KR20080087878A - Liquid cooling device in internal combustion engines and process for manufacturing same - Google Patents

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KR20080087878A
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cooling
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클라우디우스 코르만
게르트 카이벨
디르 노이만
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바스프 에스이
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Abstract

The invention relates to a liquid cooling device in an internal combustion engine (11) and to a process for manufacturing same. The device according to the invention comprises a cooling circuit (13) having at least one cooling duct (23, 24, 41) for a liquid coolant, the duct being in thermal contact with at least one component (12a, 12b, 31) of the internal combustion engine (11). A wall of the cooling duct (23, 24, 41) that comes into contact with the coolant comprises in at least one partial zone a microstructured surface with a certain porosity and roughness. According to the invention, this device is produced by forming a cooling circuit for a liquid coolant, the circuit comprising cooling ducts that can be brought at least in part into thermal contact with the internal combustion engine, and by generating a microstructured surface on at least part of the walls of the cooling ducts that come into contact with the liquid coolant.

Description

내연 기관에서의 액체 냉각 장치 및 액체 냉각 장치의 제조 공정{LIQUID COOLING DEVICE IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND PROCESS FOR MANUFACTURING SAME}LIQUID COOLING DEVICE IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND PROCESS FOR MANUFACTURING SAME

본 발명은 내연 기관의 액체 냉각을 위한 장치 및 이 장치를 제작하기 위한 공정에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for liquid cooling of an internal combustion engine and a process for manufacturing the apparatus.

내연 기관, 예컨대 차량에서 사용되는 4행정 가솔린 엔진 또는 디젤 엔진과 같은 피스톤 엔진의 작동에 있어서, 실린더의 연소실에서는 2000 ℃를 넘는 온도가 발생한다. 실린더 벽을 매개로 하여 실린더로부터 엔진 블록 및 실린더 헤드로 전달되는 열은 단지 제한적인 열 저항만을 갖는 내연 기관의 다른 구성요소에 위협적이며, 이에 따라 과열의 결과로서 이들 구성요소가 손상되는 것을 피하기 위해 가능한 효율적으로 이러한 열을 제거해야만 한다.In the operation of piston engines, such as four-stroke gasoline engines or diesel engines used in internal combustion engines such as vehicles, temperatures in excess of 2000 ° C. occur in the combustion chamber of the cylinder. The heat transferred from the cylinder to the engine block and the cylinder head via the cylinder wall is threatening to other components of the internal combustion engine with only limited thermal resistance and thus to avoid damaging these components as a result of overheating. This heat must be removed as efficiently as possible.

냉매로서 공기 또는 액체를 사용하는 내연 기관의 냉각은 종래 기술로부터 공지되어 있다. 냉각용 액체로서 물을 사용하는 액체 냉각은 종래 기술에서 특히 선호되는데, 물의 큰 열용량 및 낮은 점도 덕분에 효율적인 내연 기관의 냉각이 가능하기 때문이다. 수냉식 내연 기관에 있어서, 운반되는 냉각수가 통과하는 냉각 회로의 일부를 형성하는 냉각 채널은, 예컨대 크랭크실에 또는 실린더 헤드 및/또 는 실린더의 벽에 위치한다. 내연 기관의 외부에 위치하는 냉각 회로의 소정 부분에는, 자동차의 경우에 라디에이터라고 부르는 공냉식 열교환기가 존재하며, 이러한 공냉식 열교환기를 매개로 하여 냉각수는 내연 기관에서 취한 열을 주위 환경으로 방출한다. 냉각용 액체는 보통 비교적 낮게 위치하는 영역에서 내연 기관에 유입되며 엔진 블록/크랭크샤프트 하우징의 냉각 재킷 또는 냉각 채널을 통해 실린더 헤드로 운반되고, 냉각용 액체는 여기로부터 더 높게 위치하는 영역에서 다시 내연 기관을 빠져나간다. 그러나, 냉각용 액체가 엔진 하우징에 유입되기 이전에 바람직하게는 작동 밸브에 의해 냉각용 액체를 별개인 2개의 회로로 분기시키고 이렇게 분기된 스트림을 개별적으로 크랭크샤프트 하우징 및 실린더 헤드의 냉각 채널 또는 냉각 재킷으로 운반하는 것도 또한 공지되어 있다.Cooling of internal combustion engines using air or liquid as the refrigerant is known from the prior art. Liquid cooling using water as the cooling liquid is particularly preferred in the prior art, since the large heat capacity and low viscosity of the water allows for efficient cooling of the internal combustion engine. In water-cooled internal combustion engines, cooling channels which form part of the cooling circuit through which the conveyed cooling water passes are located, for example, in the crankcase or on the cylinder head and / or the wall of the cylinder. In certain parts of the cooling circuit located outside of the internal combustion engine, there is an air cooled heat exchanger, called a radiator in the case of automobiles, and through this air cooled heat exchanger, the cooling water releases heat taken from the internal combustion engine to the surrounding environment. Cooling liquid usually enters the internal combustion engine in a region of relatively low position and is conveyed to the cylinder head through a cooling jacket or cooling channel of the engine block / crankshaft housing, and the cooling liquid is again flame retarded in the region located higher from here. Exit the organ However, before the liquid for cooling enters the engine housing, it preferably branches the cooling liquid into two separate circuits by means of an actuating valve and separates the branched streams separately from the cooling channels or cooling channels of the crankshaft housing and cylinder head. Transporting in a jacket is also known.

자동차의 공기조화 유닛 또는 난방 시스템과 상호작용하는 추가적인 열교환기, 압축기 및 응축기가 냉각 회로 내에 마련될 수 있다. 따라서, 예를 들어 내연 기관에 의해 방출되는 열은 적어도 부분적으로 객실(passenger compartment)을 난방하는 데 이용될 수 있다. 적절한 열교환기에 의한 내연 기관으로부터의 고온 배기 가스의 냉각도 또한 공지되어 있다. 이때, 시동 단계(start-up phase)에서 고온의 배기 가스로부터 취한 열 에너지는, 예컨대 냉각용 액체를 가열하는 데 사용될 수 있으며, 이에 따라 유동하는 액체가 통과하는 내연 기관은 더욱 신속하게 최적의 작동 온도에 도달한다. 그러나, 배기 가스의 냉각은, 우선 부분 부하 영역에서의 소모를 줄이고 다음으로 내연 기관으로부터의 배출, 특히 NOx의 배출을 감소시키기 위해 자동차 분야에서 현재 사용되고 있는 배기 가스 리사이클 시스템의 경 우에 특히 유리하다. 이때, 보통 밸브에 의해 제어될 수 있는 배기 가스의 서브스트림은 내연 기관의 흡입부로 재순환된다. 또한, 배기 가스의 재순환이 NOx 배출물의 소비 및 저감에 미치는 영향은, 재순환된 배기 가스의 서브스트림이 배기 가스 냉각기에 의해 냉각될 때 더욱 개선될 수 있다.Additional heat exchangers, compressors and condensers may be provided in the cooling circuit which interact with the air conditioning unit or heating system of the motor vehicle. Thus, for example, the heat released by the internal combustion engine can be used to at least partially heat the passenger compartment. Cooling of hot exhaust gases from internal combustion engines by means of suitable heat exchangers is also known. At this time, the thermal energy taken from the hot exhaust gas in the start-up phase can be used, for example, to heat the liquid for cooling, so that the internal combustion engine through which the flowing liquid passes is operated more quickly and optimally. Reaches the temperature. However, cooling of the exhaust gas is particularly advantageous in the case of exhaust gas recycling systems currently used in the automotive sector to reduce consumption in the partial load region and then to reduce emissions from internal combustion engines, in particular NOx. At this time, the substream of exhaust gas, which can usually be controlled by a valve, is recycled to the intake of the internal combustion engine. In addition, the effect of the recycle of exhaust gas on the consumption and reduction of NOx emissions can be further improved when the substream of recycled exhaust gas is cooled by the exhaust gas cooler.

냉각용 액체의 순환은 보통 V 벨트를 매개로 하여 내연 기관에 의해 직접 구동되는 냉각 회로에 위치하는 펌프에 의해 일반적으로 이루어지며, 이에 따라 엔진 회전에 따라 좌우되는 냉각용 액체 유동이 생성된다. 내연 기관이 신속하게 내연 기관의 최적의 작동 온도에 도달할 수 있도록, 내연 기관의 가열 단계(heat-up phase)에서 서모스탯 제어식(thermostat-controlled) 밸브에 의해 냉각기를 우회하는 것이 또한 공지되어 있다.The circulation of the cooling liquid is usually done by a pump located in a cooling circuit driven directly by the internal combustion engine via the V belt, thereby producing a cooling liquid flow which depends on engine rotation. It is also known to bypass the cooler by a thermostat-controlled valve in the heat-up phase of the internal combustion engine so that the internal combustion engine can quickly reach the optimum operating temperature of the internal combustion engine. .

냉각용 액체의 가열에 의해 내연 기관에서 이루어지는 열의 흡수 이외에도, 냉각용 액체의 부분적인 기화는 특히 고온 영역에서 추가적으로 발생하며, 이에 따라 대응하는 기화 엔탈피에 의해 대응하는 엔진 표면의 매우 효과적인 냉각이 행해질 수 있다.In addition to the absorption of heat generated in the internal combustion engine by heating the cooling liquid, partial vaporization of the cooling liquid occurs in particular in the high temperature region, whereby a very effective cooling of the corresponding engine surface can be achieved by the corresponding vaporization enthalpy. have.

요즈음, 최신의 내연 기관은 더 이상 냉각용 액체로서 단지 물만을 사용하지는 않으며, 대신 보통 냉매라고 불리고 물과 함께 추가적인 첨가물, 무엇보다도 동결 및 부식을 방지하는 역할을 하는 첨가물을 포함하는 액체를 사용한다.Nowadays, modern internal combustion engines no longer use only water as a cooling liquid, but instead use a liquid, usually called a refrigerant, with a liquid containing additional additives, especially additives that serve to prevent freezing and corrosion. .

자동차에서 사용되는 바와 같은 내연 기관의 냉각 회로에 있어서의 냉매 조성은, 보통 물과 함께 동결 방지 성분으로서 주로 에틸렌 글리콜 및/또는 프로필렌 글리콜 및/또는 글리세롤인 알킬렌 글리콜을 포함한다.Refrigerant compositions in the cooling circuits of internal combustion engines as used in motor vehicles include, usually with water, alkylene glycols which are mainly ethylene glycol and / or propylene glycol and / or glycerol as antifreeze components.

예를 들면, 동결 방지 성분으로서 알킬렌 글리콜뿐만 아니라 고차 글리콜 및 글리콜 에테르를 사용하는 것은 EP-A-816467로부터 공지되어 있다.For example, the use of higher order glycols and glycol ethers as well as alkylene glycols as antifreezing components is known from EP-A-816467.

내연 기관의 구성 요소는 작동 중에 지배적인 절대 온도의 결과로서, 그리고 또한 온도 섭동의 결과로서 큰 열응력을 받기 때문에, 임의의 유형 및 임의의 수준의 부식은 내연 기관의 작동 수명의 단축 및 내연 기관의 신뢰도의 저하를 또한 초래할 수 있는 잠재적인 위험 요소가 된다. 최신의 내연 기관에서 사용되는 다수의 재료, 예컨대 주철, 구리, 황동, 연랍, 강, 및 경금속 합금, 특히 마그네슘 합금 및 알루미늄 합금은, 특히 상이한 금속이 서로 접촉하고 있는 위치에서 추가적으로 잠재적인 부식 문제를 유발한다. 다양한 유형의 부식, 예컨대 식공 부식(pit corrosion), 철근 부식(steel corrosion), 침식(erosion), 또는 캐비테이션(cavitation)은 특히 이들 위치에서 쉽게 발생할 수 있다. 따라서, 최신의 냉매 조성은 또한 부식 방지 성분으로서의 역할을 하는 특정 부식 방지제를 포함한다. DE-A 195 474 49, EP-A 0 552 988 또는 US-A 4,561,990은, 예컨대 내연 기관의 냉각수에 대해 카르복실산, 몰리브데이트(molybdates), 또는 트리아졸을 포함하는 동결 방지제를 개시한다. EP-A 0 229 440은 지방성 1염기산(aliphatic monobasic acid), 2염기 탄화수소산(dibasic hydrocarbon acid), 및 탄화수소 트리아졸을 포함하는 부식 방지 성분을 개시한다. 부식 방지 성분으로서의 특정 산은 예컨대 EP-A 0 479 470에 설명되어 있다. 부식 방지 성분으로서의 4차화된 이미다졸(quaternized imidazoles)은 DE-A 196 05 509로부터 공지되어 있다. 냉매 조성은 또한, 냉각 회로의 비금속 성분, 예컨대 호스 연결부 또는 시일로서의 다른 플 라스틱 및 엘라스토머에 적합하고 이들 성분을 변화시키거나 부식시키지 않도록 구성되어야만 한다.Since the components of the internal combustion engine undergo large thermal stresses as a result of the dominant absolute temperature during operation and also as a result of temperature fluctuations, any type and any level of corrosion can lead to a shortening of the operating life of the internal combustion engine and an internal combustion engine. It is also a potential risk factor that can lead to a decrease in reliability. Many of the materials used in modern internal combustion engines, such as cast iron, copper, brass, wax, steel, and light metal alloys, in particular magnesium alloys and aluminum alloys, present additional potential corrosion problems, particularly at locations where different metals are in contact with each other. cause. Various types of corrosion, such as pit corrosion, steel corrosion, erosion, or cavitation, can occur particularly easily at these locations. Thus, modern refrigerant compositions also include certain corrosion inhibitors that serve as corrosion protection components. DE-A 195 474 49, EP-A 0 552 988 or US-A 4,561,990 disclose cryoprotectants comprising carboxylic acids, molybdates, or triazoles, for example for cooling water in internal combustion engines. EP-A 0 229 440 discloses a corrosion protection component comprising aliphatic monobasic acid, dibasic hydrocarbon acid, and hydrocarbon triazoles. Specific acids as corrosion protection components are described for example in EP-A 0 479 470. Quaternized imidazoles as corrosion protection components are known from DE-A 196 05 509. The refrigerant composition must also be suitable for non-metallic components of the cooling circuit, such as hose connections or other plastics and elastomers as seals and to not alter or corrode these components.

냉매 조성의 동결 방지 성분 및 부식 방지 성분에 있어서의 꾸준한 개선 이외에도, 최신의 기술 개발은 특히 냉각용 액체의 냉각 특성의 개선을 목적으로 한다. 따라서, 예컨대 냉각 회로 내의 냉각용 액체의 점도 및/또는 유동 저항을 줄여주는 첨가제에 의해 냉각 특성을 개선하는 것이 제안된 바 있다.Besides the steady improvement in the freeze protection component and the corrosion protection component of the refrigerant composition, the latest technology development aims at improving the cooling characteristics of the cooling liquid, in particular. Therefore, it has been proposed to improve the cooling properties, for example by additives which reduce the viscosity and / or flow resistance of the cooling liquid in the cooling circuit.

내연 기관에 의해 달성될 수 있는 출력 밀도(power density)는 액체 냉각의 효율에 의해 결정적으로 영향을 받는다. 따라서, 본 발명의 목적은 내연기관, 특히 전술한 액체 냉매를 사용하는 내연 기관의 액체 냉각 장치를 제공하는 것이며, 이때 냉각 작용은 특별히 큰 열응력에 노출되는 내연 기관의 표면에서 더욱 개선된다. 본 발명은 또한 이러한 장치를 제조하기 위한 공정에 관한 것이다.The power density that can be achieved by an internal combustion engine is critically influenced by the efficiency of liquid cooling. It is therefore an object of the present invention to provide a liquid cooling device of an internal combustion engine, in particular of an internal combustion engine using the above-mentioned liquid refrigerant, wherein the cooling action is further improved at the surface of the internal combustion engine which is particularly exposed to large thermal stresses. The invention also relates to a process for making such a device.

이러한 목적은 본 명세서의 청구항 1의 특징을 갖는 내연 기관의 액체 냉각 장치에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 장치의 유리한 실시예는 종속항의 대상이다.This object is achieved by a liquid cooling device of an internal combustion engine having the features of claim 1 herein. Advantageous embodiments of the device according to the invention are the subject of the dependent claims.

본 발명은 이에 따라 내연 기관의 하나 이상의 구성요소와 열적으로 접촉하는 액체 냉매에 대해 하나 이상의 냉각 채널을 포함하는 냉각 회로로 이루어진 내연 기관 냉각 장치를 제공하며, 이때 냉매와 접촉하게 되는 냉각 채널의 벽은 소구역(subregion)에서 적어도 미세구조로 된 표면을 구비한다. 본 발명에서 액체 냉매에 관하여 언급할 때, 액체 냉매라 함은 0 내지 100 ℃의 온도 및 대기압에서의 냉매 물질의 상태를 지칭한다. 사용되는 동결 방지 성분에 따라, 냉매는 또한 더 낮은 온도 또는 더 높은 온도에서 액체일 수 있다.The present invention thus provides an internal combustion engine cooling apparatus consisting of a cooling circuit comprising at least one cooling channel for a liquid refrigerant in thermal contact with at least one component of the internal combustion engine, wherein the wall of the cooling channel is brought into contact with the refrigerant. Has at least a microstructured surface in the subregion. When referring to the liquid refrigerant in the present invention, the liquid refrigerant refers to the state of the refrigerant material at a temperature of 0 to 100 ° C. and atmospheric pressure. Depending on the freeze protection component used, the refrigerant may also be liquid at lower or higher temperatures.

내연 기관에 대한 종래 기술로부터 공지된 냉각 회로에서 냉매의 유동 저항을 최소화하기 위해 보통 액체 냉매와 접촉하는 냉각 회로 라인의 표면을 가능한 매끄럽게 하려는 시도를 하고 있지만, 현재는 냉매의 유동 특성에 상당한 정도로 악영향을 주지 않으면서도 본 발명에 따라 변형된 냉각 장치에 의해 훨씬 양호한 냉각 작용을 달성할 수 있음을 발견하였다. 특히, 본 발명에 따른 냉각 장치의 미세구조로 된 표면은, 냉매의 비등이 개시되기 이전의 단상 열전달(single phase heat transfer)을 개선하고, 또한 2상 열전달, 특히 냉매의 신속한 비등 및 기포 비등 구간에서의 비등 작용도 크게 개선시킴을 발견하였다. 따라서, 예컨대 벽의 과열도(superheat), 즉 기포 비등 개시점에서의 벽 온도(Tw)와 냉매의 포화 온도(Ts) 사이의 온도차는, 약 20 내지 40 ℃의 범위에서 약 3 내지 10 ℃의 범위로 감소될 수 있음을 발견하였다.In cooling circuits known from the prior art for internal combustion engines, attempts have been made to make the surface of the cooling circuit line as smooth as possible in normal contact with the liquid refrigerant as much as possible in order to minimize the flow resistance of the refrigerant. It has been found that even better cooling action can be achieved by the cooling device modified according to the present invention without giving. In particular, the microstructured surface of the cooling device according to the invention improves single phase heat transfer before the initiation of the boiling of the refrigerant, and also provides two-phase heat transfer, in particular rapid boiling and bubble boiling sections of the refrigerant. It has also been found to significantly improve boiling in. Thus, for example, the temperature difference between the superheat of the wall, ie the wall temperature T w at the bubble boiling start point and the saturation temperature T s of the refrigerant, is about 3 to 10 in the range of about 20 to 40 ° C. It has been found that it can be reduced in the range of ° C.

따라서, 내연 기관의 액체 냉각을 위한 본 발명의 장치는 내연 기관의 냉각에 있어서 결정적인 개선을 달성할 수 있도록 해준다. 전술한 바와 같이 최신 내연 기관의 출력 밀도는 주로 냉각에 의한 열 제거의 효율에 의해 제한되기 때문에, 본 발명의 장치는 또한 내연 기관의 출력 밀도를 증가시킬 수 있도록 해준다.Thus, the device of the present invention for liquid cooling of an internal combustion engine makes it possible to achieve a decisive improvement in the cooling of an internal combustion engine. As described above, the power density of modern internal combustion engines is mainly limited by the efficiency of heat removal by cooling, so that the apparatus of the present invention also makes it possible to increase the power density of internal combustion engines.

내연 기관의 다양한 구성요소는, 본 발명에 따라 제공되는 미세구조로 된 표면을 갖는 냉각 채널에 의해 냉각될 수 있다. 무엇보다도 냉각 채널은 내연 기관의 엔진 블록의 구성요소, 예컨대 실린더 헤드 및/또는 크랭크실과 열적으로 접촉하고 있다. 그러나, 본 발명과 관련하여 사용되는 바와 같이 "내연 기관의 구성요소"라는 용어는 또한 실제 엔진 블록 외부의 구성요소, 특히 내연 기관의 냉각 시스템에 위치하는 배기 가스 냉각기 또는 오일 냉각기와 같은 추가적인 열 교환기를 포함한다. 이들 열교환기는 각각 별도의 냉각용 액체 회로를 구비하지만, 특히 바람직하게는 개별적인 작은 부분으로 분할된 냉각용 액체 스트림이 적절한 밸브에 의해 제어될 수 있는 상황에서는, 내연 기관의 냉각 회로의 하위 회로를 매개로 하여 이들 열교환기를 냉각하는 것이 바람직하다.The various components of the internal combustion engine can be cooled by cooling channels having a microstructured surface provided according to the present invention. Above all, the cooling channel is in thermal contact with the components of the engine block of the internal combustion engine, such as the cylinder head and / or the crankcase. However, as used in connection with the present invention, the term "component of an internal combustion engine" also refers to an additional heat exchanger such as an exhaust gas cooler or an oil cooler located in a component outside the actual engine block, in particular in the cooling system of the internal combustion engine. It includes. These heat exchangers each have a separate cooling liquid circuit, but particularly preferably in a situation where the cooling liquid stream divided into individual small parts can be controlled by an appropriate valve, which mediates the sub-circuits of the cooling circuit of the internal combustion engine. It is preferable to cool these heat exchangers.

본 발명에 따른 장치의 유리한 실시예에 있어서, 미세구조로 된 표면은 1 내지 1500 ㎛ 범위, 바람직하게는 20 내지 200 ㎛ 범위의 평균 표면 조도(Ra)를 갖는다.In an advantageous embodiment of the device according to the invention, the microstructured surface has an average surface roughness Ra in the range from 1 to 1500 μm, preferably in the range from 20 to 200 μm.

미세구조로 된 표면은 특히 바람직하게는 다공성 구조를 갖는다. 다공성 미세구조의 공극의 크기는 1 내지 500 ㎛ 범위인 것이 유리하다. 이때 공극의 크기는 단면에서의 최대 공극 직경과 관련된다. 공극은, 예컨대 실질적으로 둥근 단면을 가질 수 있지만, 임의의 다른 공극 형상도 마찬가지로 가능하다. 미세구조로 된 표면층에서의 공극의 비율은 1 내지 90 %, 바람직하게는 10 내지 80 %, 가장 바람직하게는 10 내지 70 %의 범위일 수 있다.The microstructured surface particularly preferably has a porous structure. The size of the pores of the porous microstructure is advantageously in the range from 1 to 500 μm. The pore size then relates to the maximum pore diameter in the cross section. The voids can, for example, have a substantially round cross section, but any other void shape is likewise possible. The proportion of voids in the microstructured surface layer may range from 1 to 90%, preferably from 10 to 80%, most preferably from 10 to 70%.

본 발명에 따른 장치의 거친 미세구조 및/또는 다공성 미세구조는 표면에 걸쳐 규칙적으로 또는 무질서하게 분포될 수 있다. 무질서하게 공극이 배치된 경우에 바람직한 공극 깊이는, 대략적으로 공극의 직경에 대응한다. 특히 표면에 공극을 기계 가공하는 경우에 있어서, 둥근 공극 형상부터 임의의 기하학적 형상, 예컨대 상이한 프로파일을 갖는 종방향 채널까지 변할 수 있다. 공극 또는 채널 혹은 다른 함몰부(depressions)의 깊이는 공극의 폭에 따라 좌우된다. 미세구조로 된 표면층의 깊이는 바람직하게는 수 미크론 내지 수 밀리미터의 범위이며, 예컨대 1 내지 10,000 ㎛, 바람직하게는 10 내지 1000 ㎛의 범위이다.The coarse and / or porous microstructures of the device according to the invention may be distributed regularly or disorderly over the surface. The preferred pore depth when the pores are arranged randomly corresponds approximately to the diameter of the pore. Especially in the case of machining voids on the surface, it can vary from rounded void shapes to arbitrary geometric shapes, eg longitudinal channels with different profiles. The depth of the void or channel or other depressions depends on the width of the void. The depth of the microstructured surface layer is preferably in the range of several microns to several millimeters, for example in the range of 1 to 10,000 μm, preferably of 10 to 1000 μm.

본 발명에 따른 장치의 한 가지 변형에 있어서, 액체 냉매와 접촉하게 되는 냉각 회로의 라인 및 채널의 전체 벽면은 미세구조로 된 표면으로서 구성될 수 있다. 그러나, 바람직한 변형에 있어서, 미세구조로 된 표면은, 내연 기관 및/또는 냉각 회로에 배치된 고온 가스 냉각용인 임의의 열교환기, 예컨대 전술한 배기 가스 냉각기에서 냉각되는 영역에 위치하는 냉각 회로의 영역으로 제한된다.In one variant of the device according to the invention, the entire wall surface of the lines and channels of the cooling circuit which come into contact with the liquid refrigerant can be configured as a microstructured surface. In a preferred variant, however, the microstructured surface is a region of the cooling circuit located in an area which is cooled in any heat exchanger for cooling the hot gas disposed in the internal combustion engine and / or the cooling circuit, such as the exhaust gas cooler described above. Limited to.

액체 냉매로서는, 알킬렌 글리콜을 포함하는 전술한 물 기반의 냉매 조성을 사용하는 것이 선호된다. 본 발명에 따른 장치의 바람직한 변형에 있어서, 냉매는 냉매의 표면 장력을 감소시키는 표면 활성 첨가제, 예컨대 계면활성제를 포함할 수 있다. 이러한 표면 활성 첨가제는 기포 비등의 개시를 위해 요구되는 벽의 과열도를 더욱 낮춤으로써 비등 과정에 추가적으로 도움이 된다.As the liquid refrigerant, preference is given to using the aforementioned water based refrigerant composition comprising alkylene glycols. In a preferred variant of the device according to the invention, the refrigerant may comprise surface active additives, such as surfactants, which reduce the surface tension of the refrigerant. These surface active additives further aid the boiling process by further lowering the superheat of the walls required for initiation of bubble boiling.

최신 내연 기관의 냉각 회로는, 액체 냉매의 포화 온도를 높이고 이에 따라 냉각 작용을 더욱 개선하기 위해 보통 1.5 내지 5 바(bar)의 절대 압력에서 작동된다.The cooling circuits of modern internal combustion engines are usually operated at absolute pressures of 1.5 to 5 bar in order to increase the saturation temperature of the liquid refrigerant and thus further improve the cooling action.

본 발명은 또한 내연 기관의 액체 냉각을 위한 본 발명의 장치를 제조하기 위한 제조 공정을 제공한다. 본 발명에 따르면, 내연 기관과 적어도 부분적으로 열적으로 접촉하는 냉각 채널을 구비하는 액체 냉매용 냉각 회로가 구성되며, 이때 미세구조로 된 표면은 액체 냉매와 접촉하게 되는 냉각 채널의 벽 중 적어도 일부에 형성된다.The invention also provides a manufacturing process for producing the device of the invention for liquid cooling of an internal combustion engine. According to the present invention there is provided a cooling circuit for a liquid refrigerant having a cooling channel at least partially in thermal contact with an internal combustion engine, wherein the microstructured surface is formed in at least a portion of the wall of the cooling channel in contact with the liquid refrigerant. Is formed.

내연 기관, 특히 자동차 엔진을 위한 냉각 회로를 제조하기 위한 제조 공정은 당업자에게 공지되어 있으므로, 이하의 정보는 본 발명에 따라 제공되는 미세구조로 된 표면의 형성으로 제한될 수 있다. 미세구조로 된 표면이 형성되는 냉각 채널의 내벽은 바람직하게는 양호한 열 전도도를 갖는 재료, 특히 금속을 포함한다. 이러한 채널은 특히 바람직하게는 내연 기관의 주조 중에 형성되며, 이에 따라 채널 벽은 보통 엔진 블록, 실린더 헤드 커버, 또는 크랭크실과 동일한 재료로 이루어진다.Since manufacturing processes for manufacturing cooling circuits for internal combustion engines, in particular automotive engines, are known to those skilled in the art, the following information may be limited to the formation of the microstructured surface provided in accordance with the present invention. The inner wall of the cooling channel in which the microstructured surface is formed preferably comprises a material, in particular a metal, having good thermal conductivity. Such a channel is particularly preferably formed during the casting of an internal combustion engine, so that the channel wall is usually made of the same material as the engine block, cylinder head cover, or crankcase.

본 발명에 따른 제조 공정의 제1 변형에 있어서, 미세구조로 된 표면은 냉각 채널의 내벽의 기계적인 처리에 의해 형성된다. 예를 들면, 벽의 절단 가공, 예컨대 홈 및 다른 함몰부의 밀링에 의해, 혹은 적절한 프로파일의 롤러 또는 플레이트에 의한 구조의 엠보싱에 의해 적절한 미세구조를 형성할 수 있다. 또한, 본 발명의 장치에서 사용될 수 있는 적절한 미세구조 코팅은, 예컨대 화학 처리 기법으로부터 공지되어 있다. 이에 따라, 예컨대 독일 울름에 소재하는 회사인 빌랜드-베르케 아게는 "강화된 비등 튜브"라는 명칭으로 열교환기 튜브를 제작하고 있다. 여기서, 목표로 하는 방식에 의해 기계적으로 형성된 미세구조는 기화 중에 열전달을 개선하는 역할을 한다. 이러한 구조를 형성하는 적절한 기계적 방법은, 예컨대 EP-A 0 607 839, DE-C 101 56 374, DE-C 44 04 357, 및 DE-A-102 10 016에 설명되어 있다.In a first variant of the manufacturing process according to the invention, the microstructured surface is formed by mechanical treatment of the inner wall of the cooling channel. For example, suitable microstructures can be formed by cutting the walls, for example by milling grooves and other depressions, or by embossing the structure with rollers or plates of appropriate profiles. In addition, suitable microstructured coatings that can be used in the apparatus of the invention are known, for example, from chemical treatment techniques. Thus, for example, Viland-Berke AG, a company in Ulm, Germany, manufactures heat exchanger tubes under the name "enhanced boiling tubes". Here, the microstructures mechanically formed by the targeted manner serve to improve heat transfer during vaporization. Suitable mechanical methods for forming such structures are described, for example, in EP-A 0 607 839, DE-C 101 56 374, DE-C 44 04 357, and DE-A-102 10 016.

큰 열응력에 노출되는 벽의 미세구조화는, 예를 들어 벽의 연마 처리에 의해, 예컨대 모래, 금속 구체, 또는 세라믹 구체, 또는 다른 연마용 입자를 이용하여 강하게 타격함으로써 행해질 수 있다. 또한, 미세구조로 된 표면층은 벽의 화학 처리에 의해, 예컨대 적절한 산 또는 염기를 이용한 벽면의 에칭에 의해 형성될 수 있다.Microstructuring of walls that are exposed to large thermal stresses can be done, for example, by polishing the walls, for example by striking hard with sand, metal spheres, or ceramic spheres, or other abrasive particles. In addition, the microstructured surface layer may be formed by chemical treatment of the wall, for example by etching of the wall with a suitable acid or base.

본 발명에 따른 제조 공정의 추가적인 변형에 있어서, 미세구조로 된 표면은 처리될 표면 상에 거친 층 및/또는 다공성 층을 증착시킴으로써 형성된다. 미세구조로 된 표면은 이 경우에 또한 냉각 채널의 내벽의 재료와 상이한 재료를 포함할 수 있다. 코팅 기법으로부터 공지된 광범위한 공정, 예컨대 화염 용사(flame spraying), PVD 공정 또는 CVD 공정, 분말 코팅 또는 플라즈마 코팅, 스퍼터링 또는 다양한 분무 공정 또는 미립화 공정을 채용할 수 있다. 또한, 미국 일리노이주 데스 플레인즈에 소재한 유오피 엘엘씨로부터 "하이-플럭스 튜브"라는 명칭으로 입수 가능하며 다공성 코팅을 갖춘 공지된 튜브로부터 알려진 바와 같은 코팅을 사용할 수 있다. 이때, 기화 도중의 열전달의 개선은 무질서하게 분포된 공극에 의해 달성된다. 다공성 폼(porous foam) 및 후속하는 폼의 아연 도금을 적용함으로써 이러한 다공성 층을 제조하는 공정은 US-A 4,136,427에 설명되어 있다. 적절한 층을 제조하는 다른 방법은, 예컨대 JP-A 2001-038463 또는 FR-A 0 112 782에 설명되어 있으며, 이들 문헌에서는 적절한 입자 크기를 갖는 금속 입자들이 납땜 재료에 의해 서로 연결되어 다공성 표면층을 형성한다. 열적으로 분해되며 이에 따라 냉각 표면에 다공성 코팅으로서 증착되는 분해 산물(degradation product)을 형성하는 첨가제를 냉매에 혼합하는 것도 가능하다.In a further variant of the manufacturing process according to the invention, the microstructured surface is formed by depositing a rough layer and / or a porous layer on the surface to be treated. The microstructured surface may in this case also comprise a material different from the material of the inner wall of the cooling channel. A wide range of processes known from coating techniques can be employed, such as flame spraying, PVD processes or CVD processes, powder coating or plasma coating, sputtering or various spraying or atomizing processes. In addition, coatings, such as those known from known tubes with a porous coating, available under the name "high-flux tubes" from UF LLC, Des Plaines, Ill., Can be used. At this time, the improvement of heat transfer during vaporization is achieved by disorderly distributed pores. The process for producing such porous layers by applying zinc plating of porous foams and subsequent foams is described in US Pat. No. 4,136,427. Other methods of making suitable layers are described, for example, in JP-A 2001-038463 or FR-A 0 112 782, in which the metal particles having the appropriate particle size are connected to each other by a brazing material to form a porous surface layer. do. It is also possible to mix additives with the refrigerant which thermally decompose and thus form a degradation product which is deposited as a porous coating on the cooling surface.

본 발명에 따른 공정의 특히 바람직한 변형에 있어서, 미세구조로 된 표면은 내연 기관의 주조 중에 직접적으로 형성된다. 이때, 주조 몰드에는 적절한 미세구조가 마련될 수 있다. 그러나, 특히 간단하게는 엔진 블록 중 상위 공간(high spaces)에 대해 성형된 본체의 표면을, 금속의 슬립 또는 슬러리 및/또는 적절한 입자 크기의 세라믹 입자 및 주조 중에 분해되는 폴리머로 엔진 블록의 주조 이전에 코팅하는 것도 가능하다.In a particularly preferred variant of the process according to the invention, the microstructured surface is formed directly during the casting of the internal combustion engine. At this time, the casting mold may be provided with an appropriate microstructure. However, particularly briefly, before casting the engine block to the high spaces of the engine block, the surface of the body formed into slips or slurries of metal and / or ceramic particles of suitable particle size and polymers that degrade during casting It is also possible to coat on.

본 발명은 첨부 도면에 개략적으로 도시된 예와, 비등 시험용 리그(rig)에서 행해진 비교 실험에 의해 이하에서 설명된다.The invention is explained below by means of examples schematically illustrated in the accompanying drawings and by comparative experiments conducted in boiling rigs.

도 1은 내연 기관의 액체 냉각 장치의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a liquid cooling apparatus of an internal combustion engine.

도 2는 본 발명에 따른 미세구조로 된 표면이 마련된 주조 튜브의 시효 거동을 나타내는 비등 곡선(boiling line)을 도시하는 도면이다.FIG. 2 shows a boiling line showing the aging behavior of a casting tube with a microstructured surface according to the invention.

도 3은 비교 실험에 있어서 본 발명에 따른 주조 튜브 및 변경된 주조 튜브의 비등 곡선을 나타내는 도면이다.3 shows the boiling curves of casting tubes and modified casting tubes according to the invention in a comparative experiment.

도 4는 추가적인 비교 실험에 있어서 상이한 유동 속도에서의 본 발명에 따른 주조 튜브 및 변경된 주조 튜브의 비등 곡선을 나타내는 도면이다.4 shows the boiling curves of casting tubes and modified casting tubes according to the invention at different flow rates for further comparative experiments.

도 1은 내연 기관(11)의 액체 냉각을 위한 본 발명에 따른 장치(10)의 개략 도이다. 도시된 예에 있어서, 내연 기관(11)은 크랭크실을 갖춘 엔진 블록(12b) 및 실린더 헤드(12a)를 구비한 자동차 엔진으로서 구성된다. 자동차 엔진(11)은 냉각 회로(13) 내에서 순환하는 냉매에 의해 냉각된다. 냉각 회로(13)는 펌프(14) 및 자동차의 경우에는 보통 "라디에이터"라고 지칭하는 외부의 공냉식 메인 열교환기(15)를 구비한다. 온도 센서(16)에 의해 제어되는 서모스탯 밸브(17)는 라디에이터(15)의 입구의 상류에 위치하며, 내연 기관의 작동 조건에 따라 냉매 스트림이 열교환기(15)를 통해 연장되는 긴 회로(18) 또는 열교환기(15)를 우회하는 짧은 회로(19)로 향하도록 해준다.1 is a schematic illustration of an apparatus 10 according to the invention for liquid cooling of an internal combustion engine 11. In the example shown, the internal combustion engine 11 is configured as an automobile engine with an engine block 12b with a crank chamber and a cylinder head 12a. The vehicle engine 11 is cooled by a refrigerant circulating in the cooling circuit 13. The cooling circuit 13 has a pump 14 and an external air-cooled main heat exchanger 15, commonly referred to as a "radiator" in the case of motor vehicles. The thermostat valve 17, controlled by the temperature sensor 16, is located upstream of the inlet of the radiator 15, and in accordance with the operating conditions of the internal combustion engine, a long circuit in which the refrigerant stream extends through the heat exchanger 15 ( 18) or short circuit 19 bypassing the heat exchanger 15.

메인 열교환기(15)로부터 나오는 냉매 스트림은 크랭크실(12b)의 영역에 위치한 냉각용 액체 입구(20)를 통해 자동차 엔진(11)으로 유입된다. 엔진에 있는 실린더의 개수에 따라, 냉매 스트림은 내연 기관 내에서 복수 개의 서브스트림으로 분할되고 이들 서브스트림은 연소실(25, 26)의 외벽을 따라 냉각 채널(23, 24)에서 실린더 헤드(12a)로 운반되며, 서브스트림은 실린더 헤드에서 다시 합쳐지고 출구(28)를 통해 자동차 엔진(11)을 빠져나가는 출구 라인(27)으로 운반된다. 출구(28)와 이웃한 라인 부분(29)은, 자동차 엔진(11)에서 취한 열을 주위 환경으로 방출하는 열교환기(15)로 냉매가 다시 향하도록 해준다.The refrigerant stream coming from the main heat exchanger 15 enters the vehicle engine 11 through the cooling liquid inlet 20 located in the region of the crank chamber 12b. Depending on the number of cylinders in the engine, the refrigerant stream is divided into a plurality of substreams in the internal combustion engine, which substreams the cylinder head 12a in the cooling channels 23, 24 along the outer walls of the combustion chambers 25, 26. The substream is conveyed back to the outlet line 27, which is merged again at the cylinder head and exits the motor vehicle 11 via the outlet 28. The outlet portion 28 and the adjacent line portion 29 direct the refrigerant back to the heat exchanger 15 which releases the heat taken from the motor vehicle 11 to the surrounding environment.

자동차 엔진의 내부에서 특히 큰 열응력에 노출되는 부분에 있어서, 구체적으로 연소실을 둘러싸는 영역(23, 24)에 있어서, 냉매 라인 또는 채널의 내벽에는 본 발명에 따른 미세구조로 된 표면이 마련된다.Particularly exposed to large thermal stresses in the interior of an automobile engine, specifically in the areas 23 and 24 surrounding the combustion chamber, the inner wall of the refrigerant line or channel is provided with a microstructured surface according to the invention. .

또한, 도 1에 도시된 내연 기관(11)은, 전체적으로 도면 부호 30으로 표시되 고 배기 가스 냉각기(31)를 포함하는 배기 가스 재순환 설비를 구비한다. 공기는 흡입 라인(32)을 통해 내연 기관(11)의 연소실(25, 26)로 유입된다. 연료의 연소 후에 생성되는 배기 가스는 배기 가스 라인(33)을 통해 배출된다. 배기 가스의 서브스트림은 밸브제어식 분기점(34)에서 분기되며 배기 가스 복귀 라인(35, 36)을 통해 흡입 라인(32)으로 운반되고, 이에 따라 연소실 내의 과잉 산소는 감소되며 연소 온도는 낮아져서 배기 가스의 NOx 부하를 감소시키고 연료 소모가 줄어들도록 해준다. 이러한 효과는 재순환된 배기 가스의 냉각에 의해 강화될 수 있다. 이러한 목적을 위해, 배기 가스 복귀 라인(35, 36)에는 고온 배기 가스를 냉각시키는 배기 가스 냉각기(31)가 위치한다. 배기 가스 냉각기(31)는 별도의 냉각 회로를 구비할 수 있다. 그러나, 도시된 실시예에 있어서, 냉각 회로(13)의 서브스트림은 밸브제어식 분기점(37)에서 분기되어 소정 라인(38)을 통해 배기 가스 냉각기(31)로 운반된다. 가열된 냉매는 후속하여 소정 라인(39)을 통해 냉각 회로(13)로 재순환된다. 배기 가스 냉각기(31)는, 예컨대 주위로 냉매(41)가 유동하는 개별적인 튜브(40) 중 하나로 배기 가스 스트림이 분할되는 것인 쉘-튜브형(shell-and-tube) 열교환기로서 구성될 수 있다. 튜브(40)의 외벽에는 본 발명에 따른 미세구조로 된 표면층이 마련된다.In addition, the internal combustion engine 11 shown in FIG. 1 is provided with an exhaust gas recirculation facility, which is generally designated 30 and includes an exhaust gas cooler 31. Air enters the combustion chambers 25, 26 of the internal combustion engine 11 via the suction line 32. The exhaust gas produced after combustion of the fuel is discharged through the exhaust gas line 33. The substream of exhaust gas branches from the valve controlled branch point 34 and is conveyed through the exhaust gas return lines 35 and 36 to the intake line 32, thereby reducing excess oxygen in the combustion chamber and lowering the combustion temperature so that the exhaust gas is reduced. To reduce the NOx load and reduce fuel consumption. This effect can be enhanced by cooling the recycled exhaust gas. For this purpose, an exhaust gas cooler 31 for cooling the hot exhaust gas is located in the exhaust gas return lines 35 and 36. The exhaust gas cooler 31 may be provided with a separate cooling circuit. However, in the illustrated embodiment, the substream of the cooling circuit 13 is branched at the valve controlled branch point 37 and conveyed to the exhaust gas cooler 31 via the predetermined line 38. The heated refrigerant is subsequently recycled to the cooling circuit 13 via the predetermined line 39. The exhaust gas cooler 31 may be configured as a shell-and-tube heat exchanger, for example, in which the exhaust gas stream is divided into one of the individual tubes 40 in which the refrigerant 41 flows around. . The outer wall of the tube 40 is provided with a surface layer of microstructure according to the present invention.

자체로 당업자에게 공지되어 있는 최신 자동차 엔진의 냉각 회로의 또 다른 특징부, 예컨대 압력 장치, 객실의 난방 시스템과 열적으로 접촉하는 보조 열교환기 등은 명료성을 이유로 도 1의 개략도에서는 생략되었다.Other features of the cooling circuits of modern automotive engines known per se to those skilled in the art, such as pressure devices, auxiliary heat exchangers in thermal contact with the heating system of the cabin, and the like, have been omitted from the schematic diagram of FIG. 1 for reasons of clarity.

비교 실험Comparative experiment

본 발명에 따라 마련된 미세구조로 된 표면층의 유효성을 시험하기 위해, 회색 주철(주요 합금 원소로서 3.5 %의 C, 2.0 %의 Si, 0.7 %의 Mn, 및 0.5 %의 인을 포함하는 주철)로 제작되고 미처리된 주조 스킨을 갖는 통상적인 주조 튜브를, 본 발명에 따라 미세구조로 된 표면층이 주조 스킨에 적용된 유사한 주조 튜브와 함께 비등 시험용 리그(rig)에서 비교하였다. 이러한 목적을 위해, 철 합금(약 29 %의 Cr, 약 6 %의 Ni, 약 3 %의 B, 나머지는 철)의 다공성 층은 압축 공기를 이용한 금속 분무에 의해 약 200 내지 400 ㎛의 층 두께로 도포되었다. 철 와이어를 용융시키기 위한 전류는 약 40 V에서 약 150 A이었다. 용융된 금속은 비등 튜브의 표면에 걸쳐 약 4 바의 압축 공기에 의해 분포되었다. 직경이 약 1 cm이고 길이가 4 cm를 초과하는 튜브의 코팅은 약 10 초의 코팅 시간 이후에 종료되었다.To test the effectiveness of the microstructured surface layer prepared in accordance with the present invention, gray cast iron (cast iron comprising 3.5% C as the main alloying element, 2.0% Si, 0.7% Mn, and 0.5% phosphorus) was used. Conventional casting tubes with fabricated and untreated casting skins were compared in boiling test rigs with similar casting tubes in which microstructured surface layers were applied to the casting skins according to the present invention. For this purpose, the porous layer of the iron alloy (about 29% Cr, about 6% Ni, about 3% B, the remainder iron) has a layer thickness of about 200 to 400 μm by metal spraying with compressed air Was applied. The current for melting the iron wire was about 150 A at about 40 V. The molten metal was distributed by about 4 bar of compressed air over the surface of the boiling tube. Coating of the tube about 1 cm in diameter and greater than 4 cm in length was terminated after a coating time of about 10 seconds.

열전달의 유효성은 온도, 사용된 냉각 매체 및 유동 속도의 함수로서 비등 시험 리그에서의 비등 곡선에 의해 결정되었다. 단상 열전달 또는 2상 열전달에 대한 비등 곡선은, 단위 면적당 전달되는 열 흐름(열유속)과 벽 온도 사이의 관계 또는 벽 온도와 액체의 포화 온도 사이의 차이[벽의 과열도(Tw-Tsat)로 알려져 있음]를 설명해준다.The effectiveness of heat transfer was determined by the boiling curve in the boiling test rig as a function of temperature, cooling medium used and flow rate. The boiling curve for single-phase or two-phase heat transfer is based on the relationship between the heat flow (heat flux) and wall temperature transmitted per unit area or the difference between the wall temperature and the saturation temperature of the liquid (T w -T sat ). Known as.

코팅된 주조 튜브를 이용하여 행해진 측정에 있어서는, 출원인에 의해 상업적으로 시판 중인 라디에이터 보호 제품인 "Glysantin® Alu Protect"를 소포제(antifoam) 없이 사용하였다. 코팅되지 않은 주조 튜브를 이용한 비교 실험에 있어서는, 출원인에 의해 상업적으로 시판 중인 라디에이터 보호 제품인 "Glysantin® Protect Plus"를 또한 사용하였다. 시험을 행한 모든 경우에 있어서 시스템 압력은 절대 압력으로 psys = 3.2 바이었으며, 냉각 매체의 온도는 Tsys = 100 ℃로 일정하게 유지되었다.For the measurements made with the coated casting tubes, a commercially available radiator protection product "Glysantin ® Alu Protect" by the applicant was used without antifoam. For comparative experiments with uncoated cast tubes, a commercially available radiator protection product "Glysantin ® Protect Plus" was also used by the applicant. In all cases where the test was conducted the system pressure was p sys = 3.2 by absolute pressure and the temperature of the cooling medium was kept constant at T sys = 100 ° C.

비등 곡선의 전형적인 형상은 다음과 같이 설명할 수 있다. 포화 온도 미만의 벽 온도에서 그리고 과열도가 낮은 벽에서는, 단상의 자연 대류에 의해 열전달이 이루어지며, 이러한 열전달은 온도 차이가 커짐에 따라 열전달 효율이 더욱 양호해지고 이에 따라 비등 곡선의 완만한 상승을 유발한다. 벽의 습윤성(wettability)에 따라, 최초의 증기 기포는 어느 정도의 뚜렷한 비등 지연 이후에 벽 표면의 특정 위치에서 형성되며, 이들 기포의 개수 및 크기는 벽의 과열도 증가에 따라 증가한다. 접촉면으로부터 최초의 기포가 떨어져 나온 후, 기포 비등이 시작된다. 이 구간에서, 접촉면은 여전히 액체에 의해 완전히 적셔져 있다. 증기 생성의 증가 및 병합되는 증기 기포의 강력한 교반 작용의 결과로서, 열유속이 급격히 증가한다.The typical shape of the boiling curve can be explained as follows. At wall temperatures below the saturation temperature and at low superheated walls, heat transfer is achieved by natural convection in the single phase, which leads to better heat transfer efficiency as the temperature difference increases and thus a gentle rise in the boiling curve. cause. Depending on the wettability of the wall, the first vapor bubbles form at certain locations on the wall surface after some apparent boiling delay, and the number and size of these bubbles increase with increasing superheat of the wall. After the first bubble is released from the contact surface, bubble boiling begins. In this section, the contact surface is still completely wet by the liquid. As a result of the increase in vapor production and the strong stirring action of the vapor bubbles being merged, the heat flux increases rapidly.

1. 시효 거동1. Aging behavior

제1 연구는 표면의 시효 거동, 및 일반적으로 표면의 시효 거동과 관련되는 기화열의 전달의 변화에 관한 것이다. 이러한 목적을 위해, 0.25 m/s의 평균 유동 속도(ub)에서 28 시간에 걸쳐 복수 개의 비등 곡선을 기록하였다.The first study relates to changes in the transfer of vaporization heat, which is related to the aging behavior of the surface and generally the aging behavior of the surface. For this purpose, a plurality of boiling curves were recorded over 28 hours at an average flow velocity u b of 0.25 m / s.

실험 결과는 도 2에 도시되어 있다.The experimental results are shown in FIG.

상기 시간에 걸쳐 기록된 비등 곡선으로부터, 다양한 시효 상태에서 각각의 비등 곡선이 사실상 하나의 선으로 일치하기 때문에, 사실상 시효 작용이 관찰되지 않음, 즉 비등 거동의 열화가 관찰되지 않음을 분명히 알 수 있다.From the boiling curves recorded over this time, it can be clearly seen that no aging effect is observed, i.e. no deterioration of boiling behavior is observed, since each boiling curve in virtually different ages coincides with a single line. .

2. 코팅되지 않은 주조 튜브와 코팅된 주조 튜브의 비교2. Comparison of uncoated casting tube and coated casting tube

도 3의 그래프에서는, 냉매로서 "Glysantin® Protect Plus"를 사용한 코팅되지 않은 주조 튜브(도 3의 곡선 A1) 및 "Glysantin® Alu Protect"를 사용한 코팅되지 않은 주조 튜브(곡선 A2)의 비등 거동을, 냉매로서 "Glysantin® Alu Protect"를 사용한 코팅된 주조 튜브(곡선 B1)의 비등 거동과 비교한다. 이때, 실험된 모든 비등 곡선은 동일한 시효 상태를 갖는다. 매체 유동 속도(ub)가 0.25 m/s인 경우에 대해 다시 한 번 비교한다.In the graph of Figure 3, the boiling behavior of the "Glysantin ® Protect Plus" the non-casting tube being coated with (curve in Fig. 3 A1) and "Glysantin ® Alu Protect" the casting tube (curve A2) uncoated used as a cooling medium , Compare the boiling behavior of the coated casting tube (curve B1) with "Glysantin ® Alu Protect" as refrigerant. At this time, all the boiling curves tested had the same aging state. Compare again for the case where the medium flow rate u b is 0.25 m / s.

표준적인 주조 튜브의 기화열 전달에 비하여 다공성 표면을 갖는 주조 튜브의 개선된 기화열 전달은 도 3에서 명확하게 볼 수 있다. 기화열 전달에 있어서의 이러한 개선은, 표준적인 주조 튜브에 비해 표면 온도(Tw)가 △Tw = 15 ~ 20 ℃만큼 낮아지는 큰 열유속(약 400,000 W/㎡)에서 반영된다. 비등이 개시되는 온도 범위에 대한 더욱 정밀한 실험은, 다공성 표면을 갖는 변경된 주조 튜브의 경우에 있어서 벽 온도(Tw)가 Tsat 미만일 때(비등 곡선의 선형으로부터의 이탈) 비등이 개시됨을 보여준다.The improved vaporization heat transfer of a casting tube with a porous surface as compared to the standard casting tube vaporization heat transmission can be clearly seen in FIG. 3. This improvement in vaporization heat transfer is reflected at large heat fluxes (about 400,000 W / m 2) where the surface temperature T w is lowered by ΔT w = 15-20 ° C. compared to standard casting tubes. More precise experiments on the temperature range at which boiling begins, show that boiling commences when the wall temperature T w is less than T sat (deviation from the linearity of the boiling curve) in the case of modified casting tubes with porous surfaces.

3. 유동 속도의 변동3. Fluctuations in Flow Velocity

도 4의 그래프는 다양한 평균 유동 속도(ub)에서 코팅되지 않은 주조 튜브 [곡선의 세트(Ai)] 및 코팅된 주조 튜브[곡선의 세트(Bi)]의 비등 곡선을 나타내고 있다.The graph of FIG. 4 shows the boiling curves of uncoated cast tubes (set of curves Ai) and coated cast tubes (set of curves Bi) at various average flow rates u b .

도시된 모든 경우에 있어서, 냉각 매체의 온도(Tsys)는 100 ℃이며, 시스템의 절대 압력(psys)은 3.2 바이다. 냉각 매체로서는 각각의 경우에 "Glysantin® Alu Protect"가 사용되었다. 곡선의 세트(Ai 또는 Bi)의 첨자(i)는 각각의 경우에 유동 속도를 가리킨다[i=1인 경우 ub는 0.1 m/s, i=2인 경우 ub는 0.25 m/s, i=3인 경우 ub는 0.5 m/s, i=4인 경우 ub는 0.75 m/s, i=5인 경우 ub는 1.0 m/s, 및 i=6인 경우 ub는 1.5 m/s임].In all cases shown, the temperature T sys of the cooling medium is 100 ° C. and the absolute pressure p sys of the system is 3.2 bar. As the cooling medium, "Glysantin ® Alu Protect" was used in each case. The subscript i of the set of curves (Ai or Bi) indicates the flow velocity in each case [u b is 0.1 m / s for i = 1, u b is 0.25 m / s for i = 2, i U b is 0.5 m / s for = 3, u b is 0.75 m / s for i = 4, u b is 1.0 m / s for i = 5, and u b is 1.5 m / s for i = 6 s.

코팅되지 않은 주조 튜브에 비해 다공성 표면을 갖는 변경된 주조 튜브를 사용할 때, 실험한 모든 경우에 있어서 단상 열전달 및 2상 열전달 모두에서 뚜렷한 개선을 확인할 수 있다.When using modified casting tubes with porous surfaces relative to uncoated casting tubes, a clear improvement can be seen in both single phase and two phase heat transfer in all cases tested.

요약하면, 비교 실험의 결과는 다음과 같다.In summary, the results of the comparative experiments are as follows.

● 변경된 주조 튜브를 사용하여 기록한 비등 곡선으로부터, 사실상 표면의 시효, 즉 비등 거동의 열화가 전혀 관찰되지 않음을 분명하게 알 수 있다.From the boiling curves recorded using modified cast tubes, it is clear that virtually no aging of the surface, ie deterioration of boiling behavior, is observed.

● 보다 큰 표면 조도 덕분에, 표준적인 튜브에 비해 다공성 표면을 갖는 샘플을 사용할 때 단상 열전달에서 분명한 개선이 관찰되었다.Thanks to the greater surface roughness, a clear improvement in single phase heat transfer was observed when using samples with porous surfaces compared to standard tubes.

● 코팅되지 않은 주조 스킨을 갖는 표준적인 표면에 비해 다공성 표면을 사용할 때, 비등 발생의 용이성 및 비등 작용이 모두 상당히 증가할 수 있었다. 결 과적으로, 표면 온도는 열 흐름이 클 때 약 15 ℃ 정도 감소될 수 있었다.When using porous surfaces as compared to standard surfaces with uncoated cast skins, both the ease of boiling and the effect of boiling could increase significantly. As a result, the surface temperature could be reduced by about 15 ° C when the heat flow was large.

Claims (15)

내연 기관(11)의 하나 이상의 구성요소(12a, 12b, 31)와 열적으로 접촉하는 액체 냉매를 위한 하나 이상의 냉각 채널(23, 24, 41)을 포함하는 냉각 회로(13)를 포함하는 내연 기관(11) 냉각 장치로서,Internal combustion engine comprising a cooling circuit 13 comprising one or more cooling channels 23, 24, 41 for liquid refrigerant in thermal contact with one or more components 12a, 12b, 31 of the internal combustion engine 11. (11) As a cooling device, 냉매와 접촉하게 되는 냉각 채널(23, 24, 41)의 벽은 적어도 소구역(subregion)에서 미세구조로 된 표면을 구비하는 것인 내연 기관 냉각 장치.The wall of the cooling channel (23, 24, 41) in contact with the refrigerant has a microstructured surface at least in a subregion. 제1항에 있어서, 상기 미세구조로 된 표면의 평균 표면 조도(Ra)는 1 내지 1500 ㎛ 범위인 것인 내연 기관 냉각 장치.The internal combustion engine cooling apparatus according to claim 1, wherein the average surface roughness Ra of the microstructured surface is in the range of 1 to 1500 μm. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 미세구조로 된 표면은 다공성 구조를 갖는 것인 내연 기관 냉각 장치.The internal combustion engine cooling apparatus according to claim 1 or 2, wherein the microstructured surface has a porous structure. 제3항에 있어서, 상기 미세구조로 된 표면의 공극의 평균 크기는 1 내지 500 ㎛ 범위인 것인 내연 기관 냉각 장치.4. The internal combustion engine cooling apparatus according to claim 3, wherein the average size of the pores of the microstructured surface is in the range of 1 to 500 m. 제3항 또는 제4항에 있어서, 공극의 비율은 1 내지 90 % 범위인 것인 내연 기관 냉각 장치.The internal combustion engine cooling apparatus according to claim 3 or 4, wherein the proportion of the voids is in the range of 1 to 90%. 제3항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 다공성 구조를 갖는 상기 미세구조로 된 표면층의 두께는 1 내지 10,000 ㎛ 범위인 것인 내연 기관 냉각 장치.6. The internal combustion engine cooling apparatus according to any one of claims 3 to 5, wherein the thickness of the microstructured surface layer having a porous structure is in the range of 1 to 10,000 m. 제3항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 미세구조로 된 표면의 구조는 규칙적으로 배치되는 것인 내연 기관 냉각 장치.The internal combustion engine cooling apparatus according to any one of claims 3 to 6, wherein the structure of the microstructured surface is regularly arranged. 제3항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 미세구조로 된 표면의 구조는 무질서하게 배치되는 것인 내연 기관 냉각 장치.The internal combustion engine cooling apparatus according to any one of claims 3 to 6, wherein the structure of the microstructured surface is arranged randomly. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 작동 중에 큰 열응력에 노출되는 냉각 채널의 벽(들)의 적어도 소정 부분은 미세구조로 된 표면을 갖는 것인 내연 기관 냉각 장치.The internal combustion engine cooling apparatus according to claim 1, wherein at least some portion of the wall (s) of the cooling channel exposed to high thermal stress during operation has a microstructured surface. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 하나 이상의 냉각 채널(23, 24, 41)과 열적으로 접촉하는 내연 기관(11)의 구성요소는 내연 기관의 실린더 헤드(12a) 및/또는 적어도 크랭크실(12b) 및/또는 배기 가스 냉각기(31)인 것인 내연 기관 냉각 장치.10. The component of the internal combustion engine 11 according to claim 1, which is in thermal contact with one or more cooling channels 23, 24, 41 is a cylinder head 12a of the internal combustion engine and / or. Or at least a crank chamber (12b) and / or an exhaust gas cooler (31). 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 표면 활성 첨가제, 특히 계면활성제를 포함하는 물 기반의 냉매가 냉각 회로에서 순환하는 것인 내연 기관 냉 각 장치.11. An internal combustion engine cooling device according to any one of the preceding claims, wherein the water based refrigerant comprising surface active additives, in particular surfactants, circulates in the cooling circuit. 내연 기관 냉각 장치의 제조 공정으로서, 내연 기관과 적어도 부분적으로 열적으로 접촉하는 냉각 채널을 구비하는 액체 냉매용 냉각 회로가 구성되고, 상기 액체 냉매와 접촉하게 되는 냉각 채널의 벽 중 적어도 일부에 미세구조로 된 표면이 형성되는 것인 내연 기관 냉각 장치의 제조 공정.A manufacturing process of an internal combustion engine cooling device, comprising: a cooling circuit for a liquid refrigerant having a cooling channel at least partially in thermal contact with an internal combustion engine, wherein at least a part of a wall of the cooling channel in contact with the liquid refrigerant has a microstructure. The manufacturing process of the internal combustion engine cooling apparatus by which the surface is formed. 제12항에 있어서, 상기 미세구조로 된 표면은 벽의 기계적 처리 및/또는 화학적 처리에 의해 형성되는 것인 내연 기관 냉각 장치의 제조 공정.13. The process of claim 12 wherein the microstructured surface is formed by mechanical and / or chemical treatment of the wall. 제12항에 있어서, 상기 미세구조로 된 표면은 벽 상에 코팅 재료를 도포하거나 또는 증착함으로써 형성되는 것인 내연 기관 냉각 장치의 제조 공정.The process of claim 12, wherein the microstructured surface is formed by applying or depositing a coating material on a wall. 제12항에 있어서, 상기 미세구조로 된 표면은 내연 기관의 주조 중에 형성되는 것인 내연 기관 냉각 장치의 제조 공정.13. The process of claim 12 wherein the microstructured surface is formed during casting of the internal combustion engine.
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