KR20110023536A

KR20110023536A - 냉각 장치

Info

Publication number: KR20110023536A
Application number: KR1020090081489A
Authority: KR
Inventors: 김동관; 오덕진; 권문석; 정지영
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-08

Abstract

발열체의 과열을 방지하는 냉각 장치가 개시된다. 개시된 냉각 장치는 제1 냉매와 발열체 간 열교환이 야기되도록, 발열체 주위를 에워싸는 제1 냉매를 수용하는 제1 열교환 유닛과, 제1 열교환 유닛에서 배출된 제1 냉매 중에서 액체를 증기와 분리하여 제1 열교환 유닛을 향하여 배출하는 기액(機液) 분리 유닛과, 분리된 제1 냉매의 증기를 제2 냉매와의 열교환을 통하여 다시 액화하여 제1 열교환 유닛을 향하여 배출하는 제2 열교환 유닛을 구비한다.

Description

냉각 장치{Cooling apparatus}

배터리 셀, 연료전지, 반도체 칩 등과 같은 발열체의 과열을 방지하는 냉각 장치에 관한 것이다.

예컨대, 자동차 등 고출력이 요구되는 장치에 사용되는 배터리나 연료전지는 발열량이 커서 과열의 우려가 있으므로 과열을 방지하기 위한 냉각 장치가 요구된다. 발열량이 큰 발열체는 공냉 방식의 냉각 장치로 냉각하기에는 미흡하며, 주로 액냉 방식의 냉각 장치로 냉각된다. 액냉 방식 냉각 장치의 효율성 제고가 요청된다.

발열량이 큰 발열체의 방열에 적용 가능한 액냉 방식의 냉각 장치를 제공한다.

에너지 사용을 절약하여 냉각 효율이 증대되는 액냉 방식의 냉각 장치를 제공한다.

제1 냉매와 발열체 간 열교환이 야기되도록, 상기 발열체 주위를 에워싸는 제1 냉매를 수용하는 제1 열교환 유닛; 상기 제1 열교환 유닛에서 배출된 제1 냉매 중에서 액체를 증기와 분리하여 상기 제1 열교환 유닛을 향하여 배출하는 기액(機液) 분리 유닛; 및, 상기 분리된 제1 냉매의 증기를 제2 냉매와의 열교환을 통하여 다시 액화하여 상기 제1 열교환 유닛을 향하여 배출하는 제2 열교환 유닛;을 구비한 냉각 장치가 제공된다.

상기 기액 분리 유닛 내부의 압력이 미리 설정된 압력과 같거나 그보다 큰 경우에만 상기 제1 냉매의 증기가 상기 기액 분리 유닛에서 상기 제2 열교환 유닛으로 유출될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 냉각 장치는, 상기 제2 냉매를 상기 제2 열교환 유닛으로 강제 공급하는 제2 냉매 펌프(pump)를 더 구비하고, 상기 제1 냉매의 증기가 상기 제2 열교환 유닛에 유입되는 경우에만 상기 제2 냉매 펌프가 작동할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 냉각 장치는, 상기 기액 분리 유닛에서 상기 제2 열교환 유닛으로의 상기 제1 냉매 증기의 흐름 제어를 위하여 체크 밸브(check valve)를 더 구비할 수 있다.

상기 제1 냉매는 HFC(hydrofluorocarbon) 계열 물질일 수 있다.

상기 기액 분리 유닛은, 증기는 통과시키나 액체의 통과는 억제하는, 다공성(多空性)의 기액 분리판을 구비할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 냉각 장치는, 상기 기액 분리 유닛 및 제2 열교환 유닛으로부터 배출된 액체 상태의 제1 냉매를 수용하고, 상기 제1 냉매의 수위(水位)가 미리 설정된 수위보다 큰 경우에만 상기 제1 냉매를 상기 제1 열교환 유닛으로 공급하는 냉매 재공급 유닛을 더 구비할 수 있다.

상기 냉매 재공급 유닛은, 상기 제1 냉매의 수위에 대응하여 승강하는 부표(buoy)를 구비하여, 상기 부표의 위치에 의해 감지된 상기 제1 냉매의 수위가 상기 미리 설정된 수위보다 큰 경우에만 상기 제1 냉매를 제1 열교환 유닛으로 공급하기 위한 유로를 개방하는 수위 연동 밸브를 구비할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 냉각 장치는, 상기 제2 냉매를 상기 제2 열교환 유닛으로 강제 공급하는 제2 냉매 펌프(pump)를 더 구비하고, 상기 제2 냉매 펌프의 동력은 상기 발열체의 온도에 비례할 수 있다.

상기 발열체는 배터리 셀(battery cell)일 수 있다.

대용량의 배터리나 연료 전지와 같은 발열량이 큰 발열체를 효율적으로 냉각 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 냉각 장치를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 냉각 장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 도 1의 기액 분리판의 일 예를 확대 도시한 평면도이며, 도 3은 도 1의 냉매 재공급 유닛의 내부를 확대 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 냉각 장치(100)는 상온에서 액체 상태인 제1 냉매(103)가 발열체(101)로부터 열을 흡수하여 기화하고 제1 냉매의 순환 과정에서 액화하여 상기 발열체(101)를 향하여 재공급되는 액냉 방식의 냉각 장치이다. 상기 냉각 장치(100)는 제1 냉매(103)의 순환 경로 상에 제1 열교환 유닛(110), 기액(氣液) 분리 유닛(120), 제2 열교환 유닛(130), 및 냉매 재공급 유닛(150)을 구비한다.

상기 제1 열교환 유닛(110)은 제1 냉매(103)와 발열체(101) 간 열교환이 야기되도록 상기 발열체(101) 주위를 에워싸고 있는 제1 냉매(103)를 수용한다. 상기 발열체(101)는 제1 냉매(103)로 열을 방출하고, 제1 냉매(103)는 이 열을 흡수하여 기화된다. 상기 발열체(101)는 예컨대, 배터리 셀(battery cell), 연료전지(fuel cell), 반도체 칩 등일 수 있고, 특히 자동차 동력 공급용 배터리 셀 또는 연료전지일 수 있다. 상기 제1 냉매(103)는 유전성 유체(dielectric fluid)일 수 있고, 특히 HFC(hydrofluorocarbon) 계열 물질일 수 있다. 발열체(101)의 열을 흡수하여 기화된 제1 냉매(103) 증기와 일부의 제1 냉매(103) 액체는 제1 열교환 유닛(110) 에서 배출되어 제1 유로(162)를 통해 상기 기액 분리 유닛(120)으로 이동한다.

상기 기액 분리 유닛(120)은 제1 열교환 유닛(110)에서 배출된 제1 냉매(103) 중에서 액체를 증기와 분리하여 배출한다. 상기 제1 유로(162)의 말단과 연결된 기액 분리 유닛(120)의 냉매 유입구(163)를 통해 유입된 제1 냉매(103) 중에서 액체는 중력에 의해 하강하여 배출되고 제4 유로(165)를 통해 냉매 재공급 유닛(150)으로 유입된다. 상기 냉매 유입구(163)를 통해 유입된 제1 냉매(103) 중에서 증기는 상승한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 냉매 유입구(163)의 위에는 다수의 미세한 통기공(127)을 구비하여, 증기는 통과시키나 액체의 통과는 억제하는 다공성(多空性)의 기액 분리판(125)이 배치된다. 상기 기액 분리판(125)으로 인해 기액 분리 유닛(120) 내에서 제1 냉매(103)의 증기와 액체가 보다 신뢰성 있게 분리될 수 있다.

상기 제1 냉매(103)의 증기는 제3 유로(164)를 통해 제2 열교환 유닛(130)으로 이동한다. 상기 기액 분리 유닛(120)에서 상기 제2 열교환 유닛(130)으로의 제1 냉매(103) 증기의 흐름을 제어하기 위하여 상기 제3 유로(164) 상에는 체크 밸브(check valve, 128)가 구비된다. 상기 체크 밸브(128)는 일방향으로의 유체 흐름만을 선택적으로 개방하는 밸브로서, 상기 냉각 장치(100)에서는 상기 기액 분리 유닛(120) 내부의 증기 압력이 미리 설정된 압력과 같거나 그보다 큰 경우에만 체크 밸브(128)가 개방되어 제1 냉매(103)의 증기가 기액 분리 유닛(120)에서 제2 열교환 유닛(130)으로 이동된다. 한편, 상기 체크 밸브(128)는 기액 분리 유닛(120) 내부의 압력이 미리 설정된 압력과 같거나 그보다 큰 경우에 개방되도록 설정된 솔레노이드 밸브(solenoid valve)로 대체될 수 있다.

상기 제2 열교환 유닛(130)은 상기 기액 분리 유닛(120)으로부터 유입된 제1 냉매(103)의 증기를 제2 냉매(105)와의 열교환을 통하여 다시 액화한다. 구체적으로, 상기 제1 냉매(103)의 증기는 응축열을 방출하여 액화될 수 있고, 제2 냉매(105)는 그 열을 흡수한다. 상기 제2 냉매(105)는 상온에서 액체인 물(H₂O)일 수 있다. 도 1에 도시되진 않았으나 상기 제2 냉매(105)는 제2 냉매 공급 탱크(미도시)로부터 공급될 수 있다.

상기 냉각 장치(100)는 제2 냉매(105)를 제2 열교환 유닛(130)으로 강제 공급하기 위해 제2 냉매 펌프(pump, 138)를 더 구비할 수 있다. 상기 제2 냉매 펌프(138)는, 상기 체크 밸브(128)가 개방되어 제1 냉매(103)의 증기가 상기 제2 열교환 유닛(130)으로 유입되는 경우에만 작동하도록 설정될 수 있다. 또는, 상기 발열체(101)의 온도를 주기적으로 측정하여 상기 제2 냉매 펌프(138) 작동시의 동력이 측정된 상기 발열체(101)의 온도에 비례하도록 설정될 수도 있다. 이와 같이 제2 냉매 펌프(138)를 선택적으로 작동하거나 적절하게 동력을 제어함으로써 발열체(101)의 냉각에 소모되는 에너지를 줄일 수 있다. 다시 액화된 제1 냉매(103)는 제4 유로(165)를 통해 냉매 재공급 유닛(150)으로 이동된다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 냉매 재공급 유닛(150)은 기액 분리 유닛(120) 및 제2 열교환 유닛(130)으로부터 배출된 액체 상태의 제1 냉매(103)를 수 용하고, 제1 냉매(103)의 수위(水位)가 미리 설정된 수위와 같거나 그보다 큰 경우에만 제2 유로(168)를 통해 상기 제1 냉매(103)를 제1 열교환 유닛(110)으로 다시 공급한다. 냉매 재공급 유닛(150)을 통해 액체 상태의 제1 냉매(103)만이 배출되도록 함으로써 혹시 발생될 수도 있는 제1 냉매(103) 증기의 제1 열교환 유닛(110)으로의 바이패스(bypass)를 신뢰성 있게 차단할 수 있다.

상기 냉매 재공급 유닛(150)에는 힌지(157)를 중심으로 피봇하여 제2 유로(168)와 연결되는 배출구(159)를 개폐하는 도어(155)와, 상기 제1 냉매(103)의 수위에 대응하여 승강하는 부표(buoy, 152)와, 상기 부표(152)와 상기 힌지(157)에서 이격된 말단을 연결하는 끈(153)을 구비한 수위 연동 밸브(151)가 마련된다. 실선으로 도시된 바와 같이 상기 부표(152)의 위치에 의해 감지된 상기 제1 냉매(103)의 수위가 미리 설정된 수위와 같거나 그보다 작으면, 상기 도어(155)는 상기 배출구(159)를 폐쇄한다. 그러나, 가상선으로 도시된 바와 같이 상기 부표(152)의 위치에 의해 감지된 상기 제1 냉매(103)의 수위가 미리 설정된 수위보다 크면, 상기 도어(155)는 상기 배출구(159)를 개방하고 제1 냉매(103)가 제2 유로(168)를 통해 제1 열교환 유닛(110)으로 공급된다. 상기 제1 냉매(103)의 배출로 제1 냉매(103)의 수위가 다시 미리 설정된 수위와 같아지면 상기 배출구(159)는 도어(155)에 의해 다시 폐쇄된다.

도 1 내지 도 3에 개시된 냉각 장치(100)는 제1 열교환 유닛(110), 기액 분리 유닛(120), 제2 열교환 유닛(130), 및 냉매 재공급 유닛(150)을 경유하는 제1 냉매(103)의 순환이 펌프 등을 이용한 강제 순환에 의존하지 않고 수행될 수 있다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 냉각 장치를 도시한 구성도이다.

도 2는 도 1의 기액 분리판의 일 예를 확대 도시한 평면도이다.

도 3은 도 1의 냉매 재공급 유닛의 내부를 확대 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 ...냉각 장치 101 ...발열체

103 ...제1 냉매 105 ...제2 냉매

120 ...기액 분리 유닛 125 ...기액 분리판

128 ...체크 밸브 130 ...제2 열교환 유닛

138 ...펌프 150 ...냉매 재공급 유닛

Claims

제1 냉매와 발열체 간 열교환이 야기되도록, 상기 발열체 주위를 에워싸는 제1 냉매를 수용하는 제1 열교환 유닛;

상기 제1 열교환 유닛에서 배출된 제1 냉매 중에서 액체를 증기와 분리하여 상기 제1 열교환 유닛을 향하여 배출하는 기액(機液) 분리 유닛; 및,

상기 분리된 제1 냉매의 증기를 제2 냉매와의 열교환을 통하여 다시 액화하여 상기 제1 열교환 유닛을 향하여 배출하는 제2 열교환 유닛;을 구비한 냉각 장치.
제1 항에 있어서,

상기 기액 분리 유닛 내부의 압력이 미리 설정된 압력과 같거나 그보다 큰 경우에만 상기 제1 냉매의 증기가 상기 기액 분리 유닛에서 상기 제2 열교환 유닛으로 유출되는 냉각 장치.
제2 항에 있어서,

상기 제2 냉매를 상기 제2 열교환 유닛으로 강제 공급하는 제2 냉매 펌프(pump)를 더 구비하고, 상기 제1 냉매의 증기가 상기 제2 열교환 유닛에 유입되는 경우에만 상기 제2 냉매 펌프가 작동하는 냉각 장치.
제2 항에 있어서,

상기 기액 분리 유닛에서 상기 제2 열교환 유닛으로의 상기 제1 냉매 증기의 흐름 제어를 위하여 체크 밸브(check valve)를 더 구비한 냉각 장치.
제1 항에 있어서,

상기 제1 냉매는 HFC(hydrofluorocarbon) 계열 물질인 냉각 장치.
제1 항에 있어서,

상기 기액 분리 유닛은, 증기는 통과시키나 액체의 통과는 억제하는, 다공성(多空性)의 기액 분리판을 구비한 냉각 장치.
제1 항에 있어서,

상기 기액 분리 유닛 및 제2 열교환 유닛으로부터 배출된 액체 상태의 제1 냉매를 수용하고, 상기 제1 냉매의 수위(水位)가 미리 설정된 수위보다 큰 경우에만 상기 제1 냉매를 상기 제1 열교환 유닛으로 공급하는 냉매 재공급 유닛을 더 구비한 냉각 장치.
제7 항에 있어서,

상기 냉매 재공급 유닛은, 상기 제1 냉매의 수위에 대응하여 승강하는 부표(buoy)를 구비하여, 상기 부표의 위치에 의해 감지된 상기 제1 냉매의 수위가 상 기 미리 설정된 수위보다 큰 경우에만 상기 제1 냉매를 제1 열교환 유닛으로 공급하기 위한 유로를 개방하는 수위 연동 밸브를 구비한 냉각 장치.
제1 항에 있어서,

상기 제2 냉매를 상기 제2 열교환 유닛으로 강제 공급하는 제2 냉매 펌프(pump)를 더 구비하고, 상기 제2 냉매 펌프의 동력은 상기 발열체의 온도에 비례하는 냉각 장치.
제1 항에 있어서,

상기 발열체는 배터리 셀(battery cell)인 냉각 장치.