KR101776255B1 - 내부에 열교환 유로를 구비한 배기가스 저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기관에 설치되어 배기가스의 입자상 물질(PM)을 제거할 수 있는 배기가스 저감장치에 있어서, 일측에는 배기가스가 유입되는 배기가스 유입부가 형성되고, 타측에는 배기가스가 배출되는 배기가스 배출부가 형성된 하우징, 상기 하우징 내부에 위치하며, 입자상 물질을 포집할 수 있는 PM 필터 및 상기 하우징 내에 위치하며, 내부가 관통된 복수 개의 열교환 유로를 포함하고,
상기 열교환 유로 내부를 유동하는 유체와 하우징 내부로 유입된 배기가스 사이에는 열교환이 이루어지되, 상기 하우징 일측에 상기 하우징 내부의 온도를 감지하는 온도 감지부; 및 상기 열교환 유로로 유입되는 유량을 조절할 수 있는 유량 조절부를 더 포함하며, 상기 유량 조절부는 상기 온도 감지부에서 측정된 하우징 내부의 온도 정보와, 상기 PM 필터를 손상시킬 수 있는 하우징 내부 온도에 대한 기 마련된 정보를 기반으로, 상기 PM 필터의 손상을 방지할 수 있도록, 상기 열교환 유로 내부로 유입되는 유량을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치를 제공한다.
상기 배기가스 저감장치를 통해, 필터 재생 과정에서 필터의 급격한 온도 상승을 방지하여, PM 필터(ex, 코디어라이트(Cordierite)재질)가 파손되는 것을 방지할 수 있으며, 아울러, 필터 재생 과정에서 발생된 폐열을 활용하여 고온의 유체를 터빈으로 공급할 수 있어, 배기가스 저감장치를 에너지 재생 과정에 활용함으로써 에너지 효율 또한 높일 수 있다.

Description

내부에 열교환 유로를 구비한 배기가스 저감장치{A Diesel Particulate Filter having a heat exchanger inside}

본 발명은 배기가스 저감장치(Diesel Particulate Filter)에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 장치 내부에 열교환 유로를 구비하여 필터 재생 과정에서 필터의 급격한 온도 상승을 방지하여 필터 파손을 방지할 수 있는 배기가스 저감장치를 제공한다. 아울러, 본 발명은 재생과정에서 발생한 폐열(Waste heat)을 활용하여 터빈을 구동시켜 에너지 재생할 수 있는 시스템 및 에너지 재생 방법을 제공할 수 있다.

EURO5에서 EURO6로 넘어오면서, 자동차 배기가스 내에 포함된 오염물질에 대한 규제가 점차 엄격해지고 있으며, 디젤 차량에도 상기의 배기가스 내 오염물질에 대한 규제는 예외 없이 적용된다.

DPF는 디젤차량의 배기가스에 포함되어 있는 입자상 물질(PM)을 제거하는 필터로, 보다 구체적으로는 입자상 물질(PM)을 물리적으로 포집하고 연소시켜 제거하는 배기가스 후처리장치를 의미한다.

상기와 같은 DPF는 주로 코디어라이트(Cordierite)로 제조되는데, 코디어라이트(Cordierite)는 규산염 광물의 일종으로 가격이 싸다는 장점이 있으나, 열응력에 취약하여 급격한 온도 상승이 있는 경우에는 파손되기 쉽다는 단점이 있다.

DPF는 필터 내에 포집된 PM을 제거하여야 계속해서 사용할 수 있어, 필터 내부의 PM을 제거하는 재생 과정을 거쳐야 한다.

DPF의 재생과정은 PM에 고온을 가해 제거하는 과정으로, DPF가 필연적으로 고온의 배기가스와 마주하거나, 강제 재생에 의한 연소로 인하여 고온 조건(약 900 내지 1000°C)에 노출될 수밖에 없고, 열응력에 취약한 코디어라이트(Cordierite) 재질의 DPF는 파손될 가능성이 높다.

이에 따라, 열응력에 의해 DPF가 파손되어 PM이 필터 내에 포착되지 못하고, 대기 중으로 그대로 배출되는 문제가 종종 발생함에 따라,

현재는 DPF 내부 온도의 급격한 상승을 방지할 수 있는 해결방안에 대한 고찰이 계속하여 진행되고 있다.

국제공개특허공보(공개번호 : WO 2005-075800) "열교환 기능을 가진 반응기" 일본공개특허공보(공개번호 : 2000-189757) "촉매식 정화 디바이스"

본 발명은 종래 코디어라이트(Cordierite) 재질의 DPF 필터가 열응력에 취약하여, DPF 재생과정에서 파손될 위험성이 높다는 문제점을 해결하기 위한 발명이다.

특히, 본 발명은 내부에 장치 내부에 열교환 유로를 구비하여 필터 재생 과정에서 필터의 급격한 온도 상승을 방지함으로써 종래의 문제점을 해결할 수 있으며, 또한 재생 과정에서 발생되는 폐열을 활용하여 터빈을 구동시켜 에너지 효율까지 높일 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 배기관에 설치되어 배기가스의 입자상 물질(PM)을 제거할 수 있는 배기가스 저감장치에 있어서, 일측에는 배기가스가 유입되는 배기가스 유입부가 형성되고, 타측에는 배기가스가 배출되는 배기가스 배출부가 형성된 하우징, 상기 하우징 내부에 위치하며, 입자상 물질을 포집할 수 있는 PM 필터, 상기 하우징 내에 위치하며, 내부가 관통된 복수 개의 열교환 유로를 포함하고, 상기 열교환 유로 내부를 유동하는 유체와 하우징 내부로 유입된 배기가스 사이에는 열교환이 이뤄질 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치를 제공한다.

또한, 상기 하우징 일측에 상기 하우징 내부의 온도를 감지하는 온도 감지부 및 상기 열교환 유로로 유입되는 유량을 조절할 수 있는 유량 조절부를 더 포함하며,

상기 유량 조절부는 상기 온도 감지부에서 측정된 하우징 내부의 온도 정보와, 상기 PM 필터를 손상시킬 수 있는 하우징 내부 온도에 대한 기 마련된 정보를 기반으로, 상기 PM 필터의 손상을 방지할 수 있도록, 상기 열교환 유로 내부로 유입되는 유량을 조절할 수 있다.

본 발명의 일 실시예로 상기 복수 개의 열교환 유로는 상기 하우징의 내주면과 상기 PM 필터의 외주면 사이에 배치되며, 상기 열교환 유로는 유로 사이의 간격이 일정한 방사상 패턴으로 배치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 PM 필터의 단면에서 보아, 중심부에 열교환 유로가 추가로 구비될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로 상기 복수 개의 열교환 유로는 상기 PM 필터 내부를 관통하도록 배치될 수도 있다.

아울러, 상기 열교환 유로의 일측에서는 저온의 유체가 상기 열교환 유로 내부로 유입되고, 상기 저온의 유체는 하우징 내부의 고온의 배기가스와의 열교환을 통해 가열되며, 상기 가열된 유체는 상기 열교환 유로의 다른 일측 방향으로 유동하여 배기가스 저감장치 외부로 배출될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 PM필터에 포집된 입자상 물질을 연소시켜 배기가스 저감장치를 재생시킬 수 있는 연소부를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 배기가스 저감장치를 보일러(Boiler)로 활용하는 에너지 재생 시스템에 있어서,
일측에는 배기가스가 유입되는 배기가스 유입부가 형성되고, 타측에는 배기가스가 배출되는 배기가스 배출부가 형성된 하우징, 상기 하우징 내부에 위치하며, 입자상 물질을 포집할 수 있는 PM 필터, 상기 PM 필터 내부를 관통하며 배치되는 내부가 관통된 복수 개의 열교환 유로, 상기 하우징 일측에 상기 하우징 내부의 온도를 감지하는 온도 감지부 및 상기 온도 감지부에서 측정된 하우징 내부의 온도 정보와, 상기 PM 필터를 손상시킬 수 있는 하우징 내부 온도에 대한 기 마련된 정보를 기반으로, 상기 PM 필터의 손상을 방지할 수 있도록, 상기 열교환 유로 내부로 유입되는 유량을 조절할 수 있는 유량 조절부를 구비하여, 상기 열교환 유로 내부를 유동하는 유체를 가열할 수 있는 배기가스 저감장치;
상기 배기가스 저감장치로부터 가열된 유체가 유입되어, 상기 가열된 유체를 동력원으로 활용하는 터빈, 상기 터빈을 구동시킨 유체를 냉각시키는 콘덴서(Condenser), 상기 콘덴서에 의해 냉각된 유체를 가압하여 상기 배기가스 저감장치로 유체를 재공급하는 펌프, 상기 배기가스 저감장치와 상기 터빈 사이에는 제어밸브 및 상기 제어밸브의 개폐를 제어하여 상기 배기가스 저감장치에서 상기 터빈으로 향하는 유체의 유동량을 조절할 수 있는 제어부를 포함하여, 상기 배기가스 저감장치 내부를 냉각시켜 PM 필터의 손상을 방지하면서, 상기 배기가스 저감장치 재생 시 발생하는 열을 활용하여 에너지 재생할 수 있고, 상기 제어부는 상기 배기가스 저감장치 내에서 재생과정이 진행되지 않아 상기 배기가스 저감장치 내의 배기가스 온도가 높지 않은 경우에는 상기 제어밸브를 닫아 상기 터빈을 향하는 유체 공급을 차단함으로써, 에너지 재생 효율을 높일 수 있는 배기가스 저감장치를 이용하는 에너지 재생 시스템을 제공한다.

삭제

삭제

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본 발명은 또 다른 실시예로 열교환 유로를 포함하는 배기가스 저감장치, 터빈, 콘덴서, 펌프, 제어밸브 등으로 구성된 시스템을 활용하여 에너지를 재생하는 방법에 있어서,

(a) 배기가스 저감장치의 PM 필터 내에 흡착된 입자상 물질(PM)을 제거하고, 배기가스 저감장치 내부에서 발생하는 열교환을 통해 열교환 유로 내부를 유동하는 유체의 온도를 상승시키는 배기가스 저감장치 재생단계, (b) 상기 배기가스 저감장치 재생단계를 거쳐 고온이 된 유체를 이용하여 터빈을 구동시켜 동력을 발생시키는 에너지 생성단계, (c) 상기 터빈을 구동시킨 고온의 유체를 콘덴서를 통해 냉각하는 냉각단계 및 (d) 펌프를 통해 상기 냉각단계에서 냉각된 유체를 가압하여, 배기가스 저감장치로 재공급하는 유체공급단계를 포함하는 배기가스 저감장치를 이용하는 에너지 재생 방법을 제공한다.

특히, 상기 (d) 유체공급단계는 유체가 배기가스 저감장치의 열교환 유로 내부로 재공급함으로써, 상기 (a) 배기가스 저감장치 재생단계, (b) 에너지 생성단계, (c) 냉각단계 및 (d) 유체공급단계가 반복하여 수행될 수 있다.

아울러, 본 발명의 배기가스 저감장치를 이용하는 에너지 재생 방법은 (e) 제어밸브의 개폐를 제어하여 배기가스 저감장치에서 터빈으로 유동하는 유량을 조절할 수 있는 유량 제어단계를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 (e) 유랑 제어단계는 상기 (a) 배기가스 저감장치 재생단계가 진행되지 않는 경우에는, 제어밸브를 닫아 터빈으로 유체가 공급되지 않도록 제어할 수 있다.

본 발명은 내부에 열교환 유로가 구비된 배기가스 저감장치를 제공함으로써, PM 필터 재생 과정에서 상기 유로를 흐르는 유체와 배기가스 저감장치 내부의 고온의 배기가스 사이에 열 교환이 이루어지도록 하여, 필터의 급격한 온도 상승을 방지할 수 있고, 결과적으로 DPF필터(ex, 코디어라이트(Cordierite)재질)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.

아울러, 필터 재생 과정에서 발생된 폐열을 활용하여 고온의 유체를 터빈으로 공급함으로써, 배기가스 저감장치가 에너지 재생 사이클의 보일러 역할을 수행하도록 할 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 배기가스 저감장치는 에너지 재생 과정에도 활용될 수 있어, 에너지 효율을 높일 수 있다.

도 1은 일반적인 배기가스 저감장치에 대한 사시도이다.
도 2는 배기가스 저감장치의 재생과정을 나타낸 도면으로, 특히 도 2 (a)는 자연재생과정을, 도 2 (b)는 버너를 통한 강제재생과정을, 마지막으로 도 2 (c)는 전기히터를 통한 강제재생과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부에 열교환 유로가 구비된 배기가스 저감장치에 관한 도면이다.
도 4는 도 3의 배기가스 저감장치를 A-A 선으로 절단한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부에 열교환 유로가 구비된 배기가스 저감장치에 관한 도면이다.
도 6은 도 5의 배기가스 저감장치를 B-B 선으로 절단한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 배기가스 저감장치를 이용하는 에너지 재생 시스템에 관한 회로도이다.
도 8은 본 발명의 배기가스 저감장치를 이용하는 에너지 재생 방법의 플로우 차트(Flow chart)이다.
도 9는 본 발명의 유량 제어단계에 관한 흐름도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서 전체에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치한다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본 출원에서, “포함하다.” 또는 “가지다.” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 기술적 특징에 대한 설명에 앞서, 도 1 및 도 2를 참조하여 배기가스 저감장치의 일반적인 특징에 대하여 살펴본다. 이 때, 도 1은 일반적인 배기가스 저감장치에 대한 사시도이며, 도 2는 배기가스 저감장치의 재생과정을 나타낸 도면으로, 특히 도 2 (a)는 자연재생과정을, 도 2 (b)는 버너를 통한 강제재생과정을, 마지막으로 도 2 (c)는 전기히터를 통한 강제재생과정을 나타낸 도면이다.

배기가스 저감장치(DPF)는 디젤차량의 배기가스에 포함되어 있는 입자상 물질(PM)을 제거하는 필터로, 보다 상세하게는 입자상 물질(PM)을 물리적으로 포집한 후, 상기 입자상 물질을 연소시켜 재생하는 과정을 거치는 배기가스 후처리장치이다.

이때, 배기가스 저감장치 내에서 입자상 물질(PM)을 포집하는 구성요소는 PM 필터이며, 상기 PM 필터는 일반적으로 코디어라이트(Cordierite) 기반의 세라믹으로 제작된다.

PM 필터의 구성에 대하여 자세하게 설명하면, 일반적으로 규산염 광물인 코디어라이트 기반의 세라믹을 펠릿의 모재로서 사용하고, 그 표면에 팔라듐과 백금을 혼합한 촉매를 부착시켜 표면적을 크게 할 수 있도록 제작한다.

상기와 같은 PM 필터 내부에 입자상 물질(PM)가 일정 수준 이상 포집되면, 필터의 재사용을 위해 도 2와 같은 배기가스 저감장치(DPF) 재생 과정을 거쳐야 한다.

배기가스 저감장치 재생과정은 크게 도 2 (a)와 같은 자연재생과 도 2 (b) 및 (c)와 같은 강제재생으로 나눌 수 있는데, 재생과정의 원리는 배기가스 저감장치 내부의 온도를 높여 입자상 물질(PM)을 연소시키는 것으로 동일하다. 이 때, 자연재생과 강제재생과정은 주지 기술이므로, 각 재생과정의 구체적인 설명은 생략한다.

배기가스 저감장치의 재생과정이 진행되면, 배기가스 저감장치 내부는 PM 필터 내부의 입자상 물질(PM)을 태우는 점화온도인 약 600°C 를 넘어 최대 약 900 내지 1000°C까지 온도가 급격하게 상승하게 되는데, PM 필터의 주재료인 코디어라이트는 물성이 좋지 않아 열응력에 취약한 단점이 있다. 따라서, PM 필터의 재생과정에서는 고온 조건에 노출될 수 밖에 없어 파손의 위험성이 높다.

이와 같이 PM 필터가 파손되면, 배기가스 내에서 입자상 물질이 걸러지지 않고 그대로 대기 중으로 배출되므로 문제가 되는데,

배기가스 저감장치가 계속 사용되기 위해서는 재생과정을 불가피하게 거쳐야 하므로, 재생과정 중 PM 필터의 손상을 최소화할 수 있는 방안이 요구된다.

이에 따라, 본 발명은 배기관에 설치되어 배기가스의 입자상 물질(PM)을 제거할 수 있는 배기가스 저감장치(100)에 있어서, 도 3과 같이 일측에는 배기가스가 유입되는 배기가스 유입부(111)가 형성되고, 타측에는 배기가스가 배출되는 배기가스 배출부(113)가 형성된 하우징(110), 상기 하우징 내부에 위치하며, 입자상 물질을 포집할 수 있는 PM 필터(120) 및 상기 하우징 내에 위치하며, 내부가 관통된 복수 개의 열교환 유로(130)를 포함하는 배기가스 저감장치를 제공함으로써, 종래 배기가스 저감장치가 갖는 문제점을 해결하고자 한다.

본 발명의 배기가스 저감장치(100)는 상기 열교환 유로(130) 내부를 유동하는 유체와 상기 하우징(110) 내부로 유입되어 재생 과정을 거쳐 고온으로 가열된 배기가스 간에 열교환이 이뤄질 수 있도록 한다.

상기 양 유체 사이의 열교환에 의해, 상기 열교환 유로(130) 내부를 유동하는 유체의 온도는 상승하는 반면, 상기 하우징(110) 내부의 온도는 하강하게 된다. 즉, 배기가스 저감장치(100) 내부에 열교환 유로(130)를 배치함으로써, 배기가스 저감장치(100) 내부의 급격한 온도상승을 방지할 수 있고 이는 상기 PM 필터(120)의 파손 위험성 감소로 이어진다.

여기서 사용되는 상기 열교환 유로(130) 또한 열교환 과정에서 약 600 내지 1000°C 가량의 고온 조건에 노출되므로, 열응력에 의하여 파손되지 않도록 열에 대한 내구성이 강한 재료로 제작되어야 한다.

따라서, 상기 열교환 유로(130)은 철, 구리, 알루미늄 등과 같은 내열성이 좋은 금속 재료인 것이 바람직하다. 다만, 상기 예시에 한정되는 것은 아니며, 열교환 효율이 높으면서 내열성이 좋은 금속이라면 어떠한 금속이라도 무관하다.

또한, 본 발명의 배기가스 저감장치(100)는 상기 하우징(110) 일측에 상기 하우징(110) 내부의 온도를 측정할 수 있는 온도 감지부(150)와 상기 열교환 유로(130)로 유입되는 유량을 조절할 수 있는 유량 조절부(160)를 더 포함한다.

온도 감지부(150)는 하우징 내부의 온도를 측정하는 구성으로서, 바람직하게는 PM 필터의 전단에 하우징 내부로 인입되는 배기가스의 온도를 위치하는 것이 좋다. 하우징 내부의 온도를 측정함으로써 배기가스의 온도를 추정할 수 있는 것이다.

상기 유량 조절부(160)는 상기 온도 감지부(150)에서 측정된 하우징 내부의 온도 정보와, 기 마련된 상기 PM 필터(120)를 손상시킬 수 있는 정도의 하우징 내부의 온도정보를 기반으로, 상기 PM 필터(120)의 손상을 방지할 수 있도록 상기 열교환 유로(130) 내부로 유입되는 유량을 조절할 수 있다. 예컨대 여기서의 유량 조절부(160)는 배기가스 저감장치를 이용하는 에너지 재생 시스템에 관한 도면 7에 도시된 것처럼 펌프(400)에서 토출되는 유체의 유량을 조절하는 역할을 할 수 있다. 보다 구체적으로는 배기가스 저감장치로 유체가 흘러가도록 형성된 유로 상에 플랩밸브(또는 버터플라이 밸브) 또는 포펫밸브와 같은 밸브가 설치되었을 때, 외부에서 제공하는 신호(ex, 온도 측정 결과, 온도 데이터 등)에 따라 이를 제어하는 수단을 의미할 수 있다.

상기 유량 조절 과정에 대하여 구체적으로 살펴보면, 상기 유량 조절부는 상기 온도 감지부(150)의 온도 측정 결과와, 실험을 통해 구축해놓은 PM 필터(120)가 파손되는 온도 데이터를 비교하여, 상기 하우징(110) 내부의 온도가 기 마련된 배기가스 저감장치(100) 내부의 PM 필터(120)를 손상시킬 수 있는 온도보다 높은 경우에 상기 열교환 유로(130) 내부로 유체가 공급될 수 있도록 제어한다.

상기와 같이 열교환 유로(130) 내부로 유체가 공급되면, 상기 하우징(110) 내부의 고온의 배기가스와 열교환 과정을 거쳐, 하우징(110)의 내부의 온도가 PM 필터(120)를 손상시킬 수 있는 온도보다 떨어지게 된다.

결과적으로, 본 발명은 상기 온도 감지부(150)와 유량 조절부(160)를 구비함으로써, 배기가스 온도, 즉 하우징(110) 내부의 온도 상황을 고려하여 열교환이 필요한 경우에만 유체가 공급되도록 조절할 수 있어 상기 PM 필터(120)의 재생 효율을 유지하면서도, PM 필터(120)의 손상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 PM 필터(120)의 전단에 위치하고, 상기 PM필터(120)에 포집된 입자상 물질을 연소시켜 배기가스 저감장치의 온도를 상승시킬 수 있는 연소부(140);를 더 포함할 수 있다.

실시예에 따라 배기가스 저감장치(100)의 재생에 필요한 에너지(PM 입자를 태우는데 필요한 에너지)는 상기 연소부(140)를 통해 제공하거나, 엔진 내부에서 연소가 완료되고 생성된 배기가스를 배기하는 과정에서 연료를 추가 분사함으로써 마련할 수 있다.

다음으로, 도 3 내지 도 6을 살펴 본 발명의 배기가스 저감장치(100) 내에 열교환 유로(130)가 배치되는 위치에 대하여 살펴본다.

먼저, 도 3 및 도 4를 참고하여 본 발명의 열교환 유로(130) 배치의 일 실시예를 살펴본다. 이 때, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부에 열교환 유로가 구비된 배기가스 저감장치에 관한 도면이고, 도 4는 도 3의 배기가스 저감장치를 A-A 선으로 절단한 단면도이다.

도 3 및 도 4와 같이, 본 발명의 상기 복수 개의 열교환 유로(130)는 상기 하우징(110)의 내주면과 상기 PM 필터(120)의 외주면 사이에 배치될 수 있다.

특히, 도 4와 같이 각각의 열교환 유로(130)는 유로 사이의 간격이 일정한 방사상 패턴으로 배치될 수 있다. 열교환 유로(130) 사이의 간격이 일정한 간격만큼 떨어지도록 배치됨에 따라, 상기 하우징(110) 내부의 고온의 배기가스와의 열교환이 효율적으로 이뤄질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 열교환 유로(130) 사이의 간격이 다르게 배치될 수도 있다.

이와 같이, 열교환 유로(130)가 상기 하우징(110)의 내주면과 상기 PM 필터(120)의 외주면 사이에 배치됨에 따라, PM 필터(120)와 열교환 유로(130) 사이의 간섭이 없어, 상기 PM 필터(120) 고장 시에 교체가 용이하다.

또한, 열교환 효율을 높이기 위하여, 상기 PM 필터(120)의 단면(A-A)에서 보아, 상기 배기가스 저감장치(100)의 중심부에 열교환 유로(130)가 추가로 구비될 수도 있다.

다음으로, 도 5 및 도 6을 참고하여 본 발명의 열교환 유로(130) 배치의 또 다른 실시예를 살펴본다. 이 때, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부에 열교환 유로가 구비된 배기가스 저감장치에 관한 도면이며, 도 6은 도 5의 배기가스 저감장치를 B-B 선으로 절단한 단면도이다.

또 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 열교환 유로(130)는 상기 PM 필터(120)의 내부를 관통하도록 배치될 수 있다. 이때, 열교환 효율을 높이기 위하여 상기 PM 필터(120) 내부에 배치되는 상기 복수 개의 열교환 유로(130)는 도 6과 같이 일정한 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하다. 다만, 도면과 같이 일정한 간격을 두고 배치된 형태에 한정되는 것은 아니며 실시예에 따라 배치를 달리할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 열교환 유로(130)는 상기 PM 필터(120)와 가장 인접한 위치에 배치되게 된다. 이에 따라, 상기 열교환 유로(130) 내부를 흐르는 유체와 재생 과정을 거친 상기 하우징(110) 내부의 고온의 배기가스와 온도차가 커, 상기 양 유체간의 열교환이 더욱 활발하게 일어날 수 있다.

상기 두 가지 실시예와 같이 상기 열교환 유로(130)를 배기가스 저감장치(100) 내부에 배치됨으로써, 상기 열교환 유로의 일측(131)을 통해 저온의 유체가 상기 열교환 유로(130) 내부로 유입되고,

상기 유입된 저온의 유체는 상기 하우징(110) 내부의 고온의 배기가스와의 열교환을 통해 가열되어 고온이 되며, 반대로 상기 하우징(110) 내부의 온도는 하강한다.

이 때, 상기 가열된 유체는 상기 열교환 유로의 다른 일측(133) 방향으로 유동함으로써 배기가스 저감장치(100) 외부로 배출되는데, 본 발명은 재생 과정에서 상기 하우징(110) 내부의 고온의 배기가스와의 열교환을 통해 가열된 고온의 유체를 에너지 재생에도 활용할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다.

도 7은 본 발명의 배기가스 저감장치를 이용하는 에너지 재생 시스템에 관한 회로도인데, 상기 도 7을 참조하여 본 발명의 에너지 재생 시스템에 대해 구체적으로 살펴본다.

본 발명의 배기가스 저감장치(100)를 보일러(Boiler)로 활용하는 에너지 재생 시스템은 내부에 열교환 유로(130)를 포함하여, 상기 열교환 유로(130) 내부를 유동하는 유체와 배기가스 저감장치 하우징(110) 내부로 유입된 배기가스 사이의 열교환을 통해, 상기 열교환 유로(130) 내부를 유동하는 유체를 가열할 수 있는 배기가스 저감장치(100)와

상기 배기가스 저감장치(100)로부터 가열된 유체가 유입되어, 상기 가열된 유체를 동력원으로 활용하는 터빈(200), 상기 터빈(200)을 구동시킨 유체를 냉각시키는 콘덴서(Condenser, 300) 및 상기 콘덴서에 의해 냉각된 유체를 가압하여 상기 배기가스 저감장치(100) 방향으로 유체를 재공급할 수 있는 펌프(500)를 포함한다.

상기 배기가스 저감장치(100) 내부에서 일어나는 열교환 원리는 앞서 언급한 실시예와 같으며, 본 발명은 상기 구성을 가진 배기가스 저감장치를 이용하는 에너지 재생 시스템을 제공함으로써, 배기가스 저감장치(100) 재생 시 발생하는 폐열을 에너지 재생에 활용할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 배기가스 저감장치(100) 재생 시 발생하는 폐열을 에너지 재생에 활용할 수도 있지만, 상기 배기가스 저감장치(100) 재생 전에 발생하는 폐열을 에너지 재생에 활용할 수도 있다. 구체적으로, 앞서 배기가스 저감장치(100)에 대한 실시예에서도 언급하였던 것처럼, 본 발명의 배기가스 저감장치(100) 내 PM 입자를 태우기 위한 에너지는 배기가스 저감장치 전단에 별도의 연소부(전기히팅을 포함할 수 있음, 140)를 구비하고 이를 통해 수급하거나 혹은 엔진의 연소완료 이후 배기가스를 배기하는 과정에서 추가 연료를 추가 분사하는 방식을 통해 수급할 수 있다. 별도의 연소부(140)를 사용하는 경우는 연소부(140)가 배기가스 저감장치 전단에 위치하는 특성상 열교환 유로(130)를 구비하지 않고도 하우징 내 온도의 조절이 용이하지만, 엔진의 연소완료 이후 배기가스를 배기하는 과정에서 연료를 추가 분사하는 방식을 통해서는 하우징 내 온도의 조절이 용이하지 않다. 그러므로 본 발명의 열교환 유로(130)를 통하여 하우징 내 온도의 조절(폐열을 추출하여 추가 연료 분사에 의한 에너지를 흡수함)하는 기술적 특징은 엔진에 연료를 추가 분사하는 경우에서 보다 큰 의미를 가진다.

한편, 상기 배기가스 저감장치(100) 및 상기 터빈(200) 사이의 유로에는 제어밸브(500)가 설치될 수 있고, 본 발명의 에너지 재생 시스템은 상기 제어밸브(500)의 개폐를 제어할 수 있는 제어부(600)를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부(600)는 상기 제어밸브(500)뿐만 아니라, 배기가스 저감장치(100), 터빈(200), 콘덴서(300), 펌프(400) 등 에너지 재생 시스템을 구성하는 모든 구성 요소를 제어함으로써, 에너지 재생 시스템 구동을 총괄하는 역할을 한다.

특히, 상기 제어부(600)는 상기 제어밸브(500)의 개폐를 제어하여, 상기 배기가스 저감장치(100)에서 상기 터빈(200)으로 향하는 유체의 유동량을 조절할 수 있다. 다시 말해, 상기 제어부(600) 상황에 따라 유동량을 제어함으로써, 상기 터빈(200)에서 발생되는 에너지를 효율적으로 조절할 수 있다.

또한, 상기 제어부(600)는 상기 배기가스 저감장치(100) 내에서 재생과정이 진행되지 않는 경우에는, 상기 제어밸브(500)를 닫아 상기 터빈(200)으로 유체가 공급되지 않도록 한다.

상기 배기가스 저감장치(100)의 재생과정이 진행되지 않는 경우에는, 상기 배기가스 저감장치(100) 내의 온도가 높지 않아 열교환 효율이 낮아진다. 이에 따라, 열교환 유로(130) 내부를 유동하는 유체를 가열할 수 없게 되어, 상기 터빈(200)으로 고온의 유체를 공급할 수 없어 상기 제어밸브(500)를 닫아 유체 공급을 차단하는 것이다.

상기 제어밸브(500)는 상기 제어부(600)에 의하여 제어되기 쉬운 솔레노이드 밸브인 것이 바람직하다. 다만, 솔레노이드 밸브에 한정되는 것은 아니며, 상기 제어부(600)에 의하여 개폐가 용이할 수 있다면 전자 비례 제어밸브와 같은 다른 밸브를 사용하더라도 무관하다.

마지막으로, 본 발명은 또 다른 실시예로 열교환 유로를 포함하는 배기가스 저감장치(100), 터빈(200), 콘덴서(300), 펌프(400), 제어밸브(500) 등으로 구성된 시스템을 활용하여 에너지를 재생하는 방법을 제공한다.

도 8 및 도 9를 참조하여 구체적으로 살펴보면, 본 발명은 (a) 배기가스 저감장치의 PM 필터 내에 흡착된 입자상 물질(PM)을 제거하고, 배기가스 저감장치 내부에서 발생하는 열교환을 통해 열교환 유로 내부를 유동하는 유체의 온도를 상승시키는 배기가스 저감장치 재생단계(S210), (b) 상기 배기가스 저감장치 재생단계를 거쳐 고온이 된 유체를 이용하여 터빈을 구동시켜 동력을 발생시키는 에너지 생성단계(S220), (c) 상기 터빈을 구동시킨 고온의 유체를 콘덴서를 통해 냉각하는 냉각단계(S230) 및 (d) 펌프를 통해 상기 냉각단계에서 냉각된 유체를 가압하여, 배기가스 저감장치로 재공급하는 유체공급단계(S240)를 포함하는 배기가스 저감장치를 이용하는 에너지 재생 방법을 제공하며, 상기 단계들의 구체적인 진행 과정은 앞서 언급한 내용과 동일하다.

이 때, 상기 (d) 유체공급단계를 거쳐 저온의 유체가 배기가스 저감장치 내부의 열교환 유로로 재공급됨에 따라, 상기 (a) 배기가스 저감장치 재생단계, (b) 에너지 생성단계, (c) 냉각단계 및 (d) 유체공급단계가 반복하여 재수행될 수 있다.

아울러, 아울러, 본 발명의 배기가스 저감장치를 이용하는 에너지 재생 방법은 (e) 제어밸브의 개폐를 제어하여 배기가스 저감장치에서 터빈으로 유동하는 유량을 조절할 수 있는 유량 제어단계(S250)를 더 포함할 수 있다.

상기 (e) 유량 제어단계(S250)에서는 상황에 따라, 터빈으로 유입되는 유량을 조절할 수 있을 뿐만 아니라,

상기 (a) 배기가스 저감장치 재생단계(S210)가 진행되지 않는 경우, 제어밸브를 닫아 터빈으로 유체가 공급되지 않도록 제어하며, 유체 공급을 차단하는 이유는 앞서 언급한 바와 같다. 또한, 상기 (e) 유량 제어단계(S250)는 제어밸브의 개폐를 제어부가 조절함으로써 수행될 수 있다.

정리하면, 본 발명은 내부에 열교환 유로가 구비된 배기가스 저감장치를 제공함으로써, 필터의 급격한 온도 상승을 방지할 수 있고, 결과적으로 코디어라이트(Cordierite) 재질의 PM 필터가 파손되는 것을 방지할 수 있다.

아울러, 필터 재생 과정에서 발생된 폐열을 활용하여 고온의 유체를 터빈으로 공급함으로써, 배기가스 저감장치가 에너지 재생 사이클의 보일러 역할을 수행하도록 할 수 있고, 결과적으로 본 발명의 배기가스 저감장치는 에너지 재생 과정에도 활용될 수 있어, 종래의 배기가스 저감장치에 비하여 에너지 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

또한, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 배기가스 저감장치
110 : 하우징
120 : PM 필터
130 : 열교환 유로
140 : 연소부
150 : 온도 감지부
160 : 유량 조절부
200 : 터빈
300 : 콘덴서
400 : 펌프
500 : 제어밸브
600 : 제어부

Claims (5)

1. 배기가스 저감장치를 보일러(Boiler)로 활용하는 에너지 재생 시스템에 있어서,
   일측에는 배기가스가 유입되는 배기가스 유입부가 형성되고, 타측에는 배기가스가 배출되는 배기가스 배출부가 형성된 하우징;
   상기 하우징 내부에 위치하며, 입자상 물질을 포집할 수 있는 PM 필터;
   상기 PM 필터 내부를 관통하며 배치되는 내부가 관통된 복수 개의 열교환 유로;
   상기 하우징 일측에 상기 하우징 내부의 온도를 감지하는 온도 감지부; 및
   상기 온도 감지부에서 측정된 하우징 내부의 온도 정보와, 상기 PM 필터를 손상시킬 수 있는 하우징 내부 온도에 대한 기 마련된 정보를 기반으로, 상기 PM 필터의 손상을 방지할 수 있도록, 상기 열교환 유로 내부로 유입되는 유량을 조절할 수 있는 유량 조절부를 구비하여, 상기 열교환 유로 내부를 유동하는 유체를 가열할 수 있는 배기가스 저감장치;
   상기 배기가스 저감장치로부터 가열된 유체가 유입되어, 상기 가열된 유체를 동력원으로 활용하는 터빈;
   상기 터빈을 구동시킨 유체를 냉각시키는 콘덴서(Condenser);
   상기 콘덴서에 의해 냉각된 유체를 가압하여 상기 배기가스 저감장치로 유체를 재공급하는 펌프;
   상기 배기가스 저감장치와 상기 터빈 사이에는 제어밸브; 및
   상기 제어밸브의 개폐를 제어하여 상기 배기가스 저감장치에서 상기 터빈으로 향하는 유체의 유동량을 조절할 수 있는 제어부를 포함하여,
   상기 배기가스 저감장치 내부를 냉각시켜 PM 필터의 손상을 방지하면서, 상기 배기가스 저감장치 재생 시 발생하는 열을 활용하여 에너지 재생할 수 있고,
   상기 제어부는 상기 배기가스 저감장치 내에서 재생과정이 진행되지 않아 상기 배기가스 저감장치 내의 배기가스 온도가 높지 않은 경우에는 상기 제어밸브를 닫아 상기 터빈을 향하는 유체 공급을 차단함으로써, 에너지 재생 효율을 높일 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 저감장치를 이용하는 에너지 재생 시스템.
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