KR101977824B1 - 열교환기 및 상기 열교환기를 구비한 배기열 회수장치 - Google Patents

열교환기 및 상기 열교환기를 구비한 배기열 회수장치 Download PDF

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Abstract

열교환기는, 하우징 내에 나란하게 설치되는 복수개의 열교환 세그먼트와, 하우징에 액밀적으로 접합되고 서로 인접하는 열교환 세그먼트의 각 간극에 냉각매체유로를 형성하도록 열교환 세그먼트를 지지하는 실링부재를 구비한다. 각 열교환 세그먼트는, 하나의 면에만 개구를 갖고 적어도 개구의 외측이 실링부재에 의하여 액밀적으로 실링되는 프레임과, 프레임 내에 수용되고 소정방향의 배기가스 흐름만을 허용하는 복수의 가스유로를 갖음과 아울러, 그 상류측 및 하류측에 가스유입유로 및 가스배출유로를 갖는 안내부재, 예를 들면 핀을 구비하고, 각각의 프레임의 개구에 가스유입유로와 서로 통하는 가스유입구를 갖음과 아울러, 가스배출유로와 서로 통하는 가스배출구를 갖는다.

Description

열교환기 및 상기 열교환기를 구비한 배기열 회수장치{HEAT EXCHANGER, AND EXHAUST HEAT RECOVERY DEVICE PROVIDED WITH SAID HEAT EXCHANGER}
본 발명은, 열교환기(熱交換器) 및 상기 열교환기를 구비한 배기열 회수장치(排氣熱 回收裝置)에 관한 것으로서, 특히 내연기관에 알맞은 열교환기 및 배기열 회수장치에 관한 것이다.
에너지 효율향상의 요청에 부응하기 위해, 각 업계에 있어서는, 대기로 배출되는 가스의 열, 즉 배기열을 회수하고 이것을 재이용하는 대책이 강구되고 있다. 특히 내연기관을 탑재하는 자동차분야에 있어서는, 종합적인 열효율향상을 위하여 내연기관의 배기가스(排氣 gas)의 열을 회수하는 배기열 회수장치가 배기관에 장착되어, 배기열과의 열교환에 의하여 가열된 냉각매체(冷却媒體)를 난기(暖機) 촉진이나 난방성능 향상에 이바지하게 하는 것이 일반화되고 있다. 예를 들면 하기의 특허문헌1에는, 「배기가스와 열교환을 하는 열교환기와, 배기가스가 열교환기를 우회하는 바이패스 경로(by-pass 經路)와, 바이패스 경로를 개폐하는 밸브체(valve體)를 구비하는 배기열 회수장치에 있어서, 열교환기로부터 배출 직후의 매체에 접촉하는 온도작동 엑추에이터(溫度作動 actuator)를 구비하고, 온도작동 엑추에이터는 매체온도가 소정의 값 이상이 되면 신장운동을 하여 밸브체를 개방 구동하도록 했다」라는 배기열 회수장치가 개시되어 있다(특허문헌1의 단락[0008〕에 기재).
또한 상기의 배기열 회수장치로서, 특허문헌1에는 「인렛콘(inlet cone), 아웃렛콘(outlet cone), 바이패스 파이프(by-pass pipe), 열교환기가 용접 등에 의하여 서로 기밀을 유지하면서 결합되어 구성된다. 인렛콘에는 바이패스 파이프와 열교환기의 상류단부가 결합되고, 아웃렛콘에는 바이패스 파이프와 열교환기의 하류단부가 결합된다」라는 구성이 개시되고(특허문헌1의 단락[0013]에 기재. 단, 도면부호는 생략), 또한 열교환기에 대해서 「케이싱(casing) 내에 편평단면(偏平斷面)의 9개의 전열관(傳熱管)이, 그 양단부를, 경계판에 액체가 새지 않게 관통하여 고정되고」, 「2매의 경계판 사이에 있어서 케이싱 내면과 전열관 외면에 의하여 매체가 유동하는 워터재킷(water jacket)이 형성된다」라는 취지가 기재되어 있다(동(同) 단락[0014]에 기재. 단, 도면부호는 생략).
또한 하기의 특허문헌2에는, 「내부에 배기가스가 흐르는 전열튜브(傳熱tube)가 복수 적층되고, 이들의 적층된 전열튜브가 코어 케이스(core case)에 수납되고, 이 코어 케이스에 매체를 유입하는 유입구와 전열튜브에서 따뜻하게 데운 매체를 배출하는 배출구가 설치되고, 유입구로부터 배출구를 향해서 매체가 흐름과 아울러 전열튜브의 내부에는 배기가스가 흘러 전열튜브의 외주에 흐르는 매체가 배기가스의 열에 의하여 따뜻하게 데워지고, 전열튜브는 적어도 3개가 적층되고, 3개 이상의 전열튜브가 적층 됨으로써 전열튜브의 상면과 코어 케이스와의 사이, 전열튜브와 전열튜브와의 사이, 전열튜브의 하면과 코어 케이스와의 사이에 형성되는 유로(流路)는, 단면으로 봐서 4층 이상 형성되고, 전열튜브의 측면과 코어 케이스의 사이에는, 매체가 서로 다른 층으로 이동하는 층간로(層間路)가 형성된다」라는 열교환기가 개시되고, 「유로폐쇄 수단(流路閉鎖 手段)에 의햐여 임의의 층간로를 막는다」라는 것을 위한 구성이 제안되어 있다(특허문헌2의 단락[0009]에 기재).
또한 특허문헌2에는, 「배기열 회수장치는, 내연기관에서 발생한 배기가스가 도입되는 도입부재(導入部材)와, 이 도입부재에서 상부통로를 거쳐서 연결되는, 선단이 가스 유입부재(gas 流入部材)에 지지되는 열교환기와, 이 열교환기의 후단에 접속되어 열교환기를 통과한 배기가스가 흐르는 가스 유출부재(gas 流出部材)와, 열교환기의 하방에 설치되어 상부통로로 흐르지 않는 배기가스가 흐르는 하부통로와, 매체 배출부의 엑추에이터 지지부에 지지되어 매체의 온도에 의해서 작동하는 서모 엑추에이터(thermo actuator)와, 이 서모 엑추에이터의 선단에 설치되어 상부통로에 흐르는 배기 가스의 양을 조절하는 밸브기구로 이루어진다」라는 구성이 개시되어 있다(특허문헌2의 단락[0032]에 기재. 단, 도면부호는 생략).
일본국 공개특허 특개2008-157211호 공보 일본국 공개특허 특개2012-132614호 공보
상기의 특허문헌에 개시된 열교환기에 관한 것으로서, 특허문헌1에 있어서는, 「9개의 전열관」이 사용되어 배기열 회수장치에 적용될 때에는 「인렛콘에는 바이패스 파이프와 열교환기의 상류단부가 결합되고, 아웃렛콘에는 바이패스 파이프와 열교환기의 하류단부가 결합된다」라는 구성으로 되어 있다. 또한 특허문헌2에 있어서는, 「3개이상의 전열튜브」의 열교환기가 사용되어 배기열 회수장치에 적용될 때는 「내연기관에서 발생한 배기가스가 도입되는 도입부재와, 이 도입부재에서 상부통로를 거쳐서 연결되고 선단이 가스 유입부재에 지지되는 열교환기와, 이 열교환기의 후단에 접속되어 열교환기를 통과한 배기가스가 흐르는 가스 유출부재」를 구비한 구성으로 되어 있다.
상기의 특허문헌1 및 2에 개시된 열교환기는, 모두 양쪽 측단부에 배기가스를 유입시키는 「인렛콘」 혹은 「도입부재」가 설치됨과 아울러, 배기가스를 배출하는 「아웃렛콘」 혹은 「가스 유출부재」가 설치되어 있고, 본체부를 포함하여 3개의 부재로 구성되어 있다. 따라서 열교환기의 소형화가 한층 더 기대된다. 또한 열교환기에 배기가스를 균일하게 유입하기 위해서는, 그 전후에 접합되는 부재를 포함하여 대책을 강구할 필요가 있고, 특허문헌2에서도 제안되어 있지만, 복잡한 구조로 되어 용이하지는 않다. 또한 열교환기의 소형화만으로 즉시 배기열 회수장치의 소형화로 이어지지 않고, 조립 등도 용이하지 않다.
내연기관에 탑재되는 배기열 회수장치에 있어서는, 내연기관 및 냉각매체가 차가운 상태에서의 냉간시동 시에는 급하게 냉각매체를 따뜻하게 할 필요가 있고, 배기가스를 유입시키는 우회유로(迂回流路)에서의 열손실을 최대한 억제할 필요가 있지만, 상기의 「인렛콘」이나 「도입부재」는 열용량이 크기 때문에, 질량 및 표면적의 감소가 요구된다. 또한 자동차에 탑재할 경우에는 장치 전체로서 한층 더 소형화가 요청된다. 또 열교환기에 있어서의 냉각매체와의 효율적인 열교환의 관점으로부터도, 특허문헌1 및 2에 개시된 열교환기 및 배기열 회수장치에서는, 최근의 요구 성능을 충족시킬 수는 없다. 이를 위하여 원하는 열교환 효율을 유지하면서 특히 우회유로가 차지하는 히트 매스(heat mass)(열용량) 및 스페이스(space)(공간)을 최소화하는 것이 중요한 과제가 된다.
그래서 본 발명은, 배기가스와 냉각매체의 열교환을 하는 열교환기에 있어서 적은 구성부품으로 한층 더 소형화하는 것을 과제로 한다.
또한 본 발명은 내연기관의, 우회유로를 통과하는 배기가스를 열교환기 내에서 냉각매체와 열교환을 해서 배기열을 회수하는 배기열 회수장치에 있어서 우회유로를 포함한 열교환기를 적절하게 구성함으로써, 소형으로 효율적인 열회수를 할 수 있는 배기열 회수장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기의 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 하우징 내에서 배기가스와 냉각매체의 열교환을 하는 열교환기로서, 상기 하우징 내에 나란하게 설치되는 복수개의 열교환 세그먼트(熱交換 segment)와, 상기 하우징에 액밀적(液密的)으로 접합되고, 상기 복수개의 열교환 세그먼트를 지지하는 실링부재(sealing 部材)를 구비하고, 상기 복수개의 열교환 세그먼트를 구성하는 각 열교환 세그먼트 내에 배기가스유로를 갖음과 아울러, 상기 하우징의 내면과 각 열교환 세그먼트의 사이 및 서로 인접하는 열교환 세그먼트 사이에 냉각매체유로(冷却媒體流路)를 갖고, 각 열교환 세그먼트가, 하나의 면에만 개구를 갖고 적어도 상기 개구의 외측이 상기 실링부재에 의하여 액밀적으로 실링되는 프레임과, 상기 프레임 내에 수용되고 소정방향의 배기가스 흐름만을 허용하는 복수의 유로를 갖음과 아울러 상기 복수의 유로의 상류측 및 하류측에 가스유입유로 및 가스배출유로를 갖는 안내부재를 구비하고, 각각의 상기 프레임의 개구에, 상기 가스유입유로와 서로 통하는 가스유입구를 갖음과 아울러 상기 가스배출유로와 서로 통하는 가스배출구를 갖는 구성이다. 예를 들면 상기의 프레임은, 길이방향의 하나의 면에만 개구를 갖는 직육면체형상으로 형성될 수 있지만, 그 경우에는 상기한 소정방향은 길이방향이 된다.
상기의 열교환기에 있어서 상기 복수개의 열교환 세그먼트의 각각의 상기 안내부재는, 한 장의 열교환용 판재(熱交換用 板材)가 굴곡(屈曲)되어, 연속하는 S자모양 단면을 갖는 물결모양으로 형성된 핀(fin)을 구비하고, 상기 핀의 연장방향의 하나의 측면이 상기 가스유입구와 상기 가스배출구의 사이의 상기 프레임의 개구를 차폐하고, 상기 핀의 양 단면측이 각각 상기 가스유입구와 상기 가스배출구로 서로 통하도록 배치되는 구성으로 하면 좋다.
또한 상기의 열교환기는, 상기 하우징에 형성되고 상기 냉각매체유로와 서로 통하는 냉각매체 유입구 및 냉각매체 배출구와, 상기 냉각매체 유입구 및 냉각매체 배출구의 사이에 끼워지는 정류판을 구비하면 좋다. 이 정류판은 빗모양 형상을 갖고, 상기 빗모양을 구성하는 빗살의 일부가, 상기 복수개의 열교환 세그먼트가 서로 인접하는 각 간극에 삽입된 구성으로 하면 좋다. 또한 상기 정류판은, 상기 빗모양을 구성하는 빗살의 일부의 선단이 절곡된 절곡부(折曲部)를 갖고, 상기 절곡부에 의하여 상기 각 간극에 대한 냉각매체 안내로(冷却媒體 案內路)가 형성되어 있는 구성으로 하면 좋다.
또한 상기의 열교환기에 있어서 상기 복수개의 열교환 세그먼트의 각각의 상기 프레임은, 서로 인접하는 각 측면의 같은 위치에 적어도 하나의 볼록부를 갖고, 상기 볼록부가 상기 냉각매체유로 내에 배치되어 있는 것으로 하면 좋다.
또한 상기한 열교환기에 있어서 상기 실링부재는, 평행하게 형성된 복수의 슬릿(slit)을 갖고, 상기 슬릿 내에 각각 상기 프레임의 개구의 외측이 결합되어서, 상기 복수개의 열교환 세그먼트가 지지되는 구성으로 하면 좋다.
그리고 본 발명의 배기열 회수장치는, 내연기관의 배기가스를 유입시키는 주배기유로(主排氣流路)와, 상기 주배기유로의 일부로부터 분기되어서 가스 유입구를 구성함과 아울러 상기 주배기유로의 다른 부분에 합류하여 가스 배출구를 구성하는 우회유로와, 상기 우회유로를 통과하는 배기가스를 하우징 내에서 냉각매체와 열교환을 해서 배기열을 회수하는 열교환기를 구비하고, 상기 열교환기가, 상기 하우징 내에 나란하게 설치되는 복수개의 열교환 세그먼트와, 상기 하우징에 액밀적으로 접합되고, 상기 복수개의 열교환 세그먼트를 지지하는 실링부재를 구비하고, 상기 복수개의 열교환 세그먼트를 구성하는 각 열교환 세그먼트 내에 배기가스유로를 갖음과 아울러, 상기 하우징의 내면과 각 열교환 세그먼트의 사이 및 서로 인접하는 열교환 세그먼트 사이에 냉각매체유로를 갖고, 각 열교환 세그먼트가, 하나의 면에만 개구를 갖고 적어도 상기 개구의 외측이 상기 실링부재에 의하여 액밀적으로 실링되는 프레임과, 상기 프레임 내에 수용되고 소정방향의 배기가스 흐름만을 허용하는 복수의 유로를 갖음과 아울러 상기 복수의 유로의 상류측 및 하류측에 가스유입유로 및 가스배출유로를 갖는 안내부재를 구비하고, 각각의 상기 프레임의 개구에, 상기 가스유입유로와 서로 통하는 가스유입구를 갖고 상기 가스유입구가 상기 우회유로의 가스유입구를 구성함과 아울러, 각각의 상기 프레임의 개구에, 상기 가스배출유로와 서로 통하는 가스배출구를 갖고 상기 가스배출구가 상기 우회유로의 가스배출구를 구성한다.
상기의 배기열 회수장치에 있어서 상기 복수개의 열교환 세그먼트의 각각의 상기 안내부재는, 한 장의 열교환용 판재가 굴곡되어, 연속하는 Ｓ자모양 단면을 갖는 물결모양으로 형성된 핀을 구비하고, 상기 핀의 연장방향의 하나의 측면이 상기 가스유입구와 상기 가스배출구의 사이의 상기 프레임의 개구를 차폐하고, 상기 핀의 양 단면측이 각각 상기 가스유입구와 상기 가스배출구로 서로 통하도록 배치되는 구성으로 하면 좋다.
상기의 배기열 회수장치에 제공되는 상기 열교환기는, 상기 하우징에 형성되고 상기 냉각매체유로와 서로 통하는 냉각매체 유입구 및 냉각매체 배출구와, 상기 냉각매체 유입구 및 냉각매체 배출구의 사이에 끼워지는 정류판을 구비한 것으로, 상기 정류판은 빗모양 형상을 갖고, 상기 빗모양을 구성하는 빗살의 일부가, 상기 복수개의 열교환 세그먼트가 서로 인접하는 각 간극에 삽입된 구성으로 하면 좋다. 또한 상기 정류판은, 상기 빗모양을 구성하는 빗살의 일부의 선단이 절곡된 절곡부를 갖고, 상기 절곡부에 의하여 상기 각 간극에 대한 냉각매체 안내로가 형성되어도 좋다.
상기의 배기열 회수장치에 제공되는 상기 열교환기에 있어서 상기 복수개의 열교환 세그먼트의 각각의 상기 프레임은, 서로 인접하는 각 측면의 같은 위치에 적어도 하나의 볼록부를 갖고, 상기 볼록부가 상기 냉각매체유로 내에 배치되어 있는 구성으로 하면 좋다. 또한 상기 열교환기의 하우징은, 상기 개구가 하방에 위치함과 아울러 상기 주배기유로에 대하여 상방에 배치되는 어퍼하우징(upper housing)을 구성하고, 상기 어퍼하우징에 접합되어서 프레임 형상으로 형성되는 로어하우징(lower housing)을 구비하고, 상기 로어하우징 내에 상기 주배기유로가 구성되어도 좋다.
또한 상기 주배기유로와 상기 우회유로와의 사이의 통로를 개폐하는 밸브장치로서, 상기 로어하우징 내에 수용되어 적어도 밸브부재를 갖는 밸브장치와, 상기 주배기유로로부터 상기 우회유로로 분기되는 분기부와, 상기 우회유로로부터 상기 밸브부재를 통하여 상기 주배기유로로 합류하는 합류부를 구비하여도 좋다.
상기 밸브장치는, 상기 주배기유로를 개폐하는 제1밸브부재와, 상기 우회유로를 개폐하는 제2밸브부재와, 상기 제1밸브부재 및 상기 제2밸브부재를 지지하는 단일의 축부재와, 상기 축부재를 둘러싸도록 지지하고, 상기 로어하우징의 적어도 일방의 측면에 지지되는 지지부재를 구비하면 좋다.
또한 상기 제2밸브부재는 상기 합류부에서 상기 우회유로를 개폐하도록 배치되어, 상기 제1밸브부재가 상기 주배기유로를 개방할 때에는, 상기 제2밸브부재가 상기 우회유로를 폐쇄함과 아울러 상기 지지부재를 상기 주배기유로에 대하여 차폐하는 구성으로 하면 좋다.
그리고 상기 어퍼하우징 및 상기 로어하우징의 적어도 일방에 고정된 브래킷을 구비하고, 상기 밸브장치는 상기 축부재를 회전구동하는 엑추에이터를 구비하며, 상기 브래킷에 상기 엑추에이터가 지지됨과 아울러 상기 지지부재가 결합되는 구성이면 좋다.
본 발명은 상기와 같이 구성되어 있기 때문에 이하의 효과를 얻을 수 있다. 즉 본 발명은, 하우징 내에서 배기가스와 냉각매체의 열교환을 하는 열교환기로서, 상기 하우징 내에 나란하게 설치되는 복수개의 열교환 세그먼트와, 상기 하우징에 액밀적으로 접합되고, 상기 복수개의 열교환 세그먼트를 지지하는 실링부재를 구비하고, 상기 복수개의 열교환 세그먼트를 구성하는 각 열교환 세그먼트 내에 배기가스유로를 갖음과 아울러, 상기 하우징의 내면과 각 열교환 세그먼트의 사이 및 서로 인접하는 열교환 세그먼트 사이에 냉각매체유로를 갖고, 각 열교환 세그먼트가, 하나의 면에만 개구를 갖고 적어도 상기 개구의 외측이 상기 실링부재에 의하여 액밀적으로 실링되는 프레임과, 상기 프레임 내에 수용되고, 소정방향의 배기가스 흐름만을 허용하는 복수의 유로를 갖음과 아울러 상기 복수의 유로의 상류측 및 하류측에 가스유입유로 및 가스배출유로를 갖는 안내부재를 구비하고, 각각의 상기 프레임의 개구에, 상기 가스유입유로와 서로 통하는 가스유입구를 갖음과 아울러 상기 가스배출유로와 서로 통하는 가스배출구를 갖는 구성이므로, 필요한 공간을 최대한 작게 하면서 효율적인 열교환을 할 수 있어 한층 더 소형화가 가능하게 된다.
상기의 열교환기에 있어서 복수개의 열교환 세그먼트의 각각의 안내부재는, 한 장의 열교환용 판재가 굴곡되어, 연속하는 Ｓ자모양 단면을 갖는 물결모양으로 형성된 핀을 구비하고, 핀의 연장방향의 하나의 측면이 가스유입구와 가스배출구의 사이의 프레임의 개구를 차폐하고, 핀의 양 단면측이 각각 가스유입구와 가스배출구로 통하도록 배치되는 구성으로 하면, 열교환 효율이 양호한 안내부재를 각 열교환 세그먼트 내에 용이하게 조립할 수 있다.
또한 상기의 열교환기에 있어서, 하우징에 형성되어 냉각매체유로와 서로 통하는 냉각매체 유입구 및 냉각매체 배출구와, 상기 냉각매체 유입구 및 냉각매체 배출구의 사이에 끼워지는 정류판을 구비하면, 냉각매체를 원활하게 순환시켜서, 효율적으로 열교환을 할 수 있다. 상기의 정류판은 빗모양 형상을 갖고, 그 빗모양을 구성하는 빗살의 일부가, 복수개의 열교환 세그먼트가 서로 인접하는 각 간극에 삽입된 구성으로 하면, 각 열교환 세그먼트 내에서 냉각매체를 적절하고 원활하게 순환시킬 수 있다. 또한 빗모양을 구성하는 빗살의 일부의 선단이 절곡된 절곡부를 갖고, 절곡부에 의하여 각 간극에 대한 냉각매체 안내로가 형성되어 있는 정류판을 사용하면, 각 열교환 세그먼트 내에서 균등하게 열교환을 할 수 있어 효율적으로 열교환을 할 수 있다.
또한 복수개의 열교환 세그먼트의 각각의 프레임은, 서로 인접하는 각 측면의 같은 위치에 적어도 하나의 볼록부를 갖고, 이 볼록부가 냉각매체유로 내에 배치되어 있는 구성으로 하면, 각 열교환 세그먼트 내에서 냉각매체에 포함될 수 있는 기포를, 대향하는 볼록부 사이에서 확실하게 분리하여 냉각매체를 적절하고 원활하게 순환시킬 수 있다. 또한 실링부재는, 평행하게 형성된 복수의 슬릿을 갖고, 슬릿 내에 각각 프레임의 개구의 외측이 결합되어, 복수개의 열교환 세그먼트가 지지되는 구성으로 하면, 용이하고 적절하게 각 열교환 세그먼트의 프레임을 액밀적으로 실링할 수 있다.
그리고 본 발명의 배기열 회수장치에 있어서는, 내연기관의 배기가스를 유입시키는 주배기유로와, 주배기유로의 일부로부터 분기되어서 가스유입구를 구성함과 아울러 주배기유로의 다른 부분에서 합류하여 가스배출구를 구성하는 우회유로와, 우회유로를 통과하는 배기가스를 하우징 내에서 냉각매체와 열교환하여 배기열을 회수하는 열교환기로서 상기와 같이 구성된 열교환기를 구비하고, 각각의 프레임의 개구에 형성되는 가스유입구 및 가스배출구가, 각각 우회유로의 가스유입구 및 가스배출구로 구성하고 있으므로, 우회유로의 열용량 및 이것에 필요한 공간을 최대한 작게 하면서, 효율적인 열회수를 할 수 있고, 열교환기뿐만 아니라 배기열 회수장치의 전체로서 소형화가 가능하게 된다.
상기의 배기열 회수장치에 있어서 복수개의 열교환 세그먼트의 각각의 안내부재는, 한 장의 열교환용 판재가 굴곡되어, 연속하는 Ｓ자모양 단면을 갖는 물결모양으로 형성된 핀을 구비하고, 핀의 연장방향의 하나의 측면이 가스유입구와 가스배출구의 사이의 프레임의 개구를 차폐하고, 핀의 양 단면측이 각각 가스유입구와 가스배출구로 통하도록 배치되는 구성으로 하면, 열교환 효율이 양호한 안내부재를 각 열교환 세그먼트 내에 용이하게 조립할 수 있다.
상기의 배기열 회수장치에 제공되는 열교환기는, 하우징에 형성되고 냉각매체유로와 서로 통하는 냉각매체 유입구 및 냉각매체 배출구와, 냉각매체 유입구 및 냉각매체 배출구의 사이에 끼워지는 정류판을 구비하고, 이 정류판은 빗모양 형상을 갖고, 그 빗모양을 구성하는 빗살의 일부가, 복수개의 열교환 세그먼트가 서로 인접하는 각 간극에 삽입된 구성으로 하면, 상기 각 열교환 세그먼트 내에서 냉각매체를 적절하고 원활하게 순환시킬 수 있고, 효율적으로 열회수를 할 수 있다. 또한 빗모양을 구성하는 빗살의 일부의 선단이 절곡된 절곡부를 갖고, 절곡부에 의하여 각 간극에 대한 냉각매체 안내로가 형성되어 있는 정류판을 사용하면, 각 열교환 세그먼트 내에서 균등하게 열교환을 할 수 있어 효율적으로 열회수를 할 수 있다.
또한 복수개의 열교환 세그먼트의 각각의 프레임은, 서로 인접하는 각 측면의 같은 위치에 적어도 하나의 볼록부를 갖고, 이 볼록부가 냉각매체유로 내에 배치되어 있는 구성으로 하면, 각 열교환 세그먼트 내에서, 냉각매체에 포함될 수 있는 기포를, 대향하는 볼록부 사이에서 확실하게 분리하여 냉각매체를 적절하고 원활하게 순환시킬 수 있다.
또한 상기의 배기열 회수장치에 있어서 열교환기의 하우징은, 개구가 하방에 위치함과 아울러 주배기유로에 대하여 상방에 배치되는 어퍼하우징을 구성하고, 어퍼하우징에 접합되어서 프레임 형상으로 형성되는 로어하우징을 구비하고, 로어하우징 내에 주배기유로를 구성하면, 주배기유로에 대하여 용이하고 적절하게 열교환기를 장착 할 수 있다.
또한 주배기유로와 우회유로의 사이의 통로를 개폐하는 밸브장치로서, 로어하우징 내에 수용되어 적어도 밸브부재를 갖는 밸브장치와, 주배기유로로부터 우회유로로 분기되는 분기부와, 우회유로로부터 밸브부재를 통하여 주배기유로로 합류하는 합류부를 구비한다면, 소형의 밸브 장치로 배기가스 흐름의, 주배기유로와 우회유로로의 절환(切換)을 용이하고 적절하게 할 수 있다.
또한 밸브장치는, 주배기유로를 개폐하는 제1밸브부재와, 우회유로를 개폐하는 제2밸브부재와, 제1밸브부재 및 제2밸브부재를 지지하는 단일의 축부재와, 축부재를 둘러싸도록 지지하고, 로어하우징의 적어도 일방의 측면에 지지되는 지지부재를 구비하면, 지지부재에 의하여 축부재를 적절하게 보호할 수 있다.
특히 제2밸브부재는 합류부에서 우회유로를 개폐하도록 배치되어, 제1밸브부재가 주배기유로를 개방할 때에는, 제2밸브부재가 우회유로를 폐쇄함과 아울러, 지지부재를 주배기유로에 대하여 차폐하는 구성으로 하면, 주배기유로 내의 고온의 배기가스로부터, 축부재를 적절하게 보호할 수 있다.
그리고 어퍼하우징 및 로어하우징의 적어도 일방에 고정된 브래킷을 구비하고, 밸브장치는 축부재를 회전구동하는 엑추에이터를 구비하며, 브래킷에 엑추에이터가 지지됨과 아울러 지지부재가 결합되는 구성으로 하면, 고온의 부재에 대하여 엑추에이터를 적절하게 보호하면서, 확실하게 축부재를 회전구동 할 수 있다.
도1은, 본 발명의 실시형태에 관한 열교환기를 구비한 배기열 회수장치의 횡단면도이다.
도2는, 본 발명의 실시형태에 관한 열교환기에 있어서의 냉각매체의 흐름을 나타내는 부분단면도이다.
도3은, 본 발명의 실시형태에 관한 배기열 회수장치의 종단면도이다.
도4는, 본 발명의 실시형태에 있어서의 인접하는 열교환 세그먼트간의 관계를 확대해서 나타내는 종단면도이다.
도5는, 본 발명의 실시형태에 제공되는 열교환 세그먼트를 구성하는 부품의 조립 전의 상태를 나타내는 사시도이다.
도6은, 본 발명의 실시형태에 제공되는 열교환 세그먼트 및 정류판의 조립 상황을 나타내는 사시도이다.
도7은, 본 발명의 실시형태에 관한 열교환기를 하우징의 개구측에서 본 사시도이다.
도8은, 본 발명의 실시형태에 제공되는 분리벽부재의 사시도이다.
도9는, 본 발명의 실시형태에 제공되는 열교환 세그먼트의 프레임을 구성하는 뚜껑부재의 종단면도이다.
도10은, 본 발명의 실시형태에 제공되는 열교환 세그먼트를 구성하는 프레임의 부분단면 정면도이다.
도11은, 본 발명의 실시형태에 제공되는 실링부재에 복수의 열교환 세그먼트 및 정류판이 장착된 상태를 나타내는 평면도이다.
도12는, 본 발명의 실시형태에 제공되는 실링부재에 열교환 세그먼트 및 정류판이 장착된 상태를 나타내는 측면도이다.
도13은, 본 발명의 실시형태에 제공되는 어퍼하우징의 측면도이다.
도14는, 본 발명의 실시형태에 제공되는 어퍼하우징의 종단면도이다.
도15는, 본 발명의 실시형태에 관한 배기열 회수장치의 부분단면도이다.
도16은, 본 발명의 실시형태에 관한 배기열 회수장치의 평면도이다.
도17은, 본 발명의 실시형태에 관한 배기열 회수장치의 정면도이다.
도18은, 본 발명의 다른 실시형태에 관한 배기열 회수장치의 일부를 나타내는 단면도이다.
도19는, 본 발명의 또한 다른 실시형태에 관한 배기열 회수장치의 일부를 나타내는 단면도이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 도1 내지 도3은 본 발명의 실시형태에 관한 열교환기(熱交換器)(1)를 구비한 배기열 회수장치(排氣熱 回收裝置)를 나타내는 것으로 배기열 회수장치는, 내연기관(도면에는 나타내지 않는다)의 배기가스를 유입하는 주배기유로(主排氣流路)(2)와, 이 주배기유로(2)로부터 분기되어 주배기유로(2)에 합류하는 우회유로(迂回流路)(3)와, 이 우회유로(3)를 통과하는 배기가스와 냉각매체(冷却媒體)가 열교환을 하여 배기열을 회수하는 열교환기(1)를 구비하고 있다. 본 실시형태에 있어서 배기열 회수장치의 하우징(housing)(20)은, 주배기유로(2)에 대하여 (차량에 탑재한 상태에서) 상방에 배치된 어퍼하우징(upper housing)(21)과, 이것에 접합되는 로어하우징(lower housing)(22)에 의하여 프레임 형상으로 형성되며, 실링부재(23)에 의하여 액밀적(液密的)으로 분리되어 있다. 또한 본 실시형태에 있어서는, 두개의 부재(22a) 및 부재(22b)가 접합되어서 로어하우징(22)이 형성되어 있다. 그리고 주배기유로(2)와 우회유로(3)의 통로를 개폐하는 밸브장치(4)가 설치되어 있지만, 우선 열교환기(1)에 대해서 설명한다.
본 실시형태의 열교환기(1)는, 그 하우징이 배기열 회수장치의 어퍼하우징(21)으로 구성되며, 도1 내지 도7에 나타나 있는 바와 같이 복수개(본 실시형태에서는 5개)의 열교환 세그먼트(熱交換 segment)(대표해서 10으로 나타낸다)를 구비하고, 각 열교환 세그먼트(10)는, 하나의 면(面)만이 개구하는 프레임(11)과, 프레임(11) 내에 수용된 안내부재(12)로 구성되어 있다. 본 실시형태의 프레임(11)은 길이방향의 하측평면부가 개구하는 직육면체형상으로 형성되어 있지만, 예를 들면 양측면이 정4각형으로 하측평면부가 개구하는 직육면체형상으로 형성되더라도 좋고, 또는 도1 등의 상방에 원호모양 곡면을 구비하고, 양측면이 반원형으로 하측평면부가 개구하는 형상 등으로 형성되더라도 좋다.
각 안내부재(12)는, 소정방향(본 실시형태에서는 프레임(11)의 길이방향)의 배기가스 흐름만을 허용하는 복수의 유로(GP)를 갖음과 아울러, 그 상류측 및 하류측에 가스유입유로(GI) 및 가스배출유로(GO)를 갖고, 후술하는 바와 같이 각각의 프레임(11)의 개구에 가스유입유로(GI)와 서로 통하는 가스유입구(11a)를 갖음과 아울러, 가스배출유로(GO)와 서로 통하는 가스배출구(1lb)를 갖는 구성이 된다. 상기 5개의 열교환 세그먼트(10)는 소정의 간극을 사이에 두고 평행하게 배치되며, 각 열교환 세그먼트(10)의 개구면(10a)과 동일한 쪽의 면에 개구(21a)를 구비하는 어퍼하우징(21)에 의하여 둘러싸져 있다. 그리고 어퍼하우징(21)내에 5개의 열교환 세그먼트(10)가 수용되고, 각 열교환 세그먼트(10)의 소정방향(프레임(11)의 길이방향)의 전후에 설치되는 가스유입구(11a) 및 가스배출구(1lb)에 의하여 각각 우회유로(3)의 가스유입구(3a) 및 가스배출구(3b)가 구성된다.
상기의 열교환기(1)는, 어퍼하우징(21) 내를 액밀적으로 구획(區劃)하고, 적어도 프레임(11)의 개구의 외측을 액밀적으로 실링하는 실링부재(23)를 구비하고 있고, 이 실링부재(23)에는, 도5 및 도6에 나타나 있는 바와 같이 5군데에 슬릿(대표해서 23a로 나타낸다)이 평행하게 형성되어 있고, 각 슬릿(23a)에 각각의 열교환 세그먼트(10)가 결합되어서 도1 및 도2(또는 후술하는 도11 및 도12)에 나타나 있는 바와 같이 지지된다. 따라서 어퍼하우징(21) 및 실링부재(23)의 내면과 5개의 열교환 세그먼트(10)의 외면의 사이, 그리고 그것들의 열교환 세그먼트(10)가 서로 인접하는 프레임(11, 11)사이의 간극에 냉각매체유로(FP)가 형성된다. 본 실시형태의 어퍼하우징(21)에 있어서는, 도2 및 도7 (또는 후술하는 도13)에 나타나 있는 바와 같이 냉각매체유로(FP)로의 냉각매체 유입구(2lb)가, 냉각매체유로(FP)로부터의 냉각매체 배출구(21c)보다 (차량에 탑재한 상태에서) 하방에 설치되어 있고, 냉각매체 유입구(2lb)와 냉각매체 배출구(21c)의 사이에 정류판(24)이 끼워져 있다.
정류판(24)은, 도5 및 도6에 나타나 있는 바와 같이 빗모양의 형상을 하고 있고, 빗모양을 구성하는 빗살(24a) 내지 빗살(24f) 중에서 빗살(24b) 내지 빗살(24e)은 5개의 열교환 세그먼트(10)가 서로 인접하는 각 간극에 끼워져 있다. 또한 빗살(24b) 내지 빗살(24e)의 선단이 절곡(折曲)되어서 절곡부(24g) 내지 절곡부(24j)가 형성되어 있고, 폭방향 중앙에 위치하는 절곡부(24h) 및 절곡부(24i)가 가장 길게 되도록 설정되어 있다. 이들 절곡부(24h) 및 절곡부(24i)에 의하여 상기의 열교환 세그먼트(10) 사이의 각 간극에 대한 냉각매체 안내로가 형성된다. 따라서 빗살(24a) 내지 빗살(24f)에 의하여 각 열교환 세그먼트(10)의 폭방향의 중간부에서는 냉각매체의 유속이 빠르고, 단부(端部)에서는 늦도록 조정되므로, 각 열교환 세그먼트(10) 내로 균등하게 열교환을 할 수 있다.
각 열교환 세그먼트(10)의 프레임(11)은, 도5(또는 후술하는 도10)에 나타나 있는 바와 같이 두개의 뚜껑부재(11x) 및 뚜껑부재(11y)의 개구측벽부가 접합되어서 (길이방향의 하나의 면이 개구하는) 직육면체형상으로 형성된다. 도5 및 도6(또는 후술하는 도9 및 도10)에 나타나 있는 바와 같이 각 프레임(11)의 서로 인접하는 쪽의 측면에 적어도 하나의 볼록부(11p)가 같은 위치에 형성되어 있고, 볼록부(11p)가 냉각매체유로(FP) 내에 배치된다. 본 실시형태에 있어서는, 길이방향으로 연장하는 긴 볼록부(11p)에 더하여, 복수의 돌기모양의 볼록부(11q)가 형성되어 있다. 도4에 나타나 있는 바와 같이 서로 인접하는 볼록부(11p, 11p)의 사이에 공극(空隙)(s)이 형성되어 있고, 여기에서 냉각매체에 혼입한 기포가 분리되어 도4의 상방으로 이동한다. 한편 서로 인접하는 볼록부(11q, 11q)는 접촉하고 있지만, 이것에 의하여 인접하는 프레임(11, 11) 사이의 간극이 규정(規定)되어, 도1에 실선의 화살표로 나타내고, 도2에 실선 및 2점쇄선의 화살표로 나타나 있는 바와 같이 냉각매체가 안내되어, 상기의 정류판(24)과 함께 원하는 냉각매체유로(FP)가 확보된다.
또한 본 실시형태에 있어서는, 각 열교환 세그먼트(10)의 안내부재(12)는, 도1, 도3, 도4 및 도5에 나타나 있는 바와 같이 한 장의 열교환용 판재가 굴곡되어, 연속하는 Ｓ자모양 단면을 갖는 물결모양으로 형성된 핀(13)으로 구성되어 있다. 그리고 도1 및 도7에 나타나 있는 바와 같이 핀(13)의 연장방향의 하나의 측면(13a)이 프레임(11)의 길이방향의 개구를 차폐하고, 또한 핀(13)의 양 단면(13b, 13c)이 각각 가스유입구(11a)(한층 더 나아가서는, 우회유로(3)의 가스유입구(3a)) 및 가스배출구(1lb)(한층 더 나아가서는, 우회유로(3)의 가스배출구(3b))에 통하도록 배치되어 있다. 따라서 도1에 나타내는 배기가스의 유로(GI, GP, GO)가 구성되어, 배기가스의 흐름은 파선(破線)의 화살표로 나타내게 된다. 상기의 뚜껑부재(11x) 및 뚜껑부재(11y)의 접합, 프레임(11)과 핀(13)과의 접합, 각 열교환 세그먼트(10)가 각 슬릿(23a)에 결합된 후의 접합에 있어서는, 납땜 등에 의하여 적절하게 기밀적 혹은 액밀적으로 고정된다. 또한 프레임(11)에 있어서의 상기길이방향의 개구는, 핀(13)의 연장방향의 하나의 측면(13a)에 대신하여, 별도의 부재(도면에는 나타내지 않는다)를 접합하는 것도 좋고, 또는 프레임(11)과 일체적으로 폐쇄부(도면에는 나타내지 않는다)를 형성하는 것도 좋다.
한편 밸브장치(4)는 로어하우징(22)에 장착되고, 로어하우징(22) 내에는 주배기유로(2)가 형성되어 있다. 따라서 주배기유로(2)로부터 우회유로(3)에 분기되는 분기부(2a)와, 우회유로(3)로부터 (후술하는 제2밸브부재(42)를 거쳐서) 주배기유로(2)에 합류하는 합류부(2b)가 로어하우징(22) 내에 형성되어 있다. 도1에 나타나 있는 바와 같이 밸브시트(valve seat)(25a)를 구비하는 분리벽부재(25)가 부재(22a)에 접합되고, 또한 연결구멍(26a)을 구비하는 분리벽부재(26)가 부재(22b)에 결합되어 있고, 분리벽부재(25)에 의하여 분기부(2a)와 합류부(2b)가 분리되어 있다. 또한 분리벽부재(25) 및 분리벽부재(26)는 접합되는 일체적인 부재로서, 도7에 2점쇄선으로 나타나 있는 바와 같이 배치된다.
분리벽부재(26)는, 도7 및 도8에 나타나 있는 바와 같이 안장형의 프레임으로 형성되어 있고, 합류부(2b)에서 주배기유로(2)로 통하는 연결구멍(26a)과, 후술하는 지지부재(44)가 결합하는 연결구멍(26b, 26b)이 형성되어 있다. 분리벽부재(26)에는, 도8에 나타나 있는 바와 같이 경사면부(26c)가 형성되어 있고, 각 열교환 세그먼트(10)의 개구면(10a)과 대향하도록 배치되어, 각 열교환 세그먼트(10)로부터 배출되는 열교환 후의 가스가 연결구멍(26a) 방향으로 안내된다. 또한 연결구멍(26b, 26b)의 중심을 연결하는 축에 평행한 평면부(26d)가 형성되어 있어, 이 평면부(26d)가, 도1 및 도3에 나타나 있는 바와 같이 완충부재로서 기능하는 와이어 메쉬(wire mesh)(27)와 접촉하여 각 열교환 세그먼트(10)의 개구면(10a) 및 핀(13)의 연장방향의 측면(13a)의 중앙부를 차폐하고, 우회유로(3)를 가스유입구(3a) 측과 가스배출구(3b) 측으로 분리하도록 배치되어 있다.
그리고 분리벽부재(26)는, 도1에 나타나 있는 바와 같이 그 개구(26e)가 주배기유로(2)의 밸브장치(4) 하류측으로 개구되도록 배치된다. 이 결과, 상기한 바와 같이 핀(13)의 양 단면(13b, 13c)이 각각 가스유입구(11a(3a)) 및 가스배출구(1lb(3b))로 서로 통하게 하고, 도1에 나타내는 배기가스의 유로(GI, GP, GO)가 구성된다. 한편 도7에 나타나 있는 바와 같이 분리벽부재(26)의 측면의 상하방향에 오목부(26f)가 형성되어 있는데, 이것은 배기가스중의 수분이 응축된 응축수를 배출하는 홈으로 제공된다.
여기에서 상기와 같이 구성되는 열교환기(1)에 대해서, 도9 내지 도14를 참조해서 주요한 구성부품의 조립순서에 따라 설명한다. 도9에 단면을 나타내는 뚜껑부재(11x)와 대략 동일한 형상의 뚜껑부재(11y)가, 도10의 좌측방향에 일부단면을 나타내고 있는 바와 같이 양자의 개구측벽부(開口側壁部)가 중첩하여 접합되어서, 도10에 나타내는 프레임(11)이 형성된다. 이 프레임(11)에는, 높이가 다른 상기의 긴 볼록부(11p)와 돌기모양의 볼록부(11q)가 형성되어 있고, 양자의 높이의 차이는 s/2로 설정되어 있다. 그리고 도5에 나타나 있는 바와 같이 핀(13)이 프레임(11)내에 수용된 상태에서 뚜껑부재(11x) 및 뚜껑부재(11y)가 접합되면, 도6에 나타내는 열교환 세그먼트(10)로 구성된다.
도5 및 도6에 나타나 있는 바와 같이 실링부재(23)에는 5군데에 슬릿(23a)이 평행하게 형성되어 있고, 각 슬릿(23a)에 각각 열교환 세그먼트(10)가 결합되면, 도11 및 도12에 나타나 있는 바와 같이 지지되고, 도4에 확대해서 나타나 있는 바와 같이, 서로 인접하는 프레임(11)의 볼록부(11p, 11p)의 사이에 공극(s)이 형성된다. 다음에 도5 및 도6에 나타내는 정류판(24)의 빗살(24b) 내지 빗살(24e)이 5개의 열교환 세그먼트(10)의 인접하는 각 간극에 삽입된 동시에, 도6 및 도11에 나타나 있는 바와 같이 빗살(24a) 및 빗살(24f)이 양측의 열교환 세그먼트(10)의 외측에 위치하도록 배치되어, 어퍼하우징(21) 내에 수용된다.
열교환기(1)의 하우징을 구성하는 어퍼하우징(21)은, 도13 및 도14에 나타내는 프레임 형상으로 냉각매체 유입구(2lb) 및 냉각매체 배출구(21c)가 형성되고 있으며, 효율적인 열교환을 기도(企圖)하고, 냉각매체 유입구(2lb)가 냉각매체 배출구(21c)보다 (차량에 탑재한 상태에서) 하방에 설치되고 있다. 동일한 취지에서, 도2 및 도12에 나타나 있는 바와 같이 양자 사이에 정류판(24)이 위치되도록 구성되어 있고, 도2 및 도3에 나타나 있는 바와 같이 어퍼하우징(21) 내에 배치된다.
한편 본 실시형태의 배기열 회수장치에 제공되는 밸브장치(4)는, 주배기유로(2)를 개폐하는 제1밸브부재(41)와, 우회유로(3)를 개폐하는 제2밸브부재(42)와, 이들 제1 및 제2밸브부재(41, 42)를 지지하는 단일의 축부재(43)와, 축부재(43)를 둘러싸도록 지지하고 로어하우징(22)의 적어도 일방의 측면(본 실시형태에서는 도3의 좌측의 측면)에 지지되는 지지부재(44)를 구비하고, 엑추에이터(50)에 의하여 축부재(43)가 회전 구동되도록 구성되어 있다. 한편 지지부재(44)는, 겉으로 보기에는 로어하우징(22)의 일방(도3의 좌측)의 측면에만 지지된 편지지구조(片支持構造)이지만, 분리벽부재(26)에 양단이 지지되어 있기 때문에, 실질적으로는 양단지지구조(兩端支持構造)로 되어 있다.
본 실시형태의 제2밸브부재(42)는, 원판모양의 제1밸브부재(41)의 지지부에 접합된 만곡판(彎曲板)으로 구성되어 있고, (분리벽부재(26)에 양단이 지지된) 지지부재(44)에 대하여 회전할 수 있도록 축지(軸支)된 축부재(43)를 중심으로 제1밸브부재(41)와 일체가 되어서 피벗(pivot) 작동하도록 구성되어 있다. 그리고 제2밸브부재(42)는 합류부(2b)에서 우회유로(3)를 개폐하도록 배치되어, 제1밸브부재(41)가 주배기유로(2)를 개방할 때에는 제2밸브부재(42)가 우회유로(3)를 폐쇄함(단, 반드시 전폐상태(全閉狀態)로 할 필요는 없다)과 아울러, 지지부재(44)를 주배기유로(2) 내의 배기가스에 대하여 차폐(遮蔽)하도록 배치되어 있다. 이에 따라 지지부재(44) 더 나아가서 축부재(43)가 주배기유로(2) 내의 고온의 배기가스에 노출되는 것을 저지할 수 있다. 또한 상기와 같이 분리벽부재(25) 및 (26)는 접합되어 일체적인 부재로서 배치되므로, 작동 시뿐만 아니라 조립 공정에 있어서도, 밸브시트(25a) 및 연결구멍(26a)에 대한 제1 및 제2밸브부재(41, 42)의 위치관계를 확실하게 유지할 수 있다.
도15 내지 도17에 나타나 있는 바와 같이 로어하우징(22)에 브래킷(28)이 고정되어 있고, 이 브래킷(28)에 엑추에이터(50)가 지지됨과 아울러, 밸브장치(4)의 지지부재(44)가 결합되어 있다. 이 지지부재(44)는 도3 및 도8에 나타내는 분리벽부재(26)의 연결구멍(26b)에 결합되어 있고, 지지부재(44)에 수용되어 회전하도록 지지되어 있는 축부재(43)가 로어하우징(22)의 외측으로 연장되고, 브래킷(28)에 일단이 결합된 리턴스프링(return spring)에 의하여 소정위치(제1밸브부재(41)의 폐쇄위치) 방향으로 가압되어 있다. 또한 축부재(43)의 선단부에는 레버(lever)(46)가 장착되어 있고, 그 단부(46a)에 대하여 엑추에이터(50)의 로드(rod)(50a)가 접촉 가능하게 배치되어 있다.
그리고 도15 내지 도17에 나타나 있는 바와 같이 내연기관(도면에는 나타내지 않는다)의 냉각매체가 유입측 파이프(FTb)를 통하여 냉각매체 유입구(2lb)를 거쳐서 어퍼하우징(21) 내에 유입되고, 냉각매체 배출구(21c)으로부터 배출되는 열교환후의 고온의 냉각매체가 배출측 파이프(FTc) 및 온도검출부(FTx)를 통하여 내연기관(도면에는 나타내지 않는다)으로 환류(還流)하도록 배관되어 있다. 또한 도17의 Ａ-A선 단면도가 도1, B-B선 단면도가 도2, 그리고 C-C선 단면도가 도15에 각각 대응하고 있다. 이 때문에 냉각매체 유입구(2lb)는, 도1과 도2 (및 도13)에서 서로 다른 형상(상하방향 치수)으로 나타나고 있다.
본 실시형태에 있어서는, 엑추에이터(50)에 대해서 도15에 나타나 있는 바와 같이 종전과 동일한 온도감응왁스(溫度感應wax)를 내장한 온도감응부재(서모 엘리먼트(thermo element))(50b)가 사용되고 있어, 온도검출부(FTx) 내의 열교환 후의 냉각매체 온도에 따라 온도감응부재(50b)가 리턴 스프링(50c)의 가압력에 저항해서 로드(50a)를 전진 구동하도록 구성되어 있지만, 부압구동식의 엑추에이터나 전동모터 등을 사용하는 것도 좋다. 한편 도15 및 도16에는, 예를 들면 동결시에 강제적으로 제1밸브부재(41)를 구동하기 위해서, 부가하여 전기가열식의 엑추에이터(60)가 장착되어, 레버(46)의 단부(46a)와 반대측의 단부(46b)에 대하여 로드(60a)가 접촉 가능하게 배치되어 있지만, 이것은 생략하여도 좋다.
상기와 같이 구성된 배기열 회수장치에 있어서 도1 내지 도3에 나타내는 태양(態樣)은, 내연기관(도면에는 나타내지 않는다)의 난기과정(暖機過程)(냉간시)에 있어서, 배기열회수를 우선하여 냉각매체를 급하게 따뜻하게 해서 난기 및 난방에 이바지하게 하는 상태를 나타내고 있고, 주배기유로(2)가 제1밸브부재(41)에 의하여 전폐상태(全閉狀態)로 됨과 아울러 우회유로(3)가 전개상태(全開狀態)로 된다. 이에 따라 배기가스의 흐름은 파선 화살표로 나타나 있는 바와 같이 배기관(도면에는 나타내지 않는다)로부터 유입하는 배기가스의 모두가 가스유입구(11a)(우회유로(3)의 가스유입구(3a))로부터 열교환기(1)로 유입해서 적극적으로 열회수(냉각)되어, 가스배출구(1lb)(우회유로(3)의 가스배출구(3b))로부터 주배기유로(2)내로 배출된다. 그리고 난기과정(냉간시)에 있어서는, 제1밸브부재(41)에 의하여 주배기유로(2)가 전폐상태가 되는 것이 바람직하지만, 배기가스의 완전차단이 필수적이지는 않으므로, 주배기유로(2)의 배기유량이 필요량만 조절되어 있다면, 반드시 전폐상태로 할 필요는 없고, 약간 열린 상태도 상관없다.
한편 내연기관(도면에는 나타내지 않는다) 중회전 내지 고회회전 시에 있어서의 배기효율 우선시에는, 도1에 2점쇄선으로 나타나 있는 바와 같이 주배기유로(2)가 전개상태로 됨과 아울러, 우회유로(3)가 제2밸브부재(42)에 의하여 대략 전폐상태가 되어, 배기가스의 대부분이 주배기유로(2)로부터 배기관(도면에는 나타내지 않는다)으로 배출된다.
다음에 도18 및 도19은, 본 발명의 다른 실시형태에 관한 열교환기(1x, 1y)를 나타내는 것으로, 각 열교환 세그먼트(10)의 안내부재(12)로서, 도1 및 도2에 나타내는 핀(13)을 대신하여 핀(13x, 13y)이 사용되고 있다. 즉 도18에 있어서는, 핀(13x)의 양 단면(13bx, 13cx)과 프레임(11)의 내면의 사이에 형성되는 가스유입유로(GI) 및 가스배출유로(GO)가, 각각 가스유입구(11a)(우회유로(3)의 가스유입구(3a)) 및 가스배출구(1lb)(우회유로(3)의 가스배출구(3ｂ))측에서 멀리 떨어지는 쪽(도18의 상방)을 향해서 유로면적이 점차 감소하도록 형성되어 있다.
또한 도19에 나타내는 실시형태에 있어서는, 핀(13ya, 13yb, 및 13yc)의 3개의 부재로 이루어진 핀(13y)이 사용되어, 배기가스의 유로(GI, GP, GO)에 각각 배치되어 있다. 그리고 도18 및 도19에 있어서의 그 이외의 구성은 도1에 나타내는 구성과 동일하기 때문에, 도1과 실질적으로 같은 구성의 부재에는 도1과 같은 부호를 붙이면서 설명을 생략한다.
이상과 같이 어느 실시형태에 있어서도, 어퍼하우징(21) 내에 복수개의 열교환 세그먼트(10)가 수용되고, 각 열교환 세그먼트(10) 내에 각각의 배기가스의 유로(GI, GP, GO)가 형성되어 있고, 이들에 의하여 우회유로(3)가 구성되어 있기 때문에, 우회유로(3)의 열용량 및 이것에 필요한 공간을 최대한 작게 하면서, 열교환기(1, 1x, 1y)에 의하여 효율적인 열회수를 할 수 있으므로 배기열 회수장치 전체의 소형화가 가능하게 된다.
그리고, 도1 및 도3에 나타내는 차량탑재 상태에 있어서의 복수개의 열교환 세그먼트(10)의 배치에 한하지 않고, 각 열교환 세그먼트(10)가 도1 및 도3의 지면의 상하방향으로 적층된 상태로 차량에 탑재되는 것도 좋다. 또한 본 발명의 배기열 회수장치는, 상기의 열교환기(1), 주배기유로(2) 및 우회유로(3)를 기본구성으로 하는 것으로, 장치의 용도나 명칭에 한정되는 것은 아니다. 즉 내연기관의 배기관에 삽입된 협의의 배기열회수기에 머물지 않고, 예를 들면 내연기관에 탑재되는 소위 EGR 쿨러(EGR cooler)와 같이 배기가스 냉각을 목적으로 하면서 결과적으로 배기열을 회수하는 장치에 대해서도, 본 발명을 적용하여 소기의 효과를 얻을 수 있다.
1, 1x, 1y 열교환기
2 주배기유로
2a 분기부
2b 합류부
3 우회유로
3a, 11a 가스유입구
3b, 1lb 가스배출구
4 밸브장치
10 열교환 세그먼트
11 프레임
12 안내부재
13, 13x, 13y 핀
21 어퍼하우징
22 로어하우징
23 실링부재
24 정류판
25, 26 분리벽부재
27 와이어 메쉬
28 브래킷
41 제1밸브부재
42 제2밸브부재
43 축부재
44 지지부재
45 리턴 스프링
46 레버
50, 60 엑추에이터

Claims (17)

  1. 하우징(housing) 내에서 배기가스(排氣 gas)와 냉각매체(冷却媒體)의 열교환을 하는 열교환기(熱交換機)로서,
    상기 하우징 내에 나란하게 설치되는 복수개의 열교환 세그먼트(熱交換 segment)와,
    상기 하우징에 액밀적(液密的)으로 접합되고, 상기 복수개의 열교환 세그먼트를 지지하는 실링부재(sealing 部材)를
    구비하고,
    상기 복수개의 열교환 세그먼트를 구성하는 각 열교환 세그먼트 내에 배기가스유로를 갖음과 아울러, 상기 하우징의 내면과 각 열교환 세그먼트의 사이 및 서로 인접하는 열교환 세그먼트 사이에 냉각매체유로(冷却媒體流路)를 갖고, 각 열교환 세그먼트가,
    하나의 면에만 개구를 갖고, 적어도 상기 개구의 외측이 상기 실링부재에 의하여 액밀적으로 실링되는 프레임과,
    상기 프레임 내에 수용되고, 소정방향의 배기가스 흐름만을 허용하는 복수의 유로를 갖음과 아울러, 상기 복수의 유로의 상류측 및 하류측에 가스유입유로 및 가스배출유로를 갖는 안내부재(案內部材)를
    구비하고,
    각각의 상기 프레임의 개구에, 상기 가스유입유로와 서로 통하는 가스유입구를 갖음과 아울러, 상기 가스배출유로와 서로 통하는 가스배출구를 갖는
    열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 열교환 세그먼트의 각각의 상기 안내부재는,
    한 장의 열교환용 판재(熱交換用 板材)가 굴곡(屈曲)되어 연속하는 Ｓ자모양 단면을 갖는 물결모양으로 형성된 핀(fin)을 구비하고,
    상기 핀의 연장방향의 하나의 측면이 상기 가스유입구와 상기 가스배출구의 사이의 상기 프레임의 개구를 차폐하고, 상기 핀의 양 단면측(端面側)이 각각 상기 가스유입구와 상기 가스배출구로 서로 통하도록 배치되는
    열교환기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하우징에 형성되고 상기 냉각매체유로와 서로 통하는 냉각매체 유입구(冷却媒體 流入口) 및 냉각매체 배출구(冷却媒體 排出口)와,
    상기 냉각매체 유입구 및 냉각매체 배출구의 사이에 끼워지는 정류판(整流板)을 구비한
    열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 정류판은 빗모양 형상을 갖고,
    상기 빗모양을 구성하는 빗살의 일부가, 상기 복수개의 열교환 세그먼트가 서로 인접하는 각 간극에 삽입되는
    열교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정류판은, 상기 빗모양을 구성하는 빗살의 일부의 선단(先端)이 절곡된 절곡부(折曲部)를 갖고,
    상기 절곡부에 의하여 상기 각 간극에 대한 냉각매체 안내로(冷却媒體 案內路)가 형성되어 있는
    열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 열교환 세그먼트의 각각의 상기 프레임은, 서로 인접하는 각 측면의 같은 위치에 적어도 하나의 볼록부를 갖고, 상기 볼록부가 상기 냉각매체유로 내에 배치되어 있는
    열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실링부재는, 평행하게 형성된 복수의 슬릿(slit)을 갖고, 상기 슬릿 내에 각각 상기 프레임의 개구의 외측이 결합되어서, 상기 복수개의 열교환 세그먼트가 지지되는
    열교환기.
  8. 내연기관의 배기가스를 유입하는 주배기유로(主排氣流路)와,
    상기 주배기유로의 일부로부터 분기되어 가스유입구를 구성함과 아울러 상기 주배기유로의 다른 부분에 합류하여 가스배출구를 구성하는 우회유로(迂回流路)와,
    상기 우회유로를 통과하는 배기가스를 하우징 내에서 냉각매체와 열교환을 하여 배기열을 회수하는 열교환기를
    구비하고,
    상기 열교환기가,
    상기 하우징 내에 나란하게 설치되는 복수개의 열교환 세그먼트와,
    상기 하우징에 액밀적으로 접합되고, 상기 복수개의 열교환 세그먼트를 지지하는 실링부재를
    구비하고,
    상기 복수개의 열교환 세그먼트를 구성하는 각 열교환 세그먼트 내에 배기가스유로를 갖음과 아울러, 상기 하우징의 내면과 각 열교환 세그먼트의 사이 및 서로 인접하는 열교환 세그먼트 사이에 냉각매체유로를 갖고, 각 열교환 세그먼트가,
    하나의 면에만 개구를 갖고, 적어도 상기 개구의 외측이 상기 실링부재에 의하여 액밀적으로 실링되는 프레임과,
    상기 프레임 내에 수용되고, 소정방향의 배기가스 흐름만을 허용하는 복수의 유로를 갖음과 아울러, 상기 복수의 유로의 상류측 및 하류측에 가스유입유로 및 가스배출유로를 갖는 안내부재를
    구비하고,
    각각의 상기 프레임의 개구에, 상기 가스유입유로와 서로 통하는 가스유입구를 갖고, 상기 가스유입구가 상기 우회유로의 가스유입구를 구성함과 아울러, 각각의 상기 프레임의 개구에, 상기 가스배출유로와 서로 통하는 가스배출구를 갖고, 상기 가스배출구가 상기 우회유로의 가스배출구를 구성하는
    배기열 회수장치(排氣熱 回收裝置).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수개의 열교환 세그먼트의 각각의 상기 안내부재는,
    한 장의 열교환용 판재가 굴곡되어, 연속하는 Ｓ자모양 단면을 갖는 물결모양으로 형성된 핀을 구비하고,
    상기 핀의 연장방향의 하나의 측면이 상기 가스유입구와 상기 가스배출구의 사이의 상기 프레임의 개구를 차폐하고, 상기 핀의 양 단면측이 각각 상기 가스유입구와 상기 가스배출구로 서로 통하도록 배치되는
    배기열 회수장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 열교환기는,
    상기 하우징에 형성되고 상기 냉각매체유로와 서로 통하는 냉각매체 유입구 및 냉각매체 배출구와,
    상기 냉각매체 유입구 및 냉각매체 배출구의 사이에 끼워지는 정류판을
    구비하고,
    상기 정류판은 빗모양 형상을 갖고,
    상기 빗모양을 구성하는 빗살의 일부가, 상기 복수개의 열교환 세그먼트가 서로 인접하는 각 간극에 삽입되는
    배기열 회수장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 정류판은, 상기 빗모양을 구성하는 빗살의 일부의 선단이 절곡된 절곡부를 갖고,
    상기 절곡부에 의하여 상기 각 간극에 대한 냉각매체 안내로가 형성되어 있는
    배기열 회수장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 복수개의 열교환 세그먼트의 각각의 상기 프레임은, 서로 인접하는 각 측면의 같은 위치에 적어도 하나의 볼록부를 갖고, 상기 볼록부가 상기 냉각매체유로 내에 배치되어 있는
    배기열 회수장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 열교환기의 하우징은,
    상기 개구가 하방에 위치함과 아울러 상기 주배기유로에 대하여 상방에 배치되는 어퍼하우징(upper housing)을 구성하고,
    상기 어퍼하우징에 접합되어서 프레임 형상으로 형성되는 로어하우징(lower housing)을 구비하고,
    상기 로어하우징 내에 상기 주배기유로가 구성되어 있는
    배기열 회수장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 주배기유로와 상기 우회유로의 사이의 통로를 개폐하는 밸브장치로서, 상기 로어하우징 내에 수용되어 적어도 밸브부재를 갖는 밸브장치와,
    상기 주배기유로로부터 상기 우회유로로 분기되는 분기부와,
    상기 우회유로로부터 상기 밸브부재를 통하여 상기 주배기유로로 합류되는 합류부를
    구비한
    배기열 회수장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 밸브장치는,
    상기 주배기유로를 개폐하는 제1밸브부재와,
    상기 우회유로를 개폐하는 제2밸브부재와,
    상기 제1밸브부재 및 상기 제2밸브부재를 지지하는 단일(單一)의 축부재(軸部材)와,
    상기 축부재를 둘러싸도록 지지하고, 상기 로어하우징의 적어도 일방의 측면에 지지되는 지지부재를
    구비한
    배기열 회수장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2밸브부재는 상기 합류부에서 상기 우회유로를 개폐하도록 배치되고,
    상기 제1밸브부재가 상기 주배기유로를 개방할 때에는, 상기 제2밸브부재가 상기 우회유로를 폐쇄함과 아울러, 상기 지지부재를 상기 주배기유로에 대하여 차폐하는
    배기열 회수장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 어퍼하우징 및 상기 로어하우징의 적어도 일방에 고정된 브래킷을 구비하고,
    상기 밸브장치는, 상기 축부재를 회전구동하는 엑추에이터를 구비하고,
    상기 브래킷에, 상기 엑추에이터가 지지됨과 아울러 상기 지지부재가 결합되는
    배기열 회수장치.
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