KR101465241B1 - 냉각시스템 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

소정 길이로 중공관을 제작하는 단계와, 중공관을 나선코일 형상을 갖도록 나선구조물로 가공하는 단계와, 나선구조물의 양단 각각에 결합된 단부구조물들을 성형하는 단계와, 나선구조물의 내부에 모터의 고정자를 결합하는 단계, 나선구조물의 양단 각각에 단부구조물들을 결합하여 관형의 하우징본체를 형성하는 단계 및, 하우징 본체에 탄소섬유 복합소재를 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템 제조방법이 개시된다.

Description

냉각시스템 및 그 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING COOLING SYSTEM AND SYSTEM}

본 발명은 냉각시스템 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각효율이 향상되고 그 제조공정이 간단하고 용이한 냉각시스템 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기자동차, 하이브리드 전기자동차, 수소연료전지차 등 전기 모터로 구동되는 각종 차량이나 비행기에 사용되는 모터 및 발전기는 가벼우면서도 높은 효율을 가져야 한다. 따라서 냉각수 또는 냉각오일을 사용한 액체 냉각 방식을 채용하는 것이 효과적이다. 이러한 점을 감안하여 모터 또는 발전기의 하우징의 내부에 설치되는 냉각회로는 액체가 작은 저항으로 흐르면서 높은 열교환 능력을 갖도록 설계되어야 한다.

한편, 모터는 회전자와 고정자에서 발생한 열이 동력장치의 회전자를 둘러싼 하우징의 원통부와 하우징의 양끝 단면을 통해 외부로 배출된다. 모터 내부에서 발생한 열의 대부분은 고정자와 하우징의 원통부와의 접촉면을 통하여 전도된다. 따라서 모터 하우징의 원통부에 냉각용 액체가 흐를 수 있도록 냉각회로를 구성하는 것이 냉각효율 측면에서 바람직하다. 그리고 모터 하우징의 원통부 내에 나선형으로 냉각회로를 구성하면, 냉각액의 유동저항이 작아지는 이점이 있다. 이와 같이 나선형의 냉각회로를 갖는 모터 하우징을 제조하는 방법은 다양하다.

모터 하우징을 제조하는 종래의 일예를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 서로 직경이 다른 내측실린더와 외측실린더를 만들고, 지름이 작은 내측 실린더의 외면에 냉각액이 흐를 수 있도록 일정 단면형상의 나선형상의 홈을 형성한다. 그리고 내측 및 외측실린더를 서로 내측 외측으로 겹쳐지도록 결합한 후, 서로 겹쳐진 실린더들의 양측 단부의 경계를 용접한다. 이어서 외측 실린더의 외측의 일단 부분에 냉각액이 외부에서 흘러들어오고 흘러나갈 수 있도록 짝수의 연결구를 가공하여 설치함으로써, 모터 하우징의 내부에 냉각유로(회로)를 형성하였다. 그런데 이와 같은 방법으로 모터 하우징을 제조하는 경우, 가공시간이 오래 걸리고, 인력이 많이 투입되는 문제점이 있으며, 하우징에 스크랩이 많이 발생하여 제조 원가가 높아지는 문제점이 있다.

또한, 모터 하우징을 제조하는 종래의 다른 예를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 구리 또는 스테인레스 스틸(stainless steel)같이 비교적 용융점이 높은 금속으로 만든 중공관을 나선 모양으로 형성한 후, 이를 주조용 몰드 내에 넣는다. 그리고 알루미늄이나 마그네슘과 같이 용융점이 낮은 금속 재료를 녹여 부어 넣어 굳힘으로써 원하는 모터 하우징의 원통부를 제작할 수 있게 된다. 이러한 방법은 주조법의 원리상, 중공관이 차지하는 부피를 일정 한도 이상 높이기 어려우므로 모터 하우징의 무게가 무겁고, 주조에 필요한 형(몰드)의 제작 비용이 발생하게 되고, 주조와 같은 고온 성형법의 사용에 따른 냄새, 고온, 분진, 고열의 발생을 감수해야 하는 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, 생산성이 향상되고 친환경적으로 제조할 수 있는 냉각시스템 제조방법 및 그 제조방법에 의해 제조된 냉각시스템을 각각 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉각시스템 제조방법은, 소정 길이로 중공관을 제작하는 단계와; 상기 중공관을 나선코일 형상을 갖도록 나선구조물로 가공하는 단계와; 상기 나선구조물의 양단 각각에 결합될 결합단부들을 성형하는 단계와; 상기 나선구조물의 내부에 모터의 고정자를 결합하는 단계; 상기 나선구조물의 양단 각각에 상기 결합단부들을 결합하여 관형의 하우징본체를 형성하는 단계; 및 상기 하우징 본체에 탄소섬유 복합소재를 도포하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 고정자를 결합하는 단계는, 상기 나선구조물의 내주 또는 상기 모터 고정자의 외측에 접착제를 도포하는 단계와; 상기 나선구조물의 내경을 확장시켜 상기 모터 고정자를 상기 나선구조물의 내부에 삽입하는 단계; 및 상기 나선구조물의 내경을 조여서 상기 모터 고정자와 상기 나선구조물을 밀착하여 일체화하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 도포하는 단계에서는; 상기 모터 고정자에 결합된 나선구조물의 외측에 탄소섬유 천을 덧대어 설치하거나 탄소섬유 실을 감아서 설치하는 것이 좋다.

또한, 상기 중공관 제작단계에서는, 상기 중공관을 압출 성형시 그 내면 또는 외면에 냉각핀을 성형하는 단계를 더 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 나선구조물의 내측에 탄소섬유 복합소재를 설치하는 단계를 더 포함하며, 상기 나선구조물의 내측에 탄소섬유 복합소재을 설치하는 단계는, 상기 모터 고정자를 상기 하우징 본체에 결합하기 전에 상기 모터 고정자의 외주면에 탄소섬유 복합소재를 도포하여 상기 모터 고정자와 일체화하는 단계와; 상기 하우징 본체 내부에 상기 탄소섬유 복합소재로 일체화된 모터 고정자를 결합하는 단계; 및 상기 탄소섬유가 도포되고 접착제가 도포된 모터 고정자를 상기 나선구조물 내경에 결합하는 단계;를 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉각시스템은, 소정 길이로 중공관을 제작하는 단계와; 상기 중공관을 나선코일 형상을 갖도록 나선구조물로 가공하는 단계와; 상기 나선구조물의 양단 각각에 결합된 단부구조물들을 성형하는 단계와; 상기 나선구조물의 내부에 모터의 고정자를 결합하는 단계; 상기 나선구조물의 양단 각각에 상기 단부구조물들을 결합하여 관형의 하우징본체를 형성하는 단계; 및 상기 하우징 본체에 탄소섬유 복합소재를 도포하는 단계;를 포함하는 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템 제조방법에 의하면, 모터하우징과 같이 중공 실린더형의 냉각시스템을 제조하되, 그 내부에 나선형의 냉각유로(냉각회로)를 일체로 제조하는 것이 용이하다. 특히, 그 공정이 단순하고 쉽게 제작이 가능하므로, 생산성을 향상시키고, 생산비용을 줄일 수 있는 이점이 있다.

또한, 그 냉각유로 내부에 냉각핀을 형성하거나, 그 외부에 냉각핀을 일체로 성형할 수 있기 때문에, 공랭식 또는 냉각유체를 이용한 냉각방법 모두가 가능하며, 그 냉각효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 탄소섬유를 이용하여 나선구조물과 모터 고정자를 고정시킬 수 있기 때문에, 냉각시스템의 구조적 강도를 향상시키거나, 모터 냉각 시스템을 경량화 할 수 있다. 알루미늄 등의 금속 재질에 비하여 탄소섬유가 가벼우면서도 큰 강도를 갖기 때문에 알루미늄만으로 제작한 경우보다 모터 냉각 시스템의 무게를 경량화시킬 수 있게 되며, 나선구조물의 두께를 줄이더라도 충분한 구조적 강도를 확보할 수 있게 되어 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 중공관을 압출장비를 이용하여 압출하는 상태를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 중공관을 나선구조물로 형성한 상태를 보인 사시도이다.
도 3a는 도 2의 나선구조물을 압착하는 상태를 보인 도면이다.
도 3b는 도 3a와 같이 나선구조물을 압착한 결과를 나타내 보인 사시도이다.
도 3c는 나선구조물의 평면도이다.
도 4a는 나선구조물의 지름을 넓혀서 모터 고정자를 결합하는 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4b는 나선구조물 내에 모터 고정자를 결합한 상태를 나타내 보인 단면도이다.
도 5는 나선구조물의 양끝단부에 결합될 결합단부들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6a 내지 조 6c 각각은 나선구조물에 결합단부들을 각각 결합한 상태를 나타내 보인 도면이다.
도 7은 나선구조물 및 결합단부들의 외측에 탄소섬유 복합소재를 도포한 상태의 하우징본체를 나타내 보인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템 제조방법에 의해 제조된 모터하우징의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각시스템 제조방법에 의해 제조된 냉각시스템을 나타내 보인 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템 제조방법 및 냉각시스템을 자세히 설명하기로 한다.

먼저 도 1에 도시된 바와 같이, 금속재료 즉, 알루미늄을 가지고 소정의 압출장비(1)를 이용하여 소정길이의 중공관(10)을 압출 성형한다. 이때, 상기 중공관(10)의 단면형상은 원형 또는 비원형의 단면형상이 가능하며, 도 1에서는 비원형 즉, 사각 단면인 것을 예로 들어 설명한다.

상기와 같이 압출 성형된 중공관(10)은 원하는 길이로 절단한 뒤, 도 2에 도시된 바와 같이 일정한 지름과 피치(pitch)를 갖는 원통형의 나선구조물(10')로 성형한다. 상기 나선구조물(10')은 중공관(10)을 통상적으로 알려진 벤딩기들을 이용하여 가공할 수 있다.

그런 다음 도 3a에 도시된 바와 같이, 나선구조물(10')의 나선의 축방향(x)으로 소정의 압축장비(2)를 이용하여 압축하여, 도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이, 나선부(11)가 최대한 밀착되도록 압착한다.

이어서 나선구조물(10')의 내부에 모터의 고정자(30)를 결합하게 되는데, 그 방법은 다음과 같다. 즉, 도 4a에 도시된 바와 같이, 모터 고정자(30)의 외측에 접착제(20)를 도포하거나, 또는 나선구조물(10')의 내측에 접착제(20)를 도포한다. 그런 다음에, 나선구조물(10')의 내경이 확장되도록 한 상태에서, 모터 고정자(30)를 나선구조물(10') 내부로 삽입한다. 이때, 나선구조물(10')의 양끝단부를 나선의 진행방향의 반대방향(A1,A2; 도 3c 참조)으로 돌려주는 등의 방법으로 나선구조물(10')의 지름을 확장하여 모터 고정자(30)가 용이하게 삽입될 수 있도록 할 수 있다.

상기와 같은 방법에 의해 모터 고정자(30)를 나선구조물(10')의 내부에 삽입한 다음에는, 도 4b에 도시된 바와 같이, 나선구조물(10')의 지름이 작아지도록 다시 밀착시켜서 모터 고정자(30)와 나선구조물(10')을 일체화시킨다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 나선구조물(10')의 끝단부 즉, 상단 및 하단 각각에 결합될 결합단부들(61,62)을 성형하여 마련된다. 상기 결합단부들(61,62)은 주조 등의 방법에 의해 제조될 수 있으며, 그 각각은 나선구조물(10')의 상단 및 하단 각각에 결합되는 결합면이 경사지게 형성된 점에 특징이 있다. 따라서 상기와 같이 성형된 결합단부들(61,62)을 나선구조물(10')의 상단 및 하단 각각에 결합하여, 도 6a, 6b 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 하우징 본체(10")를 성형한다. 이때, 성형된 하우징 본체(10")는 양단부 쪽에 결합된 결합단부들(61,62)로 인하여 양단 간의 거리가 일정한 원통형상을 갖게 된다. 여기서 결합단부들(61,62)과 나선구조물(10')의 결합은 용접 등의 방법에 의해 이루어질 수 있으며, 별도의 결합수단을 이용하여 결합될 수도 있다.

상기와 같이 모터 고정자(30)와 나선구조물(10') 및 결합단부들(61,62)이 일체화되어 결합되는 하우징 본체(10")를 성형한 다음에, 도 7에 도시된 바와 같이, 하우징본체(10")의 외측면에 탄소섬유 복합소재(40)를 도포함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템(100)을 제조할 수 있게 된다. 여기서 상기 탄소섬유 복합소재(40)는 탄소섬유 천 또는 탄소섬유 실을 나선구조물(10')의 외측면과 결합단부들(61,62)의 외측에 감아서 설치할 수 있다. 이때, 탄소섬유 혼합소재(40)에 접착제를 더 첨가하여 도포할 수도 있고, 하우징 본체(10")의 외측에 감아서 덧대는 형식으로 설치할 수도 있다.

그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 방법에 의해 제조된 냉각시스템(100)의 양단에 캡부재들(71,72)을 결합하고, 캡부재들(71,72)에 지지되도록 회전부(80)를 설치함으로써, 냉각시스템(100)이 일체화된 모터를 제조할 수 있게 된다. 여기서 상기 회전부(80)는 캡부재들(71,72)에 결합되는 회전축(81)과, 회전축(81)에 결합되어 함께 회전되는 모터 회전자(82)를 구비할 수 있다.

이와 같이 냉각시스템(100)을 모터 하우징과 일체형으로 제조하여 모터를 제조하게 됨으로써, 모터의 경량화가 가능하고, 소형화가 가능하며, 모터의 냉각효율을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 9에 도시된 바와 같이, 모터 고정자(30)의 외측과 나선구조물(10') 내측 사이에도 탄소섬유 복합소재(50)를 추가적으로 설치할 수도 있다. 이 경우에는, 모터 고정자(30)를 나선구조물(10') 내측에 삽입하기 전에, 미리 모터 고정자(30)의 외측에 탄소섬유 복합소재(50)를 감아서 설치하고, 탄소섬유 복합소재(50)에 접착제(20)를 여러 번에 걸쳐서 도포한다. 이어서, 외주에 탄소섬유 복합소재(50)가 도포된 모터 고정자(30)를 앞서 도 4a 및 도 4b를 통해 설명한 바와 같이, 나선구조물(10') 내부에 집어넣은 후, 압착하여 접착제(20)를 경화시켜서 고정 결합할 수 있게 된다. 여기서, 모터 고정자(30)와 나선구조물(10')과 탄소섬유 복합소재(50) 사이에도 접착제(20')를 첨가하여 보다 견고하게 결합될 수 있도록 할 수도 있다.

또한, 나선구조물(10')의 냉각유체 냉각유로 즉, 내경에 냉각핀(12)이 더 설치될 수도 있으며, 냉각핀(12)은 나선구조물(10')의 내부 쪽 즉, 모터 고정자(30)와 가까운 쪽에서 돌출되게 형성된다. 그러면, 열이 많이 발생하는 내경부의 열이 냉각핀(12)으로 효과적으로 전달될 수 있으며, 그 냉각핀으로 전달되는 열은 그 냉각유로를 흐르는 냉각유체와의 접촉면적으로 넓히게 되어 냉각유체로의 방열효율을 높일 수 있게 된다. 따라서 냉각시스템의 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다. 여기서, 상기 냉각핀(12)은 다수의 냉각돌기들이 구비된 구성이 가능하며, 본 발명의 실시예와 달리 다양한 형상이 가능함은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템 제조방법에 의하면, 탄소섬유 복합소재를 이용하여 나선구조물(10')과 모터 고정자(30)를 고정시키는 역할을 하도록 설치함으로써, 고정수단으로서의 역할은 물론, 구조적 강도를 향상시킬 수 있는 이점을 갖게 된다.

따라서 모터 하우징 전체의 무게를 경량화시킬 수 있으며, 냉각관(나선구조물)의 두께를 줄여도 충분한 구조적 강도를 확보할 수 있게 되어, 제조비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

또한, 모터 고정자(30)를 일체화하여 결합하는 과정에서, 억지 끼움 방식을 택하지 않고, 나선구조물(10')을 헐겁게 팽창시킨 상태에서 자연스럽게 모터 고정자(30)를 삽입한 후에, 나선구조물(10')을 조여서 고정할 수 있기 때문에, 간단한 방법에 의해 용이하게 냉각시스템을 제조할 수 있는 이점이 있다.

이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

10..중공관 10'..나선구조물
20,20'..접착제 30..모터 고정자
40,50..탄소섬유 복합소재

Claims (7)

1. 소정 길이로 중공관을 제작하는 단계와;
   상기 중공관을 나선코일 형상을 갖도록 나선구조물로 가공하는 단계와;
   상기 나선구조물의 양단 각각에 결합될 결합단부들을 성형하는 단계와;
   상기 나선구조물의 내부에 모터의 고정자를 결합하는 단계;
   상기 나선구조물의 양단 각각에 상기 결합단부들을 결합하여 관형의 하우징본체를 형성하는 단계; 및
   상기 하우징 본체에 탄소섬유 복합소재를 도포하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 고정자를 결합하는 단계는,
   상기 나선구조물의 내주 또는 상기 모터 고정자의 외측에 접착제를 도포하는 단계와;
   상기 나선구조물의 내경을 확장시켜 상기 모터 고정자를 상기 나선구조물의 내부에 삽입하는 단계; 및
   상기 나선구조물의 내경을 조여서 상기 모터 고정자와 상기 나선구조물을 밀착하여 일체화하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 도포하는 단계에서는;
   상기 모터 고정자에 결합된 나선구조물의 외측에 탄소섬유 천을 덧대어 설치하거나 탄소섬유 실을 감아서 설치하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 중공관 제작단계에서는,
   상기 중공관을 압출 성형시 그 내면에 냉각핀을 성형하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템 제조방법.
5. 제2항에 있어서,
   상기 나선구조물의 내측에 탄소섬유 복합소재를 설치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 나선구조물의 내측에 탄소섬유 복합소재를 설치하는 단계는,
   상기 모터 고정자를 상기 하우징 본체에 결합하기 전에 상기 모터 고정자의 외주면에 탄소섬유 복합소재를 도포하여 상기 모터 고정자와 일체화하는 단계와;
   상기 하우징 본체 내부에 상기 탄소섬유 복합소재로 일체화된 모터 고정자를 결합하는 단계; 및
   상기 탄소섬유가 도포되고 접착제가 도포된 모터 고정자를 상기 나선구조물 내경에 결합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각시스템 제조방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 의한 제조방법에 의해 제조된 냉각시스템.

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