최근 삶의 질 향상과 기술의 발달로 인해 자동차의 고급화와 성능향상이 이루어지고 있다. 그에 따라 소비자들의 자동차에 대한 관심도 출력, 연비 등에서 진동, 소음, 쾌적함 등으로 옮겨 가고 있다. 자동차 회사는 설계 단계부터 실험을 통해 자동차의 공조 경량화에 대한 관심이 커져가고 있다. 자동차 공조업계 또한 이러한 추세를 반영하여 열교환기의 주요 소재를 동, 구리에서 알루미늄으로 변경하고 구조를 소형화 하는 등, 공조시스템의 소형 경량화를 위해 온 힘을 쏟고 있다.
본 연구에서 다루는 라디에이터와 같은 경우 이미 1980년대에 알루미늄으로 변경되어 재질의 변화를 통한 경량화는 어려운 실정이나, 일반적인 열 장치에 투입되는 열교환기에 비하여 사용 환경이 양호하여 기술 발달에 대한 수요가 적었고 형상 변경을 통한 소형화, 경량화에 대한 가능성이 충분하다.
본 연구에서는 라디에이터 형상변수 변경을 통해 경량화를 이루고 형상변수 변경에 대한 라디에이터 모델을 케이스 별로 정리해 수치해석을 통해 열전달률과 열전달 계수를 구하고 케이스모델들과 열전달 성능을 비교하고자 하였으며, 크게 세 가지 주제로 나누어서 수치해석을 진행하였다.
수치해석에 사용된 프로그램은 상용코드인 Ansys fluent를 사용해서 수치해석을 진행 하였고 기본 경계조건은 선행연구를 참고하여 설정하였다.
첫 번째 케이스인 방열 핀의 폭을 감소시켰을 시 방열 핀의 폭이 감소하면서 그에 따라 방열 핀의 면적이 순차적으로 줄어듬으로써 전체라디에이터의 방열 면적이 감소하게 되고 그에 따른 열전달률()과 평균 UA값이 감소하는 것을 볼 수 있다. 또 한 초기에는 비슷한 온도로 냉각수 온도가 감소하다가 출구 쪽에 가까워질수록 방열 면적이 상대적으로 작은 순으로 온도 감소폭이 감소하는 것을 알 수 있다. 마지막으로 열전달률() 감소율과 라디에이터 무게감소율 수치 값이 비슷한 경향을 가지고 있다.
두 번째 케이스인 냉각수로와 방열 핀의 폭을 동시에 감소 시켰을 시 냉각수로의 폭과 방열 핀의 폭이 감소하면서 첫 번째 케이스와 마찬가지로 그에 따라 전체 면적이 순차적으로 줄어둠으로써 전체라디에이터의 방열 면적이 감소하게 되고 감소에 따른 열전달률()과 평균 UA값이 감소하는 것을 볼 수 있다. 또 한 냉각수로의 폭과 방열 핀의 폭이 동일한 치수로 감소했을 때와 방열 핀의 폭이 좀 더 큰 치수로 감소했을 때의 열전달률()를 비교하면 방열 핀의 폭이 좀 더 큰 치수로 감소했을 때의 열전달률()이 상대적으로 소폭 감소했음을 알 수 있고 냉각수로의 폭 변화로 인한 냉각수유입속도의 변화가 있었으나 열전달률()에 크게 영향을 끼치지 못하였다. 마지막으로 라디에이터의 경량화 측면 관점에서 볼 때 냉각수로의 폭과 방열 핀의 폭이 동일하게 감소했을 때보다 방열 핀의 폭이 좀 더 큰 치수로 감소했을 때가 유리하다. 열전달률 감소율은 0.74 %차이가 나지만 질량 감소율은 2.51 %가 차이나기 때문이다.
세 번째 케이스인 냉각수로의 높이와 방열 핀의 폭을 감소 시켰을 시 냉각수로의 높이와 방열 핀의 폭이 감소하면서 첫 번째 케이스와 마찬가지로 전체 면적이 순차적으로 줄어듬으로써 전체라디에이터의 방열 면적이 감소하게 되나 열전달률()과 평균 UA값이 기본 라디에이터 모델 대비 증가한다. 또 한 냉각수 유입 단면적이 큰 폭으로 감소되어 냉각수유입속도가 크게 증가함으로써 열전달률()증가에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 마지막으로 라디에이터의 경량화 측면 관점에서 볼 때 냉각수로의 높이만 감소했을 때보다 방열 핀의 폭이 같이 감소했을 때가 유리하다. 열전달률 증가율은 0.15 %차이가 나지만 질량 감소율은 4.13 %가 차이나기 때문이다.
수치해석 결과 라디에이터가 경량화를 이루면서 열전달률()이 기존과 동일하거나 증가하는 조건을 찾을 수 있었다. 라디에이터의 열전달률()은 냉각수유입속도에 가장 큰 영향을 받으며 냉각수로의 높이 감소와 더불어 방열 핀의 폭을 감소시키는 케이스가 가장 큰 열전달률 증가율과 본 연구 케이스 중 2번째로 높은 질량 감소율을 보였다.

Recently, improvements in quality of life and technology have resulted in enhanced car luxury and performance. As a result, consumers'' interest in cars has shifted from output and fuel efficiency to vibration, noise and comfort. Automotive companies are increasingly interested in making their cars lighter through experiments from the design stage. Reflecting this trend, the automotive air-conditioning industry is also working hard to make the air-conditioning system smaller and lighter, with major materials of heat exchangers being changed from copper to aluminum and the structure being miniaturized.
In the same case as the radiator covered in this study, lighter weighting has already been changed to aluminum in the 1980s through material changes, but the use environment is better than the heat exchangers used in general heat units, resulting in less demand for technological development and more potential for miniaturization and lightening through shape changes.
In this study, the radiator model for shape change was made light by changing radiator shape variables, and the radiator model for shape change was compiled by case by case, the heat transfer rate and heat transfer coefficient were obtained through numerical analysis, and the heat transfer performance was compared with the case models, which were largely divided into three topics for numerical analysis.
The program used for numerical analysis conducted a numerical analysis using the commercial code, Ansys Fluent, and the basic boundary conditions were set by referring to the preceding study.
In the first case, if the width of the heating pin is reduced, the width of the heat shielding pin is reduced, thereby decreasing the area of the heat shielding pin sequentially, thereby reducing the heat discharge area of the entire radiator, thereby reducing the heat transfer rate () and the average UA value. In addition, the cooling water temperature decreases to a similar temperature in the beginning, but as the area of the cooling water decreases to a relatively small order as it nears the exit side. Finally, the heat transfer rate () reduction rate and the value of the radiator weight reduction rate figure are similar.
If the width of the second case is reduced simultaneously, the width of the cooling water and the width of the heating pin is reduced, so as in the first case, the total area of the radiator is reduced sequentially, resulting in a reduction of the heat transfer rate () and the average UA value. In addition, by comparing the heat transfer rate () when the width of one cooling water and the width of the heating pin decreased to the same dimension and the width of the heating pin decreased to a larger dimension, the heat transfer rate () when the width of the cooling water decreased relatively slightly and there was a change in the coolant flow rate (which did not significantly affect the heat transfer rate(). Finally, from the standpoint of the lightening side of the radiator, it is advantageous to reduce the width of the heating pin to a larger dimension than if the width of the cooling water and the width of the heating pin were reduced equally. This is because the reduction rate of heat transfer rate is 0.74 % different, but the reduction rate of mass is 2.51 % different.
If the height of the cooling water and the width of the heating pin are reduced in the third case, the height of the cooling water and the width of the heating pin are reduced sequentially, as in the first case, reducing the total area of the radiator, which increases the heat transfer rate () and the average UA value compared to the basic radiator model. In addition, it can be seen that the cross-sectional area of coolant inflow decreases significantly, significantly increasing the coolant flow rate, which greatly affects the increase of heat transfer rate (). Finally, from the standpoint of the lightening side of the radiator, it is advantageous when the width of the heating pin is reduced by the same as when the height of the cooling water is reduced only. This is because the growth rate of heat transfer rate is 0.15% different, but the reduction rate of mass is 4.13% different.
The numerical analysis found that the heat transfer rate () was equal to or increased as the radiator was lightened. The heat transfer rate () of the radiator is most affected by the coolant flow rate and showed the largest heat transfer rate increase rate and the second highest mass reduction rate in this study case with the case reducing the width of the heat release pin along with the reduction in height to the coolant.