KR100604235B1 - 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 상단이 클로징되고 하단이 오픈된 히트파이프의 몸체 하단으로 내부에 작동증기를 수용한 압력용기가 소통가능하도록 연결되고, 상기 압력용기와 상기 히트파이프의 하단 사이를 개방하여 상기 압력용기로부터 작동증기를 히트파이프 몸체 내부로 인젝션 시키는 스팀인젝션 단계; 상기 히트파이프의 상단을 오픈시켜 상기 스팀인젝션 단계에서 주입된 작동증기와 히트파이프 내부의 에어가스로 형성된 혼합기체를 배출하는 블로단계; 상기 혼합기체의 배출이 완료되면 히트 파이프의 상단을 클로징하고 내부를 작동증기를 충진시키되, 압력용기로부터 공급되는 작동증기의 온도 및 압력을 제어하여 요구되는 몰량의 작동증기가 히트파이프 내부에 충진되도록 하는 작동증기제어충진단계;상기 작동증기제어충진단계에서 요구되는 몰량의 작동증기가 충진된 것으로 판단되면 상기 히트파이프의 몸체 하단을 클로징하여 밀봉하는 밀봉단계를 포함하는 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤방법 및 장치에 대해 개시한다.

히트파이프

Description

히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤 방법 및 장치{METHOD OF CONTROLLING WORKING FLUID FILLING QUANTITY OF HEAT PIPE AND APPATATUS THEREOF}

도 1 은 일반적인 히트파이프의 구성도.

도 2 는 종래의 스팀블로 공정을 설명하기 위한 도면.

도 3 은 본 발명에 따른 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤장치의 구성도.

도 4 는 본 발명에 따른 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤방법의 설명도.

도 5 는 본 발명에 따른 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤방법을 나타낸 블록도.

도 6 는 도 5 의 작동증기제어충진단계의 블록도.

도 7 은 본 발명에 따른 압력용기의 작동증기 충진과정에 관한 블록도.

도 8 은 본 발명에 따른 작동유체 충진방법의 특성을 나타내는 그래프도.

본 발명은 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤 방법 및 장치에 관한 것으 로, 보다 상세하게는 직경이 작은 미세 히트파이프에 작동유체 충전하면서 충진량을 컨트롤 하는 것이 가능한 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤 방법 및 장치에 관한 것이다.

최근에 전자/통신기기를 포함하는 전자산업 전 분야에 걸쳐 부품 및 시스템의 고밀도화 패키징 추세는 일반적인 현상이 되었으며, 이에 따른 시스템의 열소산 및 냉각문제 역시 점차 심각해지고 있다. 전자장비들의 발생열이 방치되는 경우에 기기 및 시스템의 성능저하 및 수명감소 등의 주요 원인이 되기 때문에 효과적으로 소산시키기 위한 냉각방식이 요구되는 데, 특히 전자장비의 소형화와 더불어 박막화가 이루어지기 때문에 이에 적용되는 냉각장치의 크기 역시 이와 더불어 미세 크기로 형성될 수 있어야 한다.

전자장비의 내부 발생열을 소산하기 위한 냉각기술로써 종래에는 히트씽크(heat sink)나 상기 히트씽크에 팬(fan)을 부착하는 방식이 사용되어 왔으나, 히트씽크는 그 크기가 감소될 경우 전열면적의 감소에 따라 열소산율이 상대적으로 작아지는 문제점이 있을 뿐만 아니라 팬을 미소한 크기로 제작하는 데는 한계가 있고 소음발생의 한계를 가지고 있으므로, 근래에는 이를 대체하기 위한 방식으로 히트파이프를 사용한 냉각방식 논의되고 있다.

히트파이프는 그 내부의 작동유체의 증발 잠열을 이용하여 작은 온도차에서도 무동력으로 열을 효과적으로 이송하는 열교환장치로서, 도 1 은 이러한 일반적인 히트파이프의 작동원리를 나타내고 있다.

히트파이프의 파이프 몸체(101)는 크게 증발부(102, 흡열부), 이송부(103,단 열부), 응축부(104, 방열부)로 구분되며, 열원이 위치하고 있는 증발부(102)에서 작동유체는 열을 흡수하여 증기상태로 파이프 몸체 내부에 확산되며, 이송부(103)를 지나 응축부(104)에서 열을 방출한다. 응축부(104)에서 열을 방출한 작동유체는 응축된 후 다시 액체로되어 상기 파이프몸체의 윅(105) 벽면을 타고 증발부(102)로 귀환한다. 작동유체는 이와 같이 응축 및 증발을 연속적으로 반복함으로써 상기 히트파이프 내에서 열을 이송하는 것이다. 증발부(102)와 이송부(103)는 응축부(104)보다 온도가 높고, 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. 이러한 현상은 열전달 속도가 음속에 가까운 속도임으로 매우 빠르게 일어난다.

이와 같은 원리의 히트파이프의 성능은 작동유체를 순환시키는 윅구조(wick structure), 작동유체의 종류 및 충진량, 파이프 몸체 내부의 진공상태 및 청결도 등 여러 가지 변수에 영향을 받을 수 있으며, 특히 히트파이프의 미세화에 따라 작동유체의 충진문제가 히트파이프 제조 공정의 중요한 문제로 대두되고 있다.

도 2 는 종래의 히트파이프의 작동유체 충진공정인 스팀블로(Steam Blow) 공정을 설명하기 위한 도면이다.

도면을 참조하면, 먼저 히트파이프 내부에 작동유체를 주입한 후 밀봉한다(a). 밀봉된 파이프 몸체는 가열되고, 이 경우 히트파이프 내부에는 밀봉전 히트파이프 내에 충진된 에어가스(air gas; 공기, 아르곤 가스 등의 불활성기체를 포함)와 증기(steam)가 혼합상을 이루면 혼합기체로 충진된다(b). 이때 히트파이프의 일 단으로 작은 개구를 오픈시키면 내외부의 압력차에 의해 불순물이 포집된 상태의 혼합기체가 날아가면서 내부는 점차로 저밀도의 고온 증기가스만이 남게 된다(c). 소정시간 경과 후 개구를 밀봉시키면 저밀도의 고온증기가스가 식으면서 유체화되어 파이프 몸체 내부에는 소정량의 작동유체가 충진된 진공상태가 된다(d).

그러나 이러한 종래의 스팀블로 공정은, 직경이 미세한 마이크로 히트파이프(Micro Heat Pipe; MPH) 또는 플랫플레이트 마이크로히트파이프(Flat Plate Micro Heat Pipe; FPMPH)에는 적용이 불가능한 단점이 있다. 직경이 작은 마이크로 히트파이프의 경우 직경이 작아 작동유체의 주입이 어려울 뿐만 아니라, 작동유체를 주입하더라도 가열 후 개구를 오픈하는 경우(도 2 의 (c)참조) 순간적으로 개구를 통해 작동유체가 모두 날아가게 됨으로 내부에 작동유체를 일정량 충진시키는 것이 거의 불가능하다.

특히 한국 공개특허 제2003-0053424호는 압출 및 인발공정을 이용한 다각 구조의 단면을 갖는 미세 히트파이프에 대해 개시하고 있는 데, 상기 미세 히트파이프는 다각 구조의 각 모세리부에서 발생하는 모세관력에 의해 작동유체가 유동되도록 함으로써 히트파이프의 미세화를 가능하게 하고 있다. 즉 종래의 히트파이프는 작동유체를 순환시키기 위한 윅 구조로서 구리 그물망을 통하여 심지구조를 생성한 메쉬타입(mesh type)이나 미세한 구리입자를 소결하여 심지구조를 생성한 소결타입(sintered type)이 사용되어 왔는데, 종래의 히트파이프는 파이프 몸체 내부에 이러한 윅구조를 구비하여야 함으로 그 직경을 감소시키는 데 일정한 한계가 있었다.

그러나 상기 미세 히트파이프는 다각 구조의 모서리부가 윅 구조를 대신하게 됨으로 윅리스 타입의 윅구조(wickless type wick structure)를 가지게 되는 바 히트파이프를 직경 3mm 이하로 미세화하는 것을 가능하게 한다. 그러나 이러한 미세 히트파이프의 경우 상술한 바와 같이 종래의 스팀블로 공정에 의해 작동유체 충진이 불가능한 바, 진공펌프와 주사기를 이용한 방식이 제안되었다.

진공펌프와 주사기를 이용한 방식은 미세 히트파이프에 진공펌프를 연결하여 내부를 진공화시켜 진공의 흡입력에 의해 파이프 내부에 작동유체를 주입하고, 주사기를 이용하여 파이프 내부의 작동유체를 일정량만 남기고 빼낸 후, 액체 질소를 이용하여 남겨진 작동유체를 동결한다. 이 후 진공펌프를 이용하여 다시 파이프 내부를 진공화시키는 데, 이때 내부의 작동유체는 동결되어 있으므로 진공펌프의 흡입압에 딸려 나오지 않고, 파이프 내부의 공간만이 진공화된다. 이후 파이프의 개구를 밀봉하면 파이프 내부는 소정량의 작동유체가 충진된 진공상태가 된다.

그러나 이러한 방식은 주사기를 이용하여 주입된 작동유체의 일부만 남기고 빼내는 공정 및 냉각공정 등을 포함하여 공정이 복잡할 뿐만 아니라 주사기 바늘(needle) 의 구경을 고려할 때 작동유체를 적절량 남기는 것이 어려운 단점이 있다. 또한 진공펌프를 이용하여 동결된 작동유체만을 남기고 내부를 진공화시킬때 일부 손실이 발생할 가능성이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 직경이 작은 미세 히트파이프 내에 작동증기를 충진하면서 작동증기의 몰량을 컨트롤 하여 히트 파이프내 충진되는 작동유체의 충진량을 정밀하게 컨트롤할 수 있는 히트파이프의 작동 유체 충진량 컨트롤 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 목적은, 상단이 클로징되고 하단이 오픈된 히트파이프의 몸체 하단으로 내부에 작동증기를 수용한 압력용기가 소통가능하도록 연결되고, 상기 압력용기와 상기 히트파이프의 하단 사이를 개방하여 상기 압력용기로부터 작동증기를 히트파이프 몸체 내부로 인젝션 시키는 스팀인젝션 단계; 상기 히트파이프의 상단을 오픈시켜 상기 스팀인젝션 단계에서 주입된 작동증기와 히트파이프 내부의 에어가스로 형성된 혼합기체를 배출하는 블로단계; 상기 혼합기체의 배출이 완료되면 히트 파이프의 상단을 클로징하고 내부를 작동증기를 충진시키되, 압력용기로부터 공급되는 작동증기의 온도 및 압력을 제어하여 요구되는 몰량의 작동증기가 히트파이프 내부에 충진되도록 하는 작동증기제어충진단계;상기 작동증기제어충진단계에서 요구되는 몰량의 작동증기가 충진된 것으로 판단되면 상기 히트파이프의 몸체 하단을 클로징하여 밀봉하는 밀봉단계를 포함하는 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤방법에 의해 달성된다.

바람직하게는, 상기 작동증기제어충진단계의 작동증기의 온도 및 압력제어는, 상기 히트파이프에 연결되어 작동증기를 공급하는 압력공기의 가열원인 히팅코일의 발열량을 제어하여 온도 및 상기 온도와 상관성있게 변환하는 압력을 제어하여 이루어진다.

본 발명의 다른 목적은, 작동유체와 상기 작동유체가 기화되어 형성된 작동증기를 내부에 수용하고, 상기 작동증기가 외부로 소통가능하도록 개구가 형성되 며, 상기 개구측에 부착되어 상기 개구를 통한 작동증기의 소통을 개폐제어하는 제어밸브를 구비한 압력용기;상기 압력용기의 개구와 히트파이프의 몸체 내부를 작동증기가 소통가능하도록 연결하는 연결튜브; 상기 압력용기를 가열하는 히팅코일; 상기 히팅코일의 발열량을 제어하는 히팅제어부; 상기 압력용기 내부의 온도를 센싱하는 온도센서; 상기 압력용기 내부의 압력을 센싱하는 압력센서; 및 상기 온도센서 및 압력센서의 센싱값을 표시하는 표시부를 포함하되, 상기 히팅제어부를 통해 히팅코일의 발열량을 조절함으로써 변화하는 온도 및 압력을 상기 히팅부를 통해 제어하여 히트파이프내에 충진될 작동유체량이 조절가능한 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤장치에 의해 달성된다.

히트파이프는 내부의 작동유체의 증발 잠열을 이용하여 작은 온도차에서도 무동력으로 열을 전달한다. 따라서 히트파이프의 성능은 작동유체의 충진에 의해 크게 좌우된다. 즉, 정확한 작동유체의 주입, 작동유체의 충진량, 내부 진공도 및 작동유체와 히트파이프와의 화학적 반응성이 중요하다.

히트파이프 재질과 작동유체 간에 화학적 반응성이 있는 경우 일정한 진공도를 유지하면서 작동유체를 충진시킨 경우에도, 내부에서 작동유체가 순환하면서 히트파이프와 반응하여 불활성가스를 발생시키고 이러한 불활성가스는 작동유체의 순환을 방해하여 성능저하 및 수명저하의 원인이 된다. 따라서 히트파이프와 작동유체는 서로 화학적 반응성이 없는 소재로 매칭(matching)되는 것이 필요하다. 일반적으로 히트파이프가 동으로 제조되는 경우에 작동유체는 순수한 물이 사용되며, 알루미늄으로 제조되는 경우에는 작동유체는 아세톤이 사용된다.

한편, 작동유체 주입과 관련하여 본 발명은 직경이 3mm 이하의 히트파이프 내부에도 작동유체 주입이 가능하도록 스팀 인젝션(steam injection)을 사용한다. 따라서 작동증기가 압력차에 의해 히트파이프 내부로 이동하므로 직경이 3.0mm 이하로 미세한 경우에도 히트파이프내부에 작동증기를 주입하는 것이 가능하다.

한편, 본 발명은 유체는 기화될 경우 그 용적이 매우 크게 증가하고, 기체는 동일 온도 하에서 압력이 증가하면 밀도가 증가하며, 각기 다른 기체는 일반 조건하에서 서로 균일하게 혼합된다는 성질을 이용한다.

히트파이프 내부에 주입된 고온 고밀도의 작동증기는 히트파이프 내부의 에어가스 및 불활성가스와 균일하게 혼합됨으로 이러한 가스들을 포집한 상태로 외부로 배출되고, 히트파이프는 내부에 순순한 작동증기만이 충진되어 밀봉된다. 작동증기는 증기상태로는 히트파이프 내부를 가득 채우지만 냉각될 경우 부피가 크게 감소하고, 작동유체가 차지하는 공간 이외의 공간은 진공상태로 남게 된다. 따라서 히트파이프 내부를 진공화하는 것이 가능하게 되는 것이다.

또한, 본 발명은 동일한 기체는 압력, 온도 및 부피의 세 가지 값에 따라 일정하게 변화되고 두 가지 값에 따라 다른 한 가지 물리적 값이 종속되는 성질을 이용한다. 따라서 부피가 정해진 조건에서 온도를 적절히 제어하면 압력을 제어하는 것이 가능하다. 또한 압력, 온도 및 부피값이 결정되면 이상적인 상태에서는 상태방적식 PV=nRT 에 의해 충진 기체의 몰(mole)량을 결정하는 것이 가능하다. 이는 온도 제어를 통해 압력을 조절하면서 작동유체의 충진량을 정확히 조절할 수 있다는 것을 의미한다. 고온 상태의 증기가스는 이상기체에 유사한 특성을 가져 이상기 체 상태방정식을 따르지만, 상업적 대량생산 방식에서는 실험적으로 결정되는 보정값을 가질 수 있다. 이와 같이 실험적으로 결정되는 보정값은 설비의 특성에 의해 좌우되는 것이므로, 이하에서는 작동증기가 이상기체 상태방정식을 따른다는 것을 전제로 하여 설명한다.

상술한 바와 같이 히트파이프의 특성은 작동유체에 의해 크게 좌우된다. 예컨대 히트파이프 내에 충진되는 작동유체량을 따라 응답성이 향상되거나 열전도량이 향상되도록 제어할 수 있다. 따라서 작동유체량을 정밀하게 제어한다는 것은 사용목적에 따른 히트파이프의 제조를 가능하게 하는 것이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 3 은 본 발명에 따른 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤장치를 도시한 도면이고, 도 4 는 본 발명에 따른 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤방법을 순서대로 도시한 설명도이며, 도 5 는 본 발명에 따른 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤방법의 블록도이고, 도 6 은 도 5 의 작동증기제어충진단계의 블록도이며, 도 7 은 본 발명에 따른 압력용기의 작동증기 충진을 설명하기 위한 블록도이다.

도 3 을 참조하면, 본 발명에 따른 충진량 컨트롤장치는 압력용기(10, pressure vessel)와, 히팅코일(30, heating coil), 히팅제어부(60, heating controller), 온도센서(40), 압력센서(50) 및 표시부(45, 55)를 포함한다.

압력용기(10)는 작동유체와 작동유체가 기화되어 형성된 작동증기를 내부에 수용가능하다. 압력용기(10) 상단으로는 작동증기가 외부로 소통가능한 개구(12)가 형성된다. 그리고 개구(12)측에는 제어밸브(15)가 부착되어 개구(12)를 통한 작동 증기의 소통을 개폐제어할 수 있도록 구성된다. 압력용기(10) 내부에 수용되는 작동유체는 히트파이프(1) 내부에 충진되는 작동유체이다. 따라서 히트파이프가 동재질인 경우에는 물이 사용되고, 알루미늄 재질인 경우에는 아세톤이 사용된다.

또한, 압력용기(10)의 개구(12)에는, 개구(12)와 히트파이프(1)를 연결하여 압력용기(10) 내부에서 마련된 작동증기를 히트파이프(1) 몸체 내부로 주입가능하게 하는 연결튜브(20;connection tube)가 설치된다. 연결튜브(20)는 일반적인 필튜브(Fill tube)가 사용되며 실리콘 재질로 제조된다.

압력용기(10)는 히트파이프(1) 내부에 작동유체를 공급하게 됨으로, 압력용기(10) 내부에 수용되는 작동유체는 압력용기(10)와 화학적으로 반응하여 불활성 가스를 발생하지 않는 재질이 사용되며, 상업적으로 작동유체가 물 또는 아세톤인 것으로 고려할 때, 압력용기(10)는 스테인리스로 제조되는 것이 바람직하다.

히팅코일(30)은 압력용기(10)를 가열할 수 있도록 설치되며, 압력용기(10)에 일체로 설치되어 압력용기(10) 내부를 가열할 수 있도록 구성된다.

히팅제어부(60)는 히팅코일(30)에 공급되는 전력을 제어하는 히팅코일의 발열량을 제어한다. 일반적으로 히팅제어부(60)는 전력조절장치인 슬라이덕스(64,slidacs)와, 히팅코일의 공급전력을 표시하는 와트미터(62,watt meter)가 사용될 수 있다. 와트미터(62)의 표시값을 보면서 슬라이덕스(64)를 통한 공급전력을 조절하여 히팅코일(30)의 발열량을 제어하게 된다.

온도센서(40)는 압력용기(10) 내부의 온도를 센싱하여 이를 표시부(45)를 통해 표시하며, 압력센서(50)는 사이폰 튜브(sipon tube)를 통해 압력용기(10) 내부 와 연결되어 용기 내부 압력을 측정하고 이를 표시부(55)를 통해 표시한다.

본 발명에 의하면 압력용기(10)에서 히트파이프(1) 내부로 공급되는 작동증기의 온도 및 압력은 히팅코일(30)의 발열량에 의해 결정된다. 한정된 공간안에서 기체의 압력은 온도와 상관관계를 가지면 변화하게 됨으로, 히팅코일(30)의 발열량을 제어하면 압력용기(10)의 온도 및 압력을 제어하는 것이 가능하다. 본 발명에 의하면 히트파이프 내부에 충진되는 작동증기는 압력용기(10)로부터 공급됨으로 히트파이프 내부에 충진되는 작동증기의 온도 및 압력 제어를 통해 충진될 작동유체의 몰량을 컨트롤할 수 있다.

바람직하게는, 상기 온도센서 및 압력센서에 연결되어 센싱값을 입력받고, 히팅제어부(60)를 제어하여 히팅코일(30)의 발열량을 제어함으로써, 히트파이프(1) 내부에 요구되는 작동유체의 충진량에 따라 작동증기의 온도 및 압력을 제어되도록 하는 제어유닛(70)을 더 포함한다.

도 4 내지 도 7 을 참조하여, 본 발명 장치의 작용 및 본 발명에 따른 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤방법을 설명한다.

본 발명에 따른 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤방법은 스팀인젝션(steam injection)단계(S10)와, 블로(blow)단계(S20)와, 작동증기제어충진단계(S30)와, 밀봉단계(S40)를 포함한다.

본 발명에 따른 스팀인젝션단계(S10)는 히트파이프(1)의 몸체 내부로 작동증기를 주입하는 단계이다. 이를 위해 상단이 클로징되고 하단이 오프된 히트파이프(1)의 몸체 하단으로, 내부에 고온 고밀도의 작동증기를 수용하고 있는 압력용기 (10)가 연결된다. 압력용기(10)의 연결 후 이 압력용기(10)와 히트파이프(1)의 하단 사이를 개방하면(제어밸브(15) 개방동작) 압력차에 의해 압력용기(10) 내부의 작동증기가 히트파이프(1) 몸체 내부로 주입된다. 이때 주입되는 작동증기는 히트파이프(1) 내부에 있는 에어가스와 혼합되면서 혼합기체를 형성한다. 본 명세서에서 혼합기체은 작동증기와 에어가스가 섞여 혼합된 상태를 의미한다.

본 발명에 의하면, 스팀인젝션단계(S10)에서 공급되는 작동증기는 압력용기(10)에 의해 제공된다.

도 7을 참조하여 압력용기(10)에서 작동증기를 충진되는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저 압력용기(10) 내부에 작동유체가 주입된다(S110).

이어서, 혼합기체 충진단계(S120)가 수행된다. 개구(12)측의 제어밸브(15)를 클로징동작시켜 개구(12)를 통한 유체소통을 차단하여 압력용기(10) 내외부를 분리한다. 그리고 히팅제어부(60)를 컨트롤하여 히팅코일(30)에 전원을 공급하여 압력용기(10)를 가열한다. 이때 압력용기(10)는 오버히팅 온도로 가열된다. 예컨대 작동유체가 물인 경우에는 110℃~ 130℃ 정도로 가열된다. 작동유체가 가열되면, 작동유체가 기화되면서 압력용기(10) 내부는 점차로 작동증기에 의해 압력이 증가한다.

유체는 기화되는 경우 그 용적이 매우 크게 증가하고 기체는 동일 온도하에서 압력이 증가하면 밀도가 증가하게 됨으로, 압력용기(10) 내부는 용적이 매우 증가하면서 지속적으로 공급되는 작동증기에 의해 고온 고밀도 상태로 된다. 이때 기 체는 서로 균일하게 혼합되는 성질이 있으므로, 작동증기는 압력용기(10) 내부에 존재하는 에어가스 및 압력용기(10) 내의 불활성가스를 포집하여 균일하게 섞이면서 혼합기체상으로 고온 고밀도로 충진되게 되는 것이다.

이어서, 혼합기체배출단계(S130)로서, 압력용기(10) 상단의 제어밸브를 오픈동작시키면 압력용기(10) 내부의 혼합기체는 압력용기(10) 외부로 배출된다. 이때 압력용기(10) 내부는 오버히팅 상태이므로 작동유체로부터 작동증기가 지속적으로 공급되고, 개구 개방에 의해 압력용기(10) 내부의 압력이 낮아지기는 하나 여전히 외부에 비해 높은 상태이므로 내외부의 압력차에 의해 내부의 혼합기체는 배출되지만 외부의 에어가스는 유입되지 않는다.

이어서, 작동증기충진단계(S140)로서, 혼합기체의 배출이 완료된 것으로 판단되면, 압력용기(10) 상단의 제어밸브(15)를 클로징동작시켜 외부로의 유체소통을 차단한다. 따라서 압력용기(10)는 순수한 작동증기만으로 충진된다.그리고 이와 같이 충진된 작동증기는 스팀인젝션 단계에서 히트파이프 내부로 공급되게 된다.

다시 도 5를 참조하면, 스팀인젝션단계(S10)에 이어서, 히트파이프 상단을 오픈시켜 히트파이프 내부의 혼합기체를 배출하는 블로단계(S20)가 수행된다. 미세 히트파이프의 경우 내부의 용적이 작기 때문에 블로단계(S20)는 짧게 진행된다.

히팅파이프(1)의 오픈 및 클로징에 관해 살펴보면, 일반적으로 히트파이프(1)의 클로징은 핀치오프(pinch off)에 의한 쿨웰딩(cool welding)에 의해 이루어진다. 핀치오프에 의한 접합방법을 일반적으로 쿨웰딩이라고 부르는데, 집게를 이용하여 히트파이프(1)를 집으면 압력때문에 절곡되고, 절곡되는 부분에서 선접촉이 일어나면서 서로 달라붙는 현상을 의미한다. 가열이 아닌 상온상태의 가압에 의해서만 접합이 이루어지는 것이므로 일반적인 웰딩(welding)과 구분하여 쿨웰딩이라고 한다. 구리 또는 알루미늄 같이 연성이 풍부한 재질의 경우 핀치오프에 의한 쿨웰딩에 의해서도 클로징 즉, 유체소통이 차단되도록 신뢰성있게 접합된다. 물론, 본 발명에서 클로징은 다른 방식에 의해 구현가능하며 유체소통이 차단되도록 일단을 접합시키는 공정자체를 클로징이라고 지칭하고 있다. 한편, 핀치오프에 의해 클로징된 히트파이프(1)를 오픈시키는 경우에는 고속절단기를 이용하여 쿨웰딩면을 절단하거나 집게를 이용하여 절곡부위를 펴는 방법이 사용가능하다.

이어서, 작동증기제어충진단계(S30)로서, 블로단계(S20)를 통해 혼합기체의 배출이 완료된 것으로 판단되면 히트파이프의 상단을 클로징 하고 히트파이프 내부를 작동증기로 충진시키게 된다. 블로단계를 통해 히트파이프 내부의 에어가스는 배출된 상태이므로 히트파이프 내부에는 작동증기만이 충진된다.

이때 압력용기(10)로부터 공급되는 작동증기의 온도 및 압력은 압력용기(10)의 히팅코일(30)의 발열량에 의해 제어되면서 요규되는 몰량의 작동증기가 히트파이프내부에 충진되게 한다.

작동유체의 충진량을 결정하는 몰량은 온도 및 압력에 의해 결정될 수 있음은 상술한 바와 같다. 도 6을 참조하여 몰량을 컨트롤하는 과정을 살펴보면, 온도센서(40) 및 압력센서(50)의 센싱값을 이용하여 온도 및 압력을 체크한다(S32).

이어서, 체크된 온도 및 압력에 해당하는 작동증기의 현재 몰량이 요구되는 몰량과 일치하는 지 여부를 판단하고(S34), 요구되는 몰량과 일치하지 않는다면 온도 및 압력을 제어하여 요구되는 몰량에 해당하는 작동증기가 충진되도록 한다(S36). 즉, 압력용기(10)와 히트파이프(1)의 내부는 작동증기의 이동이 자유롭게 서로 소통되어 있는 상태여서 압력용기(10)와 히트파이트(1)의 내부는 동일한 온도 및 압력 상태에 있으므로 상술한 바와 같이, 히팅제어부(60)를 통해 히팅코일(30)의 발열량을 제어함으로써 온도 및 온도 변화에 따라 함께 변화하는 압력을 제어하는 것이 가능하고, 이에 따라 n=PV/RT 조건에서 P와 T를 동시적으로 제어함으로써 히트파이프(1) 내부에 충진되는 작동유체의 몰량를 조절하게 되는 것이다.

이어서 밀봉단계(S40)로서, 작동증기제어충진단계(S30)를 통해 요구되는 몰량에 해당하는 온도 및 압력의 작동증기가 히트파이프 내부에 충진되면, 히트파이프(1)의 몸체 하단이 클로징되어 밀봉된다.

히트파이프가 상온에서 식으면 작동증기는 부피가 감소된 상태로 작동유체화하고, 나머지 공간은 진공상태가 된다(S50).

따라서 본 발명에 의하면 히트파이프(1)에 충진되는 작동유체량 즉, 충진량을 정확히 컨트롤하면서 충진가능하고 이와 동시에 내부 진공화를 달성하게 되는 것이다.

도 8 는 본 발명의 작용을 나타내는 그래프도이다.

도 8 을 참조하면, 압력용기의 온도와 압력변수의 변화량에 따라 매우 미세하게 미세히트파이프 내부의 작동유체 주입량을 컨트롤할 수 있다는 것을 알 수 있다. 특히 본 발명을 미세 히트파이프의 작동유체 충진방법의 하나인 진공펌프와 주사기를 이용한 방식과 대비하면, 상기 방식에서는 제어되는 작동유체 충진량은 진공화단계 전의 용액 충진량이므로 진공펌프에 의해 진공화단계에서 일부 가변되어 정밀한 충진량 컨트롤이 곤란하였으나 본 발명에서는 실제 주입량을 직접적으로 컨트롤하게 됨으로 보다 정밀한 작동유체 충진량 컨트롤이 가능하다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 종래와 같이 각 히트파이프마다 일정량의 용액을 충진하고 다시 가열하여 탈기처리하거나 급속냉각후 재진공처리 등이 불필요하고 압력용기를 작동증기로 충진 후 연속적으로 히트파이프의 작동유체 충진이 가능함으로 연속생산성이 향상된다. 또한, 본 발명은 압력용기의 온도 및 압력 제어를 통해 히트파이프 내에 충진될 작동유체량을 정밀하게 컨트롤하는 것이 가능하다.

더구나, 본 발명은 스팀인젝션을 통해 압력차를 이용하여 작동증기가 히트파이프 내로 자연이송되도록 하므로써 미세 히트파이프의 작동유체 충진을 가능하게 한다.

Claims (9)

1. 상단이 클로징되고 하단이 오픈된 히트파이프의 몸체 하단으로 내부에 작동증기를 수용한 압력용기가 소통가능하도록 연결되고, 상기 압력용기와 상기 히트파이프의 하단 사이를 개방하여 상기 압력용기로부터 작동증기를 히트파이프 몸체 내부로 인젝션 시키는 스팀인젝션 단계;

   상기 히트파이프의 상단을 오픈시켜 상기 스팀인젝션 단계에서 주입된 작동증기와 히트파이프 내부의 에어가스로 형성된 혼합기체를 배출하는 블로단계;

   상기 혼합기체의 배출이 완료되면 히트 파이프의 상단을 클로징하고 내부를 작동증기를 충진시키되, 압력용기로부터 공급되는 작동증기의 온도 및 압력을 제어하여 요구되는 몰량의 작동증기가 히트파이프 내부에 충진되도록 하는 작동증기제어충진단계; 및

   상기 작동증기제어충진단계에서 요구되는 몰량의 작동증기가 충진된 것으로 판단되면 상기 히트파이프의 몸체 하단을 클로징하여 밀봉하는 밀봉단계를 포함하는 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 작동증기제어충진단계는

   상기 히트 파이프 내부에 작동증기를 충진하면서

   온도 및 압력을 체크하는 단계;

   상기 온도 및 압력에 해당하는 작동증기의 몰량이 요구되는 몰량과 일치하는지 여부를 판단하는 단계; 및

   요구되는 몰량이 주입되는 작동증기의 몰량과 일치하지 않는 경우, 요구되는 몰량에 해당하는 온도 및 압력으로 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 작동증기제어충진단계의 작동증기의 온도 및 압력제어는,

   상기 히트파이프에 연결되어 작동증기를 공급하는 압력용기의 가열원인 히팅코일의 발열량을 제어하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤 방법.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 스팀인젝션 단계에서 공급되는 작동증기는,

   상기 압력용기 내부에 작동유체를 주입하는 작동유체주입단계;

   상기 작동유체가 주입된 압력용기 상단을 클로징한 상태에서 가열하여 내부를 오버히팅시켜 상기 압력용기 내부를 에어가스 및 작동증기의 혼합기체로 충진하는 혼합기체충진단계;

   상기 압력용기 상단을 오픈시켜 상기 혼합기체충진단계에서 충진된 에어가스 및 작동증기의 혼합기체를 배출하는 혼합기체배출단계; 및

   상기 혼합기체의 배출이 완료되면 상기 압력용기 상단을 클로징하고, 상기 압력용기 내부를 작동증기로 충진하는 작동증기충진단계를 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤 방법.
5. 작동유체와 상기 작동유체가 기화되어 형성된 작동증기를 내부에 수용하고, 상기 작동증기가 외부로 소통가능하도록 개구가 형성되며, 상기 개구측에 부착되어 상기 개구를 통한 작동증기의 소통을 개폐제어하는 제어밸브를 구비한 압력용기;

   상기 압력용기의 개구와 히트파이프의 몸체 내부를 작동증기가 소통가능하도록 연결하는 연결튜브;

   상기 압력용기를 가열하는 히팅코일;

   상기 히팅코일의 발열량을 제어하는 히팅제어부;

   상기 압력용기 내부의 온도를 센싱하는 온도센서;

   상기 압력용기 내부의 압력을 센싱하는 압력센서;

   상기 온도센서 및 압력센서의 센싱값을 표시하는 표시부를 포함하되,

   상기 온도센서 및 압력센서의 감지값을 체킹하면서 상기 히팅제어부를 통해 히팅코일의 발열량을 조절하여, 상기 히트파이프에 공급되는 작동유체의 온도 및 압력을 제어함으로써 히트파이프내에 충진될 작동유체량이 조절가능한 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 압력용기는 작동유체와 화학반응이 없는 재질로 제작되는 것을 특징으 로 하는 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 압력용기는 스테인리스 재질로 제조되는 것을 특징으로 하는 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤 장치.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 히팅코일은 압력용기에 일체로 설치되는 것을 특징으로 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤 장치.
9. 제 5 항에 있어서,

   상기 온도센서 및 압력센서의 감지값을 입력받고, 기 설정된 히트파이프의 작동유체 충진량에 따른 온도 및 압력이 되도록 상기 히팅제어부를 컨트롤가능하게 하는 제어유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프의 작동유체 충진량 컨트롤 장치.

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