KR102697621B1 - Phase change thermal management system for heating elements with ejectors - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 수직배관을 구비하여 복수 개 발열체의 발열량 차이에 기인한 유량 분배 문제를 해소하여 열관리 효율을 향상시키도록 하는 수직배관을 구비한 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것이다. 구성은 냉각모듈과, 기액분리기, 펌프, 센서류, 제어기를 포함하여 발열체의 온도를 제어하는 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 발열체는 복수 개의 발열체로서, 각 발열체의 후단부에 높이를 갖는 수직배관을 형성하고, 상기 수직배관의 높이는 최저에 설치된 발열체를 기준으로한 각 발열체 출구 수직배관 간의 높이차로 결정되도록 하여 각 발열체로의 냉매 유량 분배가 원활하게 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a phase change thermal management system for a heating element, and more particularly, to a phase change thermal management system for a heating element having a vertical pipe that improves thermal management efficiency by solving a problem of flow distribution caused by a difference in the calorific value of a plurality of heating elements by providing a vertical pipe. The phase change thermal management system comprises a cooling module, a vapor-liquid separator, a pump, sensors, and a controller for controlling the temperature of the heating element, wherein the heating element is a plurality of heating elements, and a vertical pipe having a height is formed at the rear end of each heating element, and the height of the vertical pipe is determined by the height difference between the vertical pipes at the exits of each heating element based on the heating element installed at the lowest level, so that the refrigerant flow rate distribution to each heating element is smoothly performed.
Description
본 발명은 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것으로서 특히, 발열체의 후단부에 수직배관을 구비하여 복수 개 발열체의 발열량 차이에 기인한 냉매의 유량 분배 문제를 해소하여 열관리 효율을 향상시키도록 하는 수직배관을 구비한 발열체용 상변화 열관리시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a phase change thermal management system for a heating element, and more particularly, to a phase change thermal management system for a heating element having a vertical pipe, which improves thermal management efficiency by solving the problem of refrigerant flow rate distribution caused by differences in the calorific value of a plurality of heating elements by providing a vertical pipe at the rear end of the heating element.
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) is a technology that analyzes the total amount of heat and effectively uses and manages it to achieve maximum effect with minimum heat source in places where heat is used, and investigates energy loss in devices and each part of them and remodels or traces back to the cause to save heat energy sources. Recently, it includes improving the temporal and spatial temperature distribution of a heat source.
이러한 열관리를 효율적으로 하기 위해 산업전반에는 다양한 구성의 열관리시스템이 알려져 있다.To efficiently manage this heat, various types of heat management systems 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 defense industry, a heat management system for a heating element that releases the heat generated from the laser diode and gain medium into the atmosphere is essential to enable stable operation of the laser of a high-energy laser generating device that can be applied to defense against strategic missiles and rockets, artillery shells, and mortar shells attacking densely packed units, or in general industries, in areas such as nuclear power plant demolition, oil drilling, and tunnel construction.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 발열체용 상변화 열관리시스템(100)은 발열체(110)와, 냉각팬(121)을 구비하는 응축기(120)와, 유량계(130) 및 제어밸브(140)와, 기액분리기(150)와, 펌프(160)와, 제어기(170)를 포함하여 구성된다.To explain this in more detail, as illustrated in FIG. 1, a conventional phase change thermal management system (100) for a heating element is configured to include a heating element (110), a condenser (120) having a cooling fan (121), a flow meter (130), a control valve (140), a gas-liquid separator (150), a pump (160), and a controller (170).
이러한 종래의 상변화 냉각기술은 다수 발열체(110)의 냉각제어를 위해 각 라인에 유량계(130) 및 제어밸브(140)를 설치하고, 발열체(110)의 입구 압력 및 온도, 각 라인의 유량정보와 각 발열체(110)에서의 발열량 정보를 통해 건도를 추정하고 유량 조절을 통해 각 발열체(110) 라인의 건도를 제어한다.This conventional phase change cooling technology installs a flow meter (130) and a control valve (140) in each line to control the cooling of multiple heating elements (110), estimates the dryness through the inlet pressure and temperature of the heating element (110), the flow rate information of each line, and the heat generation information of each heating element (110), and controls the dryness of each heating element (110) line through flow rate control.
또한, 각 개별 라인의 제어밸브(140)를 통해 필요 유량 확보가 불가할 경우에는 펌프(160)의 회전수 또는 펌프(160) 후단의 주제어밸브(미도시)의 개도 조절을 통해 전체 유량을 조절하기도 한다.In addition, when it is impossible to secure the required flow rate through the control valve (140) of each individual line, the overall flow rate is controlled by adjusting the rotational speed of the pump (160) or the opening of the main control valve (not shown) at the rear end of the pump (160).
이는 상변화 열관리의 다음과 같은 특징에 기인한다. 상변화 열관리의 경우 복수 개의 발열체 간의 발열량의 차이 특히 상변화 유/무 즉, 발열량 유/무에 기인한 건도의 차이에 의해 각 분지라인에서 내에서 발생하는 압력강하가 크게 차이가 나게 된다.This is due to the following characteristics of phase change thermal management. In the case of phase change thermal management, the pressure drop occurring within each branch line differs significantly due to the difference in heat generation between multiple heating elements, especially the presence/absence of phase change, that is, the difference in dryness due to the presence/absence of heat generation.
결국 발열이 되기 전에 유량 분배를 적절하게 맞췄다고 하더라도 발열 이후 건도 차이 발생에 따라 각 발열체로의 유량도 큰 차이가 발생하게 되고, 특정 발열체에서는 건도가 제어 범위를 벗어나서 냉각 능력이 급격히 하락하여 열관리가 되지 않는 문제가 발생할 수 있다.Even if the flow rate distribution is properly adjusted before heating occurs, the flow rate to each heating element will also differ significantly depending on the difference in dryness after heating, and in certain heating elements, the dryness may go beyond the control range, rapidly reducing the cooling capacity and causing a problem of poor heat management.
이러한 문제는 각 발열체에서의 발열량 차이가 클 때 특히 발열량이 존재하는 발열체와 그렇지 않은 발열체가 공존할 시 더욱 더 발생하기 쉽다.This problem is more likely to occur when the difference in calorific value between each heating element is large, especially when heating elements with calorific value and heating elements without calorific value coexist.
즉, 특정 발열체에서의 발열량이 상대적으로 과대하여 발열량의 차이만큼 건도가 증가하게 되고, 이에 따라 해당 발열체 라인의 압력손실이 보다 더 증가하여 유량이 감소하게 되고, 결국 건도가 더욱 더 증가하여 건도 제어 범위를 벗어나는 악순환이 반복될 수 있다.That is, since the calorific value of a specific heating element is relatively excessive, the dryness increases by the amount of the difference in the calorific value, and accordingly, the pressure loss of the heating element line increases further, causing the flow rate to decrease, and eventually, the dryness increases further, and a vicious cycle in which the dryness control range is exceeded may be repeated.
이와 같이, 종래의 상변화 열관리시스템은 상변화 열관리의 특징에 의해 각 발열체 라인의 건도 조절을 위해 발열체 라인별로 각각 유량조절밸브를 설치하여 개별로 유량제어에 의한 건도 제어를 수행하고, 불가할 시 펌프 회전속도 증가 등을 통해 전체 유량을 제어하는 과정이 필요하다. 즉, 제어의 복잡성이 증가하고 개별 제어밸브등의 구성품도 증가하는 문제점이 있었다.In this way, the conventional phase change thermal management system, due to the characteristics of phase change thermal management, requires a process of individually controlling the dryness of each heating element line by installing a flow control valve for each heating element line to individually control the dryness by controlling the flow rate, and when this is not possible, controlling the overall flow rate by increasing the pump rotation speed, etc. In other words, there was a problem that the complexity of the control increased and the number of components such as individual control valves increased.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 각 발열체의 후단부에 소정 높이 이상의 수직배관을 형성하여 발열량이 큰 발열체 라인으로의 급격한 유량 감소를 막고 상대적으로 큰 유량이 확보되도록 함으로써 건도 제어 범위 내에서 효율적인 열관리가 이루어질 수 있도록 하는 수직배관을 구비한 발열체용 상변화 열관리시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a phase change thermal management system for a heating element equipped with a vertical pipe, which forms a vertical pipe of a predetermined height or higher at the rear end of each heating element to prevent a rapid decrease in flow rate to a heating element line with a large heat generation amount and secure a relatively large flow rate, thereby enabling efficient thermal management within a dryness control range.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉각모듈과, 기액분리기, 펌프, 센서류, 제어기를 포함하여 발열체의 온도를 제어하는 상변화 열관리시스템에 있어서, 상기 발열체는 복수 개의 발열체로서, 각 발열체의 후단부에 높이를 갖는 수직배관을 형성하고, 상기 수직배관의 높이는 최저에 설치된 발열체를 기준으로한 각 발열체 출구 수직배관 간의 높이차로 결정되도록 하여 각 발열체로의 냉매 유량 분배가 원활하게 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a phase change thermal management system that controls the temperature of a heating element, including a cooling module, a vapor-liquid separator, a pump, sensors, and a controller, wherein the heating element comprises a plurality of heating elements, and a vertical pipe having a height is formed at the rear end of each heating element, and the height of the vertical pipe is determined by the height difference between the vertical pipes at the exits of each heating element based on the lowest installed heating element, so that the refrigerant flow rate distribution to each heating element is smoothly achieved.
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이상에서와 같이 본 발명은 각 발열체의 발열량에 따른 유량 분배 문제를 해소하여 제어 범위 내에서 건도를 제어할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention has the effect of controlling the dryness within the control range by resolving the problem of flow distribution according to the calorific value of each heating element.
또, 본 발명은 특별한 냉매 유량 제어 없이 커버할 수 있는 발열체의 발열량 범위를 증대시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of increasing the range of calorific value of a heating element that can be covered without special refrigerant flow rate control.
특히, 본 발명은 각 발열체의 후단부에 형성되는 수직배관의 높이를 높게 하여 냉매 유량제어의 횟수 및 난이도를 낮춰 필요 유량을 감소시킴으로써, 제어시스템 및 전체 열관리시스템의 용량 및 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.In particular, the present invention reduces the number of times and difficulty of refrigerant flow control by increasing the height of the vertical pipe formed at the rear end of each heating element, thereby reducing the required flow rate, thereby having the effect of reducing the capacity and size of the control system and the entire thermal management system.
도 1은 종래의 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수직배관을 구비한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 각 발열체에 개별 수직배관을 구비한 다중열부하 라인을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 통합 2상 수직배관 설치 시와 개별 2상 수직배관 설치 시의 건도에 따른 유량변화를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 각 발열체의 후단부에 형성된 2상 수직배관의 높이에 따른 최대 허용 발열량 비를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 각 발열체의 후단부에 형성된 2상 수직배관의 높이에 따른 유량 비를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수직배관을 구비한 발열체용 상변화 열관리시스템의 냉매 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 수직배관을 구비한 발열체용 열관리시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8에 따른 수직배관을 구비한 발열체용 상변화 열관리시스템의 냉매 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.Figure 1 is a drawing schematically showing the configuration of a conventional thermal management system for a heating element.
FIG. 2 is a drawing schematically showing the configuration of a heat management system for a heating element having a vertical pipe according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic drawing of a multi-heat load line having individual vertical pipes for each heating element according to the present invention.
Figure 4 is a drawing schematically showing the change in flow rate according to the dryness when installing a conventional integrated two-phase vertical pipe and when installing an individual two-phase vertical pipe.
Figure 5 is a drawing schematically showing the maximum allowable heat generation ratio according to the height of a two-phase vertical pipe formed at the rear end of each heating element according to the present invention.
Figure 6 is a drawing schematically showing the flow rate ratio according to the height of a two-phase vertical pipe formed at the rear end of each heating element according to the present invention.
FIG. 7 is a drawing schematically showing the refrigerant flow of a phase change thermal management system for a heating element having a vertical pipe according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a drawing schematically showing the configuration of a heat management system for a heating element having a vertical pipe according to another preferred embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a drawing schematically showing the refrigerant flow of a phase change heat management system for a heating element having a vertical pipe according to FIG. 8.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a preferred embodiment according to the present invention will be described in more detail with reference to the attached 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 of the drawings below are given the same reference numerals, so that repetitive descriptions are omitted. In addition, it is stated that the terms described below are defined in consideration of their functions in the present invention, and should be interpreted as having their own commonly used meanings.
도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 다중 발열체용 상변화 열관리시스템을 설명하면 다음과 같다.Referring to FIGS. 2 to 6, the phase change thermal management system for a multi-heating element according to the present invention is described as follows.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직배관을 적용한 발열체용 상변화 열관리시스템(200)은 발열체(L)를 열관리하기 위한 냉각모듈(210)과, 기액분리기(220)와, 펌프(230)와, 제어기(240) 및 수직배관(250)으로 대별되어 이루어진다.First, as shown in FIG. 2, a phase change heat management system (200) for a heating element using a vertical pipe according to a preferred embodiment of the present invention is largely composed of a cooling module (210) for heat management of a heating element (L), a gas-liquid separator (220), a pump (230), a controller (240), and a vertical pipe (250).
상기 냉각모듈(210)은 고온냉매를 냉각하고 응축열을 제거해 액화시키는 냉각팬(211)을 구비하는 응축기 조립체(212) 또는 증기-압축 또는 흡수 냉동 사이클로 액체의 열을 제거하는 데 쓰는 기계인 칠러 등으로 구성될 수 있다.The above cooling module (210) may be configured with a condenser assembly (212) equipped with a cooling fan (211) that cools high-temperature refrigerant and removes condensation heat to liquefy it, or a chiller, which is a machine used to remove heat from liquid using a vapor-compression or absorption refrigeration cycle.
즉, 상기 냉각모듈(210)은 시스템의 열을 시스템 외부로 방출하는 역할을 하기 위해 냉매를 냉각 및 응축시킬 수 있는 냉각팬(211) 및 응축기(212)와 같이 냉각 에너지를 가지는 모든 장치를 포함하는 것으로서, 특정 형태에 한정되지 않으며 칠러 등으로 대체될 수 있다.That is, the cooling module (210) includes all devices having cooling energy, such as a cooling fan (211) and a condenser (212) that can cool and condense a refrigerant to discharge the heat of the system to the outside of the system, and is not limited to a specific form and can be replaced with a chiller, etc.
여기서, 상기 냉각팬(211)은 응축기(212) 내로 이동된 냉매를 흡입된 외기와 열교환되도록 한다.Here, the cooling fan (211) causes the refrigerant moved into the condenser (212) to exchange heat with the sucked outside air.
상기 기액분리기(220)는 상기 냉각모듈(210)의 일측에 형성되어 배출되는 2상 냉매를 기상과 액상으로 분리한 후 액상의 냉매만 상기 각 발열체(L)로 보내 발열체(L)를 냉각할 수 있도록 한다.The above-mentioned gas-liquid separator (220) is formed on one side of the above-mentioned cooling module (210) and separates the discharged two-phase refrigerant into gas and liquid phases, and then sends only the liquid refrigerant to each heating element (L) so that the heating element (L) can be cooled.
여기서, 상기 기액분리기(220)는 리저버, 어큐뮬레이터, 냉매저장용기 등의 다양한 용어로 사용되는 모든 것을 포함할 수 있다.Here, the gas-liquid separator (220) may include all things used with various terms such as reservoir, accumulator, and refrigerant storage container.
또, 상기 펌프(230)는 상기 기액분리기(220)의 하부 일측에 형성되어 기액분리기(230)를 통해 배출되는 액상 냉매를 압력작용을 이용하여 순환, 이송시키는 역할을 한다.In addition, the pump (230) is formed on the lower side of the gas-liquid separator (220) and functions to circulate and transport the liquid refrigerant discharged through the gas-liquid separator (230) by using pressure.
여기서, 상기 펌프(230)는 순환펌프로서 회전속도 제어가 가능해야 하며, 제어가 불가할 시 밸브 등으로 유량제어를 대체할 수 있다.Here, the pump (230) must be a circulation pump capable of controlling rotation speed, and if control is not possible, flow rate control can be replaced with a valve, etc.
상기 제어기(240)는 발열체(L) 입구에서 압력센서(P) 및 온도센서(T)에 의해 감지되는 압력, 온도 및 냉매의 물성(P-h선도)을 고려하여 엔탈피(enthalpy)를 추정한 후, 상기 각 발열체(L)의 일측에 형성된 유량센서(F)에 의해 감지되는 유량과 발열량 및 냉매의 물성(P-h선도)을 함께 고려하여 각 발열체(L) 라인의 발열체 출구지점의 건도를 추정하며, 추정된 건도가 제어범위를 벗어나는 경우 상기 펌프(230)의 회전속도를 제어하여 전체 유량을 조절토록 한다.The above controller (240) estimates enthalpy by considering the pressure, temperature, and refrigerant properties (P-h diagram) detected by the pressure sensor (P) and the temperature sensor (T) at the inlet of the heating element (L), and then estimates the dryness of the heating element outlet point of each heating element (L) line by considering the flow rate and the calorific value detected by the flow rate sensor (F) formed on one side of each heating element (L) and the refrigerant properties (P-h diagram), and if the estimated dryness is out of the control range, the rotation speed of the pump (230) is controlled to adjust the overall flow rate.
즉, 상기 제어기(240)는 복수 개로 배치되는 상기 각 발열체(L)를 라인별로 건도를 모니터링하여 제어범위를 벗어나는 라인이 있을 경우에만 상기 펌프(230) 또는 추후 설명할 주제어밸브(260)의 개도를 제어하여 전체 냉매의 유량을 조절토록 한다.That is, the controller (240) monitors the dryness of each heating element (L) arranged in multiple units by line, and controls the opening of the pump (230) or the main control valve (260) to be described later only when there is a line that is out of the control range, thereby controlling the overall flow rate of the refrigerant.
이와 같은 구성의 상기 제어기(240)는 열관리시스템 등에서 필요에 따라 다양한 형태로 적용할 수 있는 통상적인 것이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.The above controller (240) of this configuration is a typical one that can be applied in various forms as needed in thermal management systems, etc., so a detailed description will be omitted.
상기 수직배관(250)은, 한 개 또는 복수 개로 형성되는 각 발열체(L)의 후단부에 형성되어 냉매의 유량 분배가 원활하게 이루어지도록 한다.The above vertical pipe (250) is formed at the rear end of each heating element (L) formed as one or more, to ensure smooth distribution of the flow rate of the refrigerant.
즉, 상기 수직배관(250)은 도 2에 도시된 바와 같이 각 발열체(L)의 후단에 개별적으로 형성된다.That is, the vertical pipe (250) is individually formed at the rear end of each heating element (L) as shown in FIG. 2.
종래기술에서 설명한 바와 같이 상변화 열관리시스템에서는 복수 개의 발열체를 열관리할 경우, 복수 개의 발열체(L)의 발열량 차이에 기인하여 냉매 유량 분배가 문제가 될 수 있다.As described in the prior art, in the phase change thermal management system, when multiple heating elements are thermally managed, the distribution of refrigerant flow rate may become a problem due to differences in the heating values of the multiple heating elements (L).
그러나, 도 3에 도시된 바와 같이 각 발열체(L)의 후단에 각각 소정 높이 이상의 수직배관(250)을 형성할 경우 각 발열체(L)의 발열량 차이에 기인하여 발생하는 유량 분배 문제를 간단히 해소할 수 있다.However, as shown in Fig. 3, if a vertical pipe (250) having a predetermined height or higher is formed at the rear end of each heating element (L), the flow rate distribution problem that occurs due to the difference in the heating amount of each heating element (L) can be easily resolved.
즉, 발열량 증가에 따라 건도 증가하면 해당 발열체(L)의 후단에 형성되는 수직배관(250)에서의 밀도가 급격히 감소하게 되고, 이에 정수두 또한 이에 상응하여 낮아지게 된다. That is, as the heat generation increases and the dryness increases, the density in the vertical pipe (250) formed at the rear end of the heating element (L) decreases rapidly, and the water head also decreases correspondingly.
발열체(L) 후단의 정수두가 낮아진 만큼 저항이 감소하여 해당 발열체(L) 라인의 저항이 그만큼 감소하게 되고 그 만큼 유량이 증가하여 건도도 같이 감소하게 되어 해당 발열체(L) 라인의 저항은 더 작아져 다시 유량이 더 증가하는 선순환을 보이게 되어 결국 발열체(L) 건도를 제어 범위 내에서 제어할 수 있게 된다.As the head of the heater (L) decreases, the resistance decreases, and the resistance of the heater (L) line decreases accordingly, and the flow rate increases accordingly, which also decreases the dryness, so the resistance of the heater (L) line decreases further, and the flow rate increases again, creating a virtuous cycle, which ultimately allows the heater (L) dryness to be controlled within the control range.
상기 수직배관(250)의 높이는 발열체(L)에서의 발열량, 제어 건도 범위 등에 따라 달라질 수 있으나, 각 발열체(L) 라인의 건도 제어 범위를 유지할 수 있을 만큼 충분히 확보가 되어야 한다.The height of the above vertical pipe (250) may vary depending on the amount of heat generated from the heating element (L), the control dryness range, etc., but must be secured sufficiently to maintain the dryness control range of each heating element (L) line.
충분한 높이를 확보하지 못하면 도 5에서 알 수 있듯이 원하는 건도 제어 범위 내에서 냉각할 수 있는 발열량이 제한되어 원하는 만큼의 발열량을 커버할 수 없게 되며, 지나치게 높을 경우는 더 발열량 차이를 커버할 수 있으나, 공간 효율성이 낮아지게 되므로 설계 시 수직배관(250)의 높이에 대한 충분한 검토가 필요하다. If sufficient height is not secured, the amount of heat that can be cooled within the desired control range is limited as shown in Fig. 5, and the desired amount of heat cannot be covered. If it is too high, the difference in heat can be covered more, but space efficiency is reduced, so sufficient review of the height of the vertical pipe (250) is necessary during design.
즉, 상기 수직배관(250)의 소정 높이는 최저에 설치된 발열체를 기준으로한 각 발열체 출구 수직배관 간의 높이차로 결정되는데, 도 3에 도시된 수식③ 과 같이 출구 수직배관 간의 높이차(Δhout)는 각 발열체 라인의 마찰압력손실차(ΔPfA - ΔPfB)에 대한 출구 수직배관에서의 유체 밀도(ρmix) 비와 입구/출구 수직배관의 유체밀도비(ρL/ρmix)와 입구 수직배관 간의 높이차(Δhin) 곱에 대한 함수로 추정할 수 있다.That is, the predetermined height of the vertical pipe (250) is determined by the height difference between the vertical pipes of each heating element outlet based on the heating element installed at the lowest, and as shown in Equation ③ in FIG. 3, the height difference (Δh out ) between the vertical pipes of the outlets can be estimated as a function of the ratio of the fluid density (ρ mix ) in the vertical pipe of the outlet to the friction pressure loss difference (ΔP fA - ΔP fB ) of each heating element line and the product of the fluid density ratio (ρ L /ρ mix ) of the inlet/outlet vertical pipes and the height difference (Δh in ) between the inlet vertical pipes.
물론 마찰저항과의 관계에 의해 도 4에 도시된 바와 같이 특정 건도 영역에서 한해 발열체(L) 라인 간의 유량비가 오히려 더 크게 변할 수 있으나, 통상의 건도 제어 범위인 0.1 ∼ 0.7의 건도에서는 통합 수직배관의 경우에 비해 더 작은 유량 변화를 보이는 것을 알 수 있다.Of course, due to the relationship with frictional resistance, the flow rate ratio between the heating element (L) lines can change more significantly in a specific dryness range as shown in Fig. 4, but it can be seen that in the dryness control range of 0.1 to 0.7, a smaller flow rate change is shown compared to the case of integrated vertical piping.
또한, 본 발명은 도 5에 도시된 바와 같이 특별한 유량 제어 없이 커버할 수 있는 발열량의 범위가 수직배관의 높이에 따라 크게 증대가 됨을 확인할 수 있다. 이는 다시 말하면, 도 6에 도시된 바와 같이 특별한 유량 제어없이 커버할 수 있는 발열량의 범위를 증가시키고 한다면 개별 수직배관의 높이가 낮을수록 필유 유량이 증대되어야 함을 알 수 있다. In addition, it can be confirmed that the range of heat generation that can be covered without special flow control, as shown in Fig. 5, greatly increases with the height of the vertical pipe. In other words, if the range of heat generation that can be covered without special flow control, as shown in Fig. 6, is increased, it can be seen that the lower the height of each vertical pipe, the more the required flow rate must increase.
즉, 각 발열체(L) 후단으로 형성되는 수직배관(250)의 높이가 높게 확보될수록 제어의 횟수 및 난이도가 낮아지고, 필요 유량이 감소한다는 것을 의미한다.That is, the higher the height of the vertical pipe (250) formed at the rear end of each heating element (L), the lower the number of times and difficulty of control, and the lower the required flow rate.
이는 제어시스템 및 전체 열관리시스템의 용량과 크기를 감소시킬 수 있는 것이다.This can reduce the capacity and size of the control system and the overall thermal management system.
또, 상기 발열체(L)는 열에너지를 방출하는 레이저 또는 레이저 모듈로 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the heating element (L) be composed of a laser or laser module that 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 to this and may also be composed of other heat-generating devices such as power electronics or batteries that emit heat energy.
또한, 상기 각 발열체(L) 라인으로는 유량을 측정 또는 추정할 수 있는 센서류가 설치된다.Additionally, sensors capable of measuring or estimating the flow rate are installed in each of the above heating element (L) lines.
그리고, 본 발명에 따른 수직배관을 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.In addition, the phase change heat management system (200) for a heating element using vertical piping according to the present invention does not schematically depict minor components such as on/off opening/closing valves and sensors and fittings that do not require opening control, but it is believed that anyone skilled in the art will be able to recognize the necessity of these components.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 수직배관을 구비한 발열체용 상변화 열관리시스템의 동작관계를 설명하면 다음과 같다.The operation relationship of a phase change thermal management system for a heating element equipped with a vertical pipe according to an embodiment of the present invention configured as described above is described as follows.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 펌프(230)를 통과하면서 가압되어 압력이 상승한 냉매는 각 유량계(F)를 통과하여 발열체(L)로 이동된다.As shown in Fig. 7, the refrigerant, which is pressurized and has its pressure increased while passing through the pump (230), passes through each flow meter (F) and moves to the heating element (L).
즉, 상기 펌프(230)에서 가압된 액상 냉매는 각 유량계(F)를 통과하여 각 발열체(L)로 이동된다.That is, the pressurized liquid refrigerant from the pump (230) passes through each flow meter (F) and moves to each heating element (L).
다음, 상기 각 발열체(L)로 이송된 냉매는 열교환으로 각 발열체(L)를 냉각하게 된다.Next, the refrigerant transferred to each heating element (L) cools each heating element (L) through heat exchange.
계속해서, 상기 각 발열체(L)를 냉각한 냉매는 각 수직배관(250)을 통해 냉각모듈(210)로 이동된다.Continuing, the refrigerant that cooled each of the above heating elements (L) moves to the cooling module (210) through each vertical pipe (250).
여기서, 상기 각 수직배관(250)은 각 발열체(L)의 발열량에 따른 건도 차이에 기인하여 발생하는 유량의 불균등한 분배를 해소하게 된다. Here, each of the vertical pipes (250) resolves the uneven distribution of flow rate that occurs due to the difference in dryness according to the heat generation amount of each heating element (L).
즉, 상기 각 발열체(L)의 후단으로 소정 높이 이상의 수직배관(250)을 각각 형성함으로써, 발열량 증가에 따라 건도 증가하면 해당 발열체(L)의 후단으로 형성된 수직배관(250)에서의 밀도가 급격히 감소하게 되고, 정수두 또한 이에 상응하여 낮아지게 된다. That is, by forming a vertical pipe (250) of a predetermined height or higher at the rear end of each of the above heating elements (L), as the amount of heat generated increases and the dryness increases, the density in the vertical pipe (250) formed at the rear end of the heating element (L) decreases rapidly, and the water head also decreases correspondingly.
결국, 발열체(L) 후단의 정수두가 낮아진 만큼 저항이 감소하여 해당 발열체(L) 라인의 저항이 그만큼 감소하게 되고 그 만큼 유량이 증가하여 건도도 같이 감소하게 되어 해당 발열체(L) 라인의 저항은 더 작아져 유량이 더 증가하는 선순환을 보이게 된다.Ultimately, as the head of the heater (L) decreases, the resistance decreases, and the resistance of the heater (L) line decreases accordingly, and the flow rate increases accordingly, which also decreases the dryness, so the resistance of the heater (L) line decreases further, and the flow rate increases further, creating a virtuous cycle.
다음, 상기 각 수직배관(250)에 의해 큰 유량이 확보된 냉매는 상기 냉각모듈(210)로 이동되어 냉각 및 응축된다.Next, the refrigerant, whose flow rate is secured through each of the vertical pipes (250), moves to the cooling module (210) and is cooled and condensed.
그리고, 상기 냉각모듈(210)에 의해 냉각 및 응축된 냉매는 상기 기액분리기(220)로 이동되어 기상 냉매와 액상 냉매로 분리되고, 분리된 액상 냉매는 상기 펌프(230)의 동작에 의해 발열체(L)로 이동되어 발열체(L)를 냉각시키는 과정을 반복하게 된다.And, the refrigerant cooled and condensed by the cooling module (210) moves to the gas-liquid separator (220) and is separated into gaseous refrigerant and liquid refrigerant, and the separated liquid refrigerant is moved to the heating element (L) by the operation of the pump (230) and the process of cooling the heating element (L) is repeated.
따라서, 본 발명에 따른 수직배관을 구비한 발열체용 상변화 열관리시스템은 이와 같은 동작을 지속적으로 반복함으로써 특별한 냉매의 유량 제어 없이 커버할 수 있는 발열체(L)의 발열량 범위를 넓게 확보할 수 있는 것이다. Therefore, the phase change heat management system for a heating element equipped with a vertical pipe according to the present invention can secure a wide range of heat generation amount of the heating element (L) that can be covered without special refrigerant flow rate control by continuously repeating such operation.
한편, 도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 다른 실시예를 나타낸 도면으로서, 이는 상기 펌프(230)의 일측에 주제어밸브(260)를 더 형성함으로써, 상기 펌프(230)의 회전속도 제어가 불가능할 경우 유량제어를 이루도록 할 수 있는 것이다.Meanwhile, FIGS. 8 and 9 are drawings showing another embodiment according to the present invention, which enables flow rate control when rotation speed control of the pump (230) is impossible by further forming a main control valve (260) on one side of the pump (230).
즉, 상기 각 발열체(L) 라인에서의 건도를 각각 모니터링하여 각 발열체(L) 라인의 건도가 제어범위 내로 제어될 수 있도록 주제어밸브(260)의 개도를 제어하는 것이다.That is, the dryness of each heating element (L) line is monitored separately, and the opening of the main control valve (260) is controlled so that the dryness of each heating element (L) line can be controlled within the control range.
여기서, 상기 주제어밸브(260)는 종래의 각 발열체(L) 라인에 형성되는 개별의 제어밸브가 아닌 하나의 제어밸브이다.Here, the main control valve (260) is one control valve, not a separate control valve formed in each conventional heating element (L) line.
이와 같이, 상기 1개의 주제어밸브(260)의 개도 조절을 통해 각 발열체(L) 라인으로 공급되는 냉매의 유량을 가감시킬 수 있으므로 각 발열체(L) 라인의 건도를 제어범위 내로 원활하게 제어할 수 있는 이점을 가져다 줄 수 있는 것이다.In this way, by controlling the opening of the above one main control valve (260), the flow rate of refrigerant supplied to each heating element (L) line can be increased or decreased, thereby providing the advantage of smoothly controlling the dryness of each heating element (L) line within the control range.
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 to the above-described embodiments and the attached drawings, and it will be apparent to a person skilled in the art to which the present invention pertains that various substitutions, modifications, and changes to equivalent other embodiments are possible within the scope that does not depart from the technical spirit of the present invention.
200 : 수직배관을 구비한 발열체용 상변화 열관리시스템
210 : 냉각모듈 211 : 냉각팬
212 : 응축기 220 : 기액분리기
230 : 펌프 240 : 제어기
250 : 수직배관 260 : 주제어밸브
L : 발열체 F : 유량계200: Phase change thermal management system for heating element with vertical piping
210: Cooling module 211: Cooling fan
212: Condenser 220: Gas-liquid separator
230 : Pump 240 : Controller
250: Vertical pipe 260: Main control valve
L: Heating element F: Flow meter
Claims (7)
상기 발열체는 복수 개의 발열체로서, 각 발열체의 후단부에 높이를 갖는 수직배관을 형성하고, 상기 수직배관의 높이는 최저에 설치된 발열체를 기준으로한 각 발열체 출구 수직배관 간의 높이차로 결정되도록 하여 각 발열체로의 냉매 유량 분배가 원활하게 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 수직배관을 구비한 발열체용 상변화 열관리시스템.In a phase change thermal management system that controls the temperature of a heating element, including a cooling module, a gas-liquid separator, a pump, sensors, and a controller,
A phase change thermal management system for a heating element having a vertical pipe, characterized in that the heating element is a plurality of heating elements, and a vertical pipe having a height is formed at the rear end of each heating element, and the height of the vertical pipe is determined by the height difference between the vertical pipes of the outlets of each heating element based on the heating element installed at the lowest level, so that the refrigerant flow rate distribution to each heating element is smoothly performed.
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