KR101857045B1 - 이지알 쿨러용 가스튜브 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 이지알 쿨러용 가스튜브는, 일방향으로 연장되는 내부유로를 구비하는 튜브몸체와, 이지알쿨러의 엔드플레이트에 장착 가능한 형상으로 형성되어 상기 튜브몸체의 길이방향 양단에 구비되는 한 쌍의 결합부로 구성되되, 상기 튜브몸체가 두께방향으로 웨이브를 갖는 형상으로 형성된다. 본 발명에 의한 이지알 쿨러용 가스튜브는, 내부에 별도의 내부핀이 구비되지 아니하더라도 배기가스와 냉각수를 효과적으로 열교환시킬 수 있고, 조립이 용이하여 생산성이 높을 뿐만 아니라 제품 불량률이 매우 낮으며, 장기간 사용하더라도 각 부위별 분리현상이 발생되지 아니하므로 내구성이 높다는 장점이 있다.

Description

이지알 쿨러용 가스튜브 {Gas tube for EGR cooler}

본 발명은 배기가스 재순환시스템(EGR:Exhaust Gas Recirculation, 이하 '이지알' 이라 함)에 적용되는 가스튜브에 관한 것으로, 더 상세하게는 별도의 열전도핀을 장착시키지 아니하더라도 열전도효율이 극대화될 수 있는 가스튜브에 관한 것이다.

일반적으로 이지알(EGR: Exhaust Gas Recirculation)은 배기가스의 일부를 다시 흡기계로 재순환시켜 흡입공기 중의 CO2 농도를 증대시켜 연소실의 온도를 저하시키고 이에 의해 NOx를 저감시키는 시스템이다.

한편, NOx 발생 메커니즘을 구체적으로 살펴보면, 공기는 약 79%의 질소와 21%의 산소 및 기타 미량의 원소로 구성되어 있다. 상온에서 질소와 산소는 서로 반응을 일으키지 않지만 고온(약 1450℃ 이상)에서는 서로 반응을 하여 질소산화물(thermal NOx)이 된다. 특히 디젤엔진은 압축착화방식으로 연소를 일으키며 실린더의 재질 발달로 인해 압축비가 점점 더 높아져 연소실의 온도가 높아지고 있다. 연소실 온도의 상승은 열역학적 엔진 효율을 증대시키지만, 고온으로 인한 질소산화물이 다량 발생을 하고 있다. 이러한 질소산화물은 지구환경을 파괴하는 주요 유해물질로써, 산성비, 광학스모그, 호흡기 장애 등을 일으킨다.

이지알에 의한 NOx 저감 원리는 첫째 불활성가스(수증기, 이산화탄소 등) 재순환에 의해 연소실 최고온도를 낮추는 것이며, 둘째 희박연소에 의해 질소산화물 생성분위기를 방지하는 것이며, 세째 고비열 냉각 불활성 가스 투입으로 인한 점화진각 지연 및 연소실 국부 최고온도 및 압력을 낮추는 것이다. 한편, 디젤기관에서 이지알(EGR)에 의한 NOx 저감 메커니즘은 가솔린과는 달리 산소농도 저감이 근본적인 원인이라는 연구와 이에 반론하여 화염온도 감소가 원인이라는 연구가 보고되었다. 현재로서는 어느 것이 옳은지에 대한 결론은 제시되지 않은 상태이지만, 산소농도와 화염온도의 NOx 저감 기여도는 동일한 수준인 것으로 최근 보고되고 있다.

이지알 쿨러가 설치된 이지알은 디젤엔진의 배기규제가 엄격해지면서 연비와 PM의 증가없이 NOx를 저감시키는 방법으로 엔진의 냉각수를 이용한 냉각기(쿨러)를 설치함으로서 비교적 적은 투자로서 NOx저감에 큰 효과를 얻을 수 있는 장치이다.

이 경우에 이지알 쿨러는 700℃ 정도의 배기가스 온도를 150℃~200℃까지 냉각시켜야 하므로 내열성 재질이어야 하며, 자동차 내부에 설치되기 위해 콤팩트하게 설계되어야 하고, 적절한 EGR량을 공급하기 위해 압력강하가 최소화되어야 하며, 열교환 중 배기가스로부터 응축이 발생하며 연료의 황성분 때문에 응축수에 황산이 포함되어 부식을 일으키기 쉬우므로 방식성 재료이어야 하고, 배기가스의 맥동영향으로 기계적 부하가 작용하므로 일정의 기계적 강도가 있어야 하며, 배기가스의 입자상물질(PM) 등이 통로 내부를 막을 수 있어 파울링(fouling)에 대한 대책이 요구된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 이지알 쿨러에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래의 이지알 쿨러 사시도이고, 도 2는 종래의 이지알 쿨러에 포함되는 가스튜브패널의 사시도이다.

일반적으로 이지알 쿨러는, 배기가스가 흐르는 다수의 가스튜브(10)와, 상기 가스튜브를 둘러싸는 제1 하우징(22)과 제2 하우징(24)으로 구성되어 냉각수가 유출입되는 바디셀(20)과, 상기 다수 개의 가스튜브(10) 끝단을 바디셀(20)의 양단에 고정시키는 엔드플레이트(30)고 구성된다. 이와 같이 구성되는 이지알 쿨러는, 가스튜브(10) 내부를 흐르는 배기가스와 바디셀(20) 내부를 흐르는 냉각수 간의 열교환을 통해 상기 배기가스를 냉각시키도록 활용된다.

이때 배기가스와 냉각수 간의 열전달 효율을 증대시키기 위하여 가스튜브(10) 내측에는 물결패턴의 내부핀(12)이 인입되는데, 상기 내부핀(12)을 가스튜브(10) 내측에 접합시키기 위해서는 고가의 접합포일(14)이 필수적으로 사용되어야 하는바, 작업공정이 길어지고 제조비용이 증가되는 문제점이 있다.

또한, 장기간 이지알 쿨러를 사용하는 경우, 상기 내부핀(12) 중 배기가스의 압력에 의해 가스튜브(10)로부터 분리되는 부위가 발생될 수 있는데, 이와 같이 내부핀(12)의 전체 또는 일부가 가스튜브(10)와 이격되는 경우 상기 내부핀(12)과 가스튜브(10)가 부딪혀 소음이나 진동이 발생되고, 종국에는 가스튜브(10)나 내부핀(12)이 파손될 수 있다는 문제점 있다.

KR 10-0823654 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 가스튜브 내부에 별도의 내부핀을 장착시키지 아니하더라도 배기가스와 냉각수 간의 열교환이 효과적으로 이루어질 수 있고, 조립이 용이하여 제품 불량률을 낮출 수 있으며, 내구성이 향상된 이지알 쿨러용 가스튜브를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이지알 쿨러용 가스튜브는, 일방향으로 연장되는 내부유로를 구비하는 튜브몸체와, 이지알쿨러의 엔드플레이트에 장착 가능한 형상으로 형성되어 상기 튜브몸체의 길이방향 양단에 구비되는 한 쌍의 결합부로 구성되되, 상기 튜브몸체가 두께방향으로 웨이브를 갖는 형상으로 형성된다.

상기 튜브몸체의 두께방향 일면과 상기 튜브몸체의 두께방향 타면에는 각각 제1 인입라인과 제2 인입라인이 형성된다.

상기 제1 인입라인과 제2 인입라인은, 상기 튜브몸체의 폭방향으로 웨이브를 갖는 형상으로 형성된다.

상기 제1 인입라인과 제2 인입라인은, 깊이방향이 상호 어긋나도록 형성된다.

상기 제1 인입라인과 제2 인입라인의 인입깊이는, 상기 튜브몸체 두께의 1/2로 설정된다.

상기 튜브몸체는, 내부유로 단면적이 길이방향을 따르는 각 지점별로 동일하게 형성된다.

상기 결합부는, 이지알 쿨러에 포함되는 엔드판의 개구부에 끼워맞춤 방식으로 삽입될 수 있도록 사각관 형상으로 형성된다.

상기 튜브몸체는 상기 결합부보다 두께가 얇게 형성된다.

본 발명에 의한 이지알 쿨러용 가스튜브는, 내부에 별도의 내부핀이 구비되지 아니하더라도 배기가스와 냉각수를 효과적으로 열교환시킬 수 있고, 조립이 용이하여 생산성이 높을 뿐만 아니라 제품 불량률이 매우 낮으며, 장기간 사용하더라도 각 부위별 분리현상이 발생되지 아니하므로 내구성이 높다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 이지알 쿨러의 분해사시도이다.
도 2는 종래의 이지알 쿨러에 적용되는 가스튜브의 확대도이다.
도 3은 본 발명에 의한 이지알 쿨러용 가스튜브의 사시도이다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 A-A 선을 따라 절단된 가스튜브의 단면사시도 및 정면도이다.
도 6은 도 3에 도시된 B-B 선을 따라 절단된 가스튜브의 단면사시도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 가스튜브의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 이지알 쿨러용 가스튜브의 사시도이고, 도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 A-A 선을 따라 절단된 가스튜브의 단면사시도 및 정면도이다.

일반적으로 이지알 쿨러용 가스튜브는, 내측으로 배기가스가 흐르도록 구성되되 냉각수가 흐르는 바디셀 내에 장착됨으로써, 상기 배기가스와 냉각수 간의 열교환을 통해 배기가스가 일정 수준 냉각되도록 하기 위한 구성요소이다. 이때, 가스튜브 내부를 흐르는 고온의 배기가스의 열이 상기 가스튜브 내벽으로 효과적으로 전달될 수 있도록 상기 가스튜브 내측에는 별도의 내부핀이 설치되는데, 이와 같이 가스튜브와 내부핀을 각각 제작한 후 결합시키기 위해서는 브레이징 등과 같은 별도의 결합공정이 필수적으로 요구되는바, 제조공정이 복잡해지고 생산성이 저하되는 문제점이 있다. 또한 고온의 브레이징 공정을 거치는 동안 결합튜브나 내부핀이 변형되는 문제점도 발생될 수 있다.

본 발명에 의한 이지알 쿨러용 가스튜브는 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있도록 즉, 가스튜브 내측에 별도의 내부핀이 구비되지 아니하더라도 가스튜브의 열이 가스튜브 내벽을 향해 효과적으로 전달될 수 있도록, 웨이브를 갖는 형상으로 제작된다는 점에 구성상의 특징이 있다.

즉, 본 발명에 의한 이지알 쿨러용 가스튜브는, 배기가스 유동을 위한 내부유로가 내부에 마련되어 일방향으로 연장되는 튜브몸체(100)와, 이지알쿨러의 엔드플레이트에 장착 가능한 형상으로 형성되어 상기 튜브몸체(100)의 길이방향 양단에 구비되는 한 쌍의 결합부로 구성되되, 상기 튜브몸체(100)가 두께방향으로 웨이브를 갖는 형상으로 제작된다는 점에 첫 번째 특징이 있다.

이와 같이 배기가스가 내부를 흐르는 튜브몸체(100)가 웨이브를 갖는 형상으로 제작되면, 배기가가스와 튜브몸체(100) 내벽 간의 접촉시간 및 접촉면적이 증대되므로, 튜브몸체(100) 내부를 지나는 배기가스와 상기 튜브몸체(100) 외측면을 타고 흐르는 냉각수 간의 열교환량이 현저히 증가되고, 결과적으로 이지알 쿨러의 냉각효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있게 된다. 또한, 내부핀을 결합시키기 위한 접합포일을 사용할 필요가 없으므로, 제조원가가 절감되는 효과도 얻을 수 있게 된다.

이때, 한편, 튜브몸체(100)의 내부유로 단면적이 상기 튜브몸체(100)의 길이방향 별로 상이하게 설정되면 즉, 내부유로 단면적이 일정하게 유지되지 아니하고 커지거나 작아지는 구간이 발생되면, 튜브몸체(100)의 내부유로를 따라 흐르는 배기가스의 유속과 압력이 구간별로 달라지므로 배기가스가 원활하게 흐르지 못하는 현상이 발생될 우려가 있다. 따라서 상기 튜브몸체(100)는, 내부유로 단면적이 길이방향을 따르는 각 지점별로 동일한 크기로 형성됨이 바람직하다.

한편, 본 발명에 의한 이지알 쿨러용 가스튜브는, 길이방향 양단에 각각 형성되는 제1 결합부(210)와 제2 결합부(220)가 이지알 쿨러의 엔드판에 형성된 개구부에 끼워맞춤 방식으로 삽입될 수 있도록 사각관 형상으로 형성되어, 한 쌍의 엔드판 사이에 다수 개가 병렬로 배열될 수 있도록 구성된다. 이때, 상기 결합부(210, 220)와 튜브몸체(100)가 동일한 두께를 갖도록 제작되면, 이웃하는 두 개의 튜브몸체(100) 사이의 이격공간이 좁아지므로 두 개의 튜브몸체(100) 사이를 통과하는 냉각수의 양이 적어지게 되고, 이에 따라 배기가스가 충분히 냉각되지 못하는 현상이 발생될 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 이지알 쿨러용 가스튜브는, 이웃하는 두 개의 튜브몸체(100) 사이의 이격거리가 충분히 확보될 수 있도록, 상기 튜브몸체(100)는 상기 결합부보다 두께가 얇게 형성됨이 바람직하다.

한편, 상기 언급한 바와 같이 튜브몸체(100)가 웨이브를 갖는 형상으로 제작되면, 튜브몸체(100)의 내벽을 타고 흐르는 배기가스는 보다 효과적으로 냉각수와 열교환을 할 수 있지만, 튜브몸체(100)의 중심부를 따라 흐르는 배기가스(더 명확하게는 튜브몸체(100)의 내벽과 일정거리 이격된 유선을 따라 흐르는 배기가스)는 열교환 효율이 다소 낮아진다는 문제점이 있다.

본 발명에 의한 이지알 쿨러용 가스튜브는 이와 같은 문제점을 해결할 수 있도록 즉, 튜브몸체(100)의 내벽과 일정거리 이격된 유선을 따라 흐르는 배기가스의 열이 효과적으로 튜브몸체(100)의 내벽으로 전도될 수 있도록, 상기 튜브몸체(100)의 두께방향 일면(본 실시예에서는 상면)과 상기 튜브몸체(100)의 두께방향 타면(본 실시예에서는 저면)에 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)이 각각 형성된다는 점에 구성상의 가장 큰 특징이 있다.

이와 같이 튜브몸체(100)의 상면과 저면에 각각 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)이 형성되면, 상기 튜브몸체(100)의 중심부를 따라 흐르던 배기가스도 오목하게 인입된 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)에 접촉되는바, 가스튜브 외측면을 타고 흐르는 냉각수와 효과적으로 열교환을 이룰 수 있게 된다는 장점이 있다.

이때, 상기 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)의 인입깊이가 너무 얕으면 가스튜브 중심부를 따라 흐르는 배기가스의 열전달 효율이 떨어지고, 상기 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)의 인입깊이가 너무 깊으면 제1 인입라인(110) 끝단과 가스튜브 바닥면 간의 거리, 제2 인입라인(120) 끝단과 가스튜브 천정면 간의 거리가 좁아지는바, 배기가스가 원활하게 흐르지 못하는 경우가 발생될 수 있다. 따라서 상기 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)의 인입깊이는, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 튜브몸체(100) 두께의 1/2로 설정됨이 바람직하다.

또한, 종래의 가스튜브(10)와 같이 내부유로가 내부핀(12)에 의해 격리되는 경우, 상기 가스튜브(10)의 내부유로 중 폭방향 어느 일측으로는 비교적 많은 양의 배기가스가 유입되고 타측으로는 비교적 적은 양의 배기가스가 유입되어 열교환율이 각 부위별로 상이하게 구현되는 문제점이 발생할 수 있다.

그러나 본 발명에 의한 이지알 쿨러용 가스튜브는 내부유로가 일체로 연통되도록 형성되므로, 가스튜브의 폭방향 일측으로 배기가스가 집중 공급되더라도 상기 가스튜브의 폭방향 타측으로도 분산되어 가스튜브의 각 부위별 열교환율이 균일하게 구현될 수 있다는 장점이 있다.

이때, 상기 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)의 위치가 상호 대응되도록 설정되면 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)의 끝단이 접촉되므로, 상기 가스튜브의 폭방향 일측으로 공급된 배기가스가 가스튜브의 폭방향 타측으로 원활하게 전파되지 못할 수 있다. 따라서 상기 튜브몸체(100)에 형성되는 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)은 깊이방향이 상호 어긋나도록 배열됨이 바람직하다.

이와 같이 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)이 튜브몸체(100)의 폭방향을 따라 교번으로 배열되면 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)의 끝단이 상호 접촉될 우려가 없어지므로, 튜브몸체(100) 내부로 유입된 배기가스가 상기 튜브몸체(100)의 폭방향으로 원활하게 전파되고, 이에 따라 각 부위별 열교환율이 균일해 진다는 장점이 있다. 또한, 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)이 튜브몸체(100)의 폭방향을 따라 교번으로 배열되면 튜브몸체(100) 내부의 내부유로 높이가 모든 지점에서 균일하게 확보될 수 있으므로, 튜브몸체(100) 내부를 타고 흐르는 배기가스가 정상상태를 유지하면서 안정적으로 흐를 수 있게 된다는 장점이 있다.

도 6은 도 3에 도시된 B-B 선을 따라 절단된 가스튜브의 단면사시도이다.

한편, 상기 언급한 바와 같이 튜브몸체(100)가 두께방향으로 웨이브를 갖도록 형성되면, 상기 튜브몸체(100) 내부를 흐르는 배기가스가 상하방향으로만 웨이브를 그리도록 유동할 뿐 좌우방향으로는 웨이브를 그리도록 유동하지 아니하는바, 종래와 같이 가스튜브(10) 내에 내부핀(12)을 설치하는 경우에 비해 열교환효율이 다소 낮아질 수 있다. 본 발명에 의한 이지알 쿨러용 가스튜브는 배기가스의 열교환효율을 더욱 높일 수 있도록, 상기 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)이 튜브몸체(100)의 폭방향으로 웨이브를 갖는 형상으로 형성된다는 점에 또 다른 특징이 있다.

이와 같이 튜브몸체(100)가 상하방향으로 웨이브를 갖도록 형성되고 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)이 좌우방향으로 웨이브를 갖도록 형성되면, 튜브몸체(100)의 내부유로를 따라 흐르는 배기가스가 상하방향뿐만 아니라 좌우방향으로도 웨이브를 그리면서 유동하게 되는바, 배기가스의 열전달 효과가 더욱 높아지고, 이에 따라 이지알 쿨러의 냉각효율이 현저히 상승된다는 장점이 있다.

또한, 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)이 튜브몸체(100)의 폭방향으로 웨이브를 갖도록 형성되면, 별도의 웨이브핀을 설치하지 아니하더라도 배기가스가 좌우로 웨이브를 그리며 유동하게 되는바, 장기가 사용으로 인한 웨이브핀의 탈거 현상을 근본적으로 해결할 수 있다는 장점이 있다.

물론, 튜브몸체(100) 내부를 흐르는 배기가스가 상하방향으로만 웨이브를 그리면서 유동하더라도 배기가스의 열이 충분히 튜브몸체(100)의 벽면으로 전달될 수 있다면, 상기 제1 인입라인(110)과 제2 인입라인(120)은 좌우방향으로 웨이브를 그리지 아니하고 직선으로 형성될 수도 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100 : 튜브몸체 110 : 제1 인입라인
120 : 제2 인입라인 210 : 제1 결합부
220 : 제2 결합부

Claims (8)

1. 일방향으로 연장되는 내부유로를 구비하는 튜브몸체와, 이지알쿨러의 엔드플레이트에 장착 가능한 형상으로 형성되어 상기 튜브몸체의 길이방향 양단에 구비되는 한 쌍의 결합부로 구성되되,
   상기 튜브몸체가 두께방향으로 웨이브를 갖는 형상으로 형성되며,
   상기 튜브몸체의 두께방향 일면에는 상기 튜브몸체의 폭방향으로 웨이브를 갖는 제1 인입라인이 형성되고,
   상기 튜브몸체의 두께방향 타면에는 상기 튜브몸체의 폭방향으로 웨이브를 갖는 제2 인입라인이 형성되며,
   상기 제1 인입라인과 제2 인입라인은, 깊이방향이 상호 어긋나도록 형성되고,
   상기 튜브몸체는, 내부유로 단면적이 길이방향을 따르는 각 지점별로 동일한 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러용 가스튜브.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 인입라인과 제2 인입라인의 인입깊이는, 상기 튜브몸체 두께의 1/2인 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러용 가스튜브.
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 결합부는, 이지알 쿨러에 포함되는 엔드판의 개구부에 끼워맞춤 방식으로 삽입될 수 있도록 사각관 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러용 가스튜브.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 튜브몸체는 상기 결합부보다 두께가 얇은 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러용 가스튜브.
   

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