KR100336712B1 - 플레이트-핀 형 열교환기 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
부착위치를 결정하기 위한 홈부(recess portion)가 공기 유통 방향 상, 하류단측(upstream and downstream ends)의 플레이트 핀의 양 길이방향 단부(longitudinal end)에 인접하는 위치에 각 플레이트 핀이 형성된다. 그러므로, 상기 플레이트 핀을 통한 공기 유통은 상기 플레이트 핀의 길이방향 단부 주위에 형성된 홈부의 돌출부에 의해 교란된다. 따라서, 상기 플레이트 핀을 갖는 열교환기 내에서 열경계층(thermal boundary layer)이 확장되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 열교환기에서 열전달 효율은 향상될 수 있다. 그 결과, 상기 플레이트 핀의 전체 면적은 유효하게 사용될 수 있으며, 그것에 의하여 상기 열교환기의 열교환 능력이 향상된다.
Description
본 발명은 내연기관의 냉각액을 냉각시키기 위한 방열기에 적절하게 사용될 수 있는 다수의 튜브와 다수의 핀을 갖는 플레이트-핀 형 열교환기에 관한 것이다.
종래의 플레이트-핀(plate-fin)형 열교환기는, 플레이트 핀들이 적층(laminated)될 때 상기 플레이트 핀의 길이방향 내의 각 플레이트 핀의 양단부(이하 길이방향 단부라 칭함)는 상기 플레이트 핀의 부착 위치를 결정하기 위한 홈부(recess portion)를 갖는다. 상기 홈부는 단순히 부착위치 결정만을 위해 제공되기 때문에, 각 플레이트 핀은 상기 플레이트 핀의 길이방향 단부에 인접한 튜브로부터 상기 길이방향 단부를 향하여 단순하게 확장된다. 그러므로, 각 플레이트 핀의 전체 면적은 상기 열교환기의 열교환 능력을 향상시키는데 효과적으로 사용되지 못한다.
따라서, 본 발명은 상기한 제반 문제점의 관점에서 안출된 것으로, 본 발명은 열교환 능력을 향상시키기 위해 각 플레이트 핀의 전체 면적이 유효하게 사용될 수 있는 다수의 튜브와 다수의 플레이트 핀을 갖는 플레이트-핀 형 열교환기를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방열기의 정면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방열기의 튜브와 플레이트 핀의 부분 정면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플레이트 핀의 부분 평면도.
도 4의 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 실시예에 따른 플레이트 핀의 확대 정면도 및 측면도.
도 5의 (a)는 핀 소재의 가공 공정을 설명한 모식도(schematic view), (b)는 도 5 (a)의 VB-VB선을 따른 단면도.
도 6은 고정치구(fixing tool)의 정면도.
도 7은 상기 고정치구의 측면도.
도 8의 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 변형예에 따른 플레이트 핀의 확대 정면도 및 측면도.
도 9의 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 다른 변형예에 따른 플레이트 핀의 확대 정면도 및 측면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 방열기(radiator) 110 : 플레이트 핀(plate pin)
112 : 홈부 113 : 돌출부
113a : 벽면 210 : 튜브삽입구멍
211 : 벽부(wall portion)
본 발명에 따른 열교환기는 인접한 플레이트 핀 사이에 소정의 간격을 유지하기 위하여 적층방향으로 서로로부터 적층된 다수의 플레이트 핀과, 상기 적층방향으로 상기 플레이트 핀을 관통하는 다수의 튜브를 포함한다. 상기 플레이트 핀 이 조립될 때 각각의 플레이트 핀은 부착 위치를 결정하기 위한 홈부(recess portion)를 갖으며, 상기 홈부는 상기 플레이트 핀의 길이방향으로 각 플레이트 핀의 단부측에 제공된다. 상기 적층 방향으로 돌출하는 돌출부는 상기 홈부의 외주면에 형성된다. 따라서, 상기 플레이트 핀을 통한 공기 유통은 상기 홈부의 돌출부에 의해 교란되며, 그것에 의하여 열경계층(thermal boundary layer)이 확장되는 것을 방지한다. 그 결과, 열 전달효율이 향상되며, 열교환 능력 또한 향상된다. 또한, 상기 돌출부가 형성되기 때문에 각각의 플레이트 핀의 굽힘 강성과 비틀림 강도가 향상된다. 그러므로, 상기 플레이트 핀이 조립될때 플레이트 핀이 변형되는 것을 제한할 수 있으며, 상기 플레이트 핀은 소정의 위치에 정확히 결정된다. 즉, 상기 열교환기가 제작될때 본 발명에서 플레이트 핀의 부착 위치는 상기 홈부에 의하여 정확히 결정될 수 있다. 또한, 상기 열교환기가 제작된 후에, 열전도 효율은 상기 홈부의 돌출부에 의해 향상되어 각각의 플레이트 핀의 전체면적은 열교환 효율을 향상시키기 위하여 유효하게 사용될 수 있다.
바람직하기로는, 상기 홈부의 돌출부는 상기 플레이트 핀 사이를 통과하는 공기가 교차하는 벽면을 갖는다. 그러므로, 상기 플레이트 핀을 통과하는 공기는 상기 홈부의 돌출부에 의하여 충분히 교란될 수 있다.
더 바람직하기로는, 상기 돌출부는 각 플레이트 핀 일부의 소성변형에 의하여 전체적으로 각 플레이트 핀에 일체로 제공된다. 그러므로, 상기 홈부의 돌출부는 용이하게 형성된다.
본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조할 때 하기의 바람직한 실시예로부터 더 명확히 이해될 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도1 ~ 도7을 참조로하여 설명한다. 본 실시예에서, 본 발명의 플레이트-핀 형 열교환기는 전형적으로 방열기(100)에 적용된다. 상기 방열기(100)는 공기의 흐름 방향에 수직인 수평방향(horizontal direction)으로 연장된 다수의 플레이트 핀(110)과, 상하방향으로 연장된 다수의 평평한 튜브(120)를 포함한다. 상기 다수의 플레이트 핀(110)은 인접한 두개의 플레이트 핀(110) 사이에 소정의 간격(clearance) fp을 갖기 위해 상-하방향으로 적층되어 있다. 도 3에 도시된 바와같이, 그 내부에 예를 들어, 유체(냉각수)가 흐르는 상기 다수의 평평한 튜브(120)는 상기 플레이트 핀(110)을 통해 관통하기 위하여 상-하방향(즉,핀 적층방향)으로 연장되고, 수평방향으로 일렬로 배열된다.
각각의 상기 플레이트 핀(110)과 튜브(120)는 알루미늄재로 제조된다. 상기 튜브(120)를 상기 플레이트 핀(110)내에 형성된 튜브 삽입구멍(210)에 삽입시킨 후에 상기 튜브(120)를 확장시키므로써 상기 플레이트 핀(110)은 상기 튜브(120)의 외주면에 결합된다.
도 2, 도 3에 도시된 바와 같이, 방열 효율을 향상시키기 위한 방열공(louver)(111)이 상기 플레이트 핀(110)내에서 인접한 튜브(120) 사이에 형성된다. 상기 방열공(111)이 각각의 플레이트 핀(110)과 일체로 형성되도록 상기 각각의 플레이트 핀(110)의 일부가 절개되어 세워진다. 돌출편(130)이 상기 플레이트 핀(110)의 적층방향(즉, 튜브의 길이방향)으로 일측을 향하여 돌출하기 위하여 각각의 플레이트 핀(110)으로부터 돌출한다. 상기 돌출편(130)은 각각의 플레이트 핀(110)에 일체로 형성되도록 각각의 플레이트 핀(110)의 일부가 절개되어 세워진다.
상기 플레이트 핀(110)으로부터 돌출된 상기 돌출편(130)의 상단은 인접한 플레이트 핀(110)에 접촉되어 소정의 간격 fp가 인접한 플레이트 핀(110) 사이에 형성된다. 즉, 돌출편(130)이 소정의 간격 fp를 유지하기 위하여 간격 유지 부재로 사용된다. 상기 돌출편(130)은 상기 플레이트 핀(110)을 절개하여 형성되기 때문에, 구멍(131)이 상기 플레이트 핀(110)내에 형성된다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 플레이트 핀(110)의 부착 위치를 결정하기 위한 U 형 홈부(112)가 각 플레이트 핀(110)의 양쪽 길이방향 단부에서 공기 유통방향의 상,하류 양단부에 형성된다. 상기 방열공(111)은 각 플레이트 핀(110)의 길이방향 단부측에는 제공되지 않는다. 돌출부(113)는 상기 플레이트 핀(110)의 일측 적층 방향을 향하여 돌출되도록 홈부(112)의 바닥부에 형성되어 있다. 본 실시예에서는 상기 돌출부(113)가 상기 돌출핀(130)의 돌출 방향과 같은 방향으로 돌출된다.
각각의 돌출부(113)는 원호형 벽면(113a)를 갖고 있어, 상기 플레이트 핀(110)을 통한 공기 유통은 상기 벽면(113a)에 의해 교란된다. 도 4a,4b 에서, 상기 돌출부(113)는 각 플레이트 핀(110)의 양쪽 길이방향 단부에서, 공기 유통방향의 상,하류 양단부에 형성되어 있다. 그러나, 상기 돌출부(113)는 적어도 상류 공기 단부측에서 각각의 플레이트 핀(110)내에 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 돌출부(113)는 버링(burring)공정에 의해 형성된다. 즉, 상기 플레이트 핀(110)의 일부가 버링 공정에 의해 소성적으로 변형되어 상기 돌출부(113)가 형성된다. 예를 들면, 버링되는 동안 플레이트 내에 형성된 구멍의 외주벽부가 공구에 의해 확장되어, 상기 플레이트에서 돌출된 상기 돌출부는 상기 구멍 주위에 형성된다.
도 1에 도시된 바와같이, 알루미늄재로 형성된 코어 플레이트(140)는 각각의 튜브(120)의 양단에 결합된다. 상기 튜브(120)로 상기 코어 플레이트(140) 내에 형성된 구멍에 삽입시킨 후에 상기 튜브(120)를 확장시키므로써 상기 코어 플레이트(140)가 상기 튜브(120)에 결합된다. 수지(resin)재로 형성된 상부탱크(141)내의 냉각수는 각각의 튜브(120)에 배분되고, 상기 냉각수는 공기와 열교환된 후에 수지재로 형성된 하부 탱크(142)에 집결된다. 상기 상,하부 탱크(141,142)는 상기 코어 플레이트(140)의 돌출부를 소성적으로 변형시켜 패킹(packing)과 같은 밀봉부재를 통하여 상기 코어 플레이트(140)에 고정 부착된다.
유입구(143)가 상기 상부탱크(141) 내에 형성되고, 상기 유입구(143)는 엔진의 냉각수 유출구와 연결된다. 유출구(144)는 상기 하부 탱크(142) 내에 형성되고, 상기 엔진의 냉각수 유입구와 연결된다. 상기 상부탱크(141)는 그를 통해 상기 상부탱크(141)에 냉각수가 유입되는 구멍을 갖으며, 상기 구멍은 캡(145)에 의해 닫힌다.
다음으로, 도 5a, 5b를 참조로 하여 상기 플레이트 핀(110)의 제조 방법을 설명한다. 도 5a에서, 각각의 플레이트 핀(110)의 길이 방향은 필름 형상의 핀 소재(fin material)(200)의 송출 방향 S에 직립한 폭방향으로 된다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 핀 소재(200)가 송출 방향 S로 송출되는 동안, 상기 튜브(120)가 삽입되는 튜브 삽입 구멍(210) 및 상기 홈부(112)의 구멍에 대응하는 구멍(220)이 프레스 공정에 의해 동시에 형성된다. 또한 상기 핀 소재(200)가 송출 방향 S로 송출되는 동안, 상기 구멍(220)과 상기 튜브 삽입 구멍(210)에 대하여 버링(burring)공정이 수행되어, 상기 돌출부(113)와 상기 튜브 삽입 구멍(210) 주위의 벽부(211)가 동일한 방향을 향해 돌출되도록 상기 핀 소재(200)내에서 동시에 형성된다. 그 후에, 상기 핀 소재(200)는 소정의 길이를 갖도록 절단되어 각각의 플레이트 핀(110)이 형성된다.
다음으로, 도 6,7을 참조로 하여 상기 방열기(100)의 제작방법을 설명한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 고정치구(fixing tool)(300)는 각각의 플레이트 핀(110)의 부착 위치를 결정하기 위한 두개의 돌기부(protrusion portion)(310)를 가지며, 상기 두개의 돌기부(310)는 각각 상기 두개의 홈부(112)에 삽입되고, 상기 돌기부(310)는 각각의 플레이트 핀(110)의 길이방향 단측에 형성된 도 6에 도시된 상측의 홈부(112)내에 위치한다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 돌출부(113)가 상기 고정치구(300)의 돌기부(310)와 접촉하는 동안 상기 돌출핀(130)의 상단은 인접한 플레이트 핀(110)에 접촉하여 모든 플레이트 핀(110)은 적층방향으로 적층된다. 상기 고정치구(300)의 돌기부(310)는 상기 플레이트 핀(110)의 적층방향으로 레일처럼 연장된다. 도 6에서 상기 돌기부(310)가 제공된 상기 고정치구(300)의 상부측은 바닥 지지대(320)에 고정된다. 반면에, 도 6의 상기 돌기부(310)와 대향하는 상기 고정치구(300)의 하부측은 핀지지대(330)를 통하여 코일 스프링(340)에 의해 가압되며, 상기 플레이트 핀(110)은 상기 고정치구(300)의 돌기부(310)를 향하여 가압된다.
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 튜브 삽입 공정이 진행되는 동안, 각 각의 튜브(120)는 상기 플레이트 핀(110)을 통하여 관통하기 위해 각각의 튜브 삽입 구멍(210)에 삽입된다. 각각의 튜브(120)는 동일한 형상을 갖기 때문에, 결합 방법은 하나의 튜브(120)만을 사용하여 설명된다. 상기 튜브(120)가 상기 튜브 삽입 구멍(210)에 삽입될 때, 상기 튜브(120)는 안내부재(350)에 의해 안내된다. 그후에, 금속 로드와 같은 확장 부재가 상기 튜브(120)를 확장하기 위하여 상기 튜브(120)속에 삽입되고 상기 튜브(120)의 외측벽은 상기 돌출부(211)에 압입(press-fitted)되며, 그것에 의해 핀 결합 공정이 진행되는 동안 상기 플레이트 핀(110)과 상기 튜브(120)가 결합된다.
다음으로, 상기 코어 플레이트(140)는 각각의 튜브(120)의 양단에 길이방향으로 배치되고, 각각의 튜브(120)의 양단은 상기 코어 플레이트(140) 내에 형성된 튜브삽입 구멍에 삽입된다. 삽입된 각각의 튜브(120)의 양단은 다시 확장되어 상기 코어 플레이트(140)와 상기 튜브(120)는 상기 코어플레이트(140)의 결합공정 동안 결합된다.
그후에, 상기 플레이트 핀(110), 상기 튜브(120) 및 상기 코어플레이트(140)를 결합함으로써 형성되는 코어부가 상기 고정치구(300)로부터 제거되고, 상,하부 탱크(141,142)는 상기 코어플레이트(140)에 고정된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 돌출부(113)는 상기 부착 위치를 결정하기 위해 상기 홈부(112)의 외주부에 형성되고, 상기 플레이트 핀(110)을 통과하는 공기 유통은 상기 돌출부(113)에 의해 교란된다. 그러므로, 이것은 열경계층(thermal boundary layer)이 확대되는 것을 제한할 수 있으며, 그것에 의하여 열전달 효율(heat-transmisson efficiency)과 열교환 능력(즉, 냉각 능력)이 향상된다. 즉, 상기 홈부(112)가 상기 방열공(111)이 제공되지 않은 각각의 플레이트 핀(110)의 길이방향 단부에 제공되고, 상기 돌출부(113)는 상기 홈부(112)내에 제공된다. 그러므로, 상기 방열기(100)의 열교환효율은 상기 돌출부(113)에 의하여 향상될 수 있다. 본 발명의 발명자의 실험에 따르면, 상기 방열기(100)의 열교환 능력은 상기 돌출부(113)가 구비되지 않은 방열기에 비해 약 1 ~ 2 % 향상 되었다.
또한, 상기 돌출부(113)가 형성되기 때문에, 각각의 플레이트 핀(110)의 굽힘 강성과 비틀림 강도가 향상된다. 그러므로, 상기 플레이트 핀(110)이 상기 돌기부(310)를 이용하여 결정될때, 상기 플레이트 핀(110)이 변형되는 것을 제한할 수 있으며, 상기 플레이트 핀(110)은 각각 소정 위치에 정확히 부착될 수 있다.
상기 홈부(112)로 인하여, 제작 공정중에 각 플레이트(110)의 부착 위치 는 정확히 결정될 수 있다. 반면에, 상기 플레이트 핀(110)을 통과하는 공기의 유통이 상기 홈부(112)의 돌출부(113)에 의해 교란되기 때문에, 열전달 효율은 향상되어 상기 플레이트 핀(110)의 전체 면적이 유효하게 사용될 수 있다. 그 결과, 상기 방열기(100)내에서 열교환 능력은 향상된다.
또한, 상기 돌출부(113)와 상기 튜브(120)용 돌출부(211)는 상기 플레이트 핀(110)의 제작공정중에 버링 가공에 의해 동시에 형성된다. 그러므로, 상기 홈부(112)와 튜브 삽입 구멍(210) 사이의 상대적 위치가 정확하게 설정될 수 있다. 따라서, 상기 플레이트 핀(110)이 상기 고정치구(300)에 결정될 때, 상기 튜브(120)는 각각 상기 튜브 구멍(220)에 정확히 삽입될 수 있다.
비록 본 발명이 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 다양한 변화와 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다.
예를 들면, 홈부의 형상은 도 8a,8b,9a,9b에 도시된 바와 같이 변화될 수 있다. 전술한 실시예에서, 각각의 홈부(112)는 대략 U형을 갖는다. 그러나, 각각의 홈부(112)는 도 8a에 도시된 바와같이 직사각형 형상으로 형성될 수 있으며, 또는 도 9a에 도시된 형상으로도 형성될 수 있다.
전술한 실시예에서, 상기 홈부(112)는 상기 플레이트 핀(110)의 양쪽 길 이방향 단부에서 공기 유통방향의 상기 플레이트 핀(110)의 상,하류 단부에 형성된다. 그러나, 상기 홈부(112)는 상기 플레이트 핀(110)의 양쪽 길이방향 단부에서 적어도 상기 플레이트 핀(110)의 상류 단부에 제공될 수 있다.
또한, 본 발명은 다른 플레이트-핀 형 열교환기에도 적용될 수 있다. 상기 전술한 실시예에서, 상기 플레이트 핀(110)은 상기 코일 스프링(340)에 의하여 고정치구(300)의 돌출부(310)에 압입된다. 그러나, 상기 코일 스프링(340)을 대신하여 다른 압입 부재가 사용될 수 있다. 또한, 상기 핀 결합공정과 상기 코어 플레이트 결합공정은 하나의 공정으로 수행될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 따르면, 열교환 능력을 향상시키기 위해 각 플레이트 핀의 전체 면적이 유효하게 사용될 수 있는 다수의 튜브와 다수의 플레이트 핀을 갖는 플레이트-핀 형 열교환기를 제공하는 효과가 있다.
Claims (12)
- 제 1유체와 제 2유체 사이에 열교환을 수행하는 열교환기에 있어서,인접한 플레이트 핀 사이에 상기 제1 유체가 흐를 수 있는 간격을 가지고 적층방향으로 적층된 다수의 플레이트 핀; 및상기 적층방향으로 상기 플레이트 핀을 통하여 튜브가 관통하며, 그 내부에 상기 제 2유체가 흐르는 다수의 튜브를 포함하며,상기 각 플레이트 핀은 상기 플레이트 핀이 조립될 때 부착 위치를 결정하기 위한 홈부를 갖으며, 상기 홈부는 상기 플레이트 핀의 길이 방향으로 각 플레이트 핀의 단부측에 구비되며,상기 홈부의 외주면상에 상기 적층방향으로 돌출하는 돌출부를 가지고 있는열교환기.
- 제 1항에 있어서,상기 홈부는상기 플레이트 핀의 길이방향과 수직을 이루는 상기 제1 유체 흐름방향의 상류측 단부 일측에 구비되는열교환기.
- 제 2항에 있어서,상기 홈부는 상기 플레이트 핀의 단부 일측에 오목하게 형성된 열교환기.
- 제 1항에 있어서,상기 홈부는상기 플레이트 핀의 길이방향과 수직을 이루는 상기 제1 유체 흐름방향의 상류측 단부 일측 및 하류측 단부 일측에 구비되는열교환기.
- 제 1항에 있어서,상기 홈부의 돌출부은 상기 간격을 통과하는 공기 유통이 교차되는 벽면을 가지는열교환기.
- 제 5항에 있어서,상기 돌출부은 대략적으로 원호 형상을 가지는열교환기.
- 제 1항에 있어서,상기 돌출부는 상기 각 플레이트 핀의 일부의 소성 변형에 의하여 상기 각 플레이트 핀에 일체로 구비되는열교환기.
- 제 1항에 있어서,상기 홈부는 상기 플레이트 핀의 길이방향내 각 플레이트 핀의 양단부측에 구비되는열교환기.
- 제 1항에 있어서,상기 플레이트 핀중 어느 하나에 제공된 상기 돌출부는 상기 플레이트 핀 중 어느 하나에 인접한 다른 플레이트 핀과 접촉하는열교환기.
- 제 1항에 있어서,상기 각 플레이트 핀은 인접한 튜브 사이에 구비된 다수의 방열공을 가지는열교환기.
- 플레이트 핀의 길이 방향으로 상기 각 플레이트 핀의 양단부측에 홈부를 가지고 튜브 삽입 구멍을 가지며, 상기 홈부의 외주면이 각 플레이트 핀에서 돌출하는 돌출부을 가지는 다수의 플레이트 핀을 형성하는 단계;상기 플레이트 핀의 위치가 적층방향으로 돌출하는 상기 돌출부과 상기 고정 치구의 돌출부를 접촉시켜 결정되며, 상기 플레이트 핀의 위치를 결정하기 위한 돌기부를 갖는 고정치구를 사용하여 적층 방향으로 상기 플레이트 핀을 적층하는 단계;상기 플레이트 핀의 적층방향으로 상기 플레이트 핀을 통해 관통하기 위하여 상기 플레이트 핀의 상기 튜브 삽입 구멍에 튜브를 삽입하는 단계; 및상기 튜브를 확장시킴으로써 상기 플레이트 핀에 상기 튜브를 결합하는 단 계를 포함하는 열교환기의 제작방법.
- 제 11항에 있어서,상기 다수의 플레이트 핀 형성 단계가 버링(burring)에 의해 상기 홈부의 돌출부가 형성되는 단계를 포함하는열교환기의 제작방법.
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