KR20110105361A

KR20110105361A - 열교환기 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20110105361A
Application number: KR1020110024163A
Authority: KR
Inventors: 알. 라두엔츠 댄; 제이. 브라운 제이슨; 피. 메쉔키 스티브; 알. 그로토폴스트 토마스; 이. 혼벡 대니엘
Original assignee: 모다인 매뉴팩츄어링 컴파니
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2011-09-26
Also published as: AU2011201083A1; US20110226222A1; EP2372287B1; CN102213554A; EP2372287A1; BRPI1100867A2; ZA201101912B; CN102213554B; AU2011201083B2; US8844504B2

Abstract

열교환기는, 엔진으로부터의 배기가스를 받아들이도록 구성된 입구, 배기가스를 엔진으로 다시 안내하도록 구성된 출구, 및 배기가스 흐름 도관을 포함한다. 배기가스 흐름 도관은, 입구에 인접한 제1 단부, 출구에 인접한 제2 단부, 제1 좁은 면, 제2 좁은 면, 좁은 면들 사이에서 연장된 실질적으로 편평하고 넓은 면, 제1 좁은 면에 인접하며 단부들 사이에서 연장된 제1 채널, 제2 좁은 면에 인접하며 단부들 사이에서 연장된 제2 채널, 및 제1 및 제2 채널 사이에 위치하며 단부들 사이에서 연장된 복수의 제3 채널을 포함한다. 흐름 도관의 일 단부에는 플레이트가 위치하여, 배기가스가 제1 채널 및 제2 채널 중 적어도 하나를 통해 흐르는 것을 막는 한편, 배기가스가 복수의 제3 채널을 통해서는 흐르도록 한다.

Description

열교환기 및 그 제조 방법{HEAT EXCHANGER AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

관련 출원의 상호 참조는 아래와 같다. 본 출원은 2010년 3월 18일자로 출원된 미국 가출원 제61/315,055호에 대한 우선권을 주장하며 그 전체 내용이 이에 참조로써 통합된다.

모든 종류의 기체를 냉각시키는 데 사용되는 열교환기가 해당 기술에 공지되어 있다. 오직 예시적으로 여기에서는 설명의 목적으로, 다수의 열교환기가 (예를 들어, 내연 기관, 가스 터빈 또는 기타 배기가스 생성 과정 또는 장치에 의해 생성된) 배기가스를 냉각하도록 이루어져 있다. 흔히 배기가스 재순환(EGR)으로 불리는 특정 용도에서, 엔진에 의해 생성된 배기가스의 일부가 냉각되어 엔진의 흡기 매니폴드로 다시 재순환된다. 상대적으로 불활성인 배기가스가 흡기 매니폴드에 전달된 새로운 연소 가스 충전에 추가되어, 엔진 내의 연소 온도를 낮춤으로써 환경 오염원인 NO_x의 생성 속도를 감소시키는 역할을 할 수 있다. 이러한 예시적인 용도에서 전술한 바를 달성하기 위해, 통상적으로, 재순환된 배기가스가 엔진으로 재도입되기 전에 그 온도를 실질적으로 감소시킬 필요가 있으며, 재순환된 배기가스를 냉각하기 위해 통상 하나 이상의 열교환기(EGR 냉각기, 즉 EGRC)가 사용된다.

열교환기 표면의 파울링(fouling)은 열교환기가 여러 종류의 가스에 노출될 경우의 공지된 문제점이다. 파울링이란, 열교환기 표면 상의 물질 축적을 가리키는 것으로, 열교환기 성능에 해로운 영향을 끼친다. 배기가스 열교환기의 경우를 다시 참조하면, 예를 들어 배기가스 흐름 내에 혼입된 입자들이 배기가스에 노출된 표면 상에 쌓인다. 표면 상의 입자 축적은 배기가스로부터 열교환기의 냉각 유체에 열 에너지를 전달하는 데에 추가적인 저항을 부가하며, 유효 흐름 면적을 감소시킴으로써 열교환기를 통한 압력의 강하를 증가시킨다.

통상, 냉각을 위한 열교환기를 사이징할 때 열 전달 계산에 파울링 계수(fouling factor)를 적용함으로써 파울링의 영향을 고려한다. 파울링 상태에서 작동할 경우 요구되는 열 전달 능력을 얻기 위해 열교환기가 적절히 사이징되도록 보장하기 위해, 파울링 계수는 열교환기의 전체적인 유효 열 전달 계수를 감소시킨다.

파울링 계수는 각각의 열교환기 형상의 세부사항에 따라 다양하며, 또한 열교환기가 작동되는 조건에 따라서도 다양할 것이다. 구체적으로, 파울링 계수는 흐름의 레이놀즈수(Re)와 반비례 관계에 있는 것으로 알려져 있다. 당해 기술에 공지된 바와 같이, 레이놀즈수는 흐름의 관성력을 흐름의 점성력에 결부시킨다. 레이놀즈수는 식:

으로 계산될 수 있으며, 식에서, m은 유체의 질량 유속, A는 유로의 단면적, D는 유로의 유압 직경, μ는 유체의 역학 점도이다.

일반적으로 열교환기의 설계 및 사이징에서, 열교환기 성능을 향상시키기 위한 일반적인 방법은 표면적 밀도를 증가시키거나 또는 열교환기 유체에 노출되는 단위 체적 당 표면을 확장시키는 것이다. 이러한 방법에서는 채널의 유압 직경이 감소되므로 레이놀즈수가 감소하게 된다. 배기가스에 노출되는 열교환기에서, 이러한 레이놀즈수의 감소는 파울링 계수를 증가시키는 경향이 있고, 그로 인해 원하는 열교환기 성능 향상이 감소하거나 심지어는 완전히 없어지게 된다.

파울링 상태에서 작동 가능하며 높은 표면적 밀도를 가지고/가지거나 파울링으로 인한 성능 열화 가능성이 감소된 열교환기에 대한 지속적인 필요성을 감안할 때, 해당 기술에 부가되는 개선된 열교환기가 계속 환영 받을 것이다.

본 발명의 일부 실시형태에서, EGR 냉각기는, 대향하는 제1 및 제2 아치형의 좁은 면 및 그 사이에서 연장된 실질적으로 편평하고 넓은 면을 가진 배기가스 흐름 도관을 포함한다. 배기가스 흐름 도관은 제1 아치형 좁은 면에 인접하며 제1 흐름 면적 및 제1 유압 직경을 가진 제1 흐름 채널을 포함한다. 배기가스 흐름 도관은 제2 아치형의 좁은 면에 인접하며 각각 제1 흐름 면적 및 제1 유압 직경과 유사한 제2 흐름 면적 및 제2 유압 직경을 가진 제2 흐름 채널을 더 포함한다. 배기가스 흐름 도관은 제1 및 제2 흐름 채널 사이에 위치하며 각각 제3 흐름 면적 및 제3 유압 직경을 가진 복수의 제3 흐름 채널을 더 포함한다. 제3 흐름 면적은 제1 및 제2 흐름 면적보다 상당히 작고, 제3 유압 직경은 제1 및 제2 유압 직경보다 상당히 작다. 배기가스 흐름 도관을 통해 흐르는 유체는, 배기가스 흐름 도관의 입구와 출구 중 하나에 위치한 플레이트에 의해 제1 및 제2 흐름 채널로의 진입이 실질적으로 차단된다.

일부 실시형태에서, 배기가스 흐름 도관은 복수의 유사한 배기가스 흐름 도관들 중 하나이며, 플레이트는 복수의 배기가스 흐름 도관들의 제1 및 제2 흐름 채널로의 진입을 실질적으로 차단한다.

일부 실시형태에서, EGR 냉각기는 배기가스 흐름 도관의 입구와 출구 단부 중 하나를 수용하는 헤더(header)를 더 포함한다. 이러한 일부 실시형태에 있어서, 흐름 차단 플레이트는 적어도 하나의 부착 지점에서 헤더에 부착된다.

일부 실시형태에서, 복수의 제3 흐름 채널은 포선형 핀 구조에 의해 적어도 부분적으로 정의된다. 이러한 일부 실시형태에 있어서, 포선형 핀 구조는 배기가스 흐름 도관의 편평하고 넓은 면에 연결된 핀 정상부(crest)를 포함한다.

일 실시형태에서, 본 발명은 엔진으로부터의 배기가스를 냉각하도록 구성된 배기가스 재순환 냉각기를 제공한다. 이러한 배기가스 재순환 냉각기는, 엔진으로부터의 배기가스를 받아들이도록 구성된 입구; 엔진측으로 배기가스를 다시 안내하도록 구성된 출구; 입구에 인접한 제1 단부, 출구에 인접한 제2 단부, 제1 좁은 면, 제1 좁은 면에 대향하는 제2 좁은 면, 제1 좁은 면과 제2 좁은 면 사이에서 연장된 실질적으로 편평하고 넓은 면, 제1 좁은 면에 인접하며 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장된 제1 채널, 제2 좁은 면에 인접하며 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장된 제2 채널, 및 제1 채널과 제2 채널 사이에 위치하며 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되는 복수의 제3 채널을 포함하는 배기가스 흐름 도관; 및 배기가스 흐름 도관의 제1 단부 및 제2 단부 중 하나에 위치하여, 배기가스가 제1 채널 및 제2 채널 중 적어도 하나를 통해 흐르는 것을 막으며 배기가스가 복수의 제3 채널을 통해서 흐르도록 하는 플레이트를 포함한다.

다른 실시형태에서, 본 발명은 엔진으로부터의 배기가스를 냉각하도록 구성된 배기가스 재순환 냉각기를 제공한다. 이러한 배기가스 재순환 냉각기는, 엔진으로부터의 배기가스를 받아들이도록 구성된 입구; 엔진측으로 배기가스를 다시 안내하도록 구성된 출구; 입구에 인접한 제1 단부, 출구에 인접한 제2 단부, 제1 아치형 면, 제1 아치형 면에 대향하는 제2 아치형 면, 제1 아치형 면과 제2 아치형 면 사이에서 연장되는 실질적으로 편평하고 넓은 면, 제1 아치형 면에 인접하고 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되며, 제1 유압 직경을 갖는 제1 채널, 제2 아치형 면에 인접하고 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되며, 제2 유압 직경을 갖는 제2 채널, 및 제1 채널과 제2 채널 사이에 위치하고 각각 제1 유압 직경보다 작은 제3 유압 직경을 갖는 복수의 제3 채널을 포함하는 배기가스 흐름 도관; 및 배기가스 흐름 도관의 제1 단부 및 제2 단부 중 하나에 위치하여, 배기가스가 제1 채널 및 제2 채널 중 적어도 하나를 통해 흐르는 것을 막는 한편 배기가스가 복수의 제3 채널을 통해서는 흐르도록 하는 플레이트를 포함한다.

여기에서 설명된 열교환기 유형 및 용도는 EGR 열교환기이지만, 여기에서 설명된 다양한 특징, 구조 및 방법이 임의의 용도에서 다른 임의 유형의 가스를 냉각시키는 데에 이용되는 열교환기에도 적용 가능함이 이해될 것이다.

첨부된 도면을 포함하여 전체적인 설명을 참조함으로써 본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점이 명백해질 것이다.

파울링 상태에서 작동 가능하며 높은 표면적 밀도를 가지고/가지거나 파울링으로 인한 성능 열화 가능성이 감소된다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 EGR 냉각기의 사시도이다.
도 2는 일부 부품을 생략하여 도 1의 EGR 냉각기의 일부를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선에 따른 부분 단면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ 부분의 상세도이다.
도 5는 도 1의 실시형태의 배기가스 흐름 도관의 사시도이다.
도 6은 도 5의 배기가스 흐름 도관 내의 흐름 면적을 비교하여 보여주는 도면이다.
도 7은 도 1의 실시형태의 흐름 차단 플레이트의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 EGR 냉각기의 성능 테스트 결과를 보여주는 그래프이다.

본 발명의 실시형태를 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명은 다음의 설명에 따른 구성요소들 또는 다음의 도면들에 도시된 구성요소들의 상세한 구성 및 배치에 대한 적용에 한정되지 않음을 이해할 것이다. 본 발명은 다른 실시형태들로 구현가능하며 다양한 방식으로 실시 또는 수행 가능하다. 또한, 여기에서 사용되는 표현 및 용어(phraseology and terminology)는 설명을 위한 것이며 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다는 점을 이해할 것이다. 여기에서 “포함되는(including, comprising)” 또는 “가지는(having)” 및 이들의 변형은 후에 열거되는 항목 및 그 등가물뿐만 아니라 추가적인 항목들도 포함하는 것을 의미한다. 달리 명시되거나 정의되지 않는 경우, “장착된(mounted)”, “연결된(connected)”, “지지된(supported)”, 결합된(coupled)” 및 그 변형들은 광범위하게 사용되며, 직접적인 장착, 연결, 지지, 결합 및 간접적인 장착, 연결, 지지, 결합을 둘 다 포함한다. 나아가, “연결된” 및 “결합된”은 물리적 또는 기계적 연결 또는 결합으로 제한되지 않는다.

본 발명의 실시형태에 따른 열교환기(1)가 도 1 내지 도 4에 도시되어 있으며, 외부 케이싱(2), 케이싱(2)의 대향 단부에 위치한 배기가스 흡입 탱크(3)와 배기가스 배출 탱크(4), 및 냉각재 포트(5, 6)를 포함한다. 도시된 실시형태는 특히, 내연 기관(미도시)의 배기 배니폴드로부터 배기가스 흐름 흡입 포트(7)를 통해 열교환기(1)로 진입하는 재순환된 배기가스의 흐름을 냉각시키고, 냉각된 흐름을 배기가스 흐름 출구 또는 배출 포트(8)로부터 엔진의 흡기 매니폴드로 전달하는 EGR 냉각기로서 유용할 수 있다. 그러나, 열교환기(1)는 다른 임의의 용도에서 다른 임의의 가스를 냉각 또는 가열하기 위한 배기가스 냉각기 또는 열교환기로도 이용할 수 있다는 것을 인식해야 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 도시된 실시형태의 열교환기(1)는, 흡입 탱크(3)와 배출 탱크(4) 사이에서 연장된 복수의 배기가스 흐름 도관(10)을 더 포함한다. 도관(10)을 통과하는 배기가스 흐름으로부터 열을 용이하게 제거하기 위해, 배기가스 흐름 도관(10)은 이격 배치되어 냉각재의 흐름이 도관(10)의 외부 표면들 상으로 지나가게 한다. 냉각재는 열교환기(1)를 통해 냉각재 포트(6)로부터 냉각재 포트(5)로 안내되어 배기가스 흐름에 대해 역류로 흐르거나, 또는 냉각재 포트(5)로부터 냉각재 포트(6)로 안내되어 배기가스 흐름에 대해 병류로 흐른다. 냉각재 흐름과 배기가스 흐름 간에 또 다른 유동 관계가 가능하며, 이는 본 발명의 사상 및 범주 내에 속한다.

배기가스 흐름 도관(10) 상으로 안내되어 배기가스로부터 열을 제거하는 냉각재는 배기가스의 흐름보다 더 낮은 온도의 임의의 액체 또는 기체 흐름일 수 있다. 예를 들어, 냉각재는 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 물, 또는 이들의 혼합물 등의 전형적인 엔진 냉각재일 수 있다. 일부 실시형태에서, 냉각재는 랭킨 사이클을 위한 냉매 또는 작동 유체일 수 있다. 다른 실시형태에서 냉각재는 공기일 수 있다.

도시된 실시형태는 각각 9개의 도관이 2열로 배치된 18개의 배기가스 흐름 도관(10)을 도시하고 있으나, 의도된 특정 용도에 따라 열의 개수 및 각 열의 도관의 개수는 도시된 수보다 더 크거나 작을 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

도 5는 배기가스 흐름 도관(10) 중 하나를 더 상세히 도시한다. 배기가스 흐름 도관(10)은 흡입 포트(7)에 인접한 제1 단부(30) 및 배출 포트(8)에 인접한 제2 단부(31)를 포함한다. 도시된 실시형태의 배기가스 흐름 도관(10)은 또한, 제1 아치형 좁은 면(12), 제1 아치형 좁은 면(12)에 대향하는 제2 아치형 좁은 면(13), 및 좁은 면(12, 13) 사이에서 연장된 실질적으로 편평하고 넓은 면(14, 15)를 가짐으로써 밀폐된 흐름 도관을 형성한다. 좁은 면(12, 13)의 아치형 형상은, 직사각형 흐름 도관의 코너에서 일어날 수 있는 기하학적 응력 상승을 제거함으로써 열교환기(1)의 내구성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 다른 실시형태에서, 다른 형상(예를 들어, 아치형의 제1 좁은 면 및 대략 직사각형의 제2 좁은 면, 대략 직사각형의 제1 및 제2 좁은 면, 삼각형 또는 다른 다각형 형상의 제1 및/또는 제2 좁은 면, 등)을 가진 흐름 도관(10)을 대안적으로 이용할 수 있다.

배기가스 흐름 도관(10)은 제1 아치형 좁은 면(12)에 인접한 제1 채널(16) 및 제2 아치형 좁은 면(13)에 인접한 제2 채널(17)을 포함한다. 제1 및 제2 채널(16, 17)은 배기가스 흐름 도관(10)의 제1 단부(30)와 제2 단부(31) 사이에서 연장되어 배기가스를 흡입 포트(7)에서 배출 포트(8)로 안내한다. 배기가스 흐름 도관(10)은 채널들(16, 17) 사이에 위치한 복수의 제3 채널(18)을 더 포함한다. 제3 채널(18)은 배기가스 흐름 도관(10)의 제1 단부(30)와 제2 단부(31) 사이에서 연장되어 배기가스를 흡입 포트(7)에서 배출 포트(8)로 안내한다. 복수의 제3 채널(18)은 배기가스 흐름 도관(10) 내에 위치한 포선형 핀 구조(11)에 의해 적어도 부분적으로 한정될 수 있다. 일부 실시형태에서, 핀 구조(11)의 일부 또는 전부는 배기가스 흐름 도관(10) 내에 수용된 개별적 부재(예를 들어, “인서트”)에 의해 정의된다. 일부 실시형태에서, 포선형 핀 구조(11)가, 예를 들어 납땜에 의해 편평하고 넓은 면(14, 15) 중 어느 일측 또는 양측에 접합된 다수의 정상부(28)를 포함하는 것이 유리할 수 있다.

도 6은 비교를 위해 채널들(17, 18)을 공통된 비율로 나란히 도시한다. 도 6의 도시로 용이하게 확인할 수 있듯이, 채널(18)의 단면적이 채널(17)의 단면적보다 상당히 작다는 것이 명백하다. 도시된 실시형태에서, 채널(17)의 단면적에 대한 채널(18)의 단면적의 비는 약 0.36이다. 다른 실시형태에서, 채널(17)의 단면적에 대한 채널(18)의 단면적의 비는 약 0.30 내지 약 0.50의 범위에 속할 수 있다. 다른 실시형태에서, 이는 상이한 크기와 형태의 포선형 핀 구조(11), 상이한 좁은 면 형상을 가진 흐름 도관(10) 등을 포함하여, 채널(16 및/또는 17)과 중간 채널(18) 간의 다른 단면적 차이가 가능하다.

채널을 통해 흐르는 유체의 열 전달 거동 및/또는 압력 강하를 계산할 때, 채널의 유압 직경을 특성 길이로서 고려하는 것이 유용하다. 통상적으로 유압 직경은 채널의 습윤된 둘레에 대한 흐름 면적의 비의 4배와 같은 것으로 정의된다. 도 6의 채널들(17, 18)에 대해서, 습윤된 둘레는 각각 도면 부호 19, 20으로 표시된다. 도시된 실시형태에서, 제2 채널(17)의 유압 직경에 대한 제3 채널의 유압 직경의 비는 약 0.40이다. 다시 말해서, 도시된 실시형태에서 제2 채널(17)의 유압 직경은 복수의 제3 채널(18) 각각의 유압 직경보다 대략 2.5배 더 크다. 다른 실시형태에서, 제2 채널(17)의 유압 직경에 대한 제3 채널(18)의 유압 직경의 비는 약 0.30 내지 약 0.50의 범위에 속할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 제2 채널(17)의 유압 직경에 대한 제3 채널(18)의 유압 직경의 비는 약 0.75 미만일 수 있다. 도 6에는 도시되어 있지 않지만 도시된 실시형태의 제1 채널(16)은 흐름 면적 및 유압 직경 둘 다에 있어서 제2 채널(17)과 유사하며, 채널(18)에 대해 대략 동일한 흐름 면적 및 유압 직경 비를 가진다는 것을 이해할 것이다.

포선형 핀 구조(11)의 정상부(28)의 중심 대 중심 간격(center-to-center spacing)이 감소됨에 따라 복수의 제3 채널(18)의 유압 직경이 감소될 것이라는 점을 열교환기의 당업자는 용이하게 이해할 것이다. 이러한 감소는 열교환기(1)의 열적 성능에 유리한 것으로 보일 수 있는데, 이는 비록 유체에 가해지는 압력 강하를 가져오지만 흐름 도관(10)을 통과하는 유체에 노출되는 대류 표면적의 양을 증가시킬 것이기 때문이다. 그러나, 좁은 면(12, 13)의 아치 형상으로 인해 포선형 인서트(11)가 제1 및 제2 채널(16, 17) 내부로 연장되지 못하므로, 채널들(16, 17)의 유압 직경은 이러한 중심 대 중심 간격의 변화에 의해 영향을 받지 않는다.

본 발명자들은, 전술한 채널(16, 17)에 대한 채널(18)의 유압 직경의 비가 감소하여 1.0보다 상당히 더 작은 값이 될 때, 열교환기(1)의 파울링으로 인한 성능 열화 가능성이 높아질 수 있다는 것을 알아내었다. 이는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 배기가스 흐름 도관(10)을 가진 EGR 냉각기의 테스트 데이터를 보여주는 도 8에서 점선(26)을 통해 확인할 수 있다. 내연 기관으로부터의 배기가스 흐름을 배기가스 흐름 도관들에 통과시키고 배기가스 흐름이 배기가스 흐름 도관(10)을 통과할 때 냉각재 흐름이 그로부터 열을 제거함으로써 정상적인 작동 조건에서 EGR 냉각기를 테스트하였다. 차량 용도의 EGR 냉각기에 전형적인 바와 같이, 대략 600℃의 온도에서 배기가스 흐름이 배기가스 흐름 도관(10)으로 진입한다. 도 8의 그래프는 테스트 기간 동안 배기가스 흐름 도관에서 나오는 냉각된 배기가스 흐름의 온도를 보여준다. 그래프로부터 입증되는 바와 같이, 배기가스에 노출된 열교환 표면의 파울링으로 인해, 테스트 시간의 증가에 따라 EGR 냉각기의 열 전달 성능이 감소한다. 배기가스 흐름 도관(10)에서 나오는 배기가스의 이러한 온도 증가는 EGR 냉각기에 바람직하지 않다.

예를 들어 EGR 냉각기와 같은, 특정 용도를 위한 열교환기의 사이징에 사이용하기 위한 적절한 파울링 계수를 정하기 위해, 점선(26)으로 표시된 것과 같은 테스트 데이터를 이용할 수 있다. 예측 가능한 파울링 조건에서 작동되는 경우라도 허용 가능한 성능을 보이도록 열교환기가 사이징되는 것을 보장하기 위해 이러한 파울링 계수를 이용할 수 있다.

파울링 및 파울링이 열교환기에 끼치는 영향에 관하여 특정한 이론에 동의하고자 하는 것은 아니지만, 파울링으로 인한 관찰된 성능 열화 중 적어도 일부는 표면이 파울링됨에 따라 발생하는 배기가스 흐름의 비우선적인(non-preferential) 재분배의 결과인 것으로 여겨진다. 구체적으로, 포선형 핀 구조(11)의 표면 상에 입자 물질층이 형성됨에 따라, 더 작은 유압 직경에 의해 입증되는 바이, 복수의 제3 채널(18)의 습윤된(예를 들어, 파울링된) 둘레에 대한 흐름 면적의 더 작은 비로 인해, 제3 채널(18)의 흐름 면적의 비율(%) 감소가 제1 및 제2 채널(16, 17)의 흐름 면적의 비율(%) 감소보다 상당히 더 커질 것이다. 흐름 면적의 감소는 유압 직경의 상응하는 감소로 이어지며, 이는 둘 다 채널을 통한 흐름에 대한 저항 증가(즉, 압력 강하의 증가)에 기여한다. 채널들(16, 17, 18)은 유압적으로 병렬이므로, 모든 채널에 걸쳐 압력 강하는 동일하고, 필요에 따라 채널들 간의 배기가스 흐름의 분배가 조정될 것이다.

따라서, 표면이 파울링되고 제1 및 제2 채널(16, 17)의 유압 직경에 대한 제3 채널(18)의 유압 직경의 비가 감소함에 따라 제1 및 제2 채널(16, 17)을 통과하는 전체 배기가스 흐름의 비율은 증가할 것이다. 채널들을 통한 압력 강하를 밸런싱하기 위한 흐름의 재분배로 인해 제3 채널(18)을 통한 유속이 감소하고 제1 및 제2 채널(16, 17)을 통한 유속이 증가하는 것으로 여겨진다. 파울링 속도가 유속에 반비례한다는 것은 잘 알려져 있다. 이론에 구애되고자 함은 아니지만, 본 발명자들은, 전체 배기가스 흐름의 실질적인 부분이 제1 및 제2 채널(16, 17)을 통해 안내되는 안정적인 파울링 작동 조건이 달성될 때까지, 포지티브 피드백 메커니즘을 생성함으로써 파울링이 제3 채널(18)에서 멀어지는 흐름의 재분배로 이어지고, 이로 인해 그러한 채널(18)의 파울링이 증가하여 흐름이 추가적으로 재분배되는 것 등으로 믿는다.

파울링 조건에서 작동할 경우 열교환기(1)의 열적 성능을 향상시키기 위해, 도 1 내지 도 4의 열교환기는 배기가스 흐름 도관(10)의 배출 단부(31)에 위치한 흐름 차단 플레이트(9)를 포함한다. 흐름 차단 플레이트(9)는 배기가스 흐름 도관들(10) 중 적어도 일부의 복수의 제3 채널(18) 중 적어도 일부와 일직선으로 정렬된 개구들(22, 도 7 참조)을 포함한다. 도시된 실시형태의 흐름 차단 플레이트(9)는 다수의 배기가스 흐름 도관(10)의 채널들(18)에 공통된 개구들(22)을 가진다. 그러나, 일부 실시형태에서, 각각의 배기가스 흐름 도관(10)은 그 자신의 개구(22)를 가질 수 있다.

도시된 실시형태를 계속해서 참조하면, 흐름 차단 플레이트(9)는, 유리하게는 배기가스 흐름 도관(10)의 단부(30, 31) 중 하나(예를 들어, 배출 단부(31))에 인접하여 위치할 수 있는 측면(23)을 포함한다. 단부(31)는 열교환기(1)의 헤더(21, 도 4 참조)를 관통하여 이에 의해 수용된다. 도 4에서 가장 잘 확인할 수 있는 바와 같이, 이러한 단부들(31)은 예를 들어 제조 및 조립 공차로 인해 헤더(21)의 표면을 넘은 특정 부분에 대해 연장될 수 있다.

또한 도시된 흐름 차단 플레이트(9)에는 측면(23)으로부터 오프셋된 복수의 표면(25)이 포함된다. 일부 실시형태에서, 각각의 표면(25)은 흐름 차단 플레이트(9)의 융기된 표면으로 정의된다(예를 들어, 도 7의 방향에서 보는 바와 같음). 융기된 표면(25)은 임의의 원하는 형상을 가질 수 있다. 도시된 실시형태에서, 융기된 표면(25)은 실질적으로 평탄하고 편평한 고원 형상을 가진다. 다른 실시형태에서, 융기된 표면(25)은 뾰족한 봉우리 형상, 둥근 봉우리 형상, 또는 상이한 형상의 조합으로 이루어질 수 있다. 표면(25)은 헤더(21)의 측면에 직접 연결 또는 결합될 수 있으며, 흐름 차단 플레이트(9)는 표면(25) 중 하나 이상이 용접, 납땜 또는 다른 연결 공정 등을 통해 헤더(21)에 적어도 부분적으로 연결될 수 있다.

흐름 차단 플레이트(9)는 측면(23)으로부터 오프셋되며 아치형 좁은 면(12, 13) 근처에서(즉 인접하게) 배기가스 흐름 도관(10) 내에 수용되도록 위치되는 복수의 표면(24)을 더 포함한다. 일부 실시형태에서, 표면(24)은 또한 포선형 핀 구조(11)의 단부에 인접한다. 이는 배기가스 흐름 도관(10) 각각의 제1 및 제2 채널(16, 17)을 통해 흐르는 배기가스를 위한 구불구불한 유로를 제공한다. 이로써, 개구(22)와 일직선으로 정렬된 채널들(예를 들어 제3 채널(18))을 통해 배기가스 흐름이 안내된다. 일부 실시형태에서, 배기가스 흐름의 전부 또는 실질적으로 전부는 이러한 방식으로 안내된다. 상술한 융기된 표면(25)과 마찬가지로, 표면(24) 각각은 (예를 들어 도 7의 방향에서 볼 때) 흐름 차단 플레이트(9)의 융기된 표면으로 정의된다. 도시된 실시형태에서, 융기된 표면(24)은 고원 형상으로 이루어진다. 다른 실시형태에서, 표면(24)은 뾰족한 봉우리 형상, 둥근 봉우리 형상, 또는 상이한 형상의 조합으로 이루어질 수 있다.

도시된 실시형태의 흐름 차단 플레이트(9)는 흐름 도관(10)의 다수의 채널(16, 17)을 차단하도록 이루어진 단일 흐름 차단 플레이트(9)이다. 일부 실시형태에서, 이러한 동일 목적을 달성하기 위해 두 개 이상의 흐름 차단 플레이트(9)가 일단의 흐름 도관들의 단부(30, 31)에 위치될 수 있다. 오직 예시적으로, 도 7에 도시된 흐름 차단 플레이트(9)는 도 7에 도시된 것과 동일한 형상을 함께 정의하는 나란히 위치된 두 개의 흐름 차단 플레이트(9)로 대체될 수 있다. 도 7의 흐름 차단 플레이트(9)는 어떠한 수의 흐름 차단 플레이트로도 구성될 수 있으며, 그 각각은 두 개 이상의 채널(16, 17)을 차단하도록(예를 들어, 커버하도록) 형상을 가지고 위치된다. 일부 실시형태에서, 흐름 차단 플레이트(9)는 두 개 이상의 위치에서 두 개 이상의 채널(16, 17)을 차단하고/하거나 배기가스 흐름 도관들(10) 사이에서 연장되도록 형상을 가지고 위치된다. 또한, 이러한 흐름 차단 플레이트(9)는, 두 개 이상의 인접한 배기가스 흐름 도관(10)의 공통된 좁은 면(12, 13)에 위치된 채널(16, 17)만을 차단할 수 있고/있거나, 동일한 배기가스 흐름 도관(10)의 두 좁은 면(12, 13)에 위치한 채널(16, 17)을 차단할 수 있다. 흐름 차단 플레이트(9)의 형상과 크기에 따라, 일단의 배기가스 흐름 도관들(10)에서 임의의 개수 및 조합의 채널(16, 17)이 흐름 차단 플레이트(9)에 의해 차단될 수 있다. 마찬가지로, 흐름 차단 플레이트(9)의 형상 및 크기에 따라, 이러한 흐름 차단 플레이트(9)는 배기가스 흐름 도관들(10) 사이의 위치의 임의의 개수 및 조합으로도 확장될 수 있다.

도시된 실시형태의 흐름 차단 플레이트(9)는 열교환기(1)의 각각의 배기가스 흐름 도관(10)의 두 좁은 면(12, 13)에서 채널(16, 17)을 커버 및 차단하지만, 적어도 부분적으로 선택된 흐름 차단 플레이트(9)의 형상에 기초하여, 어떠한 서브세트의 채널(16, 17)도 커버 및 차단할 수 있다는 것을 주지해야 한다.

계속해서 도시된 실시형태의 흐름 차단 플레이트(9)를 참조하면, 흐름 차단 플레이트(9)의 표면들(24, 25)은, 표면(24, 25)에 통합된 재료의 웹(33) 의해 서로 연결된다. 이러한 재료의 웹(33)은 도시된 실시형태에서 모든 표면(24, 25)을 함께 연결한다. 다른 실시형태에서, 임의의 개수의 표면(24 및/또는 25)을 함께 연결하여 흐름 차단 플레이트(9)을 적어도 부분적으로 정의하기 위해, 다른 임의의 개수, 형상, 위치의 웹(33)을 이용할 수 있다. 이러한 웹(33)은 예를 들어, 배기가스 흐름 도관(10)의 좁은 면(12, 13)에서 채널(16, 17)을 커버하는 흐름 차단 플레이트(9)의 인접한 표면들(24) 사이에서 연장되어 표면들을 연결할 수 있다. 웹(33)은 또한 인접한 배기가스 흐름 도관들(10) 사이에 위치된 흐름 차단 플레이트(9)의 인접한 표면들(25) 사이에서 연장되어 표면들을 연결할 수 있고/있거나, 이러한 유형의 표면들(24, 25) 각각의 사이에서 연장되어 각각의 표면들을 연결할 수 있다.

상술한 바와 같이, 도시된 실시형태의 흐름 차단 플레이트의 표면들(24, 25)은 각각의 융기된 부분을 가진다. 이러한 점에서, 표면들(24, 25)은 채널들(16, 17)의 단부 내 또는 배기가스 흐름 도관들(10) 사이의 위치에 삽입되기에 적합한 임의의 형상을 가진 돌출부로 각각 정의될 수 있다. 다른 실시형태에서, 임의의 개수의 표면(24 및/또는 25)는 실질적으로 편평하며, 여기에 기술된 기능들을 수행하기 위해 반드시 그러한 위치들로 연장될 필요는 없다. 예를 들어, 흐름 차단 플레이트(9)의 표면들(24) 중 일부 또는 전부는 실질적으로 편평할 수 있고, 채널(16, 17)의 좁은 면(12, 13)를 커버하도록 위치될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 대신에 임의의 개수의 표면(24)이 흐름 차단 플레이트(9)의 리세스로 정의될 수 있고, 흐름 차단 플레이트 내에 배기가스 흐름 도관(10)의 좁은 면(12, 13)이 수용되어 배기가스 흐름 도관(10)의 상응하는 채널(16, 17)을 커버 및 차단한다.

흐름 차단 플레이트(9)의 표면들(24)이 채널(16, 17) 내로 연장되거나 또는 흐름 차단 플레이트(9)의 표면들(24)이 인접한 채널(16, 17)의 좁은 면(12, 13)을 수용하는 실시형태들에서, 표면들(24)은 각각 좁은 면(12, 13)의 내부 또는 외부 형상에 대응하는 형상을 가질 수 있다. 이러한 방식으로 표면들(24)의 형상을 매칭함으로써 흐름 차단 플레이트(9)의 기능 수행 능력을 향상시킬 수 있다.

흐름 차단 플레이트(9)는 예를 들어 스탬핑, 몰딩, 기계가공 등의 많은 다양한 방식들로 제조될 수 있다. 일부 실시형태에서, 흐름 차단 플레이트(9)는 일정하거나 실질적으로 일정한 두께를 가진 단일 재료 시트로 제조될 수 있고, 배기가스 흐름 도관(10)에 설치하기 위해 원하는 최종 형상으로 임의의 적절한 방식을 통해 형성된다. 따라서, 여기에서 설명된 표면들(24, 25)은 재료 시트의 둘러싸는 표면들(예를 들어, 웹(33))에 대해 평면 외부로 압입됨으로써 제조될 수 있다.

도시된 실시형태는 흐름 도관(10)의 배기가스 배출 단부(31)에 흐름 차단 플레이트를 포함하지만, 흐름 도관(10)의 흡입 단부(30)의 적소에 흐름 차단 플레이트(9)를 배치하거나 또는 배출 단부(31)의 흐름 차단 플레이트(9)에 추가하여 배치함으로써 동일하거나 비슷한 효과를 달성할 수 있다.

흐름 차단 플레이트(9)를 이용하여 제1 및 제2 채널(16, 17)에 우세하도록 제3 채널(18)을 우회하는 배기가스의 능력을 저해하면 열교환기(1)의 열적 성능을 유지하는 데에 도움이 된다. 특히, 열교환기(1)가 흐름 차단 플레이트(9)를 포함하지 않았을 경우, 상술된 피드백 메커니즘으로 인해 열적 성능은 감소될 수 있다. 흐름 차단 플레이트(9)로부터 유래된 이득을 평가하기 위해, 흐름 차단 플레이트(9)를 추가한 점을 제외하고 점선(26)의 테스트 데이터를 생성하는 데에 사용된 것과 동일한 열교환기를 동일한 방식으로 테스트했다. 이러한 테스트의 결과를 도 8의 실선(27)으로 표시하였다. 그래프로 입증되는 바와 같이, 흐름 차단 플레이트(9)를 구비한 열교환기(1)는 깨끗한 상태(즉, 0시간의 테스트 시간)에서 향상된 성능을 보였다. 그러나 테스트 과정 동안 열교환기가 파울링됨에 따라, 흐름 차단 플레이트(9)를 구비한 열교환기(1)는 흐름 차단 플레이트를 구비하지 않은 열교환기보다 현저한 열적 성능 향상을 보였다. 놀랍게도, 파울링 조건에서 작동하는 열교환기들은 거의 동일한 압력 강하를 보였고, 이는 흐름 차단 플레이트(9)를 구비한 열교환기(1)의 제3 채널(18)이 흐름 차단 플레이트를 구비하지 않은 열교환기의 흐름 채널보다 파울링으로 인한 흐름 채널 감소를 덜 겪었다는 것을 시사한다.

흐름 차단 플레이트(9)를 추가함으로써 특히, 제1 및 제2 채널(16, 17)의 유압 직경에 대한 제3 채널(18)의 유압 직경의 비가 0.75 미만일 때, 배기가스 열교환기의 열 전달 성능을 바람직하게 향상시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 특정 용도에서 열 전달 성능을 특히 바람직하게 향상시키기 위해 이러한 비는 0.5 미만이다.

본 발명의 구체적 실시형태들을 참조하여 본 발명의 특정한 특징들 및 요소들에 대한 다양한 대안들이 기술된다. 상술된 각각의 실시형태들과 상호 배타적이거나 모순되는 특징들, 구성요소들 및 작동 방식들을 제외하고, 특정한 일 실시형태를 참조하여 기술된 대안적인 특징들, 구성요소들 및 작동 방식들을 다른 실시형태에도 적용 가능하다는 점을 주지해야 한다.

도면에 도시되고 상술된 실시형태들은 오직 예시적으로 제시되며, 본 발명의 개념 및 원리를 제한하려는 의도가 아니다. 이로써 당업자라면, 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 구성요소들과 그 구성 및 배치에 다양한 변화가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어 도 1 내지 도 4에 도시된 열교환기(1)는, 그 내부에 복수의 흐름 도관(10)이 위치된 (그리고 상술한 바와 같이 하나 이상의 흐름 차단 플레이트(9)에 의해 부분적으로 커버된) 외부 케이싱(2), 배기가스 흡입 탱크(3), 배기가스 배출 탱크(4), 및 배기가스 흐름 흡입 포트 및 배출 포트(7, 8)를 가진다. 다른 용도에서, 본 발명의 특징들을 이용하면서도 열교환기(1)의 다른 구성이 가능한데, 그 예로는 상이한 형상과 크기들을 가지는 열교환기, 한 개가 넘는 배기가스 흡입 탱크 및/또는 배출 탱크를 가지는 열교환기, 및 한 개가 넘는 배기가스 흐름 흡입 포트 및/또는 배출 포트를 가지는 열교환기가 있다. 또 다른 예로서, 열교환기(1)는 원하는 임의의 개수의 흐름 차단 플레이트(9)를 가질 수 있고, 그 각각은 복수의 흐름 도관(10)을 통해 흐르는 유체를 차단할 수 있다.

본 발명의 다양한 특징 및 이점이 다음의 특허청구범위에 기술된다.

1: 열교환기 2: 외부 케이싱
3: 배기가스 흡입 탱크 4: 배기가스 배출 탱크
9: 흐름 차단 플레이트 10: 흐름 도관

Claims

엔진으로부터의 배기가스를 냉각하도록 구성된 열교환기로,
엔진으로부터의 배기가스를 받아들이도록 구성된 입구;
배기가스를 엔진으로 다시 안내하도록 구성된 출구;
입구에 인접한 제1 단부, 출구에 인접한 제2 단부, 제1 좁은 면, 제1 좁은 면에 대향하는 제2 좁은 면, 제1 좁은 면과 제2 좁은 면 사이에서 연장된 실질적으로 편평하고 넓은 면, 제1 좁은 면에 인접하며 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장된 제1 채널, 제2 좁은 면에 인접하며 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장된 제2 채널, 및 제1 채널과 제2 채널 사이에 위치하며 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장된 복수의 제3 채널을 포함하는 배기가스 흐름 도관; 및
배기가스 흐름 도관의 제1 단부 및 제2 단부 중 하나에 위치하여, 배기가스가 제1 채널 및 제2 채널 중 적어도 하나를 통해 흐르는 것을 막는 한편, 배기가스가 복수의 제3 채널을 통해서는 흐르도록 하는 플레이트;를 포함하는 열교환기.
제1항에 있어서,
배기가스 흐름 도관의 일부를 수용하는 헤더를 더 포함하고, 플레이트는 헤더에 직접 결합되는 것인 열교환기.
제1항에 있어서,
배기가스 흐름 도관은 배기가스 흐름 도관을 복수의 제3 채널로 구분하는 핀 구조를 포함하는 것인 열교환기.
제1항에 있어서,
제1 채널은 제1 유압 직경을 가지고, 제2 채널은 제2 유압 직경을 가지며, 제3 채널 중 적어도 하나는 제1 유압 직경보다 작은 제3 유압 직경을 가지는 것인 열교환기.
제4항에 있어서,
제2 유압 직경은 제1 유압 직경과 유사한 것인 열교환기.
제1항에 있어서,
플레이트는 복수의 제3 채널 중 적어도 일부와 일직선으로 정렬된 개구를 포함하여 배기가스가 복수의 제3 채널을 통해 흐르도록 하는 것인 열교환기.
제6항에 있어서,
플레이트는 배기가스가 제1 채널 및 제2 채널 둘 다를 통해 흐르는 것을 막는 것인 열교환기.
제1항에 있어서,
플레이트는 측면 및 측면으로부터 오프셋된 표면을 포함하고, 표면은 제1 좁은 면에 인접한 배기가스 흐름 도관 내에 수용되어 배기가스가 제1 채널을 통해 흐르는 것을 실질적으로 차단하는 것인 열교환기.
제8항에 있어서,
배기가스 흐름 도관은 배기가스 흐름 도관을 복수의 제3 채널로 구분하는 핀 구조를 포함하고, 측면으로부터 오프셋된 표면이 핀 구조에 접촉하는 것인 열교환기.
제8항에 있어서,
표면은 제1 표면이며, 플레이트는 측면으로부터 오프셋된 제2 표면을 더 포함하고, 제2 표면은 제2 좁은 면에 인접한 배기가스 흐름 도관 내에 수용되어 제2 채널을 통한 배기가스 흐름을 실질적으로 차단하는 것인 열교환기.
제1항에 있어서,
배기가스 흐름 도관의 제1 좁은 면 및 제2 좁은 면은 아치형인 것인 열교환기.
제1항에 있어서,
배기가스 흐름 도관은 복수의 배기가스 흐름 도관 중 하나이며, 각각의 배기가스 흐름 도관은,
입구에 인접한 제1 단부;
출구에 인접한 제2 단부;
제1 좁은 면;
제1 좁은 면에 대향하는 제2 좁은 면;
제1 좁은 면과 제2 좁은 면 사이에서 연장된 실질적으로 편평하고 넓은 면;
제1 좁은 면에 인접하며 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장된 제1 채널;
제2 좁은 면에 인접하며 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장된 제2 채널; 및
제1 채널과 제2 채널 사이에 위치하며 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장된 복수의 제3 채널;을 포함하며,
플레이트는 복수의 배기가스 흐름 도관의 제1 단부 및 제2 단부 중 하나에 위치되고 복수의 배기가스 흐름 도관들 사이에서 연장되며, 배기가스가 각각의 배기가스 흐름 도관의 제1 채널 및 제2 채널 중 적어도 하나를 통해 흐르는 것을 막는 한편 배기가스가 각각의 배기가스 흐름 도관의 복수의 제3 채널을 통해서는 흐르도록 하는 것인 열교환기.
엔진으로부터의 배기가스를 냉각하도록 구성된 열교환기로,
엔진으로부터의 배기가스를 받아들이도록 구성된 입구;
배기가스를 엔진으로 다시 안내하도록 구성된 출구;
입구에 인접한 제1 단부, 출구에 인접한 제2 단부, 제1 아치형 면, 제1 아치형 면에 대향하는 제2 아치형 면, 제1 아치형 면과 제2 아치형 면 사이에서 연장된 실질적으로 편평하고 넓은 면, 제1 아치형 면에 인접하고 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되며 제1 유압 직경을 가지는 제1 채널, 제2 아치형 면에 인접하고 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장되며 제2 유압 직경을 가지는 제2 채널, 및 제1 채널과 제2 채널 사이에 위치하고 각각 제1 유압 직경보다 작은 제3 유압 직경을 가지는 복수의 제3 채널을 포함하는 배기가스 흐름 도관; 및
배기가스 흐름 도관의 제1 단부 및 제2 단부 중 하나에 위치하여, 배기가스가 제1 채널 및 제2 채널 중 적어도 하나를 통해 흐르는 것을 막는 한편, 배기가스가 복수의 제3 채널을 통해서는 흐르도록 하는 플레이트;를 포함하는 열교환기
제13항에 있어서,
배기가스 흐름 도관과 유사한 복수의 배기가스 흐름 도관을 더 포함하고, 플레이트는 배기가스가 각각의 배기가스 흐름 도관의 제1 채널 및 제2 채널 중 적어도 하나를 통해 흐르는 것을 막고, 배기가스가 각각의 배기가스 흐름 도관의 복수의 제3 채널을 통해 흐르도록 하는 것인 열교환기.
제13항에 있어서,
배기가스 흐름 도관의 일부를 수용하는 헤더를 더 포함하고, 플레이트는 헤더에 직접 결합되는 것인 열교환기.
제13항에 있어서,
제1 유압 직경에 대한 제3 유압 직경의 비가 0.75 미만인 것인 열교환기.
제13항에 있어서,
제1 유압 직경에 대한 제3 유압 직경의 비가 약 0.4인 것인 열교환기.
제13항에 있어서,
제2 유압 직경이 제1 유압 직경과 유사한 것인 열교환기.
제13항에 있어서,
플레이트는 복수의 제3 채널 중 적어도 일부와 일직선으로 정렬된 개구를 포함하여 배기가스가 복수의 제3 채널을 통해 흐르도록 하는 것인 열교환기.
제13항에 있어서,
플레이트는 측면 및 측면으로부터 오프셋된 표면을 포함하고, 표면은 제1 아치형 면에 인접한 배기가스 흐름도관 내에 수용되어 배기가스가 제1 채널을 통해 흐르는 것을 실질적으로 차단하는 것인 열교환기.