KR101422679B1 - 전기 자동차의 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 전기 자동차에서 아이들 상태 또는 저속 주행 시에 콘덴서를 보조 냉각해 줌으로써, 라디에이터의 불필요한 냉각에 따른 콘덴서의 냉각 성능 저하를 종래보다 개선하는, 전기 자동차의 냉각 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 전기 자동차의 냉각 시스템은, 콘덴서(110), 팽창밸브(120), 증발기(130), 압축기(140)를 포함하여 이루어지는 내부 냉방 시스템(100); 및 라디에이터(210)를 포함하여 이루어지는 전장 냉각 시스템(200); 을 포함하여 이루어지는 전기 자동차의 냉각 시스템(1000)에 있어서, 상기 압축기(140)에서 배출되는 냉매 또는 상기 콘덴서(110)에서 배출되는 냉매와 상기 라디에이터(210)에서 배출되는 냉각수가 그 내부로 유통되어 서로 열교환하도록 구비되는 부가 열교환기(500); 상기 라디에이터(210)에서 배출되는 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하거나 또는 바이패스하도록 유로를 조절하는 바이패스 밸브(400); 를 포함하여 이루어져, 아이들(idle) 상태 또는 저속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수를 상기 부가 열교환기(500)로 유통시키고, 고속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하지 않도록 바이패스시키는 것을 특징으로 한다.

Description

전기 자동차의 냉각 시스템 {Cooling System for Electric Vehicle}

본 발명은 전기 자동차의 냉각 시스템에 관한 것이다.

최근 저공해 고연비 대책으로 하이브리드 자동차가 점차 각광받고 있는 추세에 있다. 종래에는 휘발유, 경우 등과 같은 화석 연료를 사용하는 엔진을 구비하는 자동차가 일반적으로 사용되어 왔으나, 화석 연료의 매장량 감소 및 환경 오염 문제 등으로 화석 연료를 대체할 자동차용 에너지원에 대한 연구가 있어 왔다. 그 중 현재 가장 활발히 연구되고 있는 에너지원은 연료 전지인데, 아직까지는 연료 전지만으로 작동하는 자동차의 경우 연료 대비 효율이나 냉각 시스템의 최적화 등이 완전히 이루어지지 않은 상태이다. 따라서 현재로서는 화석 연료와 연료 전지(즉 전기)를 모두 사용하는 하이브리드 자동차가 가장 합리적인 대안으로 대두되고 있다. 이러한 연료 전지 자동차 또는 하이브리드 자동차에는 구동원으로서 전기를 사용하는 구동 모터가 구비되며, 화석 연료를 사용하는 엔진을 대체하거나 또는 보조하는 역할을 한다.

화석 연료를 사용하는 내연 기관 자동차의 경우, 엔진에서 고온ㆍ고압의 가스를 점화ㆍ연소시키는 과정에서 매우 많은 양의 열이 발생하게 되며, 따라서 냉각을 시켜 주지 않으면 과열로 인하여 실린더와 피스톤을 포함하는 각종 부품이 녹거나 탐으로써 손상 및 파손이 발생하게 된다. 따라서 실린더 주위에 냉각수를 수용하는 재킷을 설치하고, 상기 재킷 내부로 냉각수를 순환시킴으로써 냉각수가 엔진으로부터 발생하는 열을 흡수함으로써 엔진이 냉각되도록 하고 있다. 그러나 냉각수 역시 오랜 시간 동안 엔진으로부터 열을 흡수하여 고온이 되면 엔진으로부터 더 이상 열을 흡수할 수 없게 되기 때문에, 상기 냉각수를 냉각시켜 주는 장치가 필요한데, 라디에이터(radiator)는 바로 이러한 고온의 냉각수를 순환시켜 냉각시켜 주는 장치로서, 내연 기관에서 발생한 열의 일부를 냉각수를 통해서 대기 속으로 방출하는 역할을 한다. 라디에이터는 대부분의 경우 일반적으로 가장 널리 사용되는 열교환기의 형태, 즉 다열의 튜브들, 상기 튜브들의 양단에 결합되는 한 쌍의 헤더탱크, 상기 튜브들 사이에 개재되는 핀을 포함하여 이루어지는 형태를 가지게 된다.

연료 전지를 동력원으로 하는 자동차의 경우에도 물론, 연료 전지 셀 스택, 모터 등과 같은 각 전장 부품에서 발열이 일어난다. 따라서 내연 기관의 냉각수를 이용한 냉각 시스템과 유사한 방식으로, 냉각수를 이용하여 이러한 전장 부품들에서 발생되는 열을 흡수하여 냉각을 수행하게 된다. 또한 역시 내연 기관의 냉각 시스템과 유사하게, 흡수된 열로 인해 온도가 올라가게 된 냉각수를 별도의 라디에이터를 이용하여 냉각시켜 주게 된다.

한편, 내연 기관을 사용하는 자동차의 경우, 엔진은 시동을 켠 이후 시동을 끌 때까지는 엔진이 항상 작동을 하고 있다. 즉 일반적인 고속 주행 시가 아닌 아이들(idle) 상태 및 저속 주행 시에서도 엔진은 계속 작동을 하고 있기 때문에 엔진에서의 발열이 지속적으로 일어나며, 따라서 냉각수의 순환 및 라디에이터에 의한 냉각수의 냉각 역시 지속적으로 수행되어야 함이 당연하다.

그런데 전기 자동차의 경우에는, 차량 정지 및 저속 주행 시에는 내연 기관 자동차에 비해 발열량이 현저히 낮아지게 된다. 도 1은 아이들 상태 및 자동차 내부 냉방 시 내연 기관 자동차 및 전기 자동차 각각에서의 라디에이터와 콘덴서의 발열량 비교를 그래프로 나타낸 것이다. 라디에이터는 상술한 바와 같이 엔진 또는 전장 부품과 같은 구동계를 냉각하기 위한, 냉각수가 순환되는 냉각 시스템에 포함되는 장치이며, 콘덴서는 차량 내부의 냉방을 위한, 냉매가 순환되는 별도의 냉각 시스템에 포함되는 장치이다. 차량 내부의 냉방 조건은 내연 기관 자동차 및 전기 자동차 양측 모두 거의 동일할 것이기 때문에, 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 아이들 상태에서 콘덴서에서의 발열량은 당연히 내연 기관 자동차 및 전기 자동차 양측 모두 비슷하게 나타나게 된다. 반면 아이들 상태에서 라디에이터에서의 발열량은 내연 기관 자동차에 비해 전기 자동차의 경우 현저하게 낮게 나타남을 확인할 수 있다. 즉 전기 자동차의 경우, 아이들 상태 또는 저속 주행 시에는 구동계의 냉각이 거의 필요하지 않다는 것을 알 수 있다.

한편, 라디에이터와 콘덴서는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 서로 나란히 병렬로 배치되는 것이 일반적이다. 라디에이터 및 콘덴서 모두 내부에 유통되는 냉각수 또는 냉매를 외부의 공기와 열교환시키는 장치인 바, 열교환성능을 높이기 위하여 외부 공기를 강제로 송풍하는 팬이 라디에이터 및 콘덴서에 더 구비되게 된다. 따라서 외부 공기는 라디에이터 및 콘덴서를 순차적으로 거쳐 흘러가면서 열교환을 하게 된다.

차량이 고속 주행 시에는 외부 공기 자체가 높은 유속을 가지고 있는 반면, 차량이 아이들 상태에 있을 때에는 외부 공기가 정지 상태에 있기 때문에, 팬에서 불어주는 풍량에 콘덴서에서의 열교환성능이 절대적으로 의존하게 됨은 당연하다. 상술한 바와 같이 콘덴서와 라디에이터가 병렬로 나란히 배치되어 있기 때문에 팬에서 불어주는 바람은 콘덴서 및 라디에이터를 통과하면서 많은 공기 저항을 받게 된다. 내연 기관 자동차의 경우에는 콘덴서 내의 냉매 및 라디에이터 내의 냉각수 모두가 외부 공기에 의하여 냉각이 이루어져야 하는 바, 팬에 의해 발생된 바람이 콘덴서 및 라디에이터를 모두 통과하면서 활발한 열교환이 일어나게 하는 것이 매우 유리한 효과를 가진다. 그런데, 전기 자동차의 경우에는 아이들 상태에 있을 때 전장 부품에서의 발열이 거의 없기 때문에, 라디에이터 내의 냉각수 역시 거의 냉각될 필요가 없다. 따라서 전기 자동차에서 아이들 상태에 있을 때에는 팬에 의해 발생된 바람이 라디에이터를 통과하는 것은 (냉각수의 냉각이 불필요하므로) 단지 외부 공기의 유속 손실만을 야기할 뿐이며, 이에 따라 콘덴서에서의 냉각 성능을 떨어뜨리는 요인이 된다. 다시 말해, 전기 자동차에서는 아이들 상태 또는 저속 주행 시 불필요하게 라디에이터를 냉각하게 됨으로서, 라디에이터의 공기 저항으로 인하여 콘덴서( 및 라디에이터)를 통과하는 풍량의 손실만을 발생시키는 문제가 있었다.

1. 일본특허공개 제2006-199206호("차량의 냉각 장치")

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전기 자동차에서 아이들 상태 또는 저속 주행 시에 콘덴서를 보조 냉각해 줌으로써, 라디에이터의 불필요한 냉각에 따른 콘덴서의 냉각 성능 저하를 종래보다 개선하는, 전기 자동차의 냉각 시스템을 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 전기 자동차에서 콘덴서와 라디에이터의 배치 관계를 개선함으로써 시스템 전체 성능을 보다 개선하는, 전기 자동차의 냉각 시스템을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기 자동차의 냉각 시스템은, 콘덴서(110), 팽창밸브(120), 증발기(130), 압축기(140)를 포함하여 이루어지며, 냉매를 순환시켜 차량 내부를 냉방하는 내부 냉방 시스템(100); 및 라디에이터(210)를 포함하여 이루어지며, 냉각수를 순환시켜 전장 부품(220)을 냉각시키는 전장 냉각 시스템(200); 을 포함하여 이루어지는 전기 자동차의 냉각 시스템(1000)에 있어서, 상기 압축기(140)에서 배출되는 냉매와 상기 라디에이터(210)에서 배출되는 냉각수가 그 내부로 유통되어 서로 열교환하도록 구비되는 부가 열교환기(500); 상기 라디에이터(210)에서 배출되는 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하거나 또는 바이패스하도록 유로를 조절하는 바이패스 밸브(400); 를 포함하여 이루어져, 아이들(idle) 상태 또는 저속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수를 상기 부가 열교환기(500)로 유통시키고, 고속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하지 않도록 바이패스시키는 것을 특징으로 한다.

또는, 본 발명의 전기 자동차의 냉각 시스템은, 콘덴서(110), 팽창밸브(120), 증발기(130), 압축기(140)를 포함하여 이루어지며, 냉매를 순환시켜 차량 내부를 냉방하는 내부 냉방 시스템(100); 및 라디에이터(210)를 포함하여 이루어지며, 냉각수를 순환시켜 전장 부품(220)을 냉각시키는 전장 냉각 시스템(200); 을 포함하여 이루어지는 전기 자동차의 냉각 시스템(1000)에 있어서, 상기 콘덴서(110)에서 배출되는 냉매와 상기 라디에이터(210)에서 배출되는 냉각수가 그 내부로 유통되어 서로 열교환하도록 구비되는 부가 열교환기(500); 상기 라디에이터(210)에서 배출되는 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하거나 또는 바이패스하도록 유로를 조절하는 바이패스 밸브(400); 를 포함하여 이루어져, 아이들(idle) 상태 또는 저속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수를 상기 부가 열교환기(500)로 유통시키고, 고속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하지 않도록 바이패스시키는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 전기 자동차의 냉각 시스템(1000)은 상기 콘덴서(110) 및 상기 라디에이터(210)가 공기 송풍 방향에 대하여 나란하게 순차적으로 병렬 배치되거나, 상기 라디에이터(210) 및 상기 콘덴서(110)가 공기 송풍 방향에 대하여 나란하게 순차적으로 병렬 배치되거나, 상기 라디에이터(210) 및 상기 콘덴서(110)가 동일 평면 상에 상하 방향으로 배치되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 전기 자동차의 냉각 시스템에서, 상기 냉각 시스템(1000)은, 상기 내부 냉방 시스템(100)에서의 냉매는 상기 콘덴서(110) - 상기 부가 열교환기(500) - 상기 팽창밸브(120) - 상기 증발기(130) - 상기 압축기(140)를 순차적으로 통과하여 상기 콘덴서(110)로 재유입되어 냉매 순환 경로를 형성하면서 유통되고, 아이들 상태 또는 저속 주행 시, 상기 전장 냉각 시스템(200)에서의 냉각수는 상기 라디에이터(210) - 상기 바이패스 밸브(400) - 상기 부가 열교환기(500) - 상기 전장 부품(220)을 순차적으로 통과하여 상기 라디에이터(210)로 재유입되어 냉각수 순환 경로를 형성하고, 고속 주행 시, 상기 전장 냉각 시스템(200)에서의 냉각수는 상기 라디에이터(210) - 상기 바이패스 밸브(400) - 상기 전장 부품(220)을 순차적으로 통과하여 상기 라디에이터(210)로 재유입되어 냉각수 순환 경로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 바이패스 밸브(400)는 자동차 속도가 50km/h 이상이면 고속 주행인 것으로 간주하여 조절되고, 그 이하이면 저속 주행인 것으로 간주하여 조절되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 부가 열교환기(500)는 복수 개의 플레이트(550)가 적층되어 제1열교환매체가 유동하는 제1매체공간(510)과 제2열교환매체가 유동하는 제2매체공간(520)이 교대로 형성되며, 상기 플레이트(550)에는 상기 제1매체공간(510)으로 제1열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 제1매체유입구(512a) 및 제1매체배출구(512b)와; 상기 제1매체유입구(512a) 및 상기 제1매체배출구(512b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제1열교환매체를 수용 및 유동시키는 제1매체탱크부(511)와; 상기 제2매체공간(520)으로 제2열교환매체를 각각 유입 및 배출시키는 제2매체유입구(522a) 및 제2매체배출구(522b)와; 상기 제2매체유입구(522a) 및 상기 제2매체배출구(522b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제2열교환매체를 수용 및 유동시키는 제2매체탱크부(521);가 구비되어 이루어지는 판형 열교환기 형태로 이루어지되, 상기 제1열교환매체 및 상기 제2열교환매체가 각각 냉매 및 냉각수 또는 냉각수 및 냉매인 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 부가 열교환기(500)는 상기 제1열교환매체 및 상기 제2열교환매체가 대향류를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 전기 자동차에서 아이들 상태 또는 저속 주행 시에 콘덴서를 보조 냉각해 줌으로써, 라디에이터의 불필요한 냉각에 따른 콘덴서의 냉각 성능 저하를 종래보다 개선하는 큰 효과가 있다. 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 전기 자동차에서 아이들 상태 또는 저속 주행 시 구동계에서의 발열이 거의 없기 때문에 라디에이터를 통과하는 냉각수를 냉각할 필요가 없다. 그런데, 종래에는 라디에이터 - 콘덴서 - 팬이 순차적으로 배치되어 송풍이 이루어지기 때문에 팬에서 발생되는 바람이 라디에이터를 거침으로써 풍량의 저하가 발생하게 되는데, 전기 자동차의 경우 라디에이터에서의 냉각이 불필요하기 때문에 이러한 풍량의 저하는 단지 콘덴서에서의 냉각 성능의 저하만을 유발했다. 그러나 본 발명에서는, 라디에이터 및 콘덴서의 배치 관계를 종래와는 달리 다양하게 형성할 수 있으므로, 송풍 방향이나 배치 순서 등에 따른 종래의 냉각 성능 저하 영향을 용이하게 극복할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 특히 본 발명에서는 냉각수를 이용하여 콘덴서로 유입되는 냉매 또는 콘덴서에서 배출된 냉매를 냉각(즉 수냉 방식으로 냉각)해 줌으로써, 냉각 성능을 더욱 증대시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

또한 종래에는, 냉각수가 지나치게 차가운 상태로 전장 부품을 냉각할 경우 오히려 부품에 충격을 주게 될 수 있었던 문제점이 있었는데, 본 발명에 의하면 라디에이터 냉각수가 냉매와 열교환하여 다소 따뜻해진 상태로 전기 자동차의 전장 부품 냉각 시스템으로 유입되게 되기 때문에, 전장 부품 냉각 시스템에 있어서의 열적 안정성을 획득할 수 있게 되는 효과 또한 있다.

도 1은 아이들 상태 및 자동차 내부 냉방 시 내연 기관 차량 및 전기 자동차 각각에서의 라디에이터와 콘덴서의 발열량 비교.
도 2는 일반적인 라디에이터 및 콘덴서의 배치 형태.
도 3은 본 발명의 보조 냉각을 적용한 전기 자동차에서의 냉각 시스템의 제1실시예.
도 4는 아이들 상태 또는 저속 주행 시 본 발명의 냉각 시스템의 제1실시예에서의 냉매 및 냉각수 흐름과, 고속 주행 시 본 발명의 냉각 시스템에서의 냉매 및 냉각수 흐름.
도 5는 본 발명의 냉각 시스템의 제1실시예에서의 콘덴서 및 라디에이터 배치의 여러 실시예.
도 6은 본 발명의 보조 냉각을 적용한 전기 자동차에서의 냉각 시스템의 제2실시예.
도 7은 아이들 상태 또는 저속 주행 시 본 발명의 냉각 시스템의 제2실시예에서의 냉매 및 냉각수 흐름과, 고속 주행 시 본 발명의 냉각 시스템에서의 냉매 및 냉각수 흐름.
도 8은 본 발명의 부가 열교환기의 한 형태.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 전기 자동차의 냉각 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 전기 자동차의 냉각 시스템의 제1실시예를 도시한 것이며, 도 6은 제2실시예를 도시한 것이다. 본 발명의 냉각 시스템(1000)을 기본적으로 구성하는 것은, 콘덴서(110), 팽창밸브(120), 증발기(130), 압축기(140)를 포함하여 이루어지며, 냉매를 순환시켜 차량 내부를 냉방하는 내부 냉방 시스템(100) 및 라디에이터(210)를 포함하여 이루어지며, 냉각수를 순환시켜 전장 부품(220)을 냉각시키는 전장 냉각 시스템(200)이다. 상기 내부 냉방 시스템(100)은 일반적인 냉동 사이클을 이용하여, 냉매가 상기 콘덴서(110)를 통과하면서 응축되어 외부로 응축열을 발산하고, 응축된 냉매가 상기 팽창밸브(120)를 통과하면서 부피가 팽창되며, 팽창된 냉매가 상기 증발기(130)를 통과하면서 증발되어 외부로부터 증발열을 흡수하여 외부 공기를 냉각시키고, 이와 같이 냉각된 공기가 차량 내부로 공급됨으로써 차량 내부의 냉방이 이루어진다. 상기 전장 냉각 시스템(200)은, 냉각수가 상기 전장 부품(220)의 주변을 통과하면서 상기 전장 부품(220)에서 발생되는 열을 흡수하고, 열을 흡수하여 고온이 된 냉각수가 상기 라디에이터(210)를 통과하면서 외부 공기로 열을 발산하여 냉각되며, 냉각되어 저온이 된 냉각수가 상기 전장 부품(220)으로 다시 순환하면서 열을 흡수하는 식으로 상기 전장 부품(220)을 냉각하게 된다. 여기에서 상기 전장 부품(220)은 대개 연료 전지, 모터 등과 같은 전기 자동차의 구동계가 될 수 있다.

상술한 바와 같은 두 개의 냉각 시스템에서, 자동차 내부 부품의 소형화 및 컴팩트화를 통한 공간 활용성 증대 방안의 일환으로, 상기 콘덴서(110) 및 상기 라디에이터(210)는 공기 송풍 방향에 대하여 나란하게 병렬로 배치되도록 할 수 있다. 이 때, 상기 콘덴서(110) 및 상기 라디에이터(210)와 함께, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 팬(300)이 구비되어 상기 콘덴서(110) 및 상기 라디에이터(210)에 공기의 강제 송풍이 이루어지게 되며, 이에 따라 공기는 상기 콘덴서(110) - 상기 라디에이터(210)를 순차적으로 통과하게 된다. (이러한 콘덴서(110) 및 라디에이터(210)의 배치 관계는 일반적으로 널리 사용되는 것으로서 도 3, 4에서도 이러한 배치 관계를 도시하였다. 그러나 이후 보다 상세히 설명하겠지만, 본 발명에서는 콘덴서(110) 및 라디에이터(210)의 배치 관계가 이와 같은 배치 관계만으로 한정되는 것은 아니다.)

이 때, 본 발명의 냉각 시스템(1000)은 바이패스 밸브(400) 및 부가 열교환기(500)를 더 포함하여 이루어지는 것이 특징이다. 상기 부가 열교환기(500)는, 제1실시예에서는 상기 압축기(140)에서 배출되는 냉매와 상기 라디에이터(210)에서 배출되는 냉각수가 그 내부로 유통되어 서로 열교환하도록 구비되며, 제2실시예에서는 상기 콘덴서(110)에서 배출되는 냉매와 상기 라디에이터(210)에서 배출되는 냉각수가 그 내부로 유통되어 서로 열교환하도록 구비된다. 또한 상기 바이패스 밸브(400)는 상기 라디에이터(210)에서 배출되는 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하거나 또는 바이패스하도록 유로를 조절하는 역할을 한다. 제1실시예와 제2실시예는, 냉매와 냉각수 간의 열교환이 상기 콘덴서(110)의 전단에서 이루어지는지 또는후단에서 이루어지는지의 차이일 뿐으로, 조건에 따라 냉매와 냉각수의 열교환이 이루어지거나 또는 이루어지지 않도록 한다는 점에 있어서 두 실시예는 동일한 개념이라고 볼 수 있다.

본 발명의 냉각 시스템(1000)에서는, 아이들 상태(idle) 또는 저속 주행 시에 상기 콘덴서(110)에서의 냉매의 보조 냉각을 수행하도록 하여 시스템 효율 및 안정성을 높인다. 보다 구체적으로는, 아이들 상태 또는 저속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수를 상기 부가 열교환기(500)로 유통시키고, 고속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하지 않도록 바이패스시키도록 냉각수 유로를 구성함으로써, 아이들 상태 또는 저속 주행 시 냉매의 보조 냉각이 이루어질 수 있도록 하는 것이다.

도 4 및 7을 통해 본 발명의 냉각 시스템의 냉매 및 냉각수 흐름과, 본 발명의 구성에 의하여 얻어지는 효과에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 4 및 7(A)는 아이들 및 저속 주행 시 본 발명의 냉각 시스템의 냉매 및 냉각수 흐름을 도시한 것이며, 도 4 및 7(B)는 고속 주행 시 본 발명의 냉각 시스템의 냉매 및 냉각수 흐름을 도시한 것이다. (여기에서, 자동차 속도가 50km/h 이상이면 고속 주행인 것으로 간주하고, 그 이하이면 저속 주행인 것으로 간주한다.) 도시된 바와 같이, 저속 주행 시나 고속 주행 시 모든 경우에 있어, 상기 내부 냉방 시스템(100)에서의 냉매의 순환 경로는 변함이 없다. 즉 항상 냉매는 상기 내부 냉방 시스템(100)에서의 냉매는 상기 콘덴서(110) - 상기 부가 열교환기(500) - 상기 팽창밸브(120) - 상기 증발기(130) - 상기 압축기(140)를 순차적으로 통과하여 상기 콘덴서(110)로 재유입되어 냉매 순환 경로를 형성하면서 유통되게 된다.

도 4 및 7(A)에 도시되어 있는 바와 같이, 아이들 및 저속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수를 상기 부가 열교환기(500)로 유통시킨다. 즉 아이들 및 저속 주행 시, 상기 전장 냉각 시스템(200)에서의 냉각수는 상기 라디에이터(210) - 상기 바이패스 밸브(400) - 상기 부가 열교환기(500) - 상기 전장 부품(220)을 순차적으로 통과하여 상기 라디에이터(210)로 재유입되어 냉각수 순환 경로를 형성하게 된다. 이로써 얻을 수 있는 장점에 대해서는 이하에서 보다 상세히 설명한다.

도 4 및 7(B)에 도시되어 있는 바와 같이, 고속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하지 않도록 바이패스시킨다. 즉 고속 주행 시, 상기 전장 냉각 시스템(200)에서의 냉각수는 상기 라디에이터(210) - 상기 바이패스 밸브(400) - 상기 전장 부품(220)을 순차적으로 통과하여 상기 라디에이터(210)로 재유입되어 냉각수 순환 경로를 형성함으로써, 상기 부가 열교환기(500)로 냉각수가 흘러가지 않도록 하여 일반적인 종래의 냉각 시스템과 동일한 형태의 유로를 형성하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는, 아이들 상태 및 저속 주행 시에 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하도록 하며, 상기 부가 열교환기(500)에서는 냉매와 냉각수를 열교환시키게 된다. 내연 기관 자동차의 경우에는 엔진은 아이들 상태, 저속 주행 시, 고속 주행 시 모든 경우에 있어서 항상 동작하고 있기 때문에, 아이들 상태 또는 저속 주행 시에도 엔진에서는 매우 많은 열이 발생하며, 이를 냉각하기 위한 냉각수의 유통은 반드시 필요한 것이었다. 그러나 전기 자동차의 경우에는, 아이들 상태에는 모터가 정지해 버리며, 저속 주행 시에도 모터의 회전 속도가 높지 않기 때문에 모터에서 그리 많은 열이 발생하지 않아, 종래의 내연 기관 자동차에서와 같은 냉각수를 통한 냉각이 불필요하다. 그러나 종래에, 전기 자동차의 냉각 시스템에서도 냉각수가 아이들 상태 또는 저속 주행 시에 지속적으로 순환되도록 하여 불필요한 냉각이 이루어지게 되어, 상기 라디에이터(210)의 공기 저항 때문에 상기 콘덴서(110)를 통과하는 공기 속도가 떨어지기만 하는 악영향만이 발생하는 문제가 있었다. 다시 말하자면, 아이들 상태 또는 저속 주행 시에는 상기 라디에이터(210)가 의미없는 동작(불필요한 냉각)을 하게 되며, 따라서 상기 라디에이터(210)가 필요없게 된다. 즉 이 경우 상기 라디에이터(210)가 없다면 상기 콘덴서(110)에서의 열교환성능은 보다 높아져 냉매의 냉각 및 이에 따른 응축 성능이 보다 증대될 것을 기대할 수 있으며, 뒤집어 생각하면 상기 라디에이터(210)의 존재로 인하여 (더 얻을 수 있는) 냉매의 냉각 및 응축 성능의 저하가 유발되는 셈이 된다.

본 발명에서는 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여, 아이들 상태 또는 저속 주행 시에 도 4 및 7(A)에 도시되어 있는 바와 같이 상기 바이패스 밸브(400)를 사용하여 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하여 흐르도록 하고 있다. 상기 압축기(140)로부터 배출된 냉매(제1실시예) 또는 상기 콘덴서(110)로부터 배출된 냉매(제2실시예)와 상기 라디에이터(210)로부터 배출된 냉매는, 상기 부가 열교환기(500)로 함께 유입되어 서로 열교환을 일으키게 된다. 이 때, 상술한 바와 같이 전기 자동차에서 아이들 상태 또는 저속 주행 시에는 상기 전장 부품(220)에서의 발열이 거의 없기 때문에 냉각수의 온도는 상당히 낮게 형성된다. 반면, 제1실시예의 경우 상기 압축기(140)에서 배출된 냉매는 고압 고온 상태로서 당연히 냉각수보다 상대적으로 높은 온도를 가지게 된다. 제2실시예의 경우에도, 상기 콘덴서(110)에서 상기 라디에이터(210)의 존재에 따른 공기 저항의 증대로 인하여 충분한 냉매의 냉각 및 응축이 이루어지지 못하게 되어, 상기 콘덴서(110)에서 배출된 냉매는 상대적으로 높은 온도를 가지게 된다. 따라서 상기 부가 열교환기(500)로 냉각수 및 냉매가 동시 유입되면, 냉각수가 냉매로부터 열을 흡수하여 줌으로써 냉매를 더욱 냉각시켜 주게 된다. 이에 따라 본 발명에 의하면, 상술한 바와 같이 상기 라디에이터(210)의 존재에 따른 냉매 냉각 성능 저하의 문제점을 상쇄하거나 또는 오히려 더 높은 냉각 효율을 얻을 수 있게 되는 것이다.

뿐만 아니라 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과도 얻을 수 있다. 상기 부가 열교환기(500)에서 냉각수가 냉매로부터 열을 흡수하면, 당연히 상기 부가 열교환기(500)에서 배출되는 냉각수는 유입 전보다 온도가 올라가게 된다. 상기 부가 열교환기(500)가 없을 경우에는 상기 라디에이터(210)를 통과하여 불필요한 냉각이 이루어진 냉각수가 상기 전장 부품(220)으로 바로 유입될 것이나, 상기 부가 열교환기(500)에 의하여 냉각수가 약간 데워진 상태로 상기 전장 부품(220)으로 유입될 수 있게 된다. 그런데, 상술한 바와 같이 아이들 상태 또는 저속 주행 시에는 상기 전장 부품(220)에서의 발열이 거의 없기 때문에, 상기 부가 열교환기(500)가 없을 경우 상기 전장 부품(220)이 필요 이상으로 열을 빼앗기게 되어, 상기 전장 부품(220) 시스템의 열적 안정성이 깨질 우려가 있다. 그러나 본 발명에 의하면, 아이들 상태 또는 저속 주행 시에 상기 전장 부품(220)으로 유입되는 냉각수는 (이전 단계에서 상기 부가 열교환기(500)를 통과하며 냉매로부터 열을 흡수함으로써) 온도가 어느 정도 올라간 상태이기 때문에, 상기 전장 부품(220)의 지나친 냉각을 피하고 열적 안정성을 유지할 수 있게 해 주는 것이다.

도 5는 본 발명의 냉각 시스템의 제1실시예에서의 콘덴서 및 라디에이터 배치의 여러 실시예를 도시하고 있다. 제1실시예를 도시한 도 3, 4 및 제2실시예를 도시한 도 6, 7에서는 콘덴서(110) 및 라디에이터(210)가 공기 송풍 방향에 따라 순차적으로 나란히 병렬 배치되는 형태를 도시하고 있으며, 이러한 배치 관계는 일반적으로 엔진 룸 내 공간활용성을 위해 널리 채택되어 사용되고 있는 형태이다. 이 때, 앞서 설명한 바와 같이 콘덴서(110) - 라디에이터(210) 순으로 공기가 송풍되는 과정에서 라디에이터(210) 때문에 공기 송풍 효율이 떨어지게 되어 콘덴서(110)에서의 열교환효율이 나빠지는 문제가 있었던 것이 사실이다. 제2실시예의 경우에는 오히려 이를 이용하여, 콘덴서(110)에서 냉매가 충분히 냉각되지 않아서 아직 냉각수보다 상대적으로 높은 시점에서, 상기 콘덴서(110)에서 배출된 냉매와 상기 라디에이터(210)에서 배출된 냉각수가 서로 열교환하도록 하고 있다.

본 발명에 의하면, 앞서 설명한 바와 같이 상기 바이패스 밸브(400) 및 상기 부가 열교환기(500)를 사용하여 적절하게 냉각수 유로를 변경시켜 줌으로써 냉각 효율을 극대화하고 있어, 이러한 콘덴서 및 라디에이터의 배치 관계에 대한 제한이 없다. 상술한 바와 같이 제2실시예의 경우에는 콘덴서 - 라디에이터 순으로 배치될 경우 좀더 효과적이겠으나, 다른 식으로 배치된다 해도 무방하다. 즉, 본 발명에 의하면 상기 바이패스 밸브(400) 및 상기 부가 열교환기(500)를 이용하여 냉각 효율을 높이도록 하고 있으므로, 콘덴서 및 라디에이터의 배치 관계를 종전과 변경하는 데에 큰 제한이 없고, 따라서 배치 관계를 변경함으로써 송풍 효율 저하 등의 문제를 근본적으로 제거할 수도 있다. 이하는 본 발명에 적용 가능한 콘덴서 및 라디에이터의 배치 관계의 예시들이다.

도 5(A)는 상기 콘덴서(110) 및 상기 라디에이터(210)가 공기 송풍 방향에 대하여 나란하게 순차적으로 병렬 배치되는 형태를 도시하고 있으며, 이는 도 3, 4에 도시되어 있는 형태와 같은 형태이다.

도 5(B)는 상기 라디에이터(210) 및 상기 콘덴서(110)가 공기 송풍 방향에 대하여 나란하게 순차적으로 병렬 배치되는 형태를 도시하고 있다. 이는 도 3, 4에 도시되어 있는 형태와는 전후 관계가 반대로 되어 있는 것이다.

도 5(C)는 상기 라디에이터(210) 및 상기 콘덴서(110)가 동일 평면 상에 상하 방향으로 배치되는 형태를 도시하고 있다. 이 경우, 공기가 어느 하나의 열교환기를 통과한 후 다른 하나의 열교환기를 통과하게 되어 있는 것이 아니라, 동시에 두 열교환기를 통과하게 되므로, 배치 관계에 따른 공기 저항 문제는 원천적으로 제거될 수 있다.

도 8은 상기 부가 열교환기(500)로 사용될 수 있는 열교환기의 한 형태를 도시한 것이다. 상기 부가 열교환기(500)는, 제1열교환매체와 제2열교환매체를 동시에 유통시키며 또한 두 열교환매체가 서로 열교환할 수 있도록 하는 구조를 가진다면 어떠한 형태로 이루어져도 무방하다. 이 때, 상술한 바와 같은 조건을 만족시키는 열교환기로서 도 8에 도시된 바와 같은 판형 열교환기가 상기 부가 열교환기(500)로서 채용되는 것이 바람직하다.

보다 상세히 설명하자면, 상기 부가 열교환기(500)는, 복수 개의 플레이트(550)가 적층되어 제1열교환매체가 유동하는 제1매체공간(510)과 제2열교환매체가 유동하는 제2매체공간(520)이 교대로 형성되며, 상기 플레이트(550)에는 상기 제1매체공간(510)으로 제1열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 제1매체유입구(512a) 및 제1매체배출구(512b)와; 상기 제1매체유입구(512a) 및 상기 제1매체배출구(512b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제1열교환매체를 수용 및 유동시키는 제1매체탱크부(511)와; 상기 제2매체공간(520)으로 제2열교환매체를 각각 유입 및 배출시키는 제2매체유입구(522a) 및 제2매체배출구(522b)와; 상기 제2매체유입구(522a) 및 상기 제2매체배출구(522b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제2열교환매체를 수용 및 유동시키는 제2매체탱크부(521);가 구비되어 이루어지는 판형 열교환기 형태로 이루어지게 된다. 본 발명의 부가 열교환기(500)로 사용될 경우, 상기 부가 열교환기(500)는 상기 제1열교환매체 및 상기 제2열교환매체가 각각 냉매 및 냉각수 또는 냉각수 및 냉매가 되도록 할 수 있다. 즉 [제1열교환매체가 냉각수 / 제2열교환매체가 냉매]가 되도록 하거나, 또는 [제1열교환매체가 냉매 / 제2열교환매체가 냉각수]가 되도록 하는 두 조합 중 어느 쪽으로 하여도 무방하다.

더불어 상기 부가 열교환기(500)는 상기 제1열교환매체 및 상기 제2열교환매체가 대향류를 이루도록 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 제1열교환매체 및 상기 제2열교환매체가 대향류를 이루게 되면 두 열교환매체 간의 열교환성능이 보다 높아지게 된다.

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: (본 발명의) 냉각 시스템
100: 내부 냉방 시스템
110: 콘덴서 120: 팽창밸브
130: 증발기 140: 압축기
200: 전장 냉각 시스템
210: 라디에이터 220: 전장 부품
300: 팬 400: 바이패스 밸브
500: 부가 열교환기
510: 제1매체공간 511: 제1매체탱크부
512a: 제1매체유입구 512b: 제1매체배출구
520: 제2매체공간 521: 제2매체탱크부
522a: 제2매체유입구 522b: 제2매체배출구
550: 플레이트

Claims (7)

1. 콘덴서(110), 팽창밸브(120), 증발기(130), 압축기(140)를 포함하여 이루어지며, 냉매를 순환시켜 차량 내부를 냉방하는 내부 냉방 시스템(100); 및 라디에이터(210)를 포함하여 이루어지며, 냉각수를 순환시켜 전장 부품(220)을 냉각시키는 전장 냉각 시스템(200); 을 포함하여 이루어지는 전기 자동차의 냉각 시스템(1000)에 있어서,
   상기 압축기(140)에서 배출되는 냉매와 상기 라디에이터(210)에서 배출되는 냉각수가 그 내부로 유통되어 서로 열교환하도록 구비되는 부가 열교환기(500);
   상기 라디에이터(210)에서 배출되는 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하거나 또는 바이패스하도록 유로를 조절하는 바이패스 밸브(400);
   를 포함하여 이루어져, 아이들(idle) 상태 또는 저속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수를 상기 부가 열교환기(500)로 유통시키고, 고속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하지 않도록 바이패스시키는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 냉각 시스템.
   
2. 콘덴서(110), 팽창밸브(120), 증발기(130), 압축기(140)를 포함하여 이루어지며, 냉매를 순환시켜 차량 내부를 냉방하는 내부 냉방 시스템(100); 및 라디에이터(210)를 포함하여 이루어지며, 냉각수를 순환시켜 전장 부품(220)을 냉각시키는 전장 냉각 시스템(200); 을 포함하여 이루어지는 전기 자동차의 냉각 시스템(1000)에 있어서,
   상기 콘덴서(110)에서 배출되는 냉매와 상기 라디에이터(210)에서 배출되는 냉각수가 그 내부로 유통되어 서로 열교환하도록 구비되는 부가 열교환기(500);
   상기 라디에이터(210)에서 배출되는 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하거나 또는 바이패스하도록 유로를 조절하는 바이패스 밸브(400);
   를 포함하여 이루어져, 아이들(idle) 상태 또는 저속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수를 상기 부가 열교환기(500)로 유통시키고, 고속 주행 시 상기 바이패스 밸브(400)는 냉각수가 상기 부가 열교환기(500)를 통과하지 않도록 바이패스시키는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 냉각 시스템.
   
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전기 자동차의 냉각 시스템(1000)은
   상기 콘덴서(110) 및 상기 라디에이터(210)가 공기 송풍 방향에 대하여 나란하게 순차적으로 병렬 배치되거나,
   상기 라디에이터(210) 및 상기 콘덴서(110)가 공기 송풍 방향에 대하여 나란하게 순차적으로 병렬 배치되거나,
   상기 라디에이터(210) 및 상기 콘덴서(110)가 동일 평면 상에 상하 방향으로 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 냉각 시스템.
   
   
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 냉각 시스템(1000)은
   상기 내부 냉방 시스템(100)에서의 냉매는 상기 콘덴서(110) - 상기 부가 열교환기(500) - 상기 팽창밸브(120) - 상기 증발기(130) - 상기 압축기(140)를 순차적으로 통과하여 상기 콘덴서(110)로 재유입되어 냉매 순환 경로를 형성하면서 유통되고,
   아이들 상태 또는 저속 주행 시, 상기 전장 냉각 시스템(200)에서의 냉각수는 상기 라디에이터(210) - 상기 바이패스 밸브(400) - 상기 부가 열교환기(500) - 상기 전장 부품(220)을 순차적으로 통과하여 상기 라디에이터(210)로 재유입되어 냉각수 순환 경로를 형성하고,
   고속 주행 시, 상기 전장 냉각 시스템(200)에서의 냉각수는 상기 라디에이터(210) - 상기 바이패스 밸브(400) - 상기 전장 부품(220)을 순차적으로 통과하여 상기 라디에이터(210)로 재유입되어 냉각수 순환 경로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 냉각 시스템.
   
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 바이패스 밸브(400)는
   자동차 속도가 50km/h 이상이면 고속 주행인 것으로 간주하여 조절되고, 그 이하이면 저속 주행인 것으로 간주하여 조절되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 냉각 시스템.
   
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 부가 열교환기(500)는
   복수 개의 플레이트(550)가 적층되어 제1열교환매체가 유동하는 제1매체공간(510)과 제2열교환매체가 유동하는 제2매체공간(520)이 교대로 형성되며, 상기 플레이트(550)에는 상기 제1매체공간(510)으로 제1열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 제1매체유입구(512a) 및 제1매체배출구(512b)와; 상기 제1매체유입구(512a) 및 상기 제1매체배출구(512b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제1열교환매체를 수용 및 유동시키는 제1매체탱크부(511)와; 상기 제2매체공간(520)으로 제2열교환매체를 각각 유입 및 배출시키는 제2매체유입구(522a) 및 제2매체배출구(522b)와; 상기 제2매체유입구(522a) 및 상기 제2매체배출구(522b) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제2열교환매체를 수용 및 유동시키는 제2매체탱크부(521);가 구비되어 이루어지는 판형 열교환기 형태로 이루어지되,
   상기 제1열교환매체 및 상기 제2열교환매체가 각각 냉매 및 냉각수 또는 냉각수 및 냉매인 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 냉각 시스템.
   
7. 제 6항에 있어서, 상기 부가 열교환기(500)는
   상기 제1열교환매체 및 상기 제2열교환매체가 대향류를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 자동차의 냉각 시스템.

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