KR200267562Y1 - 디젤엔진용 공기냉각기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 디젤엔진용 공기냉각기 및 핀튜브의 제조방법에 관한 것으로서, 핀과 동관이 일체로된 핀튜브의 내경에 내식성이 강한 금속으로 라이닝을 하여 보다 열효율이 높고 제작비용이 저렴한 디젤엔진용 공기냉각기 및 핀튜브의 제조방법에 관한 것이다. 이를 위해, 핀과 동관이 일체로 되어 있는 복수의 핀튜브; 상기 핀튜브의 내경에 밀착되고, 상기 핀튜브보다 내식성이 강한 금속파이프; 상기 핀튜브의 양 단부가 연결되도록 관통홀이 다수개 형성되어 있는 한 쌍의 튜브쉬트; 및 상기 튜브쉬트와 연결되어 상기 핀튜브를 적재하는 판넬(Frame)을 포함하는 것이 특징이다.

Description

디젤엔진용 공기냉각기{Intercooler For Diesel Engine}

본 고안은 디젤엔진용 공기냉각기 및 핀튜브의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핀과 동관이 일체로 된 핀튜브의 내경에 내식성이 강한 금속으로 라이닝을 하여 보다 열효율이 높고 제작비용이 저렴한 디젤엔진용 공기냉각기 및 핀튜브의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 디젤엔진은 그 성능과 효율을 높이기 위해 엔진의 배기가스를 이용하여 터보차저(Turbo Charger)의 임펠러(Impeller)를 돌려 연소공기를 가압한다. 대기압의 연소공기는 보통 3 내지 3.5기압으로 상승하게 되는데, 이때 압축공기의 온도도 190 내지 220℃로 상승하게 된다. 따라서, 연소실에서는 공기의 밀도를 더욱 더 높이기 위해 연소공기를 45 내지 50℃로 냉각시킨 후에 다시 연소실로 흘러 들어가게 되는데, 이때 인터쿨러가 공기냉각기로 사용된다.

도 1은 종래의 디젤엔진용 공기냉각기의 핀튜브 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 현재 사용되고 있는 디젤엔진용 공기냉각기는 얇은 동판(3)에 구멍을 뚫은 후에 동 합금관(1)을 각각의 구멍에 넣어 만든 판형 핀을 가진 관(Plate-Fin-Tube)으로 되어 있다. 즉, 모양이 똑같은 것은 아니나 에어컨디셔너의 방열기와 비슷하게 되어 있다. 이 경우 디젤엔진용 공기냉각기의 동판(3)과 합금관(1) 사이를 접착시키기 위하여 상기 합금관(1)을 확관하거나 브레이징(Brazing)을 하여 핀튜브를 제조한다.

디젤엔진용 공기냉각기의 냉각수로는 담수나 해수가 사용되나, 담수인 경우에도 냉각수에 다소의 불순물이 섞여 있으며 해수에는 매우 많은 불순물이 섞여 있다. 특히 근해의 해수일수록 불순물은 더욱 심하다. 따라서, 디젤엔진용 공기냉각기는 냉각수의 불순물에 의한 부식(Fouling)으로 인해 1년 정도 사용한 후에는 청소를 해주어야 할 뿐만 아니라 공기냉각기의 파손이 발생하게 된다. 특히, 디젤엔진이 해상용인 경우 해상에서의 수리는 더욱 어렵기 때문에 부식을 줄이거나 없애야 한다.

전술한 이유들로 해서, 종래의 디젤엔진용 공기냉각기의 관은 애드머럴티 브래스(Admiralty Brass)나 니켈과 동의 합금관을 사용하였다. 동 합금관은 순동에 비해 부식에 대한 내구성이 크나 역시 부식이 일어나며 부식물과 냉각수에 섞여 있는 작은 입자가 관 내부에 흡착하여 매우 굳고 강한 파울링이 형성되어, 결국 공기냉각기는 냉각 성능이 급격히 떨어지는 문제점이 발생하였다. 또한 많은 경우는 화학약품으로도 청소가 되지 않는 문제점이 있었다.

그리고, 관 내벽에는 미생물이나 기타 크기가 작은 고체입자(slit)들이 부착함으로 인해 파울링이 발생한다. 이러한 파울링은 냉각수의 속도가 낮으면 낮을수록 더욱 빨리 증가하게 되며 심한 경우에는 관을 막을 수까지 있는데, 이는 냉각수의 유속과 온도를 조절함으로써 예방이 가능하다. 즉, 관내를 흐르는 냉각수의 속도를 높여줌으로써 미생물과 고체입자들의 부착을 방지하고 어떤 순간에 부착된 것이라 할지라도 다시 씻겨 나가게 하면 되는 것이다. 그러나, 동 합금관의 경우 강도가 높지 않아 냉각수의 유속을 2m/s이상으로 할 경우 마모가 커 유속을 2m/s이상으로 높여줄 수 없는 문제점이 있었다.

한편, 종래의 디젤엔진용 공기냉각기의 동판(3)과 합금관(1)은 확관이나 브레이징에 의한 방법으로 접착되기 때문에 상기 동판(3)과 상기 합금관(1)이 완전히 일체로 되어 있지 않았다. 따라서 상기 동판(3)과 상기 합금관(1) 사이에 접촉 열저항이 발생하게 된다. 대형 디젤엔진의 경우 공기냉각기는 엔진블럭에 부착되어 있어서 계속적인 진동을 받게 된다. 그런데, 상용되고 있는 종래의 디젤엔진용 공기냉각기는 핀이 판형이고 여러 개의 판이 일정하게 배열된 관에 연결시켜 만든 것이므로 진동이 계속될 때마다 핀과 관 사이의 접촉은 계속 나빠져 공기냉각기의 성능이 떨어지는 문제점이 초래되었다.

그밖에도 상기 동판(3)과 상기 합금관(1)을 접착시키기 위한 방법으로서 브레이징방법은 매우 어렵고도 불확실한 경우가 많은 문제점이 있었다. 따라서 많은 경우 확관방법이 사용되어져 왔으나, 확관방법은 합금이 티타늄 등과 같은 강한 재질로 이뤄져 있을 때에는 사용하기 어려운 점이 있었다. 이러한 이유로 해서 디젤엔진의 공기냉각기에는 티타늄관을 사용할 수가 없었다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 본 고안의 목적은 핀과 동관이 일체로된 핀튜브의 내경에 내식성이 강한 금속으로 라이닝을 하여 보다 열효율이 높고 제작비용이 저렴한 디젤엔진용 공기냉각기 및 핀튜브의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 고안의 목적은, 핀과 동관이 일체로 되어 있는 복수의 핀튜브; 상기 핀튜브의 내경에 밀착되고, 상기 핀튜브보다 내식성이 강한 금속파이프; 상기 핀튜브의 양 단부가 연결되도록 관통홀이 다수개 형성되어 있는 한 쌍의 튜브쉬트; 및 상기 튜브쉬트와 연결되어 상기 핀튜브를 적재하는 판넬(Frame)을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진용 공기냉각기에 의하여 달성된다.

본 고안의 그 밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 고안의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 종래의 디젤엔진용 공기냉각기의 핀튜브 구성도,

도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 디젤엔진용 공기냉각기의 구성 사시도,

도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 디젤엔진용 공기냉각기 핀튜브의 구성 단면도,

도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 라이닝된 핀튜브의 사시도,

도 5는 본 고안의 일 실시예에 따른 핀튜브의 배치도이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

1: 합금관 3: 동판

10: 핀튜브 12; 핀

14: 동관 16: 금속파이프

이하 본 고안에 따른 디젤엔진용 공기냉각기의 구성에 대하여 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 디젤엔진용 공기냉각기의 구성 사시도이고, 도 3은 본 고안의 일 실시예에 따른 디젤엔진용 공기냉각기 핀튜브의 구성 단면도이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 핀튜브(10)는 전조방법에 의해 핀(12)이 성형되므로 상기 핀(12)과 동관(14)이 일체로 되어 있다. 그리고, 상기 핀튜브(10)의 내경에는 금속으로 라이닝(Lining)을 하여 금속파이프(16)가 밀착되어 있다.

이러한 상기 일체형 핀튜브(10)는 튜브쉬트(20a,20b)에 형성된 관통홀(22)에 의해 상기 튜브쉬트(20a,20b)와 연결되어져 있다. 그리고, 상기 핀튜브(10)는 상기 튜브쉬트(20a,20b)와 판넬(30)에 의해 형성된 적재함에 놓이게 된다.

이하 상기와 같은 구성을 갖는 본 고안에 따른 디젤엔진용 공기냉각기의 작용 효과에 대하여 설명하기로 한다.

도 4는 본 고안의 일 실시예에 따른 라이닝된 핀튜브의 사시도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 핀(12)과 동관(14)은 완전히 일체로 되어 있다. 본래 공기냉각기의 동관(14) 내에는 냉각수가 흐르고, 핀(12)이 달린 동관(14) 밖을 압축된 고온의 공기가 흐르며 냉각되게 된다. 이때 열은 무수히 많은 얇은 핀(12)을 통해 동관(14) 벽을 지나 동관(14) 내를 흐르는 냉각수에 전달이 된다. 따라서 상기핀(12)과 상기 동관(14)은 완벽한 접착이 이뤄지는 것이 필수적이다. 이는 마치 전류가 불완전하게 연결된 도선을 흐를 때 저항이 발생하는 것처럼, 상기 핀(12)과 상기 동관(14)의 불완전한 접착으로 열전달 저항이 발생하기 때문이다.

그리고, 핀(12)과 동관(14)이 완전히 접착되어 있지 않을 경우 상기 핀(12)과 상기 동관(14)사이에 발생하게 되는 접촉저항은 공기냉각기가 계속되는 진동환경에 있기 때문에 더욱 더 악화되게 된다. 현재 상용되고 있는 디젤엔진용 공기냉각기를 보면 핀과 동관 사이의 접촉저항은 그 크기가 무시할 수 없을 정도로 높은데, 이는 이를 입증하는 아래의 실험결과에 의해 더욱 더 분명해진다.

표 1은 핀과 핀 사이의 간격을 표시하는 칼라(Collar) 높이와 확관할 철구의 크기를 각각 변화시켜 실험을 한 실험의 환경을 나타낸다. 단, 합금관의 내경과 동판의 두께는 각각 9.22mm, 0.10mm로 하였다.

실험 경우	칼라 높이(mm)	확관 구의 크기(mm)
1	1.27	9.30
2	1.27	9.45
3	1.69	9.30
4	1.95	9.30
5	1.95	9.39

표 2는 표 1의 실험 환경에 따른 접촉저항의 크기를 공기냉각기 전체 저항값의 퍼센트(%)로 나타낸 것이다. 표 2에서와 같이, 접촉저항은 작게는 17.6%에서 크게는 31.6%까지 발생함을 알 수 있다.

실험 경우	1	2	3	4	5
접촉저항(%)	31.5	18.9	24.7	28.8	17.6

또한, 상기 핀튜브(10)의 내경에 금속파이프(16)가 밀착되어 있는데, 이는 부식에 강하면서도 강도가 높아서 마모가 되지 않는 특수 금속으로 라이닝을 한 것이다. 이때 라이닝하는 재질은 동의 연성이나 부식성을 보완하는 재질로 하여야 하는데, 티타늄이 가장 바람직하다. 이는 티타늄관의 경우 근해(近海)를 벗어나서는 염소첨가(Chlorination)를 간간히 하면서 유속을 2.5m/s이상 유지하게 되면 파울링이 전혀 생기지 않기 때문이다.

본 고안의 바람직한 실시예에서는 동관(14) 내부를 라이닝하는 재질로서 티타늄을 채택하여 설명하였으나, 본 고안은 이에 국한되는 것이 아니고 티타늄 외에 동과 니켈의 합금, 스텐레스강이나 부식에 강한 금속 기타 다른 금속 등에 대해서도 대체하여 실시할 수 있음은 물론이다.

그리고, 동관(14)의 두께는 필요에 따라 바꿀 수 있겠으나 약 4 내지 6mm로 하고, 상기 금속파이프(16)의 경우는 가능한 한 얇게 하는 것이 좋으며 약 0.3 내지 0.7mm로 하는 것이 가장 바람직하다.

아래에서는 파울링 저항(R_f)이 냉각수의 속도에 따라 그 값이 어떻게 달라지는지 이해를 돕기 위하여, 서로 다른 네 가지의 수 처리 과정에 따른 실험 결과를 나타내었다. 참고로 냉각수 때문에 발생하는 파울링 저항값은 냉각수가 어떤 방법에 의해서 처리되었는지에 따라 달라지는데, 본 실험은 위 네 가지 각각에 대하여 냉각수의 유속을 변화시켜가며 하였다. 아래 표 3의 파울링 저항값의 단위는 R_f×10^-4m²k/w이다.

속도(m/s)그룹	1.0	1.5	2.0	2.5
1	6	3	2.0	1.39
2	5	2.5	1.6	1.15
3	4	2	1.25	0.92
4	3	1.5	1.0	0.69

도 5는 본 고안의 일 실시예에 따른 핀튜브의 배치도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 동관(14)과 핀(12)이 일체로 되어 있는 각각의 핀튜브(10)들은 도 1에서 도시한 종래의 연속형 판과는 대조적으로 핀튜브(10)들간에 공백이 존재한다. 이러한 공백은 종래의 연속형 판에 비하여 열전달계수값을 크게 해주므로 공기냉각기의 효율을 좋게 해준다.

표 4에서는 본 고안의 일 실시예로서 상기 일체형 핀튜브(10)를 포함하는 디젤엔진용 공기냉각기의 성능 및 파울링 저항에 따른 성능변화에 대하여 공기냉각기 설계 프로그램으로 계산한 결과들을 나타내었다. 단, 본 실험에 사용한 엔진모델은 6S50MC이다.

공기	온도(입구/출구)℃	212.8/44.1	212.8/49.7	212.8/55.9
	유량(kg/s)	21.7	21.7	21.7
	속도(m/s)	5.5	5.5	5.5
냉각수	온도(입구/출구)℃	36/56.8	36/56.1	36/55.3
	유량(kg/s)	42.8	42.8	42.8
	속도(m/s)	1.9	1.9	1.9
파울링 저항(m2k/w)	0	1×10-4	2×10-4

현재 사용되고 있는 공기냉각기의 경우 파울링 저항을 0으로 놓고 실험을 하여도 핀(12)과 동관(14)의 불완전한 접촉으로 인해 발생하는 접촉저항이 각각 4%,8%일 때 공기의 출구온도는 각각 47.7℃, 50.2℃가 되므로, 표 2에서 접촉저항이 실제로 17%에서 31%까지 커질 수 있음을 감안한다면 접촉저항은 공기냉각기의 성능에 매우 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 그러나 표 4에 나타난 바와 같이, 본 고안에 따른 일체형 핀튜브 공기냉각기의 경우는 접촉저항값이 0%이므로 공기의 출구온도는 44.1℃로서 기존의 냉각기보다 성능이 매우 좋아진다.

그러나 일체형 핀튜브로 된 공기냉각기라도 표 4에 나타난 바와 같이, 동관(14) 내의 파울링으로 인한 저항으로 인해 그 값이 각각 0.0001m²k/w, 0.0002m²k/w가 될 때에는 공기의 출구온도도 각각 49.7℃, 53℃까지 올라가 공기냉각기의 성능에 지대한 영향을 주게 된다. 따라서, 티타늄과 같은 강한 재질로 동관(14) 내를 라이닝하고 냉각수의 유속을 높임으로써 공기냉각기의 성능과 효율을 높일 수가 있게 되는 것이다. 이때 냉각수의 유속은 2m/s이상이 되게 하는 것이 바람직하다.

상기 언급한 바와 같이 본 고안에 따른 디젤엔진용 공기냉각기 및 핀튜브의 제조방법에 의하면, 공기냉각기의 열효율이 높아지고 제작비용이 적게 드는 효과가 있다.

즉, 본 고안에 따른 디젤엔진용 공기냉각기는 핀과 동관이 일체형으로 되어 있어 접촉이 없으므로 접촉저항이 없다. 그리고 접촉이 없기 때문에 진동에 영향을 전혀 받지 않게 된다. 또한 동관 내부가 부식에 강하면서도 강도가 높은 특수 금속파이프로 라이닝이 되어 있어 부식으로 인한 파울링 저항이 발생하지 않는다. 아울러 냉각수의 유속을 2m/s이상 높일 수 있어 보다 더 파울링 저항의 발생을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다..

비록, 본 고안이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 고안의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정과 변형이 가능할 것이다. 따라서 첨부된 청구의 범위는 본 고안의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (3)

1. 핀(12)과 동관(14)이 일체로 되어 있는 복수의 핀튜브(10);

   상기 핀튜브(10)의 내경에 밀착되고, 상기 핀튜브(10)보다 내식성이 강한 금속파이프(16);

   상기 핀튜브(10)의 양 단부가 연결되도록 관통홀(22)이 다수개 형성되어 있는 한 쌍의 튜브쉬트(20a,20b); 및

   상기 튜브쉬트(20a,20b)와 연결되어 상기 핀튜브(10)를 적재하는 판넬(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진용 공기냉각기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속파이프(16)는 티타늄 또는 동니켈 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진용 공기냉각기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 금속파이프(16)의 두께는 0.3mm 내지 0.7mm로 되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤엔진용 공기냉각기.