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KR102093892B1 - 내연 기관용 열교환기 - Google Patents

내연 기관용 열교환기 Download PDF

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KR102093892B1
KR102093892B1 KR1020180125860A KR20180125860A KR102093892B1 KR 102093892 B1 KR102093892 B1 KR 102093892B1 KR 1020180125860 A KR1020180125860 A KR 1020180125860A KR 20180125860 A KR20180125860 A KR 20180125860A KR 102093892 B1 KR102093892 B1 KR 102093892B1
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cooling fluid
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잔 포비실
소푸 마르틴
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한온시스템 주식회사
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Abstract

본 발명은, 냉각 유체를 이용하여 공기를 냉각시키기 위해 형성된, 내연 기관용 열교환기에 관한 것으로서, 상기 열교환기는 하우징, 냉각 유체용 유입구 및 유출구를 가지며,
- 상기 하우징은 내부에 공기를 통과시키기 위한 라인들을 갖고, 이들 라인들은 상기 하우징을 통해서 연장되며,
- 상기 냉각 유체용 유입구와 유출구는 상기 하우징 내에 형성되어 있고,
상기 하우징은, 이러한 하우징을 형성하는 다수의 플레이트 요소를 가지며, 상기 유입구와 유출구는 상이한 플레이트 요소들 내에 형성되어 있으며,
상기 유입구 및/또는 유출구가 상기 플레이트 요소들의 벌징부 내에 제공되어 있으며, 상기 벌징부(들)은 상기 하우징을 따라, 상기 유입구와 유출구를 연결하는 직선에 수직인 부품을 갖는, 연장부를 갖는다.

Description

내연 기관용 열교환기{HEAT EXCHANGER FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연 기관용 열교환기에 관한 것이다.
자동차 기술 분야에서는, 내연 기관에 공급되는 공기를 냉각시키기 위해, 상기 내연 기관에 공급된 가스 냉각용 인터쿨러(intercooler)를 사용하는 방법이 알려져 있다. 이와 같은 냉각을 위해서는 열교환기가 사용되는데, 이러한 열교환기에서는 공기가 냉각 유체에 의해 냉각될 수 있다. 상응하는 열교환기는 예컨대, DE 10 2009 053884 A1호, US 2012/0292002 A1호, US 2008/0289833 A1호, US 2009/0056922 A1호, US 2010/0089548 A1호, US 2006/0048759 A1호, WO 2016/008854 A1호, FR 2 968 753 B1호, US 2013/0192803 A1호, US 2013/0146267 A1호, JP 5856068 B2호 및 JP 5856067 B2호에 기술되어 있다.
위에 언급한 DE 10 2009 053884 A1호에서, 상기와 같은 열교환기는 냉각 유체를 공급하기 위한 연결부들을 갖는다. 이 연결부들은 하우징과 이어져 있고, 이러한 하우징의 외측에는 벌징부(bulging)들이 제공되어 있다. 상기 하우징은 실제로 결합된 2개의 금속 박판 성형 부품(sheet metal forming part)으로 이루어져 있으며, 이때 상기 두 연결부와 관련된 벌징부들은 동일한 금속 박판 성형 부품으로 형성되어 있다.
본 출원서의 발명자들이 주목한 것은, 이러한 열교환기의 설계에서 열교환기를 상이한 조건에 적합하게 매칭시키는 것이 어렵다는 점이다. 동시에, 예를 들어, US 2009/0056922 A1호에 설명되는 것과 같이 선행 기술에서는 냉각 유체의 확산을 위해 별도의 부품이 제공되어야 하기 때문에, 열교환기의 성능 및 내구성이 감소되는 한편, 또한 이와 동시에 재료 소비를 감소시키는 것이 요구될 수 있다는 사실이 밝혀졌다.
본 발명은 위에 언급한 단점들을 적어도 부분적으로 완화하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 청구항 1에 따른 열교환기에 의해 정의된다. 바람직한 실시 형태들은 종속항들에 정의되어 있다.
본 발명에 따르면, 냉각 유체를 이용하여 공기를 냉각시키기 위해 형성된 내연 기관용 열교환기는 하우징을 갖는다. 이 하우징은 내부에 냉각될 공기를 통과시키기 위한 라인들을 가지며, 이들 라인은 하우징을 통해서 연장된다. 언급한 냉각 유체는 일반적으로 예를 들면, 물과 같은 냉각 액체일 수 있다. 그러나 다른 유체도 사용될 수 있다. 냉각될 공기를 통과시키는 데 사용되는 라인들은 냉각 유체가 통과할 수 있는 영역과 물리적으로 분리되어 있으며, 그 결과 냉각 유체와 냉각 될 공기가 섞이지 않는다. 본 발명에 따르면, 하우징은 냉각 유체용 유입구와 유출구를 가지며, 상기 냉각 유체는 이들을 통해 하우징 내로 들어가고, 다시 이러한 하우징으로부터 빠져나올 수 있다.
하우징은, 이러한 하우징을 형성하는 다수의 플레이트 요소를 가지며, 이 경우 냉각 유체용 유입구와 유출구는 상이한 플레이트 요소들 내에 형성되어 있다. 이러한 플레이트 요소들은 하우징을 형성하는 열교환기의 부품이다. 일반적으로 이러한 플레이트 요소들은 서로 경질 또는 연질 납땜될 수 있는 금속 플레이트로 이루어져 있다.
본 발명에 따르면, 유입구 및/또는 유출구는 플레이트 요소들의 벌징부 내에 제공되어 있다. 이 벌징부는 바깥쪽으로 향해 있다. 벌징부는 하우징을 따라, 유입구와 유출구를 연결하는 직선에 수직인 부품을 갖는 연장부를 갖는다. 벌징부의 연장부는 벌징부를 따라 연장되고 벌징부의 가장 긴 치수를 따르는 직선이다. 즉, 달리 말하면, 벌징부의 연장부는 이러한 벌징부의 가장 긴 방향을 따른다. 벌징부가 단일 선형 요소가 아닌, 실제로 선형인 다수의 요소로 이루어진 경우, 개별 요소 각각에서 상이한 연장 방향을 가질 수 있다. 그러한 경우에, 요소들 중 하나가 언급한 방향을 따라 연장되는 것으로 충분하다.
유입구 및/또는 유출구가 제공되어 있는 벌징부는 냉각 유체가 분포될 수 있도록 하는데 사용된다. 이렇게 하면, 냉각 유체를 분포시키기 위한 별도의 장치를 제공할 필요가 없다. 이미 위에서 언급한 바와 같이, 이는 열교환기의 구조가 덜 복잡하게 하고, 이러한 점은 언급한 단점을 방지한다. 특히 설치되는 부품이 적어 재료 소비가 감소되므로 재료비를 절감할 수 있다. 또한, 상응하는 열교환기가 길이가 길고 좁은 설치 공간에 있어서 유리하고, 또한 열교환 성능 면에서 비교적 용이하다는 사실이 입증되었다. 벌징부의 이러한 배열로 인한 냉각 유체의 양호하고 균일한 분포에 의해 냉각 출력이 증가된다. 또한, 냉각 유체의 균일한 분포는 냉각 유체가 특정 지점에 머물러 있거나 매우 천천히 이동하는 것을 방지한다. 이러한 정체는 냉각 유체(액체인 경우)가 상기 위치에서 끓기 시작할 수 있는 위험을 초래할 수 있는데, 이는 재차 손상 및 성능 저하로 이어질 수 있다.
본 발명과는 대조적으로, 선행 기술에서 냉각 유체는 별도의 냉각 유체 분배기를 통해 분배되지만, 본 발명에서는 이러한 분배기가 생략될 수 있다.
이러한 점에 있어서, 상기 연장 방향은, 냉각될 공기를 냉각시키기 위한 라인들이 연장되는 방향에 완전히 수직인 것이 바람직하다. 이로 인해 라인들과 관련한 냉각 유체의 효율적인 분배가 이루어져 냉각 유체를 보다 잘 냉각할 수 있다.
유입구 및 유출구가 상이한 플레이트 요소 내에 형성된다는 사실로 인해, 예를 들면 플레이트 요소 중 하나만 교체됨으로써 열교환기는 다양한 요구 사항에 적합하게 쉽게 매칭될 수 있다.
라인들이 열교환기의 베이스 플레이트(base plate)들과 이어져 있고, 그리고 냉각 유체용 유입구 및/또는 유출구가 관련된 상기 베이스 플레이트와 일체형인 플레이트 요소 내에 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우 베이스 플레이트는, 공기가 이러한 냉각될 공기를 통과시키기 위한 라인 내로 유입될 수 있는, 즉 개구들을 갖는 플레이트를 의미하며, 이때 상기 개구들은 베이스 플레이트들 내에 있는 상응하는 개구들과 동일 평면에 놓이고 이러한 개구들과 연결되어 있다. 유입구 및/또는 유출구가 관련된 베이스 플레이트를 갖는 플레이트 요소 내에 형성됨으로써, 상응하는 열교환기가 쉽게 제조될 수 있고 덜 복잡하다. 이로 인해 제조 비용이 절감된다.
유입구 및/또는 유출구가 이어지는 상기 플레이트 요소의 부품들과 바닥 플레이트가 실제로 서로 수직인 것이 바람직하다. 상응하는 열교환기가 비용 측면에서 저비용으로 제조될 수 있다.
또한, 베이스 플레이트의 플레이트 요소는 또한, 이러한 베이스 플레이트에 인접하는 주변 부품들을 가지며, 이 경우 상기 주변 부품들은 유출구 또는 유입구가 이어지는 부품과 함께 베이스 플레이트를 둘러싸는 것이 바람직하다. 이러한 부가적인 주변 부품들에 의해, 전체적으로 베이스 플레이트의 플레이트 요소가 에이프런 형상(apron shape)을 갖는다. 따라서 열교환기의 구성을 용이하게 할 수 있으며, 이는 다시 비용 감소로 나타난다.
또한, 유입구 및/또는 유출구가 제공되어 있는 상기 플레이트 요소는 하우징의 다른 플레이트 요소와 중첩되는 것이 바람직하며, 그 결과 상기 다른 플레이트 요소는 벌징부에 의해 형성되는 공동부의 경계를 부분적으로 제한한다. 이러한 중첩부를 통해 상기 공동부로부터 외부로 흐르는 냉각 유체의 흐름이 제어될 수 있는데, 그 이유는 열교환기 제조 시 중첩부의 크기를 원하는 대로 선택할 수 있기 때문이다. 이는 변화하는 조건에 대한 열교환기의 개선된 적용성으로 이어진다.
하우징은 실제로 평행 육면체의 형태를 가지는 것이 바람직하며, 유입구와 유출구는 상기 평행 육면체의 동일 측에 형성되어 있다. 이러한 열교환기는 유입구와 유출구가 동일한 측면 상에 형성되기 때문에 공간이 절약되고 장착이 용이하다.
또한, 하나 이상의, 바람직하게는 2개의 벌징부가 L 자형으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 벌징부들을 적절히 형성함으로써, 냉각 유체가 잘 분포될 수 있다. 그러나 다른 형태들도 상응하는 장점을 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 열교환기의 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1의 열교환기의 분해도를 도시한다.
도 3은 비교를 위해, 선행 기술의 유입부를 도시한다.
도 4는 실시 형태 1에 따른 유입부의 기능 원리를 도시한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태를 도시한다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 형태를 도시한다.
도 7은 본 발명의 제4 실시 형태를 도시한다.
도 8은 본 발명의 제5 실시 형태를 도시한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 열교환기(10)의 사시도를 도시한다. 도 2(a)는 도 1의 열교환기의 분해도를 도시하는 한편, 도 2(b)는 여러 방향에서 관찰한 열교환기를 도시한다.
열교환기(10)는 하우징(11)을 가지며, 이러한 하우징을 통해서는 냉각될 공기를 통과시키기 위한 라인(25)들이 연장된다. 이들 라인은, 열교환기의 주변에 대해 인터페이스를 형성하는 베이스 플레이트(24)들 내에서 종료된다.
라인들의 유입구 측과 유출구 측에 제공된 상기 베이스 플레이트(24)들은 측면 플레이트(16)들, 하부 플레이트(30) 및 상부 플레이트(18)와 함께, 평행 육면체의 형상을 갖는 하우징(11)을 형성한다. 본 발명과 관련하여, 측면 플레이트(16)들, 하부 플레이트(30), 상부 플레이트(18) 및 베이스 플레이트(24)들은 "플레이트 요소"로 명명된다. 라인(25)들 내에는 금속 재료로 만들어지고 열전도를 증가시키는 얇은 막(lamella)(25')들이 배치되어 있다. 이러한 얇은 막들은 라인(25)들의 벽 사이에서 연장된다.
측면 플레이트(16)들은 단순한 직사각형 형상을 갖는 반면, 하부 플레이트(30)는, 상기 측면 플레이트(16)들과 중첩되는 돌출된 측면 에지를 갖는 직사각형 형태이다.
이러한 중첩부들에서는 하부 플레이트(30)와 측면 플레이트(16)들이 연결되어 있다. 상부 플레이트(18)는 실제로 H 형상을 가지며, 이때 상부 플레이트의 길이 방향 측면들은 측면 플레이트(16)들과 연결되어 있다. 상기 H의 개구에는, 베이스 플레이트(24)의 요소(20)들이 배치되어 있고, 이러한 요소(20)들은 상부 플레이트(18)와 연결되어 있다. 상기 요소(20)들은, 각각 냉각될 공기를 통과시키기 위한 라인(25)들의 연장 방향에 수직으로 연장되는 벌징부(21)를 갖는다.
이러한 벌징부(21)들에는 각각 냉각 유체(예를 들면, 물)용 유입구(12)와 유출구(14)가 제공되어 있다. 유입구(12)를 통해 유입되는 냉각 유체는, 통과된 다음 냉각될 공기의 흐름 방향에 수직인 벌징부(21) 내에서 퍼지는 한편, 상기 냉각 유체는 동시에 하부 플레이트(30)의 방향으로 파이프라인 사이로 흐른다. 이러한 경우 냉각 유체는 벌징부(21) 내에 제공된 유출구(14)를 통해 다시 열교환기(10)로부터 유출된다. 냉각 공기 공급부와의 연결을 위해, 냉각될 공기의 유입구 또는 배출구에는 또한 어댑터(26 또는 28)가 제공되어 있다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 벌징부(21)에 의해 경계가 정해진 상부 플레이트(18)와 공동부(20) 사이에는 중첩부(a)가 존재한다. 이러한 중첩부에 의해, 냉각 유체가 유출될 수 있는 표면적이 제어될 수 있다. 이러한 경우에는 냉각 유체가, 도 4에서 파선으로 도시된 바와 같이 흐른다. 중첩부(a)는 손쉽게 변경될 수 있기 때문에, 상응하는 열교환기가 다양한 응용 분야에 쉽게 적용될 수 있다. 이러한 것은, 상기와 같은 가변적인 매칭이 불가능한 도 3에 도시된 종래 기술의 예와는 구분된다. 이 경우에 냉각 유체는, 이러한 냉각 유체의 유출이 의도적으로 조절되지 않고 유입구(12')를 통해 공동부(21')로 유입된다.
한편, 본 발명의 제2 실시 형태는 도 5a 내지 도 5c를 참조하여 설명된다. 이 경우 제1 실시 형태와의 본질적인 차이점은, 베이스 플레이트(124)가 추가 부품(120')들을 갖고, 이러한 추가 부품(120')들은 부품(120)과 함께, 에이프런 모양으로 베이스 플레이트(124)를 둘러싼다는 것이다. 이러한 에이프런 내에는 하우징(110)의 남은 부품들이 삽입될 수 있으며, 이 경우 상기 에이프런은 상기 부품들을 안정시킨다. 이 점에 있어서, 상기와 같은 평행 육면체 형상의 하우징(110)은 보다 쉽게 제조될 수 있다. 벌징부(121)에 인접하고 베이스 플레이트(124)를 둘러싸는 측면들에서는, 부품(120')이 다른 측면들보다 덜 높게 형성되어 있다. 본 발명에 따르면, 이러한 위치들에서는 작용하는 힘이 비교적 작기 때문에, 열교환기(110)의 안정성에 나쁜 영향을 주지 않으면서 재료를 절감할 수 있다. 언급된 차이점을 제외하고, 하우징의 다른 설계는 동일하다. 도 5a 및 도 5b에서, 도면 부호 126 및 128은 상응하는 어댑터를 나타낸다.
본 발명의 제3 실시 형태는 도 6a 내지 도 6c를 참조하여 설명된다. 이는 도 5a 및 도 5b에 도시된 제2 실시 형태의 변형예이다. 제2 실시 형태에서는, 추가 부품(120')들이 베이스 플레이트(124)에 대해 가변적인 높이로 연장되어 있으며, 제3 실시 형태에서는 상응하는 부품(220')들이 베이스 플레이트(224)에 대해 일정한 높이를 갖는다. 플레이트 요소(220)의 이러한 설계는 높이 변화가 발생하지 않기 때문에 열교환기(210)의 안정성을 증가시킨다. 이 실시 형태에서는, 또한 유입구와 유출구가 평행 육면체의 마주 놓인 표면에 제공되어 있고, 이는 유동 저항을 감소시켜 유속 증가로 이어질 수 있다. 이러한 점에 있어서, 냉각 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 제4 실시 형태는 도 7을 참조하여 설명된다. 이 경우에는 팽창부들 중 하나의 팽창부(321')가 L 자형으로 설계되어 있다. 팽창부의 이러한 설계는 냉각 유체의 분포를 보다 개선하여 더 적은 유동 저항을 야기한다. 이는 상기 벌징부가 냉각 유체의 유입구에 제공될 때 특히 유리하다.
본 발명의 제5 실시 형태는 도 8에 도시된다. 이 경우에는 유입구와 유출구의 벌징부가 각각 L 자형이다. 이러한 설계는 유동 저항을 더욱 감소시킨다.

Claims (7)

  1. 냉각 유체를 이용하여 공기를 냉각시키기 위해 형성된, 내연 기관용 열교환기로서, 상기 열교환기는 하우징, 냉각 유체용 유입구 및 유출구를 가지며,
    - 상기 하우징은 내부에 공기를 통과시키기 위한 라인들을 갖고, 이들 라인들은 상기 하우징을 통해서 연장되며,
    - 상기 냉각 유체용 유입구와 유출구가 상기 하우징 내에 형성되어 있고,
    상기 하우징은, 이러한 하우징을 형성하는 다수의 플레이트 요소를 가지며, 상기 유입구와 유출구는 상이한 플레이트 요소들 내에 형성되어 있으며,
    상기 유입구 및/또는 유출구가 상기 플레이트 요소들의 벌징부(bulging) 내에 제공되어 있으며, 상기 벌징부(들)은 상기 하우징을 따라, 상기 유입구와 유출구를 연결하는 직선에 수직인 부품을 갖는 연장부를 가지며,
    상기 유입구 및/또는 유출구가 제공된 플레이트 요소가 상기 하우징의 다른 플레이트 요소와 중첩됨으로써, 상기 다른 플레이트 요소가 상기 벌징부에 의해 형성되고 상기 냉각 유체가 유입되는 공동부의 경계를 부분적으로 제한하는, 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라인들이 상기 열교환기의 베이스 플레이트(base plate)들과 이어져 있고, 상기 냉각 유체용 유입구 및/또는 유출구가 관련된 베이스 플레이트와 일체형인 플레이트 요소 내에 형성되는, 열교환기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유입구 및/또는 유출구가 이어지는 상기 플레이트 요소의 부품과 상기 베이스 플레이트가 서로 수직인, 열교환기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트의 플레이트 요소가 상기 베이스 플레이트에 인접하는 주변 부품들을 더 포함하고, 상기 주변 부품들은 상기 유입구 또는 유출구가 이어지는 부품과 함께 상기 베이스 플레이트를 둘러싸는, 열교환기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하우징이 평행 육면체 형상을 갖고, 상기 유입구와 유출구가 상기 평행 육면체의 동일한 측면에 형성되는, 열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 벌징부가 L 자형으로 형성되는, 열교환기.
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