KR101558594B1

KR101558594B1 - 연료전지 차량용 쿨링시스템

Info

Publication number: KR101558594B1
Application number: KR1020090081163A
Authority: KR
Inventors: 김재연; 김재산; 박만희
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2015-10-08
Also published as: US20110053025A1; KR20110023345A; CN102001279B; CN102001279A

Abstract

본 발명은 연료전지 차량에서, 연료전지의 스택을 냉각시키는 스택용 라디에이터와 전기동력장치를 냉각시키는 전기동력장치용 라디에이터의 효율적이고 적절한 냉각 성능을 확보하도록 함과 아울러, 상대적으로 간단한 구성과 조립공정으로 구현될 수 있도록 한 연료전지 차량용 쿨링시스템을 제공한다.

컨덴서, 라디에이터, 냉각수, 스택, 전기동력장치

Description

연료전지 차량용 쿨링시스템{Cooling System for Fuel Cell Vehicle}

본 발명은 연료전지 차량용 쿨링시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 효율적이고 합리적인 방열장치들의 배치 등에 관련한 기술이다.

연료전지 차량은 수소와 산소를 결합시켜 전기를 생산하는 연료전지를 탑재하여, 상기 연료전지에서 공급되는 전기를 차량의 구동 동력원으로 사용하는 차량으로서, 상기 연료전지는 종래의 발전기술과 달리 연소과정이나 별도의 구동장치가 없으므로 효율이 높고 환경문제를 유발하지 않는 등 친환경 미래 지향적 차량 에너지 공급원으로 주목 받고 있다.

상기한 바와 같은 연료전지 차량은 적절한 냉각이 필요한 두 가지 주요한 열 발생원이 있는데, 하나는 상기 연료전지를 이루는 스택이고, 다른 하나는 상기 연료전지로부터 전달 받은 전기로 차량을 구동시키는 인버터와 구동모터 등으로 이루어진 전기동력장치이다.

종래 연료전지 차량에서, 상기 스택과 전기동력장치 모두 효율적이고 안정된 냉각을 위하여 수냉식 냉각 방법을 사용하여 냉각이 이루어지도록 하는 바, 일반적으로 상기 스택을 순환하는 냉각수를 냉각시키는 방열장치인 스택용 라디에이터와 상기 전기동력장치를 순환하는 냉각수를 냉각시키기 위한 방열장치인 전기동력장치용 라디에이터를 별도로 구비하고 있으며, 이들 라디에이터들은 서로 다른 적정 작동온도가 있다.

연료전지 차량에서는 상기한 바와 같은 스택용 라디에이터와 전기동력장치용 라디에이터로부터 열을 얼마나 효율적으로 방출시키도록 하는지가 차량의 성능을 좌우 하는 주요한 인자로 작용한다.

본 발명은 연료전지 차량에서, 연료전지의 스택을 냉각시키는 스택용 라디에이터와 전기동력장치를 냉각시키는 전기동력장치용 라디에이터의 효율적이고 적절한 냉각 성능을 확보하도록 함과 아울러, 상대적으로 간단한 구성과 조립공정으로 구현될 수 있도록 한 연료전지 차량용 쿨링시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명 연료전지 차량용 쿨링시스템은

스택용 라디에이터와;

상기 스택용 라디에이터의 일측에 나란히 인접하여 배치된 전기동력장치용 라디에이터와;

상기 전기동력장치용 라디에이터와는 겹쳐지지 않고, 상기 스택용 라디에이 터에 겹쳐지도록 상기 스택용 라디에이터의 전방에 중첩되어 배치된 에어컨 컨덴서와;

상기 나란히 배치된 스택용 라디에이터와 전기동력장치용 라디에이터의 후방에 배치된 냉각팬;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 쿨링시스템은

스택용 라디에이터와 전기동력장치용 라디에이터를 단일 평면상에 나란히 배치하는 일체형 라디에이터 프레임을 구비한 것

을 특징으로 한다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명 실시예는 스택용 라디에이터(R1)와; 상기 스택용 라디에이터의 일측에 나란히 인접하여 배치된 전기동력장치용 라디에이 터(R2)와; 상기 전기동력장치용 라디에이터(R2)와는 겹쳐지지 않고, 상기 스택용 라디에이터(R1)에 겹쳐지도록 상기 스택용 라디에이터의 전방에 중첩되어 배치된 에어컨 컨덴서(C)와; 상기 나란히 배치된 스택용 라디에이터(R1)와 전기동력장치용 라디에이터(R2)의 후방에 배치된 냉각팬(FN)을 포함하여 구성된다.

즉, 스택을 냉각시키기 위하여 스택을 순환하는 냉각수의 열을 외부로 방출시키기 위한 스택용 라디에이터(R1)와 전기동력장치의 열을 냉각시키기 위한 전기동력장치용 라디에이터(R2)가 차체의 수평방향을 따라 좌우로 나란하게 배치되고, 상기 에어컨 컨덴서(C)는 상기 스택용 라디에이터(R1)에만 중첩되도록 배치되어, 상기 냉각팬(FN)에 의해 상기 에어컨 컨덴서(C)와 스택용 라디에이터(R1) 및 상기 전기동력장치용 라디에이터(R2)가 함께 냉각되도록 한 것이다.

상기 전기동력장치용 라디에이터(R2)는 그 작동온도가 상기 스택용 라디에이터(R1)의 작동온도 보다 낮으므로, 비교적 작동온도가 높은 에어컨 컨덴서(C)를 냉각한 냉각풍이 상기 전기동력장치용 라디에이터(R2)로는 유입되지 않고 상기 스택용 라디에이터(R1)로 유입되어 냉각이 이루어지도록 함으로써, 상기 전기동력장치용 라디에이터(R2)에는 외기가 직접 유입되어 냉각이 이루어짐으로써, 보다 효율적인 냉각이 이루어질 수 있도록 하고, 상기 스택용 라디에이터(R1)는 상기 에어컨 컨덴서(C)의 작동온도보다는 높은 작동온도를 가지므로, 상기 에어컨 컨덴서(C)를 냉각한 냉각풍으로 적절한 냉각이 이루어지도록 함으로써, 에어컨 컨덴서(C)를 위 한 별도의 냉각팬 및 공간도 필요하지 않도록 하였다.

물론, 상기한 바와 같은 스택용 라디에이터(R1)와 전기동력장치용 라디에이터(R2) 및 에어컨 컨덴서(C)의 배열은, 이들이 모두 중첩되어 배치된 경우에 비하여 통기저항을 줄여주어 냉각풍의 풍속 증대에 의한 냉각 효율 향상도 기대할 수 있다.

상기 스택용 라디에이터(R1)는 평판 형상으로 형성되고, 상기 전기동력장치용 라디에이터(R2)는 상기 스택용 라디에이터(R1)가 형성하는 평면을 연장하는 평판 형상으로 형성되며, 상기 스택용 라디에이터(R1)는 상기 전기동력장치용 라디에이터(R2)보다 넓은 면적으로 형성되어 있다.

상기 스택용 라디에이터(R1)와 상기 전기동력장치용 라디에이터(R2)는 도 5 내지 도 7에 각각 예시된 바와 같이 각각의 유입탱크(TI)와 유출탱크(TO) 사이를 연결하는 방열코어(CO)가 1개로 이루어진 구조로 할 수 있으며, 방열량을 고려하여 각각의 유입탱크(TI)와 유출탱크(TO) 사이를 병렬로 연결하는 방열코어(CO)가 적어도 2개 이상 중첩된 구조로 할 수 있으며, 각각의 유입탱크(TI)와 유출탱크(TO) 사이를 직렬로 연결하는 방열코어(CO)가 적어도 2개 이상 중첩된 구조로도 할 수 있다.

참고로, 도 5와 도 6에서 상측은 냉각수가 유입되는 유입탱크(TI)이고, 하측은 냉각수가 유출되는 유출탱크(TO)이며, 이들 유입탱크(TI)와 유출탱크(TO) 사이에 위치한 것이 다수의 방열튜브와 방열핀으로 이루어진 방열코어(CO)이다. 또한 도 7에서는 상기 유입탱크(TI)와 유출탱크(TO)가 모두 상측에 배치되고, 하측에는 상기 유입탱크(TI)와 유출탱크(TO) 사이를 직렬로 연결하는 두 방열코어(CO) 사이를 연결하는 연결탱크(TC)가 구비된 구조이다.

또한, 상기 스택용 라디에이터(R1)와 상기 전기동력장치용 라디에이터(R2)를 이루는 각 방열코어(CO)는 필요에 따라 방열튜브와 방열핀의 피치가 서로 동일하게 이루어지도록 할 수 있으며, 상기 방열튜브와 방열핀의 피치가 서로 다르게 이루어지도록 할 수도 있다.

상기한 바와 같은 연료전지 차량용 쿨링시스템을 구성하기 위해, 본 발명 실시예는 도 8 내지 도 12에 도시된 바와 같이 상기 스택용 라디에이터(R1)와 전기동력장치용 라디에이터(R2)를 단일 평면상에 나란히 배치하는 일체형 라디에이터 프레임(F)을 구비한다.

상기 일체형 라디에이터 프레임(F)은 일측에 스택용 라디에이터(R1)를 구성하는 스택용프레임부(F1)를 구비하고, 타측에 상기 스택용프레임부(F1)에 인접하여 전기동력장치용 라디에이터(R2)를 구성하는 전기동력장치용프레임부(F2)를 구비한 다.

상기 스택용프레임부(F1)와 전기동력장치용프레임부(F2)는 각각 냉각튜브와 냉각핀으로 이루어지는 방열코어(CO)의 상하로 배치되어, 상호 배타적으로 냉각수의 유입탱크(TI) 또는 유출탱크(TO)로 각각 기능하는 탱크부(T)가 각각 배치되고, 상기 상하로 배치된 탱크부(T) 사이는 서포트부재(SP)에 의해 각각 지지된 구조이다.

즉, 상기 탱크부(T)는 상기 유입탱크(TI)와 유출탱크(TO)를 통칭하는 의미로 사용된 것으로서, 상하로 배치된 두 탱크부 중 어느 하나가 유입탱크(TI)이면 나머지 다른 하나는 유출탱크(TO)로 기능한다는 것이다.

한편, 상기 도 7과 같은 실시예에서는 상기 유입탱크(TI)와 유출탱크(TO)가 모두 상측에 배치되고, 하측에는 연결탱크(TC)가 배치된 상태로서, 상기 연결탱크(TC)는 상기 탱크부(T)의 엄밀한 정의와 다소 차이가 있으나, 상기 연결탱크(TC)는 라디에이터를 구성하기 위해 다수의 방열튜브에 연통된 탱크라는 공통점이 있고, 후술하는 일체형 라디에이터 프레임(F)의 특징들에 있어서, 상기 유입탱크(TI) 및 유출탱크(TO)와 공통된 기술적 특징으로 설명되는 것이 간편하므로, 별도의 언급이 없는 한 상기 연결탱크(TC)도 상기 탱크부(T)의 일종에 포함되는 것으로 간주한다.

상기 탱크부(T)들 중 좌우로 인접하게 배치되는 탱크부(T)들은 도 10에 예시된 바와 같이 각각 엔드캡(1)에 의해 단부가 밀봉된 상태에서, 서로 인접한 엔드캡(1)이 일체로 연결되는 구조를 가질 수도 있고, 상기 좌우로 인접하게 배치되는 탱크부(T)들이 단일 공간을 나누도록 설치된 격막(3)에 의해 구획되도록 구성할 수도 있다.

참고로, 도 11에는 상기 좌우로 인접하게 배치되는 두 탱크부(T)를 형성하는 격막(3)이 그 사이에 포켓부(5)를 구비하고 2개가 나란히 배치된 예가 도시되어 있다.

이와 같이 사이에 포켓부(5)를 구비한 두 격막(3)에 의해 두 탱크부(T)가 격리되게 되면, 두 탱크부(T) 사이의 열교환이 효과적으로 차단되어, 서로의 방열성능에 간섭이 일어나는 현상을 배제시키는 효과를 얻을 수 있다.

상기 서포트부재(SP)들 중에는 상기 스택용 라디에이터(R1)를 구성하는 방열코어(CO)와 상기 전기동력장치용 라디에이터(R2)를 구성하는 방열코어(CO) 사이를 분리하도록 두 방열코어(CO) 사이에 설치되는 서포트부재(SP)가 포함된다.

도 12에는 상기 두 방열코어(CO) 사이에 설치되는 서포트부재(SP)가 서로 인접한 상대측 방열코어(CO)를 향하여 벌어진 U자형 단면을 구비한 상태로 두 개가 서로 마주하도록 설치되어 두 서포트부재(SP) 사이에 전열차단공간(7)을 형성하는 예가 도시되어 있다.

상기와 같은 전열차단공간(7)도, 두 방열코어(CO) 사이의 열전달을 차단하여 서로의 방열기능에 영향을 주는 것을 저감 및 방지하도록 한다.

상기한 바와 같이 구성된 일체형 라디에이터 프레임(F)은 스택용 라디에이터(R1)와 전기동력장치용 라디에이터(R2)를 각각 구성하는 것보다 함께 일체화 하여 구성함으로써, 상대적으로 부품수가 적게 소요되고, 그 제작 및 조립 공수가 축소되고 단일 취급에 의한 용이한 취급성이 확보되어 제작에 사용되는 비용과 중량이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 각 라디에이터들 사이의 조립공간이 별도로 필요하지 않으므로, 상대적으로 이들 공간을 활용한 방열코어(CO)의 크기 증대가 가능하여 방열성능을 보다 향상시키는 것도 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 쿨링시스템의 주요부를 도시한 도면,

도 2는 도 1의 구성을 상측에서 관측한 상태를 도시한 개념도,

도 3은 도 1의 구성을 우측에서 관측한 상태를 도시한 개념도,

도 4는 도 2의 표현을 바탕으로 한 본 발명 실시예의 냉각 작용을 설명한 도면,

도 5는 방열코어가 1개로 이루어진 라디에이터의 실시예를 예시한 도면,

도 6은 방열코어가 2개 병렬로 중첩된 라디에이터의 실시예를 예시한 도면,

도 7은 방열코어가 2개 직렬로 중첩된 라디에이터의 실시예를 예시한 도면,

도 8은 본 발명의 일체형 라디에이터 프레임의 실시예를 도시한 사시도,

도 9는 도 8의 정면도,

도 10은 도 9의 A선 단면도,

도 11은 도 10의 확대된 부분의 또 다른 실시예를 예시한 도면,

도 12는 도 9의 B선 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1; 엔드캡 3; 격막

5; 포켓부 7; 전열차단공간

R1; 스택용 라디에이터 R2; 전기동력장치용 라디에이터

C; 에어컨 컨덴서 FN; 냉각팬

TI; 유입탱크 TO; 유출탱크

CO; 방열코어 TC; 연결탱크

F; 일체형 라디에이터 프레임 F1; 스택용프레임부

F2; 전기동력장치용프레임부 T; 탱크부

SP; 서포트부재

Claims

스택용 라디에이터와;

상기 스택용 라디에이터의 일측에 나란히 인접하여 배치된 전기동력장치용 라디에이터와;

상기 전기동력장치용 라디에이터와는 겹쳐지지 않고, 상기 스택용 라디에이터에 겹쳐지도록 상기 스택용 라디에이터의 전방에 중첩되어 배치된 에어컨 컨덴서와;

상기 나란히 배치된 스택용 라디에이터와 전기동력장치용 라디에이터의 후방에 배치된 냉각팬;

을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 스택용 라디에이터는 평판 형상으로 형성되고;

상기 전기동력장치용 라디에이터는 상기 스택용 라디에이터가 형성하는 평면을 연장하는 평판 형상으로 형성되며;

상기 스택용 라디에이터는 상기 전기동력장치용 라디에이터보다 넓은 면적으로 형성되는 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 2에 있어서,

상기 전기동력장치용 라디에이터는 상기 스택용 라디에이터에 대하여 차체의 수평방향을 따라 좌우로 나란히 배치된 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 2에 있어서,

상기 스택용 라디에이터와 상기 전기동력장치용 라디에이터는 각각 유입탱크와 유출탱크 사이를 연결하는 방열코어가 1개로 이루어진 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 2에 있어서,

상기 스택용 라디에이터와 상기 전기동력장치용 라디에이터는 각각 유입탱크와 유출탱크 사이를 병렬로 연결하는 방열코어가 적어도 2개 이상 중첩된 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 2에 있어서,

상기 스택용 라디에이터와 상기 전기동력장치용 라디에이터는 각각 유입탱크와 유출탱크 사이를 직렬로 연결하는 방열코어가 적어도 2개 이상 중첩된 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 1 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스택용 라디에이터와 상기 전기동력장치용 라디에이터를 이루는 각 방열코어는 방열튜브와 방열핀의 피치가 서로 동일하게 이루어진 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 1 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스택용 라디에이터와 상기 전기동력장치용 라디에이터를 이루는 각 방열코어는 방열튜브와 방열핀의 피치가 서로 다르게 이루어진 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
스택용 라디에이터와 전기동력장치용 라디에이터를 단일 평면상에 나란히 배치하는 일체형 라디에이터 프레임을 구비하며;

상기 일체형 라디에이터 프레임은 일측에 스택용 라디에이터를 구성하는 스택용프레임부를 구비하고;

타측에 상기 스택용프레임부에 인접하여 상기 전기동력장치용 라디에이터를 구성하는 전기동력장치용프레임부를 구비하며;

상기 스택용프레임부와 전기동력장치용프레임부는 각각 냉각튜브와 냉각핀으로 이루어지는 방열코어의 상하로 배치되어, 상호 배타적으로 냉각수의 유입탱크 또는 유출탱크로 각각 기능하는 탱크부가 각각 배치되고;

상기 상하로 배치된 탱크부 사이는 서포트부재에 의해 각각 지지된 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
삭제
청구항 9에 있어서,

상기 탱크부들 중 좌우로 인접하게 배치되는 탱크부들은

각각 엔드캡에 의해 단부가 밀봉된 상태에서, 서로 인접한 엔드캡이 일체로 연결되는 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 9에 있어서,

상기 탱크부들 중 좌우로 인접하게 배치되는 탱크부들은 단일 공간을 나누도록 설치된 격막에 의해 구획된 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 12에 있어서,

상기 좌우로 인접하게 배치되는 두 탱크부를 형성하는 격막은 사이에 포켓부를 구비하고 2개가 나란히 배치되는 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 9에 있어서,

상기 서포트부재들 중에는 상기 스택용 라디에이터를 구성하는 방열코어와 상기 전기동력장치용 라디에이터를 구성하는 방열코어 사이를 분리하도록 두 방열코어 사이에 설치되는 서포트부재가 포함된 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 14에 있어서,

상기 두 방열코어 사이에 설치되는 서포트부재는 서로 인접한 상대측 방열코어를 향하여 벌어진 U자형 단면을 구비한 두 개가 서로 마주하도록 설치되어 두 서포트부재 사이에 전열차단공간을 형성하는 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 9 또는 청구항 11 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스택용 라디에이터와 상기 전기동력장치용 라디에이터는 각각 유입탱크와 유출탱크 사이를 연결하는 방열코어가 1개로 이루어진 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 9 또는 청구항 11 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스택용 라디에이터와 상기 전기동력장치용 라디에이터는 각각 유입탱크와 유출탱크 사이를 병렬로 연결하는 방열코어가 적어도 2개 이상 중첩된 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 9 또는 청구항 11 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스택용 라디에이터와 상기 전기동력장치용 라디에이터는 각각 유입탱크와 유출탱크 사이를 직렬로 연결하는 방열코어가 적어도 2개 이상 중첩된 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 9 또는 청구항 11 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스택용 라디에이터와 상기 전기동력장치용 라디에이터를 이루는 각 방열코어는 방열튜브와 방열핀의 피치가 서로 동일하게 이루어진 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.
청구항 9 또는 청구항 11 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 스택용 라디에이터와 상기 전기동력장치용 라디에이터를 이루는 각 방열코어는 방열튜브와 방열핀의 피치가 서로 다르게 이루어진 것

을 특징으로 하는 연료전지 차량용 쿨링시스템.