KR101948725B1 - 바디셀 처짐방지용 돌기를 구비하는 이지알 쿨러 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 상측으로 냉각수가 유출입되는 바디셀; 폭방향이 상하방향을 향하도록 배치되며 상기 바디셀의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀 내에 장착되는 다수 개의 가스튜브; 및 상기 바디셀의 길이방향 끝단을 덮도록 결합되며, 상기 가스튜브의 길이방향 끝단이 삽입되는 개구부가 형성된 엔드플레이트;를 포함하되, 상기 다수 개의 가스튜브는 두께 방향이 좌우를 향하도록 적층되는 구조로 상기 바디셀 내에 장착되고, 상기 바디셀의 천장면 중 길이방향 끝단측에는 상기 가스튜브의 폭방향 외측면을 향해 하향으로 돌출되는 하나 이상의 상측돌기가 형성된다. 본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 바디셀에 외력이 인가되더라도 상기 바디셀이 처지지 아니하므로 바디셀 끝단이 엔드플레이트에 안정적으로 결합된 상태를 유지할 수 있고, 이에 따라 바디셀 내부의 냉각수가 외부로 유출되는 현상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

Description

바디셀 처짐방지용 돌기를 구비하는 이지알 쿨러 {EGR cooler with protrusion for preventing droop of body shell}

본 발명은 배기가스 재순환시스템(EGR:Exhaust Gas Recirculation, 이하 '이지알' 이라 함)으로 유입되는 배기가스를 냉각수로 냉각시키는 이지알 쿨러에 관한 것으로, 더 상세하게는 바디셀의 처짐 현상이 발생되지 아니하도록 바디셀에 돌기가 형성된 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 부분사시도이다.

일반적으로 이지알 쿨러는, 냉각수가 유출입되는 바디셀(10)과, 상기 바디셀(10) 내에 설치되어 배기가스가 흐르는 다수의 가스튜브(20)를 기본 구성요소로 구비한다. 상기 다수의 가스튜브(20) 사이에는 냉각수가 흐를 수 있는 이격공간이 확보되고, 상기 바디셀(10)과 가스튜브(20) 사이에도 냉각수가 흐를 수 있도록 바디셀(10)과 가스튜브(20)는 일정 거리 이격된 상태를 유지하도록 구성된다.

또한, 배기가스와 냉각수 간의 열교환이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록, 가스튜브(20)의 내부에는 웨이브핀(30)이 구비되고, 냉각수가 흐르는 유로 상에는 워터핀(40)이 구비된다. 즉, 상기 워터핀(40)은, 이웃하는 두 개의 가스튜브(20) 사이에 장착되고, 최외곽 가스튜브(20)와 바디셀(10)의 내벽 사이에도 장착된다.

이때, 이지알 쿨러에는 브레이징 공정을 통해 바디셀(10) 끝단에 결합되는 엔드플레이트(미도시)가 구비되는데, 바디셀(10) 끝단과 엔드플레이트 간의 접촉면적이 좁은 관계로 바디셀(10) 끝단과 엔드플레이트 간의 결합력에는 한계가 발생된다. 따라서 브레이징 공정을 거치는 동안 바디셀(10)이 아래로 처지는 현상이 발생될 수 있다는 문제점이 있다.

이와 같이 바디셀(10)이 아래로 처지면 바디셀(10) 끝단이 엔드플레이트로부터 분리되는바, 바디셀(10) 내의 냉각수가 외부로 유출되는 심각한 문제가 발생될 수 있다.

KR 10-0823654 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 바디셀에 외력이 인가되더라도 상기 바디셀이 처지지 아니하도록 하여 바디셀 끝단이 엔드플레이트에 안정적으로 결합된 상태를 유지할 수 있고, 이에 따라 바디셀 내부의 냉각수가 외부로 유출되는 현상을 방지할 수 있는 이지알 쿨러를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 상측으로 냉각수가 유출입되는 바디셀; 폭방향이 상하방향을 향하도록 배치되며 상기 바디셀의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀 내에 장착되는 다수 개의 가스튜브; 및 상기 바디셀의 길이방향 끝단을 덮도록 결합되며, 상기 가스튜브의 길이방향 끝단이 삽입되는 개구부가 형성된 엔드플레이트;를 포함하되, 상기 다수 개의 가스튜브는 두께 방향이 좌우를 향하도록 적층되는 구조로 상기 바디셀 내에 장착되고, 상기 바디셀의 천장면 중 길이방향 끝단측에는 상기 가스튜브의 폭방향 외측면을 향해 하향으로 돌출되는 하나 이상의 상측돌기가 형성된다.

상기 상측돌기는 상기 바디셀을 하향 가압하는 엠보싱 공정에 의해 형성된다.

상기 상측돌기는 상하방향으로 길이를 갖는 반원기둥 형상으로 형성되며, 측방향 평면 부위가 상기 엔드플레이트와 면접촉을 하도록 구성된다.

상기 상측돌기의 끝단은 상기 가스튜브의 폭방향 외측면과 0.1㎜ ~ 0.3㎜ 이격된다.

상기 바디셀의 바닥면 중 길이방향 끝단측에는 상기 가스튜브의 폭방향 외측면을 향해 상향으로 돌출되는 하나 이상의 하측돌기가 형성된다.

상기 하측돌기는 상기 바디셀을 상향 가압하는 엠보싱 공정에 의해 형성된다.

상기 하측돌기는 상하방향으로 길이를 갖는 반원기둥 형상으로 형성되며, 측방향 평면 부위가 상기 엔드플레이트와 면접촉을 하도록 구성된다.

상기 하측돌기의 끝단은 상기 가스튜브의 폭방향 외측면과 0.1㎜ ~ 0.3㎜ 이격된다.

본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 바디셀에 외력이 인가되더라도 상기 바디셀이 처지지 아니하므로 바디셀 끝단이 엔드플레이트에 안정적으로 결합된 상태를 유지할 수 있고, 이에 따라 바디셀 내부의 냉각수가 외부로 유출되는 현상을 방지할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 이지알 쿨러의 부분사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 부분사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 상측돌기와 하측돌기의 위치를 도시한다.
도 5는 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 부분단면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 상측바디셀의 저면사시도이다.
도 7은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 하측바디셀의 사시도이다.

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

도 2는 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 부분사시도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 상측돌기와 하측돌기의 위치를 도시한다.

본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 고온의 배기가스를 저온의 냉각수와 열전달시켜 일정 수준 냉각시킨 후 배기가스 재순환시스템(EGR:Exhaust Gas Recirculation)으로 전달하기 위한 장치로서, 상측으로 냉각수가 유출입되는 바디셀(100)과, 폭방향이 상하방향을 향하도록 배치되며 상기 바디셀(100)의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀(100) 내에 장착되어 내부에 배기가스가 흐르는 다수 개의 가스튜브(200)와, 배기가스와 냉각수 간의 열교환 효율을 높이기 위해 가스튜브(200) 내부와 외측에 각각 설치되는 웨이브핀(300) 및 워터핀(400)과, 상기 바디셀(100)의 길이방향 끝단을 덮도록 결합되며 상기 가스튜브(200)의 길이방향 끝단이 삽입되는 개구부가 형성된 엔드플레이트(500)(도 5 참조)를 기본 구성요소로 구비하되, 상기 바디셀(100)의 길이방향 끝단측이 아래로 처지지 아니하도록 구성된다는 점 즉, 상기 바디셀(100)의 천장면 중 길이방향 끝단측에 하향으로 돌출되는 하나 이상의 상측돌기(112)가 형성된다는 점에 가장 큰 특징이 있다. 이때, 상기 다수 개의 가스튜브(200)는 두께 방향이 좌우를 향하도록 적층되는 구조로 상기 바디셀(100) 내에 장착되는바, 상기 상측돌기(112)는 상기 가스튜브(200)의 폭방향 외측면(본 실시예에서는 상면)을 향해 돌출된다.

이와 같이 바디셀(100)의 길이방향 끝단에 상측돌기(112)가 형성되면, 브레이징 과정을 거치는 동안 상기 바디셀(100) 천장의 처짐이 시작될 때 상기 상측돌기(112)의 끝단이 가스튜브(200)의 폭방향 일측(본 실시예에서는 상측)에 접촉되므로, 상기 바디셀(100)의 천장이 아래로 처지지 아니하게 된다는 장점이 있다. 또한 바디셀(100)의 천장이 아래로 처지지 아니하면, 바디셀(100)의 길이방향 끝단과 엔드플레이트(500)의 내측면이 안정적으로 결합된 상태를 유지할 수 있으므로, 바디셀(100)과 엔드플레이트(500) 사이로 냉각수가 유출되는 현상을 방지하는 효과도 얻을 수 있다.

이때, 본 실시예에서는 바디셀(100)의 천장면에 4개의 상측돌기(112)가 형성된 경우만을 도시하고 있으나, 상측돌기(112)의 개수는 바디셀(100)의 강도나 바디셀(100)과 엔드플레이트(500) 간의 결합력, 상기 바디셀(100)로 인가되는 외력의 종류 등 여러 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

한편, 상기 상측돌기(112)는 바디셀(100)과 별도로 제작되어 결합되는 것이 아니라, 상기 바디셀(100)을 하향 가압하는 엠보싱 공정에 의해 형성된다. 이와 같이 상기 상측돌기(112)가 엠보싱 공정에 의해 형성되면, 상기 상측돌기(112)가 보강살 역할을 하게 되므로, 바디셀(100)의 길이방향 끝단의 휨강도나 비틀림강도가 향상되는 효과도 얻을 수 있게 된다.

또한, 엠보싱 공정으로 상측돌기(112)를 형성하는 경우, 상측돌기(112) 형성을 위한 비용이 크게 추가되지 아니하므로 상기 바디셀(100)의 제조원가를 낮출 수 있고, 상측돌기(112)를 형성하는데 많은 시간이 소요되지 아니하므로 상기 바디셀(100)의 생산성이 높아지는 효과도 얻을 수 있게 된다.

한편, 가스튜브(200)가 바디셀(100) 내에 장착되었을 때 상기 상측돌기(112)가 가스튜브(200)에 접촉되면 바디셀(100)의 처짐을 방지하는 효과는 높아질 수 있으나, 제조공차 등에 의해 상측돌기(112)의 길이가 약간이라도 길어지거나 가스튜브(200)의 장착 높이가 약간이라도 높아지면, 가스튜브(200)가 바디셀(100) 내에 정상적으로 장착되지 못할 우려가 있다. 물론, 가스튜브(200)를 억지로 바디셀(100) 내에 삽입시킬 수도 있지만, 이와 같은 경우 상측돌기(112)가 가스튜브(200)를 강하게 가압하므로 상기 가스튜브(200)가 손상될 수 있다.

반대로 상측돌기(112)의 길이가 약간이라도 짧아지거나 가스튜브(200)의 장착 높이가 약간이라도 낮아지면, 상기 바디셀(100)의 천장면 처짐이 시작되었을 때 상기 상측돌기(112)의 끝단이 가스튜브(200)에 접촉되지 못하므로, 바디셀(100)의 처짐을 방지하는 효과가 미비해질 우려가 있다.

따라서 상기 상측돌기(112)의 끝단은 상기 가스튜브(200)의 폭방향 외측면과 사전에 설정된 미세한 간격만큼 이격되도록, 예를 들어 0.1㎜ ~ 0.3㎜ 이격되도록 형성됨이 바람직하다. 이와 같이 상측돌기(112)와 가스튜브(200)가 0.1㎜ ~ 0.3㎜ 이격되도록 설정되면, 상측돌기(112)의 길이 및 가스튜브(200)의 장착높이에 오차가 발생되더라도 가스튜브(200)의 손상 우려 없이 바디셀(100)의 처짐을 효과적으로 방지할 수 있다는 장점이 있다.

물론, 상기 상측돌기(112)의 끝단과 가스튜브(200)의 폭방향 외측면 간의 이격거리는, 상측돌기(112)의 규격이나 바디셀(100) 및 가스튜브(200)의 구조적 특성 등 다양한 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

한편, 바디셀(100) 천장의 처짐이 시작되어 상측돌기(112)의 끝단이 가스튜브(200)의 외측면에 접촉되더라도, 상기 가스튜브(200)가 아래로 처지면 바디셀(100)의 처짐을 방지할 수 없다. 따라서 상기 바디셀(100)의 바닥면 중 길이방향 끝단측에는 상기 가스튜브(200)의 폭방향 외측면을 향해 상향으로 돌출되는 하나 이상의 하측돌기(122)가 형성됨이 바람직하다. 또한 상기 하측돌기(122)는 상측돌기(112)와 마찬가지로 바디셀(100)을 가압하는 엠보싱 공정에 의해 형성될 수 있다.

이와 같이 바디셀(100)의 바닥면에 형성되는 하측돌기(122)는 바디셀(100)의 천장면에 형성되는 상측돌기(112)와 비교하였을 때 형성위치 및 방향에 있어서만 차이가 있을 뿐 형상이나 규격, 가공방법 등은 상측돌기(112)와 실질적으로 동일하므로, 상기 하측돌기(122)를 형성하는 과정이나 규격에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 바디셀(100)의 바닥면에 다수 개의 하측돌기(122)가 형성되면, 상기 가스튜브(200)의 하측면은 상기 하측돌기(122)의 끝단에 의해 지지되는바, 상기 가스튜브(200)의 처짐이 발생되지 아니하게 된다는 장점이 있다. 또한 상기 하측돌기(122)의 끝단과 상기 가스튜브(200)의 폭방향 외측면과의 이격거리는 상기 상측돌기(112)의 끝단과 상기 가스튜브(200)의 폭방향 외측면과의 이격거리와 마찬가지로 0.1㎜ ~ 0.3㎜ 이내로 설정됨이 바람직하다.

한편, 본 실시예에서는 하나의 바디셀(100)이 상측 바디셀(110)과 하측 바디셀(120)로 구분되어, 상기 상측돌기(112)는 상측 바디셀(110)에 형성되고 상기 하측돌기(122)는 하측 바디셀(120)에 형성되는 경우만을 도시하고 있으나, 상기 상측 바디셀(110)과 하측 바디셀(120)은 일체로 제작될 수도 있다.

도 5는 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 부분단면도이고, 도 6은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 상측바디셀(100)의 저면사시도이며, 도 7은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 하측바디셀(100)의 사시도이다.

본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 바디셀(100)의 길이방향 양측을 덮도록 장착되는 엔드플레이트(500)와, 상기 엔드플레이트(500)의 가장자리를 감싸도록 장착되는 플랜지(600)를 구비하며, 바디셀(100)의 길이방향 끝단은 엔드플레이트(500)의 내측면에 밀착 결합된다.

일반적으로 바디셀(100)의 처짐은 바디셀(100)의 길이방향 끝단에서 발생되므로, 상기 상측돌기(112)와 하측돌기(122)는 바디셀(100)의 길이방향 끝단에 형성됨이 바람직하다. 이때 상기 상측돌기(112)와 하측돌기(122)가 일반적인 돌기 형상 즉, 측벽이 둥글게 만곡된 원통형상으로 형성되면, 상측돌기(112) 및 하측돌기(122)가 엔드플레이트(500)에 선접촉을 하게 되므로, 상측돌기(112) 및 하측돌기(122)가 엔드플레이트(500)에 견고하게 결합되지 못한다는 문제점이 있다.

따라서 상기 상측돌기(112)와 하측돌기(122)는 엔드플레이트(500)와 면접촉을 이룰 수 있도록 상기 엔드플레이트(500)의 내측면을 향하는 측이 평면을 향하는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 상측돌기(112)와 하측돌기(122)는 상하방향으로 길이를 갖는 반원기둥 형상으로 형성되되, 측방향 평면 부위가 상기 엔드플레이트(500)와 면접촉을 하도록 구성될 수 있다.

이와 같이 상기 상측돌기(112)와 하측돌기(122)가 반원기둥 형상으로 형성되면, 상측돌기(112)와 하측돌기(122)가 엔드플레이트(500)에 견고하게 결합될 수 있으므로, 바디셀(100) 내의 냉각수가 상측돌기(112)나 하측돌기(122)가 형성된 지점을 통해 외부로 유출된느 현상을 방지할 수 있게 된다.

본 실시예에서는 상기 상측돌기(112)와 하측돌기(122)가 반원기둥 형상으로 형성되는 경우만을 도시하고 있으나, 상기 상측돌기(112)와 하측돌기(122)는 엔드플레이트(500)에 면접촉을 이룰 수 있다면 어떠한 형상으로도 대체될 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.

100 : 바디셀 110 : 상측 바디셀
112 : 상측돌기 120 : 하측 바디셀
122 : 하측돌기 200 : 가스튜브
300 : 웨이브핀 400 : 워터핀
500 : 엔드플레이트 600 : 플랜지

Claims (8)

1. 상측으로 냉각수가 유출입되는 바디셀;
   폭방향이 상하방향을 향하도록 배치되며 상기 바디셀의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀 내에 장착되는 다수 개의 가스튜브; 및
   상기 바디셀의 길이방향 끝단을 덮도록 결합되며, 상기 가스튜브의 길이방향 끝단이 삽입되는 개구부가 형성된 엔드플레이트;
   를 포함하되,
   상기 다수 개의 가스튜브는 두께 방향이 좌우를 향하도록 적층되는 구조로 상기 바디셀 내에 장착되고,
   상기 바디셀의 천장면 중 길이방향 끝단측에는, 상기 바디셀을 하향 가압하는 엠보싱 공정에 의해 형성되어 상기 가스튜브의 폭방향 외측면을 향해 돌출되는 하나 이상의 상측돌기가 형성되며,
   상기 바디셀의 바닥면 중 길이방향 끝단측에는, 상기 바디셀을 상향 가압하는 엠보싱 공정에 의해 형성되어 상기 가스튜브의 폭방향 외측면을 향해 상향으로 돌출되는 하나 이상의 하측돌기가 형성되고,
   상기 상측돌기와 하측돌기는 상하방향으로 길이를 갖는 반원기둥 형상으로 형성되어, 측방향 평면 부위가 상기 엔드플레이트와 면접촉을 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 상측돌기의 끝단은 상기 가스튜브의 폭방향 외측면과 0.1㎜ ~ 0.3㎜ 이격되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 하측돌기의 끝단은 상기 가스튜브의 폭방향 외측면과 0.1㎜ ~ 0.3㎜ 이격되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
   

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