KR20180136055A - 배기가스 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 폭방향으로 일정간격 이격되어 배치되며, 폭 대비 높이가 높게 형성되고, 내부에 배기가스가 흐르는 복수 개의 열교환관(200) 및 상기 열교환관(200)의 일단이 고정되는 제1연통홀(310)과 상기 열교환관(200)의 타단이 고정되는 제2연통홀(320)을 포함하는 메인플레이트(300)를 포함하여, 유동저항을 줄이고, 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 배기가스 냉각장치에 관한 것이다.

Description

배기가스 냉각장치{Exhaust gas cooling device}
본 발명은 배기가스 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 유동저항을 줄이고, 열교환성능을 향상시킬 수 있도록 형성된 배기가스의 온도를 낮추기 위한 EGR 쿨러나 고온의 배기가스의 열을 회수하는 배기열 회수장치에 사용되는 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 배기가스(Exhaust Gas)에는 일산화탄소, 질소산화물, 탄화수소 등과 같은 유해물질이 다량 포함되어 있다. 특히, 질소산화물과 같은 유해물질은 엔진이 고온일수록 발산 량이 증가하게 된다.
오늘날에는 각국별로 배기가스 규제가 강화되고 있는 실정이다. 이러한 각국별로 강화된 배기가스 규정을 만족시키기 위해 차량에는 배기가스 중에서 질소산화물과 같은 유해물질을 저감시키기 위한 각종 장치가 설치된다.
특히, 디젤엔진을 장착 차량의 경우에는 연소되는 연료의 성분이 가솔린 엔진을 장착한 차량과 다르게 구성됨에 따라 질소산화물과 같은 유해 배기가스를 저감시켜 배기가스 규정을 만족시키기 위해 DPF(Diesel Particulate Filter, 배기가스 후처리 장치) 또는 EGR(Exhaust Gas Recirculation, 배기가스 재순환 장치)과 같은 장치가 장착되어 사용된다.
일반적으로 DPF는 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 필터로 포집한 후, 필터 전단의 배기관에 연료를 분사하여 강제적으로 입자상 물질을 태움으로써 배출가스를 저감시키고, 필터를 재생시킨다.
EGR(Exhaust Gas Recirculation, 배기가스 재순환 장치)은 차량의 배기가스 중의 일부를 혼합기와 함께 흡입시킴으로써 연소실의 온도를 낮추어 질소산화물이나 황산화물 등의 유해물질의 배출을 저감하는 기능을 수행한다.
또한, 오늘날에는 세계적으로 대기환경오염에 대한 규제 강화에 의해 EGR 가스 온도를 낮추기 위해 EGR 쿨러(EGR cooler)가 함께 적용된다. EGR 쿨러로 유입되는 배기가스는 엔진을 통해 배출되는 냉각수(냉각유체)에 의해 냉각된다.
이와 관련된 기술로는 국내등록특허 제0748756호가 있다.
종래의 EGR 쿨러는 냉각수 유입 파이프와, 냉각수 유출 파이프를 양단에 갖춘 쿨러 본체와, 상기 쿨러 본체의 내부에 길이방향을 따라 나란하게 배열되는 다수개의 가스 튜브로 구성되며, 쿨러 본체의 일측에는 리드 밸브가 구비되어 있는 구조로 이루어져 있었다.
따라서 냉각수 유입 파이프를 통해 공급되는 냉각수는 쿨러 본체의 내부에서 가스 튜브 속을 흐르는 배기가스와 열교환이 이루어지게 되고, 열교환을 마친 냉각수는 냉각수 유출 파이프를 통해 배출되는 순환시스템으로 고온의 배기가스를 냉각시킬 수 있게 된다.
한편, 차량용 배기열 회수장치는 엔진 연소 후 버려지는 배기열을 회수하여 차량의 초기 냉간 시동 시 엔진의 웜업(warm-up), 변속기의 웜업에 사용하거나 회수된 열에너지를 공조장치에 전달하여 차량의 실내 난방에 활용하는 장치이다.
즉, 배기열 회수장치를 사용하는 경우 시동 초기에 고온의 배기가스를 이용하여 냉각수를 가열시킬 수 있고, 이에 따라 엔진의 예열시간을 단축하여 연비 향상 및 배기가스 저감의 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.
또한, 차량에서 배출되는 오염 물질은 엔진이 워밍업되기 전인 공회전시에 가장 많이 배출되는데 배기열 회수장치를 사용하여 웜업 시간을 단축시킴으로써 차량에서 배출되는 오염물질을 저감할 수도 있다.
이와 더불어, 배기열 회수장치를 통해 가열된 냉각수는 엔진 냉각수 및 변속기 오일의 온도를 빠르게 상승시켜 엔진 내부 및 변속기 내부의 마찰을 저감시켜 연비 향상에 효과적이며, 겨울철 빠른 실내 난방의 효과도 얻을 수 있다.
특히, 배기열 회수장치 냉각수와 배기가스 사이에 열교환이 이루어지는 열교환기가 배기열 회수장치의 성능에 큰 영향을 미친다.
그런데, 종래의 EGR 쿨러나 배기열 회수 장치는 열교환 튜브의 형태 및 배치 구조가 유동 저항이 크게 형성되어 있고, 열교환 성능이 낮은 단점이 있다. 또한, 그 구조가 복잡하여 조립 및 양산이 어려운 문제점이 있었다.
국내등록특허 제0748756호(2007.08.06.) 국내공개특허 제2011-0046089호(2011.05.04.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제한된 공간 내에서 유동저항을 줄이고, 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 배기가스 냉각장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 배기가스 냉각장치는 폭방향으로 일정간격 이격되어 배치되며, 폭 대비 높이가 높게 형성되고, 내부에 배기가스가 흐르는 복수 개의 열교환관(200); 및 상기 열교환관(200)의 일단이 고정되는 제1연통홀(310)과 상기 열교환관(200)의 타단이 고정되는 제2연통홀(320)을 포함하는 메인플레이트(300);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 열교환관(200)은, 폭방향에 수직한 제1측면(210); 상기 제1측면(210)과 동일한 형상이고, 상기 제1측면(210)과 일정 간격 이격되어 배치되는 제2측면(250); 및 상기 제1측면(210)과 제2측면(250)의 둘레 중 상기 제1연통홀(310) 및 제2연통홀(320)에 접하는 부분을 제외한 둘레를 연결하여 형성되는 연결면(290);을 포함할 수 있다.
다른 실시예로, 상기 열교환관(200)은, 폭방향에 수직한 제1측면(210)과 상기 제1측면(210)의 둘레 중 상기 제1연통홀(310) 및 제2연통홀(320)에 삽입되는 부분을 제외한 둘레에서 제2측면(250)을 향해 일정 길이 돌출된 제1접합부(215)를 포함하는 제1면부(211); 및 폭방향에 수직한 제2측면(250)과 상기 제2측면(250)의 둘레 중 상기 제1연통홀(310) 및 제2연통홀(320)에 삽입되는 부분을 제외한 둘레에서 제1측면(210)을 향해 일정 길이 돌출된 제2접합부(255)를 포함하는 제2면부(251);를 포함하고, 상기 제2접합부(255)의 측면과 상기 제1접합부(215)의 측면이 접하도록 배치되어 상기 제1면부(211)와 상기 제2면부(251) 사이에 배기가스 유로가 형성될 수 있다.
상세하게, 상기 제1측면(210)은, 길이방향을 따라 연장 형성되는 제1평탄부(220); 상기 제1평탄부(220)의 일단에서 상기 제1연통홀(310)까지 연장 형성되는 제1-1커브부(230); 및 상기 제1평탄부(220)의 타단에서 상기 제2연통홀(320)까지 연장 형성되는 제1-2커브부(240);를 포함하고, 상기 제2측면(250)은, 길이방향을 따라 연장 형성되는 제2평탄부(260); 상기 제2평탄부(260)의 일단에서 상기 제1연통홀(310)까지 연장 형성되는 제2-1커브부(270); 및 상기 제2평탄부(260)의 타단에서 상기 제2연통홀(320)까지 연장 형성되는 제2-2커브부(280);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1측면(210)은 제2측면(250)의 반대방향으로 돌출된 복수개의 제1돌출부(225)를 포함하고, 상기 제2측면(250)은 제1측면(210)의 반대방향으로 돌출된 복수개의 제2돌출부(265)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1돌출부(225)의 단부가 인접한 열교환관(200)의 제2돌출부(265)의 단부와 접하도록 배치되어, 상기 제1측면(210)과 인접한 열교환관(200)의 제2측면(250) 사이로 냉각유체가 흐를 수 있다.
또한, 상기 제1연통홀(310)와 접하는 상기 제1-1커브부(230)의 단부가 상기 제1돌출부(225)와 동일하게 돌출되고, 상기 제1연통홀(310)와 접하는 상기 제1-2커브부(240)의 단부가 상기 제2돌출부(265)와 동일하게 돌출되고, 상기 제2연통부(320)와 접하는 상기 제2-1커브부(270)의 단부가 상기 제1돌출부(225)와 동일하게 돌출되고, 상기 제2연통부(320)와 접하는 상기 제2-2커브부(280)의 단부가 상기 제2돌출부(265)와 동일하게 돌출되어, 상기 제1-1커브부(230)의 단부가 인접한 열교환관(200)의 제2-1커브부(270)의 단부와 접하도록 배치되며, 상기 제1-2커브부(240)의 단부가 인접한 열교환관(200)의 제2-2커브부(280)의 단부와 접하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1접합부(215) 또는 상기 제2접합부(255)는 배기가스 유로의 폭만큼 돌출될 수 있다.
또한, 메인플레이트(300)에 있어서, 상기 제1연통홀(310)은 상기 열교환관(200)들의 일단이 삽입 고정되는 복수 개의 홀을 포함하고, 상기 제2연통홀(320)은 상기 열교환관(200)들의 타단이 삽입 고정되는 복수 개의 홀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1측면(210)과 상기 제2측면(250) 사이에 방열핀(600)이 구비될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배기가스 냉각장치는 일측이 상기 제1연통홀(310)에 결합되고, 타측에서 배기가스가 유입되는 배기가스유입부(410); 및 일측이 상기 제2연통홀(320)에 결합되고, 타측으로 배기가스가 배출되는 배기가스배출부(420);를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배기가스 냉각장치는 차량에 탑재된 내연기관의 워터재킷(11) 외측에 위치하는 실린더 블록(10)의 외벽면에 대응되도록 형성되어 상기 실린더 블록(10)의 외벽면에 배치되며, 냉각유체 유입구(110) 및 냉각유체 배출구(120)를 포함하여 형성되는 하우징(100);을 더 포함하고, 상기 하우징(100)에 상기 플레이트(300)가 장착되어, 상기 하우징(100)의 내부에 상기 열교환관(200)이 배치되고, 상기 열교환관(200)의 외부에 냉각유체가 흐르는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 배기가스 냉각장치는 배기가스 배출라인 상에 구비되며, 상부에 냉각유체 유입구(110) 및 냉각유체 배출구(120)를 포함하고, 하부에 배기가스 유입구(710) 및 배기가스 배출구(720)를 포함하여 형성되는 하우징(100);을 더 포함하고, 상기 하우징(100) 내부에 상기 플레이트(300)가 장착되어, 상기 메인플레이트(300)를 기준으로 상기 열교환관(200)이 배치된 상기 메인플레이트(300)의 상부에 냉각유체가 흐르고, 상기 메인플레이트(300)의 하부에 배기가스가 흐르는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 배기가스 냉각장치는 폭 대비 높이가 높은 복수 개의 열교환관(200)을 포함하여, 냉각유체의 유동저항을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 제1-1커브부(230) 및 제1-2커브부(240)의 높이보다 제1평탄부(220) 길이를 길게하여, 전체적으로 유동저항을 줄이고, 열교환면적을 늘려 열교환성능을 극대화할 수 있다.
또한, 제1돌출부(225)와 제2돌출부(265)를 형성하여, 열교환관(200) 외부 표면을 흐르는 냉각 유체에 난류를 발생시킬 수 있어 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 제1돌출부(225) 및 제2돌출부(265), 제1-1커브부(230) 내지 제2-2커브부(280)에서 연통홀과 접하는 부분을 돌출시켜, 메인플레이트(300)에 별도의 홀을 형성할 필요 없고, 배기가스가 외부로 누설되지 않게 조립할 수 있다.
또한, 제1면부(211)와 제2면부(251)를 포함하는 복수 개의 열교환관(200), 방열핀(600), 메인플레이트(300)는 동시에 브레이징되어 조립 및 양산을 용이하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 냉각장치가 엔진 실린더 외측에 장착된 상태를 나타낸 정면도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 냉각장치의 분해사시도.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 냉각장치의 사시도.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 냉각장치의 분해사시도.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 냉각장치의 열교환관의 분해사시도.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 냉각장치가 배기가스 배출라인에 장착된 상태를 나타낸 정면도.
도 7은 도 6의 A-A' 단면을 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 냉각장치의 분해사시도.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 냉각장치의 열교환관의 분해사시도.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 배기가스 냉각장치를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 배기가스 냉각장치(1)는 배기가스의 온도를 낮추기 위한 EGR 쿨러 또는 고온의 배기가스의 열을 회수하는 배기열 회수장치 등 배기가스를 이용한 열교환기에 적용될 수 있다. 설명을 위해, 본 발명에 따른 제1실시예로 EGR 쿨러로 적용될 수 있는 배기가스 냉각장치를 설명하고, 제2실시예로 배기열 회수장치에 사용되는 열교환기에 적용될 수 있는 배기가스 냉각장치를 설명한다.
도 1 내지 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 냉각장치(1)는 쿨러 본체가 엔진 블록 내부에 삽입되어 엔진 블록 내부를 유동하는 냉각수를 유입받아 배기가스를 냉각시킬 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스 냉각장치(1)는 하우징(100), 열교환관(200), 메인플레이트(300)를 포함하여 형성될 수 있다.
하우징(100)은 냉각유체 유입구(110) 및 냉각유체 배출구(120)를 포함하여 형성되며, 냉각유체 유입구(110)를 통해 유입된 냉각유체가 수용될 수 있는 공간이 내부에 형성된다. 이때, 냉각유체는 냉각수가 일반적이며, 이 외에도 다른 냉각유체로 변경실시가 가능하다.
이때, 도 1에 도시된 바와 같이, 하우징(100)은 차량에 탑재된 내연기관의 워터재킷(11) 외측에 위치하는 실린더 블록(10)의 외벽면에 대응되도록 형성되어 실린더 블록(10)의 외벽면에 접하여 배치된다.
하우징(100)은 엔진 블럭과 일체로 형성될 수 있는데, 이 경우, 냉각유체 유입구(110)와 냉각유체 배출구(120)를 별도로 형성하지 않아도 됨에 따라, 조립공정 감소에 의해 EGR 쿨러(1) 하우징(100)의 제조시간 및 제조비용을 절감하고, EGR 쿨러(1)가 차량의 엔진룸에 설치되는 공간을 최소화할 수 있다.
열교환관(200)은 복수 개로 내부에 배기가스가 흐르며, 하우징(100) 내부에서 폭방향으로 일정간격 이격되어 배치되고, 각각의 열교환관(200)은 폭 대비 높이가 높게 형성된다.
또한, 메인플레이트(300)는 열교환관(200)의 일단이 고정되는 제1연통홀(310)과 열교환관(200)의 타단이 고정되는 제2연통홀(320)을 포함한다. 제1연통홀(310)과 제2연통홀(320)은 복수 개의 열교환관(200) 개수에 대응되도록 형성된다.
이때, 열교환관(200)이 고정된 메인플레이트(300)가 하우징(100)에 장착되어, 복수 개의 열교환관(200)를 통해 배기가스가 유동되고, 하우징(100)의 내부에 있는 냉각유체가 열교환관(200)의 외부를 흐르면서 열교환을 통해 열교환관(200) 내부에서 유동되는 배기가스가 냉각된다. 하우징(100)과 메인플레이트(300)는 볼트 결합에 의해 결합될 수 있다.
또한, 하우징(100)과 메인플레이트(300) 사이에 가스켓(500)이 설치되어 하우징(100)에서 냉각유체가 하우징(100) 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다. 가스켓(500)은 하우징(100)과 메인플레이트(300)가 만나는 면에 대응되도록 형성될 수 있으며, 하우징(100)과 볼트 결합에 의해 결합될 수 있으며, 용접에 의해 결합될 수도 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 배기가스 냉각장치(1)의 열교환관(200)은 폭 대비 높이가 높게 형성되도록, 폭방향에 수직한 제1측면(210); 상기 제1측면(210)과 동일한 형상이고, 상기 제1측면(210)과 일정 간격 이격되어 배치되는 제2측면(250); 및 상기 제1측면(210)과 제2측면(250)의 둘레 중 상기 제1연통홀(310) 및 제2연통홀(320)에 접하는 부분을 제외한 둘레를 연결하여 형성되는 연결면(290);을 포함할 수 있다.
즉, 열교환관(200)은 단면이 폭 대비 높이가 높은 중공의 직사각형 형상이다. 따라서, 본 발명의 열교환관(200)은 높이 방향으로 적층되지 않고, 폭방향으로 적층되며, 열교환관(200)의 일측의 상부에서 유입되는 냉각유체가 각 열교환관(200) 사이로 쉽게 유입될 수 있기 때문에, 냉각유체의 유동저항을 감소시킬 수 있고, 최종적으로 열교환성능을 향상시킬 수 있다. 만약, 본 발명의 열교환관(200)과 달리, 폭 대비 높이가 낮은 형태의 튜브를 사용하는 경우, 상기 튜브들을 폭방향으로 다수 적층할 수 없어, 튜브의 일측의 상부에서 유입되는 냉각유체가 각 튜브들 사이로 쉽게 유입되지 않고 튜브들 표면과 충돌하는 면적이 넓기 때문에, 냉각유체가 튜브들 사이로 유동하기 위한 유동저항이 커지게 된다.
위와 같은 중공의 직사각형 단면을 가진 열교환관(200)은 다음과 같이 형성될 수도 있다. 즉, 도 4 내지 도 5에서 보듯이, 열교환관(200)은 폭방향에 수직한 제1측면(210)과 상기 제1측면(210)의 둘레 중 상기 제1연통홀(310) 및 제2연통홀(320)에 삽입되는 부분을 제외한 둘레에서 제2측면(250)을 향해 일정 길이 돌출된 제1접합부(215)를 포함하는 제1면부(211); 및 폭방향에 수직한 제2측면(250)과 상기 제2측면(250)의 둘레 중 상기 제1연통홀(310) 및 제2연통홀(320)에 삽입되는 부분을 제외한 둘레에서 제1측면(210)을 향해 일정 길이 돌출된 제2접합부(255)를 포함하는 제2면부(251);를 포함하고, 상기 제2접합부(255)의 측면과 상기 제1접합부(215)의 측면이 접하도록 배치되어 상기 제1면부(211)와 상기 제2면부(251) 사이에 배기가스 유로가 형성될 수 있다.
즉, 본 발명의 폭 대비 높이가 높은 열교환관은, 튜브를 양측에서 눌러 형성하는 경우 양단을 제1연통홀(310)과 제2연통홀(320)에 고정하기 위해 절곡하기가 어렵기 때문에, 플레이트 타입의 서로 대응되는 제1면부(215)와 제2면부(251)를 서로 겹쳐 하나의 폭 대비 높이가 높은 열교환관을 형성함으로써, 제작이 용이한 장점이 있다.
또한, 제1면부(215)와 대응되는 제2면부(251)를 서로 겹쳐 하나의 열교환관(200)을 형성할 때, 서로 접하는 부분은 제1접합부(215)와 제2접합부(255)이다. 제1접합부(215)가 외측에 놓을 수 있고, 그 반대가 될 수도 있다. 제1연통홀(310)과 제2연통홀(320)에 삽입되는 부분을 제외한 둘레에 형성된 제1접합부(215)와 제2접합부(255)가 접합되어, 열교환관(200) 내부의 배기가스와 외부의 냉각유체가 서로 누설되지 않고 흐를 수 있다. 이때, 접합은 브레이징으로 형성될 수 있으며,
또한, 열교환관(200)의 내부 폭을 일정하게 유지하기 위해, 제1접합부(215) 또는 상기 제2접합부(255)는 배기가스 유로의 폭만큼 돌출될 수 있다. 제1접합부(215)가 제2접합부(255)보다 외측에 배치된다면, 제2접합부(255)가 열교환관(200)의 내부 폭 만큼 돌출 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 제1접합부(215)가 돌출된 길이 만큼 제2접합부(255)와 접하게 되고, 제1접합부(215)가 일정 길이만큼 돌출되도록 형성하여 브레이징 시 누설이 되는 것을 최소화할 수 있다.
또한, 열교환관(200)과 배기가스의 열교환면적을 늘리고, 난류를 형성하여 열교환 성능을 향상 시키기 위해, 제1측면(210)과 제2측면(250) 사이에 방열핀(600)이 구비될 수 있다. 이때, 방열핀(600)은, 도 4에 도시된 웨이브형일 수 있으며, 열교환면적을 늘리기 위해 다른 형태도 가능하다. 이때, 방열핀(600)은 제1측면(210)과 제2측면(250) 사이 전체에 걸쳐 구비될 수도 있고, 제작 및 조립의 용이성을 위해, 아래에서 설명할 제1평탄부(220)와 제2평탄부(260) 사이에만 형성될 수도 있다. 또한, 방열핀(600)은 제1측면(210)과 제2측면(250)과 동시에 브레이징되어 별도의 단계를 거칠 필요가 없다.
열교환관(200)을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상기 제1측면(210)은 길이방향을 따라 연장 형성되는 제1평탄부(220); 상기 제1평탄부(220)의 일단에서 상기 제1연통홀(310)까지 연장 형성되는 제1-1커브부(230); 및 상기 제1평탄부(220)의 타단에서 상기 제2연통홀(320)까지 연장 형성되는 제1-2커브부(240);를 포함하고, 상기 제2측면(250)은 길이방향을 따라 연장 형성되는 제2평탄부(260); 상기 제2평탄부(260)의 일단에서 상기 제1연통홀(310)까지 연장 형성되는 제2-1커브부(270); 및 상기 제2평탄부(260)의 타단에서 상기 제2연통홀(320)까지 연장 형성되는 제2-2커브부(280);를 포함하여 형성될 수 있다.
제1평탄부(220)는 폭방향에 수직한 직사각형 단면형상으로, 하우징(100)의 길이방향을 따라 수평하게 연장 형성된다. 제1-1커브부(230)는 제1평탄부(220)의 일단에서 제1연통홀(310)까지 연장 형성된다. 제1평탄부(220)의 일단과 제1연통홀(310)이 서로 수직하게 형성되어 있어, 제1-1커브부(230)는 이들을 연장 연결하기 위해 90도 꺾여진 형상이고, 제1연통홀(310)의 길이가 제1평탄부(220)의 높이보다 작은 경우, 제1-1커브부(230)는 제1연통홀(310)에서 제1평탄부(220)의 일단으로 갈수록 길이가 길어지는 형상을 갖게 된다. 이는 제1-1커브부(230), 제2-1커브부(270) 및 제2-2커브부(280)에 동일하게 적용될 수 있다. 전체적으로, 제1측면(210)을 높이방향에서 보았을 때, 제1측면(210)과 제2측면(250)은 "C"자 형태로 형성될 수 있다.
열교환관(200)의 일측의 하부 즉, 메인플레이트(300)의 제1연통홀(310)으로부터 상부방향으로 배기가스가 제1-1커브부(230)와 제2-1커브부(270) 사이로 유입되고 길이방향으로 방향이 전환되어 제1평탄부(220)와 제2평탄부(260) 사이로 흘러갈 때, 배기가스의 유동을 최대한 월활하게 유동하여 저항을 줄이기 위해 제1-1커브부(230)와 제2-1커브부(270)의 배기가스 유동방향의 사이드 부분은 소정의 곡률을 갖도록 라운딩 형태로 형성될 수 있다. 이는 제2-1커브부(270) 및 제2-2커브부(280)에 동일하게 적용될 수 있다.
이때, 제1평탄부(220)의 길이는 제1-1커브부(230) 및 제1-2커브부(240)의 높이보다 길게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 제2평탄부와 제2-1커브부(270) 및 제2-2커브부(280)에 대해서도 동일하게 적용된다. 이를 통해, 제1-1커브부(230) 및 제1-2커브부(240) 부분에서의 유동저항을 최소화하고, 열교환성능이 좋은 제1평탄부(220) 부분을 길게하여, 전체적으로 유동저항을 줄이고, 열교환면적을 늘려 열교환성능을 극대화할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 적층형 플레이트 형상의 열교환관(200)은 종래의 가스박스, 헤더, 열교환부를 일체형으로 형성한 것으로, 조립 및 양산의 용이함 뿐만 아니라 누설 부분을 최소화할 수 있고, 유동저항을 최소화할 수 있어, 최종적으로 열교환성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 제1측면(210)은 제2측면(250)의 반대방향으로 돌출된 복수개의 제1돌출부(225)를 포함하고, 제2측면(250)은 제1측면(210)의 반대방향으로 돌출된 복수개의 제2돌출부(265)를 포함할 수 있다.
이때, 제1돌출부(225)와 제2돌출부(265)는 원형, 타원형, 사각형 등의 다양한 형상의 단면을 가질 수 있으며, 제1측면(210) 및 제2측면(250)에 일정 간격으로 이격되어 다열로 배치될 수도 있으며, 지그재그로 배치될 수도 있다.
또한, 제1돌출부(225)의 단부가 인접한 열교환관(200)의 제2돌출부(265)의 단부와 접하도록 배치되어, 상기 제1측면(210)과 인접한 열교환관(200)의 제2측면(250) 사이로 냉각유체가 흐를 수 있다. 즉, 열교환관(200)들 사이가 제1돌출부(225)와 제2돌출부(265)의 돌출된 길이만큼 떨어져 있어, 이 사이로 냉각 유체가 흐를 수 있는 것이다.
따라서, 제1돌출부(225)와 제2돌출부(265)는 돌출 정도에 따라 열교환관(200)들 사이의 거리를 결정하며, 이에 따라 냉각 유체의 유동 저항 및 열교환관(200)의 배치 개수가 결정될 수 있다. 또한, 제1돌출부(225)와 제2돌출부(265)의 단부가 서로 접하도록 배치되고 브레이징되어 열교환관(200)들이 하나의 모듈형태로 형성될 수 있어 조립 및 양산이 용이할 수 있다. 또한, 제1돌출부(225)와 제2돌출부(265)는 열교환관(200) 외부 표면을 흐르는 냉각 유체에 난류를 발생시킬 수 있어 열교환 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 제1연통홀(310)와 접하는 상기 제1-1커브부(230)의 단부가 상기 제1돌출부(225)와 동일하게 돌출되고, 상기 제1연통홀(310)와 접하는 상기 제1-2커브부(240)의 단부가 상기 제2돌출부(265)와 동일하게 돌출되고, 상기 제2연통부(320)와 접하는 상기 제2-1커브부(270)의 단부가 상기 제1돌출부(225)와 동일하게 돌출되고, 상기 제2연통부(320)와 접하는 상기 제2-2커브부(280)의 단부가 상기 제2돌출부(265)와 동일하게 돌출될 수 있다. 이때, 상기 제1-1커브부(230)의 단부가 인접한 열교환관(200)의 제2-1커브부(270)의 단부와 접하도록 배치되며, 상기 제1-2커브부(240)의 단부가 인접한 열교환관(200)의 제2-2커브부(280)의 단부와 접하도록 배치되어, 메인플레이트(300)의 제1연통홀(310)으로부터 상부방향으로 배기가스가 열교환관(200)으로 유입될 때, 배기가스가 외부로 누설되지 않고 전부 열교환관(200) 내부로 유입될 수 있도록 형성될 수 있다.
이는 배기가스가 외부로 누설되지 않도록 할 뿐만 아니라, 메인플레이트(300)에 열교환관(200)을 삽입 고정하기 위한 별도의 복수개의 홀을 형성할 필요가 없다. 또한, 앞서 설명한 제1돌출부(225)와 제2돌출부(265)와 같이, 돌출된 단부가 인접한 단부와 서로 접하도록 배치되고 브레이징되어 열교환관(200)들이 하나의 모듈형태로 형성될 수 있어 조립 및 양산을 용이하게 할 수 있다.
제1면부(211)와 제2면부(251)를 포함하는 복수 개의 열교환관(200), 방열핀(600), 메인플레이트(300)는 동시에 브레이징되어 조립 및 양산을 용이하게 할 수 있다.
한편, 본 발명의 배기가스 냉각장치는 일측이 상기 제1연통홀(310)에 결합되고, 타측에서 배기가스가 유입되는 배기가스유입부(410); 및 일측이 상기 제2연통홀(320)에 결합되고, 타측으로 배기가스가 배출되는 배기가스배출부(420);를 더 포함할 수 있다.
배기가스유입부(410)는 타측에서 배기가스가 유입되고, 일측이 제1연통홀(310)의 하부에 연결되어, 배기가스가 일측으로 이동하여, 열교환관(200)으로 들어가게 된다. 도 1 내지 4에서 보듯이, 배기가스유입부(410)는 배기가스가 유입되는 일측의 단면은 작고, 배출되는 타측의 단면은 제1연통홀(310)에 대응되도록 크게 형성되어 있어, 그 사이가 배기가스가 넓게 잘 퍼져 나갈 수 있도록 곡면으로 형성될 수 있다. 배기가스배출부(420)는 타측이 제2연통홀(320)의 하부에 연결되어, 열교환관(200)으로부터 배기가스가 유입되고, 일측으로 배기가스가 배출된다.
이때, 배기가스배출부(420)는 배기가스유입부(410)와 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 배기가스가 유입되는 배기가스 라인의 설치 방향에 따라 각도를 다양하게 변경시킬 수 있다.
또한, 배기가스유입부(410)의 타측과 배기가스배출부(420)의 타측에 배기가스 라인과 연결될 수 있도록 플랜지(450)가 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 냉각장치는, 열교환관(200)과 메인플레이트(300)에 더하여, 차량에 탑재된 내연기관의 워터재킷(11) 외측에 위치하는 실린더 블록(10)의 외벽면에 대응되도록 형성되어 상기 실린더 블록(10)의 외벽면에 배치되며, 냉각유체 유입구(110) 및 냉각유체 배출구(120)를 포함하여 형성되는 하우징(100);을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 하우징(100)에 상기 플레이트(300)가 장착되어, 상기 하우징(100)의 내부에 상기 열교환관(200)이 배치되고, 상기 열교환관(200)의 외부를 흐르는 냉각유체와 내부를 흐르는 배기가스가 열교환할 수 있다.
도 6 내지 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 냉각장치(1)는 배기가스 배출라인(700) 상에 구비되는 것으로, 하우징 내부에 구비된 열교환기에 의해 하우징 상부에서 유입되는 냉각유체로 하우징 하부에서 유입되는 배기가스의 열을 회수할 수 있다.
본 발명에 따른 배기가스 냉각장치(1)는 하우징(100), 열교환관(200), 메인플레이트(300)를 포함하여 형성될 수 있다.
하우징(100)은 내부가 빈 사각 박스형태로, 일측의 상부에 냉각유체 유입구(110), 타측의 상부에 냉각유체 배출구(120), 일측의 하부에 배기가스 유입구(710), 타측의 하부에 배기가스 배출구(720)를 포함하여 형성될 수 있다. 이때, 냉각유체의 흐름 방향과 배기가스의 흐름 방향이 동일하게 형성될 수도 있으나, 서로 반대로 형성되는 것이 바람직하다.
하우징(100)은 배기가스 배출라인(700) 중간에 구비될 수 있어, 설치가 용이한 장점이 있다.
도 6 내지 도 7에서 보듯이 하우징(100) 내부에 열교환관(200)이 고정된 메인플레이트(300)가 장착되어, 메인플레이트(300)를 기준으로 열교환관(200)이 배치된 메인플레이트(300)의 상부와 메인플레이트(300)의 하부로 나뉘게 된다. 이때, 배기가스와 냉각유체가 누설되지 않도록 메인플레이트(300)의 측면과 하우징(100)의 내부면이 결합되어야 하고, 용접 또는 브레인징에 의해 결합될 수 있다.
하우징(100) 상부의 냉각유체 유입구(110)를 통해 유입된 냉각유체는 열교환관(200)의 외부를 흐르고, 하우징(100) 하부의 배기가스 유입구(710)를 통해 유입된 배기가스는 메인플레이트(300)의 제1연통홀(310)을 지나 열교환관(200) 내부를 흐르면서 배기가스와 냉각유체가 서로 열교환을 한다.
이때, 하우징(100)의 하부의 배기가스 유입구(710)를 통해 유입된 배기가스가 반대편의 배기가스 배출구(720)로 빠지지 않고, 메인플레이트(300)의 제1연통홀(310)으로 유입되기 위해서, 하우징(100)의 하부의 내부면과 메인플레이트(300)의 하부면에 차단벽이 구비될 수 있다. 또는, 일정 조건하에서 열리는 차단 밸브가 설치될 수도 있다.
열교환관(200)은 복수 개로 내부에 배기가스가 흐르며, 하우징(100) 내부에서 폭방향으로 일정간격 이격되어 배치되고, 각각의 열교환관(200)은 폭 대비 높이가 높게 형성된다.
본 발명에 따른 배기가스 냉각장치의 열교환관(200)은 제1실시예의 열교환관(200)과 동일한 특징을 가질 수 있다. 이하에서는 제1실시예의 열교환관(200)과 차이점에 대해서만 설명한다.
도 8 내지 도 9에서 보듯이, 제2실시예에 따른 열교환관(200)을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
제1측면(210)은 제2측면(250)의 반대방향으로 돌출된 복수개의 제1돌출부(225)를 포함하고, 제2측면(250)은 제1측면(210)의 반대방향으로 돌출된 복수개의 제2돌출부(265)를 포함할 수 있다.
이때, 제1돌출부(225)와 제2돌출부(265)는 제1평탄부(220)와 제2평탄부(260) 뿐만 아니라 제1-1커브부(230) 내지 제2-2커브부(280)에도 형성될 수 있다. 또한, 제1돌출부(225)와 제2돌출부(265)는 열교환관의 내측방향으로 돌출될 수도 있다. 이를 통해, 제1-1커브부(230) 내지 제2-2커브부(280)에서 배기가스의 유동방향이 바뀌기 때문에, 제1돌출부(225)와 제2돌출부(265)가 열교환관의 내측방향으로 돌출되고, 유동방향을 따라 형성됨으로써, 배기가스의 유동방향이 자연스럽게 변할 수 있도록 할 수 있다.
한편, 제1실시예에서와 달리, 열교환관(200)의 가공 공수를 줄이기 위해, 제1-1커브부(230) 내지 제2-2커브부(280)에서 연통홀과 접하는 단부가 돌출부처럼 돌출되지 않을 수 있다. 대신, 도 8에서 보듯이, 메인플레이트(300)의 제1연통홀(310)은 복수 개의 열교환관(200) 개수에 대응되도록 복수 개의 홀을 포함하고 있으며, 열교환관(200)들의 일단이 대응되는 홀에 삽입 고정되어 배기가스가 누설되지 않도록 한다. 이는 제2연통홀(320)도 마찬가지로 적용된다.
한편, 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 냉각장치는, 배기가스 배출라인 상에 구비되며, 상부에 냉각유체 유입구(110) 및 냉각유체 배출구(120)를 포함하고, 하부에 배기가스 유입구(710) 및 배기가스 배출구(720)를 포함하여 형성되는 하우징(100);을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 하우징(100) 내부에 상기 플레이트(300)가 장착되어, 상기 메인플레이트(300)를 기준으로 상기 열교환관(200)이 배치된 상기 메인플레이트(300)의 상부에 냉각유체가 흐르고, 상기 메인플레이트(300)의 하부에서 배기가스가 이동할 수 있다.
본 발명에서 제2실시예에서 설명되지 않은 제1실시예의 기술적 특징은 제2실시예에도 적용될 수 있으며, 반대로 제1실시예에서 설명되지 않은 제2실시예의 기술적 특징은 제1실시예에도 적용될 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1 : 배기가스 냉각장치
10 : 실린더블록 11 : 워터재킷
100 : 하우징
110 : 냉각유체 유입구 120 : 냉각유체 배출구
200 : 열교환관 210 : 제1측면
211 : 제1면부 215 : 제1접합부
220 : 제1평탄부 225 : 제1돌출부
230 : 제1-1커브부 240 : 제1-2커브부
250 : 제2측면 251 : 제2면부
255 : 제2접합부 260 : 제2평탄부
265 : 제2돌출부 270 : 제2-1커브부
280 : 제2-2커브부 290 : 연결면
300 : 메인플레이트
310 : 제1연통홀 320 : 제2연통홀
410 : 배기가스유입부 420 : 배기가스배출부
500 : 가스켓
600 : 방열핀
700 : 배기가스 배출라인
710 : 배기가스 유입구 720 : 배기가스 배출구

Claims (13)

  1. 폭방향으로 일정간격 이격되어 배치되며, 폭 대비 높이가 높게 형성되고, 내부에 배기가스가 흐르는 복수 개의 열교환관(200); 및
    상기 열교환관(200)의 일단이 고정되는 제1연통홀(310)과 상기 열교환관(200)의 타단이 고정되는 제2연통홀(320)을 포함하는 메인플레이트(300);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 냉각장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환관(200)은,
    폭방향에 수직한 제1측면(210);
    상기 제1측면(210)과 동일한 형상이고, 상기 제1측면(210)과 일정 간격 이격되어 배치되는 제2측면(250); 및
    상기 제1측면(210)과 제2측면(250)의 둘레 중 상기 제1연통홀(310) 및 제2연통홀(320)에 접하는 부분을 제외한 둘레를 연결하여 형성되는 연결면(290);을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 냉각장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열교환관(200)은,
    폭방향에 수직한 제1측면(210)과 상기 제1측면(210)의 둘레 중 상기 제1연통홀(310) 및 제2연통홀(320)에 삽입되는 부분을 제외한 둘레에서 제2측면(250)을 향해 일정 길이 돌출된 제1접합부(215)를 포함하는 제1면부(211); 및
    폭방향에 수직한 제2측면(250)과 상기 제2측면(250)의 둘레 중 상기 제1연통홀(310) 및 제2연통홀(320)에 삽입되는 부분을 제외한 둘레에서 제1측면(210)을 향해 일정 길이 돌출된 제2접합부(255)를 포함하는 제2면부(251);를 포함하고,
    상기 제2접합부(255)의 측면과 상기 제1접합부(215)의 측면이 접하도록 배치되어 상기 제1면부(211)와 상기 제2면부(251) 사이에 배기가스 유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 냉각장치.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 제1측면(210)은,
    길이방향을 따라 연장 형성되는 제1평탄부(220);
    상기 제1평탄부(220)의 일단에서 상기 제1연통홀(310)까지 연장 형성되는 제1-1커브부(230); 및
    상기 제1평탄부(220)의 타단에서 상기 제2연통홀(320)까지 연장 형성되는 제1-2커브부(240);를 포함하고,
    상기 제2측면(250)은,
    길이방향을 따라 연장 형성되는 제2평탄부(260);
    상기 제2평탄부(260)의 일단에서 상기 제1연통홀(310)까지 연장 형성되는 제2-1커브부(270); 및
    상기 제2평탄부(260)의 타단에서 상기 제2연통홀(320)까지 연장 형성되는 제2-2커브부(280);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 냉각장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1측면(210)은 제2측면(250)의 반대방향으로 돌출된 복수개의 제1돌출부(225)를 포함하고,
    상기 제2측면(250)은 제1측면(210)의 반대방향으로 돌출된 복수개의 제2돌출부(265)를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 냉각장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1돌출부(225)의 단부가 인접한 열교환관(200)의 제2돌출부(265)의 단부와 접하도록 배치되어, 상기 제1측면(210)과 인접한 열교환관(200)의 제2측면(250) 사이로 냉각유체가 흐르는 것을 특징으로 하는 배기가스 냉각장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제1연통홀(310)과 접하는 상기 제1-1커브부(230)의 단부가 상기 제1돌출부(225)와 동일하게 돌출되고,
    상기 제1연통홀(310)과 접하는 상기 제1-2커브부(240)의 단부가 상기 제2돌출부(265)와 동일하게 돌출되고,
    상기 제2연통부(320)와 접하는 상기 제2-1커브부(270)의 단부가 상기 제1돌출부(225)와 동일하게 돌출되고,
    상기 제2연통부(320)와 접하는 상기 제2-2커브부(280)의 단부가 상기 제2돌출부(265)와 동일하게 돌출되어,
    상기 제1-1커브부(230)의 단부가 인접한 열교환관(200)의 제2-1커브부(270)의 단부와 접하도록 배치되며, 상기 제1-2커브부(240)의 단부가 인접한 열교환관(200)의 제2-2커브부(280)의 단부와 접하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 냉각장치.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 제1접합부(215) 또는 상기 제2접합부(255)는 배기가스 유로의 폭만큼 돌출되는 것을 특징으로 하는 배기가스 냉각장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1연통홀(310)은 상기 열교환관(200)들의 일단이 삽입 고정되는 복수 개의 홀을 포함하고,
    상기 제2연통홀(320)은 상기 열교환관(200)들의 타단이 삽입 고정되는 복수 개의 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 냉각장치.
  10. 제 2항에 있어서,
    상기 제1측면(210)과 상기 제2측면(250) 사이에 방열핀(600)이 구비되는 것을 특징으로 하는 배기가스 냉각장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    일측이 상기 제1연통홀(310)에 결합되고, 타측에서 배기가스가 유입되는 배기가스유입부(410); 및
    일측이 상기 제2연통홀(320)에 결합되고, 타측으로 배기가스가 배출되는 배기가스배출부(420);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 냉각장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    차량에 탑재된 내연기관의 워터재킷(11) 외측에 위치하는 실린더 블록(10)의 외벽면에 대응되도록 형성되어 상기 실린더 블록(10)의 외벽면에 배치되며, 냉각유체 유입구(110) 및 냉각유체 배출구(120)를 포함하여 형성되는 하우징(100);을 더 포함하고,
    상기 하우징(100)에 상기 플레이트(300)가 장착되어, 상기 하우징(100)의 내부에 상기 열교환관(200)이 배치되고, 상기 열교환관(200)의 외부에 냉각유체가 흐르는 것을 특징으로 하는 배기가스 냉각장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    배기가스 배출라인 상에 구비되며, 상부에 냉각유체 유입구(110) 및 냉각유체 배출구(120)를 포함하고, 하부에 배기가스 유입구(710) 및 배기가스 배출구(720)를 포함하여 형성되는 하우징(100);을 더 포함하고,
    상기 하우징(100) 내부에 상기 플레이트(300)가 장착되어, 상기 메인플레이트(300)를 기준으로 상기 열교환관(200)이 배치된 상기 메인플레이트(300)의 상부에 냉각유체가 흐르고, 상기 메인플레이트(300)의 하부에 배기가스가 흐르는 것을 특징으로 하는 배기가스 냉각장치.
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