KR101502953B1 - 배기가스 열교환기 - Google Patents

Abstract

배기가스 열교환기가 개시된다. 이 배기가스 열교환기는, 직육면체형의 튜브 적층 코어와; 상기 튜브 적층 코어 주변을 둘러싸며, 쿨런트 인렛과 쿨런트 아웃렛을 구비하는 하우징을 포함하며, 상기 튜브 적층 코어는 배기가스가 흐르는 복수개의 플레이트 튜브가 나란하게 적층되어 구성되고, 상기 플레이트 튜브 각각은 장방형 단면의 배기가스 유로를 형성하는 한 쌍의 주 플레이트와 한 쌍의 측부 플레이트를 포함하며, 상기 한 쌍의 주 플레이트 각각은 양단에 드로잉에 의해 형성된 단차부를 포함하며, 상기 단차부는 적층되는 플레이트 튜브들 사이에 접합면을 제공한다.

Description

배기가스 열교환기{EXHAUST GAS HEAT EXCHANGER}

본 발명은 튜브 적층 코어를 포함하는 배기가스 열교환기에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 열교환 성능의 실질적 저하 없이, 더 나아가서는, 튜브 적층 코어를 구성하는 부품수를 줄이고 내구성을 더욱 향상시킨 개선된 배기가스 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 이지알 시스템(EGR; Exhaust Gas Recirculation)은 배기가스의 일부를 다시 흡기계로 재순환시켜 흡입공기 중의 CO₂ 농도를 증대시켜 연소실의 온도를 저하시키고, 이에 의해 NOx를 저감시키는 시스템이다.

이러한 시스템에는 냉각수에 의해 배기가스를 냉각시키는 배기가스 열교환기(통상, '이지알 쿨러(EGR Cooler)'라고도 함)가 이용되고 있으며, 배기가스 열교환기는 700℃ 정도의 배기가스 온도를 150 ~ 200℃ 까지 냉각시켜야 하므로 내열성 재질이어야 하며, 자동차에 설치되기 위해 콤팩트하게 설계되어야 하고, 적절한 EGR량을 공급하기 위해 압력강하가 최소화되어야 하며, 열교환 중 배기가스로부터 응축이 발생하면 연료의 황 성분 때문에 응축수에 황산이 포함되어 부식을 일으키기 쉬우므로 방식성 재료이어야 하며, 배기가스의 맥동영향으로 기계적 부하가 작용하므로 일정의 기계적 강도가 있어야 한다.

종래기술과 관련된 문헌으로 본 발명의 출원인인 "(주) 코렌스"에 의해 출원되어 2009. 11. 02.자 특허등록된 한국 등록특허 제10-0925816호가 있다. 이 문헌에는 배기가스가 흐르는 복수개의 튜브들이 적층된 튜브 적층코어 갖는 배기가스 열교환기가 개시된다. 이와 같은 종래의 배기가스 열교환기에 있어서, 튜브의 단부에는 확관부가 형성되고, 이 확곽부는 제1 및 제2 확관벽면을 가지며, 확관부들의 인접하는 확관면들이 상호 중첩되어 결합된다. 그리고, 복수개의 튜브들 각각에는 핀(fin)이 삽입된다.

하지만 종래기술은 복수개의 튜브들 각각에 핀을 삽입한 후 니켈 포일 또는 니켈액을 이용하여 용접해야 하므로 비용 상승의 원인이 된다. 다른 종래 기술로서 튜브에 핀을 사용하지 않는 것들도 있는데, 이는 튜브의 끝단부에 고정 플레이트를 이용하여 기밀성을 확보해야 하고 많은 튜브를 사용하여야 하기 때문에 기밀 확보와 조립성에 많은 어려움이 뒤따른다.

특허등록 제10-0925816호(등록일: 2009. 11. 02)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 브레이징에 의해 튜브 내 적용되어 왔던 핀 또는 그와 유사한 부품이 삭제됨으로써, 제작 원가가 감소되고 조립성이 향상된 배기가스 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 튜브 끝단부 고정에 요구되었던 복잡한 작업 및 부품을 삭제할 수 있고 내구성을 높인 개선된 구조의 배기가스 열교환기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일측면에 따른 배기가스 열교환기는, 직육면체형의 튜브 적층 코어와; 상기 튜브 적층 코어 주변을 둘러싸며, 쿨런트 인렛과 쿨런트 아웃렛을 구비하는 하우징을 포함하며, 상기 튜브 적층 코어는 배기가스가 흐르는 복수개의 플레이트 튜브가 나란하게 적층되어 구성되고, 상기 플레이트 튜브 각각은 장방형 단면의 배기가스 유로를 형성하는 한 쌍의 주 플레이트와 한 쌍의 측부 플레이트를 포함하며, 상기 한 쌍의 주 플레이트 각각은 양단에 드로잉에 의해 형성된 단차부를 포함하며, 상기 단차부는 적층되는 플레이트 튜브들 사이에 접합면을 제공한다.

일 실시예에 따라, 상기 한 쌍의 주 플레이트 각각은 상기 플레이트 튜브 내측을 향해 볼록하게 그리고 상기 플레이트 튜브의 길이 방향을 따라 형성된 가이드 엠보싱들을 구비하고, 상기 한 쌍의 주 플레이트 사이에서, 상기 가이드 엠보싱들이 서로 맞대어져 상기 배기가스 유로를 복수개의 소 유로들로 구획한다.

일 실시예에 따라, 상기 플레이트 튜브는, 상기 소 유로들 각각을 흐르는 배기가스와의 열 접촉 면적을 증가시키도록, 상하 한 쌍의 주 플레이트 각각에 내향 엠보싱 어레이들을 포함하며, 상기 내향 엠보싱 어레이들은 서로 이웃하는 가이드 엠보싱들 사이에서 직선 방향으로 어레이된 채 상기 플레이트 튜브 내측을 향해 볼록하게 형성된 내향 엠보싱 쌍을 포함하며, 상기 한 쌍의 주 플레이트 사이에서 상기 내향 엠보싱이 다른 내향 엠보싱과 마주한 채 이격된다.

일 실시예에 따라, 상기 플레이트 튜브는 상기 한 쌍의 주 플레이트 각각에 형성된 복수개의 외향 엠보싱을 더 포함하며, 상기 복수개의 외향 엠보싱은, 서로 이웃하는 가이드 엠보싱들 사이에서 일열로 배열되며, 상기 플레이트 튜브들이 적층될 때, 하나의 플레이트 튜브에 구비된 외향 엠보싱이 다른 플레이트 튜브에 구비된 외향 엠보싱과 접한다.

본 발명의 다른 측면에 따라, 직육면체형의 튜브 적층 코어와; 상기 튜브 적층 코어 주변을 둘러싸며, 쿨런트 인렛과 쿨런트 아웃렛을 구비하는 하우징을 포함하는 배기가스 열교환기가 제공되며, 이때, 상기 튜브 적층 코어는 배기가스가 흐르는 복수개의 플레이트 튜브가 나란하게 적층되어 구성되고, 상기 플레이트 튜브 각각은 장방형 단면의 배기가스 유로를 형성하는 한 쌍의 주 플레이트와 한 쌍의 측부 플레이트를 포함하며, 상기 한 쌍의 주 플레이트 각각은 상기 플레이트 튜브 내측을 향해 볼록하게 그리고 상기 플레이트 튜브의 길이 방향을 따라 형성된 가이드 엠보싱들을 구비하고, 상기 한 쌍의 주 플레이트 사이에서, 상기 가이드 엠보싱들이 서로 맞대어져 상기 배기가스 유로를 복수개의 소 유로들로 구획한다.

본 발명에 따르면, 종래 기술에서 브레이징에 의해 튜브 내 적용되어 왔던 핀 또는 그와 유사한 부품이 삭제된 배기가스 열교환기가 구현되며, 이 배기가스 열교환기는 제작 원가가 낮고 조립성이 우수하다는 장점을 갖는다. 또한 본 발명에 따른 배기가스 열교환기는 종래기술에서 튜브 끝단 고정에 요구되었던 복잡한 작업 및 부품이 생략되고 그러함에도 불구하고 내구성이 크게 향상된 장점을 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 열교환기를 도시한 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 열교환기를 도시한 횡단면도이다.
도 3은 도 2의 A-A를 따라 취해진 단면도이다.
도 4는 도2의 B-B를 따라 취해진 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 열교환기에 적용된 플레이트 튜브를 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 플레이트 튜브의 일 단부를 도시한 도면이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위해 과장되어 표현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 열교환기를 도시한 절개 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 열교환기를 도시한 횡단면도이고, 도 3은 도 2의 A-A를 따라 취해진 단면도이고, 도 4는 도2의 B-B를 따라 취해진 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 열교환기에 적용된 플레이트 튜브를 도시한 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 튜브의 일 단부를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 열교환기(1)는 배기가스의 일부를 다시 흡기계로 재순환시켜 흡입공기 중의 CO₂ 농도를 증대시켜 연소실의 온도를 저하시키고, 이에 의해 NOx를 저감시키는 이지알 시스템에 적용된다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 배기가스 열교환기(1)는 종방향으로 길게 마련된 대략 직육면체의 튜브 적층 코어(10)와, 상기 튜브 적층 코어(10)의 양 단부를 제외한 나머지 부분을 둘러싸도록 형성된 사각 박스형의 하우징(20)을 포함한다.

상기 하우징(20)에는 쿨런트 인렛(21)이 쿨런트 아웃렛(22)이 구비되어, 상기 쿨런트 인렛(21)을 통해 유입된 쿨런트, 바람직하게는, 냉각수가 상기 튜브 적층 코어(10)를 흐르는 배기가스와 열교환을 한 후 상기 쿨런트 아웃렛(22)을 통해 밖으로 나간다. 도 1은 하우징(20) 내부에 위치한 튜브 적층 코어(10)를 보이기 위해 하우징(20)의 일부가 절개된 채로 도시되어 있다.

튜브 적층 코어(10)는 배기가스가 흐르는 복수개의 플레이트 튜브(12)들이 나란하게 적층되어 구성된다. 상기하우징(20)과 상기 튜브 적층 코어(20)는 스테인리스 스틸 및/또는 알루미늄 합금 재료로 제작될 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 플레이트 튜브(12)는 광폭을 갖는 상하 한 쌍의 주 플레이트(121, 121)와, 좌우 한 쌍의 측부 플레이트(122, 122)를 포함하며, 이들 플레이트들(121, 121 및 122, 122)에 의해, 상기 플레이트 튜브(12)에는 대략 장방형 단면의 배기가스 유로가 형성된다.

또한 상기 한 쌍의 주 플레이트(121, 121) 각각은 양단에 드로잉에 의해 형성된 평평한 단차부(1211, 1211)들을 포함하며, 이 단차부(1211, 1211)는 상기 플레이트 튜브(12)의 양단부를 확관시킴과 동시에 상하로 이웃하는 플레이트 튜브(122, 122)들 사이에 접합면을 제공한다.

한편, 상기 한 쌍의 주 플레이트(121, 121) 각각은 플레이트 튜브(12) 내측을 향해 볼록하게 형성되고 평평한 기저면을 갖는 복수개의 선형 가이드 엠보싱(1212)들을 구비한다.

상기 복수개의 가이드 엠보싱(1212)들은 상기 주 플레이트(121)의 폭 방향을 따라 일정 간격으로 나란하게 형성되어 있다. 상하 한 쌍의 주 플레이트(121, 121)들 사이에서, 하나의 주 플레이트(121)에 구비된 가이드 엠보싱(1212)들은 다른 주 플레이트(121)에 구비된 가이드 엠보싱(1212)들과 맞대어 연결되어 있으며, 이에 의해, 상기 플레이트 튜브(12) 내 배기가스 유로는 복수개의 소 유로(p)들로 구획된다.

또한, 가이드 엠보싱(1212)들은 상기 플레이트 튜브(12) 내를 흐르는 배기가스와 상기 플레이트 튜브(12)의 외부를 흐르는 쿨런트와의 열교환 면적을 증대시켜 결과적으로 배기가스 열교환기의 성능을 향상시킬 수 있다. 그리고, 가이드 엠보싱(1212)의 적용을 통해, 종래 기술에서 튜브 내에 삽입 설치되었던 핀(fin)의 삭제가 가능하다.

또한, 상기 플레이트 튜브(12)는 상기 소 유로(p)들 각각을 흐르는 배기가스와의 열 접촉 면적을 증가시키고 배기가스의 흐름을 교란시켜, 배기가스와 쿨런트 간 열교환 성능을 증가시키기 위한 수단으로서, 상하 한 쌍의 주 플레이트(121, 121)들 각각에 내향 엠보싱 어레이들을 포함한다. 상기 내향 엠보싱 어레이들은 서로 이웃하는 가이드 엠보싱(1212, 1212) 사이에서 직선 방향으로 어레이된 내향 엠보싱 쌍(1213a, 1213b;통칭하여 1213)을 포함한다. 이때, 상기 내향 엠보싱 어레이들 내 내향 엠보싱(1213a, 1213b)들은 가이드 엠보싱(1212)과 마찬가지로 플레이트 튜브(12) 내측을 향해 볼록하게 형성된다.

하나의 주 플레이트(121)에 형성된 내향 엠보싱 쌍(1213a 및 1213b) 또는 내향 엠보싱(1213a 또는 1213b)은 그와 한 벌을 이루는 대향 주 플레이트(121)에 형성된 다른 내향 엠보싱 쌍(1213a 및 1213b) 또는 내향 엠보싱(1213a 또는 1213b)과 이격된 상태로 마주한다. 각 내향 엠보싱 쌍(1213a, 1213b)은 서로 대칭적으로, 더 구체적으로는,"

"형태로 배치된다.

또한, 상기 플레이트 튜브(12)는 상기 한 쌍의 주 플레이트(121) 각각에 형성된 반구형 외향 엠보싱(1214)들을 더 포함한다. 상기 외향 엠보싱(1214)들은 서로 이웃하는 가이드 엠보싱(1212, 1212)들 사이에서 일열의 어레이로 배열되어 있다. 그리고, 상기 외향 엠보싱(1214)들 각각은 전술한 내향 엠보싱 쌍(1213a, 1213b)을 피해 위치한다. 이들 외향 엠보싱(1214)은, 상기 플레이트 튜브(12)가 다른 플레이트 튜브(12)와 상하 이웃하게 적층될 때, 다른 플레이트 튜브(12)에 존재하는 외향 엠보싱(1214)가 맞대어짐으로써, 전술한 단차부(1211)와 함께 두 플레이트 튜브(12, 12)들을 연결하는 역할을 할 수 있다. 이때, 상기 외향 엠보싱(1214)이 형성된 위치를 제외하면, 플레이트 튜브(12)들 사이에 갭이 존재하므로 그 갭을 통하여 쿨런트의 유동이 허용된다.

도 2 및 도 4에 도시된 것과 같이, 전술한 플레이트 튜브(12)들이 상하로 나란하게 적층되어 하나의 튜브 적층 코어(10)를 구성하며, 상기 튜브 적층 코어(10)는, 상기 튜브 플레이트 튜브(12)들의 상하 적층 구조 및 상기 튜브(12) 내 가이드 엠보싱(1212)의 맞댐 구조에 의해, 가스가 흐르는 소 유로(p)들이 행렬 배열로 형성다. 그리고, 각 소 유로(p) 내에는 전술한 내향 엠보싱(1213a, 1213b)들이 위치하여, 튜브 적층 코어(10) 내 소 유로(p)들을 흐르는 배기가스와 튜브 플레이트 튜브(12)들 주변을 흐르는 쿨런트 사이에 열교환 면적을 보다 더 증가시켜줄 수 있다.

도 3에 잘 도시된 바와 같이, 튜브 적층 코어(10) 내 복수의 플레이트 튜브(12)들은 그 외부에서 전술한 단차부(1211)들과 외향 엠보싱(1214)들에 의해 접촉하고 있으며, 이들 단차부들과 외향 엠보싱(1214)들이 접촉하고 있는 부분을 제외하면 쿨런트의 흐름을 허용하는 갭이 형성된다. 따라서, 본 실시예에 따른 배기가스 열교환기는, 튜브 적층 코어의 튜브들을 양단에서 고정하였던 종래 기술의 고정 플레이트들 없이도, 튜브 적층 코어(10) 내 플레이트 튜브(12)들을 이격된 상태로 신뢰성 있게 적층 유치할 수 있다.

10: 튜브 적층 코어 20: 하우징
12: 플레이트 튜브 121: 주 플레이트
1211: 단차부 1212: 가이드 엠보싱

Claims (5)

1. 직육면체형의 튜브 적층 코어; 및
   상기 튜브 적층 코어 주변을 둘러싸며, 쿨런트 인렛과 쿨런트 아웃렛을 구비하는 하우징을 포함하며,
   상기 튜브 적층 코어는 배기가스가 흐르는 복수개의 플레이트 튜브가 나란하게 적층되어 구성되고,
   상기 플레이트 튜브 각각은 장방형 단면의 배기가스 유로를 형성하는 한 쌍의 주 플레이트와 한 쌍의 측부 플레이트를 포함하며,
   상기 한 쌍의 주 플레이트 각각은 양단에 드로잉에 의해 형성된 단차부를 포함하며,
   상기 단차부는 적층되는 플레이트 튜브들 사이에 접합면을 제공하고,
   상기 한 쌍의 주 플레이트 각각은 상기 플레이트 튜브 내측을 향해 볼록하게 그리고 상기 플레이트 튜브의 길이 방향을 따라 형성된 가이드 엠보싱들을 구비하고, 상기 한 쌍의 주 플레이트 사이에서, 상기 가이드 엠보싱들이 서로 맞대어져 상기 배기가스 유로를 복수개의 소 유로들로 구획하고,
   상기 플레이트 튜브는, 상기 소 유로들 각각을 흐르는 배기가스와의 열 접촉 면적을 증가시키도록, 상하 한 쌍의 주 플레이트 각각에 내향 엠보싱 어레이들을 포함하며, 상기 내향 엠보싱 어레이들은 서로 이웃하는 가이드 엠보싱들 사이에서 직선 방향으로 어레이된 채 상기 플레이트 튜브 내측을 향해 볼록하게 형성된 내향 엠보싱 쌍을 포함하며, 상기 한 쌍의 주 플레이트 사이에서 상기 내향 엠보싱이 다른 내향 엠보싱과 마주한 채 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 직육면체형의 튜브 적층 코어; 및
   상기 튜브 적층 코어 주변을 둘러싸며, 쿨런트 인렛과 쿨런트 아웃렛을 구비하는 하우징을 포함하며,
   상기 튜브 적층 코어는 배기가스가 흐르는 복수개의 플레이트 튜브가 나란하게 적층되어 구성되고,
   상기 플레이트 튜브 각각은 장방형 단면의 배기가스 유로를 형성하는 한 쌍의 주 플레이트와 한 쌍의 측부 플레이트를 포함하며,
   상기 한 쌍의 주 플레이트 각각은 양단에 드로잉에 의해 형성된 단차부를 포함하며,
   상기 단차부는 적층되는 플레이트 튜브들 사이에 접합면을 제공하고,
   상기 한 쌍의 주 플레이트 각각은 상기 플레이트 튜브 내측을 향해 볼록하게 그리고 상기 플레이트 튜브의 길이 방향을 따라 형성된 가이드 엠보싱들을 구비하고, 상기 한 쌍의 주 플레이트 사이에서, 상기 가이드 엠보싱들이 서로 맞대어져 상기 배기가스 유로를 복수개의 소 유로들로 구획하고,
   상기 플레이트 튜브는 상기 한 쌍의 주 플레이트 각각에 형성된 복수개의 외향 엠보싱을 더 포함하며, 상기 복수개의 외향 엠보싱은, 서로 이웃하는 가이드 엠보싱들 사이에서 일열로 배열되며, 상기 플레이트 튜브들이 적층될 때, 하나의 플레이트 튜브에 구비된 외향 엠보싱이 다른 플레이트 튜브에 구비된 외향 엠보싱과 접하는 것을 특징으로 하는 배기가스 열교환기.
5. 삭제

Images