KR20240003502A - 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각수나 오일과 같은 열매체를 외부 공기에 의해 냉각시키는 열교환기에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 한 쌍의 튜브 플레이트에 마련된 접합부의 돌기부가 맞닿아 접합되도록 구성함으로써 기존 튜브바 없이 열매체유로를 형성할 수 있으며, 에어유로를 구획하는 헤드바가 튜브 플레이트의 접합부의 홈부에 끼워지기 때문에 조립시 정확한 위치에 정렬할 수 있는 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기에 관한 것이다.

Description

헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기{Heat exchanger with improved headbar and tube plate structure}

본 발명은 냉각수나 오일과 같은 열매체를 외부 공기에 의해 냉각시키는 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 선박 또는 자동차 등의 엔진을 구동함에 있어, 연소실 안의 연소가스의 온도는 2,000℃ 이상에 이르고, 이 온도의 상당한 양이 실린더, 실린더 헤드, 피스톤, 밸브 등에 전도된다.

이러한 부분의 온도가 과도하게 높아지면 부품 재료의 강도가 저하되어 고장이 생기거나 수명이 단축되고, 연소상태가 나빠져 노킹이나 조기 점화가 발생하며 그 결과 엔진의 출력이 저하된다.

또한, 냉각이 불완전한 상태에서는 실린더 벽의 유막이 끊기는 등의 윤활기능의 저하와 냉각수의 변질 등으로 이상마모, 눌러 붙는 등 고장의 원인이 된다. 반대로 지나치게 냉각되면 연소에서 발생한 열량 가운데 냉각으로 손실되는 열량이 크기 때문에, 엔진의 열효율이 낮아지고 연료 소비량의 증가하는 등의 문제가 생기므로 엔진의 온도를 알맞게 유지해주어야 한다. 이와 같이 엔진을 통과하며 가열된 냉각수(열매체)는 열교환기를 통해 적정한 수준으로 냉각시켜야 한다. 냉각수와 마찬가지로 엔진을 구동할 때 엔진오일, 미션오일 등이 필수적으로 사용되며, 오일(열매체)은 엔진 실린더, 크랭크 샤프트와 같은 기계적 부품의 냉각 및 섭동부위의 마찰을 줄이기 위한 윤활작용을 하며, 열교환기를 통해 냉각시켜야 한다.

열교환기는 오일과 같은 열매체가 유입되는 유입구(15)가 형성된 상부탱크(10)와, 유출구(25)가 형성된 하부탱크(20)와, 상부탱크(10)로부터 유입된 오일을 외부공기에 의해 냉각시키는 코어 어셈블리(30)를 포함하여 구성된다.

상기 코어 어셈블리는 가장 먼저 코어 어셈블리의 각 구성을 조립하여 브레이징 용접을 통해 완성한 후 이 코어 어셈블리에 상,하부탱크를 접합하고, 상,하부탱크에 냉각수를 공급하고 배출시키기 위한 파이프 등을 접합하는 과정을 개별적으로 작업하여 제조된다.

그리고 코어 어셈블리(30)는 에어핀(42)과, 에어핀(42)의 상하로 배치되는 헤드바(43)로 이루어지는 다수의 에어유닛(41)을 포함하는 에어부(40) 및 각 에어유닛(41)의 좌우로 배치되는 다수의 열매체유닛(미도시)을 포함하는 오일부(50)로 이루어지며, 상기 에어유닛과 열매체유닛은 플레이트를 경계로 교대로 배치된다.

상기 열매체유닛은 도 7에 도시된 바와 같이 하부 및 상부 플레이트 사이에 삽입된 핀과, 상기 핀의 양단에 배치되는 튜브바로 이루어지며, 각 플레이트와 튜브바가 교대로 적층되어 튜브바의 상,하면에서 브레이징 접합이 이루어진다.

다만, 상기 플레이트와, 핀, 튜브바를 놓는 위치가 구획되어 있지 않아 조립 과정이 복잡하고, 적층할 때 이들이 제 위치에 놓이지 않거나 조립 작업 중 위치가 틀어지는 경우 불량이 발생하게 되는 문제가 있다. 또한, 튜브바의 상,하면에서만 접합이 이루어지기 때문에, 일부에서 접합이 완전하게 이루어지지 않은 경우 오일 등이 샐 수 있어 기밀성능, 접합 강도 및 내압성을 향상시킬 수 있는 구조의 코어 어셈블리의 개발이 필요한 실정이다.

또한, 열매체유닛은 플레이트와, 튜브바와, 핀 등을 작업시마다 조립하여야 하므로 자동화가 어렵고, 생산성이 저하되는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위한 선행특허로서 대한민국 공개특허 제10-2019-0026365호에서는 도 8에 도시된 바와 같이 기존 열매체유닛에 사용되는 튜브바를 생략하고, 튜브바 대신 하부 플레이트와 상부 플레이트를 롤포밍(roll forming)하여 스페이서부를 형성함으로써, 튜브바 제조 및 적층 내지 정렬하는 노력과 비용을 절감하여 부품 단순화, 공수 감소 및 제조 원가를 절감할 수 있는 열교환기용 코어 어셈블리 및 그 제조방법이 개시되어 있다.

다만, 상기 공개특허의 경우 튜브바를 생략한다는 점에서 제조 공정상 여러 가지 장점이 있지만, 롤포밍 방식으로 튜브 플레이트를 여러 번 절곡하여 스페이서부를 형성하기 때문에 치수 안정성 면에서 불안정하고, 절곡된 면들이 평탄하지 않은 경우 누수가 발생하는 등 불량의 원인이 되며, 기존 튜브 플레이트 규격과 대비할 때 스페이서부로 절곡하기 위해 좌우측 면적을 크게 사용하기 때문에 원가 절감 효과도 크지 않고 벤딩 작업으로 인해 오히려 제조 원가가 상승하는 등의 문제가 있었다.

대한민국 공개특허 제10-2019-0026365호 대한민국 공개특허 제10-2018-0136257호 대한민국 공개특허 제10-2017-0121756호

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 한 쌍의 튜브 플레이트에 마련된 접합부의 돌기부가 맞닿아 접합되도록 구성함으로써 기존 튜브바 없이 열매체유로를 형성할 수 있으며, 에어유로를 구획하는 헤드바가 튜브 플레이트의 접합부의 홈부에 끼워지기 때문에 조립시 정확한 위치에 정렬할 수 있는 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

이를 위해 본 발명에 따른 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기는 열매체가 흐르는 열매체유로와, 상기 열매체와 열교환하는 공기가 흐르는 에어유로가 형성된 코어 어셈블리를 포함하는 것으로서, 상기 코어 어셈블리는 좌우측 단부에 길이 방향을 따라 좌우 한 쌍의 제1접합부가 형성된 제1튜브 플레이트와, 상기 제2튜브 플레이트의 제1접합부와 맞닿아 접합되도록 좌우측 단부에 길이 방향을 따라 좌우 한 쌍의 제2접합부가 형성된 제2튜브 플레이트로 구성된 복수의 튜브 플레이트 모듈과; 상기 제1튜브 플레이트에 형성된 한 쌍의 제1접합부와, 제2튜브 플레이트에 형성된 한 쌍의 제1접합부 사이에 마련되는 상기 열매체유로와; 이웃하는 튜브 플레이트 모듈 사이의 상단 및 하단에 각각 배치되며 상기 제1튜브 플레이트 및 제2튜브 플레이트에 접합되는 상부 헤드바 및 하부 헤드바; 상기 상부 헤드바 및 하부 헤드바 사이에 마련되며 공기가 흐르도록 에어핀이 배치되는 상기 에어유로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기에 있어서, 제1접합부 및 제2접합부는 서로 맞닿는 일면에는 돌기부가 형성되고, 상기 돌기부의 타면에는 홈부가 형성된 구조이고, 상기 상부 헤드바 및 하부 헤드바에는 상기 홈부에 밀접하게 끼워지는 끼움돌부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기에 있어서, 제1접합부 및 제2접합부에 형성된 한 쌍의 돌기부는 서로 면접촉하도록 평평한 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기에 있어서, 열매체유로는 좌우로 구획된 구조인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기에 있어서, 제1튜브 플레이트와 제2튜브 플레이트에는 각각 상기 열매체유로를 좌우로 구획하도록 서로 맞닿아 접합되는 한 쌍의 중간 접합부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기는 한 쌍의 튜브 플레이트에 마련된 접합부의 돌기부가 맞닿아 접합되도록 구성함으로써 기존 튜브바 없이 열매체유로를 형성할 수 있으며, 에어유로를 구획하는 헤드바가 튜브 플레이트의 접합부의 홈부에 끼워지기 때문에 조립시 정확한 위치에 정렬할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기를 도시한 정면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 코어 어셈블리의 기본 구조 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2b의 AA 단면도이고, 도 4는 도 2b의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 튜브 플레이트와 다른 구조를 가진 튜브 플레이트들을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 중간 접합부에 의해 열매체유로가 분할된 모습을 나타낸 사시도이다.
도 7은 종래 튜브바가 열교환기를 나타내는 도면이다.
도 8은 종래 열교환기용 코어 어셈블리를 구성하는 열매체유닛을 나타내는 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기를 도시한 정면도이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 코어 어셈블리의 기본 구조 나타낸 사시도이며, 도 3은 도 2b의 AA 단면도이고, 도 4는 도 2b의 분해 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 튜브 플레이트와 다른 구조를 가진 튜브 플레이트들을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 중간 접합부에 의해 열매체유로가 분할된 모습을 나타낸 사시도이다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 열교환기(10)는 오일, 냉각수와 같은 열매체가 유입되는 유입구(11a)가 형성된 상부탱크(11)와, 유출구(12a)가 형성된 하부탱크(12)와, 상부탱크(11)로부터 유입된 열매체를 외부공기에 의해 냉각시키는 코어 어셈블리(100)를 포함하여 구성된다.

본 발명의 코어 어셈블리(100)는 도 2a에 도시된 바와 같이 튜브 플레이트 모듈(110)과, 열매체가 흐르는 열매체유로(120)와, 상부 헤드바(130a) 및 하부 헤드바(130b)와, 상기 열매체와 열교환하는 공기가 흐르는 에어유로(140)와, 최외곽에 배치된 최외곽 튜브 플레이트(110c)와 가드패널(117) 등을 포함하여 이루어지는데, 튜브 플레이트 모듈(110)은 열교환기 규격에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 다수 개가 사용될 수 있다.

기존 열매체유로는 도 7에 나타난 바와 같이 한 쌍의 튜브 플레이트 사이의 공간에 튜브바를 접합시켜 구획하였으나, 본 발명에서는 튜브바 대신 튜브 플레이트 모듈로 대체한 것을 특징으로 한다.

상기 튜브 플레이트 모듈(110)은 좌우측 단부에 길이 방향을 따라 좌우 한 쌍의 제1접합부(111)가 형성된 제1튜브 플레이트(110a)와, 상기 제1튜브 플레이트(110a)의 제1접합부(111)와 맞닿아 접합되도록 좌우측 단부에 길이 방향을 따라 좌우 한 쌍의 제2접합부(112)가 형성된 제2튜브 플레이트(110b)로 구성되며, 제1튜브 플레이트(110a)와 제2튜브 플레이트(110b)는 대칭 구조로 배치된다.

상기 제1튜브 플레이트의 제1접합부(111)와, 제2튜브 플레이트의 제2접합부(112)는 서로 맞닿는 일면에는 돌기부(113)가 형성되고, 상기 돌기부(113)의 타면에는 홈부(114)가 형성된 구조로 이루어진다. 그리고 제1접합부(111) 또는 제2접합부(112)는 도 4는 물론, 도 5의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 여러 구조로 변형하여 사용할 수 있다.

상기 돌기부(113)는 제1튜브 플레이트(110a)와 제2튜브 플레이트(110b) 사이의 공간을 확보하여 열매체유로를 구획하는 역할을 하는 것으로서, 상기 제1접합부(111)와 제2접합부(112)의 각 돌기부(113)가 맞닿아 접합되면서 열매체유로(120)를 구획하게 된다.

그리고 상기 제1접합부(111) 및 제2접합부(112)에 형성된 한 쌍의 돌기부(113)는 서로 면접촉하도록 평평한 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 홈부(114)는 상부 헤드바(130a) 또는 하부 헤드바(130b)와 밀접하게 결합하여 조립을 용이하게 해주고 치수 안정성을 확보할 수 있게 해준다.

상기 상부 헤드바(130a) 및 하부 헤드바(130b)에는 상기 홈부(114)에 밀접하게 끼워지는 끼움돌부(131)가 형성되고, 상기 끼움돌부(131)와, 홈부(114)는 서로 대응되는 형상으로 이루어지기 때문에 코어 어셈블리 조립시 튜브 플레이트 모듈과 헤드바의 위치를 정확하게 정렬시킬 수 있고, 접촉면이 넓어져 브레이징 접합시 강한 접합력을 제공할 수도 있다.

상기 상부 헤드바(130a) 및 하부 헤드바(130b)는 도 2에 도시된 바와 같이 튜브 플레이트 모듈(110) 사이에 배치되며 양쪽에 끼움돌부(131)가 형성된 것과, 양 단부에 배치되며 일측에만 끼움돌부(131)가 형성된 헤드바 엔드(130c)로 구분할 수 있다.

한편, 본 발명의 열매체유로(120)는 도 6에 도시된 바와 같이 좌우로 구획된 구조로 구성할 수 있는데, 이를 위해 상기 제1튜브 플레이트(110a)와 제2튜브 플레이트(110b)에는 각각 상기 열매체유로(120)를 좌우로 구획하도록 서로 맞닿아 접합되는 한 쌍의 중간 접합부(115)가 형성될 수 있다. 상기 튜브 플레이트 모듈(110)에 중간 접합부(115)가 형성됨으로 인해 접합력 내지 내구성이 크게 향상될 수 있다.

또한, 이러한 구획된 열매체유로(120)는 하나의 열교환기에서 냉각수와 오일을 분리하여 공급하여 냉각하는 데 활용할 수도 있다.

한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 열교환기 11 : 상부 탱크
11a : 유입구 12 : 하부 탱크
12a : 유출구
100 : 코어 어셈블리 110 : 튜브 플레이트 모듈
110a : 제1튜브 플레이트 110b : 제2튜브 플레이트
110c : 최외곽 튜브 플레이트 111 : 제1접합부
112 : 제2접합부 113 : 돌기부
114 : 홈부 115 : 중간 접합부
117 : 가드패널 120 : 열매체유로
130a,130b : 헤드바 130c : 헤드바 엔드
131 : 끼움돌부 140 : 에어유로
141 : 에어핀

Claims (5)

1. 열매체가 흐르는 열매체유로와, 상기 열매체와 열교환하는 공기가 흐르는 에어유로가 형성된 코어 어셈블리를 포함하는 열교환기에 있어서,
   상기 코어 어셈블리는,
   좌우측 단부에 길이 방향을 따라 좌우 한 쌍의 제1접합부가 형성된 제1튜브 플레이트와, 상기 제1튜브 플레이트의 제1접합부와 맞닿아 접합되도록 좌우측 단부에 길이 방향을 따라 좌우 한 쌍의 제2접합부가 형성된 제2튜브 플레이트로 구성된 복수의 튜브 플레이트 모듈과;
   상기 제1튜브 플레이트에 형성된 한 쌍의 제1접합부와, 제2튜브 플레이트에 형성된 한 쌍의 제2접합부 사이에 마련되는 상기 열매체유로와;
   이웃하는 튜브 플레이트 모듈 사이의 상단 및 하단에 각각 배치되며 상기 제1튜브 플레이트 및 제2튜브 플레이트에 접합되는 상부 헤드바 및 하부 헤드바;
   상기 상부 헤드바 및 하부 헤드바 사이에 마련되며 공기가 흐르도록 에어핀이 배치되는 상기 에어유로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1접합부 및 제2접합부는 서로 맞닿는 일면에는 돌기부가 형성되고, 상기 돌기부의 타면에는 홈부가 형성된 구조이고,
   상기 상부 헤드바 및 하부 헤드바에는 상기 홈부에 밀접하게 끼워지는 끼움돌부가 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1접합부 및 제2접합부에 형성된 한 쌍의 돌기부는 서로 면접촉하도록 평평한 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 열매체유로는 좌우로 구획된 구조인 것을 특징으로 하는 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1튜브 플레이트와 제2튜브 플레이트에는 각각 상기 열매체유로를 좌우로 구획하도록 서로 맞닿아 접합되는 한 쌍의 중간 접합부가 형성되는 것을 특징으로 하는 헤드바와 튜브 플레이트 구조가 개선된 열교환기.
   

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