KR20230006534A - 2개 분리벽 사이의 접합 영역에 보강 요소를 갖는 내연기관용 열교환기 및 열교환기를 갖춘 내연기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 유체들 사이에서 열을 전달하기 위한, 내연기관용 열교환기에 관한 것으로서, 이 열교환기는 하우징 벽 및 이 하우징 벽에 의해 적어도 국부적으로 제한된 하우징 내부를 구비하는 하우징을 갖는다. 하우징 내부는, 유체의 제1 유체를 하우징 내부로 도입하기 위한 유체 입구 영역 및 하우징 내부로부터 제1 유체를 배출하기 위한 유체 출구 영역을 구비한다. 열교환기는, 적어도 대부분 하우징 내부에 수용되어 있고 하나 이상의 연결 영역에서 하우징의 하우징 벽과 연결되어 있는 2개 이상의 분리벽을 포함한다. 이들 분리벽은, 유체들을 상호 분리하기 위해, 유체의 제2 유체에 의해서 관류될 수 있는 유체 수용 공간을 적어도 국부적으로 제한한다. 분리벽은, 적어도 유체 입구 영역에 할당된 그리고 제1 유체의 유체 주 유동 방향으로 유체 수용 공간에 인접하는 접합 영역에서 서로 연결되어 있다. 열교환기는, 연결 영역에 인접하는 접합 영역의 하나 이상의 보강 섹션을 보강하기 위해 접합 영역 상에 배열되어 있으며 그리고 적어도 길이 변동에서 기인하는 좌굴 하중에 대하여 온도에서 기인하는 접합 영역의 길이 변동 중에 보강 섹션을 지지하도록 설계되어 있는 보강 요소를 더 포함한다.

Description

2개 분리벽 사이의 접합 영역에 보강 요소를 갖는 내연기관용 열교환기 및 열교환기를 갖춘 내연기관

본 발명은, 특허 청구항 1의 전제부에 따른, 2개 이상의 유체 사이에서 열을 전달하기 위한, 내연기관용 열교환기에 관한 것이다. 본 발명의 또 다른 일 양태는 열교환기를 갖춘 내연기관과 관련이 있다.

열교환기로도 지칭되는 이와 같은 열교환기는 유체들 사이에서 열을 전달하기 위해 이용된다. 내연기관의 엔진 오일을 냉각하기 위해서는, 예를 들어 소위 오일-냉각제 열교환기의 사용이 통상적이다. 내연기관의 냉간 시동의 경우에는, 이와 같은 오일-냉각제 열교환기가 엔진 오일을 가열하기 위해서도 이용될 수 있으며, 이로 인해 소위 내연기관의 워밍업이 가속될 수 있다. 내연기관용 열교환기는 또한 내연기관의 배기가스 저(low)-배출 작동에도 직접적으로 기여할 수 있다. 이에 대한 일 예는 AGR로서도 약칭되는 냉각된 배기가스 재순환이며, 이 경우에는 내연기관의 작동 중에 배출되는 배기가스의 일 부분량이 내연기관의 배기 다기관으로부터 인출되고, AGR-냉각기로서 형성된 열교환기에 의해서 냉각되며, 이어서 내연기관의 흡기 다기관에 공급된다. 그 다음에, 이와 같은 배기가스의 냉각된 부분량은 내연기관의 개별 연소실 내에 도달하여 공기-연료 혼합물의 연소 중에 소위 밸러스트 가스(ballast gas)로서 이용되며, 그 결과 NOx-배기가스 배출이 상당히 감소될 수 있다.

DE 10 2016 210 261 A1호로부터는, 제1 유체와 제2 유체 사이에서 열을 교환하기 위한 열교환기가 개시되어 있으며, 이 경우 제1 유체용 열교환기는 제1 정면으로부터 제2 정면으로 관류할 수 있다. 열교환기는, 제1 유체 및 제2 유체를 위해 열교환기 내부의 상호 분리된 유동 영역을 상호 제한하는 2개 이상의 분리판을 구비한다. 2개 이상의 이웃하는 분리판은 열교환기의 정면들 중 하나 이상의 정면에 연결 영역을 각각 하나씩 구비하며, 이 연결 영역에서는 이들 분리판이 연결부를 통해 서로 연결되어 있다. 이 연결부는 정면에 하나 이상의 리세스를 구비한다.

본 발명의 과제는, 유체들 사이에서 특히 고장에 안전한 열전달을 가능하게 하는, 서두에 언급된 유형의 열교환기 및 내연기관을 제공하는 것이다.

상기 과제는, 특허 청구항 1의 특징부를 갖는 열교환기에 의해서 그리고 특허 청구항 9의 특징부를 갖는 내연기관에 의해서 해결된다. 본 발명의 바람직한 개선예들을 갖는 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 명시되어 있다.

본 발명의 제1 양태는, 2개 이상의 유체 사이에서 열을 전달하기 위한, 내연기관용 열교환기에 관한 것으로서, 이 열교환기는,

- 하우징 벽 및 이 하우징 벽에 의해 적어도 국부적으로 제한된 하우징 내부를 구비하는 하나 이상의 하우징을 가지며, 그 하우징 내부는, 2개 이상의 유체 중 제1 유체를 하우징 내부로 도입하기 위한 유체 입구 영역 및 하우징 내부로부터 제1 유체를 배출하기 위한 유체 출구 영역을 구비하며,

- 적어도 대부분 하우징 내부에 수용되어 있고 하나 이상의 연결 영역에서 하우징의 하우징 벽과 연결되어 있는 2개 이상의 분리벽을 가지며, 이들 분리벽은, 유체들을 상호 분리하기 위해, 2개 이상의 유체 중 제2 유체에 의해서 관류될 수 있는 유체 수용 공간을 적어도 국부적으로 제한하며, 이 경우 상기 2개 이상의 분리벽은 적어도 유체 입구 영역에 할당된 그리고 제1 유체의 유체 주 유동 방향으로 유체 수용 공간에 인접하는 접합 영역에서 서로 연결되어 있다.

유체는 예를 들어 배기가스 및 냉각제, 특히 냉각수일 수 있다. 제1 유체는 예를 들어 배기가스로서 형성될 수 있는 반면, 제2 유체는 냉각제로서 형성될 수 있다. 유체 출구 영역은 제1 유체의 유체 주 유동 방향으로 유체 입구 영역에 마주 놓일 수 있다. '유체 주 유동 방향'이라는 표현은, 열교환기가 의도한 바대로 사용될 때에 제1 유체가 우세하게 흐를 수 있는 제1 유체의 유동 방향을 의미하는 것으로 이해되어야만 한다.

열교환기가 의도한 바대로 사용될 때, 제1 유체는 유체 입구 영역에서는 하우징 내부로 들어가고 유체 출구 영역에서는 하우징 내부로부터 나간다. 또한, 열교환기가 의도한 바대로 사용될 때, 제2 유체는 유체 수용 공간 내에서 안내되고 이로써 수용된다. 가급적 높은 열 전달 계수에 도달하기 위해서는, 제1 유체 및 제2 유체 모두의 개별적인 난류 유동을 형성하면서 열교환기를 통해 유체를 안내하는 것이 특히 바람직하다. 이때, 유체 입구 영역과 유체 출구 영역 사이에서는, 개별 분리벽을 통해 제1 유체와 유체 수용 공간 내에서 안내되는 제2 유체 사이에서 효율적인 열 전달이 이루어질 수 있다.

유체 주 유동 방향은 열교환기의 길이 연장 방향으로 배향될 수 있다. 따라서, 다시 말해 유체 출구 영역은 열교환기의 길이 연장 방향으로 유체 입구 영역에 마주 놓일 수 있다. 유체 수용 공간은 2개 이상의 분리벽 사이에서 연장될 수 있으며, 이로 인해 유체 수용 공간 내에서 안내될 수 있는 제2 유체는 효과적이고 신뢰할 수 있는 방식으로 제1 유체로부터 분리된 상태로 유지될 수 있다. 2개 유체 사이에서의 열 전달은 특히 개별 분리벽을 통한 열 전도에 의해서 이루어질 수 있다. 특히, 제1 유체는 (제1 유체의) 유체 주 유동 방향에 수직으로 서로 인접하여 마주 놓여 있는 유체 수용 공간 측면을 따라, 다시 말하자면 예를 들어 관찰 방향에서 볼 때 유체 수용 공간의 좌측 및 우측에서 유체 주 유동 방향을 따라 흐를 수 있으며, 그리고 이 경우에는 개별 분리벽을 통해 수용 공간 교환 내에서 안내되는 제2 유체와 열을 교환할 수 있다. '2개 이상의 분리벽이 유체 수용 공간을 적어도 국부적으로 제한한다'는 표현은, 유체 수용 공간이 오로지 분리벽에 의해서만 제한될 수 없고 오히려 예를 들어 하우징 벽에 의해 또한 국부적으로도 제한될 수 있다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야만 한다.

'유체 입구 영역에 접합 영역을 할당한다'는 표현은, 접합 영역이 적어도 유체 입구 영역 근처에 위치할 수 있다는 것으로, 다시 말해 예를 들어 유체 입구 영역 쪽을 향할 수 있으며 그리고 추가로 또는 대안적으로는 유체 입구 영역 내에 배열될 수 있다는 것으로 이해되어야만 한다.

본 발명에 따라, 열교환기가, 연결 영역에 인접하는 접합 영역의 하나 이상의 보강 섹션을 적어도 국부적으로 보강하기 위해 접합 영역 상에 배열되어 있으며 그리고 적어도 길이 변동에서 기인하는 좌굴 하중에 대하여 온도에서 기인하는 접합 영역의 길이 변동 중에 보강 섹션을 지지하도록 설계되어 있는 하나 이상의 보강 요소를 포함하는 것이 제안되었다.

이와 같은 제안은, 이로 인해 연결 영역의 부하 경감에 도달할 수 있기 때문에 바람직하다. 좌굴 하중의 지지에 의해서는, 특히 예를 들어 벌지(bulge) 형상의 변형부 형태의 측면 접힘이 보강 섹션 내에서 피해질 수 있다. 설명을 보완하기 위해: 적어도 접근 방식 측면에서 대등한 벌지 형상의 변형부는 예를 들어 버클링 로드(buckling rod)가 이 로드의 양쪽 로드 단부에 장착되어 있는 오일러 버클링 로드에 의해 공지되어 있다.

보강 섹션은 특히 바람직하게 연결 영역에 직접적으로 인접할 수 있다. 따라서, 좌굴 하중에 대하여 보강 섹션을 지지하는 보강 요소는 길이 변동에서 기인하는 기계적 응력을 연결 영역에서 현저히 줄일 수 있으며, 이로 인해서는 연결 영역의 경미하고 무해한 기계적 부하만 발생하게 된다.

다시 말해, 제1 유체가 특히 높은 유체 온도로 그리고/또는 유체 입구 영역에서의 제1 유체의 매우 일시적인 유체 유동 속도하에서 접합 영역에 충돌하여 이 접합 영역을 강하게 가열함으로써, 열교환기의 작동 중에 온도에서 기인하는 접합 영역의 길이 변동이 발생하면, 길이 변동으로 인해 보강 섹션의 접힘이 발생하는 상황이 보강 요소를 참조해서 방지될 수 있다.

특히, 심지어 제1 유체가 접합 영역에 충돌할 때의 제1 유체의 높은 유체 온도에서도 연결 영역에서 응력 균열이 발생할 가능성 및 이와 결부된 누출이 피해질 수 있으며, 그 결과 유체들 사이에서는 특히 고장에 안전한 열 전달이 영구적으로 가능해진다.

유체 주 유동 방향으로 하나 이상의 접합 영역에 인접하는 2개 이상의 분리벽 영역에서는 하나 이상의 보강 요소가 없을 수 있다. 다른 말로 표현하자면, 보강 요소가 접합 영역에 걸쳐 오로지 적어도 국부적으로만 연장되는 것이 제안될 수 있으며, 이와 같은 상황은, 유체 주 유동 방향으로 접합 영역으로부터 이격될 수 있고 예를 들어 유체 출구 영역에 할당될 수 있는 또 다른 접합 영역, 예를 들어 제2 접합 영역도 마찬가지로 보강 요소, 즉 제2 보강 요소를 구비할 수 없다는 사실을 배제하지 않는다.

원칙적으로, 보강 요소는 판금부로서 형성될 수 있으며, 이로 인해 보강 요소는 간단한 방식으로 제조될 수 있고, 때로는 보강 섹션 상에 공간 절약 방식으로 배열될 수 있다.

본 발명은, 분리벽이 하우징 벽과 적어도 간접적으로, 바람직하게는 직접적으로 연결되어 있는 연결 영역이 열 응력으로 인한 손상에 특히 취약하다는 발견에 기초한다. 그에 상응하게, 제1 유체가 제1 유체의 높은 유체 온도로, 특히 매우 일시적인 유체 유동 속도 변동으로 접합 영역에 충돌하는 것 그리고 이와 결부된 온도에서 기인하는 접합 영역의 길이 변동이 연결 영역의 손상을 야기할 수 있다는 사실도 발견되었다. 본 발명은 여기에서 시작하는데, 그 이유는 보강 요소에 의해 특히 국부적으로 제한된 그리고 이로써 의도한 바대로의 보강이 이루어지기 때문이며, 이 경우에는 온도에서 기인하는 길이 변동의 결과로서의 원치 않는 접힘이 의도한 바대로 억제될 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 개선예에서는, 보강 요소가 보강 섹션 상의 2개 이상의 분리벽을 적어도 국부적으로 둘러싼다. 이와 같은 상황은, 국부적으로 둘러싸는 동작에 의해서 좌굴 하중이 특히 확실하게 지지 되기 때문에 바람직한데, 특히 반대 방향 측면으로의 접힘 현상이 효과적으로 억제될 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 개선예에서는, 보강 요소가 보강 섹션 상의 2개 이상의 분리벽을 클램핑한다. 이와 같은 상황은, 클램핑에 의해서 보강 요소가 분리벽 상에 특히 좁게 인접하도록 안착하기 때문에 바람직하다. 이로 인해서는, 보강 요소가 특히 분실에 안전한 방식으로 분리벽에 장착될 수 있으며, 경우에 따라서는 추가로 추후에 분리벽과 재료 결합 방식으로 연결될 수 있는데, 특히 납땜될 수 있다. 보강 요소가 특히 작은 크기를 가질 수 있음으로써, 결과적으로 보강 요소는 보강 섹션 상에서의 자체 배열 상태로 인해 2개의 분리벽과 클램핑될 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 개선예에서는, 접합 영역이 보강 요소 없는 접합 영역 섹션을 포함한다. 여기에서서의 장점은, 이로 인해 길이 변동에서 기인하는 의도된 변형이 접합 영역 섹션에서 허용될 수 있다는 것이다. 이 경우, 접합 영역 섹션은 특히 저항 없이 변형될 수 있으며, 이와 같은 사실은 연결 영역에서 부하 경감을 야기한다. 다시 말해, 보강 요소에 의해서는 변형이 의도한 바대로 접합 영역 섹션에 한정될 수 있는 반면, 보강 섹션은 보강 요소를 참조하여 변형으로부터 보호될 수 있다. "보강 요소 없는"이라는 표현은, 접합 영역 섹션이 보강 요소에 의한 보강으로부터 제외될 수 있다는 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 달리 표현하자면: 이 경우 접합 영역 섹션은 보강 요소에 의해 보강되지 않고, 이로써 보강 요소에 의해 지지되지도 않는다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 개선예에서는, 보강 요소가 테이퍼링 영역을 구비하며, 이 테이퍼링 영역에서 보강 요소는 보강 요소 없는 접합 영역 섹션의 방향으로 점차 가늘어진다. 이와 같은 상황은, 접합 영역을 따라 나타날 수 있는 강성 점프가 테이퍼링에 의해 배제되거나 적어도 크게 감소될 수 있기 때문에 바람직하다. 이와 같은 상황은, 온도에서 기인하는 길이 변동의 경우에 내구성을 특별한 정도로 증가시킨다. 테이퍼링은, 보강 요소가 접합 영역 섹션의 방향으로 예를 들어 뾰족하게 점점 가늘어지도록 설계될 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 개선예에서는, 보강 요소가 2개 이상의 분리벽 중 적어도 하나와 재료 결합 방식으로 연결되어 있다. 이로 인해서는, 접합 영역의 특히 높은 강성에 도달할 수 있고, 보강 요소와 접합 영역 사이에서 신뢰할 만한 연결이 만들어질 수 있다. 특히 내구성 있는 연결은, 보강 요소가 2개의 분리벽과 재료 결합 방식으로 연결된 경우에, 특히 납땜된 경우에 달성될 수 있다.

일반적으로, 예를 들어 분리벽들 사이에서 형성되었고 접합 영역을 따라 연장되는 갭은 간단히 밀봉될 수 있는 균일한 갭 폭을 가질 수 있다. 갭은 예를 들어 금속 땜납(예컨대 납땜 주석)으로 채워질 수 있고, 이로 인해 분리벽들이 접합 영역에서 서로 접합될 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 개선예에서는, 2개 이상의 분리벽이 연결 영역에서 하우징 벽과 T-조인트 형상으로 연결되어 있다. 이와 같은 연결 방식은, T-조인트 형상의 연결부가 특히 적은 제조 비용으로 제조될 수 있기 때문에 바람직하다. T-조인트 형상의 연결부란, 2개의 분리벽 및 하우징 벽이 유체 주 유동 방향에 수직으로 배향된 일 절단 평면의 연결 영역에서 서로 T자 형상으로 형성될 수 있다는 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

모든 분리벽은 각각 하우징 벽을 따라 배향된 그리고 바람직하게는 접합 영역으로부터 멀어지는 방향으로 배향된 하나 이상의 분리벽 영역을 구비할 수 있으며, 이 분리벽 영역에서는 개별 분리벽이 하우징 벽과 바람직하게는 재료 결합 방식으로 연결될 수 있다. 특히 바람직하게, 개별 분리벽들은 각각 하우징 벽과 납땜될 수 있는 2개 이상의 서로 대향하는 분리벽 영역을 구비할 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 일 개선예에서는, 보강 요소가 연결 영역에서 2개 이상의 분리벽 중 적어도 하나와 그리고/또는 하우징 벽과 재료 결합 방식으로 연결되어 있다. 이로 인해서는, 연결 영역에서 특히 높은 수준의 강성에 도달할 수 있다. 연결 영역에서 보강 요소를 통해 분리벽, 바람직하게는 2개의 분리벽이 재료 결합 방식으로 연결됨으로써, 보강 요소를 통해 연결 영역에서 분리벽/분리벽들의 직접적인 지지가 이루어질 수 있으며, 이로써 연결 영역에는 특히 높은 수준의 강성이 부여될 수 있다. 하우징 벽과 보강 요소의 재료 결합 방식의 연결에 의해서는, 좌굴 하중이 보강 요소에 의해 하우징 벽에서 적어도 부분적으로 지지될 수 있고, 이로 의해 연결 영역이 받는 부하가 경감될 수 있다. 그에 상응하게, 보강 요소가 연결 영역에서 2개의 분리벽 및 하우징 벽과 재료 결합 방식으로 연결되어 있는 경우에는, 특히 높은 수준의 강성에 도달할 수 있다.

본 발명의 제2 양태는, 본 발명의 제1 양태에 따른 열교환기를 갖춘 내연기관과 관련이 있다. 이와 같은 열교환기가 장착된 내연기관의 경우에는, 유체들 사이에서 특히 고장에 안전한 열전달이 가능해진다.

본 발명의 바람직한 일 개선예에서는, 열교환기가 내연기관의 배기가스 냉각기로서 설계되어 있다. 배기가스 냉각기로서, 특히 AGR-냉각기로서 설계된 열교환기에 의해서는, 제1 유체로서의 배기가스와 제2 유체로서의 냉각제 사이에서 특히 고장에 안전한 열 전달이 가능해진다.

상기 양태들 중 하나와 관련하여 소개된 바람직한 실시예들 및 이들 실시예의 장점은 본 발명의 각각 다른 양태들에 상응하게 적용되며, 그 역도 마찬가지로 적용된다.

상기 상세한 설명부에서 언급된 특징들 및 특징 조합들 그리고 이하의 도면 설명부에서 언급된 그리고/또는 각각의 도면에 단독으로 도시된 특징들 및 특징 조합들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 각각의 경우에 명시된 조합의 형태로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 다른 조합의 형태로도 또는 단독으로도 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 장점들, 특징부들 및 세부 사항은 청구범위 및 바람직한 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명부로부터 그리고 도면부를 참조해서 나타난다.

이하에서는, 본 발명이 구체적인 일 실시예를 참조하여 다시 한 번 설명된다. 도면부에서:
도 1은 제1 유체가 내연기관의 배기가스로서 그리고 제2 유체가 내연기관의 냉각제로서 형성된 2개 유체 사이에서 열을 전달하기 위해 이용되는, 부분 확대 단면도로 도시된 내연기관의 열교환기의 사시 단면도를 도시하며, 이 경우 고도로 추상화된 방식으로 도시된 내연기관은 마찬가지로 고도로 추상화된 방식으로 도시된 자동차에 할당되어 있으며;
도 2는 도 1에 도시된 열교환기의 일 세그먼트의 확대도를 도시하며; 그리고
도 3은 보강 요소를 확대된 사시도로 보여주는, 도 2에 파선으로 둘러싸인 영역(A)의 확대도를 도시한다.

도 1은, 자동차(K)를 구동하도록 설계되었고 마찬가지로 개략적으로 도시된 내연기관(100)을 갖춘 자동차(K)의 개략도를 보여준다. 내연기관(100)은, 배기가스 냉각기, 다시 말해 내연기관(100)의 AGR-냉각기로서 설계된 열교환기(10)를 포함한다. 부연해서 설명하자면, 열교환기(10)에 의해서는 내연기관(100)의 작동 동안 소위 냉각된 배기가스 재순환이 가능하다. 도 2는, 도 1에 도시된 열교환기의 일 세그먼트의 확대도를 보여준다.

열교환기(10)는 2개의 유체 사이에서 열을 전달하기 위해 이용된다. 2개 유체 중 제1 유체는 본 실시예에서 배기가스로서 형성되어 있는 한편, 2개 유체 중 제2 유체는 본 실시예에서 냉각제로서, 예를 들어 물-부동액 혼합물의 형태로 형성되어 있다.

열교환기(10)(본 실시예에서는 AGR-냉각기)는 하나 이상의 하우징 벽(22)을 갖는 하우징(20)을 포함한다. 하우징 벽은 본 실시예에서 판금 부품으로서 설계되어 있고, 냉각 재킷 판금으로서도 지칭될 수 있다.

하우징 벽(22)은 둘레 측에서 하우징의 하우징 내부(24)를 제한한다. 하우징 내부(24)는 하우징 내부(24)로 제1 유체를 도입하기 위한 유체 입구 영역(30) 및 하우징 내부(24)로부터 제1 유체를 배출하기 위한 유체 출구 영역을 구비한다. 본 실시예에서 더 이상 상세하게 도시되지 않은 유체 출구 영역은 제1 유체의 유체 주 유동 방향(x)으로 유체 입구 영역의 하류에 배열되어 있다. 유체 주 유동 방향(x)은 열교환기(10)의 길이 연장 방향에 상응한다. 다른 말로 다시 표현하자면, 열교환기(10)가 의도한 바대로 사용되는 경우에는, 제1 유체가 열교환기(10)의 길이 연장 방향으로 하우징 내부(24)를 관류하게 된다.

마찬가지로 도 1 및 도 2를 참조해서 알 수 있는 바와 같이, 열교환기는 본 실시예에서 플레이트형 열교환기로서 설계되어 있다.

이때, 열교환기(10)의 플레이트는 쌍으로 서로 연결된 분리벽(40, 50), 다시 말해 제1 분리벽(40) 및 제2 분리벽(50)에 의해서 형성되며, 이들 분리벽은 본 실시예에서 개별 판금 하프-쉘로서 설계되어 있다. 따라서, 하나의 플레이트는 제1 분리벽(40) 및 제2 분리벽(50)에 의해서 형성되어 있으며, 이 경우 열교환기(10)는 도 1을 참조해서 알 수 있는 바와 같이 이와 같은 유형의 복수의 플레이트를 구비한다. 이하에서는 다만 2개의 분리벽(40, 50)에 의해서 형성된 단 하나의 플레이트에 대해서만 설명되고 있지만, 이하의 설명은 원칙적으로 열교환기(10)의 나머지 플레이트들에 대해서도 적용된다.

분리벽(40, 50)은 하우징 내부(24)에 수용된 그리고 열교환기(10)의 수직 방향(z)으로 서로 마주보고 있는 연결 영역(60, 62)에서 하우징 벽(22)과 연결되어 있다. 이 경우, 제1 분리벽(40)은 수직 방향(z)으로 서로 마주보는 개별 분리벽 영역(42)을 구비하는 한편, 제2 분리벽(50)은 수직 방향(z)으로 서로 마주보는 분리벽 영역(52)을 구비한다. 각각의 분리벽 영역(42, 52)은 하우징 벽(22) 상에 일체로 형성되어 있다. 다른 말로 표현하자면, 분리벽 영역(42, 52)은 상응하는 연결 영역(60, 62)에서 하우징 벽(22)에 대해 적어도 주로 평행하게 진행하고 본 실시예에서는 또한 서로에 대해서도 평행하게 진행하며, 연결 영역(60, 62)에서는 특히 납땜 연결부에 의해 하우징 벽(22)과 재료 결합 방식으로 연결되어 있다.

분리벽(40, 50)은 유체를 상호 분리하기 위해 이용되고, 열교환기(10)가 의도한 바대로 사용되는 경우에는 제2 유체(본 실시예에서는 냉각제)에 의해 관류되는 유체 수용 공간(70)을 적어도 국부적으로 제한한다. 유체 수용 공간(70)은 또한 하우징 벽(22)에 의해서도 국부적으로, 다시 말해 유체 주 유동 방향(x)에 수직으로 배향된 열교환기(10)의 수직 방향(z)으로 제한된다. 유체 수용 공간(70)은 도 1 내지 도 3 전체에 걸쳐 분리벽(40, 50)에 의해 덮여 있어서 육안으로 확인할 수 없지만, 개별적인 판금 하프-쉘로서 설계된 분리벽(40, 50)이 유체 수용 공간(70)을 어떻게 제한할 수 있는지는 아무런 문제 없이 명백하게 드러난다. 따라서, 판금 하프-쉘(분리벽(40, 50)) 중 각각 하나는 유체 수용 공간(70)의 대략 절반의 공간을 제한할 수 있다.

분리벽(40, 50) 쌍은 각각 유체 입구 영역(30)에 할당된 그리고 제1 유체의 유체 주 유동 방향(x)으로 유체 수용 공간(70)에 인접하는 하나 이상의 접합 영역(80)에서 서로 재료 결합 방식으로 연결되어 있는 동시에 납땜된다. 이 경우, 접합 영역(80)에 걸쳐 연장되는 분리벽(40, 50) 사이의 갭(84)은 금속 땜납으로 채워져 있으며, 이로 인해 분리벽(40, 50)은 서로 납땜되어 있고, 갭(84)은 분리벽(40, 50) 사이에서 연장되는 유체 수용 공간(70)으로부터 제2 유체(냉각제, 특히 냉각수)가 원치 않게 배출되는 것에 대하여 밀봉되어 있다. 추가로, 분리벽(40, 50)은 또한 유체 주 유동 방향(x)으로 접합 영역(80)에 마주 놓여 있고 유체 출구 영역에 할당된 또 다른 접합 영역에서도 서로 연결되어 있지만, 이와 같은 연결 상황은 도 1 내지 도 3 전체에 걸쳐 육안으로 확인할 수 없는데, 특히 유체 출구 영역이 도시되어 있지 않다.

공동의 접합 영역(80)에서는, 개별적인 분리벽(40, 50)이 각각 개별적인 분리벽 영역(42, 52)에 대해 소정의 각도로, 다시 말해 본 실시예에서는 직각(90°-각도)으로 배향되어 있다. 이로 인해, 분리벽(40, 50)은 연결 영역(60, 62)에서 하우징 벽(22)과 T-조인트 형상으로 연결되어 있으며, 이와 같은 연결 상황은 도 2에서 특히 명확하게 확인할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조해서 알 수 있는 바와 같이, 열교환기(10)는, 연결 영역(60, 62)에 인접하는 접합 영역(80)의 보강 섹션(86)을 적어도 국부적으로 보강하기 위해 접합 영역(80) 상에 배열되어 있는 복수의 보강 요소(90)를 포함한다. 보강 요소(90)는, 적어도 길이 변동에서 기인하는 좌굴 하중에 대하여 접합 영역(80)의 길이가 온도에 따라 변동되는 경우에 개별 보강 섹션(86)을 지지하도록 설계되어 있다. 좌굴 하중의 지지에 의해서는, 특히 보강 섹션(86)의 영역에서 측면이 벌지 형상의 또는 물결 모양의 변형부 형태로 접히는 현상이 방지될 수 있다. 다만 도면에 대한 개관을 명확하게 할 목적으로, 도 1에서는 보강 요소(90)에 대한 도시가 생략되었다.

본 실시예에서는, 각각의 결합 영역(80)에 대해 그리고 이로써 (분리벽(40, 50)을 포함하는) 각각의 플레이트에 대해 2개의 보강 요소(90)가 수직 방향(z)으로 서로 마주보는 보강 섹션(86) 상에 배열되어 있다. 보강 섹션(86) 중 하나는 연결 영역(60)에 할당되어 있고, 보강 섹션(86) 중 다른 하나는 제2 연결 영역(62)에 할당되어 있다. 따라서, 다시 말해 보강 요소(90) 중 하나는 연결 영역(60)에 위치하고, 보강 요소(90) 중 하나는 (본 예에서 수직 방향(z)으로 마주보면서) 연결 영역(62)에 위치한다.

보강 요소(90)는 각각의 보강 섹션(86)에서 분리벽(40, 50)을 국부적으로 둘러싸고 있으며, 이로 인해 2개의 분리벽(40, 50)에서는 효과적인 보강이 달성될 수 있다.

또한, 보강 요소(90)는 보강 섹션(86)에서 분리벽(40, 50)을 클램핑한다. 다른 말로 표현하자면, 보강 요소(90)는 다시 말해 각각 분리벽(40, 50)에 클램핑력을 가한다.

도 2를 참조해서 알 수 있는 바와 같이, 접합 영역(80)은 보강 요소 없는 접합 영역 섹션(82)을 포함한다. 접합 영역 섹션(82)은 서로 마주 놓여 있는 보강 섹션(86) 사이에서 연장된다. 열교환기(10)가 의도한 바대로 사용되는 경우, 온도에서 기인하는 결합 영역(80)의 길이 변동이 야기되면, 접합 영역 섹션(82)의 보강 요소 없는 설계에 의해, 길이 변동에서 기인할 수 있는 변형은 예를 들어 물결 모양 접힘의 형태로 국부적으로 그리고 이로써 의도한 바대로 상기 접합 영역 섹션(82)에 제한된 방식으로 유지될 수 있으며, 그와 달리 보강 섹션(86) 내에서의 그리고 연결 영역(60, 62) 상에서의 접힘 및 이와 결부된 기계적 응력 부하는 보강 요소(90)에 의해서 방지될 수 있다.

보강 요소(90)는, 개별 보강 요소(90)가 보강 요소 없는 접합 영역 섹션(82)의 방향으로 점차 가늘어지는 테이퍼링 영역(98)을 각각 구비한다. 도 3을 참조해서 알 수 있는 바와 같이, 보강 요소(90)는 테이퍼링으로 인해 접합 영역 섹션(82)의 방향으로 뾰족하게 가늘어진다. 테이퍼링 영역(98)은 바람직하게 보강 요소(90)의 전체 길이에 걸쳐 연장될 수 있으며, 이와 같은 상황은 도 3을 참조해서 알 수 있는데, 도 3에서 테이퍼링 영역(98)은 수직 방향(z)으로 보강 요소(90)의 전체 길이에 걸쳐 연장된다.

본 실시예에서, 보강 요소(90)는 적어도 국부적으로 중공 직육면체로서 형성되어 있다. 이때, 보강 요소(90) 각각은 유체 주 흐름 방향(x)과 상이한 방향(y)으로 서로 마주 놓여 있는 2개의 측벽 영역(92, 94)을 구비한다. 이들 측벽 영역(92, 94) 중 제1 측벽 영역(92)은 보강 섹션(86)을 따라서 그리고 바람직하게는 또한 연결 영역(60, 62) 중 하나에서도 제1 분리벽(40)을 지지한다. 측벽 영역(92, 94) 중 방향(y)으로 제1 측벽 영역(92)에 마주 놓여 있는 제2 측벽 영역(94)은 보강 섹션(86)을 따라서 그리고 바람직하게는 또한 도 3을 참조해서 알 수 있는 바와 같이 연결 영역(60, 62) 중 하나에서도 제2 분리벽(50)을 지지한다. 측벽 영역(92, 94)은 개별 보강 요소(90)의 정면 벽 영역(96)을 통해 서로 일체형으로 연결되어 있다. 정면 벽 영역(96)은 유체 주 흐름 방향(x)을 향하고 있는 정면(97)을 갖는다(도 3 참조). 본 실시예에서, 방향(y)은 열교환기(10)의 가로 방향에 해당한다.

방향(y)은 중심 평면(M)에 수직으로 정렬되어 있으며, 이 중심 평면에 대해 분리벽(40, 50)은 적어도 실질적으로 평행하게 배향될 수 있다. 본 실시예에서, 중심 평면(M)은 유체 주 유동 방향(x) 및 수직 방향(z)에 의해서 설정되어 있다.

유체 주 유동 방향(x)(열교환기(10)의 길이 연장 방향), 방향(y)(열교환기(10)의 가로 방향) 및 수직 방향(z)은 각각 서로 수직으로 배향되어 있다.

보강 요소(90)는 각각 분리벽(40, 50)과 재료 결합 방식으로 연결되어 있는데, 특히 납땜되어 있다.

각각의 보강 요소(90)는 각각의 연결 영역(60, 62)에서 분리벽(40, 50)과 재료 결합 방식으로 그리고 하우징 벽(22)과는 적어도 간접적으로 연결되어 있다. 이때, '적어도 간접적으로 연결되어 있다'는 표현은 보강 요소(90)가 분리벽 영역(42, 52)에서 분리벽(40, 50)과 재료 결합 방식으로 연결될 수 있다는 것을 의미하며, 이 경우 분리벽 영역(42, 52)은 하우징 벽(22)과 재차 재료 결합 방식으로 연결되어 있다.

보강 요소(90)는 각각, 온도에서 기인하는 접합 영역(80)의 길이 변동으로 인한 연결 영역(60, 62)에서의 길이 변동에서 기인하는 기계적 응력의 결과로, 예를 들어 물결 형상의 또는 벌지 형태의 접힘 현상이 발생할 수 있는 상황을 방지하도록 제공 및 설계되어 있다. 따라서, 보강 요소(90)에 의해서는 유체들 사이에서 특히 고장에 안전한 열 전달이 가능해졌다.

분리벽(40, 50)은 전체 접합 영역(80)을 따라 서로 재료 결합 방식으로 연결되어 있는데, 다시 말하자면 납땜되어 있다.

분리벽(40, 50)(판금 하프-쉘)은, 본 발명에 따른 열교환기(10)를 제조할 때에, 한편으로는 접합 영역(80)에서 서로 그리고 다른 한편으로는 연결 영역(60, 62)에서 하우징 벽(22)과 접합될 수 있다. 열교환기(10) 설계 단계에서의 최소 납땜 폭으로 인해, 연결 영역(60, 62)은 특히 유체 입구 영역(30)에 있는 열교환기(10)의 특히 딱딱한 구역을 나타낸다.

보강 요소(90)에 의해서는, 연결 영역(60, 62)에서 예를 들어 온도-교체 부하 형태의 허용될 수 없을 정도로 높은 기계적 부하가 피해질 수 있다. 보강 요소(90)가, 하우징 벽(22)과 T-조인트 형상으로 연결된 분리벽(40, 50)이 보강 섹션(86)에서 접히는 것을 방지함으로써, 심지어 특히 뜨거운 배기가스(제1 유체)가 하우징 내부(24)를 매우 일시적으로 관류하는 경우에도 연결 영역(60, 62)의 과도한 부하가 피해질 수 있다. 보강 요소(90)는 전체적으로 의도된 국부적 보강부를 형성할 수 있고, 이 보강부에서는 온도에서 기인하는 길이 변동의 경우에도 접힘 현상이 발생하지 않는다

보강 요소(90)의 기하학적 형상에 의해서는, 접합 영역(80)에서 판금 하프-쉘(분리벽(40, 50))의 강성이 의도한 바대로 국부적으로 증가한다. 다시 말해, 보강 요소(90)에 의해서는 납땜 된 판금 하프-쉘이 국부적으로 제한된 방식으로 보강되고, 이로 인해서는 온도 교체 부하의 경우에 보강 섹션(86)에서 더 적은 변형이 야기된다. 보강 섹션(86)은 연결 영역(60, 62)에 인접하는 접합 영역(80)의 개별 에지 영역을 나타낸다. 연결 영역(60, 62)은 전체적으로 온도 교체 부하의 경우에 부하 경감된다.

본 출원서의 열 교환기(10)에서, 보강 요소(90)는, 온도에서 기인하는 길이 변동에 의해 야기될 수 있는 연결 영역(60, 62)의 영역에서의 응력 균열을 피하는 데 기여한다. 더욱이, 보강 요소(90)에 의해서는, T-조인트 형상의 연결부 내에서 발생할 수 있는 강성 점프가 현저히 감소되고, 발생 가능한 균열 진행 경로도 연장된다.

보강 요소(90)는 일반적으로 조립을 용이하게 하기 위해 또한 보강 클립으로서도 구현될 수 있다. 이 경우, 보강 클립은 예를 들어 보강 섹션(86)에서 분리 (40, 50) 중 적어도 하나에 의해 또는 2개의 분리벽(40, 50) 모두에 의해 고정될 수 있다.

보강 요소(90)는 열교환기(10)를 제조할 때 접합 영역(80)과 연결될 수 있는데, 바람직하게는 납땜 될 수 있다.

10: 열교환기 20: 하우징
22: 하우징 벽 24: 하우징 내부
30: 유체 입구 영역 40: 제1 분리벽
42: 분리벽 영역 50: 제2 분리벽
52: 분리벽 영역 60: 연결 영역
62: 제2 연결 영역 70: 유체 수용 공간
80: 접합 영역 82: 접합 영역 섹션
84: 갭 86: 보강 섹션
90: 보강 요소 92: 측벽 영역
94: 제2 측벽 영역 96: 정면 벽 영역
97: 정면 98: 테이퍼링 영역
100: 내연기관 K: 자동차
M: 중심 평면 x: 유체 주 유동 방향
y: 방향 z: 수직 방향

Claims (10)

1. 2개 이상의 유체 사이에서 열을 전달하기 위한, 내연기관(100)용 열교환기(10)로서,
   - 하나 이상의 하우징 벽(22) 및 상기 하우징 벽(22)에 의해 적어도 국부적으로 제한된 하우징 내부(24)를 구비하는 하나 이상의 하우징(20)을 가지며, 상기 하우징 내부는, 2개 이상의 유체 중 제1 유체를 하우징 내부(24)로 도입하기 위한 유체 입구 영역(30) 및 하우징 내부(24)로부터 제1 유체를 배출하기 위한 유체 출구 영역을 구비하며,
   - 적어도 대부분 하우징 내부(24)에 수용되어 있고 하나 이상의 연결 영역(60)에서 하우징(20)의 하우징 벽(22)과 연결되어 있는 2개 이상의 분리벽(40, 50)을 가지며, 상기 분리벽은, 유체들을 상호 분리하기 위해, 2개 이상의 유체 중 제2 유체에 의해서 관류될 수 있는 유체 수용 공간(70)을 적어도 국부적으로 제한하며, 이때 상기 2개 이상의 분리벽(40, 50)은 적어도 유체 입구 영역(30)에 할당된 그리고 제1 유체의 유체 주 유동 방향(x)으로 유체 수용 공간(70)에 인접하는 접합 영역(80)에서 서로 연결되어 있되,
   상기 열교환기(10)가, 연결 영역(60)에 인접하는 접합 영역(80)의 하나 이상의 보강 섹션(86)을 적어도 국부적으로 보강하기 위해 접합 영역(80) 상에 배열되어 있으며 그리고 적어도 길이 변동에서 기인하는 좌굴 하중에 대하여 온도에서 기인하는 접합 영역(80)의 길이 변동 중에 보강 섹션(86)을 지지하도록 설계되어 있는 하나 이상의 보강 요소(90)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
2. 제1항에 있어서,
   상기 보강 요소(90)가 상기 2개 이상의 분리벽(40, 50)을 보강 섹션(86)에서 적어도 국부적으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 보강 요소(90)가 상기 2개 이상의 분리벽(40, 50)을 보강 섹션(86)에서 클램핑 하는 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 접합 영역(80)이 보강 요소 없는 접합 영역 섹션(82)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
5. 제4항에 있어서,
   상기 보강 요소(90)가 테이퍼링 영역(98)을 구비하며, 상기 테이퍼링 영역에서 보강 요소(90)는 보강 요소 없는 접합 영역 섹션(82)의 방향으로 점차 가늘어지는 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 보강 요소(90)가 상기 2개 이상의 분리벽(40, 50) 중 적어도 하나와 재료 결합 방식으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 2개 이상의 분리벽(40, 50)이 상기 연결 영역(60)에서 T-조인트 형상으로 하우징 벽(22)과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 보강 요소(90)가 연결 영역(60)에서 2개 이상의 분리벽(40, 50) 중 적어도 하나와 그리고/또는 하우징 벽(22)과 재료 결합 방식으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 열교환기(10).
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 열교환기(10)를 갖춘, 내연기관(100).
10. 제9항에 있어서,
    상기 열교환기(10)가 내연기관(100)의 배기가스 냉각기로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 내연기관(100).

Images