KR102487573B1 - 열교환기 및 이를 포함하는 에너지 변환 장치 어셈블리 - Google Patents

열교환기 및 이를 포함하는 에너지 변환 장치 어셈블리 Download PDF

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Abstract

소정의 장치에 대해 열교환을 수행하는 열교환기가 개시된다. 개시된 열교환기는 상기 장치와의 열교환을 위한 열교환 영역을 형성하여 열전달매체의 흐름을 통해 열교환을 수행하는 열교환채널 구조체 및 상기 장치에 포함된 회전자 유닛과 고정자 유닛을 공간적으로 분리하는 내부 분리벽, 상기 고정자 유닛 및 상기 회전자 유닛을 외부 공간으로부터 분리하는 하우징 및 커버에 의해 형성되며 열교환 대상체의 적어도 일부분이 열전달매체에 잠긴 상태로 열교환이 수행되도록 하는 담금 챔버를 포함하며, 상기 열교환채널 구조체는 나선형 모양을 가지는 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널을 포함하되, 상기 열교환채널 구조체의 적어도 일부분에서 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널은 서로 맞물려서 열교환을 수행한다.

Description

열교환기 및 이를 포함하는 에너지 변환 장치 어셈블리{HEAT EXCHANGER AND ENERGY CONVERSATION DEVICE 1SSEMBLY INCLUDING THE SAME}
본 발명은 열교환기 및 이를 포함하는 장치 어셈블리에 관한 것이다.
모터(전동기)나 발전기와 같은 장치에서 발생되는 열을 제어하기 위한 열관리 장치 또는 열관리 시스템이 사용되고 있다. 전기자동차(electric vehicle)(EV)의 경우, 내연기관 없이 모터로만 차량을 구동해야 하므로, 고출력 모터의 사용이 요구된다. 하이브리드(hybrid) 차량 대비 전기자동차(EV)에 적용되는 모터의 요구 동력은 상대적으로 매우 높다.
전기자동차(EV)용 모터의 발열량이 증가함에 따라, 이를 제어/관리하기 위한 방안이 요구된다. 모터나 발전기 등을 설계하는 과정에서 모터 또는 발전기의 온도 특성이 영역 별로 달라질 수 있다. 하지만, 종래 열교환기는 영역 별로 열교환 특성을 다양하게 제공하지 못하는 문제가 있다.
이로 인해 모터 또는 발전기의 온도가 국부적으로 달라질 수 있으며 이로 인해 모터 또는 발전기가 부분적으로 팽창하거나 수축하여 기계적 결함을 발생시킬 수 있다. 또한, 종래 열교환기의 효율 한계로 인하여 모터 또는 발전기의 출력 용량이 제한되는 문제가 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면 모터(전동기)나 발전기와 같은 장치에서 열편중 현상이 있더라도 열편중 현상을 적절히 제어하고 효율적으로 열교환(즉, 냉각)을 수행할 수 있는 열교환기가 제공된다. 적어도 하나의 실시예에 따르면 발열체의 영역 별로 서로 다른 온도 특성을 가지도록 열교환을 수행할 수 있는 열교환기가 제공된다. 적어도 하나의 실시예에 따르면 비교적 단순한 구조를 가지면서도 효율적으로 열교환을 수행할 수 있고, 환경 문제나 제조 용의성, 적용 편의성 등에서도 유리한 구성 및 구동방식을 갖는 열교환기가 제공된다. 적어도 하나의 실시예에 따르면 상기한 열교환기를 포함하는 장치 어셈블리(예컨대, 에너지 변환 장치 어셈블리)가 제공된다. 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 측면에 있어서, 소정의 장치에 대해 열교환을 수행하는 열교환기가 개시된다.
개시된 열교환기는 상기 장치와의 열교환을 위한 열교환 영역을 형성하여 열전달매체의 흐름을 통해 열교환을 수행하는 열교환채널 구조체 및 상기 장치에 포함된 회전자 유닛과 고정자 유닛을 공간적으로 분리하는 내부 분리벽, 상기 고정자 유닛 및 상기 회전자 유닛을 외부 공간으로부터 분리하는 하우징 및 커버에 의해 형성되며 열교환 대상체의 적어도 일부분이 열전달매체에 잠긴 상태로 열교환이 수행되도록 하는 담금 챔버를 포함하며, 상기 열교환채널 구조체는 나선형 모양을 가지는 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널을 포함하되, 상기 열교환채널 구조체의 적어도 일부분에서 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널은 서로 맞물려서 열교환을 수행한다.
상기 열교환기는 상기 담금 챔버와 상기 열교환채널 구조체 사이를 연결하는 방사 노즐을 더 포함할 수 있다.
상기 열교환채널 구조체는 상기 제1 열교환채널이 독립적으로 열교환을 수행하는 1S 영역과, 상기 제2 열교환채널이 독립적으로 열교환을 수행하는 2S 영역과, 상기 1S 영역 및 상기 2S 영역 사이에 위치하며 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널이 서로 맞물려서 열교환을 수행하는 IK 영역을 포함할 수 있다.
상기 제1 열교환채널은 제1-1 포트를 포함하고, 상기 제2 열교환채널은 제2-1 포트를 포함하되, 상기 제1 열교환채널은 상기 제1-1 포트로 유입된 열교환매체가 제1 방향으로 진행하는 영역 및 상기 제1-1 포트로 유입된 열교환매체가 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 진행하는 영역을 포함하고 상기 제2 열교환채널은 상기 제2-1 포트로 유입된 열교환매체가 제1 방향으로 진행하는 영역 및 제2-1 포트로 유입된 열교환매체가 상기 제2 방향으로 진행하는 영역을 포함할 수 있다.
상기 제1-1 포트 및 상기 제2-1 포트는 상기 IK 영역의 경계에 형성될 수 있다.
상기 제1 열교환채널은 제1-2 포트를 포함하고, 상기 제2 열교환채널은 제2-2 포트를 포함하고, 상기 담금 챔버는 상기 1S 영역과 연결된 제1 담금 챔버 및 상기 2S 영역과 연결된 제2 담금 챔버를 포함하고,
상기 열교환기는 상기 제1 담금 챔버 및 상기 제2 담금 챔버와 연결된 제2-1 링크 채널; 상기 제1-2 포트 및 상기 제2-2 포트와 연결된 제2-2 링크 채널; 및 상기 제2-1 링크 채널 및 상기 제2-2 링크 채널 사이를 이동하는 열전달매체의 유량을 제어하는 유량 분기 제어부를 포함할 수 있다.
상기 열교환채널 구조체는 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널이 서로 맞물려서 열교환을 수행하는 IK 영역 및 상기 IK 영역 양단에 마련되며 상기 제1 열교환채널이 독립적으로 열교환을 수행하는 1S 영역들을 포함할 수 있다.
상기 열교환채널 구조체는 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널 중 어느 하나에 형성된 포트를 통해 열전달매체를 유입 받아 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널 중 다른 하나에 형성된 포트를 통해 상기 열전달매체를 배출하며, 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널 중 어느 하나에 유입된 열전달매체는 상기 담금 챔버를 통해 상기 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널 중 다른 하나로 전달될 수 있다.
상기 제1 열교환채널에 형성된 제1-1 포트(port)와 상기 제2 열교환채널 양단에 형성된 제2-1 포트 및 제2-3 포트와 연결되는 제1 링크 채널을 포함하되, 상기 제1 링크 채널은 상기 제1-1 포트, 제2-1 포트, 제2-3 포트에 유입되는 열전달 매체의 유량을 제어하는 유량 분기 제어부를 포함할 수 있다.
상기 장치는 고정자 유닛 및 회전자 유닛을 포함하며, 상기 열교환기는 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널 중 적어도 하나와 상기 고정자 유닛의 요크에 형성된 이(tooth)들 사이에 형성된 슬롯과 연통하도록 함으로써 상기 요크 채널을 통해 이동한 열교환매체가 상기 이와 코일 사이의 간극을 통해 상기 담금 챔버로 이동하도록 할 수 있다.
적어도 하나의 실시예에 따르면, 모터(전동기)나 발전기 등 열을 발생시키는 장치에서 열편중 현상이 있더라도 열편중 현상을 적절히 제어하고 효율적으로 열교환(즉, 냉각)을 수행할 수 있는 열교환기를 구현할 수 있다.
또한, 비교적 단순한 구조를 가지면서도 효율적으로 열교환을 수행할 수 있고, 환경 문제나 제조 용의성, 적용 편의성 등에서도 유리한 구성 및 구동방식을 갖는 열교환기를 구현할 수 있다.
이러한 실시예에 따른 열교환기를 적용함으로써, 우수한 열교환 성능을 갖는 장치 어셈블리(ex, 에너지 변환 장치 어셈블리)를 구현할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 열교환기를 나타낸 도면이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 열교환기에 의한 열교환 대상이 될 수 있는 장치(20)를 나타낸 사시도이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 열교환기에 의한 열교환 대상이 될 수 있는 장치(20)를 나타낸 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 다른 열교환채널 구조체(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 열교환기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 열교환기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 열교환기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 14는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 열교환기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 15는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 열교환기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 16은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 열교환기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 17은 도 16에서 나타낸 요크 채널(322)을 통해 열전달매체가 이동하는 것을 나타낸 도면이다.
도 18은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 열교환기를 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 설명할 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 명학하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태의 용어는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급한 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 "연결"이라는 용어는 어떤 부재들이 직접적으로 연결된 것을 의미할 뿐만 아니라, 부재들 사이에 다른 부재가 더 개재되어 간접적으로 연결된 것까지 포함하는 개념이다.
아울러, 본원 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본원 명세서에서 사용되는 "약", "실질적으로" 등의 정도의 용어는 고유한 제조 및 물질 허용 오차를 감안하여, 그 수치나 정도의 범주 또는 이에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 제공된 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 영역이나 파트들의 사이즈나 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 열교환기를 나타낸 도면이다. 도 1의 (a)는 열교환기의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 1의 (b)는 열교환기의 구성을 분해하여 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 열교환기는 장치(20)와 열교환 영역을 형성하여 열전달매체의 흐름을 통해 열교환을 수행하는 열교환채널 구조체(100), 장치(20)와 직접적으로 열교환을 수행하는 담금 챔버(410, 420)를 포함할 수 있다. 장치(20)는 열교환 대상체로서 고정자 유닛(23) 및 회전자 유닛(25)을 포함할 수 있다. 장치(20)는 모터 또는 발전기 등을 포함할 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니며 고정자 유닛 및 회전자 유닛을 포함하는 모든 종류의 장치들이 이에 해당할 수 있다.
도 2는 열교환 대상체에 해당하는 장치(20)를 예시적으로 나타낸 사시도이다. 도 2에서는 예시적으로 고정자 유닛(23) 안쪽에 코일부(22)가 배치된 것을 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 고정자 유닛(23) 바깥쪽에 코일부(22)가 배치될 수도 있다.
도 2를 참조하면, 장치(20)는 고정자 유닛(23)을 포함할 수 있다. 고정자 유닛(23)은 요크(21) 및 요크(21)의 이(tooth)들 사이의 슬롯(slot)에 배치된 코일부(22)를 포함할 수 있다. 요크(21) 중공부를 갖는 원기둥 형상을 가질 수 있다. 요크(21)의 내주면에는 복수의 이들이 형성되어 있을 수 있다. 복수의 이들 사이에 코일부(22)가 배치될 수 있다. 코일부(22)는 복수의 이들을 따라 규칙적으로 감겨진 와인딩 코일(winding coil)일 수 있다.
도 2에 도시하지는 않았지만, 고정자 유닛(23)의 내부에는 회전자(rotor) 유닛이 구비될 수 있다. 도 2의 고정자 유닛(23) 안쪽에 회전자가 구비된 경우가 도 3의 단면도에 도시되어 있다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 열교환 대상체에 해당하는 장치(20)를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 에너지 변환 장치는 고정자 유닛(23) 및 회전자 유닛(25)을 포함할 수 있다. 고정자 유닛(23)은, 도 2에 설명한 바와 같이, 요크(21) 및 코일부(22)를 포함할 수 있다. 요크(21)에는 복수의 이가 형성되고 코일부(22)는 이들 사이에 위치할 수 있다. 회전자 유닛(25)은 고정자 유닛(23)의 내측에 정의된 중공부에 배치될 수 있다. 회전자 유닛(25)은 그 중심에 회전축(24)을 구비할 수 있다. 또한, 회전자 유닛(25)은 영구 자석 또는 반영구 자석을 포함할 수 있다. 열교환기는 장치(20)의 외주면 또는 내주면에 형성된 열교환채널들에서의 열전달매체의 흐름에 의해 장치(20)와 열교환을 할 수 있다. 또한, 열교환기는 열교환과 동시에 장치(20)의 적어도 일부분에 열전달매체를 접촉시킴으로써 직접적으로 열교환을 할 수도 있다.
차량의 모터(전동기)나 발전기의 경우, 열교환 성능을 높여 온도를 낮춰주면 성능과 에너지 효율이 크게 개선될 수 있다. 온도를 낮추면, 모터나 발전기 내부의 자기장 밀도 등의 파라미터가 개선될 수 있고, 에너지 효율이 높아질 수 있다. 또한, 과열 방지 및 적절한 온도 제어는 모터나 발전기의 열손상을 방지하고 수명을 연장하는데 중요하게 작용할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 고정자 유닛(23) 및 회전자 유닛(25)을 포함하는 장치(20)는 커버(310) 및 하우징(320)에 의해 정의되는 내부 공간에 안착될 수 있다.
커버(310)는 장치(20)의 회전축(24)과 수직한 면을 포함할 수 있다. 커버(310)의 중앙에는 회전축(24) 및 베어링(330)이 설치되기 위한 베어링 하우징(390)이 형성될 수 있다. 베어링(330)은 회전축(24)이 회전할 때에 베어링 하우징(390)에서 회전축(24)의 위치를 안정적으로 유지하고 회전에 의해 발생하는 마찰 손실을 줄여줄 수 있다.
하우징(320)은 장치(20)의 회전축(24)과 평행한 면을 포함할 수 있다. 하우징(320)의 내부에는 열교환채널 구조체(100)가 설치될 수 있다. 열교환채널 구조체(100)는 나선형 구조를 가지는 채널들(110, 120)을 포함할 수 있다. 열교환채널 구조체(100)의 열교환 영역 중 적어도 일부에서 나선형 구조를 가지는 채널들(110, 120)은 서로 맞물릴 수 있다. 열교환채널 구조체(100)에 대해서는 후술하는 부분에서 보다 상세하 설명한다.
고정자 유닛(23)과 회전자 유닛(25) 사이에는 내부 분리벽(350)이 마련될 수 있다. 내부 분리벽(350)에 의해 고정자 유닛(23)과 회전자 유닛(25)이 공간적으로 분리될 수 있다. 내부 분리벽(350)은 예시적으로 실린더 형상을 가질 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예로 내부 분리벽은 다각 기둥 형상을 가질 수도 있다. 커버(310), 하우징(320) 및 내부 분리벽(350)에 챔버가 구현될 수 있다. 챔버에 고정자 유닛(23)이 내장된 후, 챔버 양단에 남은 공간들에는 열전달매체가 채워질 수 있다. 즉, 챔버 양단에는 제1 담금 챔버(410) 및 제2 담금 챔버(420)가 형성될 수 있다. 제1 담금 챔버(410) 및 제2 담금 챔버(420)에서 장치(20) 중 적어도 일부분(예를 들어, 엔드 와이어링)이 열전달매체에 담긴 상태로 열교환이
제1 담금 챔버(410)는 제1 방사 노즐(332)을 통해 열교환채널 구조체(100)와 연결될 수 있다. 제2 담금 챔버(420)는 제2 방사 노즐(334)을 통해 열교환채널 구조체(100)와 연결될 수 있다. 제1 방사 노즐(332)은 복수 개의 노즐들로 구현될 수 있다. 도 1에서는 제1 방사 노즐(332)을 위쪽 노즐과 아래쪽 노즐로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니며 제1 방사 노즐(332)은 세 개 이상의 노즐들을 포함할 수도 있다. 마찬가지로 제2 방사 노즐(334) 또한 복수 개의 노즐들로 구현될 수 있다. 제1 방사 노즐(332)을 통해 열교환채널 구조체(100)와 제1 담금 챔버(410) 사이에 열전달매체의 이동이 있을 수 있다. 제1 방사 노즐(334)을 통해 열교환채널 구조체(100)와 제2 담금 챔버(420) 사이에 열전달매체의 이동이 있을 수 있다.
제1 담금 챔버(410) 및 제2 담금 챔버(420)에는 열전달매체가 담길 수 있다. 열전달매체는 오일 등의 비전도성 유체를 포함할 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 제1 담금 챔버(410) 및 제2 담금 챔버(420)에 담긴 열전달매체는 코일부(22)의 엔드 와이어링(end wiring)을 포함하는 영역과 접촉하여 직접적으로 열교환을 할 수 있다. 제1 담금 챔버(410) 및 제2 담금 챔버(420)에 담긴 열전달매체는 장치(20)의 적어도 일부분과 접촉하여 직접적으로 열교환을 수행할 수 있다.
이하에서는 열교환기에 포함된 열교환채널 구조체(100)에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 4는 예시적인 실시예에 다른 열교환채널 구조체(100)를 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (A)는 열교환채널 구조체(100)의 사시도이고, (B)는 측면도이다.
도 4의 (A) 및 (B)를 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 열교환기는 소정의 장치와 열교환을 수행할 수 있다. 열교환채널 구조체(100)는 그 내부를 통과하여 흐르는 열전달매체를 이용해서 열교환을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 열전달매체는, 예컨대, 물, 열전달용 기름 등을 포함할 수 있다. 그러나 상기 열전달매체의 종류는 상술한 유체에 한정되지 않고, 다른 유체로 변경될 수 있다.
열교환채널 구조체(100)는 복수의 열교환채널들을 포함할 수 있다. 도 1에서는 예시적으로 열교환채널 구조체(100)가 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)을 포함할 수 있는 경우를 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 열교환채널 구조체(100)는 세 개 이상의 열교환채널들을 포함할 수도 있다. 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 각각 나선형 구조를 가질 수 있다. 제1 열교환채널(110)은 열교환채널 구조체(100)의 제1 단부(E1)로부터 제2 단부(E2) 쪽으로 나선형으로 연장될 수 있다. 제2 열교환채널(120)은 열교환채널 구조체(100)의 제2 단부(E2)로부터 제1 단부(E1) 쪽으로 나선형으로 연장될 수 있다.
열교환채널 구조체(100)는 열교환 영역(R10)을 형성할 수 있다. 열교환채널들(110, 120)이 나선형 모양을 형성하는 영역을 열교환 영역(R10)으로 정의할 수 있다. 열교환 영역(R10)에서 나선형 모양을 가지는 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 열을 발생시키는 장치에 대해 열교환을 수행할 수 있다. 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)은 열교환 영역(R10) 밖에서 서로 분리되어 열교환 영역(R10) 내에서 서로 독립적으로 열전달매체를 이동시키기 때문에 서로 다른 채널로 취급될 수 있다. 반면, 후술하는 바와 같이 열교환 영역(R10) 내부에서 하나의 채널이 둘 이상의 유로 들로 분기된 경우, 분기된 유로 들은 동일한 채널의 분기 구조로 취급될 수 있다.
제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 열교환 대상이 되는 장치(20)의 내주면 또는 외주면을 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 장치(20)가 내륜 모터일 경우 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 내륜 모터의 고정자(stator)의 외주면을 따라 형성될 수 있다. 다른 예로 장치가 외륜 모터일 경우 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 외륜 모터의 고정자의 내주면을 따라 형성될 수 있다.
제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)은 열교환채널 구조체(100)의 전체 영역이 아닌 일부 영역에서 서로 맞물리도록 구성될 수 있다. 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 서로 맞물린다는 것은, 예를 들어, 제2 열교환채널(120)의 개재(삽입) 하에 제1 열교환채널(110)이 연장된 상태, 또는, 제1 열교환채널(110)의 개재(삽입) 하에 제2 열교환채널(120)이 연장된 상태를 의미할 수 있다. 본 실시예에서 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 서로 맞물린 영역, 즉, 맞물림 열교환 영역을 참조부호 IK로 표시하였다. 맞물림 열교환 영역(IK)에서는 열교환채널 구조체(100)의 길이 방향(즉, 중심축과 평행한 방향)을 따라서 제1 열교환채널(110)의 단위부와 제2 열교환채널(120)의 단위부가 교대로 배치될 수 있다. 하지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 후술하는 바와 같이 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)이 둘 이상의 분기 채널들로 분기되는 경우, 분기된 채널들이 서로 맞물릴 수도 있다. 이 경우, 분기채널들 각각의 단위부가 맞물림 열교환 영역(IK)에서 교대로 배치될 수 있다. 맞물림 열교환 영역(IK)에서는 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 실질적으로 균등하게 혼합된 상태에서 이들에 의한 열교환 작용이 이루어질 수 있다.
제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 서로 맞물렸다는 것은 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 상호 '중첩'된 것으로 표현할 수 있고, 또는, 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 상호 '교차'된 것으로 표현할 수 있다. 따라서, 맞물림 열교환 영역(IK)은 '중첩 영역' 또는 '교차 영역'이라고 지칭할 수 있다. 제1 열교환채널(110)은 맞물림 열교환 영역(IK)을 제외한 나머지 영역(맞물림 열교환 영역의 왼쪽 영역)에서는 제2 열교환채널(120)과 맞물리지 않을 수 있다. 제2 열교환채널(120)은 맞물림 열교환 영역(IK)을 제외한 나머지 영역(맞물림 열교환 영역의 오른쪽 영역)에서는 제1 열교환채널(110)과 맞물리지 않을 수 있다. 열교환채널 구조체(100)는 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널 중 어느 하나가 독립적으로 열교환을 수행하는 독립 채널 열교환 영역을 포함할 수 있다. 독립 채널 열교환 영역에서 제1 열교환채널(110) 또는 제2 열교환채널은 단일 채널 구조 및 분기 채널 구조 중 적어도 하나의 구조를 포함할 수 있다.
도 4에서 나타낸 실시예에 따르면, 맞물림 열교환 영역(IK)의 일측에는 제1 열교환채널(110)만으로 열교환이 수행되는 영역(1S)이 배치되고, 맞물림 열교환 영역(IK)의 타측에는 제2 열교환채널(120)만으로 열교환이 수행되는 영역(2S)이 배치될 수 있다. 다시 말해, 열교환채널 구조체(100)의 제1 단부(E1)에 인접한 영역에서는 제2 열교환채널(120)의 개재 없이 제1 열교환채널(110)이 2회 이상 감겨진(회전된) 영역이 존재할 수 있고, 열교환채널 구조체(100)의 제2 단부(E2)에 인접한 영역에서는 제1 열교환채널(110)의 개재 없이 제2 열교환채널(120)이 2회 이상 감겨진(회전된) 영역이 존재할 수 있다. 맞물림 열교환 영역(IK)의 상기 일측에서는 제1 열교환채널(110) 부분에 의한 열교환이 주로 이루어질 수 있고, 맞물림 열교환 영역(IK)의 상기 타측에서는 제2 열교환채널(120) 부분에 의한 열교환이 주로 이루어질 수 있다.
제1 열교환채널(110)은 제1 열전달매체의 흐름을 위한 제1-1 포트(112) 및 제1-2 포트(114)를 구비할 수 있고, 제2 열교환채널(120)은 제2 열전달매체의 흐름을 위한 제2-1 포트(122) 및 제2-2 포트(124)를 구비할 수 있다. 제1-1 포트(112)는 제1 단부(E1)에 배치될 수 있고, 제2-1 포트(122)는 제2 단부(E2)에 배치될 수 있다. 제1-2 포트(114)는 제2-1 포트(122)와 제2-2 포트(124) 사이에 배치될 수 있고, 제2-2 포트(124)는 제1-1 포트(112)와 제1-2 포트(114) 사이에 배치될 수 있다. 제1-2 포트(114)는 제2-1 포트(122) 보다 열교환채널 구조체(100)의 중앙부(길이 방향에 따른 중앙부)에 가까이 배치될 수 있고, 이와 유사하게, 제2-2 포트(124)는 제1-1 포트(112) 보다 열교환채널 구조체(100)의 상기 중앙부에 가까이 배치될 수 있다. 제1-2 포트(114)와 제2-2 포트(124) 사이의 영역에서 제1 열교환채널(110)과 제2 열교환채널(120)이 서로 맞물리도록 구비될 수 있다. 다시 말해, 제1-2 포트(114)와 제2-2 포트(124) 사이의 영역이 맞물림 열교환 영역(IK)으로 정의될 수 있다.
상기 제1 열전달매체는 열교환채널 구조체(100)의 제1 단부(E1)에 위치하는 제1 열교환채널(110)의 제1-1 포트(112)로 주입되어 제1 열교환채널(110)을 통과한 후, 제1-2 포트(114)로 배출될 수 있다. 상기 제2 열전달매체는 열교환채널 구조체(100)의 제2 단부(E2)에 위치하는 제2 열교환채널(120)의 제2-1 포트(122)로 주입되어 제2 열교환채널(120)을 통과한 후, 제2-2 포트(124)로 배출될 수 있다. 따라서, 제1 열교환채널(110)을 통과하는 상기 제1 열전달매체의 진행 방향과 제2 열교환채널(120)을 통과하는 상기 제2 열전달매체의 진행 방향은 서로 반대일 수 있다. 두 개의 열교환채널(110, 120)을 사용하고, 아울러, 이들을 통과하는 열전달매체들(즉, 상기 제1 및 제2 열전달매체)의 통과 방향이 서로 반대일 수 있기 때문에, 이런 관점에서, 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)는 이른바 "Double and Counter Flow (DC Flow)" 구성/특징을 갖는다고 할 수 있다.
도 4에서는 열교환채널 구조체(100) 양단의 포트들(112, 122)에서 열전달매체가 주입되어 열교환 열교환채널 구조체(100)의 중간에 형성된 포트들(114, 124)에서 열전달매체가 배출되는 것을 예시적으로 설명하였다. 하지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 포트들(114, 124)과 포트들(112, 114)의 역할이 서로 바뀔 수도 있다. 이 경우, 열교환채널 구조체(100)의 중간에 형성된 포트들(114, 124)을 통해 열전달매체가 유입되고 열교환채널 구조체(100) 양단의 포트들(112, 122)을 통해 열전달매체가 배출될 수도 있다.열교환채널 구조체(100)에서 맞물림 열교환 영역(IK)의 비율과 위치, 크기 등은 응용분야에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
부가적으로, 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 각각 나선형 구조를 가질 수 있다. 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)이 나선형 관모양의 채널 구조를 갖는 경우, 열전달매체는 그 유속에 관계없이 정해진 경로(즉, 110 or 120)를 따라 원활하게 흐를 수 있다. 그러나, 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)의 구조/형태는 변화될 수 있다.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 열교환채널(110)은 맞물림 열교환 영역(IK)에서는 제2 열교환채널(120)과 서로 맞물릴 수 있다. 제1 열교환채널(110)은 영역(1S)에서는 제2 열교환채널(120)과 맞물리지 않을 수 있다. 제2 열교환채널(120)은 맞물림 열교환 영역(IK)에서는 제1 열교환채널(110)과 서로 맞물릴 수 있다. 제2 열교환채널(120)은 영역(2S)에서는 제1 열교환채널(110)과 맞물리지 않을 수 있다. 도 5에서는 도 4와 다르게 영역(1S)의 크기와 영역(2S)의 크기가 서로 다를 수 있다. 도 5에서는 영역(1S)의 크기가 영역(2S)의 크기보다 더 큰 경우를 나타냈지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 영역(1S)의 크기가 영역(2S)의 크기보다 더 작을 수도 있다.
도 5의 실시예에서는 제1 열교환채널(110)이 단독으로 열교환을 수행하는 영역(1S)과 제2 열교환채널(120)이 독립적으로 열교환을 수행하는 영역(2S)의 크기가 서로 다를 수 있다. 즉, 열교환채널 구조체(100)가 비대칭적 모양을 가질 수 있다. 도 5에서 나타낸 열교환채널 구조체(100)는 열이 비대칭적으로 발생하는 장치의 열교환을 위해 사용될 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 제2 열교환채널(120) 전체가 제1 열교환채널(110)과 서로 맞물릴 수 있다. 반면, 제1 열교환채널(110) 중 일부 영역(1S)은 제2 열교환채널(120)과 맞물리지 않을 수 있다. 즉, 제1 열교환채널(110)은 다른 열교환채널과 맞물리는 영역(IK) 및 다른 열교환채널과 맞물리지 않는 영역(1S)을 모두 포함할 수 있다. 반면, 제2 열교환채널(120)은 실질적으로 모든 영역이 제1 열교환채널(110)과 맞물릴 수 있다. 도 6에서는 맞물림 열교환 영역(IK)이 오른쪽에 위치하는 경우를 예시적으로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 맞물림 열교환 영역(IK)은 왼쪽에 위치할 수도 있다. 또한, 도 6에서 나타낸 바와 달리 제1 열교환채널(110)의 전 영역이 제2 열교환채널(120)과 맞물리고, 제2 열교환채널(120) 중 일부가 제1 열교환채널(110)과 맞물리지 않을 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 제2 열교환채널(120) 전체가 제1 열교환채널(110)과 서로 맞물릴 수 있다. 반면, 제1 열교환채널(110) 중 가장자리의 두 영역들(1S)은 다른 열교환채널과 맞물리지 않을 수 있다. 도 6에서와 달리 제2 열교환채널(120)는 제1 열교환채널(110) 안에서 어느 한 쪽에 편중되지 않고 가운데 위치할 수 있다. 따라서, 제1 열교환채널(110)의 가장자리 영역(1S)은 제2 열교환채널(120)과 서로 맞물리지 않을 수 있다. 두 가장자리 영역들(1S)의 크기는 같을 수 있다. 따라서, 열교환채널 구조체(100)는 대칭적인 구조를 가질 수 있다. 하지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 두 가장자리 영역들(1S)의 크기는 서로 다를 수 있으며 이 경우 열교환채널 구조체(100)는 비대칭적인 구조를 가질 수도 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 열교환채널 구조체(100)는 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널을 포함할 수 있다. 제1 열교환채널은 둘 이상의 분기채널들(110a, 110b)을 포함할 수 있다. 분기채널들(110a, 110b)은 연결링크채널들(110c, 110d)을 통해 서로 연통할 수 있다. 열전달매체가 출입하는 포트는 연결링크채널들(110c, 110d)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 열전달매체가 유입되는 포트는 연결링크채널(110c)에 형성되고 열전달매체가 배출되는 포트는 연결링크채널(110d)에 형성될 수 있다. 다른 예로, 열전달매체가 유입되는 포트가 연결링크채널(110d)에 형성되고 열전달매체가 배출되는 포트는 연결링크채널(110c)에 형성될 수도 있다. 제1 열교환채널이 복수의 분기채널들(110a, 110b)을 포함하도록 함으로써 제1 열교환채널에 주입된 열전달매체가 분기채널들(110a, 110b)에 분산되어 유동할 수 있다. 이를 통해 제1 열교환채널 내에서 열전달매체에 대한 저항 등과 같은 파라미터가 조절될 수 있다.
마찬가지로 제2 열교환채널은 둘 이상의 분기채널(120a, 120b)을 포함할 수 있다. 분기채널들(120a, 120b)은 연결링크채널들(120c, 120d)을 통해 서로 연통할 수 있다. 제2 열교환채널에 열전달매체를 주입하기 위한 포트 및 열전달매체가 배출되는 포트는 연결링크채널들(120c, 120d)에 형성될 수 있다. 예를 들어, 열전달매체가 유입되는 포트는 연결링크채널(120c)에 형성되고 열전달매체가 배출되는 포트는 연결링크채널(120d)에 형성될 수 있다. 다른 예로, 열전달매체가 유입되는 포트가 연결링크채널(120d)에 형성되고 열전달매체가 배출되는 포트는 연결링크채널(120c)에 형성될 수도 있다. 제2 열교환채널이 복수의 분기채널들(120a, 120b)을 포함하도록 함으로써 제2 열교환채널에 주입된 열전달매체가 분기채널들(120a, 120b)에 분산되어 유동할 수 있다. 이를 통해 제2 열교환채널 내에서 열전달매체에 대한 저항 등과 같은 파라미터가 조절될 수 있다.
도 8에서는 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널이 모두 각각 둘 이상의 분기채널을 포함하는 경우를 나타냈다. 하지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널 중 어느 하나는 둘 이상의 분기채널을 포함하고, 다른 하나는 단일 채널로 구성될 수도 있다. 다만, IK 영역에서는 두 열교환채널이 모두 분기채널들로만 구성되거나 혹은 단일채널들로만 구성될 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)이 맞물림 열교환 영역(IK-II)에서 서로 맞물릴 수 있다. 제1 열교환채널(110)은 영역(1S)에서 제2 열교환채널(120)와 맞물리지 않을 수 있다. 제2 열교환채널(120)은 영역(2S)에서 제1 열교환채널(110)과 맞물리지 않을 수 있다.
영역(1S)에서 제1 열교환채널(110)은 단일 채널로 구성될 수 있다. 마찬가지로 영역(2S)에서 제2 열교환채널(120)은 단일 채널로 구성될 수 있다. 맞물림 열교환 영역(IK-II)에서 제1 열교환채널(110)은 두 개의 분기채널들(110a, 110b)로 분기될 수 있다. 분기채널들(110a, 110b)은 연결링크채널(110c)을 통해 서로 연통할 수 있다. 마찬가지로 맞물림 열교환 영역(IK-II)에서 제2 열교환채널(120)은 두 개의 분기채널들(120a, 120b)로 분기될 수 있다. 분기채널들(120a, 120b)은 연결링크채널(120c)을 통해 서로 연통할 수 있다. 도 9에서 나타낸 바와 같이 맞물림 열교환 영역(IK-II)에서 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120) 각각이 복수의 분기채널들로 분기되도록 함으로써 두 채널이 맞물리지 않는 영역(1S, 2S)에서 각 채널의 저항과 두 채널이 맞물리는 영역(IK)에서 각 채널의 저항이 달라지도록 할 수 있다.
도 9에서는 영역(1S) 및 영역(2S)의 크기가 동일한 경우를 예시적으로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 영역(1S) 및 영역(2S)의 크기가 서로 다를 수도 있다. 즉, 열교환채널 구조체(100)는 대칭적 구조가 아닌 비대칭적 구조를 가질 수도 있다. 또한, 도 9에서는 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)이 모두 맞물림 열교환 영역(IK-II)에서 둘 이상의 분기채널들로 분기되는 것을 예시적으로 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 열교환채널(110)미 제2 열교환채널(120) 중 어느 하나만 맞물림 열교환 영역(IK-II)에서 둘 이상의 분기채널들로 분기될 수도 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 열교환기를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 열교환채널 구조체(100)는 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)을 포함할 수 있다. 제1 열교환채널(110)은 제1-1 열교환채널(110a) 및 제1-2 열교환채널(110b)로 분기될 수 있다. 제1-1 열교환채널(110a) 및 제1-2 열교환채널(110b)은 연결링크(110c)를 통해 서로 연결될 수 있다. 제2 열교환채널(120)은 제2-1 열교환채널(120a) 및 제2-2 열교환채널(120b)로 분기될 수 있다. 제2-1 열교환채널(120a) 및 제2-2 열교환채널(120b)은 연결링크(120c)를 통해 서로 연결될 수 있다. 제1-1 열교환채널(110a), 제1-2 열교환채널(110b), 제2-1 열교환채널(120a), 제2-2 열교환채널(120b)은 열교환 영역 중앙에서 서로 맞물려서 함께 열교환을 수행할 수 있다.
실시예에 따른 열교환기는 다양한 방식으로 변경될 수 있다. 예를 들어, 2개의 열교환 채널들이 일부에서 맞물리는 경우들을 표 1과 같이 나타낼 수 있다.
대칭 또는 비 대칭 형
(IK영역 양단에 두 개의 채널 각각이 독립적으로 열교환을 수행하는 영역이 마련됨)		 삽입형
(IK영역 양단에서 동일한 채널이 독립적으로 열교환을 수행하는 영역이 마련됨)		 편중
(IK영역 일단에서 한 개의 채널이 독립적으로 열교환을 수행하는 영역이 마련됨)
SIS
(1S + IK + 2S)		 sIS
(1S + IK + 1S)		 SI
(1S + IK)
SIIS
(1S + IK-II + 2S)		 sIIS
(1S + IK-II + 1S)		 SII
(1S + IK-II)
SIIB
(1S + IK-II +2B)		 sIIB
(1S + IK-II + 1B)
BIIB
(1B + IK-II + 2B)		 bIIB
(1B + IK-II + 1B)		 BII
(1B + IK-II)
SBIIS
(1S + 1B + IK-II + 2S)		 sbIIS
(1S + 1B + IK-II + 1S)
SBIIB
(1S + 1B + IK-II + 2B)		 sbIIB
(1S + 1B + IK-II + 1B)		 SBII
(1S + 1B + IK-II)
SBIIBS
(1S + 1B + IK-II + 2B + 2S)		 sbIIBS
(1S + 1B + IK-II + 1B + 1S)
도 11은 다른 실시예에 따른 열교환기의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 11에서는 도 1의 커버들(310, 320, 330) 등의 일부 구성들은 편의상 생략하여 표시하였다.
도 11을 참조하면, 열교환기는 제1 열교환채널(110), 제2 열교환채널(120)을 포함할 수 있다. 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 상호간 서로 맞물린 IK 영역, 제1 열교환채널(110)이 독립적으로 열교환을 수행하는 1S 영역, 제2 열교환채널(120)이 독립적으로 열교환을 수행하는 2S 영역을 포함할 수 있다. 1S 영역은 제1 방사 노즐(332)을 통해 제1 담금 챔버(410)와 연결될 수 있다. 2S 영역은 제2 방사 노즐(334)을 통해 제2 담금 챔버(420)와 연결될 수 있다.
제1 열교환채널(110)에 유입된 열전달매체 전부가 제1 담금 챔버(410)로 이동할 수 있다. 따라서, 제1 방사 노즐(332)의 단면적은 제1 열교환채널(110)의 단면적보다 크거나 같을 수 있다. 마찬가지로 제2 방사 노즐(334)의 단면적은 제2 열교환채널(120)의 단면적보다 크거나 같을 수 있다. 만약, 제1 방사 노즐(332)이 복수의 노즐들로 구성된 경우, 제1 방사 노즐(332)의 단면적은 상기 복수의 노즐들의 단면적의 합을 의미할 수 있다. 또한, 여기서 채널의 단면적은 해당 채널에서 열전달매체가 이동하는 경로의 단면의 면적을 의미할 수 있다.
열교환기는 제1 링크 채널(210)을 포함할 수 있다. 제1 링크 채널(210)은 제1 열교환채널(110)의 제1-1 포트(112) 및 제2 열교환채널(120)의 제2-1 포트(122)와 연결될 수 있다. 제1 링크 채널(210)을 통해 제1-1 포트(112) 및 제2-1 포트(122)에 열전달매체가 유입될 수 있다. 제1 및 제2 포트(112, 124)에 유입된 열전달매체는 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)을 통해 흘러서 제1 및 제2 방사 노즐(332, 334)을 통과할 수 있다. 제1 열교환채널(110)에 유입된 열전달매체는 제1 방사 노즐(332)을 통해 제1 담금 챔버(410)로 이동하고, 제2 열교환채널(120)에 유입된 열전달매체는 제2 방사 노즐(334)을 통해 제2 담금 챔버(420)로 이동할 수 있다. 제1 및 제2 담금 챔버(410), 420)에 담긴 열전달매체는 제2 링크 채널(220)을 통해 배출될 수 있다.
제1 담금 챔버(410) 및 제2 담금 챔버(420)에 유입된 열전달매체는 장치(20)의 고정자 유닛(23)의 적어도 일부분 및 코일부(22)의 적어도 일부분과 접촉하여 직접적으로 열교환을 수행할 수 있다. 상술한 열교환이 냉각인 경우, 열전달매체는 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)에 유입된 후부터 제1 담금 챔버(410) 및 제2 담금 챔버(420)를 통과할 때까지 점진적으로 온도가 높아질 수 있다. 열전달매체의 온도가 상대적으로 낮을 때에는 열전달매체가 제1 및 제2 열교환채널(110, 120)을 통과하면서 열교환을 수행하고, 열전달매체의 온도가 상대적으로 높을 때에는 열전달매체가 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)에서 직접적으로 열교환을 수행할 수 있다. 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)는 장치(20)의 회전축(24)의 베어링 하우징(390)과도 열교환을 수행할 수 있다. 이를 통해 회전자 유닛(25) 및 회전축(24)이 회전하는 동안 베어링(330)과 회전축(24) 사이의 마찰로 인해 발생하는 베어링 하우징(390)의 온도 상승 효과를 억제할 수 있다.
제1-1 포트(112) 및 제2-1 포트(122)는 IK 영역의 경계, 즉 IK 영역의 양단에 위치할 수 있다. 열전달매체는 IK 영역 양단에 진입한 후 열교환채널 구조체(100)의 양단으로 흐를 수 있다. 따라서, 냉각 상황의 경우, 열전달매체의 온도는 IK 영역에서 상대적으로 낮을 수 있고 IK 영역에서 열교환 성능이 우수할 수 있다. 그 대신 열전달매체가 1S, 2S 영역의 가장자리에 마련된 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)에서 직접적인 열교환을 수행함으로써 열교환채널 구조체(100) 가장자리에서의 열교환 성능 열화를 보상할 수 있다.
이를 통해 열전달매체가 장치(20)의 전 영역에 걸쳐서 거의 균등하게 열교환을 수행하면서 열교환 효율이 높아질 수 있다. 또한, 열전달매체의 온도가 증가한 영역에서는 직접적으로 열교환이 이루어지도록 함으로써 열전달매체의 진행에 따른 열교환 성능의 열화를 방지할 수 있다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 열교환기의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 12의 실시예를 설명함에 있어서 상술한 설명과 중복되는 내용은 생략한다.
도 12를 참조하면, 열교환기는 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)와 연결된 제2-1 링크 채널(222) 및 제1 열교환채널(110)의 제1-2 포트(114) 및 제2 열교환채널(120)의 제2-2 포트(124)와 연결된 제2-2 링크 채널(224)을 포함할 수 있다. 열교환기는 제2-1 링크 채널(222) 및 제2-2 링크 채널(224) 사이를 이동하는 열전달매체의 유량을 제어하는 유량 분기 제어부(226)를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 열교환채널(110, 120)에 유입된 열전달매체 중 일부는 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)를 거쳐 제2-1 링크 채널(222)로 배출되고, 다른 일부는 제1-2 및 제2-2 포트(114, 124)를 통해 제2-2 링크 채널(224)로 배출될 수 있다. 제1 열교환채널(110)에 유입된 열전달매체의 일부만 제1 담금 챔버(410)로 전달되므로 제1 방사 노즐(332)의 단면적은 제1 열교환채널(110)의 단면적보다 작거나 같을 수 있다. 마찬가지로, 제2 방사 노즐(334)의 단면적은 제2 열교환채널(120)의 단면적보다 작거나 같을 수 있다.
유량 분기 제어부(226)는 제1 및 제2-2 링크 채널(222, 224) 사이를 통과하는 열전달매체의 유량을 제어할 수 있다. 예를 들어, 열교환기는 중앙 영역의 열교환 성능을 더 높이고자 하는 경우, 제2-1 링크 채널(222)을 통해 배출되는 열전달매체의 유량을 줄일 수 있다. 이 경우, 제1-2 및 제2-2 포트(114, 124)를 통해 배출되는 열전달매체의 양이 증가하여 IK 영역에서의 열교환 성능을 높일 수 있다. 반면, 열교환기는 1S, 2S 영역들에서의 열교환 성능을 높이고자 하는 경우, 제2-1 링크 채널(222)을 통해 배출되는 열전달매체의 유량을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 1S 및 2S 영역을 통과하는 열전달매체의 유량이 증가하여 1S 및 2S 영역에서 열교환 성능이 높아질 수 있다. 이와 같이 열교환기는 장치(20)에서 열이 편중되는 위치에 따라 유량 분기 제어부(226)를 이용하여 영역 별로 열교환 특성을 변경해 가면서 장치(20)의 온도가 균일해지도록 할 수 있다.
제1 열교환채널(110) 중 제1-1 포트(112) 우측 영역에서는 열전달매체가 제1 방향(오른쪽)으로 이동하고, 제1-1 포트(112) 좌측 영역에서는 열전달매체가 제2 방향(왼쪽)으로 이동할 수 있다. 즉, 하나의 열교환채널에 유입된 열전달매체가 서로 다른 방향으로 분기되어 진행될 수 있다. 하나의 열교환채널에 유입된 열전달매체가 한 방향으로만 이동하는 경우, 열교환채널의 양단에서 열전달매체의 온도차가 크게 발생할 수 있다. 하지만, 상술한 바와 같이 하나의 열교환채널에서 열전달매체가 분기되어 양 방향으로 이동하면, 열전달매체의 온도가 변하는 구간이 짧아져서 하나의 열교환채널에서 열전달매체의 온도 편차를 줄일 수 있다.
도 13은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 열교환기의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 13의 실시예를 설명함에 있어서 상술한 내용과 중복되는 내용은 생략한다.
도 13을 참조하면, 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)은 IK 영역 및 IK 영역 양단에 마련된 1S 영역들을 형성할 수 있다. 열전달매체는 제2 열교환채널(120)에 형성된 제2-1 포트(122)에 유입될 수 있다. 제2-1 포트(122)에 유입된 열전달매체는 분기되어 양방향으로 진행할 수 있다. 제2 열교환채널(120)의 양단은 제1 및 제2 연결 링크 채널(282, 284)을 통해 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)와 연결될 수 있다. 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)에 유입된 열전달매체는 제1 열교환채널(110)의 양단으로 유입될 수 있다. 제1 열교환채널(110)의 양단에 유입된 열전달매체는 중앙의 포트(114)를 향해 진행할 수 있다. 이 경우, 제2 열교환채널(120)에서 열교환이 이루어진 후, 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)에서 직접 열교환이 이루어지고, 마지막으로 제1 열교환채널(110)에서 다시 열교환이 이루어질 수 있다. 도 11 및 도 12에서는 열교환이 완료된 후 직접 열교환이 이루어져서 직접 열교환이 이루어지는 시점에 열전달매체의 온도가 높을 수 있다. 하지만, 도 13에서 나타낸 실시예에 따르면, 나선형 열교환 채널과 열교환 -> 담금 챔버에 의한 열교환 열교환 -> 나선형 열교환 채널과 열교환이 이루어지도록 하여 직접 열교환 시점에서 열전달매체의 온도를 다르게 도 11 및 도 12와 다르게 제어할 수 있다.
도 14는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 열교환기의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 14의 실시예를 설명함에 있어서 상술한 내용과 중복되는 내용은 생략한다.
도 13에서는 제2 열교환채널(120)에 유입된 열전달매체가 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)를 거쳐 제1 열교환채널(110)에 유입되는 것을 나타냈지만 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 예로 도 14에서 나타낸 바와 같이 열전달매체는 제1 열교환채널(110)에 먼저 유입된 후 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)를 거쳐 제2 열교환채널(120)을 통과한 후 배출될 수도 있다.
도 15는 또 다른 예시적인 실시예에 따른 열교환기의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 15의 실시예를 설명함에 있어서 상술한 내용과 중복되는 내용은 생략한다.
도 15를 참조하면, 열교환기는 제1 열교환채널(110)에 형성된 제1-1 포트(112), 제2 열교환채널(120)에 형성된 제2-1 포트(122) 및 제2-3 포트(122, 123)와 연결된 제1 링크 채널(210)을 포함할 수 있다. 열교환기는 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)와 제2 열교환채널(120)에 형성된 포트(124)와 연결된 제2 링크 채널(220)을 포함할 수 있다. 제1 링크 채널(210)은 유량 분기 제어부(216)를 포함할 수 있다. 유량 분기 제어부(216)는 제1-1 포트(122), 제2-1 포트(122) 및 제2-3 포트(123)에 유입되는 열전달매체의 유량을 제어할 수 있다. 예를 들어, 장치(20)의 중앙 영역의 열 편중 현상이 있는 경우, 열교환기는 제2-1 포트 및 제2-3 포트(122, 123)에 유입되는 열전달매체의 유량을 증가시켜서 IK 영역의 열교환 성능을 높일 수 있다. 다른 예로 장치(20)의 가장자리 영역에서 열 편중 현상이 있는 경우, 열교환기는 제1-1 포트(112)에 유입되는 열전달매체의 유량을 증가시켜 1S 영역들 및 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)에서의 열교환 성능을 높일 수 있다.
도 16은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 열교환기의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 16의 실시예를 설명함에 있어서 상술한 내용과 중복되는 내용은 생략한다.
도 16을 참조하면, 열교환기는 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120) 중 적어도 하나와 요크(21)의 이(26)들 사이에 형성된 슬롯을 연통하도록 하는 요크 채널(322)을 포함할 수 있다. 도 16에서는 요크 채널(322)이 하우징(320)과 요크(21)에 걸쳐서 형성되는 것을 예시적으로 나타냈다. 하지만, 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)이 요크(21)와 직접적으로 접촉하도록 형성된 경우, 요크 채널(322)은 요크(21)에만 형성될 수도 있다. 요크 채널(322)은 제1 및 제2 열교환채널(110, 120) 중 적어도 하나와 연결될 수 있다. 제1 및 제2 열교환채널(110, 120) 중 적어도 하나를 통과하는 열전달매체 중 일부는 요크 채널(322)을 통해 요크(21)의 이(26)들 사이에 형성된 슬롯으로 이동할 수 있다.
도 17은 도 16에서 나타낸 요크 채널(322)을 통해 열전달매체가 이동하는 것을 나타낸 도면이다.
도 17을 참조하면, 하우징(320)에 요크 채널(322)이 형성될 수 있다. 요크 채널(322)은 복수 개의 채널들을 포함할 수도 있다. 요크 채널(322)을 통해 유입된 열전달매체는 요크(21)의 이(26)와 코일부(22) 사이에 형성된 간극(27)에 도달할 수 있다. 요크(21)와 회전자 유닛(25) 사이에는 실린더 형상의 내부 분리벽(350)가 위치할 수 있다. 내부 분리벽(350)의 외주면에는 복수의 돌기부(352)가 형성될 수 있다. 돌기부(352)는 요크(21)의 이(26)들 사이의 빈 공간에 삽입될 수 있다. 이를 통해 간극(27)이 밀폐된 상태를 유지할 수 있다.
열전달매체는 간극(27)을 통해서 코일부(22)의 가장자리로 이동하여 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420) 중 어느 하나로 이동할 수 있다. 열전달매체는 간극(27)을 통과하는 동안 코일부(22) 및 요크(21)와 직접적으로 열교환을 수행하기 때문에 열교환기의 열교환 성능이 높아질 수 있다.
도 18은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 열교환기를 나타낸 단면도이다. 도 18의 실시예를 설명함에 있어서 상술한 내용과 중복되는 내용은 생략한다.
도 18을 참조하면, 열교환기는 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)에 형성된 분사 노즐들(362, 364) 및 드레인 챔버(510)를 포함할 수 있다. 제1 열교환채널(110) 및 제2 열교환채널(120)에 형성된 분사 노즐들(362, 364)을 통해 열전달매체가 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420) 안에 분사될 수 있다. 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)에 분사된 열전달매체는 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)에 담기지 않고, 개구부들(322, 324)을 통해 드레인 챔버(510)에 담길 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420)에 열전달매체를 담기게 하지 않고, 제1 및 제2 담금 챔버(410, 420) 내에서 열전달매체에 의한 직접 냉각을 구현할 수 있다.
이상에서 설명한 적어도 하나의 실시예에 따르면, 모터(전동기)나 발전기와 같은 장치에서 열편중 현상이 있더라도 열편중 현상을 적절히 제어하고 효율적으로 열교환(즉, 냉각)을 수행할 수 있는 열교환기를 구현할 수 있다. 또한, 비교적 단순한 구조를 가지면서도 효율적으로 열교환을 수행할 수 있고, 환경 문제나 제조 용의성, 적용 편의성 등에서도 유리한 구성 및 구동방식을 갖는 열교환기를 구현할 수 있다. 이러한 실시예에 따른 열교환기를 적용함으로써, 우수한 열교환 성능을 갖는 장치 어셈블리(ex, 에너지 변환 장치 어셈블리)를 구현할 수 있고, 이 경우, 상기 장치 어셈블리의 내구성(수명), 효율, 성능 등이 개선될 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 18을 참조하여 설명한 실시예들에 따른 열교환기 및 이를 포함하는 에너지 변환 장치 어셈블리는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 실시예에 따른 열교환기는 전동기나 발전기와 같은 에너지 변환 장치가 아닌 다른 장치에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
100 : 열교환채널 구조체
110 : 제1 열교환채널
120 : 제2 열교환채널
1S : 제1 열교환채널이 독립적으로 열교환을 수행하는 영역
2S : 제2 열교환채널이 독립적으로 열교환을 수행하는 영역
1B : 제1 열교환채널의 분기채널들이 열교환을 수행하는 영역
2B : 제2 열교환채널의 분기채널들이 열교환을 수행하는 영역
IK : 제1 및 제2 열교환채널이 맞물린 영역
410 : 제1 담금 챔버
420 : 제2 담금 챔버
310 : 커버
320 : 하우징
330 : 내부 분리벽
332 : 제1 방사 노즐
334 : 제2 방사 노즐

Claims (10)

  1. 소정의 장치에 대해 열교환을 수행하는 열교환기에 있어서,
    상기 장치와의 열교환을 위한 열교환 영역을 형성하여 열전달매체의 흐름을 통해 열교환을 수행하는 열교환채널 구조체 및
    상기 장치에 포함된 회전자 유닛과 고정자 유닛을 공간적으로 분리하는 내부 분리벽, 상기 고정자 유닛 및 상기 회전자 유닛을 외부 공간으로부터 분리하는 하우징 및 커버에 의해 구현된 챔버에서 상기 고정자 유닛이 내장된 후 남은 공간에 열전달 매체가 채워짐으로써 형성된 담금 챔버를 포함하며,
    상기 담금 챔버에서는 열교환 대상체의 적어도 일부분이 열전달매체에 잠긴 상태로 열교환이 수행되고,
    상기 열교환채널 구조체는 나선형 모양을 가지는 제1 열교환채널 및 제2 열교환채널을 포함하되, 상기 열교환채널 구조체의 적어도 일부분에서 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널은 서로 맞물려서 열교환을 수행하는 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 담금 챔버와 상기 열교환채널 구조체 사이를 연결하는 방사 노즐을 더 포함하는 열교환기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열교환채널 구조체는 상기 제1 열교환채널이 독립적으로 열교환을 수행하는 1S 영역과, 상기 제2 열교환채널이 독립적으로 열교환을 수행하는 2S 영역과, 상기 1S 영역 및 상기 2S 영역 사이에 위치하며 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널이 서로 맞물려서 열교환을 수행하는 IK 영역을 포함하는 열교환기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 열교환채널은 제1-1 포트를 포함하고, 상기 제2 열교환채널은 제2-1 포트를 포함하되,
    상기 제1 열교환채널은 상기 제1-1 포트로 유입된 열교환매체가 제1 방향으로 진행하는 영역 및 상기 제1-1 포트로 유입된 열교환매체가 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 진행하는 영역을 포함하고
    상기 제2 열교환채널은 상기 제2-1 포트로 유입된 열교환매체가 제1 방향으로 진행하는 영역 및 제2-1 포트로 유입된 열교환매체가 상기 제2 방향으로 진행하는 영역을 포함하는 열교환기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1-1 포트 및 상기 제2-1 포트는 상기 IK 영역의 경계에 형성되는 열교환기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 열교환채널은 제1-2 포트를 포함하고, 상기 제2 열교환채널은 제2-2 포트를 포함하고,
    상기 담금 챔버는 상기 1S 영역과 연결된 제1 담금 챔버 및 상기 2S 영역과 연결된 제2 담금 챔버를 포함하고,
    상기 제1 담금 챔버 및 상기 제2 담금 챔버와 연결된 제2-1 링크 채널; 상기 제1-2 포트 및 상기 제2-2 포트와 연결된 제2-2 링크 채널; 및 상기 제2-1 링크 채널 및 상기 제2-2 링크 채널 사이를 이동하는 열전달매체의 유량을 제어하는 유량 분기 제어부를 포함하는 열교환기.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 열교환채널 구조체는 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널이 서로 맞물려서 열교환을 수행하는 IK 영역 및 상기 IK 영역 양단에 마련되며 상기 제1 열교환채널이 독립적으로 열교환을 수행하는 1S 영역들을 포함하는 열교환기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널 중 어느 하나의 채널에 형성된 포트를 통해 유입된 열전달매체가 상기 어느 하나의 채널의 양단으로 분기되어 링크 채널, 상기 담금 챔버 및 상기 방사 노즐을 통과하도록 하고,
    상기 링크 채널, 상기 담금 챔버 및 상기 방사 노즐을 통과한 열전달매체가 상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널 중 다른 하나의 채널의 양단으로 유입되어 상기 다른 하나의 채널에 형성된 포트를 통해 배출되도록 구성되는 열교환기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 열교환채널에 형성된 제1-1 포트(port)와 상기 제2 열교환채널 양단에 형성된 제2-1 포트 및 제2-3 포트와 연결되는 제1 링크 채널을 포함하되,
    상기 제1 링크 채널은 상기 제1-1 포트, 제2-1 포트, 제2-3 포트에 유입되는 열전달 매체의 유량을 제어하는 유량 분기 제어부를 포함하는 열교환기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치는 고정자 유닛 및 회전자 유닛을 포함하며,
    상기 제1 열교환채널 및 상기 제2 열교환채널 중 적어도 하나와 상기 고정자 유닛의 요크에 형성된 이(tooth)들 사이에 형성된 슬롯과 연통하도록 함으로써 요크 채널을 통해 이동한 열교환매체가 상기 이와 코일 사이의 간극을 통해 상기 담금 챔버로 이동하도록 하는 열교환기.
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