KR101488331B1 - 배기열 회수용 열교환기 - Google Patents

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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 배기열 회수용 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기가스 입구 및 배기가스 출구를 구비하며 내부로 고온의 배기가스가 통과되는 배기가스 파이프 및 상기 배기가스 파이프의 내부에 길이방향으로 배치되며, 배기가스 파이프의 외부로 연장되는 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구를 구비하여 내부로 냉각수가 유동되는 냉각수 통로를 포함하며, 상기 냉각수 통로는 배기가스 파이프의 중심축에 대해 수직 방향의 단면을 가지는 서로 이격된 다수의 판형 냉각수 통로로 이루어지는 것을 특징으로 하여, 냉각수 통로 사이로 배기가스가 지날 수 있도록 함으로써, 배기가스와 냉각수 사이에 접촉 면적을 증대시키고 이에 따라 열교환 성능을 향상시키는 배기열 회수용 열교환기에 관한 것이다.

Description

배기열 회수용 열교환기{HEAT EXCHANGER FOR EXHAUST HEAT RECOVERY}
본 발명은 배기열 회수용 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부로 고온의 배기가스가 통과되는 배기가스 파이프 및 배기가스 파이프의 중심축 상에 길이방향으로 배치되는 냉각수 통로를 포함하며, 상기 냉각수 통로는 배기가스 파이프의 중심축에 대해 수직 방향의 단면을 가지는 서로 이격된 다수의 판형 냉각수 통로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기열 회수용 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 차량은 주행 상태에 따라 초기 시동시 엔진 웜업(warm up) 및 난방 단계가 이루어지고, 차량의 주행시 열전발전 단계가 이루어지며, 차량이 경사진 곳을 올라가거나 과속시 바이패스 단계가 이루어진다.
차량의 배기열 회수장치는 엔진 연소 후 버려지는 배기열을 회수하여 엔진의 웜업, 변속기의 웜업에 사용하거나 또는 회수된 열에너지를 공조장치에 전달하여 차량의 실내 난방에 사용하는 장치를 말한다.
차량의 배기열 회수장치는 초기 시동 시 배기가스를 이용하여 냉각수를 가열함으로써 엔진의 예열시간을 단축하여 연비향상 및 배기가스 저감의 효과를 얻을 수 있다.
차량에서 배출되는 오염 물질은 엔진이 워밍업되기 전인 공회전시에 가장 많이 배출되는데 배기열 회수장치를 사용하여 웜업 시간을 단축시킴으로써 차량에서 배출되는 오염물질을 저감시킬 수 있다.
또한, 배기열 회수장치를 통해 가열된 냉각수는 엔진 냉각수 및 변속기 오일의 온도를 빠르게 상승시켜 엔진 내부 및 변속기 내부의 마찰을 저감시켜 주고, 겨울철 빠른 실내 난방의 효과를 얻을 수 있도록 한다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 종래 차량의 배기열 회수장치는 일반적으로 냉각수 통로(1) 및 배기가스 파이프(2)로 이루어진 열교환기(3)와 배기가스가 바이패스되는 바이패스 통로(4)를 포함한다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 배기열 회수장치에 사용되는 종래 열교환기(3)는 바이패스 통로(4)에서 분기 되어 있으며 열교환기(3)를 구성하는 냉각수 통로(1) 및 배기가스 파이프(2)가 교대로 적층된 적층형 구조로 배치되어 있다.
또한, 도시되지는 않았지만 종래 열교환기는, 바이패스 통로의 외주면을 둘러싸는 동심의 원통을 겹겹히 쌓아 냉각수 통로와 배기가스 파이프를 형성하는 환형구조, 배기가스 파이프 내부에 다수의 가느다란 파이프 형태의 냉각수 통로가 배치되어 있는 세관형 구조 등으로 형성될 수 있다.
그러나 종래 열교환기에서 냉각수 통로와 배기가스 파이프를 배치하는 구조는 배기가스와 냉각수가 충분히 접촉하지 못하여 열교환 성능이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 종래 열교환기는 열교환 성능을 향상시켜 차량의 연비 향상 및 배기가스 저감 등의 효과를 얻기 위해 지나치게 큰 사이즈를 가질 수밖에 없고 이는 차량 내부의 공간 활용성이 낮아지는 문제로 이어진다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 배기가스 파이프의 중심축에 대해 수직 방향의 단면을 가지는 서로 이격된 다수의 판형 냉각수 통로, 배기가스의 흐름을 배기가스 파이프의 내주면 방향으로 분산시키는 배기가스 확산부 및 배기가스 파이프의 내주면에 부착되며 고리 모양으로 형성되는 서로 이격된 다수의 배기가스 가이드를 포함하여, 배기가스와 냉각수 사이의 접촉 면적을 증대시켜 열교환 성능을 향상시킨 배기열 회수용 열교환기를 제공하고자 함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 배기가스 입구 및 배기가스 출구를 구비하며 내부로 고온의 배기가스가 통과되는 배기가스 파이프 및 상기 배기가스 파이프의 내부에 길이방향으로 배치되며, 배기가스 파이프의 외부로 연장되는 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구를 구비하여 내부로 냉각수가 유동되는 냉각수 통로를 포함하며, 상기 냉각수 통로는 배기가스 파이프의 중심축에 대해 수직 방향의 단면을 가지는 서로 이격된 다수의 판형 냉각수 통로로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배기열 회수용 열교환기는, 상기 배기가스 입구와 냉각수 통로 사이에서 배기가스 파이프의 중심축 상에 배치되며, 배기가스의 흐름을 배기가스 파이프의 내주면 방향으로 분산시키는 배기가스 확산부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 배기열 회수용 열교환기는, 상기 배기가스 파이프의 내주면에 부착되며 고리 모양으로 형성되는 서로 이격된 다수의 배기가스 가이드를 더 포함하며, 상기 배기가스 가이드는 배기가스 파이프를 통과하는 배기가스의 흐름을 냉각수 통로 방향 쪽으로 유도하는 것이 좋다.
나아가, 상기 배기가스 가이드는, 배기가스 파이프의 내주면에 대해 경사각을 이루는 것이 바람직하다.
아울러, 다수의 상기 배기가스 가이드 사이의 이격 거리는 배기가스 파이프의 위치에 따른 배기가스의 온도에 대응하여 각각 다르게 형성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는, 고온의 배기가스가 통과되는 배기가스 파이프 및 배기가스 파이프의 중심축에 대해 수직 방향의 단면을 가지는 서로 이격된 다수의 판형 냉각수 통로를 포함하여, 냉각수 통로 사이로 배기가스가 지날 수 있도록 함으로써, 배기가스와 냉각수 사이에 접촉 면적을 증대시키고 이에 따라 열교환 성능을 향상시키는 것이다.
구체적으로, 종래 배기열 회수용 열교환기의 구조에서 환형 구조의 열교환 성능을 100%라고 정의하였을 때, 종래 세관형 구조는 120%의 열교환 성능을 가지고 적층형 구조는 130%의 열교환 성능을 가지는데 반해, 본 발명에 따른 배기열 회수용 열교환기의 구조는 150%의 열교환 성능을 가진다.
또한, 배기가스 입구와 냉각수 통로 사이에서 배기가스 파이프의 중심축 상에 배치되며, 배기가스의 흐름을 배기가스 파이프의 내주면 방향으로 분산시키는 배기가스 확산부를 더 포함하여, 냉각수 통로에 부딪히는 배기가스를 확산시킴으로써 배기가스의 저항을 줄여 배기가스 파이프 내 배압을 저감시키는 효과가 발생한다.
또한, 배기가스 파이프의 내주면에 부착되며 고리 모양으로 형성되는 서로 이격된 다수의 배기가스 가이드를 더 포함하여, 배기가스 확산부에 의해 확산된 배기가스를 냉각수 통로 방향으로 유도함으로써 배기열 회수용 열교환기의 열교환 성능을 향상시키는 효과가 있다.
나아가, 배기가스 가이드는 배기가스 파이프의 내주면에 대해 경사각을 이루도록 설치하여 확산된 배기가스를 더욱 효율적으로 냉각수 통로 방향 쪽으로 유도할 수 있는 효과가 있다.
아울러, 다수의 배기가스 가이드 사이의 이격 거리는 배기가스 파이프의 위치에 따른 배기가스의 온도에 대응하여 각각 다르게 형성되어 냉각수 통로 방향으로 유도되는 배기가스의 양을 조절함으로써 배기열 회수용 열교환기의 열교환 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1a는 종래 배기열 회수장치의 모습을 나타낸 사시도.
도 1b는 종래 배기열 회수장치의 모습을 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배기열 회수용 열교환기를 포함하는 전체 배기열 회수 시스템을 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 배기열 회수용 열교환기의 모습을 나타낸 사시도.
도 4는 도 3의 A-A' 선에 따른 단면도.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 배기열 회수용 열교환기(100)는, 배기가스 입구(22) 및 배기가스 출구(24)를 구비하며 내부로 고온의 배기가스가 통과되는 배기가스 파이프(20) 및 상기 배기가스 파이프(20)의 내부에 길이방향으로 배치되며, 배기가스 파이프(20)의 외부로 연장되는 냉각수 유입구(32) 및 냉각수 배출구(34)를 구비하여 내부로 냉각수가 유동되는 냉각수 통로(30)를 포함하며, 상기 냉각수 통로(30)는 배기가스 파이프(20)의 중심축에 대해 수직 방향의 단면을 가지는 서로 이격된 다수의 판형 냉각수 통로로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 배기가스 파이프(20)는 도시된 실시예에서 좌측에 배기가스 입구(22)를 구비하여 엔진(10)을 통해 배출되는 배기가스가 배기가스 파이프(20)로 유입되고, 도시된 실시예에서 우측에 배기가스 출구(24)를 구비하여 배기가스 파이프(20)를 통과한 배기가스가 차량의 외부로 배출된다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 배기가스 파이프(20)와 분기된 바이패스 통로(12)가 별도로 장착되어 배기가스를 바이패스 시킴으로써 차량의 주행시 배기열 회수용 열교환기(100)를 통한 열교환을 차단하여 과도한 열부하를 방지하고 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 배기가스 파이프(20)는 단면의 형상이 원형인 원통 파이프 형태로 형성되어 있지만, 차량의 종류, 배출되는 배기가스의 양, 차량 전체의 외관 등을 고려하여 상기 배기가스 파이프(20)의 단면은 사각형, 타원형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 배기가스 파이프(20)의 내부에는 배기가스 파이프(20)의 중심축에 대해 수직 방향의 단면을 가지는 서로 이격된 다수의 판형 냉각수 통로(30)가 포함되어 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 도시된 실시예에서 냉각수 유입구(32)는 상기 배기가스 입구(22) 방향에 배치되어 냉각수 통로(30)의 일단에서 배기가스 파이프(20)의 외부로 연장되며, 차량의 엔진(10)과 연결되어 엔진(10)으로부터 배출되는 저온의 냉각수가 냉각수 통로(30)로 유입되도록 한다.
냉각수 배출구(34)는 상기 배기가스 출구(24) 방향에 배치되어 냉각수 통로(30)의 타단에서 배기가스 파이프(20)의 외부로 연장되며, 자동 변속기 오일 워머(Automatic Transmission Fiud Warmer: ATF Warmer)(14) 및 엔진(10)과 연결되어 배기열 회수용 열교환기(100)를 통과한 고온의 냉각수가 변속기(16) 및 엔진(10)을 웜업할 수 있도록 한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 냉각수 통로(30)는 배기가스 입구(22) 방향에서 보았을 때 원형의 단면을 가지는 다수의 판형 냉각수 통로(30)가 배기가스 파이프(20)의 길이방향으로 서로 이격되어 배치된 구조를 가진다.
상기 냉각수 유입구(32)로 유입된 냉각수는 서로 연결되어 있는 판형 냉각수 통로(30)를 통과하여 냉각수 배출구(34)로 배출되며, 냉각수 통로(30)의 모든 면은 배기가스와 접촉될 수 있는 구조를 가진다.
따라서, 서로 이격된 냉각수 통로(30) 사이사이로 고온의 배기가스가 통과하며 냉각수 통로(30) 내부를 유동하는 저온의 냉각수와 열교환이 일어나고 이러한 열교환에 의해 가열된 냉각수가 냉각수 배출구(34)를 통해 배출된다.
물론, 전술한 바와 같이, 상기 배기가스 파이프(20)와 마찬가지로 냉각수 통로(30)도 사각형, 타원형 등의 다양한 단면을 가질 수 있을 것이며, 그 단면의 형태는 배기가스 파이프(20)의 단면 형태와 일치되는 것이 바람직하다.
상기 냉각수 통로(30)의 개수는 또한 배기가스 파이프의 길이, 냉각수 통로의 두께, 차량의 종류, 냉각수 통로의 형태, 요구되는 열교환 성능 등에 따라 다양한 수로 형성될 수 있으며, 10 개에서 20 개 사이의 범위에서 형성되는 것이 바람직할 것이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 배기가스 파이프(20) 내에는 배기가스 확산부(40)가 결합되어 배기가스 입구(22)를 통해 유입되는 배기가스가 배기가스 파이프(20)의 내주면 방향으로 확산된다.
도시된 실시예에서, 상기 배기가스 확산부(40)는 원뿔 형태로 형성되고 냉각수 통로(30)의 배기가스 입구(22) 방향 일단에 부착되어 있으며, 배기가스 파이프(20)의 중심축 상에 배치된다.
또한, 상기 배기가스 확산부(40)는 냉각수 통로(30)의 일단에 부착되지 않고 배기가스 입구(22)와 냉각수 통로(30) 사이 어디에도 배치될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 배기가스 확산부(40)는 배기가스 파이프(20)의 중심축 상에 배치되고, 상기 냉각수 유입구(32)는 배기가스 확산부(40)와의 간섭을 피하기 위해 배기가스 파이프(20)의 중심축에서 조금 이격된 위치에 배치되는 것이 바람직하다.
도시된 실시예에서, 상기 배기가스 확산부(40)는 꼭짓점이 배기가스 입구(22) 방향으로 배치된 단순한 원뿔 형태로 형성되어 배기가스가 원뿔의 꼭짓점에서 원뿔의 밑면으로 가면서 확산되는 구조로 형성되어 있지만, 날개가 형성된 원뿔 형태, 프로펠러가 구비된 팬 형태 등 배기가스를 확산시킬 수 있는 다른 모든 구조가 활용될 수 있을 것이다.
상기와 같이, 배기가스 입구(22)와 냉각수 통로(30) 사이에 배기가스 확산부(40)를 구비하여 냉각수 통로(30)에 부딪히는 배기가스를 확산시킬 수 있고, 이에 따라 배기가스 파이프(20) 내 배기가스의 저항을 줄여 배압을 저감시킬 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 배기가스 파이프(20)의 내주면에는 고리 모양으로 형성되는 서로 이격된 다수의 배기가스 가이드(50)를 포함하여, 배기가스 파이프(20)를 통과하는 배기가스의 흐름을 냉각수 통로(30) 방향 쪽으로 유도할 수 있다.
상기 배기가스 가이드(50)는, 배기가스 파이프(20)의 길이 방향을 따라 서로 이격되어 있으며 상기 배기가스 입구(22)를 통해 유입된 배기가스 또는 상기 배기가스 확산부(40)를 통해 확산된 배기가스를 냉각수 통로(30) 방향으로 유도하는 역할을 한다.
도시된 실시예에서, 상기 배기가스 가이드(50)는 환형으로 형성되어 있지만, 배기가스 파이프에 유입되는 배기가스의 양, 배기가스 파이프의 길이, 요구되는 열교환 성능 등에 따라 배기가스 파이프(20)의 내주면을 따라 형성된 나선형 구조, 날개 형태로 형성된 블레이드 구조 등 다양하게 형성될 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 배기가스 가이드(50)는 배기가스 가이드(50)에 부딪히는 배기가스를 더욱 효율적으로 냉각수 통로(30) 방향으로 유도하기 위해 배기가스 내주면에 대해 일정한 각도로 경사각을 형성할 수 있다.
상기 배기가스 가이드(50)와 배기가스 파이프(20)의 내주면이 이루는 경사각이 커질수록 냉각수 통로(30) 방향으로 향하는 배기가스의 양이 많아져서 배기가스와 냉각수 사이에 열교환이 많이 이루어질 것이나, 경사각이 너무 크게 형성되면 배기가스 파이프(20) 내 배기가스의 흐름을 방해하여 오히려 배기열 회수용 열교환기(100)의 열교환 성능을 떨어뜨리게 된다.
따라서, 상기 배기가스 가이드(50)와 배기가스 파이프(20)의 내주면이 이루는 경사각은 대략적으로 20°에서 80°사이가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 30°에서 50°사이가 바람직하다.
도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 상기 배기가스 가이드(50) 사이의 이격 거리는 배기가스 파이프(20)의 위치에 따른 배기가스의 온도에 대응하여 각각 다르게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 배기가스 가이드(50) 사이의 이격 거리가 좁게 형성되면 하나의 냉각수 통로(30)를 향해 배기가스를 유도하는 배기가스 가이드(50)의 개수가 증가되는 결과로 이어지고 배기가스 가이드(50) 사이의 이격 거리가 넓게 형성되면 하나의 냉각수 통로(30)를 향해 배기가스를 유도하는 배기가스 가이드(50)의 개수가 감소되는 결과로 이어진다.
따라서, 상기 배기가스 가이드(50) 사이의 이격 거리는 배기가스 파이프(20)의 위치에 따라 다르게 형성되고, 구체적으로 배기가스의 온도가 상대적으로 높은 배기가스 입구(22) 쪽에서는 배기가스 가이드(50) 사이의 이격 거리가 좁게 형성되고 배기가스의 온도가 상대적으로 낮은 배기가스 출구(24) 쪽에서는 배기가스 가이드(50) 사이의 이격 거리가 넓게 형성되는 것이 바람직하다.
그러나, 상기 배기가스 가이드(50) 사이의 이격 거리는 배기가스 파이프의 길이, 배기열 회수용 열교환기의 생산 원가, 제조 공정 등을 고려하여 등간격으로 형성될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 배기열 회수용 열교환기(100)의 작동 과정을 살펴보면 다음과 같다.
차량의 시동 초기시 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스는 배기가스 입구(22)를 통해 배기가스 파이프(20) 내부로 유입되며, 냉각수는 엔진(10)과 연결된 냉각수 유입구(32)를 통해 냉각수 통로(30)로 유입된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 배기가스 입구(22)를 통해 유입된 배기가스는 배기가스 확산부(40)에 접촉되어 배기가스 파이프(20)의 내주면 방향으로 확산된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 배기가스 파이프(20)의 내주면 방향으로 확산된 배기가스는 배기가스 가이드(50)에 의해 냉각수 통로(30) 방향 쪽으로 유도된다.
또한, 서로 이격된 냉각수 통로(30) 사이로 배기가스가 유도되어 냉각수 통로(30) 내부의 저온의 냉각수와 고온의 배기가스 사이에 열교환이 일어난다.
상기와 같은 열교환에 의해 가열된 냉각수는 냉각수 배출구(34)를 통해 배출되어 차량의 엔진(10)이나 변속기(16)를 웜업시키는 역할을 하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10 : 엔진
12 : 바이패스 통로
14 : 자동 변속기 오일 워머
16 : 변속기
20 : 배기가스 파이프
22 : 배기가스 입구
24 : 배기가스 출구
30 : 냉각수 통로
32 : 냉각수 유입구
34 : 냉각수 배출구
40 : 배기가스 확산부
50 : 배기가스 가이드
100 : 배기열 회수용 열교환기

Claims (5)

  1. 배기가스 입구 및 배기가스 출구를 구비하며 내부로 고온의 배기가스가 통과되는 배기가스 파이프;
    상기 배기가스 파이프의 내부에 길이방향으로 배치되며, 배기가스 파이프의 외부로 연장되는 냉각수 유입구 및 냉각수 배출구를 구비하여 내부로 냉각수가 유동되는 냉각수 통로; 및
    상기 배기가스 입구와 냉각수 통로 사이에서 배기가스 파이프의 중심축 상에 배치되며, 배기가스의 흐름을 배기가스 파이프의 내주면 방향으로 분산시키는 배기가스 확산부; 를 포함하며,
    상기 냉각수 통로는 배기가스 파이프의 중심축에 대해 수직 방향의 단면을 가지는 서로 이격된 다수의 판형 냉각수 통로로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배기열 회수용 열교환기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기가스 파이프의 내주면에 부착되며 고리 모양으로 형성되는 서로 이격된 다수의 배기가스 가이드; 를 더 포함하며,
    상기 배기가스 가이드는 배기가스 파이프를 통과하는 배기가스의 흐름을 냉각수 통로 방향 쪽으로 유도하는 것을 특징으로 하는 배기열 회수용 열교환기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배기가스 가이드는, 배기가스 파이프의 내주면에 대해 경사각을 이루는 것을 특징으로 하는 배기열 회수용 열교환기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    다수의 상기 배기가스 가이드 사이의 이격 거리는 배기가스 파이프의 위치에 따른 배기가스의 온도에 대응하여 각각 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 배기열 회수용 열교환기.
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