냉각장치

냉각장치(冷却裝置) 또는냉각기(冷却器) 는 어떠한 장치를 과열을 방지하고 차갑게 식히기 위해 만든 기계로 자동차, 배터리, 컴퓨터 등에 들어가있다.

필요성

자동차에 있어서 엔진은 연료의 연소가 이루어지면서, 열에너지의 발생과 함께 자동차가 움직일 수 있는 운동에너지를 만든다. 이때 엔진의 정상적인 작동을 위해서는 연소 시 이루어지는 열발생을 적절하게 조절할 필요가 있다. 도로를 달리는 자동차는 각 실린더의 연료를 점화하여 분당 4,000회의 폭발 행정을 통하여 엄청난 열에너지를 발생시키는데, 실린더 안 연소가스의 온도만 2,000~2,500℃에 이르며 이로 인해 실린더 내부의 온도는 1000℃ 이상으로 높아진다. 이 때 온도를 제어하지 못하고 과도하게 높아지면 부품의 재료의 가동가 저하되어 고장이 생기거나 수명이 단축되고 연소상태도 나빠져서 노킹이나 조기 점화가 발생하고 그 결과로 기관의 출력이 저하된다. 그렇다고 별도의 장치없이 냉각을 한다면 지나치게 진행되어 연소에서 발생한 열량가운데 손실되는 열량이 커지면 기관의 열효율이 낮아지고 연료 소비량이 증가하는 등의 문제가 생겨서 기관 온도를 약 80~90℃로 알맞게 유지해야하기 때문에 효율적인 냉각을 위해서는 냉각장치가 필요하다.

방식 및 구조

• 보통 자동차는 수랭식을 사용하는데 수랭식에서 가장 중요한 것은 냉각수이다. 증류수와 방청제등 다양한 화학물질을 첨가한 것으로 일반 물이 아니다. 일반 물일 경우에는 0℃에서 냉각수가 얼어버릴 수도 있어 부동액을 넣고 어는점을 내려주어야 하며, 금속으로 만들어진 냉각장치에 녹이 쓰는 것을 방지하기 위해 방청제를 첨가하여야 한다. 이 냉각수가 냉각장치를 순환하면서 엔진의 온도를 조절한다.
• 냉각수는 엔진에서 발생한 힘으로 워터펌프가 강제로 순환하게 하는데, 이 워터펌프는 엔진이 회전하고 있으면 항상 같이 회전하도록 되어 있어서 원심력으로 냉각수를 바깥으로 뿜어내어 엔진의 워터자켓으로 물을 보낸다.
• 워터펌프를 통하여 마치 실린더와 실린더 헤드 주변에 제킷을 입혀준 모습인 워터재킷에 도착하여 냉각수는 뜨거운 실린더와 만나게 되는데, 실린더 헤드로 부터 열을 빼앗으며 냉각수의 온도가 올라 엔진위쪽으로 빠져나오게 되고 다시 차갑게 만들기 위해 라디에이터로 향하게 된다.
• 추운날씨로 인해 과도한 냉각으로 인해 온도가 너무 낮은 오버쿨(overcool)상태가 되면 연료가 잘 기화되지 않아 많은 연료를 분사하게 되면 차량의 연비가 떨어지는 등 영향을 줄 수 있기 때문에 워터재킷과 라디에이터 중간에 냉각수의 흐름을 제어하는 서모스탯이 존재한다. 서모스탯은 일반적인 엔진의 적정온도인 80℃를 기준으로 작동하며 적정온도이거나 적정온도보다 낮을 경우 서모스탯이 라이에이터로 가는 경로를 막아 냉각수를 자체순환시켜 온도를 상승시킨다. 반대로 적정온도보다 높으면 라디에이터를 통해 냉각효과를 발휘하도록 길을 열어준다.
• 뜨거워진 냉각수는 자동차 라디에이터 그릴 뒤에 라디에이터에서 바깥의 공기를 받아 열을 식히게 된다. 이 때 저속운행으로 인하여 바람의 세기가 약할 경우에는 라디에이터 팬을 통하여 바람을 강제로 불어 넣어 냉각수를 식힐 수도 있다. 라디에이터의 내부는 얇은 파이프로 이루어져서 아래쪽 탱크와 위쪽탱크를 나뉘어 냉각수를 내보내고 들어오는데, 위탱크에는 압력밸브와 진공밸브로 구성된 라디에이터 캡이 있어서 뜨거워진 냉각수가 100℃가 되도 끓지 않게 할 수 있고, 압력이 증가하면서 냉각수의 온도가 더 올라간다. 점점 뜨거워질수록 바깥의 공기와 온도차가 커지기 때문에 냉각의 효율을 높이는 역할을 하는 것이다. 너무 높은 압력이 가해지면 초과한 압력은 보조물통을 통하여 대기 중으로 방출시켜 규정압력을 유지하게 되고 원활한 순환을 위해 일부 냉각수가 보관이 된다. 이후 높은 압력을 받은 냉각수는 리저버탱크에 저장되어 압력이 낮아지면서 온도가 내려가면 라디에이터에서 흘러나와 다시 이전상태로 돌아가며 순환된다.

종류

수냉식과 공냉식의 장단점 비교

구분	수냉식	공냉식
냉각효과	각 부분의 균일 냉각이 가능하고 냉각 능력이 크다.	균일 냉각이 힘들고 열변형을 일으키기 쉽다.
출력 및 내구성	압축비가 높게 되고 평균 유효압력이 증대하여 출력증가가 가능하다. 열부하 용량의 증대로 내구성이 뛰어나다.	압축비가 낮아 냉각팬 손실마력 등 때문에 고출력이 어렵다.
중량 및 용량	냉각수 재킷, 방열기, 물펌프 등이 필요하지만 제적적으로는 간소화된다.	냉각팬, 실린더 도풍커버 등이 필요하게 되므로 체적이 크다.
연비, 엔진소비, 마멸 (마찰로 인한 파손)	열효율이 높고 연비가 좋으며 열변형이 적고 오일 소비가 적다. 저온에서 마멸의 가능성이 있다.	연비, 오일의 소비가 커지는 경향이 있으며, 오일의 고온열화가 있다. 저온에서 마멸의 가능성이 적다.
소음	워터 재킷이 방음벽이 되며 소음이 적다.	냉각팬 및 핀에 의한 소음이 크다.
보수	냉각수의 보수 및 점검이 필요하다.	보수 및 점검이 쉽고 용이하다.

공냉식 냉각장치

공냉식 냉각장치는 엔진을 직접 대기(공기)와 접촉시켜서 열을 방산하는 형식이다. 실린더 블록과 헤드는 열전도성이 우수한 재질로 만들고, 열교환을 높이기 위하여 표면적을 높여주는 냉각핀을 설치하는데, 처음부터 냉각핀을 포함하여 만드는 경우도 있다. 공기 순환에 의존하다보니 주행속도와 대기온도에 많은 영향을 받고 냉각이 불균일하여 엔진 각 부위별 온도 편차가 크다.공냉식 냉각장치의 경우 자연 공냉식과 강제 공냉식으로 나누어진다. 자연공냉식은 열을 교환할 때 발생하는 상승 기류를 이용해 공기를 교환하는 방식으로 즉, 자동차가 주행할 때 받는 공기로 냉각시키는 것이다. 무게가 가볍고 구조도 간단하기 때문에 오토바이 등 발생된 열을 주행에 의해 발생되는 바람에 의해 쉽게 냉각이 될 수 있다고 상정되는 유형의 엔진에 사용되는 경우가 많이 있다. 강제 공냉식의 경우에는 엔진 동력으로 냉각 팬을 상시에 구동하여 외부공기를 적극적으로 유입시켜 냉각하는 방식으로 비교적 복잡한 구조로 되어 있고, 엔진이 회전할 때 강제 냉각이 이루어진다는 특징이 있다.

수냉식 냉각장치

수냉식 냉각장치는 냉각수를 이용하여 엔진을 냉각하는 형식으로 가장 일반적인 방식의 냉각장치이다. 물을 사용하기 때문에 안정적인 냉각능력을 발휘하는데, 전영역에 걸처 균일하게 온도를 유지시키고, 소음또한 적은 것이 장점이다. 하지만 냉각수를 순환하기 위해서는 배관이 필요하기 때문에 사용되는 부품이 증가하고 복잡한 구조로 되어 있다. 물의 순환 방식에 따라서 자연순환방식과 강제순환방식, 압력 순환식, 밀봉 압력식이 있다. 자연순환식의 경우 냉각수를 대류에 의해 순환시켜서 냉각속도가 느리기 때문에 고성능엔진에는 적합하지 않다. 강제순환식의 경우는 자동차 엔진의 대표적 방식으로 냉각수를 워터 펌프를 이용해 강제로 순환시켜 냉각하는 방식이다. 냉각수는 물펌프를 돌려서 냉각수를 실린더 블록과 실린더 헤드의 물자켓으로 보낸 다음 가열된 냉각수를 라이디에이터를 통해 방열하며 식힌 다음 물펌프로 순환시킨다. 물펌프는 냉각팬이 부착되어 외부 공기를 라디에이터를 통해 강제적으로 흡입하여 방열효과를 좋게 한다. 압력 순환식의 경우 냉각계통을 밀폐시키고 냉각수가 팽창할 때의 압력으로 냉각수의 끓는 점을 올려서 물이 증발하여 없어지는 손실을 최소화할 수 있다. 때문에 냉각수 보충횟수를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 밀봉 압력식도 냉각수에 손실이 적은 유형으로 라디에이터 뚜껑에 밀봉하여 냉각수의 팽창과 비슷한 크기의 저장탱크를 두어 냉각수의 유출을 방지하는 형식이다.

같이 보기

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