KR20120071335A - 적층판 열교환기 - Google Patents

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KR20120071335A
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까스텔로 조지 이바즈
마르코 카를로스 로드리고
푸엔테 로메로 조세 안토니오 드라
로메로 마르타 라모스
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발레오 테르미코 에스.에이.
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Abstract

본 발명은 교대층으로 된 다수의 적층판(2)을 포함하는 적층판 열교환기(1)로서, 상기 적층판 사이에서는 냉각될 유체와 냉각유체가 상기 적층판(2)에 의해 규정된 두 개의 별개의 회로 내를 순환하며, 상기 냉각될 유체의 회로는 상기 냉각될 유체의 입구 및 출구가 적층판 세트의 동일 개방 단부에 인접하게 배치된 U형상 구조를 포함하며, 반대측 단부는 폐쇄되어 있으며, 상기 적층판(2)은 유출 채널 및 복귀 채널을 규정하며, 또한 상기 적층판 열교환기는 상기 개방 단부에 연결된 고정 플랜지(5)를 포함하며, 상기 적층판 열교환기는 상기 냉각될 유체의 유입류 및 유출류를 모두 분리하기 위한 분리 수단(7)을 포함하며, 상기 분리 수단(7)은 상기 고정 플랜지(5)에 합체되는 적층판 열교환기에 관한 것이다.

Description

적층판 열교환기{STACKED-PLATE HEAT EXCHANGER}
본 발명은 적층판 열교환기에 관한 것이다.
본 발명은 특히 엔진과 연결하여 사용되는 모든 유형의 열교환기에 적용 가능하며, 특히 엔진의 배기가스를 재순환시키기 위한 열교환기(배기가스 재순환 쿨러; EGRC)에 적용 가능하다.
시판되고 있는 EGR 교환기의 현재 구성은 일반적으로 스텐레스 스틸이나 알루미늄으로 만들어진 금속 열교환기에 있다.
기본적으로 두 종류의 EGR 교환기가 있는데, 제 1 유형은 가스가 통과할 수 있는 관다발을 내부에 수용하고 관의 외부에서 냉각제가 통과하면서 순환하는 케이싱으로 구성되며, 제 2 유형은 배기가스와 냉각제가 두 개의 판 사이에서 순환하도록 열교환면을 구성하는 평행 판세트들이 교대로 된 층을 이루어 구성되며, 열교환을 향상시키기 위해 휜을 합체할 수 있는 것이다.
재순환 시스템의 루프 내에는 또한 열교환기를 통한 배기가스의 통과를 제어하는 EGR 밸브가 있다.
특정의 적층판 교환기가 알려져 있는데, 여기서 각 판은 종방향으로 폐쇄된 측벽을 포함하며, 각 쌍의 판들은 종방향 단부에 배치된 각각의 측벽과 조립되어 가스 및 냉각 유체에 대한 회로를 분리 및 폐쇄할 수 있게 한다.
또한, 각 회로는 유체 입구 및 출구가 서로 반대측 단부에 배치되는 I형상으로도 부르는 선형 타입이거나, 또는 유체 입구 및 출구가 동일 개방 단부에 인접하여 배치되며, 반대측 단부는 닫혀 있으며, 유출 통로 및 복귀 통로가 판의 채널을 통해 형성된 U형상이 될 수 있다. U형상의 경우에, 유체의 복귀를 위한 폐쇄 단부는 폐쇄형 저장용기로 구성된다.
적층판 EGR 교환기에는 다음과 같은 두 가지 U형상 구조가 가능하다.
a) 수직 U형상 구조: 가스류는 판들의 절반의 모든 가스 회로 채널을 통해 안내되어 나머지 완전히 다른 판의 일부를 구성하는 다른 가스 회로 채널을 통해 복귀된다.
b) 수평 U형상 구조: 가스류는 모든 판들의 채널의 절반을 통해 안내되어 동일 판의 일부를 구성하는 가스 회로 채널의 다른 절반을 통하여 복귀된다.
EGR 교환기의 구성부품의 대부분은 금속이므로 이들은 기계적 수단을 이용하여 조립된 다음에 이 용도에 필요한 적절한 기밀성을 보장하기 위해 로 내에서 브레이징되거나 아크 또는 레이저 용접된다.
경우에 따라서, EGR 교환기는 또한 플라스틱으로 만들어져 단일 기능 또는 다양한 기능을 수행할 수 있는 약간의 구성부품들을 포함할 수 있으며, 단일편으로서 형성된다.
EGR 교환기의 주요한 기능은 가스를 냉각시키기 위해 배기가스와 냉각유체 사이에서 열교환시키는 것이다. 게다가, EGR 교환기는 엔진블록과의 조립, 냉각 유체와의 접속 또는 가스배기회로와의 접속 같은 2차적인 기능을 수행하여야 한다.
이런 모든 경우에 있어서, 이 제조공정은 로 내에서 브레이징되거나 아크 또는 레이저 용접된 다수의 조인트를 필요로 하며 따라서 복잡하고 고비용의 작업이 된다.
적층판 열교환기에서 두 개의 서로 다른 회로, 즉 고온 유체 회로 및 저온 유체 회로는 닫혀야 한다. 통상적으로 이런 유형의 열교환기는 노내 브레이징(furnace-brazing)에 의해 제조된다.
큰 압력강하를 피하기 위해, 유체는 열교환기에 직접 들어간다. 배관을 사용할 수 없으므로, 전형적인 해결법은 유체를 열교환기 내부로 도입하기 위한 저장용기를 사용하는데 있다.
이런 유형의 적층판과의 정합의 조립 및 노내 브레이징은 품질관련 문제점, 즉 누설을 야기하므로, 누설 가능성을 방지하기 위해 양 회로, 즉 냉각유체 회로 및 가스 회로가 적절히 밀봉될 필요가 있다.
전체 효율의 관점에서, U형상 구조에서는 고온 가스류가 차가운 가스류와 혼합되지 않는 것이 매우 중요하다. 분명히 유입 가스류는 절대 직접 유출 가스류를 통과해서는 안 된다.
고압(HP) 응용에서뿐만 아니라 저압(LP) 응용에서도 시장은 엔진의 크기를 줄이고 EGR 열교환기를 사용하는 경향이 있다는 사실 때문에, 열교환기 및 그 구성부품에 이용할 수 있는 공간은 점차 작아진다. EGR 교환기가 이용되어야 하는 환경은 점점 복잡해진다. 따라서 가용공간에 위치할 수 있는 부품이 합체된 컴팩트한 EGR 교환기를 개발하는 것이 중요하다.
본 발명에 따른 적층판 열교환기의 목적은 열교환기 속으로 들어가지 않고 U형상 구조의 열교환기 내에서 냉각될 유체의 유출류에 직접 들어가는 냉각될 유체의 유입류의 비율을 줄이거나 없앰으로써 기술적으로 알려진 열교환기와 관련된 결점들을 해결하는 것이다.
본 발명의 대상을 구성하는 적층판 열교환기는 교대층으로 된 다수의 적층판을 포함하며, 상기 판 사이에서는 냉각될 유체와 냉각 유체가 상기 판에 의해 규정된 두 개의 별개의 회로 내를 순환하며, 상기 냉각될 유체의 회로는 상기 냉각될 유체의 입구 및 출구가 적층판 세트의 동일 개방 단부에 인접하게 배치된 U형상 구조를 포함하며, 반대측 단부는 폐쇄되어 있으며, 상기 판은 유출 채널 및 복귀 채널을 형성하며, 또한 상기 적층판 열교환기는 상기 개방 단부에 연결된 고정 플랜지를 포함하며, 상기 열교환기는 상기 냉각될 유체의 유입류 및 유출류를 모두 분리하기 위한 수단을 포함하며, 상기 분리 수단은 상기 고정 플랜지에 합체된다.
따라서, 냉각될 유체의 유입류 및 유출류를 폐쇄하는 기능이 분리수단에 의해 이용될 수 있는데, 상기 수단은 냉각될 유체의 유입류 및 유출류를 서로 분리하고 게다가 가능한 상기 입구와 출구 사이의 우회류를 방지하는 장벽으로서 작용한다.
유리하게는, 상기 분리수단은 고정 플랜지의 외측면에 연결된 장벽형 벽을 포함하며, 상기 벽은 냉각될 유체의 입구 영역 및 출구 영역을 적층판 세트의 개방 단부에서 분할할 수 있다. 따라서 상기 벽은 각 구조의 판 설계에 맞아야 한다.
또한 유리하게는, 상기 분리벽은 냉각될 유체의 열교환기를 통한 유입류 및 유출류를 모두 폐쇄하기 위한 EGR 밸브의 플랩 또는 폐쇄요소와 접촉할 수 있다.
따라서, 상기 벽은 플랜지의 외측부에 합체되기 때문에, 열교환기와 EGR 밸브 또는 배관 사이의 계면의 기능을 수행한다.
바람직하게는, 상기 벽은 플랜지에 연결된 별개의 부분이 되거나, 플랜지와 결합된 단일편으로서 만들어질 수 있다. 따라서, 플랜지의 구조는 EGR 열교환기의 구조에 따라서 변할 수 있다.
열교환기가 수직 U형상 구조 유형인 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 냉각될 유체류는 상기 판들의 절반에서 상기 냉각될 유체의 회로의 모든 채널을 통해 안내되고 나머지 완전히 다른 판의 일부를 구성하는 상기 냉각될 유체용 회로의 다른 채널을 통하여 복귀되며, 상기 분리벽은 상기 냉각될 유체의 유입류 및 유출류 모두를 분리하도록 된 중간판에 실질적으로 수평한 상태에서 상기 플랜지에 합체되고 노내 브레이징된다.
열교환기가 수평 U형상 구조 유형인 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 냉각될 유체는 상기 모든 판의 채널의 절반을 통해 안내되고 상기 동일 판의 일부를 구성하는 상기 냉각될 유체용 채널의 다른 절반을 통하여 복귀되며, 상기 분리벽은 상기 냉각될 유체의 유입류 및 유출류를 모두 분리하도록 된 중간 위치에서 상기 판에 실질적으로 수직한 상태로 합체되어 노내 브레이징된다.
유리하게는, 수평 U형상 구조의 실시형태에 따르면, 분리벽은 상기 판의 단부에 결합될 수 있는 시트를 포함한다.
따라서, 이 결합된 조인트 배치구조에 의해 내부 우회류의 가능성을 완전히 줄일 수 있으며, 따라서 열교환기의 열효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 벽은 판에 노내 브레이징되고 그리고 우회류의 가능성을 줄이기 위한 휜 또는 편향 요소를 갖는다는 사실 때문에 플레이트와 직접 접촉되어 있다.
바람직하게는, 상기 열교환기는 적층판 세트의 폐쇄 단부에 연결된 가스 저장 용기를 포함한다.
전술한 설명은 본 발명에 따른 적층판 열교환기의 실시형태의 두 가지 실 예를 개략적인 형태로 단지 비제한적 예로서 도시하는 첨부 도면에 의해 보다 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 수직 U형상 구조를 갖는 EGR 열교환기에 대하여 플랜지에 합체된 분리벽을 보여주는 적층판 세트의 사시도.
도 2는 가스의 유입류 및 유출류와 이들 사이에서 일어날 수 있는 우회류를 보여주는 도 1에 따른 적층판 세트의 사시도.
도 3은 도 1에 따른 조립된 열교환기의 사시도.
도 4는 도 1에 따른 조립된 열교환기의 정면도.
도 5는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 수평 U형상 구조를 갖는 EGR 열교환기에 대하여 플랜지에 합체된 분리벽을 보여주는 적층판 세트의 사시도.
도 6은 가스의 유입류 및 유출류와 이들 사이에서 일어날 수 있는 우회류를 보여주는 도 5에 따른 적층판 세트의 사시도.
도 7은 도 5의 열교환기에 따른 플레이트와 결합된 조인트를 보여주는 분리벽의 확대도.
도 8은 도 5에 따른 조립된 열교환기의 사시도.
도 9는 도 5에 따른 조립된 열교환기의 정면도.
도 1 내지 도 4를 참조하면, EGR 열교환기(1)는 교대층으로 된 다수의 적층판(2)을 포함하는데, 이들 적층판 사이에서는 냉각될 가스와 냉각 유체가 상기 판(2)에 의해 규정된 두 개의 별개의 회로 내에서 순환한다.
각 판(2)은 도 1 및 도 2에서 알 수 있듯이, 종방향의 폐쇄 측벽(3)을 포함하는데, 각 쌍의 판(2)은 회로를 분리하여 닫기 위해 종방향 단부에 배치된 각각의 측벽(3)과 조립된다.
또한 열교환기(1)는 도 3 및 도 4에서 알 수 있듯이 적층판(2) 세트를 내부에 수용하도록 마련된 케이싱(4)과, 상기 개방 단부에 연결된 고정 플랜지(5) 및 상기 폐쇄 단부에 연결된 가스 저장 용기(6)를 포함한다. 또한, 플랜지(5)의 구조는 열교환기(1)의 구조에 따라서 변할 수 있다.
이 경우, 냉각될 가스의 회로는 가스 입구 및 출구가 적층판(2) 세트의 동일 개방 단부에 인접하게 배치되는 U형상 구조를 포함하는데, 반대측 단부는 폐쇄되어 있고, 상기 판들은 유출 채널 및 복귀 채널을 형성한다.
또한 열교환기(1)는 가스의 유입류와 유출류를 모두 분리하기 위한 장벽형 벽(7)을 포함하는데, 상기 벽(7)은 혼합 플랜지(5)에 합체되어 있다. 더욱이, 상기 벽(7)은 플랜지(5)에 연결된 별개의 부분이 될 수 있거나, 플랜지(5)와 결합된 단일편으로서도 만들어질 수 있다.
적층판 EGR 열교환기에는 두 가지 U형상 구조, 즉 후술하는 바와 같이 수평 및 수직 구조가 가능하다.
본 발명의 제 1 실시형태는 도 1 내지 도 4에 도시되어 있는데, 여기서 열교환기(1)는 수직 U형상을 갖는 유형, 즉 가스류가 판(2)들의 절반의 가스 회로의 모든 채널을 통해 안내되어 나머지 완전히 다른 판(2)의 가스 회로 구성부의 다른 채널을 통해 복귀된다.
이 경우, 분리벽(7)은 가스의 유입류 및 유출류를 분리하도록 된 중간판(2a)에 실질적으로 수평한 상태로 플랜지(5)에 합체되어 노내 브레이징된다.
따라서, 가스의 유입류 및 유출류를 봉쇄하는 기능이 분리벽(7)에 의해 이용될 수 있는데, 분리벽은 가스의 유입류와 유출류를 서로 분리하고 게다가 가능한 경우에는 상기 입구 및 출구 사이의 우회류를 방지하는 장벽으로서 작용한다.
도 2에서 가스의 유입류 및 유출류의 방향은 흰색 화살표로 도시되고 상기 유동 사이에서 생길 수 있는 우회류는 흑색 화살표로 도시되어 있다.
상기 분리벽(7)은 고정 플랜지(5)의 외측면에 연결되는데, 상기 벽(7)은 적층판(2) 세트의 개방 단부에서 가스의 입구 및 출구를 분할할 수 있다. 따라서, 상기 벽(7)은 각 구조에서 판(2)의 설계에 맞아야 한다.
더욱이, 상기 분리벽(7)은 열교환기(1)를 통한 가스의 유입류 및 유출류를 모두 폐쇄하기 위한 EGR 밸브(도시하지 않음)의 폐쇄 요소 또는 플랩과 직접 접촉할 수 있다.
따라서, 상기 벽(7)은 플랜지(5)의 외측부에 합체되기 때문에, 역시 열교환기(1)와 EGR 밸브 또는 배관 사이의 계면의 기능을 수행한다.
본 발명의 제 2 실시형태는 도 5 내지 도 9에 도시되어 있는데, 여기서 열교환기(1')는 수평 U형상 구조를 갖는 유형, 즉 가스류가 모든 플레이트(2)의 채널의 절반을 통해 안내되고 동일 판(2)의 가스 회로 채널 구성부의 다른 절반을 통하여 복귀된다.
이 경우, 분리벽(7)은 가스의 유입류와 유출류를 모두 분리하도록 된 중간 위치의 판(2)에 실질적인 수직 상태로 합체되어 노내 브레이징된다.
마찬가지로, 도 6에서 가스의 유입류 및 유출류의 방향은 흰색 화살표로 도시되고 상기 유동 사이에서 생길 수 있는 우회류는 흑색 화살표로 도시되어 있다.
더욱이, 수평 U형 구조를 갖는 실시형태에 있어서, 분리벽(7)은 도 7에서 알 수 있듯이 판(2)의 단부에 결합될 수 있는 시트(8)를 포함한다.
따라서, 이 결합된 조인트 배치구조에 의해 내부 우회류의 가능성을 완전히 줄일 수 있으며, 따라서 열교환기(1)의 열효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 벽(7)은 판(2)에 노내 브레이징되고 그리고 우회류의 가능성을 줄이기 위한 휜 또는 편향 요소(도시하지 않음)를 갖는다는 사실 때문에 플레이트(2)와 직접 접촉되어 있다.
더욱이, 양 실시형태에 있어서, 케이싱(4)은 도 3 및 도 8에 도시한 바와 같이 서로 연결되어 적층판(2) 세트 내의 냉각유체의 측방 유입류 및 유출류를 수용하도록 된 두 개의 측방향 저장용기(4a)를 포함한다.
또한 열교환기(1)는 도 4 및 도 9에서 알 수 있듯이 냉각 유체에 대한 입구 노즐(9) 및 출구 노즐(10)을 포함하는데, 이들은 케이싱(4)의 서로 반대측에 배치되어 있다.
이 측판(2)의 설계는 열교환기(1)에 냉각유체류를 측방향으로 공급하기 위해 냉각유체 노즐(9, 10)이 측방향으로 연결될 수 있게 하는데, 이는 엔진블록을 둘러싸는 작거나 복잡한 공간 속에 적층판(2)을 갖는 EGR 열교환기를 이용하는 경우에 많은 이점들을 부여한다.
1: EGR 열교환기 2: 적층판
3: 측판 4: 케이싱
5: 고정 플랜지 6: 가스 저장 용기
7: 장벽형 벽 9, 10: 냉각 유체 노즐

Claims (8)

  1. 교대층으로 된 다수의 적층판(2)을 포함하는 적층판 열교환기(1)에 있어서,
    상기 적층판 사이에서는 냉각될 유체와 냉각 유체가 상기 적층판(2)에 의해 규정된 두 개의 별개의 회로 내를 순환하며, 상기 냉각될 유체의 회로는 상기 냉각될 유체의 입구 및 출구가 적층판 세트의 동일 개방 단부에 인접하게 배치된 U형상 구조를 포함하며, 반대측 단부는 폐쇄되어 있으며, 상기 적층판(2)은 유출 채널 및 복귀 채널을 규정하며, 또한 상기 적층판 열교환기는 상기 개방 단부에 연결된 고정 플랜지(5)를 포함하며, 상기 적층판 열교환기는 상기 냉각될 유체의 유입류 및 유출류를 모두 분리하기 위한 분리 수단(7)을 포함하며, 상기 분리 수단(7)은 상기 고정 플랜지(5)에 합체되는
    적층판 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리 수단은 상기 고정 플랜지(5)의 외측면에 연결된 장벽형 벽(7)을 포함하며, 상기 벽(7)은 상기 적층판(2) 세트의 상기 개방 단부에서 상기 냉각될 유체의 입구 영역 및 출구 영역을 분할할 수 있는
    적층판 열교환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 분리벽(7)은 상기 열교환기(1)를 통한 상기 냉각될 유체의 유입류 및 유출류 모두를 폐쇄시키기 위한 EGR 밸브의 폐쇄 요소 또는 플랩과 직접 접촉할 수 있는
    적층판 열교환기.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 벽(7)은 상기 플랜지(5)에 연결된 별개의 부분이거나 또는 상기 플랜지(5)와 결합된 단일편으로 이루어질 수도 있는
    적층판 열교환기.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층판 열교환기는 냉각될 유체류가 상기 적층판(2)들의 절반에서 상기 냉각될 유체의 회로의 모든 채널을 통해 안내되고, 나머지 완전히 다른 적층판(2)의 일부를 형성하는 상기 냉각될 유체용 회로의 다른 채널을 통하여 복귀되는 수직 U형상 구조를 갖는 유형이며, 상기 분리벽(7)은 실질적으로 수평한 위치에서 상기 플랜지(5)에 합체되고 상기 냉각될 유체의 유입류 및 유출류 모두를 분리하도록 구성된 중간판(2a)에 노내 브레이징되는
    적층판 열교환기.
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적층판 열교환기는 상기 냉각될 유체가 모든 적층판(2)의 채널의 절반을 통해 안내되고, 동일 적층판(2)의 일부를 형성하는 상기 냉각될 유체용 채널의 다른 절반을 통하여 복귀되는 수평 U형상 구조를 갖는 유형이며, 상기 분리벽(7)은 실질적으로 수직한 위치에서 합체되고 상기 냉각될 유체의 유입류 및 유출류를 모두 분리하도록 구성된 중간 위치에서 상기 적층판(2)에 노내 브레이징되는
    적층판 열교환기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 분리벽(7)은 상기 판(2)의 단부에 결합될 수 있는 시트(8)를 포함하는
    적층판 열교환기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층판(2) 세트의 폐쇄 단부에 연결된 가스 저장 용기(6)를 포함하는
    적층판 열교환기.
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