KR102542945B1 - 차량용 열교환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기열회수기능과 열전발전기능의 통합 구조를 구현하여 연비개선 효과를 향상시키는 기술에 관한 것으로, 차량의 냉시동모드에서 열교환발전기 내에 유입되는 배기가스가 배기열회수수단 측과 열전발전수단 측에 통과됨으로써, 냉각수의 온도가 빠르게 상승하여 엔진 웜업시간이 단축되는 것은 물론, 열전모듈을 통해 발전하여, 연비 향상을 극대화시키는 차량용 열교환장치가 소개된다.

Description

차량용 열교환장치{HEAT EXCHANGER FOR VEHICLES}
본 발명은 배기열회수기능과 열전발전기능의 통합 구조를 구현하여 연비개선 효과를 향상시키는 차량용 열교환장치에 관한 것이다.
차량의 시동 초기 냉간 조건에서 엔진은 충분히 웜업된 조건 대비 연비가 좋지 않다. 그 이유는, 냉간시 오일 온도가 낮은 상태에서 오일의 높은 점도로 인해 엔진의 마찰이 크고, 또한 실린더 벽면의 온도가 낮아 벽면으로의 열손실이 크며, 연소 안정성이 떨어지기 때문이다.
따라서, 차량의 연비 향상 및 엔진 내구성 향상을 위해서는 시동 초기에 엔진의 온도를 정상 온도로 빠르게 승온시켜주는 것이 필요하다.
배기열 회수장치는 배기가스와 냉각수의 열교환을 통해 배기열을 회수하여 엔진 시동 초기에 엔진 웜업 및 난방에 활용할 수 있고, 이를 통해 연비를 개선할 수 있는 기술이다.
그러나, 기존의 배기열 회수장치의 경우, 겨울철 시동 초기에 신속한 웜업에 효과가 있기는 하지만, 그 외 주행조건에서는 배기가스가 열교환되지 않고 바이패스되어 배기열 회수장치의 효용성이 떨어지는 문제가 있다.
한편, 차량의 연비를 개선하는 기술의 하나로, 열전발전장치가 사용될 수 있다.
열전발전장치는 고온부와 저온부의 온도차에 의해 전기를 발생시키는 열전소자를 이용하는 장치로, 배기열을 고온부로 냉각수를 저온부로 활용함으로써, 차량에 필요한 전기를 발생시켜 연비를 개선할 수 있다.
그러나, 기존의 열전발전장치의 경우, 배기열 회수장치에 비해 주행중 활용 구간이 넓은 편이기는 하나, 고가의 희귀 반도체를 소자를 사용하는 열전소자에 의해 원가가 상승하고, 또한 원가에 비해 발전량이 제한적이어서 장치의 효용성이 떨어지는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2017-0080029 A
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 배기열회수기능과 열전발전기능이 통합된 구조를 구현하여 연비개선 효과를 향상시키는 차량용 열교환장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 배기라인에 마련되어, 배기가스가 통과하도록 바이패스유로가 형성된 바이패스관; 상기 바이패스관에서 유입되는 배기가스가 통과하는 배기유로와 함께 냉각수가 통과하는 냉각유로가 형성되어 상기 배기가스와 냉각수를 열교환시키는 배기열회수수단이 마련되고, 상기 배기가스와 냉각수의 열이 열전모듈에 각각 전달되어 전기를 생산하도록 열전발전수단이 마련된 열교환발전기; 및 상기 바이패스관에 유입되는 배기가스가 바이패스유로 또는 배기유로를 따라 선택적으로 통과하도록 제어하고, 상기 배기유로에 유입된 배기가스가 배기열회수수단 또는 열전발전수단을 향해 분리되어 통과하도록 제어하는 유로제어수단;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 배기열회수수단은, 함체 형상으로 형성되어 바이패스관에 결합된 열교환케이스; 상기 열교환케이스의 길이방향을 따라 형성되어 배기가스가 유동되는 배기유로; 상기 배기유로를 감싸는 형상으로 형성되어 냉각수가 유동되면서 배기가스와 열교환되도록 하는 냉각유로; 및 상기 열교환케이스에 연통 형성되어 상기 냉각유로에 냉각수가 유입 및 토출되는 냉각수입구 및 냉각수출구;를 포함할 수 있다.
상기 열전발전수단은, 함체 형상으로 형성되어 바이패스관에 결합된 열교환케이스; 상기 열교환케이스의 길이방향을 따라 형성되어 배기가스가 유동되는 배기유로; 상기 배기유로를 감싸는 형상으로 형성되어 냉각수가 유동되는 냉각유로; 상기 열교환케이스에 연통 형성되어 상기 냉각유로에 냉각수가 유입 및 토출되는 냉각수입구 및 냉각수출구; 및 상기 냉각유로 내에 씰링구조로 구비되고, 고온부가 상기 배기유로의 외면에 접촉하여 열전도되도록 구비되고, 저온부가 상기 냉각유로에 접촉하여 열전도되도록 구비된 열전모듈;을 포함할 수 있다.
상기 씰링구조는, 열전모듈을 덮는 형상으로 마련되어 배기유로의 외면에 체결된 모듈커버; 상기 모듈커버와 배기유로 사이에 삽입된 개스킷;을 포함하고, 상기 열전모듈의 저온부와 모듈커버 사이에 접촉 상태로 구비되고, 상기 열전모듈의 고온부를 배기유로의 외면을 향해 밀어내는 탄성력을 제공하여 냉각수와 배기가스의 열이 각각 전도되도록 하는 열전달스프링;을 더 포함할 수 있다.
상기 열교환케이스의 양 단부에 상기 배기유로와 연통되는 입구공간 및 출구공간이 형성되고; 상기 바이패스관의 양단에 바이패스입구 및 바이패스출구가 형성되며; 상기 입구공간과 바이패스관이 이어지는 부분이 상호 연통되도록 열교환기입구가 형성되고; 상기 출구공간과 바이패스관이 이어지는 부분이 상호 연통되도록 열교환기출구가 형성될 수 있다.
상기 유로제어수단은, 배기가스가 상기 배기열회수수단을 통과하도록 마련된 제1배기유로; 배기가스가 상기 열전발전수단을 통과하도록 마련된 제2배기유로; 상기 바이패스관 내부에 힌지축을 중심으로 회전 가능하게 결합된 제어밸브;를 포함하고, 상기 제어밸브의 회전작동각 변화에 따라 바이패스유로와 배기유로를 선택적으로 개폐 제어하고, 상기 제1배기유로와 제2배기유로를 순차적으로 개폐 제어할 수 있다.
상기 배기열회수수단이 상기 열교환케이스 내부의 일측 길이방향을 따라 마련되고; 상기 열전발전수단이 상기 열교환케이스 내부의 타측 길이방향을 따라 마련되며; 상기 출구공간 내부에 격벽이 설치되어, 상기 출구공간이 상기 배기열회수수단을 통과한 배기가스의 제1출구공간과 열전발전수단을 통과한 배기가스의 제2출구공간으로 분리되고; 상기 제1출구공간 및 제2출구공간과 바이패스관이 이어지는 부분에 제1열교환기출구 및 제2열교환기출구가 각각 형성되어 제1배기유로와 제2배기유로가 분리되어 형성될 수 있다.
상기 제어밸브는, 힌지축에 회전력을 제공하도록 구동부가 결합되고; 힌지축에 판상형의 차단플레이트가 결합되며; 상기 힌지축이 바이패스관의 천장면에 폭방향을 따라 설치되어 상기 차단플레이트가 상기 힌지축을 중심으로 회전하면서 상기 바이패스유로를 선택적으로 개폐할 수 있다.
상기 제1열교환기출구 및 제2열교환기출구를 향해 상승하는 방향으로 차단플레이트에 제1차단캡 및 제2차단캡이 돌출 형성되되, 상기 제1차단캡 및 제2차단캡의 회전경로와 동일한 호 형상을 이루어 돌출 형성되고; 상기 제1열교환기출구 및 제2열교환기출구는 상기 제1차단캡 및 제2차단캡이 상승 회전하여 만나는 지점에 형성되어, 상기 제어밸브의 회전작동각 변화에 따라 차단캡이 제1열교환기출구 및 제2열교환기출구에 삽입되어 차단하며; 상기 바이패스관의 바닥면에는 상기 차단플레이트 자유단 끝부분의 회전경로를 따라 바이패스지연돌기가 돌출 형성될 수 있다.
상기 제1차단캡이 이루는 호의 길이가 제2차단캡이 이루는 호의 길이보다 길게 형성되고; 상기 제2차단캡이 제2열교환기출구에 삽입되지 않고 상기 제1차단캡만이 제1열교환기출구에 삽입되는 제어밸브의 일부 회전작동각 구간에서 상기 차단플레이트의 자유단 끝부분이 바이패스지연돌기에 밀접되어 바이패스유로를 폐쇄하도록 구성할 수 있다.
상기 제1차단캡과 제2차단캡이 제1열교환기출구 및 제2열교환기출구 각각에 삽입되는 제어밸브의 회전작동각 구간에서 상기 차단플레이트의 자유단 끝부분이 바이패스지연돌기의 상방으로 이격되어 바이패스유로를 개방하도록 구성할 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 차량의 냉시동모드에서 열교환발전기 내에 유입되는 배기가스가 배기열회수수단 측과 열전발전수단 측에 통과됨으로써, 냉각수의 온도가 빠르게 상승하여 엔진 웜업시간이 단축되는 것은 물론, 열전모듈을 통해 발전하여 전기를 생산함으로써, 연비 향상을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
아울러, 열전발전모드에서 모든 배기가스가 열전발전수단 측으로만 집중적으로 통과하도록 제어함으로써, 열전발전효율을 극대화하여 연비 향상에 기여하는 효과도 있고, 또한 바이패스모드에서는 모든 배기가스가 바이패스관 내의 바이패스유로를 통해 통과함으로써, 냉각수 및 열전소자의 과열에 의한 손상 위험을 방지하는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 차량용 열교환장치에 의해 배기열회수와 열전발전을 동시에 수행하는 냉시동모드의 작동상태를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 따른 제어밸브의 작동상태와 그에 따른 배기가스의 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 차량용 열교환장치에 의해 열전발전을 극대화하는 열전발전모드의 작동상태를 나타낸 도면.
도 4는 도 3에 따른 제어밸브의 작동상태와 그에 따른 배기가스의 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 차량용 열교환장치에 의해 배기열회수와 열전발전을 실시하지 않는 바이패스모드의 작동상태를 나타낸 도면.
도 6은 도 5에 따른 제어밸브의 작동상태와 그에 따른 배기가스의 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 차량용 열교환장치에서 배기유로 및 냉각유로의 구성을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 배기유로에 열전모듈이 장착된 구조를 설명하기 위한 도면.
도 9은 본 발명에 따른 배기열회수수단과 열전발전수단이 구분된 상태를 개념적으로 설명하기 위한 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 차량용 열교환장치는, 크게 바이패스관(100)과, 열교환발전기(200) 및 유로제어수단을 포함하여 구성이 된다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명을 구체적으로 살펴보면, 먼저 바이패스관(100)은 내부가 중공 형성되어 양 단부가 배기라인의 중간에 연결되는 것으로, 내부에 배기가스가 통과하도록 바이패스유로(110)가 형성될 수 있다.
열교환발전기(200)는 배기열회수수단과 열전발전수단이 각각 마련되는 것으로, 상기 배기열회수수단은 상기 바이패스관(100)에서 유입되는 배기가스가 통과하도록 배기유로(220)가 형성되고, 이와 함께 냉각수가 통과하는 냉각유로(230)가 형성되어 상기 배기가스와 냉각수가 열교환되면서 배기열을 회수하도록 구성이 된다.
그리고, 열전발전수단은 상기 배기가스와 냉각수의 열이 열전모듈(240)에 각각 전달되어 전기를 생산하도록 구성이 된다. 이때에, 상기 열전발전수단을 통해 발생된 전기는 배터리에 충전되거나 전장품에 제공되어 사용될 수 있다.
아울러, 유로제어수단은 상기 바이패스관(100)에 유입되는 배기가스가 바이패스유로(110) 또는 배기유로(220)를 따라 선택적으로 통과하도록 제어하고, 이와 함께 상기 배기유로(220)에 유입된 배기가스가 배기열회수수단 또는 열전발전수단을 향해 분리되어 통과하도록 제어할 수 있다.
즉, 차량의 운전조건에 따라 제어밸브(300)를 조절하여 작동함으로써, 바이패스관(100)에 유입되는 배기가스를 바이패스관(100) 내부의 바이패스유로(110)를 통해 그대로 통과시키거나, 또는 열교환발전기(200) 내의 배기유로(220)를 통해 통과시킬 수 있다.
따라서, 배기가스와 냉각수의 열교환에 따른 배기열 회수를 통해 냉각수 온도를 빠르게 상승시키게 됨으로써, 엔진 웜업시간을 단축시킬 수 있고, 이와 함께 열전모듈(240)을 통해 발전하여 전기를 생산함으로써, 연비를 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 배기유로(220)에 배기가스가 유입되는 운전조건의 경우, 배기가스를 배기열회수단 측과 열전발전수단 측으로 분리하여 통과시킬 수 있으므로, 앞서 설명한 엔진 웜업과 열전발전을 동시에 수행하는 냉시동모드는 물론, 열전발전을 극대화하는 열전발전모드로 작동이 가능하여 연비 향상에 기여하게 된다.
한편, 도 7 및 도 9를 참조하여, 상기 열교환발전기(200) 내에 마련된 배기열회수수단의 구성을 조금 더 구체적으로 살펴보면, 상기 배기열회수수단은, 열교환케이스(210)가 함체 형상으로 형성되어 바이패스관(100)의 상면에 결합이 되고, 상기 열교환케이스(210)의 길이방향 즉, 열교환케이스(210) 내에서 배기가스가 유동되는 방향을 따라 복수의 배기유로(220)가 형성되어 상기 배기유로(220)를 따라 배기가스가 유동이 될 수 있다. 이때에, 상기 배기유로(220)는 열교환케이스(210)의 중간부분에서 일정구간 형성될 수 있다.
그리고, 상기 배기유로(220)가 형성된 열교환케이스(210)의 구간 중 배기유로(220)를 감싸는 형상으로 형성되어, 상기 냉각유로(230)를 따라 냉각수가 유동되면서 배기유로(220) 내의 배기가스와 열교환될 수 있다.
예컨대, 상기 냉각유로(230)는 배기유로(220)가 형성된 열교환케이스(210)의 일정구간 내에서 배기유로(220)를 제외한 나머지 공간에 냉각수가 채워지면서 구성이 되는 것으로, 상기 냉각유로(230)는 열교환케이스(210) 내의 배기유로(220)를 비롯하여 배기가스가 통과하는 공간과 기밀을 유지하도록 구성이 된다.
그리고, 상기 열교환케이스(210)의 일면 및 타면에는 냉각수입구(231)와 냉각수출구(233)가 각각 연통 형성되어 상기 냉각유로(230)에 냉각수가 유입 및 토출될 수 있다.
즉, 열교환케이스(210) 내에 구비된 배기유로(220)를 따라 배기가스가 유동되고, 상기 배기유로(220)를 감싸는 형상으로 마련된 냉각유로(230)를 따라 냉각수가 유동됨으로써, 차량의 주행 중 배기가스와 냉각수의 열교환을 통해 배기열이 회수되어, 냉각수의 온도를 빠르게 상승시키게 되고, 이에 엔진 웜업시간을 단축시킬 수 있게 된다.
아울러, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 상기 열교환발전기(200) 내에 마련된 열전발전수단의 구성을 조금 더 구체적으로 살펴보면, 상기 열전발전수단은, 열교환케이스(210)가 함체 형상으로 형성되어 바이패스관(100)의 상면에 결합이 되고, 상기 열교환케이스(210)의 길이방향 즉, 열교환케이스(210) 내에서 배기가스가 유동되는 방향을 따라 복수의 배기유로(220)가 형성되어 상기 배기유로(220)를 따라 배기가스가 유동이 될 수 있다. 이때에, 상기 배기유로(220)는 열교환케이스(210)의 중간부분에서 일정구간 형성될 수 있다.
그리고, 상기 배기유로(220)가 형성된 열교환케이스(210)의 구간 중 배기유로(220)를 감싸는 형상으로 형성되어, 상기 냉각유로(230)를 따라 냉각수가 유동되면서 배기유로(220) 내의 배기가스와 열교환될 수 있다.
예컨대, 상기 냉각유로(230)는 배기유로(220)가 형성된 열교환케이스(210)의 일정구간 내에서 배기유로(220)를 제외한 나머지 공간에 냉각수가 채워지면서 구성이 되는 것으로, 상기 냉각유로(230)는 열교환케이스(210) 내의 배기유로(220)를 비롯하여 배기가스가 통과하는 공간과 기밀을 유지하도록 구성이 된다.
그리고, 상기 열교환케이스(210)의 일면 및 타면에는 냉각수입구(231)와 냉각수출구(233)가 각각 연통 형성되어 상기 냉각유로(230)에 냉각수가 유입 및 토출될 수 있다.
또한, 상기 냉각유로(230) 내에 씰링구조로 열전모듈(240)이 구비된다. 이때에, 상기 열전모듈(240)의 고온부(243)가 상기 배기유로(220)의 외면에 접촉하여 열전도되도록 구비되고, 저온부(241)가 상기 냉각유로(230)에 접촉하여 열전도되도록 구비될 수 있다.
즉, 배기유로(220)에 흐르는 배기가스가 고온부(243) 금속에 접촉되고, 냉각유로(230)에 흐르는 냉각수가 저온부(241) 금속에 접촉되어 열전도됨으로써, 차량의 주행 중 저온부(241)와 고온부(243)의 온도차이에 의해 전기가 생성되어 발전할 수 있게 되고, 이에 차량의 연비를 향상시킬 수 있게 된다.
아울러, 도 1 및 도 8을 참조하여, 상기 냉각유로(230) 내에 열전모듈(240)을 씰링 결합하는 씰링구조에 대해 살펴보면, 열전모듈(240)을 덮는 형상으로 모듈커버(245)가 마련되어 상기 모듈커버(245)가 배기유로(220)의 외면에 볼팅방식과 같은 결합구조로 체결된다.
그리고, 상기 모듈커버(245)와 배기유로(220) 사이에 개스킷(247)이 삽입되어 모듈커버(245) 내부의 열전모듈(240)을 씰링할 수 있다. 이때에, 상기 모듈커버(245)를 통과하여 열전모듈(240)에 와이어가 연결되는바, 상기 와이어링 역시 모듈커버(245)에 방수구조로 결합이 된다.
다만, 상기 모듈커버(245)를 이용한 씰링구조에 의해 열전모듈(240)의 저온부(241)와 고온부(243)에 냉각수와 배기가스의 열이 원활하게 전달되지 못할 수 있다.
이에, 본 발명에서는 상기 열전모듈(240)의 저온부(241)와 모듈커버(245) 사이에 열전달스프링(249)이 접촉 상태로 구비되도록 하여 상기 열전모듈(240)의 고온부(243)를 배기유로(220)의 외면을 향해 밀어내는 탄성력을 제공하게 되는바, 냉각수와 배기가스의 열이 저온부(241) 및 고온부(243)에 각각 열전도되도록 구성할 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면 바이패스관(100)에 유입되는 배기가스가 열교환케이스(210) 내의 배기유로(220)를 통과하여 다시 바이패스관(100)에 유입이 되는 구조로 이루어진다.
이를 위해, 본 발명은 상기 열교환케이스(210)의 양 단부에 바이패스관(100) 내부의 배기유로(220)와 연통되는 입구공간(250) 및 출구공간(260)이 각각 형성된다.
그리고, 상기 바이패스관(100)의 양단에 바이패스입구(120) 및 바이패스출구(130)가 형성되고, 상기 입구공간(250)과 바이패스관(100)이 이어지는 부분이 상호 연통되도록 열교환기입구(280)가 형성되며, 상기 출구공간(260)과 바이패스관(100)이 이어지는 부분이 상호 연통되도록 열교환기출구(290)가 형성이 된다.
즉, 바이패스입구(120)를 통해 바이패스관(100) 내부에 유입되는 배기가스가 열교환기입구(280)를 통해 입구공간(250)에 유입되고, 상기 입구공간(250)에 유입된 배기가스는 배기유로(220)를 따라 유동하여 출구공간(260)에 토출되며, 상기 출구공간(260)에 토출된 배기가스가 열교환기출구(290)를 통해 바이패스관(100) 내부에 다시 유입되어 바이패스출구(130)를 통해 배출이 되는 것이다.
한편, 본 발명의 유로제어수단은 배기가스의 흐름방향을 변경 및 제어하기 위한 것으로, 상기 유로제어수단의 구성을 구체적으로 살펴보면, 먼저 배기유로(220)는 제1배기유로(220a)와 제2배기유로(220b)로 나누어질 수 있는 것으로, 상기 제1배기유로(220a)는 배기가스가 상기 배기열회수수단을 통과하도록 마련된 유로이고, 상기 제2배기유로(220b)는 배기가스가 상기 열전발전수단을 통과하도록 마련된 유로일 수 있다.
도 7 및 도 9를 참조하여, 상기 제1배기유로(220a)와 제2배기유로(220b)를 분리하는 구조를 예시하여 살펴보면, 상기 배기열회수수단이 상기 열교환케이스(210) 내부의 일측 길이방향을 따라 마련되고, 상기 열전발전수단이 상기 열교환케이스(210) 내부의 타측 길이방향을 따라 마련되는 구조가 된다.
즉, 열교환기케이스 내부의 공간이 배기가스의 흐름방향을 기준으로 양측으로 양분되어, 일측에는 배기열회수수단이 구비되고 타측에는 열전발전수단이 구비된다.
그리고, 상기 출구공간(260) 내부의 중심에는 격벽(270)이 설치되어 출구공간(260)을 구분함으로써, 상기 격벽(270)의 좌우로 제1출구공간(260a)과 제2출구공간(260b)이 조성된다. 즉, 상기 배기열회수수단을 통과한 배기가스의 제1출구공간(260a)과 열전발전수단을 통과한 배기가스의 제2출구공간(260b)으로 분리가 된다.
또한, 상기 제1출구공간(260a)과 바이패스관(100)이 이어지는 부분에 제1열교환기출구(290a)가 형성되고, 상기 제2출구공간(260b)과 바이패스관(100)이 이어지는 부분에 제2열교환기출구(290b)가 형성됨으로써, 배기가스가 배기열회수수단을 통과하는 제1배기유로(220a)와 열전발전수단을 통과하는 제2배기유로(220b)로 분리되어 형성될 수 있다.
아울러, 상기 바이패스관(100) 내부에는 힌지축(310)을 중심으로 회전 가능하도록 제어밸브(300)가 결합이 되는데, 상기 제어밸브(300)의 회전작동각 변화에 따라 바이패스유로(110)와 배기유로(220)를 선택적으로 개폐 제어하고, 이와 더불어 상기 제1배기유로(220a)와 제2배기유로(220b)를 순차적으로 개폐 제어할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 상기 제어밸브(300)의 구성을 조금 더 구체적으로 설명하면, 힌지축(310)에 회전력을 제공하도록 구동부(310a)가 결합되고, 상기 힌지축(310)에 판상형의 차단플레이트(320)가 결합된다.
그리고, 상기 힌지축(310)이 바이패스관(100)의 천장면에 폭방향을 따라 설치되어 상기 차단플레이트(320)가 상기 힌지축(310)을 중심으로 회전하면서 상기 바이패스유로(110)를 선택적으로 개폐하도록 구성이 된다.
여기서, 상기 구동부(310a)는 작동력을 제공하는 구조에 따라 다양한 실시예로 구성이 가능한 것으로, 바람직하게는 전기모터 구동력으로 힌지축(310)을 회전시킬 수 있다. 이처럼 전기모터가 적용되는 경우, 차량의 주행상태를 반영하는 출력값이 컨트롤러에 입력되면, 컨트롤러에서 상기 출력값을 기반으로 전기모터의 작동을 제어하게 되고, 이에 차량의 운전조건에 따라 배기가스의 흐름방향을 적절하게 제어할 수 있다.
상기 구동부의 다른 예시로서, 냉각수의 온도에 따라 왁스가 팽창/수축되는 원리를 이용하여 힌지축(310)에 회전력을 제공하도록 구성할 수 있고, 또 다른 예시로서 엔진 부압을 이용하여 힌지축(310)에 회전력을 제공하도록 구성할 수도 있다.
즉, 도 5 및 도 6과 같이, 제어밸브(300)를 회전 작동하여 차단플레이트(320)가 바이패스관(100)의 바닥면과 이격되면, 바이패스관(100) 내의 바이패스유로(110)가 개방되면서 배기가스가 배기유로(220)로 유입되지 않고 바이패스관(100) 내의 바이패스유로(110)를 그대로 통과하게 됨으로써, 냉각수 및 열전소자의 과열에 의한 손상 위험을 방지하게 된다.
물론, 도 1 및 도 2와 같이, 제어밸브(300)의 회전 작동에 의해 차단플레이트(320)가 바이패스관(100)의 바닥면에 밀접되면, 바이패스관(100) 내의 바이패스유로(110)가 차단되면서 배기가스가 바이패스유로(110)로 유입되지 않고 배기유로(220)로 통과하게 됨으로써, 배기열회수기능 및 열전발전기능을 수행할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명에서는, 상기 차단플레이트(320)에 제1열교환기출구(290a) 및 제2열교환기출구(290b)를 향해 상승하는 방향으로 제1차단캡(330a) 및 제2차단캡(330b)이 각각 돌출 형성되는데, 상기 제1차단캡(330a)과 제2차단캡(330b)은 각 차단캡이 회전하는 경로와 동일한 호 형상을 이루어 돌출 형성된다.
그리고, 상기 제1열교환기출구(290a) 및 제2열교환기출구(290b)는 상기 제1차단캡(330a) 및 제2차단캡(330b)이 상승 회전하여 만나는 지점에 형성되어, 상기 제어밸브(300)의 회전작동각 변화에 따라 차단캡이 제1열교환기출구(290a) 및 제2열교환기출구(290b)에 삽입되어 차단이 된다.
이때에, 상기 제1차단캡(330a) 및 제2차단캡(330b)은 제1열교환기출구(290a) 및 제2열교환기출구(290b)와 대응하는 형상으로 형성됨으로써, 상기 제1차단캡(330a) 및 제2차단캡(330b)에 의해 제1열교환기출구(290a) 및 제2열교환기출구(290b)를 차단할 수 있게 된다.
또한, 상기 바이패스관(100)의 바닥면에는 상기 차단플레이트(320) 자유단(320a) 끝부분의 회전경로를 따라 바이패스지연돌기(140)가 돌출 형성될 수 있다.
즉, 상기 제어밸브(300)의 회전 작동에 따라 제1차단캡(330a)과 제2차단캡(330b)이 상승 회전하는 과정에서, 상기 제1차단캡(330a)이 제1열교환기출구(290a) 내에 삽입되면 제1열교환기출구(290a)가 차단되면서 제1배기유로(220a)를 통해 배기가스가 통과하지 못하게 되고, 이와 마찬가지로 제2차단캡(330b)이 제2열교환기출구(290b) 내에 삽입되면 제2열교환기출구(290b)가 차단되면서 제2배기유로(220b)를 통해 배기가스가 통과하지 못하게 된다.
또한, 상기 제어밸브(300)의 회전 작동에도 불구하고, 차단플레이트(320)의 끝부분이 바이패스지연돌기(140) 위에 밀접하게 위치한 경우, 여전히 차단플레이트(320)가 바이패스유로(110)를 차단하는 상태를 유지하게 됨으로써, 배기가스가 바이패스유로(110)를 통과하지 않고 열교환발전기(200) 내의 배기유로(220)를 통과하도록 구성이 된다.
이 같은 구성에 따르면, 본 발명에서는 엔진 웜업 후에 정속 주행시와 같은 주행상황에서, 도 3 및 도 4와 같이, 바이패스유로(110)와 제1배기유로(220a)를 차단한 상태에서 제2배기유로(220b)만을 개방하여 열전발전기능을 극대화시키는 열전발전모드의 구현이 가능하도록 구성할 수 있다.
이를 위해, 본 발명은 상기 제1차단캡(330a)이 이루는 호의 길이가 제2차단캡(330b)이 이루는 호의 길이보다 길게 형성된다.
그리고, 상기 제2차단캡(330b)이 제2열교환기출구(290b)에 삽입되지 않고 상기 제1차단캡(330a)만이 제1열교환기출구(290a)에 삽입되는 제어밸브(300)의 일부 회전작동각 구간에서 상기 차단플레이트(320)의 자유단(320a) 끝부분이 바이패스지연돌기(140)에 밀접되어 바이패스유로(110)를 폐쇄하도록 구성할 수 있다.
즉, 제어밸브(300)의 회전작동에 의해 차단플레이트(320)가 소정각도 회전된 상태인 경우, 차단플레이트(320)의 끝부분이 바이패스지연돌기(140) 위에 밀접하게 위치하여 바이패스유로(110)를 차단하는 상태를 유지하게 되고, 또한 제1차단캡(330a)이 제1열교환기출구(290a)에 삽입되면서 제1열교환기출구(290a)가 차단됨으로써, 제1배기유로(220a)가 차단된다. 하지만, 제2차단캡(330b)은 제2열교환기출구(290b)에 삽입되지 않아 제2열교환기출구(290b)는 개방됨으로써, 제2배기유로(220b)만이 개방되고, 이에 바이패스관(100)에 유입되는 배기가스가 제2배기유로(220b)를 통해서 집중적으로 통과된다.
따라서, 모든 배기가스가 열전발전수단 측으로만 통과됨으로써, 열전발전효율을 극대화할 수 있고, 이를 통해 연비 향상에 크게 기여하게 된다.
아울러, 본 발명에서는 냉각수와 배기가스가 과열되는 가속주행 상황에서, 도 5 및 도 6과 같이, 제1배기유로(220a)와 제2배기유로(220b)를 차단한 상태에서 바이패스유로(110)만을 개방하는 바이패스모드의 구현이 가능하도록 구성할 수 있다.
이를 위해, 본 발명은 상기 제1차단캡(330a)과 제2차단캡(330b)이 제1열교환기출구(290a) 및 제2열교환기출구(290b) 각각에 삽입되는 제어밸브(300)의 회전작동각 구간에서 상기 차단플레이트(320)의 자유단(320a) 끝부분이 바이패스지연돌기(140)의 상방으로 이격되어 바이패스유로(110)를 개방하도록 구성할 수 있다.
즉, 제어밸브(300)의 회전작동에 의해 차단플레이트(320)가 완전 개방된 상태인 경우, 차단플레이트(320)의 끝부분이 바이패스지연돌기(140) 상방으로 이격되어 바이패스유로(110)가 개방된다. 다만, 제1차단캡(330a)이 제1열교환기출구(290a)에 삽입되고, 제2차단캡(330b)이 제2열교환기출구(290b)에 삽입되어 모든 열교환기출구(290)가 차단됨으로써, 제1배기유로(220a) 및 제2배기유로(220b)가 차단된다.
따라서, 모든 배기가스가 바이패스관(100) 내의 바이패스유로(110)를 통해 통과됨으로써, 냉각수 및 열전소자의 과열에 의한 손상 위험을 방지할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명에서는 도 1 및 도 2와 같이, 바이패스유로(110)를 차단한 상태에서 제1배기유로(220a)와 제2배기유로(220b)를 개방하여 배기열회수기능과 열전발전기능을 동시에 실시하는 냉시동모드의 구현이 가능하도록 구성할 수 있다.
즉, 제어밸브(300)를 회전 작동하지 않아, 차단플레이트(320)가 완전 폐쇄된 상태인 경우, 차단플레이트(320)의 자유단(320a) 끝부분이 바이패스관(100)의 바닥면에 밀접하여 바이패스유로(110)를 차단하는 상태를 유지하게 된다. 다만, 제1차단캡(330a)이 제1열교환기출구(290a)에 삽입되지 않고, 제2차단캡(330b) 역시 제2열교환기출구(290b)에 삽입되지 않아 제1열교환기출구(290a)와 제2열교환기출구(290b) 모두가 개방됨으로써, 제1배기유로(220a)와 제2배기유로(220b)가 개방되고, 이에 바이패스관(100)에 유입되는 배기가스가 제1배기유로(220a)와 제2배기유로(220b)를 통해 통과된다.
따라서, 열교환발전기(200) 내에 유입되는 배기가스가 배기열회수수단 측과 열전발전수단 측에 통과됨으로써, 냉각수의 온도가 빠르게 상승하여 엔진 웜업시간이 단축되는 것은 물론, 열전모듈(240)을 통해 발전하여 전기를 생산함으로써, 연비 향상을 극대화시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
100 : 바이패스관 110 : 바이패스유로
120 : 바이패스입구 130 : 바이패스출구
140 : 바이패스지연돌기 200 : 열교환발전기
210 : 열교환케이스 220 : 배기유로
220a : 제1배기유로 220b : 제2배기유로
230 : 냉각유로 231 : 냉각수입구
233 : 냉각수출구 240 : 열전모듈
241 : 저온부 243 : 고온부
245 : 모듈커버 247 : 개스킷
249 : 열전달스프링 250 : 입구공간
260 : 출구공간 260a : 제1출구공간
260b : 제2출구공간 270 : 격벽
280 : 열교환기입구 290 : 열교환기출구
290a : 제1열교환기출구 290b : 제2열교환기출구
300 : 제어밸브 310 : 힌지축
320 : 차단플레이트 320a : 자유단
330a : 제1차단캡 330b : 제2차단캡

Claims (11)

  1. 배기라인에 마련되어, 배기가스가 통과하도록 바이패스유로가 형성된 바이패스관;
    상기 바이패스관에서 유입되는 배기가스가 통과하는 배기유로와 함께 냉각수가 통과하는 냉각유로가 형성되어 상기 배기가스와 냉각수를 열교환시키는 배기열회수수단이 마련되고, 상기 배기가스와 냉각수의 열이 열전모듈에 각각 전달되어 전기를 생산하도록 열전발전수단이 마련된 열교환발전기; 및
    상기 바이패스관에 유입되는 배기가스가 바이패스유로 또는 배기유로를 따라 선택적으로 통과하도록 제어하고, 상기 배기유로에 유입된 배기가스가 배기열회수수단 또는 열전발전수단을 향해 분리되어 통과하도록 제어하는 유로제어수단;을 포함하고,
    상기 열전모듈이 냉각유로에 씰링구조로 구비되되 고온부가 배기유로의 배기가스와 열전도되고 저온부가 냉각유로의 냉각수와 열전도되며,
    상기 씰링구조는,
    열전모듈을 덮는 형상으로 마련되어 배기유로의 외면에 체결된 모듈커버;
    상기 모듈커버와 배기유로 사이에 삽입된 개스킷;을 포함하고,
    상기 열전모듈의 저온부와 모듈커버 사이에 접촉 상태로 구비되고, 상기 열전모듈의 고온부를 배기유로의 외면을 향해 밀어내는 탄성력을 제공하여 냉각수와 배기가스의 열이 각각 전도되도록 하는 열전달스프링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 열교환장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배기열회수수단은,
    함체 형상으로 형성되어 바이패스관에 결합된 열교환케이스;
    상기 열교환케이스의 길이방향을 따라 형성되어 배기가스가 유동되는 배기유로;
    상기 배기유로를 감싸는 형상으로 형성되어 냉각수가 유동되면서 배기가스와 열교환되도록 하는 냉각유로; 및
    상기 열교환케이스에 연통 형성되어 상기 냉각유로에 냉각수가 유입 및 토출되는 냉각수입구 및 냉각수출구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 열교환장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전발전수단은,
    함체 형상으로 형성되어 바이패스관에 결합된 열교환케이스;
    상기 열교환케이스의 길이방향을 따라 형성되어 배기가스가 유동되는 배기유로;
    상기 배기유로를 감싸는 형상으로 형성되어 냉각수가 유동되는 냉각유로;
    상기 열교환케이스에 연통 형성되어 상기 냉각유로에 냉각수가 유입 및 토출되는 냉각수입구 및 냉각수출구; 및
    상기 냉각유로 내에 씰링구조로 구비되고, 고온부가 상기 배기유로의 외면에 접촉하여 열전도되도록 구비되고, 저온부가 상기 냉각유로에 접촉하여 열전도되도록 구비된 열전모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 열교환장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 열교환케이스의 양 단부에 상기 배기유로와 연통되는 입구공간 및 출구공간이 형성되고;
    상기 바이패스관의 양단에 바이패스입구 및 바이패스출구가 형성되며;
    상기 입구공간과 바이패스관이 이어지는 부분이 상호 연통되도록 열교환기입구가 형성되고;
    상기 출구공간과 바이패스관이 이어지는 부분이 상호 연통되도록 열교환기출구가 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 열교환장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 유로제어수단은,
    배기가스가 상기 배기열회수수단을 통과하도록 마련된 제1배기유로;
    배기가스가 상기 열전발전수단을 통과하도록 마련된 제2배기유로;
    상기 바이패스관 내부에 힌지축을 중심으로 회전 가능하게 결합된 제어밸브;를 포함하고,
    상기 제어밸브의 회전작동각 변화에 따라 바이패스유로와 배기유로를 선택적으로 개폐 제어하고, 상기 제1배기유로와 제2배기유로를 순차적으로 개폐 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 열교환장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 배기열회수수단이 상기 열교환케이스 내부의 일측 길이방향을 따라 마련되고;
    상기 열전발전수단이 상기 열교환케이스 내부의 타측 길이방향을 따라 마련되며;
    상기 출구공간 내부에 격벽이 설치되어, 상기 출구공간이 상기 배기열회수수단을 통과한 배기가스의 제1출구공간과 열전발전수단을 통과한 배기가스의 제2출구공간으로 분리되고;
    상기 제1출구공간 및 제2출구공간과 바이패스관이 이어지는 부분에 제1열교환기출구 및 제2열교환기출구가 각각 형성되어 제1배기유로와 제2배기유로가 분리되어 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 열교환장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어밸브는,
    힌지축에 회전력을 제공하도록 구동부가 결합되고;
    힌지축에 판상형의 차단플레이트가 결합되며;
    상기 힌지축이 바이패스관의 천장면에 폭방향을 따라 설치되어 상기 차단플레이트가 상기 힌지축을 중심으로 회전하면서 상기 바이패스유로를 선택적으로 개폐하는 것을 특징으로 하는 차량용 열교환장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1열교환기출구 및 제2열교환기출구를 향해 상승하는 방향으로 차단플레이트에 제1차단캡 및 제2차단캡이 돌출 형성되되, 상기 제1차단캡 및 제2차단캡의 회전경로와 동일한 호 형상을 이루어 돌출 형성되고;
    상기 제1열교환기출구 및 제2열교환기출구는 상기 제1차단캡 및 제2차단캡이 상승 회전하여 만나는 지점에 형성되어, 상기 제어밸브의 회전작동각 변화에 따라 차단캡이 제1열교환기출구 및 제2열교환기출구에 삽입되어 차단하며;
    상기 바이패스관의 바닥면에는 상기 차단플레이트 자유단 끝부분의 회전경로를 따라 바이패스지연돌기가 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 열교환장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1차단캡이 이루는 호의 길이가 제2차단캡이 이루는 호의 길이보다 길게 형성되고;
    상기 제2차단캡이 제2열교환기출구에 삽입되지 않고 상기 제1차단캡만이 제1열교환기출구에 삽입되는 제어밸브의 일부 회전작동각 구간에서 상기 차단플레이트의 자유단 끝부분이 바이패스지연돌기에 밀접되어 바이패스유로를 폐쇄하도록 구성한 것을 특징으로 하는 차량용 열교환장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1차단캡과 제2차단캡이 제1열교환기출구 및 제2열교환기출구 각각에 삽입되는 제어밸브의 회전작동각 구간에서 상기 차단플레이트의 자유단 끝부분이 바이패스지연돌기의 상방으로 이격되어 바이패스유로를 개방하도록 구성한 것을 특징으로 하는 차량용 열교환장치.
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