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KR102271010B1 - 차량용 열교환기 - Google Patents

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KR102271010B1
KR102271010B1 KR1020197033479A KR20197033479A KR102271010B1 KR 102271010 B1 KR102271010 B1 KR 102271010B1 KR 1020197033479 A KR1020197033479 A KR 1020197033479A KR 20197033479 A KR20197033479 A KR 20197033479A KR 102271010 B1 KR102271010 B1 KR 102271010B1
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KR
South Korea
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heat exchanger
tube bundle
side housing
header
projection
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KR1020197033479A
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KR20200029381A (ko
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보레슬라프 쿠로브스키
마시에 크루젝
로베르트 비에니크
라도슬라프 존치크
Original Assignee
발레오 오토시스테미 에스페. 제트.오.오.
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Publication date
Application filed by 발레오 오토시스테미 에스페. 제트.오.오. filed Critical 발레오 오토시스테미 에스페. 제트.오.오.
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Abstract

본 발명은 차량용 열교환기에 관한 것이며, 열교환기는, 단부가 개방되는 적층된 튜브(3)와, 상부 및 하부 극단 튜브(3a, 3b)를 구비하는 튜브 번들을 포함하는 코어(2)와, 코너부(4b, 5b)를 갖는 형상화된 플랜지(4a, 5a)를 각각 가지며, 튜브(3, 3a, 3b)의 개방 단부와 연결되는 헤더(4, 5)와, 코어(4)의 대향 측면 상에 위치되고, 극단 튜브(3a, 3b) 사이 및 헤더(4, 5) 사이에서 적어도 부분적으로 연장되는 측면 하우징 부분(6, 7)을 포함한다. 측면 하우징 부분(6, 7) 중 적어도 하나는 측면 하우징 부분(6, 7)의 코너부에서 측면 하우징 부분(6, 7)으로부터 돌출하고, 튜브 번들의 측면 표면과 접촉하도록 구부러지는 적어도 하나의 돌출부(10)를 가지며, 적어도 하나의 돌출부(10)는 튜브 번들과는 반대측에 배치되고 코너부(4b, 5b)에서 헤더(4,5)의 플랜지(4a, 5a)의 프로파일 형상과 정합하는 형상으로 형성된 외부 표면(10')을 가지며, 적어도 하나의 돌출부(10)의 외부 표면(10')은 헤더(4, 5)의 플랜지(4a, 5a)와 접하여, 코너부(4b, 5b)에서 플랜지(4a, 5a)와 헤더(4, 5)의 액밀 연결을 보장한다.

Description

차량용 열교환기
본 발명은 차량용 열교환기에 관한 것이다.
차량에 사용되는 열교환기는 엔진 효율을 증대시키기 위해서, 연소를 위해 엔진에 공급되는 공기를 냉각하도록 설계된다. 전형적인 열교환기는 서로 평행하고 서로 이격되어 위치된 편원형 튜브(oblate)를 포함하는 튜브 번들(tube bundle)로 구성되는 코어를 포함하며, 편원형 튜브는 개별 튜브에 대해 공기를 공급 및 배출하기 위해 헤더(header)에 부착된 대향하는 개방 단부를 갖는다. 헤더는 각각의 입구 및 출구 커넥터 파이프와 연결된다. 코어의 측면에는, 냉각 액체, 통상적으로 물의 입구 및 출구를 포함하는 측면 하우징 부분이 배치된다. 측면 하우징 부분은, 극단(extreme) 코어 튜브 및 헤더와 함께, 액밀 하우징(liquid-tight housing)을 형성하며, 냉각 액체는 가스 파이프 주위로 순환하여 가스 파이프를 통과하는 공기를 냉각시킨다. 열교환기를 조립한 후에, 극단 튜브 및 헤더의 표면 및 측면 하우징 부분의 에지는 전형적으로 냉각 액체 누출 기밀성(tightness)을 보장하기 위해 납땜로에서 함께 납땜된다.
이러한 종류의 열교환기의 제조에 있어서의 하나의 본질적인 문제는 열교환기 하우징의 기밀성을 보장하여, 특히 헤더 플랜지의 코너부에서의 순환 액체의 누출을 방지하는 것에 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 시도가 이루어지고 있지만, 결과가 만족스럽지 않다.
DE102010040983은 대향하는 개방 단부가 헤더와 연결되는 편원형 튜브를 포함하는 튜브 번들을 갖는 코어와, 코어를 둘러싸는 하우징을 포함하는 열교환기를 개시하고 있다. 납땜하여 헤더에 대한 하우징 부분의 위치를 고정시킨 후의 냉각기의 누출 기밀성을 향상시키기 위해, 편평한 플레이트 돌출부가 사용되어 왔다. 돌출부는 하우징의 측벽 에지 상에 배열되고, 측벽의 평면에서 그리고 코어의 극단 파이프의 측면을 따라 연장된다. 또한, 헤더에 형성되고 측벽을 헤더와 연결할 때 각각의 플레이트 돌출부를 수용하도록 배열된 절결부(cutout)가 사용되어 왔다.
본 발명의 목적은 냉각 액체의 누출을 제거하는 헤더 플랜지의 코너부에서의 개선된 기밀성을 특징으로 하는 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 냉각 액체의 누출을 제거하는 헤더 플랜지의 코너부에서의 개선된 기밀성을 특징으로 하는 수랭식 차지 에어쿨러(water charge air cooler)를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 독립 청구항 1의 특징에 따라 달성된다.
바람직한 실시예는, 그 중에서도, 종속 청구항 및 후속하는 개시내용으로부터 도출될 수 있다.
측면 하우징 부분의 코너부에의 돌출부의 사용 및 그것의 유리한 구성은 플랜지의 코너부에서 파이프 및 측면 하우징 부분과 헤더의 누출-기밀성 연결을 보장한다. 구체적으로, 집열기(collector) 재료보다 큰 변형성을 갖는 돌출부의 사용으로 인해, 파이프 번들, 측면 하우징 부분 및 집열기 플랜지의 코너부 사이에 누출-기밀성 연결이 얻어지고, 그에 따라 열교환기에 있어서의 액체 순환의 단부에서 냉각 액체의 누출을 회피한다. 이러한 해결책의 주요 장점은 코너부에서의 액체 누출로 인한 많은 제조 결함을 감소시키고, 일반적으로 그러한 유형의 열교환기의 제조 비용을 저감하는 것이다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 상세한 설명에 제시된 예시적인 실시예에 기초하여 설명될 것이다:
도 1은 열교환기의 분해 등각도를 도시하고,
도 2는 부분적인 조립 후, 헤더와 연결하기 전에 도 1의 열교환기의 등각도를 도시하고,
도 3은 튜브 번들의 개방 단부, 헤더 플랜지, 측면 하우징 부분 및 측면 플레이트 사이의 연결을 나타내는, 헤더의 일부가 절결된 열교환기의 하나의 헤더로부터의 평면도를 도시하고,
도 4는 도 3의 "B" 상세부의 확대도를 도시하고,
도 5는 열교환기의 튜브 번들의 극단 튜브에 연결된 돌출부를 나타내는, 도 2의 열교환기의 "A" 상세부의 확대된 등각도를 도시하고,
도 6은 조립 후, 본 발명에 따른 열교환기의 종단면도를 도시하며,
도 7은 열교환기를 조립한 후, 튜브 번들 및 헤더 플랜지와 돌출부의 연결을 나타내는, 도 6의 "C" 부분의 확대도를 도시한다.
도 1에 나타낸 바와 같이 차량용으로 설계된 열교환기(1)는 열교환기(1)에서 냉각될 가스, 특히 공기를 안내하기 위한 복수의 편원형 튜브(3)를 갖는 튜브 번들로 구성된 코어(2)를 포함한다. 편원형 튜브(3)는 한정된 보다 큰 측면 표면 및 보다 작은 측면 표면을 가지며, 보다 큰 측면 표면은 서로 평행하고 서로 이격되어 배치되어서 그들 사이에 냉각 액체를 안내하기 위한 채널을 형성한다. 튜브 번들은 튜브 번들의 나머지 튜브(3)의 양 측면 상에 각각 위치된 제 1 극단 튜브(3a) 및 제 2 극단 튜브(3b)를 포함한다.
코어(2)의 튜브(3, 3a, 3b)는, 일 측면 상의 개방 단부에서, 고온 가스 입구 채널(20)로부터 냉각 가스를 전달하는 입구 헤더(4)와 기밀하게 연결된다. 튜브(3, 3a, 3b)는, 반대측의 다른 측면 상의 개방 단부에서, 냉각 가스 출구 채널(30)을 통해 냉각 가스를 배출하는 출구 헤더(5)와 기밀하게 연결된다.
입구 헤더(4) 및 출구 헤더(5)는 코너부(4b, 5b)를 한정하는 사각형의 플랜지(4a, 5a)를 갖는다. 코너부(4b, 5b)에서, 헤더 플랜지(4a, 5a)는 냉각기(1)를 조립한 후, 극단 튜브(3a, 3b)의 측면 표면을 둘러싸는 프로파일을 갖는다. 가스 튜브, 헤더, 입구 및 출구 커넥터 가스 채널의 구성이 알려져 있다.
튜브 번들의 양 측면 상에서, 극단 튜브(3a, 3b) 사이 및 헤더(4, 5) 사이에는, 극단 튜브(3a, 3b)를 따라 연장되고 극단 튜브(3a, 3b)와 액밀 방식으로 연결된 종방향 에지(6a, 7a)와, 튜브(3, 3a, 3b)에 대해 횡방향으로 연장되고 헤더(4, 5)의 플랜지(4a, 5a)와 액밀 방식으로 연결된 횡방향 에지(6b, 7b)를 갖는 측면 하우징 부분(6, 7)이 위치되어 있다. 입구 커넥터 튜브(8) 및 출구 커넥터 튜브(9)는 튜브(3, 3a, 3b)를 통해 유동하는 가스로부터 열을 흡수하기 위해 냉각기(1)를 통해 튜브(3, 3a, 3b) 주위로 냉각 액체를 안내하도록 측면 하우징 부분(6, 7)에 연결된다.
열교환기(1)를 조립한 후에, 측면 하우징 부분(6, 7)의 종방향 에지(6a, 7a)는 그 길이를 따라 극단 가스 튜브(3a, 3b)와 액밀 방식으로 연결되고, 측면 하우징 부분(6, 7)의 횡방향 에지(6b, 7b)는 헤더(4, 5)의 플랜지(4a, 5a)와 액밀 방식으로 연결된다.
튜브 번들과 측면 하우징 부분(6, 7)의 종방향 에지(6a, 7a) 사이, 및 헤더(4, 5)의 플랜지(4a, 5a)와 측면 하우징 부분(6, 7)의 횡방향 에지(6b, 7b) 사이의 액밀 연결은 경납땜(hard soldering)에 의해 수행된다.
열교환기(1)를 조립한 후에 헤더 플랜지 코너부(4b, 5b)에서의 연결부의 액밀성을 향상시키기 위해, 측면 하우징 부분(6, 7) 중 적어도 하나에는, 그 코너부에 배열되고 적어도 하나의 측면 하우징 부분(6, 7)으로부터 돌출되는 적어도 하나의 돌출부(10)가 제공된다. 도 1 내지 도 7에 도시되고 이후에 설명되는 실시예에서, 측면 하우징 부분(6, 7) 각각은 코너부 각각에서 돌출된 4 개의 돌출부(10)를 갖는다. 돌출부(10)는 측면 하우징 부분(6, 7)의 종방향 에지(6a, 7a)로부터 연장되고, 튜브 번들의 극단 튜브(3a, 3b)의 측면 표면과 접촉하도록 구부러진다.
도 2에서 가장 잘 나타낸, 제시된 예시적인 실시예에서, 튜브 번들의 에지, 특히 극단 튜브(3a, 3b)의 보다 큰 측면 표면과 보다 작은 측면 표면 사이의 에지는 둥글고, 돌출부(10)는 둥근 에지의 형상과 정합하고 극단 튜브(3a, 3b)를 부분적으로 둘러싸는 형상을 형성하도록 아치형으로 되어 있다.
대안적인 실시예(도시되지 않음)에서, 돌출부를 갖는 측면 하우징 부분은 튜브 번들의 극단 튜브 위에 위치될 수 있고, 다음에 돌출부는 적층된 튜브 번들에 대해 횡방향으로 연장되고 적층된 튜브에 대해 횡방향으로 구부러진다.
도 3, 도 4에 나타낸, 예시적인 실시예에서, 돌출부(10)의 형상은 헤더 플랜지(4a, 5a)의 코너부(4b, 5b)와 대면하고 측면 하우징 부분(6, 7)의 종방향 에지(6a, 7a) 및 튜브 번들에 수직인 평면에서 볼록한 외부 볼록면(10')을 갖는 비행기 날개처럼 보인다. 돌출부(10)는 튜브 번들과 대면하고 측면 하우징 부분(6, 7)의 종방향 에지(6a, 7a) 및 튜브 번들에 수직인 평면에서 오목한 내부 오목면(10")을 갖는다. "외부" 및 "내부"라는 용어는 열교환기(1)의 튜브 번들과 관련하여 규정된다.
돌출부(10)의 외부 볼록면(10')은 헤더(4, 5)의 플랜지 코너부(4b, 5b)의 프로파일 형상을 완성하는 형상으로 형성된다. 결과적으로, 열교환기(1)를 조립한 후에, 돌출부(10)의 외부 볼록면(10')은 헤더(4, 5)의 플랜지 코너부(4b, 5b)와 접하고, 이들 사이의 액밀 연결을 보장한다(도 4, 도 7).
도 5에 도시된 바람직한 실시예에서, 돌출부(10)의 외부 볼록면(10')은 원통형 섹션(10'a) 및 테이퍼형 섹션(10'b)을 포함하며, 테이퍼형 섹션(10'b)은 헤더 코너부(4b, 5b) 내로의 돌출부(10)의 침투를 용이하게 하기 위해 헤더(4, 5)쪽으로 외측으로 축소된다. 테이퍼형 섹션(10'b)은 돌출부의 외부 볼록면(10')의 원통형 섹션(10'a)에 대해 2° 내지 45°의 수렴각으로 테이퍼진다.
돌출부(10)의 길이(L)는 코너부(4b, 5b)에서의 헤더 플랜지(4a, 5a)의 깊이에 따라 달라진다. 돌출부(10)의 최소 길이는 헤더 플랜지(4a, 5b) 아래로 가는 치수에 의해 규정된다. 호적하게는, 돌출부(10)의 최대 길이는 30㎜이다.
바람직하게는, 외부 볼록면(10')의 테이퍼형 섹션(10'b)은 헤더 플랜지 코너부(4b, 5b)에서 돌출부(10)를 수용하는 영역의 깊이 이하인 길이(L1)를 갖는다.
헤더 플랜지 코너부(4b, 5b) 내로의 돌출부의 침투를 용이하게 하기 위해, 헤더 플랜지(4a, 5a)는 돌출부(10)를 향해 비스듬하게 편향되어 플랜지(4a, 5a)의 내부로 수렴하는 공동(11)을 형성한다(도 6, 도 7).
바람직하게는 외부 볼록면(10')의 테이퍼형 섹션(10'b)을 갖는 돌출부(10)는 코너부(4b, 5b)에서의 헤더 플랜지(4a, 5a)의 프로파일 내로 돌출부(10)의 깊은 침투를 가능하게 하기 위해 공동(11) 내에 수용된다.
측면 하우징 부분(6, 7)의 돌출부(10)는 헤더 플랜지(4a, 5a)의 재료보다 더 변형 가능한 재료로 형성되는 것이 바람직하며, 이는, 조립 동안에 돌출부(10)가 플랜지(4a, 5a) 내에 배치될 때, 돌출부(10)가 헤더 플랜지(4a, 5a)의 프로파일 내로 정확하게 끼워맞춰지도록 변형되고, 이는 플랜지 코너(4b, 5b)에서의 연결부의 특히 유리한 밀봉을 보장한다.
돌출부(10)는, 압출, 주조 또는 절단, 예를 들어 레이저 절단의 하나의 프로세스에서 냉각기(1)의 측면 하우징 부분(6, 7)과 일체형 부분으로서 형성될 수 있다.
헤더(4, 5)의 코너부(4b, 5b)에 측면 하우징 부분(6, 7)의 돌출부(10)를 배치하는 것을 포함하는 열교환기(1)의 조립 후에, 열교환기(1)의 연결부는 납땜로에서 경납땜되어, 경납땜에 의해 측면 하우징 부분(6, 7)의 종방향 에지(6a, 7a)와 극단 튜브(3a, 3b), 및 측면 플레이트 횡방향 에지(6b, 7b)와 헤더 플랜지(4a, 5a)를 함께 결합시킨다.
특정의 예시적인 실시예에서, 코어(2), 헤더(4, 5) 및 측면 하우징 부분(6, 7)이 함께 조립된 후에, 측면 플레이트(12)가 부착되며, 측면 플레이트(12)는 극단 가스 튜브 위로 측면 하우징 부분(6, 7)에 대해 횡방향으로 배치되고 헤더(4, 5)와 연결된다.
열교환기는, 차량 엔진의 효율을 증대시키기 위해 연소 엔진에 공급되는 공기를 냉각시키도록 차량에 사용되는 차지 에어 쿨러(charge air cooler)일 수 있다.

Claims (15)

  1. 차량용 열교환기로서,
    단부가 개방되는 적층된 튜브(3)와, 상부 및 하부 극단 튜브(3a, 3b)를 구비하는 튜브 번들을 포함하는 코어(2)와,
    코너부(4b, 5b)를 갖는 형상화된 플랜지(4a, 5a)를 각각 가지며, 상기 튜브(3, 3a, 3b)의 개방 단부와 연결되는 헤더(4, 5)와,
    상기 코어(2)의 대향 측면 상에 위치되고, 상기 극단 튜브(3a, 3b) 사이 및 상기 헤더(4, 5) 사이에서 적어도 부분적으로 연장되는 측면 하우징 부분(6, 7)을 포함하는, 상기 차량용 열교환기에 있어서,
    상기 측면 하우징 부분(6, 7) 중 적어도 하나는 상기 측면 하우징 부분(6, 7)의 코너부에서 상기 측면 하우징 부분(6, 7)으로부터 돌출하고, 상기 튜브 번들의 측면 표면과 접촉하도록 구부러지는 적어도 하나의 돌출부(10)를 가지며, 상기 적어도 하나의 돌출부(10)는 상기 튜브 번들과는 반대측에 배치되고 상기 코너부(4b, 5b)에서 상기 헤더(4,5)의 플랜지(4a, 5a)의 프로파일 형상과 정합하는 형상으로 형성된 외부 표면(10')을 가지며,
    상기 적어도 하나의 돌출부(10)의 외부 표면(10')은 상기 헤더(4, 5)의 플랜지(4a, 5a)와 접하여, 상기 코너부(4b, 5b)에서 상기 플랜지(4a, 5a)와 상기 헤더(4, 5)의 액밀 연결을 보장하는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측면 하우징 부분(6, 7)은 상기 튜브 번들의 극단 튜브(3a, 3b)를 따라 연장되는 종방향 에지(6a, 7a)와, 상기 적층된 튜브(3)에 대해 횡방향으로 연장되는 횡방향 에지(6b, 7b)를 갖는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    돌출부를 갖는 측면 하우징 부분은 상기 튜브 번들의 극단 튜브 위에 위치되고, 상기 돌출부는 적층된 튜브 번들에 대해 횡방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 돌출부(10)의 외부 표면(10')은 외부 볼록면(10')이고, 상기 돌출부는 상기 튜브 번들과 대면하여 접하는 내부 오목면(10")을 갖는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 돌출부(10)의 외부 볼록면(10')은 원통형 섹션(10'a) 및 테이퍼형 섹션(10'b)을 포함하며, 상기 테이퍼형 섹션(10'b)은 상기 헤더 플랜지의 코너부(4b, 5b) 내로의 돌출부(10)의 침투를 용이하게 하기 위해 상기 헤더(4, 5)쪽으로 외측으로 축소되는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 테이퍼형 섹션(10'b)은 상기 돌출부(10)의 원통형 섹션(10'a)에 대해 2° 내지 45°의 수렴각으로 테이퍼지는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 돌출부(10)의 테이퍼형 섹션(10'b)은 상기 돌출부(10)를 수용하는 상기 헤더 플랜지의 코너부(4b, 5b)의 영역의 깊이 이하인 길이(L1)를 갖는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 헤더 플랜지(4a, 5a)는 상기 돌출부(10)를 향해 비스듬하게 편향되어 상기 플랜지(4a, 5a)의 내부로 수렴하는 공동(11)을 형성하고, 상기 돌출부(10)는 상기 공동(11) 내에 수용되는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜브 번들의 에지는 둥글고, 상기 적어도 하나의 돌출부(10)는 상기 튜브 번들의 측면 표면의 형상과 정합하고 상기 튜브 번들을 부분적으로 둘러싸는 형상을 형성하도록 아치형으로 되어 있는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 돌출부(10)는 상기 측면 하우징 부분(6, 7) 중 하나와 일체형 부분으로서 형성되는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 돌출부(10)는 상기 헤더(4, 5)의 플랜지(4a, 5a)보다 더 변형 가능한 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 튜브 번들과 상기 측면 하우징 부분(6, 7), 및 상기 헤더 플랜지(4a, 5a)와 상기 측면 하우징 부분(6, 7)이 경납땜에 의해 함께 결합되는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 헤더(4, 5)에 연결된 유체 채널(20, 30)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  14. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 극단 튜브(3a, 3b) 위로 상기 측면 하우징 부분(6, 7)에 대해 횡방향으로 배치되고 상기 헤더(4, 5)와 연결되는 측면 플레이트(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기는 연소 엔진에 공급되는 공기를 냉각시키기 위해 차량에 사용되는 차지 에어쿨러인 것을 특징으로 하는
    열교환기.
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