KR102442608B1 - 열교환기 및 이를 포함하는 에너지 변환 장치 어셈블리 - Google Patents

열교환기 및 이를 포함하는 에너지 변환 장치 어셈블리 Download PDF

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Abstract

상기 장치의 표면 중 적어도 일부분과 접촉하여 열전달매체의 흐름을 통해 열교환을 수행하는 열교환채널 구조체를 포함하고, 상기 열교환채널 구조체는 나선형 모양을 가지는 복수의 열교환채널을 포함하며, 상기 열교환채널 구조체는 상기 복수의 열교환채널에 포함된 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널 중 어느 하나에 의해 열교환을 수행하는 단일채널 영역과, 상기 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널이 서로 맞물려서 열교환을 수행하는 맞물림 영역을 포함한다.

Description

열교환기 및 이를 포함하는 에너지 변환 장치 어셈블리{HEAT EXCHANGER AND ENERGY CONVERSATION DEVICE 1SSEMBLY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 열교환기 및 이를 포함하는 장치 어셈블리에 관한 것이다.
모터(전동기)나 발전기와 같은 장치에서 발생되는 열을 제어하기 위한 열관리 장치 또는 열관리 시스템이 사용되고 있다. 전기자동차(electric vehicle)(EV)의 경우, 내연기관 없이 모터로만 차량을 구동해야 하므로, 고출력 모터의 사용이 요구된다. 하이브리드(hybrid) 차량 대비 전기자동차(EV)에 적용되는 모터의 요구 동력은 상대적으로 매우 높다.
전기자동차(EV)용 모터의 발열량이 증가함에 따라, 이를 제어/관리하기 위한 방안이 요구된다. 예를 들어, 전기자동차(EV)용 모터 회전자(rotor)의 회전축으로부터 흩날리며 뿌려지는 오일(oil)에 의한 열교환 방법이 제시되었다. 그러나, 고정자(stator)와 회전자(rotor) 사이의 공극이 작을수록 효율이 높아지는 모터의 특징으로 인하여, 모터 내부에 흩뿌려진 오일이 회전자와 고정자 사이에 유입되어 전단 응력에 의한 마찰손실이 크게 발생하는 문제가 있다.
이러한 문제를 방지하기 위해, 모터 회전자의 운동 공간에 오일이 유입되지 못하도록 고정자 내측 공간을 실린더로 밀폐ㆍ격리하는 방안이 제시되었다. 그러나 격리된 오일 냉각 채널을 사용한다 해도, 사용 중 누출된 오일은 회전자와 고정자 사이에 침투하게 되어 모터의 성능을 급격하게 떨어뜨리는 문제를 발생시킬 수 있다. 또한, 오일의 외부 누출시 환경오염 및 처리부담의 문제가 존재한다. 아울러, 오일 냉매는 높은 점도로 인해, 수랭식 대비 높은 구동력의 순환 펌프가 요구된다.
이와 같이 모터나 발전기의 요구 동력이 높아짐에 따라, 이러한 장치로부터 발생되는 발열량이 증가할 수 있고, 이를 적절히 제어/관리할 수 있는 대책이 요구된다. 특히, 모터나 발전기와 같은 장치에서 열편중 현상이 있는 경우, 장치 전체적으로 균일하게 온도를 제어하기가 어려울 수 있다. 열편중 현상이나 열교환 성능의 저하로 인한 장치의 열충격(손상), 효율 저하, 수명 단축 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 상기한 장치의 열관리 시스템을 구성함에 있어서, 환경 문제나 제조의 용의성, 적용의 편의성, 효율성 등도 고려할 필요가 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면 모터(전동기)나 발전기와 같은 장치에서 열편중 현상이 있더라도 열편중 현상을 적절히 제어하고 효율적으로 열교환(즉, 냉각)을 수행할 수 있는 열교환기가 제공된다. 적어도 하나의 실시예에 따르면 발열체의 영역 별로 서로 다른 온도 특성을 가지도록 열교환을 수행할 수 있는 열교환기가 제공된다. 적어도 하나의 실시예에 따르면 비교적 단순한 구조를 가지면서도 효율적으로 열교환을 수행할 수 있고, 환경 문제나 제조 용의성, 적용 편의성 등에서도 유리한 구성 및 구동방식을 갖는 열교환기가 제공된다. 적어도 하나의 실시예에 따르면 상기한 열교환기를 포함하는 장치 어셈블리(예컨대, 에너지 변환 장치 어셈블리)가 제공된다. 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 측면에 있어서 소정의 장치로부터 열교환을 수행하는 열교환기가 개시된다.
개시된 열교환기는 상기 장치의 표면 중 적어도 일부분과 접촉하여 열전달매체의 흐름을 통해 열교환을 수행하는 열교환채널 구조체를 포함하고, 상기 열교환채널 구조체는 나선형 모양을 가지는 복수의 열교환채널을 포함하며, 상기 열교환채널 구조체는 상기 복수의 열교환채널에 포함된 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널 중 어느 하나에 의해 열교환을 수행하는 단일채널 영역과, 상기 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널이 서로 맞물려서 열교환을 수행하는 맞물림 영역을 포함한다.
상기 제1 열교환채널은 제1 유입구 및 제1 배출구를 포함하고, 상기 제2 열교환채널은 제2 유입구 및 제2 배출구를 포함하며, 상기 제1 유입구를 통해 상기 제1 열교환채널에 유입된 열전달매체는 상기 제1 배출구를 통해 상기 제1 열교환채널로부터 배출되며 상기 제2 유입구를 통해 상기 제2 열교환채널에 유입된 열전달매체는 상기 제2 배출구를 통해 상기 제2 열교환채널로부터 배출될 수 있다.
상기 제1 유입구 및 상기 제2 유입구는 제1 연결링크 채널을 통해 연통하고 상기 제1 연결링크 채널에 유입된 열전달매체가 분기되어 상기 제1 유입구 및 상기 제2 유입구로 유입될 수 있다.
상기 제1 배출구 및 상기 제2 배출구는 제2 연결링크 채널을 통해 연통하고 상기 제1 배출구 및 상기 제2 배출구를 통해 배출된 열전달매체는 상기 제2 연결링크 채널을 통해 상기 열교환채널 구조체 외부로 전달될 수 있다.
상기 열교환채널 구조체는 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널이 서로 맞물려서 열교환을 수행하는 IK 영역과 상기 IK 영역의 일단에 형성되며 상기 제1 열교환채널이 단독으로 열교환을 수행하는 1S 영역을 포함할 수 있다.
상기 열교환채널 구조체는 상기 IK 영역의 타단에 형성되며 상기 제2 열교환채널이 단독으로 열교환을 수행하는 2S 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 열교환채널 구조체는 상기 IK 영역의 타단에 형성되며 상기 제1 열교환채널이 단독으로 열교환을 수행하는 1S 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 열교환채널 구조체는 상기 제1 열교환채널의 일단과 상기 제2 열교환채널의 일단을 연결하는 제1 연결링크 채널 및 상기 제1 열교환채널의 타단과 상기 제2 열교환채널의 타단을 연결하는 제2 연결링크 채널을 포함하고, 상기 열전달매체는 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널 중 어느 하나의 채널에 형성된 유입구를 통해 유입되어 상기 제1 연결링크 채널 및 상기 제2 연결링크 채널을 통해 다른 하나의 채널에 유입된 후 상기 다른 하나의 채널에 형성된 배출구를 통해 배출될 수 있다.
상기 열교환채널 구조체는 상기 제1 열교환채널의 양단에 위치한 제1 유입구 및 제2 유입구와, 상기 제2 열교환채널의 양단 사이에 위치한 제3 유입구와 연결된 제1 연결링크 채널과, 상기 제2 열교환채널의 양단에 위치한 제1 배출구 및 제2 배출구와 상기 제1 열교환채널의 양단 사이에 위치한 제3 배출구와 연결된 제2 연결링크 채널 및 상기 제1 연결링크 채널에서 분기되는 열전달매체의 유량을 제어하는 유량 제어부를 포함할 수 있다.
상기 열교환구조체는 상기 제1 열교환채널이 분기되어 형성된 제1-1 열교환채널과 제1-2 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널이 분기되어 형성된 제2-1 열교환채널과 제2-2 열교환채널이 맞물려서 열교환을 수행하는 IK-II 영역을 포함할 수 있다.
상기 열교환구조체는 상기 제1 열교환채널에 의해 단독으로 열교환을 수행하는 1S 영역, 상기 제2 열교환채널에 의해 단독으로 열교환을 수행하는 2S 영역, 상기 제1 열교환채널이 분기된 제1-1 열교환채널 및 제1-2 열교환채널에 의해 열교환을 수행하는 1B 영역 및 상기 제2 열교환채널이 분기된 제2-1 열교환채널 및 제2-2 열교환채널에 의해 열교환을 수행하는 2B 영역 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 IK-II 영역의 일단에 상기 1S 영역 및 상기 1B 영역 중 적어도 하나가 배치되고 상기 IK-II 영역의 타단에 상기 2S 영역 및 상기 2B 영역 중 적어도 하나가 배치될 수 있다.
상기 IK-II 영역의 일단에 상기 1S 영역 및 상기 1B 영역 중 적어도 하나가 배치되고, 상기 IK-II 영역의 타단에 상기 1S 영역 및 상기 1B 영역 중 적어도 하나가 배치될 수 있다.
상기 IK-II 영역의 일단에 상기 1S 영역 및 상기 1B 영역 중 적어도 하나가 배치될 수 있다.
다른 측면에 있어서 전기 에너지와 기계적 에너지 사이의 에너지 변환을 유발하는 에너지 변환 장치; 및 상기 에너지 변환 장치와 열교환을 수행하는 것으로, 상기 에너지 변환 장치를 둘러싸는 열교환채널 구조체를 구비하는 열교환기;를 포함하는 에너지 변환 장치 어셈블리가 개시된다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 모터(전동기)나 발전기와 같은 장치에서 열편중 현상이 있더라도 열편중 현상을 적절히 제어하고 효율적으로 열교환(즉, 냉각)을 수행할 수 있는 열교환기를 구현할 수 있다.
또한, 비교적 단순한 구조를 가지면서도 효율적으로 열교환을 수행할 수 있고, 환경 문제나 제조 용의성, 적용 편의성 등에서도 유리한 구성 및 구동방식을 갖는 열교환기를 구현할 수 있다.
이러한 실시예에 따른 열교환기를 적용함으로써, 우수한 열교환 성능을 갖는 장치 어셈블리(ex, 에너지 변환 장치 어셈블리)를 구현할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 열교환기(heat exchanger)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 것으로, 도 1의 열교환기에서 맞물림 영역(즉, 중첩 영역)의 비율이 64%인 경우를 보여준다.
도 3은 다른 실시예에 따른 것으로, 도 1의 열교환기에서 맞물림 영역(즉, 중첩 영역)의 비율이 82%인 경우를 보여준다.
도 4는 제1 비교예에 따른 열교환기를 보여주는 도면이다. 도 4의 (A)는 열교환기의 사시도이고, (B)는 측면도이다.
도 5는 제2 비교예에 따른 열교환기를 보여주는 도면이다. 도 5의 (A)는 열교환기의 사시도이고, (B)는 측면도이다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 열교환기가 적용될 수 있는 에너지 변환 장치를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 예시적인 실시예에 따른 열교환기가 적용될 수 있는 에너지 변환 장치를 보여주는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 또 다른 실시예에 다른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 또 다른 실시예에 다른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 또 다른 실시예에 다른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 또 다른 실시예에 다른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 21는 도 5를 참조하여 설명한 제2 비교예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 열교환기의 가동에 의한 에너지 변환 장치의 고정자 코어 및 코일부의 온도 변화를 평가한 시뮬레이션 결과이다.
도 22는 도 4를 참조하여 설명한 제1 비교예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 열교환기의 가동에 의한 에너지 변환 장치의 고정자 코어 및 코일부의 온도 변화를 평가한 시뮬레이션 결과이다.
도 23는 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 열교환기의 가동에 의한 에너지 변환 장치의 고정자 코어 및 코일부의 온도 변화를 평가한 시뮬레이션 결과이다.
도 24은 도 2를 참조하여 설명한 실시예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 열교환기의 가동에 의한 에너지 변환 장치의 고정자 코어 및 코일부의 온도 변화를 평가한 시뮬레이션 결과이다.
도 25는 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 열교환기의 가동에 의한 에너지 변환 장치의 고정자 코어 및 코일부의 온도 변화를 평가한 시뮬레이션 결과이다.
도 26은 도 5를 참조하여 설명한 제2 비교예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 에너지 변환 장치의 고정자 코어(stator core)의 단면에서의 온도 분포를 보여주는 평가 결과이다.
도 27은 도 4를 참조하여 설명한 제1 비교예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 에너지 변환 장치의 고정자 코어의 단면에서의 온도 분포를 보여주는 평가 결과이다.
도 28은 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 에너지 변환 장치의 고정자 코어의 단면에서의 온도 분포를 보여주는 평가 결과이다.
도 29는 도 2를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 에너지 변환 장치의 고정자 코어의 단면에서의 온도 분포를 보여주는 평가 결과이다.
도 30은 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 에너지 변환 장치의 고정자 코어의 단면에서의 온도 분포를 보여주는 평가 결과이다.
도 31은 등발열체 상에 단일 열교환채널을 구비시키고 그의 일단에서 타단으로 열전달매체를 유동시킨 경우, 열전달매체의 작동온도를 나타낸 개념도이다.
도 32는 등발열체 상에 제1 및 제2 열교환채널을 구비시키되 전영역에서 모두 중첩되도록 배치하고 열전달매체를 반대 방향으로 유동시킨 경우, 열전달매체의 작동온도를 나타낸 개념도이다.
도 33은 등발열체 상에 제1 및 제2 열교환채널을 구비시키되 전영역이 아닌 일부 영역에서 중첩되도록 배치하고 열전달매체를 반대 방향으로 유동시킨 경우, 열전달매체의 작동온도를 나타낸 개념도이다.
도 34는 비교예에 따른 열교환기의 열교환채널 구조체를 에너지 변환 장치에 적용한 에너지 변환 장치 어셈블리를 보여주는 측면도이다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 열교환기의 열교환채널 구조체를 에너지 변환 장치에 적용한 에너지 변환 장치 어셈블리를 보여주는 측면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 설명할 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 명학하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태의 용어는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급한 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 "연결"이라는 용어는 어떤 부재들이 직접적으로 연결된 것을 의미할 뿐만 아니라, 부재들 사이에 다른 부재가 더 개재되어 간접적으로 연결된 것까지 포함하는 개념이다.
아울러, 본원 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본원 명세서에서 사용되는 "약", "실질적으로" 등의 정도의 용어는 고유한 제조 및 물질 허용 오차를 감안하여, 그 수치나 정도의 범주 또는 이에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 제공된 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 영역이나 파트들의 사이즈나 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 열교환기(heat exchanger)를 설명하기 위한 도면이다. 도 1의 (A)는 열교환기의 사시도이고, (B)는 측면도이다.
도 1의 (A) 및 (B)를 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환기는 소정의 장치로부터 열교환을 수행할 수 있다. 상기 장치는 전동기 모터, 엔진 등을 포함할 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 열교환기는 소정의 장치와 직접적으로 접촉하거나 또는 간접적으로 연결되어 열교환을 수행하는 열교환채널 구조체(100)를 포함할 수 있다. 열교환채널 구조체(100)는 그 내부를 통과하여 흐르는 열전달매체를 이용해서 열교환을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 열전달매체는, 예컨대, 물, 열전달용 기름 등을 포함할 수 있다. 그러나 상기 열전달매체의 종류는 상술한 유체에 한정되지 않고, 다른 유체로 변경될 수 있다.
열교환채널 구조체(100)는 복수의 열교환채널들을 포함할 수 있다. 도 1에서는 예시적으로 열교환채널 구조체(100)가 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)을 포함할 수 있는 경우를 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 열교환채널 구조체(100)는 세 개 이상의 열교환채널들을 포함할 수도 있다. 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 각각 나선형 구조를 가질 수 있다. 제1 열교환채널(110)은 열교환채널 구조체(100)의 제1 단부(E1)로부터 제2 단부(E2) 쪽으로 나선형으로 연장될 수 있다. 제2 열교환채널(120)은 열교환채널 구조체(100)의 제2 단부(E2)로부터 제1 단부(E1) 쪽으로 나선형으로 연장될 수 있다.
제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 열교환 대상이 되는 장치의 내주면 또는 외주면과 접촉할 수 있다. 예를 들어, 장치가 내륜 모터일 경우 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 내륜 모터의 고정자(stator)의 외주면과 접촉할 수 있다. 다른 예로 장치가 외륜 모터일 경우 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 외륜 모터의 고정자의 내주면과 접촉할 수 있다. 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 열교환 대상이 되는 장치와 직접적으로 접촉하지 않을 수 있다. 예를 들어, 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)과 장치 사이에 다른 부재가 더 존재할 수도 있다.
제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)은 열교환채널 구조체(100)의 전체 영역이 아닌 일부 영역에서 서로 맞물리도록 구성될 수 있다. 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 서로 맞물린다는 것은, 예를 들어, 제2 열교환채널(120)의 개재(삽입) 하에 제1 열교환채널(110)이 연장된 상태, 또는, 제1 열교환채널(110)의 개재(삽입) 하에 제2 열교환채널(120)이 연장된 상태를 의미할 수 있다. 본 실시예에서 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 서로 맞물린 영역, 즉, 맞물림 영역을 참조부호 IK로 표시하였다. 맞물림 영역(IK)에서는 열교환채널 구조체(100)의 길이 방향(즉, 중심축과 평행한 방향)을 따라서 제1 열교환채널(110)의 단위부와 제2 열교환채널(120)의 단위부가 교대로 배치될 수 있다. 하지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 후술하는 바와 같이 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)이 둘 이상의 분기 채널들로 분기되는 경우, 분기된 채널들이 서로 맞물릴 수도 있다. 이 경우, 분기채널들 각각의 단위부가 맞물림 영역(IK)에서 교대로 배치될 수 있다. 맞물림 영역(IK)에서는 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 실질적으로 균등하게 혼합된 상태에서 이들에 의한 냉각 작용이 이루어질 수 있다.
제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 서로 맞물렸다는 것은 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 상호 '중첩'된 것으로 표현할 수 있고, 또는, 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 상호 '교차'된 것으로 표현할 수 있다. 따라서, 맞물림 영역(IK)은 '중첩 영역' 또는 '교차 영역'이라고 지칭할 수 있다. 제1 열교환채널(110)은 맞물림 영역(IK)을 제외한 나머지 영역(맞물림 영역의 왼쪽 영역)에서는 제2 열교환채널(120)과 맞물리지 않을 수 있다. 제2 열교환채널(120)은 맞물림 영역(IK)을 제외한 나머지 영역(맞물림 영역의 오른쪽 영역)에서는 제1 열교환채널(110)과 맞물리지 않을 수 있다. 열교환채널 구조체(100)는 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널 중 어느 하나가 단독으로 열교환을 수행하는 영역을 포함할 수 있다. 즉, 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 열교환채널 구조체(100)의 전체가 아닌 일부 영역에서만 맞물리도록 구성될 수 있다.
도 1에서 나타낸 실시예에 따르면, 맞물림 영역(IK)의 일측에는 제1 열교환채널(110)만으로 열교환이 수행되는 영역(1S)이 배치되고, 맞물림 영역(IK)의 타측에는 제2 열교환채널(120)만으로 열교환이 수행되는 영역(2S)이 배치될 수 있다. 다시 말해, 열교환채널 구조체(100)의 제1 단부(E1)에 인접한 영역에서는 제2 열교환채널(120)의 개재 없이 제1 열교환채널(110)이 2회 이상 감겨진(회전된) 영역이 존재할 수 있고, 열교환채널 구조체(100)의 제2 단부(E2)에 인접한 영역에서는 제1 열교환채널(110)의 개재 없이 제2 열교환채널(120)이 2회 이상 감겨진(회전된) 영역이 존재할 수 있다. 맞물림 영역(IK)의 상기 일측에서는 제1 열교환채널(110) 부분에 의한 냉각이 주로 이루어질 수 있고, 맞물림 영역(IK)의 상기 타측에서는 제2 열교환채널(120) 부분에 의한 냉각이 주로 이루어질 수 있다.
제1 열교환채널(110)은 제1 열전달매체의 흐름을 위한 제1 유입구(112) 및 제1 배출구(114)를 구비할 수 있고, 제2 열교환채널(120)은 제2 열전달매체의 흐름을 위한 제2 주입부(122) 및 제2 배출구(124)를 구비할 수 있다. 제1 유입구(112)는 제1 단부(E1)에 배치될 수 있고, 제2 주입부(122)는 제2 단부(E2)에 배치될 수 있다. 제1 배출구(114)는 제2 주입부(122)와 제2 배출구(124) 사이에 배치될 수 있고, 제2 배출구(124)는 제1 유입구(112)와 제1 배출구(114) 사이에 배치될 수 있다. 제1 배출구(114)는 제2 주입부(122) 보다 열교환채널 구조체(100)의 중앙부(길이 방향에 따른 중앙부)에 가까이 배치될 수 있고, 이와 유사하게, 제2 배출구(124)는 제1 유입구(112) 보다 열교환채널 구조체(100)의 상기 중앙부에 가까이 배치될 수 있다. 제1 배출구(114)와 제2 배출구(124) 사이의 영역에서 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 서로 맞물리도록 구비될 수 있다. 다시 말해, 제1 배출구(114)와 제2 배출구(124) 사이의 영역이 맞물림 영역(IK)으로 정의될 수 있다.
상기 제1 열전달매체는 열교환채널 구조체(100)의 제1 단부(E1)에 위치하는 제1 열교환채널(110)의 제1 유입구(112)로 주입되어 제1 열교환채널(110)을 통과한 후, 제1 배출구(114)로 배출될 수 있다. 상기 제2 열전달매체는 열교환채널 구조체(100)의 제2 단부(E2)에 위치하는 제2 열교환채널(120)의 제2 주입부(122)로 주입되어 제2 열교환채널(120)을 통과한 후, 제2 배출구(124)로 배출될 수 있다. 따라서, 제1 열교환채널(110)을 통과하는 상기 제1 열전달매체의 진행 방향과 제2 열교환채널(120)을 통과하는 상기 제2 열전달매체의 진행 방향은 서로 반대일 수 있다. 두 개의 열교환채널(110, 20a)을 사용하고, 아울러, 이들을 통과하는 열전달매체들(즉, 상기 제1 및 제2 열전달매체)의 통과 방향이 서로 반대일 수 있기 때문에, 이런 관점에서, 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)는 이른바 "Double and Counter Flow (DC Flow)" 구성/특징을 갖는다고 할 수 있다.
도 1에서는 열교환채널 구조체(100) 양단의 유입구들(112, 122)에서 열전달매체가 주입되어 열교환 열교환채널 구조체(100)의 중간에 형성된 배출구들(114, 124)에서 열전달매체가 배출되는 것을 예시적으로 설명하였다. 하지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 배출구들(114, 124)과 유입구들(112, 114)의 역할이 서로 바뀔 수도 있다. 이 경우, 열교환채널 구조체(100)의 중간에 형성된 배출구들(114, 124)을 통해 열전달매체가 유입되고 열교환채널 구조체(100) 양단의 유입구들(112, 122)을 통해 열전달매체가 배출될 수도 있다.
열교환채널 구조체(100)에서 맞물림 영역(IK)의 비율과 위치, 크기 등은 응용분야에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 도 1에서는 맞물림 영역(IK)의 비율이 46%인 경우가 도시되어 있다. 이러한 도 1의 열교환기는 IK-46% 구성을 갖는다고 할 수 있다.
부가적으로, 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 각각 나선형 구조를 가질 수 있다. 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)이 나선형 관모양의 채널 구조를 갖는 경우, 열전달매체는 그 유속에 관계없이 정해진 경로(즉, 110 or 120)를 따라 원활하게 흐를 수 있다. 그러나, 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)의 구조/형태는 변화될 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 것으로, 도 1의 열교환기에서 맞물림 영역(IK)(즉, 중첩 영역)의 비율이 64%인 경우를 보여준다. 도 2의 (A)는 열교환기의 사시도이고, (B)는 측면도이다. 도 2의 열교환기는 IK-64% 구성을 갖는다고 할 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 것으로, 도 1의 열교환기에서 맞물림 영역(IK)(즉, 중첩 영역)의 비율이 82%인 경우를 보여준다. 도 3의 (A)는 열교환기의 사시도이고, (B)는 측면도이다. 도 3의 열교환기는 IK-82% 구성을 갖는다고 할 수 있다.
도 4는 제1 비교예에 따른 열교환기를 보여주는 도면이다. 도 4의 (A)는 열교환기의 사시도이고, (B)는 측면도이다.
도 4의 (A) 및 (B)를 참조하면, 제1 비교예에 따른 열교환기는 열교환채널 구조체(100)를 포함할 수 있고, 열교환채널 구조체(100)는 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)을 구비할 수 있다. 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)은 열교환채널 구조체(100)의 전체 영역에서 서로 맞물리도록 구비될 수 있다. 다시 말해, 열교환채널 구조체(100)의 제1 단부(E1)에서 제2 단부(E2)까지 전체 영역에서 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 서로 맞물릴 수 있다. 따라서, 맞물림 영역(R10d)의 비율은 100% 이다. 이러한 도 4의 제1 비교예에 따른 열교환기는 IK-100% 구성을 갖는다고 할 수 있다.
도 5는 제2 비교예에 따른 열교환기를 보여주는 도면이다. 도 5의 (A)는 열교환기의 사시도이고, (B)는 측면도이다.
도 5의 (A) 및 (B)를 참조하면, 제2 비교예에 따른 열교환기는 열교환채널 구조체(100)를 포함할 수 있고, 열교환채널 구조체(100)는 하나의(single) 열교환채널(110)로 구성될 수 있다. 열교환채널(110)의 일단에 열전달매체의 주입을 위한 유입구(112)가 구비될 수 있고, 열교환채널(110)의 타단에 열전달매체의 배출을 위한 배출구(114)가 구비될 수 있다. 열교환채널(110)의 상기 일단이 곧 열교환채널 구조체(100)의 제1 단부(E1')에 해당할 수 있고, 열교환채널(110)의 상기 타단이 곧 열교환채널 구조체(100)의 제2 단부(E2')에 해당할 수 있다. 이러한 도 5의 제2 비교예에 따른 열교환기는 S-100% 구성을 갖는다고 할 수 있다. 여기서, S는 single을 의미한다.
도 4를 참조한 비교예에 따르면 열교환채널 구조체(100)가 맞물림 영역(IK)만을 포함하고, 제1 열교환채널(110) 또는 제2 열교환채널(120)이 단독으로 열교환을 수행하는 영역을 포함하지 않는다. 이 경우, 도 1 내지 도 3을 참조한 실시예와 비교하여 장치의 영역 별로 발열량이나 온도 특성이 불균일할 경우, 열교환채널 구조체(100)의 열교환 성능이 떨어질 수 있다. 또한, 도5를 참조한 비교예에 따르면 열교환채널 구조체(100)가 하나의 열교환채널(110)만 포함할 수 있다. 이 경우, 열교환채널(110)의 유입구(112)로 들어온 열전달매체가 배출구(114)로 진행하면서 그 온도가 점점 변하기 때문에 장치(미도시)의 온도가 불균일 해지고 전체적으로 열교환 성능이 저하될 수 있다.
도 6은 예시적인 실시예에 따른 열교환기가 적용될 수 있는 에너지 변환 장치를 나타낸 사시도이다. 도 6에서는 예시적으로 고정자 유닛(230) 안쪽에 코일부(220)가 배치된 것을 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 고정자 유닛(230) 바깥쪽에 코일부(220)가 배치될 수도 있다.
도 6을 참조하면, 실시예에 따른 열교환기가 적용될 수 있는 에너지 변환 장치는 고정자 유닛(230)을 포함할 수 있다. 고정자 유닛(230)은 고정자 코어(stator core)(210) 및 고정자 코어(210)의 내면측에 배치된 코일부(220)를 포함할 수 있다. 고정자 코어(210)는 중공부를 갖는 원기둥 형상을 가질 수 있다. 고정자 코어(210)의 내면측에는 복수의 홈이 규칙적으로 구비될 수 있고, 상기 복수의 홈 내에 코일부(220)가 배치될 수 있다. 코일부(220)는 상기 복수의 홈을 따라 규칙적으로 감겨진 와인딩 코일(winding coil)일 수 있다.
도 6에 도시하지는 않았지만, 고정자 유닛(230)의 내부에는 회전자(rotor)가 구비될 수 있다. 도 6의 고정자 유닛(230) 안쪽에 회전자가 구비된 경우가 도 7의 단면도에 도시되어 있다.
도 7은 본 예시적인 실시예에 따른 열교환기가 적용될 수 있는 에너지 변환 장치를 보여주는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 에너지 변환 장치는 고정자 유닛(230) 및 회전자 유닛(250)을 포함할 수 있다. 고정자 유닛(230)은, 도 6에 설명한 바와 같이, 고정자 코어(210) 및 코일부(220)를 포함할 수 있다. 회전자 유닛(250)은 고정자 유닛(230)의 내측에 정의된 중공부에 배치될 수 있다. 회전자 유닛(250)은 그 중심에 회전축(240)을 구비할 수 있다. 또한, 회전자 유닛(250)은 영구 자석을 포함할 수 있다. 이러한 에너지 변환 장치의 외주면을 둘러싸도록 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(미도시)가 구비될 수 있다. 다시 말해, 실시예에 따른 열교환기의 열교환채널 구조체가 상기 에너지 변환 장치의 외주면 또는 내주면과 접촉하도록 배치되어 열교환(즉, 냉각 또는 가열)을 수행할 수 있다.
도 7의 에너지 변환 장치는 전기 에너지와 기계적 에너지 사이의 에너지 변환을 유발하는 장치일 수 있다. 예를 들어, 상기 에너지 변환 장치는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 전동기(즉, 모터)이거나, 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기일 수 있다. 도 6 및 도 7에는 에너지 변환 장치의 구성을 비교적 구체적으로 도시하고 설명하였지만, 이는 예시적인 것이고, 다양하게 변형될 수 있다. 고정자와 회전자를 포함하는 다양한 형태의 에너지 변환 장치에 본 발명의 실시예에 따른 열교환기가 적용될 수 있다.
차량의 모터(전동기)나 발전기의 경우, 열교환 성능을 높여 온도를 낮춰주면 성능과 에너지 효율이 크게 개선될 수 있다. 온도를 낮추면, 모터나 발전기 내부의 자기장 밀도 등의 파라미터가 개선될 수 있고, 에너지 효율이 높아질 수 있다. 또한, 과열 방지 및 적절한 온도 제어는 모터나 발전기의 열손상을 방지하고 수명을 연장하는데 중요하게 작용할 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 제1 열교환채널(110)은 맞물림 영역(IK)에서는 제2 열교환채널(120)과 서로 맞물릴 수 있다. 제1 열교환채널(110)은 영역(1S)에서는 제2 열교환채널(120)과 맞물리지 않을 수 있다. 제2 열교환채널(120)은 맞물림 영역(IK)에서는 제1 열교환채널(110)과 서로 맞물릴 수 있다. 제2 열교환채널(120)은 영역(2S)에서는 제1 열교환채널(110)과 맞물리지 않을 수 있다. 도 8에서는 도 1과 다르게 영역(1S)의 크기와 영역(2S)의 크기가 서로 다를 수 있다. 도 8에서는 영역(1S)의 크기가 영역(2S)의 크기보다 더 큰 경우를 나타냈지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 영역(1S)의 크기가 영역(2S)의 크기보다 더 작을 수도 있다.
도 8의 실시예에서는 제1 열교환채널(110)이 단독으로 열교환을 수행하는 영역(1S)과 제2 열교환채널(120)이 단독으로 열교환을 수행하는 영역(2S)의 크기가 서로 다를 수 있다. 즉, 열교환채널 구조체(100)가 비대칭적 모양을 가질 수 있다. 도 8에서 나타낸 열교환채널 구조체(100)는 열이 비대칭적으로 발생하는 장치의 열교환을 위해 사용될 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
열교환채널 구조체(100)가 4개의 열교환채널들(110, 120, 130, 140)을 포함할 수 있다. 열교환채널 구조체(100)의 맞물림 영역들(IK_12, IK_34)에서는 열교환채널들(110, 120, 130, 140) 중 적어도 둘 이상의 열교환채널들이 서로 맞물릴 수 있다. 열교환채널 구조체(100)에서 맞물림 영역들(IK_12, IK_34)을 제외한 나머지 영역에서는 하나의 열교환채널이 단독으로 열교환을 수행할 수 있다.
제1 열전달매체는 좌표 x1i에서 제1 열교환채널(110)에 유입되어 좌표 x1o에서 제1 열교환채널(110)로부터 배출될 수 있다. 열교환채널 구조체(100)가 열교환을 수행하여 장치의 온도를 낮춘다고 가정할 때, 제1 열전달매체는 좌표 x1i로부터 좌표 x1o로 진행하는 동안 그 온도가 증가할 수 있다. 따라서, 영역(1S)에서 열교환채널 구조체(100)의 온도는 오른쪽으로 갈수록 증가할 수 있다.
제2 열전달매체는 좌표 y1i에서 제2 열교환채널(120)에 유입되어 좌표 y1o에서 제2 열교환채널(120)로부터 배출될 수 있다. 따라서 맞물림 영역(IK_12)에서 제1 열전달매체의 진행방향과 제2 열전달매체의 진행방향은 서로 반대일 수 있다. 열교환채널 구조체(100)가 열교환을 수행하여 장치의 온도를 낮춘다고 가정할 때, 제2 열전달매체는 좌표 y1i로부터 좌표 y1o로 진행하는 동안 그 온도가 증가할 수 있다. 맞물림 영역(IK_12)에서 제1 열전달매체는 오른쪽으로 갈수록 온도가 증가하고 제2 열전달매체는 왼쪽으로 갈수록 온도가 증가할 수 있다. 따라서, 맞물림 영역(IK_12)의 온도는 일정하게 유지되거나 영역(1S)에 비해 작은 변화율로 변화될 수 있다.
제4 열전달매체는 좌표 y2i에서 제4 열교환채널(140)에 유입되어 좌표 y2o에서 제4 열교환채널(140)로부터 배출될 수 있다. 제4 열교환채널(140)이 단독으로 열교환을 수행하는 영역(4S)에서 열교환채널 구조체(100)의 온도는 왼쪽으로 갈수록 증가할 수 있다. 맞물림 영역(IK_14)에서 제1 열전달매체의 진행방향과 제4 열전달매체의 진행방향은 서로 반대일 수 있다. 열교환채널 구조체(100)가 열교환을 수행하여 장치의 온도를 낮춘다고 가정할 때, 제4 열전달매체는 좌표 y2i로부터 좌표 y2o로 진행하는 동안 그 온도가 증가할 수 있다. 맞물림 영역(IK_14)에서 제1 열전달매체는 오른쪽으로 갈수록 온도가 증가하고 제4 열전달매체는 왼쪽으로 갈수록 온도가 증가할 수 있다. 따라서, 맞물림 영역(IK_14)의 온도는 일정하게 유지되거나 영역(1S) 또는 영역(4S)에 비해 작은 변화율로 변화될 수 있다.
제3 열전달매체는 좌표 x2i에서 제3 열교환채널(130)에 유입되어 좌표 x2o에서 제3 열교환채널(130)로부터 배출될 수 있다. 맞물림 영역(IK_34)에서 제3 열전달매체의 진행방향과 제4 열전달매체의 진행방향은 서로 반대일 수 있다. 열교환채널 구조체(100)가 열교환을 수행하여 장치의 온도를 낮춘다고 가정할 때, 제3 열전달매체는 좌표 x2i로부터 좌표 x2o로 진행하는 동안 그 온도가 증가할 수 있다. 맞물림 영역(IK_34)에서 제3 열전달매체는 오른쪽으로 갈수록 온도가 증가하고 제4 열전달매체는 왼쪽으로 갈수록 온도가 증가할 수 있다. 따라서, 맞물림 영역(IK_34)의 온도는 일정하게 유지되거나 영역(1S) 또는 영역(4S)에 비해 작은 변화율로 변화될 수 있다.
도 9에서 나타낸 실시예에 따르면, 하나의 열교환채널에 의해 열교환을 수행하는 영역(1S, 4S)에서는 열교환채널 구조체(100)의 온도가 위치의 변화에 따라 변하는 반면, 맞물림 영역(IK_12, IK_ad, IK_34)에서는 열교환 구조체(100)의 온도가 변하지 않거나 그 변화율이 작게 함으로써 장치의 영역 별로 다양한 온도 특성을 부여할 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 제2 열교환채널(120) 전체가 제1 열교환채널(110)과 서로 맞물릴 수 있다. 반면, 제1 열교환채널(110) 중 일부 영역(1S)은 제2 열교환채널(120)과 맞물리지 않을 수 있다. 즉, 제1 열교환채널(110)은 다른 열교환채널과 맞물리는 영역( IK) 및 다른 열교환채널과 맞물리지 않는 영역(1S)을 모두 포함할 수 있다. 반면, 제2 열교환채널(120)은 실질적으로 모든 영역이 제1 열교환채널(110)과 맞물릴 수 있다. 도 9에서는 맞물림 영역(IK)이 오른쪽에 위치하는 경우를 예시적으로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 맞물림 영역(IK)은 왼쪽에 위치할 수도 있다. 또한, 도 9에서 나타낸 바와 달리 제1 열교환채널(110)의 전 영역이 제2 열교환채널(120)과 맞물리고, 제2 열교환채널(120) 중 일부가 제1 열교환채널(110)과 맞물리지 않을 수 있다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 제2 열교환채널(120) 전체가 제1 열교환채널(110)과 서로 맞물릴 수 있다. 반면, 제1 열교환채널(110) 중 가장자리의 두 영역(1S)은 다른 열교환채널과 맞물리지 않을 수 있다. 도 9에서와 달리 제2 열교환채널(120)는 제1 열교환채널(110) 안에서 어느 한 쪽에 편중되지 않고 가운데 위치할 수 있다. 따라서, 제1 열교환채널(110)의 가장자리 영역(1S)은 제2 열교환채널(120)과 서로 맞물리지 않을 수 있다. 두 가장자리 영역들(1S)의 크기는 같을 수 있다. 따라서, 열교환채널 구조체(100)는 대칭적인 구조를 가질 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 두 가장자리 영역들(1S)의 크기는 서로 다를 수 있으며 이 경우 열교환채널 구조체(100)는 비대칭적인 구조를 가질 수도 있다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 제2 열교환채널(120) 전체가 제1 열교환채널(110)과 서로 맞물릴 수 있다. 반면, 제1 열교환채널(110) 중 가장자리의 두 영역(1S_1, 1S_2)은 다른 열교환채널과 맞물리지 않을 수 있다. 도 11에서 나타낸 바와 달리 도 12에서는 두 영역(1S_1, 1S_2)의 크기가 서로 다를 수 있다. 따라서, 도 11의 열교환채널 구조체(100)는 비대칭적인 구조를 가질 수 있다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 열교환채널 구조체(100)는 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널을 포함할 수 있다. 제1 열교환채널은 둘 이상의 분기채널들(110a, 110b)을 포함할 수 있다. 분기채널들(110a, 110b)은 연결링크채널들(110c, 110d)을 통해 서로 연통할 수 있다. 열전달매체의 주입구 및 배출구는 연결링크채널들(110c, 110d)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 주입구는 연결링크채널(110c)에 형성되고 배출구는 연결링크채널(110d)에 형성될 수 있다. 다른 예로, 주입구가 연결링크채널(110d)에 형성되고 배출구는 연결링크채널(110c)에 형성될 수도 있다. 제1 열교환채널이 복수의 분기채널들(110a, 110b)을 포함하도록 함으로써 제1 열교환채널에 주입된 열전달매체가 분기채널들(110a, 110b)에 분산되어 유동할 수 있다. 이를 통해 제1 열교환채널 내에서 열전달매체에 대한 저항 등과 같은 파라미터가 조절될 수 있다.
마찬가지로 제2 열교환채널은 둘 이상의 분기채널(120a, 120b)을 포함할 수 있다. 분기채널들(120a, 120b)은 연결링크채널들(120c, 120d)을 통해 서로 연통할 수 있다. 제2 열교환채널에 열전달매체를 주입하기 위한 주입구 및 열전달매체가 배출되는 배출구는 연결링크채널들(120c, 120d)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 주입구는 연결링크채널(120c)에 형성되고 배출구는 연결링크채널(120d)에 형성될 수 있다. 다른 예로, 주입구가 연결링크채널(120d)에 형성되고 배출구는 연결링크채널(120c)에 형성될 수도 있다. 제2 열교환채널이 복수의 분기채널들(120a, 120b)을 포함하도록 함으로써 제2 열교환채널에 주입된 열전달매체가 분기채널들(120a, 120b)에 분산되어 유동할 수 있다. 이를 통해 제2 열교환채널 내에서 열전달매체에 대한 저항 등과 같은 파라미터가 조절될 수 있다.
도 13에서는 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널이 모두 각각 둘 이상의 분기채널을 포함하는 경우를 나타냈다. 하지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널 중 어느 하나는 둘 이상의 분기채널을 포함하고, 다른 하나는 단일 채널로 구성될 수도 있다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)이 맞물림 영역(IK-II)에서 서로 맞물릴 수 있다. 제1 열교환채널(110)은 영역(1S)에서 제2 열교환채널(120)와 맞물리지 않을 수 있다. 제2 열교환채널(120)은 영역(2S)에서 제1 열교환채널(110)과 맞물리지 않을 수 있다.
영역(1S)에서 제1 열교환채널(110)은 단일 채널로 구성될 수 있다. 마찬가지로 영역(2S)에서 제2 열교환채널(120)은 단일 채널로 구성될 수 있다. 맞물림 영역(IK-II)에서 제1 열교환채널(110)은 두 개의 분기채널들(110a, 110b)로 분기될 수 있다. 분기채널들(110a, 110b)은 연결링크채널(110c)을 통해 서로 연통할 수 있다. 마찬가지로 맞물림 영역(IK-II)에서 제2 열교환채널(120)은 두 개의 분기채널들(120a, 120b)로 분기될 수 있다. 분기채널들(120a, 120b)은 연결링크채널(120c)을 통해 서로 연통할 수 있다. 도 14에서 나타낸 바와 같이 맞물림 영역(IK-II)에서 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120) 각각이 복수의 분기채널들로 분기되도록 함으로써 두 채널이 맞물리지 않는 영역(1S, 2S)에서 각 채널의 저항과 두 채널이 맞물리는 영역(R10k)에서 각 채널의 저항이 달라지도록 할 수 있다.
도 14에서는 영역(1S) 및 영역(2S)의 크기가 동일한 경우를 예시적으로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 영역(1S) 및 영역(2S)의 크기가 서로 다를 수도 있다. 즉, 열교환채널 구조체(100)는 대칭적 구조가 아닌 비대칭적 구조를 가질 수도 있다. 또한, 도 13에서는 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)이 모두 맞물림 영역(IK-II)에서 둘 이상의 분기채널들로 분기되는 것을 예시적으로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 열교환채널(110)미 제2 열교환채널(120) 중 어느 하나만 맞물림 영역(IK-II)에서 둘 이상의 분기채널들로 분기될 수도 있다.
도 15는 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)는 제1 열교환채널(110), 제2 열교환채널(120), 제3 열교환채널(130), 제4 열교환채널(140)을 포함할 수 있다. 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 연결링크(182)를 통해 서로 연통할 수 있다. 제3 열교환채널(130) 및 제4 열교환채널(140)은 연결링크(184)를 통해 서로 연통할 수 있다. 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 일단에서 서로 합쳐져서 통합채널(172)을 형성할 수 있다. 110, 120, 172, 182 채널을 통합하여 제1 통합채널로 구분할 수 있다. 마찬가지로 제3 열교환채널(130) 및 제4 열교환채널(140)은 일단에서 서로 합쳐져서 통합 채널(174)을 형성할 수 있다. 130, 140, 174, 184 채널을 통합하여 제2 통합채널로 구분할 수 있다. 제1 및 제2 통합채널은 중앙의 맞물림 영역에서 서로 맞물려서 함께 열교환을 수행할 수 있다.
맞물림 영역 밖에서 통합채널이 과냉각을 수행하는 영역과 각각의 개별 채널이 과냉각을 수행하는 영역이 있을 수 있다.
실시예에 따른 열교환기는 다양한 방식으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 2개의 열교환 채널들이 일부에서 맞물리는 경우들을 표 1과 같이 나타낼 수 있다.
대칭 또는 비 대칭 형
(IK영역 양단에 두 개의 채널 각각이 단독으로 열교환을 수행하는 영역이 마련됨) 		삽입형
(IK영역 양단에서 동일한 채널이 단독으로 열교환을 수행하는 영역이 마련됨) 		편중
(IK영역 일단에서 한 개의 채널이 단독으로 열교환을 수행하는 영역이 마련됨)
SIS
(1S + IK + 2S)		 sIS
(1S + IK + 1S)		 SI
(1S + IK)
SIIS
(1S + IK-II + 2S)		 sIIS
(1S + IK-II + 1S)		 SII
(1S + IK-II)
SIIB
(1S + IK-II +2B)		 sIIB
(1S + IK-II + 1B)
BIIB
(1B + IK-II + 2B)		 bIIB
(1B + IK-II + 1B)		 BII
(1B + IK-II)
SBIIS
(1S + 1B + IK-II + 2S)		 sbIIS
(1S + 1B + IK-II + 1S)
SBIIB
(1S + 1B + IK-II + 2B)		 sbIIB
(1S + 1B + IK-II + 1B)		 SBII
(1S + 1B + IK-II)
SBIIBS
(1S + 1B + IK-II + 2S + 2B)		 sbIIBS
(1S + 1B + IK-II + 1B + 1S)
표 1에서 각 열교환구조체의 형태를 나타내는 기호에서 'S'는 단일 채널에 의해 열교환이 수행되는 영역을 나타내고, 'B'는 단일 채널로부터 분기된 채널들에 의해 열교환이 수행되는 영역을 나타내고, 'I'는 두 열교환채널들이 맞물려서 열교환을 수행하는 영역을 나타내고, 'II'는 두 열교환채널 각각으로부터 분기된 채널들이 서로 맞물려서 열교환을 수행하는 영역을 나타낸다. 괄호 안에 표시된 기호들은 도 1 내지 도 15에서 사용한 영역들의 기호들과 동일한 의미를 가진다.
표 1에서 나타낸 실시예들은 예시적인 것에 불과하며 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 표 1에서는 두 개의 열교환채널들을 사용하는 것만 고려했지만 도 9에서 나타낸 바와 같이 3 개 이상의 열교환채널들이 열교환구조체에 포함될 수도 있다.
도 16은 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 16을 참조하면, 제1 열교환채널(110)의 제1 유입구(112)와 제2 열교환채널(120)의 제2 유입구(122)가 연결링크채널(192)을 통해 서로 연통할 수 있다. 연결링크채널(192)에 유입된 열전달매체는 분기되어 일부는 제1 유입구(112)를 통해 제1 열교환채널(110)로 유입되고 다른 일부는 제2 유입구(122)를 통해 제2 열교환채널(120)로 유입될 수 있다. 제1 배출구(114)를 통해 배출된 열전달매체와 제2 배출구(124)를 통해 배출된 열전달매체 각각은 베어링을 거쳐 냉각된 후 열교환구조체 외부로 배출될 수 있다.
도 17은 또 다른 실시예에 다른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 17을 참조하면, 제1 열교환채널(110)의 제1 유입구(112)와 제2 열교환채널(120)의 제2 유입구(122)가 연결링크채널(194)을 통해 서로 연통할 수 있다. 연결링크채널(192)에 유입된 열전달매체는 분기되어 일부는 제1 유입구(112)를 통해 제1 열교환채널(110)로 유입되고 다른 일부는 제2 유입구(122)를 통해 제2 열교환채널(120)로 유입될 수 있다. 제1 배출구(114)를 통해 배출된 열전달매체와 제2 배출구(124)를 통해 배출된 열전달매체 각각은 모터 제어기와 베어링을 거쳐 냉각된 후 열교환구조체 외부로 배출될 수 있다.
도 18은 또 다른 실시예에 다른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 18을 참조하면, 제1 열교환채널(110)의 제1 유입구(112)와 제2 열교환채널(120)의 제2 유입구(122)가 제1 연결링크채널(196)을 통해 서로 연통할 수 있다. 또한 제1 열교환채널(110)의 제1 배출구(114)와 제2 열교환채널(120)의 제2 배출구(124)가 제2 연결링크채널(198)을 통해 서로 연통할 수 있다. 제1 연결링크채널(196)에 유입된 열전달매체는 분기되어 일부는 제1 유입구(112)를 통해 제1 열교환채널(110)로 유입되고 다른 일부는 제2 유입구(122)를 통해 제2 열교환채널(120)로 유입될 수 있다. 제1 배출구(114)를 통해 배출된 열전달매체와 제2 배출구(124)를 통해 배출된 열전달매체는 제2 연결링크채널(198)에서 합쳐진 후 열교환구조체 외부로 배출될 수 있다. 도 18에서 나타낸 실시예에 따르면 열교환구조체 외부에서 열전달매체의 흐름을 하나로 관리하는 것이 용이해질 수 있다.
도 19는 또 다른 실시예에 다른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 19를 참조하면, 제1 열교환채널(110)의 일단과 제2 열교환채널(120)의 일단은 제1 연결링크채널(197)을 통해 연통할 수 있다. 제1 열교환채널(110)의 말단과 제2 열교환채널(120)의 말단은 제2 연결링크채널(198)을 통해 연통할 수 있다. 제1 열교환채널(110)의 중앙에 형성된 유입구(115)에 열전달매체가 유입될 수 있다. 유입구(115)를 통해 유입된 열전달매체는 제1 열교환채널(110)의 양단으로 전달될 수 있다. 제1 열교환채널(110)의 양단으로 전달된 열전달매체는 제1 및 제2 연결링크채널(197, 198)을 통해 제2 열교환채널(120)의 양단으로 유입될 수 있다. 제2 열교환채널(120)의 양단으로 유입된 열전달매체는 제2 열교환채널(120)의 중심에 형성된 배출구(125)를 통해 배출될 수 있다. 도 19의 실시예에 따르면 제1 열교환채널(110)에서 열전달매체는 중앙의 유입구(115)로부터 제1 열교환채널(110)의 양단으로 진행하는 반면, 제2 열교환채널(120)에서 열전달매체는 제2 열교환채널(120)의 양단으로부터 제2 열교환채널(120)의 중심에 있는 배출구(125)로 진행할 수 있다. 따라서, 맞물림 영역(IK)에서 제1 및 제2 열교환채널(110, 120)의 열전달매체의 흐름 방향이 서로 반대일 수 있다.
도 20은 또 다른 실시예에 다른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 20을 참조하면, 제1 열교환채널은 중앙으로부터 좌측으로 분기된 채널(110a)와 우측으로 분기된 채널(110b)를 포함할 수 있다. 제2 열교환채널은 중앙으로부터 좌측으로 분기된 채널(120a)과 우측으로 분기된 채널(120b)를 포함할 수 있다. 열전달매체는 제1 연결링크 채널(182)을 통해 열교환구조체로 유입될 수 있다. 제1 연결링크 채널(182)은 제1 열교환채널의 좌측 분기 채널(110a)의 말단에 형성된 제1 유입구(111), 제1 열교환채널의 우측 분기 채널(110b)의 말단에 형성된 제2 유입구(113) 및 제2 열교환채널의 중앙에 형성된 제3 유입구(121) 와 연결될 수 있다. 제1 연결링크 채널(182)에 유입된 열전달매체는 유입구들(111, 121, 113)에 분기되어 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널로 유입될 수 있다.
제2 연결링크 채널(183)은 제2 열교환채널의 좌측 분기 채널(120a)의 말단에 형성된 제1 배출구(123), 제2 열교환채널의 우측 분기 채널(120b)의 말단에 형성된 제2 배출구(125) 및 제1 열교환채널의 중앙에 형성된 제3 배출구(115)와 연결될 수 있다. 제2 열교환채널에 유입된 열전달매체는 제1 배출구(123) 및 제2 배출구(125)를 통해 제2 연결링크 채널(183)로 배출될 수 있다. 제1 열교환채널로 유입된 열전달매체는 제1 열교환채널의 중앙에 형성된 제3 배출구(115)를 통해 제2 연결링크 채널(183)로 배출될 수 있다.
제1 열교환채널에서 열전달매체는 양단의 제1 및 제2 유입구들(111, 113)로 유입되어 제3 배출구(115) 방향으로 진행할 수 있다. 반면, 제2 열교환채널에서 열전달매체는 제3 유입구(121)로 유입되어 제1 및 제2 배출구들(123, 125)로 배출될 수 있다. 따라서, 맞물림 영역(IK)에서 제1 열교환채널에서의 열전달매체의 흐름과 제2 열교환채널에서의 열전달매체의 흐름은 반대일 수 있다.
제2 열교환채널의 길이가 제1 열교환채널의 길이보다 작기 때문에 제2 열교환채널의 저항이 제1 열교환채널의 저항보다 더 작을 수 있다. 이러한 저항의 차이를 상쇠하기 위해 제2 열교환채널에 유입되는 열교환매체의 양과 제1 열교환매체에 유입되는 열교환매체의 양이 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 열교환구조체는 유량 제어부(181)를 이용하여 제1 및 제2 열교환채널 각각에 유입되는 열전달매체의 유량을 조절할 수 있다. 도 20에서는 유량 제어부(181)를 밸브로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니며 유체의 흐름 량을 조절할 수 있는 다른 부재가 사용될 수도 있다. 또한, 도 20에서는 유량 제어부(181)가 제2 열교환채널에 유입되는 열전달매체의 유량을 제어하는 것으로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 유량 제어부(181)는 다른 곳에 설치되어 제1 열교환채널에 유입되는 열전달매체의 유량을 제어할 수도 있다.
열교환구조체는 유량 제어부(181)를 이용하여 열교환구조체의 영역 별로 다른 열전달 특성 또는 온도 특성이 나타나도록 할 수 있다. 예를 들어, 열교환구조체가 열교환을 하는 대상인 모터의 양단 부분(예를 들어, end wiring)이 과열되는 경우, 열교환구조체는 유량 제어부(181)를 이용하여 제2 열교환채널에 유입되는 열전달매체의 양을 감소시키고 제1 열교환매체에 유입되는 열교환매체의 양을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 제1 열교환채널에 의해 열교환이 수행되는 양단 영역(1S)의 열교환 성능이 증가되어 모터의 양단 부분의 과열 현상을 억제할 수 있다.
상술한 바와 같이 열교환구조체가 제1 및 제2 열교환채널 각각에 유입되는 열교환매체의 양을 조절하는 유량 제어부(181)를 포함하면, 열교환구조체의 구조를 변경하지 않고도 열교환구조체의 영역별 온도 특성 또는 열교환 특성을 변경할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예들 중 적어도 일부가 나타내는 열교환 효과를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과에 대해 설명한다.
도 21은 도 5를 참조하여 설명한 제2 비교예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 열교환기의 가동에 의한 에너지 변환 장치의 고정자 코어 및 코일부의 온도 변화를 평가한 시뮬레이션 결과이다.
도 21을 참조하면, 제2 비교예에 따른 열교환기는 S-100% 구성, 즉, 하나의 열교환채널(110)로 구성된 열교환채널 구조체(100)를 포함한다. 이 경우, 열교환채널 구조체(100)에서 열전달매체의 이동 경로는 하나이다. 열교환채널(110)의 주입부(도 5의 112)를 통해 열전달매체가 주입되어 열교환채널(110)을 통과하면서 열교환을 수행하고 배출부(도 5의 114)를 통해 배출된다. 따라서, 상기 주입부(도 5의 112)에서는 열전달매체의 온도가 상대적으로 낮지만, 상기 배출부(도 5의 114) 쪽으로 갈수록 열전달매체의 온도는 점차 증가하게 된다. 결과적으로, 에너지 변환 장치의 일단부에서 타단부로 갈수록 냉각 성능이 저하되므로 온도가 점차 증가하게 된다. 이러한 현상은 고정자 코어 및 코일부에서 유사하게 나타난다.
따라서, 에너지 변환 장치의 영역에 따라 온도차가 크게 발생하게 되고, 등온냉각(등온제어)이 되지 않을 수 있다. 이와 같이, 열교환 과정에서 온도 편차가 있으면 이로 인해 장치의 팽창 비율 차이가 발생하고, 결과적으로, 장치가 손상되거나 효율이 저하되거나 수명이 단축되는 등의 문제가 발생할 수 있다.
또한, 도 21의 아래쪽에서 나타낸 바와 같이 시뮬레이션 결과 고정자 코어의 단면에서 왼쪽 부분의 온도가 상당히 높은 것을 확인할 수 있다. S-100의% 구성하에서는 왼쪽 하단 영역에서 31℃ 등온선이 나타나는 고온 영역이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 즉, S-100%의 구성하에서는 고정자 코어 내부에 온도차가 클 뿐 아니라 고온 영역이 넓게 형성되는 문제가 있을 수 있다.
도 22는 도 4를 참조하여 설명한 제1 비교예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 열교환기의 가동에 의한 에너지 변환 장치의 고정자 코어 및 코일부의 온도 변화를 평가한 시뮬레이션 결과이다.
도 22를 참조하면, 제1 비교예에 따른 열교환기는 IK-100% 구성, 즉, 제1 및 제2 열교환채널(110, 120)이 열교환채널 구조체(100) 전체 영역에서 서로 맞물린 구성을 갖는다. 이 경우, 열교환채널 구조체(100)의 일단에 위치하는 제1 열교환채널(110)의 제1 주입부(도 4의 112)를 통해 제1 열전달매체가 주입되어 제1 열교환채널(110)를 통과한 후 열교환채널 구조체(100)의 타단으로 배출되고, 열교환채널 구조체(100)의 타단에 위치하는 제2 열교환채널(120)의 제2 주입부(도 4의 122)를 통해 제2 열전달매체가 주입되어 제2 열교환채널(120)를 통과한 후 열교환채널 구조체(100)의 일단으로 배출된다. 따라서, 상기 제1 열전달매체와 상기 제2 열전달매체가 서로 반대 방향으로 흐르면서 열교환에 의한 온도 상승을 상쇄하는 효과를 나타낼 수 있다. 이러한 이유로, 도 14의 제2 비교예에 따른 열교환기를 사용하는 경우보다 도 15의 제1 비교예에 따른 열교환기를 사용하는 경우, 고정자 코어 및 코일부에서 온도 편차가 상대적으로 크게 감소할 수 있다.
그러나, 도 22와 같이 IK-100% 구성의 열교환기를 사용할 경우, 열편중 현상이 있는 장치의 온도를 정밀하게 제어하기가 어려울 수 있다. 또한, 도 9와 같이 IK-100% 구성의 열교환기를 사용할 경우, 장치의 심부(深部)(deep part)의 온도를 용이하고 정밀하게 제어하기가 어려울 수 있다.
또한, 도 22의 아래쪽에서 나타낸 바와 같이 시뮬레이션 결과 고정자 코어의 단면 온도가 도 21에서 나타낸 것보다는 상대적으로 감소했지만 여전히 31℃ 등온선보다 온도가 높은 영역이 넓게 분포해 있는 것을 확인할 수 있다. 특히 코일의 말단 와이어링 영역(end wiring) 근처에 해당하는 고정자 코어의 좌우 끝단에서는 등온선이 높게 치솟으면서 중앙에 비해 온도가 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다.
도 23은 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 열교환기의 가동에 의한 에너지 변환 장치의 고정자 코어 및 코일부의 온도 변화를 평가한 시뮬레이션 결과이다.
도 23을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환기는 IK-82% 구성, 즉, 제1 및 제2 열교환채널(110, 120)이 열교환채널 구조체(100)의 약 82% 영역에서 서로 맞물린 구성을 갖는다. 열교환채널 구조체(100)의 일단에 위치하는 제1 열교환채널(110)의 제1 주입부(도 3의 112)를 통해 제1 열전달매체가 주입되어 제1 열교환채널(10c)를 통과한 후 배출되고, 열교환채널 구조체(100)의 타단에 위치하는 제2 열교환채널(120)의 제2 주입부(도 3의 3c)를 통해 제2 열전달매체가 주입되어 제2 열교환채널(120)를 통과한 후 배출된다. 상기 제1 열전달매체와 상기 제2 열전달매체가 서로 반대 방향으로 흐르면서 맞물림 영역(도 3의 IK)에서 열교환에 의한 온도 상승을 상쇄하는 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 열교환채널 구조체(100)의 일단부(1S)에서는 제2 열교환채널(120)의 개입 없이 제1 열교환채널(110) 부분에 의해서만 주로 냉각이 이루어질 수 있고, 열교환채널 구조체(100c)의 타단부(2S)에서는 제1 열교환채널(110)의 개입 없이 제2 열교환채널(120) 부분에 의해서만 주로 냉각이 이루어질 수 있다.
따라서, 도 21의 제2 비교예에 따른 열교환기를 사용하는 경우보다, 고정자 코어 및 코일부에서 온도 편차가 상대적으로 크게 감소할 수 있다. 또한, 열편중 현상이 있는 장치의 온도를 보다 정밀하게 제어할 수 있고, 장치의 심부(深部)(deep part)의 온도를 보다 용이하고 정밀하게 제어할 수 있다. 결과적으로, 전동기(모터)나 발전기와 같은 장치에서 열편중 현상이 있더라도 열편중 현상을 적절히 제어하고 효율적으로 열교환(즉, 냉각)을 수행할 수 있고, 장치의 내구성/수명, 효율, 성능 등이 개선될 수 있다. 또한, 실시예에 따른 열교환기는 비교적 단순한 구조를 가지면서도 수랭식으로 효율적으로/저비용으로 열교환을 수행할 수 있기 때문에, 환경 문제나 제조 용의성, 적용 편의성 등에서도 상당히 유리할 수 있다.
또한, 도 23의 아래쪽에서 나타낸 바와 같이 시뮬레이션 결과 고정자 코어의 단면 온도의 등온선이 좌우 끝단에서 치솟는 현상이 감소된 것을 확인할 수 있다. 이로 인해 또한, 31℃ 등온선보다 온도가 높은 영역이 상대적으로 줄어든 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열교환기에서, 적용되는 장치의 특성에 맞게, 맞물림 영역의 비율을 적절히 제어할 수 있고, 최적의 맞물림 영역 비율로부터 높은 효율의 냉각 성능 및 온도 프로파일을 형성할 수 있다.
도 24는 도 2를 참조하여 설명한 실시예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 열교환기의 가동에 의한 에너지 변환 장치의 고정자 코어 및 코일부의 온도 변화를 평가한 시뮬레이션 결과이다. 본 실시예에 따른 열교환기는 IK-64% 구성, 즉, 제1 및 제2 열교환채널(110, 120)이 열교환채널 구조체(100)의 약 64% 영역에서 서로 맞물린 구성을 갖는다.
도 24의 아래쪽에 나타낸 바와 같이 시뮬레이션 결과 고정자 코어의 온도가 도 23에서 나타낸 것보다 더 낮아져서 31℃ 등온선이 도 23에 비해 아래쪽으로 이동한 것을 확인할 수 있다. 또한, 31℃보다 온도가 높은 영역이 중앙의 일부분에만 국한될 수 있다.
도 25는 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 열교환기의 가동에 의한 에너지 변환 장치의 고정자 코어 및 코일부의 온도 변화를 평가한 시뮬레이션 결과이다. 본 실시예에 따른 열교환기는 IK-46% 구성, 즉, 제1 및 제2 열교환채널(110, 120)이 열교환채널 구조체(100)의 약 46% 영역에서 서로 맞물린 구성을 갖는다.
도 25의 아래쪽에 나타낸 바와 같이 시뮬레이션 결과 고정자 코어의 온도가 도 16에서 나타낸 것보다 더 낮아져서 31℃ 등온선이 도 16에 비해 아래쪽으로 이동한 것을 확인할 수 있다. 또한, 31℃보다 온도가 높은 영역이 중앙의 일부분에만 국한될 수 있다.
도 26은 도 5를 참조하여 설명한 제2 비교예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 에너지 변환 장치의 고정자 코어(stator core)(210)의 단면에서의 온도 분포를 보여주는 평가 결과이다.
도 26을 참조하면, 제2 비교예에 따른 열교환기는 S-100% 구성, 즉, 하나의 열교환채널(110)로 구성된 열교환채널 구조체(100)를 포함한다. 이 경우, 앞서 도 21을 참조하여 설명한 바와 같이 열교환채널 구조체(100)의 배출구(114) 쪽으로 갈수록 냉각 성능이 저하되고, 에너지 변환 장치의 고정자 코어(210)의 온도가 상승하게 된다. 이러한 온도 편차는 등온선 및 색상으로 표시하였다. 특히, 고정자 코어(210)의 내측 영역, 즉, 심부의 온도 편차가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다.
도 27은 도 4를 참조하여 설명한 제1 비교예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 에너지 변환 장치의 고정자 코어(210)의 단면에서의 온도 분포를 보여주는 평가 결과이다.
도 27을 참조하면, 제1 비교예에 따른 열교환기는 IK-100% 구성, 즉, 제1 및 제2 열교환채널(110, 120)이 열교환채널 구조체(100) 전체 영역에서 서로 맞물린 구성을 갖는다. 이 경우, 상기 제1 열전달매체와 상기 제2 열전달매체가 서로 반대 방향으로 흐르면서 열교환에 의한 온도 상승을 상쇄하는 효과를 나타낼 수 있고, 제2 비교예에 따른 열교환기를 사용하는 경우보다 고정자 코어(210)에서의 온도 편차가 상대적으로 감소할 수 있다.
그러나 고정자 코어(210)의 표면부(외면부)에서는 등온냉각(등온제어)이 어느 정도 이루어질 수 있지만, 고정자 코어(210)의 안쪽 영역, 즉, 심부에서는 등온냉각(등온제어)이 용이하게 이루어지지 않을 수 있다. 특히, 고정자 코어(210)의 양단부 영역(A1, A2)에서 심부의 온도가 나머지 영역보다 높은 문제가 발생할 수 있다. 실제 장치의 성능 및 효율에 있어서, 외면부의 온도 프로파일보다 심부의 온도 프로파일이 중요할 수 있다. 심부에서 온도 편차가 발생할 경우, 그로 인해, 에너지 효율이 낮아지거나 열적 충격을 받을 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 도 22 등에 도시된 바와 같이, 이러한 문제들을 비교적 용이하게 극복할 수 있다.
도 28은 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 에너지 변환 장치의 고정자 코어(210)의 단면에서의 온도 분포를 보여주는 평가 결과이다.
도 28을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환기는 IK-82% 구성, 즉, 제1 및 제2 열교환채널(110, 120)이 열교환채널 구조체(100)의 약 82% 영역에서 서로 맞물린 구성을 갖는다. 이 경우, 제1 및 제2 열교환채널(110, 120)이 맞물리지 않은 열교환채널 구조체(100)의 양단부 영역에서 맞물림 영역(도 3의 IK)보다 상대적인 과냉각이 이루어질 수 있다. 상기 맞물림 영역(도 3의 IK)에서는 맞물림 구성에 의한 등온냉각(등온제어)이 이루어질 수 있다. 결과적으로, 고정자 코어(210)의 심부 영역에서 온도 편차가 거의 없는 등온냉각(등온제어)이 가능할 수 있다. 따라서, 냉각 성능 및 냉각 효율이 높아질 수 있고, 장치의 내구성(수명), 효율, 성능 등이 상당히 개선될 수 있다. 이와 같이, 실시예에 따른 열교환기를 사용하면, 열편중 현상이 있는 장치의 온도를 보다 용이하고 정밀하게 제어할 수 있고, 특히, 장치의 심부의 온도를 보다 용이하고 정밀하게 제어할 수 있다.
도 29는 도 2를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 에너지 변환 장치의 고정자 코어(210)의 단면에서의 온도 분포를 보여주는 평가 결과이다.
도 30은 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 열교환기를 에너지 변환 장치에 적용했을 때, 상기 에너지 변환 장치의 고정자 코어(210)의 단면에서의 온도 분포를 보여주는 평가 결과이다.
도 28 내지 도 30의 결과를 비교하면, 제1 및 제2 열교환채널이 맞물린 영역의 비율을 제어함으로써, 장치 심부의 온도 프로파일을 용이하게 제어할 수 있고, 또한, 장치의 구성 및 발열 특성에 따라 온도 분포의 최적화가 가능할 수 있다.
도 31은 등발열체(50) 상에 단일 열교환채널(110)을 구비시키고 그의 일단에서 타단으로 열전달매체를 유동시킨 경우, 등발열체(50) 표면부의 온도가 어떻게 변화되는지를 보여주는 샘플 구조(A도면)(평면도) 및 결과 그래프(B도면)이다. 여기서, 상기 샘플 구조는 도 5를 참조하여 설명한 제2 비교예에 따른 열교환기(즉, S-100% 구성의 열교환기)에 대응될 수 있다.
도 31의 (A) 및 (B)를 참조하면, 열전달매체가 단일 열교환채널(110)의 일단(즉, a 지점)에서 타단(즉, b 지점)으로 가면서 냉각 성능이 떨어지고 온도가 높아지므로, 등발열체(50)의 표면부 온도도 a 지점에서 b 지점으로 가면서 점차 증가할 수 있다. 결과적으로, 비교적 큰 온도 편차가 발생할 수 있다.
도 32는 등발열체(50) 상에 제1 및 제2 열교환채널(110, 120)을 구비시키되 전영역에서 모두 중첩되도록 배치하고 열전달매체를 반대 방향으로 유동시킨 경우, 등발열체(50) 표면부의 온도가 어떻게 변화되는지를 보여주는 샘플 구조(A도면)(평면도) 및 결과 그래프(B도면)이다. 여기서, 상기 샘플 구조는 도 4를 참조하여 설명한 제1 비교예에 따른 열교환기(즉, IK-100% 구성의 열교환기)에 대응될 수 있다.
도 32의 (A) 및 (B)를 참조하면, 제1 열교환채널(110)을 통해서 제1 방향으로 제1 열전달매체가 이동하면서 온도가 상승하고, 제2 열교환채널(120)을 통해서 상기 제1 방향과 반대의 제2 방향으로 제2 열전달매체가 이동하면서 온도가 상승하므로, 상기 제1 및 제2 열전달매체가 서로 반대 방향으로 흐르면서 열교환에 의한 온도 상승을 상쇄하는 효과가 나타날 수 있다. 따라서, 등발열체(50)의 표면부에서는 전체적으로 균일한 냉각 효과, 즉, 등온냉각이 가능할 수 있다. 그러나, 발열하는 장치가 열편중 현상을 갖는 경우, 도 26와 같은 열교환채널 구성으로는 등온냉각/등온제어가 실제적으로 불가능할 수 있다.
도 33은 등발열체(50) 상에 제1 및 제2 열교환채널(110, 120)을 구비시키되 전영역이 아닌 일부 영역에서 중첩되도록 배치하고 열전달매체를 반대 방향으로 유동시킨 경우, 등발열체(50) 표면부의 온도가 어떻게 변화되는지를 보여주는 샘플 구조(A도면)(평면도) 및 결과 그래프(B도면)이다. 여기서, 상기 샘플 구조는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 열교환기에 대응될 수 있다.
도 33의 (A) 및 (B)를 참조하면, 제1 및 제2 열교환채널(110, 120)이 중첩된 영역, 즉, x1∼x2 영역에서는 온도 상승의 상쇄 효과에 의해 등온냉각/등온제어가 이루어질 수 있다. 한편, a∼x1 영역에서는 제1 열교환채널(110)에 의한 상대적인 과냉각이 이루어질 수 있고, x2∼b 영역에서는 제2 열교환채널(120)에 의한 상대적인 과냉각이 이루어질 수 있다. 발열하는 장치가 그 양단부에서 온도가 높은 열편중 현상을 갖는 경우, 도 27과 같은 열교환채널 구성을 이용하면, 소정 깊이의 심부 또는 표면부에서 등온냉각/등온제어가 가능할 수 있다.
도 34는 비교예에 따른 열교환기의 열교환채널 구조체(100)를 에너지 변환 장치(300)에 적용한 에너지 변환 장치 어셈블리를 보여주는 측면도이다.
도 34를 참조하면, 비교예에 따른 열교환기의 열교환채널 구조체(100)는 도 4를 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다. 에너지 변환 장치(300)는 도 7을 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다. 열교환채널 구조체(100)는 에너지 변환 장치(300)의 외측면을 감싸도록 배치될 수 있다. 열교환채널 구조체(100)는 에너지 변환 장치(300)의 외측면에 직접 또는 간접 접촉될 수 있다. 참조번호 220은 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한 코일부를 나타낸다.
코일부(220)의 일단부는 열교환채널 구조체(100)의 제1 단부(E1) 측으로 상기 열교환기의 외부로 돌출될 수 있다. 이와 유사하게, 코일부(220)의 타단부는 열교환채널 구조체(100)의 제2 단부(E2) 측으로 상기 열교환기 외부로 돌출될 수 있다. 코일부(220)의 양단부가 열교환기의 외측, 즉, 열교환채널 구조체(100)의 외측으로 돌출되어 있기 때문에, 코일부(220)의 양단부는 금속 부재와 접촉하지 않고 다만 공기와 접촉할 수 있다. 따라서, 코일부(220)의 양단부에서는 열교환채널 구조체(100)에 의한 냉각이 잘 이루어지지 않을 수 있다. 그 결과, 에너지 변환 장치(300)의 길이 방향에 따른 양단부가 상대적으로 높은 온도로 가열될 수 있고, 특히, 에너지 변환 장치(300)의 상기 양단부의 심부의 온도가 높을 수 있다.
실시예에 따른 열교환기에서는 제1 열교환채널과 제2 열교환채널의 맞물림 영역(중첩 영역/교차 영역)을 100% 미만으로 제어하여, 열교환채널 구조체의 일부 영역을 과냉각시킴으로써, 장치 심부의 온도를 균일하게 혹은 대체로 균일하게 제어할 수 있다.
도 35는 본 발명의 일 실시예에 열교환기의 열교환채널 구조체(100)를 에너지 변환 장치(300)에 적용한 에너지 변환 장치 어셈블리를 보여주는 측면도이다.
도 35를 참조하면, 실시예에 따른 열교환기의 열교환채널 구조체(100)는 도 2를 참조하여 설명한 바와 동일하거나 유사할 수 있다. 에너지 변환 장치(300)는 도 7을 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다. 열교환채널 구조체(100)는 에너지 변환 장치(300)의 외측면을 감싸도록 배치될 수 있다. 열교환채널 구조체(100)는 에너지 변환 장치(300)의 외측면에 직접 또는 간접 접촉될 수 있다. 참조번호 220은 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한 코일부를 나타낸다.
코일부(220)의 일단부는 열교환채널 구조체(100)의 제1 단부(E1) 측으로 상기 열교환기의 외부로 돌출될 수 있다. 이와 유사하게, 코일부(220)의 타단부는 열교환채널 구조체(100)의 제2 단부(E2) 측으로 상기 열교환기 외부로 돌출될 수 있다. 코일부(220)의 양단부가 상대적으로 높은 온도로 가열될 수 있지만, 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(110)의 맞물림 영역을 100% 미만으로 제어하여, 열교환채널 구조체(100)의 양단부를 과냉각시킴으로써, 에너지 변환 장치(300) 심부의 온도를 균일하게 혹은 대체로 균일하게 제어할 수 있다.
상술한 예시는 본 발명의 다양한 실시예들 중 한 가지를 제시한 것에 불과하다. 본 발명의 실시예는 적어도 둘 이상의 채널들을 이용하여 맞물림 영역과 맞물리지 않는 영역이 나타나도록 함으로써 위치 별로 온도 특성을 다르게 할 수 있는 다양한 변형 실시예들을 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 적어도 하나의 실시예에 따르면, 모터(전동기)나 발전기와 같은 장치에서 열편중 현상이 있더라도 열편중 현상을 적절히 제어하고 효율적으로 열교환(즉, 냉각)을 수행할 수 있는 열교환기를 구현할 수 있다. 또한, 비교적 단순한 구조를 가지면서도 효율적으로 열교환을 수행할 수 있고, 환경 문제나 제조 용의성, 적용 편의성 등에서도 유리한 구성 및 구동방식을 갖는 열교환기를 구현할 수 있다. 이러한 실시예에 따른 열교환기를 적용함으로써, 우수한 열교환 성능을 갖는 장치 어셈블리(ex, 에너지 변환 장치 어셈블리)를 구현할 수 있고, 이 경우, 상기 장치 어셈블리의 내구성(수명), 효율, 성능 등이 개선될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 종래의 오일(oil)을 분사하여 냉각하거나 오일 유입을 차단하기 위해 실린더 등의 밀폐 구성을 사용하는 경우의 단점들을 원천적으로 극복하면서 효율적으로 장치를 냉각할 수 있다. 또한, 기존의 열편중을 갖는 장치를 냉각하기 위해 사용하던 보조적 냉각장치나 레진형 방열소재 등을 사용하지 않으면서, 비교적 단순한 구성의 열교환채널 구조체를 이용해서 저비용 고효율의 열교환 장치를 구현할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 34를 참조하여 설명한 실시예들에 따른 열교환기 및 이를 포함하는 에너지 변환 장치 어셈블리는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 실시예에 따른 열교환기는 전동기나 발전기와 같은 에너지 변환 장치가 아닌 다른 장치에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
100 : 열교환구조체 110 : 제1 열교환채널
120 : 제2 열교환채널
1S : 제1 열교환채널이 단독으로 열교환을 수행하는 영역
2S : 제2 열교환채널이 단독으로 열교환을 수행하는 영역
1B : 제1 열교환채널의 분기채널들이 열교환을 수행하는 영역
2B : 제2 열교환채널의 분기채널들이 열교환을 수행하는 영역
IK : 제1 및 제2 열교환채널이 맞물린 영역

Claims (15)

  1. 소정의 장치로부터 열교환을 수행하는 열교환기에 있어서,
    상기 장치의 표면 중 적어도 일부분과 접촉하여 열전달매체의 흐름을 통해 열교환을 수행하는 열교환채널 구조체를 포함하고,
    상기 열교환채널 구조체는 나선형 모양을 가지는 복수의 열교환채널을 포함하며,
    상기 열교환채널 구조체는 상기 복수의 열교환채널에 포함된 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널 중 어느 하나에 의해 열교환을 수행하는 단일채널 영역과, 상기 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널이 서로 맞물려서 열교환을 수행하는 맞물림 영역을 포함하며,
    상기 제1 열교환채널의 나선형 모양과 상기 제2 열교환채널의 나선형 모양은 동일한 중심선을 공유하고,
    상기 단일채널 영역은 상기 맞물림 영역의 가장자리에서 상기 중심선의 진행방향을 따라 배열되는 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 열교환채널은 제1 유입구 및 제1 배출구를 포함하고,
    상기 제2 열교환채널은 제2 유입구 및 제2 배출구를 포함하며,
    상기 제1 유입구를 통해 상기 제1 열교환채널에 유입된 열전달매체는 상기 제1 배출구를 통해 상기 제1 열교환채널로부터 배출되며
    상기 제2 유입구를 통해 상기 제2 열교환채널에 유입된 열전달매체는 상기 제2 배출구를 통해 상기 제2 열교환채널로부터 배출되는 열교환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 유입구 및 상기 제2 유입구는 제1 연결링크 채널을 통해 연통하고 상기 제1 연결링크 채널에 유입된 열전달매체가 분기되어 상기 제1 유입구 및 상기 제2 유입구로 유입되는 열교환기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 배출구 및 상기 제2 배출구는 제2 연결링크 채널을 통해 연통하고 상기 제1 배출구 및 상기 제2 배출구를 통해 배출된 열전달매체는 상기 제2 연결링크 채널을 통해 상기 열교환채널 구조체 외부로 전달되는 열교환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환채널 구조체는 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널이 서로 맞물려서 열교환을 수행하는 IK 영역과 상기 IK 영역의 일단에 형성되며 상기 제1 열교환채널이 단독으로 열교환을 수행하는 1S 영역을 포함하는 열교환기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열교환채널 구조체는 상기 IK 영역의 타단에 형성되며 상기 제2 열교환채널이 단독으로 열교환을 수행하는 2S 영역을 더 포함하는 열교환기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 열교환채널 구조체는 상기 IK 영역의 타단에 형성되며 상기 제1 열교환채널이 단독으로 열교환을 수행하는 1S 영역을 더 포함하는 열교환기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 열교환채널 구조체는 상기 제1 열교환채널의 일단과 상기 제2 열교환채널의 일단을 연결하는 제1 연결링크 채널 및 상기 제1 열교환채널의 타단과 상기 제2 열교환채널의 타단을 연결하는 제2 연결링크 채널을 포함하고,
    상기 열전달매체는 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널 중 어느 하나의 채널에 형성된 유입구를 통해 유입되어 상기 제1 연결링크 채널 및 상기 제2 연결링크 채널을 통해 다른 하나의 채널에 유입된 후 상기 다른 하나의 채널에 형성된 배출구를 통해 배출되는 열교환기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 열교환채널 구조체는 상기 제1 열교환채널의 양단에 위치한 제1 유입구 및 제2 유입구와, 상기 제2 열교환채널의 양단 사이에 위치한 제3 유입구와 연결된 제1 연결링크 채널과, 상기 제2 열교환채널의 양단에 위치한 제1 배출구 및 제2 배출구와 상기 제1 열교환채널의 양단 사이에 위치한 제3 배출구와 연결된 제2 연결링크 채널 및 상기 제1 연결링크 채널에서 분기되는 열전달매체의 유량을 제어하는 유량 제어부를 포함하는 열교환기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환채널 구조체는 상기 제1 열교환채널이 분기되어 형성된 제1-1 열교환채널과 제1-2 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널이 분기되어 형성된 제2-1 열교환채널과 제2-2 열교환채널이 맞물려서 열교환을 수행하는 IK-II 영역을 포함하는 열교환기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 열교환채널 구조체는 상기 제1 열교환채널에 의해 단독으로 열교환을 수행하는 1S 영역, 상기 제2 열교환채널에 의해 단독으로 열교환을 수행하는 2S 영역, 상기 제1 열교환채널이 분기된 제1-1 열교환채널 및 제1-2 열교환채널에 의해 열교환을 수행하는 1B 영역 및 상기 제2 열교환채널이 분기된 제2-1 열교환채널 및 제2-2 열교환채널에 의해 열교환을 수행하는 2B 영역 중 적어도 하나를 더 포함하는 열교환기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 IK-II 영역의 일단에 상기 1S 영역 및 상기 1B 영역 중 적어도 하나가 배치되고 상기 IK-II 영역의 타단에 상기 2S 영역 및 상기 2B 영역 중 적어도 하나가 배치되는 열교환기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 IK-II 영역의 일단에 상기 1S 영역 및 상기 1B 영역 중 적어도 하나가 배치되고, 상기 IK-II 영역의 타단에 상기 1S 영역 및 상기 1B 영역 중 적어도 하나가 배치되는 열교환기.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 IK-II 영역의 일단에 상기 1S 영역 및 상기 1B 영역 중 적어도 하나가 배치되는 열교환기.
  15. 전기 에너지와 기계적 에너지 사이의 에너지 변환을 유발하는 에너지 변환 장치; 및
    상기 에너지 변환 장치와 열교환을 수행하는 것으로, 상기 에너지 변환 장치를 둘러싸는 열교환채널 구조체를 구비하는 열교환기;를 포함하고,
    상기 열교환기는 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 기재된 구성을 갖는,
    에너지 변환 장치 어셈블리.
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