KR100821592B1 - 차량 연료냉각장치의 마이크로 채널구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공급되는 연료가 넓은 면적으로 확산되면서 분산통로를 구비한 채널부를 관통하도록 하여 온도가 적정수준 이상으로 상승되었을 경우 상승된 연료의 온도를 적절히 낮추어주기 위한 차량의 연료냉각장치의 마이크로 채널구조에 관한 것인바, 본 발명은 연료탱크에서 엔진으로 공급되는 연료공급라인에 설치되어 펠티어 효과를 이용하여 공급되는 연료를 냉각시키는 차량의 연료냉각장치에 있어서, 공급되는 연료를 일시 저장하는 입구측에서 공급된 연료의 압력을 저하시키면서 넓은 면적으로 확산될 수 있도록 한 다수의 연료분산핀이 구비된 입구측을 통과한 연료가 다수로 형성된 분산통로를 구비한 채널부를 통과하여 출구측에서 연료가 혼합되도록 하여 연료를 토출시키는 구조로 이루어진 것에 그 특징이 있다.

Description

차량 연료냉각장치의 마이크로 채널구조{Micro channel structure of vehicle fuel cooling apparatus}

도 1은 종래 차량의 연료냉각장치의 구조를 보여주는 예시도.

도 2는 본 발명의 설치상태를 보여주는 설치상태도.

도 3은 본 발명의 요부인 마이크로 채널의 구조를 보여주는 일부절결사시도.

도 4a는 채널부가 없는 종래 채널 내부의 속도장을 보여주는 사진.

도 4b는 채널부만 있는 채널 내부의 속도장을 보여주는 사진.

도 4c는 연료분산핀만 설치된 채널 내부의 속도장을 보여주는 사진.

도 4d는 본 발명의 기술이 적용된 마이크로 채널의 속도장을 보여주는 사진.

도 5는 도 4d의 확대사진.

도 6a는 본 발명의 요부인 마이크로 채널의 각 구간에서의 온도분포를 보여주는 사진.

도 6b는 본 발명의 요부인 마이크로 채널의 측면에서 보았을 때 상·중·하 부분에 대한 온도분포를 보여주는 사진.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※

10 : 제어부 20 : 전원부

30 : 마이크로 채널 31: 입구측저장부

32 : 출구측저장부 33 : 채널부

33a : 분산통공 35 : 연료분산핀

40 : 냉각수단 50 : 방열수단

60 : 온도센서

본 발명은 공급되는 연료가 넓은 면적으로 확산되면서 분산통로를 구비한 채널부를 관통하도록 하여 온도가 적정수준 이상으로 상승되었을 경우 상승된 연료의 온도를 적절히 낮추어주기 위한 차량의 연료냉각장치의 마이크로 채널구조에 관한 것이다.

차량의 하부측 또는 측면측에 탑재되는 연료탱크는 엔진의 운전에 필요한 연료가 저장될 수 있도록 금속재의 판재가 통형상으로 성형된다. 그리고 탱크의 내부에는 연료의 펌핑을 위한 연료펌프 및 저장된 연료량을 측정하기 위한 연료 센더 장치 등이 마련된다.

연료탱크에 저장된 연료는 엔진의 시동과 함께 연료펌프의 구동에 의해서 펌핑된 후, 인젝터를 통해서 적정량이 연소실로 분사되고 잉여되는 연료는 연료탱크로 귀환되어진다. 이렇게 연료탱크로 귀환되는 연료는 연료의 펌핑과정에서 가열되거나 엔진 주변을 지나게 되므로서 연료탱크 내에 저장되어 있는 온도보다 상승된다.

연료탱크 내의 연료온도의 상승원인은 리턴 연료에 의한 연료탱크 내부적인 원인 이외에, 더운 여름철과 같이 대기 및 지온의 상승 및 탱크 자체가 차량 배기계에 인접형성됨으로 인한 배기계의 복사열에 의한 주변온도의 상승 등 연료탱크 외부적인 원인도 있다.

상기 연료탱크 내에 저장된 연료의 온도가 상승되면 연료펌프에서 연소실까지의 연료공급량이 최적의 상태로 이루어질 수 없게 되므로서, 엔진의 출력에 불리한 영향을 미칠 수 있게 된다.

특히, 연료의 온도가 적정 수준 이상으로 상승될 경우, 연료의 점도 변화와 연료의 밀도 변화가 발생하는데 상기 연료의 점도 변화는 연료 펌프에서 연료의 누설을 초례한다.

공급되는 연료의 온도가 상승하게 되면 연료의 점도는 점점 감소하게 된다. 그 결과 묽어진 연료는 펌프와 인젝터 부품으로부터 점점 더 누설량이 증가하게 되는 것이다. 이로 인해 전체적으로 더 적은 양의 연료가 실린더 내로 분사되고, 엔진의 출력이 떨어지게 되는 문제점이 발생하게 된다.

또한 연료의 밀도 변화는 실린더 내로 분사되는 연료의 양에 차이가 생기게 된다. 연료의 온도가 상승하여 밀도가 떨어지면, 같은 부피의 연료가 분사되더라도 분사되는 연료의 질량은 작아지고, 연소과정에서 변환되는 에너지 또한 감소하므로 출력은 떨어지게 되는 문제점이 발생하게 된다.

따라서 종래의 경우에는 연료탱크를 비롯한 연료 라인의 도중에 고온의 연료온도를 적정수준으로 낮추어주기 위한 연료온도 냉각장치가 다양한 형태로 적용되고 있다.

그러한 예로, 엔진의 냉각계통에 사용되는 냉각수가 연료라인의 도중을 통과하도록 하는 장치와, 첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이 연료탱크(100)에서 라인을 따라 가열된 연료가 공급되면 에어컨 시스템(200)에서 사용되는 냉매가 경유하도록 하는 연료냉각장치(300)을 통과하도록 하여 냉각된 연료를 인젝터(400)에 공급하는 구조의 장치 등이 있다.

그런데 상기한 에어컨 시스템의 냉매를 이용하는 에어컨을 가동하여, 최종 분사되기 전의 연료를 냉각시켜주는 방식으로 이러한 장치의 구동을 위해서는 엔진의 동력 및 차량의 성능 저하를 감수해야만 하는 등의 또 다른 문제점이 있다.

이와 같은 장치는 출력이 낮은 국내의 중소형 차량에는 적용이 어려울 뿐만 아니라, 에어컨을 항시 가동해야하므로 연료의 소비량에도 많은 영향을 미치게 된다.

상기와 같은 종래 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 일본국 실용신안 공개 평5-52253호와 일본국 특허 공개 평8-100717호가 제안된 바 있다. 상기한 일본국 실용신안 공개 평5-52253호는 연료 탱크와 엔진과의 사이의 연결용 연료 파이프에 개재되는 냉각기에 있어서, 내부에 연료를 유통시키는 본체와 그 본체의 표면에 흡열부가 설치되는 전자 냉각기와 그 전자 냉각기의 방열부에 설치된 방열기를 구비하되, 전기 전자 냉각기는 열전 소자에 의한 펠티에 효과를 이용한 것을 특징으로 하는 내연기관의 연료 냉각기에 관한 것이고 이의 작용 효과는 연료가 유통하는 본체의 표면에 전자 냉각기의 흡열부가 설치되고, 그 방열부에 방열기가 설치된 것이기 때문에 구조가 간단하고 컴팩트하게 되어, 협소한 엔진 룸내에 장소를 잡지 않고 배치할 수가 있다. 그리고, 특히 하절기에 있어서 연료가 가열해 비등하는 것에 의한 연료의 흐름의 장해, 즉 증기락(VAPOR LOCK)을 확실히 방지할 수가 있는 것이다.

한편, 일본국 특허 공개 평8-100717호는 유체를 반송하는 파이프의 도중을 평행한 복수의 세관으로 구성하고 세관(가지관)을 둘러싸 냉매를 봉입한 냉각통을 마련해 냉각통의 외벽에 펠티어 냉각 소자의 흡열면을 접촉시켜 설치한 유체 반송 파이프 냉각장치에 관한 것으로 이의 작용 효과는 파이프 내의 유체를 펠티어 냉각 소자로 냉각하기위해 파이프를 세관(가지관)에 냉각시켜 냉매를 봉입한 냉각통을 게재시켰으므로 펠티어 냉각 소자를 다수 설치하여 냉각작용을 크게 하고 또 펠티어 냉각 소자의 부착을 용이하게 할 수 있도록 한 것이다.

그러나 상기한 일본국 실용신안 공개 평5-52253호는 본체에 연료가 지나가는 시간을 길게 하기 위하여 연료라인을 절곡시켜 상기 본체를 경유하는 연료라인이 "S" 형이 되도록 한 것으로 이는 냉각효율이 떨어지는 문제가 있다.

일본국 특허 공개 평8-100717호는 세관은 유체(연료)를 통과시키기는 하지만 그 유체의 냉각을 위해서는 세관 주변에 냉매를 사용하고 또한 그 냉매를 둘러싸는 통이 있음으로 인하여, 유체로부터의 열 이동은 유체로부터 세관의 전도를 이용한 열 이동 후, 그 열은 다시 냉매의 대류 및 열전도를 이용하여 냉매를 둘러싸는 통으로 전달되고 다시 그 통의 열전도를 이용하여 펠티에 냉각소자의 흡열면으로 이동되는 구조로 크기가 비대하고 구조가 복잡하며 이 또한 냉각효율이 떨어지는 문제가 있다.

상기한 종래 문제점을 감안하여 안출한 본 발명은 가열된 연료의 온도를 냉 각시켜 일정한 온도로 유지시켜 종래 연료냉각장치가 안고 있던 문제점을 일거에 해소함은 물론 배기가스 감소, 엔진 내구성 향상, 연료 소모율 저감, 엔진의 착화성 향상, 연료의 점도 유지, 연료의 밀도 유지 등을 개선하여 엔진의 동력 및 차량의 성능 저하를 최소화한 공급되는 연료를 일시 저장하는 입구측에서 공급된 연료의 압력을 저하시키면서 넓은 면적으로 확산될 수 있도록 한 차량의 연료냉각장치의 마이크로 채널구조를 제공하는데 있다.

이러한 본 발명의 목적은 연료탱크에서 엔진으로 공급되는 연료공급라인에 설치되어 펠티어 효과를 이용하여 공급되는 연료를 냉각시키는 차량의 연료냉각장치에 있어서, 공급되는 연료를 일시 저장하는 입구측저장부에서 공급된 연료의 압력을 저하시키면서 넓은 면적으로 확산될 수 있도록 한 다수의 연료분산핀이 구비된 입구측저장부를 통과한 연료가 다수로 형성된 분산통로를 구비한 채널부를 통과하여 출구측저장부에서 연료가 혼합되도록 하여 연료를 토출시키도록 이루어진 것을 특징으로 하는 차량의 연료냉각장치의 마이크로 채널구조에 의하여 달성된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 2는 본 발명의 설치상태를 보여주는 설치상태도로써 이에 따르면 연료탱크에서 인젝터로 공급되는 연료공급라인 상에 설치되어 공급되는 연료를 냉각시키기 위하여 공급되는 연료를 분산시켜 통과시키는 마이크로 채널(30)의 측 면부에 냉각수단(40)을 설치하고 상기 냉각수단(40)의 외측면 쪽으로는 방열수단(50)을 설치한다.

한편 상기와 같이 설치된 마이크로 채널(30)의 입구쪽과 출구쪽에는 온도센서(60)가 설치되며 상기한 온도센서(60) 및 냉각수단(40)은 제어부(10)에 연결 구성되어 이루어진다.

이때 상기 마이크로 채널(30)의 구조는 첨부도면 도 3에 도시된 바와 같이 공급되는 연료를 일시 저장하는 입구측저장부(31)에서 공급된 연료의 압력을 저하시키면서 넓은 면적으로 확산될 수 있도록 한 다수의 연료분산핀(35)이 구비된 입구측저장부(31)를 통과한 연료가 다수로 형성된 분산통로를 구비한 채널부(33)를 통과하여 출구측저장부(32)에서 연료가 혼합되도록 하여 연료를 토출시킬 수 있도록 한 구조이다.

한편, 상기 마이크로 채널(30)이 깔대기 형태으로 이루어진 이유는 공급된 연료가 냉각되어 출구쪽으로 이동이 용이하게 토출될 수 있도록 함이고 또한 채널의 입구측 길이보다 출구측 길이가 길게 형성된 이유는 유체의 흔들림을 방지하기 위함이다.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 작용효과를 설명하면 연료탱크에서 인젝터 쪽으로 이송되는 라인 상에 연결 설치된 라인에 의해 마이크로 채널(30)의 공급되는 연료를 일시 저장하는 입구측저장부(31)에서 연료가 일시 저장된다.

이때 입구측저장부(31)의 선단으로 공급된 연료는 첨부도면 도 6에 도시된 바와 같이 연료분산핀(35)에 의하여 채널부(33)에 연료가 고르게 분배되기 때문에 냉각 효과가 월등히 높고, 첨부도면 도 4d에 도시된 바와 같이 연료의 와류현상도 저하시키는 효과를 얻을 수 있게 된다.

이를 좀더 구체적으로 살펴보면 도 4a에 도시된 바와 같이 채널부가 없는 종래 채널 내부의 속도장을 보여주는 사진에서 알 수 있는 바와 같이 공급되는 연료의 유속에 의하여 마이크로 채널(30)의 내부에 분산되지 못하고 내부 유동이 매우 불안정하다는 것을 알 수 있으며, 도 4b에 도시된 바와 같이 채널부만 있는 채널 내부의 속도장을 보여주는 사진에서 알 수 있는 바와 같이 유동은 원활하나 유량분배가 적절하지 못하며 도 4c에 도시된 바와 같이 연료분산핀만 있는 채널 내부의 속도장을 보여주는 사진에서 알 수 있는 바와 같이 유동분배효과는 있으나 불안정하다는 것을 알 수 있다.

상기 채널 내부의 형상을 변화시켜 실험한 결과 채널 내부유동의 속도장을 살펴보면 채널부가 없는 종래의 마이크로 채널은 도 4a에 도시된 바와 같이 내부 유동이 매우 불안정함을 알 수 있었으며, 도 4b에 도시된 바와 같이 내부에 채널만 존재할 때는 유동은 원활하나 유량분배가 적절하지 못한 것을 알 수 있었으며, 도 4c에 도시된 바와 같이 내부에 유량을 분배하기 위한 연료분산핀(35)만 설치했을 때 유동분배효과는 있으나 불안정하고 도 5d에 도시된 바와 같이 마이크로 채널(30)의 내부에 채널부(33)와 연료분산핀(35)이 설치되어 있을 때로 1차적으로 연료분산핀(35)에서 유량을 분산 시켜주고 다음 채널부(33)에서 각각 비슷한 유량으로 분배시켜 유로를 통과시켜 유로표면에서 냉각을 할 때 유효 냉각 면적이 적절히 분포되므로 입구에서 출구까지 점차적으로 고르게 냉각되는 온도 분포를 결과를 얻 을 수 있다.

상기 입구측저장부(31)에서 연료가 일시 저장되는 이유는 라인의 단면적 보다 입구측저장부(31)의 단면적이 크기 때문이며, 또한 분산통공(33a)으로 공급되는 연료를 분산시켜 체적을 보다 크게 형성하도록 하는 목적이 있다.

상기 공급된 연료는 분산통공(33a)이 구비된 채널부(33)를 통과하게 되는데, 이때 채널부(33)에는 냉각수단(40)이 양측에 설치되어 열교환이 이루어지는 면적을 크게 형성하여 열교환의 효율을 높게 한 것이다.

한편 상기 마이크로 채널(30)의 각 구간에서의 온도분포를 살펴보면 첨부도면 도 7에 도시된 바와 같이 채널부(33)의 온도 분포가 고르며 안정적으로 나타남을 알 수 있다.

이와 같은 구조로 이루어져 작동되는 본 발명의 차량의 연료냉각장치의 마이크로 채널구조는 가열된 연료의 온도를 냉각시켜 일정한 온도로 유지시켜 종래 연료냉각장치가 안고 있던 문제점을 일거에 해소함은 물론 배기가스 감소, 엔진 내구성 향상, 연료 소모율 저감, 엔진의 착화성 향상, 연료의 점도 유지, 연료의 밀도 유지 등을 개선하여 엔진의 동력 및 차량의 성능 저하를 최소화하도록 하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 연료탱크에서 엔진으로 공급되는 연료공급라인에 설치되어 펠티어 효과를 이용하여 공급되는 연료를 냉각시키는 차량의 연료냉각장치에 있어서,

   공급되는 연료를 일시 저장하는 입구측에서 공급된 연료의 압력을 저하시키면서 넓은 면적으로 확산 될 수 있도록 한 다수의 연료분산핀이 구비된 입구측을 통과한 연료가 다수로 형성된 분산통로를 구비한 채널부를 통과하여 출구측에서 연료가 혼합되도록 하여 연료를 토출시키는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량의 연료냉각장치의 마이크로 채널구조.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로 채널의 입구측 길이보다 출구측 길이가 길게 형성되면서 깔대기 형태으로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량의 연료냉각장치의 마이크로 채널구조.

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