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KR102350040B1 - 열교환기용 튜브 및 이를 포함하는 열교환기 - Google Patents

열교환기용 튜브 및 이를 포함하는 열교환기 Download PDF

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KR102350040B1
KR102350040B1 KR1020190078778A KR20190078778A KR102350040B1 KR 102350040 B1 KR102350040 B1 KR 102350040B1 KR 1020190078778 A KR1020190078778 A KR 1020190078778A KR 20190078778 A KR20190078778 A KR 20190078778A KR 102350040 B1 KR102350040 B1 KR 102350040B1
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신성홍
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은 열교환기용 튜브 및 이를 포함하는 열교환기에 관한 것으로, 열교환기 조립 과정에서 튜브의 헤더 삽입이 용이한 열교환기용 튜브 및 이를 포함하는 열교환기에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 상기 튜브는 길이방향으로 양측 단부의 폭방향 직경이 점차 줄어들도록 가공된 챔퍼부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열교환기용 튜브 및 이를 포함하는 열교환기{A tube of heat exchanger and heat exchanger with the same}
본 발명은 열교환기용 튜브 및 이를 포함하는 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게 열교환기 조립 과정에서 튜브의 헤더 삽입이 용이한 열교환기용 튜브 및 이를 포함하는 열교환기에 관한 것이다.
차량 내 열교환기는 온도가 높은 유체로부터 온도가 낮은 유체에 열을 전달하고, 그로 인한 유체의 가열 또는 냉각을 목적으로 한다. 예를 들어, 열교환기 중 라디에이터는 엔진에 의해 열을 흡수한 고온의 냉각수가 열교환기의 튜브를 통과하면서 외부에서 유입된 저온의 공기와 서로 열교환 하도록 하여, 상승한 온도의 공기를 실내로 공급하는 역할을 한다.
상기와 같은 열의 전달은 전도현상과 대류현상에 의해 일어난다. 전도에 의한 전열은 균일하지 않은 온도를 지닌 복수의 물체가 접촉하였을 때 열이 전달되는 현상이고, 물체의 온도 차이에 비례하여 나타난다. 그리고 대류에 의한 전열현상은 기체 또는 액체의 유체를 통해 일어나며 상기 유체가 전열 면에 지속적으로 접촉하여 열교환을 행한다. 따라서 유체의 운동이 활발할수록 전열량이 많아지기 때문에, 유체의 유로에 와류를 형성함으로써 전열의 효율을 높일 수 있다.
열교환기는 일반적으로 열교환매체의 유입 및 배출이 이루어지는 한 쌍의 헤더탱크와, 상기 헤더탱크들을 연결하여 열교환매체를 그 내부로 유통시키면서 열교환을 이루어지게 하는 튜브로 구성된다.
열교환기는 플레이트 타입, 핀-튜브 타입 등 다양한 종류가 있지만, 일반적으로 상술한 바와 같은 핀-튜브 타입의 열교환기가 가장 많이 사용되는 편이다.
핀-튜브 열교환기의 전열 과정은 다음과 같다. 작동유체(working fluid)가 한 쪽의 헤더탱크의 내부로 유입되고, 다단의 튜브를 통과한다. 상기 작동유체로부터 열을 전달받은 다단의 튜브는 튜브 사이에 설치된 핀으로 열을 전도한다. 이때, 외부에서 유입된 공기가 복수의 핀을 지나가면서 대류현상에 의한 열의 전도가 상기 핀과 유입공기 사이에 이루어지게 되는 것이다.
핀-튜브 열교환기에 관한 특허로는 국내공개특허 제2013-0016982호(공개일 2014.08.27, 명칭 : 핀-튜브 열교환기)가 있다.
도 1에는 핀 및 튜브의 사시도가 도시되어 있다. 상기 핀(50)은 상기 복수의 튜브(40)의 사이에 코루게이트(Corrugate)형으로 배치된 상태에서 양쪽의 튜브(40)에 브레이징 접합 된다.
코루게이트형 핀(50)은 사각형 평판을 주름지게 형성하여 접은 구조로, 차지하는 공간 대비 표면적의 비를 최대화하여 방열면적을 확장시킨다. 주름 형성시 생성된 만곡부(52)는 핀(50)의 상하에 위치한 튜브와 직접적인 접합을 하는 부분으로, 튜브와의 열전도가 이루어지는 곳이다.
도 2에는 핀-튜브의 정면도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 튜브는 너비 방향으로 양단이 라운드 형태로 형성되는 것이 일반적이다.
그러나 상기 튜브는 양단 라운드에 의해 핀과의 브레이징 결합시 비접촉 면적이 늘어나 열전달 면적이 그만큼 줄어들게 되며, 이로 인한 열전달 면적의 손실을 보상하기 위해, 더 많은 핀을 사용할 경우, 중량 및 공기저항 증대로 인해 열교환 성능이 저하된다는 문제점이 있다.
국내공개특허 제2013-0016982호(공개일 2014.08.27, 명칭 : 핀-튜브 열교환기)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 튜브가, 길이방향으로 양측 단부의 폭방향 직경이 점차 줄어들도록 가공된 챔퍼부를 포함함으로써, 열교환기 조립 과정에서 튜브의 헤더 삽입이 용이한 열교환기용 튜브 및 이를 포함하는 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다수개 구비되어 열교환기(1) 내부를 순환하는 열교환매체의 유로를 형성하는 열교환기용 튜브(100)에 있어서, 상기 튜브(100)는 길이방향으로 양측 단부의 폭방향 직경이 점차 줄어들도록 가공된 챔퍼부(110)를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 튜브(100)는 이웃한 튜브(100) 사이에 개재되는 핀(300)과 접촉되는 면이, 폭방향으로 일측 단부에서 타측 단부까지 편평하게 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 튜브(100)는 냉매유동공간을 폭방향으로 분리하는 다수개의 격벽(120)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 튜브(100)는 폭 방향으로 양측에 위치한 면의 두께가, 두께 방향으로 양측에 위치한 면의 두께보다 두꺼울 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 챔퍼부(110)는 길이가 2mm~4mm일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기는 일정거리 이격되어 나란하게 구비되는 한 쌍의 헤더탱크(210); 상기 헤더탱크(210)에 양단이 고정되며, 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 의한 튜브(100); 및 상기 튜브(100) 사이에 개재되는 코루게이트(Corrugate) 타입의 핀(300); 을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 튜브(100) 및 핀(300)은 폭방향으로 접촉되는 면의 길이가 서로 동일할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 헤더탱크(210)의 헤더(201)에는 상기 튜브(100)가 삽입되는 튜브삽입홀(203)이 상기 핀(300)과 접하는 영역에 배치되는 튜브(100)의 단면과 대응되도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 헤더탱크(210)의 헤더(201)에는 상기 튜브삽입홀(203)의 폭방향으로 양단에 상기 튜브(100)가 삽입되는 방향과 반대방향으로 돌출되는 가이드부가 형성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 튜브는 길이방향으로 양측 단부의 폭방향 직경이 점차 줄어들도록 가공된 챔퍼부를 포함함으로써, 열교환기 조립 과정에서 튜브의 헤더 삽입이 용이하여 조립성이 향상된다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 튜브는 챔퍼부에 의해 헤더탱크로 삽입이 필요한 만큼만 삽입될 수 있도록 함으로써, 튜브 빠짐에 의한 누수와 튜브 과삽입에 의한 열교환기의 성능 저하와 같은 품질 문제 개선 효과를 가질 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 튜브는 폭 방향으로 양단 일정 영역의 외벽 두께가 나머지 영역보다 두껍게 형성됨으로써, 부식물질 또는 이물질에 의한 손상으로 누수가 발생되기 쉬운 부분의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 튜브는 두께 방향으로 일측면 또는 양측면이 핀과 접촉되되, 접촉되는 면의 폭 방향으로 일측단부에서 타측단부까지의 면이 편평하게 형성됨으로써, 종래에 외측 라운드를 갖는 튜브에 비해 전열 면적이 증대되어, 열교환 성능이 향상될 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 열교환기의 핀 및 튜브를 나타낸 사시도.
도 2는 열교환기의 핀 및 튜브를 나타낸 정면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 튜브가 헤더탱크에 삽입된 상태를 나타낸 평면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 튜브를 나타낸 정면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 튜브를 나타낸 사시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 나타낸 사시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 나타낸 분해사시도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기에서 튜브가 헤더탱크에 삽입되는 과정을 나타낸 평면도.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 열교환기용 튜브 및 이를 포함하는 열교환기를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 튜브가 헤더탱크에 삽입된 상태를 나타낸 평면도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 튜브를 나타낸 정면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열교환기용 튜브를 나타낸 사시도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 나타낸 사시도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 나타낸 분해사시도이며, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기에서 튜브가 헤더탱크에 삽입되는 과정을 나타낸 평면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기용 튜브(100)는 다수개 구비되어 열교환기(1) 내부를 순환하는 열교환매체의 유로를 형성하는 것으로, 길이방향으로 양측 단부의 폭방향 직경이 점차 줄어들도록 가공된 챔퍼부(110)를 포함한다.
상기 챔퍼부(110)는 상기 튜브(100)의 양측 단부 직경이, 나머지 영역보다 작아지도록 가공된 것으로, 도 3에서 A1이 가리키는 단면보다, A2 단면이 작도록 기울기 갖게 된다.
또한, 열교환기(1)의 튜브(100) 및 핀(300)으로 이루어진 코어 조립 시, 헤더(201) 폭은 약 ±2m의 편차가 발생하므로, 이를 감안하여 상기 챔퍼부(110)는 길이가 2mm~4mm인 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명에 따른 열교환기용 튜브(100)는 헤더(201)의 튜브삽입홀(203)에 원활하게 삽입됨으로써, 조립성이 향상될 수 있다.
본 발명의 튜브(100)가 적용되는 열교환기(1)의 구조를 먼저 살펴보면,
상기 열교환기(1)는 크게, 일정거리 이격되어 나란하게 배치되는 한 쌍의 헤더탱크(210)와, 상기 헤더탱크(210)에 양단이 고정되는 튜브(100)와, 상기 튜브(100) 사이에 개재되는 핀(300)을 포함하여 형성된다.
도 6에 도시된 상기 열교환기(1)는 길이방향으로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크(210)를 포함하며, 상기 헤더탱크(210)는 헤더(201)와 탱크(202)의 조립에 의해 형성된다.
상기 열교환기(1)는 한 쌍의 헤더탱크(210)에 형성되며, 열교환매체가 유입되는 입구파이프(410) 및 배출되는 출구파이프(420)를 더 포함하여 형성된다.
상기 튜브(100)는 한 쌍의 헤더탱크(210)에 양 단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하며, 높이방향으로 일정간격 이격되어 병렬 배치된다.
상기 핀(300)은 상기 튜브(100) 사이에 개재되어 상기 튜브(100) 사이를 흐르는 공기와의 전열면적을 증가시키며, 일정한 상기 튜브(100) 사이 공간에 최대한 큰 전열면적이 구비되도록 하기 위해 상ㆍ하로 절곡되어 코루게이트(Corrugate) 타입으로 형성된다.
상술한 바와 같이, 상기 핀(300)은 상기 튜브(100) 사이에 개재되어 상기 튜브(100)와 접촉하는 영역에서 발생되는 전도에 의한 전열 현상으로 인해, 열교환매체 및 공기의 열교환기(1) 이루어지도록 하게 된다.
이때, 전열면적은 상기 핀(300) 및 튜브(100)의 접촉 면적이 늘어날수록 증대되므로, 열교환성능은 핀(300) 및 튜브(100)의 접촉 면적이 최대한 클수록 좋다.
이를 위해, 본 발명의 열교환기용 튜브(100)는 핀(300)과 접촉되는 면의 폭방향으로 일측 단부에서부터 타측 단부까지가 편평하게 형성될 수 있다. 이때, 본 발명의 열교환기용 튜브(100)는 단면이 대략 직사각 형태를 이루며, 각 모서리는 최소한의 라운드로 주어 핀(300) 끝단과의 접촉면적을 일치시키는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 열교환기용 튜브(100)는 핀(300)과 접촉되는 면의 길이가 서로 동일하게 형성됨으로써, 종래에 외측 라운드를 갖는 튜브(100)에 비해 전열 면적이 증대되고, 열교환 성능을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.
그런데, 상술한 바와 같은 사각 단면을 갖는 튜브(100)는 양단에 라운드가 형성된 튜브(100)보다, 헤더(201)의 튜브삽입홀(203)에 삽입 시, 조립이 원활히 되지 않는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 사각 단면을 갖는 튜브(100)의 조립이 용이하도록 길이방향으로 양측 단부에 상기 챔버부가 형성되도록 하여 필요한 양만큼 튜브(100)가 헤더탱크(210) 내부에 삽입되도록 한다.
이때, 상기 헤더탱크(210)의 헤더(201)에는 상기 튜브(100)가 삽입되는 튜브삽입홀(203)이 상기 핀(300)과 접하는 영역에 배치되는 튜브(100)의 단면과 대응되도록 형성된다. 즉, 상기 열교환기용 튜브(100)는 챔퍼부(110)가 형성되지 않은 지점이 상기 튜브삽입홀(203)에 결합 고정되므로, 상기 튜브삽입홀(203)은 상기 챔퍼부(110)가 형성되지 않은 영역의 튜브(100) 단면에 대응되는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 도8에 도시된 것처럼, 상기 헤더탱크(210)의 헤더(201)에는 상기 튜브삽입홀(203)의 폭방향으로 양단에 상기 튜브(100)가 삽입되는 방향과 반대방향으로 돌출되는 가이드부가 형성될 수 있다.
상기 헤더(201)는 펀칭 또는 프레스 가공을 통해 튜브삽입홀(203)이 형성되는데, 이 과정에서 알루미늄 부재가 제거된 튜브삽입홀(203)의 폭방향으로 양단에 잔존하는 알루미늄 부재가 남아 가이드부(500)를 형성하며, 상기 가이드부는 상기 튜브삽입홀(203)이 삽입되는 경로를 안내해주는 역할을 하게 된다.
상기 가이드부(500)는 상기 튜브(100)의 삽입방향으로 경사진 형태를 가지는 것이 바람직하며, 상기 헤더(201)는 상술한 바와 같이 알루미늄 외에 다른 재료로 얼마든지 변경실시가 가능하다.
이에 따라, 본 발명은 튜브(100) 빠짐에 의한 누수와 튜브(100) 과삽입에 의한 열교환기(1)의 성능 저하와 같은 품질 문제 개선 효과를 가질 수 있다.
또한, 상기 튜브(100)는 압출 성형으로 제조될 수 있어 폴디드(folded) 튜브(100)나 웰디드(welded) 튜브(100)보다 간편하게 제조가 가능하며, 기밀유지 및 압력 저항성이 뛰어나다는 장점이 있다.
한편, 상기 튜브(100)는 길이방향으로 양측에 위치한 면의 두께(T1)와, 너비방향으로 양측에 위치한 면의 두께(T2)가 동일하게 형성될 수도 있으며, 도 5와 같이 길이방향으로 양측에 위치한 면의 두께(T1)가, 너비방향으로 양측에 위치한 면의 두께(T2)보다 두껍게 형성될 수도 있다.
이에 따라, 본 발명의 열교환기용 튜브(100)는 주행 중 부식물질이나 이물질과 접촉되기 쉬운 영역을 다른 영역보다 두껍게 형성하여, 부식물질 또는 이물질에 의한 손상에 의해 누수가 발생되는 문제를 최소화시킬 수 있으며, 내구성 향상에 기여할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 열교환기용 튜브(100)에는 냉매유동공간을 길이방향으로 분리하는 다수개의 격벽(120)이 형성될 수도 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 격벽(120)은 튜브(100) 내부 공간이 길이방향으로 다수개의 공간으로 분리되도록 형성될 수 있으며, 튜브(100) 내압성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 열교환기용 튜브(100)를 포함하는 열교환기(1)를 제조하는 방법을 설명하면, 먼저 이용되는 각 부품을 제조한다.
이는 상기 제1헤더탱크(210) 및 제2헤더탱크(220)를 형성하는 헤더(201)와 탱크(202), 튜브(100) 및 핀(300) 등의 구성을 준비하는 것으로, 본 발명의 열교환기용 튜브(100)는 상술한 바와 같이 편평하게 형성되어 단면이 사각 형태를 가지며, 길이방향으로 양단에 엔드포밍(end forming)과 같은 챔퍼부(110)가 가공된다.
이때, 본 발명의 열교환기용 튜브(100)는 압출 성형을 통해 제조되는 것이 바람직하며, 내부에 적어도 하나 이상의 격벽(120)이 형성도록 하는 것이 좋다.
다음으로, 브레이징을 통해 상기 헤더(201), 튜브(100) 및 핀(300) 조립체를 형성하는데, 상기 헤더(201)의 튜브삽입홀(203)에 형성된 가이드부를 따라 상기 튜브(100)의 챔퍼부(110)가 삽입 결합된다.
다음으로, 상기 헤더(201), 튜브(100) 및 핀(300) 조립체와, 상기 제1헤더탱크(210) 및 제2헤더탱크(220)를 고정하여 열교환기(1)를 제조한다.
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.
1 : 열교환기
100 : 튜브
110 : 챔퍼부
120 : 격벽
201 : 헤더
202 : 탱크
203 : 튜브삽입홀
210 : 헤더탱크
300 : 핀
410 : 입구파이프
420 : 출구파이프
500 : 가이드부

Claims (12)

  1. 일정거리 이격되어 나란하게 구비되는 한 쌍의 헤더탱크(210);
    상기 헤더탱크(210)에 양단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하는 복수의 튜브(100); 및
    상기 복수의 튜브(100) 사이에 개재되는 코루게이트(Corrugate) 타입의 핀(300);을 포함하고,
    상기 튜브(100)는 길이방향으로 양측 단부의 폭방향 직경이 점차 줄어들도록 가공된 챔퍼부(110)가 형성되되,
    상기 챔퍼부(110)가 시작되는 A1이 가리키는 단면 및 끝나는 A2가 가리키는 단면이 사각 형태이고,
    상기 챔퍼부(110) 면이 사각형으로 형성되며,
    상기 헤더탱크(210)의 헤더(201)에는 튜브(100)가 삽입되는 튜브삽입홀(203)이 형성되되, 상기 튜브삽입홀(203)은 상기 챔퍼부(110)가 형성되지 않은 영역의 튜브(100) 단면에 대응되는 사각 형태로 형성되고,
    상기 챔퍼부(110)는 튜브삽입홀(203)을 통해 헤더탱크(210)의 내부까지 삽입되며,
    상기 튜브(100)는 챔퍼부(110)가 형성되지 않은 지점이 상기 튜브삽입홀(203)에 결합 고정되며,
    상기 헤더탱크(210)의 헤더(201)에는,
    상기 튜브삽입홀(203)의 폭방향으로 양단에 상기 튜브(100)가 삽입되는 방향과 반대방향으로 돌출되는 가이드부(500)가 형성되고,
    상기 가이드부(500)는 상기 헤더(201)와 상기 튜브(100)가 서로 접합되는 일부분을 감싸도록 상기 헤더탱크(210)의 외측 공간으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 튜브(100)는
    이웃한 튜브(100) 사이에 개재되는 핀(300)과 접촉되는 면이, 폭방향으로 일측 단부에서 타측 단부까지 편평하게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 튜브(100)는
    냉매유동공간을 폭방향으로 분리하는 다수개의 격벽(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 튜브(100)는
    폭 방향으로 양측에 위치한 면의 두께가, 두께 방향으로 양측에 위치한 면의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 챔퍼부(110)는
    길이가 2mm~4mm인 것을 특징으로 하는 열교환기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 튜브(100) 및 핀(300)은
    폭방향으로 접촉되는 면의 길이가 서로 동일한 것을 특징으로 하는 열교환기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 헤더탱크(210)의 헤더(201)에는
    상기 튜브(100)가 삽입되는 튜브삽입홀(203)이 상기 핀(300)과 접하는 영역에 배치되는 튜브(100)의 단면과 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
  11. 삭제
  12. 삭제
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