KR101868495B1 - 가스튜브가 보강된 이지알 쿨러 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 냉각수가 유출입되는 바디셀; 상기 바디셀의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀 내에 장착되는 복수 개의 가스튜브; 상기 바디셀의 끝단을 덮도록 결합되며, 상기 가스튜브의 끝단이 삽입되는 개구부가 형성된 플랫플레이트; 및 상기 가스튜브의 외측면에 적층구조로 결합되어 상기 가스튜브를 보강시키는 보강플레이트;를 포함한다. 본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 고온 고압의 배기가스가 흐르더라도 가스튜브의 변형 및 파손을 방지할 수 있고, 별도의 설계변경 없이 기존의 이지알 쿨러에 적용 가능하여 활용성이 매우 우수하며, 각 구성요소 간의 결합력을 향상시켜 구조상의 내구력이 우수하다는 장점이 있다.

Description

가스튜브가 보강된 이지알 쿨러 {EGR cooler with reinforced gas tube}

본 발명은 배기가스 재순환시스템(EGR:Exhaust Gas Recirculation, 이하 '이지알' 이라 함)으로 유입되는 배기가스를 냉각수로 냉각시키는 이지알 쿨러에 관한 것으로, 더 상세하게는 가스튜브 보강을 위한 보강플레이트가 추가로 구비된 이지알 쿨러에 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 하며, 적절한 EGR량을 공급하기 위해 압력강하가 최소화되어야 하며, 열교환 중 배기가스로부터 응축이 발생하며 연료의 황성분 때문에 응축수에 황산이 포함되어 부식을 일으키기 쉬우므로 방식성 재료이어야 하며, 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 쿨러의 분해사시도이고, 도 2는 종래의 이지알 쿨러에 포함되는 가스튜브의 결합구조를 도시하는 사시도이다.

일반적으로 이지알 쿨러는, 냉각수가 유출입되는 바디셀(10)과, 상기 바디셀(10) 내에 설치되어 배기가스가 흐르는 다수의 가스튜브(20)와, 상기 바디셀(10)의 끝단을 덮는 플랫플레이트(30)와, 상기 플랫플레이트(30)를 덮는 컵플레이트(40)를 구비한다. 상기 플랫플레이트(30)에는 가스튜브(20)의 끝단이 삽입되는 개구부(32)가 형성되어 있는바, 상기 다수의 가스튜브(20) 사이에는 냉각수가 흐를 수 있는 이격공간이 확보된다. 또한 상기 바디셀(10)과 가스튜브(20) 사이에도 냉각수가 흐를 수 있도록 바디셀(10)과 가스튜브(20)는 일정 거리 이격된 상태를 유지하고, 이웃하는 두 개의 가스튜브(20) 간격이 일정하게 유지되도록 배플(50)이 추가될 수 있다.

이때, 엔진은 고온 및 고유량의 배기가스를 배출할 뿐만 아니라 강한 진동을 발생시키므로, 상기 엔진에 장착된 상기 이지알밸브의 가스튜브(20)는 장기간 동안 큰 열충격을 받게되어 크랙이 발생되거나 변형될 수 있다는 단점이 있다. 특히, 가스튜브(20) 중 플랫플레이트(30)에 연결되는 길이방향 끝단에는 크랙이나 변형이 쉽게 발생된다는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 상기 가스튜브(20)을 두껍게 제작하는 방법이 제안될 수 있지만, 이와 같은 경우 가스튜브(20)의 제조비용이 매우 높아지고, 이지알밸브의 전체 중량이 증가한다는 문제가 발생된다.

KR 10-0823654 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 가스튜브의 변형 및 파손을 방지할 수 있고, 별도의 설계변경 없이 기존의 이지알 쿨러에 적용 가능하여 활용성이 매우 우수하며, 각 구성요소 간의 결합력을 향상시켜 구조상의 내구력이 개선된 이지알 쿨러를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 냉각수가 유출입되는 바디셀; 상기 바디셀의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀 내에 장착되는 복수 개의 가스튜브; 상기 바디셀의 끝단을 덮도록 결합되며, 상기 가스튜브의 끝단이 삽입되는 개구부가 형성된 플랫플레이트; 및 상기 가스튜브의 외측면에 적층구조로 결합되어 상기 가스튜브를 보강시키는 보강플레이트;를 포함한다.

상기 보강플레이트는, 상기 가스튜브의 외측면에 적층 구조로 결합되는 적층판과, 상기 적층판의 길이방향 일단으로부터 수직으로 절곡되어 상기 플랫플레이트의 내측면에 밀착 결합되는 제1 접합부를 구비한다.

상기 복수 개의 가스튜브 이격거리를 일정하게 유지시키는 배플을 더 포함하고, 상기 보강플레이트는, 상기 적층판의 길이방향 타단으로부터 수직으로 절곡되어 상기 배플에 밀착 결합되는 제2 접합부를 더 포함한다.

상기 적층판의 폭방향 양단에는 상기 가스튜브의 폭방향 양측을 감싸는 만곡부가 구비된다.

상기 보강플레이트는 페이스트 도포 및 브레이징 공정을 통해 가스튜브에 결합되되, 상기 적층판에는 복수 개의 관통공이 형성되어, 상기 적층판에 도포된 페이스트는 상기 관통공을 통해 상기 가스튜브와 적층판 사이로 유입된다.

상기 보강플레이트는, 상기 복수 개의 가스튜브 중 최외곽에 위치하는 가스튜브에 각각 장착된다.

상기 보강플레이트는, 상기 가스튜브 중 배기가스 유입측에 각각 장착된다.

본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 고온 고압의 배기가스가 흐르더라도 가스튜브의 변형 및 파손을 방지할 수 있고, 별도의 설계변경 없이 기존의 이지알 쿨러에 적용 가능하여 활용성이 매우 우수하며, 각 구성요소 간의 결합력을 향상시켜 구조상의 내구력이 우수하다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 이지알 쿨러의 분해사시도이다.
도 2는 종래의 이지알 쿨러에 포함되는 가스튜브의 결합구조를 도시하는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 가스튜브의 결합구조를 도시하는 사시도이다.
도 4는 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 보강플레이트의 사시도이다.
도 5 및 도 6은 보강플레이트가 플랫플레이트와 배플 사이에 결합되는 구조를 도시하는 사시도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 가스튜브의 결합구조를 도시하는 사시도이고, 도 4는 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 보강플레이트의 사시도이다.

본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 고온의 배기가스를 저온의 냉각수와 열전달시켜 일정 수준 냉각시킨 후 배기가스 재순환시스템(EGR:Exhaust Gas Recirculation)으로 전달하기 위한 장치로서, 냉각수가 유출입되는 바디셀(10)과(도 1 참조), 상기 바디셀(10)의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀(10) 내에 장착되는 복수 개의 가스튜브(20)와, 상기 바디셀(10)의 끝단을 덮도록 결합되며 상기 가스튜브(20)의 끝단이 삽입되는 개구부(32)가 형성된 플랫플레이트(30)와, 상기 플랫플레이트(30)의 가장자리를 둘러싸도록 장착되는 컵플레이트(40)를 포함하여 구성되되, 상기 가스튜브(20) 보강을 위한 보강플레이트(100)가 추가로 구비된다는 점에 구성상의 특징이 있다. 상기 보강플레이트(100)는, 일정 두께를 갖는 플레이트 형상으로 형성되되, 기준치 이상의 강도를 갖는 금속재료로 제작되어 가스튜브(20)의 외측면에 적층구조로 결합되는바, 상기 가스튜브(20)의 비틀림이나 휘어짐, 크랙 등이 발생되는 현상을 현저히 감소시킬 수 있게 된다. 본 실시예에서는 플랫플레이트(30)와 컵플레이트(40)가 각각 별도로 제작된 후 가스튜브(20)의 끝단에 장착되는 경우만을 도시하고 있으나, 상기 플랫플레이트(30)와 컵플레이트(40)는 하나의 엔드플레이트를 이루도록 일체로 제작될 수도 있다.

이때, 상기 보강플레이트(100)가 가스튜브(20)의 외측면 전체를 덮도록 결합되면 가스튜브(20)의 모든 지점 강도가 향상될 수 있지만, 이와 같은 경우 가스튜브(20)의 자중이 매우 높아져 자중에 의한 변형이 유발될 수 있을 뿐만 아니라 이지알쿨러의 제조비용이 매우 높아지고, 가스튜브(20)의 열전도율이 낮아져 냉각성능이 저하된다는 심각한 문제가 야기될 수 있다.

따라서 상기 보강플레이트(100)는 가스튜브(20)의 외측면 전체에 결쳐 결합되는 것이 아니라, 가스튜브(20)의 어느 일부에만 장착됨이 바람직하다. 이때, 상기 가스튜브(20)는 배기가스가 유입되는 부위에 응력이 집중되는바, 상기 보강플레이트(100)는 가스튜브(20)의 길이방향 양측 중 배기가스가 유입되는 측에 장착됨이 바람직하다.

한편, 한 쌍의 플랫플레이트(30) 사이에 다수 개의 가스튜브(20)가 나란하게 설치되는 경우, 최외곽에 위치하는 가스튜브(20)(도 3에서는 가장 상측에 위치하는 가스튜브(20)와 가장 하측에 위치하는 가스튜브(20))가 가장 쉽게 변형 및 파손될 수 있는바, 상기 보강플레이트(100)는 복수 개의 가스튜브(20) 중 최외곽에 위치하는 가스튜브(20)에만 각각 장착됨이 바람직하다. 물론, 모든 가스튜브(20)의 강도 보강이 필요한 경우, 상기 보강플레이트(100)는 각각의 가스튜브(20)에 장착될 수도 있다. 즉, 상기 보강플레이트(100)의 장착위치 및 장착개수는 배기가스의 압력이나 온도, 가스튜브(20)의 재질 및 구조적 강도 등 여려 조건에 따라 자유롭게 변경될 수 있다. 그러나 모든 가스튜브(20)에 보강플레이트(100)가 설치되면, 이지알 쿨러가 대형화될 뿐만 아니라, 가스튜브(20) 사이로 흐르는 냉각수의 유동이 정상적으로 유지되지 못하여 열전달률이 떨어지고, 가스튜브(20)의 배기가스 유출측에 응력이 집중되는 현상이 발생될 수 있는바, 상기 보강플레이트(100)는 본 실시예에 도시된 바와 같이 최외곽에 위치하는 가스튜브(20)에만 장착됨이 바람직하다.

도 5 및 도 6은 보강플레이트(100)가 플랫플레이트(30)와 배플(50) 사이에 결합되는 구조를 도시하는 사시도이다.

상기 보강플레이트(100)는 가스튜브(20) 외측면에 안착된 후 브레이징 공정을 통해 가스튜브(20)에 결합되는데, 상기 보강플레이트(100)가 단순한 사각플레이트 형상으로 제작되면 외부로부터 인가되는 진동이나 충격력 등에 의해 상기 보강플레이트(100)의 안착위치가 변경될 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 이지알 쿨러는 가스튜브(20)에 안착된 보강플레이트(100)가 브레이징 공정을 거치는 동안 흔들리거나 움직이지 아니하도록, 상기 가스튜브(20)의 외측면에 적층 구조로 결합되는 적층판(110)과, 상기 적층판(110)의 길이방향(더 명확하게는 가스튜브(20)의 길이방향과 나란한 방향) 일단으로부터 수직으로 절곡되어 플랫플레이트(30)의 내측면에 밀착 결합되는 제1 접합부(130)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 적층플레이트의 길이방향 일단에 제1 접합부(130)가 구비되면, 적층플레이트가 가스튜브(20)에 안착되고 제1 접합부(130)가 엔드플레이트에 접촉되도록 보강플레이트(100)를 위치시킨 후, 제1 접합부(130)를 엔드플레이트에 가접합시켜 블레이징 공정을 거치도록 함으로써, 블레이징 공정을 거치는 동안 보강플레이트(100)가 움직이지 아니하도록 할 수 있게 된다.

한편, 이지알 쿨러에 복수 개의 가스튜브(20)가 구비될 때, 상기 복수 개의 가스튜브(20) 간의 이격거리가 일정하게 유지되어야만 각 부위별로 냉각수가 고르게 흐를 수 있고, 이에 따라 냉각성능이 높아지게 된다. 따라서 이지알 쿨러에는 통상적으로 복수 개의 가스튜브(20) 이격거리를 일정하게 유지시키는 배플(50)이 구비되는데, 이때 상기 보강플레이트(100)는 보다 안정적으로 가스튜브(20)에 결합된 상태를 유지할 수 있도록 적층판(110)의 길이방향 타단으로부터 수직으로 절곡되어 상기 배플(50)에 밀착 결합되는 제2 접합부(140)를 구비함이 바람직하다.

이와 같이 적층플레이트의 길이방향 타단에 제2 접합부(140)가 구비되면, 적층플레이트가 가스튜브(20)에 안착되고 제2 접합부(140)가 배플(50)에 접촉되도록 보강플레이트(100)를 위치시킨 후, 제2 접합부(140)를 배플(50)에 가접합시켜 블레이징 공정을 거치도록 함으로써, 블레이징 공정을 거치는 동안 보강플레이트(100)가 더욱 확실하게 고정되도록 할 수 있다.

즉, 하나의 적층판(110)에 제1 접합부(130)와 제2 접합부(140)가 모두 구비되면, 상기 보강플레이트(100)는 플랫플레이트(30)와 배플(50) 사이에 끼워맞춤 방식으로 장착되는바, 플랫플레이트(30)나 배플(50)리 파손되지 아니하는 한 상기 보강플레이트(100)는 가스튜브(20)의 길이방향으로 움직이지 아니하게 된다는 장점이 있다.

상기 언급한 바와 같이 제1 접합부(130)와 제2 접합부(140)가 구비된 보강플레이트(100)는 플랫플레이트(30)와 배플(50) 사이에 끼워맞춤 방식으로 장착되므로 가스튜브(20)의 길이방향으로는 흔들리지 아니하지만, 폭방향으로는 흔들릴 우려가 있다.

따라서 상기 보강플레이트(100)는 길이방향뿐만 아니라 폭방향으로도 흔들리지 아니하도록, 상기 가스튜브(20)의 폭방향 양측을 감싸도록 벤딩된 만곡부(120)가 적층판(110)의 폭방향 양단에 각각 구비됨이 바람직하다.

이와 같이 적층판(110)의 폭방향 양단에 만곡부(120)가 구비되면, 한 쌍의 만곡부(120)가 하나의 가스튜브(20) 폭방향 양측을 클램핑하므로 보강플레이트(100)가 완벽하게 가스튜브(20)에 고정될 수 있을 뿐만 아니라, 보강플레이트(100) 안착 과정에서 상기 보강플레이트(100)를 항상 일정한 지점에 정확하게 안착시킬 수 있다는 장점 즉, 보강플레이트(100) 조립 불량을 현저히 감소시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한, 적층판(110)의 폭방향 양단에 만곡부(120)가 추가로 구비되면, 추가된 만곡부(120)의 면적만큼 보강플레이트(100)와 가스튜브(20) 간의 접촉면적이 증가하는바, 블레이징을 통한 보강플레이트(100)와 가스튜브(20) 간의 결합력이 더욱 커지게 된다는 효과도 얻을 수 있다.

한편, 보강플레이트(100)를 브레이징 공정을 통해 가스튜브(20)에 결합시키기 위해서는 보강플레이트(100)와 가스튜브(20) 사이로 페이스트를 도포시켜야 하는데, 보강플레이트(100)와 가스튜브(20)가 완벽하게 밀착되어 있으면 보강플레이트(100)와 가스튜브(20) 사이로 페이스트가 원활하게 유입되지 못하여, 브레이징 공정을 거치더라도 보강플레이트(100)와 가스튜브(20)가 완벽하게 결합되지 못하는 현상이 발생될 수 있다.

따라서 본 발명에 포함되는 보강플레이트(100)는 가스튜브(20)와의 접촉면 사이로 페이스트가 고르게 투입되어 높은 강성을 가질 수 있도록, 상기 적층판(110)에는 복수 개의 관통공(112)이 형성될 수 있다. 이와 같이 적층판(110)에 복수 개의 관통공(112)이 형성되면, 상기 적층판(110) 상에 도포된 페이스트는 상기 관통공(112)을 통해 상기 가스튜브(20)와 적층판(110) 사이로 유입되는바, 보강플레이트(100)와 가스튜브(20)가 매우 견고하게 결합될 수 있게 된다.

이때, 본 실시예에서는 하나의 적층판(110)에 5개의 관통공(112)이 일렬로 배열되는 경우만을 도시하고 있으나, 상기 관통공(112)의 배열패턴 및 형상, 개수는 보강플레이트(100)의 규격이나 페이스트의 특성 등 여러 조건에 따라 다양하게 적용될 수 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.

10 : 바디셀 20 : 가스튜브
30 : 플랫플레이트 32 : 개구부
40 : 컵플레이트 50 : 배플
100 : 보강플레이트 110 : 적층판
112 : 관통공 120 : 만곡부
130 : 제1 접합부 140 : 제2 접합부

Claims (7)

1. 냉각수가 유출입되는 바디셀;
   상기 바디셀의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀 내에 장착되는 복수 개의 가스튜브;
   상기 바디셀의 끝단을 덮도록 결합되며, 상기 가스튜브의 끝단이 삽입되는 개구부가 형성된 플랫플레이트;
   상기 복수 개의 가스튜브 이격거리를 일정하게 유지시키는 배플; 및
   상기 가스튜브의 외측면에 적층 구조로 결합되는 적층판과, 상기 적층판의 길이방향 일단으로부터 수직으로 절곡되어 상기 플랫플레이트의 내측면에 밀착 결합되는 제1 접합부와, 상기 적층판의 길이방향 타단으로부터 수직으로 절곡되어 상기 배플에 밀착 결합되는 제2 접합부와, 상기 가스튜브의 폭방향 양측을 감싸도록 상기 적층판의 폭방향 양단에 구비되는 만곡부로 구성되어, 상기 가스튜브를 보강시키는 보강플레이트;
   를 포함하되,
   상기 보강플레이트는 페이스트 도포 및 브레이징 공정을 통해 가스튜브에 결합되며,
   상기 적층판에는 복수 개의 관통공이 형성되어, 상기 적층판에 도포된 페이스트는 상기 관통공을 통해 상기 가스튜브와 적층판 사이로 유입되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 보강플레이트는, 상기 복수 개의 가스튜브 중 최외곽에 위치하는 가스튜브에 각각 장착되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 보강플레이트는, 상기 가스튜브 중 배기가스 유입측에 각각 장착되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
   
   

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