KR101054750B1 - 차량용 증발 사이클 열교환 시스템 - Google Patents

차량용 증발 사이클 열교환 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증발식 열교환기의 원리를 이용하여 차량용 전장품, 연료전지 스택, 내연기관, 자동변속기, 터보차지 등을 냉각시키는 새로운 개념의 냉각 시스템을 구현함으로써, 냉각 효율의 향상과 라디에이터 등과 같은 부품 사이즈의 축소를 도모할 수 있는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 작동 유체가 이동하는 원리를 이용한 증발식 열교환기를 채용하여 차량의 냉각 시스템을 순환하는 냉각수를 냉각시키는 새로운 형태의 열교환 시스템을 구현함으로써, 냉각 시스템의 전반적인 냉각 효율을 향상시킬 수 있고, 부품 사이즈 축소에 따른 보행자 법규 대응에 유리하며, 연비 절감 및 시스템 안전성을 확보할 수 있는 한편, 차량용 인버터, 스택, 내연기관의 오일팬, 터보차지 또는 자동변속기 오일팬 등에 제품 일체형 또는 라인 일체형으로 설치가 가능한 증발식 열교환기를 구현함으로써, 다양한 차종 및 여러 차량 부품에 용이하게 적용할 수 있고, 이에 따라 차종이나 부품에 따른 냉각 시스템의 설계와 관련한 레이아웃이나 사양의 자유도를 높일 수 있는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템을 제공한다.
냉각 시스템, 증발 사이클, 열교환기, 작동 유체, 라디에이터

Description

차량용 증발 사이클 열교환 시스템{Latent cycle heat exchange system for vehicle}
본 발명은 차량용 증발 사이클 열교환 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 증발식 열교환기의 원리를 이용하여 차량용 전장품, 연료전지 스택, 내연기관, 자동변속기, 터보차지 등을 냉각시키는 새로운 개념의 냉각 시스템을 구현함으로써, 냉각 효율의 향상과 라디에이터 등과 같은 부품 사이즈의 축소를 도모할 수 있는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 엔진의 실린더 내의 연소가스 온도는 2000∼2500℃에 이르고, 이때의 열이 상당량 실린더, 실린더 헤드, 피스톤, 밸브 및 기타 부품으로 전달된다.
이렇게 부품의 온도가 과도하게 상승되면 부품 재료의 강도가 저하되어 고장이 생기거나 수명이 단축되고 연소 상태도 나빠져서 엔진 출력이 저하된다.
또한, 엔진이 너무 냉각되면 냉각으로 손실되는 열량이 크기 때문에 엔진 효 율이 낮아지고 연료 소비량이 증가하는 등의 문제가 생기므로, 자동차에는 엔진의 온도를 약 80∼90℃로 유지시켜주는 냉각 시스템이 구비된다.
하이브리드 자동차는 정속 주행, 완만한 주행, 저중속 정속 주행시 모터에 의해 구동되며, 가속, 급가속시에는 내연기관과 모터가 동시에 구동된다.
또, 고속 정속 주행시는 내연기관에 의해 작동되어 연비를 향상시키는 차량이다.
이러한 하이브리드 자동차의 냉각 시스템은 구동원에 따라 전장계 냉각 시스템과 내연기관 냉각 시스템 등 2개의 냉각 시스템으로 구성된 냉각 시스템을 구비하고 있다.
연료전지 자동차는 수소와 산소를 화학반응시켜 전기와 물을 발생시키고, 이 원리를 이용한 차량이다.
즉, 수소와 산소를 결합시켜 전기를 만들고 이를 자동차 동력원으로 사용하여 차량을 주행하는 동력원으로 이용하는 것이다.
이러한 연료전지 자동차는 연료전지 스택에서 발생되는 폐열을 제거하기 위한 냉각 시스템을 구비하고 있으며, 연료전지 자동차용 냉각 시스템은 폐열을 순수(純水) 혹은 물과 같은 냉각수를 펌프의 작동으로 방열기로 보낸 후, 이 방열기에서 팬 또는 주행풍을 이용하여 냉각수의 열을 외부로 방열시키도록 구성되어 있다.
이와 같이 대부분의 차량에서 적용하고 있는 냉각 시스템에서는 감열을 이용한 라디에이터 방식을 채택하고 있으며, 이러한 감열식 라디에이터는 냉각수를 이 용하는 통상적인 열전도 방법을 적용하고 있기 때문에 냉각 성능을 높이는데 한계가 있고, 또 사이즈나 용량이 큰 라디에이터 등을 필요로 한다.
도 1은 하이브리드 차량의 냉각 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 하이브리드 차량의 경우 전장계 냉각 시스템과 내연기관 냉각 시스템으로 구성되며, 냉각수의 순환 경로를 살펴보면 다음과 같다.
전장계 냉각 시스템의 경우, 인버터(15)→리저버 탱크(16)→통합 스타터 및 발전기(17)→전장용 라디에이터(18)→인버터(15)의 순서로 이어지는 냉각수 순환 경로를 갖는다.
내연기관 냉각 시스템의 경우, 내연기관(10)→내연기관용 라디에이터(11)→워터펌프(12)→내연기관(10)의 순서로 이어지는 냉각수 순환 경로를 갖는다.
여기서, 미설명 부호 13은 냉각팬이고, 14는 쿨링 모듈을 나타낸다.
하이브리드 차량의 감열식 라디에이터는 열교환의 대상 간 온도 차이가 클수록 효율이 증대하며, 통상적으로 열낙차는 10℃를 넘지 못한다.
종래의 내연기관용 라디에이터의 경우 입구측의 온도는 100∼110℃이고, 외기온은 40∼45℃이어서 두 유체 간 온도차가 55∼70℃가 되어 비교적 고효율의 냉각 성능을 나타낼 수 있다.
그러나, 전장용 라디에이터의 경우 입구측의 온도는 70∼75℃이고, 외기온은 40∼45℃이어서 두 유체 간 온도차는 25∼35℃가 되고, 이에 따른 냉각 효율 저하로 고용량, 10℃ 정도의 열낙차를 얻기 위해서는 큰 크기의 전장용 라디에이터가 필요하게 되며, 유입 공기온도를 낮추기 위하여 전방에 다른 열교환기의 배치를 되도록 피하고 있다.
도 2는 연료전지 차량의 냉각 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 연료전지 차량의 경우 전장계 냉각 시스템과 스택 냉각 시스템으로 구성되며, 냉각수의 순환 경로를 살펴보면 다음과 같다.
전장계 냉각 시스템의 경우, 인버터(15)→리저버 탱크(16)→구동모터(23)→전장용 라디에이터(18)→워터펌프(12)→인버터(15)의 순서로 이어지는 냉각수 순환 경로를 갖는다.
스택 냉각 시스템의 경우, 스택(19)→리저버 탱크(16)→스택용 라디에이터(20)→워터펌프(12)→스택(19)의 순서로 이어지는 냉각수 순환 경로를 갖는다.
여기서, 미설명 부호 13은 냉각팬이고, 14는 쿨링 모듈을 나타낸다.
연료전지 차량에 장착되는 스택용 라디에이터의 경우에도 입구측의 온도는 75∼85℃이고, 외기온은 40∼45℃이어서 두 유체 간 온도차는 15∼25℃가 되고, 이에 따른 냉각 효율 저하(Q=M'CpΔT)로 10℃ 정도의 열낙차(입구온-출구온)를 얻기 위해서는 큰 크기의 스택용 라디에이터가 필요하게 되며, 유입 공기 온도를 낮추어 ΔT를 크게 하기 위해 전방에 다른 열교환기의 배치를 되도록 피하고 있으나, 전방에 전장용 라디에이터 및 에어컨 컨덴서가 위치되어 냉각 효율 향상에 어려움이 있다.
이에 따라, 통상적으로 라디에이터 용량을 기존의 내연기관용의 2배 이상으로 용량을 증대하거나, 1KW급 고전압 모터용 냉각팬(기존 내연기관용:250W급 이하)을 사용하여 냉각하고 있다.
도 3은 내연기관 차량의 냉각 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 내연기관 차량의 감열식 라디에이터는 헤더, 탱크, 코어 등으로 구성되어 있으며, 내연기관(10)→내연기관용 라디에이터(11)→워터펌프(12)→내연기관(10)의 경로로 냉각수가 순환되고, 냉각팬(13)의 가동에 따른 외기와의 접촉을 통해 열교환이 이루어진다.
여기서, 미설명 부호 14는 쿨링 모듈을 나타낸다.
이러한 감열식 라디에이터의 경우 헤더와 탱크 사이즈가 커서 쿨링 모듈 구성시 두께 방향으로는 50mm, 폭 방향으로는 47mm 사이즈가 필요하다.
한편, 보행자 법규 및 RCAR 상품성(저속 충돌시 수리비 저감에 관한 법규) 대응시 쿨링 모듈의 상하, 폭, 두께 방향으로 지속적인 축소 요구가 있지만, 종래 감열식 라디에이터의 헤더와 탱크 구조로는 두께 축소가 불가하며, 열교환기 두께 및 상하, 좌우 크기를 축소하는 경우 냉각성능 불만족으로 변경 대응하기가 어렵다.
또한, 터보차지 인터쿨러용 라디에이터의 경우에도 내연기관 냉각용 라디에이터와 동일한 문제가 있다.
도 4는 자동변속기의 냉각 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 엔진 일측에 설치되는 자동변속기(21)의 경우 내연기관용 라디에이터(11) 내에 장착되어 있는 수냉식 오토오일쿨러(22)측과 액상의 오일을 주고 받으면서 열교환을 할 수 있는 냉각 시스템을 갖는다.
냉시동시 자동변속기 오일과 라디에이터의 냉각수는 외기온과 같은 온도로 과냉되어 있다.
차량 운행시 자동변속기의 오일은 자동변속기의 컨버터의 구동력으로 라디에이터 내부의 수냉식 오토미션 오일쿨러로 이동되어 라디에이터의 냉각수와 열교환을 한다.
냉시동시 라디에이터의 냉각수가 과냉되어 있고, 서머스텟이 작동되어 엔진 내부의 뜨거워진 냉각수가 라디에이터로 유입되어 자동변속기 오일과 열교환을 하기 전까지는 자동변속기의 오일은 지속적으로 과냉된 상태로 유지된다.
자동변속기 오일 과냉시 오일 점도 상승으로 구동력이 더 크게 필요하게 되고, 이로 인해 연비 측면에서 매우 불리하다.
즉, 저온시 자동변속기의 연비는 오일의 점도가 작아진 고온의 경우 대비 나빠지게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 별도의 오일을 가열하는 장치를 만들어 저온시 오일 온도를 상승시켜 연비를 개선하는 기술이 활발히 연구되고 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 저압에서 끓는점이 낮아져 쉽게 증발되고 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 작동 유체가 이동하는 원리를 이용한 증발식 열교환기를 채용하여 차량의 냉각 시스템을 순환하는 냉각수를 냉각시키는 새로운 형태의 열교환 시스템을 구현함으로써, 냉각 시스템의 전반적인 냉각 효율을 향상시킬 수 있고, 부품 사이즈 축소에 따른 보행자 법규 대응에 유리하며, 연비 절감 및 시스템 안전성을 확보할 수 있는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 차량용 인버터, 스택, 내연기관의 오일팬, 터보차지 또는 자동변속기 오일팬 등에 제품 일체형 또는 라인 일체형의 형태로 설치가 가능한 증발식 열교환기를 구현함으로써, 다양한 차종 및 여러 차량 부품에 용이하게 적용할 수 있고, 이에 따라 차종이나 부품에 따른 냉각 시스템의 설계와 관련한 레이아웃이나 사양의 자유도를 높일 수 있는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 차량용 증발 사이클 열교환기 시스템의 일 예는 증발식 열교환부 및 응축식 열교환부와, 작동 유체의 순환을 위하여 양쪽의 열교환부 사이에 연결 설치되는 순환형태의 파이프 라인으로 구성되어, 저압에서 끓는점이 낮아져 쉽게 증발되고 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 일측의 작동 유체가 다른 일측으로 이동하면서 열교환을 수행하는 증발식 열교환기를 포함하는 한편, 상기 증발식 열교환기의 증발식 열교환부를 하이브리드 차량의 전장계 냉각수 순환 라인(인버터→리저버 탱크→통합 스타터 및 발전기→워터펌프→인버터)을 구성하고 있는 인버터의 내부에 일체형으로 설치하는 형태, 하이브리드 차량의 전장계 냉각수 순환 라인(인버터→리저버 탱크→통합 스타터 및 발전기→워터펌프→인버터)상에 연결 설치하는 형태, 연료전지 차량의 스택 냉각수 순환 라인(스택→리저버 탱크→워터펌프→스택)을 구성하고 있는 스택의 내부에 일체형으로 설치하는 형태, 연료전지 차량의 스택 냉각수 순환 라인(스택→리저버 탱크→워터펌프→스택)상에 연결 설치하는 형태, 내연기관 차량의 내연기관 냉각수 순환 라인(내연기관→워터펌프→내연기관)을 구성하고 있는 내연기관의 내부에 일체형으로 설치하는 형태, 내연기관 차량의 내연기관 냉각수 순환 라인(내연기관→워터펌프→내연기관)상에 연결 설치하는 형태, 차량 자동변속기의 오일팬 내에 일체형으로 설치하는 형태, 차량 자동변속기의 오일 순환 라인상의 일정구간에 연결 설치됨과 동시에 순환 라인을 흐르는 오일의 출입이 가능한 케이스의 내부에 설치하는 형태, 차량 터보차지의 배기가스 순환 라인(터보차지→흡기→엔진→배기→터보차지)을 구성하고 있는 터보차지의 내부에 일체형으로 설치하는 형태, 차량 터보차지의 배기가스 순환라인(터보차지→흡기→엔진→배기→터보차지)상에 연결 설치하는 형태 등으로 구성함으로써, 냉각수, 오일, 배기가스와의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제공하는 차량 증발 사이클 열교환기 시스템은 다음과 같은 장점이 있다.
① 냉각 효율 향상 - 기존의 현열식 열교환기 대비 증발 및 응축시 잠열이 동일 조건에서 10배 크기 때문에 열전달 매체 차이에 의해 다량의 열수송 및 열전달이 가능하여 냉각 효율이 증대된다.
또한, 진공의 초전도 전열 원리에 의해 기존의 50% 수준의 현열식 열교환기 열전도율 대비 98.5% 수준의 빠른 열전도율을 갖고 있으며, 음속의 속도로 증기가 응축부로 이동한다.
따라서, 열교환의 대상 물질 간 온도차가 작은 시스템에서도 기존의 현열식 열교환기 대비 냉각 효율이 향상된다.
② 팬 소모 동력 저감 - 연료전지 자동차의 경우 현재 연료전지 시스템에서 사용하고 있는 1KW급 고용량 모터를 배제하고, 가솔린 엔진에서 사용하고 있는 수준의 냉각팬(250W 이하) 사용이 가능하다.
내연기관의 경우 냉각팬 소모 동력을 축소할 수 있다.
③ 보행자 법규 대응 유리 및 RCAR 상품성 증대 - 내연기관 시스템에 적용한 경우 라디에이터 탱크 폐지 및 헤더부 축소로 두께 방향으로 약 33mm, 폭방향으로 약 27mm 사이즈 축소가 가능하다.
RCAR의 경우 SUV 차량에서 1등급 개선시 22만원의 보험료 인하 효과가 있으며, 상기 사이즈 축소 감안시 1등급 개선으로 22만원/대 가격 절감 효과가 있다.
④ 연비 절감 - 자동변속기 냉각 장치에 적용하는 경우 저온시에는 작동 유체 증발이 없어 냉각이 이루어지지 않아 오일온도 웜업 성능 향상으로 연비가 개선되고, 고온에서는 냉각 효율 증대로 냉각이 이루어져 과도한 오일 온도의 상승을 막아 산폐를 방지한다.
⑤ 시스템 안전성 향상 - 라인 일체형 증발식 열교환기 적용 시스템의 경우 쿨링 모듈 근처에 배치할 수 있어 히트 파이프를 이용한 배관의 길이를 짧게 설정할 수 있다.
파이프의 길이가 길면 파손 및 리크에 취약한데, 이런 경우 부압 상실 우려로 끓는점이 상승하여 냉각 효과가 없어져서 열원부의 과열로 파손이 될 수 있다.
⑥ 냉각 시스템 설계 및 사양 자유도 향상 - 부품 일체형 증발식 열교환기 또는 라인 일체형 증발식 열교환기의 형태로 손쉽게 제작할 수 있으므로, 다양한 차종 및 여러 부품에 용이하게 적용할 수 있고, 결국 차종에 따른 냉각 시스템 설계 및 사양 결정시 자유도를 높일 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 증발 사이클 열교환기 시스템에 적용되는 증발식 열교환기를 나타내는 개략도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 상기 증발식 열교환기(100)는 증발식 열교환부(110)와 응축식 열교환부(120) 사이를 파이프 라인(130)으로 연결하여 내부의 작 동 유체가 반복 순환되도록 한 구조로 이루어져 있다.
일 예로, 상기 응축식 열교환부(120)는 에어컨 컨덴서(25)와 냉각팬(13)의 사이에 위치될 수 있다.
또한, 상기 증발식 열교환부(110)와 응축식 열교환부(120) 사이에 연결되는 2열의 파이프 라인(130) 중 1열은 증발식 열교환부(110)로부터 기상 유체가 나오는 라인이고, 다른 1열은 증발식 열교환부(110)로 액상 유체가 들어가는 라인이다.
상기 증발식 열교환기(100)의 내부를 따라 순환하는 작동 유체는 두가지의 상으로 존재하며, 이 유체는 열역학, 유체역학, 열전달의 법칙과 원리에 따라 상변화 유동을 일으키게 된다.
증발식 열교환부에 열이 가해지면 외벽을 통하여 열전에 의해 열이 전달되고, 증발식 열교환부 내부에 있는 액상의 작동 유체로 전달된다.
이때, 액체는 윅 표면에서 증발을 일으키고 증발식 열교환부의 증기 영역은 증기 밀도와 압력을 증가시킨다.
이 결과 증발식 열교환부의 용기 중심부의 증기 통로에는 상대적으로 밀도와 압력이 낮은 응축식 열교환부 방향으로 압력 구배가 형성되어 증기가 이동하게 된다.
그리고, 증기는 상대적으로 온도가 낮은 응축식 열교환부 내벽에서 냉각되어 열을 방출하고 액상으로 돌아간다.
액상인 작동 유체는 윅 내부 기공을 통하여 윅의 모세압 또는 중력에 의해 증발식 열교환부 쪽으로 귀환하게 된다.
윅 적용시 압력차와 모세관에 의한 펌핑 능력 향상으로 응축부가 증발부 대비 상부에 위치하지 않아도 모세관에 의해 유체의 이동이 발생한다.
만일, 윅을 적용하지 않는 경우 항상 응축부는 증발부의 상부에 위치되도록 하는 것이 바람직하다.
따라서, 증발식 열교환부, 응축식 열교환부, 파이프 라인에 윅 적용시 모세관 압력에 의한 펌핑 작용과 액상과 기상의 압력차로 인하여 증발식 열교환부로부터 응축식 열교환부로 파이프 라인을 통해 작동 유체가 이동되고, 재차 귀환되는 작용이 반복되면서 열교환이 이루어질 수 있게 된다.
이와 같은 증발식 열교환기(100)는 전장계 냉각 시스템, 내연기관 냉각 시스템, 터보차지 인터쿨러 냉각 시스템, 자동변속기 냉각 시스템 등에 효과적으로 적용할 수 있다.
예를 들면, 먼저 전장계 냉각 시스템에 적용한 경우를 살펴보면 다음과 같다.
전장 시스템은 전장품에 사용되는 반도체 특성상 온도 상승시 효율저하가 크므로, 인버터나 스택 등과 같은 차량용 전장품의 경우 효율 증대를 위해 80℃ 이하가 유지되게 냉각하는 기술이 필요하다.
이때의 80℃는 통상적으로 자동차 내연기관 냉각에 사용한 냉각 유지온도 115℃ 이하 대비 매우 낮은 온도이다.
고온 또는 혹서지의 외기온 45℃와 냉각수가 열교환시 전장 시스템의 온도차가 기존의 내연기관 대비 작아 냉각 효율이 저하될 수 있다.
따라서, 전장용 열교환기의 경우 효율 저하를 만회하기 위해서는 열교환기 크기 증대 및 냉각팬의 용량 증대가 필요하다.
이를 위하여, 본 발명에서는 저압에서 끓는점이 낮아져 쉽게 증발되고, 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 작동 유체가 이동하는 원리를 이용한 증발식 열교환기를 차량용 전장품, 예를 들면 인버터나 스택 등에 일체형으로 장착하거나, 이들 부품들을 순환하는 냉각수 순환 라인상에 연결 설치하여 전장 시스템을 순환하는 냉각수를 유동시킴으로써, 전장품에서 발열된 다량의 열을 흡열한 후에 배관을 거쳐 엔진 냉각팬 전방 또는 후방에 위치하여 냉각풍에 의해 강제 냉각되거나 그릴부로 유입된 주행풍에 의해 자연 냉각되는 응축식 열교환기에서 방열시키는 냉각 시스템을 구현할 수 있다.
따라서, 감열식(Sensible heat) 대비 비열이 큰 증발 및 응축 잠열을 이용하여 열교환의 대상 물질 간 온도차가 작은 시스템에서 기존 감열식 대비 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
다음, 내연기관 냉각 시스템에 적용한 경우를 살펴보면 다음과 같다.
증발식 열교환기를 내연기관의 냉각장치에 적용한 경우 잠열 사용에 따른 냉각 효율 개선에 의한 크기 축소와 열교환기 형상을 라디에이터 형상에서 콘덴서 형상으로 변경이 가능하다(도 13 참조).
라디에이터의 탱크 삭제(40∼50mm) 및 헤더 형상 축소(20∼30mm)로 사이즈의 대폭적인 크기 축소가 가능하다.
또한, 유럽 보행자 법규 및 RCAR 상품성 측면에서 열교환기 크기 축소시 RCAR의 경우 보험 등급을 하향할 수 있으며, 통상적으로 SUV의 경우 보험 등급 1등급 저감시 22만원 정도의 보험비가 절감되므로, 이러한 증발식 열교환기를 이용한 냉각 시스템의 적용시 법규 대응에 있어 유리한 점과 상품성을 증대할 수 있다.
다음, 자동변속기 냉각 시스템에 적용한 경우를 살펴보면 다음과 같다.
자동변속기 오일 냉각장치의 경우 점도를 적절하게 유지하여 연비를 저감하는 기술이 필요하다.
현재는 차량 구동시 자동변속기 오일이 지속적으로 라디에이터의 수냉식 오토미션 오일쿨러측으로 유입되어 저온시는 지나친 과냉이 이루어지면서 연비가 나빠지게 된다.
따라서, 저온에서는 온도를 빠르게 상승시켜 오일의 점도를 낮추고, 고온에서는 자동변속기 시스템 보호와 오일의 산폐를 막기 위해 오일을 냉각시키는 기능이 필요하다.
위의 기술 중 자동변속기 오일 냉각장치에 적용한 경우 증발식 열교환기의 작동 유체를 적정 온도(예를 들면, 약 100℃)에서 증발하도록 설정하면, 오일온도 100℃ 이하에서는 작동 유체가 증발되지 않게 되고, 이로 인해 압력차에 의한 작동 유체의 순환이 없게 되어 냉각이 이루어지지 않게 된다.
따라서, 오일 온도는 빠르게 상승되어 연비가 상승된다.
그러나, 오일 온도 100℃ 이상에서는 작동 유체의 증발에 의해 압력차가 발생하여 작동 유체의 냉각이 이루어지게 된다.
따라서, 저온시는 작동하지 않고 중고온시는 잠열 이용에 따른 냉각효율 증 대로 연비가 향상된다.
다음, 터보차지 인터쿨러 냉각 시스템에 적용한 경우를 살펴보면 다음과 같다.
내연기관의 냉각 시스템에서의 실시예에 대한 효과는 헤더와 탱크로 이루어진 터보차지 인터쿨러 열교환기에 적용시 동일한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 잠열에 의한 냉각 효율 개선에 따라 크기 축소와 열교환기 형상을 인터쿨러 라디에이터 형상에서 콘텐서 형상(도 13 참조)으로 변경이 가능하다.
예를 들면, 인터쿨러 라디에이터의 탱크 삭제(40∼50mm) 및 헤더 형상 축소(20∼30mm)로 사이즈의 대폭적인 크기 축소가 가능하다.
내연기관의 경우와 마찬가지로, 유럽 보행자 법규 및 RCAR 상품성 측면에서 열교환기 크기 축소시 RCAR의 경우 보험 등급을 하향할 수 있으며, 통상적으로 SUV의 경우 보험 등급 1등급 저감시 22만원 정도의 보험비가 절감되므로, 이러한 증발식 열교환기를 이용한 냉각 시스템의 적용시 법규 대응에 있어 유리한 점과 상품성을 증대할 수 있다.
이와 같은 증발식 열교환기(100)는 인버터나 스택 등 전장부품에 일체형으로 장착하거나, 또는 냉각수 라인상의 일정구간에 연결되는 라인 일체형으로 장착할 수 있다.
예를 들면, 도 6에서는 하이브리드 자동차의 전장계 부품인 인버터(15)에 제품 일체형 증발식 열교환기를 적용한 예를 보여준다.
상기 인버터(15)에는 상하부측에서 전기 변환(교류→직류) 또는 감압시 발생 하는 열을 냉각시키기 위하여 냉각수의 유동 통로가 되는 워터 자켓, 즉 냉각수 유로(24)가 구비되어 있으며, 이렇게 냉각수가 흐르는 냉각수 유로(24)의 내부에 증발식 열교환부(110)가 설치된다.
이때의 증발식 열교환부(110)는 냉각수 유로(24)의 내부에서 적어도 1개 이상이 나란하게 배치되는 형태로 설치될 수 있다.
물론, 상기 증발식 열교환부(110)는 응축식 열교환부(120)와 파이프 라인(130)을 통해 순환 라인을 구성하게 되고, 이때의 순환 라인을 따라 작동 유체가 계속해서 순환하면서 냉각수와의 열교환 작용을 수행할 수 있게 된다.
다른 예로서, 도 7에서는 하이브리드, 연료전지, 내연기관 등에 있는 다양한 냉각수 순환 라인상에 라인 일체형 증발식 열교환기를 적용한 예를 보여준다.
이를 위하여, 증발식 열교환부(110)를 내장하는 형태의 케이스(140)가 구비되고, 이때의 케이스(140)가 갖는 입구(150)와 출구(160)는 냉각수 순환 라인과 연통된다.
이에 따라, 입구(150)를 통해 케이스(140) 내로 들어온 고온의 냉각수는 증발식 열교환부(110)와의 열교환 작용을 통해 냉각되고, 이렇게 온도가 떨어진 상태로 출구(160)를 통해 빠져나가게 되며, 이러한 과정이 반복적으로 순환되면서 냉각수 순환 라인을 따라 흐르는 냉각수에 대한 냉각이 이루어진다.
물론, 상기 증발식 열교환부(110)도 응축식 열교환부(120)와 파이프 라인(130)을 통해 작동 유체가 순환되는 순환 라인을 구성하게 된다.
여기서, 라인 일체형 증발식 열교환기를 적용하는 다른 예로서, 냉각수 순환 라인 뿐만 아니라 오일 순환 라인, 배기가스 순환 라인 등에도 적용이 가능하다.
이하, 위와 같은 증발식 열교환기의 여러 적용 형태에 대한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량용 증발 사이클 열교환기 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 8a에 도시한 바와 같이, 여기서는 제품 일체형 증발식 열교환기를 이용하여 하이브리드 차량의 냉각 시스템을 구성한 예를 보여준다.
먼저, 내연기관 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 내연기관(10)→내연기관용 라디에이터(11)→워터펌프(12)의 순서로 순환이 이루어지고, 전장계 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 인버터(15)→리저버 탱크(16)→통합 스타터 및 발전기(17)→워터펌프(12)의 순서로 순환이 이루어진다.
이때, 증발식 열교환기에서 작동 유체의 흐름은 인버터 일체형 증발식 열교환부(110)→파이프 라인(130)→응축식 열교환부(120)+냉각팬(13)→파이프 라인(130)의 순서로 순환이 이루어진다.
따라서, 하이브리드 차량의 경우 증발식 열교환기의 증발식 열교환부는 인버터→리저버 탱크→통합 스타터 및 발전기→워터펌프→인버터로 이어지는 전장계 냉각수 순환 라인상에서 인버터의 내부에 일체형으로 설치되어 냉각수와의 열교환 작용을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 냉각 효율 향상을 위하여 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방에 위치될 수 있거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치될 수 있거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 구성할 수 있다.
특히, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)의 경우 내부에 윅(26)을 구비하여, 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
도 8b에 도시한 바와 같이, 여기서는 라인 일체형 증발식 열교환기를 이용하여 하이브리드 차량의 냉각 시스템을 구성한 예를 보여준다.
먼저, 내연기관 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 내연기관(10)→내연기관용 라디에이터(11)→워터펌프(12)의 순서로 순환이 이루어지고, 전장계 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 인버터(15)→리저버 탱크(16)→통합 스타터 및 발전기(17)→증발식 열교환부(110)가 내장되어 있는 케이스(140)→워터펌프(12)의 순서로 순환이 이루어진다.
이때, 증발식 열교환기에서 작동 유체의 흐름은 증발식 열교환부(110)가 내장되어 있는 케이스(140)→파이프 라인(130)→응축식 열교환부(120)+냉각팬(13)→파이프 라인(130)의 순서로 순환이 이루어진다.
따라서, 하이브리드 차량의 경우 증발식 열교환기는 인버터→리저버 탱크→통합 스타터 및 발전기→워터펌프→인버터로 이어지는 전장계 냉각수 순환 라인상에서 순환 라인에 일체형으로 연결 설치되어 냉각수와의 열교환 작용을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 냉각 효율 향상을 위하여 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방이나 후방에 위치될 수 있거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치될 수 있거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 구성할 수 있다.
특히, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)의 경우 내부에 윅(26)을 구비하여, 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 파이프 라인을 축소하여 시스템의 안정성을 향상시키기 위하여, 케이스 내의 증발식 열교환부(110)와 응축식 열교환부(120)를 병렬로 위치시킬 수 있거나, 또는 케이스 내의 증발식 열교환부(110)와 내연기관용 라디에이터(11)를 병렬로 위치시킬 수 있거나, 또는 증발식 열교환부(110)와 응축식 열교환부(120)를 일체형으로 제작할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 증발 사이클 열교환기 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 9a에 도시한 바와 같이, 여기서는 제품 일체형 증발식 열교환기를 이용하여 연료전지 차량의 냉각 시스템을 구성한 예를 보여준다.
먼저, 스택 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 스택(19)→리저버 탱크(16)→워터펌프(12)의 순서로 순환이 이루어지고, 전장계 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 인버터(15)→리저버 탱크(16)→구동모터(23)→워터펌프(12)의 순서로 순환이 이루어진다.
이때, 증발식 열교환기에서 작동 유체의 흐름은 스택 일체형 증발식 열교환부(110)→파이프 라인(130)→응축식 열교환부(120)+냉각팬(13)→파이프 라인(130) 의 순서로 순환이 이루어진다.
따라서, 연료전지 차량의 경우 증발식 열교환기의 증발식 열교환부는 스택→리저버 탱크→워터펌프→스택으로 이어지는 스택 냉각수 순환 라인상에서 스택의 내부에 일체형으로 설치되어 냉각수와의 열교환 작용을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 냉각 효율 향상을 위하여 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방에 위치될 수 있거나, 또는 전장용 라디에이터(18)와 병렬로 위치될 수 있거나, 또는 전장용 라디에이터(18)의 전방에 위치될 수 있다.
특히, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)의 경우 내부에 윅(26)을 구비하여, 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 구조의 단순화를 위하여 응축식 열교환부(120)와 에어컨 컨덴서(25)를 일체형으로 구성하는 것이 바람직하다.
도 9b에 도시한 바와 같이, 여기서는 라인 일체형 증발식 열교환기를 이용하여 연료전지 차량의 냉각 시스템을 구성한 예를 보여준다.
먼저, 스택 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 스택(19)→리저버 탱크(16)→증발식 열교환부(110)가 내장되어 있는 케이스(140)→워터펌프(12)의 순서로 순환이 이루어지고, 전장계 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 인버터(15)→리저버 탱크(16)→구동모터(23)→워터펌프(12)의 순서로 순환이 이루어진다.
이때, 증발식 열교환기에서 작동 유체의 흐름은 증발식 열교환부(110)가 내 장되어 있는 케이스(140)→파이프 라인(130)→응축식 열교환부(120)+냉각팬(13)→파이프 라인(130)의 순서로 순환이 이루어진다.
따라서, 연료전지 차량의 경우 증발식 열교환기는 스택→리저버 탱크→워터펌프→스택으로 이어지는 스택 냉각수 순환 라인상에서 순환 라인에 일체형으로 연결 설치되어 냉각수와의 열교환 작용을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 지역별 냉각 성능 최적화를 위하여 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방이나 후방에 위치될 수 있거나, 또는 전장용 라디에이터(18)의 전방이나 후방에 위치될 수 있거나, 또는 냉각 효율 향상을 위하여 전장용 라디에이터(18)와 병렬로 위치될 수 있거나, 또는 구조 단순화를 위하여 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 구성할 수 있다.
특히, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)의 경우 내부에 윅(26)을 구비하여, 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 파이프 라인을 축소하여 시스템의 안정성을 향상시키기 위하여, 케이스 내의 증발식 열교환부(110)와 응축식 열교환부(120)를 병렬로 위치시킬 수 있거나, 또는 케이스 내의 증발식 열교환부(110)와 내연기관용 라디에이터(11)를 병렬로 위치시킬 수 있거나, 또는 증발식 열교환부(110)와 응축식 열교환부(120)를 일체형으로 제작할 수 있다.
따라서, 이와 같은 하이브리드 차량 및 연료전지 차량의 전장품 냉각시 증발 식 열교환기의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.
증발식 열교환기에서 사용하는 작동 유체의 증발 온도를 전장계 냉각 시스템의 상용 온도 구간보다 낮게 설정한다(예:55℃).
증발식 열교환기 내부의 액상 유체는 증발온도 이상인 전장계 냉각 시스템의 냉각수로부터 열을 흡수하고(예:60∼65℃), 기상으로 증발하기 시작한다.
기상으로 증발시 작동 유체의 잠열에 의해 전장 시스템으로부터 열을 흡수하고 전장 시스템은 냉각된다.
온도가 상승한 증발식 열교환기 내부의 기상 유체는 밀폐된 공간에서 압력이 상승하고, 압력 상승에 의해 작동 유체는 압력이 작은 일측의 응측부로 이동한다.
증발부가 하단에 위치하고 응축부가 상단에 위치한 경우, 작동 유체가 중력장과 동일 방향(기상이 상부로 이동)에 의한 이동에 의해 쉽게 작동 유체가 이동할 수 있으며, 반대로 위치한 경우에는 모세관 현상을 이용한 작동 유체의 이동은 윅의 채용으로 작동 유체가 중력장의 반대 방향으로 이동할 수 있다.
작동 유체는 내연기관 냉각용 냉각팬의 전방 또는 후방에 위치하여 팬에 의한 강제 냉각과 그릴로 유입된 주행풍으로 냉각되는 응축식 열교환부로 이동된다.
강제 냉각에 의해 작동 유체 냉각시 응축 속도 증대에 의한 압력차의 증가로 전체적인 시스템상의 작동 유체의 순환량이 증대되어 냉각 효과가 증대된다.
응축식 열교환부에서 작동 유체는 외기온(40∼45℃)과 열교환을 시작하는데, 이 온도가 응축온도(약 55℃) 대비 낮아, 응축식 열교환부 내부의 작동 유체는 액상으로 응축된다.
상기와 같은 사이클이 반복적으로 이루어진다.
물을 작동 유체로 사용하는 증발 및 응축식 열교환기의 경우, 외기온(40∼45℃)과 작동 유체(50∼55℃) 사이의 온도차가 작아도 증발 잠열이 현열 대비 열량 차이가 약 10배(539Kcal/kg℃ 대비 55Kcal/kg℃) 정도 커서, 열전달 매체 차이에 의해 다량의 열수송 및 열전달이 가능하여 냉각 효율이 증대된다.
여기서, 55℃ 물의 비열은 55Kcal/1kg℃이고, 증기의 비열은 약 594(55+약 539)Kcal/1kg℃이다.
증발 및 응축식 열교환기의 경우 진공의 초전도 전열 원리에 의해 기존의 50% 수준의 감열식 열교환기 열전도율 대비 98.5% 수준의 빠른 열전도율을 갖고 있으며, 음속의 속도로 증기가 응축부로 이동하는 것이 가능하다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관 차량용 증발 사이클 열교환기 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 10a에 도시한 바와 같이, 여기서는 제품 일체형 증발식 열교환기를 이용하여 내연기관 차량의 냉각 시스템을 구성한 예를 보여준다.
먼저, 내연기관 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 내연기관(10)→워터펌프(12)→워터호스의 순서로 순환이 이루어진다.
이때, 증발식 열교환기에서 작동 유체의 흐름은 내연기관 일체형 증발식 열교환부(110)→파이프 라인(130)→응축식 열교환부(120)+냉각팬(13)→파이프 라인(130)의 순서로 순환이 이루어진다.
따라서, 내연기관 차량의 경우 증발식 열교환기의 증발식 열교환부는 내연기 관→워터펌프→워터호스→내연기관으로 이어지는 내연기관 냉각수 순환 라인상에서 내연기관의 내부, 예를 들면 오일팬 내에 일체형으로 설치되어 냉각수와의 열교환 작용을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 냉각 효율 향상을 위하여 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방에 위치될 수 있거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치될 수 있거나, 또는 구조 단순화를 위해 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 구성할 수 있다.
특히, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)의 경우 내부에 윅(26)을 구비하여, 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
도 10b에 도시한 바와 같이, 여기서는 라인 일체형 증발식 열교환기를 이용하여 내연기관 차량의 냉각 시스템을 구성한 예를 보여준다.
먼저, 내연기관 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 내연기관(10)→워터호스→증발식 열교환부(110)가 내장되어 있는 케이스(140)→워터펌프(12)의 순서로 순환이 이루어지고, 증발식 열교환기에서 작동 유체의 흐름은 증발식 열교환부(110)가 내장되어 있는 케이스(140)→파이프 라인(130)→응축식 열교환부(120)+냉각팬(13)→파이프 라인(130)의 순서로 순환이 이루어진다.
따라서, 내연기관 차량의 경우 증발식 열교환기의 증발식 열교환부는 내연기관→워터호스→증발식 열교환부를 내장한 케이스→워터펌프→내연기관으로 이어지는 내연기관 냉각수 순환 라인상에서 순환 라인에 일체형으로 연결 설치되어 냉각 수와의 열교환 작용을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 냉각 효율 향상을 위하여 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치될 수 있거나, 또는 구조 단순화를 위하여 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 구성할 수 있다.
특히, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)의 경우 내부에 윅(26)을 구비하여, 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 파이프 라인을 축소하여 시스템의 안정성을 향상시키기 위하여, 케이스 내의 증발식 열교환부(110)와 응축식 열교환부(120)를 병렬로 위치시킬 수 있거나, 또는 케이스 내의 증발식 열교환부(110)와 응축식 열교환부(120)를 일체형으로 제작할 수 있거나, 또는 지역별 냉각 성능 최적화를 위하여 응축식 열교환부(120)를 에어컨 컨덴서(25)의 전방이나 후방에 위치시킬 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 자동변속기 증발 사이클 열교환기 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 11a에 도시한 바와 같이, 여기서는 제품 일체형 증발식 열교환기를 이용하여 자동변속기의 냉각 시스템을 구성한 예를 보여준다.
자동변속기의 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 자동변속기(21)→오일팬의 순서로 순환이 이루어지고, 이때의 증발식 열교환기에서 작동 유체의 흐름은 자동변속기 일체형 증발식 열교환부(110)→파이프 라인(130)→응축식 열교환부(120)+냉각팬(13)→파이프 라인(130)의 순서로 순환이 이루어진다.
따라서, 자동변속기의 경우 증발식 열교환기의 증발식 열교환부는 자동변속기→오일팬→자동변속기로 이어지는 자동변속기 오일 순환 라인상에서 자동변속기 의 내부, 예를 들면 오일팬 내에 일체형으로 설치되어 오일과의 열교환 작용을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 냉각 효율 향상을 위하여 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방에 위치될 수 있거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치될 수 있거나, 또는 구조 단순화를 위해 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 구성할 수 있다.
특히, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)의 경우 내부에 윅(26)을 구비하여, 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
도 11b에 도시한 바와 같이, 여기서는 라인 일체형 증발식 열교환기를 이용하여 자동변속기의 냉각 시스템을 구성한 예를 보여준다.
자동변속기 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 자동변속기(21)→오일팬→증발식 열교환부(110)가 내장되어 있는 케이스(140)의 순서로 순환이 이루어지고, 증발식 열교환기에서 작동 유체의 흐름은 증발식 열교환부(110)가 내장되어 있는 케이스(140)→파이프 라인(130)→응축식 열교환부(120)+냉각팬(13)→파이프 라인(130)의 순서로 순환이 이루어진다.
따라서, 자동변속기의 경우 증발식 열교환기의 증발식 열교환부는 자동변속기→오일팬→증발식 열교환부를 내장한 케이스→자동변속기로 이어지는 자동변속기 오일 순환 라인상에서 순환 라인에 일체형으로 연결 설치되어 오일과의 열교환 작용을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 냉각 효율 향상을 위하여 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치될 수 있거나, 또는 구조 단순화를 위하여 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 구성할 수 있으며, 지역별 냉각 성능 최적화를 위하여 에어컨 컨덴서(25)의 전방이나 후방에 위치될 수 있다.
특히, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)의 경우 내부에 윅(26)을 구비하여, 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 파이프 라인을 축소하여 시스템의 안정성을 향상시키기 위하여, 케이스 내의 증발식 열교환부(110)와 응축식 열교환부(120)를 병렬로 위치시킬 수 있거나, 또는 케이스 내의 증발식 열교환부(110)와 응축식 열교환부(120)를 일체형으로 제작할 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 터보차지 증발 사이클 열교환기 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 12a에 도시한 바와 같이, 여기서는 제품 일체형 증발식 열교환기를 이용하여 내연기관 터보차지용 냉각 시스템을 구성한 예를 보여준다.
터보차지 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 터보차지(27)→흡기→내연기관(10)→배기의 순서로 순환이 이루어지고, 이때의 증발식 열교환기에서 작동 유체의 흐 름은 터보차지 일체형 증발식 열교환부(110)→파이프 라인(130)→응축식 열교환부(120)+냉각팬(13)→파이프 라인(130)의 순서로 순환이 이루어진다.
따라서, 터보차지의 경우 증발식 열교환기의 증발식 열교환부는 터보차지→흡기→내연기관→배기→터보자치로 이어지는 터보차지 배기가스 순환 라인상에서 터보차지의 내부에 일체형으로 설치되어 배기가스와의 열교환 작용을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 냉각 효율 향상을 위하여 쿨링 모듈(14)에 있는 내연기관용 라디에이터(11)의 전방에 위치될 수 있거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치될 수 있거나, 또는 구조 단순화를 위해 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 구성할 수 있다.
특히, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)의 경우 내부에 윅(26)을 구비하여, 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
도 12b에 도시한 바와 같이, 여기서는 라인 일체형 증발식 열교환기를 이용하여 터보차지의 냉각 시스템을 구성한 예를 보여준다.
터보차지 냉각 시스템에서 유체의 흐름은 터보차지(27)→증발식 열교환부(110)가 내장되어 있는 케이스(140)→흡기→내연기관(10)→배기의 순서로 순환이 이루어지고, 증발식 열교환기에서 작동 유체의 흐름은 증발식 열교환부(110)가 내장되어 있는 케이스(140)→파이프 라인(130)→응축식 열교환부(120)+냉각팬(13)→파이프 라인(130)의 순서로 순환이 이루어진다.
따라서, 터보차지의 경우 증발식 열교환기의 증발식 열교환부는 터보차지→증발식 열교환부를 내장한 케이스→흡기→내연기관→배기→터보차지로 이어지는 내연기관 배기가스 순환 라인상에서 순환 라인에 일체형으로 연결 설치되어 배기가스와의 열교환 작용을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 냉각 효율 향상을 위하여 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치될 수 있거나, 또는 구조 단순화를 위하여 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 구성될 수 있거나, 냉각 성능 최적화를 위하여 에어컨 컨덴서(25)의 후방에 위치될 수 있다.
특히, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)의 경우 내부에 윅(26)을 구비하여, 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 파이프 라인을 축소하여 시스템의 안정성을 향상시키기 위하여, 케이스 내의 증발식 열교환부(110)와 응축식 열교환부(120)를 병렬로 위치시킬 수 있거나, 또는 케이스 내의 증발식 열교환부(110)와 응축식 열교환부(120)를 일체형으로 제작할 수 있다.
도 1은 하이브리드 차량의 냉각 시스템을 나타내는 개략도
도 2는 연료전지 차량의 냉각 시스템을 나타내는 개략도
도 3은 내연기관 차량의 냉각 시스템을 나타내는 개략도
도 4는 차량 자동변속기의 냉각 시스템을 나타내는 개략도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 증발 사이클 열교환기 시스템에 적용되는 증발식 열교환기를 나타내는 개략도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 증발 사이클 열교환기 시스템에 적용되는 제품 일체형 증발식 열교환기의 설치상태를 나타내는 단면도
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 증발 사이클 열교환기 시스템에 적용되는 라인 일체형 증발식 열교환기의 설치상태를 나타내는 단면도
도 8a,8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량용 증발 사이클 열교환기 시스템을 나타내는 개략도
도 9a,9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 차량용 증발 사이클 열교환기 시스템을 나타내는 개략도
도 10a,10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 내연기관 차량용 증발 사이클 열교환기 시스템을 나타내는 개략도
도 11a,11b는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 자동변속기용 증발 사이클 열교환기 시스템을 나타내는 개략도
도 12a,12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 터보차지용 증발 사이클 열 교환기 시스템을 나타내는 개략도
도 13은 본 발명의 라디에이터와 종래의 라디에이터의 사이즈를 비교한 개략도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 내연기관 11 : 내연기관용 라디에이터
12 : 워터펌프 13 : 냉각팬
14 : 쿨링모듈 15 : 인버터
16 : 리저버 탱크 17 : 통합 스타터 및 발전기
18 : 전장용 라디에이터 19 : 스택
20 : 스택용 라디에이터 21 : 자동변속기
22 : 오토오일쿨러 23 : 구동모터
24 : 냉각수 유로 25 : 에어컨 컨덴서
26 : 윅(Wick) 27 : 터보차지
100 : 증발식 열교환기 110 : 증발식 열교환부
120 : 응축식 열교환부 130 : 파이프 라인
140 : 케이스 150 : 입구
160 : 출구

Claims (35)

  1. 증발식 열교환부(110) 및 응축식 열교환부(120)와, 작동 유체의 순환을 위하여 양쪽의 열교환부 사이에 연결 설치되는 순환형태의 파이프 라인(130)으로 구성되어, 저압에서 끓는점이 낮아져 쉽게 증발되고 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 일측의 작동 유체가 다른 일측으로 이동하면서 열교환을 수행하는 증발식 열교환기(100)를 포함하는 한편, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)를 하이브리드 차량의 전장계 냉각수 순환 라인을 구성하고 있는 인버터(15)의 내부에 일체형으로 설치하여, 냉각수와의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)는 인버터(15)의 내부 냉각수 유로(24) 내에 적어도 1개 이상이 나란하게 배치되는 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방에 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴 서(25)와 병렬로 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)은 내부에 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되는 윅(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  5. 증발식 열교환부(110) 및 응축식 열교환부(120)와, 작동 유체의 순환을 위하여 양쪽의 열교환부 사이에 연결 설치되는 순환형태의 파이프 라인(130)으로 구성되어, 저압에서 끓는점이 낮아져 쉽게 증발되고 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 일측의 작동 유체가 다른 일측으로 이동하면서 열교환을 수행하는 증발식 열교환기(100)를 포함하는 한편, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)를 하이브리드 차량의 전장계 냉각수 순환 라인상에 연결 설치하여, 냉각수와의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)는 전장계 냉각수 순환 라인상의 일정구간에 연결 설치됨과 동시에 순환 라인을 흐르는 냉각수의 출입이 가능한 케이스(140)의 내부에 설치되어, 케이스를 경유하는 냉각수와의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방에 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 이루어지거나, 또는 증발식 열교환부(110)와 병렬로 위치하는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)은 내부에 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되는 윅(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  9. 증발식 열교환부(110) 및 응축식 열교환부(120)와, 작동 유체의 순환을 위하여 양쪽의 열교환부 사이에 연결 설치되는 순환형태의 파이프 라인(130)으로 구성되어, 저압에서 끓는점이 낮아져 쉽게 증발되고 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 일측의 작동 유체가 다른 일측으로 이동하면서 열교환을 수행하는 증발식 열교환기(100)를 포함하는 한편, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)를 연료전지 차량의 스택 냉각수 순환 라인을 구성하고 있는 스택(19)의 내부에 일체형으로 설치하여, 냉각수와의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방에 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 이루어지거나, 또는 전장용 라디에이터(18)의 전방에 위치되는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)은 내부에 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되는 윅(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  12. 증발식 열교환부(110) 및 응축식 열교환부(120)와, 작동 유체의 순환을 위하여 양쪽의 열교환부 사이에 연결 설치되는 순환형태의 파이프 라인(130)으로 구성되어, 저압에서 끓는점이 낮아져 쉽게 증발되고 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 일측의 작동 유체가 다른 일측으로 이동하면서 열교환을 수행하는 증발식 열교환기(100)를 포함하는 한편, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)를 연료전지 차량의 스택 냉각수 순환 라인상에 연결 설치하여, 냉각수와의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)는 스택 냉각수 순환 라인상의 일정구간에 연결 설치됨과 동시에 순환 라인을 흐르는 냉각수의 출입이 가능한 케이스(140)의 내부에 설치되어, 케이스를 경유하는 냉각수와의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방에 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴 서(25)의 후방에 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 이루어지거나, 또는 전장용 라디에이터(18)의 전방이나 후방에 위치하거나, 또는 전장용 라디에이터(18)와 병렬로 이루어지거나, 또는 증발식 열교환부(110)와 병렬로 위치하는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)은 내부에 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되는 윅(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  16. 증발식 열교환부(110) 및 응축식 열교환부(120)와, 작동 유체의 순환을 위하여 양쪽의 열교환부 사이에 연결 설치되는 순환형태의 파이프 라인(130)으로 구성되어, 저압에서 끓는점이 낮아져 쉽게 증발되고 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 일측의 작동 유체가 다른 일측으로 이동하면서 열교환을 수행하는 증발식 열교환기(100)를 포함하는 한편, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)를 내연기관 차량의 내연기관 냉각수 순환 라인을 구성하고 있는 내연기관(10)의 내부에 일체형으로 설치하여, 냉각수와의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방에 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  18. 청구항 16에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)은 내부에 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되는 윅(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  19. 증발식 열교환부(110) 및 응축식 열교환부(120)와, 작동 유체의 순환을 위하여 양쪽의 열교환부 사이에 연결 설치되는 순환형태의 파이프 라인(130)으로 구성되어, 저압에서 끓는점이 낮아져 쉽게 증발되고 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 일측의 작동 유체가 다른 일측으로 이동하면서 열교환을 수행하는 증발식 열교환기(100)를 포함하는 한편, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)를 내연기관 차량의 내연기관 냉각수 순환 라인상에 연결 설치하여, 냉각수와의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)는 내연기관 냉각수 순환 라인상의 일정구간에 연결 설치됨과 동시에 순환 라인을 흐르는 냉각수의 출입이 가능한 케이스(140)의 내부에 설치되어, 케이스를 경유하는 냉각수와의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  21. 청구항 19에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방에 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 이루어지거나, 또는 증발식 열교환부(110)와 병렬로 위치하는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  22. 청구항 19에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)은 내부에 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되는 윅(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  23. 증발식 열교환부(110) 및 응축식 열교환부(120)와, 작동 유체의 순환을 위하여 양쪽의 열교환부 사이에 연결 설치되는 순환형태의 파이프 라인(130)으로 구성되어, 저압에서 끓는점이 낮아져 쉽게 증발되고 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 일측의 작동 유체가 다른 일측으로 이동하면서 열교환을 수행하는 증발식 열교환기(100)를 포함하는 한편, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)를 차량 자동변속기(21)의 오일팬 내에 일체형으로 설치하여, 오일과의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  24. 청구항 23에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방에 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  25. 청구항 23에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)은 내부에 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되는 윅(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  26. 증발식 열교환부(110) 및 응축식 열교환부(120)와, 작동 유체의 순환을 위하여 양쪽의 열교환부 사이에 연결 설치되는 순환형태의 파이프 라인(130)으로 구성되어, 저압에서 끓는점이 낮아져 쉽게 증발되고 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 일측의 작동 유체가 다른 일측으로 이동하면서 열교환을 수행하는 증발식 열교환기(100)를 포함하는 한편, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)를 차량 자동변속기(21)의 오일 순환 라인상의 일정구간에 연결 설치됨과 동시에 순환 라인을 흐르는 오일의 출입이 가능한 케이스(140)의 내부에 설치하여, 케이스를 경유하는 오일과의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  27. 청구항 26에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)의 전방이나 후방에 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 이루어지거나, 또는 증발식 열교환부(110)와 병렬로 위치하는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  28. 청구항 26에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)은 내부에 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되는 윅(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  29. 증발식 열교환부(110) 및 응축식 열교환부(120)와, 작동 유체의 순환을 위하여 양쪽의 열교환부 사이에 연결 설치되는 순환형태의 파이프 라인(130)으로 구성되어, 저압에서 끓는점이 낮아져 쉽게 증발되고 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 일측의 작동 유체가 다른 일측으로 이동하면서 열교환을 수행하는 증발식 열교환기(100)를 포함하는 한편, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)를 차량 터보차지의 배기가스 순환 라인을 구성하고 있는 터보차지(27)의 내부에 일체형으로 설치하여, 배기가스와의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  30. 청구항 29에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 응축식 열교환부(120)는 쿨링 모듈(14)에 있는 에어컨 컨덴서(25)와 병렬로 위치하거나, 또는 에어컨 컨덴서(25)와 일체형으로 이루어지거나, 또는 내연기관용 라디에이터 전방에 위치되는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  31. 청구항 29에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 파이프 라인(130)은 내부에 유체 이동이 중력장과 무관하도록 모세관 압력에 의해 작동되는 윅(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  32. 증발식 열교환부(110) 및 응축식 열교환부(120)와, 작동 유체의 순환을 위하여 양쪽의 열교환부 사이에 연결 설치되는 순환형태의 파이프 라인(130)으로 구성되어, 저압에서 끓는점이 낮아져 쉽게 증발되고 부피 팽창에 의한 압력차와 모세관 현상에 의해 일측의 작동 유체가 다른 일측으로 이동하면서 열교환을 수행하는 증발식 열교환기(100)를 포함하는 한편, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)를 차량 터보차지의 배기가스 순환라인상에 연결 설치하여, 배기가스와의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증발 사이클 열교환 시스템.
  33. 청구항 32에 있어서, 상기 증발식 열교환기(100)의 증발식 열교환부(110)는 터보차지의 배기가스 순환 라인상의 일정구간에 연결 설치됨과 동시에 순환 라인을 흐르는 배기가스의 출입이 가능한 케이스(140)의 내부에 설치되어, 케이스를 경유하는 배기가스와의 열교환이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 증 발 사이클 열교환 시스템.
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