KR102148416B1 - 배기가스 냉각기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각제가 관류하는 공간 밖에서 연장되는, 하나 이상의 바이패스 관(12)을 갖는 배기가스 냉각기에 관한 것으로서, 상기 배기가스 냉각기는 하나 이상의 바이패스 관(12)의 통로가 하나 이상의 홈(16)을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

배기가스 냉각기{EXHAUST GAS COOLER}

본 발명은 배기가스 냉각기에 관한 것이다.

특히, 배기가스가 내연 기관의 신선 공기 측으로 재순환될 때, 특정 상황에서는 배기가스를 냉각시키는 것이 바람직하지 않다. 이와 관련하여 배기가스는 냉각되지 않거나, 또는 실제 배기가스 재순환 라인과 동일한 정도로 냉각되지 않는 바이패스 관(bypass tube)을 통해 안내된다.

이 경우에는 두 가지 구조적 형상이 구분된다. 한편으로 바이패스 관은 냉각기 하우징 내부에 위치할 수 있으며, 따라서 상기 바이패스 관 주위로 냉각제가 흐를 수 있다. 이는 부품들 사이에 고정된 바이패스 관이 실제로 상기 부품들과의 온도차를 갖지 않기 때문에 이러한 온도 차이로 인한 응력을 피할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 바이패스 관은 통상 배기가스 냉각기 영역에서 실제 배기가스 재순환 라인보다 짧긴 하지만 여전히 배기가스 냉각이 일어나고, 이러한 점이 단점으로 언급된다. 주요한 단점은, 바이패스 관이 관류될 때에도 열전달이 일어난다는 데 있으며, 이러한 열전달은 냉각관들이 관류될 때보다 적더라도 방지되어야 한다는 것이다.

이러한 문제는, 바이패스 관들이 냉각제가 채워진 냉각기 하우징 밖에서 가이드 되는 경우 방지된다. 그러나 이 경우 바이패스 관의 온도와 주변의 부품들과 상기 바이패스 관의 연결부들의 온도 사이에 존재하는 상당한 온도 차이로 인해 응력이 발생한다.

바이패스 관들이 냉각기 하우징 밖에서 연장되는 경우에 발생하는 언급한 문제점을 해결하기 위해, 하나 또는 다수의 기존의 바이패스 관에 금속 벨로즈(metal bellows)를 제공하는 방법이 공지되어 있으나, 이러한 금속 벨로즈는 추가 공간을 필요로 하고, 비교적 많은 비용으로 제조될 수밖에 없다. 또한, 상기와 같은 금속 벨로즈는 원형 단면적에서만 사용할 수 있으므로 원형 단면적을 갖는 다수의 관을 사용하더라도 사용 가능한 공간이 최적으로 사용될 수 없다.

완전성을 기하기 위해 언급되어야 할 것은, 미국 특허 US 2014/00727099 A1호에는 냉각기 하우징 내부에서 원형 단면적의 다수의 바이패스 관을 갖는 장치가 공지되어 있다는 것이다.

이러한 배경에서, 본 발명은 종래 기술에 비해 비용 및/또는 효율 면에서 개선된 배기가스 냉각기를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제는 청구항 1에 기재된 배기가스 냉각기에 의해서 해결된다.

따라서 상기 배기가스 냉각기는, 바이패스를 통해 안내되는 배기가스의 원치 않은 냉각이 가급적 피해지도록 냉각제가 관류하는 공간 밖에서 연장되는 하나 이상의 바이패스 관을 구비한다. 온도 차이로 인해 발생하는 열 응력을 보정하기 위해서는 하나 이상의 바이패스 관이 그의 진행 통로에서, 바꾸어 말하면 모든 장착 지점에서 분리되는 방식으로, 바이패스 관의 축 방향으로 이러한 바이패스 관의 변형을 허용하는 하나 이상의 홈을 갖는다. 이러한 홈은 금속 벨로즈보다 적은 비용으로 제조할 수 있고 공간이 덜 필요하다. 그 이유는 홈은 통상, 바이패스 관의 벽 두께에 상응하는 최대 깊이를 갖기 때문이며, 그 결과 홈이 관 내측에 형성되어 외측에 돌출부가 형성되더라도 관의 지름이 약간만 증가하고 실제로 추가 공간이 필요하지 않다. 더 나아가 기술된 홈에 있어서 예상되는 점은, 이러한 홈이 과도한 응력 발생 없이 온도 변화의 결과로 발생되는 바이패스 관의 확장 및 단축(shortening)을 가능하게 하며, 따라서 주변의 부품들과 비교해서 상이한 확장 또는 단축이 바람직하게 보정된다.

본 발명에 따른 배기가스 냉각기의 바람직한 개선예들은 추가 청구항들에 기재되어 있다.

사용 가능한 공간은 하나 이상의 바이패스 관이 타원형 단면적을 갖는 경우에 특히 유용하게 사용될 수 있다. 이러한 공간은 타원형일 수 있고, 또는 횡단면으로 보았을 때, 측면에서 반원으로 연결되는 서로 평행한 벽들을 가질 수 있다. 본 발명에 따른 홈에 의해서는 바람직하게 타원형 단면적을 갖는 바이패스 관이 사용될 수 있으며, 이러한 경우 특히 적합한 금속 벨로즈를 제공해야 할 필요 없이 기술한 응력 보정이 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 홈에서는 바이패스 관의 외주 및/또는 내주를 따라 환형으로 연장되는 것을 생각할 수 있으며, 또한 상기와 같은 홈이 다수 개로 제공될 수 있지만, 현재는 하나 이상의 연속하는 나선형 홈을 제공하는 것이 바람직하다. 홈의 피치는 예를 들면, 5 내지 10mm일 수 있다. 바람직하게 피치는 관의 축 방향으로 홈 폭의 약 2 내지 3배이며, 따라서 이는 종단면도에서 알 수 있다. 이러한 점은 홈의 각 중심 거리를 기준으로 2개 이상의 환형 홈 사이 거리에 대해서도 동일하게 적용된다.

또한, 필요한 설치 공간을 증가시키지 않기 때문에, 홈이 외측에 형성되는 것이 바람직하다.

계속해서 상기 바이패스 관의 경우, 이러한 바이패스 관의 벽 두께가 약 0.5mm 내지 1.0mm일 경우 유익한 특성이 기대된다. 특히, 이러한 벽 두께에서는 본 발명에 따른 홈(들)이 경제적인 비용으로 형성될 수 있다.

지름과 관련하여 타원형 단면적의 경우 바이패스 관의 최대 지름이 30mm 내지 60mm가 바람직하다. 더 작은 타원형 단면적의 지름은 10 내지 30mm일 수 있다.

앞에서 이미 언급한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 홈의 깊이는 0.5mm 내지 0.8mm가 바람직하다. 이러한 깊이는 바람직하게는 경우에 따라 벽 두께와 같은 크기이다. 또한, 이는 횡단면으로 보았을 때 벨로즈의 "웨이브"가 벽 두께의 배수 정도의 높이를 갖기 때문에 단지 훨씬 더 적은 공간 수요를 갖는 벨로즈와 다르다는 것을 의미한다.

바람직하게는 냉각제가 관류하는 공간이 하우징에 의해 에워싸이게 됨으로써, 특히, 원치 않는 열전달과 관련하여, 바이패스 관(들)에 대한 매우 우수한 제한이 달성된다. 따라서 특히, 하나 또는 다수의 바이패스 관이 배기가스에 의해 관류되는 경우, 상기와 같은 배기가스의 원치 않는 냉각이 방지될 수 있다. 이 경우에 언급되어야 할 점은, 하우징은 커버 또는 피복재로도 명명될 수 있고, 또는 영어로는 셸(shell)로도 명명될 수 있다는 점이다.

특히, 외부의, 즉 냉각제가 관류하는 하우징 밖에서 연장되는 하나의 바이패스 관을 갖는 본 발명에 따른 배기가스 냉각기를 효율적으로 적용하기 위해서는 또한, 앞서 설명한 하우징 및 상기 하나 이상의 바이패스 관이 하나 이상의 공통 플랜지에 의해 지지되는 것이 바람직하다. 바람직하게 두 단부에는 각각 플랜지가 제공되며, 이러한 플랜지는 필요한 관들, 하우징 등을 지지하고, 더 나아가 주변의 부품들과의 연결을 위해 적합한 윤곽, 예를 들면 고정용 개구들을 갖는다. 상기 플랜지는 연결판으로도 명명될 수 있다.

하기에서는 도면에 도시된 본 발명의 실시예가 더 상세히 설명된다. 도면부에서:
도 1은 본 발명에 따른 바이패스 관의 측면도이고;
도 2는 본 발명에 따른 바이패스 관의 종단면도이며;
도 3은 본 발명에 따른 바이패스 관의 횡단면도이고
도 4는 본 발명에 따른 배기가스 냉각기의 측면도이고; 그리고
도 5는 본 발명에 따른 배기가스 냉각기의 정면도이다.

도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 경우 바이패스 관(12)이 나선형 홈을 가지며, 도시된 예에서 상기 홈은 3개의 코일부 그리고 5mm 내지 10mm의 피치를 갖는다. 상기와 같은 홈은 예를 들면, 원형 단면적 그리고 약 10mm 내지 56mm의 외경을 갖는 관에 형성될 수 있다. 홈(16)을 생성하기 위해, 상기 관은 선반(lathe)에 고정될 수 있고 관 축을 중심으로 회전될 수 있으며, 이러한 경우 외측에 작용하는 스탬프(stamp) 또는 이와 유사한 도구가 축 방향으로 일정하게 움직임으로써, 예를 들면, 0.5mm 내지 0.8mm의 깊이를 갖는 도 2에 나타난 나선형 홈이 형성된다. 앞에서 언급한 타원형 단면적의 장점을 활용하기 위해, 후속해서 관은 실제로 대향하는 2개의 측면에 의해 압축되며, 그 결과 도 3에 나타난 단면이 30mm 내지 60mm의 긴 지름과 약 10mm 내지 30mm의 짧은 지름(도 3에서 폭 방향으로)으로 조절된다. 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 홈은 실제로 반원형 단면을 가질 수 있다.

도 4에서는 본 발명에 따른 바이패스 관(12)이 배기가스 냉각기(18)에 통합되는 것을 알 수 있다. 도시된 예에서 상기 배기가스 냉각기는 도 5에서 더 쉽게 식별할 수 있는 2개의 플랜지(22)를 갖는데, 이들 플랜지는 실제로 냉각제용 하우징(20)과 상기 바이패스 관(12)을 모두 지지한다. 바이패스 관(12)은 특히, 원치 않는 열전달을 방지하기에 바람직한 방식으로 하우징(20) 밖에 형성되어 있으나, 이러한 설계는 온도차로 인해 응력을 발생시킬 수 있으며, 본 발명에 따르면 이러한 응력은 표시된 홈(16)에 의해 방지된다. 도 4에 나타난 바와 같이, 냉각제가 관류하는 하우징(20)과 바이패스 관(12)은 실제로 서로 평행하게 그리고 실제로 2개의 플랜지(22)에 수직으로 연장된다.

추가로 도 5에는 하우징(20) 내에 형성된 냉각제용 공간(24)들 그리고 그 사이에, 바람직하게는 횡단면으로 보았을 때 직사각형인 하우징(20)의 벽들을 향해 형성된 냉각될 배기가스용 공간(26)들이 나타난다. 후자로 언급한 배기가스용 공간들은 열전달을 높이기 위해 추가로 리브(rib) 또는 핀(finn)을 구비한다. 그러나 상기 열전달은 하우징(20) 밖에 제공된 바이패스 관(12)에 대해 경미한 수준으로만 이루어지며, 이때 상기 바이패스 관은 도 5에서는 추가로 타원형으로 나타나고, 그리고 이러한 타원형 형태에서 특히 짧은 축은 단지 긴 축의 15 내지 25% 크기이다. 마지막으로 도 5에는 주변 부품들 상에 설치를 위한 고정용 개구(28)들이 나타난다.

Claims (10)

1. 냉각제가 관류하는 공간(24) 밖에서 연장되는, 하나 이상의 바이패스 관(bypass tube)(12)을 갖는 배기가스 냉각기(18)로서,
   하나 이상의 바이패스 관(12)의 통로가 하나 이상의 홈(16)을 구비하고,
   상기 냉각제가 관류하는 공간(24)이 하우징(20)에 의해 둘러싸이고,
   상기 하우징(20) 및 상기 하나 이상의 바이패스 관(12)이 2개의 공통 플랜지(22)에 의해 지지되고,
   상기 2개의 공통 플랜지(22)는 상기 하우징(20) 및 상기 하나 이상의 바이패스 관(12)의 양단부에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는, 배기가스 냉각기(18).
2. 제1항에 있어서,
   하나 이상의 바이패스 관(12)이 타원형의 단면적(oval cross-section)을 갖는 것을 특징으로 하는, 배기가스 냉각기(18).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   하나 이상의 홈(16)이 나선형으로 형성되어 있고, 상기 홈의 피치(pitch)가 5mm 내지 10mm인 것을 특징으로 하는, 배기가스 냉각기(18).
4. 제1항에 있어서,
   하나 이상의 홈(16)이 상기 바이패스 관(12)의 외측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 배기가스 냉각기(18).
5. 제1항에 있어서,
   하나 이상의 바이패스 관(12)이 0.5mm 내지 1.0mm의 벽 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 배기가스 냉각기(18).
6. 제1항에 있어서,
   하나 이상의 바이패스 관(12)이 30mm 내지 60mm의 지름을 갖는 것을 특징으로 하는, 배기가스 냉각기(18).
7. 제1항에 있어서,
   하나 이상의 홈(16)이 0.5mm 내지 0.8mm의 깊이(T)를 갖는 것을 특징으로 하는, 배기가스 냉각기(18).
8. 제1항에 있어서,
   하나 이상의 홈(16)이 상기 바이패스 관(12)의 벽 두께에 최대한 상응하는 깊이(T)를 갖는 것을 특징으로 하는, 배기가스 냉각기(18).
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