KR102047390B1 - 바디셀 보강돌부를 구비하는 이지알 쿨러 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 냉각수가 유출입되는 바디셀; 및 상기 바디셀의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀 내에 장착되는 다수 개의 가스튜브;를 포함하되, 상기 바디셀은 상기 가스튜브의 외측면에 접촉되도록 내측으로 돌출되는 다수 개의 보강돌부를 구비한다. 본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 최외곽 가스튜브와 바디셀 사이에 워터핀을 설치하지 아니하더라도 냉각수 유동성을 확보할 수 있으면서 가스튜브와 바디셀 간의 이격거리를 일정하게 유지할 수 있고, 바디셀의 브레이징성 및 내구성이 향상된다는 장점이 있다.

Description

바디셀 보강돌부를 구비하는 이지알 쿨러 {EGR cooler with reinforcing protrusions for 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 보강돌부가 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 사시도이고, 도 2는 종래의 이지알 쿨러 단면사시도이며, 도 3은 워터핀의 장착구조를 도시하는 사시도이며, 도 4는 바디셀이 변형된 종래의 이지알 쿨러 단면형상을 도시한다.

일반적으로 이지알 쿨러는, 냉각수가 유출입되도록 냉각수유입관(12)과 냉각수유출관(14)을 구비하는 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, 최외곽 가스튜브(20)와 바디셀(10)의 내벽 사이에 장착되는 워터핀(40)은 가스튜브(20)와 바디셀(10) 간의 이격거리를 일정하게 유지시키는 역할을 하는데, 일반적으로 워터핀(40)은 알루미늄과 같이 열전도성이 우수하면서 두께가 얇은 금속판으로 제작되므로, 도 4에 도시된 바와 같이 냉각수압에 의해 찢어지는 현상이 발생될 수 있다. 이와 같이 워터핀(40)이 찢어지면 배기가스와 냉각수 간의 열교환이 원활하게 이루어지지 아니할 뿐만 아니라, 해당 부위의 바디셀(10)이 부풀게 되는 심각한 문제가 발생될 수 있다.

KR 10-0823654 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 최외곽 가스튜브와 바디셀 사이에 워터핀을 설치하지 아니하더라도 냉각수 유동성을 확보할 수 있으면서 가스튜브와 바디셀 간의 이격거리를 일정하게 유지할 수 있고, 바디셀의 브레이징성 및 내구성이 향상되는 이지알 쿨러를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 냉각수가 유출입되는 바디셀; 및 상기 바디셀의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀 내에 장착되는 다수 개의 가스튜브;를 포함하되, 상기 바디셀은 상기 가스튜브의 외측면에 접촉되도록 내측으로 돌출되는 다수 개의 보강돌부를 구비한다.

상기 보강돌부는, 상기 가스튜브와 면접촉을 이루도록 끝단이 평면 형상으로 형성된다.

상기 보강돌부는, 끝단으로 갈수록 횡단면이 좁아지는 방향으로 측벽이 경사지게 형성된다.

상기 보강돌부는, 횡단면이 원형으로 형성된다.

상기 보강돌부는, 횡단면이 타원형으로 형성된다.

상기 보강돌부는 상기 바디셀 내부를 흐르는 냉각수의 유동방향을 따라 다수 개 이격 배치되되, 상기 다수 개의 보강돌부는 지그재그 패턴으로 배열된다.

상기 보강돌부는, 측벽이 물결파형을 이루도록 만곡된 형상으로 형성된다.

본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 최외곽 가스튜브와 바디셀 사이에 워터핀을 설치하지 아니하더라도 냉각수 유동성을 확보할 수 있으면서 가스튜브와 바디셀 간의 이격거리를 일정하게 유지할 수 있고, 바디셀의 브레이징성 및 내구성이 향상된다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 이지알 쿨러의 사시도이다.
도 2는 종래의 이지알 쿨러 단면사시도이다.
도 3은 워터핀의 장착구조를 도시하는 사시도이다.
도 4는 바디셀이 변형된 종래의 이지알 쿨러 단면형상을 도시한다.
도 5는 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 사시도이다.
도 6은 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 단면사시도이다.
도 7은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 바디셀의 사시도이다.
도 8은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 보강돌부의 수직단면도이다.
도 9는 본 발명에 의한 이지알 쿨러 제2 실시예에 포함되는 바디셀의 사시도이다.

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

도 5는 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 사시도이고, 도 6은 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 단면사시도이며, 도 7은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 바디셀의 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, 냉각수유입관(110)과 냉각수유출관(120)이 구비되어 내부로 냉각수가 흐르는 바디셀(100)과, 상기 바디셀(100)의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀(100) 내에 장착되는 다수 개의 가스튜브(200)와, 상기 가스튜브(200) 내에 장착되는 웨이브핀(300)과, 가스튜브(200) 외측면에 장착되는 워터핀(400)을 기본 구성요소로 구비하되, 바디셀(100)과 가스튜브(200) 사이에 워터핀(400)을 설치하지 아니하더라도 바디셀(100)과 가스튜브(200) 사이가 일정 거리 이격된 상태를 유지할 수 있도록 상기 바디셀(100)에 내측으로 돌출되는 보강돌부(102)가 다수 개 구비된다는 점에 구성상의 특징이 있다.

상기 보강돌부(102)는 바디셀(100)의 측벽 중 가스튜브(200)의 적층방향 외측면(본 실시예에서는 상면 및 저면)과 대응되는 지점에 형성되되, 끝단이 상기 가스튜브(200)의 외측면에 접촉되도록 돌출된다. 이와 같이 바디셀(100)의 측벽에 내측으로 돌출되는 다수 개의 보강돌부(102)가 구비되면, 최외곽에 위치하는 가스튜브(200)(본 실시예에서는 가장 상측에 위치하는 가스튜브(200)와 가장 하측에 위치하는 가스튜브(200))와 바디셀(100)의 측벽 사이에 워터핀(400)을 설치하지 아니하더라도 바디셀(100)의 측벽 사이로 일정량의 냉각수가 흐를 수 있도록 이격공간이 확보되므로, 차압 및 냉각수와 배기가스 간의 열교환 효율이 정상적으로 유지될 수 있다.

즉, 본 발명에 의한 이지알 쿨러는 바디셀(100)과 가스튜브(200) 사이에 장착되는 워터핀(400)을 생략할 수 있으므로, 워터핀(400)이 찢어져 바디셀(100)이 부풀어 오르는 현상을 원천적으로 방지할 수 있고, 이에 따라 내구성이 현저히 높아지는 효과를 얻을 수 있게 된다.

물론, 보강돌부(102)가 찢어지거나 변형되면 바디셀(100)과 가스튜브(200) 사이의 공간이 일정하게 확보되지 못할 수 있지만, 상기 워터핀(400)은 강도가 매우 낮은 알루미늄 박판으로 제작되는데 비해 상기 바디셀(100)은 두꺼운 금속플레이트로 제작되는바, 상기 보강돌부(102)는 쉽게 손상되지 아니하게 된다.

또한, 바디셀(100)의 측벽에 다수 개의 보강돌부(102)가 엠보싱 가공방식으로 형성되면, 상기 보강돌부(102)가 바디셀(100) 측벽의 휨강도를 증가시키는 보강살 역할도 하게 되는바, 상기 바디셀(100)의 측벽으로 외력이나 진동이 인가되더라도 상기 바디셀(100)의 측벽이 휘어지거나 변형되지 아니하게 된다는 효과도 얻을 수 있다.

한편, 상기 보강돌부(102)는 냉각수가 흐르는 유로 상에 형성되므로, 냉각수의 흐름이 보강돌부(102)에 의해 방해를 받을 수 있다. 본 발명에 의한 이지알 쿨러는 보강돌부(102)가 냉각수의 흐름을 방해하는 현상을 최소화시킬 수 있도록, 상기 보강돌부(102)는 횡단면이 원형 또는 타원형으로 형성으로 형성될 수 있다.

이와 같이 상기 보강돌부(102)가 원형이 타원형으로 형성되면, 바디셀(100)과 가스튜브(200) 사이를 흐르는 냉각수가 보강돌부(102)에 부딪히더라도 큰 충격력이 발생되지 아니하므로, 상기 냉각수의 흐름이 정상상태(steady state)를 유지할 수 있게 된다.

본 실시예에서는 일측 바디셀(100)에 12개의 보강돌부(102)가 2열로 배열되는 경우만을 도시하고 있으나, 상기 보강돌부의 개수 및 열수는 다양하게 변경될 수 있다. 즉, 상기 보강돌부(102)의 개수 및 배열패턴은 바디셀(100)의 규격이나 보강돌부(102)의 규격, 냉각수의 특성 등 여러가지 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 8은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 보강돌부(102)의 수직단면도이다.

상기 보강돌부(102)의 끝단이 뾰족하게 형성되면, 바디셀(100) 내에 가스튜브(200)를 장착시켰을 때 상기 보강돌부(102)의 끝단이 가스튜브(200)의 측벽을 가압하여 상기 가스튜브(200)가 손상되는 현상이 발생될 수 있다. 또한 보강돌부(102)가 가스튜브(200)에 점접촉 방식으로 접촉되면, 상기 보강돌부(102)가 가스튜브(200)에 안정적으로 압착되지 못하므로 상기 가스튜브(200)가 흔들릴 우려가 있다. 따라서 상기 보강돌부(102)는 상기 가스튜브(200)와 면접촉을 이루도록 끝단이 평면 형상으로 형성될 수 있다.

한편, 냉각수의 유동압이나 기타 진동에 의해 보강돌부(102)가 변형되지 아니하기 위해서는 상기 보강돌부(102)의 직경이 크게 제작됨이 바람직한데, 보강돌부(102)의 외경이 커질수록 보강돌부(102)의 끝단 면적도 증가하는바, 상기 보강돌부(102)가 과도하게 크게 제작되면 보강돌부(102)와 가스튜브(200)가 접촉되는 면적이 증가하게 된다. 보강돌부(102)와 가스튜브(200) 간의 접촉면적이 증가하는 만큼 가스튜브(200)와 냉각수가 접촉되는 면적은 줄어들게 되므로, 배기가스와 냉각수 간의 열교환이 정상적으로 이루어지지 아니할 우려가 있다.

따라서 상기 보강돌부(102)는 냉각수 유동압이나 외부로부터 인가되는 진동에 의해 쉽게 손상되지 아니하면서도 가스튜브(200)와의 접촉면적을 줄일 수 있도록, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이 끝단으로 갈수록 횡단면이 좁아지는 방향으로 측벽이 경사지게 형성됨이 바람직하다. 이와 같이 보강돌부(102)의 측벽이 경사지게 형성되면, 상기 보강돌부(102)의 상측 직경을 크게 제작하더라도 상기 보강돌부(102)와 가스튜브(200) 간의 접촉면적은 좁아지므로, 보강돌부(102)의 내구성을 높이면서 배기가스와 냉각수 간의 열교환 효율은 높게 유지할 수 있다는 장점이 있다.

상기 언급한 바와 같이 바디셀(100)과 가스튜브(200) 간의 이격거리가 일정하게 유지되기 위해서는 가스튜브(200)가 바디셀(100) 내에 설치되었을 때 상기 보강돌부(102)의 끝단은 가스튜브(200)의 외측면에 밀착되어야 한다. 즉, 상기 보강돌부(102)는 바디셀(100) 내측면과 가스튜브(200) 외측면 사이의 거리에 맞춰 돌출거리가 정확하게 제작되어야 하는데, 상기 보강돌부(102)의 돌출거리가 너무 길면 가스튜브(200)가 보강돌부(102)에 의해 파손될 수 있고, 상기 보강돌부(102)의 돌출거리가 너무 짧으면 보강돌부(102)가 가스튜브(200)에 접촉되지 아니할 수 있다. 특히, 다수 개의 가스튜브(200)가 적층구조로 바디셀(100) 내에 장착되는 경우, 최외곽 가스튜브(200) 외측면과 바디셀(100) 내측면 간의 이격거리에 오차가 발생될 수 있으므로, 보강돌부(102)의 돌출거리를 설계치에 맞춰 정확하게 제작하더라도 보강돌부(102)가 가스튜브(200)를 과도하게 가압하거나 보강돌부(102)가 가스튜브(200)에 접촉되지 아니하는 현상이 발생될 수 있다.

따라서 본 발명에 포함되는 보강돌부(102)는, 돌출방향으로 인가되는 외력에 의해 길이가 가변될 수 있도록 돌출방향으로 탄성을 갖는 구조로 제작될 수도 있다. 즉, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 보강돌부(102)의 측벽이 물결파형을 이루도록 지그재그 패턴으로 만곡된 형상으로 형성될 수 있다.

이와 같이 보강돌부(102)의 측벽이 주름관 형상으로 형성되면, 가스튜브(200)가 보강돌부(102)의 끝단에 과도하게 압착되었을 때 상기 보강돌부(102)의 길이가 약간이라도 줄어들게 되는바, 가스튜브(200)의 손상을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

물론, 상기 보강돌부(102)는 강도가 높은 바디셀(100)의 측벽을 소성가공하는 과정을 통해 제작되므로, 상기 보강돌부(102)의 측벽을 주름관 형상으로 제작하더라도 보강돌부(102)의 길이가 쉽게 변동되지 아니한다. 그러나 보강돌부(102)의 측벽을 주름관 형상으로 형성하면 보강돌부(102)의 측벽을 매끈하게 형성하는 경우에 비해 미세하게나마 돌출방향 탄성이 증가하는바, 가스튜브(200)의 손상을 약간이라도 줄이는 효과를 얻을 수 있게 된다.

도 9는 본 발명에 의한 이지알 쿨러 제2 실시예에 포함되는 바디셀(100)의 사시도이다.

바디셀(100)에 형성되는 보강돌부(102)는 끝단이 가스튜브(200)의 외측면에 밀착될 수 있다면 어떠한 패턴으로도 배열될 수 있다.

그러나 도 7에 도시된 바와 같이 다수 개의 보강돌부(102)가 일렬로 배열되면, 보강돌부(102)가 배열된 영역으로는 냉각수가 흐르지 아니하게 되는 현상 즉, 가스튜브(200) 외측면과 바디셀(100) 내측면 사이의 냉각수 유로단면적이 좁아지는 현상이 발생될 수 있다. 또한, 냉각수 유동방향으로 배열된 두 개의 보강돌부(102) 사이에서 냉각수가 와류를 일으키는 현상도 발생될 수 있다.

이와 같이 냉각수 유로단면적이 좁아지고 냉각수 와류가 발생되면, 냉각수가 정상상태를 이루면서 흐르지 못하게 되고, 이에 따라 배기가스와 냉각수 간의 열교환 효율이 떨어지는 문제가 발생될 수 있다.

본 발명에 의한 이지알 쿨러는 이와 같은 문제점을 해결할 수 있도록, 다수 개의 보강돌부(102)가 상기 바디셀(100) 내부를 흐르는 냉각수의 유동방향을 따라 이격 배치되되, 상기 다수 개의 보강돌부(102)는 도 9에 도시된 바와 같이 지그재그 패턴으로 배열될 수 있다.

이와 같이 다수 개의 보강돌부(102)가 지그재그 패턴으로 배열되면, 가스튜브(200) 외측면과 바디셀(100) 내측면 사이의 공간 전체에 걸쳐 냉각수가 흐르게 되고, 이에 따라 냉각수가 와류를 일으키는 현상도 발생되지 아니하는바, 배기가스와 냉각수 간의 열교환 효율을 높게 유지할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에 도시된 바와 같이 다수 개의 보강돌부(102)가 지그재그 패턴으로 배열되면, 가스튜브(200) 외측면과 바디셀(100) 내측면 사이로 흐르는 냉각수는 직선으로 유동하지 아니하고 보강돌부(102)의 배열패턴에 맞춰 지그재그 패턴으로 유동하게 되므로, 냉각수가 가스튜브(200)와 접촉하는 시간이 증가하여 열교환량이 증대되는 효과도 기대할 수 있게 된다.

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 102 : 보강돌부
110 : 냉각수 유입관 120 : 냉각수 유출관
200 : 가스튜브 300 : 웨이브핀
400 : 워터핀

Claims (7)

1. 냉각수가 유출입되는 바디셀;
   상기 바디셀의 내측면과 이격되도록 상기 바디셀 내에 장착되는 다수 개의 가스튜브;
   상기 바디셀의 내측으로부터 돌출되어 상기 가스튜브의 외측면에 접촉되는 다수 개의 보강돌부;
   를 포함하고,
   상기 보강돌부는, 상기 가스튜브에 접촉되는 끝단은 하나의 평면 형상으로 형성되되, 돌출방향으로 탄성을 가질 수 있도록 측벽이 물결파형을 이루도록 만곡된 주름관 형상으로 형성되며, 횡단면이 원형 또는 타원형을 이루되 끝단으로 갈수록 횡단면이 좁아지는 방향으로 측벽이 경사지게 형성되고,
   상기 다수 개의 보강돌부는, 상기 바디셀 내부를 흐르는 냉각수의 유동방향을 따라 다수 개 이격 배치되되, 지그재그 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
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