KR20230091259A - A phase change thermal management system for multiple heating elements including a flow equalization resistor - Google Patents

A phase change thermal management system for multiple heating elements including a flow equalization resistor Download PDF

Info

Publication number
KR20230091259A
KR20230091259A KR1020210180198A KR20210180198A KR20230091259A KR 20230091259 A KR20230091259 A KR 20230091259A KR 1020210180198 A KR1020210180198 A KR 1020210180198A KR 20210180198 A KR20210180198 A KR 20210180198A KR 20230091259 A KR20230091259 A KR 20230091259A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thermal management
heating element
management system
resistor
phase change
Prior art date
Application number
KR1020210180198A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102581056B1 (en
Inventor
송용석
김화중
Original Assignee
현대로템 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대로템 주식회사 filed Critical 현대로템 주식회사
Priority to KR1020210180198A priority Critical patent/KR102581056B1/en
Publication of KR20230091259A publication Critical patent/KR20230091259A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102581056B1 publication Critical patent/KR102581056B1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/0407—Liquid cooling, e.g. by water

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

본 발명은 다중 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 수직으로 배치되는 다중 발열체의 일측에 유동균등화 저항체를 형성하여 각 발열체 라인에서 유량 차이를 최소화하여 열관리 효율을 향상시키도록 하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것이다. 구성은 기액분리기, 펌프, 냉각모듈, 센서류를 포함하여 수직으로 배치되는 다중 발열체의 온도를 제어하는 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 각 발열체 라인의 일측에는 공급되는 냉매의 유량 차이에 미치는 영향 중, 마찰 압력손실을 증대시켜 정수두에 의한 압력손실의 영향을 상대적으로 감소시킴으로써 유량 차이를 최소화할 수 있도록 저항체가 형성되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a phase change thermal management system for multiple heating elements, and more particularly, to improve thermal management efficiency by minimizing a flow rate difference in each heating element line by forming a flow equalization resistor on one side of the multiple heating elements arranged vertically. It is about a change thermal management system. The configuration is a phase change thermal management system for controlling the temperature of multiple heating elements arranged vertically including a gas-liquid separator, a pump, a cooling module, and sensors. It is characterized in that the resistor is formed to minimize the flow rate difference by increasing the frictional pressure loss and relatively reducing the effect of the pressure loss caused by the hydrostatic head.

Description

유동균등화 저항체를 구비하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템{A phase change thermal management system for multiple heating elements including a flow equalization resistor}A phase change thermal management system for multiple heating elements including a flow equalization resistor}

본 발명은 다중 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 수직으로 배치되는 다중 발열체의 일측에 유동균등화 저항체를 형성하여 각 발열체 라인에서 유량 차이를 최소화하여 열관리 효율을 향상시키도록 하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a phase change thermal management system for multiple heating elements, and more particularly, to improve thermal management efficiency by minimizing a flow rate difference in each heating element line by forming a flow equalization resistor on one side of the multiple heating elements arranged vertically. It is about a change thermal management system.

일반적으로 열관리(thermal management 또는 heat control)는 열을 사용하는 곳에서 최소의 열원(熱源)으로 최대의 효과를 거두기 위해 전체 열량을 분석하여 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.In general, thermal management (or heat control) analyzes the total amount of heat to achieve the maximum effect with the minimum heat source in a place where heat is used and effectively uses and manages it, and for saving heat energy sources, It is a technique to investigate the energy loss in the device and its parts, trace back to the cause, and remodel it. Recently, it includes improving the temporal and spatial temperature distribution of the object to be heated.

이러한 열관리를 효율적으로 하기 위해 산업전반에는 다양한 구성의 열관리시스템이 알려져 있다.In order to efficiently perform such thermal management, thermal management systems having various configurations are known throughout the industry.

그 한 예로써, 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 레이저 발생장치의 레이저를 안정하게 운영하기 위해서 레이저 다이오드와 이득매질에서 발생한 열을 대기로 방출하기 위한 발열체용 열관리시스템이 필수적으로 사용되고 있다.As an example, in the field of defense industry, it can be applied to the defense of rockets, artillery shells, and mortar shells attacked by strategic missiles and dense troops, or in the fields of nuclear power plant demolition, oil drilling, and tunnel construction in general industry. In order to stably operate the laser of the applicable high-energy laser generator, a thermal management system for a heating element is essential to dissipate heat generated from a laser diode and a gain medium to the atmosphere.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 상변화 열관리 기술인 다중 발열체용 상변화 열관리시스템(100)은 발열체(110)와, 응축기(120) 및 냉각팬(130)과, 기액분리기(140)와, 펌프(150)를 포함하여 구성되며, 냉각수를 이용한 수냉각시스템과 구성품이 크게 다르지 않다.As shown in FIG. 1, the phase change thermal management system 100 for multiple heating elements, which is a conventional phase change thermal management technology, includes a heating element 110, a condenser 120, a cooling fan 130, a gas-liquid separator 140, It is configured to include the pump 150, and components are not significantly different from a water cooling system using cooling water.

단, 냉매를 이용하기 때문에 방열기 대신 응축기가 사용되고 발열체에서의 냉각이 일반적인 액상대류 열전달이 아닌 상변화 대류 열전달로 이루어지며, 이에 따라 열전달 성능이 탁월한 장점이 있다.However, since a refrigerant is used, a condenser is used instead of a radiator, and cooling in the heating element is performed by phase change convection heat transfer rather than general liquid phase convection heat transfer, and thus has an advantage of excellent heat transfer performance.

또한, 종래의 상변화 열관리 기술은 도 2에 도시된 바와 같이 다중 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 발열체(210)와, 응축기(220) 및 냉각팬(230)과, 기액분리기(240)와, 펌프(250)와, 다중 발열체(210)로의 냉각제어를 위해 각 라인에 유량계(F) 및 제어밸브(QCV)를 포함하여 구성되어, 유량정보와 각 발열체(210)에서의 발열량 정보를 통해 유량을 조절하여 각 발열체(210) 라인의 건도를 제어하게 된다.In addition, in the conventional phase change thermal management technology, as shown in FIG. 2, the phase change thermal management system 200 for multiple heating elements includes a heating element 210, a condenser 220, a cooling fan 230, and a gas-liquid separator 240 In order to control the cooling of the pump 250 and the multi-heating element 210, each line is configured to include a flow meter F and a control valve QCV to provide flow rate information and calorific value information from each heating element 210. Through this, the flow rate is adjusted to control the dryness of each heating element 210 line.

이러한 상변화 열관리의 경우 도 3에 도시된 바와 같이 각 발열체(210)를 수직으로 배치할 경우 각 발열체 라인에서의 마찰 압력손실은 유사한 반면, 상변화 전후의 수직배관에서의 정수두 차이에 의한 압력손실 차가 달라져 동일한 발열량에서도 유량 차이가 발생하게 된다.In the case of such phase change thermal management, as shown in FIG. 3, when each heating element 210 is arranged vertically, the friction pressure loss in each heating element line is similar, whereas the pressure loss due to the difference in hydrostatic head in the vertical pipe before and after the phase change As the difference is different, a flow rate difference occurs even at the same calorific value.

즉, 정수두 차에 의한 압력손실 효과에 의해 동일한 발열량에 대해 하단에 설치한 발열체일수록 유량이 증가하고, 상단으로 갈수록 유량이 감소하는 경향이 있어 결국 상단으로 갈수록 건도가 증가하는 경향이 있다.That is, due to the pressure loss effect due to the difference in hydrostatic head, the flow rate of the heating element installed at the bottom increases for the same calorific value, and the flow rate tends to decrease toward the top, so that the dryness tends to increase toward the top.

이와 같이, 종래의 상변화 열관리 기술은 각 발열체 라인의 건도 조절을 위해서 각 발열체의 발열량 정보를 통해 각 라인으로의 유량을 지속적으로 조절하게 되는데, 동일한 펌프를 사용하게 되므로 한 발열체 라인의 유량조절이 다른 발열체 라인에 영향을 미쳐 제어가 난해해지고 쉽게 수렴하지 않아 발산하는 등의 문제가 있다.In this way, the conventional phase change thermal management technology continuously adjusts the flow rate to each line through the calorific value information of each heating element in order to control the dryness of each heating element line. Since the same pump is used, the flow rate control of one heating element line is difficult. There are problems such as affecting other heating element lines, making control difficult, and diverging because they do not converge easily.

특히, 유량에 따라 건도가 변하게 되어 마찰 압력손실이 냉각수 대비 크게 변동하는 특징이 있어 더욱 제어가 쉽지 않다. In particular, since the dryness changes according to the flow rate, the frictional pressure loss fluctuates greatly compared to the cooling water, making it more difficult to control.

그리고, 발열체인 레이저 모듈의 특징으로서, 광섬유 레이저는 발진기에서 큰 발열이 발생하게 되는데, 공간 효율성을 확보하기 위해 통상적인 경우 도 3에 도시된 바와 같이 단위 발진기모듈을 적층하여 배치하게 된다.And, as a feature of the laser module, which is a heating element, the fiber laser generates a lot of heat in the oscillator. In order to secure space efficiency, in a typical case, as shown in FIG. 3, unit oscillator modules are stacked and arranged.

따라서, 상변화 열관리 기술을 레이저 열관리에 적용할 경우 수직 높이 차에 따른 유량 분배가 중요 이슈가 될 수 있다.Therefore, when the phase change thermal management technology is applied to laser thermal management, flow distribution according to the vertical height difference can be an important issue.

또, 종래의 발열체용 열관리시스템은 도 4에 도시된 바와 같이, 냉각수를 이용해 발열체(레이저)를 열관리(냉각/가열)하는데, 이는 전통적인 방식으로 상변화 효과를 이용한 상변화 열관리에 비해 열전달 효율이 낮아 목표로 하는 열관리 성능을 확보하려면 열관리시스템의 용량이 상대적으로 증가되어야 한다.In addition, as shown in FIG. 4, the conventional heat management system for a heating element thermally manages (cooling/heating) a heating element (laser) using cooling water, which has a higher heat transfer efficiency than phase change thermal management using a phase change effect in a traditional method. In order to secure the target thermal management performance, the capacity of the thermal management system must be relatively increased.

이에 따라, 열관리시스템의 부피, 하중, 소모동력이 크게 증가하는 문제점이 있다.Accordingly, there is a problem in that the volume, load, and power consumption of the thermal management system are greatly increased.

또한, 발열체가 레이저의 경우 발열부에서의 균일한 온도 분포가 레이저의 품질을 결정하는 중요한 요소 중의 하나인데, 냉각수를 이용한 선행 기술은 냉각수의 입구 온도와 출구 온도가 다르기 때문에 균일한 온도 분포를 위해 유량을 크게 증가시켜야 하고, 이에 따라 상기와 유사하게 열관리시스템의 용량이 증가하게 된다.In addition, in the case of a laser heating element, uniform temperature distribution in the heating part is one of the important factors determining the quality of the laser. In the prior art using cooling water, since the inlet and outlet temperatures of the cooling water are different, uniform temperature distribution is required. The flow rate must be greatly increased, which, similarly to the above, increases the capacity of the thermal management system.

이러한 문제점 및 단점에 의해 종래의 발열체용 열관리시스템은 차량 탑재용으로서는 소형, 경량화에 적합하지 않다.Due to these problems and disadvantages, the conventional thermal management system for a heating element is not suitable for compactness and light weight for use in a vehicle.

공개특허 제10-2010-0073204호Patent Publication No. 10-2010-0073204

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 수직으로 배치되는 다중 발열체 라인에서 유량 차이에 미치는 압력손실 중, 마찰 압력손실의 영향을 증대시켜 정수두 차에 의해 발생하는 압력손실의 영향을 상대적 감소시켜줌으로써, 유량 차를 최소화하여 열관리성능 저하를 방지하는 유동균등화 저항체를 구비하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템을 제공하는 것이다.Therefore, the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to increase the effect of frictional pressure loss among the pressure losses affecting the flow rate difference in a vertically arranged multi-heating element line, which is generated by the hydrostatic head difference An object of the present invention is to provide a phase change thermal management system for multiple heating elements having a flow equalization resistor that prevents thermal management performance deterioration by minimizing a flow rate difference by relatively reducing the effect of pressure loss.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기액분리기, 펌프, 냉각모듈, 센서류를 포함하여 수직으로 배치되는 다중 발열체의 온도를 제어하는 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 각 발열체 라인의 일측에는 공급되는 냉매의 유량 차이에 미치는 영향 중, 정수두에 의한 압력손실의 영향을 상대적으로 감소시켜 유량 차이를 최소화할 수 있도록 마찰 압력손실을 증대시키는 저항체가 형성되는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object is a phase change thermal management system for controlling the temperature of multiple heating elements arranged vertically including a gas-liquid separator, a pump, a cooling module, and sensors, which are supplied to one side of each heating element line. Among the effects on the flow rate difference of the refrigerant, it is characterized in that a resistor is formed to increase the frictional pressure loss so as to minimize the flow rate difference by relatively reducing the effect of the pressure loss due to the hydrostatic head.

본 발명은 유동균등화 저항체를 구비하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 저항체는 상기 각 발열체 라인의 전방측에 형성되는 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized in that in the phase change thermal management system for multiple heating elements having a flow equalization resistor, the resistor is formed on the front side of each heating element line.

본 발명은 유동균등화 저항체를 구비하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 저항체는 오리피스 또는 밸브로 이루어질 수 있는 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized in that in a phase change thermal management system for multiple heating elements having a flow equalization resistor, the resistor may be formed of an orifice or a valve.

본 발명은 유동균등화 저항체를 구비하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 발열체는 레이저 또는 레이저 모듈인 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized in that in the phase change thermal management system for multiple heating elements having a flow equalization resistor, the heating element is a laser or a laser module.

이상에서와 같이 본 발명은 다중 발열체의 수직 배치에 따른 유량 차이에 미치는 영향 중, 마찰 압력손실의 영향을 증대시켜 정수두 압력손실의 영향을 상대적으로 감소시킴으로써, 유량 차를 최소화하여 열관리 효율을 향상시키는 효과가 있다.As described above, the present invention, among the effects on the flow rate difference according to the vertical arrangement of the multiple heating elements, increases the effect of the frictional pressure loss to relatively reduce the effect of the hydrostatic head pressure loss, thereby minimizing the flow rate difference to improve thermal management efficiency It works.

도 1은 종래의 발열체용 상변화 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 다중 발열체용 상변화 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 다중 발열체인 발열체 모듈의 확대도이다.
도 4는 종래의 냉각수를 이용한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유동균등화 저항체를 구비하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 수직 배치 발열체 라인별 압력강하를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유동균등화 저항체를 구비하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템의 냉매 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 저항체의 설치와 저항체의 미설치 시의 정수두 압력손실 및 마찰 압력손실의 비율변화를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 건도에 따른 2상 냉매의 밀도변화를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a diagram schematically showing the configuration of a conventional phase change thermal management system for a heating element.
2 is a diagram schematically showing the configuration of a conventional phase change thermal management system for multiple heating elements.
3 is an enlarged view of a heating element module, which is a multi-heating element.
4 is a diagram schematically showing the configuration of a conventional thermal management system for a heating element using cooling water.
5 is a diagram schematically showing the configuration of a phase change thermal management system for multiple heating elements having a flow equalization resistor according to a preferred embodiment of the present invention.
6 is a diagram schematically showing a pressure drop for each line of a vertically disposed heating element according to the present invention.
7 is a diagram schematically illustrating a refrigerant flow of a phase change thermal management system for multiple heating elements having a flow equalization resistor according to a preferred embodiment of the present invention.
8 is a diagram schematically illustrating a ratio change of hydrostatic head pressure loss and frictional pressure loss when a resistor is installed and when a resistor is not installed according to the present invention.
9 is a diagram schematically illustrating a change in density of a two-phase refrigerant according to dryness.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in more detail based on the accompanying drawings.

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.Here, components having the same function in all the drawings below use the same reference numerals, and repetitive descriptions are omitted, and terms to be described later are defined in consideration of the functions in the present invention, which has a unique commonly used meaning. to be interpreted as

도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 유동균등화 저항체를 구비하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.Referring to FIGS. 5 and 6, a phase change thermal management system for multiple heating elements having a flow equalization resistor according to the present invention will be described as follows.

먼저, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유동균등화 저항체를 구비하는 다중발열체용 상변화 열관리시스템(300)은 발열체(310)와, 상기 발열체(310)를 열관리하기 위한 냉각모듈(320)과, 기액분리기(330) 및 펌프(340)와, 저항체(350)로 대별되어 이루어진다.First, as shown in FIG. 5, the phase change thermal management system 300 for multiple heating elements having a flow equalization resistor according to a preferred embodiment of the present invention includes a heating element 310 and cooling for thermal management of the heating element 310. It is roughly divided into a module 320, a gas-liquid separator 330, a pump 340, and a resistor 350.

상기 발열체(310)는 복수 개가 수직으로 배치되어 다중 발열체(310)를 형성한다.A plurality of the heating elements 310 are vertically arranged to form multiple heating elements 310 .

즉, 상기 발열체(310)는 유사한 발열량을 가지는 복수 개가 수직으로 배치되는 것이 바람직하다.That is, it is preferable that a plurality of heating elements 310 having similar heating values are vertically arranged.

여기서, 상변화 열관리시스템에서는 다중 발열체(310)를 수직으로 배치할 경우, 수직 배치에 따른 영향을 받아 상부에 설치된 발열체(310) 일수록 적은 유량이 공급되어 건도가 상승하는 문제가 있다.Here, in the phase change thermal management system, when the multiple heating elements 310 are arranged vertically, there is a problem in that a smaller flow rate is supplied to the heating element 310 installed on the upper part due to the influence of the vertical arrangement, so that the dryness increases.

이는 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각유체가 상부에 위치하는 발열체(1)로 공급되는 경로 ACD에서의 압력강하(ΔPACD)와, 냉각유체가 하부에 위치하는 발열체(2)로 공급되는 경로 ABD에서의 압력강하(ΔPABD)가 동일하기 때문에 결국 정수두에 의한 압력손실(ΔPS) 차이만큼 마찰 압력손실이 발생하게 된다.As shown in FIG. 6, this is the pressure drop (ΔP ACD ) in the path ACD through which the cooling fluid is supplied to the heating element 1 located at the top, and the path through which the cooling fluid is supplied to the heating element 2 located at the bottom. Since the pressure drop in ABD (ΔP ABD ) is the same, frictional pressure loss occurs as much as the difference in pressure loss (ΔP S ) due to hydrostatic head.

그러나, 본 발명은 아래의 저항체 설명에서와 같이 상기 각 발열체(310)의 일측으로 저항체(350)를 형성함으로써, 각 발열체(310) 라인에서 유량의 차이에 미치는 영향 중, 마찰 압력손실을 증대시켜 정수두의 영향을 상대적으로 감소시킴으로써 유량 차이를 개선토록 하는 것이다.However, the present invention increases the frictional pressure loss among the effects on the difference in flow rate in each heating element 310 line by forming the resistor 350 on one side of each heating element 310 as described in the description of the resistor below. It is to improve the flow rate difference by relatively reducing the effect of the hydrostatic head.

또한, 상기 발열체(310)는 복수 개가 수직으로 배치되어 열에너지를 방출하는 레이저 또는 레이저 모듈로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the heating element 310 is preferably made of a laser or a laser module that is vertically arranged in plurality and emits thermal energy.

그러나, 이에 한정되지 않고 열에너지를 방출하는 전력 전자장치나 배터리와 같은 기타 발열 장치 등으로 이루어질 수도 있다.However, it is not limited thereto and may be formed of other heating devices such as power electronic devices or batteries that emit thermal energy.

상기 냉각모듈(320)은 고온냉매를 냉각하고 응축열을 제거해 액화시키는 냉각팬을 구비하는 응축기 조립체 또는 증기-압축 또는 흡수 냉동 사이클로 액체의 열을 제거하는 데 쓰는 기계인 칠러 등으로 구성될 수 있다.The cooling module 320 may include a condenser assembly having a cooling fan that cools the high-temperature refrigerant and removes condensation heat to liquefy it, or a chiller, which is a machine used to remove heat from liquid through a vapor-compression or absorption refrigeration cycle.

즉, 상기 냉각모듈(320)은 시스템의 열을 시스템 외부로 방출하는 역할을 하기 위해 냉매를 냉각 및 응축시킬 수 있는 냉각팬 및 응축기와 같이 냉각 에너지를 가지는 모든 장치를 포함하는 것으로서, 특정 형태에 한정되지 않으며 칠러 등으로 대체될 수 있다.That is, the cooling module 320 includes all devices having cooling energy, such as a cooling fan and a condenser capable of cooling and condensing a refrigerant in order to release heat of the system to the outside of the system. It is not limited and may be replaced with a chiller or the like.

상기 기액분리기(330)는 상기 냉각모듈(320)의 후방에 형성되어 배출되는 2상 냉매를 기상과 액상으로 분리한 후 액상의 냉매만 상기 각 발열체(310)로 보내 냉각할 수 있도록 한다.The gas-liquid separator 330 is formed at the rear of the cooling module 320 to separate the discharged two-phase refrigerant into a gas phase and a liquid phase, and then sends only the liquid refrigerant to each heating element 310 for cooling.

여기서, 상기 기액분리기(330)는 리저버, 어큐뮬레이터, 냉매저장용기 등의 다양한 용어로 사용되는 모든 것을 포함할 수 있다.Here, the gas-liquid separator 330 may include everything used in various terms such as a reservoir, an accumulator, and a refrigerant storage container.

또, 상기 펌프(340)는 상기 기액분리기(330)의 하부 일측에 형성되어 기액분리기(330)를 통해 배출되는 액상 냉매를 압력작용을 이용하여 순환, 이송시키는 역할을 한다.In addition, the pump 340 is formed on one lower side of the gas-liquid separator 330 and serves to circulate and transport the liquid refrigerant discharged through the gas-liquid separator 330 using a pressure action.

상기 저항체(350)는 상기 각 발열체(310) 라인의 일측에 형성되어 냉매의 유량 차이에 미치는 영향 중, 마찰 압력손실을 증대시켜 정수두의 영향을 상대적으로 감소시킴으로써 유동 균등화를 통해 유량 차이를 개선할 수 있도록 한다.The resistor 350 is formed on one side of each heating element 310 line to improve the flow rate difference through flow equalization by increasing the frictional pressure loss and relatively reducing the effect of the hydrostatic head among the effects on the flow rate difference of the refrigerant. make it possible

즉, 상기 각 발열체(310) 라인의 일측에 저항체(350)를 형성하지 않을 경우, 정수두에 따른 압력손실 차이만큼 마찰 압력손실을 변화시키기 위해 하부에 설치되는 발열체(310) 일수록 큰 유량이 공급되어 건도가 하강하게 되고, 반대로 하부에 설치되는 발열체(310) 일수록 적은 유량이 공급되어 건도가 상승하게 된다.That is, when the resistor 350 is not formed on one side of each heating element 310 line, a larger flow rate is supplied to the heating element 310 installed at the lower part in order to change the frictional pressure loss by the difference in pressure loss according to the hydrostatic head The dryness decreases, and on the contrary, as the heating element 310 installed at the lower part is supplied with less flow, the dryness increases.

그러나, 상기 각 발열체(310) 라인의 일측에 저항체(350)를 형성할 경우, 증대된 저항만큼 마찰 압력손실이 증대되어 정수두에 의한 압력손실의 영향이 상대적으로 감소되므로 상부와 하부에 설치되는 발열체(310)로 비슷한 유량이 공급되어 건도 상승을 방지하거나 최소화할 수 있다.However, when the resistor 350 is formed on one side of each heating element 310 line, the frictional pressure loss increases as much as the increased resistance, and the effect of the pressure loss due to the hydrostatic head is relatively reduced. A similar flow rate is supplied to 310 to prevent or minimize the increase in dryness.

또, 상기 저항체(350)는 상기 각 발열체(310)의 전방측에 형성되는 것이 바람직하다.In addition, the resistor 350 is preferably formed on the front side of each heating element 310 .

그 이유는, 상기 저항체(350)를 각 발열체(310)의 후방측에 설치할 경우, 기상과 액상으로 이루어지는 2상의 냉매 흐름 시, 흐름 내 기포의 크기, 형상 및 빈도가 불규칙하여 냉매의 흐름이 일정하지 않게 되며, 이로 인해 일정한 저항력을 형성하지 못할 수 있기 때문이다.The reason is that when the resistor 350 is installed on the rear side of each heating element 310, the size, shape, and frequency of bubbles in the flow are irregular during the flow of the two-phase refrigerant consisting of gas phase and liquid phase, so the flow of the refrigerant is constant. This is because it may not form a constant resistance.

그러나, 상기 저항체(350)를 각 발열체(310)의 전방측에 형성할 경우, 액상 배관을 통해 액상 냉매가 안정적으로 흐르기 때문에 일정한 저항력을 형성할 수 있어 상기와 같은 문제를 해소할 수 있다.However, when the resistor 350 is formed on the front side of each heat generating element 310, since the liquid refrigerant flows stably through the liquid pipe, a certain resistance can be formed, thereby solving the above problems.

따라서, 상기 저항체(350)를 각 발열체(310)의 전방측에 설치하는 것이 일정한 저항력 형성을 위해 바람직하다.Therefore, it is preferable to install the resistor 350 on the front side of each heating element 310 to form a constant resistance.

또한, 상기 저항체(350)는 오리피스, 밸브 등과 같이 냉매의 흐름을 제어할 수 있는 장치로 구성될 수 있다.In addition, the resistor 350 may be composed of a device capable of controlling the flow of refrigerant, such as an orifice and a valve.

즉, 상기 저항체(350)를 오리피스나 밸브와 같은 장치로 구성하여 상기 각 발열체(310)로 공급되는 냉매의 흐름을 가감시키도록 제어할 수도 있다.That is, the resistor 350 may be configured with a device such as an orifice or a valve to control the flow of the refrigerant supplied to each heating element 310 to increase or decrease.

이와 같이, 본 발명은 상변화 열관리시스템의 고유 특징인 다중 발열체(310)의 수직 배치에 따른 유량 불균형에 대응하여 각 발열체(310) 라인에 저항체(350)를 형성함으로써, 유량 차이를 개선할 수 있는 것이다.As such, the present invention can improve the flow rate difference by forming a resistor 350 in each heating element 310 line in response to the flow imbalance due to the vertical arrangement of the multiple heating elements 310, which is a unique feature of the phase change thermal management system. There is.

그리고, 본 발명에 따른 다중 발열체용 상변화 열관리시스템(300)은 개도 조절이 필요 없는 On/off용 개폐밸브 및 센서류, 피팅류 등 Minor한 구성품은 도식하지 않았으나 당 분야의 통상 기술자라면 누구나 이들의 필요 지점을 당연하게 인지할 수 있을 것으로 판단된다.In addition, in the phase change thermal management system 300 for multiple heating elements according to the present invention, minor components such as on/off valves for on/off that do not require opening adjustment, sensors, and fittings are not illustrated, but anyone skilled in the art can It is judged that the necessary point can be recognized for granted.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 다중 발열체용 상변화 열관리시스템의 동작관계를 설명하면 다음과 같다.The operation relationship of the phase change thermal management system for multiple heating elements according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described below.

도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 각 발열체(310)를 통과하면서 열교환으로 각 발열체(310)를 냉각한 냉매는 상기 냉각모듈(320)로 이동된다.As shown in FIGS. 7 to 9 , the refrigerant that cools each heating element 310 by heat exchange while passing through each heating element 310 moves to the cooling module 320 .

상기 냉각모듈(320)로 이동된 냉매는 외부 공기와 열교환하여 응축 및 과냉각된 후 기액분리기(330)에 모이게 된다.The refrigerant moved to the cooling module 320 is condensed and supercooled by exchanging heat with external air, and then collected in the gas-liquid separator 330 .

그리고, 상기 기액분리기(330)에 모인 냉매는 기상 냉매와 액상 냉매로 분리되고, 분리된 액상 냉매는 상기 펌프(340)의 동작에 의해 펌프(340)를 통해 상기 저항체(350)를 거쳐 발열체(310)로 이송, 공급되어 각 발열체(310)를 냉각시킨 후 상기 냉각모듈(320)로 이동되는 과정을 반복하게 된다.In addition, the refrigerant collected in the gas-liquid separator 330 is separated into gaseous refrigerant and liquid refrigerant, and the separated liquid refrigerant passes through the pump 340 by the operation of the pump 340 through the resistor 350 to the heating element ( 310) to cool each heating element 310, and then the process of moving to the cooling module 320 is repeated.

이때, 상기 저항체(350)는 각 발열체(310)의 전방측에 형성된 액상 배관을 통해 액상의 냉매가 일정한 마찰 저항력으로 각 발열체(310)로 공급된다.At this time, in the resistor 350 , liquid refrigerant is supplied to each heating element 310 with a constant frictional resistance through a liquid pipe formed on the front side of each heating element 310 .

즉, 상기 저항체(350)는 상기 각 발열체(310) 전방측에 형성되어 마찰저항력을 발생시켜 공급되는 냉매의 유량 차이에 미치는 영향 중, 마찰 압력손실을 증대시켜 정수두에 의한 압력손실을 상대적으로 감소시켜 유량 차이를 개선할 수 있도록 한다.That is, the resistor 350 is formed on the front side of each heating element 310 to generate frictional resistance, thereby increasing the frictional pressure loss among the effects on the flow rate difference of the supplied refrigerant, thereby relatively reducing the pressure loss due to the hydrostatic head. so that the flow rate difference can be improved.

그러나, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 각 발열체(310) 라인의 일측에 저항체(350)를 형성하지 않을 경우, 상부에 설치되는 발열체(310) 일수록 적은 유량이 공급되어 건도가 상승하게 된다.However, as shown in FIG. 8, when the resistor 350 is not formed on one side of each heating element 310 line, a smaller flow rate is supplied to the heating element 310 installed on the upper part, so that the dryness increases.

즉, 저항체의 적용여부에 따른 정수두 강하의 비율 변화를 보면 아래의 표 1에 나타낸 바와 같다.That is, looking at the change in the ratio of the hydrostatic head drop according to whether or not the resistor is applied, it is shown in Table 1 below.

비 고note 저항체 적용 전Before applying resistor 저항체 적용 후After applying resistor 발열체(1)Heating element(1) 발열체(2)Heating element(2) 발열체(1)Heating element(1) 발열체(2)Heating element(2) 마찰 압력손실 비율1) Frictional pressure loss ratio 1) ΔPF ΔP F %% 2020 9999 7575 100100 정수두 압력손실 비율1) Hydrostatic head pressure loss ratio 1) ΔPS ΔP S %% 8080 1One 2525 00 유량비2) flow rate 2) RQ R Q %% 100100 221221 100100 115115 발열체 출구 건도Heating element outlet dryness xo x o -- 0.880.88 0.400.40 0.460.46 0.400.40 ※ 추정조건
1) 조건 : 액상밀도 1000kg/m³, 기상밀도 5kg/m³, 높이차 2m
2) 발열체(1) 기준, ΔPF ∝ Q² 가정 ※ Estimation conditions
1) Conditions: Liquid density 1000kg/m³, vapor density 5kg/m³, height difference 2m
2) Based on heating element (1), assuming ΔP F ∝ Q²

이와 같이, 본 발명에 따른 저항체(350)를 적용하기 전에는 발열체(1)과 발열체(2)의 유량비 차이가 크게 나타나지만, 저항체(350)를 적용한 후에는 발열체(1)과 발열체(2)의 유량비 차이가 크지 않고 비슷하게 공급됨을 알 수 있다.As such, before the resistor 350 according to the present invention is applied, the difference in the flow rate ratio between the heating element 1 and the heating element 2 appears large, but after the resistor 350 is applied, the flow rate ratio between the heating element 1 and the heating element 2 It can be seen that the difference is not large and the supply is similar.

또한, 본 발명에 따른 저항체(350)를 수직으로 배치되는 각 발열체(310) 라인에 적용할 경우, 도 9에 도시된 바와 같이 액상 밀도 1000kg/m³, 기상 밀도 5kg/m³을 기준으로 할 때, 건도에 따른 밀도 변화는 저건도 영역에서 급격히 감소하고 그 후로는 거의 유사한 수준임을 알 수 있다.In addition, when the resistor 350 according to the present invention is applied to each vertically arranged heating element 310 line, as shown in FIG. 9, based on a liquid phase density of 1000 kg / m³ and a gas phase density of 5 kg / m³, It can be seen that the change in density according to the dryness decreases rapidly in the low dryness region and is at an almost similar level thereafter.

따라서, 본 발명에 따른 다중 발열체용 상변화 열관리시스템은 이와 같은 동작을 지속적으로 반복함으로써 다중 발열체의 수직 배치에 따른 유량 불균형에 대응하여 건도 불균일을 원천적으로 최소화할 수 있는 것이다. Therefore, the phase-change thermal management system for multiple heating elements according to the present invention can fundamentally minimize dryness non-uniformity in response to flow rate imbalance due to vertical arrangement of multiple heating elements by continuously repeating such an operation.

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.The present invention described above is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes to other equivalent embodiments are possible within the scope of the technical spirit of the present invention. It will be clear to those skilled in the art to which the present invention pertains.

300 : 유동균등화 저항체를 구비하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템
310 : 발열체 320 : 냉각모듈
330 : 기액분리기 340 : 펌프
350 : 저항체 300: phase change thermal management system for multiple heating elements equipped with flow equalization resistors
310: heating element 320: cooling module
330: gas-liquid separator 340: pump
350: resistor

Claims (4)

기액분리기, 펌프, 냉각모듈, 센서류를 포함하여 수직으로 배치되는 다중 발열체의 온도를 제어하는 상변화 열관리시스템에 있어서,
상기 각 발열체 라인의 일측에는 공급되는 냉매의 유량 차이에 미치는 영향 중, 마찰 압력손실을 증대시켜 정수두에 의한 압력손실의 영향을 상대적으로 감소시킴으로써 유량 차이를 최소화할 수 있도록 저항체가 형성되는 것을 특징으로 하는 유동균등화 저항체를 구비하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템.In the phase change thermal management system for controlling the temperature of multiple heating elements arranged vertically, including gas-liquid separators, pumps, cooling modules, and sensors,
A resistor is formed on one side of each heating element line to minimize the flow rate difference by increasing the frictional pressure loss and relatively reducing the effect of the pressure loss due to the hydrostatic head among the effects on the flow rate difference of the supplied refrigerant. A phase change thermal management system for multiple heating elements having a flow equalization resistor. 청구항 1에 있어서,
상기 저항체는 상기 각 발열체 라인의 전방측에 형성되는 것을 특징으로 하는 유동균등화 저항체를 구비하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템.The method of claim 1,
The resistor is a phase change thermal management system for multiple heating elements having a flow equalization resistor, characterized in that formed on the front side of each heating element line. 청구항 1에 있어서,
상기 저항체는 오리피스 또는 밸브로 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 유동균등화 저항체를 구비하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템.The method of claim 1,
The resistor is a phase change thermal management system for multiple heating elements having a flow equalization resistor, characterized in that it can be made of an orifice or a valve. 청구항 1에 있어서,
상기 발열체는 레이저 또는 레이저 모듈인 것을 특징으로 하는 유동균등화 저항체를 구비하는 다중 발열체용 상변화 열관리시스템.The method of claim 1,
The heating element is a phase change thermal management system for multiple heating elements having a flow equalization resistor, characterized in that a laser or a laser module.
KR1020210180198A 2021-12-16 2021-12-16 A phase change thermal management system for multiple heating elements including a flow equalization resistor KR102581056B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210180198A KR102581056B1 (en) 2021-12-16 2021-12-16 A phase change thermal management system for multiple heating elements including a flow equalization resistor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210180198A KR102581056B1 (en) 2021-12-16 2021-12-16 A phase change thermal management system for multiple heating elements including a flow equalization resistor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230091259A true KR20230091259A (en) 2023-06-23
KR102581056B1 KR102581056B1 (en) 2023-09-20

Family

ID=86993563

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210180198A KR102581056B1 (en) 2021-12-16 2021-12-16 A phase change thermal management system for multiple heating elements including a flow equalization resistor

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102581056B1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100073204A (en) 2008-12-23 2010-07-01 두산디에스티주식회사 Chiller for high energy solid state laser device
JP2016157733A (en) * 2015-02-23 2016-09-01 株式会社デンソー Cooler
JP2019195042A (en) * 2018-04-25 2019-11-07 三菱重工業株式会社 Cooling system, control method thereof, control program, and waste heat using system
WO2020174593A1 (en) * 2019-02-26 2020-09-03 住友精密工業株式会社 Cooling device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100073204A (en) 2008-12-23 2010-07-01 두산디에스티주식회사 Chiller for high energy solid state laser device
JP2016157733A (en) * 2015-02-23 2016-09-01 株式会社デンソー Cooler
JP2019195042A (en) * 2018-04-25 2019-11-07 三菱重工業株式会社 Cooling system, control method thereof, control program, and waste heat using system
WO2020174593A1 (en) * 2019-02-26 2020-09-03 住友精密工業株式会社 Cooling device

Also Published As

Publication number Publication date
KR102581056B1 (en) 2023-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102448820B1 (en) Active/Passive Cooling System
US8441789B2 (en) Data center module
US9807908B2 (en) Pumped liquid cooling system using a phase change fluid with additional subambient cooling
JP6137167B2 (en) Cooling device and cooling system
KR20080082607A (en) Sub-cooling unit for cooling system and method
JP6901041B2 (en) Cooling device, control method and storage medium
MXPA06014594A (en) Sub-ambient refrigerating cycle.
US11788777B2 (en) Temperature control system and integrated temperature control system
KR102581056B1 (en) A phase change thermal management system for multiple heating elements including a flow equalization resistor
KR102557650B1 (en) Phase change thermal management system for multiple heating elements
JP2021111660A (en) Immersion cooling system
WO2016147615A1 (en) Refrigerant supply device, phase change cooling device in which same is used, and refrigerant supply method
KR102616313B1 (en) Phase change thermal management system for heating elements with preheater
KR102591849B1 (en) Phase change thermal management system for heating elements with ejectors
KR102192076B1 (en) cold water manufacturing system using waste heat
KR102504919B1 (en) Thermal management system for heating element with buffer tank
CN102012182A (en) Self-adaptive liquid accumulator with vapor bubble injection function
JP2009081387A (en) Substrate cooling device
JPWO2016031186A1 (en) Phase change cooling device and phase change cooling method
KR102627702B1 (en) Thermal management system for heating element using heat source supply system
KR102630473B1 (en) Phase change heat management system for heating element using heat source supply system
KR20230049282A (en) A thermal management system for a heating element having a constant temperature fluid supply module
CN107003043B (en) Refrigeration device with heating circuit
KR20230139510A (en) Phase change thermal management system for heating elements with ejectors
KR102388447B1 (en) Thermal management system for heater element using chiller

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant