KR101589882B1 - 냉각장치용 헤더탱크 모듈 - Google Patents

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KR101589882B1
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Abstract

본 발명은 냉각장치용 헤더탱크 모듈에 관한 것으로, 탱크와 헤더를 구비한 헤더탱크 모듈에서, 탱크에 브래킷을 통해 고정되고, 탱크의 일측에 냉매를 공급하도록 설치된 공급관을 구비한 가이더; 공급관 내의 냉매가 와류 형태로 유동하도록 공급관의 내면에 일정 길이로 가공된 나선형 리브;를 구비하고, 공급관 내의 일정 범위 내에서의 유량 편차를 유지하기 위해 공급관의 지름이 9.7±2mm이면, 나선형 리브는 10±1mm의 피치, 1.50±0.25mm의 돌출 높이와, 60±3°의 각도로 가공한 것이다.

Description

냉각장치용 헤더탱크 모듈{HEADER TANK MODULES FOR COOLING DEVICE}
본 발명은 헤더탱크 모듈에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 냉각장치로 사용되는 헤더탱크 모듈에서 유동하는 냉매에 와류를 발생시켜 유동 속도 및 순환 속도를 향상시키면서 냉각효율을 향상시킬 수 있도록 한 냉각장치용 헤더탱크 모듈에 관한 것이다.
일반적으로, 내연 기관이 장착된 차량이나 열 교환장치 등에서는 엔진의 가동시 발생하는 열이 실린더, 실린더 헤드, 피스톤, 밸브나 각종 냉난방 장치 등에 전도된다.
이에 의하여 이 부품들의 온도가 과도하게 높아지면 열팽창이나 열화에 따라 부품의 강도가 저하되고, 엔진 수명이 단축되며, 연소 상태나 열 교환율 등도 나빠지는 문제점이 야기된다.
이러한 문제점을 고려하여 자동차나 각종 열교환장치에는 통상 냉각장치(COOLING SYSTEM)가 설치되며, 이러한 냉각장치에는 크게 공랭식과 수랭식으로 구분된다.
또한, 이러한 냉각장치의 통상적인 구조를 보면 탱크(tank)와 헤더(header)를 결합시키고, 이들 내부로 냉매가스, 냉각수 또는 에어 등의 냉매를 순환시켜 냉각핀이나 기타 열교환수단들과 연계하여 냉각 효과를 얻을 수 있도록 구성된다.
그러나 이와 같이 종래의 헤더탱크 모듈의 경우에는 일측에서 냉매를 공급하여 순환하는 구조이므로 냉매의 유입량 및 유동속도가 제한되므로 전체 순환 속도 느리기 때문에 냉각효율에 한계가 있다는 문제점이 있다.
상기된 문제점을 해소하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 냉매의 공급량 및 유동 속도를 증가시키면서 전체 순환 속도를 향상시켜 냉각효율을 향상시킬 수 있도록 한 냉각장치용 헤더탱크 모듈을 제공함에 있다.
상기된 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시 예에 따른 냉각장치용 헤더탱크 모듈은, 탱크와 헤더를 구비한 헤더탱크 모듈에서, 탱크에 브래킷을 통해 고정되고, 탱크의 일측에 냉매를 공급하도록 설치된 공급관을 구비한 가이더; 공급관 내의 냉매가 와류 형태로 유동하도록 공급관의 내면에 일정 길이로 가공된 나선형 리브;를 구비하고, 공급관 내의 일정 범위 내에서의 유량 편차를 유지하기 위해 공급관의 지름이 9.7±2mm이면, 나선형 리브는 10±1mm의 피치, 1.50±0.25mm의 돌출 높이와, 60±3°의 각도로 가공하고, 23~48mm3/s로 유량을 공급하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 제2실시 예에 따른 냉각장치용 헤더탱크 모듈은, 탱크, 헤더와, 헤더에 장착된 튜브를 구비한 헤더탱크 모듈에서, 탱크는 공급관에서 공급된 냉매의 흐름이 튜브 측으로 변경되도록 튜브 반대측 내면에 돌출 가공된 제1안내돌기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이때, 제1안내돌기는 측면상 냉매의 유동 방향을 따라 점점 더 돌출되는 유선형이고, 튜브가 설치된 지점보다 더 앞쪽에 배치된 것을 특징으로 한다.
한편, 탱크, 헤더와, 헤더에 장착된 튜브를 구비한 헤더탱크 모듈에서, 헤더는 공급관에서 공급된 냉매의 일부를 가로막아 튜브로 안내하도록 튜브와 인접된 내면에 돌출 가공된 제2안내돌기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이때, 제2안내돌기는 냉매와 부딪치는 일면이 경사면 또는 곡면을 이루는 것을 특징으로 한다.
또한, 탱크는 공급관에서 공급된 냉매의 흐름이 튜브 측으로 변경되도록 튜브 반대측 내면에 돌출 가공된 제1안내돌기를 구비하고, 이 제1안내돌기는 측면상 냉매의 유동 방향을 따라 점점 더 돌출되는 유선형이고, 튜브가 설치된 지점보다 더 앞쪽에 배치된 것을 특징으로 한다.
또, 탱크와 헤더에 마련된 내부 공간을 유입구간과 배출구간으로 구획하도록 설치된 격벽, 유입구간에서 탱크와 헤더의 내부 공간에 일직선상으로 냉매를 공급하도록 설치된 공급관과, 배출구간에서 탱크와 헤더의 내부 공간에서 일직선상으로 냉매가 배출되도록 설치된 배출관 중 적어도 하나를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
그리고 유입구간에서의 탱크와 헤더의 내면, 배출구간에서의 탱크와 헤더의 내면, 공급관과 배출관 중 적어도 한 곳에 가공된 나선형 리브를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 헤더는 배출구간에서 튜브로부터 배출된 냉매와 부딪쳐 배출관 측으로 유동 흐름을 변경하기 위해 튜브와 인접한 내면에 돌출 가공된 제3안내돌기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
이때, 제3안내돌기는 냉매와 부딪치는 일면이 곡면을 이루는 것을 특징으로 한다.
상술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 탱크 내부로 냉매가스, 에어 또는 냉각수 등의 냉매를 유입시키는 가이더의 공급관상에 와류를 형성시키기 위한 나선형 리브를 가공함으로써, 유동속도를 증가시켜 유입량을 증가시킬 수 있고, 전체적으로 냉매의 순환속도가 빨라지면서 냉각효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
또한, 공급관 및 배출관의 지름에 대비하여 나선형 리브의 돌출 높이, 간격과 각도를 설정하여 냉매의 최대 유속 및 순환 속도를 얻을 수 있는 효과가 있다.
그리고 헤더와 탱크에 격벽이 설치하여 냉매의 유입 공간과 배출 공간을 분할하고, 헤더와 탱크의 내면에 제1,2,3안내돌기를 가공함으로써, 유입된 냉매의 유동 속도를 최대한 유지하면서 튜브로 안내하고, 이를 통해 냉매의 전체 순환 속도를 종래보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 냉각장치용 헤더탱크 모듈이 개략적으로 도시된 정면도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 우측 헤더탱크가 도시된 측단면도이다.
도 4는 도 1의 모듈에서 일정 지름의 공급관에 대한 최대 유량 범위를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 냉각장치용 헤더탱크 모듈이 개략적으로 도시된 정면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 우측 헤더탱크가 도시된 측단면도이다.
도 7은 도 5에 도시된 "A" 부위의 확대도이다.
도 8은 도 5에 도시된 "B" 부위의 확대도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
<제1실시 예>
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 냉각장치용 헤더탱크 모듈이 개략적으로 도시된 정면도이다. 도 2는 도 1의 평면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 우측 헤더탱크가 도시된 측단면도이다. 도 4는 도 1의 모듈에서 일정 지름의 공급관에 대한 최대 유량 범위를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 제1실시 예에 따른 냉각장치용 헤더탱크 모듈은, 탱크(tank;100), 헤더(header;200), 튜브(T, 도 5 참조)와 가이더(guider;300)를 포함하여 이루어진다.
먼저 탱크(100)와 헤더(200)는 냉매가스, 에어 또는 냉각수 등을 포함한 냉매가 유입되어 유동할 수 있도록 내부에 공간이 마련하고, 일례로 장방형의 돔 형태의 외형을 갖도록 제작된다.
헤더(200)는 탱크(100) 내의 냉매가 유입되는 내부 공간을 구비하고, 복수의 브래킷(B)을 통해 탱크(100)에 결합된다. 또한, 헤더(200)의 하부에는 다수의 유동홀(210)이 형성되고, 이 유동홀(210)에 튜브(T)가 장착된다. 따라서, 탱크(100)로 유입된 냉매가 헤더(200)를 거쳐 튜브(T)로 유동하게 된다. 여기서, 탱크(100)와 헤더(200)는 냉매가 유동할 수 있는 별도의 내부 공간을 구비하여 상호 통하도록 설치될 수도 있고, 냉매가 유동할 수 있는 하나의 내부 공간을 마련하도록 상호 체결될 수도 있다.
가이더(300)는 탱크(100)의 내부 공간에 냉매를 공급하도록 설치된 공급관(310)을 구비한다.
나선형 리브(400)는 공급관(310)을 유동하는 냉매에 와류를 형성시키기 위해 공급관(310) 내면으로부터 일정 높이로 돌출 가공되면서 일정 피치와 각도를 갖도록 가공된다. 이 나선형 리브(400)에 의해 냉매의 유동속도가 증가하게 되고, 이로 인해 유입량 및 유동량이 향상되며, 냉각장치 전체의 순환 속도가 향상될 수 있다. 따라서, 냉각장치의 냉각 효율이 현저히 향상할 수 있다.
이 나선형 리브(400)에 대해 일정 지름의 공급관(310)을 기준으로 피치, 높이와 각도에 대비하여 냉매의 유량 분포 편차가 가장 적은 최적의 조건을 얻기 위한 실험을 시행하였다.
최적의 조건을 얻기 위해 아래 유량 방정식과 베르누이 방정식을 적용하였다.
Q=e- 0.06χ3+0.0003χ2-0.0265χ+1.345...........수학식(1)
(Q =적정 유량 편차 χ =유량)
Figure 112015120055261-pat00001
....... 수학식(2)
(P=압력, γ=비중, V=속도, g=중력 z=높이)
이처럼 나선형 리브(400)를 통해 유입된 냉매가 와류를 형성하여 유동함에 따라 종래보다 유속 및 유량이 증가하여 냉각 효과가 향상된다.
이들 방정식을 적용하여 최적의 조건을 얻기 위하여 아래 조건1) 내지 조건7)의 유형으로 시험을 시행하였다.
공급관(310)의 지름은 9.7mm로 하고, 나선형 리브(400)에 대해,
조건1) 피치 10mm±1, 높이 1.50mm±0.25, 각도 60±3°
조건2) 피치 9mm±1, 높이 1.25mm±0.25, 각도 60±3°
조건3) 피치 8mm±1, 높이 1.75mm±0.25, 각도 60±3°
조건4) 피치 7mm±1, 높이 2.00mm±0.25, 각도 60±3°
조건5) 피치 6mm±1, 높이 2.25mm±0.25, 각도 60±3°
조건6) 피치 15mm±1, 높이 1.00mm±0.25, 각도 60±3°
조건7) 피치 16mm±1, 높이 1.25mm±0.25, 각도 60±3°
로 하여 유량 분포 편차를 산출하였다.
이를 산출한 결과를 도 4의 그래프로 도식화하였다. 이 그래프를 보면, 조건1)에서 가장 적은 범위인 0~0.8 정도의 유량 편차 범위를 얻을 수 있었다. 이 범위에서 아래 적정 유량 방정식을 적용하여 적정 유량을 산출하면 23~48mm3/s를 얻을 수 있었다.
따라서 나선형 리브의 피치를 10mm±1, 높이 1.50mm±0.25, 각도 60±3°으로 하고, 냉매를 23~48mm3/s로 공급했을 때 유량편차가 가장 적음을 알 수 있고, 이를 토대로 냉각장치에 가장 적정한 양의 냉매를 공급하면서 냉매의 순환속도를 종래보다 더욱 향상시킬 수 있음은 물론 냉각효율을 현저히 향상시킬 수 있다.
<제2실시 예>
도 5는 본 발명의 제2실시 예에 따른 냉각장치용 헤더탱크 모듈이 개략적으로 도시된 정면도이다. 도 6은 도 5에 도시된 우측 헤더탱크가 도시된 측단면도이다. 도 7은 도 5에 도시된 "A" 부위의 확대도이다. 도 8은 도 5에 도시된 "B" 부위의 확대도이다.
본 발명의 제2실시 예에 따른 냉각장치용 헤더탱크 모듈은 제1실시 예서 와류 형태로 유입된 냉매의 유동방향을 튜브(T)로 안내하면서 최대한 유동 속도가 유지되도록 추가 구성된다. 이하에서는, 헤더(200)와 튜브(T)가 상호 체결되어 하나의 내부 공간을 마련하는 구조를 예로 하여 설명하기로 한다.
제2실시 예에 따른 냉각장치용 헤더탱크 모듈은 도 5에서와같이, 격벽(500), 탱크(100), 헤더(200), 공급관(310), 배출관(320)과, 나선형 리브(400)를 포함하여 이루어진다.
격벽(500)은 도 6에서와 같이, 탱크(100)와 헤더(200)의 전체 내부 공간을 대략 절반으로 구획하도록 설치된다. 즉, 격벽(500)은 탱크(100)와 헤더(200)의 전체 내부 공간을 공급관(310)에서 유입된 냉매가 튜브(T)로 유동하는 유입구간, 튜브(T)에서 배출관(320)으로 유동하는 배출구간으로 구획한다.
탱크(100)는 도 7에서와 같이, 공급관(310)은 유동하는 냉매의 일부를 튜브(T)측으로 유도하기 위해 튜브(T)의 대략 반대측 내면에 돌출 가공된 제1안내돌기(110)를 구비한다. 이 제1안내돌기(110)는 냉매의 유동 방향을 따라 돌출 높이가 점점 증가하는 유선형이면서 내주면을 따라 일정 길이의 폭을 갖도록 제작될 수 있고, 튜브(T)가 설치된 지점보다 더 앞쪽에 배치될 수 있다. 이러한 제1안내돌기(110)는 튜브(T)의 개수와 대응하는 정도의 개수를 갖는 것이 바람직하고, 경우에 따라 튜브(T)의 개수와 무관하게 일정 간격마다 배치될 수도 있다. 또한, 제1안내돌기(110)는 탱크(100)에 일체형으로 가공되는 것이 바람직하고, 별도 제작되어 용접 등을 통해 고정될 수도 있다. 따라서, 공급관(310)에서 유입되어 일방향으로 유동하는 냉매가 제1안내돌기(110)에 의해 튜브(T)측으로 유동 흐름이 변경될 수 있고, 이는 냉매를 튜브(T)로 원활히 유입될 수 있도록 하기 위함이다. 이 제1안내돌기(110)는 다른 예로, 튜브(T)가 설치된 위치의 반대편 일면에 판(板)형태로 가공될 수도 있다.
헤더(200)는 도 7에서와 같이 내부 공간에서 유동하는 냉매 중에서 튜브(T)측 근처를 유동하는 냉매를 튜브(T)로 강제 유입시키기 위해 내면에서 돌출 가공된 제2안내돌기(220)와, 도 8에서와 같이 튜브(T)에서 내부 공간으로 유동하는 냉매를 배출관(320)측으로 유동 흐름을 유도하기 위해 내면에서 돌출 가공된 제3안내돌기(230)를 포함하여 이루어진다. 이들 제2안내돌기(220)와 제3안내돌기(230)는 헤더(200)의 내주면을 따라 일정 길이의 폭을 가지고, 길이 방향으로 일정 길이를 갖도록 제작될 수 있다. 여기서, 제2안내돌기(220)와 제3안내돌기(230)는 탱크(100)에 일체형으로 가공되는 것이 바람직하고, 별도 제작되어 용접 등을 통해 고정될 수도 있다.
먼저, 제2안내돌기(220)는 격벽(500)으로 구획된 유입구간에 설치되고, 공급관(310)에서 유입되어 제1안내돌기(110)에 의해 튜브(T)측으로 유동 흐름이 유도된 상태에서 튜브(T) 근처의 냉매를 강제로 튜브(T)로 유입시키는 부재이다. 이 제2안내돌기(220)는 튜브(T)에 인접한 헤더(200)의 내면이면서 일방향으로 유동하는 냉매의 일부를 가로막아 튜브(T)로 안내할 수 있는 위치에 돌출 가공된다. 이러한 제2안내돌기(220)에서 냉매를 가로막는 일면은 경사면 또는 곡면으로 가공되고, 이 경사면 또는 곡면과 부딪친 냉매가 최대한 유동 속도를 유지하면서 경사면 또는 곡면을 따라 튜브(T)로 유도될 수 있다. 또한, 제2안내돌기(220)는 각 튜브(T)가 설치된 위치마다 가공될 수도 있고, 튜브(T)와 무관하게 일정 간격마다 가공될 수도 있다.
또한, 제3안내돌기(230)는 격벽(500)으로 구획된 배출구간에 설치되고, 튜브(T)에서 배출되어 탱크(100)와 헤더(200)의 내부 공간으로 유동하는 냉매의 유동 흐름을 배출관(320)측으로 안내하는 부재이다. 이 제3안내돌기(230)는 대략 제2안내돌기(220)와는 대칭된 형상 및 위치에 가공될 수 있다. 즉, 튜브(T)에서 배출된 냉매의 일부를 가로막아 배출관(320)측으로 안내할 수 있는 위치에 가공될 수 있고, 냉매를 가로막는 일면은 경사면 또는 곡면으로 가공되어 냉매의 유동 속도를 최대한 유지하도록 가공될 수 있다. 물론, 제3안내돌기(230)는 각 튜브(T)가 설치된 위치마다 가공될 수도 있고, 튜브(T)와 무관하게 일정 간격마다 가공될 수도 있다.
공급관(310)과 배출관(320)은 도 6에서와 같이 냉매를 탱크(100)와 헤더(200)의 일측으로 공급하고, 타측으로 배출될 수 있도록 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 공급관(310)과 배출관(320)은 탱크(100)와 헤더(200)에 대해 대략 일직선으로 설치될 수 있고, 이는 와류 형태로 유동하는 냉매의 직진성을 고려한 것이다. 이때, 공급관(310)과 배출관(320)은 탱크(100)와 헤더(200)에 결합부재(120)를 통해 장착될 수도 있고, 직접 체결될 수도 있다. 또한, 공급관(310)과 배출관(320)에는 냉매의 와류 형태를 유도하기 위해 나선형 리브(400)가 가공될 수 있다. 물론, 결합부재(120)의 내경은 공급관(310)과 배출관(320)의 내경과 동일할 수 있다.
나선형 리브(400)는 일방향으로 유동하는 냉매에 와류를 발생시켜 직진성을 향상시켜 유동 속도와 유동량을 증가시키기 위해 가공된다. 이 나선형 리브(400)는 공급관(310)과 배출관(320)에 가공될 수 있고, 격벽(500)으로 구획된 배출구간에서 탱크(100)와 헤더(200)의 내면에 가공될 수도 있으며, 유입구간에도 가공될 수 있다. 이 나선형 리브(400)의 피치, 돌출 높이, 각도, 유동 적정량 등은 제1실시 예에서의 설명을 참고한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시 예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허등록청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허등록청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100:탱크 110:제1안내돌기
120:결합부재 200:헤더
210:유동홀 220:제2안내돌기
230:제3안내돌기 300:가이더
310:공급관 320:배출관
400:나선형 리브 500:격벽
B:브래킷 T:튜브.

Claims (1)

  1. 탱크(100)와, 헤더(200)를 구비한 헤더탱크 모듈에서,
    상기 탱크(100)에 브래킷(B)으로 고정되고, 탱크(100)의 일측에 냉매를 공급하도록 설치된 공급관(310)을 구비한 가이더(300);
    상기 공급관(310) 내의 냉매가 와류 형태로 유동하도록 공급관(310)의 내면에 일정 길이로 가공된 나선형 리브(400);를 포함하고,
    상기 공급관(310) 내의 일정 범위 내에서의 유량 편차를 유지하기 위해 상기 공급관(310)의 지름이 9.7±2mm이면, 나선형 리브(400)는 10±1mm의 피치, 1.50±0.25mm의 돌출 높이와, 60±3°의 각도로 가공하고, 23~48mm3/s로 유량을 공급하며,
    상기 탱크(100)는 공급관(310)에서 공급된 냉매의 흐름이 튜브(T)측으로 변경되도록 튜브(T) 반대측 내면에 돌출 가공되고, 측면상 냉매의 유동 방향을 따라 점점 더 돌출되는 유선형이며, 튜브(T)가 설치된 지점보다 더 앞쪽에 배치된 제1안내돌기(110)를 구비하고,
    상기 헤더(200)는 공급관(310)에서 공급된 냉매의 일부를 가로막아 튜브(T)로 안내하도록 튜브(T)와 인접된 내면에 돌출 가공되고, 냉매와 부딪치는 일면이 경사면 또는 곡면을 이루는 제2안내돌기(220)를 구비하고,
    상기 탱크(100)와 헤더(200)에 마련된 내부 공간을 유입구간과 배출구간으로 구획하도록 설치된 격벽(500), 유입구간에서 탱크(100)와 헤더(200)의 내부 공간에 일직선상으로 냉매를 공급하도록 설치된 공급관(310)과, 배출구간에서 탱크(100)와 헤더(200)의 내부 공간에서 일직선상으로 냉매가 배출되도록 설치된 배출관(320) 중 적어도 하나를 더 구비하고,
    상기 나선형 리브(400)는 유입구간에서의 탱크(100)와 헤더(200)의 내면, 배출구간에서의 탱크(100)와 헤더(200)의 내면, 공급관(310)과 배출관(320) 중 적어도 한 곳에 가공되고,
    상기 헤더(200)는 배출구간에서 튜브(T)로부터 배출된 냉매와 부딪쳐 배출관(320)측으로 유동 흐름을 변경하기 위해 튜브(T)와 인접한 내면에 돌출 가공되고, 냉매와 부딪치는 일면이 경사면 또는 곡면을 이루는 제3안내돌기(230)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 냉각장치용 헤더탱크 모듈.
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