WO2018212476A1 - 열교환기 - Google Patents

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WO2018212476A1
WO2018212476A1 PCT/KR2018/004766 KR2018004766W WO2018212476A1 WO 2018212476 A1 WO2018212476 A1 WO 2018212476A1 KR 2018004766 W KR2018004766 W KR 2018004766W WO 2018212476 A1 WO2018212476 A1 WO 2018212476A1
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tube
heat exchanger
collector
tubes
section
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PCT/KR2018/004766
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젠 꼴라르그레구스
랩시크조셉
코시카즈비넥
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한온시스템 주식회사
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Publication date
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/053—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight
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    • F28F2275/045—Fastening; Joining by brazing with particular processing steps, e.g. by allowing displacement of parts during brazing or by using a reservoir for storing brazing material

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger and a method for manufacturing and assembling a heat exchanger, in particular the heat exchanger according to the invention is not only by a controlled atmospheric brazing method but also by a mechanical assembly method. It relates to the air flow heat exchanger assembled.
  • an engine cooling system which includes a heat exchanger, commonly referred to as a cooler.
  • a heat exchanger commonly referred to as a cooler.
  • heat is transferred from the engine to the coolant flowing through the engine.
  • the coolant then flows from the engine to the heat exchanger through a number of lines of the heat exchanger, where heat is released from the coolant to the cooling air flowing through from the outside. This process is repeated continuously and simultaneously cools the engine.
  • the heat exchanger is also inserted into the intercooler of the turbocharger and the compressor, as well as to further cool the components for power supply in the electric vehicle.
  • Heat exchangers generally comprise a plurality of parallel tubes, which form a heat exchange section, also referred to as a matrix, with the ends of these tubes connected to a chamber, each named a collector.
  • the liquid coolant flows through the inlet into one of the collectors and then there through the parallel tubes to the other collector, from which it exits through the outlet. At this time, the air flow flowing between the tubes serves to conduct the heat of the coolant.
  • the tubes are typically connected through a plurality of ribs, which ribs extend parallel to each other and perpendicular to the tubes or are zigzag arranged between the tubes. Extends.
  • the matrix of the heat exchanger consists of a metal, for example an aluminum alloy.
  • the collector has a substrate, which is also typically made of metal, with tubes connected to the ends of the substrate.
  • the sidewalls of the collector may be made of metal, but these collector sidewalls are often made of plastic material gradually for cost reasons, wherein the plastic material is fixed to the metal substrate, for example by means of a metal beading method.
  • a seal for example a flexible compressible ring seal, is provided, which extends around the connection position between the sidewalls of the substrate and the collector and provides the necessary seal in the coolant circulation system at low pressure.
  • the first method involves high temperature-hard soldering based on flux from a controlled atmospheric brazing (CAB) method to connect the metal tube of the matrix with the metal part (substrate) of the collector.
  • CAB controlled atmospheric brazing
  • metal flat tubes are spaced apart by metal ribs, which generally extend in a zigzag pattern, across the gaps between the tubes.
  • the tubes each comprise individual channels or, alternatively, individual channels made up of pairs arranged next to each other, which channels are separated by longitudinally extending separating walls to form a double channel.
  • the tubes are generally narrow and elongated, ie basically rectangular in cross section, and include two flat sides that face each other and two curved short sides or side ends that face each other.
  • the ribs are soldered to the long side and do not extend over the boundary area of the short side.
  • Each tube end is inserted into through holes in the metal substrate of the collectors, in which case the gap size of adjacent metal parts is maintained at about 0.15 mm, and consequently the gap can be sealed by soldering paste, A soldering connection is made between the parts, ie between the tube and the collector substrate, when passing through the soldering oven.
  • Metal parts are preferably made of aluminum alloy, in order to provide high thermal conductivity.
  • the ribs and pipes as well as the collectors are joined via a forced or mechanical connection method.
  • the ribs Instead of being folded or waved as in the CAB method, the ribs always extend perpendicular to the tubes so that these ribs extend along the tubes, thereby having openings through the tubes.
  • the ribs are arranged closely adjacent and in parallel and typically extend between the front and rear surfaces of the matrix.
  • the tubes have a circular cross section and first have a diameter smaller than the diameter of the rib openings into which the tubes are inserted.
  • all metal parts are preferably made of aluminum alloy.
  • the ribs are thus fixed to the tube by mechanical connection.
  • the substrate of each collector also has openings for the tube end, in which case the openings are made with sufficient space for the plastic or rubber sealing elements to be inserted between the metal material of the liver and the substrate.
  • a number of methods for sealing the seals are known, for example the use of a conical tool pressed against the tube ends, whereby the tube ends can be mechanically enlarged and consequently the seal can be compressed. have.
  • heat exchangers assembled by the CAB method not only provide relatively higher heat transfer for a given heat exchanger size, but also are more mechanically robust due to the used flat tubes extending between the front and rear of the heat exchanger. This is because the ribs are protected.
  • the soldering process requires a long processing time through an expensive soldering oven.
  • the cooler tube experiences a thermal alternating stress (temperature rise and fall of the heat exchanger parts) during operation of the engine and cooling system, which leads to a load, because adjacent tubes can be extended differently and adjacent to the adjacent tubes. This is because an axial load can be applied to a given tube.
  • the tubes are placed next to each other to form a space for the ribs to which the surface area of adjacent tubes faces and between which these cool air can flow.
  • the construction of such tubes is preferred only if these tubes form a relatively large surface area, in which case cold air can pass through the surface area without excessively obstructing the flow of air through the heat exchanger.
  • this type of collector / pipe coupling is prone to failures along the collector / pipe connection due to stress concentrations, especially around the pipe ends and where the pipe walls are quite curved. This is because the thermal expansion of the heat exchanger is generally not constant during operation, and as a result, cracks may be formed in certain parts of the heat exchanger depending on the coolant flow pattern leading to premature failure and leakage of the heat exchanger.
  • the MA method can be used to make less expensive heat exchangers because it avoids the use of costly soldering ovens. Since a mechanical connection method is used between the tube ends and the collectors, the pressure connection method allows for a certain longitudinal movement of the tubes and collectors that occur due to different thermal expansion during heat exchanger heating or cooling. Can be designed.
  • a fully mechanically assembled heat exchanger basically reduces or eliminates thermal stresses between the heat exchanger components, thereby increasing the reliability and service life of the heat exchanger.
  • heat exchangers are less efficient at transferring heat at a given size, and consequently mechanically connected heat exchangers must be larger in size to provide the same heat transfer output as a CAB heat exchanger of a given size.
  • more space should be provided for the relatively large MA heat exchangers as described above.
  • ribs extending parallel to each other from the front to the rear of the circular cooler tubes are also embedded between the tubes formed flat in a zigzag arrangement.
  • Less rigid, like ribs in this case, the ribs must be thin, approximately 0.1 mm thick: however, such ribs are easily deformed by finger pressure.
  • Each damage reduces the flow of cold air through the heat exchanger, and in the car cooler also the accumulated damage reduces the matrix cooling output because stones or debris can hit the cooler.
  • German patent DE 10 2015 113 905 A1 solders tubes and ribs, and then inserts tube ends into the collector's through-holes and then inserts the seals into the collector substrate and mechanical A method of linking with is proposed.
  • the tube walls are flexible after the soldering process and easily bent on one side, which can damage the rib structure, and on the other hand the tube end deformation assembly
  • teardown at the stage i.e. compared to MA chillers with relatively thicker tube walls, mechanical connection with the collector has been very difficult, for example due to tube end enlargement.
  • the at least one tube thus has at least one reinforcing element.
  • reinforcing elements it has been found to significantly increase the stability of the tube.
  • the tube can withstand the pressure delivered to the tube much better through a seal disposed between the tube and the collector.
  • the tubing material typically an aluminum alloy
  • the tubes are preferably deformed prior to the soldering process and / or after being inserted into the collector according to one embodiment, where such a deformation forms the reinforcing elements according to the invention.
  • the pipe positioning in the collector can be done simultaneously.
  • the heat exchanger according to the invention has a markedly improved thermal shock resistance.
  • Such a result is, on the one hand, due to the possibility that the tube is made by a seal between the tube and the collector, for example, which expands or contracts with temperature changes.
  • the liquid coolant can also flow through the tubes of the heat exchanger according to the invention, whereby the coolant can be cooled by the air circulating through the tubes.
  • the heat exchanger according to the invention can also be used to cool a gaseous medium, for example air, which can flow through the tubes.
  • the reinforcing elements provided in one or more tubes, preferably in the entire tube may be provided in a wide variety of embodiments such as, for example, one or more grooves or dividing walls within the tube.
  • the one or more grooves or dividing walls extend essentially perpendicular to the relatively long axis of the tube, which is designed flat in cross section, as an insert or as a tube end upper attachment (provided from the outside).
  • the wall of the tube can basically bend to extend perpendicular to the tube axis.
  • the reinforcing element is provided in the range of only a few millimeters or centimeters, ie in front of and / or behind the connection position between the tube and the collector, for example in the axial direction of the tube. In certain applications the reinforcing element is provided only at the tube end. Regarding the material thickness of the reinforcing element described above and below, the range of 0.2 mm to 1.0 mm is preferred. Regarding the length in the axial direction, suitable properties are expected in the dimensions of 2 mm to 15 mm.
  • the advantages of the present invention are particularly exemplified in flat tubes designed in cross section, whereby the flat designed tubes have a long axis and a short axis in cross section.
  • the present invention makes it possible to connect a flat tube having a long axis of 12 mm or more to the collector, without having to worry about tube deformation, which is particularly problematic in the short axial direction when pressure is applied to the side of the seal during operation. do.
  • the long axis have a length of up to 100 mm in order to realize particularly efficient heat exchangers.
  • the stabilization according to the invention can be achieved particularly effectively by one or more internal ribs which extend essentially perpendicular to the long axis.
  • stabilization can be provided for the walls of the tubes, in particular those which extend parallel to the relatively long axis, by extending these walls essentially perpendicular to the tube axis, in particular by bending in the vertical direction.
  • stabilization in the tube can be provided by designing one or more reinforcing elements, in particular as inserts arranged in the connection region to the collector mentioned above.
  • the insert is connected at least locally to the inner wall of the tube, for example by a soldering process, preferably by a soldering process which can be carried out during the soldering process of the tube and the collector.
  • the dimensions of such inserts basically correspond to the modified tube end dimensions as described in more detail below, so that the inserts can be easily inserted.
  • an insert form having one or more stages and / or one or more webs has been found to be desirable.
  • oval or circular forms of the insert may also be considered.
  • the one or more reinforcing elements may also be formed with a collar or upper attachment provided from the outside to the tube end.
  • a collar of this type can have an internal cross section capable of receiving the tube end along the longitudinal axis of the tube in the first region, and in a second region lying outside the tube, but with sufficient flow in the tube end region. It may have an internal cross section providing a cross section.
  • Such a collar may be connected with the tube end as described above in connection with the insert, in which case the collar is soldered with the collector and the tube is soldered with the collar.
  • the inner cross section of such a collar essentially coincides with the outer cross section of the tube, as a result of which the collar can be installed in the tube in a simple manner.
  • one or more internal ribs as reinforcing elements, in particular to be integral with the tube.
  • the tube and one or more reinforcing elements are soldered during the soldering process of the tube and the collector, such soldering may be performed before or after the described steps.
  • the tube is typically (absolutely) soldered with the collector on only one side.
  • the tube is fixed by seals disposed therebetween on one or more sides of the collector, and the elasticity of such seals is utilized in installation.
  • one or more of the reinforcing elements may be soldered to the tube, ribs, pins or spaces disposed between the tubes with the tube solder.
  • reinforcing elements for example in the case of inserts, by extrusion molding and / or in the case of bending of the pipes, for example.
  • the collar described can be extruded and then flexed.
  • One or more tubes of the present invention may have one or more reinforcing elements, thereby significantly increasing the stability of the tubes.
  • the tube can withstand the pressure transmitted to the tube much better through a seal disposed between the tube and the collector.
  • FIG. 1 shows in perspective view the main parts of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 1 the main elements of a heat exchanger 10 according to the invention are shown, with a plurality of flat tubes 12 and two substrates 14 of collectors arranged at the ends of these tubes in cross section. .
  • the flat tubes 12 are typically aligned horizontally and parallel to each other in a mounted state, and between the tubes 12 in order to improve the thermal conduction of the tubes.
  • wave shaped ribs or pins 16 may be provided.
  • FIGS. 1, 8, 9 and 10 an application is shown in which heat is transferred from the charge air to the outside air. In other words, outside air is used to cool the charge air in the charge air cooler.
  • 2 to 7 show tubes in a radiator application where heat is transferred between the liquid coolant and the outside air.
  • the substrates 14 each have openings, in which openings the tube ends are inserted, in which case a section of the seal is arranged between the tube ends and the substrate 14 of the collector.
  • the shape of this seal basically corresponds to the shape of the substrate, that is to say that the seal has openings corresponding to the openings in the substrate 14 for the insertion of the tube 12.
  • the seal is typically not only flat, but also extends in the direction of the tube and has a surrounding web, edge or collar, wherein the web, edge or collar extends along the perimeter of the individual opening in the substrate 14.
  • a sealing material is typically disposed between the tube and the opening in the substrate 14 in a manner surrounding the outer surface of the tube.
  • the seal can be inserted into the substrate from the side of the collector, ie from the right in FIG. 1, or from the side of the tube, as illustrated on the right side of FIG. 1.
  • the seal is typically made of an elastic material, in particular a rubber material, and thus preferably allows certain deformation and extension of the tubes mounted in the substrate. Since such a deformation can lead to a load which can cause crack formation at the tube ends, reinforcement elements can be provided according to the invention, which reinforcement elements are already illustrated in various embodiments on the right side of FIG. 1. And will be described in detail below.
  • FIG. 2 shows an embodiment in which the end region of the tube is reinforced by an insert 18, in which case the insert has a flat cross section which basically corresponds to the inner cross section of the tube 12.
  • the tube is basically a relatively small first cross section, between the two substrates 14 according to FIG. 1, over most of its longitudinal extensions.
  • the second cross section has a relatively large size in its end region.
  • a relatively large second area as described above is inserted into an individual opening in the substrate and then soldered with this opening, for example.
  • the inserts shown in FIGS. 2-6 are typically provided at the end of the region with a large cross section so that the inserts can provide the necessary stability in this case.
  • the shape of the tube described above having a relatively large cross-sectional area and a relatively small cross-sectional area can be made as a result of deformation, after which individual inserts can be inserted, in which case the position of the insert (ladder) A stage is defined between a relatively large cross-sectional area and a relatively small cross-sectional area.
  • the tube ends are deformed in a first step, for example in a way that the cross section of the tube end is higher in height, but narrower, as shown in FIGS. 2 to 4.
  • the cross section is deformed to be "elliptical", but the cross section may also have an undeformed cross section area in this case.
  • the inserts are inserted at the deformed ends and can then be soldered to the tube.
  • the outermost end of the tube forms a tapered section, as can be identified in the direction of the observer observing the drawing, for example in FIGS. 2 to 4, to secure the respective inserted insert in place. Can be closed slightly.
  • the insert 18 shown in FIG. 2 is basically flat with two webs 20 perpendicular to the long side in parallel and the short side rounded and the long side in the case shown. It should be explained that it has a rectangular cross section.
  • the webs can provide stability in the axial direction of a short cross-sectional plane that is flat from top to bottom in FIG. 2.
  • the insert 18 shown in FIG. 3 which basically has the same cross section as the cross section of FIG. 2, but the insert shown in FIG. 3 has only one web and this web has a quadruple bending. (quadruple bending) is given through the process.
  • the insert starts from the top surface of this insert and is first bent in an S shape, so that the first end 22 extends in a manner parallel to the long side and in contact with the upper boundary of the insert 18. Is given.
  • an approximately approximately 90 ° additional warpage is provided in the approximately central area of the long side, in which case the web is provided on the lower surface of the insert by further bending in its lower area. Supported.
  • the embodiment of FIG. 4 is characterized in that the web 20.1 is formed essentially at a position corresponding to approximately one third along the length of the long side (from left to right in FIG. 4).
  • it is similar to the left half of the insert 18.
  • the insert is bent upwards in an S-shape at the lower end again in such a way that the end 24 abuts the upper surface of the insert.
  • two webs 20.1 and 20.2 can provide very good stability, almost corresponding to the embodiment of FIG. 2.
  • FIG. 5 further shows a section of the collector substrate 14 and a seal 26 disposed between the tube end and the substrate.
  • the inserts 18 shown elliptical in FIG. 5 may have a circular cross section as shown in the embodiment of FIG. 6, in which case the circular inserts 18 are provided at the side ends of the tubes in the embodiment of FIG. 6, respectively. It is.
  • the diameter of each circular insert corresponds to about one third of the length of the long axis in the cross section of the tube in the case shown.
  • FIG. 7 shows an embodiment in which the reinforcement is made on one side by a section of the tube itself and on the other by a type of collar 28. have.
  • the shape of the collar corresponds to the tube end according to the embodiment of FIGS. 2 to 6 and has a relatively large first cross section facing the observer in FIG. 7, wherein the cross section can accommodate the tube end. have.
  • the first cross section is connected to a relatively small cross section away from the viewer in FIG. 7 and facing the collector in the mounted state, while at the same time this cross section is essentially a perimeter end between two sections of different cross sections. This stage determines the position of these tubes when installing them in the collector.
  • FIG. 7 shows an embodiment in which the reinforcement is made on one side by a section of the tube itself and on the other by a type of collar 28. have.
  • the shape of the collar corresponds to the tube end according to the embodiment of FIGS. 2 to 6 and has a relatively large first cross section facing the observer in FIG. 7, wherein the cross section can accommodate the tube end. have
  • the collar 28 can act as a reinforcing element.
  • FIG. 7 whereby in the tube, two inner ribs 30 are formed integrally with the wall of the tube, which ribs extend essentially in the axial direction with a short length of the tube cross section. do.
  • the expression “basically” means in this case a deviation of up to 10 ° from the mentioned direction.
  • the ends of the ribs are bent back at least about 90 ° to provide a circular round support at the upper inner wall of the tube.
  • the advantage of the collar installation as a reinforcing element in this regard is that it furthermore closes the grooves and / or possible gaps in the position where the ribs 30 bent from the individual tube wall collide when the collar is soldered to the tube end by means of soldering. It is possible to do that.
  • FIG. 8 shows an embodiment similar to FIG. 6, but in this case the combined diameter of the plurality of circular inserts 18 lying next to each other basically corresponds to the length of the long axis of the cross section of the tube. It is reinforced over the full width (in Fig. 8, which can be identified from left to right). 8 to 10, the tube may additionally have internal ribs 30 in addition to the inserts 18 provided at the ends.
  • the insert has been modified in a manner having a number of bends in the form of S or Z in comparison to the insert of FIG. 4, resulting in a number of webs 20, the regions between which the webs Each plane is in contact with the upper surface or the lower surface.
  • the shape in contact with the lower surface corresponds to the region between the first web and the second web, the third web and the fourth web, and the fifth web and the sixth web, from left to right in FIG. 9.
  • the left side of the first web, between the second and third webs, the region between the fourth and fifth webs and the right region of the sixth web abuts the top surface.
  • the reinforcement measures in Figs. 9 and 10 show that the web section of the tube-shaped wall section of the tube extends essentially perpendicular to the tube axis, in this case by means of the injection mentioned in the introduction of the upper or lower boundary section of the tube, for example. 32 is shown to be bent upwards or downwards in such a way that it is produced. This measure also provides the desired reinforcement of the tube end in certain applications that do not include the insert 18.
  • such measures involving inserts are similarly combined with the inserts of FIG. 2, formed by, for example, extrusion and having a plurality of webs 20.
  • the plurality of webs are formed integrally with the upper or lower boundary of the insert, whereas according to FIG. 9 (and FIGS. 3 and 4) it was first formed by suitable bending of the flat starting material of the insert.
  • the present invention relates to a heat exchanger and a method for manufacturing and assembling a heat exchanger, in particular the heat exchanger according to the invention is not only by a controlled atmospheric brazing method but also by a mechanical assembly method. It relates to the air flow heat exchanger assembled.

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Abstract

본 발명은 열교환기(10)에 관한 것으로서, 이 열교환기는 하나 이상의 컬렉터와 하나 이상의 관(12)을 포함하고, 이때 컬렉터와 관(12) 사이 유체 연결이 가능한 방식으로 상기 관이 상기 컬렉터와 관 사이에 배치되는 하나 이상의 밀봉부에 의해 상기 컬렉터에 설치되어 있으며, 상기 관(12)이 하나 이상의 보강 요소(18, 30, 32)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한, 열교환기를 설치하는 방법으로 열교환기를 제조하기 위한 방법과도 관련이 있으며, 이 경우 컬렉터와 관(12) 사이 유체 연결이 가능한 방식으로, 하나 이상의 관(12)이 상기 컬렉터와 관 사이에 배치되는 밀봉부(26)에 의해 하나 이상의 컬렉터에 설치되고, 이때 하나 이상의 보강 요소는 하나 이상의 관(12) 내에 또는 하나 이상의 관(12)에 제공된다.

Description

열교환기
본 발명은, 열교환기 그리고 열교환기의 제조 및 조립 방법에 관한 것으로서, 특히 본 발명에 따른 열교환기는 제어 분위기 브레이징(CAB = controlled atmospheric brazing) 방법으로뿐만 아니라 기계적 조립(MA = mechanical assembly) 방법으로도 조립되는 공기 흐름 열교환기(air flow heat exchanger)와 관련이 있다.
일반적으로 자동차에는 엔진 냉각 시스템이 설치되며, 이러한 엔진 냉각 시스템은 통상적으로 냉각기로도 명명되는 열교환기를 포함한다. 엔진 작동 시 열은 엔진에서, 이러한 엔진을 통해 흐르는 냉각제로 전달된다. 이어서 냉각제는 엔진에서 열교환기의 다수의 라인을 통해 열교환기로 흐르며, 이러한 열교환기에서는 열이 냉각제에서, 외부로부터 관류되는 냉각 공기로 방출된다. 이러한 과정은 지속적으로 반복되고 동시에 엔진을 냉각한다.
열교환기는 또한 터보 과급기와 압축기의 중간 냉각기(intercooler)에도 삽입되고, 아울러 전기 차량에서 전력 공급을 위한 부품들을 추가로 냉각하기 위해 삽입된다.
열교환기는 일반적으로 다수의 병렬 관을 포함하며, 이러한 다수의 병렬 관은 매트릭스로도 명명되는 열교환 섹션을 형성하고, 이들 관의 단부는 각각 컬렉터로 명명되는 챔버와 이어져 있다. 액상 냉각제는 유입구를 통해 컬렉터들 중 하나의 컬렉터 내로 흐른 다음 그곳에서 상기 병렬 관들을 통해 다른 컬렉터로 이송되며, 이 컬렉터로부터는 배출구를 통해 배출된다. 이때 관들 사이에서 관류되는 공기 흐름은 냉각제가 가진 열을 전도하는 작용을 한다. 매트릭스의 표면적 그리고 이와 더불어 이러한 매트릭스 표면적의 열전도 능력을 증가시키기 위해, 관들은 통상적으로 다수의 리브를 통해서 연결되는데, 이들 리브는 서로 평행하게 그리고 상기 관들에 수직으로 연장되거나 관들 사이에서 지그재그식 배치 방법으로 연장된다.
컬렉터들이 부분적으로 또는 전체적으로 플라스틱 재료로 제조될 수 있는 반면에, 열교환기의 매트릭스는 금속, 예를 들면 알루미늄 합금으로 이루어진다. 컬렉터는 기판을 구비하고, 이러한 기판 또한 통상적으로는 금속으로 이루어져 있으며, 기판의 단부에는 관들이 연결되어 있다. 컬렉터의 측벽들은 금속으로 이루어질 수 있는데, 그러나 이러한 컬렉터 측벽들은 비용상의 이유로 점차 플라스틱 재료로 제조되는 경우가 많으며, 이때 상기 플라스틱 재료는 예를 들면 금속 비딩(beading) 방법을 통해 금속 기판에 고정된다. 이 경우에는 또한 밀봉부, 예를 들면 유연한 압축성 링 밀봉부가 제공되며, 이러한 링 밀봉부는 기판과 컬렉터의 측벽들 사이 연결 위치를 돌아서 연장되고, 저압 상태의 냉각제 순환계에서 필요한 밀봉을 제공한다.
상기와 같은 열교환기 제조와 관련하여서는 2개의 방법이 공지되어 있다. 첫 번째 방법은, 매트릭스의 금속관을 컬렉터의 금속 부분(기판)과 연결하기 위해, 제어 분위기 브레이징(CAB = controlled atmospheric brazing) 방법의 플럭스(flux)를 기본으로 하는 고온 경납(high temperature-hard soldering)을 사용한다. 상기와 같은 CAB 방법은 이하 "열처리 및 결합 방법"으로 표기된다.
상기와 같은 열교환기를 제조하기 위한 공지된 다른 한 방법은 인접한 금속 부품들을 용접하거나 납땜하는 공정을 피하고, 그 대신 매트릭스와 컬렉터들을 기계적으로 조립하는 방법(MA = mechanical assembly)을 사용한다. 본 명세서에서는 용접 또는 납땜 공정 없이 상기와 같은 방식으로 제조된 연결부들은 "기계적 연결부" 또는 "기계적으로 연결되어 있다"로 표현된다. 이와 동시에 인접한 부품들은 다른 방식으로 서로 연결되지 않은 분리된 콘택 부품에 의해서 기계적으로 결합된다.
CAB 공정에서는, 관들 사이 간극에 걸쳐서, 일반적으로는 지그재그 패턴으로 연장되는 금속 리브들에 의해 금속 평판관들이 이격되어 배치된다. 다수의 CAB 열교환기에서 관들은 각각 개별 채널 또는 대안적으로 서로 나란히 배치된 쌍으로 이루어진 개별 채널을 포함하고, 이러한 채널은 길이 방향으로 연장되는 분리벽에 의해 분리되어 이중 채널을 형성한다. 관들은 일반적으로 폭이 좁고 길쭉한, 즉 기본적으로 횡단면으로 볼 때 직사각형이며, 기본적으로 마주 놓인 2개의 평평한 측면과 마주 놓인 2개의 만곡된 길이가 짧은 측면 또는 측면 단부를 포함한다. 리브들은 길이가 긴 측면에 납땜되며, 길이가 짧은 측면들의 경계 영역에 걸쳐서는 연장되지 않는다. 각각의 관 단부들은 컬렉터들의 금속 기판 내에 있는 관통구들에 삽입되며, 이 경우 인접한 금속 부품들의 갭 크기는 약 0.15㎜로 유지되며, 결과적으로 갭은 납땜 페이스트(soldering paste)에 의해 밀봉될 수 있고, 납땜 오븐 통과 시 부품들 사이, 즉 관과 컬렉터 기판 사이 납땜 연결이 만들어진다. 금속 부품들은, 높은 열전도성을 제공하기 위해, 바람직하게는 알루미늄 합금으로 제조되어 있다.
MA 공정에서는 리브들과 관들뿐만 아니라 컬렉터들도 강제 결합 또는 기계적 연결 방법을 통해서 결합된다. 상기 리브들은, CAB 방법 사용 시와 같이 폴딩 처리되거나 웨이브 모양으로 처리되는 대신, 항상 관들에 직각으로 연장됨으로써 이러한 리브들은 관들을 따라서 연장되고, 이 때문에 관들이 관통하는 개구들을 갖는다. 이러한 배치에서 리브들은 긴밀하게 인접하고 그리고 평행하게 배치되어 있으며 통상적으로는 매트릭스의 전면과 후면 사이에서 연장된다. 관들은 원형 횡단면을 갖고, 먼저 관들이 삽입되는 리브 개구들의 지름보다 작은 지름을 갖는다. 높은 열 전도성을 제공하기 위해, 모든 금속 부품은 바람직하게 알루미늄 합금으로 이루어져 있다. "사출물(projectile)"로 불리는 공구, 즉 이러한 공구의 지름은 관의 초기 내부 지름보다 크고, 그리고 상기 관을 확대시켜 리브들 내에 있는 개구에 가압하기 위해 모든 관의 내부로 이동된다. 따라서 리브들은 기계적 연결에 의해 관에 고정된다. 각각의 컬렉터의 기판 또한 관 단부를 위한 개구들을 가지며, 이 경우 상기 개구들은 간의 금속 재료와 기판 사이에 삽입되는 플라스틱 또는 고무 밀봉 요소들을 위한 공간이 충분하도록 만들어진다. 이 경우 밀봉부를 밀폐하기 위한 다수의 방법이 공지되어 있는데, 예를 들면 관 단부들에 가압되는 원추형 공구의 사용이 공지되어 있으며, 이렇게 함으로써 관 단부들을 기계적으로 확대하고, 그 결과 밀봉부가 압축될 수 있다.
각각의 방법은 다른 방법에 비해 소정의 장점과 단점을 갖고 있다. 따라서 CAB 방법으로 조립된 열교환기들은 주어진 열교환기 크기에서 상대적으로 더 높은 열전달성을 제공할 뿐만 아니라, 그 외에도 열교환기의 전면과 후면 사이에서 연장되는 사용된 평판관으로 인해, 기계적으로 더 견고한데, 그 이유는 리브들이 보호되기 때문이다. 물론 유의해야 할 단점도 있는데, 즉 납땜 공정은 비싼 납땜 오븐을 통한 긴 처리 시간을 필요로 한다는 것이다. 더 나아가 냉각기 관은 엔진과 냉각 시스템의 작동 동안 열적 교번 응력(열교환기 부품들의 온도 상승 및 하강)을 경험하고, 이는 하중으로 이어지는데, 그 이유는 인접한 관들은 상이하게 연장될 수 있고, 인접한 관들에 의해 주어진 관에 축방향 하중이 가해질 수 있기 때문이다.
즉 열전달 출력을 상승시키기 위해, 관들은 인접한 관들의 표면적이 마주 놓이고 이러한 관들 사이에서, 외부로부터 들어오는 찬 공기(cool air)가 흐를 수 있는 리브들을 위한 공간을 형성하도록 서로 나란히 배치된다. 상기와 같은 관들의 구조는 이러한 관들이 상대적으로 큰 표면적을 형성하는 경우에 한하여 바람직하며, 이 경우 찬 공기는 열교환기를 통과하는 공기 흐름의 진로를 지나치게 방해하지 않으면서 상기 표면적을 통과할 수 있다. 그러나 다른 한 편으로 상기와 같은 유형의 컬렉터/관 결합은 응력 집중(stress concentration)으로 인해 컬렉터/관 연결을 따라서, 특히 관 단부 둘레에서 그리고 관 벽들이 상당히 만곡된 곳에서 장애를 발생시키기 쉬운데, 왜냐하면 열교환기의 열팽창이 작동 시에는 일반적으로 일정하지 않기 때문이며, 결과적으로 열 교환기의 소정의 부분들에서 냉각제 흐름 패턴에 따라 열교환기의 조기 고장 및 누출로 이어지는 균열이 형성될 수 있다.
MA 방법은 비용이 많이 드는 납땜 오븐의 사용을 막아주기 때문에, 덜 비싼 열교환기를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 관 단부들과 컬렉터들 사이에서 기계적 방식의 연결 방법이 사용되기 때문에 가압 연결 방법은, 열교환기 가열 또는 냉각 시 상이한 열팽창으로 인해 발생하는 관들과 컬렉터들의 소정의 길이 방향 이동(longitudinal movement)을 허용하도록 설계될 수 있다. 완전히 기계적으로 조립된 열교환기는 기본적으로 열교환기 부품들 사이 열적 응력을 감소시키거나 (이 때문에) 제거하므로, 결과적으로 열교환기의 신뢰성과 사용 수명이 증가된다. 그러나 이와 같은 열교환기들은 주어진 크기에서 열전달 시 덜 효율적이므로, 결과적으로 기계적으로 연결된 열교환기들은 주어진 크기의 CAB 열교환기와 같은 열전달 출력을 제공하기 위해서는 크기가 더 커야 한다. 또한, 상기와 같이 상대적으로 크기가 큰 MA 열교환기들의 경우 더 많은 공간이 제공되어야 한다.
더 나아가 MA 방법으로 조립된 열교환기의 경우, 원형 냉각기 관들의 전면에서 후면까지 서로 평행하게 연장되는 리브들도, 지그재그 배치 방식으로 평평하게 형성된 관들 사이에 내장된, CAB 방법으로 제조된 열교환기의 리브들과 같이 덜 견고하다. 즉 이러한 경우 열전달 출력을 최대화하기 위해, 리브들은 두께가 반드시 얇아야 하는데, 약 0.1㎜로 이루어져야 한다: 그러나 이와 같은 리브들은 지압(finger pressure)에 의해서도 쉽게 변형된다. 각각의 손상은 열교환기를 통과하는 찬 공기의 흐름을 감소시키고, 자동차 냉각기에서는 또한 돌이나 파편이 냉각기를 타격할 수 있기 때문에, 이러한 누적된 손상은 매트릭스 냉각 출력을 감소시킨다.
전술한 두 가지 방법의 장점을 활용하기 위해, 독일 특허 DE 10 2015 113 905 A1호에는 관들과 리브들을 납땜하고, 이어서 관 단부들을 컬렉터들의 관통구에 삽입한 다음, 밀봉부를 끼워 넣으면서 컬렉터 기판과 기계적으로 연결하는 방법이 제안되었다. 물론 - 특히 우수한 열 교환 효율을 갖는 평판관 사용 시 - 관 벽들은 납땜 공정 후 유연해져 한 편으로는 쉽게 휘어지고, 이러한 것은 리브 구조를 손상시킬 수 있으며, 그리고 다른 한 편으로는 관 단부 변형 조립 단계에서 인열(teardown) 경향이 있으며, 즉 상대적으로 더 두꺼운 관 벽을 갖는 MA 냉각기와 비교하면, 예컨대 관 단부 확대로 인해 컬렉터와의 기계적 연결이 매우 어려운 것으로 나타났다.
본 발명의 과제는, 열교환기 그리고 매우 안정적인 열교환기를 만드는 열교환기의 제조 및 조립 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는, 청구항 1 규정된 특징들을 갖는 열교환기 그리고 청구항 8에 규정된 특징들을 갖는 열교환기의 제조 방법에 의해서 해결된다. 바람직한 개선예들은 종속 청구항들에 기재되어 있다.
이에 따라 하나 이상의 관은 하나 이상의 보강 요소를 구비한다. 이와 같은 보강 요소의 경우, 관의 안정성을 현저히 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 그 결과 관은 이러한 관과 컬렉터 사이에 배치된 밀봉부를 통해서 관에 전달되는 압력을 훨씬 더 잘 견뎌 낼 수 있다. 특히 납땜 공정 후 관 재료, 통상적으로 알루미늄 합금은 비교적 유연해지고 하중이 가해질 때 쉽게 휘어지고/휘어지거나 균열이 형성될 수 있다. 그래서 본 발명에 따르면 관들은 바람직하게 납땜 공정 이전에 그리고/또는 일 실시 형태에 따라 컬렉터에 삽입된 이후에 변형되며, 이때 이러한 변형은 본 발명에 따른 보강 요소들을 형성한다. 선택적으로 이와 관련하여서는 컬렉터 내에서의 관 위치 고정이 동시에 이루어질 수 있다.
첫 번째 실험에서 본 발명에 따른 열교환기는 현저히 향상된 열 충격 저항성(thermal shock resistance)을 갖는 것으로 밝혀졌다. 상기와 같은 결과는 한 편으로는 관이 예를 들면 온도 변화에 의해 팽창되거나 수축되는, 관과 컬렉터 사이 밀봉부에 의해 만들어지는 가능성에 기인한다.
이와 관련하여서는 본 발명에 따른 열교환기의 관들을 통해서는 또한 액상 냉각제가 흐를 수 있다는 점이 강조되어야 하며, 이렇게 함으로써 관들을 순환하는 공기에 의해 냉각제가 냉각될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 열교환기는 관들을 통해 흐를 수 있는 예를 들면 공기와 같은 기체 상태의 매질을 냉각하기 위해서도 사용될 수 있다. 아래에 더 상세하게 설명되어 있듯이, 하나 이상의 관 내에, 바람직하게는 전체 관 내에 제공된 보강 요소는 예를 들면 관 내부에 있는 하나 또는 다수의 그루브 또는 분리벽과 같은 매우 다양한 실시예로 제공될 수 있으며, 이때 상기 하나 또는 다수의 그루브 또는 분리벽은 기본적으로 횡단면으로 볼 때 평평하게 설계된 관의 상대적으로 길이가 긴 축에 수직으로, 삽입물로서 또는 (외부로부터 제공된) 관 단부 상부 부착물로서 연장된다. 궁극적으로 관의 벽은 기본적으로 관 축에 수직으로 연장되도록 휘어질 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기의 바람직한 개선예들은 추가 청구항들에 기술되어 있다.
바람직하게 보강 요소는 즉 예를 들면 관의 축 방향으로 관과 컬렉터 사이 연결 위치 앞에 그리고/또는 뒤에, 특히 컬렉터가 아닌 관의 측면에 단지 몇 밀리미터 또는 몇 센티미터 범위로 제공되어 있다. 특정 적용예들에서 보강 요소는 관 단부에만 제공되어 있다. 전술한 그리고 후술될 보강 요소의 재료 두께와 관련하여서는 0.2㎜ 내지 1.0㎜ 범위가 바람직하다. 축 방향으로 길이와 관련하여서는 2㎜ 내지 15㎜의 치수에서 적합한 특성이 기대된다.
본 발명의 장점들은 특히 횡단면으로 볼 때 평판형으로 설계된 관들에서 발휘되는데, 이에 따라 상기와 같이 평판형으로 설계된 관들은 횡단면으로 볼 때 길이가 긴 축과 길이가 짧은 축을 갖는다. 특히 본 발명은, 작동 중에 밀봉부의 측면에 압력이 가해지는 경우 특히 길이가 짧은 축 방향으로 문제가 되는 관 변형을 염려할 필요 없이, 12㎜ 이상의 긴 축을 갖는 평판관을 컬렉터에 연결하는 것을 가능하게 한다. 이에 대안적으로 또는 추가로 특히 효율적인 열교환기를 실현하기 위해서는 긴 축이 최대 100㎜의 길이를 갖는 것이 바람직하다.
앞에서 이미 예시한 바와 같이, 본 발명에 따른 안정화는 기본적으로 길이가 긴 축에 수직으로 연장되는 하나 이상의 내부 리브에 의해서 특히 효과적으로 달성될 수 있다. 궁극적으로 관의 벽, 특히 상대적으로 길이가 긴 축에 평행하게 연장되는 벽에는, 이러한 벽이 기본적으로 관 축에 수직으로 연장됨으로써, 특히 수직 방향으로 휘어짐으로써 안정화가 제공될 수 있다.
이와 동시에 본 발명에 따르면, 특히 앞서 언급한 컬렉터에 대한 연결 영역에 배치되는 삽입물로서 하나 이상의 보강 요소가 설계됨으로써 관 내에서의 안정화가 제공될 수 있다. 바람직하게 상기 삽입물은 적어도 국부적으로 관의 내부벽과, 예를 들면 납땜 공정에 의해, 바람직하게는 관과 컬렉터의 납땜 공정 동안 실시될 수 있는 납땜 공정에 의해 연결된다. 상기와 같은 삽입물들의 치수는 아래에 더 상세히 설명되어 있듯이 기본적으로 변형된 관 단부 치수에 상응하며, 그 결과 상기 삽입물들이 쉽게 삽입될 수 있다.
내부로부터 관을 가능한 큰 영역에서 지지하고 보강하기 위한 삽입물의 효과적인 형태와 관련하여서는, 하나 이상의 단 및/또는 하나 이상의 웨브를 갖는 삽입물 형태가 바람직한 것으로 드러났다. 이에 대안적으로 또는 추가로 삽입물의 타원형 또는 원형 형태도 고려될 수 있다.
앞서 설명한 삽입물들이 내측면으로부터 실행되는 반면에, 하나 이상의 보강 요소는 외부로부터 관 단부에 제공되는 칼라 또는 상부 부착물로도 형성될 수 있다. 상기와 같은 유형의 칼라는 제1 영역에서 관의 길이 방향 축을 따라서 관 단부를 수용할 수 있는 내부 횡단면을 가질 수 있고, 그리고 관 외부에 놓인 제2 영역에서는 축소된, 그러나 관 단부 영역에서 충분한 유동 횡단면을 제공하는 내부 횡단면을 가질 수 있다. 상기와 같은 칼라는 삽입물과 관련하여 앞서 설명한 바와 같이 관 단부와 연결될 수 있으며, 이 경우 칼라는 컬렉터와 납땜되고 그리고 관은 칼라와 납땜된다. 상기와 같은 칼라의 내부 횡단면은 기본적으로 관의 외부 횡단면에 일치하며, 결과적으로 상기 칼라는 간단한 방식으로 관에 설치될 수 있다.
일반적으로 현재는 하나 이상의 보강 요소를 관과 납땜하는 것이 바람직하며, 이는 관과 컬렉터의 납땜을 단일 작업 공정으로 실시할 수 있음으로써 효율적인 제조를 가능하게 한다.
앞서 설명한 본 발명의 과제는 또한 청구항 8에 기술된 방법에 의해서 해결되며, 이와 관련하여서는 전술한 그리고 아래에 설명되는 열교환기와 관련하여 지정된 모든 특징들 및 세부 사항이 본 발명에 따른 방법에 적용될 수 있고, 아울러 반대로도 적용될 수 있다는 점이 강조되어야 한다. 또한, 선행 기술과 관련한 전술한 묘사의 전체 세부 사항들은 열교환기뿐만 아니라 열교환기의 제조 방법에도 적용될 수 있다.
이에 따라 특정 적용예들에서는 보강 요소로서 하나 이상의 내부 리브를 내장하는 방식으로(integral), 특히 관과 일체로 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
관과 컬렉터의 납땜 공정 동안 관과 하나 이상의 보강 요소가 납땜된다는 내용이 앞에서 예시되긴 했지만, 이러한 납땜은 설명한 단계 이전 또는 이후에도 실시될 수 있다. 이와 관련하여서는 관이 전형적으로 (절대적인 경우) 한 측면에서만 컬렉터와 납땜된다는 점이 언급되어야 한다. 바꾸어 말하면 관은 컬렉터의 하나 이상의 측면에서 그 사이에 배치된 밀봉부에 의해 고정되고, 설치 시 이러한 밀봉부의 탄성이 이용된다. 또한, 하나 이상의 보강 요소는 관 납땜과 함께 관, 리브들, 핀들 또는 관들 사이에 배치된 스페이스들에 납땜될 수 있다.
하나 이상의 보강 요소 제조와 관련하여 현재는 이러한 보강 요소를 예컨대 삽입물인 경우, 압출 성형 방법으로 그리고/또는 예컨대 관의 벽인 경우 휨 방법으로 제조하는 것이 바람직하다. 설명한 칼라는 압출 성형된 다음 휘어질 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 관은 하나 이상의 보강 요소를 구비함에 따라, 관의 안정성을 현저히 증가시킬 수 있다.
이에 따라, 관은 이러한 관과 컬렉터 사이에 배치된 밀봉부를 통해서 관에 전달되는 압력을 훨씬 더 잘 견뎌 낼 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
후속해서 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참조해서 더 상세히 설명된다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 열교환기의 주요 부품들을 사시도로 도시하고; 그리고
도 2 내지 도 10은 각각, 본 발명에 따른 보강 요소의 바람직한 실시 형태를 갖는 본 발명에 따른 열교환기의 관 단부를 도시한다.
도 1에는, 횡단면으로 볼 때 다수의 평판관(12)과 이러한 관들의 단부에 배치된 컬렉터들의 2개의 기판(14)과 함께, 본 발명에 따른 열교환기(10)의 주요 요소들이 도시되어 있다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 평판관(12)들은 장착 상태에서 전형적으로 수평으로 그리고 서로 평행하게 정렬되어 있으며, 그리고 상기 관들의 열 전도를 향상시키기 위해, 상기 관(12)들 사이에는 예를 들면 웨이브 형태의 리브들 또는 핀(16)들이 제공될 수 있다. 도면들과 관련하여서는, 도 1, 도 8, 도 9 및 도 10의 경우 열이 과급 공기에서 외기로 전달되는 적용예가 도시되고 있다는 점을 특히 유의해야 한다. 환언하면, 과급공기 냉각기에서 과급 공기를 냉각하기 위해 외기가 사용된다. 이와 달리 도 2 내지 도 7은 라디에이터 적용예에서의 관들을 도시하는데, 이러한 라디에이터 적용예에서는 열이 액상 냉각제와 외기 사이에서 전달된다.
관들의 횡단면 형태에 상응하게, 기판(14)들은 각각 개구들을 갖고, 이들 개구에는 관 단부가 삽입되어 있으며, 이 경우 관 단부와 컬렉터의 기판(14) 사이에는 각각 밀봉부의 섹션이 배치되어 있다. 이러한 밀봉부의 형태는 기본적으로 기판의 형태에 상응하는데, 다시 말하면 상기 밀봉부는 관(12) 삽입을 위해 기판(14) 내 개구에 상응하는 개구들을 갖는다. 이 경우 밀봉부는 전형적으로 평평한 형태일뿐만 아니라 관 방향으로 뻗어서 늘어나고, 주변을 둘러싸는 웨브, 가장자리 또는 칼라를 구비하며, 이때 이러한 웨브, 가장자리 또는 칼라는 기판(14) 내 개별 개구의 둘레를 따라서 연장됨으로써, 전형적으로는 관의 외측면을 둘러싸는 방식으로 관과 기판(14) 내 개구 사이에 밀봉 재료가 배치되어 있다. 밀봉부는, 도 1의 오른쪽에 예시되어 있는 바와 같이 컬렉터의 측면으로부터, 즉 도 1에서는 오른쪽으로부터 기판에 삽입되거나 관의 측면으로부터 삽입될 수 있다. 밀봉부는 전형적으로 탄성 재료, 특히 고무 재료로 이루어져 있으며, 따라서 바람직하게는 기판 내에 장착된 관들의 소정의 변형과 연장을 가능하게 한다. 상기와 같은 변형은 관 단부들에서 균열 형성을 야기할 수 있는 하중으로 이어질 수 있기 때문에, 본 발명에 따르면 보강 요소들이 제공될 수 있으며, 이러한 보강 요소들은 도 1의 오른쪽에 여러 실시 형태로 이미 예시되어 있고, 아래에서도 상세하게 설명될 것이다.
예컨대, 도 2에는 삽입물(18)에 의해 관의 단부 영역이 보강된 실시 형태가 도시되어 있으며, 이 경우 상기 삽입물은 기본적으로 관(12)의 내부 횡단면에 상응하는 평평한 횡단면을 갖는다. 도 2 내지 도 7의 실시 형태와 관련하여서는, 관이 기본적으로 자신의 대부분의 길이 방향 연장부에 걸쳐서, 바꾸어 말하면 도 1에 따른 2개의 기판(14) 사이에서, 상대적으로 크기가 작은 제1 횡단면을 갖고, 그리고 자신의 단부 영역에서는 상대적으로 크기가 큰 제2 횡단면을 갖는다는 점이 설명되어야 한다. 기판(14) 내에 관을 장착하기 위하여, 상기와 같이 상대적으로 크기가 큰 제2 영역은 기판 내에 있는 개별 개구에 삽입된 다음 예들 들면 이러한 개구와 납땜되어 있다. 도 2 내지 도 6에 도시된 삽입물들은 통상적으로 크기가 큰 횡단면을 갖는 영역의 단부에 제공되어 있으며, 이에 따라 상기 삽입물들은 이러한 경우에 필요한 안정성을 제공할 수 있다.
상대적으로 크기가 큰 횡단면 영역과 상대적으로 크기가 작은 횡단면 영역을 갖는 앞서 설명한 관의 형태는 변형의 결과로 이루어질 수 있고, 후속해서 개별 삽입물은 삽입될 수 있으며, 이 경우 상기 삽입물의 위치는 (사다리의 가로장과 같은) 단에 의해서 상대적으로 크기가 큰 횡단면 영역과 상대적으로 크기가 작은 횡단면 영역 사이에 정해진다. 환언하면, 관 단부들은 제1 단계에서, 예를 들면 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 관 단부의 횡단면이 높이는 더 높되, 폭은 좁아지는 방식으로 변형된다. 바꾸어 말하면, 횡단면은 "타원형"으로 변형되며, 그러나 횡단면은 이 경우에 변형되지 않은 횡단면 영역도 가질 수 있다. 앞서 설명한 변형 과정 후 삽입물들은 변형된 단부에 삽입되며, 이후 관에 납땜될 수 있다. 이와 관련하여 관의 최외부 단부는, 각각 삽입된 삽입물을 그 자리에 고정하기 위해, 예를 들면 도 2 내지 도 4에서 도면을 관찰하는 관찰자 방향에서 식별할 수 있듯이, 섹션이 점점 가늘어지는 섹션 형성을 통해 약간 폐쇄될 수 있다.
도 2에 도시된 삽입물(18)과 관련하여서는, 이 삽입물이 평행하게 긴 측면과 둥글게 처리된 짧은 측면을 갖고 그리고 도시된 경우 길이가 긴 측면에 수직인 2개의 웨브(20)를 갖는 기본적으로 평평한 직사각형 횡단면을 갖는다는 점이 설명되어야 한다. 특히 상기 웨브들에 의해서는 도 2에서 위에서 아래로 평평한 횡단면의 길이가 짧은 축 방향으로 안정성이 제공될 수 있다.
이러한 점은 기본적으로 도 2의 횡단면과 동일한 횡단면을 갖는 도 3에 도시된 삽입물(18)에도 동일하게 적용되며, 그러나 도 3에 도시된 삽입물은 단 하나의 웨브를 갖고, 이러한 웨브는 4중 휨(quadruple bending) 과정을 통해 주어진다. 삽입물은 이러한 삽입물의 상부면으로부터 시작하여, 맨 먼저 S자 형태로 휘어지며, 그 결과 길이가 긴 측면에 평행하게 그리고 상기 삽입물(18)의 상부 경계에 접하는 방식으로 연장되는 제1 단(22)이 주어진다. 웨브(20)를 형성하기 위해, 길이가 긴 측면의 대략 중앙 영역에는 기본적으로 약 90°의 추가 휨이 제공되어 있으며, 이 경우 상기 웨브는 자신의 하부 영역에서 추가 휨에 의해 삽입물의 하부면에 지지된다.
이와 함께 도 4의 실시 형태는, 특징적으로 웨브(20.1)가 기본적으로 길이가 긴 측면의 길이를 따라서(도 4에서 왼쪽에서 오른쪽 방향으로) 대략 3분의 1에 상응하는 위치에 형성되어 있다는 점에 있어서, 도 3에 따른 형성물에서 삽입물(18)의 왼쪽 절반부와 유사하다. 추가 웨브(20.2) 형성을 위하여 삽입물은, 단부(24)가 삽입물의 상부면에 접하는 방식으로 하부 단부에서 다시 S자 형태로 상부로 휘어져 있다. 이 경우 2개의 웨브(20.1 및 20.2)에 의해, 도 2의 실시 형태에 거의 상응하게 매우 우수한 안정성이 제공될 수 있다.
이러한 점은 관 횡단면의 길이가 긴 측면을 따라서 관에서 거의 중앙 영역에 타원형 삽입물(18)을 갖는 도 5의 실시 형태에도 동일하게 적용되며, 이때 상기 삽입물은 길이가 긴 축을 갖고, 이 축은 관 횡단면의 길이가 긴 축의 약 40% 내지 60%를 차지한다. 도 5에는 추가로 컬렉터 기판(14)의 섹션 그리고 관 단부와 상기 기판 사이에 배치된 밀봉부(26)가 도시되어 있다.
도 5에서 타원형으로 도시된 삽입물(18)은 도 6의 실시 형태에 도시된 바와 같이 원형 횡단면을 가질 수 있으며, 이 경우 도 6의 실시 형태에서 관의 측면 단부에는 각각 원형 삽입물(18)이 제공되어 있다. 각각의 원형 삽입물의 지름은 도시된 경우에서 관 횡단면에서 길이가 긴 축의 길이의 약 3분의 1에 상응한다.
지금까지 설명한 실시 형태들은 관 내에 삽입되는 삽입물을 갖는 반면에, 도 7에는, 한 편으로는 관 자체 섹션에 의해, 다른 한 편으로는 칼라(28) 유형에 의해 보강이 이루어지는 실시 형태가 도시되어 있다. 상기 칼라의 형상은 도 2 내지 도 6의 실시 형태에 따른 관 단부에 상응하고, 도 7에서 관찰자와 마주하는, 상대적으로 크기가 큰 제1 횡단면을 가지며, 이때 상기 횡단면은 관 단부를 수용할 수 있다. 상기 제1 횡단면에는, 도 7에서 관찰자로부터 떨어져 있는 그리고 장착 상태에서 컬렉터와 마주하는 상대적으로 크기가 작은 횡단면이 연결되며, 동시에 이러한 횡단면은 상이한 횡단면의 두 섹션 사이에 기본적으로 주변을 둘러싸는 단을 제공하고, 이러한 단은 컬렉터 내에 관을 설치할 때 이러한 관의 위치를 결정한다. 도 7의 실시 형태에서는 한 편으로 칼라(28)가 보강 요소로 작용할 수 있다. 그러나 도 7에서는 추가적인 조치가 도시되어 있는데, 이에 따르면 관 내에, 이러한 관의 벽과 일체로 2개의 내부 리브(30)가 형성되어 있고, 이들 리브는 기본적으로 관 횡단면의 길이가 짧은 축 방향으로 연장된다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, "기본적으로"라는 표현은 이 경우 언급된 방향과의 최대 10°의 편차를 의미한다. 도시된 예에서 리브들의 단부는, 관의 상부 내벽에서 원형의 둥근 지지부를 제공하기 위해 약 90° 이상 다시 휘어져 있다. 이와 관련하여 보강 요소로서 칼라 설치가 주는 장점은, 더 나아가 칼라가 관 단부에 납땜되는 경우 개별 관 벽으로부터 휘어진 리브(30)들이 충돌하는 위치에 있는 홈 및/또는 발생 가능한 간극을 납땜 방법으로 폐쇄하는 것이 가능하다는 것이다.
도 8에는 도 6과 유사한 실시 형태가 도시되어 있으며, 그러나 이 경우에는 서로 나란히 놓여 있는 다수의 원형 삽입물(18)의 합산된 지름이 기본적으로 관 횡단면의 긴 축의 길이에 상응하며, 결과적으로 관이 전체 폭(도 8에서, 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 식별할 수 있음)에 걸쳐서 보강되어 있다. 또한, 도 8 내지 도 10의 도시에 따르면, 관은 추가로 단부에 제공된 삽입물(18)들에 추가로 내부 리브(30)들을 구비할 수 있다.
도 9에서 삽입물은 도 4의 삽입물과 비교하면, S자 형태 또는 Z자 형태의 다수의 휨부를 가지는 방식으로 변경되어 있으며, 그 결과 다수의 웨브(20)들이 생성되고, 이러한 웨브들 사이 영역들이 각각 상부면 또는 하부면에 평면으로 접한다. 하부면에 접하는 형태는 도 9에서 왼쪽에서 오른쪽 방향으로, 제1 웨브와 제2 웨브, 제3 웨브와 제4 웨브 그리고 제5 웨브와 제6 웨브 사이 영역에 해당된다. 이에 상응하게 제1 웨브의 왼쪽, 제2 웨브와 제3 웨브 사이, 제4 웨브와 제5 웨브 사이 영역과 제6 웨브의 오른쪽 영역은 상부면에 접한다.
또한, 도 9 및 도 10에서 보강 조치는, 관의 상부 또는 하부 경계 섹션이 예를 들면 도입부에 언급한 사출물에 의해, 이 경우 기본적으로 관 축에 수직으로 연장되는 관의 웨브 형태의 벽 섹션(32)이 생성되는 방식으로 상부로 또는 하부로 휘어진다는 취지로 도시되어 있다. 이러한 조치는 또한 삽입물(18)을 포함하지 않는 특정 적용예들에서도 관 단부의 바람직한 보강을 제공한다.
도 10에 따르면, 삽입물을 포함하는 이러한 조치는 예를 들면 압출 성형에 의해 형성되고 다수의 웨브(20)를 갖는 도 2의 삽입물과 유사하게 조합된다. 상기 다수의 웨브는 삽입물의 상부 또는 하부 경계와 연속해서 일체로 형성되는 반면, 도 9(그리고 도 3 및 도 4)에 따르면 먼저 삽입물의 평평한 출발 재료의 적합한 휨에 의해 형성되었다.
본 발명은, 열교환기 그리고 열교환기의 제조 및 조립 방법에 관한 것으로서, 특히 본 발명에 따른 열교환기는 제어 분위기 브레이징(CAB = controlled atmospheric brazing) 방법으로뿐만 아니라 기계적 조립(MA = mechanical assembly) 방법으로도 조립되는 공기 흐름 열교환기(air flow heat exchanger)와 관련이 있다.

Claims (13)

  1. 하나 이상의 컬렉터와 하나 이상의 관(12)을 포함하고,
    컬렉터와 관(12) 사이 유체 연결이 가능한 방식으로 상기 관이 상기 컬렉터와 관 사이에 배치되는 하나 이상의 밀봉부(26)에 의해 상기 컬렉터에 설치되어 있는, 열교환기(10)로서.
    상기 관(12)이 하나 이상의 보강 요소를 구비하고, 이 보강 요소는 상기 관(12)과 컬렉터 사이 연결 영역에만 제공되는 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
  2. 제1항에 있어서, 하나 이상의 관(12)이 평판형(flat)이고, 횡단면으로 볼 때 상대적으로 길이가 긴 축을 가지며, 이때 이 축의 길이는 12㎜ 이상 그리고/또는 최대 100㎜인 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
  3. 제2항에 있어서, 하나 이상의 보강 요소가, 기본적으로 상기 길이가 긴 축에 수직으로 연장되는 내부 리브(30) 및/또는 기본적으로 관 축에 수직으로 연장되는 관 벽(32)인 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
  4. 제1항에 있어서, 하나 이상의 보강 요소가 삽입물(insert)(18)인 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
  5. 제4항에 있어서, 하나 이상의 삽입물(18)이 하나 이상의 단(step)(22) 및/또는 하나 이상의 웨브(web)(20) 및/또는 원형 또는 타원형 횡단면을 가지는 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
  6. 제1항에 있어서, 하나 이상의 보강 요소가 관 단부 상에 제공된 칼라(collar)(28)인 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
  7. 제1항에 있어서, 하나 이상의 보강 요소가 상기 관(12)에 납땜되는 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
  8. 컬렉터와 관(12) 사이 유체 연결이 가능한 방식으로, 하나 이상의 관(12)을 상기 컬렉터와 관 사이에 배치되는 밀봉부(26)에 의해 하나 이상의 컬렉터에 설치함으로써 열교환기를 제조하기 위한 방법으로서,
    하나 이상의 보강 요소(18, 28, 30, 32)가 하나 이상의 관(12) 내에 또는 하나 이상의 관(12)에 제공되는 것을 특징으로 하는, 열교환기의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 하나 이상의 내부 리브(30)가 상기 관(12)과 일체형으로(= 내장되는 방식으로(integral)) 형성되는 것을 특징으로 하는, 열교환기의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 관이 횡단면으로 볼 때 상대적으로 길이가 긴 축과 상대적으로 길이가 짧은 축을 갖는 평평한 횡단면을 갖고, 상기 관의 하나 이상의 벽이 기본적으로 상기 관 축에 수직으로 연장되는 방식으로 휘어지는 것을 특징으로 하는, 열교환기의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서, 하나 이상의 보강 요소가 하나 이상의 관(12)에 납땜되는 것을 특징으로 하는, 열교환기의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 하나 이상의 보강 요소가 관(12)을 컬렉터에 설치하기 이전에, 이후에 또는 관(12) 설치 시에 함께, 상기 관(12)에 납땝되는 것을 특징으로 하는, 열교환기의 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서, 하나 이상의 보강 요소가 압출 성형(extrusion) 및/또는 휨(bending) 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 열교환기의 제조 방법.
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