KR20080033942A - 자동차용 열교환기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, (a) 다수의 열전달 관(4)을 갖는 헤더부(10)를 포함하는 열교환 코어(2), (b) 열전달 관(4)의 단부 부분을 수용하기 위한 개구를 형성하는 플라스틱 매니폴드 본체(18), 및 (c) 다수의 개구(24)를 갖는 플라스틱 삽입 플레이트(16)를 포함하는 자동차용 열교환기에 있어서, (i) 상기 열전달 관(4)의 단부 부분은 상기 플라스틱 삽입 플레이트(16)의 개구(24)에 의해 수용되고 이를 통해서 연장되며 상기 열전달 관(4)의 단부 부분의 극단부는 외측으로 구부러져 있고, (ⅱ) 상기 플라스틱 삽입 플레이트(16)는 매니폴드 본체(18)의 측벽에 체결되며, (ⅲ) 상기 매니폴드 본체(18)는 매니폴드 본체(18)에 대한 플라스틱 삽입 플레이트(16)의 체결을 통해서만 열교환 코어(2)에 접합되는 것을 특징으로 하는 자동차용 열교환기에 관한 것이다.
열전달 관, 헤더부, 열교환 코어, 플라스틱 삽입 플레이트, 매니폴드 본체, 측벽, 에지 구역, 개구, 원주 림
Description
본 발명은 자동차용 열교환기에 관한 것이다. 열교환기는 하나의 유체(가스)로부터 다른 유체(또는 가스)로 열에너지를 둘의 혼합 없이 전달한다. 공통의 예는 자동차용 라디에이터이다. 고온 엔진수로부터의 열은 라디에이터 파이프를 통해서 펌핑되며, 공기는 라디에이터 틴(tin)을 통해서 송풍된다. 엔진에 의해 생성된 열 에너지는 냉각수를 통해서 공기로 전달되며, 따라서 워터를 적절한 온도로 유지하여, 엔진의 과열을 억제한다. 본질적으로 자동차 라디에이터는 액체-대-기체 열교환기이다. 다른 형태의 열교환기는 보일러, 노, 냉동기 및 공조 시스템과 같은 일상적인 장비에서 보편적이며, 에너지를 전달하여 필요한 가열이나 냉각을 제공하기 위해 광범위한 산업, 화학, 및 전자 공정에서 보편적으로 사용된다. 본 명세서에서 자동차용 열교환기는 자동차에 사용되도록 설계된 열교환기로 이해된다.
본 발명은 자동차용 열교환기에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 관 다발, 및 관의 단부가 플레이트의 구멍에 도입되는 헤더 부분을 포함하는 형태의 자동차용 열교환기에 관한 것이다. 관는 열교환 관 또는 열전달 관 뿐 아니라 냉각 파이프 또는 냉각 채널로도 알려져 있다. 추가적인 열전달 요소로서 자동차용 열교환 기는 일반적으로, 금속으로 만들어진 핀(fin) 또는 주름형(corrugated) 플레이트를 포함한다. 관과 냉각 요소는 일반적으로 함께 적층되어 큰 패키지를 형성하며, 구멍을 포함하는 플레이트와 함께 용접 또는 납땜되어 단일 또는 일체형 열교환 코어를 형성한다. 열교환 코어는 또한 쿨러 본체라는 이름으로도 알려져 있으며, 일반적으로 알루미늄과 같은 경량의 열전도성 금속으로 만들어진다. 자동차용 열교환기는 또한 헤더 부분에 의해 경계지어지는 개방 면을 갖는 매니폴드 본체를 포함한다. 자동차용 열교환기용 매니폴드 본체는 단부-캡으로도 알려져 있다. 매니폴드 본체는 헤더 부분과 함께, 매니폴드 하우징으로도 지칭되는 매니폴드를 구성한다. 냉각될 관 공기 또는 기타 매체(일반적으로 물이나 물/글리콜 혼합물)가 통과하는 열교환 관의 단부 부분은 매니폴드 본체 내의 개구에 의해 수용되며, 매니폴드 하우징 내로 연장된다. 자동차용 열교환기는 일반적으로 두 개의 매니폴드, 즉 도입 탱크로도 알려져 있는 유입 매니폴드 또는 방출 탱크로도 알려져 있는 유출 매니폴드를 포함한다. 유입 매니폴드는 냉각될 매체를 관 내로 채널 유동시키는데 사용되는 도관형 장치로 이해된다. 유출 매니폴드는 냉각된 후의 매체를 관로부터 채널 유동시키는데 사용되는 도관형 장치로 이해된다.
이러한 매니폴드는 미국 특허 US-5,351,751에 공지되어 있다. 이 특허는 예를 들어 과급기용 충진 공기 쿨러로서 자동차에 채용되는 형태의 열교환기를 기재한다. US-5,351,751에 공지된 열교환기는 US-5,351,751에서 명목 매니폴드로 지시 되는 분리 탱크 형태의 매니폴드 본체, 및 열교환 코어를 포함한다. 열교환 코어는 헤더 부분과 열교환 관을 포함한다. 열교환 관는 그 단부 부분에서 헤더 부분에 연결된다. 헤더 부분과 매니폴드 본체는 매니폴드 하우징이란 단어로 지칭되는 매니폴드를 함께 형성한다. US-5,351,751의 열교환기에서, 매니폴드 본체는 헤더 부분과 결합하는 내향 에지 구역 및 외향 에지 구역을 갖는 측벽을 갖는다. 상기 열교환 코어 내의 헤더 부분은 채널을 형성하는 칼라를 포함하는 바, 상기 칼라에 의해 매니폴드 본체의 외향 에지 구역이 수용된다. US-5,351,751에서의 매니폴드 본체는 금속, 바람직하게는 알루미늄으로 만들어질 수 있으며, 예를 들어 용접에 의해 헤더 부분에 결합될 수 있다. US-5,351,751에 따르면, 플라스틱으로 형성된 매니폴드 본체를 적용할 수도 있다.
매니폴드 본체를 헤더 부분에 접합하기 위한 다른 방법은 크림핑(crimping) 작업에 의한 것이다. 이 방법은 예를 들어 크림핑 클로(claw)와 같은 크림핑 수단이 제공된 칼라를 갖는 헤더 부분, 및 크림핑 클로에 의해 수용될 주변 림을 포함하는 매니폴드 본체를 포함하는 자동차용 열교환기를 요구한다. 이 방법은 금속으로 제조된 매니폴드 본체에 적용될 수 있으며, 일반적으로 플라스틱으로 제조된 매니폴드 본체에 적용된다.
US-5,351,751에 기재되어 있듯이, 자동차용 열교환기에서의 매니폴드 하우징은 가열 또는 냉각될 매체의 높은 온도 및 압력으로 인해 초래되는 팽창을 겪으며, 이는 열교환기의 기계적 고장이 나기 쉽게 만든다. 특히, 자동차용 열교환기에서 발생하는 맥동 압력은 문제를 초래한다. 발생할 수 있는 결함의 예로는, 헤더 부 분에서의 크랙 및 폭발, 크림핑 클로의 개방, 및 헤더 부분에서 열전달 관과 베이스 플레이트 사이의 용접 조인트의 파괴를 들 수 있다. US-5,351,751에 기재된 종래의 해결책은 벽두께의 증가, 내부 및/또는 외부 리빙(ribbing)의 추가, 또는 탱크의 내벽 사이에서 연장되는 내부 타이 바(tie bar)의 추가에 의해 이 팽창을 견디도록 매니폴드 본체 또는 탱크 부분을 보강하는 것이다. 헤더 재료 게이지의 증가 및 보다 두꺼운 크림핑 클로의 사용 또한 보강 수단으로서 채용될 수 있다. 그러나, US-5,351,751에서도 언급되어 있듯이 이들 강화 수단은 여러가지 문제를 안고 있다. 강화를 위한 초과 재료의 추가는 매니폴드의 중량 및 비용을 증가시킨다. 이는 또한 요구되는 공구, 설계, 몰드 등을 복잡하게 만든다. 내부 타이 바의 사용은 또한 제작을 복잡하게 만든다. 크림핑 클로의 두께 증대는 매니폴드 본체와 헤더 부분을 접합하기 위해 보다 큰 힘과 보다 큰 기계를 요구하며, 또한 차량 내부에 열교환기를 위한 보다 넓은 공간을 요구한다. 그러나, 요즘의 차량에서는 장비에 할당되는 공간이 점점 더 제한되며, 동등한 열 성능을 유지하는 한편으로 열교환기의 필요 공간을 줄일 수 있을 필요가 있는 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 목적은 종래 열교환기의 문제를 갖지 않는 자동차용 열교환기를 제공하는 것이거나, 보다 구체적으로는 열교환기의 헤더 부분에서의 기계적 고장에 덜 민감하고, 제한된 초과 비용 및 중량으로 제조될 수 있으며, 공간 절약이 가능한 자동차용 열교환기를 제공하는 것이다.
이 목적은 본 발명에 따른 자동차용 열교환기로서, 그 개수가 열교환 코어에 의해 구비되는 열전달 관의 개수와 동일한 다수의 개구를 갖는 플라스틱 삽입 플레이트를 포함하고,
(i) 열전달 관의 단부 부분은 상기 플라스틱 삽입 플레이트의 개구에 의해 수용되고 이를 통해서 연장되며, 열전달 관의 단부 부분의 극단부는 외측으로 구부러져서 플라스틱 삽입 플레이트와 헤더 부분 사이에 압밀한(pressure tight) 조인트를 형성하고,
(ⅱ) 상기 플라스틱 삽입 플레이트는 매니폴드 본체의 측벽에 이 측벽과 완전히 접촉하도록 체결되며,
(ⅲ) 상기 매니폴드 본체는 매니폴드 본체에 대한 플라스틱 삽입 플레이트의 체결을 통해서만 열교환 코어에 접합되는 자동차용 열교환기에 의해 달성된다.
열전달 관의 단부 부분이 플라스틱 삽입 플레이트의 개구에 의해 수용되어 이를 통해 연장되고 열전달 관의 단부 부분의 극단부가 외측으로 구부러져 있어서, 열교환 코어를 압밀한 조인트에 의해 플라스틱 삽입 플레이트와 기계적으로 결합시키며, 매니폴드 본체가 매니폴드 본체에 대한 플라스틱 삽입 플레이트의 체결을 통해서만 열교환 코어에 접합되는 본 발명에 따른 자동차용 열교환기는 놀랍게도, 내부 압력을 견디기에 충분히 강하고, 동시에 크림핑 클로 및/또는 베이스 플레이트의 기계적 고장에 관한 압력 손실의 위험이 감소되는 것으로 밝혀졌다. 추가적인 장점은, 열교환 코어가 매니폴드를 열교환 코어에 접합하기 위한 크림핑 수단을 갖지 않기 때문에 공간이 상당히 절약된다는 점이다. 또한, 본 발명에 따른 대책들은 과도한 초과 비용 및 중량에 기여하지 않으며, 오히려 비용 및/또는 중량을 감소시킬 수도 있다. 기계적 고장의 감도 저하로 인해, 보강 원인을 위한 헤더부 또는 매니폴드의 다른 부분들의 치수 증분이 감소될 수 있으며, 특정한 경우 이러한 다른 부분들의 치수는 심지어 감소되거나 완전히 생략될 수도 있다. 또한, 플라스틱 삽입 플레이트 자체는 경량화될 수 있고 간단히 제조될 수 있다.
그 개수가 자동차용 열교환기에서의 열전달 관의 개수와 동일한 다수의 개구를 갖는 플라스틱 삽입 플레이트의 사용은 공지되어 있으며, 예를 들면 US-6296051-B1에 기재되어 있다. US-6296051-B1의 자동차용 열교환기에서의 관는 또한 확장(widened) 단부 부분을 갖는다. 그러나, US-6296051-B1의 자동차용 열교환기에서 열전달 관의 단부 부분은 플라스틱 삽입 플레이트의 개구에 압입되어 수용되지만 이를 관통하지 않는다. 보다 구체적으로, US-6296051-B1에서의 플라스틱 삽입 플레이트의 두께는 단부의 높이보다 큰 것으로 언급되어 있다. 더욱이, 확장 단부 부분은 개구와 동일 높이로 끼워지지만, 플라스틱 삽입 플레이트가 매니폴드 박스의 주변 에지에 의해 위치 유지되기 때문에 열교환 코어를 플라스틱 삽입 플레이트와 기계적으로 결합시키기 위한 것이 아니다. 또한, US-6296051-B1의 자동차용 열교환기에서의 매니폴드 본체는 크림핑 작업에 의해 헤더부에 접합된다. 이러한 이유로 헤더부에는 티쓰 및 노치를 닮은 크림핑 텅(tongue)을 포함하는 매니폴드 플레이트가 제공된다. US-6296051-B1에서의 플라스틱 삽입 플레이트는 매니폴드 본체의 림을 위한 측방 정지부로서 사용되며, 따라서 림은 크림핑 작업 중에 측방향으로 유지된다. 그렇지 않으면 매니폴드 본체는 크림핑 작업 중에 발휘되는 높은 압력의 효과 하에 내측으로 이동할 것이다. US-6296051-B1은 본 발명에 따른 대책들을 제안하고 있지도 않으며, 본 발명에 따른 그 효과에 대해서도 교시하거나 제시하고 있지 못하다.
본 명세서에서 완전 접촉(full contact)이란 플라스틱 삽입 플레이트가 폐쇄 라인을 따라서 매니폴드 본체의 측벽과 접촉하는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 플라스틱 삽입 플레이트와 매니폴드 본체 사이에 개구가 전혀 존재하지 않는 것이다.
이러한 완전 접촉은 예를 들어, 매니폴드의 측벽의 에지 구역 또는 그 근처에서 매니폴드 본체의 평면 단면의 내주와 유사하거나 동일한 외주를 갖는 플라스틱 삽입 플레이트와 평면상 편평한 단면을 갖는 플라스틱 삽입 플레이트에 의해 달성될 수 있다. 플라스틱 삽입 플레이트의 상기 외주가 매니폴드의 상기 내주와 동일한 경우, 완전 접촉은 예를 들어 플라스틱 삽입 플레이트를 매니폴드 내에 삽입하고 클램핌함으로써 또는 플라스틱 삽입 플레이트를 매니폴드 상에 용접함으로써 달성될 수 있다. 플라스틱 삽입 플레이트의 상기 외주가 매니폴드의 상기 내주와 유사한 경우, 완전 접촉은 예를 들어 플라스틱 삽입 플레이트를 접착제를 사용하여 클램핑 및 완전 접촉을 실시하여 매니폴드 본체에 체결함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 자동차용 열교환기가 열교환기에서의 다른 부분의 기계적 고장에 관한 압력 손실 위험을 저감하는 한편으로 내부 압력을 견딜 수 있다는 본 발명의 효과는, 플라스틱 삽입 플레이트와 헤더부 사이에 압밀한 조인트를 요구한다. 이러한 압밀한 조인트는 예를 들어 플라스틱 삽입 플레이트가 관의 단부 부분과 밀봉 접촉하는 것과 같은 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 이는 또한 플라스틱 삽입 플레이트와 베이스 플레이트 사이에 밀봉제나 밀봉체(sealing body)가 사용됨으로써 달성될 수 있다. 플라스틱 삽입 플레이트와 관의 단부 부분 사이의 밀봉 접촉이 플라스틱 삽입 플레이트 사이의 밀봉제 또는 밀봉체와 조합되는 것이 바람직하다.
밀봉제로서는 접착제가 사용되는 것이 적합하다. 또한 밀봉체로서는 고무 개스킷이 사용되는 것이 적합하다.
본 발명에 따른 자동차용 열교환기에 있어서, 플라스틱 삽입 플레이트는 플레이트형 본체를 중공 형상체를 갖는 플라스틱 본체에 고정하기에 적합한 임의의 수단에 의해 매니폴드 본체의 측벽에 체결될 수 있다. 적합한 수단의 예를 들자면, 예를 들어 스냅 끼움이나 언더컷을 이용한 클릭 기구 또는 기타 시일 기구를 이용하는 클램핑 및 스냅핑과 같은 기계적 결합(bond)과, 예를 들어 진동 용접이나 레이저 용접 또는 그 임의의 조합에 의해 인가되는 용접 라인 또는 접착제를 사용하는 접착 결합과 같은 화학 결합이 있다.
기계적 결합과 화학적 결합을 조합하여 사용하는 것이 바람직하다. 그 장점은 매니폴드가 보다 강력하게 되며, 보다 큰 압력 진동을 견딜 수 있다는 점이다.
기계적 결합 및/또는 화학적 결합은 그 결합의 보다 나은 밀봉을 제공하기 위해 밀봉체 또는 밀봉제와 임의로 조합된다.
본 발명에 따른 자동차용 열교환기에서의 플라스틱 삽입 플레이트는, 매니폴드 본체의 베이스 벽의 방향으로 돌출하는 주변에 배치된 상승(elevated) 원주 림을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 림의 장점은 매니폴드가 매니폴드 본체의 에지 구역 근처에서 더 강인(stiff)해지며, 매니폴드가 사용되는 열교환기가 기계적 고장에 대해 덜 민감해진다는 점이다. "주변에 배치된다(peripherally located)"는 표현은 본 명세서에서, 림이 플라스틱 삽입 플레이트의 에지 또는 그 근처에 배치되는 것으로 이해하면 된다.
상기 림이 구비된 플라스틱 삽입 플레이트는 예를 들어, 상기 림과 측벽의 주변 에지 구역의 접촉을 통해서 매니폴드 본체의 측벽에 체결될 수 있다. 본 실시예에서, 림은 매니폴드 본체의 측벽의 연장부를 형성한다. 실제로, 림의 높이는 측벽의 높이와 대략 같거나 그보다 높을 수 있다. 이러한 높이의 림을 갖는 플라스틱 삽입 플레이트는 홈통(trough) 형상을 갖는 것으로 시각화될 수 있다. 특정 상황에서 림의 높이는, 매니폴드 하우징에 대해 충분한 체적을 유지하면서 측벽의 높이가 상당히 감소되도록 설정될 수 있다. 그 극단적인 형태에서, 매니폴드는 박스 형태를 가지며, 여기에서 림을 갖는 플라스틱 삽입 플레이트는 바닥과 벽을 갖는 베이스 부를 형성하며, 그 높이가 최소로 낮아지는 측벽을 갖는 매니폴드 본체는 박스의 뚜껑을 형성한다. 이 실시예의 장점은, 림의 높이가 높은 특정한 경우에, 기계적 고장에 대한 열교환기의 감도가 훨씬 낮아진다는 점이다.
대체 실시예에서는, 림이 매니폴드 본체의 측벽의 내향 에지 구역에 의해 수용되어 이에 대해 접촉되거나, 또는 매니폴드 본체의 측벽이 림에 의해 수용되고 림이 측벽의 외향 에지 구역에 대해 접촉된다. 매니폴드 본체의 측벽이 림에 의해 수용되고 림이 측벽의 외향 에지 구역에 대해 접촉되는 것이 바람직하다. 그 장점은 열교환기가 높은 압력을 견딜 수도 있다는 점이다.
최적하게는, 이들 실시예의 조합이 적용된다. 이는 상기 림을 갖는 플라스틱 삽입 플레이트에 의해 달성될 수 있으며, 여기에서 상기 림은 매니폴드 본체의 측벽의 에지 구역을 수용하고 측벽의 외향 또는 내향 에지 구역에 접촉하기 위해 각각 내향 또는 외향 절취부를 갖는 주변 에지 구역을 갖는다. 대안적으로, 또는 이와 조합적으로, 매니폴드 본체의 측벽은 림의 에지 구역을 수용하기 위해 내향 또는 외향 절취부를 갖는 주변 에지를 갖는다.
선택적으로, 또한 플라스틱 삽입 플레이트와 매니폴드 본체의 보다 양호한 결합을 위해 접착제 및/또는 용접이 사용된다. 또한, 선택적으로, 상기 림은 플라스틱 삽입 플레이트와 매니폴드 본체의 보다 양호한 결합을 위해 연흔(漣痕:ripple mark) 또는 다른 표면 변형을 구비할 수도 있다.
플라스틱 삽입 플레이트 내의 개구는, 이 개구에 의해 수용될 열전달 관의 주위에 꼭맞는(close fit) 크기를 갖는 것이 바람직하다. 이 목적을 위해 개구는 열전달 관의 단부 부분의 단면의 외주와 동일하거나 유사한 최소 내주를 가져야 한다. 이러한 꼭맞는 개구를 갖는 플라스틱 삽입 플레이트의 장점은, 열전달 관가 그 위치에서 보다 양호하게 고정되고 열전달 관가 그 위치로부터 느슨해짐이 방지됨으로 인해 기계적 고장이 감소된다는 점이다. 추가적인 장점은, 열교환기의 훨씬 강한 구조를 제공하기 위해 플라스틱 삽입 플레이트가 헤더부에 접합될 수 있다는 점이다.
또한, 다수의 개구가 매니폴드 본체의 베이스 벽의 방향으로 볼 때 넓어지도록 적어도 부분적으로 테이퍼진 형상을 갖는 것도 바람직하다. 상기 테이퍼진 형상을 갖는 개구는, 가열되거나 냉각될 유입 또는 유출 매체의 유동이 훨씬 덜 방해받으며, 그로인해 매니폴드 내부에서의 압력 강하를 감소시킬 수 있다는 장점을 갖는다.
테이퍼진 형상은, 베이스 벽의 방향으로 보았을 때 그 형상의 개구가 넓어지는 것이면 어떤 형상이어도 좋다. 테이퍼진 형상은 예를 들면, 고정 기울기를 갖는 직선 경사 형상이거나, 가변 경사를 갖는 곡선 형상 또는 그 조합 형상이다. 적어도 테이퍼진 형상을 갖는 개구는 바람직하게는 5 내지 80°, 보다 바람직하게는 20 내지 70°, 또는 30 내지 60°, 가장 바람직하게는 약 45°의 고정 또는 가변 기울기를 갖는 내측을 갖는다.
증가된 압력의 효과는, 종래의 열교환기에서 사용되는 비교적 짧은 예를 들어 1-2 mm의 단부 부분을 갖는 극단부를 외측으로 구부림으로써 이미 얻어질 수 있음에 유의해야 한다. 그러나, 헤더 베이스 플레이트에 대한 플라스틱 삽입 플레이트의 보다 양호한 밀봉 및 체결을 얻기 위해서는, 보다 긴 예를 들어 3-10 mm, 바람직하게는 4-5 mm 길이의 단부 부분을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
열전달 관의 외측으로 구부러진 단부 부분이 보다 높은 내부 압력을 허용하는 효과는, 개구가 내표면을 갖고 열전달 관의 단부 부분이 외표면을 가지며 플라스틱 삽입 플레이트가 상기 내표면과 외표면 사이에 도포된 밀봉제로 밀봉되는 실시예에 의해 더 향상될 수 있다. 이 실시예는 더 높은 내부 압력이 인가될 수 있다는 장점을 갖는다.
본 발명에 따른 자동차용 열교환기에서, 플라스틱 삽입 플레이트와 매니폴드 본체는 다양한 재료로 제조될 수 있다. 플라스틱 삽입 플레이트와 매니폴드 본체는 다른 재료로 제조될 수도 있지만 동일한 재료로 제조될 수도 있다.
플라스틱 삽입 플레이트는 열경화 폴리머 조성물 또는 열가소성 폴리머 조성물로 제조될 수 있으며, 열가소성 폴리머 조성물로 제조되는 것이 바람직하다. 매니폴드 본체를 제조하는 재료는 플라스틱 삽입 플레이트와 동일한 폴리머 조성물 또는 다른 폴리머 조성물의 플라스틱 재료일 수 있거나, 또는 다른 재료, 특히 금속, 예를 들면 알루미늄일 수 있다. 매니폴드 본체는 또한 열가소성 폴리머 조성물로 제조되는 것이 바람직하다.
플라스틱 삽입 플레이트 및/또는 매니폴드 본체를 제조하는 열가소성 폴리머 조성물은 적어도 하나의 열가소성 폴리머를 포함한다. 열가소성 폴리머 조성물에 사용될 수 있는 적합한 열가소성 폴리머는, 예를 들면, 폴리에스테르 및 폴리아미드이다. 적합한 폴리아미드의 예는 폴리아미드-6, 폴리아미드-6,6 및 폴리아미드-4,6과 같은 지방족 폴리아미드, 및 폴리아미드-6,6/6,T, 폴리아미드-6,6/6,I와 같은 코폴리아미드, 폴리아미드-6,T, 폴리아미드-9,T와 같은 반지방족 폴리아미드, 및 이들 폴리아미드의 혼합물 및 추가적인 코폴리아미드이다.
상기 폴리아미드는 적어도 230℃의 용융 온도(Tm)를 갖는 반결정(지방족 또는 반방향족) 폴리아미드이거나 적어도 230℃의 유리 전이 온도(Tg)를 갖는 비정질 반방향족 폴리아미드인 것이 보다 바람직하다. 상기 Tm 또는 Tg는 적어도 240℃인 것이 바람직하며, 적어도 260℃ 또는 심지어 280℃인 것이 보다 바람직하고, 330℃ 또는 그 이상으로 높을 수도 있다.
열가소성 폴리머 조성물은 적어도 하나의 열가소성 폴리머에 이어서, 하나 이상의 첨가물을 포함할 수 있다. 사용될 수 있는 첨가물은 매니폴드 용으로 사용되는 열가소성 폴리머 조성물에 사용하기에 적합한 당업계에 공지된 임의의 첨가물일 수 있다. 적합한 첨가물의 예로는, 무기 충진재(filler), 유리 섬유와 같은 강화제, 핵형성제, 안정제, 가공 보조제, 안료 등이 포함된다. 첨가물 또는 그 조합의 최적량은 주로 체계적인 연구를 통해서 당업자에 의해 실험적으로 결정될 수 있다. 첨가물의 양은, 첨가되는 단수 또는 복수의 첨가물이 폴리머의 몰딩 특성에 악영향을 주지 않도록 설정되는 것이 바람직하다.
플라스틱 삽입 플레이트뿐 아니라 매니폴드 본체 역시 적어도 240℃의 열변형 온도(HDT: heat distortion temperature)를 갖는 열가소성 폴리머 조성물로 제조되는 것이 바람직하다. 열변형 온도(HDT)는 적어도 250℃인 것이 바람직하고, 적어도 270℃이거나 심지어 290℃인 것이 보다 바람직하다.
열가소성 폴리머 조성물은 또한 레이저-용접가능한 조성물인 것이 바람직하다. 레이저 용접에 의해 매니폴드의 측벽을 플라스틱 삽입 플레이트와 체결하는 것은, 플라스틱 삽입 플레이트 또는 그 주변 배치된 상승 림이 매니폴드 본체에 삽입되거나 또는 역으로 매니폴드 본체의 에지 구역이 플라스틱 삽입 플레이트의 주변 배치된 상승 림에 삽입되는 체결 단계와 적합하게 조합된다. 이와 관련하여 플라스틱 삽입 플레이트는 매니폴드 본체를 형성하기 위해 사용되는 재료에 비해 레이저 광에 대해 상이한 흡수 거동을 갖는 열가소성 폴리머 조성물로 제조되는 것이 바람직하며, 삽입되는 부분을 수용하는 부분은 레이저 용접 공정에 사용되는 레이저 광에 대해 낮은 흡수율을 나타내거나 심지어는 이에 대해 투과성인 열가소성 폴리머 조성물로 제조되고, 삽입되는 부분은 레이저 용접 공정에 사용되는 레이저 광을 흡수하는 열가소성 폴리머 조성물로 제조되는 것이 바람직하다. 플라스틱 삽입 플레이트와 매니폴드 본체의 체결을 삽입 및 레이저 용접에 의해 조합하는 것의 장점은, 결과적인 자동차용 열교환기 구조가 보다 양호한 기계적 강도를 가지며, 압력 변동에 대한 저항이 보다 양호하다는 점이다.
플라스틱 삽입 플레이트 및/또는 매니폴드 본체를 제조하는 열가소성 폴리머 조성물은 사출 성형가능한 조성물인 것이 바람직하며, 플라스틱 삽입 플레이트 및/또는 매니폴드 본체는 마찬가지로 사출 성형 공정에 의해 제조되는 것이 적합하다.
본 발명에 따른 자동차용 열교환기는 냉각될 임의의 매체를 포함하는 자동차에 사용하기 위해 설계되는 임의의 열교환기일 수 있다. 상기 열교환기는 오일 쿨러, 터보 엔진용 차지 에어 쿨러(charge air cooler)와 같은 에어 쿨러 또는 라디에이터인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 자동차용 열교환기에서, 플라스틱 삽입 플레이트를 갖는 매니폴드는 유입 매니폴드뿐 아니라 유출 매니폴드이거나 또는 양자일 수 있다. 상기 매니폴드는 차지 에어 쿨러의 일부이고 공기 유입 매니폴드 및/또는 공기 유출 매니폴드인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한, 전술했듯이 열교환 코어, 플라스틱 삽입 플레이트 및 플라스틱 매니폴드 본체를 포함하는 자동차용 열교환기의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 먼저 (i) 열교환 코어의 열전달 관의 단부 부분을 플라스틱 삽입 플레이트의 개구 내에 삽입하여 관통 연장시키는 단계와, (ⅱ) 열전달 관의 단부 부분의 극단부를 외측으로 구부려 플라스틱 삽입 플레이트와 헤더부 사이에 압밀한 조인트를 형성하는 단계, 및 이후 (ⅲ) 플라스틱 삽입 플레이트를 매니폴드의 측벽에 대해 측벽의 에지 구역 또는 그 근처에서 체결하는 단계를 포함한다.
이 방법은 전술한 본 발명에 따른 자동차용 열교환기의 장점을 갖는다.
단계 (ⅱ)에서의 외측 구부림은 예를 들어 극침(棘針: thorn)에 의해 수행될 수 있다.
선택적으로, 본 방법의 단계 (i)와 (ⅱ)에서의 플라스틱 삽입 플레이트와 헤더부의 체결은, 열교환 코어에 의해 구비되는 베이스 플레이트와 플라스틱 삽입 플레이트 사이에 도포되는 밀봉체 또는 밀봉제의 사용과 조합된다. 상기 밀봉체는 개스킷, 예를 들면 고무 개스킷이 적합하다.
단계 (ⅲ)에서 매니폴드 본체의 측벽에 대한 플라스틱 삽입 플레이트의 체결은 그 목적에 적합한 임의의 공정에 의해, 예를 들면 전술한 클램핑, 스냅핑, 접착 본딩이나 용접, 또는 그 임의의 조합에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명의 방법에 의해 만들어지는 열교환기는 본 발명에 따른 자동차용 열교환기 또는 그 바람직한 실시예들 중 임의의 것이 바람직하다.
이하의 도면들은 본 발명을 도시한다.
도 1은 열교환 코어의 3차원 도시도.
도 2는 본 발명에 따른 자동차용 열교환기의 조립 부품의 개략 3차원 도시 도.
도 3은 본 발명에 따른 자동차용 열교환기의 조립 부품의 개략 3차원 도시도.
도 4는 본 발명에 따른 자동차용 열교환기에 사용하기 위한 매니폴드 본체의 측면도.
도 5는 본 발명에 따른 자동차용 열교환기에 사용하기 위한 매니폴드 본체의 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 자동차용 열교환기의 조립을 위한 조립 방법의 단계들의 개략 3차원 도시도.
도 7은 절취부를 포함하는 에지 구역을 갖는 매니폴드 본체 및 이를 수용하기 위한 플라스틱 삽입 플레이트의 측면도.
도 8은 도 7의 매니폴드 본체 및 플라스틱 삽입 플레이트의 단면도.
도 9는 열전달 관을 갖는 본 발명에 따라 조립된 도 7의 매니폴드 본체 및 플라스틱 삽입 플레이트의 단면도.
도 1은 열교환 코어(2)의 개략적인 3차원 도시도이다. 열교환 코어는 다수의 열교환 관(4) 및 냉각 핀(6)의 패키지를 포함하며, 상기 열교환 관(4)과 냉각 핀(6)은 번갈아 적층되고 플레이트(8)에 의해 함께 유지되는 바, 이들 플레이트는 베이스 플레이트 또는 단부 플레이트뿐 아니라 헤더 플레이트로서 공지되어 있다. 열교환 코어(2)는 두 개의 헤더부(10)를 포함하는 바, 이들 헤더부는 베이스 플레이트(8)와 상기 베이스 플레이트(8)로부터 연장되는 단부 부분(12)을 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 자동차용 열교환기를 조립할 수 있는 조립 부품들의 개략적인 3차원 도시도이다. 이들 부품은 열교환 코어(2), 밀봉체(14), 플라스틱 삽입 플레이트(16), 및 매니폴드 본체(18)를 포함한다. 매니폴드 본체(18)는 측벽(20)과 베이스 벽(22)을 포함한다.
도 3은 도 2의 동일 조립 부품들을 다른 각도에서 도시한 개략적인 3차원 도시도이다. 이들 부품은 부분적으로만 도시되는 열교환 코어(2), 밀봉체(14), 플라스틱 삽입 플레이트(16), 및 매니폴드 본체(18)를 포함한다. 플라스틱 삽입 플레이트(16)는 그 개수가 열교환 코어(2)에 의해 구비되는 열전달 관(4)의 개수와 동일한 다수의 개구(24)를 포함한다. 플라스틱 삽입 플레이트(16)는 매니폴드 본체(18)의 베이스 벽(22)의 방향으로 돌출하는 주변 배치된 상승 원주 림(26)을 추가로 포함한다.
도 4는 본 발명에 따른 자동차용 열교환기에 사용하기 위한 매니폴드 본체(18)의 측면도이다. 매니폴드 본체(18)는 측벽(20)과 베이스 벽(22)을 포함한다. 측벽(20)은, 베이스 벽과 대향하고 주변 에지 구역(30)을 구비하는 에지 구역(28)을 포함한다. 주변 에지 구역(30)은 열교환기 코어(도시되지 않음)의 열전달 관의 단부 부분을 수용하기 위한 개구(도시되지 않음)를 형성한다.
도 5는 도 4의 본 발명에 따른 자동차용 열교환기에 사용하기 위한 매니폴드 본체를 Y-Y' 평면에서 도시한 단면도이다. 매니폴드 본체(18)는 측벽(20)과 베이 스 벽(22)을 포함한다. 측벽(20)은, 베이스 벽과 대향하고 주변 에지 구역(30), 내향 에지 구역(32), 및 외향 에지 구역(34)을 구비하는 에지 구역(28)을 포함한다.
도 6은 본 발명에 따른 자동차용 열교환기의 조립을 위한 조립 방법의 단계들(도 6a 내지 도 6f)의 개략적인 3차원 도시도이다.
도 6a는 하나의 플레이트(8) 및 상기 플레이트(8)로부터 연장되는 열교환 관(4)의 단부 부분(12)을 포함하는 하나의 헤더부(10)를 포함하는 열교환 코어(2)의 부분을 도시한다.
도 6b는 열교환 관(4)의 단부 부분(12) 주위에 배치되고 플레이트(8)에 대해 접촉될 밀봉체(14) 및 열교환 코어(2)의 동일 부분을 도시한다.
도 6c는 열교환 관(4)의 단부 부분(12) 주위에 배치되고 플레이트(8)에 대해 접촉되는 밀봉체(14)를 갖는 열교환 코어(2)의 동일 부분을 도시한다. 도 6c는 또한 열교환 코어(2)에 체결될 주변 배치된 상승 원주 림(26)과 다수의 개구(24)를 포함하는 플라스틱 삽입 플레이트(16)를 도시한다.
도 6d는 도 6c의 밀봉체(14)(볼 수 없음)를 갖는 열교환 코어(2), 및 열교환 관(4)의 단부 부분(12)이 플라스틱 삽입 플레이트(16)의 개구에 의해 수용되어 이를 관통 연장하도록 상기 열교환 코어(2)에 대해 배치되는 플라스틱 삽입 플레이트(16)의 동일 부분을 도시한다. 도 6d는 또한 열전달 관(4)의 단부 부분(12)의 극단부를 외측으로 구부릴 수 있는 다수의 극침(36)을 도시한다.
도 6e는 도 6c의 밀봉체(14)(볼 수 없음)를 갖는 열교환 코어(2), 및 상기 열교환 코어(2)에 대해 배치되는 플라스틱 삽입 플레이트(16)의 부분을 도시하며, 여기에서 플라스틱 삽입 플레이트(16)의 개구를 통해서 연장되는 열전달 관(4)의 단부 부분(12)의 극단부(38)는 외측으로 구부러져 있다. 도 6e는 또한 플라스틱 삽입 플레이트(16)에 체결될 매니폴드 본체(18)를 도시한다.
도 6f는 밀봉체(14)(볼 수 없음)를 갖는 열교환 코어(2), 외측으로 구부러진 극단부(38)(볼 수 없음)에 의해 상기 열교환 코어(2)에 체결되는 플라스틱 삽입 플레이트(16), 및 상기 플라스틱 삽입 플레이트(16)에 체결되는 매니폴드 본체(18)를 도시한다.
도 7은 외향 에지 구역(34)의 측부에 절취부(40)를 포함하는 매니폴드 본체(18), 및 이를 수용하기 위해 내측에 절취부(42)(볼 수 없음)를 갖는 주변 배치된 상승 원주 림(26)을 포함하는 플라스틱 삽입 플레이트(16)의 측면도를 도시한다.
도 8은 도 7의 매니폴드 본체 및 플라스틱 삽입 플레이트를 평면 Y-Y'에서 도시하는 단면도이다. 매니폴드 본체(18)는 외향 에지 구역(34)의 측부에 절취부(40)를 포함한다. 플라스틱 삽입 플레이트(16)는 열교환 관(4)(도시되지 않음)를 수용하기 위한 개구(24), 및 그 내측에 절취부(42)를 갖는 주변 배치되는 상승 원주 림(26)을 포함한다.
도 9는 본 발명에 따라 열전달 관과 조립되는 도 7의 매니폴드 본체 및 플라스틱 삽입 플레이트를 Y-Y' 평면에서 도시하는 단면도이다. 매니폴드 본체(18)는 개구(24), 및 외향 에지 구역(34)의 측부에 절취부(40)를 포함한다. 절취부(40)를 갖는 매니폴드 본체(18)의 에지 구역은 플라스틱 삽입 플레이트(16)의 절취부(42)를 갖는 주변 배치된 상승 원주 림(26)에 의해 수용되어 그에 대해 접촉된다. 조립체는, 개구(24)에 의해 수용되고 그 단부 부분이 개구(24)를 통해서 연장되는 열교환 관(4)을 추가로 포함하며, 상기 단부 부분의 극단부(38)는 외측으로 구부러져 있다.
본 발명은 이하의 예에 의해 추가로 설명된다.
재료의 준비
실험을 위해, 그 표준 형태에서 3.6mm 폭의 밀봉 에지와 6.5mm 폭의 크림핑 클로를 포함하는 상업적인 형태의 열교환기의 열교환 코어를 제조하였다. 열교환 코어의 구조를 더 변경시키지 않은 채로, 세 개의 열전달 관, 냉각 핀의 두 개의 단속적인 층, 및 베이스 플레이트의 두 개의 소형 부분(상기 관의 각 단부에 하나씩)을 포함하는 열교환 코어로부터 두 개의 중심부를 뺐다. 베이스 플레이트의 절취부의 크기는 약 45×45mm였다. 열전달 관는 베이스 플레이트의 부분들로부터 연장되는 약 2 내지 2.5mm 길이의 단부 부분을 구비하였다.
각각 80×80mm이고 2mm 두께인 플라스틱 플레이트에서 시작함으로써 네 개의 플라스틱 삽입 플레이트를 준비하였다. 플레이트를 만든 플라스틱은 네덜란드 DSM의 폴리아미드-4,6 몰딩 조성물인 Stanyl TW200F6 이었다. 각각의 플레이트에는 열전달 관의 치수를 갖는 세 개의 슬릿형 개구를 만들었다. 이들 개구는 45°의 경사로 원주방향으로 테이퍼졌다.
또한, 각각 80×80mm이고 2mm 두께인 네 개의 알루미늄 플레이트를 사용하였다. 이들 알루미늄 플레이트 중 두 개의 플레이트에는 압력 유닛에 연결하기 위한 중심 배치된 밸브가 제공되었다. 알루미늄 플레이트는 여기에서 매니폴드 본체를 위한 모델 형상으로서 사용된다.
모델의 준비
실험 1
테이퍼진 개구를 갖는 플레이트중 두 개는 두 개의 열교환 코어 부분 중 하나의 열전달 관의 단부 위로 미끄러져서 베이스 플레이트의 부분(이 부분의 각 측부에 하나의 플레이트)에 대해 배치됨으로써 제 1 조립체를 형성한다. 이 제 1 조립체는 오븐 내에 30분간 200℃의 온도로 배치된다. 그 후 열전달 관에는 파이프의 극단부를 외측으로 구부림으로써 플랜지가 제공된다. 플라스틱 삽입 플레이트의 외측에 대해서는, 하나는 밸브를 갖고 하나는 밸브를 갖지 않는 알루미늄 플레이트가 소형 볼트 너트와 약간의 밀봉제로 외측 영역에서 고정된다. 결과적인 부분은 본 명세서에서 이하 조립체 A로 지칭된다.
실험 2
플라스틱 삽입 플레이트를 베이스 플레이트에 대해 배치하기 전에 베이스 플레이트와 플라스틱 삽입 플레이트 사이에 접착제가 도포되는 것을 제외하고는 실험 1의 전체 공정들이 제 2 열교환 코어 부분에서 반복된다. 사용된 접착제는 미국 Henkel Group의 실리콘계 접착제인 Loctite 5366 이었다. 이 공정으로부터의 결과적인 부분은 본 명세서에서 이하 조립체 B로서 지칭된다.
압력 테스트
조립체 A와 B에는 두 가지 상이한 압력 테스트가 실시되는 바, 먼저 질소 압력 테스트가 실시되었고, 이어서 수압 테스트가 실시되었다. 이들 테스트를 위해서, 알루미늄 플레이트 상의 밸브를 질소 펌프에 연결하였는 바, 각각 워터 펌프에 연결하였다. 각 테스트에서의 압력은 점점 증가되었으며, 조립체는 누설 및 기타 형태의 손상에 대해 검사되었다. 조립체 A에서, 질소 압력은 아무런 문제없이 2.8 bar까지 상승될 수 있었다. 2.8 bar에서, 약간의 누설이 발생했지만, 조립체 자체의 구조는 손상되지 않은 상태로 유지되었다.
조립체 B에서, 질소 압력은 아무런 문제 없이 3 bar까지 상승될 수 있었다. 안전상의 이유로, 테스트는 수압으로 계속되었다. 수압은 문제 없이 6 bar까지 상승될 수 있었다. 6 bar에서 약간의 누설이 발생했지만, 조립체 자체의 구조는 손상되지 않은 상태로 유지되었다.
이들 모델 실험의 결과는, 플라스틱 삽입 플레이트에 고정된 매니폴드 본체와 열교환 코어에 고정된 플라스틱 삽입 플레이트 자체에 대해 모델 형상을 갖는 매니폴드로서, 매니폴드 본체를 열교환 코어에 고정하기 위한 크림핑 클로 또는 기타 추가 수단을 사용하지 않고 열전달 관의 단부를 외측으로 구부리는 것만으로 플 라스틱 삽입 플레이트가 고정되는 매니폴드에 있어서 구조의 일체성을 유지하면서 이미 높은 작동 압력이 달성될 수 있음을 보여준다. 또한 밀봉제를 사용함으로써 작동 압력이 추가로 상당히 향상될 수 있음을 보여준다.
Claims (10)
- (a) 다수의 열전달 관을 구비하는 헤더부를 포함하는 열교환 코어,(b) 측벽과 베이스 벽을 포함하는 플라스틱 매니폴드 본체로서, 상기 측벽은 상기 베이스 벽과 대향하는 에지 구역을 가지며, 상기 에지 구역은 내향 에지 구역, 외향 에지 구역 및 주변 에지 구역을 포함하고, 열전달 관의 단부 부분을 수용하기 위한 개구를 형성하는 플라스틱 매니폴드 본체, 및(c) 복수의 개구를 갖는 플라스틱 삽입 플레이트로서, 상기 개구의 수가 열교환 코어에 의해 구비되는 열전달 관의 수와 동일한, 상기 플라스틱 삽입 플레이트를 포함하는,자동차용 열교환기에 있어서,(i) 상기 열전달 관의 단부 부분은 상기 플라스틱 삽입 플레이트의 개구에 의해 수용되고 이 개구를 통해서 연장되며 상기 열전달 관의 단부 부분의 말단부는 외측으로 절곡되어 플라스틱 삽입 플레이트와 헤더 부분 사이에 압밀 조인트(pressure tight joint)를 형성하고,(ⅱ) 상기 플라스틱 삽입 플레이트는 매니폴드 본체의 측벽에 이 측벽과 완전히 접촉하도록 체결되며,(ⅲ) 상기 매니폴드 본체는 매니폴드 본체에 대한 플라스틱 삽입 플레이트의 체결을 통해서만 열교환 코어에 접합되는 것을 특징으로 하는자동차용 열교환기.
- 제 1 항에 있어서,상기 플라스틱 삽입 플레이트는 매니폴드 본체의 에지 구역에 또는 그 부근에서 매니폴드 본체의 측벽에 체결되는 것을 특징으로 하는자동차용 열교환기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 플라스틱 삽입 플레이트는 기계적 접합, 화학적 접합 또는 그 조합에 의해서 측벽에 체결되는 것을 특징으로 하는자동차용 열교환기.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 플라스틱 삽입 플레이트는 베이스 벽의 방향으로 돌출하는 주변 배치된 상승 원주방향 림을 갖는 것을 특징으로 하는자동차용 열교환기.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 개구는 베이스 벽의 방향으로 볼 때 넓어지도록 적어도 부분적으로 테이퍼진 형상을 갖는 것을 특징으로 하는자동차용 열교환기.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 매니폴드 본체는 플라스틱 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는자동차용 열교환기.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 열교환기는 매니폴드 본체에 대한 플라스틱 삽입 플레이트의 체결을 통해서만 열교환 코어에 결합되는 매니폴드 본체 및 플라스틱 삽입 플레이트를 포함하는 유입 매니폴드 및 유출 매니폴드를 포함하는 것을 특징으로 하는자동차용 열교환기.
- (a) 복수의 열전달 관을 갖는 헤더부를 포함하는 열교환 코어,(b) 측벽과 베이스 벽을 포함하는 매니폴드 본체로서, 상기 측벽은 상기 베이스 벽과 대향하는 에지 구역을 가지며, 상기 에지 구역은 내향 에지 구역, 외향 에지 구역 및 주변 에지 구역을 포함하고, 열전달 관의 단부 부분을 수용하기 위한 개구를 형성하는 매니폴드 본체, 및(c) 복수의 개구를 갖는 플라스틱 삽입 플레이트로서, 상기 개구의 수가 열교환 코어에 의해 구비되는 열전달 관의 수와 동일한, 상기 플라스틱 삽입 플레이트를 포함하는 자동차용 열교환기의 제조 방법에 있어서,(i) 열전달 관의 단부 부분을 삽입 플레이트의 개구를 통해서 연장시킴으로 써 플라스틱 삽입 플레이트를 헤더부에 체결하는 단계,(ⅱ) 그 후 열전달 관의 단부 부분의 말단부를 외측으로 절곡하는 단계, 및(ⅲ) 그 후 플라스틱 삽입 플레이트를 매니폴드 본체의 측벽에 대해 이 측벽의 에지 구역에 또는 에지 구역 부근에서 체결하는 단계의 순서대로 포함하는 것을 특징으로 하는자동차용 열교환기 제조 방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 플라스틱 삽입 플레이트는 클램핑, 스냅핑, 접착제 접합 또는 용접, 또는 그 조합에 의해 매니폴드 본체에 체결되는 것을 특징으로 하는자동차용 열교환기 제조 방법.
- 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 열교환기는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 열교환기인 것을 특징으로 하는자동차용 열교환기 제조 방법.
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