KR20130058451A

KR20130058451A - 차량용 열교환기

Info

Publication number: KR20130058451A
Application number: KR1020110124459A
Authority: KR
Inventors: 김재연; 조완제
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-06-04
Also published as: CN103134356B; JP2013113578A; DE102012105175A1; KR101284337B1; CN103134356A; US20130133874A1

Abstract

차량용 열교환기가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기는 다수개의 플레이트가 적층되어 내부에 순차적으로 각기 다른 연결유로를 교번되게 형성하고, 각기 다른 작동유체가 각각 유입되어 내부에서 상호 열교환이 이루어지는 방열부; 상기 방열부에서 각 작동유체를 각각 유입 및 배출시키도록 형성된 복수의 유입홀과 배출홀 중 어느 하나의 유입홀과 배출홀을 상호 연결하며, 유입된 작동유체의 온도에 따라 작동유체를 바이패스시키는 분기부; 및 상기 분기부를 형성하는 유입홀에 장착되어 유입된 작동유체의 온도에 따라 상기 방열부와 분기부에 선택적으로 작동유체를 유입시키는 밸브유닛을 포함한다.

Description

차량용 열교환기{HEAT EXCHANGER FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각각의 작동유체가 내부로 유입되어 상호 열교환을 통해 온도가 조절되는 차량용 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기는 온도가 높은 유체로부터 전열벽을 통해 온도가 낮은 유체로 열을 전달하는 것으로 가열기, 냉각기, 증발기, 응축기 등에 사용된다.

이러한 열교환기는 열에너지를 재사용하거나 유입되는 작동유체의 온도를 용도에 맞게 조절하게 되고, 보통 차량의 공조시스템이나 변속기 오일쿨러 등에 적용하며, 엔진룸에 장착된다.

여기서, 열교환기를 한정적인 공간을 갖는 엔진룸에 장착 시, 공간확보 및 장착의 어려움이 발생하는 바, 소형, 경량화 및 고효율 고기능화를 위한 연구가 계속되고 있는 실정이다.

그러나 종래의 열교환기는 차량의 상태에 따라 각기 작동유체의 온도를 조절하여 차량의 엔진 또는 변속기, 공조장치로 작동유체를 공급해야 하지만, 이를 위해서는 유입되는 열매 또는 냉매로 작용하는 작동유체의 유로 상에 별도의 분기회로 및 밸브를 설치해야 하는 바, 구성요소 및 조립공수가 증가되고, 레이아웃이 복잡해지는 문제점이 있다.

또한, 별도의 분기회로 및 밸브의 미설치 시에는 작동유체의 유량에 따른 열교환 효율의 제어가 불가능하여 작동유체의 효율적인 온도조절이 불가능해지는 문제점도 있다.

따라서, 본 발명의 실시예들은 각각의 작동유체가 내부에서 상호 열교환을 통한 온도 조절 시, 차량의 주행상태나 초기 시동 조건에서 유입되는 작동유체의 온도에 따라 작동유체의 웜업기능과 냉각기능을 동시에 수행할 수 있도록 하는 차량용 열교환기를 제공하고자 한다.

또한, 작동유체가 유동되는 연결유로를 구획하여 각각 다른 작동유체를 유입 및 순환시키고, 차량의 상태에 따라 이 작동유체들의 온도 조절이 가능함으로써, 차량의 연비 개선, 및 난방성능을 향상시킬 수 있으며, 구성을 간소화하여 조립공수를 절감시키도록 하는 차량용 열교환기를 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기는 다수개의 플레이트가 적층되어 내부에 순차적으로 각기 다른 연결유로를 교번되게 형성하고, 각기 다른 작동유체가 각각 유입되어 내부에서 상호 열교환이 이루어지는 방열부; 상기 방열부에서 각 작동유체를 각각 유입 및 배출시키도록 형성된 복수의 유입홀과 배출홀 중 어느 하나의 유입홀과 배출홀을 상호 연결하며, 유입된 작동유체의 온도에 따라 작동유체를 바이패스시키는 분기부; 및 상기 분기부를 형성하는 유입홀에 장착되어 유입된 작동유체의 온도에 따라 상기 방열부와 분기부에 선택적으로 작동유체를 유입시키는 밸브유닛을 포함한다.

상기 각 유입홀은 상기 방열부의 길이방향으로 일면 양측에 각각 형성되는 제1, 제2, 및 제3 유입홀을 포함하며, 상기 각 배출홀은 상기 제1, 제2, 및 제3 유입홀에 대응하여 상기 방열부의 길이방향으로 양측에서 상기 제1, 제2, 및 제3 유입홀과 각각 이격되게 형성되며, 상기 방열부의 내부에서 각각의 연결유로를 상호 연결되는 제1, 제2, 제3 배출홀을 포함할 수 있다..

상기 분기부는 상기 제1 유입홀과 제1 배출홀의 사이를 상호 연결하며, 상기 방열부의 일면으로 돌출되게 형성될 수 있다.

상기 제1 유입홀과 제1 배출홀은 상기 방열부의 일면에서 대각선 방향으로 각 모서리부에 형성될 수 있다.

상기 제2 유입홀과 제2 배출홀은 상기 방열부의 일면에서 대각선 방향으로 각 모서리부에 형성되며, 상기 제1 유입홀과 제1 배출홀에 서로 대향되게 형성될 수 있다.

상기 제3 유입홀과 제3 배출홀은 상기 방열부의 일면에서 상기 제2 유입홀과 제2 배출홀과 각각 이격된 위치에 대각선 방향으로 형성되며, 상기 제1 유입홀과 제1 배출홀에 서로 대향되게 형성될 수 있다.

상기 각 작동유체는 라디에이터로부터 유입되는 냉각수와, 자동변속기로부터 유입되는 변속기오일과, 엔진으로부터 유입되는 엔진오일로 구성될 수 있다.

상기 냉각수는 제1 유입홀과 제1 배출홀을 통해 순환되고, 상기 변속기오일은 제2 유입홀과 제2 배출홀을 통해 순환되며, 상기 엔진오일은 제3 유입홀과 제3 배출홀을 통해 순환되고, 상기 각 연결유로는 상기 방열부의 내부에서 상기 제1 유입홀을 통해 냉각수가 유입되어 이동하는 제1 연결유로와, 상기 제1 연결유로의 하부에 위치되며 상기 제2 유입홀을 통해 유입되는 변속기오일이 이동하는 제2 연결유로와, 상기 제1 연결유로의 상부에 위치되며, 상기 제3 유입홀을 통해 유입되는 엔진오일이 이동하는 제3 연결유로를 포함할 수 있다.

상기 제1, 제2, 및 제3 연결유로는 상기 제1 연결유로를 중심으로 상부에 배치되는 제2 연결유로와, 하부에 배치되는 제3 연결유로로 구성된 3개의 각 연결유로를 1 셋트로 하여 다수개의 셋트가 구비되어 형성될 수 있다.

상기 제1 연결유로는 상기 방열부의 내부에서 교번적으로 형성되며, 상기 제2 연결유로와 제3 연결유로는 상기 각 제1 연결유로를 사이에 두고, 상호 교차되게 형성될 수 있다.

상기 분기부는 상기 제1 유입홀과 제1 배출홀에 근접한 위치에서 상기 제1 연결유로와는 별도로 상기 제1 유입홀로 유입된 냉각수를 상기 제1 배출홀로 바로 배출시키도록 별도의 바이패스 유로를 형성할 수 있다.

상기 밸브유닛은 상기 제1 유입홀에 대응하여 상기 방열부의 타면에 고정 장착되는 장착캡; 및 상기 장착캡에 삽입되며, 상기 작동유체의 온도에 따라 이완과 수축이 이루어지는 변형부재를 포함할 수 있다.

상기 변형부재는 그 재질이 작동유체의 온도에 따라 이완 및 수축 변형되는 형상기억합금 소재일 수 있다.

상기 변형부재는 길이방향으로 양단부의 설정부분이 온도에 따라 변형되지 않도록 고정되는 고정부; 및 상기 각 고정부의 사이에서 작동유체의 온도에 따라 이완 및 수축 변형이 이루어지는 변형부를 포함할 수 있다.

상기 변형부재는 원형의 코일 스프링 형상으로 상호 겹쳐져 접촉된 상태로 형성될 수 있다.

상기 장착캡은 상기 방열부에 고정 장착되는 장착부; 및 상기 장착부로부터 연장 형성되며, 내부에 상기 변형부재가 삽입되어 상기 변형부재의 이완 및 수축 변형 시, 상기 변형부재를 가이드하는 가이드부를 포함할 수 있다.

상기 장착부는 상기 방열부에 나사 체결되도록 외주면 상에 나사산이 형성될 수 있다.

상기 가이드부는 외주면 둘레를 따라 설정각도로 적어도 하나 이상의 개구홀이 형성될 수 있다.

상기 장착캡은 상기 장착부와 가이드부 사이에서 상기 방열부를 통과하는 작동유체가 외부로 누출되는 것을 방지하기 위한 시일링이 장착될 수 있다.

상기 방열부는 각 작동유체의 유동을 대향류(counterflow, 對向流) 시켜 상호 열교환시킬 수 있다.

상기 방열부는 복수개의 플레이트가 적층되는 플레이트형으로 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기에 의하면, 작동유체가 내부에서 상호 열교환을 통한 온도 조절 시, 차량의 주행상태나 초기 시동 조건에 따라 유입되는 작동유체의 온도를 이용해 작동유체의 웜업 기능과 냉각기능을 동시에 수행함으로써, 작동유체의 온도 조절을 효율적으로 수행할 수 있다.

또한, 형상기억합금 소재가 적용된 변형부재를 적용한 간단한 구조의 밸브유닛을 이용해 유입된 작동유체의 온도에 따라 작동유체를 선택적으로 유동시킴으로써, 작동유체의 유동을 정확하게 제어할 수 있으며, 종래 왁스 팽창식 밸브에 비해 구성요소를 간소화하여 제작원가를 절감하는 동시에, 중량을 저감시킬 수 있다.

그리고 작동유체의 온도에 따른 밸브 개폐작동의 응답성을 향상시킬 수 있다.

또한, 차량의 상태에 따라 작동유체의 온도 조절이 가능함으로써, 차량의 연비 개선, 및 난방성능을 향상시킬 수 있고, 냉각수가 유입되는 하나의 열교환기를 통해 2개의 작동유체를 냉각수와 각각 상호 열교환시킬 수 있어 구성 및 전체 패키지를 간소화하여 조립공수를 줄일 수 있다.

또한, 종래 별도로 설치되던 분기회로를 제거하고 일체형으로 형성함으로써, 제작원가 절감 및 작업성을 향상시킬 수 있고, 협소한 엔진룸 내부에서 공간 활용성을 높이고, 연결호스들의 레이아웃을 간소할 수 있다.

또한, 열교환 대상인 작동유체 중, 자동변속기 오일이 포함될 경우 냉시동 시에 마찰 저감을 위한 웜업 기능과, 주행 시 슬립 방지 및 내구 유지를 위한 냉각기능의 동시 수행이 가능하여 연비 및 변속기 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한, 냉각수를 이용해 수냉식으로 자동변속기 오일과 엔진오일을 웜업 또는 냉각시킬 수 있어 공랭식 열교환기에 비해 열교환 효율을 향상시켜 차량 냉방 시스템의 전체적인 냉방성능과 난방성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기가 적용되는 자동변속기 냉각시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기의 부분 절개 사시도이다.
도 4는 도 2의 A-A 선에 따른 단면도이다.
도 5는 도 2의 B-B 선에 따른 단면도이다.
도 6은 도 2의 C-C 선에 따른 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기에서 각 연결유로의 배치관계를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열교환기에서 각 연결유로의 배치관계를 나타낸 도면이다.
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기에 적용되는 밸브유닛의 사시도이다.
도 10는 본 발명의 실시예에 따른 밸브유닛의 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 밸브유닛의 작동 상태도이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기의 사용 상태도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기가 적용되는 자동변속기 냉각시스템의 구성도이고, 도 2와 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기의 사시도 및 부분 절개 사시도이며, 도 4는 도 2의 A-A 선에 따른 단면도이고, 도 5는 도 2의 B-B 선에 따른 단면도이며, 도 6은 도 2의 C-C 선에 따른 단면도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기에서 각 연결유로의 배치관계를 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기(100)는 차량의 자동변속기 냉각 시스템에 적용된다.

상기한 자동변속기 냉각 시스템은 기본적으로, 도 1에서 도시한 바와 같이, 워터펌프(10)를 통해 냉각팬(21)이 장착된 라디에이터(20)를 통과하면서 냉각된 냉각수가 엔진(50)을 냉각시키는 냉각라인(Cooling Line : 이하 ‘C.L’이라 함)이 구비되고, 이 냉각라인(C.L) 상에는 미도시된 차량 난방시스템과 연결되는 히터 코어(30)를 포함하여 구성된다.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기(100)는 각각의 작동유체가 내부에서 상호 열교환을 통한 온도 조절 시, 차량의 주행상태나 초기 시동 조건에 따라 유입되는 작동유체의 온도에 따라 작동유체의 웜업기능과 냉각기능을 동시에 수행할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기(100)는 상기 워터펌프(10)와 히터코어(30) 사이에 구비되며, 자동변속기(40)와 엔진(50)에 오일이 유동하는 오일라인(Oil Line : 이하, ‘O.L’이라 함)인 제1, 제2 오일라인(O.L1, O.L2)을 통해 각각 상호 연결된다.

즉, 본 실시예에서, 상기 각 작동유체는 라디에이터(20)로부터 유입되는 냉각수와, 자동변속기(40)로부터 유입되는 변속기오일과, 엔진(50)으로부터 유입되는 엔진오일로 구성되며, 상기 열교환기(100)를 통해 변속기오일과 엔진오일을 냉각수와 상호 열교환시켜 변속기오일 및 엔진오일의 온도를 조절하게 된다.

이러한 열교환기(100)는 도 2 내지 도 6에서 도시한 바와 같이, 크게 방열부(110), 분기부(120), 및 밸브유닛(130)을 포함하여 구성되며, 이를 각 구성별로 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 방열부(110)는 다수개의 플레이트(112)가 적층되어 내부에 순차적으로 각기 다른 연결유로(114)를 교번되게 형성한다.

상기 각각의 연결유로(114)에는 각기 다른 작동유체인 냉각수, 변속기오일, 및 엔진오일이 각각 유입되어 상기 각 연결유로(114)를 통과하면서 상호 열교환이 이루어진다.

여기서, 상기 방열부(110)는 냉각수와 변속기오일의 유동을 대향류(counterflow, 對向流) 시켜 상호 열교환시키게 된다.

이와 같이 구성되는 상기 방열부(110)는 복수개의 플레이트(112)가 적층되는 플레이트형(또는, ‘판형’이라고도 함)으로 형성될 수 있다.

그리고 상기 분기부(120)는 상기 방열부(110)에서 각 작동유체를 각각 유입 및 배출시키도록 형성된 복수의 유입홀(116)과 배출홀(118) 중 어느 하나의 유입홀(116)과 배출홀(118)을 상호 연결한다.

이러한 분기부(120)는 유입된 작동유체의 온도에 따라 작동하는 밸브유닛(130)에 의해 작동유체를 바이패스시키게 된다.

본 실시예에서, 상기 각 유입홀(116)은 방열부(110)의 길이방향으로 일면 양측에 각각 형성되는 제1, 제2, 제3 유입홀(116a, 116b, 116c)로 구성된다.

그리고 상기 각 배출홀(118)은 상기 제1, 제2, 제3 유입홀(116a, 116b, 116c)에 대응하여 상기 방열부(110)의 길이방향으로 양측에서 상기 제1, 제2, 제3 유입홀(116a, 116b, 116c)과 각각 이격되게 형성된다.

이러한 각 배출홀(118)은 상기 방열부(110)의 내부에서 각각의 연결유로(114)를 통해 상호 연결되는 제1, 제2, 제3 배출홀(118a, 118b, 118c)을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 유입홀(116a)과 제1 배출홀(118a)은 상기 방열부(110)의 일면에서 대각선 방향으로 각 모서리부에 형성된다.

본 실시예에서, 상기 제2 유입홀(116b)과 제2 배출홀(118b)은 상기 방열부(110)의 일면에서 대각선 방향으로 각 모서리부에 형성되며, 상기 제1 유입홀(116a)과 제1 배출홀(118a)에 서로 대향되게 형성된다.

그리고 상기 제3 유입홀(116c)과 제3 배출홀(118c)은 상기 방열부(110)의 일면에서 상기 제2 유입홀(116b)과 제2 배출홀(118b)에 각각 이격된 위치에 대각선 방향으로 형성되며, 상기 제1 유입홀(116a)과 제1 배출홀(118a)에 서로 대향되게 형성된다.

한편, 상기 분기부(120)는 상기 제1 유입홀(116a)과 제1 배출홀(118a)의 사이를 상호 연결하며, 상기 방열부(110)의 일면으로 돌출되게 형성된다.

본 실시예에서, 상기 냉각수는 제1 유입홀(116a)과 제1 배출홀(118a)을 통해 순환되고, 상기 변속기오일은 제2 유입홀(116b)과 제2 배출홀(118b)을 통해 순환되며, 상기 엔진오일은 제3 유입홀(116c)과 제3 배출홀(118c)을 통해 순환된다.

이와 같이 구성되는, 상기 제1, 제2, 제3 유입홀(116a, 116b, 116c)과 제1, 제2, 제3 배출홀(118a, 118b, 118c)에는 각각 연결포트(P)가 장착될 수 있으며, 상기 연결포트(P)에 연결호스 또는 연결배관 등을 통해 상기 라디에이터(20)와 자동변속기(40), 및 엔진(50)에 각각 연결될 수 있다.

한편, 본 실시예에서 제2, 제3 유입홀(116b, 116c)과 제2, 제3 배출홀(118b, 118c)에 장착되는 연결포트는 미도시 하였다.

본 실시예에서, 상기 각 연결유로(114)는, 도 7에서 도시한 바와 같이, 제1, 제2, 제3 연결유로(114a, 114b, 114c)로 구분되며, 하기에서 이를 더욱 상세히 설명한다.

먼저, 상기 제1 연결유로(114a)는 상기 방열부(110)의 내부에서 상기 제1 유입홀(114a)을 통해 냉각수가 유입되어 이동하게 된다.

본 실시예에서, 상기 제2 연결유로(114b)는 상기 제1 연결유로(114a)의 하부에 위치되며, 상기 제2 유입홀(116b)을 통해 유입되는 변속기오일이 이동하게 된다.

그리고 상기 제3 연결유로(114c)는 상기 제1 연결유로(114a)의 상부에 위치되며, 상기 제3 유입홀(116c)을 통해 유입되는 엔진오일이 이동하게 된다.

여기서, 상기 제1, 제2, 및 제3 연결유로(114a, 114b, 114c)는 상기 제1 연결유로(114a)의 상부에 배치되는 제2 연결유로(114b)와, 하부에 배치되는 제3 연결유로(114c)로 구성된 3개의 각 연결유로(114)를 1 셋트로 하여 다수개의 셋트로 형성될 수 있다.

즉, 상기 각 연결유로(114)는 냉각수가 이동하는 제1 연결유로(114a)를 중심으로 상, 하부에 각각 제2, 제3 연결유로(114b, 114c)가 구성된 셋트가 방열부(110)의 내부에 다수개가 구비되어 냉각수와 변속기오일, 엔진오일을 상호 열교환시키게 된다.

이에 따라, 차량의 초기 시동 및 아이들 시, 변속기오일의 온도를 상승시켜야 할 경우, 온도상승이 빠른 냉각수와 엔진오일이 유동하는 제1, 제3 연결유로(114a, 114c)의 사이에 구성되는 제2 연결유로(114b)를 통해 변속기오일의 온도를 빠르게 상승시킬 수 있게 된다.

여기서, 상기 분기부(120)는 상기 제1 유입홀(116a)과 제1 배출홀(118b)에 근접한 위치에서 상기 제1 연결유로(114a)와는 별도로 상기 제1 유입홀(116a)로 유입된 냉각수를 상기 제1 배출홀(118a)로 바로 배출시키도록 별도의 바이패스 유로(122)를 형성하게 된다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열교환기에서 각 연결유로의 배치관계를 도 8을 통해 설명한다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열교환기에서 각 연결유로의 배치관계를 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 각 연결유로(214)는 냉각수가 이동되며, 상기 방열부(110)의 내부에서 교번적으로 형성되는 제1 연결유로(214a)와, 상기 각 제1 연결유로(214a)의 사이에서 변속기오일이 이동하는 제2 연결유로(214b)와 엔진오일이 이동하는 제3 연결유로(214c)가 교차되게 형성될 수 있다.

즉, 상기 제2 연결유로(214b)와 제3 연결유로(214c)는 상기 방열부(110)의 내부에서 교대로 형성되는 제1 연결유로(214a)의 사이에 교차되게 배치됨으로써, 제1 연결유로(214a)를 통과하는 냉각수와 변속기오일 및 엔진오일을 상호 열교환시키게 된다.

이에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량용 열교환기(100)는 차량의 주행상태에 따라 변속기오일과 엔진오일의 냉각이 필요할 경우, 냉각수가 변속기오일과 엔진오일의 상하부로 유동하면서 열교환이 이루어져 냉각성능이 향상된다.

그리고 상기 밸브유닛(130)은 상기 분기부(120)가 형성되는 제1 유입홀(116a)에 대응하여 방열부(110)에 장착되며, 유입된 작동유체인 냉각수의 온도에 따라 상기 방열부(110)의 내부로 냉각수를 유입시키거나, 상기 분기부(120)가 형성하는 바이패스 유로(122)로 냉각수를 유입시킨다.

이러한 기능을 하는 밸브유닛(130)을 도 9와 도 10을 참조하여 하기에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 9와 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기에 적용되는 밸브유닛의 사시도 및 분해 사시도이다.

도면을 참조하면, 상기 밸브유닛(130)은 장착캡(132)과 변형부재(138)를 포함하며, 이를 각 구성별로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 장착캡(132)은 상기 제1 유입홀(116a)에 대응하여 방열부(110)의 타면에 고정 장착된다.

여기서, 상기 장착캡(132)은 상기 방열부(110)에 고정 장착되는 장착부(134)와, 상기 장착부(134)로부터 연장 형성되며, 내부에 상기 변형부재(138)가 삽입되어 변형부재(138)의 이완 및 수축 변형 시, 변형부재(138)를 가이드하는 가이드부(136)로 구성된다.

여기서, 상기 장착부(134)는 상기 방열부(110)의 내주면에 나사 체결되도록 외주면에 나사산(N)이 형성되며, 상기 나사산(N)에 대응하여 제1 유입홀(116a)에 대응하는 방열부(110)의 타면 일측에는 그 내주면이 탭 가공될 수 있다.

그리고 상기 가이드부(136)는 외주면 둘레를 따라 설정각도로 적어도 하나 이상의 개구홀(137)이 형성된다. 이러한 각 개구홀(137)은 이완 변형된 변형부재(138)로 유입된 냉각수가 방열부(110)의 제1 연결유로(114a)로 원활하게 유입시키는 기능을 하게 된다.

한편, 본 실시예에서, 상기 장착캡(132)은 장착부(134)와 가이드부(136) 사이에서 상기 방열부(110)를 통과하는 작동유체인 냉각수가 외부로 누출되는 것을 방지하기 위한 시일링(146)이 장착된다.

즉, 상기 시일링(146)은 작동유체가 방열부(110)에 체결된 장착부(134)의 나사산(N)을 따라 외부로 누출되는 것을 방지하도록 방열부(110)의 내주면과 장착부(134)의 외주면 사이를 시일하게 되는 것이다.

그리고 상기 변형부재(138)는 상기 장착캡(132)의 가이드부(136)에 삽입되며, 상기 제1 유입홀(116a)로 유입된 냉각수의 온도에 따라 이완과 수축이 이루어진다.

이러한 변형부재(138)는 그 재질이 작동유체의 온도에 따라 이완 및 수축 변형되는 형상기억합금 소재로 이루어질 수 있다.

여기서, 형상기억합금(Shape Memory Alloy : SMA)은 일정한 온도에서 기억된 형상이 보다 높거나 낮은 온도에서 변형되더라도 다시 형상회복온도까지 냉각하거나 가열하면 원래의 형상으로 복원되는 성질을 갖는 합금이다.

이와 같은 형상기억합금 소재로 이루어지는 변형부재(138)는 고정부(142)와 변경부(144)로 이루어지며, 이를 하기에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 상기 고정부(142)는 길이방향으로 양단부의 설정부분이 온도에 따라 변형되지 않도록 고정되며, 본 실시예에서는 용접을 통해 고정될 수 있다.

그리고 상기 변형부(144)는 상기 고정부(142)의 사이에서 작동유체의 온도에 따라 이완 및 수축 변형이 이루어지게 된다.

이러한 변형부재(138)는 원형의 코일 스프링 형상으로 상호 겹쳐져 접촉된 상태로 형성될 수 있다.

이와 같이 구성되는 상기 변형부재(138)는 상호 겹쳐져 접촉된 상태로, 상기 장착캡(132)의 가이드부(136) 내부로 삽입되며, 상기 제1 유입홀(116a)을 통해 유입되는 작동유체인 냉각수의 수온에 따라 변형되어 제1 연결유로(114a)를 선택적으로 개폐하게 된다.

이러한 밸브유닛(130)의 작동을 도 11을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기에 적용되는 밸브유닛의 작동 상태도이다.

즉, 상기 밸브유닛(130)은, 도 10에서 도시한 바와 같이, 설정온도를 갖는 작동유체가 유입되면, 상기 변형부재(138)의 변형부(144)가 이완되면서 변형이 이루어지게 된다.

이에 따라, 상기 변형부재(138)의 변형부(144)는 상호 겹쳐져 접촉된 상태에서 서로 벌어져 각각의 공간(Space : 이하 “S”라 함)을 형성하게 되며, 이 공간(S)들 사이로 작동유체가 유동되는 것이다.

여기서, 상기 각 고정부(142)는 용접에 의해 고정됨으로써, 이완되지 않은 상태를 유지하게 된다.

반대로, 설정온도 이하의 작동유체가 상기 제1 유입홀(110)로 유입되면, 상기 변형부재(138)는, 다시 도 9와 같이, 초기상태로 상기 변형부(144)가 수축 변형되어 상호 겹쳐져 접촉됨으로써, 공간(S)이 폐쇄된 상태를 유지하게 된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기(100)의 작동 및 작용을 상세히 설명한다.

도 12 내지 도 14은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기의 단계별 작동 상태도이다.

먼저, 상기 제1 유입홀(116a)을 통해 냉각수가 유입될 경우, 냉각수의 수온이 설정수온보다 낮으면, 도 12에서 도시한 바와 같이, 상기 밸브유닛(130)의 변형부재(138)가 변형되지 않고 초기 장착 상태를 유지하게 된다.

그러면, 유입된 냉각수는 상기 방열부(110)의 제1 연결유로(116a)로 유입되지 않고, 상기 분기부(120)가 형성하는 바이패스 유로(122)를 통해 유동되어 제1 배출홀(118a)로 바로 바이패스 되어 배출된다.

이에 따라, 냉각수는 방열부(110)의 제1 연결유로(114a)로 유입되는 것이 방지된다.

그러면, 변속기오일과 엔진오일은 상기 제2, 제3 유입홀(116b, 116c)을 통해 유입되어 방열부(110)의 제2, 제3 연결유로(114b, 114c)를 각각 통과하게 되지만, 제1 연결유로(114a)로 냉각수가 유입되지 않아 냉각수와의 상호 열교환이 방지된다.

즉, 상기 바이패스 유로(122)는 차량의 주행 상태나 아이들 모드, 또는 초기 시동과 같이 차량의 상태나 모드에 따라 변속기오일의 웜업이 필요할 경우, 저온상태의 냉각수가 제1 연결유로(114a)로 유입되는 것을 방지하도록 밸브유닛(130)에 의해 바이패스시킴으로써, 변속기오일과 엔진오일이 냉각수와 열교환을 통해 온도가 저하되는 것을 방지하게 된다.

따라서, 변속기오일과 엔진오일은 웜업된 상태로, 자동변속기(40)와 엔진(50)에 공급됨에 따라, 신속하게 웜업될 수 있으며, 차량의 난방성능을 향상시킬 수 있다.

반대로, 냉각수의 수온이 설정수온보다 높을 경우에는, 도 13에서 도시한 바와 같이, 상기 밸브유닛(130)의 변형부재(138)가 이완 변형되어 변형부(144)의 사이사이에 공간(S)을 형성하게 된다.

그러면, 상기 각 공간(S)을 통해 상기 제1 유입홀(116a)을 통해 유입된 냉각수는 바이패스 유로(122)와 함께, 상기 제1 연결유로(114a)로 유입되고, 상기 제1 배출홀(118a)을 통해 배출된다.

이에 따라, 냉각수는 방열부(110)의 제1 연결유로(114a)를 통과하게 된다.

따라서, 상기 제2 유입홀(116b)과 제3 유입홀(116c)을 통해 자동변속기(40)와 엔진(50)으로부터 각각 유입되어 제2, 제3 연결유로(114b, 114c)를 각각 통과하는 엔진오일과 변속기오일은 제1 연결유로(114a)를 통과하는 냉각수와 방열부(110) 내부에서 상호 열교환되어 그 온도가 조절된다.

여기서, 변속기오일과 엔진오일은, 도 14에서 도시한 바와 같이, 상기 제2 유입홀(116b)과 제3 유입홀(116c)을 통해 각각 유입된다.

이러한 변속기오일과 엔진오일은 상기 방열부(110)의 내부에서 제1 연결유로(114a)를 사이에 두고, 상, 하부에 각각 형성된 상기 제2, 제3 연결유로(114b, 114c)를 각각 통과하여 제2 배출홀(118b)과 제3 배출홀(118c)을 통해 각각 배출되어 자동변속기(40)와 엔진(50)으로 순환된다.

이 때, 냉각수의 수온에 따라 작동하는 상기 밸브유닛(130)에 의해 냉각수는 제1 연결유로(114a)로 선택적으로 유입되며, 제2, 제3 연결유로(114b, 114c)를 통과하는 변속기오일, 및 엔진오일과 상호 열교환이 이루어지게 된다.

여기서, 냉각수와 변속기오일은 상기 방열부(110)의 내부에서 반대방향으로 유동되면서 상호 열교환되며, 냉각수와 엔진오일도 반대방향으로 유동되어 상호 열교환된다.

이에 따라, 변속기오일과 엔진오일은 냉각수와 보다 효율적으로 열교환이 이루어진다.

따라서, 차량의 주행 시, 토크 컨버터의 작동으로 인해 발생되는 유체 마찰로 발열되어 냉각이 필요한 변속기오일과, 엔진(50)의 작동으로 온도가 상승된 엔진오일은 상기 방열부(110)에서 냉각수와의 상호 열교환을 통해 냉각된 상태로 자동변속기(40)와 엔진(50)으로 각각 공급된다.

즉, 상기 열교환기(100)는 차량의 주행 시, 엔진(17)과 고속으로 회전되는 자동변속기(40)로 냉각된 엔진오일과 변속기오일을 공급함으로써, 자동변속기(40)의 슬립 발생을 방지하고, 엔진(50)의 노킹(Knocking) 및 산패(rancidity, 酸敗) 현상 발생을 방지하게 된다.

또한, 차량의 시동 후, 중고속 운행 시에는 온도 상승이 빠른 냉각수로 상기 방열부(110)에서 열교환을 통해 엔진오일과 변속기오일의 온도를 상승시켜 자동변속기(40)와 엔진(50)으로 공급함으로써, 자동변속기(40)와 엔진(50)에 마찰손실을 저감시켜 연비를 상승시킬 수 있게 된다.

따라서, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기(100)를 적용하면, 작동유체가 내부에서 상호 열교환을 통한 온도 조절 시, 차량의 주행상태나 초기 시동 조건에 따라 유입되는 작동유체의 온도를 이용해 작동유체의 웜업 기능과 냉각기능을 동시에 수행함으로써, 작동유체의 온도 조절을 효율적으로 수행할 수 있다.

또한, 형상기억합금 소재가 적용된 변형부재(138)를 적용한 간단한 구조의 밸브유닛(130)을 이용해 유입된 작동유체의 온도에 따라 작동유체를 선택적으로 유동시킴으로써, 작동유체의 유동을 정확하게 제어할 수 있으며, 종래 왁스 팽창식 밸브에 비해 구성요소를 간소화하여 제작원가를 절감하는 동시에, 중량을 저감시킬 수 있다.

또한, 차량의 상태에 따라 작동유체의 온도 조절이 가능함으로써, 차량의 연비 개선, 및 난방성능을 향상시킬 수 있고, 냉각수가 유입되는 하나의 열교환기를 통해 2개의 작동유체인 변속기오일과 엔진오일을 냉각수와 각각 상호 열교환시킬 수 있어 구성 및 전체 패키지를 간소화하여 조립공수를 줄일 수 있다.

또한, 종래 별도로 설치되던 분기회로를 제거하고 분기부(120)를 일체로 형성함으로써, 제작원가 절감 및 작업성을 향상시킬 수 있고, 협소한 엔진룸 내부에서 공간 활용성을 높이고, 연결호스들의 레이아웃을 간소할 수 있다.

또한, 열교환 대상인 작동유체 중, 변속기오일이 포함될 경우 냉시동 시에 마찰 저감을 위한 웜업 기능과, 주행 시 슬립 방지 및 내구 유지를 위한 냉각기능의 동시 수행이 가능하여 연비 및 변속기 내구성을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기(100)를 설명함에 있어, 각 작동유체가 냉각수와 변속기오일로 이루어지는 것을 일 실시예로 하여 설명하고 있으나, 이에 한정된 것은 아니며, 열교환을 통해 냉각 또는 온도 상승이 필요한 작동유체에는 모두 적용이 가능하다.

그리고 본 발명이 실시예에 따른 차량용 열교환기를 설명하는데 있어, 도면 상에는 다수개의 플레이트(112)가 단순히 적층되어 구성되는 것을 일 실시예로 하여 설명하고 있으나, 이에 한정된 것은 아니며, 열교환기의 장착을 고려하여 일면과 타면에 각각 타 부품과의 접촉에 의한 파손을 방지하거나, 타 부품 또는 엔진룸 내부에 고정시키기 위한 커버, 브라켓 등이 장착될 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 워터펌프 20 : 라디에이터
21 : 냉각팬 30 : 히터 코어
40 : 자동변속기 50 : 엔진
100 : 열교환기 110 : 방열부
112 : 플레이트 114 : 연결유로
114a, 114b, 114c : 제1, 제2 제3 연결유로 116 : 유입홀
116a, 116b, 118c : 제1, 제2, 제3 유입홀 118 : 배출홀
118a, 118b : 제1, 제2 배출홀, 제3 배출홀 120 : 분기부
122 : 바이패스 유로 130 : 밸브유닛
132 : 장착캡 134 : 장착부
136 : 가이드부 137 : 개구홀
138 : 변형부재 140 : 리브
142 : 고정부 144 : 변형부
146 : 시일링 P : 연결포트
214a, 214b, 214c : 제1, 제2 제3 연결유로

Claims

다수개의 플레이트가 적층되어 내부에 순차적으로 각기 다른 연결유로를 교번되게 형성하고, 각기 다른 작동유체가 각각 유입되어 내부에서 상호 열교환이 이루어지는 방열부;
상기 방열부에서 각 작동유체를 각각 유입 및 배출시키도록 형성된 복수의 유입홀과 배출홀 중 어느 하나의 유입홀과 배출홀을 상호 연결하며, 유입된 작동유체의 온도에 따라 작동유체를 바이패스시키는 분기부; 및
상기 분기부를 형성하는 유입홀에 장착되어 유입된 작동유체의 온도에 따라 상기 방열부와 분기부에 선택적으로 작동유체를 유입시키는 밸브유닛;
을 포함하는 차량용 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 각 유입홀은 상기 방열부의 길이방향으로 일면 양측에 각각 형성되는 제1, 제2, 및 제3 유입홀을 포함하며,
상기 각 배출홀은 상기 제1, 제2, 및 제3 유입홀에 대응하여 상기 방열부의 길이방향으로 양측에서 상기 제1, 제2, 및 제3 유입홀과 각각 이격되게 형성되며, 상기 방열부의 내부에서 각각의 연결유로를 상호 연결되는 제1, 제2, 제3 배출홀을 포함하는 차량용 열교환기.
제2항에 있어서,
상기 분기부는
상기 제1 유입홀과 제1 배출홀의 사이를 상호 연결하며, 상기 방열부의 일면으로 돌출되게 형성되는 차량용 열교환기.
제2항에 있어서,
상기 제1 유입홀과 제1 배출홀은
상기 방열부의 일면에서 대각선 방향으로 각 모서리부에 형성되는 차량용 열교환기.
제2항에 있어서,
상기 제2 유입홀과 제2 배출홀은
상기 방열부의 일면에서 대각선 방향으로 각 모서리부에 형성되며, 상기 제1 유입홀과 제1 배출홀에 서로 대향되게 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 열교환기.
제2항에 있어서,
상기 제3 유입홀과 제3 배출홀은
상기 방열부의 일면에서 상기 제2 유입홀과 제2 배출홀과 각각 이격된 위치에 대각선 방향으로 형성되며, 상기 제1 유입홀과 제1 배출홀에 서로 대향되게 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 열교환기.
제2항에 있어서,
상기 각 작동유체는
라디에이터로부터 유입되는 냉각수와, 자동변속기로부터 유입되는 변속기오일과, 엔진으로부터 유입되는 엔진오일로 구성되는 차량용 열교환기.
제7항에 있어서,
상기 냉각수는 제1 유입홀과 제1 배출홀을 통해 순환되고, 상기 변속기오일은 제2 유입홀과 제2 배출홀을 통해 순환되며, 상기 엔진오일은 제3 유입홀과 제3 배출홀을 통해 순환되고,
상기 각 연결유로는
상기 방열부의 내부에서 상기 제1 유입홀을 통해 냉각수가 유입되어 이동하는 제1 연결유로와, 상기 제1 연결유로의 하부에 위치되며 상기 제2 유입홀을 통해 유입되는 변속기오일이 이동하는 제2 연결유로와, 상기 제1 연결유로의 상부에 위치되며, 상기 제3 유입홀을 통해 유입되는 엔진오일이 이동하는 제3 연결유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 열교환기.
제8항에 있어서,
상기 제1, 제2, 및 제3 연결유로는
상기 제1 연결유로를 중심으로 상부에 배치되는 제2 연결유로와, 하부에 배치되는 제3 연결유로로 구성된 3개의 각 연결유로를 1 셋트로 하여 다수개의 셋트가 구비되어 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 열교환기.
제8항에 있어서,
상기 제1 연결유로는 상기 방열부의 내부에서 교번적으로 형성되며,
상기 제2 연결유로와 제3 연결유로는
상기 각 제1 연결유로를 사이에 두고, 상호 교차되게 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 열교환기.
제8항에 있어서,
상기 분기부는
상기 제1 유입홀과 제1 배출홀에 근접한 위치에서 상기 제1 연결유로와는 별도로 상기 제1 유입홀로 유입된 냉각수를 상기 제1 배출홀로 바로 배출시키도록 별도의 바이패스 유로를 형성하는 차량용 열교환기.
제2항에 있어서,
상기 밸브유닛은
상기 제1 유입홀에 대응하여 상기 방열부의 타면에 고정 장착되는 장착캡; 및
상기 장착캡에 삽입되며, 상기 작동유체의 온도에 따라 이완과 수축이 이루어지는 변형부재;
를 포함하는 차량용 열교환기.
제12항에 있어서,
상기 변형부재는
그 재질이 작동유체의 온도에 따라 이완 및 수축 변형되는 형상기억합금 소재인 차량용 열교환기.
제12항에 있어서,
상기 변형부재는
길이방향으로 양단부의 설정부분이 온도에 따라 변형되지 않도록 고정되는 고정부; 및
상기 각 고정부의 사이에서 작동유체의 온도에 따라 이완 및 수축 변형이 이루어지는 변형부;
를 포함하는 차량용 열교환기
제12항에 있어서,
상기 변형부재는
원형의 코일 스프링 형상으로 상호 겹쳐져 접촉된 상태로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 열교환기.
제12항에 있어서,
상기 장착캡은
상기 방열부에 고정 장착되는 장착부; 및
상기 장착부로부터 연장 형성되며, 내부에 상기 변형부재가 삽입되어 상기 변형부재의 이완 및 수축 변형 시, 상기 변형부재를 가이드하는 가이드부;
를 포함하는 차량용 열교환기.
제16항에 있어서,
상기 장착부는
상기 방열부에 나사 체결되도록 외주면 상에 나사산이 형성되는 차량용 열교환기
제16항에 있어서,
상기 가이드부는
외주면 둘레를 따라 설정각도로 적어도 하나 이상의 개구홀이 형성되는 차량용 열교환기.
제16항에 있어서,
상기 장착캡은
상기 장착부와 가이드부 사이에서 상기 방열부를 통과하는 작동유체가 외부로 누출되는 것을 방지하기 위한 시일링이 장착되는 차량용 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 방열부는
각 작동유체의 유동을 대향류(counterflow, 對向流) 시켜 상호 열교환시키는 차량용 열교환기.
제1항에 있어서,
상기 방열부는
복수개의 플레이트가 적층되는 플레이트형으로 형성되는 차량용 열교환기.