KR20120039303A - 배기열을 이용한 과열증기발생장치 - Google Patents

배기열을 이용한 과열증기발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 과열증기발생장치는 자동차의 배기파이프 상에 설치되는 하우징; 상기 하우징 내에 설치되고, 상기 하우징의 중심부 상에 그 축선방향으로 배치되는 인너셀; 상기 내측파이프의 내주면에 배치되는 내주핀; 상기 내측파이프의 외주면에 배치되는 나선형 구조의 유체관; 및 상기 유체관의 외주면에 배치되는 외주핀;을 포함한다.

Description

배기열을 이용한 과열증기발생장치{SUPER HEATER USING THE HEAT OF EXHAUST GAS}
본 발명은 차량에 이용되는 과열증가발생장치로서, 보다 상세하게는 차량에서 배출되는 배기열을 회수하여 과열증기를 발생시키는 과열증기발생장치에 관한 것이다.
널리 주지된 바와 같이, 자동차는 차체에 장착된 엔진 등과 같은 동력원을 이용하여 노상?산야 등에서 주행하며, 사람이나 화물을 운반하거나 각종 작업을 하는 기계장치의 일종이다.
이러한 자동차는 내연기관 자동차, 전기자동차(연료전지자동차), 하이브리드자동차 등이 있다. 내연기관 자동차의 경우 석유 등이 에너지원으로 이용되고, 전기자동차의 경우에는 전기가 에너지원으로 이용되며, 하이브리드자동차는 전기와 석유가 함께 에너지원으로 이용된다.
한편, 최근의 내연기관 자동차는 연비를 향상시키기 위한 다양한 기술이 연구 및 개발되고 있다. 하지만, 공급되는 연료의 대략 30% 정도만이 출력에너지로 이용됨에 따라 연비 향상에 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 자동차의 배기열을 이용하여 과열증기를 발생시키고, 이 과열증기를 차량의 구동에 이용되는 별도의 에너지원으로 활용함으로써 자동차의 연비 및 에너지효율을 대폭 향상시킬 수 있는 배기열을 이용한 과열증기발생장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 과열증기발생장치는,
자동차의 배기파이프 상에 설치되는 하우징;
상기 하우징 내에 설치되고, 상기 하우징의 중심부 상에 그 축선방향으로 배치되는 인너셀;
상기 내측파이프의 내주면에 배치되는 내주핀;
상기 내측파이프의 외주면에 배치되는 나선형 구조의 유체관; 및
상기 유체관의 외주면에 배치되는 외주핀;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 인너셀은 환형의 제1 및 제2 홀더브라켓을 통해 상기 하우징의 내측에 하우징의 내벽면과 반경방향으로 이격되도록 설치되고, 각 홀더브라켓은 환형의 평탄부 및 상기 평탄부에 형성된 복수의 소통공을 가지며, 각 평탄부의 내주면에는 내측결합부가 각각 절곡되어 형성되고, 각 평탄부의 외주면에는 외측결합부가 각각 절곡되어 형성되며, 상기 내측결합부가 상기 인너셀의 각 단부의 외주면에 결합되고, 상기 외측결합부가 상기 하우징의 각 단부의 내주면에 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 내주핀은 원주방향으로 복수의 산 및 복수의 골이 연속된 주름진 구조로 구성되고, 상기 내주핀의 외주면이 상기 인너셀의 내주면에 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 내주핀의 적어도 어느 하나의 단부에는 폐쇄부재가 설치되고, 상기 폐쇄부재에 의해 배기가스가 상기 내주핀 및 외주핀 측으로 유도되는 것을 특징으로 한다.
상기 유체관의 내주면이 상기 인너셀의 외주면에 결합되고, 상기 유체관의 양단부에는 유체가 유입되는 입구 및 유체가 유출되는 출구가 형성되며, 상기 유체관의 입구 및 출구 각각에는 커넥터 튜브가 개별적으로 설치되고, 상기 커넥터 튜브의 단부에는 확경부가 형성되며, 상기 확경부 내에는 상기 유체관의 각 단부가 수용되어 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 하우징의 양단부에 인접하여 관통공이 각각 형성되고, 상기 각 관통공의 주변에는 보강부재가 각각 설치되고, 상기 보강부재는 하우징의 각 관통공 주변에 결합되는 결합부 및 결합부의 상부로 연장된 수용부로 구성되며, 상기 각 수용부의 내경면에는 상기 각 커넥터 튜브의 외주면이 접촉 내지 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 외주핀은 원주방향으로 복수의 산 및 복수의 골이 연속된 주름진 구조로 구성되고, 상기 외주핀의 내주면이 상기 유체관의 외주면에 결합되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 자동차의 배기열을 이용하여 과열증기를 발생시키고, 이 과열증기를 차량의 구동에 이용되는 별도의 에너지원으로 활용함으로써 자동차의 연비 및 에너지효율을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기열을 이용한 과열증기발생장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기열을 이용한 과열증기발생장치를 도시한 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기열을 이용한 과열증기발생장치를 도시한 측단면도이다.
도 4는 도 3의 A-A선을 따라 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 과열증기발생장치가 랭킨사이클에 적용된 상태를 나타낸 제1사용상태도이다.
도 6은 본 발명에 의한 과열증기발생장치가 랭킨사이클에 적용된 상태를 나타낸 제2사용상태도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기열을 이용한 과열증기발생장치를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 과열증기발생장치는 하우징(10), 하우징(10) 내에 그 축선방향으로 배치되는 인너셀(20, inner shell), 인너셀(20)의 내측에 배치되는 내주핀(30), 내측파이프의 외측에 배치되는 나선형 구조의 유체관(40), 유체관(40)의 외측에 배치되는 외주핀(50)을 포함한다.
하우징(10)은 원통형 또는 그외 다양한 형상으로 구성되고, 그 양단부는 개방되어 있다. 하우징(10)의 개방된 양단에는 입구측 콘부(11) 및 출구측 콘부(12)가 각각 결합되고, 각 콘부(11, 12)는 배기계의 배기파이프 측에 설치되며, 이에 하우징(10)은 배기계의 배기파이프 도중에 설치된다.
하우징(10)의 외주면에는 한 쌍의 관통공(13, 14)이 각각 형성되고, 각 관통공(13, 14)은 하우징(10)의 각 단부에 인접하여 형성된다. 이 관통공(13, 14)을 통해 유체관(40)의 입구(41) 및 출구(42)가 외부의 유체파이프와 소통하도록 설치될 수 있다.
인너셀(20)는 원통형 또는 그외 다양한 형상으로 구성되고, 하우징(10)의 내측에 설치된다. 특히 인너셀(20)는 하우징(10)의 중심부 상에서 하우징(10)의 축선방향으로 배치된다. 그리고, 인너셀(20)은 환형의 제1 및 제2 홀더브라켓(21, 22)을 통해 하우징(10)의 내측에 하우징(10)의 내벽면과 반경방향으로 이격되어 결합된다.
각 홀더브라켓(21, 22)은 환형의 평탄부(21a, 22a) 및 평탄부(21a, 22a)에 형성된 복수의 소통공(21b, 22b)을 가지고, 각 소통공(21b, 22b)을 통해 배기가스가 하우징(10) 내의 유체관(40) 주변으로 효과적으로 유동할 수 있다. 그리고, 각 홀더브라켓(21, 22)의 평탄부(21a, 22a)의 내주면에는 내측결합부(21c, 22a)가 각각 절곡되어 형성되고, 각 홀더브라켓(21, 22)의 평탄부(21a, 22a)의 외주면에는 외측결합부(21b, 22b)가 각각 절곡되어 형성된다. 이에 제1홀더브라켓(21)의 내측결합부(21a)가 인너셀(20)의 일측단부 외주면에 결합되고, 제1홀더브라켓(21)의 외측결합부(21b)는 하우징(10)의 일측단부 내주면에 결합된다. 그리고, 제2홀더브라켓(22)의 내측결합부(22a)가 인너셀(20)의 타측단부 외주면에 결합되고, 제2홀더브라켓(22)의 외측결합부(22b)가 하우징(10)의 타측단부 내주면에 결합된다.
내주핀(30)은 원주방향으로 복수의 산(31) 및 복수의 골(32)이 연속된 주름진 구조로 구성되고, 내주핀(30)은 인너셀(20)의 내측에 설치된다. 내주핀(30)의 외주면 즉, 복수의 산(31)이 인너셀(20)의 내주면에 결합되어 구성될 수 있다. 특히, 내주핀(30)의 각 산(31)은 그 상면이 인너셀(20)의 내주면에 대응하는 접촉면을 가지고, 이 접촉면이 인너셀(20)의 내주면에 용접 등을 통해 결합됨으로써 그 결합이 견고해질 수 있다.
그리고, 내주핀(30)의 일측단부에는 특히, 배기가스가 유입되는 입구측 콘부(11)에 인접한 단부에는 폐쇄부재(35)가 설치되고, 이 폐쇄부재(35)에 의해 내주핀(30) 및 인너셀(20)의 일측단부는 부분적으로 폐쇄될 수 있다. 폐쇄부재(35)는 폐쇄면(35a) 및 폐쇄면(35a)의 외주면에 절곡된 결합부(35b)를 가지고, 폐쇄부재(35)의 결합부(35b)가 내주핀(30)의 내주면에 결합된다. 이와 달리, 폐쇄부재(35)는 내주핀(30)의 타측단부에 설치될 수도 있고, 또한 폐쇄부재(35)는 내주핀(30)의 양단부에 모두 설치될 수도 있다.
이러한 내주핀(30)의 단부 폐쇄로 인해 내주핀(30)의 내측으로 배기가스가 흐르는 것을 최소화하고, 배기가스가 유체관(40)의 주위 즉, 내주핀(20) 및 외주핀(50)의 주름측으로 효과적으로 유도되어 유체관(40)의 열교환효율을 대폭 증대시킬 수 있다.
유체관(40)은 유체가 통과하는 관로로서 나선형구조로 구성되어 하우징(10) 내부를 통과하는 배기가스와 유체 사이의 열교환면적으로 넓혀 줌으로써 유입되는 액체 상태의 유체를 효과적으로 과열증기(superheated vapor)로 변화시켜준다. 한편, 유체로는 물, 부동액, 기타 유체 등이 이용될 수 있다.
유체관(40)은 인너셀(20)의 외측에 배치되고, 예컨대 유체관(40)의 내주면은 인너셀(20)의 외주면에 용접 등을 통해 결합될 수 있다.
유체관(40)의 양단부에는 유체가 유입되는 입구(41) 및 유체가 유출되는 출구(42)가 형성되고, 입구(41) 및 출구(42)는 하우징(10)의 관통공(13, 14)을 통해 외부의 유체파이프와 연결될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 유체관(40)의 입구(41) 및 출구(42) 각각에는 커넥터 튜브(45)가 개별적으로 설치될 수 있고, 이 커넥터 튜브(45)는 그 단부에 확경부(45a)를 가지고, 이 확경부(45a) 내에 유체관(40)의 입구(41) 및 출구(42)가 형성된 각 단부가 수용되어 결합될 수 있다. 이러한 커넥터 튜브(45)를 통해 유체관(40)의 입구(41) 및 출구(42)는 외부의 유체파이프와의 연결이 간편하고 정확하게 이루어질 수 있는 장점이 있다.
또한, 하우징(10)의 각 관통공(13, 14) 주변에는 보강부재(15)가 각각 설치될 수 있고, 보강부재(15)는 하우징(10)의 각 관통공(13, 14) 주변에 결합되는 결합부(15a) 및 결합부(15a)의 상부로 연장된 수용부(15b)로 구성된다. 이에, 각 커넥터 튜브(45)의 외주면이 각 수용부(15b)의 내경면에 접촉 내지 결합됨으로써 각 커네턱터 튜브(45)는 하우징(10)측에 견고하게 결합될 수 있다.
외주핀(50)은 원주방향으로 복수의 산(51) 및 복수의 골(52)이 연속된 주름진 구조로 구성되고, 외주핀(50)은 유체관(40)의 외측에 설치된다. 외주핀(50)의 내주면 즉, 복수의 골(52)이 유체관(40)의 외주면에 결합되어 구성될 수 있다. 특히, 외주핀(50)의 각 골(52)은 그 저면이 유체관(40)의 외면에 대응하는 접촉면을 가지고, 이 접촉면이 유체관(40)의 외면에 용접 등을 통해 결합됨으로써 그 결합이 견고해질 수 있다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 작용을 다음과 같이 상세히 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 3과 같이, 배기가스가 하우징(10)의 입구측 콘부(11)를 통해 유입되면, 배기가스는 하우징(10) 내의 내주핀(30) 및 외주핀(50)을 따라 이동하고, 이와 동시에 유체관(40)을 통해 액체 상태의 유체가 유체 입구(41)를 통해 유입되어 유체관(40)의 나선형유로를 따라 유동한다.
이에, 유체관(40)의 내측에 위치한 내주핀(30)을 따라 유동하는 고온의 배기가스와 유체관(40)의 외측에 위치한 외주핀(50)을 따라 유동하는 고온의 배기가스가 유체관(40)의 나선형 유로를 따라 유동하는 액체상태의 유체를 가열함에 따라 유체는 과열증기의 유체로 변화하고, 이러한 과열증기의 유체는 유체관(40)의 출구(42)를 통해 유출된다.
한편, 내주핀(30)의 일단에 설치된 폐쇄부재(35)에 의해 내주핀(30)의 내측으로는 배기가스의 흐름이 최소화되고, 이에 배기가스들은 내주핀(30) 및 외주핀(50)의 주름을 따라 길이방향으로 유동함으로써 그 열교환효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
이와 같이, 본 발명은 유체관(40)의 나선형 유로를 따라 유동하는 액체상태의 유체(물, 부동액, 기타 냉매 등)가 그 내측 및 외측에 각각 배치된 주름진 내주핀(30)
및 외주핀(50)에 의해 배기가스들과 열교환면적이 대폭 증대됨으로써 액체상태의 유체는 배기가스에 의해 용이하게 과열증기로 변화될 수 있는 장점이 있다.
그리고, 본 발명의 과열증기발생장치는 도 5에 도시된 바와 같이 터빈(110)을 가진 랭킨사이클(100)측에 연결되어 이용될 수 있다. 랭킨사이클(100)은 급수펌프(단열압축), 보일러 및 과열기(등압가열), 터빈(단열팽창) 및 복수기(등압방열) 등으로 구성되어 작동유체가 증기와 액체의 상변화(相變化)를 수반하는 증기사이클의 일종이다.
본 발명에 의한 과열증기발생장치는 도 5의 랭킨사이클(100)에서 유체를 과열시키는 과열증기발생장치의 역할을 한다. 그리고, 본 발명의 유체관(40)의 입구 및 출구는 도 5의 랭킨사이클(100)의 유체파이프(160)측에 접속되고, 유체파이프(160)에는 터빈(110), 응축기(120), 급수펌프(130)가 설치되어 있다.
이러한 구성에 의해, 본 발명의 유체관(40)의 출구(42)를 통해 유출되는 과열증기는 터빈(110)을 구동시키도록 구성되고, 터빈(110)의 출력축이 차량의 크랭크샤프트(미도시)에 연결되어 차량의 구동을 보조하도록 구성될 수 있다. 이에, 본 발명의 과열증기발생장치 및 이에 연결된 랭킨사이클(100)이 내연기관 자동차에 적용될 경우 본 발명에 의해 발생된 과열증기가 차량의 구동에 이용되는 별도의 에너지원으로 작용할 수 있으므로, 차량의 연비를 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 터빈(110)의 출력축(111)에 발전기(150, electric generator)가 연결될 수도 있고, 이에 본 발명에 의해 발생된 과열증기에 의한 터빈(110)의 운동에너지가 발전기(150)를 통해 전기에너지로 변환될 수 있고, 이러한 전기에너지는 하이브리드 자동차, 전기자동차 등에 유용하게 이용될 수도 있다.
10: 하우징 20: 인너셀
30: 내주핀 40: 유체관
50: 외주핀

Claims (7)

  1. 자동차의 배기파이프 상에 설치되는 하우징;
    상기 하우징 내에 설치되고, 상기 하우징의 중심부 상에 그 축선방향으로 배치되는 인너셀;
    상기 내측파이프의 내주면에 배치되는 내주핀;
    상기 내측파이프의 외주면에 배치되는 나선형 구조의 유체관; 및
    상기 유체관의 외주면에 배치되는 외주핀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기열을 이용한 과열증기발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인너셀은 환형의 제1 및 제2 홀더브라켓을 통해 상기 하우징의 내측에 하우징의 내벽면과 반경방향으로 이격되도록 설치되고, 각 홀더브라켓은 환형의 평탄부 및 상기 평탄부에 형성된 복수의 소통공을 가지며, 각 평탄부의 내주면에는 내측결합부가 각각 절곡되어 형성되고, 각 평탄부의 외주면에는 외측결합부가 각각 절곡되어 형성되며, 상기 내측결합부가 상기 인너셀의 각 단부의 외주면에 결합되고, 상기 외측결합부가 상기 하우징의 각 단부의 내주면에 결합되는 것을 특징으로 하는 배기열을 이용한 과열증기발생장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내주핀은 원주방향으로 복수의 산 및 복수의 골이 연속된 주름진 구조로 구성되고, 상기 내주핀의 외주면이 상기 인너셀의 내주면에 결합되는 것을 특징으로 하는 배기열을 이용한 과열증기발생장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내주핀의 적어도 어느 하나의 단부에는 폐쇄부재가 설치되고, 상기 폐쇄부재에 의해 배기가스가 상기 내주핀 및 외주핀 측으로 유도되는 것을 특징으로 하는 배기열을 이용한 과열증기발생장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체관의 내주면이 상기 인너셀의 외주면에 결합되고, 상기 유체관의 양단부에는 유체가 유입되는 입구 및 유체가 유출되는 출구가 형성되며, 상기 유체관의 입구 및 출구 각각에는 커넥터 튜브가 개별적으로 설치되고, 상기 커넥터 튜브의 단부에는 확경부가 형성되며, 상기 확경부 내에는 상기 유체관의 각 단부가 수용되어 결합되는 것을 특징으로 하는 배기열을 이용한 과열증기발생장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하우징의 양단부에 인접하여 관통공이 각각 형성되고, 상기 각 관통공의 주변에는 보강부재가 각각 설치되고, 상기 보강부재는 하우징의 각 관통공 주변에 결합되는 결합부 및 결합부의 상부로 연장된 수용부로 구성되며, 상기 각 수용부의 내경면에는 상기 각 커넥터 튜브의 외주면이 접촉 내지 결합되는 것을 특징으로 하는 배기열을 이용한 과열증기발생장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 외주핀은 원주방향으로 복수의 산 및 복수의 골이 연속된 주름진 구조로 구성되고, 상기 외주핀의 내주면이 상기 유체관의 외주면에 결합되는 것을 특징으로 하는 배기열을 이용한 과열증기발생장치.
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