KR20210056798A - 차량용 열교환기 및 이를 포함한 차량 전방구조 - Google Patents

차량용 열교환기 및 이를 포함한 차량 전방구조 Download PDF

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Abstract

개시된 차량용 열교환기는, 유체가 흐르는 복수의 튜브; 인접한 튜브들 사이에 개재된 복수의 냉각핀; 및 각 튜브의 표면 및/또는 각 냉각핀의 표면에 부착된 복수의 그래핀물질;을 포함할 수 있다.

Description

차량용 열교환기 및 이를 포함한 차량 전방구조{VEHICLE HEAT EXCHANGER AND VEHICLE FRONT STRUCTURE HAVING THE SAME}
본 발명은 차량용 열교환기 및 이를 포함한 차량 전방구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열교환엘리먼트(튜브, 냉각핀 등)의 표면에 그래핀물질이 부착된 차량용 열교환기 및 이를 포함한 차량 전방구조에 관한 것이다.
열교환기는 2 이상의 유체들 사이의 열을 이동시키는 장치로서, 넓은 의미로는 가열기, 냉각기, 응축기 등도 포함되나 보통은 열의 회수를 목적으로 하는 것을 열교환기라고 한다. 이러한 열교환기는 차량, 보일러, 선박, 설비 등과 같은 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.
한편, 차량은 그 전방단(front end)에 배치된 그릴을 가지고, 그릴은 공기가 프론트 컴파트먼트 측으로 흐름을 허용하는 복수의 통공을 가진다. 프론트 컴파트먼트는 그릴의 후방 측에 위치하고, 프론트 컴파트먼트는 응축기, 라디에이터, 인터쿨러 등과 같은 복수의 열교환기를 수용하도록 구성된다. 쿨링팬이 열교환기들의 후방측에 배치되고, 쿨링팬이 작동함에 따라 그릴을 통과한 공기가 열교환기들과 접촉함으로써 열교환기들이 냉각될 수 있다.
프론트 컴파트먼트에 배치된 열교환기들은 차량의 고성능화 및 전열량 증가, 환경차의 개발 등에 따라 보다 높은 냉각성능을 확보할 필요가 있다. 열교환기들의 냉각성능을 확보하기 위하여 차량의 전방단에 대한 개구면적을 증가시키면 차량의 외관 디자인 및 공력성능이 악화될 수 있다. 그 외에도 열교환기들에 대한 냉각성능을 확보하기 위한 다양한 보조기구들이 요구됨에 따라 원가 및 재료비 등이 상승한다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 열교환기의 열교환엘리먼트(튜브 및/또는 열교환핀)의 표면에 그래핀물질이 부착된 차량용 열교환기 및 이를 포함한 차량 전방구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기는, 유체가 흐르는 복수의 튜브; 인접한 튜브들 사이에 개재된 복수의 냉각핀; 및 각 튜브의 표면 및/또는 각 냉각핀의 표면에 부착된 복수의 그래핀물질;을 포함할 수 있다.
상기 그래핀물질은 제1그래핀층과, 제1그래핀층에 적층된 제2그래핀층을 포함할 수 있다.
상기 제1그래핀층은 제1벌집격자 및 상기 제1벌집격자를 따라 연장된 제1축선을 가지며, 상기 제2그래핀층은 제2벌집격자 및 상기 제2벌집격자를 따라 연장된 제2축선을 가지고, 상기 제1그래핀층의 제1축선과 상기 제2그래핀층의 제2축선이 설정된 비틀림각도로 교차할 수 있다.
상기 그래핀물질에 적외선 영역의 레이저를 조사하는 레이저 조사기를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 조사기는 상기 튜브들 및 상기 냉각핀들의 전방 또는 후방에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 차량 전방구조는, 프론트 엔드바디; 상기 프론트 엔드바디에 의해 밀폐된 프론트 컴파트먼트; 및 상기 프론트 컴파트먼트에 수용된 복수의 열교환기를 포함하고, 각 열교환기는 복수의 열교환엘리먼트 및 각 열교환엘리먼트에 부착된 그래핀물질을 포함할 수 있다.
상기 각 열교환기의 그래핀물질에 적외선 영역의 레이저를 조사하는 레이저 조사기를 더 포함할 수 있다.
상기 그래핀물질은 제1그래핀층과, 제1그래핀층에 적층된 제2그래핀층을 포함할 수 있다.
상기 제1그래핀층은 제1벌집격자 및 상기 제1벌집격자를 따라 연장된 제1축선을 가지며, 상기 제2그래핀층은 제2벌집격자 및 상기 제2벌집격자를 따라 연장된 제2축선을 가지고, 상기 제1그래핀층의 제1축선과 상기 제2그래핀층의 제2축선이 설정된 비틀림각도로 교차할 수 있다.
본 발명에 의하면, 튜브, 냉각핀 등과 같은 열교환엘리먼트의 표면에 그래핀물질을 부착함으로써 열교환기의 성능을 대폭 개선할 수 있다.
본 발명에 따르면, 알루미늄 합금 보다 15배 이상으로 높은 열전도율을 가진 그래핀물질이 열교환엘리먼트의 표면에 부착됨으로써 열교환기의 사이즈를 기존에 비해 1/15로 줄일 수 있고, 이를 통해 차량 전방구조의 중량 및 패키징 구조를 대폭 개선할 수 있다.
본 발명에 의하면, 열교환기와 접촉하는 냉각매체인 공기가 필요하지 않고 적외선영역의 레이저을 그래핀물질에 조사함으로써 그릴 등과 같은 개구가 프론트 엔드바디에 필요하지 않으므로 차량의 외관 디자인 및 공력 성능을 개선할 수 있다. 특히, 레이저에 의해 그래핀물질의 냉각을 정밀하게 제어함으로써 열교환기의 냉각이 정밀하게 제어될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기의 튜브, 냉각핀, 및 레이저 조사기를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기의 그래핀물질이 제1그래핀층 및 제2그래핀층의 적층에 의해 구현된 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 차량용 열교환기의 측면을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량 전방구조를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(10)는 인렛헤더(11) 및 아웃렛헤더(12) 사이에 배치된 복수의 튜브(13)와, 인접한 튜브(13)들 사이에 개재된 복수의 냉각핀(14)을 포함할 수 있다.
열교환기(10)는 도 4에 도시된 인터쿨러(43a), 응축기(43b), 라디에이터(43c) 등과 같은 차량용 열교환기일 수 있다.
인렛헤더(11)는 압축공기, 냉각수, 냉매 등과 같은 유체를 수용하도록 구성될 수 있다. 아웃렛헤더(12)는 튜브(13)를 통과한 유체를 배출하도록 구성될 수 있다.
복수의 튜브(13)는 인렛헤더(11) 및 아웃렛헤더(12) 사이를 연결하도록 연장될 수 있고, 복수의 튜브(13)는 서로 간에 평행하게 배열될 수 있다. 각 튜브(13)는 유체가 유입되는 입구단 및 유체가 유출되는 출구단을 가질 수 있고, 각 튜브(13)의 입구단이 인렛헤더(11)와 소통하도록 결합될 수 있으며, 각 튜브(13)의 출구단이 아웃렛헤더(12)와 소통하도록 결합될 수 있다.
인접한 튜브(13)들은 냉각핀(14)이 개재될 수 있도록 충분히 이격될 수 있다. 각 냉각핀(14)은 주름진 형상을 가질 수 있다. 각 튜브(13) 및/또는 각 냉각핀(14)은 알루미늄 합금 등과 같은 열전도율이 높은 금속재질로 이루어질 수 있다.
도 2를 참조하면, 그래핀물질(20)이 각 튜브(13)의 표면 및/또는 각 냉각핀(14)의 표면에 부착될 수 있다.
그래핀(graphene)은 탄소의 동소체 중 하나이며 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조이다. 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄소 원자가 위치하고 있는 모양이다. 이 모양을 벌집구조(honeycomb structure or hexagonal structure) 또는 벌집격자(honeycomb lattice or hexagonal lattice)라고 부르기도 한다. 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께는 0.2 nm(1nm은 10억 분의 1m) 즉 100억 분의 2m 정도로 엄청나게 얇으면서 물리적·화학적 안정성도 높다. 탄소의 다른 동소체에는 흑연, 탄소나노튜브, 풀러렌, 다이아몬드 등이 있다. 그래핀은 원자 한 층의 두께를 지니기 때문에 동일한 결합구조이지만 여러 층으로 구성되어 있는 흑연과는 확연히 다른 특성을 보인다. 그래핀은 높은 전성(intrinsic) 전자이동도, 높은 열전도도를 가지고 있으며, 이론적 비표면적 또한 매우 크다. 또한 한 층으로 구성되어 있기 때문에 가시광선에 대한 흡수량이 매우 낮아 550nm의 파장을 갖는 빛에 대한 투과율이 97.7%로 확인되었다. 그래핀의 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높으며, 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다. 또한, 그래핀은 초전도(superconduction) 및 단열(insulation)의 극단적 반대특성을 구현할 수 있는 물질이기도 하다.
도 2를 참조하면, 그래핀물질(20)은 제1그래핀층(21)과, 제1그래핀층(21)에 적층된 제2그래핀층(22)을 포함할 수 있다. 제1그래핀층(21)은 제1벌집격자 및 제1벌집격자를 따라 연장된 제1축선(X1)을 가질 수 있다. 제2그래핀층(22)은 제2벌집격자 및 제2벌집격자를 따라 연장된 제2축선(X2)을 가질 수 있다. 제1그래핀층(21)의 제1축선(X1)과 제2그래핀층(22)의 제2축선(X2)은 설정된 비틀림각도(t)로 교차할 수 있다. 이에 제1그래핀층(21)과 제2그래핀층(22)은 설정된 비틀림각도(t, twist angle)로 적층될 수 있다. 일 예에 따르면, 비틀림각도(t)는 11.3°인 매직앵글(magic angel)일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 그래핀물질(20)이 각 냉각핀(14)의 표면에 부착될 수 있다. 그래핀 물질(20)은 각 냉각핀(14)의 일부 표면에 부착되거나 각 냉각핀(14)의 전체 표면에 부착될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 그래핀물질(20)이 각 튜브(13)의 표면에 부착될 수도 있다. 그래핀물질(20)은 각 튜브(13)의 일부 표면에 부착되거나 각 튜브(13)의 전체 표면에 부착될 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 그래핀물질(20)이 각 튜브(13)의 표면 및 각 냉각핀(14)의 표면에 부착될 수 있다. 도 3을 참조하면, 그래핀물질(20)이 튜브(13)의 표면 및 냉각핀(14)의 표면에 부착된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(10)는 그래핀물질(20)에 레이저를 조사하는 레이저 조사기(30, laser irradiator)를 더 포함할 수 있다. 특히, 레이저 조사기(30)는 적외선 영역의 레이저를 그래핀물질(20)에 조사함으로써 그래핀물질(20) 내에서 원자의 진동이 감소할 수 있다. 이를 구체적으로 설명하면, 적외선 영역의 레이저가 그래핀물질(20)에 조사되면 라만산란(Raman scattering)을 통해 그래핀물질(20)에서 음향양자(phonon)이 제거되어 다른 곳으로 전달됨으로써 그래핀물질(20)이 냉각될 수 있다. 이와 같이, 레이저에 의한 라만산란을 통해 그래핀물질(20)이 저온으로 대폭 냉각될 수 있으므로 튜브(13)의 내부통로를 흐르는 유체는 그래핀물질(20)의 냉각에 의해 냉각될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(10)는 인렛헤더(11), 아웃렛헤더(12), 복수의 튜브(13), 복수의 냉각핀(14)을 지지하는 지지구조(50)를 더 포함할 수 있다. 레이저 조사기(30)는 연결암(55)을 통해 지지구조(50)에 장착될 수 있고, 레이저 조사기(30)는 튜브(13)의 표면 및/또는 냉각핀(14)의 표면에 부착된 그래핀물질(20)에 레이저를 균일하게 조사하도록 구성될 수 있다. 지지구조(50)는 도 5에 도시된 차량 전방구조(40)에 장착될 수도 있다.
일 예에 따르면, 레이저 조사기(30)는 레이저를 그래핀물질(20)들에 전체적으로 균일하게 조사하도록 튜브(13)들의 전방 및 냉각핀(14)들의 전방에 배치되거나 튜브(13)들의 후방 및 냉각핀(14)들의 후방에 배치될 수 있다.
다른 예에 따르면, 레이저 조사기(30)는 튜브(13)들의 전방 및 냉각핀(14)들의 전방에서 이동가능하게 배치되거나 튜브(13)들의 후방 및 냉각핀(14)들의 후방에서 이동가능하게 구성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 차량 전방구조(40)는 프론트 엔드바디(41, front end body)와, 프론트 엔드바디(41)에 의해 밀폐된 프론트 컴파트먼트(42, front compartment)와, 프론트 컴파트먼트(42)에 수용된 복수의 열교환기(43a, 43b, 43c)를 포함할 수 있다.
프론트 엔드바디(41)는 차량의 외부에 대해 완전히 폐쇄된 폐쇄벽(41a)을 가질 수 있고, 이에 프론트 컴파트먼트(42)는 프론트 엔드바디(41)의 폐쇄벽(41a)에 의해 차량의 외부에 대해 밀폐될 수 있다. 프론트 컴파트먼트(42)는 엔진, 전기모터 등과 같은 원동기(prime mover, 45) 등을 수용하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 내연기관 차량인 경우 내연기관이 프론트 컴파트먼트(42) 내에 수용될 수 있고, 전기자동차인 경우 전기모터가 프론트 컴파트먼트(42) 내에 수용될 수 있다.
또한, 프론트 컴파트먼트(42)는 인터쿨러(43a), 응축기(43b), 라디에터(43c) 등과 같은 복수의 열교환기(43a, 43b, 43c)를 수용할 수 있다.
도 5를 참조하면, 인터쿨러(43a)는 응축기(43b) 및 라디에이터(43c)의 전방 측에 위치할 수 있고, 응축기(43b)가 라디에이터(43c)의 전방 측에 위치할 수 있다. 다른 예에 따르면, 응축기(43b)가 라디에이터(43c)의 후방 측에 위치할 수 있다. 이와 같이, 응축기(43b) 및 라디에이터(43c)의 배치는 차종에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
인터쿨러(43a), 응축기(43b), 라디에이터(43c)는 도 1과 동일하게, 인렛헤더(11) 및 아웃렛헤더(12) 사이에 배치된 복수의 튜브(13)와, 튜브(13)들 사이에 개재된 복수의 냉각핀(14)을 포함할 수 있다. 그래핀물질(20)이 튜브(13), 냉각핀(14) 등과 같은 열교환엘리먼트(13, 14)의 표면에 부착될 수 있다.
도 5를 참조하면, 레이저 조사기(30)는 프론트 컴파트먼터(42) 내에서 열교환기(43a, 43b, 43c)들의 전방 측에 배치될 수 있다. 특히, 레이저 조사기(30)는 프론트 엔드바디(41)의 실내면에 부착될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 레이저 조사기(30)는 프론트 컴파트먼터(42) 내에서 열교환기(43a, 43b, 43c)들의 후방 측에 배치될 수 있다.
이상과 같이 구성된 본 발명은 알루미늄 합금 보다 15배 이상으로 높은 열전도율을 가진 그래핀물질(20)이 열교환기의 열교환엘리먼트(13, 14)의 표면에 부착됨으로써 열교환기의 사이즈를 기존에 비해 1/15로 줄일 수 있고, 이를 통해 차량 전방구조(40)의 중량 및 패키징 구조를 대폭 개선할 수 있다.
또한, 열교환기와 접촉하는 냉각매체인 공기가 필요하지 않고 적외선 영역의 레이저을 그래핀물질(20)에 조사함으로써 그릴 등과 같은 개구가 프론트 엔드바디(41)에 필요하지 않으므로 차량의 외관 디자인 및 공력 성능을 개선할 수 있다. 특히, 레이저에 의해 그래핀물질(20)의 냉각을 정밀하게 제어함으로써 열교환기의 냉각이 정밀하게 제어될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 열교환기
11: 인렛헤더
12: 아웃렛헤더
13: 튜브
14: 냉각핀
20: 그래핀물질
21: 제1그래핀층
22: 제2그래핀층
30: 레이저 조사기
40: 차량 전방구조
41: 프론트 엔드바디
42: 프론트 컴파트먼트
43a, 43b, 43c: 열교환기
45: 원동기
50: 지지구조

Claims (9)

  1. 유체가 흐르는 복수의 튜브;
    인접한 튜브들 사이에 개재된 복수의 냉각핀;
    각 튜브의 표면 및/또는 각 냉각핀의 표면에 부착된 복수의 그래핀물질;을 포함하는 차량용 열교환기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀물질은 제1그래핀층과, 제1그래핀층에 적층된 제2그래핀층을 포함하는 차량용 열교환기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1그래핀층은 제1벌집격자 및 상기 제1벌집격자를 따라 연장된 제1축선을 가지며,
    상기 제2그래핀층은 제2벌집격자 및 상기 제2벌집격자를 따라 연장된 제2축선을 가지고,
    상기 제1그래핀층의 제1축선과 상기 제2그래핀층의 제2축선이 설정된 비틀림각도로 교차하는 차량용 열교환기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 그래핀물질에 적외선 영역의 레이저를 조사하는 레이저 조사기를 더 포함하는 차량용 열교환기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 조사기는 상기 튜브들의 전방 및 상기 냉각핀들의 전방에 배치되거나 상기 튜브들의 후방 및 상기 냉각핀들의 후방에 배치되는 차량용 열교환기.
  6. 프론트 엔드바디;
    상기 프론트 엔드바디에 의해 밀폐된 프론트 컴파트먼트;
    상기 프론트 컴파트먼트에 수용된 복수의 열교환기를 포함하고,
    각 열교환기는 복수의 열교환엘리먼트 및 각 열교환엘리먼트에 부착된 그래핀물질을 포함하는 차량 전방구조.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 각 열교환기의 그래핀물질에 적외선 영역의 레이저를 조사하는 레이저 조사기를 더 포함하는 차량 전방구조.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 그래핀물질은 제1그래핀층과, 제1그래핀층에 적층된 제2그래핀층을 포함하는 차량 전방구조.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1그래핀층은 제1벌집격자 및 상기 제1벌집격자를 따라 연장된 제1축선을 가지며,
    상기 제2그래핀층은 제2벌집격자 및 상기 제2벌집격자를 따라 연장된 제2축선을 가지고,
    상기 제1그래핀층의 제1축선과 상기 제2그래핀층의 제2축선이 설정된 비틀림각도로 교차하는 차량 전방구조.
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