KR100666923B1 - 자동차용 공냉식 오일쿨러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 공냉식 오일쿨러에 관한 것으로서, 오일 출입구가 형성되고 양측에 세워진 제1, 제2헤더(22, 22')와, 상기 제1, 제2헤더를 연결하여 상기 헤더에 유입된 오일이 통과하도록 다수의 유로(36)가 형성되게 압출가공되며 상기 제1, 제2헤더의 길이방향을 따라 소정의 간격으로 배열된 다수의 압출튜브(24)와, 상기 압출튜브의 인접하는 사이 공간에는 오일과 공기가 용이하게 열교환되도록 방열핀(26)이 개재되어 있으므로, 냉각 성능이 우수하고 오일의 압력손실을 개선하여 필요한 동력을 저감시키고, 부품개수를 줄이고 제조공정을 단순화하여 제조가 용이하고 조립성을 향상하며 간단하게 장착할 수 있게 한다.

Description

자동차용 공냉식 오일쿨러{oil cooler for automobile}

도1은 종래 자동차용 공냉식 오일 쿨러를 나타내는 사시도,

도2는 자동차 변속기용 오일과 물의 점성계수를 비교하여 나타낸 그래프,

도3은 본 발명이 적용된 자동차용 공냉식 오일 쿨러를 나타내는 사시도,

도4는 본 발명에 사용되는 압출튜브의 일 실시예를 나타내는 사시도,

도5는 본 발명에 사용되는 압출튜브의 다른 실시예를 나타내는 사시도,

도6는 도5의 유로의 단면 형상에 대한 상세도,

도7은 본 발명에 사용되는 압출튜브의 다양한 실시예를 나타내는 단면도,

도8은 본 발명에 사용되는 핀의 설치상태도,

도9는 종래 오일쿨러(인너핀을 가진 튜브)와 본 발명의 오일쿨러(압출튜브)의 방열량을 비교하여 나타낸 그래프,

도10은 종래 오일쿨러(인너핀을 가진 튜브)와 본 발명의 오일쿨러(압출튜브)의 압력강하를 비교하여 나타낸 그래프,

도11은 본 발명에서 방열량과 압력강하를 전체적으로 종합하여 튜브 형상변화에 대한 오일 쿨러의 성능을 보이는 성능지수를 나타낸 그래프,

도12는 본 발명에서 미세돌출띠의 높이비에 대한 성능지수를 나타낸 그래프,

도13은 본 발명에서 미세돌출띠의 폭비에 대한 성능지수를 나타낸 그래프,

도14는 본 발명의 방열핀의 높이(Hf)와 압출튜브의 배열 피치(Pt)의 비에 대한 방열량을 종래 오일쿨러의 방열량을 비교하여 나타낸 그래프,

도15는 공기 입구의 속도에 따라 Hf/Pt 변화에 대한 압력강하를 종래와 비교하여 나타낸 그래프,

도16은 본 발명에서 방열량과 압력강하를 전체적으로 종합하여 방열핀 높이변화에 대한 오일 쿨러의 성능을 보이는 성능지수를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

22, 22' : 제1, 제2헤더 24 : 압출튜브

26 : 방열핀 36 : 유로

36a : 미세돌출띠

본 발명은 자동차용 공냉식 오일쿨러에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차 자동변속기의 오일 냉각용 열교환기인 공냉식 오일쿨러에 관한 것이다.

자동변속기에 사용되는 오일은 자동변속기가 변속될 때 윤활작용을 하여 마찰력을 최대한 줄여줌과 동시에 자동변속기에서 발생되는 마찰열을 흡수하여 자동변속기가 과열되는 것을 방지한다. 상기 마찰열을 흡수하여 소정온도 이상으로 가열된 오일은 그 상태에서는 더 이상의 마찰열 흡수가 잘 안되므로 오일에 흡수된 열을 방열시켜 냉각시켜 주어야만 하는데, 이러한 자동변속기의 오일 냉각은 대부분 엔진의 냉각수를 식혀주는 라디에이터의 하단에 상기 자동변속기의 오일이 통과되는 쿨러를 설치하여 오일이 쿨러를 통과할 때 그 주변의 냉각수와 열교환되면서 오일의 열이 방열되어 냉각되도록 하고 있다. 그리고 냉각성능을 보완하기 위해 추가적으로 공냉식 오일쿨러를 설치한다.

즉, 자동변속기용 오일 쿨러에서는 냉각 방식에 따라 수냉식과 공냉식으로 구별된다. 수냉식은 라디에이터 하부 탱크내에 장착되어 냉각수에 의해 변속기 오일을 냉각시키고, 부하에 따라서 수냉식 오일 쿨러의 용량이 부족한 경우 공냉식 오일 쿨러는 부족분의 부하를 담당하게 된다. 상기 공냉식 오일쿨러는 자동차 엔진룸의 적당한 공간에 위치하여 냉각팬에 의해 강제 송풍되는 공기와 차량 주행시의 주행 풍에 의해 변속기의 오일을 냉각시킨다. 상기 수냉식 오일쿨러는 내장형 오일쿨러라 하고, 상기 공냉식 오일쿨러는 외장형 오일쿨러라 불리기도 한다.

종래 공냉식 오일 쿨러는 도1에 도시한 바와 같이, 두 개의 플레이트(2, 4)가 그 내부에 오일이 통과하는 유로가 형성되게 접합되어 다수개의 튜브(1)를 형성하고, 상기 각 튜브(1)의 중간 내부에는 오일의 열전달을 촉진하기 위해 다수의 인너 핀(도시 안됨)이 구비되고, 상기 각 튜브(1)의 양단부에는 인접하는 튜브와 연통하는 연통부(8, 8')가 형성되며, 상기 연통부(8, 8')에는 오일이 출입하는 오일 출입구(10, 10') 및 오일 쿨러를 설치하기 위한 설치 브라켓(12, 12')이 결합되며, 상기 각 튜브(1) 사이에는 공기와의 열교환을 통한 방열을 위해 주름핀(6)이 개재되어 있다.

그런데, 종래 공냉식 오일쿨러에서는 오일의 냉각을 촉진하기 위하여 오일순환 유로에 인너핀이 삽입되어 있으므로, 튜브 측의 급격한 압력강하를 초래하게 되어 오일 순환에 필요한 동력을 증가시키고 있다. 이에 오일 압력강하 증가를 줄이기 위해 튜브폭을 증가시킬 수 있으나, 조립 구조상 공기 측인 주름핀의 폭도 증가하게 된다. 그러나 이는 공기 측 압력강하를 증가시키는 결과를 나타낸다.

그리고, 변속기 내부에 고부하가 걸리는 정차(아이들링)시, 또는 등판시(풍속 2~4m/s) 냉각성능이 크게 요구되지만, 종래의 공냉식 오일쿨러 특성으로는 한계가 있다. 자동 변속기에 사용되는 오일은 그 특성상, 점성계수가 크고 온도 변화에 의한 점성계수의 변화가 급격한 물성특성을 가지고 있어 다른 유체와 큰 차이를 나타낸다. 도2는 자동차 변속기용 오일과 물의 점성계수를 비교하여 나타내었는데, 도시한 온도조건에서 오일의 점성계수는 물의 점성계수에 비해 최대 145배, 최소 33배가 된다. 이러한 결과는 일반적으로 열전달 영역을 나타낼 때 기준으로 사용되는 무차원수인 레이놀즈(Reynolds)수가 오일의 작동조건에서는 층류 유동 영역에 포함되며, 이는 오일 유로 설계의 방향을 제시해 준다. 층류 유동 영역에서의 열전달 촉진 효과는 유동 속도 변화보다 열전달 면적 증가에 의한 효과가 더 크며, 종래의 오일 쿨러에 적용되는 오일 순환 유로는 열전달 면적을 증가하기 위하여 내부에 인너 핀(도시 안됨)이 삽입된 형태이다. 그러나 인너핀이 적용된 튜브는 제조 공법상 튜브의 높이 감소에 한계가 있고, 제조공법상의 문제가 없더라도 오일 순환 동력을 크게 유발시킨다. 따라서 튜브높이에 의해 구속조건이 되는 주름핀의 열전달 면적 및 촉진 정도를 제한하게 되어, 결국 오일 쿨러의 성능향상은 제약받게 된다. 즉, 열교환기에서의 열교환 성능은 오일 측과 공기 측 전체를 함께 고려해야 하기 때문에, 종래의 오일 쿨러로는 최적 성능을 구현하는데 한계가 있는 것이다.

그리고, 종래의 공냉식 오일쿨러는 상, 하 튜브 플레이트와 인너 핀으로 구성된 튜브의 부품개수가 많기 때문에 제조공정이 복잡하고 생산성이 저하되어 제조원가를 증가시키는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 냉각 성능이 우수하고 오일의 압력손실을 개선하여 필요한 동력을 저감시키는 자동차용 공냉식 오일쿨러를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 부품개수를 줄이고 제조공정을 단순화하여 제조가 용이하고 조립성을 향상하며 간단하게 장착할 수 있게 하는 자동차용 공냉식 오일쿨러를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 자동차용 공냉식 오일쿨러는, 오일 출입구가 형성되고 양측에 세워진 제1, 제2헤더와, 상기 제1, 제2헤더를 연결하여 상기 헤더에 유입된 오일이 통과하도록 다수의 유로가 형성되게 압출가공되며 상기 제1, 제2헤더의 길이방향을 따라 소정의 간격으로 배열된 다수의 압출튜브와, 상기 압출튜브의 인접하는 사이 공간에는 오일과 공기가 용이하게 열교환되도록 방열핀이 개재되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 압출튜브의 유로의 내벽면에는 오일을 교란시켜 열교환을 촉진시키도록 압출튜브의 길이방향으로 따라 적어도 1개 이상의 미세 돌출띠가 형성되어 있되, 상기 미세돌출띠는 서로 소정의 간격을 두고 형성되어 서로 연속되지 아니하고, 상기 유로의 단면은 대체로 사각단면형이고, 상기 미세돌출띠의 단면은 원호단면형으로 되어 있는 것이 바람직하다.

상기 미세돌출띠의 단면적(Ae)과 유로 단면적(At)의 비는 0 < Ae/At <0.156을 만족하는 것이 바람직하다.

상기 미세돌출띠의 높이(He)와 유로의 높이(Ht : 미세 돌출띠의 돌출방향)의 비는 0 < He/Ht < 0.148을 만족하는 것이 바람직하다.

상기 미세돌출띠의 폭(We)와 유로의 폭(Wt)의 비는 0 < We/Wt < 0.687을 만족하는 것이 바람직하다.

상기 방열핀의 높이(Hf)와 상기 압출튜브의 배열 피치(Pf)의 비는 0.68 < Hf/Pf < 0.82를 만족하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 자동차용 공냉식 오일쿨러(20)는, 양측에 세워진 제1, 제2헤더(22, 22')는 다수의 압출튜브(24)에 의해 연통되게 연결되고, 상기 인접하는 압출튜브(24)의 사이 공간에는 오일과 공기가 용이하게 열교환하도록 방열핀(26)이 개재되며, 오일쿨러(20)의 상, 하측에는 상기 압출튜브(24)와 방열핀(26)을 지지하는 상, 하측 사이드 플레이트(28, 28')가 구비된 구조이다.

상기 제1, 제2헤더(22, 22')에는 오일이 출입하도록 출입파이프(32, 32')가 각각 연통되어 있는 한편 엔진 룸 내에 오일 쿨러를 장착하도록 설치브라켓(34, 34')이 결합되어 있다.

상기 제1, 제2헤더(22, 22')는 원통형으로서, 그 원주면에는 상기 압출튜브(24)가 끼워져 용착되며, 그 일측면에는 상기 출입파이프(32, 32')가 설치되며, 상기 압출튜브(24)가 끼워진 면의 반대측 원주면에는 상기 설치브라켓(34, 34')이 용착된 구조이다.

상기 압출튜브(24)는 도4에 도시한 바와 같이 압출가공에 의해 성형되는데, 그 내부에는 오일이 통과하는 다수의 유로(36)가 폭방향으로 인접하여 압출튜브(24)의 길이방향을 따라 형성되어 있다. 그리고, 도5에 도시한 바와 같이, 상기 압출튜브(24)의 유로(36)의 내벽면에는 오일을 교란시켜 열교환을 촉진시키도록 압출튜브(24)의 길이방향을 따라 적어도 1개 이상의 미세 돌출띠(36a)가 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 유로(36)의 단면은 대체로 사각단면형이고, 상기 미세돌출띠(36a)의 단면은 원호단면형으로 되어 있다. 상기 유로(36)에 형성되는 미세돌출띠(36a)는 도7의 a ~ d에 도시한 바와 같이 다양한 위치에 다양한 개수로 형성될 수 있다.

상기 방열핀(26)은 도8에 도시한 바와 같이, 상기 압출튜브(24, 24) 사이에 개재되어 용착된 주름핀으로 되어 있고, 주름핀에는 알루미늄 크래드재(26a)가 입혀져 있다.

이하에서는 종래 오일 쿨러와 본 발명이 적용된 오일쿨러를 시험데이터와 함께 그래프로서 비교하여 설명한다.

시험조건은 다음과 같다.

시험 오일 ; ATF 오일

입구 공기 온도 ; 35℃

입구 오일 온도 : 110℃

입구오일온도와 입구공기온도의 차 : 75℃

입구 풍속(m/s) : 4, 6, 8, 10

입구 유량(ℓ/min) : 4, 6, 8, 15

본 시험에서 본 발명의 오일쿨러의 압출튜브는 미세돌출띠가 형성되지 않은 압출튜브(도4, 이하 'plain 형'이라 한다.)와 미세돌출띠가 2개 형성된 압출튜브(도5 및 도6, 이하 '미세돌출띠형'이라 한다.)를 사용하였으며, 그래프에 표시된 기호는 도6 및 도8에 표시되어 있다.

도9는 종래 오일쿨러(인너핀을 가진 튜브)와 본 발명의 오일쿨러(압출튜브)의 방열량을 비교하여 나타낸 그래프인데, 튜브내의 오일순환량은 15 ℓ/min인 조건에서 실험한 결과이다. 그래프에 나타난 바와 같이 종래 오일쿨러(인너핀을 가진 튜브)는 공기 속도증가에 따라 거의 선형적으로 방열량이 증가하고, 본 발명의 plain 형과 미세돌출띠형은 종래의 오일쿨러에 비해 월등이 우수한 방열량을 보이고 있고 공기 속도증가에 따라 완만하게 방열량이 증가함을 알 수 있다. 일반적으로 자동차에서 오일쿨러의 최대 작동조건은 공기 속도가 약 9 m/s 이내임을 감안할 때 plain형은 종래 오일쿨러보다 방열량이 우수함을 설명할 수 있다.

도9의 그래프에서, 상기 미세돌출띠의 단면적(Ae)과 유로 단면적(At)의 비, Ae/At가 0.075로 된 오일쿨러는 종래 오일쿨러 및 본 발명의 Plain 형상보다 방열 량증가가 크게 나타나는데, 미세돌출띠의 크기 증가에 따른 방열량의 증가는 Ae/At = 0.156에서 뚜렷한 증가를 보이다가 Ae/At = 0.271 에서는 Ae/At = 0.156과 거의 유사치를 나타낸다.

도10는 종래 오일쿨러(인너핀을 가진 튜브)와 본 발명의 오일쿨러(압출튜브)의 압력강하을 비교하여 나타낸 그래프인데, Plain 형과 Ae/At = 0.075 인 오일쿨러는 거의 유사한 값을 나타내고 있으며, 본 발명의 오일쿨러는 종래의 오일쿨러보다 낮은 압력강하를 보이고 있다.

도11은 본 발명에서 방열량과 압력강하를 전체적으로 종합하여 튜브 형상변화에 대한 오일 쿨러의 성능을 보이는 성능지수를 나타낸 그래프이다. 가로축은 유로단면적에서 미세돌출띠의 면적가 차지하는 비(Ae/At)를 나타내며 공기속도 4, 6, 8, 10 m/s의 각각에 대해 성능지수(방열량/압력강하)를 나타낸다. Ae/At = 0 는 Plain 형을 의미하며, Ae/At의 값이 약 0.07근처까지 증가할 때 최적의 성능을 나타내다가 Ae/At의 값이 0.15를 넘으면 성능이 떨어지는 결과를 나타낸다. 따라서, 0 < Ae/At < 0.156의 범위로 선정하는 것이 바람직하다.

도12는 미세돌출띠의 높이비에 대한 성능지수를 나타내는데, 유로의 높이(Ht)와 미세돌출띠의 높이(He)의 비에 대한 성능지수를 나타내며, 공기속도 4, 6, 8, 10 m/s의 각각에 대해 성능지수(방열량/압력강하)를 나타낸다. He/Ht의 값의 증가는 미세돌출띠의 크기의 증가를 의미하며, He/Ht = 0는 Plain형을 나타낸다. 그래프에서 보는 바와 같이 He/Ht의 값이 약 0.11근처까지 증가할 때 최적의 성능지수를 나타내다가 그 이상 증가하면 오히려 감소하는데, 0 < He/Ht < 0.148범위로 선정하는 것이 바람직하다.

도13는 미세돌출띠의 폭비에 대한 성능지수를 나타내는데, 유로의 폭(Wt)와 미세돌출띠의 폭(We)의 비에 대한 성능지수를 나타내며, 공기속도 4, 6, 8, 10 m/s의 각각에 대해 성능지수(방열량/압력강하)를 나타낸다. We/Wt의 값의 증가는 미세돌출띠의 크기의 증가를 의미하며, We/Wt = 0는 Plain형을 나타낸다. 그래프에서 보는 바와 같이 We/Wt의 값이 약 0.45근처까지 증가할 때 최적의 성능지수를 나타내다가 그 이상 증가하면 오히려 감소하는데, 0 < We/Wt < 0.687범위로 선정하는 것이 바람직하다.

도14는 본 발명의 방열핀의 높이(Hf)와 압출튜브의 배열 피치(Pf)의 비에 대한 방열량을 종래 오일쿨러의 방열량을 비교하여 나타낸 그래프인데, Hf/Pf 값의 증가는 방열핀의 높이 증가를 의미한다. 그래프에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 오일쿨러는 종래의 오일쿨러에 비해 큰 방열량을 보이고 있다. Hf/Pf = 0.73, 0.71, 0.68은 서로 유사한 방열값을 보이면서 Hf/Pf = 0.82의 오일쿨러보다 큰 방열량을 나타내고 있다.

도15는 공기 입구의 속도에 따라 Hf/Pf 변화에 대한 압력강하를 나타낸 그래프인데, 본 발명의 오일쿨러는 종래의 오일쿨러에 비해 공기입구속도가 증가함에 따라 현저히 작은 압력강하를 가지게 됨을 알 수 있다.

도16은 본 발명에서 방열량과 압력강하를 전체적으로 종합하여 방열핀 높이변화에 대한 오일 쿨러의 성능을 보이는 성능지수를 나타낸 그래프이다. 가로축은 방열핀의 높이(Hf)와 압출튜브의 배열 피치(Pf)의 비를 나타내며 공기속도 4, 6, 8, 10 m/s의 각각에 대해 성능지수(방열량/압력강하)를 나타낸다. Hf/Pf의 값이 약 0.73근처에서 최대치를 보이고 있는데, 0.68 < Hf/Pf < 0.82의 범위로 선정하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

본 발명에 의한 자동차용 공냉식 오일 쿨러에 의하면, 종래 인너 핀 내장형 오일 쿨러에 비해 방열량이 높으면서 압력강하가 작으므로 오일 순환에 필요한 동력을 절감하면서도 오일 냉각 성능을 크게 증가시킬 수 있어, 자동차용 오일 냉각 성능향상 및 자동차 연비 감소에 기여할 수 있다. 또한, 부품개수를 줄이고 제조공정을 단순화하여 제조가 용이하고 조립성을 향상하며 간단하게 장착할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 오일 출입구가 형성되고 양측에 세워진 제1, 제2헤더와, 상기 제1, 제2헤더를 연결하여 상기 헤더에 유입된 오일이 통과하도록 다수의 유로가 형성되게 압출가공되며 상기 제1, 제2헤더의 길이방향을 따라 소정의 간격으로 배열된 다수의 압출튜브와, 오일과 공기가 용이하게 열교환되도록 상기 압출튜브의 인접하는 사이 공간에 개재된 방열핀을 구비하는 자동차용 공냉식 오일쿨러에 있어서,

   상기 압출튜브의 유로의 내벽면에는 오일을 교란시켜 열교환을 촉진시키도록 압출튜브의 길이방향을 따라 적어도 1개 이상의 미세돌출띠가 형성되어 있되, 상기 미세돌출띠는 서로 소정의 간격을 두고 형성되어 서로 연속되지 아니하고,

   상기 미세돌출띠의 단면적(Ae)과 유로 단면적(At)의 비는 0 < Ae/At <0.156을 만족하는 것을 특징으로 하는 자동차용 공냉식 오일쿨러.
4. 오일 출입구가 형성되고 양측에 세워진 제1, 제2헤더와, 상기 제1, 제2헤더를 연결하여 상기 헤더에 유입된 오일이 통과하도록 다수의 유로가 형성되게 압출가공되며 상기 제1, 제2헤더의 길이방향을 따라 소정의 간격으로 배열된 다수의 압출튜브와, 오일과 공기가 용이하게 열교환되도록 상기 압출튜브의 인접하는 사이 공간에 개재된 방열핀을 구비하는 자동차용 공냉식 오일쿨러에 있어서,

   상기 압출튜브의 유로의 내벽면에는 오일을 교란시켜 열교환을 촉진시키도록 압출튜브의 길이방향을 따라 적어도 1개 이상의 미세돌출띠가 형성되어 있되, 상기 미세돌출띠는 서로 소정의 간격을 두고 형성되어 서로 연속되지 아니하고,

   상기 미세돌출띠의 높이(He)와 유로의 높이(Ht : 미세 돌출띠의 돌출방향)의 비는 0 < He/Ht < 0.148을 만족하는 것을 특징으로 하는 자동차용 공냉식 오일쿨러.
5. 오일 출입구가 형성되고 양측에 세워진 제1, 제2헤더와, 상기 제1, 제2헤더를 연결하여 상기 헤더에 유입된 오일이 통과하도록 다수의 유로가 형성되게 압출가공되며 상기 제1, 제2헤더의 길이방향을 따라 소정의 간격으로 배열된 다수의 압출튜브와, 오일과 공기가 용이하게 열교환되도록 상기 압출튜브의 인접하는 사이 공간에 개재된 방열핀을 구비하는 자동차용 공냉식 오일쿨러에 있어서,

   상기 압출튜브의 유로의 내벽면에는 오일을 교란시켜 열교환을 촉진시키도록 압출튜브의 길이방향을 따라 적어도 1개 이상의 미세돌출띠가 형성되어 있되, 상기 미세돌출띠는 서로 소정의 간격을 두고 형성되어 서로 연속되지 아니하고,

   상기 미세돌출띠의 폭(We)와 유로의 폭(Wt)의 비는 0 < We/Wt < 0.687을 만족하는 것을 특징으로 하는 자동차용 공냉식 오일쿨러.
6. 삭제

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