WO2016167477A1 - 이지알 쿨러 - Google Patents

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WO2016167477A1
WO2016167477A1 PCT/KR2016/002576 KR2016002576W WO2016167477A1 WO 2016167477 A1 WO2016167477 A1 WO 2016167477A1 KR 2016002576 W KR2016002576 W KR 2016002576W WO 2016167477 A1 WO2016167477 A1 WO 2016167477A1
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WO
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gas
outlet
inlet
exhaust gas
body cell
Prior art date
Application number
PCT/KR2016/002576
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English (en)
French (fr)
Inventor
조용국
Original Assignee
주식회사 코렌스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/04—Tubular elements of cross-section which is non-circular polygonal, e.g. rectangular
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an EG cooler for cooling exhaust gas flowing into an exhaust gas recirculation system (EGR: Exhaust gas hereinafter), with cooling water. It relates to a zigzag cooler is formed in the right and left asymmetric shape and configured so that no vortex is generated in the coolant flow between the gas tubes.
  • EGR exhaust gas recirculation system
  • Exhaust Gas Recirculation is a system in which a part of the exhaust gas is recycled back to the intake system to increase the concentration of CO 2 in the intake air, thereby lowering the temperature of the combustion chamber and thereby reducing the NOx.
  • the mechanism of NOx generation in detail, consists of about 79% nitrogen, 21% oxygen and other trace elements.
  • nitrogen and oxygen do not react with each other, but at high temperature (above about 1450 ° C), they react with each other to form nitrogen oxides (thermal NOx).
  • thermal NOx nitrogen oxides
  • diesel engines generate combustion by compression ignition method, and the compression ratio is getting higher due to the development of the material of the cylinder, thereby increasing the temperature of the combustion chamber.
  • Increasing the combustion chamber temperature increases the efficiency of the thermodynamic engine, but a large amount of nitrogen oxides are generated due to the high temperature.
  • These nitrogen oxides are the main harmful substances that destroy the global environment, causing acid rain, optical smog, respiratory disorders, and the like.
  • the principle of NOx reduction by EZR is to lower the maximum temperature of the combustion chamber by recirculating inert gas (steam, carbon dioxide, etc.), and second, to prevent the atmosphere of nitrogen oxides produced by lean combustion, and To reduce the ignition delay and lower the local maximum temperature and pressure in the combustion chamber.
  • inert gas steam, carbon dioxide, etc.
  • EGR the NOx reduction mechanism by EGR has been reported that the reduction of the oxygen concentration is the root cause and the study that the flame temperature decrease is the cause. At this time, no conclusion about which is right is given, but the contribution of NOx reduction in oxygen concentration and flame temperature has recently been reported to be at the same level.
  • EZR is equipped with EZR cooler, which reduces NOx without increasing fuel economy and PM due to stricter diesel emission control, and installs a cooler (cooler) using coolant from the engine. It is a device that can be obtained.
  • the EZR cooler should be cooled to 700 °C to 200 °C, so it must be heat-resistant and must be compactly designed to be installed inside the car. Should be minimized, and condensation is generated from exhaust gas during heat exchange, and sulfuric acid in fuel is susceptible to corrosion because sulfuric acid is included in condensate, and it must be corrosion-resistant material, and mechanical load acts due to pulsation effect of exhaust gas. Since particulate matter (PM) of the exhaust gas can block the inside of the passage, countermeasure against fouling is required.
  • PM particulate matter
  • the EG1 is configured to reduce the generation of NOx by recycling a part of the exhaust gas exhausted through the exhaust manifold 3 to the intake manifold 2.
  • an EG cooler 4 is installed, and the EG cooler 4 illustrated in FIG. 1 applies a shell & tube type heat exchanger to supply the exhaust gas in a cooled state.
  • 1 is a heat exchanger of a 1-pass straight-tube (1-pass) in which exhaust gas passes only in one direction.
  • the coolant of the engine 10 is used as the cell fluid, the coolant flows in from the coolant inlet 7in and flows out to the coolant outlet 7out, exhaust gas is used as the tube fluid, and the exhaust gas is exhaust manifold ( It flows in through the right conduit 6in extended in 3) and flows out to the left conduit 6out extending to the intake manifold 2.
  • Reference numeral 11 in the drawings shows a combustion chamber.
  • FIGS. 2 and 3 illustrate an EG cooler 4 to which a heat exchanger structure of a 2-pass straight tube (2-pass) through which exhaust gas passes in two directions is applied.
  • (4) comprises a body cell 4a, and a plurality of inlet tubes (5 in) and a plurality of outlet tubes (5out) installed in the body cell (4a), the inlet tube (5 in) and The outflow tube 5out is in the form of a pipe of circular cross section.
  • the inside of the body cell 4a has an inlet area 4b of the exhaust gas formed by a plurality of inlet tubes 5in through which the exhaust gas is introduced, and a plurality of outlet tubes 5out through which the exhaust gas flows out. It is divided into the outlet area of the exhaust gas formed by 4c, the cooling water of the engine flows in and out through the inlet (7in) and outlet 7out provided on the body cell (4a) side.
  • a flange 6 having openings 12a and 12b through which exhaust gas flows in and out is installed at one end of the body cell 4a, and a U-Flow Cap 13 is provided at the other end of the body cell 4a. This is installed.
  • the openings 12a and 12b of the flange 6 are partitioned by the partition bars 12 to form an inlet 12a through which the exhaust gas flows in and an outlet 12b through which the exhaust gas flows out.
  • An EIG valve (not shown) is provided at the openings 12a and 12b side of the flange 6, and the EEG valve (not shown) opens and closes the inlet 12a and the outlet 12b.
  • the exhaust gas When the exhaust gas is introduced through the exhaust gas inlet 12a, the exhaust gas passes through the inlet tube 5in and then u-turns in the U-Flow Cap 13 to pass through the outlet tube 5out, It flows out through the exhaust gas outlet 12b.
  • the discharged exhaust gas flows into the right conduit 6out connected to the intake manifold 2 of FIG.
  • the partition bars 12 of the abdominal flange 6 are arranged at the center of the opening, so that the areas of the inlet 12a and the outlet 12b of the flange 6 are equally set.
  • the conventional IG cooler and the applicants of the present applicants have the disadvantage that the cooling performance is lowered as the gas flow rate at the rear end of the outlet 12b is significantly reduced when the inlet 12a and the outlet 12b of the exhaust gas are set equally. There is this.
  • a tube included in a conventional EZC cooler is formed with a circular protrusion, and when the protrusions of two neighboring tubes are coupled to each other, the protrusions are coupled to each other. There is a disadvantage that the cooling water flow is made uneven.
  • the present invention has been proposed to solve the above problems, the exhaust gas velocity on the gas inlet side can be increased so that the exhaust gas flow in the gas tube can be made smoothly, a larger amount between neighboring gas outlets It is an object of the present invention to provide an EG cooler capable of cooling the exhaust gas evenly over the entire gas tube and minimizing the vortices generated in the course of the cooling water flowing through the gas tube.
  • the body cell to which the coolant flows out It is formed in the shape of a plate-shaped tube, the gas inlet for exhaust gas flow is provided on one side in the width direction, the exhaust gas flowing into the gas inlet is provided on the other side in the width direction, the gas outlet flows out, the body cell A plurality of gas tubes mounted in a vertical stack structure; An outlet inlet flange coupled to cover one side of the body cell in which the outlet inlet of the gas tube is located; And a finishing cap coupled to cover the other side of the body cell, wherein a cross section of the gas outlet part is formed to have a higher height and a narrower width than a cross section of the gas inlet part, and two neighboring gas inlet parts are adjacent to each other. It is configured to be wider than the gap of the gas outlet.
  • the gas inlet portion and the gas outlet portion are formed to have the same bottom surface height and different ceiling surface heights.
  • Two gas tubes neighboring up and down are coupled to each other so that protrusions formed on the top and bottom surfaces thereof are in contact with each other, and the protrusions have a streamlined cross-sectional shape.
  • An inlet heat transfer pin is inserted into the gas inlet, and an outlet heat transfer pin is inserted into the gas outlet, and the inlet heat transfer pin and the outlet side heat transfer pin are horizontally formed in a wavy shape. .
  • the outflow inlet flange has a gas inlet hole formed in a portion corresponding to the gas inlet, and a gas outlet hole is formed in a portion corresponding to the gas outlet.
  • a concave portion is formed on the upper surface of the body cell to contact the protrusion of the gas tube located on the uppermost side, and a concave portion is formed on the bottom surface of the body cell to abut the protrusion of the gas tube located on the lower side.
  • the EG cooler according to the present invention has a high exhaust gas velocity on the gas inlet side, which enables a smooth flow of the exhaust gas in the gas tube, and a larger amount of cooling water flows between neighboring gas inlet units, thereby reducing the exhaust gas cooling efficiency. It can be kept high, there is no vortex generated in the course of the cooling water flowing between the gas tube has the advantage that the vibration and noise is reduced.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a general exhaust gas recirculation system.
  • FIG. 2 is a perspective view of a conventional RG cooler.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional RG cooler cut along the line W-W shown in FIG.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of an EG cooler according to the present invention.
  • 5 and 6 are a perspective view and a front view showing a gas tube laminated structure included in the EG cooler according to the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view of the inlet side heat transfer fins and the outlet side heat transfer fins included in the EG cooler according to the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view showing the direction of cooling water flowing along the gas tube surface.
  • Figure 4 is an exploded perspective view of the EG cooler according to the present invention
  • Figures 5 and 6 are a perspective view and a front view showing a gas tube laminated structure included in the EG cooler according to the present invention.
  • the EZR cooler according to the present invention is a device for transferring a high temperature exhaust gas with a low temperature cooling water and cooling it to a predetermined level and then transferring the exhaust gas to an exhaust gas recirculation (EGR) system.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • 100 and a plurality of gas tubes 200 mounted inside the body cell 100 and into which exhaust gas flows in and out, and one side of the body cell 100 in which an outlet of the gas tube 200 is located.
  • Outflow flange 400 is coupled to cover the and includes a closing cap 500 is coupled to cover the other side of the body cell (100).
  • the gas tube 200 is configured to include a gas inlet 210 through which the exhaust gas flows in and a gas outlet 220 through which the exhaust gas flows out, and is stacked in the body cell 100 in the vertical direction.
  • the high temperature exhaust gas introduced into the gas inlet 210 is U-turned around the closing cap 500 and then flows through the cooling water and the heat transfer process flowing through the body cell 100 while flowing through the gas outlet 220. It is cooled to a certain level by roughness. At this time, the exhaust gas introduced into the gas inlet 210 may flow relatively smoothly, but when the gas flows through the gas outlet 220 after being turned around the closing cap 500, the flow pressure of the exhaust gas is lowered. Exhaust gas may not flow smoothly.
  • the EG cooler according to the present invention has a cross-section of the gas outlet 220 that is closer to a square shape, that is, a higher height and a narrower width than the cross-section of the gas inlet 210 so as to solve such a problem.
  • a characteristic of configuration In general, the flow path of the fluid, even if the cross-sectional area is the same, the closer the cross-sectional shape is to the square, the narrower the contact area between the fluid and the inner wall of the flow path, the friction between the fluid and the flow path is reduced and thus the fluid flows more smoothly .
  • the gas outlet part 220 in which the exhaust gas flows to which the flow pressure is reduced to some extent is formed to have a cross section close to a square, friction with the exhaust gas is reduced as compared with the gas inlet part 210 having a thin cross section. As a result, the exhaust gas can flow more smoothly. As such, when the flow rate of the exhaust gas flowing out through the gas outlet 220 increases, the flow of the exhaust gas passing through the gas tube 200 is made smoothly as a whole, and thus the exhaust gas cooling performance is improved.
  • both the cross section of the gas inlet 210 and the cross section of the gas outlet 220 is formed in a square, the exhaust gas flow can be made as smooth as possible, but if the height of the gas tube 200 as a whole, the neighbors As the two gas tubes 200 are narrowed, the flow rate of the cooling water is reduced, and the exhaust gas cooling efficiency is lowered. In this case, by increasing the height of the gas tube 200 and widening the distance between two neighboring gas tubes 200, the flow rate of the cooling water can be increased while smoothing the exhaust gas flow. The problem arises that the mounting space is increased very much.
  • the gas inlet 210 is positioned at one side in the width direction (right side in this embodiment) and the gas outlet 220 at the other side in the width direction (left side in this embodiment). Is located, the thickness of the gas outlet 220 is thicker than the thickness of the gas inlet 210 and the width of the gas outlet 220 is formed in a narrower than the width of the gas inlet 210 There is this. As such, when the thickness of the gas outlet part 220 is formed to be thicker than the thickness of the gas inlet part 210, two neighboring gas inlet parts 210 are relatively wider, so that two neighboring gas inlet parts 210 are secured. A greater amount of coolant flows between them, so that the exhaust gas cooling rate at the gas inlet 210 can be further increased.
  • the gas tube 200 may be manufactured to distinguish the gas inlet 210 and the gas outlet 220 through a process of pressing the right side of the pre-fabricated square pipe base material.
  • a separate jig or a pressurizing device is required, and thus, the manufacturing of the gas tube 200 may be expensive.
  • the gas tube 200 has the same bottom surface height as that of the gas inlet 210 and the gas outlet 220, and the gas inlet 210 and the gas outlet 220 of FIG.
  • the ceiling surface height is preferably set to be different (more specifically, the ceiling surface height of the gas inlet 210 is low).
  • the gas inlet 210 and the gas outlet 220 are placed only on the upper portion of the gas inlet 210 by placing the square pipe base material on the work table. Since it can be distinguished, there is an advantage that can significantly shorten the time required to produce the gas tube 200.
  • the inlet and outlet flange 400 covering the exhaust gas inlet and outlet side of the gas tube 200 may allow the exhaust gas to flow into the gas inlet 210 and allow the exhaust gas to flow out through the gas outlet 220.
  • the gas inlet hole 410 and the gas outlet hole 420 are formed in portions corresponding to the gas inlet 210 and portions corresponding to the gas outlet 220.
  • the gas inlet hole 410 and the gas outlet hole 420 may be formed to be integrally connected without being formed separately, but if the gas inlet hole 410 and the gas outlet hole 420 are integrally connected to the gas Since the impact between the exhaust gas flowing into the inlet 210 and the exhaust gas flowing out of the gas outlet 220 may occur, the gas inlet hole 410 and the gas outlet hole 420 are each independently formed. This is preferred.
  • two gas tubes 200 adjacent to each other up and down are coupled through a brazing process in a state in which protrusions 230 formed on the top and bottom surfaces thereof are in contact with each other.
  • the uppermost gas tube 200 is coupled to the ceiling surface of the body cell 100
  • the lowermost gas tube 200 can be coupled to the bottom surface of the body cell 100
  • the concave portion 110 are formed on the top and bottom of the body cell 100 and the concave portion 110 in contact with the protruding portion 230 of the gas tube 200 located on the uppermost side and the protrusion 230 of the gas tube 200 located on the lowermost side;
  • the concave portions 110 are formed.
  • FIG. 7 is a perspective view of the inlet side heat transfer fin 310 and the outlet side heat transfer fin 320 included in the EG cooler according to the present invention.
  • Inlet-side heat transfer fins 310 are provided inside the gas inlet 210 and the gas outlet 220 so that the heat of the exhaust gas flowing inside the gas tube 200 can be more effectively transmitted to the outer wall of the gas tube 200.
  • the outlet side heat transfer fins 320 are respectively installed. At this time, even if the overall length of the gas tube 200 is not increased, the inlet side heat transfer fins 310 and the outlet side heat transfer fins 320 are formed such that the flow path length of the exhaust gas flowing through the surface of each heat transfer fin can be increased. It is preferable that the horizontal shape is formed in a wavy shape.
  • the exhaust gas flowing through each heat transfer pin flows in a wave pattern according to the shape of the heat transfer pin.
  • the long distance can be secured and thus the exhaust gas cooling rate is further increased.
  • the curvature of the inlet-side heat transfer fin 310 and the outlet-side heat transfer fin 320 may be appropriately changed according to various conditions such as the flow rate and pressure of the exhaust gas.
  • FIG. 8 is a plan view showing the direction of cooling water flowing along the surface of the gas tube 200.
  • the plurality of gas tubes 200 stacked up and down may have protrusions 230 formed on the top and bottom surfaces thereof so that the gas tubes 200 may be coupled to each other while securing a space for cooling water to flow between two neighboring gas tubes 200.
  • the protrusion 230 when the protrusion 230 is formed in a circular shape, such as a conventional EZ cooler, the coolant flowing between the gas tubes 200 forms a vortex while passing through the protrusion 230, so that the coolant flow is not uniform. There is a problem that bubbles or noise and vibration are generated.
  • the EG cooler according to the present invention has a horizontal cross-sectional shape of the protrusion 230 formed on the top and bottom surfaces of the gas tube 200 so as to solve the above problems.
  • the protrusion 230 has a streamlined planar shape, as shown in FIG. 8, vortices are not generated when the coolant flowing between the gas tubes 200 passes through the protrusion 230.

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Abstract

본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 냉각수가 유출입되는 바디셀; 플레이트형 튜브 형상으로 형성되되, 배기가스가 유입되는 가스유입부가 폭방향 일측에 마련되고, 상기 가스유입부로 유입된 배기가스가 유턴하여 유출되는 가스유출부가 폭방향 타측에 마련되어, 상기 바디셀 내에서 상하 적층구조로 장착되는 다수 개의 가스튜브; 상기 가스튜브의 유출입구가 위치되는 상기 바디셀의 일측을 덮도록 결합되는 유출입플랜지; 및 상기 바디셀의 타측을 덮도록 결합되는 마감캡을 포함하며, 상기 가스유출부의 횡단면은 상기 가스유입부의 횡단면보다 높이는 높고 폭은 좁게 형성되며, 이웃하는 두 개의 가스유입부 간격은 이웃하는 두 개의 가스유출부 간격보다 넓게 구성된다. 본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 가스유입부 측의 배기가스 속도가 높아져 가스튜브 내의 배기가스 흐름이 원활하게 이루어질 수 있고, 이웃하는 가스유입부 사이로 보다 많은 양의 냉각수가 흐르게 되어 배기가스 냉각효율을 높게 유지할 수 있으며, 냉각수가 가스튜브 사이를 흐르는 과정에서 발생되는 와류가 발생되지 아니하게 되어 진동 및 소음이 감소된다는 장점이 있다.

Description

이지알 쿨러
본 발명은 배기가스 재순환시스템(EGR:Exhaust Gas Recirculation, 이하 '이지알' 이라 함)으로 유입되는 배기가스를 냉각수로 냉각시키는 이지알 쿨러에 관한 것으로, 더 상세하게는 배기가스가 흐르는 가스튜브가 좌우 비대칭 형상으로 형성되고 가스튜브 사이의 냉각수 흐름에 와류가 발생되지 아니하도록 구성되는 이지알 쿨러에 관한 것이다.
일반적으로 이지알(EGR: Exhaust Gas Recirculation)은 배기가스의 일부를 다시 흡기계로 재순환시켜 흡입공기 중의 CO2 농도를 증대시켜 연소실의 온도를 저하시키고 이에 의해 NOx를 저감시키는 시스템이다.
한편, NOx 발생 메커니즘을 구체적으로 살펴보면, 공기는 약 79%의 질소와 21%의 산소 및 기타 미량의 원소로 구성되어 있다. 상온에서 질소와 산소는 서로 반응을 일으키지 않지만 고온(약 1450℃이상)에서는 서로 반응을 하여 질소산화물(thermal NOx)이 된다. 특히 디젤엔진은 압축착화방식으로 연소를 일으키며 실린더의 재질 발달로 인해 압축비가 점점 더 높아져 연소실의 온도가 높아지고 있다. 연소실 온도의 상승은 열역학적 엔진 효율을 증대시키지만, 고온으로 인한 질소산화물이 다량 발생을 하고 있다. 이러한 질소산화물은 지구환경을 파괴하는 주요 유해물질로써, 산성비, 광학스모그, 호흡기 장애 등을 일으킨다.
이지알에 의한 NOx 저감 원리는 첫째 불활성가스(수증기, 이산화탄소 등) 재순환에 의해 연소실 최고온도를 낮추는 것이며, 둘째 희박연소에 의해 질소산화물 생성분위기를 방지하는 것이며, 세째 고비열 냉각 불활성 가스 투입으로 인한 점화진각 지연 및 연소실 국부 최고온도 및 압력을 낮추는 것이다. 한편, 디젤기관에서 이지알(EGR)에 의한 NOx 저감 메커니즘은 가솔린과는 달리 산소농도 저감이 근본적인 원인이라는 연구와 이에 반론하여 화염온도 감소가 원인이라는 연구가 보고되었다. 현재로서는 어느 것이 옳은지에 대한 결론은 제시되지 않은 상태이지만, 산소농도와 화염온도의 NOx 저감 기여도는 동일한 수준인 것으로 최근 보고되고 있다.
이지알 쿨러가 설치된 이지알은 디젤엔진의 배기규제가 엄격해지면서 연비와 PM의 증가없이 NOx를 저감시키는 방법으로 엔진의 냉각수를 이용한 냉각기(쿨러)를 설치함으로서 비교적 적은 투자로서 NOx저감에 큰 효과를 얻을 수 있는 장치이다.
이 경우에 이지알 쿨러는 700℃ 정도의 배기가스 온도를 150℃~200℃까지 냉각시켜야 하므로 내열성 재질이어야 하며, 자동차 내부에 설치되기 위해 콤팩트하게 설계되어야 하며, 적절한 EGR량을 공급하기 위해 압력강하가 최소화되어야 하며, 열교환 중 배기가스로부터 응축이 발생하며 연료의 황성분 때문에 응축수에 황산이 포함되어 부식을 일으키기 쉬우므로 방식성 재료이어야 하며, 배기가스의 맥동영향으로 기계적 부하가 작용하므로 일정의 기계적 강도가 있어야 하며, 배기가스의 입자상물질(PM) 등이 통로 내부를 막을 수 있어 파울링(fouling)에 대한 대책이 요구된다.
이와 같은 이지알(1)은 도 1에 도시된 바와 같이, 배기매니폴드(3)를 통하여 배기되는 배기가스의 일부를 흡기매니폴드(2)로 재순환시켜 NOx의 발생을 저감시키도록 한 것으로, 이러한 배기가스의 재순환 경로 도중에는 이지알 쿨러(4)가 설치되고, 도 1에 예시된 이지알 쿨러(4)는 배기가스를 냉각된 상태로 공급할 수 있도록 셀앤튜브(shell & tube)형 열교환기가 적용되며, 도 1의 이지알 쿨러(4)는 배기가스가 한 방향으로만 통과하는 1-패스형 직선튜브(straight-tube, 1-패스)의 열교환기가 적용된다. 그리고, 셀 유체로서 엔진(10)의 냉각수가 사용되고, 냉각수는 냉각수 유입관(7in)에서 유입되어 냉각수 유출관(7out)로 유출되며, 튜브 유체로 배기가스가 사용되고, 배기가스는 배기매니폴드(3)에서 연장된 우측 관로(6in)를 통해 유입되고, 흡기매니폴드(2)로 연장되는 좌측 관로(6out)로 유출된다. 도면 중 미설명 부호 11은 연소실을 도시한 것이다.
한편, 도2 및 도 3에는 배기가스가 두 방향으로 통과하는 2-패스 직선튜브(straight-tube, 2-패스)의 열교환기 구조가 적용된 이지알 쿨러(4)가 도시되어 있으며, 이지알 쿨러(4)는 바디셀(4a)과, 이 바디셀(4a) 내에 설치된 다수의 유입 튜브(inlet tube, 5in) 및 다수의 유출 튜브(outlet tube, 5out)를 포함하고, 유입 튜브(5in) 및 유출 튜브(5out)는 원형 단면의 파이프 형태로 이루어진다.
바디셀(4a)의 내부는 배기가스가 유입되는 다수의 유입 튜브(inlet tube, 5in)에 의해 형성된 배기가스의 유입영역(4b) 및 배기가스가 유출되는 다수의 유출 튜브(outlet tube, 5out)에 의해 형성된 배기가스의 유출영역(4c)으로 구분되며, 엔진의 냉각수는 바디셀(4a)측에 설치된 유입구(7in) 및 유출구(7out)를 통해 유입 및 유출된다.
바디셀(4a)의 일단에는 배기가스가 유입 및 유출되는 개구(12a, 12b)를 가진 플렌지(6)가 설치되고, 바디셀(4a)의 타단에는 유 플로 캡(13, U-Flow Cap)이 설치된다. 플렌지(6)의 개구(12a, 12b)는 구획바(12)에 의해 구획됨으로써 배기가스가 유입되는 유입구(12a) 및 배기가스가 유출되는 유출구(12b)가 형성되고, 이러한 유입구(12a) 및 유출구(12b)에 대응하여 유입 튜브(5in)와 유출튜브(5out)로 구분된다.
이 플렌지(6)의 개구(12a, 12b) 측에는 이지알 밸브(미도시)가 설치되고, 이지알 밸브(미도시)는 유입구(12a) 및 유출구(12b)를 개폐한다. 배기가스가 배기가스 유입구(12a)를 통해 유입되면, 배기가스는 유입 튜브(5in)를 통과한 후에 유 플로 캡(13,U-Flow Cap) 내에서 유턴하여 유출 튜브(5out)를 통과하고, 배기가스 유출구(12b)를 통해 유출된다. 유출된 배기가스는 도 1의 흡기매니폴드(2)와 연결되는 우측 관로(6out)로 유입된다.
하지만, 이러한 종래의 이지알 쿨러는 복 플랜지(6)의 구획바(12)가 개구의 중앙부에 배치됨으로써 플랜지(6)의 유입구(12a) 및 유출구(12b)의 면적이 균등하게 설정되었다. 이와 같이 종래의 이지알 쿨러 및 본 출원인의 선출원들은 배기가스의 유입구(12a) 및 유출구(12b)가 균등하게 설정되면 유출구(12b) 후단의 가스 유동속도가 현저히 저감됨에 따라 냉각성능이 저하된다는 단점이 있다.
또한, 종래의 이지알 쿨러에 포함되는 튜브에는 원형의 돌출부가 형성되고, 이웃하는 두 개의 튜브의 돌출부가 상호 결합될 때에는 상기 돌출부가 맞닿도록 결합되는데, 튜브 사이로 냉각수가 흐를 때 상기 돌출부 후단에서 와류가 발생되어 냉각수 유동이 불균일하게 이루어진다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 가스튜브 내의 배기가스 흐름이 원활하게 이루어질 수 있도록 가스유입부 측의 배기가스 속도가 높아질 수 있고, 이웃하는 가스유출부 사이로 보다 많은 양의 냉각수가 흐르도록 하여 가스튜브 전체에 걸쳐 고르게 배기가스가 냉각될 수 있고, 냉각수가 가스튜브 사이를 흐르는 과정에서 발생되는 와류를 최소화시킬 수 있는 이지알 쿨러를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 냉각수가 유출입되는 바디셀; 플레이트형 튜브 형상으로 형성되되, 배기가스가 유입되는 가스유입부가 폭방향 일측에 마련되고, 상기 가스유입부로 유입된 배기가스가 유턴하여 유출되는 가스유출부가 폭방향 타측에 마련되어, 상기 바디셀 내에서 상하 적층구조로 장착되는 다수 개의 가스튜브; 상기 가스튜브의 유출입구가 위치되는 상기 바디셀의 일측을 덮도록 결합되는 유출입플랜지; 및 상기 바디셀의 타측을 덮도록 결합되는 마감캡을 포함하며, 상기 가스유출부의 횡단면은 상기 가스유입부의 횡단면보다 높이는 높고 폭은 좁게 형성되며, 이웃하는 두 개의 가스유입부 간격은 이웃하는 두 개의 가스유출부 간격보다 넓게 구성된다.
상기 가스유입부와 가스유출부는, 바닥면 높이는 동일하고 천정면 높이는 상이하도록 형성된다.
상하로 이웃하는 두 개의 가스튜브는 상면과 저면에 각각 형성된 돌출부가 상호 접촉되도록 결합되며, 상기 돌출부는 수평단면 형상이 유선형으로 형성된다.
상기 가스유입부 내부에는 유입측 열전달핀이 삽입 설치되고, 상기 가스유출부 내부에는 유출측 열전달핀이 삽입 설치되며, 상기 유입측 열전달핀과 상기 유출측 열전달핀은 수평형상이 물결형상으로 형성된다.
상기 유출입플랜지는, 상기 가스유입부와 대응되는 부위에 가스유입홀이 형성되고, 상기 가스유출부와 대응되는 부위에 가스유출홀이 형성된다.
상기 바디셀의 상면에는 가장 상측에 위치하는 가스튜브의 돌출부와 맞닿는 오목부가 형성되고, 상기 바디셀의 저면에는 가장 하측에 위치하는 가스튜브의 돌출부와 맞닿는 오목부가 형성된다.
본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 가스유입부 측의 배기가스 속도가 높아져 가스튜브 내의 배기가스 흐름이 원활하게 이루어질 수 있고, 이웃하는 가스유입부 사이로 보다 많은 양의 냉각수가 흐르게 되어 배기가스 냉각효율을 높게 유지할 수 있으며, 냉각수가 가스튜브 사이를 흐르는 과정에서 발생되는 와류가 발생되지 아니하게 되어 진동 및 소음이 감소된다는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 배기가스 재순환시스템을 도시하는 개략도이다.
도 2는 종래의 이지알 쿨러 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 W-W선을 따라 절단된 종래의 이지알 쿨러 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 분해사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 가스튜브 적층구조를 도시하는 사시도 및 정면도이다.
도 7은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 유입측 열전달핀과 유출측 열전달핀의 사시도이다.
도 8은 가스튜브 표면을 따라 흐르는 냉각수 유동방향으로 도시하는 평면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 실시예를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 의한 이지알 쿨러의 분해사시도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 가스튜브 적층구조를 도시하는 사시도 및 정면도이다.
본 발명에 의한 이지알 쿨러는, 고온의 배기가스를 저온의 냉각수와 열전달시켜 일정 수준 냉각시킨 후 배기가스 재순환시스템(EGR:Exhaust Gas Recirculation)으로 전달하기 위한 장치로서, 냉각수가 유출입되는 바디셀(100)과, 상기 바디셀(100) 내부에 장착되며 내측으로 배기가스가 유출입되는 다수 개의 가스튜브(200)와, 상기 가스튜브(200)의 유출입구가 위치되는 상기 바디셀(100)의 일측을 덮도록 결합되는 유출입플랜지(400)와, 상기 바디셀(100)의 타측을 덮도록 결합되는 마감캡(500)을 포함한다. 상기 가스튜브(200)는 배기가스가 유입되는 가스유입부(210)와 배기가스가 유출되는 가스유출부(220)를 구비하도록 구성되어, 상기 바디셀(100) 내에 상하방향으로 적층된다.
가스유입부(210)로 유입된 고온의 배기가스는, 마감캡(500) 주변에서 유턴된 후 가스유출부(220)를 통해 유출되는 동안 상기 바디셀(100) 내부를 흐르는 냉각수와 열전달 과정을 거침으로써 일정 수준 냉각된다. 이때 가스유입부(210)로 유입된 배기가스는 비교적 원활하게 유동될 수 있지만, 마감캡(500) 주변에서 유턴된 후 가스유출부(220)를 통해 유출될 때에는 배기가스의 유동압이 저하되어 배기가스가 원활하게 유출되지 아니할 수 있다.
본 발명에 의한 이지알 쿨러는 이와 같은 문제점을 해결할 수 있도록, 가스유출부(220)의 횡단면은 상기 가스유입부(210)의 횡단면에 비해 정사각형에 가까운 형상 즉, 높이는 높고 폭은 좁게 형성된다는 점에 구성상의 특징이 있다. 일반적으로 유체가 흐르는 유로는, 횡단면의 넓이가 동일하더라도 횡단면 형상이 정사각형에 가까울수록 유체와 유로 내벽 간의 접촉면적이 좁아지는바, 유체와 유로 간의 마찰이 감소되고 이에 따라 유체가 보다 원활하게 흐르게 된다. 따라서 유동압이 어느 정도 저하된 배기가스가 흐르는 가스유출부(220)가 정사각형에 가까운 횡단면을 갖도록 형성되면, 횡단면 형상이 얇은 직사각형을 이루는 가스유입부(210)에 비해 배기가스와의 마찰이 감소되고, 이에 따라 배기가스가 보다 원활하게 흐를 수 있게 된다. 이와 같이 가스유출부(220)를 통해 유출되는 배기가스의 유속이 빨라지면, 가스튜브(200)를 지나는 배기가스의 유동이 전체적으로 원활하게 이루어지므로, 배기가스 냉각성능이 개선된다는 장점이 있다.
물론, 가스유입부(210)의 횡단면과 가스유출부(220)의 횡단면을 모두 정사각형으로 형성하면 배기가스 유동을 최대한 원활하게 할 수 있으나, 이와 같이 가스튜브(200)의 높이가 전체적으로 높아지면 이웃하는 두 개의 가스튜브(200) 간격이 좁아져 냉각수 유량이 감소되는바, 배기가스 냉각효율이 저하된다는 단점이 있다. 이때, 가스튜브(200)의 높이를 높이면서 이웃하는 두 개의 가스튜브(200) 간격을 넓히면 배기가스 유동을 원활하게 하면서 냉각수 유량도 증가시킬 수 있으나, 이와 같은 경우 이지알 쿨러의 전체 높이가 현저히 증가되어 장착공간이 매우 넓게 요구된다는 문제가 발생된다.
따라서 본 발명에 포함되는 가스튜브(200)는, 폭방향 일측(본 실시예에서는 우측)에 가스유입부(210)가 위치되고 폭방향 타측(본 실시예에서는 좌측)에 가스유출부(220)가 위치되되, 가스유출부(220)의 두께가 가스유입부(210)의 두께보다 두껍고 상기 가스유출부(220)의 폭이 가스유입부(210)의 폭보다 좁게 형성된다는 점에 구성상의 특징이 있다. 이와 같이 가스유출부(220)의 두께가 가스유입부(210)의 두께보다 두껍게 형성되면, 이웃하는 두 개의 가스유입부(210) 간격은 비교적 넓게 확보되므로 이웃하는 두 개의 가스유입부(210) 사이로 보다 많은 양의 냉각수가 흐르게 되고, 이에 따라 가스유입부(210)에서의 배기가스 냉각률이 더욱 높아질 수 있게 된다.
또한, 상기 가스튜브(200)는 기성 제작되어 있던 사각파이프 모재의 우측을 가압하는 공정을 통해 가스유입부(210)와 가스유출부(220)가 구분되도록 제작될 수 있는데, 상기 사각파이프 모재의 우측 바닥면과 천정면을 모두 가압하기 위해서는 별도의 지그나 가압장치가 요구되는바 가스튜브(200) 제작에 많은 비용이 소요될 수 있다. 따라서 상기 가스튜브(200)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 가스유입부(210)와 가스유출부(220)의 바닥면 높이는 동일하고 가스유입부(210)와 가스유출부(220)의 천정면 높이는 상이하도록(더 명확하게는 가스유입부(210)의 천정면 높이가 낮도록) 설정됨이 바람직하다. 이와 같은 구조로 가스튜브(200)가 형성되는 경우, 사각파이프 모재를 작업대 상에 올려두고 가스유입부(210)의 상부만을 하향 가압하는 공정만으로 가스유입부(210)와 가스유출부(220)를 구분할 수 있으므로, 상기 가스튜브(200) 제작에 소요되는 시간을 현저히 단축시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 가스튜브(200)의 배기가스 유출입 측을 덮는 유출입플랜지(400)는 가스유입부(210)로 배기가스가 유입될 수 있고 가스유출부(220)를 통해 배기가스가 유출될 수 있도록, 가스유입부(210)에 대응되는 부위와 가스유출부(220)에 대응되는 부위에 가스유입홀(410)과 가스유출홀(420)이 각각 형성됨이 바람직하다. 물론, 상기 가스유입홀(410)과 가스유출홀(420)이 개별적으로 형성되지 아니하고 일체로 연결되도록 형성될 수 있으나, 가스유입홀(410)과 가스유출홀(420)이 일체로 연결되면 가스유입부(210)로 유입되는 배기가스와 가스유출부(220)로부터 유출되는 배기가스 간의 충격이 발생될 우려가 있으므로, 상기 가스유입홀(410)과 가스유출홀(420)은 각각 독립적으로 형성됨이 바람직하다.
또한, 상하로 이웃하는 두 개의 가스튜브(200)는 상면과 저면에 각각 형성된 돌출부(230)가 상호 접촉된 상태에서 브레이징 공정을 통해 결합된다. 이때, 가장 상측에 위치하는 가스튜브(200)가 바디셀(100)의 천정면에 결합되고, 가장 하측에 위치하는 가스튜브(200)가 바디셀(100)의 바닥면에 결합될 수 있도록, 상기 바디셀(100)의 상면과 저면에는 가장 상측에 위치하는 가스튜브(200)의 돌출부(230)와 맞닿는 오목부(110)와 가장 하측에 위치하는 가스튜브(200)의 돌출부(230)와 맞닿는 오목부(110)가 각각 형성됨이 바람직하다.
도 7은 본 발명에 의한 이지알 쿨러에 포함되는 유입측 열전달핀(310)과 유출측 열전달핀(320)의 사시도이다.
가스튜브(200) 내부를 흐르는 배기가스의 열이 보다 효과적으로 가스튜브(200) 외벽에 전달될 수 있도록, 가스유입부(210) 내부와 가스유출부(220) 내부에는 유입측 열전달핀(310)과 유출측 열전달핀(320)이 각각 삽입 설치된다. 이때 가스튜브(200)의 전체 길이를 증가시키지 아니하더라도 각 열전달핀의 표면을 타고 흐르는 배기가스의 유로 길이가 증가될 수 있도록, 상기 유입측 열전달핀(310)과 유출측 열전달핀(320)은 수평형상이 물결형상으로 형성됨이 바람직하다. 이와 같이 유입측 열전달핀(310)과 유출측 열전달핀(320)이 물결형상으로 형성되면, 각 열전달핀을 타고 흐르는 배기가스는 열전달핀의 형상에 따라 물결패턴으로 유동되는바, 사익 배기가스 유동거리를 보다 길게 확보할 수 있고 이에 따라 배기가스 냉각률이 더욱 높아지게 된다는 장점이 있다.
이때, 상기 유입측 열전달핀(310)과 유출측 열전달핀(320)의 곡률은, 배기가스의 유속 및 압력 등 여러 조건에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
도 8은 가스튜브(200) 표면을 따라 흐르는 냉각수 유동방향으로 도시하는 평면도이다.
상하로 적층되는 복수 개의 가스튜브(200)는, 이웃하는 두 개의 가스튜브(200) 사이에 냉각수가 흐를 수 있는 공간을 확보하면서 결합될 수 있도록, 상면과 저면에 돌출부(230)가 형성된다.
이때, 상기 돌출부(230)가 종래의 이지알 쿨러와 같이 원형으로 형성되면, 가스튜브(200) 사이로 흐르는 냉각수가 상기 돌출부(230)를 지나면서 와류를 형성하게 되어 냉각수 유동이 불균일해질 뿐만 아니라, 기포나 소음 및 진동이 발생된다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에 의한 이지알 쿨러는 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있도록, 상기 가스튜브(200)의 상면과 저면에 형성되는 돌출부(230)의 수평단면 형상이 유선형으로 형성된다. 이와 같이 상기 돌출부(230)가 유선형 평면형상을 갖도록 구성되면, 도 8에 도시된 바와 같이 가스튜브(200) 사이로 흐르던 냉각수가 상기 돌출부(230)를 지날 때 와류가 발생되지 아니하는바, 냉각수가 균일하게 유동될 뿐만 아니라, 기포나 소음, 진동이 발생하지 아니하게 된다는 장점이 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 냉각수가 유출입되는 바디셀;
    플레이트형 튜브 형상으로 형성되되, 배기가스가 유입되는 가스유입부가 폭방향 일측에 마련되고, 상기 가스유입부로 유입된 배기가스가 유턴하여 유출되는 가스유출부가 폭방향 타측에 마련되어, 상기 바디셀 내에서 상하 적층구조로 장착되는 다수 개의 가스튜브;
    상기 가스튜브의 유출입구가 위치되는 상기 바디셀의 일측을 덮도록 결합되는 유출입플랜지; 및
    상기 바디셀의 타측을 덮도록 결합되는 마감캡;
    을 포함하며, 상기 가스유출부의 횡단면은 상기 가스유입부의 횡단면보다 높이는 높고 폭은 좁게 형성되며, 이웃하는 두 개의 가스유입부 간격은 이웃하는 두 개의 가스유출부 간격보다 넓은 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스유입부와 가스유출부는, 바닥면 높이는 동일하고 천정면 높이는 상이한 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상하로 이웃하는 두 개의 가스튜브는 상면과 저면에 각각 형성된 돌출부가 상호 접촉되도록 결합되며,
    상기 돌출부는 수평단면 형상이 유선형인 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스유입부 내부에는 유입측 열전달핀이 삽입 설치되고, 상기 가스유출부 내부에는 유출측 열전달핀이 삽입 설치되며,
    상기 유입측 열전달핀과 상기 유출측 열전달핀은 수평형상이 물결형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 유출입플랜지는,
    상기 가스유입부와 대응되는 부위에 가스유입홀이 형성되고, 상기 가스유출부와 대응되는 부위에 가스유출홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 바디셀의 상면에는 가장 상측에 위치하는 가스튜브의 돌출부와 맞닿는 오목부가 형성되고, 상기 바디셀의 저면에는 가장 하측에 위치하는 가스튜브의 돌출부와 맞닿는 오목부가 형성되는 것을 특징으로 하는 이지알 쿨러.
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