KR101675406B1 - 배기가스 재순환 장치 쿨러 - Google Patents

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Abstract

개시된 본 발명의 배기가스 재순환 장치 쿨러는 외부 일측면과 타측면에 제1열전모듈(150)과 제2열전모듈(152)이 각각 부착되고, 내부 일측면에 제1방열핀(170)이 부착되고, 제1방열핀(170)에 이격 공간을 두고 내부 타측면에 제2방열핀(172)이 부착되고, 내부에 배기가스가 흐르는 배기가스관(140); 냉각수를 매개로 제1열전모듈(150) 및 제2열전모듈(152)과 각각 열교환하는 제1냉각플레이트(110) 및 제2냉각플레이트(120); 제1방열핀(170)과 제2방열핀(172)에 접촉되도록 이격 공간에 삽입되며 제1냉각플레이트(110)와 제2냉각플레이트(120)로부터 상기 배기가스와 열교환하는 냉각수가 유입되는 제3냉각플레이트(130);를 포함한다.
본 발명에 따르면, 배기가스의 열을 회수한 열전모듈을 제1 및 제2냉각플레이트가 냉각시키고, 열전모듈이 회수하지 못한 배기열을 제3냉각플레이트로 회수할 수 있으므로 배기가스 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

배기가스 재순환 장치 쿨러{EGR COOLER}
본 발명은 쿨러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 배기가스 재순환장치를 냉각시키는 열전발전 소자를 장착한 EGR 쿨러에 관한 것이다.
일반적으로 배기가스 재순환 장치(EGR; Exhaust Gas Recirculation)는 엔진으로부터 연소 후 배출되는 배기가스의 유해성분을 저감하기 위한 장치이다. 배기가스 재순환장치는 엔진의 가동 시 배기계통을 통해 배출되는 미연소된 배기가스 일부를 다시 흡기계통으로 보내 연소실내 연소온도를 낮춤으로써 배기가스에 포함된 질소산화물의 배출량을 감소시킨다.
이 경우, 엔진의 흡기계통으로 재공급되는 가스는 고온이기 때문에 배기가스 재순환 장치 쿨러를 통해 냉각된 다음 흡기계통으로 공급됨으로써 연소실내에서 흡기의 충진율이 향상된다.
한편 차량은 연소된 화학 에너지의 기계 에너지로의 변화율은 약 30%에 불과하며, 나머지 에너지는 열 형태로 라디에이터, 엔진본체, 배기가스를 통하여 외부로 배출된다. 차량의 버려지는 폐열을 이용하는 경우 온도가 가장 높은 열원이 바람직하므로 엔진의 배기가스를 이용하는 것이 좋다.
차량에 사용되는 전력을 공급하기 위한 교류발전기는 효율이 낮을 뿐 아니라, 차량의 소요 전력이 증가하면 축 동력을 증가시켜야 하기 때문에 연료소모 및 공해물질 배출의 문제가 있다. 열전모듈은 엔진의 배기가스를 열원부로하고 냉각수를 냉각부로 하여 양단에 발생되는 전위차를 이용하여 엔진의 배기열을 회수하여 차량의 에너지 사용 효율을 증가시킬 수 있다.
종래 배기가스 재순환 장치를 구비한 내연기관에 있어서 내연기관의 배기열을 회수하는 장치는 일본 공개특허 제2006-22670호에 개시된 바 있다.
도 1은 종래 배기가스 재순환 장치를 구비한 배기열 회수장치를 도시한다.
도 1을 참조하면, 종래 배기열 회수 장치는 배기관(12)과 흡기관(14) 사이에 내연기관(10)의 배기가스 일부가 흡기관(14)으로 재유입되도록 하는 환류관(16)이 설치괴며, 환류관(16)에는 EGR 쿨러(20)가 설치된다.
EGR 쿨러(20)는 EGR 냉각과 전기 생성을 위하여 냉각수 유입관(30)과 냉각수 배출관(32)에 연결된 냉각블록(22), 환류관(16)과 열교환하는 열교환블록(24), 열교환블록(24)에 고온단부가 접촉되고 냉각블록(22)에 저온단부가 접촉되어 양단부의 온도차를 전기로 변환하는 열전모듈(30)을 구비한다.
상기의 구성으로 종래 배기가스 재순환 장치를 구비한 배기열 회수장치는 EGR 냉각기능과 발전기능을 수행할 수 있다. 그러나 종래 배기가스 재순환 장치를 구비한 배기열 회수장치는 EGR 냉각기능과 발전기능의 트레이드오프(trade off) 상관관계에 따른 열교환블록, 냉각블록 및 열전모듈의 효과적인 결합구조를 제시하고 있지 못하다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 열전모듈과 열교환한 냉각수를 이용하여 다시 배기가스와 열교환한 배기가스의 폐열을 열전모듈로 전달하는 배기가스 재순환 장치 쿨러를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배기가스 재순환 장치 쿨러는 외부 일측면과 타측면에 제1열전모듈과 제2열전모듈이 각각 부착되고, 내부 일측면에 제1방열핀이 부착되고, 상기 제1방열핀에 이격 공간을 두고 내부 타측면에 제2방열핀이 부착되고, 내부에 배기가스가 흐르는 배기가스관; 냉각수를 매개로 상기 제1열전모듈 및 제2열전모듈과 각각 열교환하는 제1냉각플레이트 및 제2냉각플레이트; 상기 제1방열핀과 제2방열핀에 접촉되도록 상기 이격 공간에 삽입되며 상기 제1냉각플레이트와 제2냉각플레이트로부터 상기 배기가스와 열교환하는 냉각수가 유입되는 제3냉각플레이트;를 포함한다.
상기 제1냉각플레이트, 제1열전모듈, 배기가스관, 제2열전모듈, 제2냉각플레이트는 적층되어 복수의 결합볼트와 결합너트로 결합되며, 상기 결합볼트는 평면부를 포함하고, 상기 평면부는 상기 배기가스관 측면에 브레이징되는 것이 바람직하다.
상기 결합볼트와 결합너트의 결합에 열응력 흡수수단이 사용될 수 있다.
상기 제1냉각플레이트, 제2냉각플레이트 및 제3냉각플레이트 중 적어도 하나의 냉각플레이트 내부에 유도격벽이 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 배기가스 재순환 장치 쿨러는, 배기가스의 열을 회수한 열전모듈을 제1 및 제2냉각플레이트가 냉각시키고, 열전모듈이 회수하지 못한 배기열을 제3냉각플레이트로 회수할 수 있으므로 배기가스 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 배기가스 재순환 장치 쿨러는, 등간격으로 배치되는 제1열전모듈과 제2열전모듈의 단위유닛과 동일한 간격으로 결합볼트가 열응력 흡수수단과 함께 설치되므로, 결합력이 분산되어 결합력에 의한 열전모듈의 파괴를 방지할 수 있고, 열응력 반복작용에 의한 열전모듈 파괴를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 배기가스 재순환 장치를 구비한 배기열 회수장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 재순환 장치 쿨러의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 배기가스 재순환 장치 쿨러의 I-I' 지시선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 배기가스 재순환 장치 쿨러의 II-II' 지시선에 따른 단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 배기가스 재순환 장치 쿨러의 III-III' 지시선에 따른 단면도이다.
도 6은 도 2에 도시된 배기가스 재순환 장치 쿨러의 IV-IV' 지시선에 따른 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 재순환 장치 쿨러의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 재순환 장치 쿨러(100)는, 제1냉각수입구(112)와 제1냉각수출구(114)가 형성된 사각의 제1냉각플레이트(110)가 상부에 위치되며, 제2냉각수입구(122)와 제2냉각수출구(124)가 형성된 사각의 제2냉각플레이트(120)가 하부에 위치되고, 제1냉각플레이트(110)와 제2냉각플레이트(120)사이에 사각의 배기가스관(140)이 위치되어, 일정간격으로 배치된 복수의 결합볼트(160)와 결합너트(162)로 결합된다.
배기가스관(140) 상면과 제1냉각플레이트(110) 사이에는 제1열전모듈(150)이 배기가스관(140) 상면과 제1냉각플레이트(110)에 접촉되어 위치되고, 배기가스관(140) 하면과 제2냉각플레이트(120) 사이에는 제2열전모듈(152)이 배기가스관(140) 하면과 제2냉각플레이트(120)에 접촉되어 위치된다.
배기가스관(140) 일단에는 배기가스입구(192)가 형성된 어댑터(190)가 설치되고 내부에는 제3냉각수입구(132)와 제3냉각수출구(134)가 형성된 제3냉각플레이트(미도시)가 위치된다. 제1냉각플레이트(110)의 제1냉각수출구(114), 제2냉각플레이트(120)의 제2냉각수출구(124) 및 제3냉각수입구(132)는 연결관(180)으로 서로 연결된다.
본 실시예에서, 제1냉각플레이트(110)와 제2냉각플레이트(120)는 냉각수를 이용하여 각각 제1열전모듈(150)과 제2열전모듈(152)을 냉각시키는 냉각플레이트이며, 제3냉각플레이트(130)는 냉각수를 이용하여 배기가스를 냉각시키는 냉각플레이트이다.
도 3은 도 2에 도시된 배기가스 재순환 장치 쿨러의 I-I' 지시선에 따른 단면도이다.
도 3을 참조하면, 배기가스관(140) 내부 상면에는 제1방열핀(170)이 브레이징(Brazing)되고, 배기가스관(140) 내부 하면에는 제2방열핀(172)이 브레이징된다. 제1방열핀(170)과 제2방열핀(172) 사이는 서로 이격되어 일정한 공간이 형성되며, 형성된 공간에는 제3냉각플레이트(130)가 제1방열핀(170)과 제2방열핀(172)에 접촉되도록 삽입된다.
결합볼트(160)의 중앙에는 평면부(166)가 형성된다. 결합볼트(160)의 평면부(166)는 배기가스관(140) 측면에 접촉되어 브레이징된다. 배기가스관(140) 외부 상면에는 제1열전모듈(150)이 부착되며, 배기가스관(140) 외부 하면에는 제2열전모듈(152)이 부착되고, 제1열전모듈(150)에는 제1냉각플레이트(110)가, 제2열전모듈(152)에는 제2냉각플레이트(120)가 장착된다. 배기가스관(140)에 브레이징된 결합볼트(160)의 양단부에는 결합너트(162)가 결합된다. 결합볼트(160)와 결합너트(162)의 결합에는 와셔 또는 스프링 등 열응력 흡수수단(164)이 사용될 수 있다.
제1열전모듈(150)과 제2열전모듈(152)은 양단에 온도차가 발생하면 전기를 발생시키는데 이 때 발생되는 열응력에 의하여 팽창될 수 있다. 제1방열핀(170), 제2방열핀(172), 및 열응력 흡수수단(164)은 제1열전모듈(150)과 제2열전모듈(152)의 열응력에 의한 팽창을 흡수하여 제1열전모듈(150)과 제2열전모듈(152)의 파괴를 방지할 수 있다.
한편 결합볼트(160)는 등간격으로 배치되는 제1열전모듈(150)과 제2열전모듈(152)의 단위유닛과 동일한 간격으로 설치되는 것이 바람직하다. 이는 체결된 복수의 결합볼트(160)에 의해 결합력이 분산되어 결합력에 의한 열전모듈의 파괴를 방지할 수 있도록 한다.
다음으로 도 4 내지 도 6을 참조하여, 제1냉각플레이트(110), 제2냉각플레이트(120), 및 제3냉각플레이트(130)를 통한 냉각수의 흐름을 설명한다.
도 4는 도 2에 도시된 배기가스 재순환 장치 쿨러의 II-II' 지시선에 따른 단면도이다.
도 4를 참조하면, 제1냉각플레이트(110) 내부 측벽에는 냉각수의 흐름을 유도하는 복수의 유도격벽(116)이 형성된다. 유도격벽(116)은 제1냉각플레이트(110)의 내부 일측벽과 내부 타측벽에 교대로 형성되어 지그재그 형태의 냉각수 유로를 형성한다. 따라서, 제1냉각수입구(112)로 유입된 냉각수는 제1냉각플레이트(110) 내부에서 복수의 유도격벽(116)을 따라 지그재그 형태로 흐르면서 제1열전모듈(150)을 냉각시킨 후, 연결관(180)에 연결된 제1냉각수출구(114)를 통해 배출될 수 있다.
본 실시예에서 유도격벽(116)은 제1냉각플레이트(110)의 내부 일측벽과 내부 타측벽에 교대로 형성된 경우를 예시하였지만 유도격벽(116)은 이에 한정되지 아니하며, 냉각수와 제1열전모듈(150)의 효과적인 열교환을 위한 다양한 구성을 가질 수 있다.
제2냉각플레이트(도1의 120)는 제1냉각플레이트(110)와 동일한 구성을 가지며, 제1냉각플레이트(110)의 구성으로부터 당업자가 용이하게 실시할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
도 5는 도 2에 도시된 배기가스 재순환 장치 쿨러의 III-III' 지시선에 따른 단면도이다.
도 5를 참조하면, 제3냉각플레이트(130) 내부에는 냉각수의 흐름을 유도하는 유도격벽(136)이 형성된다. 유도격벽(136)은 제3냉각수입구(132)와 제3냉각수출구(134) 사이의 내부 측벽에서 연장되어 제3냉각플레이트(110) 내부에 U자 형태의 냉각수 유로를 형성한다. 따라서, 연결관(180)에 연결된 제3냉각수입구(112)로 유입된 냉각수는 제3냉각플레이트(110) 내부에서 유도격벽(136)을 따라 U자 형태로 흐르면서 배기가스를 냉각시킨 후, 제3냉각수출구(134)를 통해 배출될 수 있다.
본 실시예에서 유도격벽(136)은 제3냉각수입구(132)와 제3냉각수출구(134) 사이의 내부 측벽에서 연장된 하나의 유도격벽을 예시하여 설명하였지만, 유도격벽(136)은 이에 한정되지 아니하며, 배기가스관(140) 내부의 배기가스와 효과적인 열교환을 위한 다양한 구성, 예를들면, 제3냉각플레이트(130) 내부 측벽과 유도격벽(136) 사이에 하나 이상의 유도격벽이 추가될 수 있다. 또한 본 실시예의 제3냉각플레이트(130)는 딤플이 형성된 적측형 플레이트일 수도 있다.
미설명 부호 190은 어댑터이고, 192는 배기가스입구이다. 배기가스입구로유입된 배기가스는 제3냉각플레이트(130)의 외부 상하에 위치된 제1방열핀(170)과 제2방열핀(172) 사이로 흐르면서 제3냉각플레이트(130)의 냉각수와 열교환하며 냉각될 수 있다. 제3냉각플레이트(130)에 의해 회수된 배기가스의 폐열은 제1방열핀(170) 또는 제2방열핀(172)를 통하여 제1열전모듈(150) 또는 제2열전모듈(152)로 전달될 수 있다.
도 6은 도 2에 도시된 배기가스 재순환 장치 쿨러의 IV-IV' 지시선에 따른 단면도이다.
도 6을 참조하면, 제1냉각플레이트(110)의 제1냉각수출구(114), 제2냉각플레이트(120)의 제2냉각수출구(124) 및 제3냉각수입구(132)는 연결관(180)으로 서로 연결된다.
따라서, 제1냉각플레이트(110)의 제1냉각수출구(114)와 제2냉각플레이트(120)의 제2냉각수출구(124)에서 배출되는 냉각수는 연결관(180)을 따라 제3냉각수입구(132)로 유입될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 재순환 장치 쿨러는, 배기가스의 열을 회수한 열전모듈을 제1 및 제2냉각플레이트가 냉각시키고, 열전모듈이 회수하지 못한 배기열을 다시 제3냉각플레이트로 회수하여 방열핀을 통해 열전모듈로 전달함으로써, 배기가스를 효과적으로 냉각시키면서 열전모듈의 발전량을 확보할 수 있는 배기가스의 폐열 회수가 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
110: 제1냉각플레이트 120: 제2냉각플레이트
130: 제3냉각플레이트 140: 배기가스관
150: 제1열전모듈 152: 제2열전모듈
160: 결합볼트 162: 결합너트
170: 제1방열핀 172: 제2방열핀
180: 연결관 190: 어댑터

Claims (4)

  1. 외부 일측면과 타측면에 제1열전모듈(150)과 제2열전모듈(152)이 각각 부착되고, 내부 일측면에 제1방열핀(170)이 부착되고, 상기 제1방열핀(170)에 이격 공간을 두고 내부 타측면에 제2방열핀(172)이 부착되고, 내부에 배기가스가 흐르는 배기가스관(140);
    냉각수를 매개로 상기 제1열전모듈(150) 및 제2열전모듈(152)과 각각 열교환하는 제1냉각플레이트(110) 및 제2냉각플레이트(120);
    상기 제1방열핀(170)과 제2방열핀(172)에 접촉되도록 상기 이격 공간에 삽입되며 상기 제1냉각플레이트(110)와 제2냉각플레이트(120)로부터 상기 배기가스와 열교환하는 냉각수가 유입되는 제3냉각플레이트(130); 및
    상기 제1냉각플레이트(110)의 제1냉각수출구(114)와 상기 제2냉각플레이트(120)의 제2냉각수출구(124)를 상기 제3냉각플레이트(130)의 제3냉각수입구(132)와 연결하며, 상기 제1냉각수출구(114)와 제2냉각수출구(124)에서 배출된 냉각수를 상기 제3냉각수입구(132)로 유입시키는 연결관(180)을 포함함으로써,
    상기 제1열전모듈(150) 및 상기 제2열전모듈(152)이 회수하지 못한 상기 배기가스의 열을 상기 제3냉각플레이트로 회수하여 상기 제1방열핀(170) 및 상기 제2방열핀(172)을 통해 상기 제1열전모듈(150) 및 상기 제2열전모듈(152)로 전달하는 것을 특징으로 하는, 배기가스 재순환 장치 쿨러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1냉각플레이트(110), 제1열전모듈(150), 배기가스관(140), 제2열전모듈(152), 제2냉각플레이트(120)는 적층되어 복수의 결합볼트(160)와 결합너트(162)로 결합되며, 상기 결합볼트(160)는 평면부(166)를 포함하고, 상기 평면부(166)는 상기 배기가스관(140) 측면에 브레이징된 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치 쿨러.
  3. 제2항에 있어서, 상기 결합볼트(160)와 결합너트(162)의 결합에 열응력 흡수수단(164)이 사용되는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치 쿨러.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1냉각플레이트(110), 제2냉각플레이트(120) 및 제3냉각플레이트(130) 중 적어도 하나의 냉각플레이트 내부에 유도격벽(116,136)이 형성된 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 장치 쿨러.
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