KR20230126836A - 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 프리히터를 적용하고, 발열체 전단의 건도를 고려해 열원의 공급 열량을 조절함으로써, 열량 제어를 쉽게 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것이다. 구성은 기액분리기, 펌프와, 냉각모듈을 포함하여 단일 발열체 또는 다중 발열체의 온도를 제어하는 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 발열체와 펌프 사이에는 프리히터가 형성되어 상기 발열체 전단의 건도에 따라 공급 열량을 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템{Phase change thermal management system for heating elements with preheater}
본 발명은 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 프리히터를 적용하고, 발열체 전단의 건도를 고려해 열원의 공급 열량을 조절함으로써, 열량 제어를 쉽게 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것이다.
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.
이러한 열관리를 효율적으로 하기 위해 산업전반에는 다양한 구성의 열관리시스템이 알려져 있다.
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.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 냉매를 이용한 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.
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.
그리고, 도 1과 같은 종래의 상변화 열관리시스템의 냉각사이클은 도 2에 도시된 바와 같이 발열체의 입구 영역에서는 과냉각된 액상 냉매에 의한 대류 열전달(현열구간)이 이루어지고, 이 영역을 지나면 상변화가 발생하며 상변화 대류 열전달(잠열구간)이 이루어진다.
현열구간에서는 액상 냉매의 온도가 점차 증가하고, 잠열구간에서 비해 열전달 성능이 떨어진다.
잠열구간에서는 열전달 성능이 현열구간 대비 높고 상변화에 의해 냉매 온도가 변하지 않는 특징이 있어 온도 균일도가 높아, 결과적으로 레이저 모듈과 같이 온도 균일도에 큰 영향을 받는 발열체에 대해서는 현열구간을 최소화하는 것이 발열체의 성능을 향상시키는데 중요한 역할을 하게 된다.
또, 종래 상변화 냉각기술은 다중 발열체로의 냉각제어를 위해 각 라인에 유량계 및 제어밸브를 설치하고, 유량정보와 각 발열체에서의 발열량 정보를 통해 유량 조절로 각 발열체 라인의 건도를 제어한다.
이는 상변화 냉각의 경우 도 3에 도시된 바와 같이 발열체(110)를 다중 수직으로 배치할 경우 상변화 전후의 수직배관에서의 정수두 차이에 의해 압력손실 차이가 달라져 동일한 발열량에서도 유량 차이가 발생하기 때문이다.
즉, 정수두의 효과에 의해 동일한 발열량에 대해 하단에 설치한 발열체일수록 유량이 증가하고, 상단으로 갈수록 유량이 감소하는 경향이 있어 결국 상단으로 갈수록 건도가 증가하는 경향이 있다.
또, 기존 기술에서 각 발열체 라인의 건도 조절을 위해 유량을 지속적으로 조절하게 되는데, 동일한 펌프에서의 유량을 조절하게 되므로, 한 라인의 유량조절이 다른 라인에 영향을 미쳐 제어가 난해해지고 쉽게 수렴하지 않아 발산하기도 한다.
특히, 유량에 따라 건도가 변하게 되어 압력강하량이 냉각수 대비 크게 변하는 특징이 있어 더욱 제어가 쉽지 않다.
또한, 건도 제어를 위한 제어밸브가 각 발열체 라인에 필요하므로 구성요소 및 제어요소 증가하고, 제어의 수렴성 하락 및 제어 난이도 상승하게 된다.
또, 광섬유 레이저는 발진기에서 큰 발열이 발생하게 되는데, 공간 효율성을 확보하기 위해 통상적인 경우 도 4에 도시된 바와 같이 발열체(110)인 단위 발진기모듈을 적층하여 배치하게 된다.
이와 같이, 상변화 냉각을 레이저 열관리에 적용할 경우 수직 높이 차에 따른 유량 분배가 중요 이슈가 될 수 있다
또, 종래의 발열체용 열관리시스템은, 도 5에 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.
이에 따라, 열관리시스템의 부피, 하중, 소모동력이 크게 증가하는 문제점이 있다.
또한, 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.
또. 기존의 기술은 냉동기에서 발생한 냉각에너지를 열교환기를 통해 냉각수 회로와 열교환한 하여 저온으로 냉각된 냉각수를 발열체(레이저)를 통과시켜 냉각하는 냉동기 냉각수간 열교환에 의한 간접냉각 방식이었다.
이렇게 할 경우 열교환기에서의 높은 열전달을 위해 냉동기의 냉매와 냉각수회로의 온도차를 충분히 확보하기 위해 냉동기의 용량이 증가되거나 열교환기의 크기가 증가하는 문제가 있다.
이러한 문제점 및 단점에 의해 종래의 발열체용 열관리시스템은 차량 탑재용으로서는 소형, 경량화에 적합하지 않다.
공개특허 제10-2010-0073204호
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 발열체와 펌프 사이에 프리히터를 적용하여 과냉각된 냉매를 발열체 입구 측에서 가열하여 포화상태 또는 저건도의 2상 냉매로 변환시킴으로써 정수두 차를 감소시켜 유량 차이를 개선토록 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기액분리기, 펌프와, 냉각모듈을 포함하여 단일 발열체 또는 다중 발열체의 온도를 제어하는 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 발열체와 펌프 사이에는 프리히터가 형성되어 상기 발열체 전단의 건도에 따라 공급 열량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 프리히터는 전기를 포함하는 것을 열원으로 하며, 상기 발열체 전단의 건도에 따라 열원의 공급 열량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 프리히터는 외부 시스템에서의 고온 폐열을 열원으로 하며, 상기 발열체 전단의 건도에 따라 열원의 공급 열량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 냉각모듈은 냉각팬 및 응축기로 구성되거나, 응축기와 칠러로 구성될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 발열체는 레이저 또는 레이저 모듈인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 프리히터와 외부 시스템 사이에는 제어밸브가 형성되어, 외부 시스템에서 배출되는 고온 폐열이 프리히터로 이송되는 유량을 조절하여 발열체 전단의 건도를 제어인자로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 외부 시스템의 폐열은 다른 열관리시스템의 고온 냉각수 또는 냉각모듈인 칠러의 고온 가스일 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 칠러는 응축기 후단에 위치하여 만들어지는 고온의 가스를 이용하여 프리히터의 열원으로 사용하고, 제어밸브를 통해 고온의 가스 양을 조절하여 공급 열량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같이 본 발명은 발열체와 펌프 사이에 프리히터를 적용하여 발열체 전단의 건도에 따라 열원의 공급 열량을 조절함으로써, 열량 제어를 쉽게 할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명은 프리히터를 이용하여 과냉각된 냉매를 발열체 입구 측에서 가열하여 포화상태 또는 저건도의 2상 냉매로 변환시킴으로써, 발열체에서 보다 높은 온도균일도와 냉각 성능을 확보할 수 있도록 하여 발열체가 제 성능을 낼 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 냉매를 이용한 상변화 냉각현상을 적용한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 발열체용 열관리시스템의 냉각 사이클을 나타낸 도면이다.
도 3은 발열체를 다중 수직으로 배치한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 다중 발열체인 발열체 모듈의 확대도이다.
도 5는 종래의 냉각수를 이용한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 냉매 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8의 발열체용 열관리시스템의 냉각 사이클을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 발열체를 다중 수직으로 배치한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 도 10의 다중 수직 배치 발열체 라인별 압력강하를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 건도에 따른 2상 냉매의 밀도변화를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 냉매 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예 3에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템으로서, 냉각모듈을 응축기와 칠러로 구성한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예 3에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 냉매 흐름을 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 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 발열체용 상변화 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 발열체(R)를 열관리하기 위한 냉각모듈(210)과, 기액분리기(220)와, 펌프(230)와, 프리히터(240)로 대별되어 이루어진다.
상기 냉각모듈(210)은 냉각팬(211)과 응축기(212)로 이루어져, 고온, 고압의 냉매를 냉각하고 응축열을 제거해 액화시키도록 구성된다.
여기서, 상기 냉각팬(211)은 응축기(212) 내로 이동된 냉매를 흡입된 외기와 열교환되도록 한다.
상기 응축기(212)는 시스템의 열을 시스템 외부로 방출하는 역할을 하기 위해 냉매를 냉각 및 응축시킬 수 있는 냉각 에너지를 가지는 모든 장치를 포함하는 것으로서, 특정 형태에 한정되지 않으며 칠러 등으로 대체될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 냉각모듈(210)은 냉각팬(211) 및 응축기(212)로 이루어지는 구성 뿐만 아니라, 증기-압축 또는 흡수 냉동 사이클로 액체의 열을 제거하는 데 쓰는 기계인 칠러 및 응축기 등과 같은 냉각모듈로 구성될 수 있다.
상기 기액분리기(220)는 상기 냉각모듈(210)의 후방에 형성되어 배출되는 2상 냉매를 기상과 액상으로 분리한 후 액상의 냉매만 펌프(230)로 보내 가압할 수 있도록 한다.
여기서, 상기 기액분리기(220)는 리저버, 어큐뮬레이터, 냉매저장용기 등의 다양한 용어로 사용되는 모든 것을 포함할 수 있다.
또, 상기 펌프(230)는 상기 기액분리기(220)를 통해 배출되는 액상 냉매를 압력작용을 이용하여 순환, 이송시키는 역할을 한다.
상기 프리히터(240)는 상기 펌프(230)와 발열체(R) 사이에 형성되어 상기 발열체(R) 전단의 건도에 따라 공급 열량을 조절하는 역할을 한다.
여기서, 상기 프리히터(240)는 전기를 이용하는 전기식 열원과, 온수를 이용하는 온수식 열원 및 고온 가스를 이용하는 고온 가스 열원으로 구성될 수 있다.
이러한 구성의 상기 프리히터(240)는, 상기 발열체(R) 전단의 건도에 따라 전기식 열원 또는 온수식 열원 및 고온 가스 열원의 공급 열량을 조절한다.
여기서, 상기 프리히터(240)는 발열체(R) 전단의 건도가 제어 범위보다 낮을 경우에 열원의 공급 열량을 증대시켜 건도를 높이고, 제어 범위보다 높을 경우 열원의 공급 열량을 감소시켜 건도를 낮추게 된다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예 1에 따른 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 열원의 열량 제어가 쉽다는 장점이 있다.
또, 상기 발열체(R)는 열에너지를 방출하는 레이저 또는 레이저 모듈로 이루어지는 것이 바람직하다.
그러나, 이에 한정되지 않고 열에너지를 방출하는 전력 전자장치나 배터리와 같은 기타 발열 장치 등으로 이루어질 수도 있다.
그리고, 본 발명에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템(200)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.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예 1에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 동작관계를 설명하면 다음과 같다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 펌프(230)를 통과하면서 가압되어 압력이 상승한 냉매는 상기 프리히터(240)를 거쳐 발열체(R)로 이동된다.
즉, 상기 펌프(230)에서 가압된 액상 냉매는 프리히터(240)를 통해 발열체(R)로 포화상태 혹은 저건도의 2상 냉매가 이동된다.
이때, 상기 프리히터(240)는 상기 발열체(R) 전단의 건도에 따라 전기식 열원 또는 온수식 열원 및 고온 가스식 열원의 공급 열량을 조절한다.
다음, 상기 발열체(R)로 이송된 냉매는 열교환으로 발열체(R)를 냉각시킨 후 2상으로 상기 냉각모듈(210)로 이동된다.
상기 냉각모듈(210)로 이동된 2상 냉매는 냉각팬(211)에 의해 외부 공기와 열교환하고, 응축기(212)를 통해 응축 및 과냉각된 후 기액분리기(220)에 모이게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템은 이와 같은 동작을 지속적으로 반복함으로써 발열체(R)를 쉽게 열관리할 수 있는 것이다.
이하, 첨부된 도 8 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템을 설명한다.
먼저, 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 발열체(R)를 열관리하기 위한 냉각모듈(210)과, 기액분리기(220)와, 펌프(230)와, 프리히터(240) 및 제어밸브(250)로 대별되어 이루어진다.
여기서, 상기 냉각모듈(210)은 냉각팬(211) 및 응축기(212)로 구성된 것으로 도시되어 있으나, 시스템의 열을 시스템 외부로 방출하는 역할을 하는 것이라면 특정 형태에 한정되지 않으며, 칠러 등으로 대체될 수 있다.
상기 냉각모듈(210)과, 기액분리기(220)와, 펌프(230)의 구성과 역할은 상기 실시예 1과 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 프리히터(240)는 상기 발열체(R)와 펌프(230) 사이에 형성되어 외부 다른 열관리시스템(10)으로부터 배출되는 고온의 폐열을 열원으로 이용하여 과냉각된 냉매를 발열체(R) 입구 측에서 가열함으로써 포화상태 또는 저건도의 2상 냉매로 변환시키는 역할을 한다.
여기서, 상기 외부 다른 열관리시스템(10)의 폐열은 고온의 냉각수 또는 냉각모듈인 칠러의 고온 가스를 포함할 수 있다.
상기 제어밸브(250)는 상기 프리히터(240)와 외부 다른 열관리시스템(10) 사이에 형성되어 상기 펌프(230)를 통해 공급되는 냉매의 가열 정도를 조절하기 위해 상기 프리히터(240)로 공급되는 열원의 이송량을 제어한다.
이를 위해, 상기 제어밸브(250)는 3방밸브로서 일부는 상기 외부 시스템(10)으로부터 배출되는 폐열 라인과 연결되고, 다른 일부는 상기 프리히터(240)와 연결된다.
즉, 상기 프리히터(240) 전단에서 과냉 냉매의 압력과 온도로 냉매의 엔탈피(enthalpy) 를 추정할 수 있고, 액체 또는 기체로 이루어지는 고온 유체인 열원의 유량 및 프리히터(240) 전후의 온도차를 통해 열원의 공급 열량을 추정할 수 있으며, 그리고 냉매 유량과의 관계를 통해 최종적으로 프리히터(240) 후단의 건도를 추정할 수 있다.
여기서, 상기 제어밸브(250)는 프리히터(240)로의 고온 폐열 유량을 프리히터(240) 후단의 건도를 제어인자로 하는 것이 바람직하다.
그리고, 이를 목표 건도를 달성하기 위해 제어밸브(250)의 개도 제어를 수행한다.
이때, 도 9에 도시된 바와 같이, 냉각성능이 상대적으로 낮고 온도균일도가 낮은 현열구간을 프리히터(240)가 담당하고, 온도균일도와 냉각성능이 우수한 잠열구간은 발열체(R)가 담당하게 된다.
이를 통해, 상기 발열체(R)에서 보다 높은 온도균일도와 냉각 성능을 확보할 수 있어 발열체(R)가 제 성능을 낼 수 있는 환경을 조성할 수 있다.
이와 같이, 상기 제어밸브(250)는 외부 열관리시스템(10)으로부터 배출되는 고온의 폐열이 프리히터(240)로 이송되는 유량을 조절하여 냉매의 가열 정도를 조절한다.
또, 본 발명의 바람직한 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 발열체(R)를 수직으로 다중 배치시에도 프리히터(240)를 통해 각 발열체로 저건도 2상 냉매로 유입시켜 유량 차이를 개선할 수 있다.
종래기술에서 설명한 것과 같이 상변화 열관리시스템(냉각시스템)에서는 다중 발열체의 수직 배치에 따라 영향을 받아, 상단에 설치된 발열체일수록 적은 유량이 공급되어 건도가 상승하는 문제가 있다.
이는 도 11에 도시된 바과 같이 A에서 D로의 흐름에서 발열체(1) 즉, ACD에서의 압력강하(ΔPACD)와 발열체(2) 즉, ABD에서의 압력강하(ΔPABD)가 동일하기 때문에 결국 정수두(ΔPS) 차이만큼 마찰손실이 발생하게 되고, 마찰손실의 차이만큼 유량 차가 발생한다.
그러나, 본 발명과 같이 상기 프리히터(240)를 적용하여 각 발열체(R)로의 냉매 흐름을 저건도 2상 냉매로 유입시킬 경우 정수두의 차가 감소하여 결국 아래의 표 1과 같이 유량 차이를 개선할 수 있다.
발열체 라인별 유량 차이 개선
참고로, 액상 밀도 1000kg/m³, 기상 밀도 5kg/m³을 기준으로 할 때, 건도에 따른 밀도 변화는 도 12에 도시된 바와 같이, 저건도 영역에서 급격히 감소하고 그 후로는 거의 유사한 수준임을 알 수 있다.
또, 상기 발열체(R)는 열에너지를 방출하는 레이저 또는 레이저 모듈로 이루어지는 것이 바람직하다.
그러나, 이에 한정되지 않고 열에너지를 방출하는 전력 전자장치나 배터리와 같은 기타 발열 장치 등으로 이루어질 수도 있다.
그리고, 본 발명에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템(200)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.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예 2에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 동작관계를 설명하면 다음과 같다.
도 13에 도시된 바와 같이, 상기 펌프(230)를 통과하면서 가압되어 압력이 상승한 냉매는 상기 프리히터(240)를 거쳐 발열체(R)로 이동된다.
즉, 상기 펌프(230)에서 가압된 액상 냉매는 프리히터(240)를 통해 발열체(R)로 포화상태 혹은 저건도의 2상 냉매가 이동된다.
여기서, 상기 프리히터(240)는 외부 시스템(10)으로부터 배출되는 폐열을 열원으로 이용해 과냉각된 냉매를 발열체(R) 입구 측에서 가열하여 포화상태 혹은 저건도의 2상 냉매로 변환시키는 역할을 한다.
이때, 상기 제어밸브(250)는 개도를 제어하여 냉매의 가열 정도를 조절하기 위해 폐열인 고온의 냉각수와 같은 유체가 프리히터(240)로 유입되는 이송량을 제어한다.
한편, 상기 프리히터(240) 전단에서 냉매의 물성자료를 통해 과냉 냉매의 압력과 온도로 냉매의 엔탈피(enthalpy, H_in) 를 추정할 수 있고, 액체 또는 기체로 이루어지는 고온 유체인 열원의 유량 및 프리히터(240) 전후의 온도차를 통해 열원의 공급 열량(Q)을 추정할 수 있으며, 그리고 냉매 질량유량(m)과의 관계를 통해 최종적으로 프리히터(240) 후단의 냉매 엔탈피(H_out=H_in+Q/m)를 추정할 수 있다. 또한 프리히터(240) 후단의 압력에서의 포화액의 엔탈피(H_SatLiq)와 기화열(H_latent)을 통해 프리히터(240) 후단의 건도(x_out=[H_out-H_SatLiq]/H_Latent)를 추정할 수 있다.
그리고, 프리히터 후단 즉, 발열체(R)의 전단의 건도가 제어범위에 미치지 못할 경우 열원인 온수 또는 고온 가스의 프리히터(240)로의 3방밸브 개도를 증가시켜 유량을 증가시키고, 반대로 프리히터(240)를 우회하는 방향의 개도를 감소시켜 유량을 감소시킨다. 프리히터 후단의 건도가 제어범위를 넘어선 경우는 반대로 3방밸브의 개도를 조절한다.
다음, 상기 발열체(R)로 이송된 냉매는 열교환으로 발열체(R)를 냉각시킨 후 2상으로 상기 냉각모듈(210)로 이동된다.
상기 냉각모듈(210)로 이동된 2상 냉매는 냉각팬(211)에 의해 외부 공기와 열교환하고, 응축기(212)를 통해 응축 및 과냉각된 후 기액분리기(220)에 모이게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 실시예 2의 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템은 이와 같은 동작을 지속적으로 반복함으로써 발열체에서 보다 높은 온도균일도와 냉각 성능을 확보할 수 있어 발열체가 제 성능을 낼 수 있는 환경을 조성할 수 있다.
또한, 도 14 및 도 15는 본 발명의 바람직한 실시예 3에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예 3에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 발열체(R)를 열관리하기 위한 냉각모듈(210)과, 기액분리기(220)와, 펌프(230)와, 프리히터(240) 및 제어밸브(250)로 대별되나, 상기 냉각모듈(210)을 응축기(212)와 칠러(213)로 구성하였다.
상기 기액분리기(220)와, 펌프(230), 프리히터(240) 및 제어밸브(250)의 구성과 역할은 상기 실시예 2와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 상기 칠러(213)는 증기-압축 또는 흡수 냉동 사이클로 냉매의 열을 제거 시 발생하는 고온 가스를 프리히터의 열원으로 사용할 수 있도록 한다.
또, 상기 제어밸브(250)는 상기 프리히터(240)의 일측에 형성되어 상기 펌프(230)를 통해 상기 프리히터(240)로 공급되는 열원의 이송량을 제어한다.
이를 위해, 상기 제어밸브(250)는 3방밸브로서 일부는 상기 칠러(213)로부터 배출되는 고온의 가스 라인(도면부호 미도시)과 연결되고, 다른 일부는 상기 프리히터(240)와 연결되며, 나머지 일부는 프리히터(240)를 우회하여 프리히터(240)의 고온 가스 측 후단과 연결된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예 3에 따른 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템의 동작관계를 설명하면 다음과 같다.
도 15에 도시된 바와 같이, 상기 펌프(230)를 통과하면서 가압되어 압력이 상승한 냉매는 상기 프리히터(240)를 거쳐 발열체(R)로 이동된다.
즉, 상기 펌프(230)에서 가압된 액상 냉매는 프리히터(240)를 통해 발열체(R)로 포화상태 혹은 저건도의 2 냉매가 이동된다.
여기서, 상기 프리히터(240)는 상기 칠러(213)로부터 발생되는 고온의 가스를 열원으로 이용해 과냉각된 냉매를 발열체(R) 입구 측에서 가열하여 포화상태 혹은 저건도의 2상 냉매로 변환시키는 역할을 한다.
이때, 상기 제어밸브(250)는 개도를 제어하여 냉매의 가열 정도를 제어하기 위해 고온의 가스가 프리히터(240)로 유입되는 이송량을 제어한다.
다음, 상기 발열체(R)로 이송된 냉매는 열교환으로 발열체(R)를 냉각시킨 후 2상으로 상기 냉각모듈(210)로 이동된다.
상기 냉각모듈(210)로 이동된 2상 냉매는 응축기(212)와 칠러(213)를 통해 응축 및 과냉각된 후 기액분리기(210)에 모이게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 실시예 3의 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템은 이와 같은 동작을 지속적으로 반복함으로써 발열체에서 보다 높은 온도균일도와 냉각 성능을 확보할 수 있어 발열체가 제 성능을 낼 수 있는 환경을 조성할 수 있다.
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.
200 : 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템
210 : 냉각모듈 211 : 냉각팬
212 : 응축기 213 : 칠러
220 : 기액분리기 230 : 펌프
240 : 프리히터 250 : 제어밸브
R : 발열체 10 : 외부 시스템

Claims (8)

  1. 기액분리기, 펌프와, 냉각모듈을 포함하여 단일 발열체 또는 다중 발열체의 온도를 제어하는 상변화 열관리시스템에 있어서,
    상기 발열체와 펌프 사이에는 프리히터가 형성되어 상기 발열체 전단의 건도에 따라 공급 열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 프리히터는 전기를 포함하는 것을 열원으로 하며, 상기 발열체 전단의 건도에 따라 열원의 공급 열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 프리히터는 외부 시스템에서의 고온 폐열을 열원으로 하며, 상기 발열체 전단의 건도에 따라 열원의 공급 열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각모듈은 냉각팬 및 응축기로 구성되거나, 응축기와 칠러로 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 발열체는 레이저 또는 레이저 모듈인 것을 특징으로 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 프리히터와 외부 시스템 사이에는 제어밸브가 형성되어, 외부 시스템에서 배출되는 고온 폐열이 프리히터로 이송되는 유량을 조절하여 발열체 전단의 건도를 제어인자로 하는 것을 특징으로 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 외부 시스템의 폐열은 다른 열관리시스템의 고온 냉각수 또는 냉각모듈인 칠러의 고온 가스일 수 있는 것을 특징으로 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 칠러는 응축기 후단에 위치하여 만들어지는 고온의 가스를 이용하여 프리히터의 열원으로 사용하고, 제어밸브를 통해 고온의 가스 양을 조절하여 공급 열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 프리히터를 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템.
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