KR101240982B1 - 차량용 멀티 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 멀티 냉각 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나 이상의 히트 파이프를 통해 엔진, 전장, 콘덴서를 동시에 냉각시킬 수 있도록 한 멀티 냉각 장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 동일 냉각계 코어부를 경유하는 적어도 2개 이상의 냉매 유로 파이프를 관통하도록 1개 이상의 히트 파이프가 장착된 것을 특징으로 하는 차량용 멀티 냉각 장치를 제공한다.

Description

차량용 멀티 냉각 장치{Multi-cooling module for vehicle}

본 발명은 차량용 멀티 냉각 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나 이상의 히트 파이프를 통해 엔진, 전장, 콘덴서를 동시에 냉각시킬 수 있도록 한 멀티 냉각 장치에 관한 것이다.

보통 하이브리드 차량은 내연기관 차량에 비해 발열량이 매우 클 뿐만 아니라, 모터를 비롯한 전장 부품들의 내구 성능을 유지하기 위하여 냉각 스펙 또한 매우 높은 수준을 필요로 한다.

이를 위해, 종래의 하이브리드 차량용 냉각장치에는 콘덴서, 전장 라디에이터, 엔진 라디에이터, 냉각팬 등이 구성되어 있는 바, 특히 전장 부품(주행용 모터 등)의 냉각을 담당하는 전장 라디에이터는 콘덴서와 함께 엔진 라디에이터보다 앞쪽에 배치된다.

상기 냉각장치의 각 구성에 대한 배열 구조를 첨부한 도 1을 참조로 살펴보면, 냉각장치(10)의 구성들 중 차량 전방을 기준으로 가장 앞쪽에 전장 라디에이터(12)가 배치되고, 그 뒤를 따라 소정의 거리를 유지하며 콘덴서(14)와 엔진 라디에이터(16)가 차례로 배치되며, 가장 뒤쪽에는 냉각풍 흡입을 위한 냉각팬(18)이 배치된다.

상기 전장 라디에이터(12)와 콘덴서(14)는 독립적인 냉각 작동을 수행하게 되는데, 콘덴서(14)는 압축기와 증발기와 함께 냉동계를 이루면서 차량 실내에 대한 냉방 기능을 수행하고, 전장 라디에이터(12)는 차량 주행용 모터를 비롯하여 정션박스, 각종 배터리 및 제어기로부터 열교환되어 나온 냉각수를 냉각하는 역할을 수행한다.

물론, 엔진 라디에이터(16)는 독립적으로 엔진 냉각수를 냉각시키는 역할을 수행한다.

그러나, 이러한 종래의 냉각장치는 전장 라디에이터(12)를 비롯하여 콘덴서(14) 및 엔진 라디에이터(16)마다 각기 냉각계 코어부를 필요로 함에 따라, 제한된 설치 공간에서의 공간 패키지가 불리하게 되고, 또한 원가 및 중량 증가의 문제를 가지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 하나 이상의 히트 파이프를 통해 엔진, 전장, 콘덴서의 각 냉매(냉각수)를 동시에 냉각시키기 위해, 상기 각 냉매와 히트 파이프의 작동 유체 간에 열교환이 이루어지는 구간의 파이프 두께를 적절하게 조절하여 상기 각 냉매의 기준 냉각 온도를 만족시킬 수 있도록 한 차량용 멀티 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 동일 냉각계 코어부를 경유하는 적어도 2개 이상의 냉매 유로 파이프를 관통하도록 된 1개 이상의 히트 파이프가 장착된 것을 특징으로 하는 차량용 멀티 냉각 장치를 제공한다.

상기 냉매 유로 파이프는 엔진 냉매 유로 파이프, 전장 냉매 유로 파이프, 콘덴서 냉매 유로 파이프로 구성된다.

바람직하게, 상기 냉매 유로 파이프는 고온의 열원순으로 상부에서 하부로 순차적으로 적층되어 배열된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 냉매 유로 파이프는 각기 다른 냉매를 가진다.

또한 바람직하게, 상기 히트 파이프의 외표면 온도가 각 냉매의 기준 냉각 온도일 경우, 히트 파이프의 내표면 온도는 히트 파이프의 작동 유체의 증발 온도인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 히트 파이프는 각 냉매 유로 파이프를 관통시 냉매의 열교환이 이루어지는 구간에서 각기 다른 파이프 두께를 가지도록 구성된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 히트 파이프는 다수 개로 배열시, 각 냉매 유로 파이프의 유입부와 유출부 부위에서 서로 다른 두께의 파이프를 가진 히트 파이프로 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 1개 이상의 히트 파이프로 엔진, 전장, 콘덴서를 동시에 냉각시킬 수 있으므로 1개의 냉각계 코어부로 축소 구성됨이 가능하고, 이에 따라 제한된 설치 공간 내에서 공간 패키지가 개선되어 유리하게 되며, 또한 원가 및 중량 절감이 가능하다.

도 1은 종래의 하이브리드 차량용 냉각장치의 배치도
도 2는 일반적인 히트 파이프의 열교환 원리를 설명하는 개념도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 멀티 냉각 장치를 나타내는 개략도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 멀티 냉각 장치의 작동 상태를 나타낸 예시도

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 히트 파이프의 구조 및 열교환 원리를 도 2를 참조로 간략히 살펴보면, 일반적으로 히트 파이프에는 열매체 혹은 작동 유체라 불리우는 물질이 내포되어 있으며, 물, 수은, 메탄올, 아세톤 등이 이에 속한다.

통상적으로 사용되는 히트 파이프는 전반적으로 파이프 형태를 취하며, 케이스로서 구비되는 파이프 내부에는 상기 작동 유체 등이 들어있고, 이때 상기 파이프의 내부는 진공 상태로 되어 있다.

이러한 히트 파이프는 진공 상태의 파이프 속에 끓는 점이 낮은 액체 상태의 작동 유체가 열을 받아 증발부에서 가열되어 이동되고, 응축부에서 열기를 방출 및 전달하며, 방열부에서 대류 방식으로 열을 식혀 다시 액체가 되어 상기 증발부로 복귀되는 사이클에 의해 해당 부품에 대한 냉각을 수행하게 된다.

이러한 원리로 운용되는 히트 파이프는 고성능 컴퓨터의 CPU 등과 같은 고열의 발열성 전자부품 등에 냉각기로서 설치되거나, 냉장고 또는 에어컨 등에서 열을 흡수하는 열 교환기(Heat Exchanger)로서 설치될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 원리를 가지는 하나 이상의 히트 파이프(140)를 통해 엔진 냉매 유로 파이프(110), 전장 냉매 유로 파이프(120), 콘덴서 냉매 유로 파이프(130)의 냉매(냉각수)를 동시에 냉각시킬 수 있도록 한다.

이를 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 냉각 장치는, 도 3에 도시된 바와 같이, 3열로 나란하게 배열되어 동일 냉각계 코어부(100)에 연결된 엔진 냉매 유로 파이프(110), 전장 냉매 유로 파이프(120), 콘덴서 냉매 유로 파이프(130) 내부를 동시에 관통하는 히트 파이프(140)가 복수로 구성된다.

다시 말해, 도 3에서 보이듯이 상기 히트 파이프(140)는 냉각계 코어부(100, 혹은 방열핀 코어)에서 나란하게 배열되어 있는 엔진 냉매 유로 파이프(110), 전장 냉매 유로 파이프(120), 콘덴서 냉매 유로 파이프(130)를 동시에 가로지르며 관통하는 구조로 장착되어, 상기 냉매 유로 파이프(110,120,130)의 내부에 흐르며 히트 파이프(140)의 외표면을 지나는 냉매들을 냉각할 수 있게 된다.

기존의 경우, 차량 전방을 기준으로 전장 라디에이터, 콘덴서, 엔진 라디에이터 순으로 전후로 배치되었던 반면, 본 발명에서는 차량 전방을 기준으로 엔진 냉매 유로 파이프(110), 전장 냉매 유로 파이프(120), 콘덴서 냉매 유로 파이프(130) 순으로 상하로 배치되어 구성된다.

특히, 히트 파이프(140)의 열교환에 의한 작동 유체의 상태 변화를 고려하여 냉매의 기준 냉각 온도가 가장 낮은 콘덴서 냉매 유로 파이프(130)를 히트 파이프(140)의 하부에 위치시키고, 그 위로 전장 냉매 유로 파이프(120), 엔진 냉매 유로 파이프(110)를 순차적으로 배열하여 상하 적층된 구조로 구성되며, 이러한 구조는 이들을 지지하고 있는 동일 냉각계 코어부(100)에 연결되어 이루어진다.

물론, 상기 냉각계 코어부(100)는 외기의 출입이 가능한 구조로서, 다수의 방열핀을 가진 형태로 이루어져서 상기 히트 파이프(140)에 의해 열전달 효과를 극대화하게 된다.

예컨대, 상기 히트 파이프(140) 및 냉매 유로 파이프(110,120,130)는 냉각계 코어부(100)를 관통하여 경유하는 구조로 구성되어 있고, 이에 따라 상기 냉각계 코어부(100)의 방열핀들이 히트 파이프(140) 및 냉매 유로 파이프(110,120,130)에 접촉하도록 이루어져 있다.

냉각계 코어부(100)에서 상기 히트 파이프(140)는 적어도 하나 이상으로 구성되는데, 열교환 성능을 높이기 위해 다수로 구성됨이 바람직하며, 이를 위해 예컨대 도 3의 단면도와 같이 지그재그로 배열되는 것이 가능하다.

상기 히트 파이프(140)는 각기 요구되는 기준 냉각 온도가 다른 엔진 냉매 유로 파이프(110), 전장 냉매 유로 파이프(120), 콘덴서 냉매 유로 파이프(130)의 냉매를 동시에 냉각하기 위해, 엔진 냉매 유로 파이프(110), 전장 냉매 유로 파이프(120), 콘덴서 냉매 유로 파이프(130)의 각 냉매와 열교환이 이루어지는 구간의 파이프 두께(d)를 적절하게 변경 조절한다.

즉, 히트 파이프(140)의 파이프(142) 내부에서 열매체로서 상태 변화를 통해 열교환을 수행하게 되는 작동 유체의 증발 온도(예컨대 55℃)는 일정하므로, 서로 다른 기준 냉각 온도를 요구하는 냉매 유로 파이프(110,120,130)의 각 냉매를 만족시키기 위해 히트 파이프(140) 외표면의 온도가 각 냉매의 기준 냉각 온도가 될 때 히트 파이프(140) 내표면의 온도가 히트 파이프(140)의 작동 유체의 증발 온도(끓는점)가 되도록 파이프 두께(d)를 채택한다.

이러한 본 발명의 멀티 냉각 장치는, 예컨대 상기 콘덴서 냉매 유로 파이프(130)가 히트 파이프(140)의 증발부에 배치되고, 전장 냉매 유로 파이프(120)와 엔진 냉매 유로 파이프(110)는 그 위에 순차적으로 배열되어 방열부에 위치하게 되며, 상기 히트 파이프(140)의 응축부는 외기에 노출되거나 냉각계 코어부(100)에 연결되는 구조로 이루어진다.

더불어, 상기 냉각계 코어부(100)에서 히트 파이프(140)가 다수 개로 배열될 시, 각 냉매 유로 파이프(110,120,130)의 냉매가 출입하는 유입부와 유출부 부위에서 서로 다른 다른 두께의 파이프(142)를 가진 히트 파이프(140)를 설치하는 것이 바람직하다.

예컨대, 각 냉매가 각각의 냉매 유로 파이프(110,120,130)를 따라 유동하면서 열교환에 의해 온도 상태가 변화함을 고려하여, 냉매 유로 파이프(110,120,130)의 유입부 부위에 배치된 히트 파이프(140)를 냉매 유로 파이프(110,120,130)의 유출부 부위에 배치된 히트 파이프(140)보다 두꺼운 두께의 파이프(142)를 가진 히트 파이프(140)로 구성할 수 있다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 냉각 장치의 작동상태를 설명하기 위해 엔진 냉매, 전장 냉매, 콘덴서 냉매의 요구되는 기준 냉각 온도는 각 100℃, 80℃, 55℃ 라고 가정하여 설명한다.

언급한 바와 같이, 히트 파이프(140) 작동 유체의 증발 온도는 55℃라는 가정하에 살펴보면, 먼저 히트 파이프(140)의 증발부에서 작동 유체는 55℃의 액체 상태이고 콘덴서 냉매의 온도는 55℃ 이상일 때, 열교환에 의해 콘덴서 냉매는 감온되고 작동 유체는 기화되어 증발하게 된다.

그리고, 상기 전장 냉매 유로 파이프(120)의 냉매의 경우 그 온도가 80℃ 이상일 때, 열교환에 의해 전장 냉매는 감온되고 작동 유체는 역시 기화되어 증발하게 된다.

이때, 히트 파이프(140) 내에서 증발되는 작동 유체는 파이프(142) 센터 부분을 통하여 상승하게 되고 액화된 작동 유체는 파이프(142) 내표면 측을 따라 하강하여 증발부로 복귀하게 되며, 상기 액화된 작동 유체 중 일부는 다시 전장 냉매 유로 파이프(120)와의 열교환에 의해 기화되어 증발되고 나머지 일부는 액체 상태를 유지하여 결국 증발부로 유동하게 된다.

따라서, 파이프 두께(d)가 증대된 구간에서 히트 파이프(140)의 내표면 측에서 유동하는 작동 유체는 55℃의 액체 상태이므로, 전장 냉매와의 열교환이 이루어지게 된다.

그리고, 상기 전장 냉매 유로 파이프(120) 위에 배치된 엔진 냉매 유로 파이프(110)의 냉매는 그 온도가 100℃ 이상일 때, 열교환에 의해 엔진 냉매는 감온되고 작동 유체는 기화되어 응축부 측으로 상승 이동하게 된다.

이렇게 기화되어 상승 유동된 작동 유체(온도 55℃의 기체 상태)는 응축부에서 55℃ 미만인 외기에 노출되어 냉각 및 액화되어 결국 증발부로 복귀하게 된다.

상기와 같은 작동을 위해, 본 발명의 멀티 냉각 장치에서 상기 엔진 냉매 유로 파이프(110), 전장 냉매 유로 파이프(120), 콘덴서 냉매 유로 파이프(130)는 각 냉매의 기준 냉각 온도의 고저에 따라 차량 전방을 기준으로 상하로 적층되게 배열되어, 히트 파이프(140)의 증발부(도 3의 하부)에서 방열부까지 콘덴서 냉매 유로 파이프(130), 전장 냉매 유로 파이프(120), 엔진 냉매 유로 파이프(110) 순으로 배치되고, 상기 히트 파이프(140)의 응축부(도 3의 상부)는 외기에 노출되어 상승 유동된 작동 유체를 냉각시킬 수 있도록 한다.

한편, 도 4를 참조하여 열교환기(예컨대, 엔진 라디에이터)의 냉매가 기준 냉각 온도를 벗어난 경우 열교환 과정을 살펴본다.

본 발명의 히트 파이프(140)는 엔진 냉매 유로 파이프(110)와의 열교환 구간에서 히트 파이프(140)의 외표면 온도가 기준 냉각 온도인 경우 그 내표면(작동 유체가 접촉하는 접촉면) 온도가 작동 유체의 증발 온도인 55℃가 되는 파이프 두께(d)를 채택하고 있으므로, 엔진 냉매의 온도가 기준 냉각 온도인 100℃인 경우, 도 4의 (a)와 같이, 히트 파이프(140)의 내표면 온도는 액체 상태인 작동 유체의 온도와 동일한 55℃ 가 되므로, 엔진 냉매는 그 온도 상태를 유지한다.

그리고, 엔진 냉각이 부족하게 수행된 경우, 도 4의 (b)와 같이, 엔진 냉매의 온도가 100℃를 초과하여 히트 파이프(140)의 내표면 온도가 작동 유체의 온도인 55℃ 를 초과하게 되므로, 열교환에 의해 엔진 냉매는 감온되고 작동 유체는 기화하게 된다.

또한, 엔진 냉각이 과도하게 수행된 경우, 도 4의 (c)와 같이, 엔진 냉매의 온도는 100℃ 미만이 되어 히트 파이프(140)의 내표면 온도는 작동 유체의 온도인 55℃ 에 미치지 못하게 되므로, 열교환에 의해 엔진 냉매는 승온되고 작동 유체는 감온된다.

이와 같은 본 발명의 차량용 멀티 냉각 장치는 하나 이상의 히트 파이프(140)로 엔진 냉매, 전장 냉매, 콘덴서 냉매를 동시에 냉각시킬 수 있으므로 1개의 냉각계 코어부(100)로 축소 구성됨이 가능하고, 이에 따라 제한된 설치 공간 내에서 공간 패키지가 개선되어 유리하게 된다.

따라서, 차량의 냉각 성능을 위한 개구면적의 증대가 방지되어 디자인 자유도가 향상되고, 냉각 사양의 증대가 방지되어 원가 및 중량 절감이 가능하게 된다.

또한, 냉각팬 사양 역시 증대가 방지되어 충방전 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 멀티 냉각 장치는 하이브리드 차량 뿐 아니라 3가지 이상의 열교환기를 가지는 여러 타입의 차량에 적용 가능하며, 예컨대 표 1과 같이 나타낼 수 있다.

100 : 냉각계 코어부
110 : 엔진 냉매 유로 파이프
120 : 전장 냉매 유로 파이프
130 : 콘덴서 냉매 유로 파이프
140 : 히트 파이프
142 : 파이프

Claims (7)

1. 삭제
2. 동일 냉각계 코어부를 경유하는 적어도 2개 이상의 냉매 유로 파이프를 관통하도록 된 1개 이상의 히트 파이프가 장착되고,
   상기 냉매 유로 파이프는 엔진 냉매 유로 파이프, 전장 냉매 유로 파이프, 콘덴서 냉매 유로 파이프로 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 멀티 냉각 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 냉매 유로 파이프는 고온의 열원순으로 상부에서 하부로 순차적으로 적층되어 배열된 것을 특징으로 하는 차량용 멀티 냉각 장치.
   
4. 청구항 2 또는 3에 있어서,
   상기 냉매 유로 파이프는 각기 다른 냉매를 가진 것을 특징으로 하는 차량용 멀티 냉각 장치.
   
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 히트 파이프의 외표면 온도가 각 냉매의 기준 냉각 온도일 경우, 히트 파이프의 내표면 온도는 히트 파이프의 작동 유체의 증발 온도인 것을 특징으로 하는 차량용 멀티 냉각 장치.
   
6. 청구항 2 또는 5에 있어서,
   상기 히트 파이프는 각 냉매 유로 파이프를 관통시 냉매의 열교환이 이루어지는 구간에서 각기 다른 파이프 두께를 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 멀티 냉각 장치.
   
7. 청구항 2에 있어서,
   상기 히트 파이프는 다수 개로 배열시, 각 냉매 유로 파이프의 유입부와 유출부 부위에서 서로 다른 두께의 파이프를 가진 히트 파이프로 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 멀티 냉각 장치.

Images