KR20170087032A

KR20170087032A - 열 교환 장치

Info

Publication number: KR20170087032A
Application number: KR1020170006327A
Authority: KR
Inventors: 조세 안토니오 그란데 페르난데스; 페드로 리오
Original assignee: 보그워너 에미션스 시스템스 스페인, 에스.엘.유.
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2017-07-27
Also published as: EP3196456B1; EP3196456A1; CN106979100A; US20170204812A1; CN106979100B

Abstract

본 발명은 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 시스템 내에서 재순환되는 배기 가스를 냉각시키기 위해 적합한 열 교환기 장치에 관한 것이다.
본 발명은 액체 냉각제와 유체연동으로 내연 엔진의 엔진 블록의 공동 내의 열 교환기를 통합하는 것을 허용하는 형상을 특징으로 한다.

Description

열 교환 장치{HEAT EXCHANGE DEVICE}

본 발명은 EGR(배기 가스 재순환; Exhaust Gas Recirculation) 시스템에서 재순환된 배기 가스를 냉각시키기 위해 적합한 열 교환기 장치에 관한 것이다.

본 발명은 액체 냉각제(liquid coolant)와 유체 연통(fluid communication)으로 내연 엔진(internal combustion engine)의 엔진 블록(engine block)의 공동(cavity) 내의 열 교환기를 통합시키는(integrating) 것을 허용하는 형상(configuration)을 특징으로 한다.

본 발명은 환경을 보호하는 것에 영향을 미친다.

가장 집중적인 개발(intensive development)을 경험하는 기술분야들 중 하나는 내연 엔진들의 오염 배출(contaminating emissions)를 줄이기 위한 시스템이다.

특히, EGR 시스템은 연소 챔버(combustion chambers)에 들어가는 산소의 양을 줄이도록 흡기구(intake) 내로 가스의 일부를 재유입함으로써(reintroducing), 배기 가스를 재순환시키고, 결과적으로 질소 산화물(nitrogen oxide emission)을 줄인다.

재순환된 가스는 그것이 먼지 입자를(dirt particles)가지고 있는 것으로부터 방지되고 그것의 온도가 높은 것으로부터 방지되도록 전처리(pretreated)되어야 한다. 이러한 재순환된 가스 처리(recirculated gas treatments)는 연소 챔버가 더러워지고 흡기(intake air) 온도가 상승을 방지하는 것을 허용하며, 이는 감소된 충진물(filling)과 이에 따른 엔진 동력(engine power)의 급격한 감소(drastic reduction)를 초래한다.

이러한 재순환된 가스 처리를 위해 필요로 하는 장치들은 공간을 차지하고 EGR 시스템이 요구하는 각각의 구성요소들을 통과하는, 배기 라인(exhaust line)에서의 습득지점(acquisition point)으로부터 흡기구로 가스를 나르는 도관을 요구한다.

내연 엔진 내의 추가적인 구성요소들을 통합하는 것의 가장 큰 단점 중에 하나는 엔진 베이(engine bay)에서 사용할 수 있는 작은 공간이다. 구성요소들의 추가에 필요한 패키징(packaging)은 장치의 모양과 그것의 위치를 결정(conditions)한다.

두 개의 다른 장치들이 엔진 베이의 분리된 갭(separate gaps)들에 위치될 때, 두 장치들을 연통하는 도관을 연장하는 것의 필요성 때문에 추가적인 패널티(penalization)가 있다. 두 장치들과 그것들을 연결하는 이러한 도관들은 제한된 이용 가능한 공간을 차지하며 이는 엔진 어셈블리 및 유지를 더욱 복잡하게(complicates) 한다.

EGR 시스템에서 필수 구성요소는 그것의 흡기 온도에 맞춰지도록(adapt) 배기 가스를 냉각시키는 열 교환기이다. 가장 일반적인 열 교환기들은 쉘(shell)에 수용되어 잇는 튜브의 다발(bundle)을 통과하는 고온 가스를 허용한다. 고온 가스로부터 열을 방출하는 액체 냉각제는 튜브의 다발을 냉각하는 튜브의 다발과 쉘 사이를 통과하도록 허용된다. 이어서, 액체 냉각제에 의해 제거된 열은 라디에이터(radiator)에 의해 대기로 방출된다.

이러한 열 교환기 구조에서, 쉘은 배플(baffles)과 유입구 및 배출구 매니폴드들이 분리되는 것을 유지(keep)하도록 제공되는 저항 요소(resistant element)이다. 열 교환 튜브들(heat exchange tubes)은 이러한 배플들 사이에서 연장된다.

어셈블리(assembly)는 엔진 베이 내에 수용되고 유체 연결을 필요로 하는 장치를 형성하여서 엔진 블록과 라디에이터 사이에서 순환하는(circulating) 액체 냉각제는 또는 배기 가스를 냉각시키는 것을 허용하는 이러한 열 교환기를 통과한다.

본 발명은 엔진 블록 내에 열 교환기를 통합시키는 것을 허용하는 열 교환기 구조에 의해 위에서 확인되었던 문제들을 해결하여서 상기 열 교환기는 엔진의 액체 냉각제로 덮인 공동 내에 수용된다.

열 교환기가 독립적인 장치로써 이용되어 공간을 차지하지 않는 것 이외에도, 또한 액체 냉각제의 유체 연결들 방지한다.

본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라서, 냉각된 가스 배출구의 유체 연결은 또한 방지된다.

본 발명의 일 양태는 내연 엔진의 엔진 블록 내에 제공되는 공동에 설치되기 위하여 구성된 열 교환기 장치에 관한 것이다.

엔진의 액체 냉각제가 이러한 공동을 통해 흘러서 장치가 구성요소들을 저장하는(saving) 액체 냉각제 유입구 및 배출구 도관들 또한 엔진 베이 내의 공간을 차지하는 도관들을 필요로 하지 않는다

공동은 공동을 폐쇄하도록 놓인 장치 위의 주변 시트(perimetral seat)를 가져서, 장치는 엔진 블록과 통합된다.

장치는,

- 플레이트(plate), 제1 지지대(first support) 및 제2 지지대(second support)를 차례로 포함하는 구조 요소(structural element) :

플레이트는 내부 면 및 외부 면을 가지고, 외부 면은 공동을 향해 배향되기 위하여 구성되고 상기 플레이트는 그것의 내부 면 상에 엔진 블록의 공들의 주변 시트 상에 놓이기 위하여 구성되는 시트를 포함함;

제1 지지대는 플레이트의 내부 면 상에 위치됨; 및

제2 지지대는 또한 플레이트의 내부 면 상에 위치되며,

- 제1 지지대 내에 고정되는 튜브의 다발의 단부, 제2 지지대 내에 고정되는 튜브의 다발의 반대 단부 및 플레이트의 내부 면의 측부 상에 위치되는 열 교환 튜브의 다발을 포함한다.

장치는 구조 요소를 포함하고, 구조 요소는 다른 구성요소들을 확보하는(securing) 것이 가능한 요소로써 이해되어 지고, 이는 지지하는 기능이며; 또한, 이는 열 교환기를 구성하는 일련의 요소들(set of elements)에서 생성되는 응력을 견디는 것이 가능하다. 즉, 장치의 구성요소들이 이러한 구조 요소에 고정될 뿐만 아니라 예를 들어 어셈블리, 열 팽창들, 내부 응력 등에 의한 응력이 요소들 사이에서 나타날 수 있고 이러한 응력들은 엔진 블록으로 이어지는 추가적인 구조 요소들을 필요로 함 없이 구조 요소로 전달된다. 가장 큰 응력은 튜브 다발의 열 팽창으로 인한 것이며 본 발명은 그것들을 엔진 블록에 전달함 없이 또는 즉, 장치의 구조적 안정성(structural stability)을 부여하는(conferring) 요소들의 일부인 엔진 블록의 필요성 없이 이러한 응력을 흡수하는 것(absorbing)을 위한 역할을 하는 것으로 이러한 구조 요소를 확립한다.

구조 요소는 세 개의 요소들, 플레이트 및 두 개의 지지대들에 의해 주로 형성된다. 플레이트는 구조 요소의 기본 요소(base element)일 뿐만 아니라 장치가 수용되는 공동; 즉, 열 교환기의 폐쇄(closure)를 설정하는 것도 제공한다. 폐쇄는 엔진 블록의 공동의 주변 시트에 놓이기 위하여 구성되는 시트를 통해 달성된다.

플레이트는 두 개의 면들, 내부 면 및 외부 면으로 정의된다. 내부 면은 공동 내측에 위치되기 위하여 의도되고 그에 의해 액체 냉각제와 접촉하는 측부 상에 있다. 외부 면은 엔진 블록에 조립된 후에 공동 외측에 위치된다.

이러한 동일한 구조 요소는 제1 지지대 및 제2 지지대를 가진다. 지지대들 각각은 플레이트의 일체형 부품으로써 또는 일단 부착되면 플레이트와 단일 저항 요소를 형성하는 것으로 제공되는 상기 플레이트에 견고히 부착되는 독립적인 부품으로써 형성될 수 있다.

열 교환 튜브 두 지지대들 사이에서 연장한다. 이러한 지지대들은 액체 냉각제에 의해 덮이고 공동 내측으로 연장하는 튜브의 다발을 허용한다. 관성 튜브의 다발의 운동(inertial movements) 또는 열 팽창(thermal expansion)에 의해 생성되는 응력들(stresses)은 플레이트에 그것들을 전달차례로 전달하는 제1 및 제2 지지대들에 전달된다. 그러므로, 공동의 내측으로부터 시작하는 저항 요소들 없이 열 교환기의 모든 주 요소들은 공동을 폐쇄하는 저항 요소에 적절하게 고정되고 지지된다.

실시예들에 따르면, 튜브들은 튜브의 다발에 작용하는 관성 응력(inertial stresses)에 의한 진동을 줄이도록 저항 요소에 고정되는 중간 세그먼트(intermediate segments)에서 또는 그것의 길이의 지점에서 추가적인 요소들을 결합시킬 수 있다.

또한,

제1 지지대는 상기 플레이트의 제1 개구(first opening)를 통해 플레이트의 외부 면에 유체연결에 있고 또한 튜브의 다발의 단부들 중 하나에서 교환 튜브들의 내측에 유체 연결에 있는 제1 내부 챔버(first internal chamber)를 포함하고;

제2 지지대는 엔진 블록의 재순환된 가스 흡기 개구에 유체 연통하고 또한 튜브의 다발 중 반대 단부에서 교환 튜브들 중 내측에 유체 연통하는 제2 내부 챔버(second internal chamber)를 포함한다.

즉, 튜브의 다발의 열 교환 튜브들은 제1 및 제2 지지대들에 의해 그것들의 단부들을 통해서 주로 고정된다. 또한, 이러한 지지대들은 소위 제1 내부 챔버와 제2 내부 챔버로 각각 명명된, 내부 챔버를 포함하고, 이는 냉각되는 가스의 유입구 또는 배출구와 튜브들의 내측과 유체 연통한다.

제1 지지대의 경우에, 내부 챔버는 플레이트의 외부 면과 유체 연통하고, 이러한 유체 연통은 배기 관로로부터 고온 가스의 투입(input)을 받아서 이는 공동의 액체 냉각제로 그것의 열을 전달함으로써 그것의 온도를 줄이는 열 교환 튜브들 내로 진행할 수 있다.

제2 지지대의 경우에, 제2 내부 챔버는 엔진 블록에 위치된 흡기구와 유체 연통한다.

제1 실시예에 따르면, 이미 냉각된 재순환된 가스가 대기로부터의 공기와 혼합되기 위해 유입되는(introduced) 것을 엔진 블록의 흡기구는 공동 외측의 개구로부터 접근 가능하고 그것으로부터 분리된다. 이는 이러한 실시예들의 방식으로 제공되어서 제2 내부 챔버는 이후 엔진 블록의 이러한 개구를 통해 유입되기 위해 외부 면 상에 위치된 도관들 또는 챔버들와 유체 연통한다.

제2 실시예들에 따라서, 이미 냉각된 재순환된 가스가 대기로부터의 공기와 혼합되기 위하여 유입되는 엔진 블록의 흡기구는 공동 내부에 위치되는 개구로부터 접근 가능하다. 액체 냉각제는 이러한 개구를 들어갈 수 없다. 이러한 실시예들에서 제2 내부 챔버는 엔진의 흡기구로 냉각된 가스를 유입시키기 위한 개구와 유체 연통한다.

본 명세서에 개시되어 있음.

이러한 실시예들은 도면들을 이용하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
본 발명의 이러한 및 다른 특징들 및 이점들은, 첨부된 도면들을 참조하여 단지 보여지고 비-제한적인 예시들의 방식으로만 주어지는, 다음의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 교환 튜브들의 방향을 따르는 세로 구역(longitudinal section)에 있는 본 발명의 제1 실시예를 도시한다. 장치는 내연 엔진들을 위해 적절하고 여기서 재순환된 가스의 흡기 개구와 장치를 수용하는 공동은 분리된다.
도 2는 엔진 블록이 없는 동일한 실시예의 사시도이며 여기서 튜브의 다발과 연결된 일련의 요소들과 함께 튜브의 다발은 장치의 특정 세부사항을 관찰하는 것을 허용하도록 분리되어 도시된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예들의, 또한 교환 튜브들의 방향을 따르는, 세로 구역을 도시한다. 형상은 압력손실을 최소화하기 위하여 덜 급격한(less abrupt) 방향 변화를 가지는 냉각된 가스의 경로(path)를 정의하는 덕트 및 챔버들 및 지지대들은 플레이트와 일체형이 아니라는 것을 제외하고 제1 실시예의 것과 같다.
도 4는 엔진 블록의 공동에 설치되기에 적절한 제3 실시예를 도시하고, 여기서 상기 공동은 일단 그것이 냉각되면 재순환된 가스의 유입 개구를 통합한다. 본 도면은 평면도이다. 명확하게 하기 위해, 엔진 블록의 개략적인 표현은 장치에 시각적인 접근을 용이하게 하는 두 개의 후속 도면과 본 도면에서 제거되었다.
도 5는 세로 구역을 따르는 동일한 실시예를 도시한다.
도 6은 장치의 몇몇 형상적인 디테일들을 관찰하는 것을 허용하도록 동일한 실시예의 몇몇 부품들의 분해도와 개략적인 도면을 따르는 동일한 실시예를 도시한다.

제1 발명의 양태에 따르면, 본 발명은 엔진 블록 내에서 통합될 수 있는 열 교환을 위한 장치에 관한 것이다. 모든 실시예들에서, 열 교환은 고온 가스, 내연 엔진의 배기 관로로부터 오는 재순환된 가스, 및 액체 냉각제 사이에서 수행될 것이고, 액체 냉각제는 엔진 블록(E)의 내측을 통해서 순환한다.

기술된 모든 실시예에 따르면, 교환 장치들은 엔진 블록(E)에 제공되는 공동(C) 내에 수용되기 위하여 구성된다. 또한, 액체 냉각제는 열 교환 장치를 통해 고온 가스에 의해 떠나는 열을 방출하기 위해 이러한 공동(C) 내를 흐르도록 관찰된다.

또한, 동일 엔진 블록(E)은 그것이 장치에 의해 냉각된 후에 재순환된 가스를 받아들이기 위한 개구(R)를 가진다.

도 1은 제1 실시예의 세로 구역뿐만 아니라 열 교환 장치를 수용하기 위해 의도되는 상기 엔진 블록(E) 내에 존재하는 공동(C)과 엔진 블록(E)의 개략적인 표현을 도시한다. 이러한 공동(C)에서 비록 액체 냉각제가 순환하는 것이, 도 1에서 도시되지는 않았지만, 엔진블록(E)의 다른 일부들과 연통하는 관로들에 접근한다. 도 2는 이러한 동일한 실시예의 가장 관련 있는 구성 요소들의 분해 사시도이다.

길이 방향은 모든 경우에서 열을 전달하기 위하여 이용되는 튜브의 다발(2)의 열 교환 튜브들이 고온 가스로부터 액체 냉각제로 연장하는 방향으로 확인될 것이다.

도 1에서 공동(C)의 개구는 그것의 그래픽 표현을 위해 선택되는 도면의 방향을 따라서 아래쪽으로 배향된다.

실시예들의 설명 전반에 걸쳐서, 만약 위, 아래, 오른쪽 또는 왼쪽과 같은 위치 용어들이 이용되면, 이들은 선택된 방향에 따라서 도면들에서 도시된 방향을 나타내는 용어로 해석되어야 한다.

열 교환 장치는 플레이트(1.1), 제1 지지대(1.2) 및 제2 지지대(1.3)를 포함하는 구조 요소(1)에 의해 형성된다. 플레이트(1.1)는 그것의 폐쇄를 구성하고 공동(C)의 개구를 덮는 하부에 도시된다.

플레이트(1.1)는 내부 면(A), 면은 공동(C) 쪽으로 배향되며, 이는 액체 냉각제와 접촉에 있는 면; 및 외부 면(B)을 정의하며, 면은 엔진 블록(E)의 외측을 향한다.

엔진 블록(E)의 공동(C)은 플레이트(1.1)가 지지되는, 도 1에서 도시되지 않은, 주변 시트를 가진다. 또한, 플레이트(1.1)는 액체 냉각제의 나감(exit)을 방지하는 누설-방지(leak-tightness)를 달성하는 공동(C)의 주변 시트에 차례로 놓이는 내부 면(A) 상에 시트를 가진다. 엔진 블록(E) 내의 구조 요소(1)를 고정하는 것을 허용하는 방식은 또한 공동(C)의 주변 부분(perimetral zone) 내에 위치된다.

이러한 실시예의 플레이트(1.1)는 알루미늄 사출(aluminum injection)에 의해 제조된다. 그럼에도 불구하고, 이러한 플레이트(1.1)는 일단 부착되면 그것이 저항 구조 요소를 형성하는 것으로 제공되는 더 작은 부품들을 부착함으로써 또는 붙힘(stamping)으로써, 금속 블록으로부터 기계가공에 의해 얻어질 수 있다. 또 다른 대안은 플레이트(1.1)가 저항 구조 요소를 초래하기에(gives rise to) 충분한 저항을 구비하는 사출(injected)되거나 기계 가공된 플라스틱(machined plastic)으로 제조되는 것이다.

내부 면(A)에는 두 지지대들인 제1 지지대(1.2) 및 제2 지지대(1.3)가 부각된다(emerge).

튜브의 다발(2)은 제1 지지대(1.2) 및 제2 지지대(1.3) 사이에서 연장하여서 튜브의 다발(2)은 플레이트(1.1)에 평행하게 배열되고 그것(1.1)으로부터 분리된다. 이러한 위치에서, 튜브들의 다발(2)은 배열된 공동(C)의 공간에서 수용되어서 작동 모드(operative mode)에서 액체 냉각제는 그것의 내측을 통해 순환하는 가스로부터 열을 방출하는 튜브의 다발(2)의 모든 튜브들을 덮는다.

이러한 실시예에서, 튜브의 다발(2) 중 튜브들은 일 단부에서 제1 배플(3)에 그리고 반대 담부에서 제2 배플(4)에 부착되고, 각각의 배플들(3, 4)은 제1 및 제2 매니폴드(5, 6)에 의해 늘려진(prolonged)다.

제1 지지대(1.2)는 제1 내부 챔버(1.2.1)를 가지고 제2 지지대(1.3)는 제2 내부 챔버(1.3.1)를 가진다. 제1 내부 챔버(1.2.1)는 플레이트(1.1)의 제1 개구(1.2.2)와 유체 연통하여서 그것은 내연 엔진의 배기 관로로부터 받는 고온의 가스를 받아들인다. 영역에 따른 내부 챔버(1.2.1)의 형상은 L모양이다. 플레이트(1.1)에 수직인 방향을 따라서 들어가는 유동은 그것의 열이 떠나가는 튜브들의 다발(2)을 통해서 플레이트에 평행인 방향으로 흐르도록 우회된다(diverted).

일단 유체가 제1 내부 챔버(1.2.1)에서 나가면 흐름은 제1 매니폴드(5)에 의해 튜브의 다발(2) 중 복수 개의 튜브를 통해 분포된다.

고온 가스는 액체 냉각제로 떠나가고 제2 내부 챔버(1.3.1)와 차례로 연통하는 제2 매니폴드(6)로 이동(moves out)한다. 또한, 이러한 제2 내부 챔버(1.3.1)는 플레이트(1.1)에 의해 정의되는 메인 평면(main plane)을 교차하는 나가는 것을 허용하도록 튜브들의 다발(2)에 수직한 방향으로 유동을 우회시키는 L 형상을 가진다.

이러한 실시예에서, 재순환된 가스의 흡기 개구(R)를 위한 엔진 블록(E)에서의 개구(R)는 그것이 냉각된 후에 공동(C)의 외측에 위치된다. 이러한 동일한 실시예에서, 구조 요소(1)는 플레이트(1.1)의 제3 개구(1.4)를 통한 접근을 남기며(leaving), 언급된 재순환된 가스 흡기 개구(R)를 덮어 연장하고, 덕트를 제공하여서 제2 개구(1.3.2)를 통해 남겨진(leaves) 냉각된 가스는 상기 개구(R)로 들어간다.

냉각된 가스가 엔진 블록(E)의 개구(R)로 접근을 위하여 들어가는 판(1.1)의 제3 개구(1.4) 및 냉각된 가스가 나가는 판(1.1)의 제2 개구(1.3.2) 모두에 대응하는 부분에서, 플레이트(1.1)는 두 번째 챔버(CS)를 초래하는 커버(1.5)에 의해 덮이고 두꺼워진다.

두 번째 챔버는 제2 내부 챔버(1.3.1)와 유체 연통하고 또한 엔진 블록(E)에서 위치된 재순환된 가스 흡기 개구(R)와 유체 연통한다. 이러한 두 번째 챔버(CS)는 다른 하나로부터 분리된 두 개의 장치를 연통하는 관로들을 필요로 함 없이 흡기 개구(R)가 냉각된 후에 재순환된 가스를 전달한다.

플레이트(1.1)의 두꺼운(thickened) 부분은 유동의 단일 방향(single direction)을 야기하는 두 개의 체크 밸브들(check valves; 1.6)을 가진다. 체크밸브들(1.6)의 수는 유동 요구에 의존한다. 체크 밸브들(1.6)의 수가 많을수록, 재순환된 가스 흡기 개구(R)로 이끌어질 수 있는 가스 유동이 커질 것이다.

이러한 실시예에서, 제1 매니폴드(5)와 제1 지지대(1.2) 사이에, 본 발명의 어떠한 실시예에 적용할 수 있는, 온도 변화에 따른 튜브들의 다발(2)의 길이 변화를 보정하는 탄성 변형 가능한 도관(9)이 있다.

또한, 튜브들의 다발(2), 매니폴드들(5, 6) 및 단성 변형 가능한 도관(9)에 의해 형성된 어셈블리는 제1 지지대(1.2) 및 제2 지지대(1.3) 각각으로부터 조립 및 분해될 수 있는 어셈블리를 형성한다. 어셈블리의 가스 투입 단부에는, 제1 지지대(1.2)에 나사결합(screwing)에 의해 부착되는 제1 플랜지(7)가 있고 반대 단부에는 제2 지지대(1.3)에 나사결합에 의해 부착되는 제2 플랜지(8)가 있다.

이러한 실시예에서, 탄성 변형 가능한 도관(9)이용되는 본 발명의 어떠한 실시예에도 적용할 수 있는, 플랜지들(7, 8) 사이의 어셈블리 거리는 조립의 순간에 그것이 차가울 시 제1 지지대(1.2) 및 제2 지지대(1.3) 사이의 거리보다 작다. 플랜지들의 나사 결합된 부착은 조여진(tightening) 플랜지들이 탄성 변형 가능한 도관(9)의 연장을 강요(imposes)함으로써 완료될 수 있다.

이러한 형상은 온도에서의 상승에 의한 어셈블리의 팽창이 두 개의 단계(phases)를 가지고 있다는 이점을 가지며 : 견인력(traction)을 위한 보상의 제1 단계는 강제된 나사 결합된 부착에 의해 야기됨; 제2 단계는 탄성 변형 가능한 도관(9)의 압축에 의해 야기됨. 어셈블리가 강제된 부착에 의해 이전에 인장되지 않은 경우에 탄성 변형 가능한 도관(9)은 오직 압력 하에서만 작동할 것이다. 제1 견인 단계(first traction phase) 및 제2 압력 단계(second compression phase)로 긴장 상태(tensional s)를 분배(distributing)함으로써, 탄성 변형 가능한 요소(9)가 작동하는 하에서 최대 장력이 제한되고, 그것의 수명이 연장된다.

이러한 실시예에서, 튜브들의 다발(2)은 공동(C)로 들어가는 유동을 안내하기 위한 다발의 주변의 일부(portion of the periphery)를 덮는 변류기(deflector; 10)를 가진다. 안내하는 것은 고온 가스 유입구에 가장 가까운 부분에 주로 튜브들의 다발(2)을 관통하도록(penetrate) 들어오는 액체 냉각제 유동을 강제한다.

액체 냉각제를 공동(C)에 공급하는 특별한 방법은 공동(C)의 길이를 따라서 분포된 액체 냉각제 유입 개구를 제공하는 것이다. 횡방향 유동(transverse flow)은, 이러한 예시에서 변류기(10)는 길이 방향을 따라서 측부 세그먼트(segment)에서 개방되기 때문에, 변류기(10)에 부딪히고, 횡방향 유동은 튜브들의 다발(2)의 내측을 통해 대류 유동을 강제한다.

이러한 실시예에서, 또한 튜브들의 다발(2)은 액체 냉각제 유동을 수정하고 또한 관성 응력들에 의해 생성되는 진동에 의한 역동적인 거동(dynamic behavior)을 개선하는, 튜브들의 다발(2)의 튜브들 사이 거리를 보장하는(assure) 중간 배플(intermediate baffles; 11)을 포함한다.

이러한 실시예에서의 튜브들의 다발(2)의 중간 일부에서 중간 지지대(intermediate support; 12)는 튜브들의 다발(2)의 관성 응력에 의한 파동의 진폭(amplitude of oscillations)을 감소시키고 따라서 진동에 의하여 튜브들의 부착에서 기계적인 피로(fatigue)와 응력들을 감소시키도록 통합되었다.

도 3은 제1 실시예의 형상과 많은 수의 구성요소들을 공유하는 제2 실시예를 영역에 따라서 도시한다. 이러한 이유로, 제1 실시예와 다른 요소들만 이러한 제2 실시예에서 기술된다.

이러한 제2 실시예는 제1 실시예 보다 더욱 소형이며 가스의 통로(passage)에서 더 낮은 압력 강하(pressure drop)를 제공한다.

더 낮은 압력 강하는 제1 지지대(1.2)의 제1 내부 챔버(1.2.1) 및 제2 지지대(1.3)의 제2 내부 챔버(1.3.1)의 L자 형상들이 더 개방된 각도 가지고, 즉 "L"의 각도가 더 커서 유동의 방향의 변화의 각도가 유입구 및 배출구 둘 모두에서 더 작다는 사실 때문이다.

마찬가지로, 플레이트(1.1)의 두꺼운 영역을 통해 진행하는 두 번째 챔버(CS) 쪽으로 재순환되고 냉각된 가스의 통로는 더 작은 각도, 즉 더 작은 각도로 방향의 변화를 또한 가지도록 두 번째 챔버(CS)로 도달을 야기하는 비스듬한 방향을 따라서 통과하는 더 작은 각도로 배출구를 늘리는 관로를 통과하는 것이다.

더 작은 각도를 구비하는 방향의 모든 이러한 변화들은 더 낮은 압력 강하를 초래하고 제1 지지대(1.2)와 제2 지지대(1.3)가 서로 마주보게 하는 것을 방지하지 않아서 튜브들의 다발(2), 제1 매니폴드(5), 제2 매니폴드(6) 및 탄성 변형 가능한 관로(9)에 의해 형성되는 어셈블리는 상기 제1 및 제2 지지대들(1.2, 1.3) 사이에 끼인(interposed)다.

다소 짧은 길이인 이러한 실시예에서, 제1 지지대(1.2) 및 제2 지지대(1.3) 사이에 위치된 어셈블리의 인장(pulling)이 허용되는 제1 실시예에서 플랜지들(7, 8)은 생략되었다. 중간 지지대(12)도 또한 생략되었다. 그럼에도 불구하고, 어셈블리는 플레이트(1.1)에 더 가까이로 튜브들의 다발(2)을 이동시킴으로써 더 소형으로 형성되었다. 튜브들의 다발(2)의 근처로부터 돌출하는 매니폴드들(5, 6)과 중간 배플들(11) 때문에, 그것들은 플레이트(1.1)의 내부 면(A) 상에 위치된 그루브들(grooves; 13) 내에 부분적으로 수용된다.

도 4, 5 및 6은 제3 실시예를 도시한다. 도 4는 평면도를 따르는 열 교환 장치를 도시하고, 도 5는 세로 구역을 도시하며 도 6은 분해된 투시도를 도시한다. 이러한 세 가지 도면들 중 어느 것도 장치의 구성요소들 각각에 시작적으로 접근하기 용이하게 하도록 공동(C) 또는 엔진 블록(E)의 표현을 포함하지 않는다.

이러한 실시예는 배기 관로로부터 나오는 고온 가스를 냉각시키고 상기 개구(R)가 일단 공동(C) 내부에 위치될 때 재순환된 가스 흡기 개구(R)를 통해 냉각되면 유입하는 것을 허용한다.

장치의 구조는 플레이트(1.1) 및 두 지지대들에 의해 형성되는 구조 요소(1)를 기본으로써 가지고, 제1 지지대(1.2)는 좌측에 도시되며 제2 지지대(1.3)는 우측에 도시된다.

제1 지지대(1.2)는 그곳에, 즉 플레이트(1.1)에 평행하세 연장하는 튜브들의 다발(2)의 방향으로 플레이트(1.1)의 제1 개구(1.2.2)를 통해 플레이트에 수직한 방향을 따라서 가스 입구(entry)의 방향에 적합한, 방향의 90˚ 변화에서 들어오는 가스 유동을 안내하기 위한 그것의 모서리를 깎은(chamfered) 아치 구역(arch section)을 따르는 형상과 내부 챔버(1.2.1)를 가진다.

제1 지지대(1.2) 및 튜브들의 다발(2) 사이에는 튜브들의 다발(2)의 튜브들 내에 들어가는 가스를 분포의 원인이 되는(responsible) 제1 매니폴드(5)와 제1 내부 챔버(1.2.1)의 배출구를 연결하는 탄성 변형 가능한 도관(9)이 있다.

튜브들의 다발(2)은 주로 고온 가스 유입구 측 상에서 튜브들의 다발(2)의 튜브들 사이에 액체 냉각제의 대류를 개선하는 튜브들과 변류기(10) 사이의 거리를 보장하는 두 개의 중간 배플들(11)을 보여준다.

튜브들의 다발(2)은 구조 요소(1)의 플레이트(1.1)에 매우 가까이에 위치된다. 중간 배플 때문에, 제1 매니폴드(5) 및 제2 매니폴드(6)는 튜브들의 다발(2)보다 더 큰 주변 치수(perimetral dimensions)를 가지고, 그것들은 플레이트(1.1) 내에 위치된 그루브들(13) 내에 부분적으로 수용된다.

냉각된 가스는 제2 지지대(1.3)의 내측의 제2 내부 챔버(1.3.1)와 차례로 유체 연통하는 제2 매니폴드(6) 내로 진행한다. 이러한 제2 지지대(1.3) 및 그것의 내부 챔버(1.3.1)는 더 큰 치수를 가지며 그것이 같은 공동(C) 내에 위치된 재순환된 가스 흡기 개구(R)에 직접 냉각된 가스를 이끌기 때문에 공동(C)의 외측과 연통되지 않는다.

개구(R)는 엔진 블록(E)이 도시되지 않게 주어진 도 4 내지 6에서 도시되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 제2 지지대(1.3)의 제2 개구(1.3.3)는 가스가 제1 및 제2 실시예들에서 발생하는 두 번째 챔버(CS)의 존재에 의해 요구되는 와인딩 통로(winding passages)를 따라가지 않기 때문에 압력 강하는 상당히 줄이는 엔진 블록(E)의 개구(R)와 직접 연통한다.

이러한 제3 실시예에 따른 제2 지지대(1.3)의 형상은 제2 내부 챔버가 체크 밸브들(1.6)을 수용하기 때문에 더 큰 치수이다.

제2 내부 챔버(1.3.1)는 커버(14)를 제거함으로써 접근 가능하다. 커버(14)의 제거에 의해 남겨진 개구는 어셈블리와 체크 밸브들(1.6)의 삽입을 용이하게 하는 제2 챔버(1.3.1)의 내측으로 접근을 허용한다.

도 6에서 도시된 사시도에서, 체크 밸브들(1.16)을 고정하기 위한 프레임(15)과 커버(14)는 관찰된다.

이러한 형상에서 튜브들의 다발(2)을 나가는 가스는 제2 내부 챔버(1.3.1)를 들어가고 방향의 변화 수를 줄이는 재순환된 가스 흡기 개구(R)에 접근하기 위한 제2 지지대(1.3)의 제2 개구(1.3.3)의 나가는 방향을 따라서 배향되기 위해 90˚로만 오직 회전되어야 하며 이에 의해 압력손실(pressure losses)은 상기 방향의 변화에 의해 생성된다.

1 : 구조 요소
1.1 : 플레이트
1.2 : 제1 지지대
1.2.1 : 제1 내부 챔버
1.2.2 : 제1 개구
1.3 : 제2 지지대
1.3.1 : 제2 내부 챔버
1.3.2 : 제2 개구
1.4 : 제3 개구
1.5 : 커버
1.6 : 체크 밸브
2 : 튜브들의 다발
3 : 제1 배플
4 : 제2 배플
5 : 제1 매니폴드
6 : 제2 매니폴드
7 : 제1 플랜지
8 : 제2 플랜지
9 : 탄성 변형 가능한 도관
10 : 변류기
11 : 중간 배플
12 : 중간 지지대
13 : 그루브

Claims

내연 엔진의 엔진 블록(E)의 공동(C)의 주변 시트 상에 설치를 위하여 형성되는 열 교환 장치에 있어서, 상기 공동(C)은 상기 엔진의 액체 냉각제와 유체 연통하고,
상기 장치는,
- 플레이트(1.1), 제1 지지대(1.2) 및 제2 지지대(1.3)를 차례로 포함하는 구조 요소(1), 및
- 상기 플레이트(1.1)의 내부 면(A)의 측부 상에 위치되는 열 교환 튜브들의 다발(2), 상기 튜브들의 다발(2)의 단부는 상기 제1 지지대(1.2) 상에 고정되고 상기 튜브들의 다발(2)의 반대 단부는 상기 제2 지지대(1.3)에 고정됨,
을 포함하며,
상기 플레이트(1.1)는 상기 내부 면(A) 및 외부 면(B)을 가지고, 상기 내부 면(A)은 상기 공동(C) 쪽으로 배향되기 위하여 구성되며, 상기 플레이트(1.1)는 그것의 내부 면(A) 상에 상기 엔진 블록(E)의 상기 공동(C)의 상기 주변 시트 상에 놓이기 위해 구성되는 시트를 포함하고;
상기 제1 지지대(1.2)는 상기 플레이트(1.1)의 상기 내부 면(A) 상에 위치되며; 및
상기 제2 지지대(1.3)는 또한, 상기 플레이트(1.1)의 상기 내부 면(A) 상에 위치되고,
상기 제1 지지대(1.2)는 상기 플레이트(1.1)의 제1 개구(1.2.2)를 통해 상기 플레이트(1.1)의 상기 외부 면(B)과 유체 연통하고 또한 상기 튜브들의 다발(2)의 상기 단부들 중 하나에서 상기 교환 튜브들의 내측과 유체 연통하는 제1 내부 챔버를 포함하며,
상기 제2 지지대(1.3)는 상기 엔진 블록(E)의 재순환된 가스 흡기 개구(R)와 유체 연통하고 또한 상기 튜브들의 다발(2)의 반대 단부에서 상기 교환 튜브들의 내측과 유체 연통하는 제2 내부 챔버(1.3.1)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열 교환 장치.
제 1항에 있어서,
상기 구조 요소(1)는 상기 플레이트(1.1)의 상기 외부 면(B)의 측부 상에 위치되는 두 번째 챔버(CS)를 포함하고,
- 상기 제2 내부 챔버(1.3.1)는 상기 플레이트(1.1)의 제2 개구(1.3.2)를 통해서 상기 두 번째 챔버(CS)와 유체 연통하고;
- 상기 두 번째 챔버(CS)는 상기 플레이트(1.1)의 제 3 개구(1.4)를 통해서 또는 상기 플레이트의 상기 제2 개구(1.3.2) 중 하나를 통해서 상기 엔진 블록(E)의 흡기구와 유체 연통하여서,
후자가 상기 엔진 블록(E)의 공동(C) 외측에 위치될 때 재순환된 가스 흡기 개구(R)를 통해서 냉각된 가스를 공급하는 것을 허용하는, 장치.
제 1항에 있어서,
상기 제2 내부 챔버(1.3.1)는 상기 엔진 블록(E)의 재순환된 가스 흡기 개구(R)와 유체 연통하고 이러한 유체 연통과 상기 개구(R)는 상기 엔진 블록(E)의 상기 공동(C) 내에 완전하게 위치되는, 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 지지대(1.2), 상기 제2 지지대(1.3) 또는 둘 모두(1.2, 1.3)는 "L"로 형성된 두 개의 마주보는 관로들인, 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 교환기의 하나 또는 양 단부들에서, 상기 튜브들의 다발(2)의 상기 열 교환 튜브들의 상기 단부들은 매니폴드(5, 6)에 차례로 부착되는 배플(3, 4)에 부착되고, 상기 매니폴드(5, 6)의 내측은 상기 배플(3, 4)에 부착된 상기 교환 튜브들의 내측과 유체 연통하며, 이러한 매니폴드(5, 6)는 대응하는 지지대(1.2, 1.3)의 내부 챔버(1.2.1, 1.3.1)와 유체 연통하는, 장치.
제 5항에 있어서,
상기 매니폴드들(5, 6)중 적어도 하나는 그것의 상기 대응하는 지지대(1.2, 1.3)로 부착을 위한 플랜지들(7, 8)을 가져서 적어도 어셈블리는 튜브들의 다발(2), 배플들(3, 4) 및 매니폴드들(5, 6)과 지지대(1.2, 1.3) 상에 결합될 수 있는 모듈을 형성하는 그것들의 플랜지들에 의해 형성되는, 장치.
제 5항에 있어서,
상기 장치는 적어도 튜브들의 다발(2)의 단부들 중 하나에서 상기 튜브들의 다발(2) 및 상기 플레이트 사이에서 차등 팽창(differential expansion)을 흡수하기 위하여 상기 지지대(1.2, 1.3) 및 상기 매니폴드(5, 6) 사이에 끼워진 탄성 변형 가능한 도관(9)을 포함하는, 장치.
제 7항에 있어서,
상기 탄성 변형 가능한 도관(9)은 풀무(bellows) 형상을 가지는, 장치.
제 7항에 있어서,
상기 플랜지들(7, 8) 사이의 거리는 상기 지지대(1.2, 1.3) 상에 결합될 수 있는 상기 모듈의 상기 길이보다 작을 수 있어서 상기 모듈의 플랜지들(7, 8)의 부착은 상기 탄성 변형 가능한 도관(9)의 인장 변형에 의해 발생하는, 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 튜브들(2)의 다발은 상기 튜브들(2) 쪽으로 상기 액체 냉각제를 관통시키기(channeling) 위하여 변류기(10)를 가지는, 장치.
제 10항에 있어서,
상기 변류기(10)는 상기 튜브들의 다발(2)의 측부 중 적어도 하 상에서 개방되는, 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구조 요소(1)는 :
사출된 알루미늄으로 제작되고,
기계 가공된 알루미늄으로 제작되며,
몇몇 그것의 일부에서 기계 가공된 후처리(finish)와 사출된 알루미늄으로 제작되고,
또는 사출된 플라스틱으로 제작되는,
부품인, 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구조 요소(1)는 서로 용접된 둘 이상의 일부들을 포함하는, 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항을 따르는 배기 가스 냉각 장치를 포함하는 EGR 시스템.