KR101812144B1 - 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자동차 모터용 냉각모듈에 관한 것으로, 내측으로 로터가 수용되도록 원통형으로 형성된 워터자켓; 내주면이 상기 워터자켓의 외주면과 이격되고, 상기 워터자켓을 감싸도록 배치되어 상기 워터자켓과의 사이에 공간을 형성하는 케이스; 냉각수가 난류를 일으키며 상기 공간으로 유입되도록 하는 복수의 난류노즐을 구비하고, 상기 케이스의 전방을 마감하는 프론트커버; 및 상기 공간으로 유입된 냉각수를 배출시키며, 상기 케이스의 후방을 마감하는 리어커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈을 제공한다. 이러한 본 발명은 모터 상부로 유입되는 냉각수가 난류를 생성하도록 하여 냉각수의 열전달 효율을 상승시키고, 냉각수가 오리피스를 통과하도록 함으로써 냉각수의 온도를 낮추어 모터 전반에 걸쳐 냉각효과가 나타날 수 있도록 하는 장점이 있다.

Description

전기자동차 모터용 난류 냉각모듈{Turbulent cooling module for electric vehicle motor}

본 발명은 전기자동차 모터용 냉각모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 전기자동차 모터용 냉각모듈에 관한 것이다.

전기자동차는 구동 에너지를 전기에너지로부터 얻는 자동차이다. 화석 연료를 사용하지 않으므로 배기가스가 전혀 없으며, 소음이 아주 작은 장점이 있다.

이러한 전기자동차는 배터리의 무거운 중량, 충전에 걸리는 시간 등의 문제 때문에 실용화하지 못하다가 공해 문제, 탄소 배출과 같은 각종 규제에 의해 활발하게 개발되고 있다.

한편, 전기자동차의 동력원으로 사용되는 전기 자동차용 모터는 통상적인 산업용 모터와는 달리 급속한 발열 상태(급 발진, 급 가속, 긴 오르막길 등)가 발생 되었을 때 충분히 냉각시켜줄 수 있는 냉각 기능을 반드시 보유해야 한다.

이와 같은 냉각 기능 중에 현재는 수냉식의 냉각 기능이 지배적이며, 부가적으로 모터의 내부를 오일로 추가 냉각시키는 방법까지 도입되고 있다.

현재, 전기자동차용 모터를 냉각시키기 위한 방안으로, 아래의 3가지 방안이 적용되거나 적용을 준비 중에 있다.

첫째, 전기 자동차용 모터를 냉각시키기 위한 방안으로, 예컨대 케이스(case)에 냉각 홀을 가공하는 제1 방안을 들 수 있다.

상기 제1 방안은 케이스의 캐스팅(casting) 시 코어(core)를 삽입하여 케이스에 냉각 홀이 형성되도록 하는 것으로, 주로 스테이터(stator)가 키(key) 박음 또는 압입 구조인 경우 활용된다.

하지만, 상기 제1 방안의 경우, 케이스의 캐스팅 시 불량률이 높아질 뿐만 아니라 케이스에 불필요한 소재가 많아지며, 스테이터와 케이스 간의 키 박음에 어려움이 있고, 또한 불량률 역시 높아지는 문제점이 있다. 무엇보다도, 상기 제1 방안의 경우, 냉각 범위가 작아 모터의 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

둘째, 전기 자동차용 모터를 냉각시키기 위한 방안으로, 예컨대 케이스의 외부에 별도의 냉각 기구를 부착하는 제2 방안을 들 수 있다.

상기 제2 방안은 케이스의 외벽에 별도의 물탱크를 두어 케이스를 냉각시키는 것인데, 보편적으로 케이스의 살 두께가 두꺼워 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

물론, 케이스의 살 두께를 줄이는 방안을 예상할 수도 있지만, 자동차의 특성상, 케이스의 외 측을 균일하게 하는 데에는 한계가 있기 때문에 상기 제2 방안 역시 효율적이지 못하다.

셋째, 전기 자동차용 모터를 냉각시키기 위한 방안으로, 예컨대 오일(oil)을 사용하는 제3 방안을 들 수 있다. 상기 제3 방안은 모터의 하단부에 오일을 채워 넣고 오일 쿨러(oil cooler)와 오일 펌프(oil pump)를 적용하여 모터와 로터 샤프트(rotor shaft)의 내측을 통해 오일을 분사하는 방식이다.

그런데, 이처럼 오일을 사용하여 모터의 냉각 기능을 구현하는 경우, 오일 쿨러, 오일 펌프 등과 같은 추가 부품이 많아 제조비용과 단가가 높아지며, 특히 전기 자동차의 구성 방식에 따라 적용이 불가할 수도 있다.

예컨대, 모터 중심축을 관통하는 모터 구조에서는 상기 제3 방안과 같은 오일 냉각 방식이 적용되기 힘들다.

한편, 전기 자동차는 현재 한번 충전으로 대략 150km를 주행할 수 있는 수준이나 빠른 미래에 일반 자동차를 대신하여 한번 충전으로 500~600km 이상의 주행과 극한 조건의 운전 상태를 필요로 하게 될 것인데, 그것을 만족시키기 위해 모터의 냉각 성능 향상은 배터리의 소형화와 함께 전기 자동차의 중요한 개발 과제가 되고 있다.

따라서, 냉각효율을 향상시킬 수 있는 개선된 형태의 전기자동차 모터용 냉각모듈의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국등록특허 제10-1211638호(2012.12.06)

본 발명은 전술한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 구동모터와 냉각수 사이의 열전달 손실을 최소화하고, 냉각수의 냉각효과가 모터 전반에 걸쳐 전달될 수 있도록 하는 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 내측으로 로터가 수용되도록 원통형으로 형성된 워터자켓; 내주면이 상기 워터자켓의 외주면과 이격되고, 상기 워터자켓을 감싸도록 배치되어 상기 워터자켓과의 사이에 공간을 형성하는 케이스; 냉각수가 난류를 일으키며 상기 공간으로 유입되도록 하는 복수의 난류노즐을 구비하고, 상기 케이스의 전방을 마감하는 프론트커버; 및 상기 공간으로 유입된 냉각수를 배출시키며, 상기 케이스의 후방을 마감하는 리어커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈을 제공한다.

이때, 상기 난류노즐은 중심축이 상기 프론트커버의 전면과 30°~ 45°의 각도를 이루도록 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 프론트커버는 상기 난류노즐에 형성되어 하나의 상기 난류노즐을 분할하는 베인을 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 워터자켓의 외주면에는 상기 워터자켓의 둘레를 따라 배치되는 외측링이 구비되고, 상기 케이스의 내주면에는 상기 외측링을 마주보도록 배치되는 내측링이 구비되며, 상기 내측링은 상기 외측링에 이격되어 배치됨으로써 상기 외측링과 상기 내측링 사이에 오리피스가 형성될 수 있다.

또한, 상기 오리피스는 상기 워터자켓의 입구로부터 출구를 향하여 상기 난류노즐 직경의 5~7배에 해당하는 거리에 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈은 유입되는 냉각수가 난류를 생성하도록 하여 냉각수의 열전달 효율을 상승시키고, 냉각수가 오리피스를 통과하도록 함으로써 냉각수의 온도를 낮추어 모터 전반에 걸쳐 냉각효과가 나타날 수 있도록 하는 장점이 있다.

도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈의 사시도이다.
도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈의 분해 사시도이다.
도3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈의 분해 단면도이다.
도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈에 구비되는 프론트커버의 정면도이다.
도5는 도4의 A-A' 단면도이다.
도6은 워터자켓과 케이스 사이에 형성되는 오리피스를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.

도1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈의 사시도이고, 도2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈의 분해 사시도이며, 도3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈의 분해 단면도이다. 또한, 도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈에 구비되는 프론트커버의 정면도이고, 도5는 도4의 A-A' 단면도이며, 도6은 워터자켓과 케이스 사이에 형성되는 오리피스를 도시한 도면이다.

이하, 도1 내지 도6을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈(M)을 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈(M)은 내측으로 로터(100)가 수용되도록 원통형으로 형성된 워터자켓(200)과, 내주면이 워터자켓(200)의 외주면과 이격되고 워터자켓(200)을 감싸도록 배치되어 워터자켓(200)과의 사이에 공간을 형성하는 케이스(300), 냉각수가 난류를 일으키며 상기 공간으로 유입되도록 하는 복수의 난류노즐(420)을 구비하고 케이스(300)의 전방을 마감하는 프론트커버(400) 및 상기 공간으로 유입된 냉각수를 배출시키며 케이스(300)의 후방을 마감하는 리어커버(500)를 포함한다.

더욱 상세하게 로터(100)는 워터자켓(200)의 내부에 수용되고, 케이스(300)는 워터자켓(200)을 감싸도록 배치된다. 로터(100)의 양측에 형성된 샤프트(110)는 프론트커버(400)와 리어커버(500)에 각각 형성된 샤프트홀(410,510)을 관통하여 외부로 돌출된다.

이러한 본 발명의 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈(M)은 난류노즐(420)을 통해 워터자켓(200)과 케이스(300) 사이의 공간으로 유입되는 냉각수가 난류를 일으키며 유입되는 과정에서 로터(100)의 열을 최대한 흡수함으로써 냉각효율을 극대화시키는 효과가 있다.

구체적으로 냉각수의 난류를 일으키는 난류노즐(420)은 도5에 도시된 바와 같이 중심축이 프론트커버(400)의 전면(도5의 하단면) 또는 후면과 이루는 각도(θ)가 30°~ 45°를 이루도록 경사지게 형성된다.

이와 같이 경사지게 형성된 난류노즐(420)을 통과한 냉각수는 난류노즐(420) 직경(D)의 5~7배에 해당하는 거리까지 난류를 생성하게 되며, 로터(100)에서 발생된 열은 난류를 형성한 냉각수로 최대한 전달되어 냉각효율을 상승시키게 된다.

이때, 난류노즐(420)의 경사각(θ)이 30°미만이거나 45°를 초과하게 되면 냉각수의 난류 생성 효율이 급격히 저하되고, 생성된 난류가 도달되는 거리가 짧아져 로터(100)에 대한 냉각 효율이 낮아지는 단점이 있다.

난류노즐(420)에 의해 더욱 원활하게 난류가 생성되도록 하기 위해 프론트커버(400)는 난류노즐(420)에 형성되어 하나의 난류노즐(420)을 분할하는 베인(430)을 구비할 수 있다.

베인(430)은 난류노즐(420)의 중심으로부터 테두리를 향해 연장되는 유선형의 칸막이와 같이 형성될 수 있으며, 하나의 난류노즐(420)을 2~4개의 통로로 분할하도록 2~4개의 베인(430)이 1개의 난류노즐(420)에 형성될 수 있다.

이러한 베인(430)은 분할된 난류노즐(420)을 통과하는 냉각수에 유동경계층을 형성시키고, 이에 의해 냉각수의 각 줄기가 충돌되도록 함으로서 냉각수의 난류를 더욱 효과적으로 생성하게 된다.

또한, 도6에 도시된 바와 같이 워터자켓(200)의 외주면에는 워터자켓(200)의 둘레를 따라 배치되는 외측링(210)이 구비되고, 케이스(300)의 내주면에는 외측링(210)을 마주보도록 배치되는 내측링(310)이 구비된다.

이때, 외측링(210)은 워터자켓(200)에 일체로 형성될 수 있으며, 마찬가지로 내측링(310)은 케이스(300)에 일체로 형성될 수 있다.

케이스(300)에 구비되는 내측링(310)은 외측링(210)에 이격되어 배치됨으로써 외측링(210)과 내측링(310) 사이에 오리피스(350)가 형성된다. 오리피스(350)는 외측링(210)과 내측링(310)이 이격되어 형성되는 링 모양의 틈새 형상으로 이루어진다.

난류노즐(420)을 통해 워터자켓(200)과 케이스(300) 사이의 공간으로 난류를 생성하면서 유입된 냉각수는 오리피스(350)를 통과하면서 온도가 급감하게 되고, 냉각된 냉각수는 로터(100)에서 발생된 열을 더욱 효율적으로 흡수하여 로터(100)를 냉각시키게 된다.

바람직하게 오리피스(350)는 도3에 도시된 바와 같이 워터자켓(200)의 입구로부터 출구를 향하여 난류노즐(420) 직경(D)의 5~7배에 해당하는 거리에 배치한다.

앞서 설명한 바와 같이 난류노즐(420)을 통과한 냉각수가 난류를 생성하는 거리는 난류노즐(420) 직경(D)의 약 5~7배에 이르는 길이에 해당하며, 그 이후 구간에서는 난류에 의한 영향이 미미하여 냉각수로의 열전달 효율이 크게 저하되는데, 상기와 같이 난류노즐(420) 직경(D)의 5~7배에 해당하는 거리에 오리피스(350)가 형성되도록 함으로써 냉각수에 의한 냉각효과가 그 이후 구간에서도 지속되도록 할 수 있는 것이다.

워터자켓(200)과 케이스(300) 사이에서 로터(100)의 열을 흡수한 냉각수는 리어커버(500)의 출수구(520)를 통해 외부로 배출되며, 배출된 냉각수는 냉각된 후 차량 내에서 순환되어 다시 난류노즐(420)을 통해 케이스(300) 내로 유입될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈(M)은 유입되는 냉각수가 난류를 생성하도록 하여 냉각수의 열전달 효율을 상승시키고, 냉각수가 오리피스(350)를 통과하도록 함으로써 냉각수의 온도를 낮추어 로터(100) 전반에 걸쳐 냉각효과가 나타날 수 있도록 한다는 점에서 매우 유용하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

M: 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈
100: 로터 110: 샤프트
200: 워터자켓 210: 외측링
300: 케이스 310: 내측링
350: 오리피스 400: 프론트커버
410: 샤프트홀 420: 난류노즐
430: 베인 500: 리어커버
510: 샤프트홀 520: 출수구
D: 난류노즐 직경

Claims (5)

1. 내측으로 로터가 수용되도록 원통형으로 형성된 워터자켓;
   내주면이 상기 워터자켓의 외주면과 이격되고, 상기 워터자켓을 감싸도록 배치되어 상기 워터자켓과의 사이에 공간을 형성하는 케이스;
   냉각수가 난류를 일으키며 상기 공간으로 유입되도록 하는 복수의 난류노즐을 구비하고, 상기 케이스의 전방을 마감하는 프론트커버; 및
   상기 공간으로 유입된 냉각수를 배출시키며, 상기 케이스의 후방을 마감하는 리어커버;를 포함하되,
   상기 난류노즐은 중심축이 상기 프론트커버의 전면과 30°~ 45°의 각도를 이루도록 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 프론트커버는
   상기 난류노즐에 형성되어 하나의 상기 난류노즐을 분할하는 베인을 구비한 것을 특징으로 하는 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 워터자켓의 외주면에는 상기 워터자켓의 둘레를 따라 배치되는 외측링이 구비되고,
   상기 케이스의 내주면에는 상기 외측링을 마주보도록 배치되는 내측링이 구비되며,
   상기 내측링은 상기 외측링에 이격되어 배치됨으로써 상기 외측링과 상기 내측링 사이에 오리피스가 형성된 것을 특징으로 하는 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈.
5. 제4항에 있어서,
   상기 오리피스는
   상기 워터자켓의 입구로부터 출구를 향하여 상기 난류노즐 직경의 5~7배에 해당하는 거리에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기자동차 모터용 난류 냉각모듈.

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