KR101637981B1 - Egr 쿨러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 EGR 쿨러에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 냉각수 유입구(11)와, 유출구(13)가 구비된 하우징(10); 상기 하우징(10)에 내장되는 다수의 열교환튜브(20); 상기 하우징(10)에 결합되어 상기 열교환튜브(20)를 고정시키는 앤드플레이트(30); 상기 하우징(10)의 양단에 결합되고, 배기가스의 유입 및 배출을 위한 헤더탱크(40); 및 상기 배기가스 유입측 헤더탱크(40)에 장착되는 예냉수단(50);을 포함하여 이루어진다.
본 발명은 배기가스의 유입측 헤더탱크에 예냉수단을 도입함으로써 EGR 쿨러로 유입되는 배기가스의 온도를 상당히 낮춰 냉각성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, EGR 쿨러 자체의 열적 부하를 저감시켜 내구성을 향상시킬 수 있는 EGR 쿨러를 제안하고자 한다.

Description

EGR 쿨러{EGR COOLER}

본 발명은 배기가스의 유입측 헤더탱크를 예냉함으로써 열효환효율을 향상 및 열격을 감소시키고, 헤더탱크의 형상과 열교환튜브의 배치구조를 개선하여 배기가스의 유입 분포를 균등하게 분배할 수 있는 EGR 쿨러에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 배출가스는 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 탄화수소(HC) 등의 유해물질이 포함되어 있는 바, 연소과정에서 발생하는 상기 3원소 중 일산화탄소와 탄화수소에 대하여 질소산화물은 항상 반대의 인과관계를 가지고 있다.

즉, 실용적인 출력범위에서 일산화탄소와 탄화수소가 가장 감소하는 시점에 질소산화물은 가장 많이 발생하는데, 이러한 질소산화물은 연료가 완전 연소할수록 즉, 엔진이 고온일수록 질소산화물의 발생량은 증가하게 된다.

따라서, 상기 질소산화물 등의 배출가스 허용량은 관계 법률로서 규제됨에 따라 배출가스를 줄이는 다양한 기술이 개발되고 있는 바, 그 중 하나가 배기가스 재순환장치(Exhaust Gas Recirculation, EGR)이다.

상기 배기가스 재순환 장치는 다른 유해물질의 급증없이 질소산화물의 발생량을 줄이기 위해서는 혼합비를 이론 공연비로 유지하면서 연소실로 흡입되는 혼합기 중에 기 연소가스(EGR 가스)의 일부를 공급함으로써 신기의 양을 줄임과 동시에 연소가스의 열용량을 증가시켜 화염의 온도를 낮추는 방법으로 사용되는 장치이다.

보다 상세하게는, 상기 배기가스 재순환장치(EGR)는 상기 배출가스중 배기가스를 흡기계로 재순환시켜 실린더내의 연소온도를 낮추어 질소산화물의 발생을 억제하는 장치로서, 배기가스중의 질소산화물(NOx)을 저감하는 수단으로 배기가스의 일부를 흡기계통에 되돌려서, 혼합기가 연소할 때 최고 온도를 낮게 하여 질소산화물(NOx)의 생성량을 적게 하는 장치를 말한다.

이러한 배기가스 재순환장치의 구성에는 배기매니폴더로부터 배출되는 배기가스의 일부가 흡기매니폴더로 재순환되도록 한 EGR 파이프와, 상기 EGR 파이프의 소정위치에는 순환되는 배기가스의 양을 조절하는 컨트롤밸브가 포함되어 있고, 특히 상기 컨트롤밸브를 통하여 유입되는 배기가스를 냉각시켜 흡기매니폴드로 보내주는 EGR 쿨러가 포함되어 있다.

이와 같은 배기가스 재순환장치(EGR)의 구성 중에서 EGR 쿨러는 고온의 배기가스를 엔진 냉각수를 냉매로 하여 냉각하는 일종의 열교환기이다.

상기한 바와 같은 종래의 EGR 쿨러로는 대한민국 공개특허 제10-2005-0035371호(2005.04.18. 이하 '종래기술'이라 함) “자동차용 EGR 쿨러”가 개시되어 있다.

상기 종래기술은 소정 직경의 외부파이프와, 이 외부파이프의 내부에 동심원 구조로 배열되는 다수의 내부파이프를 포함하는 자동차용 EGR 쿨러에 있어서, 상기 외부파이프에 냉각수의 기포를 제거할 수 있는 공기빼기용 파이프를 일체로 형성하고, 이 공기빼기용 파이프를 냉각수 저장탱크와 연결되도록 구성되어 있다.

이 경우 엔진의 흡기 매니폴드로부터 배출되어 EGR 쿨러로 유입되는 배기가스는 그 온도가 대략 700℃에 달하게 되는데,

이렇게 고온 배기가스가 직접 EGR 쿨러로 유입되는 경우 열교환효율을 떨어질 수 있을 뿐만 아니라, 열부하로 인하여 열변형이나, 파손의 위험이 있다는 문제가 있다.

또한 상기 종래기술의 경우 내부파이프, 즉 열교환튜브가 중심으로부터 등간격으로 이격된 배치된 동심원상에 배열되는데,

고온의 배기가스 유입 시, 통상적으로 중앙에 위치하는 열교환튜브로 더 많은 배기가스가 흐르는 경향이 있다.

이러한 경우 중앙에 위치하는 열교환튜브는 외곽측에 위치하는 열교환튜브에 비하여 상대적으로 고온화되어 국부적인 열변형이 일어날 염려가 있을 뿐만 아니라, 이에 의하여 열교환효율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.

대한민국 공개특허 제10-2005-0035371호(2005.04.18.)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 안출된 것으로,

배기가스의 유입측 헤더탱크에 예냉수단을 도입함으로써 EGR 쿨러로 유입되는 배기가스의 온도를 상당히 낮춰 냉각성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, EGR 쿨러 자체의 열적 부하를 저감시켜 내구성을 향상시키고자 하는 것을 하나의 목적으로 한다.

또한 본 발명은 예냉수단의 바이패스관에 조절부재와, 이를 제어하는 제어부를 도입하여 쿨러로 유입되는 배기가스의 온도에 따라 바이패스관을 유입되는 냉각수의 양을 조절함으로써 열교환성능을 보다 효율적으로 관리하고자 하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명은 배기가스의 유입측 헤더탱크의 구경이 점층적으로 증대되는 확관부를 형성하여 벨마우스 형상으로 구성함으로써 헤더탱크로 유입된 배기가스가 중심부에서 외측으로까지 고루게 분포되도록 함으로써 열교환튜브의 국부적인 열변형을 방지하고자 하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명은 열교환튜브가 중심으로부터 외곽으로 갈수록 조밀 배치되도록 함으로써 중심부에서 통로저항을 증대시키고, 이에 의하여 배기가스를 외곽측으로 분산시켜 배기가스의 유입분포를 균등하게 분배함으로써 중앙에 위치하는 열교환튜브의 고온화와 열변형을 방지하고자 하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명은 열교환튜브가 내측면에 나선형 돌기부를 형성하여 배기가스의 난류유동을 촉진시키고, 열교환튜브의 유출측에 내측면에 피막층을 형성하여 그을음이나 스케일 등의 부착을 방지함과 동시에, 경제성을 높이고자 하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명은 하우징 내부에 열교환튜브가 관통하는 다수의 베플플레이트를 도입하여 냉각수 유로를 연장하고, 베플플레이트를 반달 유사 형태로 제작하여 냉각수의 유동을 확장함으로써 냉각수 비등을 방지하고자 하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명은 냉각수 유입구와 유출구에 버링 성형하여 버링과 곡선부를 형성함으로써 냉각수의 유입과 유출 시, 유동 저항을 최소화하며, 이를 통하여 기밀유지를 보장하고자 하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명에 따른 EGR 쿨러는 냉각수 유입구와, 유출구가 구비된 하우징; 상기 하우징에 내장되는 다수의 열교환튜브; 상기 하우징에 결합되어 상기 열교환튜브를 고정시키는 앤드플레이트; 상기 하우징의 양단에 결합되고, 배기가스의 유입 및 배출을 위한 헤더탱크; 및 상기 배기가스 유입측 헤더탱크에 장착되는 예냉수단;를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 상기 예냉수단은 상기 배기가스 유입측 헤더탱크에 장착되는 챔버와, 상기 하우징의 유출구와 상기 챔버를 연결하는 바이패스관을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 예냉수단의 챔버에는 냉각수 유로를 연장하기 위한 복수의 격판이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 바이패스관에는 상기 챔버로 유입되는 냉각수의 양을 조절하기 위한 조절부재가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 바이패스관에는 유입되는 배기가스의 온도에 따라 상기 조절부재의 개폐 정도를 조절하기 위한 제어부가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 배기가스 유입측 헤더탱크에는 연장부가 형성되고, 상기 예냉수단은 상기 연장부에 구비되는 냉각핀으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 배기가스 유입측 헤더탱크는 배가기스의 유동방향을 따라 구경이 점층적으로 증대되는 벨마우스(bell mouth) 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 열교환튜브는 중심부에서 외곽으로 갈수록 조밀하게 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 열교환튜브의 내측면에는 나선형 돌기부가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 열교환튜브의 내측면에는 배기가스 유출측에 피막층이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 하우징 내부에는 상기 열교환튜브가 관통 결합되고, 냉각수 유로를 연장하기 위한 다수의 베플플레이트가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 베플플레이트는 반달 유사 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 하우징의 유입구 또는 유출구, 또는 이들 모두에는 버링이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 바이패스관은 상기 유출구가 연장되거나, 또는 상기 유출구로부터 분기되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 EGR 쿨러는 배기가스의 유입측 헤더탱크에 예냉수단을 도입함으로써 EGR 쿨러로 유입되는 배기가스의 온도를 상당히 낮춰 냉각성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, EGR 쿨러 자체의 열적 부하를 저감시켜 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명은 예냉수단의 바이패스관에 조절부재와, 이를 제어하는 제어부를 도입하여 쿨러로 유입되는 배기가스의 온도에 따라 바이패스관을 유입되는 냉각수의 양을 조절함으로써 열교환성능을 보다 효율적으로 관리할 수 있게 된다.

본 발명은 배기가스의 유입측 헤더탱크의 구경이 점층적으로 증대되는 확관부를 형성하여 벨마우스 형상으로 구성함으로써 헤더탱크로 유입된 배기가스가 중심부에서 외측으로까지 고루게 분포되도록 함으로써 열교환튜브의 국부적인 열변형을 방지할 수 있게 된다.

본 발명은 열교환튜브가 중심으로부터 외곽으로 갈수록 조밀 배치되도록 함으로써 중심부에서 통로저항을 증대시키고, 이에 의하여 배기가스를 외곽측으로 분산시켜 배기가스의 유입분포를 균등하게 분배함으로써 중앙에 위치하는 열교환튜브의 고온화와 열변형을 방지할 수 있게 된다.

본 발명은 열교환튜브가 내측면에 나선형 돌기부를 형성하여 배기가스의 난류유동을 촉진시키고, 열교환튜브의 유출측에 내측면에 피막층을 형성하여 그을음이나 스케일 등의 부착을 방지함과 동시에, 경제성을 높일 수 있게 된다.

본 발명은 하우징 내부에 열교환튜브가 관통하는 다수의 베플플레이트를 도입하여 냉각수 유로를 연장하고, 베플플레이트를 반달 유사 형태로 제작하여 냉각수의 유동을 확장함으로써 냉각수 비등을 방지할 수 있게 된다.

본 발명은 냉각수 유입구와 유출구에 버링 성형하여 버링과 곡선부를 형성함으로써 냉각수의 유입과 유출 시, 유동 저항을 최소화하며, 이를 통하여 기밀유지를 보장할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 EGR 쿨러의 제1 실시례를 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 EGR 쿨러의 예냉수단을 나타내는 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 EGR 쿨러의 열교환튜브 배치구조를 나타내는 개념도,
도 4는 본 발명에 따른 EGR 쿨러의 열교환튜브를 나타내는 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 EGR 쿨러의 베플플레이트를 나타내는 정면도.

이하에서는 본 발명에 따른 EGR 쿨러를 첨부된 도면을 참조하여 보다 자세하게 기술하기로 한다.

먼저 본 명세서상에서 사용되는 대략적인 ?향기준을 첨부된 도 1을 참조하여 특정하면,

배기가스의 유동방향을 기준으로 배기가스의 유입측을 '전단 또는 전방'이라 하고, 배기가스의 토출측을 '후단 또는 후방'이라 한다.

도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 EGR 쿨러는

냉각수 유입구와 유출구를 갖는 하우징(10)과, 하우징(10)에 내장되는 열교환튜브(20)와, 열교환튜브(20) 단부에 연결되고, 하우징(10)에 결합되는 앤드플레이트(30)와, 하우징(10) 양단에 결합되는 헤더탱크(40) 및 예냉수단(50)을 포함하여 구성된다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 하우징(10)은

냉각수 유입구(11)와 유출구(13)가 형성되고, 그 내부에 내장된 열교환튜브(20)와 열교환을 위한 냉각수 유로가 형성된다.

본 발명에 따른 하우징(10)은 원통형 또는 박스형상 등으로 제작이 가능하고, 유입구(11)는 하우징(10)의 전단부 하부에 형성되어 배기가스 유입측에 배치되며, 유출구(13)는 하우징(10)의 후단부 상부에 형성되어 배기가스 배출측에 배치된다.

따라서 유입구(11)로 유입되는 냉각수는 열교환튜브(20)와 열교환 후, 유입구(13)를 통하여 배출된다.

이 경우 유입구(11)와 유출구(13)에는 외측방향으로 돌출된 버링(15)(burring)이 형성되는데,

이 버링(15)은 유입구(11)와 유출구(13)를 버링(15) 성형에 의하여 형성되고, 유입구와 유출구의 굽힘 부분에는 곡면 가공에 의하여 곡선부(17)가 형성된다.

그리고 유입구(11) 및 유출구(13)의 버링(15)에 유입파이프(1)와 유출파이프(2)가 삽입된 후, 브레이징이나, 용접을 통하여 결합되고, 이에 의하여 기밀이 유지될 수 있다.

종래의 EGR 쿨러의 경우 유입구와 유출구는 천공된 상태에서 접속용 니플이 장착되어 각 유입 및 유출파이프(1)(2)가 결합되거나, 또는 유입 및 유출파이프(1)(2)가 직접 결합된 후, 블레이징이나 납땜 등을 통하여 고정된다.

이 경우 유입구(11)와 유출구(13)는 냉각수의 유출입 시, 유동 저항이 크게 발생하는 문제가 있고, 이에 의하여 유출입구와 접속용 니플 또는 유입 및 유출파이프(1)(2)와의 접속부위가 취약해지며, 심한 경우에는 누수되는 문제가 있다.

따라서 상기한 바와 같이 유입구(11)와 유출구(13)에 버링(15) 성형에 의하여 버링(15)을 형성하고, 유입구(11)와 유출구(13)의 굽힘 부분에 곡선부(17)를 형성함으로써 냉각수의 유입과 유출 시, 유동 저항을 최소화하며, 이를 통하여 기밀유지를 보장할 수 있게 된다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 열교환튜브(20)는

원통 형상으로 이루어진 오발타입(oval type)으로 구성되고, 배기가스를 위한 통로를 형성하여 하우징(10) 내부를 유동하는 냉각수와 배기가스와의 열교환시키는 ?할을 하게 된다.

먼저 열교환튜브(20)는 도 4에 도시된 바와 같이 배기가스의 난류유동을 촉진시키기 위해 내측면에 나선형 돌기부(21)가 형성되는데, 이 돌기부(21)는 열교환튜브(20)의 외경을 회전가공하여 형성된다.

열교환튜브(20)의 나선형 돌기부(21)를 가공하는 경우 열교환튜브(20)의 내경을 회전가공하여 돌기부(21)가 외측방향으로 돌출되도록 가공하는 것이 가능하나, 열교환튜브(20)의 내경을 가공하는 것은 고도의 정밀도가 요구될 뿐만 아니라, 가공작업 역시 쉽지 않고, 이에 의하여 생산성을 떨어지는 문제가 있다.

따라서 본 발명에서는 열교환튜브(20)의 돌기부(21)를 열교환튜브(20)의 외경을 회전가공하여 내측방향으로 돌출되도록 형성하여 가공작업을 용이하게 함으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한 열교환튜브(20)의 돌기부(21)는 배기가스의 난류유동을 촉진시켜 열교환성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배기가스에 혼합된 카본이나, 그을음, 스케일 등이 열교환튜브(20) 내부에 부착되어 성장되는 것을 방지하여 EGR 쿨러의 열교환성능을 장시간 유지할 수 있게 된다.

다음으로 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 열교환튜브(20) 내측면에는 피막층(23)이 형성되는데, 이 피막층(23)은 배기가스에 혼입된 그을음이나, 스케일 등의 부착을 방지하여 열교환성능을 유지시킬 수 있다.

특히 피막층(23)은 열교환튜브(20)에서 배기가스의 유출측에 형성되는 것이 바람직한데,

이는 열교환튜브(20)로 유입되는 배기가스는 대략 700℃ 이상이기 때문에, 열교환튜브(20)의 유입측에서는 고온의 배기가스에 의하여 그을음이나 스케일이 산화되어 부착되는 문제가 발생하기 어렵기 때문이다.

따라서 피막층(23)은 열교환튜브(20)의 유출측에만 형성함으로써 비용을 절감하도록 하는 것이 바람직하다.

여기서 피막층(23)이 형성되는 열교환튜브(20)의 유출측은 열교환튜브(20)의 전장(L)에 대하여 유출측 단부에서부터 1/2L ~ 1/3L 지점까지로 하여도 충분한 효과를 얻을 수 있게 된다.

또한 피막층(23)은 그을이나 스케일의 부착 방지를 위해 내부식성과 내황산 부식성이 우수한 재료를 사용하는 것이 바람직하고, 따라서 불소수지 계열의 미세분말을 유기용제에 분산시킨 용액을 사용하며, 피막 두께는 10~50μm 정도이면 충분한 효과를 얻을 수 있다.

한편 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 열교환튜브(20)는 배치구조를 개선하여 배기가스의 유입 분포를 균등하게 유지하기 위해 열교환튜브(20)는 중심부에서 외곽으로 갈수록 조밀한 형태로 배치된다.

즉 열교환튜브(20)는 중심을 기준으로 서로 다른 반경을 갖는 여러 개의 동심원(D1, D2, D3) 상에 배치되고, 이 경우 각 동심원(D1, D2, D3)은 중심으로부터 외곽으로 갈수록 간격이 좁이지도록 배치된다.

따라서 각 동심원(D1, D2, D3) 상에 배치되는 열교환튜브(20) 역시 중심으로부터 외곽으로 갈수록 조밀하게 배치되는 것이다.

종래의 열교환튜브(20)는 중심으로부터 일정한 간격을 갖고 다수의 동심원 상에 배치되는데, 고온의 배기가스가 유입 시, 통상적으로 중앙에 위치하는 열교환튜브(20)로 더 많은 배기가스가 흐르는 경향이 있다.

이러한 경우 중앙에 위치하는 열교환튜브(20)는 외곽측에 위치하는 열교환튜브(20)에 비하여 상대적으로 고온화되어 국부적인 열변형이 일어날 염려가 있을 뿐만 아니라, 이에 의하여 열교환효율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 열교환튜브(20)를 중심으로부터 외곽으로 갈수록 조밀하게 배치함으로써 중심부에서 통로저항이 커지도록 하고, 이에 의하여 배기가스를 외곽측으로 분산시킬 수 있게 된다.

따라서 배기가스의 유입분포가 균등하게 분포됨으로써 중앙에 위치하는 열교환튜브(20)의 고온화와 열변형을 방지하고, 이에 의하여 열교환성능을 유지할 수 있게 된다.

또한 열교환튜브(20)의 배치구조에서 중심으로부터 외곽으로 갈수록 조밀하게 배치되는 것은 각 동심원간의 간격뿐만 아니라, 각 동심원상에 배치되는 열교환튜브들(20) 간의 간격(S1, S2, S3)도 외곽으로 갈수록 조밀하게 배치되도록 하여 배기가스의 유입분포가 보다 효과적으로 균등하게 분배될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 앤드플레이트(30)는

열교환튜브(20)의 양단이 결합되어 하우징(10)에 고정되고, 열교환튜브(20)가 하우징(10) 내부에서 소정 간격으로 유지시키며, 고온 고압의 배기가스에 의하여 반복적인 열충격을 받는 열교환튜브(20)의 변형을 방지하는 역할을 하게 된다.

이를 위하여 앤드플레이트(30)는 판상의 플레이트(31)가 구비되고, 이 플레이트(31)에는 열교환튜브(20)의 단부가 관통 결합되는 삽입공(33)이 형성된다.

이 경우 삽입공(33)은 전술한 바와 같이 열교환튜브(20)의 배치구조에 대응하도록 플레이트(31)의 중심으로부터 외곽으로 갈수록 조밀하게 배치된다.

따라서 배기가스의 유입측과 유출측 앤드플레이트(30)에 열교환튜브(20)의 양단이 삽입되고, 이 상태에서 열교환튜브(20)와 앤드플레이트(30)간의 결합부위를 브렝이징하거나, 또는 용접하여 결합을 견고히 함으로씨 기밀을 유지하게 된다.

이 경우 열교환튜브(20)의 단부가 앤드플레이트(30)의 삽입공(33)에 끼워진 상태에서, 열교환튜브(20)의 단부를 확관하여 결합력을 높이는 것도 가능하다.

이렇게 앤드플레이트(30)에 열교환튜브(20)가 고정되면 앤드플레이드(30)를 하우징(10)의 양단에 결합한 후, 이들간의 결합부위를 브레이징이나, 또는 용접하여 결합을 견고히 하고, 기밀을 유지할 수 있다.

한편 도 1, 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 하우징(10) 내부에는 냉각수 유로 상에 상하로 지그재그 형태로 배치되는 복수의 베플플레이트(60)가 구비된다.

이 베플플레이트(60)는 냉각수 유입구(11)를 통하여 하우징(10) 내부로 유입되는 냉각수가 베플플레이트(60)를 따라 유동되도록 함으로써 냉각수 유로를 연장하고, 이에 의하여 냉각수와 열교환튜브(20)를 지나는 배기가스와의 접촉시간을 연장하여 열교환효율을 높이게 된다.

또한 베플플레이트(60)에는 열교환튜브(20)과 관통하는 다수의 관통공(61)이 형성되고, 이 관통공들(61)은 전술한 바와 같이 열교환튜브(20)의 배치구조에 대응하도록 외측방향으로 갈수록 조밀하게 배치된다.

특히 열교환튜브(20)는 앤드플레이트(30)에 의하여 양단이 고정되어 있기 때문에 고온 고압의 배기가스에 의하여 열응력이나, 진동이 발생될 수 있고, 이러한 열응력이나, 진동은 열교환튜브(20), 보다 자세하게는 열교환튜브(20)의 단부가 파손시키는 요인으로 작용될 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 각 열교환튜브(20)가 베플플레이트(60)의 관통공(61)에 삽입되고, 베플플레이트(60)에 의하여 다수 지점이 지지됨으로써 열교환튜브(20)의 열응력이나, 진동의 발생을 저감시키고, 이에 의하여 열교환튜브(20)의 파손을 방지함으로써 내구성 및 열교환성능을 향상시킬 수 있게 된다.

나아가 본 발명에 따른 베플플레이트(60)는 원판을 절단된 절개부(63)에 의하여 반달 유사 형태로 구성되는데,

이는 베플플레이트(60)에 의하여 형성되는 냉각수 유로 상에서 각 베플플레이트(60)로부터 냉각수의 유동 방향을 변경시키기 위한 우회로를 형성하여 냉각수의 유동을 원활히 할 수 있다.

또한 하우징(10) 내부 냉각수가 정체되어 고이는 체류부는 냉각수 유로 상에서 상부 및 하부 영역과, 유입구와 유출구측 모서리 부분에 분포되기 때문에, 베플플레이트(60)를 반달 형상으로 함으로써 냉각수의 체류부로 냉각수를 유도함으로써 냉각수 비등현상을 방지할 수 있게 된다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 헤더탱크(40)는

하우징(10)의 양단에 결합되어 열교환튜브(20)로 배기가스를 유입시키고, 유입된 배기가스를 냉각수와 열교환 후, 배출시키는 역할을 수행하게 된다.

본 발명에 따른 헤더탱크(40)는 배기가스 유입구와, 배기가스 배출구가 형성되고, 하우징(10)의 양단에 결합된 후, 브레이징이나, 용접하여 고정됨으로써 기밀이 유지된다.

특히 본 발명에 따른 헤더탱크(40)는 배기가스의 유입 분포를 균등하게 유지하기 위해 벨마우스(bell mouth) 구조로 구성된다.

통상적으로 헤더탱크(40)의 경우 유입된 배기가스는 헤더탱크(40)의 내주면을 따라 박리되어 난류화되기 쉽기 때문에 외측방향으로 배기가스가 유도되기 어렵게 되고, 이에 의하여 유입된 배기가스는 중심부로 집중되는 경향이 있다.

이에 의하여 중심부에 위치하는 열교환튜브(20)는 외측에 배치되는 열교환튜브(20)에 비하여 상대적으로 고온화되는 경향이 있을 뿐만 아니라, 이에 의하여 국부적인 열변형이 발생될 우려가 있다.

따라서 본 발명은 배기가스 유입측 헤더탱크(40)는 배기가스의 유동방향을 따라 구경이 점층적으로 증대되는 벨마우스 형상의 확관부(41)가 구비되어 헤더탱크(40)로 유입된 배기가스가 중심부에서 외측으로까지 고루게 분포되도록 함으로써 열교환튜브(20)의 국부적인 열변형을 방지하고, 이에 의하여 열교환효율을 향상시킬 수 있다.

또한 헤더탱크의 벨마우스 구조는 배기가스의 유입측뿐만 아니라, 유출측에도 형성되어 배기가스의 배출이 원활히 이루어질 수 있도록 하는 것도 바람직하다.

한편 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에서는 배기가스 유입측 헤더탱크(40)에 예냉수단(50)을 도입하여 열교환효율을 향상시키고자 한다.

이를 위해 본 발명에 따른 예냉수단(50)은 공냉식과, 수냉식 모두 도입이 가능하다.

먼저 도 1에 도시된 공냉식 예냉수단(50)은 헤더탱크(40)에 장착되는 다수의 냉각핀(51)으로 구성되는데,

이 경우 공기와 유입되는 배기가스와의 열교환 영역을 증대시키기 위해 헤더탱크(40)에는 소정길이의 연장부(43)가 형성되고, 이 연장부(43)에 냉각핀(51)들이 장착된다.

따라서 엔진으로부터 배출된 고온의 배기가스는 헤더탱크(40)로 유입되기 전에 연장부(43)를 통과하면서 냉각핀(51)에 의한 공기와의 열교환을 통하여 1차 냉각되고, 이렇게 사전에 냉각된 배기가스가 열교환튜브(20)로 유입됨으로써 열교환효율을 향상시킬 수 있게 된다.

다음으로 도 2에 도시된 수냉식 예냉수단(50)는 헤더탱크(40)에 장착되는 챔버(53)와, 이 챔버(53)와 하우징(10)의 유출구를 연결하는 바이패스관(55)을 포함하여 구성된다.

이 경우 공냉식 예냉수단(50)과 마찬가지로 헤더탱크(40)에는 소정길이의 연장부(43)가 형성되고, 이 연장부(43)에 챔버(53)가 장착된다.

따라서 엔진으로부터 배출된 고온의 배기가스는 헤더탱크(40)로 유입되기 전에 연장부(43)를 통과하게 되고, 이때 바이패스관(55)을 통하여 챔버(53) 내부로 유입된 냉각수와 배기가스는 열교환되어 1차 냉각되며, 이렇게 사전에 냉각된 배기가스가 열교환튜브(20)로 유입됨으로써 열교환효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한 바이패스관(55)은 하우징(10)의 유출구(13)에 연결된 유출파이프(2)로부터 분지된 분기관(13a)을 통하여 챔버(53)에 연결되어 유출구(13)를 통하여 배출되는 일부 냉각수만을 바이패스시키거나, 또는 하우징(10)의 유출구(13)와 직접 연결되어 유출구(13)를 통하여 배출되는 모든 냉각수를 바이패스시키는 것도 가능하다.

이 경우 챔버(53)에는 입구(53a)와 출구(53b)가 형성되고, 입구(53a)에는 바이패스관(55)이 연결되며, 출구(53b)로부터 배출된 냉각수는 라디에이터나, 엔진으로 회수된다.

나아가 수냉식 예냉수단(50)의 경우에는 챔버(53) 내부에서 냉각수 유로를 연장하기 위해 다수의 격벽(57)이 도입된다.

이 격벽(57)은 연장부(43)가 관통하도록 구성되어 상하방향으로 지그재그 형태로 배치되어 챔버(53) 내의 냉각수 유로를 연장함으로써 냉각효율을 배가시킬 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 예냉수단(50)은 EGR 쿨러로 유입되는 배기가스의 온도를 상당히 낮춰 냉각성능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, EGR 쿨러 자체의 열적 부하를 저감시켜 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

나아가 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 예냉수단(50)은 바이패스관(55)에 챔버로 유입되는 냉각수의 양을 조절할 수 있도록 조절부재가 구비될 수 있다.

또한 바이패스관(55)에는 유입되는 배기가스의 온도에 따라 상기 조절부재(55a)의 개폐 정도를 조절하기 위한 제어부(55b)가 구비되는 것이 바람직하다.

즉 예냉수단(50)은 유입되는 배기가스의 온도를 1차적으로 냉각하여 냉각효율을 높이고자 도입된 것이고, 따라서 유입되는 배기가스의 온도에 따라 바이패스관(55)을 통과하는 냉각수의 양을 조절부재(55a)에 의하여 조절하는 것이 바람직하다.

이는 엔진의 시동 시, 또는 주행 상태에 따라 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도가 다를 뿐만 아니라, 각 경우에 따라 엔진의 흡기 매니폴드로 유입되는 혼합 가스의 온도로 달라지기 때문이다.

따라서 쿨러로 유입되는 배기가스의 온도에 따라 제어부(55b)에 의하여 조절부재(55a)의 개폐정도를 제어하여 바이패스관(55)을 통과하는 냉각수의 양을 조절함으로써 열교환성능을 보다 효율적으로 관리할 수 있게 된다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 EGR 쿨러를 설명함에 있어 특정 형상 및 방향을 위주로 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 유입파이프 2 : 유출파이프
2a : 분기관
10 : 하우징
11 : 냉각수 유입구 13 : 냉각수 유출구
15 : 버링 17 : 곡선부
20 : 열교환튜브
21 : 돌기부 23 : 피막층
30 : 앤드플레이트
31 : 플레이트 33 : 삽입공
40 : 헤더탱크
41 : 확관부 43 : 연장부
50 : 예냉수단
51 : 냉각핀 53 : 챔버
53a : 입구 53b : 출구
55 : 바이패스관 57 : 격벽
60 : 베플플레이트
61 : 관통공 63 : 절개부

Claims (14)

1. 냉각수 유입구(11)와, 유출구(13)가 구비된 하우징(10);
   상기 하우징(10)에 내장되는 다수의 열교환튜브(20);
   상기 하우징(10)에 결합되어 상기 열교환튜브(20)를 고정시키는 앤드플레이트(30);
   상기 하우징(10)의 양단에 결합되고, 배기가스의 유입 및 배출을 위한 헤더탱크(40); 및
   상기 배기가스 유입측 헤더탱크(40)에 장착되는 예냉수단(50);을 포함하며,
   상기 예냉수단(50)은 상기 배기가스 유입측 헤더탱크(40)에 장착되는 챔버(53)와, 상기 하우징(10)의 유출구와 상기 챔버(53)를 연결하는 바이패스관(55)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 EGR 쿨러.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 예냉수단(50)의 챔버(53)에는 냉각수 유로를 연장하기 위한 복수의 격벽(57)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 EGR 쿨러.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 바이패스관(55)에는 상기 챔버(53)로 유입되는 냉각수의 양을 조절하기 위한 조절부재(55a)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 EGR 쿨러.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 바이패스관(55)에는 유입되는 배기가스의 온도에 따라 상기 조절부재(55a)의 개폐 정도를 조절하기 위한 제어부(55b)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 EGR 쿨러.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 배기가스 유입측 헤더탱크(40)에는 연장부(43)가 형성되고,
   상기 예냉수단(50)은 상기 연장부(43)에 구비되는 냉각핀(51)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 EGR 쿨러.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 배기가스 유입측 헤더탱크(40)는 배가기스의 유동방향을 따라 구경이 점층적으로 증대되는 벨마우스(bell mouth) 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 EGR 쿨러.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 열교환튜브(20)는 중심부에서 외곽으로 갈수록 조밀하게 배치되는 것을 특징으로 하는 EGR 쿨러.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 열교환튜브(20)의 내측면에는 나선형 돌기부(21)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 EGR 쿨러.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환튜브(20)의 내측면에는 배기가스 유출측에 피막층(23)이 형성되는 것을 특징으로 하는 EGR 쿨러.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징(10) 내부에는 상기 열교환튜브(20)가 관통 결합되고, 냉각수 유로를 연장하기 위한 다수의 베플플레이트(60)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 EGR 쿨러.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 베플플레이트(60)는 반달 유사 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 EGR 쿨러.
    
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 하우징(10)의 유입구(11) 또는 유출구(13), 또는 이들 모두에는 버링(15)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 EGR 쿨러.
    
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이패스관(55)은 상기 유출구(13)로부터 연장되거나, 또는 상기 유출구(13)로부터 분기되는 것을 특징으로 하는 EGR 쿨러.

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