KR101876079B1 - 하프셀 결합구조 및 이를 포함하는 배기매니폴드, 하프셀 조인트방법 - Google Patents

하프셀 결합구조 및 이를 포함하는 배기매니폴드, 하프셀 조인트방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 하프셀 결합구조는 상기 제1하프셀의 가장자리에 형성된 제1조인트부; 및 상기 제2하우프셀의 가장자리에 형성된 제2조인트부;를 포함하고, 상기 제1조인트부 및 제2조인트부 중에서 하나의 조인트부는 외경방향으로 일정간격으로 돌출한 돌출부를 가지며, 돌출부는 평탄한 접촉면을 가지고, 상기 제1조인트부 및 상기 제2조인트부가 중첩될 때 상기 접촉면이 대향하는 조인트부의 내면과 접촉할 수 있다.

Description

하프셀 결합구조 및 이를 포함하는 배기매니폴드, 하프셀 조인트방법{HALF SHELLS JOIN STRUCTURE AND EXHAUST MANIFOLD HAVING THE SAME, METHOD FOR JOINING HALF SHELLS}
본 발명은 하프셀 결합구조 및 이를 포함하는 배기매니폴드, 하프셀 결합방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제1셀과 제2셀의 가장자리를 용접할 때 스패터(spatter)가 하프셀 결합구조의 내부로 유입됨을 방지할 수 있는 하프셀 결합구조 및 이를 포함하는 배기매니폴드, 하프셀 결합방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 배기 시스템은 차량의 엔진 룸 내 레이아웃과 배기 저감 요구정도를 고려하여 촉매 컨버터의 배치에 따라 촉매 컨버터가 배기 매니폴드의 각 런너로부터 가까이 연결되는 클로즈 커플드 카탈리스트(CLOSE-COUPLED CATALYST; CCC) 타입과, 촉매 컨버터가 배기 매니폴드와 비교적 멀리 떨어져 연결되어 배기 유동 균일화의 요구가 상대적으로 작은 언더 플로어 카탈리틱 컨버터(UNDER-FLOOR CATALYTIC CONVERTER; UCC)타입을 선택적으로 적용하게 된다.
배기 매니폴드의 경우, 최근에는 차량의 연비 향상을 위하여 스테인리스 스틸 등과 같은 금속재질을 많이 사용하고 있다.
이러한 배기 매니폴드는 2개의 하프셀을 가질 수 있다. 각 하프셀의 가장자리가 용접을 통해 결합됨으로써 배기가스의 누설을 방지할 수 있다.
각 하프셀의 가장자리는 서로 중첩되고, 이때 각 하프셀의 가장자리는 서로 중첩되게 배치된 후에 용접을 통해 결합될 수 있다.
하지만, 각 하프셀의 프레스 공차, 조립공차 등으로 인해 하프셀의 가장자리들 사이에는 일정한 갭(gap)이 형성될 수 있고, 이러한 갭을 통해 용접 시에 발생하는 스패터(spatter, 용접 중에 비산하는 슬래그 또는 금속알갱이)가 2개의 하프셀에 의해 형성되는 내부공간으로 유입될 수 있다. 이렇게 스패터가 배기매니폴드의 내부공간에 유입됨에 따라 내부청정도를 일정하게 유지하지 못할 수 있다.
특히, 클로즈 커플드 카탈리스트 등과 같이 배기 매니폴드 측에 촉매 컨버터가 인접하게 배치된 구조에서는 스패터가 촉매 컨버터 측으로 유입될 수 있고, 이에 촉매의 상면에 칩핑(chipping) 현상이 발생하고, 이로 인해 촉매의 정화효율이 저하될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 배기매니폴드의 제1셀과 제2셀을 용접할 때 스패터가 촉매 컨버터 측으로 유입됨을 차단하여 촉매가 손상됨을 방지함과 더불어 배기매니폴드의 내부 청정도를 깨끗하게 유지할 수 있는 하프셀 결합구조 및 이를 포함하는 배기매니폴드, 하프셀 결합방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 제1하프셀 및 제2하프셀이 용접에 의해 결합되는 하프셀 결합구조로서,
상기 제1하프셀의 가장자리에 형성된 제1조인트부; 및
상기 제2하우프셀의 가장자리에 형성된 제2조인트부;를 포함하고,
상기 제1조인트부 및 제2조인트부 중에서 하나의 조인트부는 외경방향으로 일정간격으로 돌출한 돌출부를 가지며, 돌출부는 평탄한 접촉면을 가지고,
상기 제1조인트부 및 상기 제2조인트부가 중첩될 때 상기 접촉면이 대향하는 조인트부의 내면과 접촉할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 제1하프셀 및 제2하프셀을 용접에 의해 결합하는 하프셀 조인트방법으로,
제1하프셀의 가장자리에 플랜지를 형성한 후에 상기 플랜지를 절단함으로써 일정 길이로 돌출한 돌출부를 형성하고, 상기 돌출부에 인접한 제1하프셀의 가장자리 일부에 평탄한 제1조인트부를 형성하는 제1조인트부 형성단계; 및
제2하프셀의 가장자리에 평탄한 제2조인트부를 형성하는 제2조인트부 형성단계;
상기 제1조인트부와 상기 제2조인트부를 중첩시켜 상기 돌출부가 제2조인트부의 내면에 접촉시키는 중첩단계;
상기 제1조인트부와 상기 제2조인트부를 용접하는 용접단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1조인트부 형성단계에서 상기 돌출부의 단부에 평탄한 접촉면이 형성되도록 상기 플랜지를 절단할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 배기매니폴드로서,
2개의 하프셀을 가진 매니폴드 바디; 및
상기 2개의 하프셀을 결합시키는 하프셀 결합구조;를 포함하고,
상기 제1하프셀의 가장자리에 형성된 제1조인트부; 및
상기 제2하우프셀의 가장자리에 형성된 제2조인트부;를 포함하고,
상기 2개의 하프셀의 가장자리에는 조인트부가 각각은 형성되며,
2개의 하프셀 중에서 어느 하나의 조인트부는 외경방향으로 일정간격으로 돌출한 돌출부를 가지고,
상기 돌출부는 접촉면을 가지며,
상기 2개의 하프셀의 조인트부들이 중첩될 때 상기 접촉면이 대향하는 조인트부의 내면과 접촉할 수 있다.
본 발명에 의하면, 배기매니폴드의 제1셀과 제2셀을 용접할 때 스패터가 촉매 컨버터 측으로 유입됨을 차단하여 촉매가 손상됨을 방지함과 더불어 배기매니폴드의 내부 청정도를 깨끗하게 유지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기매니폴드가 촉매 컨버터와 결합된 상태를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기매니폴드를 도시한 분해사시도이다.
도 3은 도 1의 A-A선을 따라 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 화살표 B 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1하프셀의 가장자리에 플랜지가 형성된 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 플랜지를 커터에 의해 절단하는 과정을 도시한 도면이다 .
도 7은 도 6의 플랜지가 커터에 의해 절단됨으로써 제1하프셀의 가장자리에 돌출부가 형성된 상태를 도시한 도면이다.
도 8은 도 6의 제1하프셀의 가장자리 일부가 제1조인트부로 가공된 사?를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배기매니폴드(10)는 제1하프셀(21) 및 제2하프셀(22)을 가진 매니폴드 바디(20)를 포함할 수 있다.
매니폴드 바디(20)는 용접에 의해 결합되는 제1하프셀(21) 및 제2하프셀(22)을 포함할 수 있고, 제1하프셀(21)의 가장자리(23) 및 제2하프셀(22)의 가장자리(24)가 용접(50, 도 3 및 도 4 참조)에 의해 결합됨으로써 하프셀 결합구조(40)를 구성할 수 있다.
제1하프셀(21) 및 제2하프셀(22)이 결합됨에 따라 매니폴드 바디(20)의 내부에는 하나 이상의 런너가 형성될 수 있고, 하나 이상의 런너는 제1하프셀(21) 및 제2하프셀(22)의 형상에 의해 정의(define)될 수 있다. 예컨대, 도 1 및 도 2에 예시된 바와 같이 제1하프셀(21)과 제2하프셀(22)이 결합됨에 따라 그 내부공간에 복수의 런너가 구획되게 형성될 수 있고, 복수의 런너는 인렛플랜지(28)를 통해 엔진의 각 실린더와 소통할 수 있다.
매니폴드 바디(20)의 일단에는 배기가스가 유입되는 인렛플랜지(28, inlet flange)가 용접 등을 통해 결합될 수 있다. 인렛플랜지(28)는 엔진 측에 결합될 수 있고, 인렛플랜지(28)는 엔진의 각 실린더와 소통하는 개구를 가질 수 있으며, 인렛플랜지(28)의 각 개구는 각 런너와 소통할 수 있다.
매니폴드 바디(20)의 타단에는 배기가스가 유출되는 아웃렛부(29, outlet portion)가 형성될 수 있고, 매니폴드 바디(20)의 아웃렛부(29)는 촉매 컨버터(60)의 인렛캡(61)이 기밀하게 결합될 수 있다. 이와 같이, 촉매 컨버터(60)가 매니폴드 바디(20)의 단부에 직접적으로 연결됨에 따라, 촉매 컨버터(60)는 매니폴드 바디(20)의 런너와 가깝게 연결되는 클로즈 커플드 카탈리스트(CLOSE-COUPLED CATALYST; CCC) 타입일 수도 있다.
한편, 차량의 엔진 사양 등에 따라 매니폴드 바디(20)의 내부에는 인너런너(30, 도 3 참조)가 설치됨으로써 듀얼벽 배기매니폴드(dual wall exhaust manifold)를 구성할 수도 있다. 인너런너(30)는 매니폴드 바디(20)의 각 런너에 대응하는 갯수로 이루어질 수 있다. 각 인너런너(30)의 외면은 매니폴드 바디(20)의 각 런너의 내면과 일정간격으로 이격될 수도 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하프셀 결합구조(40)는 제1하프셀(21)의 가장자리(23)에 형성된 제1조인트부(41)와, 제2하프셀(22)의 가장자리(24)에 형성된 제2조인트부(42)를 포함할 수 있다. 제1조인트부(41) 및 제2조인트부(42)가 용접(50)에 의해 결합됨으로써 하프셀 결합구조(40)를 구현할 수 있다.
제1조인트부(41)는 제1하프셀(21)의 가장자리(23)에서 일직선(straightly) 상으로 형성될 수 있고, 이에 제1조인트부(41)의 내면 및 외면은 평탄하게 형성될 수 있다. 예컨대, 제1하프셀(21)의 가장자리(23) 일부가 일정한 벤딩 반경(R)으로 2번에 걸쳐 벤딩됨으로써 제1조인트부(41)가 일직선(straightly) 상으로 형성될 수 있다. 여기서, 벤딩 반경(R)은 제1하프셀(21)의 두께(t1)와 동일하게 형성됨이 바람직하다. 벤딩 반경(R)이 제1하프셀(21)의 두께(t1) 보다 크게 형성될 경우 크랙 등이 발생되어 그 성형품질이 저하될 수 있기 때문에 벤딩 반경(R)은 제1하프셀(21)의 두께(t1)와 동일하게 형성됨이 바람직할 것이다.
제2조인트부(42)는 제2하프셀(22)의 가장자리(24)에서 일직선(straightly) 상으로 형성될 수 있고, 이에 제2조인트부(42)의 내면 및 외면은 평탄하게 형성될 수 있다. 예컨대, 제2하프셀(22)의 가장자리(24) 일부가 일정한 벤딩 반경(R)으로 2번에 걸쳐 벤딩됨으로써 제2조인트부(42)가 일직선(straightly) 상으로 형성될 수 있다. 여기서, 벤딩 반경(R)은 제2하프셀(22)의 두께(t2)와 동일하게 형성됨이 바람직하다. 벤딩 반경(R)이 제2하프셀(22)의 두께(t2) 보다 크게 형성될 경우 크랙 등이 발생되어 그 성형품질이 저하될 수 있기 때문에 벤딩 반경(R)은 제2하프셀(22)의 두께(t2)와 동일하게 형성됨이 바람직할 것이다.
제1조인트부(41) 및 제2조인트부(42) 중에서 어느 하나의 조인트부에는 접촉면(45)을 가진 돌출부(46)가 형성될 수 있고, 돌출부(46)의 접촉면(45)은 평탄하게 형성될 수 있으며, 평탄한 접촉면(45)은 대향하는 조인트부의 내면과 기밀하게 접촉할 수 있다.
제1조인트부(41) 및 제2조인트부(42)는 서로 중첩되면 돌출부(46)의 접촉면(45)이 제2조인트부(42)의 내면과 접촉할 수 있고, 이에 돌출부(46)가 제1조인트부(41)와 제2조인트부(42) 사이의 갭(gap)을 차단할 수 있다. 이런 상태에서 용접(50)함으로써 제1조인트부(41) 및 제2조인트부(42)가 견고하게 결합(join)될 수 있다.
도 3 및 도 4의 실시예에 따르면, 돌출부(46)는 제1조인트부(41)의 단부에 형성될 수 있다.
도 5 내지 도 8을 참조하여, 제1조인트부(41)의 단부에 돌출부(46)가 형성되는 과정과, 제1조인트부(41)와 제2조인트부(42)의 결합방법을 상세하게 설명한다.
도 5에 예시된 바와 같이, 제1하프셀(21)의 가장자리(23)의 일부를 1차 프레스 공정을 통해 일정 반경(R)으로 벤딩함에 따라 플랜지(43)를 형성할 수 있다. 여기서, 벤딩 반경(R)은 제1하프셀(21)의 두께(t1)와 동일하게 형성될 수 있다. 벤딩 반경(R)이 제1하프셀(21)의 두께(t1) 보다 크게 형성될 경우 크랙 등이 발생되어 그 성형품질이 저하될 수 있기 때문에 벤딩 반경(R)은 제1하프셀(21)의 두께(t1)와 동일하게 형성됨이 바람직할 것이다.
그 이후에, 도 6과 같이 플랜지(43)를 2차 프레스 공정의 커터(65)에 의해 절단할 수 있고, 특히 커터(65)가 제1하프셀(21)의 가장자리(23)에 근접한 상태에서 플랜지(43)를 수직방향으로 절단함에 따라, 도 7과 같이 제1하프셀(21)의 가장자리(23)에 돌출부(46)가 일정길이(s)로 돌출할 수 있다. 플랜지(43)가 커터(65)에 의해 수직방향으로 절단됨에 따라 돌출부(46)에는 평탄하게 절단된 접촉면(45)이 형성될 수 있다.
한편, 돌출부(46)의 돌출길이(s)는 커터(65)의 드래프트 각도(draft angle)에 의해 결정될 수 있고, 커터(65)의 드래프트 각도(a)는 커터(65)와 제1하프셀(21)의 가장자리(23) 사이의 각도일 수 있다. 예컨대, 커터(65)의 드래프트 각도(a)가 12°인 경우에 sin12°≒0.2이므로 돌출부(46)의 돌출길이(s)는 0.2mm일 수 있다.
이렇게 접촉면(45)을 가진 돌출부(46)가 형성된 이후에, 제1하프셀(21)의 가장자리(23) 일부를 2번에 걸쳐 일정 반경(R)으로 벤딩하는 프레스가공을 거쳐 제1하프셀(21)의 가장자리(23)에는 제1조인트부(41)가 일직선(straightly) 상으로 형성될 수 있고, 이를 통해 제1조인트부(41)의 단부에는 접촉면(45)을 가진 돌출부(46)가 형성될 수 있다.
이러한 제1조인트부(41) 및 제2조인트부(42)를 서로 중첩되게 배치시키고, 이러한 제1조인트부(41) 및 제2조인트부(42)의 중첩에 의해 제1조인트부(41)의 돌출부(46)의 접촉면(45)이 제2조인트부(42)의 내면과 접촉할 수 있다.
이런 상태에서, 제1조인트부(41) 및 제2조인트부(42)을 용접(50)함으로써 제1조인트부(41) 및 제2조인트부(42)가 견고하게 결합(join)될 수 있다.
매니폴드 바디(20)를 형성하기 위하여, 제1하프셀(21)의 제1조인트부(41)와 제2하프셀(22)의 제2조인트부(42)가 서로 중첩되게 배치될 때, 제1조인트부(41)의 접촉면(45)이 제2하프셀(22)의 제2조인트부(42)의 내면과 기밀하게 접촉할 수 있고, 이에 따라 돌출부(46)의 돌출길이(s)에 의해 제1조인트부(41) 및 제2조인트부(42) 사이의 갭(gap)이 결정될 수 있으며, 특히 돌출부(46)가 제1조인트부(41)와 제2조인트부(42) 사이의 갭(gap)을 차단할 수 있으므로 용접 시에 발생된 스패터가 하프셀 결합구조(40)의 내부로 유입됨이 방지될 수 있다.
특히, 본 발명은 돌출부(46)의 돌출길이(s)를 최소화함으로써 제1조인트부(41)와 제2조인트부(42) 사이의 갭을 최소화할 뿐만 아니라 용접 시의 변형량을 최소화할 수 있다.
예컨대, 종래기술에 따르면 조인트부들 사이의 갭이 0.3mm 인 경우 용접 시의 변형량이 그 2배인 대략 0.6mm가 될 수 있지만, 본 발명은 커터(65)의 드래프트 각도(draft angle)에 따라 돌출부(46)의 돌출길이(s)를 0.2mm까지 최소화할 수 있고 이를 통해 용접 시의 변형량은 그 2배인 0.4mm이내로 유지될 수 있으므로 갭 및 용접 변형량 등을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 하프셀 결합구조(40)는 상술한 설명 및 도면에는 배기 매니폴드(10)의 아웃셀(20)에 적용되는 것으로 예시하였지만, 본 발명은 이에 한정하지 않으며, 각종 배관, 케이스 등과 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예컨대, 배기 매니폴드(10)의 인너런너(30)가 하프셀 시스템으로 구성될 경우에는 상술한 하프셀 결합구조(40)가 적용될 수 있음은 자명할 것이다.
이상, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.
10: 배기매니폴드
20: 아웃터셀
40: 하프셀 결합구조
41: 제1조인트부
42: 제2조인트부

Claims (8)

  1. 제1하프셀 및 제2하프셀이 용접에 의해 결합되는 하프셀 결합구조로서,
    상기 제1하프셀의 가장자리에 형성된 제1조인트부; 및
    상기 제2하프셀의 가장자리에 형성된 제2조인트부;를 포함하고,
    상기 제1조인트부 및 상기 제2조인트부 중에서 어느 하나의 조인트부의 단부에는 돌출부가 외경방향으로 돌출하며, 상기 돌출부의 단면에는 평탄한 접촉면이 형성되고,
    상기 제1조인트부 및 상기 제2조인트부가 중첩될 때 상기 돌출부의 평탄한 접촉면이 대향하는 조인트부의 내면과 접촉하는 하프셀 결합구조.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1조인트부는 상기 제1하프셀의 가장자리에서 일직선(straightly) 상으로 형성되는 하프셀 결합구조.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2조인트부는 상기 제2하프셀의 가장자리에서 일직선(straightly) 상으로 형성되는 하프셀 결합구조.
  5. 제1하프셀 및 제2하프셀을 용접에 의해 결합하는 하프셀 결합방법으로,
    제1하프셀의 가장자리에 플랜지를 형성한 후에 상기 플랜지를 절단함으로써 일정 길이로 돌출한 돌출부를 형성하고, 상기 돌출부에 인접한 제1하프셀의 가장자리 일부에 평탄한 제1조인트부를 형성하는 제1조인트부 형성단계; 및
    제2하프셀의 가장자리에 평탄한 제2조인트부를 형성하는 제2조인트부 형성단계;
    상기 제1조인트부와 상기 제2조인트부를 중첩시켜 상기 돌출부가 제2조인트부의 내면에 접촉시키는 중첩단계;
    상기 제1조인트부와 상기 제2조인트부를 용접하는 용접단계;를 포함하는 하프셀 결합방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1조인트부 형성단계에서 상기 돌출부의 단부에 평탄한 접촉면이 형성되도록 커터에 의해 상기 플랜지를 수직방향으로 절단하는 하프셀 결합방법.
  7. 2개의 하프셀을 가진 매니폴드 바디; 및
    상기 2개의 하프셀을 결합시키는 하프셀 결합구조;를 포함하고,
    상기 2개의 하프셀의 가장자리에는 조인트부가 각각은 형성되고, 2개의 조인트부 중에서 어느 하나의 조인트부의 단부에는 돌출부가 외경방향으로 돌출하며, 상기 돌출부의 단면에는 평탄한 접촉면이 형성되고,
    상기 2개의 하프셀의 조인트부들이 중첩될 때 상기 돌출부의 평탄한 접촉면이 대향하는 조인트부의 내면과 접촉하는 배기매니폴드.
  8. 청구항 7항에 있어서,
    상기 매니폴드 바디의 단부에 촉매 컨버터가 직접 연결되는 배기매니폴드.
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