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냉각장치
냉각장치(冷却裝置)는 어떠한 장치를 과열을 방지하고 차갑게 식히기 위해 만든 기계로 자동차, 배터리, 컴퓨터 등에 들어가있다. 다른 말로 냉각기(冷却器)나 냉각 시스템(cooling system)이라고 부르기 한다.
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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.[1] 이때 온도를 제어하지 못하고 과도하게 높아지면 부품의 가동이 저하되어 고장이 생기거나 수명이 단축되고 연소 상태도 나빠져서 노킹이나 조기 점화가 발생하고, 그 결과로 기관의 출력이 저하된다. 그렇다고 별도의 장치 없이 냉각을 한다면 지나치게 진행되어 연소에서 발생한 열량 가운데 손실되는 열량이 커지면 기관의 열효율이 낮아지고, 연료 소비량이 증가하는 등의 문제가 생겨서 기관 온도를 약 80~90℃로 알맞게 유지해야 하기 때문에 효율적인 냉각을 위해서는 냉각장치가 필요하다.[2]
방식 및 구조
- 보통 자동차는 수랭식을 사용하는데 수랭식에서 가장 중요한 것은 냉각수이다. 증류수와 방청제 등 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 워터재킷으로 물을 보낸다.
- 워터펌프를 통하여 마치 실린더와 실린더 헤드 주변에 재킷을 입혀준 모습인 워터재킷에 도착하여 냉각수는 뜨거운 실린더와 만나게 되는데, 실린더 헤드로부터 열을 빼앗으며 냉각수의 온도가 올라 엔진 위쪽으로 빠져나오게 되고 다시 차갑게 만들기 위해 라디에이터로 향하게 된다.
- 추운 날씨로 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 라디에이터로 가는 경로를 막아 냉각수를 자체 순환시켜 온도를 상승시킨다. 반대로 적정온도보다 높으면 라디에이터를 통해 냉각 효과를 발휘하도록 길을 열어준다. 서모스탯에는 두 가지 타입으로 나누어지는데 펠릿 타입(pallet)과 벨로즈 타입(bellows)이 있다. 펠릿 타입은 펠릿 안에 왁스가 들어있고 고온의 냉각수에 의해서 펠릿안의 왁스가 팽창하게 된다. 팽창한 왁스는 스프링의 힘을 이겨내어 밸브가 열리고 냉각수가 흐르게 되는 원리이다. 온도가 낮아지면 다시 수축하게 되고 스프링의 힘에 의해 다시 닫힌다. 벨로즈 타입은 휘발성이 높은 액체가 담겨 기준 온도 이상이 되면 빠르게 끓기 시작하여 그 압력으로 인해 밸브가 열려 냉각수가 흐를 수 있게 한다.
- 뜨거워진 냉각수는 자동차 라디에이터 그릴 뒤에 라디에이터에서 바깥의 공기를 받아 열을 식히게 된다. 이 때 저속 운행으로 인하여 바람의 세기가 약할 경우에는 라디에이터 팬을 통하여 바람을 강제로 불어 넣어 냉각수를 식힐 수도 있다. 라디에이터의 내부는 얇은 파이프로 이루어져서 아래쪽 탱크와 위쪽 탱크를 나뉘어 냉각수를 내보내고 들어오는데, 위 탱크에는 압력밸브와 진공밸브로 구성된 라디에이터 캡이 있어서 뜨거워진 냉각수가 100℃가 돼도 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 보조 물통을 통하여 대기 중으로 방출시켜 규정 압력을 유지하게 되고 원활한 순환을 위해 일부 냉각수가 보관이 된다. 이후 높은 압력을 받은 냉각수는 리저버 탱크에 저장되어 압력이 낮아지면서 온도가 내려가면 라디에이터에서 흘러나와 다시 이전 상태로 돌아가며 순환된다.[3] [4] [5]
종류
수랭식과 공랭식의 장단점 비교[2] 구분 수랭식 공랭식 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 손실 마력 등 때문에 고출력이 어렵다. 중량 및 용량 냉각수 재킷, 방열기, 물 펌프 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 고온 열화가 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.
공랭식 냉각장치
공랭식 냉각장치는 엔진을 직접 공기(대기)와 접촉시켜서 열을 방산하는 형식이다. 실린더 블록과 헤드는 열전도성이 우수한 재질로 만들고, 열 교환을 높이기 위하여 표면적을 높여주는 냉각핀을 설치하는데, 처음부터 냉각핀을 포함하여 만드는 경우도 있다. 공기 순환에 의존하다 보니 주행속도와 대기온도에 많은 영향을 받고 냉각이 불균일하여 엔진 각 부위별 온도 편차가 크다.[1] 공랭식 냉각장치의 경우 자연 공랭식과 강제 공랭식으로 나누어진다. 자연 공랭식은 열을 교환할 때 발생하는 상승 기류를 이용해 공기를 교환하는 방식으로 즉, 자동차가 주행할 때 받는 공기로 냉각시키는 것이다. 무게가 가볍고 구조도 간단하기 때문에 오토바이, 항공기 등 발생된 열을 주행에 의해 발생되는 바람에 의해 쉽게 냉각이 될 수 있다고 상정되는 유형의 엔진에 사용되는 경우가 많이 있다. 강제 공랭식의 경우에는 엔진 동력으로 냉각 팬을 상시에 구동하여 외부 공기를 적극적으로 유입시켜 냉각하는 방식으로 비교적 복잡한 구조로 되어 있고, 엔진이 회전할 때 강제 냉각이 이루어진다는 특징이 있다.[6]
수랭식 냉각장치
수랭식 냉각장치는 냉각수를 이용하여 엔진을 냉각하는 형식으로 가장 일반적인 방식의 냉각장치이다. 물을 사용하기 때문에 안정적인 냉각 능력을 발휘하는데, 전 영역에 걸쳐 균일하게 온도를 유지시키고, 소음 또한 적은 것이 장점이다.[1] 하지만 냉각수를 순환하기 위해서는 배관이 필요하기 때문에 사용되는 부품이 증가하고 복잡한 구조로 되어 있다. 물의 순환 방식에 따라서 자연순환방식과 강제 순환방식, 압력 순환식, 밀봉 압력식이 있다. 자연순환식의 경우 냉각수를 대류에 의해 순환시켜서 냉각 속도가 느리기 때문에 고성능 엔진에는 적합하지 않다. 강제 순환식의 경우는 자동차 엔진의 대표적 방식으로 냉각수를 워터 펌프를 이용해 강제로 순환시켜 냉각하는 방식이다. 냉각수는 물 펌프를 돌려서 냉각수를 실린더 블록과 실린더 헤드의 워터재킷으로 보낸 다음 가열된 냉각수를 라이디에이터를 통해 방열하며 식힌 다음 물 펌프로 순환시킨다. 물 펌프는 냉각팬이 부착되어 외부 공기를 라디에이터를 통해 강제적으로 흡입하여 방열 효과를 좋게 한다. 압력 순환식의 경우 냉각계통을 밀폐시키고 냉각수가 팽창할 때의 압력으로 냉각수의 끓는 점을 올려서 물이 증발하여 없어지는 손실을 최소화할 수 있다. 때문에 냉각수 보충 횟수를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 밀봉 압력식도 냉각수에 손실이 적은 유형으로 라디에이터 뚜껑에 밀봉하여 냉각수의 팽창과 비슷한 크기의 저장탱크를 두어 냉각수의 유출을 방지하는 형식이다.[7]
배터리
전기 자동차에는 여러 배터리의 양이 들어가 있는데, 이 배터리를 팩 단위의 형태로 묶어 배터리 팩으로 만들어 넣는다. 배터리 팩도 배터리의 열을 관리하기 위한 냉각시스템(냉각장치)이 구성되어 있다. 배터리팩의 냉각방식도 일반 자동차와 비슷하게 공랭식과 수랭식이 있고, 수랭식의 단점을 보안하기 위해 유냉식도 존재한다. 공랭식은 공기를 유입하여 냉각하는 방식으로 냉각효율이 낮지만 가장 간단한 방법이다. 수랭식의 경우 직접 수랭식과 간접 수랭식으로 나누어지는데, 직접 수랭식은 배터리 사이로 냉각로를 배치하여 직접 물이 지나가서 냉각시키는 방법으로, 효율이 높지만 배터리팩의 부피와 무게가 커지고, 간접 수랭식은 배터리 셀 사이에 방열핀을 삽입하고 열을 빼앗고 방출하는 외부의 히트싱크를 연결하는 방식으로 가격 대비 성능이 좋아 수랭식 중에 가장 많이 쓰이고 있다. 유냉식은 물 대신 기름을 사용한 방식으로 물에 의한 부식 없고, 동파 문제가 없어서 되고 있다.
배터리는 기온이 높아 문제가 생기는 것만큼이나 기온이 낮아서 생기는 문제도 많다. 전해액이라는 액상 물질을 사용하는 배터리 구조상 겨울이되면 전해액의 활동이 늦어져서 원래 설정된 전기를 충분히 발생시키지 못한다. 그러다 보니 겨울철에는 전기자동차의 주행거리가 급격히 줄어든다. 여기에 주행풍을 맞거나 히터를 작동시킨다면 더더욱 그렇다. 그러한 문제를 해결하고자 제조사 대부분은 히트펌프를 장착하고 있는데, 내연기관 엔진이 냉각을 위해 워터 재킷을 두르고 있는 것과 정반대의 상황이다.[8] 히트펌프는 압축식 냉동 사이클을 냉매 순환 경로를 변경하여 외부 공기로부터 흡수된 열을 실내로 공급하는 방식으로 에어컨으로 따지면 실외기의 뜨거운 바람을 이용하는 것이다. 이로 인하여 배터리가 차가워지는 것을 방지하겠지만 구동을 위해서는 배터리의 에너지를 가져다 써야 한다는 점이 단점이 되어서 최대한 적은 에너지로 고효율을 내는 방향으로 개발이 되고 있다.
컴퓨터
전력을 컴퓨터에도 CPU, RAM, 그래픽카드 등 각 부품의 저항으로 인하여 열이 발생할 수밖에 없는 구조를 가졌다. 당연히 전자기기들은 높은 온도에 노출되면 여러 문제가 발생하는데, 한계온도 이상으로 컴퓨터의 내부 부품에 온도가 오를 경우에는 컴퓨터가 강제적으로 정지되며, 그 이상일 경우 심각한 손상이 와서 컴퓨터에 큰 영향을 끼치기도 한다. 이러한 문제를 방지하기 위해 쿨링(냉각장치)이 필요로 하고 냉각장치에 따라서 컴퓨터의 수명이 달라질 만큼이나 중요한 역할을 한다. 쿨링 방식에는 공랭, 수랭, 유냉으로 나누어지는데, 공랭은 팬을 이용하여 강제로 열을 배출하는 방식도 있고, 공기가 닿는 면적을 넓히기 위해 방열판을 사용하여 능동적인 움직임 없이 열을 배출하는 방식도 있다. 두 가지 방법을 따로따로 채택하는 방법이 있지만 열을 보통 방열판이나 히트 파이프를 냉각팬과 함께 사용하기도 한다. 수랭식은 공랭식과 비슷한 원리로 단지 공기에서 물로 바뀌었다는 차이밖에 없다. 물을 사용하기 위해서 중요 발열 부품을 지나는 관을 만들어 주고 그 길을 따라 부동액을 흘려보내 열을 흡수하며 순환하게 한다. 공기에 비해 냉각 효율이 좋지만 전체적인 가격은 비싼 편이다. 시스템 전체를 기름에 담가 버리는 유냉식도 있다. 다소 생소하고 위험해 보이는 방식일 수도 있으나 기름, 미네랄 워터와 같은 비전도성 액체를 이용하기에 크게 위험하지 않다. 유냉의 장점으로는 외부와 접촉이 되지 않아서 청소할 필요가 없고, 팬이 없어서 소음이 없다. 하지만 단지 열을 저장할 뿐 배출하지 못하여 라디에이터가 별도로 필요하고, 액체를 구하기 힘들어 높은 가격을 형성하고 있다.[9] [10]
각주
- ↑ 1.0 1.1 1.2 휠라이프, 〈"냉각 장치" -엔진의 온도를 일정하게-〉, 《네이버 포스트》, 2017-08-10
- ↑ 2.0 2.1 월하月下, 〈자동차 냉각 장치 Car cooling system〉, 《horseless vehicle》, 2018-01-08
- ↑ editor GB, 〈뜨거운 엔진을 식히는 자동차 냉각시스템〉, 《오토모빌 매거진》, 2018-10-15
- ↑ 엠에스리, 〈자동차 냉각장치〉, 《네이버 포스트》, 2020-01-12
- ↑ 〈냉각장치의 구성품의 구조 및 특징〉, 《강주원 자동차 홈》
- ↑ reze2010, 〈공냉 엔진의 장점은? | 과열되기 쉽다? 수냉 엔진과의 비교!〉, 《티스토리》, 2016-11-14
- ↑ myulzul, 〈기관의 냉각 방법〉, 《티스토리》, 2014-03-08
- ↑ 박종제, 〈현대기아, 새로운 배터리 열관리 시스템 선보여〉, 《오토뷰》, 2020-06-17
- ↑ 국립중앙도서관, 〈PC의 발열은 내가 잡는다. - 다양한 PC 쿨링 방식들〉, 《네이버 블로그》, 2018-03-12
- ↑ 강형석, 〈화끈하게 상승하는 온도, 지쳐가는 PC에 '냉각장치'로 생기를?〉, 《IT동아》, 2017-05-11
참고자료
- 휠라이프, 〈"냉각 장치" -엔진의 온도를 일정하게-〉, 《네이버 포스트》, 2017-08-10
- 월하月下, 〈자동차 냉각 장치 Car cooling system〉, 《horseless vehicle》, 2018-01-08
- editor GB, 〈뜨거운 엔진을 식히는 자동차 냉각시스템〉, 《오토모빌 매거진》, 2018-10-15
- 엠에스리, 〈자동차 냉각장치〉, 《네이버 포스트》, 2020-01-12
- 〈냉각장치의 구성품의 구조 및 특징〉, 《강주원 자동차 홈》
- reze2010, 〈공냉 엔진의 장점은? | 과열되기 쉽다? 수냉 엔진과의 비교!〉, 《티스토리》, 2016-11-14<
- myulzul, 〈기관의 냉각 방법〉, 《티스토리》, 2014-03-08
- 박종제, 〈현대기아, 새로운 배터리 열관리 시스템 선보여〉, 《오토뷰》, 2020-06-17
- 국립중앙도서관, 〈PC의 발열은 내가 잡는다. - 다양한 PC 쿨링 방식들〉, 《네이버 블로그》, 2018-03-12
- 강형석, 〈화끈하게 상승하는 온도, 지쳐가는 PC에 '냉각장치'로 생기를?〉, 《IT동아》, 2017-05-11
같이 보기
