KR20160101279A - 우레아 수용액 간접히팅장치 - Google Patents

우레아 수용액 간접히팅장치 Download PDF

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Abstract

우레아 수용액 간접히팅장치에 관한 발명이 개시된다. 개시된 우레아 수용액 간접히팅장치는: 열전달유체가 수용되는 리저브탱크와, 리저브탱크의 열전달유체를 히팅튜브로 순환시키는 순환부와, 리저브탱크의 열전달유체를 가열하는 전기히터 및 리저브탱크에 구비되어 열전달유체의 열손실을 방지하는 열손실방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

우레아 수용액 간접히팅장치{INDIRECT HEATING APPARATUS OF UREA WATER SOLUTION}
본 발명은 우레아 수용액 간접히팅장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열교환효율을 극대화하여 열효율을 향상시킬 수 있는 우레아 수용액 간접히팅장치에 관한 것이다.
디젤 엔진이 장착된 차량은 배기 가스에 포함된 NOx를 저감하기 위해 SCR(Selective catalytic reduction) 촉매로 우레아 수용액을 분사한다.
우레아 수용액은 차량에 장착되는 우레아 탱크의 내부에 저장되는데, 외기 온도가 우레아 수용액의 어는점보다 낮아 동결되면 SCR 촉매의 전단으로 분사되지 못하게 된다. 이 경우, 차량은 엔진 출력이 제한되거나 엔진에서 배출되는 NOx를 저감시키지 못하는 문제점이 발생한다.
이에, 우레아 탱크의 내부에 저장된 우레아 수용액의 동결을 방지하기 위해, 우레아 탱크의 재질을 플라스틱으로 형성하거나, 엔진으로부터 배출된 냉각수를 우레아 탱크에 순환시키는 방법이 제시되었다.
그러나, 우레아 탱크의 재질을 플라스틱으로 형성하는 방법은 우레아 탱크가 저온에 장시간 노출될 경우에는 결국 우레아 수용액이 동결되는 문제점이 있었다.
게다가, 엔진으로부터 배출된 냉각수를 우레아 탱크에 순환시키는 방법은 엔진에 의해 충분히 가열된 냉각수를 우레아 탱크로 순환시켜야 하므로, 엔진 시동 초기에서는 냉각수로 우레아 수용액을 용융시킬 수가 없었고, 냉각수를 순환시키기 위한 급배수관이 별도로 구비되어야 하며, 그 결과 냉각수를 순환시키기 위한 설치 구조가 복잡해지고 설치 비용이 증가하는 등의 문제점이 있었다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 특허공개번호 10-1997-0035564호(1997.07.22)에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 엔진에 의해 가열된 냉각수를 사용하지 않고, 별도의 간접히팅에 의해 우레아 수용액의 동결시 보다 쉽게 용융시킬 수 있으며, 간접히팅장치의 구조 개선으로 열전달매체의 흐름이 변경되어 열교환효율을 향상시킬 수 있는 우레아 수용액 간접히팅장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치는: 열전달유체가 수용되는 리저브탱크와, 상기 리저브탱크의 열전달유체를 히팅튜브로 순환시키는 순환부와, 상기 리저브탱크의 열전달유체를 가열하는 전기히터 및 상기 리저브탱크에 구비되어 열전달유체의 열손실을 방지하는 열손실방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기히터는 엔진의 출력을 전기 에너지로 변환시키는 발전기로부터 인가된 전력으로 열을 발생시켜 상기 리저브탱크의 열전달유체를 가열하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열손실방지부는 상기 리저브탱크의 둘레를 감싸도록 형성되는 단열공간부 및 상기 단열공간부를 경유하도록 구비되는 연통홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연통홀은 상기 단열공간부로 열전달유체가 공급되는 제1연통홀과, 상기 단열공간부와 상기 리저브탱크를 연통시키는 제2연통홀 및 상기 리저브탱크의 열전달유체를 상기 히팅튜브로 공급하는 제3연통홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1연통홀은 상기 단열공간부의 상단부에 형성되고, 상기 제2연통홀은 상기 리저브탱크의 하단부에 형성되며, 상기 제3연통홀은 상기 리저브탱크의 상단부에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기히터는 상기 리저브탱크에 장착부에 의해 장착되고, 상기 장착부는 상기 전기히터에 구비되는 장착플랜지 및 상기 장착플랜지가 끼움결합되도록 상기 리저브탱크에 형성되는 장착홈부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기히터는 상기 리저브탱크의 길이방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 리저브탱크의 내면에는 상기 열전달매체유체의 흐름을 지연시켜 안내하는 흐름안내부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치는 리저브탱크의 둘레에 구비되는 단열공간부에 의해 가열된 열전달유체의 열손실을 방지할 수 있어 열효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 열전달유체가 통과하는 각 연통홀의 위치에 의해 열전달유체의 경로를 길게 하여 열교환효율을 향상시킨다.
또한, 본 발명은 엔진에 의해 가열된 냉각수를 사용하지 않으므로 엔진의 가열여부와 무관하게 우레아 수용액을 보다 쉽고, 신속하게 용융할 수 있으며, 그 설치구조가 간단하고 설치비용을 줄일 수 있으며, 제품을 소형화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치가 구비된 우레아 탱크를 보인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A단면도이다.
도 4는 도 2의 B-B단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치의 열전달유체의 흐름을 보인 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치의 변형예를 보인 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치에 의해 우레아 수용액 용융을 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치가 구비된 우레아 탱크를 보인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치의 사시도이며, 도 3은 도 2의 A-A단면도이고, 도 4는 도 2의 B-B단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치의 열전달유체의 흐름을 보인 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치의 변형예를 보인 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치에 의해 우레아 수용액 용융을 보인 도면이다.
우레아 탱크(10)는 내부에 우레아 수용액을 저장하며, 우레아 수용액의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하기 위해 열전도율이 낮은 합성수지 등으로 제작될 수 있다. 이와 같은 우레아 탱크(10)가 합성수지로 제작됨으로써, 우레아 수용액이 어느점 이하의 저온에서 동결되는 것을 억제할 수 있다. 더욱이, 우레아 탱크(10)에는 단열 효과가 더욱 향상되도록 단열재가 추가적으로 더 설치될 수 있다. 이러한 단열재로는 폴리우레탄, 폴리스틸렌, 중공형태의 실리카겔 중 어느 하나가 채용될 수 있을 뿐만 아니라, 이들 중 어느 하나 이상이 조합될 수 있다.
이러한 우레아 탱크(10)의 상단에는 도 1에서 도시된 바와 같이 설치부(20)가 형성된다. 설치부(20)는 우레아 탱크(10)에 형성된 설치구(12)에 기밀된 상태로 기구적으로 체결된다.
설치부(20)에는 도 7에서 도시된 바와 같이 우레아 수용액이 공급되는 우레아 수용액 공급포트(22)가 구비되고, 우레아 수용액이 리턴되는 우레아 수용액 리턴포트(24)가 구비된다. 그리고, 설치부(20)의 하부에는 우레아 탱크(10) 내부로 연장되고, 우레아 수용액 공급포트(22)와 연결되어 SCR촉매로 우레아 수용액을 공급하는 흡입파이프(23)가 설치되며, 우레아 수용액 리턴포트(24)와 연결되어 SCR촉매로부터 리턴되는 우레아 수용액을 우레아 탱크(10)로 리턴시키는 리턴파이프(25)가 설치된다.
우레아 탱크(10)에는 우레아 수용액 온도감지부(13)와, 우레아 수용액 수위감지부(15)가 구비된다. 우레아 수용액 온도감지부(13)는 우레아 탱크(10)의 내부에 구비되어 우레아 수용액의 온도를 감지할 수 있다. 본 실시예에서 우레아 수용액 온도감지부(13)는 도 7에서 도시된 바와 같이 후술되는 가이드(16)의 내부에 구비되어 우레아 수용액의 온도를 감지한다. 이는 우레아 수용액 온도감지부(13)의 위치를 한정하는 것이 아니며 우레아 수용액의 온도를 감지할 수 있는 다양한 위치에 설치될 수 있다.
우레아 수용액 수위감지부(15)는 우레아 탱크(10)에 저장된 우레아 수용액의 수위를 감지한다. 우레아 수용액 수위감지부(15)는 설치구(12)에 구비되어 우레아 탱크(10)의 내부로 연장되는 가이드(16)와, 가이드(16)에 구비되어 우레아 수용액의 수위에 따라 승강하는 플로터(17)로 이루어진다. 이처럼 우레아 수용액 수위감지부(15)는 우레아 수용액의 위치에 따라 수직방향으로 이동되는 플로터(17)를 이용하는 방식 뿐만 아니라, 우레아 수용액으로 광을 방출하여 수광된 광량을 토대로 우레아 수용액의 수위를 감지하는 광학방식 등이 채용될 수 있으며, 이외에도 우레아 수용액의 수위를 감지하는 다양한 방식이 채용될 수 있다.
히팅튜브(30)는 설치부(20)에 연결되고, 우레아 탱크(10) 내부로 연장되며, 중공 형성된다. 히팅튜브(30)는 우레아 수용액과 접촉되어 우레아 탱크(10)와 열교환되는 것으로서, 우레아 수용액과 접촉면적을 넓게 형성하도록 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 그리고, 히팅튜브(30)는 금속재질로 이루어진다. 물론, 우레아 수용액에 열전달유체의 온도를 전달할 수 있는 다양한 형태와 구조 및 재질로 이루어질 수 있다. 특히, 히팅튜브(30)는 열전도성 플라스틱으로 형성되어 요철형상, 스프링 형상 등 다양한 형상으로 형성될 수도 있다.
도 2와 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 간접히팅장치(100)는 히팅튜브(30)에 열전달유체를 공급하는 것으로서, 리저브탱크(110), 순환부(120), 전기히터(130) 및 열손실방지부(140)를 포함한다. 이러한 간접히팅장치(100)는 모듈화되어 별도의 고정부재에 의해 우레아 탱크(10)의 일측면에 구비될 수 있다.
리저브탱크(110)는 열전달유체를 수용한다. 즉, 열전달유체가 수용될 수 있도록 일정공간을 형성하여 열전달유체 및 후술되는 전기히터(130)가 수용될 수 있다.
순환부(120)는 리저브탱크(110)와 히팅튜브(30)를 연결하는 연결호스(122) 및 연결호스(122)에 구비되는 순환펌프(124)를 포함한다. 이때, 연결호스(122)는 설치부(20)에 구비되는 열전달유체포트(27)에 연결되어 히팅튜브(30)에 연결된다.
전기히터(130)는 엔진의 출력을 전기 에너지로 변환시키는 발전기로부터 인가된 전력으로 열을 발생시켜 리저브탱크(110)의 열전달유체를 가열한다. 전기히터(130)는 리저브탱크(110) 내에 수용되어 리저브탱크(110) 내에 구비되는 열전달유체를 직접가열한다.
열손실방지부(140)는 리저브탱크(110)에 구비되어 열전달유체의 열손실을 방지하는 것으로서, 리저브탱크(110)의 둘레를 감싸도록 형성되는 단열공간부(142)와, 단열공간부(142)를 경유하도록 구비되는 연통홀(144)을 포함한다. 단열공간부(142)는 리저브탱크(110)의 내부에 구비되는 격벽에 의해 형성된다.
그리고, 연통홀(144)은 단열공간부(142)로 열전달유체가 공급되는 제1연통홀(145)과, 단열공간부(142)와 리저브탱크(110)를 연통시키는 제2연통홀(146) 및 리저브탱크(110)의 열전달유체를 히팅튜브(30)로 공급하는 제3연통홀(147)을 포함한다. 이러한 연통홀(144)은 형성위치에 의해 경로를 길게 형성할 수 있어 전기히터(130)와의 열교환효율을 향상시킬 수 있다.
도 3에서 도시된 바와 같이 제1연통홀(145)은 단열공간부(142)의 상단부에 형성되고, 제2연통홀(146)은 리저브탱크(110)의 하단부에 형성되며, 제3연통홀(147)은 리저브탱크(110)의 상단부에 형성된다. 즉, 상부로 유입된 열전달유체는 단열공간부(142)에서 하부로 이동되고, 다시 리저브탱크(110)에서 상부로 이동되는 경로를 지니게 되어 긴 경로를 형성함으로써, 열교환효율을 증대할 수 있다.
한편, 도 6에서 도시된 바와 같이 리저브탱크(110)의 변형예로서, 리저브탱크(110)의 내면에는 열전달유체의 흐름을 지연시켜 안내하는 흐름안내부(117)를 포함한다. 흐름안내부(117)는 리저브탱크(110)의 내면에 나선형상으로 돌출된 돌기로 형성되어 리저브탱크(110)로 공급된 열전달유체를 리저브탱크(110)에 오래 머물게 함으로써, 열교환효율을 향상시킬 수 있다.
전기히터(130)는 리저브탱크(110)에 장착부(150)에 의해 장착되고, 장착부(150)는 전기히터(130)에 구비되는 장착플랜지(152) 및 장착플랜지(152)가 끼움결합되도록 리저브탱크(110)에 형성되는 장착홈부(154)를 포함한다. 장착플랜지(152)는 이격되는 한 쌍으로 형성되고, 장착플랜지(152) 사이에는 씰링부재(155)가 구비되어 장착홈부(154)에 밀착된다.
전기히터(130)는 리저브탱크(110)의 길이방향으로 연장 형성된다. 따라서, 리저브탱크(110)의 하부에서 공급되는 열전달유체는 전기히터(130)와 접촉면적을 넓게 형성할 수 있다.
그리고, 리저브탱크(110)는 열전달유체와 전기히터(130)가 수용되는 탱크본체(112) 및 전기히터(130)를 고정하는 마감캡(114)을 포함한다. 마감캡(114)은 탱크본체(112)에 후크결합되어 장착되고, 탱크본체(112)와 마감캡(114) 사이에는 합성수지에 의해 몰딩되어 몰딩부(115)가 형성된다. 몰딩부(115)에 의해 전기히터(130)의 전기연결부를 방수처리하며, 전기히터(130)를 견고히 고정시킨다.
이하, 상기한 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치(100)의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
운전자가 키박스를 통해 엔진에 시동을 걸면, 엔진 ECU가 엔진을 구동시킨다. 이때, 발전기는 엔진의 출력을 전기 에너지로 변환하여 전기히터(130)에 공급한다. 전기히터(130)의 전원으로 배터리의 전원을 사용하지 않고, 발전기의 전원을 사용함으로써, 배터리의 전력소모를 줄일 수 있다.
우레아 탱크(10)의 우레아 수용액의 온도 및 수위를 비교하여 간접히팅장치(100)의 사용여부를 판단한다. 즉, 우레아 탱크(10)의 우레아 수용액의 온도와 수위를 감지하고, 이를 비교하여 간접히팅장치(100)의 작동여부를 판단할 수 있다.
우레아 수용액의 온도가 기준온도 이상이면, 우레아 수용액의 순환이 용이하므로 간접히팅장치(100)의 작동은 필요치 않다.
우레아 수용액의 온도가 기준온도 이하이면, 우레아 수용액의 수위를 감지하고, 우레아 수용액의 수위가 기준 이하이면, 간접히팅장치(100)의 작동을 차단하여 우레아 탱크(10) 내부가 과열되는 것을 방지한다.
우레아 수용액이 온도가 기준온도 이하이고, 우레아 수용액의 수위가 기준 이상이며, 간접히팅장치(100)가 작동되어 우레아 수용액을 용융시킨다.
간접히팅장치(100)에 의해 우레아 수용액의 용융을 살펴보면, 도 5와 도 7에서 도시된 바와 같이 순환펌프(124)의 작동에 의해 연결호스(122)를 통해 열전달유체가 히팅튜브(30)로부터 리저브탱크(110)로 유입된다. 이때, 유입되는 열전달유체는 단열공간부(142)의 상단부에 형성되는 제1연통홀(145)을 통해 유입되어, 단열공간부(142)의 하부로 이동되고, 리저브탱크(110)의 하단부에 형성되는 제2연통홀(146)을 통해 리저브탱크(110)로 유입되어 리저브탱크(110)의 상부로 이동되며, 리저브탱크(110)의 상단부에 형성되는 제3연통홀(147)을 통해 다시 히팅튜브(30)로 순환된다.
리저브탱크(110)에는 전기히터(130)가 리저브탱크(110)의 길이방향으로 기립 형성되어 열전달유체가 가열된다. 이때, 리저브탱크(110)의 둘레면에 형성되는 단열공간부(142)에 열전달유체가 채워진 상태이므로 리저브탱크(110)에서 가열된 열전달유체의 열손실을 방지할 수 있어 열효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기한 바와 같이 각각의 연통홀(144)의 위치에 의해 열전달유체의 긴 경로를 형성할 수 있어 체류시간이 길어져 열교환효율을 향상시킬 수 있다.
이처럼 가열된 열전달유체는 순환펌프(124)에 의해 히팅튜브(30)로 순환됨으로써, 히팅튜브(30)와 우레아 수용액의 열교환으로 우레아 수용액을 용융할 수 있다.
한편, 도 6에서 도시된 바와 같이 리저브탱크(110)의 내면에는 나선형으로 형성되는 흐름안내부(117)가 형성되어 열전달유체의 체류시간을 길게 함으로써, 열교환효율을 배가할 수도 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 우레아 수용액 간접히팅장치에 의하면, 리저브탱크의 둘레에 구비되는 단열공간부에 의해 가열된 열전달유체의 열손실을 방지할 수 있어 열효율을 향상시킬 수 있으며, 열전달유체가 통과하는 각 연통홀의 위치에 의해 열전달유체의 경로를 길게 하여 열교환효율을 향상시킨다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 우레아 탱크 12 : 설치구
13 : 우레아 수용액 온도감지부 15 : 우레아 수용액 수위감지부
16 : 가이드 17 : 플로터
20 : 설치부 22 : 우레아 수용액 공급포트
23 : 흡입파이프 24 : 우레아 수용액 리턴포트
25 : 리턴파이프 27 : 열전달유체포트
30 : 히팅튜브 100 : 우레아 수용액 간접히팅장치
110 : 리저브탱크 112 : 탱크본체
114 : 마감캡 115 : 몰딩부
117 : 흐름안내부 120 : 순환부
122 : 연결호스 124 : 순환펌프
130 : 전기히터 140 : 열손실방지부
142 : 단열공간부 144 : 연통홀
145 : 제1연통홀 146 : 제2연통홀
147 : 제3연통홀 150 : 장착부
152 : 장착플랜지 154 : 장착홈부
155 : 씰링부재

Claims (8)

  1. 열전달유체가 수용되는 리저브탱크;
    상기 리저브탱크의 열전달유체를 히팅튜브로 순환시키는 순환부;
    상기 리저브탱크의 열전달유체를 가열하는 전기히터; 및
    상기 리저브탱크에 구비되어 열전달유체의 열손실을 방지하는 열손실방지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 수용액 간접히팅장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 전기히터는 엔진의 출력을 전기 에너지로 변환시키는 발전기로부터 인가된 전력으로 열을 발생시켜 상기 리저브탱크의 열전달유체를 가열하는 것을 특징으로 하는 우레아 수용액 간접히팅장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열손실방지부는 상기 리저브탱크의 둘레를 감싸도록 형성되는 단열공간부; 및
    상기 단열공간부를 경유하도록 구비되는 연통홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 수용액 간접히팅장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 연통홀은 상기 단열공간부로 열전달유체가 공급되는 제1연통홀;
    상기 단열공간부와 상기 리저브탱크를 연통시키는 제2연통홀; 및
    상기 리저브탱크의 열전달유체를 상기 히팅튜브로 공급하는 제3연통홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 수용액 간접히팅장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1연통홀은 상기 단열공간부의 상단부에 형성되고, 상기 제2연통홀은 상기 리저브탱크의 하단부에 형성되며, 상기 제3연통홀은 상기 리저브탱크의 상단부에 형성되는 것을 특징으로 하는 우레아 수용액 간접히팅장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전기히터는 상기 리저브탱크에 장착부에 의해 장착되고;
    상기 장착부는 상기 전기히터에 구비되는 장착플랜지; 및
    상기 장착플랜지가 끼움결합되도록 상기 리저브탱크에 형성되는 장착홈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 수용액 간접히팅장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전기히터는 상기 리저브탱크의 길이방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 우레아 수용액 간접히팅장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 리저브탱크의 내면에는 상기 열전달매체유체의 흐름을 지연시켜 안내하는 흐름안내부를 포함하는 것을 특징으로 하는 우레아 수용액 간접히팅장치.
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