KR101724751B1 - 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 스택용 라디에이터의 내부로 에어컨의 냉매를 순환시켜 스택용 라디에이터를 순환하는 냉각수를 냉각시킬 수 있는 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터는, 연료전지 스택(11)과 냉각수가 순환하도록 냉각수로로 연결되고, 상기 스택(11)을 냉각시킨 냉각수를 공냉시키는 연료전지 차량의 스택용 라디에이터에 있어서, 상기 스택용 라디에이터(50)의 내부에는 에어컨의 증발기(34)를 통과하여 콤프레서(31)로 순환하는 냉매와 상기 스택용 라디에이터(50)의 통과중인 냉각수가 열교환하는 이중관(54)이 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터{Radiator for stack with double pipe of air conditioner in fuel cell vehicle}

본 발명은 연료전지 차량의 스택용 라디에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 스택용 라디에이터의 내부로 에어컨의 냉매를 순환시켜 스택용 라디에이터를 순환하는 냉각수를 냉각시킬 수 있는 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터에 관한 것이다.

연료전지 차량은 수소와 산소를 공급하여 전기를 발생시키는 스택(stack)에서는 많은 열이 발생하므로, 이를 냉각시키기 위한 냉각시스템이 적용된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지 차량의 스택 냉각시스템(10)의 한 예로서, 스택(11)은 스택용 라디에이터(50)와 냉각수로로 연결되고, 제1 워터펌프(12)를 통하여 제1 리저버 탱크(13)에 충분하게 저장된 냉각수를 순환시켜, 스택(11)에서 발생한 열을 냉각시킨다.

상기 연료전지 차량에는 전장품을 냉각시키기 위한 냉각시스템과 차량의 내부를 냉방하기 위해서 에어컨(30)이 구비된다.

차량을 구동시키기 위해 동력을 발생하는 구동모터(21)나 직류를 교류를 변환하는 인버터(22)와 같은 전장품을 냉각시키기 위해서, 구동모터(21), 인버터(22) 등의 전장품과 전장용 라디에이터(25)를 냉각수로로 연결하고, 제2 워터펌프(23)로 제2 리저버 탱크(24)에 충분히 저장된 냉각수를 순환시켜 구동모터(21)나 인버터(22)에서 발생한 열을 냉각시킨다.

한편, 에어컨은 콤프레서, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 순환하도록 냉매관을 구성하고, 냉매를 순환시켜 차량의 실내를 냉방시킨다.

이때, 연료전지 차량에는 스택용 라디에이터(50)와, 전장용 라디에이터(25) 및 에어컨(30)의 응축기(32)를 하나의 프레임내에 배치시켜 라디에이터 모듈(40)을 구성하고, 냉각팬(41)을 이용하여 외부의 공기를 상기 라디에이터 모듈(40)로 공급하여 스택용 라디에이터(50), 전장용 라디에이터(25) 및 응축기(32)를 통합하거나 해당 부분이 작동중일 때, 외부의 공기와 열교환하여 냉각되도록 한다.

연료전지 차량에서는 상기 스택에서 발생되는 열은 차량의 속도에 따라 증가하므로, 속도가 증가할수록 냉각요구도 비례하여 증가하는 경향이 있다. 이는 속도의 증가하더라도, 냉각요구의 증가는 크게 늘지 않는 내연기관과는 다른 경향을 보인다.

따라서, 종래의 연료전지 자동차는 냉각성능을 키우기 위한 다양한 방안이 제시되고 있다. 예컨대, 라디에이터, 냉각팬의 크기를 크게 끼우거나, 주행풍의 유입을 위해 라디에이터 그릴의 크기를 키우는 것과 같은 방안이 제시되고 있다.

그러나, 상기와 같은 방안으로 충분한 냉각성능을 얻지 못하는 문제가 있다. 예를 들어, 라디에이터의 냉각성능을 향상을 위해서 라디에이터의 코어와 튜브의 크기를 키운다면, 냉각팬의 용량도 키워야 하며, 더 커진 냉각팬을 구동시키기 위해서 스택의 발전이 증가하여 냉각수요는 더욱 더 발생하는 악순환이 되풀이 될 수 밖에 없다.

또한, 대용량 냉각을 해서, 상기와 같이, 라디에이터와 냉각팬을 키우면, 엔진룸의 내부에 다른 구성요소들의 배치도 어려운 문제점이 있다.

한편, 하기의 선행기술문헌은 '연료전지 차량의 냉각시스템 제어방법'에 관한 것으로서, 연료전지 차량에서 연료전지에서 발생하는 열을 냉각시키기 위하여 온도를 측정하여, 워터펌프의 속도를 가변하여 냉각량을 조절하는 기술에 대하여 기재되어 있다.

KR 10-2011-0060066 A

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 스택용 라디에이터의 내부에 냉매가 순환하는 이중관을 구비함으로써, 스택용 라디에이터를 순환하는 냉각수를 더 효율적으로 냉각시키도록 하는 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터는, 연료전지 스택과 냉각수가 순환하도록 냉각수로로 연결되고, 상기 스택을 냉각시킨 냉각수를 공냉시키는 연료전지 차량의 스택용 라디에이터에 있어서, 상기 스택용 라디에이터의 내부에는 에어컨의 증발기를 통과하여 콤프레서로 순환하는 냉매와 상기 스택용 라디에이터의 통과중인 냉각수가 열교환하는 이중관이 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 스택용 라디에이터에는, 상단에 상기 스택을 통과한 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구가 형성되고, 하단에 상기 스택용 라디에이터를 통과한 냉각수가 스택으로 공급되는 냉각수 배출구가 형성되며, 상기 이중관은 상기 냉각수 배출구에 인접하게 배치된다.

한편, 상기 이중관은, 일단 상기 에어컨의 증발기에 냉매관으로 연결되고 타단은 에어컨의 콤프레서에 냉매관으로 연결되어 내부에 냉매가 유동하는 내부관과, 상기 내부관의 외측에 배치되고, 상부에 길이방향을 따라 냉각수가 유입되는 냉각수 유입공이 형성되고, 하부 일측에 냉각수가 배출되는 냉각수 배출공이 형성되는 외부관으로 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 냉각수 유입공은, 상기 외부관의 길이방향을 따라 형성된 제1 슬릿과, 상기 제1 슬릿과 수직하고 반복되게 형성되는 제2 슬릿으로 형성된다.

또한, 상기 냉각수 배출공은, 상기 냉각수 배출구에 인접한 상기 외부관의 하부에 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터에 따르면, 스택용 라디에이터의 내부로 에어컨의 냉매를 유동시킴으로써, 연료전지 스택을 냉각시킨 냉각수를 공랭식으로 1차 냉각시킨 후, 냉매를 이용하여 2차 냉각시킴으로써, 냉각성능을 극대화시킨다.

특히, 상기 이중관이 스택용 라디에이터의 하부하우징에 배치됨으로써 스택으로 공급되기 직전에 저온의 냉매에 의해 2차 냉각됨으로써, 스택을 능동적으로 냉각시킬 수 있다.

아울러, 상기 냉매에 의한 2차 냉각은 연료전지 스택에 대한 냉각요구가 최대인 조건에서 주로 적용되므로, 연료전지 차량의 전체의 냉각성능을 효율적으로 제어할 수 있다.

한편, 이중관은 외부관을 통하여 냉각수의 유동을 제어함으로써, 냉각수와 냉매의 열교환 성능이 향상되도록 한다.

도 1은 통상적인 연료전지 차량의 냉각시스템을 도시한 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터가 적용된 냉각시스템을 도시한 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터를 도시한 정면도,
도 4는 본 발명에 따른 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터에서 스택용 라디에이터의 하부하우징과 이중관을 도시한 분해 사시도,
도 5a 내지 도 5c는 도 4의 A-A, B-B, C-C선에 따른 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터에서 스택용 라디에이터의 하부하우징과 냉매관의 접속부위를 도시한 단면도.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터를 자세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터는, 연료전지 스택(11)과 냉각수가 순환하도록 냉각수로로 연결되고, 상기 스택(11)을 냉각시킨 냉각수를 공냉시키는 스택용 라디에이터(50)의 내부에는 에어컨의 증발기(34)를 통과하여 콤프레서(31)로 순환하는 냉매와 상기 스택용 라디에이터(50)의 통과중인 냉각수가 열교환하는 이중관(54)이 구비하고, 최대 냉각성능이 요구되는 상황에서 에어컨(30)에서 냉각된 냉매를 상기 스택용 라디에이터(50)의 내부로 유입시켜 냉각수와 냉매를 열교환시킴으로써, 냉각성능이 극대화되도록 한다.

연료전지의 발열량은 차량의 속도에 비례하여 발열하므로, 고속으로 주행하면 할수록 발열량은 증가하므로, 특히 외기온이 높은 여름철에 고속 주행하는 상황에서 스택용 라디에이터(50)는 최대 냉각성능이 요구된다.

이에 비하여 에어컨(30)은 주행중이면 외부로부터 가열되지 않은 공기가 증발기(34)로 유입되지만, 아이들시에는 외부로부터 공기가 공급되지 않기 때문에, 에어컨(30)은 아이들시 최대 냉각성능이 요구된다.

따라서, 상기의 연료전지 차량의 스택 냉각시스템(10)과 에어컨(30)이 최대 냉각성능이 요구되는 상황이 상반되므로, 이를 이용하여 상대적으로 여유가 있는 에어컨(30)의 냉매를 상기 차량의 스택 냉각시스템(10)의 내부로 순환시켜 연료전지 차량의 스택 냉각시스템(10)을 보조한다.

이를 위해서, 라디에이터 모듈(40)의 스택용 라디에이터(50)의 내부로 냉매가 순환하는 이중관(54)을 구비하여 스택용 라디에이터(50)의 냉각수와 에어컨(30)의 냉매가 서로 열교환하도록 한다.

스택용 라디에이터(50)는 내부에 후술되는 이중관(54)이 설치되고, 이중관(54)의 주위로 냉각수로 유동될 수 있는 공간을 확보하기 위해서 하부하우징(51)을 구비한다. 상기 스택용 라디에이터(50)은 상부에 스택(11)으로부터 냉각수가 스택용 라디에이터(50)로 유입되는 냉각수 유입구(52)가 형성되어 있고, 대부분의 면적이 내부에 냉각수가 유동하는 코어와 방열성능을 향상시키기 위해서 상기 코어의 외측에 부착된 방열핀으로 형성되며, 상기 하부하우징(51)의 일측에 냉각된 냉각수를 다시 스택(11)으로 공급되도록 하는 냉각수 배출구(53)가 형성된다.

이중관(54)은 상기 스택용 라디에이터(50)의 내부, 바람직하게는 스택용 라디에이터(50) 하부의 하부하우징(51)내부에 장착된다. 상기 이중관(54)은 내부관(55)에는 에어컨(30)의 증발기(34)를 통과하여 냉각된 냉매가 통과하고, 상기 내부관(55)의 외측으로는 냉각수가 유동한다.

상기 이중관(54)의 내부관(55)은 양단이 각각 증발기(34)와 콤프레서(31)에 연결되어, 증발기(34)에서 배출된 냉각된 냉매가 스택용 라디에이터(50)의 내부로 유입되어 열교환한 후, 콤프레서(31)로 배출되도록 한다.

상기 이중관(54)의 외부관(56)은 상기 내부관(55)의 외측으로 형성되어, 상기 스택용 라디에이터(50)의 하부를 유동하는 냉각수의 유동을 제어한다. 이를 위해서, 상기 외부관(56)에는 상부면에는 냉각수 유입공(56a)이 형성되고, 하부에는 냉각수 배출공(56b)이 형성된다. 상기 냉각수 유입공(56a)은 스택용 라디에이터(50)의 하부를 유동하는 냉각수가 이중관(54)의 내부, 즉 외부관(56)과 내부관(55)의 사이로 유입되도록 하기 위한 것으로서, 외부관(56)의 길이방향을 따라 형성되는 제1 슬릿(56aa)과, 상기 제1 슬릿(56aa)과 수직한 방향으로 간격을 두고 형성되는 제2 슬릿(56ab)으로 구성된다. 냉각수 배출공(56b)은 상기 외부관(56)의 하부 일측에 외부관(56)의 길이방향을 따르는 장공의 형태로 형성되어, 상기 내부관(55)와 외부관(56) 사이를 유동중인 냉각수가 이중관(54)의 외부로 배출되도록 하기 위해 형성된다. 특히, 도 3에서 보듯이 상기 냉각수 배출공(56b)은 냉각수 유입구(52)보다 스택용 라디에이터(50)의 하단에 형성된 냉각수 배출구(53)에 인접하게 형성되어, 이중관(54)을 통과한 냉각수가 바로 스택(11)으로 공급되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 하부하우징(51)과 냉매관(35)이 접속되는 부위에는 고무패킹을 구비하여 냉매관(35)과 하부하우징(51)을 기밀하여 냉각수가 누설되는 것을 방지하고, 진동을 흡수하도록 할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터의 작용에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터는, 연료전지 차량이 운행하면 스택(11)이 발열되고, 이를 냉각시키기 위하여 제1 워터펌프(12)가 작동하여 스택(11)과 스택용 라디에이터(50) 사이를 냉각수가 순환하면서, 냉각수가 스택용 라디에이터(50)를 통과하면서 냉각팬(41) 또는 주행에 의해서 외부로부터 유입된 외기와 열교환하여 냉각수가 냉각된 후, 다시 스택(11)으로 공급되어 발열된 스택(11)을 냉각시킨다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이, 연료전지 차량은 주행 속도가 증가함에 따라서 스택(11)의 발열량도 비례하여 증가하므로, 차량의 주행 속도가 증가하면 스택용 라디에이터(50)에서 요구되는 냉각성능도 증가한다.

이와 같이, 차량이 고속으로 주행시, 상기 스택용 라디에이터(50)로 유입되는 외기의 기온이 높으면 스택용 라디에이터(50)의 냉각성능이 낮아지므로, 상기 스택용 라디에이터(50)에서의 냉각 성능을 보조할 필요가 있다.

외기의 기온이 높은 경우는 통상 하절기에 해당하고, 하절기는 차량 실내의 냉방을 위하여, 에어컨(30)이 가동되는 상태이므로, 에어컨(30)의 내부를 순환하는 냉매를 이용하여 상기 스택용 라디에이터(50)의 냉각을 보조한다.

에어컨(30)을 작동되면, 냉매가 콤프레서(31), 응축기(32), 팽창밸브(33), 증발기(34)를 순환하면서, 라디에이터 모듈(40)에 위치한 콤프레서(31)에서는 외기와 열교환하고, 증발기(34)를 통하여 차량 실내로 냉각된 공기를 공급하게 된다.

이때, 상기 증발기(34)를 통과한 냉매는 차량의 실내로 공급된 공기와 1차적으로 열교환을 하였지만, 여전히 냉각된 상태이므로, 다시 스택용 라디에이터(50)에 구비된 이중관(54)으로 유입된다.

냉매가 이중관(54)의 내부관(55)의 내부를 통하여 증발기(34)에서 콤프레서(31)로 보내지는 동안 이중관(54)의 내부관(55)의 외부를 통하여 유동중인 냉각수와 열교환한다.

이와 같이, 상대적으로 고온인 냉각수와 저온인 냉매가 이중관(54)의 외부와 내부를 유동함으로써, 유동중에 서로 열교환하여 냉각수를 보조 냉각시킨다. 냉매가 내부관(55)을 통하여 유동되는 동안, 스택용 라디에이터(50)의 하부에서는 상기 외부관(56)에 의해 형성된 냉각수 유입구(52)를 통하여 이중관(54)의 하부를 유동중인 냉각수가 유입되고, 냉각수는 냉각수 배출구(53)를 통하여, 외부, 즉 스택용 라디에이터(50)의 냉각수 배출구(53)로 유동한다. 이때, 상기 외부관(56)의 냉각수 유입구(52)는 냉각수 유입구(52)에 의해서 외부관(56) 상부를 통하여 유입될 뿐만 아니라, 유동도 제어할 수 있고 냉각수 배출구(53)가 스택용 라디에이터(50)에 인접하게 배치되어 있어서, 이중관(54)에서 내부관(55)과 외부관(56)의 사이를 유동하는 냉각수의 유동을 원할하게 한다.

상기와 같이, 냉매가 스택용 라디에이터(50)의 내부로 유동되도록 함으로써, 스택용 라디에이터(50)의 냉각을 보조함으로써, 스택용 라디에이터(50)의 냉각성능이 향상되도록 한다.

한편, 에어컨(30)에서 냉매는 에어컨(30)을 1회 순환하는 동안 라디에이터 모듈(40)을 2회 통과한다. 즉, 냉매는 통상적인 냉동사이클에 의해서 콤프레서(31)를 통과한 후 라디에이터 모듈(40)에 위치한 응축기(32)를 통과하고, 팽창밸브(33)와 증발기(34)를 거쳐 냉각된 후, 다시 스택용 라디에이터(50)의 내부관(55)을 통과하므로, 냉매는 에어컨(30)을 1회 순환하는 동안에 라디에이터 모듈을 2회 통과한다.

10 : 스택 냉각시스템 11 : 스택
12 : 제1 워터펌프 13 : 제1 리저버 탱크
21 : 구동모터 22 : 인버터
23 : 제2 워터펌프 24 : 제2 리저버 탱크
25 : 전장용 라디에이터 30 : 에어컨
31 : 콤프레서 32 : 응축기
33 : 팽창밸브 34 : 증발기
35 : 냉매관 40 : 라디에이터모듈
41 : 냉각팬 50 : 스택용 라디에이터
51 : 하부하우징 52 : 냉각수 유입구
53 : 냉각수 배출구 54 : 이중관
55 : 내부관 56 : 외부관
56a : 냉각수 유입공 56aa : 제1 슬릿
56ab : 제2 슬릿 56b : 냉각수 배출공

Claims (5)

1. 연료전지 스택과 냉각수가 순환하도록 냉각수로로 연결되고, 상기 스택을 냉각시킨 냉각수를 공냉시키는 연료전지 차량의 스택용 라디에이터에 있어서,
   상기 스택용 라디에이터의 내부에는 에어컨의 증발기를 통과하여 콤프레서로 순환하는 냉매와 상기 스택용 라디에이터의 통과중인 냉각수가 열교환하는 이중관이 구비되고,
   상기 스택용 라디에이터에는,
   상단에 상기 스택을 통과한 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구가 형성되고,
   하단에 상기 스택용 라디에이터를 통과한 냉각수가 스택으로 공급되는 냉각수 배출구가 형성되며,
   상기 이중관은 상기 냉각수 배출구에 인접하게 배치되며,
   상기 이중관의 일단은 상기 에어컨의 증발기에 냉매관으로 연결되고 타단은 에어컨의 콤프레서에 냉매관으로 연결되어 내부에 냉매가 유동하는 내부관과,
   상기 내부관의 외측에 배치되고, 상부에 길이방향을 따라 냉각수가 유입되는 냉각수 유입공이 형성되고, 하부 일측에 냉각수가 배출되는 냉각수 배출공이 형성되는 외부관으로 이루어지고,
   상기 냉각수 유입공은,
   상기 외부관의 길이방향을 따라 형성된 제1 슬릿과, 상기 제1 슬릿과 수직하고 반복되게 형성되는 제2 슬릿으로 형성되고,
   상기 냉각수 배출공은 상기 냉각수 유입구보다 상기 냉각수 배출구에 더 가깝도록 상기 외부관의 하부에 형성되는 것을 특징으로 하는 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터.
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