KR20070067699A - 공기 냉각식 배기 가스 열 교환기, 특히 차량용 배기 가스냉각기 - Google Patents

공기 냉각식 배기 가스 열 교환기, 특히 차량용 배기 가스냉각기 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 내부 연소 엔진의 배기 가스에 의해 횡단될 수 있으며 그 사이에 공기 냉각을 위한 핀(4)이 배열되어 있는 덕트(배기 가스 덕트)를 구비하는, 공기 냉각식 배기 가스 열 교환기, 특히 차량용 배기 가스 냉각기(1)에 관한 것이다. 본 발명에 따라 상기 배기 가스 덕트는 튜브 특히 평판 튜브(3)로서 구현되며 핀 튜브 블록(2)의 핀(4)을 형성하며 상기 튜브(3)는 상기 배기 가스를 위한 수집 탱크(5)에 수용되는 튜브 단부(3a)를 구비한다.

Description

공기 냉각식 배기 가스 열 교환기, 특히 차량용 배기 가스 냉각기{AIR-COOLED EXHAUST GAS HEAT EXCHANGER, IN PARTICULAR EXHAUST GAS COOLER FOR MOTOR VEHICLES}
본 발명은, 내부 연소 엔진의 배기 가스에 의해 횡단될 수 있으며 그 사이에 공기 냉각을 위한 핀이 배열되어 있는 덕트(배기 가스 덕트)를 구비하는, 공기 냉각식 배기 가스 열 교환기, 특히 차량용 배기 가스 냉각기 및 배기 가스 재순환 장치에 관한 것이다.
배기가스 냉각기는 재순환되는 배기 가스를 냉각하기 위해 배기 가스 재순환 시스템(EGR 시스템) 환경에서 현대식 차량, 특히 유틸리티 차량에 사용된다. 배기 가스 재순환은 내부 연소 엔진(내연 기관)의 연료 소비를 저감하고 내부 연소 엔진의 배기 가스에서 오염물(특히 NOX)을 저감하기 위한 법적 규제에 기초한다. 이전에 차량에 사용되는 배기 가스 냉각기는 내부 연소 엔진의 냉각 회로(cooling circuit)로부터 추출되는 액체 냉각제에 의해 냉각된다. 이 알려진 액체 냉각식 배기 가스 냉각기는 매우 효과적으로 동작하지만 배기 가스의 냉각이 80 내지 100℃의 범위에 있는 냉각제 온도로 한정된다는 단점이 있다. 이것은 배기 가스 냉각기 의 하류에서의 배기 가스 출구 온도를 약 120 내지 150℃로만 허용한다.
본 출원인으로부터의 DE 199 07 163 A1은 배기 가스에 의해 횡단될 수 있는 튜브 번들(tube bundle)과 액체 냉각제에 의해 횡단될 수 있는 하우징으로 구성되는 스테인레스 스틸 배기 가스 열 교환기를 개시한다. 배기 가스 튜브는 튜브 플레이트에 용접되며, 이 튜브 플레이트는 하우징에 용접된다. 모든 용접 이음부는 바람직하게는 레이저 용접법에 의하여 제조된다.
본 출원인으로부터의 DE 102 03 003 A1은 배기 가스의 냉각이 필요치 않는 경우 배기 가스 열 교환기의 바이패스를 허용하는 통합 바이패스와 통합 바이패스 플랩을 구비하는 배기 가스 열 교환기를 개시한다.
본 출원인으로부터의 EP 0 677 715 A1은 차량용 배기 가스 냉각기를 위한 여러 실시예를 개시하며, 이중 하나의 실시예는 공기 냉각을 위한 물결모양 핀(corrugated fin)이 사이사이에 배열된 플레이트 열 교환기로 구성된 공기 냉각식 배기 가스 냉각기를 개시한다. 배기 가스 덕트를 형성하는 플레이트는 각 경우에 2개의 반쪽 플레이트로 구성되며, 이 2개의 반쪽 플레이트는 주변부에서 서로 땜질되며 서로 아래 위로 적층될 수 있는 입구 및 출구 개구부에 의해 서로 연결된다. 배기 가스 덕트나 플레이트에는 소위 날개부(winglet), 즉 V-형상으로 배열된 로브(lobe) 또는 핀(fin)이 배열되며, 이들 로브 또는 핀은 배기 가스 흐름을 교란시키며 그을름(soot)이 증착되는 것을 방지한다.
본 출원인으로부터의 EP 916 837 B1은 재순환 배기 가스의 양을 결정하는 통합 배기 가스 재순환(EGR) 밸브를 구비하여 EGR 라인에 별도의 EGR 밸브가 필요없 는 액체 냉각식 배기 가스 냉각기를 개시한다.
상기 종래 기술, 특히 공기 냉각식 배기 가스 열 교환기로부터 속행하여, 본 발명의 목적은 그 디자인과 및 차량에의 연관된 설치 가능성에 관해 서두에 언급된 타입의 배기 가스 열 교환기를 개선하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 배기 가스 온도를 보다 크게 저감하기 위한 방식으로 배기 가스 재순환을 위한 장치를 개선하는 것이다. 나아가, 배기 가스 열 교환기에서 응축물이 결빙(freezing)하는 것을 회피하는 것이다.
상기 목적은 특허 청구범위 제1항의 특징에 의하여 달성된다. 본 발명에 따라 배기 가스 열 교환기는 한편으론 핀/튜브 블록, 즉 배기 가스용 튜브와 공기 냉각용 핀으로 구성된 블록과, 다른 한편으론 배기 가스 튜브가 내부로 개방되는 수집 탱크(collecting tank)를 구비하는 것이 제공된다. 이 수집 탱크는 바람직하게는 용접되거나 땜질되고 나아가 튜브 플레이트를 구비하는데, 이 튜브 플레이트에는 배기 가스 튜브의 튜브 단부가 용접되거나 땜질되며 바람직하게는 레이저 용접된다. 배기 가스 튜브와 수집 탱크를 위한 바람직한 물질로는 스테인레스 스틸이 사용된다. 스테인레스 스틸이나 또는 비철 금속으로 만들어진 물결모양의 핀은 배기 가스 튜브의 외부 상에 핀 구조를 위해 사용될 수 있다. 공기 측에서의 열 교환을 증가시키기 위해, 핀, 특히 물결모양의 핀은 종래의 제조법을 사용하여 핀 물질로 절단된 주름부(gills)를 구비한다. 특히 공기 냉각식 투입 공기 냉각기(charge air cooler)로 알려진 바와 같은 소위 웹모양의 핀(webbed fin)이 물결모양의 핀 대신에 또한 사용될 수 있다. 대조적으로 주름진 물결모양의 핀은 특히 냉각제 냉각기로부터 알려져 있는 것이다. 본 발명에 따른 배기 가스 냉각기의 상기 공기 냉각식 디자인은 냉각제 냉각(액체 냉각)에 의한 것보다 더 낮은 온도로 재순환 배기 가스의 냉각을 제공하여 내부 연소 엔진의 동력을 증가시키는 것이 가능하다는 잇점을 제공한다. 나아가, 본 발명에 따른 디자인은 냉각제 냉각기, 투입 공기 냉각제 및/또는 응축기로 구성된 모듈 유닛, 소위 냉각 모듈을 형성하도록 또다른 공기 냉각식 열 교환기를 배기 가스 냉각기와 결합하는 것을 가능하게 한다. 본 발명에 따른 배기 가스 냉각기는 냉각제 냉각기나 응축기의 상류에 유리하게 배열될 수 있으며, 상기 배기 가스 냉각기만이 단부면의 일부를 차지한다. 단부면의 나머지 부분은 투입 공기 냉각기에 의해 커버될 수 있다. 이것은 냉각 모듈을 위한 극히 콤팩트한 디자인을 형성한다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에 따라, 배기 가스 열 교환기의 수집 탱크는 플라스틱으로 제조될 수 있으며, 플라스틱 탱크는 금속성 튜브 플레이트에 기계적으로, 즉 플랜지 연결과 삽입된 시일(seal)에 의하여 연결된다. 플라스틱의 사용은 배기 가스에 대해 부식될 가능성이 비교적 낮은 잇점을 제공한다. 플라스틱 물질은 배기 가스의 압력과 온도에 대해 유발되는 기계적 부하(loading)를 또한 지탱할 수 있도록 선택된다. 튜브, 핀 및 튜브 플레이트로 구성된 금속성 열 교환기 블록은 땜질이나 용접에 의하여 별도로 제조된다. 플라스틱 탱크는 이후 위에 놓인다.
다른 유리한 실시예는 핀 높이, 튜브 높이, 핀 높이에 대한 튜브 높이의 비율, 핀 밀도 및 튜브의 수리 직경(hydraulic diameter)의 치수를 위한 치수 범위나 치수 규격을 포함하는 추가 종속항으로부터 얻어질 수 있다. 상기 치수 규격은 배기 가스와 공기 매체에 대해 최적화된 열 교환기를 제공한다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에 따라, 배기 가스 냉각기는 바람직하게는 바이패스 플랩(bypass flap)에 의하여 제어되는 바이패스 덕트(bypass duct)를 구비한다. 이것은 낮은 외부 온도에 있는 응축물이 냉각기를 결빙시키는 것이 회피되는 잇점을 제공한다; 나아가, 엔진의 더 신속한 워밍업이 또한 달성된다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에서, 배기 가스 열 교환기에는 바이패스 플랩 없이 바이패스 덕트가 할당되며, 이 바이패스 덕트를 통한 흐름은 바이패스 덕트 내 압력 강하와 배기 가스 열 교환기 내 압력 강하가 서로 다른 것에 의하여 제어된다. 바이패스 덕트는, 결빙점 이상의 외부 온도에서 바이패스 덕트의 압력 강하가 예를 들어 바이패스 덕트의 입구 영역에 있는 애퍼처(aperture)에 의하여 제공될 수 있는 배기 가스 열 교환기의 압력 강하보다 더 낮게 되도록 설계된다. 배기 가스 덕트가 결빙된 경우에, 배기 가스 열 교환기의 압력 강하는 바이패스 덕트의 압력 강하보다 더 커서, 이 바이패스 덕트를 통해 흐름이 지나간다. 이것은, 배기 가스 냉각기가 결빙될 때 배가 가스가 재순환될 수 있는 잇점을 제공한다. 내재하는 문제가 있는 바이패스 플랩이 없어도 된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 배기 가스 열 교환기에는 차동 압력으로 제어되는 밸브에 의하여 개폐되는 바이패스가 할당된다. 배기 가스 열 교환기의 압력 강하가 배기 가스 덕트에 응축물이 결빙된 결과로 증가하는 경우 차동 압력이 또한 증가하여 밸브 차단 부재를 개방하고 이로 인해 배기 가스 공급 라인과 재순환 라인 사이의 바이패스를 개방한다. 이것은 또한 결빙되는 경우에 배기 가스 냉각기가 바이패스될 수 있으며 배기 가스의 재순환이 유지될 수 있는 잇점을 제공한다. 또한 이 밸브 차단 부재는 외부에서 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에서, 배기 가스 열 교환기, 구체적으로 그 배기 가스 덕트, 냉각제 덕트를 가열하기 위하여, 구체적으로 응축물을 결빙시킬 위험이 있는 배기 가스 덕트에 열을 전달하는 바이패스 덕트가 제공된다. 이것은 배기 가스 열 교환기에서 응축물이 결빙되는 것을 방지하는 잇점을 제공한다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에서, 배기 가스 열 교환기에는 배기 가스 덕트를 가열하여 결빙을 방지하는 전기 히터가 할당된다.
본 발명의 유리한 개선예에서, 방열공(louver), 특히 평판형 방열공이 핀/튜브 블록의 상류에 배열된다. 이것은 매우 낮은 온도에 있는 응축물이 배기 가스 냉각기를 결빙시키는 것이 회피되며 엔진의 더 신속한 워밍업이 보장되는 잇점을 제공한다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에서, 변위가능한 커버 디바이스(covering device)가 배기 가스 열 교환기의 상류에 공기 흐름 방향으로 배열되며, 이 커버 디바이스는 배기 가스 덕트 사이에 배열된 냉각 공기 덕트를 커버할 수 있으며 이에 의해 냉각을 방지할 수 있다. 이것은 배기 가스 덕트에서 응축물이 결빙되는 것을 방지하며 배기 가스 재순환이 유지되게 하는 잇점을 제공한다. 이 커버 디바이스는 바람직하게는 써모스태트(thermostat), 예를 들어 열팽창 요소(expansion element)에 의하여 작동될 수 있다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에서, 배기 가스 냉각기와 투입 공기 냉각기는 서로 연결되어 모듈을 형성하며 가스 흐름은 투입 공기 냉각기의 출구 탱크를 통해 별도의 배기 가스 덕트에서 전달된다. 설치 공간은 이 방식으로 절약될 수 있다. 투입 공기 냉각기의 출구 탱크에서 배기 가스와 투입 공기를 분리하는 것은 일반적으로 알루미늄으로 구성된 투입 공기 냉각기를 배기 가스 응축물이 부식시키는 것을 회피하기 위해 필요하다. 이 덕트는 투입 공기 냉각기의 출구 탱크 내로 두꺼운 알루미늄 벽(파티션)을 삽입함으로써 제조될 수 있으며 이 파티션은 그 두께로 인해 오랜 기간 동안 산성 배기 가스 응축물의 부식 작용에 저항한다. 대안적으로 배기 가스가 흐르는 플라스틱이나 스테인레스 스틸 덕트를 투입 공기 냉각기의 출구 탱크에 삽입하는 것도 생각해 볼 수 있다. 상기 덕트는 또한 투입 공기 냉각기의 출구 탱크에 또는 출구 탱크의 부풀어 오른 부분(bulged portion)에 (부가 부분으로서) 외부에 부착될 수 있다. 투입 공기 냉각기 내로 응축물이 다시 흐를 수 없도록 투입 공기 냉각기로부터 충분히 먼 하류에 있는 지점까지 투입 공기와 배기 가스가 혼합되지 않는 것이 유리하다. 투입 공기와 배기 가스의 혼합 지점은 또한 벤추리 노즐(venturi nozzle)이나 이와 유사한 디바이스의 형태로 설계될 수 있으며 이로 배기 가스가 배기 가스 냉각기에서 부분적으로 흡입된다. 배기 가스 물질의 유동 속도(flow rate)는 이 방식으로 더 증가될 수 있다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에서, 배기 가스 냉각기와 투입 공기 냉각기는 통합되어 공통 냉각기(common cooler), 즉 공통 수집 탱크와 공통 핀/튜브 블록을 갖는 냉각기를 형성하며, 이때 튜브는 배기 가스에 의해 그리고 투입 공기에 의해 또는 배기 가스와 투입 공기의 혼합물에 의해 모두 횡단된다. 배기 가스와 투입 공기는 두 가스의 혼합물이 흐르는 잇점을 제공하는 공통 입구 연결 부재를 통해 또는 별도의 입구 연결 부재를 통해 공급될 수 있다. 상기 공통 열 교환기는 2개의 별도의 열 교환기에 비해 비용과 무게(중량) 면에서 잇점을 제공한다. 고온이고 부식성이 있는 배기 가스 때문에 바람직하게는 스테인레스 스틸로 만들어진 냉각기는 또한 비교적 높은 투입 공기 압력에도 저항할 수 있는 추가적인 잇점이 제공된다. 현재의 엔진 개발은 이 방향으로 진행되고 있으며 즉 더 많은 양을 투입하는 쪽으로 진행되고 있으며 이로 알루미늄으로 만들어진 현재의 투입 공기 냉각기로 항상 제어될 수 있는 것은 아니다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에 따라, 배기 가스 열 교환기의 상류에 산화 촉매 변환기(oxidation catalytic converter)가 연결된다. 이것은 배기 가스를 전달하는 튜브 내에 그을름(soot)이 증착하는 것을 감소시키는 잇점을 제공한다. 산화 촉매 변환기는 또한 유리하게는 입구측 수집 탱크에 배열될 수 있다.
본 발명의 목적은 종래의 액체 냉각식 배기 가스 냉각기가 본 발명에 따른 공기 냉각식 배기 가스 냉각기의 상류에 연결되는 EGR 시스템을 위한 배기 가스 재순환 장치에 의하여 또한 달성된다. 이것은 배기 가스 재순환 동안 배기 가스에 대해 2 단계 냉각을 제공하며 이로 공기 냉각식 배기 가스 냉각기를 위한 입구 온도는 저감될 수 있다. 이것은 또한 배기 가스와 투입 공기 온도를 조정할 수 있게 하며 이것은 특히 배기 가스와 투입 공기를 위한 공통 열 교환기를 사용하는 경우 유리하다. 2단계 배기 가스 냉각의 결과, 배기 가스가 내부 연소 엔진의 흡입 트랙(intake tract)으로 재순환될 때 배기 가스는 더 낮은 온도에 도달하며, 이는 실린더의 볼륨 효율을 증가시키고 이에 따라 엔진의 동력을 증가시킨다.
본 발명의 예시적인 실시예는 도면에 도시되고 이하에서 보다 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 공기냉각식 배기 가스냉각기를 도시하는 분해사시도.
도 2는 본 발명에 따른 배기 가스 냉각기를 도시하는 일 측면도.
도 3은 바이패스 덕트를 구비하는 본 발명에 따른 배기 가스 냉각기의 개선예를 도시하는 도면.
도 4는 액체 냉각식 및 공기 냉각식 배기 가스 열 교환기에 의하여 2단계 배기 가스 냉각을 하는 EGR 시스템을 도시하는 도면.
도 5는 별도의 배기 가스 덕트의 제 1 디자인을 갖는 배기 가스 냉각기와 투입 공기 냉각기로 구성된 열 교환기 모듈을 도시하는 도면.
도 6a는 투입 공기 냉각기의 출구 탱크에서 별도의 배기 가스 덕트를 구비하는 제 2 실시예를 도시하는 도면.
도 6b는 투입 공기 냉각기의 출구 탱크의 외부에 별도의 배기 가스 덕트를 구비하는 제 3 실시예를 도시하는 도면.
도 7a는 배기가스냉각기와 투입공기냉각기가결합된제1실시예를도시하는도면.
도 7b는 배기가스냉각기와 투입공기냉각기가결합된제2실시예를도시하는도면.
도 8a는 발열공이 차단된 배기 가스 냉각기를 도시하는 도면.
도 8b는 발열공이 개방된 배기 가스 냉각기를 도시하는 도면.
도 9a는 변위가능한커버디바이스가 차단된 배기가스냉각기를 도시하는 도면.
도 9b는 변위가능한커버디바이스가 개방된 배기가스냉각기를 도시하는 도면.
도 10은 냉각제 바이패스 덕트를 구비하는 배기가스냉각제를 도시하는 도면.
도 11은 전기 히터를 구비하는 배기 가스 냉각기를 도시하는 도면.
도 12는 바이패스 밸브를 구비하는 배기 가스 냉각기를 도시하는 도면.
도 1은 본 발명에 따른 배기 가스 냉각기(1)를 개별 부재 또는 모듈 유닛으로 분리한 분해 사시도로 도시한 것이다. 배기 가스 냉각기(1)는 차량의 내부 연소 엔진(내연 기관)에서 배기 가스 재순환 디바이스를 위한 배기 가스를 냉각하는 역할을 하며 이는 도 4에 기초하여 아래에서 보다 상세히 설명될 것이다.
본 발명에 따른 배기 가스 냉각기(1)는 평판 튜브(flat tubes)(3)와 이 평판 튜브(3) 중간에 배열된 물결모양의 핀(corrugated fins)(4)으로 구성된 핀/튜브 블록(2)을 구비한다. 물결모양의 핀(4)은 평판 튜브에 땜질되거나 용접되며 이에 의해 콤팩트한 블록(2)을 형성한다. 물결모양의 핀(4)은 대기 공기에 의해 횡단되며 공기에 대한 열 전달을 증가시키기 위하여 예를 들어 냉각제 냉각기에서 물결모양의 핀에 대해 알려져 있는 주름부(gills)(미도시)를 구비한다. 물결모양의 핀(4)에 대한 하나의 대안으로서, 소위 웹모양의 핀(webbed fins)(미도시), 다시 말해 오프셋되어 배열된 플랭크(flank)를 갖는 구불구불한 디자인의 핀을 사용하는 것도 또한 가능하다. 웹모양의 핀은 일반적으로 더 낮은 열 전달 능력(heat transfer power)을 갖는다. 튜브(3)는 서두에 언급된 종래 기술에 알려져 있는 바와 같이 날개부(winglet)(미도시)를 가지며 배기 가스에 의해 횡단된다. 이 날개부는 예를 들어 대량 성형에 의하여 평판 튜브(4)의 평판 측 내로 형성될 수 있다. 이것은 개선된 열 전달을 제공하며 또한 그을름이 증착되는 것을 회피한다. 대안적으로, 내부 핀(미도시)이 또한 튜브 내에 배열되고 튜브 내에 땜질될 수 있다. 본 발명에 따른 배기 가스 냉각기(1)는 또한 물질적으로 결합된 방식으로 플레이트(6), 커버(7), 단부벽(8) 및 연결 부재(10)를 갖는 다른 단부벽(9)으로 구성된 적어도 하나의 수집 탱크(5)를 구비한다. 배기 가스 튜브(3)와 물결모양의 핀(4)과 같은 부품은 바람직하게는 스테인레스 스틸로 구성된다. 평판 튜브(3)의 단면에 대응하는 직사각형 개구부(11)는 플레이트(6) 내에 제공된다. 튜브 단부(3a)는 튜브 플레이트(11)의 개구부(11) 내에 삽입되며 바람직하게는 레이저 용접에 의해 튜브 플레이트(6)에 용접된다. 이것은 밀봉된 고정된 튜브 플레이트 연결을 형성한다. 다른 수집 탱크(미도시)는 핀/튜브 블록(2)의 다른 측에 제공되며 이로 모든 배기 가스 튜브(3)는 평행하게 동일한 방향으로의 흐름에 의해 횡단된다. 대기 공기와 배기 가스의 흐름은 이에 의해 횡단 흐름(cross flow)을 형성한다. 핀/튜브 블록(2)은 최외각 핀 층(outermost fin layer)에 땜질된 측 부재(side part)(12,13)에 의해 상부와 하부에서 차단된다. 공기 흐름 방향으로 핀/튜브 블록(2)의 깊이는 T로 표시된다. 물결모양의 핀(4)의 높이는 h로 표시되며, 평판 튜브(3)의 높이는 b로 표시되고, 물결모양의 핀(4)의 피치는 t로 표시된다. 피치(t)는 핀 밀도의 역수값이며: 이로 피치(t)가 크면 클수록, dm 당 핀의 수로 정의된 핀 밀도는 더 낮아진다. 도시된 예시적인 실시예에서, 핀/튜브 블록(2)은 단일 행으로 설계된다; 그러나 이 핀/튜브 블록은 또한 2개의 행이나 다수의 행으로 설계되는 것이 유리할 수도 있으며, 다시 말해 공기 흐름 방향(깊이 방향 T)으로 더 짧은 튜브를 갖는 행으로 설계될 수도 있다. 이것은 배기 가스 튜브에 대해 더 높은 내부 압력 저항을 초래한다.
본 발명의 하나의 바람직한 예시적인 실시예에 따라, 이하 치수의 범위가 배기 가스 냉각기(1) 또는 핀/튜브 블록(2)의 최적 치수에 제공되는데: 즉 핀 높이(h)는 2 내지 10mm 사이의 범위이며, 바람직하게는 4 내지 6mm 사이의 범위이며, 더 구체적으로는 5mm이다. 튜브 높이(h)는 2 내지 5mm 사이의 범위이며, 바람직하게는 3 내지 10 mm 사이의 범위이며, 구체적으로 4.5mm이다. 핀 높이(h)에 대한 튜브 높이(b)의 비율은 0.5 내지 1.5 사이의 범위이다. 핀 밀도는 20 내지 80개의 핀/dm 사이의 범위이며, 바람직하게는 30 내지 50개의 핀/dm 사이의 범위이며, 구체적으로 35개의 핀/dm이다. 이 튜브는 정의에 따라 젖은 주변(wetted periphery)에 대한 흐름 단면의 비율이 4배인 수리 직경(hydraulic diameter)을 갖는다. 튜브의 수리 직경은 2 내지 20mm 사이의 범위이며, 바람직하게는 3 내지 10mm 사이의 범위이다. 핀/튜브 블록(2)의 깊이(T)는 20 내지 100 mm 사이의 범위이며, 바람직하게는 30 내지 70mm 사이의 범위이다.
도 2는 동일한 부분에 동일한 참조 부호를 사용한 본 발명에 따른 배기 가스 냉각기(1)를 도시하는 일 측면도이다. 핀/튜브 블록(2)이 길이(L)와 높이(H)를 가지는 단부면(2a)을 갖는 일 측면도로 도시된다. 핀/튜브 블록(2)의 각 측에는 각각 배기 가스 연결 부재(10)와 배기 가스 연결 부재(15)를 가지는 수집 탱크(5, 14)가 배열되며 이는 각각 배기 가스용 입구 또는 출구 연결 부재로 기능한다. 핀/튜브 블록(2)의 튜브는 이에 의해 도면에서는 수평으로 서로 평행한 흐름에 의해 횡단된다. 도시된 것과는 다른 통과 흐름도 물론 또한 가능하며 예를 들어 하나의 수집 탱크에서 U자 형상으로 편향될 수도 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 예시적인 실시예에 따라, 길이(L)에 대한 높이(H)의 비율은 0.1 내지 0.8 사이의 범위에 있으며, 바람직하게는 0.2 내지 0.4 사이의 범위에 있다. 이 냉각기는 그리하여 비교적 길죽한 형상이며 그로 인해 냉각 모듈이나 냉각제 냉각기의 길이에 대한 그 길이방향 크기와 일치될 수 있다. 여기서 투입 공기 냉각기는 유리하게는 배기 가스 냉각기 위에 배열되며 이 투입 공기 냉각기는 적어도 부분적으로 단부면의 나머지 부분을 커버한다.
배기 가스 냉각기의 배기 가스 출구 측에는 도면에 도시되지 않은 응축물 배출부가 배열되며, 이 응축물은 배기 가스 라인(배기 파이프) 외부로 또는 내부로 직접 배출된다.
또한 입구 영역 또는 출구 영역에는, 즉 배기 가스 연결 부재(10, 15)의 영역에는 또한 도면에 도시되지 않은 배기 가스 재순환 밸브, 소위 EGR 밸브가 배열된다. EGR 밸브는 분기된 재순환된 배기 가스 양을 제어한다. 배기 가스 출구 영역에서 EGR 밸브의 배열은 입구에서보다 더 더 낮은 배기 가스 온도가 우세하여 그로 EGR 밸브가 플라스틱으로도 제조될 수 있는 잇점을 제공한다.
도 3은 본 발명의 변형된 예시적인 실시예, 구체적으로 바이패스 덕트(17)와 바이패스 플랩(18)을 구비하며 바이패스 덕트(17)는 핀/튜브 블록(21)에 평행하게 입구 연결 부재(19)와 출구 연결 부재(20) 사이에 연장하는, 배기 가스 냉각기(16)를 도시한다. 바이패스 플랩(18)에 의하여 전체 배기 가스의 흐름은 바이패스 덕트(17)를 통해 편향될 수 있으며 이로 배기 가스의 냉각은 일어나지 않는다. 이것은 예를 들어 워밍업 단계 동안 차가운 내부 연소 엔진에서 유리할 수 있다.
도 4는 차량용 소위 EGR 시스템(22)의 배기 가스 재순환 시스템의 성분 배열을 도시한다. 내부 연소 엔진, 디젤 엔진(23)은 배기 가스 라인(24)을 구비하며, 이 라인(24)은 압축기(26)를 구동하는 배기 가스 터빈(25)으로 이어진다. 투입 공기 라인(27)은 터보 압축기(26)로부터 투입 공기 냉각기(28)로 이어지며 이어서 흡입 라인(29)을 통해 엔진(23)으로 이어진다. 투입 공기 냉각기(8)는 공기 냉각되며 엔진의 실린더에 볼륨 효율을 증가시키기 위해 압축기(26) 내의 투입 압력으로 가열되고 압축된 공기를 더 낮은 온도 레벨로 냉각한다. 엔진(23)과 터빈(25) 사이 배기 가스 라인(24)에는 분기 점(branching point)(30)이 제공되며, 이 분기점(30)으로부터 배기 가스 재순환 라인(31)이 분기하여 엔진(23)의 흡입 영역으로 이어진다. 제 1 배기 가스 냉각기(32)는 EGR 라인(31)에 배열되며 배기 가스 냉각기(32)는 액체 냉각되고 연결부(32a, 32b)에 의하여 엔진(23)의 냉각 회로(미도시)에 연결된다. 배기 가스 흐름 방향으로 제 1 배기 가스 냉각기(32)의 하류에는 본 발명에 따른 공기 냉각식 배기 가스 냉각기로서 구현되는 제 2 배기 가스 냉각기(33)가 배열된다. 제 2 배기 가스 냉각기(32)에서 냉각되는 배기 가스는 흡입 라인(29)에 공급되어, 냉각된 투입 공기와 혼합된다. EGR 라인(31)에 의하여 재순환되는 배기 가스는 그리하여 2 단계로 냉각되는데, 배기 가스 냉각기(32)를 통해 제 1 단계에 서 약 120 내지 150℃로 냉각이 제공된다. 제 2 배기 가스 냉각기(33)를 통한 제 2 단계에서 배기 가스의 추가 냉각이 제공되며 이 냉각은 대기 온도 위 5 내지 50℃인 온도로 냉각된다. 도면에서, 공기 냉각식 배기 가스 냉각기(33)와 투입 공기 냉각기(28)는 서로 위 아래로 배열된다. 이것은 또한 엔진 격실(engine bay) 내 실제 배열에 거의 대응하며, 여기서 2개의 냉각기(28,33)는 냉각제 냉각기와 응축기로 구성된 냉각 모듈(미도시)의 상류에 공기 흐름 방향으로 배열된다. 본 발명에 따른 모든 열 교환기, 즉 냉각제 냉각기, 응축기, 투입 공기 냉각기 및 공기 냉각식 배기 가스 냉각기는 그리하여 콤팩트하게 결합되어 모듈 유닛, 소위 냉각 모듈을 형성할 수 있으며, 차량의 전방향 엔진 격실 내에 배열되고 고정될 수 있다. 이것은 대기 공기에 충분한 노출을 보장한다.
그러나, 또한 본 발명에 따른 공기 냉각식 배기 가스 냉각기가 냉각 모듈에서와는 다른 엔진 격실 내 한 지점에 배열되는 것도 가능하며 적절하다면 별도의 팬이 할당되는 것도 가능하다.
도 5는, 도면에서 하부에 배열된 배기 가스 냉각기(51)와, 도면에서 이 배기 가스 냉각기 위에 배열된 투입 공기 냉각기로 구성된 열 교환기 모듈(50)을 도시하며, 여기서 2개의 열 교환기(51,52)는 대기 공기와 평행하게(in parallel) 부딪힌다. 배기 가스 냉각기(51)는 배기 가스 입구 연결 부재(54)를 갖는 입구측 탱크(53)와 출구측 탱크(55)를 구비한다. 2개의 배기 가스 탱크(53,54)는 부식 때문에 바람직하게는 플라스틱으로 제조되는데 즉 기계적 연결(미도시)에 의하여 금속 튜브 플레이트(더 상세히 도시되지 않음)에 연결된 플라스틱 탱크로 구성된다. 투 입 공기 냉각기(52)는 입구측 공기 탱크(56)와 출구측 공기 탱크(57)를 구비한다. 공기 탱크(56,57)는 바람직하게는 튜브 플레이트(미도시)에 용접될 수 있는 알루미늄 물질로 구성된다. 파티션(58)이 출구측 공기 탱크(57)에 배열되며, 이 파티션은 별도의 덕트(59)를 형성한다. 출구측 배기 가스 탱크(55)는 연결 부재(60)에 의하여 배기 가스 덕트(59)에 연결되어, 배기 가스 탱크(55)와 덕트(59) 사이에 흐름 연결이 생성되게 한다. 배기 가스는 이에 의해 출구 탱크(55)로부터 나와서 출구측 공기 탱크(57)를 통해 별도의 덕트(59)로 흐르며 이로 배기 가스와 투입 공기를 분리하는 것이 보장된다. 배기 가스와 투입 공기는 출구 탱크(57)의 하류에서 충분한 거리에 배열된 혼합 영역(미도시)에서 서로 혼합된다. 이것은 배기 가스 응축물이 투입 공기 냉각기(52)로 되돌아 흐르는(귀환하는) 것을 방지한다. 연결 부재(60)는 적절한 시일(seal)을 사용하여 공기 탱크(57)에 대해 밀봉될 수 있다. 배기 가스 냉각기(51)와 투입 공기 냉각기(52)는 플랜지(flange)나 브라켓(bracket)(미도시)에 의하여 서로 나사 결합될 수 있다.
도 6a는 도 5에 도시된 열 교환기 모듈을 위한 배기 가스 덕트의 설계를 위한 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 내부식성 물질, 특히 플라스틱이나 스테인레스 스틸로 제조될 수 있는 별도의 배기 가스 덕트(62)가 투입 공기 냉각기(미도시)의 출구 탱크(61)에 배열된다. 배기 가스 덕트(62)는 연결 부재(63)에 의하여 배기 가스 냉각기(미도시)의 출구 탱크(64)에 연결된다. 이 해결책은 그리하여 또한 투입 공기 냉각기의 출구 탱크(61)를 통해 흐르는 배기 가스를 투입 공기로부터 분리하는 것을 보장한다.
도 6b는 여기에 배기 가스 덕트(66)와 투입 공기 냉각기의 출구 탱크(65)의 단면만이 도시되어 있는 배기 가스 덕트의 설계와 배열을 위한 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 출구 탱크(65)는 외부 길이방향 측에서 배기 가스 덕트의 타원형 단면(66)과 일치하는 함몰부(depression)(67)를 구비하며 이로 배기 가스 덕트(66)는 이 함몰부(67)에 제공된다. 출구 탱크(65)에 부가적인 부분으로 고정된 배기 가스 덕트(66)는 스테인레스 스틸, 알루미늄 또는 플라스틱으로 제조될 수 있다.
도 7a는 본 발명의 다른 예시적인 실시예로서 공기 냉각식 배기 가스 냉각기와 공기 냉각식 투입 공기 냉각기{cf. 도 3 : 냉각기(28, 33)}를 통합 구성하는 결합된 열 교환기(34)를 도시한다. 소위 결합된 냉각기(34)는 핀/튜브 블록(35), 입구 탱크(36)와 출구 연결 부재(38)를 갖는 출구 탱크(37)를 구비한다. 입구 탱크(36)는 배기 가스 공급 라인(39a)과 투입 공기 공급 라인(39b)을 갖는 입구 연결 부재(39)를 구비한다. 연결 부재(39)에서 배기 가스 흐름과 투입 공기 흐름이 병합되고 미리 혼합되며 입구 탱크(36)로 전달되며, 여기서 전체 흐름이 핀/튜브 블록(35)의 튜브(미도시)로 분배된다. 결합된 냉각기(34)는 도 4와 유사한 방식으로 즉 이 도면에 도시된 냉각기(33, 28) 대신에 EGR 시스템에 설치된다. 공통 출구 연결 부재(38)로부터 냉각된 가스 흐름은 엔진의 흡입 트랙에 공급된다.
도 7b는 배기 가스용 별도의 입구 연결 부재(41)와 투입 공기용 별도의 입구 연결 부재(42)를 갖는 변형된 결합된 냉각기(40)를 도시한다. 2개의 연결 부재는 공통 수집 탱크(43)로 이어진다. 핀/튜브 블록과 출구 탱크는 도 7a에 대한 예시적인 실시예에 대응한다. 제 1 예시적인 실시예에서, 배기 가스와 투입 공기의 흐름 은 입구 연결 부재(39)에서 미리 혼합되며 이것은 또한 2개의 가스 흐름의 온도 정렬을 유발한다. 별도의 입구 연결 부재(41,42)를 갖는 제 2 예시적인 실시예에서 2 가스 흐름의 혼합은 거의 입구 탱크(43)에서 일어난다.
도 8a 및 도 8b는 전방측에 배열된 방열공(louver)(45)을 갖는 배기 가스 열 교환기(44)를 도시하며, 여기서 방열공(45)은 개별적으로 선회가능한 플랩(flap) 즉 판(lamella)(45a,45b,45c, ...45f)으로 구성된다. 도 8a는, 방열공(45)이 닫힌 상태의 배기 가스 열 교환기(44)를 도시하며, 여기서 배기 가스 열 교환기(44)의 공기측에 부딪치는 전체 단부면은 판(45a 내지 45f)에 의해 커버된다. 도 8b는 개방 위치에서 방열공(45)을 갖는 배기 가스 열 교환기(44)를 도시하며, 여기서 판(45a 내지 45f)은 공기 흐름 방향(L)에 평행하게 냉각 공기가 통과할 수 있게 정렬된다. 여기서, 배기 가스 열 교환기(44)의 배기 가스 덕트(보이지 않거나 도시되지 않음)의 상류에서 공기 흐름 방향으로 각각 판(45a 내지 45f)이 배열되며 이로 배기 가스 덕트 사이에 핀(46a, 46b, 46c, ...)이 공기의 통과 흐름에 노출된다. 배기 가스 열 교환기(44)를 통해 흐르는 배기 가스의 냉각은 그리하여 도 8b의 방열공 위치에서 일어나는 반면, 도 8에서 닫힌 방열공 위치에서는 공기 흐름에 의한 냉각이 일어나지 않는다. 방열공(45)은 배기 가스 덕트에서 응축물이 결빙할 위험이 있을 때 특히 낮은 대기 온도에서 닫힌다. 그리하여 결빙은 대부분 회피될 수 있으며 배기 가스의 재순환이 유지될 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 냉각 공기의 흐름이 차단될 수 있는 배기 가스 냉각기(47)를 위한 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 배기 가스 냉각기(47)의 상류에 공기 흐름 방향으로 변위 가능한 커버 디바이스(48)가 배열되며, 이 커버 디바이스는 웹(49a,49b,49c, ...)과 이 웹 사이에 배열된 길이방향의 슬롯(50a,50b,50c, ...)으로 구성된다. 웹(49a,49b,49c, ...)은 배기 가스 덕트(미도시)의 길이쪽 방향에 대해 횡방향으로 적절한 작동 모터에 의해 구동될 수 있으며 이에 따라 배기 가스 냉각기(47)의 단부면을 부분적으로 노출하거나 차단할 수 있다. 도 9a는 커버 디바이스(48)가 닫혀있는 상태의 배기 가스 냉각기(47)를 도시하며 여기서 웹(49a,49b,49c, ...)은 냉각 공기 덕트(여기서는 보이지 않음)를 커버하는 반면, 슬롯(50a,50b,50c, ...)은 배기 가스 덕트의 상류에 공기 흐름 방향으로 위치된다. 공기 냉각은 그리하여 커버 디바이스(48)가 닫혀있을 때에는 일어나지 않는다. 도 9b는 커버 디바이스(48)가 개방된 상태의 배기 가스 냉각기(47)를 도시하며, 여기서 배기 가스 덕트 사이에 핀(51a,51b,51c, ...)이 제공된 냉각 공기 덕트는 노출된 상태이다. 웹(49a,49b,49c, ...)은 배기 가스 덕트의 상류에 위치된다. 커버 디바이스(48)는 서로에 대해 접힐 수 있거나 변위될 수 있는 개별적인 그리드 바(grid bar)를 갖는 그리드 구조(그리드 방열공)로 구현될 수 있으며, 이로 공기 흐름이 부딪치는 단부면의 사이즈가 증가되거나 감소될 수 있다. 이 커버 디바이스(48)는 배출 가스 덕트에서 응축물의 결빙을 방지하고 배기 가스의 재순환을 유지하는데 또한 적절하다. 커버 디바이스(48)는 적절한 작동 모터에 의해 예를 들어 온도에 따라 열팽창하는 요소에 의해, 진공 셀이나 다른 모터에 의해 작동될 수 있으며 횡단향으로 이동될 수 있다.
도 10은 냉각 공기에 부딪치는 배기 가스 냉각기(54)와 투입 공기 냉각 기(53)로 구성된 소위 결합된 냉각기(52)를 구비하는 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 배기 가스 냉각기(54)는 공기 핀(55)과 배기 가스 덕트(보이지 않음)로 구성되는 블록(56)을 구비하며, 그 공기 흐름 방향에서 보았을 때 그 상류에는 S자 형상의 냉각제 덕트(57)가 배열되며, 이 덕트(57)는 모터 차량의 내부 연소 엔진의 냉각제 회로(미도시)에 연결될 수 있다. 냉각제 덕트(57)는 튜브 곡선(57b)에 의하여 단부 측에서 연결되는 직선 부분(57a)을 구비한다. 냉각제 덕트(57,57a,57b)는 이에 의해 튜브 코일을 형성하며 직선 부분(57a)은 배기 가스 냉각기(54)의 배기 가스 덕트(보이지 않음)의 상류에 배열되며 다시 말해 냉각 공기 덕트를 형성하는 공기 핀(55)이 냉각 공기 흐름에 완전히 노출된다. 튜브 코일(57)의 직선 부분(57a)은 열 전달 방식으로 열 전달에 의하여 또는 배기 가스 덕트에 열 복사에 의하여 배기 가스 덕트에 연결되며 이에 의해 배기 가스 덕트에 응축물이 결빙되는 것과 이로 인해 낮은 대기 온도에서 봉쇄되는 것을 방지한다. 배기 가스 재순환은 이에 의해 비교적 높은 온도에서 냉각제에 의해 횡단되는 튜브 코일(57)의 결과로서 낮은 대기 온도에서도 유지될 수 있다. 냉각제는 바람직하게는 엔진 수집 라인으로부터 다시말해 냉각 회로의 냉각기 공급 라인으로부터 추출된다. 튜브 코일(57)을 통해 흐르는 뜨거운 냉각제의 추출은 밸브(미도시)에 의하여 제어될 수있다. 튜브 코일(57)은 바람직하게는 배기 가스 덕트의 전체를 커버하지만 배기 가스 덕트의 적어도 일부분을 커버한다.
도 11은 냉각 공기에 부딪치는 단부면(59)을 갖는 공기 냉각식 배기 가스 냉각기(58)를 구비하는 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 배기 가스 냉각 기(58)의 단부면(59)의 상류에 공기 흐름 방향으로 배기 가스 덕트(미도시)와 이 배기 가스 덕트 중간에 배열된 공기 핀에 열전달 방식으로 연결되는 복수의 가열 필라멘트로 구성된 전기적으로 가열가능한 가열 그리드(60)가 배열된다. 전기적으로 가열가능한 가열 그리드(60)는 그 열을 가열 그리드(60)를 통해 흐르는 공기 흐름을 통해 배기 가스 덕트와 공기 핀에 방열하여 이들이 낮은 대기 온도로 가열되게 한다.
배기 가스 냉각기(58)에서 응축물이 결빙되는 것이 이 방식으로 방지될 수 있다. 히터는 배기 가스 냉각기(58)의 하류에서 예를 들어 배기 가스 출구의 온도나 대기 온도에 따라 자동으로나 수동으로 스위칭될 수 있다.
도 12는 배기 가스 덕트(64)와 냉각 핀(65)으로 구성된 배기 가스 블록(66)이 중간에 배열된 배기 가스 측 입구 탱크(62)와 배기 가스측 출구 탱크(63)를 구비하는 공기 냉각식 배기 가스 냉각기(61)를 구비하는 본 발명의 다른 예시적인 실시예를 도시한다. 입구 탱크(62)는 배기 가스 공급 라인(67)에 연결되며 출구 탱크(63)는 배기 가스 재순환 라인(68)에 연결된다. 배기 가스 냉각기(61)에는 파티션(70)에 의하여 분리되는 2개의 밸브 챔버(71,72)를 구비하는 밸브(69)가 할당된다. 파티션(70)에는 밸브 차단 스프링(74)에 의하여 로딩(loaded)되는 밸브 차단 부재(75)에 의하여 제어되는 밸브 개구부(73)가 배열된다. 밸브 챔버(71)는 배기 가스 공급 라인(67)에 의해 횡단되는 반면, 밸브 챔버(72)는 배기 가스 재순환 라인(68)에 의해 횡단된다. 밸브 개구부(73)는, 밸브 차단 스프링(74)의 힘이 밸브 차단 부재(75)에 작용하는 압력힘보다 더 큰 경우, 밸브 차단 부재(75)에 의해 닫 힌다. 배기 가스 냉각기(61)의 입구측 배기 가스 압력에 대응하는 압력(P1)이 밸브 챔버(71) 내에서는 우세한 반면, 밸브 챔버(72) 내 압력(P2)은 배기 가스 냉각기(61)의 출구측 배기 가스 압력에 대응한다. 배기 가스 냉각기(61)에서 배기 가스 측 압력 강하(P1-P2)에 대응하는 차동 압력(△P)은 그리하여 플레이트 형상 밸브 차단 부재(75)에 작용한다. 배기 가스 튜브(64)가 자유로이 횡단가능한 한, 배기 가스 열 교환기(61)는 비교적 낮은 압력 강하(△P=P1-P2)를 갖는다. 그러나, 낮은 대기 온도에서 응축물이 결빙된 결과 배기 가스 튜브(64)가 부분적으로 차단되거나 또는 완전히 차단되면, 배기 가스 냉각기(61) 내 배기 가스측 압력 강하가 증가하여 밸브 차단 부재(75)에 작용하는 차동 압력이 상승하며, 이에 따라 차동 압력으로부터 생기는 힘이 차단 스프링(74)의 힘보다 더 클 때까지 P2는 더 작아지고 P1은 더 커지며, 이로 밸브 차단 부재(75)는 개방되고, 이에 따라 배기 가스공급 라인(67)과 배기 가스 재순환 라인(68) 사이에 바이패스로서 작용하는 밸브 개구부(73)를 개방한다. 배기 가스 냉각기(61)는 개방된 바이패스(73)에 의하여 완전히 또는 부분적으로 바이패스된다. 이것은 배기 가스가 배기 가스 냉각기(61) 내에서 결빙된 응축물이 튜브(64)를 차단할 수 있는 낮은 대기 온도에 있는 경우에도 재순환될 수 있는 것을 보장한다. 나아가, 압력이나 온도에 따라 밸브(69)를 외부 작동시키는 것 - 전기 또는 공압으로 작동시키는 것 - 이 가능하다. 본 발명의 다른 예시적인 실시예(도면에 미도시)는, 도 3에 대한 예시적인 실시예에 거의 대응하지만 배기 가스 바이패스 플랩이 없는, 배기 가스를 위한 바이패스 덕트를 구비하는 공기 냉각식 배기 가스 열 교환기에 관한 것이다. 이것은 배기 가스가 낮은 대기 온 도에서 냉각기 내에 응축물이 결빙된 경우에 배기 가스 냉각기가 배기 가스측에서 부분적으로 또는 완전히 닫히는 ("차단되는") 경우에도 재순환될 수 있다는 것을 보장한다. 바이패스 덕트, 특히 그 입구는 여기서는 바이패스 덕트를 횡단하는 압력 손실이 배기 가스 냉각기에서 배기 가스 측 압력 손실보다 초기(결빙되지 않은 상태에서 최대 배기 가스 측 통과 흐름 단면을 갖는 때)에는 더 크도록 설계된다. 이 상태에서는 다음 관계식이 성립한다:
△PBy > △PAk
여기서 PBy 는 바이패스 내 압력 강하이며, PAk 는 배기 가스 냉각기 내 압력 강하이다. 배기 가스 냉각기에 응축물이 결빙되는 경우, 배기 가스 냉각기 내의 압력 강하가 바이패스 덕트 내의 압력 손실에 도달할 하거나 이를 초과할 때까지 배기 가스 냉각기 내의 압력 강하가 상승한다. 초기에 부분적인 물질의 유동 속도와, 배기 가스 냉각기가 완전히 차단된 경우에, 완전한 배기 가스 물질의 유동 속도는 이후 바이패스를 통해 흐른다. 바이패스 덕트의 형상과 크기는 바이패스 덕트에 응축물이 결빙될 수 없도록 구성되며; 바이패스 덕트는 바람직하게는 물질의 유동 속도에 따라 충분한 단면을 갖는 둥근 튜브나 직사각형 튜브로 설계된다. 이 바이패스의 잇점은 압력 손실 그 자체에 의해 제어된다는 것이며 이로 바이패스 플랩과 이 플랩의 추가 작용이 전혀 요구되지 않는다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 차량용 배기 가스 냉각기에 이용가능하다.

Claims (58)

  1. 내부 연소 엔진의 배기 가스에 의해 횡단될 수 있으며 그 사이에 공기 냉각을 위한 핀이 배열되어 있는 덕트(배기 가스 덕트)를 구비하는, 공기 냉각식 배기 가스 열 교환기, 특히 차량용 배기 가스 냉각기로서,
    상기 배기가스덕트는 튜브 특히 평판 튜브(3)로서 구현되며 상기 핀(4)과 함께 핀/튜브 블록(2)을 형성하며 상기 튜브(3)는 상기 배기 가스를 위한 수집 탱크(5)에 수용되는 튜브 단부(3a)를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 수집 탱크(5)는 튜브 단부(3a)가 용접되거나 땜질되는 개구부(11)를 갖는 튜브 플레이트(6)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 배기 가스 열교환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 튜브(3)는 스틸 특히 스테인레스 스틸로 제조될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열교환기.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 핀(4)은 스틸 특히 스테인레스 스틸로 제조되거나 또는 비철 금속 특히 구리로 제조될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열교환기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 핀은 물결모양 핀(4)으로 구현되며 주름부(gills)를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열교환기.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 핀은 웹모양의 핀(webbed fin)으로 구현되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 튜브(3)는 교란 삽입물, 땜질된 내부 핀 또는 소위 날개부(winglet)를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  8. 제 1 항 내지 제 7항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 튜브(3)는 공기흐름방향으로 보았을 때 복수의 행으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 배기 가스 열교환기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 핀/튜브 블록(2)은 측 부재(12,13)를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기 가스용 수집 탱크(5)는 스테인레스 스틸이나 플라스틱으로 제조될 수 있는 것을 특징으로 하는 배 기 가스 열 교환기.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 측 부재(12,13)는 흐름에 의해 횡단될 수 없는 평판 튜브로 구현되며 물질적으로 최외각 핀 층에 연결된 특히 땜질된 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 적어도 한 항에 있어서, 공기 측에 있는 핀, 특히 물결모양의 핀(4) 또는 배기 가스 측에 있는 내부 핀은 핀 높이(h)를 가지며, 치수 범위에 있어서 2 ≤ h ≤ 10 mm, 바람직하게는 4 ≤ h ≤ 6 mm이 성립되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 핀 높이 h=5mm인 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 평판 튜브(3)는 튜브 높이(b)를 가지며, 치수 범위에 있어서, 2 ≤ b ≤ 15 mm, 특히 3 ≤ b ≤ 10 mm이 성립되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 튜브 높이(b)=4.5mm인 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  16. 제 14 항 또는 제 15항에 있어서, 상기 핀 높이(h)에 대한 튜브높이(b)의 비율은 범위 0.5 ≤ b/h ≤ 1.5 사이에 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열교환기.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 튜브(3) 사이의 핀(4)은 20 내지 80개의 핀/dm 사이의 범위, 바람직하게는 30 내지 50개의 핀/dm 사이의 범위에 있는 핀 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 튜브(3)는 2 ≤ dh ≤ 20의 범위, 바람직하게는 3 ≤ dh ≤ 10 mm의 범위에 있는 수리 직경(hydraulic diameter)(dh)을 가지는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 핀/튜브 블록(2)은 공기 흐름 방향으로 측정하여 20 ≤ T ≤ 100 mm의 범위, 바람직하게는 30 ≤ T ≤ 70 mm의 범위의 깊이(T)를 가지는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 핀/튜브 블록(2)은 높이(H)와 길이(L)를 가지며 상기 길이(L)에 대한 높이(H)의 비율은 0.1 ≤ H/L ≤ 0.8의 범위, 바람직하게는 0.2 ≤ H/L ≤ 0.4의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기 가스 열 교환기(1)는 냉각제 냉각기, 응축기 및/또는 투입공기 냉각기(charge air cooler)로 구성되는 냉각모듈의 추가 성분을 형성하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열교환기.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 배기 가스 열 교환기(1)와 상기 투입 공기 냉각기는 상기 냉각 모듈에서 서로 위 아래에 배열되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기 가스 열 교환기(16)는 특히 배기 가스를 위한 바이패스 플랩(18)을 가지는 바이패스 덕트(17)를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  24. 제 1 항 내지 제 22 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기 가스 열 교환기(16)에는 배기 가스를 위한 바이패스 덕트(17)가 할당되며, 상기 배기 가스 열 교환기(16)는 압력 강하(△PAk)를 가지며 상기 바이패스 덕트는 압력 강하(△PBy)를 가지며, 상기 배기 가스 열 교환기가 개방될 때 관계식 △PBy > △PAk가 성립하고, 상기 배기 가스 열 교환기가 부분적으로 또는 완전히 차단될 때 관계식 △PBy < △PAk가 성립하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  25. 제 1 항 내지 제 22 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기 가스 열 교환기(61)에는 배기 가스 측에서 상기 배기 가스 열 교환기(61) 상에 있는 상기 배기 가스 입구(62)와 상기 배기 가스 출구(63) 사이에 차동 압력(△P=P1-P2)에 의해 제어될 수 있는 바이패스(69,73)가 할당되는 것을 특징으로 하는 배기가스열교환기.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 바이패스는 밸브 차단 부재(75)에 의하여 분리되고 바이패스될 수 있는 배기 가스 공급 덕트(67)와 배기 가스 귀환 덕트(68)를 가지는 차동 압력 밸브(69)로 구현되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 배기 가스 공급 덕트(67)는 배기 가스 열 교환기(61)의 입구(62)에 연결되며 상기 배기 가스 귀환 덕트(68)는 배기 가스 열 교환기(61)의 출구(63)에 연결되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서, 상기 밸브 차단 부재(75)는 차단 스프링(74)에 의해 로딩(loaded)될 수 있는 것을 특징으로 하는, 배기 가스 열 교환기.
  29. 제 1항 내지 제 22항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기가스열교환기(61)에는 배기가스측에서 상기 배기가스열교환기(61)의 통과단면에 따라 외부적으로 제어될 수 있는 바이패스(69)가 할당되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  30. 제 1 항 내지 제 22 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기 가스 열 교환기(54)의 배기 가스 덕트에는 열 전달 방식으로 적어도 하나의 냉각제 덕트(57, 57a), 특히 바이패스 덕트가 할당되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 냉각제 덕트(57)는 S자 형상으로 형성되고 상기 배기 가스 덕트에 평행하게 배열된 직선 덕트 부재(57a)를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  32. 제 30 항 또는 제 31 항에 있어서, 상기 냉각제 덕트(57)는 내부 연소 엔진의 냉각 회로에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  33. 제 1 항 내지 제 22 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기 가스 열 교환기(58), 특히 배기 가스 덕트 및/또는 핀에는 전기 히터(60)가 할당되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 전기히터(60)는 배기가스덕트의 외부에 열 전달 방 식으로 배열된 가열필라멘트를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
  35. 제 1 항 내지 제 22 항 중 적어도 한 항에 있어서, 공기 흐름 방향으로 상기 배기 가스 열 교환기(44)의 상류에 방열공(louver), 바람직하게는 플랩형 방열공(45)이 배열되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  36. 제 1 항 내지 제 22 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기가스 열교환기(47), 특히 배기 가스 덕트와 핀에는 길이방향 슬롯(50a, 50b, 50c, ...)을 가지는 변위가능한 커버 디바이스(48)가 할당되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열교환기.
  37. 제 36 항에 있어서, 상기 길이방향 슬롯(50a, 50b, 50c, ...)은 배기 가스 덕트에 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  38. 제 36 항 또는 제 37 항에 있어서, 상기 길이방향 슬롯(50a, 50b, 50c, ...) 사이에 있는 상기 커버 디바이스(48)는 배기 가스 열 교환기(47)의 핀(51a, 51b,51c, ...)이 커버될 수 있는 웹(web)(49a,49b,49c, ...)을 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  39. 제36항, 제37항 또는 제38항에 있어서, 상기커버디바이스(48)는 배기가스덕 트에 대하여 횡방향으로 변위될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  40. 제 1 항 내지 제 39 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기 가스 냉각기(51)와 투입 공기 냉각기(52)는 열 교환기 모듈(50)을 형성하도록 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  41. 제 40 항에 있어서, 상기 출구 측에서 상기 배기 가스는 상기 투입 공기와는 별도로 상기 출구 측 공기 탱크(57,61,65)를 통해 또는 그 주위로 전달되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  42. 제 41 항에 있어서, 상기 입구 측 수집 탱크의 상류 및/또는 상기 출구 측 수집 탱크(55,64)의 하류에 있는 배기 가스는 별도의 덕트(59, 62, 66)에서 전달되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  43. 제 42 항에 있어서, 상기 별도의 덕트(59,62,66)는 상기 출구측 투입 공기 탱크(57,61,65)의 내부 또는 외부에 배열되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  44. 제 43 항에 있어서, 상기 별도의 덕트(59)는 상기 투입 공기 탱크(57)에서 파티션(58)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  45. 제 42 항 또는 제 43 항에 있어서, 상기 배기 가스를 위한 별도의 덕트(62,66)는 플라스틱, 고무 또는 스틸로 만들어진 튜브 또는 호스로 제조되거나 또는 플라스틱 블로우 몰딩된 부품(blow-molded part)으로 제조될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  46. 제 41 항 내지 제 45 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기 가스와 상기 투입 공기는 투입 공기 탱크(57, 61, 65)의 하류의 혼합 영역에서 혼합될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  47. 제 46 항에 있어서, 상기 혼합 영역은 상기 투입 공기 탱크(57,61,65)의 외부로 나가는 투입 공기의 출구보다 측량학적(geodetically)으로 더 낮게 배열되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  48. 제 40 항 내지 제 47 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기 가스는 알려진 벤추리 효과(venturi effect)에 따라서 동작하는 디바이스에 의하여, 특히 벤추리 노즐에 의하여 투입 공기에 의하여 흡입될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  49. 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기가스열교환기와 투입공기냉각기는 공통 열 교환기(34, 40)를 형성하도록 통합되며, 이 공통 열 교환기는 투입 공기 및 배기 가스에 의하여 제 1 차 측에서 횡단될 수 있으며 공기에 의하여 제 2 차 측에서 냉각될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  50. 제 49 항에 있어서, 상기 배기 가스와 투입 공기는 공통 입구 연결 부재(39)를 통해 또는 별도의 입구 연결 부재(41, 42)를 통해 공통 열 교환기(34,40)에 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  51. 제 1 항 내지 제 50 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기 가스 열 교환기는 배기 가스 출구 측에서 응축물 배출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  52. 흡입 라인(29)과, 배기 가스 라인(24)과, 배기 가스 냉각기를 구비하는 EGR 라인(31)을 갖는 내부 연소 엔진(23)을 구비하는 차량 내 배기 가스 재순환(EGR : exhaust gas recirculation)을 위한 배기 가스 재순환 장치로서, 상기 배기 가스 냉각기는 제 1 항 내지 제 51 항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같은 배기 가스 열 교환기(33)로 구현되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 재순환 장치.
  53. 제 52 항에 있어서, 배기 가스 냉각기(32)는 상기 EGR 라인(31)에서 상기 배기 가스 열 교환기(23)의 상류에 연결되며, 상기 배기 가스 냉각기(32)는 액체 냉 각제, 특히 내부 연소 엔진(23)의 냉각제 회로의 냉각제에 의해 냉각될 수 있는 것을 특징으로 하는 배기 가스 재순환 장치.
  54. 제 52 항 또는 제 53 항에 있어서, 상기 배기 가스 열 교환기(33)는 냉각 모듈 상이 아니라 엔진 격실(engine bay) 내 임의의 원하는 지점에 배열되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 재순환 장치.
  55. 제 52 항, 제 53 항, 또는 제 54 항에 있어서, 상기 배기 가스 열 교환기(33)의 상류 또는 하류에는 상기 냉각 공기를 공급하기 위한 별도의 팬이 연결되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 재순환 장치.
  56. 제 1 항 내지 제 51 항 중 적어도 한 항에 기재된 배기 가스 열 교환기 또는 제 52 항 내지 제 55 항 중 적어도 한 항에 기재된 배기 가스 재순환 장치로서,
    상기 배기 가스 열 교환기(1) 또는 공통 열 교환기(34, 40)는 통합된 EGR 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열교환기 또는 배기 가스 재순환장치.
  57. 제 1 항 내지 제 56 항 중 적어도 한 항에 있어서, 상기 배기 가스 열 교환기 또는 공통 열 교환기의 상류에는 산화 촉매 변환기(converter)가 연결되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
  58. 제 57 항에 있어서, 상기 산화 촉매 변환기는 상기 배기 가스를 위한 입구측 수집 탱크의 내부 또는 외부에 배열되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 열 교환기.
KR1020077009867A 2004-10-07 2005-10-05 공기 냉각식 배기 가스 열 교환기, 특히 차량용 배기 가스냉각기 KR101253365B1 (ko)

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