KR20200108620A

KR20200108620A - Pcm 기반 능동 방열 장치

Info

Publication number: KR20200108620A
Application number: KR1020190027490A
Authority: KR
Inventors: 김수호; 목진용; 김보경
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2020-09-21

Abstract

PCM 기반 능동 방열 장치는 PCM 블록, 및 채널부를 포함한다. 상기 PCM 채널은 열원부 상에 위치하며, 내부에 상변화물질이 저장된다. 상기 채널부는 일 단은 상기 PCM 블록의 일 측에 연결되고, 타 단은 상기 PCM 블록의 타 측에 연결되어, 소정 길이 연장되는 채널부를 포함한다. 이 경우, 상기 PCM 블록에 저장된 상변화물질은, 상기 열원부로부터 열을 제공받음에 따라 상변화(phase change)하여 상기 채널부를 따라 이동된다.

Description

PCM 기반 능동 방열 장치{ACTIVE HEAT DISSIPATING APPARATUS USING PCM}

본 발명은 능동 방열장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부피 변화로 인한 열 손실 및 공간 손실이 없는 상변화 물질(phase change material, PCM)을 이용하여 열원에 대한 방열을 수행하는 PCM 기반 능동 방열장치에 관한 것이다.

일반적으로 시스템이 고열환경에서 지속적으로 운용되면 시스템의 에러나 고장이 발생하게 되며 이에 따라 수명감소와 유지 보수의 비용이 증가하는 문제가 발생한다.

그러나, 최근 시스템의 집적화로 인해 과도한 열이 발생하게 되며, 이러한 열 제어를 위해 현재 상용화되고 있는 냉각 시스템은 대형화되어야 하며, 이러한 대형화에 따라 고에너지가 필요하게 되어 에너지 소비 효율이 저하되는 문제가 있다.

한편, 철도차량이 운행되는 교통시스템의 경우, 열원의 냉각 방식은 발열량에 따라 다르게 적용하고 있으며, 대부분의 경우, 공기나 물 등과 같은 냉매를 이용한 자연/강제 대류 방식을 채택하고 있다.

이러한, 강제 대류 방식에 사용되는 냉매의 경우, 열원부 접촉을 통해 열을 흡수하게 되며, 흡수된 열은 냉매의 강제 순환에 의해 외부와의 열전달을 통해 시스템의 온도를 유지시키는 것을 특징으로 한다.

그러나, 상기 종래의 강제 대류 방식의 경우, 열 교환 매체인 냉매의 강제순환에 따른 에너지 소모 및 이에 따른 팬, 펌프 또는 덕트 등의 추가 설비의 설치에 따라 교통시스템 내에서의 공간 제약의 문제가 발생한다. 특히, 교통시스템의 설계시, 냉각 시스템의 추가설비의 체적은 전체 냉각 시스템의 약 30%를 차지하는 것으로 이로 인해 전체 냉각 시스템의 부피가 불필요하게 증가하는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-0823989호

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 부피 변화로 인한 열 손실 및 공간 손실이 없는 상변화 물질(phase change material, PCM)을 이용하여 열원에 대한 방열을 효과적으로 수행하면서, 공간 활용성 및 냉각 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있는 PCM 기반 능동 방열장치에 관한 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 능동 방열 장치는 PCM 블록, 및 채널부를 포함한다. 상기 PCM 채널은 열원부 상에 위치하며, 내부에 상변화물질이 저장된다. 상기 채널부는 일 단은 상기 PCM 블록의 일 측에 연결되고, 타 단은 상기 PCM 블록의 타 측에 연결되어, 소정 길이 연장되는 채널부를 포함한다. 이 경우, 상기 PCM 블록에 저장된 상변화물질은, 상기 열원부로부터 열을 제공받음에 따라 상변화(phase change)하여 상기 채널부를 따라 이동된다.

일 실시예에서, 상기 상변화물질은, 고체 상태의 물질로서 상기 PCM 블록에 저장되며, 상기 열원부로부터 열을 제공받음에 따라 액체로 상변화되어 상기 채널부를 따라 이동하고, 상기 채널부를 따라 이동하며 외부로 열을 방출함에 따라 고체로 상변화되어 상기 PCM 블록으로 재 저장될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 상변화물질은, 모세관 현상을 통해 상기 채널부를 따라 이동될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 채널부들 사이에 개재되어, 상기 PCM 물질이 임시로 저장되며 하부의 열원부를 냉각시키는 적어도 하나의 서브 PCM 블록을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 채널부는, 지그재그 패턴으로 연장되어, 외부와의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 고체상태에서 액체상태로 상변화하면서 열을 흡수하는 성질을 가지는 PCM을 열원부 상에 위치시켜 열을 흡수하는 것은 물론, 액체상태의 PCM이 모세관현상을 통해서 미세 채널을 통해 자연스럽게 순환이 가능하여 열을 방출하여 다시 고체상태로 상변화하여 열원부에 대한 열을 재 흡수할 수 있도록 구성함으로써, 즉, PCM 블록과 채널부 사이의 폐순환회로(closed loop)를 구현함으로써 상기 열원부에 대한 연속적인 방열을 수행할 수 있다.

특히, PCM의 순환을 위한 펌프 등의 부가적인 구조를 생략하면서 간단한 순환회로만을 구성하여 방열을 수행할 수 있어, 공간 활용성을 향상시키면서 간단한 설계를 통해 냉각시스템을 구현할 수 있다.

또한, 열원부가 복수개가 존재하는 경우, 각각의 열원부 상에 PCM 블록을 위치시키고, PCM 블록사이를 채널부를 통해 연결함으로써, 다양한 열원부가 존재하는 시스템에 대한 냉각 시스템을 효과적으로 설계 및 구현할 수 있다.

또한, 채널부의 연장 형태를 지그재그 패턴과 같이 다양하게 설계함으로써, 채널부를 순환하는 PCM의 외부와의 접촉 면적을 향상시켜 상변화를 보다 효과적으로 구현하여 PCM의 재순환에 의한 방열 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 능동 방열장치를 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1의 능동 방열장치를 이용한 냉각시스템의 효과를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 능동 방열장치를 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 능동 방열장치를 도시한 모식도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 능동 방열장치를 도시한 모식도이다. 도 2는 도 1의 능동 방열장치를 이용한 냉각시스템의 효과를 도시한 그래프이다.

우선, 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 능동 방열장치(10)는 PCM 블록(100) 및 채널부(110)를 포함한다.

상기 PCM 블록(100)은 내부에 상변화물질(phase change material, PCM)이 저장되는 블록으로서, 내부에 저장공간을 형성한다.

이 경우, 상기 상변화물질이란, 잠열재, 축열재, 축냉재, 열조성물질 등을 의미하며, 상변화, 즉 고체에서 액체, 액체에서 고체, 액체에서 기체, 기체에서 액체 등과 같이 상(phase)이 변화하는 물리적 변화과정을 통해, 열을 축적하거나 저장한 열을 방출하는 물질을 의미한다.

본 실시예에서의 상기 상변화물질은, 예를 들어, 고체 상태의 물질로서 상기 PCM 블록(100)에 저장되었다가, 외부로부터 열을 제공받음에 따라 액체로 상변화가 되어 외부로 열전달을 수행, 즉 열을 방출하는 물질일 수 있으며, 상변화의 상태는 다양하게 수행될 수 있다.

또한, 상기 상변화가 수행되는 온도는, 열원부의 종류에 따라 다양하게 설정될 수 있으며, 이에 따라 상기 상변화물질이 선택될 수 있다.

한편, 상기 PCM 블록(100)은, 열원부(11) 상에 위치하는 것으로, 상기 열원부(110)는 철도 차량과 같은 교통시스템에서 열이 발생하는 다양한 요소들일 수 있다.

한편, 도 1에는 상기 열원부(11)가 소정 면적의 플레이트(plate) 형상을 가지는 것을 도시하였으나, 상기 열원부(11)의 형태나 크기는 제한되지 않으며, 결국 상기 PCM 블록(100)의 크기나 형상은 상기 열원부(11)의 크기나 형상을 고려하여 설계되면 충분하다.

또한, 상기 채널부(110)는 상기 상변화물질이 내부를 따라 이동하는 채널(channel)에 해당되는 것으로, 상기 PCM 블록(100)과 함께 폐루프(closed loop)를 형성한다.

즉, 상기 채널부(110)는, 일 단은 상기 PCM 블록(100)의 일 측에 연결되고, 타 단은 상기 PCM 블록(100)의 타 측에 연결되는 것으로, 상기 일단과 타단 사이는 연속적으로 연결되며 단속되거나 절단되지 않도록 연결된다.

한편, 도 1에서는 상기 PCM 블록(100)이 사각 블록인 것으로, 상기 채널부(110)의 양 단이 연결되는 측면이 서로 인접하는 다른 면인 것을 예시하였으나, 상기 채널부(110)의 양 단은 상기 PCM 블록(100)의 서로 다른 면에 다양하게 연결될 수 있음은 자명하다.

이 경우, 상기 상변화물질은 액체로 상변화가 발생하면서 상기 채널부(110)를 따라 이동하는 것으로, 상기 채널부(110)의 내부에서는 소위, 모세관 현상이 발생하여, 상기 상변화물질은 자연스럽게 상기 일단으로부터 타단으로, 별도의 구동 펌프 등의 압력 제공과 무관하게 유동된다.

즉, 상기 열원부(11)에서 발생하는 열은 상기 PCM 블록(100)에 저장된 상변화물질(PCM)로 전도(conduction) 또는 대류(convection)에 의해 이동하며, 이에 따라 상기 상변화물질은 상기 열원부(11)에서 발생하는 열을 흡수하게 된다.

이 후, 상기 열원부(11)에서 발생하는 열이 상기 상변화물질로 전달되어, 상기 상변화물질이, 상변화 온도에 도달하면, 상기 상변화물질은 많은 잠열량(latent heat)을 이용하여 열을 흡수하여 상기 열원부(11)를 냉각시킨다.

또한, 상기 상변화물질은, 예를 들어, 고체에서 액체로 상이 변화하면서, 액체로 변화하면서 팽창한 부피만큼 상기 채널부(110)로 모세관 현상을 통해 이동하게 된다.

또한, 상기 액체로 상변화된 상변화물질이 상기 채널부(110)로 이동하면서, 상기 상변화물질의 표면적은 증가하게 되고, 이에 따라 외부와의 열전달이 수행된다.

이 후, 상기 상변화물질이 상기 채널부(110)로 이동하여 외부와의 열전달이 수행되면, 상기 상변화물질은 냉각되며, 이렇게 냉각된 상기 상변화물질은 상기 채널부(110)를 따라 상기 PCM 블록(100)의 내부로 재 이동하게 된다.

그리하여, 상기 PCM 블록(100)의 내부로 이동된 상변화물질은 다시 상기 열원부(11)에서 발생한 열을 흡수함과 동시에 상기 열원부(11)에 대한 냉각을 수행한다.

즉, 이상과 같이 상기 상변화물질은 상기 PCM 블록(100)과 상기 채널부(110) 내에서 폐루프로 순환하면서, 상기 열원부(11)에 대한 냉각을 수행하게 되고, 상기 열원부(11)의 열 발생이 감소하여 상기 상변화물질의 온도가 다시 상변화 온도이하로 떨어지는 경우, 액체에서 고체로의 상변화가 수행되어 상기 PCM 블록(100) 상에 저장된 상태를 유지하게 된다.

도 2를 참조하면, 이상과 같은 본 실시예에 의한 상변화 물질을 이용한 능동 방열장치(10)를 이용하여 열원부(11)에 대한 방열을 수행하는 경우, 상기 열원부(11)의 온도가 일정 온도 이상 증가하지 않도록 효과적으로 냉각되는 것을 확인할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 능동 방열장치를 도시한 모식도이다.

본 실시예에 의한 능동 방열장치(20)는, 적어도 하나 이상의 서브 PCM 블록을 더 포함하며, 이러한 PCM 블록들 사이에 채널부가 연결되는 것을 제외하고는, 기본적인 냉각 메커니즘 및 상변화물질의 상태 변화는 도 1을 참조하여 설명한 능동 방열장치(10)와 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 능동 방열장치(20)는 PCM 블록(200) 외에 적어도 하나 이상의 서브 PCM 블록(201, 202)을 더 포함하며, 이에 따라 채널부(210, 220, 230)도 복수개가 구비된다.

상기 PCM 블록(200)은 제1 열원부(21) 상에 위치하며, 이 경우 상기 제1 열원부(21)는 여타의 열원부들보다 발생하는 열이 가장 큰 열원부일 수 있다.

이에 따라, 상기 PCM 블록(200)도 저장 용량이 가장 크도록 설계되고, 내부에 저장되는 상변화물질의 양도 가장 많아서, 열원부에 대한 냉각 효과도 가장 클 수 있다.

본 실시예에 의한 능동 방열장치(20)는 복수의 열원부들이 존재하는 시스템에 적용되는 것으로, 복수의 열원부들 중에서 가장 열 발생량이 큰 열원부를 제1 열원부(21)로 하여 상기 제1 열원부(21) 상에 상기 PCM 블록(200)을 위치시키고, 여타의 열원부들 상에 열원부의 개수만큼 적어도 하나의 서브 PCM 블록(201, 202)을 각각 위치시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 PCM 블록들 사이는, 복수의 채널부들(210, 220, 230)에 의해 연결되며, 각각의 채널부는 도 1을 참조하여 설명한 채널부(110)와 실질적으로 동일하게 구성된다.

이에 따라, 상기 PCM 블록(200)에서 액체로 상변화되어 제1 채널부(210)를 통해 냉각되며 이동된 상변화물질은 제1 서브 PCM 블록(201)에 저장되며 하부의 제2 열원부(22)로부터 열을 흡수하여 상기 제2 열원부(22)를 냉각시킨다.

또한, 이렇게 제2 열원부(22)의 열을 추가로 흡수한 상변화물질은, 제2 채널부(220)를 통해 냉각되며 이동되어, 제2 서브 PCM 블록(202)에 저장되고, 이에 따라 하부의 제3 열원부(23)로부터 열을 흡수하여 상기 제3 열원부(23)를 냉각시킨다.

나아가, 상기 상변화물질은 제3 채널부(230)를 통해 냉각되며 이동되어, 다시 상기 PCM 블록(200)으로 재 저장되고, 이에 따라 상기 제1 열원부(21)에 대한 추가적인 냉각을 수행하게 된다.

한편, 본 실시예에서, 상기 상변화물질은, 각각의 열원부로부터 열을 흡수하면서 고체에서 액체로 상변화되면서 다음 채널부로 이동하게 되며, 각각의 채널부에서 이동하면서 외부로부터 냉각되어 상변화되며 다음 PCM 블록으로 이동하게 된다.

그리하여, 복수의 열원부가 존재하는 경우에도, PCM 블록 또는 서브 PCM 블록을 적어도 하나 이상 서로 연결함으로써, 하나의 폐순환 루프를 통해서도 복수의 열원부에 대한 냉각을 효과적으로 수행할 수 있으며, 열원부의 위치에 따라 채널부의 연결 라인을 설계하는 것으로 효과적인 냉각 시스템을 구현할 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 능동 방열장치를 도시한 모식도이다.

본 실시예에 의한 능동 방열장치(30)는, 채널부가 서브채널을 포함하는 것을 제외하고는, 기본적인 냉각 메커니즘 및 상변화물질의 상태 변화는 도 1을 참조하여 설명한 능동 방열장치(10)와 실질적으로 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 능동 방열장치(30)는 제1 열원부(31) 상에 위치하는 PCM 블록(300), 및 상기 PCM 블록(300)의 서로 다른 측에 연결되며 폐루프를 구성하는 채널부(310)를 포함한다.

이 경우, 상변화물질이 상기 PCM 블록(300)과 상기 채널부(310)를 통과하며 냉각을 수행하는 메커니즘은 앞서 도 1을 참조하여 설명한 바와 동일하다.

다만, 본 실시예에서는, 상기 채널부(310)가 서브 채널(320)을 더 포함하는 것으로, 상기 서브 채널(320)은 도 4에 도시된 바와 같이, 지그재그(zigzag) 배열 구조를 가지며 연장될 수 있다.

이상과 같이, 상기 채널부(310)가 지그재그 배열 구조를 가지며 연장되는 서브 채널(320)을 더 포함함에 따라, 상기 채널부(310) 및 상기 서브 채널(320)을 통과하는 상변화물질은 외부에 노출되는 시간이 증가하게 되며, 이에 따라 외부로 보다 많은 열을 방출할 수 있게 된다.

그리하여, 상대적으로 열원부(31)로부터의 열 흡수율이 높아 상대적으로 높은 온도로 상기 채널부(310)를 이동하는 상변화물질은, 상기 서브 채널(320)을 통과하면서 보다 오랜 시간 외부에 노출되며 외부로 열을 방출할 수 있게 되고, 이에 따라 방열 효과를 향상시킬 수 있다.

이 경우, 상기 서브채널(320)의 길이 및 배열은, 상기 열원부(31)로부터 발생하는 열의 양이나 상기 상변화물질의 상변화 온도 등을 고려하여 미리 설계될 수 있으며, 이러한 서브채널(320)의 길이 및 배열의 설계를 통해 최적화된 폐루프 순환을 통한 냉각 시스템을 구현할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 고체상태에서 액체상태로 상변화하면서 열을 흡수하는 성질을 가지는 PCM을 열원부 상에 위치시켜 열을 흡수하는 것은 물론, 액체상태의 PCM이 모세관현상을 통해서 미세 채널을 통해 자연스럽게 순환이 가능하여 열을 방출하여 다시 고체상태로 상변화하여 열원부에 대한 열을 재 흡수할 수 있도록 구성함으로써, 즉, PCM 블록과 채널부 사이의 폐순환회로(closed loop)를 구현함으로써 상기 열원부에 대한 연속적인 방열을 수행할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10, 20, 30 : 능동 방열장치
11, 21, 22, 23, 31 : 열원부
100, 200, 300 : PCM 블록 201, 202 : 서브 PCM 블록
110, 210, 220, 230, 310 : 채널부
320 : 서브 채널

Claims

열원부 상에 위치하며, 내부에 상변화물질이 저장되는 PCM 블록; 및
일 단은 상기 PCM 블록의 일 측에 연결되고, 타 단은 상기 PCM 블록의 타 측에 연결되어, 소정 길이 연장되는 채널부를 포함하며,
상기 PCM 블록에 저장된 상변화물질은, 상기 열원부로부터 열을 제공받음에 따라 상변화(phase change)하여 상기 채널부를 따라 이동되는 것을 특징으로 하는 능동 방열장치.
제1항에 있어서, 상기 상변화물질은,
고체 상태의 물질로서 상기 PCM 블록에 저장되며, 상기 열원부로부터 열을 제공받음에 따라 액체로 상변화되어 상기 채널부를 따라 이동하고,
상기 채널부를 따라 이동하며 외부로 열을 방출함에 따라 고체로 상변화되어 상기 PCM 블록으로 재 저장되는 것을 특징으로 하는 능동 방열장치.
제2항에 있어서, 상기 상변화물질은,
모세관 현상을 통해 상기 채널부를 따라 이동되는 것을 특징으로 하는 능동 방열장치.
제1항에 있어서,
상기 채널부들 사이에 개재되어, 상기 PCM 물질이 임시로 저장되며 하부의 열원부를 냉각시키는 적어도 하나의 서브 PCM 블록을 더 포함하는 능동 방열장치.
제1항에 있어서, 상기 채널부는,
지그재그 패턴으로 연장되어, 외부와의 접촉 면적을 증가시키는 것을 특징으로 하는 능동 방열장치.