KR101484211B1

KR101484211B1 - 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치

Info

Publication number: KR101484211B1
Application number: KR20120131068A
Authority: KR
Inventors: 이보성
Original assignee: 현대자동차 주식회사
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2015-01-16
Also published as: KR20140064111A

Abstract

선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치가 개시된다. 개시된 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치는, 저장 탱크에 저장된 요소 수용액을 선택적 촉매 환원장치로 공급하는 펌프 모듈에 구성되며, 저온 조건에서 결빙된 요소 수용액을 해빙하기 위한 것으로서, ⅰ)차량 배기계의 배기 파이프 외주면에 설치되며, 열교환용 공기를 유출입시키는 열교환기와, ⅱ)펌프 모듈의 모듈 본체에 설치되며, 열교환기로 열교환용 공기를 순환시키는 공기 펌프와, ⅲ)열교환기와 공기 펌프를 연결하며 저장 탱크의 내부에서 모듈 본체에 설치되는 열교환 파이프를 포함할 수 있다.

Description

선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치 {HEATER OF UREA SUPPLY SYSTEM FOR SELECTIVE CATALYST REDUCTION DEVICE}

본 발명의 실시예는 배기 가스의 후처리를 위한 선택적 촉매 환원(Selective Catalyst Reduction: 이하 'SCR' 이라고 한다) 장치로 요소 수용액을 공급하기 위한 요소 수용액 공급 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저온 환경에서 빙결된 요소 수용액을 해빙하기 위한 히팅장치에 관한 것이다.

일반적으로, 디젤 엔진의 배기 시스템은 배기 가스 중에 함유된 질소산화물(NOx)을 감소시키기 위해 SCR, DOC(Diesel Oxidation Catalyst), CPE(Catalyzed Particulate Filter) 등과 같은 배기 가스 후처리 장치를 구비하고 있다.

이 중에서, SCR을 적용한 배기가스 후처리장치(이하, 'SCR 장치' 라고 한다)는 배기 파이프의 내부로 요소 수용액과 같은 환원제를 분사하여 배기 가스 중의 질소산화물을 질소와 산소로 환원시키는 기능을 하게 된다.

즉, 상기 SCR 장치는 배기 파이프의 내부로 환원제가 분사되면, 그 환원제가 배기가스의 열에 의해 암모니아(NH₃)로 전환되고, SCR 촉매에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스(N₂)와 물(H₂O)로 환원시킬 수 있다.

이와 같이 SCR 장치를 통해 요소 수용액을 배기 파이프의 내부로 분사하기 위해서는 요소 수용액을 SCR 장치로 공급하기 위한 요소 수용액 공급 시스템이 필요하다.

상기 요소 수용액 공급 시스템은 기본적으로, 요소 수용액을 저장하는 저장 탱크와, 저장 탱크의 내부에 구성되며 요소 수용액을 SCR 장치로 펌핑하기 위한 펌프를 구비한다.

그러나, 상기한 요소 수용액은 어는점이 -11.5℃로서 겨울철이나 추운 지역의 저온 조건에서 운행되는 차량의 경우 쉽게 빙결될 수 있다. 이로 인해 겨울철이나 추운 지역의 저온 조건에서는 SCR 장치로 요소 수용액의 공급이 요구되는 시점에 요소 수용액을 SCR 장치로 원활하게 공급할 수 없게 된다.

이에, 종래 기술에서는 전기를 이용하여 열을 발생시키고, 그 열을 저장 탱크 내부의 요소 수용액에 제공할 수 있는 가열장치를 채용하는데, 이러한 가열장치로는 전기 열선을 이용한 히터, 전기 PTC 소자를 이용한 히터 등을 예로 들 수 있다.

그런데, 종래 기술에서는 상기와 같이 저장 탱크의 요소 수용액에 열을 제공하는 가열장치로서 전기를 이용한 열선 또는 PTC 소자를 채용하게 되므로, 전기 부하의 증대에 따른 연비 악화를 야기시킬 수 있으며, 전기적인 과부하에 따른 과열, 단락 등으로 인한 화재의 위험성을 야기시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들은 연비를 악화시키며 과부하 시에 화재의 위험성이 있는 전기를 사용하지 않고, 간단한 구성으로 겨울철에 쉽게 저온 빙결되는 요소 수용액을 가열할 수 있도록 한 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치는 저장 탱크에 저장된 요소 수용액을 선택적 촉매 환원장치로 공급하는 펌프 모듈에 구성되며, 저온 조건에서 결빙된 요소 수용액을 해빙하기 위한 것으로서, ⅰ)차량 배기계의 배기 파이프 외주면에 설치되며, 열교환용 공기를 유출입시키는 열교환기와, ⅱ)상기 펌프 모듈의 모듈 본체에 설치되며, 상기 열교환기로 열교환용 공기를 순환시키는 공기 펌프와, ⅲ)상기 열교환기와 공기 펌프를 연결하며 저장 탱크의 내부에서 상기 모듈 본체에 설치되는 열교환 파이프를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치는, 상기 열교환 파이프에 설치되며, 상기 열교환기와 공기 펌프 간 열교환용 공기의 순환 유로를 선택적으로 개폐하는 밸브 모듈을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 열교환 파이프는 상기 공기 펌프의 공기 토출부와 상기 열교환기의 공기 유입부를 연결하는 제1 공기 파이프와, 상기 공기 펌프의 공기 흡입부와 상기 열교환기의 공기 유출부를 연결하는 제2 공기 파이프를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 열교환기는 내주면에 공기 유로를 형성하며 그 내주면이 상기 배기 파이프의 외주면에 밀착되게 설치되는 원통 형상의 공기 유통부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 공기 유통부재는 상기 공기 유로의 시작단에 연결되는 공기 유입부와, 상기 공기 유로의 끝단에 연결되는 공기 유출부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 공기 펌프는 상기 저장 탱크의 하부에 장착된 펌프 모듈의 모듈 본체 하부에 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 공기 펌프는 모터와, 상기 모터의 구동에 의해 회전하는 팬과, 상기 팬에 의해 열교환용 공기를 흡입 및 토출하는 펌프 바디를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 모터의 구동축에는 외접 기어가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 팬은 상기 외접 기어와 외접하며 회전할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 팬은 상기 펌프 바디의 내부에 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 펌프 바디에는 열교환용 공기를 흡입하는 공기 흡입부와, 열교환용 공기를 토출하는 공기 토출부가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 펌프 바디는 상기 공기 흡입부에서 내부 중앙으로 갈수록 공기 유동 단면적이 점차 확장되는 것으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 펌프 바디는 상기 내부의 중앙에서 공기 토출부로 갈수록 공기 유동 단면적이 점차 축소되는 것으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치는, 상기 제1 및 제2 공기 파이프에 설치되며, 이들 파이프의 유로를 선택적으로 개폐하는 밸브 모듈을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 밸브 모듈은 상기 제1 및 제2 공기 파이프에 설치되는 밸브 케이스와, 상기 밸브 케이스에 설치되며 전기적인 신호에 의해 상기 제2 공기 파이프의 유로를 선택적으로 개폐하는 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 밸브 모듈은 상기 밸브 케이스에 연결되고 상기 제1 공기 파이프의 유로에 설치되며 열교환용 공기가 상기 열교환기의 공기 유입부 측에서 공기 펌프의 공기 토출부 측으로 역류되는 것을 차단하는 제1 밸브체를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 밸브 케이스에는 상기 제1 공기 파이프의 관로 상 연결포트와 연결되며, 상기 제1 공기 파이프 내부의 열교환용 공기를 선택적으로 배출하는 공기 배출 포트가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 밸브 케이스에는 상기 제2 공기 파이프의 관로 상 연결포트와 연결되며, 상기 제2 공기 파이프의 내부로 외기를 선택적으로 공급하는 공기 유입 포트가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 공기 배출 포트에는 상기 제1 공기 파이프의 내압 상승 시 오픈 가능한 제2 밸브체가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 공기 유입 포트에는 상기 제2 공기 파이프의 내압 저하 시 오픈 가능한 제3 밸브체가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 열교환 파이프는 온도차에 의한 자연 대류의 공기 흐름을 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치는, 상기 모듈 본체에 설치되며 요소 수용액의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치는, 저장 탱크에 저장된 요소 수용액을 선택적 촉매 환원장치로 공급하기 위한 펌프 모듈에 구성되는 것으로서, 차량의 배기계와 공기를 열교환하고, 상기 공기를 관로를 통해 저장 탱크의 내부로 순환시키며 상기 저장 탱크를 가열하는 열교환수단을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 있어서, 상기 열교환수단은 상기 배기계의 배기 파이프 외주면에 설치되며 열교환용 공기를 유출입시키는 열교환기와, 상기 펌프 모듈의 모듈 본체에 설치되며 상기 열교환기로 열교환용 공기를 순환시키는 공기 펌프와, 상기 열교환기와 공기 펌프를 연결하며 저장 탱크의 내부에서 상기 모듈 본체에 설치되는 열교환 파이프를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예는 열교환기와 공기 펌프를 통해 차량의 배기계와 공기를 열교환하고, 그 공기를 열교환 파이프를 통해 순환시키며 저장 탱크를 가열할 수 있으므로, 겨울철과 같은 저온 조건에서 요소 수용액이 쉽게 결빙되는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 겨울철 또는 추운 지역에서 운행되는 차량의 경우에 SCR 장치로 요소 수용액을 원활하게 공급할 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 종래 기술에서와 같이 전기를 이용한 발열 방식으로 요소 수용액을 가열하는 구조와 달리, 배기계의 열과 열교환용 공기를 이용하여 요소 수용액을 가열할 수 있으므로, 배기계에 영향을 주지 않고 전기 부하를 줄이면서 저장 탱크의 히팅이 가능하며, 이로 인해 연비를 향상시킬 수 있고, 전기 부하의 증대에 따른 연비 악화를 방지할 수 있으며, 전기적인 과부하에 따른 과열, 단락 등에 의한 화재의 위험성을 제거할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 공기 온도의 과다 상승 시 열교환용 공기의 순환을 컨트롤할 수 있으므로, 열에 의한 암모니아 성분의 냄새 발생을 억제할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 배기계와 저장 탱크의 열교환을 위한 열전달 매질로 물이 아닌 공기를 사용하므로, 수밀, 부식 방지 및 물 용량 등의 제반 관리가 필요치 않아 원가 절감이 가능하며 중량 저감을 도모할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치를 도시한 정면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치를 도시한 측면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 적용되는 열교환기를 도시한 일부 단면 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 적용되는 공기 펌프를 도시한 단면 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치에 적용되는 밸브 모듈을 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치를 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예는 디젤 차량의 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 정화하기 위한 배기가스 후처리 시스템에 적용될 수 있다.

예를 들면, 상기 배기가스 후처리 시스템은 엔진에서 배출되는 배기 가스 중의 질소산화물을 질소와 산소로 환원시켜 주는 선택적 촉매 환원(Selective Catalyst Reduction: 이하 'SCR' 이라고 한다) 장치를 포함하고 있다.

여기서, 상기 SCR 장치는 배기 가스의 스트림을 형성하는 배기 파이프에 SCR 촉매가 연결 설치되고, 인젝터 등을 통해 배기 파이프의 내부로 요소(urea) 수용액과 같은 환원제를 분사할 수 있는 구성으로 이루어진다.

따라서, 상기 SCR 장치는 배기 파이프의 내부로 환원제가 분사되면, 그 환원제가 배기가스의 열에 의해 암모니아(NH₃)로 전환되고, SCR 촉매에 의한 배기가스 중의 질소산화물과 암모니아의 촉매 반응으로서 질소산화물을 질소 가스(N₂)와 물(H₂O)로 환원시킬 수 있다.

더 나아가 본 발명의 실시예에 따른 히팅장치(100)는 별도 저장된 환원제(이하에서는 "요소 수용액" 이라고 한다)를 SCR 장치로 공급하기 위한 요소 수용액 공급 시스템에 적용될 수 있다.

이와 같은 요소 수용액 공급 시스템은 요소 수용액을 저장하는 저장 탱크(1)와, 저장 탱크(1)에 장착되며 그 저장 탱크(1)에 수용된 요소 수용액을 SCR 장치로 압송하기 위한 펌프 모듈(2)을 포함한다.

한편, 상기 저장 탱크(1)에 수용된 요소 수용액은 요소 성분이 수분에 녹아 액체 상태로 존재하며 어는점이 외기온 -11.5℃ 정도로서 겨울철이나 추운 지역의 저온 조건에서 쉽게 결빙될 수 있다.

상기에서 펌프 모듈(2)은 모듈 본체(3)를 통해 저장 탱크(1)의 하부에 설치되는 바, 요소 수용액을 SCR 장치로 압송하기 위한 펌프(4)를 포함하고 있다. 상기 펌프(4)는 저장 탱크(1)의 내부에서 모듈 본체(3)의 상면에 장착될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치(100)는 연비를 악화시키며 과부하 시에 화재의 위험성이 있는 전기를 사용하지 않고, 간단한 구성으로 저온 조건에서 쉽게 결빙되는 요소 수용액을 가열할 수 있는 구조로 이루어진다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치(100)는 차량의 배기계에서 발생하는 열을 열교환용 공기로서 저장 탱크(1) 내부의 요소 수용액에 제공하여 저온 조건에서의 요소 수용액 결빙을 방지함과 동시에 차량의 배기계를 냉각할 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치(100)는 차량의 배기계와 공기를 열교환하고, 그 공기를 소정의 관로를 통해 저장 탱크(1)의 내부로 순환시키며 저장 탱크(1)를 가열할 수 있는 열교환수단으로 구성될 수 있다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치(100)는 기본적으로, 열교환기(10), 공기 펌프(30), 열교환 파이프(60) 및 밸브 모듈(80)을 포함한다.

도 1과 함께 도 2 및 도 3을 참조하여 상기와 같은 구성을 더욱 구체적으로 설명하면, 본 발명의 실시예에서, 상기 열교환기(10)는 차량 엔진의 배기 가스를 배출하는 배기계의 열을 열교환용 공기에 제공하기 위한 것으로서, 별도 제공되는 열교환용 공기를 배기 가스의 열로서 가열할 수 있는 구조로 이루어진다.

상기 열교환기(10)는 배기계의 배기 파이프(9) 외주면에 설치되며, 열교환용 공기를 순환(유통)시키는 공기 유통부재(11)를 포함한다.

이러한 공기 유통부재(11)는 배기 파이프(9)의 외주면에 설치 가능하도록 원통 형상으로 이루어지는 바, 도 4에서와 같이 내주면에 공기 유로(13)를 형성하며 그 내주면이 배기 파이프(9)의 외주면에 밀착되게 설치될 수 있다.

상기 공기 유로(13)는 공기 유통부재(11)의 내주면에 채널 형태로 나선 방향을 따라 형성될 수 있다.

즉, 상기 공기 유통부재(11)는 이의 내주면에 채널 형태의 공기 유로(13)를 형성하고 그 내주면이 배기 파이프(9)의 외주면에 밀착되게 설치됨에 따라, 열교환용 공기를 순환(유통)시킬 수 있는 통로를 형성할 수 있게 된다.

상기 공기 유통부재(11)의 공기 유로(13)로 저온의 열교환용 공기가 유입되면 그 열교환용 공기는 공기 유로(13)를 따라 유동하며 배기 파이프(9)로 전달된 배기 가스의 열에 의해 데워진 상태로 배출될 수 있다.

그리고, 상기 공기 유통부재(11)는 도 2에서와 같이 열교환용 공기를 유출입시킬 수 있는 공기 유입부(15)와 공기 유출부(17)를 포함한다.

여기서, 상기 공기 유입부(15)는 공기 유로(13)의 시작단에 연결되며, 공기 유출부(17)는 공기 유로(13)의 끝단에 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 공기 펌프(30)는 열교환기(10)의 공기 유통부재(11)로 열교환용 공기를 순환시키기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에 의한 상기 공기 펌프(30)는 펌프 모듈(2)의 모듈 본체(3)에 설치되는 바, 도 5 및 도 6에서와 같이 저장 탱크(1)의 하부에 장착된 펌프 모듈(2)의 모듈 본체(3) 하부에 설치될 수 있다. 이러한 공기 펌프(30)는 모터(31), 팬(37) 및 펌프 바디(41)를 포함한다.

상기 모터(31)는 모듈 본체(3)의 하부면에서 상측으로 들어간 부분에 설치되며, 이의 구동축(32)에는 외접 기어(33)가 설치되어 있다.

상기 팬(37)은 모터(31)에 의해 회전하며 열교환용 공기를 압송하는 기능을 하게 되는 바, 뒤에서 더욱 설명될 펌프 바디(41)의 내부에 회전 가능하게 설치되며, 모터(31)의 외접 기어(33)와 외접하며 회전하게 된다.

도면에서는 상기 모터(31)의 외접 기어(33)와, 그 외접 기어(33)에 외접하는 팬(37)에 치합 구조를 도시하지는 않았지만, 외접 기어(33)와 접하는 팬(37)의 가장자리 부분이 기어 결합되어 있음은 당연하다 할 것이다.

상기에서 펌프 바디(41)는 팬(37)의 회전으로서 열교환용 공기를 흡입 및 토출할 수 있는 구조로 이루어지는데, 모듈 본체(3)의 하부면에 고정되게 설치된다. 이러한 펌프 바디(41)에는 열교환용 공기를 흡입하는 공기 흡입부(43)와, 열교환용 공기를 토출하는 공기 토출부(45)가 형성되어 있다.

이 경우, 상기 펌프 바디(41)는 열교환용 공기의 흐름 속도를 증가시키기 위해, 공기 흡입부(43)에서 내부 중앙으로 갈수록 공기 유동 단면적이 점차 확장되고, 내부의 중앙에서 공기 토출부(45)로 갈수록 공기 유동 단면적이 점차 축소되는 구조로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 열교환 파이프(60)는 열교환기(10)를 통해 배기계에서 데워진 열교환용 공기를 저장 탱크(1)의 내부로 순환시키며 요소 수용액을 가열하고, 그 열교환용 공기를 다시 열교환기(10)로 재공급하기 위한 순환 유로로서 구비된다.

상기 열교환 파이프(60)는 앞서 개시한 도면들에서와 같이, 열교환기(10)와 공기 펌프(30)를 연결하는 바, 코일 형태로 감기며 저장 탱크(1)의 내부에서 모듈 본체(3)에 설치될 수 있다.

상기 열교환 파이프(60)는 저온의 열교환용 공기 즉, 펌프 바디(41) 내부의 열교환용 공기 내지는 저장 탱크(1)의 내부에서 냉각된 열교환용 공기를 공기 펌프(30)에 의해 열교환기(10)로 공급한다.

그리고, 상기 열교환 파이프(60)는 열교환기(10)에서 데워진 열교환용 공기를 공기 펌프(30)에 의해 저장 탱크(1)의 내부로 유통시키며 다시 열교환기(10)로 재 공급하는 기능을 하게 된다.

이러한 열교환 파이프(60)는 공기 펌프(30)의 공기 토출부(45)와 열교환기(10)의 공기 유입부(15)를 연결하는 제1 공기 파이프(61)와, 공기 펌프(30)의 공기 흡입부(43)와 열교환기(10)의 공기 유출부(17)를 연결하는 제2 공기 파이프(62)를 포함한다.

여기서, 상기 제2 공기 파이프(62)는 공기 펌프(30)의 공기 흡입부(43)와 열교환기(10)의 공기 유출부(17)에 연결되고, 위에서 언급한 바 있듯이 코일 형태로 감기며 저장 탱크(1)의 내부에 배치된다.

상기와 같은 열교환 파이프(60)는 제1 및 제2 공기 파이프(61, 62)에서의 열교환용 공기의 온도차에 의한 자연 대류의 공기 흐름을 형성할 수도 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 밸브 모듈(80)은 열교환기(10)와 공기 펌프(30) 간 열교환용 공기의 순환 유로를 선택적으로 개폐하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에 의한 상기 밸브 모듈(80)은 도 7에서와 같이, 열교환 파이프(60)의 제1 및 제2 공기 파이프(61, 62)에 설치되며, 이들 공기 파이프(61, 62)의 유로를 선택적으로 개폐시키는 기능을 하게 된다.

이러한 밸브 모듈(80)은 밸브 케이스(81), 솔레노이드 밸브(83) 및 제1 내지 제3 밸브체(91, 92, 93)를 포함하고 있다.

상기 밸브 케이스(81)는 뒤에서 더욱 설명될 솔레노이드 밸브(83) 및 제1 내지 제3 밸브체(91, 92, 93)를 지지하는 것으로, 열교환 파이프(60)의 제1 및 제2 공기 파이프(61, 62)에 설치된다.

상기 솔레노이드 밸브(83)는 밸브 케이스(81)에 설치되며, 제어기(99)를 통한 전기적인 신호에 의해 제2 공기 파이프(62)의 유로를 선택적으로 개폐하는 기능을 하게 된다.

이러한 솔레노이드 밸브(83)는 공기 펌프(30)를 작동시키지 않아도 열교환기(10)에 의해 데워진 열교환용 공기가 온도차에 의해 저장 탱크(1) 측으로 자연 유입되면서 요소 수용액의 열 분해에 의해 냄새를 수반하기 때문에, 요소 수용액의 과다한 온도 상승을 방지하기 위해 열교환용 공기의 유로를 차단할 수 있다.

상기 제1 밸브체(91)는 밸브 케이스(81)에 연결되고, 제1 공기 파이프(61)의 유로에 설치된다. 상기 제1 밸브체(91)는 솔레노이드 밸브(83)에 의한 제2 공기 파이프(62) 유로의 차단 시 열교환용 공기가 열교환기(10)의 공기 유입부(15) 측에서 공기 펌프(30)의 공기 토출부(45) 측으로 역류되는 것을 차단하는 기능을 하게 된다.

한편, 상기 밸브 케이스(81)에는 공기 배출 포트(85)와 공기 유입 포트(87)가 형성되는 바, 공기 배출 포트(85)는 제1 공기 파이프(61)의 관로 상 연결포트(61a)와 연결된다. 상기 공기 배출 포트(85)는 제1 공기 파이프(61) 내부의 열교환용 공기를 선택적으로 배출하는 기능을 하게 된다.

상기 공기 유입 포트(87)는 제2 공기 파이프(62)의 관로 상 연결포트(62a)와 연결된다. 상기 공기 유입 포트(87)는 제2 공기 파이프(62)의 내부로 외기를 선택적으로 공급하는 기능을 하게 된다.

상기에서 제2 밸브체(92)는 밸브 케이스(81)의 공기 배출 포트(85)에 설치되며, 열교환용 공기의 온도에 의해 열교환 파이프(60)의 내압이 과도하게 상승하는 경우 공기 배출 포트(85)를 개방시키는 기능을 하게 된다.

그리고, 상기 제3 밸브체(93)는 밸브 케이스(81)의 공기 유입 포트(87)에 설치되며, 열교환용 공기의 온도 저하 후 열교환 파이프(60)의 내압이 과도하게 저하되는 경우 공기 유입 포트(87)를 개방시키는 기능을 하게 된다.

상기와 같은 제1 내지 제3 밸브체(93)는 원-웨이(one-way) 밸브로 이루어지는 바, 소정의 압력이 작용하게 되면 유로를 선택적으로 개폐시킬 수 있는 통상적인 구조의 체크 밸브 등으로 이루어질 수 있다.

다른 한편으로, 본 발명의 실시예에 의한 상기 히팅장치(100)는 요소 수용액의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기(99)로 출력하는 온도 센서(95)를 포함하고 있다( 도 4 및 도 5 참조).

상기 온도 센서(95)는 저장 탱크(1)의 온도를 측정하는 것으로, 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 온도 센서로 이루어지며, 저장 탱크(1)의 내부에서 모듈 본체(3)의 상부면에 설치될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치(100)의 작용을 앞서 개시한 도면들 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명의 실시예에서는 온도 센서(95)가 저장 탱크(1)(저장탱크 내부의 요소 수용액)의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기(99)에 출력한다. 그러면, 제어기(99)는 온도 센서(95)의 감지 신호에 따른 저장 탱크(1)의 온도와 기설정된 기준 온도를 비교한다.

상기에서 저장 탱크(11)의 온도가 요소 수용액이 결빙될 수 있는 저온 조건인 것으로 판단되면, 제어기(99)는 공기 펌프(30)의 모터(31)에 제어 신호를 인가하여 그 모터(31)를 구동시킨다.

그리고, 상기 제어기(99)는 밸브 모듈(80)의 솔레노이드 밸브(83)에 전기적인 제어 신호를 인가하여 제2 공기 파이프(62)의 유로를 오픈시킨다.

또한, 상기 모터(31)가 구동함에 따라 구동축(32)에 의해 외접 기어(33)가 회전하게 되고, 이에 외접 기어(33)와 외접하고 있는 팬(37)은 모터(31)의 구동에 의해 회전하게 된다.

본 발명의 실시예에서는 상기와 같이 팬(37)이 회전됨에 따라, 열교환용 공기를 공기 흡입부(43)를 통해 펌프 바디(41)의 내부로 흡입하고, 이렇게 펌프 바디(41)의 내부로 흡입된 열교환용 공기를 공기 토출부(45)를 통해 토출한다.

여기서, 상기 펌프 바디(41)는 공기 흡입부(43) 측에서 내부 중앙으로 갈수록 공기 유동 단면적이 점차 확장되고, 내부의 중앙에서 공기 토출부(45) 측으로 갈수록 공기 유동 단면적이 점차 축소되는 확산형 구조로 되어 있기 때문에,열교환용 공기의 흐름 속도를 증가시킬 수 있게 된다.

그러면, 상기 펌프 바디(41)의 공기 토출부(45)를 통해 토출된 열교환용 공기는 열교환 파이프(60)의 제1 공기 파이프(61)를 통해서 열교환기(10)의 공기 유통부재(11)로 공급된다.

이 경우, 차량 배기계의 배기 파이프(9)를 통해서는 엔진에서 발생된 배기 가스를 배출하는데, 그 배기 가스의 열은 배기 파이프(9)로 전달된다.

상기한 열교환용 공기는 공기 유통부재(11)의 공기 유입부(15)를 통해서 공기 유로(13)를 따라 유동하며 배기 파이프(9)로 전달된 배기 가스의 열에 의해 데워진 상태로 공기 유출부(17)를 통해 배출된다.

이렇게 공기 유출부(17)를 통해 배출된 고온의 열교환용 공기는 제2 공기 파이프(62)를 통해 저장 탱크(1)의 내부로 순환하며, 그 저장 탱크(1) 내부의 요소 수용액을 가열한다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 배기계와의 열교환을 통해 가열된 열교환용 공기를 이용하여 저장 탱크(1) 및/또는 그 저장 탱크(1) 내부의 요소 수용액을 가열하므로, 겨울철과 같은 저온 조건에서 요소 수용액이 쉽게 결빙되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 상기와 같이 제2 공기 파이프(62)를 따라 유동하며 저장 탱크(1)의 내부를 순환하며 요소 수용액을 가열한 열교환용 공기는 그 요소 수용액에 의해 냉각되면서 차가워진 상태로 공기 흡입부(43)를 통해 펌프 바디(41)의 내부로 흡입된다.

마찬가지로, 상기 펌프 바디(41)의 내부로 유입된 열교환용 공기는 상술한 바와 같은 일련의 과정을 통해 배기계와 저장 탱크(1)로 순환하며 열교환이 이루어진다.

여기서, 상기 밸브 모듈(80)의 제1 밸브체(91)는 도 8의 (a)에서와 같이 공기 펌프(30)의 공기 토출부(45) 측에서 열교환기(10)의 공기 유입부(15) 측으로 유동하는 열교환용 공기의 흐름을 방해하지 않게 제1 공기 파이프(61)의 유로를 개방한 상태에 있다.

그리고, 상기 제2 및 제3 밸브체(92, 93)는 밸브 케이스(81)의 공기 배출 포트(85) 및 공기 유입 포트(87)를 각각 폐쇄하고 있다.

다른 한편으로, 상기와 같은 과정을 통해 저장 탱크(1)의 온도(요소 수용액의 온도)가 일정 온도로 상승한 경우, 밸브 모둘(80)의 솔레노이드 밸브(83)가 오픈되고 제1 내지 제3 밸브체(91, 92, 93)가 위에서와 같은 상태에서는 공기 펌프(30)의 구동을 정지시키더라도 열교환용 공기의 온도차에 의한 자연 대류 현상으로 그 열교환용 공기는 제1 및 제2 공기 파이프(61, 62)를 통해 계속적으로 순환을 하게 된다.

또 다른 한편으로, 본 발명의 실시예에서 온도 센서(95)를 통해 감지된 저장 탱크(11)의 온도가 제어기(99)에 의해 요소 수용액이 결빙되지 않은 조건이나 과다하게 상승하는 조건으로 판단되면, 제어기(99)는 공기 펌프(30)의 모터(31)에 전기적인 제어 신호를 인가하여 구동을 정지시키고, 도 8의 (b)에서와 같이 솔레노이드 밸브(83)에 전기적인 제어 신호를 인가하여 제2 공기 파이프(62)의 유로를 폐쇄시킨다.

그러면, 공기 펌프(30)의 구동이 정지되고, 제2 공기 파이프(62)의 유로가 솔레노이드 밸브(83)에 의해 폐쇄됨에 따라, 열교환용 공기는 더 이상 열교환 파이프(60)를 통해 순환하지 않게 된다.

여기서, 제1 밸브체(91)는 솔레노이드 밸브(83)에 의한 제2 공기 파이프(62) 유로의 차단 시, 제1 공기 파이프(61)의 유로를 폐쇄하며, 열교환용 공기가 열교환기(10)의 공기 유입부(15) 측에서 공기 펌프(30)의 공기 토출부(45) 측으로 역류되는 것을 차단하게 된다.

상기한 바와 같은 과정에서는 공기 펌프(30)의 구동을 정지시켜도 열교환기(10)에 의해 데워진 열교환용 공기가 온도차에 의해 저장 탱크(1) 측으로 자연 유입되기 때문에, 솔레노이드 밸브(83)를 닫아 제2 공기 파이프(62)의 유로를 차단한다.

이렇게 고온의 열교환용 공기가 더 이상 저장 탱크(1)로 순환되지 않게 공기의 유동 경로를 차단하는 이유는 뜨거워진 열교환용 공기가 계속적으로 저장 탱크(1)로 순환하게 되면, 그 열교환용 공기에 의해 요소 수용액이 열 분해되면서 암모니아 성분의 냄새를 수반하기 때문에 이를 방지하기 위함이다.

한편, 상기한 바와 같은 열교환기(10)에 의해 데워진 열교환용 공기가 열교환 파이프(60)를 통해 유동하는 과정에, 열교환용 공기의 온도 상승으로 인해 파이프의 내압이 상승하는 경우, 도 8의 (c)에서와 같이 제2 밸브체(92)는 공기의 압력에 의해 오픈되면서 제1 공기 파이프(61)의 관로 상 연결포트(61a)와 밸브 케이스(81)의 공기 배출 포트(85)를 개방한다.

그러면, 열교환 파이프(60) 내부의 공기는 밸브 케이스(81)의 공기 배출 포트(85)를 통해 배출될 수 있다.

또한, 상기와 같이 열교환용 공기의 온도가 떨어지며 열교환 파이프(60)의 내압이 과도하게 저하되는 경우, 제3 밸브체(93)는 제2 공기 파이프(62)의 관로 상 연결포트(62a)와 공기 유입 포트(87)를 개방하여 제2 공기 파이프(62)의 내부로 외기가 공급될 수 있게 한다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치(100)에 의하면, 열교환기(10)와 공기 펌프(30)를 통해 차량의 배기계와 공기를 열교환하고, 그 공기를 열교환 파이프(60)를 통해 순환시키며 저장 탱크(1)를 가열할 수 있으므로, 겨울철과 같은 저온 조건에서 요소 수용액이 쉽게 결빙되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 종래 기술에서와 같이 전기를 이용한 발열 방식으로 요소 수용액을 가열하는 구조와 달리, 배기계의 열과 열교환용 공기를 이용하여 요소 수용액을 가열할 수 있으므로, 배기계에 영향을 주지 않고 전기 부하를 줄이면서 저장 탱크(1)의 히팅이 가능하며, 이로 인해 연비를 향상시킬 수 있고, 전기 부하의 증대에 따른 연비 악화를 방지할 수 있으며, 전기적인 과부하에 따른 과열, 단락 등에 의한 화재의 위험성을 제거할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 배기계와 저장 탱크(1)의 열교환을 위한 열전달 매질로 물이 아닌 공기를 사용하므로, 수밀, 부식 방지 및 물 용량 등의 제반 관리가 필요치 않아 원가 절감이 가능하며 중량 저감을 도모할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

1... 저장 탱크 2... 펌프 모듈
3... 모듈 본체 4... 펌프
9... 배기 파이프 10... 열교환기
11... 공기 유통부재 13... 공기 유로
15... 공기 유입부 17... 공기 유출부
30... 공기 펌프 31... 모터
32... 구동축 33... 외접 기어
37... 팬 41... 펌프 바디
43... 공기 흡입부 45... 공기 토출부
60... 열교환 파이프 61... 제1 공기 파이프
61a, 62a... 연결포트 62... 제2 공기 파이프
80... 밸브 모듈 81... 밸브 케이스
83... 솔레노이드 밸브 85... 공기 배출 포트
87... 공기 유입 포트 91, 92, 93... 밸브체
95... 온도 센서 99... 제어기

Claims

저장 탱크에 저장된 요소 수용액을 선택적 촉매 환원장치로 공급하는 펌프 모듈에 구성되며, 저온 조건에서 결빙된 요소 수용액을 해빙하는 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치로서,
차량 배기계의 배기 파이프 외주면에 설치되며 열교환용 공기를 유출입시키는 열교환기와, 상기 펌프 모듈의 모듈 본체에 설치되며 상기 열교환기로 열교환용 공기를 순환시키는 공기 펌프와, 상기 열교환기와 공기 펌프를 연결하며 저장 탱크의 내부에서 상기 모듈 본체에 설치되는 열교환 파이프를 포함하며,
상기 열교환 파이프는 상기 공기 펌프의 공기 토출부와 상기 열교환기의 공기 유입부를 연결하는 제1 공기 파이프와, 상기 공기 펌프의 공기 흡입부와 상기 열교환기의 공기 유출부를 연결하는 제2 공기 파이프를 포함하고,
상기 제1 및 제2 공기 파이프에는 이들 파이프의 유로를 선택적으로 개폐하는 밸브 모듈이 설치되되, 상기 밸브 모듈은 상기 제1 및 제2 공기 파이프에 설치되는 밸브 케이스와, 상기 밸브 케이스에 설치되며 전기적인 신호에 의해 상기 제2 공기 파이프의 유로를 선택적으로 개폐하는 솔레노이드 밸브와, 상기 밸브 케이스에 연결되고 상기 제1 공기 파이프의 유로에 설치되며 열교환용 공기가 상기 열교환기의 공기 유입부 측에서 공기 펌프의 공기 토출부 측으로 역류되는 것을 차단하는 제1 밸브체를 포함하며,
상기 밸브 케이스에는, 상기 제1 공기 파이프의 관로 상 연결포트와 연결되며 상기 제1 공기 파이프 내부의 열교환용 공기를 선택적으로 배출하는 공기 배출 포트가 형성되고, 상기 제2 공기 파이프의 관로 상 연결포트와 연결되며 상기 제2 공기 파이프의 내부로 외기를 선택적으로 공급하는 공기 유입 포트가 형성되며,
상기 공기 배출 포트에는 상기 제1 공기 파이프의 내압 상승 시 오픈 가능한 제2 밸브체가 설치되며, 상기 공기 유입 포트에는 상기 제2 공기 파이프의 내압 저하 시 오픈 가능한 제3 밸브체가 설치되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치.
제1 항에 있어서,
상기 열교환 파이프에 설치되며, 상기 열교환기와 공기 펌프 간 열교환용 공기의 순환 유로를 선택적으로 개폐하는 밸브 모듈
을 더 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 열교환기는,
내주면에 공기 유로를 형성하며 그 내주면이 상기 배기 파이프의 외주면에 밀착되게 설치되는 원통 형상의 공기 유통부재
를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치.
제4 항에 있어서,
상기 공기 유통부재는,
상기 공기 유로의 시작단에 연결되는 공기 유입부와, 상기 공기 유로의 끝단에 연결되는 공기 유출부
를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치.
제1 항에 있어서,
상기 공기 펌프는,
상기 저장 탱크의 하부에 장착된 펌프 모듈의 모듈 본체 하부에 설치되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치.
제1 항에 있어서,
상기 공기 펌프는,
모터와, 상기 모터의 구동에 의해 회전하는 팬과, 상기 팬에 의해 열교환용 공기를 흡입 및 토출하는 펌프 바디
를 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치.
제7 항에 있어서,
상기 모터의 구동축에는 외접 기어가 설치되고, 상기 팬은 상기 외접 기어와 외접하며 회전하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치.
제7 항에 있어서,
상기 팬은 상기 펌프 바디의 내부에 배치되며,
상기 펌프 바디에는 열교환용 공기를 흡입하는 공기 흡입부와, 열교환용 공기를 토출하는 공기 토출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치.
제7 항에 있어서,
상기 펌프 바디는,
상기 공기 흡입부에서 내부 중앙으로 갈수록 공기 유동 단면적이 점차 확장되고,
상기 내부의 중앙에서 공기 토출부로 갈수록 공기 유동 단면적이 점차 축소되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치.
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제1 항에 있어서,
상기 열교환 파이프는 온도차에 의한 자연 대류의 공기 흐름을 형성하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치.
제1 항에 있어서,
상기 모듈 본체에 설치되며 요소 수용액의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력하는 온도 센서를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 장치용 요소 수용액 공급 시스템의 히팅장치.
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