KR20100073204A - 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치는, 고체 레이저발진기(101)를 냉각시키기 위한 냉각용액 순환회로(100); 냉각용액의 열을 열방출기로 전달하는 열교환기(115); 냉각용액 순환회로로부터 전달받은 열을 주위로 방출하고 냉각용액의 온도를 조절하기 위한 냉동기로서의 열방출기(130); 상기 냉각순환회로(100)와 상기 열방출기(130) 사이에 설치되는 축냉회로(110); 및 고체 레이저발진기(101)를 냉각하는 냉각용액의 귀환관로에 설치되는 하나 이상의 축냉용기(103);를 포함하고, 상기 고체 레이저발진기(101)를 사용하지 않을 때는 열교환기(115)에 의해 냉각된 냉각용액으로 축냉용기의 축냉재를 냉각시켜 냉열을 저장하도록 된 것이다.

고체 레이저, 냉각장치, 축냉 용기, 보조, 병렬, 차량탑재

Description

고에너지 고체레이저장치용 냉각장치{Chiller for high energy solid state laser device}

본 발명은 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고에너지 고체레이저장치의 이동성을 확보하기 위하여 소형화 및 경량화시키도록 개선된 구조의 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치에 관한 것이다.

최근 고에너지 고체레이저 시스템의 효율 및 출력이 높아지면서 다양한 분야에서 고에너지 고체레이저 시스템을 적용하기 위해 노력하고 있으며, 특히 예를들어 방위산업에서는 전략 미사일 및 밀집부대로 공격해 오는 로켓탄, 포병탄, 박격포탄의 방어에 적용할 수 있고, 일반산업에서는 핵발전소 철거, 석유시추 그리고 터널 시공 등의 분야에 적용할 수 있다.

그런데 고에너지 고체레이저 발생장치는 입력전압의 85~90%의 폐열이 광원인 레이저다이오드와 레이저가 발생하는 이득매질에서 발생하며, 발열량은 입력전기에너지의 85~90%이며(도 1 참조), 레이저 출력에 따른 열방출량(열부하)는 아래 표와 같다.

따라서 고체레이저를 안정하게 운영하기 위해서 레이저다이오드와 이득매질에서 발생한 열을 대기로 방출하기 위한 냉각장치가 필수적이며, 특히 고에너지 고체레이저장치가 무기급인 경우 차량탑재를 위해 소형이며 경량이어야 하고, 전략 미사일 및 밀집부대로 공격해 오는 로켓탄, 포병탄, 박격포탄을 방어하기 위해서 고에너지 고체레이저 무기의 반응성이 높여야 하며, 이를 위해 냉각장치도 짧은 시간에 적정온도의 냉각용액을 고체 레이저발진기에 공급해야 한다.

종래의 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치는 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 냉각용액 순환회로(1)와 열방출기(2)를 포함하며, 상기 냉각용 순환회로는 고체 레이저발진기(3)의 레이저다이오드(4)와 이득매질(5)을 냉각시키기 위한 것으로, 고체레이저의 주요 냉각구조에 냉각용액을 공급하고 냉각용액을 순환시키는 동력기로 유량과 압력을 조절하기 위한 펌프(9), 냉각용액의 열을 열방출기로 전달하는 열교환기(10), 냉각용액의 온도를 예를 들어 초기 구동시 소망되는 온도로 상승시키기 위한 히터(12), 냉각용액에 포함되어 있는 불순물을 제거하여 고체 레이저발진기의 오염을 방지하기 위한 필터(13), 냉각용액의 유량이 작거나 온도가 높을 때 고체레이저가 작동하는 것을 방지하기 위한 안전스위치로서 고온도 스위치(7)와 저유량 스위치(6)들과, 냉각용액 저장용기(8)로 구성되고, 미설명된 도면부호(11)는 디미네날라이저이다.

열방출기(2)는 냉각용액 순환회로로부터 전달받은 열을 주위로 방출하고 냉각용액의 온도를 조절하기 위한 냉동기로서, 열교환기(10)와 결합된 증발기(14)에서 기화된 냉매는 압축기(15)와 응축기(17), 팽창밸브(19)를 통과하면서 액화되어 증발기로 유입되고, 도면에서 미설명된 부호(16)는 고온가스 바이패스밸브이며, 부호(18)는 응축기를 냉각시키기 위한 팬이다.

그러나 이러한 종래 고에너지 고체레이저장치는 출력이 높아지면 냉동기의 크기가 예를 들어 냉동창고 크기로 매우 커지는 문제가 있다.

예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이 효율 15%일 때 100 kW 정도의 출력을 얻기 위해서는 667 kW의 열을 주위로 방출하는 냉동기가 필요하며, 냉동기가 차지하는 부피는 약 35㎥(9m x 2m x 1.9m)가 되고, 트레일러 1대가 운반하는 부피가 9m x 2.4m x 2.5m 이므로 냉동기가 트레일러 1대 부피의 대부분을 차지한다.

따라서 다른 구성품을 고려하면 위와 같은 냉각장치 구조로는 차량탑재 고에너지 고체레이저무기의 구현이 불가능한 문제점이 있다.

특히, 공격에 신속하게 대응하기 위해 고체레이저무기의 워밍업 시간을 줄여야 하는 경우에는 냉각장치의 크기는 더욱 커지는 문제점이 있다.

즉 혹서기 때 작동초기의 냉각용액 온도는 작동온도 보다 높으므로 짧은 시간에 냉각용액을 적정온도에 도달시키기 위해서는 냉동기의 용량을 추가적으로 키워 냉각용액의 온도를 낮추어야 하므로 냉동기의 크기가 더 커진다.

또한, 혹한기에서는 냉각용액 온도가 작동온도 보다 낮아 전기 가열기의 용량을 높여야 하므로 전기가열기의 크기가 커지며 전기가열기에 공급하는 전원이 증가하므로 다른 부가장치인 전원공급기의 크기가 커지는 문제점이 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 차량에 탑재가능하고 이동성을 확보하도록 소형화 및 경량화된 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치는, 고체 레이저발진기를 냉각시키기 위한 냉각용액 순환회로; 냉각용액의 열을 열방출기로 전달하는 열교환기; 냉각용액 순환회로로부터 전달받은 열을 주위로 방출하고 냉각용액의 온도를 조절하기 위한 냉동기로서의 열 방출기; 상기 냉각순환회로와 상기 열방출기 사이에 설치되는 축냉회로; 및 고체 레이저발진기를 냉각하는 냉각용액의 귀환관로에 설치되는 하나 이상의 축냉용기;를 포함하고, 상기 고체 레이저발진기를 사용하지 않을 때는 열교환기에 의해 냉각된 냉각용액으로 축냉용기의 축냉재를 냉각시켜 냉열을 저장하도록 된 것이다.

또한, 상기 축냉회로는, 선택적으로 연결 가능한 복수 개의 축냉용기;와 상기 복수 개의 축냉용기에 연결되어 냉각용액을 수용하는 완충보조용기;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 냉각용액순환회로는, 상기 축냉용기와 병렬적으로 연결되는 하나 이상의 축열보조용기;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 냉각용액순환회로는, 냉각용액의 저장용기와 병렬적으로 연결되는 축열식 보조용기;를 더 포함할 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치는 하나 이상의 축냉용기를 사용하고 교체가능하게 구성하여 발진 휴지기 동안 축냉용기에 냉열을 저장하였다가 발진 시 냉각에 사용할 수 있고 발진시간을 증가시킬 수 있으므로, 상시적인 냉각장치의 규모를 크게 감소시킬 수 있고 또한 축열식 보조용기를 채용함으로써 워밍업 시간을 줄이므로 에너지 효율적 이어서, 전체적으로 냉각장치 및 부가장치인 전원공급장치를 소형, 경량화 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 첨부도면 도 4 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치에 대해서 설명한다.

<제1 실시예>

본 발명의 제1실시예로서, 도 4에 개념적으로 잘 도시되어 있듯이, 고체 레이저발진기를 사용하지 않는 긴 시간동안 냉열을 준비하고, 상대적으로 시간이 극히 짧은 발진시간에는 저장된 냉열을 이용함으로서 효과적으로 에너지를 사용할 수 있고, 따라서 냉각장치의 소형화, 경량화 및 고에너지 고체레저장치의 이동성을 확보할 수 있다.

도 5에는 도 4의 제1 실시예에 따른 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치가 도시되어 있으며, 냉각용액 순환회로(100)와 축냉회로부(110), 열방출기(130)를 포함한다.

상기 냉각용 순환회로는 고체 레이저발진기(101)의 레이저다이오드와 이득매 질을 냉각시키기 위한 것으로, 고체레이저의 주요 냉각구조에 냉각용액을 공급하고 냉각용액을 순환시키는 동력기로 유량과 압력을 조절하기 위한 펌프(104), 냉각용액의 열을 열방출기로 전달하는 열교환기(115), 냉각용액의 온도를 예를 들어 초기 구동시 소망되는 온도로 상승시키기 위한 히터(106), 필터(107)를 포함한다.

또한, 열방출기(130)는 냉각용액 순환회로로부터 전달받은 열을 주위로 방출하고 냉각용액의 온도를 조절하기 위한 냉동기로서, 열교환기(115)와 결합된 증발기(120)에서 기화된 냉매는 압축기(116)와 응축기(117), 팽창밸브(119)를 통과하면서 액화되어 증발기로 유입된다.

도면에서 미설명 된 부호(118)는 응축기를 냉각시키기 위한 팬이고, 이러한 냉각장치의 구성 자체는 공지의 냉각장치의 기술로서 더욱 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에 따라, 냉각순환회로와 열방출기 사이에 축냉회로(100)가 제공되며, 고체 레이저발진기(101)를 냉각한 냉각용액의 귀환관로에 축냉용기(103)를 설치하여 발진 시에는 축냉용기의 축냉재에 저장된 냉열로 귀환회로를 통해 귀환된 냉각용액을 냉각시키고 고체 레이저발진기를 사용하지 않을 때는 열교환기에 의해 냉각된 냉각용액으로 축냉용기의 축냉재를 냉각시키게 되어 에너지를 효과적으로 사용할 수 있다.

상술한 바와 같은 이러한 축냉식 냉각장치는 레이저 작동 전 냉각에 사용할 냉열을 저장하고, 발진 시 저장된 냉열을 이용하여 냉각시키며, 냉각시에는 냉각용액을 축냉용기에서 냉각시키도록 구성되어 신속한 반응성을 얻을 수 있으며, 발진 후 발진 시간에 비해 상대적으로 긴 준비시간을 통해 냉열을 준비할 수 있으므로, 작은 용량의 냉동기를 사용할 수 있고 따라서, 전체크기가 작기 때문에 이동식 고에너지 고체레이저 무기를 구현할 수 있다.

상기 축냉방법으로는 물/자갈과 같은 재료의 비열, 암모니아와 물과 같이 액체-기체의 상변화(기-액 잠열), 물-얼음 및 상변화물질(PCM)과 같이 고체-액체 상변화(고-액 잠열)을 사용할 수 있다.

고에너지고체레이저용 축냉식 냉각장치의 작동 조건을 아래 표2와 같이 가정하고 축냉재로 펜타데칸(예)으로 가정하면 필요한 축냉재의 량과 냉각장치의 부피는 표 3과 표 4와 같다.

<제2 실시예>

도 6과 도 7에는 본 발명의 다른 실시예로서, 축냉식 냉각장치를 이용한 고체 레이저무기의 발진시간을 연장할 수 있는 구조를 보여주며, 도 6의 실시예에서는 적어도 2개의 축냉용기(200, 205)를 채용하고, 그 중 어느 하나로부터 냉각된 냉각용액을 펌프(204)로 고체 레이저발진기(203)로 공급하도록 하고, 교환대기 축냉용기(206)를 더 구비할 수 있다.

상기 실시예들에서 평상시 축냉물질은 고체상태로 유지하고, 고체레이저 발진 시 밸브을 열어 냉각에 필요한 냉열원을 얻으며, 축냉용기(200)의 사용이 끝나면 해당 밸브을 닫고 다른 축냉용기(201)의 밸브을 열어서 사용한다.

상기 축냉용기 연결 밸브는 3개 이상도 가능하고 이 경우 2개의 축냉용기를 동시 사용도 가능하다.

또한, 도 7에 도시된 실시예에서는 복수 개의 축냉용기(301, 307)를 포함하고, 축냉용기에서 냉각된 냉각용액을 저장하는 완충용기(306)를 포함하여 펌프(305)로 고체 레이저발진기(304)로 공급하도록 하고, 교환대기 축냉용기(308)를 더 구비할 수 있다.

미설명 부호(303)는 밸브이다.

본 실시예에서 밸브 전환시 고체 레이저 발진기에 원활한 냉각용액의 공급을 위하여 완충용기가 추가로 설치된 것이다.

<제3 실시예>

도 8에는 본 발명의 또 다른 실시예로서 도 5의 실시예와 비교하여 축냉용기(402)에 병렬로 축열보조용기(403)와 밸브(406)가 더 추가된 것이다.

<제4 실시예>

도 9에는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시하고 있으며, 본 실시예는 도 2의 종래 냉각장치와 기본적인 구조는 동일하지만, 냉각용액 저장용기(504)에 병렬적으로 축열식 보조용기(508)를 더 구비한 것이다.

상기 실시예들에서 축열보조용기에는 레이저다이오드의 작동온도와 유사한 상변화온도를 갖는 축열물질을 사용하고, 발진 전 축열물질은 액체-고체 혼합상태로 상변화온도로 유지함으로써 동작을 시작하면서 작동온도의 냉각용액을 레이저에 공급가능하여 혹서기에서는 초기 냉동기 작동 시 과부하를 막을 수 있고, 혹한기에서는 냉각용액의 온도를 높이기 위한 히터의 추가설치가 필요 없게 된다.

따라서 소비전력 증가에 따른 전원 공급장치 부피/중량 증가가 없으므로 냉각장치 및 전원공급장치의 소형, 경량화가 가능하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치는 하나 이상의 축냉용기를 사용하고 교체 가능하며 발진 휴지기동안 냉각액을 냉각시켜 발진시 냉각에 사용할 수 있으므로, 상시적인 냉각장치의 규모를 크게 감소시킬 수 있고 에너지 효율적이며, 또한 축열식 보조용기를 채용함으로써 전체적인 고체레이저의 부가장치 즉 냉각장치와 전원공급장치를 소형, 경량화할 수 있어 고에너지 고체레이저장치를 이동이 가능한 차량에 탑재되는 데에 이용될 수 있다.

도 1은 일반적으로 고체 레이저발진기에서의 발열 상태를 보여주는 개략도.

도 2는 종래 고에너지 고체레이전발진기 냉각장치의 개략적인 구성도.

도 3은 레이저출력과 냉동기 부피를 나타내는 그래프.

도 4는 축냉으로 미리 준비된 냉열로 발진시간동안 냉각에 사용한다는 본 발명에 따른 냉각장치의 기본원리를 보여준다.

도 5는 본 발명의 일실시예의 냉각장치의 개략적인 구성도.

도 6과 도 7은 도 5에서 축냉용기를 교체 가능한 것을 사용하는 것을 보여주는 개략도.

도 8과 도 9는 본 발명의 다른 실시예의 냉각장치의 개략적인 구성도.

Claims (4)

1. 고체 레이저발진기(101)를 냉각시키기 위한 냉각용액 순환회로(100);

   냉각용액의 열을 열방출기로 전달하는 열교환기(115);

   냉각용액 순환회로로부터 전달받은 열을 주위로 방출하고 냉각용액의 온도를 조절하기 위한 냉동기로서의 열방출기(130);

   상기 냉각순환회로(100)와 상기 열방출기(130) 사이에 설치되는 축냉회로(110); 및

   고체 레이저발진기(101)를 냉각하는 냉각용액의 귀환관로에 설치되는 하나 이상의 축냉용기(103);를 포함하고,

   상기 고체 레이저발진기(101)를 사용하지 않을 때는 열교환기(115)에 의해 냉각된 냉각용액으로 축냉용기의 축냉재를 냉각시켜 냉열을 저장하도록 된 것;

   을 특징으로 하는 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 축냉회로는,

   선택적으로 연결 가능한 복수 개의 축냉용기;와

   상기 복수 개의 축냉용기에 연결되어 냉각용액을 수용하는 완충보조용기;

   를 더 포함하는 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 냉각용액순환회로는,

   상기 축냉용기와 병렬적으로 연결되는 하나 이상의 축열보조용기(403);

   를 더 포함하는 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 냉각용액순환회로는,

   냉각용액의 저장용기(504)와 병렬적으로 연결되는 축열식 보조용기(508);

   를 더 포함하는 고에너지 고체레이저장치용 냉각장치.

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