KR102061746B1 - 냉각장치 및 이를 포함하는 온도 조절 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 냉각장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치는, 외부로부터 열을 전달받아 내부에 수용된 액상의 작동유체가 기화되는 증발부와, 증발부 상부에 위치하며, 열을 외부로 방출하고 기상의 작동유체가 응축되는 응축부와, 증발부와 응축부를 연결하며, 증발부에서 기화된 기상의 작동유체가 이동하는 제1 유동관과, 응축부와 증발부를 연결하며, 응축부에서 응축된 액상의 작동유체가 이동하는 제2 유동관, 및 제2 유동관에 설치되어, 액상의 작동유체의 유동을 제어하는 개폐유닛을 포함하되, 증발부, 제1 유동관, 응축부, 및 제2 유동관은 내부에 작동유체가 밀봉되어 폐루프를 이룰 수 있다.

Description

냉각장치 및 이를 포함하는 온도 조절 시스템{Cooling devices and Temperature control system including the same}
본 발명은 냉각장치 및 이를 포함하는 온도 조절 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열손실을 최소화할 수 있는 냉각장치 및 이를 포함하는 온도 조절 시스템에 관한 것이다.
최근 IT(information technology) 산업이 급격하게 발전함에 따라 데이터센터, 기지국, 에너지저장시스템(ESS, energy storage system) 등의 IT 관련설비가 대량으로 필요하게 되었다. 이러한 설비들은 통상 전력소모가 많고 동작 과정에서 열이 발생하여 적절하게 온도를 유지시킬 수 있는 냉각장치가 필요하다.
일반적으로 각종 발열체를 냉각시키기 위하여 증기압축 냉각장치가 사용된다. 증기압축 냉각장치는 압축, 응축, 팽창, 증발이라는 냉동사이클로 동작하며, 열을 저온부에서 고온부으로 이동시켜 저온부의 온도를 낮추어 발열체를 냉각시킨다. IT 관련 설비에도 이와 같은 일반적인 냉각장치들이 사용되고 있다.
하지만, 냉각장치를 사계절 내내 운전하게 됨에 따라 운전을 위하여 과도한 냉각부하가 발생하는 문제가 발생하였다. 이에 냉각부하를 줄이고자 루프 열사이폰을 적용한 냉각장치를 개발하기 시작하였고, 외기온도와 발열체가 수용된 공간의 실내온도의 온도차를 이용하여 실내를 냉각하는 방식으로 냉각효율을 높이고자 하였다. 그러나, 이러한 루프 열사이폰 방식의 냉각장치는 겨울과 같이 외부 기온이 매우 낮을 때, 발열체가 과냉각되는 문제가 발생하게 된다. 예를 들어, 에너지저장시스템(ESS)은 배터리가 과냉각되면 수명이 줄어드는 문제가 있어, 겨울에는 오히려 히터를 이용하여 온도를 높여주어야 한다. 이때, 루프 열사이폰 방식의 냉각장치는 히터로부터 공급되는 난방열을 냉각시킬 수 있어, 이를 방지하기 위한 구조가 필요하게 되었다.
대한민국 등록특허 제10-1390989호 (2014. 04. 24.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 열손실을 최소화할 수 있는 냉각장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 열손실을 최소화할 수 있는 온도 조절 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 냉각장치는, 외부로부터 열을 전달받아 내부에 수용된 액상의 작동유체가 기화되는 증발부와, 상기 증발부 상부에 위치하며, 열을 외부로 방출하고 기상의 작동유체가 응축되는 응축부와, 상기 증발부와 상기 응축부를 연결하며, 상기 증발부에서 기화된 기상의 작동유체가 이동하는 제1 유동관과, 상기 응축부와 상기 증발부를 연결하며, 상기 응축부에서 응축된 액상의 작동유체가 이동하는 제2 유동관, 및 상기 제2 유동관에 설치되어, 액상의 작동유체의 유동을 제어하는 개폐유닛을 포함하되, 상기 증발부, 상기 제1 유동관, 상기 응축부, 및 상기 제2 유동관은 내부에 작동유체가 밀봉되어 폐루프를 이룰 수 있다.
상기 개폐유닛은 상기 제2 유동관 내부에 삽입될 수 있다.
상기 개폐유닛은, 상기 제2 유동관의 내주면에 밀착되게 설치되며, 액상의 작동유체가 이동하는 방향으로 적어도 하나의 제1 개구가 관통 형성된 제1 밸브체와, 상기 제1 밸브체와 적어도 일부가 중첩되게 배치되며, 회전하여 상기 제1 개구를 개폐하는 제2 밸브체를 포함할 수 있다.
상기 제2 밸브체는 극성이 일정하게 유지되는 자력부재를 포함하고, 상기냉각장치는, 극성이 가변되는 자력부재로 형성되어 상기 제2 유동관 외부에서 상기 제2 밸브체를 회전 구동하는 구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 밸브체는 초기 위치가 상기 구동부와 어긋난 상태로 배치되어, 상기 구동부에 자력이 생성되거나 상기 구동부의 극성이 가변되면 일 방향으로 회전할 수 있다.
상기 냉각장치는, 상기 제1 밸브체로부터 상기 제2 밸브체를 향하여 돌출되어 상기 제2 밸브체의 역 방향 회전을 방지하는 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 밸브체는 액상의 작동유체가 이동하는 방향으로 적어도 하나의 제2 개구가 관통 형성되고, 상기 구동부는 상기 제2 밸브체를 회전 구동하여 상기 제1 개구와 상기 제2 개구를 서로 연통하거나 어긋나게 할 수 있다.
상기 제2 밸브체는, 상기 제2 개구가 형성된 판 상의 바닥부와, 상기 제1 밸브체와 대향되는 방향으로 상기 바닥부로부터 연장되어 외주면이 상기 제2 유동관의 내주면에 접하는 링 형상의 측벽부를 포함하고, 상기 측벽부는 내주면과 외주면이 서로 다른 극성으로 형성될 수 있다.
상기 스토퍼는 상기 제2 개구 내측으로 돌출될 수 있다.
상기 냉각장치는, 상기 제2 유동관의 외측에 설치되어 상기 제2 밸브체의 회전 여부를 측정하는 센서부를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 온도 조절 시스템은, 간헐적 또는 지속적으로 열을 발생시키는 발열체와 연결되어 상기 발열체를 냉각하는 상기 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항의 냉각장치, 및 상기 발열체를 가열하는 가열장치를 포함하되, 상기 발열체와 상기 증발부는 공간부에 수용되고, 상기 발열체가 기준온도를 초과하면, 상기 냉각장치를 통하여 열을 방출하고, 상기 발열체가 기준온도 미만이면, 상기 가열장치를 통하여 열을 가하며, 상기 발열체가 기준온도 미만이면서 상기 공간부의 외부 온도가 상기 발열체의 온도보다 낮으면, 상기 개폐유닛은 상기 제2 유동관을 폐쇄할 수 있다.
본 발명에 따르면, 응축부와 증발부를 연결하는 제2 유동관에 개폐유닛을 설치하여 액상의 작동유체의 유동을 제어할 수 있다. 따라서, 발열체가 기준온도 미만이면서 외기 온도가 발열체의 온도보다 낮은 경우, 작동유체의 유동을 차단하여 열손실을 최소화할 수 있다.
또한, 개폐유닛을 제2 유동관 내부에 설치하고, 개폐유닛을 구동하는 구동부를 제2 유동관 외부에 설치함으로써, 제2 유동관이 밀폐 구조를 이루어 작동유체의 누설, 및 제2 유동관 내부로 불응축성 가스의 유입을 방지할 수 있다.
또한, 구동부의 극성 변화에 따라 제2 밸브체가 회전하며 제2 유동관을 개폐하되 회전한 상태로 유지되므로, 구동부에 에너지를 지속적으로 공급할 필요가 없어 종래의 솔레노이드 밸브에 비해 에너지를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 개폐유닛이 설치된 제2 유동관을 확대하여 도시한 절개 사시도이다.
도 3은 개폐유닛이 설치된 제2 유동관을 확대하여 도시한 종 방향 단면도이다.
도 4는 개폐유닛이 설치된 제2 유동관을 확대하여 도시한 횡 방향 단면도이다.
도 5 및 도 6은 개폐유닛의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 개폐유닛이 설치된 제2 유동관을 확대하여 도시한 절개 사시도이다.
도 8은 도 7의 개폐유닛의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개폐유닛이 설치된 제2 유동관을 확대하여 도시한 절개 사시도이다.
도 10은 도 9의 개폐유닛의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
도 11은 온도 조절 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치는 외부로부터 열을 전달받아 작동유체를 기화시키고, 열을 외부로 방출하여 기화된 작동유체를 응축시키며 온도를 낮추는 장치이다. 여기서, 작동유체라 함은, 상변화에 의하여 소정의 냉각효과를 발생시키는 매개체 역할을 하는 유체로서, 예를 들어, 암모니아, 메탄올, 에탄올, 물 등이 사용될 수 있다.
냉각장치는 응축부와 증발부를 연결하는 제2 유동관에 개폐유닛을 설치하여 액상의 작동유체의 유동을 제어할 수 있다. 따라서, 발열체가 기준온도 미만이면서 외기 온도가 발열체의 온도보다 낮은 경우, 작동유체의 유동을 차단하여 열손실을 최소화할 수 있다. 또한, 개폐유닛을 제2 유동관 내부에 설치하고, 개폐유닛을 구동하는 구동부를 제2 유동관 외부에 설치함으로써, 제2 유동관이 밀폐 구조를 이루어 작동유체의 누설, 및 제2 유동관 내부로 불응축성 가스의 유입을 방지할 수 있다. 또한, 구동부의 극성 변화에 따라 제2 밸브체가 회전하며 제2 유동관을 개폐하되 회전한 상태로 유지되므로, 구동부에 에너지를 지속적으로 공급할 필요가 없어 종래의 솔레노이드 밸브에 비해 에너지를 절감할 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 냉각장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 개폐유닛이 설치된 제2 유동관을 확대하여 도시한 절개 사시도이다. 도 3은 개폐유닛이 설치된 제2 유동관을 확대하여 도시한 종 방향 단면도이고, 도 4는 개폐유닛이 설치된 제2 유동관을 확대하여 도시한 횡 방향 단면도이다.
본 발명에 따른 냉각장치(1)는 증발부(10)와, 응축부(20)와, 제1 유동관(30)과, 제2 유동관(40), 및 개폐유닛(50)을 포함한다.
증발부(10)는 외부로부터 열을 전달받아 내부에 수용된 액상의 작동유체가 기화되는 공간을 제공한다. 작동유체는 냉각장치(1)가 사용되는 온도 범위와 그에 따른 압력을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다. 증발부(10)는 열이 통과하는 방향과 수직되게 배치되는 적어도 하나 이상의 제1 관체부(11)를 포함하며, 복수 개의 제1 관체부(11)는 병렬적으로 배열되어 내부에 작동유체를 수용할 수 있다. 따라서, 외부로부터 열이 전달되면, 액상의 작동유체가 상변화에 의하여 기화될 수 있다. 이 때, 상변화라 함은, 포화된 작동유체가 기화되어 기체 상태로 변환되거나, 기체 상태의 작동유체가 응축되어 액체 상태로 변환되는 것을 의미한다. 증발부(10)에서 기화된 작동유체는 응축부(20)로 이동한다.
응축부(20)는 열을 외부로 방출하여 기상의 작동유체가 응축되는 공간을 제공하며, 증발부(10) 상부에 위치한다. 응축부(20)는 열이 통과하는 방향과 수직되게 배치되는 적어도 하나 이상의 제2 관체부(21)를 포함하며, 복수 개의 제2 관체부(21)는 병렬적으로 배열되어 내부에 작동유체를 수용할 수 있다. 따라서, 열이 외부로 방출되면, 기상의 작동유체가 상변화에 의하여 액화될 수 있다. 제1 관체부(11)와 제2 관체부(21)는 각각, 작동유체의 온도 변화에 따라 변동되는 포화압력을 견딜 수 있을 정도의 두께로 형성되며, 후술할 제1 유동관(30)과 제2 유동관(40)에 의해 서로 연결된다.
제1 유동관(30)은 증발부(10)와 응축부(20)를 연결하며, 증발부(10)에서 기화된 기상의 작동유체가 응축부(20)로 이동하는 통로를 제공한다. 보다 구체적으로, 제1 유동관(30)은 일 측이 증발부(10)에 수용되어 복수 개의 제1 관체부(11) 상단에 각각 연결되고, 타 측이 응축부(20)에 수용되어 복수 개의 제2 관체부(21) 상단에 각각 연결된다. 이 때, 제1 유동관(30)은 기상의 작동유체가 이동 중에 외부에 열을 발산하거나 빼앗기지 않도록 단열 처리될 수 있다. 전술한 바와 같이, 응축부(20)는 증발부(10) 상부에 위치한다. 따라서, 기상의 작동유체는 증기압차에 의하여 제1 유동관(30)을 따라 응축부(20)로 용이하게 이동할 수 있다.
제2 유동관(40)은 응축부(20)와 증발부(10)를 연결하며, 응축부(20)에서 응축된 액상의 작동유체가 증발부(10)로 이동하는 통로를 제공한다. 보다 구체적으로, 제2 유동관(40)은 일 측이 응축부(20)에 수용되어 복수 개의 제2 관체부(21) 하단에 각각 연결되고, 타 측이 증발부(10)에 수용되어 복수 개의 제1 관체부(11) 하단에 각각 연결된다. 이 때, 제2 유동관(40)은 제1 유동관(30)과 같이, 액상의 작동유체가 이동 중에 외부의 열을 흡수하거나 빼앗기지 않도록 단열 처리될 수 있다. 액상의 작동유체는 중력에 의하여 제2 유동관(40)을 따라 증발부(10)로 용이하게 이동할 수 있다.
전술한 바와 같이, 증발부(10)에서 기화된 작동유체는 제1 유동관(30)을 따라 응축부(20)로 이동하고, 응축부(20)에서 응축된 작동유체는 제2 유동관(40)을 따라 증발부(10)로 이동한다. 즉, 증발부(10), 제1 유동관(30), 응축부(20), 및 제2 유동관(40)은 내부에 작동유체가 밀봉되어 폐루프(closed loop)를 이루며, 소정의 영역을 냉각시킬 수 있다. 다시 말해, 증발부(10)에서 액상의 작동유체가 기화될 때 증발잠열에 의해 소정의 영역의 열이 작동유체에 흡수되고, 응축부(20)에서 기상의 작동유체가 응축될 때 응축잠열에 의해 작동유체에 흡수된 열이 외부로 방출되며 냉각 효과를 내는 것이다. 특히, 증발부(10)와 응축부(20)를 별도로 구성하여 제1 유동관(30)과 제2 유동관(40)으로 연결하는 구조로 형성함으로써, 냉각하고자 하는 영역에 대응하여 증발부(10)를 배치할 수 있어 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 제2 유동관(40)에는 개폐유닛(50)이 설치된다. 개폐유닛(50)은 액상의 작동유체의 유동을 제어하는 것으로, 제2 유동관(40) 내부에 삽입될 수 있다. 개폐유닛(50)이 제1 유동관(30)에 설치되지 않고 제2 유동관(40)에 설치됨으로써, 냉각장치(1)의 냉각 효율의 저하를 방지하면서 외부로의 열손실을 최소화할 수 있다. 기상의 작동유체가 이동하는 제1 유동관(30)에 개폐유닛(50)을 설치할 경우, 개폐유닛(50) 전단과 후단의 압력차가 발생하여 증발부(10)와 응축부(20) 사이의 온도차가 증가되고, 이로 인해, 작동유체의 열전달 성능이 감소하여 냉각 효율이 저하될 수 있다. 본원 발명의 냉각장치(1)는 제2 유동관(40)에 개폐유닛(50)을 설치하여, 냉각 효율의 저하를 방지하면서 작동유체의 유동을 제어하여 열손실을 최소화할 수 있다. 또한, 개폐유닛(50)이 제2 유동관(40) 내부에 삽입됨으로써, 제2 유동관(40)이 밀폐 구조를 이루어 작동유체의 누설, 및 제2 유동관(40) 내부로 불응축성 가스의 유입을 방지할 수 있다. 제2 유동관(40) 내부로 작동유체 이외에 불응축성 가스가 유입될 경우, 작동유체의 열전달 성능이 감소되어 냉각 효율이 저하되거나 냉각장치(1)의 동작이 중단될 수 있다. 본원 발명의 냉각장치(1)는 제2 유동관(40) 내부에 개폐유닛(50)을 삽입하여, 제2 유동관(40)을 밀폐 상태로 유지할 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 개폐유닛(50)은 제1 밸브체(51)와 제2 밸브체(52)를 포함한다.
제1 밸브체(51)는 판 상의 부재로, 외주면이 제2 유동관(40)의 내주면의 형상에 대응되게 형성되어 제2 유동관(40)의 내주면에 밀착되게 설치된다. 예를 들어, 제2 유동관(40)의 내주면 형상이 원형인 경우, 제1 밸브체(51)는 원형의 판 부재로 형성되고, 제2 유동관(40)의 내주면 형상이 다각형인 경우, 제1 밸브체(51)는 다각형의 판 부재로 형성된다. 제1 밸브체(51)는 액상의 작동유체가 이동하는 방향으로 적어도 하나의 제1 개구(51a)가 관통 형성되며, 작동유체는 제1 개구(51a)를 통과하여 이동할 수 있다. 도면 상에는 제1 밸브체(51)에 2개의 제1 개구(51a)가 관통 형성되고, 각각의 제1 개구(51a)가 부채꼴 형상으로 형성된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 제1 개구(51a)의 개수 및 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 제1 밸브체(51)의 적어도 일 측에는 제2 밸브체(52)가 배치된다.
제2 밸브체(52)는 회전하여 제1 개구(51a)를 개폐하는 것으로, 제1 밸브체(51)의 일 측에 제1 밸브체(51)와 적어도 일부가 중첩되게 배치된다. 도면 상에는 제2 밸브체(52)가 제1 밸브체(51)의 상측에 배치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 제2 밸브체(52)의 배치 위치는 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 제2 밸브체(52)는 제1 밸브체(51)의 하측에 배치될 수도 있고, 제1 밸브체(51)의 상측과 하측에 각각 배치될 수도 있다. 이하, 제2 밸브체(52)가 제1 밸브체(51)의 상측에 배치된 구조를 보다 중점적으로 설명한다. 제2 밸브체(52)는 제1 밸브체(51)의 상측에 배치되며, 극성이 일정하게 유지되는 자력부재를 포함하여 구동부(60)에 의해 회전 구동한다.
구동부(60)는 극성이 가변되는 자력부재로 형성되며, 제2 유동관(40) 외부에서 제2 밸브체(52)를 회전 구동한다. 다시 말해, 제2 유동관(40) 외부에 위치한 구동부(60)의 극성이 가변됨에 따라 제2 밸브체(52)와 구동부(60) 사이에 인력 또는 척력이 작용하여 제2 밸브체(52)가 회전하게 되고, 이로 인해, 제1 개구(51a)가 개폐되어 작동유체의 유동이 제어되는 것이다. 구동부(60)는 일정 길이를 갖는 호(弧, arc) 형상으로 형성되어 제2 유동관(40) 외부에 방사형으로 배치되며, 외부로부터 전력을 공급받아 자력의 극성을 가변할 수 있다. 도면 상에는 한 쌍의 구동부(60)가 서로 이격되어 동일 선상에 배치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 구동부(60)의 개수 및 배치는 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 제2 유동관(40)의 외측에 하나의 구동부(60)만 배치하거나 여러 쌍의 구동부(60)를 배치하여 제2 밸브체(52)를 회전 구동할 수도 있다. 이하, 한 쌍의 구동부(60)가 서로 이격되어 동일 선상에 배치되는 구조를 보다 중점적으로 설명한다.
제2 밸브체(52)는 초기 위치가 구동부(60)와 어긋난 상태로 배치되어, 구동부(60)에 자력이 생성되거나 구동부(60)의 극성이 가변되면 일 방향으로 회전할 수 있다. 여기서, 초기 위치라 함은, 외부로부터 구동부(60)에 전력이 공급되기 전의 상태를 의미하며, 제2 밸브체(52)가 제1 개구(51a)를 개방한 상태일 수도 있고 제1 개구(51a)를 폐쇄한 상태일 수도 있다. 또한, 제2 밸브체(52)가 구동부(60)와 어긋난 상태라 함은, 제2 밸브체(52)의 극성을 띄는 부분이 구동부(60)와 동일 선상에 배치되지 않고 일정 각도로 회전한 상태를 의미한다.
제2 밸브체(52)의 초기 위치가 구동부(60)와 어긋난 상태로 배치됨으로써, 구동부(60)에 전력이 공급되어 구동부(60)에 자력이 생성되거나 구동부(60)의 극성이 가변되면 제2 밸브체(52)와 구동부(60) 사이에 인력 또는 척력이 작용하여 제2 밸브체(52)가 일 방향으로 용이하게 회전할 수 있다. 또한, 구동부(60)에 전력 공급이 중단되면 제2 밸브체(52)와 구동부(60) 사이에 작용하던 인력 또는 척력이 제거되어 제2 밸브체(52)가 타 방향으로 회전하며 초기 위치로 복귀될 수 있다. 만약, 제2 밸브체(52)의 초기 위치가 구동부(60)와 어긋나지 않고 동일 선상에 배치될 경우, 구동부(60)에 자력이 생성되거나 구동부(60)의 극성이 가변되더라도 제2 밸브체(52)가 회전하지 않고 고정 상태로 유지되어 제1 개구(51a)의 개폐가 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 본원 발명의 냉각장치(1)는 제2 밸브체(52)의 초기 상태를 구동부(60)와 어긋나게 배치하여, 제2 밸브체(52)를 용이하게 회전시킬 수 있다.
또한, 제1 밸브체(51)는 제2 밸브체(52)와 접하는 일 면에 스토퍼(70)가 돌출 형성된다. 스토퍼(70)는 제2 밸브체(52)의 역 방향 회전을 방지하기 위한 것으로, 제2 밸브체(52)를 향하여 돌출될 수 있다. 스토퍼(70)는 제2 밸브체(52)의 회전 경로 상에 위치하되 제1 개구(51a)와 근접하게 배치되며, 후술할 제2 개구(52a) 내측으로 돌출될 수 있다. 그러나, 스토퍼(70)가 제2 개구(52a) 내측에 삽입되는 것으로 한정될 것은 아니며, 필요에 따라, 제1 밸브체(51)와 접하는 제2 밸브체(52)의 일 면에 스토퍼(70)가 삽입되는 별도의 홈이 만입 형성될 수도 있다.
제2 밸브체(52)는 액상의 작동유체가 이동하는 방향으로 적어도 하나의 제2 개구(52a)가 관통 형성되며, 구동부(60)는 제2 밸브체(52)를 회전 구동하여 제1 개구(51a)와 제2 개구(52a)를 서로 연통하거나 어긋나게 할 수 있다. 예를 들어, 구동부(60)가 제2 밸브체(52)를 회전 구동하여 제1 개구(51a)과 제2 개구(52a)를 서로 연통하는 경우, 작동유체가 제1 개구(51a)와 제2 개구(52a)를 차례로 통과하여 응축부(20)에서 증발부(10)로 이동할 수 있다. 반대로, 구동부(60)가 제2 밸브체(52)를 회전 구동하여 제1 개구(51a)와 제2 개구(52a)를 서로 어긋나게 하는 경우, 응축부(20)에서 증발부(10)로 작동유체의 이동이 제어될 수 있다. 제2 개구(52a)는 제1 개구(51a)와 동일한 개수 및 형상으로 형성되되 제1 개구(51a)보다 크기가 크게 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 밸브체(51)에 부채꼴 형상의 제1 개구(51a)가 2개 형성되는 경우, 제2 밸브체(52)에도 부채꼴 형상의 제2 개구(52a)가 2개 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정될 것은 아니며, 제2 개구(52a)의 개수 및 형상은 제1 개구(51a)의 개수 및 형상과 다르게 형성될 수도 있다. 또한, 제2 개구(52a)의 크기가 제1 개구(51a)보다 크게 형성됨으로써, 스토퍼(70)가 제2 개구(52a) 내측에 수용된 채로 제1 개구(51a)와 제2 개구(52a)가 서로 연통될 수 있다.
전술한 바와 같이, 스토퍼(70)는 제2 개구(52a) 내측으로 돌출되며, 제2 개구(52a)는 부채꼴 형상으로 형성될 수 있다. 따라서, 제2 밸브체(52)는 제2 개구(52a)의 부채꼴을 형성하는 두 개의 직선이 벌어진 각도 내에서 회전할 수 있다. 또한, 제2 밸브체(52)가 회전한 상태에서 구동부(60)에 전력 공급을 차단하더라도 제2 밸브체(52)가 회전한 상태로 유지되므로, 구동부(60)에 에너지를 지속적으로 공급할 필요가 없어 에너지를 절감할 수 있다.
또한, 제2 밸브체(52)는 링 자석 또는 아크 자석 형태로 형성되어 바닥부(521)와 측벽부(522)를 포함할 수 있다. 바닥부(521)는 제2 개구(52a)가 형성된 판 상의 부재로, 제1 밸브체(51)와 밀착될 수 있다. 측벽부(522)는 링 형상의 부재로, 제1 밸브체(51)와 대향되는 방향으로 바닥부(521)로부터 연장될 수 있다. 측벽부(522)는 외주면이 제2 유동관(40)의 내주면에 접하며, 내주면과 외주면이 서로 다른 극성으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 측벽부(522)는 외주면 전체가 N극으로 형성되고, 내주면 전체가 S극으로 형성될 수 있다. 따라서, 구동부(60)의 극성이 가변되면, 측벽부(522)와 구동부(60) 사이에 인력 또는 척력이 작용하여 제2 밸브체(52)가 일 방향 또는 타 방향으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 구동부(60)의 극성을 측벽부(522)의 외주면 극성과 대향되게 가변할 경우, 구동부(60)와 측벽부(522) 사이에 인력이 작용하여 제2 밸브체(52)가 구동부(60)와 근접한 방향으로 회전할 수 있다. 반대로, 구동부(60)의 극성을 측벽부(522)의 외주면 극성과 동일하게 가변할 경우, 구동부(60)와 측벽부(522) 사이에 척력이 작용하여 제2 밸브체(52)가 구동부(60)와 멀어지는 방향으로 회전할 수 있다.
또한, 제2 유동관(40)의 외측에는 센서부(80)가 설치될 수 있다. 센서부(80)는 제2 밸브체(52)의 회전 여부를 측정하는 것으로, 예를 들어, 전류의 방향에 수직으로 자장이 인가되면 출력이 변화되는 전류자기효과가 나타나는 홀소자를 이용한 홀 센서(hall sensor)로 형성될 수 있다. 제2 유동관(40)의 외측에 센서부(80)가 설치됨으로써, 제2 밸브체(52)의 회전 여부 파악이 용이하여 구동부(60)로의 전원 공급 및 차단이 효율적으로 이루어질 수 있으며, 이로 인해, 에너지 절감 효과가 극대화될 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여, 개폐유닛(50)의 동작에 관해 좀 더 상세히 설명한다.
도 5 및 도 6은 개폐유닛의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명에 따른 냉각장치(1)는 응축부(20)와 증발부(10)를 연결하는 제2 유동관(40)에 개폐유닛(50)을 설치하여 액상의 작동유체의 유동을 제어할 수 있다. 따라서, 발열체(도 11의 2 참조)가 기준온도 미만이면서 외기 온도가 발열체(2)의 온도보다 낮은 경우, 작동유체의 유동을 차단하여 열손실을 최소화할 수 있다. 또한, 개폐유닛(50)을 제2 유동관(40) 내부에 설치하고, 개폐유닛(50)을 구동하는 구동부(60)를 제2 유동관(40) 외부에 설치함으로써, 제2 유동관(40)이 밀폐 구조를 이루어 작동유체의 누설, 및 제2 유동관(40) 내부로 불응축성 가스의 유입을 방지할 수 있다. 또한, 구동부(60)의 극성 변화에 따라 제2 밸브체(52)가 회전하며 제2 유동관(40)을 개폐하되 회전한 상태로 유지되므로, 구동부(60)에 에너지를 지속적으로 공급할 필요가 없어 종래의 솔레노이드 밸브에 비해 에너지를 절감할 수 있다.
도 5는 개폐유닛이 제2 유동관을 개방하는 모습을 도시한 도면이다.
제1 밸브체(51)는 외주면이 제2 유동관(40)의 내주면에 밀착되게 설치되고, 제2 밸브체(52)는 제1 밸브체(51)의 상측에 제1 밸브체(51)와 중첩되게 배치된다. 제2 밸브체(52)는 초기 위치가 구동부(60)와 어긋난 상태로 배치되며, 측벽부(522)는 외주면 극성이 예를 들어, 전체적으로 N극일 수 있다. 구동부(60)는 한 쌍이 제2 유동관(40)의 외부에 방사형으로 배치되며, 각각, 외부로부터 전력을 공급받아 극성을 가변한다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 구동부(60)에 전력이 공급되어 구동부(60)의 극성이 측벽부(522)의 외주면 극성과 대향되게 가변되는 경우, 즉, 구동부(60)의 극성이 S극으로 가변되는 경우, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 제2 밸브체(52)가 구동부(60)와 근접한 방향으로 회전하여 제2 개구(52a)가 제1 개구(51a) 및 구동부(60)와 동일 선상에 배치될 수 있다. 제2 밸브체(52)가 회전함에 따라 제1 개구(51a)와 제2 개구(52a)가 서로 연통되며, 이로 인해, 액상의 작동유체가 제2 개구(52a) 및 제1 개구(51a)를 차례로 통과하여 응축부(20)에서 증발부(10)로 이동할 수 있다. 센서부(80)는 제2 밸브체(52)의 회전 여부를 측정하며, 센서부(80)에서 제2 밸브체(52)의 회전 여부가 파악된 경우 구동부(60)로의 전원 공급을 중단하여 에너지 낭비를 방지할 수 있다.
한편, 제1 밸브체(51)로부터 돌출된 스토퍼(70)는 제2 개구(52a) 내측에 삽입된다. 따라서, 제2 밸브체(52)는 제2 개구(52a)를 형성하는 두 개의 직선이 벌어진 각도 내에서 회전하여 역회전 및 과도한 회전이 방지될 수 있다.
도 6은 개폐유닛이 제2 유동관을 폐쇄하는 모습을 도시한 도면이다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 구동부(60)에 전력이 공급되어 구동부(60)의 극성이 측벽부(522)의 극성과 동일하게 가변되는 경우, 즉, 구동부(60)의 극성이 N극으로 가변되는 경우, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 제2 밸브체(52)가 구동부(60)와 멀어지는 방향으로 회전하여 제2 개구(52a)가 제1 개구(51a) 및 구동부(60)와 어긋나게 배치될 수 있다. 제2 밸브체(52)가 회전함에 따라 제2 개구(52a)와 제1 개구(51a)가 어긋나며, 이로 인해, 액상의 작동유체의 이동이 차단될 수 있다.
이하, 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 개폐유닛이 설치된 제2 유동관을 확대하여 도시한 절개 사시도이고, 도 8은 도 7의 개폐유닛의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각장치(1)는 제2 밸브체(52)가 제1 밸브체(51)의 하측에 배치되고, 측벽부(522)의 외주면을 따라 N극과 S극이 반복적으로 형성된다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각장치(1)는 제2 밸브체(52)가 제1 밸브체(51)의 하측에 배치되고, 측벽부(522)의 외주면을 따라 N극과 S극이 반복적으로 형성되는 것을 제외하면 전술할 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되, 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.
제2 밸브체(52)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 밸브체(51)의 하측에 배치되어 제1 개구(51a)를 개폐할 수 있다. 제2 밸브체(52)가 제1 밸브체(51)의 하측에 배치됨으로써, 중력에 의해 하방으로 이동하는 작동유체가 측벽부(522)와 제2 유동관(40) 사이의 틈새로 유입되는 것을 방지하여 작동유체의 유동을 보다 완벽하게 제어할 수 있다. 제2 밸브체(52)는 제2 개구(52a)가 형성된 판 상의 바닥부(521)와, 바닥부(521)로부터 연장되는 링 형상의 측벽부(522)를 포함하며, 측벽부(522)는 외주면을 따라 N극과 S극이 반복적으로 형성될 수 있다. 측벽부(522)의 외주면을 따라 N극과 S극이 반복적으로 형성됨으로써, 제2 밸브체(52)의 회전 정도를 정교하게 제어할 수 있어 제1 개구(51a)와 제2 개구(52a)를 연통하거나 어긋나게 하는 것이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.
예를 들어, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 구동부(60)의 극성이 S극으로 가변되는 경우, 측벽부(522)의 외주면 중 N극을 띄는 부분이 구동부(60)와 근접하도록 제2 밸브체(52)가 회전할 수 있다. 제2 밸브체(52)가 회전함에 따라 제1 개구(51a)와 제2 개구(52a)가 연통되어 작동유체가 이동할 수 있다. 반대로, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 구동부(60)의 극성이 N극으로 가변되는 경우, 측벽부(522)의 외주면 중 S극을 띄는 부분이 구동부(60)와 근접하도록 제2 밸브체(52)가 회전할 수 있다. 제2 밸브체(52)가 회전함에 따라 제1 개구(51a)와 제2 개구(52a)가 서로 어긋나 작동유체의 이동이 차단될 수 있다.
이하, 도 9 및 도 10을 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개폐유닛이 설치된 제2 유동관을 확대하여 도시한 절개 사시도이고, 도 10은 도 9의 개폐유닛의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각장치(1)는 제2 밸브체(52)가 막대 자석 형태로 형성되고, 제2 개구(52a)가 생략된다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각장치(1)는 제2 밸브체(52)가 막대 자석 형태로 형성되고, 제2 개구(52a)가 생략되는 것을 제외하면 전술할 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되, 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.
제2 밸브체(52)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 개구(52a)가 생략된 막대 자석 형태로 형성되어 제1 개구(51a)를 개폐할 수 있다. 제2 밸브체(52)가 제2 개구(52a)가 생략된 막대 자석 형태로 형성됨으로써, 간단한 구조로 제1 개구(51a)를 개폐할 수 있으며, 링 자석 또는 아크 자석 형태의 제2 밸브체(52)를 적용하는 경우에 비해 비용을 절감할 수 있다. 또한, 제1 개구(51a)와 제2 개구(52a)가 완벽하게 연통되지 않을 경우, 이동 통로의 면적이 줄어 작동유체의 이동이 원활하게 이루어지지 않는 문제도 해결할 수 있다. 제2 밸브체(52)는 일 측이 N극으로 형성되고, 타 측이 S 극으로 형성된다.
예를 들어, 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 구동부(60) 중 어느 하나의 극성이 N극으로 가변되고, 나머지 하나의 극성이 S극으로 가변되는 경우, 제2 밸브체(52)는 N극을 띄는 일 측이 N극의 구동부(60)로부터 멀어지고, S극을 띄는 타 측이 S극의 구동부(60)로부터 멀어지도록 회전할 수 있다. 이 때, 제2 밸브체(52)는 스토퍼(70)에 의해 회전 방향이 제어되며, 스토퍼(70)는 제2 밸브체(52)의 측면에 접할 수 있다. 제2 밸브체(52)가 회전함에 따라 제1 개구(51a)가 개방되어 작동유체가 이동할 수 있다. 반대로, 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, N극의 구동부(60)가 S극으로 가변되고, S극의 구동부(60)가 N극으로 가변되는 경우, 제2 밸브체(52)는 N극을 띄는 일 측이 S극의 구동부(60)에 근접하고, S극을 띄는 타 측이 N극의 구동부(60)에 근접하도록 회전할 수 있다. 제2 밸브체(52)가 회전함에 따라 제1 개구(51a)가 폐쇄되어 작동유체의 이동이 차단될 수 있다.
이하, 도 11을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 온도 조절 시스템(100)에 관하여 상세히 설명한다.
도 11은 온도 조절 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 온도 조절 시스템(100)은 발열체(2)를 냉각하는 냉각장치(1)와, 발열체(2)를 가열하는 가열장치(4)를 포함한다.
발열체(2)는 간헐적 또는 지속적으로 열을 발생시키는 것으로, 예를 들어, 발열칩 등이 포함된 IT 장비, 배터리 등일 수 있다. 발열체(2)는 기준온도로 항상 일정하게 유지되어야 하므로, 냉각장치(1)와 가열장치(4)가 각각 연결된다. 이 때, 발열체(2)와 냉각장치(1)의 증발부(10)는 공간부(3)에 수용될 수 있다.
냉각장치(1)는 발열체(2)가 기준온도를 초과한 경우 발열체(2)를 냉각하며, 가열장치(4)는 발열체(2)가 기준온도 미만인 경우 발열체(2)를 가열한다. 즉, 냉각장치(1)와 가열장치(4)는 발열체(2)의 온도에 대응하여 선택적으로 동작하며, 발열체(2)의 열을 외부로 방출하거나 발열체(2)에 열을 가하여 발열체(2)의 온도를 조절한다.
한편, 발열체(2)가 기준온도 미만이면서 공간부(3)의 외부 온도가 발열체(2)의 온도보다 낮은 경우, 발열체(2)에 열을 가하는 가열장치(4)와 함께 발열체(2)의 열을 방출하는 냉각장치(1)가 가동되어 열손실이 발생할 수 있다. 이러한 경우, 작동유체의 이동을 차단하여 열손실을 줄여야 한다. 그러나, 종래의 열사이폰 구조의 냉각장치는, 작동유체가 순환하는 내부를 진공압 상태로 유지하기 위하여 별도의 밸브를 설치하지 않고 있으며, 이로 인해, 작동유체의 이동을 차단할 수 없어 열손실이 지속적으로 발생하는 문제점이 있다.
본원 발명은 액상의 작동유체가 이동하는 제2 유동관(40) 내부에 개폐유닛(50)을 설치하여, 발열체(2)가 기준온도 미만이면서 공간부(3)의 외부 온도가 발열체(2)의 온도보다 낮은 경우 제2 유동관(40)을 폐쇄할 수 있다. 특히, 개폐유닛(50)이 제2 유동관(40) 내부에 설치되고, 구동부(60)가 제2 유동관(40) 외부에서 설치됨으로써, 제2 유동관(40)이 밀폐 구조를 유지할 수 있어 작동유체의 누설, 및 제2 유동관(40) 내부로 공기, 불응축성 가스 등의 유입을 방지할 수 있다. 또한, 구동부(60)의 극성 변화에 의해 제2 밸브체(52)가 회전한 상태에서 구동부(60)에 전력 공급을 중단하더라도 제2 밸브체(52)의 회전 상태가 유지되므로, 종래의 솔레노이드 밸브에 비해 에너지를 절감하여 장치 효율이 향상될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 냉각장치 2: 발열체
3: 공간부 4: 가열장치
10: 증발부 11: 제1 관체부
20: 응축부 21: 제2 관체부
30: 제1 유동관 40: 제2 유동관
50: 개폐유닛 51: 제1 밸브체
51a: 제1 개구 52: 제2 밸브체
52a: 제2 개구 521: 바닥부
522: 측벽부 60: 구동부
70: 스토퍼 80: 센서부
100: 온도 조절 시스템

Claims (11)

  1. 외부로부터 열을 전달받아 내부에 수용된 액상의 작동유체가 기화되는 증발부;
    상기 증발부 상부에 위치하며, 열을 외부로 방출하고 기상의 작동유체가 응축되는 응축부;
    상기 증발부와 상기 응축부를 연결하며, 상기 증발부에서 기화된 기상의 작동유체가 이동하는 제1 유동관;
    밀폐 구조를 이루며 상기 응축부와 상기 증발부를 연결하고, 상기 응축부에서 응축된 액상의 작동유체가 이동하는 제2 유동관;
    상기 제2 유동관 내부에 삽입 설치되어 액상의 작동유체의 유동을 제어하며, 상기 제2 유동관의 내주면에 밀착되게 설치되며 액상의 작동유체가 이동하는 방향으로 적어도 하나의 제1 개구가 관통 형성된 제1 밸브체와, 상기 제1 밸브체와 적어도 일부가 중첩되게 배치되며 회전하여 상기 제1 개구를 개폐하되 극성이 일정하게 유지되는 자력부재를 포함하는 제2 밸브체를 포함하는 개폐유닛, 및
    극성이 가변되는 자력부재로 형성되어 상기 제2 유동관 외부에서 상기 제2 밸브체를 회전 구동하는 구동부를 포함하되,
    상기 증발부, 상기 제1 유동관, 상기 응축부, 및 상기 제2 유동관은 내부가 진공 상태로 유지되고 내부에 작동유체가 밀봉되어 폐루프를 이루는 냉각장치.
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  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 밸브체는 초기 위치가 상기 구동부와 어긋난 상태로 배치되어, 상기 구동부에 자력이 생성되거나 상기 구동부의 극성이 가변되면 일 방향으로 회전하는 냉각장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 밸브체로부터 상기 제2 밸브체를 향하여 돌출되어 상기 제2 밸브체의 역 방향 회전을 방지하는 스토퍼를 더 포함하는 냉각장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 밸브체는 액상의 작동유체가 이동하는 방향으로 적어도 하나의 제2 개구가 관통 형성되고,
    상기 구동부는 상기 제2 밸브체를 회전 구동하여 상기 제1 개구와 상기 제2 개구를 서로 연통하거나 어긋나게 하는 냉각장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 제2 밸브체는,
    상기 제2 개구가 형성된 판 상의 바닥부와,
    상기 제1 밸브체와 대향되는 방향으로 상기 바닥부로부터 연장되어 외주면이 상기 제2 유동관의 내주면에 접하는 링 형상의 측벽부를 포함하고,
    상기 측벽부는 내주면과 외주면이 서로 다른 극성으로 형성되는 냉각장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 스토퍼는 상기 제2 개구 내측으로 돌출되는 냉각장치.
  10. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 유동관의 외측에 설치되어 상기 제2 밸브체의 회전 여부를 측정하는 센서부를 더 포함하는 냉각장치.
  11. 간헐적 또는 지속적으로 열을 발생시키는 발열체와 연결되어 상기 발열체를 냉각하는 상기 제1 항, 제5 항 내지 제10 항 중 어느 한 항의 냉각장치; 및
    상기 발열체를 가열하는 가열장치를 포함하되,
    상기 발열체와 상기 증발부는 공간부에 수용되고,
    상기 발열체가 기준온도를 초과하면, 상기 냉각장치를 통하여 열을 방출하고, 상기 발열체가 기준온도 미만이면, 상기 가열장치를 통하여 열을 가하며,
    상기 발열체가 기준온도 미만이면서 상기 공간부의 외부 온도가 상기 발열체의 온도보다 낮으면, 상기 개폐유닛은 상기 제2 유동관을 폐쇄하는 온도 조절 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2005180535A (ja) * 2003-12-18 2005-07-07 Sankyo Seiki Mfg Co Ltd バルブ、真空用バルブ及び真空容器
JP2013217552A (ja) * 2012-04-06 2013-10-24 Fujikura Ltd ループサーモサイホン式緊急冷却装置

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