 방향으로 배치되는 다수의 튜브(70)를 고정하고, 냉각수를 튜브부(100)에 형성된 다수의 유로(80)로 공급하는 역할을 한다. 제1헤더(410)에는 냉각수가 내부로 유입될 수 있도록 냉각수 유입관(411)이 형성되어 있고, 제2헤더(420)에는 냉각수가 배출되도록 냉각수 배출관(412)이 형성되어 있다.
제1헤더(410)의 내부에는 냉각수 유입관(411)과 이어지는 내부 공간이 형성될 수 있는데, 제1헤더(410)의 내부 공간은 발열체 일체형 튜브(70)의 유로(80)와 이어질 수 있으며, 제2헤더(420)의 내부는 제1헤더(410)와 마찬가지로 유로(80) 및 냉각수 배출관(412)과 이어지는 내부 공간이 형성될 수 있다.
냉각수 유입관(411)을 통해 유입된 제1헤더(410)의 내부공간으로 유입된 냉각수는, 제1헤더(410)의 내부공간에 연결된 발열체 일체형 튜브(70)의 유로(80)로 유입되고, 유로(80)로 유입된 냉각수는 제2헤더(420)의 내부공간으로 유입된 후, 냉각수 배출관(412)을 통해 배출된다.
상술한 냉각수의 유동 과정에서 인접한 발열체 일체형 튜브(70) 사이에 형성된 공간을 통과하는 유체(차량 외부에서 내부로 유입된 공기)는 냉각수와 열교환된 후, 차량 내부로 공급되어 차량 내부의 냉방/난방용으로 이용될 수 있다.
배경기술에서 상술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 열교환기가 난방용으로 사용되되, 엔진에 의해 냉각수의 가열이 충분히 이루어지지 않은 경우 발열체(200)에서 발열이 일어나 튜브(70)로 열을 전달해, 유로(80)를 통과하는 냉각수를 가열함으로써, 본 발명에 PTC(Positive Temperature Coefficient) 히터의 기능이 포함되도록 할 수 있고, 본 발명은 상기한 바와 같이 발열체(200)에 전원을 공급해 발열체(200)를 발열시키기 위한 발열부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
발열부는 유로(80)를 통과하는 냉각수가 엔진에 의해 충분히 가열되었을 경우 발열체(200)에 공급되는 전원을 차단해 소모 전력을 낮출 수 있으며, 상술한 동작을 위해 발열부는 냉각수의 온도가 원하는 온도까지 상승했는지 여부를 감지할 수 있는 온도감지수단을 포함할 수 있다.
발열체 일체형 튜브(70)의 연장된 길이가 소정 길이 이상이 될 경우, 발열체 일체형 튜브(70)의 가운데 부분이 하측으로 쳐져 본 발명에 의한 열교환기의 열교환 효율이 떨어지거나, 장치 자체의 손상이 올 수 있다. 본 발명의 일실시예에 의한 열교환기는 상술한 바와 같은 문제점을 방지하기 위해, 도 5에 도시된 바와 같이 튜브 고정부(500)를 더 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 단일개의 튜브 고정부(500)는 상하 방향으로 연장 형성되고, 다수개의 튜브 고정부(500)가 상하 방향으로 평행하게 배치된 다수의 튜브(70)의 측면에 일정 간격 이격되어 접착됨으로써, 다수개의 튜브(70)를 고정한다.
튜브 고정부(500)가 연장된 방향은 튜브(70)가 연장된 방향과 교차되는 방향일 수 있다.
도 6은 도 3에 도시된 본 발명의 일실시예에 의한 열교환기의 한 쪽 외측면이 보이도록 단면을 도시한 것이다.
도 6에서 상하 방향은 튜브(70)가 적층된 방향이며, 도 6에서 좌측은 도 3에 도시된 본 발명의 일실시예에 의한 열교환기의 좌측 하단에 위치한 튜브(70)의 외측면을 도시한 것이다.
튜브 고정부(500)는 소정 정도 이상의 강성을 가지는 재질로 형성되되, 도 6에 도시된 바와 같이 튜브(70)측 일면에 튜브(70)측으로 돌출되는 다수개의 돌기(510)가 형성될 수 있으며, 튜브(70)의 일측 단부는 인접한 돌기(510) 사이의 공간에 삽입되어 고정될 수 있고, 튜브(70)의 일측 단부가 돌기(510) 사이의 공간에 삽입되기 이전에 튜브 고정부(500)의 일면에 접착제가 도포되어, 튜브(70)가 튜브 고정부(500)에 보다 용이하게 고정될 수 있도록 할 수 있다.
단, 튜브 고정부(500)의 일면에 접착제가 도포되어 튜브(70)를 고정시키는 것은 본 실시예에 한하며, 이 외에도 다양한 방법으로 튜브 고정부(500)와 튜브(70)를 고정시키는 것이 가능하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 인접한 한 쌍의 튜브 고정부(500) 사이의 이격된 공간은 냉각 또는 가열시키고자 하는 유체(차량의 외부에서 유입된 공기)가 통과하는 열교환 공간(90)이며, 도 6을 기준으로 유체는 수평 방향으로 열교환 공간(90)을 통과한다.
열교환 공간(90)의 상하 간격, 즉 인접한 한 쌍의 튜브(70) 사이의 간격(L2)은 0.8mm 이상 1.5mm 이하일 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예들에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 유입관 20 : 유출관
31 : 유입탱크 32 : 유출탱크
40 : 튜브 50 : 주름핀
60 : 히터 70 : 튜브
80 : 유로 90 : 열교환 공간
100 : 튜브부 200 : 발열체
300 : 보호필름
410 : 제1헤더 411 : 냉각수 유입관
420 : 제2헤더 421 : 냉각수 배출관
500 : 튜브 고정부 510 : 돌기

Claims (11)

  1. 유입되는 유체를 저장하는 한 쌍의 헤더(410,420); 및
    복수개가 상기 한 쌍의 헤더(410, 420) 사이에 배치되고, 단일개의 내부에 복수의 유로(80)가 형성되어 상기 한 쌍의 헤더(410, 420)에 저장된 유체가 상기 유로(80)로 유동하되, 인접한 상기 유로(80)가 서로 평행하지 않도록 반복 절곡된 튜브(70);
    를 포함하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 헤더(410, 420) 사이에 복수의 상기 튜브(70)를 지지하도록 설치되는 튜브 고정부(500)를 더 포함하는 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 튜브 고정부(500)는 상기 복수의 튜브(70) 각각을 지지하는 복수의 돌기(510)를 포함하는 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 튜브(70)는 인접한 돌기(510) 사이의 홈에 끼움 결합되는 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    단일의 상기 튜브(70)의 단면은 지그재그 형상이되, 상기 유로(80)의 경계에서 절곡되는 열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 튜브(70)는
    상기 유로를 형성하는 튜브부(100), 및
    상기 튜브부(100)의 외면에 형성된 발열체(200)를 포함하는 열교환기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 튜브(70)는 상기 발열체(200)를 감싸는 보호필름(300)을 더 포함하는 열교환기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 발열체(200)에 연결되어 상기 발열체(200)를 발열시키는 발열부를 더 포함하는 열교환기.
  9. 제1항에 있어서,
    인접한 상기 튜브(70)는 0.8~1.5mm 간격으로 이격되어 배치되는 열교환기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 튜브(70)의 인접한 절곡된 부분 사이의 간격은 4~6mm인 열교환기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 튜브(70)는 수지(resin)로 이루어지는 열교환기.
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