KR100455291B1 - 평판형 기화기 - Google Patents

Abstract

평판형 기화기에 관해 기술된다. 개시된 기화기는 냉매가 수용되는 소정 직경과 깊이를 가지는 기판의 공통챔버가 기화공동영역과 기화공동영역을 에워싸는 모세관 영역, 모세관 영역을 에워싸는 매니폴드영역으로 구분되어 있고, 상기 윅영역에는 모세관력 발생부가 마련되어 있고, 상기 상판에는 상기 기화공동영역에서 발생된 기상의 냉매를 외부로 배출하는 기체 포집부를 포함하는 배출수단이 마련되어 있는 구조를 가진다. 상기 기화기에 의해 외부의 동력이 없이 냉각을 수행할 수 있는 소형 및 박형의 냉각장치를 얻을 수 있게 된다. 또한, 액체상태의 냉매와 증발된 기체 상태의 냉매가 윅영역에 의해 격리되기 때문에 기체와 액체의 혼재에 따른 유체유동력의 저하를 효과적으로 억제할 수 있고, 결과적으로 열교환특성이 크게 향상된다.

Description

평판형 기화기{Flat evaportor}

본 발명은 모세관에 의한 작동유체 순환 구조를 가지는 기화기에 관한 것으로, 상세히는 증발 공동의 주위를 감싸는 방사형 윅 구조체를 가지는 평판형 기화기에 관한 것이다.

최근에 계속 발전되는 전자 기술은 전자장비의 모듈화, 소형화 및 고출력화를 이루었고 이에 따라 전자 장비에서의 단위 면적당 열발산율은 계속 증가하게 되었다. 이러한 전자 장비의 발생열에 대한 적절한 조절 능력이 설계 및 작동 중에서 고려되어야할 중요한 사항이다. 전자 장비에서의 온도 조절을 위한 방식으로는 열전도, 공기의 자연 대류/복사 또는 강제 대류, 액체에 의한 냉각, 잠수냉각(immersion), 히트파이프(heat pipe) 형태가 있다.

최근에 연구되고 있는 CPL은 냉매가 상변화하는 경계면에서 생기는 표면장력을 냉매의 유동을 위한 구동원으로 적용하는 시스템이다. 이러한 CPL 을 응용한 냉각 시스템은 열원으로부터 냉매의 이상기체를 이용하여 열을 이송시키는 기화기와 기화기로 부터 배출되는 이상기체를 액체로 응축시키는 콘덴서를 포함한다.

CPL 기화기는 열원에서 방출되는 열이 냉매가 상변화되는데 효과적으로 기여할 수 있도록 구성되어야 하고, 또한 냉매의 상변화 부분에서 생기는 표면장력이 냉매를 이송하는 구동원이므로 상변화하는 경계면이 열원주변에 고르게 분포되어야 한다.

나사의 루이스 센터(NASA Lewis center)의 스텐져(Stenger)에 의한 냉각장치는 파이프속으로 냉매가 유동하는 하나의 루우프를 구성하고, 파이프의 일정 부분에 냉매 유동 경로 상에 모세관 현상을 일으키는 다공체를 갖는 증발부가 마련되고, 그 다른 부분에서는 방열이 일어남으로써 냉매가 응축되는 구조를 가진다. 이러한 파이프 루우프의 구조는 소형화하기 어렵고 따라서 소형의 전자 응용기기 등에 적용되기 어렵다.

한편, 미국 특허 5,725,049호를 통해 스완슨 등(Swanson et al.)은 CPL이 적용된 평판형 열교환기를 개시한다.

스완슨이 제안한 열교환기는 증발기, 콘덴서 및 이들 사이의 액체과 및 기체관으로 구성되어 있고, 증발기는 상부 몸체와 하부 몸체의 사이에 그 상면에 상기 액체관과 연결되는 그루브가 형성되고 그 저면에는 상기 기체관에 연결되는 그루브가 형성된 다공성 물질이 위치하는 구조를 가진다.

이러한 스완슨의 열교환기는 냉매가 다공체 상부 그루브의 중앙부분으로 부터 공급된 후 그 주변 그루브로 퍼져 나가면서 다공체의 몸체를 통과하면서 상변화 한 다음 그 하부의 그루브를 통해 기체관으로 빠져 나가는 구조를 채택하고 있다.

이러한 스완슨의 열교환기는 구조상으로 볼때 면적이 적고 고열이 발생되는 열원의 냉각장치나 소형 박막화한 장치로서는 한계가 있다.

본 발명의 제1의 목적은 소형 박형화가 가능한 평판형 기화기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2의 목적은 소형이면서도 냉각효율이 높은 평판형 기화기를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 기화기의 제1실시예의 개략적 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 기화기에 적용된 기판의 개략적 평면도이다.

도 3은 도 1에 도시된 본 발명에 따른 기화기에 적용되는 상판의 개략적 저면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 기화기의 제2실시예의 개략적 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 기화기의 제3실시예의 개략적 단면도이다.

도 6는 본 발명에 따른 기화기의 제3실시예에 적용되는 하판의 개략적 평면도이다.

도 7은 도 5와 도 6에 도시된 본 발명에 따른 기화기의 기판과 이에 설치되는 다공질체의 분리 사시도이다.

도 8은 본 발명에 따른 기화기의 제4실시예의 개략적 단면도이다.

도 9는 도 8에 도시된 본 발명에 따른 기화기의 개략적 평면도이다.

도 10은 본 발명에 따른 기화기의 제5실시예의 개략적 단면도이다.

도 11은 본 발명에 따른 기화기의 제6실시예의 개략적 단면도이다.

도 12는 본 발명에 따른 기화기의 제7실시예의 개략적 단면도이다.

도 13은 본 발명에 따른 기화기의 제8실시예에 적용되는 하판의 개략적 평면도이다.

도 14는 본 발명에 따른 기화기의 제9실시예에 적용되는 하판의 개략적 평면도이다.

도 15는 본 발명의 따른 기화기의 제10실시예에 있어서, 기체 포집부가 원뿔형상의 홈에 의해 형성된 상판의 개략적 단면도이다.

도 16은 도 15에 도시된 본 발명에 따른 상판의 개략적 사시도이다.

도 17은 본 발명의 따른 기화기의 제11실시예에 있어서, 상기 원뿔형상의 홈의 측면에 계단형 에지부분가 형성된 상판의 개략적 단면도이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

냉매의 주된 증발이 일어나는 중앙챔버를 제공하는 기화 공동영역과 상기 중앙챔버를 에워싸는 모세관 영역, 모세관 영역을 에워싸는 매니폴드영역이 그 상면에 마련되어 있는 기판과;

상기 기판의 상부에 설치되는 상판과;

상기 모세관 영역에서 모세관력에 의해 매니폴드영역에서 기화 공동영역으로 냉매를 유동시키는 모세관력 발생부와;

상기 기화공동영역에서 발생된 기상의 냉매를 외부로 배출하는 기체 포집부를 포함하는 배출수단과;

상기 매니폴드영역으로 액상의 냉매를 외부로 부터 공급하는 냉매 공급부를 포함하는 공급수단을; 포함하는 평판형 기화기가 제공된다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면,

냉매의 주된 증발이 일어나는 중앙챔버를 제공하는 기화 공동영역과 상기 중앙챔버를 에워싸는 모세관 영역, 모세관 영역을 에워싸는 매니폴드 영역이 그 상면에 마련되어 있는 기판과;

상기 기판의 상부에 설치되는 상판과;

상기 모세관 영역에서 모세관력에 의해 매니폴드영역에서 기화 공동영역으로 냉매를 유동시키는 모세관력 발생부와;

상기 기화공동영역에서 발생된 기상의 냉매를 외부로 배출하는 기체 포집부를 포함하는 배출수단과;

상기 매니폴드 영역 안에서 매니폴드 영역을 유동하는 냉매의 유동경로를 복수로 분리함과 아울러 유동경로상을 진행하는 냉매에 대한 열전달을 억제하는 다수의 단열 영역과;

상기 매니폴드영역으로 액상의 냉매를 외부로 부터 공급하는 냉매 공급부를 포함하는 공급수단을; 구비하는 평판형 기화기가 제공된다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 모세관력 발생부는 모세관력을 발생시키는 다수의 공공부(cavity)를 가지는 다공질체(porous material body)에 의해 마련되며, 다른 실시예에 따르면, 상기 모세관력 발생부는 상기 매니폴드영역과 기화공동영역 사이의 냉매 유동갭을 제공하는 구조물을 갖는 윅구조체에 의해 마련된다.

본 발명의 기화기에 있어서 상기 기체포집부는 상기 기화공동영역 또는 기화공동영역 및 상기 모세관 영역을 포괄하는 크기를 가지는 것이 바람직하며, 상기 기판 또는 상기 상판의 일측면으로 부터 상기 매니폴드 영역에 연결되는 냉매 공급통로가 형성되어 있고, 상기 상판의 일측면으로 부터 상기 기체포집부에 연결되는 기체 배출통로가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 기화기에 있어서, 상기 상판의 저면에는 상기 기판의 매니폴드 또는 매니폴드와 모세관 영역의 한 부분에 대응하는 형태의 홈이 형성되어 상기 매니폴드 영역 전체의 체적이 확장되어 있는 것이 바람직하며, 특히 상기 중앙 챔버의 바닥에 다공질체 및/또는 윅구조물에 의한 제1보조 모세관력 발생부가 형성되고, 나아가서는 상기 매니폴드 영역의 바닥면에 다공질체 및/또는 윅구조물에 의한 제 2 모세관 발생부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

그리고 효과적인 기체포집을 위하여, 본 발명에 따르면, 상기 상판의 기체포집부는 상방으로 갈수로 좁혀지는 원뿔형 구조를 가지며, 바람직하게는 상기 원뿔형 구조의 기체포집부의 내벽에 적어도 하나의 계단형 에지부분이 형성되어 있는 구조를 가진다.

고른 냉매의 공급 및 기화를 위하여, 본발명에 따르며, 상기 모세관영역은 기화영역을 중심적으로 비대칭적으로 형성되어 있고, 상기 기화영역을 에워싸는 모세관영역의 폭이 상기 냉매 공급부에 가까울 수록 크게 설정되며, 이와 더불어 모세관영역을 에워싸는 상기 매니폴드 영역의 폭은 상기 냉매 공급부로 부터 멀수록 크게 설정되는 것이 바람직하다. 본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 냉매 공급부는 상기 중앙 챔버를 중심으로 그 양측에 대칭적으로 마련되어 상기 매니폴드 영역에 대한 냉매 공급이 두 냉매 공급부를 통해서 이루어 지는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 냉각장치의 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 평판형 기화기의 제1실시예의 단면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 기화기(1)에 적용되는 기판(10)의 평면도이며, 그리고 도 3은 도 1에 도시된 기화기에 적용되는 상판(20)의 저면도이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 기화기(1)는 상하 적층되는 상판(20)과 기판(10)을 구비한다. 기판(10)의 상면에는 냉매의 주된 증발이 일어나는 중앙챔버(11)가 형성되는 기화 공동영역(A)과 상기 중앙챔버(11)를 에워싸는 환상의 모세관 영역(B) 및 모세관 영역(B)을 에워싸는 환상의 매니폴드영역(C)으로 구분된 공통 챔버가 소정직경과 깊이로 형성되어 있다.

상기 기화 공동영역(A)은 상기 모세관 영역(B)을 통해 유입된 냉매가 수용되는 것으로서 기판(10)의 저면의 열원(30)으로 부터 공급된 열에 의해 냉매가 증발하는 영역이다.

상기 기화공동영역(A)을 에워싸는 모세관 영역(B)은 냉매에 대해 모세관력을 발생하는 모세관력 발생부가 배치되어 있는 영역이다. 도 1과 도 2에 도시된 기화기의 실시예는 직사각 기둥형의 윅구조체(12)가 상기 기화공동영역을 중심으로 방사상으로 2열로 배치되고 그 상단은 상기 상판(20)의 저면에 접촉되는 구조를 가진다. 여기에서 윅구조체(12)는 상기와 같은 사각기둥형 외에 모세관 현상을 일으킬 수 있는 다른 형태로의 변형도 가능하다.

상기 모세관 영역(B)을 에워싸는 매니폴드영역(C)은 상기 모세관 영역(B)으로 냉매를 골고루 공급하기 위한 액상의 냉매 진행경로로서 기판(10)의 일측에 형성된 냉매 유입 통로(14)에 연결되어 있다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기판(10)의 위에 고정되는 상판(20)의 내면에는 상기 기화공동영역(A)의 중앙챔버(11)에 대응하는 기체포집부(21)가 마련되어 있고, 이 기체포집부(21)의 기상의 냉매를 외부로 배출하는 배출통로(22)에 연결되어 있다.

위와 같은 구조를 가지는 본 발명에 따른 기화기의 특징은 기판(10) 중앙의 기화공동영역(A)에 그 주변으로 부터 냉매가 공급되는 점 즉, 냉매가 기판(10)의 평면방향으로 유동하되 기판(10)의 중앙 챔버(11)로 모일 수 있도록 된 점과, 냉매의 이동력을 제공하는 모세관 영역(B)이 기화공동영역(A)을 에워싸고 있는 점과, 그리고 모세관 영역(B) 전체적으로 냉매가 고루 공급될 수 있게 하기 위하여 매니폴드영역(C)이 상기 모세관 영역(B)을 감싸고 있는 점이다.

여기에서 냉매의 유동력은 냉매의 상변화가 일어나는 부분, 특히 중앙챔버(11)에 접한 모세관 영역(B)의 내단부에서 발생된다. 위의 구조에서 매니폴드영역(C)의 상부는 상기 상판(20)의 저면에 의해 밀폐되어 있고 따라서 매니폴드영역(C)으로 유입된 냉매는 모세관 영역(B)으로만 유동한다.

위의 실시예 1에서는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 모세관 영역(B)도 상기 상판(20)의 저면에 의해 밀폐되어 있다. 그러나, 모세관 영역(B)에서는 기화가 발생될 수 있으므로 도 4에 도시된 바와 같이 상기 모세관 영역(B)의 상방의 일부가 개방될 수 있다.

도 4는 상판(20)의 기체포집부(21a)가 상기 기화공동영역(A) 및 모세관 영역(B)을 포괄하는 형태로 형성되어 중앙챔버(11) 및 윅구조체(12)의 상방이 개방되어 있는 구조를 가지는 본 발명에 따른 기화기의 제2실시예를 도시한다. 여기에서 상기 기체포집부(21a)는 상기 모세관 영역(B)을 전체적으로 포괄하지 않고 그 안쪽의 일부분만을 포괄하는 크기로 형성될 수 있다.

위의 구조에서 상기 중앙챔버(11)가 마련되는 기화공동영역(A)의 크기는 열원(2)의 크기(면적)에 대응하도록 하는 것이 바람직하며, 경우에 따라서는 기화공동영역(A) 및 모세관 영역(B)을 포함하는 영역이 열원(30)의 크기에 대응토록 할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 평판형 기화기의 제3실시예의 단면도이며, 도 6은 제3실시예에 적용되는 기판의 평면도이며, 그리고 도 7은 제3실시예에서 기판과 이에 설치되는 다공질체의 개략적 분리사시도이다.

본 제3실시예는 모세관력 발생부가 모세관력을 발생시키기 위한 다수의 공공부를 다공질체에 의해 마련되는 구조적 특징을 가지며, 이는 전술한 실시예 1, 2 및 후술되는 제4실시예 등에 다공질체에 의한 모세관력 발생부가 적용될 수 있음을보여준다.

먼저 도 5 내지 도 7을 를 참조하면, 모세관 영역(B)에 기화 공동영역(A), 즉 중앙챔버(11)를 에워싸는 도너츠형 다공질체(12a)가 설치되어 있다. 다공질체(12a)는 충분한 냉매의 통과가 가능한 공공부를 가진다. 한편, 기판(11)의 모세관 영역(B)의 바닥에는 환형 다공질체(12a)의 안정적인 위치결정을 위한 환형 리세스(12b)가 형성되어 있으며, 이는 선택적인 요소이다.

도 8은 본 발명에 따른 평판형 기화기의 제4실시예의 단면도이며, 도 9는 도 8에 도시된 기화기(1)에 적용되는 기판(10)의 평면도이다. 이 실시예에서는 모세관 발생부가 전술한 바와 같은 윅구조체(12)에 의해 마련되는 것으로 설명되나, 전술한 바와 같이 이를 다공질체(12a)로 대체할 수 있다. 다공질체(12a)로 대체함에 있어서는 약간의 설계 변경 등이 수반될 수 있으나, 이는 용이하게 이루어질 수 있으므로 이에 대해서는 설명되지 않고, 그리고 이러한 다공질체의 설치를 위한 설계변경등은 본원 발명의 기술적 범위를 제한하지 않는다.

도 8와 도 9을 참조하면, 기화기(1)는 상하 적층되는 상판(20)과 기판(10)을 구비한다. 기판(10)의 상면에는 냉매의 주된 증발이 일어나는 중앙챔버(11)가 마련되는 기화 공동영역(A)과 중앙챔버(11)를 에워싸는 환상의 모세관 영역(B) 및 모세관 영역(B)을 에워싸는 환상의 매니폴드영역(C)으로 구분된 공통 챔버가 소정직경과 깊이로 형성되어 있다.

상기 기화 공동영역(A)은 상기 모세관 영역(B)을 통해 유입된 냉매가 수용되는 것으로서 기판(10)의 저면의 열원(30)으로 부터 공급된 열에 의해 냉매가 증발하는 영역이다.

상기 기화공동영역(A)을 에워싸는 모세관 영역(B)은 냉매에 대해 모세관력을 발생하는 모세관력 발생부인 윅구조체(12)가 다수 밀집되게 배치되어 있는 영역이다. 도 8와 도 9에 도시된 기화기의 제 4 실시예는 직사각 기둥형의 윅구조체(12)가 상기 기화공동영역을 중심으로 방사상으로 2열로 배치되고, 그 상단은 상기 상판(20)의 저면에 접촉되는 구조를 가진다. 여기에서 윅구조체는 상기와 같은 사각기둥형 외에 모세관 현상을 일으킬 수 있는 다른 형태로의 변형도 가능하다.

상기 모세관 영역(B)을 에워싸는 매니폴드영역(C)은 냉매가 유동하는 매니폴드(13)가 마련되는 부분으로서, 상기 모세관 영역(B)으로 냉매를 골고루 공급하기 위한 액상의 냉매 진행경로로서 기판(10)의 일측에 형성된 냉매 유입 통로(14)에 연결되어 있다. 여기에서 매니폴드영역(C)에는 상기 모세관 영역(B)을 에워싸며, 매니폴드영역(C)에서의 냉매 유동경로는 그 안쪽과 바깥쪽으로 분리하는 단열영역(D)이 마련되어 있다. 단열영역(D)은 매니폴드영역(C)내에 위치하며, 기판(10)의 중앙으로 부터의 열이 매니폴드영역(C) 내를 유동하는 냉매에 전달되는 것을 억제하기 위한 것이다.

상기 단열영역(D)은 보다 효과적인 단열을 위하여, 매니폴드영역(C)의 바닥중앙에 매니폴드영역(C)을 따라 형성되는 다수의 장공형 관통공(10a)과 각 관통공(10a)을 에워싸는 벽체(10b)를 구비한다.

상기 벽체(10b)의 상단은 상기 상판(20)의 저면에 접촉되어 매니폴드영역(C)를 유동하는 냉매의 누설이 방지된다. 상기 관통공(10a)에는 공기가 유입되므로 관통공(10a)내에는 공기에 의한 열적 절연층이 마련된다.

이와 같이 공기에 의한 열적 절연층을 가지는 단열영역(D)은 기판(10)의 중앙에서 전달되는 열이 매니폴드 영역으로 전달되는 것을 차단하여 매니폴드영역에서 냉매의 가열에 의한 증발을 억제하여 냉매가 액체 상태로 모세관 영역(B)으로 유입될 수 있도록 한다. 이에 의해 매니폴드영역(C)에서의 냉매의 드라이 아웃을 방지한다. 또한 매니폴드영역(C)에서 냉매의 유동 경로가 복수화되어 있기 때문에 모세관 영역(B)의 온도 분포가 그 둘레방향을 따라 고르게 될 수 있다.

상기 기판(10)의 위에 고정되는 상판(20)의 내면에는 상기 기화공동영역(A)의 중앙챔버(11)에 대응하는 기체포집부(21)가 마련되어 있고, 이 기체포집부(21)의 기상의 냉매를 외부로 배출하는 배출통로(22)에 연결되어 있다. 여기에서 상기 기체포집부(21)는 상기 모세관 영역(B)의 상부까지 포괄하는 크기를 가질 수 있다.

위와 같은 구조를 가지는 본 발명에 따른 기화기의 특징은 기판(10) 중앙의 기화공동영역(A)에 그 주변으로 부터 냉매가 공급되는, 즉 냉매가 기판(10)의 평면방향으로 유동하되 기판(10)의 중앙 챔버(11)로 모일 수 있도록 된 점과, 냉매의 이동력을 제공하는 모세관 영역(B)이 기화공동영역(A)을 에워싸고 있는 점과, 그리고 모세관 영역(B) 전체적으로 냉매가 고루 공급될 수 있게 하기 위하여 매니폴드영역(C), 즉 매니폴드(13)가 상기 모세관 영역(B)을 감싸고 있는 점이며, 특히 상기 매니폴드영역(C)에 단열영역(D)이 마련된 점이다.

여기에서 냉매의 유동력은 냉매의 상변화가 일어나는 부분, 특히 중앙챔버(11)에 접한 모세관 영역(B)의 내단부 에서 발생된다. 위의 구조에서 매니폴드영역(C)의 상부는 상기 상판(20)의 저면에 의해 밀폐되어 있고 따라서 매니폴드영역(C)으로 유입된 냉매는 모세관 영역(B)으로만 유동한다.

도 10은 상판(20a)의 저면에 상기 모세관 영역(B) 및 매니폴드영역(C)에 대응하는 환상의 홈(23)이 형성되어 모세관 영역(B) 및 매니폴드영역(C) 전체의 체적이 확장된 구조를 가지는 본 발명에 따른 기화기의 제5실시예를 도시한다. 이 실시예에서는 냉매의 유입 및 배출이 상판(20a)의 상면을 통해서 일어나는 구조를 예시하는데, 이 구조는 본 발명의 기술적 범위를 제한하지 않으며, 전술한 실시예에서 설명된 냉매 유입 및 배출구조가 응용될 수 있다.

상기 상판(20a)의 상면 일측에 기판(10a)의 매니폴드영역(C)으로 통하는 냉매 유입구(24)가 형성되어 있고, 상판(20a)의 중앙부분에 냉매 배출구(27)이 형성되어 있다. 상기 냉매 유입구(24) 및 냉매 배출구(27)의 상부에는 냉매의 유출입을 안내하는 냉매 도입부(25) 및 냉매 배출부(26)가 별도로 마련된다. 이 냉매 도입부(25) 및 냉매 배출부(26)는 상판(20a) 자체에 형성될 수 있다.

상기 상판(20a)의 저면에 형성된 환상의 홈(23)은 상판(20a)의 저면으로 부터 그 상면에 가까운 부분에 까지 깊이 형성되어 상기 매니폴드 영역(C) 및 모세관 영역(B)이 충분한 체적을 가지도록 되어 있다. 이와 같이 확장된 체적에 의하면, 특히 매니폴드영역(B)에 많은 냉매가 충전(charge)될 수 있어서 냉매의 부족에 따른 드라이 아웃 즉, 즉 기화된 냉매가 다시 액화되는 현상을 효과적으로 예방하거나 지연시킬 수 있으며, 충분히 공급된 냉매의 압력에 의해 냉매를 기화공동영역(A)으로 효과적으로 밀어낼 수 있게 된다.

또한, 상기 기판(10a)의 기화공동영역(A)의 바닥, 즉 중앙챔버(11)의 바닥에 제1보조 윅구조체(11a)가 다수 밀집되게 형성되어 있다.

상기 다수 제1보조 윅구조체(11a)들은 모세관력을 발생시킴으로써 상기 모세관 영역(B)으로 부터 냉매를 끌어당겨 중앙챔버(11)의 중앙 부분에 까지 도달되게 하며, 특히 냉매에 대한 열전달 면적을 확장시킴으로써 보다 효과적인 증발을 유도한다. 또한 충분한 양의 냉매를 중앙 챔버(11)로 끌어 당겨 중앙챔버(11)에 충분한 냉매가 공급될 수 있도록 함으로써 냉매 부족에 따른 드라이 아웃을 억제한다. 이러한 제1보조 윅구조체(11a)는 상기 모세관 영역(B)의 윅구조체(12)와 함께 냉매의 유동력을 부여하여 냉매의 효과적인 순환 유동을 돕는다.

도 11과 도 12를 참조하면, 중앙챔버(11)의 바닥과 매니폴드 영역(C)의 바닥의 각각에 제2윅구조체(13a)가 다수 밀집되게 형성되어 있다. 이때에, 상기 제2보조 윅구조체(11a, 13a)의 높이는 상기 모세관 영역(B)의 윅구조체(12) 보다 낮은 높이를 가지며, 이러한 높이차이는 본 발명의 기술적 범위를 제한하지 않는다. 또한, 상기 매니폴드영역의 바닥면이 상기 윅영역의 바닥면 보다 낮게 형성되고, 상기 매니폴드 영역의 바닥면에 제2보조윅 구조체가 형성된다. 본 제6, 제7실시예에 있어서, 상기 보조 윅구조체(13a)의 높이는 상기 모세관 영역(B)의 윅구조체(12)와 같은 높이를 가지거나, 어떠한 경우에는 오히려 더 높은 높이를 가질 수 도 있다.

상기 2보조 윅구조체(13a)는 모세관력을 발생시킴으로써 상기 매니폴드 영역(C)및 모세관 영역(B)으로 부터 냉매를 끌어당겨 중앙챔버(11)의 중앙 부분에 까지 신속하게 도달되게 하며, 특히 냉매에 대한 열전달 면적을 확장시킴으로써 보다 효과적인 증발을 유도한다. 또한 충분한 양의 냉매를 중앙 챔버(11)로 끌어 당겨 중앙챔버(11)에 충분한 냉매가 공급될 수 있도록 함으로써 냉매 부족에 따른 드라이 아웃을 억제한다. 이러한 제2보조 윅구조체(13a)는 상기 모세관 영역(B)의 윅구조체(12)와 함께 냉매의 유동력을 부여하여 냉매의 효과적인 순환 유동을 돕는다.

도 11에 도시된 구조의 제 6 실시예는 도 10 및 도 12에 도시된 실시예의 잇점을 모두 가지며, 따라서 이들 중 가장 바람직한 구조을 가진다.

도 13은 본 발명의 제8실시예에서 기판(10b) 상에 비대칭적 구조의 모세관 영역(B)이 형성되는 구조를 보이는 기판(10b)의 개략적 평면도이다.

도 13을 참조하면 중앙챔버(11)가 마련되는 기화공동영역(A)이 기판(10b)의 중앙으로 부터 일측으로 치우쳐져 있다. 따라서, 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 상판(20a)에 마련되는 냉매배출구(27)는 상기 기화공동영역(A)의 편심에 대응하여 같이 편심된 위치에 형성되어야 한다. 그리고 상기 기화공동영역(A)을 에워싸는 모세관 영역(B)은 기판(10b)의 대략 중앙부분에 위치한다. 그리고 모세관 영역(B)을 에워싸는 매니폴드영역(C)은 기판(10b)의 대략 중심부분에 위치하며 그 일측부분은 상판에 마련되는 냉매 유입구(24)에 대응하도록 확장되어 있다. 상기 모세관 영역(B)의 폭은 상기 냉매유입구(24)로 부터 멀수록 좁혀지고, 그리고 냉매 유입구(24)에 가장 가까운 부분은 다른 부위에 비해 가장 넓다. 여기에서 말하는 모세관 영역(B)의 폭은 모세관 영역(B)의 외주로 부터 상기 기화공동영역(A)을 감싸는 그 내주까지의 거리, 상기 매니폴드 영역(C)에서 기화공동영역(A)으로 진행하는 냉매의 부위별 진행거리를 의미한다. 또한, 상기 매니폴드영역(C)의 폭은 상기 냉매유입구(24)로 부터 멀수록 넓어진다.

이와 같은 구조에 따르면 기판(10b) 일측에 대응하는 상판의 냉매 유입구(24)로 부터 유입된 냉매가 냉매 유입구(24)로 부터 멀어질 수 록 점차 넓어지는 매니폴드 영역(C)을 통해 유동하며, 매니폴드영역(C)을 유동하는 냉매는 상기 모세관 영역(B)을 통해서 기화공동영역(A)으로 공급되게 된다. 이때에 매니폴드영역(C)의 폭이 상기 냉매 유입구(24)로 부터 멀어 질수록 넓어 지기 때문에 냉매가 냉매 유입구(24)로 부터 가장먼 부분에 까지 효과적으로 유동한다. 그리고 매니폴드영역(B)을 유동하는 냉매가 모세관 영역(B)에 접촉되게 되면 모세관 영역(B)의 윅구조체에 의한 모세관 현상에 의해 기화공동영역(A)으로 유동하게 되는데, 이때에 냉매유입구(24)로 부터 가장 먼 부분에서의 모세관 영역(B)의 폭이 가장 작고, 그리고 냉매유입구(24)에 가까워질수록 넓어지게 때문에 모세관 영역(B)에서 부분별 마찰의 차이에 의해 전체 모세관 영역(B)을 통해 고른 분포로 냉매가 유동되게 된다. 즉, 전술한 실시예에서와 같이 모세관 영역(B)이 전체적으로 대칭적인 구조의 경우 냉매 유입구(24)에서 가장 먼 매니폴드영역 부분에서 큰 마찰력을 받는 대신에 가까운 부분에서는 마찰력을 덜 받기 때문에 매니폴드영역의 가장 먼부분에 대한 냉매의 공급이 원활하지 않다. 따라서, 냉매 유입구(24)로 부터 가장 먼 부분에 대한 냉매의 공급이 부족하게 되고 따라서 이부분에서 냉매의 드라이 아웃이 발생되게 된다. 그러나, 본 실시예에서는 상기와 같이 모세관 영역(B)을 비대칭적인 형상의 매니폴드 영역(C) 및 모세관 영역(B)에 의해 냉매에 대한 부분적인 마찰력의 조절이 이루어 지고 따라서 기화공동영역(A)에 대한 모든 방향으로 부터의 고른 냉매의 공급이 가능하게 된다.

도 14는 모세관 영역(B)전체적으로 냉매를 공급하기 위하여 두개의 냉매유입구(24)가 모세관 영역(B)의 양측에 마련되는 있는 본 발명의 제9실시예를 도시한다.

도 14는 도 9실시예에서 기판(10c)에 대한 기화공동영역(A), 이를 에워싸는 모세관 영역(B) 및 모세관 영역(B)의 바깥쪽에 마련되는 매니폴드영역(C)의 배치구조를 보인 기판(10c)의 개략적 평면도이다.

도 14를 참조하면, 기판(10c)의 중앙부분에 기화공동영역(A)이 마련되고, 이의 둘레에 대칭적인 구조의 모세관 영역(B)가 상기 기화공동영역(A)의 중심에 동축적으로 마련된다. 그리고, 상기 모세관 영역(B)을 에워싸는 매니폴드영역(C)은 대략 타원형으로 형성되며, 따라서, 그 장축방향의 양측에 넓은영역(Ca)이 마련되고, 그 단축방향의 양측에 좁은 영역(Cb)가 마련된다. 상기 양 넓은 영역(Ca)에 대응하여 상판(미도시)에는 두개의 냉매유입구(24)가 마련되어야 한다. 상판에 대한 냉매유입구(24)의 형성 구조는 생략되나 전술한 실시예에 기재된 내용으로 부터 용이하게 구현될 수 있을 것이다.

도 14에 도시된 본 발명의 실시예9에 따르면, 모세관 영역(B)의 양측으로 부터 냉매가 직접 공급되게 때문에 모세관 영역(B) 전체에 대한 냉매의 보다 고른 공급이 가능하게 되고, 따라서 전체적으로 고른 온도 분포를 가지게 된다. 이러한 양방향을 통한 냉매의 공급 구조는 전술한 실시예들에서 설명된 한방향의 냉매 공급구조와 구별된다. 이러한 구조에 따르면, 한방향의 냉매 공급구조에서 수반될 수 있는 냉매의 부분적 공급 부족에 따른 드라이 아웃을 효과적으로 방지 또는 지연시킬 수 있다.

도 15 및 도 16은, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 기체 포집부(21a)가 원뿔형상의 홈(21b)에 의해 형성된 상판(20b)의 개략적 단면도 및 사시도이다.

상기 기체 포집부(21a)는 원뿔형상의 홈(21b)에 의해 마련됨으로써 기판(10)의 중앙챔버(11)로 부터 발생된 기체를 효과적으로 포집하여 그 상부의 배출통로(22)를 통해 배출되도록 한다. 또한, 중앙챔버(11)에서의 폭발적 비등현상에 의한 완전히 기화되지 않은 다량의 냉매가 기체포집부(21a)로 유입되었을 때에 경사진 벽면을 가지는 홈(21b)에 의해 진행경로를 좁힘으로써 미기화 냉매가 다시 중앙챔버(11)로 복귀되게 한다.

한편, 도 17는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 원뿔형상의 홈(21b)의 측면에 계단형 에지부분(21c)가 형성된 상판(20b)의 단면도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 홈(21b)의 측면에 계단형 에지부분(21c)이 상하 2개가 형성되어 있다. 상기 계단형 에지부분(21c)은 홈(21b)의 측면을 따라 환형으로 형성된다.

따라서, 도 17에 도시된 실시예의 기체포집부(21a)에 의하면, 완전히 기화되지 않은 냉매가 기체포집부(21a)로 유입되었을 때에 경사진 벽면을 가지는 홈(21b)에 의해 진행경로를 좁힘으로써 미기화 냉매가 다시 중앙챔버(11)로 복귀되게 할 뿐 아니라, 홈(21b)의 벽면에 형성된 에지부분(21c)에 의해, 중앙챔버(11) 내에서형성되는 기-액 계면을 열저항이 적은 냉매에 의한 박막이 형성되게 되고, 따라서 증발 열효율이 향상되게 된다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 외부의 동력이 없이 냉각을 수행할 수 있는 소형 및 박형의 냉각장치를 얻을 수 있게 된다.

또한, 액체상태의 냉매와 증발된 기체 상태의 냉매가 윅영역에 의해 격리되기 때문에 기체와 액체의 혼재에 따른 유체유동력의 저하를 효과적으로 억제할 수 있고, 결과적으로 열교환특성이 크게 향상된다.

이러한 본 발명의 기화기는 전술한 바와 같이 전자제품의 소형 부품, 예를 들어 컴퓨터의 씨피유(CPU) 등의 냉각장치로서 적합하다. 특히, 노트북 컴퓨터와 같이 내부 가용용적이 적은 전자제품의 발열원인 씨피유 자체에 밀착시킬수 있어서, 별도의 냉각장치에 의한 노트북 컴퓨터의 크기와 무게의 증가를 방지할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하면, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (23)

1. 냉매의 주된 증발이 일어나는 중앙챔버를 제공하는 기화 공동영역과 상기 중앙챔버를 에워싸는 모세관 영역, 모세관 영역을 에워싸는 매니폴드영역이 그 상면에 마련되어 있는 기판과;

   상기 기판의 상부에 설치되는 상판과;

   상기 모세관 영역에서 모세관력에 의해 매니폴드영역에서 기화 공동영역으로 냉매를 유동시키는 모세관력 발생부와;

   상기 기화공동영역에서 발생된 기상의 냉매를 외부로 배출하는 기체 포집부를 포함하는 배출수단과;

   상기 매니폴드영역으로 액상의 냉매를 외부로 부터 공급하는 냉매 공급부를 포함하는 공급수단을; 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 모세관력 발생부는 모세관력을 발생시키는 다수의 공공부(cavity)를 가지는 다공질체(porous material body)에 의해 마련되는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 모세관력 발생부는 상기 매니폴드영역과 기화공동영역 사이의 냉매 유동갭을 제공하는 구조물을 갖는 윅구조체에 의해 마련되는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 기체포집부는 기화공동영역 및 상기 모세관 영역의 크기에 대응하는 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 기판 또는 상기 상판의 일측면으로 부터 상기 매니폴드 영역에 연결되는 냉매 공급통로가 형성되어 있고, 상기 상판의 일측면으로 부터 상기 기체포집부에 연결되는 기체 배출통로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 상판의 저면에는 상기 기판의 매니폴드 또는 매니폴드와 모세관 영역의 한 부분에 대면하는 홈이 형성되어 상기 매니폴드 영역 전체의 체적이 확장되어 있는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
7. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 중앙 챔버의 바닥에 다공질체와 윅구조물 중 적어도 어느 하나에 의한 제1보조 모세관력 발생부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 중앙 챔버의 바닥에 다공질체와 윅구조물 중의 적어도 어느 하나에 의한 제1보조 모세관력 발생부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
9. 제 5 항에 있어서,

   상기 중앙 챔버의 바닥에 다공질체와 윅구조물 중 적어도 어느 하나에 의한 제1보조 모세관력 발생부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
10. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 매니폴드 영역의 바닥면에 다공질체와 윅구조물 중의 적어도 어느 하나에 의한 제 2 모세관 발생부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
11. 제 4 항에 있어서,

    상기 매니폴드 영역의 바닥면에 다공질체와 윅구조물 중의 적어도 어느 하나에 의한 제2 모세관 발생부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
12. 제 5 항에 있어서,

    상기 매니폴드 영역의 바닥면에 다공질체와 윅구조물 중의 적어도 어느 하나에 의한 제2 모세관 발생부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
13. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 상판의 기체포집부는 상방으로 갈수록 좁혀지는 원뿔형 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 원뿔형 구조의 기체포집부의 내벽에 적어도 하나의 계단형 에지부분이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
15. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 하나의 항에 있어서,

    상기 모세관영역은 기화영역을 중심적으로 비대칭적으로 형성되어 있고,

    상기 기화영역을 에워싸는 모세관영역의 폭이 상기 냉매 공급부에 가까울 수록 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
16. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 하나의 항에 있어서,

    모세관영역을 에워싸는 상기 매니폴드 영역의 폭은 상기 냉매 공급부로 부터 멀수록 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
17. 제 15 항에 있어서,

    모세관영역을 에워싸는 상기 매니폴드 영역의 폭은 상기 냉매 공급부로 부터 멀수록 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
18. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 냉매 공급부는 상기 매니폴드 영역에 복수개 마련되어 상기 매니폴드에 대한 냉매 공급이 복수의 경로를 통해서 이루어 지는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 냉매 공급부는 상기 중앙 챔버를 중심으로 그 양측에 대칭적으로 마련되는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
20. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 냉매 공급부는 중앙챔버를 중심으로 그 양측에 대칭적으로 마련되어 상기 매니폴드 영역에 대한 냉매 공급이 두 냉매 공급부를 통해서 이루어 지는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
21. 냉매의 주된 증발이 일어나는 중앙챔버를 제공하는 기화 공동영역과 상기 중앙챔버를 에워싸는 모세관 영역, 모세관 영역을 에워싸는 매니폴드 영역이 그 상면에 마련되어 있는 기판과;

    상기 기판의 상부에 설치되는 상판과;

    상기 모세관 영역에서 모세관력에 의해 매니폴드영역에서 기화 공동영역으로 냉매를 유동시키는 모세관력 발생부와;

    상기 기화공동영역에서 발생된 기상의 냉매를 외부로 배출하는 기체 포집부를 포함하는 배출수단과;

    상기 매니폴드 영역 안에서 매니폴드 영역을 유동하는 냉매의 유동경로를 복수로 분리함과 아울러 유동경로상을 진행하는 냉매에 대한 열전달을 억제하는 다수의 단열영역과;

    상기 매니폴드영역으로 액상의 냉매를 외부로 부터 공급하는 냉매 공급부를 포함하는 공급수단을; 구비하는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
22. 제 21 항에 있어서,

    상기 단열영역은 상기 매니폴드 영역을 따라서 상기 모세관영역을 에워싸도록 형성되는 다수의 벽체들을 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.
23. 제 22 항에 있어서,

    상기 단열영역의 바닥에 공기의 유입을 허용하는 다수의 관통공이 형성되고, 상기 벽체는 상기 각 관통공을 에워싸는 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 평판형 기화기.