KR100472828B1 - 히트파이프식 등온유지용기와 이를 채택한 히트파이프식등온유지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트파이프식 등온유지용기와 이를 채택한 등온유지장치에 관한 것이다.

Description

히트파이프식 등온유지용기와 이를 채택한 히트파이프식 등온유지장치{heat pipe type isothermal maintenance vessel and isothermal maintenance apparatus}

본 발명은 히트파이프식 등온유지용기와 이를 채택한 등온유지장치에 관한 것이다.

플라스틱과 같은 고분자 물질, 접착제, 화장품 등 점탄성 물질의 물리적 성질을 측정하기 위해서는 측정 대상 물질의 토크(torque), 전단응력(shear stress), 항복응력(yield stress) 등 시료의 물성이 온도의 함수이기 때문에, 이러한 물성을 측정하는 장치인 리아미터(Rheometer)는 측정대상 시료의 온도를 일정하게 유지한 상태에서 측정이 이루어지도록 등온을 유지하기 위한 용기가 필요하다. 한편, 반도체 제조 공정에 사용되는 레이저 마커의 미러를 제어하는 모터와 같은 정밀기기는 모터의 발생열을 적절히 제거하여 온도를 매우 일정한 상태로 유지하지 못하면 그 위치를 제어하는 센서가 팽창/수축에 의한 변형에 의하여 레이저의 변위나 위치에 편차를 발생시키기도 한다.

종래 리아미터(Rheometer)의 등온유지를 위한 장치가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 등온유지장치(1)는 베이스(3)와 측벽(5)으로 구성된다. 베이스(3)의 하면에는 냉각 또는 가열모드로 전환할 열전모듈(Q)이 부착되고, 열전모듈의 하면에는 히트싱크가 설치된다. 측벽(5)은 그 중심에 시료가 수납된다. 베이스(3)와 측벽(5)은 열전도율과 가공성이 우수한 구리로 제작되어 있다.

그러나, 가열모드(실선화살표)인 경우 측벽(5)의 하단에서 상단으로 갈수록 온도가 낮고, 냉각모드(점선화살표)인 경우 그 반대로 상단으로 갈수록 온도가 높아, 온도차(△t)가 발생하게 된다. 따라서, 이 온도차(△t)로 인해, 시료의 길이방향으로 온도 편차가 발생하여 정밀한 물성값을 얻기 어렵다. 또한 현재 레이저 마커의 냉각은 표면에 부착된 팬에 의하여 냉각시키고 있으며 이러한 방법은 온도 편차와 함께 팬의 진동에 의하여 정밀하게 위치를 제어할 수 없게 된다.

본 발명은 히트파이프의 원리를 이용하여 등온을 실질적으로 유지시킬 수 있는 구조를 갖는 히트파이프식 등온유지용기와 이를 채택한 등온유지장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 히트파이프식 등온유지장치는 하면에 열전모듈과 같은 가열 또는 냉각을 위한 블록이 부착되는 베이스; 상기 베이스의 상면에 설치되는 외통; 상단가장자리부가 밀폐되어 작동유체가 밀봉되도록 상기 외통에 수납되며, 바닥과 이 바닥에서 상방으로 연장되는 측벽을 갖는 용기; 상기 외통의 내벽과 틈새가 형성되도록 상기 측벽의 외주면을 감싸는 측벽윅; 상기 바닥의 하면과 상기 베이스의 상면 사이에 설치되며 대향하는 측면 사이에 상기 틈새와 연통되는 간극이 형성되는 복수의 돌출윅의 구성을 채택하고 있다.

본 발명의 다른 특징에 따른 히트파이프식 등온유지장치는 하면에 열전모듈과 같은 가열 또는 냉각을 위한 블록이 부착되는 베이스; 상기 베이스의 상면에 형성된 베이스윅; 상기 베이스윅 주위의 상기 베이스에 설치되는 외통; 상단가장자리부가 밀폐되어 작동유체가 밀봉되도록 상기 외통에 수납되며, 바닥과 이 바닥에서 상방으로 연장되는 측벽을 갖는 용기; 상기 외통의 내벽과 틈새가 형성되도록 상기 측벽의 외주면을 감싸는 측벽윅; 상기 바닥의 하면과 상기 베이스의 상면 사이에 설치되며 대향하는 측면 사이에 상기 틈새와 연통되는 간극이 형성되는 복수의 돌출윅의 구성을 채택하고 있다.

이 구성을 통하여, 용기의 가열/냉각이 히트파이프의 원리에 의하여 온도차가 거의 없는 등온상태를 유지시킬 수 있다.

전술한 구성에서, 상기 간극은 방사상으로 배치됨으로써 증기의 원활한 이동을 허용할 수 있다.

또한, 상기 간극이 형성된 위치의 상기 바닥의 하면에 바닥윅이 더 설치됨으로써, 윅의 연속 구조에 따른 안정된 열전달을 이룰 수 있다.

한편, 상기 측벽의 상단에는 상기 외통의 상단에 지지되는 외향플랜지가 설치되고, 상기 베이스의 상면에는 상기 외통의 하단이 재치되는 재치부가 설치됨으로써, 틈새의 확보가 확실히 보장될 수 있다.

게다가, 상기 용기는 구리의 재질로 이루어짐으로써, 우수한 열전도율과 가공성을 동시에 확보할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 히트파이프식 등온유지용기는 바닥; 상기 바닥에서 상방으로 연장되는 측벽; 상기 측벽의 외주면을 감싸는 바닥윅; 상기 바닥의 하면에서 하방으로 돌출되며 대향하는 측면 사이에 간극이 형성되는 복수의 돌출윅; 상기 간극이 형성된 위치의 상기 바닥의 하면에 설치된 바닥윅의 구성을 채택하고 있다.

전술한 구성에서, 상기 측벽의 상단에는 외향플랜지가 설치되되, 상기 외향플랜지의 하면은 계단식으로 형성될 수 있고, 상기 바닥과 상기 측벽은 열전도율과 가공성이 우수한 구리의 재질로 이루어진 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하는데, 공지된 히트파이프의 원리를 간단히 설명한다.

히트파이프는 밀폐용기 내부의 작동유체가 연속적으로 기체-액체간의 상변화 과장을 통하여 용기 양단 사이에 열을 전달하는 장치로 잠열(latent heat)을 이용하여 열을 이동시킴으로써, 단일 상(one-phase)의 작동유체를 이용하는 통상의 열전달 기기에 비해 큰 열전달 성능을 발휘할 뿐 아니라 용기의 길이방향을 따라 온도가 일정하게 하는 특성을 지니고 있다.

본 발명의 실시예는 이러한 히트파이프가 길이방향을 따라 온도가 일정하다는 것에 착안하여 등온유지용기와 등온유지장치를 발명하게 되었다.

기본 구조는 밀폐용기, 작동유체, 용기 내부의 윅(wick)으로 이루어지며, 윅은 모세관을 이용하여 작동유체 중 액체를 귀환시키는 역할을 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트파이프식 등온유지용기를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 등온유지용기를 채택한 등온유지장치를 도시한 단면도이다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 등온유지용기(10)는 바닥(11), 바닥(11)에서 상방으로 연장되는 측벽(13), 측벽(13)의 외주면을 감싸는 측벽윅(15) 및 바닥(11)의 하면에서 하방으로 돌출되는 복수의 돌출윅(17)으로 구성된다.

바닥(11)과 측벽(13)은 구리, 알루미늄 등의 재질로 제작될 수 있으나, 열전도율과 가공성 측면에서 구리가 보다 바람직하다. 측벽(13)의 내부에는 측정용 시료나 모터축 등이 수용된다.

측벽윅(15)은 금속분말의 소결체이다.

돌출윅(17)은 도 1에 도시한 바와 같이, 대향하는 측면(17a,17b) 사이에 증기 통로인 간극(19)이 형성되도록 소결 성형된다. 돌출윅(17)이 측벽윅(15)과 연속적으로 소결되어 액체의 모세관력을 발생하도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 간극(19)이 형성된 위치의 바닥(11) 하면에도 바닥윅(21)이 소결 성형되는 것이 윅의 연속성을 확보하여 모세관에 의한 안정적인 귀환 액체의 유동이 이루어지도록 하기 위해 바람직하다.

이하, 전술한 등온유지용기(10)를 채택한 히트파이프식 등온유지장치(100)를 도 2에 의하여 설명한다.

등온유지장치(100)는 베이스(30), 베이스(30)의 상면(31)에 설치되는 외통(50), 외통(50) 내부에 수납 지지되는 전술한 등온유지용기(10)로 구성된다.

베이스(30)의 하면(33)에는 가열모드(실선화살표)나 냉각모드(점선화살표)로 전환 가능한 열전모듈(Q)이 부착된다. 베이스(30)의 상면에는 외통(50)의 하단이 재치되어 그 외주면을 밀봉하기 편리하도록 재치부(35)가 형성되어 있다. 즉, 재치부(35)의 안쪽에는 턱이 지어 있어 외통이 수직하게 자리잡는데 도움을 주고, 재치부(35)의 외면 가장자리는 확실한 밀봉을 위해 용접을 행해진다.

외통(50)은 용기(10)의 외부를 밀폐시키면서 전술한 측벽윅(15)과 틈새(14)가 형성되도록 설치된다. 이 틈새(14)는 전술한 간극(19)과 연통되게 된다. 따라서, 간극(19)은 방사상으로 배치되는 것이 증기의 이동을 보다 원활하게 할 수 있다.

등온유지용기(10)는 외통(50)의 내부로 수납되어 지지되는데, 이 지지를 보다 확실히 하면서 틈새(14)의 형성을 정확히 하기 위하여, 측벽(13)의 상단에는 외향플랜지(70)가 설치될 수 있다. 이 외향플랜지(70)는 내면에는 계단식(3단)으로 구성되어 있다. 안쪽 1단부(71)는 측벽윅(15)의 두께가 형성되는 곳이며, 다음 2단부(73)는 틈새(14), 가장 바깥쪽 3단부(75)는 외통(50)의 상단에 재치되는 곳이다. 따라서, 외통(50)의 상하단은 측벽(13)의 3단부(75)와 재치부(35)의 재치턱 사이에 설치된다. 이와 같은 플랜지로 인해, 등온유지장치(10)의 틈새(14)가 정확히 형성될 수 있다. 이때, 3단부(75)의 가장자리부에는 용접을 행하여 완전 밀폐를 달성할 수 있게 하는 기능도 한다. 돌출윅(17)의 하면은 베이스(30)의 상면과 접촉되도록 지지하는 것이 바람직하다.

한편, 돌출윅(17)과 베이스(30)의 상면(31) 사이에는 베이스윅(37)이 설치되는 것이 바람직하다. 이 베이스윅(37)의 설치는 돌출윅(17)과 연속적인 구조를 형성하여 모세관 현상에 의하여 작동유체가 유동하도록 충분한 펌핑(pumping)력을 발생시키고 베이스윅(37)의 상면 전체에 균일한 증발과 응축 등의 상변화가 발생할 수 있도록 하는 등 히트파이프의 열전달메커니즘을 훨씬 더 안정적으로 유지시킬 수 있기 때문이다. 베이스윅(37)은 소결 윅이나 스크린 메쉬 형태의 윅이 설치될 수 있다. 제조 공정에 따라서는 돌출윅(17)과 베이스윅(37)을 소결 과정을 통하여 하나의 몸체가 되도록 구성할 수도 있다.

전술한 구성에서, 작동유체는 윅들에 함유될 정도로 충전되어 있으면, 충전은 외통에 구멍을 내어 진공 충전하거나, 미리 충전된 상태로 외통에 결합시키는 방법을 구현할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 실시예의 히트파이프식 등온유지장치의 동작을 다음과 같다.

가열모드(Q_in)이면, 도 3a에 도시한 바와 같이 블록으로부터 열흡수(Q_in)를 통해 베이스윅(37)의 작동유체가 증발하여 기화한 증기는 방사상의 간극(190)을 통해 이동하여 환상공간인 틈새(14)에 도달하고, 측벽윅(15)에서 시료에 열을 방출(Q_out)하면서 응축한다. 응축한 작동유체는 중력과 모세관력에 의하여 돌출윅(170)으로 이동하고 베이스윅(37)으로 귀환하는 사이클을 이룬다.

반대로, 냉각모드(Q_out)모드이면, 도 3b에 도시한 바와 같이 시료로부터 열을 흡수(Q_in)하여 상대적으로 과열된 측벽(13)의 측벽윅(15)의 표면에서 기화가 발생한 후 증기압 차이에 의해 틈새(14)에서 방사상의 간극(190)으로 이동하여 베이스윅(37)에서 응축하여 열을 방출(Q_out)한다. 응축된 작동유체는 돌출윅(170)을 통해 모세관력에 의해 측벽윅(15)으로 귀환하는 사이클을 이룬다.

본 발명에 따른 히트파이프식 등온유지용기와 이를 채택한 등온유지장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

이상과 같이 살펴본 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트파이프식 등온유지용기와 이를 채택한 등온유지장치에 의하여, 가열원과 냉각원의 온도차를 미소하게 하여 등온성을 유지시킴과 동시에 많은 열을 전달할 수 있다는 효과가 있다.

또한, 돌출윅에 의해 형성된 간극이 방사상으로 배치됨으로써, 증기의 통로가 틈새와 확실히 연통되어 증기의 이동이 원활하게 된다.

게다가, 상기 간극이 형성된 위치의 상기 바닥의 하면에 바닥윅이 더 설치됨으로써, 윅들간에 연속적인 구조로 인해 열전달메커니즘의 안정화에 기여할 수 있다.

더욱이, 상기 측벽의 상단에는 상기 외통의 상단에 지지되는 외향플랜지가 설치되고, 상기 베이스의 상면에는 상기 외통의 하단이 재치되는 재치부가 설치됨으로써, 틈새의 확보가 용이할 뿐 아니라 용기의 밀봉을 위한 용접을 행할시에도 용가재의 기능을 할 수 있다.

한편, 상기 용기가 구리의 재질로 제작됨으로써, 우수한 열전도율과 가공성을 동시에 만족시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트파이프식 등온유지용기를 도시한 사시도.

도 2는 도 1의 등온유지용기를 채택한 등온유지장치를 도시한 단면도.

도 3a는 도 2의 등온유지장치에서 가열 모드에 따른 내부 증기 및 작동유체의 유동형태를 명확히 나타내기 위해 돌출윅을 중심에 위치시킨 개념도.

도 3b는 도 2의 등온유지장치에서 냉각 모드에 따른 내부 증기 및 작동유체의 유동형태를 명확히 나타내기 위해 돌출윅을 중심에 위치시킨 개념도.

도 4는 종래의 등온유지장치의 시료 측정부의 조립 개념도.

도 5는 도 4의 등온유지장치의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 등온유지용기 11 : 바닥

13 : 측벽 14 : 틈새

15 : 측벽윅 17 : 돌출윅

19 : 간극 21 : 바닥윅

30 : 베이스 35 : 재치부

37 : 베이스윅 50 : 외통

70 : 외향플랜지

Claims (9)

1. 하면에 열전모듈과 같은 가열 또는 냉각을 위한 블록이 부착되는 베이스;

   상기 베이스의 상면에 설치되는 외통;

   상단가장자리부가 밀폐되어 작동유체가 밀봉되도록 상기 외통에 수납되며, 바닥과 이 바닥에서 상방으로 연장되는 측벽을 갖는 용기;

   상기 외통의 내벽과 틈새가 형성되도록 상기 측벽의 외주면을 감싸는 측벽윅;

   상기 바닥의 하면과 상기 베이스의 상면 사이에 설치되며 대향하는 측면 사이에 상기 틈새와 연통되는 간극이 형성되는 복수의 돌출윅을 포함하여 이루어진 히트파이프식 등온유지장치.
2. 하면에 열전모듈과 같은 가열 또는 냉각을 위한 블록이 부착되는 베이스;

   상기 베이스의 상면에 형성된 베이스윅;

   상기 베이스윅 주위의 상기 베이스에 설치되는 외통;

   상단가장자리부가 밀폐되어 작동유체가 밀봉되도록 상기 외통에 수납되며, 바닥과 이 바닥에서 상방으로 연장되는 측벽을 갖는 용기;

   상기 외통의 내벽과 틈새가 형성되도록 상기 측벽의 외주면을 감싸는 측벽윅;

   상기 바닥의 하면과 상기 베이스의 상면 사이에 설치되며 대향하는 측면 사이에 상기 틈새와 연통되는 간극이 형성되는 복수의 돌출윅을 포함하여 이루어진 히트파이프식 등온유지장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 간극은 방사상으로 배치된 것을 특징으로 하는 히트파이프식 등온유지장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 간극이 형성된 위치의 상기 바닥의 하면에 바닥윅이 더 설치된 것을 특징으로 하는 히트파이프식 등온유지장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 측벽의 상단에는 상기 외통의 상단에 지지되는 외향플랜지가 설치되고,

   상기 베이스의 상면에는 상기 외통의 하단이 재치되는 재치부가 설치된 것을 특징으로 하는 히트파이프식 등온유지장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 용기는 구리의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 히트파이프식 등온유지장치.
7. 바닥;

   상기 바닥에서 상방으로 연장되는 측벽;

   상기 측벽의 외주면을 감싸는 바닥윅;

   상기 바닥의 하면에서 하방으로 돌출되며 대향하는 측면 사이에 간극이 방사상으로 형성되는 복수의 돌출윅;

   상기 간극이 형성된 위치의 상기 바닥의 하면에 설치된 바닥윅을 포함하여 이루어진 히트파이프식 등온유지용기.
8. 제 7항에 있어서, 상기 측벽의 상단에는 외향플랜지가 설치되되,

   상기 외향플랜지의 하면은 계단식으로 형성된 것을 특징으로 하는 히트파이프식 등온유지용기.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 바닥과 상기 측벽은 구리의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 히트파이프식 등온유지용기.