KR100497332B1 - 소결된 윅 구조를 갖는 히트 파이프 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트파이프내에 모세관력을 증대시킬 수 있도록 동분말등을 소결시켜 제조한 윅을 히트파이프내면에 장착함으로써 작동유체를 응축부에서 증발부로의 귀환능력을 향상시킬 수 있음과 동시에 제조 공정이 용이하면서도 충분한 열전달력을 갖는 히트파이프 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은, 양단이 밀봉된 중공부를 가지며, 상기 중공부내에 작동유체가 내재되어 외부와의 열교환을 수행하는 파이프 몸체; 및 상기 파이프 몸체의 내면에 장착되며, 기공도가 확보된 채로 소결되어 모세관력을 제공하는 소결 동분말 윅을 포함하는 히트파이프를 제공한다.

본 발명은 파이프 몸체의 중앙부에 증기통로를 확보하기 위하여 중공봉 부재를 삽입하는 제1단계; 상기 파이프 몸체와 중공봉부재 사이에 소정크기의 동분말을 주입하는 제2단계; 및 상기 동분말이 주입된 파이프 몸체를 소정온도에서 소정시간동안 가열하여 동분말을 소결시켜 동분말 윅을 형성한 후, 중공봉 부재를 제거하는 제3단계를 포함하는 히트파이프의 제조방법을 제공한다.

본 발명은 소결윅과 파이프벽 사이 또는 소결윅 내측에 소선이나 편조윅이 설치된 윅 구조를 갖는 히트파이프를 제공한다.

Description

소결된 윅 구조를 갖는 히트 파이프 및 그의 제조방법 {HEAT PIPE HAVING A SINTERED WICK STRUCTURE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 히트파이프에 관한 것으로, 특히 히트파이프내의 작동유체의 순환효율을 증대시켜 히트파이프의 성능을 향상시킬 수 있는 소결된 윅(wick) 구조를 갖는 히트파이프에 관한 것이다.

일반적으로, 히트파이프는 그 내부에서 작동유체의 증발 잠열을 이용하여 작은 온도차에서도 무동력으로 열을 효과적으로 이송하는 열교환장치이다.

그러면, 첨부된 도 1를 참조로 하여 일반적인 히트파이프의 작동원리를 간략히 설명한다.

도 1은, 일반적인 히트파이프의 작동 원리를 나타낸 것으로, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 히트파이프는 진공상태의 파이프몸체(101) 내부에 증류수와 같은 매우 작은 양의 열전달 매체(작동유체)를 주입하고 봉인한 것으로, 상기 파이프몸체(101)는 크게 증발부(102), 단열부(103), 응축부(104)로 구분할 수 있다. 열원이 위치하고 있는 상기 증발부(102)에서 상기 작동유체는 열을 흡수하여 증기 상태로 파이프몸체(101)내부에 확산되며, 상기 단열부(103) 즉, 이송부를 지나 응축부(104)에서 열을 방출한다. 상기 응축부(104)에서 열을 방출한 상기 작동유체는 응축된 후 액체로 되어 상기 파이프몸체(101)의 윅(wick)(105)벽면을 타고 증발부(102)로 귀환한다. 그리고, 상기 작동유체는 다시 열을 받아 증발하는 작동을 연속적으로 반복하므로써 상기 히트파이프내에서 열을 이송하는 것이다. 상기 증발부(102)와 이송부(103)는 응축부(104)보다는 온도가 높다. 또한, 각 부분에서의 증기압은 포화상태가 되며, 증기압의 관계는 증발부(102)와 이송부(103)의 압력이 응축부(104)보다 높다. 이러한 결과로 증기는 증발부(102)에서 이송부(103)를 지나 응축부(104)로 이송된다. 이런 현상은 열전달 속도가 음속에 가까운 속도이므로 매우 빠르게 일어난다. 상기와 같은 히트 파이프에서, 그 성능은 작동유체의 종류 및 주입량, 파이프몸체(101) 내부의 진공상태 및 청결도 등 여러 가지 변수에 영향을 받을 수 있으나, 특히 응축부(104)에서 응축된 액체가 증발부(102)로 잘 귀환할 수 있도록 하는 것이 매우 중요하다. 상기 파이프몸체(101) 내부의 작동유체의 원활한 순환을 위하여 윅(105)을 인입하거나 내벽에 홈을 가공하여 모세관력이 생기도록 하고, 내부를 진공상태로 만든 후 적당량의 작동유체를 넣고 파이프의 양단을 밀봉하므로써 모세관력을 이용하여 작동유체를 순환시킨다. 도2a 및 도2b는 파이프(200) 내에 윅으로 사용되는 스크린 메쉬(screen mesh)(201)를 말아서 인입하는 경우를 도시한 사시도 및 단면도를 나타내고 있고, 도3은 파이프(200) 내벽 원주상에 윅으로 사용되는 가는 선재(301)를 주입한 후 스프링(302)을 이용하여 파이프 내벽에 밀착시킨 사시도 및 단면도를 나타낸다. 또한 도4a 및 도4b는 파이프(200) 내벽에 그루브(401)를 형성하여 모세관력을 주는 것을 도시한 사시도 및 측면도를 나타내고 있으며, 이외에도 내부 벽면을 다공질로 소결하여 만드는 방법도 있다.

그러나, 상기에서 제시된 종래 기술에 따른 윅 구조를 갖는 히트 파이프는 열 전달력이 우수한 경우에는 그 제조가 어렵고, 제조가 용이한 경우에는 성능이 나쁘다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 상기 히트파이프내에 모세관력을 증대시킬 수 있도록 동분말등을 소결시켜 제조한 윅을 히트파이프내면에 장착함으로써 작동유체를 응축부에서 증발부로의 귀환능력을 향상시킬 수 있는 소결된 윅 및 이에 소선 또는 편조윅이 결합된 구조를 갖는 히트파이프 및 그의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 제조 공정이 용이하면서도 충분한 열전달력을 갖는 히트 파이프 및 그의 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 양단이 밀봉된 중공부를 가지며, 상기 중공부내에 작동유체가 내재되어 외부와의 열교환을 수행하는 파이프 몸체; 및 상기 파이프 몸체의 내면에 장착되며, 기공도가 확보된 채로 소결되어 모세관력을 제공하는 소결 동분말 윅을 포함하는 히트파이프를 제공한다.

또한, 본 발명은 파이프 몸체의 중앙부에 증기통로를 확보하기 위하여 중공봉 부재를 삽입하는 제1단계; 상기 파이프 몸체와 중공봉부재 사이에 소정크기의 동분말을 주입하는 제2단계; 및 상기 동분말이 주입된 파이프 몸체를 소정온도에서 소정시간동안 가열하여 동분말을 소결시켜 동분말 윅을 형성한 후, 중공봉 부재를 제거하는 제3단계를 포함하는 히트파이프의 제조방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도5이하의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 소결된 윅(wick)구조를 갖는 히트파이프는 작동유체의 순환효율을 증대시켜 히트파이프의 성능을 향상시키기 위하여 동분말의 윅(wick)을 소결공정을 통해 파이프 내부에 부착되도록 구현된 것으로, 본 발명에서 히트파이프의 내면에 장착되어 응축된 작동유체를 모세관 현상을 이용하여 흡열부로 귀환시키는 윅의 구조에 대해서는 이미 공지된 기술이므로 여기서의 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 의한 히트파이프는 도5에 도시된 바와 같이, 양단이 밀봉된 중공부를 가진 파이프 몸체(1)와, 상기 파이프몸체(1)의 중공부에 삽입되며, 그 내부에 작동유체가 내재되어 외부와의 열교환을 수행하는 중공봉부재(3)와, 상기 파이프몸체(1)와 중공봉부재(3) 사이에 구비되며, 응축부에서 응축된 작동유체를 증발부로 귀환시킬수 있도록 모세관력을 제공하는 윅(2)으로 구성된다. 여기서, 상기 중공봉부재(3)는 파이프몸체(1)의 내주면(내면)에 동분말 윅(2)을 부착시키기 위한 부가물로서만 제공되는 것이며, 상기 파이프몸체(1)의 내면에 동분말 윅(2)이 소결부착된 후에는 제거된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 윅구조의 제조방법을 설명한다.

먼저, 파이프몸체(1)의 중앙부에 증기통로를 확보하기 위해 스테인레스 재질의 중공봉부재(3)를 삽입한다. 다음으로, 상기 파이프몸체(1)와 중공봉부재(3)사이에 적당한 크기와 구형을 가진 동분말(copper)을 주입한다. 그리고, 상기 동분말이 주입된 파이프 몸체(1)를 전기로(furnace)에 넣어 소정온도에서 소정시간 동안 가열하여 동분말을 상기 파이프 몸체(1)에 소결시킨다. 마지막으로, 상기 파이프몸체(1)를 냉각시킨 후 상기 중공봉부재(3)를 상기 파이프몸체(1)에서 제거하면 상기 윅구조가 상기 파이프몸체(1)에 소결부착되는 것이다.

상기와 같이 형성된 윅(2)은 삽입되는 상기 스테인레스 봉부재(3)의 형상에 따라 상기 증기통로의 단면 형상이 원형, 삼각형, 사각형, 별모양 등 여러 가지 단면 형상을 가질 수 있다.

도6은, 상기 파이프몸체(1) 내부에 동분말 또는 동선(copper-line)등이 함께 소결 부착되어 형성되는 히트파이프의 윅(2)구조를 도시한 것으로, 상기 히트파이프내에 동선(4)을 삽입하고, 동분말을 그 후에 주입한 후 소결하여 형성한 구조를 제시하고 있다. 여기서, 상기 동선(4)은 상기 중공봉부재(3)가 위치한 파이프몸체(1) 내측부, 즉 중공봉부재(3)의 외주면에 위치되어 상기 파이프몸체(1) 내에서 작동유체가 증발부로 빠르게 복귀할 수 있도록 통로를 확보할 수 있는 기능을 한다.

이와 같이, 상기 동분말과 함께 삽입되는 동선(4)에 의하여 상기 파이프몸체(1)내의 모세관력이 더욱 향상되어 상기 작동유체가 신뢰성있게 상기 증발부로 복귀하게 되는데, 상기 동분말은 대략 0.1∼0.5mm의 직경을 가지며, 상기 동선(4)은 상기 동분말과 같은 재질로 형성되며 다발(10∼30가닥)로 묶어 삽입된 후 소결공정을 통하여 소결된다.

도7은, 상기 동분말에 불활성 필러(filler)를 혼합 삽입하여 상기 파이프몸체(1) 내부에 부착한 후, 상기 동분말과 불활성 필러가 소결되는 동안 상기 불활성 필러를 제거하여 형성된 파이프몸체(1)를 도시한 것으로, 상기 파이프몸체(1)내의 모세관력을 증대시켜 상기 파이프몸체(1)의 증발부에서 열을 흡수한 후 상기 증발부에서 방출된 작동유체의 흐름을 원활하게 하여 상기 증발부로의 귀환력을 신뢰성있게 증대시킬 수 있게 되는 것이다.

한편, 응축부에서 증발부로의 귀환응력을 한층 더 제고시키기 위해 구현한 실시예를 도8 내지 도10을 참조하여 설명한다.

도8은 본 발명의 제2 실시예로서, 상기 소결된 동분말 윅(2)의 내주면에 편조된 선재(12)를 삽입하여 구성한 예를 제시하고 있으며, 도9는 도8의 변형예로서, 상기 파이프몸체(1)와, 동분말 윅(2) 사이에 편조된 선재(12)를 삽입한 예를 제시하고 있다.

상기 도8에 도시된 제2 실시예의 구조를 좀더 상세히 설명하면, 도10a 및 10b에 도시한 바와 같이, 소정 직경을 가지는 선재(11)를 소정메쉬를 갖는 나선형으로 편조시켜 원통형상의 편조 윅(12)을 형성한 후, 상기 편조 윅(12)을 소결 동분말 윅(2)의 내주면에 삽입하여 구성한다.

상기 편조윅(2)에 사용되는 선재는 구리(Cu, 예를 들어 99.999%의 순도를 가진 구리)나 스테인레스 등과 같이 순도가 높은 금속재와 같은 신축성 재질의 선재들을 소정 가닥의 그룹으로 이루어진 선재를 그룹별로 편조시켜 구성하고 있으며, 이에 따라 원통형 편조윅(12)은 원래의 지름을 유지하려는 복원성을 가지고, 소결 동분말 윅(2)의 내주면에 밀착되는 것이다. 즉, 상기 편조 윅(12)은 소결 동분말 윅(2)의 지름보다 더 큰 지름을 갖도록 편조된다. 이 상태에서 상기 편조 윅(12)이 소결 동분말 윅(2)의 내부로 인입될 때, 상기 편조 윅(12)이 고유 복원력과 우수한 신축성으로 인해 축방향으로 쉽게 확장됨으로써 스프링과 같은 별도의 장치나 가공없이도 소결 동분말 윅(2)의 내벽에 자동적으로 밀착되는 것이다.

이때, 상기 편조윅(12)이 소결 동분말 윅(2)의 내부로 인입되는 과정은 막대와 같은 장치에 의해서 소결 동분말 윅(2)으로 인입된다.

본 발명의 제2 실시예에서의 선재의 수 및 직경은 소결 동분말 윅(2)의 내경에 따라 결정된다. 히트 파이프의 모세관력과 투과성을 강화하기 위해서는 선재가 가급적 가느다란 것이 바람직하다.

상기와 같이 편조윅(2)이 복원력과 신축성을 가지고 소결 동분말 윅(2)에 더욱 견고히 밀착됨으로써, 상기 소결 동분말 윅(2)과 편조윅(12)은 히트 파이프의 모세관력과 투과성이 한층 증가시키게 한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 히트파이프 내부에 적당한 크기와 형상을 가지는 동분말을 주입한 후 소결공정을 통하여 히트파이프 내부 구조물인 윅을 형성하고, 동분말과 동일한 재질의 가는 동선을 다발로 묶어 삽입하여 소결을 함께하거나, 기공성형제로 사용되는 필러를 혼합, 삽입하여 소결과정 동안 불활성 필러를 제거하므로써 상기 히트파이프내의 모세관력을 향상시켜 작동유체의 귀환력을 증대시키고, 히트파이프의 성능을 향상시킬 수 있으며 그 제조공정을 간단히 하여 히트파이프의 생산원가를 감소시키는 효과가 있다.

또한, 상기 소결 동분말 윅 내면에 탄성력과 신축성이 탁월한 편조윅을 삽입함으로써 상기 소결 동분말 윅과 함께 편조윅에 의해 모서관력 및 투과성을 한층 증대시켜 히트파이프의 성능을 향상시킬 수 있는 다른 효과를 가진다.

도1은 일반적인 히트파이프의 단면도.

도2a 및 도2b는 종래기술에 따른 히트파이프의 한 예를 나타낸 사시도 및 단면도.

도3a 및 도3b는 종래기술에 따른 히트파이프의 다른 예를 나타낸 사시도 및 단면도.

도4a 및 도4b는 종래기술에 따른 히트파이프의 또다른 예를 나타낸 사시도 및 단면도.

도5는 본 발명의 일실시예에 따른 히트파이프에 동(copper)분말이 소결-부착되어진 상태를 나타낸 단면도.

도6는 본 발명에 의한 히트파이프에 동분말과 동선(copper line)이 함께 소결-부착되어진 상태를 나타낸 단면도.

도7은 본 발명에 의한 히트파이프에 기공형성제로 사용되는 불활성 필러(filler)를 동분말과 혼합, 삽입하여 부착한 후 소결과정동안 상기 불활성 필러를 제거하여 기공도를 향상시킨 상태를 나타낸 단면도.

도8은 소결윅의 내측에 편조윅이 설치된 윅 구조를 나타낸 단면도.

도9는 소결윅과 파이프벽 사이에 편조윅이 설치된 윅 구조를 나타낸 단면도.

도10a 및 도10b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트 파이프의 구성을 나타낸 사시도 및 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 파이프몸체 2 : 소결 동분말 윅(wick)

3 : 중공봉부재 4 : 동선

11 : 선재 12 : 편조 윅

Claims (13)

1. 양단이 밀봉된 중공부를 가지며, 상기 중공부내에 작동유체가 내재되어 외부와의 열교환을 수행하는 파이프 몸체;

   상기 파이프 몸체의 내면에 장착되고, 동선이 구비되며, 기공도가 확보된 채로 소결되어 모세관력을 제공하는 소결 동분말 윅; 및

   상기 소결 동분말 윅의 내면에 장착되며, 가닥그룹으로 이루어진 선재그룹을 나선형으로 편조시킨 편조윅을 포함하는

   소결된 윅 구조를 갖는 히트파이프.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 편조윅을 이루는 선재가 탄성 복원력과 신축성을 갖는

   소결된 윅 구조를 갖는 히트파이프.
3. 제 2 항에 있어서,

   편조윅은 실질적으로 소결 동분말 윅의 직경보다 큰 원통형으로 이루어져 있으며, 상기 소결 동분말 윅의 내부로 인입된 후 복원력으로 상기 소결 동분말 윅의 내벽에 자동 밀착되는

   소결된 윅 구조를 갖는 히트파이프.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 편조윅을 이루는 선재의 수 및 직경은 상기 소결 동분말 윅의 내경에 따라 결정되는

   소결된 윅 구조를 갖는 히트파이프.
5. 양단이 밀봉된 중공부를 가지며, 상기 중공부내에 작동유체가 내재되어 외부와의 열교환을 수행하는 파이프 몸체;

   상기 파이프 몸체의 내면에 장착되며, 다발로 묶여 삽입되는 동선이 구비되고, 기공도가 확보된 채로 소결되어 모세관력을 제공하는 소결 동분말 윅; 및

   상기 파이프 몸체 및 소결 동분말 윅의 사이에 장착되며, 탄성 복원력과 신축성을 지닌 가닥그룹으로 이루어진 선재그룹을 나선형으로 편조시킨 편조윅을 포함하는

   소결된 윅 구조를 갖는 히트파이프.
6. 파이프 몸체의 중앙부에 증기통로를 확보하기 위하여 중공봉부재를 삽입하는 제1단계;

   상기 파이프 몸체와 중공봉부재 사이에 동선을 삽입후, 동분말을 주입하는 제2단계;

   상기 동분말이 주입된 파이프 몸체를 가열하여 동분말을 소결시켜 동분말 윅을 형성한 후, 중공봉 부재를 제거하는 제3단계; 및

   다수의 선재 그룹들을 나선형으로 편조하여 외경이 동분말 윅의 내경보다 큰 편조윅을 형성하고, 상기 편조윅을 상기 동분말 윅의 내부로 인입하는 제4단계를 포함하는

   히트파이프의 제조방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제2단계는,

   동분말에 불활성 필러를 혼합한 후 소결윅을 제작하는

   히트파이프의 제조방법.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   상기 중공봉부재가 스테인레스 재질로 이루어진

   히트파이프의 제조방법.
9. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   상기 동분말은 0.1~0.5mm의 직경을 갖는 분말로 이루어진

   히트파이프의 제조방법.
10. 제6항에 있어서,

    상기 동선은 가닥의 다발로 묶어 삽입하는

    히트파이프의 제조방법.
11. 제6항에 있어서,

    상기 편조윅은 실질적으로 원통형으로 이루어져, 축방향으로 인장될 경우 편조직경이 축소되고, 인장력이 소멸될 경우, 상기 동분말 윅이 내부로 인입되기 전의 원래 상태의 지름을 유지하려는 복원력을 갖는

    히트파이프 제조방법.
12. 제6항에 있어서,

    상기 편조윅이 상기 동분말 윅의 내부로 인입되면, 하나의 선재 그룹이 근접한 다수의 선재 그룹에 실질적으로 접촉되는

    히트파이프 제조방법.
13. 제6항에 있어서,

    상기 편조윅을 이루는 선재의 수 및 직경은 상기 소결 동분말 윅의 내경에 따라 결정되는

    히트파이프 제조방법.