KR20220038129A - 열 교환기 및 다수의 열 교환기를 구비한 열 교환기 장치 - Google Patents

열 교환기 및 다수의 열 교환기를 구비한 열 교환기 장치 Download PDF

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KR20220038129A
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데이비드 로흐홀츠
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한온시스템 주식회사
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Abstract

열 교환기(10)는 전기 자동차의 배터리 모듈에 부착될 수 있는 적어도 하나의 플레이트(12)를 포함하고, 냉매의 증발을 위한 다수의, 적어도 부분적으로 평행한 채널들(14)이 상기 플레이트(12)에 대해 평행한 평면 내에 형성되고, 적어도 하나의 공통 입구(16) 및/또는 출구(22)로부터 분기된다.

Description

열 교환기 및 다수의 열 교환기를 구비한 열 교환기 장치
본 발명은 냉각 대상으로서 전기 자동차의 배터리 모듈에 부착될 수 있는 적어도 하나의 플레이트를 갖는 열 교환기, 및 다수의 열 교환기를 갖는 열 교환기 장치에 관한 것이다.
최근, 화석 연료의 소비를 줄이기 위해 전기 및 하이브리드 차량이 점점 대중화되고 있다. 그러나 이러한 차량의 축전지는 특정 작동 상황에서 냉각되어야 한다. 여기서 축전지의 개별 셀들 간 온도 차이는 가능한 한 낮게 유지되어야 된다. 또한, 냉각기 또는 이를 위해 제공된 열 교환기 내의 압력 손실은 가능한 한 낮게 유지되어야 한다. 동시에, 열 교환기의 전반적인 안정성을 염두에 두어야 한다.
냉매 및 냉각제용 열 교환기에서, 유동 안내를 최적화하기 위해, 덴트(dent) 또는 "딤플(dimple)"은 유동 안내 및 분배 요소로서 사용된다. 동시에, 이는 난류를 증가시켜 유체로부터 고체, 예를 들어 열 교환기 플레이트 또는 축전지 하우징으로의 열전달 계수를 증가시킨다. 냉매용 열 교환기에서, 또한 열 흡수가 냉매를 증발시키는데 특히 효과적이지만, 난류를 생성할 필요는 없음에 주목해야 한다. 그러나 이러한 접근법에서, 열 교환기는 여전히 열 전달 및 패킹 밀도 측면에서 최적화되어야 한다.
US 9,134,072 B는 2 개의 유체를 위해 제공되고 유동 채널이 다중 분기되어 서로 얽혀있는 열 교환기에 관한 것이다.
이러한 배경에서, 본 발명의 과제는 유체와 고체 사이의 열 전달을 위해 최적화된 열 교환기를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 열 교환기에 의해 해결된다.
결과적으로, 상기 열 교환기는 일반적으로 냉각될 대상, 예를 들어 축전지 또는 배터리에 부착될 수 있는 적어도 하나의 플레이트를 포함한다. 이하에서 부분적으로 냉각될 대상, 축전지 또는 배터리가 일반적으로 언급되지만, 본 발명에 따른 열 교환기는 특히 배터리 냉각기 및 냉매용 접촉 증발기로서 사용되도록 설계되고, 이와 관련해서 전반적으로, 그리고 바람직하게는 그 플레이트에 의해 전기 자동차의 배터리 모듈에 부착될 수 있다.
여기서, 냉매의 증발을 위한 다수의, 적어도 부분적으로 평행한 채널들이 플레이트에 대해 평행한 평면 내에 형성되고, 적어도 하나의 공통 입구 및/또는 출구로부터 분기된다. 플레이트에 대해 평행하게 형성한다는 것은 실질적으로, 채널의 단면도에서 볼 수 있는 적어도 하나의 경계가 플레이트 표면에 대해 평행하게 그리고 일반적으로 상기 플레이트 표면과 일치하도록 형성되는 것을 의미한다. 또한, 반대편 경계, 그에 따라 "플레이트 평면 위의 채널의 높이"는 모든 채널에 대해 동일한 평면에 놓일 수 있다. 그러나 이는 반드시 필요한 것은 아니다.
채널들은 임의의 분기 하류에서 일반적으로 (플레이트 평면에 대해 평행한 방향으로) 점점 좁아져서 균일한 유동 속도가 유지될 수 있다. 이는 채널들의 임의의 통합 하류에서 반대로 (넓어지게) 적용된다. 다수의 분기를 갖는 구조는 구불구불한 형태, 나무 형태 또는 정맥 형태라고 할 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명은 생체 공학의 기본 아이디어에 기초한다. 좁아짐 또는 넓어짐은 채널과 관련하여 유동 방향으로 분기 또는 통합 전 및 후에 적용된다. 이러한 채널들은 바람직하게는 일정한 단면적으로 연장된다.
또한, 채널들은 간단한 조치로, 필요한 압력을 견디며 전반적으로 낮은 압력 손실이 발생하도록 설계될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 열 교환기는 차량 에어컨에 사용되는 냉매에 상응하는 냉매의 증발을 위해 설계된다. 플레이트를 갖는 열 교환기의 설계로 인해, 열 교환기는 다양한 크기로 및/또는 모듈 방식으로 구성될 수 있으며, 간단한 수단으로 축전지의 다양한 구성에 그리고 냉각 용량, 허용 가능한 압력 손실 등의 요구 사항에 맞춰질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 열 교환기는 낮은 중량 및 높은 패킹 밀도를 실현한다. 끝으로, 본 발명에 따른 채널 구조의 다른 장점은 플레이트의 제조를 위해 적용되는 납땜 공정 동안 더 높은 공정 안정성에 있다.
본 발명에 따른 열 교환기의 바람직한 개선은 추가의 청구항들에 기재되어 있다.
특정 적용 예에서 각각의 채널이 한 번만 분기되는 것이 고려될 수 있지만, 분기에서 시작하는 적어도 하나의 채널이 다시 분기되는 것이 본 발명에 따른 열 교환기의 사용 가능성을 위해 바람직하다.
제 1 시뮬레이션에서, 적어도 하나의 분기에 2 개보다 많은, 특히 3 개 또는 4 개의 채널들이 제공되는 것이 바람직한 것으로 나타났다.
특히, 이러한 경우, 분기로부터 나오는 채널의 방향으로 유체 유동을 개선하기 위해, 적어도 하나의 분기에 적어도 하나의 유동 안내 요소를 제공하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.
이러한 유동 안내 요소는 분기될 유동 채널의 전체 높이에 걸쳐 연장되는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 여기서 유동 채널은 플레이트 표면 위의 그 전체 높이에 걸쳐 차단되어, 상기 유동 안내 요소에 부딪히는 냉매는 분기 하류에서 유동 채널의 방향으로 특히 확실하게 안내된다. 여기서, 유동 안내 요소에 의해 생성된 난류가 지원된다. 또한, 유동 채널의 이러한 차단, 또는 다시 말해 플레이트 평면과 상기 플레이트 평면으로부터 이격된 평면에서 유동 채널들의 경계 사이의 연결이 전체 열 교환기의 강도를 지원하므로, 상기 열 교환기는 최대 20 bar의 냉매 압력에서도 발생하는 부하를 견딜 수 있다. 이 효과는 특히 3 개 이상의 채널로 분기의 영역에서 면적이 줄어들고 안정화될 수 있다는 사실을 기반으로 한다.
제 1 시뮬레이션에서, 플레이트 평면에 대해 수직인 방향으로 볼 때, 실질적으로 원형으로 형성된 유동 안내 요소가 바람직한 것으로 나타났다.
이미 언급했듯이, 디자인 및 제조 가능성을 위해, 모든 채널이 플레이트 평면 위의 동일한 높이를 갖는 것이, 즉 단면으로 볼 때 플레이트 평면으로부터 떨어진 경계가 공통의 평면에 놓이는 것이 바람직하다. 이와 조합해서, 이미 언급했던 조치는 채널들이 플레이트 평면에 대해 횡 방향으로의 그 폭에서 상이한 것이 바람직하다.
2 개 이상의 입구 및/또는 출구의 경우, 공통 입구 또는 출구에 연결된 채널들이 다른 입구 또는 출구에 연결된 다른 채널과 적어도 부분적으로 대칭인 것이 바람직하다. 이는 특히 명확하고 효율적인 채널 배치를 보장한다.
본 발명에 따른 열 교환기의 내구성을 위해, 플레이트가 적어도 20 bar, 바람직하게는 적어도 60 bar의 압력을 견디는 것이 바람직하다. 상기 압력은 플레이트의 파열 압력이며 정상 작동에서 파열(고장)까지의 안전 마진을 규정한다.
또한, 바이패스를 형성하고 개별 채널들 사이의 혼합을 허용하기 위해, 적어도 2개의, 바람직하게는 다수의 채널이 입구와 출구 사이의 그 프로파일에서 국부적으로 서로 연결되는 것이 바람직하다. 적어도 2개의 평행한 채널들의 연결은 적절한 횡 방향 펀칭 또는 횡 방향 비드에 의해 달성될 수 있다. 적어도 2개의 채널의 유체 유동 사이의 혼합은 개별 채널 내의 냉매가 상이한 온도 및/또는 응집 상태를 가질 수 있다는 장점을 제공한다. 이와 관련하여 혼합은 균일화 및 예를 들어 배터리의 개선된 냉각을 제공한다.
동일한 효과, 즉 배터리 또는 충전식 배터리의 열 관리의 개선은 서로 나란히 놓인 채널들이 역류로 흐르도록 입구 및 출구를 배치함으로써 달성될 수 있다. 다시 말해서, 증발 냉매를 갖는 채널 옆에 이미 과열된 냉매를 갖는 적어도 하나의 채널이 있어서, 이러한 방식으로 배치된 두 채널들 사이에서 열 전달이 이루어진다.
본 출원의 대상은 또한 전술한 실시 예들 중 하나의 실시 예의 다수의 열 교환기를 갖는 열 교환기 장치이며, 상기 열 교환기들은 서로 병렬로 및/또는 직렬로 연결되고 및/또는 공통 평면에 또는 평행한 평면에 놓인다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 열 교환기의 평면도이고,
도 2는 도 1에 도시된 열 교환기와 유사한 열교환기의 일부의 평면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 열교환기의 제 2 실시예의 평면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 열교환기 장치를 도시한다.
도 1에는 본 발명에 따른 열 교환기(10)가 플레이트(12)의 평면도로 도시되어 있으며, 여기서 다수의 채널(14)은 넓은 부분에 걸쳐 서로 평행하게 연장된다. 상기 채널들은 공통 입구(16)로부터 시작하며, 상기 입구(16)에는 유입 채널(18)이 연결된다. 도시 된 실시 예에서, 상기 유입 채널은 4 개의 중간 채널(20)로 분기되고, 상기 중간 채널들(20) 각각은 2 개의 채널(14)로 분기되며, 상기 채널들(14)은 더 분기되지 않고, 예를 들어, 90 또는 180도의 편향 범위를 포함해서 전체 플레이트에 걸쳐 서로 실질적으로 평행하게 연장된 다음, 입구(16)의 상황에 실질적으로 상응하게, 출구(22) 상류에서 통합된다. 도시된 실시 예에서, 각각 2 개의 채널(14)이 통합되어 하나의 중간 채널(20)을 형성하고, 4 개의 중간 채널(20)이 통합되어, 출구(22)로 이어지는 출구 채널(24)을 형성한다.
도 1의 도시에서 알 수 있는 바와 같이, 실질적으로 전체 플레이트 표면이 다수의 채널(14)에 의해 커버될 수 있어서, 플레이트(12)가 다수의 이러한 셀에 부착될 수 있도록 서로 인접하게 배치된, 다수의 배터리 셀 또는 축전지 셀에 대해, 상당한 온도 차이가 예상되지 않는다.
도시된 실시 예에서, 입구(16) 및 출구(22)는 서로 비교적 근접하게, 특히 플레이트 일 측면의 대략 중간에 배치된다. 또한, 개별 채널들(14)이 넓은 영역에 걸쳐, 플레이트 위에 횡 방향으로 연장되는 대칭축에 대해, 도 1에서 좌측으로부터 우측으로, 서로 대칭이게 하는 바람직한 조치가 도시되어 있다. 또한, 도 1에서 연결부(28)의 형태로, 유체 흐름의 혼합을 허용하기 위해 다수의, 도시된 경우 모든 평행한 채널들이 서로 연결되어 있는 바람직한 조치가 도시되어 있다. 끝으로, 도 1에는, 서로 나란히 놓인 채널들이 역류로 흐르는 것이 특히 명확히 나타난다. 도시된 플레이트(12) 상의 공간을 이용하여, 냉매가 도시된 경우 플레이트의 외부면 상의 평행한 채널들 내에서 우측 하부로부터 우측 상부로 흐르고 도 1의 우측 상부 부분에서 180도 회전 후 다시 플레이트의 내부 영역으로 흘러서, 전술한 역류 및 상기 장점이 나타난다. 이는 도 3의 실시 예에 대해 동일하게, 그러나 약간 더 작은 범위로 적용된다. 또한, 도 1의 열 교환기는 반대 방향으로도, 즉 먼저 내부에서 그리고 후속해서 외부에서 흐를 수 있다는 것이 언급되어야 한다. 이는 비교적 차가운 냉매가 냉각될 배터리의 내부 영역, 그에 따라 비교적 뜨거운 영역에 있다는 장점을 가질 것이다.
도 2에는 입구 채널(18)과 개별 채널(14) 사이에 분기를 갖는 영역이 도시되어 있고, 이 영역은 이 경우에 출구(22)의 상황에 상응하지만 입구(16)의 영역에도 이러한 형상이 제공될 수 있다. 특히, 입구의 영역에서, 3 개의 중간 채널(20)로의 입구 채널(18)의 분기에 배치되며 중간 채널(20)로의 바람직한 분배를 보장하는 유동 안내 요소(26)가 중요하다. 도시된 경우, 유동 안내 요소(26)는 평면도로 볼 때 실질적으로 원형으로 형성되고 유동 채널을 완전히 차단한다. 즉, 유동 채널의 (관찰자를 향한) 상부 경계는 (관찰자로부터 멀리 향한, 도 1 참조) 플레이트(12)에 연결되므로, 유동을 차단하는 "딤플"이 생긴다. 도시된 경우, 상기 유동 안내 요소가 제 2 및 제 3 중간 채널(20) 사이에 제공되므로, 언급된 바와 같이, 총 3 개의 중간 채널(20)로의 바람직한 분배가 이루어진다.
도 3에는 2 개의 입구(16) 및 2 개의 출구(22)가 제공되는 본 발명에 따른 열 교환기(10)의 대안적인 실시 예가 도시되어 있다. 여기서, 입구(16)로부터 나온 유동 채널들은 플레이트(12)의 가장자리(도 3에 따라 우측 가장자리)로 합쳐지고, 거기서 다시 통합된다. 거기서부터, 도 3의 하부에 있는 역류 채널에 대한 연결부가 존재할 수 있고, 그 입구(16)는 도 3에서 우측 아래에 있다. 대안으로서, 도시된 열 교환기의 출구(22)는 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 장치의 다른 열 교환기에 연결될 수 있다. 도 3에 도시된 2 개의 열 교환기는 횡 방향으로 연장되는 대칭 축에 대해 실질적으로 대칭으로 제공될 수 있다. 또한, 특히 열 교환기 장치의 입구 및 출구에 직접 배치되는 열 교환기의 경우, 역류 채널의 수(예를 들어 8)는 유입 채널의 수(예를 들어 6)보다 많을 수 있다.
이는 예를 들어 도 3의 열 교환기가 제 1의, 좌측 열 교환기(10.1)로서 제공되는 도 4에 나타난다. 도 4에 나타나는 바와 같이, 열 교환기(10.1)가 도 1에 따라 설계될 수 있는 다른 열 교환기(10.2)에 연결되므로, 냉매는 먼저 열 교환기(10.1)를 통해, 그 다음에 열 교환기(10.2)를 통해, 그리고 이것으로부터 다시 열 교환기(10.1)를 통해 출구(22)로 흐르게 된다. 도 4에 도시된 구성에 의해, 다수의 분포 배치된 축전지들이 냉각될 수 있다. 끝으로, 다수의 장치가 도 4에 따라 또는 도 4와 유사하게, 예를 들어 10.1에 따라 거울-반전된 열 교환기, 10.2 아래 또는 위에 평행하게 다른 열 교환기를 갖고 제공되거나 도 4의 장치는 다시 거울 반전된다.

Claims (12)

  1. 전기 자동차의 배터리 모듈에 부착될 수 있는 적어도 하나의 플레이트(12)를 갖는 열 교환기(10)로서, 냉매의 증발을 위한 다수의, 적어도 부분적으로 평행한 채널들(14)이 상기 플레이트(12)에 대해 평행한 평면 내에 형성되고, 적어도 하나의 공통 입구(16) 및/또는 출구(22)로부터 분기되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    분기에서 시작하는 적어도 하나의 중간 채널(20)이 다시 분기되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    적어도 하나의 분기에 3 개 이상의 채널(20)이 시작하는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 분기에 적어도 하나의 유동 안내 요소(26)가 제공되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    적어도 하나의 유동 안내 요소(26)는 채널(18)의 전체 높이에 걸쳐 형성되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    적어도 하나의 유동 안내 요소(26)는 플레이트 평면의 평면도로 볼 때 실질적으로 둥글게 형성되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    모든 채널들(14, 18, 20)은 동일한 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    2 개의 이상의 입구(16) 및/또는 출구(22)의 경우, 동일한 입구 또는 출구(22)에 연결된 채널들(14)이 다른 입구(16) 또는 출구(22)에 연결된 다른 채널들(14)에 대해 적어도 부분적으로 대칭인 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플레이트는 적어도 20 바아, 바람직하게는 적어도 60 바아의 압력을 견디는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2개의 평행한 채널(14)은 국부적으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    입구(16) 및 출구(22)는 서로 나란히 배치된 채널들(14)이 역류로 흐르도록 배치되는 것을 특징으로 하는 열 교환기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 열 교환기를 구비한 열 교환기 장치.
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