KR101931278B1 - 변형 가능한 버링플레이트를 구비하는 이지알 쿨러 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 냉각수가 유출입되는 바디셀; 상기 바디셀의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀 내에 장착되는 다수 개의 가스튜브; 및 상기 바디셀의 끝단 전체에 걸쳐 고정결합되며 중심부에 개구부가 형성되는 사이드프레임과, 상기 사이드프레임의 개구부를 덮도록 외측단이 상기 사이드프레임의 내측단에 연결되는 중심패널과, 상기 가스튜브의 끝단이 삽입 가능하도록 상기 중심패널에 형성되는 다수 개의 삽입홀과, 상기 삽입홀의 내측단으로부터 상기 가스튜브의 길이방향과 평행한 방향으로 연장되어 상기 가스튜브의 외측면에 밀착되는 연장단을 구비하는 버링플레이트;를 포함하며, 상기 중심패널의 가장자리에는 상기 가스튜브의 횡방향과 교차하는 방향으로 경사진 경사부가 구비되고, 상기 경사부는 상기 가스튜브의 열팽창 시 경사도가 변경되어 상기 버링플레이트 중 상기 삽입홀이 형성된 부위가 상기 가스튜브의 팽창방향으로 이동된다.

Description

변형 가능한 버링플레이트를 구비하는 이지알 쿨러 {EGR cooler with deformable burring-plate}
본 발명은 배기가스 재순환시스템(EGR:Exhaust Gas Recirculation, 이하 '이지알' 이라 함)으로 유입되는 배기가스를 냉각수로 냉각시키는 이지알 쿨러에 관한 것으로, 더 상세하게는 가스튜브의 열변형에 맞추어 버링플레이트의 형상이 변경 가능하도록 구성되는 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 가스튜브와 버링플레이트의 결합구조를 도시하는 단면도이다.
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 버링플레이트(30)를 구비한다. 상기 버링플레이트(30)에는 가스튜브(20)의 끝단이 삽입되는 삽입홀(32)이 형성되되 상기 삽입홀(32)의 내측단에는 가스튜브(20)의 외측면에 밀착되도록 연장되는 연장단(34)이 형성되어 있다.
이때, 상기 다수의 가스튜브(20)는 내부를 흐르는바 배기가스의 열에 의해 열팽창을 하게 되는데, 상기 한 쌍의 버링플레이트(30)는 가스튜브(20)의 길이방향 양단 위치를 완전하게 고정시키는바, 가스튜브(20)에 크랙이 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 물론, 가스튜브(20)를 매우 두껍고 튼튼하게 제작되면 가스튜브(20)의 크랙을 방지할 수 있으나, 이와 같은 경우 가스튜브(20)의 제조원가가 높아지고 열전달효율이 떨어질 우려가 있다는 단점이 있다.
또한, 가스튜브(20)를 견고하게 제작하면 가스튜브(20)의 크랙을 방지할 수는 있지만, 가스튜브(20)에서 발생된 열응력이 버링플레이트(30)나 바디셀(10)로 전달되어 버링플레이트(30)나 바디셀(10)이 손상될 수 있다는 문제점도 있다.
KR 10-0823654 B1
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 가스튜브를 두껍게 제작하지 아니하더라도 열팽창에 의한 크랙이 발생되지 아니하고, 가스튜브에서 발생되는 열응력이 버링플레이트나 바디셀로 전달되지 아니하도록 함으로써 버링플레이트 및 바디셀의 손상을 방지할 수 있으며, 전체적인 열 피로가 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 다수 개의 가스튜브; 및 상기 바디셀의 끝단 전체에 걸쳐 고정결합되며 중심부에 개구부가 형성되는 사이드프레임과, 상기 사이드프레임의 개구부를 덮도록 외측단이 상기 사이드프레임의 내측단에 연결되는 중심패널과, 상기 가스튜브의 끝단이 삽입 가능하도록 상기 중심패널에 형성되는 다수 개의 삽입홀과, 상기 삽입홀의 내측단으로부터 상기 가스튜브의 길이방향과 평행한 방향으로 연장되어 상기 가스튜브의 외측면에 밀착되는 연장단을 구비하는 버링플레이트;를 포함하며, 상기 중심패널의 가장자리에는 상기 가스튜브의 횡방향과 교차하는 방향으로 경사진 경사부가 구비되고, 상기 경사부는 상기 가스튜브의 열팽창 시 경사도가 변경되어 상기 버링플레이트 중 상기 삽입홀이 형성된 부위가 상기 가스튜브의 팽창방향으로 이동된다.
상기 경사부는 상기 사이드프레임의 내측단으로부터 상기 가스튜브의 길이방향 중심부와 멀어지는 방향으로 비스듬히 연장된다.
상기 경사부 경사도는 40°~ 50°로 설정된다.
상기 경사부는 상기 사이드프레임보다 얇은 두께를 갖도록 형성된다.
상기 경사부는 1회 이상 굴곡된 형상의 횡단면을 갖는다.
상기 연장단은 상기 가스튜브의 길이방향 중심부와 멀어지는 방향으로 연장된다.
상기 연장단은 상기 가스튜브의 길이방향 중심부와 가까워지는 방향으로 연장된다.
상기 경사부는, 상기 가스튜브의 길이방향 중심부와 가까워지는 방향으로 연장되었다가 상기 가스튜브의 길이방향 중심부와 멀어지는 방향으로 연장된다.
본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 가스튜브를 두껍게 제작하지 아니하더라도 열팽창에 의한 크랙이 발생되지 아니하고, 가스튜브에서 발생되는 열응력이 버링플레이트나 바디셀로 전달되지 아니하도록 함으로써 버링플레이트 및 바디셀의 손상을 방지할 수 있으며, 전체적인 열 피로가 개선된다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 이지알 쿨러의 분해사시도이다.
도 2는 종래의 이지알 쿨러에 포함되는 가스튜브와 버링플레이트의 결합구조를 도시하는 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 버링플레이트의 사시도 및 단면도이다.
도 5는 버링플레이트에 가스튜브가 결합된 형상을 도시하는 단면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 버링플레이트 제2 실시예의 사시도 및 단면도이다.
도 8은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 버링플레이트 제3 실시예의 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 실시예를 상세히 설명한다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 버링플레이트의 사시도 및 단면도이고, 도 5는 버링플레이트에 가스튜브가 결합된 형상을 도시하는 단면도이다.
본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 고온의 배기가스를 저온의 냉각수와 열전달시켜 일정 수준 냉각시킨 후 배기가스 재순환시스템(EGR:Exhaust Gas Recirculation)으로 전달하기 위한 장치로서, 도 1에 도시된 종래의 이지알 쿨러와 마찬가지로 냉각수가 유출입되는 바디셀과, 상기 바디셀의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀 내에 장착되는 다수 개의 가스튜브와, 상기 바디셀의 끝단을 덮도록 결합되며 상기 가스튜브의 끝단이 삽입되는 삽입홀이 형성된 버링플레이트를 포함하여 구성된다.
이때 본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 가스튜브가 배기가스에 의해 열팽창될 때 가스튜브의 신장률에 맞추어 버링플레이트가 변형될 수 있도록 구성된다는 점에 구성상의 가장 큰 특징이 있다.
즉, 본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 냉각수가 유출입되는 바디셀(도 1 참조)과, 상기 바디셀의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀 내에 장착되는 다수 개의 가스튜브(200)와, 상기 다수 개의 가스튜브(200) 길이방향 끝단측을 바디셀에 고정시키는 버링플레이트(100)를 구비하되, 상기 버링플레이트(100)는 상기 바디셀의 끝단 전체에 걸쳐 고정결합되며 중심부에 개구부가 형성되는 사이드프레임(110)과, 상기 사이드프레임(110)의 개구부를 덮도록 외측단이 상기 사이드프레임(110)의 내측단에 연결되는 중심패널(120)과, 상기 가스튜브(200)의 끝단이 삽입 가능하도록 상기 중심패널(120)에 형성되는 다수 개의 삽입홀(130)과, 상기 삽입홀(130)의 내측단으로부터 상기 가스튜브(200)의 길이방향과 평행한 방향으로 연장되어 상기 가스튜브(200)의 외측면에 밀착되는 연장단(140)을 포함하여 구성된다.
이때 상기 중심패널(120)의 가장자리에는 상기 가스튜브(200)의 횡방향과 교차하는 방향으로 경사진 경사부(122)가 구비되는데, 이와 같이 중심패널(120)의 가장자리가 비스듬히 형성되면 도 2에 도시된 종래의 버링플레이트(100)와 같이 하나의 평판 형상으로 형성되는 경우에 비해 가스튜브(200)의 길이방향으로 어느 정도 팽창이 가능해진다. 따라서 본 발명에 의한 이지알 쿨러와 같이 중심패널(120)의 가장자리에 경사부(122)가 형성되면, 상기 가스튜브(200)의 열팽창 시 경사부(122)의 경사도가 증가하는 방향으로 중심패널(120) 중 삽입홀(130)이 형성된 부위(더 명확하게는 가스튜브(200)와 결합된 부위)가 이동하게 되는바, 가스튜브(200)에 열응력이 크게 발생되지 아니하여 가스튜브(200)나 버링플레이트(100)에 크랙이 발생하는 현상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
즉, 본 발명에 의한 이지알 쿨러는 배기가스의 온도에 의해 가스튜브(200)가 길이방향으로 팽창하거나 수축될 때, 상기 가스튜브(200)의 길이방향 끝단에 결합된 버링플레이트(100)가 숨을 쉬듯이 변형될 수 있으므로, 가스튜브(200)나 버링플레이트(100)가 손상 또는 파손되는 현상을 방지할 수 있어 내구성이 현저히 향상된다는 장점이 있다.
이때 상기 경사부(122)의 경사도가 너무 높거나 낮으면 경사부(122)의 경사도 증감률이 떨어져 중심패널(120)의 이동에 어려움이 있을 수 있으므로, 상기 경사부(122)는 가스튜브(200)가 팽창하는 방향이나 수축하는 방향 어느 방향으로도 경사도가 쉽게 변경될 수 있도록 40°~ 50°의 경사도를 갖도록 제작됨이 바람직하다.
또한, 상기 경사부(122)가 사이드프레임(110)의 내측단으로부터 가스튜브(200)의 길이방향 중심부와 가까워지는 방향(도 5에서는 상향)으로 비스듬히 연장되면, 가스튜브(200)가 열팽창될 때 상기 경사부(122)에는 압축응력이 발생되므로 중심패널(120) 중 삽입홀(130)이 형성된 부위가 외측으로 이동하는데 어려움이 발생한다. 따라서 상기 경사부(122)는 본 실시예에 도시된 바와 같이 사이드프레임(110)의 내측단으로부터 가스튜브(200)의 길이방향 중심부와 멀어지는 방향(도 5에서는 하향)으로 비스듬히 연장됨이 바람직하다.
한편, 버링플레이트(100) 중 바디셀과 결합되는 사이드프레임(110)은 상기 바디셀과의 결합력이 높게 유지될 수 있도록 비교적 두껍게 제작되어야 하는 반면, 상기 경사부(122)는 가스튜브(200)의 팽창 및 수축에 따라 경사각이 쉽게 변동될 수 있도록 상기 사이드프레임(110)에 비해 얇게 제작되어야 함이 바람직하다. 이때, 상기 경사부(122)가 너무 얇게 제작되면 수 회에 걸쳐 경사각이 변경되는 과정에서 파손될 우려가 있으므로, 상기 경사부(122)의 두께는 가스튜브(200)의 팽창률 등 여러가지 조건에 따라 적절하게 설정되어야 할 것이다.
더 나아가 상기 경사부(122)는 가스튜브(200)의 팽창력 및 수축력에 의해 자체 길이가 조절될 수 있도록, 주름판과 같이 1회 이상 굴곡된 형상의 횡단면을 갖도록 제작될 수도 있다. 이와 같이 상기 경사부(122)가 주름판 형상으로 형성되면, 가스튜브(200)의 팽창 및 수축 시 중심패널(120) 중 삽입홀(130)이 형성된 부위가 바디셀 외측으로 돌출되거나 바디셀 내측으로 인입되는 현상이 더욱 원활하게 이루어질 수 있다는 장점이 있다.
이때 상기 경사부(122)에 형성되는 주름의 개수 및 크기는 경사부(122)의 재질 및 두께, 가스튜브(200)의 팽창률 등 여러가지 조건에 따라 적절하게 선택됨이 바람직하다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 버링플레이트(100) 제2 실시예의 사시도 및 단면도이다.
일반적으로 버링플레이트(100)는 가스튜브(200)의 외측면에 밀착 결합되는 연장단(140)이 외측방향 즉, 가스튜브(200)의 길이방향 중심부와 멀어지는 방향으로 연장되는데, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 중심패널(120)의 경사부(122)까지 외측으로 경사지게 연장되면 버링플레이트(100)의 전체 두께가 너무 두꺼워져 이지알 쿨러 장착공간이 보다 넓게 요구된다는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 버링플레이트(100)는, 중심패널(120)의 가장자리에 형성된 경사부(122)가 외측으로 돌출되도록 경사지게 연장되더라도 버링플레이트(100)의 전체 두께를 최소화시킬 수 있도록, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 상기 연장단(140)이 내측방향 즉, 상기 가스튜브(200)의 길이방향 중심부와 가까워지는 방향으로 연장될 수 있다.
이와 같이 상기 연장단(140)이 내측방향으로 연장되면, 도 3 내지 도 5에 도시된 실시예에 비해 버링플레이트(100)의 전체 두께를 줄일 수 있어 이지알 쿨러의 규격이 커지는 현상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
도 8은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 버링플레이트(100) 제3 실시예의 단면도이다.
본 발명에 포함되는 버링플레이트(100)는, 경사부(122)가 탄성을 갖는 구조로 제작되어 가스튜브(200)의 팽창 및 수축에 따른 변형이 더욱 쉽게 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 경사부(122)는도 8에 도시된 바와 같이, 상기 가스튜브(200)의 길이방향 중심부와 가까워지는 방향으로 연장되었다가 상기 가스튜브(200)의 길이방향 중심부와 멀어지는 방향으로 연장되는 'U'자 형상으로 제작될 수 있다.
도 3 내지 도 7에 도시된 실시예와 같이 경사부(122)가 일측으로 비스듬히 경사진 패널 형상으로 형성되면, 가스튜브(200)의 팽창 및 수축 시 상기 경사부(122)의 길이가 증감되어야만 중심패널(120) 중 삽입홀(130)이 형성된 부위가 가스튜브(200) 길이방향으로 이동될 수 있으므로, 중심패널(120) 중 삽입홀(130)이 형성된 부위의 이동거리에 한계가 발생된다.
그러나 상기 경사부(122)가 본 실시예에 도시된 바와 같이 'U'자 형상으로 형성되면, 가스튜브(200)의 팽창 및 수축 시 경사부(122)의 전체 길이가 증감되는 것이 아니라 만곡된 부위가 변경되는 것이므로, 중심패널(120) 중 삽입홀(130)이 형성된 부위가 가스튜브(200)의 팽창 및 수축에 맞추어 용이하게 이동될 수 있다.
이와 같이 상기 경사부(122)가 'U'자 형상으로 제작되는 경우, 상기 경사부(122)는 도 3 내지 도 7에 도시된 실시예보다 얇은 두께를 가지면서 판스프링과 같이 복원탄성력을 갖도록 제작됨이 바람직하다.
이때 상기 경사부(122)의 전체 길이 및 두께와, 만곡된 지점의 위치 등은 경사부(122)의 재질 및 규격에 따라 다양하게 변경되어 적용되어야 할 것이다.
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 : 버링플레이트 110 : 사이드프레임
120 : 중심패널 122 : 경사부
130 : 삽입홀 140 : 연장단
200 : 가스튜브

Claims (8)

  1. 냉각수가 유출입되는 바디셀;
    상기 바디셀의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀 내에 장착되는 다수 개의 가스튜브; 및
    상기 바디셀의 끝단 전체에 걸쳐 고정결합되며 중심부에 개구부가 형성되는 사이드프레임과, 상기 사이드프레임의 개구부를 덮도록 외측단이 상기 사이드프레임의 내측단에 연결되는 중심패널과, 상기 가스튜브의 끝단이 삽입 가능하도록 상기 중심패널에 형성되는 다수 개의 삽입홀과, 상기 삽입홀의 내측단으로부터 상기 가스튜브의 길이방향과 평행한 방향으로 연장되어 상기 가스튜브의 외측면에 밀착되는 연장단을 구비하는 버링플레이트;
    를 포함하며,
    상기 중심패널의 가장자리에는 상기 가스튜브의 횡방향과 교차하는 방향으로 경사진 경사부가 구비되고, 상기 경사부는 상기 가스튜브의 열팽창 시 경사도가 변경되어 상기 버링플레이트 중 상기 삽입홀이 형성된 부위가 상기 가스튜브의 팽창방향으로 이동되며,
    상기 경사부는 상기 사이드프레임의 내측단으로부터 상기 가스튜브의 길이방향 중심부와 멀어지는 방향으로 비스듬히 연장되되, 1회 이상 굴곡된 형상의 횡단면을 갖도록 제작되고, 상기 사이드프레임보다 얇은 두께를 갖도록 제작되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 연장단은 상기 가스튜브의 길이방향 중심부와 멀어지는 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연장단은 상기 가스튜브의 길이방향 중심부와 가까워지는 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 경사부는, 상기 가스튜브의 길이방향 중심부와 가까워지는 방향으로 연장되었다가 상기 가스튜브의 길이방향 중심부와 멀어지는 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
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