KR101321066B1 - 배기가스 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 튜브 내의 배기가스 통로를 통과하는 배기가스의 높은 와류효과를 구현함으로써 배기가스의 열교환효율을 향상시킬 수 있는 배기가스 열교환기에 관한 것이다.
본 발명의 배기가스 열교환기는, 일단부에 인렛측 플랜지가 결합되고, 타단부에 아웃렛 캡이 결합되는 하우징; 및 상기 하우징 내에 배치되고, 복수의 튜브가 적층된 복수의 튜브 적층코어;를 포함하고, 상기 복수의 튜브 적층코어는 상기 하우징 내에서 측면방향으로 서로 이격되어 복수열로 배치되며, 각 튜브의 상면에는 복수의 제1와류형성용 돌기가 튜브의 내부방향으로 돌출하고, 각 튜브의 하면에는 복수의 제2와류형성용 돌기가 튜브의 내부방향으로 돌출하며, 상기 제1 및 제2 와류형성용 돌기는 상호 교차하는 대각선 방향으로 연장되는 구조로 형성되고, 각 튜브의 상면에는 복수의 제1보강돌기가 상향으로 돌출하고, 각 튜브의 하면에는 복수의 제2보강돌기가 하향으로 돌출하며, 상하방향으로 인접한 튜브들 사이에서 제1보강돌기와 제2보강돌기는 서로 간섭되지 않도록 각 축선이 일정간격으로 이격됨으로써 상하방향으로 인접한 튜브들 사이에서 제1보강돌기들과 제2보강돌기들이 서로 교대로 위치하는 것을 특징으로 한다.

Description

배기가스 열교환기{EXHAUST GAS HEAT EXCHANGER}
본 발명은 배기가스 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 튜브 내의 배기가스 통로를 통과하는 배기가스의 높은 와류효과를 구현함으로써 배기가스의 열교환효율을 향상시킬 수 있는 배기가스 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 이지알 시스템(EGR: Exhaust Gas Reciculation)은 배기가스의 일부를 다시 흡기계로 재순환시켜 흡입공기중의 CO2 농도를 증대시켜 연소실의 온도를 저하시키고, 이에 의해 NOx를 저감시키는 시스템이다.
이러한 이지알 시스템에는 냉각수에 의해 배기가스를 냉각시키는 배기가스 열교환기(통상, '이지알 쿨러(EGR Cooler)'라고도 함)가 이용되고 있으며, 배기가스 열교환기는 700℃ 정도의 배기가스 온도를 150℃~200℃까지 냉각시켜야 하므로 내열성 재질이어야 하며, 자동차 내부에 설치되기 위해 콤팩트하게 설계되어야 하고, 적절한 EGR량을 공급하기 위해 압력강하가 최소화되어야 하며, 열교환 중 배기가스로부터 응축이 발생하며 연료의 황성분 때문에 응축수에 황산이 포함되어 부식을 일으키기 쉬우므로 방식성 재료이어야 하고, 배기가스의 맥동영향으로 기계적 부하가 작용하므로 일정의 기계적 강도가 있어야 한다.
이러한 배기가스 열교환기는 복수의 튜브가 적층된 튜브 적층코어를 포함하고, 각 튜브의 내부에는 배기가스가 통과하는 배기가스통로가 형성되며, 인접하는 튜브와 튜브 사이에는 냉각수통로가 형성된다.
하지만, 종래의 배기가스 열교환기는 튜브 내의 배기가스통로를 통과하는 배기가스의 와류효율이 높지 않아 배기가스의 열교환성능이 저하되는 단점이 있었다.
또한, 종래의 배기가스 열교환기는 각 튜브의 폭이 상대적으로 넓게 형성됨에 따라 배기가스의 고열로 인해 각 튜브의 중앙부가 부풀어 오름이 심하게 발생하고, 이에 튜브들 사이의 냉각수통로가 좁아져 배기가스의 열교환효율이 급격히 떨어지는 단점이 있었다.
그리고, 종래의 배기가스 열교환기는 복수의 구성요소들이 조립되는 구조로 이루어짐에 따라 전체 조립공정이 복잡하여 그 생산성이 저하될 뿐만 아니라 제조비용이 높아지는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 튜브 내의 배기가스통로를 통과하는 배기가스의 와류효율을 높임과 더불어 각 튜브의 중앙부가 부풀어 오름을 방지함으로써 배기가스의 열교환효율을 대폭 향상시킬 수 있는 배기가스 열교환기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배기가스 열교환기는,
일단부에 인렛측 플랜지가 결합되고, 타단부에 아웃렛 캡이 결합되는 하우징; 및
상기 하우징 내에 배치되고, 복수의 튜브가 적층된 복수의 튜브 적층코어;를 포함하고,
상기 복수의 튜브 적층코어는 상기 하우징 내에서 측면방향으로 서로 이격되어 복수열로 배치되며,
각 튜브의 상면에는 복수의 제1와류형성용 돌기가 튜브의 내부방향으로 돌출하고,
각 튜브의 하면에는 복수의 제2와류형성용 돌기가 튜브의 내부방향으로 돌출하며,
상기 제1 및 제2 와류형성용 돌기는 상호 교차하는 대각선 방향으로 연장되는 구조로 형성되고,
각 튜브의 상면에는 복수의 제1보강돌기가 상향으로 돌출하고, 각 튜브의 하면에는 복수의 제2보강돌기가 하향으로 돌출하며,
상하방향으로 인접한 튜브들 사이에서 제1보강돌기와 제2보강돌기는 서로 간섭되지 않도록 각 축선이 일정간격으로 이격됨으로써 상하방향으로 인접한 튜브들 사이에서 제1보강돌기들과 제2보강돌기들이 서로 교대로 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 하우징의 일단부에 인접한 측벽에는 냉각수 인입개구가 형성되고, 상기 하우징의 타단부에 인접한 상면에는 냉각수 인출개구가 형성되며,
상기 인렛측 플랜지에는 배기가스가 인입되는 개구가 형성되고, 상기 개구의 내측 가장자리면에는 경사진 테이퍼면이 형성되며, 상기 인렛측 플랜지의 일측에는 냉각수 인입부가 일체로 형성되고, 상기 냉각수 인입부는 상기 하우징의 냉각수 인입개구와 소통하도록 결합되며, 상기 아웃렛 캡에는 배기가스가 인출되는 인출통로가 형성되고,
상기 냉각수 인입부는 상기 인렛측 플랜지의 전면 일측에 형성된 입구부, 상기 입구부로부터 상기 하우징의 냉각수 인입개구 측으로 절곡되어 연장된 냉각수 인입통로, 상기 하우징의 냉각수 인입개구 가장자리 측에 밀착되는 밀착면을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 인렛측 플랜지의 후면에는 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부 내에는 상기 냉각수 인입통로가 형성되며, 상기 돌출부의 단부에는 상기 하우징의 냉각수 인입개구 가장자리에 밀착되는 밀착면이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 튜브들은 그 양단부가 제1 및 제2 조립브라켓에 의해 인렛측 플랜지 및 아웃렛측 캡 측에 각각 결합되고, 상기 제1조립브라켓에는 각 튜브의 일단부가 삽입되는 복수의 결합슬롯이 형성되며, 상기 인렛측 플랜지의 개구 후면에는 상기 제1조립브라켓이 끼움결합되는 제1끼움단턱이 형성되고, 상기 제2조립브라켓에는 각 튜브의 타단부가 삽입되는 복수의 결합슬롯이 형성되며, 상기 아웃렛측 캡의 인출통로 전면에는 제2조립브라켓이 끼움결합되는 제2끼움단턱이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 각 튜브의 상면 및 하면 각각에 형성된 제1 및 제2 와류성형용 돌기가 서로 교차하는 대각선 방향으로 연장된 구조로 형성됨에 따라 튜브 내의 배기가스통로를 통과하는 배기가스의 와류효율을 대폭 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 하우징 내의 폭방향으로 복수의 튜브 적층코어를 서로 이격시키는 구조를 적용함으로써 각 튜브의 폭을 상대적으로 줄임으로써 배기가스의 고열로 인해 각 튜브의 중앙부가 부풀어 오름을 방지할 수 있고, 이에 냉각수통로의 면적에 영향을 주지 않으므로 배기가스의 열교환효율을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 열교환기를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 열교환기를 도시한 측면도이다.
도 3은 도 2의 A-A선을 따라 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 열교환기를 도시한 분해사시도이다.
도 5는 도 4의 화살표 B방향에서 바라본 측면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 배기가스 열교환기의 튜브를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명에 의한 배기가스 열교환기의 튜브를 도시한 평면도이다.
도 8은 도 7의 C-C선을 따라 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 열교환기를 도시한 도면이다.
본 발명에 의한 배기가스 열교환기는 하우징(10) 및 하우징(10)에 배치되는 복수의 튜브 적층코어(20, 30)를 포함한다.
하우징(10)는 도 4에 도시된 바와 같이, 그 양단부가 개방된 구조로 형성되고, 하우징(10)의 일단부에 인접한 측벽에는 냉각수 인입개구(10a)가 형성되며, 하우징(10)의 타단부에 인접한 상면에는 냉각수 인출개구(10b)가 형성되고, 이 냉각수 인출개구(10b)에는 냉각수 인출배관(14)이 밀봉적으로 접속된다. 또한, 하우징(10)의 외면에는 하나 이상의 장착브라켓(19)이 결합된다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징(10)의 일단부에는 배기가스가 인입되는 인렛측 플랜지(11)가 결합되고, 하우징(10)의 타단부에는 배기가스가 인출되는 아웃렛측 캡(12)이 결합된다.
인렛측 플랜지(11)에는 배기가스가 인입되는 개구(11a)가 형성되고, 개구(11a)의 내측 가장자리면에는 경사진 테이퍼면(11b)이 형성된다. 이러한 테이퍼면(11b)을 통해 배기가스의 인입이 용이하게 이루어진다.
인렛측 플랜지(11)의 전면에는 EGR밸브(미도시)가 설치되고, 인렛측 플랜지(11)의 일측에는 냉각수 인입부(13)가 일체로 형성되며, 냉각수 인입부(13)는 하우징(10)의 냉각수 인입개구(10a)와 소통하도록 결합된다.
냉각수 인입부(13)는 인렛측 플랜지(11)의 전면 일측에 형성된 입구부(13a), 입구부(13a)로부터 하우징(10)의 냉각수 인입개구(10a)측으로 절곡되어 연장된 냉각수 인입통로(13b), 하우징(10)의 냉각수 인입개구(10a) 가장자리 측에 밀착되는 밀착면(13c)을 가진다.
인렛측 플랜지(11)의 후면에는 돌출부(13d)가 형성되고, 이 돌출부(13d) 내에는 냉각수 인입통로(13b)가 형성되며, 돌출부(13d)의 단부에는 하우징(10)의 냉각수 인입개구(10a) 가장자리에 밀착되는 밀착면(13c)이 형성된다.
종래기술은 하우징의 일측에 별도의 냉각수 인입배관이 접속되는 구조로 이루어짐에 따라 그 조립공정이 매우 번거러운 단점이 있었지만, 본 발명은 인렛측 플랜지(11)의 일측에 냉각수 인입부(13)를 일체로 형성하고, 인렛측 플랜지(11)를 하우징(10)의 일단부 측에 설치함에 따라 냉각수 인입부(13)의 냉각수 인입통로(13b)가 하우징(10)의 냉각수 인입개구(10a) 측에 밀봉적으로 접속할 수 있으므로 그 조립공정이 매우 간편한 장점이 있다.
그리고, 인렛측 플랜지(11)의 일측에 냉각수 인입부(13)가 일체로 형성됨에 따라 인렛측 플랜지(11)의 전면에 설치되는 EGR밸브(미도시)의 냉각수배관과의 조립성이 매우 용이해지는 장점이 있다.
아웃렛측 캡(12)는 그 내부에 인출통로(12a)가 형성되고, 아웃렛측 캡(12)의 단부에는 배기파이프(미도시)가 결합되는 플랜지부(12b)가 형성된다.
복수의 튜브 적층코어(20, 30)는 하우징(10) 내에는 하우징(10)의 폭방향으로 서로 이격되어 배치된다. 복수의 튜브 적층코어(20, 30)의 외측면과 하우징(10)의 내측면 사이에는 냉각수가 유동하는 냉각수통로(55)가 형성되고, 이 냉각수통로(55)는 각 튜브 적층코어(20, 30)의 튜브(40)들 사이에도 형성된다.
도 1 내지 도 7의 실시예에서는 2개의 튜브 적층코어(20, 30)가 하우징(10) 내에 하우징(10)의 폭방향으로 서로 이격된 구조가 예시되어 있다. 도 4와 같이 하우징(10) 내의 좌측에는 제1튜브 적층코어(20)가 배치되고, 하우징(10) 내의 우측에는 제2튜브 적층코어(30)가 배치된다.
각 튜브 적층코어(20, 30)는 복수의 튜브(40)들이 상하방향으로 적층됨으로써 구성된다. 특히, 본 발명은 복수의 튜브 적층코어(20, 30)가 하우징(10) 내에서 하우징(10)의 폭방향에서 서로 이격되도록 배치됨에 따라 각 튜브(40)의 폭이 상대적으로 좁게 형성되고, 이에 튜브(40)의 내부를 통과하는 배기가스의 고열로 인해 튜브(40)의 중앙부가 부풀어 오름이 효과적으로 방지될 수 있다.
각 튜브(40)는 그 내부에 배기가스통로(45)가 형성되고, 도 8에 도시된 바와 같이 각 튜브(40)의 상면에는 복수의 제1와류형성용 돌기(41)가 튜브(40)의 내측방향으로 돌출하고, 각 튜브(40)의 하면에는 복수의 제2와류형성용 돌기(42)가 튜브(40)의 내측방향으로 돌출한다. 이에, 각 튜브(40)의 배기가스통로(45)에는 복수의 제1 및 제2 와류형성용 돌기(41, 42)가 서로 마주보게 형성되고, 특히 상하방향으로 서로 마주보는 제1와류형성용 돌기(41)와 제2와류형성용 돌기(42)는 서로 교차하는 대각선방향으로 형성됨으로써 배기가스통로(45)를 통과하는 배기가스의 와류효과를 대폭 향상시킬 수 있고, 이를 통해 배기가스의 열교환효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 각 튜브(40)의 상면에는 복수의 제1보강돌기(43)가 길이방향으로 이격되어 형성되고, 각 제1보강돌기(43)는 튜브(40)의 상면에서 상향으로 돌출한다. 각 튜브(40)의 하면에는 복수의 제2보강돌기(44)가 길이방향으로 이격되어 형성되고, 각 제2보강돌기(44)는 튜브(40)의 하면에서 하향으로 돌출한다. 이러한 제1 및 제2 보강돌기(43, 44)를 통해 각 튜브(40)의 중앙부가 부풀어 오름이 보다 효과적으로 방지될 수 있다.
이에, 복수의 튜브(40)가 상하방향으로 적층될 때 상하방향으로 서로 인접하는 튜브(40)들은 제1보강돌기(43) 및 제2보강돌기(44)들에 의해 그 사이에 소정의 틈새를 형성하고, 이 틈새가 냉각수통로(55)가 된다.
그리고, 상하방향으로 인접한 튜브(40)들 사이에서 제1보강돌기(43)와 제2보강돌기(44)는 서로 간섭되지 않도록 각 축선(X1, X2)이 일정간격으로 이격되고, 이에 상하방향으로 인접한 튜브(40)들 사이에서 제1보강돌기(43)들과 제2보강돌기(44)들이 서로 교대로 배치된다. 예컨대, 하측 튜브(40)의 제1보강돌기(43)가 그 상측 튜브(40)의 하면과 접촉함과 더불어, 상측 튜브(40)의 제2보강돌기(44)는 하측 튜브(40)의 상면과 안정적으로 접촉할 수 있다.
한편, 복수의 튜브(40)들은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 그 양단부가 제1 및 제2 조립브라켓(15, 16)에 의해 인렛측 플랜지(11) 및 아웃렛측 캡(12) 측에 각각 결합된다.
제1조립브라켓(15)에는 각 튜브(40)의 일단부가 삽입되는 복수의 결합슬롯(15a)이 형성되고, 인렛측 플랜지(11)의 개구(11a) 후면에는 제1조립브라켓(15)이 끼움결합되는 제1끼움단턱(11c)이 형성된다.
제2조립브라켓(16)에는 각 튜브(40)의 타단부가 삽입되는 복수의 결합슬롯(16a)이 형성되고, 아웃렛측 캡(12)의 인출통로(12a) 전면에는 제2조립브라켓(16)이 끼움결합되는 제2끼움단턱(12c)이 형성된다.
이러한 제1 및 제2 조립브라켓(15, 16)에 의해 튜브 적층코어(20, 30)들의 각 튜브(40)는 하우징(10) 내에 안정적으로 배치될 수 있고, 또한 제1 및 제2 조립브라켓(15, 16)이 각 튜브(40)의 단부들이 끼워지는 복수의 끼움슬롯(15a, 16a)을 가진 구조로 구성됨에 따라 도 3과 같이 냉각수통로(55)의 양단은 제1 및 제2 조립브라켓(15, 16)에 의해 기밀하게 밀봉처리된다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 각 튜브(40)의 상면 및 하면 각각에 형성된 제1 및 제2 와류성형용 돌기(41, 42)가 서로 교차하는 대각선 방향으로 연장된 구조로 형성됨에 따라 튜브 내의 배기가스통로(45)를 통과하는 배기가스의 와류효율을 대폭 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 하우징(10) 내의 폭방향으로 복수의 튜브 적층코어(20, 30)를 서로 이격시키는 구조를 적용함으로써 각 튜브(40)의 폭을 상대적으로 줄임으로써 배기가스의 고열로 인해 각 튜브(40)의 중앙부가 부풀어 오름을 방지할 수 있고, 이에 냉각수통로의 면적에 영향을 주지 않으므로 배기가스의 열교환효율을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
10: 하우징 11: 인렛측 플랜지
12: 아웃렛 캡 13: 냉각수 인입부
15: 제1조립브라켓 16: 제2조립브라켓
20, 30: 튜브 적층코어 40: 튜브
41: 제1와류형성용 돌기 42: 제2와류형성용 돌기
43: 제1보강돌기 44: 제2보강돌기

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 일단부에 인렛측 플랜지가 결합되고, 타단부에 아웃렛 캡이 결합되는 하우징; 및
    상기 하우징 내에 배치되고, 복수의 튜브가 적층된 복수의 튜브 적층코어;를 포함하고,
    상기 복수의 튜브 적층코어는 상기 하우징 내에서 측면방향으로 서로 이격되어 복수열로 배치되며,
    각 튜브의 상면에는 복수의 제1와류형성용 돌기가 튜브의 내부방향으로 돌출하고,
    각 튜브의 하면에는 복수의 제2와류형성용 돌기가 튜브의 내부방향으로 돌출하며,
    상기 제1 및 제2 와류형성용 돌기는 상호 교차하는 대각선 방향으로 연장되는 구조로 형성되고,
    각 튜브의 상면에는 복수의 제1보강돌기가 상향으로 돌출하고, 각 튜브의 하면에는 복수의 제2보강돌기가 하향으로 돌출하며,
    상하방향으로 인접한 튜브들 사이에서 제1보강돌기와 제2보강돌기는 서로 간섭되지 않도록 각 축선이 일정간격으로 이격됨으로써 상하방향으로 인접한 튜브들 사이에서 제1보강돌기들과 제2보강돌기들이 서로 교대로 위치하고,
    상기 하우징의 일단부에 인접한 측벽에는 냉각수 인입개구가 형성되고, 상기 하우징의 타단부에 인접한 상면에는 냉각수 인출개구가 형성되며,
    상기 인렛측 플랜지에는 배기가스가 인입되는 개구가 형성되고, 상기 개구의 내측 가장자리면에는 경사진 테이퍼면이 형성되며, 상기 인렛측 플랜지의 일측에는 냉각수 인입부가 일체로 형성되고, 상기 냉각수 인입부는 상기 하우징의 냉각수 인입개구와 소통하도록 결합되며, 상기 아웃렛 캡에는 배기가스가 인출되는 인출통로가 형성되고,
    상기 냉각수 인입부는 상기 인렛측 플랜지의 전면 일측에 형성된 입구부, 상기 입구부로부터 상기 하우징의 냉각수 인입개구 측으로 절곡되어 연장된 냉각수 인입통로, 상기 하우징의 냉각수 인입개구 가장자리 측에 밀착되는 밀착면을 가지는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 인렛측 플랜지의 후면에는 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부 내에는 상기 냉각수 인입통로가 형성되며, 상기 돌출부의 단부에는 상기 하우징의 냉각수 인입개구 가장자리에 밀착되는 밀착면이 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 튜브들은 그 양단부가 제1 및 제2 조립브라켓에 의해 인렛측 플랜지 및 아웃렛측 캡 측에 각각 결합되고, 상기 제1조립브라켓에는 각 튜브의 일단부가 삽입되는 복수의 결합슬롯이 형성되며, 상기 인렛측 플랜지의 개구 후면에는 상기 제1조립브라켓이 끼움결합되는 제1끼움단턱이 형성되고, 상기 제2조립브라켓에는 각 튜브의 타단부가 삽입되는 복수의 결합슬롯이 형성되며, 상기 아웃렛측 캡의 인출통로 전면에는 제2조립브라켓이 끼움결합되는 제2끼움단턱이 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
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