KR20150088872A - 특히 엔진의 배기 가스용의 가스 열교환기 - Google Patents

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르볼러 로사 푸에르톨라스
프란시스코 모레노 후안 카를로스 드
산체스 다리오 페나
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발레오 테르미코 에스.에이.
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Abstract

본 발명은, 특히 엔진의 배기 가스용의 가스 열교환기(1)로서, 케이싱(3)의 내부에 마련되며 냉각제와의 열교환에 의해 냉각될 가스가 관통 유동하는 복수의 병렬 튜브(2)를 포함하고, 냉각제 입구 도관(4) 및 냉각제 출구 도관(5)이 바람직하게는 케이싱(3)의 단일 측면 상에서 케이싱(3)의 대향 단부에 각각 마련되어 있는 가스 열교환기(1)에 관한 것이다. 각각의 튜브(2)는 가스의 방향에 대향하는 돌출부(6)를 갖고, 상기 튜브(2)는 각각의 튜브(2)의 돌출부(6)가 편향기 형태의 배리어(6a, 6b)를 형성하도록 튜브들을 서로 적층함으로써 조립될 수 있으며, 상기 배리어(6a, 6b)는 열교환기(1)를 따라 그리고 튜브(2)의 주위에 냉각제의 입구(4)로부터 냉각제의 출구(5)까지 냉각제 유동을 적절히 분배하기에 적합한 사전결정된 경로를 형성하도록 구성된다. 종래의 편향기를 사용하지 않으면서도, 열교환기를 통과하는 냉각제 유동의 분배가 향상된다.

Description

특히 엔진의 배기 가스용의 가스 열교환기{GAS HEAT EXCHANGER, IN PARTICULAR FOR EXHAUST GASES OF AN ENGINE}
본 발명은, 특히 엔진의 배기 가스용의 가스 열교환기에 관한 것이다. 본 발명은 구체적으로 엔진의 배기 가스 재순환(exhaust gas recirculation; EGRC) 열교환기에 관한 것이다.
예컨대, 내연기관의 입구에 있는 배기 가스 재순환 시스템에서 사용되는 것과 같은, 가스 냉각용의 특정 열교환기에서는, 열을 교환하는 2개의 환경이 벽체에 의해 분리되어 있다.
현재 시장에서 입수 가능한 EGR 열교환기는 일반적으로 스테인레스 강 또는 알루미늄으로 제조된 금속 열교환기이다.
기본적으로 두 가지 유형의 EGR 열교환기가 존재한다. 첫 번째 유형은 가스를 이송하기 위한 병렬 튜브의 세트를 수용하는 케이싱을 포함하며, 냉각제는 케이싱의 내부 및 튜브의 외부로 유동하는 것이고, 두 번째 유형은 열교환면을 형성하는 일련의 병렬 플레이트를 포함함으로써, 배기 가스와 냉각제가 교호하는 층에서 2개의 플레이트 사이로 유동하되, 열교환을 향상시키는 핀을 선택적으로 포함하는 것이다.
튜브 세트형 열교환기의 경우, 튜브와 케이싱은 상이한 방식으로 서로 조립될 수 있다. 일반적으로, 튜브는 케이싱의 각 단부에 연결된 2개의 지지 플레이트 사이에 튜브의 단부가 고정되며, 2개의 지지 플레이트는 각각의 튜브를 설치하기 위한 복수의 개구를 갖는다.
상기 지지 플레이트는 재순환 라인에의 부착을 위한 수단에 교대로 부착되는데, 이 부착 수단은, 열교환기가 조립되어 있는 재순환 라인의 디자인에 따라, V자형 조립체 또는 주변 연결 칼라(pheripheral connecting collar) 또는 플랜지일 수도 있다. 주변 칼라는, 가스 탱크가 케이싱과 칼라 사이의 중간 부분에 해당하도록 가스 탱크와 조립될 수 있고, 또는 케이싱 상에 직접 조립될 수도 있다.
두 유형의 EGR 열교환기 모두에서는, 열교환기의 대부분의 구성요소들이 금속이어서, 이들이 기계적 수단에 의해 조립되며, 그 후에 본 응용예에서 필요로 하는 밀봉을 보장하기 위해 오븐, 아크 또는 레이저 용접된다. 몇몇 예에서, 열교환기들은 단일 기능 또는 여러 기능을 가질 수 있는 몇몇 플라스틱 구성요소를 일체로 포함할 수도 있다.
EGR 열교환기에 의해 충족될 조건들 중 하나는 양호한 효율 및 충분한 내구성을 확보하기 위해 냉각제 유동의 적절한 분배를 유지하는 것이다. 냉각제 유동의 분배가 충분하지 못하면, 효율의 레벨이 떨어져서 비등(boiling)을 야기할 수도 있으며, 이는 열 피로(thermal fatigue)의 영향 하에서 열교환기의 내구성에 영향을 미친다.
냉각제 유동의 분배는 본질적으로 냉각제 입구 도관 및 냉각제 출구 도관의 배치에 따라 결정된다. 일반적으로, 냉각제 출구 도관은 열교환기의 상부 부분에 배치되어야 하는 반면에, 냉각제 입구 도관은 반대로 열교환기의 하부 부분에 배치되어야 하는 것이 권고되는데, 냉각제 입구 도관과 냉각제 출구 도관 사이의 간격이 증가함에 따라 냉각제 유동의 분배가 향상된다.
흔히, 엔진의 냉각제 회로의 레이아웃(layout)에 대한 설계는 상술한 권고사항들을 충족하지 않게 한다. 이러한 경우, 냉각제 유동이 열교환기의 모든 내부 공간에 미칠 수 있도록 추가 편향기(deflector)를 사용할 필요가 있다. 또한, 편향기의 사용은 열교환기의 가격을 증가시킬 뿐만 아니라, 조립 공정을 보다 복잡하게 만드는데, 이는 편향기를 조립하는데 상당한 투자가 필요함을 의미한다.
일본 특허 공개 제 2000-292089 호 및 제 2000-283666 호는 원형 단면의 하우징 내부에 마련된 플레이트 형태의 복수의 횡방향 편향기를 포함하는 튜브 세트형 열교환기를 개시한다. 상기 편향기의 디자인은 케이싱의 양단부에 배치된 지지 플레이트의 레이아웃과 상당히 유사하다. 이들 편향기의 직경은 케이싱의 내경과 동일하며, 이들은 냉각제가 관통할 수 있는 개구부를 포함한다. 상이한 편향기 내의 상기 관통 개구부의 위치는 교대로 배열된다.
한국 특허 공개 제 2008-0013457 호는 원형 단면의 하우징을 따라 삽입된 나선형 편향기를 포함하는 튜브 세트형 열교환기를 개시한다.
미국 특허 출원 공개 제 2005/161206 A1 호는 냉각제 입구 도관 및 냉각제 출구 도관이 케이싱의 동일 측면 상에서 대향 단부에 배치되어 있는 적층 플레이트형 열교환기를 개시한다. 각각의 플레이트는 측면 냉각제 입구 영역으로 프레스된 횡단 돌출부(transverse protuberance)뿐만 아니라, 플레이트를 따라 프레스된 복수의 짧은 돌출부를 구비하는데, 이들은 냉각제를 측면 냉각제 입구 영역으로부터 플레이트의 전체 표면에 걸쳐서 분배할 수 있다.
미국 특허 출원 공개 제 2008/169093 A1 호는 냉각제 입구 도관 및 냉각제 출구 도관이 열교환기의 케이싱의 대향 면에 그리고 대향 단부에 배치되어 있는 적층 플레이트형 열교환기를 개시한다. 각각의 플레이트는 측면 냉각제 입구 영역으로 프레스된 횡단 돌출부뿐만 아니라, 플레이트를 따라 프레스된 복수의 짧은 돌출부를 구비하는데, 이들은 냉각제를 측면 냉각제 입구 영역으로부터 플레이트의 전체 표면에 걸쳐서 분배할 수 있다.
그러나, 냉각제의 분배를 향상시키기 위해 튜브가 가스의 방향에 대해 횡단하는 방향으로 마련된 돌출부를 구비하는 튜브 세트형 열교환기는 공지되어 있지 않다.
본 발명에 따른, 특히 엔진의 배기 가스용의 가스 열교환기의 목적은, 편향기를 사용할 필요 없이 열교환기를 통해 흐르는 냉각제의 분배를 향상시키는 열교환기를 제안함으로써, 종래 기술에서 공지된 열교환기의 단점을 극복하는 것이다.
본 발명에 따른, 특히 엔진의 배기 가스용의 가스 열교환기는, 케이싱 내부에 마련되며, 냉각제와의 열교환에 의해 냉각될 가스가 관통 유동하는 복수의 병렬 튜브를 포함하고, 냉각제 입구 도관 및 냉각제 출구 도관이 바람직하게는 상기 케이싱의 단일 측면 상에서 각각 케이싱의 대향 단부에 마련된다. 이 열교환기는, 각각의 튜브가 가스의 방향에 대향하는 돌출부를 갖고, 각각의 튜브의 돌출부가 편향기 형태의 배리어(barrior)를 형성하도록 튜브들을 서로 적층함으로써 튜브를 조립할 수 있으며, 상기 배리어는 열교환기의 전체 길이를 따라 그리고 튜브의 주위에 냉각제의 입구로부터 냉각제의 출구까지 냉각제 유동의 적절한 분배를 보장하는 사전결정된(predetermined) 경로를 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
튜브 상에 돌출부를 사용하면, 종래 기술에서 공지된 것과 같은 편향기를 사용할 필요가 없어진다. 따라서, 튜브 세트의 조립 공정 동안에 각각의 튜브의 돌출부를 적절하게 방향설정(orienting) 하는 것에 의해, 편향기로서 작용하는 배리어가 형성되는데, 이 배리어는 냉각제 유동을 열교환기의 내부를 통하도록 인도할 수 있으며, 이에 의해 상기 냉각제 유동의 분배를 향상시킨다.
각각의 튜브의 돌출부 간의 접촉에 의해 상술한 편향기 효과가 얻어지며, 획득된 배리어 또는 편향기는 냉각제로 하여금 냉각제의 양호한 분배를 확보할 수 있는 경로를 따라 흐르게 한다.
이러한 편향기 효과로 인해, 모든 방향으로 생성되는 난류 및 냉각제의 입구로부터 출구로의 개선된 경로가 튜브 세트의 냉각을 향상시킨다. 냉각제는 이러한 편향기 효과 없이 튜브 주위로 흐르지 않고 입구로부터 출구까지 곧장 유동할 수도 있는데 이는 바람직하지 않음을 유의해야만 한다.
바람직하게, 병렬 튜브는 실질적으로 직사각형인 단면을 갖고, 각각의 튜브는 가스의 방향에 대해 횡단하는 돌출부를 구비하여, 각각의 튜브의 상기 횡단 돌출부가 실질적으로 수직인 횡단 배리어를 형성하게 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 튜브는, 튜브 세트의 상반부의 각 횡단 돌출부가 가스 입구로부터 튜브 길이의 대략 1/3의 거리에 배치되어 제 1 수직 횡단 배리어를 형성하는 반면에, 튜브 세트의 하반부의 각 횡단 돌출부가 가스 입구로부터 튜브 길이의 대략 2/3의 거리에 배치되어 제 2 수직 횡단 배리어를 형성하도록 방향설정됨으로써, 2개의 횡단 배리어가 냉각제 유동을 위한 Z자형 경로를 형성하고, 냉각제 입구 도관은 상기 제 1 횡단 배리어의 상류측에서 케이싱의 일 측면의 일 단부에서의 상부 부분에 배치되며, 냉각제 출구 도관은 상기 제 2 횡단 배리어의 하류측에서 케이싱의 동일 측면의 대향 단부에서의 하부 부분에 배치된다.
이러한 방법은 냉각제가 케이싱의 동일 측면에서 열교환기에 유입되거나 열교환기로부터 유출되는 경우에 특히 유리하다.
형성된 횡단 배리어 또는 편향기는 냉각제로 하여금 모든 방향으로 열교환기의 내부를 충전하게 하면서 냉각제 입구로부터 냉각제 출구까지 냉각제 유동이 적절히 분배되게 함으로써, 냉각제가 냉각제 입구로부터 냉각제 출구까지 곧장 유동하는 것을 방지한다. 나아가, 케이싱 내부에 생성된 유동은 Z자 형상이며, 이는 횡단 돌출부를 사용하는 종래 기술의 적층 플레이트형 열교환기 내의 냉각제 유동 경로와는 완전히 다른 것이다.
일 실시예에 따르면, 각각의 튜브는 튜브의 한 면에 배치된 오직 하나의 횡단 돌출부를 갖는다.
다른 실시예에 따르면, 각각의 튜브는 튜브의 대향 면에 배치된 2개의 횡단 돌출부를 갖는다.
유리하게는, 각각의 튜브는, 튜브를 따라 분포되며 인접한 튜브들과의 조립 및 지지를 위해 사용되는, 바람직하게는 원형 단면인 복수의 돌기(projection)를 가지며, 튜브들은 냉각제가 통과하는 튜브들 사이의 사전결정된 공간을 차례로 설정한다.
도 1은 튜브 세트와 냉각제 입구 도관 및 냉각제 출구 도관을 구비한 케이싱을 나타내는 본 발명에 따른 열교환기의 사시도,
도 2는 횡단 돌출부 및 지지 돌기를 나타내는 튜브의 사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 단일 횡단 돌출부를 갖는 튜브의 측면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 2개의 횡단 돌출부가 대향 면들에 마련된 튜브의 측면도,
도 5는 종방향 절단면(T)을 나타내는 도 1의 열교환기의 사시도,
도 6은 도 5에 도시한 절단면(T)에 따른 열교환기의 종단면도.
상기의 설명을 용이하게 하기 위해 첨부 도면을 제공하며, 이들 도면은 본 발명에 따른, 특히 엔진의 배기 가스용의 가스 열교환기의 실제적인 예시적 실시예를 비제한적인 예로서 개략적으로 그리고 완전히 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른, 특히 엔진의 배기 가스용의 가스 열교환기(1)는, 단면이 실질적으로 직사각형이고, 케이싱(3)의 내부에 마련되며, 냉각제와의 열교환에 의해 냉각될 가스가 관통 유동하는 복수의 병렬 튜브(2)를 포함한다. 열교환기는 또한 상기 케이싱(3)의 단일 측면에 그리고 대향 단부에 마련되는 냉각제 입구 도관(4) 및 냉각제 출구 도관(5)을 갖는다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 튜브(2)는 가스 방향에 대해 횡단하는 돌출부(6)를 가지며, 이 돌출부(6)는 튜브의 일 단부로부터 튜브 길이의 대략 1/3인 거리에 배치되어 있다.
튜브(2)는 튜브(2)의 한 면에 배치된 하나의 횡단 돌출부(6)를 가질 수도 있고(도 3 참조), 튜브(2)는 튜브(2)의 대향 면에 배치된 2개의 횡단 돌출부(6)를 가질 수도 있다(도 4 참조).
각각의 튜브(2)는, 튜브(2)를 따라 분포되며 인접한 튜브(2)들과의 조립 및 지지를 위해 사용되는, 바람직하게는 원형 단면인 복수의 돌기(7)를 가지며, 튜브(2)들은 냉각제가 통과하는 튜브(2)들 사이의 사전결정된 공간을 차례로 설정한다.
도 6은 도 5에 도시된 절단면(T)에 따른 열교환기(1)의 종단면도를 나타낸다. 이 경우, 튜브(2)는, 튜브(2)를 서로 적층하는 것에 의해, 그리고 튜브(2)를, 튜브(2)의 세트의 상반부의 각 횡단 돌출부(6)가 가스 입구로부터 튜브(2)의 길이의 대략 1/3의 거리에 배치되어 제 1 수직 횡단 배리어(6a)를 형성하는 반면에, 튜브(2)의 세트의 하반부의 각 횡단 돌출부(6)가 가스 입구로부터 튜브(2)의 길이의 대략 2/3의 거리에 배치되어 제 2 수직 횡단 배리어(6b)를 형성하도록 방향설정하는 것에 의해 조립된다. 이로써, 2개의 횡단 배리어(6a, 6b)가 도 6에서 화살표로 도시하는 바와 같이 냉각제 유동을 위한 Z자형 경로를 형성한다.
이러한 경우, 냉각제 입구 도관(4)은 상기 제 1 횡단 배리어(6a)의 상류측에서 케이싱(3)의 일 측면의 일 단부에서의 상부 부분에 배치되는 반면에, 냉각제 출구 도관(5)은 상기 제 2 횡단 배리어(6b)의 하류측에서 케이싱(3)의 동일 측면의 대향 단부에서의 하부 부분에 배치된다.
각각의 튜브(2)의 횡단 돌출부 간의 접촉에 의해 상술한 편향기 효과가 얻어지며, 형성된 횡단 배리어 또는 편향기(6a, 6b)는 냉각제로 하여금 모든 방향으로 열교환기(1)의 내부를 충전하게 하면서, 냉각제 입구(4)로부터 냉각제 출구(5)까지 냉각제 유동이 적절히 분배되게 함으로써, 냉각제가 냉각제 입구로부터 냉각제 출구까지 곧장 유동하는 것을 방지한다. 나아가, 케이싱 내부에 생성된 유동은 Z자 형상이며, 이는 횡단 돌출부를 사용하는 종래 기술의 적층 플레이트형 열교환기 내의 냉각제 유동 경로와는 완전히 다른 것이다.
본 발명의 특정 실시예에 대해 언급했지만, 당업자라면 본 명세서에 기술된 특히 엔진의 배기 가스용의 가스 열교환기가 수많은 변화예 및 변형예를 허용할 수 있는 것과, 본 명세서에 언급된 모든 세부사항들은 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 보호 범위에서 벗어나는 일 없이 기술적으로 균등한 다른 세부사항으로 대체될 수 있는 것을 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 특히 엔진의 배기 가스용의 가스 열교환기(1)로서, 케이싱(3)의 내부에 마련되며, 냉각제와의 열교환에 의해 냉각될 가스가 관통 유동하는 복수의 병렬 튜브(2)를 포함하고, 냉각제 입구 도관(4) 및 냉각제 출구 도관(5)이 바람직하게는 상기 케이싱(3)의 단일 측면 상에서 상기 케이싱(3)의 대향 단부에 각각 마련되어 있는, 가스 열교환기(1)에 있어서,
    각각의 튜브(2)는 가스의 방향에 대향하는 돌출부(6)를 갖고, 각각의 튜브(2)의 돌출부(6)가 편향기(deflector) 형태의 배리어(barrior)(6a, 6b)를 형성하도록 튜브(2)들을 서로 적층함으로써 상기 튜브(2)를 조립할 수 있으며, 상기 배리어(6a, 6b)는 상기 열교환기(1)의 전체 길이를 따라 그리고 상기 튜브(2)의 주위에 냉각제 입구(4)로부터 냉각제 출구(5)까지 냉각제 유동의 적절한 분배를 보장하는 사전결정된(predetermined) 경로를 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    가스 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 병렬 튜브(2)는 실질적으로 직사각형인 단면을 갖고, 각각의 튜브(2)는 가스의 방향에 대해 횡단하는 돌출부(6)를 구비함으로써, 각각의 튜브(2)의 상기 횡단 돌출부(6)가 실질적으로 수직인 횡단 배리어(6a, 6b)를 형성하게 하는 것을 특징으로 하는
    가스 열교환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 튜브(2)는, 튜브(2) 세트의 상반부의 각 횡단 돌출부(6)가 가스 입구로부터 튜브(2) 길이의 대략 1/3의 거리에 배치되어 제 1 수직 횡단 배리어(6a)를 형성하는 반면에, 튜브(2) 세트의 하반부의 각 횡단 돌출부(6)가 가스 입구로부터 튜브(2) 길이의 대략 2/3의 거리에 배치되어 제 2 수직 횡단 배리어(6a)를 형성하도록 방향설정됨으로써, 2개의 횡단 배리어(6a, 6b)가 냉각제 유동을 위한 Z자형 경로를 형성하고,
    상기 냉각제 입구 도관(4)은 상기 제 1 횡단 배리어(6a)의 상류측에서 케이싱(3)의 일 측면의 일 단부에서의 상부 부분에 배치되며,
    상기 냉각제 출구 도관(5)은 상기 제 2 횡단 배리어(6b)의 하류측에서 케이싱(3)의 동일 측면의 대향 단부에서의 하부 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는
    가스 열교환기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    각각의 튜브(2)는 튜브(2)의 한 면에 배치된 오직 하나의 횡단 돌출부(6)를 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 열교환기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    각각의 튜브(2)는 튜브(2)의 대향 면에 배치된 2개의 횡단 돌출부(6)를 갖는 것을 특징으로 하는
    가스 열교환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    각각의 튜브(2)는, 튜브(2)를 따라 분포되며 인접한 튜브(2)들을 서로 조립 및 지지하기 위해 사용되는, 바람직하게는 원형 단면인 복수의 돌기(7)를 가지며, 상기 튜브(2)들은, 냉각제가 통과하는 튜브(2)들 사이의 사전결정된 공간을 차례로 설정하는
    가스 열교환기.
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