WO2022060160A1 - 열응력 저감수단을 가지는 열교환기 - Google Patents

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heat exchanger
tank
tube
temperature
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한지훈
조병선
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한온시스템 주식회사
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    • F28F9/0212—Header boxes having their inner space divided by partitions for elongated header box, e.g. with transversal and longitudinal partitions having only transversal partitions the partitions being separate elements attached to header boxes

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger, and more particularly, in an integrated heat exchanger for cooling two types of heat exchange media having different temperatures, each having a thermal stress reducing means for effectively dispersing thermal stress generated due to a temperature difference It is about the heat exchanger.
  • various heat exchangers such as radiators, intercoolers, evaporators, condensers, etc. for cooling each component in the vehicle, such as the engine, or adjusting the air temperature inside the vehicle, as well as parts for driving such as the engine, etc.
  • a heat exchange medium generally circulates therein, and the heat exchange medium inside the heat exchanger and air outside the heat exchanger exchange heat with each other, thereby cooling or dissipating heat.
  • heat exchangers through which two types of heat exchange medium are circulated may be integrally formed.
  • coolant for cooling the engine is circulated to the radiator, and oils such as engine oil and transmission oil are circulated to the oil cooler.
  • oils such as engine oil and transmission oil are circulated to the oil cooler.
  • they are each formed as separate devices, but in many cases they are integrally formed, such as for the purpose of increasing the space utilization of the engine room or a water cooling type oil cooler structure for cooling oil using cooling water is introduced.
  • a portion where heat exchange occurs mainly in the heat exchanger is a portion in which tubes are stacked, and this portion is generally referred to as a core of the heat exchanger.
  • the cores through which each heat exchange medium is circulated have a structure in which they are connected in series in many cases. Meanwhile, recently, there are cases in which a structure in which cores are connected in parallel is adopted.
  • 1 shows an embodiment of a conventional integrated heat exchanger having a structure in which cores through which two types of heat exchange media are circulated are connected in parallel. The integrated heat exchanger according to the embodiment of FIG.
  • FIG. 1 has a structure in which two cores having a structure substantially similar to a heat exchanger in which one type of heat exchange medium is circulated are connected in parallel to each other. It can be said that it has a structure in which partition means are formed inside the header tank to isolate the heat exchange media to be used.
  • the configuration of a two-row heat exchanger is well shown in Korean Patent Registration No. 0825709 (“Heat Exchanger”, 2008.04.22.).
  • the heat exchanger 100 includes a pair of header tanks 100 that are spaced apart from each other by a predetermined distance and are formed in parallel, and a plurality of tubes having both ends fixed to the header tank 100 to form a refrigerant passage. ( 200 ), additionally includes a plurality of fins interposed between the tubes ( 200 ).
  • the tube 200 is formed in two rows before and after, and the header tank 100 includes a partition wall 125 extending in the longitudinal direction therein to partition a space in which each tube row communicates with each other. Accordingly, the first and second heat exchange media distributed in each of the first and second rows of the tube 200 do not meet each other and can be isolated and distributed.
  • the header tank 100 is provided with a separate pair of inlet and outlet for each heat exchange medium.
  • 1 illustrates a case in which the first and second inlets and the first and second outlets are provided with header tanks opposite to each other as a cross-flow type in which the heat exchange medium flows in one direction, but the heat exchange medium
  • the first and second inlets and the first and second outlets may be provided in the header tank in the same direction.
  • two types of heat exchange media having different types such as coolant/oil
  • two types of heat exchange media having different temperature ranges such as low-temperature coolant/high-temperature coolant
  • two types of heat exchange media having different temperature ranges such as low-temperature coolant/high-temperature coolant
  • a significant temperature difference is formed between the front and rear cores because the temperature range of each heat exchange medium itself is completely different.
  • the degree of thermal deformation varies depending on the location, and accordingly, there is a problem in that the thermal stress is concentrated in a specific part of the heat exchanger.
  • the concentration of thermal stress is greatest in the portion where the front and rear cores are divided. Concentration of thermal stress according to such thermal deformation is a major cause of damage or breakage of the heat exchanger, and therefore, a countermeasure design is required.
  • an object of the present invention is to provide an integrated heat exchanger that cools two types of heat exchange media having different temperatures, respectively.
  • An object of the present invention is to provide a heat exchanger having a thermal stress reducing means for effectively dispersing thermal stress.
  • the heat exchanger 1000 of the present invention for achieving the above object is a pair in which the header 110 and the tank 120 are coupled to form a fluid flow space therein, and are spaced apart from each other by a predetermined distance and formed side by side of the header tank 100, both ends of which are fixed to the header tank 100 to form a flow path of a heat exchange medium, but include a plurality of tubes 200 arranged in two rows in the front-rear direction, and the header tank 100 inner space
  • the partition wall 125 separates the front and rear heat exchange units in such a way that heat exchange media having different average temperatures are circulated in each of the front and rear heat exchange units, and a thermal stress reducing means is formed in the partition wall 125 .
  • the thermal stress reducing means As one embodiment of the thermal stress reducing means, the thermal stress reducing means, the heat exchange medium flow rate flowing into the inner space of the tube 200 in the region adjacent to the bulkhead 125, which is the boundary line between the front and rear heat exchange units, is in the remaining area.
  • the tube 200 may have a flow rate distribution structure formed in the tank 120 in a region adjacent to the bulkhead so as to be formed relatively less than the flow rate of the heat exchange medium flowing into the inner space.
  • one end is fixed to the inner surface of the tank 120 and the other end is spaced apart from the inner space of the tube 200, and the heat exchange medium circulated from the area adjacent to the partition wall to the inner space of the tube 200 It may be a flow rate control baffle 121 formed to reduce the flow rate of
  • a part of the tank 120 protrudes inside the header tank 100, and the end of the protrusion is spaced apart from the inner space of the tube 200, and the tube 200 in the area adjacent to the partition wall. It may be a flow rate control rib 122 formed to reduce the flow rate of the heat exchange medium flowing into the space.
  • the flow distribution structure may be formed on a side of the front and rear heat exchange units having a relatively higher temperature of the heat exchange medium. More specifically, in the heat exchanger 1000, the temperature of the heat exchange medium flowing through the rear heat exchange unit is formed to be higher than the temperature of the heat exchange medium flowing through the front heat exchange unit, so that the flow rate distribution structure is formed on the rear heat exchange unit side.
  • the flow distribution structure can be applied to all the tube 200 positions.
  • the flow distribution structure may be formed to be spaced apart only at positions opposite to the positions of the respective tubes 200 .
  • the flow distribution structure may be formed to face 10 to 20% of the width of the tube 200 .
  • the thermal stress reducing means may be an air pocket 123 formed in the form of an empty space inside the partition 125 .
  • the air pocket 123 may extend in the extension direction of the partition wall 125 .
  • the air pocket 123 may be formed in an open shape at an end of the air pocket 123 toward the header 120 .
  • the air pocket 123 may have an open portion closed by a gasket 150 provided at a coupling portion between the header 110 and the tank 120 .
  • the gasket 150 may be provided with a sealing protrusion 151 protruding from a position corresponding to the open portion of the air pocket 123 .
  • a leak check passage 124 in the form of a flow path for communicating the air pocket 123 and the outside may be formed on the tank 120 .
  • the heat exchanger 1000 may be a radiator that distributes high-temperature cooling water and low-temperature cooling water.
  • the present invention in the integrated heat exchanger for cooling two types of heat exchange media having different temperatures, air pockets are formed in the flow distribution structure in the tank or on the bulkhead in the tank to effectively disperse the thermal stress generated due to the temperature difference. can have an effect.
  • the core of the heat exchanger is divided into front and rear for cooling two types of heat exchange media, and it is known that the concentration of thermal stress at the front and rear division boundary is the most severe.
  • the concentration of thermal stress is relieved by applying a structure that reduces the flow rate by partially blocking the ends of the tubes at the boundary where the tubes are adjacent as an embodiment.
  • such flow distribution is realized by using a baffle or a tank inner protrusion structure formed adjacent to the partition wall formed in the tank.
  • an air pocket is formed in the partition wall to effectively insulate the front and rear sides.
  • 1 is an embodiment of a conventional integrated heat exchanger.
  • Figure 2 is a perspective view of the first embodiment of the structure of the integrated heat exchanger tank of the present invention.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the first embodiment of the structure of the integrated heat exchanger tank of the present invention.
  • Figure 4 is a perspective view of a second embodiment of the structure of the integrated heat exchanger tank of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a second embodiment of the structure of the integrated heat exchanger tank of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a third embodiment of the integrated heat exchanger tank structure of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a fourth embodiment of the structure of the integrated heat exchanger tank of the present invention.
  • the heat exchanger to be dealt with in the present invention is an integrated heat exchanger configured to separately flow different types of heat exchange media having different temperatures. It is a heat exchanger formed in a double front and rear. More specifically, as briefly described above with reference to FIG. 1 , the heat exchanger 1000 includes a header 110 and a tank 120 that are coupled to form a fluid flow space therein, and are spaced apart from each other by a predetermined distance to be parallel to each other. A pair of header tanks 100 are formed, and both ends are fixed to the header tank 100 to form a flow path of a heat exchange medium, but include a plurality of tubes 200 arranged in two rows in the front and rear directions, and the tube ( 200) may further include a plurality of pins interposed between them.
  • the internal space of the header tank 100 is separated back and forth by the partition wall 125, and heat exchange media having different average temperatures are circulated to each of the front and rear heat exchange units. That is, it has a similar shape to a general two-row heat exchanger, but since the bulkhead 125 completely separates the front heat exchange part and the rear heat exchange part, different heat exchange media can be independently circulated to the front heat exchange part and the rear heat exchange part.
  • a heat exchanger in which heterogeneous heat exchange media having different average temperatures for each region are circulated there may be, for example, a radiator for circulating high-temperature coolant and low-temperature coolant.
  • the high-temperature coolant may function to cool the heat of the engine through a coolant circuit including the engine
  • the low-temperature coolant may function to cool the electrical components through a coolant circuit including relatively low-temperature electrical components.
  • the present invention is intended to reduce the concentration of thermal stress in this part. Since it is impossible to change the temperature range condition of the heat exchange medium circulating in each of the front and rear heat exchange units, the phenomenon in which thermal stress is concentrated cannot be eliminated. However, if the rapid temperature range change around the boundary line is more relaxed, that is, if the temperature range is made to change more gently in the vicinity of the boundary line, it can be expected that the concentration of thermal stress as described above can be significantly reduced. .
  • the thermal stress reducing means may have a flow rate distribution structure as an embodiment, and may be an air pocket as another embodiment. Each will be described in more detail below.
  • thermal stress reduction means flow distribution structure
  • the flow rate of the heat exchange medium is reduced by forming a flow rate distribution structure in the tank 120 in the region adjacent to the bulkhead 125, which is the boundary line of the front and rear heat exchange units. . More specifically, the flow rate of the heat exchange medium flowing from the region adjacent to the partition wall to the inner space of the tube 200 is formed to be relatively smaller than the flow rate of the heat exchange medium flowing from the remaining region to the inner space of the tube 200 . In this way, the amount of heat exchange medium present in the region adjacent to the barrier rib itself is reduced, and accordingly, the temperature gradient changes more gently. As a result, the concentration of thermal stress can be significantly alleviated. That is, the flow distribution structure is a thermal stress reducing means.
  • FIG. 2 is a perspective view of a first embodiment of the integrated heat exchanger tank structure of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view thereof, respectively.
  • a gasket is generally further provided at the coupling portion between the header 110 and the tank 120 for sealing. However, the gasket is omitted in FIG. 2, which is a perspective view, for simplification of the drawing. 3, the gasket 150 is shown.
  • one end is fixed to the inner surface of the tank 120 and the other end is spaced apart from the inner space of the tube 200, It is formed as a flow rate control baffle 121 formed to reduce the flow rate of the heat exchange medium flowing into the inner space of the tube 200 in the region adjacent to the partition wall. As shown in FIG.
  • the other end of the flow control baffle 121 is spaced upward by a predetermined distance from the end of the tube 200 to cover the opening of a portion of the end of the tube 200, but, of course, this invention This is not limited.
  • the other end of the flow control baffle 121 may be formed to extend to the inner space of the tube 200.
  • the outer diameter of the other end of the flow control baffle 121 is slightly smaller than the inner diameter of the tube 200. You may. That is, in this case, the other end of the flow control baffle 121 is fitted with a small gap in the inner space of the tube 200, and thus the flow rate can be reduced by reducing the flow path area itself.
  • the flow control baffle 121 is a structure fixed to the tank 120 , and it is preferable that it be manufactured as a single mold as one body with the tank 120 . In consideration of this manufacturing convenience, as shown in FIG. 3 , it is preferable that one end of the flow rate control baffle 121 extends to the inner ceiling of the tank 120 and is connected to form.
  • the flow distribution structure includes the tank ( 120) A portion protrudes into the header tank 100 and the end of the protrusion is spaced apart from the inner space of the tube 200 to reduce the flow rate of the heat exchange medium flowing from the area adjacent to the bulkhead to the inner space of the tube 200 It is formed as a flow rate control rib 122 formed to do so.
  • the flow control rib 122 is integrally formed with the tank 120 as shown. can be formed.
  • the flow control rib 122 also has a shape that covers the opening of a part of the end of the tube 200, thereby reducing the flow rate of the heat exchange medium flowing into the inner space of the tube 200 do.
  • the flow rate distribution structure is formed on the side where the temperature of the heat exchange medium is relatively higher among the front and rear heat exchange units. It goes without saying that the higher the temperature of the heat exchange medium, the greater the degree of thermal expansion, and accordingly, more concentration of thermal stress occurs.
  • the temperature of the heat exchange medium flowing through the rear heat exchange unit is formed to be higher than the temperature of the heat exchange medium flowing through the front heat exchange unit, and the flow rate distribution structure is shown to be formed on the rear heat exchange unit side.
  • the flow distribution structure since thermal stress concentration occurs throughout the front heat exchange unit and the rear heat exchange unit, it is preferable that the flow distribution structure be applied to all the tube 200 positions. In addition, it is preferable that the flow distribution structure is formed to be spaced apart only at positions opposite to the positions of the respective tubes 200 so as not to occupy the inner space of the header tank 100 too much.
  • the flow distribution structure may be formed to have the same degree of reducing the distribution of the heat exchange medium with respect to the position of each of the tubes 200 . That is, the degree of covering the end of the tube 200 is the same for all the tubes 200 .
  • this does not necessarily have to be the case, and the detailed description thereof is as follows.
  • the high temperature heat exchange medium flows into the inlet and flows through the heat exchange unit, and the temperature drops by exchanging heat with external air, and the low temperature heat exchange medium is discharged through the outlet. That is, even within one heat exchange unit, the temperature of the heat exchange medium at the inlet side is higher and the temperature of the heat exchange medium at the outlet side is lower.
  • the outlet side of the high-temperature heat exchanger (the part with the lowest temperature in the high-temperature heat exchanger) and the inlet side of the low-temperature heat exchanger (the part with the highest temperature in the low-temperature heat exchanger) are arranged adjacent to each other, in this part, between the high-temperature/low-temperature heat exchanger
  • the temperature difference may not be very large.
  • the inlet side of the high-temperature heat exchanger (the part with the highest temperature in the high-temperature heat exchanger) and the outlet side of the low-temperature heat exchanger (the part with the lowest temperature in the low-temperature heat exchanger) will be arranged adjacently, and here the temperature difference will occur most severely.
  • the flow distribution structure may be formed to have a different degree of reducing the distribution of the heat exchange medium with respect to each of the tube 200 positions.
  • FIG. 6 shows an embodiment of a temperature gradient in the prior art and in the present invention.
  • the temperature of the heat exchange medium flowing through the rear heat exchange unit is higher than the temperature of the heat exchange medium flowing through the front heat exchange unit. is formed high. That is, the temperature of the rear tube side is higher than that of the front tube side.
  • the temperature difference between the front/rear side of the partition wall is occurring quite rapidly in the area adjacent to the partition wall.
  • FIG. 7 is a graph comparing the temperature gradient in the prior art and in the present invention, and the result of FIG. 6 is expressed as a graph.
  • the graph of ⁇ Conventional> is indicated by a dotted line
  • the graph of ⁇ Invention> is indicated by a solid line.
  • FIG. 7 in the case of ⁇ conventional> without a flow rate distribution structure, a sharply bent portion appears in the temperature gradient graph.
  • the sharply bent part in the ⁇ conventional> is drawn in a fairly gentle shape. As such, as the temperature gradient is gently formed, the degree of thermal expansion is also gradually changed, and as a result, the concentration of thermal stress can be much relieved and reduced compared to the prior art.
  • the flow distribution structure reduces the flow rate of the heat exchange medium by blocking a part of the tube to prevent the heat exchange medium from flowing well into the tube. There is a risk of lowering the performance. Considering this point, it is not preferable that the flow distribution structure be formed too large. On the other hand, if the flow distribution structure is formed too little, the thermal stress concentration relief effect as described above will not be obtained. Considering these various matters and the aspects shown in the graph of FIG. 7 together, the flow distribution structure is preferably formed to face 10 to 20% of the width of the tube 200 .
  • thermal stress reduction means air pocket
  • the temperature gradient in the vicinity of the bulkhead changes rapidly, thereby increasing the degree of thermal expansion. It is effective in solving the problem of concentration of thermal stress due to sudden change. Conventionally, due to the thermal stress concentration problem, the temperature difference between the heat exchange media distributed in each space of both sides of the header tank could not be made too large. However, by introducing the present invention, it is possible to design a larger temperature difference between heat exchange media than in the prior art.
  • the heat exchanger header tank is often provided with a baffle extending in the cross-sectional direction of the header tank as well as a bulkhead extending in the longitudinal direction of the header tank in order to control the flow path of the heat exchange medium.
  • the third embodiment is to prevent this problem, that is, when the temperature difference between both sides of the partition wall 125 is too large, the problem that the baffle 130 is twisted due to the difference in the degree of thermal expansion on both sides occurs.
  • 9 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the integrated heat exchanger tank structure of the present invention.
  • an air pocket 123 in the form of an empty space is formed on the partition 125 and inside the partition 125 .
  • the air pocket 123 preferably extends in the extending direction of the partition wall 125 as shown.
  • the air pocket 123 is filled with air as an empty space, thereby effectively preventing unnecessary heat transfer through the partition wall 125 . That is, in this embodiment, the air pocket 123 is the thermal stress reducing means.
  • the air pocket 123 may be applied to the heat exchanger in which the flow rate distribution structure is formed.
  • the thermal stress concentration in the vicinity of the front and rear boundary lines can be much alleviated by the heat insulation effect. That is, in the heat exchanger 1000 of the present invention, both or either one of the flow distribution structure described in [1] or the air pocket described in [2] can be appropriately and selectively employed as the thermal stress reducing means.
  • the air pocket 123 may be made only in the form of an empty space inside the partition wall 125 , and when the tank 120 is extrusion-molded, there is no major problem in making such a shape.
  • the end of the air pocket 123 toward the header 120 is formed in an open form You can do it.
  • the header 120 side ends of the bulkhead 125 and the air pocket 123 are completely sealed by the gasket 150 , so the header 120 side ends of the air pocket 123 are open. This does not pose any problem to the performance of the partition wall 125 (isolation of the heat exchange medium flow space in the front-rear direction).
  • the gasket 150 has a sealing protrusion 151 protruding at a position corresponding to the open portion of the air pocket 123 . ) is preferably formed. Since the closing protrusion 151 is inserted into the open portion of the air pocket 123, the air pocket 123 can be firmly sealed. In addition, since the open part of the air pocket 123 naturally guides the sealing protrusion 151 during the insertion process, the sealing protrusion 151 deviates from its original position when assembling the gasket 150 and is incorrectly assembled. It also serves to prevent it from happening.
  • the present invention is not limited thereto, and the air pocket 123 of the third embodiment is also applied to the second embodiment. It goes without saying that the air pocket 123 may be applied to a heat exchanger to which the first and second embodiments are not applied.
  • FIG. 10 is a sectional view showing a fourth embodiment of the integral heat exchanger tank structure of the present invention.
  • a leak check path 124 in the form of a flow path for communicating the air pocket 123 and the outside is provided on the tank 120. It is preferable to form
  • a leak inspection is performed to check whether there is a gap generated during assembly by blowing air, that is, there is no risk of leakage when the heat exchange medium is later distributed. is done This leak test is generally performed for each of the front and rear spaces, that is, the leak test has to be performed twice in the prior art.
  • the leak check path 124 when there is a gap between the partition wall 125 and the header 120 , air must always flow into the leak check path 124 along the air pocket 123 . Since it is discharged, the leak test for each space in the front and rear can be made at the same time. That is, by forming the leak check path 124, the leak inspection process can be reduced from No. 2 to No. 1, thereby improving productivity.
  • air pockets are formed in the flow distribution structure in the tank or on the bulkhead in the tank to effectively disperse the thermal stress generated due to the temperature difference. can have an effect. Accordingly, in particular, it is applied to the radiator of a hybrid vehicle through which high-temperature coolant for engine cooling and low-temperature coolant for electric component cooling are distributed, thereby greatly improving durability and lifespan.

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Abstract

본 발명은 열응력 저감수단을 가지는 열교환기에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 각각 온도가 다른 2종의 열교환매체를 냉각하는 일체형 열교환기에 있어서, 온도차이로 인하여 발생되는 열응력을 효과적으로 분산시킬 수 있도록 탱크 내에 유량 배분 구조를 가지는, 열응력 저감수단을 가지는 열교환기를 제공함에 있다.

Description

열응력 저감수단을 가지는 열교환기
본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각각 온도가 다른 2종의 열교환매체를 냉각하는 일체형 열교환기에 있어서, 온도차이로 인하여 발생되는 열응력을 효과적으로 분산시킬 수 있도록 하는 열응력 저감수단을 가지는 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 엔진 룸 내에는 엔진 등과 같은 구동을 위한 부품뿐만 아니라, 엔진 등과 같은 차량 내 각 부품을 냉각하거나 또는 차량 실내의 공기 온도를 조절하기 위한 라디에이터, 인터쿨러, 증발기, 응축기 등과 같은 다양한 열교환기들이 구비된다. 이와 같은 열교환기들은 일반적으로 내부에 열교환매체가 유통하며, 열교환기 내부의 열교환매체와 열교환기 외부의 공기가 서로 열교환함으로써 냉각 또는 방열이 이루어지게 된다.
많은 경우 열교환기에는 1종의 열교환매체가 유통되지만, 필요에 따라 2종의 열교환매체가 유통되는 열교환기들이 일체로 형성되는 경우도 있다. 예를 들어 자동차의 라디에이터 및 오일쿨러의 경우, 라디에이터에는 엔진을 냉각하기 위한 냉각수가 유통되며 오일쿨러에는 엔진오일, 미션오일 등과 같은 오일이 유통된다. 물론 이들이 각각 별도의 장치로서 형성되는 경우도 있으나, 엔진룸 공간활용성을 높이기 위한 목적으로나, 냉각수를 이용하여 오일을 냉각하는 수랭식 오일쿨러 구조가 도입되는 등과 같이 이들이 일체형으로 형성되는 경우도 많다.
열교환기에서 열교환이 주로 일어나는 부분은 튜브들이 적층되어 있는 부분이며, 일반적으로 이러한 부분을 열교환기의 코어(core)라 칭한다. 종래에는 상술한 바와 같이 2종의 열교환매체가 유통되는 일체형 열교환기에서 각 열교환매체가 유통되는 코어들이 직렬로 연결되는 구조를 가지는 경우가 많았다. 한편 최근에는 코어들이 병렬로 연결되는 구조를 채택하는 경우들이 있다. 도 1은 2종의 열교환매체가 유통되는 각 코어가 병렬로 연결되는 구조로 된 종래의 일체형 열교환기의 한 실시예를 도시하고 있다. 도 1의 실시예에 따른 일체형 열교환기는, 1종의 열교환매체가 유통되는 열교환기와 거의 유사한 구조로 된 코어 2개가 서로 병렬로 연결되어 있는 구조로서, 쉽게 이해하자면 2열 열교환기 형태이되 각 열에 유통되는 열교환매체들을 서로 격리하도록 헤더탱크 내부에 구획수단이 형성되어 있는 구조라고 할 수 있다. 한국특허등록 제0825709호("열교환기", 2008.04.22.) 등에 2열 열교환기의 구성이 잘 나타나 있다.
구체적으로는, 이러한 열교환기(100)는, 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크(100), 상기 헤더탱크(100)에 양단이 고정되어 냉매의 유로를 형성하는 복수 개의 튜브(200), 부가적으로 상기 튜브(200)들 사이에 개재되는 복수 개의 핀을 포함한다. 이 때 상기 튜브(200)는 전후 2열로 형성되며, 상기 헤더탱크(100)는 각각의 튜브열이 연통되는 공간을 서로 구획하도록 내부에 길이방향으로 연장되는 격벽(125)을 포함한다. 이에 따라 상기 튜브(200)의 제1, 2열 각각에 유통되는 제1, 2열교환매체는 서로 만나지 않고 격리되어 유통될 수 있게 된다. 물론 상기 헤더탱크(100)에는 각 열교환매체별로 유입구 및 배출구 쌍이 별도로 구비된다. 도 1에는 열교환매체가 일방향으로 흘러가는 크로스-플로우(cross-flow) 형태로서 제1, 2유입구 및 제1, 2배출구가 서로 반대방향의 헤더탱크가 구비되는 경우를 도시하고 있으나, 열교환매체가 U자형으로 흘러가는 U-플로우(U-flow) 형태일 경우 제1, 2유입구 및 제1, 2배출구는 서로 동일방향의 헤더탱크에 구비될 수도 있다.
이와 같이 형성되는 일체형 열교환기는, 냉각수/오일과 같이 종류 자체가 상이한 2종의 열교환매체가 유통되거나, 또는 저온냉각수/고온냉각수와 같이 온도범위가 상이한 2종의 열교환매체가 유통되는 등 다양한 방식으로 운용된다. 어떠한 경우에서건, 2종의 열교환매체가 유통되는 경우 각각의 열교환매체 자체의 온도범위가 전혀 상이하기 때문에 전후 코어 간에는 상당한 온도차이가 형성된다. 이처럼 온도분포가 불균형하게 형성되면 위치에 따라 열변형되는 정도가 달라지며, 이에 따라 열교환기의 특정 부위에 열응력이 집중되는 문제가 발생한다. 상술한 바와 같은 일체형 열교환기의 경우, 전후 코어가 나뉘는 부분에서 열응력 집중이 가장 크게 나타난다. 이러한 열변형에 따른 열응력 집중은 열교환기의 손상이나 파손의 큰 원인이 되므로, 이에 대한 대처 설계가 필요한 실정이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
1. 한국특허등록 제0825709호("열교환기", 2008.04.22.)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 각각 온도가 다른 2종의 열교환매체를 냉각하는 일체형 열교환기에 있어서, 온도차이로 인하여 발생되는 열응력을 효과적으로 분산시킬 수 있도록 하는 열응력 저감수단을 가지는 열교환기를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기(1000)는, 헤더(110) 및 탱크(120)가 결합되어 내부에 유체유동공간을 형성하며 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크(100), 상기 헤더탱크(100)에 양단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하되 전후 방향으로 2열로 배열되는 복수 개의 튜브(200)를 포함하고, 상기 헤더탱크(100) 내부공간이 격벽(125)에 의해 전후로 격리 구획되어 전후 열교환부 각각에 평균온도가 서로 다른 열교환매체가 유통되는 형태로 이루어지되, 상기 격벽(125)에는 열응력저감수단이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
열응력저감수단의 한 실시예로서, 상기 열응력저감수단은, 전후 열교환부의 경계선인 상기 격벽(125)에 인접한 격벽인접영역에서 상기 튜브(200) 내부공간으로 유통되는 열교환매체 유량이 나머지 영역에서 상기 튜브(200) 내부공간으로 유통되는 열교환매체 유량보다 상대적으로 적게 형성되도록, 상기 격벽인접영역에서 상기 탱크(120)에 형성되는 유량배분구조일 수 있다.
이 때 상기 유량배분구조는, 일단이 상기 탱크(120) 내면에 고정되고 타단이 상기 튜브(200) 내부공간으로부터 이격 배치되어, 상기 격벽인접영역에서 상기 튜브(200) 내부공간으로 유통되는 열교환매체의 유량을 저감하도록 형성되는 유량조절배플(121)일 수 있다.
또는 상기 유량배분구조는, 상기 탱크(120) 일부가 상기 헤더탱크(100) 내측으로 돌출되되 돌출부 끝단이 상기 튜브(200) 내부공간으로부터 이격 배치되어, 상기 격벽인접영역에서 상기 튜브(200) 내부공간으로 유통되는 열교환매체의 유량을 저감하도록 형성되는 유량조절리브(122)일 수 있다.
또한 상기 유량배분구조는, 전후 열교환부 중 열교환매체의 온도가 상대적으로 더 높은 측에 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 열교환기(1000)는, 후방 열교환부에 유통되는 열교환매체의 온도가 전방 열교환부에 유통되는 열교환매체의 온도보다 높게 형성되어, 상기 유량배분구조가 후방 열교환부 측에 형성될 수 있다.
또한 상기 유량배분구조는, 모든 상기 튜브(200) 위치에 대하여 적용 형성될 수 있다.
또한 상기 유량배분구조는, 각각의 상기 튜브(200) 위치에 대향하는 위치에만 이격되도록 형성될 수 있다.
또한 상기 유량배분구조는, 상기 튜브(200) 너비의 10~20% 범위에 대향하도록 형성될 수 있다.
열응력저감수단의 다른 실시예로서, 상기 열응력저감수단은, 상기 격벽(125) 내부에 빈 공간 형태로 형성되는 에어포켓(123)일 수 있다.
이 때 상기 에어포켓(123)은, 상기 격벽(125)의 연장방향으로 연장될 수 있다.
또한 상기 에어포켓(123)은, 상기 에어포켓(123)의 상기 헤더(120) 쪽 끝단이 개방된 형태로 형성될 수 있다.
이 때 상기 에어포켓(123)은, 상기 헤더(110) 및 상기 탱크(120)의 결합부분에 구비되는 가스켓(150)에 의해 개방된 부분이 밀폐될 수 있다.
또한 이 때 상기 가스켓(150)은, 상기 에어포켓(123)의 개방된 부분에 상응하는 위치에 돌출 형성되는 밀폐돌기(151)가 형성될 수 있다.
또한 상기 열교환기(1000)는, 상기 탱크(120) 상에 상기 에어포켓(123) 및 외부를 연통시키는 유로 형태의 누출확인로(124)가 형성될 수 있다.
또한 상기 열교환기(1000)는, 고온냉각수 및 저온냉각수를 유통시키는 라디에이터일 수 있다.
본 발명에 의하면, 각각 온도가 다른 2종의 열교환매체를 냉각하는 일체형 열교환기에 있어서, 탱크 내에 유량 배분 구조 또는 탱크 내 격벽 상에 에어포켓이 형성됨으로써 온도차이로 인하여 발생되는 열응력을 효과적으로 분산시킬 수 있는 효과가 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 열교환기는, 열교환기의 코어가 2종의 열교환매체 냉각을 위하여 전후로 구분되는데, 전후 구분 경계부에서의 열응력 집중이 가장 심한 것으로 알려진다. 이 때 본 발명에서는, 한 실시예로서 튜브들이 인접해 있는 경계부에서 튜브의 끝단을 일부 막음으로써 유량을 감소시키는 구조를 적용함으로써 열응력 집중을 완화한다. 특히 본 발명에서는 이와 같은 유량 배분을 탱크 내에 형성된 격벽에 인접하게 형성되는 배플 또는 탱크 내측돌출구조를 이용하여 실현한다. 또는 다른 실시예로서, 격벽 내에 에어포켓을 형성하여 전후방 간에 효과적인 단열이 이루어지게 한다.
이처럼 유량배분구조가 형성됨으로써, 전방 및 후방 코어에 각각 서로 다른 온도범위를 가지는 열교환매체가 유통되는 과정에서, 경계부에서의 온도구배를 보다 완만하게 만들어 온도 불균형 문제를 저감할 수 있는 효과가 있다. 물론 이에 따라 열응력이 효과적으로 분산되며, 궁극적으로 헤더 및 튜브 간 연결에서의 손상 및 파손 문제를 크게 저감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 일체형 열교환기의 한 실시예.
도 2는 본 발명의 일체형 열교환기 탱크 구조의 제1실시예 사시도.
도 3은 본 발명의 일체형 열교환기 탱크 구조의 제1실시예 단면도.
도 4는 본 발명의 일체형 열교환기 탱크 구조의 제2실시예 사시도.
도 5는 본 발명의 일체형 열교환기 탱크 구조의 제2실시예 단면도.
도 6은 종래 및 본 발명에서의 온도 구배 실시예.
도 7은 종래 및 본 발명에서의 온도 구배 비교 그래프.
도 8은 일체형 열교환기에서 양쪽 열교환매체 온도차가 클 경우 배플 변형.
도 9는 본 발명의 일체형 열교환기 탱크 구조의 제3실시예 단면도.
도 10은 본 발명의 일체형 열교환기 탱크 구조의 제4실시예 단면도.
** 부호의 설명 **
1000 : 열교환기
100 : 헤더탱크
110 : 헤더 120 : 탱크
121 : 유량배분배플 122 : 유량배분리브
123 : 에어포켓 124 : 누출확인로
125 : 격벽
150 : 가스켓 155 : 밀폐돌기
200 : 튜브
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 열교환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명에서 다루고자 하는 열교환기는 온도가 서로 다른 이종의 열교환매체를 따로 유통시키도록 이루어지는 일체형 열교환기로서, 특히 튜브가 전방 및 후방의 2열로 형성되어 코어(core), 즉 주로 열교환이 일어나는 열교환부가 전후 이중으로 형성되는 열교환기이다. 구체적으로 설명하자면, 앞서 도 1을 통해 간략히 설명한 바와 같이, 상기 열교환기(1000)는, 헤더(110) 및 탱크(120)가 결합되어 내부에 유체유동공간을 형성하며 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크(100), 상기 헤더탱크(100)에 양단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하되 전후 방향으로 2열로 배열되는 복수 개의 튜브(200)를 포함하며, 더불어 상기 튜브(200)들 사이에 개재되는 복수 개의 핀을 더 포함할 수 있다.
이 때 상기 열교환기(1000)는, 상기 헤더탱크(100) 내부공간이 격벽(125)에 의해 전후로 격리 구획되어 전후 열교환부 각각에 평균온도가 서로 다른 열교환매체가 유통된다. 즉 일반적인 2열 열교환기와 유사한 형태이되, 상기 격벽(125)이 전방 열교환부 및 후방 열교환부를 완전히 격리하고 있기 때문에 전방 열교환부 및 후방 열교환부에 서로 다른 열교환매체가 독립적으로 유통될 수 있게 된 것이다. 이와 같이 영역별로 서로 다른 평균온도를 가지는 이종의 열교환매체가 유통되는 형태로 된 열교환기로서, 예를 들면 고온냉각수 및 저온냉각수를 유통시키는 라디에이터 등과 같은 것이 있을 수 있다. 여기에서 고온냉각수는 엔진을 포함하는 냉각수회로를 거쳐 엔진의 열을 냉각하는 기능을 할 수 있고, 저온냉각수는 상대적으로 저온인 전장부품들을 포함하는 냉각수회로를 거쳐 전장부품을 냉각하는 기능을 할 수 있다.
이와 같은 열교환기에 있어서, 고온의 열교환매체가 유통되는 부분과 저온의 열교환매체가 유통되는 부분은 당연히 열팽창 정도가 다르다. 열교환기의 각 부품들이 서로 용접되어 단단히 고정되어 있는 상태에서, 전체적으로 열팽창 정도가 고르게 형성된다면 큰 문제가 없겠지만, 이처럼 국부적으로 열팽창 정도가 크게 다르게 형성되는 부분이 형성된다면, 해당 부분에서는 당연히 열응력이 과도하게 집중되어 결국에는 파손이 일어나게 된다. 본 발명의 열교환기(1000)의 경우, 전후 열교환부의 경계선인 상기 격벽(125) 부근이 가장 열응력이 집중되는 부분이 된다.
본 발명에서는 바로 이러한 부분에서의 열응력 집중을 저감하고자 한다. 전후 열교환부 각각에 유통되는 열교환매체의 온도범위 조건 자체를 변경할 수는 없으므로 열응력이 집중되는 현상 자체를 없앨 수는 없다. 그러나 경계선을 전후하여 급격하게 온도범위가 바뀌는 것을 보다 완화한다면, 다시 말해 경계선 부근에서 온도범위가 보다 완만하게 바뀌도록 만들어 준다면, 상술한 바와 같은 열응력 집중을 훨씬 저감할 수 있을 것으로 예상할 수 있다.
즉 본 발명에서는, 상기 격벽(125)에 열응력저감수단을 형성함으로써 상술한 바와 같은 문제를 해결한다. 여기에서 상기 열응력저감수단은, 한 실시예로서 유량배분구조일 수도 있고, 다른 실시예로서 에어포켓일 수도 있다. 각각에 대하여 이하에서 보다 상세히 설명한다.
[1] 열응력저감수단의 한 실시예 : 유량배분구조
열응력저감수단의 한 실시예로서, 본 발명에서는, 전후 열교환부의 경계선인 상기 격벽(125)에 인접한 격벽인접영역에서, 상기 탱크(120)에 유량배분구조가 형성되게 함으로써 열교환매체의 유량을 줄인다. 보다 구체적으로 설명하자면, 격벽인접영역에서 상기 튜브(200) 내부공간으로 유통되는 열교환매체 유량이 나머지 영역에서 상기 튜브(200) 내부공간으로 유통되는 열교환매체 유량보다 상대적으로 적게 형성되도록 하는 것이다. 이와 같이 함으로써 격벽인접영역에 존재하는 열교환매체의 양 자체가 줄어들게 되며, 이에 따라 온도구배가 보다 완만하게 변화하는 양상을 띠게 되어 결과적으로 열응력 집중을 훨씬 완화할 수 있다. 즉 상기 유량배분구조가 바로 열응력저감수단이 되는 것이다.
도 2는 본 발명의 일체형 열교환기 탱크 구조의 제1실시예 사시도를, 도 3은 그 단면도를 각각 도시하고 있다. (참고적으로, 상기 헤더(110) 및 상기 탱크(120)가 결합부분에는 밀폐를 위하여 일반적으로 가스켓이 더 구비된다. 다만 도면의 간략화를 위해 사시도인 도 2에서는 가스켓의 도시가 생략되었으며, 도 3에는 가스켓(150)이 도시되어 있다.) 제1실시예에서는, 상기 유량배분구조는, 일단이 상기 탱크(120) 내면에 고정되고 타단이 상기 튜브(200) 내부공간으로부터 이격 배치되어, 상기 격벽인접영역에서 상기 튜브(200) 내부공간으로 유통되는 열교환매체의 유량을 저감하도록 형성되는 유량조절배플(121)로서 형성된다. 도 3에 도시된 바와 같이 상기 유량조절배플(121)의 타단은 상기 튜브(200) 끝단으로부터 상측으로 소정거리 이격되어 상기 튜브(200) 끝단 일부의 개방부를 가리는 형태로 도시되지만, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 상기 유량조절배플(121)의 타단이 상기 튜브(200) 내부공간까지 연장 형성될 수도 있는데, 이 경우 상기 유량조절배플(121) 타단 외경이 상기 튜브(200) 내경보다 약간 작게 형성되게 할 수도 있다. 즉 이 경우에는 상기 유량조절배플(121) 타단이 상기 튜브(200) 내부공간에 약간의 틈새를 가지고 끼워져 있는 형태가 되며, 이와 같이 유로면적 자체를 줄임으로써 유량을 저감할 수도 있다. 한편 상기 유량조절배플(121)은 상기 탱크(120)에 고정되는 구조물로서, 상기 탱크(120)와 일체형으로서 하나의 금형으로 제작될 수 있게 하는 것이 좋다. 이러한 제작상의 편의를 고려하여, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 유량조절배플(121)의 일단이 상기 탱크(120)의 내면 천장까지 연장되어 연결된 형태로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일체형 열교환기 탱크 구조의 제2실시예 사시도를, 도 5는 그 단면도를 각각 도시하고 있다. (여기에서도 도 2 및 도 3에서와 마찬가지로, 도 4에서는 가스켓의 도시가 생략되었으며, 도 5에는 가스켓(150)이 도시되어 있다.) 제2실시예에서는, 상기 유량배분구조는, 상기 탱크(120) 일부가 상기 헤더탱크(100) 내측으로 돌출되되 돌출부 끝단이 상기 튜브(200) 내부공간으로부터 이격 배치되어, 상기 격벽인접영역에서 상기 튜브(200) 내부공간으로 유통되는 열교환매체의 유량을 저감하도록 형성되는 유량조절리브(122)로서 형성된다. 앞서 제1실시예에서의 상기 유량조절배플(121)은 상기 탱크(120)와 별물로 형성되어 조립되는 것과 달리, 상기 유량조절리브(122)는 도시된 바와 같이 상기 탱크(120)와 일체형으로 형성될 수 있다. 상기 유량조절리브(122) 역시 상기 유량조절배플(121)과 마찬가지로, 상기 튜브(200) 끝단 일부의 개방부를 가리는 형태로 이루어짐으로써, 상기 튜브(200) 내부공간으로 흘러들어가는 열교환매체의 유량을 저감한다.
이러한 상기 유량배분구조는, 전후 열교환부 중 열교환매체의 온도가 상대적으로 더 높은 측에 형성되는 것이 바람직하다. 열교환매체의 온도가 높을수록 열팽창 정도가 커지는 것은 당연하며, 이에 따라 열응력 집중이 더 많이 발생하기 때문이다. 도면의 예시에서는, 후방 열교환부에 유통되는 열교환매체의 온도가 전방 열교환부에 유통되는 열교환매체의 온도보다 높게 형성되어, 상기 유량배분구조가 후방 열교환부 측에 형성되는 것으로 도시되어 있다. 외부 공기가 불어오는 방향을 전방, 불어나가는 방향을 후방이라 할 때, 전방 열교환부에 더 높은 온도를 가진 열교환매체를 유통시킬 경우 전방 열교환부를 지난 공기가 지나치게 많은 열을 이미 흡수한 상태가 됨으로써 후방 열교환부에서 충분히 열을 흡수하지 못하여 후방 열교환부에서의 열교환성능이 떨어질 우려가 있다. 이러한 사항을 고려하여 일반적으로 전후로 열교환부가 병렬 배치되는 형태의 열교환기에서는 후방 열교환부에 더 높은 열교환매체가 유통되게 하는 것이 일반적이다. 즉 일반적인 설계 경향 관점에서 볼 때 상기 유량배분구조는 후방 열교환부 측에 형성되는 것이 바람직하다.
한편 본 발명에서는, 전방 열교환부 및 후방 열교환부 전체에 걸쳐 열응력 집중이 발생하기 때문에, 상기 유량배분구조는 모든 상기 튜브(200) 위치에 대하여 적용 형성되는 것이 바람직하다. 더불어 상기 유량배분구조가 지나치게 상기 헤더탱크(100) 내부공간을 차지하지 않도록, 각각의 상기 튜브(200) 위치에 대향하는 위치에만 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 유량배분구조는 각각의 상기 튜브(200) 위치에 대하여 열교환매체의 유통을 저감하는 정도가 서로 동일하게 형성될 수도 있다. 즉 상기 튜브(200) 끝단을 가리는 정도가 모든 상기 튜브(200)에 대하여 동일하게 형성되는 것이다. 그러나 반드시 이렇게 되어야만 하는 것은 아닌데, 이에 대하여 상세히 설명하자면 다음과 같다. 열교환부에서는, 고온의 열교환매체가 유입구로 유입되어 열교환부를 통과하여 흘러가는 과정에서 외부의 공기와 열교환함으로써 온도가 떨어지며, 이렇게 저온이 된 열교환매체가 배출구로 배출된다. 즉 하나의 열교환부 내에서도, 유입구 쪽의 열교환매체 온도가 좀더 높고 배출구 쪽의 열교환매체 온도가 좀더 낮은 것이다. 이 때 평균온도가 더 높은 고온열교환매체가 유통되는 고온열교환부와, 평균온도가 더 낮은 저온열교환매체가 유통되는 저온열교환부를 병렬 배치하였다고 가정한다. 상술한 바와 같은 원리에 따라, 고온열교환부 및 저온열교환부 각각에서는 유입구 쪽이 온도가 제일 높고 배출구 쪽이 온도가 제일 낮을 것이다. 이 때 고온열교환부의 배출구 쪽(고온열교환부에서 온도가 제일 낮은 부분)과 저온열교환부의 유입구 쪽(저온열교환부에서 온도가 제일 높은 부분)이 인접 배치되도록 한다면, 이 부분에서는 고온/저온열교환부 간 온도차이가 그리 크게 발생하지 않을 수도 있다. 한편 이와 같이 할 경우 반대쪽에서는 고온열교환부의 유입구 쪽(고온열교환부에서 온도가 제일 높은 부분)과 저온열교환부의 배출구 쪽(저온열교환부에서 온도가 제일 낮은 부분)이 인접 배치될 것이며, 여기에서는 온도차이가 가장 극심하게 발생할 것이다. 이러한 경우, 온도차이가 큰 쪽에서는 튜브를 좀더 많이 가림으로써 열교환매체의 유량을 보다 많이 줄이고, 온도차이가 작은 쪽에서는 튜브를 좀더 조금 가림으로써 열교환매체의 유량을 보다 적게 줄이는 식으로 설계할 수도 있다. 즉 이처럼, 상기 유량배분구조는, 각각의 상기 튜브(200) 위치에 대하여 열교환매체의 유통을 저감하는 정도가 서로 상이하게 형성될 수도 있다.
도 6은 종래 및 본 발명에서의 온도 구배 실시예를 도시한 것이다. 도 6의 실시예에서는, 앞서 일반적인 2열 열교환기에서의 온도에 따른 열교환부 배치에 대하여 설명한 맥락과 마찬가지로, 후방 열교환부에 유통되는 열교환매체의 온도가 전방 열교환부에 유통되는 열교환매체의 온도보다 높게 형성되게 하고 있다. 즉 후방 튜브(rear tube) 쪽이 전방 튜브(front tube) 쪽보다 온도가 높게 형성되는 것이다. 좌측의 <종래> 도면에서 보이는 바와 같이, 격벽인접영역에서 전방/후방 간 온도차이가 상당히 급격하게 발생하고 있다. 한편 우측의 <본 발명> 도면에서는, 격벽인접영역에서 전방/후방 간 온도차이 스펙트럼이 보다 넓게 퍼져 있으며, 즉 <종래>에 비해 좀더 완만하게 온도변화가 형성되고 있음을 알 수 있다.
도 7은 종래 및 본 발명에서의 온도 구배 비교 그래프로서, 도 6의 결과를 그래프로서 표현한 것이다. <종래>의 그래프가 점선으로 표시되며, <본 발명>의 그래프가 실선으로 표시된다. 도 7에 잘 나타나 있는 바와 같이, 유량배분구조가 없는 <종래>의 경우 온도구배 그래프에 급격하게 꺾이는 부분이 나타난다. 반면 유량배분구조가 있는 <본 발명>의 경우 <종래>에서 급격하게 꺾이던 부분이 상당히 완만한 형태를 그리고 있는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 온도구배가 완만하게 형성됨에 따라 열팽창 정도 역시 완만하게 변화하게 되며, 결과적으로 종래에 비해 열응력 집중이 훨씬 완화 및 저감될 수 있게 된다.
한편 유량배분구조는 결국은 튜브 일부를 가려서 튜브로 열교환매체가 잘 흘러들어가지 못하게 함으로써 열교환매체의 유량을 줄이는 것으로, 유량배분구조가 너무 크게 형성될 경우 전체적인 열교환매체의 흐름 자체에 악영향을 주어 열교환성능을 저하시킬 우려가 있다. 이러한 점을 고려할 때 유량배분구조가 너무 크게 형성되는 것은 바람직하지 못하다. 반면 유량배분구조가 너무 조금 형성되어 있다면 앞서 설명한 바와 같은 열응력 집중 완화 효과를 얻을 수 없게 될 것이다. 이러한 여러 사항들과 도 7의 그래프에 나타난 양상을 함께 고려할 때, 상기 유량배분구조는, 상기 튜브(200) 너비의 10~20% 범위에 대향하도록 형성되는 것이 바람직하다.
[2] 열응력저감수단의 다른 실시예 : 에어포켓
상술한 바와 같이 본 발명에서는, 격벽으로 양분되는 헤더탱크 양쪽 공간에 서로 다른 온도의 열교환매체가 유통될 때, 본 발명의 유량배분구조를 도입함으로써, 격벽 부근에서 온도구배가 급격히 변화함으로써 열팽창 정도의 급변으로 인한 열응력 집중 문제를 해소하는 효과가 있다. 종래라면 열응력 집중 문제 때문에 헤더탱크 양쪽 각각의 공간에 유통되는 열교환매체들 간의 온도차를 너무 크게 할 수 없었다. 그러나 본 발명을 도입함으로써 종래보다 열교환매체들 간의 온도차를 보다 크게 설계할 수 있게 된다.
다만 이렇게 할 경우 격벽을 사이에 두고 지나치게 온도차가 크게 나타나게 되어, 격벽을 통해 열교환매체들 간에 불필요하고 원치않는 열전달이 상당하게 발생할 우려가 있다. 뿐만 아니라 격벽 양쪽의 온도차가 너무 커지게 되면, 격벽의 열팽창 정도도 양쪽이 상당히 불균형해질 수 있다. 한편 일반적으로 열교환기 헤더탱크에는 열교환매체의 유로 경로를 조절하기 위해 헤더탱크 길이방향으로 연장되는 격벽 뿐만 아니라 헤더탱크 단면방향으로 연장되는 배플이 구비되는 경우가 많다. 그런데 이렇게 2열 헤더탱크에서 격벽 양쪽의 열팽창 정도가 달라지게 되면, 헤더탱크 내부형상에 꼭 맞게 형성되는 배플이 변형되거나 또는 배플과 탱크 접촉이 벌어지게 될 우려가 있다. 도 8은 일체형 열교환기에서 양쪽 열교환매체 온도차가 클 경우 배플 변형의 예시를 도시하고 있다. 이처럼 배플(130) 및 탱크(120) 간에 틈새가 발생하면 열교환매체가 원치않은 공간으로 흘러들어가게 되어 설계한 대로의 열교환성능을 얻을 수 없게 되는 문제가 있다.
제3실시예는 바로 이러한 문제, 즉 상기 격벽(125) 양측의 온도차가 너무 클 경우 양면 열팽창 정도 차이에 의하여 상기 배플(130)이 뒤틀어지는 변형이 발생하는 문제를 방지하기 위한 것이다. 도 9는 본 발명의 일체형 열교환기 탱크 구조의 제3실시예 단면도를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 제3실시예에서는, 상기 격벽(125) 상에 상기 격벽(125) 내부에 빈 공간 형태의 에어포켓(123)이 형성된다. 상기 에어포켓(123)은 도시된 바와 같이 상기 격벽(125)의 연장방향으로 연장되는 것이 바람직하다. 상기 에어포켓(123) 내부는 빈 공간으로서 공기가 채워짐으로써, 상기 격벽(125)을 통한 불필요한 열전달을 효과적으로 막아줄 수 있다. 즉 본 실시예에서는 상기 에어포켓(123)이 바로 열응력저감수단이 된다.
첨언하자면, 앞서 설명한 바와 같이 상기 유량배분구조가 형성되어 있는 열교환기에 상기 에어포켓(123)이 적용될 수도 있다. 그러나 상기 유량배분구조 없이 상기 에어포켓(123)만 적용되어도 무방함은 당연하며, 이렇게 하여도 단열효과에 의하여 전후방 경계선 부근에서의 열응력 집중을 훨씬 완화할 수 있다. 즉 본 발명의 열교환기(1000)에서는, 열응력저감수단으로서 [1]에서 설명된 유량배분구조 또는 [2]에서 설명된 에어포켓 중에서 둘 다 또는 둘 중 하나를 적절히 선택적으로 채용할 수 있다.
한편 상기 에어포켓(123)은, 상기 격벽(125) 내부의 빈 공간 형태로만 만들어져도 되며, 상기 탱크(120)가 압출성형되는 경우 이러한 형상을 만드는데 큰 문제는 없다. 그러나 형상의 복잡성이 높아지면 제작 중 불량률이 높아질 우려가 있는 등의 문제를 고려할 때, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 에어포켓(123)의 상기 헤더(120) 쪽 끝단이 개방된 형태로 형성되도록 하여도 된다. 어차피 상기 격벽(125) 및 상기 에어포켓(123)의 상기 헤더(120) 쪽 끝단은 상기 가스켓(150)에 의하여 완전 밀폐되기 때문에, 상기 에어포켓(123)의 상기 헤더(120) 쪽 끝단이 개방되어 있는 것은 상기 격벽(125)의 역할 수행(전후방향으로 열교환매체 유동공간 격리)에 아무런 문제를 끼치지 않는다. 즉 상기 에어포켓(123)의 개방된 부분은 상기 가스켓(150)에 의해 밀폐되는 것이다. 이 때 상기 에어포켓(123)의 개방된 부분의 밀폐를 더욱 확고하게 할 수 있도록, 상기 가스켓(150)은 상기 에어포켓(123)의 개방된 부분에 상응하는 위치에 돌출 형성되는 밀폐돌기(151)가 형성되는 것이 바람직하다. 상기 밀폐돌기(151)가 상기 에어포켓(123)의 개방된 부분에 삽입됨으로써 상기 에어포켓(123)의 밀폐가 확고하게 이루어질 수 있다. 뿐만 아니라, 삽입과정에서 상기 에어포켓(123)의 개방된 부분이 자연스럽게 상기 밀폐돌기(151)을 안내하기 때문에, 상기 밀폐돌기(151)는 상기 가스켓(150) 조립 시 정위치를 이탈하여 오조립되는 것을 방지하는 역할을 겸하게 된다.
한편 도 9에서 유량배분구조는 도 2 및 도 3에 도시된 제1실시예로 도시되어 있으나, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 제2실시예에도 제3실시예의 에어포켓(123)을 적용할 수 있으며, 또는 제1, 2실시예가 적용되지 않은 열교환기에도 상기 에어포켓(123)을 적용할 수 있음은 물론이다.
도 10은 본 발명의 일체형 열교환기 탱크 구조의 제4실시예 단면도를 도시하고 있다. 상술한 바와 같이 상기 격벽(125) 상에 상기 에어포켓(123)이 형성되어 있는 경우, 상기 탱크(120) 상에는 상기 에어포켓(123) 및 외부를 연통시키는 유로 형태의 누출확인로(124)가 형성되는 것이 바람직하다. 상기 헤더탱크(100)를 제작하는 과정 중에서는 반드시 공기를 불어넣어 조립 중 틈새가 발생한 부분이 없는지, 즉 추후 열교환매체를 유통시킬 때 누출이 발생될 우려는 없는지를 확인하는 누출(leak) 검사가 이루어진다. 이러한 누출검사는 일반적으로는 전방 및 후방 각각의 공간에 대하여 수행되며, 즉 누출검사는 종래에 반드시 2번 수행되어야 하였다. 그러나 이처럼 누출확인로(124)가 형성되어 있을 경우, 상기 격벽(125) 및 상기 헤더(120) 사이에 틈새가 존재할 경우 공기가 반드시 상기 에어포켓(123)을 따라 상기 누출확인로(124)로 방출되게 되므로, 전방 및 후방 각각의 공간에 대한 누출검사가 동시에 이루어질 수 있다. 즉 상기 누출확인로(124)를 형성함으로써, 누출검사 공정을 2번에서 1번으로 줄일 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 의하면, 각각 온도가 다른 2종의 열교환매체를 냉각하는 일체형 열교환기에 있어서, 탱크 내에 유량 배분 구조 또는 탱크 내 격벽 상에 에어포켓이 형성됨으로써 온도차이로 인하여 발생되는 열응력을 효과적으로 분산시킬 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 특히 엔진냉각용 고온냉각수 및 전장부품냉각용 저온냉각수가 유통되는 하이브리드 차량의 라디에이터에 적용되어 내구성 및 수명을 크게 향상시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 헤더 및 탱크가 결합되어 내부에 유체유동공간을 형성하며 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크, 상기 헤더탱크에 양단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하되 전후 방향으로 2열로 배열되는 복수 개의 튜브를 포함하고,
    상기 헤더탱크 내부공간이 격벽에 의해 전후로 격리 구획되어 전후 열교환부 각각에 평균온도가 서로 다른 열교환매체가 유통되는 형태로 이루어지되,
    상기 격벽에는 열응력저감수단이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열응력저감수단은,
    전후 열교환부의 경계선인 상기 격벽에 인접한 격벽인접영역에서 상기 튜브 내부공간으로 유통되는 열교환매체 유량이 나머지 영역에서 상기 튜브 내부공간으로 유통되는 열교환매체 유량보다 상대적으로 적게 형성되도록,
    상기 격벽인접영역에서 상기 탱크에 형성되는 유량배분구조인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 유량배분구조는,
    일단이 상기 탱크 내면에 고정되고 타단이 상기 튜브 내부공간으로부터 이격 배치되어,
    상기 격벽인접영역에서 상기 튜브 내부공간으로 유통되는 열교환매체의 유량을 저감하도록 형성되는 유량조절배플인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 유량배분구조는,
    상기 탱크 일부가 상기 헤더탱크 내측으로 돌출되되 돌출부 끝단이 상기 튜브 내부공간으로부터 이격 배치되어,
    상기 격벽인접영역에서 상기 튜브 내부공간으로 유통되는 열교환매체의 유량을 저감하도록 형성되는 유량조절리브인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 유량배분구조는,
    전후 열교환부 중 열교환매체의 온도가 상대적으로 더 높은 측에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 열교환기는,
    후방 열교환부에 유통되는 열교환매체의 온도가 전방 열교환부에 유통되는 열교환매체의 온도보다 높게 형성되어, 상기 유량배분구조가 후방 열교환부 측에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  7. 제 2항에 있어서, 상기 유량배분구조는,
    모든 상기 튜브 위치에 대하여 적용 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 유량배분구조는,
    각각의 상기 튜브 위치에 대향하는 위치에만 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 유량배분구조는,
    상기 튜브 너비의 10~20% 범위에 대향하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 열응력저감수단은,
    상기 격벽 내부에 빈 공간 형태로 형성되는 에어포켓인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 에어포켓은,
    상기 격벽의 연장방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 에어포켓은,
    상기 헤더 쪽 끝단이 개방된 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 에어포켓은,
    상기 헤더 및 상기 탱크의 결합부분에 구비되는 가스켓에 의해 개방된 부분이 밀폐되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 가스켓은,
    상기 에어포켓의 개방된 부분에 상응하는 위치에 돌출 형성되는 밀폐돌기가 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  15. 제 10항에 있어서, 상기 열교환기는,
    상기 탱크 상에 상기 에어포켓 및 외부를 연통시키는 유로 형태의 누출확인로가 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 열교환기는,
    고온냉각수 및 저온냉각수를 유통시키는 라디에이터인 것을 특징으로 하는 열교환기.
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