KR20100057107A - 다구획 일체형 하이브리드 열교환기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 차량에서 전장계 냉각 시스템과 내연기관 냉각 시스템을 하나로 통합하고, 또 열충격 방지 및 열저항 기능을 위한 라디에이터부를 구비하여 냉각 성능 및 내구 성능을 향상시킬 수 있는 다구획 일체형 하이브리드 열교환기에 관한 것이다.
본 발명은 전장용 라디에이터와 내연기관용 라디에이터 간의 내부 압력 차이에 의해 유체 이동을 줄여 냉각수가 혼합되지 않고 각각 독립 유동이 가능한 구조를 유지하면서 일체형으로 통합하는 한편, 전장용 라디에이터와 내연기관용 라디에이터 간에 완충 역할을 하는 연통구조의 서브 라디에이터를 구비하여 열충격 방지 및 열저항 향상을 도모할 수 있는 새로운 개념의 냉각 시스템을 구현함으로써, 열충격을 효과적으로 감소시킬 수 있고 열전도에 대한 열저항 기능을 향상시킬 수 있는 등 냉각 시스템의 전체적인 냉각 효율과 내구 성능을 높일 수 있는 다구획 일체형 하이브리드 열교환기를 제공한다.
하이브리드 차량, 전장계 냉각 시스템, 내연기관 냉각 시스템, 일체형, 서브 라디에이터, 열충격, 열저항

Description

다구획 일체형 하이브리드 열교환기{Integrated heat exchanger having multi divided section for hybrid vehicle}
본 발명은 하이브리드 차량에서 전장계 냉각 시스템과 내연기관 냉각 시스템을 하나로 통합하고, 또 열충격 방지 및 열저항 기능을 위한 라디에이터부를 구비하여 냉각 성능 및 내구 성능을 향상시킬 수 있는 다구획 일체형 하이브리드 열교환기에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 차량은 엔진과 모터를 탑재하여 이를 동시에 구동하거나, 선택적으로 구동하여 구동력을 얻는 차량이다.
이러한 하이브리드 차량은 정속 주행 및 초기 구동시에는 모터에 의해 구동되며, 등판로 주행 또는 배터리 방전 모드시 내연기관에 의해 작동되어 연비를 향상시키는 장치이다.
여기서, 모터를 포함한 전기 부품은 작동시 열이 발생되고, 부품들의 입출력 특성을 최상의 상태로 유지하기 위하여 부품의 온도 상승을 억제하는 냉각장치를 설치할 필요가 있다.
특히, 배터리의 경우에는 전체적인 충방전 효율을 최상으로 유지하기 위해서는 적정온도를 유지하여야 한다.
그러므로 배터리의 충방전에 의해 발생되는 열은 냉각장치를 이용하여 냉각시켜 적정온도를 유지한다.
예를 들면, 하이브리드 차량의 경우, 모터 구동에 의한 주행시 인버터에서 전류의 상변화(교류→직류)에 의한 열과, 모터 및 발전기의 작동에 의한 열이 발생하는데, 이러한 전장계의 냉각을 위해 모터 구동시 전동 펌프→인버터→인버터 리저버 탱크→라디에이터로 냉각수가 순환되는 형태의 전장계 냉각 시스템을 구비하고 있다.
따라서, 하이브리드 냉각 시스템은 구동원에 따라 전장계 냉각 시스템과 내연기관 냉각 시스템 등 2개의 냉각 시스템으로 운용된다.
이러한 하이브리드 냉각 시스템의 경우 내연기관 및 전장 모터 구동 유무, 워터 펌프의 유량, 냉각수의 온도에 따라 유체적으로 분리된 일체형 라디에이터의 내부 압력은 상호 다를 수가 있으며, 전압은 같더라도 동압은 다를 수 있다.
최근에는 냉각효율의 향상, 레이아웃 설계의 유리함, 부품수 및 비용의 절감 등의 이점을 제공하는 통합형 냉각 시스템, 즉 전장계 냉각 시스템과 내연기관 냉각 시스템을 하나로 통합한 냉각 시스템이 제시되고 있다.
예를 들면, 일본 공개특허공보 특개평10-259721호와 미국 특허 US 6,124,644호에는 기존의 내연기관 라디에이터를 내연기관용과 전장용으로 분할 사용하고 있 는 방식이 개시되어 있다.
그러나, 위와 같은 일본 공개특허공보 특개평10-259721호의 경우나, 미국 특허 US 6,124,644호의 경우에는 상용 온도(112℃)가 높은 내연기관용 라디에이터와 상용 온도(80℃)가 낮은 전장용 라디에이터가 직접 접촉되어 있기 때문에 격막 및 코어부로 열이 지속적으로 전도되는 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 전장용 라디에이터의 온도가 상승하면서 전장품의 효율이 저하되고 전장계 구동시 출력이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 영하의 기온(-20℃)에서 냉시동시 내연기관은 정지해 있고 전장 시스템만 구동되는데, 전장용 라디에이터로 전장품 작동에 의해 상승된 온도(60℃)의 냉각수가 갑자기 유입되면, 이에 직접적으로 접촉되는 격막부, 코어부, 코어와 헤더 접합부 등에서 저온측의 수축력과 고온측의 팽창력이 동시에 발생하여 열충격이 발생하게 되는 문제점이 있다.
이러한 상황이 장기간 누적시 직접 접촉부에서 피로에 의한 리크가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 전장용 라디에이터와 내연기관용 라디에이터 간의 내부 압력 차이에 의해 유체 이동을 줄여 냉각수가 혼합되지 않고 각각 독립 유동이 가능한 구조를 유지하면서 일체형으로 통합하는 한편, 전장용 라디에이터와 내연기관용 라디에이터 간에 완충 역할을 하는 연통구조의 서브 라디에이터를 구비하여 열충격 방지 및 열저항 향상을 도모할 수 있는 새로운 개념의 냉각 시스템을 구현함으로써, 열충격을 효과적으로 감소시킬 수 있고 열전도에 대한 열저항 기능을 향상시킬 수 있는 등 냉각 시스템의 전체적인 냉각 효율과 내구 성능을 높일 수 있는 다구획 일체형 하이브리드 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 다구획 일체형 하이브리드 열교환기는 내연기관용 라디에이터부와 전장용 라디에이터부 각각 냉각수의 독립 유동이 가능한 구조를 유지하면서 일체형으로 조합되고, 상기 내연기관용 라디에이터부 및 전장용 라디에이터부의 양쪽에 연결 설치되는 2개의 라디에이터 탱크는 내부가 배플로 구획되는 동시에 각 라디에이터 탱크에는 내연기관용 냉각수 유입구 및 전장용 냉각수 유입구와 내연기관용 냉각수 배출구 및 전장용 냉각수 배출구가 설치되며, 상기 내연기관용 라디에이터부와 전장용 라디에이터부 사이에는 각 각의 라디에이터부와 연통되는 최소 한 개 이상의 서브 라디에이터부가 설치되어, 이 서브 라디에이터부가 열충격을 방지하고 열저항 기능을 발휘할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
이렇게 각 라디에이터부와 열충격 방지 및 열저항용 서브 라디에이터부가 유체적으로 연동되도록 함으로써, 차량 냉시동시 전장용 라디에이터부의 일부 냉각수를 서브 라디에이터부로 우회시켜 내연기관용 라디에이터부로 송수할 수 있고, 따라서 온도 구배를 점진적으로 형성함에 따라 열충격을 감소시킬 수 있는 한편, 상기 서브 라디에이터부가 중간에서 완충지대 역할을 수행할 수 있으므로, 고온측 내연기관용 라디에이터부와 저온측 전장용 라디에이터부 간의 열전도를 줄일 수 있는 등 열전도에 대한 열저항 기능을 높일 수 있다.
본 발명에서 제공하는 다구획 일체형 하이브리드 열교환기는 다음과 같은 장점이 있다.
① 열충격 감소 - 각부의 라디에이터 온도를 점진적으로 형성하여 급작스런 뜨거운 냉각수 유입에 의한 열충격을 감소시킬 수 있다.
② 열전도 최소화에 의한 전장시스템 냉각 성능 향상 - 고온의 내연기관용 라디에이터로부터 저온의 전장용 라디에이터로 열전도를 최소화할 수 있다.
③ 전장품 효율 향상 및 출력 저하 방지 - 전장용 라디에이터부로 열전도 최소화에 의한 전장용 라디에이터 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.
④ 내구성능 향상 - 열충격 감소에 의한 내구 피로를 개선할 수 있다.
⑤ 비용 감소 - 각각의 2개의 열교환기 적용시보다 1개의 헤더와 탱크에 전장 시스템 냉각용 코어부와 내연기관 냉각용 코어부를 적용함으로써 원가를 절감할 수 있다.
⑥ 공정 단축 - 클린칭 공정 1개소 삭제, 한번에 2개 이상의 코어부를 용접할 수 있다.
⑦ 중량 감소 및 구조 단순화 - 2개의 열교환기 적용시보다 탱크와 헤더 각 1개씩 폐지로 중량을 줄일 수 있고 구조를 단순화할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다구획 일체형 하이브리드 열교환기를 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 전장계 냉각 시스템과 내연기관 냉각 시스템의 2개의 냉각 시스템을 채택하고 있는 하이브리드 냉각 시스템에서 다구획 일체형 하이브리드 열교환기는 각각의 독립된 유동구조를 갖는 전장용 라디에이터와 내연기관용 라디에이터를 하나의 일체형 구조로 조합하고, 여기에 각 라디에이터측과 연통됨과 동시에 각 라디에이터를 구획지으면서 완충지대 역할을 수행하는 열충격 방지 및 열저항용 라디에이터를 개재함으로써, 전장계 냉각 시스템의 가동시 열충격을 효과적으로 감소시킬 수 있고, 또 라디에이터 간의 열전도를 줄일 수 있는 등 냉각 시스템의 전체적인 냉각 효율과 내구 성능을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여, 내연기관용 라디에이터부(10)와 전장용 라디에이터부(11)가 위아래로 나란하게 배치되면서 각각 독립적인 냉각수의 유동 경로를 갖는 형태로 조합되고, 상기 내연기관용 라디에이터부(10) 및 전장용 라디에이터부(11)의 양쪽에는 각 라디에이터부측과 연통되는 라디에이터 탱크(12a),(12b)가 각각 설치되며, 특히 2개의 라디에이터 탱크(12a),(12b)의 내부에는 서로 간격을 두고 배치되는 한쌍의 배플(13)이 설치되어 탱크 내부 공간은 위아래로 구획된다.
이에 따라, 상기 라디에이터 탱크(12a),(12b)의 내부는 배플(13)을 기준하여 윗쪽으로는 내연기관용 라디에이터부(10)측과 통하게 되고, 아래쪽으로는 전장용 라디에이터부(11)측과 통하게 된다.
냉각수의 유입과 배출을 위하여, 탱크 내부가 배플(13)로 구획되어 있는 라디에이터 탱크(12a),(12b)의 상부 공간측으로는 내연기관용 냉각수 유입구(14)와 내연기관용 냉각수 배출구(16)가 양편에 각각 설치되고, 하부 공간측으로는 전장용 냉각수 유입구(15)와 전장용 냉각수 배출구(17)가 양편에 각각 설치된다.
여기서, 각 유입구의 위치는 배출구의 위치보다 높은 위치를 갖도록 하는 것이 바람직하다.
이러한 냉각수 유입구 및 배출구를 이용하여 내연기관 계통 및 전장 계통의 2가지 냉각회로를 구성할 수 있다.
예를 들면, 내연기관용 냉각수 배출구(16)→엔진 워터펌프(22)→내연기관(23)→내연기관용 냉각수 유입구(15)로 이어지는 내연기관 계통의 냉각회로를 구 성할 수 있고, 또 전장용 냉각수 배출구(17)→전동 워터펌프(25)→인버터(26)→리저버 탱크(24b)→ISG(25)→전장용 냉각수 유입구(14)로 이어지는 전장 계통의 냉각회로를 구성할 수 있다.
또한, 상기 라디에이터 탱크(12a)의 상부에 설치되어 있는 캡(20)의 일측으로부터 연장되는 라인은 리저버(24a)측으로 연결된다.
또한, 상기 내연기관용 라디에이터부(10) 및 전장용 라디에이터부(11)와 후술하는 서브 라디에이터부(18)는 필요한 열용량에 따라 코어의 두께를 다르게 설정할 수 있다.
예를 들면, 전장 계통의 전장용품들이 대용량화되는 경우 전장용 라디에이터부(11)의 내부에 들어가는 코어들의 두께를 대용량 열교환에 적합한 크기로 설정할 수 있다.
특히, 본 발명에서는 내연기관용 라디에이터부(10)와 전장용 라디에이터부(11) 사이에 별도의 공간으로 구획되는 서브 라디에이터부(18)를 배치하고, 이 서브 라디에이터부(18)로 하여금 열충격을 방지할 수 있도록 하고, 또 열저항 기능을 발휘할 수 있도록 하는 형태를 제공한다.
이를 위하여, 위아래로 배치되어 있는 내연기관용 라디에이터부(10)와 전장용 라디에이터부(11)의 사이에는 서브 라디에이터부(18)가 나란하게 위치되고, 이때의 서브 라디에이터부(18)는 라디에이터 탱크(12a),(12b) 내의 한쌍의 배플(13)이 조성하는 공간과 연통되는 구조를 갖는다.
또한, 상기 각 쌍의 배플(13)의 일측에는 바이패스 홀(19)이 형성되어 있어 서 서브 라디에이터부(18)는 한쪽으로는 전장용 라디에이터부(11)의 탱크측과, 다른 한쪽으로는 내연기관용 라디에이터부(10)의 탱크측과 각각 통하게 된다.
즉, 상기 서브 라디에이터부(18)의 전단쪽(도면의 우측)은 전장용 라디에이터부(11)의 냉각수 유입측과 연통되고, 후단쪽(도면의 좌측)은 내연기관용 라디에이터부(10)의 냉각수 배출측과 연통된다.
이에 따라, 전장용 라디에이터부(11)로 유입되는 냉각수의 일부가 서브 라디에이터부(18)로 보내질 수 있고, 경우에 따라 내연기관용 라디에이터부(10)에서 배출되는 냉각수의 극히 작은 양이 서브 라디에이터부(18)로 보내질 수 있다.
이와 같이, 2개의 라디에이터부 사이에 별도의 라디에이터부가 연통되는 구조로 개재되고, 이때의 개재되는 라디에이터부가 일부의 냉각수 흐름을 수용함과 동시에 각 라디에이터 간의 직접적인 접촉을 차단하게 되므로서, 열교환기가 받는 열충격을 감소시킬 수 있고, 또 열교환기 간의 열전도를 감소시킬 수 있다.
따라서, 이와 같이 구성된 다구획 일체형 하이브리드 열교환기에서 운전 조건에 따른 냉각수의 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다구획 일체형 하이브리드 열교환기에서 냉시동시 냉각수 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 하이브리드 차량의 경우 시동시에는 전장 시스템은 구동되나, 내연기관은 연비 향상을 위해 구동되지 않는다.
냉시동시 전장 시스템의 전동 워터펌프(25)의 작동으로 인버터(26)를 통과하여 온도가 상승된 냉각수가 전장용 라디에이터부(11)로 유입된다.
이때, 전장 냉각 시스템의 전동 워터펌프(25)의 작동으로 압력이 상승되나, 내연기관 냉각 시스템의 냉각수는 엔진 워터펌프(22)의 미작동으로 압력차가 발생한다.
이에 따라, 전장용 냉각수 유입구(15)를 통해 유입된 고온의 냉각수는 대부분이 전장용 라디에이터부(11)를 경유하여 전장용 냉각수 배출구(17)로 배출되고, 압력차에 의해 일부는 바이패스 홀(19)을 통해 서브 라디에이터부(18)로 우회되어 내연기관용 라디에이터부(10)의 배출측 라디에이터 탱크(12b)로 보내진다.
이렇게 우회된 냉각수는 유동 경로부의 온도, 즉 서브 라디에이터부(18) 내의 온도를 상승시켜 온도 구배를 전장부 〉서브 라디에이터부 〉내연기관부의 형태로 점진적으로 형성한다.
이와 같이 우회된 경로의 온도 구배가 점진적으로 형성됨에 따라 열에 의한 팽창력이 동일 경로상에 점진적으로 형성된다.
결국, 점진적인 팽창력이 형성되면서 기존의 직접 접촉부(격막부, 코어부, 코어와 헤더 접합부 등)에서 동시에 양측에 형성되던 저온부의 수축력과 고온부의 팽창력이 생성되는 사양 대비 열충격이 축소된다.
따라서, 열충격의 축소에 따라 피로 누적에 의한 리크 발생률을 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다구획 일체형 하이브리드 열교환기에서 고속 및 등판 주행시 냉각수 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 고속 및 등판 주행시 내연기관의 워터펌프의 유량 은 전장 시스템의 워터펌프 유량 대비 10배 이상의 유량을 송수한다.
이러한 유량 차이에 의한 압력차로 고온의 내연기관용 라디에이터부(10)로부터 냉각수가 바이패스 홀(19)을 통해 서브 라디에이터부(18)로 우회되어 전장용 라디에이터부(11)로 송수된다.
이렇게 우회된 고온의 냉각수의 양은 서브 라디에이터부(18)의 통과 면적이 작아서 통로 저항 증가로 인해 작은 양만 우회된다.
상기 우회된 작은 양의 고온의 냉각수는 서브 라디에이터부(18)를 경유하면서 냉각된 후, 전장용 라디에이터부(11)로 보내진다.
이와 같이, 고온의 냉각수가 서브 라디에이터부(18)를 거치면서 중저온으로 바뀌어 전장용 라디에이터부(11)로 유입되므로, 전장 시스템의 냉각수 온도를 상승시키지 않아 냉각수온 상승에 의한 전장품 효율 및 출력 저하를 방지할 수 있다.
한편, 위와 같이 서브 라디에이터(18)를 포함하는 일체형 열교환기는 열전도에 대한 열저항 기능을 발휘할 수 있다.
내연기관용 라디에이터에는 110℃의 고온의 냉각수가 유동되며, 전장용 라디에이터에는 70℃의 중저온의 냉각수가 유동되는데, 각 부는 코어의 핀과 튜브로 연결되어 다량의 열이 고온부로부터 저온부로 열전도가 될 수 있다.
하지만, 내연기관용 라디에이터와 전장용 라디에이터 사이에 열충격 방지 및 열저항용 라디에이터를 설치함으로써, 온도차가 미설치 사양 대비 작아져(40℃ 이하) 열전도의 양을 줄일 수 있다.
이와 같이, 내연기관 라디에이터와 전장계 라디에이터 간에 열충격 방지 및 열저항용 라디에이터가 개재되는 구조를 적용함으로써, 열충격을 감소시킬 수 있고 열전도를 줄일 수 있으며, 결국 내연기관 냉각 시스템 뿐만 아니라 전장계 냉각 시스템의 냉각 성능과 내구 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다구획 일체형 하이브리드 열교환기의 구조를 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다구획 일체형 하이브리드 열교환기에서 냉시동시 냉각수 흐름을 나타내는 개략도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다구획 일체형 하이브리드 열교환기에서 고속 및 등판 주행시 냉각수 흐름을 나타내는 개략도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 내연기관용 라디에이터부　　　　　 11 : 전장용 라디에이터부
12a,12b : 라디에이터 탱크　　　　　　　　 13 : 배플
14 : 내연기관용 냉각수 유입구　　　　 15 : 전장용 냉각수 유입구
16 : 내연기관용 냉각수 배출구　　　　 17 : 전장용 냉각수 배출구
18 : 서브 라디에이터부　　　　　　　　　　　　19 : 바이패스 홀
20 : 캡　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 21 : 헤더
22 : 엔진 워터펌프　　　　　　　　　　　　　　　 23 : 내연기관
24a,24b : 리저버 탱크　　　　　　　　　　　　 25 : 전동 워터펌프
26 : 인버터　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 27 : ISG

Claims (3)

  1. 내연기관용 라디에이터부(10)와 전장용 라디에이터부(11) 각각 냉각수의 독립 유동이 가능한 구조를 유지하면서 일체형으로 조합되고, 상기 내연기관용 라디에이터부(10) 및 전장용 라디에이터부(11)의 양쪽에 연결 설치되는 2개의 라디에이터 탱크(12a),(12b)는 내부가 배플(13)로 구획되는 동시에 각 라디에이터 탱크(12a),(12b)에는 내연기관용 냉각수 유입구(14) 및 전장용 냉각수 유입구(15)와 내연기관용 냉각수 배출구(16) 및 전장용 냉각수 배출구(17)가 설치되며, 상기 내연기관용 라디에이터부(10)와 전장용 라디에이터부(11) 사이에는 각각의 라디에이터부와 연통되는 최소 한 개 이상의 서브 라디에이터부(18)가 설치되어, 이 서브 라디에이터부(18)가 열충격을 방지하고 열저항 기능을 발휘할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 다구획 일체형 하이브리드 열교환기.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 서브 라디에이터부(18)는 위아래 배치되는 내연기관용 라디에이터부(10)와 전장용 라디에이터부(11) 사이에 나란하게 위치되고, 양쪽의 라디에이터 탱크(12a),(12b) 내의 배플(13)에 형성되는 바이패스 홀(19)을 통해 내연기관용 라디에이터부(10) 및 전장용 라디에이터부(11)와 각각 연통되면서 냉각수의 흐름을 교환할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 다구획 일체형 하이브리드 열교환기.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 내연기관용 라디에이터부(10) 및 전장용 라디에이터부(11)와 서브 라디에이터부(18)는 필요한 열용량에 따라 코어의 두께를 다르게 설정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 다구획 일체형 하이브리드 열교환기.
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