KR100702151B1 - 열교환기용 쿨러헤드 및 제조방법 - Google Patents

열교환기용 쿨러헤드 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압력 집중으로 인한 변형과 크랙 발생 가능성과 변형이나 크랙으로 인한 누수 발생 가능성을 현저히 줄일 수 있고, 압력에 견디는 힘을 더 보강하는 구조가 구비되어, 응력 집중에 의한 변형이나 크랙을 보다 확실하게 방지할 수 있고, 열교환기의 외부 케이스에 보다 용이하면서도 견고하게 설치할 수 있으며, 점유 공간을 절약하여 열교환기에 방열핀을 더 많이 설치할 수 있도록 하므로, 열교환기의 성능 향상에 기여할 수 있도록 된 열교환기용 쿨러헤드 및 쿨러헤드 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 길다란 판형상의 헤드플레이트(20)에 탱크(30)가 결합되어 구성된 한 쌍의 상하쿨러헤드(10)와, 상기 상하쿨러헤드(10)의 각 헤드플레이트(20)에 양단부가 결합되어 상기 상하쿨러헤드(10) 사이에 소정 간격으로 배치된 복수개의 전열튜브(40)를 포함하여 구성된 열교환기에 있어서, 상기 헤드플레이트(20)와 탱크(30)는 접합부 없이 일체화되도록 압출 성형되고, 상기 헤드플레이트(20)와 탱크(30)의 적어도 내벽면에는 곡면부(24,34)가 형성되며, 상기 헤드플레이트(20)에는 상기 전열튜브(40)의 단부가 삽입 결합되는 복수개의 슬롯(22)이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 쿨러헤드(10)가 제공된다.

Description

열교환기용 쿨러헤드 및 제조방법{Radiator cooler head and manufacturing method thereof}
도 1은 종래 열교환기의 정면도
도 2는 도 1의 쿨러헤드와 전열튜브의 결합 상태를 보여주는 측단면도
도 3은 종래 다른 타입의 쿨러헤드가 전열튜브에 결합된 상태의 측단면도
도 4는 본 발명의 쿨러헤드의 사시도
도 5는 도 4의 쿨러헤드와 전열튜브의 결합 상태를 보여주는 측단면도
도 6은 본 발명의 다른 실시예를 보여주는 측단면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20. 헤드플레이트 30. 탱크
40. 전열튜브
본 발명은 열교환기용 쿨러헤드 및 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세히 는 압력 집중으로 인한 변형이나 크랙으로 인한 누수를 없앨 수 있고, 압력에 버티는 힘을 보강하는 구조가 더 구비되어 응력 집중에 의한 변형이나 크랙을 보다 확실하게 방지하고, 열교환기의 외부 케이스에 보다 용이하면서도 견고하게 설치할 수 있으며, 점유 공간을 절약하여 열교환기의 성능 향상을 기대할 수 있는 열교환기용 쿨러헤드 및 쿨러헤드 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 중장비용 또는 산업용 콤프레샤의 오일쿨러, 중장비용 오일쿨러, 산업용 엔진, 차량의 공기조화기, 오일펌프 등의 냉각장치에는 열교환기가 설치된다. 도 1은 이러한 열교환기를 개략적으로 보여주는 정면도이고, 도 2는 도 1의 쿨러헤드와 전열튜브의 결합 상태를 보여주는 측단면도이다. 이에 의하면, 열교환기는 한 쌍의 상하쿨러헤드(200)에 복수개의 전열튜브(230)의 양단부가 각각 접합되고, 전열튜브(230) 사이에는 복수개의 방열핀(235)이 접합되어 구성된다. 이때, 상하쿨러헤드(200)는 긴 판형태의 블록(210)에 단면 디귿자형의 탱크(220)가 접합되어 구성되며, 상하쿨러헤드(200)에는 각각 도시 안된 압력유체 유입구와 배출구가 형성된다.
이러한 구성의 열교환기에 의하면, 상측쿨러헤드(200)의 유입구를 통해 상측쿨러헤드(200)의 내부로 압력유체가 유입되어 각 전열튜브(230)를 통과하면서 압력유체의 열교환이 이루어지고, 열교환된 유체는 하측쿨러헤드(200)의 배출구를 통해 배출된다.
그런데, 이러한 종래의 열교환기용 쿨러헤드(200)의 경우, 탱크(220), 블록(210), 전열튜브(230)를 일일이 브레이징 또는 용접하여 제작해야 하기 때문에, 작업 방법이 난해하면서도 시간 소요가 많이 되는 등의 문제점이 있다. 또한, 상기 쿨러헤드(200)는 각 부분의 브레이징 및 접합 부위가 많기 때문에, 그만큼 누수 발생 가능성이 높은 문제점이 있다. 또한, 탱크(220)와 블록(210) 및 전열튜브(230)의 접합 부위가 압력 유체의 압력으로 인하여 터지는 경우가 많이 발생되는 문제점이 있다.
그리고, 상기 쿨러헤드(200)는 탱크(220)가 단면 사각형 또는 사각 유사한 형태로 제작되고, 블록(210)도 일자형 판형태로 제작되어, 결국 단면 사각형 또는 이와 유사한 사각 형태로 구성되기 때문에, 압력 유체의 압력 집중으로 인하여 외부로 볼록하게 변형되거나 크랙이 발생되는 문제점이 있으며, 나아가, 이러한 크랙에 의해 누수가 발생되는 문제점이 있다.
따라서, 최근에는 종래 쿨러헤드의 문제점에 착안하여 개선된 쿨러헤드가 출시되어 있다. 도 3은 이러한 개선된 쿨러헤드를 적용한 열교환기의 구성을 개략적으로 보여주는 측단면도이다. 도 3에 의하면, 열교환기는 상하쿨러헤드(100) 사이에 복수개의 전열튜브(130)가 결합되고, 전열튜브(130) 사이에는 복수개의 방열핀(미도시)이 결합된다.
또한, 도 3에 의하면, 상하쿨러헤드(100)는 표면에 복수개의 슬롯(112)이 관통되며 슬롯(112)의 둘레에는 내측으로 버르(114)가 연장된 헤드플레이트(110)와, 상기 헤드플레이트(110)에 브레이징된 접합부(111a)에 의해 결합된 단면 반원형의 탱크(120)로 구성된다. 물론, 상하쿨러헤드(100)에는 각각 압력유체의 입구가 출구가 형성된다. 그리고, 상하플레이트(110)의 슬롯(112)에 전열튜브(130)의 양단부가 끼워져 슬롯(112) 둘레부의 버르(114)에 브레이징 접합된다.
도 3의 쿨러헤드(100)의 경우, 탱크(120)가 단면 반원형으로 이루어서 압력 유체의 압력이 집중되지 않고 분산되므로, 압력 집중으로 인하여 탱크(120)가 변형되거나 크랙이 발생되는 경우를 줄일 수 있다.
그러나, 도 3의 쿨러헤드(100)는 헤드플레이트(110)가 일자형 판형태로 구성되어, 압력 유체의 압력이 헤드플레이트(110)에 집중되기 때문에, 헤드플레이트(110)가 응력 집중으로 인해 외부로 볼록하게 변형되는 문제점이 있다. 또한, 상기 쿨러헤드(100)도 역시 헤트플레이트(110)와 탱크(120) 사이의 브레이징된 접합부(111a)가 압력에 의해 변형되어 터지는 문제점이 여전히 있으며, 헤드플레이트(110)와 탱크(120)도 접합부(111a)에 의해 브레이징 접합해야 하기 때문에, 작업이 번거롭고 시간 소요가 많이 되는 문제점도 여전히 있다.
또한, 상기 쿨러헤드(100)는 탱크(120)가 반원형으로 이루어져 외부로 튀어나오므로, 그만큼 점유 공간을 많이 차지한다. 따라서, 쿨러헤드(110)의 점유 공간만큼 열교환기의 방열핀(135)의 설치 개수가 줄어들 수밖에 없기 때문에, 열교환기의 열교환 효율이 그만큼 저하되는 결과를 초래한다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점에 착안하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 압력 유체의 압력 집중으로 인한 변형이나 크랙으로 인한 누수를 없앨 수 있고, 압력에 견딜 수 있는 힘을 보강하는 구조가 더 구비되기 때문에, 응력 집중에 의한 변형이나 크랙을 보다 확실하게 방지하고, 열교환기의 외부 케이스에 보다 용이하면서도 견고하게 설치할 수 있으며, 점유 공간을 절약하여 열교환기의 방열핀을 보다 많이 설치할 수 있도록 하므로, 열교환기의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 구성의 열교환기용 쿨러헤드 및 쿨러헤드 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 제1특징에 따르면, 길다란 판형상의 헤드플레이트(20)에 탱크(30)가 결합되어 구성된 한 쌍의 상하쿨러헤드(10)와, 상기 상하쿨러헤드(10)의 각 헤드플레이트(20)에 양단부가 결합되어 상기 상하쿨러헤드(10) 사이에 소정 간격으로 배치된 복수개의 전열튜브(40)를 포함하여 구성된 열교환기에 있어서, 상기 플레이트(20)와 탱크(30)는 접합부 없이 일체화되도록 압출 성형되고, 상기 플레이트(20)와 탱크(30)의 내벽면에는 곡면부(24,34)가 형성되며, 상기 헤드플레이트(20)에는 상기 전열튜브(40)가 삽입되는 복수개의 슬롯(22)이 형성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 쿨러헤드(10)가 제공된다.
본 발명의 제2특징에 따르면, 상기 탱크(30)는 상기 헤드플레이트(20)의 슬롯(22)과 마주하는 부분의 외부면에 평탄부(32)가 형성되어 구성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 쿨러헤드(10)가 제공된다.
본 발명의 제3특징에 따르면, 상기 탱크(30)의 곡면부(34)에는 상기 헤드플레이트(20)의 곡면부(24) 방향으로 돌출된 단면 호형상의 내향곡면부(36)가 더 구비되고, 상기 내향곡면부(36)는 상기 탱크(30)의 길이 방향으로 연장된 것을 특징으로 하는 열교환기용 쿨러헤드가 제공된다.
본 발명의 제4특징에 따르면, 길다란 판형상으로 이루어진 한 쌍의 상하헤드플레이트(20)와, 상기 헤드플레이트(30)에 결합된 한 쌍의 상하부탱크(30)와, 상기 헤드플레이트(20)에 양단부가 연결되어 고정된 복수개의 전열튜브(40)를 포함하는 열교환기를 제조하는 방법에 있어서, 상기 헤드플레이트(20)와 탱크(30)의 적어도 내벽면에 단면 호형상의 곡면부(24,34)가 형성되도록 상기 헤드플레이트(20)와 탱크(30)를 압출하는 압출성형과정과, 상기 헤드플레이트(20)의 표면에 슬롯(22)을 천공하는 슬롯형성과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 쿨러헤드 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제5특징에 따르면, 상기 압출성형과정은 상기 헤드플레이트(20)의 슬롯(22)과 마주하는 탱크(30)의 외부면에 평탄부(32)를 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 쿨러헤드 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제6특징에 따르면, 상기 압출성형과정은 탱크(30)의 곡면부(34)에 상기 헤드플레이트(20)의 곡면부(24) 방향으로 돌출되며 상기 탱크(30)의 길이 방향으로 연장된 단면 호형상의 내향곡면부(36)를 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 쿨러헤드 제조방법이 제공된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다. 도 4는 본 발명의 쿨러헤드의 사시도, 도 5는 도 4의 쿨러헤드와 전열튜브의 결합 상태를 보여주는 측단면도, 도 6은 본 발명의 다른 실시예를 보여주는 측단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명은 복수개의 전열튜브(40)의 상하단에 결합되는 쿨러헤드(10)로서 열교환기의 전열튜브(40)의 단부에 결합된다.
상기 쿨러헤드(10)를 구성하는 헤드플레이트(20)와 탱크(30)는 적어도 내부면에 곡면부(24,34)를 갖도록 성형된다. 그리고, 헤드플레이트(20)와 탱크(30)의 각 곡면부(24,34)에 의해 헤드플레이트(20)와 탱크(30) 사이의 공간부가 단면 원형이 된다. 이때, 각 곡면부(24,34)는 단면 호형상이지만, 곡면 형태로 된 구성이면 모두 적용 가능하다. 바람직하게, 헤드플레이트(20)는 내부면 뿐만 아니라 외부면도 곡면부(24a)를 갖도록 단면 호형상으로 성형된다.
따라서, 본 발명은 탱크(30)의 내벽면이 곡면부(34)로 이루어질 뿐만 아니라, 헤드플레이트(20)의 내벽면이 곡면부(24)로 이루어져서, 각 곡면부(24,34)에 의해 쿨러헤드(10)의 내부에 압력 유체의 압력이 집중되지 않고 고르게 분산되기 때문에, 쿨러헤드(10)가 압력 집중에 의해 외부로 볼록하게 변형되지 않는다.
또한, 상기 헤드플레이트(20)와 탱크(30)는 그 사이에 별도의 접합부가 없도록 일체형으로 압출 성형되므로, 헤드플레이트(20)와 탱크(30) 사이의 접합부가 압력에 의해 터지면서 누수가 발생되었던 종래 쿨러헤드와 같은 문제점이 발생되지 않는다.
또한, 헤드플레이트(20)의 표면에는 복수개의 슬롯(22)이 서로 나란하게 형성되어, 슬롯(22)에 전열튜브(40)가 삽입된다. 또한, 슬롯(22)의 둘레부에는 내측으로 버르(26)가 연장된다. 버르(26)는 펀칭장치에 의해 헤드플레이트(20)의 표면에 슬롯(22)을 형성할 때, 슬롯(22) 부분이 따지면서 형성되는 것이다.
또한, 탱크(30)는 헤드플레이트(20)의 곡면부(24)와 마주하는 부분의 외부면에 평탄부(32)가 형성되어 구성된다. 이러한 평탄부(32)의 형성은 헤드플레이트(20)와 탱크(30)를 압출 금형에 의해 일체로 압출 성형할 때, 압출 금형을 그 내부에 평탄부(32)와 대응되는 캐비티가 형성된 압출 금형으로 채용함으로써 가능해진다. 따라서, 탱크(30)의 평탄부(32)를 열교환기의 외부 케이스 내벽면에 맞닿도록 설치할 수 있기 때문에, 쿨러헤드(10)의 설치 작업이 용이하면서도 설치 후 쿨러헤드(10)가 외부 케이스에 맞닿아 유동되지 않기 때문에, 구조적으로 견고해지는 장점이 있다.
또한, 상기 탱크(30)의 곡면부(34)에는 헤드플레이트(20)의 곡면부(24) 방향으로 내향곡면부(36)가 돌출되고, 내향곡면부(36)는 탱크(30)의 길이 방향으로 연장된다. 이러한 내향곡면부(36)의 형성은 헤드플레이트(20)와 탱크(30)를 압출 금형에 의해 일체로 압출 성형할 때, 압출 금형을 그 내부에 내향곡면부(36)와 대응 되는 캐비티가 형성된 압출 금형으로 채용함으로써 가능해진다.
따라서, 본 발명은 탱크(30)의 곡면부(34)에 추가적으로 형성된 내향곡면부(36)가 탱크(30)의 내벽면에 작용하는 고압을 고르게 분산시켜 어느 일부분에만 집중적으로 고압이 작용하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 내향곡면부(36)는 고압에 견디는 보강부의 역할을 하기 때문에, 쿨러헤드(10)가 고압에 의해 쉽게 변형되는 것을 보다 확실하게 방지한다.
또한, 내향곡면부(36)는 탱크(30)의 외부가 아니라 내부로 돌출되어 쿨러헤드(10)의 너비를 줄일 수 있다. 즉, 탱크(30)의 강도를 보강하기 위해서는 탱크(30) 자체의 두께를 외향으로 늘려야 하며, 탱크(30)의 두께가 외향으로 두꺼워지는 만큼 쿨러헤드(10)의 두께가 외향으로 더 두꺼워져 쿨러헤드(10)의 점유공간이 늘어나게 된다.
그런데, 본 발명은 탱크(30)의 내부 유휴 공간을 활용하여 탱크(30)의 내부로 내향곡면부(36)를 형성한 구조이기 때문에, 쿨러헤드(10)가 외향으로 두꺼워지는 것을 방지하여 점유 공간을 그만큼 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명은 열교환기에서 차지하는 점유 공간이 줄어든 만큼 열교환기의 전열튜브(40) 사이에 방열핀(도시 안됨)을 그만큼 더 많이 설치할 수 있기 때문에, 동일 규격의 열교환기의 열교환 효과를 향상시키는데 기여할 수 있다.
한편, 본 발명은 중장비용 또는 산업용 콤프레샤의 오일쿨러, 중장비용 오일쿨러, 산업용 엔진, 차량의 공기조화기, 오일펌프와 같이 냉각장치가 필요한 모든 산업분야에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명은 유체로 오일이나 공기를 사용하는 열교 환기 이외에도 물을 사용하는 라디에이터에도 적용될 수 있는 등 모든 분야의 열교환기에 광범위하게 적용할 수 있는 것이다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 쿨러헤드를 구성하는 플레이트와 탱크의 내벽면에 곡면부가 형성되면서도 접합부 없이 일체형으로 압출 성형되어, 고온 및 고압에 의해 플레이트와 탱크가 외부로 볼록하게 변형되는 것과 쉽게 터지는 경우를 방지하기 때문에, 종래에 비하여 구조적으로 강도가 높은 장점이 있다. 또한, 상기 헤드플레이트와 탱크의 곡면부에 의해 압력 유체의 압력이 어느 일부분에 집중되지 않고 고르게 분산되기 때문에, 압력 집중으로 인한 변형과 크랙 발생 가능성을 현저히 줄일 수 있는 장점이 있다. 나아가, 이처럼 압력 집중으로 인한 변형이나 크랙 발생 가능성을 줄일 수 있으므로, 단면 사각 형태로 제작된 종래 쿨러헤드와 달리, 변형이나 크랙으로 인한 누수를 없애는데 탁월한 효과가 있다.
또한, 쿨러헤드의 탱크 내벽면에 헤드플레이트의 곡면부 방향으로 돌출된 내향곡면부가 더 형성되어, 탱크의 내벽면에 작용하는 고압을 고르게 분산시켜 탱크의 어느 일부분에만 집중적으로 고압이 작용하지 않도록 하면서도 고압에 견디는 보강부의 역할도 할 수 있다. 따라서, 쿨러헤드가 응력 집중에 의해 변형되거나 크랙이 발생되는 현상을 보다 확실하게 방지하여 제품 신뢰성을 한층 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 나아가, 본 발명은 탱크의 내부로 내향곡면부를 형성하여 그만큼 탱크의 너비가 커지는 것을 줄일 수 있으며, 이렇게 줄어든 탱크의 너비만큼 쿨러 헤드가 열교환기에서 차지하는 점유 공간을 절약할 수 있다. 따라서, 탱크의 줄어든 점유 공간만큼 열교환기의 방열핀을 더 많이 설치할 수 있기 때문에, 열교환기의 성능 향상을 기대할 수 있다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 길다란 판형상의 헤드플레이트(20)에 탱크(30)가 결합되어 구성된 한 쌍의 상하쿨러헤드(10)와, 상기 상하쿨러헤드(10)의 각 헤드플레이트(20)에 양단부가 결합되어 상기 상하쿨러헤드(10) 사이에 소정 간격으로 배치된 복수개의 전열튜브(40)를 포함하여 구성된 열교환기에 있어서, 상기 플레이트(20)와 탱크(30)는 접합부 없이 일체화되도록 압출 성형되고, 상기 플레이트(20)와 탱크(30)의 내벽면에는 곡면부(24,34)가 형성되며, 상기 헤드플레이트(20)에는 상기 전열튜브(40)가 삽입되는 복수개의 슬롯(22)이 형성되며, 상기 탱크(30)는 상기 헤드플레이트(20)의 슬롯(22)과 마주하는 부분의 외부면에 평탄부(32)가 형성되어 구성된 것을 특징으로 하는 열교환기용 쿨러헤드(10).
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 탱크(30)의 곡면부(34)에는 상기 헤드플레이트(20)의 곡면부(24) 방향으로 돌출된 단면 호형상의 내향곡면부(36)가 더 구비되고, 상기 내향곡면부(36)는 상기 탱크(30)의 중앙부에서 길이 방향으로 연장된 것을 특징으로 하는 열교환기용 쿨러헤드(10).
  4. 삭제
  5. 길다란 판형상으로 이루어진 한 쌍의 상하헤드플레이트(20)와, 상기 헤드플레이트(30)에 결합된 한 쌍의 상하부탱크(30)와, 상기 헤드플레이트(20)에 양단부가 연결되어 고정된 복수개의 전열튜브(40)를 포함하는 열교환기를 제조하는 방법에 있어서, 상기 헤드플레이트(20)와 탱크(30)의 적어도 내벽면에 단면 호형상의 곡면부(24,34)가 형성되도록 상기 헤드플레이트(20)와 탱크(30)를 압출하는 압출성형과정과, 상기 헤드플레이트(20)의 표면에 슬롯(22)을 천공하는 슬롯형성과정을 포함하며, 상기 압출성형과정은 상기 헤드플레이트(20)의 슬롯(22)과 마주하는 탱크(30)의 외부면에 평탄부(32)를 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 쿨러헤드 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 압출성형과정은 탱크(30)의 곡면부(34)에 상기 헤드플레이트(20)의 곡면부(24) 방향으로 돌출되며 상기 탱크(30)의 중앙부에서 길이 방향으로 연장된 단면 호형상의 내향곡면부(36)를 형성하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 쿨러헤드 제조방법.
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JP2003130584A (ja) * 2001-10-23 2003-05-08 Japan Climate Systems Corp 熱交換器

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