KR20120026177A - 수냉식 열교환 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 수냉식 열교환 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인터쿨러 및 오일쿨러 등의 열교환기를 수냉식으로 열 교환되게 하여 보다 큰 방열 성능을 요구하는 시스템에서도 쿨링 모듈의 크기가 커지는 것을 방지하고, 수냉식 열교환기를 차량 전방 및 범퍼빔 내부에 배치하도록 하여 차량 엔진룸의 공간 활용도를 높이게 되는 수냉식 열교환 시스템에 관한 것이다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 수냉식 열교환 시스템은 수냉식 열교환 방식을 이용하기 때문에 수냉식 열교환기의 크기를 줄일 수 있고, 수냉식 열교환기가 범퍼빔에 내설되어 설치공간을 더욱 줄일 수 있기 때문에 보다 큰 방열 성능을 요구하는 시스템에서도 쿨링 모듈의 크기가 커지는 것을 방지하여 엔진룸 활용도를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 수냉식 열교환 시스템의 수냉식 열교환기는 판형 열교환기로 구성하기 때문에 범퍼빔 내부에 설치가 용이하며, 외면에 방열부를 추가 형성하여 열교환 효율을 높이게 되는 효과가 있다.

Description

수냉식 열교환 시스템{Water Cooling type Heat Exchange System for Motor Vehicle}
본 발명은 차량용 수냉식 열교환 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인터쿨러 및 오일쿨러 등의 열교환기를 수냉식으로 열 교환되게 하여 보다 큰 방열 성능을 요구하는 시스템에서도 쿨링 모듈의 크기가 커지는 것을 방지하고, 수냉식 열교환기를 차량 전방 및 범퍼빔 내부에 배치하도록 하여 차량 엔진룸의 공간 활용도를 높이게 되는 수냉식 열교환 시스템에 관한 것이다.
자동차의 엔진룸 즉, 프론트 엔드 공간에는 각종 부품들이 모듈화된 상태인 프론트 엔드 모듈(FEM: Front-End Modules)이 탑재된다.
상기 프론트 엔드 모듈에는 열에너지를 재사용하거나 용도에 맞게 온도를 낮추거나 높여 사용할 목적 등으로 각종 열교환기가 장착 적용되고 있다. 쿨링 모듈(Cooling Module)은 상기 프론트 엔드 모듈에 구비되는 한 구성요소로 외부의 공기와 열교환하여 자동차의 구성요소를 냉각 시키거나 실내로 차가운 공기가 공급되도록 하는 열교환 장치이다.
통상적으로 쿨링 모듈은 라디에이터와 콘덴서 및 상기 라디에이터와 콘덴서를 공기와 열교환시켜 냉각시키기 위한 팬슈라우드를 포함하는 공랭식 열교환 시스템을 모듈화 하여 구성되는데, 디젤 차량의 경우 인터쿨러(Intercooler)가 추가되고, 자동변속기 차량의 경우 오일쿨러(Oil cooler)가 추가된다.
인터쿨러(Intercooler)는 엔진 출력을 높이기 위해 과급기에 의해 고온ㆍ고압으로 압축된 공기를 식혀주는 장치이다. 대체적으로 디젤 기관을 사용하는 차량에 있어서 엔진의 출력을 향상시키기 위해 엔진의 실린더 내부로 압축공기를 공급하는 과급기를 사용한다. 그러나 상기 과급기에 의해 급속히 압축된 공기는 온도가 매우 높아져 부피가 팽창하고 산소 밀도가 떨어지게 되어 결과적으로 실린더안의 충전효율이 저하되는 현상이 발생된다. 따라서 상기 인터쿨러는 상기 과급기에 의해 압축된 고온의 공기를 냉각함으로써 실린더의 흡입효율이 높아지고, 연소효율이 향상되어 연비가 높아지는 것은 물론 이산화탄소 및 매연 등 환경에 유해한 배기가스의 배출도 크게 줄어든다.
이러한 역할을 담당하는 인터쿨러는 일반적으로 공기를 이용하여 인터쿨러를 냉각시키는 공랭식 인터쿨러를 많이 사용한다.
상기 공랭식 인터쿨러가 적용된 쿨링 모듈의 일예를 도 1에 도시하였으며,
상기 쿨링 모듈(2)은 자동차의 엔진(Engine)의 전방부에 배치되는 라디에이터와, 상기 라디에이터에 냉각 공기를 도입하기 위해 상기 라디에이터의 후단에 고정되는 팬슈라우드와, 상기 라디에이터의 전단에 고정되는 콘덴서를 포함하며, 상기 쿨링 모듈(2)의 전방에는 인터쿨러(2)가 배치된다.
한편, 오일쿨러(Oil Cooler)는 자동변속 차량에 구비되는 것으로 토크 컨버터나 동력전달 계통의 엔진오일을 냉각시키는 장치로, 외부 공기와 열교환을 통해 냉각되는 공랭식이 주로 사용되고 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 공랭식 인터쿨러 및 오일쿨러는 공기와 접촉하는 면적이 넓을수록 열교환 효율이 높아지기 때문에 큰 방열 성능이 요구될 경우 열교환기의 크기를 줄이는 데 한계가 있으며, 크기가 큰 열교환기를 적용시킴에 따라 전체적인 쿨링 모듈의 크기가 커지게 된다. 쿨링 모듈은 차량의 전방부 또는 엔진룸 상에 구비되어 엔진룸 공간을 차지하기 때문에 크기가 큰 쿨링 모듈로 인해 엔진룸 활용도가 낮아지고, 엔진룸 내부 구성의 소형화 및 경량화에 부합하지 못하는 문제점이 지적되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 인터쿨러 또는 오일쿨러를 수냉식으로 구성하여 크기를 줄이고, 차량의 강성 유지 및 충격흡수를 위한 필수 구성요소인 범퍼빔의 내부에 수냉식 열교환기를 배치시키게 되는 수냉식 열교환 시스템에 관한 것이다.
또한, 상기 수냉식 열교환 시스템의 수냉식 열교환기는 판형 열교환기로 구성하여 범퍼빔 내부에 설치를 용이하게 하는 수냉식 열교환 시스템에 관한 것이다.
또한, 상기 수냉식 열교환 시스템의 수냉식 열교환기는 외면에 방열부를 형성하고, 상기 방열부는 범퍼빔의 외부에 노출되도록 구성하여 수냉식 열교환기의 열교환 효율을 높이게 되는 수냉식 열교환 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 수냉식 열교환 시스템은 열교환 매체의 냉각을 위한 수냉식 열교환기(10)와, 상기 열교환 매체와 열 교환된 냉각수의 냉각을 위해 자동차의 엔진(Engine)의 전방부에 배치되는 저온라디에이터(LTR)를 포함하는 수냉식 열교환 시스템에 있어서, 상기 수냉식 열교환기(10)는, 상부그릴(30)과 하부그릴(40) 사이에 중공된 빔 상으로 설치되는 범퍼빔(20)의 내부에 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 수냉식 열교환기(10)는, 복수 개의 플레이트(16)가 적층되어 제1 열교환매체가 유동하는 제1 매체공간(100)과 제2 열교환매체가 유동하는 제2 매체공간(200)이 교대로 형성되며, 상기 플레이트(16)의 일면에 형성되며, 상기 제1 매체공간(100)으로 제1 열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 형성되는 제1 매체유입관(12) 및 제1 매체배출관(13); 및 상기 플레이트(16)의 일면에 형성되며, 상기 제2 매체공간(200)으로 제2 열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 형성되는 제2 매체유입관(14) 및 제2 매체배출관(15); 을 포함하는 판형 열교환기로 되며, 상기 수냉식 열교환기(10)는, 상기 제1 매체유입관(12), 상기 제1 매체배출관(13), 제2 매체유입관(14) 및 상기 제2 매체배출관(15)이 형성되는 상기 플레이트(16)의 일면이 차량의 후방을 향하도록 상기 범퍼빔(20)의 내부에 설치되는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 플레이트(16)의 양측에는 외측으로 돌출 형성되는 방열부(11)가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 수냉식 열교환기(10)는 상기 방열부(11)가 상하로 위치하도록 상기 범퍼빔(20)에 내설되며, 상기 범퍼빔(20)의 상면 및 하면에는 상기 방열부(11)가 상기 범퍼빔(20)의 상면 외측 및 하면 외측으로 노출되도록 절개부(21)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 수냉식 열교환 시스템은 수냉식 열교환 방식을 이용하기 때문에 수냉식 열교환기의 크기를 줄일 수 있고, 수냉식 열교환기가 범퍼빔에 내설되어 설치공간을 더욱 줄일 수 있기 때문에 보다 큰 방열 성능을 요구하는 시스템에서도 쿨링 모듈의 크기가 커지는 것을 방지하여 엔진룸 활용도를 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 수냉식 열교환 시스템의 수냉식 열교환기는 판형 열교환기로 구성하기 때문에 범퍼빔 내부에 설치가 용이하며, 외면에 방열부를 추가 형성하여 열교환 효율을 높이게 되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 공랭식 인터쿨러를 포함하는 쿨링 모듈 사시도
도 2는 수냉식 열교환기를 포함하는 쿨링모듈 측면도
도 3은 본 발명의 제1 실시예의 수냉식 열교환기 전체사시도
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 수냉식 열교환기 부분분해사시도
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 수냉식 열교환 시스템 측면개략도
도 6은 본 발명의 제2 실시예의 수냉식 열교환기 전체사시도
도 7은 본 발명의 제2 실시예의 수냉식 열교환 시스템 측면개략도
도 8은 본 발명의 제2 실시예의 수냉식 열교환기가 적용된 범퍼빔 투시도
도 9는 본 발명의 제2 실시예의 수냉식 열교환기가 적용된 범퍼빔 정면도
본 발명의 수냉식 열교환 시스템을 설명하기에 앞서 본 발명의 수냉식 열교환 시스템을 포함하며, 엔진룸에 구비되는 쿨링모듈에 관해 도면을 참조하여 간단히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면 자동차용 쿨링모듈은 자동차의 엔진(Engine)의 전방부에 배치되는 라디에이터(R)와, 상기 라디에이터(R)에 냉각 공기를 도입하기 위해 상기 라디에이터(R)의 후단에 고정되는 팬 슈라우드(F)와, 상기 라디에이터(R)의 전단에 고정되는 콘덴서(C)와, 상기 콘덴서(C)의 하단에 고정되는 저온라디에이터(LTR) 및 상기 저온라디에이터(LTR)로부터 냉각수를 유입 받아 고온의 과급공기, 트랜스미션오일 및 냉매 등과 열교환 시키기 위한 수냉식 열교환기(10)를 포함하여 이루어질 수 있다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 수냉식 열교환 시스템의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 수냉식 열교환 시스템은 저온라디에이터(LTR), 수냉식 열교환기(10) 및 차량 전방의 범퍼 상에 설치되는 범퍼빔(20)을 포함하여 이루어진다.
상기 저온라디에이터(LTR)는 고온의 냉각수를 공기와 열 교환하여 냉각시키기 위해 고온의 냉각수를 유입 받는 제 1헤더탱크와, 상기 제 1헤더탱크와 일정거리가 이격되어 구비되며 공기와 열 교환하여 냉각된 냉각수를 배출하기 위한 제 2헤더탱크와, 상기 제 1헤더탱크 및 제 2헤더탱크에 양단이 고정되어 열교환 매체 유로를 형성하는 다수의 튜브와, 상기 튜브 사이에 개재되어 열교환 효율을 높이는 핀을 포함하여 이루어지는 통상의 라디에이터의 구성이 적용되는 바 이에 대한 상세 설명은 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면, 상기 수냉식 열교환기(10)는 상기 저온라디에이터(LTR)로부터 냉각수 즉 제1 열교환매체를 유입 받는 제1 매체유입관(12)과 열 교환된 고온의 제1 열교환매체를 상기 저온라디에이터(LTR)로 공급하기 위한 제1 매체배출관(13)과, 각각의 구성요소로부터 제2 열교환매체를 유입 받는 제2 매체유입관(14)과, 열 교환된 제2 열교환매체를 각각의 구성요소에 전달하기 위한 제2 매체배출관(15)을 포함하여 이루어질 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 수냉식 열교환기(10)는 판형 열교환기로 구성될 수 있다. 즉 복수 개의 플레이트(16)가 적층되어 제1 열교환매체가 유동하는 제1 매체공간(100)과 제2열교환매체가 유동하는 제2 매체공간(200)이 교대로 형성된다.
상기 플레이트(16)에는 상기 제1 매체공간(100)으로 제1열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 제1 매체유입구(121) 및 제1 매체배출구(122)를 포함한다. 상기 제1 매체유입구(121)는 상기 제1 매체유입관(12)과 연통되며, 상기 제1 매체배출구는 상기 제1 매체배출관(13)과 연통된다. 상기 수냉식 열교환기(10)는 상기 제1 매체유입구(121) 및 상기 제1 매체배출구(122)의 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제1 열교환매체를 수용 및 유동시키는 제1 매체탱크부(110)를 포함하여 이루어진다.
상기 플레이트(16)에는 상기 제2 매체공간(200)으로 제2 열교환매체를 각각 유입 및 배출시키는 제2 매체유입구(221) 및 제2 매체배출구(222)를 포함한다. 상기 제2 매체유입구(221)는 상기 제2 매체유입관(14)과 연통되며, 상기 제2 매체배출구(222)는 상기 제2 매체배출관(15)과 연통된다. 상기 수냉식 열교환기(10)는 상기 제2 매체유입구(221) 및 상기 제2 매체배출구(222)의 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제2열교환매체를 수용 및 유동시키는 제2 매체탱크부(210)를 포함하여 이루어진다.
도 5에 도시된 바와 같이 상기 수냉식 열교환기(10)는 상기 범퍼빔(20)의 내부에 설치될 수 있다.
상기 범퍼빔(20)은 차량 전방에 위치한 범퍼 내부에 구비되는 구성으로 차량 강성 유지와, 충격 흡수 및 분산을 위한 필수 구성요소이다. 상기 범퍼빔(20)의 상측에는 상부그릴(30)이 위치하며 하측에는 하부그릴(40)이 위치한다. 상기 상부그릴(30)은 범퍼빔(20) 상측의 공기를 쿨링 모듈로 안내하며, 하부그릴(40)은 범퍼빔(20) 하측의 공기를 쿨링 모듈로 안내한다. 이때, 상기 범퍼빔(20)이 상기 상부그릴(30)과 하부그릴(40)의 사이에 위치하며, 상기 수냉식 열교환기(10) 역시 상부그릴(30)과 하부그릴(40) 사이에 위치하여 공기의 저항을 최소화하게 된다. 상기 수냉식 열교환기(10)는 공기와의 접촉을 통해 열 교환하지 않기 때문에 가능한 구성이다. 상기 범퍼빔(20)은 내부가 중공된 사각 빔의 형상으로 이루어지며, 차량 후방면은 개방되도록 단면이 'ㄷ' 형으로 이루어지는 것이 대부분이다. 상기 범퍼빔(20)의 내부에 상기 수냉식 열교환기(10)를 배치하여 엔진룸의 공간 확보를 꾀할 수 있다.
이때, 상기 수냉식 열교환기(10)는 상기 제1 매체유입관(12), 상기 제1 매체배출관(13), 제2 매체유입관(14) 및 상기 제2 매체배출관(15)이 형성되는 상기 플레이트(16)의 일면이 차량의 후방을 향하도록 상기 범퍼빔(20)의 내부에 설치될 수 있다. 즉 상기 범퍼빔(20)의 개방면이 형성되는 차량 후방을 향하여 상기 제1 매체유입관(12), 상기 제1 매체배출관(13), 제2 매체유입관(14) 및 상기 제2 매체배출관(15)이 위치하도록 하여 상기 범퍼빔(20)의 내부에 상기 수냉식 열교환기(10)의 설치를 용이하게 한다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예의 수냉식 열교환기(10)의 외면에는 방열부(11)가 형성될 수 있다.
상기 방열부(11)는 상기 플레이트(16)의 양측에 형성될 수 있다. 즉 상기 방열부(11)는 상기 수냉식 열교환기(10)가 범퍼빔(20) 내에 설치되었을 때 상기 범퍼빔(20)의 상면 및 하면을 향하여 돌출 형성될 수 있다. 상기 방열부(11)는 열교환 효율을 높이기 위해 길이 방향으로 다수 개가 일정 간격으로 형성될 수 있다.
상기 방열부(11)는 상기 수냉식 열교환기(10)의 주변 공기와 열 교환하여 수냉식 열교환기(10)의 열교환 효율을 높일 수 있도록 구성된다. 상기 방열부(11)는 다수의 돌기 또는 립(rip) 형상으로 이루어질 수 있다.
이때 본 발명의 제2 실시예의 수냉식 열교환 시스템은 상기 방열부(11)의 열교환 효율을 높이기 위해 다음과 같은 구성을 갖는다. 상기 범퍼빔(20)의 상면 또는 하면에는 상기 방열부(11)의 위치에 대응되도록 절개부(21)가 형성된다. 또한, 상기 방열부(11)는 상기 범퍼빔(20)의 상면외측 및 하면외측으로 노출되도록 구성된다. 따라서 상기 방열부(11)는 상기 절개부(21)를 통해 상기 범퍼빔(20)의 외측으로 노출 구성되게 하여 상기 수냉식 열교환기(10)의 열교환 효율을 더욱 높이게 되는 것이다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
R : 라디에이터 C : 콘덴서
F : 팬 슈라우드 LTR : 저온라디에이터
10 : 수냉식 열교환기 11 : 방열부
20 : 범퍼빔 21 : 절개부

Claims (4)

  1. 열교환 매체의 냉각을 위한 수냉식 열교환기(10)와, 상기 열교환 매체와 열 교환된 냉각수의 냉각을 위해 자동차의 엔진(Engine)의 전방부에 배치되는 저온라디에이터(LTR)를 포함하는 수냉식 열교환 시스템에 있어서,
    상기 수냉식 열교환기(10)는,
    상부그릴(30)과 하부그릴(40) 사이에 중공된 빔 상으로 설치되는 범퍼빔(20)의 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 수냉식 열교환 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수냉식 열교환기(10)는,
    복수 개의 플레이트(16)가 적층되어 제1 열교환매체가 유동하는 제1 매체공간(100)과 제2 열교환매체가 유동하는 제2 매체공간(200)이 교대로 형성되며,
    상기 플레이트(16)의 일면에 형성되며, 상기 제1 매체공간(100)으로 제1 열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 형성되는 제1 매체유입관(12) 및 제1 매체배출관(13); 및
    상기 플레이트(16)의 일면에 형성되며, 상기 제2 매체공간(200)으로 제2 열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 형성되는 제2 매체유입관(14) 및 제2 매체배출관(15);
    을 포함하는 판형 열교환기로 되며,
    상기 수냉식 열교환기(10)는,
    상기 제1 매체유입관(12), 상기 제1 매체배출관(13), 제2 매체유입관(14) 및 상기 제2 매체배출관(15)이 형성되는 상기 플레이트(16)의 일면이 차량의 후방을 향하도록 상기 범퍼빔(20)의 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 수냉식 열교환 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 플레이트(16)의 양측에는 외측으로 돌출 형성되는 방열부(11)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 수냉식 열교환 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 수냉식 열교환기(10)는 상기 방열부(11)가 상하로 위치하도록 상기 범퍼빔(20)에 내설되며,
    상기 범퍼빔(20)의 상면 및 하면에는 상기 방열부(11)가 상기 범퍼빔(20)의 상면 외측 및 하면 외측으로 노출되도록 절개부(21)가 형성되는 것을 특징으로 하는 수냉식 열교환 시스템.
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