KR101307322B1 - 자동차 배기열 회수장치 - Google Patents

자동차 배기열 회수장치 Download PDF

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KR101307322B1
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Abstract

본 발명은 자동차 배기열 회수장치로서 보다 상세하게는 자동차의 냉시동시 배기가스와 냉각수를 열교환시켜 엔진의 워밍업(warming up)을 매우 신속하게 함과 더불어 연료 소비량을 감소시키고, 배기소음과 배기유해가스를 저감하기 위한 배기열 회수장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 배기열 회수장치는, 하우징; 상기 하우징의 일측에서 상기 하우징의 중심부를 따라 길이방향으로 설치되고, 전방단부에 인접한 외주면에 복수의 소통공이 형성된 배기가스 인렛파이프; 상기 하우징의 타단에 연결되고, 배기가스가 배출되는 배기가스 아웃렛파이프; 상기 배기가스 인렛파이프의 외측에 배치된 배기가스우회유로; 상기 배기가스우회유로의 외측에 배치된 냉각수유로; 및 상기 배기가스 인렛파이프의 후방단부 측에 개폐가능하게 설치된 밸브유닛;을 포함하고, 상기 배기가스우회유로 내에는 제1나선형부재가 설치되어 상기 배기가스우회유로의 내부는 나선형유로로 구성되며, 상기 냉각수유로 내에는 제2나선형부재가 설치되어 상기 냉각수유로의 내부은 나선형유로로 구성되고, 상기 제1나선형부재와 제2나선형부재는 인렛파이프의 중심축을 기준으로 나선방향이 서로 반대로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

자동차 배기열 회수장치{EXHAUST HEAT RECOVERY DEVICE IN AUTOMOBILE}
본 발명은 자동차 배기열 회수장치로서 보다 상세하게는 자동차의 냉시동시 배기가스와 냉각수를 열교환시켜 엔진의 워밍업(warming up)을 매우 신속하게 함과 더불어 연료 소비량을 감소시키고, 배기소음과 배기유해가스를 저감하기 위한 배기열 회수장치에 관한 것이다.
주변의 차가운 공기 또는 정지 등으로 인해 차량의 엔진이 냉각되었을 경우, 차량의 엔진을 신속하게 워밍업하여야 한다. 그리고, 엔진의 워밍업 시간을 단축시키는 것이 연비 향상, 배기소음 및 배기유해가스의 저감을 달성할 수 있는 매우 중요한 요소이다.
이러한 차량의 엔진을 워밍업하기 위해서는 엔진의 워터재킷을 순환하는 냉각수를 일정온도로 승온시켜야 하며, 냉각수의 승온을 위하여 배기계 측에 배기열 회수장치가 설치된다. 이러한 배기열 회수장치는 엔진에서 배출되는 배기가스에 의해 냉각수를 일정온도로 승온시킨 후에 엔진의 워터재킷으로 재순환시키도록 구성된다.
이와 같이, 배기열 회수장치는 엔진의 저회전 영역에서는 배기가스와 냉각수를 열교환시켜 냉각수를 승온시켜 오일의 온도를 신속하게 상승시킴으로써 차량의 연비를 개선함과 더불어, 동절기에는 차량 실내의 온도를 신속하게 상승시켜 보다 쾌적한 실내 환경을 조성할 수 있다.
하지만, 종래의 배기열 회수장치는 저회전영역(low RPM)에서 배기가스와 냉각수 사이의 열교환 효율이 실질적으로 높지 않아 엔진의 워밍업 시간 단축 등을 효과적으로 구현하지 못하는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 엔진 시동시 저회전 영역에서 배기가스와 냉각수 사이의 열교환 효율을 대폭 향상시켜 엔진의 위밍업 시간 단축을 효과적으로 구현할 수 있는 배기열 회수장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 배기열 회수장치는,
하우징;
상기 하우징의 일측에서 상기 하우징의 중심부를 따라 길이방향으로 설치되고, 전방단부에 인접한 외주면에 복수의 소통공이 형성된 배기가스 인렛파이프;
상기 하우징의 타단에 연결되고, 배기가스가 배출되는 배기가스 아웃렛파이프;
상기 배기가스 인렛파이프의 외측에 배치된 배기가스우회유로;
상기 배기가스우회유로의 외측에 배치된 냉각수유로; 및
상기 배기가스 인렛파이프의 후방단부 측에 개폐가능하게 설치된 밸브유닛;을 포함하고,
상기 배기가스우회유로 내에는 제1나선형부재가 설치되어 상기 배기가스우회유로의 내부는 나선형유로로 구성되며,
상기 냉각수유로 내에는 제2나선형부재가 설치되어 상기 냉각수유로의 내부은 나선형유로로 구성되고,
상기 제1나선형부재와 제2나선형부재는 인렛파이프의 중심축을 기준으로 나선방향이 서로 반대로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 하우징은 상기 배기가스 인렛파이프가 설치되는 제1하우징과 배기가스 아웃렛파이프가 설치되는 제2하우징을 가지고, 상기 제2하우징의 내부공간은 상기 제1하우징의 내부공간 보다 큰 체적을 가지며,
상기 제1하우징의 전방단면에는 상기 배기가스 인렛파이프의 전방단부가 관통하고, 상기 제1하우징의 후방단면에는 상기 배기가스 인렛파이프의 후방단부가 관통하며,
상기 제2하우징의 전방단면은 상기 제1하우징의 후방단면에 결합되고, 상기 제1하우징의 후방단면에는 상기 제2하우징의 내부공간과 소통하는 복수의 배기가스 토출공이 형성되며, 상기 제2하우징의 후방단면에는 상기 배기가스 아웃렛파이프가 관통하여 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1하우징 내에는 내부구획파이프가 상기 인렛파이프의 외경방향으로 이격되어 설치되고, 상기 내부구획파이프의 내경면과 상기 인렛파이프의 외경면 사이에는 배기가스우회유로가 밀폐적으로 형성되고, 상기 배기가스우회유로 내에는 제1나선형부재가 설치되며, 상기 내부구획파이프의 외경면과 상기 제1하우징 사이에는 상기 냉각수유로가 밀폐적으로 형성되고, 상기 냉각수유로 내에는 제2나선형부재가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2하우징의 전방단면은 그 중심부에 관통공이 형성되고, 상기 제2하우징의 관통공은 그 가장자리가 제1하우징의 배기가스 토출공들 보다 외경측에 위치함에 따라 상기 제2하우징의 관통공과 상기 제1하우징의 배기가스 토출공들은 소통하는 것을 특징으로 한다.
상기 배기가스 인렛파이프의 후방단부에는 상기 배기가스 인렛파이프 보다 넓은 직경을 가진 확관부재가 설치되고, 상기 확관부재의 단부에는 상기 밸브유닛이 설치되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 엔진의 저회전영역에서 배기가스와 냉각수가 서로 반대방향의 나선형유로를 따라 이동함에 따라 배기가스에 의한 냉각수의 승온효율이 매우 향상되고, 이를 통해 엔진의 워밍업을 신속하게 함으로써 마찰손실을 감소시켜 연비향상 및 매연 저감효과를 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 엔진의 고회전영역(high RPM)에서는 배기가스를 냉각수와 열교환시키지 않고 바로 배출함에 있어서, 배기가스의 배출을 매우 신속하고 원활하게 함으로써 출력성능의 향상을 구현할 수 있는 장점이 있다.
그리고 본 발명은 다공관 구조(예컨대, 복수의 소통공이 형성된 인렛파이프), 밸브유닛, 확관부재 등에 의해 배기 소음을 감쇄시키는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기열 회수장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 A-A선을 따라 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 배기열 회수장치를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 배기열 회수장치는 하우징(100), 하우징(100)의 일단에서 하우징(100)의 중심부를 따라 길이방향으로 설치된 배기가스 인렛파이프(10), 하우징(100)의 타단에 연결된 배기가스 아웃렛파이프(30), 인렛파이프(10)의 외측에 밀폐적으로 배치된 배기가스우회유로(12), 배기가스우회유로(12)의 외측에 밀폐적으로 배치된 냉각수유로(22), 인렛파이프(10)의 유출단부 측에 개폐가능하게 설치된 밸브유닛(40)을 포함한다.
하우징(100)은 배기가스 인렛파이프(10)가 설치되는 제1하우징(110)과 배기가스 아웃렛파이프(30)가 설치되는 제2하우징(120)을 가진다.
제1하우징(110)은 내부가 빈 원통형 또는 각형 구조로 구성되고, 제1하우징(110)의 외주면에는 냉각수 인렛파이프(21a) 및 냉각수 아웃렛파이프(21b)가 냉각수유로(22)와 소통하게 연결된다. 제1하우징(110)의 양단에는 전방단면(111) 및 후방단면(112)이 구비된다.
한편, 전방단면(111)의 중심에는 관통공(111a)이 형성되고, 관통공(111a)의 가장자리에는 플랜지부(111b)가 형성되며, 이에 배기가스 인렛파이프(10)의 전방단부는 전방단면(111)의 관통공(111a)을 통과하여 관통한다. 특히, 전방단면(111)의 플랜지부(111a)는 배기가스 인렛파이프(10)의 일측 외주면과 접촉하면서 결합된다.
또한, 후방단면(112)의 중심에는 관통공(112a)이 형성되고, 관통공(112a)의 가장자리에는 플랜지부(112b)가 형성되며, 이에 배기가스 인렛파이프(10)의 후방단부는 후방단면(112)의 관통공(112a)을 통과하여 관통한다. 특히, 후방단면(112)의 플랜지부(112a)는 배기가스 인렛파이프(10)의 타측 외주면과 접촉하면서 결합된다.
그리고, 후방단면(112)의 관통공(111a) 주변에는 복수의 배기가스 토출공(113)이 원주방향으로 이격되어 형성되고, 복수의 배기가스 토출공(113)은 배기가스우회유로(12)와 소통하도록 배치되어 있다.
제2하우징(120)의 내부공간은 제1하우징(110)의 내부공간 보다 넓은 체적을 가진 원통형 구조로 구성되고, 이에 배기소음이 대폭 저감될 수 있다. 그리고, 제2하우징(120)의 양단에는 전방단면(121) 및 후방단면(122)이 구비된다.
제2하우징(120)의 전방단면(121)은 제1하우징(110)의 후방단면(112) 측에 용접 등을 통해 결합되고, 제2하우징(120)의 전방단면(121)은 그 중심부에 관통공(121a)이 형성된다. 이러한 전방단면(121)의 관통공(121a)은 배기가스 인렛파이프(10)의 외경 보다 크게 형성되고, 특히 도 2에 도시된 바와 같이 관통공(121a)의 가장자리는 제1하우징(110)의 후방단면(112)에 구비된 배기가스 토출공(113) 보다 외경측에 위치함에 따라 제2하우징(120)의 관통공(121a)과 제1하우징의 배기가스 토출공(113)들은 소통하도록 구성된다. 이에, 제2하우징(120)의 내부공간은 전방단면(121)의 관통공(121a) 및 제1하우징(110)의 배기가스 토출공(113)들을 통해 배기가스우회유로(12)와 소통한다.
제2하우징(120)의 후방단면(122)은 그 중심부에 관통공(122a)이 형성되고, 이 관통공(122a)에는 배기가스 아웃렛파이프(30)가 설치되며, 관통공(122a)의 주변에는 플랜지부(122b)가 형성된다. 이에 배기가스 아웃렛파이프(30)는 관통공(122a)을 관통하면서 그 일측 외주면이 플랜지부(122b)와 접촉하면서 용접 등을 통해 결합된다.
배기가스 인렛파이프(10)는 내부가 빈 중공형 파이프로 구성되고, 제1하우징(110)의 중심부를 따라 길이방향으로 설치된다.
배기가스 인렛파이프(10)의 전방단부는 제1하우징(110)의 전방단면(111)의 관통공(111a)을 관통하고, 배기가스 인렛파이프(10)의 후방단부는 제1하우징(110)의 후방단면(112)의 관통공(112a)를 관통한다. 특히, 배기가스 인렛파이프(10)는 전방단면(111)의 플랜지부(111b) 및 후방단면(112)의 플랜지부(112b)와 접촉되어 용접 등을 통해 결합된다.
그리고, 배기가스 인렛파이프(10)의 전방단부에 인접한 외주면에는 복수의 소통공(11)이 형성되고, 복수의 소통공(11)은 배기가스우회유로(12)와 소통한다.
또한, 배기가스 인렛파이프(10)의 후방단부에는 확관부재(15)가 설치되고, 이 확관부재(15)의 단부에는 밸브유닛(40)이 설치된다.
밸브유닛(40)은 개구(41a)가 형성되어 확관부재(15)의 단부에 설치된 밸브시트(41), 밸브시트(41)의 개구(41a)를 개폐하는 밸브체(42), 밸브체(42)를 폐쇄방향으로 편향시켜 밸브체(42)의 개폐를 조절하는 스프링(43)으로 구성된다. 이러한 밸브유닛(40)은 엔진의 저회전영역(low RPM)에서는 밸브체(42)가 폐쇄작동하여 밸브시트(41)의 개구(41a)를 폐쇄하고, 엔진의 고회전영역(high RPM)에서는 밸브체(42)가 배기 압력에 의해 개방 작동하여 밸브시트(41)의 개구(41a)를 개방하도록 구성된다.
한편, 본 발명은 엔진의 고회전영역(high RPM)에서는 밸브유닛(40)의 밸브체(42)를 개방함에 따라 배기가스가 배기가스우회유로(12)측으로 이동하지 않고, 확관부재(15)를 통해 개방된 밸브유닛(40)의 개구(41a)를 통해 제2하우징(120)측으로 이송된 후에 제2하우징(120)의 배기가스 아웃렛파이프(30)를 통해 배출된다.
특히, 본 발명은 인렛파이프(10)의 후방단부에 인렛파이프(10) 보다 넓은 직경을 가진 확관부재(15) 및 제1하우징(110) 보다 넓은 내부체적을 가진 제2하우징(120)을 배치함에 따라 배기가스의 배출시에 그 배출작용이 보다 원활하고 신속하게 이루어지고, 배기 소음이 대폭 감소되는 장점이 있다.
제1하우징(110) 내에는 내부구획파이프(115)가 인렛파이프(10)의 외경방향으로 이격되어 설치되고, 내부구획파이프(115)의 내경면과 인렛파이프(10)의 외경면 사이에는 배기가스우회유로(12)가 밀폐적으로 형성된다. 그리고, 배기가스우회유로(12) 내에는 제1나선형부재(13)가 소정의 나선방향으로 설치됨에 따라 배기가스우회유로(12)는 나선형유로로 구성되고, 이에 배기가스 인렛파이프(10)의 전방단부를 통해 유입된 배기가스가 소통공(11)들을 통해 배기가스우회유로(12) 내로 유입되고, 배기가스우회유로(12) 내로 유입된 배기가스들은 제1나선형부재(13)의 나선방향을 따라 이동하여 제1하우징(110)의 후방단면(112)의 토출공(113)을 통해 제2하우징(120)의 내부공간으로 토출된다.
제1하우징(110)의 내경면과 내부구획파이프(115)의 외경면 사이에는 냉각수유로(22)가 밀폐적으로 형성되고, 냉각수유로(22)에는 제2나선형부재(23)가 소정의 나선방향으로 설치됨에 따라 냉각수유로(22)는 나선형유로로 구성된다. 이에, 냉각수 인렛파이프(21a)를 통해 냉각수가 냉각수유로(22) 내로 유입되면, 냉각수는 냉각수유로(22) 내에서 제2나선형부재(23)의 나선방향을 따라 이동하여 냉각수 아웃렛파이프(21b)를 통해 배출된다.
특히, 제1나선형부재(13)의 나선방향과 제2나선형부재(23)의 나선방향은 배기가스 인렛파이프(10)의 중심축을 기준으로 서로 반대로 형성되고, 이에 배기가스우회유로(12) 내를 이동하는 배기가스의 흐름방향과 냉각수유로(22) 내를 이동하는 냉각수의 흐름방향은 서로 반대되는 나선방향으로 형성됨에 따라 배기가스와 냉각수의 열교환효율이 대폭 향상될 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 작동을 다음과 같이 상세하게 설명한다.
먼저, 엔진의 시동시 저회전영역(low RPM)에서는 밸브유닛(40)의 밸브체(42)가 밸브시트(41)의 개구(41a)를 폐쇄하고, 이에 배기가스 인렛파이프(10)의 전방단부로 유입되는 배기가스는 배기가스 인렛파이프(10)의 소통공(11)을 통해 배기가스우회유로(12)측으로 이동하며, 배기가스우회유로(12) 내에서 배기가스는 제1나선형부재(13)를 따라 나선형으로 흘러가면서 제1하우징(110)의 배기가스 토출공(113)을 통과하여 제2하우징(120) 내로 토출되고, 이러한 배기가스는 제2하우징(120) 내에서 배기가스 아웃렛파이프(30)를 통해 외부로 배출된다.
이때, 냉각수유로(22)에는 냉각수 인렛파이프(21a)를 통해 유입된 냉각수가 제2나선형부재(23)를 따라 나선형으로 흘러가면서 냉각수 아웃렛파이프(21b)로 배출되고, 제1 및 제2 나선형부재(13, 23)는 서로 반대되는 나선방향으로 형성됨에 따라 배기가스와 냉각수가 서로 반대되는 나선형 흐름방향으로 이동하면서 열교환된다.
이와 같이, 본 발명은 저회전영역에서 배기가스와 냉각수가 서로 반대되는 나선형 흐름방향으로 이동하면서 상호 열교환됨에 따라 배기가스에 의한 냉각수의 승온작용이 보다 효과적으로 이루어지는 장점이 있다.
한편, 엔진의 고회전영역(high RPM)에서는 밸브유닛(40)의 밸브체(42)가 밸브시트(41)의 개구(41a)를 개방하고, 이에 배기가스는 배기가스우회유로(12)측으로 이동하지 않으며 바로 개방된 개구(41a)를 통해 제2하우징(120) 내로 토출되고, 이러한 배기가스는 제2하우징(120)에서 배기가스 아웃렛파이프(30)를 통해 외부로 배출된다.
이와 같이, 본 발명은 배기가스 인렛파이프(10)의 후방단부에 배기가스 인렛파이프(10) 보다 넓은 직경을 가진 확관부재(15) 및 제1하우징(110) 보다 넓은 내부체적을 가진 제2하우징(120)을 배치함에 따라 배기가스의 배출시에 그 배출작용이 보다 원활하고 신속하게 이루어지고 배기소음이 감소되는 장점이 있다.
10: 배기가스 인렛파이프 11: 소통공
12: 배기가스우회유로 13: 제1나선형부재
15: 확관부재 21a: 냉각수 인렛파이프
21b: 냉각수 아웃렛파이프 22: 냉각수유로
23: 제2나선형부재 30: 배기가스 아웃렛파이프
40: 밸브유닛 41: 밸브시트
42: 밸브체 43: 스프링
110: 제1하우징 120: 제2하우징

Claims (5)

  1. 하우징;
    상기 하우징의 일측에서 상기 하우징의 중심부를 따라 길이방향으로 설치되고, 전방단부에 인접한 외주면에 복수의 소통공이 형성된 배기가스 인렛파이프;
    상기 하우징의 타단에 연결되고, 배기가스가 배출되는 배기가스 아웃렛파이프;
    상기 배기가스 인렛파이프의 외측에 배치된 배기가스우회유로;
    상기 배기가스우회유로의 외측에 배치된 냉각수유로; 및
    상기 배기가스 인렛파이프의 후방단부 측에 개폐가능하게 설치된 밸브유닛;을 포함하고,
    상기 하우징은 상기 배기가스 인렛파이프가 설치되는 제1하우징과 배기가스 아웃렛파이프가 설치되는 제2하우징을 가지고, 상기 제2하우징의 내부공간은 상기 제1하우징의 내부공간 보다 큰 체적을 가지며,
    상기 제1하우징 내에는 내부구획파이프가 상기 인렛파이프의 외경방향으로 이격되어 설치되고, 상기 내부구획파이프의 내경면과 상기 인렛파이프의 외경면 사이에는 상기 배기가스우회유로가 밀폐적으로 형성되고, 상기 배기가스우회유로 내에는 제1나선형부재가 설치되어 상기 배기가스우회유로의 내부는 나선형 유로로 구성되며, 상기 내부구획파이프의 외경면과 상기 제1하우징 사이에는 상기 냉각수유로가 밀폐적으로 형성되고, 상기 냉각수유로 내에는 제2나선형부재가 설치되어 상기 냉각수유로의 내부는 나선형유로로 구성되고,
    상기 제1나선형부재와 제2나선형부재는 상기 인렛파이프의 중심축을 기준으로 나선방향이 서로 반대로 형성되는 것을 특징으로 하는 배기열 회수장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1하우징의 전방단면에는 상기 배기가스 인렛파이프의 전방단부가 관통하고, 상기 제1하우징의 후방단면에는 상기 배기가스 인렛파이프의 후방단부가 관통하며,
    상기 제2하우징의 전방단면은 상기 제1하우징의 후방단면에 결합되고, 상기 제1하우징의 후방단면에는 상기 제2하우징의 내부공간과 소통하는 복수의 배기가스 토출공이 형성되며, 상기 제2하우징의 후방단면에는 상기 배기가스 아웃렛파이프가 관통하여 설치되는 것을 특징으로 하는 배기열 회수장치.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2하우징의 전방단면은 그 중심부에 관통공이 형성되고, 상기 제2하우징의 관통공은 그 가장자리가 제1하우징의 배기가스 토출공들 보다 외경측에 위치함에 따라 상기 제2하우징의 관통공은 상기 제1하우징의 배기가스 토출공과 소통하는 것을 특징으로 하는 배기열 회수장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스 인렛파이프의 후방단부에는 상기 배기가스 인렛파이프 보다 넓은 직경을 가진 확관부재가 설치되고, 상기 확관부재의 단부에는 상기 밸브유닛이 설치되는 것을 특징으로 하는 배기열 회수장치.
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