KR101123161B1 - 배기열 회수장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스와 냉각수의 열교환효율을 향상시킬 수 있는 배기열 회수장치에 관한 것이다.
개시된 본 발명은, 하우징; 상기 하우징의 일단에 설치된 인렛파이프; 상기 하우징의 타단에 설치된 아웃렛파이프; 상기 하우징의 중심부에 길이방향으로 배치된 제1바이패스파이프; 상기 제1바이패스파이프의 외측에 반경방향으로 이격된 제2바이패스파이프; 상기 제2바이패스파이프의 외측에 반경방향으로 이격된 냉각수 케이스; 및 상기 제2바이패스파이프의 배출단부측에 개폐가능하게 설치된 밸브;를 포함하고, 상기 냉각수 케이스의 내주면과 제2바이패스파이프의 외주면이 반경방향으로 이격됨으로써 제1열교환통로를 형성하고, 상기 제1열교환통로의 일단은 폐쇄되며, 상기 제1열교환통로의 타단은 개방되고, 상기 냉각수 케이스의 외주면과 하우징의 내주면이 반경방향으로 이격됨으로써 제2열교환통로를 형성하며, 상기 제2바이패스파이프의 아웃렛파이프와 인접한 외주면에는 복수의 통공이 형성되고, 상기 제1바이패스파이프와 제2바이패스파이프 사이에는 완충재가 개재되며, 상기 완충재는 일정길이를 가진 원통형상으로 형성되며, 상기 완충재는 상기 제2바이패스파이프의 통공과 간섭되지 않도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

배기열 회수장치{EXHAUST HEAT RECOVERY APPARATUS}
본 발명은 배기열 회수장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기가스와 냉각수의 열교환효율을 향상시킬 수 있는 배기열 회수장치에 관한 것이다.
주변의 차가운 공기 또는 정지 등으로 인해 차량의 엔진이 냉각되었을 경우, 차량의 엔진을 신속하게 워밍업하여야 한다. 그리고, 엔진의 워밍업 시간을 단축시키는 것이 연비 향상, 연료소비 및 매연의 저감을 달성할 수 있는 매우 중요한 요소이다.
이러한 차량의 엔진을 워밍업하기 위해서는 엔진의 워터재킷을 순환하는 냉각수를 일정온도로 승온시켜야 하며, 냉각수의 승온을 위하여 배기계 측에 배기열 회수장치가 설치된다. 이러한 배기열 회수장치는 엔진에서 배출되는 배기가스에 의해 냉각수를 일정온도로 승온시킨 후에 엔진의 워터재킷으로 재순환시키도록 구성된다.
이러한 배기열 회수장치는 그 내부에 냉각수가 통과하는 냉각수 채널 및 배기가스가 통과하는 열교환파이프로 구성되고, 열교환파이프와 냉각수 채널은 서로 인접하여 배치된다. 이에 의해, 배기가스가 열교환파이프를 통과하면서 냉각수 채널을 통과하는 냉각수와 열교환함으로써 냉각수의 승온이 이루어지도록 구성된다.
하지만, 종래의 배기열 회수장치는 배기가스의 열교환경로가 직선적이어서 그 길이가 상대적으로 짧아 효율적인 열교환이 용이하게 이루어지지 못하는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 감안하여 안출한 것으로, 배기가스와 냉각수의 열교환접촉면적을 넓혀 그 열교환효율을 향상시킬 수 있는 배기열 회수장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배기열 회수장치는,
하우징;
상기 하우징의 일단에 설치된 인렛파이프;
상기 하우징의 타단에 설치된 아웃렛파이프;
상기 하우징의 중심부에 길이방향으로 배치된 제1바이패스파이프;
상기 제1바이패스파이프의 외측에 반경방향으로 이격된 제2바이패스파이프;
상기 제2바이패스파이프의 외측에 반경방향으로 이격된 냉각수 케이스; 및
상기 제2바이패스파이프의 배출단부측에 개폐가능하게 설치된 밸브;를 포함하고,
상기 냉각수 케이스의 내주면과 제2바이패스파이프의 외주면이 반경방향으로 이격됨으로써 제1열교환통로를 형성하고, 상기 제1열교환통로의 일단은 폐쇄되며, 상기 제1열교환통로의 타단은 개방되고, 상기 냉각수 케이스의 외주면과 하우징의 내주면이 반경방향으로 이격됨으로써 제2열교환통로를 형성하며,
상기 제2바이패스파이프의 아웃렛파이프와 인접한 외주면에는 복수의 통공이 형성되고, 상기 제1바이패스파이프와 제2바이패스파이프 사이에는 완충재가 개재되며, 상기 완충재는 일정길이를 가진 원통형상으로 형성되며, 상기 완충재는 상기 제2바이패스파이프의 통공과 간섭되지 않도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각수 케이스는 상기 하우징 내에서 상기 제2바이패스파이프의 외측에 반경방향으로 이격되어 배치되고, 상기 냉각수 케이스는 그 내부에 냉각수 채널이 형성되며, 상기 냉각수 채널은 내측벽, 외측벽, 제1엔드플레이트, 제2엔드플레이트에 의해 한정되고,
상기 제1엔드플레이트의 내경면에는 플랜지가 형성되고, 상기 제1엔드플레이트의 내경은 상기 제2바이패스파이프의 외경에 대응하도록 형성되며, 상기 제1엔드플레이트의 플랜지는 상기 제2바이패스파이프의 외주면에 결합되고, 상기 제2엔드플레이트의 내경이 상기 제2바이패스파이프의 외경 보다 크게 형성됨으로써 상기 제2엔드플레이트의 내경면과 제2바이패스파이프의 외주면 사이에는 소통틈새가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각수 케이스의 냉각수 채널에는 나선형 핀을 가진 인너핀이 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 하우징은 내부에 중공부를 가진 원통형 구조로 구성되고, 상기 하우징의 일단에는 제1엔드플레이트가 설치되며, 상기 하우징의 타단에는 콘형상의 제2엔드플레이트가 설치되며, 상기 하우징의 제1엔드플레이트 측에는 인렛파이프가 연결되고, 상기 하우징의 제2엔드플레이트 측에는 아웃렛파이프가 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1엔드플레이트의 내주면에는 내측플랜지가 형성되고, 상기 제1바이패스파이프의 일단은 상기 제1엔드플레이트의 내측플랜지 측에 결합됨으로써 상기 제1바이패스파이프는 상기 인렛파이프와 소통하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 배기가스의 열교환경로를 연장시킴과 더불어 냉각수 채널 내에 스크류 형상의 인너핀을 적용함으로써 배기가스와 냉각수의 열교환접촉면적을 넓혀 그 열교환효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기열 회수장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기열 회수장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 A-A선을 따라 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1의 B-B선을 따라 도시한 단면도이다.
도 5는 도 1의 C-C선을 따라 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기열 회수장치를 도시한 도면이다.
본 발명의 배기열 회수장치는 하우징(10), 하우징(10)의 일단에 설치된 인렛파이프(11), 하우징(10)의 타단에 설치된 아웃렛파이프(12), 하우징(10)의 중심부에 길이방향으로 배치된 제1바이패스파이프(13), 제1바이패스파이프(13)의 외측에 반경방향으로 이격된 제2바이패스파이프(15), 제2바이패스파이프(15)의 외측에 반경방향으로 이격된 냉각수 케이스(20), 제2바이패스파이프(15)의 배출단부측에 개폐가능하게 설치된 밸브(30), 밸브(30)를 개폐시키는 액츄에이터(40)를 포함한다.
하우징(10)은 내부에 중공부를 가진 원통형 구조로 구성되고, 하우징(10)의 일단에는 제1엔드플레이트(10a)가 설치되며, 제1엔드플레이트(10a)의 내주면에는 내측플랜지(10c)가 형성되고, 하우징(10)의 타단에는 콘형상의 제2엔드플레이트(10b)가 설치된다.
하우징(10)의 제1엔드플레이트(10a) 측에는 인렛파이프(11)가 용접 등을 통해 연결되고, 하우징(10)의 제2엔드플레이트(10b) 측에는 아웃렛파이프(12)가 용접 등을 통해 연결된다.
제1바이패스파이프(13)는 하우징(10)의 중심부에 길이방향으로 배치되고, 제1바이패스파이프(13)의 일단은 제1엔드플레이트(10a)의 내측플랜지(10c)측에 용접 등을 통해 결합됨으로써 제1바이패스파이프(13)는 인렛파이프(11)와 소통한다.
제2바이패스파이프(15)는 제1바이패스파이프(13)의 외측에 반경방향으로 이격되어 배치되고, 제2바이패스파이프(15)의 일단은 인렛파이프(11)와 인접하며, 제2바이패스파이프(15)의 타단은 아웃렛파이프(12)와 인접한다. 제2바이패스파이프(15)의 아웃렛파이프(12)와 인접한 외주면에는 복수의 통공(15a)이 형성되어 있다. 이 통공(15a)을 통해 배기가스는 제2바이패스파이프(15)의 외측공간(후술하는 열교환통로(17, 18))으로 소통할 수 있다.
그리고, 제1바이패스파이프(13)와 제2바이패스파이프(15) 사이에는 완충재(14)가 개재되고, 완충재(14)는 일정길이를 가진 원통형상으로 형성될 수 있다. 완충재(14)는 와이어메쉬 등과 같이 내열성 및 완충성이 우수한 재질로 구성되어 제1 및 제2 바이패스파이프(13, 15) 사이의 유동 등을 효과적으로 완충할 수 있다. 특히, 완충재(14)는 제2바이패스파이프(15)의 통공(15a)과 간섭되지 않도록 배치된다.
냉각수 케이스(20)는 하우징(10) 내에서 제2바이패스파이프(15)의 외측에 반경방향으로 이격되어 배치되고, 냉각수 케이스(20)는 그 내부에 냉각수 채널(28)이 형성되며, 냉각수 채널(28)은 내측벽(21), 외측벽(22), 제1엔드플레이트(23), 제2엔드플레이트(24)에 의해 한정된다.
제1엔드플레이트(23)는 환형으로 구성되고, 그 내경면에 플랜지(23a)를 가진다. 제1엔드플레이트(23)의 내경은 제2바이패스파이프(15)의 외경에 대응하도록 형성되고, 플랜지(23a)는 제2바이패스파이프(15)의 외주면에 용접 등을 통해 결합된다. 그리고, 제2엔드플레이트(24)는 환형으로 구성되고, 제2엔드플레이트(24)의 내경이 제2바이패스파이프(15)의 외경 보다 크게 형성됨으로써 제2엔드플레이트(24)의 내경면과 제2바이패스파이프(15)의 외주면 사이에는 소통틈새(24a)가 형성된다.
냉각수 케이스(20)의 내주면(특히, 내측벽(21)의 내주면)과 제2바이패스파이프(15)의 외주면은 반경방향으로 이격됨으로써 제1열교환통로(17)를 형성하고, 제1열교환통로(17)는 그 일단이 제1엔드플레이트(23)에 의해 폐쇄되며, 제1열교환통로(17)의 타단은 소통틈새(24a)를 통해 개방된다. 냉각수 케이스(20)의 외주면(특히, 외측벽(22)의 외주면)과 하우징(10)의 내주면은 반경방향으로 이격됨으로써 제2열교환통로(18)를 형성한다.
이러한 구성에 의해, 도 3과 같이 배기가스는 제2바이패스파이프(15)의 통공(15a)들을 통해 제1열교환통로(17)로 유동한 후에, 소통틈새(24a)를 통해 제2열교환통로(18)로 유동한다(도 3의 화살표 D방향 참조). 이와 같이, 본 발명은 배기가스는 제1열교환통로(17), 소통틈새(24a), 제2열교환통로(18)를 통해 냉각수 케이스(20)의 외측면을 따라 유동함으로써("ㄷ"형태의 흐름방향), 그 열교환경로가 연장되어 배기가스와 냉각수 케이스(20)의 열교환접촉면적을 대폭 향상시킬 수 있고, 이를 통해 그 열교환효율의 향상을 도모할 수 있는 장점이 있다.
또한, 냉각수 케이스(20)의 냉각수 채널(28)에는 나선형 핀(25a)을 가진 인너핀(25, inner fin)이 개재되고, 인너핀(25)의 나선형 핀(25a)을 통해 냉각수의 유동속도가 지체됨과 더불어 냉각수의 접촉면적이 증대됨에 따라 냉각수의 열교환접촉면적이 넓어져 그 열교환효율이 대폭 증진되는 장점이 있다.
냉각수 케이스(20)에는 냉각수 인렛배관(26a, 26b) 및 냉각수 아웃렛배관(27)이 냉각수 채널(28)과 소통하도록 연결되고, 냉각수 인렛배관(26a, 26b)은 냉각수 도입파이프(26a) 및 냉각수 연결파이프(26b)로 구성되며, 냉각수 도입파이프(26a)와 냉각수 연결파이프(26b)는 후술하는 액츄에이터(40)의 케이싱(41)를 통해 소통되게 서로 연결되어 있다. 냉각수 연결파이프(26b)는 하우징(10)의 외벽을 관통하여 냉각수 케이스(20)의 외측벽(22)측에 연결된다. 그리고, 냉각수 아웃렛배관(27)은 하우징(10)의 외벽을 관통하여 냉각수 케이스(20)의 외측벽(22)측에 연결된다.
밸브(30)는 제2바이패스파이프(15)의 타단 개구(즉, 아웃렛파이프(12)에 인접한 단부 개구)를 개폐하는 밸브몸체(31), 밸브몸체(31)의 일측단부에 구비된 밸브축(32), 밸브축(32)의 일단부에 구비된 작동캠(33)을 포함한다.
제2바이패스파이프(15)의 타단 개구에는 테이퍼진 밸브플랜지(15b)가 형성되고, 이 밸브플랜지(15b)에는 밸브몸체(31)가 개폐가능하게 설치된다.
밸브몸체(31)의 일측단부에는 밸브축(32)이 구비되고, 밸브축(32)은 하우징(10)측에 회전가능하게 설치되며, 밸브축(32)의 외주면에는 하나 이상의 토션스프링(32a)이 설치되고, 이 토션스프링(32a)에 의해 밸브축(32)은 원위치로 복원될 수 있다.
작동캠(33)은 그 일측에 작동돌기(33a)가 돌출되고, 작동캠(33)은 액츄에이터(40)에 의해 회전하도록 구성된다.
그리고, 밸브플랜지(15b)에는 와이어메쉬 등과 같은 내열성 및 완충성이 우수한 완충시트(38)가 안착되고, 이 완충시트(38)에 의해 밸브몸체(31)에 의한 폐쇄작동 시에 그 밀폐성이 향상될 뿐만 아니라 그 개폐작동 시의 소음이 효과적으로 방지될 수 있다.
도 5에는 액츄에이터(40)의 일 예시적인 형태가 예시되어 있고, 본 실시예의 액츄에이터(40)는 냉각수 채널(28)로 유입되는 냉각수의 온도를 감지하여 밸브(30)의 개폐를 조절하도록 구성될 수 있다.
액츄에이터(40)는 냉각수 인렛배관(26a, 26b)과 소통되게 연결되는 케이싱(41), 케이싱(41) 내에 설치된 서모스탯(42), 서모스탯(42)에 의해 전후진작동하는 푸쉬로드(43), 푸쉬로드(43)를 원위치로 복원시키는 복원스프링(44)으로 구성된다.
케이싱(41)은 냉각수 인렛배관(26a, 26b)과 소통되게 연결되는 제1공간(41a) 및 제1공간(41b)에 대해 밀폐된 제2공간(41b)으로 구성된다.
서모스탯(42)은 케이싱(41)의 제1공간(41a) 내에 설치되고, 서모스탯(42)의 내부에는 왁스(wax)가 충전되어 있다. 그리고, 서모스탯(42)의 일단은 냉각수 인렛배관(26a, 26b)과 인접하게 배치되고, 서모스탯(42)의 타단에는 구동축(42a)이 전후진가능하게 구비되어 있다. 이에, 서모스탯(42)은 냉각수 인렛배관(26a, 26b)을 통해 유입되는 냉각수의 온도가 일정온도 이상일 경우에는 그 내부의 왁스(wax)가 팽창하여 구동축(42a)을 전진시킨다.
그리고, 서모스탯(42)의 일측 외주면에는 밀봉링(42b)이 설치되고, 이러한 밀봉링(42b)에 의해 케이싱(41)의 내부공간은 제1 및 제2 공간(41a, 41b)으로 밀폐적으로 구획된다.
푸쉬로드(43)는 케이싱(41)의 제2공간(41b) 내에 전후진가능하게 위치하고, 푸쉬로드(43)의 일단 중심부에는 홈(43a)이 형성되며, 이 홈(43a)에는 서모스탯(42)의 구동축(42a)이 위치한다. 푸쉬로드(43)의 홈(43a) 주변에는 외경방향으로 연장된 연장부(43a)가 형성되고, 푸쉬로드(43)의 타단은 밸브(30)의 작동캠(33)과 밀어내도록 배치된다.
복원스프링(44)은 케이싱(41)의 제2공간(41b) 내에서 푸쉬로드(43)의 연장부(43a)를 탄성지지하도록 설치되고, 이에 복원스프링(44)은 서모스탯(42)의 구동축(42a)이 원위치로 복원할 경우 푸쉬로드(43)를 원위치로 복원시킨다.
이러한 액츄에이터(40) 및 밸브(30)의 구성에 의해, 냉각수 인렛배관(26a, 26b)을 통해 유입되는 냉각수의 온도를 서모스탯(42)이 감지하여 냉각수의 온도가 일정 온도 이상일 경우에는, 서모스탯(42) 내의 왁스가 팽창하여 구동축(42a)이 전진하고, 이러한 구동축(42a)의 전진에 의해 푸쉬로드(43)가 전진한다. 이러한 푸쉬로드(43)의 전진에 의해 푸쉬로드(43)의 타단은 밸브(30)의 작동캠(33)의 작동돌기(33a)를 가압하여 작동캠(30)을 회전시키고, 이러한 작동캠(33)의 회전에 의해 연동하여 밸브몸체(31)도 회전함으로써 제2바이패스파이프(15)의 타측 개구(15a)가 개방될 수 있다. 그리고, 냉각수의 온도가 일정온도 이하일 경우에는, 서모스탯(42)의 왁스가 수축하여 구동축(42a)이 원위치로 복원되고, 이에 푸쉬로드(43) 및 밸브축(32)이 원위치로 복원됨에 따라 밸브몸체(31)는 제2바이패스파이프(15)의 타단 개구를 폐쇄한다.
한편, 도 5에 예시된 액츄에이터(40)는 냉각수의 온도를 감지하여 냉각수의 온도가 일정온도 이상일 경우에 밸브(30)를 개방하도록 제어하는 구성을 채택하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 그외에도 액츄에이터(40)는 배기가스의 유량을 감지하여 밸브(30)의 개방을 제어하거나 냉각수의 온도 및 배기가스의 유량을 함께 감지하여 밸브(30)의 개방을 제어하도록 구성되어도 무방할 것이다.
10: 하우징 11: 인렛파이프
12: 아웃렛파이프 13: 제1바이패스파이프
15: 제2바이패스파이프 20: 냉각수 케이스
25: 인너핀 30: 밸브
40: 액츄에이터

Claims (5)

  1. 하우징;
    상기 하우징의 일단에 설치된 인렛파이프;
    상기 하우징의 타단에 설치된 아웃렛파이프;
    상기 하우징의 중심부에 길이방향으로 배치된 제1바이패스파이프;
    상기 제1바이패스파이프의 외측에 반경방향으로 이격된 제2바이패스파이프;
    상기 제2바이패스파이프의 외측에 반경방향으로 이격된 냉각수 케이스; 및
    상기 제2바이패스파이프의 배출단부측에 개폐가능하게 설치된 밸브;를 포함하고,
    상기 냉각수 케이스의 내주면과 제2바이패스파이프의 외주면이 반경방향으로 이격됨으로써 제1열교환통로를 형성하고, 상기 제1열교환통로의 일단은 폐쇄되며, 상기 제1열교환통로의 타단은 개방되고, 상기 냉각수 케이스의 외주면과 하우징의 내주면이 반경방향으로 이격됨으로써 제2열교환통로를 형성하며,
    상기 제2바이패스파이프의 아웃렛파이프와 인접한 외주면에는 복수의 통공이 형성되고, 상기 제1바이패스파이프와 제2바이패스파이프 사이에는 완충재가 개재되며, 상기 완충재는 일정길이를 가진 원통형상으로 형성되며, 상기 완충재는 상기 제2바이패스파이프의 통공과 간섭되지 않도록 배치되고,
    상기 냉각수 케이스의 냉각수 채널에는 나선형 핀을 가진 인너핀이 설치되는 것을 특징으로 하는 배기열 회수장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 케이스는 상기 하우징 내에서 상기 제2바이패스파이프의 외측에 반경방향으로 이격되어 배치되고, 상기 냉각수 케이스는 그 내부에 냉각수 채널이 형성되며, 상기 냉각수 채널은 내측벽, 외측벽, 제1엔드플레이트, 제2엔드플레이트에 의해 한정되고,
    상기 제1엔드플레이트의 내경면에는 플랜지가 형성되고, 상기 제1엔드플레이트의 내경은 상기 제2바이패스파이프의 외경에 대응하도록 형성되며, 상기 제1엔드플레이트의 플랜지는 상기 제2바이패스파이프의 외주면에 결합되고, 상기 제2엔드플레이트의 내경이 상기 제2바이패스파이프의 외경 보다 크게 형성됨으로써 상기 제2엔드플레이트의 내경면과 제2바이패스파이프의 외주면 사이에는 소통틈새가 형성되는 것을 특징으로 하는 배기열 회수장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 내부에 중공부를 가진 원통형 구조로 구성되고, 상기 하우징의 일단에는 제1엔드플레이트가 설치되며, 상기 하우징의 타단에는 콘형상의 제2엔드플레이트가 설치되며, 상기 하우징의 제1엔드플레이트 측에는 인렛파이프가 연결되고, 상기 하우징의 제2엔드플레이트 측에는 아웃렛파이프가 연결되는 것을 특징으로 하는 배기열 회수장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1엔드플레이트의 내주면에는 내측플랜지가 형성되고, 상기 제1바이패스파이프의 일단은 상기 제1엔드플레이트의 내측플랜지 측에 결합됨으로써 상기 제1바이패스파이프는 상기 인렛파이프와 소통하는 것을 특징으로 하는 배기열 회수장치.
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