KR102591849B1 - 이젝터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 이젝터를 적용하여 응축기의 냉매 흐름이 강제적으로 이루어지도록 함으로써, 충분한 응축량을 확보하여 열관리 효율을 향상시키도록 하는 이젝터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것이다. 구성은 상기 펌프(230)와 발열체(R) 사이의 배관 및 응축기(210) 출구 배관과 연결되며, 후방에 발열체(R)로 2상 또는 액상 냉매의 배출을 위한 냉매 배출구(241)가 형성되고, 전방에는 펌프(230)를 통과하는 액상 냉매의 유입을 위한 냉매 유입구(242)가 형성되며, 상면 일측으로는 응축기(210)를 통해 액화된 냉매의 유입을 위한 액상 냉매 유입관(243)이 형성된 이젝터(240)가 구비되어, 응축기(210)의 냉매 흐름이 강제적으로 이루어지도록 하여 응축량을 충분히 확보할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

이젝터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템{Phase change thermal management system for heating elements with ejectors}
본 발명은 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 이젝터를 적용하여 응축기의 냉매 흐름이 강제적으로 이루어지도록 함으로써, 충분한 응축량을 확보하여 열관리 효율을 향상시키도록 하는 이젝터를 적용한 발열체용 상변화 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 분석하여 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 한 예로써, 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 레이저 발생장치의 레이저를 안정하게 운영하기 위해서 레이저 다이오드와 이득매질에서 발생한 열을 대기로 방출하기 위한 발열체용 열관리시스템이 필수적으로 사용되고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 냉매를 이용하는 발열체용 상변화 열관리시스템(100)은 발열체(110)와, 응축기(120) 및 냉각팬(130)과, 기액분리기(140)와, 펌프(150)를 포함하여 구성되며, 냉각수를 이용한 수냉각시스템과 구성품이 크게 다르지 않다.
단, 냉매를 이용하기 때문에 방열기 대신 응축기가 사용되고 발열체에서의 냉각이 일반적인 액상대류 열전달이 아닌 상변화 대류 열전달로 이루어지며, 이에 따라 열전달 성능이 탁월한 장점이 있다.
이러한 종래의 발열체용 상변화 열관리시스템은 펌프의 힘에 의해 2상(액상+기상) 냉매가 응축기(120)로 유입되므로 응축기(120) 내에서 기상과 열교환해야 하는 면적이 액상의 비율만큼 줄어들게 되어 상대적으로 응축기(120)의 크기가 커지는 문제가 있다.
또한, 상기 응축기(120)에서의 압력강하가 2상유동 전체에 대해서 발생하므로 상대적으로 큰 압력강하량으로 인해 펌프(150)의 수두가 증가하여 더 과냉각된 상태로 발열체로 공급된다.
따라서, 사용할 수 있는 엔탈피 영역에서 현열구간이 증가하여 온도균일도 및 냉각성능이 감소하게 된다.
이를 해결하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 발열체(110)와, 응축기(120) 및 냉각팬(130)과, 기액분리기(140)와, 펌프(150)를 포함하는 발열체용 상변화 열관리시스템(100)은, 상기 발열체(110)에서의 2상 흐름을 응축기(120)로 모두 보내지 않고 기액분리기(140)로 먼저 보낸 후에, 분리된 기상만 응축한다.
따라서 액상이 줄어든 만큼 응축 열전달 면적 확보가 용이하여 응축기(120)를 소형화 할 수 있다.
또한, 상기 응축기(120)에서의 압력강하가 기상유동에 대해서만 발생하므로 상대적으로 작은 압력강하량으로 인해 펌프(150)의 수두가 감소하여 덜 과냉각된 상태로 발열체로 공급된다.
따라서, 도 3과 도 4에서의 비교를 통해 확인할 수 있듯이, 사용할 수 있는 엔탈피 영역에서 현열구간이 감소하여 온도균일도 및 냉각성능이 증가하게 된다.
그러나, 도 2의 상변화 열관리시스템(100)은 응축기(120)로의 흐름을 응축기(120) 내에서의 냉매 응축에 의한 부피감소(진공 발생)와 응축 후 중력에 의한 기액분리기(140)로의 흐름에 의존하는 문제가 있다.
따라서, 상기 응축기(120)로의 흐름을 확보하기 위해 응축기(120)가 기액분리기(140)보다 높은 지점에 설치되어야 하며, 냉각팬(130)을 과도하게 가동해야 하는 문제점이 있었다.
또, 종래의 발열체용 열관리시스템은, 도 5에 도시된 바와 같이 냉각수를 이용해 발열체(레이저)를 열관리(냉각/가열)하는데, 이는 전통적인 방식으로 상변화 효과를 이용한 상변화 열관리에 비해 열전달 효율이 낮아 목표로 하는 열관리 성능을 확보하려면 열관리시스템의 용량이 상대적으로 증가되어야 한다.
이에 따라, 열관리시스템의 부피, 하중, 소모동력이 크게 증가하는 문제점이 있다.
또한, 발열체가 레이저의 경우 발열부에서의 균일한 온도 분포가 레이저의 품질을 결정하는 중요한 요소 중의 하나인데, 냉각수를 이용한 선행 기술은 냉각수의 입구 온도와 출구 온도가 다르기 때문에 균일한 온도 분포를 위해 유량을 크게 증가시켜야 하고, 이에 따라 상기와 유사하게 열관리시스템의 용량이 증가하게 된다.
이러한 문제점 및 단점에 의해 종래의 발열체용 열관리시스템은 차량 탑재용으로서는 소형, 경량화에 적합하지 않다.
공개특허 제10-2010-0073204호
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 발열체와 펌프 사이에 이젝터를 적용하여 응축기의 냉매 흐름이 강제적으로 이루어지도록 함으로써 충분한 응축량을 확보하여 열관리 효율을 이루는 이젝터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기액분리기, 펌프와, 응축기, 냉각팬을 포함하여 발열체의 온도를 제어하는 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 펌프와 발열체 사이의 배관 및 응축기 출구 배관과 연결되며, 후방에 발열체로 2상 또는 액상 냉매의 배출을 위한 냉매 배출구가 형성되고, 전방에는 펌프를 통과하는 액상 냉매의 유입을 위한 냉매 유입구가 형성되며, 상면 일측으로는 응축기를 통해 액화된 냉매의 유입을 위한 액상 냉매 유입관이 형성된 이젝터가 구비되어, 응축기의 냉매 흐름이 강제적으로 이루어지도록 하여 응축량을 충분히 확보할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
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이상에서와 같이 본 발명은 발열체와 펌프 사이에 이젝터를 적용하여 응축기의 냉매 흐름이 강제적으로 이루어지도록 함으로써, 응축량을 충분히 확보할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명은 이젝터를 이용하여 충분한 응축량을 확보할 수 있어 응축기로의 흐름을 확보하기 위해 응축기가 기액분리기보다 높은 지점에 설치되어야 하는 점도 해결할 수 있어, 설치공간의 제약을 최소화하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 냉매를 이용한 상변화 냉각현상을 적용한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 냉매를 발열체에서 응축기로 모두 보내지 않고 기액분리기로 먼저 보내 후 분리된 기상만 응축하는 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 발열체용 열관리시스템의 냉각 사이클을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 발열체용 열관리시스템의 냉각 사이클을 나타낸 도면이다.
도 5는 종래의 냉각수를 이용한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 이젝터를 좀 더 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 냉매 흐름을 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 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 다중 발열체용 상변화 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이젝터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 발열체(R)를 열관리하기 위한 냉각팬(210a)을 구비하는 응축기(210)와, 기액분리기(220)와, 펌프(230)와, 이젝터(240)로 대별되어 이루어진다.
상기 응축기(210)는 냉각팬(210a)을 구비하여 고온, 고압의 냉매를 냉각하고 응축열을 제거해 액화시키도록 구성된다.
여기서, 상기 냉각팬(210a)은 응축기(210) 내로 이동된 냉매를 흡입된 외기와 열교환되도록 한다.
또, 상기 냉각팬(210a)을 구비하는 응축기(210)는 증기-압축 또는 흡수 냉동 사이클로 액체의 열을 제거하는 데 쓰는 기계인 칠러 등과 같은 냉각모듈로 구성될 수 있다.
즉, 상기 응축기(210)는 시스템의 열을 시스템 외부로 방출하는 역할을 하기 위해 냉매를 냉각 및 응축시킬 수 있는 냉각 에너지를 가지는 모든 장치를 포함하는 것으로서, 특정 형태에 한정되지 않으며 칠러 등으로 대체될 수 있다.
상기 기액분리기(220)는 상기 응축기(210)의 후방에 형성되어 배출되는 2상 냉매를 기상과 액상으로 분리한 후 액상의 냉매만 발열체(R)로 보내 냉각할 수 있도록 한다.
여기서, 상기 기액분리기(220)는 리저버, 어큐뮬레이터, 냉매저장용기 등의 다양한 용어로 사용되는 모든 것을 포함할 수 있다.
또, 상기 펌프(230)는 상기 기액분리기(220)를 통해 배출되는 액상 냉매를 압력작용을 이용하여 순환, 이송시키는 역할을 한다.
상기 이젝터(240)는 상기 펌프(230)와 발열체(R) 사이에 형성되어 응축기(210)의 냉매 흐름이 강제적으로 유도되도록 하여 응축량을 충분히 확보할 수 있도록 하는 역할을 한다.
여기서, 상기 이젝터(240)는 후방에 발열체(R)로 2상 또는 액상 냉매의 배출을 위한 냉매 배출구(241)가 형성되고, 전방에는 펌프(230)를 통과하는 액상 냉매의 유입을 위한 냉매 유입구(242)가 형성되며, 상면 일측으로는 응축기(210)를 통해 액화된 냉매의 유입을 위한 액상 냉매 유입관(243)이 형성된다.
또, 상기 이젝터(240)는 후방으로 형성되는 냉매 배출구(241)와 전방으로 형성되는 냉매 유입구(242)가 냉매의 주 흐름에서 단면적이 감소되는 지점에서 증가한 속도만큼 압력이 감소되고 상기 응축기(210)로부터 냉매가 유입될 수 있도록 형성되는 액상 냉매 유입관(243)으로부터의 흡입력이 발생되도록 나팔관 형태로 형된다.
즉, 상기 냉매 배출구(241)와 냉매 유입구(242)의 단면적은 넓고 상기 냉매 배출구(241)와 냉매 유입구(242) 사이의 단면적은 좁아 단면적이 감소된다.
이러한 구성의 상기 이젝터(240)는펌프(230)와 발열체(R) 사이의 배관(도면부호 미도시) 및 응축기(210) 출구 배관(도면부호 미도시)과 연결되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 냉매가 주도적으로 흐르는 냉매 배출구(241)와 냉매 유입구(242) 사이에는 속도는 증가하고 압력은 감소되어 상기 액상 냉매 유입관(243)으로부터의 흡입력이 발생되어 응축기(210)를 통해 액화된 액상 냉매의 흐름이 강제적으로 이루어지게 된다.
이와 같이, 본 발명은 이젝터(240)에 의해 응축기(210)로의 냉매 흐름이 강제적으로 확보되기 때문에 응축량을 충분히 확보할 수 있는 장점이 있고, 또 응축기(210)가 기액분리기(220)보다 높은 지점에 설치되어야 한다는 점도 해결할 수 있어, 설치공간의 제약이 덜 하다는 장점이 있다.
또, 상기 발열체(R)는 열에너지를 방출하는 레이저 또는 레이저 모듈로 이루어지는 것이 바람직하다.
그러나, 이에 한정되지 않고 열에너지를 방출하는 전력 전자장치나 배터리와 같은 기타 발열 장치 등으로 이루어질 수도 있다.
그리고, 본 발명에 따른 이젝터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 개도 조절이 필요 없는 On/off용 개폐밸브 및 센서류, 피팅류 등 Minor한 구성품은 도식하지 않았으나 당 분야의 통상 기술자라면 누구나 이들의 필요 지점을 당연하게 인지할 수 있을 것으로 판단된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 이젝터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 동작관계를 설명하면 다음과 같다.
도 8에 도시된 바와 같이, 상기 펌프(230)를 통과하면서 가압되어 압력이 상승한 냉매는 상기 이젝터(240)에 의해 발열체(R)로 이동된다.
즉, 상기 펌프(230)에서 가압된 액상 냉매는 이젝터(240)의 냉매 유입구(242)를 통해 유입되어 냉매 배출구(241)를 통해 발열체(R)로 2상 또는 액상의 냉매가 이동된다.
이때, 상기 이젝터(240)는 전방으로 형성되는 나팔관 형태의 냉매 배출구(241)와 후방으로 형성되는 나팔관 형태의 냉매 유입구(242)에 의해 냉매가 흐르는 냉매 배출구(241)와 냉매 유입구(242) 사이에는 속도는 증가하고 압력은 감소된다.
그리고, 상기 액상 냉매 유입관(243)으로부터의 흡입력이 발생되어 응축기(210)를 통해 액화된 액상 냉매의 흐름이 강제적으로 이루어지게 되어 응축량을 충분히 확보할 수 있게 된다.
즉, 상기 이젝터(240)에 의해 응축기(210)를 통해 액화된 액상 냉매의 흐름이 강제적으로 확보되기 때문에 응축량을 충분히 확보할 수 있음과 동시에, 또 응축기(210)가 기액분리기(220)보다 높은 지점에 설치되어야 한다는 점도 해결할 수 있어, 설치공간의 제약이 덜 하다는 장점이 있다.
다음, 상기 발열체(R)로 이송된 냉매는 열교환으로 발열체(R)를 냉각한 다음 상기 기액분리기(220)에 모이게 된다.
그 후, 냉매는 기상 냉매와 액상 냉매로 분리되고, 분리된 액상 냉매는 상기 펌프(230)의 동작에 의해 이젝터(240)로 이송되는 과정을 반복하게 되며 발열체(R)를 냉각시킨 후 2상으로 기액분리기(220)로 이동된 후 분리된 기상 냉매는 상기 응축기(210)로 이동된다.
상기 응축기(210)로 이동된 기상 냉매는 냉각팬(210a)에 의해 외부 공기와 열교환하여 응축 및 과냉각된 후 이젝터(240)의 액상 냉매 유입관(243)을 통해 유입된 후, 발열체(R)로 모이게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 이젝터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템은 이와 같은 동작을 지속적으로 반복함으로써 응축기의 냉매 흐름을 강제적으로 확보할 수 있기 때문에 응축기를 기액분리기 보다 높은 지점에 설치하지 않고도 충분한 응축량을 확보할 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.
200 : 이젝터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템
210 : 응축기 210a : 냉각팬
220 : 기액분리기 230 : 펌프
240 : 이젝터 241 : 냉매 배출구
242 : 냉매 유입구 243 : 액상 냉매 유입구
R : 발열체

Claims (5)

  1. 기액분리기, 펌프와, 응축기, 냉각팬을 포함하여 발열체의 온도를 제어하는 상변화 열관리시스템에 있어서,
    상기 펌프(230)와 발열체(R) 사이의 배관 및 응축기(210) 출구 배관과 연결되며,
    후방에 발열체(R)로 2상 또는 액상 냉매의 배출을 위한 냉매 배출구(241)가 형성되고, 전방에는 펌프(230)를 통과하는 액상 냉매의 유입을 위한 냉매 유입구(242)가 형성되며, 상면 일측으로는 응축기(210)를 통해 액화된 냉매의 유입을 위한 액상 냉매 유입관(243)이 형성된 이젝터(240)가 구비되어,
    응축기(210)의 냉매 흐름이 강제적으로 이루어지도록 하여 응축량을 충분히 확보할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 이젝터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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