[자동차] 라디에이터 캡이 사라진 이유? 가압식 냉각 시스템과 캐비테이션 완변 분석.

라디에이터 압력식 캡의 실종, 그 뒤에 숨은 가압식 시스템의 비밀.

구형(좌측)은 라디에이터에 금속 압력식 캡이 있지만, 신형은 라디에이터 캡이 없고 냉각수 보조탱크 캡이 그 역할을 대신하는 구조로 바뀌었습니다.

 

근래 자동차 설계에서 라디에이터 캡이 보조탱크로 옮겨진 것은

냉각 계통의 패러다임이 바뀌었음을 의미합니다.

 

 

기존 방식인 라디에이터 상단에 금속 압력식 캡을 장착하는 방식은

불완전한 가압과 에어 빼기 불리함이라는 분명한 한계가 있습니다.

 

이러한 한계가 부품부식과 오버히트라는 위험성을 낳습니다.

 

 

 

본 글에서는 금속을 깎아내리는 강력한 충격인 마이크로 제트 현상을 분석하고,

신형 차량들이 채택한 가압식 보조탱크 방식이 어떻게 압력을 다루어

캐비테이션 발생 가능성을 낮추고,

냉각 계통에 유입된 공기를 어떻게 해결하는지 상세히 다룹니다.

 

 

 

 

 

 

목차.
1. 라디에이터 압력식 캡이 사라진 이유.
2. 캐비테이션 현상과 극복한 원리.
3. 공기 빼기에 유리해진 이유.
4. 더 아름다워지는 이유.

5. 세 줄 요약.
 
 

 

 

 

1. 라디에이터 압력식 캡이 사라진 이유.

 

 

 

흔히 볼 수 있는 금속 재질의 라디에이터 압력식 캡 입니다.

 

최근 출시되는 차량들은 엔진룸을 열어보았을 때

위 사진에 제시한 라디에이터 압력식 캡이 보이지 않습니다.

 대신

 

보조탱크에 장착된 압력식 캡 입니다.

 

이러한 형태로 냉각수 보조탱크 뚜껑으로

압력식 캡이 장착되어 있는 것을 볼 수 있습니다.

 

 

압력식 캡이 사라진 것이 아닙니다.
보조탱크로 옮겨진 것뿐입니다.

 

 

왜 압력식 캡을 라디에이터에서 보조탱크로 옮겼을까요?

 

우선 라디에이터에 압력식 캡을 장착하게 되면

크게 세 가지 한계점을 발생시킵니다.

그 세 가지는
1. 캐비테이션으로 인한 부품손상 및 에어포켓 형성.
2. 냉각 라인의 자가적 공기 빼기 불리함.
3. 설계적 자유도 제한적.(공간적 비효율)
입니다.

압력식 캡을 라디에이터에서 보조탱크로 옮기면

단순히 압력식 캡의 위치만 변하는 것이 아닌

냉각수 순환 경로가 변하게 됩니다.

 

그에 따라 세 가지 한계점의 근본적 원인이 개선됩니다.

문제에 대해 살펴보며 원인이 무엇인지 까지 풀어보겠습니다.

 

세 가지 문제 중 치명적인 엔진의 적,
캐비테이션부터 자세히 살펴보겠습니다.
 
 

2. 캐비테이션 현상과 극복한 원리.

 
이 목차에서는 내용을 3가지로 나눌 수 있습니다.

1. 왜 기포가 생길까?(압력과 끓는점의 관계)

2. 금속을 깎아먹는 충격, 마이크로 제트.

3. 서모스탯을 바보로 만드는 에어포켓.

입니다.

 

들어가기에 앞서, 캐비테이션 현상이란

임펠러 형태의 펌프가 고속으로 회전할 때 발생하며

액체 속에 생긴 작은 기포 풍선들이 터지면서 발생하는 충격파가

마치 수만 개의 송곳처럼 펌프 임펠러를 찌르는 것과 같습니다.

 

 

1. 왜 기포가 생길까? (압력과 끓는점의 관계)

 

 

액체는 비압축성 유체이기 때문에, 열을 받으면 미세한 열팽창으로도

압력이 빠르게 상승하여 냉각계통의 안정적인 압력 상태를 형성합니다.

이를 위해서 냉각계통은 밀폐되어 있어야 합니다.

 

하지만 공기가 섞여있으면

안정적인 압력 상태가 되기까지 시간이 많이 소요됩니다.

 

공기의 방해.

냉각계통 내부에 캐비테이션 현상으로 인한 공기

즉, 용존공기가 모여 에어포켓을 형성합니다.

이러한 에어포켓은 유체 흐름을 불안정하게 만들고 워터펌프 흡입부의

유동조건을 악화시켜 국부적인 압력저하를 유발할 수 있습니다.

 

 

또한, 공기가 섞여있으면 냉각수의 열팽창 에너지가

먼저 공기층을 압축하는 데 사용되기 때문에

시스템 압력이 안정적인 상태에 도달하기까지 더 많은 시간이 필요합니다.

 

 

 

결국, 냉각계통에 공기가 존재하면 온도가 충분히 올라가기 전까지는

안정적인 압력 상태에 도달하기 어려운 구조적 한계가 있습니다.

 

 

 

그리고 안정적인 압력 상태가 되기 전에 워터펌프가 고속으로 회전하면

캐비테이션이 발생하기 쉬워지는 것입니다.

 

물론 엔진이 충분히 워밍업 되어 냉각계통에

안정적인 압력상태가 형성된 후에는 큰 문제가 없습니다.

 

실제 차량에서 탈거한 엔진워터 펌프 임펠러 날개가 보이게 촬영했습니다.

 

캐비테이션이란 유속이 급격히 빨라지는 곳(워터펌프 임펠러 끝단)의

정압'이 낮아져서 발생합니다.

 
냉각계통에서 캐비테이션 현상에는 압력이 매우 중요합니다.

왜냐하면, 압력이 낮을수록 끓는점이 내려가고,
압력이 높아질수록 끓는점이 올라가며,

압력의 롤러코스터로 인한 기화와 액화의 반복이 바로 캐비테이션으로 정의되기 때문입니다.

보통 1 기압에서 물은 100°C 에 끓기 시작합니다.
압력이 1 기압보다 높아지면 100°C 보다 끓는점이 높아집니다.
 반대로 1 기압보다 낮아지면  100°C 보다 끓는점이 낮아집니다.

 

 

결론적으로 냉각 계통에 안정적인 압력 상태에 못 미칠 때

워터 펌프에서 캐비테이션 현상 발생 가능성이 높아집니다.
 

이는 부품손상과, 에어포켓 형성이란 큰 문제를 야기합니다.

그렇다면 캐비테이션에 의한

이 두 가지 문제는 왜 발생할까요?

 

 

 

2. 금속을 깎아먹는 충격, 마이크로 제트.

 

캐비테이션 현상의 메인인 마이크로 제트입니다.

 

펌프의 흡입부에 안정적인 압력이 형성되지 못한 상태에서

임펠러가 회전하게 되면
임펠러에 국부적인 압력 가감 현상이 발생합니다.

 

이에 따라 압력이 낮아질 땐 냉각수의 끓는점이
낮아져 쉽게 끓어 기화되어 기포가 발생하고,
다시 압력이 높아지면 액체상태로 돌아오는 것을 반복합니다.

 

이 과정에서 기포가 소멸할 때 즉, 액체상태로 돌아갈 때

강력한 충격이 발생합니다.

한마디로 기포가 터질 때 강력한 충격이 발생한다는 것입니다.

캐비테이션으로 인한 마이크로 제트로 인해 임펠러 날에 파먹은 듯한 손상(곰보자국)이 발생한 사진.

출처 : https://www.britannica.com/science/cavitation
이 충격은 일 점에 집중되며 주요 부품들에 큰 대미지를 입힙니다.
이러한 기포들의 펀치 난타 현상을 마이크로 제트라 합니다.

 

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캐비테이션의 문제는 여기서 끝나지 않습니다.

 
 

 

3. 서모스탯을 바보로 만드는 에어포켓.

 

 

일반적으로 액체들에는 눈에 보이지 않는 공기들이 녹아있습니다.

이를 위에서 언급했듯 용존공기라 합니다.

 
마치 물에 설탕을 녹이면 부피는 늘어나는데 눈에 보이지 않듯
공기도 똑같이 액체에 분자상태로 녹아있습니다.
 

이 공기들은 냉각수가 캐비테이션 현상에 의해
끓는 순간 분리되었다가 액체로 돌아갈 때 다시 합쳐지지 않습니다.

 

 
분리된 공기들은 공기는 액체보다 가볍다는 물리법칙에 따라
냉각계통에 최상단부로 모여들고, 그곳에 에어포켓이 형성됩니다.

 

 

라디에이터에 압력식 캡이 설치된 방식에서는 

이 부분에서도 한계점이 존재합니다.

 

라디에이터 압력식 캡 방식에서 에어가 찬다면

어디라도 에어포켓이 생길 수 있습니다.

 

 

구조상 라디에이터, 엔진 등 주요 부품들의 높이가 비슷하기 때문입니다.

그리고 일단 에어포켓이 형성되게 되면 냉각 효율을 낮추며,

공기 빼기 작업을 하기 전까진 자연적 공기배출은 기대하기 어렵습니다.

 

하지만, 보조탱크 압력식 캡 방식은

보조탱크 자체가  시스템 전체에서 가장 높은 곳에 위치하여

공기가 자연스럽게 보조탱크에 모이도록 설계됩니다.

 

설계 철학 자체가 다른 것입니다.

 

 
냉각수는 일반적으로 라디에이터에서 열을 식힌 후

라디에이터 하부로 나와서
엔진의 하부로 들어가고, 다시 엔진 상부로 나와
라디에이터 상부로 들어가는 흐름입니다.

 

 

라디에이터 하부 -> 엔진 하부 -> 엔진 상부 -> 라디에이터 상부

순서로 무한 순환합니다.

라디에이터 압력식 캡 방식 냉각수 흐름도

 

 

여기서 가정을 해보겠습니다.
엔진 상단부를 냉각수의 출구라고 하고, 출구 부분에
서모스탯이라는 문이 있다고 가정해 봅시다.

 

냉각수온조절기라고도 불리는 서모스탯은 엔진 시동 초기에
냉각수가 아직 차갑기에 워밍업을 위해 길을 열어주지 않고,
냉각수가 엔진내부에서만 순환할 수 있게끔 할 것입니다.
 
만약 이때, 캐비테이션 현상이 발생한다면 에어포켓은 어디에 형성될까요?
엔진내부 순환 중, 엔진의 상단부인 서모스탯 부분에 집중적으로 모여들 것입니다.

서모스탯은 온도 상승에 따라 열팽창하며 개방되는
왁스 펠릿형이 주로 사용됩니다.

 

엔진 내부 온도는 100°C를 넘어가는데, 정작 온도를 감지해야 할 서모스탯은
60~70°C인 에어포켓(공기주머니)에 갇혀 있습니다.
공기는 액체보다 열전도 효율이 현저히 낮기 때문에 이런 온도차이가 발생합니다.
 
서모스탯 이 열팽창하지 못해 열리지 않으면,
엔진은 결국 '오버히트'를 넘어
피스톤과 실린더가 붙어버리는 대참사를 맞이하게 됩니다. 

 

 

 

서모스탯 단품 사진. 붉은색 원이 지글밸브이다.

물론 서모스탯에서는 공기를 빼주기 위한 작은 구멍(지글 밸브)이 존재하긴 하지만,
대량의 에어포켓 앞에서는 무용지물이 될 수 있습니다.

정비 tip.
서모스탯 조립 시 지글 밸브는 항상 위로가게 조립해야 합니다. 공기는 위로 가기 때문입니다.

 

냉각수 압력식 캡을 보조탱크로 옮기면,

즉, 가압식 보조탱크 방식을 채택한다면

에어포켓으로 인한 위험성을 크게 낮출 수 있습니다.

 

 

지금부터 압력식 캡을 보조탱크로 옮긴 형태를
가압식 보조탱크 방식이라 하겠습니다.
 
가압식 보조탱크 방식은

냉각계통에서 라디에이터 압력식 캡 방식과 다르게 

보조탱크까지 일체형으로 냉각수가 순환합니다.

 

보조탱크에는 냉각수가 적절하게 채워져 있고,

남은 공간은 공기로 채워져 있습니다.

 

이 공기는 시동 후 냉각수가 열팽창 함에 따라 압축됩니다.

공기는 압축성 유체이기 때문에 냉각수보다 쉽게 압축이 됩니다.

즉, 에너지가 저장됩니다.

 

빈 주사기를 입구를 막고 피스톤을 압축시키면

힘은 들어도 압축은 잘 됩니다.

그리고 손을 놓으면 피스톤이 처음 위치로 돌아가죠.

이 돌아가는 힘을 저장된다고 표현합니다.

 

이러한 공기의 압축되는 특성이 쿠션처럼 작용합니다.

냉각수는 비압축성 유체이기 때문에 불안정하게 팽창할 수 있는데,

이를 안정적이고 빠르게 규정 압력까지 도달할 수 있게 해 줍니다.  

 

때문에 캐비테이션 발생 가능성을 크게 낮춰줍니다. 

 

3. 공기 빼기에 유리해진 이유

 

이번 목차에서는 다시 2가지 목차로 나누어 볼 수 있습니다.

 

1. 에어가 차면 위험한 이유.

2. 가압식 보조탱크 방식에서 에어를 다루는 법.

 

 

 

1. 에어가 차면 위험하다.

 

냉각계통에서

에어포켓이 형성된다면 보통 냉각계통의 최상단 부인

라디에이터 상부코어, 엔진 실린더 헤드, 히터코어, 서모스탯 하우징 등에 

에어포켓이 형성됩니다.

 

 

 

1. 라디에이터 상부코어.

 

 

라디에이터 상부에는 압력식 캡이 설치되는데

압력식 캡은 이런 구조로 되어 있습니다.

 

라디에이터 압력식 캡 구조 단면도

 

가압밸브와 진공밸브 두 가지 밸브로 구성되어 있죠.

 

작동 원리는

냉각수가 엔진의 온도가 상승함에 따라 냉각수가 열팽창하고,

압력식 캡의 스프링을 밀어 올려

보조탱크로 이어지는 길을 열게 됩니다.

 

가압식 보조탱크 방식에서도 구조는 같습니다.

라디에이터 압력식 캡 방식에서는 가압밸브가 열릴 때 냉각수를 배출하지만,

가압식 보조탱크 방식에서는 공기를 배출합니다.

 

 

라디에이터 압력식 캡 방식을 기준으로 설명하자면

스프링을 들어 올릴 만큼만 냉각수가 보조탱크로 빠져나가

일정한 압력을 항상 유지하는 것입니다.

이것이 압력식 캡 가압밸브의 작동 원리입니다.

 

반대로 시동을 끈 후에도 압력식 캡은 중요한 작동을 합니다.

시동을 끈 후 냉각수는 온도가 내려가며

열팽창한 만큼 수축하게 됩니다.

이 수축 과정에서 냉각 계통에 진공이 형성됩니다.

 

이 진공이 압력식 캡을 빨아들여 진공밸브를 개방합니다.

이 진공의 힘만큼 보조 탱크의 냉각수를 빨아옵니다.

이것이 압력식 캡 진공밸브의 작동원리입니다. 

 

 

하지만 이 부위에 에어가 차있다면 압축이 잘 되는 에어는

압력식 캡의 개폐를 방해합니다.

 

 

엔진 시동 중 가압밸브의 작동이 지연되는 것은 걸림돌이 되지 않습니다.

다만, 압력식 캡의 진공밸브가 개방되지 않는다면 문제가 생길 수 있습니다.

냉각수가 부족한데 보충이 안 되는 것입니다.

 

기본적으로 냉각수가 부족하니 냉각효율이 저하되고,

보충이 안된 만큼 공기가 유입되기도 쉽습니다.

 

 

상부 냉각수 호스 찌그러짐

진공회복의 실패의 확실한 증거는

냉각수 상부 호스가 찌그러지는 현상입니다.

빨 때 끝을 막은 뒤 빨아들일 때 볼이 안쪽으로 푹 들어가듯 말입니다.

 

 

 

물론 어디에 에어가 차있던 진공밸브의 개폐의 영향을 줄 수 있습니다.

하지만 압력식 캡 바로아래 차있는 에어는 그 영향력이 매우 직접적입니다.

 

 

 

그리고 진공밸브의 작동불량은 단순히 냉각수 보충이 안 되는 문제만 초래하는 것이 아닙니다.

 

실제 정비 사례로 운전자 혹은 정비사가 냉각수 부족 상황자체를

모를 수 있다는 문제가 발생합니다.

 

 

왜냐하면 냉각수가 부족해도 진공밸브가 안 열려 보충이 안되니

보조탱크에는 냉각수가 어느 정도 차있을 것이기 때문입니다.

 

 

또한,

냉각수가 라디에이터에서 골고루 퍼져

모든 면적을 활용하며 냉각되어야 하는데

유입된 에어 때 문에 라디에이터에 데드존이 형성되어

일정부위에는 냉각수가 흐르지 못하게 됩니다.

 

냉각효율이 100%에서 80%로 저하되는 것이죠.

(수치는 비유입니다.)

 

 

2. 서모스탯 하우징.

 

이 부분은 첫 번째 목차에서 언급했듯 

 냉각수 온도가 100°C가 넘어가도 서모스탯이 개방되지 않는 문제가 발생할 수 있습니다.

 

 

 

3. 히터코어. 

 

이 부품은 겨울에 사용하는 히터의 열원입니다.

따뜻한 냉각수 대신 공기가 차있으니

엔진은 충분히 예열되었는데, 따뜻한 바람이 나오지 않습니다.

 

(실제 정비 사례로 주행 중 가속페달을 밟을 때 대시보드 쪽에서 물 흐르는 소리가 들릴 수 있습니다.)

 

 

4. 실린더 헤드.

 

실린더 헤드에 공기가 차게 되면 공기가 차있는 부분만

냉각이 되지 않는 국부적 과열 증상이 나타납니다.

 

이런 국부적 과열은 임의 1개소 실린더 손상이나

실린더 헤드 부품 자체에 열변형을 초래할 수 있습니다.

 

 

 

지금부터 가압식 보조탱크 방식에서

이런 에어를 어떻게 다루는지 풀어보겠습니다.

 

 

3. 가압식 보조탱크 방식에서 에어를 다루는 법.

 

라디에이터 압력식 캡 방식은 공기 빼기 작업이라는

수동적인 작업이 없다면, 공기 배출이 어렵습니다.

 

반면 가압식 보조탱크 방식은 냉각수를 순환하는 길목 자체에

보조탱크가 있습니다.

 

 

가압식 보조탱크 방식에서 보조탱크 뚜껑이 그냥 뚜껑이 아니라 압력식 캡인 사진

 

압력식 캡도 보조탱크에 장착되어 있습니다.

위치 또한 냉각계통의 최상단부가 되도록 설계됩니다.

 

 

 

보조탱크 상부에는 엔진헤드와 라디에이터 상부에 연결된

리턴 호스가 연결됩니다.

 

 

냉각수는 순환하며 보조탱크를 거칠 수밖에 없고,

보조탱크를 거치는 과정에서 에어는 분리되어 보조탱크의 상부에 모입니다.

 

보조탱크에 모인 에어는 냉각계통에서 열팽창에 대한 완충 역할을 해주는 에어쿠션이자

냉각계통이 안정적인 압력 상태에 빠르고 효과적으로 도달할 수 있게 해주는

압력조절기입니다.

 

혹시라도 엔진내부나 라디에이터에 에어가 유입되더라도

냉각계통 최상단부인 보조탱크로 올라올 수밖에 없는 구조입니다.

 

 

때문에 보조탱크를 제외한 모든 부분에 냉각수는 꽉꽉 차있게 됩니다.

 

 

이 구조는 주행 시에도 자동적으로 냉각수가 순환하며 자동적으로 에어 빼기가 되고,

냉각계통 정비 후에도 시동만 걸어 놓으면 에어 빼기가 되는

아주 편리하고 강한 이점이 있습니다.

 

엔진과 라디에이터에 냉각수가 부족하다면 기존의 압력식 캡이라는 장애물 없이 

즉각적으로 보충될 수 있는 구조이기도 합니다.

 

 

 

라디에이터에 압력식 캡이 설치되는 방식에서 공기는 제거해야 할 적이었지만,

가압식 방식에서 공기는 시스템을 보호하는 에어쿠션이자 압력 조절기로 재탄생했습니다.

 

 

4. 더 아름다워지는 이유.

 

테슬라의 에어로 디자인 실험 영상이 한 때 

마케팅으로 유용하게 사용된 적이 있습니다.

 

이런 밈을 한 번쯤은 보셨을 겁니다.

 

aero-dynamic-structure

출처 : https://www.youtube.com/shorts/DSN81tghGL0?feature=share

 

 

자동차에서는 이 공기역학적 이점을 살린 디자인이 요구되고 있습니다.

 

자동차에서 라디에이터는 전면에서 봤을 때

보이는 그릴 바로 뒤에 있습니다.

 

이 부분에 라디에이터 캡이 설치되어 그만큼 소요 공간이 올라간다면

엔진룸 본넷의 높이가 올라갈 수밖에 없습니다.

 

하지만 이런 돌출된 캡을 없애버리고,

원래부터 있던 보조탱크의 뚜껑만 압력식으로 바꾸면 되니

공간적 효율이 상승하게 되는 것입니다.

 

 

결국 라디에이터 캡이 사라진 것은 엔진을 보호하려는 공학적 진화이자,

자동차를 더 낮고 아름답게 만들려는 디자인의 승리인 셈입니다.

 

 

 

5. 세 줄 요약.

 

1. 캡의 위치 변화는 단순한 이동이 아닌 냉각 경로의 혁신이다.

2. 캐비테이션을 억제하고, 셀프 공기 배출로 냉각 효율을 상승시킨다.

3. 부품의 간소화로 더 낮고 날렵한 디자인을 만든다.

 

 

 

 

이제 엔진룸을 열었을 때 당황할 필요 없습니다.

대신, 라디에이터 캡이 보이지 않아 당황하고 있는 지인이 있다면

어깨를 으쓱하며 알려주는 쏠쏠한 재미를 느끼실 수 있습니다.

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.