KR100329659B1 - 파이프식 연속기공의 윅 구조를 형성한 히트파이프의제조방법 - Google Patents

Abstract

삽입봉(5)은 파이프의 중앙에 위치시키고, 다수개의 와이어(6)는 히트파이프의 내벽 쪽에 또는 삽입봉과 파이프 내벽 사이에 위치시킨 다음 파이프(1)와 삽입봉(5) 사이에 금속분말을 채운 후 700~1,000℃의 환원 분위기로(爐)에서 10분~ 3시간 소결하여 미세한 기공을 가진 스폰지형의 윅이 파이프 내벽에 형성되며 삽입봉(5)과 다수개의 와이어(6)를 인출하여 파이프식의 연속기공을 형성하고 진공 하에서 작동유체를 주입시킴과 동시에 밀봉하여 파이프식의 연속기공이 있는 윅 구조를 형성하여 열전도성이 우수한 히트 파이프를 제조하는 방법.

Description

파이프식 연속기공의 윅 구조를 형성한 히트파이프의 제조방법{SINTERED WICK STRUCTURE HEAT PIPE WITH PARALLEL PIPED HOLES}

본 발명은 파이프식 연속기공의 윅(Wick) 구조를 형성하여 히트파이프를 제조하는 방법에 관한 것으로 더욱 구체적으로는 히트파이프의 내벽에서 소결된 금속 분말의 윅이 히트 파이프의 내벽에 부착되어 이루어진 것으로 이 윅의 내부에는 적어도 1개 이상의 미세한 파이프식 연속기공이 파이프의 길이방향(종방향)으로 존재함으로 파이프 내부의 작동유체가 윅 내부에서 모세관 현상에 의한 작동유체 이동력을 더 한층 증대시키는 윅 구조를 형성한 히트파이프에 관한 것이다.

종래의 모세관 현상식 히트파이프는 내벽에 촘촘하고 얇은 망사를 부착하거나 미세한 홈을 파거나, 미세한 홈을 파고 다시 촘촘하고 얇은 금속 망사를 부착한 파이프에 작동액체를 주입하고 그 파이프를 진공으로 밀폐한 것이 사용되어져 왔다. 이 파이프의 일단을 외부 열원으로 가열하면 가열된 부위의 작동액체의 증발로 발생한 기체가 가열되지 않은 부위로 이동하여 증발잠열을 파이프의 주위에 전달하면서 응축을 일으키고, 응축된 액체가 모세관 현상으로 금속망사 또는 홈을 타고 가열부위로 돌아와 다시 증발하는 식으로 계속적인 열 수송을 일으키는 것이다.

촘촘한 망사를 이용한 히트파이프는 많이 사용되나 파이프의 전 내벽에 촘촘한 금속망사를 접착시켜야 함으로 히트파이프가 가늘거나 긴 경우 가격이 많이 들고, 공정상의 어려움이 있고 또 히트파이프를 굽혀야 하는 경우 열 전달이 잘되지 않은 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 보완하기 위해 부분 윅을 사용하는 히트 파이프가 개발되었으나 역시 가열부분이 열 방출 부위보다 높은 경우 작동상의 문제가 발생한다.

또한 미세한 홈을 이용한 히트파이프는 파이프의 길이방향으로의 모세관 현상에 의한 액체의 이동은 매우 우수하나 파이프의 원주방향으로의 액체의 이동이 순조롭지 못하다. 그러므로 증발이나 응축이 원주방향으로 일어날 때는 돌아오는 액체의 분포가 원주 상으로 균일하지 못하게 된다. 그러므로 가열부위에 원주 상으로 액체가 없는 부분이 생기게 된다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 미세한 홈 위에 촘촘한 금속 망사로 덮는 방식을 사용하여 왔다. 이 미세한 홈과 촘촘한 망사를 겸비한 히트파이프는 여러 가지 성능 상 매우 우수한 결과를 보여왔으나 이 방법 역시 공정상의 어려움과 극심한 가격상승이 수반되어 경제적이지 못하다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 종래 윅의 구조와는 전혀 다르게 윅의 구조를 개선한 것으로

첫 번째로는 촘촘한 홈을 이용한 히트파이프와 미세한 망사를 이용한 또는 이 두 가지를 혼용한 히트파이프의 문제점을 소결된 금속분말에 미세하게 존재하는 기공과 파이프식 연속기공이 있는 윅 구조로 개선하여 열전도성이 우수한 히트 파이프를 제공하는 데 있다.

두 번째로는 본 발명의 히트파이프는 미세한 기공과 파이프식 연속기공이 파이프 내벽 면에 부착되어 있거나 또는 윅의 내부에 형성되어 있어 미세한 홈이나미세한 망사를 이용한 선행기술 보다 종 방향 및 원주 방향으로의 모세관현상에 의한 액체이동이 현저히 증가하는 히트파이프를 제공하는 데 있다.

세 번째로는 히트파이프를 제조할 때 선행기술에서는 윅을 미리 제조하여 파이프에 삽입하나 본 발명에서는 파이프에 삽입봉, 와이어, 금속분말을 한번에 넣고 가열하여 히트파이프를 제조하기 때문에 별도의 윅 생산공정이 필요 없으므로 제조공정이 용이하고 제품의 생산원가가 낮아 경쟁력 있는 히트파이프를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 있어서 삽입봉과 와이어가 인출되어 파이프식 연속기공이 형성된 상태

도 2는 본 발명에 있어서 삽입봉과 와이어가 삽입된 상태

도 3은 본 발명에 있어서 삽입봉만 삽입하여 인출한 상태

도 4a,4b는 도 1의 일부 단면도

도 5a,5b는 도 2의 일부 단면도

도 6a,6b는 삽입 와이어의 다양한 실시도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1...... 동 파이프 4.....증발기체 이동통로

2..... 금속분말 소결체(윅) 5.....삽입봉

3..... 파이프식 연속기공 6.....와이어

7a',7b'.....다양한 형태의 파이프식 연속기공

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 파이프식 연속기공이 있는 윅구조를 형성하는 것으로, 삽입봉은 파이프의 중앙에 위치시키고, 또한 다양한 형태의 다수개 삽입 와이어들은 히트파이프의 내벽 쪽이나 삽입봉과 파이프내벽 사이에 위치시킨 다음 파이프와 삽입봉 사이에 금속분말을 채운 후 700~1000℃의 환원 분위기 로에서 10분~ 3시간 소결하면 금속비중의 50%을 가진 스폰지형의 윅이 파이프의 내벽 면에 부착되고. 삽입봉(5)과 다수개의 와이어(6)를 인출하면 파이프식 연속기공이 있는 윅 구조가 형성된다, 상기 형성된 윅 구조를 진공 하에서 작동유체를 주입시킴과 동시에 밀봉하게 되면 히트파이프가 완성된다.

상기 삽입봉은 강한 내열성이 있는, 세라믹 재료인 Al₂O₃, 스테인레스스틸,실리콘나이트라이드 등과 같은 재료를 사용하고, 와이어는 0.1~1㎜ 것을 사용한다.와이어의 굵기가 0.1㎜ 이하인 경우에는 철선이 너무 가늘어 공정상의 어려움이 따르고, 1㎜ 이상인 경우에는 증발기체 이동통로가 줄어들게 되어 히트파이프의 열 이동능력 및 삼투압 작용이 저하된다.

금속분말을 소결하여 윅 구조를 형성하기 위한 온도는 700~1,000℃이고 바람직한 온도는 850~950℃의 정도가 좋다. 700℃이하인 경우에는 소결 시간이 늦어지고, 1,000℃이상인 경우에는 구리분말이 용융될 우려가 있기 때문에 윅 구조를 형성할 수 없다. 산화를 방지하기 위해 환원 분위기 로에서 10분~3시간 소결을 하게 되는 데, 10분 이내에서는 소결이 이루어지지 않고, 3시간 이상이면 구리분말이 용융되어 미세한 기공의 형성이 어렵게 된다.

금속분말의 입경은 40미크론∼1,000미크론 사이즈의 구형입자를 사용하고 바람직하게는 100미크론∼400미크론 사이즈가 좋다. 경우에 따라서는 소결이 빨리 이루어 지게하기 위하여 구리에 주석이 1~5% 합금된 분말 또는 구리에 아연이 1~5% 합금된 분말을 사용할 수 있다. 그리고 작동유체는 열전도성이 우수한 물, 메칠알코올, 아세톤 등의 액체를 사용한다.

이하, 첨부도면과 실시 예를 통하여 상세히 설명한다.

제 1도는 금속분말로 소결되고 윅의 내부가 파이프의 길이 방향으로 파이프식 연속기공이 있는 히트 파이프의 단면 구조를 보여주는 것으로, (2)는 소결된 금속분말이고 (3)은 소결된 금속분말 윅 내부에 있는 미세하게 비어있는 구멍으로서 파이프 증발 부분부터 응축부분까지 이어져 있다. (4)는 증발된 기체가 이동하는 통로이다.

제 2도는 파이프 내부에 금속분말 소결을 위한 삽입봉(tool)이 장치된 파이프의 단면도를 보여준다. (5)는 금속분말 소결 시 접착하지 않는 세라믹 재료인 Al₂O₃나 철강재료인 스테인레스스틸 등으로 만들어지며 상기 삽입봉(tool)과 와이어 및 파이프가 수직으로 세워진 상태에서 금속분말이 파이프와 삽입봉(tool) 사이에 채워진 후 가열에 의한 소결이 이루어지고 삽입봉(5)과 와이어(6)를 인출하게되면(remove) 도1과 같은 파이프의 단면 구조 즉 (3)과(4)는 파이프식으로 비어있는 상태가 되고, 금속분말과 파이프의 내벽과는 소결이 이루어지므로 스폰지형의 금속분말이 내벽에 형성된다.

다음에는 와이어(6)를 삽입하지 않고 삽입봉(5) 만 사용하게 되면 3도와 같은 제일 간결한 소결 분말에 의한 윅의 구조가 형성된다.

상기 윅 타입(type)의 와이어(6)의 위치는 4도와 5도에 보인 것처럼 파이프의 내벽에 접촉하거나 아니면 분말 윅의 내부에 있을 수도 있다.

와이어 인출부분은 파이프식 연속기공으로 이루어져 있고, 와이어(3)의 개수와 굵기와 형태에 따라 다수개가 있을 수 있으며, 그 모양은 6도에서 보는 것처럼 원형, 네모형, 마름모형, 세모형 등 다양한 형태를 취할 수도 있다. 또한, 다양한 형태의 윅 구조가 도6에 표시된 것처럼 히트파이프의 내벽 쪽(7a)이나 삽입봉과 파이프 내벽 사이(7b)에 위치 소결되어 형성된다.

상기 윅 구조는 처음 삽입봉(tool)의 제조에 비용과 시간이 드나 이 비용은 계속해서 이 삽입봉(tool)을 이용할 수 있으므로 대량생산 시 저렴한 가격에 의해히트 파이프의 제조가 가능하다. 그리고 소결에 의해 생긴 미세하게 연결된 스폰지형의 구조는 다른 형태의 윅 구조보다 현저히 향상된 모세관 현상을 일으킴으로 히트 파이프의 열 이동효율을 기존의 히트 파이프보다 더 한층 높일 수 있는 장점이 있다.

실시예1

외경 13mm, 길이 30cm의 무산소 구리 파이프를 수직으로 세운 다음 직경 8mm의 Al₂O₃봉과 12개의 직경 0.5mm 스테인레스스틸 와이어를 수직으로 세워 파이프 중앙에 위치시켜 넣고, 파이프와 세라믹 봉(tool) 사이에 100미크론∼400미크론 사이즈의 구리 분말을 채운 후 850∼950℃의 환원 분위기 로에서 30분 내지 2시간 소결하고, 세라믹 봉(tool)과 와이어를 인출(remove)하게 되면, 도1의 (3)과(4)처럼 파이프식 연속기공으로 비어있는 상태가 되고, 대략 구리비중의 50%을 가진 스폰지형의 윅이 파이프의 내벽 면에 소결된 상태로 부착된다. 상기 윅이 장치된 파이프를 진공 시키고 작동유체를 주입시킴과 동시에 밀폐하게 되면 파이프식 연속기공의 윅 구조를 형성한 히트파이프가 완성된다.

선행기술에서는 윅을 미리 만들어 파이프에 삽입하여 히트파이프를 제조함으로서 인하여 제조공정이 복잡하였으나 본 발명에서는 앞서 설명한 것처럼 파이프의 내벽과 삽입봉 및 와이어 사이 혹은 파이프의 내벽과 삽입봉 사이에 금속분말을 채워 넣고 가열하여 파이프의 내벽에 붙게 금속분말을 소결 시키고, 와이어를 이용하여 파이프식 연속기공을 형성하는 하나의 공정으로 윅을 제조함으로서 선행기술보다 공정이 간단하고, 삼투압현상에 의한 작동유체의 이동이 증가하여 열 전달효과가 훨씬 우수하며, 또한, 선행기술에서는 파이프와 윅 사이에 공간이 있어 이 공간을 통하여 열이 전달되는 즉 간접방식으로 열이 전달되므로 열전도성이 떨어지는 단점이 있었으나 본 발명에서는 히트파이프에 부착된 윅을 통하여 직접 전달되고 윅을 통하여 파이프로 직접 방출하므로 매우 빠른 속도로 열 전달이 이루어지는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 삽입봉(5)은 파이프의 중앙에 위치시키고, 다양한 형태의 다수 개 와이어(6)들은 히트파이프의 내벽 쪽에 위치시킨 다음 파이프 내벽과 삽입봉 사이에 금속분말을 채운 후 700℃~1000℃의 환원 분위기 로에서 10분~3시간 소결하면 미세한 기공이 있는 스폰지형의 윅이 파이프의 내벽 면에 부착되고, 삽입봉(5)과 다수개의 와이어(6)들을 인출하면 파이프식 연속기공이 있는 윅 구조가 형성되고, 상기 형성된 윅 구조의 파이프를 진공 하에서 작동유체를 주입시킴과 동시에 밀봉하는 것을 특징으로 하는 파이프식 연속기공의 윅 구조를 형성한 히트파이프의 제조방법.
2. 제1항에 있어서 파이프식 연속기공의 윅 구조는 원형, 마름모, 타원형으로 구성된 것을 특징으로 하는 파이프식 연속기공의 윅 구조를 형성한 히트파이프의 제조방법.
3. 제1항에 있어서 삽입봉 재료는 Al₂O_3,스테인레스스틸, 실리콘나이트라이드 중의 하나이고, 와이어는 0.1~1㎜인 스테인레스스틸인 것을 특징으로 하는 파이프식 연속기공의 윅 구조를 형성한 히트파이프의 제조방법.
4. 제1항에 있어서 구리분말의 입경은 40미크론∼1000미크론인 것을 특징으로 하는 파이프식 연속기공의 윅 구조를 형성한 히트파이프의 제조방법.