KR100845824B1 - 차량용 연료냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진, 연료탱크, 에어컨과, 에어컨의 냉각제순환시스템에 일체로 연결된 연료공급파이프로 연결되는 열교환기를 갖는 차량용 연료냉각장치에 관한 것이다. 연료냉각장치가 공급파이프연결부(2a) 및 배출파이프연결부(2b)를 갖는 외부 하우징(1)과 외부하우징의 내부에 배치된 내부 셀(3)로 구성된다. 외부 하우징(1)의 내부에 배치된 내부 셀(3)의 내부에는 유동방향으로 평행하게 배치된 박판(5)이 구비된다.

연료냉각장치, 외부 하우징, 내부 셀, 박판, 크로스-링크.

Description

차량용 연료냉각장치{FUEL COOLING APPARATUS FOR A MOTOR VEHICLE}

본 발명은 엔진, 연료탱크, 에어컨과, 에어컨의 냉각제순환시스템에 일체로 연결된 연료공급파이프로 연결되는 열교환기를 갖는 차량에 사용되는 연료냉각장치에 관한 것이다. 연료냉각장치는 공급 및 배출파이프에 연결하기 위한 연결부를 갖는 외부 하우징과 외부 하우징의 내부에 배치된 내부 셀로 구성된다.

차량내의 연료는 여러가지 이유에서 가열된다. 탱크내의 연료는 태양열에 의하여 발생된 열에 의하여 가열될 수 있고 연료공급파이프내의 연료는 운전중 발생되는 복사열과 배기가스설비에서 발생된 복사열에 의하여 가열될 수도 있다. 가열된 연료증기는 엔진의 원활한 작동을 중단시킬 수 있다. 여기에서 사용된 "중단"이라는 용어는 "점화되지 않음"을 의미한다. 특히 이러한 문제점은 고속주행시에 그리고 연료의 소모가 큰 콤프레서와 터보엔진의 경우에 일어난다. 이러한 이유에서 엔지니어는 장기간동안 연료를 냉각시킬 수 있는 장치의 개발에 노력을 기울여 왔다. 그 결과로 연료냉각장치에 관한 많은 수의 특허와 문헌들이 알려졌다.

연료냉각장치의 내부설계를 다루고 있는 이들 문헌들을 잘 살펴보았을 때, 이들 장치는 일반적으로 열전달면의 크기와 냉각제의 분배에 의하여 주로 결정되는 냉각효과를 증가시키는데 목적을 둔 개선발명에 관한 것이다. 이러한 이유에서 유체열교환기로서 고안된 대다수의 장치에서 냉각제의 분배를 향상시키도록 이러한 열전달면의 확장시키기 위하여 설계상의 수정노력이 있었다. 이러한 노력은 유체운반파이프에 균일하게 냉각제가 분배될 수 있도록 하는 냉각제 분배를 개선하였다. 다음의 내용은 종래기술의 문헌을 짧게 언급한 것이다.

특허문헌 DE 34 40 060에 기술된 장치는 냉각될 연료가 코일형상을 갖는 코일상 호스를 통하여 펌프되는 연료냉각장치에 관한 것이다. 이러한 코일상 호스는 방열기 하우징의 내벽에 의하여 지지되는 반면에 원통형 하우징에 냉각제가 축방향으로 공급된다. 제한된 유효공간과 굽힘문제 때문에 코일은 이러한 장치를 위하여 5개의 상이한 부품으로 구성되어야 하였다. 이 장치는 낮은 냉각성능과 코일의 제작공정이 어렵다는 등의 많은 문제점을 보이고 있다.

특허문헌 DE 41 10 264 A1은 특허문헌 DE 34 40 060 A1에 기술된 장치의 냉각성능을 개선하기 위한 내용을 보이고 있다. 냉각제의 공급이 큼에도 불구하고 냉각성능이 제자리에 머물거나 감소되는 효과를 피하기 위하여, 연료운반코일의 코어단면이 유체가 유동하는 동체로 채워졌다. 이러한 유동동체는 트위스트 시이트의 형태로 구성되었으며 이와 같은 경우 코일상 호스의 두 인접한 와인딩 사이에 삽입될 수 있다. 이러한 트위스트 시이트의 윤곽은 하우징 내부에서 코일을 통한 유동단면의 형태를 개조함으로서 연료운반코일의 보다 균일한 공급이 이루어질 수 있도록 한다.

특허문헌 DE 37 40 811 A1은 이전에 사용된 연료냉각장치의 기본적인 원통형의 형상 대신에 구면상의 하우징을 보이고 있는 것으로 냉각될 연료내에 나선체가 삽입되어 나선체의 와인딩부분이 냉각제 흐름에 대하여 대각선 방향으로 배치될 수 있도록 한다. 이는 각 와인딩부분에서 냉각제의 흐름에 난류가 유도될 수 있도록 하여 연료운반파이프의 양호한 연료공급이 이루어질 수 있도록 한다.

특허문헌 DE 44 37 167 A1은 상당히 큰 열전달면을 갖는 연료냉각장치를 보이고 있다. 이 장치에서는 연료공급파이프와 연료배출파이프의 단부 사이에 연료냉각장치의 주요 구성부분으로서 원통형 벨로우즈가 사용된다. 연료냉각장치에는 연료공급 및 연료배출파이프와 넓은 변부를 갖는 중공형 실린더부분으로 구성된 하우징이 구비된다. 링-웨이브형 벨로우즈는 유동됨이 없이 동일한 길이의 중공원통형 안내동체에 고정된 하우징 커버의 내부에 방사상으로 거리를 두고 배치된다.

안내동체는 이러한 안내동체의 인접한 단부에 냉각제 유동방향에 대하여 선단 및 후단에 일체로 연결되고 안내동체의 전 길이에 걸쳐 유동방향을 향하여 경사진 단면의 벽이 구비되어 있다. 개방부가 상대측을 향하여 직경방향으로 대향되게 배치된 안내동체의 중공원통형 커버에서 벽의 양측에 배치된다. 안내동체의 커버 라인의 축을 따라서 평행하게 배치된 개방부는 내측으로 개방된 원형 벨로우즈 커버의 측면에서 안내동체의 외부에서 끝나는 반면에 연료는 반대방향으로 외측으로 개방된 벨로우즈 커버의 측면으로 운반된다. 연료는 유동방향을 향하여 경사지게 배치된 벽을 통해 내측으로 개방된 벨로우즈 커버를 따라서 강제로 유동함으로서 이와 같이 확장된 열전달면에서 측면부의 다른 측면에서 유동하는 연료와의 최적한 열교환이 이루어질 수 있다.

복잡한 기술적 설계와 각 벨로우즈 커버에 대한 연료 또는 냉각제의 정확한 공급을 위하여 실질적인 전제조건이 되는 안내요소의 정확한 고정을 위한 필요성이 이러한 장치의 결점이다. 더욱이, 벨로우즈 커버의 작은 단면구조 때문에 양산이 불가능하다.

종래 에어컨의 냉각순환시스템에 연료냉각장치를 연결하는 것이 알려져 있다. 특허문헌 DE 37 25 664 A1에는 증발기 이전의 냉각제순환에 관한 설명이 없는 연료냉각장치의 설치를 기술하고 있는 반면에, 특허문헌 DE 33 30 250 A에는 연료냉각장치의 설치에 대하여 기술되어 있으나 증발기와 압축기 사이의 보다 상세한 내용이 기술되어 있지 않다.

본 발명은 냉각제의 균일한 분배가 이루어질 수 있도록 함으로서 고속에서 높은 연료공급율을 보장할 수 있도록 하기 위하여 간단한 구조이면서 충분한 크기의 열교환면을 제공하고 에어컨이 구비된 차량에 설치될 수 있는 연료냉각장치를 제공하는데 있다.

이를 위하여, 본 발명은 외부 하우징으로부터 내부로 연장된 파이프연결부(4a)(4b)가 내부 셀(cell)(3)측으로 확장연결되고 파이프연결부를 확장하여 구성되는 내부 셀(3)의 내부에 유동방향으로 평행하게 배치된 박판(5)이 구비된 연료냉각장치를 제공한다.

본 발명의 요지는 연료와 냉각제 사이의 열교환을 위한 접촉면이 형성되고 이러한 접촉면에 인접한 영역이 신속한 열교환을 보장할 수 있도록 구성된다는 것에 기초하고 있다. 그 이유는 외부 하우징과 내부 셀이 서로 결합되고 부가적으로 네트워크 구조가 크로스-링크(cross-link)를 갖는 박판이 내부 셀의 내부에 일체로 구성되기 때문이다. 유동방향으로 배치된 박판 사이의 크로스-링크는 한편으로 각 박판 사이의 신속한 열교환이 이루어질 수 있도록 하고 다른 한편으로는 이들 사이의 공간에서 냉각제의 균일한 혼합이 이루어질 수 있도록 한다. 냉각제의 이러한 균일한 혼합은 신속한 열교환을 위한 다른 중요한 전제조건이 된다.

본 발명에 따른 연료냉각장치의 잇점은 다양하다. 연료의 냉각은 증기기포의 발생과 연료첨가제의 증발을 방지한다. 이는 배기가스의 방출이 최소가 되는 연료의 최적한 연소가 이루어질 수 있도록 한다. 그 결과로 엔진의 원활하고 이상적인 작동이 이루어지고 특히 연료소모가 큰 엔진의 성능을 개선한다. 엔진의 고성능과 양호한 연료의 절약은 측정에 의하여 입증될 수 있다. 더욱이, 본 발명에 따른 연료냉각장치는 작동에 의하여 가열된 엔진의 시동이 무리없이 이루어질 수 있도록 한다. 냉각된 연료가 보다 용이하게 압축될 수 있다는 사실에 기인하여, 압축기와 터보엔진에 대한 본 발명에 따른 연료냉각장치의 최대효과를 얻을 수 있다. 연료냉각장치 내부의 박판형 구조는 열전달면의 양측면에 대한 열운반을 가속화하고 고압의 발생이 있는 경우에도 외부 하우징과 내부 셀의 구조적인 안정화를 기할 수 있다.

본 발명에 따른 연료냉각장치에 대하여 유용한 구성은 두개이다. 외부 하우징은 연료탱크와 연료펌프 사이의 연료공급파이프 또는 에어컨의 냉각제순환시스템에 일체로 구성될 수 있다. 만약 첫번째 경우가 선택되는 경우, 즉, 연료공급파이프의 외부 하우징에 설치되는 경우, 내부 셀이 에어컨의 냉각제순환시스템에 일체로 구성될 수 있다. 두번째 구성의 경우, 내부 셀을 연료공급파이프에 일체로 구성할 수 있고 외부 하우징을 에어컨의 냉각제순환시스템에 연결할 수 있다(첫번째 구성의 경우가 테스트측정을 위하여 사용되었다. 즉, 외부 하우징이 연료탱크와 연료펌프 사이의 연료공급파이프에 일체로 구성된 반면에, 내부 셀이 에어컨의 냉각제순환시스템에 연결되었다).

본 발명의 다른 특징에 따라서, 연료냉각장치는 통상적인 구성을 갖는 에어컨의 증발기 전후에서 냉각제순환시스템에 일체로 구성될 수 있다.

만약 연료냉각제장치가 증발기의 후방에서 냉각제순환시스템에 일체로 구성되는 경우, 연료의 비교적 제한된 냉각이 이루어지는 결과를 가져올 것이다. 그러나, 연료냉각제장치가 증발기의 전방에서 냉각제순환시스템에 일체로 구성되는 경우, 냉각성능은 높을 것이다.

본 발명은 또한 연료냉각장치의 내부에서 연료의 유동방향이 냉각제의 유동방향과 반대방향으로 향하도록 한다. 연료와 냉각제의 유동방향이 반대인 것은 냉각성능을 개선하는 유리한 결과를 가져온다.

본 발명의 다른 특징은 외부 하우징의 내부에서 내부셀에 의하여 채워지지 않은 부분에 유동방향으로 평행하게 배치되는 박판이 구비되고 특히 유리한 구성에서 박판은 부가적인 크로스-링크에 의하여 내부 셀의 내측에서 박판과 같이 네트워크 구조에 연결된다. 중공체의 형태인 외부 하우징과 내부 셀에서 네트워크 구조는 면적이 넓은 면으로부터 더욱 떨어져 있는 박판에 대하여 열운반이 가속될 수 있도록 하고 유체가 소용돌이치도록 하여 열운반이 최적화될 수 있도록 하며 양측에서 넓은 면에 균일한 공급이 이루어질 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 연료냉각장치의 특히 유리한 구성은 외부 하우징과 내부 셀이 서로 수직으로 배치되는 6개의 측면을 갖는 육면체로 구성될 수 있도록 한다. 육면체인 중공체 형태의 이들 외부 하우징과 내부 셀의 중심선은 조립된 연료냉각장치 내에서 만난다. 이와 같은 경우에 내부 셀은 외부 셀 보다 종방향 길이가 짧아 이들 사이에 좁은 공간이 남고 작동조건에서 이에 연료와 냉각제가 채워진다.

본 발명에 따른 연료냉각장치의 다른 구성에서 장방형 평행육면체 형태인 내부 셀의 높이는 외부 하우징의 높이와 정확히 일치하여 내부 셀이 외부 하우징에 달리 공간을 남기지 않고 그 상하측에서 정확히 결합된다. 외부 하우징의 두 파이프 연결부가 대각선방향으로 어긋난 위치에서 하우징의 상하측의 각 벽에 일체로 구성되므로 작동조건에서 내부 셀에는 적어도 두개의 기다란 측부면측과 두개의 전면부측에서 연료 또는 냉각제가 공급된다.

본 발명의 아이디어는 외부 하우징, 내부 셀과, 양측 중공동체 내부의 박판 및 크로스-링크를 구성하는데 사용된 부품들이 알루미늄 또는 구리와 같이 열전도성이 큰 금속으로 구성된다는 것이다. 알루미늄을 사용하는 경우, 구성요소들을 연결하는데 니들을 이용한 텅스텐 불활성가스용접(위그용접)이 이용된다. 이와 같이 함으로서, 상이한 공급량에 따른 상이한 크기를 갖는 연결부와, 상이한 직경을 갖는 정련강으로 코팅된 연료공급호스가 고정될 수 있다. 상이한 연결부의 크기는 최상의 엔진성능을 얻기 위하여 각 상이한 차량 및 엔진에 적용하기 위한 것이다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 사시도.

도 1은 본 발명에 따른 연료냉각장치의 여러 가능성 있는 구성중의 하나를 보인 것이다. 내부 셀(3)이 외부 하우징(1)의 내부에 배치된다. 내부 셀의 파이프연결부(4a)(4b)는 외부 하우징(1)으로부터 연장된다. 내부 셀에서 유동방향으로 박판(5)이 배치되고 일부만을 보인 크로스-링크(6)가 배치된 것을 볼 수 있다. 크로스-링크(6)는 박판(5)을 통하여 유체가 유동할 때 유체가 혼합될 수 있도록 하여 열교환이 이루어질 수 있도록 한다.

외부 하우징의 공급파이프연결부(2a)와 배출파이프연결부(2b)는 외부 하우징(1)의 두 측면에 대각선 방향으로 어긋난 위치에 배치된다. 외부 하우징(1)의 내부에서 내부 셀(3)에 의하여 채워지지 않은 공간은 도시된 바와 같이 박판과 크로스-링크로 채워지지 않는다. 물론, 내부 셀(3)에 대하여 보인 바와 같이 이러한 공간이 박판과 크로스-링크로 채워지는 다른 구조의 구성도 가능하다.

본 발명은 에어컨에 연결하기 위한 박판형 내부구조를 갖는 연료냉각장치에 적용된다.

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17. 차량용 연료냉각장치에 있어서, 상기 연료냉각장치가 대향된 벽에 대각선방향으로 어긋난 위치에 일체로 구성된 공급파이프연결부와 배출파이프연결부를 갖는 외부 하우징과, 파이프연결부가 상기 하우징의 상하측 외부로부터 내측으로 연장되고 상기 외부 하우징의 내부에서 확장되며 다수의 박판이 유동방향으로 평행하게 배열된 내부 셀로 구성됨을 특징으로 하는 차량용 연료냉각장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 박판을 갖는 상기 내부 셀이 열교환이 이루어질 수 있도록 상기 박판을 통하여 유동하는 유체의 네트워크 구조를 형성하기 위한 크로스-링크를 포함함을 특징으로 하는 차량용 연료냉각장치.
19. 제17항에 있어서, 상기 외부 하우징과 그 내부의 내부 셀이 상대측에 대하여 수직으로 배치되는 6개의 측면을 가짐을 특징으로 하는 차량용 연료냉각장치.
20. 제17항에 있어서, 상기 내부 셀이 장방형 평행육면체 구조를 가짐을 특징으로 하는 차량용 연료냉각장치.
21. 제17항에 있어서, 상기 외부 하우징의 내부에서 상기 내부 셀에 연결하기 위한 공급파이프연결부와 배출파이프연결부를 포함하고, 상기 공급파이프연결부와 상기 배출파이프연결부가 상기 외부 하우징의 대향된 벽에 대각선방향으로 어긋난 위치에 일체로 구성됨을 특징으로 하는 차량용 연료냉각장치.
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