KR100825707B1 - 냉각수 압력손실을 저감한 라디에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조가 간단하며, 냉각수의 압력손실이 저감된 라디에이터를 제공하기 위한 것으로, 각각 알루미늄으로 형성된 상부 탱크와 그 부피가 상부 탱크에 비해 큰 하부 탱크를 구비하며, 또한 상기 상부 탱크에 설치되는 냉각수 유입관, 상기 하부 탱크에 설치되는 냉각수 유출관, 상기 상부 탱크와 하부 탱크를 연통시키는 복수 개의 튜브 및 이 튜브 사이에 형성되는 방열 핀을 구비한 것을 특징으로 하는 라디에이터에 관한 것이다.

라디에이터, 압력,

Description

냉각수 압력손실을 저감한 라디에이터{Radiator for reducing loss of coolant pressure}

도 1은 종래의 일반적인 라디에이터의 사시도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라디에이터의 사시도.

도 3a는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 라디에이터의 하부헤더 부분을 나타낸 부분 사시도.

도 3b는 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 라디에이터의 하부헤더 부분을 나타낸 부분 사시도.

도 4는 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 냉각수 유출관 부분을 나타낸 부분 사시도.

도 5는 본 발명의 또다른 일 실시예에 따른 냉각수 유출관 부분을 나타낸 부분 사시도.

도 6은 하부 탱크의 높이 변화와 냉각수 압력강하율의 관계를 나타낸 그래프.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

31: 상부 헤더 32: 상부 탱크

33: 하부 헤더 34: 하부 탱크

36: 캡 40: 냉각수 유입관

50: 냉각수 유출관 60: 튜브

70: 핀

본 발명은 라디에이터에 관한 것으로, 특히 헤더와 탱크를 일체로 형성하며, 냉각수의 압력손실을 저감한 라디에이터에 관한 것이다.

자동차에 흔히 사용되고 있는 라디에이터는 튜브 내를 흐르는 냉각수와 공기와의 열교환을 통해 엔진의 과열을 막아주는 장치이다. 이러한 라디에이터는 근래들어 자동차의 소형화가 이루어 지고, 특히 차체의 크기는 그대로 유지한 체 실내공간만을 넓히기 위한, 자동차 내부 기관들의 축소화와 더불어 소형화 및 구조상의 제한 등이 이루어지고 있다.

일반적으로 라디에이터의 구조는 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 상부와 하부에 헤더(10)와 탱크(20)를 결합시킨 헤더 탱크를 구비하고, 그 사이를 다수의 튜브(60)가 연통되어져 냉각수가 흐르며, 튜브(60)들 사이로는 다수의 핀(70)이 형성되어 공기와의 접촉면적을 넓히는 구조로 이루어져 있다. 이와 같은 라디에이터는 상부탱크(22)에 형성된 냉각수 유입관(40)을 통해 탱크(22)내로 고온의 냉각수가 공급되고, 이것이 상부 헤더(12)를 통해 병렬로 배설된 튜브(60)로 공급되어 이를 통과하면서 실외의 공기와 열교환을 일으키며, 다시 하부 헤더(14)를 거쳐 하부 탱 크(24)에 모아져 냉각수 유출관(50)을 통해 엔진(미도시)으로 공급되는 것이다.

이러한 라디에이터는 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 라디에이터로 공급, 배출되는 냉각수 유입관(40) 및 냉각수 유출관(50)의 부착형태가 대개 탱크(22,24)와 직교하도록 되어 있어, 냉각수가 통과할 때에 많은 저항을 받게 된다. 이렇게 탱크를 통과하는 냉각수가 그 흐름에 저항을 많이 받게 되면 라디에이터 전체에 있어 압력 손실이 있게 되며, 이는 원활한 냉각수의 순환을 방해하고, 엔진 냉각 효율을 저하시키는 문제를 유발하게 되는 것이다.

근래들어 활발히 제기되고 있는 라디에이터의 소형화 요구에 부응하여, 라디에이터의 압력 손실 문제를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있는 데, 일본특허 특개2000-227298호에 개시되어 있는 열교환기에 관한 기술도 그러한 것이다. 이는 탱크로 공급되는 냉각수 공급관을 경사지게 하거나, 관이 연결되는 부위의 탱크의 너비(혹은 높이)를 타부에 비해 크게 하여 공급되는 냉각수의 흐름을 원활히 한 것이다. 하지만 이러한 탱크의 경우 탱크의 형상이 복잡하여 생산성이 저하되는 문제점을 갖고 있으며, 이러한 열교환기를 일반적인 라디에이터와 같이 상부 및 하부 탱크헤더의 구조에 적용하면, 큰 실효를 얻지 못하는 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 라디에이터 탱크 헤더의 구조를 변형하여 손쉽게 압력손실을 저감할 수 있는 라디에이터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 라디에이터 내의 냉각수의 압력손실을 감소시킴과 더 불어 이를 손쉽게 제작할 수 있는 라디에이터를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 각각 알루미늄으로 형성된 상부 탱크와 그 부피가 상부 탱크에 비해 큰 하부 탱크를 구비하며, 또한 상기 상부 탱크에 설치되는 냉각수 유입관, 상기 하부 탱크에 설치되는 냉각수 유출관, 상기 상부 탱크와 하부 탱크를 연통시키는 복수 개의 튜브 및 이 튜브 사이에 형성되는 방열 핀을 구비한 것을 특징으로 하는 라디에이터를 제공한다.

이러한 라디에이터에서 상기 하부 탱크의 부피를 V_b라 하고, 상기 상부 탱크의 부피를 V_t라 할 때, 이들은 1 〈 (V_b / V_t)≤1.5의 관계를 만족하도록 할 수 있으며, 이 때 하부 탱크의 부피를 냉각수 유출관이 결합된 부위에서 더욱 커지도록 할 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기와 같은 라디에이터 탱크의 냉각수 유입관 또는 냉각수 유출관을 상기 상부 또는 하부 탱크와 각각 예각을 이루도록 하여 냉각수 흐름에 대한 저항을 최소로 할 수 있으며, 또한 그 길이방향으로 곡률을 이루도록 할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 냉각수 유입관 또는 냉각수 유출관은 상기 상부 탱크 또는 하부 탱크의 캡에 일체로 형성되고, 곡률을 이루도록 할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명에 대해 보다 상세히 설명한다. 이하 첨 부된 도면의 참조부호 중 도 1에 도시한 종래의 라디에이터와 동일한 구성요소에는 도 1과 동일한 참조부호를 사용하였다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 라디에이터의 사시도를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 본 발명의 라디에이터는 일반적 형태의 라디에이터와 같이 상하로 탱크(32)(34)와 헤더(31)(33)를 평행하게 구비하며, 이 상부 및 하부 탱크(32, 34)사이를 복수개의 냉각튜브(60)로 연통시키고, 각 냉각튜브(60)의 사이에는 복수개의 냉각핀(70)을 형성하여 냉각효율을 높인 구조를 갖는 것이다.

각 탱크(32,34)에는 관이 하나씩 결합되어 냉각수가 유입 및 유출되도록 한다. 곧, 냉각수 유입관(40)을 상부 탱크(32)에 형성하여 냉각수가 중력에 의해 하부 탱크(34)로 튜브(60)를 통해 흐를 수 있도록 하며, 하부 탱크(34)에 모인 냉각수는 이에 연결된 냉각수 유출관(50)을 통해 배출되도록 한다.

본 발명의 라디에이터에서, 헤더(31)(33)와 탱크(32)(34), 튜브(60), 냉각핀(70), 냉각수 유입관(40) 및 유출관(50)은 알루미늄으로 제작하여 일체로 브레이징함으로써 별도의 조립작업을 생략할 수 있다. 또한 헤더와 탱크는 별개로 제작되어 결합된 것이 아닌, 일체형으로 형성되도록 할 수도 있다.

이러한 구조를 가진 라디에이터에 있어, 라디에이터로 유입된 냉각수는 라디에이터 전구간에 걸쳐 그 흐름에 저항을 받게 된다. 이러한 저항은 라디에이터의 구조적인 한계나, 기타 물리적인 한계로 인한 것인데, 이로 인해 라디에이터에 일정압으로 유입된 냉각수는 압력손실이 일어나 초기 유입된 냉각수압과 최종 유출되는 냉각수압에는 많은 차이가 발생하게 된다. 이러한 냉각수의 압력손실은 크게 냉각수가 튜브(60)를 거치기 전단계와 튜브(60)를 거치는 단계 및 튜브(60)를 거친 후의 단계로 구분될 수 있는 데, 이 중 가장 큰 압력손실을 나타내는 곳은 튜브(60)를 거친 후의 단계, 곧 하부 탱크(34)에서의 압력손실로 대략 전체 압력손실의 45% 이상을 차지한다. 이처럼 하부 탱크(34)에서의 압력손실이 큰 이유는 병렬로 배설된 복수개의 냉각튜브(60)로부터 하부 탱크(34)로 동시에 많은 양의 냉각수가 공급되고, 이에 따라 하부 탱크(34)로 공급된 냉각수의 유량이 흐르는 단면적이 급격하게 감소하게 되며, 더불어 이 냉각수가 하부 탱크(34)에 결합되어 있는 냉각수 유출관(50)을 통해 라디에이터를 빠져 나갈 때, 그 유동방향이 수직하게 바뀌기 때문이다.

본 발명자등은 이와 같은 사실에 착안하여, 라디에이터의 상부 탱크(32)와 하부 탱크(34)의 부피에 차이를 두어 압력손실을 감소시키도록 하였다. 곧, 라디에이터의 하부 탱크(34)의 부피를 상부 탱크(32)보다 크게 하여 압력손실이 큰 하부 탱크(34)에서의 냉각수 흐름에 대한 저항을 최대한 줄이도록 한 것이다.

탱크의 부피를 증가시키는 것은 전체 라디에이터의 구조에 있어서 무리를 주게 되어 구조적 변형을 초래할 수 있다. 또한, 이러한 구조적 변형을 초래하는 것도 상부 탱크(32)의 부피를 크게 하였을 경우에 더욱 심해진다. 따라서 본 발명에 있어, 라디에이터의 압력 손실을 저감하기 위해서는 하부 탱크(34)의 부피를 크게 하는 것이 바람직한 것이다.

이 때, 하부 탱크(34)의 부피는 상부 탱크(32)의 부피의 1.5배를 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다. 곧, 상부 탱크(32)를 Vt라 하고, 하부 탱크(34)를 Vb라 할 때, Vt와 Vb는 1 〈 (Vb / Vt)≤1.5 의 관계를 만족하도록 함이 바람직하다. 이는 하기 표 1과 같이 하부 탱크(34)의 탱크 높이를 증가시켰을 때 냉각수의 압력강하율을 살펴보면 더욱 확실히 알 수 있다. 하기 실험에 있어, 탱크의 부피 변화는 탱크의 높이를 변화시키는 것과 실제 직접적인 연관성이 있으므로, 탱크의 높이 변화로 측정하였다.

Hb/Ht	1.0	1.17	1.35	1.5
△Pwb/△Pwt(%)	100	94.5	92.1	91.4

여기서, Ht는 상부탱크의 높이, Hb는 하부탱크의 높이를 나타내고, △Pwt는 상부 탱크에서의 냉각수의 압력 강하율, △Pwb는 하부 탱크에서의 냉각수의 압력 강하율을 나타낸 것이다. 상기 표1과 같이 하부탱크(34)의 높이를 증가시킴에 따라 하부탱크(34)에서의 냉각수의 압력 강하율은 상부탱크(32)에서의 냉각수 압력 강하율에 비해 작아짐을 알 수 있다.

도 6은 이를 그래프로서 나타낸 것으로, 그림에서 볼 수 있는 것과 같이, 하부탱크(34)의 높이가 증가함에 따라 하부탱크(34)에서의 냉각수의 압력 강하율은 점점 줄어드는 데, 그 줄어드는 비율은 하부탱크(34)의 높이가 상부탱크(32)의 높이의 1.5배를 넘게 되면 거의 일정하게 됨을 알 수 있고, 최적의 하부탱크(34) 높이 비율은 A구간이 됨을 알 수 있다. 따라서, 그 높이비가 1 〈 (Hb / Ht)≤1.5 를 만족하도록 하는 것이 바람직하며, 이는 곧 부피의 비를 1 〈 (Vb / Vt)≤1.5 를 만족하도록 하는 것과 같다.

상기와 같은 높이비, 곧 부피비의 한정은 그 구조적 한계, 즉 라디에이터 구 조의 변형 위험 등을 고려한 것으로, 곧 하부 탱크(34)의 부피 증가와 이에 따른 냉각수의 압력 강하율은 도 6과 같이 쌍곡선 그래프의 형태로 반비례하게 되는 데, 일정 정도 이상으로 부피가 증가하게 되면, 냉각수 압력 강하율도 적어지게 되며, 오히려 부피 증가로 인한 라디에이터에 구조적 무리만을 더 크게 하는 결과가 초래될 수 있다. 따라서, 하부 탱크(34)의 부피를 무한정으로 증가시키는 것 보다는 일정 정도까지만 증가시키는 것이 바람직하다. 이러한 관계를 고려할 때, 하부 탱크(34)의 부피는 상술한 바와 같이 상부 탱크(32)의 1.5배 이하로 하는 것이 바람직하다. 이는 상술한 바와 같이 그 이후부터는 압력 손실의 저감도와 구조와의 관계를 고려한 것이다.

이렇게 하부탱크(34)에서의 부피증가를 통해 냉각수의 압력손실을 저감시키는 효과는 하부 탱크(34)의 구조를 변경시킴으로 인해서도 이루어질 수 있다. 곧, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 하부 탱크(34) 전반에 걸쳐 그 높이를 증가시킴으로서 얻어질 수 있으며, 도 3a 및 도 3b와 같은 구조를 통해서도 얻어질 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 라디에이터를 나타낸 것인 데, 곧, 부피를 보다 크게 한 하부 탱크(34) 중에서도 냉각수의 흐름방향에 따라 부피를 달리하도록 한 것이다. 튜브(60)를 통과한 냉각수는 하부 탱크(34)에서도 냉각수 유출관(50)으로만 빠져 나가도록 되어 있으므로, 이 냉각수 유출관(50)이 형성된 부위에서는 냉각수의 흐름에 소위 병목현상이 일어나 압력손실이 많아지게 된다. 따라서 하부 탱크(34) 중에서도 이러한 병목현상이 일어나는 부위의 부피를 보다 크게 하면 냉각수 압력손실을 보다 효과적으로 저감시킬 수 있는 것이다.

먼저 도 3a의 라디에이터와 같이 냉각수 유출관(50)이 하부 탱크(34)의 일측에 치우쳐서 형성되어 있을 경우에는 전체적으로 일측으로 가면서 점차적으로 부피가 증가하는 구조가 되도록 한 것이다. 또한 도 3b의 라디에이터와 같이 냉각수 유출관(50)이 좀더 중앙에 가깝게 형성될 경우에는 냉각수는 하부 탱크(34)의 양측에서 밀려들어오는 형상일 것이므로, 이 냉각수 유출관(50)이 형성된 부위의 부피를 보다 크게 하면 냉각수의 압력손실을 감소시킬 수 있게 된다.

또한 냉각수가 라디에이터를 출입하는 냉각수 유입관(40) 및/또는 냉각수 유출관(50)의 구조를 변경하면 냉각수 압력손실을 보다 효과적으로 저감할 수 있다.

도 4 및 도 5는 이러한 냉각수 유입관(40) 및/또는 냉각수 유출관(50)의 구조를 나타내기 위한 부분 확대도이다. 이들 도면에서는 하부 탱크(34)에 형성된 냉각수 유출관(50)의 구조를 나타내었으나, 냉각수 유입관(40)의 구조에 있어서도, 동일하게 적용될 수 있으며, 이러한 구조의 냉각수 유입관(40) 및 냉각수 유출관(50)을 필요에 따라 혼용하여 사용할 수도 있다.

먼저, 도 4와 같이 냉각수 유출관(50)을 하부 탱크(34)에 결합 형성하는 구조에 있어서, 이 냉각수 유출관(50)이 하부 탱크(34)와 직교하도록 형성하지 않고, 예각(α)을 이루도록 비스듬히 형성하여 냉각수의 흐름이 보다 자연스럽도록 한다. 이 때 예각(α)은 하부 탱크(34)의 냉각수 유출관(50)이 부착된 측의 끝단측과 냉각수 유출관(50)이 이루도록 하는 것이 바람직하다. 이는 많은 양의 냉각수 흐름이 원활하게 빠져나가도록 하기 위한 것으로, 튜브(60)를 통과한 냉각수가 냉각수 유출관(50)이 구비된 끝단쪽으로 주로 흐르게 되기 때문이다. 이렇게 탱크와 예각을 이루며 형성된 냉각수 유입관 및/또는 유출관은 라디에이터가 부착되어지는 기관의 구조에 따라 그 길이방향에 대해 곡률을 이루어 형성될 수 있다.

도 5는 이와 같이 곡률을 이루며 냉각수의 출입에 저항을 줄인 구조를 나타낸 것이다. 헤더가 결합된 탱크에 있어서, 양 끝단에는 캡을 형성하여 밀폐하게 되는 데, 이 캡(36)에 냉각수 유출관(50)을 일체로 형성하여 곡률을 이루도록 하면 냉각수 흐름을 보다 원활히 할 수 있게 된다. 이러한 구조도 역시 냉각수 유입관(40)에 동일하게 적용될 수 있다.

또한 이렇게 곡률을 이루도록 냉각수 유입관 및 유출관을 형성하는 것은 도 4와 같은 탱크에 부착되는 냉각수 유입관 및 유출관에도 적용할 수 있는 것으로, 탱크와 예각을 이루며 돌출 형성되는 냉각수 유입관 또는 냉각수 유출관이 곡률을 이루도록 하여 냉각수 흐름을 보다 부드럽게 할 수 있다.

이러한 구성의 본 발명은 알루미늄으로 이루어진 라디에이터의 각 구성요소를 알루미늄으로 형성시킬 수 있으며, 일반 플라스틱 라디에이터에서도 동등 이상의 효과가 있게 된다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 라디에이터에 있어 냉각수의 압력손실을 저감하여 라디에이터의 냉각효율을 높일 수 있다. 또한 본 발명의 라디에이터에 의하면, 냉각수의 순환에 따른 라디에이터 내에서의 저항을 최소화하여, 냉각수 흐름을 원활히 할 수 있으며, 간단한 구조로 인하여 이를 위한 별도의 설비 및 기구를 필요로 하지 않아 경제적으로 우수한 라디에이터를 제공할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명한 것이나, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게는 다양한 변형 및 다른 실시예가 가능하다는 점이 이해될 것이다. 따라서 본원 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서 정해질 것이다.

Claims (6)

1. 알루미늄으로 형성된 상부 탱크;

   알루미늄으로 형성되고 상기 상부 탱크와 이격되어 나란히 설치되며 그 부피가 상기 상부 탱크의 부피에 비해 크도록 형성된 하부 탱크;

   상기 상부 탱크에 설치된 냉각수 유입관;

   상기 하부 탱크에 설치된 냉각수 유출관;

   상기 상부 및 하부 헤더탱크의 사이에 배설되어 상기 상부 탱크와 상기 하부 탱크를 서로 연통시키는 복수 개의 튜브; 및

   상기 튜브 사이에 형성되는 방열 핀을 포함하고,

   상기 하부 탱크의 부피를 Vb라 하고, 상기 상부 탱크의 부피를 Vt라 할 때, 이들이 하기의 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 라디에이터.

   1 〈 (Vb / Vt)≤1.5
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 하부 탱크는 상기 냉각수 유출관이 결합된 부위의 부피가 상기 하부 탱크의 타 부분의 부피보다 큰 것을 특징으로 하는 라디에이터.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 냉각수 유입관의 길이방향 또는 냉각수 유출관의 길이방향은 상기 상부 탱크의 길이방향 또는 상기 하부 탱크의 길이방향에 대해 각각 예각을 이룸을 특징으로 하는 라디에이터.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 냉각수 유입관 또는 냉각수 유출관은 각각 그 길이방향으로 곡률을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 라디에이터.
6. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 상부 탱크와 하부 탱크의 양 단부에는 각각 캡을 부착하고, 상기 냉각수 유입관 또는 냉각수 유출관은 상기 상부 탱크 또는 하부 탱크의 어느 일 단에 부착된 캡과 일체로 형성되고, 상기 냉각수 유입관 또는 냉각수 유출관의 길이방향으로 곡률을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 라디에이터.

Images