열교환기 및 이를 포함하는 연료전지 스택 냉각 시스템{Heat exchanger and battery cooling system of fuel cell vehicle with the same}

본 발명은 열교환기 및 이를 포함하는 연료전지 스택 냉각 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게 진동 세관형 히트파이프의 우수한 열전달 특성과 상변화 물질을 이용하여 스택 냉각수의 열을 효과적으로 흡수하는 열교환기 및 이를 포함하는 연료전지 스택 냉각 시스템에 관한 것이다.

휘발유, 경유 등을 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량이 현재 가장 일반적인 차량의 형태이나, 이러한 차량용 에너지원 역시 환경오염 문제 뿐 아니라 석유 매장량의 감소 등과 같은 다양한 원인으로 인해 새로운 에너지원의 필요성이 점점 대두되고 있는 바, 현재 가장 실용화 단계에 가까운 기술 중 하나가 연료전지를 에너지원으로 하여 구동되는 차량이다.

일반적으로 연료전지는 경유나 공업용 연료의 기체와 전해질 사이의 화학 반응의 일부로 전력을 발생시켜, 연료가 가진 화학에너지를 전기에너지로 변화시키는 에너지 전환 시스템이다.

상기 연료전지에는 천연가스, 메탄올, 가솔린 등의 다양한 연료가 사용되어질 수 있는데, 연료 변환기를 이용해 연료를 수소로 개질하여 사용하게 된다.

최근에는 에너지 절약, 환경 문제 등이 부각됨에 따라 이를 해결하기 위해 기존의 내연기관을 대체하는 자동차의 동력원으로써 연료전지가 적용되고 있다.

연료전지 차량에는 산소와 수소의 화학적 반응 에너지를 전기 에너지로 전환하여 구동력을 발생시키게 되는데, 이 과정에서 연료전지내의 화학적 반응에 의해 열에너지도 발생한다. 상기 연료전지 스택은 보통 65℃~85℃의 온도 조건에서 이상적으로 반응하므로, 이 온도조건을 유지하는 것이 중요하다.

연료전지 차량은 열을 효과적으로 관리하지 못하면 스택의 효율이 저하되며, 이로 인해 차량의 출력에 제한이 생긴다. 따라서 연료전지 차량에는 스택의 일정 온도 유지를 위한 냉각시스템이 구비된다.

도 1은 연료전지 차량에서의 스택 냉각 시스템을 나타낸 것으로, 연료전지 스택(10)과, 스택 냉각용 냉각수를 순환시키는 워터펌프(20), 냉각수를 냉각하는 라디에이터(30)를 포함한다.

그런데, 상기 연료전지 차량은 연료전지 출력 제한 개선을 위해 큰 라디에이터를 장착할 경우, 부품 무게 증가로 인해 일반적인 차량 운행 조건에서의 운행 효율 저하가 발생될 수 있다.

따라서 적당한 사이즈의 라디에이터로 일정 수준 이상의 방열 효과를 가질 수 있는 연료전지 차량의 스택 냉각 시스템 개발이 필요하다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 진동 세관형 히트파이프의 우수한 열전달 특성과 상변화 물질을 이용하여 스택 냉각수의 열을 효과적으로 흡수하는 열교환기 및 이를 포함하는 연료전지 스택 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

더욱 상세하게, 본 발명의 목적은 연료전지 스택 냉각 시스템에 구비되는 라디에이터의 열 방출 한계로 인해 스택 냉각용 냉각수의 온도가 일정 온도 이하로 내려가지 않을 경우, 열교환기의 방열 탱크 내에 저장된 상변화 물질의 상변화가 일어나면서 스택 냉각수의 열이 흡수됨으로써 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 열교환기 및 이를 포함하는 연료전지 스택 냉각 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 열교환기는 폭방향으로 복수개의 세관(100a)이 형성되고, 일정 높이를 가지고 길이방향으로 골(121)과 산(122)이 반복되도록 주름지게 형성된 진동 세관(100a)형 히트파이프로 이루어지되, 일정 간격으로 적어도 두 지점이 비틀어지며, 비틀어진 지점 사이에 위치한 열교환부(110)가 라운드지게 절곡되는 열전달부(100); 상기 열교환부(110)의 절곡된 영역이 내부에 삽입되며, 길이방향으로 제2열교환매체가 유동되는 흡열탱크(200); 상기 열전달부(100)의 산(122)을 포함하는 영역이 수용되며, 내부에 제1열교환매체가 충진된 방열탱크(300);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 제1열교환매체는 상변화물질로, 일정 온도 이하에서 고체 상태이며, 일정 온도 이상에서 액체 상태가 될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 방열탱크(300)는 제1열교환매체가 외부에서 충진되도록 개폐 가능한 충진 포트(310)를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전달부(100)는 제1지점(101)이 +90°로 비틀어지고, 제2지점(102)이 -90°로 비틀어지며, 제1지점(101) 및 제2지점(102) 사이에 위치한 다수개의 열교환부(110)가 길이방향으로 동일선상에 위치할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 열전달부(100)는 폭방향으로 2열 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(1)는 상기 흡열탱크(200) 내부에 삽입된 열교환부(110)가 배치되는 방향과, 제2열교환매체가 유동되는 방향이 나란할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 흡열탱크(200)는 길이방향으로 일측에 제2열교환매체가 유입되는 유입부(210)가 형성되고, 길이방향으로 타측에 제2열교환매체가 배출되는 배출부(220)가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 흡열탱크(200)는 상기 열교환부(110)가 절곡된 영역의 내측에서 헤더(201)가 결합되고, 외측에서 탱크(202)가 결합되어 열전달부(100)와 함께 브레이징 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 흡열탱크(200)는 내부에 삽입된 열전달부(100)의 외측면을 지지하도록 내측면에 일정 높이만큼 돌출된 돌기부(230)를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 흡열탱크(200)는 내부에 삽입된 열전달부(100)의 크기 및 형태에 따라, 단면 형태가 원형, 사각형, 다각형으로 달라질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 냉각 시스템은 연료전지 스택(S); 상기 연료전지 스택(S)을 냉각하도록, 상기 연료전지 스택(S)으로 순환되는 냉각수를 외부 공기와 열교환 하여 냉각하는 라디에이터(R); 스택 냉각용 냉각수를 순환시키는 워터펌프(P); 및 상기 라디에이터(R)를 통과하여 연료전지 스택(S)으로 유동되는 냉각수 유로 상에 구비되는 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 의한 열교환기(1); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 스택 냉각 시스템(1000)은 상기 라디에이터(R)를 통과한 냉각수가 상기 열교환기(1)의 흡열탱크(200)로 유입되되, 냉각수의 온도에 따라, 상기 방열탱크(300) 내 제2열교환매체의 상변화가 발생되어 열교환이 이루어질 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 열교환기 및 이를 포함하는 연료전지 스택 냉각 시스템은 진동 세관형 히트파이프의 우수한 열전달 특성과 상변화 물질을 이용하여 스택 냉각수의 열을 효과적으로 흡수할 수 있다는 장점이 있다.

특히, 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기는 진동 세관형 히트파이프로 이루어진 열전달부의 두 지점이 서로 반대 방향으로 비틀어져 열교환부가 형성되고, 상기 열교환부가 절곡되어 형성된 영역이 헤더탱크 내부에 삽입되도록 형성됨으로써, 열교환매체가 유입 및 배출되는 헤더탱크 내에서 열교환부와의 열교환이 이루어지고, 열교환부에서 전달받은 열이 외부에 위치한 열전달부로 전달되어 공기와의 열교환이 이루어지게 된다.

이때, 본 발명은 하나의 유로로 형성된 헤더탱크 내에서 열교환이 이루어지게 됨에 따라, 기존의 핀-튜브 타입 열교환기와 같이 튜브를 형성하지 않아도 되며, 열교환기 내에 충진되어야 하는 열교환매체 양도 핀-튜브 타입 열교환기보다 줄어들어 전체 크기 및 중량이 감소될 수 있다.

또한, 본 발명의 열교환기는 헤더탱크를 통과하면서 열교환이 이루어지기 때문에, 기존 핀-튜브 타입 열교환기에서처럼 여러 개의 튜브를 통과하지 않아도 되고, 이에 따라 유체 유동저항이 최소화될 수 있다.

아울러, 본 발명의 연료전지 스택 냉각 시스템은 라디에이터의 열 방출 한계로 인해 스택 냉각용 냉각수의 온도가 일정 온도 이하로 내려가지 않을 경우, 열교환기의 방열탱크 내에 저장된 상변화 물질의 상변화가 일어나면서 스택 냉각수의 열이 흡수됨으로써 라디에이터의 열 방출 한계로 인한 출력 제한 시점을 지연시켜, 차량의 주행 성능을 증대시킬 수 있다.

또, 본 발명의 열교환기는 방열탱크 내에 저장된 물질이 온도 변화에 따라 상변화 하는 물질인 경우, 흡열탱크(200) 내로 유입되는 스택 냉각용 냉각수의 온도에 따라, 고체에서 액체로 상변화하면서 냉각수로부터 열을 흡수할 수도 있고, 액체에서 고체로 상변화하면서 열을 방출할 수도 있어, 냉각수 열 흡수 조건이 적절히 제어되며, 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.

아울러, 본 발명의 열교환기는 기존 열교환기보다 열교환매체 충진량도 적고, 유로 길이도 짧기 때문에 열교환매체를 순환시키기 위해 필요한 펌프의 성능이 더 낮아도 되기 때문에 차지하는 크기 및 가격을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명은 열전달부와 열교환부의 크기 및 형태를 다양하게 변경할 수 있어, 다양한 분야에 적용이 가능하다.

도 1은 종래의 연료전지 스택 냉각 시스템을 나타낸 구성도.
도 2 내지 5는 본 발명에 따른 열교환기를 나타낸 사시도, 정면도, 측면도, 분해사시도.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 열교환기에서 방열탱크를 제거한 상태를 나타낸 사시도, 측면도.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 열교환기에서 열교환부 및 흡열탱크의 다양한 예를 나타낸 단면도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기에서 열전달부의 제조 과정을 나타낸 순서도.
도 11은 본 발명에 따른 열전달부의 다른 예를 나타낸 사시도.
도 12는 도 11의 열전달부에 흡열탱크가 결합된 상태를 나타낸 사시도.
도 13은 본 발명에 따른 연료전지 스택 냉각 시스템을 나타낸 구성도.

이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기 및 연료전지 스택 냉각 시스템을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 열교환기(1)는 크게 열전달부(100), 방열탱크(300) 및 흡열탱크(200)를 포함한다.

먼저, 도 6에 도시된 것처럼, 상기 열전달부(100)는 폭방향으로 복수개의 세관(100a)이 형성되고, 일정 높이를 가지고 길이방향으로 골(121)과 산(122)이 반복되도록 주름지게 형성된 진동 세관(100a)형 히트파이프로 이루어진다.

더 상세하게, 상기 열전달부(100)는 길이방향으로 수직하게 위치되는 평면부(120)와, 상기 평면부(120)의 단부가 라운드지게 절곡되어 골(121)과 산(122)이 길이방향으로 교번되어 다수개 형성된다.

상기 세관(100a)은 상기 열전달부(100)에서 주름지게 형성된 형태를 따라 복수개 형성될 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이, 그 단면이 원형으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 세관(100a)은 모세관 현상에 의해 내부에 충진되는 작동유체가 유동될 수 있도록 직경이 매우 작게 중공 형성되는 것이 바람직하며, 작동유체 충진 후, 개방된 양측 단부가 밀폐된다.

상기 열전달부(100)는 알루미늄 재질로 압출 성형을 통해 납작한 판 형태의 튜브로 제조될 수 있으며, 압출 시 내부에 세관(100a)들이 동시에 형성되도록 할 수 있다. 그 다음, 직선 형태의 튜브를 물결 형태로 절곡하여 주름지게 형성되도록 한다.

압출 성형으로 제조된 튜브는 세관(100a)의 양단이 개방된 형태가 되므로, 절곡된 튜브의 개방된 양단이 상측을 향하도록 한 후, 세관(100a)의 내부에 작동유체를 충진하게 된다.

이후, 튜브의 양단이 밀폐되도록 하여 세관(100a)에 충진된 작동유체가 외부로 누설되지 않도록 한다. 이때, 튜브의 양단을 압착하여 밀폐되도록 할 수도 있으며, 이외에도 다양한 형태로 밀폐되도록 할 수 있다.

참고로, 도 10에는 열전달부(100)의 제조 과정이 간략히 도시되어 있는데, 상술한 바와 같이 먼저 압출을 통해 제조된 튜브를 절곡하여 주름지게 가공한 다음(도10(a) 참조), 일정 간격으로 적어도 두 지점이 서로 반대 방향으로 비틀어지도록 일 방향으로 눌러 비틀어지게 한 후(도10(b) 참조), 비틀어진 사이에 위치한 열교환부(110)가 라운드지게 절곡되는 과정(도 10(c)을 거치게 된다.

도 6 내지 도 10에 도시된 실시예에 따른 상기 열전달부(100)는 두 지점, 즉 제1지점(101)이 +90ㅀ로 비틀어지고, 제2지점(102)이 -90ㅀ로 비틀어지게 형성됨으로써, 제1지점(101) 및 제2지점(102) 사이에 위치한 다수개의 열교환부(110)가 길이방향으로 동일선상에 위치된다.

즉, 상기 열교환부(110)를 이루는 히트파이프와, 상기 열교환부(110) 외 나머지 열전달부(100) 영역을 이루는 히트파이프는 서로 수직한 상태를 이룬다.

상기 열전달부(100)는 상기 열교환부(110)에서 절곡됨으로써, 폭방향으로 나란하게 2열 배치된 형태를 갖는다.

이때, 상기 열교환부(110)에서 절곡된 R값과, 절곡 횟수에 따라 2열의 열전달부(100)는 서로 붙어있을 수도 있고, 일정거리 이격될 수도 있다.

실시예로, 도 6 내지 도 10에 도시된 열전달부(100)는 열교환부(110)가 180° 절곡되어 2열을 이루는 진동 세관(100a)형 히트파이프가 매우 인접하여 배치되고, 도 11에 도시된 열전달부(100)는 열교환부(110)에서 90°씩 일정 간격으로 2회 절곡되어 2열을 이루는 진동 세관(100a)형 히트파이프가 일정 거리 이격되어 배치된다.

이때, 상기 열전달부(100)는 열교환부(110)가 180° 절곡되더라도, R 값이 큰 경우 2열을 이루는 진동 세관(100a)형 히트파이프가 일정거리 이격되어 배치될 수 있다.

다음으로, 상기 방열탱크(300)는 상기 열전달부(100)의 산(122)을 포함하는 영역, 즉 도 2 내지 도 5에 도시된 열전달부(100)의 상부 영역이 내부에 수용되도록 형성되며, 내부에 제1열교환매체가 충진된다.

이때, 상기 제1열교환매체는 상변화물질로, 일정 온도 이하에서는 고체 상태이며, 일정 온도 이상에서는 액체 상태가 되어 후술되는 흡열탱크(200)에 유입되는 냉각수의 온도에 따라 열교환 조건이 제어되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 방열탱크(300)는 열전달부(100)와 조립된 다음, 내부에 상변화물질이 충진되는데, 이를 위해 개폐 가능한 충진 포트(310)를 포함할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 방열탱크(300)는 수용부(320)와 밀폐부(330)로 분리될 수 있는데, 상기 밀폐부(330)는 절곡되어 형성되는 상기 열전달부(100) 사이사이에 결합될 수 있도록 두 개의 부재로 제조되어, 전ㆍ후 방향에서 결합되는 형태일 수 있다.

필요에 따라, 상기 방열탱크(300)의 수용부(320)와 밀폐부(330)가 결합되는 가장자리에는 별도의 실링부재가 더 구비되어, 내부에 충진된 제1열교환매체가 외부로 누설되는 것을 방지할 수 있다.

다음으로, 상기 흡열탱크(200)는 상기 열교환부(110)의 절곡된 영역이 내부에 삽입되며, 길이방향으로 제2열교환매체가 유동된다.

여기서, 제2열교환매체는 후술되는 차량용 연료전지 냉각 시스템의 스택 냉각수일 수 있으며, 열교환기(1)가 적용되는 시스템에 따라 얼마든지 변경 가능하다.

도 2 및 도 5와 같이, 상기 흡열탱크(200)의 길이방향으로 일측에 제2열교환매체가 유입되는 유입부(210)가 형성되고, 길이방향으로 타측에 제2열교환매체가 배출되는 배출부(220)가 형성될 수 있다.

이에 따라, 상기 흡열탱크(200)는 길이방향으로 일측에서 유입된 제2열교환매체가 길이 방향으로 타측에 형성된 배출부(220)를 통해 배출됨으로써, 내부에서 유동되는 방향과 유입 및 배출 방향이 나란하게 일직선을 이루게 되어 유동저항이 최소화될 수 있다.

또한, 상기 열교환부(110)는 제1지점(101) 및 제2지점(102)에서 ㅁ90ㅀ 비틀어져 형성됨으로써, 상기 흡열탱크(200) 내에 유동되는 냉매의 흐름 방향과 나란하게 배치되어 유동저항이 최소화될 수 있다.

이때, 상기 열교환부(110)는 반드시 제1지점(101) 및 제2지점(102)에서 ±90° 비틀어지는 것으로 한정되지 아니하며, 필요에 따라 더 크거나 작은 각도로 비틀어질 수도 있으며, 서로 동일 방향으로 비틀어질 수도 있다.

한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 흡열탱크(200)는 절곡된 영역의 내측에서 헤더(201)가 결합되고, 외측에서 탱크(202)가 결합되어 내부에 삽입된 열전달부(100)와 함께 브레이징으로 결합 고정될 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 흡열탱크(200)는 내부에 삽입된 열전달부(100)의 외측면을 지지하도록 내측면에 일정 높이만큼 돌출된 돌기부(230)를 포함할 수 있는데, 상기 돌기부(230)는 탱크(202) 측 내면에 돌출 형성되며, 일정 간격으로 다수개 형성될 수 있다.

상기 돌기부(230)는 냉매 유동에 방해가 되지 않을 정도로 최소로 형성되는 것이 바람직하며, 같은 이유로 냉매 유동방향으로 내부가 관통 형성되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상기 열교환기(1)는 상기 열전달부(100)가 상기 흡열탱크(200)에 삽입 시, 너무 깊숙이 삽입되지 않고, 탱크(202) 내면과 일정 거리 이격되도록 결합될 수 있어, 열교환부(110)의 전 영역에 제2열교환매체가 직접 접촉하며 유동될 수 있다.

또 다른 실시예로, 상기 흡열탱크(200)는 도 9와 같이, 도 7에 도시된 흡열탱크(200)보다 단면이 더 큰 원 형태로 형성될 수 있다. 이때, 상기 열전달부(100)는 도 7에 도시된 'U'자 형태가 아니라, 도 9와 같이 대략 'O'자 형태를 이루도록 형성될 수 있다.

도 9에 도시된 흡열탱크(200)는 더 많은 양의 제2열교환매체가 내부에 유동될 수 있으며, 상기 열교환부(110)는 더 많은 면적이 제2열교환매체와 접촉함으로써, 열전달율이 더 높아지게 된다.

상기 흡열탱크(200)의 크기 및 형태는, 상기 열전달부(100)의 형태에 따라서 달라지기도 하고, 내부에 충진되는 제2열교환매체의 양, 즉 열량에 따라서 얼마든지 다양하게 변경실시가 가능하다.

한편, 도 11과 같이 상기 열전달부(100)는 열교환부(110)에서 일정 간격으로 이격되어 두 지점에서 90°로 절곡될 수 있다.

이 경우, 상기 열교환부(110)는 수평한 평면을 갖게 되며, 도 2 내지 도 7의 실시예보다 더 큰 면적이 제2열교환매체와 접하여 열교환하게 된다.

도 12는 도 11의 열전달부(100)에 흡열탱크(200)가 결합된 상태를 도시한 것으로, 수평한 평면을 갖는 상기 열교환부(110)가 내부에 수용되도록 상기 흡열탱크(200)가 납작하고 넓은 사각 형태로 형성된다.

즉, 상기 흡열탱크(200)는 내부에 삽입된 열전달부(100)의 크기 및 형태에 따라, 단면 형태가 원형, 사각형, 다각형으로 달라질 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 열전달부(100) 및 흡열탱크(200)는 그 형태 및 크기가 얼마든지 다양하게 변경실시 가능하다.

도 2및 도 5에 도시된 실시예에 따른 열교환기(1)의 전체 구조를 설명하면,

상기 열교환기(1)는 열전달부(100)의 제1지점(101) 및 제2지점(102)에서 ±90° 비틀어져 형성되고, 그 가운데가 180° 절곡되어 형성된 열교환부(110) 영역이 상기 흡열탱크(200) 내에 삽입되며, 나머지 상측 영역이 방열탱크(300) 내부에 수용된다.

이에 따라, 상기 흡열탱크(200) 외측에 위치한 열전달부(100)는 폭 방향으로 제1열교환매체가 유동될 수 있도록, 평면부(120)가 길이방향으로 일정 간격 이격되어 나란하게 배치되고, 2열로 형성된다.

또한, 상기 방열탱크(300)는 상기 열전달부(100)의 산(122)을 포함한 상측 영역이 내부에 수용되되, 내부에 충진된 제2열교환매체가 외부로 누설되지 않도록, 하부 면이 밀폐되도록 형성된다.

상기 열전달부(100)는 전체적으로 볼 때, 상기 방열탱크(300) 내부에 수용되는 영역은 2열로 배치되되, 폭방향으로 양측면이 개방되도록 산(122)을 이루는 영역이 배치되고, 흡열탱크(200) 내측에 위치한 영역은 길이방향으로 양측면이 개방되도록 골(121) 형태를 갖는 다수개의 열교환부(110)가 나란하게 배치된다.

상기 흡열탱크(200)는 상기 열교환부(110)보다 직경이 큰 파이프 형태로 형성되되, 상기 열교환부(110)가 절곡된 영역의 내측에서 헤더(201)가 결합되고, 외측에서 탱크(202)가 결합된 후, 상기 열전달부(100)와 브레이징으로 결합 고정된다.

상기 흡열탱크(200)의 일측에는 제2열교환매체가 유입되는 유입부(210)가 형성되고, 타측에는 배출되는 배출부(220)가 형성된다.

도 13 참조로, 상술한 바와 같은 열교환기(1)를 포함하는 연료전지 스택 냉각 시스템(1000)을 설명하면,

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 냉각 시스템(1000)은 연료전지 스택(S)과, 라디에이터(R), 워터펌프(P) 및 열교환기(1)를 포함한다.

여기서, 상기 라디에이터(R)는 상기 연료전지 스택(S)을 냉각하도록, 상기 연료전지 스택(S)으로 순환되는 냉각수를 외부 공기와 열교환 하여 냉각한다.

상기 워터펌프(P)는 스택 냉각용 냉각수를 순환시키는 역할을 한다.

상기 열교환기(1)는 상기 라디에이터(R)의 열 방출 한계로 인해 스택 냉각용 냉각수의 온도가 일정 온도 이하로 내려가지 않을 경우, 열교환기(1)의 방열탱크(300) 내에 저장된 상변화 물질의 상변화가 일어나면서 스택 냉각수의 열이 흡수되어 추가적인 냉각이 가능하도록 한다.

즉, 상기 열교환기(1)는 상기 라디에이터(R)의 열 방출 한계로 인한 차량의 출력 제한 시점을 지연시켜, 차량의 주행 성능을 증대시킬 수 있다.

이때, 상기 열교환기(1)는 방열탱크(300) 내에 저장된 물질이 온도 변화에 따라 상변화 하는 물질인 경우, 상변화에 따라 발생되는 잠열을 이용하여 상기 열전달부(100)에서 열교환기(1) 발생되도록 한다.

상기 열교환기(1)는 흡열탱크(200) 내로 유입되는 스택 냉각용 냉각수의 온도에 따라, 고체에서 액체로 상변화하면서 냉각수로부터 열을 흡수할 수도 있고, 액체에서 고체로 상변화하면서 열을 방출할 수도 있어, 냉각수 열 흡수 조건이 적절히 제어되며, 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 열교환기(1) 및 이를 포함하는 연료전지 스택 냉각 시스템(1000)은 진동 세관(100a)형 히트파이프의 우수한 열전달 특성과 상변화 물질을 이용하여 스택 냉각수의 열을 효과적으로 흡수할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000: 연료전지 스택 냉각 시스템
S : 연료전지 스택
R : 라디에이터
P : 워터펌프
1: 열교환기
100: 열전달부 100a: 세관
101: 제1지점 102: 제2지점
110: 열교환부
120: 평면부
121: 골 122: 산
200: 흡열탱크
201: 헤더 202: 탱크
210: 유입부 220: 배출부
230: 돌기부
300: 방열탱크
310: 충진 포트
320: 수용부 330: 밀폐부