Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 5 pp. 2628-2634, 2014 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2014.15.5.2628 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 차우섭 1, 김태권 2* 1 계명대학교대학원기계자동차공학과, 2 계명대학교기계자동차공학과 Heat transfer characteristics with materials of the filler and flow path in vehicle washer heater system WooSubCha 1 andtaekwonkim 2* 1 DepartmentofMechanicalEngineering,GraduateSchool,KeimyungUniversity 2 DepartmentofMechanicalandAutomotiveEngineering,KeimyungUniversity 요약동절기에차량전면유리의결빙이나이물질을제거하기위하여워셔액가열시스템적용이점차늘어나고있다. 이 워셔액가열시스템은짧은시간동안목표온도까지워셔액이가열되도록설계되어야한다. 본연구에서는급속하게워셔액 을가열하기위하여차량워셔액가열시스템의내부부품의재질에따라열전달특성을해석하였다. 해석을위해열유동 전산해석에서사용하고있는 CFD(ComputationalFluidDynamics) 상용코드인 ANSYS-FLUENT 소프트웨어를이용하였 다. 본모델은 3 차원비정상상태의축대칭모델로 Fluent 에서제공하는압력기반 (Pressure-Based) 기법중의하나인 Coupled 기법을적용하였다. 이결과를통하여충전재및유로의최적화된재질을찾게되었다. 충전재재질은낮은밀도를가진공기 가실리콘카바이드보다빠르게가열되었다. 유로재질은니켈보다열전달계수가약 4 배정도큰구리가내부에열을균일하게 전달되어메탄올의가열시간을단축하여효율이더높게나왔다. Abstract Vehicle washer heater system is more widely adopted to defrost a window or to clear the windshield glass in winter season. The washer heater system should be designed to heat up washer fluid rapidly to the target temperature for only a short time. A numerical analysis has been carried out to analyze the heat transfer characteristics with materials of inside parts in vehicle washer heater system with filler and flow path. ANSYS - FLUENT software is employed for the analysis. The axial symmetry model is three-dimensional and unsteady. It applies to the coupled method which is one of pressure based. Through this result, it was obtained to find the optimal material condition for the filler and flow path in washer system. For material of filler, the air with lower density was heated more rapidly rather than silicon carbide(sic). For material of flow path, copper with the heat transfer coefficient of approximately four times greater than the nickel gives us higher efficiency. That is the reason why the heating time of methanol was reduced to make uniform temperature in washer heater system. Key Words : CFD, Heat transfer, Unsteady, Vehicle washer heater. 1. 서론 사회의성장과발전에따라자동차의필요는선택의 문제가아니라필수로자리를잡아가고있다. 자동차는 과거의단순운송수단의의미에서현재는업무, 문화, 여가활동과생활공간등으로급속히발전하고있다. 소비자들의요구에따라기술이발전하고여러첨단장치들이자동차개발에적용됨에따라운전자들은보다편리 본연구는산업통상자원부 한국산업기술진흥원지정계명대학교전자화자동차부품지역혁신센터 (B0008866) 의지원에의한것입니다. * Corresponding Author : Tae Kwon Kim(Keimyung Univ.) Tel: +82-53-580-5551 email: tkkim@kmu.ac.kr Received January 3, 2014 Revised (1st February 27, 2014, 2nd March 4, 2014) Accepted May 8, 2014 2628
하고안전하게운행할수있게되었다. 자동차의안전및편의성문제와관련한분야중에서전면유리의시야확보에관련한연구들이중요시되고있다. 기존의차량에장착된일반워셔액분사시스템은겨울철에전면유리의결빙문제나먼지등의이물질들을제거하는데한계가있다. 이의개선을위하여워셔액가열시스템을통해워셔액을급속하게가열하여분사함으로써짧은시간에시야확보에방해가되는이물질들을제거하여운전자의시야확보가가능하게하는기술이최근주목받고있다 [1-4]. 워셔액가열시스템의주안점은짧은시간동안목표온도까지워셔액을가열시키는것으로볼수있다. 급속하게워셔액을가열하기위하여기계적측면으로워셔액가열시스템의재질의선택을들수있다. 열전달율이좋은재질을사용한다면목표온도에도달하는시간이짧아질것으로예상된다. 본연구에서는열유체전산해석에서사용하고있는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 상용코드인 ANSYS-Fluent 소프트웨어를이용하여차량워셔액가열시스템내부부품의재질에따른열전달특성을해석하였다. 이결과를통하여열효율을구함으로써보다효과적인충전재및유로의재질을구하였다. 2 는 Fig.1 의해석을위한워셔액가열시스템의모델링 단면이고, 점선부분은용접되어있다고가정하였으며 가열체와유로간에면접촉을하였다. 위의모델은위, 아래, 좌, 우모두대칭구조이며해석 계산시간을줄이고자 Fig.1 의워셔액가열기의 1/4 단면 을모델링하였다. 격자의개수는 6,358,567 개이며, 모두 Tetra/hybrid 격자를사용하였다. [Fig. 2] Modeling of cross-section of the washer fluid heating system 2.2 해석조건 2. 해석 2.1 모델링 Fig.1 는모델링을위한도면으로써워셔액가열시스 템의가열기, 유로, 바디의치수와형태를나타낸다.Fig. [Fig. 3] Shape of washer fluid heating system [Fig. 1] The drawing for modeling Fig.3 은워셔액가열시스템의구조형상을나타낸것이다.a 는가열기를감싸고있는형태로재질은플라스틱이다.b 는워셔액이채워져가열되는공간이고,c 는가열체의표면이고재질은구리이다.d 는가열체표면과발열체사이에절연역할을해주는산화마그네슘이고, e는가열체의중심부로열을발생시키는발열체이고, 재질은칸탈이다. 칸탈은저항발열체로고온의사용을견딜수있다.f 는유로이며재질에따라열전달해석을할부분이다.g 는충전공간으로써충전재가들어갈공간이고, 이곳또한재질에따라열전달해석을해야될부분이다. 2629
한국산학기술학회논문지제 15 권제 5 호, 2014 [Table 1] Materials of fluid path and filler Case1 Case2 Case3 Case4 Flowpath(f) Copper Copper Nickel Nickel Filer(g) Air SiC Air SiC (3) Table1 은 Case 별충전재와유로의재질을나타내었다. 유로의재질은보편적으로사용되고있는구리와비교적높은비열과낮은열전도도로형성되어있는니켈을비교하였고, 충전재의재질은공기와밀도와열전도가높은실리콘카바이드를비교하였다. 2.3 해석방법전산해석은서론에서언급하였듯이 CFD(Computational FluidDynamics) 사용코드인 Fluent 소프트웨어를이용하였다.Fluent 는유동장을수치적으로예측하기위하여수치계산영역을적절한수의제어체적으로분할한후지배방정식을제어체적에관하여적분하는유한체적법 (Finite Volume Method) 을사용하며유동장해석은 Patanka 에의하여제안된 SIMPLE 알고리즘을채용한다 [5]. 본연구는비정상상태의지배방정식으로식 (1) 은연속방정식이고식 (2)~(4) 는 x,y,z 방향의운동량방정식이다. 그리고식 (5) 은열전달방정식이다. (1) (4) (5) 본모델은비정상상태의중력을고려한 3 차원축대칭 이며, 에너지방정식을이용하였고,Fluent 에서제공하는 압력기반 (Pressure-Based) 기법중의하나인 Coupled 기 법을적용하였다. 비정상상태의가열시간은 60 초로가정 하였다. 경계조건은외기온도를영하 20 C 로가정하였으 며, 자연대류로열전달계수는 6W/m 3 K 으로설정하였다. Table2 는해석에필요한물성치를나타내었다. 워셔 액은메탄올로대체하였으며, 이물성치는 Fluent 에서 제공하는데이터베이스를기반으로이용하였다. 식 (6) 은 열원 (HeatSourceTerm) 을나타내는식으로 V 는전압 이고,R 는저항이고, 는체적이다. (2) (6) [Table 2] Properties for analysis Density (j/kg-k) Cp (w/m-k) ThermalConductivity (kg/m-s) Viscosity (kg/m-s) ThemalExpansion Coeficient(1/k) Copper MgO Kantal SiC Air Plastic Methanol Nickel 8978 3580 7100 3100 1.225 1.25 785 8900 381 889 552 675 1006.43 0.46 2534 460.6 387.6 51.6 11 180 0.0242 2.8 0.2022 91.74 1.7894 10-5 5.495 10-4 1.65 10-5 1.3 10-5 1.3 10-7 5 10-6 3.43 10-3 1.2 10-5 1.22 10-3 1.34 10-5 2630
전압은자동차공회전시전압으로약 13.5V, 저항은칸탈의저항인 0.911Ω 으로설정하여모델링되어진체적은 4.6262 10-8 m 3 이다. 식 (6) 의 Q ' 은열원의값으로 4.3243 10-8 +09W/m 3 로설정하였다. 3. 분석토의 3.1 해석결과 Fig.4 는 60 초후의 Case 별온도분포를나타낸것이고, 발열체에동일한에너지를투입하였다.Fig.4(a) 는유로가구리일때충전재는공기인 Case1 의온도분포로발열체먼곳까지많은열이균일하게전달되어대체적으로온도가높음을알수있다. 유로인구리는열전도율이높고, 충전재인공기는비열은비록높으나밀도는아주작아실리콘카바이드보다빠르게가열되는것으로사료된다. Fig.4(b) 은유로가구리일때충전재는실리콘카바이드인 Case2 의온도분포로비교적열이균일전달되지만, 온도가 Case1 에비해메탄올의온도가낮다. 위에서언급하였듯이실리콘카바이드의밀도가매우높아공기보다느리게가열되는것으로생각된다.Fig.4(c) 은유로가니켈일때충전재는공기인 Case3 의온도분포를나타낸것으로다른 Case 에비해발열체와가열기표면의온도가높아진다. 이는물성치로알수있듯이구리보다니켈이열전달계수가낮아열전달이잘되지않아발열체와가열기표면에열이집중이되는것으로사료된다. Fig.4(d) 는유로가니켈일때충전재는실리콘카바이드인 Case4 의온도분포이고, 가열공간속에메탄올의온도가낮음을확연하게알수있다. 이는열전도율이낮은니켈이유로이고, 또한높은밀도의실리콘카바이드가충전재로사용되어메탄올에열전달이잘되지않는것으로사료된다. Fig.5 는워셔액가열시스템의중심단면에온도를측정한위치이다.60 초동안각위치에따른온도의변화를알아보기위하여위치를지정하였다. Fig.6 은 Case 별 60 초동안 Fig.5 에서나타낸위치따른온도분포를나타낸것이다. 모든Case 는위치별온도가 1,5,2,3,4,6,7 순으로높게나타났다.Case1 과 Case2 는유로의재질이구리로비슷한온도경향을보이고, 위치별온도의차이가대체적으로작다. 하지만 Case3 과 Case4 는유로의재질이니켈로인하여비슷한 온도경향이보이고, 위치별온도의차이는 Case1 과 Case2 의보다비교적크다. 이는충전재의재질보다유 로의재질에의해위치별온도의차이가결정되는것으 로예상된다. 워셔액가열시스템에서가장중요한영역 은메탄올이채워져있는위치 6,7 이다. 이영역의평균 온도는모든 Case 중에서유로가구리이고, 충전재가공 기인 Case1 가장높다는것을알수있다. 이는구리의 높은열전달계수와공기의낮은밀도로인하여다른 Case 의비해유로에서빠르게열전달되었고, 공기가빠 르게가열되기때문인것으로예상할수있다. (a) (b) (c) (d) [Fig. 4] Temperature distribution after 60 seconds (a) Case1 (b) Case2 (c) Case3 (d) Case4 2631
한국산학기술학회논문지제 15 권제 5 호, 2014 [Fig. 5] Location of temperature measurement [Fig. 7] Temperature distribution of A-A' cross-sectional (a) (b) (c) Fig.7 은 A-A' 단면의온도분포를보여주고있다.a 구간은열원으로온도가가장높은영역이고,b 구간은산화마그네슘이고발열체를절연시켜주지만, 낮은열전달율로인하여열원으로부터멀어질수록열이많이전달되지않아온도가급격히떨어지는구간이다. c구간은가열체의표면인구리재질로높은열전도율로인하여온도가대체적으로일정하게유지되는것을알수있다.d 구간은충전공간으로써 Case1 과 Case2 는온도의변화가많이없지만,Case3 와 Case4 의온도가급격히낮아지는것을알수있다. 이는니켈인유로에서충전공간에열전달이잘되지않은것으로사료된다.e 구간은유로로 Case1 와 Case2 는구리재질로온도가거의일정하게유지되는반면에 Case3 와 Case4 는니켈재질로온도가낮아진다. 위와같은이유로니켈의열전달율이구리의열전달율보다낮기때문이다.f 구간역시충전공간으로유로의재질이니켈인 Case3 와 Case4 의온도가발열체에서멀어질수록온도가급격히낮아진다. 이는열원에서멀리떨어져있는영역까지열전달이잘되지않아온도가낮은것으로사료된다.g 구간는가열기를감싸고있는플라스틱으로모든 Case 의온도가일정하게유지되고이구간은외기로인한자연대류가일어나는구간이다. (d) [Fig. 6] Temperature distribution with position during 60 seconds (a) Case1 (b) Case2 (C) Case3 (d) Case4 2632
[Fig. 8] Temperature distribution of B-B' cross-sectional 밀도,c p 는비열,V 는체적,T e 는완료시점평균온도,T s 는시작시점평균온도이다. 해석결과에따른 Case 별메탄올의온도와 1.743 10-5 m 3 인체적으로메탄올의열량을도출하였다. 식 (8) 의 Q in 은히터의열량을나타낸식이다.Q in 은열원의열량이고,V는열원의체적으로 4.6262 10-8 m 3 이며,s 는가열시간으로 60 초이다. 이는워셔액가열시스템의특성상가열온도상승률이중요함으로최대가열시간으로임의로기준을세운것이다. 식 (9) 의 ƞ은열효율을나타내는식이다. 식 (7),(8) 에서얻은결과를식 (9) 에대입시켜 Fig.9 와같이열효율을나타내었다.Case1 의경우가 23.89%, 으로가장높게나타나고있다. Fig.8 은 B-B' 단면의온도분포를보여주고있다.a 구간은열원인칸탈이며온도가가장높은구간이고,b 구간은절연재인산화마그네슘으로낮은열전달율로인하여열원으로부터멀어질수록온도가급격히떨어지는구간이다.c 구간은가열체의표면인구리재질은높은열전달율로온도가대체적으로유지되고 Case3 은가열체의표면에열이집중되어있어온도가모든 Case 중에서가장높게나타났다 d구간은유로이며 Case3 은온도가다른Case 에비해온도의변화량이크다이는표면에서집중된열이가까운유로영역에서는높은열을가지고있으나멀어질수록온도가감소하는것을알수있다.e 구간은메탈올의온도로유로의온도보다급격히낮고, 가열된메탄올에인하여대류되어메탄올중심의온도가조금더높음을알수있다.f 구간은유로로가열체와 d구간보다온도가낮지만, 온도는대체적으로일정하게유지된다.g 구간은가열기를덮고있는플라스틱으로외기로인한자연대류가일어나는부분이며, 이구간또한온도가거의일정하게유지된다. 3.2 효율효율을도출하기위해서수치해석으로나온결과를바탕으로한다. (7) (8) (9) 식 (7) 의 Q out 은메탄올의열량을나타내는식으로 ρ는 [Fig. 9] The thermal efficiency at each case 4. 결론본연구에서는 CFD(ComputationalFluidDynamics) 사용코드인 Fluent 소프트웨어를이용하고, 메탄올의상변화는고려하지않고자동차워셔액가열시스템의열유동특성을해석하였으며, 그결과를요약하면아래와같다. 1. 동일한에너지를투입하였을때 Case1 의경우는발열체먼곳까지많은열이균일하게전달되었음을알수있으나 Case3 은발열체와가열체표면에열이집중되어있음을알수있다. 2. 공통적으로같은가열체의표면은구리재질로온도변화가거의없음을알수있고, 유로재질이구리인 Case1 과 Case2 는열전달계수가유로재질이니켈인 Case3 과 Case4 보다약 4배정도커열이균일하게전달됨을알수있다. 3. 가열공간속메탄올의온도는유로에서멀어질수 2633
한국산학기술학회논문지제 15 권제 5 호, 2014 록점차낮아지고메탄올의중심영역에서는온도가상승하는것을알수있는데이는메탄올이가열되어대류가일어나그영향으로메탄올의중심영역에서의온도가상승하는것으로예측된다. 4. 수치해석된결과를토대로 Case 별메탄올의열량과히터의열량으로열효율도출한결과 Case1, Case3,Case2,Case4 의순으로효율이높게나왔다. 5. 본연구에서는메탄올의상변화를고려하지않고열유동특성을해석하여메탄올의온도가지속적으로증가하게된다. 추후상변화의대한방법을개선한후연구가필요하다. 김태권 (TaeKwonKim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 연소공학 1981 년 3 월 ~ 1995 년 8 월 : 한국기계연구원실장 1992 년 8 월 : 한국과학기술원기계공학과연소공학전공 (Ph.D.) 1996 년 3 월 ~ 현재 : 계명대학교기계자동차공학과교수 References [1] Gensonic, Inc., Window cleaning fluid heating system having timer-controlled heater and differential input circuit, US patent, 5354965, 1992. [2] Siemens VDO., Apparatus for warming a washer liquid for a windscreen washing device, EP, patent 0870657, 1998. [3] L. A. Bissonnette, D. G. Harris, M. A. Pattison, Fluid heater, US Patent, 6912357, 2002. [4] Continental automotive electronics private company, Washer fluid heating system of vechicle, KR patent, 100973708, 2010. [5] S. V. Patankar, Numberical Heat Transfer and Fluid Flow. New York: McGraw-Hil, 1980. 차우섭 (WooSubCha) [ 준회원 ] 2013 년 2 월 : 계명대학교기계자동차공학 ( 학사 ) 2003 년 3 월 ~ 현재 : 계명대학교기계자동차공학대학원생 < 관심분야 > 연소공학 2634