KR100621459B1 - 배기열 회수용 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동절기 엔진 냉각수가 정상온도에 이르지 못한 시동초기에 자동차 실내를 급속난방할 수 있도록 배기가스로부터 열에너지를 회수하여 공기조화장치의 난방 열교환기에 전달함으로써 공기조화장치가 자동차 실내를 급속 난방할 수 있게 하는 배기열 회수용 열교환기에 관한 것이다.

본 고안에 따른 배기열 회수용 열교환기는, 냉각수가 유동할 수 있는 공간을 형성하며 양단이 각각 원판(21)에 의해 밀폐되고, 냉각수 유출입용의 유입관(24)과 유출관(25)을 가지는 유로관(20)과; 상기 유로관 양측 상기 두 원판 사이에 상기 유로관 내부를 관통하는 다중의 배기가스 유로를 형성하며, 상기 유로관의 단면방향에서 볼 때 동심원상으로 배열되는 복수 개의 배기튜브(23)들을 포함하여 이루어지며, 이러한 구성에 따르면, 동심원상으로 골고루 배열된 복수 개의 배기튜브들에 의해 냉각수가 그 유로관 내에서 고루 분포되어 흐르고 원환형 배플에 의해 난류화됨과 아울러 유로관의 단면방향으로 재분배됨으로써, 냉각수와 배기가스 사이의 열교환율이 높아 배기가스로부터 보다 많은 열을 회수할 수 있어 배기열의 효율적 이용을 도모할 수 있다.

자동차, 배기, 배기열, 급속난방, 배기열 회수, 열교환기

Description

배기열 회수용 열교환기{HEAT EXCHANGER FOR WITHDRAWING HEAT OF EXHAUST GAS}

도 1은 배기열 회수장치를 구비한 일반적인 자동차 난방장치의 구성도.

도 2는 종래 배기열 회수용 열교환기의 사시도.

도 3은 종래 배기열 회수용 열교환기내 냉각수와 배기가스의 유동양태를 보인 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선 단면도.

도 4는 종래 배기열 회수용 열교환기내 배기튜브 사이로 흐르는 냉각수의 유동영역을 보인 도 2의 Ⅳ-Ⅳ 선 단면도.

도 5는 도 2의 Ⅴ-Ⅴ 선 단면도.

도 6은 배플이 없는 종래 배기열 회수용 열교환기 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 배기열 회수용 열교환기 사시도.

도 8은 본 발명에 따른 배기열 회수용 열교환기 내 냉각수와 배기가스의 유동양태를 보인 도 7의 Ⅷ-Ⅷ 선 단면도.

도 9는 본 발명에 따른 배기열 회수용 열교환기 내 튜브사이에 흐르는 냉각수의 유동영역을 보인 도 7의 Ⅸ-Ⅸ 선 단면도.

도 10은 도 7의 Ⅹ-Ⅹ 선 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

2 : 배기열 회수용 열교환기, 20 : 유로관

21 : 원판, 23 : 배기튜브

24 : 유입관, 25 : 유출관

26 : 배플

본 발명은 동절기 엔진 냉각수가 정상온도에 이르지 못한 시동초기에 자동차 실내를 급속난방할 수 있도록 배기가스로부터 열에너지를 회수하여 공기조화장치의 난방 열교환기에 전달함으로써 공기조화장치가 자동차 실내를 급속 난방할 수 있게 하는 배기열 회수용 열교환기(排氣熱 回收用 熱交換機)에 관한 것이다.

자동차의 공기조화장치는 하절기나 동절기 자동차 실내를 냉,난방하거나 또는 윈드 실드에 끼는 성에 등을 제거할 목적으로 설치되는 내장품으로, 통상 냉방 시스템과 난방 시스템을 동시에 갖추고 있어서, 자동차 실외나 실내로부터 외기(外氣)나 내기(內氣)를 선택적으로 도입한 후 그 공기를 냉각 또는 가열한 다음 자동차 실내에 송풍함으로써 자동차 실내를 냉,난방하거나, 환기, 또는 윈드 실드 글래스(Wind Shield Glass)의 성에를 제거하는 등의 역할을 한다.

한편, 자동차 공기조화장치의 난방시스템으로는 엔진에서 발생된 열을 이용하여 자동차 실내로 송풍되는 외기 또는 내기의 온도를 높여 주도록 구성된 난방시스템이 가장 일반화되어 있는 바, 이 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 공기조 화장치의 송풍로상에 구성된 난방 열교환기(3)가 엔진(1)의 워터재킷과 수온조절기(4) 사이의 냉각수 라인(200)을 이루면서 엔진(1)의 발열에 의해 뜨거워진 냉각수를 엔진(1)의 워터 재킷으로부터 유입하여 그 냉각수와 자동차 실내로 송풍되는 공기를 상호 열교환시켜 열교환된 고온의 공기가 자동차 실내에 공급되게 함으로써 자동차 실내를 난방하도록 구성되어 있다. 참고로, 난방 열교환기(3)에서 열교환된 냉각수는 수온조절기(4)의 선택에 따라 소정의 온도 이상인 경우에는 라디에이터(5)로 흘러가 냉각된 후 워터 펌프(6)를 거쳐 엔진(1)의 워터 재킷으로 재유입되고, 온도가 그 이하인 경우에는 라디에이터(5)를 거치지 않고 바로 엔진(1)의 워터 재킷으로 유입된다.

한편, 이렇게 냉각수를 열교환매체로 사용하여 자동차 실내로 송풍되는 공기를 가열시키는 공기조화장치는, 동절기의 시동초기에 난방모드로 작동하는 경우, 외부 기온에 의해 냉각되어진 냉각수가 정상온도에 이르기 까지는 다소 시간이 걸리기 때문에, 초기에는 난방을 하지 못하다가 시동 후 일정 시간이 경과하여 냉각수 온도가 소정 온도 이상으로 상승된 이후에나 정상적으로 난방할 수 있다. 이런 이유로 상술한 바와 같이 냉각수를 난방용 열교환매체로 사용하는 공기조화장치를 구비하는 자동차의 운행자 또는 동승자 등은 그 자동차를 동절기에 이용하는 경우 시동 직후부터 냉각수의 온도가 정상온도로 상승하여 정상적인 난방이 이루어질 때까지 시간 동안 차안에서 추위에 떨어야 하는 불편을 감수해야만 했다.

이런 문제점을 해소하기 위하여, 엔진 연소실의 배기가스를 유도하여 대기 중으로 방출하는 자동차의 배기라인에는 엔진 시동 직후부터 배기가스가 고온의 상 태로 대기로 배출된다는 것에 착안, 도 1에 도시된 바와 같이, 배기라인(100)에 그 배기라인 상류에서 분기된 후 하류에 다시 합류되는 우회라인(110)을 연결하고, 그 우회라인(110)에 배기라인(100)을 통해 배기되는 배기가스와 엔진(1)의 워터재킷에서 나와 공조장치의 난방 열교환기(3)로 흐르는 냉각수를 열교환할 수 있는 배기열 회수용 열교환기(2)를 설치하여 그 배기열 회수용 열교환기(2)가 엔진(1)의 워터 재킷에서부터 공조장치의 난방 열교환기(3)로 흘러가는 냉각수를 우회라인(110)을 따라 배기되는 고온의 배기가스와의 열교환으로 가열시킴으로써 냉각수가 가열되지 못한 채로 난방 열교환기(3)에 유입되어 발생되는 시동초기 공기조화장치의 난방불능 문제점을 해소할 수 있고 또는 배기가스의 폐열을 기타의 용도 등으로 활용할 수 있는 배기열 회수 시스템들이 제안되었다.

그러나, 이러한 배기열 회수 시스템을 구성하는 종래 배기열 회수용 열교환기(2)들은 각기 다음과 같은 문제점들을 가지고 있었다.

먼저, 한국특허출원 제 97-65018 호에 제안된 '엔진의 배기열을 이용한 자동차 난방장치'는, 공기조화장치내 난방 열교환기에 대하여 엔진에서 가열된 냉각수를 공급하는 냉각수 파이프의 중간에 배기파이프를 감합(嵌合)한 냉각수 가열통을 연결하여 평상시 냉각수가 바이패스 파이프를 통해 난방 열교환기로 흐르도록 하고 외부기온 및 냉각수의 온도가 낮은 경우에는 가열통을 거쳐 난방 열교환기로 흐르게 함으로써, 배기가스의 열을 회수하여 동절기 시동초기 자동차 실내를 급속난방할 수 있게 구성되어 있다. 그러나, 이 장치의 경우 배기 파이프의 외관을 감싸는 냉각수 가열통의 가진 열전달 면적이 적어 냉각수와 배기가스 사이에 열교환성능을 보장할 수 없다는 문제점이 있었으며, 구조적으로 배기가스가 항상 냉각수 가열통을 지나가게 되어 있는 바, 냉각수 수온이 높은 상태로 유지되는 여름철의 경우 비록 냉각수가 냉각수 가열통을 경유하지 않더라도 냉각수 가열통의 냉각수가 배기가스로부터 지속적으로 열을 받게 되므로 일정 시간이 경과 후 냉각수가 끓게 되어 냉각계통에 이상이 올 우려가 있었다.

그리고, PCT 출원 제 WO96/21578 호에는 배기관과 평행하게 배기가스/냉각수 열교환기를 장착하여 엔진이 가동하고 있는 동안 열을 필요로 할 때 유량을 조절할 수 있는 밸브를 이용하여 배기가스가 열교환기로 흐르게 함으로써 배기가스의 열을 제어하면서 이용할 수 있는 방법이 소개되어 있으나 구체적인 열교환기의 구성방법에 대해서는 전혀 언급이 없다. 이와 같이, 종래에 배기가스의 열을 회수하여 난방 등에 활용할 수 있는 시도들이 있었으나, 그 주된 부품인 열교환기와 밸브류 등의 구체적인 방안들에 대한 제시가 없었다

한편, 배기가스로부터 열을 회수하기 위하여 사용되는 배기가스/열교환기는 배기가스의 부식에 잘 견뎌야 하고, 냉각수측 압력 강하량이 일정 이상가 되어야 하며, 배기가스측의 압력 강하량도 일정이하이어야 하는 제약을 받는데, 이러한 제약을 충족할 수 있는 종래 배기열 회수용 열교환기로는 산업용으로 주로 쓰이는 각-관형 열교환기(Shell & Tube Heat Exchanger)를 들 수 있다.

각-관형 열교환기는 도 2, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 양단이 개방된 원통형으로 그 내부에 냉각수 유로를 형성하는 유로관(20)과; 상기 유로관(20) 양단을 밀폐하는 원판(21) 및 상기 유로관(20)을 따라 일정 간격으로 배치된 배플(22)에 의해 지지되는 복수 개의 배기튜브(23); 그리고, 상기 유로관(20) 내부에 형성된 냉각수 유로를 엔진(도 1의 부호 1)의 워터 재킷과 난방 열교환기(도 1의 부호 3 참조)에 연결하기 위한 상기 유로관(20) 양측의 유입,유출관(24)(25) 등으로 이루어진다. 이러한 구성의 각-관형 열교환기가 자동차의 난방 시스템에 적용될 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 배기라인상에 설치되며, 엔진의 워터재킷에서 배출된 저온의 냉각수를 유입관(24)으로 유입하여 유출관(25)을 통해 공조장치의 난방열교환기에 보내는 과정에서 냉각수와 배기라인(100)의 고온 배기가스를 상호 열교환하여 냉각수가 배기가스의 열을 회수케 함으로써 그 열을 급속 난방용 등의 용도로 활용할 수 있다.

그러나, 이 각-관형 열교환기는 유로관(20)내에서 다중(多衆)의 배기로를 형성하는 복수 개의 배기튜브(23)들이, 도 4에 도시된 바와 같이, 직각좌표계에 의해 정방형으로 배열되어 각 배플(22)의 튜브공(22a)에 끼워져 그 배플(22)들에 의해 지지되는 바, 도 3에서 나타난 바와 같이, 이 배플(22)들에 의해 냉각수의 유동방향이 지그재그형으로 전환되고 냉각수 유동 난류화가 촉진되기는 하지만, 첫째, 냉각수의 유동에 압력강하가 심하게 발생하여 워터 펌프(도 1의 부호 6)에 부하를 주어 냉각수 유량을 감소시키고, 둘째 유로관(20) 내 중심에 냉각수의 유동이 일시 정체되는 데드영역을 형성하며, 셋째, 도 4에 나타난 바와 같이, 냉각수가 유동하는 유로관(20)내 냉각수 유동 단면적의 분포를 볼 때 정방향으로 배열된 배기튜브(23)들 사이에 형성하는 유로면적 보다 배기튜브(23)의 외곽에 형성하는 유로면적이 절대적으로 커서 냉각수를 배기튜브(23)의 주변 보다는 배기튜브(23)들 의 외곽으로 편향되어 흐르게 하는 등의 요인들로 인하여, 냉각수와 배기가스 사이의 열교환을 효율적으로 이행하지 못하고 또 배기튜브(23)들 간에 열교환 효율의 편차도 심하여 냉각수와 배기가스에 대한 열교환효율이 매우 낮다는 문제점을 가지고 있었다. 뿐만 아니라, 배기튜브(23)들 외곽으로 주로 흐르는 냉각수와 외부 찬공기 사이에 불필요하게 일어나는 열교환율은 오히려 높아 배기가스로부터 회수한 냉각수의 열의 많은 양을 외부 찬공기에 빼앗기기 때문에 열손실이 크다는 문제점도 가지고 있었다.

상기한 문제점을 해소하기 위한 방안으로 도 6에 도시된 바와 같이, 배플을 삭제하는 방법도 고려될 수 있으나, 이 방법의 적용하는 경우에도, 냉각수의 난류화가 덜 진행됨에 따른 방열성능의 저하 및 냉각수 유동이 배기튜브(23)의 외곽 편향에 따른 냉각수 유동의 불균일화 및 방열성능의 저하는 피할 수 없었다.

참고로, 설명되지 않는 도 1의 부호 9는 배기라인(100)상에 설치되는 촉매변환기이다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 종래 배기열 회수용 열교환기가 가진 문제점이 해소된 것으로서, 냉각수가 흐르는 유로관 내에서 배기가스를 유도하는 배기튜브들이 유로관에 대하여 다단계의 동심원을 따라 배치되어, 냉각수를 유로관 내부에서 어느 한 곳에 편중되지 않게 균일하게 유동하게 하여 배기가스와 냉각수 사이의 열교환 효율이 높고, 열손실은 적은 배기열 회수용 열교환기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 배기열 회수용 열교환기는, 내부에 냉각수가 유동할 수 있는 공간을 형성하는 양단이 개방된 속빈 원통형으로, 그 양단이 각각 원판에 의해 밀폐되고, 그 양단에 근접하는 외주면에 냉각수 유출입용의 유입관과 유출관이 설치되는 유로관과; 상기 유로관 양측 상기 두 원판 사이에 상기 유로관내 냉각수 유로를 관통하는 다중의 배기가스 유로를 형성하는 것으로, 상기 유로관의 단면방향에서 볼 때 동심원상으로 배열되는 복수 개의 배기튜브들을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유로관 내에 삽입되고, 상기 유로관 내에 최외곽에 배열된 배기튜브들이 관통되어 그 배기튜브들을 상기 유로관 내벽에 대하여 지지하는 원환형의 배플을 바람직한 특징으로 포함하여 이루어진다.

이하, 첨부된 도면에 의거 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성과 작용효과를 구체적으로 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 배기열 회수용 열교환기를 나타낸 사시도이고, 도 8은 도 7의 Ⅷ-Ⅷ 선 단면도로서, 냉각수와 배기가스의 유동양태를 보여주며, 도 9는 도 7의 Ⅸ-Ⅸ 선 단면도로, 튜브사이에 흐르는 냉각수의 유동영역을 나타낸 것이다. 그리고, 도 10은 도 7의 Ⅹ-Ⅹ 선 단면도이다.

도 7 내지 10에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 배기열 회수용 열교환기(2)는, 양단이 개방된 원통형으로 냉각수의 유로를 형성하는 유로관(20)과; 상기 유로관(20)의 중간에 삽입되고 튜브공(26a)들이 형성된 원환형의 배플(26)과; 상기 유로관(20)을 밀폐하는 것으로, 그 동심원상으로 배열된 튜브공(21a)들이 형성된 한 쌍의 원판(21)과, 상기 두 원판(21) 사이를 연결하여 유로관(20) 내부를 따라 배기가스를 유도하는 다수 개의 배기튜브(23)들과; 상기 유로관(20)의 양단에 근접하는 외주면에 냉각수가 유입, 유출할 수 있게 설치된 유입,유출관(24)(25)을 포함하여 이루어진다.

상기 구성에 있어서, 유로관(20)은, 도 7과 8에 도시한 바와 같이, 양단이 개방된 원통형으로, 배기계통의 배기 파이프(도 1 참조)에 개재되며, 그 양단부 외주면에 엔진(도 1의 부호 1 참조)로부터 냉각수를 유입하고 그 냉각수를 공기조화장친의 난방 열교환기(도 1의 부호 3)에 보내는 유입,유출관(24)(25)이 각각 설치된다.

도 9와 10에 도시한 바와 같이, 배플(26)은 유로관(20)의 중간에 끼워지는 원환형의 평판으로, 그 면에는 원주방향을 따라 튜브공(26a)들이 뚫려 있어 유로관(20)내 최외곽에 배치되는 배기튜브(23)들이 끼워져, 그 배기튜브(23)들을 유로관(20) 내벽에 대하여 지지하여 준다. 아울러, 유로관(20) 내 냉각수 유동을 재분배하여 난류화를 촉진하는 역할도 한다.

원판(21)은, 도 9와 10에 도시한 바와 같이, 상기 유로관(20)의 양단을 각각 밀폐하는 원형의 평판으로, 각 원판(21)에는 그 중심점을 중심으로 하는 다단계 동심원상으로 배열된 복수 개의 튜브공(21a)들이 형성되어 있어 유로관(20)을 길이방향으로 관통하는 복수 개의 배기튜브(23)이 각각 연결된다.

상기 배기튜브(23)들은 상기 유로관(20)을 관통, 그 유로관(20) 양단의 원판(21)을 연결하여, 유로관(20)의 양단에 연결된 상,하류 배기계통을 연결하는 역할을 한다. 이에 유로관(20) 선단에 연결된 상류측 배기계통부터 배출되는 배기가스를 유로관(20)을 경유 하류측 배기계통으로 유도하는 역할을 한다. 이 배기튜브(23)들은 그 양단이 고정되는 원판(21)의 튜브공(21a)들의 배열과 같이 유로관(20) 내에서 동심원상에 배열된다.

상기 유입,유출관(5)(6)에는 각각 엔진(도 1의 부호 1 참조)의 워터 재킷에서부터 인출된 냉각수 배관과 공기조화장치의 난방 열교환기(도 1의 부호 3)에 연결된 냉각수 배관이 각각 연결되어, 엔진 워터 재킷에서 배출된 냉각수를 유로관(20)내에 도입하고 그 도입된 냉각수를 공기조화장치의 난방 열교환기(3)로 배출하는 역할을 한다.

이상과 같은 구성들로 이루어지는 본 발명에 따른 배기열 회수용 열교환기는 배기계통의 우회라인(도 1의 부호 110 참조) 상에 설치되어, 엔진 시동 직후 저온의 냉각수를 유입관(24)을 통해 유로관(20)내에 유입하여 유로관(20) 내에의 배기튜브(23)들을 주위를 따라 유동하게 하면서 배기튜브(23) 내부를 통해 배출되는 고온의 배기가스와 열교환으로 고온의 상태로 만들어 난방 열교환기(3)로 공급함으로써, 동절기와 같이 공기조화장치의 난방 성능이 떨어지는 계절의 시동초기에 공기조화장치로 하여금 자동차 실내를 급속 난방할 수 있게 한다.

이러한 과정에 있어서, 특히, 본 발명에 따른 배기열 회수용 열교환기는, 유로관(20) 내에 동심원상으로 골고루 배열된 복수 개의 배기튜브(23)들에 의해 냉각수가 유로관(20)에서 그 유로관(20) 단면에서 볼 때 고루 분포되어 유동되고 또 그 유동이 유로관(20) 내에 설치된 원환형의 배플(26)에 의해 난류화됨과 아울러 유로관의 단면방향으로 재분배됨으로써 냉각수와 배기가스 사이의 열교환 효율이 아주 높다. 따라서 배기가스로부터 보다 많은 열을 회수할 수 있다.

뿐만 아니라, 본 고안에 따른 배기열 회수용 열교환기는 배기튜브들(23)의 동심원 배열에 따라 최외곽 배기튜브(23)와 유로관(20) 내벽면 사이의 공간이 축소되어 유로관(20)내 냉각수와 외부 찬공기 사이의 열교환을 억제할 수 있으므로 열손실도 아주 작다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 배기 회수 열교환기는 동심원상으로 골고루 배열된 복수 개의 배기튜브들에 의해 냉각수가 그 유로관 내에서 고루 분포되어 유동되고 또 그 유동이 유로관 내에 설치된 원환형 배플에 의해 난류화됨과 아울러 유로관의 단면방향으로 재분배됨으로써, 냉각수와 배기가스 사이의 열교환율을 크게 높일 수 있어 배기가스로부터 보다 많은 열을 회수할 수 있다. 뿐만 아니라, 배기튜브들의 동심원 배열에 따라 최외곽 배기튜브와 유로관 내벽면 사이의 공간이 축소되어 유로관내 냉각수와 외부 찬공기 사이의 열교환이 억제할 수 있으므로 열손실도 아주 작아 배기가스의 열의 효율적 이용을 도모할 수 있다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 내부에 냉각수가 유동할 수 있는 공간을 형성하는 양단이 개방된 속빈 원통형으로, 그 양단이 각각 원판에 의해 밀폐되고, 그 양단에 근접하는 외주면에 냉각수 유출입용의 유입관과 유출관이 설치되는 유로관;

   상기 유로관 양측 상기 두 원판 사이에 상기 유로관 내 냉각수 유로를 관통하는 다중의 배기가스 유로를 형성하는 것으로, 상기 유로관의 단면방향에서 볼 때 동심원상으로 배열되는 복수 개의 배기튜브; 및

   상기 유로관 내에 삽입되고, 상기 유로관 내에 최외곽에 배열된 배기튜브들이 관통되어 그 배기튜브들을 상기 유로관 내벽에 대하여 지지하는 원환형 배플;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기열 회수용 열교환기.

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