KR102602089B1 - 연료전지 차량용 냉각 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 냉각 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지스택에서 발생되는 열을 냉각시키는 스택 라디에이터 전방에 배치되되, 전장부품에서 발생되는 열을 냉각시키는 전장 라디에이터와 냉매를 냉각시키는 컨덴서를 동일한 높이를 가지도록 좌우로 배치함으로써, 전장 라디에이터의 크기를 확보할 수 있는 연료전지 차량용 냉각 시스템에 관한 것이다.

Description

연료전지 차량용 냉각 시스템{Cooling System of Fuel Cell Vehicle}
본 발명은 연료전지 차량용 냉각 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지스택에서 발생되는 열을 냉각시키는 스택 라디에이터 전방에 배치되되, 전장부품에서 발생되는 열을 냉각시키는 전장 라디에이터와 냉매를 냉각시키는 컨덴서를 동일한 높이를 가지도록 좌우로 배치함으로써, 전장 라디에이터의 크기를 확보할 수 있는 연료전지 차량용 냉각 시스템에 관한 것이다.
휘발유, 경유 등을 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량이 일반적인 차량의 형태이나, 환경오염 문제뿐만 아니라, 새로운 에너지원의 필요성이 점점 대두되고 있어 연료전지를 에너지원으로 하여 구동되는 연료전지 차량에 대한 연구 및 실용화가 활발히 이루어지고 있다.
일반적으로 연료전지 차량은 연료전지스택, 상기 연료전지스택에서 발생된 전력으로 구동되는 모터 및 상기 모터의 구동을 제어하는 인버터 등의 전장부품을 포함하며, 상기 연료전지스택 및 전장부품에서 발생되는 열을 냉각시키는 연료 전지 차량용 냉각 시스템을 포함한다.
도 1 내지 도 2는 연료전지 차량 엔진룸 전방에 형성되어 연료전지스택 또는 전장부품으로부터 발생된 열을 냉각하는 연료전지 차량용 냉각 시스템을 나타낸 도면이다.
종래의 연료전지 차량용 냉각 시스템은 연료전지스택에서 발생된 열을 냉각시키는 스택 라디에이터(10)와, 상기 스택 라디에이터(10) 전방에 형성되되, 냉매를 냉각시키는 컨덴서(30), 상기 컨덴서(30) 하부에 배치되어 전장부품(모터, 인버터)에서 발생된 열을 냉각시키는 전장 라디에이터(20)를 포함하며, 이에 더해 상기 스택 라디에이터(10) 후방에는 적어도 하나 이상 형성되는 냉각팬(40)을 포함하여 형성될 수 있다.
이때, 종래의 연료전지 차량용 냉각 시스템은 상기 전장 라디에이터(20)의 경우, 상술된 바와 같이, 상기 스택 라디에이터(10) 전방의 컨덴서(30) 하부에 형성되며, 이는 전장 라디에이터(20)의 크기를 원하는 일정 크기로 증가시킬 수 없는 문제점이 있다.
다시 말해, 전장부품의 열 발생량이 꾸준히 증대되는 가운데 이로부터 발생되는 열을 냉각시키기 위한 일정 크기의 전장 라디에이터(20)가 필요한데 반해, 냉매를 냉각시키기 위한 컨덴서(30)의 요구되는 최소한의 높이 사양에 의해 전장 라디에이터(20)의 크기를 증대시키는데 한계가 있는 문제점이 있다.
또한, 종래 연료전지 차량용 냉각 시스템은 냉각 성능의 유지를 위해 전장 라디에이터(20)에서 발생되는 공기를 제거해주는 구성인 필러넥(50) 등이 필요하며, 종래의 연료전지 차량용 냉각 시스템의 경우, 전장 라디에이터(20)가 컨덴서(30)의 하부에 배치되고, 필러넥(50)은 냉각모듈의 상부에 배치됨으로써, 전장 라디에이터(20)와 필러넥(50)을 이어주는 호스(1) 등의 구성이 추가되어야 하므로, 이에 대한 제조비용의 증가뿐만 아니라, 연료전지 차량용 냉각 시스템의 구성이 복잡해지는 문제점이 있다.
KR 2011-0058454
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지스택에서 발생되는 열을 냉각시키는 스택 라디에이터 전방에 배치되되, 전장부품에서 발생되는 열을 냉각시키는 전장 라디에이터와 냉매를 냉각시키는 컨덴서를 동일한 높이를 가지도록 좌우로 배치함으로써, 전장 라디에이터의 크기를 확보할 수 있는 냉각모듈을 포함하는 연료전지 차량용 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템은 연료전지스택과, 상기 연료전지스택에서 발생된 전력으로 구동되는 모터 및 상기 모터의 구동을 제어하는 전장부품을 포함하는 연료전지 차량의 엔진룸 전방에 구비되어 상기 연료전지스택, 모터 및 전장부품으로부터 발생된 열을 냉각하는 연료전지 차량용 냉각 시스템에 있어서, 상기 연료전지 차량용 냉각 시스템은 상기 연료전지스택에서 발생된 열을 포함하는 제1열교환매체를 냉각시키는 제1열교환기; 상기 제1열교환기 전방에 형성되되, 상기 모터 또는 전장부품에서 발생된 열을 포함하는 제2열교환매체를 냉각시키는 제2열교환기; 상기 제1열교환기 전방 상기 제2열교환기 일측에 동일한 높이를 가지도록 형성되되, 냉매를 냉각시키는 제3열교환기; 및 상기 제1열교환기 후방에 형성되는 냉각팬;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1열교환기는 일정 이격되어 형성되는 제1헤더탱크 및 제2헤더탱크와, 상기 제1헤더탱크 또는 제2헤더탱크에 형성되어 제1열교환매체가 유입되는 제1입구파이프 및 배출되는 제1출구파이프 및 상기 제1헤더탱크와 제2헤더탱크에 양단이 고정되어 열교환매체가 유동하는 제1튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지 차량용 냉각 시스템은 상기 제1열교환기 또는 제2열교환기 상부에 형성되는 필러넥을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1입구파이프는 상기 제1열교환기와 제3열교환기가 중첩되는 영역과 인접하게 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연료전지 차량용 냉각 시스템은 상기 냉각팬에 의해 상기 제3열교환기를 통과하는 공기는 상기 제2열교환기를 통과한 공기보다 차가운 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템은 연료전지스택에서 발생되는 열을 냉각시키는 스택 라디에이터 전방에 배치되되, 전장부품에서 발생되는 열을 냉각시키는 전장 라디에이터와 냉매를 냉각시키는 컨덴서를 동일한 높이를 가지도록 좌우로 배치됨으로써, 컨덴서의 높이와 상관없이 전장 라디에이터의 크기를 확보할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템은 컨덴서의 높이와 상관없이 전장 라디에이터의 크기를 확보할 수 있어 전장부품에서 발생된 열을 효율적으로 냉각시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템은 컨덴서와 전장 라디에이터가 스택 라디에이터의 전방에 좌우로 배치됨으로써, 공기를 빼주기 위한 필러넥과 전장 라디에이터를 별도로 연결해주는 호스를 추가 구비할 필요가 없는 장점이 있다.
도 1은 종래의 연료전지 차량용 냉각 시스템을 나타낸 도면.
도 2는 측면에서 바라본 종래의 연료전지 차량용 냉각 시스템을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템을 나타낸 또 다른 도면.
도 5는 상부에서 바라본 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템의 효율 증대를 위한 실시예를 나타낸 도면.
이하, 상술된 바와 같은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템을 나타낸 또 다른 도면이며, 도 5는 상부에서 바라본 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템의 효율 증대를 위한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템(1000)은 연료전지스택과, 상기 연료전지스택으로부터 발생된 전력으로 구동되는 모터 및 상기 모터의 구동을 제어하는 전장부품을 포함하는 연료전지 차량의 엔진룸 전방에 구비되어 상기 연로전지스택, 모터 및 전장부품으로부터 발생된 열을 냉각시키는 연료전지 차량용 냉각 시스템에 있어서, 상기 연료전지 차량용 냉각 시스템(1000)은 크게 제1열교환기(100), 제2열교환기(200), 제3열교환기(300)를 포함하며, 이에 더해 냉각팬(400)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1열교환기(100)는 스택 라디에이터일 수 있으며, 상기 연료전지스택에서 발생된 열을 포함하는 제1열교환매체를 냉각시키되, 좌우 또는 상하방향으로 이격되어 형성되는 제1헤더탱크(110) 및 제2헤더탱크(120)를 포함한다.
아울러, 상기 제1열교환기(100)는 상기 제1헤더탱크(110) 또는 제2헤더탱크(120)에 제1열교환매체가 유입되는 제1입구파이프(130)와 제1열교환매체가 배출되는 제1출구파이프(140)을 포함한다.
또한, 상기 제1열교환기(100)는 제1헤더탱크(110) 및 제2헤더탱크(120)에 양단이 고정되는 다수의 제1튜브(150)를 포함하며, 상기 제1튜브(150) 사이에는 제1핀(15)이 개재된다.
상기 제1튜브(150)는 상기 제1입구파이프(130)를 통해 유입된 제1열교환매체가 유동하며, 유동하는 제1열교환매체는 상기 제1튜브(150) 사이에 개재되는 핀(151)을 통과하는 공기와 열 교환됨으로써, 상기 연료전지스택에서 발생된 열을 냉각시킬 수 있다.
상술된 바와 같이, 상기 제1열교환기(100)는 일반적인 내연기관에 구비되는 라디에이터와 유사한 형상 및 원리에 따라 제1열교환매체를 냉각시킬 수 있으며, 이는 공지된 기술로서 형성 및 원리에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 제2열교환기(200)는 전장 라디에이터일 수 있으며, 상기 제1열교환기(100) 전방에 형성되고, 상기 모터 또는 전장부품에서 발생된 열을 포함하는 제2열교환매체를 냉각시킨다.
이때, 전방은 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템(1000)의 구성들과 열 교환되기 위한 공기가 유입되는 방향이다.
상기 제2열교환기(200)는 상기 제1열교환기(100)와 동일하게 좌우 또는 상하로 이격되어 배치되는 제3헤더탱크(210) 및 제4헤더탱크(220)를 포함하며, 상기 제3헤더탱크(210) 또는 제4헤더탱크(220)에는 제2열교환매체가 유입되는 제2입구파이프(230) 및 제2열교환매체가 배출되는 제2배출파이프(240)를 포함한다.
이와 더불어, 상기 제2열교환기(200)는 상기 제1열교환기(100)와 동일하게 제3헤더탱크(210)와 제4헤더탱크(220)에 양단이 고정되는 제2튜브(250) 및 상기 제2튜브(250) 사이에 개재되는 제2핀(251)을 포함하여, 상기 제2핀(251)을 통과하는 공기와 상기 제2입구파이프(230)를 통해 유입되어 제2튜브(250)를 유동하는 열교환매체가 열 교환됨으로써, 상기 전장부품 또는 모터에서 발생된 열을 냉각시킨다.
상기 제2열교환기(200) 또한 상기 제1열교환기(100)와 유사한 형상 및 원리를 가지므로, 상기 제2열교환기(200)의 형상 및 원리에 대한 상세한 설명은 생략한다.
아울러, 상술된 제1열교환매체와 제2열교환매체는 냉각수 등이며, 상기 제1열교환기(100)와 제2열교환기(200)로 유입되는 열교환매체의 설명을 위해 부여된 명칭으로서, 제1열교환매체와 제2열교환매체는 동일한 물질 또는 상이한 물질로 형성될 수 있다.
상기 제3열교환기(300)는 컨덴서일 수 있으며, 상기 제1열교환기(100) 전방 상기 제2열교환기(200) 일측에 동일한 높이를 가지도록 형성되고, 유입되는 냉매를 냉각시킨다.
상기 제3열교환기(300) 또한 좌우 또는 상하로 이격되어 형성되는 제5헤더탱크(310)와 제6헤더탱크(320)를 포함하며, 상기 제5헤더탱크 또는 제6헤더탱크(320)에 냉매가 유입 및 배출되는 제3입구파이프(미도시) 및 제3출구파이프(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제5헤더탱크(310)와 제6헤더탱크(320)에 양단이 고정되어 냉매가 유동하는 제3튜브(350) 및 상기 제3튜브(350) 사이에 개재되는 제3핀(351)을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각팬(400)은 상기 제1열교환기(100) 후방에 적어도 하나 이상 형성되는 것이 바람직하며, 상기 제1열교환기(100), 제2열교환기(200) 및 제3열교환기(300)로 공기를 통과시켜 열 교환 가능하게 한다.
상술된 컨덴서 등의 제3열교환기(300) 및 냉각팬(400) 또한 공지된 기술로서 상세한 설명은 생략한다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템(1000)은 상기 제1열교환기(100) 전방에 형성되는 제2열교환기(200)와 제3열교환기(300)가 동일한 높이를 가지도록 좌우로 배치되는 특징을 가진다.
즉, 제2열교환기(200)가 상기 제3열교환기(300) 하부에 배치되어 크기의 증대를 수행할 수 없는 종래의 연료전지 차랑용 냉각 시스템과 달리, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템(1000)은 제2열교환기(200)와 제3열교환기(300)가 동일한 높이를 가지도록 좌우로 배치됨으로써, 제3열교환기(300)의 냉각 동작을 위한 최소 높이를 확보함과 동시에, 제2열교환기(200) 또한 전장부품에서 발생된 열을 냉각시키기 위한 필요 높이를 확보함으로써, 전장부품에서 증대되는 열 발생량에 대응하여 냉각시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 제1열교환기(100)는 상술된 바와 같이, 상기 제1열교환기(100)를 통과하는 공기와 열 교환되기 위한 제1열교환매체가 유입되는 제1입구파이프(130)를 포함하며, 이때 제1입구파이프(130)는 상기 제1열교환기(100)와 제3열교환기(300)가 중첩되는 영역과 인접하게 배치되는 것이 바람직하다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다.
상기 제1열교환기(100)는 전방에 좌우로 배치되는 제2열교환기(200)와 제3열교환기(300)를 포함하며, 상기 냉각팬(400)에 의해 유입되는 공기는 상기 제2열교환기(200)와 제3열교환기(300)를 통과하면서 열 교환된 후, 상기 제1열교환기(100)를 통과하게 된다.
이때, 공기가 통과되는 제2열교환기(200)와 제3열교환기(300)의 경우, 상기 제3열교환기(300)를 통과한 공기가 상기 제2열교환기(200)를 통과하는 공기보다 차가운 특징이 있으며, 상기 제1열교환기(100)의 경우에는 상기 제1열교환기(100)로 제1열교환매체가 유입되는 제1입구파이프(130)가 구비된 부분이 제1열교환매체의 유량이 상대적으로 많은 특징을 가진다.
즉, 상기 제1열교환기(100)로 제1열교환매체가 유입되되, 유량이 가장 많은 제1입구파이프(130)를 제3열교환기(300)와 중첩되는 영역의 제1헤더탱크(110) 또는 제2헤더탱크(120)에 형성하고, 제3열교환기(300)를 통과한 공기를 제1입구파이프(130)가 형성되는 위치로 통과시킴으로써, 제2열교환기(200)를 통과한 공기보다 상대적으로 차가운 공기를 공급하여 동일한 유량에서도 냉각 성능이 향상되는 장점을 가질 수 있다.
이때, 상기 제1열교환기(100)는 제1입구파이프(130)의 위치가 제3열교환기(300)와 중첩되는 위치에 형성되어 제1열교환매체의 냉각 성능을 높이는 반면, 상기 제1열교환기(100)에서 열 교환된 제1열교환매체가 배출되는 제1출구파이프(140)의 위치는 한정하지 않는다.
본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템(1000)은 상기 제1열교환기(100) 또는 제2열교환기(200) 상부에 형성되어 제1열교환기(100) 또는 제2열교환기(200) 내부의 공기를 외부로 배출하는 필러넥(500)을 더 포함하여 형성될 수 있다.
상기 필러넥(500)은 제1열교환기(100) 또는 제2열교환기(200) 내 공기가 발생하여 성능이 저하되는 것을 방지하도록 열교환기 내부의 공기를 빼주는 구성으로, 상기 필러넥(500)은 제1열교환기(100)와 제2열교환기(200) 각각 설치되거나, 상기 제1열교환기(100) 및 제2열교환기(200)에 일체로 상부에 형성될 수 있다.
이때, 필러넥(500)은 헤더탱크에 형성되는 것이 바람직하며, 이를 위해 상기 제1열교환기(100)의 제1헤더탱크(110)와 제2헤더탱크(120), 제2열교환기(200)의 제3헤더탱크(210)와 제4헤더탱크(220)는 상하로 이격되어 형성되는 것이 바람직하며, 상기 필러넥(500)은 제1헤더탱크(110), 제2헤더탱크(120), 제3헤더탱크(210) 및 제4헤더탱크(220) 중 상부에 형성되는 선택되는 어느 헤더탱크에 형성될 수 있다.
상기 필러넥(500)은 상술된 바와 같이, 열교환기 내부의 공기를 빼주어 압력을 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 열교환매체의 보충 및 교환을 위한 통로 기능으로도 수행 가능하다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 냉각 시스템(1000)은 전장 라디에이터가 컨덴서 하부에 배치되는 종래의 연료전지 차량용 냉각 시스템과 달리, 스택 라디에이터 등의 제1열교환기(100) 전방에 동일한 높이를 가지도록 전장 라디에이터 등의 제2열교환기(200)와 컨덴서 등의 제3열교환기(300)가 좌우로 배치됨으로써, 종래의 냉각 시스템에 있어 필러넥과 전장 라디에이터를 연결하는 호스 및 별도의 필러넥을 구비해야 하는 문제점을 해결할 수 있다.
이는 호스 또는 별도의 필러넥을 구비할 필요가 없으므로, 제조비용이 감소할 뿐만 아니라, 연료전지 차량용 냉각 시스템의 구성이 단순해지는 장점이 있다.
1000 : 연료전지 차량용 냉각 시스템
100 : 제1열교환기
110 : 제1헤더탱크 120 : 제2헤더탱크
130 : 제1입구파이프 140 : 제1출구파이프
150 : 제1튜브 151 : 제1핀
200 : 제2열교환기
210 : 제3헤더탱크 220 : 제4헤더탱크
230 : 제2입구파이프 240 : 제2출구파이프
250 : 제2튜브 251 : 제2핀
300 : 제3열교환기
310 : 제5헤더탱크 320 : 제6헤더탱크
350 : 제3튜브 351 : 제3핀
400 : 냉각팬
500 : 필러넥

Claims (5)

  1. 연료전지스택과, 상기 연료전지스택에서 발생된 전력으로 구동되는 모터 및 상기 모터의 구동을 제어하는 전장부품을 포함하는 연료전지 차량의 엔진룸 전방에 구비되어 상기 연료전지스택, 모터 및 전장부품으로부터 발생된 열을 냉각하는 연료전지 차량용 냉각 시스템에 있어서,
    상기 연료전지 차량용 냉각 시스템(1000)은
    상기 연료전지스택에서 발생된 열을 포함하는 제1열교환매체를 냉각시키는 제1열교환기(100);
    상기 제1열교환기(100) 전방에 형성되되, 상기 모터 또는 전장부품에서 발생된 열을 포함하는 제2열교환매체를 냉각시키는 제2열교환기(200);
    상기 제1열교환기(100) 전방 상기 제2열교환기(200) 일측에 동일한 높이를 가지도록 형성되되, 냉매를 냉각시키는 제3열교환기(300); 및
    상기 제1열교환기(100) 후방에 형성되는 냉각팬(400)을 포함하되,
    상기 제2열교환기(200)와 상기 제3열교환기(300)는 좌우로 배치되고,
    상기 제1열교환기(100)는
    상하로 이격되어 형성되는 제1헤더탱크(110) 및 제2헤더탱크(120);
    상기 제1헤더탱크(110)에 형성되어 제1열교환매체가 유입되는 제1입구파이프(130)와, 상기 제2헤더탱크(120)에 형성되어 제1열교환매체가 배출되는 제1출구파이프(140); 및
    상기 제1헤더탱크(110)와 제2헤더탱크(120)에 양단이 고정되어 열교환매체가 유동하는 제1튜브(150)를 포함하되,
    상기 연료전지 차량용 냉각 시스템(1000)은
    상기 제2열교환기(200) 상부에 일체로 형성되는 필러넥(500)을 더 포함하고,
    상기 냉각팬(400)에 의해 상기 제3열교환기(300)를 통과하는 공기는 상기 제2열교환기(200)를 통과한 공기보다 차갑고,
    상기 제1입구파이프(130)는 상기 제1열교환기(100)와 제3열교환기(300)가 중첩되는 영역과 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 냉각 시스템.
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