KR20170017102A - 전도 냉각을 위한 다단 열사이펀, 상기 다단 열사이펀의 작동 방법 및 설계 방법 - Google Patents

전도 냉각을 위한 다단 열사이펀, 상기 다단 열사이펀의 작동 방법 및 설계 방법 Download PDF

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Abstract

다단 열사이펀, 상기 다단 열사이펀의 작동 방법 및 설계 방법이 개시된다. 여기서, 다단 열사이펀은 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체를 공급하는 작동유체 공급부, 냉동기와 접촉되게 배치되고, 상기 작동유체 공급부로부터 상기 고온부 작동유체를 먼저 공급받아 상기 고온부 작동유체가 중력방향으로 이동하도록 상기 냉동기와의 열교환을 통하여 상기 고온부 작동유체를 응축시킨 후, 상기 작동유체 공급부로부터 상기 저온부 작동유체를 공급받아 상기 저온부 작동유체가 중력방향으로 이동하도록 상기 냉동기와의 열교환을 통하여 상기 저온부 작동유체를 응축시키는 응축부, 상기 응축부의 하방에서 냉각대상과 접촉되게 배치되며, 상기 응축부로부터 유입된 상기 고온부 작동유체 및 상기 저온부 작동유체가 증발되도록 상기 냉각대상으로부터 열을 흡수하는 증발부를 포함한다.

Description

전도 냉각을 위한 다단 열사이펀, 상기 다단 열사이펀의 작동 방법 및 설계 방법{MULTI-STAGE THERMOSIPHON FOR CONDUCTION COOLING, OPERATING METHOD AND DESIGNING THEREOF}
본 발명은 전도 냉각을 위한 다단 열사이펀, 상기 다단 열사이펀의 작동 방법 및 설계 방법에 관한 것이다.
열사이펀(Thermosiphon)은 유체의 상 변화(Phase transition) 구간을 이용하여 전도 냉각(Conduction cooling) 방식을 효율적으로 활용한다. 구체적으로, 기-액 상 변화 과정은 액체가 증발하며 기체가 생성되는 과정으로, 대류(Convection) 현상이 활발하게 일어난다. 대류 현상에 의하여 기체가 골고루 섞이게 되면서 기-액 상태의 열 전도도(Heat transfer coefficient)는 상당히 높은 값을 갖게 되어 전도 냉각 방식을 활용함에 있어 냉각 시간을 단축시킬 수 있다는 장점이 있다.
현재 전도 냉각은 초전도체가 동작하는 온도 조건을 만들기 위하여 냉동기로 초전도체를 냉각하는 부분, 우주 항공 산업에서 냉동기로 연료 탱크 등 저온으로 유지되어야 하는 설비들을 냉각하는 부분 등에서 활용되고 있다. 열사이펀을 통한 효율적인 전도 방식의 활용은 비단 전도 냉각 뿐만 아니라 전도 가열이 필요한 산업에서도 활용될 수 있다.
전도 냉각 방식에 있어서 열 전도도가 뛰어난 구리가 약 1100 W/m2K 의 열 전도도를 가지고 있다. 하지만 열사이펀은 작동 유체에 따라 더 높은 열 전도도를 가질 수 있다. 물을 활용한 열 사이펀의 경우, 2~3000 W/m2K의 열 전도도를 갖는 것으로 알려져 있다. 약 2~3 배의 열 전도도를 갖고 있는 열사이펀을 전도 냉각 방식에 이용할 경우, 전도 냉각에 필요한 시간이 2~3 배 감소한다는 것을 의미한다.
이러한 열사이펀의 작동 방식은 다음과 같다. 전도 냉각에 이용하기 위한 냉동기와 냉각 대상의 사이에 열사이펀을 설치한다. 이때, 열사이펀의 응축부(Condenser)가 위치하게 되고, 냉각 대상에는 증발부(Evaporator)가 위치하도록 열사이펀을 설치한다. 열사이펀은 밀폐된 구조물로, 내부에는 작동 유체가 충진되어 있다.
냉동기를 작동시켜 열사이펀 내부에서 상 변화가 일어나게 되면, 가장 저온인 냉동기의 콜드 헤드(Cold head)에서는 작동 유체의 응축이 일어나게 되고, 상대적으로 고온인 냉각 대상이 위치한 곳에서는 응축된 액체가 다시 증발하며 열사이펀이 작동하게 된다. 온도가 점점 낮아지며 응축되는 작동 유체가 늘어감에 따라, 밀폐된 열사이펀 내부의 작동 유체의 충진 압력도 점차 감소하게 되고, 이에 따라 작동 유체의 끓는점 또한 낮아져 유체가 완전히 응축되기 전까지 높은 열 전도도를 이용하여 전도 냉각이 가능하다.
이러한 열사이펀은 상 변화를 이용하는 점에서 작동 유체의 임계점 (Critical point)부터 삼중점 (Triple point)까지만 활용이 가능하다는 점이 한계로 작용한다.
그런데, 종래에 열 사이펀은 작동 유체를 1개만 사용하여 그 작동 온도 범위에 크게 제한이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열사이펀 내부에 순차적으로 복수의 작동유체를 충진하여 전도 냉각시 활용하는 다단 열사이펀, 상기 다단 열사이펀의 작동 방법 및 설계 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따르면, 다단 열사이펀은 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체를 공급하는 작동유체 공급부, 냉동기와 접촉되게 배치되고, 상기 작동유체 공급부로부터 상기 고온부 작동유체를 먼저 공급받아 상기 고온부 작동유체가 중력방향으로 이동하도록 상기 냉동기와의 열교환을 통하여 상기 고온부 작동유체를 응축시킨 후, 상기 작동유체 공급부로부터 상기 저온부 작동유체를 공급받아 상기 저온부 작동유체가 중력방향으로 이동하도록 상기 냉동기와의 열교환을 통하여 상기 저온부 작동유체를 응축시키는 응축부, 그리고 상기 응축부의 하방에서 냉각대상과 접촉되게 배치되며, 상기 응축부로부터 유입된 상기 고온부 작동유체 및 상기 저온부 작동유체가 증발되도록 상기 냉각대상으로부터 열을 흡수하는 증발부를 포함한다.
또한, 다단 열사이펀은 상기 고온부 작동유체 및 상기 저온부 작동유체의 유동로로서 상기 응축부와 상기 증발부의 사이에 배치되는 튜브, 상기 응축부와 상기 작동유체 공급부 사이에 연결되어 상기 고온부 작동유체 및 상기 저온부 작동유체를 공급하기 위한 경로인 충진배관, 상기 충진배관으로 상기 저온부 작동유체가 공급될 때 상기 증발부에 응축된 상기 고온부 작동유체를 배출하기 위한 경로인 배출배관, 그리고 상기 충진 배관으로 상기 저온부 작동유체가 공급될 때 상기 배출 배관과 연결되고 초기에 잠김 상태인 밸브를 해제시켜 상기 응축된 고온부 작동유체를 외부로 배출시키는 작동유체 배출부를 더 포함하고,
상기 작동유체 공급부는,
상기 충진 배관과 연결되고 초기에 잠김 상태인 밸브의 잠김을 해제시켜 상기 충진 배관으로 상기 고온부 작동유체를 공급한 후 상기 밸브를 다시 잠그고, 상기 고온부 작동유체가 모두 응축되면, 상기 밸브의 잠김을 다시 해제시켜 상기 충진 배관으로 상기 저온부 작동유체를 공급할 수 있다.
상기 고온부 작동유체 및 상기 저온부 작동유체는,
290K 이상 그리고 77 K 이하의 온도 범위 내에서 2상(two-phase)으로 존재하는 냉매를 포함할 수 있다.
상기 고온부 작동유체는,
290K 이상 그리고 150K 미만의 온도 범위 내에서 사용되는 R-23 가스를 포함할 수 있다.
상기 저온부 작동유체는,
150K 이상 그리고 77K 이하의 온도 범위 내에서 사용되는 산소를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 다단 열사이펀의 작동 방법은 냉동기와 냉각 대상 사이에 설치되는 다단 열사이펀의 작동 방법으로서, 고온부 작동유체를 이용하여 열사이펀 방식으로 전도 냉각을 수행하는 단계, 그리고 상기 고온부 작동유체가 모두 응축되면, 저온부 작동유체를 이용하여 상기 열사이펀 방식으로 전도 냉각을 수행하는 단계를 포함한다.
상기 고온부 작동유체를 이용하여 열사이펀 방식으로 전도 냉각을 수행하는 단계는,
상기 냉동기에 근접하게 배치된 상기 다단 열사이펀의 응축부에 고온부 작동유체를 충진하는 단계, 상기 고온부 작동유체의 충진이 완료되면, 상기 냉동기를 작동시키는 단계, 그리고 상기 고온부 작동유체가 상기 냉동기와의 열교환을 통하여 응축된 후 중력방향으로 이동하여 상기 냉각 대상의 잠열을 흡수하고 다시 상기 응축부로 귀환하여 응축되는 단계를 포함할 수 있다.
상기 저온부 작동유체를 이용하여 상기 열사이펀 방식으로 전도 냉각을 수행하는 단계는,
상기 고온부 작동유체가 모두 응축되면, 상기 저온부 작동유체를 상기 응축부에 충진시킴과 동시에 응축된 고온부 작동유체를 외부로 배출하는 단계, 그리고 상기 저온부 작동유체가 상기 냉동기와의 열교환을 통하여 응축된 후 중력방향으로 이동하여 상기 냉각 대상의 잠열을 흡수하고 다시 상기 응축부로 귀환하여 응축되는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 컴퓨팅 장치가 다단 열사이펀을 설계하는 방법은 냉각 대상의 냉각 온도 범위를 입력받는 단계, 상기 냉각 온도 범위에 적합한 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체를 선정하는 단계, 상기 온도 범위에 따라 결정된 압력 및 안전율을 고려하여 상기 다단 열사이펀의 재질 및 형상을 설계하는 단계, 그리고 설계 정보를 화면에 출력하는 단계를 포함한다.
상기 선정하는 단계는,
임계점 온도 및 삼중점 온도를 고려하여 상기 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체를 선정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 여러 유체를 작동유체로 사용하여 열사이펀 원리의 작동 범위를 넓힌 바, 다양한 전도 냉각, 가열 방식에 있어서 적용이 가능하고, 많은 열 교환 과정에서 소비되는 시간을 크게 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다단 열사이펀을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다단 열사이펀의 동작 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다단 열사이펀의 설계 장치를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다단 열사이펀의 설계 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 다단 열사이펀의 설계 예시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 전도 냉각을 위한 다단 열사이펀, 상기 다단 열사이펀의 작동 방법 및 설계 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다단 열사이펀을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 다단 열사이펀(100)은 냉동기(101), 냉각 대상(103), 응축부(condenser)(105), 증발부(evaporator)(107), 튜브(tube)(109), 충진배관(113), 충진밸브(115), 작동유체 공급부(117), 배출배관(119), 배출밸브(121) 및 배출부(123)를 포함한다.
냉동기(101)는 응축부(105)와의 열교환을 통하여 응축부(105) 내에 존재하는 작동유체의 온도를 낮춘다.
응축부(105)는 냉동기(101)와 접촉되게 배치된다. 그리고 냉동기(101)와의 열교환을 통하여 내부의 작동유체의 온도를 낮춤으로써 작동유체를 액체로 상변화시킨다. 응축부(105) 내에서 상변화한 작동유체는 액적의 상태로 튜브(109)를 통하여 증발부(107) 측으로 흘러내린다.
이때, 응축부(105)는 고온부 작동유체를 먼저 공급받아 고온부 작동유체가 중력방향으로 이동하도록 냉동기(101)와의 열교환을 통하여 고온부 작동유체를 응축시킨다. 그리고 고온부 작동유체가 모두 응축되면, 저온부 작동유체를 공급받아 저온부 작동유체가 중력방향으로 이동하도록 냉동기(101)와의 열교환을 통하여 저온부 작동유체를 응축시킨다.
증발부(107)는 튜브(109)의 하측에 배치되어, 냉각대상(103)으로부터 열을 흡수하기 위하여 냉각대상(103)과 접촉 배치된다. 증발부(107)에서는 액적 상태의 작동유체가 잠열에 해당하는 열을 냉각대상(103)으로부터 흡수함으로써 기화한다.
증발부(107)는 응축부(105)로부터 유입된 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체가 증발되도록 냉각대상으로부터 열을 흡수한다.
튜브(109)는 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체의 유동로로서 응축부(105)와 증발부(107)의 사이에 배치되어 응축부(105)와 증발부(107)를 상호 연결시킨다. 그리고 증발부(107)로부터 증발과정에 의하여 기화되는 작동유체 중 일부를 응축부(105)로 전달하는 역할을 함과 동시에, 응축부(105)에서 액화된 작동유체 액적이 중력에 의하여 증발부(107)로 흘러내리는 경로로서의 역할을 한다.
작동유체 공급부(113)는 응축부(105)로 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체를 공급한다.
충진배관(115)은 응축부(105)와 작동유체 공급부(113) 사이에 연결되어 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체를 공급하기 위한 경로로서 파이프 형태로 구현될 수 있다.
작동유체 공급부(113)는 초기에 잠김 상태인 충진밸브(117)의 잠김을 해제시켜 충진배관(115)으로 고온부 작동유체를 공급한 후 충진밸브(117)를 다시 잠근다. 그리고 고온부 작동유체가 모두 응축되면, 충진밸브(117)의 잠김을 다시 해제시켜 충진배관(115)으로 저온부 작동유체를 공급한다.
작동유체 배출부(119)는 충진배관(115)으로 저온부 작동유체가 공급될 때 응축부에 응축된 고온부 작동유체를 외부로 배출시킨다. 고온부 작동유체는 전부 응축이 된 이후 배출이 되어야 하는데, 전부 응축이 되면 증발부(107)에 고온부 작동유체가 액체의 형태로 쌓이므로, 이러한 응축된 고온부 작동유체를 배출배관(121)을 통해 배출된다.
배출배관(121)은 증발부(107)와 작동유체 배출부(119) 사이에 연결되어 응축된 고온부 작동유체를 배출하기 위한 경로로서 파이프 형태로 구현될 수 있다.
작동유체 배출부(119)는 초기에 잠김 상태인 배출밸브(123)의 잠김을 해제시켜 응축된 고온부 작동유체를 외부로 배출시킨다.
응축부(105)에서 응축된 액적은 중력 방향(아래 방향)으로 이동하여 냉각 대상의 열을 빼앗고 증발부(107)에서 증발하게 된다. 그리고 증발된 기체는 다시 냉동기(101)쪽의 응축부(105)에서 응축되고, 위와 같은 과정을 반복하며 열 사이펀(100)이 작동하게 된다. 하지만 작동중 시스템 전체의 온도가 서서히 내려가게 되면 응축부(105)에서 응축된 액적이 증발부(107)에 닿아도 바로 증발하지 않는다. 즉, 증발부(107)에 닿은 일부는 증발하고, 일부는 증발하지 않는다. 따라서, 증발 현상은 증발부(107)에서 계속적으로 일어나나, 증발하지 않은 일부가 증발부(107)에 계속 쌓이게 된다. 시스템 전체의 온도가 낮아질수록 그 쌍이는 양은 늘어난다. 이렇게 증발되지 않는 액적이 많아질수록 열 사이펀의 성능은 떨어진다. 열 사이펀은 2 phase 상태의 높은 열 전도도를 이용하는 것이기 때문에, 상당 부분이 액적으로 증발부(107)에 존재하게 된다면 열 사이펀(100) 내부의 전체적인 열 전도도가 감소하기 때문이다. 따라서, 고온 작동 유체가 상당 부분 응축이 된 상태로 증발부(107)에 존재하게 되면, 이를 제거하고 저온부 작동 유체를 주입시켜주어야 하는 것이다.
여기서, 고온부 작동유체 및 상기 저온부 작동유체는 290K 이상 그리고 77K 이하의 온도 범위 내에서 2상(two-phase)으로 존재하는 냉매를 포함할 수 있다.
하나의 실시예에 따르면, 고온부 작동유체는 290K 이상 그리고 150K 미만의 온도 범위 내에서 사용되는 R-23 가스를 포함할 수 있다. 그리고 저온부 작동유체는 150K 이상 그리고 77K 이하의 온도 범위 내에서 사용되는 산소(O2)를 포함할 수 있다.
또한, 다단 열사이펀(100)은 원통형 스테인리스 강 재질로 이루어질 수 있다.
전술한 다단 열사이펀의 동작을 설명하면, 도 2와 같다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다단 열사이펀의 동작 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 냉동기(101)와 냉각대상(103) 사이에 다단 열사이펀(100)을 설치한다(S101). 즉, 다단 열사이펀(100)의 응축부(103)는 냉동기(101)에 근접하게 배치되고, 다단 열사이펀(100)의 증발부(105)는 냉각대상(103)에 근접하게 배치된다.
이때, 초기에는 충진배관(115) 및 배출배관(121) 모두 밸브(117, 123)로 잠겨져 있다.
설치후, 작동유체 공급부(113)는 충진배관(115)이 연결되어 있는 충진밸브(117)의 잠김을 해제시켜(S103) 응축부(103)로 고온부 작동 유체를 충진한다(S105).
충진이 완료되면, 작동유체 공급부(113)는 충진배관(115)에 있는 충진밸브(117)를 닫는다. 이후, 냉동기(101)가 구동되면, 고온부 작동유체를 이용한 열사이펀 방식의 전도 냉각이 이루어진다(S109). 즉, 고온부 작동유체가 냉동기(101)와의 열교환을 통하여 응축된 후 중력방향으로 이동하여 냉각 대상(103)의 잠열을 흡수하고 다시 응축부(103)로 귀환하여 응축된다.
이러한 고온부 작동 유체가 전부 응축이 되면, 작동유체 공급부(113)는 충진밸브(117)를 다시 열어 충진배관(115)으로 저온부 작동유체를 공급하고 동시에 작동유체 배출부(119)는 배출밸브(123)를 열어 배출배관(121)에 유입된 응축된 고온부 작동유체를 외부로 배출한다(S109).
그러면, 저온부 작동유체 이용한 열사이펀 방식의 전도 냉각이 이루어진다(S111). 즉, 저온부 작동유체가 냉동기(101)와의 열교환을 통하여 응축된 후 중력방향으로 이동하여 냉각 대상의 잠열을 흡수하고 다시 응축부(105)로 귀환하여 응축된다.
이상 설명한 다단 열사이펀은 도 3 내지 도 5와 같이 설계될 수 있다. 이때, 290K부터 초전도 자석 작동 온도인 77K까지 전도 냉각을 위한 다단 열사이펀을 설계할 수 있다. 그리고 100 ml의 원통형(반경 : 35 mm, 높이 : 100 mm) 열 사이펀을 고려할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다단 열사이펀의 설계 시스템을 도시한 것으로서, 하드웨어의 개략적인 블럭 구성도이다.
도 3을 참조하면, 다단 열 사이펀의 설계 시스템(200)은 컴퓨팅 장치로서, 입력부(201), 제어부(203) 및 표시부(205)로 구성된다.
입력부(201)는 설계자가 다단 열사이펀의 설계 정보를 입력하기 위한 수단이다.
제어부(203)는 입력부(201)를 통해 입력되는 설계 정보에 따라 다단 열사이펀의 사양을 최적으로 설계하고, 이를 표시하기 위한 제어신호를 발생한다.
표시부(205)는 제어부(203)로부터의 제어신호에 의해 설계된 다단 열사이펀의 최적의 사양을 표시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다단 열사이펀의 설계 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4를 참조하면, 제어부(203)는 입력부(201)로부터 냉각대상(103)의 냉각 온도 범위를 입력받는다(S201).
제어부(203)는 입력받은 냉각 온도 범위에 적합한 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체를 선정한다(S203). 이때, 임계점 온도 및 삼중점 온도를 고려하여 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체를 선정할 수 있다.
여기서, 제어부(203)는 290 K부터 77K까지 2-상(two-phase)으로 존재하는 작동 유체를 선택한다.
이때, 고온부 작동유체로는 임계점이 299.29 K, 4.83 Mpa이고, 삼중점이 118.02 K, 5.8 X 10-5 Mpa인 R-23 냉매를 선정할 수 있다.
또한, 저온부 작동유체로는 임계점이 154.88 K, 5.04 Mpa이고, 삼중점이 54.36 K, 1.7 X 10-4 Mpa인 산소(O2)를 선정할 수 있다. 이렇게 하면, 290K 부터 150K까지는 R-23을 이용하여 열사이펀 효과를 얻고, 150K부터 77K까지는 산소(O2)를 이용하여 열사이펀 효과를 얻을 수 있다.
여기서, R-23을 삼중점까지 이용하지 않는 이유는 삼중점 부근에서는 R-23이 동결될 우려가 있기 때문이다. R-23이 동결될 경우, 배출이 어려워 작동이 원활하지 않게 될 우려가 있다.
R-23을 이용하여 150K까지 열사이펀 효과를 얻으면 R-23이 충진되어있는 열사이펀의 내부 압력은 약 4.3 X 10-3 Mpa가 된다. 이때, 150K, 4.2 Mpa의 고압 포화 상태인 충진밸브(117)를 열고 충진배관(115)을 통해 산소(O2)를 열사이펀 내부로 주입하면 응축된 R-23은 배출배관(121)을 통해 외부로 빠져나가고 산소(O2) 기체가 열사이펀 내부에 남아 저온 영역에서 열사이펀 효과를 나타내게 된다.
제어부(203)는 온도 범위에 따라 결정(S205)된 압력 및 안전율을 고려하여 다단 열사이펀(100)의 재질 및 형상을 설계한다(S207). 그리고 설계한 정보를 표시부(205)로 출력한다(S209).
S207 단계에서는 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체를 다단 열사이펀(100)에 충진시키기 위한 충진배관(115) 및 응축된 고온부 작동유체를 외부로 배출시키기 위한 배출배관(121)과, 충진배관(115) 및 배출배관(121) 각각에 연결되어 공급 및 배출을 제어하기 위한 밸브(117, 123)를 설계한다.
또한, 다단 열사이펀(110)의 열사이펀의 재료는 일반적으로 고압 용기에 사용하는 항복 강도(Yield strength) 600 N/mm2의 특성을 갖는 스테인리스 강(Stainless steel)으로 선택하고, 안전율은 5로 두고 계산한다.
작동 유체의 선택에서 최대 압력은 O2의 150 K에서 포화 압력인 4.2 Mpa이었다.
열사이펀의 두께는 하기 수학식 1을 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 튜브의 재질인 스테인리스 강(Stainless steel, STS)의 항복 강도(yield strength)이고,
Figure pat00003
는 스테인리스 강 내부에 채워질 유체의 압력이며,
Figure pat00004
은 스테인리스 강 튜브의 반지름을 의미하고,
Figure pat00005
는 스테인리스 강 튜브의 두께를 말한다.
이와 같은 수학식 1을 통해 계산된 열사이펀을 위해 필요한 원통형 스테인리스 강의 두께는 약 1.225 mm 이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 다단 열사이펀의 설계 예시도이다.
도 5를 참조하면, 다단 열사이펀(100)의 높이는 243mm이고, 응축부(105)의 외주 지름(outer diameter)은 40mm이며, 튜브(109)의 외주 지름은 16mm이다.
튜브(109) 내부에는 벨로우즈(111)가 배치되는데, 벨로우즈(111)의 외부 지름은 11.5mm이다. 벨로우즈(bellows)(111)는 작동유체의 이동을 돕는다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체를 공급하는 작동유체 공급부,
    냉동기와 접촉되게 배치되고, 상기 작동유체 공급부로부터 상기 고온부 작동유체를 먼저 공급받아 상기 고온부 작동유체가 중력방향으로 이동하도록 상기 냉동기와의 열교환을 통하여 상기 고온부 작동유체를 응축시킨 후, 상기 작동유체 공급부로부터 상기 저온부 작동유체를 공급받아 상기 저온부 작동유체가 중력방향으로 이동하도록 상기 냉동기와의 열교환을 통하여 상기 저온부 작동유체를 응축시키는 응축부, 그리고
    상기 응축부의 하방에서 냉각대상과 접촉되게 배치되며, 상기 응축부로부터 유입된 상기 고온부 작동유체 및 상기 저온부 작동유체가 증발되도록 상기 냉각대상으로부터 열을 흡수하는 증발부
    를 포함하는 다단 열사이펀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고온부 작동유체 및 상기 저온부 작동유체의 유동로로서 상기 응축부와 상기 증발부의 사이에 배치되는 튜브,
    상기 응축부와 상기 작동유체 공급부 사이에 연결되어 상기 고온부 작동유체 및 상기 저온부 작동유체를 공급하기 위한 경로인 충진배관,
    상기 충진배관으로 상기 저온부 작동유체가 공급될 때 상기 증발부에 응축된 상기 고온부 작동유체를 배출하기 위한 경로인 배출배관, 그리고
    상기 충진 배관으로 상기 저온부 작동유체가 공급될 때 상기 배출 배관과 연결되고 초기에 잠김 상태인 밸브를 해제시켜 상기 응축된 고온부 작동유체를 외부로 배출시키는 작동유체 배출부를 더 포함하고,
    상기 작동유체 공급부는,
    상기 충진 배관과 연결되고 초기에 잠김 상태인 밸브의 잠김을 해제시켜 상기 충진 배관으로 상기 고온부 작동유체를 공급한 후 상기 밸브를 다시 잠그고, 상기 고온부 작동유체가 모두 응축되면, 상기 밸브의 잠김을 다시 해제시켜 상기 충진 배관으로 상기 저온부 작동유체를 공급하는 다단 열사이펀.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고온부 작동유체 및 상기 저온부 작동유체는,
    290K 이상 그리고 77 K 이하의 온도 범위 내에서 2상(two-phase)으로 존재하는 냉매를 포함하는 다단 열사이펀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고온부 작동유체는,
    290K 이상 그리고 150K 미만의 온도 범위 내에서 사용되는 R-23 가스를 포함하는 다단 열사이펀.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 저온부 작동유체는,
    150K 이상 그리고 77K 이하의 온도 범위 내에서 사용되는 산소를 포함하는 다단 열사이펀.
  6. 냉동기와 냉각 대상 사이에 설치되는 다단 열사이펀의 작동 방법으로서,
    고온부 작동유체를 이용하여 열사이펀 방식으로 전도 냉각을 수행하는 단계, 그리고
    상기 고온부 작동유체가 모두 응축되면, 저온부 작동유체를 이용하여 상기 열사이펀 방식으로 전도 냉각을 수행하는 단계
    를 포함하는 다단 열사이펀의 작동 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고온부 작동유체를 이용하여 열사이펀 방식으로 전도 냉각을 수행하는 단계는,
    상기 냉동기에 근접하게 배치된 상기 다단 열사이펀의 응축부에 고온부 작동유체를 충진하는 단계,
    상기 고온부 작동유체의 충진이 완료되면, 상기 냉동기를 작동시키는 단계, 그리고
    상기 고온부 작동유체가 상기 냉동기와의 열교환을 통하여 응축된 후 중력방향으로 이동하여 상기 냉각 대상의 잠열을 흡수하고 다시 상기 응축부로 귀환하여 응축되는 단계
    를 포함하는 다단 열사이펀의 작동 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 저온부 작동유체를 이용하여 상기 열사이펀 방식으로 전도 냉각을 수행하는 단계는,
    상기 고온부 작동유체가 모두 응축되면, 상기 저온부 작동유체를 상기 응축부에 충진시킴과 동시에 응축된 고온부 작동유체를 외부로 배출하는 단계, 그리고
    상기 저온부 작동유체가 상기 냉동기와의 열교환을 통하여 응축된 후 중력방향으로 이동하여 상기 냉각 대상의 잠열을 흡수하고 다시 상기 응축부로 귀환하여 응축되는 단계
    를 포함하는 다단 열사이펀의 작동 방법.
  9. 컴퓨팅 장치가 다단 열사이펀을 설계하는 방법으로서,
    냉각 대상의 냉각 온도 범위를 입력받는 단계,
    상기 냉각 온도 범위에 적합한 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체를 선정하는 단계,
    상기 온도 범위에 따라 결정된 압력 및 안전율을 고려하여 상기 다단 열사이펀의 재질 및 형상을 설계하는 단계, 그리고
    설계 정보를 화면에 출력하는 단계
    를 포함하는 다단 열사이펀의 설계 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 선정하는 단계는,
    임계점 온도 및 삼중점 온도를 고려하여 상기 고온부 작동유체 및 저온부 작동유체를 선정하는 다단 열사이펀의 설계 방법.
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