KR101867579B1 - 배기열회수장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기가스의 배기열로 냉각수를 가열하는 배기열회수장치에 관한 것으로써, 전방으로부터 벨로우즈관, 촉매컨버터, 보조소음기가 순차적으로 연결된 배기장치에서 상기 벨로우즈관 내에 배기열회수장치가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 배기열회수장치는, 벨로우즈관의 일부분에 구성되며 내부에 공간이 형성된 하우징; 상기 하우징 내부로 배기가스를 유입시키며 끝단에 타공홀이 형성된 입구관; 상기 하우징 외부로 배기가스를 배출시키며 끝단에 타공홀이 형성된 출구관; 상기 입구관과 출구관 사이에 끼워져 하우징 내부를 제1공간부와 제2공간부로 구획하며 배기가스가 유동가능한 유동간극이 형성된 냉각수유동관; 상기 입구관의 타공홀을 개폐시키는 밸브조립체;를 포함하고, 상기 밸브조립체의 개폐 여부에 따라, 입구관으로 유입된 배기가스는 제1공간부를 통해 출구관으로 직접 배출되거나, 또는, 입구관으로 유입된 배기가스가 입구관의 타공홀을 통해 제2공간부로 배출된 후 유동간극과 출구관의 타공홀을 지나도록 우회하여 출구관으로 배출되는 것을 특징으로 한다.

Description

배기열회수장치{Recovery apparatus for exhausting heat}

본 발명은 배기가스를 이용해 냉각수를 가열시키는 차량용 배기열회수장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 배기열회수장치를 종래 구조보다 전방이동시켜 열교환 효율을 증대시킬 수 있고 설치면적 및 중량을 감소시킬 수 있는 배기열회수장치에 관한 것이다.

배기열회수장치는 차량 시동 시 버려지는 배기가스 열을 이용해 냉각수를 가열하여 엔진 웜업(warm up) 및 난방에 활용하여 연비를 향상시키는 장치이다.

통상적인 종래의 배기열회수장치는 엔진에서 생성된 배기가스가 유동하는 배기장치에 배기가스가 통과 가능한 열교환기(2)가 추가적으로 부설되되, 엔진과 라디에이터를 순환하는 냉각수가 라인들(도 1 에서 파란색 화살표가 표시된 부분)을 통해 상기 열교환기(2)를 통과하도록 구성된다. 그리고, 냉각수의 온도를 감지하기 위한 센서 및 밸브를 조작하기 위한 액추에이터 등이 추가적으로 장착되는 구조를 갖는다.

상기와 같은 구성에서 저온의 냉각수는 배기가스와 열교환기(2) 내에서 열교환이 이뤄져 신속하게 가열되되, 상기 냉각수가 일정온도 이상으로 가열되면 밸브의 개폐가 조절되어 배기가스는 열교환기를 거치지 않고 바이패스(bypass)되어 차량외부로 배출되는 구조를 갖는다.

하지만, 종래의 구조에서는 하기와 같은 문제점이 있었다. 첫째로, 충분한 열교환 성능을 위해 열교환기의 부피가 커지게되고. 또한 차체 하부의 언더플로어 내 탑재될 수 있도록 배기파이프의 벤딩(Bending)이 요구되므로 중량 및 패키지 공간이 증대되는 문제가 있었다.

그리고, 둘째로, 배기가스가 밸브에 의해 막혀 U자 형태로 흐를 경우 배압이 증가하는 문제가 있어으며, 밸브가 열릴때는 열교환기(2)의 출구를 막아야 하므로 언더플로어 아래에 부가적인 부품이 추가되어야 했다.

한편, 종래의 배기장치에서는 엔진의 배기 매니폴드(exhaust manifold)와 배기관을 연결하기 위해 벨로우즈관(5)이 촉매컨버터(4) 전방에 위치하는 구조를 갖는다. 즉, 종래에는 도 1 에 도시된 바와 같이, 엔진 후방으로, 벨로우즈관(5, 촉매컨버터(4), 열교환기(2), 보조소음기(1)가 순차적으로 배치되는 구조를 가졌다.

상기 벨로우즈관(5)은 진동을 절연시킬 수 있도록 (메쉬 및/또는 브레이드로 구성된) 외통(9) 내부에 주름관(8)과 내부관(7)이 배치되는 구조를 갖는다. 상기 주름관(8)은 다수 개의 주름이 형성된 모양으로써 수축 및 팽창을 흡수하며, 내부관(7)은 주름관(8)의 변위 흡수를 흡수하고 배기가스의 열로부터 주름관(8)을 보호한다. 그리고, 외통(9)은 주름관(8)의 변위를 억제하고 충격을 완화시키며 형상을 유지시킨다.

한편, 종래의 구조에서는 열교환기(2)가 너무 후방에 위치하여 히트코어(3)와 열교환기(2)를 연결하는 라인들이 길어지고, 냉각수가 유동하는 동안 다시 열손실이 발생할 수 있는 문제가 있었다.

또한, 배기열회수장치는 겨울철에만 제한적으로 사용되는 장치인 반면에 배기장치에서 차지하는 중량이나 체적이 커서 가급적 부피를 최소화하거나 타 부품과 기능을 병합할 필요가 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 구조의 문제점을 해소할 수 있도록 벨로우즈관과의 병합을 통해 냉각수 라인의 길이를 축소시켜 열손실을 최소화하고 배기장치의 레이아웃 구조를 단순화시켜 생산원가 및 중량을 절감할 수 있는 배기열회수장치를 제공하는 것에 주목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배기가스의 배기열로 냉각수를 가열하는 배기열회수장치에 있어서, 상기 배기열회수장치는 전방으로부터 벨로우즈관, 촉매컨버터(및 보조소음기)가 순차적으로 연결된 배기장치에서 상기 벨로우즈관 내에 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 배기열회수장치는, 벨로우즈관의 일부분에 구성되며 내부에 공간이 형성된 하우징; 상기 하우징 내부로 배기가스를 유입시키며 끝단에 타공홀이 형성된 입구관; 상기 하우징 외부로 배기가스를 배출시키며 끝단에 타공홀이 형성된 출구관; 상기 입구관과 출구관 사이에 끼워져 하우징 내부를 제1공간부와 제2공간부로 구획하며 배기가스가 유동가능한 유동간극이 형성된 냉각수유동관; 상기 입구관의 타공홀을 개폐시키는 밸브조립체;를 포함하고, 상기 밸브조립체의 개폐 여부에 따라, 입구관으로 유입된 배기가스는 제1공간부를 통해 출구관으로 직접 배출되거나, 또는, 입구관으로 유입된 배기가스가 입구관의 타공홀을 통해 제2공간부로 배출된 후 유동간극과 출구관의 타공홀을 지나도록 우회하여 출구관으로 배출되는 것을 특징으로 한다.

상기 벨로우즈관 내부의 내부관은 소정의 길이만큼 단절되어 일측은 입구관을 형성하고 타측은 출구관을 형성하며, 단절된 부분에는 냉각수유동관이 위치하도록 구성된다.

본 발명의 실시예에서, 상기 밸브조립체는, 링 모양을 가지며 입구관의 입구에 끼워져 고정되는 링캡; 일단이 링캡에서 지지되는 스프링; 상기 스프링의 타단에 연결된 게이트; 상기 스프링의 탄성력을 극복하고 게이트를 가압하여 입구관의 출구를 폐쇄시키거나 개방시키는 푸셔;를 포함한다.

상기 푸셔는 캠레버의 끝단에 결합되어 상기 캠레버의 회전에 따라 회동하여 게이트를 가압한다. 상기 캠레버는 온도변화에 따라 내장된 왁스의 체적이 팽창 또는 축소하여 작동하는 왁스액추에이터에 의해 회전된다.

아울러, 상기 게이트는 원판형의 원판부와 상기 원판부의 둘레를 따라 일측면으로 돌출되도록 형성된 리브를 포함하며, 상기 원판부에는 미세홀이 타공되고 상기 게이트가 푸셔에 의해 닫힌 위치로 이동하면 상기 리브는 입구관의 타공홀을 폐쇄하고 미세홀을 통해 배기가스가 제1공간부로 유동한다.

냉각수유동관은 직경의 크기가 다른 다수 개의 개별관들이 서로 간에 사이에서 유동간극이 형성되도록 결합되어 구성된다. 열교환 면적이 증대될 수 있도록 상기 개별관들은 표면에 다수 개의 핀들이 열을 이뤄 배치되는 것이 바람직하다.

상기 개별관들은 단면이 'C' 자 모양을 이루되 크기가 작은 개별관이 크기가 더 큰 개별관 내에 끼워지도록 결합된다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 배기열회수장치가 벨로우즈 내에 내장되어 종래의 구조보다 열교환이 엔진과 가까운 쪽에서 이뤄지므로 열교환 효율을 증대시킬 수 있으며, 생산원가와 중량 및 설치공간을 대폭 축소시킬 수 있다.

본 발명의 냉각수유동관은 다수 개의 개별관들로 구성되며 상기 개별관들 표면에는 다수 개의 핀들이 배치되어 열교환면적을 증대시켜 열교환효율을 향상시킬 수 있다.

도 1 은 종래의 구조에서 열교환기가 장착된 위치와 벨로우즈의 단면모습이 도시된 도면,
도 2 는 종래의 벨로우즈가 장착되는 위치에 본 발명의 배기열회수장치가 장착되는 모습을 나타낸 도면,
도 3 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배기열회수장치가 나타난 도면,
도 4 는 도 3 의 배기열회수장치의 내부 모습을 투시하여 도시한 도면,
도 5 는 냉각수유동관이 장착된 부분을 확대하여 도시한 도면,
도 6 은 냉각수유동관의 측면 모습 및 표면을 확대한 모습이 나타난 도면,
도 7 은 밸브조립체를 확대하여 도시한 도면,
도 8 은 저온의 냉각수와 배기가스의 열교환이 이뤄질 때의 모습이 나타난 도면,
도 9 는 고온의 냉각수와 배기가스의 열교환이 이뤄지지 않을 때의 모습이 나타난 도면.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명은 배기가스의 배기열로 냉각수를 가열하는 배기열회수장치에 관한 것으로써, 상기 배기열회수장치는 전방으로부터 벨로우즈관, 촉매컨버터, 보조소음기가 순차적으로 연결된 배기장치에서 상기 벨로우즈관 내에 내장되어 도 2 와 같이 종래의 벨로우즈관이 위치하던 곳에 대신하여 설치된다.

본 발명의 배기열회수장치(100)는 하우징(10), 입구관(20), 출구관(30), 냉각수유동관(40) 및 밸브조립체(50)를 포함하여 구성되되, 도 3 과 4 에 도시된 바와 같이 상기 벨로우즈관 내부의 내부관이 소정의 길이만큼 단절되어 일측은 입구관을 형성하고 타측은 출구관을 형성하며, 단절된 부분에는 냉각수유동관이 위치하도록 구성된다.

그리고, 상기 하우징(10)은 벨로우즈관의 외통 일부분(도 3 에 도시된 바와 같이 중앙부분)에 구성되며 내부에 소정의 공간이 형성된다. 상기 입구관(20)은 하우징(10) 내부로 배기가스를 유입시키며 끝단에 타공홀(21)이 형성되며, 상기 출구관(30)은 하우징(10) 외부로 배기가스를 배출시키며 끝단에 타공홀(31)이 형성된다. 이때, 입구관(20)의 타공홀(21)과 출구관(30)의 타공홀(31)은 서로를 향하는 쪽(즉, 냉각수유동관이 장착되는 쪽) 끝단에 형성된다.

상기 냉각수유동관(40)은 입구관(20)과 출구관(30) 사이에 끼워져 하우징(10) 내부를 제1공간부(60)와 제2공간부(70)로 구획한다. 그리고, 냉각수유동관(40)이 제2공간부(70)에 위치하는 부분에는 배기가스가 유동가능한 유동간극(도 6 참조)이 형성된다. 또한, 냉각수유동관(40)이 제1공간부(60)에 위치하는 부분에는 상기 입구관(20)의 타공홀(21)를 개폐시키는 밸브조립체(50)가 도 5 에 도시된 바와 같이 설치된다.

본 발명의 실시예에 따른 냉각수유동관(40)은 도 6 에 도시된 바와 같이 직경의 크기가 다른 다수 개의 개별관들이 서로 간에 사이에서 유동간극이 형성되도록 결합되어 구성된다. 각 개별관들은 단면이 'C' 자 모양을 이루되 크기가 작은 개별관이 크기가 더 큰 개별관 내에 끼워지도록 결합되며, 냉각수가 유입되는 입구측과 배출되는 출구측 각각에서 합류하도록 구성된다.

즉, 각 개별관들을 통해 냉각수는 유동하고 개별관들 사이의 유동간극을 통해 배기가스가 유동하여 열교환이 이뤄지되, 본 발명에서는 열교환 면적이 증대될 수 있도록 상기 개별관들은 표면에 다수 개의 핀들이 열을 이뤄 배치된 구조를 표면 전체에서 또는 부분적으로 가질 수 있다.

아울러, 도 7 에 도시된 바와 같이 상기 밸브조립체(50)는 링캡(51), 스프링(52), 푸셔(55)를 포함하여 구성된다. 상기 링캡(51)은 링 모양으로 형성되며 입구관(20)의 입구에 끼워져 고정되고, 상기 스프링(52)은 (도 4 에 보다 상세히 도시된 바와 같이) 코일스프링으로써 일단이 링캡(51)에 결합되어 지지된다. 그리고, 스프링(52)의 타단에는 게이트(53)가 연결된다. 상기 게이트(53)는 원판형의 원판부(53a)와 상기 원판부(53a)의 둘레를 따라 일측면으로 돌출되도록 형성된 리브(53b)를 포함하며, 상기 원판부(53a)에는 미세홀(54)이 타공된다. 상기 리브(53b)는 이동됐을 때 입구관(20)의 타공홀(21)을 폐쇄할 수 있을 정도의 크기를 갖는다.

상기 푸셔(55)는 스프링(52)의 탄성력을 극복하고 게이트(53)를 가압하여 입구관(20)의 타공홀(21)을 폐쇄시키거나 개방시킨다. 상기 푸셔(55)는 온도변화에 따라 내장된 왁스의 체적변화에 의해 작동하는 왁스액추에이터(WAX ACTUATOR) 또는 외부로부터 전원을 인가받아 작동하는 전자식 액추에이터 등에 의해 회전하는 캠레버(56)의 끝단에 결합되어 상기 캠레버(56)의 회전에 따라 회동하여 게이트(53)를 가압한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 배기열회수장치는 충분한 냉각수 온도가 확보되지 않아서 왁스가 팽창하기 전에 캠레버(56)에 회전력이 전달되지 못하는 상태에 있을 때는 도 8 에 도시된 바와 같이, 푸셔(55)는 수직으로 세워진 상태에 있으므로 게이트(53)를 가압하지 못하게 된다.

이에 따라 입구관(20)의 타공홀(21)은 개방된 상태가 되며 배기가스는 제2공간부(70)로 유입되고, 유동간극을 통해 냉각수유동관을 지나 출구관(30)의 타공홀(31)을 통해 출구관(30)으로 배출된다. 이때, 배기가스가 냉각수유동관을 지나는 동안 배기가스와 냉각수의 열교환이 이뤄져 저온의 냉각수는 고온으로 가열된 상태로 배출된다. 이때, 배기가스의 일부분은 미세홀(54)을 통해 제1공간부(60)로 유입되나, 미세홀(54)의 갯수 보다 입구관(20)의 타공홀(21)의 갯수가 더 많고 미세홀(54)의 일부분은 수직으로 세워진 푸셔(55)에 의해 가로막힌 상태이므로 미세홀(54)을 통해 유동하는 배기가스의 유동량 보다 도 8 에서 빨간색 화살표의 경로로 유동하는 배기가스의 유동량이 훨씬 더 많다(즉, 제2공간부로 우회하는 배기가스의 유동량 대비 미세홀을 통해 유동하는 배기가스의 유동량은 훨씬 적으므로 배기가스와 냉각수의 충분한 열교환이 이뤄질 수 있다).

그리고, 냉각수가 충분히 가열되면 왁스가 팽창하여 왁스액추에이터는 캠레버(56)를 회전시키고 상기 캠레버(56)의 회전에 의해 푸셔(55)는 도 9 와 같이 게이트(53)를 가압하게 된다. 스프링(52)의 탄성력을 극복하고 활주된 게이트(53)는 리브(53b)가 입구관(20)의 타공홀(21)을 폐쇄하게 된다. 이에 따라, 배기가스는 제2공간부(70)로의 이동이 차단되고 원판부(53a)의 미세홀(54)을 통해 제1공간부(60)를 지나 출구관(30)을 통해 배출되므로 배기가스와 냉각수 간의 열교환은 이뤄지지 않는다.

배기가스의 열교환이 이뤄지지 않게 제1공간부(60)를 통해 직접 배출되거나, 배기가스와 냉각수의 열교환이 이뤄질 수 있도록 제2공간부(70)를 우회하여 배출되는 본 발명의 배기열회수장치는 전술한 바와 같이, 벨로우즈 내에 내장되어 종래의 구조보다 열교환이 엔진과 가까운 쪽에서 이뤄지므로 열교환 효율을 증대시킬 수 있으며, 벨로우즈관에서 기능이 통합된 상태로 장착이 이뤄지므로 생산원가와 중량 및 설치공간을 대폭 축소시킬 수 있다.

아울러, 본 발명의 냉각수유동관(40)은 다수 개의 개별관들로 구성되며 상기 개별관들 표면에는 다수 개의 핀들이 배치되어 열교환면적을 증대시켜 열교환효율을 향상시킬 수 있으며, 왁스액추에이터를 사용하여 별도의 전원공급 없이도 냉각수의 수온에 따라 자동적으로 작동하도록 구성될 수 있다.

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 : 하우징
20 : 입구관
30 : 출구관
40 : 냉각수유동관
50 : 밸브조립체
60 : 제1공간부
70 : 제2공간부

Claims (10)

1. 전방으로부터 벨로우즈관, 촉매컨버터가 순차적으로 연결된 배기장치에서 상기 벨로우즈관 내에 설치되어 배기가스의 배기열로 냉각수를 가열하는 배기열회수장치에 있어서,
   상기 배기열회수장치는,
   벨로우즈관의 일부분에 구성되며 내부에 공간이 형성된 하우징; 및
   상기 하우징 내부로 배기가스를 유입시키며 끝단에 타공홀이 형성된 입구관; 및
   상기 하우징 외부로 배기가스를 배출시키며 끝단에 타공홀이 형성된 출구관; 및
   상기 입구관과 출구관 사이에 끼워져 하우징 내부를 제1공간부와 제2공간부로 구획하며 배기가스가 유동가능한 유동간극이 형성된 냉각수유동관; 및
   상기 입구관의 타공홀을 개폐시키는 밸브조립체;를 포함하고,
   상기 밸브조립체의 개폐 여부에 따라, 입구관으로 유입된 배기가스는 제1공간부를 통해 출구관으로 직접 배출되거나, 또는, 입구관으로 유입된 배기가스가 입구관의 타공홀을 통해 제2공간부로 배출된 후 유동간극과 출구관의 타공홀을 지나도록 우회하여 출구관으로 배출되는 것을 특징으로 하는 배기열회수장치.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 벨로우즈관 내부의 내부관은 소정의 길이만큼 단절되어 일측은 입구관을 형성하고 타측은 출구관을 형성하며, 단절된 부분에는 냉각수유동관이 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 배기열회수장치.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 밸브조립체는,
   링 모양을 가지며 입구관의 입구에 끼워져 고정되는 링캡;
   일단이 링캡에서 지지되는 스프링;
   상기 스프링의 타단에 연결된 게이트;
   상기 스프링의 탄성력을 극복하고 게이트를 가압하여 입구관의 타공홀을 폐쇄시키거나 개방시키는 푸셔;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기열회수장치.
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 푸셔는 캠레버의 끝단에 결합되어 상기 캠레버의 회전에 따라 회동하여 게이트를 가압하는 것을 특징으로 하는 배기열회수장치.
   
6. 제 5 항에 있어서, 상기 캠레버는 온도변화에 따른 왁스의 체적변화에 따라 작동하는 왁스액추에이터에 의해 회전하는 것을 특징으로 하는 배기열회수장치.
   
7. 제 4 항에 있어서, 상기 게이트는 원판형의 원판부와 상기 원판부의 둘레를 따라 일측면으로 돌출되도록 형성된 리브를 포함하며, 상기 원판부에는 미세홀이 타공되고 상기 게이트가 푸셔에 의해 닫힌 위치로 이동하면 상기 리브는 입구관의 타공홀을 폐쇄하고 미세홀을 통해 배기가스가 유동하는 것을 특징으로 하는 배기열회수장치.
   
8. 제 1 항 또는 제 3항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각수유동관은 직경의 크기가 다른 다수 개의 개별관들이 서로 간에 사이에서 유동간극이 형성되도록 결합되어 구성된 것을 특징으로 하는 배기열회수장치.
   
9. 제 8 항에 있어서, 상기 개별관들의 표면에는 다수 개의 핀들이 열을 이뤄 배치된 것을 특징으로 하는 배기열회수장치.
   
10. 제 8 항에 있어서, 상기 개별관들은 단면이 'C' 자 모양을 이루되 크기가 작은 개별관이 크기가 더 큰 개별관 내에 끼워지도록 결합된 것을 특징으로 하는 배기열회수장치.

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