KR102150984B1

KR102150984B1 - 열 회수 장치 및 대응 제조 방법

Info

Publication number: KR102150984B1
Application number: KR1020180161996A
Authority: KR
Inventors: 프레데릭 그레버; 야닉 푸르코도
Original assignee: 포르시아 쥐스뗌 데샤피망
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-09-02
Also published as: FR3075343A1; JP2019109038A; EP3499165A1; JP6759319B2; FR3075343B1; KR20190072468A; US20190186324A1

Abstract

배기 라인을 위한 열 회수 장치로서, 상기 장치(17)는 배기가스 순환 통로(21)를 내측에 구획하는 바디(19)와, 열 교환기(23)를 포함하며, 상기 열 교환기(23)는,
- 근위 개구(33)를 획정하는 근위 에지(31)를 갖는 케이싱(27);
- 상기 케이싱(27)의 내부에서 연장하는 복수의 배기가스 순환 튜브(29); 및
- 상기 근위 개구(33)에 배치된 적어도 하나의 그레이트(39)로서, 상기 그레이트(39)는 오리피스(43)가 배치된 벽(41)을 포함하고, 각 튜브(29)는 상기 오리피스(43) 중 하나에 맞물리고 상기 그레이트(39)에 부착되는 근위 단부(45)를 구비하며, 상기 그레이트(39)는 상기 벽(41) 주위에서 연장하고 상기 벽(41)으로부터 상기 열 교환기(23)의 내부를 향하여 돌출하는 직립 에지(60)를 더 구비하며, 상기 직립 에지(60)는 상기 케이싱(27)에 견고하게 부착되는, 적어도 하나의 그레이트(39)를 포함하며;
- 상기 그레이트(39)의 벽(41)은 상기 오리피스(43) 주위에 상기 바디(19)를 향해 배향된 평탄면(65)을 구비하며;
- 상기 바디(19)는 상기 평탄면(65)에 대해 가압되는 플랫 에지(69)에 의해 획정된 개구(25)를 구비하며;
- 상기 평탄면(65)과 상기 플랫 에지(69)는 배기가스에 대해 기밀하도록 서로 견고하게 부착된다.

Description

열 회수 장치 및 대응 제조 방법{HEAT RECOVERY DEVICE AND CORRESPONDING MANUFACTURING PROCESS}

본 발명은 일반적으로 배기 라인을 위한 열 회수 장치에 관한 것이다.

자동차 배기 라인은 도 1에 도시된 형태의 열 교환기를 포함할 수 있다. 이러한 열 교환기(1)는 다수의 배기가스 순환 튜브(3)를 포함한다. 이들 튜브는 그레이트(grate)(5)에 의해 그들 각각의 종방향 단부에서 유지된다. 케이싱(7)은 튜브(3)와 그레이트(5) 둘레에 배치된다. 튜브(3), 그레이트(5) 및 케이싱(7)은 노(furnace)에서, 브레이징(brazing)에 의해 서로 부착된다.

각각의 그레이트(5)는, 도 2에 도시된, 바디(11) 상에 부착될, 열 교환기의 외부를 향해 배향된 직립 에지(9)를 포함한다. 바디(11)는 예를 들어 3방향 밸브 내에 통합되어, 배기가스를 선택적으로 열 교환기 방향 또는 열 교환기의 바이패스 파이프 방향으로 흐르게 한다. 직립 에지(9)의 단부 림(13)은 그레이트(5)와 케이싱(7) 사이의 접합부로부터 충분히 멀리 떨어져야, 그레이트(5)를 케이싱(7)에 용접하는 동안, 그레이트(5)를 바디(11)에 고정하는 브레이징이 용융되지 않게 해야 한다.

상기 그레이트(5)는 대체로 직사각형 형상을 갖는다. 그 그레이트는 편평한 금속 시트로 형성될 수 있으며, 이 금속 시트의 측면을 접어 분지 형상(basin shape)을 부여하고 이에 따라 직립 에지(9)를 형성한다. 상기 금속 시트는 그 후 천공되어, 튜브(3)를 수용하기 위한 오리피스를 형성한다.

편평한 금속 시트의 성형 중에, 상기 재료는 직립 에지(9)의 각 코너에서 압축된다. 4개의 코너 내부의 표면 상태는 좋지 않다. 접힘은 상기 분지 형상의 안과 바깥 모두에서 볼 수 있다.

따라서, 그러한 그레이트의 성형은 직립 에지(9)의 각 코너에서, 양호한 표면 상태, 또는 양호한 치수 공차를 제공할 수 없다.

더욱이, 직립 에지(9)의 각각의 측면의 양호한 평탄도를 얻는 것이 어렵다. 이는 상기 4개의 코너에서의, 재료의 탄성 회복에 기인한다.

더욱이, 도 2에 도시된 바와 같이, 열 교환기(1)는 바디(11) 내에 배치된 배럴 스트레처(barrel stretcher)(15)에 부착될 수 있다. 직립 단부(9)는 상기 배럴 스트레처(15)의 내부에 삽입된다.

배럴 스트레칭은 압축에 의한 것이 아니라, 재료의 신장에 의해 얻어지지만, 상기 배럴 스트레처(15)의 에지는, 성형 동안의 재료의 탄성 회복 때문에, 절대 편평하지 않다. 상기 배럴 스트레처의 에지는 바디(11)에 획정된 개구의 평면에 대해 수직하지 않으며, 언더컷 각은 대략 2°이다.

따라서, 상기 그레이트의 직립 에지(9)와 상기 배럴 스트레처(15) 사이의 유격(play)이 일정하지 않고, 평균 0.5 mm보다 클 수 있다.

도 2에 도시된 구성에서, 직립 에지(9)와 배럴 스트레처(15)를 맞대기 용접하는 것도 고려할 수 있다.

배기 분야에서, 전통적으로 사용되는 용접 방법은 마그용접(MAG)(Metal Active Gas) 이다. 이러한 용접 방법으로는, 직립 에지와 배럴 스트레처 사이의 상당한 유격이 결점, 또는 구멍을 발생시킬 수 있다.

겹치기 용접(lap welding)의 경우에는, 직립 에지(9)와 배럴 스트레처(15)가 서로를 지나가게 할 필요가 있을 수 있다. 그러나 코너에서 재료의 압축이 특정 한계를 넘어서는 것이 불가능하다는 점으로 인해, 직립 에지(9)의 길이는 제한된다.

마찬가지로, 상기 배럴 스트레처는 재료의 허용 가능한 최대 연신과 관련된, 최대 길이를 가진다.

더욱이, MAG 방법은 특정의 공지된 결함을 갖는데, 그 결함 중 가장 중요한 것은, 용접될 부분들을 변형시키는 데 있으며, 이는 이들 부분들이 고온으로, 및 국부적으로 가열되기 때문이다.

이 결함은 열 교환기(1)가 밸브 바디에 견고히 부착되어야 할 때 특히 중요하며, 열 교환기는, 밸브 바디와 간섭하지 않고 플랩의 축이 회전할 수 있도록, 그리고 밸브가 양호한 밀봉 레벨을 유지할 수 있도록, 양호한 최종 기하학적 형상을 가져야만 한다.

이와 관련하여, 본 발명은 상술한 결점을 갖지 않는 열 회수 장치를 제안하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해, 본 발명은 배기 라인용 열 회수 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 배기가스 순환 통로를 내측에 획정하는 바디와 열 교환기를 포함하며, 상기 열 교환기는;

- 근위 개구(proximal opening)를 획정하는 근위 에지를 갖는 케이싱;

- 상기 케이싱 내부에서 연장되는 복수의 배기가스 순환 튜브; 및

- 상기 근위 개구에 배치된 적어도 하나의 그레이트로서, 상기 그레이트는 오리피스가 배치된 벽을 포함하고, 각 튜브는 상기 오리피스 중 하나에 맞물리고 상기 그레이트에 부착된 근위 단부를 구비하며, 상기 그레이트는 벽 주위에서 연장하고 상기 벽으로부터 상기 열 교환기의 내부를 향하여 돌출하는 직립 에지를 더 구비하며, 상기 직립 에지는 상기 케이싱에 견고하게 부착되는, 적어도 하나의 그레이트를 포함하며;

- 상기 그레이트의 벽은 상기 오리피스 주위에 바디를 향해 배향된 평탄면을 구비하며;

- 상기 바디는 상기 평탄면에 대해 가압되는 플랫 에지에 의해 획정된 개구를 구비하며;

- 상기 평탄면과 상기 플랫 에지는 배기가스에 대해 기밀하도록 서로 견고히 부착된다.

따라서, 본 발명에서, 그레이트는 도 1과는 반대 방향으로 배향된다. 이는 튜브의 수용 오리피스를 에워싸는 그레이트의 평탄면에서 바디와 그레이트 사이의 연결을 가능하게 한다. 따라서 더는 바디의 개구 주위에서 배럴 스트레칭을 수행할 필요가 없으며, 바디와 그레이트 사이의 연결은 서로 평행한, 2개의 평탄면에서 수행된다.

이것은 유리하게는 브레이징 방법 또는 레이저 용접 방법을 통해 그레이트 및 바디를 고정시키는 것을 가능하게 한다.

이들 방법은, 부품의 상당한 가열을 필요로 하지 않으며, 따라서 바디 변형의 위험을 최소화하기 때문에, 유리하다.

그레이트의 평탄면과 바디의 플랫 에지의 양호한 평탄도를 얻는 것은, 도 1 및 도 2의 장치 상의 배럴 스트레칭 또는 직립 에지의 기하학적 구조를 모니터링하는 것보다 용이하다.

또한, 직립 에지의 높이는 도 1 및 도 2보다 덜 중요한데, 이는 직립 에지를 배럴 스트레처의 자유 에지로 연장시킬 필요가 없기 때문이다. 열 교환기의 케이싱에는 접합부만 제공하면 된다. 그레이트의 제조가 더 쉬우며, 변형이 덜 나타난다.

열 회수 장치는 개별적으로 또는 기술적으로 가능한 모든 조합에 따라, 다음의 하나 이상의 특징을 가질 수 있다:

- 평탄면과 플랫 에지는 레이저 용접 또는 브레이징에 의해 서로 견고히 부착되며;

- 그레이트의 직립 에지가 케이싱의 근위 에지에 견고히 부착되고, 상기 그레이트의 벽이 케이싱의 외부를 향해 오프셋 되며;

- 상기 평탄면은 닫힌 윤곽을 갖고 적어도 2 밀리미터의 폭을 가지며;

- 상기 케이싱은 제1 직선형 단면을 갖는 중앙 관형 부분을 포함하고, 상기 근위 개구는 상기 제1 단면보다 큰 제2 단면을 구비하며;

- 상기 케이싱의 근위 에지는 중앙 관형 부분으로부터 넓어지는 관형 세그먼트에 의해 중앙 관형 부품에 연결되고, 관형 세그먼트는 그레이트를 따라 열 전달 유체 순환 채널을 획정하며;

- 상기 케이싱은 열 전달 유체 입구 및 열 전달 유체 출구를 구비하며, 열 전달 유체 입구는 중앙 관형 부분에 배치되고, 상기 중앙 관형 부분은, 케이싱의 외부를 향해 돌출하고 상기 그레이트를 따라 열 전달 유체 입구로부터 상기 열 전달 유체 순환 채널로 연장하는 구역을 구비하며;

- 상기 튜브들은 튜브들 사이, 그리고 튜브들과 상기 케이싱 사이에 정해진 간격을 유지하는 스페이서를 형성하는 돌출부를 구비하며, 상기 케이싱과 접촉하는 상기 돌출부는 모두 상기 그레이트를 따라 상기 열 전달 유체 순환 채널 외부에 위치하며;

- 상기 평탄면은 제1 평면에서 연장되고, 상기 오리피스는 상기 평탄면에 인접한 리지에 의해 둘러싸이고, 상기 리지는 상기 제1 평면에 평행하고 상기 제1 평면에 대해 상기 열 교환기의 내부를 향해 오프셋된 제2 평면에서 연장한다.

제2 양상에 따르면, 본 발명은 상기 특징을 갖는 장치를 제조하는 방법에 관한 것으로서,

- 브레이징에 의해 케이싱, 튜브 및 그레이트를 서로 조립하는 단계;

- 상기 그레이트의 평탄면과 바디의 플랫 에지를 레이저 용접 또는 브레이징에 의해 서로 부착시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 정보 제공을 위해 이하에 제공된 상세한 설명으로부터 나타날 것이다.

도 1은 본 발명에 따르지 않은 열 교환기의 단면도이다.
도 2는 바디 상에 부착된 도 1의 열 교환기의 일 단부의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 열 회수 장치의 열 교환기의 분해도이다.
도 4는 조립된 상태의 도 3의 열 교환기의 종단면도이다.
도 5는 바디 상에 부착된 도 3 및 도 4의 열 교환기의 일 단부의 단면도이다.
도 6은 도 3 내지 도 5의 열 교환기의 사시도이다.
도 7은 다른 실시예에 대한 열 교환기의 저면도이다.
도 8은 도 3 및 도 4의 열 교환기의 그레이트 중 하나의 부분의 확대 단면도이다.
도 9는 도 8의 상기 그레이트의 사시도이다.

열 회수 장치(17)는 배기 라인, 통상적으로는 열 엔진을 구비한 차량의 배기 라인에 통합되도록 제공된다. 차량은 예를 들어 자동차로서, 일반적으로 승용차 또는 트럭이다.

상기 열 회수 장치(17)는 배기 라인에서 순환하는 배기가스로부터 열 에너지의 일부를 회수하기 위해 제공된다. 이렇게 회수된 열 에너지는, 예를 들어 열 엔진의 온도 상승을 가속시키거나 승객실을 난방하도록 차량에서 사용된다.

도 3 내지 도 5에 도시된 상기 열 회수 장치(17)는 내측에 배기가스 순환 통로(21)를 회정하는 바디(19)(도 5)와, 열 교환기(23)를 포함한다.

상기 바디(19)는 상기 순환 통로(21)가 상기 열 교환기(23)와 연통하게 하는 개구(25)를 갖는다.

바디(19)는 예를 들어 밸브 바디이다. 이 경우, 밸브는 통상적으로 3방향 밸브이고, 바디(19)는 적어도 하나의 배기가스 입구 및 2개의 출구를 갖고, 모두 순환 통로(21)와 유체 연통한다. 입구는 열 엔진의 연소 챔버의 출구에서 배기가스를 포획하는 콜렉터와 유체 연통한다. 출구 중 하나는 개구(25)를 구성하고, 상기 열 교환기(23)의 배기가스 순환 측과 연통한다. 다른 출구는 열 교환기의 바이패스 파이프에서 나온다. 도 5에는, 하나의 개구(25)만이 도시되어 있다.

대안적으로, 바디(19)는 배기가스 순환 파이프이며, 열 교환기는 상기 파이프 상의 바이패스에 장착된다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 열 교환기(23)는 케이싱(27)과, 케이싱(27)의 내부로 연장되는 복수의 배기가스 순환 튜브(29)를 포함한다.

상기 튜브(29)는 개구(25)를 통해 순환 통로(21)와 유체 연통한다.

상기 케이싱(27)은 근위 개구(33)를 획정하는 근위 에지(31)를 갖는다.

또한, 상기 케이싱(27)은 원위 개구(distal opening)(37)를 획정하는 원위 에지(35)를 포함한다. 상기 근위 에지(31) 및 원위 에지(35)는 닫힌 윤곽을 갖는다.

상기 열 교환기(23)는 또한 근위 개구(33)에 배치된 적어도 하나의 그레이트(39)를 포함한다. 상기 그레이트(39)는 오리피스(43)가 배치된 벽(41)을 포함한다.

각 튜브(29)는 오리피스(43) 중 하나에 배치되고 그레이트(39)에 부착된 근위 단부(45)를 갖는다.

유리하게는, 열 교환기(23)는 원위 개구(37)에 배치된 다른 그레이트(47)를 포함한다. 상기 다른 그레이트(47)는 오리피스(51)가 배치되는 벽(49)을 포함한다. 각각의 튜브(29)는 오리피스(51) 중 하나에 맞물리고 다른 그레이트(47)에 부착된 원위 단부(53)를 갖는다.

통상적으로, 그레이트(39)와 다른 그레이트(47)는 모든 점에서 동일하다. 따라서, 그레이트(39)만이 이하에 상세히 설명될 것이다.

바람직하게는, 튜브(29)들은 직선형이며, 종방향으로 근위 단부(45)에서부터 원위 단부(53)까지 연장된다.

예를 들어, 튜브들은, 종방향에 수직인 횡단면에서, 튜브(29)의 전체 종방향에 걸쳐 일정한, 실질적으로 직사각형 단면을 갖는다. 그 단면은 횡방향(T)을 따라 연장된다. 종방향(L) 및 횡방향(T)은 도 3에 도시되어 있다.

따라서, 각각의 튜브(29)는, 서로 대향하고, 전단된 에지(59)에 의해 서로 연결된, 2개의 큰 면(55, 57)을 가진다. 상기 큰 면(55, 57)은 종방향(L) 및 횡방향(T)을 포함하는 실질적으로 평면에서 연장된다. 이들 평면은 도 3에 도시된 높이 방향(E)에 수직이다.

바람직하게는, 튜브(29)들은 모두 높이 방향을 따라 적층된다. 다시 말하면, 열 교환기(23)는 횡단면에서 하나보다 많은 튜브를 포함한다.

따라서, 각각의 튜브(29)는 실질적으로 열 교환기(23)의 전체 횡방향 폭에 걸쳐 연장된다. 상기 튜브(29)는, 소정 튜브의 큰 면(55)이 높이 방향을 따른 적층 상태에서 그 바로 아래 튜브의 큰 면(57)의 바로 맞은편에 놓이도록, 적층되어 있다.

핀(61)이 각 튜브(29) 내부에 배치되어, 가스 측에서 열 교환을 촉진한다. 상기 핀(61)은 예를 들어, 아코디언식으로 접혀 튜브(29) 내부에 삽입되는 금속 시트의 형태로 만들어진다.

그레이트(39, 47)의 오리피스(43, 51)는 튜브(29)의 오리피스와 정렬되는 형상을 가진다. 따라서, 이들은 횡방향으로 긴 형상을 가지며, 실질적으로 그레이트의 전체 폭에 걸쳐 연장된다. 이들은 단일 칼럼(single column)으로 배치된다.

상기 그레이트(39)는, 벽(41)의 둘레로 연장되고 상기 벽(41)으로부터 열 교환기(23)의 내부를 향하여 돌출하는 직립 에지(60)를 포함한다.

도시된 예에서, 상기 벽(41)은 둥근 코너를 갖는 실질적으로 직사각형이다. 그 결과, 직립 에지(60)는 실질적으로 서로 평행하고 횡방향(T)을 따라 연장되는 2개의 세그먼트(61)와, 서로 실질적으로 평행하고 높이 방향(E)을 따라 연장되는 2개의 세그먼트(63)를 포함한다. 바람직하게는, 상기 2개의 세그먼트(61 및 63)는 서로 평행하고 횡방향(T)을 따라 연장된다. 바람직하게는, 상기 2개의 세그먼트(63)는 서로 평행하고 높이 방향(E)을 따라 연장된다. 상기 세그먼트(61 및 63)는 만곡부에 의해 서로 연결된다.

직립 에지(60)는 종방향(L)을 따라 돌출한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 직립 에지는 케이싱(27)의 상기 근위 에지(31)에서 맞물리고, 근위 에지(31)는 직립 에지(60)의 외부 표면에 대해 가압된다. 상기 직립 에지(60)는 케이싱(27)에 견고하게 부착된다. 보다 구체적으로, 상기 근위 에지(31)는 직립 에지(60)에 브레이징된다.

그레이트(39)의 벽(41)은 케이싱(27)의 외측을 향해 오프셋 된다. 상기 벽은 종방향(L)을 따라 오프셋 된다. 이는 그 벽이 케이싱(27)의 내부에 위치하지 않고 종방향으로 케이싱(27)의 근위 단부(31)를 넘어 위치함을 의미한다.

상기 그레이트(39)의 벽(41)은, 오리피스(43) 둘레에서, 바디(19)를 향해 회전된 평탄면(65)을 갖는다.

통상적으로, 평탄면(65)은 정해진 평면에서 연장한다. 이 평면은 종방향(L)에 수직이고, 따라서 횡방향(T) 및 높이 방향(E)을 포함한다.

상기 평탄면(65)은 오리피스(43)의 모든 둘레로 연장된다. 따라서, 상기 평탄면(65)은 닫힌 윤곽을 갖는다.

이는 폭이 2mm 이상, 예를 들어 2mm 내지 5mm 사이의 폭을 갖는다. 이 폭은 직립 에지(60)와 벽(41) 사이의 접합 라인(67)에 수직인 방향을 따라 취해진다. 다시 말하면, 이 폭은 직립 에지(60)의 세그먼트(61)를 따르는 높이 방향(E)과, 직립 에지(60)의 세그먼트(63)를 따르는 횡방향(T)을 따라 취해진다.

도시된 예에서, 평탄면(65)은 직립 에지(60)와 벽(41) 사이의 접합 라인(67)까지, 즉 벽(41)의 외측 에지까지 연장된다.

개구(25)는 바디(19)의 벽에 절개된다.

통상적으로, 개구는 벽의 실질적으로 평탄한, 바람직하게는 0.3 미만의 평탄도를 갖는 구역(68)에서 절개된다. 이 평탄 구역(68)은, 한쪽 측면 상에서는 순환 통로(21)의 내부를 획정하고 따라서 배기가스와 직접 접촉한다. 반대쪽 측면에서는 열 교환기의 그레이트(39)와 접촉한다.

바디(19)의 개구(25)는 평탄면(65)에 대해 가압되는 플랫 에지(69)에 의해 획정된다.

따라서, 플랫 에지(69)는 한쪽 측면에서 평탄면(65)과 접촉하고, 상기 평탄면(65)과는 반대쪽 측면에서는, 바디(19) 내에서 순환하는 배기가스와 접촉한다.

상기 평탄면(65)과 플랫 에지(69)는 배기가스에 대해 기밀하도록 서로 견고하게 부착된다.

상기 평탄면(65)과 플랫 에지(69)는 서로 직접 부착된다.

그들은 레이저 용접 또는 브레이징에 의해 서로 견고하게 부착된다.

상기 평탄 구역(68)은 바디(19)에 대해 그레이트(39)의 위치를 조절할 수 있도록, 상기 플랫 에지(69) 둘레에 어떠한 요철(relief)도 형성하지 않는다.

다른 그레이트(47)가 또한 열 교환기의 양단부의 위치를 서로에 대해 조정할 수 있도록, 편평한 구역 상에 장착된다는 것을 유의해야 한다.

상기 플랫 에지(69)는 열 교환기(23)측에, 평탄면(65)에 대해 가압되는 평탄한 외부 표면(71)을 갖는다.

이 평탄한 외부 표면(71)은 도시된 예에서 종방향(L)에 수직인 평면 내에서 연장된다.

상기 플랫 에지(69)는 닫힌 윤곽을 가지며 개구(25) 둘레 전체에 걸쳐 연장된다.

상기 개구(25)는 모든 오리피스(43)가 상기 개구(25)와 정렬되는 크기 및 형상을 갖는다. 도 5에 도시된 바와 같이, 튜브(29)의 근위 단부(45)는 그레이트(39)를 지나 돌출하고, 개구(25) 내로 약간 들어간다.

열 교환기(23)는 또한 튜브(29)와 그레이트(39) 사이의 연결을 보강하도록 배치된, 보강 그레이트(73)를 포함한다. 열 교환기는 유리하게는, 튜브(29)와 다른 그레이트(47) 사이의 연결을 보강하도록 배치된, 또 다른 보강 그레이트(75)를 포함한다. 상기 그레이트(73)와 상기 보강 그레이트(75)는 동일하기 때문에, 그레이트(73)만이 하기에서 설명된다.

상기 그레이트(73)는 개구부(77)가 배치된 플레이트이다. 상기 개구부(77)는 네크(necks)(79)(도 5)에 의해 획정되고, 튜브(29) 중 하나의 근위 단부(45)가 각각 통과된다. 상기 개구부(77)는 각각 오리피스(43) 중 하나의 바로 맞은편에 배치된다. 보강 플레이트의 근위 에지(81)와 개구부(77) 사이에 위치된 필드(83)는 벽(41)의 내부 표면에 브레이징 된다.

도시된 예에서, 케이싱(27)의 근위 에지(31) 및 원위 에지(35)는 케이싱의 서로 대향한 종방향 양단부에 위치된다.

상기 케이싱(27)은 2개의 하프 쉘(85, 87)로 제조된다. 상기 하프 쉘(85, 87)은 2개의 종방향 라인(89)(도 6)을 따라, 브레이징에 의해 서로 고정된다.

각각의 하프 쉘(85, 87)은 종방향(L)에 수직인 평면에서 U 자형 단면을 갖는다.

상기 케이싱(27)은 제1 직선형 단면을 갖는 중앙 관형 부분(91)을 포함하고, 근위 개구(33)는 제1 단면보다 큰 제2 단면을 갖는다(도 4). 마찬가지로, 원위 개구(37)는 제1 단면보다 크고 통상적으로는 제2 단면과 동일한 단면을 동일하다.

이를 위해, 상기 케이싱(27)의 근위 에지(31)는 중앙 관형 부분(91)으로부터 넓어지는 관형 세그먼트(93)에 의해 중앙 관형 부분(91)에 연결된다.

마찬가지로, 상기 케이싱(27)의 원위 에지(35)는 중앙 관형 부분(91)으로부터 넓어지는 다른 관형 세그먼트(95)에 의해 중앙 관형 부분(91)에 연결된다.

상기 관형 세그먼트(93)는 그레이트(39)를 따라 열 전달 유체 순환 채널(97)을 획정한다. 유사하게, 상기 관형 세그먼트(95)는 다른 그레이트(47)와 접촉하는 열 전달 유체 순환 채널(98)을 획정한다.

순환 채널(97)에 의해, 또한 채널(98)에 의해 열 전달 유체에 제공되는 통로 섹션은, 도 1에 도시된 열 교환기에서의 것보다 상당히 크다.

이것은 열 교환기의 몇몇 구조적 배치로 인해 발생한다.

우선, 벽(41)의 평탄면(65)은 본 발명에서, 도 1의 열 교환기에서의 것보다 상당히 넓다. 사실상, 이 평탄면(65)은, 플랫 에지(69)를 평탄면(65) 상에 양호한 품질의 긴밀한 부착을 허용하기 위해, 본 발명에서 의도적으로 더 넓게 만들어진다.

또한, 앞서 강조한 바와 같이, 본 발명에서는, 벽(41)이 케이싱(27)의 외측을 향해 오프셋 되어 있다. 도 1의 열 교환기에서, 튜브의 수용 오리피스가 배치되는 벽은 케이싱(7) 내에 배치된다.

이러한 큰 통로 섹션(97)은, 그레이트(39)와 접촉하여 열 전달 유체 유량을 증가시킬 수 있기 때문에, 특히 유리하다. 상기 그레이트(39)는 통상적으로 열 교환기 내부의 배기가스 입구에 위치한다. 그러나 배기 라인에 사용되는 열 교환기는 절대로 보일링(boiling) 상태를 야기해서는 안 된다. 보일링에 관한 가장 중요한 구역은, 항상 배기가스 입구 측, 즉 배기가스가 가장 뜨거운 구역에 위치한다. 보일링의 경우, 열 교환이 열교환 유체의 입구에서 국부적으로 가스들 간에 이루어지도록, 열 전달 유체가 증기로 변한다. 결과적으로, 열 교환기의 표피 온도(skin temperature)는 빠르게 상승하고, 배기가스의 온도에 근접할 수 있다(예: 약 850℃). 이는 국부적으로 열 충격과 온도 구배를 발생시켜 파손을 일으키고, 열 교환기의 다양한 부품을 서로 고정하는 브레이징 부분에 누출을 야기할 수 있다.

따라서, 그레이트(39) 내의 열 전달 유체 유량을 임의의 보일링의 위험을 방지하기에 충분하게 높게 하는 것이 이러한 유형의 열 교환기에 대해 중요하다.

케이싱(27)은 열 전달 유체 입구(99) 및 열 전달 유체 출구(101)를 갖는다(도 3 및 도 6).

도시된 예에서, 상기 열 전달 유체 입구(99) 및 출구(101)는 하프 쉘(87) 내에 배치된다. 열 전달 유체 입구(99) 및 출구(101)는 나란히 배치되고, 서로에 대해 종방향으로 오프셋 된다. 상기 열 전달 유체 입구(99)는 그레이트(39)측에 위치되고, 상기 출구(101)는 그레이트(47)측에 위치한다. 다시 말해, 상기 열 전달 유체 입구(99)는 배기가스 입구를 향하여 위치되고, 상기 열 전달 유체 출구(101)는 배기가스 출구를 향해 위치된다.

상기 열 전달 유체 입구(99)는 상기 케이싱(27)의 중앙 관형 부분(91)에 위치한다. 유리하게는, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 중앙 관형 부분(91)은, 케이싱(27)의 외부를 향해 돌출하고 그레이트(39)를 따라 상기 열 전달 유체 입구(99)로부터 열 전달 유체 순환 채널(97)로 연장되는 구역(103)을 갖는다.

상기 구역(103)은 도 3 내지 도 5에는 도시되어 있지 않다.

보다 구체적으로, 케이싱(27)은 높이 방향(E)에 실질적으로 수직인, 2개의 큰 면(105 및 107)과, 횡방향(T)에 실질적으로 수직하고 상기 큰 면(105 및 107)을 서로 연결하는 2개의 측면(109)을 구비한다. 열 전달 유체 입구(99), 및 통상적으로는 열 전달 유체 출구(101)도 측면(109) 중 하나에 배치된다. 돌출 구역(103)은 유리하게는 큰 면(107) 상에 배치된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 그 구역은 대체로 삼각형 형상을 갖는다. 그 구역은 열 전달 유체 입구(99)로부터 열 전달 유체 입구(99)에 대향하는 측면(109)까지 횡방향으로 연장된다. 종방향을 따라 취한 그의 폭은, 열 전달 유체 입구(99)로부터 열 전달 유체 입구(99)에 대향하는 측면(109)을 향해 가면서 감소한다.

바람직하게는, 돌출 구역(103)은 근위 단부(31)의 높이와 실질적으로 동일한 높이에 걸쳐 중앙 관형 부분(91)의 중앙 구역(111)에 대해 돌출한다.

상기 돌출 구역(103)은 열 전달 유체 입구(99)에서 열 전달 유체를 수집하여 순환 채널(97)을 향해 우선적으로 안내할 수 있다. 이는 열 교환기 입구에서의 냉각을 촉진하고 보일링의 위험을 억제한다.

유리하게는, 케이싱(27)은 열 전달 유체 출구(101)로부터 다른 그레이트(47)를 따라 열 전달 유체 순환 채널(98)로 연장되는, 또 다른 돌출 구역(112)을 포함한다(도 7).

상기 돌출 구역(112)은 종방향(L)에 수직인 열 교환기의 중앙 평면에 대해 돌출 구역(103)과 대칭이다.

튜브(29)들은 튜브(29)들 사이, 그리고 튜브(29)들과 케이싱(27) 사이에 정해진 간격을 유지하는 스페이서를 형성하는 돌출부(113)를 갖는다. 이들 돌출부(113)는 튜브의 큰 면(55, 57) 상에 분포된다.

도시된 예에서, 상기 큰 면(55, 57) 각각은 약 10개의 돌출부(113)를 갖는다.

돌출부(113)는 튜브(29)의 외측으로 돌출한다. 그들은 튜브(29)를 구성하는 금속을 변형하여 얻어진다.

케이싱(27)과 접촉하는 돌출부(113)는 모두 그레이트(39)를 따라 열 전달 유체 순환 채널(97) 외부에 위치하며, 통상적으로 다른 그레이트(47)를 따라 열 전달 유체 순환 채널(98) 외부에도 위치한다.

이는 케이싱(27)과 돌출부(113) 사이의 기계적 강도에 유리하다.

바람직하게는, 이들 돌출부는 또한 돌출 구역(103)의 외부 및 돌출 구역(112)의 외부에 위치한다.

통상적으로, 튜브(29)의 큰 면(55) 상에 형성된 돌출부(113)는, 당해 튜브(29)의 큰 면(57) 상에 형성된 돌출부(113)와 바로 맞은편에 위치한다. 여기서 "바로 맞은 편"의 의미는 높이 방향(E)을 따라 서로 대향하는 것을 의미한다. 마찬가지로, 소정 튜브(29) 상에 형성된 돌출부(113)는 도 4에 도시된 바와 같이, 높이 방향(E)을 따른 다른 튜브(29)의 돌출부(113)의 연장선상에 위치된다. 다시 말하면, 모든 튜브(29)는, 2개의 대향하는 큰 면(55, 57) 상에 동일하게 배치된 돌출부(113)를 가지므로, 상기 돌출부(113)들은 높이 방향(E)을 따라 칼럼 형태로 적층체를 형성한다. 이는 열 교환기(23)의 강성을 높이는 데 유리하다.

본 발명의 또 다른 유리한 양태에 따르면, 그레이트(39)의 평탄면(65)은 제1 평면(P1)에서 연장하고, 오리피스(43)는 평탄면(65)에 인접한 리지(ridge)(115)로 둘러싸여 있고, 상기 리지(115)는 제1 평면(P1)에 대하여 평행하고 상기 제1 평면(P1)에 대하여 열 교환기(23)의 내측으로 오프셋된 제2 평면(P2)에서 연장한다. 이는 도 8에 도시되어 있다.

상기 리지(115)는 오리피스(43)의 전체 둘레에 걸쳐 연장되며, 닫힌 윤곽을 가지며, 내측으로 평탄면(65)에 인접해 있다. 그 리지는 하나의 단차부에 의해 평탄면(65)으로부터 분리된다.

따라서, 열 교환기(23)의 브레이징 동안, 브레이징 재료는 평탄면(65) 위로 확산될 수 없다. 이는 리지(115)를 평탄면(65)으로부터 분리시키는 단차부에 의해 유지된다.

또 다른 형태에 따르면, 본 발명은 전술한 열 회수 장치(17)의 제조 방법에 관한 것이다.

이 제조 방법은 다음 단계를 포함한다.

- 케이싱(27), 튜브(29) 및 그레이트(39)를 서로 브레이징하여 조립하는 단계;

- 상기 그레이트(39)의 평탄면(65)과 바디(19)의 플랫 에지(69)를 레이저 용접 또는 브레이징에 의해 서로 부착시키는 단계.

통상적으로, 조립 단계에서, 다른 그레이트(47)는 케이싱(27) 및 튜브(29)에 브레이징에 의해 조립된다.

또한, 보강 그레이트(73, 75)는 동일한 단계에서 튜브(29)와 그레이트(39, 47)에 브레이징에 의해 유리하게 조립된다.

조립 단계는 또한 케이싱(27)의 하프 쉘(85, 87)을 서로 고정할 수 있게 한다.

전술한 바와 같이, 상기 케이싱(27)은 직립 에지(60) 상의 근위 에지(31)의 브레이징에 의해 그레이트(39)에 조립된다.

튜브(29)는 브레이징에 의해 서로 조립되고, 상기 브레이징은 바람직하게는 돌출부(113)에서 수행된다.

상기 튜브(29)는 케이싱(27) 상에, 보다 구체적으로 케이싱(27)의 중앙 관형 부분(91) 상에 돌출부(113)를 브레이징함으로써 케이싱(27)에 조립된다.

상기 브레이징 단계는 바람직하게 노(furnace)에서 행해진다.

플랫 에지(69)에 대한 평탄면(65)의 부착이 레이저 용접에 의해 수행될 때, 그 용접은 플랫 에지(69)를 통해 투명하게 수행된다. 용접 라인은 닫힌 윤곽을 가지며, 개구(25)의 전체 둘레에 걸쳐 연장된다.

브레이징에 의해 부착할 경우, 브레이징 페이스트가 플랫 에지(69)와 평탄면(65) 사이에 도포된다. 상기 브레이징 페이스트는 예를 들어 바디(19)와 열 교환기(23)를 노 내에 넣음으로써 용융된다. 이 경우, 평탄면(65) 및 플랫 에지(69)의 브레이징은 열 교환기의 다른 요소들을 서로 브레이징하여 조립하는 것과 동시에 수행될 수 있다.

열 회수 장치(17) 및 상응하는 제조 방법은 다수의 변형을 가정할 수 있다.

상기 케이싱(27)의 원위 개구(37)에 배치된 그레이트(47)는 근위 개구(33)에 배치된 그레이트와는 상이한 유형일 수 있다.

상기 튜브(29)는 전술한 형상일 필요는 없다. 그 튜브는 원형 단면이나 타원형 단면, 또는 기타 적절한 단면으로 될 수 있다. 이들 튜브는 반드시 직선형일 필요는 없지만, 대안적으로 만곡형일 수도 있다. 이 경우, 케이싱(27)의 원위 개구(37)는 종방향으로 근위 개구(33)의 바로 맞은편에 배치될 필요는 없다.

상기 열 전달 유체는 통상적으로 액체이다. 또는 다른 유형의 유체이다.

상기 열 교환기(23)는 열 교환기의 중간 횡방향 평면에 대해 반드시 대칭일 필요는 없다. 그 열교환기는 다른 그레이트(47)와 접촉하는 열 전달 유체의 순환 채널(98)을 포함하지 않을 수도 있고, 및/또는 돌출 구역(112)을 포함하지 않을 수도 있다.

상기 그레이트(39)의 벽(41)은 모든 형태의 형상을 가질 수 있다. 반드시 직사각형일 필요는 없다. 대안적으로, 상기 벽(41)은 원형 또는 타원형이거나, 임의의 다른 적절한 형상을 가질 수 있다.

이 경우, 바디(19)에 배치된 개구(25)도 직사각형 형상이 아니다. 그 개구는 통상적으로 그레이트(39)의 형상에 대응하는 형상, 보다 구체적으로는 벽(41)의 형상에 대응하는 형상을 갖는다.

상기 그레이트(39)를 케이싱(27)에 부착하기 위해, 직립 에지(60)가 케이싱(27)의 근위 에지(31)의 내부에 맞물릴 필요는 없다. 대안적으로, 상기 그레이트 (39)의 직립 에지(60)가 케이싱(27)의 근위 에지(31)에 맞물릴 수도 있다.

상기 케이싱(27)은 서로 조립된 2개의 하프 쉘(85, 87)로 구성될 필요는 없다. 상기 케이싱은 종방향 축을 중심으로 금속 시트를 말거나(rolling), 튜브 세그먼트를 변형시켜서 얻을 수 있다.

상기 튜브(29)는 열 교환기(23) 내부에서 모든 형태의 상이한 방식으로 배치될 수 있다. 특히, 전술한 바와 같이 하나가 아니라 서로 옆에 다수의 튜브(29)를 배치하는 것도 가능하다.

상기 평탄면(65)은 반드시 단일 평면 내에서 연장될 필요는 없다. 서로 평행하거나 서로에 대해 기울어진 다수의 평면에 배치된 다수의 평탄한 구역을 포함할 수 있다. 이 경우, 플랫 에지(69)는 평탄면(65)과 실질적으로 동일한 형상을 갖는다. 임의의 경우에, 상기 플랫 에지(69) 및 상기 평탄면(65)은 개구(25)를 둘러싸고 모든 오리피스(43, 51)를 둘러싸는 닫힌 윤곽을 갖는 구역 위에서 서로 접촉한다. 이 구역은 바람직하게는, 레이저 용접 또는 브레이징에 의해 평탄면(65)과 플랫 에지(69)가 서로 부착될 수 있도록 충분히 넓다.

Claims

배기가스 순환 통로(21)를 내측에 획정하는 바디(19)와, 열 교환기(23)를 포함하는, 배기 라인용 열 회수 장치(17)로서:
상기 열 교환기(23)는,
- 근위 개구(proximal opening)(33)를 획정하는 근위 에지(31)를 갖는 케이싱(27);
- 상기 케이싱(27) 내에서 연장하는 복수의 배기가스 순환 튜브(29); 및
- 상기 근위 개구(33)에 배치된 적어도 하나의 그레이트(39)로서, 상기 그레이트(39)는 오리피스(43)가 배치된 벽(41)을 포함하고, 각각의 튜브(29)는, 상기 오리피스(43) 중 하나에 맞물리고 상기 그레이트(39)에 부착되는 근위 단부(45)를 구비하며, 상기 그레이트(39)는 상기 벽(41) 주위에서 연장하고 상기 벽(41)으로부터 상기 열 교환기(23)의 내부를 향하여 돌출하는 직립 에지(60)를 더 구비하며, 상기 직립 에지(60)는 상기 케이싱(27)에 견고하게 부착되는, 적어도 하나의 그레이트(39)
를 포함하며,
- 상기 그레이트(39)의 벽(41)은 상기 오리피스(43) 주위에 상기 바디(19)를 향해 배향된 평탄면(65)을 구비하며;
- 상기 바디(19)는 상기 평탄면(65)에 대해 가압되는 플랫 에지(69)에 의해 획정된 개구(25)를 구비하며;
- 상기 평탄면(65)과 상기 플랫 에지(69)는 배기가스에 대해 기밀하도록 서로 견고하게 부착되고,
- 상기 플랫 에지(69)는 상기 바디(19)에 대한 상기 그레이트(39)의 위치를 조절할 수 있도록 요철을 형성하지 않고 평탄한 외부 표면(71)만을 갖는 것인, 열 회수 장치.
제1항에 있어서,
상기 평탄면(65)과 상기 플랫 에지(69)는 레이저 용접 또는 브레이징에 의해 서로 견고하게 부착되는 것인, 열 회수 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 그레이트(39)의 상기 직립 에지(60)는 상기 케이싱(27)의 근위 에지(31)에 견고히 부착되고, 상기 그레이트(39)의 벽(41)은 케이싱(27)의 외측을 향해 오프셋되는 것인, 열 회수 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 평탄면(65)은 닫힌 윤곽을 가지며 적어도 2 밀리미터의 폭을 갖는 것인, 열 회수 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 케이싱(27)은 제1 직선형 단면을 갖는 중앙 관형 부분(91)을 포함하고, 상기 근위 개구(33)는 상기 제1 직선형 단면보다 큰 제2 단면을 갖는 것인, 열 회수 장치.
제5항에 있어서,
상기 케이싱(27)의 상기 근위 에지(31)는 상기 중앙 관형 부분(91)으로부터 넓어지는 관형 세그먼트(93)에 의해 상기 중앙 관형 부분(91)에 연결되고, 상기 관형 세그먼트(93)는 상기 그레이트(39)를 따라 열 전달 유체 순환 채널(97)을 획정하는 것인, 열 회수 장치.
제6항에 있어서,
상기 케이싱(27)은 열 전달 유체 입구(99) 및 열 전달 유체 출구(101)를 구비하며, 상기 열 전달 유체 입구(99)는 상기 중앙 관형 부분(91)에 배치되고, 상기 중앙 관형 부분(91)은, 케이싱(27)의 외부를 향해 돌출하고 상기 그레이트(39)를 따라 열 교환 유체 입구(99)로부터 열 교환 유체 순환 채널(97)을 향해 연장되는 구역(103)을 구비하는 것인, 열 회수 장치.
제6항에 있어서,
상기 튜브(29)들은, 튜브(29)들 사이에 그리고 튜브(29)들과 상기 케이싱(27) 사이에 정해진 간격을 유지하는 스페이서를 형성하는 돌출부(113)를 구비하며, 상기 케이싱(27)과 접촉하는 상기 돌출부(113)는 모두 상기 그레이트(39)를 따라 열 전달 유체 순환 채널(97) 외부에 위치하는 것인, 열 회수 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 평탄면(65)은 제1 평면(P1)에서 연장되고, 상기 오리피스(43)는, 상기 제1 평면(P1)에 대해 평행하고 상기 제1 평면(P1)에 대해 상기 열 교환기(23)의 내부를 향해 오프셋된 제2 평면(P2)에서 연장되는 리지(115)에 의해 둘러싸이는 것인, 열 회수 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 개구(25)는 상기 바디(19)의 벽이 절개된 것인, 열 회수 장치.
제1항 또는 제2항에 따른 열 회수 장치의 제조 방법으로서:
- 상기 케이싱(27), 상기 튜브(29) 및 상기 그레이트(39)를 브레이징에 의해 서로 조립하는 단계; 및
- 상기 그레이트(39)의 평탄면(65)과 상기 바디(19)의 플랫 에지(69)를 레이저 용접 또는 브레이징에 의해 서로 부착시키는 단계
를 포함하는 제조 방법.