KR101677268B1 - 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치 - Google Patents

상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치 Download PDF

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박윤철
고광수
김태형
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Abstract

본 발명은 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치에 관한 것으로서, 구동시스템의 스택을 냉각수에 의해 냉각시키고 배출된 온수를 냉각시켜 다시 냉각수로 사용하는 냉각모듈장치에 있어서, 상기 온수와 외기온도의 차이에 따라 열전소자 및 외부 공기와 열교환하여 냉각하는 냉각부가 결합된 극한조건 냉각모듈 또는 상기 냉각부만의 상온조건 냉각모듈로 상기 온수를 선택적으로 이송시켜 냉각하고, 냉각된 냉각수를 다시 스택으로 보내도록 한 것이며, 외기온도가 상온조건을 갖는 온대나 여름을 제외한 계절에서는 물론 극한조건을 갖는 열대지방이나 한여름에도 기후 조건에 상관없이 스택을 안정적으로 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치{Integrated cooling module unit that can be used at room temperature conditions and extreme conditions}
본 발명은 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치에 관한 것으로서, 상세히는 연료전지 자동차와 같은 구동시스템의 운전 후 스택을 냉각하고 배출되는 온수를 냉각시킬 때, 외기 온도에 따른 극한조건 또는 상온조건의 냉각조건의 차이에 따라 온수를 선택적으로 이송시켜 냉각하도록 한 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치에 관한 것이다.
연료전지 자동차는 연료전지의 전력을 동력원으로 하여 주행을 하므로 상기 연료전지를 구성하는 스택은 화석연료를 사용하는 보통의 내연기관 자동차의 엔진과 같이 열을 발산하게 된다. 따라서 내연기관 자동차의 엔진을 냉각수로 냉각시키듯이 연료전지의 스택도 냉각수를 이용하여 냉각하는 것이 필요하다.
이러한 스택의 냉각에 있어 수냉식 또는 공냉식으로 엔진을 냉각시키는 내연기관 자동차의 냉각방식 중 냉각수에 의한 수냉식 냉각을 적용하여 냉각을 하게 되며, 이렇게 수냉식 냉각을 적용하는 경우 발열상태의 스택을 냉각수에 의해 냉각시키고 난 후 배출되는 온수를 다시 냉각하여 냉각수로 사용하게 된다.
그런데 외기온도가 상온인 일반적인 상온조건에서 스택을 냉각시키고 난 후 배출되는 온수의 냉각은 히트싱크나 방열핀과 같은 냉각부에 의해 상기 온수보다 온도가 낮은 외부의 찬 공기를 많이 접촉시켜 냉각을 하게 된다. 그러나 외기온도가 냉각시키려고 하는 상기 온수보다 높은 극한조건(예컨대 열대지방이나 한여름과 같은 경우)에서의 냉각은 더 높은 외기온도 때문에 히트싱크나 방열핀과 같은 상기 냉각부에 의해 냉각을 할 수 없다는 문제가 있다.
따라서 연료전지 자동차를 다양한 기후 조건 하에서 어디에서나 사용하고자 하면, 상기한 극한조건에서도 스택을 냉각시키고 배출되는 온수를 냉각시켜 다시 냉각수로 사용할 수 있는 장치가 필요하다.
한국 등록특허공보 제10-1440877호 한국 공개특허공보 제10-2014-0058932호
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 연료전지 자동차와 같은 구동시스템의 스택을 냉각시키고 난 후 배출되는 온수를 냉각시킬 때, 외기온도의 차이에 의한 극한조건 또는 상온조건에 따라 열전소자와 냉각부로 된 극한조건 냉각모듈 또는 냉각부로만 된 상온조건 냉각모듈로 선택적으로 온수를 이송시켜 냉각하도록 한 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치는, 구동시스템의 스택을 냉각수에 의해 냉각시키고 배출된 온수를 냉각시켜 다시 냉각수로 사용하는 냉각모듈장치에 있어서, 상기 온수와 외기온도의 차이에 따라 열전소자 및 외부 공기와 열교환하여 냉각하는 냉각부가 결합된 극한조건 냉각모듈 또는 상기 냉각부만의 상온조건 냉각모듈로 상기 온수를 선택적으로 이송시켜 냉각하고, 냉각된 냉각수를 다시 스택으로 보내도록 한 것을 특징으로 하고 있다.
또 상기 일체형 냉각모듈장치는, 상기 스택과 연결된 온수 공급관; 상기 온수 공급관에서 분기된 온수 분기관이 한쪽에 연결된 극한조건 냉각모듈; 상기 온수 공급관에서 분기된 다른 온수 분기관이 한쪽에 연결된 상온조건 냉각모듈; 상기 각 온수 분기관 상에 설치된 온수 전환밸브; 상기 온수와 외기의 온도를 감지하는 온도센서; 상기 극한조건과 상온조건 냉각모듈의 다른 쪽에 각각 연결된 냉각수 분기관 상에 설치된 냉각수 전환밸브; 및 상기 온수 및 냉각수 전환밸브의 작동을 제어하는 제어부를 포함하고 있다.
또 상기 극한조건 냉각모듈의 냉각부는 온수 분기관에 연결된 흡열부와 방열부로 이루어져, 상기 흡열부의 상면에 설치된 열전소자와 상기 방열부를 히트파이프로 연결한 구성으로 하는 것이 바람직하다.
또 상기 열전소자의 상면에 설치된 히트싱크를 더 포함하여, 상기 히트싱크와 방열부가 히트파이프로 연결한 구성으로 하는 것이 바람직하다.
또 상기 상온조건 냉각모듈의 냉각부는 온수 분기관에 연결된 흡열부 및 상기 흡열부와 히트파이프로 연결된 방열부로 이루어지는 것이 바람직하다.
또 상기 흡열부의 상면에 설치된 히트싱크를 더 포함하여, 상기 히트싱크와 방열부가 히트파이프로 연결한 구성으로 하는 것이 바람직하다.
또 상기 방열부는 방열핀인 것이 바람직하다.
본 발명의 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치에 의하면, 외기온도가 상온조건을 갖는 온대나 여름을 제외한 계절에서는 물론 극한조건을 갖는 열대지방이나 한여름에도 기후 조건에 상관없이 스택을 안정적으로 냉각시킬 수 있는 효과가 있다.
따라서 연료전지 자동차의 스택을 효율적으로 냉각시킬 수 있어 그만큼 상기 연료전지 자동차의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치의 개략적인 사시도
도 2는 본 발명에 따른 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치의 극한조건 냉각모듈의 개략적인 사시도
도 3은 상기 도 2의 종단면도
이하, 본 발명에 따른 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치의 개략적인 사시도를 도시한 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치는 온수 공급관(1), 2개의 온수 분기관(2a)(2b), 온수 전환밸브(3), 극한조건 냉각모듈(4), 상온조건 냉각모듈(5), 2개의 냉각수 분기관(6a)(6b) 및 냉각수 전환밸브(7)를 기본 구성으로 하여 구동시스템의 스택 주변에 설치한다.
상기 온수 공급관(1)은 연료전지 자동차와 같은 구동시스템의 스택(미도시)을 냉각시키고 난 후의 온수를 냉각하기 위해 상기 극한조건 냉각모듈(4) 또는 상온조건 냉각모듈(5)로 보내도록 연결하여 설치되며, 보통의 자동차에서와 같이 상기 스택을 냉각시키는 냉각라인과 연결하여 설치될 것이다.
상기 온수 공급관(1)의 끝은 분기되어 분기된 한쪽과 다른 쪽이 각각 온수 분기관(2a)(2b)이 되고, 상기 각 온수 분기관(2a)(2b) 상에는 온수 전환밸브(3)가 설치된다.
이와 같이 온수 전환밸브(3)가 설치된 각 온수 분기관(2a)(2b) 중 한쪽의 온구 분기관(2a)에는 극한조건 냉각모듈(4)의 한쪽이 연결되고, 다른 쪽의 온수 분기관(2b)에는 상온조건 냉각모듈(5)의 한쪽이 연결된다.
상기 극한조건 냉각모듈(4)은 열전소자(8)와 냉각부(9a)가 결합된 형태로 구성되고, 상기 상온조건 냉각모듈(5)은 냉각부(9b)만으로 구성되며, 이에 대한 상세한 구조는 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치의 극한조건 냉각모듈의 개략적인 사시도이고, 도 3은 상기 도 2의 종단면도를 도시한 것이다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 극한조건 냉각모듈(4)은 흡열부(10a), 히트싱크(11a), 히트파이프(12a) 및 방열부(13a)로 구성된 냉각부(9a)에 열전소자(8)가 결합된 형태로 이루어지며, 구체적으로는 열공급원으로 온수 분기관(2a)에 연결된 흡열부(10a)의 상면에 열전소자(8)가 설치되고 상기 열전소자(8)의 상면에 히트싱크(11a)가 설치되며, 상기 히트싱크(11a)는 그 위에서 일정한 간격을 두고 배치된 방열부(13a)와 히트파이프(12a)로 연결되어 있다.
이러한 극한조건 냉각모듈(4)에서 열전소자(8)만 제외하면 도 1에 도시한 바와 같이, 흡열부(10b), 히트싱크(11b), 히트파이프(12b) 및 방열부(13b)의 냉각부(9b)만으로 구성된 상온조건 냉각모듈(5)이 되며, 상기 흡열부(10b)에 다른 쪽의 온수 분기관(2b)이 연결된다. 상기 방열부(13a)(13b)는 일반적인 방열핀으로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 극한조건 냉각모듈(4)과 상온조건 냉각모듈(5)의 다른 쪽에는 각각 냉각수 분기관(6a)(6b)이 연결되며, 상기 각 냉각수 분기관(6a)(6b)에 냉각수 전환밸브(7)가 설치된다. 도면에 도시하지 않았지만 상기 냉각수 전환밸브(7)를 통과한 각 냉각수 분기관(6a)(6b)에는 스택에 냉각수를 선택적으로 공급하기 위한 냉각수 공급관이 연결된다.
한편 스택을 냉각시키고 난 후의 온수를 극한조건 냉각모듈(4) 또는 상온조건 냉각모듈(5)로 선택적으로 보내고, 또한 상기 극한조건 냉각모듈(4) 또는 상온조건 냉각모듈(5)에 의해 냉각된 냉각수를 스택으로 보내기 위해서는 상기 온수와 외기온도를 감지하도록 온수공급관(1)에 설치되는 온도센서와, 온수 전환밸브(3) 및 냉각수 전환밸브(7)의 작동을 제어하는 제어부가 필요하며, 상기 온도센서와 제어부에 대해서는 별도로 도시하지 않았다.
다음은 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치의 냉각기능을 설명하도록 한다.
연료전지 자동차의 운전은 스택(Stack)을 냉각시키고 배출된 온수를 극한조건일 경우에는 열전소자(8)와 냉각부(9a)가 결합된 극한조건 냉각모듈(4)로 온수 공급관(1)과 온수 전환밸브(3)에 의해 온수를 이송시켜 냉각시키고, 상온조건일 경우에는 냉각부(9b)만 설치된 상온조건 냉각모듈로 온수 공급관(1)과 온수 전환밸브(3)에 의해 온수를 이송시켜 냉각시킨다.
여기서 극한조건이란 도 3에서와 같이 냉각할 부위의 온도(30℃)보다 냉각공기 온도(40℃), 예컨대 열대지방이나 한여름의 외기온도가 높은 상태를 말하며, 일반적으로 이런 극한조건에서는 냉각을 시킬 수 없다. 이를 해결하기 위하여 열전소자(8)를 설치한 것이다. 상기 열전소자(8)는 펠티어 효과를 이용한 것으로 열전소자(8)에 전기를 공급하면 한쪽 면은 온도가 떨어지고 다른 쪽 면은 온도가 올라간다. 따라서 열전소자(8) 밑부분은 상온보다 온도가 떨어져서 열을 흡수하고, 윗부분은 냉각공기 온도보다 온도가 상승하여 극한조건에서도 열을 방출할 수 있게 된다.
따라서 극한조건일 경우 온수 공급관(1)에서 온수가 공급되면, 상기 온수와 외기온도를 감지하는 온도센서에 의해 냉각할 부위가 되는 온수와 외기온도가 되는 냉각 공기온도를 감지하고, 온수와 외기온도의 감지에 따라 상기한 바와 같이 온수보다 외기온도가 높은 경우, 온수 전환밸브(3)를 극한조건 냉각모듈(4) 쪽으로만 제어부로 개방하여 열전소자(8)와 냉각부(9a)에 의해 냉각을 하도록 한다. 즉 흡열부(10a)에서 온수를 흡수하면 열전소자(8)에 의해 냉각시킨 후 히트싱크(11a)와 히트파이프(12a) 및 방열부(13a)를 따라 열을 이송시켜 방출하도록 한다. 이때 냉각부(9a)의 방열부(13a)는 방열핀의 형태로 외부 공기와 열교환시켜 냉각을 하게 된다.
반대로 상온조건일 경우 상온조건 냉각모듈(5)에 의한 냉각은 위의 극한조건 냉각모듈(4)에서 열전소자(8)를 제거한 냉각부(9b)에 의해 이루어지게 된다.
따라서 상온조건일 경우 온수 공급관(1)에서 온수가 공급되면, 상기 온수와 외기온도를 감지하는 온도센서에 의해 냉각할 부위가 되는 온수와 외기온도가 되는 냉각 공기온도를 감지하고, 온수와 외기온도의 감지에 따라 온수보다 외기온도가 낮은 경우, 온수 전환밸브(3)를 상온조건 냉각모듈(5) 쪽으로만 제어부로 개방하여 냉각부(9b)에 의해 냉각을 하도록 한다. 즉 흡열부(10b)에서 온수를 흡수하면 히트싱크(11b)와 히트파이프(12b) 및 방열부(13b)로 된 냉각부(9b)에 의해 냉각한 후 열을 이송시켜 방출하도록 한다. 이때 냉각부(9b)의 방열부(13b)도 방열핀의 형태로 외부 공기와 열교환시켜 냉각을 하게 된다.
이와 같이 본 발명의 냉각모듈장치에 의해 냉각된 냉각수는 극한조건 냉각모듈(4)로 냉각된 냉각수의 경우, 상기 극한조건 냉각모듈(4)의 다른 쪽에 연결된 냉각수 분기관(6a)을 통해 배출하되, 냉각수 전환밸브(7)의 극한조건 냉각모듈(4) 쪽만 제어부의 제어에 의해 개방하여 스택으로 공급하도록 한다. 반대로 상기 상온조건 냉각모듈(5)로 냉각된 냉각수의 경우, 상기 상온조건 냉각모듈(5)의 다른 쪽에 연결된 냉각수 분기관(6b)을 통해 배출하되, 냉각수 전환밸브(7)의 상온조건 냉각모듈(5) 쪽만 제어부의 제어에 의해 개방하여 스택으로 공급하도록 한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
1 : 온수 공급관 2a,2b : 온수 분기관
3 : 온수 전환밸브 4 : 극한조건 냉각모듈
5 : 상온조건 냉각모듈 6a,6b : 냉각수 분기관
7 : 냉각수 전환밸브 8 : 열전소자
9a,9b : 냉각부 10a,10b : 흡열부
11a,11b : 히트싱크 12a,12b : 히트파이프
13a,13b : 방열부

Claims (7)

  1. 구동시스템의 스택을 냉각수에 의해 냉각시키고 배출된 온수를 냉각시켜 다시 냉각수로 사용하는 냉각모듈장치에 있어서,
    상기 스택과 연결된 온수 공급관;
    상기 온수 공급관에서 분기된 온수 분기관이 한쪽에 연결된 극한조건 냉각모듈;
    상기 온수 공급관에서 분기된 다른 온수 분기관이 한쪽에 연결된 상온조건 냉각모듈;
    상기 각 온수 분기관 상에 설치된 온수 전환밸브;
    상기 온수공급관에 설치되어 온수와 외기의 온도를 감지하는 온도센서;
    상기 극한조건과 상온조건 냉각모듈의 다른 쪽에 각각 연결된 냉각수 분기관 상에 설치된 냉각수 전환밸브; 및
    상기 온수 및 냉각수 전환밸브의 작동을 제어하는 제어부를 포함하여,
    상기 온수와 외기온도의 차이에 따라 열전소자 및 외부 공기와 열교환하여 냉각하는 냉각부가 결합된 극한조건 냉각모듈 또는 상기 냉각부만의 상온조건 냉각모듈로 상기 온수를 선택적으로 이송시켜 냉각하고, 냉각된 냉각수를 다시 스택으로 보내도록 한 것을 특징으로 하는 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 극한조건 냉각모듈의 냉각부는 온수 분기관에 연결된 흡열부와 방열부로 이루어져, 상기 흡열부의 상면에 설치된 열전소자와 상기 방열부를 히트파이프로 연결한 것을 특징으로 하는 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열전소자의 상면에 설치된 히트싱크를 더 포함하여, 상기 히트싱크와 방열부가 히트파이프로 연결된 것을 특징으로 하는 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 상온조건 냉각모듈의 냉각부는 온수 분기관에 연결된 흡열부 및 상기 흡열부와 히트파이프로 연결된 방열부로 이루어진 것을 특징으로 하는 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 흡열부의 상면에 설치된 히트싱크를 더 포함하여, 상기 히트싱크와 방열부가 히트파이프로 연결된 것을 특징으로 하는 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방열부는 방열핀인 것을 특징으로 하는 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치.
KR1020150127532A 2015-09-09 2015-09-09 상온조건 및 극한조건에서 사용할 수 있는 일체형 냉각모듈장치 KR101677268B1 (ko)

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