KR102388447B1 - 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 기액분리기와 재순환펌프를 형성하여 온도제어가 필요한 발열체를 상변화 열관리기술로 열관리함으로써, 유체인 냉매의 온도 변화에 의한 열관리 구간별 온도분포를 고르게 하여 열관리시스템의 용량, 크기, 중량, 소모동력이 증가하는 것을 방지하는 발열체용 열관리시스템에 관한 것이다. 구성은 냉동기를 이용한 발열체 온도를 제어하는 열관리시스템으로서, 압축기, 응축기, 냉각팬, 팽창밸브 및 발열체, 기액분리기, 재순환펌프로 구성되고, 상기 발열체의 입구측에는 기액분리기에서 분리된 액상 냉매가 혼합될 수 있도록 혼합지점이 형성되며, 상기 기액분리기는 상기 발열체의 후단에서 배출되는 2상 냉매를 기상과 액상으로 분리한 후 기상 냉매만 상기 압축기로 보내 압축기에서의 액압축을 방지하고, 상기 재순환펌프는 상기 혼합지점으로 액상 냉매를 재 유입시켜 재 냉각하는 것을 특징으로 한다.

Description

냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템{Thermal management system for heater element using chiller}

본 발명은 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 기액분리기와 재순환펌프를 형성하여 온도제어가 필요한 발열체를 상변화 열관리기술로 열관리함으로써, 유체인 냉매의 온도 변화에 의한 열관리 구간별 온도분포를 고르게 하여 열관리시스템의 용량, 크기, 중량, 소모동력이 증가하는 것을 방지하는 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템에 관한 것이다.

일반적으로 열관리(thermal management 또는 heat control)는 열을 사용하는 곳에서 최소의 열원(熱源)으로 최대의 효과를 거두기 위해 전체 열량을 분석 유효하게 이용, 관리하는 것과, 열에너지원의 절약을 위해, 장치 및 그 각 부에서의 에너지 손실을 조사하고 그 원인까지 거슬러 올라가 이것을 개조하거나 하는 기술인데, 최근에는 피열물(被熱物)의 시간적 및 공간적 온도 분포를 향상시키는 것 등을 포함하고 있다.

이러한 열관리를 효율적으로 하기 위해 산업전반에는 다양한 구성의 열관리시스템이 알려져 있다.

그 한예로써, 방위산업분야에서 전략 미사일 및 밀집부대로 공격해 오는 로켓탄, 포병탄, 박격포탄의 방어에 적용할 수 있도록 하거나, 일반산업에서 핵발전소 철거, 석유시추 그리고 터널 시공 등의 분야에 적용할 수 있는 고에너지 고체레이저 발생장치의 고체레이저를 안정하게 운영하기 위해서 레이저 다이오드와 이득매질에서 발생한 열을 대기로 방출하기 위한 발열체용 열관리시스템이 필수적으로 사용되고 있다.

그러나, 종래의 발열체용 열관리시스템은 냉각수를 이용해 발열체인 레이저를 냉각과 가열로 열관리하는데, 이는 전통적인 방식으로 상변화 효과를 이용한 상변화 열관리에 비해 열전달 효율이 낮아 목표로 하는 냉각성능을 확보하려면 열관리시스템의 용량이 상대적으로 증가되어야 하므로 열관리시스템의 부피, 하중, 소모동력이 크게 증가하는 문제점이 있었다.

또, 발열체가 레이저인 경우 발열부에서의 균일한 온도 분포가 레이저의 품질을 결정하는 중요한 요소 중의 하나인데, 냉각수를 이용하는 종래 열관리시스템의 경우 냉각수의 입구 온도와 출구 온도가 다르기 때문에 균일한 온도 분포를 위해 유량을 크게 증가시켜야 하므로 이 또한 열관리시스템의 용량이 크게 증가될 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 기술은 냉동기에서 발생한 냉각에너지를 열교환기를 통해 냉각수 회로와 열교환한 하여 저온으로 냉각된 냉각수를 발열체인 레이저를 통과시켜 냉각하는 냉동기 냉각수간 열교환에 의한 간접냉각 방식이기 때문에 아래와 같이 열교환기에서의 높은 열전달을 위해 냉동기의 냉매와 냉각수회로의 온도차를 충분히 확보하기 위해 냉동기의 용량이 증가되거나 열교환기의 크기를 크게 증가시켜야 하는 문제점이 있었다.

또, 종래에는 발열체인 레이저가 작동하지 않는 동안 냉동기를 통해 생성된 냉각에너지를 열교환기를 통해 축냉기의 냉각수와 열교환하여 축냉기에 냉각에너지를 저장하고, 발열체인 레이저가 동작하는 동안에는 축냉기에 저장된 냉각에너지를 이용해 레이저를 열관리하는 기술, 즉 냉동기 축냉기 회로와 발열체인 레이저의 냉각회로가 직렬로 연결되는 구조이므로 냉동기에서 생성한 냉각에너지와 축냉기에 저장된 냉각에너지를 동시에 병렬 구조로 사용이 불가한 문제점이 있었다.

또한, 종래의 냉동기로 이루어지는 열관리시스템의 증발기는 실내공기를 냉각하는 목적이면 열교환기 형태가 될 것이고, 발열체를 냉각하는 목적이면 발열체로 대체될 수 있다. 이때 압축기로의 냉매는 압축기 보호를 위해 과열증기로 유입되므로 충분한 과열도를 확보하기 위해 팽창밸브의 개도가 조절되며 팽창밸브는 감온식 또는 전기조절식이 될 수 있다. 그리고, 보다 안정적인 운전을 위해 증발기와 압축기 사이에 기액분리기가 추가될 수 있다. 발열체의 후단에서 배출되는 과열증기 냉매를 그대로 적용할 경우 발열체가 소손될 수 있기 때문에 냉매를 이용한 상변화 열관리를 위해서는 필히 발열체 후단에서 배출되는 냉매를 제어하여 건도가 0.7이하의 2상을 유지해야 한다. 뿐만 아니라, 이렇게 2상의 냉매라 하더라도 바로 압축기로 유입될 경우 액압축에 의해 압축기가 파손될 수 있는 문제점이 있다.

공개특허 제10-2010-0073204호

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 냉동기를 개선하여 레이저, 배터리와 같이 온도제어가 필요한 발열체를 상변화 열관리기술로 열관리함으로써, 유체인 냉매의 온도 변화에 의한 열관리 구간별 온도분포를 고르게 하여 열관리시스템의 용량, 크기, 중량, 소모동력이 증가하는 것을 방지하는 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템에 관한 것이다

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉동기를 이용한 발열체 온도를 제어하는 열관리시스템으로서, 압축기, 응축기, 냉각팬, 팽창밸브 및 발열체, 기액분리기, 재순환펌프로 구성되고, 상기 발열체의 입구측에는 기액분리기에서 분리된 액상 냉매가 혼합될 수 있도록 혼합지점이 형성되며, 상기 기액분리기는 상기 발열체의 후단에서 배출되는 2상 냉매를 기상과 액상으로 분리한 후 기상 냉매만 상기 압축기로 보내 압축기에서의 액압축을 방지하고, 액상 냉매는 상기 재순환펌프를 이용해 상기 혼합지점으로 재 유입시켜 재 냉각하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 재순환펌프로 이송된 액상 냉매는 혼합지점에서 팽창밸브를 통해 감압된 저온 저압 냉매와 혼합되어 발열체로 이송되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 발열체의 앞쪽 혼합지점에는 혼합기가 부가 형성될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 팽창밸브와 응축기 사이에는 수액기가 부가될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 기액분리기와 압축기 사이에는 과열기가 부가 형성될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 혼합지점과 발열체 사이에는 히터가 부가 형성될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 압축기와 혼합지점 사이에는 핫가스밸브가 부가 형성될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 재순환펌프와 혼합지점 사이에는 축냉기가 부가 형성될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 발열체는 레이저인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 축냉기는 축냉모드와 열관리모드로 동작할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같은 본 발명은 냉매온도를 일정하게 하여 열관리 구간별 온도분포를 고르게 하여 열관리시스템의 용량, 크기, 중량, 소모동력을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명은 액상 냉매를 재 유입시켜 재 냉각함으로써, 열효율 향상을 이루는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 냉동기에서 생성한 냉각에너지가 발열체로 이송되어 저건도 영역에서 운전 후 2상으로 배출되기 때문에 발열체의 성능 저하를 예방함과 동시에 효율적인 열전달로 발열체의 손상을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템의 냉매 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템으로서, 혼합기를 부가한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예 3에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템으로서, 수액기를 부가한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 4에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템으로써, 과열기를 부가한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 5에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템으로서, 히터를 부가한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예 6에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템으로서,핫가스밸브를 부가한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시예 7에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템으로서, 축냉기를 부가한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 실시예 7의 축냉모드운전 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 실시예 7의 열관리모드운전 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예 1에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템(100)은 냉매를 고온 고압의 기체 상태로 압축하여 송출하는 압축기(110)와, 상기 압축기(110)에서 보내온 고온 고압의 냉매를 응축 액화하는 응축기(120)와, 상기 응축기(120) 내로 이동된 냉매를 흡입된 외기와 열교환되도록 하는 냉각팬(130)과, 상기 응축기(120)에서 응축 액화된 고온·고압의 냉매를 교축 작용에 의해 증발을 일으킬 수 있는 압력까지 감압해 주고, 냉매량을 조절 공급하는 팽창 밸브(140)와, 열에너지를 방출하는 발열체(150)와, 상기 발열체(150)를 통과한 기상과 액상 즉, 2상의 유체 냉매에서 기상과 액상을 분리하는 기액분리기(160)와, 상기 기액분리기(160)를 통해 배출되는 액상 냉매를 압력작용을 이용하여 이송하는 재순환펌프(170)로 구성된다. 또, 상기 발열체(150)의 앞쪽인 입구측에는 혼합지점(MX)이 형성된다.

특히, 상기 기액분리기(160)는 상기 발열체(150)의 후단에서 배출되는 2상 냉매를 기상과 액상으로 분리한 후 기상의 냉매만 상기 압축기(110)로 보내 압축기(110)에서의 액압축을 방지할 수 있도록 하였다.

이때, 기상으로 압축기(110)로 공급된 냉매의 양은 발열체(150)에서 공급된 열량에 따라 달라진다.

즉, 상기 발열체(150)에서 공급된 발열량이 큰 경우 상대적으로 많은 증기가 발생하게 되고, 작은 경우 반대가 된다.

또, 상기 발열체(150)는 열에너지를 방출하는 레이저로 이루어지는 것이 바람직하다.

그러나, 이에 한정되지 않고 열에너지를 방출하는 전력 전자장치나 배터리와 같은 기타 발열 장치 등으로 이루어질 수도 있다.

또, 상기 압축기(110)로 공급된 기상의 냉매는 압축기(110)를 통해 고온 고압의 냉매로 바뀐 후 응축기(120) 이동하게 되고, 상기 응축기(120)에서 냉각팬(130)에 의해 발생된 바람에 의해 공랭식으로 응축되며, 응축된 냉매는 팽창밸브(140)로 이동하게 된다.

또, 상기 재순환펌프(170)는 상기 기액분리기(160)에서 분리된 액상의 냉매를 상기 혼합지점(MX)으로 재 유입시켜 재 냉각하도록 한다.

이때, 상기 기액분리기(160)에서의 포화 상태의 액상 냉매를 가압한 상태로 이송하기 때문에 과냉각 상태의 냉매이다.

그리고, 상기 재순환펌프(170)로 이송된 액상의 냉매는 혼합지점(MX)에서 팽창밸브(140)를 통해 감압된 저온 저압의 저엔탈피 냉매와 혼합되어 발열체(150)로 이송된다.

여기서, 상기 발열체(150)로의 냉매 주순환은 상기 압축기(110)를 통해 이루어지고, 재순환펌프(170)는 기액분리기(160)에서부터 냉매 혼합지점(MX)까지의 압력차를 이겨내고 액상의 냉매를 이송하는 역할을 한다.

이와 같은 구성의 본 발명에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템(100)은 개도 조절이 필요 없는 On/Off용 개폐밸브 및 센서류, 피팅류 등 Minor한 구성품은 도식하지 않았으나 당 분야의 엔지니어라면 누구나 이들의 필요 지점을 당연하게 인지할 수 있을 것으로 판단되므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명은 상변화 열관리를 통해, 냉각과가열 시 현열(sensible heat)이 아닌 잠열(latent heat) 구간을 이용하게 된다.

즉, 상기 상변화 열관리를 잠열 구간을 이용하여 유체인 냉매의 상이 액상에서 기상으로 변화하는 상태로 열관리를 하게 된다.

이때의 열전달 계수는 비등열전달계수라고 하는데, 액상 현열구간에서의 강제열전달계수에 비해 상당히 크며 수~수십배 이상이다.

또한, 상변화 열관리의 경우, 잠열구간인 상변화 구간에서 열전달이 발생하므로 급격한 압력 강하가 없을 경우 냉매의 온도가 일정한 특징이 있다.

즉, 유체온도 변화에 의한 열관리 구간별 온도분포를 고르게 할 수 있다는 장점이 있다.

특히, 레이저 무기 같은 경우 발진기의 온도가 일정온도로 고르게 분포될 수 있도록 하는 것이 상당히 중요한데, 열관리에서 냉각수의 현열을 이용하는 경우에는 입구와 출구의 유체 온도가 열부하에 따라 달라져 온도분포가 고르지 못하다는 약점이 있어 이를 해결하기 위해서는 다량의 유체를 공급해야 하고 이에 따라 열관리시스템의 용량, 크기, 중량, 소모동력이 증가하게 된다.

이에 대해, 상기 냉동기만을 이용해 발열체(150)를 냉각하는 방법을 고려해 볼 수 있겠으나, 냉동기에서는 발열체(150)가 일종의 증발기로서 역할을 해야 하고, 100% 기화하여 건도(dryness)가 1이 됨이 필수이다.

따라서, 냉각된 총량을 보면 효과가 있는 것으로 생각해 볼 수 있으나, 발열체(150) 입장에서는 입구측 부분이 0~0.7의 저건도로 온도가 낮고 출구측 부분은 0.7~1의 고건도로 온도가 상당히 높은 구조가 되어 온도 불균형이 발생한다.

이에 따라 상기 발열체(150)의 원래 성능이 저하되는 원인이 되기도 하며, 과열증기 부분에서는 열전달이 극히 낮아 발열체가 전자구성품인 경우는 소손되기도 한다.

반면에 본 발명은 냉동기에서 생성한 냉각에너지가 압축기(110)에 의해 발열체(150)로 이송되고, 저건도 영역에서 운전 후 2상으로 배출되기 때문에 이러한 문제가 발생하지 않는다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예 1에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템의 동작관계를 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 재순환펌프(170)를 동작시키면 기액분리기(160)에서 포화상태의 액상 냉매는 압력작용에 의해 가압된 후 과냉각 상태로 혼합지점(MX)으로 이동하게 된다.

여기서, 상기 기액분리기(160)에서는 공급된 2상 냉매를 기상과 액상으로 분리하며, 액상의 냉매는 재순환펌프(170)로, 기상의 냉매는 압축기(110)로 이동하게 된다.

또, 상기 압축기(110)로 공급된 기상의 냉매는 압축기(110)를 통해 고온 고압의 냉매로 바뀐 후 상기 응축기(120) 이동하게 되고, 응축기(120)에서 냉각팬(130)에 의해 발생된 바람에 의해 공랭식으로 응축된다.

이때, 기체 상태로 압축기(110)로 공급된 냉매의 양은 발열체(150)에서 공급된 열량에 따라 달라진다.

상기 응축기(120)를 통해 응축된 냉매는 팽창밸브(140)로 이동하게 되며, 이때 줄톰슨 효과에 의해 저온 저압 냉매로 바뀌게 된다. 그리고, 상기 팽창밸브(140)를 통해 혼합지점(MX)으로 이동하게 된다.

또, 상기 재순환펌프(170)를 통해 혼합지점(MX)으로 이동한 액상 냉매와, 상기 팽창 밸브(140)를 통해 혼합지점(MX)으로 이동한 기상 냉매는 혼합지점(MX)에서 혼합된다.

계속해서, 상기 혼합지점(MX)에서 혼합된 냉매는 상기 발열체(150)로 이동하며, 발열체(150)에서 히트싱크(미도시) 등을 통해 발열량이 전달되어 기화, 비등과 같은 상변화 과정을 통해 상기 발열체(150)의 냉각이 이루어지도록 한다.

여기서, 상기 발열체(150) 내에서 냉매의 건도가 기준이상으로 높아지면 열전달 성능이 급격히 낮아지게 되므로 발열량 대비 유량을 적절하게 조절해줄 필요가 있다.

그리고, 상기 발열체(150)에서 저건도, 고건도의 2상으로 배출된 냉매는 기액분리기(160)로 이동하여 기상과 액상으로 분리되며 액상은 재순환펌프(170)로, 기상은 압축기(110)로 이동하는 동작을 반복하게 된다.

도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예 2에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제2 실시형태는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 팽창밸브(140)를 통해 이송되는 냉매와 재순환펌프(170)를 통해 이송되는 냉매의 혼합지점(MX)에 혼합기(180a)를 부가 형성함으로써, 각각 이송되는 냉매의 원활한 혼합을 이루게 할 수 있는 것이다.

여기서, 상기 혼합기(180a)는 특정한 형태에 한정되지 않으며, 이젝터의 형태일 수도 있다.

도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예 3에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 제3 실시형태는, 상기 응축기(120)와 팽창밸브(140) 사이에 수액기(180b)를 부가 형성함으로써, 불규칙한 부하변동과 제어변동에 대해서 일정량의 부피를 확보함으로써 완충작용을 하여 냉동기회로가 보다 안정적으로 구동할 수 있도록 하였다.

구체적으로, 상기 수액기(180b)에서 팽창밸브(140)로 액상만 공급할 수 있는 구조여서 팽창밸브(140)에서 안정적으로 감압이 발생하여 원하는 온도의 냉매를 확보할 수 있도록 하였다.

뿐만 아니라, 필터드라이어 기능을 가지고 있어 수분들의 이물질을 필터링하여 팽창밸브(140)에서의 얼음 생성, 먼지에 의한 기능 저하를 방지할 수 있도록 하였다.

도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예 4에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 제4 실시형태는, 상기 기액분리기(160)와 압축기(110) 사이에 과열기(180c)를 부가 형성함으로써, 압축기(110)에서 압축이 불가한 액상을 압축하느라 과부하가 발생하거나 압축기(110)가 파손될 위험을 방지할 수 있도록 하였다.

즉, 상기 기액분리기(160)에서는 항상 냉매가 포화상태로 유지되는데, 기액분리기(160)에서 비말동반 등 100% 기액분리가 이뤄지지 않을 경우, 압축기(110)로 액상 냉매가 유입될 수 있다.

이럴 경우, 상기 압축기(110)에서 압축이 불가한 액상을 압축하느라 과부하가 발행하거나 압축기(110)가 파손될 위험이 있다.

이를 방지하기 위해, 상기 압축기(110)와 기액분리기(160) 사이에 과열기(180c)를 설치하였다.

그리고, 상기 과열기(180c)의 가열원은 응축기(120)를 통과하여 응축된 액상 냉매로서, 응축이 되었으나 아직도 기액분리기(160) 내의 냉매 온도보다 충분히 높은 온도이다.

그러므로, 열교환기 타입의 과열기(180c)를 사용하여, 기액분리기(160)로부터의 기상 냉매가 과열기(180c)에서 과열증기가 되는 과정에서 응축기(120)를 통과한 액상 냉매는 추가 냉각되기 때문에 시스템 차원에서는 추가 공급된 열에너지는 없다.

물론, 열교환기 타입의 과열기(180c) 대신 전기히터 등을 사용할 수도 있으나, 냉각에너지 생성 목적의 냉동기에 전기 히터류를 적용하여 열에너지를 공급하는 것은 이치에 맞지 않기 때문에 불가피할 경우를 제외하면 적용하지 않는 것이 바람직하다.

도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예 5에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

즉, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 제5 실시형태는, 상기 혼합지점(MX)과 발열체(150) 사이에 히터(180d)를 부가 형성함으로써, 냉동기의 온도 제어시 온도 제어를 보다 용이하게 할 수 있는 것이다.

냉동기의 온도 제어는 압축기(110) 및 팽창밸브(140)에서 수행되나 온도 제어시 발생하는 작은 변동(Fluctuation)을 허용하며 일정한 수준으로 유지하는 것이 쉽지 않다.

이에, 상기 혼합지점(MX)과 발열체(150) 사이에 히터(180d)를 부가 형성함으로써, 냉각보다 온도제어가 보다 쉬운 가열 온도제어가 이루어지게 구성하였다.

또한, 상기 재순환펌프(170)에 의해 가압된 부분 때문에 동일한 엔탈피 상태에서 액체의 압력이 상승하면 과냉각 상태의 액상 냉매가 발열체(150)로 공급될 수도 있다.

이렇게 과냉각된 상태로 공급될 경우, 상기 발열체(150)에서 잠열만 이용하여 상변화 열관리하는 것이 아니라 입구 부분에서 현열도 일부 이용해서 열관리하게 되는데, 이럴 경우 잠열구간의 열전달 성능과 현열구간의 열전달 성능에서의 차이가 발생하게 되고 이에 상기 발열체(150)에서의 온도분포 폭이 커지게 된다.

이를 방지하기 위해 상기 발열체(150)의 입구 측에 히터(180d)를 부가 형성하여 냉매를 포화액 상태에 가깝게 만들어 발열체(150)에 공급될 수 있도록 한다.

도 7을 참조하여, 본 발명의 실시예 6에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 6은, 상기 혼합지점(MX)과 압축기(110) 사이에 고온가스를 핫가스밸브(180e)를 부가 형성함으로써, 큰 가열이 필요할 경우 사용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 핫가스밸브(180e)는 압축기(110)에서 가압된 고온 가스 일부를 응축기(120)로 이송하지 않고 상기 혼합기(180a)로 직접 연결하여 가열한다.

또, 상기 핫가스밸브(180e)는 가열이 필요할 경우 히터(180d)와 함께 사용할 수도 있다.

도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예 7에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 7은, 상기 재순환펌프(170)와 혼합지점(MX) 사이에 축냉기(180f)를 부가 형성함으로써, 발열체(150)가 작동하지 않을 시 냉동기에서 생성된 냉각에너지를 축냉기(180f)에 저장하였다가 발열체(150)의 작동 시 축냉기(180f)로 냉매를 통과시켜 저장된 냉각에너지를 이용할 수 있다.

또, 상기 발열체(113)의 작동 시에도 냉동기는 지속적으로 운전하고 있어 축냉기(180f)에 저장된 냉각에너지와 냉동기에서 실시간으로 생성된 냉각에너지를 동시에 이용할 수 있어서, 축냉기(180f)가 냉동기의 용량을 분담하는 기능을 하게 된다.

이를 통해 냉동기의 부피, 소모동력, 중량 등을 감소시킬 수 있어 차량에 탑재 시 유리하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예 7에 따른 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템의 동작관계를 도 9 및 도 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

[축냉모드]

먼저, 도 9에 도시된 바와 같이 축냉모드는 상기 발열체(150)의 미작동시 동작하는 것으로서, 상기 압축기(110)의 동작을 통해 기액분리기(160)에서 분리된 냉매 가스는 고온 고압으로 압축되어 응축기(120)로 이송된다.

상기 응축기(120)로 이송된 냉매가스는 외부의 냉각팬(130)에 의해 공랭식으로 응축 및 냉각된 후 팽창밸브(140)를 통과하여 축냉기(180f)로 이동되어 저장된다.

상기 축냉기(180f)에 저장된 냉매 가스는 발열체(150)의 작동 시 축냉기(180f)로 냉매를 통과시켜 저장된 냉각에너지를 이용할 수 있다.

[열관리모드]

열관리모드는 상기 발열체(150) 작동시 동작하는 것으로서, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 발열체(150)의 작동 시에도 냉동기는 지속적으로 운전하고 있어 축냉기(180f)에 저장된 냉각에너지와 냉동기에서 실시간으로 생성된 냉각에너지를 동시에 이용할 수 있어 축냉기(180f)가 냉동기의 용량을 분담하는 기능을 하게 된다.

즉, 상기 기액분리기(160)에서 분리된 냉매 가스 중, 기상 냉매는 압축기(110)를 통해 고온 고압으로 압축되어 응축기(120)와 팽창밸브(140), 그리고 핫가스밸브(180e)를 통해 혼합기(180a)로 이동한다.

또, 상기 기액분리기(160)에서 분리된 냉매 가스 중, 액상 냉매는 재순환펌프(170)를 통해 축냉기(180f)를 거쳐 혼합기(180a)로 이동한다.

다음, 상기 혼합기(180a)로 이송된 기상 냉매와 액상 냉매는 서로 혼합되어 발열체(150)로 이동된다.

즉, 상기 축냉기(180f)를 통과한 냉매와 팽창밸브(140) 및 핫가스밸브(180e)를 통과한 냉매와 직접 혼합된다.

계속해서, 혼합된 냉매는 상기 발열체(150)로 이동 및 통과하면서 열교환을 이루게 된다.

상기 발열체(150)를 통해 열교환된 냉매는 다시 기액분리기(1601)로 이동하게 되며, 기액분리기(160)에서 기상은 다시 압축기(110)로 이송되고, 액상은 재순환펌프(170)로 이송된다.

이와 같이, 본 실시예에서는 발열체(150)의 작동 시에도 냉동기는 지속적으로 운전하고 있어 축냉기(180f)에 저장된 냉각에너지와 냉동기에서 실시간으로 생성된 냉각에너지를 동시에 이용할 수 있어서, 축냉기(180f)가 냉동기의 용량을 분담할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기와 같이 각 실시예에서 설명한 히터, 수액기, 축냉기, 과열기, 프리히터와 같은 추가 장치들은 적용예시를 위해 순차적으로 적용되는 것처럼 실시예를 나열하였으나, 실제 각 추가 장치들은 독립적으로 추가하는 것이 가능하므로 조합에 따라 보다 더 많은 실시예가 가능하다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 구성과 동작을 통해 열관리시스템의 부피, 하중, 소모동력을 낮추고, 발열체의 성능 저하를 예방함과 동시에 효율적인 열전달로 발열체의 손상을 방지할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 : 발열체용 열관리시스템 110 : 압축기
120 : 응축기 130 : 냉각팬
140 : 팽창 밸브 150 : 발열체
160 : 기액분리기 170 : 재순환펌프
180a : 혼합기 180b : 수액기
180c : 과열기 180d : 히터
180e : 핫가스밸브 180f : 축냉기

Claims (10)

1. 냉동기를 이용한 발열체 온도를 제어하는 열관리시스템으로서,
   압축기, 응축기, 냉각팬, 팽창밸브 및 발열체, 기액분리기, 재순환펌프로 구성되고, 상기 발열체의 입구측에는 기액분리기에서 분리된 액상 냉매가 혼합될 수 있도록 혼합지점이 형성되며,
   상기 기액분리기는 상기 발열체의 후단에서 배출되는 2상 냉매를 기상과 액상으로 분리한 후 기상냉매만 상기 압축기로 보내 압축기에서의 액압축을 방지하고, 상기 재순환펌프는 상기 혼합지점으로 액상 냉매를 재 유입시켜 재 냉각하는 것을 특징으로 하는 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 재순환펌프로 이송된 액상 냉매는 혼합지점에서 팽창밸브를 통해 감압된 저온 저압 냉매와 혼합되어 발열체로 이송되는 것을 특징으로 하는 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 발열체의 앞쪽 혼합지점에는 혼합기가 부가 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 팽창밸브와 응축기 사이에는 수액기가 부가될 수 있는 것을 특징으로 하는 발열체용 열관리시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 기액분리기와 압축기 사이에는 과열기가 부가 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 혼합지점과 발열체 사이에는 히터가 부가 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 압축기와 혼합지점 사이에는 핫가스밸브가 부가 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 재순환펌프와 혼합지점 사이에는 축냉기가 부가 형성될 수 있는 것을 특징으로 하는 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 발열체는 레이저인 것을 특징으로 하는 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템.
10. 제8항에 있어서,
    상기 축냉기는 축냉모드와 열관리모드로 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템.

Images