KR100355275B1 - 편조윅의 중앙위치식 압착 히트파이프 - Google Patents

Abstract

이 발명은 전장에 걸쳐 기상 및 액상의 작동유체가 원활하게 이동하여 열전달할 수 있는 히트파이프를 제공하기 위한 것으로서, 이 발명에 따른 히트파이프(100)는 외관(110)과 그 안에 수용된 윅(Wick)(120) 및 작동유체를 포함하며, 외관(110)의 내주가 윅(120)의 외주보다 크고, 윅(120)은 다수의 선재로 이루어진 편조식 선재조립체이며, 선재조립체는 다수의 선재속들이 서로 누비고 지나게 땋아서 만든 것이고, 선재속은 거의 일정한 수의 미세한 선재들의 집합이다. 외관(110)은 평평한 양면을 갖는 길쭉한 판자형 외관을 가지며, 윅(120)은 대략적인 원형 단면을 갖고, 각각의 선재속을 이루는 선재 가닥들은 서로 꼬이지 않고 나란히 배열되며, 선재조립체의 중앙에는 하나 이상의 비교적 굵은 강선으로 이루어진 코어가 배치될 수 있다. 윅(120)의 일단부는 외관(110)의 일단부의 중앙에 고정되며, 다른 단부는 깔때기형으로 형성된 외관의 다른 단부에 깊숙이 배치되어 유지되는 것이 양호하고, 윅(120)은 자체적으로 상당히 큰 강성을 갖고 외관(110)의 전장에 걸쳐 곧게 배치될 수 있다. 선재는 구리사이고, 작동유체는 물일 수 있다.

Description

편조윅의 중앙위치식 압착 히트파이프 {Pressed type heat pipe having a woven-wired wick that is located at center of pipe}

이 발명은 히트파이프에 관한 것이며, 특히, 전장에 걸쳐 기상 및 액상의 작동유체가 원활하게 이동하여 열전달할 수 있는 히트파이프에 관한 것이다.

전자통신장비, PC 등 전자기기에서 반도체들의 실장(packaging)은 고집적화 하는 추세에 있다. 이 결과 이러한 요소들의 전기적 발열밀도는 크게 증가하고 있다. 일반적으로 내부발열이 증대함에 따라 반도체의 온도가 증가하여 시스템의 성능저하 및 수명감소 등의 주요 원인이 되고 있다. 현재 PC용 CPU의 발열율은 약 10~20W/cm²정도인데, 향후 집적율의 증대에 따라 약 50~100W/cm²에 이를 것으로 예상된다. 반도체의 내부에서 발생된 열을 효과적으로 소산하기 위한 냉각기술은 초기에는 자연대류방식이나 방열판(heat sink)에 의존하였으며, 이후 방열판에 팬을 부착하는 방식이 보편화 되어 왔다. 그러나, 냉각부하의 증가 및 소음문제 그리고 냉각공간의 부족 등과 관련하여 최근에는 히트파이프(heat pipe)를 이용한 냉각기술이 많이 적용되고 있다. 특히, 소형화와 고 밀도화의 경향에 따라 냉각공간이 크게 줄어든 노트북 PC 등은 소형 히트파이프를 채택한 냉각방식이 사용되고 있다. 이 때, 히트파이프를 발열체표면에 설치하기 위해서는 일반적인 원형단면으로는 곤란하고 평면형상으로 구조를 변경할 필요가 있다. 히트파이프의 단면이 원형에서 얇은 평면형상으로 바뀜에 따라 내부에 배치되는 윅(wick)의 구조 및 열전달성능이 달라진다.

시판되고 있는 대표적인 소형 히트파이프(외경 4mm미만)로는 그루브 윅을 갖는 히트파이프(groove wick heat pipe), 미세분말 소결형상의 윅을 갖는 히트파이프(sintered wick heatpipe), 직관형 소선형의 윅을 갖는 히트파이프(fine fiberwick heatpipe) 등을 들 수 있다. 이러한 히트파이프를 두께 약 2mm의 얇은 평판형으로 압착하면, 그루브 윅을 갖는 히트파이프와 미세분말 소결형상의 윅을 갖는 히트파이프는 증기통로의 확보가 가능하지만, 윅을 통한 모세관압이 다소 떨어지며, 직관형 소선형의 윅을 갖는 히트파이프의 경우에는 별도의 부가적인 장치(코일스프링)가 요구되는 문제점들을 안고 있다.

원형 단면을 갖는 히트파이프인 경우에는 윅이 설치되더라도 증기유동통로의 급격한 감소는 발생하지 않는다. 그러나, 원형 히트파이프를 평판형상으로 압착하게 되면 내부체적의 감소로 인해 윅이 점유하는 공간을 제외하면 증기가 유동할 수 있는 통로는 극히 작아지게 된다. 종래의 원형 히트파이프들은 평판형상으로 압착하면 모세관압의 저하 및 증기유동공간의 감소 뿐만 아니라, 부가적인 윅고정장치의 필요, 제작비용의 상승, 생산성의 저하, 구조의 복잡화 등의 문제점을 안고 있다.

그러므로, 생산성이 양호하고 제조가 용이하면서도 모세관압이 크고 증기통로를 위한 공간이 충분히 확보될 수 있는 평판모양으로 압착된 히트파이프의 윅구조를 개발할 필요가 있다.

이 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 압착시에도 충분한 모세관압을 확보하고, 윅이 점유한 공간을 제외한 증기유동공간을 충분히 확보할 수 있으며, 구조가 단순하여 생산성이 양호한 히트파이프를 제공하려는 것이다.

도 1a는 이 발명의 한 실시 예에 따른 히트파이프의 일부를 도시한 사시도이며,

도 1b는 도 1a에 도시된 히트파이프의 횡단면도이고,

도 2a는 윅의 중앙에 강선이 삽입된 윅의 일부를 도시한 사시도이며,

도 2b는 도 2a에 도시된 윅의 횡단면도이고,

도 3a는 도 1a 및 도 1b에 도시된 히트파이프의 한 단부의 구성을 설명하기 위하여 일부를 잘라낸 상태에서 도시한 사시도이고,

도 3b는 도 1a 및 도 1b에 도시된 히트파이프의 다른 단부의 구성을 설명하기 위하여 일부를 잘라낸 상태에서 도시한 사시도이다.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 이 발명에 따르면, 외관과 그 안에 수용된 윅 및 작동유체를 포함하는 히트파이프가 제공되며, 상기 외관의 내주가 상기 윅의 외주보다 크고, 상기 윅은 다수의 선재로 이루어진 편조식 선재조립체(braiding assembly of fine fibers)이며, 상기 선재조립체는 다수의 선재속(線材束)들이 서로 누비고 지나게 땋아서 만든 것이고, 상기 선재속은 거의 일정한 수의 미세한 선재들의 집합이다.

상기 외관은 평평한 양면을 갖는 길쭉한 판자형 외관을 가질 수 있으며, 상기 윅은 대략적인 원형 단면을 갖는 것이 양호하고, 각각의 선재속을 이루는 선재 가닥들은 서로 꼬이지 않고 나란히 배열되는 것이 양호하며, 상기 선재조립체의 중앙에는 하나 이상의 비교적 굵은 강선으로 이루어진 코어가 배치될 수 있다.

상기 윅의 일단부는 외관의 일단부의 중앙에 고정되며, 다른 단부는 깔때기형으로 형성된 외관의 다른 단부에 깊숙이 배치되어 유지되는 것이 양호하고, 상기 윅은 자체적으로 상당히 큰 강성을 갖고 상기 외관의 전장에 걸쳐 곧게 배치될 수 있다.

아래에서는, 첨부된 도면을 보면서 이 발명의 양호한 실시예에 따른 히트파이프의 구성을 상세히 설명하겠다.

이 실시예에 따른 히트파이프(100)은 도 1a 및 도 1b에 보이듯이 외관(110)및 외관(110) 속에 수용되는 윅(120)과 작동유체(도시 안됨)를 포함한다.

이 발명의 핵심적 기술사상이 구현되는 대상인 윅(120)은 도 2a 및 도 2b에 보이듯이 여러 가닥의 미세한 선재(121)들의 집합인 선재속(122 : 線材束)을 포함하며, 다수의 선재속(122)들이 서로 누비고 지나게 땋아서 만든 편조(編造)식 선재조립체(braiding assembly of fine fibers)이다.

이러한 편조식 윅(120)은 대략적인 원형 단면을 갖는 것이 제조상이나 사용상의 관점에서 양호하다.

또한, 각각의 선재속(122)을 이루는 선재(121) 가닥들은 서로 꼬이지 않고 나란히 배열되게 해야 연속적인 모세관를 형성할 수 있다.

또한, 편조식 선재조립체의 중앙에는 하나 이상의 비교적 굵은 강선으로 이루어진 코어(123)가 배치될 수도 있다. 이러한 코어(123)는 선재조립체의 강성을 강화한다는 관점에서 유리하며, 윅의 내부 중공(中空)의 공간이 허락되는 범위내에서 하나 이상의 여러 가닥인 경우 모세관력을 증가시킬 수도 있다.

선재(121)의 재질로는 열전도율이 높고 작동유체와의 화학반응에 의한 부식의 우려가 없는 것이 양호하며, 이 실시예에서처럼 작동유체가 물인 경우에는 구리사(copper wire)가 양호하다.

이 실시예에 의한 구리사로 이루어진 편조식 윅(120)은 그 외주상에서 중심을 향해 가해지는 압착력에 대한 내력이 강하며, 어지간한 정도의 압착력에 의해서는 원통도의 변형이 거의 없이 유지될 수 있다. 또한, 비록 원통도에 다소간의 변형이 가해진다고 할지라도, 선재(121)와 선재(121) 사이에 형성된 모세관의 연속은거의 그대로 유지되므로 모세관압의 저하가 없다.

아래에서는, 도 3a 및 도 3b를 보면서, 이 실시예에 따른 히트파이프(100)의 제조에 관해 설명하겠다.

도 3b에 보이듯이, 우선, 중공원통형 파이프로 이루어진 외관(110)을 마련하고, 그러한 외관(110)의 우측단부를 용접 등의 방식으로 밀봉한다. 여기에서, 좌측 또는 우측이라고 함은 설명의 편의를 위하여 도면에 도시된 방향을 언급하는 것일 뿐이며, 제조상이나 사용상의 관점에서 방향한정을 가하는 것이 아니다. 이 때, 밀봉되는, 우측단부는 아래에서 설명하게 될 이유로 인하여, 외주가 중심을 향해 수렴하는 깔때기형상을 갖는 것이 양호하다.

우측단부가 용접에 의해 밀봉될 때 외관(110)에 편조식 윅(120)이 동시에 물려 용접이 되며, 따라서 우측단부에서는 윅이 가운데에 자동으로 위치할 수 있게 된다.

외관(110)의 좌측단부는 도 3a에 보이듯이 이미 축관이 되어있는 상태이며, 이곳을 통해 작동유체로서의 작용하는 증류수를 부어 넣는다. 이 상태에서 가열하여 외피(100) 내부의 온도를 상승시키면, 물이 증발하여 외피(110) 내에 고압이 형성되고, 수증기는 윅(120)을 둘러싼 외관의 좌측단부를 통해 밖으로 빠져나간다. 적절한 시간 동안 가열하면, 외관(110) 내에는 윅(120)이 점유하고 있는 공간을 제외한 공간에 수증기만 꽉 차게 된다.

그 상태에서 적절한 수단을 이용하여 외관(110)의 좌측단부를 완전히 밀봉시킨 후에 냉각시킨다.

충분히 냉각되면, 수증기는 액화되고 수증기가 점유했던 공간은 진공으로 남게 된다.

위와 같이 완성된 히트파이프는 외관(110)이 가열된 부분에서는 물이 증발하면서 흡열하고, 외피(110)가 차가운 부분에서는 수증기가 액화하면서 발열하며, 액화된 물은 윅(120)의 모세관을 따라 증발위치로 이동한다.

이 실시예에 따른 히트파이프(100)에서는 외관(110)의 내주가 윅(120)의 외주보다 훨씬 크고, 윅(110)은 그 일단부는 외관(110)의 우측단부의 중앙에 고정되며 다른 단부는 고정되지는 않았지만 외관(110)의 깔때기형 좌측단부에 깊숙이 배치되어 유지되며, 윅(120)은 자체적으로 상당히 큰 강성을 가지므로, 거의 구부러짐이 없이 외관(110)의 전장에 걸쳐 곧게 배치된 상태를 유지한다. 그러므로, 외관(110) 내의 공간 중에서 윅(120)을 제외한 공간이 중단 없이 유지되므로, 히트파이프(100)의 한 쪽 단부로부터 다른 쪽 단부까지 수증기의 유동이 원활하게 이루어지며, 윅(120) 내부의 거의 모든 모세관이 중단 없이 유지되므로, 히트파이프(100)의 한 쪽 단부로부터 다른 쪽 단부까지 액상의 물을 원활하게 이동시키기에 충분한 모세관압이 유지된다.

히트파이프를 설치하는 환경에 따라, 원통형 외관(110)을 갖는 것이 흡열 및 발열에 유리할 수도 있지만, PC의 CPU 등과 같이 평평한 외면을 갖는 고체발열체로부터 흡열을 용이하게 하기 위해서는 둥그스름한 외면을 평면으로 변형시킬 것이 요구된다. 이러한 변형은 외관(110)을 압착함으로써 이루어지는데, 이렇게 변형시키더라도, 외관(110)의 내부에는 윅(120)이 점유한 공간을 제외한 공간이 히트파이프(100)의 한 쪽 단부로부터 다른 쪽 단부까지 중단 없이 유지됨으로써 수증기의 원활한 유동을 보장하며, 외관(110)의 압착시에 다소간의 압박력이 윅(120)에 전달되더라도, 윅(120)의 형상은 거의 변하지 않으며, 윅(120)이 다소 변형되더라도, 윅(120) 내부의 거의 모든 모세관이 히트파이프(100)의 한 쪽 단부로부터 다른 쪽 단부까지 여전히 중단 없이 유지됨으로써 액상의 물의 원활한 이동을 보장한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 이 발명에 따른 히트파이프를 이용하면, 그 형상변형에 무관하게 기상유체의 유동로와 액상유체의 이동을 위한 모세관이 히트파이프의 한 쪽 단부로부터 다른 쪽 단부까지 항상 중단 없이 유지되므로, 발열체로부터의 방열이 원활하고 고효율적으로 이루어진다.

Claims (7)

1. 외관과 그 안에 수용된 윅 및 작동유체를 포함하는 히트파이프에 있어서,

   평평한 양면을 갖는 길쭉한 판자형 외관; 및

   원형 단면을 가지며 상기 외관의 중심측에 위치하는 윅을 포함하며,

   상기 윅은 다수의 선재로 이루어진 편조식 선재조립체(braiding assembly of fine fibers)이며,

   상기 선재조립체는 다수의 선재속(線材束)들이 서로 누비고 지나게 땋아서 만든 것이고 중앙에 하나 이상의 비교적 굵은 강선으로 이루어진 코어가 배치되어 있으며,

   상기 선재속은 거의 일정한 수의 미세한 선재들의 집합인 것을 특징으로 하고,

   상기 윅의 외부에는 상기 윅과 외관에 의해 증기유동통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 히트파이프.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   각각의 선재속을 이루는 선재 가닥들은 서로 꼬이지 않고 나란히 배열된 것을 특징으로 하는 히트파이프.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 윅의 일단부는 깔때기형으로 형성된 외관에 물려 용접되므로써 일단부의 중앙에 고정되며, 다른 단부는 외관의 다른 단부에 깊숙이 배치되어 유지된 것을 특징으로 하는 히트파이프.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 윅은 자체적으로 상당히 큰 강성을 갖고 상기 외피의 전장에 걸쳐 곧게 배치된 것을 특징으로 하는 히트파이프.