KR20220144939A - 발열체용 열관리시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 관한 것으로서 특히 상변화 열관리부와 냉각부를 직접 연결하여 소형 경량화를 이룸과 동시에 발열체의 성능 저하를 예방하는 발열체용 열관리시스템에 관한 것이다. 구성은 발열체용 열관리시스템으로서, 기액분리기와 펌프 및 발열체를 포함하고 발열체를 냉매의 상변화를 이용하여 열관리하는 상변화 열관리부와; 상기 상변화 열관리부의 발열체에서 발생된 열을 최종적으로 열관리시스템 외부로 배출하도록 응축기와 냉각팬과 압축기 및 팽창밸브를 포함하는 냉각부;로 구성되며, 상기 상변화 열관리부와 냉각부는 하나 이상의 구간에서 직접 연결되어 구동된다.

Description

발열체용 열관리시스템{Heat management system for heater element}

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 관한 것으로서 특히 상변화 열관리부와 냉각부를 직접 연결하여 소형 경량화를 이룸과 동시에 발열체의 성능 저하를 예방하는 발열체용 열관리시스템에 관한 것이다.

일반적으로 열관리(heat management 또는 heat control)는 열을 사용하는 곳에서 최소의 열원(熱源)으로 최대의 효과를 거두기 위해 전체 열량을 분석 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 한예로써, 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 고체레이저 발생장치의 고체레이저를 안정하게 운영하기 위해서 레이저 다이오드와 이득매질에서 발생한 열을 대기로 방출하기 위한 발열체용 열관리시스템이 필수적으로 사용되고 있다.

그러나, 종래의 발열체용 열관리시스템은 냉각수를 이용하여 발열체인 레이저를 냉각과 가열로 열관리 하기 때문에 상변화 효과를 이용한 상변화 열관리에 비해 열전달 효율이 낮아 목표하는 냉각성능을 확보하려면 열관리시스템의 용량이 상대적으로 증가되어야 하므로 열관리시스템의 부피, 하중, 소모동력이 크게 증가하는 문제점이 있었다.

또, 발열체가 레이저인 경우 발열부에서의 균일한 온도 분포가 레이저의 품질을 결정하는 중요한 요소중의 하나인데 냉각수를 이용하는 열관리시스템의 경우 냉각수의 입구 온도와 출구 온도가 다르기 때문에 균일한 온도 분포를 위해 유량을 크게 증가시켜야 하므로 이 또한 용량이 크게 증가될 수 밖에 없는 문제점이 있다.

또한, 종래에는 냉동기에서 발생한 냉각 에너지를 열교환기를 통해 냉각수 회로와 열교환하여 저온으로 냉각된 냉각수를 발열체인 레이저를 통과시켜 냉각하는 냉동기 냉각수 간 열교환에 의한 간접 냉각방식도 있으나, 이 경우, 열교환기에서의 높은 열전달을 위해 냉동기의 냉매와 냉각수회로의 온도차를 충분히 확보하기 위해 냉동기의 용량이 증가되거나 열교환기의 크기를 크게 증가시켜야 하는 문제점이 있었다.

또, 종래에는 냉동기에서 생성된 냉각에너지를 열교환기를 통해 냉각수 회로로 이동시켜 간접적으로 발열체인 레이저를 열관리하기 때문에 열교환기의 성능에 따라 냉각에너지의 전달 성능이 감소하게 되며 온도차 기준으로 5~10도 가량 손실(냉각수 온도를 원하는 수준으로 확보하기 위해 냉매의 온도가 5~10도 가량 더 낮아야 한다는 의미)을 유발하는 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 종래에는 발열체인 레이저가 작동하지 않는 동안 냉동기를 통해 생성된 냉각 에너지를 열교환기를 통해 축냉회로의 냉각수와 열교환하여 축냉기에 냉각에너지를 저장하고, 레이저가 동작하는 동안에는 축냉기에 저장된 냉각에너지를 이용하여 레이저를 열관리하는 기술 즉, 냉동기 축냉기회로와 레이저 냉각회로가 직렬로 연결되기 때문에 냉동기에서 생성한 냉각에너지와 축냉기에 저장된 냉각에너지를 동시에 병렬 구조로 사용이 불가하기 때문에 소형, 경량화가 어려운 문제점이 있다.

공개특허 제10-2010-0073204호

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 상변화 열관리부와 냉동기부를 하나 이상의 구간에서 직접 연결되어 구동되도록 함으로써, 소형 경량화를 이룸과 동시에 발열체의 성능 저하를 예방하는 발열체용 열관리시스템에 관한 것이다

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 발열체용 열관리시스템으로서, 기액분리기와 펌프 및 발열체를 포함하고 발열체를 냉매의 상변화를 이용하여 열관리하는 상변화 열관리부와; 상기 상변화 열관리부의 발열체에서 발생된 열을 최종적으로 열관리시스템 외부로 배출하도록 응축기와 냉각팬과 압축기 및 팽창밸브를 포함하는 냉각부;로 구성되며, 상기 상변화 열관리부와 냉각부는 하나 이상의 구간에서 직접 연결되어 구동된다.

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 상변화 열관리부와 냉각부는 기액분리기 또는 기액분리기 전단 배관을 통해 직접 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 기액분리기 내부 또는 외부 일측에는 히터가 부가될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 냉각부의 팽창밸브와 응축기 사이에는 수액기가 부가될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 발열체와 평창밸브 사이에 축냉기가 부가될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 기액분리기와 압축기 사이에는 과열기가 부가될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 발열체와 펌프 사이에는 프리히터가 부가될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 발열체는 레이저, 전력 전자장치나 배터리와 같은 기타 전기 장치 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 상변화 열관리부와 냉각부는 축냉모드와 열관리모드로 동작하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 축냉모드는 발열체가 미작동시 동작하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 발열체용 열관리시스템에 있어서, 상기 열관리모드는 발열체 동작시 동작하는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같은 본 발명 냉매온도를 일정하게 하여 열관리 구간별 온도분포를 고르게 하는 효과가 있다.

또, 본 발명은 상변화 열관리부와 냉동기부를 하나 이상의 구간에서 직접 연결되어 구동되도록 함으로써, 열관리시스템의 부피, 하중, 소모동력을 낮추는 효과가 있다.

또, 본 발명은 냉동부에서 생성한 냉각에너지가 발열체로 이송되어 저건도 영역에서 운전 후 2상으로 배출되기 때문에 발열체의 성능 저하를 예방함과 동시에 효율적인 열전달로 발열체의 손상을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 발열체용 열관리시스템의 냉매 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 발열체용 열관리시스템으로서, 히터가 기액분리기 외측에 형성된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 발열체용 열관리시스템으로서, 히터가 기액분리기 내측에 형성된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 실시예 3에 따른 발열체용 열관리시스템으로서, 냉각부에 수액기를 부가한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 실시예 4에 따른 발열체용 열관리시스템으로서, 도 6의 열관리시스템에 축냉기를 부가한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예 4의 축냉모드운전 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시예 4의 열관리모드운전 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예 4에 따른 발열체용 열관리시스템의 팽창밸브와 발열체 사이에 냉매우회 배관을 형성한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9의 발열체용 열관리시스템의 축냉모드운전 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 도 9의 발열체용 열관리시스템의 열관리모드운전 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예 5에 따른 발열체용 열관리시스템으로서, 기액분리기와 압축기 사이에 과열기를 부가한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예 6에 따른 발열체용 열관리시스템으로서, 발열체와 펌프 사이에 프리히터를 부가한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 도 13의 발열체용 열관리시스템에서 압축기 후방에 핫가스밸브와 혼합기를 부가한 상태를 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 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예 1에 따른 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 발열체용 열관리시스템(100)은 상변화 열관리부(110)와 냉각부(120)로 대별되어 이루어진다.

상기 상변화 열관리부(110)는 기액분리기(111)와 펌프(112) 및 발열체(113)를 포함하고, 상기 발열체(113)를 냉매의 상변화를 이용하여 열관리하는 역할을 한다.

여기서, 상기 상변화 열관리부(110)는 냉각수를 이용하여 발열체의 하나인 레이저를 열관리 하는 냉각수 순환회로와 유사하나 냉동기와 동일한 냉각부(120)의 냉매로 열관리를 하게 되며, 별도로 열교환기를 따로 구비하지 않고 냉각부(120)의 저엔탈피(low enthalpy) 냉매와 직접 혼합하여 열교환하도록 형성된다.

이러한 구성의 상기 상변화 열관리부(110)는 상변화 열관리를 통해, 냉각/가열 시 현열(sensible heat)이 아닌 잠열(latent heat) 구간을 이용하게 된다.

즉, 상기 상변화 열관리부(110)는 상변화 열관리를 잠열 구간을 이용하여 유체인 냉매의 상이 액상에서 기상으로 변화하는 상태로 열관리를 하게 된다.

이때의 열전달 계수는 비등열전달계수라고 하는데, 액상 현열구간에서의 강제열전달계수에 비해 상당히 크며 수~수십배 이상이다.

또한, 상변화 열관리의 경우, 잠열구간인 상변화 구간에서 열전달이 발생하므로 급격한 압력 강하가 없을 경우 냉매의 온도가 일정한 특징이 있다.

다시말해, 유체온도 변화에 의한 열관리 구간별 온도분포를 고르게 할 수 있다는 장점이 있다.

상기 냉각부(120)는 상기 상변화 열관리부(110)의 일측에 형성되어 발열체(113)에서 발생된 열을 최종적으로 열관리시스템 외부로 배출하도록 압축기(121)와 응축기(122) 및 냉각팬(123)과 팽창밸브(124)를 포함한다.

여기서, 상기 냉각부(120)는 냉동사이클의 일반적인 구성인 압축기(121)와 응축기(122) 및 냉각팬(123)과 팽창밸브(124)를 포함하나, 증발기를 따로 구비하지 않고 상변화 열관리부(110)의 고엔탈피((high enthalpy) 냉매와 직접 혼합하여 열교환하도록 형성된다.

이러한 구성의 상기 냉각부(120)는 저온으로 확보된 냉각에너지를 직접혼합에 의해 전달하므로 목표로 하는 온도만 확보하면 된다.

이에 대해, 상기 냉각부(120)만을 이용해 발열체(113)를 냉각하는 방법을 고려해 볼 수 있겠으나, 냉각부(120)에서는 발열체(113)가 일종의 증발기로서 역할을 해야 하고, 100% 기화하여 건도(dryness)가 1이 됨이 필수이다.

따라서, 냉각된 총량을 보면 효과가 있는 것으로 생각해 볼 수 있으나, 발열체(113) 입장에서는 입구측 부분이 0~0.7의 저건도로 온도가 낮고 출구측 부분은 0.7~1의 고건도로 온도가 상당히 높은 구조가 되어 온도 불균형이 발생한다.

이에 따라 상기 발열체(113)의 원래 성능이 저하되는 원인이 되기도 하며, 과열증기 부분에서는 열전달이 극히 낮아 발열체가 전자구성품인 경우는 소손되기도 한다.

반면에 본 발명에 따른 냉각부(120)에서 생성한 냉각에너지가 펌프(112)에 의해 발열체(113)로 이송되고, 저건도 영역에서 운전 후 2상으로 배출되기 때문에 이러한 문제가 발생하지 않는다.

그리고, 상기 상변화 열관리부(110)와 냉동기부(120)는 하나 이상의 구간에서 직접 연결되어 구동된다.

예컨대, 상기 상변화 열관리부(110)와 냉각부(120)는 기액분리기(111)를 통해 직접 연결되거나, 또는 기액분리기(111)의 전단인 입구 배관을 통해 직접 연결될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예 1에 따른 발열체용 열관리시스템의 동작관계를 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 펌프(112)를 동작시키면 상변화 열관리부(110)의 기액분리기(111)에서 포화상태의 액상 냉매는 압력작용에 의해 가압된 후 과냉각 상태로 발열체(113)로 이동된다.

이때, 상기 발열체(113)로 이동된 과냉각 냉매는 히트싱크(미도시) 등을 통해 발열량이 전달되어 기화, 비등과 같은 상변화 과정을 통해 상기 발열체(113)의 냉각이 이루어지도록 한다.

여기서, 상기 발열체(113) 내에서 냉매의 건도가 기준이상으로 높아지면 열전달 성능이 급격히 낮아지게 되므로 발열량 대비 유량을 적절하게 조절해줄 필요가 있다.

그리고, 상기 발열체(113)에서 저건도, 고건도의 2상으로 배출된 냉매는 냉각부(120)의 팽창밸브(124)에서 배출된 냉매와 직접혼합을 통해 2상 냉매가 되어 기액분리기(111)로 이동하게 된다.

계속해서, 상기 기액분리기(111)에서는 공급된 2상의 냉매는 기상과 액상으로 분리되며 액상은 펌프(112)로, 기상은 압축기(121)로 이동하게 된다.

이때, 기상의 형태로 압축기(121)로 공급된 냉매의 양은 발열체(113)에서 공급된 열량에 따라 달라진다.

상기 압축기(121)로 공급된 기상 냉매는 압축기(121)를 통해 고압 고온의 냉매로 바뀐 후 응축기(122)로 이동하게 되고, 응축기(122)에서 냉각팬(123)에 의해 발생된 바람에 의해 응축된다.

그리고, 응축된 냉매는 다시 팽창밸브(124)로 이동하게 되며, 이때 줄톰슨 효과에 의해 저압 저온 냉매로 바뀌게 된다.

상기 팽창밸브(124)를 통해 배출된 냉매는 냉각부(120)의 운전 조건에 따라 액상일 수도 있고 2상일 수도 있다.

도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예 2에 따른 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제2 실시형태는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기액분리기(111)의 내부 또는 외부 일측에 히터(114)를 부가 형성함으로써, 냉각부(120)의 온도 제어를 보다 용이하게 할 수 있는 것이다.

즉, 상기 냉각부(120)의 압축기(121) 및 팽창밸브(124)에서 수행되는 온도 제어시 발생하는 작은 변동(Fluctuation)을 일정한 수준으로 유지하는 것이 쉽지 않다.

이에, 상기 기액분리기(111)의 내부 또는 외부 일측에 히터(114)를 부가 형성함으로써, 온도제어가 보다 쉬워지게 구성하였는데, 이는 냉각보다 가열이 보다 제어가 쉽기 때문이다.

여기서, 상기 히터(114)는 기액분리기(111)의 입구 배관, 또는 기액분리기(111) 내부에 설치도 가능하며, 특정 형태의 히터 타입에 한정되지 않는다.

도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예 3에 따른 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 제3 실시형태는, 상기 냉각부(120)에 수액기(125)를 부가 형성함으로써, 불규칙한 부하변동과 제어변동에 대해서 일정량의 부피를 확보함으로써 완충작용을 하여 냉각부(120)가 보다 안정적으로 구동할 수 있도록 하였다.

구체적으로, 상기 수액기(125)에서 팽창밸브(124)로 액상만 공급할 수 있는 구조여서 팽창밸브(124)에서 안정적으로 감압이 발생하여 원하는 온도의 냉매를 확보할 수 있도록 하였다.

뿐만 아니라, 필터드라이어 기능을 가지고 있어 수분들의 이물질을 필터링하여 팽창밸브(125)에서의 얼음 생성, 먼지에 의한 기능 저하를 방지할 수 있도록 하였다.

도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예 4에 따른 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 제4 실시형태는, 상기 발열체(113)와 평창밸브(124) 사이에 축냉기(126)를 부가 형성함으로써, 발열체(113)가 작동하지 않을 시 냉각부(120)에서 생성된 냉각에너지를 축냉기(126)에 저장하였다가 발열체(113)의 작동 시 축냉기(126)로 냉매를 통과시켜 저장된 냉각에너지를 이용할 수 있도록 하였다.

또, 상기 발열체(113)의 작동 시에도 냉각부(120)는 지속적으로 운전하고 있어 축냉기(126)에 저장된 냉각에너지와 냉각부(120)에서 실시간으로 생성된 냉각에너지를 동시에 이용할 수 있어서, 축냉기(126)가 냉각부(120)의 용량을 분담하는 기능을 하게 된다.

이를 통해 상기 냉각부(120)의 부피, 소모동력, 중량 등을 감소시킬 수 있어 차량에 탑재 시 유리하다.

여기서, 본 실시예 4는 효율이 낮은 장비는 소모전력의 상당부분이 에너지 손실 즉 열 에너지의 형태로 외부로 방출되는데, 레이저의 경우 효율이 1/3 수준으로 레이저의 출력이 클수록 그 만큼 발열량이 과대하게 발생하여 이를 처리하기 위한 열관리시스템 또한 그 용량 및 크기가 커지게 된다.

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 발명의 실시예 4는 제한된 공간에서 충분한 열관리능력을 확보하기 위해 축냉기(126)를 형성하였다.

또, 본 발명은 상기 발열체(113)가 작동하지 않을 시에 기액분리기(111)로 저온의 냉매가 지속적으로 이동할 경우 상기 기액분리기(111) 내의 냉매도 같이 냉각될 수 있으므로 도 8에 도시된 바와 같이 일종의 분리막 적용된 기액분리기(111)를 사용하는 것이 바람직하다.

여기서, 기액분리기(111)로 저온의 냉매가 이동하는 것은 냉각부(120)에서 생성된 냉각에너지를 축냉기(126)에 저장하기 위하여 보다 낮은 온도로 냉각한 냉매가 필요하기 때문이다.

그리고, 분리막이란 상부의 기상 냉매로부터 하부에 저장된 액상 냉매로 대류 열전달이 쉽게 발생하지 않고, 상부에서 모여진 액상 냉매는 아래로 쉽게 하부로 이동할 수 있는 형태를 지칭한다.

예시로, 중심부를 향해 아래로 완만하게 경사진 역원뿔 형태의 가로판에 작은 구멍이 있어 액상 냉매가 흘러 내릴 수 있는 구조를 들 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예 4에 따른 발열체용 열관리시스템의 동작관계를 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

[축냉모드]

먼저, 도 7에 도시된 바와 같이 축냉모드는 상기 발열체(113)의 미작동시 동작하는 것으로서, 상기 압축기(121)의 동작을 통해 기액분리기(111)에서 분리된 냉매 가스는 고온 고압으로 압축되어 응축기(122)로 이송된다.

상기 응축기(122)로 이송된 냉매가스는 외부의 냉각팬(123)에 의해 공랭식으로 응축 및 냉각된 후 수액기(125)로 이동된다.

상기 수액기(125)에서 액상부분이 다시 팽창밸브(124)를 통과하면서 저압 저온의 액상 또는 2상 냉매로 변하게 된다.

그리고, 상기 팽창밸브(124)에서 배출된 저압 저온의 액상 및 2상 냉매는 축냉기(126)를 통과하면서 기화하여 완전가스가 되고 이 과정에서 축냉기(126)는 점차 냉각된다. 이때, 잠열을 이용하는 축냉기(126)의 경우 액상이 고상으로 변하는 응고과정이 진행된다.

상기 축냉기(126)를 통과한 냉매 가스는 다시 기액분리기(111)로 이동하게 되며, 일부 미 기화된 액상과 분리되어 다시 압축기(121)로 이송되어, 상기 과정을 반복한다.

[열관리모드]

열관리모드는 상기 발열체(113) 작동시 동작하는 것으로서, 기본적으로 지속적으로 냉각에너지를 발생시키기 때문에 축냉모드와 유사하게 운전된다.

즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 압축기(121)를 통해 기액분리기(111)에서 분리된 냉매 가스는 고온 고압으로 압축되어 응축기(122)로 이송되고, 상기 응축기(122) 외부의 냉각팬(123)에 의해 공랭식으로 응축 냉각된 후 수액기(125)로 이동된다.

상기 수액기(125)에서 액상부분이 다시 팽창밸브(124)를 통과하면서 저압 저온의 액상 또는 2상 냉매로 변하여 토출되는 부분까지는 축냉모드와 동일하다.

단, 열관리모드에서는 상기 팽창밸브(124)에서 이송된 저온 냉매는 축냉기(126)로 이동하지 않고 대신 축냉기(126)에서 이송된 냉매와 혼합된다. 이때, 상기 축냉기(126)로의 냉매 흐름은 다음과 같다.

상기 펌프(112)를 동작시키면 압력작용에 의하여 상변화 열관리부(110)의 기액분리기(111)에서 포화상태의 액상 냉매는 압력작용에 의해 가압된 후 과냉각 상태로 발열체(113)로 이동된다.

상기 발열체(113)로 이동된 냉매는 상변화를 동반하면서 발열체(113)를 냉각시킨 후에 2상 유동 상태로 축냉기(126)로 이송되고, 축냉모드를 통해 축적된 냉각에너지를 이용해 냉각되며 건도가 낮아진다.

이때, 축냉모드를 통해 축냉기(126)는 발열체(113)의 출구 냉매온도 보다 낮은 온도로 냉각에너지를 축적하고 있다.

그리고, 상기 축냉기(126)를 통과한 냉매는 다시 팽창밸브(124)를 통과한 냉매와 직접 혼합을 통해 본격적인 냉각이 진행된다.

즉, 상기 발열체(113)를 통과하면서 열에너지를 흡수한 냉매는 축냉기(126)를 프리쿨러(precooler)로 사용하여 일부 열에너지를 방출하고, 축냉기(126)를 통과한 후 팽창밸브(124)를 통과한 냉매와 직접 혼합을 통해 나머지 열에너지를 방출하게 되며 이 과정에서 축냉기(126)를 통과한 냉매의 건도는 더 낮아지게 된다.

혼합된 냉매는 다시 기액분리기(111)로 이동하게 되며, 기액분리기(111)에서 기상은 다시 압축기(121)로 이송되어 응축기(122)에서 최종적으로 발열체(113)에서 흡수한 열에너지를 시스템 외부로 배출하게 되며, 액상은 펌프(112)로 이송되어 발열체(113)에서 열에너지를 흡수하게 된다.

이 과정에서 상기 기액분리기(111)의 온도를 제어하기 위해 히터(114)가 가동될 수 있다.

이와 같이, 축냉모드와 열관리모드의 가장 큰 차이는 냉각부에서 발생된 에너지가 어디로 이동하는가에 있다.

즉, 열관리모드에서는 발열체(113)를 냉각하는데 사용되는 반면, 축냉모드에서는 축냉기(126)에 저장된다.

또, 본 발명에 따른 실시예 4는 도 9에 도시된 바와 같이 배관의 연결을 달리할 수도 있다.

예컨대, 상기 팽창밸브(124)와 발열체(113) 사이에 별도의 냉매우회 배관(127)을 연결함으로써 축냉운전모드와 열관리운전모드에서 냉매의 흐름을 달리할 수 있다.

즉, 축냉운전모드에서는 도 10에 도시된 바와 같이 상기 냉매우회 배관(127)을 통해 냉매의 흐름이 이루어지도록 하고, 열관리운전모드에서는 도 11에 도시된 바와 같이 기존 배관을 통해 냉매의 흐름이 이루어지도록 할 수 있다.

이와 같이 상기 발열체(113)와 평창밸브(124) 사이에 냉매우회 배관(127)을 형성함으로써, 축냉운전모드와 열관리 운전모드를 각각 이룰 수 있도록 하였다.

도 12를 참조하여, 본 발명의 실시예 5에 따른 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

즉, 도 12에 도시된 바와 같이 본 발명의 제5 실시형태는, 상기 기액분리기(111)와 압축기(121) 사이에 과열기(115)를 부가 형성함으로써, 압축기(121)에서 압축이 불가한 액상을 압축하느라 과부하가 발생하거나 압축기(121)가 파손될 위험을 방지할 수 있도록 하였다.

즉, 상기 기액분리기(111)에서는 항상 냉매가 포화상태로 유지되는데, 기액분리기(111)에서 비말동반 등 100% 기액분리가 이뤄지지 않을 경우, 압축기(121)로 액상 냉매가 유입될 수 있다.

이럴 경우, 상기 압축기(121)에서 압축이 불가한 액상을 압축하느라 과부하가 발행하거나 압축기(121)가 파손될 위험이 있다.

이를 방지하기 위해, 상기 압축기(121)와 기액분리기(111) 사이에 과열기(115)를 설치하였다.

그리고, 상기 과열기(115)의 가열원은 응축기(122)를 통과하여 응축된 액상 냉매로서, 응축이 되었으나 기액분리기(111)의 내의 냉매 온도보다 충분히 높은 온도이다.

그러므로, 열교환기 타입의 과열기(115)를 사용하여, 기액분리기(111)로부터의 기상 냉매가 과열기(115)에서 과열증기가 되는 과정에서 응축기(122)를 통과한 액상 냉매는 추가 냉각되기 때문에 시스템 차원에서는 추가 공급된 열에너지는 없다.

물론, 열교환기 타입의 과열기(115) 대신 전기히터 등을 사용할 수도 있으나, 냉각에너지 생성 목적의 냉각부(120)에 전기 히터류를 적용하여 열에너지를 공급하는 것은 이치에 맞지 않기 때문에 불가피할 경우를 제외하면 적용하지 않는 것이 바람직하다.

도 13 및 도 14를 참조하여, 본 발명의 실시예 6에 따른 발열체용 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.

도 13에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예 6은, 상기 발열체(113)와 펌프(112) 사이에 프리히터(116)를 부가 형성함으로써, 발열체(113)에서의 온도분포 폭이 커지게 되는 것을 방지할 수 있도록 하였다.

즉, 상기 펌프(112)에 의해 가압되어 발열체(113)로 공급되는 액상 냉매는 기액분리기(111)를 통해 공급되기 때문에 펌프(112) 입구에서는 포화액 상태이나, 동일한 엔탈피 상태에서 액체의 압력이 상승하면 과냉 상태가 되므로 펌프(112)의 가압에 의해 출구에서는 과냉각된 상태가 된다.

이렇게 과냉각된 상태로 공급될 경우, 발열체(113)에서 잠열만 이용하여 냉각되는 것이 아니라 입구 부분에서 현열도 일부 이용해서 냉각되는데, 이럴 경우 잠열구간의 열전달 성능과 현열구간의 열전달 성능에서의 차이가 발생하게 되고, 이에 발열체(113)에서의 온도분포 폭이 커지게 된다.

이를 방지하기 위해 본 발명의 실시예 6에서는 상기 발열체(113) 입구와 펌프(112) 사이에 프리히터(116)를 설치하여 포화액 상태 또는 미소한 건도를 가진 2상 냉매로 발열체(113)에 공급될 수 있도록 한다.

여기서, 상기 프리히터(116)는 압축기(121) 후단의 고온가스를 핫가스밸브(117)를 이용해 열교환을 통해 승온시키는 것으로 표현되어 있으나, 이는 특정한 예시일 뿐 승온이 가능한 모든 수단이 다 사용될 수 있으며, 특정 형태의 히터에 한정되지 않는다.

예컨대, 도 14에 도시된 바와 같이 고온가스 혼합기(Mixer)(118)를 형성하고 상기 혼합기(118)를 이용하여 직접 혼합하여 포화 상태 또는 미소한 건도를 가진 2상 냉매로 발열체(113)에 공급될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 상기와 같이 각 실시예에서 설명한 히터, 수액기, 축냉기, 과열기, 프리히터와 같은 추가 장치들은 적용예시를 위해 순차적으로 적용되는 것처럼 실시예를 나열하였으나, 실제 각 추가 장치들은 독립적으로 추가하는 것이 가능하므로 조합에 따라 보다 더 많은 실시예가 가능하다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 구성과 동작을 통해 열관리시스템의 부피, 하중, 소모동력을 낮추고, 발열체의 성능 저하를 예방함과 동시에 효율적인 열전달로 발열체의 손상을 방지할 수 있는 것이다.

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.

100 : 발열체용 열관리시스템 110 : 상변화 열관리부
111 : 기액분리기 112 : 펌프
113 : 발열체 114 : 히터
115 : 과열기 116 : 프리히터
117 : 핫가스밸브 118 : 혼합기
120 : 냉각부 121 : 압축기
122 : 응축기 123 : 냉각팬
124 : 팽창밸브 125 : 수액기
126 : 축냉기 127 : 냉매우회 배관

Claims (11)

1. 발열체용 열관리시스템으로서,
   기액분리기와 펌프 및 발열체를 포함하고 발열체를 냉매의 상변화를 이용하여 열관리하는 상변화 열관리부와;
   상기 상변화 열관리부의 발열체에서 발생된 열을 최종적으로 열관리시스템 외부로 배출하도록 응축기와 냉각팬과 압축기 및 팽창밸브를 포함하는 냉각부;로 구성되며,
   상기 상변화 열관리부와 냉각부는 하나 이상의 구간에서 직접 연결되어 구동되는 것을 특징으로 하는 발열체용 열관리시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 상변화 열관리부와 냉각부는 기액분리기 또는 기액분리기 입구 배관을 통해 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 발열체용 열관리시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 기액분리기 내부 또는 외부 일측에는 히터가 부가될 수 있는 것을 특징으로 하는 발열체용 열관리시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 냉각부의 팽창밸브와 응축기 사이에는 수액기가 부가될 수 있는 것을 특징으로 하는 발열체용 열관리시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 발열체와 평창밸브 사이에 축냉기가 부가될 수 있는 것을 특징으로 하는 발열체용 열관리시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 기액분리기와 압축기 사이에는 과열기가 부가될 수 있는 것을 특징으로 하는 발열체용 열관리시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 발열체와 펌프 사이에는 프리히터가 부가될 수 있는 것을 특징으로 하는 발열체용 열관리시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 발열체는 레이저, 전력 전자장치나 배터리와 같은 기타 발열 장치 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발열체용 열관리시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 상변화 열관리부와 냉각부는 축냉모드와 열관리모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 발열체용 열관리시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 축냉모드는 발열체가 미작동시 동작하는 것을 특징으로 하는 발열체용 열관리시스템.
11. 제9항에 있어서,
    상기 열관리모드는 발열체 작동시 동작하는 것을 특징으로 하는 발열체용 열관리시스템.

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