KR20080038394A - 배기가스 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 열교환기에 관한 것이다. 본 발명에 따르는 배기가스 열교환기는 배기가스 튜브들, 바이패스 덕트 및 하우징으로 이루어져 있으며, 여기서 하우징은 수성의 냉각제가 가로질러 흐를 수 있다. 튜브들의 번들(bundle)과 바이패스 덕트는 공통의 배기가스 입구에 참여하고, 이 경우에 배기가스밸브는 튜브번들(bundle) 또는 바이패스 덕트를 통과하여 흐르는 배기가스를 제어하기 위하여 배치된다. 본 발명에 따르면, 바이패스 덕트는 특별한 강철 튜브(10)로서 구현되고, 강철 튜브(10)는 케이싱(11)을 포함하며, 케이싱(11)은 고온 저항 플라스틱으로 만들어지며, 냉각제가 가로질러 흐를 수 있는 하우징이 배치된다.

Description

배기가스 열교환기{EXHAUST GAS HEAT EXCHANGER}
본 발명은 청구항1의 서문(preamble)에 따르는 배기튜브들로 이루어진 튜브번들(tube bundle)과 바이패스 덕트(bypass duct)를 갖는 배기가스 열교환기에 관한 것이다.
배기가스 열교환기는, 특히 자동차 분야에서, 배기가스 히터들로서, 소위 추가의 히터들 또는 배기가스 냉각기로서 알려져 있다. 출원인의 DE-A 199 62 863에는, 소비-최적화 엔진(consumption-optimized engine)의 열 손실을 보상하기 위하여, 소비-최적화 엔진을 구비한 자동차에 추가의 히터로서 사용될 수 있는 배기가스 열교환기가 개시되어 있다. 배기가스는 배기가스 튜브들로 이루어진 튜브번들을 매개로 하여 냉각제로 열을 방산한다. 여기서, 냉각제는 자동차 히터의 가열본체(heating body)를 통과하여 흐른다. 배기가스의 열이 더 이상 요구되지 않는 경우에, 배기가스 밸브는 배기가스 튜브들로부터 열적으로 격리된 바이패스 덕트를 통과하여 흐르는 배기가스 흐름을 어떤 가열 효과를 극도로 억누르는 파티션에 의하여 바꾼다. 배기가스 튜브들은 냉각제가 가로질러(traversed) 흐를 수 있는 하우징 내에 배치되고, 반면에 바이패스 덕트는 독립적이며 열적으로 격리된 공간에 수용된다. 이러한 해결방안의 장점은 배기가스 튜브들과 바이패스 덕트의 집 적(integeration)이고; 단점은 바이패스 덕트의 공간-소비 단열(space-consuming thermal insulation)이다.
DE-A 102 03 003은 배기가스 재순환 시스템(exhaust gas recirculation system; EGR system)에서 배기가스 냉각제로서 현저하게 사용될 수 있는 배기가스 열교환기가 개시되어 있다. 여기서, 배기가스는 내부 연소 엔진의 배기가스라인으로부터 추출되고, 냉각제 회로의 냉각제에 의하여 배기가스 냉각기에서 냉각되고, 완벽한 연소를 위하여 상기 엔진으로 다시 공급된다. 여기서, 냉각의 목적을 위하여 튜브번들을 통과하여 또는 비냉각(non-cooling)의 경우에 바이패스 덕트를 통과하여 이행되는 배기가스흐름과 함께, 바이패스 덕트는 배기가스튜브들로 이루어진 튜브번들에 평행하게 연결된다.
본 발명의 목적은, 도입부분에 구체적으로 개시된 형태의 배기가스 열교환기에서, 단열(thermal insulation)을 향상시키고 간소화하며 가능한 공간-절감(space-saving) 방법으로서 후자를 구성시키도록 하는 것이다.
상기 목적은 청구항1의 특징들에 의하여 달성된다. 본 발명에 따르면, 배기가스튜브들과 바이패스 덕트는 냉각제가 가로질러(traversed) 흐를 수 있는 하우징에 배치되고, 바이패스 덕트는 플라스틱 케이싱에 의하여 열적으로 격리되어 있다. 상대적으로 높은 배기가스온도 때문에, 플라스틱은, 예를 들어 PTFE 또는 PI, 높은 온도에 대하여 저항력을 갖는다. 이런 방법으로, 파티션(partition)을 갖는 두 개의 독립된 공간을 생략하는 것이 가능하고, 아주 작은 설치 공간에서 효과적인 단열이 얻어진다. 따라서 바이패스 덕트는 배기가스튜브의 정면 주변에(direct vicinity) 배치될 수 있고, 이에 따라 이들 주위에 냉각제가 흐르도록 하며, 상기 바이패스 덕트와 함께, 이의 단열 때문에, 뜨거운 배기가스에 의하여 가로질러질(traverse) 때 열이 냉각제로 공급되지 않거나 아주 작은 열만이 냉각제로 공급된다.
본 발명의 추가적인 이로운 실시예에서, 바이패스 덕트는 고-등급 강철 튜브로서 구현되고, 바람직하게 타원형의 단면을 갖는, 즉 배기가스튜브들로 이루어진 튜브번들을 매칭한다(matching). 고-등급 강철 튜브의 격벽 두께는 거이 0.4mm이고, 그래서 튜브 플레이트(tube plate)에 대한 용접 또한 가능하다.
본 발명의 하나의 이로운 개선점으로, 플라스틱 케이싱이 고-등급 강철 튜브의 길이보다 다소 짧으며, 그래서 플라스틱 케이싱은 튜브 플레이트에 대한 고-등급 강철 튜브의 용접 동안 열적으로 손상되지 않는다. 용접은 바람직하게 레이져 빔에 의하여 이루어지고, 그래서 트뷰/플레이트 연결 영역에서 국부적으로 아주 제한된 부분만이 가열된다.
본 발명의 하나의 이로운 개선점으로, 소위 가스제거 구멍들이 플라스틱 케이싱에 배치되고, 바람직하게 케이싱의 상부면과 하부면에 배치된다. 고-등급 강철 튜브의 외부면과 플라스틱 케이싱의 내부면 사이에 약간의 간격이 발생되며, 이 간격은 냉각제로 채워지고 냉각제는 높은 배기가스 온도의 결과로서 증발되도록 야기된다. 이런 방법으로 발생된 냉각제 증기는 한편으로 단열효과를 가지며, 그러나 다른 한편으로 손상을 방지하기 위해 가스제거 구멍들을 통하여 밖으로 방출된다.
본 발명의 하나의 이로운 개선점으로, 플라스틱 케이싱의 격벽 두께는 대략 1.5mm이다. 이는 아주 작은 설치 공간에서 효과적인 단열의 장점의 결과는 낳는다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예는 도면에 도시되어 있고 아래에 더욱 구체적으로 설명되어 있다.
도1은 배기가스 냉각기의 사시도를 나타내고 있고,
도2는 도1에 따르며 배기 플랩(exhaust flap)을 갖는 배기가스 냉각기의 단면도를 나타내며,
도3은 배기가스 냉각기용 플라스틱으로 싸여진(plastic-encased) 바이패스 덕트를 나타낸다.
도1은 자동차 엔진용 배기가스 재순환 시스템을 위한 공지의 배기가스 냉각기(1)를 나타낸 것이다. 배기가스 냉각기(1)는 DE-A 102 03 003에 더욱 구체적으로 개시되어 있으며, DE-A 102 03 003는 본 출원의 공개내용에 모두 포함된다. 배기가스 냉각기(1)는 실질적으로 배기가스튜브들(3)로 이루어진 튜브번들(2)과 바이패스 덕트(4)를 포함하며, 이들은 튜브 플레이트(5) 내의 단측(end side)에서 용접되어 있다. 반대의 튜브 플레이트(미도시)도 동일한 디자인이고, 즉 배기가스 튜브들(3)과 바이패스 덕트(4)가 용접되어 밀봉되어 있다. 튜브플레이트들 사이에 배치된 것은 하우징(6)이고, 하우징(6)은 하우징 연결부들(6a, 6b)을 가지며, 하우징 연결부들(6a, 6b)은 자동차의 내부 연소 엔진의 냉각제 회로(coolant circuit, 미도시)에 연결되어 있다. 배기가스 냉각기(1)의 모든 부분들은 바람직하게 고-등급 강철로 생산된다.
도2는 하우징(6)을 갖는 배기가스 냉각기(1)를 관통하는 길이방향 단면도를 나타낸다. 하우징(6)은 배기가스입구연결파이프(7)를 형성하도록 튜브플레이트(5)를 넘어 연장되어 있으며, 배기가스입구연결파이프(7)는 배기가스입구영역(8)을 형성한다. 배기가스 흐름의 입구는 화살표A에 의하여 도시되어 있다. 배기가스입구영역(8)에서 튜브플레이트(5)의 바로 상류에 배치된 것은 선회가능한 플랩(9)이고, 선회가능한 플랩(9)은 두 개의 폐쇄면들(9a, 9b)을 가지며, 두 개의 폐쇄면들(9a, 9b)은 일정한 각도로 배치되어 있고 선회축(9c, pivot axis)에 대하여 선회가능하다. 배기가스플랩(9)의 위치는 가동모터(미도시)에 의하여 구동된다. 도시된 배기가스플랩의 위치에서, 배가기스튜브들(3)이 폐쇄되고, 반면에 바이패스 덕트(4)의 단면은 모두 개방된다. 배기가스플랩의 다른 위치에서(미도시), 림(9a, limb)은 바이패스 덕트(4)를 폐쇄하고, 동시에 배기가스튜브들(3)의 단면은 개방되며, 하우징(6)을 통과하여 흐르는 냉각제에 의하여 배기가스의 냉각이 효과를 발휘한다. 도1과 도2에 도시된 두 개의 도면은 - 언급한 바와 같이 - 앞서 언급한 선행기술에 따르는 것이며, 특히 바이패스 덕트(4)의 다지인은 앞서 언급한 선행기술에 대응한다.
도3은 본 발명에 따르는 싸여진(encased) 바이패스 덕트(10)를 나타내는 것으로, 싸여진 바이패스 덕트(10)는 도1 및 도2의 선행기술에 따르는 바이패스 덕트(4)를 대체한다. 바이패스 덕트(10)는 고-등급 강철로부터 제조되고, 예를 들어, 0.4mm 재료 두께를 가지며, 단면이 공지의 바이패스 덕트에 대응한다(배기가스튜브(3)와의 관계에서). 바이패스 덕트(10)의 단면은, 도면으로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 타원형이고, 즉 두 개의 평탄한 측면과 두 개의 둥근 좁은 측면을 갖는다. 바이패스 덕트(10)는 케이싱(11)에 의하여 에워싸여져 있고, 케이싱(11)은, 예를 들어 PTFE 또는 PI와 같은, 고온 저항 플라스틱으로 이루어져 있다. 그리고, 케이싱(11)은 바이패스 덕트(10)의 외부면에 대하여 프레스핏(press fit) 또는 클로우즈 슬라이딩 핏(close sliding fit)으로 바이패스 덕트(10)를 단단히 지탱하고 있다. 케이싱(11)은 바이패스 덕트의 전체 겉면을 에워싸고; 그러나, 길이에 관하여 케이싱(11)은 바이패스 덕트(10)보다 더 짧고, 바이패스 덕트(10)는 각각의 경우에 단측(end side)에서 케이싱(11)에 대하여 돌출길이(
Figure 112008016570719-PCT00001
)를 갖는다. 상기 돌출길이(
Figure 112008016570719-PCT00002
)는 생산의 이유상 마련된 것으로, 바이패스 덕트(10)의 단측(end side)이 튜브 플레이트로 꽂아지고, 그곳을 용접하기 때문이다. 용접 동안, 플라스틱 케이싱(11)의 어떤 용납할 수 없는 열도 발생하지 말아야 한다. 용접된 연결부위는 바람직하게 레이져 용접에 의하여 형성되고, 그래서 국부적으로 강하게 제한된 열의 발생이 예상된다. 이에 따라, 플라스틱 케이싱(11)은, 바이패스 덕트(10)의 설치된 상태로, 튜브플레이트에 거이 똑바로 연장되며, 이에 따라 플라스틱 케이싱(11)에 의하여 바이패스 덕트(10)의 사실상 완벽한 단열이 얻어진다. 플라스틱 케이싱의 재료 두께는 대략 1.5mm이다. 플라스틱 케이싱(11)은 압출성형된 플라스틱튜브와 같이 단일제품으로 형성될 수 있고 또는 도면에 도시된 바와 같이 두 개의 하프-셀(11a, 11b, half-shell)로부터 생산될 수 있다. 두 부분 설계의 경우, 두 개의 하프-셀(11a, 11b)은 길이 측면에서, 즉 바이패스 덕트(10)의 좁은 측면에서, 플랜지(11c)에 의하여 서로 연결된다. 복수의 가스제거 구멍(12)은 대략 2mm의 직경을 가지며 플라스틱 케이싱(11)의 상부 및 하부 하프-셀(11a, 11b)에 배치된다. 가스제거 구멍(12)은 플라스틱 케이싱(11)과 바이패스 덕트(10) 사이의 간격(미도시)에 연결을 생성하며, 이런 간격은 배기가스 냉각기의 작동 동안 냉각제로 가득 차 있다. 냉각제는 뜨거운 배기가스가 바이패스 덕트(10)를 통과하여 흐를 때 증발한다. 냉각제 증기는 가스제거 구멍(12)을 통과하여 밖으로 방출될 수 있고, 이는 플라스틱 케이싱(11) 내에서 극도로 높은 압력이 형성되는 것을 방지한다. 동시에, 추가의 단열이 플라스틱 케이싱(11)과 바이패스 덕트(10) 사이의 간격에서 상기 냉각제의 증발에 의하여 생성된다.
바이패스 덕트를 단열하기 위하여 하우징(6) 내에 필요한 파티션이 없이도, 본 발명에 따르는 바이패스 덕트(10)의 디자인에 의하여, 즉 플라스틱 케이싱(11)에 의하여, 케이싱(11)을 갖는 바아패스 덕트(10)와 배기가스튜브(3)가 함께 하우징(6) 내에 배치되고, 상기 하우징(6)은 냉각제가 가로질러(traverse) 흐를 수 있다. 이는 효과적인 단열과 동시에 공간-절감 디자인의 결과를 낳는다.

Claims (11)

  1. 배기가스 열교환기에 있어서,
    배기가스 튜브들(3)로 이루어진 튜브번들(2)과, 바이패스 덕트(4)와, 냉각제가 가로질러(traversed) 흐를 수 있는 하우징(6)을 포함하고,
    상기 튜브번들(2)과 상기 바이패스 덕트(4)의 개방은 공통의 배기가스 입구 영역(8)을 이루고,
    상기 바이패스덕트(4)를 통과하여 또는 상기 튜브번들(2)을 통과하여 흐르는 배기가스흐름(A)을 제어하기 위한 배기가스밸브(9)가 상기 공통의 배기가스 입구 영역(8)에 배치되어 있으며,
    상기 바이패스 덕트는 높은 온도 저항 플라스틱으로 이루어진 케이싱(11)을 갖는 고-등급 강철 튜브(10)로 구현되어 있고, 냉각제가 가로질러(traversed) 흐를 수 있는 하우징(6) 내에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고-등급 강철 튜브(10)의 단면은 타원형인 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고-등급 갈철 튜브(10)는 대략 0.4mm의 격벽 두께를 갖는 것을 특징으 로 하는 배기가스 열교환기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기가스 입구 영역(8)과 배기가스 출구 영역에 튜브플레이트(5)가 배치되고, 상기 고-등급 강철 튜브(10)의 단부들은 상기 튜브플레이트(5)에 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이싱(11)은 상기 고-등급 강철 튜브(10)보다 더 짧고, 상기 고-등급 강철 튜브(10)는 단측(end side)에서 돌출길이(
    Figure 112008016570719-PCT00003
    )를 갖는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이싱(11)은 상기 튜브플레이트(5)보다 먼저 끝을 이루는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이싱(11)은 튜브로 구현되어 있고 상기 고-등급 강철 튜브(10) 상으로 밀어져 끼워질 수 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이싱(11)은 단일부품(single-piece) 튜브로 구현되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이싱(11)은 두 개의 하프셀(11a, 11b, half-shell)로부터 조립되는 튜브로 구현되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이싱(11)의 격벽 두께는 대략 1.5mm인 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 케이싱에 가스제거 구멍들(12)이 배치되어 있고, 상기 가스제거구멍들(12)은 대략 2mm의 지름을 가지며 상기 케이싱의 양 평탄면 상에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
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