KR100954682B1 - 차량용 인터쿨러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 인터쿨러에 관한 것으로, 인터쿨러를 통과하는 압축공기가 와류가 형성되면서 통과하도록 하여 인터쿨러의 열교환 능력이 향상되도록 한 것이다.

본 발명은 압축공기가 유입되고 배출되도록 하는 입구부(30)와 출구부(31)를 가지며, 상기 입구부(30)와 출구부(31)의 사이에 열교환부(40)가 형성되는 차량용 인터쿨러(20)로서, 상기 열교환부(40)을 이루면서 압축공기가 통과되도록 하는 튜브(60)의 내부에는, 상기 튜브(60)의 폭방향으로 지지,고정되는 제 1와류형성부재(80)와, 간격을 두고 배열,형성되는 제 2와류형성부재(90)를 포함하여 구성되고, 상기 제 1,2와류형성부재(80)(90)를 포함하면서 튜브(60)의 내부에 간격을 두고 형성되어서 재순환로(61)가 형성되도록 하는 가이드부재(70)가 구비되는 구조이다.

이러한 본 발명은 인터쿨러의 구조를 변경하여 제 1,2와류형성부재를 형성하여 인터쿨러의 내부를 통과하는 압축공기의 와류형성이 잘 이루어져서 차량의 주행풍에 의한 열교환 능력이 향상되는 효과가 있고, 튜브의 내부에 형성된 재순환로를 통해 1차 열교환된 압축공기가 회수되어 열교환이 이루어지므로, 더욱 더 압축공기의 열교환능력이 향상되는 효과가 있도록 한 것이다.

터보차저, 인터쿨러, 압축공기, 열교환, 냉각, 핀, 튜브, 와류

Description

차량용 인터쿨러{Intercooler for Vehicle}

본 발명은 차량용 인터쿨러에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인터쿨러를 통과하는 압축공기가 와류가 형성되면서 통과하도록 하여 인터쿨러의 열교환 능력이향상되도록 한 것이다.

일반적으로, 자동차의 엔진은 고온에서 작동되므로 과열되는 것을 피하기 위해 냉각수를 순환시켜 엔진을 적정한 온도로 유지시키게 되는데, 엔진을 순환하면서 가열된 냉각수는 엔진중 전방에 설치되어 차량 주행풍에 의해 방열,냉각하는 라디에이터를 통과되도록 함으로써 엔진의 냉각을 위해 반복,사용된다.

이 때문에, 라디에이터의 방열 냉각성이 저하되면, 엔진이 과열되어 베어링부나 실린더 등의 고속운동부위가 소착을 일으키게 되거나 또는 열화를 입어 내구성을 현저하게 저하시키게 되므로 라디에이터의 방열 냉각효율은 엔진의 성능

유지에 매우 중요하다.

한편, 최근에는 엔진의 고출력, 고성능화가 요구되면서 디젤엔진에 배기가스 의 배출압력을 이용하여 흡입공기를 가압한 후, 가압된 흡입공기가 연소실로 공급되도록 하는 터보차저가 장착된다.

상기 터보차저는 디젤엔진을 사용하는 차량에 있어서, 엔진의 출력을 향상시키기 위하여 엔진의 실린더 내부로 압축공기를 공급하는데, 엔진으로부터 배기되는 배기가스의 유동에너지에 의해 회전하는 터빈을 구비하고 있으며, 이 터빈과 회전축으로 연결되어 함께 회전함으로써 외부로부터 공기를 흡입하고 가압하여 실린더에 높은 압력의 압축공기를 공급(과급)하는 장치로서, 동일한 용적의 실린더라 하더라도 다량의 공기를 충전하게 되면, 이에따라 연료량을 증가시켜 높은 출력을 얻게 되는 것이다.

그런데, 터보차저에 의해 흡기를 고압으로 압축하여 급송하면 압축공기의 온도가 상승하게 되고, 그에따라 부피가 팽창하며, 산소밀도가 저하되어 결과적으로 실린더안의 충전효율이 떨어져서 출력이 저하되는 현상이 발생한다.

이 때문에 터보차저 엔진은 통상 압축공기를 냉각함으로써 산소밀도의 저하를 방지하여 실린더의 흡입효율이 높아지고, 엔진의 연소효율이 향상되어 연비가 높아지도록 하는 인터쿨러를 장착하고 있다.

인터쿨러는 냉각방식에 따라 수냉식과 공냉식으로 나눌 수 있는데, 수냉식 인터쿨러는, 인터쿨러를 냉각시킬때 차량의 냉각수나 물을 이용하여 인터쿨러를 냉각시키는 방식으로 냉각효율은 우수하지만, 구조가 복잡하여 설치가 어렵고, 유지보수가 곤란하다는 문제점이 있어 일반적으로 공기를 이용하여 인터쿨러를 냉각시키는 공냉식 인터쿨러를 많이 사용한다.

또한, 종래의 인터쿨러는 대개 라디에이터와 함께 엔진룸의 전방에 나란히 설치하여 차량의 주행풍을 이용하여 방열,냉각되는데, 차량의 고출력화와 더불어 요구되는 방열량 증대를 위해서는, 종래의 경우 인터쿨러와 라디에이터의 크기를 증대시켜 해결하고 있어 엔진룸이 레이아웃을 제한하고 차량의 구조변경을 심화시키게 됨으로써 비용상승의 원인이 되고 있다.

일반적인 터보차저기관의 인터쿨러를 도면을 통해 보다 구체적으로 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 배기행정시 배기밸브(1)를 통하여 배기관(2) 으로 배출된 배기가스는 터빈(3)을 구동시키고, 소음기(4)를 거쳐서 외부로 배출된다. 상기 터빈(3)에 축(5)으로 연결된 압축기(6)는 흡기관(11)을 통해 들어온 공기를 압축하여 인터쿨러(7)로 보낸다. 상기 인터쿨러(7)에 구비되는 열교환부인 핀튜브(fin tube)(도시되지 않음)를 통과하는 압축공기는 라디에이터(12)에서 냉각되어 흡기다기관(8)을 지나서 흡기밸브(9)를 통해 실린더(10)로 유입된다.

그러나, 이러한 종래의 일반적인 터보차저 기관에 있어서는, 압축공기를 냉각시키는 인터쿨러(7)의 냉각성능이 좋지 못하여 압축공기를 충분히 냉각시키지 못함에 따라 엔진의 충전효율이 저하되어 만족할만한 출력을 얻지 못하는 문제점이 있었다.

이에 이러한 문제점을 극복하기 위해서, 도 2에 도시된 바와 같이, 라디에이터(12)의 외부에 입구(14)와 출구(15)를 가지는 케이싱(13)을 구비하여 라디에이터(12)의 외부를 따라 소정의 냉기순환로가 형성되도록 한 장치가 있었다.

상기 냉각순환로의 입구(14)에는 에어콘(16)의 냉각유로가 연결되어 있어 에 어콘(16)의 냉기가 인터쿨러(7)를 순환하도록 되어 있다. 또한, 인터쿨러(7)의 내부에 설치된 핀튜브의 일측단은 흡기관(11)과 연결되어 있고, 타단은 실린더(10)에 연결되는 흡기다기관(8)에 연결된 구조이다(국내 공개실용신안 공개번호 제 1998-64356호 참조).

따라서, 핀튜브를 흘러 흡기다기관(8)으로 유입되는 압축공기는 인터쿨러(7)를 지나면서 소정의 온도로 냉각되는데, 라디에이터(12)에 의한 자연 공냉에 더하여 에어콘(16)의 냉기를 유입시켜서 인터쿨러(7)의 라디에이터(12)를 강제 냉각시키므로 압축공기를 충분하게 냉각시킬 수 있다.

그러나, 에어콘의 냉기를 이용하기때문에, 그 만큼 비용상승의 요인이 되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해서 발명된 것으로서, 압축공기를 열교환시켜서 냉각되도록 하는 열교환부의 튜브안에 재순환로가 형성되도록 하면서 와류형성부재들에 의해 압축공기가 와류되면서 배출되도록 하여 냉각성능이 대폭 향상되도록 한 것이다.

본 발명은 압축공기가 유입되고 배출되도록 하는 입구부와 출구부를 가지며, 상기 입구부와 출구부의 사이에 열교환부가 형성되는 차량용 인터쿨러로서,

상기 열교환부를 이루면서 압축공기가 통과되도록 하는 튜브의 내부에는, 상기 튜브의 폭방향으로 지지,고정되는 제 1와류형성부재와, 간격을 두고 배열,형성되는 제 2와류형성부재를 포함하여 구성된다.

상기 튜브의 내부에는 튜브의 입구부 및 출구부보다 확장된 수용부가 형성되고, 이 수용부에는 제 1와류형성부재와 제 2와류형성부재를 포함하면서 튜브의 내부와 간격을 두고 재순환로가 형성되도록 하는 가이드부재를 구비하는 구조이다.

상기 튜브의 내부에 형성되는 수용부의 양단부는 재순환로를 통해 회수되는 압축공기가 유도되도록 하는 지지면이 형성되는 구조이다.

상기 제 1와류형성부재는 가이드부재의 입구부에 간격을 두고 구비되면서 단면상 삼각형으로 이루어지고, 제 1와류형성부재의 꼭지점이 안쪽방향을 향하도록 배치하면서 수직한 대응면의 양 끝점을 통해 압축공기가 와류가 형성되면서 지나가도록 하는 구조이다.

상기 제 2와류형성부재는 단면상 원형으로 이루어지고, 가이드부재의 내부에서 간격을 두고 복수, 형성되어 압축공기가 와류가 형성되면서 지나가도록 하는 구조이다.

이와 같이, 본 발명은 인터쿨러의 구조를 변경하여 제 1,2와류형성부재를 형성하여 인터쿨러의 내부를 통과하는 압축공기의 와류형성이 잘 이루어져서 차량의 주행풍에 의한 열교환 능력이 향상되는 효과가 있다.

또한, 튜브의 내부에 재순환로가 형성되어서 1차 열교환되어 냉각된 압축공기의 일부가 회수되어 다시 열교환이 됨으로써 압축공기의 열교환 능력이 더욱 더 향상되는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명한다.

예시도면 도 3은 본 발명에 따른 인터쿨러의 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 인터쿨러의 절개한 사시도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인터쿨러(20)는, 종래와 마찬가지로 압축공기가 유입되고 배출되도록 하는 입구부(30)와 출구부(31)를 가진다.

또한, 상기 입구부(30)와 출구부(31)의 사이에는 열교환부(40)가 형성되는데, 이 열교환부(40)는 복수의 핀(50)과 튜브(60)로 구성된다.

상기 튜브(60)의 내부에는 재순환로(61)가 형성되도록 간격을 두고 가이드부재(70)가 형성되고, 이 가이드부재(70)의 안쪽 입구측에는 튜브(60)의 폭방향으로 지지,고정되는 제 1와류형성부재(80)와, 간격을 두고 복수개로 배열,형성되는 제 2와류형성부재(90)가 구비된다.

상기 재순환로(61)는 가이드부재(70)를 통과하면서 1차 열교환된 압축공기의 일부가 다시 회수되어서 가이드부재(70)의 입구부(71)로 유입되어 출구부(63)를 통해 배출되도록 한 것이다.

상기 튜브(60)와 가이드부재(70)는 4각형 구조로 형성됨이 바람직하다.

또한, 상기 튜브(60)의 내부는 압축공기가 들어와서 배출되도록 하는 입구부(62)와 출구부(63)가 형성되고, 상기 입구부(62) 및 출구부(63)와 연통되면서 상대적으로 확장된 공간을 가지는 수용부(64)가 형성되어서, 상기 가이드부재(70) 및 제 1,2와류형성부재(80)(90)가 구비되도록 한 것이다.

상기 수용부(64)는 가이드부재(70)가 구비되면서 간격을 유지하여 재순환로(61)가 형성되도록 하며, 이때 수용부(64)의 양단부는 지지면(64a)(64b)이 형성되어서 압축공기의 재순환이 원활하게 이루어지도록 한다.

또한, 가이드부재(70)도 마찬가지로, 입구부(71)가 형성되고, 이 입구부(71)와 연통되면서 확장된 공간을 가지는 수용부(72)가 형성되어서 이 수용부(72)안에 제 1,2와류형성부재(80)(90)가 배치된다.

더욱 구체적으로, 상기 입구부(71)에 형성되는 제 1와류형성부재(80)는 단면상 삼각형 구조를 가지는데, 꼭지점(81)이 가이드부재(70)의 안쪽방향 즉, 압축공기가 유동하는 방향으로 향하도록 하고, 상기 꼭지점(81)의 대응면(82)은 입구부(71)에 대하여 수직방향으로 배치되도록 하여 수직면으로 되어서 그 양 끝점에서 압축공기가 지나가면서 와류(도면상 점선 화살표)가 형성되도록 한다.

또한, 상기 제 2와류형성부재(90)는 단면상 원형을 이루도록 형성되는데, 간격을 두고 복수개가 배열되어서 와류가 용이하게 형성되면서 압축공기가 지나가도록 된 구조이다.

상기 제 1,2와류형성부재(90)의 구조는 본 발명의 실시예에서 각각 삼각형 및 원형으로 설명하였으나, 이에 국한되지 않고 와류가 형성가능한 여러가지 구조로 형성할 수 있다.

이러한 구성을 가지는 본 발명은 터보차저를 통해 유입되는 압축공기가 인터쿨러(20)의 내부로 유입되어서 열교환이 되어 냉각된 상태로 실린더 내부로 유입되는데, 이 과정에서 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 인터쿨러(20)를 이루는 입구부(30)를 통과한 압축공기는 바로 열교환부(40)를 구성하는 튜브(60)의 입구부(62)안으로 진입한다. 그러면, 튜브(60)의 내부에 구비된 가이드부재(70)의 입구부(71)를 통과하게 되는데, 이때 입구부(71)에는 폭방향으로 제 1와류형성부재(80)가 형성되어 있어 유입된 압축공기는 제 1와류형성부재(80)에 충돌하게 된다.

상기 제 1와류형성부재(80)는 단면상 삼각형 구조를 가지고 있는데, 배열상태를 보면, 꼭지점(81)이 가이드부재(70)의 안쪽방향으로 되어 있기때문에, 이 꼭지점(81)과 대응되는 수직한 대응면(82)이 유입되는 압축공기와 직면하게 된다. 그러면, 대응면(82)과 충돌한 압축공기는 양쪽으로 갈라지면서 가이드부재(70)의 입구부(71)안으로 진입하는데, 이때 와류가 형성되면서 진입하게 된다.

이렇게 1차 와류가 형성된 압축공기는, 가이드부재(70)의 수용부(72)에 진입하는데, 수용부(72)에는 길이방향으로 제 2와류형성부재(90)가 간격을 두고 복수,형성되어 있어 이 제 2와류형성부재(90)들을 지나가면서 2차로 와류가 형성되는 것이다.

그런 다음에, 압축공기는 출구부(63)를 통해 빠져나가고, 인터쿨러(20)의 출구부(31)를 거쳐서 실린더 안으로 공급되는 것이다.

이와 같이 본 발명은 압축공기가 튜브(60)의 내부를 통과할때, 상당한 와류가 형성되기때문에, 그 만큼 체류하면서 지나가므로, 핀(50)을 통해 통과하는 주행풍과의 열교환시 보다 확실한 열교환작용이 이루어지므로 그 만큼 냉각효과가 상승되는 것이다.

더욱이, 본 발명은 튜브(60)의 내부에 형성된 수용부(64)에 의해서 가이드부재(70)가 간격을 두고 구비되면서 재순환로(61)가 형성되어 있어 가이드부재(70)의 내부를 통과하는 압축공기의 일부가 지지면(64b)의 유도를 받아서 재순환로(61)를 거쳐서 회수되어서 지지면(64a)에 의해 유도되어 다시 가이드부재(70)의 입구부(71)로 유입되고, 이때 인터쿨러(20)의 입구부(30)를 통해 유입되는 새로운 압축공기와 혼합되어 가이드부재(70)의 내부를 거치면서 열교환되어 배출되고, 또 배출되는 압축공기의 일부는 다시 재순환로(61)를 통해 재순환되는 과정을 반복하게 되는 것이다.

본 발명은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 튜브(60)안의 지점(a)에서 지점(b)를 거쳐서 지점(c)를 통과하는 과정에서, 제 1,2와류형성부재(80)(90)에 의해 더 많은 와류가 형성되는데, 만약, 제 1,2와류형성부재(80)(90)를 너무 과도하게 형성시키면, 오히려 유체의 흐름에 악영향을 미쳐서 유속이 감소하여 난류상태(레이놀즈수가 2,000 미만인 경우)의 유체속도를 얻기 어렵다.

이때, 재순환로(61)를 형성하는 간격(hr)은 hr < hc×0.1을 만족시켜야 지점(a)(b)간의 압력차가 양(+)이 되어 공기가 간격(hc)을 통해 더 많이 흘러들어가서 제 1,2와류형성부재(80)(90)에 의해서 와류가 발생한다.

또한, 본 발명은 터보차저에서 과급된 고온의 압축공기가 입구부(30)를 통해 유입된 다음, 도 5에 도시된 바와 같이, 지점(a)에서 지점(b)를 통과할때, 다음식이 성립할 수 있다.

△P_ab = P_a - P_b = 1/2C_p1v1²

여기서, P_a는 지점(a)에서의 압력, P_b는 지점(b)에서의 압력, C_p1는 유량상수,

는 밀도, v1은 속도이다. 즉, 두 지점(a)(b)간의 압력차(△P_ab)는 속도(v1)에 비례한다는 것이다.

본 발명은 제 1와류형성부재(80)의 대응면(81) 상,하 양 끝점에서 와류가 형성되는데, 동일한 유속을 가지는 경우, 지점(a)(b)의 압력차에 비례해서 와류가 형성된다. 즉, 제 1와류형성부재(80)의 길이(d)가 클수록, 또는 간격(hr)(hc)가 작을 수록 와류의 수가 증가하여 다음과 같은 식이 성립한다.

f ∝ △P/m'

여기서, f는 와류의 수(Hz), △P는 압력차(Pa), m'는 질량유량(mass flow rate)(kg/hr)이다.

첨부된 예시도면 도 9는 압력과 간격비의 관계를 도시한 그래프이고, 도 10은 폐면적율과 압력강하값 사이의 관계를 도시한 그래프로서, 도면에 도시된 바와 같이, 간격비(hr/hc)가 0.1 이상일때, 압력차(△P)는 양(+)이 되어서 양호한 흐름상태를 가진다.

또한, 본 발명에 따른 인터쿨러(20)의 튜브(60) 내부를 통과하는 압축공기는 인터쿨러(20)의 압력강하값인 수 kPa의 수치를 만족시키기 위해서 폐면적율(d/D)을 20% 이하로 해야 양호한 상태를 가진다.

여기서, d는 제 1와류형성부재(80)의 대응면(82)의 길이이고, D는 입구부(62)의 직경이다.

도 1은 종래의 터보차저 기관을 도시한 도면이다.

도 2는 종래의 인터쿨러에 차량 에어콘이 연결된 모습을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 인터쿨러의 사시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 인터쿨러의 절개한 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 인터쿨러의 튜브를 확대도시한 단면도이다.

도 6은 도 5의 A부 확대도이다.

도 7은 도 5의 A-A'선 단면도이다.

도 8은 도 5의 B-B'선 단면도이다.

도 9는 압력과 간격비의 관계를 도시한 그래프이다.

도 10은 폐면적율과 압력강하값 사이의 관계를 도시한 그래프이다.

[도면의 주요부분에 대한 부호설명]

20 : 인터쿨러

30 : 입구부

31 : 출구부

40 : 열교환부

50 : 핀

60 : 튜브

61 : 재순환로

62 : 입구부

63 : 출구부

64 : 수용부

64a,64b : 지지면

70 : 가이드부재

71 : 입구부

72 : 수용부

80 : 제 1와류형성부재

81 : 꼭지점

82 : 대응면

90 : 제 2와류형성부재

Claims (5)

1. 압축공기가 유입되고 배출되도록 하는 입구부(30)와 출구부(31)를 가지며, 상기 입구부(30)와 출구부(31)의 사이에 열교환부(40)가 형성되는 차량용 인터쿨러(20)로서,

   상기 열교환부(40)를 이루면서 압축공기가 통과되도록 하는 튜브(60)의 내부에는, 상기 튜브(60)의 폭방향으로 지지,고정되는 제 1와류형성부재(80)와, 간격을 두고 배열,형성되는 제 2와류형성부재(90)를 포함하고,

   상기 튜브(60)의 내부에는 튜브(60)의 입구부(62) 및 출구부(63)보다 확장된 수용부(64)가 형성되고, 이 수용부(64)에는 제 1와류형성부재(80)와 제 2와류형성부재(90)를 포함하면서 튜브(60)의 내부와 간격을 두고 재순환로(61)가 형성되도록 하는 가이드부재(70)를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 인터쿨러.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 튜브(60)의 내부에 형성되는 수용부(64)의 양 단부는 재순환로(61)를 통해 회수되는 압축공기가 유도되도록 하는 지지면(64a)(64b)이 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 인터쿨러.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 1와류형성부재(80)는 가이드부재(70)의 입구부(71)에 간격을 두고 구비되면서 단면상 삼각형으로 이루어지고, 제 1와류형성부재(80)의 꼭지점(81)이 안쪽방향을 향하도록 배치하면서 입구부(71)에 대하여 수직한 대응면(82)의 양 끝점을 통해 압축공기가 와류가 형성되면서 지나가도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 인터쿨러.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 2와류형성부재(90)는 단면상 원형으로 이루어지고, 가이드부재(70)의 내부에서 간격을 두고 복수, 형성되어 압축공기가 와류가 형성되면서 지나가도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 인터쿨러.

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