KR102616313B1 - Phase change thermal management system for heating elements with preheater - Google Patents
Phase change thermal management system for heating elements with preheater Download PDFInfo
- Publication number
- KR102616313B1 KR102616313B1 KR1020220024118A KR20220024118A KR102616313B1 KR 102616313 B1 KR102616313 B1 KR 102616313B1 KR 1020220024118 A KR1020220024118 A KR 1020220024118A KR 20220024118 A KR20220024118 A KR 20220024118A KR 102616313 B1 KR102616313 B1 KR 102616313B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- heating element
- preheater
- heat
- management system
- phase change
- Prior art date
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 137
- 230000008859 change Effects 0.000 title claims abstract description 55
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 55
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 25
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 20
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 13
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 63
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 59
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 2
- 235000015842 Hesperis Nutrition 0.000 description 1
- 235000012633 Iberis amara Nutrition 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000011555 saturated liquid Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013526 supercooled liquid Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
- 239000013585 weight reducing agent Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/02—Constructional details
- H01S3/04—Arrangements for thermal management
- H01S3/0404—Air- or gas cooling, e.g. by dry nitrogen
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/02—Constructional details
- H01S3/04—Arrangements for thermal management
- H01S3/0405—Conductive cooling, e.g. by heat sinks or thermo-electric elements
Abstract
본 발명은 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 프리히터를 적용하고, 발열체 전단의 건도를 고려해 열원의 공급 열량을 조절함으로써, 열량 제어를 쉽게 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것이다. 구성은 기액분리기, 펌프와, 냉각팬 및 응축기로 구성되거나 응축기와 칠러로 구성될 수 있는 냉각모듈을 포함하여 단일 발열체 또는 다중 발열체의 온도를 제어하는 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 발열체와 펌프 사이에는 프리히터가 형성되고, 상기 프리히터는 외부 시스템에서의 고온 폐열을 열원으로 하며, 상기 발열체 전단의 건도에 따라 열원의 공급 열량을 조절하며, 상기 프리히터와 외부 시스템 사이에는 제어밸브가 형성되어, 외부 시스템에서 배출되는 고온 폐열이 프리히터로 이송되는 유량을 조절하여 발열체 전단의 건도를 제어인자로 하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a phase change heat management system for a heating element. In particular, the present invention relates to a phase change heat management system for a heating element that applies a preheater and adjusts the amount of heat supplied from the heat source in consideration of the dryness of the front end of the heating element, making it easy to control the amount of heat. It's about. A phase change thermal management system that controls the temperature of a single heating element or multiple heating elements, including a cooling module that may consist of a gas-liquid separator, a pump, a cooling fan, and a condenser, or may consist of a condenser and a chiller, between the heating element and the pump. A preheater is formed, and the preheater uses high-temperature waste heat from the external system as a heat source, and adjusts the amount of heat supplied from the heat source according to the dryness of the front end of the heating element. A control valve is formed between the preheater and the external system. , It is characterized in that the dryness of the front end of the heating element is used as a control factor by controlling the flow rate at which high-temperature waste heat discharged from the external system is transferred to the preheater.
Description
본 발명은 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 프리히터를 적용하고, 발열체 전단의 건도를 고려해 열원의 공급 열량을 조절함으로써, 열량 제어를 쉽게 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a phase change heat management system for a heating element. In particular, the present invention relates to a phase change heat management system for a heating element that applies a preheater and adjusts the amount of heat supplied from the heat source in consideration of the dryness of the front end of the heating element, making it easy to control the amount of heat. It's about.
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.In general, thermal management (thermal management or heat control) is the analysis and effective use and management of the total amount of heat in order to achieve maximum effect with the minimum heat source in places where heat is used, and to save heat energy sources. It is a technology that investigates the energy loss in the device and its various parts, traces it back to its cause, and modifies it. Recently, it includes improving the temporal and spatial temperature distribution of the object to be heated.
이러한 열관리를 효율적으로 하기 위해 산업전반에는 다양한 구성의 열관리시스템이 알려져 있다.In order to efficiently manage such heat, heat management systems of various configurations are known throughout the industry.
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.As an example, in the defense industry, it can be applied to defense against rockets, artillery shells, and mortar shells attacked by strategic missiles and dense units, or in general industries such as nuclear power plant demolition, oil drilling, and tunnel construction. In order to stably operate the laser of an applicable high-energy laser generator, a heat management system for the heating element is essential to dissipate heat generated from the laser diode and gain medium into the atmosphere.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 냉매를 이용한 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.As shown in Figure 1, the phase change thermal management system 100 for a heating element using a conventional refrigerant includes a heating element 110, a condenser 120, a cooling fan 130, a gas-liquid separator 140, and a pump ( 150), and its components are not significantly different from water cooling systems using coolant.
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.However, because a refrigerant is used, a condenser is used instead of a radiator, and cooling in the heating element is achieved by phase change convection heat transfer rather than general liquid phase convection heat transfer, which has the advantage of excellent heat transfer performance.
그리고, 도 1과 같은 종래의 상변화 열관리시스템의 냉각사이클은 도 2에 도시된 바와 같이 발열체의 입구 영역에서는 과냉각된 액상 냉매에 의한 대류 열전달(현열구간)이 이루어지고, 이 영역을 지나면 상변화가 발생하며 상변화 대류 열전달(잠열구간)이 이루어진다.In addition, in the cooling cycle of the conventional phase change thermal management system as shown in FIG. 1, as shown in FIG. 2, convective heat transfer (sensible heat section) occurs by supercooled liquid refrigerant at the inlet area of the heating element, and after this area, phase change occurs. occurs and phase change convection heat transfer (latent heat section) occurs.
현열구간에서는 액상 냉매의 온도가 점차 증가하고, 잠열구간에서 비해 열전달 성능이 떨어진다.In the sensible heat section, the temperature of the liquid refrigerant gradually increases, and heat transfer performance deteriorates compared to the latent heat section.
잠열구간에서는 열전달 성능이 현열구간 대비 높고 상변화에 의해 냉매 온도가 변하지 않는 특징이 있어 온도 균일도가 높아, 결과적으로 레이저 모듈과 같이 온도 균일도에 큰 영향을 받는 발열체에 대해서는 현열구간을 최소화하는 것이 발열체의 성능을 향상시키는데 중요한 역할을 하게 된다.In the latent heat section, heat transfer performance is higher than in the sensible heat section, and the refrigerant temperature does not change due to phase change, so temperature uniformity is high. As a result, for heating elements that are greatly affected by temperature uniformity, such as laser modules, it is important to minimize the sensible heat section. It plays an important role in improving performance.
또, 종래 상변화 냉각기술은 다중 발열체로의 냉각제어를 위해 각 라인에 유량계 및 제어밸브를 설치하고, 유량정보와 각 발열체에서의 발열량 정보를 통해 유량 조절로 각 발열체 라인의 건도를 제어한다.In addition, the conventional phase change cooling technology installs a flow meter and control valve in each line to control cooling to multiple heating elements, and controls the dryness of each heating element line by adjusting the flow rate through flow information and heat generation information from each heating element.
이는 상변화 냉각의 경우 도 3에 도시된 바와 같이 발열체(110)를 다중 수직으로 배치할 경우 상변화 전후의 수직배관에서의 정수두 차이에 의해 압력손실 차이가 달라져 동일한 발열량에서도 유량 차이가 발생하기 때문이다.This is because, in the case of phase change cooling, when multiple heating elements 110 are arranged vertically as shown in FIG. 3, the pressure loss difference varies due to the difference in hydrostatic head in the vertical pipe before and after the phase change, resulting in a flow rate difference even with the same heating value. am.
즉, 정수두의 효과에 의해 동일한 발열량에 대해 하단에 설치한 발열체일수록 유량이 증가하고, 상단으로 갈수록 유량이 감소하는 경향이 있어 결국 상단으로 갈수록 건도가 증가하는 경향이 있다.In other words, due to the effect of hydrostatic head, for the same heating value, the flow rate increases for the heating element installed at the bottom, and the flow rate tends to decrease toward the top, which ultimately tends to increase the dryness toward the top.
또, 기존 기술에서 각 발열체 라인의 건도 조절을 위해 유량을 지속적으로 조절하게 되는데, 동일한 펌프에서의 유량을 조절하게 되므로, 한 라인의 유량조절이 다른 라인에 영향을 미쳐 제어가 난해해지고 쉽게 수렴하지 않아 발산하기도 한다. In addition, in existing technology, the flow rate is continuously adjusted to control the dryness of each heating element line, but since the flow rate is controlled from the same pump, the flow rate adjustment of one line affects the other lines, making control difficult and not easily converging. Sometimes it radiates.
특히, 유량에 따라 건도가 변하게 되어 압력강하량이 냉각수 대비 크게 변하는 특징이 있어 더욱 제어가 쉽지 않다.In particular, as the dryness changes depending on the flow rate, the pressure drop varies significantly compared to the coolant, making it more difficult to control.
또한, 건도 제어를 위한 제어밸브가 각 발열체 라인에 필요하므로 구성요소 및 제어요소 증가하고, 제어의 수렴성 하락 및 제어 난이도 상승하게 된다.In addition, since a control valve for dryness control is required for each heating element line, the number of components and control elements increases, the convergence of control decreases, and the difficulty of control increases.
또, 광섬유 레이저는 발진기에서 큰 발열이 발생하게 되는데, 공간 효율성을 확보하기 위해 통상적인 경우 도 4에 도시된 바와 같이 발열체(110)인 단위 발진기모듈을 적층하여 배치하게 된다. In addition, the optical fiber laser generates a large amount of heat in the oscillator, and in order to secure space efficiency, in a typical case, unit oscillator modules, which are heating elements 110, are stacked and arranged as shown in FIG. 4.
이와 같이, 상변화 냉각을 레이저 열관리에 적용할 경우 수직 높이 차에 따른 유량 분배가 중요 이슈가 될 수 있다Likewise, when applying phase change cooling to laser thermal management, flow distribution according to vertical height difference can become an important issue.
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.In addition, the conventional thermal management system for the heating element thermally manages (cools/heats) the heating element (laser) using cooling water, as shown in Figure 5, which has lower heat transfer efficiency than phase change thermal management using the phase change effect in the traditional method. In order to achieve the target thermal management performance, the capacity of the thermal management system must be relatively increased.
이에 따라, 열관리시스템의 부피, 하중, 소모동력이 크게 증가하는 문제점이 있다.Accordingly, there is a problem in that the volume, load, and power consumption of the thermal management system greatly increase.
또한, 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.In addition, in the case of a laser, uniform temperature distribution in the heating part is one of the important factors that determines the quality of the laser. In the prior art using coolant, the flow rate is adjusted for uniform temperature distribution because the inlet and outlet temperatures of the coolant are different. It must be greatly increased, and as a result, the capacity of the thermal management system increases similarly to the above.
또. 기존의 기술은 냉동기에서 발생한 냉각에너지를 열교환기를 통해 냉각수 회로와 열교환한 하여 저온으로 냉각된 냉각수를 발열체(레이저)를 통과시켜 냉각하는 냉동기 냉각수간 열교환에 의한 간접냉각 방식이었다. also. The existing technology was an indirect cooling method by heat exchange between the coolant of the refrigerator, in which the cooling energy generated in the refrigerator was exchanged with the coolant circuit through a heat exchanger, and the coolant cooled to a low temperature was cooled by passing through a heating element (laser).
이렇게 할 경우 열교환기에서의 높은 열전달을 위해 냉동기의 냉매와 냉각수회로의 온도차를 충분히 확보하기 위해 냉동기의 용량이 증가되거나 열교환기의 크기가 증가하는 문제가 있다.In this case, there is a problem that the capacity of the refrigerator is increased or the size of the heat exchanger is increased to ensure a sufficient temperature difference between the refrigerant and the coolant circuit of the refrigerator for high heat transfer in the heat exchanger.
이러한 문제점 및 단점에 의해 종래의 발열체용 열관리시스템은 차량 탑재용으로서는 소형, 경량화에 적합하지 않다.Due to these problems and shortcomings, the conventional thermal management system for heating elements is not suitable for compactness and weight reduction for vehicle installation.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 발열체와 펌프 사이에 프리히터를 적용하여 과냉각된 냉매를 발열체 입구 측에서 가열하여 포화상태 또는 저건도의 2상 냉매로 변환시킴으로써 정수두 차를 감소시켜 유량 차이를 개선토록 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention was devised to solve the above problems, and the purpose of the present invention is to heat the supercooled refrigerant at the inlet side of the heating element by applying a preheater between the heating element and the pump to heat the saturated or low-dry two-phase refrigerant. It provides a phase change thermal management system for a heating element using a preheater that improves the flow rate difference by reducing the constant head difference by converting it to .
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기액분리기, 펌프와, 냉각팬 및 응축기로 구성되거나 응축기와 칠러로 구성될 수 있는 냉각모듈을 포함하여 단일 발열체 또는 다중 발열체의 온도를 제어하는 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 발열체와 펌프 사이에는 프리히터가 형성되고, 상기 프리히터는 외부 시스템에서의 고온 폐열을 열원으로 하며, 상기 발열체 전단의 건도에 따라 열원의 공급 열량을 조절하며, 상기 프리히터와 외부 시스템 사이에는 제어밸브가 형성되어, 외부 시스템에서 배출되는 고온 폐열이 프리히터로 이송되는 유량을 조절하여 발열체 전단의 건도를 제어인자로 하는 것을 특징으로 한다.The present invention to achieve the above object is a phase change thermal management that controls the temperature of a single heating element or multiple heating elements, including a cooling module that may be composed of a gas-liquid separator, a pump, a cooling fan, and a condenser, or may be composed of a condenser and a chiller. In the system, a preheater is formed between the heating element and the pump, the preheater uses high-temperature waste heat from an external system as a heat source, and adjusts the amount of heat supplied from the heat source according to the dryness of the front end of the heating element. A control valve is formed between the external systems to control the flow rate at which high-temperature waste heat discharged from the external system is transferred to the preheater, and the dryness of the front end of the heating element is used as a control factor.
삭제delete
삭제delete
삭제delete
삭제delete
삭제delete
본 발명은 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 외부 시스템의 폐열은 다른 열관리시스템의 고온 냉각수 또는 냉각모듈인 칠러의 고온 가스일 수 있는 것을 특징으로 한다.The present invention is a phase change thermal management system for a heating element using a preheater, wherein the waste heat from the external system can be high-temperature coolant from another thermal management system or high-temperature gas from a chiller that is a cooling module.
본 발명은 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 칠러는 응축기 후단에 위치하여 만들어지는 고온의 가스를 이용하여 프리히터의 열원으로 사용하고, 제어밸브를 통해 고온의 가스 양을 조절하여 공급 열량을 조절하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a phase change thermal management system for a heating element using a preheater, wherein the chiller uses high temperature gas produced at the rear of the condenser as a heat source for the preheater, and controls the amount of high temperature gas through a control valve. This is characterized by controlling the amount of heat supplied.
이상에서와 같이 본 발명은 발열체와 펌프 사이에 프리히터를 적용하여 발열체 전단의 건도에 따라 열원의 공급 열량을 조절함으로써, 열량 제어를 쉽게 할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention has the effect of easily controlling the amount of heat by applying a preheater between the heating element and the pump to adjust the amount of heat supplied from the heat source according to the dryness of the front end of the heating element.
또, 본 발명은 프리히터를 이용하여 과냉각된 냉매를 발열체 입구 측에서 가열하여 포화상태 또는 저건도의 2상 냉매로 변환시킴으로써, 발열체에서 보다 높은 온도균일도와 냉각 성능을 확보할 수 있도록 하여 발열체가 제 성능을 낼 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention uses a preheater to heat the supercooled refrigerant at the heating element inlet and convert it into a saturated or low-dry two-phase refrigerant, thereby ensuring higher temperature uniformity and cooling performance in the heating element. It has the effect of achieving proper performance.
도 1은 종래의 냉매를 이용한 상변화 냉각현상을 적용한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 발열체용 열관리시스템의 냉각 사이클을 나타낸 도면이다.
도 3은 발열체를 다중 수직으로 배치한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 다중 발열체인 발열체 모듈의 확대도이다.
도 5는 종래의 냉각수를 이용한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 냉매 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 발열체용 열관리시스템의 냉각 사이클을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 발열체를 다중 수직으로 배치한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 도 10의 다중 수직 배치 발열체 라인별 압력강하를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 건도에 따른 2상 냉매의 밀도변화를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 냉매 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예 3에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템으로서, 냉각모듈을 응축기와 칠러로 구성한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예 3에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 냉매 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.Figure 1 is a diagram schematically showing the configuration of a thermal management system for a heating element applying a phase change cooling phenomenon using a conventional refrigerant.
Figure 2 is a diagram showing the cooling cycle of the thermal management system for the heating element of Figure 1.
Figure 3 is a diagram schematically showing the configuration of a thermal management system for heating elements in which multiple heating elements are arranged vertically.
Figure 4 is an enlarged view of a heating element module that is a multiple heating element.
Figure 5 is a diagram schematically showing the configuration of a conventional thermal management system for a heating element using coolant.
Figure 6 is a diagram schematically showing the configuration of a phase change thermal management system for a heating element using a preheater according to preferred embodiment 1 of the present invention.
Figure 7 is a diagram schematically showing the refrigerant flow of the phase change thermal management system for a heating element using a preheater according to preferred embodiment 1 of the present invention.
Figure 8 is a diagram schematically showing the configuration of a phase change thermal management system for a heating element using a preheater according to preferred embodiment 2 of the present invention.
Figure 9 is a diagram showing the cooling cycle of the thermal management system for the heating element of Figure 8.
Figure 10 is a diagram schematically showing the state in which multiple heating elements of the phase change thermal management system for heating elements using a preheater according to Example 2 of the present invention are arranged vertically.
Figure 11 is a diagram schematically showing the pressure drop for each line of the multiple vertically arranged heating elements of Figure 10.
Figure 12 is a diagram schematically showing the change in density of a two-phase refrigerant according to dryness.
Figure 13 is a diagram schematically showing the refrigerant flow of the phase change thermal management system for a heating element using a preheater according to preferred embodiment 2 of the present invention.
Figure 14 is a diagram schematically showing a phase change thermal management system for a heating element using a preheater according to preferred embodiment 3 of the present invention, in which the cooling module is composed of a condenser and a chiller.
Figure 15 is a diagram schematically showing the refrigerant flow of the phase change thermal management system for a heating element using a preheater according to preferred embodiment 3 of the present invention.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in more detail based on the attached drawings.
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.Here, in all the drawings below, components having the same function are given the same reference numerals and repeated descriptions are omitted, and the terms described below are defined in consideration of the functions in the present invention, which has their own common meaning. It is specified that it should be interpreted as.
도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 발열체용 상변화 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.The phase change thermal management system for a heating element according to the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7 as follows.
먼저, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 발열체(R)를 열관리하기 위한 냉각모듈(210)과, 기액분리기(220)와, 펌프(230)와, 프리히터(240)로 대별되어 이루어진다.First, as shown in FIG. 6, the phase change thermal management system 200 for a heating element using a preheater according to preferred embodiment 1 of the present invention includes a cooling module 210 for heat management of the heating element (R), and a gas-liquid separator ( 220), a pump 230, and a preheater 240.
상기 냉각모듈(210)은 냉각팬(211)과 응축기(212)로 이루어져, 고온, 고압의 냉매를 냉각하고 응축열을 제거해 액화시키도록 구성된다.The cooling module 210 consists of a cooling fan 211 and a condenser 212, and is configured to cool the high-temperature, high-pressure refrigerant, remove condensation heat, and liquefy it.
여기서, 상기 냉각팬(211)은 응축기(212) 내로 이동된 냉매를 흡입된 외기와 열교환되도록 한다.Here, the cooling fan 211 allows the refrigerant moved into the condenser 212 to exchange heat with the sucked outside air.
상기 응축기(212)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.The condenser 212 includes all devices with cooling energy that can cool and condense the refrigerant in order to discharge the heat of the system to the outside of the system. It is not limited to a specific form and can be replaced with a chiller, etc. there is.
이와 같이, 본 발명에 냉각모듈(210)은 냉각팬(211) 및 응축기(212)로 이루어지는 구성 뿐만 아니라, 증기-압축 또는 흡수 냉동 사이클로 액체의 열을 제거하는 데 쓰는 기계인 칠러 및 응축기 등과 같은 냉각모듈로 구성될 수 있다.As such, the cooling module 210 in the present invention not only consists of a cooling fan 211 and a condenser 212, but also includes a chiller and a condenser, which are machines used to remove heat from liquid through a vapor-compression or absorption refrigeration cycle. It may consist of a cooling module.
상기 기액분리기(220)는 상기 냉각모듈(210)의 후방에 형성되어 배출되는 2상 냉매를 기상과 액상으로 분리한 후 액상의 냉매만 펌프(230)로 보내 가압할 수 있도록 한다.The gas-liquid separator 220 is formed at the rear of the cooling module 210 to separate the discharged two-phase refrigerant into gas phase and liquid phase and then send only the liquid refrigerant to the pump 230 to pressurize it.
여기서, 상기 기액분리기(220)는 리저버, 어큐뮬레이터, 냉매저장용기 등의 다양한 용어로 사용되는 모든 것을 포함할 수 있다.Here, the gas-liquid separator 220 may include everything that is used in various terms such as a reservoir, accumulator, and refrigerant storage container.
또, 상기 펌프(230)는 상기 기액분리기(220)를 통해 배출되는 액상 냉매를 압력작용을 이용하여 순환, 이송시키는 역할을 한다.In addition, the pump 230 serves to circulate and transport the liquid refrigerant discharged through the gas-liquid separator 220 using pressure.
상기 프리히터(240)는 상기 펌프(230)와 발열체(R) 사이에 형성되어 상기 발열체(R) 전단의 건도에 따라 공급 열량을 조절하는 역할을 한다.The preheater 240 is formed between the pump 230 and the heating element (R) and serves to adjust the amount of heat supplied depending on the dryness of the front end of the heating element (R).
여기서, 상기 프리히터(240)는 전기를 이용하는 전기식 열원과, 온수를 이용하는 온수식 열원 및 고온 가스를 이용하는 고온 가스 열원으로 구성될 수 있다.Here, the preheater 240 may be composed of an electric heat source using electricity, a hot water heat source using hot water, and a high-temperature gas heat source using high-temperature gas.
이러한 구성의 상기 프리히터(240)는, 상기 발열체(R) 전단의 건도에 따라 전기식 열원 또는 온수식 열원 및 고온 가스 열원의 공급 열량을 조절한다.The preheater 240 of this configuration adjusts the amount of heat supplied from the electric heat source, hot water heat source, and high-temperature gas heat source depending on the dryness of the front end of the heating element (R).
여기서, 상기 프리히터(240)는 발열체(R) 전단의 건도가 제어 범위보다 낮을 경우에 열원의 공급 열량을 증대시켜 건도를 높이고, 제어 범위보다 높을 경우 열원의 공급 열량을 감소시켜 건도를 낮추게 된다.Here, when the dryness of the front end of the heating element (R) is lower than the control range, the preheater 240 increases the dryness by increasing the amount of heat supplied from the heat source, and when it is higher than the control range, it lowers the dryness by reducing the amount of heat supplied from the heat source. .
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 열원의 열량 제어가 쉽다는 장점이 있다.Therefore, the phase change thermal management system 200 for a heating element according to preferred embodiment 1 of the present invention has the advantage of easy control of the calorific value of the heat source.
또, 상기 발열체(R)는 열에너지를 방출하는 레이저 또는 레이저 모듈로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the heating element R is preferably made of a laser or laser module that emits heat energy.
그러나, 이에 한정되지 않고 열에너지를 방출하는 전력 전자장치나 배터리와 같은 기타 발열 장치 등으로 이루어질 수도 있다.However, it is not limited to this and may be made of other heat-generating devices such as power electronic devices or batteries that emit heat energy.
그리고, 본 발명에 따른 프리히터를 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.In addition, minor components such as on/off on/off valves, sensors, and fittings that do not require opening degree control are not shown in the phase change thermal management system 200 for a heating element using a preheater according to the present invention, but a person skilled in the art may It is believed that anyone can naturally recognize these necessary points.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예 1에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 동작관계를 설명하면 다음과 같다.The operational relationship of the phase change thermal management system for a heating element using a preheater according to Example 1 of the present invention configured as described above will be described as follows.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 펌프(230)를 통과하면서 가압되어 압력이 상승한 냉매는 상기 프리히터(240)를 거쳐 발열체(R)로 이동된다.As shown in FIG. 7, the refrigerant whose pressure is increased by being pressurized while passing through the pump 230 is moved to the heating element (R) through the preheater 240.
즉, 상기 펌프(230)에서 가압된 액상 냉매는 프리히터(240)를 통해 발열체(R)로 포화상태 혹은 저건도의 2상 냉매가 이동된다.That is, the liquid refrigerant pressurized by the pump 230 is moved to the heating element R through the preheater 240 as a saturated or low-dry two-phase refrigerant.
이때, 상기 프리히터(240)는 상기 발열체(R) 전단의 건도에 따라 전기식 열원 또는 온수식 열원 및 고온 가스식 열원의 공급 열량을 조절한다.At this time, the preheater 240 adjusts the amount of heat supplied from the electric heat source, hot water heat source, and high-temperature gas heat source according to the dryness of the front end of the heating element (R).
다음, 상기 발열체(R)로 이송된 냉매는 열교환으로 발열체(R)를 냉각시킨 후 2상으로 상기 냉각모듈(210)로 이동된다.Next, the refrigerant transferred to the heating element (R) cools the heating element (R) through heat exchange and then moves to the cooling module 210 in two phases.
상기 냉각모듈(210)로 이동된 2상 냉매는 냉각팬(211)에 의해 외부 공기와 열교환하고, 응축기(212)를 통해 응축 및 과냉각된 후 기액분리기(220)에 모이게 된다.The two-phase refrigerant moved to the cooling module 210 exchanges heat with external air by the cooling fan 211, is condensed and supercooled through the condenser 212, and then collects in the gas-liquid separator 220.
따라서, 본 발명에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템은 이와 같은 동작을 지속적으로 반복함으로써 발열체(R)를 쉽게 열관리할 수 있는 것이다. Therefore, the phase change thermal management system for a heating element using the preheater according to the present invention can easily thermally manage the heating element (R) by continuously repeating this operation.
이하, 첨부된 도 8 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템을 설명한다.Hereinafter, with reference to the attached FIGS. 8 to 12, a phase change heat management system for a heating element using a preheater according to preferred embodiment 2 of the present invention will be described.
먼저, 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 발열체(R)를 열관리하기 위한 냉각모듈(210)과, 기액분리기(220)와, 펌프(230)와, 프리히터(240) 및 제어밸브(250)로 대별되어 이루어진다.First, as shown in FIG. 8, the phase change thermal management system 200 for a heating element using a preheater according to preferred embodiment 2 of the present invention includes a cooling module 210 for heat management of the heating element (R), and a gas-liquid separator ( 220), a pump 230, a preheater 240, and a control valve 250.
여기서, 상기 냉각모듈(210)은 냉각팬(211) 및 응축기(212)로 구성된 것으로 도시되어 있으나, 시스템의 열을 시스템 외부로 방출하는 역할을 하는 것이라면 특정 형태에 한정되지 않으며, 칠러 등으로 대체될 수 있다.Here, the cooling module 210 is shown as consisting of a cooling fan 211 and a condenser 212, but it is not limited to a specific form as long as it serves to radiate the heat of the system to the outside of the system, and can be replaced with a chiller, etc. It can be.
상기 냉각모듈(210)과, 기액분리기(220)와, 펌프(230)의 구성과 역할은 상기 실시예 1과 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Since the configuration and roles of the cooling module 210, the gas-liquid separator 220, and the pump 230 are the same as those of Embodiment 1, detailed description will be omitted.
상기 프리히터(240)는 상기 발열체(R)와 펌프(230) 사이에 형성되어 외부 다른 열관리시스템(10)으로부터 배출되는 고온의 폐열을 열원으로 이용하여 과냉각된 냉매를 발열체(R) 입구 측에서 가열함으로써 포화상태 또는 저건도의 2상 냉매로 변환시키는 역할을 한다.The preheater 240 is formed between the heating element (R) and the pump 230 and uses high-temperature waste heat discharged from another external heat management system 10 as a heat source to heat supercooled refrigerant at the inlet side of the heating element (R). It plays the role of converting into a saturated or low-dry two-phase refrigerant by heating.
여기서, 상기 외부 다른 열관리시스템(10)의 폐열은 고온의 냉각수 또는 냉각모듈인 칠러의 고온 가스를 포함할 수 있다.Here, the waste heat from the external thermal management system 10 may include high-temperature coolant or high-temperature gas from a chiller that is a cooling module.
상기 제어밸브(250)는 상기 프리히터(240)와 외부 다른 열관리시스템(10) 사이에 형성되어 상기 펌프(230)를 통해 공급되는 냉매의 가열 정도를 조절하기 위해 상기 프리히터(240)로 공급되는 열원의 이송량을 제어한다.The control valve 250 is formed between the preheater 240 and another external heat management system 10 and supplies the refrigerant to the preheater 240 to control the degree of heating of the refrigerant supplied through the pump 230. Controls the transfer amount of the heat source.
이를 위해, 상기 제어밸브(250)는 3방밸브로서 일부는 상기 외부 시스템(10)으로부터 배출되는 폐열 라인과 연결되고, 다른 일부는 상기 프리히터(240)와 연결된다.To this end, the control valve 250 is a three-way valve, and part of it is connected to the waste heat line discharged from the external system 10, and the other part is connected to the preheater 240.
즉, 상기 프리히터(240) 전단에서 과냉 냉매의 압력과 온도로 냉매의 엔탈피(enthalpy) 를 추정할 수 있고, 액체 또는 기체로 이루어지는 고온 유체인 열원의 유량 및 프리히터(240) 전후의 온도차를 통해 열원의 공급 열량을 추정할 수 있으며, 그리고 냉매 유량과의 관계를 통해 최종적으로 프리히터(240) 후단의 건도를 추정할 수 있다.That is, the enthalpy of the refrigerant can be estimated from the pressure and temperature of the subcooled refrigerant in front of the preheater 240, and the flow rate of the heat source, which is a high temperature fluid made of liquid or gas, and the temperature difference before and after the preheater 240 Through this, the amount of heat supplied from the heat source can be estimated, and the dryness of the rear end of the preheater 240 can be finally estimated through the relationship with the refrigerant flow rate.
여기서, 상기 제어밸브(250)는 프리히터(240)로의 고온 폐열 유량을 프리히터(240) 후단의 건도를 제어인자로 하는 것이 바람직하다.Here, the control valve 250 preferably uses the high-temperature waste heat flow rate to the pre-heater 240 and the dryness of the rear end of the pre-heater 240 as a control factor.
그리고, 이를 목표 건도를 달성하기 위해 제어밸브(250)의 개도 제어를 수행한다. Then, in order to achieve the target dryness, the opening degree of the control valve 250 is controlled.
이때, 도 9에 도시된 바와 같이, 냉각성능이 상대적으로 낮고 온도균일도가 낮은 현열구간을 프리히터(240)가 담당하고, 온도균일도와 냉각성능이 우수한 잠열구간은 발열체(R)가 담당하게 된다.At this time, as shown in FIG. 9, the preheater 240 is responsible for the sensible heat section with relatively low cooling performance and low temperature uniformity, and the heating element (R) is responsible for the latent heat section with excellent temperature uniformity and cooling performance. .
이를 통해, 상기 발열체(R)에서 보다 높은 온도균일도와 냉각 성능을 확보할 수 있어 발열체(R)가 제 성능을 낼 수 있는 환경을 조성할 수 있다.Through this, higher temperature uniformity and cooling performance can be secured in the heating element (R), creating an environment in which the heating element (R) can perform properly.
이와 같이, 상기 제어밸브(250)는 외부 열관리시스템(10)으로부터 배출되는 고온의 폐열이 프리히터(240)로 이송되는 유량을 조절하여 냉매의 가열 정도를 조절한다.In this way, the control valve 250 adjusts the degree of heating of the refrigerant by controlling the flow rate at which high-temperature waste heat discharged from the external heat management system 10 is transferred to the preheater 240.
또, 본 발명의 바람직한 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 발열체(R)를 수직으로 다중 배치시에도 프리히터(240)를 통해 각 발열체로 저건도 2상 냉매로 유입시켜 유량 차이를 개선할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 10, the phase change thermal management system 200 for a heating element using a preheater according to preferred embodiment 2 of the present invention uses the preheater 240 even when multiple heating elements R are arranged vertically. Through this, the flow rate difference can be improved by flowing low-dryness two-phase refrigerant into each heating element.
종래기술에서 설명한 것과 같이 상변화 열관리시스템(냉각시스템)에서는 다중 발열체의 수직 배치에 따라 영향을 받아, 상단에 설치된 발열체일수록 적은 유량이 공급되어 건도가 상승하는 문제가 있다. As explained in the prior art, the phase change thermal management system (cooling system) is affected by the vertical arrangement of multiple heating elements, and there is a problem in that the heating element installed at the top is supplied with a smaller flow rate and the dryness increases.
이는 도 11에 도시된 바과 같이 A에서 D로의 흐름에서 발열체(1) 즉, ACD에서의 압력강하(ΔPACD)와 발열체(2) 즉, ABD에서의 압력강하(ΔPABD)가 동일하기 때문에 결국 정수두(ΔPS) 차이만큼 마찰손실이 발생하게 되고, 마찰손실의 차이만큼 유량 차가 발생한다. As shown in Figure 11, in the flow from A to D, the pressure drop (ΔP ACD) at the heating element (1), i.e. ACD , and the pressure drop (ΔP ABD ) at the heating element (2), i.e. ABD, are the same. Friction loss occurs as much as the difference in static head (ΔP S ), and flow rate difference occurs as much as the difference in friction loss.
그러나, 본 발명과 같이 상기 프리히터(240)를 적용하여 각 발열체(R)로의 냉매 흐름을 저건도 2상 냉매로 유입시킬 경우 정수두의 차가 감소하여 결국 아래의 표 1과 같이 유량 차이를 개선할 수 있다. However, when the pre-heater 240 is applied as in the present invention to allow the refrigerant to flow into each heating element (R) as a low-dryness two-phase refrigerant, the difference in hydrostatic head is reduced, ultimately improving the flow rate difference as shown in Table 1 below. You can.
발열체 라인별 유량 차이 개선Improved flow rate difference for each heating element line
참고로, 액상 밀도 1000kg/m³, 기상 밀도 5kg/m³을 기준으로 할 때, 건도에 따른 밀도 변화는 도 12에 도시된 바와 같이, 저건도 영역에서 급격히 감소하고 그 후로는 거의 유사한 수준임을 알 수 있다.For reference, based on the liquid density of 1000 kg/m³ and the gas phase density of 5 kg/m³, the change in density according to dryness decreases rapidly in the low dryness area, as shown in Figure 12, and remains at an almost similar level thereafter. there is.
또, 상기 발열체(R)는 열에너지를 방출하는 레이저 또는 레이저 모듈로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the heating element R is preferably made of a laser or laser module that emits heat energy.
그러나, 이에 한정되지 않고 열에너지를 방출하는 전력 전자장치나 배터리와 같은 기타 발열 장치 등으로 이루어질 수도 있다.However, it is not limited to this and may be made of other heat-generating devices such as power electronic devices or batteries that emit heat energy.
그리고, 본 발명에 따른 프리히터를 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.In addition, minor components such as on/off on/off valves, sensors, and fittings that do not require opening degree control are not shown in the phase change thermal management system 200 for a heating element using a preheater according to the present invention, but a person skilled in the art may It is believed that anyone can naturally recognize these necessary points.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 동작관계를 설명하면 다음과 같다.The operational relationship of the phase change thermal management system for a heating element using a preheater according to Example 2 of the present invention configured as described above will be described as follows.
도 13에 도시된 바와 같이, 상기 펌프(230)를 통과하면서 가압되어 압력이 상승한 냉매는 상기 프리히터(240)를 거쳐 발열체(R)로 이동된다.As shown in FIG. 13, the refrigerant whose pressure is increased by being pressurized while passing through the pump 230 is moved to the heating element (R) through the preheater 240.
즉, 상기 펌프(230)에서 가압된 액상 냉매는 프리히터(240)를 통해 발열체(R)로 포화상태 혹은 저건도의 2상 냉매가 이동된다.That is, the liquid refrigerant pressurized by the pump 230 is moved to the heating element R through the preheater 240 as a saturated or low-dry two-phase refrigerant.
여기서, 상기 프리히터(240)는 외부 시스템(10)으로부터 배출되는 폐열을 열원으로 이용해 과냉각된 냉매를 발열체(R) 입구 측에서 가열하여 포화상태 혹은 저건도의 2상 냉매로 변환시키는 역할을 한다.Here, the preheater 240 uses the waste heat discharged from the external system 10 as a heat source to heat the supercooled refrigerant at the inlet side of the heating element (R) and converts it into a saturated or low-dry two-phase refrigerant. .
이때, 상기 제어밸브(250)는 개도를 제어하여 냉매의 가열 정도를 조절하기 위해 폐열인 고온의 냉각수와 같은 유체가 프리히터(240)로 유입되는 이송량을 제어한다.At this time, the control valve 250 controls the opening degree to control the transfer amount of fluid such as high-temperature coolant, which is waste heat, flowing into the preheater 240 to control the degree of heating of the refrigerant.
한편, 상기 프리히터(240) 전단에서 냉매의 물성자료를 통해 과냉 냉매의 압력과 온도로 냉매의 엔탈피(enthalpy, H_in) 를 추정할 수 있고, 액체 또는 기체로 이루어지는 고온 유체인 열원의 유량 및 프리히터(240) 전후의 온도차를 통해 열원의 공급 열량(Q)을 추정할 수 있으며, 그리고 냉매 질량유량(m)과의 관계를 통해 최종적으로 프리히터(240) 후단의 냉매 엔탈피(H_out=H_in+Q/m)를 추정할 수 있다. 또한 프리히터(240) 후단의 압력에서의 포화액의 엔탈피(H_SatLiq)와 기화열(H_latent)을 통해 프리히터(240) 후단의 건도(x_out=[H_out-H_SatLiq]/H_Latent)를 추정할 수 있다.Meanwhile, the enthalpy (H_in) of the refrigerant can be estimated from the pressure and temperature of the subcooled refrigerant through the physical property data of the refrigerant in front of the preheater 240, and the flow rate and pre The supply heat quantity (Q) of the heat source can be estimated through the temperature difference before and after the heater 240, and finally, through the relationship with the refrigerant mass flow rate (m), the refrigerant enthalpy (H_out=H_in+ Q/m) can be estimated. In addition, the dryness (x_out=[H_out-H_SatLiq]/H_Latent) at the rear end of the preheater 240 can be estimated through the enthalpy (H_SatLiq) and heat of vaporization (H_latent) of the saturated liquid at the pressure at the rear end of the preheater 240.
그리고, 프리히터 후단 즉, 발열체(R)의 전단의 건도가 제어범위에 미치지 못할 경우 열원인 온수 또는 고온 가스의 프리히터(240)로의 3방밸브 개도를 증가시켜 유량을 증가시키고, 반대로 프리히터(240)를 우회하는 방향의 개도를 감소시켜 유량을 감소시킨다. 프리히터 후단의 건도가 제어범위를 넘어선 경우는 반대로 3방밸브의 개도를 조절한다.In addition, if the dryness of the rear end of the preheater, that is, the front end of the heating element (R), does not fall within the control range, the flow rate of hot water or high temperature gas, which is the heat source, is increased by increasing the opening degree of the three-way valve to the preheater 240, and conversely, the preheater The flow rate is reduced by reducing the opening in the direction bypassing (240). If the dryness at the rear of the preheater exceeds the control range, adjust the opening degree of the three-way valve.
다음, 상기 발열체(R)로 이송된 냉매는 열교환으로 발열체(R)를 냉각시킨 후 2상으로 상기 냉각모듈(210)로 이동된다.Next, the refrigerant transferred to the heating element (R) cools the heating element (R) through heat exchange and then moves to the cooling module 210 in two phases.
상기 냉각모듈(210)로 이동된 2상 냉매는 냉각팬(211)에 의해 외부 공기와 열교환하고, 응축기(212)를 통해 응축 및 과냉각된 후 기액분리기(220)에 모이게 된다.The two-phase refrigerant moved to the cooling module 210 exchanges heat with external air by the cooling fan 211, is condensed and supercooled through the condenser 212, and then collects in the gas-liquid separator 220.
따라서, 본 발명에 따른 실시예 2의 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템은 이와 같은 동작을 지속적으로 반복함으로써 발열체에서 보다 높은 온도균일도와 냉각 성능을 확보할 수 있어 발열체가 제 성능을 낼 수 있는 환경을 조성할 수 있다.Therefore, the phase change thermal management system for a heating element using the preheater of Example 2 according to the present invention can secure higher temperature uniformity and cooling performance in the heating element by continuously repeating this operation, allowing the heating element to perform properly. An environment can be created.
또한, 도 14 및 도 15는 본 발명의 바람직한 실시예 3에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.In addition, Figures 14 and 15 are diagrams schematically showing the configuration of a phase change thermal management system for a heating element using a preheater according to preferred embodiment 3 of the present invention.
도 14에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예 3에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 발열체(R)를 열관리하기 위한 냉각모듈(210)과, 기액분리기(220)와, 펌프(230)와, 프리히터(240) 및 제어밸브(250)로 대별되나, 상기 냉각모듈(210)을 응축기(212)와 칠러(213)로 구성하였다.As shown in Figure 14, the phase change thermal management system 200 for a heating element using a preheater according to preferred embodiment 3 of the present invention includes a cooling module 210 for heat management of the heating element (R), and a gas-liquid separator 220. It is roughly divided into a pump 230, a pre-heater 240, and a control valve 250, but the cooling module 210 is composed of a condenser 212 and a chiller 213.
상기 기액분리기(220)와, 펌프(230), 프리히터(240) 및 제어밸브(250)의 구성과 역할은 상기 실시예 2와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Since the configuration and roles of the gas-liquid separator 220, pump 230, preheater 240, and control valve 250 are the same as those of Example 2, detailed description will be omitted.
그리고, 상기 칠러(213)는 증기-압축 또는 흡수 냉동 사이클로 냉매의 열을 제거 시 발생하는 고온 가스를 프리히터의 열원으로 사용할 수 있도록 한다.In addition, the chiller 213 allows high-temperature gas generated when heat of the refrigerant is removed through a vapor-compression or absorption refrigeration cycle to be used as a heat source for the preheater.
또, 상기 제어밸브(250)는 상기 프리히터(240)의 일측에 형성되어 상기 펌프(230)를 통해 상기 프리히터(240)로 공급되는 열원의 이송량을 제어한다.In addition, the control valve 250 is formed on one side of the preheater 240 and controls the transfer amount of the heat source supplied to the preheater 240 through the pump 230.
이를 위해, 상기 제어밸브(250)는 3방밸브로서 일부는 상기 칠러(213)로부터 배출되는 고온의 가스 라인(도면부호 미도시)과 연결되고, 다른 일부는 상기 프리히터(240)와 연결되며, 나머지 일부는 프리히터(240)를 우회하여 프리히터(240)의 고온 가스 측 후단과 연결된다.For this purpose, the control valve 250 is a three-way valve, and part of it is connected to a high-temperature gas line (not shown) discharged from the chiller 213, and the other part is connected to the pre-heater 240. , the remaining part bypasses the preheater 240 and is connected to the rear end of the high temperature gas side of the preheater 240.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예 3에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 동작관계를 설명하면 다음과 같다.The operational relationship of the phase change thermal management system for a heating element using a preheater according to Example 3 of the present invention configured as described above will be described as follows.
도 15에 도시된 바와 같이, 상기 펌프(230)를 통과하면서 가압되어 압력이 상승한 냉매는 상기 프리히터(240)를 거쳐 발열체(R)로 이동된다.As shown in FIG. 15, the refrigerant whose pressure is increased by being pressurized while passing through the pump 230 is moved to the heating element (R) through the preheater 240.
즉, 상기 펌프(230)에서 가압된 액상 냉매는 프리히터(240)를 통해 발열체(R)로 포화상태 혹은 저건도의 2 냉매가 이동된다.That is, the liquid refrigerant pressurized by the pump 230 is moved to the heating element R through the preheater 240 in a saturated or low dryness state.
여기서, 상기 프리히터(240)는 상기 칠러(213)로부터 발생되는 고온의 가스를 열원으로 이용해 과냉각된 냉매를 발열체(R) 입구 측에서 가열하여 포화상태 혹은 저건도의 2상 냉매로 변환시키는 역할을 한다.Here, the preheater 240 uses the high-temperature gas generated from the chiller 213 as a heat source to heat the supercooled refrigerant at the inlet side of the heating element (R) to convert it into a saturated or low-dry two-phase refrigerant. Do it.
이때, 상기 제어밸브(250)는 개도를 제어하여 냉매의 가열 정도를 제어하기 위해 고온의 가스가 프리히터(240)로 유입되는 이송량을 제어한다.At this time, the control valve 250 controls the opening degree to control the amount of high-temperature gas flowing into the preheater 240 to control the degree of heating of the refrigerant.
다음, 상기 발열체(R)로 이송된 냉매는 열교환으로 발열체(R)를 냉각시킨 후 2상으로 상기 냉각모듈(210)로 이동된다.Next, the refrigerant transferred to the heating element (R) cools the heating element (R) through heat exchange and then moves to the cooling module 210 in two phases.
상기 냉각모듈(210)로 이동된 2상 냉매는 응축기(212)와 칠러(213)를 통해 응축 및 과냉각된 후 기액분리기(210)에 모이게 된다.The two-phase refrigerant moved to the cooling module 210 is condensed and supercooled through the condenser 212 and the chiller 213 and then collected in the gas-liquid separator 210.
따라서, 본 발명에 따른 실시예 3의 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템은 이와 같은 동작을 지속적으로 반복함으로써 발열체에서 보다 높은 온도균일도와 냉각 성능을 확보할 수 있어 발열체가 제 성능을 낼 수 있는 환경을 조성할 수 있다.Therefore, the phase change thermal management system for a heating element using the preheater of Example 3 according to the present invention can secure higher temperature uniformity and cooling performance in the heating element by continuously repeating this operation, allowing the heating element to perform properly. An environment can be created.
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.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes to other equivalent embodiments are possible without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those skilled in the art to which the present invention pertains.
200 : 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템
210 : 냉각모듈 211 : 냉각팬
212 : 응축기 213 : 칠러
220 : 기액분리기 230 : 펌프
240 : 프리히터 250 : 제어밸브
R : 발열체 10 : 외부 시스템200: Phase change heat management system for heating element applying preheater
210: Cooling module 211: Cooling fan
212: condenser 213: chiller
220: gas-liquid separator 230: pump
240: Preheater 250: Control valve
R: Heating element 10: External system
Claims (8)
상기 발열체와 펌프 사이에는 프리히터가 형성되고, 상기 프리히터는 외부 시스템에서의 고온 폐열을 열원으로 하며, 상기 발열체 전단의 건도에 따라 열원의 공급 열량을 조절하며, 상기 프리히터와 외부 시스템 사이에는 제어밸브가 형성되어, 외부 시스템에서 배출되는 고온 폐열이 프리히터로 이송되는 유량을 조절하여 발열체 전단의 건도를 제어인자로 하는 것을 특징으로 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템.In a phase change thermal management system that controls the temperature of a single heating element or multiple heating elements, including a cooling module that may be composed of a gas-liquid separator, a pump, a cooling fan, and a condenser, or may be composed of a condenser and a chiller,
A preheater is formed between the heating element and the pump. The preheater uses high-temperature waste heat from the external system as a heat source, and adjusts the amount of heat supplied from the heat source according to the dryness of the front end of the heating element. There is a preheater between the preheater and the external system. A phase change heat management system for a heating element using a pre-heater, wherein a control valve is formed to regulate the flow rate at which high-temperature waste heat discharged from an external system is transferred to the pre-heater, and the dryness of the front end of the heating element is used as a control factor.
상기 외부 시스템의 폐열은 다른 열관리시스템의 고온 냉각수 또는 냉각모듈인 칠러의 고온 가스일 수 있는 것을 특징으로 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템.In claim 6,
A phase change thermal management system for a heating element using a preheater, wherein the waste heat from the external system may be high-temperature coolant from another thermal management system or high-temperature gas from a chiller, which is a cooling module.
상기 칠러는 응축기 후단에 위치하여 만들어지는 고온의 가스를 이용하여 프리히터의 열원으로 사용하고, 제어밸브를 통해 고온의 가스 양을 조절하여 공급 열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템.In claim 6,
The chiller uses high-temperature gas produced at the rear of the condenser as a heat source for the preheater, and controls the amount of heat supplied by controlling the amount of high-temperature gas through a control valve. Phase change thermal management system.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220024118A KR102616313B1 (en) | 2022-02-24 | 2022-02-24 | Phase change thermal management system for heating elements with preheater |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220024118A KR102616313B1 (en) | 2022-02-24 | 2022-02-24 | Phase change thermal management system for heating elements with preheater |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230126836A KR20230126836A (en) | 2023-08-31 |
| KR102616313B1 true KR102616313B1 (en) | 2023-12-20 |
Family
ID=87847493
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220024118A KR102616313B1 (en) | 2022-02-24 | 2022-02-24 | Phase change thermal management system for heating elements with preheater |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102616313B1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008130746A (en) * | 2006-11-20 | 2008-06-05 | Hitachi Ltd | Ebullient cooling device for electronic device and electronic device using the same |
| CN111306830B (en) * | 2019-11-20 | 2021-05-07 | 中国科学院广州能源研究所 | Jet organic Rankine flash evaporation combined cooling and power system |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101043156B1 (en) | 2008-12-23 | 2011-06-21 | 두산디에스티주식회사 | Chiller for high energy solid state laser device |
| KR102198332B1 (en) * | 2013-12-26 | 2021-01-05 | 엘지전자 주식회사 | Air conditioner and gas-liguid separating unit |
-
2022
- 2022-02-24 KR KR1020220024118A patent/KR102616313B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008130746A (en) * | 2006-11-20 | 2008-06-05 | Hitachi Ltd | Ebullient cooling device for electronic device and electronic device using the same |
| CN111306830B (en) * | 2019-11-20 | 2021-05-07 | 中国科学院广州能源研究所 | Jet organic Rankine flash evaporation combined cooling and power system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20230126836A (en) | 2023-08-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20200113085A1 (en) | System and method for recovering and upgrading waste heat while cooling devices | |
| JP6344385B2 (en) | Cooling system and cooling method | |
| US20220341635A1 (en) | Transducing method and system | |
| WO2011017450A2 (en) | Heat pump with integral solar collector | |
| JP2006292310A (en) | Geothermal heat pump device, geothermal unit having it, and control method of geothermal heat pump device | |
| KR20150089110A (en) | Scalable ORC distribute electricity generation system | |
| CN104364582A (en) | A solar energy system | |
| JP6901041B2 (en) | Cooling device, control method and storage medium | |
| CN105258332A (en) | Waste heat recycling system of data room | |
| Butler et al. | Loop heat pipes and capillary pumped loops-an applications perspective | |
| CN111988973A (en) | Air-cooled heat dissipation equipment and cooling system | |
| KR102616313B1 (en) | Phase change thermal management system for heating elements with preheater | |
| KR20110097745A (en) | Cooling system of low temperature boiling with lower-height/side positioned condenser compare to evaporator | |
| JP7022487B2 (en) | Solar power generation hot water supply system | |
| KR102627702B1 (en) | Thermal management system for heating element using heat source supply system | |
| CN211424728U (en) | Heat pipe type refrigeration equipment | |
| KR102616311B1 (en) | A thermal management system for a heating element having a constant temperature fluid supply module | |
| KR102591849B1 (en) | Phase change thermal management system for heating elements with ejectors | |
| KR102581056B1 (en) | A phase change thermal management system for multiple heating elements including a flow equalization resistor | |
| KR102557650B1 (en) | Phase change thermal management system for multiple heating elements | |
| US10378392B2 (en) | Device and method for operating a thermodynamic cycle | |
| KR102630473B1 (en) | Phase change heat management system for heating element using heat source supply system | |
| JP5056031B2 (en) | Steam generation system and steam generation method | |
| KR20230139510A (en) | Phase change thermal management system for heating elements with ejectors | |
| KR20220144939A (en) | Heat management system for heater element |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |