KR20070086671A - 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템 - Google Patents

수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

도 3 을 참조하면, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량(110)의 배출 냉각 시스템은 냉각되어야 하는 배출 시스템(150); 적어도 하나의 공기-액체 열교환기(160, 165); 적어도 하나의 액체-액체 열교환기(170); 및 상기 냉각되어야 하는 배출 시스템, 상기 공기-액체 열교환기, 및/또는 상기 액체-액체 열교환기(170)와 열소통을 하고 상기 배출 시스템(150)에 의하여 가열되는 냉각 액체를 포함한다. 상기 수륙양용 차량(110)이 육상 모드에서 작동될 때, 상기 냉각 액체는 공기-액체 열교환기(들)에 의하여 냉각된다. 상기 차량이 수상 모드에서 작동될 때, 냉각 액체는 액체-액체 열교환기(들)에 의하여 냉각된다. 상기 공기-액체 열교환기(들)은 수상에서도 사용될 수 있다. 상기 차량은 활수할 수 있고, 들여질 수 있는 도로용 바퀴(120)를 가질 수 있다. 상기 공기-액체 열교환기(들)은 차량의 전방 또는 후방, 또는 다른 곳에 장착될 수 있다.

Description

수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템{An exhaust cooling system of an amphibious vehicle}
본 발명은 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템에 관한 것이다.
해당 기술분야에서 공지된 전용의 육상 차량(land vehicle) 및 해양 선박(수상 vessel)의 경우, 냉각 배출 시스템을 위한 장치와 방법이 잘 확립되어 있다. 육상 차량의 경우, 상기 배출 시스템은 전형적으로 차량의 바닥 패널 아래에 매달려서 주변의 대기에 노출되고, 대기는 상기 배출 시스템의 외부 표면들을 지나가며 냉각시킨다. 냉각 효과는 물론 가변적이지만 만족스러운데, 이것은 차량 속도 및 대기 조건과 같은 요소들에 크게 의존한다. 해양 선박의 경우, 배출 시스템은 물에 의하여 냉각되는 것이 일반적이다. 이것은 보통, 선박 외부의 풍족한 원수(raw water) 자원을 이용함으로써 달성되는데, 상기 원수는 내부로 유인(draw)되고, 배출 시스템을 둘러싸는 워터재킷(water jacket)을 돌아서 순환한 후, 원수 공급원(raw water source)으로 되돌려져서 배출된다. 그러한 배출 냉각 시스템은 해양 선박이 수상(on water)에 있을 때는 높은 효율을 갖지만, 원수 공급원이 가용하지 않은 육상에서는 기능하지 않는다. 그러나, 이것은 엔진이 육상에서 거의 구동되지 않는 해양 선박에 대해서는 별로 중요하지 않다(전형적으로는 수리점검을 위하 여만 필요한데, 이 경우에는 호스파이프(hosepipe)를 통하는 등, 인공의 원수 공급원이 제공될 수 있다).
씨트론엔(Citroen)의 미국특허 제3,884,194호로부터 열에너지를 회복하기 위하여 육상 차량에 사용되는 공냉식 엔진의 배출 매니폴드(exhaust manifold) 용 워터 재킷이 공지되어 있다. 특히 미국특허 제3,884,194호에는 공냉식 엔진이 장착된 엔진의 승객실을 가열하기 위하여 사용되는 스팀 발생기가 개시되어 있다.
산신 고교 가부시키 가이샤(Sanshin Kogyo Kabushiki Kaisha)의 미국특허 제4,991,546호에는, 내연기관과 배출 매니폴드 둘 다를 냉각시키기 위하여 사용되는 수상 선박 용 냉각 시스템에 기초한 워터 재킷이 개시되어 있다. 상기 발명은 냉각 과정의 결과로서 배출 매니폴드에서 형성되는 응축수를 방지하는 것에 관련된 것이다. 원수가 사용되는 데, 이것은 선박의 외부로부터 얻어지고 상기 시스템의 다양한 워터 재킷들을 돌아 순환한 후에 되돌려 보내진다. 일 실시예에서는 보충적인 라디에이터(radiator)가 사용되는데, 이것은 단지 정수(pure water)가 아닌 냉각제(coolant)를 밀폐 시스템에 도입하고 상기 원수로부터 분리되도록 유지하기 위하여 엔진, 배출 매니폴드, 및 배출 엘보우(exhaust elbow)의 일부분을 위한 밀봉된 냉각 재킷을 제공하기 위한 것이다. 여전히 원수가 얻어져야 하고, 순환되어야 하며, 선박 외부의 물로 되돌려 보내져야 한다. 그렇기 때문에, 이 시스템은 육상 차량에서 채택될 수 없다.
그러나 수륙양용 차량의 경우, 배출 시스템의 냉각 문제는 상당히 고유한 문제와 고려사항들을 제시한다. 수륙양용 차량은 육상과 수상에서 광범위하게 사용 되고 그 배출 시스템은 적어도 임의의 다른 도로용 차량과 같이 고온에서 구동될 수 있다. 육상 차량은 그 배출 시스템, 특히 주차된 차량의 아래에 있는 풀(grass)을 태울 수 있을 정도로 고온(최고 900℃)에서 구동하는 것으로 알려진 촉매 변환기(catalytic converter)를 냉각시키기 위하여 주위의 공기에 의존하는 반면에, 수륙양용 차량의 하부는 부양성(buoyancy)과 수상에서의 유체역학적 성능을 위하여 밀봉된다. 이것은 적절한 냉각을 제공하는 문제를 야기하는데, 왜냐하면 선체 내에 배출 시스템을 밀봉하는 것은 사실상 그것을 외부의 냉각 영향으로부터 단열시키는 기능을 하기 때문이다. 나아가, 육상 모드에서 작동하여 완전히 가열된 배출 시스템이 차량의 수상 모드에서의 작동을 위하여 입수할 때, 급냉에 의한 손상적 열충격 효과의 잠재성이 존재하기 때문에, 수륙양용 차량의 배출 시스템은 밀봉되는 것이 바람직하다. 또한 촉매 변환기는 매우 민감한 품목이어서, 촉매의 손상을 방지하기 위해서는 그것의 최적 작동 온도가 유지되어야 한다. 따라서, 수륙양용 차량은 상충하는 요구조건들을 제시하며, 종래의 전용 시스템들은 수륙양용 차량의 상기 요구조건들을 충족시키지 못한다는 것이 이해될 것이다.
본 발명은, 제1 형태로서, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템을 제공하는데, 상기 배출 냉각 시스템은:
냉각되어야 하는 배출 시스템;
적어도 하나의 공기-액체(air-liquid) 열교환기;
적어도 하나의 액체-액체(liquid-liquid) 열교환기; 및
상기 배출 시스템 및 상기 적어도 하나의 공기-액체 열교환기 및/또는 상기 적어도 하나의 액체-액체 열교환기와 열소통(thermal communication)을 하는 냉각 액체(coolant liquid);를 포함하고,
상기 수륙양용 차량이 육상 모드에서 작동되는 때에는 상기 냉각 액체가 상기 배출 시스템에 의하여 가열되고 상기 적어도 하나의 공기-액체 열교환기에 의하여 냉각되며, 상기 수륙양용 차량이 수상 모드에서 작동되는 때에는 상기 냉각 액체가 상기 배출 시스템에 의하여 가열되고 상기 적어도 하나의 액체-액체 열교환기에 의하여 냉각된다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 아래에 간단히 설명된 첨부 도면들을 참조로 하여 예시적으로서 설명될 것이다.
도 1 은 수륙양용 차량의 스포츠카 변형체(variant)에 설치된 것으로서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 시스템을 도시하는 개략적 평면도이고;
도 2 는 도 1 의 수륙양용 차량의 개략적 측면도이고;
도 3 은 수륙양용 차량의 4륜 구동차 변형체에 설치된 것으로서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉각 시스템을 도시하는 개략적 평면도이고;
도 4 는 도 3 의 수륙양용 차량의 개략적 측면도이다.
먼저 도 1 및 도 2 를 참조하면, 수륙양용 차량(10)에 설치된 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉각 시스템의 개략적 도면이 도시되어 있다. 원동기(prime mover; 40)는 수륙양용 차량이 육상 및 수상 모드에서 작동될 때 수륙양용 차량에 추진 동력을 제공한다. 육상 모드에서, 동력은 예를 들어 도로용 바퀴(20)들과 같은 육상 추진 수단으로 전달된다. 수상 모드에서, 동력은 예를 들어 제트 드라이브(jet drive; 30)와 같은 수상 추진 수단으로 전달된다. 바람직한 실시예에서, 상기 원동기(40)는 내연 기관(internal combustion engine)이고, 그로부터의 연소 생성물은 배출 시스템(exhaust system; 50)을 통해 나간다.
상기 배출 시스템(50)은 촉매 변환기(51)와 소음기(silencer; 52)를 포함하는데, 그 각각은 워터 재킷(53) 내에 넣어져 있다. 상기 워터 재킷(53)은 배출 시스템(50)의 제1 말단부(distal end)에 액체 유입구(54)를 가지고, 제2 근접단부(proximal end)에 액체 배출구(55)를 갖는다.
종래 라디에이터의 형태의 공기-물(air-water) 열교환기(60)가 제공되고, 이것은 액체 유입구(61) 및 액체 배출구(62)를 갖는다. 냉각 액체를 위한 연장된 도관은 액체 유입구(61)와 액체 배출구(62)를 연결하고, 액체 유입구(61)와 액체 배출구(62) 간의 유동 경로 길이를 최대화하기 위하여 뱀(serpentine), 미로(labyrinthine) 또는 다른 그러한 구불구불한 형태로 패키지화된다. 이 도관에는 그 외부 표면과 열접촉을 하도록 배치된 핀 매트릭스(matrix of fins)가 제공되어, 통과하는 공기에 넓은 표면 면적이 제공되고, 상기 도관을 통과하는 냉각 액체와 상기 매트릭스를 통하여 통과하는 냉각 공기 간에 가능한 열전달과 가능한 열경로가 최대화된다.
물-물 열교환기(70) 또한 제공되고, 두 개의 액체 유입구들(71, 73) 및 두 개의 액체 배출구들(72, 74)을 갖는다. 냉각 액체를 위한 제1 도관은 액체 유입구(71)와 액체 배출구(72)를 연결하고, 액체 유입구(71)와 액체 배출구(72) 간의 유동 경로 길이를 최대화하기 위하여 뱀, 미로, 또는 다른 그러한 구불구불한 형태로 패키지화된다. 원수를 위한 제2 도관은 액체 유입구(73)와 액체 배출구(74)를 연결하고, 유사하게 액체 유입구(73)와 액체 배출구(74) 간의 유동 경로 길이를 최대화하기 위하여 뱀, 미로, 또는 다른 그러한 구불구불한 형태로 패키지화된다. 이 도관들은 상기 제1 도관을 통과하는 냉각 액체와 제2 도관을 통과하는 냉각 원수(cooling raw water) 간에 가능한 열전달과, 상기 두 도관들 간에 가용한 열경로를 최대화하기 위하여 서로에 대해 배치된다.
밀폐된 냉각 액체 도관(80)은, 적절한 액체 도관을 이용하여 물-물 열교환기(70)의 제1 도관, 공기-물 열교환기(60), 및 배출 시스템(50)의 워터 재킷(53)을 직렬 연결함에 의하여 형성된다. 개방된 원수 도관(open raw water circuit; 90)은 적절한 액체 도관들을 이용함으로써 형성되고, 수상 모드에서 원수는 수륙양용 차량(10)의 외부로부터 스크린 또는 필터(screen or filter; 미도시)를 거쳐서 양수(pump)되거나 또는 유입되고, 물-물 열교환기(70)의 제2 도관을 통하며, 외부의 물 공급원(water source)으로 되돌려 보내진다. 별도의 펌프에 대한 필요성을 제거하기 위하여, 상기 원수는 예를 들어 제트 드라이브(30)의 가압된 측으로부터 공급될 수 있다.
작동시, 냉각 액체는, 본 기술분야에서 잘 알려진 자동온도조절(thermostatic) 및/또는 다른 제어방안 하에서(예를 들어, 차량 작동 매개변수들 에 근거한 전자제어유닛(ECU; electronic control unit)의 제어 하에서) 양수되거나 또는 밀폐된 냉각 액체 도관(80)을 돌도록 단순히 양수될 수 있다. 수륙양용 차량이 육상 모드에서 작동될 때, 제1 냉각 온도의 냉각 액체는 액체 유입구(54)를 거쳐서 배출 시스템(50)으로 들어가고, 배출 시스템(50)을 포함하는 워터 재킷(53)을 따라 통과하며, 차량(10)의 후방에 있는 배출 시스템(50)의 차가운 단부로부터 배출 매니폴드에 가까이 있는 뜨거운 단부로 통과한다(이로써 배출 시스템의 급냉을 피하고, 저온 시동에 따른 배출 매니폴드에서의 응축수 형성을 방지한다). 상기 배출 시스템(50) 내에 있는 열은 설비되어 있는 열전달 경로를 거쳐서 냉각 액체로 전달되어, 냉각 액체를 가열하고 배출 시스템(50)을 냉각시킨다. 제2 상승 온도의 냉각 액체는 액체 출구(55)를 통하여 워터 재킷(53)을 떠난다. 다음 상기 냉각 액체는 연결 도관을 통하고 액체 유입구(61)를 거쳐 들어가서 공기-물 열교환기(60)로 간다. 상기 냉각제가 열교환기(60) 내의 도관을 따라 통과함에 따라서, 상기 도관과 열접촉을 하도록 배치된 핀 매트릭스를 넘어 통과하는 공기는 제2 상승 온도에 있는 냉각 액체로부터 열을 이끌어내고, 이로써 상기 냉각 액체를 상기 제2 상승 온도 미만으로 냉각시킨다. 상기 핀 매트릭스를 넘는 공기 통과는, (램 효과를 증대시키기 위하여) 덕트 수단을 거친 자유-유동(free-flow)(램 효과(ram effect)), 및/또는 보조 팬(미도시)과 같은 수단에 의하여 보충되거나 강제되는 유동일 수 있다. 그 후 상기 냉각제는 액체 출구(62)를 통해 열교환기(60)를 떠나고, 다음으로 연결 도관을 거쳐서 유동하고 액체 유입구(71)를 통해 들어가서 물-물 열교환기(70)로 간다. 이 육상 모드에서, 상기 물-물 열교환기(water-water heat exchanger; 70)는 거의 또는 전혀 영향을 주지 않는데, 이것은 개방된 원수 회로(90)를 거쳐서 가능한 원수 공급이 없기 때문이다. 따라서, 상기 냉각 유체는 그것이 들어올 때의 온도와 실질적으로 같이 온도로 액체 출구(72)를 통해 떠난다. 마지막으로, 도관이 상기 냉각 액체를 상기 액체 배출구(72)로부터 배출 시스템의 액체 유입구(54)로 전달하고, 상기 냉각 액체가 재순환되면서 상기 과정이 반복된다.
상기 수륙양용 차량(10)이 수상 모드에서 작동되는 때에, 위에서 설명된 과정은 동일하지만, 냉각 액체가 물-물 열교환기(70)를 통과함에 따라서 영향을 받는 냉각 단계에 의하여, 상기 공기-물 열교환기(60)에 의하여 제공되는 냉각 단계가 교체 또는 보충된다는 점이 상이하다. 이 수상 모드에서, 상기 냉각 액체는 (상기 공기-물 열교환기(60)이 1도 정도 효과적인 경우) 제1 냉각 온도와 비교할 때 상승된 온도 또는 (공기-물 열교환기(60)가 효과적이지 않은 경우) 제2 상승 온도로 물-물 열교환기(70)에 들어가고, 열교환기(70) 내의 제1 도관을 따라 통과한다. 동시에, 외부 주변의 물 온도를 갖는 원수는 원수 액체 유입구(73)를 거쳐서 수륙양용 차량(10)의 외부로부터 내부로 양수(pump)된다. 이 원수는 물-물 열교환기(70) 내의 제2 도관을 통과하고 원수 액체 출구(74)를 거쳐서 떠나며, 외부의 물로 되돌려 방출된다. 제1 및 제2 도관들(서로에 대해 반대의 유동)의 배치는 상기 두 도관들 간에 가용한 열경로(thermal pathway)와 결과적으로 가능한 열교환을 최대화시켜서, 상기 원수가 가열됨에 따라서 냉각 액체가 어느 정도 냉각되고, 상기 냉각 액체는 제2 상승 온도 미만의 온도로 액체 출구(72)를 거쳐서 떠난다. 그 후, 상 기 냉각 액체는 재순환된다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 본 발명에 따라서 가능한 많은 다양한 형태들 중의 일 예에 불과하다는 것이 이해될 것이다. 특히 설명된 바람직한 실시예는 수륙양용 차량(10)의 중간-엔진형 스포츠카 버전(mid-engined sports car version) 용으로 적합한 형태를 채택한 것이다. 이 버전의 수륙양용 차량(10)에서는, 본 발명에 따른 배출 냉각 시스템이 도시된 바와 같이 패키지화되는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명에 따른 배출 냉각 시스템은 매우 가변적이고, 예를 들어 삼륜차(trike), 사륜차(quad-bike), 또는 비포장 도로용(off-road utility) 차량과 같이 매우 다양한 형태의 수륙양용 차량으로 패키지화되도록 적합화될 수 있다.
이것을 예시하기 위하여, 도 3 및 도 4 에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 것으로서, 사륜차 형태의 수륙양용 차량(110)에 설치된 냉각 시스템의 개략적 도면이 도시되어 있다. 이것은 앞뒤로 배치된 전방좌석(113) 및 후방좌석(116)을 구비한 '타고 앉는' 차량이다. 전술된 제1 실시예에서와 마찬가지로, 수륙양용 차량(110)이 육상 및 수상 모드에서 작동될 때 원동기(140)가 수륙양용 차량(110)을 추진하기 위한 동력을 제공한다. 육상 모드에서, 동력은 예를 들어 도로용 바퀴(120)들과 같은 육상 추진 수단으로 전달된다. 수상 모드에서는, 동력이 예를 들어 제트 드라이브(130)와 같은 수상 추진 수단으로 전달된다. 이 바람직한 실시예에서, 상기 원동기(140)는 내연 기관이고, 이로부터 나오는 연소 생성물은 배출 시스템(150)을 거쳐서 떠난다. 상기 배출 시스템(150)은 촉매 변환기(151) 및 소 음기(152)를 포함하는데, 이들 각각은 워터 재킷(153) 내에 넣어진다. 상기 워터 재킷(153)은 배출 시스템(150)의 제1 말단부에 액체 유입구(154)를 가지고, 제2 근접단부에 액체 배출구(155)를 갖는다.
종래 라디에이터의 형태인 두 개의 공기-물(air-water) 열교환기들(160, 165)(패키지화의 이유로 인하여 상이한 크기)이 제공되고, 이들 각각은 액체 유입구(161, 166) 및 액체 배출구(162, 167)를 갖는다. 냉각 액체를 위한 연장된 도관들은 액체 유입구(161, 166)와 그에 대응하는 액체 배출구(162, 167)를 각각 연결하고, 액체 유입구(161, 166)와 액체 배출구(162, 167) 간의 유동 경로 길이를 최대화하기 위하여 뱀, 미로, 또는 다른 그러한 구불구불한 형태로 패키지화된다. 이 도관들에는 그들의 외부 표면과 열접촉을 하도록 배치된 핀 매트릭스가 제공되어, 통과하는 공기에 넓은 표면 면적이 제공되고, 상기 도관을 통과하는 냉각 액체와 상기 매트릭스를 통하여 통과하는 냉각 공기 간에 가능한 열전달과 가능한 열경로가 최대화된다. 이 두 개의 공기-물 열교환기들(160, 165)은 도면에서 병렬로 연결되어 있으나, 변형적으로 직렬로 연결될 수 있음이 이해될 것이다.
물-물 열교환기(170) 또한 제공되고, 두 개의 액체 유입구들(171, 173) 및 두 개의 액체 배출구들(172, 174)을 갖는다. 냉각 액체를 위한 제1 도관은 액체 유입구(171)와 액체 배출구(172)를 연결하고, 액체 유입구(171)와 액체 배출구(172) 간의 유동 경로 길이를 최대화하기 위하여 재차 뱀, 미로, 또는 다른 그러한 구불구불한 형태로 패키지화된다. 원수를 위한 제2 도관은 액체 유입구(172)와 액체 배출구(174)를 연결하고, 유사하게 액체 유입구(172)와 액체 배출구(174) 간 의 유동 경로 길이를 최대화하기 위하여 뱀, 미로, 또는 다른 그러한 구불구불한 형태로 패키지화된다. 이 도관들은 상기 제1 도관을 통과하는 냉각 액체와 제2 도관을 통과하는 냉각 원수 간에 가능한 열전달과, 상기 두 도관들 간에 가용한 열경로를 최대화하기 위하여 서로에 대해 배치된다.
밀폐된 냉각 액체 도관(180)은, 적절한 액체 도관을 이용하여 물-물 열교환기(70)의 제1 도관, 공기-물 열교환기(160, 165), 및 배출 시스템(150)의 워터 재킷(153)을 직렬 연결함에 의하여 형성된다. 도시된 실시예에서, 공기-물 열교환기(160, 165)들은 자신들이 서로에 대해 병렬로 연결되지만, 변형적으로는 직렬로 연결될 수 있다. 개방된 원수 도관(190)은 적절한 액체 도관들을 이용함으로써 형성되고, 수상 모드에서 원수는 수륙양용 차량(110)의 외부로부터 스크린 또는 필터(미도시)를 거쳐서 양수되며, 물-물 열교환기(170)의 제2 도관을 통하며, 외부의 물 공급원으로 되돌려 보내진다.
배출 냉각 시스템의 작동은 제1 실시예에 관하여 전술된 바와 같되, 냉각 액체가 두 개의 병렬로 된 공기-물 열교환기들(160, 165)을 통과한다는 점은 상이하다.
위에서 설명된 두 개의 실시예들에서, 예를 들어 힌지 결합되거나 또는 슬라이딩(sliding) 결합된 플랩(flap)과 같은 차폐 수단(closure means)이 수륙양용 차량의 작동시 마주칠 수 있는 물, 파도, 표류화물(flotsam), 폐기물(jetsam) 로부터 공기-액체 열교환기(들)을 보호할 수 있다. 상기 차폐수단은 공기-액체 열교환기(들)의 선택적 또는 전체적 차폐물을 제공할 수 있고, 이것은 작동 조건이 필요로 함에 따라서 (예를 들어 ECU 에 의해) 자동으로 또는 수동으로 제어될 수 있다. 상기 차폐 수단은 열교환기(들)를 손상으로부터 보호하기 위한 목적 및/또는 냉각 체제를 최적화하기 위한 목적으로 사용될 수 있다.
상기 바람직한 실시예에서는 구성 부품들과 냉각제 유동 경로들이 특정의 레이아웃(layout)으로 구성되었지만, 많은 다양한 레이아웃들이 가능하다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 변형적인 실시예에서, 본 발명은 엔진의 냉각을 위하여 이미 존재하는 공기-물 열교환기를 사용할 수 있다. 변형적으로, 상기 바람직한 실시예에서 설명된 바와 같은 공기-물 열교환기는 엔진을 위하여 제공된 공기-물 열교환기에 부가하여 제공될 수 있다. 또한, 패키지화 또는 다른 이유로 인하여 복수의 공기-물 열교환기들(예를 들어 소형 유닛들)이 차량의 둘레로 분포되도록 제공될 수 있다. 유사하게, 복수의 물-물 열교환기들이 제공되고, 적당하게 배분될 수 있다. 상기 바람직한 실시예에 도시된 회로(circuit)의 구성 부품들이 직렬로 배치되고 냉각 액체가 상기 직렬 회로를 돌도록 양수되지만, 상기 구성 부품들이 현존하는 구성의 위치에서 또는 그에 부가하여 병렬로 배치될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 나아가, (공기-물 또는 물-물 형태의) 열교환기 각각이, 자기의 또는 공유되는 냉각 액체를 갖는 별도의 회로에 제공될 수 있다. 이러한 경우, 각 회로에는 자기의 개별적인 워터 재킷이 제공되거나, 각 회로는 공동의 워터 재킷 내에 있는 일부분 또는 부-회로(sub-circuit)에 대해 접근성을 가지거나, 또는 유동 제어 시스템의 제어 하에서 단일의 공동 워터 재킷에 대해 접근성을 가질 수 있다. 또한 냉각 액체의 유동을 제어하기 위한 제어 밸브를 도입하는 것이 가능하 고, 이것은 전기적으로 작동되거나 또는 자동온도조절식으로 제어되는 유동 밸브 및 그와 관련된 전자식 처리/제어 수단에 의하여 관리될 수 있는데, 상기 전자식 처리/제어 수단으로서는 예를 들어 수륙양용 차량(10)에 이미 존재하는 전자 제어 유닛(ECU; electronic control unit)에 부가되거나 또는 그 부분으로서 제공되는 전자 제어 유닛과 같은 것이 있다. 이것은 상기 시스템의 성능을 최적화하기 위하여 필요에 따라서 상기 또는 각 회로의 개별 구성요소들을 스위치-인(switch in) 및 스위치-아웃(switch out)시키는 것을 용이하게 한다. 선택적으로, 각 구성요소에 우회 회로가 제공될 수 있다.
위에서 설명된 공기-물 및 물-물 열교환기들(60, 160, 165, 및 70, 170)은 종래의 설계 형태이지만, 변형적인 또는 맞춤 설계 형태가 유리하게 채택될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 출원인은 그의 수륙양용 차량 설계안들 중의 하나의 선체에 통합되는 맞춤 제작식 물-물 열교환기를 설계하였다. 문제의 수륙양용 차량은 우수한 열 전도체인 알루미늄으로 형성된 선체를 포함한다. 상기 선체의 종단면은 닫힌 형태이어서 밀폐 체적(closed volume)을 형성하고, 선체는 이 밀폐 체적의 일 측부를 형성한다. 냉각 액체는 상기 밀폐 체적을 통하여 양수될 수 있고, 수륙양용 차량이 수상 모두에서 작동할 때에는 냉각 액체가 외부의 원수에 의하여 냉각되는데, 이 원수는 선체 표면과 직접 접촉하는 것이다. 이 설계안은 차량의 외부로부터 원수를 공급받을 필요를 제거하고, 따라서 전술된 바람직한 실시예에서의 원수 회로(90)가 필요하지 않게 된다. 이 물-물 열교환기의 디자인안은, 상기 밀폐 체적을 통한 냉각 액체의 유동율이 엔진의 효율적인 작동 온도 를 유지시키기 위하여 측량되어야 할 정도로 효과적인 것으로 증명되었다. 그러므로, 상기 물-물 열교환기에 우회 회로를 형성하여 그것이 스위치-아웃될 수 있도록 하는 것이 바람직할 수 있다(예를 들어 엔진이 예열 중인 때). 그러한 우회로는 타이머 스위치(timer switch), 또는 (예를 들어 ECU와 같은) 임의의 다른 적합한 제어 수단에 의하여 수동으로 또는 자동온도조절식으로 제어될 수 있다. 상기의 사항에 대해 변형적으로 또는 추가적으로, 물-물 열교환기는 (예를 들어 제트 드라이브(30)와 같은) 차량의 현존하는 장치에 구현될 수 있다. 냉각 액체는 제트 드라이브(30) 용의 스톤 가드(stone guard) 내의 빗살(tine)들 및/또는 제트 드라이브(30)의 구성요소들 내부 또는 주위로 순환될 수 있다. 주변 온도와 같은 온도의 다량의 원수는, 우수한 열 전도체들인 금속으로 제작되는 이 구성요소들을 통과한다. 나아가 상기 배출 시스템을 통하여 그리고 그 밖으로 통과하는 배출 가스의 배출 흐름 내에 원수를 직접 주입함에 의하여, 추가적인 냉각이 제공될 수 있다.
전술된 상기 바람직한 실시예들에서는 원동기(40, 140)가 내연 기관의 형태이지만, 원동기(40, 140)는 변형적으로 연료 전지 엔진, 하이브리드 엔진, 터빈 엔진, 또는 이들의 조합 형태일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 나아가 상기 냉각 시스템은 배출 시스템을 냉각시키기 위한 것으로서 제시되었으나, 이것은 예를 들어 수상 추진 수단(30, 130), 원동기(40, 140), 및/또는 제동 구성요소와 같은 다른 열 발생원을 추가적으로 냉각시키기 위한 것으로 채택될 수 있다.
나아가, 상기 원동기(40, 140)는 도 1 및 도 2 에 도시되고 본 출원인의 다른 출원(국제공개 WO 02/07999호)에 설명된 바와 같이 횡방향으로 장착되거나, 또 는 편의에 따라서 종방향(길이방향)으로 장착될 수 있다. 종방향으로 장착된 원동기를 포함하는 파워트레인(power train)의 일 예는 본 출원인의 다른 출원(국제공개 WO 02/12005호)에서 알 수 있다.
전술된 바와 같이, 냉각 액체는 폐쇄 회로(80, 180)를 돌아서 순환하고, 상기 원수는 가용한 때(예를 들어 수상 모드인 때)에 개방 회로(90, 190)를 출입하도록 양수된다. 상기 냉각 액체는 원수로부터 분리되고 언제나 상기 폐쇄 회로(80, 180) 내에 보유되기 때문에, 상기 시스템 구성요소들을 저온과 부식 효과로부터 보호하기 위하여 냉각 액체에 부동제(antifreeze) 및 그의 관련된 부식방지제가 사용될 수 있다. 환경적인 이유로 인하여, 이것이 냉각 액체를 원수 공급원으로 되돌려 보내는 공지된 해양 선박 배출 냉각 시스템의 경우에는 허용되지 않을 수 있다. 그러나, 상기 차량(10, 110)이 육상 모드에서 작동되는 때에 추가적인 냉각을 제공할 필요가 있다면, 상기 차량이 육상에서 구동되는 때에 상기 개방 회로(90, 190) 및/또는 폐쇄 회로(80, 180) 내에 원수를 보유하도록 상기 시스템이 구성될 수 있다. 그러한 시스템은 예를 들어 성능을 더 최적화하기 위하여 차량의 주위에 제어가능하게 배분될 수 있는 밸러스트(ballast)를 제공하는 관점에서 추가적인 장점을 가질 수 있다. 이 경우, 차가운 대기 조건 하에서 원수가 우발적으로 보유되는 경우에 결빙 파손으로부터 시스템을 보호하기 위하여 안전장치가 제공될 수 있다. 예를 들어, 과잉 압력을 해소하기 위하여 파열 원반(bursting disc)이 제공될 수 있는데, 이것은 화학 처리 설비의 작동 및 설계에서 공지된 것이다.
부동제와 그것의 관련된 부식방지제들이 냉각 액체에 있을 필요가 없는 경우 에, 상기 폐쇄 회로(80, 180)는 반드시 폐쇄된 회로일 필요가 없다는 것이 이해될 것이다. 그러한 경우, 원수가 대신 소위 폐쇄 회로(80, 180) 내로 유인되어, 그것을 돌아 순환하고, 또는 추가적인 순환을 위해 보유되거나 원수 공급원으로 되돌려 보내질 수 있다. (예를 들어 차량의 육상 모드 작동을 위하여) 원수가 추가적인 순환을 위하여 보유되는 경우, 전술된 바와 같은 안전상의 이유로 인하여 상기 폐쇄 회로 내에 파열 원반 또는 다른 희생 요소(sacrificial element)가 채택될 수 있다. 더 나아간 실시예에서, 차량이 수상 모드에서 작동되는 경우에 바람직한 것으로서, 원수는 유인되어 바로 배출 시스템(50)의 워터 재킷(53, 153)을 통과할 수 있는데, 그 후에 원수 공급원으로 되돌려 배출된다. 이것은 냉각 액체를 상기 폐쇄 회로(80, 180)의 잔여 부분을 돌도록 순환시킬 필요없이 배출 시스템(50, 150)을 냉각시킨다. 이러한 구성은 예를 들어 유동 제어 밸브를 이용하여 얻어질 수 있다.
전술된 바람직한 실시예들에서는 배출 시스템(50, 150)의 냉각이 배출 시스템(50, 150)의 구성요소들을 직접 둘러싸는 워터 재킷(53, 153)을 통과하는 냉각 액체에 의하여 이루어지지만, 이 열전달과 그 제어를 가능하게 하기 위하여 채택되는 장치는 임의의 적합한 형태를 취할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 상기 워터 재킷(53, 153)은 배출 시스템의 모든 구성요소들을 둘러쌀(포함할) 필요가 없다. 그 대신에, 구성요소들 중에서 선택된 일부 구성요소(들)만이 둘러싸여질 수 있다. 복수의 개별적인 워터 재킷들이 유리하게 채택될 수 있는데, 그 각각은 하나 이상의 구성요소들을 개별적으로 둘러싼다. 각 워터 재킷은 제어 밸브 또 는 다른 유동 제어 수단을 이용하여 회로 출입에 대해 선택적으로 부설(plumb)될 수 있다. 또한 상기 또는 각각의 워터 재킷은 상기 배출 시스템의 구성요소들로부터 1 도 정도로(one degree or other) 열적으로 절연되고, 그리고/또는 냉각 액체가 그들과 직접 접촉하게 되는 것을 방지하도록 설계된다. 이것은, 예를 들어 워터 재킷과 배출 구성요소(exhaust component) 사이에 공기, 가스, 또는 액체로 충전된 간극을 직접 제공함으로써 달성될 수 있다 (그 사이에 고정된 (선형적이거나 또는 단계적인) 공간적 관계를 얻기 위하여, 예를 들어 립(rib), 핀(fin), 또는 다른 구조적 부재가 사용될 수 있다). 그러한 공기, 가스, 또는 액체로 충전된 간극은 추가적으로 또는 대체적으로(alternatively) 절연 재료로 부분적으로 또는 완전히 충전 또는 피복될 수 있다. 이 대체물들 각각은 차량의 배출 냉각 방식을 최적화하기 위하여 개별적으로 또는 조합되어 채택될 수 있다. 또한 상기 냉각 액체의 유동 제어는 냉각 방식의 최적화, 특히 육상 모드, 수상 모드, 차량 시동, 정상 주행 및 차량 작동중단과 같은 다양한 모드 중에 배출 시스템 내의 각 개별 구성요소의 최적 냉각을 위하여 긴요하다는 것이 이해될 것이다. 상기 촉매 변환기는 최적 작동 매개변수들이 중요하게 작용하는 구성요소이다. 응축수와 침전물이 누적되는 것을 방지하도록 배출 매니폴드의 냉각을 제어하는 것 또한 중요하다. 나아가 배출 구성요소에의 열충격 효과가 고려되어야 한다.
본 발명에 따른 배출 냉각 시스템은 특히 활수용 수륙양용 차량에 적용되는 것이 유리할 수 있고; 차량이 물 위에서 수상 모드로 구동되는 때에 들여질 수 있 는(retractable) 바퀴를 갖는 차량에 유리할 수 있다. 배출 냉각 시스템의 제어 양상(aspects)은 육상 모드 및 독특한 수상 모드를 제공하는 차량 제어 시스템에 연결될 수 있다. 본 발명에 따른 배출 냉각 시스템은, 냉간 시동(cold start)에 뒤이어 배출 매니폴드에서의 응축수 형성을 방지하는 제어 방식으로 엔진 배출 매니폴드를 냉각시키기에 특히 유리할 수 있다.
여기에 설명된 열교환기들은 '공기-물' 열교환기 및 '물-물' 열교환기로서 지칭되었으나, 상기 '물'이라는 용어는 임의의 적합한 액체, 예를 들어 부동제 및 관련된 부식방지제가 포함된 물의 사용도 추측하게 한다는 것이 이해될 것이다.

Claims (36)

  1. 냉각되어야 하는 배출 시스템;
    적어도 하나의 공기-액체 열교환기;
    적어도 하나의 액체-액체 열교환기; 및
    상기 배출 시스템 및 상기 적어도 하나의 공기-액체 열교환기 및/또는 상기 적어도 하나의 액체-액체 열교환기와 열소통을 하는 냉각 액체;를 포함하는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템으로서,
    상기 수륙양용 차량이 육상 모드에서 작동될 때, 상기 냉각 액체는 배출 시스템에 의하여 가열되고 상기 적어도 하나의 공기-액체 열교환기에 의하여 냉각되며,
    상기 수륙양용 차량이 수상 모드에서 작동될 때, 상기 냉각 액체는 배출 시스템에 의하여 가열되고 상기 적어도 하나의 액체-액체 열교환기에 의하여 냉각되는, 배출 냉각 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수륙양용 차량이 수상 모드에서 작동될 때, 상기 냉각 액체는 적어도 하나의 공기-액체 열교환기의 제어된 사용에 의하여 추가적으로 냉각될 수 있는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각되어야 하는 배출 시스템은 적어도 하나의 배출 매니폴드 및 적어도 하나의 소음기를 포함하는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 배출 시스템은 적어도 하나의 촉매 변환기를 더 포함하는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  5. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 공기-액체 열교환기는 차량 차체(vehicle bodywork) 내에 제공된 덕트(duct) 내에 배치된, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 덕트는 공기 유입구 및 공기 배출구를 가지고, 상기 공기 유입구는 적어도 상기 수륙양용 차량의 정적 흘수선(static water line) 위에 배치된, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 덕트는 상기 공기 유입구 및/또는 공기 배출구의 선택적이고 제어가능한 폐쇄를 위한 차폐 수단을 더 포함하는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 차폐 수단은 하나 이상의 자동 및/또는 수동으로 작동가능한 슬라이딩 부재 또는 힌지 결합된 플랩(flap)을 포함하는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  9. 제 5 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 덕트는 상기 차량 내에 제공된 적어도 하나의 다른 내부 격실(compartment)로부터 밀봉된, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  10. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 공기-액체 열교환기에 가용한 공기 유동을 증대시키기 위하여 제공된 하나 이상의 팬(fan)을 더 포함하는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  11. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 공기-액체 열교환기가 상기 차량의 전방에 제공된, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  12. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 공기-액체 열교환기가 상기 차량의 후방에 제공된, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  13. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각되어야 하는 배출 시스템, 상기 적어도 하나의 공기-액체 열교환기, 및 상기 적어도 하나의 액체-액체 열교환기는 냉각 액체가 순환하는 도관들을 이용하여 모두 직렬로 연결된, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  14. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 액체는, 상기 냉각되어야 하는 배출 시스템, 상기 적어도 하나의 공기-액체 열교환기, 및 상기 적어도 하나의 액체-액체 열교환기의 직렬 연결에 의하여 형성되는 폐쇄 회로 내에 포함되고 재순환하는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  15. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체-액체 열교환기는 차량 외부로부터의 원수(raw water)를 이용하여 냉각되는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 원수는 외부의 원수 공급원(raw water source)로부터 유인되고, 사용 후 차량 외부의 원수 공급원으로 되돌려 보내지는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 원수는 액체-액체 열교환기 내로 양수되고, 액체-액체 열교환기를 통과하며, 액체-액체 열교환기로부터 배출되는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 원수는 수륙양용 차량에 제공된 제트 드라이브 수상 추진 수단(jet drive marine propulsion means)의 가압된 측으로부터 공급되는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  19. 제 1 항 내지 제 15 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 액체-액체 열교환기는 적어도 부분적으로 수륙양용 차량의 외 부 선체 표면을 이용하여 형성된, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 액체-액체 열교환기에 사용된 수륙양용 차량의 외부 선체 표면은 우수한 열전도체로 형성된, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 수륙양용 차량의 외부 선체 표면은 알루미늄으로 이루어진, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  22. 제 19 항 내지 제 21 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 액체는 상기 선체의 내부 표면에 접촉하고, 수상 모드에서 작동하는 차량의 선체의 외부 표면에 존재하는 외부 원수 공급원에 의하여 냉각되는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  23. 제 19 항 내지 제 22 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체-액체 열교환기의 냉각을 위하여 필요하고 사용되는 원수 공급원은 차량의 외부에 유지되는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  24. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 액체-액체 열교환기가 우회될 수 있는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  25. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 액체-액체 열교환기는 적어도 부분적으로 수상 추진 수단의 구성요소를 이용하여 형성된, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  26. 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서,
    상기 수상 추진 수단은 제트 드라이브로 이루어진, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  27. 제 25 항에 있어서,
    적어도 하나의 액체-액체 열교환기는, 수상 추진 수단을 넘어서 그리고/또는 수상 추진 수단을 통하여 통과하는 원수를 이용하여 냉각되는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  28. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    배출 시스템의 추가적인 냉각은, 상기 배출 시스템을 통과하고 그로부터 배출되는 배출 가스(exhaust gas)의 배출 흐름(exhaust stream)으로 직접 원수를 주입함으로써 제공되는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  29. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 추가적으로 다른 열 발생원을 냉각시키는 데에 사용되는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 다른 열 발생원은 수상 추진 수단, 원동기, 및/또는 제동 구성요소를 포함하는, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  31. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 있어서,
    각 열교환기는 공유된 냉각 액체를 갖는 공동 회로에 제공된, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  32. 제 1 항 내지 제 30 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    각 열교환기는 개별적인 회로에 제공된, 육상 및 수상 모드에서 작동가능한 수륙양용 차량의 배출 냉각 시스템.
  33. 앞선 청구항들 중의 어느 한 항에 청구된 배출 냉각 시스템의, 활수용 수륙양용 차량에서의 사용.
  34. 제 1 항 내지 제 32 항 중의 어느 한 항에 청구된 배출 냉각 시스템의, 하나 이상의 들여질 수 있는(retractable) 바퀴를 갖는 활수용 수륙양용 차량(planing amphibious vehicle)에서의 사용.
  35. 첨부된 도면들을 참조로 하여 앞서 설명되거나 첨부된 도면들에 도시된 바와 실질적으로 같은 배출 냉각 시스템.
  36. 첨부된 도면들을 참조로 하여 앞서 설명되거나 첨부된 도면들에 도시된 바와 실질적으로 같은 배출 냉각 시스템의 사용.
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