전동식 워터 펌프의 냉각 성능 향상을 위한 하우징 형상에 관한 실험적 연구

1. 서 론

전동식 워터펌프(Electric Water Pump, EWP)는 차량용 열관리시스템에서 냉각수를 순환시키는 역할을 하는 부품이다. 과거 내연기관 차량에서는 엔진 회전에 종속되어 회전하는 기계식 워터펌프를 사용해 왔으나, 전기 구동 자동차는 모터 구동 방식이 채택되면서 능동적 제어가 가능해졌다.^1,2)

전기 구동 자동차는 연료전지, 배터리, 구동모터 및 공조시스템 등에서 각각 요구되는 최적 작동 온도가 모두 달라서 냉각수 순환 라인이 복잡하고, 소형 EWP를 여러 개 사용하기도 한다.^3-5) 대부분의 상용 EWP의 효율은 60 %보다 낮기 때문에 차량 기생전력 소모 절감을 위해 고효율화가 요구된다. 모터의 손실은 주로 모터 권선의 주울열(Joule heating)과 와전류 손실, 회전자의 마찰 손실 및 제어기 손실로부터 발생한다. 또한, 이러한 손실로부터 모터 부품의 온도가 상승하여, 수명 단축과 효율 감소를 발생시킨다.^6,7)

EWP는 펌프부와 모터부 및 PCB 모듈로 구성된다. 모터부에서 발생한 열은 펌프부와 PCB 모듈 양방향으로 나가는데, 펌프부는 지속적인 순환이 이루어지기 때문에 열의 영향이 적은 반면, PCB로 전달된 열은 방출되지 못하고, PCB 자체에서 발생하는 열과 더불어 부품 온도를 상승시킨다. 모터 권선의 온도가 10 ^oC 상승하면 수명이 1/2로 감소하며, PCB 모듈 또한 비슷한 수준으로 수명이 감소한다. 모터의 효율 또한 권선 온도의 증가에 비례하여 감소한다.^8,9)

따라서, EWP의 효율 및 내구성 향상을 위한 방열 성능 개선이 필수적이며, 이와 관련된 EWP 및 모터의 냉각 성능 연구는 다양한 방면으로 연구되고 있다. EWP의 경우, 회전자 또는 고정자를 유체 유동 내부에 위치시켜 냉각 특성을 개선하는 캔드타입 및 원심식 축류 펌프에 관한 연구 등이 선행되었으며,^6,7) 수중베어링의 및 PCB 재질에 따른 열특성 분석 연구들이 수행되어 왔다.^10,11)

모터 내부의 발열을 감소시키기 위해서는 내부 설계 개선들이 보고되고 있다. 즉, 영구자석 배열 및 고정자 형상, 권선의 절연 특성 등에 대한 최적화 연구가 수행되고 있다. 외부적으로는 냉각 재킷 또는 팬을 설치하여 열전달량을 증가시키거나, 하우징에 핀을 설치하여 면적 증가를 통한 냉각 성능을 향상을 고려할 수 있다.^12,13) 그러나 소형 EWP의 특성상 냉각재킷이나 자체 팬을 설치하는 것은 어려움이 있으며 추가적인 전력 또한 요구된다. 따라서, 본 연구에서는 EWP 하우징에 다수의 핀을 설치하여 열전달 표면을 확장시키는 방식으로 방열 특성을 개선하고자 한다.

정정훈 등¹⁴⁾은 공랭식 인휠 모터의 냉각 성능 향상을 위해 다양한 형상의 냉각 홈(Grooved fin)을 적용한 하우징에 대해 열유동 해석을 진행하였다. Kuria와 Hwang¹⁵⁾은 차량용 구동 모터에 핀의 깊이와 방향에 대한 열해석을 진행하였다. 대부분의 모터 하우징 형상 연구는 CFD 해석에 의존하고 있으며, 실제 운전조건에서의 실험적 사례는 부족하다.

본 연구에서는 EWP 모터부 하우징에 확장표면을 적용하여 다양한 형상에 따른 방열 효과를 실험적으로 분석하였다. 형상은 동일한 지름에 대하여 음각 및 양각의 확장 표면을 가로 또는 세로로 배치하였으며, 각 형상에 대해 면적이 증가하는 경우에 대한 변화도 보았다. 또한, 운전 조건에 따른 하우징 방열 특성을 분석하기 위해 자연대류 및 강제대류에 대한 특성 실험을 진행하였다.¹⁶⁾

2. 실험 장치 및 조건

2.1 실험 장치 구성 및 실험 방법

본 연구에서는 13.5 V의 정격전압을 사용하는 캔드타입 전동식 워터 펌프를 사용하여 하우징에 따른 방열 특성을 확인할 수 있도록 실험장치를 구성하였다. 정격운전 조건에서 Duty 70 %, 6,000 rpm으로 작동하며, 워터펌프에 흐르는 유량은 28 LPM이고, 차압은 80 kPa이다.

가변 부하 운전 조건에서 하우징 온도 비교를 위해 PWM 제어 로직을 사용하였다. Duty 40 %, Duty 60 % 부하 조건에 대해 실험하였으며, 각 조건에서 모터는 약 3,500 rpm, 5,000 rpm으로 회전한다.

EWP 방열 특성 분석을 위한 실험 장치는 Fig. 1과 같이 구성하였다. EWP를 흐르는 유체는 부동액과 물이 1:1로 혼합되어 있는 액체이고, 리저버에서 45 ^oC로 유지된다. 리저버에서 나온 유체는 펌프를 통과한 후 다시 리저버로 돌아가고, EWP는 리저버의 0.5 m 아래의 높이에 위치하고 있다. 펌프부의 전후단에서 차압센서로 차압를 측정하고, 출구에서 수직으로 올라가는 위치에서 유량을 측정하였다. Duty 40 %에서 운전 시 유량과 차압은 19 LPM, 48.5 kPa이고, Duty 60 %는 유량 23.7 LPM, 차압 72 kPa으로 작동한다.

Fig. 1

Schematic diagram of experimental system

EWP의 온도는 열화상카메라를 이용하여 1 m 떨어진 거리에서 하우징의 표면 온도를 측정하였으며, ResearchIR^TM 프로그램을 통해 데이터를 취득하였다.¹⁷⁾ 실험에서 정상상태 기준은 1000 초 동안 온도 변화가 2 ^oC 이내일 때로 하였으며, 운전 이후 5000 초 미만에서 정상상태에 도달하였다. 각 케이스의 실험 결과는 4회 반복 실험을 통해 도출하였다.

Fig. 2는 표면 온도로부터 방열 특성을 비교하기 위해 고려한 다양한 측정 위치를 나타내었다. 하우징 및 제어기(PCB) 영역에서 평균온도와 커넥터의 최대온도를 측정하였다. 또한, 핀의 영향이 없는 동일 지름에서 핀 베이스의 온도를 유추하기 위해 8개의 포인트를 측정하였다. 각 포인트의 평균온도를 핀 베이스 온도로 보고 다른 실험값과 대조하였다.

Fig. 2

Location of measured (Point 1 to 8: fin base temperature)

주위온도는 27 ^oC를 기준으로 진행하였으나, 실험을 진행하는 중에 주위온도 상승이 발생하고, 계절적인 영향으로 정상상태에서 온도 상승 정도가 다르게 측정되었다. 이로 인한 측정오차를 극복하기 위해 펌프 입구 온도(Fig. 2의 Reference temp.)를 기준 온도로 두어 측정 값을 보정하였다. 펌프 입구는 일정한 온도의 물이 지속적으로 지나기 때문에 모터 열과 하우징에 의한 영향을 받지 않는 부분으로 외기온도에 의해서만 변화하며, 모든 케이스에서 강제대류는 38.65 ^oC, 자연대류는 43.90 ^oC의 평균 입구온도를 가진다. 이를 기준으로, 평균값과 각 실험별 입구온도의 편차로 실험값을 보정하였다. 보정값은 0.5 ^oC 보다 작으며, 주위온도 차이를 배제한 형상별 경향성을 더욱 명확하게 보여준다.

2.2 하우징 형상 설계

본 연구에서는 EWP 모터부 하우징에 확장표면을 적용하여 형상에 따른 방열 효과를 실험적으로 분석하였다. EWP의 하우징은 일반적으로 알루미늄 또는 PPS(고내열성 엔지니어링 플라스틱)를 사용한다. 알루미늄의 경우, 200 W/mK 이상의 열전달계수를 갖기 때문에 Fin에 의한 모터 방열 성능 개선이 매우 효과적이다.¹⁷⁾ 그러나 낮은 열전도도를 갖는 플라스틱 재질의 경우, 면적 증가에 의한 방열 개선에 비하여 Fin에 의한 열저항 증가와 대류에 의한 영향이 크다. 따라서, 본 연구에서는 플라스틱 재질의 확장표면 형상에 따른 영향성을 분석하고자 한다. 실험에 사용된 EWP의 하우징은 ABS(k=0.17 W/mK)로 제작하였으며, 실제로 사용되는 PPS(k=0.22 W/mK)보다 약간 낮은 열전도도를 갖는다.

하우징 형상은 Fig. 3처럼 4가지 형상 A(음각-가로), B(음각-세로), C(양각-가로), D(양각-세로)에 대해 고려하였다. 하우징의 방향은 PCB가 아래를 향하게 설치된다. 이를 기준으로 가로, 세로 방향의 핀을 고려하였으며, 음각과 양각은 둘레(D=72 mm)를 기준으로 하였다. 확장표면 면적을 동일하게 설계하기 위하여 다음과 같이 고려하였다. Fig. 4(a)에 나타낸 것처럼 핀의 두께와 길이는 t=4 mm, L=5 mm로 동일하다. Fig. 3(a)의 가로핀의 너비가 w=24 mm일 때, 핀의 총면적은 A_f=2,800 mm²이고, 양각에서는 지름이 증가하는 것을 고려하여 핀의 형상별 면적 차이가 ±100 mm² 이내가 되도록 하였다. 또한, 가로핀 1개의 면적은 세로핀 2개의 면적과 같도록 설계하였다.

Fig. 3

Variable geometries of EWP housing (a) Engraved-horizontal (b) Engraved-vertical (c) Embossed-horizontal (d) Embossed-vertical

Fig. 4

(a) Dimensional shape of fin (b) Cylindrical orthogonal flow conditions in zukauskas equation

핀에 대한 유효도를 확인하기 위해 Fig. 3(d)를 기준으로 계산하였다. Fig. 4(b)와 같이 유속 V_air=1.5 m/s, 대기온도 T_∞=27 ^oC에서의 원통 직교 유동으로 두고 $$ \overline{N{u}_D}$$를 구하기 위해 Zukauskas 식 (1)을 적용하였다. 대류열달계수는 $$ \overline{h}$$=16.6 W/m²k이고, 핀의 유효도는 ε_f=2.25, 핀의 효율은 η_f=0.59로 도출되었다. 일반적으로 핀은 유효도 2 이상인 경우 핀의 사용이 정당하다.^18,19)

$\[ \overline{N{u}_D}={{CRe}_D}^m{R_r}^n{\left(\frac{P_r}{P_{rs}}\right)}^{\frac{1}{4}} \]$

(1)

$\[ \overline{h}=\overline{N{u}_D}\frac{k_{air}}{D} \]$

(2)

$\[ q_f=M\frac{\sinh mL+\left(\frac{\overline{h}}{mk}\right)\cosh mL}{\cosh mL+\left(\frac{\overline{h}}{mk}\right)\sinh mL} \]$

(3)

$\[ {\epsilon }_f=\frac{q_f}{\overline{h}{A}_b{\theta }_b} \]$

(4)

$\[ {\eta }_f=\frac{q_f}{\overline{h}{A}_b{\theta }_b} \]$

(5)

본 연구에서는 차량 내부에서 EWP 외기 조건을 모사하기 위해 강제대류와 자연대류 모두에 대해 실험을 진행하였다. 강제대류는 열화상 카메라와 동일한 위치인 EWP 하우징의 수평 방향에서 1.5 m/s로 발생한다. 자연대류의 경우 대류열전달계수가 감소하기 때문에 핀의 유효도 및 효율이 증가하므로 자연대류에서도 핀 적용이 타당함을 확인하였다.

Fig. 5는 핀이 없는 기본하우징과 형상 A, B, C, D에 대해 핀의 개수를 2배, 3배 증가시킨 하우징의 실험 결과이다. 각각의 사진에서 알파벳은 핀의 형태를 의미하며, 숫자는 면적을 의미한다. A-1은 음각 가로핀이 1개 있는 하우징으로 면적은 2,800 mm²이고, A-2는 5,600 mm², A-3은 8,400 mm² 면적을 갖는다. 13개의 케이스를 통해 핀의 형상별 특성과 핀의 면적에 따른 방열 효과를 분석하였다.

Fig. 5

Temperature measurement experiment result

3. 결과 및 분석

3.1 하우징 형상별 방열 특성 분석

3.1.1 하우징 형상에 따른 PCB 평균온도

EWP 하우징의 방열 성능 평가 기준은 평균 온도가 감소하면서 최대 온도 또한 낮아지는 형상이 방열이 좋은 것으로 판단하였다. 하우징의 열저항이 증가하는 경우에도 표면에서의 평균온도는 감소할 수 있으며, 이러한 경우 PCB 등 다른 위치에서의 온도가 증가하게 된다. 따라서, 하우징의 평균온도 감소와 동시에 PCB와 최고온도가 나타나는 커넥터의 온도 감소를 모두 만족하는 것을 기준으로 하우징의 방열 성능을 평가하였다. Figs. 6~9는 A-2, B-2, C-2, D-2 (확장표면면적: 5,600 mm²) 형상의 전체 평균온도(하우징과 PCB)와 하우징 및 PCB 각각의 평균온도를 나타내었다. 실험은 강제대류와 자연대류 및 Duty 40 % (3,500 rpm)와 Duty 60 % (5,000 rpm)에서 진행하였다.

Fig. 6

Average temperature of housing and PCB in forced Convection (3,500 rpm)

Fig. 7

Average temperature of housing and PCB in forced convection (5,000 rpm)

Fig. 8

Average temperature of housing and PCB in natural convection (3,500 rpm)

Fig. 9

Average temperature of housing and PCB in natural convection (5,000 rpm)

강제대류 조건에서 실험한 Figs. 6~7의 경우 하우징의 평균온도가 A-B-C-D 순서로 감소하여, 음각(A,B)보다 양각(C,D)이 낮은 결과를 나타낸다. 그러나 PCB 평균온도는 A-B-C-D 순서로 증가하는 것을 확인하였다. 이는 양각에서 하우징의 온도 감소가 방열 성능 증가로 발생한 것이 아닌 형상에 의한 것으로 볼 수 있다. 음각의 경우, 모터 권선과 가까워지기 때문에 높은 온도의 표면이 노출되면서 하우징의 온도는 증가할 수 있으나, 방열이 원활해지면서 PCB의 온도가 낮아진다. 반면 양각의 경우 모터 권선과 멀어지면서 대기 온도와의 편차가 감소하여 방열 성능이 감소하고, 이로 인해 PCB의 온도까지 증가한 것으로 보인다.

Fig. 6은 Duty 40 %의 평균온도를 나타낸다. PCB의온도는 A(음각-가로)가 가장 낮으며, B와 비교하여 2.5 % 낮고, C보다 3.3 % 감소하였다. Duty 60 %인 Fig. 7의 경우에도 A의 PCB 온도가 B보다 2.6 % 낮고, C보다 3.6 % 낮은 결과가 나타났다. 이는 강제대류에서 음각이 양각보다 온도 감소에 효과적이며, 가로 형상이 세로보다 유리하다는 것을 보여준다.

모터의 회전수가 증가하면서 PCB 온도는 평균적으로 10 ^oC 증가하였으나, 하우징 온도는 그보다 적게 증가하여, 회전수가 높을 때 하우징과 PCB의 편차가 증가한다.

Figs. 8~9는 자연대류 조건에서의 하우징과 PCB의 평균온도 측정 결과이다. 자연대류에서도 양각(C,D)의 하우징 온도가 음각보다 낮게 도출되었지만, PCB의 온도는 증가하여 방열에 부정적인 영향을 주었음을 알 수 있다.

자연대류, Duty 40 %에서 실험한 Fig. 8의 경우, B(음각-세로)의 온도가 가장 낮고, A와 비교하여 2.9 % 낮고, D 보다는 5.9 % 감소했다. 강제대류와 달리, B-A-D-C 순서로 PCB 온도가 증가한다. 양각보다 음각이 방열 성능이 좋은 것은 동일하나, 자연대류에서는 강제대류와 반대로 세로가 가로보다 방열 성능이 좋다. Duty 60 %인 Fig. 9도 동일한 경향성을 보이며, B의 PCB 온도가 가장 낮았다. 이는 자연대류에서 핀 주위에서 가열된 공기는 위로 상승하는데, 세로핀이 이러한 대류조건에서 유리하게 작용하는 것으로 볼 수 있다.

자연대류-고부하 조건에서 PCB 온도가 저부하 운전에 비해 약 20 ^oC 상승하여 70 ^oC 이상에 도달했다. 내부의 온도는 보다 높을 것으로 예상되며, 실제 차량의 경우 외기 온도가 더 높기 때문에 추가적인 온도 상승이 예상된다. 절연 종류에 따라 다르지만 일반적으로 B종 절연 모터 권선의 최대 허용 온도인 130 ^oC와 비교하여 높은 온도라고 할 수 있으며, 고부하 조건에서 원활한 대류 조건이 요구된다는 것을 알 수 있다.

3.1.2 하우징 형상에 따른 Fin Base 온도

Fig. 10은 핀 베이스(Fin base) 온도를 나타낸 결과이다. 핀 베이스 온도는 Fig. 2에 나타낸 1-8점의 평균 온도로 나타내었으며, 핀 형태와 관계 없이 핀이 없는 동일한 지름에서의 하우징 온도를 나타낸 결과이다. 음각의 경우 핀의 온도가 베이스보다 높아 하우징 전체 평균온도가 상승하고, 양각의 경우 핀의 온도가 베이스보다 낮아 하우징 평균 온도가 낮기 때문에 하우징의 전체 평균 온도로부터 비교가 어렵다.

Fig. 10

Fin base temperature under housing shapes

반면, 핀베이스 온도 비교는 형상에 의한 영향을 배제하며 하우징의 온도를 비교할 수 있다. 베이스의 온도 경향은 앞서 PCB의 평균온도 경향과 동일하게 나타났다. 즉, 강제대류의 경우 A-B-C-D, 자연대류의 경우 B-A-D-C 순서로 높게 측정되었다.

이를 통해 앞서 언급한 PCB의 평균 온도로부터 비교한 하우징 형상별 방열 성능이 베이스에서도 동일하게 나타났음을 알 수 있다. 또한, 핀 베이스의 온도 비교로부터 하우징 형상별 방열 성능을 평가할 수 있음을 확인하였다.

3.1.3 하우징 형상에 따른 커넥터 최대온도

또한, 평균온도 감소와 더불어 최고온도가 감소하는지 확인하기 위해 커넥터의 온도를 비교하였다. 커넥터는 EWP 전체에서 최고 온도가 발생하는 부분이며, Fig. 11에 운전조건에 따른 커넥터의 최대 온도를 나타내었다. 강제대류의 경우, 기존과 동일하게 A-B-C-D 순서로 온도가 높아지는 결과를 나타내며, 가로 및 음각이 유리한 경향이 유지되었다.

Fig. 11

Connector maximum temperature under housing shapes

자연대류에서는 세로가 대체로 유리한 경향을 보이지만 고부하 조건인 D 경우만 세로가 가로보다 높게 측정되었다. 해당 실험케이스는 하우징과 PCB 사이의 온도 편차가 크고, 가장 고온인 경우이며, 아래에 불균일도에서 추가로 논의할 예정이다. 이를 제외하면 자연대류에서도 기존의 경향과 같다. 또한, 강제대류에서는 A(음각-가로), 자연대류에서는 B(음각-세로) 형상이 최대온도 기준에서의 방열 효과도 가장 좋은 것을 확인하였다.

3.1.4 하우징 형상에 따른 불균일도

Fig. 12는 하우징 온도에서의 불균일도를 비교하였다. 불균일도는 하우징 온도를 측정한 약 2,000개의 데이터에 대한 표준 오차로 나타냈다. 높은 불균일도를 갖는 형상은 내구성 및 핀의 효율에서 불리하게 작용하기 때문에 낮은 불균일도를 가지면서 좋은 방열 성능을 갖는 것이 중요하다. 불균일도는 음각과 양각의 차이가 두드러지게 나타났다. 먼저, 음각에서는 세로의 불균일도가 낮으며, 양각에서는 가로가 낮다. 또한, 음각에서는 자연대류의 불균일도가 낮고, 양각에서는 강제대류가 더 낮은 특성을 나타낸다. 결과적으로, 자연대류에서 B(음각-세로)가 가장 낮은 불균일도를 가지면서 방열 성능도 우수한 결과를 나타낸다.

Fig. 12

Temperature non-uniformity under housing shapes

또한, Duty 60 %, 자연대류 조건에서 D의 불균일도가 다른 조건에서 C와 D 사이의 편차보다 큰 것으로 나타났다. 양각에서 핀 끝에서 온도가 낮아질수록 불균일도가 증가하며 동시에 핀의 방열 효과가 감소한다. 따라서, 앞서 말한 D의 커넥터 온도 증가의 원인이 핀의 방열 성능 감소로 인한 것으로 볼 수 있다.

3.2 핀 개수 증가에 따른 방열 특성 분석

3.2.1 하우징 면적에 따른 PCB 평균온도

본 연구에서는 작동 조건에 대한 핀 면적 증가에 따른 방열 특성 변화도 분석하였다. Fig. 5에 왼쪽 첫번째 사진은 핀이 없는 경우에 대한 실험 결과이다. 하우징의 온도는 균일하나, 하우징과 PCB 모두 높은 온도로 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 핀이 없는 하우징을 핀 면적이 0인 경우로 두고(Figs. 13~16의 Area_0), 각각의 하우징 형상 A, B, C, D를 Fig. 5와 같이 면적 증가(Area_1:2,800 mm²/ Area_2:5,600 mm²/ Area_3:8,400 mm²)에 대해 비교하였다. 실험은 Duty 60 %에서 강제대류와 자연대류에서 각각 실행하였다.

Fig. 13은 강제대류에서 면적에 따른 PCB 평균온도 측정 결과를 나타냈다. 강제대류에서 핀이 없는 경우 PCB의 온도는 50.2 ^oC로 핀이 있는 모든 경우보다 높았다. 면적이 1, 2, 3배로 증가할 때 핀이 없는 경우 대비 평균 3.9 %, 7.7 %, 8.9 %로 온도 감소가 증가하는 결과를 보였다. 각 단계별로 약 3%의 온도 감소 효과를 나타낸다.

Fig. 13

Average temperature of PCB as a function of fin areas in forced convection

자연대류에서의 실험 결과는 Fig. 14에 나타내었다. 자연대류에서는 Fig. 13과 달리 면적 증가에 따른 온도 변화가 눈에 띄지 않는 것을 확인하였다. 면적이 1, 2, 3배 증가할 때 핀이 없는 경우 대비 평균 4.5 %, 4.6 %, 4.0 %로 감소하였다. 핀이 없는 75.3 ^oC보다 낮게 도출되어 핀의 유무에 대한 온도 감소 효과는 있으나, 면적 증가에 대한 방열 증대 효과가 거의 없다. 이는 자연대류로 인해 핀 주위의 온도가 높아지고, 핀이 많을수록 공기의 정체가 증가하는 것으로 볼 수 있다.

Fig. 14

Average temperature of PCB as a function of fin areas in natural convection

3.2.2 하우징 면적에 따른 Fin Base 평균온도

Figs. 15~16은 핀 베이스에 대한 실험 결과를 나타낸다. 핀 베이스도 마찬가지로 자연대류에서 온도는 핀 개수 증가에 따른 영향이 적고, 강제대류에서만 면적 증가에 대한 효과가 있었다. Fig. 15는 강제대류에서의 결과를 나타내는데, 핀이 없는 경우의 베이스 온도 47.0 ^oC 보다 평균 5.6 %, 9.4 %, 14.3 % 수준으로 온도 감소폭이 점차 증가하였다. 평균적으로 각 단계별로 약 5 % 감소 효과를 준다고 할 수 있으나, 핀 베이스 온도는 형상별 방열 특성에 의한 영향이 PCB 보다 큰 것으로 나타났다.

Fig. 15

Fin base temperature as a function of fin areas in forced convection

방열 특성이 좋은 A-3의 경우 19 %까지 감소하였지만, D-3의 경우 8 %만 감소하였다. 베이스 온도는 하우징의 형상 변화에 더 직접적으로 변화하여, 방열 특성이 우수한 형상일 수록 면적이 넓을 때 큰 폭으로 감소할 수 있다. 따라서, 더 좋은 방열을 위해 핀의 개수만 늘리는 것 보다, 적합한 방열 특성을 갖는 형상을 채택하는 것이 더욱 중요하다.

Fig. 16은 자연대류에서 핀 베이스의 온도를 나타낸결과이다. PCB 경향과 동일하게 면적 증가에 대한 효과는 크지 않아, 핀이 없는 온도와 비교하여 면적 1, 2, 3에 따라 평균 5.5 %, 5.4 %, 6.5 %의 비슷한 수준으로 감소하였다. 면적에 의한 차이보다 B-A-D-C 순서로 형상에 따른 방열 특성이 더 두드러지며, 평균 6.3 ^oC, 4.5 ^oC, 3.4 ^oC, 2.1 ^oC가 감소하였다. 각 형상에 대해 면적에 따른 온도 차이는 2.2 ^oC보다 작았다. 따라서, EWP가 자연대류 조건에서 사용될 경우, 핀의 개수 및 면적 증가는 방열 성능 증가에 유의미한 변화를 기대하기 어려우며, 방열 성능이 좋은 형상을 선정해야한다.

Fig. 16

Fin base temperature as a function of fin areas in forced convection

3.2.3 하우징 면적에 따른 불균일도

Fig. 17은 강제대류, Duty 60 %에서 핀 면적에 따른 불균일도를 나타낸다. 면적이 증가하면 형상에 따른 불균일도 경향은 유지되면서 불균일도가 증가한다. 이는 핀의 개수가 많아지기 때문에 발생하며, Fig. 15에서 방열 특성에 따라 더 많은 온도감소가 일어나는 A-B-C-D 순서와 같이 불균일도 증가 폭이 넓은 것을 알 수 있다. 핀의 개수 증가는 방열 개선에 효과가 있지만, 불균일도 또한 증가함을 유의해야 한다.

Fig. 17

Temperature non-uniformity as a function of fin areas

4. 결 론

본 연구에서는 전동식 워터펌프의 모터부 하우징에 확장표면을 적용하여 형상에 따른 방열 개선 효과를 실험적으로 분석하였다. 음각과 양각 및 가로와 세로 형상에 대하여 운전조건에 따른 온도 변화를 비교하였으며, 핀의 면적 증가에 따른 결과도 분석하였다. 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

• 1) 핀 베이스의 온도 비교는 핀 형상에 의한 영향을 배제한 방열 특성을 비교하는데 효과적이며, PCB 평균온도 및 커넥터 최대온도 방열 특성 실험 결과와 동일한 경향성을 갖는다.
• 2) 음각 핀을 갖는 하우징의 평균온도가 양각보다 높은 이유는 높은 표면 온도 노출로 인한 것이며, 이는 방열 성능을 개선하는데 도움이 된다.
• 3) 대류조건에 따라서 방열 특성이 달라지며, 강제대류에서 가로 형상이 방열 성능이 우수하지만, 자연대류에서는 세로 형상이 방열에 더 유리하다.
• 4) 강제대류에서는 핀의 면적이 증가할수록 방열 성능이 증가하지만, 자연대류에서는 방열 성능 개선 효과가 적다.

결과적으로, EWP의 방열 성능 개선을 위해 하우징에 음각 핀 형상을 적용하는 것이 유리하며, 실제 사용되는 환경의 대류조건를 고려하여 적절한 형상을 채택하는 것이 중요하다.

Acknowledgments

A part of this paper was presented at the KSAE 2021 Spring Conference

이 연구는 2021년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구임(20011907, 20015756).

References

• R. E. Gubbiotti, A. P. de Andrade Filho and J. L. de Carvalho Meira, “Electric Water Pump for Engine Cooling,” SAE 2007-01-2785, 2007.
• J. T. Allison, “Design Optimization Model for an Automotive Electric Water Pump,” http://ode.engin.umich.edu/repository/TR2007.Allison.pdf, , 2007.
• A. Yokoyama, T. Osaka, Y. Imanishi and S. Sekiya, “Thermal Management System for Electric Vehicles,” SAE International Journal of Materials and Manufacturing, Vol.4, No.1, pp.1277-1285, 2011. [https://doi.org/10.4271/2011-01-1336]
• S. S. Yu, “Thermal Management of Hydrogen Fuel Cell Vehicles,” Auto Journal, KSAE Vol.38, No.4, pp.22- 26, 2016.
• H. S. Lee, “Development Electric vehicles Integrated Thermal Management System,” Magazine of the SAREK, Vol.48, No.2, 40-48, 2019.
• D. H. Lim, S. C. Kim and M. S. Kim, “Thermal Anaysis of an Electric Water Pump for Internal Combustion Engine Vehicles,” Int. J. Automotive Technology, Vol.14, No.4, pp.579-585, 2013. [https://doi.org/10.1007/s12239-013-0062-7]
• S. Y. Jung, J. H. Kwak, B. Y. Park and W. J. Jung, “Electric Water Pump Development,” The Korean Society for New and Renewable Energy, pp.576-579, 2008.
• T. G. Lee, J. S. Moon, H. S. Yoo and J. H. Lee, “Thermal Reliability Analysis of BLDC Motor in a High Speed Axial Fan by the Accelerated Life Test,” Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol.17, No.12, pp.1169-1176, 2005.
• P. Ragot, M. Markovic, and Y. Perriard, “Optimization of Electric Motor for a Solar Airplane Application,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.42, No.4, pp.1053-1061, 2006. [https://doi.org/10.1109/TIA.2006.876073]
• I. K. Park, H. J. Kim, N. P. Hong, Y. H. Seo and B. H. Kim, “Characteristic Analysis of Underwater Bearing for Canned-Type Electric Water Pump,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol.23, No.2, pp.186-193, 2014. [https://doi.org/10.7735/ksmte.2014.23.2.186]
• H. B. Joen, C. W. Cho and J. W. Park, “A Study on the Analysis of the Cooling Characteristics of the Ceramic PCB in Electric Water Pump,” KSAE Fall Conference Proceedings, pp.1118-1122, 2020.
• M. Cavazzuti, G. Gaspari, S. Pasquale and E. Stalio, “Thermal Management of a Formula E Electric Motor: Analysis and Optimization,” Applied Thermal Engineering, Vol.157, Article No.113733, 2019. [https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.113733]
• H. C. Chiu, J. H. Jang, W. M. Yan and R. B. Shiao, “Thermal Performance Analysis of a 30 kW Switched Reluctance Motor,” International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.114, pp.145-154, 2017. [https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.06.057]
• J. H. Jung, Y. H. Shin and S. C. Kim, “A Study on the Enhancement of Housing for Improving Cooling Performance of In-Wheel Motor,” KSAE Annual Conference Proceedings, pp.3209-3213, 2010.
• J. Kuria and P. Hwang, “Optimizing Heat Sink Geometry for Electric Vehicle BLDC Motor Using CFD,” Sustainable Research and Innovation conference Proceedings, Vol.3, pp.122-146, 2011.
• Y. R. Choi and S. S. Yu, “Experimental on Heat Dissipation Characteristics of EWP Under Various Housing Shapes,” KSAE Spring Conference Proceedings, p.1063, 2021.
• Y. R. Choi, Y. H. Kim and S. S. Yu, “Experiment on Heat Dissipation Characteristics of Electric Water Pump Housing Under Various Loads,” Transactions of KSAE, Vol.29, No.3, pp.243-249, 2021. [https://doi.org/10.7467/KSAE.2021.29.3.243]
• A. Dixit and A. K. Patil, “Heat Transfer Characteristics of Grooved Fin under Forced Convection,” Heat Transfer Engineering, Vol.36. No.16, pp.1409-1416, 2015. [https://doi.org/10.1080/01457632.2015.1003726]
• F. P. Incropera, A. S. Lavine, T. L. Bergman and D. P. DeWitt, Principles of Heat and Mass Transfer, Wiley, 2013.