KR101390691B1 - 차량의 배기열 회수구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 엔진과 트랜스미션이 결합되어 구성된 파워트레인의 내부를 순환하는 작동유체가 열교환기 내부를 통과하여 가열되는 차량의 배기열 회수구조에 있어서, 배기가스가 내부를 유동하는 열교환기;와 일측은 파워트레인과 연결되고 타측은 열교환기로 연결된 제1라인;과 일측은 파워트레인과 연결되고 타측은 열교환기로 연결되되 상기 제1라인과 분리되어 배치된 제2라인;과 일측은 제1라인으로 연결되고 타측은 제2라인으로 연결된 제3라인; 및 상기 열교환기와 제3라인 사이에서 제1라인에 부설된 밸브;를 포함하며, 상기 작동유체는 파워트레인에서 제1라인으로 토출되고 제2라인을 통하여 파워트레인으로 복귀하되, 상기 밸브의 개폐에 따라 작동유체의 유동경로가 열교환기와 제3라인 중 어느 한 곳을 통과하도록 정해진다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 배기가스와 냉각수의 열교환 여부를 결정하는 밸브의 크기를 축소하여 원가 및 중량을 저감시킬 수 있는 효과가 있으며, 열교환의 차단 시 열전달을 원천적으로 억제함으로써 냉각수의 쿨링에 부하가 발생되는 것을 억제할 수 있는 효과가 있다.

Description

차량의 배기열 회수구조{Recovery structure of exhausting heat for vehicle}

본 발명은 차량의 배기열 회수구조에 관한 것으로써 더욱 상세하게는 작동유체의 온도에 따라 상기 작동유체의 유동 경로를 가변시켜 과도한 열부하를 방지할 수 있고 작동구조를 더욱 단순화시켜 생산원가 및 중량을 저감시킬 수 있는 차량의 배기열 회수구조에 관한 것이다.

최근 개발되는 차량에는 배기가스를 통해 버려지는 배기열을 활용하여 엔진 및 트랜스미션의 웜업(warm-up) 또는 실내 난방에 활용하여 연비를 향상시키는 배기열 회수장치가 탑재되고 있다.

종래의 배기열 회수장치는 도 6 과 같은 구조를 갖도록 구성된다. 도 6 을 참조하면, 엔진에서 생성된 배기가스가 유동하는 배기관에는 배기가스가 통과 가능한 열교환기를 부설되되, 엔진과 라디에이터를 순환하는 냉각수는 라인들(A, B)을 통해 상기 열교환기를 통과하도록 구성된다. 그리고, 냉각수의 온도를 감지하기 위한 센서 및 밸브를 조작하기 위한 액추에이터 등이 추가적으로 장착되며, 가열된 냉각수에 의해 트랜스미션 내에 투입된 트랜스미션오일(ATF: Automatic transmission fluid)이 내부를 통과하여 가열된 냉각수와 열교환이 이뤄지도록 구성된 ATF워머가 냉각수 라인(B) 상에 선택적으로 부설될 수 도 있다.

상기와 같은 구성에서 저온의 냉각수는 배기가스와 열교환기 내에서 열교환이 이뤄져 신속하게 가열되되, 상기 냉각수가 일정온도 이상으로 가열되면 밸브의 개폐가 조절되어 배기가스는 열교환기를 거치지 않고 바이패스(bypass)되어 차량외부로 배출되는 구조를 갖는다.

한편, 종래의 열교환장치는, 시동 초기에는 배기가스를 열교환기로 유도시켜 작동유체인 냉각수의 온도를 상승시키되 웜업 이후에는 배기가스를 우회(bypass)시켜 과도한 열부화를 방지하는 구조였으나, 배기가스가 통과하는 배기관은 (냉각수가 통과하는 라인 보다 상대적으로 더) 큰 직경을 가지므로 밸브의 크기가 커지게되어 원가 및 중량이 상승되는 문제가 있었고, 조작장치 또한 증가하며 작동구조가 복잡해지는 문제가 있었다.

아울러, 배기가스의 우회시에도(배기가스가 바이패스관을 통과할 때도) 열교환기에는 항시 냉각수가 유동함에 따라서 배기관의 열전도에 의해 원천적으로 냉각수를 단열시키는 것이 어려웠다. 그리고, 이는 열적 부하로 작용하여 라디에이터의 냉각 효율을 저하시킬 수 있는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 (배기관에 부설되지 않고 냉각수가 유동하는 라인 상에 부설되어) 밸브의 크기를 축소시킬 수 있으며 냉각수와 배기가스의 열교환을 더 효율적으로 차단시킬 수 있는 차량의 배기열 회수구조를 제공하는 것에 주목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 엔진과 트랜스미션이 결합되어 구성된 파워트레인의 내부를 순환하는 작동유체가 열교환기 내부를 통과하여 가열되는 차량의 배기열 회수구조에 있어서, 배기가스가 내부를 유동하는 열교환기;와 일측은 파워트레인과 연결되고 타측은 열교환기로 연결된 제1라인;과 일측은 파워트레인과 연결되고 타측은 열교환기로 연결되되 상기 제1라인과 분리되어 배치된 제2라인;과 일측은 제1라인으로 연결되고 타측은 제2라인으로 연결된 제3라인; 및 상기 열교환기와 제3라인 사이에서 제1라인에 부설된 밸브;를 포함하며, 상기 작동유체는 파워트레인에서 제1라인으로 토출되고 제2라인을 통하여 파워트레인으로 복귀하되, 상기 밸브의 개폐에 따라 작동유체의 유동경로가 열교환기와 제3라인 중 어느 한 곳을 통과하도록 정해지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 상기 작동유체는 엔진을 냉각하는 냉각수이고, 상기 제2라인에는 (또는 제1라인이나 제2라인 중 어느 한 곳에는) 트랜스미션 오일(ATF: Automatic transmission fluid)이 내부를 통과하도록 구성된 ATF워머가 부설된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 열교환기는, 내부가 중공된 박스 모양을 갖되 배기파이프에 연결되도록 양측 각각 니플들이 형성된 하우징; 및 제1라인과 제2라인 각각에 연결되어 하우징 내부로 결합되되, 각각의 내부에서 작동유체가 유동할 수 있도록 서로 연결되며 적층 구조를 갖는 다수 개의 열판부재;를 포함한다.

그리고, 상기 열판부재들은 소정의 두께를 갖는 판 모양을 갖고 배기가스가 통과 가능하도록 간극이 형성되며, 상기 간극은 배기가스가 통과가능하도록 상기 배기가스의 유동방향과 평행을 이루도록 형성된다.

아울러, 상기 열판부재에는 작동유체의 유동경로가 각각의 열판부재의 둘레를 따라 형성되도록 분기부가 형성된다.

상기와 같은 구성의 본 발명은 배기가스와 냉각수의 열교환 여부를 결정하는 밸브의 크기를 축소하여 원가 및 중량을 저감시킬 수 있는 효과가 있으며, 열교환의 차단 시 열전달을 원천적으로 억제함으로써 냉각수의 쿨링에 부하가 발생되는 것을 억제할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 열교환기은 다수 개의 열판부재들을 가짐으로서 열교환가능한 면적을 증대시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 차량의 배기열 회수구조에서 냉각수와 배기가스의 열교환이 이뤄질 때의 모습을 도시한 개략도,
도 2 는 본 발명의 차량의 배기열 회수구조에서 냉각수와 배기가스의 열교환이 차단될 때의 모습을 도시한 개략도,
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기의 사시도,
도 4 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열판부재의 사시도,
도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기의 종단면도,
도 6 은 종래의 배기열 회수구조에서 냉각수와 배기가스의 열교환이 이뤄질 때의 모습을 도시한 도면.

본 발명은 엔진과 트랜스미션이 결합되어 구성된 파워트레인의 내부를 순환하는 작동유체가 열교환기 내부를 통과하여 가열되는 차량의 배기열 회수구조에 관한 것으로써, 상기 작동유체는 냉각수 또는 트랜스미션오일(ATF)로 구성될 수 있고, 디젤, 가솔린, LPG 과 같이 화석연료를 사용하여 배기가스를 발생시키는 엔진이 탑재된 차량에 적용될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량의 배기열 회수구조를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1 과 도 2 를 참조하면, 본 발명의 배기열 회수구조에서는 종래의 구조와 마찬가지로 열교환기(100)가 배기관에 결합되어 배기가스가 내부를 통과하도록 구성되며 상기 열교환기(100)는 제1라인(1) 및 상기 제1라인(1)과 분리되어 배치된(병렬로 배치된) 제2라인(2)을 통하여 엔진(200); 또는 엔진(200)과 라디에이터(미도시) 사이에서 냉각수가 유동하는 부분;으로 연결되어 냉각수가 내부로 유입 및 유출되도록 구성된다.

그리고, 본 발명에서는 일측은 상기 제1라인(1)으로 연결되고 타측은 제2라인(2)으로 연결되도록 제3라인(3)이 열교환기(100)와 병렬로 연결되되, 상기 열교환기(100)와 제3라인(3) 사이에서 제1라인(1)에는 밸브(4)가 장착된다.

상기와 같은 구조에서 작동유체인 냉각수는 엔진에서부터 제1라인(1)으로 토출되고 제2라인(2)을 통하여 엔진(100)을 향하여 (또는 라디에이터를 향하여) 복귀하되, 밸브(4)가 개방되면 냉각수는 열교환기(100)를 통과하여 가열된 후 엔진(100)으로 복귀하며 밸브(4)가 닫히면 상기 냉각수는 열교환기(100)를 거치지 않고 제3라인(3)을 통하여 엔진(100)으로 복귀한다. 즉, 본 발명에서는 상기 밸브(4)의 개폐 여부에 따라서 냉각수의 유동경로가 정해지되 밸브(4)가 닫혔을 때는 (밸브의 개폐여부와 상관없이 열교환기를 통과하는 종래의 구조와는 달리) 냉각수가 열교환기(100)로 유입되지 않도록 구성된다.

아울러, 가열된 냉각수와 트랜스미션 오일의 추가적인 열교환이 이뤄질 수 있도록 상기 제2라인(2)에는 트랜스미션(310)과 연결되어 트랜스미션 오일(ATF)이 내부를 통과하도록 구성된 ATF워머(300)가 부설된다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기(100)는 도 3 에 도시된 바와 같이 하우징(10)에 열판부재들(20)이 결합된 형태로 구성된다.

상기 하우징(10)은 내부가 중공된 박스 모양을 갖되 양측 각각으로 배기파이프에 연결되도록 양측 각각 니플들(11)이 형성된다. 그리고, 상기 열판부재들(20)은 다수 개가 적층구조를 갖도록 결합되되 배기가스와 접촉할 수 있도록 하우징(10) 내부로 결합되고 최상단에 위치한 열판부재와 최하단에 위치한 열판부재 각각은 제1라인(1)과 제2라인(2) 각각에 연결된다. 즉, 냉각수가 내부를 유동하도록 적층된 열판부재들(20) 각각은 위아래로 이웃하는 열판부재들과 서로 연결된 구조를 갖는다.

도 3 내지 5 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열판부재(20)는 소정의 두께를 갖는 판 모양을 갖되, 중간 부분에서 위아래로 오목하게 홈(21a)이 각각 형성되어 서로 적층되었을 때 배기가스가 통과하도록 간극(21)이 형성된다. 상기 간극(21)은 배기가스의 유동방향과 평행을 이루도록 즉, 배기가스가 열판부재들(20) 사이를 통과할 수 있도록 형성된다.

그리고, 상기 열판부재들(20)은 내부에 냉각수가 유동하는 유로(流路)가 형성되며 이웃하는 열판부재들(20)과 연결되도록 (즉, 이웃하는 열판부재들과 사이에서 냉각수가 유동하는 통로를 제공하도록 상면과 하면 각각에서 또는 측면에서 호스 등과 함께) 유출입홀들(미도시)이 형성되되, 열교환 효율을 최대한 증대시킬 수 있도록 각각의 열판부재에서 둘레를 따라 도 4 에서 화살표로 표시된 바와 같은 경로로 냉각수가 회전하여 유동하도록 분기부(22)가 형성된다.

한편, 본 명세서에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

1 : 제1라인
2 : 제2라인
3 : 제3라인
4 : 밸브
10 : 하우징
20 : 열판부재
100 : 열교환기

Claims (5)

1. 엔진과 트랜스미션이 결합되어 구성된 파워트레인의 내부를 순환하는 작동유체가 열교환기 내부를 통과하여 가열되는 차량의 배기열 회수구조에 있어서,
   배기가스가 내부를 유동하는 열교환기;와
   일측은 파워트레인과 연결되고 타측은 열교환기로 연결된 제1라인;과
   일측은 파워트레인과 연결되고 타측은 열교환기로 연결되되 상기 제1라인과 분리되어 배치된 제2라인;과
   일측은 제1라인으로 연결되고 타측은 제2라인으로 연결된 제3라인; 및
   상기 열교환기와 제3라인 사이에서 제1라인에 부설된 밸브;를 포함하며,
   상기 작동유체는 파워트레인에서 제1라인으로 토출되고 제2라인을 통하여 파워트레인으로 복귀하되, 상기 밸브의 개폐에 따라 작동유체의 유동경로가 열교환기와 제3라인 중 어느 한 곳을 통과하도록 정해지는 차량의 배기열 회수구조.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 작동유체는 엔진을 냉각하는 냉각수이고, 상기 제2라인에는 트랜스미션 오일이 내부를 통과하도록 구성된 ATF워머가 부설된 것을 특징으로 하는 차량의 배기열 회수구조.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 열교환기는,
   내부가 중공된 박스 모양을 갖되 배기파이프에 연결되도록 양측 각각 니플들이 형성된 하우징; 및
   제1라인과 제2라인 각각에 연결되어 하우징 내부로 결합되되, 각각의 내부에서 작동유체가 유동할 수 있도록 서로 연결되며 적층 구조를 갖는 다수 개의 열판부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 배기열 회수구조.
   
4. 제 3 항에 있어서, 상기 열판부재들은 소정의 두께를 갖는 판 모양을 갖고, 배기가스가 통과가능한 간극이 형성된 것을 특징으로 하는 차량의 배기열 회수구조.
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 열판부재에는 작동유체의 유동경로가 각각의 열판부재의 둘레를 따라 형성되도록 분기부가 형성된 것을 특징으로 하는 차량의 배기열 회수구조.

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