KR20120001428A - 차량의 배기열 회수장치 - Google Patents

Abstract

배기가스의 흐름을 보다 확실하게 제어할 수 있도록, 배기가스가 유입되는 입구와 배기가스가 유출되는 출구를 포함하는 케이스와, 상기 케이스 내부에 구비되어 배기가스와의 열교환이 이루어지는 열교환부, 상기 케이스의 입구와 출구 사이에 연결되어 배기가스를 열교환부를 거치지 않고 바이패스시키기 위한 바이패스관, 상기 바이패스관에 형성되어 배기가스를 열교환부로 유입하기 위한 유입공과 열교환부를 지난 배기가스를 출구쪽으로 배출하는 배출공, 상기 바이패스관에 설치되어 바이패스관을 개폐하는 가변밸브, 상기 가변밸브의 작동에 의한 바이패스관 개폐시 상기 유입공을 선택적으로 차단하기 위한 차단부를 포함하는 차량의 배기열 회수장치를 제공한다.

Description

차량의 배기열 회수장치{HEAT EXCHANGER FOR EXHAUST HEAT WITHDRAWAL OF VEHICLE}

본 발명은 배기열을 회수하기 위한 열교환기에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 배기가스의 흐름을 제어하여 배기열 회수량을 조절할 수 있도록 된 차량의 배기열 회수장치에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 배기가스와 냉각수를 열교환시켜, 고온의 배기가스의 온도를 낮추고 저온의 냉각수의 온도를 높임으로써 배기열을 회수한다. 이러한 열교환기를 통해 회수된 열은 차량의 필요한 곳으로 보내져 윤활유의 가열 또는 엔진의 승온(fast warm-up)이나 난방 등에 사용된다.

상기 열교환기는 냉각수와의 열교환이 이루어지는 열교환부를 구비한다. 배기가스는 열교환부를 지나면서 냉각수와 열교환된다. 열 회수가 불필요한 경우, 열교환기는 유로를 전환하여 배기가스를 열교환부로 경유시키지 않고 바로 바이패스시키게 된다.

예를 들어, 배기열을 회수하여 윤활유를 가열하는 구조의 경우, 윤활유 가열이 필요한 경우에는 배기가스를 열교환부로 경유시키고, 윤활유가 적정온도로 가열된 후에는 배기가스를 바이패스시켜 윤활유의 온도가 더 높아지지 않도록 한다.

그런데, 종래의 열교환기는 배기가스를 바이패스시키는 경우, 일부의 배기가스가 여전히 열교환부로 유입되어 문제가 발생된다.

즉, 저온시나 초기 시동시에는 고온의 배기가스가 열교환부로 공급되어 냉각수와 열교환된다. 온도가 상승한 냉각수는 윤활유의 온도를 높이게 된다. 윤활유는 저온시 점도가 높아 변속기나 엔진의 운동부로 공급되었을 때 마찰을 증가시키게 된다. 온도 상승된 냉각수에 의해 가열된 윤활유는 변속기의 마찰을 줄일 수 있게 된다.

윤활유는 너무 가열되면 변성이 생겨 윤활 역할을 제대로 수행하지 못하게 된다. 이에 고온시나 가속시에는 배기가스를 바이패스시켜 열교환부를 경유하지 않도록 한다. 따라서 배기가스와 냉각수 사이에 열교환이 일어나지 않아 냉각수가 저온으로 유지되고 윤활유는 저온의 냉각수에 의해 쿨링될 수 있다. 그런데, 상기와 같이 종래의 열교환기는 배기가스를 바이패스시킨 경우에도 배기가스가 열교환부로 유입되어 냉각수와 열교환된다. 이에 냉각수의 온도가 계속 높아져 고온의 윤활유를 냉각하는 역할을 제대로 수행하지 못하게 된다.

이에, 배기가스의 흐름을 보다 확실하게 제어할 수 있도록 된 차량의 배기열 회수장치를 제공한다.

이를 위해 본 장치는 배기가스가 유입되는 입구와 배기가스가 유출되는 출구를 포함하는 케이스와, 상기 케이스 내부에 구비되어 배기가스와의 열교환이 이루어지는 열교환부, 상기 케이스의 입구와 출구 사이에 연결되어 배기가스를 열교환부를 거치지 않고 바이패스시키기 위한 바이패스관, 상기 바이패스관에 형성되어 배기가스를 열교환부로 유입하기 위한 유입공과 열교환부를 지난 배기가스를 출구쪽으로 배출하는 배출공, 상기 바이패스관에 설치되어 바이패스관을 개폐하는 가변밸브, 상기 가변밸브의 작동에 의한 바이패스관 개폐시 상기 유입공을 선택적으로 차단하기 위한 차단부를 포함할 수 있다.

상기 열교환부는 바이패스관을 감싸며 설치되고 내부로 냉각수가 유통되는 냉각수 챔버와 냉각수 챔버를 관통하여 설치되어 상기 케이스의 입구와 출구에 연통되는 복수개의 배기가스관을 포함할 수 있다.

상기 열교환부는 냉각수 챔버 둘레를 따라 설치되고 내부로 윤활유가 유통되어 냉각수와 윤활유의 열교환을 위한 윤활유 챔버를 더 포함할 수 있다.

상기 윤활유 챔버는 상기 냉각수 챔버 내부에 바이패스관에서 이격되어 설치될 수 있다.

상기 차단부는 바이패스관 내부에 슬라이딩가능하게 설치되어 유입공을 개폐하는 슬라이딩관을 포함할 수 있다.

상기 차단부는 상기 가변밸브와 상기 슬라이딩관을 연결하는 로드를 더 포함하여, 슬라이딩관이 가변밸브에 연동되어 구동되는 구조일 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 장치에 의하면, 배기열의 회수를 선택적으로 조절하여 배기열을 보다 효율적으로 사용할 수 있게 된다.

또한, 저온이나 초기 시동시는 배기열 회수를 통해 윤활유의 온도를 높여 연비를 개선하고, 고온이나 고속 주행시에는 배기열의 효율적인 냉각을 통해 연비를 개선할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기열 회수장치를 도시한 개략적인 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기열 회수장치를 도시한 평단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기열 회수장치의 작동 상태를 도시한 개략적인 측단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하 설명에서는 냉각수를 통해 배기열을 회수하여 변속기의 윤활유를 가열 냉각하는 회수장치를 예로서 설명한다. 물론, 본 장치는 이에 한정되지 않으며, 냉각수를 통해 회수된 배기열을 이용하는 모든 설비에 적용가능하다 할 것이다.

도 1은 본 실시예에 따른 배기열 회수장치의 내부를 개략적으로 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 회수장치(10)는 케이스(12)와, 케이스(12)를 관통하며 유입공(16)과 배출공(18)이 형성된 바이패스관(14), 바이패스관(14) 외주부에 배치되는 열교환부(20), 바이패스관(14)에 설치되어 배기가스의 경로를 전환하는 가변밸브(30)를 포함한다.

또한, 본 장치(10)는 상기 바이패스관(14)의 유입공(16)을 선택적으로 차단하는 차단부를 더 포함한다. 상기 차단부는 유입공(16)을 막아 배기가스를 모두 바이패스관(14)으로만 흐르도록 한다.

이에 차단부에 의해 유입공(16)이 개방되고 가변밸브(30)가 닫힌 경우에는 배기가스는 열교환부(20)를 지나며 열교환되어 배기열이 회수된다. 그리고 유입공(16)이 막혀 바이패스관(14)을 통해 열교환부(20)를 거치지 않고 바로 배출되는 경우 배기열의 회수가 이루어지지 않게 된다.

여기서 상기 케이스(12)는 본 장치(10)의 외형을 이루며, 배기가스가 지나는 관로(도시되지 않음)에 설치되거나 바이패스관(14) 외측면에 기밀을 유지하며 설치된다.

상기 케이스(12)의 일측단에는 배기가스가 유입되는 입구(11)가 형성되며, 반대쪽 선단에는 배기가스가 배출되는 출구(13)가 형성된다. 본 실시예에서 상기 입구(11)와 출구(13)는 바이패스관(14)의 양단과 연통된다. 이에 입구(11)로 유입된 배기가스는 경로가 열교환부를 거치지 않도록 설정된 경우 바이패스관(14)을 지나 바로 출구(13)로 배출된다.

본 실시예에서 상기 바이패스관(14)은 배기가스를 바로 배출할 수 있고 유로 내에 열교환부가 위치하지 않도록 장치(10) 중앙에 배치되어 배기가스가 지나는 관로에 직결된다.

상기 바이패스관(14)은 케이스(12)의 입구쪽 선단에 케이스(12) 내부와 연통되는 유입공(16)이 형성된다. 또한, 바이패스관(14)의 케이스(12) 출구쪽 선단에는 케이스(12) 내부와 연통되는 배출공(18)이 형성된다. 상기 유입공(16)과 상기 배출공(18)은 바이패스관(14)의 둘레를 따라 형성될 수 있다.

상기 바이패스관(14)과 케이스(12) 사이에는 열교환부(20)가 설치된다. 이에 바이패스관(14)의 유입공(16)을 통과한 배기가스는 열교환부(20)를 거쳐 열교환 된 후 배출공(18)을 통해 빠져나가게 된다.

상기 가변밸브(30)는 바이패스관(14)의 선단쪽 정확하게는, 배기가스 진행방향에 대해 배출공(18)보다 앞쪽에 설치되어 바이패스관(14)의 관로를 개폐한다. 이에 배기가스의 진행 경로가 열교환부(20)나 바이패스관(14)으로 선택적으로 전환된다.

상기 가변밸브(30)는 관로를 개폐하는 통상의 밸브 구조물로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 가변밸브(30)는 힌지축으로 회동되는 판구조물로이거나 원판형태의 트로틀밸브 구조일 수 있다. 상기 가변밸브(30)는 별도의 구동수단과 연결되어 기계적으로 개폐작동될 수 있다. 상기 가변밸브(30)의 구조나 가변밸브(30)를 동작시키기 위한 구동수단에 대해서는 특별히 한정되지 않는다.

상기 열교환부(20)는 상기 케이스(12) 내부에 구비되어 배기가스와의 열교환이 이루어진다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 상기 열교환부(20)는 바이패스관(14)을 감싸며 설치되고 내부로 냉각수가 유통되는 냉각수 챔버(22)와 냉각수 챔버(22)를 관통하여 케이스(12) 내부와 연통되도록 설치되어 상기 케이스(12)의 입구(11)와 출구(13)에 연결되는 복수개의 배기가스관(24)을 포함한다.

상기 냉각수 챔버(22)는 원통형태로 일측에는 냉각수 순환을 위한 유입구(21)와 배출구(23)가 형성된다. 상기 배기가스관(24)은 원통형태의 냉각수 챔버(22)를 따라 간격을 두고 연속적으로 배치된다.

본 실시예에서 상기 냉각수 챔버(22) 내부에는 냉각수와 윤활유의 열교환을 위한 윤활유 챔버(26)가 설치된다. 상기 윤활유 챔버(26)는 원통형태로 일측에는 윤활유 순환을 위한 유입구(27)와 배출구(28)가 형성되며, 냉각수 챔버(22) 내부에서 바이패스관(14)과 이격되어 바이패스관(14)의 둘레를 따라 설치된다.

도 2에 도시된 바와 같이 상기 윤활유 챔버(26)는 냉각수 챔버(22) 중심쪽에 위치하며, 윤활유 챔버(26)를 기준으로 양쪽에 배기가스관(24)이 배치된다.

이에 배기가스관(24)을 지나는 배기가스의 열은 냉각수 챔버(22) 내의 냉각수와 열교환되고, 냉각수의 열은 냉각수 챔버(22) 내부에 설치된 윤활유 챔버(26) 내의 윤활유와 열교환된다.

한편, 상기 차단부는 상기 가변밸브(30) 개폐시 상기 유입공(16)을 선택적으로 차단하게 된다.

이를 위해 본 실시예의 차단부는 바이패스관(14) 내부에 슬라이딩가능하게 설치되어 유입공(16)을 개폐하는 슬라이딩관(40)을 포함한다. 상기 슬라이딩관(40)은 대략 바이패스관(14)의 내경과 대응되는 외경으로 이루어져 바이패스관(14)과 기밀을 유지한 상태로 슬라이딩가능하게 설치된다. 또한, 상기 슬라이딩관(40)의 폭은 유입공(16)을 충분히 가릴 수 있는 정도로 형성될 수 있다.

본 실시예에서 상기 슬라이딩관(40)은 상기 가변밸브(30)에 로드(42)를 매개로 연결되어 가변밸브(30)에 연동되어 구동되는 구조로 되어 있다.

상기 로드(42)는 슬라이딩관(40)을 왕복 이동시킬 수 있도록 강성을 갖는 바 구조물로 이루어진다. 상기 로드(42)는 양 선단이 슬라이딩관(40)과 가변밸브(30)에 각각 힌지결합될 수 있다.

이하 본 장치의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 1은 저온시나 초기 시동시 배기열을 회수를 위한 배기가스의 흐름 상태를 예시하고 있으며, 도 3는 고온시나 고속 주행시 윤활유 냉각을 위해 배기가스의 흐름 상태를 전환한 상태를 예시하고 있다.

저온시나 초기 시동시에는 바이패스관(14)은 가변밸브(30)에 의해 닫혀진 상태가 된다. 가변밸브(30)가 닫혀짐에 따라 가변밸브(30)에 로드(42)를 매개로 연결되어 있는 슬라이딩관(40)이 밀려 이동된다. 이에 바이패스관(14)에 형성된 유입공(16)이 개방된 상태가 된다.

이 상태에서 케이스(12) 입구(11)를 통해 유입된 배기가스는 닫혀진 가변밸브(30) 때문에 바이패스관(14)으로 흐르지 못하고 유입공(16)을 통해 케이스(12) 내부에 배치된 열교환부(20)로 유입된다. 즉, 배기가스의 흐름이 열교환부(20)쪽으로 유도된다.

유입공(16)을 통해 열교환부(20)로 유입된 배기가스는 배기가스관(24)을 지난 후 배출공(18)을 통해 출구(13)로 빠져나간다. 이 과정에서 배기가스의 고열은 열교환부(20)의 냉각수 챔버(22)를 흐르는 냉각수와 열교환된다. 열교환을 통해 냉각수의 온도는 상승하고, 이 냉각수의 열은 냉각수 챔버(22) 내부에 설치된 윤활유 챔버(26) 내의 윤활유로 열전달되어 최종적으로 윤활유의 온도를 상승시킨다. 따라서 윤활유의 온도가 높아져 엔진 및 변속기의 마찰을 감소시켜 연비를 개선할 수 있게 된다.

한편, 고온시나 고속 주행시에는 윤활유의 온도가 높아지므로 윤활유를 냉각시킬 필요가 있다. 이에 본 장치(10)의 가변밸브(30)가 개방작동되어 배기가스의 흐름을 전환시키게 된다. 즉, 배기가스의 흐름이 바이패스관(14)쪽으로 유도된다.

가변밸브(30)가 개방작동되면 닫혀져 있던 바이패스관(14)이 열리게 된다. 이와 동시에 가변밸브(30)에 로드(42)를 매개로 연결되어 있는 슬라이딩관(40)이 당겨져 가변밸브(30)의 움직임에 연동되어 이동하게 된다. 이에 바이패스관(14)에 형성된 유입공(16)이 슬라이딩관(40)에 의해 닫혀져 유입공(16)을 통해 배기가스 유로가 차단된다.

케이스(12) 입구(11)를 통해 유입된 배기가스는 개방된 바이패스관(14)을 통해 바로 출구(13)로 빠져나가게 된다. 상기 유입공(16)은 슬라이딩관(40)에 의해 막혀져 있기 때문에 배기가스는 유입공(16)을 통해 열교환부(20)로 유입되지 않고 모두 바이패스관(14)을 따라 흐르게 된다.

이와 같이 배기가스가 열교환부(20)를 거치지 않고 바로 바이패스관(14)을 통해 흘러나가게 되어, 냉각수 챔버(22) 내의 냉각수와 배기가스 간에 열교환이 일어나지 않게 된다. 이에 냉각수는 온도를 저온으로 유지할 수 있고, 윤활유 챔버(26) 내의 윤활유는 저온의 냉각수와 열교환되어 적정 온도로 낮출 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 회수장치 12 : 케이스
14 : 바이패스관 16 : 유입공
18 : 배출공 20 : 열교환부
22 : 냉각수 챔버 24 : 배기가스관
26 : 윤활유 챔버 30 : 가변밸브
40 : 슬라이딩관 42 : 로드

Claims (6)

1. 배기가스가 유입되는 입구와 배기가스가 유출되는 출구를 포함하는 케이스와, 상기 케이스 내부에 구비되어 배기가스와의 열교환이 이루어지는 열교환부, 상기 케이스의 입구와 출구 사이에 연결되어 배기가스를 열교환부를 거치지 않고 바이패스시키기 위한 바이패스관, 상기 바이패스관에 형성되어 배기가스를 열교환부로 유입하기 위한 유입공과 열교환부를 지난 배기가스를 출구쪽으로 배출하는 배출공, 상기 바이패스관에 설치되어 바이패스관을 통한 배기가스의 흐름을 차단하는 가변밸브, 상기 가변밸브에 의한 바이패스관 개방시 상기 유입공을 선택적으로 차단하기 위한 차단부를 포함하는 차량의 배기열 회수장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 열교환부는 바이패스관을 감싸며 설치되고 내부로 냉각수가 유통되는 냉각수 챔버와 냉각수 챔버를 관통하여 설치되어 상기 케이스의 입구와 출구에 연통되는 복수개의 배기가스관을 포함하는 차량의 배기열 회수장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 열교환부는 냉각수 챔버 둘레를 따라 설치되고 내부로 윤활유가 유통되어 냉각수와 윤활유의 열교환을 위한 윤활유 챔버를 더 포함하는 차량의 배기열 회수장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 윤활유 챔버는 상기 냉각수 챔버 내부에 바이패스관에서 이격되어 설치되는 차량의 배기열 회수장치.
5. 제 1 항 또는 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 차단부는 바이패스관 내부에 슬라이딩가능하게 설치되어 유입공을 개폐하는 슬라이딩관을 포함하는 차량의 배기열 회수장치.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 차단부는 상기 가변밸브와 상기 슬라이딩관을 연결하는 로드를 더 포함하여, 슬라이딩관이 가변밸브에 연동되는 구조의 차량의 배기열 회수장치.

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