KR20220101233A

KR20220101233A - 차량용 냉각 모듈

Info

Publication number: KR20220101233A
Application number: KR1020210003037A
Authority: KR
Inventors: 윤현근; 배효찬
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2021-01-11
Filing date: 2021-01-11
Publication date: 2022-07-19

Abstract

본 발명은 차량용 냉각 모듈에 관한 것으로서, 열교환기들의 배치 구조가 개선되어 열교환기 간 열 간섭 현상이 최소화될 수 있고, 냉각 성능과 열 관리 효율이 향상될 수 있는 차량용 냉각 모듈을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 내부를 통과하는 냉각 유체와 주위를 통과하는 공기 사이의 열교환이 이루어지는 복수 개의 열교환기를 포함하고, 상기 복수 개의 열교환기는 냉매 라인이 연결된 응축기, 냉각수 라인이 연결되고 상기 냉각수 라인을 따라 순환하는 냉각수의 냉각 및 방열이 이루어지는 라디에이터를 포함하며, 상기 라디에이터가 응축기 전방에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈이 개시된다.

Description

차량용 냉각 모듈{Cooling module for vehicle}

본 발명은 차량용 냉각 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열교환기들의 배치 구조가 개선되어 열교환기 간 열 간섭 현상이 최소화될 수 있고, 냉각 성능 및 열 관리 효율이 향상될 수 있는 차량용 냉각 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에는 실내를 난방하거나 냉방하는 공기조화장치가 탑재된다. 자동차에서 공기조화장치는 외부 온도의 변화에 관계없이 차량 실내 온도를 항상 적정 온도로 유지해줌으로써 쾌적한 실내 환경을 제공한다.

자동차용 공기조화장치는 냉매를 순환시키는 에어컨 시스템을 포함한다. 에어컨 시스템은 냉매를 압축하는 압축기, 압축기에서 압축된 냉매를 응축하여 액화시키는 응축기, 응축기에서 응축되어 액화된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브, 그리고 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 증발시키면서 냉매의 증발 잠열을 이용하여 차량 실내로 송풍되는 공기를 냉각하는 증발기 등을 주요한 구성요소로 포함한다.

에어컨 시스템에서는 여름철 냉방 모드 시 압축기에 의해 압축된 고온, 고압의 기상 냉매를 응축기를 통해 응축한 뒤 팽창밸브와 증발기를 거쳐 다시 압축기로 순환시키는데, 증발기에서 냉매와의 열교환에 의해 냉각된 공기를 자동차 실내로 토출함으로써 실내 냉방이 이루어지도록 한다.

한편, 최근 에너지 효율과 환경오염 문제에 대한 관심이 증가하면서 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할 수 있는 친환경 자동차의 개발이 이루어지고 있다. 친환경 자동차는 연료전지나 배터리를 동력원으로 이용하여 구동하는 전기자동차(FCEV,BEV)와, 엔진과 모터를 구동원으로 이용하여 구동하는 하이브리드 자동차(HEV,PHEV)로 구분할 수 있다. 이들 친환경 자동차(xEV)는 모두 배터리에 충전된 전력으로 모터를 구동하여 주행하는 모터 구동 차량 및 전동화 차량(Electrified Vehicle)이라는 공통점을 가진다.

또한, 전기자동차에는 차량 전반의 열 관리를 수행하기 위한 열관리 시스템이 탑재된다. 열관리 시스템은 공기조화장치의 에어컨 시스템, 그리고 전력계통의 열 관리와 냉각을 위해 냉각수나 냉매를 이용하는 냉각 시스템, 그리고 히트 펌프 시스템을 포함하는 넓은 의미의 시스템으로 정의할 수 있다. 여기서, 냉각 시스템은 전력계통을 순환하는 냉각수를 냉각하거나 가열하여 전력계통의 열을 관리할 수 있는 구성들을 포함한다. 또한, 히트 펌프 시스템은 전기 히터(예, PTC 히터)에 더하여 보조 난방 장치로 이용되는 것으로, 전력전자(Power Electronic, PE) 부품이나 배터리 등의 폐열을 회수하여 난방에 이용하도록 구성된 시스템이다.

공지의 냉각 시스템은, 냉각수가 저장되는 리저버 탱크, 냉각수를 순환시키기 위해 압송하는 전동식 워터펌프, 냉각수의 방열을 위한 라디에이터 및 냉각팬, 냉각수의 냉각을 위한 칠러(chiller), 냉각수의 가열을 위한 냉각수 히터, 냉각수의 압송을 위한 전동식 워터펌프, 냉각수의 유동을 제어하기 위한 밸브들, 그리고 이들 부품 사이를 연결하는 냉각수 라인을 포함하여 구성되는 냉각 회로, 상기 냉각 회로의 냉각수 온도 및 냉각수 유동 제어를 수행하는 제어기로 구성된다.

전기자동차의 냉각 시스템은 차량 구동을 위한 전력전자 부품, 및 이 전력전자 부품에 작동 전력을 공급하는 배터리의 냉각수 유로를 따라 냉각수를 순환시켜 전력전자 부품과 배터리의 온도를 제어한다. 또한, 냉각 시스템은 필요에 따라 전력전자 부품과 배터리를 분리하여 개별 냉각하거나 또는 전력전자 부품과 배터리를 통합하여 냉각하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 냉각 시스템은 3-웨이(3-way) 밸브의 작동을 제어하여 냉각수의 유동 방향을 제어할 수 있다.

최근 전기자동차에서는, 차량의 항속거리를 증가시키고 전비를 향상시키기 위해, 차량 전단부에 2개의 라디에이터를 배치하고 각 라디에이터를 순환하는 병렬의 냉각수 라인을 구성하여, 전력전자 부품과 배터리를 분리하여 냉각하는 냉각 시스템이 개발되고 있다.

그러나 공지의 병렬형 분리 냉각 시스템에서는 2개의 라디에이터가 차량 전후 방향을 기준으로 전방과 후방에 하나씩 상호 인접하여 배치된다. 이에 외기온이 높은 혹서 지역(예, 외기온 45℃ 이상)에서 라디에이터의 냉각 효율이 좋지 못한 단점이 있다. 특히, 차량 전단을 통해 유입되는 공기가 전방의 라디에이터를 통과한 뒤 후방의 라디에이터를 통과하므로 후방에 위치된 라디에이터의 냉각 효율이 크게 떨어지는 문제가 있다. 혹서 지역에서는 전방에 위치되는 라디에이터의 사용 영역이 적으므로 후방 라디에이터의 냉각 효율이 중요한데, 후방 라디에이터의 냉각 효율 저하가 시스템 전반의 효율 저하로 이어질 수 있다.

혹서 지역에서 냉각 효율의 불리함을 극복하기 위해서는 차량 전단부에서 공기가 유입되는 범퍼 개구부의 유로 단면적을 증대시키거나 라디에이터 및 냉각팬의 사양을 증대시키는 것을 고려해볼 수 있다. 하지만, 범퍼 개구부의 증대는 고속 주행시 전비를 악화시키는 문제가 있고, 라디에이터와 냉각팬의 사양 증대는 원가 및 중량 상승의 원인이 될 수 있다.

또한, 차량용 냉각 모듈은 라디에이터와 응축기 등 복수 개의 열교환기와 이들 열교환기 후방으로 공기를 흡입하도록 배치되는 냉각팬을 포함하여 구성되는데, 좁은 공간에서 복수 개의 열교환기들이 전후로 근거리에 인접하여 배치되므로 열 간섭 현상이 발생하는 문제가 있다. 더욱이 기존 내연기관 자동차에서의 열 관리 온도를 고려한 열교환기 배치 구조가 전기자동차에도 그대로 적용되고 있는데, 이는 전기자동차의 특성을 고려하지 않은 것으로, 전력전자(PE) 부품과 배터리의 냉각에 비효율적인 부분이 발생하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 열교환기들의 배치 구조가 개선되어 열교환기 간 열 간섭 현상이 최소화될 수 있고, 냉각 성능과 열 관리 효율이 향상될 수 있는 차량용 냉각 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 전기자동차에서의 냉각 유체 열 관리 온도를 고려하여 라디에이터 및 응축기와 같은 열교환기들의 배치가 최적화됨으로써, 열 간섭 현상이 최소화될 수 있는 차량용 냉각 모듈을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 내부 통로를 따라 흐르는 냉각 유체와 외측 주위를 지나는 공기 사이의 열교환이 이루어지는 복수 개의 열교환기를 포함하고, 상기 복수 개의 열교환기는 냉매 라인이 연결된 응축기, 및 냉각수 라인이 연결되어 냉각수의 냉각 및 방열이 이루어지는 라디에이터를 포함하며, 상기 라디에이터가 응축기 전방에 위치하도록 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈을 제공한다.

그리고 상기 라디에이터는, 제1 냉각수 라인이 연결되고 상기 제1 냉각수 라인을 따라 순환하는 냉각수의 냉각 및 방열이 이루어지는 제1 라디에이터; 및 제2 냉각수 라인이 연결되고 상기 제2 냉각수 라인을 따라 순환하는 냉각수의 냉각 및 방열이 이루어지는 제2 라디에이터를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 냉각수 라인 및 제1 라디에이터에는 전기자동차의 전력전자 부품을 냉각하기 위한 냉각수가 순환되고, 상기 제2 냉각수 라인 및 제2 라디에이터에는 전기자동차의 배터리를 냉각하기 위한 냉각수가 순환될 수 있다.

또한, 상기 전력전자 부품은 전기자동차의 구동모터를 포함하는 것일 수 있다.

또한, 상기 전력전자 부품은 구동모터를 구동 및 제어하기 위한 인버터, 배터리 충전을 위한 충전기, 및 저전압 DC-DC 컨버터를 더 포함하는 것일 수 있다.

또한, 상기 제1 라디에이터와 제2 라디에이터가 동일한 열에 상측과 하측에 위치하도록 배치된 것일 수 있다.

또한, 상기 응축기 내부의 냉매 통과방향이, 상기 응축기 바로 앞쪽에 위치한 제1 라디에이터 내부 및 제2 라디에이터 내부의 냉각수 통과방향과 상이한 것일 수 있다.

또한, 상기 제1 라디에이터가 상측에, 상기 제2 라디에이터가 하측에 위치하도록 배치된 것일 수 있다.

또한, 상기 제1 라디에이터가 하측에, 상기 제2 라디에이터가 상측에 위치하도록 배치되어, 범퍼 개구부를 통해 냉각 모듈 하측으로 유입된 공기가 직진하여 제1 라디에이터를 통과하는 동시에, 상기 냉각 모듈 하측으로 유입된 공기 중 적어도 일부가 상측으로 분산되어 상기 제2 라디에이터를 통과하도록 된 것일 수 있다.

또한, 상기 응축기는, 상기 냉매 입구가 위치하여 냉매 입구를 통해 유입된 냉매가 나뉘어 흐를 수 있도록 분기된 복수 개의 냉매 통로를 가지는 메인 영역; 및 상기 메인 영역을 흐르는 동안 공기에 의해 냉각된 냉매가 통과하도록 된 서브 쿨 영역을 포함하는 것일 수 있다.

또한, 상기 응축기 내부의 냉매 통과방향이, 상기 응축기 바로 앞쪽에 위치한 제1 라디에이터 내부 및 제2 라디에이터 내부의 냉각수 통과방향과 상이할 수 있다.

또한, 상기 응축기 내부에서의 냉매 통과방향, 상기 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터 내부에서의 냉각수 통과방향이 모두 좌우 수평방향으로 설정되고, 상기 응축기 내부에서의 냉매 통과방향이 바로 앞쪽에 위치한 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터 내부에서의 냉각수 통과방향과 반대방향으로 설정될 수 있다.

또한, 상기 응축기 내부에서의 냉매 통과방향이 상기 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터 내부에서의 냉각수 통과방향과 직각을 이루는 방향으로 설정될 수 있다.

또한, 상기 응축기 내부에서의 냉매 통과방향과 상기 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터 내부에서의 냉각수 통과방향이, 차체 방향을 기준으로 좌우 수평인 방향과 상하 수직인 방향 중 각각 정해진 하나의 방향으로 설정될 수 있다.

또한, 상기 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터 내부에서의 냉각수 통과방향이 차체 방향을 기준으로 좌우 수평방향으로 설정되고, 상기 응축기 내부에서의 냉매 통과방향이 차체 방향을 기준으로 상하 수직방향으로 설정될 수 있다.

또한, 상기 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터 내부에서의 냉각수 통과방향이 차체 방향을 기준으로 상하 수직방향으로 설정되고, 상기 응축기 내부에서의 냉매 통과방향이 차체 방향을 기준으로 좌우 수평방향으로 설정될 수 있다.

이로써, 본 발명에 따른 차량용 냉각 모듈에서는 열교환기들의 배치 구조가 개선됨으로써, 열교환기 간 열 간섭 현상이 최소화될 수 있고, 냉각 성능과 열 관리 효율이 향상될 수 있게 된다.

특히 본 발명에 따른 차량용 냉각 모듈에서는 전기자동차에서의 냉각 유체 열 관리 온도를 고려하여 라디에이터 및 응축기와 같은 열교환기들의 배치 구조가 최적화됨으로써, 열 간섭 현상이 최소화될 수 있는 효과가 있다.

도 1과 도 2는 종래의 차량용 냉각 모듈을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 모듈을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 모듈을 도시한 구성도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 모듈에서 열교환기의 배치 및 냉각 유체가 통과하는 방향을 다르게 한 여러 예를 나타내는 도면이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 모듈에서 열교환기의 배치 및 냉각 유체가 통과하는 방향을 다르게 한 또 다른 여러 예를 나타내는 도면이다.

발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

본 발명은 열교환기들의 배치 구조가 개선되어 열교환기 간 열 간섭 현상이 최소화될 수 있고, 냉각 성능과 열 관리 효율이 향상될 수 있는 차량용 냉각 모듈을 제공하고자 하는 것이다. 이하에서 설명되는 실시예의 냉각 모듈은 전기자동차의 냉각 모듈로서 적용될 수 있는 것이다.

본 발명의 이해를 돕고자 실시예의 설명에 앞서 종래의 차량용 냉각 모듈이 가지는 문제점에 대해 좀 더 설명하기로 한다.

도 1과 도 2는 종래의 차량용 냉각 모듈을 나타내는 도면이다. 도 1은 1개의 라디에이터(2)를 포함하는 냉각 모듈을, 도 2는 2개의 라디에이터(3,4)를 포함하는 냉각 모듈을 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 차량용 냉각 모듈은 차량의 열관리 시스템에서 냉각 유체의 냉각 및 방열을 위해 구비되는 것으로, 차량 전단부에 배치될 수 있고, 복수 개의 열교환기(1~4)와 냉각팬(5)을 포함하여 구성된다. 냉각팬(5)은 열교환기(1~4)들의 후방에 배치되어 공기를 흡입함으로써 흡입된 공기가 전방의 열교환기들을 통과할 수 있도록 한다.

차량용 냉각 모듈에서 각 열교환기(1~4)는 내부 통로에 냉각 유체가 흐를 수 있도록 구비되는데, 외측 주위로는 냉각팬(5)에 의해 흡입된 공기가 지날 수 있도록 구비된다. 이에 각 열교환기(1~4)에서는 내부 통로를 통과하는 냉각 유체와 외측 주위를 지나는 공기 사이의 열교환에 의해 냉각 유체가 냉각되고 냉각 유체의 방열이 이루어질 수 있다. 즉, 고온의 냉각 유체에서 저온의 공기로 열이 전달되면서 냉각 유체의 냉각 및 방열이 이루어질 수 있는 것이다.

차량용 냉각 모듈에서 복수 개의 열교환기(1~4)는 열관리 시스템에서 냉각 유체를 냉각하고 냉각 유체의 방열이 이루어지도록 하는 열교환기들로서, 에어컨 시스템의 응축기(1)와 냉각 시스템의 라디에이터(2~4)를 포함하는 것이 될 수 있다. 이때, 응축기(1)를 통과하면서 공기에 의해 냉각 및 방열되는 냉각 유체는 에어컨 시스템의 냉매이고, 라디에이터(2~4)를 통과하면서 공기에 의해 냉각 및 방열되는 냉각 유체는 부품 냉각용 냉각수이다. 에어컨 시스템의 냉매는 상기 응축기(1)를 통과하면서 냉각되어 기상에서 액상으로 응축된다.

도 1을 참조하면, 하나씩의 응축기(COND)(1)와 라디에이터(RAD)(2)를 포함하는 냉각 모듈이 도시되어 있고, 이 하나씩의 응축기(1)와 라디에이터(2)는 차량 전단부에 배치된다. 또한, 차량용 냉각 모듈은, 공기와의 열교환이 아닌, 냉각수와의 열교환을 통해 에어컨 시스템의 냉매를 냉각 및 응축하는 수냉식 응축기(6)를 더 포함할 수 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 냉각 모듈에서는 응축기(1)가 라디에이터(2)의 전방에 배치된다. 또한, 종래의 냉각 모듈은 소형의 수냉식 응축기(수냉식 COND)(6)를 포함하며, 이 수냉식 응축기(6)는 냉각 시스템의 냉각수와 에어컨 시스템의 냉매가 통과하도록 구비된다. 이를 위해, 도 1에 나타낸 바와 같이, 응축기(1)(공냉식 응축기임)에 연결된 냉매 라인(9)과 라디에이터(2)에 연결된 냉각수 라인(7a)이 모두 수냉식 응축기(6)에 연결된다.

수냉식 응축기(6)는 냉각수와 냉매 간 열교환이 이루어지는 열교환기로서, 냉매의 열이 냉각수로 전달됨으로써 냉매의 냉각과 응축이 이루어질 수 있도록 한다. 수냉식 응축기(6)에서 냉매로부터 열을 전달받은 냉각수는 라디에이터(2)를 통과하도록 되어 있고, 라디에이터(2)를 통과하는 동안 냉각수의 열이 공기로 방출되면서 냉각수가 냉각될 수 있게 된다.

도 2는 전력전자(PE) 부품과 배터리를 분리하여 냉각하는 병렬형 분리 냉각 시스템의 냉각 모듈을 나타내고 있다. 병렬형 분리 냉각 시스템에서는 2개의 라디에이터(3,4)를 차량 전단부에 배치하고, 각 라디에이터(3,4)를 순환하는 병렬의 냉각수 라인(7,8)을 구성하여, 전력전자 부품과 배터리를 분리하여 냉각한다.

도 2를 참조하면, 응축기(COND)(1)가 전방에 배치되고, 이 응축기(1)의 후방에 라디에이터(LTR,HTR)(3,4)가 배치되고 있다. 이때, 2개의 라디에이터(3,4)가 응축기(1)의 후방에서 차량 전후 방향을 기준으로 전방과 후방에 상호 인접하도록 배치된다. 이러한 냉각 모듈에서 전후로 배치되는 2개의 라디에이터, 즉 제1 라디에이터(HTR)(4)와 제2 라디에이터(LTR)(3)에 개별적으로 냉각수 라인(7,8)이 연결된다. 이에 제1 라디에이터(4)와 제2 라디에이터(3)에서 냉각팬(5)에 의해 흡입되는 외기와 냉각수 사이의 열교환이 이루어지는데, 이때 각 라디에이터(3,4)에 연결된 냉각수 라인(7,8)을 순환하는 냉각수로부터 열이 공기(외기) 중으로 방출되면서 냉각수가 냉각된다.

도 2의 예에서 제1 라디에이터(4)가 제2 라디에이터(3)의 후방에 배치되고 있으며, 이에 차량 전후 방향을 기준으로 응축기(1), 제2 라디에이터(3), 제1 라디에이터(4)의 순으로 배치되는 구조가 된다. 병렬형 분리 냉각 시스템에서, 운전 온도(냉각수 온도)에 따라, 제1 라디에이터(4)는 상대적으로 고온의 냉각수를 통과시켜 방열 및 냉각하는 고온 라디에이터(High Temperature Radiator, HTR)이다. 제2 라디에이터(3)는 제1 라디에이터(4)에 비해 상대적으로 저온의 냉각수를 통과시켜 방열 및 냉각하는 저온 라디에이터(Low Temperature Radiator, LTR)이다.

고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(4)에는 차량을 구동하는 모터, 즉 구동모터를 포함하는 전력전자(PE) 부품의 냉각을 위한 냉각수 라인(7)이 연결될 수 있고, 이에 제1 라디에이터(4)에서는 전력전자 부품을 냉각한 냉각수의 냉각 및 방열이 이루어질 수 있다. 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(3)에는 배터리의 냉각을 위한 냉각수 라인(8)이 연결될 수 있고, 이에 제2 라디에이터(3)에서는 배터리를 냉각한 냉각수의 냉각 및 방열이 이루어질 수 있다. 이때, 전술한 바와 같이, 저온 라디에이터인 제2 라디에이터(3)가 고온 라디에이터인 제1 라디에이터(4)의 전방에 배치될 수 있다.

도 2의 냉각 모듈이 적용된 열관리 시스템에서도 수냉식 응축기(6)가 이용될 수 있는데, 도시된 바와 같이, 수냉식 응축기(6)에서 냉매로부터 열을 전달받은 냉각수가 제1 라디에이터(HTR)(4)와 제2 라디에이터(LTR)(3)를 통과하는 동안 열을 방출하게 된다. 제1 라디에이터(4)와 전력전자 부품 사이에 연결된 제1 냉각수 라인(7)과, 제2 라디에이터(3)와 배터리 사이에 연결된 제2 냉각수 라인(8), 그리고 응축기(1)에 연결된 에어컨 시스템의 냉매 라인(9)이 모두 수냉식 응축기(6)에 연결되며, 수냉식 응축기(6)에서 냉매의 열이 냉각수로 전달된 뒤 제1 라디에이터(4)와 제2 라디에이터(3)에서 방출된다.

한편, 문제점에 대해 설명하면, 내연기관 자동차의 경우에는 라디에이터(2~4)에서의 엔진 냉각수 온도(115℃ 이하)가 응축기(1)에서의 냉매 온도(100 ~ 110℃)보다 대체로 높거나 비슷한 수준이고, 따라서 도 1과 같이 응축기(1)를 전방에, 라디에이터(2)를 후방에 배치하는 것이 열 관리 온도 측면에서 적절하다.

그러나 전기자동차에서 도 1의 라디에이터(2)와 도 2의 제1 라디에이터(4) 및 제2 라디에이터(3)에서 냉각수 온도는 냉매 온도(100 ~ 110℃)보다 낮다(예, 제1 라디에이터의 냉각수 온도 65℃ 이하, 제2 라디에이터의 냉각수 온도 35℃ 이하). 하지만, 도 1 및 도 2의 냉각 모듈에서는 공기와의 열교환 시 가장 높은 온도의 냉각 유체(에어컨 시스템의 냉매)가 통과하는 응축기(1)를 맨 앞에 배치하고, 그 후방에 라디에이터(2~4)를 배치하고 있다.

따라서, 전방의 응축기(1)에서 상승한 공기가 후방의 라디에이터(2~4)를 통과하므로 라디에이터(2~4)에서의 냉각 효율이 저하될 수밖에 없다. 더욱이 수냉식 응축기(6)에서 냉매로부터 열을 흡수한 냉각수가 라디에이터(2~4)로 흐르게 되므로 라디에이터에서의 냉각 부하는 더 커질 수밖에 없다. 이때, 응축기(1)에서의 부하(즉, 에어컨 시스템의 냉방 부하)가 더 커진다면 열 간섭량이 증대되어 라디에이터(2~4)에서의 냉각 부하가 더 커지는 악순환이 발생한다.

결국, 전기자동차용 냉각 모듈에서 열교환기들의 배치 구조를 개선하여 열교환기 간 열 간섭 현상을 최소화하는 동시에 냉각 성능과 열 관리 효율을 향상시킬 필요가 있다.

이하에서는 열 간섭이 최소화되고 냉각 성능 및 열 관리 효율이 향상되는 본 발명의 실시예에 대해 설명하기로 한다.

도 3과 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 냉각 모듈을 도시한 구성도로서, 열교환기들의 개선된 배치 상태를 보여주고 있다.

도시된 나타낸 바와 같이, 차량 전후 방향을 기준으로 전방 위치에 냉각 시스템의 제1 라디에이터(HTR)(11)와 제2 라디에이터(LTR)(12)가 배치되고, 그 후방 위치에 에어컨 시스템의 응축기(COND)(13)가 배치된다. 이때, 응축기(13)의 후방에 냉각팬(14)이 배치된다. 제1 라디에이터(11)와 제2 라디에이터(12)는 전면에서 볼 때 상측과 하측에 위치하도록 배치되고, 측면에서 볼 때 동일한 열에 상측과 하측으로 위치하도록 배치(즉, 상하 일렬로 배치)된다.

도 3을 참조하면, 상측에 고온 라디에이터(High Temperature Radiator, HTR)인 제1 라디에이터(11)가, 하측에 저온 라디에이터(Low Temperature Radiator, HTR)인 제2 라디에이터(12)가 배치된 것을 볼 수 있다. 반면, 도 4를 참조하면, 도 3의 실시예와 반대로, 상측에 제2 라디에이터(LTR)(12)가, 하측에 제1 라디에이터(HTR)(11)가 배치된 것을 볼 수 있다.

즉, 도 3에 예시된 바와 같이, 상측에 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(11)가 배치되고, 이때 하측에 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(12)가 배치될 수 있다(도 3 참조). 반대로, 도 4에 예시된 바와 같이, 상측에 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(12)가 배치되고, 하측에 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(11)가 배치될 수도 있다.

또한, 후방에 배치되는 응축기(13)에서 상부는 고온의 냉매가 유입되는 부분으로 상대적으로 냉매 온도가 높은 고온 영역이고, 응축기(13)의 하부는 상부를 통과한 뒤 외기에 의해 냉각된 냉매가 응축기의 외부로 배출되는 부분으로서 상대적으로 냉매 온도가 낮은 저온 영역이다. 이에 응축기(13)에서 상대적으로 저온 영역인 서브 쿨 영역(sub cool zone)(13b)이 하부에 위치하는데, 이를 고려할 경우, 도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 라디에이터(HTR)(11)를 상측에, 제2 라디에이터(LTR)(12)를 하측에 배치하는 것이 유리하다.

즉, 냉각수를 냉각하기 위해 두 라디에이터(11,12)를 통과한 후의 공기 온도를 비교해보면, 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(11)를 통과한 공기의 온도(예, 48℃)가 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(12)를 통과한 공기의 온도(예, 45℃)보다 높다. 반면, 응축기(13)에서 상측의 고온 영역인 메인 영역(13a)의 냉매 온도(예, 100 ~ 110℃)는 하측의 저온 영역인 서브 쿨 영역(13b)의 냉매 온도(예, 50 ~ 55℃)보다 훨씬 높다.

이때, 고온 라디에이터인 제1 라디에이터(11)를 하측에 배치하여 제1 라디에이터를 통과한 공기가 응축기(13)의 서브 쿨 영역(13b)을 통과하도록 하면, 공기의 온도(예, 48℃)와 서브 쿨 영역(13b)의 냉매 온도(예, 50 ~ 55℃) 간 차이가 작아질 수 있다. 고온 라디에이터인 제1 라디에이터(11)에서의 방열량이 제2 라디에이터(12)에 비해 더 크기 때문에, 제1 라디에이터(11)를 통과한 공기와 응축기(13) 내 냉매 사이의 온도 차이가 작아질 수 있는 것이다. 결국, 응축기(13) 중 서브 쿨 영역(13b)에서의 냉각 성능이 고온 영역인 메인 영역(13a)에서의 냉각 성능에 비해 불리해질 수 있다.

반면, 저온 라디에이터인 제2 라디에이터(12)를 하측에 배치하여 제2 라디에이터를 통과한 공기가 응축기(13)의 서브 쿨 영역(13b)을 통과하도록 하면, 방열량이 적은 제2 라디에이터(12)를 통과한 공기의 온도(예, 45℃)와 서브 쿨 영역(13b)의 냉매 온도(예, 50 ~ 55℃) 간 차이가 더 커지기 때문에, 서브 쿨 영역(13b)에서의 냉각 성능이 더 유리해질 수 있다.

물론, 고온 라디에이터인 제1 라디에이터(HTR)(11)를 상측에 배치할 경우, 방열량이 많은 제1 라디에이터(11)를 통과한 공기가 응축기(13)의 메인 영역(13a)를 통과하기 때문에, 응축기(13)의 메인 영역(13a)에서 냉각 성능이 불리해질 수 있다. 그러나 응축기(13)의 메인 영역(13a)에서 냉매 온도(예, 100 ~ 110℃)는 제1 라디에이터(11)를 통과한 공기의 온도(예, 48℃)에 비해 매우 높다. 그러므로 제2 라디에이터(LTR)(12)를 상측에 위치시킨 것과 비교하였을 때, 제1 라디에이터(HTR)(12)를 상측에 위치시키더라도 메인 영역(13a)에서의 냉각 성능에 미치는 영향은 무시할 정도로 작은 수준일 수 있다.

이에, 도 3에 나타낸 바와 같이, 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(11)를 상측에 배치하고 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(12)를 하측에 배치하는 것이, 제1 라디에이터를 하측에, 제2 라디에이터를 상측에 배치하는 것에 비해 유리할 수 있다.

반면, 차량 전단부에서 범퍼 개구부(미도시)가 하측에 위치할 때에는 그 반대가 유리할 수 있다. 즉, 차량 전단부에서 범퍼 개구부(미도시)가 하측에 위치하는 경우, 도 4에 나타낸 바와 같이, 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(11)를 하측에 배치하고 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(12)를 상측에 배치한 도 4의 실시예가, 도 3의 실시예와 비교하여 더 유리한 점이 있다.

범퍼 개구부가 차량 전단부의 하측에 위치하는 경우, 외기가 차량 전단부에서 냉각 모듈 측으로 유입될 때, 하측의 범퍼 개구부(미도시)를 통과한 외기가 냉각 모듈에서도 하측으로 유입된 뒤 그 일부가 상측으로 분산되어 라디에이터(11,12)와 응축기(13)를 통과한다. 이때, 외기가 하측의 범퍼 개구부를 통해 유입되므로, 라디에이터에서도 외기(공기)는 상측에 비해 하측에서 더 빠른 속도로 통과하게 된다. 즉, 도 4의 실시예에서, 하측의 제1 라디에이터(11)를 통과하는 공기의 유속이, 상측으로 분산된 후 상측의 제2 라디에이터(12)를 통과하는 공기의 유속보다 더 빠르다.

따라서, 고온 라디에이터인 제1 라디에이터(11)를 하측에 배치하고, 저온 라디에이터인 제2 라디에이터(12)를 상측에 배치하면, 범퍼 개구부를 통해 하측으로 유입된 외기 중 일부가 직진하여 바로 제1 라디에이터(11)를 제2 라디에이터(12)를 통과하는 공기에 비해 더 빠른 속도로 통과하게 된다. 또한, 하측으로 유입된 외기 중 나머지가 상측으로 분산된 뒤 제2 라디에이터(12)를 제1 라디에이터(11)를 통과하는 공기에 비해 더 느린 속도로 통과하게 된다.

이에 하측으로 배치되어 직진하는 외기가 통과하도록 된 제1 라디에이터(11)가, 상측으로 배치되어 위로 분산된 외기가 통과하는 제2 라디에이터(12)에 비해 방열 측면에서 유리할 수 있다. 따라서, 상대적으로 고온의 냉각수가 통과하고 방열량이 많은 제1 라디에이터(11)를 하측에 배치하고, 상대적으로 저온의 냉각수가 흐르는 제2 라디에이터(12)를 상측에 배치하는 것이 고려될 수 있다.

도 3과 도 4의 실시예에서 채택된 응축기(13)는 풀 페이스(full face) 타입의 공냉식 응축기로서, 여기서 '풀 페이스'의 의미는, 차량 전단의 범퍼 개구부를 통해 유입된 공기가 냉각 모듈을 통과한다고 할 때, 냉각 모듈에서의 공기 통과 영역의 일부가 아닌, 공기 통과 영역 전체에 걸쳐 응축기(13)가 배치되는 것을 의미한다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 제1 라디에이터(11)와 제2 라디에이터(12)를 상측과 하측에 배치하고, 그 후방에 풀 페이스 타입의 공냉식 응축기(13)를 배치함에 있어, 제1 라디에이터(11)와 제2 라디에이터(12)가 서로 구조적으로 완전히 분리된 개별 단품의 라디에이터일 수도 있으나, 라디에이터 탱크 내부의 상부와 하부를 구획하는 격벽을 설치하여, 하나의 라디에이터가 독립된 2개 영역으로 상하 배분되어 있는 일체형 구조를 적용하는 것도 가능하다.

즉, 상기 격벽에 의해 구획된 라디에이터의 상부와 하부에 각각 별도의 냉각수 라인(제1 냉각수 라인과 제2 냉각수 라인)을 연결하여 서로 독립된 기능을 하는 제1 라디에이터(11)와 제2 라디에이터(12)를 구성한 것이 될 수 있는 것이다. 이 경우 격벽으로 구분된 일체의 라디에이터의 상부와 하부가 제1 라디에이터(11)와 제2 라디에이터(12)로서 각각 독립적인 라디에이터 기능을 하게 된다.

이와 같이 냉각 모듈의 열 수가 축소됨에 따라 공기저항의 최소화가 가능해진다. 또한, 라디에이터(11,12)를 최전방에 배치함으로써 라디에이터에서의 냉각 성능이 최우선적으로 고려될 수 있다. 즉, 라디에이터(11,12) 내 냉각수가 더 낮은 온도의 공기와 열교환을 할 수 있는 것이며, 라디에이터의 냉각 성능(방열 성능) 및 냉각 효율이 향상될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 제1 냉각수 라인이 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(11)에 연결된다. 즉, 도면으로 나타내지는 않았으나, 제1 리저버 탱크, 제1 전동식 워터펌프, 제1 라디에이터(11) 사이에 제1 냉각수 라인이 연결되고, 제1 냉각수 라인에서 제1 라디에이터(11)의 전단과 후단 위치 사이에 제1 바이패스 라인이 연결되며, 상기 제1 냉각수 라인에서 제1 바이패스 라인이 분기된 분기점에 3-웨이 밸브인 제1 밸브가 설치될 수 있다. 제1 밸브의 개폐 상태에 따라 제1 냉각수 라인을 따라 순환하는 냉각수가 제1 라디에이터(11)를 통과하지 않도록 바이패스되거나 제1 라디에이터(11)를 통과할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 제1 라디에이터(HTR)(11)를 지나는 제1 냉각수 라인에는 제1 부품으로서 차량을 구동하는 모터, 즉 전력전자 부품 중에서도 발열량(전열량)이 상대적으로 많고 요구 냉각수온이 상대적으로 높은 차량 구동용 모터(구동모터)가 설치될 수 있다. 여기서, 모터(제1 부품)는 전륜 모터와 후륜 모터를 포함할 수 있다. 그 밖에, 전력전자 부품 중 제2 부품인 인버터와 충전기, 컨버터(저전압 DC-DC 컨버터 등)가 제1 냉각수 라인에 더 설치될 수도 있다. 여기서, 인버터는 전륜 모터의 구동 및 제어를 위한 전륜 인버터, 및 후륜 모터의 구동 및 제어를 위한 후륜 인버터를 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 제2 냉각수 라인은 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(12)에 연결된다. 즉, 도면으로 나타내지는 않았으나, 제2 리저버 탱크, 제2 전동식 워터펌프, 제2 라디에이터(12) 사이에 제2 냉각수 라인이 연결되고, 제2 냉각수 라인에서 제2 라디에이터의 전단과 후단 위치 사이에 제2 바이패스 라인이 연결되며, 상기 제2 냉각수 라인에서 제2 바이패스 라인이 분기된 분기점에 3-웨이 밸브인 제2 밸브가 설치될 수 있다. 제2 밸브의 개폐 상태에 따라 제2 냉각수 라인을 따라 순환하는 냉각수가 제2 라디에이터(12)를 통과하지 않도록 바이패스되거나 제2 라디에이터(12)를 통과할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서, 제2 라디에이터(LTR)(12)를 지나는 제2 냉각수 라인에는 제2 부품으로서 배터리, 즉 전력전자 부품 중에서도 발열량(전열량)이 상대적으로 적고 요구 냉각수온이 상대적으로 낮은 배터리가 설치될 수 있다. 이에 더하여 제2 냉각수 라인에는 배터리를 웜업(warmup)하기 위한 히터, 및 배터리를 냉각하기 위한 칠러(chiller)가 설치될 수 있다. 여기서, 칠러는 에어컨 시스템의 냉매를 공급받아 배터리를 순환하는 냉각수를 냉각하도록 구비된다. 그 밖에 제2 부품인 인버터와 충전기, 컨버터가 제1 냉각수 라인 대신 제2 냉각수 라인에 설치될 수도 있다.

본 발명의 실시예에서, 에어컨 시스템의 냉매 라인이 응축기(13)에 연결되고, 이때 냉매 라인과 제1 냉각수 라인, 제2 냉각수 라인에 설치되던 기존 수냉식 응축기는 삭제 가능하다. 물론, 수냉식 응축기는 설치도 가능하며, 이때 수냉식 응축기에서는 제1 라디에이터(11)와 제2 라디에이터(12)를 통과하는 냉각수와 응축기(13)를 통과하는 냉매 사이의 열교환이 이루어진다.

전술한 바와 같이, 제2 라디에이터(12)는 배터리 냉각을 위한 라디에이터로서, 제2 라디에이터(12)에 연결된 제2 냉각수 라인에 배터리와 함께 배터리 냉각을 위한 별도의 칠러가 더 설치될 수 있는데, 이 칠러에서는 에어컨 시스템의 냉매와 냉각수 사이의 열교환이 이루어지고, 상기 칠러에서 냉매에 의해 냉각된 냉각수가 배터리를 통과하게 되면서 배터리를 냉각하게 된다.

따라서, 냉매를 공급하여 칠러를 작동시킬 경우 제2 라디에이터(12)는 냉각수의 냉각 및 방열이 불필요한 무부하 상태로 유지될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 나타낸 바와 같이, 외기 온도가 45℃일 때, 배터리 냉각은 에어컨 시스템의 냉매를 이용하는 칠러에 의해서만 이루어질 수 있다. 이때, 수냉식 응축기가 삭제되었다면 제2 라디에이터에서는 열 부하가 없다.

또한, 도 3의 실시예에서, 전력전자 부품 냉각용 제1 라디에이터(11)에서 냉각수와 공기 사이에 3kW의 열교환이 이루어진다고 할 때, 45℃의 외기가 제1 라디에이터(11)를 통과하고 나면 공기 온도는 48℃로 약 3℃ 상승한다. 이때, 응축기(13) 입구에서의 냉매 온도가 100 ~ 110℃이므로, 응축기(13)에서 냉매와 공기 사이에는 50℃ 이상의 온도 차(ΔT)가 확보될 수 있고, 이에 응축기(13)에서의 냉매 냉각과 응축에는 큰 영향이 없다.

또한, 도 3의 실시예에서, 서브 쿨 영역(13b)의 전방에 열 픽업(heat pick up)이 없는 제2 라디에이터(12)가 배치되므로, 제2 라디에이터(12)를 통과한 공기의 온도는 외기 온도인 45℃를 유지할 수 있다. 이때, 서브 쿨 영역(13b)에서의 냉매 온도가 50 ~ 55℃이므로 서브 쿨 영역에서도 냉매와 공기 사이의 열교환이 이루어질 수 있다.

또한, 도 3의 실시예에서, 제1 라디에이터(11)로 유입되는 냉각수의 온도가 65℃이고, 제1 라디에이터에서의 냉각 부하가 3kW라 가정하였을 때, 제1 라디에이터에서는 냉각수를 ΔT = 20℃만큼 냉각하는 것이 가능하다. 결국, 도 1의 라디에이터(2)와 도 2의 제1 라디에이터(4)에서 냉각수를 ΔT = 10℃만큼 냉각하였다면, 도 3의 실시예에서는 제1 라디에이터(11)에서의 방열 능력이 200%로 증대되는 것이며, 이러한 방열 능력 증대로 제1 라디에이터를 포함한 열교환기들의 사이즈 축소 및 팬 용량 축소, 원가 절감 및 중량 저감 등이 가능해진다.

그리고 도 4의 실시예는 차량 전단부에서 외기가 유입되는 범퍼 개구부가 하측에 위치할 때 유용하다. 도 4의 실시예에서는, 전술한 바와 같이, 배터리 냉각용 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(12)를 상측에 배치하고, 전력전자(PE) 부품 냉각용 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(11)를 하측에 배치하고 있다. 이때, 제1 라디에이터(11)가 냉각 모듈의 하측에서 응축기(13)의 서브 쿨 영역(13b)의 바로 앞쪽에 위치한다.

이 경우, 외기가 상대적으로 고온인 제1 라디에이터(11)를 통과한 뒤 서브 쿨 영역(13b)을 통과하므로, 서브 쿨 영역(13b)에서의 외기 온도가 제3 실시예에 비해 더 높지만, 통상적인 전기자동차에서 범퍼 개구부가 하측에 위치한다는 점을 고려할 때, 제1 라디에이터(11)를 통과하는 공기(외기)의 속도가 제2 라디에이터(12)를 통과하는 공기의 속도보다 빠르므로, 응축기에서의 냉각 성능 저하는 무시할 수 있는 수준이다.

더욱이, 모터와 같은 전력전자(PE) 부품 냉각용 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(11)는 상시 작동하는 라디에이터이다. 즉, 냉각수가 제1 라디에이터(11)를 상시 통과하도록 하여 제1 라디에이터에 의한 냉각수 방열이 항상 이루어지도록 한다.

반면, 배터리 냉각용 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(12)는 마일드 조건, 즉 특정 외기온 및 저부하 조건에서만 작동하는 라디에이터이다. 즉, 저부하 조건에서만 냉각수가 제2 라디에이터(12)를 통과하도록 하여 제2 라디에이터에 의한 냉각수 방열이 저부하 조건에서만 이루어지도록 하고, 고부하 조건에서는 제2 라디에이터에 냉각수가 흐르지 않도록 하는 것이다. 고부하 조건에서는 전술한 바와 같이 에어컨 시스템의 냉매를 이용하는 칠러를 통해 배터리를 냉각한다. 따라서, 빠른 유속의 공기가 통과할 수 있는 하측에 상시 작동해야 하는 제1 라디에이터(11)를 배치한 도 4의 실시예가 더 유리할 수 있다.

이와 같이 하여, 도 3 및 도 4의 실시예에 대해 설명하였는바, 도 2의 비교예에서는 응축기(1), 제2 라디에이터(3), 제1 라디에이터(4)의 순으로 전후 방향 3열의 배치로 냉각 모듈이 구성되었지만, 본 발명의 실시예에서는, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이. 라디에이터(11,12)와 응축기(13)의 열(列) 수가 2열로 축소된다.

한편, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 모듈에서 각 열교환기 내 냉각 유체가 통과하는 방향을 다르게 한 여러 예를 나타내는 도면이다. 도 5 내지 도 7에 도시된 실시예에서 제1 라디에이터(HTR)(11)와 제2 라디에이터(LTR)(12)의 상하 배치 상태는 도 3의 실시예와 같으나, 도 4의 실시예에서도 도 5 내지 도 7과 같은 냉각 유체(냉각수와 냉매)의 흐름 및 응축기 구조가 동일하게 적용 가능하다.

먼저, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 라디에이터(HTR)(11)는 내부에 냉각수가 차체 방향을 기준으로 수평으로 통과할 수 있는 복수 개의 냉각수 통로를 가지며, 제1 라디에이터(11)의 내부에서 상기 복수 개의 통로는 냉각수가 나란히 나뉘어 차체 방향을 기준으로 수평으로 흐를 수 있도록 병렬로 분기된 구조로 형성된다. 도 5를 참조하면, 제1 라디에이터(11)의 내부로 유입된 냉각수가 복수 개의 냉각수 통로를 따라 흐르면서 복수 개의 경로로 분기되어 병렬로 흐르고 있음을 볼 수 있다.

이때, 제1 라디에이터(11)에서 냉각수 입구를 통해 좌측으로 유입된 냉각수는 우측을 향해 수평으로 이동한 뒤 냉각수 출구를 통해 외부로 배출되는데, 제1 라디에이터(11)의 내부에서 냉각수가 좌측으로부터 우측으로 수평 이동할 때 상기와 같이 분기된 복수 개의 냉각수 통로를 따라 여러 갈래로 나뉘어 흐르도록 되어 있다.

반면, 제2 라디에이터(12)는 우측에서 냉각수가 유입되고 좌측에서 냉각수가 배출되도록 냉각수 입구가 우측에, 냉각수 출구가 좌측에 위치될 수 있다. 이때, 제2 라디에이터(12)에서는 냉각수가 우측으로 유입되어 우측에서 좌측으로 수평 이동한 뒤 좌측에서 외부로 배출된다.

이와 같이 제1 라디에이터(11)와 제2 라디에이터(12)는 냉각수가 통과하는 방향이 서로 반대일 수 있다. 이때, 응축기(13)의 경우 메인 영역(13a)과 서브 쿨 영역(13b)에서 냉매가 통과하는 방향이 서로 반대일 수 있고, 응축기(13)의 메인 영역(13a)에서는 바로 앞쪽에 위치한 제1 라디에이터(11)의 냉각수 통과방향(냉각수 흐름방향)과 반대인 우측에서 좌측으로 냉매가 통과하도록 할 수 있다. 이때, 응축기(13)에서 서브 쿨 영역(13b)에서는 바로 앞쪽에 위치한 제2 라디에이터(11)의 냉각수 통과방향과 반대인 좌측에서 우측으로 냉매가 통과하도록 할 수 있다.

이때, 응축기(13)의 메인 영역(13a)에서도, 제1 라디에이터(11)에서와 마찬가지로, 냉매가 여러 갈래로 나뉘어 수평으로 나란히 흐를 수 있도록 내부에 분기된 복수 개의 냉매 통로가 형성된다. 이에 응축기(13)에서도 분기된 병렬 구조의 냉매 통로를 통해 냉매가 여러 경로로 나뉘어 흐르게 되며, 도 5에 나타낸 바와 같이, 응축기(13)의 메인 영역(13a)에서는 냉매가 우측으로부터 좌측으로 수평 이동한 뒤 배출되도록 할 수 있다. 이때, 응축기(13)의 서브 쿨 영역(13b)에서는 바로 앞쪽의 제2 라디에이터(12)와 상측의 메인 영역(13a)과는 반대로 좌측으로부터 우측으로 냉매가 흐르도록 할 수 있다.

다음으로, 도 6의 실시예는 응축기(13)에서 메인 영역(13a)과 서브 쿨 영역(13b)의 위치를 도 3의 실시예와 반대가 되도록 한 것이다. 즉, 도 6의 실시예에서는 응축기(13)의 서브 쿨 영역(13b)이 상측에 배치되고, 응축기(13)의 메인 영역(13a)이 하측에 배치된다. 이때, 응축기(13)의 메인 영역(13a) 내 냉매 통과방향(냉매 흐름방향)이 제1 라디에이터(11) 및 제2 라디에이터(12)의 냉각수 통과방향과 반대 방향이 되도록 한다. 도 6을 참조하면, 제1 라디에이터(11)와 제2 라디에이터(12)에서 냉각수는 좌측에서 우측으로 수평 이동하고, 응축기(13)의 메인 영역(13a)에서 냉매는 우측에서 좌측으로 수평 이동하도록 되어 있다.

다음으로, 도 7의 예는, 응축기(13)에서의 냉매 통과방향이, 제1 라디에이터(11) 및 제2 라디에이터(12)의 냉각수 통과방향과 직각방향이 되도록, 즉 90°의 위상을 가지도록 설정된 예이다. 이때, 응축기(13)에서 메인 영역(13a)과 서브 쿨 영역(13b)은. 상하로 배치되는 것이 아닌, 서로 측방에 위치하도록 배치(좌우 측방 배치)된다.

이러한 응축기(13)에서 내부의 냉매 통로는 냉매를 차체 방향 기준 상하 수직방향으로 통과시킬 수 있도록 형성된다. 이때, 응축기(13)의 메인 영역(13a)에서는 냉매가 상측에서 하측으로, 서브 쿨 영역(13b)에서는 냉매가 하측에서 상측으로 통과하도록 할 수 있다. 이때, 메인 영역(13a)은 분기된 병렬 구조의 냉매 통로를 가진다.

제1 라디에이터(11)가 냉각수를 여러 갈래로 나누어 나란히 통과시킬 수 있는 분기된 병렬 구조의 냉각수 통로를 가지는 것과, 응축기(13)의 메인 영역(13a)이 냉매를 여러 갈래로 나누어 나란히 통과시킬 수 있는 분기된 병렬 구조의 냉매 통로를 가지는 것은 모든 실시예에서 동일하다.

한편, 도 8 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 모듈에서 열교환기의 배치 및 냉각 유체가 통과하는 방향을 다르게 한 또 다른 여러 예를 나타내는 도면이다.

앞에서 설명한 실시예는 모두 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(11)와 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(12)를 각각 상측과 하측에 위치하도록 배치한 실시예이지만, 도 8 내지 도 11의 실시예는 고온 라디에이터(HTR)인 제1 라디에이터(11)와 저온 라디에이터(LTR)인 제2 라디에이터(12)를 각각 좌측과 우측에 위치하도록 배치한 실시예이다. 즉, 제1 라디에이터(11)와 제2 라디에이터(12)가 상하 배치 구조가 아닌 서로 측방에 위치하도록 배치된 측방 배치 구조의 실시예인 것이다.

이때, 도 8 및 도 10의 실시예에서는 응축기(13)에서 메인 영역(13a)이 상측에, 서브 쿨 영역(13b)이 하측에 배치되고 있으며, 도 9 및 도 11의 실시예에서는 응측기(13)에서 메인 영역(13a)이 하측에, 서브 쿨 영역(13b)이 상측에 배치되고 있다.

또한, 도 8 내지 도 11의 실시예 모두에서 제1 라디에이터(11)가 좌측에, 제2 라디에이터(12)가 우측에 배치되고 있으며, 도시된 실시예예와 반대로 제1 라디에이터(11)가 우측에, 제2 라디에이터(12)가 좌측에 배치될 수도 있다.

또한, 냉각수와 냉매의 흐름방향(통과방향)을 살펴보면, 라디에이터(11,12)에서의 냉각수 통과방향이, 응축기(13)에서의 냉매 통과방향과 직각을 이루는 직각 방향이 되도록, 즉 90°의 위상을 가지도록 설정되고 있다.

이때, 도 8 내지 도 11의 실시예에서, 응축기(13)의 메인 영역(13a)에서는 냉매가 우측에서 좌측으로 수평으로 통과하도록 되어 있고, 응축기(13)의 서브 쿨 영역(13b)에서는 냉매가 좌측에서 우측으로 수평으로 통과하도록 되어 있다.

또한, 도 8 및 도 9의 실시예에서는 제1 라디에이터(11) 및 제2 라디에이터(12)에서 냉각수가 하측으로부터 상측으로 수직 이동하도록 되어 있고, 도 10 및 도 11의 실시예에서는 제1 라디에이터(11) 및 제2 라디에이터(12)에서 냉각수가 상측으로부터 하측으로 수직 이동하도록 되어 있다.

이와 같이 라디에이터(11,12)에서의 냉각수의 흐름이 응축기(13)에서의 냉매의 흐름에 대해 90°의 위상을 가지도록 하는 것이 가능하다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 냉각 모듈에서는 제1 라디에이터와 제2 라디에이터가 응축기의 전방에 배치되어 외부에서 유입된 신기(新氣)가 바로 제1 라디에이터와 제2 라디에이터를 통과한 뒤 응축기를 지나게 된다. 이에, 종래의 냉각 모듈(도 1 및 도 2 참조)에서와 달리, 고온의 응축기를 통과하지 않은 신기가 바로 라디에이터에서 냉각수 및 부품의 냉각에 이용될 수 있다. 이에 라디에이터에서의 방열 성능 및 부품 냉각 성능이 더 증대될 수 있다.

또한, 수냉식 응축기를 삭제할 경우 제1 라디에이터와 제2 라디에이터에서의 냉각 부하가 더욱 저감될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 냉각 모듈에서는 열교환기 간 열 간섭 현상이 최소화될 수 있고, 냉각 성능과 열 관리 효율이 향상될 수 있다. 결국, 동일 사이즈의 열교환기를 적용할 경우에 비해 냉각 능력이 증대되면서 고성능 전기자동차와 같이 냉각 고부하 특성을 가지는 차량의 개발이 용이해진다. 또한, 동일 성능 대비 열교환기의 사이즈를 줄일 수 있으므로 원가 절감 및 중량 저감의 효과를 기대할 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

11 : 제1 라디에이터(고온 라디에이터)
12 : 제2 라디에이터(저온 라디에이터)
13 : 응축기
13a : 메인 영역
13b : 서브 쿨 영역
14 : 냉각팬

Claims

내부 통로를 따라 흐르는 냉각 유체와 외측 주위를 지나는 공기 사이의 열교환이 이루어지는 복수 개의 열교환기를 포함하고,
상기 복수 개의 열교환기는 냉매 라인이 연결된 응축기, 및 냉각수 라인이 연결되어 냉각수의 냉각 및 방열이 이루어지는 라디에이터를 포함하며,
상기 라디에이터가 응축기 전방에 위치하도록 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 라디에이터는
제1 냉각수 라인이 연결되고 상기 제1 냉각수 라인을 따라 순환하는 냉각수의 냉각 및 방열이 이루어지는 제1 라디에이터; 및
제2 냉각수 라인이 연결되고 상기 제2 냉각수 라인을 따라 순환하는 냉각수의 냉각 및 방열이 이루어지는 제2 라디에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 냉각수 라인 및 제1 라디에이터에는 전기자동차의 전력전자 부품을 냉각하기 위한 냉각수가 순환되고,
상기 제2 냉각수 라인 및 제2 라디에이터에는 전기자동차의 배터리를 냉각하기 위한 냉각수가 순환되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 3에 있어서,
상기 전력전자 부품은 전기자동차의 구동모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 4에 있어서,
상기 전력전자 부품은 구동모터를 구동 및 제어하기 위한 인버터, 배터리 충전을 위한 충전기, 및 저전압 DC-DC 컨버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 라디에이터와 제2 라디에이터가 동일한 열에 상측과 하측에 위치하도록 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 6에 있어서,
상기 응축기 내부의 냉매 통과방향이,
상기 응축기 바로 앞쪽에 위치한 제1 라디에이터 내부 및 제2 라디에이터 내부의 냉각수 통과방향과 상이한 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 라디에이터가 상측에, 상기 제2 라디에이터가 하측에 위치하도록 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 라디에이터가 하측에, 상기 제2 라디에이터가 상측에 위치하도록 배치되어, 범퍼 개구부를 통해 냉각 모듈 하측으로 유입된 공기가 직진하여 제1 라디에이터를 통과하는 동시에, 상기 냉각 모듈 하측으로 유입된 공기 중 적어도 일부가 상측으로 분산되어 상기 제2 라디에이터를 통과하도록 된 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 6에 있어서,
상기 응축기는
상기 냉매 입구가 위치하여 냉매 입구를 통해 유입된 냉매가 나뉘어 흐를 수 있도록 분기된 복수 개의 냉매 통로를 가지는 메인 영역; 및
상기 메인 영역을 흐르는 동안 공기에 의해 냉각된 냉매가 통과하도록 된 서브 쿨 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 10에 있어서,
상기 응축기 내부의 냉매 통과방향이,
상기 응축기 바로 앞쪽에 위치한 제1 라디에이터 내부 및 제2 라디에이터 내부의 냉각수 통과방향과 상이한 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 10에 있어서,
상기 응축기 내부에서의 냉매 통과방향, 상기 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터 내부에서의 냉각수 통과방향이 모두 좌우 수평방향으로 설정되고,
상기 응축기 내부에서의 냉매 통과방향이 바로 앞쪽에 위치한 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터 내부에서의 냉각수 통과방향과 반대방향으로 설정된 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 10에 있어서,
상기 응축기 내부에서의 냉매 통과방향이 상기 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터 내부에서의 냉각수 통과방향과 직각을 이루는 방향으로 설정된 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 13에 있어서,
상기 응축기 내부에서의 냉매 통과방향과 상기 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터 내부에서의 냉각수 통과방향이, 차체 방향을 기준으로 좌우 수평인 방향과 상하 수직인 방향 중 각각 정해진 하나의 방향으로 설정된 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터 내부에서의 냉각수 통과방향이 차체 방향을 기준으로 좌우 수평방향으로 설정되고, 상기 응축기 내부에서의 냉매 통과방향이 차체 방향을 기준으로 상하 수직방향으로 설정된 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.
청구항 14에 있어서,
상기 제1 라디에이터 및 제2 라디에이터 내부에서의 냉각수 통과방향이 차체 방향을 기준으로 상하 수직방향으로 설정되고, 상기 응축기 내부에서의 냉매 통과방향이 차체 방향을 기준으로 좌우 수평방향으로 설정된 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 모듈.