KR20200058609A - 특히 차량 내연 기관의 오일-물 열교환기 - Google Patents

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마빈 라페
크리스토프 캅
칼 고틀
한스 레흐베르거
토비아스 헨트리히
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베바스토 에스이
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Abstract

본 발명은 특히 차량의 내연 기관에 연결하기 위한 오일-물 열교환기에 관한 것으로, 열교환기의 외측 및/또는 내부에 부가되는 적어도 하나의 전기 가열 코팅(13)을 포함한다.

Description

특히 차량 내연 기관의 오일-물 열교환기{OIL-WATER HEAT EXCHANGER, IN PARTICULAR FOR THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF A MOTOR VEHICLE}
본 발명은 청구항 1에 따른 오일-물 열교환기 및 청구항 11에 따른 오일-물 열교환기의 제조 방법에 관한 것이다.
예를 들면, EP 2 466 241 A1은 서로 적층되고 서로 납땜된 다중 트로프(trough) 엘리먼트를 갖는 오일-물 열교환기를 기술한다. 이러한 오일-물 열교환기는 일반적으로 내연 기관의 냉각 회로에 통합되며, 예를 들면 엔진 오일을 냉각시키는 데 사용될 수 있다.
추가의 오일-물 열교환기가 US 2015/0176913 A1에 제시되어 있다. 특정 실시예에서, 상기 문헌은 열교환기에서 서로 상호 작용하는 유체 중 하나를 가온(warming)시키기 위해 열교환기의 내부 공간에 전기 히터를 제안한다.
공지된 오일-물 열교환기의 경우, 기본적으로 이러한 예열은 전혀 불가능하거나 상대적으로 많은 지출과 비효율적인 방법으로만(특히 느리게) 가능하다는 단점이 있다. 특히, 엔진 오일이 작동 온도에 있지 않을 때 형성되는 오염물질의 감소는 개선이 필요하다고 간주된다.
종래기술과 관련하여, WO 2013/186106 A1 및 WO 2013/030048 A1에 대한 참조가 기본적으로 이루어진다. 상기 문헌은 전압이 인가될 때(또는 전류가 흐르는 경우) 가열되는 전기 가열 층을 갖는 히터를 기술한다.
따라서, 본 발명의 목적은 오염물질의 형성이 감소될 수 있도록 간단하면서 신뢰성있는 방식으로 오일-물 열교환기의 오일을 가온시키는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징에 의해 달성된다
특히, 상기 목적은 열교환기의 외측 및/또는 내부에 부가되는 적어도 하나의 전기 가열 코팅을 포함하는, 특히 내연 기관에 연결하기 위한 오일-물 열교환기에 의해 달성된다.
본 발명의 핵심 개념은 WO 2013/186106 A1 또는 WO 2013/030048 A1(전기 가열 코팅을 이하에서 "가열 코팅"으로 약칭 함)로부터 공지된 전기 가열 코팅을 오일-물 열교환기의 내부 또는 상부에 사용하는 것이다. 여기서, 놀랍게도 (예를 들면, 저전압 적용의 경우 - 특히 100V 미만 - 예를 들어 12 또는 24 또는 28 볼트의 경우) 만족스럽고 특히 급속한 오일의 가온(warming)이 구현될 수 있다는 것이 발견되었다. 별도의 히터(예를 들면, US 2015/0176913 A1에서 제안된 바와 같은)의 필요성이 제거된다. 이것은 생산 비용과 오일-물 열교환기의 구조 공간을 감소시킨다. 특히 저전압 적용(특히 100V 미만)에서는 상대적으로 저렴한 생산을 보장할 수 있으므로, 고전압 적용(예를 들면 WO 2013/186106 A1에 기술된 바와 같은)의 경우처럼 "정확성"이 필요하지 않다. 또한, 전기 가열 코팅의 차폐(외부에 대한 절연)는 아마도 현재의 사용 상황에서 완전히 생략될 수 있다.
일 실시예에서, 가열 코팅은 간접적으로, 특히 절연층을 통해, 오일-물 열교환기에 부가된다. 상기 유형의 절연층은 예를 들면 접착 프로모터(promoter) 층에 의해 형성되거나 상기 유형의 접착 프로모터 층에 의해 오일-물 열교환기에 부착될 수 있다. 절연층으로서는, 폴리머 재료 또는 세라믹 재료(예: Al2O3)를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 절연층은 바람직하게는 패시베이션, 특히 산화, 특히 (알루미늄 또는 알루미늄 합금의) 양극산화에 의해 제공된다. 하부 표면은 아마도 오일-물 열교환기의 하우징, 특히 커버가 될 수 있다. 전체적으로(특히 저전압 적용에서), 단순하면서 적절한 전기 절연이 제공된다. 대안적으로, 가열 코팅은 오일-물 교환기, 특히 오일-물 교환기의 하우징에 직접 부가될 수도 있다(예를 들면, 저전압 적용에서 및/또는 하부 표면이 전기적으로 도전성이 없거나 전기적으로 도전성이 불충분한 경우). 가열 코팅 및/또는 절연층은 바람직하게 (전체) 표면에 걸쳐 오일-물 열교환기에 부가된다. 가열 코팅 및/또는 절연층은 또한 (적어도 실질적으로) 일정한 층 두께를 가질 수 있다. 가열 코팅 및/또는 절연층은 오일-물 열교환기에 직접 부가될 수 있다. 가열 코팅 및/또는 절연층은 본질적으로 치수적으로 불안정한(또는 비자립적(non-self-supporting)) 설계일 수 있다. 가열 코팅(및 임의의 절연층)이 기재없이 형성될 수 있도록 기재가 생략될 수 있다. 필요할 수 있는 캐링(carrying) 및/또는 지지 구조는 오일-물 열교환기에 의해 제공될 수 있다. 가열 코팅은 기본적으로 유체 수용 볼륨의 표면, 특히 외부 및/또는 내부 표면에 응집적으로 연결될 수 있다.
가열 코팅은 특히 바람직하게는 저전압 범위, 바람직하게는 12 볼트, 24 볼트 또는 48 볼트에서의 작동을 위해 설계된다. 오일-물 열교환기의 상응하는 전기 및/또는 전자 컴포넌트는 바람직하게는 이러한 저전압 범위(12 볼트, 24 볼트 또는 48 볼트)를 위해 마찬가지로 설계된다. 특히, 저전압 범위에서의 적용의 경우, 효과적인 예열은 간단한 수단을 사용하여 시너지 효과를 실현할 수 있다. "저전압 범위"는 바람직하게는 100 V 미만, 특히 60 V(직류) 미만의 작동 전압을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
하나의 특정 실시예에서, 가열 코팅은 오일-물 열교환기의 열교환기 커버 상에 배치된다. 가열 코팅은 열교환기 커버의 외측(대안적으로 내측) 상에 배치(부가)될 수 있다. 특히, 저전압 적용의 경우, 커버의 외측(콘택팅과 관련하여 유리할 수 있음)의 배치의 경우에도, 오일-물 열교환기의 적절하게 안전한 사용이 (추가 보호 엘리먼트가 없는 경우에도) 가능하다. 전체적으로, 이러한 방식으로, 간단하면서도 신뢰성 있게 작동하는 구조가 제안된다.
다른 실시예에서, 가열 코팅은 연속적인(특히 비구조화된 및/또는 중단되지 않은) 층으로서 형성된다. 가열 코팅은 일반적으로 두 개의 상호 수직인 방향으로 적어도 1 cm, 바람직하게는 적어도 2 cm, 보다 바람직하게는 적어도 4 cm의 거리에 걸쳐 가열 코팅에 중단이 없는 적어도 하나의 섹션을 가질 수 있다. 예를 들면, 가열 코팅은 길이 및 폭이 각각의 경우 적어도 1 cm, 바람직하게는 적어도 2 cm, 보다 바람직하게는 적어도 4 cm인 적어도 하나의 직사각형 섹션을 포함할 수 있으며, 이 범위 내에는 가열 코팅 내에 중단 또는 가능한 다른 구조가 없다. 가열 코팅 내의 "중단(interruption)"은 예를 들면 상기 섹션이 (전체적으로) 재료 없이 유지되고 및/또는 절연체에 의해 (적어도 부분적으로) 충진되기 때문에 전류가 흐를 수 없는 섹션을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 가열 코팅은 (열적으로) 분사될 수 있다(최종 상태에서 비구조화되거나 구조화되어 있는지 여부에 관계없이). 이와 관련하여, 놀랍게도 이러한 간단한 형태의 가열 코팅조차도 오일의 적절한 가온을 실현할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
또 다른 실시예에서, 가열 코팅은 구조화된 층으로서 형성된다. 가열 코팅은 이 경우 바람직하게 마스킹 공정(바람직하게는 스탬핑될 수 있는 실리콘을 사용함)에 의해 구조화된다. 이러한 공지된 마스킹 공정은 만족스러운 구조화를 허용하고, 예를 들면 고전압 범위에서 특별히 사용되는 구조화를 위한 레이저법보다 덜 까다롭다. 따라서, 전체적으로, 마스킹 공정의 이점은 현재의 가열 코팅과 관련하여 시너지 효과가 있는 방식으로 이용된다.
전술된 절연층은 적어도 50 ㎛, 바람직하게는 적어도 200 ㎛ 및/또는 최대 1000 ㎛, 바람직하게는 최대 500 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
가열 코팅은 적어도 5 ㎛, 바람직하게는 적어도 10 ㎛ 및/또는 최대 1 ㎜, 바람직하게는 최대 500 ㎛, 보다 바람직하게는 최대 30 ㎛, 보다 더 바람직하게는 최대 20 ㎛의 높이(두께)를 가질 수 있다. 가열 코팅에 의해 형성된 도체 트랙은 적어도 1 mm, 바람직하게는 적어도 3 mm, 보다 바람직하게는 적어도 5 mm, 보다 더 바람직하게는 적어도 10 mm, 보다 더 바람직하게는 적어도 30 mm 폭이 될 수 있다. "폭"이라는 표현은 도체 트랙의 종방향 범위(통상적으로 전류 흐름의 방향을 정의함)에 수직인 도체 트랙의 범위를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
다른 실시예에서, 보호 커버, 예를 들면 실리콘 보호 층이 가열 코팅 상에 부가된다. 그러나, 대안적으로 가열 코팅이 오일-물 열교환기의 외측을 형성하는 것이 (특히 제조하기에 용이한 실시예에서) 가능하다.
특정 실시예에서, 오일-물 열교환기는 다수의 모듈, 특히 트로프 엘리먼트를 가지며, 더 바람직하게는 EP 2 466 241 A1에 기술된 바와 같이 설계될 수 있다. 오일-물 열교환기는 기본적으로 (본 발명에 따른 가열 코팅을 제외하고) EP 2 466 241 A1 또는 US 2015/0176913 A1에 기술된 바와 같이 설계될 수 있다. 이들 문헌의 개시는 인용에 의해 본출원에 원용된다. 다수의 모듈이 제공되는 경우, 적어도 하나의 가열 코팅이 두 모듈들 사이에 배치될 수 있다. 오일-물 열교환기가 다수의 트로프 엘리먼트를 포함하는 경우, 적어도 하나의 가열 코팅이 이들 트로프 엘리먼트 중 2 개 사이(트로프 엘리먼트 중 하나)에 배치(부가)될 수 있다. 이러한 방식으로, 예열(보조 가열)은 간단한 수단을 사용하여 더욱 개선될 수 있다. 일반적으로 추가 가열 코팅은 열교환기의 다른 표면에 부가될 수 있다.
오일-물 열교환기는 터뷸레이터(turbulator)를 구비할 수 있다. 이러한 경우, 터뷸레이터는 예를 들면 가열 코팅으로부터 5 cm 미만, 특히 2 cm 미만으로 형성될 수 있고 및/또는 가열 코팅을 구비할 수 있다. 이것은 또한 단순한 방식으로 유체의 가온을 개선할 수 있는 또 다른 가능성을 제공한다(특히 추가 컴포넌트의 제공없이). 여기서, 시너지 효과가 있는 방식으로, 발생된 와류(turbulence)로 인해 터뷸레이터의 영역에서 증가된 열 전달이 가능하다는 사실이 사용된다.
상기 목적은 또한 오일-물 열교환기를 제조하는 방법에 의해 달성되며, 상기 방법은, 특히 전술된 유형의 오일-물 열교환기를 제공하는 단계, 및 오일-물 열교환기에 전기 가열 코팅을 부가하는(직접 또는 간접적으로 오일-물 열교환기를 전기 가열 코팅으로 코팅하는) 단계를 포함한다. 전술된 두 단계들 사이에서, 오일-물 열교환기에 대한 절연층의 부가가 예를 들면 열교환기의, 예를 들면 하부 표면의 패시베이션(산화, 특히 양극산화)에 의해 수행될 수 있다(또는 오일-물 열교환기가 절연층으로 직접 또는 간접적으로 코팅될 수 있음), 전기 가열 코팅은 아마도 (열적으로) 분사될 수 있다. 적어도 오일-물 열교환기의 제조와 관련된 특징이 (오일-물 열교환기와 관련하여) 상기에서 보다 상세히 설명되는 경우, 이들 방법의 특징 또한 방법의 바람직한 실시예로서 제안된다.
상기 언급된 목적은 또한 전술된 유형의 또는 전술된 방법에 따라 제조된 오일-물 열교환기의 특히 차량 내연 기관의, 오일-물 열교환기로서의 용도를 통해 달성된다. 구체적으로, 오일-물 열교환기는 오일, 예를 들면 엔진 오일의 가온(예열 또는 보조 가온)을 위해 사용될 수 있다.
추가 실시예는 종속항으로부터 유래한다.
일반적으로, 절연층은 세라믹 재료 또는 폴리머 재료일 수 있거나 또는 세라믹 재료로서, 예를 들면 Al2O3가 사용되는 재료로 구성될 수 있다.
가열 층은 예를 들면 플라즈마 코팅 공정, 특히 플라즈마 분사로, 또는 스크린 프린팅 공정으로 또는 저항 페이스트로서, 특히 절연층에 부가될 수 있다. 플라즈마 코팅 공정에서, 예를 들면 전기적 도전 층이, 특히 절연층에 우선적으로 부가될 수 있다. 도체 트랙 또는 다수의 도체 트랙이 잔류하도록, 이후에 영역이 전기적 도전 층으로부터 절단될 수 있다. 그러나 마스킹 기술을 사용하는 것이 바람직하다. 도체 트랙은 가열 저항체 또는 다중 가열 저항체를 형성할 수 있다. 마스킹 기술에 대한 대안으로서, 언급된 영역들은 예를 들면 레이저에 의해 도전 층으로부터 절단될 수 있다. 가열 코팅은 예를 들면 금속 층일 수 있고 가능하게는 니켈 및/또는 크롬을 포함하거나, 상기 재료로 구성될 수 있다. 예를 들면, 70-90% 니켈 및 10-30% 크롬이 사용될 수 있으며, 80% 니켈 및 20% 크롬의 비율이 매우 적합하다고 간주된다.
가열 코팅은 예를 들면 적어도 5 ㎠, 바람직하게는 적어도 10 ㎠ 및/또는 최대 200 ㎠, 바람직하게는 최대 100 ㎠의 면적을 커버할 수 있다. 오일-물 열교환기는 바람직하게는 적어도 200 ㎤, 보다 바람직하게는 적어도 500 ㎤, 보다 더 바람직하게는 적어도 800 ㎤ 및/또는 최대 5000 ㎤, 바람직하게는 최대 2000 ㎤의 총 볼륨을 가질 수 있다. 예를 들면, 오일-물 열교환기는 15-25 ㎝ 길이 및/또는 8-12 ㎝ 폭 및/또는 3-7 ㎝ 높이(두께)일 수 있다.
오일-물 열교환기는 바람직하게 오일을 안내하기 위한 하나 이상의 제1 유체 채널, 및 물을 안내하기 위한 하나 이상의 제2 유체 채널을 갖는다.
전기 가열 코팅의 제어, 특히 폐-루프 제어를 위해, 2개의 중복(redundant) 스위치 장치가 있는 바이메탈 스위치가 제공될 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예에 기초하여 이하에서 설명될 것이며, 이는 도면에 기초하여 보다 상세히 논의될 것이다.
도 1은 제1 오일-물 열교환기의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 2는 오일-물 열교환기의 제2 실시예의 개략도를 도시한다.
도 3은 하부 표면 상의 전기 가열 코팅의 개략도이다.
다음의 설명에서, 동일한 참조 부호는 동일한 부분 및 동일한 작동의 부분에 사용된다.
도 1은 다중 (서로 납땜된) 트로프(trough) 엘리먼트(10), 베이스(11) 및 커버(12)를 갖는 오일-물 열교환기(예를 들면 EP 2 466 241 A1에 상세히 기술된 바와 같이 설계될 수 있음)를 개략도로 도시한다. 전기 가열 코팅(13)은 커버(12) 상에 배치된다.
도 2에 따른 다른 실시예에서, 두 개의 전기 가열 코팅(13)이 제공되는데, 구체적으로 한편으로는 베이스 (11) 상에 제공되고 다른 한편으로는 두 개의 트로프 엘리먼트(10) 사이에 제공된다. 예를 들어, 커버와 베이스 상에 또는 2개의 트로프들(10) 사이에서 열교환기의 내부에만 가열 코팅들이 배치되는 다른 실시예들이 상정된다.
도 3은 하부 표면, 구체적으로 (예를 들면) 커버(12) 상의 전기 가열 코팅의 개략도이다. 도 3에 따른 구조를 제조하기 위해, 커버(12)가 패시베이션 층으로 (산화 또는 양극산화에 의해) 먼저 제조된다. 그 다음, 전기 가열 코팅(13)은 예를 들면 (열적으로) 분사됨으로써 절연층(14)에 부가된다.
이 시점에서, 개별적으로 및 임의의 조합으로 전술된 모든 부분, 특히 도면에 도시된 세부 사항이 본 발명에 필수적인 것으로 청구될 수 있음이 지적된다. 이와 관련하여 수정은 당업자에게 익숙하다.
10 트로프 엘리먼트
11 베이스
12 커버
13 전기 가열 코팅
14 절연층

Claims (11)

  1. 차량의 내연 기관에 연결하기 위한, 오일-물 열교환기로서,
    열교환기의 외측 및/또는 내부에 부가되는 적어도 하나의 전기 가열 코팅(13)을 포함하는, 오일-물 열교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    가열 코팅(13)은 오일-물 열교환기에 직접 부가되거나 오일-물 열교환기에 절연층(14)을 통해 간접적으로 부가되고, 절연층(14)은 하부 표면의 패시베이션에 의해 또는 산화 또는 양극산화에 의해 제공되는, 오일-물 열교환기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    가열 코팅(13)은 저전압 범위 바람직하게, 12 볼트, 24 볼트 또는 48 볼트에서 작동하도록 설계되는, 오일-물 열교환기.
  4. 제1항에 있어서,
    가열 코팅(13)은 오일-물 열교환기의 열교환기 커버(12) 상에 배치되는, 오일-물 열교환기.
  5. 제1항에 있어서,
    가열 코팅(13)은 연속적으로 열적으로 분사된 층으로서 형성되는, 오일-물 열교환기.
  6. 제1항에 있어서,
    가열 코팅(13)은 구조화된 층으로서 형성되고, 가열 코팅(13)은 마스킹 공정에 의해 구조화되는, 오일-물 열교환기.
  7. 제1항에 있어서,
    가열 코팅(13)은 바람직하게는 적어도 5 ㎛, 바람직하게는 적어도 10 ㎛ 및/또는 최대 30 ㎛, 바람직하게는 최대 20 ㎛의 높이를 갖고, 및/또는 가열 코팅(13)에 의해 형성된 도체 트랙은 적어도 3mm, 바람직하게는 적어도 10mm, 보다 바람직하게는 적어도 30mm 폭인, 오일-물 열교환기.
  8. 제1항에 있어서,
    보호 코팅이 가열 코팅(13) 상에 부가되거나, 가열 코팅(13)이 오일-물 열교환기의 외측면을 형성하는 것을 특징으로 하는 오일-물 열교환기.
  9. 제1항에 있어서,
    오일-물 열교환기는 다수의 모듈들 특히, 다수의 트로프 엘리먼트들을 가지고, 적어도 하나의 가열 코팅(13)은 2개의 모듈들 특히, 트로프 엘리먼트들 사이에 배치되는, 오일-물 열교환기.
  10. 제1항에 있어서,
    전기 가열 코팅(13)을 갖는 터뷸레이터가 제공되는, 오일-물 열교환기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 오일-물 열교환기를 제조하기 위한 방법으로서,
    - 오일-물 열교환기를 제공하는 단계, 및
    - 오일-물 열교환기에 전기 가열 코팅(13)을 부가하는 단계를 포함하는, 오일-물 열교환기의 제조방법.
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