KR20200100559A - 열 교환기 - Google Patents

Abstract

열 교환기(1)는, 제 2 유체의 입구(7)와 제 2 유체의 출구(9) 사이에 배치되는 적어도 하나의 내부 그리드로서, 종 방향으로 차례로 배치된 복수의 챔버(35, 39, 37)로 내부 체적(6)을 분할하는 적어도 하나의 내부 그리드(33)를 포함한다. 내부 그리드(33)는 엔벨로프(envelope; 5)의 내부 표면과 함께 제 2 유체를 위한 통로(45)를 한정하고, 여기서 통로(45) 또는 각각의 통로(45)는 제 2 유체가 제 2 유체의 입구(7)로부터 제 2 유체의 출구(9)까지 챔버(35, 39, 37)를 통해 미로 방식으로 순환하도록 배치된다.

Description

열 교환기{HEAT EXCHANGER}

일반적으로, 본 발명은 열 교환기, 특히 차량 배기 라인을 위한 열 교환기에 관한 것이다.

배기 가스의 열 에너지를 회수하기 위해, 연소 엔진이 장착된 차량에 열 교환기를 설치할 수 있다.

이러한 열 교환기는 배기 가스가 순환하는 파이프를 포함할 수 있으며, 이들 파이프는 내부에 유체, 전형적으로 냉각제가 순환하는 엔벨로프(envelope) 내에 배치된다.

파이프에 들어갈 때의 배기 가스의 온도는 고온인데, 엔진이 최대 부하로 작동할 때 일반적으로 수백 ℃이다.

이에 따라, 냉각제가 파이프의 상류 부분과 접촉하여 순환할 때 비등하게 될 위험이 있다. 비등하게 되면, 증발된 냉각제가 더 이상 열 교환기를 냉각시키지 않기 때문에, 열 교환기의 온도 상승이 관찰될 것이다. 열 교환기의 벽의 온도 상승은 열 교환기의 파손까지를 포함하여, 증가된 열 제약을 발생시키고, 냉각제의 상당한 열화를 야기할 것이다. 이러한 위험을 제한하기 위해, 냉각제의 순환은 적절하게 제어되어야 한다.

이와 관련하여, 본 발명은 냉각제의 순환이 적절히 제어되는 열 교환기를 제안하고자 한다.

이를 위해, 제 1 양태에서, 본 발명은 다음을 포함하는 열 교환기에 관한 것이다.

- 제 1 유체를 위한 복수의 유동 파이프.

- 유동 파이프가 배치되는 내부 체적을 한정하는 엔벨로프로서, 상기 엔벨로프는 내부 체적으로 개방되는 제 2 유체를 위한 입구 및 제 2 유체를 위한 출구를 가지며, 제 2 유체를 위한 입구 및 제 2 유체를 위한 출구(9)는 서로 종 방향으로 오프셋되어 있는 것인 엔벨로프.

- 상기 내부 체적 내에서, 제 2 유체의 입구와 제 2 유체의 출구 사이에 종 방향으로 배치되고, 종 방향으로 차례로 배치된 복수의 챔버로 상기 내부 체적을 분할하는 적어도 하나의 내부 그리드로서, 내부 그리드 또는 각각의 내부 그리드는 유동 파이프가 맞물리는 오리피스를 가지며, 내부 그리드 또는 각각의 내부 그리드는 외측 둘레 에지를 가지며, 외측 둘레 에지의 하나의 섹션은 엔벨로프의 내부 표면과 함께 제 2 유체를 위한 통로를 한정하고, 상기 통로 또는 각각의 상기 통로는 제 2 유체가 제 2 유체의 입구로부터 제 2 유체의 출구까지 챔버를 통해 미로 방식으로 순환하도록 배치되는 것인 내부 그리드.

따라서, 내부 그리드(들)는, 제 2 유체가 열 교환기의 파이프의 입구로부터 출구까지 미로 방식으로 순환하게 강제하도록 배치된다. 따라서, 제 2 유체는 각 챔버를 연속적으로 스위핑(sweeping)할 것이다.

제 1 유체가 차량의 배기 가스이고, 제 2 유체의 입구가 개방되는 제 1 챔버를 유동 파이프의 상류 부분이 가로지르도록 유동 파이프가 배치될 때, 유동 파이프의 상류 부분은 특히 잘 냉각된다. 내부 그리드는, 제 2 유체가 유동 파이프의 상류 부분과 접촉하여 순환하도록 강제한다.

열 교환기는 개별적으로 또는 기술적으로 가능한 임의의 조합으로 취해지는 다음 특징들 중 하나 이상을 추가적으로 가질 수 있다.

- 내부 그리드 또는 각각의 내부 그리드에 대해, 엔벨로프는 내부 그리드의 섹션과 함께 통로를 한정하는 외향 상승 영역을 갖는다.

- 내부 그리드 또는 각각의 내부 그리드에는, 각각의 유동 파이프와 해당 오리피스의 내부 에지 사이에 개구가 배치된다.

- 유동 파이프는 각각 횡 방향으로 세장형 단면을 가지며, 높이 방향으로 겹쳐지며, 여기서 오리피스의 내부 에지는 유동 파이프와 높이 방향으로 접하는 횡 방향 스트립을 보유한다.

- 각 오리피스의 내부 에지는 서로 대향하게 배치된 2 개의 횡 방향 에지 섹션을 가지며, 여기서 각각의 횡 방향 에지 섹션은 서로 횡 방향으로 이격된 복수의 스트립을 보유한다.

- 단일의 내부 그리드의 오리피스는 내부 그리드의 횡 방향 전체 밴드(full transverse band)에 의해 분리되고, 여기서 횡 방향 전체 밴드는 각각 오리피스의 2 개의 횡 방향 에지 섹션을 형성하고, 여기서 2 개의 횡 방향 에지 섹션의 스트립은 엇갈려있다.

- 상기 스트립은 오리피스의 내부를 향하여 경사져 있다.

- 내부 그리드 또는 각각의 내부 그리드의 둘레 에지는 횡 방향에 있어서의 오리피스의 양측에서 연장되는 제 1 전체 밴드 및 제 2 전체 밴드를 가지며, 여기서 제 1 전체 밴드는 외측 둘레 에지의 섹션(43)을 형성하고, 제 1 전체 밴드의 횡 방향 폭은 제 2 전체 밴드의 횡 방향 폭보다 작다.

- 열 교환기는 모두 동일한 복수의 내부 그리드를 포함하고, 여기서 2 개의 연속적인 내부 그리드는 종 방향으로 서로 반대로 배향되어, 2 개의 그리드의 제 1 전체 밴드들은 횡 방향으로 반대로 향한다.

- 제 2 유체의 출구에 가장 가까운 내부 그리드는 제 2 전체 밴드가 제 2 유체의 출구를 향하도록 배향되고, 여기서 엔벨로프는 제 1 전체 밴드와 제 2 전체 밴드 사이에 배치된 외측 둘레 에지의 중간 섹션과 대향하여 외측으로 상승된 적어도 하나의 중간 영역을 갖는다.

- 내부 그리드 또는 각각의 내부 그리드의 외측 둘레 에지는 엔벨로프의 내부 표면에 접하는 외부 스트립을 보유한다.

제 2 양태에서, 본 발명은 전술한 특징을 갖는 열 교환기를 포함하는 배기 라인에 관한 것이며, 여기서 제 1 유체는 배기 가스이고, 제 2 유체는 배기 가스의 열 에너지의 일부를 회수하기 위해 제공된 냉각제이다.

바람직하게는, 유동 파이프는 똑바른 종 방향 파이프이며, 제 1 유체는 유동 파이프의 상류 단부로부터 유동 파이프의 하류 단부로 유동하고, 제 2 유체를 위한 입구는 유동 파이프의 상류 단부에 대향하게 배치되고, 제 2 유체를 위한 출구는 유동 파이프의 하류 단부에 대향하게 배치된다.

제 2 유체를 위한 입구는, 유동 파이프의 상류 단부가 가로지르는 상류 챔버로 개방된다.

제 2 유체를 위한 출구는, 유동 파이프의 하류 단부가 가로지르는 하류 챔버로 개방된다.

상류 챔버 및 하류 챔버는 일련의 챔버의 2 개의 대향하는 종 방향 단부에 배치된다.

제 3 양태에서, 본 발명은 전술한 특징들을 갖는 배기 라인을 포함하는 차량에 관한 것이다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은, 첨부된 도면을 참조하여, 단지 예로서 제공되는, 다음의 상세한 설명으로부터 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 열 교환기의 사시도이다.
도 2는 화살표(II)를 따라 볼 때의 도 1의 열 교환기의 종단면도이다.
도 3은 화살표(III)를 따라 볼 때의 도 1의 열 교환기의 단면도이다.
도 4는 도 1의 열 교환기의 파이프 및 내부 그리드(grid)의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 내부 그리드의 일부를 확대한 도면이다.
도 6은 도 3의 상세부(VI)의 확대 단면도이다.
도 7은 도 2의 화살표(VII)를 따라 볼 때의 열 교환기의 횡단면도이다.

도 1에 도시된 열 교환기(1)는 전형적으로 차량 배기 라인에 통합되도록 의도된다. 차량은 연소 엔진을 구비한 차량, 예를 들어, 자동차, 트럭 또는 이륜 차량이다.

열 교환기(1)는 다음을 포함한다.

- 제 1 유체를 위한 복수의 유동 파이프(3).

- 유동 파이프(3)가 배치되는 내부 체적(6)을 한정하는 엔벨로프(5)로서, 엔벨로프(5)는, 내부 체적(6)으로 개방되는 제 2 유체를 위한 입구(7) 및 제 2 유체를 위한 출구(9)를 가지고 있는 것인 엔벨로프.

전형적으로, 제 1 유체는 차량의 배기 가스이다.

제 2 유체는 전형적으로 배기 가스의 열 에너지의 일부를 회수하기 위해 제공되는 냉각제이다.

전형적으로, 유동 파이프(3)는 직선의 종 방향 파이프이다. 종 방향은 화살표 L로 도면에 표시되어 있다.

도 1 내지 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 유동 파이프(3)는 각각 횡 방향으로 세장형 단면을 가지며, 높이 방향으로 겹쳐져 있다.

횡 방향은 화살표 T로 도면에 표시되어 있다. 높이 방향은 화살표 E로 표시되어 있다.

'단면'은 종 방향(L)에 수직인 단면을 나타낸다.

도시된 예에서, 유동 파이프(3)는 '레이스트랙(racetrack)' 단면을 갖는다.

각 유동 파이프(3)는 일정한 단면을 갖는데, 즉, 종 방향으로 따라갈 때 어떤 슬라이스 평면(slice plane)이 고려되는지에 관계없이 동일하다.

따라서, 유동 파이프(3)들은 각각, 서로 대향하게 배치된 아치형 섹션(15, 17)에 의해 연결되며 서로 대향하여 배치되는 제 1 대형 표면(11) 및 제 2 대형 표면(13)에 의해 한정된다. 제 1 대형 표면(11) 및 제 2 대형 표면(13)은 높이 방향(E)에 수직이다. 따라서, 이들은 실질적으로 종 방향 및 횡 방향인 평면들을 따라 각각 연장된다. 유동 파이프(3)의 제 2 대형 표면(13)은 스택에서 그 바로 아래에 배치된 유동 파이프(3)의 제 1 대형 표면(11) 위에 그리고 이 제 1 대형 표면에 대향하게 배치된다.

아치형 섹션(15 및 17)들은 횡 방향으로 반대 방향으로 향한다.

도시된 예에서, 유동 파이프(3)들은 높이 방향(E)으로 단일 스택을 형성하도록 배치된다. 즉, 횡 방향(T)에 있어서, 열 교환기(1)는 열 교환기(1)의 실질적인 전체 횡 방향 폭을 차지하는 하나의 파이프(3)만을 포함한다. 이 설명에서, 스택은 또한 파이프 번들(pipe bundle)이라고도 한다.

각각의 유동 파이프(3)는 하나의 종 방향 단부에서 제 1 유체를 위한 입구(19)를 한정하고 대향하는 종 방향 단부에서 제 1 유체를 위한 출구(21)를 한정한다. 핀(fin)을 형성하도록 접힌 금속 포일(23)이 각각의 유동 파이프(3) 내로 삽입된다.

엔벨로프(5)는 형상이 관형이며, 실질적으로 종 방향인 중심 축을 갖는다. 엔벨로프는, 대체로 평평하고 둥근 부분을 통해 서로 연결되는 4 개의 대형 표면(24)을 갖는, 실질적으로 직사각형 단면을 갖는다.

엔벨로프의 2 개의 종 방향 단부에서, 엔벨로프(5)는 단부 그리드(29)가 맞물리는 상류 개구(25) 및 하류 개구(27)를 한정한다. 이 설명에서 '상류' 및 '하류'라는 용어는 제 1 유체의 유동 방향과 관련하여 이해된다.

단부 그리드(29)는 유동 파이프(3)의 종 방향 단부를 수용하기 위한 오리피스(31)를 갖는다. 이들 종 방향 단부는 오리피스(31) 내에 기밀 방식으로 부착되고, 단부 그리드(29)를 가로지른다.

따라서, 유동 파이프(3)는 엔벨로프(5)의 전체 길이에 걸쳐 종 방향으로 연장된다.

제 2 유체의 입구(7) 및 제 2 유체의 출구(9)는 서로 종 방향으로 오프셋(offset)되어 있다.

입구(7)는 종 방향으로 상류 개구(25) 근처에 위치되고, 출구(9)는 하류 개구(27) 근처에 있다.

도시된 예에서, 제 2 유체의 입구(7) 및 제 2 유체의 출구(9)는 엔벨로프(5)에서 절단된 슬롯이다. 이들 슬롯은 높이 방향(E)으로 세장형이며, 유동 파이프(3)의 스택의 높이와 실질적으로 동일한 높이를 갖는다.

바람직하게는, 열 교환기(1)는 제 2 유체의 입구(7)와 제 2 유체의 출구(9) 사이에서 종 방향으로 내부 체적(6) 내에 배치되는 적어도 하나의 내부 그리드(33)를 포함한다.

이에 따라, 내부 체적(6)은, 종 방향으로 차례로 배치된 복수의 챔버로 분할된다.

열 교환기(1)는 열 교환기(1)의 종 방향 길이에 따라, 하나의 내부 그리드(33), 또는 2 개의 내부 그리드(33), 또는 도면에 도시된 예에서와 같이 3 개의 내부 그리드(33), 또는 임의의 다른 개수의 내부 그리드(33)를 포함한다.

내부 그리드(33) 또는 각각의 내부 그리드(33)는 일반적으로 종 방향(L)에 수직으로 연장된다.

내부 체적(6)은 제 2 유체의 입구(7)가 개방되는 적어도 하나의 상류 챔버(35), 및 제 2 유체의 출구(9)가 개방되는 하류 챔버(37)를 포함한다.

내부 체적은 선택적으로 상류 챔버(35)와 하류 챔버(37) 사이에 종 방향으로 위치되는 하나 이상의 중간 챔버들(39)을 포함할 수 있다.

각각의 챔버(35, 37, 39)는 내부 체적(6)의 전체 섹션에 걸쳐 횡 방향으로 연장된다. 따라서 각각의 챔버(35, 37, 39)는 내부 체적(6)의 종 방향 섹션을 차지한다.

상류 챔버(35)는 엔벨로프(5)의 상류 개구(25)에 맞물린 단부 그리드(29)와 가장 상류에 배치된 내부 그리드(33) 사이에 한정된다. 하류 챔버(37)는 엔벨로프(5)의 하류 개구(27)에 맞물린 단부 그리드(29)와 가장 하류에 배치된 내부 그리드(33) 사이에 한정된다.

중간 챔버(39) 또는 각각의 중간 챔버(39)는 2 개의 내부 그리드(33) 사이에 한정된다.

도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 내부 그리드(33) 또는 각각의 내부 그리드(33)는 유동 파이프(3)가 맞물리는 오리피스(41)를 갖는다. 내부 그리드(33)는 각각의 유동 파이프(3)에 대한 오리피스(41)를 갖는다.

각각의 오리피스(41)는 폐쇄된 윤곽을 갖는다. 이것은 대응하는 파이프(3)의 외부 횡 방향 섹션에 가까운 내부 섹션을 갖는다.

도시된 예에서, 내부 그리드(33) 또는 각각의 내부 그리드(33)의 오리피스(41)는 횡 방향으로 모두 세장형이다. 이들 오리피스는 높이 방향(E)으로 겹쳐져 있다. 이들 오리피스는 모두 동일하다.

특히 도 2에서 볼 수 있는 본 발명의 일 양태에서, 내부 그리드(33) 또는 각각의 내부 그리드(33)는 외측 둘레 에지(42)(도 4)를 가지며, 이 외측 둘레 에지의 하나의 섹션(43)은 엔벨로프(5)의 내부 표면과 함께 제 2 유체를 위한 통로(45)를 한정한다. 통로(45) 또는 각각의 통로(45)는 제 2 유체가 제 2 유체의 입구(7)로부터 제 2 유체의 출구(9)로 챔버(35, 39, 37)를 통해 미로 방식으로 순환하도록 배치된다.

여기에서 '미로 방식 순환'은 제 2 유체가 입구(7)로부터 일련의 180° U-턴을 포함하는 코스에 걸쳐 순환한다는 사실을 의미하며, 이때 연속적인 U-턴은 슬롯을 형성한다.

다른 말로 하면, 통로(45)는 제 2 유체의 입구(7)로부터 시작하여 제 2 유체가 횡 방향으로 상류 챔버(35)를 가로지르도록 배치되고, 그 후 U 턴을 실행하여, 통로(45)를 가로질러 후속 챔버의 상류 챔버(35)로 통과한다.

그런 다음, 제 2 유체는 다음 챔버를 횡 방향으로 가로지른 후 제 2 유체의 출구(9)에 도달하거나, 또는, 열 교환기가 2 개 초과의 챔버를 포함하는 경우에는, 제 2 유체의 출구(9)까지 다음 챔버 등으로 전달되는 방향으로 또 다른 180° 방향 변경을 행한다.

도시된 예에서, 내부 그리드(33) 또는 각각의 내부 그리드(33)는 실질적으로 직사각형이고, 섹션(43)은 내부 그리드(33)의 전체 측면에 걸쳐 연장된다. 외측 둘레 에지(42)의 나머지는 제 2 유체의 통과를 방지하기 위해 엔벨로프(5)의 내부 표면에 접한다.

이를 위해, 내부 그리드(33) 또는 각각의 내부 그리드(33)의 외측 둘레 에지(42)는 엔벨로프(5)의 내부 표면에 접하는 외부 스트립(47)(도 4 및 도 5)을 갖는다(도 6).

도시된 예에서, 내부 그리드(33) 또는 각각의 내부 그리드(33)는 각 측면에서 외부 스트립(47)을 포함한다.

외부 스트립(47)은 유동 파이프(3)가 통과하는 오리피스(41)가 형성되는 평면에 대해 90°보다 약간 더 큰 각도를 형성하도록 접혀진다. 그 모서리의 레벨에서, 외측 둘레 에지(42)는 접힌 스트립을 갖지 않고, 유동 파이프(3)의 통과를 위한 오리피스(41)의 평면 상에 접히지 않은 스트립(49)을 갖는다. 접히지 않은 스트립(49)의 자유 에지는 엔벨로프(5)의 내부 표면에 적응되어, 제 2 유체에 대한 기밀성을 생성한다.

섹션(43)에 의해 보유되는 외부 스트립(47)은 엔벨로프(5)의 내부 표면에 접하지 않는다. 한편, 외측 둘레 에지의 다른 부분에 의해 보유되는 외부 스트립(47)은 엔벨로프(5)의 내부 표면에 접한다.

추가적으로, 내부 그리드(33) 또는 각각의 내부 그리드(33)에는, 각각의 유동 파이프(3)와 대응하는 오리피스(41)의 내부 에지(53) 사이에, 개구(51)가 제공된다(도 7).

도면에서 알 수 있는 바와 같이, 오리피스(41)의 내부 에지(53)는 높이 방향(E)으로 유동 파이프(3)와 접하는 횡 방향 스트립(55)을 보유한다(도 4 내지 도 6).

보다 구체적으로, 각각의 오리피스(41)의 내부 에지(53)는 서로 대향하게 배치된 2 개의 횡 방향 에지 섹션(57)을 갖는다. 횡 방향 에지 섹션(57)은 말단부 에지 섹션(59)을 통해 서로 연결된다.

각각의 횡 방향 에지 섹션(57)은 횡 방향으로 서로 이격된 복수의 스트립(55)을 보유한다.

스트립(55)은 도 6에 도시된 바와 같이 오리피스(41)의 내부를 향해 경사져 있다. 종 방향(L)에 대해, 이들은 2 내지 6°, 전형적으로는 4°와 같은 각도(β)를 형성한다.

스트립(55)은 모두 동일한 방식으로 경사져 있다.

특히 도 4 및 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 단일 내부 그리드(33)의 오리피스들(41)은 내부 그리드(33)의 횡 방향 전체 밴드(61)에 의해 서로 분리되어 있다.

각각의 횡 방향 전체 밴드(61)는 바로 아래에 배치된 오리피스(41)의 횡 방향 에지 섹션(57) 및 바로 위에 배치된 오리피스(41)의 횡 방향 에지 섹션(57)을 형성한다.

이들 2 개의 횡 방향 에지 섹션(57)의 스트립(55)은 도 5에서 보다 명확하게 볼 수 있는 바와 같이 엇갈려있다.

이는 2 개의 횡 방향 에지 섹션(57) 중 하나에 의해 보유되는 스트립(55)이 공간(63)에 의해 분리된다는 것을 의미한다. 다른 횡 방향 에지 섹션(57)의 스트립(55)은 공간(63)에 대향하게 배치된다.

개구(51)는 여기서 스트립들(55) 사이의 간격(63)에 대응한다.

유리하게는, 스트립(55)의 횡 방향 길이의 합은 튜브(3)의 횡 방향 폭의 절반과 동일하다.

클리어런스 각도(β)는 다양한 유동 파이프들(3) 사이의 거리를 유지하고, 높이 방향(E)으로의 열 교환기(1)의 엔벨로프(5) 내에서의 유동 파이프(3)의 번들의 센터링(centering)을 허용한다.

이를 위해, 휴지 상태에서, 단일 오리피스(41)의 양측에 있는 스트립(55)의 자유 에지는 유동 파이프(3)의 폭보다 작은 거리만큼 높이 방향(E)으로 분리된다. 두께는 높이 방향(E)을 따라 취해진다.

유동 파이프(3)가 오리피스(41) 내로 삽입될 때, 스트립(55)은 유동 파이프(3)가 어떠한 유격도 없이 통과할 수 있도록 탄성 편향된다.

마찬가지로, 외부 스트립(47)은 외부 그리드(47)의 탄성 굴곡에 의해 내부 그리드(33)가 엔벨로프(5)에 맞물릴 수 있도록 한다. 잠재적으로 더 큰 공차를 보장하기 위해 외부 스트립(47)의 클리어런스 각도는 스트립(55)의 클리어런스 각도보다 클 수 있다.

내부 그리드(33) 또는 각각의 내부 그리드(33)에 대해, 엔벨로프(5)는, 내부 그리드(33)의 섹션(43)과 함께 통로(45)를 한정하는, 외향 상승 영역을 갖는다. 외향 상승 영역(65)은 엔벨로프(5)의 내부의 방향으로 중공이다. 외향 상승 영역은 횡 방향으로 섹션(43)에 대향하게 배치된다. 외향 상승 영역은 엔벨로프(5)의 횡 방향 폭의 대부분에 걸쳐 연장된다.

따라서, 통로(45)를 통해 제 2 유체에 이용 가능한 자유 유동 영역을 증가시키는 것이 가능하다. 이는 배압을 감소시킨다.

유리하게는, 내부 그리드(33)는 모두 동일하다.

내부 그리드(33)의 외측 둘레 에지(42)는 횡 방향(T)에 있어서의 오리피스(41)의 양측에서 연장되는 제 1 전체 밴드(67) 및 제 2 전체 밴드(69)를 갖는다.

제 1 전체 밴드(67)는 높이 방향(E)으로 세장형이다. 제 1 전체 밴드는 오리피스(41)의 말단부 에지 섹션(59)에 인접한다. 제 1 전체 밴드는 오리피스(41)의 제 1 횡 방향 단부에 위치된다.

제 2 전체 밴드(69)는 또한 높이 방향(E)으로 연장된다. 제 2 전체 밴드는 오리피스(41)에 대향하는 말단부 에지 섹션(59)에 인접한다. 제 2 전체 밴드는 오리피스(41)의 다른 횡 방향 측면에 위치된다.

제 1 전체 밴드(67)는 외측 둘레 에지(42)의 섹션(43)을 형성하고, 횡 방향으로 폭(l1)을 갖는다. 제 2 전체 밴드(69)는 횡 방향으로 폭(l2)을 갖는다. 횡 방향 폭(l1)은 횡 방향 폭(l2)보다 작다.

추가적으로, 내부 그리드(33)는 종 방향(L)으로 2 개의 연속적인 내부 그리드(33)가 반대의 방향을 갖도록 배치된다. 2 개의 내부 그리드(33)의 제 1 전체 밴드(67)들은 횡 방향(T)으로 반대로 향한다.

따라서, 2 개의 연속적인 내부 그리드(33)에 의해 한정되는 통로(45)는 열 교환기(1)의 2 개의 대향하는 측면에 횡 방향으로 배치되어, 미로 순환을 가능하게 한다.

대응하는 상승 영역(65)은 또한 열 교환기(1)의 횡 방향으로 대향하는 2 개의 측면 상에 배치된다.

제 2 유체의 입구(7)에 가장 가까운 내부 그리드(33)는 제 1 전체 밴드(67)가 제 2 유체의 입구(7)에 횡 방향으로 대향하여 배치되도록 배향된다. 따라서, 상류 챔버(35)로부터 바로 하류의 챔버로의 통로(45)는 제 2 유체의 입구(7)에 횡 방향으로 대향하여 배치된다. 제 2 유체는 통로(45)에 도달하기 위해 제 2 유체의 입구(7)로부터 시작하여 전체 상류 챔버(35)를 가로지르도록 강제된다.

제 2 유체의 출구(9)에 가장 가까운 내부 그리드(33)는 제 1 전체 밴드(67)가 제 2 유체의 출구(9)에 횡 방향으로 대향하여 향하도록 배향된다. 따라서, 하류 챔버(37)에 접근할 수 있는 통로(45)는 제 2 유체의 출구(9)에 횡 방향으로 대향하여 배치된다. 통로(45)를 통해 하류 챔버(37) 내로 침투하는 제 2 유체는 제 2 유체의 출구(9)에 도달하기 위해 전체 하류 챔버(37)를 횡 방향으로 가로지르도록 강제된다.

열 교환기(1)가 복수의 내부 그리드(33)를 포함할 때, 엔벨로프(5)는 제 2 유체의 출구(9)에 가장 가까운 내부 그리드(33)의 레벨에서 특정 형상을 갖는다. 보다 구체적으로, 엔벨로프는 제 1 전체 밴드(67)와 제 2 전체 밴드(69) 사이에 배치되는 외측 둘레 에지(42)의 중간 섹션(73)에 대향하여, 외측을 향해 상승된 중간 영역(71)을 갖는다.

바람직하게는, 엔벨로프(5)는 높이 방향(E)으로 엔벨로프(5)의 2 개의 대향하는 측면 상에 배치되는, 외부를 향하여 상승된 2 개의 중간 영역(71)을 포함한다.

도시된 예에서, 외측 둘레 에지(42)의 중간 섹션(73)은 횡 방향을 갖는 내부 그리드(33)의 측면이다. 이들 측면은 제 1 전체 밴드(67) 및 제 2 전체 밴드(69)를 서로 연결한다. 중간 섹션(73) 중 하나는 파이프(3)의 스택 위에 배치되고, 다른 섹션은 스택 아래에 배치된다.

상승된 중간 영역(71) 또는 각각의 상승된 중간 영역(71)은 일반적으로 엔벨로프(5)의 실질적으로 전체 폭에 걸쳐 횡 방향으로 연장된다.

따라서, 중간 섹션(73) 또는 각각의 중간 섹션(73)과 상승된 중간 영역(71) 또는 각각의 상승된 중간 영역(71) 사이의 제 2 유체에 대한 바이패스(75)가 생성된다.

다른 말로 하면, 제 2 유체는 통로(45) 및 바이패스(75)를 통해 동시에 하류 챔버(37)로 유동할 수 있다.

이들 바이패스(75)는 유동 파이프(3)의 스택의 위와 아래에서 배압을 감소시킨다.

내부 그리드(33)는 전형적으로 0.2 내지 0.8 mm의 두께, 전형적으로 0.4 mm의 두께를 갖는 얇은 금속 시트로 형성된다.

바람직하게는, 내부 그리드는, 얇은 금속 시트를 절단하고 접음으로써 얻어진다. 이러한 작업은 유동 파이프(3)의 통과를 위한 오리피스(41), 스트립(47, 55)뿐만 아니라 접히지 않은 스트립(49)의 형성을 허용한다.

도면에 도시된 열 교환기(1)의 작동이 이제 설명될 것이다.

제 1 유체는 유동 파이프(3) 내에서 유동한다. 제 1 유체는 상류 단부(19)에 의해 각각의 유동 파이프(3)로 들어가고, 하류 단부(21)를 통해 나간다.

제 1 유체는 열 교환기(1)에서 냉각되어, 하류 단부(21)보다 상류 단부(19)에서 더 높은 온도를 갖는다.

제 2 유체는 제 2 유체를 위한 입구(7)를 통해 내부 체적(6) 내로 침투한다. 가장 상류 위치에 내부 그리드(33)가 존재하기 때문에, 제 2 유체는 유동 파이프(3)들 사이에서 횡 방향으로 유동하도록 강제된다. 따라서, 제 2 유체는 통로(45)까지 횡 방향으로 상류 챔버(35)를 가로지른다. 통로(45)의 레벨에서, 제 2 유체는 U 자형 코스를 따르고, 제 1 중간 챔버(39) 내로 침투하여, 반대 방향으로 횡 방향으로 유동한다. 제 2 유체는 다시 중간 챔버(39)의 대향하는 횡 방향 단부에 배치된 통로(45)까지 중간 챔버(39)의 전체 폭에 걸쳐 횡 방향으로 유동한다.

통로(45)에 의해 중간 챔버(39)를 침투하는 제 2 유체는, 그 관성으로 인해, 제 2 내부 그리드(33)를 향해 운반된다. 한편, 제 2 유체의 일부는 개구(51)를 통해 상류 챔버(35)로부터 제 1 중간 챔버(39)로 유동한다. 따라서, 가장 상류의 내부 그리드(33)를 따라 바로 배치된 제 1 중간 챔버(39)의 영역은 개구(51)로부터 나오는 제 2 유체에 의해 스위핑된다.

제 2 유체는 제 2 유체의 입구(7) 및 제 2 유체의 출구(9) 중 하나의 측면에 횡 방향으로 배치된 통로(45)를 통해 그리고 제 2 내부 그리드(33)의 개구(51)를 통해 제 1 중간 챔버(39)로부터 제 2 중간 챔버(39)로 통과한다.

제 2 유체는 제 3 내부 그리드(33) 및 바이패스(75)에 의해 한정된 통로(45)를 통해 제 2 중간 챔버(39)로부터 하류 챔버(37)로 진행한다. 제 2 유체는 또한 제 3 내부 그리드(33)의 개구(51)를 통과한다.

제 2 유체는 제 2 유체의 출구(9)를 통해 하류 챔버(37)를 빠져나간다.

본 발명은 복수의 장점을 갖는다.

제 2 유체는 제 2 유체의 입구(7)로부터 제 2 유체의 출구(9)로 챔버(35, 39, 37)를 통해 미로 방식으로 유동하기 때문에, 상류 챔버(35) 내에 배치된 유동 파이프의 일부는 제 2 유체에 의해 특히 잘 스위핑된다.

제 1 유체가 매우 뜨거울 때, 이는 제 2 유체가 비등할 어떠한 위험도 없이 제 1 유체의 우수한 냉각을 보장한다.

하나의 챔버를 다른 챔버에 연결하는 통로를 제한하기 위해, 엔벨로프가 외향 상승 영역을 갖는다는 사실은, 통로를 통과하는 액체의 체적을 용이하게 조정할 수 있게 한다. 이러한 조정은 상승 영역의 깊이를 선택함으로써 수행된다.

각각의 유동 파이프와 내부 그리드에서의 대응하는 오리피스의 내부 에지 사이에 배치된 개구의 존재는, 제 2 유체의 충분한 유동으로 내부 그리드의 바로 상류에서 내부 체적의 영역을 스위핑할 수 있게 한다.

오리피스의 내부 에지에 의해 보유되는 횡 방향 스트립은 높이 방향으로의 유동 파이프들 사이의 거리가 제어될 수 있게 한다. 따라서, 유동 파이프가 서로 접하게 하는 돌기가 유동 파이프에 제공되지 않는다. 이러한 돌기는 전통적으로 유동 파이프들 사이의 공간의 높이를 제어하는 데 사용된다. 이들은 돌출부의 레벨에서 핀과 유동 파이프의 벽 사이에 접촉이 없어, 핀으로부터 유동 파이프로의 열 유동을 국부적으로 차단한다는 단점이 있다.

스트립이 서로 횡 방향으로 이격되어 있다는 사실은 각각의 유동 파이프와 대응하는 오리피스의 내부 에지 사이에 개구들이 편리하게 생성될 수 있게 한다.

따라서, 개구를 통과하는 제 2 유체의 양은, 스트립들 사이의 간격을 횡 방향으로 조절함으로써 용이하게 제어될 수 있다.

단일의 횡 방향 전체 밴드에 의해 보유되는 스트립들이 엇갈리게 되어 있다는 사실은 개구를 통과하는 제 2 유체에 대해 보다 복잡한 유체 경로를 생성할 수 있게 한다. 이렇게 하면 유동 파이프와, 대응하는 오리피스의 에지 사이를 통과하는 유동이 감소된다.

스트립이 오리피스의 내부를 향해 경사지기 때문에, 파이프 번들은 열 교환기의 몸체 내에서 높이 방향으로 중앙에 위치될 수 있고, 유동 파이프들 사이의 공간이 높이 방향으로 유지될 수 있다. 이것은 또한 오리피스 내로 유동 파이프를 삽입하는 것을 매우 편리하게 한다.

오리피스의 양 측면에 서로 다른 횡 방향 폭을 갖는 제 1 전체 밴드 및 제 2 전체 밴드가 제공된다는 사실은 동일한 그리드를 사용하여 미로 유동을 제공할 수 있게 한다.

이를 위해, 연속된 그리드들은 반대 방향으로 향한다.

이는 추가적으로 파이프의 번들이 엔벨로프에 대해 횡 방향으로 편리하게 중앙에 위치된다는 것을 의미한다.

제 2 유체가 비등할 수 있는 위험은, 본질적으로 제 2 유체의 입구가 개방되는 챔버에서 나타나며, 일부 경우에는, 바로 하류에 배치된 챔버에서 나타난다. 제 2 유체의 출구가 개방되는 대부분의 하류 챔버에서는 이러한 위험이 실질적으로 없는 것으로 간주된다.

이에 따라, 출구에서 가장 가까운 내부 그리드에 직각으로 엔벨로프 내에서 외부를 향해 상승된 적어도 하나의 중간 영역을 제공하는 것이 유리하다.

전술한 바와 같이, 이는 내부 그리드 주위에 바이패스가 생성될 수 있게 하여, 파이프 번들의 위와 아래의 배압을 감소시킨다. 특히, 이는 파이프 번들 위와 아래의 챔버의 부분들에서 제 2 유체의 유량을 증가시킬 수 있게 한다. 전술한 바와 같이, 제 2 유체를 위한 입구는 파이프 번들의 높이와 실질적으로 동일한, 높이 방향의 높이를 갖는다. 입구의 상부 단부는 상부 파이프의 레벨에 도달하고, 입구의 하부 단부는 하부 파이프의 레벨에 도달한다. 엔벨로프가 그 측 방향 표면과 그 상부/하부 표면 사이에 구부러져 있기 때문에, 핀을 더 이상 연장시킬 수 없다.

파이프 번들의 위와 아래에 배치된 상류 챔버의 체적은, 유동 파이프들 사이에 배치된 체적보다는, 입구를 침투하는 제 2 유체와의 접촉이 적다. 상승된 중간 영역(들)은 하류 챔버의 이러한 충분하지 못한 체적에서 제 2 유체의 유량의 증가를 허용한다.

전술한 열 교환기의 복수의 변형예들이 가능하다.

본 발명은, 열 교환기의 전체 길이에 걸쳐 종 방향으로 연장되고 상류 챔버, 임의의 중간 챔버 및 하류 챔버를 이 순서로 통과하는 직선형 파이프로 설명되었다.

파이프는 임의의 다른 형상 또는 다른 배치로 이루어질 수 있다. 파이프들은 예를 들어 아치형으로 연결된 2 개의 종 방향 부분을 갖는 U 자형일 수 있다.

내부 그리드 또는 각각의 내부 그리드는 서로 분리된 외부 스트립(47)을 갖는 것으로 위에서 설명되었다. 하나의 변형예에서, 내부 그리드 또는 각각의 내부 그리드는 전체 외측 둘레 에지(42)를 따라 원주 방향으로 연장되는 단일의 스트립을 갖는다.

이 경우, 그리드는 스탬핑에 의해 생성된다.

대안적으로, 내부 그리드 또는 각각의 내부 그리드는 더 두꺼운 금속 플레이트로 제조된다. 파이프를 수용하기 위한 오리피스(41)가 절단된다. 그리드는 파이프들을 분리하기 위한 외부 스트립(47) 또는 스트립(55)을 갖지 않는다. 개구(51)는 금속을 제거하거나 또는 변형함으로써 생성된다.

횡 방향 스트립(55)의 폭은 반드시 일정한 것은 아니다. 횡 방향 스트립(55)의 폭은 단일 오리피스를 따라 횡 방향으로 변할 수 있다. 스트립(55)의 폭은 또한 그리드마다 변할 수 있다.

제조 비용을 최적화하기 위해 모든 내부 그리드가 동일한 것으로 위에서 설명되었다. 하나의 변형예에서, 내부 그리드는 서로 상이하여, 열 교환기의 유체 거동의 적응을 허용한다.

설명된 예에서, 그리드는 직사각형이다. 하나의 변형예에서, 이들은 타원형, '레이스 트랙' 구성, 또는 다른 적절한 형태이다.

이러한 경우, 엔벨로프는 그리드의 형상에 대응하는 단면을 갖는다.

도시된 예에서, 열 교환기는 횡 방향으로 단지 하나의 파이프를 포함한다. 하나의 변형예에서, 이는 횡 방향으로 병치된 복수의 파이프를 포함한다.

하나의 변형예에서, 열 교환기는 차량의 배기 라인에 통합되도록 제공되지 않는다. 이는 차량의 임의의 다른 회로에 통합되거나, 또는 임의의 다른 유형의 장비에도 통합될 수 있다.

제 1 유체는 반드시 차량의 배기 가스일 필요는 없으며, 임의의 다른 유형일 수 있다. 제 1 유체는 가스 또는 액체이며, 임의의 유형일 수 있다.

마찬가지로, 제 2 유체는 반드시 냉각제일 필요는 없다. 제 2 유체는 임의의 유형의 가스 또는 액체이다.

Claims (13)

1. 열 교환기(1)로서,
   - 제 1 유체를 위한 복수의 유동 파이프(3);
   - 상기 유동 파이프(3)가 배치되는 내부 체적(6)을 한정하는 엔벨로프(envelope; 5)로서, 상기 엔벨로프(5)는, 상기 내부 체적(6)으로 개방되는 제 2 유체를 위한 입구(7) 및 제 2 유체를 위한 출구(9)를 가지며, 상기 제 2 유체를 위한 입구(7) 및 상기 제 2 유체를 위한 출구(9)는 종 방향으로 서로 오프셋(offset)되어 있는 것인 엔벨로프;
   - 상기 내부 체적(6) 내에서, 상기 제 2 유체를 위한 입구(7)와 상기 제 2 유체를 위한 출구(9) 사이에 종 방향으로 배치되고, 상기 종 방향으로 차례로 배치된 복수의 챔버(35, 39, 37)로 상기 내부 체적(6)을 분할하는 적어도 하나의 내부 그리드(grid; 33)로서, 상기 내부 그리드(33) 각각은, 상기 유동 파이프(3)가 맞물리는 오리피스(41)를 갖고, 상기 내부 그리드(33) 각각은, 외측 둘레 에지(42)를 가지며, 상기 외측 둘레 에지의 하나의 섹션(43)은 상기 엔벨로프(5)의 내부 표면과 함께 상기 제 2 유체를 위한 통로(45)를 한정하고, 상기 통로(45)는 각각, 상기 제 2 유체가 상기 제 2 유체를 위한 입구(7)로부터 상기 제 2 유체를 위한 출구(9)까지 상기 챔버(35, 39, 37)를 통해 미로 방식으로 순환하게 하도록 배치되는 것인 내부 그리드
   를 포함하는, 열 교환기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 내부 그리드(33) 각각에 대해, 상기 엔벨로프(5)는 상기 내부 그리드(33)의 상기 섹션(43)과 함께 상기 통로(45)를 한정하는, 외향 상승 영역(65)을 갖는 것인, 열 교환기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 내부 그리드(33) 각각에는, 각각의 유동 파이프(3)와 대응하는 오리피스(41)의 내부 에지(53) 사이에 개구(51)가 제공되는 것인, 열 교환기.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 유동 파이프(3)들은 각각 횡 방향으로 세장형인 단면을 가지며, 높이 방향(E)으로 겹쳐지고, 상기 오리피스(41)의 내부 에지(53)는, 상기 높이 방향(E)으로 상기 유동 파이프(3)와 접하는 횡 방향 스트립(strip; 55)을 보유하는 것인, 열 교환기.
5. 제 4 항에 있어서,
   각각의 상기 오리피스(41)의 내부 에지(53)는, 서로 대향하게 배치된 2 개의 횡 방향 에지 섹션(57)을 가지며, 각각의 상기 횡 방향 에지 섹션(57)은, 서로 횡 방향으로 이격된 여러 개의 스트립(55)을 보유하는 것인, 열 교환기.
6. 제 5 항에 있어서,
   하나의 상기 내부 그리드(33)의 상기 오리피스(41)들은 상기 내부 그리드(33)의 횡 방향 전체 밴드(full transverse band; 61)에 의해 분리되며, 상기 횡 방향 전체 밴드(61)는 각각 상기 오리피스(41)의 2 개의 횡 방향 에지 섹션(57)을 형성하며, 상기 2 개의 횡 방향 에지 섹션(57)들의 상기 스트립(55)들은 엇갈려있는 것인, 열 교환기.
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 횡 방향 스트립(55)은 상기 오리피스(41)의 내부를 향해 경사져 있는 것인, 열 교환기.
8. 제 4 항에 있어서,
   상기 내부 그리드(33) 각각의 상기 외측 둘레 에지(42)는 상기 횡 방향(T)에 있어서의 상기 오리피스(41)의 양측에서 연장되는 제 1 전체 밴드(67) 및 제 2 전체 밴드(69)를 가지며, 상기 제 1 전체 밴드(67)는 상기 외측 둘레 에지(42)의 상기 섹션(43)을 형성하고, 상기 제 1 전체 밴드(67)의 상기 횡 방향으로의 폭은 상기 제 2 전체 밴드(69)의 상기 횡 방향으로의 폭보다 작은 것인, 열 교환기.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 열 교환기(1)는, 모두 동일한 여러 개의 내부 그리드(33)를 포함하고, 2 개의 연속적인 내부 그리드(33)들은, 상기 종 방향(L)에서 서로 반대로(inversely) 배향되어, 상기 2 개의 연속적인 내부 그리드(33)의 제 1 전체 밴드(67)들은 상기 횡 방향(T)에서 반대로 향하는 것인, 열 교환기.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 유체를 위한 출구(9)에 가장 가까운 내부 그리드(33)는, 상기 제 2 전체 밴드(69)가 상기 제 2 유체를 위한 출구(9)를 향하도록 배향되고, 상기 엔벨로프(5)는 상기 제 1 전체 밴드(67)와 상기 제 2 전체 밴드(69) 사이에 배치된 상기 외측 둘레 에지(42)의 중간 섹션(73)과 대향하여 외측을 향해 상승된 적어도 하나의 중간 영역(71)을 갖는 것인, 열 교환기.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 내부 그리드(33) 각각의 상기 외측 둘레 에지(42)는 상기 엔벨로프(5)의 상기 내부 표면에 접하는 외부 스트립(47)을 보유하는 것인, 열 교환기.
12. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 열 교환기(1)
    를 포함하는 배기 라인으로서,
    상기 제 1 유체는 배기 가스이고, 상기 제 2 유체는 상기 배기 가스의 열 에너지의 일부를 회수하기 위해 제공되는 냉각제인 것인, 배기 라인.
13. 제 12 항에 따른 배기 라인
    을 포함하는, 차량.

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