| 초록 |
자동차의 냉각 시스템에서 캐비테이션은 냉각수 온도에 따라 결정되는 증기 압력보다 국부으 로 압력이 낮아지는 구간에서 발생한다. 워터펌의 작동 조건에 따라 냉각수 흡입부에서 격히 낮은 압력이 발생하는데 냉각수의 증기압보다 낮은 압력이 발생할 경우 끓는이 낮아져 냉각수가 증기로 기화하는 캐비테이션 상이 나타난다. 이때 발생한 증기 기포가 블이드의 토출 부로 진 행하면서 냉각수의 압력이 다시 증기압보다 높아져 격히 액체 상태로 변하게 되는데 이 과정에서 블이드 벽면의 부식이 발생하여 워터펌의 성능을 하하는 원인이 되고, 소음이 발생한다. 워터펌의 회수가 높을수록 펌 토출 압력은 증가하지만, 흡입부 압력은 이와 비례하여 감소하기 때 문에 캐비테이션의 발생 확률이 높아진다. 냉각수 온도가 높을수록 증기 압력이 증가하기 때문에 증기 압력 보다 낮은 압력 구간이 많아질 수 있으며, 냉각수에서 부동액(Ethylene glycol)의 함유량이 을수록 순수 물의 비율이 증가하여 증기 압력을 상승시키기 때문에 캐비테이션이 발생하기 쉬운 조건이 된다. 연료 지 자동차의 스택과 라디에이터, 히터로 순환되는 냉각 시스템은 민감한 온도 제어를 요구하기 때 문에 자식 밸를 이용하고 있으며 밸의 회 각도에 따라 냉각 라인의 각 구성요소에서 유입되는 유량 을 냉각수 온도에 따라서 능동으로 제어한다. 고출력 모드에서는 라디에이터로 흐르는 유로를 최로 개방 하여 스택 온도를 낮추도록 하는데 냉각수 온도가 최치로 상승하고 워터펌의 회수도 높기 때문에 캐비 테이션이 발생할 가능성이 있다. 따라서 연료 지 자동차의 냉각 시스템에서 냉각수 온도 제어를 한 다유 로 밸와 워터펌에서 캐비테이션의 발생 가능성에 한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 연료 지 자동차의 고출력 모드의 워터펌 회수 5,000 rpm, 토출 유량 220 L/min의 고정 조건에서 작동유체가 순수 물과 부동액을 5:5로 혼합한 냉각수일 경우 순수 물일 경우, 각각 냉각 라인 온 도 85℃, 100℃의 두 가지 조건에서의 캐비테이션 발생 가능성을 CFD 열유동 해석을 통해 확인하다. Fig. 1 에 순수 물과 부동액을 5:5로 혼합한 냉각수 온도가 85℃일 경우의 캐비테이션 해석 결과를 나타내었다. 증기 압력은 45 kPa이며 밸와 펌에 발생한 최 압력은 50 kPa로 증기 압력보다 높기 때문에 캐비테이션은 발 생하지 않는다. Fig. 2는 같은 조건에서 순수 물일 경우의 해석 결과이며 이때의 증기 압력은 57.9 kPa이나 최 압력은 60 kPa이므로 역시 캐비테이션이 발생하는 조건이 되지 않았다. Fig. 3과 Fig. 4는 와 같은 작동 조 건에서 각각 냉각수와 순수 물일 경우 냉각 라인 온도만 100℃일 때의 캐비테이션 발생 가능성을 나타내었다. 냉각수의 증기 압력은 79 kPa, 순수 물의 증기 압력은 101 kPa로 이보다 낮은 압력 구간은 블이드의 흡입부 에서 주로 발생하며 캐비테이션이 발생하는 것으로 나타났다. 이와 같이 작동유체가 고온일 경우의 해석을 진행하여 캐비테이션의 발생 조건에 대해 알아보았다. 실제 연료 전지 자동차 냉각 시스템의 평균 온도는 6 0℃ 정도이며, 고출력 모드라 하더라도 85℃ 아래로 유지되기 때문에 연료 지 자동차의 정상 운전 조건에서는 캐비테이션이 발생하지 않을 것으로 판단된다. |
