KR20060023540A - 열 교환기 - Google Patents

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KR20060023540A
KR20060023540A KR1020057022605A KR20057022605A KR20060023540A KR 20060023540 A KR20060023540 A KR 20060023540A KR 1020057022605 A KR1020057022605 A KR 1020057022605A KR 20057022605 A KR20057022605 A KR 20057022605A KR 20060023540 A KR20060023540 A KR 20060023540A
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gas
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heat transmitter
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KR1020057022605A
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카를로스 마르땡
미쉘 뽀띠에르
Original Assignee
발레오 떼르미끄 모떼르
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Abstract

본 발명은 냉각액과 냉각될 가스 사이의 열교환을 위한 열교환기에 관한 것으로, 이 열교환기는, 냉각될 가스용 순환 채널 및 냉각액용 순환 채널을 그 사이에 형성하는 플레이트(8, 10, 12) 적층체로 이루어진 열교환 번들(2)을 포함한다. 냉각될 가스용 각 순환 채널은 냉각액용 2개의 순환 채널 사이에 배치된다. 따라서, 열교환 번들(2)을 둘러싸는 밀봉부의 벽은 냉각액에 의해 냉각된다. 상기 사항은 차량내의 배기 가스의 냉각에 적용된다.

Description

열 교환기{PLATE HEAT EXCHANGER IN PARTICULAR A COOLER FOR RECIRCULATED EXHAUST GASES}
본 발명은, 냉각액용 유동 덕트와 냉각될 가스용 유동 덕트가 그 사이에 형성된 플레이트 적층체로 구성된 열교환 번들(bundle)을 포함하는, 냉각액과 냉각될 가스 사이의 열교환을 위한 열교환기에 관한 것이다.
일정 수의 내연 엔진 특히, 과급 디젤 엔진(supercharged diesel engine)에서, 배기 가스의 일부는 공해 기준에 따라 재생 또는 재순환되어야 한다. 배기 가스가 새로운 연소 가스와 혼합되기 전에, 그 온도가 500℃에 이를 수 있는 재순환 배기 가스는 냉각되어야 한다.
이러한 냉각은 가스 재순환식 냉각 교환기로 지칭되는 열교환기에 의해 수행된다. 이러한 형태의 공지된 교환기는 일반적으로 스테인리스강으로 제조된다. 공지된 교환기는 배기 가스를 밀봉하도록 구성된 외주 림(rim)을 구비한 삽입물 및 플레이트로 구성된 번들을 포함한다. 가스용 입구 및 출구 헤더 박스는 열교환 번들의 단부에 납땜된다.
이러한 공지된 냉각기는 많은 단점을 갖는다. 입구 및 출구 헤더 박스는 납땜에 의해 조립되어야 하는 별개 부품으로 구성된다. 그에 따라, 여분의 재료를 필요로 하여 추가적인 용적이 필요하게 된다. 더욱이, 배기 가스와 접촉하는 교환기 쉘(exchanger shell)의 벽부는 매우 높은 온도가 된다. 결과적으로 벽부는 고가이고 성형이 어려운 스테인리스강과 같은 고급 재료로 형성되어야 한다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 이러한 단점을 극복한 열교환기 특히 재순환식 배기 가스용 냉각기를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 냉각될 가스용 유동 덕트 각각이 2개의 냉각액용 유동 덕트 사이에 수납됨으로써 달성된다.
열-교환 번들은 번들의 제 1 단부 플레이트에 결합되는 제 1 단부 벽 및 상기 번들의 제 2 단부 플레이트에 결합되는 제 2 단부 벽을 포함하는 쉘에 의해 둘어싸이며, 쉘의 각 단부 벽은 그와 연관된 단부 플레이트와 함께 냉각액용 유동 덕트를 형성한다.
이러한 특징에 의해, 열교환기의 쉘은 냉각액과 접촉한다. 이것은 배출 가스와 직접적으로 접촉하는 것을 방지하여 그 온도를 상당히 저하시킨다. 결과적으로, 쉘은 알루미늄 합금과 같이 가공이 용이하고 저렴한 재료로 제조될 수 있다. 필요한 경우, 배출 가스와 접촉하는 벽은 내식성 처리된다.
바람직한 실시예에서, 번들의 플레이트는 림에 의해 한정된 공동을 포함하도록 스탬핑된 플레이트이며, 이들 플레이트는 쌍으로 그룹지어지며, 냉각액용 유동 덕트를 형성하도록 쉘의 제 1 및 제 2 단부 벽에 림에 의해 각각 조립되는 제 1 및 제 2 단부 플레이트를 제외하고, 냉각용 유동 덕트를 형성하도록 림에 의해 조립된다.
이러한 특징은 예를 들어 엔진 인터쿨러(engine intercooler) 등의 다른 교환기에 쉽게 끼워맞춰질 수 있는 매우 편평하고 콤팩트한 열교환기를 제조하는 것을 가능하게 한다.
유리하게, 플레이트는 냉각액용 유동 통로 및/또는 유동-방해 요소를 한정하는 리브를 포함한다.
특정 실시예에서, 각각의 플레이트는 냉각액용 유동 개구가 절단된 스탬핑된 보스를 포함하며, 한쌍의 플레이트의 보스는 플레이트의 인접 쌍의 보스상을 각각 지지한다.
따라서, 이러한 보스는 가스가 유동할 수 있는 플레이트의 표면 사이의 공간을 한정한다. 예를 들어, 주름진 삽입물과 같은 제 2 교환면 또는 유동-방해 요소는 냉각될 가스용 유동 덕트내에 유리하게 배치될 수 있다.
그러나, 교환기의 각각의 단부에서, 단부 플레이트는 쉘의 벽과 결합된다.
통상적으로, 쉘의 제 1 및 제 2 단부 벽은 대체로 장방형 형상을 갖는다.
유리하게, 냉각액용 입구 파이프 및 출구 파이프는 쉘의 동일한 단부 벽상에 그리고 장방형부의 동일측부 특히, 장방형부의 좁은 측부를 따라 배치된다. 따라서, 냉각액용 공급 및 배출 라인은 서로 근접하여 있다. 이러한 구성은 설치를 용이하게 하고 용적을 줄인다.
냉각될 가스용 입구 플랜지 및 출구 플랜지는 냉각액용 입구 및 출구 파이프와 동일한 단부 벽상에 위치되는 것이 유리하다. 이러한 방법으로, 모든 연결부는 교환기의 동일측상에 위치된다.
교환기의 쉘은 많은 상이한 방법으로 제조될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 적어도 하나의 단부 벽은 케이싱을 구성하도록 열-교환 번들을 적어도 부분적으로 감싸는 외주 림을 포함한다.
따라서, 각각의 단부 벽은 하프-케이싱(half-casing)을 구성할 수 있으며, 이러한 2개의 하프 케이싱은 열-교환 번들 중간에 위치된 결합 평면을 따라 연결된다. 변형예로는, 플레이트중 하나가 편평한 단부 플레이트로 폐쇄된 완전한 케이싱을 구성할 수도 있다.
쉘은 냉각될 가스용 입구 및 출구 헤더 박스를 구성하도록 냉각될 가스용 유동 덕트의 어느 한쪽에 자유 공간을 한정한다.
가스용 입구 및 출구 플랜지는 자유 공간의 영역에서 쉘에 연결된다. 따라서, 별개의 입구 및 출구 헤더 박스를 제조 및 부착할 필요가 없다. 교환기의 제조가 단순화된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 하기의 예시적인 실시예의 설명을 읽음으로서 명백해질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플레이트 열교환기의 분해 사시도,
도 2는 도 1의 열교환기의 평면도,
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따른 확대 부분 단면도,
도 4는 도 2의 Ⅳ-Ⅳ선을 따른 확대 부분 단면도.
도 1 내지 도 4에 도시된 열교환기는 차량 내연 기관으로부터 배출된 재순환 배기 가스용 냉각기이다. 사실상, 이러한 가스의 온도는 고온이며, 엔진에서 배출될 때, 500℃에 이를 수 있다. 따라서, 연소 챔버에 수용되는 신선한 가스와 재혼합되기 전에 이 가스를 냉각시킬 필요가 있다. 이러한 냉각은 일반적으로 글리콜 수용액인 냉각액으로 열교환기에 의해 수행된다.
냉각기는 2개의 주요부 즉, 포괄적으로 참조번호(2)로 나타낸 열교환 번들 및 이 번들(2)을 둘러싸는 쉘을 포함한다. 본 예시에 있어서, 쉘은 2개의 하프-케이싱(half-casing) 즉, 상부 하프 케이싱(6) 및 하부 하프 케이싱(7)으로 구성된다.
번들(2)은 대체로 길은 장방형 형상을 갖는 플레이트의 적층체로 구성된다. 본 예에 있어서, 번들은 4개의 플레이트, 즉 상단 플레이트(8), 하단 플레이트(10) 및 서로 쌍을 이루는 2개의 표준 플레이트(12)를 포함한다. 각각의 플레이트는 기부벽(14) 및 이 기부(14)와 함께 냉각액이 유동하는 공동(cavity)의 한정하는 외주 림(16)을 포함한다. 바람직하게, 리브(rib)(18)는 기부벽에 형성되어, 냉각액의 유동을 위한 통로를 형성한다.
본 예에 있어서, 각각의 플레이트는 냉각액용 4개의 통로(즉, 2개의 외향 및 복귀 통로)를 형성하는 3개의 리브를 포함한다. 더욱이, 각각의 플레이트는 냉각액의 유동을 방해하고 열교환을 향상시키기 위한 돌출 릴리프(projecting relief)등의 유동-방해 요소를 포함할 수도 있다. 추가적으로, 각각의 플레이트는 림(16) 및 리브(18)의 대향측에 위치된 보스(boss)(도 3 참조)를 포함한다. 각각의 보스(20)의 기부벽에는 개구(22)가 제공되어 냉각액을 통과시킨다.
상부 하프-케이싱(6)은 외주 림(26)으로 둘러싸인 편평한 단부 벽(24)을 포함한다. 마찬가지로, 하부 하프-케이싱(7)은 외주 림(30)으로 둘러싸인 하단 벽(28)을 포함한다. 특히, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 상부 하프-케이싱의 외주 림(26) 및 하부 하프-케이싱의 외주 림(30)은 결합 평면을 따라 결합하여, 교환기의 번들(2)을 완전히 수납하는 밀봉 쉘을 구성한다. 외주 림(26, 30)의 치수는 2개의 하프-케이싱이 조립될 때, 상부 하프-케이싱의 상단 벽(24)이 상단 플레이트의 외부 림(16)을 지지하고, 마찬가지로, 하부 하프-케이싱(7)의 단부 벽(28)이 하단 플레이트(10)의 외주 림(16)상을 지지하는 방식으로 결정된다.
추가적으로, 각각의 하프-케이싱(6, 7)은 배기 가스용 냉각기가 구조체에 끼워맞춰지도록 하는 장착 돌기(mounting lug)(31)를 포함한다. 냉각액용 입구 파이프(32) 및 출구 파이프(34)는 상부 하프-케이싱상에 제공된다. 본 예에 있어서, 이러한 2개의 파이프는 상부 하프-케이싱의 좁은 쪽을 따라 배치되지만, 다른 실시예도 가능하다. 또한, 상부 하프-케이싱(6)은 냉각될 가스용 공급 라인 및 배출 라인이 연결될 수 있도록 플랜지(36, 38)를 포함한다. 이러한 플랜지는 상부 하프-케이싱을 구성하는 금속 시트에서 스탬핑(stamping)에 의해 형성된 칼라(collar)(39)에 체결될 수 있다. 따라서, 본 예에서, 냉각액 및 가스 파이프는 모두 교환기의 동일측상에 배치되어, 그 연결을 용이하게 한다.
특히 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 교환기의 상단 플레이트(8)가 외주 림(16)에 의해 상부 하프-케이싱(6)의 단부 벽(24)에 조립된다. 따라서, 냉각액용 유동 덕트(40)는 이러한 2개의 벽 사이에 한정된다. 동일한 방식으로, 하단 플레이트(10)는 그 외주 림(16)에 의해 하부 하프-케이싱(7)의 단부 벽(30)에 조립되어, 냉각액용 유동 덕트(40)를 한정한다. 2개의 표준 또는 일반 플레이트(12)는 그 외주 림(16)에 의해 서로 조립되어, 그 기부 벽(14)사이에 냉각액용 유동 덕트(43)를 한정한다.
본 경우에 있어서, 냉각액용 유동 덕트가 2개의 플레이트의 중첩에 의해 한정된다고 가정하면, 유동 덕트(40) 높이의 2배의 높이를 갖는다. 하나의 플레이트(12)의 보스(20)는 상단 플레이트(8)의 보스(20)와 베어링 접촉되며, 반면에 다른 플레이트(12)의 보스는 하단 플레이트(10)의 보스(20)를 지지한다. 제시된 예는 2개의 일반 플레이트만을 포함하지만, 이러한 플레이트가 쌍인 경우, 하나를 더 포함할 수도 있다.
다양한 보스에 형성된 개구(22)는 서로 일치하여 냉각액을 유동하게 한다. 동시에, 보스(20)는 각각의 플레이트(8, 10, 및 12)의 기부 벽(14) 사이의 간격을 형성한다. 예를 들어 주름진 삽입물로 구성된 보조 교환면(46), 또는 유동-방해 요소는 냉각될 가스용 유동 덕트(44)내에 배치되는 것이 바람직하다. 각 덕트의 높이는 보스(20)의 높이의 2배이다.
본 발명에 따르면, 각각의 냉각될 가스용 유동 덕트(44)는 2개의 냉각액용 유동 덕트 사이에 수납된다. 본 예에 나타낸 냉각기는 덕트(40) 및 중앙 덕트(42)에 의해 각각 둘러싸인 2개의 유동 덕트(44)를 각각 포함한다. 이러한 특징으로 인해, 상부 하프-케이싱(6) 및 하부 하프-케이싱(7), 및 특히 이러한 하프 케이싱의 기부 벽(24, 28)은 냉각될 가스와 접촉하지 않는다. 반대로, 벽(24, 28)은 덕트(40)내에서의 냉각액의 유동에 의해 냉각된다. 따라서, 벽(24, 28)의 온도는 종래의 교환기의 단부 벽의 온도에 비하여 상당히 낮아진다. 예를 들어, 약 200℃가 될 수 있다. 따라서, 이러한 벽은 알루미늄 등의 낮은 내열성 재료로 제조될 수 있다. 이러한 장점은 알루미늄이 스테인리스강 보다 가공이 용이하고 저가라는 점에서 명확해진다.
하프-케이싱(6, 7)의 대체적인 형상은 번들의 플레이트의 형상과 대응한다. 그러나, 하프-케이싱은 교환기 플레이트의 기다란 측의 양측에 위치된 연장부(48)를 포함한다. 이러한 방법으로, 냉각될 가스용 유동 덕트(44)의 입구 및 출구의 양측에는 자유 공간이 형성된다. 이러한 자유 공간은 배기 가스용 입구 헤더 박스 및 출구 헤더 박스를 각각 구성하는 것을 가능하게 한다. 자유 공간은 플레이트의 전체 길이에 걸쳐 연장하며, 특히 덕트(44)의 전체 길이에 걸쳐 연장한다. 본 예에 있어서, 연장부(48)는 매우 편평한 삼각형 형상을 가지며, 다른 형상, 예를 들어 대체로 장방형을 가질 수도 있다. 냉각될 가스용 공급 파이프 및 배출 파이프를 각각 장착하기 위한 장착 플랜지(36, 38)는 상부 케이싱(6)의 연장부(48)상에 배치된다. 그러나, 다양한 실시예에서, 하나의 플랜지(36)가 하프-케이싱상에 배치될 수 있는 반면, 다른 플랜지(38)는 다른 하프-케이싱상에 배치될 수 있다.
이러한 특징으로 인해, 교환기의 나머지상에 납땜에 의해 조립되어야 하는 별개의 헤더 박스는 가스용으로 제조될 필요가 없다. 결과적으로, 재료를 절약할 수 있고, 교환기의 제작에 필요한 작업 공수가 감소된다.
전술된 배기 가스용 냉각기는 특히 그에 포함되는 플레이트의 개수가 작기 때문에 매우 편평한 형상을 갖는다.
따라서, 비교적 콤팩트하고, 다른 교환기, 예를 들어 중간 냉각기(intercooler)에 용이하게 체결될 수 있다.

Claims (11)

  1. 냉각될 가스와 냉각액 사이의 열교환용 열교환기로서, 냉각될 가스용 유동 덕트(44) 및 냉각액용 유동 덕트(40, 42)를 그 사이에 형성하는 플레이트(8, 10, 12)의 적층체로 구성된 열교환 번들(2)을 포함하는, 열교환기에 있어서,
    냉각될 가스용 각 유동 덕트는 냉각액용 2개의 유동 덕트(40, 42) 사이에 수납되는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 번들(2)은 상기 번들의 제 1 단부 플레이트(8)에 결합되는 제 1 단부 벽(24) 및 상기 번들(2)의 제 2 단부 플레이트(10)에 결합되는 제 2 단부 벽(28)을 포함하는 쉘로 둘러싸이며, 각각의 단부 벽(24, 28)은 그와 결합된 단부 플레이트(8, 10)와 함께 냉각액용 유동 덕트(40)를 형성하는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 단부 벽(24, 28)은 알루미늄 합금으로 제조되는
    열교환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플레이트(8, 10, 12)는 림(16)에 의해 한정된 공동을 포함하도록 스탬핑된 플레이트이며, 상기 플레이트는 쌍으로 그룹지어지며, 냉각액용 유동 덕트(42)를 형성하도록 쉘의 제 1 및 제 2 단부 벽(24, 28)에 림에 의해 각각 조립된 제 1 및 제 2 단부 플레이트(8, 10)를 제외하고, 냉각 유체용 유동 덕트(40)를 형성하도록 림(16)에 의해 조립되는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플레이트는 냉각액용 유동 통로 및/또는 유동-방해 요소를 한정하는 리브(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 플레이트는 냉각 유체용 유동 개구(22)가 절단된 스탬핑된 보스(20)를 포함하며, 한쌍의 플레이트(12)의 상기 보스(20)는 플레이트의 인접 쌍의 보스상을 각각 지지하는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쉘의 제 1 및 제 2 단부 벽(24, 28)은 대체로 장방형 형상을 가지며, 상기 쉘의 동일 단부 벽(24)상에 그리고 상기 장방형부의 동일 측을 따라 위치되는 냉각액용 입구 파이프(32) 및 출구 파이프(34)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 냉각액용 입구 파이프(32) 및 출구 파이프(34)는 상기 장방형부의 좁은 측을 따라 위치되는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 냉각액용 입구 및 출구 파이프(32, 34)와 동일한 단부 벽(24)상에 위치되는 냉각될 가스용 입구 플랜지(36) 및 출구 플랜지(38)를 포함하는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서
    상기 단부 벽(24, 28)중 적어도 하나는 케이싱을 구성하도록 상기 열-교환 번들(2)을 적어도 부분적으로 감싸는 외주 림(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쉘은 냉각될 가스용 유동 덕트(44)의 양측에 자유 공간을 한정하여, 상기 가스용 입구 및 출구 헤더 박스를 구성하는 것을 특징으로 하는
    열교환기.
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