KR20240045585A - 전후면 통용가능구조를 가지는 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전후면에 온도범위가 다른 열교환매체가 유통되는 열교환기에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 열교환기의 전면영역 및 후면영역 간에 통용가능구조를 도입함으로써 전체적인 냉각효율을 향상하는 열교환기를 제공함에 있다.

Description

전후면 통용가능구조를 가지는 열교환기 {Heat exchanger having front-rear transferable structure}

본 발명은 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각각 온도가 다른 2종의 열교환매체를 냉각하는 일체형 열교환기에 있어서, 전면영역 및 후면영역 간 통용가능구조를 가지는 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 엔진 룸 내에는 엔진 등과 같은 구동을 위한 부품뿐만 아니라, 엔진 등과 같은 차량 내 각 부품을 냉각하거나 또는 차량 실내의 공기 온도를 조절하기 위한 라디에이터, 인터쿨러, 증발기, 응축기 등과 같은 다양한 열교환기들이 구비된다. 이와 같은 열교환기들은 일반적으로 내부에 열교환매체가 유통하며, 열교환기 내부의 열교환매체와 열교환기 외부의 공기가 서로 열교환함으로써 냉각 또는 방열이 이루어지게 된다.

많은 경우 열교환기에는 1종의 열교환매체가 유통되지만, 필요에 따라 2종의 열교환매체가 유통되는 열교환기들이 일체로 형성되는 경우도 있다. 예를 들어 자동차의 라디에이터 및 오일쿨러의 경우, 라디에이터에는 엔진을 냉각하기 위한 냉각수가 유통되며 오일쿨러에는 엔진오일, 미션오일 등과 같은 오일이 유통된다. 물론 이들이 각각 별도의 장치로서 형성되는 경우도 있으나, 엔진룸 공간활용성을 높이기 위한 목적으로나, 냉각수를 이용하여 오일을 냉각하는 수랭식 오일쿨러 구조가 도입되는 등과 같이 이들이 일체형으로 형성되는 경우도 많다.

열교환기에서 열교환이 주로 일어나는 부분은 튜브들이 적층되어 있는 부분이며, 일반적으로 이러한 부분을 열교환기의 코어(core)라 칭한다. 종래에는 상술한 바와 같이 2종의 열교환매체가 유통되는 일체형 열교환기에서 각 열교환매체가 유통되는 코어들이 직렬로 연결되는 구조를 가지는 경우가 많았다. 한편 최근에는 코어들이 병렬로 연결되는 구조를 채택하는 경우들이 있다. 도 1은 2종의 열교환매체가 유통되는 각 코어가 병렬로 연결되는 구조로 된 종래의 일체형 열교환기의 한 실시예를 도시하고 있다. 도 1의 실시예에 따른 일체형 열교환기는, 1종의 열교환매체가 유통되는 열교환기와 거의 유사한 구조로 된 코어 2개가 서로 병렬로 연결되어 있는 구조로서, 쉽게 이해하자면 2열 열교환기 형태이되 각 열에 유통되는 열교환매체들을 서로 격리하도록 헤더탱크 내부에 구획수단이 형성되어 있는 구조라고 할 수 있다. 한국특허등록 제0825709호("열교환기", 2008.04.22.) 등에 2열 열교환기의 구성이 잘 나타나 있다.

구체적으로는, 이러한 열교환기(1000)는, 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크(100), 상기 헤더탱크(100)에 양단이 고정되어 냉매의 유로를 형성하는 복수 개의 튜브(200), 부가적으로 상기 튜브(200)들 사이에 개재되는 복수 개의 핀을 포함한다. 이 때 상기 튜브(200)는 전후 2열로 형성되며, 상기 헤더탱크(100)는 각각의 튜브열이 연통되는 공간을 서로 구획하도록 내부에 길이방향으로 연장되는 격벽(125)을 포함한다. 이에 따라 상기 튜브(200)의 제1, 2열 각각에 유통되는 제1, 2열교환매체는 서로 만나지 않고 격리되어 유통될 수 있게 된다. 물론 상기 헤더탱크(100)에는 각 열교환매체별로 유입구 및 배출구 쌍이 별도로 구비된다. 도 1에는 열교환매체가 일방향으로 흘러가는 크로스-플로우(cross-flow) 형태로서 제1, 2유입구 및 제1, 2배출구가 서로 반대방향의 헤더탱크가 구비되는 경우를 도시하고 있으나, 열교환매체가 U자형으로 흘러가는 U-플로우(U-flow) 형태일 경우 제1, 2유입구 및 제1, 2배출구는 서로 동일방향의 헤더탱크에 구비될 수도 있다.

이와 같이 형성되는 일체형 열교환기는, 냉각수/오일과 같이 종류 자체가 상이한 2종의 열교환매체가 유통되거나, 또는 저온냉각수/고온냉각수와 같이 온도범위가 상이한 2종의 열교환매체가 유통되는 등 다양한 방식으로 운용된다. 일례로 최근 점점 사용이 확대되고 있는 전기차의 경우, 배터리 냉각용 라디에이터와 모터 등 다른 전장부품 냉각용 라디에이터가 냉각수 동선이나 온도범위가 상이하여 별도 운영되는 경우가 있는데, 이러한 경우 전후면 각각에 저온냉각수/고온냉각수가 유통되도록 하는 일체형 열교환기가 활용되기도 한다.

이처럼 저온냉각수/고온냉각수가 전후면 각각에 유통되는 열교환기의 경우, 일반적인 일체형 열교환기와 마찬가지로 전면코어영역 및 후면코어영역이 완전히 분리됨으로써 서로간의 유통이 전혀 발생하지 않도록 이루어진다. 전후면에 냉각수/오일과 같이 서로 완전히 상이한 열교환매체가 유통되는 경우라면 이와 같이 서로간이 완전히 격리되는 것은 지극히 당연하다. 그러나 열교환기의 경우 전후면에 저온냉각수/고온냉각수가 유통되는 바, 실질적으로 온도범위만 다를 뿐 동일한 열교환매체이다. 또한 주행조건별 냉각부하조건에 따라 어떤 경우에는 서로 온도범위가 비슷하기 때문에, 서로 통용될 수 있다면 더욱 열교환효율을 향상할 수 있는 여지가 있다.

한국특허등록 제0825709호("열교환기", 2008.04.22.)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전후면에 온도범위가 다른 열교환매체가 유통되는 열교환기에 있어서, 전면영역 및 후면영역 간에 통용가능구조를 도입함으로써 전체적인 냉각효율을 향상하는 열교환기를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환기(1000)는, 헤더(110) 및 탱크(120)가 결합되어 내부에 유체유동공간을 형성하며 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크(100), 상기 헤더탱크(100)에 양단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하되 전후방향으로 2열로 배열되는 복수 개의 튜브(200)를 포함하고, 상기 헤더탱크(100) 내부공간이 격벽(125)에 의해 전후로 격리 구획되어 전후 열교환부 각각에 평균온도가 서로 다른 열교환매체가 유통되는 형태로 이루어지되, 상기 격벽(125)에는 전후영역의 열교환매체가 서로 통용가능하게 하는 슬릿(126)이 형성될 수 있다.

이 때 상기 열교환기(100)는, 전면영역으로 열교환매체를 유입시키는 전면유입구(121) 및 후면영역으로 열교환매체를 유입시키는 후면유입구(122)가 어느 하나의 헤더탱크(100)에 함께 형성되고, 전면영역에서 열교환매체를 배출시키는 전면배출구(123) 및 후면영역에서 열교환매체를 배출시키는 후면배출구(124)가 다른 하나의 헤더탱크(100)에 함께 형성될 수 있다.

또한 상기 열교환기(100)는, 상기 전면유입구(121) 및 상기 후면유입구(122)가 형성되는 상기 헤더탱크(100)를 유입헤더탱크라 하고, 상기 전면배출구(123) 및 후면배출구(124)가 형성되는 상기 헤더탱크를 배출헤더탱크라 할 때, 상기 슬릿(126)이 상기 유입헤더탱크 및 상기 배출헤더탱크 모두에 형성될 수 있다.

또한 상기 열교환기(100)는, 상기 유입헤더탱크에 형성되는 상기 슬릿(126)의 위치 및 상기 배출헤더탱크에 형성되는 상기 슬릿(126)의 위치가 서로 상응하게 형성될 수 있다.

또한 상기 슬릿(126)은, 상기 전면유입구(121), 상기 후면유입구(122), 상기 전면배출구(123), 상기 후면배출구(124)로부터 150mm 이상 이격된 위치에 형성될 수 있다.

또한 상기 슬릿(126)은, 상기 헤더탱크(100)가 연장되는 방향을 길이방향이라 하고, 상기 헤더(110) 및 상기 탱크(120)가 결합되는 방향을 높이방향이라 하고, 상기 길이방향 및 상기 높이방향에 수직하게 상기 헤더탱크(100)를 가로지르는 방향을 너비방향이라 하며, 상기 탱크(120) 내측너비를 W라 하고, 상기 슬릿(126) 길이를 D라 할 때, 하기의 식을 만족하는 범위 내의 길이를 가질 수 있다.

W/2 ≤ D ≤ W

또한 상기 열교환기(100)는, 한 쌍의 상기 헤더탱크(100)가 좌우방향으로 이격되어 상기 튜브(200)가 수평방향으로 연장되는 형태로 형성될 수 있다.

또한 상기 열교환기(100)는, 상기 전면영역 및 상기 후면영역 각각에 서로 온도범위가 다른 냉각수가 유통되는 콤보 라디에이터일 수 있다.

이 때 상기 열교환기(100)는, 전기차량에 구비되는 콤보 라디에이터로서, 전면영역 및 후면영역 중 선택되는 어느 하나에는 배터리 냉각용 냉각수가 유통되고, 다른 하나에는 구동모터를 포함하는 나머지 전장부품 냉각용 냉각수가 유통될 수 있다.

또한 상기 열교환기(100)는, 상기 전기차량에 전면영역 및 후면영역 각각에 냉각수를 강제유통시키는 전면펌프 및 후면펌프가 각각 구비됨으로써, 전면영역의 냉각수유량 및 후면영역의 냉각수유량이 독립적으로 조절가능하게 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 전후면에 온도범위가 다른 열교환매체가 유통되는 열교환기에 있어서, 전면영역 및 후면영역 간에 통용가능구조를 도입함으로써 전체적인 냉각효율을 향상하는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 기본적으로 열교환기의 경우 각 영역에 유통되는 열교환매체가 서로 동일한 종이므로 서로 혼합되어도 문제가 없다. 전면영역 및 후면영역 모두에 열교환매체가 흘러가는 경우에는 열교환매체 압력에 의해 서로간의 영역침범이 실질적으로 별로 일어나지 않는다. 한편 주행조건에 따라 각 영역 중 어느 하나에만 열교환매체가 흘러가는 경우 통용가능구조를 통해 원래는 열교환매체 흐름이 없던 다른 영역에도 열교환매체가 일부 흘러가게 함으로써, 종래에 비해 훨씬 효율적인 열교환이 이루어질 수 있게 하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 일체형 열교환기의 한 실시예.
도 2는 본 발명의 열교환기의 한 실시예.
도 3은 본 발명의 열교환기의 구성도.
도 4는 종래 및 본 발명의 열교환기 헤더탱크 내부구조.
도 5는 전후영역 간 열교환매체 흐름이 반대인 경우의 열방출량 분석.
도 6은 본 발명의 열교환기 헤더탱크 내부구조 상세.
도 7은 열교환기 전후면 모두 동작 상태.
도 8은 도 7의 상태에서 종래 및 본 발명에서의 열방출량 분석.
도 9는 열교환기 전면만 동작 상태.
도 10은 도 9의 상태에서 종래 및 본 발명에서의 열방출량 분석.
도 11은 열교환기 후면만 동작 상태.
도 12는 도 11의 상태에서 종래 및 본 발명에서의 열방출량 분석.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 열교환기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

[1] 본 발명의 열교환기 기본구성

도 2는 본 발명의 열교환기의 한 실시예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 열교환기(1000)는, 헤더(110) 및 탱크(120)가 결합되어 내부에 유체유동공간을 형성하며 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크(100), 상기 헤더탱크(100)에 양단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하되 전후방향으로 2열로 배열되는 복수 개의 튜브(200)를 포함하는 일체형 열교환기이다. 이 때 본 발명의 열교환기(1000)에서는, 상기 헤더탱크(100) 내부공간이 격벽(125)에 의해 전후로 격리 구획되어 전후 열교환부 각각에 평균온도가 서로 다른 열교환매체가 유통되는 형태로 이루어진다. 도 2에는 상기 열교환기(1000)에 팬이 구비된 팬 쉬라우드까지 결합되어 있는 실시예가 도시되어 있다.

도 3은 본 발명의 열교환기의 구성도를 도시한 것으로, 구성을 보다 쉽게 파악할 수 있도록 도 2에서 팬 쉬라우드를 제거하고 상기 튜브(200)를 생략하여 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 열교환기(1000)는, 전면영역으로 열교환매체를 유입시키는 전면유입구(121) 및 후면영역으로 열교환매체를 유입시키는 후면유입구(122)가 어느 하나의 헤더탱크(100)에 함께 형성되고, 전면영역에서 열교환매체를 배출시키는 전면배출구(123) 및 후면영역에서 열교환매체를 배출시키는 후면배출구(124)가 다른 하나의 헤더탱크(100)에 함께 형성되는 형태로 이루어진다.

도 4는 종래 및 본 발명의 열교환기 헤더탱크 내부구조를 도시한 것이다. 앞서 도 2 및 도 3은 실질적으로 일반적인 일체형 열교환기의 형태로 다름없게 보일 수 있다. 도 4 좌측의 "Base"는 종래의 일체형 열교환기 탱크(120)를 도시한 것으로, 전후영역을 격리하는 격벽(125)이 상기 탱크(120) 전체 영역에 걸쳐 연장 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 열교환기(1000)는 도 4 우측의 "New Concept"에 도시된 바와 같이, 상기 격벽(125)에 전후영역의 열교환매체가 서로 통용가능하게 하는 슬릿(126)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 상기 격벽(125) 상에 상기 슬릿(126)이 형성되어 있음으로써, 상기 헤더탱크(100) 전후영역에 각각 흘러가는 열교환매체가 조건에 따라 상기 슬릿(126)을 통해 다른 영역으로 통용될 수 있게 된다.

종래에는 이러한 상기 슬릿(126)이 존재하지 않았으므로 전후영역의 열교환매체가 당연히 서로 완전히 격리된 상태로 유통되었으며, 대부분의 경우에는 이렇게 해야만 하는 것이 당연하였다. 특히 전후영역에 각각 냉각수/오일 등과 같이 서로 다른 종류의 열교환매체가 유통되는 경우에는, 이종의 열교환매체가 서로 혼합되어 버릴 경우 각각의 열교환매체 회로에 반드시 고장이 발생하기 때문에 전후영역간의 완전격리는 필수적이다. 한편, 본 발명의 열교환기(1000)는, 전후영역에 유통되는 열교환매체가 서로 온도범위가 다르기는 하되 물질 자체는 동일한 것으로, 구체적인 예를 들자면 상기 전면영역 및 상기 후면영역 각각에 서로 온도범위가 다른 냉각수가 유통되는 콤보 라디에이터일 수 있다. 즉 본 발명의 열교환기(1000)에서는, 전후영역에 각각 유통되는 열교환매체가 서로 혼합된다 하더라도 온도가 변화할 뿐인바, 효율에 있어서의 변화만 초래할 뿐으로 고장 등을 염려할 필요가 없다.

이제 본 발명에 존재하는 상기 슬릿(126)의 역할에 대하여 살펴보면 다음과 같다. 상기 슬릿(126)이 존재함에 따라 전후영역에 각각 흘러가는 열교환매체(상기 열교환기(1000)가 콤보 라디에이터일 경우 각각 고온냉각수/저온냉각수)가 서로 침범할 수 있게 된다. 그러나 전면영역 및 후면영역 모두에 냉각수가 흘러가고 있는 상태에서는, 각각의 영역에 형성되어 있는 압력에 의해 다른 영역으로 누출되는 열교환매체 유량이 무시할 수 있는 수준으로 적게 발생한다. 이러한 경우에는 일반적인 일체형 열교환기(즉 상기 슬릿(126)이 존재하지 않고 전후영역이 완전격리된 열교환기)와 거의 비슷한게 동작한다고 생각할 수 있다.

반면, 전면영역이나 후면영역 중 어느 하나에만 열교환매체가 흘러가는 경우를 상정한다. 이러한 경우, 종래의 일체형 열교환기에서라면, 당연히 현재 열교환매체가 흘러가고 있는 영역 이외의 다른 영역은 비어있는 상태로서 아무런 열교환동작을 하지 않게 된다. 즉 다른 영역은 데드존(dead zone)이 되는 것이다. 그러나 본 발명의 열교환기(1000)에서는, 상기 슬릿(126)이 존재하고 있기 때문에, 현재 열교환매체가 흘러가고 있는 영역에서 상기 슬릿(126)을 통해 현재 비어 있는 다른 영역으로 열교환매체가 흘러갈 수 있다. 이렇게 되면, 열교환매체가 흘러가는 상기 튜브(200), 즉 실질적으로 열교환동작이 일어나는 상기 튜브(200)의 개수가 당연히 많아지며, 이처럼 열교환면적이 늘어남에 따라 열교환효율이 당연히 향상될 것으로 예상할 수 있다. 실제로 이러한 효과가 있음을 이후에 보다 상세히 설명한다.

[2] 본 발명의 열교환기 세부구성

상술한 바와 같이 본 발명의 열교환기(1000)는, 전후영역 간을 격리하는 상기 격벽(125) 상에 상기 슬릿(126)을 형성하여 전후영역 간에 열교환매체의 통용이 가능하도록 함으로써, 특정한 경우 열교환면적을 늘림으로써 결과적으로 열교환효율의 향상을 실현한다.

앞서 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 열교환기(1000)는 전면영역으로 열교환매체를 유입시키는 전면유입구(121) 및 후면영역으로 열교환매체를 유입시키는 후면유입구(122)가 어느 하나의 헤더탱크(100)에 함께 형성되고, 전면영역에서 열교환매체를 배출시키는 전면배출구(123) 및 후면영역에서 열교환매체를 배출시키는 후면배출구(124)가 다른 하나의 헤더탱크(100)에 함께 형성된다. 즉 전면영역 및 후면영역에서의 열교환매체의 흐름방향이 동일하게 형성되는 것이다. 이와 같이 함으로써 전후영역 모두에서 열교환매체가 흘러갈 때 서로간의 영역침범이 최소화되도록 할 수 있다.

한편 도 5는 전후영역 간 열교환매체 흐름이 반대가 되도록 형성할 경우의 시뮬레이션 결과이다. 도 5 최상측에는, 전면영역의 열교환매체 흐름방향과 후면영역의 열교환매체 흐름방향이 서로 반대로 되어 있는 경우가 도시되어 있다. 이와 같이 할 경우 전면유입구로 유입된 열교환매체가 슬릿을 통해 후면배출구로 배출되어 버리거나, 후면유입구로 유입된 열교환매체가 역시 슬릿을 통해 전면배출구로 배출되어 버림으로써, 열교환매체가 상기 튜브(200) 즉 실질적인 열교환이 일어나는 코어(core)를 통과하지 않고 지나가버리게 되는 양이 무려 70% 이상에 이른다. 즉 전후영역 간 열교환매체 흐름이 반대가 되도록 형성하면, 상기 슬릿(126)은 열교환효율을 극히 저하시키는 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서 상기 열교환기(1000)는, 반드시 전후영역 간 열교환매체 흐름이 동일하게 형성되도록 구성되어야 한다.

한편, 상기 전면유입구(121) 및 상기 후면유입구(122)가 형성되는 상기 헤더탱크(100)를 유입헤더탱크라 하고, 상기 전면배출구(123) 및 후면배출구(124)가 형성되는 상기 헤더탱크를 배출헤더탱크라 할 때, 상기 슬릿(126)은 물론 상기 유입헤더탱크 및 상기 배출헤더탱크 모두에 형성되어야 한다. 만일 유입헤더탱크 또는 배출헤더탱크 어느 하나에만 상기 슬릿(126)이 형성될 경우, 상기 슬릿(126)을 통해 원래 열교환매체가 흐르지 않아야 되는 영역으로 유입된 열교환매체가 빠져나가지 못하고 해당 영역에 고여있게 되거나, 또는 지나치게 어느 한 쪽의 영역만으로 열교환매체가 몰리게 되는 등 열교환매체의 흐름이 원활하게 이루어지지 못하게 될 위험성이 높다. 열교환매체의 흐름이 원활하지 못하면 당연히 열교환효율도 떨어지므로, 이러한 문제를 배제하기 위해 상기 슬릿(126)은 당연히 유입/배출헤더탱크 모두에 형성되어야 한다.

이처럼 유입/배출헤더탱크 모두에 상기 슬릿(126)이 형성된다 하더라도, 양쪽의 상기 슬릿(126) 위치가 서로 많이 어긋난다면, 어긋나게 배치된 양쪽 슬릿(126) 사이의 영역에서는 여전히 상술한 바와 같은 악영향이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 배제하기 위해 상기 유입헤더탱크에 형성되는 상기 슬릿(126)의 위치 및 상기 배출헤더탱크에 형성되는 상기 슬릿(126)의 위치가 서로 상응하게 형성되는 것이 바람직하다.

한편 상기 헤더탱크(100)가 수평방향으로 연장되는(즉 상기 튜브(200)가 수직방향으로 연장되는) 경우, 중력에 의하여 열교환매체가 떨어져내리려는 경향이 강하게 작용함으로써 상기 슬릿(126)을 통한 통용효과가 다소 떨어질 우려가 있다. 이에 상기 열교환기(1000)는, 도면들 상에 도시되어 있는 바와 같이 한 쌍의 상기 헤더탱크(100)가 좌우방향으로 이격되어 상기 튜브(200)가 수평방향으로 연장되는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 열교환기 헤더탱크 내부구조를 보다 상세하게 도시한 것으로, 상기 슬릿(126)의 위치 및 규격을 보다 상세히 설명하기 위한 것이다.

먼저 상기 슬릿(126)의 위치에 대하여 보다 상세히 설명한다. 도 6 좌측에 도시된 바와 같이, 상기 슬릿(126)은 상기 헤더탱크(100) 상에 형성된 여러 유통구들(즉 상기 전면유입구(121), 상기 후면유입구(122), 상기 전면배출구(123), 상기 후면배출구(124))과 멀찍이 떨어져있게 형성되는 것이 바람직하다. 상기 슬릿(126)이 유통구, 특히 유입구와 지나치게 가깝게 형성될 경우, 열교환매체의 유입압력에 의하여 원치않은 경우에도 상기 슬릿(126)을 통해 열교환매체가 다른 영역으로 침범해버리는 문제가 발생할 수 있다. 물론 배출 시에도 비슷한 경향의 현상이 발생할 우려가 있으므로, 상기 슬릿(126)은 모든 유통구로부터 멀리 떨어져있는 것이 바람직하다. 이와 같은 위치를 가장 쉽게 생각하자면, 상기 슬릿(126)은 상기 헤더탱크(100)의 딱 중간위치에 형성되는 것이 가장 바람직하다고 생각할 수 있다. 그러나 열교환매체 유동특성이나 열교환기의 열교환특성 등에 따라, 반드시 정확히 중간위치에 상기 슬릿(126)이 형성되어야만 가장 효과적인 것은 아닐 수도 있다.

앞서 설명한 바와 같이 상기 열교환기(1000)가 냉각수가 유통되는 콤보 라디에이터인 경우, 실험적으로 볼 때 상기 슬릿(126) 및 유통구 간의 거리(L)는 150mm 이상인 것이 바람직하다. 즉 명확하게는, 상기 슬릿(126)은, 상기 전면유입구(121), 상기 후면유입구(122), 상기 전면배출구(123), 상기 후면배출구(124)로부터 150mm 이상 이격된 위치에 형성되는 것이 바람직하다.

상기 전면유입구(121) 및 상기 후면유입구(122)는 유입헤더탱크의 양끝단에, 상기 전면배출구(123) 및 상기 후면배출구(124)는 배출헤더탱크의 양끝단에 형성된다. 따라서 상기 유입헤더탱크 상의 상기 슬릿(126)은, 상기 전면유입구(121)에서 150mm 이격된 위치~상기 후면유입구(122)에서 150mm 이격된 위치 사이의 범위에 구비되면 된다. 마찬가지로 상기 배출헤더탱크 상의 상기 슬릿(126)은, 상기 전면배출구(123)에서 150mm 이격된 위치~상기 후면배출구(124)에서 150mm 이격된 위치 사이의 범위에 구비되면 된다.

다음으로 상기 슬릿(126)의 규격에 대하여 보다 상세히 설명한다. 도 6 우측도면, 상기 슬릿(126) 부분의 확대도에 표시된 바와 같이, 상기 헤더탱크(100)가 연장되는 방향을 길이방향이라 하고, 상기 헤더(110) 및 상기 탱크(120)가 결합되는 방향을 높이방향이라 하고, 상기 길이방향 및 상기 높이방향에 수직하게 상기 헤더탱크(100)를 가로지르는 방향을 너비방향이라 한다. 또한 상기 탱크(120) 내측너비를 W라 하고, 상기 슬릿(126) 길이를 D라 한다.

상기 슬릿(126)이 지나치게 클 경우 전후영역 간 열교환매체의 침범이 과도하게 이루어지게 될 우려가 있고, 상기 슬릿(126)이 지나치게 작을 경우 전후영역 간 열교환매체의 통용으로 얻고자 하는 열교환효율의 향상효과가 기대만큼 발생하지 못할 우려가 있다. 한편 상기 탱크(120) 내부를 흘러가는 열교환매체의 유량은 상기 탱크(120) 내측공간 단면과 직접적으로 관련되며, 상기 슬릿(126)을 통과하여 지나가는 열교환매체의 유량은 상기 탱크(120) 내부를 흘러가는 열교환매체의 유량과 긴밀하게 관련된다.

이러한 여러 사항들을 고려할 때, 상기 슬릿(126)의 길이는, 상기 탱크(120) 내부를 흘러가는 열교환매체의 유량에 가까운 수준의 유량이 상기 슬릿(126)을 통과하여 흘러갈 수 있는 정도의 길이인 것이 바람직하다. 보다 명확하게는, 상기 슬릿(126)은 하기의 식을 만족하는 범위 내의 길이를 가지는 것이 바람직하다.

W/2 ≤ D ≤ W

(여기에서, W : 탱크 내측너비, D : 슬릿 길이)

[3] 본 발명의 열교환기 시스템 적용예 및 효과

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 열교환기(1000)는 전후영역에 서로 온도범위가 다른 냉각수가 유통되는 콤보 라디에이터일 수 있다. 보다 구체적인 예시로서, 상기 열교환기(1000)는 전기차량에 구비되는 콤보 라디에이터로서, 전면영역 및 후면영역 중 선택되는 어느 하나에는 배터리 냉각용 냉각수가 유통되고, 다른 하나에는 구동모터를 포함하는 나머지 전장부품 냉각용 냉각수가 유통되도록 형성될 수 있다. 도 7, 9, 11에는 이처럼 본 발명의 열교환기가 전기차량에 구비되는 콤보 라디에이터인 경우가 도시되어 있다.

도 7은 열교환기 전후면 모두 동작 상태를 도시한 것으로, 즉 전면영역 및 후면영역 모두에 냉각수가 유통되고 있는 상태이다. 앞서 설명한 바와 같이 전후영역 모두에 냉각수가 유통되는 경우 각각의 영역이 비등한 수준의 압력을 가지고 있기 때문에 상기 슬릿(126)이 개방되어 있다 하더라도 영역간 침범이 그리 많이 이루어지지는 않는다.

도 8은 도 7의 상태에서 종래 및 본 발명에서의 열방출량을 분석한 것으로, 도 8 상측의 시뮬레이션 결과를 보면 실제로 상기 슬릿(126) 위치에서 영역간 침범이 별로 발생하지 않음을 실제로 확인할 수 있다. 한편 도 8 하측의 열방출량 분석결과는, 종래의 경우 즉 상기 슬릿(126)이 형성되지 않은 경우("Base")와 본 발명의 경우 즉 상기 슬릿(126)이 형성된 경우("New Concept")를 비교하고 있다. 배터리 냉각("BATT RAD")측의 열방출량은 종래에는 5493.8W, 본 발명에서는 4793.9W로 12.7% 정도 감소하였고, 전장부품 냉각("PE RAD")측의 열방출량은 종래에는 6153.0W, 본 발명에서는 6710.1W로 9% 정도 증가하였다. 전체적으로는 종래에는 11645.6W, 본 발명에서는 11503.2W로 열방출량이 1.2%정도 줄어든 것으로 확인된다. 앞서 설명한 바와 같이, 상기 슬릿(126)에 의해 냉각수의 영역간 침범이 발생함으로써 온도가 다른 냉각수들이 섞여버리게 되고, 이에 따라 약간의 열교환효율 감소가 발생할 수 있음이 확인된 것이다. 다만 열교환효율 감소 정도가 그다지 크지 않음 역시 확인되었다.

도 9는 열교환기 전면만 동작 상태를 도시한 것으로, 도 9의 실시예에서는 배터리 냉각만 필요한 경우를 도시한 것이다. 이 경우, 종래라면 전면영역에만 냉각수가 흘러가게 되겠으나, 본 발명 열교환기(1000)의 경우 도 9에 도시된 바와 같이 상기 슬릿(126)을 통해 전면영역으로 흘러가는 냉각수 일부가 후면영역으로 통용되어 함께 흘러가게 된다. 이에 따라 열교환면적이 2배 가량으로 늘어나게 되어, 열교환효율이 향상될 것을 기대할 수 있다.

도 10은 도 9의 상태에서 종래 및 본 발명에서의 열방출량을 분석한 것이다. 먼저 도 10 상측의 시뮬레이션 결과를 보면 배터리 유입측("Inlet battery side")에서 상기 슬릿(126)을 통해 42% 정도의 냉각수가 후면영역으로 넘어가 통용되는 것이 확인되었다. 한편 도 10 하측의 열방출량 분석 결과를 보면, 배터리 냉각측의 열방출량은 종래에는 5493.8W였으나, 본 발명에서는 7782.0W로 41% 정도 상당히 큰 폭으로 증대됨을 확인할 수 있다.

도 11은 열교환기 후면만 동작 상태를 도시한 것으로, 도 11의 실시예에서는 전장부품 냉각만 필요한 경우를 도시한 것이다. 이 경우, 종래라면 후면영역에만 냉각수가 흘러가게 되겠으나, 본 발명 열교환기(1000)의 경우 도 11에 도시된 바와 같이 상기 슬릿(126)을 통해 후면영역으로 흘러가는 냉각수 일부가 전면영역으로 통용되어 함께 흘러가게 된다. 이에 따라 앞서와 마찬가지로 열교환면적이 2배 가량으로 늘어나게 되어, 열교환효율이 향상될 것을 기대할 수 있다.

도 12는 도 11의 상태에서 종래 및 본 발명에서의 열방출량을 분석한 것이다. 먼저 도 12 상측의 시뮬레이션 결과를 보면 전장부품 유입측("Inlet electric side")에서 상기 슬릿(126)을 통해 37.5% 정도의 냉각수가 전면영역으로 넘어가 통용되는 것이 확인되었다. 한편 도 12 하측의 열방출량 분석 결과를 보면, 전장부품 냉각측의 열방출량은 종래에는 6153.0W였으나, 본 발명에서는 11622.1W로 88% 정도나 비약적으로 증대됨을 확인할 수 있다.

이처럼 본 발명에 의하면, 전면영역 및 후면영역 모두에 냉각수가 흐르는 경우에는 1% 정도 미세하게 열교환효율이 저감될 수 있으나, 전면영역 또는 후면영역 중 어느 하나에만 냉각수가 흐르는 경우 적게는 40% 정도에서 많게는 90% 가까이까지 열교환효율을 엄청나게 증대시키는 큰 효과가 있음이 실험적으로 확인되었다. 이러한 점을 고려할 때, 열교환효율을 좀더 효과적으로 향상시키기 위해 냉각수 흐름을 적절히 조절하는 것이 필요할 수도 있다. 이를 위해서, 상기 전기차량에는 도 7, 9, 11에 도시된 바와 같이 전면영역 및 후면영역 각각에 냉각수를 강제유통시키는 전면펌프 및 후면펌프가 각각 구비되는 것이 바람직하며, 이에 따라 상기 열교환기(1000)는 전면영역의 냉각수유량 및 후면영역의 냉각수유량이 독립적으로 조절가능하게 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000 : 열교환기
100 : 헤더탱크
110 : 헤더 120 : 탱크
121 : 전면유입구 122 : 후면유입구
123 : 전면배출구 124 : 후면배출구
125 : 격벽 126 : 슬릿
200 : 튜브

Claims (10)

1. 헤더 및 탱크가 결합되어 내부에 유체유동공간을 형성하며 서로 일정거리 이격되어 나란하게 형성되는 한 쌍의 헤더탱크, 상기 헤더탱크에 양단이 고정되어 열교환매체의 유로를 형성하되 전후방향으로 2열로 배열되는 복수 개의 튜브를 포함하고,
   상기 헤더탱크 내부공간이 격벽에 의해 전후로 격리 구획되어 전후 열교환부 각각에 평균온도가 서로 다른 열교환매체가 유통되는 형태로 이루어지되,
   상기 격벽에는 전후영역의 열교환매체가 서로 통용가능하게 하는 슬릿이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 열교환기는,
   전면영역으로 열교환매체를 유입시키는 전면유입구 및 후면영역으로 열교환매체를 유입시키는 후면유입구가 어느 하나의 헤더탱크에 함께 형성되고,
   전면영역에서 열교환매체를 배출시키는 전면배출구 및 후면영역에서 열교환매체를 배출시키는 후면배출구가 다른 하나의 헤더탱크에 함께 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 열교환기는,
   상기 전면유입구 및 상기 후면유입구가 형성되는 상기 헤더탱크를 유입헤더탱크라 하고, 상기 전면배출구 및 후면배출구가 형성되는 상기 헤더탱크를 배출헤더탱크라 할 때,
   상기 슬릿이 상기 유입헤더탱크 및 상기 배출헤더탱크 모두에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 열교환기는,
   상기 유입헤더탱크에 형성되는 상기 슬릿의 위치 및 상기 배출헤더탱크에 형성되는 상기 슬릿의 위치가 서로 상응하게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
5. 제 2항에 있어서, 상기 슬릿은,
   상기 전면유입구, 상기 후면유입구, 상기 전면배출구, 상기 후면배출구로부터 150mm 이상 이격된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
6. 제 2항에 있어서, 상기 슬릿은,
   상기 헤더탱크가 연장되는 방향을 길이방향이라 하고, 상기 헤더 및 상기 탱크가 결합되는 방향을 높이방향이라 하고, 상기 길이방향 및 상기 높이방향에 수직하게 상기 헤더탱크를 가로지르는 방향을 너비방향이라 하며,
   상기 탱크 내측너비를 W라 하고, 상기 슬릿 길이를 D라 할 때,
   하기의 식을 만족하는 범위 내의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   W/2 ≤ D ≤ W
   
7. 제 1항에 있어서, 상기 열교환기는,
   한 쌍의 상기 헤더탱크가 좌우방향으로 이격되어 상기 튜브가 수평방향으로 연장되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
8. 제 1항에 있어서, 상기 열교환기는,
   상기 전면영역 및 상기 후면영역 각각에 서로 온도범위가 다른 냉각수가 유통되는 콤보 라디에이터인 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
9. 제 8항에 있어서, 상기 열교환기는,
   전기차량에 구비되는 콤보 라디에이터로서,
   전면영역 및 후면영역 중 선택되는 어느 하나에는 배터리 냉각용 냉각수가 유통되고, 다른 하나에는 구동모터를 포함하는 나머지 전장부품 냉각용 냉각수가 유통되는 것을 특징으로 하는 열교환기.
   
10. 제 9항에 있어서, 상기 열교환기는,
    상기 전기차량에 전면영역 및 후면영역 각각에 냉각수를 강제유통시키는 전면펌프 및 후면펌프가 각각 구비됨으로써,
    전면영역의 냉각수유량 및 후면영역의 냉각수유량이 독립적으로 조절가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 열교환기.

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