KR102627702B1

KR102627702B1 - 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템

Info

Publication number: KR102627702B1
Application number: KR1020220037911A
Authority: KR
Inventors: 송용석
Original assignee: 현대로템 주식회사
Priority date: 2022-03-28
Filing date: 2022-03-28
Publication date: 2024-01-19
Also published as: KR20230139511A

Abstract

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 축냉열교환기를 이용하여 축냉기와 열교환기의 기능적 물리적 통합으로 크기를 현저하게 줄임과 동시에 제어부품 최소화로 공간 효율성을 극대화 하는 발열체용 열관리시스템에 관한 것이다. 구성은 냉동기회로와 열관리회로를 포함하여 발열체의 온도를 제어하는 열관리시스템에 있어서, 상기 냉동기회로와, 열관리회로 사이에 축냉열교환기를 연결하여 구동되도록 하고, 상기 냉동기회로, 열관리회로 및 축냉열교환기는 축냉운전모드, 열관리준비운전모드, 열관리운전모드로 동작될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템{Thermal management system for heating element using heat source supply system}

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 축냉열교환기를 이용하여 축냉기와 열교환기의 기능적 물리적 통합으로 크기를 현저하게 줄임과 동시에 제어부품 최소화로 공간 효율성을 극대화 하는 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 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.

또, 종래에는 레이저가 작동하지 않는 동안 냉동기를 통해 생성된 냉각에너지를 열교환기를 통해 축냉회로의 냉각수와 열교환하여 축냉기에 냉각에너지를 저장하고, 레이저가 동작하는 동안에는 축냉기에 저장된 냉각에너지를 이용해 레이저를 열관리하고 있다.

즉, 냉동기 축냉기회로, 레이저 냉각회로가 직렬로 연결되는 구조이다.

따라서, 냉동기에서 생성한 냉각에너지와 축냉기에 저장된 냉각에너지를 동시에 병렬 구조로 사용이 불가하다.

또한, 종래의 열관리시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 응축기(111), 냉각팬(112), 압축기(113), 기액분리기(114), 열교환기(115), 축냉기(116), 팽창밸브(117), 수액기(118)를 포함는 냉동기회로(110)와; 리저버탱크(121), 펌프(122), 발열체(L)를 포함하는 열관리회로(120)로 구성된다.

이러한 구성의 열관리시스템(100)은 도 3에 도시된 바와 같이, 축냉모드에서는 팽창밸브(117) 후단의 흐름을 열교환기(115)가 아닌 축냉기(116)로 유지하여 냉열을 저장한다. 이 때 레이저 열관리회로(120)는 운전되지 않는다.

열관리모드는 준비모드와 본 모드가 있는데, 준비모드는 열관리회로 내의 유체의 온도를 목표로 하는 온도로 선 세팅하기 위함이고 본 모드는 말그대로 레이저를 열관리하기 위함이다.

열관리 준비모드는 도 4에 도시된 바와 같이, 냉동기회로(110)는 축냉모드와 동일하게 유지되나, 열관리회로(120)에서 펌프(122)가 기동하여 흐름을 생성하고, 냉각이 필요할 시 축냉기(116)로의 흐름을, 가열이 필요할 시 리저버탱크(121) 내의 히터(121a)를 가동한다. 이 때, 레이저인 발열체(L)는 기동하기 않으므로 우회할 수 있다. 가열이 필요할 시 축냉기(116)는 우회할 수 있다.

그리고, 도 5는 열관리 본 모드를 나타낸 것으로서, 냉동기회로(110)는 축냉기(116)를 우회하여 열교환기(115)로의 흐름만 유지하고, 레이저 열관리회로(120)는 레이저인 발열체(L)와 축냉기(116), 열교환기(115)를 모두 다 통과하여 냉각된다. 단, 정밀한 열관리를 위해 리저버 탱크(121) 내의 히터(121a)를 동작/미동작/출력제어 등으로 제어할 수 있다.

이와 같이 상기 도 2, 3, 4, 5의 열관리시스템(100)에서는 레이저인 발열체(L)를 사용하지 않는 축냉모드에서 축냉기(116)에 저장된 냉열과 냉동기회로(110)의 열교환기(115)에서 냉열을 레이저인 발열체(L)를 사용하는 경우에 동시에 끌어다 쓸 수 있어 냉동기회로(120)의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.

그러나, 상기 열교환기(115)와 축냉기(116)가 분리되어 있고, 두 장치간, 두 장치로의 연결라인이 복잡하여 공간 효율성이 낮으며, 흐름 제어를 위한 밸브 등의 장치가 추가되고, 제어가 복잡해지는 단점이 존재한다.

종래의 축냉기(116)는 도 6에 도시된 바와 같이 냉각 라인과 가열 라인이 단순배관의 형태(원형 동관 등)로 다수 개 배치되어 있는 탱크에 상변화 물질(Phase Change Material, PCM)이 충진되어, 배관 외부와 PCM 간의 열에너지가 전달되는 형태이다. 즉, 축열모드에서 냉동기회로(110)의 냉매에서 상변화 물질로 냉열이 이동하고, 열관리모드에서 상변화물질에서 열관리회로(120)의 냉각유체로 냉열이 전달되는 형태이다. 따라서 열전달 효율이 낮은 단점이 있다.

이러한 문제점 및 단점에 의해 종래의 발열체용 열관리시스템은 차량 탑재용으로서는 소형, 경량화에 적합하지 않은 기술임이 자명하여, 이를 개선할 수 있는 기술이 필요하다.

공개특허 제10-2010-0073204호

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 축냉기와 열교환기를 결합한 축냉열교환기를 냉동기회로와 열관리회로에 연결함으로써, 제한된 공간에서 충분한 열관리성능을 확보할 수 있도록 하는 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉동기회로와 열관리회로를 포함하여 발열체의 온도를 제어하는 열관리시스템에 있어서, 상기 냉동기회로와, 열관리회로 사이에 축냉열교환기를 연결하여 구동되도록 하고, 상기 냉동기회로, 열관리회로 및 축냉열교환기는 축냉운전모드, 열관리준비운전모드, 열관리운전모드로 동작될 수 있는 것을 특징으로 한다.

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본 발명은 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 축냉운전모드는 냉동기회로에서 발생된 냉열을 축냉열교환기에 저장하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 열관리준비운전모드는 열관리를 하기 위해 열관리회로의 온도를 사전에 세팅하는 과정으로 냉동기회로는 정상 가동된 상태에서 열관리회로의 냉각유체는 발열체를 우회하며 가열과정과 냉각과정으로 이루어지고, 상기 냉각과정은 열관리회로에서 냉각유체가 축냉열교환기를 통과하나, 상기 가열과정은 냉각유체가 축냉열교환기를 우회하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 열관리운전모드는 발열체에서 발생된 열에너지를 축냉열교환기를 통과시켜 냉동기회로에서 발생된 냉열과 축냉열교환기에서 저장된 냉열을 이용하여 발열체를 열관리하는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이 본 발명은 열관리시스템의 축냉기와 열교환기를 통합한 효율을 이룰 수 있으므로 이들이 차지하는 공간을 줄여 공간효율성이 증대되는 효과가 있다.

또, 본 발명은 냉동기회로와 열관리회로의 라인 수를 크게 감소시킴과 동시에 밸브류 및 피팅의 수를 감소시켜 비용절감을 이룰 수 있는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 제어가 필요한 밸브 수가 감소하므로, 제어 효율성, 유지보수 저감 등의 효과를 도모할 수 있다.

도 1은 종래의 냉각수를 이용한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 축냉운전모드를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 열관리준비운전모드를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 열관리운전모드를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2의 축냉기 열전달 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 종래 냉동기를 이용한 발열체용 열관리시스템의 열교환기 및 축냉기와, 본 발명의 발열체용 열관리시스템의 축냉열교환기를 개략적으로 비교한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 축냉열교환기의 축냉운전모드와 열관리운전모드시 냉열 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 축냉열교환기의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템의 축냉운전모드를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템의 열관리준비운전모드 중 냉각과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템의 열관리준비운전모드 중 가열과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템의 열관리운전모드를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예 2에 따른 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템의 구성을 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 7 및 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템(200)은 발열체(L)를 열관리하기 위해 냉동기회로(210)와, 열관리회로(220) 및 축냉열교환기(230)로 대별되어 이루어지고, 냉동기회로(210)와, 열관리회로(220) 사이에 축냉열교환기(230)를 연결함으로써, 열관리시스템(200)의 크기와 부품수를 현저하게 줄여 열관리 효율과 공간 효율을 극대화할 수 있다.

상기 냉동기회로(210)는 냉동사이클의 일반적인 구성인 냉각팬(211a)을 구비하는 응축기(211)와, 압축기(212) 및 팽창밸브(213)를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 냉동기회로(210)는 기액분리기(214)와 수액기(215)를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 기액분리기(214)와 수액기(215)는 필요에 따라 선택적으로 설치하거나, 설치하지 않을 수도 있다.

상기 응축기(211)는 냉각팬(211a)을 포함하여 이루어져, 고온, 고압의 냉매를 냉각하고 응축열을 제거해 액화시키도록 구성된다.

또, 상기 냉각팬(211a)은 응축기(211) 내로 이동된 냉매를 흡입된 외기와 열교환되도록 한다.

상기 압축기(212)는 기체(氣體)를 압축(壓縮, compress)하여 고압(高壓, high pressure)의 가스로 송출(送出)하는 기계이다.

즉, 상기 압축기(212)는 배출되는 기상 냉매를 고압으로 압축하여 상기 응축기(211)로 송출한다.

상기 팽창밸브(expansion valve)(213)는 응축 액화된 고온 고압의 액체 냉매를 교축 작용에 의해 증발을 일으킬 수 있는 압력까지 감압해 주는 밸브이다.

즉, 상기 팽창밸브(213)는 냉동기의 사이클 중에서 상기 수액기(215)에서 이송되는 고온 고압의 냉매를 증발기로 방출하는 밸브로서 교축에 의하여 압력을 낮추고, 용량을 팽창시키는 동시에 유량을 조절한다.

그리고, 본 발명에 따른 팽창밸브(213)는 냉동기회로(210)의 냉매 냉열이 축랭운전모드에서는 축냉물질로 전달될 수 있고, 열관리운전모드에서는 냉동기회로(210)의 냉매와 축냉물질의 냉열이 열관리회로(220)로 동시에 전달될 수 있다.

이를 위해, 상기 팽창밸브(213)는 출구온도를 조절할 수 있어야 한다. 즉, 축냉운전모드에서는 축냉물질에 냉열을 저장하기 위해 충분히 온도가 낮아야 하며, 열관리운전모드에서는 축냉물질로의 냉열전달을 막기 위해 축냉물질의 온도보다 높거나 유사수준을 유지할 수 있어야 하며 이를 통해 열관리회로(220)의 냉각유체로만 냉열 전달이 구현될 수 있다.

예컨대, 축냉물질의 목표온도가 10도일 경우, 축냉운전모드에서는 팽창밸브(213)의 출구온도는 약 0 ~ 5도 수준으로, 열관리운전모드에서는 10도 이상으로 제어될 수 있어야 한다.

상기 기액분리기(214)는 상기 압축기(212)와 팽창밸브(213) 사이에 형성되어 냉매를 기상과 액상으로 분리하는 것이다.

여기서, 상기 기액분리기(214)는 리저버, 어큐뮬레이터, 냉매저장용기 등의 다양한 용어로 사용되는 모든 것을 포함할 수 있다.

상기 수액기(215)는 응축기(211)와 팽창 밸브(213) 사이에 형성되어 응축기(211)에서 액화된 고온 고압의 액상 냉매를 일시 저장하는 용기이다.

상기 수액기(215)는 냉동기를 휴지할 때, 또는 저압측 수리 시 냉매를 회수하여 저장하는 용기이다.

또, 상기 수액기(215)는 팽창밸브(213)로 액상 냉매만 공급할 수 있는 구조여서 팽창밸브(213)가 안정적으로 감압이 발생하여 원하는 온도의 냉매를 확보할 수 있도록 하였다.

또, 상기 수액기(215)는 드라이필터 기능을 가지고 있어 수분들의 이물질을 필터링하여 팽창밸브(213)에서의 얼음 생성, 먼지에 의한 기능 저하를 방지할 수 있도록 하였다.

이를 위해, 상기 수액기(215)는 냉매에 포함된 수분이나 이물질을 걸러주는 정화장치(필터)를 구비하는 것이 바람직하다.

상기 열관리회로(220)는 리저버 탱크(221)와, 펌프(222) 및 발열체(L)를 포함하여 이루어진다.

상기 리저버 탱크(221)는 냉각유체를 저장하는 용기로서, 냉각유체 온도의 변화에 따라 액체의 체적 변화로 넘치는 냉각유체를 수용하거나 부족한 냉각유체를 보충하는 탱크역할을 하는 익스팬션 탱크(expansion tank)라고도 한다.

여기서, 상기 리저버 탱크(221)는 내부에 히터(221a)를 구비하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 리저버 탱크(221) 내의 히터(221a)는 리저버 탱크(221) 전단의 외부에 설치될 수도 있다.

상기 펌프(222)는 상기 리저버 탱크(221)를 통해 배출되는 액상 냉각유체를 압력작용을 이용하여 순환, 이송시키는 역할을 한다.

상기 발열체(L)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.

또한, 상기 열관리회로(220)의 냉각유체는 냉각수 등의 단상 냉각유체일 수 있고, 냉매 등의 상변화를 동반하는 냉각유체일 수 있다.

상기 축냉열교환기(230)는 상기 냉동기회로(210)와 열관리회로(220) 사이에 연결되어 상기 열관리회로(220)의 발열체(L)에서 발생된 열을 최종적으로 열관리시스템 외부로 방열하도록 한다.

즉, 상기 축냉열교환기(230)는 발열체(L)를 직접 열관리하는 열관리회로(220)와, 상기 발열체(L)에서 발생된 열을 최종적으로 열관리시스템(200)의 외부로 배출하는 냉동기회로(210)와 연결되어 구동된다.

상기 축냉열교환기(230)는 내부에 비열(比熱)이 높은 재료가 수용되어 있고, 축냉열교환기(230)를 축냉기능을 하는 축냉기(231)와 열교환으로 열전달 기능을 하는 열교환기(232)를 통합하여 소형화, 모듈화하였다.

이를 통해 두 장비가 기능적, 물리적으로 통합되므로 공간효율성이 증대되어 장비가 차지하는 공간을 감소시킬 수 있다.

즉, 도 8에 도시된 바와 같이 종래기술과 본 발명의 차이점에서 알 수 있듯이, 축냉열교환기(230)를 구비한 본 발명은 종래기술에 비해 냉동기회로(210)의 라인 수가 크게 감소하며(6개 → 2개), 열관리회로(220)의 라인수도 감소한다(3개 → 2개).

뿐만 아니라, 밸브류 및 피팅의 수가 감소될 수 있으므로 공간 효율성이 극대화될 수 있고, 제어에 필요한 밸브 수가 감소하므로 제어 효율성, 유지보수 저감 등의 효과를 이룰 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 축냉열교환기(230)는 종래의 축냉기와 달리 내부가 열교환기의 형태를 가진다.

즉, 도 9에 도시된 바와 같이 냉동기회로(210)의 냉매 냉열이 축냉운전모드에서는 축냉물질로 전달될 수 있고, 열관리운전모드에서는 냉동기회로(210)의 냉매와 축냉물질의 냉열이 열관리회로(220)로 동시에 전달될 수 있다.

또, 본 발명에 따른 축냉열교환기(230)는 도 10에 도시된 바와 같이 냉동기회로(210)의 냉매 라인과 열관리회로(220)의 냉각유체 라인이 열교환이 쉽도록 열적으로 연결되어 있고, 이 구조체를 축냉물질이 감싸고 있는 구조가 필요하다.

예컨대, 냉동기회로(210)의 냉매 라인과 열관리회로(220)의 냉각유체 라인이 수평 혹은 수직판의 형태로 내부에 복수 개의 냉매채널(CC)과 냉각유체채널(HC)을 가지고 있으며, 두 판이 직접 연결되어 있다.

연결된 상기 냉매채널(CC)과 냉각유체채널(HC)의 외부에는 축냉물질의 챔버(CB)가 구비되며, 상기 챔버(CB)도 냉매채널(CC)과 냉각유체채널(HC)과 직접 연결되어 있다.

또한, 상기 냉매채널(CC)과 냉각유체채널(HC)의 좌우에 Fin 구조(F)로 축냉물질 챔버(CB)와의 열전달 면적을 높일 수 있는 구조를 가질 수 있다.

이러한 예시는 단지 예시일 뿐이며, 냉동기회로(210)의 냉매 라인과 열관리회로(220)의 냉각유체 라인이 열교환이 쉽도록 열적으로 연결되어 있고, 이 구조체를 축냉물질이 감싸고 있는 구조 전체를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명은 상기 축냉열교환기(230) 우회라인과, 상기 발열체(L) 우회라인이 구비될 수 있다.

한편, 효율이 낮은 장비는 소모전력의 상당부분이 에너지 손실 즉, 열에너지의 형태로 외부로 방출되는데, 레이저인 발열체의 경우 효율이 1/3 수준으로 레이저의 출력이 클수록 그 만큼 발열량이 과대하게 발생하여 이를 처리하기 위한 열관리시스템 또한 그 용량 및 크기가 커지게 된다.

한예로써, 건물이나 컨테이너 등의 지상 고정식의 경우 공간의 제약이 적어 증대된 크기만큼 공간을 늘리면 되지만, 차량의 경우는 공간 제약에 의해 무한정 열관리시스템의 크기를 키울 수 없다.

따라서, 본 발명은 제한된 공간에서 충분한 열관리능력을 확보하기 위해 축냉(또는 축열)의 개념을 도입한 것이다.

그리고, 본 발명에 따른 축냉열교환기를 적용한 발열체용 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 바람직한 실시예 1에 따른 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템의 동작관계를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 축냉모드는 도 11에 도시된 바와 같이 기액분리기(214)에서 분리된 냉매 가스는 압축기(212)를 통해 고온 고압으로 압축되어 응축기(211)로 이송된다.

그리고, 상기 응축기(211)로 이송된 냉매는 외부의 냉각팬(211a)에 의해 공랭식으로 응축 냉각된 후 수액기(215)로 이동된다.

상기 수액기(215)에서 액상 냉매는 다시 팽창밸브(213)를 통과하면서 저온 저압의 액상 또는 2상 냉매로 변하게 된다.

상기 팽창밸브(213)에서 배출된 저온 저압의 액상 또는 2상 냉매는 중온(응축기 출구 냉매온도(고온)보다 낮으나 팽창밸브 출구 냉매온도(고온)보다 높은 온도)의 축냉열교환기(230)를 통과하면서 기화하여 과열증기가 되고 이 과정에서 축냉열교환기(230)의 축냉물질은 점차 냉각된다.

즉, 잠열을 이용하는 축냉기의 경우 액상이 고상으로 변하는 응고과정이 진행된다.

다음, 상기 축냉열교환기(230)를 통과한 냉매 과열증기는 다시 기액분리기(214)로 이동하게 되며, 일부 미 기화된 액상과 분리되어 다시 압축기(212)로 이송되어, 상기 과정을 반복한다.

또, 열관리준비운전모드는 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 냉동기회로(210)에서는 기본적으로 지속적으로 냉열을 발생시키기 때문에 축냉운전모드와 유사하게 운전된다.

즉, 상기 기액분리기(214)에서 분리된 냉매 가스는 압축기(212)를 통해 고온 고압으로 압축되어 응축기(211)로 이송되고, 상기 응축기(211) 외부의 냉각팬(211a)에 의해 공랭식으로 응축 냉각된 후 수액기(215)로 이동된다.

상기 수액기(215)에서 액상부분이 다시 팽창밸브(213)를 통과하면서 저온 저압의 액상 또는 2상 냉매로 변하여 토출되는 부분까지 냉동기회로(210)의 운전은 동일하다.

단, 열관리를 하기 위해 열관리준비운전모드를 통해 열관리회로(220)의 온도를 사전에 세팅하게 되는데, 이를 위해 펌프(222)를 구동하여 냉각유체의 흐름을 만드나, 열관리 준비과정이므로 냉각유체가 레이저인 발열체(L)를 우회한다.

이때, 냉각이 필요할 시 도 12에 도시된 바와 같이 축냉열교환기(230)를 통과하고, 가열이 필요할 시에는 도 13에 도시된 바와 같이 축냉열교환기(230)를 우회하며 히터(221a)를 가동한다.

그리고, 열관리운전모드는 도 14에 도시된 바와 같이 기본적으로 열관리 준비운전모드와 거의 동일하나, 레이저인 발열체(L)의 실질적인 열관리를 위해, 냉각유체가 발열체(L)를 통과하는 점과 우회배관을 통과하지 않는 점이 다르다.

즉, 상기 발열체(L)의 가열이 필요할 시 축냉열교환기(230)를 우회하며 미세 온도조절을 위해 히터(221a)가 가동될 수 있으며, 온도 조절된 냉각유체를 상기 펌프(222)를 통해 발열체(L)로 이송시켜 발열체(L)를 열관리하게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템(200)은 레이저인 발열체(L)를 작동시키지 않아 열관리가 따로 필요없는 상태에서도 냉동기회로(210)를 지속적으로 구동하여 이 때 발생된 냉열을 축냉열교환기(230)에 저장해 둔 후, 발열체(L)가 작동할 시에 다시 꺼내어 냉동기회로(210)와 함께 이용할 수 있으므로 냉동기회로(210)의 크기를 줄일 수 있다.

여기서, 축냉기(231)는 열에너지를 저장하는 역할을 하며, 온도가 높은 경우 축열장치로 불리기도 한다.

열에너지를 저장하는 물질에 따라 현열을 이용하는 방법과 잠열을 이용하는 방법이 있으며, 현열을 이용하는 경우는 액체 또는 고체를 이용하며, 액체의 경우 물을 이용하는 방법이 널리 사용되고 있다.

잠열을 이용하는 경우는 상변화를 동반하게 되며, 액체 고체 간의 융해 및 응고 시 동반되는 잠열을 이용하는 방법으로 잠열이 현열에 비해 크기 때문에 공간을 작게 할 수 있는 장점이 있으나, 제어 난이도가 높은 단점도 존재한다.

냉동기회로(210)에서 생성된 냉열을 축냉열교환기(230)에 저장하였다가 발열체(L) 작동 시 축냉열교환기(230)로 냉매를 통과시켜 저장된 냉열을 이용할 수 있으며, 발열체(L) 작동 시에도 냉동기회로(210)는 지속적으로 운전하고 있어 축냉열교환기(230)에 저장된 냉열과 냉동기회로(210)에서 실시간으로 생성된 냉열을 동시에 이용할 수 있어서, 축냉열교환기(230)가 냉동기회로(210)의 용량을 분담하는 기능을 하게 된다.

이를 통해 냉동기회로(210)의 부피, 소모동력, 중량 등을 감소시킬 수 있어 차량에 탑재 시 유리하게 하였다.

이하, 첨부된 도 15를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예 2에 따른 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템을 설명한다.

먼저, 도 15에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예 2는, 냉동기회로(210)와, 열관리회로(220) 및 축냉열교환기(230)로 이루어지는 발열체용 열관리시스템(200)에 과열기(240)를 추가하여 압축기(212)에서 압축이 불가한 액상을 압축시 과부하가 발생하거나 압축기(212)가 파손될 위험을 방지할 수 있도록 하였다.

여기서, 본 발명에 따른 상기 과열기(240)의 가열원은 응축기(211)를 통과하여 응축된 액상 냉매로서, 외기에 의해 공냉식으로 응축이 되었기 때문에 응축이 되었으나 압축기212)의 입구 온도인 기액분리기(214)의 내의 냉매 온도보다 충분히 높은 온도이다.

그러므로, 본 발명은 열교환기 타입의 과열기(240)를 사용하여, 기액분리기(214)로부터의 기상 냉매가 과열기(240)에서 과열증기가 되는 과정에서 응축기(211)를 통과한 액상 냉매는 추가 냉각되기 때문에 시스템차원에서는 추가 공급된 열에너지가 없도록 하였다.

물론 열교환기 타입의 과열기(240) 대신 전기히터 등을 사용할 수도 있으나, 냉열 생성 목적의 냉동기에 전기히터류를 적용하여 열에너지를 공급하는 것은 이치에 맞지 않는다. 따라서 불가피할 경우를 제외하면 적용하지 않는 것이 바람직하다.

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 : 열원공급장치를 이용한 발열체용 열관리시스템
210 : 냉동기회로 211a : 냉각팬
211 : 응축기 212 : 압축기
213 : 팽창밸브 214 : 기액분리기
215 : 수액기 220 : 열관리회로
221 : 리저버 탱크 221a : 히터
222 : 펌프 230 : 축냉열교환기
231 : 축냉기 232 : 열교환기
240 : 과열기 250 : 프리히터
L : 발열체

Claims

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냉동기회로와 열관리회로를 포함하여 발열체의 온도를 제어하는 열관리시스템에 있어서,
상기 냉동기회로와, 열관리회로 사이에 축냉열교환기를 연결하여 구동되도록 하고, 상기 냉동기회로, 열관리회로 및 축냉열교환기는 축냉운전모드, 열관리준비운전모드, 열관리운전모드로 동작될 수 있는 것을 특징으로 하는 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템.
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청구항 8에 있어서,
상기 축냉운전모드는 냉동기회로에서 발생된 냉열을 축냉열교환기에 저장하는 것을 특징으로 하는 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 열관리준비운전모드는 열관리를 하기 위해 열관리회로의 온도를 사전에 세팅하는 과정으로 냉동기회로는 정상가동된 상태에서 열관리회로의 냉각유체는 발열체를 우회하며, 가열과정과 냉각과정으로 이루어지고, 상기 냉각과정은 열관리회로에서 냉각유체가 축냉열교환기를 통과하나, 상기 가열과정은 냉각유체가 축냉열교환기를 우회하도록 하는 것을 특징으로 하는 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 열관리운전모드는 발열체에서 발생된 열에너지를 축냉열교환기를 통과시켜 냉동기회로에서 발생된 냉열과 축냉열교환기에서 저장된 냉열을 이용하여 발열체를 열관리하는 것을 특징으로 하는 축냉열교환기를 적용한 발열체용 열관리시스템.