[스터디] 냉각장치 개요

[목차]
냉각장치
- 냉각 방식
   공냉식, 수냉식
- 구성 요소
  라디에이터, 냉각 팬, 워터 자켓, 워터 펌프, 서모스텟, 냉각수 보조 탱크, 냉각수
- 작동 원리

냉각 장치

냉각장치는 엔진의 과열을 방지하여 엔진 구동을 위한 효율적인 온도를 유지시켜준다. 엔진 내 실린더의 온도가 지나치게 높으면 노킹현상 발생, 엔진 수명 단축, 윤활 성능 악화 등의 문제가 발생할 수 있으며, 반대로 온도가 너무 낮으면 엔진 효율 하락, 엔진 소비량 증가 등의 문제가 발생할 수 있다.

 

 

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냉각 방식

1. 공냉식

현재 대부분의 차량은 수냉식으로 엔진을 냉각하지만, 과거 공기의 접촉을 통해 냉각하는 공냉식 방식이 있었다고 한다.

대표적으로 Volkswagon type 1이 있다. 아래 사진에서 보는 것과 같이 실린더가 수평으로 4행정 운동을 하며 엔진(Boxer Engine)이며 실린더 외부에는 fin이 설치되어 공기 접촉에 의한 냉각을 하고 있다. 

 

Air cooled engine layout

 

 

2. 수냉식

실린더와 실린더 헤드 내부의 워터 자켓을 통해 냉각수가 순환해 엔진을 냉각하는 방식이다. 현재 대부분의 엔진은 수냉식 냉각이며 이번 편에서도 수냉식을 기준으로 다뤄보겠다.

 

 

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구성 요소

수냉식 냉각장치의 경우, 냉각수(Coolant)가 냉각 라인을 순환하며 엔진으로부터 열을 흡수하고 라디에이터에서 열을 방출한다. 냉각수가 흐르는 통로, 냉각수의 유동을 만드는 펌프, 냉각수의 흐름을 조절하는 밸브 등 다양한 부품들로 구성되어 최적의 냉각 성능을 나타낸다.  

냉각장치 (출처 : ClearMechanic.com)

 

1. 라디에이터(Radiator)

냉각수의 열이 방출되는 부품이다. 냉각수는 엔진 상부와 연결된 입구 파이프를 통해 유입되며 라디에이터 코어를 지나며 열이 방출되고 출구 파이프를 통해 다시 엔진으로 전달된다.

 

라디에이터 코어는 냉각수가 튜브를 타며 외기와 열교환을 하는 곳이다. 냉각 효율을 향상시키기 위해 핀은 방열성이 좋은 구리판 혹은 알루미늄 합금판으로 제작되고 방열면적을 확대하여 냉각 효율을 향상시킨다.

 

라디에이터 캡은 라디에이터 내 냉각수 온도에 따라 냉각수량을 조절한다. 냉각수의 온도 상승에 따라 부피가 팽창하고 압력이 상승하면 라디에이터 캡을 통해 냉각수가 유출되며 보조 탱크로 모이게 된다. 반대로 냉각수의 온도 하락으로 부피가 감소하면 보조 탱크와의 압력차에 의해 냉각수가 라디에이터로 유입된다.

라디에이터 구조와 라디에이터 코어 구조

 

 

 

2. 냉각 팬(Cooling fan)

라디에이터에 부착되어 외부로부터 공기를 공급하고 공기의 유속을 빠르게하여 냉각효과를 향상시킨다. 특히 공회전 및 저속 주행 시 자연적으로 통과하는 공기만으로 냉각이 불충분하여 냉각 팬에 의한 강제 송풍이 필요하다.

 

 

 

3. 워터 자켓(Water jacket)

실린더 벽, 블록, 헤드 사이에 빈 공간이며 엔진 각 부분을 돌아 열을 흡수하여 라디에이터로 돌아간다. 

Ford 2018 5.0L 3rd Gen Coyotoe Engine cylinder block

 

 

5. 워터 펌프(Water pump, Coolant pump)

엔진의 앞부분에 부착되어 크랭크 샤프트 풀리 벨트에 의해 구동되며 냉각수의 유동을 형성한다.

2023 소나 1.6 GAMMA II Coolant Pump (출처 : HyundaiPartsDeal.com)

 

 

 

6. 서모스텟(Thermostat)

실린더 헤드와 라디에이터 사이 냉각수 통로에 위치하여, 냉각수 온도에 따라 개폐하며 엔진에서 라디에이터의 냉각수 흐름을 조절하는 밸브이다. 엔진의 온도를 일정하게 유지시켜 엔진 과열 및 과냉을 방지하여 엔진을 최적 상태로 유지시킨다.

 

차량용 서모스텟으로 크게 벨로즈형(Bellows Type)과 펠릿형(Pellet Type)이 있다.

벨로즈형의 경우, 에틸이나 알코올이 냉각수의 온도에 의해 팽창하여 밸브가 열리는 원리로 작동한다.

 

왁스 펠릿형의 경우, 냉각수 온도에 의해 왁스가 팽창해 밸브가 열리는 원리로 작동한다. 수압의 영향을 덜 받아 수온을 더 정확하 반응하는 펠릿형을 주로 사용한다.

Bellows Type(Buick old car) / Pellet Type(Toyota Hilux)

 

 

 

7. 냉각수 보조 탱크

넘친 냉각수를 보관하거나 모자란 냉각수를 보조하는 장치이다. 라디에이터 또는 엔진에서 냉각수가 넘치면 보조탱크로 들어가며 라디에이터 내 냉각수량을 일정하게 조절하여 냉각효율을 높인다.

 

 

 

8. 냉각수 & 부동액(Coolant)

말그대로, 냉각장치에서 엔진 또는 외기 열교환을 하는 매개체이다. 겨울철 동파 방지를 위한 부동액을 사용하며 부식방지제를 포함하고 있다.

실제 냉각수 사용시 물과 혼합하여 사용이 필요하며, 현대자동차 사용설명서 상 아래와 같이 표기되어 있다.

(사용 냉각수 : 알루미늄 라디에이터용 인산염계 에틸렌 글리콜 부동액과 물 혼합액)

주위온도(℃)	냉각수 혼합비율
	부동액	물
-15	35%	65%
-25	40%	60%
-35	50%	50%
-45	60%	40%

 

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작동 원리

① 최초 시동을 걸게되면, 엔진의 회전으로 워터 펌프 작동한다.

② 냉각 장치 내 냉각수의 순환이 시작된다.

③ 최초 시동 시, 엔진 온도가 동력성능을 발휘할 만큼 충분하지 않으며 냉각수의 온도가 낮기 때문에 서모스텟에 의해서 냉각수가 라디에이터를 거치지 않고 엔진 내 워터자켓으로만 순환한다.

④ 냉각 수온이 서모스텟 규정 온도까지 올라가면 엔진으로 순환하던 냉각수가 라디에이터를 순환하여 공기와 열교환을 시작한다.

⑤ 공회전 또는 저속 주행 시에는 냉각 팬을 작동하여 라디에이터 코어에 추가적인 공기를 공급한다.

 

 

* 아래는 냉각장치의 작동원리를 잘 설명한 영상이다. 

 

 

 

 

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코멘트

전기차에도 효율적인 차량 주행을 위해서 냉각장치가 필요하다. 전기차의 부품인 모터, 배터리 그리고 여러 전자장치 등에 냉각장치가 사용하며 다음 차시에 자세히 알아보려고 한다.