KR20150091745A - 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기열 회수장치 내부에 밸브 액추에이터가 삽입된 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환기의 내부에 삽입되며, 내부에 밀봉된 왁스(wax)가 냉각수 온도에 따라 팽창 또는 수축됨에 따라 상하로 이동되는 피스톤을 구비하는 밸브 액추에이터, 일측에 피스톤의 끝단이 활주 가능하도록 삽입되며, 타측에 로드의 일단이 활주 가능하도록 삽입되는 가이드부, 가이드부의 내부에 수용되며, 피스톤의 상하 이동에 따라 이동되는 변위 전달 매개체, 바이패스 밸브의 회전축과 로드에 연결되며, 로드의 활주 운동을 바이패스 밸브 회전축의 회전 운동으로 변경시키는 링크부 및 로드 또는 바이패스 밸브의 회전축에 탄성복원력을 가하여 로드가 가이드부 내부로 삽입되거나 바이패스 밸브가 폐쇄되도록 작동시키는 탄성복원부를 포함하는 것을 특징으로 하여, 배기열 회수장치의 전체적인 사이즈를 축소시키고, 배기열 회수장치의 작동구조를 간단하게 하여 생산원가 및 중량을 절감시킨 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에 관한 것이다.

Description

밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조{OPERATING STRUCTURE OF EXHAUST HEAT RECOVERY DEVICE WITH EMBEDDED VALVE ACTUATOR}
본 발명은 배기열 회수장치 내부에 밸브 액추에이터가 삽입된 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변위 전달 매개체를 통해서 또는 독립적으로 이동되는 로드, 로드의 활주 운동을 바이패스 밸브 회전축의 회전 운동으로 변경시키는 링크부 및 로드 또는 바이패스 밸브 회전축에 탄성복원력을 가하는 탄성복원부를 구비하여 배기열 회수장치의 전체 사이즈를 축소할 수 있는 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에 관한 것이다.
일반적으로 차량은 주행 상태에 따라 초기 시동시 엔진 웜업(warm up) 및 난방 단계가 이루어지고, 차량의 주행시 열전발전 단계가 이루어지며, 차량이 경사진 곳을 올라가거나 과속시 바이패스 단계가 이루어진다.
차량의 배기열 회수장치는 엔진 연소 후 버려지는 배기열을 회수하여 엔진의 웜업, 변속기의 웜업에 사용하거나 또는 회수된 열에너지를 공조장치에 전달하여 차량의 실내 난방에 사용하는 장치를 말한다.
차량의 배기열 회수장치를 사용하는 경우 초기 시동시 고온의 배기가스를 이용하여 냉각수를 가열시킬 수 있고, 이에 따라 엔진의 예열시간을 단축하여 연비 향상 및 배기가스 저감의 효과를 얻을 수 있다.
차량에서 배출되는 오염 물질은 엔진이 워밍업되기 전인 공회전시에 가장 많이 배출되는데 배기열 회수장치를 사용하여 웜업 시간을 단축시킴으로써 차량에서 배출되는 오염물질을 저감할 수 있다.
또한, 배기열 회수장치를 통해 가열된 냉각수는 엔진 냉각수 및 변속기 오일의 온도를 빠르게 상승시켜 엔진 내부 및 변속기 내부의 마찰을 저감시켜 주고, 겨울철 빠른 실내 난방의 효과를 얻을 수 있도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 배기열 회수장치는, 일반적으로 바이패스 밸브(1)를 통해 개폐되는 바이패스 통로(2) 및 열교환기(3)의 외부에 별도로 밸브 액추에이터(4)를 구비하여 바이패스 밸브(1)를 회전시키는 구조로 이루어진다.
그러나 밸브 액추에이터가 열교환기의 외부에 배치되는 종래 밸브 액추에이터 외장형 배기열 회수장치는, 그 구조가 복잡하고 밸브 액추에이터가 외부에 장착되어 배기열 회수장치가 차지하는 공간이 커짐에 따라 다른 부품이 놓일 수 있는 공간이 상대적으로 줄어드는 문제점이 있다.
또한, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 밸브 액추에이터를 열교환기의 내부에 삽입하는 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 경우에도, 밸브 액추에이터를 통해 바이패스 밸브를 회전시키기 위한 구조가 복잡하여 생산 원가 및 중량이 증대되고 제조 공정이 복잡해지는 문제점이 여전히 남아있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 밸브 액추에이터를 열교환기 내부에 삽입하여 배기열 회수장치의 전체적인 사이즈를 축소시키고, 배기열 회수장치의 작동구조를 간단하게 하여 생산원가 및 중량을 절감시킨 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조를 제공하고자 함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 내부로 고온의 배기가스가 통과되는 바이패스 통로 상에서 바이패스 통로를 개폐할 수 있도록 회전축을 기준으로 회전 가능하게 설치되는 바이패스 밸브; 상기 바이패스 통로와 연통하여 바이패스 통로의 측부에 결합되며, 바이패스 통로가 폐쇄되었을 때 고온의 배기가스와 저온의 냉각수 사이에 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기; 상기 열교환기의 내부에 삽입되며, 내부에 밀봉된 왁스(wax)가 냉각수 온도에 따라 팽창 또는 수축됨에 따라 상하로 이동되는 피스톤을 구비하는 밸브 액추에이터; 일측에 상기 피스톤의 끝단이 활주 가능하도록 삽입되며, 타측에 로드의 일단이 활주 가능하도록 삽입되는 가이드부; 상기 가이드부의 내부에 수용되며, 피스톤의 상하 이동에 따라 이동되는 변위 전달 매개체; 상기 바이패스 밸브의 회전축과 로드에 연결되며, 로드의 활주 운동을 바이패스 밸브 회전축의 회전 운동으로 변경시키는 링크부; 및 상기 로드 또는 바이패스 밸브의 회전축에 탄성복원력을 가하여 로드가 가이드부 내부로 삽입되거나 바이패스 밸브가 폐쇄되도록 작동시키는 탄성복원부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에서 상기 변위 전달 매개체는, 상기 가이드부 내부에 서로 독립적으로 수용되는 다수의 구형 볼인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에서 상기 변위 전달 매개체는, 상기 가이드부 내부에 서로 독립적으로 수용되는 다수의 환형 롤러인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에서 상기 로드는, 상기 밸브 액추에이터에 구비된 피스톤의 상하 이동 변위보다 상대적으로 길게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에서 상기 링크부는, 상기 로드의 측부에 결합되어 로드의 이동에 따라 이동되며 중공 형상의 슬롯을 구비하는 제 1 연결부; 일단은 상기 바이패스 밸브의 회전축에 결합되고, 타단은 상기 제 1 연결부의 슬롯에 활주 가능하도록 수용되는 제 2 연결부; 를 포함하는 것이 바람직하다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에서 상기 탄성복원부는, 상기 가이드부의 타측에 결합되며 내부에 로드 및 바이패스 밸브의 회전축이 수용되는 제 1 하우징; 및 상기 로드의 끝단과 제 1 하우징의 내측면 사이에 배치되어 로드에 탄성복원력을 가하는 제 1 압축스프링; 을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에서 상기 탄성복원부는, 상기 가이드부의 타측에 결합되며, 측면에 형성된 중공부를 통해 로드가 돌출 가능하도록 수용되는 제 2 하우징; 상기 로드의 외측면으로부터 수직하여 외부 방향으로 연장되는 로드 연장부; 및 상기 로드 연장부와 제 2 하우징의 내측면 사이에 배치되어 로드에 탄성복원력을 가하는 제 2 압축스프링; 을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에서 상기 탄성복원부는, 상기 바이패스 밸브 회전축의 외주면에 결합되어 바이패스 밸브의 회전축이 회전될 수 있도록 비틀림 모멘트를 가하는 토션스프링(torsion spring)인 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에서 차량의 저부하 상태에서 상기 열교환기를 통과하는 냉각수의 온도가 밸브 액추에이터 내부의 왁스 팽창 온도에 비해 상대적으로 낮은 경우, 상기 탄성복원부의 인장력에 의해 바이패스 밸브가 바이패스 통로를 폐쇄한 상태로 유지됨에 따라 고온의 배기가스가 열교환기 방향으로 유동되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에서 상기 열교환기를 통과하는 냉각수의 온도가 밸브 액추에이터 내부의 왁스 팽창 온도에 비해 상대적으로 높은 경우, 왁스의 팽창에 따라 상기 밸브 액추에이터의 피스톤이 상승되어 변위 전달 매개체를 이동시키고, 상기 로드는 변위 전달 매개체에 의해 탄성복원부의 인장력을 극복하고 돌출되며, 상기 바이패스 밸브는 링크부를 통해 회전되어 바이패스 통로를 개방시키는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조에서 차량의 고부하 상태에서 상기 열교환기를 통과하는 냉각수의 온도가 밸브 액추에이터 내부의 왁스 팽창 온도에 비해 상대적으로 낮은 경우, 상기 바이패스 통로를 통과하는 배기가스의 압력이 탄성복원부의 인장력에 비해 상대적으로 높아지게 되고, 이에 따라 바이패스 밸브가 밸브 액추에이터 및 변위 전달 매개체와 관계없이 독립적으로 회전하여 바이패스 통로를 개방시키는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명은, 내부에 왁스가 밀봉된 밸브 액추에이터를 열교환기 내부에 삽입하여 배기열 회수장치의 전체적인 사이즈를 축소함으로써 배기열 회수장치의 주변 공간이 넓어지게 되고, 이에 따라 배기열 회수장치의 패기지 구성의 자유도가 증대되는 효과가 있다.
또한, 바이패스 밸브의 회전축과 밸브 액추에이터를 비교적 단순하게 구성된 변위 전달 매개체 및 링크부로 연결함으로써, 배기열 회수장치의 조립 공정이 단순화되고 조립 공수 및 조립 시간이 절감되며 생산원가 및 중량이 절감되는 효과가 있다.
나아가, 로드가 변위 전달 매개체와 독립적으로 작동되도록 구성함으로써, 일시적인 급발진 등에 의해 차량이 고부하 상태일 때 바이패스 회전축 및 로드가 배기가스의 압력에 의해 움직이면서 바이패스 밸브가 바이패스 통로를 개방하여 차량의 출력을 확보할 수 있다.
도 1은 밸브 액추에이터가 열교환기의 외부에 배치된 종래 배기열 회수장치의 모습을 도시한 부분 절단 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 전체적인 모습을 도시한 투영 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 링크부의 모습을 도시한 확대 사시도.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 바이패스 통로가 폐쇄되었을 때 링크부의 작동 상태를 도시한 투영 평면도.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 바이패스 통로가 개방되었을 때 링크부의 작동 상태를 도시한 투영 평면도.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치 작동구조에서 탄성복원부의 모습을 도시한 부분 단면도.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치 작동구조에서 탄성복원부의 모습을 도시한 부분 단면도.
도 5c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치 작동구조에서 탄성복원부의 모습을 도시한 부분 단면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치에서 차량의 저부하 상태시 냉각수가 웜엄되지 않았을 때의 작동상태를 도시한 도 2의 A-A'선에 따른 단면도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치에서 냉각수가 웜엄되었을 때의 작동상태를 도시한 도 2의 A-A'선에 따른 단면도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치에서 차량의 고부하 상태시 냉각수가 웜엄되지 않았을 때의 작동상태를 도시한 도 2의 A-A'선에 따른 단면도.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 밸브 액추에이터(30) 내장형 배기열 회수장치의 전체적인 모습을 도시한 투영 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 바이패스 통로(10)는 내부로 고온의 배기가스가 통과될 수 있도록 파이프 형태로 형성되고, 상기 바이패스 통로(10) 상에는 바이패스 밸브(12)가 개폐 가능하도록 설치된다.
상기 바이패스 밸브(12)는, 바이패스 통로(10) 상을 가로지르도록 배치되어 바이패스 통로(10)를 폐쇄하거나 도시된 실시예에서 시계방향으로 회전되어 바이패스 통로(10)를 개방하는 방식으로 작동된다.
구체적으로, 도시된 실시예에서 상기 바이패스 통로(10)는 배기가스가 유입되는 입구 및 배기가스가 배출되는 출구가 원형 파이프 형태로 형성되고 상기 입구와 출구 사이가 사각 파이프 형태로 형성되어 있으며, 상기 바이패스 밸브(12)는 바이패스 통로(10)의 형상에 대응하여 사각형의 판으로 형성되어 있다.
상기 바이패스 통로(10)는 차량의 종류, 배출되는 배기가스의 양, 차체의 전체적인 외관 등을 고려하여 육각형 파이프, 타원형 파이프 등 다앙한 형태로 형성될 수 있으며, 상기 바이패스 밸브(12) 또한 바이패스 통로(10)의 형상에 대응하여 다양한 형태로 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 바이패스 통로(10)의 측부에는, 바이패스 통로(10)가 폐쇄되었을 때 바이패스 통로(10)로부터 공급되는 고온의 배기가스와 냉각수 유입구를 통해 유입되고 냉각수 배출구를 통해 배출되는 저온의 냉각수 사이에 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기(20)가 부착된다.
상기 열교환기(20) 내부를 통과하는 고온의 배기가스와 저온의 냉각수는 열교환기(20) 내부에서 서로 반대방향으로 유동되고, 유동 과정에서 가열된 냉각수는 냉각수 배출구를 통해 토출되어 변속기(미도시) 또는 엔진(미도시)을 웜업(warm-up)시키는 역할을 한다.
도시된 실시예에서 상기 열교환기(20)는 냉각수 통로 및 배기가스 통로가 교대로 번갈아가며 적층된 적층형 열교환기로 형성되며 배기가스 통로는 바이패스 통로(10)와 연통되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기(20)의 내부에는, 내부에 왁스(wax)가 밀봉되어 피스톤(도 7의 32)을 상하로 이동시키는 밸브 액추에이터(30)가 상하방향으로 관통하여 삽입된다.
상기 밸브 액추에이터(30)는, 밀봉된 왁스의 팽창 온도가 열교환기(20) 내부의 냉각수 온도에 비해 높은 경우 피스톤(32)을 상승시키고 밀봉된 왁스의 팽창 온도가 열교환기(20) 내부의 냉각수 온도에 비해 낮은 경우 피스톤(32)을 하강시키는 방식으로 작동된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 밸브 액추에이터(30)의 상부 즉, 열교환기(20)의 상부에는, 일측에 피스톤(도 7의 32)의 끝단이 활주 가능하도록 삽입되고 타측에 로드(42)의 일단이 활주 가능하도록 삽입된 가이드부(40)가 설치된다.
상기 가이드부(40)는, 내부에 변위 전달 매개체(50)가 수용되어 밸브 액추에이터(30)의 피스톤(32)이 상하로 이동되면 로드(42)가 좌우 방향으로 이동될 수 있도록 피스톤(32), 변위 전달 매개체(50) 및 로드(42)를 안내하는 역할을 한다.
상기 가이드부(40)는 열교환기(20)의 상부에 좌우 방향으로 배치되어 있으며, 상기 가이드부(40)에는 변위 전달 매개체(50)를 수용할 수 있도록 가이드홈이 'ㄱ'자 형태로 절곡 형성되어 있다.
상기 가이드부(40)의 내부에 수용된 변위 전달 매개체(50)는 피스톤(32)의 움직임을 로드(42)에 전달하는 역할을 하는 구성요소로써, 독립적으로 구성된 다수의 구형 볼 또는 다수의 환형 롤러 중 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 변위 전달 매개체(50)는, 다수의 구형 볼 또는 환형 롤러로 형성되지 않더라도 피스톤(32)의 변위를 로드(42)로 전달하여 바이패스 밸브(12)를 개폐시키기에는 충분할 수 있다.
즉, 상기 변위 전달 매개체(50)를 고밀도의 오일 또는 케이블 등으로 형성하여도 피스톤(32)의 변위를 전달하기에는 충분할 수 있으나, 이러한 경우 후술되는 바와 같이 차량이 일시적으로 급발진하는 등 차량의 고부하 상태시 로드(42) 및 바이패스 밸브 회전축(14)이 변위 전달 매개체(50)와 독립적으로 움직일 수 없게 되고, 이에 따라 바이패스 밸브(12)가 바이패스 통로(10)를 폐쇄하여 엔진의 출력을 확보할 수 없게 된다.
나아가, 고밀도 오일 등은 피스톤(32)의 움직임을 로드(42)로 전달하는 과정에서 작동 오차가 발생할 수 있으며, 주위 환경(온도 등)에 영향을 받아 작동 불량이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 변위 전달 매개체(50)는 강체로 형성되는 것이 바람직하며, 로드(42) 및 바이패스 밸브 회전축(14)이 독립적으로 움직일 수 있도록 로드(42)에 선택적으로 접촉되는 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 로드(42)는 가이드부(40)에 일단이 활주 가능하도록 삽입되고, 상기 로드(42)의 길이는 피스톤(32)의 최대 상하 변위보다 상대적으로 길게 형성되는 것이 바람직하다.
이는 상기 밸브 액추에이터(30)의 피스톤(32)이 상부로 최대한 상승되어 로드(42)가 최대로 돌출되었을 때도 로드(42)가 가이드부(40)로부터 이탈되지 않도록 하기 위해서이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 링크부(60)의 모습을 도시한 확대 사시도 이고, 도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 바이패스 통로(10)가 폐쇄되었을 때 링크부(60)의 작동 상태를 도시한 투영 평면도이며, 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 바이패스 통로(10)가 개방되었을 때 링크부(60)의 작동 상태를 도시한 투영 평면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 바이패스 밸브 회전축(14)과 로드(42) 사이에는, 로드(42)의 좌우 활주 운동을 바이패스 밸브(12)의 회전 운동으로 변환시켜 주는 링크부(60)가 연결된다.
상기 링크부(60)는, 원형운동을 왕복운동 또는 요동운동으로 변경시키거나 왕복운동 또는 요동운동을 원형운동으로 변경시켜주는 캠(cam), 피니언 기어와 랙기어를 사용하는 기계요소, 다수의 링크를 이용하여 왕복운동을 회전운동으로 변경시켜주는 링크구조 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 상기 링크부(60)는, 상기 로드(42)의 측부에 결합되어 로드(42)의 이동에 따라 이동되며 중공 형상의 슬롯(64)을 구비하는 제 1 연결부(62) 및 일단은 상기 바이패스 밸브의 회전축(14)에 결합되고, 타단은 상기 제 1 연결부(62)의 슬롯(64)에 활주 가능하도록 수용되는 제 2 연결부(66)를 포함하여 구성된다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 바이패스 밸브(12)가 바이패스 통로(10)를 폐쇄하고 있을 때, 상기 제 1 연결부(62)는 로드(42)를 따라 열교환기(20) 쪽에 가깝게 배치되어 있고 바이패스 밸브(12)는 로드(42)와 일직선을 이루게 된다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기(20) 내부의 냉각수 온도가 높아짐에 따라 로드(42)가 바이패스 통로(10) 방향으로 돌출되면, 상기 제 1 연결부(62)도 로드(42)를 따라 바이패스 통로(10) 방향으로 이동되고 이에 따라 제 2 연결부(66)가 도시된 실시예에서 시계방향으로 회전되며 회전축(14)을 시계방향으로 회전시킨다.
따라서 상기 바이패스 밸브(12)는 시계방향으로 회전되며 바이패스 통로(10)를 개방시키게 되고 고온의 배기가스는 거의 대부분 바이패스 통로(10)를 통해 차량의 외부로 배출된다.
상기에서 사용된 좌우방향, 상하방향 또는 시계방향 등은 설명의 편의를 위해서 임의로 정한 것이며, 배기열 회수장치의 배치, 열교환기(20)가 바이패스 통로(10)에 놓이는 위치 등에 따라 상기에서 사용된 배치 방향이 바뀔 수 있다는 것을 통상의 기술자는 알 수 있을 것이다.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 밸브 액추에이터(30) 내장형 배기열 회수장치 작동구조에서 탄성복원부(70)의 모습을 도시한 부분 단면도이고, 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 밸브 액추에이터(30) 내장형 배기열 회수장치 작동구조에서 탄성복원부(70)의 모습을 도시한 부분 단면도이며, 도 5c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 밸브 액추에이터(30) 내장형 배기열 회수장치 작동구조에서 탄성복원부(70)의 모습을 도시한 부분 단면도이다.
도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 탄성복원부(70)는 로드(42) 또는 바이패스 밸브(12)의 회전축(14)에 탄성복원력을 가하여 로드(42)가 가이드부(40) 내부로 삽입되는 방향 또는 바이패스 밸브(12)가 바이패스 통로(10)를 폐쇄하는 방향으로 이동되도록 하는 역할을 한다.
구체적으로 도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 탄성복원부(70)는, 상기 가이드부(40)의 타측으로부터 바이패스 통로(10)의 상부에 걸쳐 배치되며 내부에 로드(42)가 완전히 수용되는 형태의 제 1 하우징(71) 및 상기 로드(42)의 끝단과 제 1 하우징(71)의 내측면 사이에 배치되어 로드(42)에 탄성복원력을 가하는 제 1 압축스프링(72)으로 구성된다.
전술한 바와 같이, 상기 열교환기(20) 내부의 냉각수 온도가 상승되면서 피스톤(32)을 상승시키고 이에 따라 변위 전달 매개체(50)가 이동되어 로드(42)를 돌출시켰을 때, 바이패스 밸브(12)는 바이패스 통로(10)를 개방시키게 된다.
그 후 다시 피스톤(32)이 하강되었을 때, 상기 제 1 하우징(71)과 로드(42) 사이에 배치된 제 1 압축스프링(72)은 로드(42)에 인장력을 가하게 되고, 이에 따라 로드(42)가 가이드부(40) 내부로 삽입됨으로써 바이패스 밸브(12)가 회전하여 바이패스 통로(10)를 폐쇄시키게 되는 것이다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 탄성복원부(70)는, 상기 가이드부(40)의 타측에 결합되며, 측면에 형성된 중공부를 통해 로드(42)가 돌출 가능하도록 수용되는 제 2 하우징(73), 상기 로드(42)의 외측면으로부터 수직하여 외부 방향으로 연장되는 로드 연장부(44) 및 상기 로드 연장부(44)와 제 2 하우징(73)의 내측면 사이에 배치되어 로드(42)에 탄성복원력을 가하는 제 2 압축스프링(74)으로 구성된다.
즉, 도 5b에 도시된 상기 탄성복원부(70)는 도 5a에 도시된 탄성복원부(70)와 작동 원리는 유사하지만, 바이패스 밸브 회전축(14)이 제 2 하우징(73)의 외부에 배치되고, 제 2 하우징(73)의 내부에 배치된 로드(42)도 중공부를 통해 드나들 수 있도록 형성되며, 제 2 압축스프링(74)이 제 2 하우징(73)의 내측면과 로드 연장부(44) 사이에 배치되는 점에서 도 5a에 도시된 탄성복원부(70)와 차이가 있다.
도 5b에 도시된 탄성복원부(70)는, 로드(42)가 가이드부(40) 외부로 이탈되는 것을 완전히 차단할 수 있다는 점에서 장점이 있지만 로드(42)의 측부에 로드 연장부(44)를 형성해야 한다는 점에서 도 5a에 도시된 탄성복원부(70)보다 성형성이 떨어진다는 단점이 있다.
도 5c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 상기 탄성복원부(70)는, 상기 바이패스 통로(10) 회전축(14)의 외주면에 결합되어 바이패스 통로(10)의 회전축(14)이 회전될 수 있도록 비틀림 모멘트를 가하는 토션스프링(torsion spring, 75)으로 형성된다.
도 5c에 도시된 탄성복원부(70)는, 도 5a 및 도 5b에 도시된 탄성복원부(70)와 달리 바이패스 밸브(12)의 회전축(14)에 직접적으로 탄성복원력을 가한다는 점에서 차이가 있다.
즉, 도 5c에 도시된 탄성복원부(70)는 상기 바이패스 밸브(12)가 바이패스 통로(10)를 폐쇄할 수 있도록 바이패스 밸브 회전축(14)을 회전시키며, 상기 로드(42)는 바이패스 밸브 회전축(14)의 회전에 따라 가이드부(40) 내부로 삽입되는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 밸브 액추에이터(30) 내장형 배기열 회수장치 작동구조의 작동과정을 살펴보면 다음과 같다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 밸브 액추에이터(30) 내장형 배기열 회수장치에서 차량의 저부하 상태시 냉각수가 웜엄되지 않았을 때의 작동상태를 도시한 도 2의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 차량의 저부하 상태에서 상기 열교환기(20)를 통과하는 냉각수의 온도가 밸브 액추에이터(30) 내부의 왁스 팽창 온도에 비해 상대적으로 낮은 경우 즉, 냉각수가 웜엄되지 않았을 때, 상기 탄성복원부(70)의 인장력에 의해 로드(42)는 가이드부(40) 내부에 삽입된 상태로 유지된다.
상기 로드(42)가 가이드부(40) 내부에 삽입된 상태로 유지됨에 따라 바이패스 밸브(12)는 바이패스 통로(10)를 폐쇄한 상태로 유지되고, 고온의 배기가스는 열교환기(20) 방향으로 유동되어 저온의 냉각수와 열교환을 하게 된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 밸브 액추에이터(30) 내장형 배기열 회수장치에서 냉각수가 웜엄되었을 때의 작동상태를 도시한 도 2의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기(20)를 통과하는 냉각수의 온도가 밸브 액추에이터(30) 내부의 왁스 팽창 온도에 비해 상대적으로 높은 경우 즉, 냉각수가 웜엄되었을 때, 밸브 액추에이터(30) 내부의 왁스가 팽창됨에 따라 피스톤(32)은 상부로 상승된다.
상기 피스톤(32)의 상승에 따라 변위 전달 매개체(50) 및 로드(42)는 탄성복원부(70)의 인장력을 이겨내고 이동되며, 상기 로드(42)의 이동에 따라 바이패스 밸브(12)는 링크부(60)를 통해 회전된다.
상기 바이패스 밸브(12)가 회전됨으로써 바이패스 통로(10)는 개방되고, 이에 따라 대부분의 배기가스가 바이패스 통로(10)를 통해 바이패스되며 열교환기(20)를 통한 열교환은 차단된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 밸브 액추에이터(30) 내장형 배기열 회수장치에서 차량의 고부하 상태시 냉각수가 웜엄되지 않았을 때의 작동상태를 도시한 도 2의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 차량의 일시적인 급발진 등으로 인한 고부하 주행 상태에서 상기 열교환기(20)를 통과하는 냉각수의 온도가 밸브 액추에이터(30) 내부의 왁스 팽창 온도에 비해 상대적으로 낮은 경우 즉, 냉각수 웜엄 전에 상기 로드(42) 및 바이패스 밸브(12)는 밸브 액추에이터(30) 및 변위 전달 매개체(50)와 독립적으로 움직일 필요성이 있다.
즉, 이때 바이패스 통로(10)를 통과하는 배기가스의 압력은 탄성복원부(70)의 인장력에 비해 상대적으로 높아지고, 이에 따라 상기 바이패스 밸브(12)는 밸브 액추에이터(30) 및 변위 전달 매개체(50)와 관계없이 독립적으로 회전하여 바이패스 통로(10)를 개방시키게 된다.
상기 바이패스 밸브(12)가 배기가스 압력에 의해 독립적으로 개방됨으로써, 배기열 회수장치 내부의 전체적인 배압을 줄여줄 수 있게 되고 이에 따라 차량의 엔진 출력을 확보할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
10 : 바이패스 통로
12 : 바이패스 밸브
14 : 회전축
20 : 열교환기
30 : 밸브 액추에이터
32 : 피스톤
40 : 가이드부
42 : 로드
44 : 로드 연장부
50 : 변위 전달 매개체
60 : 링크부
62 : 제 1 연결부
64 : 슬롯
66 : 제 2 연결부
70 : 탄성복원부
71 : 제 1 하우징
72 : 제 1 압축스프링
73 : 제 2 하우징
74 : 제 2 압축스프링
75 : 토션스프링

Claims (11)

  1. 내부로 고온의 배기가스가 통과되는 바이패스 통로 상에서 바이패스 통로를 개폐할 수 있도록 회전축을 기준으로 회전 가능하게 설치되는 바이패스 밸브;
    상기 바이패스 통로와 연통하여 바이패스 통로의 측부에 결합되며, 바이패스 통로가 폐쇄되었을 때 고온의 배기가스와 저온의 냉각수 사이에 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기;
    상기 열교환기의 내부에 삽입되며, 내부에 밀봉된 왁스(wax)가 냉각수 온도에 따라 팽창 또는 수축됨에 따라 상하로 이동되는 피스톤을 구비하는 밸브 액추에이터;
    일측에 상기 피스톤의 끝단이 활주 가능하도록 삽입되며, 타측에 로드의 일단이 활주 가능하도록 삽입되는 가이드부;
    상기 가이드부의 내부에 수용되며, 피스톤의 상하 이동에 따라 이동되는 변위 전달 매개체;
    상기 바이패스 밸브의 회전축과 로드에 연결되며, 로드의 활주 운동을 바이패스 밸브 회전축의 회전 운동으로 변경시키는 링크부; 및
    상기 로드 또는 바이패스 밸브의 회전축에 탄성복원력을 가하여 로드가 가이드부 내부로 삽입되거나 바이패스 밸브가 폐쇄되도록 작동시키는 탄성복원부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 변위 전달 매개체는,
    상기 가이드부 내부에 서로 독립적으로 수용되는 다수의 구형 볼인 것을 특징으로 하는 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 변위 전달 매개체는,
    상기 가이드부 내부에 서로 독립적으로 수용되는 다수의 환형 롤러인 것을 특징으로 하는 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 로드는,
    상기 밸브 액추에이터에 구비된 피스톤의 상하 이동 최대변위보다 상대적으로 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 링크부는,
    상기 로드의 측부에 결합되어 로드의 이동에 따라 이동되며 중공 형상의 슬롯을 구비하는 제 1 연결부;
    일단은 상기 바이패스 밸브의 회전축에 결합되고, 타단은 상기 제 1 연결부의 슬롯에 활주 가능하도록 수용되는 제 2 연결부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성복원부는,
    상기 가이드부의 타측에 결합되며 내부에 로드 및 바이패스 밸브의 회전축이 수용되는 제 1 하우징; 및
    상기 로드의 끝단과 제 1 하우징의 내측면 사이에 배치되어 로드에 탄성복원력을 가하는 제 1 압축스프링; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성복원부는,
    상기 가이드부의 타측에 결합되며, 측면에 형성된 중공부를 통해 로드가 돌출 가능하도록 수용되는 제 2 하우징;
    상기 로드의 외측면으로부터 수직하여 외부 방향으로 연장되는 로드 연장부; 및
    상기 로드 연장부와 제 2 하우징의 내측면 사이에 배치되어 로드에 탄성복원력을 가하는 제 2 압축스프링; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 탄성복원부는,
    상기 바이패스 밸브 회전축의 외주면에 결합되어 바이패스 밸브의 회전축이 회전될 수 있도록 비틀림 모멘트를 가하는 토션스프링(torsion spring)인 것을 특징으로 하는 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조.
  9. 제 1 항에 있어서,
    차량의 저부하 상태에서 상기 열교환기를 통과하는 냉각수의 온도가 밸브 액추에이터 내부의 왁스 팽창 온도에 비해 상대적으로 낮은 경우,
    상기 탄성복원부의 인장력에 의해 바이패스 밸브가 바이패스 통로를 폐쇄한 상태로 유지됨에 따라 고온의 배기가스가 열교환기 방향으로 유동되는 것을 특징으로 하는 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기를 통과하는 냉각수의 온도가 밸브 액추에이터 내부의 왁스 팽창 온도에 비해 상대적으로 높은 경우,
    왁스의 팽창에 따라 상기 밸브 액추에이터의 피스톤이 상승되어 변위 전달 매개체를 이동시키고, 상기 로드는 변위 전달 매개체에 의해 탄성복원부의 인장력을 극복하고 돌출되며, 상기 바이패스 밸브는 링크부를 통해 회전되어 바이패스 통로를 개방시키는 것을 특징으로 하는 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조.
  11. 제 1 항에 있어서,
    차량의 고부하 상태에서 상기 열교환기를 통과하는 냉각수의 온도가 밸브 액추에이터 내부의 왁스 팽창 온도에 비해 상대적으로 낮은 경우,
    상기 바이패스 통로를 통과하는 배기가스의 압력이 탄성복원부의 인장력에 비해 상대적으로 높아지게 되고, 이에 따라 바이패스 밸브가 밸브 액추에이터 및 변위 전달 매개체와 관계없이 독립적으로 회전하여 바이패스 통로를 개방시키는 것을 특징으로 하는 밸브 액추에이터 내장형 배기열 회수장치의 작동구조.
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