KR100606283B1 - 히트 파이프 유니트 및, 히트 파이프 유형의 열교환기 - Google Patents

Abstract

히트 파이프 유니트는, 탱크; 탱크와 교통하도록 탱크의 일측에 접합되어 그 위에 똑바로 서서 제공되는 복수개의 파이프로서, 상기 복수개의 파이프가 탱크에 접합되는 단부의 반대편 단부에서 폐쇄되는 복수개의 파이프; 탱크내에 시일되고 복수개의 파이프와 탱크 사이에서 움직일 수 있는 작동 유체; 및, 복수개의 파이프 위에 설치되어 그에 조립된 복수개의 핀;을 구비한다. 히트 파이프 유니트의 탱크는 금속의 베이스 블록내에 함입되어서 히트 파이프 유형의 열교환기를 제공한다. 복수개의 히트 파이프 유니트는 베이스 블록상에 열을 지어서 배치될 수 있다. 탱크는 원형 단면의 파이프로부터 바람직스럽게 형성되며 그것의 내측 표면상에 제공된 나선형의 홈을 가진다. 히트 파이프 유니트 및, 히트 파이프 유형의 열교환기는 구조에서 단순하고 냉각 성능에서 우수하며, 제조가 용이하다.

Description

히트 파이프 유니트 및, 히트 파이프 유형의 열교환기{Heat pipe unit and heat pipe type heat exchanger}

도 1 은 본 발명의 제 1 구현예에 따른 히트 파이프 유니트 및, 히트 파이프 유형의 열교환기에 대한 사시도이다.

도 2 는 도 1 에 도시된 바와 같은 본 발명의 히트 파이프 유니트를 부분적으로 절단된 측면도이다.

도 3 은 도 1 에 도시된 바와 같은 본 발명의 히트 파이프 유니트에 대하여 공기를 불어넣는 방향을 설명하는 도면이다.

도 4 는 본 발명의 제 2 구현예에 따른 히트 파이프 유니트를 부분적으로 절단한 측면도이다.

도 5 는 도 4 에 도시된 바와 같은 히트 파이프 유니트의 탱크 내측의 홈을 도시하는 확대도이다.

도 6 은 홈의 치수에서 변화가 이루어졌을때 얻어지는 열 저항의 변화를 나타내는 도면이다.

도 7a 및, 도 7b 는 원형 단면의 파이프가 탱크를 구성하도록 사용되는 경우에 베이스 블록과 탱크를 함께 고정하는 방법의 예를 나타내는 도면이다.

도 8 은 사각형 단면의 파이프가 탱크를 구성하도록 사용되는 경우에 베이스 블록과 탱크를 함께 고정하는 방법의 예를 도시하는 도면이다.

도 9 는 똑바로 선 가느다란 각 파이프를 강화하는 방법의 예를 나타내는 도면이다.

도 10 은 본 발명의 제 3 구현예에 따른 히트 파이프 유형의 열교환기의 측면도이다.

도 11 은 도 10 에 도시된 바와 같은 히트 파이프 유형의 열교환기의 배치를 나타내는 평면도이다.

도 12 는 본 발명의 제 3 구현예에 따른 히트 파이프 유형의 열교환기의 배치를 도시하는 평면도이다.

도 13 은 본 발명의 제 4 구현예에 따른 히트 파이프 유형의 열교환기의 측면도이다.

도 14 는 통상적인 히트 파이프 유형의 열교환기의 예에 대한 사시도이다.

도 15 는 통상적인 써모사이펀(thermosyphon) 유형의 열교환기의 구조적인 예를 도시하는 사시도이다.

< 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명 >

2. 탱크 3. 파이프

4. 핀(fin) 5. 발열성 반도체 장치

10. 히트 파이프 유니트 11. 열교환기

12. 히트 파이프 유니트

본 발명은 예를 들면 반도체 장치등을 냉각시키는데 사용되는 히트 파이프 유형의 열교환기에 관한 것이다.

히트 파이프 유형의 열교환기는 파워 트랜지스터 또는 자동차에 장착된 씨리스터(thyristor)와 같은 반도체 장치를 사용하는 제어 장치를 냉각시키는데 널리 사용된다.

도 14 에 도시된 바와 같이, 통상적인 히트 파이프 유형의 열 교환기(20)는 발열성의 동체로부터 열을 수용하는 열 수용 블록(21), 상기 열 수용 블록(21)내에소정의 간격으로 함입된 베이스 부분들을 가지는 복수개의 히트 파이프(13) 및, 베이스 부분으로부터 상부를 향하여 노출된 히트 파이프(13)의 부분에 순차적으로 조립된 중간 격판(18), 핀(fin, 24) 및, 안내부(17)로 이루어진다. 핀(24)들은 히트 파이프(13)로부터 열을 방산시키며, 중간 격판(18)은 씨리스터와 같은 반도체 장치(미도시)를 구비하는 케이싱과 외부를 분리하는 역할을 하는 반면에, 그러한 역할을 하는 동시에 안내부(17)와 함께 히트 파이프(13)를 서로 고정하는 역할을 한다. 열 수용 블록(21)과 핀(24)들은 구리, 알루미늄등과 같은 양호한 열 전도성을 가진 재료로부터 형성된다.

그러한 히트 파이프 유형의 열 교환기는 예를 들면 일본 특허 출원 무심사 공보 8-210789 (도 4)에 개시되어 있으며 가벼운 중량, 집약성, 낮은 관리비등과 같은 특징을 가진다.

최근에, 반도체 장치가 개발되어서 광범위한 용도로 사용되므로, 높은 가열값을 가지는 반도체 장치를 냉각시키는 것에 대한 필요성이 대두되었다. 열 교환기는 일반적으로 필요한 용량에 기초하여 사용되는데, 예를 들면 작은 용량에 대해서는 히트 싱크가, 중간 용량에 대해서는 히트 파이프가, 대용량에 대해서는 써모사이펀(thermosyphon) 유형의 열 교환기가 사용된다.

도 15 에 도시된 것은 써모사이펀 유형의 열교환기의 예이다. 도 15 는 써모사이펀 유형의 열 교환기(100)의 부분적인 분해 사시도인데, 구성부들이 분해된 것으로 도시되어 있다. 써모사이펀 유형의 열 교환기(100)는 대략 하나가 다른 것의 위에 배치된 2 개의 사각형 평행 육면체의 형상을 가지며 실질적으로 사각형인 콘덴서 부분(27), 콘덴서 부분(27) 아래에 배치된 실질적으로 직사각형인 평행육면체 탱크 부분(30) 및, 이중 화살표(A)로 표시된 바와 같은 전후 방향에서 전방으로 연장된 실질적으로 사각형인 평행사변형 전방 에이프론 부분(40)을 구비한다.

콘덴서 부분(27)은 격판(31), 핀(41)과 헤더(50)의 조합체, 격판(31), 프레임 동체(26) 및 격판(31)이 이러한 순서로 라미네이트되어 이중 화살표(A)로 표시된 전후 방향에서 함께 접합된 것으로 구성되며, 단부 플레이트(37)는 전방 단부에 접합된다. 콘덴서 부분(27)은 따라서 핀(41)들뿐만 아니라 프레임 동체(26)를 그 사이에 유지하는 2 개의 격판(31,31)과 프레임 동체(26)에 의해서 한정된 많은 직사각형 공간(26a)을 구비한다. 열 방산 작용을 증가시키도록, 핀(41)들은 2 개의 격벽(31,31) 사이에 유지된다. 더욱이, 상단부에는, 개스 상의 작동 유체가 그것을 통하여 유동하게 할 수 있는 복수개의 경로, 헤더(50)내에 제공된 복수개의 증기 경로(55)에 의해 한정된 복수개의 경로, 각 격판(31)내에 제공된 복수개의 증기 경로(35) 및, 복수개의 사각형 공간(26a)이 형성되어 있다.

탱크 부분(30)은 그 안에 격판(31), 탱크 부분(25), 격판(31), 프레임 동체(26) 및, 격판(31)이 상기 순서로 함께 전후 방향에서 접합된 것을 가짐으로써, 탱크 부분(25)내에 제공된 작동 유체 경로(38)는 각 격판(31)내에 제공된 대응 액체 경로(34)와 정렬되며, 플레이트(32)는 전방 단부에 접합된다. 탱크 부분(30)에는 따라서 복수개의 액체 수용부가 형성되어 있는데, 이것은 작동 유체를 액체의 상으로 수용하도록 부분적으로 상방향으로 개방되어 있다. 발열성 동체(미도시)는 탱크 부분(30)의 하부측에 연결된다.

전방 에이프론 부분(40)은 단부 부분(28)과 2 개의 코너 부분(22,23)으로 이루어지며 주로 써모사이펀 유형의 열교환기(100)를 부착시키는데 사용된다.

위에서 언급된 바와 같은 구성에 의하여, 대형의 열교환 부위는 냉각 성능을 향상시키도록 고정되었다 (일본 특허 출원 무심사 공보 제 2002-13467 호 (도 1)).

대용량의 써모사이펀 유형 열교환기는 성능에 있어서 현저하지만 도 15 에 도시된 바와 같이 구조상 복잡하며 따라서 비싸다. 써모사이펀 유형의 열교환기에 의해서 얻어지는 것과 같은 성능을, 써모사이펀 유형의 열교환기보다 구조상 단순한 통상의 히트 파이프 열교한기로써 보장하려면 많은 히트 파이프들이 필요한데, 이것은 결국 열교환기 크기, 제조의 곤란성등이 확대되므로 비용이 증가하는 결과를 낳는다.

본 발명은 그러한 사정하에서 만들어졌으며, 따라서, 본 발명의 목적은 구조상 단순하고 제조가 용이하며 집약적인 크기에 대하여 향상된 열효율을 가지는 히트 파이프 장치 및, 히트 파이프 유형의 열 교환기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 특징에 따르면, 탱크; 탱크와 교통하도록 탱크의 일측에 접합되고 그 위에 똑바로 서서 제공되는 복수개의 파이프로서, 복수개의 파이프들이 탱크에 접합된 단부에 반대편인 그것의 단부에서 폐쇄되어 있는 복수개의 파이프; 탱크안에 시일되고 복수개의 파이프와 탱크 사이에서 이동할 수 있는 작동 유체 및, 복수개의 파이프상에 각각 제공된 복수개의 핀을 구비하는 히트 파이프 유니트가 제공된다.

가느다란 파이프들을 서로 탱크와 일체로 그렇게 결합시킴으로써, 핀 측부상의 냉각 효율이 향상될 것이며 그에 의해서 전체적인 히트 파이프 열 교환기의 향상된 냉각 효율이 실현된다.

바람직스럽게는, 탱크는 원형 단면의 파이프를 구비하며 그것의 내측 표면상에 홈이 제공된다. 바람직스럽게는, 홈이 0.01 내지 0.5 mm 의 깊이를 가지며, 4 mm 또는 그 이하의 피치를 가진다.

탱크의 내부에 그렇게 홈을 제공함으로써, 열 전달 표면적이 넓어져서, 보다 낳은 열 교환 효율에 이르게 된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 탱크; 탱크와 교통하도록 탱크의 일 측에 접합되며 그 위에 똑바로 서서 제공되는 복수개의 파이프로서, 상기 복수개의 파이프 들이 탱크에 접합되는 단부의 반대편인 단부에서 폐쇄되는 복수개의 파이프; 탱크내에 시일되고 복수개의 파이프와 탱크 사이에서 이동할 수 있는 작동 유체; 그 안에 함입된 탱크를 가진 금속의 베이스 블록; 및, 복수개의 파이프상에 각각 제공된 복수개의 핀;을 구비하는 히트 파이프 유형의 열교환기가 제공된다.

바람직스럽게는, 탱크가 원형 단면의 파이프를 구비하며 그것의 내측 표면상에 홈이 제공된다. 바람직스럽게는, 홈이 0.01 내지 0.5 mm 의 깊이 및, 4 mm 또는 그 이하의 피치를 가진다.

그렇게 구성된 히트 파이프 유형의 열교환기로써, 반도체 장치에서 발생된 열은 우수한 열전도성을 가진 베이스 블록에 전달되고, 베이스 블록내에서 균일하게 분포되며, 복수개의 가느다란 파이프를 통하여 주위로 방산됨으로써, 히트 파이프 유형의 열 교환기의 작은 크기에 대하여 향상된 열 교환 성능을 구현하는 것이 가능하다.

특히, 넓은 단면적과 그 내측 표면상에 형성된 홈을 가진 파이프가 탱크를 구성하도록 사용될때, 작동 유체와 탱크 사이의 접촉 부위에서 증가가 이루어짐으로써, 탱크로부터의 보다 용이한 열전달 및, 열교환 성능의 향상이 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 복수개의 탱크; 탱크들중 대응하는 하나와 교통하도록 각각의 탱크들의 일측에 접합되어 그 위에 똑바로 제공된 복수개의 파이프로서, 복수개의 파이프들이 탱크들중 대응하는 하나와 접합되어 있는 단부에 반대편인 단부에서 폐쇄되어 있는 복수개의 파이프; 각 탱크내에 시일되고 그리고 복수개의 파이프와 탱크들중 대응하는 하나 사이에서 이동할 수 있는 작동 유체; 및, 복수개의 탱크들의 하나 또는 그 이상의 복수개의 파이프들중 적어도 일부상에 제공된 복수개의 핀;을 구비하는 히트 파이프 유형의 열교환기가 제공된다.

복수개의 히트 파이프 유니트를 베이스 블록내에 병렬로 함입시킴으로서, 열 교환 면적에서의 증가가 이루어지며, 그 외에도 그러한 구조에 의해서 필요한 냉각 성능을 향상시키는 것이 가능하게 된다. 히트 파이프를 위한 공간이 이용될 수 있는 한 많은 히트 파이프를 병치시키는 것이 대용량의 반도체 장치를 효과적으로 냉각시킬 수 있도록 하며, 따라서 안정적인 반도체 장치의 작동이 보장된다.

이러한 경우에서도, 바람직스럽게는 각 복수개의 탱크들이 원형 단면을 구비하며, 0.01 내지 0.5 mm 의 깊이와 4 mm 또는 그 이하의 피치를 내측 표면상에 가지는 홈이 제공된다. 이러한 방식으로, 탱크로부터의 보다 용이한 열전달 및, 열교환 성능의 향상이 가능하도록, 작동 유체와 탱크 사이의 접촉 부위에서의 증가가 이루어진다.

유익하게는, 복수개의 히트 파이프 유니트가 병렬로 배치되었을때, 복수개의 탱크의 복수개의 파이프는 상부에서 보아서 격자와 같은 형식 또는 엇갈리게 하는 방식으로 배치된다.

특히, 가느다란 파이프들을 상이한 위치에 가지고 가느다란 파이프들이 상부에서 보아서 엇갈린 배치를 형성하도록 배치된 히트 파이프 유니트를 2 개 또는 그 이상으로 채용하였을 때, 냉각 효율은 격자와 같은 배치를 형성하는 가느다란 파이프를 가진 것보다 더욱 향상될 것이다.

유익하게는, 탱크 또는 탱크들중 각각이 장착 하드웨어(mounting hardware)를 가진 베이스 블록에 고정된다.

히트 파이프 유형의 열교환기가 차량에 장착된 반도체 장치를 냉각하도록 사용될 수 있게 하여, 탱크 또는 탱크들이 장착 하드웨어로써 베이스 블록에 나사 결합되는 것이 바람직스럽다.

장착 하드웨어로써 탱크 또는 탱크들을 그렇게 베이스 블록에 고정시킴으로써, 차량의 주행중에 격렬한 진동을 견디는, 차량에 장착된 히트 파이프 유형의 열교환기가 얻어지게 된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 탱크; 탱크와 교통되도록 탱크의 일측에 접합되어 그 위에 똑바로 서서 제공된 복수개의 파이프로서, 복수개의 파이프가 탱크에 접합되는 단부의 반대편인 단부에서 폐쇄되는 복수개의 파이프; 탱크내에 시일되고 복수개의 파이프와 탱크 사이에서 이동 가능한 작동 유체; 탱크가 그 안에 함입된 금속의 베이스 블록; 및, 복수개의 파이프상에 각각 제공된 복수개의 핀을 구비하고, 베이스 블록이 수직으로 장착되었을때 복수개의 파이프들이 수평면에 대하여 5 내지 10°의 각도로 연장되도록 복수개의 파이프들이 베이스 블록에 대하여 각도가 형성되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 유형의 열교환기가 제공된다.

반도체 장치를 사용하는 제어 장치는 다양한 기계 및, 장치들을 위한 부속물로서 사용되며, 따라서 종종 제어 장치를 장착하는 방향에서뿐만 아니라 제어 장치를 장착하는 위치상에서도 제한이 있다. 결국, 히트 파이프 유형의 열교환기르 설치하도록, 탱크를 가지는 베이스 블록은 종종 수직으로 장착되어야 하며, 파이프들 은 바람직스럽게는 수평면에 대하여 5 내지 10°의 각도로 측방향으로 연장되어야 한다. 파이프의 경사는 파이프 안의 작동 유체가 탱크 안으로 흐르는 것을 용이하게 한다.

본 발명의 상기 목적과 다른 목적들은 첨부된 도면을 참조하여 다음의 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.

본 발명의 구현예들은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.

도 1 은 본 발명의 제 1 구현예에 따른 히트 파이프 유니트 및, 히트 파이프 유형의 열교환기에 대한 사시도이다.

본 구현예의 히트 파이프 유니트(10)는 원형 단면의 탱크(2), 탱크(2)와 교통되도록 탱크(2)상에 똑바로 서서 제공된 가늘거나 작은 직경인 복수개의 파이프(3) 및, 알루미늄 또는 구리와 같이 양호한 열전도성의 재료로부터 형성된 얇은 플레이트의 핀(4)으로서, 그 각각은 가느다란 파이프(3)상에 이격된 관계로 배치된 핀(4)을 구비한다. 각 핀(4)은, 예를 들면 버링(burring)을 통해서 소정의 위치에 각 핀 안에 미리 구멍을 제공하고, 그리고 핀(4)을 구멍에서 파이프(3)위에 프레스 피팅(press fitting)함으로써 가느다란 파이프(3)상에 제공될 수 있다. 이와는 달리, 각 파이프(3)는 핀(4)이 그것에 조립되는 위치에서 직경이 확대될 수 있다.

도 1 에 도시된 제 1 의 구현예에서, 가느다란 파이프(3)는 그 사이에 적절한 간격을 가지고 열을 지어 배치된다. 탱크(2)와 각 파이프(3)는 브레이징을 통하여 함께 접합되어 일체형의 내부 공간을 제공한다. 각 파이프와 탱크는 그들의 단 부에서 용접을 통하여 폐쇄되어, 물, (퍼)플루오로카본((per)fluorocarbon))등과 같은 작동 유체를 밀봉 시일한다.

더욱이, 본 구현예의 히트 파이프 유형의 열 교환기(11)에 있어서, 도 1 의 파선에 의하여 도시된 바와 같이, 탱크(2)는 베이스 블록(1)에 대하여 함입되어 납땜 또는 그와 유사한 것을 통하여 일체로 접합되는데, 베이스 블록은 양호한 열 전도성과 큰 열 용량을 가진 알루미늄, 구리 또는 그와 유사한 것과 같은 금속으로부터 형성된다. 결국, 베이스 블록(1)과 탱크(2) 사이의 열 전달은 매우 원활하게 이루어진다.

발열성 반도체 장치(5)는 탱크(2)가 베이스 블록(1)내에 매립된 표면의 반대편인 베이스 블록(1)의 표면에 부착된다.

그렇게 구성된 히트 파이프 유형의 열교환기(11)로써, 반도체 장치(5)에서 발생된 열은 탱크(2)로 들어가서 탱크(2)내의 작동 유체의 증발을 야기하도록 베이스 블록(1)으로 전달되어 그에 걸쳐서 분배된다. 열이 핀(4)으로 전달되어 대기로 방출되도록 증발된 작동 유체는 가느다란 파이프(3) 내측에서 상승한다. 가느다란 파이프(3)의 내측에서 상승되었던 작동 유체는 열을 방출한 이후에, 응축되어서 가느다란 파이프(3)의 내측에서 하강하여 탱크(2)로 복귀한다.

위에서 설명되었던 바와 같은 작동 유체의 순환은 반도체 장치(5)에서 발생된 열을 대기로 방출시켜서, 그에 의하여 반도체 장치(5)의 온도에서의 상승을 억제하고 반도체 장치(5)가 안정적으로 작동될 수 있게 한다.

상기 언급된 방식의 베이스 블록(1)의 사용은 열이 각각의 가느다란 파이프(3)로 전도될 수 있게 하여, 냉각 성능을 향상시킨다.

도 2 는 도 1 에 도시된 바와 같은 본 구현예의 히트 파이프 유형의 열 교환기(11)에 대한 부분적으로 절단된 측면도이다. 히트 파이프 유니트(10)의 탱크(2)는 그것의 높이(h)의 절반이 베이스 블록(1)에 함입되며, 가느다란 파이프(3)는 탱크(2)의 상부에서 소정의 간격으로 열을 이룬 배치로 똑바로 서 있다. 다수의 가느다란 핀(4)들이 가느다란 파이프(3)를 서로 연결하기 위하여 제공된다.

본 구현예에 있어서, 상기에서 언급된 바와 같은 탱크의 단면 형상은 원형이거나 또는 정사각형일 수 있다. 원형 단면의 탱크는 높은 강도를 가지고 용이하게 이용될 수 있으며, 유익하게는 비용을 절감시키게 된다. 정사각형 단면의 탱크는, 베이스 블록내에 함입되었을때, 향상된 냉각 효율을 실현시키도록 탱크와 베이스 블록 사이에서 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.

어느 경우에나, 탱크와 베이스 블록은 납땜 또는 그와 유사한 것을 통하여 함께 접합되는 것이 바람직스럽다. 이것은 빈틈없는 접합이 보다 낳은 열전도성과 향상된 냉각 효율에 이르게 하기 때문이다.

도 3 은 도 1 에 도시된 바와 같은 본 구현예의 히트 파이프 유형 열교환기에 대한 공기 송풍 방향을 도시하는 것이다. 공기를 핀(4)의 측방향으로부터 보내도록 팬이 사용될 수 있어서 냉각 효율을 더 향상시킬 수 있는 강제 냉각을 이룰 수 있다.

상기는 본 발명의 히트 파이프에 대한 기본 구조 및, 작동과 히트 파이프 유형 열교환기이다.

도 4 는 본 발명의 제 2 구현예에 따른 히트 파이프 유니트의 부분적으로 절단한 측면도이다. 제 2 구현예의 히트 파이프 유니트(12)는 도 2 에 도시된 제 1 구현예의 히트 파이프 유니트(10)와 상이한데, 이는 넓은 단면적을 가진 탱크(2)가 원형 단면 부위의 파이프를 구비하고, 열전달 표면적을 확대시키기 위하여 그리고 향상된 효율로써 열 교환을 수행하기 위하여 파이프에는 그것의 내표면상에 홈(8)이 제공되었다는 점에서 그러하다. 도 5 에 도시된 것은 탱크(2)의 내측 표면에 대한 확대도이다. 탱크(2)의 내측 표면에는, 나선 체이서(thread chaser)로써, 깊이가 d 이고, 폭이 w 이며, 피치가 p 인 나사 방식의 홈(8)이 형성된다. θ 는 탱크를 구성하는 파이프의 축에 대한 홈(8)의 경사를 나타낸다.

그러나 주목되어야 할 바로서, 비록 본 발명에서는 원형 단면의 파이프가 넓은 단면 부위를 가진 파이프로서 채용되고 그 내측 표면상에 형성된 나선의 홈(8)을 가질지라도, 정사각형 단면 또는 그와 유사한 것과 같이 원형 단면이 아닌 단면을 가지는 파이프가 사용될 수도 있다. 마찬가지로, 홈은 나선과 같은 것에 제한되지 않으며 열전달 표면의 면적을 증가시키는 목적에 적합하기만 하다면 파이프를 따라서 길이 방향으로 연장되는 직선의 홈과 같은 그 어떤 유형일 수도 있다. 그러나 효과의 관점에서는 나선형의 홈이 바람직스럽다. 더욱이, 홈은 넓은 단면적으로써 파이프 내측 표면의 전체 또는 일부에 걸쳐서 형성될 수 있다.

홈(8)의 최적 치수를 결정하도록, 홈(8)의 치수가 변화되고 열저항이 측정되었던 실험이 수행되었다. 즉, 22.22 mm 의 외측 직경과 1.2 mm 의 벽 두께를 가진 구리 파이프가 도 4 의 탱크(2)로서 채용되었으며, 12.7 mm 의 외측 직경과 1 mm 의 벽 두께를 가진 구리 파이프가 가느다란 파이프(3)로서 채용되었다. 수평 탱크(2)의 하부 절반은 70 mm 의 폭, 170 mm 의 길이 및, 20 mm 의 두께를 가진 알루미늄제의 베이스 블록(미도시)에 합입되어 납땜된다. 핀(미도시)은 알루미늄으로부터 형성되어 그것을 통하여 형성된 구멍을 가지며 가느다란 파이프(3)에 걸쳐서 가압 고정되었다. 탱크(2)의 내측 표면에는 표 1 에서 실험 번호 1 내지 8 과 11 에서 나타낸 바와 같이 깊이(d), 폭(w) 및, 피치(p)를 가지는 나선형 홈(8)이 형성되어 있다. 파이프의 길이 방향을 따라서 연장된 직선의 홈을 가지는 동일한 파이프가 또한 실험 번호 9 에서 사용되었다. 더욱이, 비교를 위해서, 홈이 형성되지 않은 동일한 파이프가 실험 번호 10 에서 사용되었다.

이들 열교환기 모델을 가지고, 모형 히터가 사용되어 370 W 의 열을 베이스 블록에 적용하여, 열저항(kelvin/watt: K/W)이 측정되었다. 물 냉각 재킷은 가느다란 파이프(3)에 부착되었으며, 베이스 블록에 가해진 얼마나 많은 열이 물 냉각 재킷으로 전달되었나 하는 것에 의해서 열저항이 측정되었다. 열저항이 낮을수록, 냉각 효율이 높아진다. 그 결과는 표 1 및, 도 6 에 모두 도시되어 있다.

실험 번호	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
홈유형	나선	나선	나선	나선	나선	나선	나선	나선	길이방향으로 직선	홈없음	나선
홈형상	삼각형	삼각형	삼각형	삼각형	삼각형	삼각형	삼각형	삼각형	부등변 4각형	-	삼각형
피치p (mm)	1.5	2.5	4	4	4	8	8	8	1.2	-	1
깊이d (mm)	0.09	0.09	0.59	0.34	0.09	0.59	0.34	0.09	0.36	-	0.09
폭w (mm)	0.18	0.18	1.18	0.68	0.18	1.18	0.68	0.18	0.84	-	0.18
각도 (°)	85.67	82.81	78.59	78.59	78.59	68.02	68.02	21.98	-	-	85.67
열저항 (K/W)	0.0646	0.0654	0.0692	0.0695	0.0697	0.0743	0.0743	0.0746	0.0778	0.0908	0.0646

표 1 및, 도 6 의 결과로부터 명백한 바로서, 파이프의 내부에 나선형 홈이 제공되었던 실험 번호 1 내지 8 과, 파이프에 길이 방향으로 연장된 직선의 홈이 제공되었던 실험 번호 9 는, 파이프에 홈이 제공되지 않았던 실험 번호 10 에 비교하여 낮은 열 저항을 나타내었다. 홈들이 나선형이고 4 mm 또는 그 이하의 피치를 가졌을 때 효과는 특히 현저하였다 (실험 번호 1 내지 5 와 11 참조). 따라서 넓은 단면적을 가진 파이프가 그것의 내측 표면상에 나선형의 홈 또는 길이 방향으로 연장된 직선의 홈을 가지는 경우에, 홈이 없는 경우에 비하여 향상된 냉각 효과가 구현된다는 점은 명백하다. 홈의 깊이와 폭은 냉각 성능에 적은 영향을 미치는 것으로 나타났다. 홈이 깊을수록, 절삭력이 커지며, 따라서 이와 관련하여 얕은 홈이 유리하다. 홈의 깊이와 폭은 사용되어야 하는 파이프의 벽 두께에 의한 제한을 받는다. 홈의 단면은 삼각형의 형상에 제한되지 않으며 부등변 사각형, 원형, 다각형, 정사각형 또는 그와 유사한 그 어떤 형상일 수 있지만, 삼각형 단면의 홈은 공통적인 나선 체이서(thread chaser)로 유리하게 형성될 수 있다.

다른 구현예에서, 넓은 단면적을 가진 파이프의 내측 표면상에 형성된 홈 대신에, 또는 그러한 홈과 함께, 구리 또는 그와 유사한 금속의 메쉬가 동일한 효과 또는 장점을 얻도록 파이프 안으로 삽입될 수 있다.

더욱이, 넓은 단면적을 가진 파이프 뿐만 아니라, 가느다란 파이프(3)에도 열교환 표면의 면적을 확대하도록 위에 설명된 바와 같은 금속의 메쉬 및/또는 홈이 내부에 제공될 수 있다.

히트 파이프 유형의 열교환기가 차량에 장착된 반도체 제어 장치를 냉각시키는데 많은 용도를 가질 것이라는 점을 고려하여, 탱크는 장착용 하드웨어를 가지고 베이스 블록에 고정되는 것이 바람직스럽다.

마찬가지로, 동일한 이유로써, 가느다란 파이프는 장착용 하드웨어로써 베이스 블록에 고정되는 것이 바람직스럽다.

탱크와 가느다란 파이프들이 장착용 하드웨어로써 그렇게 베이스 블록에 고정되었다면, 차량의 주행 동안에 격렬한 진동을 견딜 수 있는, 차량에 장착된 히트 파이프 유형의 열교환기가 제공될 것이다.

도 7 은 탱크(2)를 베이스 블록(1)에 고정시키는 방법에 대한 예를 나타내며, 여기에서 탱크(2)는 원형의 단면을 가진 파이프로 구성되었다.

도 7a 에 도시된 바와 같이, 원형 단면의 탱크가 사용되었을 때, 강도를 증가시키기 위하여 U 자 형상의 장착 부분(14)과 나사(16)들이 사용되어 탱크(2)를 베이스 블록(1)에 나사 고정시키는 것이 바람직스럽다. 더욱이, 도 7b 에 도시된 바와 같이, 플레이트와 같은 장착 부분(15)과 나사(16)는 탱크(2)를 베이스 블록(1)에 나사 결합시켜서 고정시키도록 사용될 수도 있다.

도 8 은 탱크를 베이스 블록에 고정시키는 방법의 예를 도시하는데, 탱크는 정사각형 단면의 파이프로 구성된다. 정사각형 단면의 파이프가 탱크를 구성하도록 사용되는 경우에, 도 8 에 도시된 바와 같이 탱크(2)가 그것의 측부 상부까지 베이스 블록(1)의 안에 함입된다면 탱크(2)와 베이스 블록(1) 사이의 최대 접촉 면적이 얻어질 것이다.

마찬가지로, 정사각형 단면의 탱크가 사용되는 경우에, 도 8 에 도시된 바와 같이, 플레이트와 같은 장착 부분(15)과 나사(16)는 강도를 증가시키도록 탱크(2)를 베이스 블록(1)에 나사 결합시키도록 사용되는 것이 바람직스럽다.

탱크는 압출에 의해 생산된 파이프로부터 형성될 수 있거나 또는 함께 용접된 플레이트로부터 형성될 수 있다.

어떠한 경우에 있어서도, 베이스 블록(1)과 탱크(2)는 열전도성의 관점으로부터 그들의 접합부를 통해 함께 빈틈없이 접합되는 것이 바람직스럽다.

더욱이, 똑바로 서 있는 각 파이프는 장착용 하드웨어 또는 그와 유사한 것으로써 그것의 상부 부분에서 강화되는 것이 안전성의 관점으로부터 바람직스럽다. 하드웨어를 장착하는 예는 도 9 에 도시된 바와 같이 U 자 형상의 장착 부분(7)을 구비한다. 도 9 에 도시된 바와 같이, 탱크(2)와 가느다란 파이프(3)가 장착용 하드웨어(14,7)를 사용하여 베이스 블록(1)에 나사 결합된다면, 격렬한 진동을 견딜 수 있을 정도의 충분한 강도가 얻어질 것이다.

본 발명의 제 3 구현예에 따른 히트 파이프 유형의 열교환기는 금속 베이스 블록과 복수개의 히트 파이프 유니트를 구비하며, 히트 파이프 유니트의 탱크(2)는 베이스 블록내에 열(row)을 지어서 함입된다. 그러한 히트 파이프 유형의 열교환기로써, 베이스 블록을 위한 공간이 보장되는한, 히트 파이프 유니트의 그 어떤 수라도 반도체 장치에서 발생된 열에 따라 선택될 수 있어서, 대용량 반도체 장치를 처리하는 것이 가능해진다.

히트 파이프 유형의 열교환기의 예가 도 10 및, 도 11 에 도시되어 있는데, 여기에서 복수개의 히트 파이프 유니트(22)는 금속 베이스 블록(1) 안에 열을 지어 함입된다. 도 10 은 측면도이고 도 11 은 배치를 나타내는 평면도이다. 이러한 예에 있어서, 4 개의 히트 파이프 유니트(22)는 열을 지어 배치되어 베이스 블록(1)의 안에 함입되어 있다. 그 사이에 간격을 두고 길이 방향으로 분할되어 있는 2 개 세트의 핀(4)은 2 개의 이웃하는 히트 파이프 유니트의 가느다란 파이프(3)위에 설치된다. 본 구현예에 있어서, 가느다란 파이프(3)는 평면상에 보았을 때 전체적으로 웹(web)과 같은 방식으로 배치된다. 그렇게 배치된 히트 파이프 유형의 열교환기는 이후에 설명되는 엇갈림 방식으로 배치된 가느다란 파이프의 열교환기보다 제조가 용이하여 유리하다.

본 발명의 제 4 구현예에 따른 히트 파이프 유형의 열 교환기(42)는 도 12 에 평면도로 도시되어 있다. 이것은 복수개의 히트 파이프 유니트를 구비하는 히트 파이프 유형의 열교환기에 대한 다른 예이다. 이러한 히트 파이프 유형의 열교환기(42)에 있어서, 5 개의 히트 파이프 유니트가 사용되는데, 그들의 탱크(2)는 평행하게 배치되고 균일하게 이격되어 있다.

본 구현예에 있어서, 각 히트 파이프 유니트의 탱크(2)상에 소정의 간격으로 서 있는 가느다란 파이프(3)는, 평면도에서 보았을 때, 엇갈리는 방식으로 배치되어 있다. 가느다란 파이프(3)가 평면도에서 엇갈리는 방식으로 배치되었다면, 향상된 냉각 효율이 난류 유동의 효과에 기인하여 실현될 수 있다. 도 12 에 도시된 이러한 예에서 핀(4)들이 모든 가느다란 파이프(3)상에 장착되었을지라도, 이들은 몇 개의 블록으로 분할될 수 있고 관련된 파이프(3)상에 장착될 수 있다.

본 발명의 제 5 구현예는 히트 파이프 유형의 열교환기가 수직으로 장착될 수 있게 하며 도 13 에 도시되어 있다.

예를 들면, 차량에 장착된 반도체 제어 장치를 가지고, 히트 파이프 유형의 열교환기의 장착 위치가 제한되고 그리고 열교환기가 수직으로 연장된 제한된 공간내에서 수직으로 설치되어야 하는 경우가 있다. 그러한 경우에, 그에 접합된 반도체 장치(5)를 가진 베이스 블록(1)은 도 13 에 도시된 바와 같이 실질적으로 수직으로 장착되고, 복수개의 탱크(2)는 수평 방향으로 연장되도록 베이스 블록(1)내에 함입된다. 각각의 가느다란 파이프(3)는 수평면에 대하여 θ°각도로 대응하는 히트 파이프 유니트에 접합된다. 그렇게 구성된 히트 파이프 유형의 열교환기(43)는 제한된 공간내에서 수직으로 설치될 수 있다. 각각의 가느다란 파이프(3)가 수평면에 대하여 θ°로 경사지는 이유는, 각각의 가느다란 파이프(3) 안의 응축된 액체 작동 유체가 대응하는 탱크(2)로 복귀하는 것을 용이하게 하기 위한 것이다. 각도(θ)는 5 내지 10 °의 범위내에 있는 것이 바람직스러우며, 보다 바람직스럽게는 약 7°이다.

본 발명의 히트 파이프 유니트에서, 복수개의 가느다란 파이프들은 그들의 베이스에서 탱크와 함께 서로 결합되어서 각 히트 파이프는 열의 방산에 고르게 참여한다. 더욱이, 본 발명의 히트 파이프 유형의 열교환기는 열의 방산이 더욱 가속화되도록 히트 파이프 유니트의 탱크 부분이 커다란 열용량의 베이스 블록 안에 함입된 구조를 가진다.

본 발명의 히트 파이프 유니트 및, 히트 파이프 유형의 열교환기는 구조에 있어서 단순하며 제조가 용이하고 그것의 집약적인 크기에 대하여 높은 열효율을 가진다.

본 발명의 히트 파이프 유니트는 구조상 단순하고 제조가 용이하며, 양호한 열효율을 가진다. 더욱이, 필요로 하는 히트 파이프 유니트의 수를 증가시킴으로써, 커다란 가열값의 반도체 장치를 냉각시키는데 적합한 히트 파이프 유형의 열교환기가 구성될 수 있다.

발명을 충분히 설명하였지만, 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자들에게는 첨부된 청구 범위에 설명된 발명의 범위와 사상으로부터 이탈함이 없이 많은 변화와 변형이 이루어질 수 있다는 점이 명백할 것이다.

Claims (17)

1. 원형 단면을 가진 파이프를 구비하며 내측 표면상에 홈이 제공된 탱크;

   상기 탱크와 교통하도록 상기 탱크의 일측에 접합되어 그 위에 똑바로 서서 제공된 복수개의 파이프로서, 상기 복수개의 파이프가 상기 탱크에 접합된 단부의 반대편에서 단부가 폐쇄되어 있는 복수개의 파이프;

   상기 탱크내에 시일되고 상기 복수개의 파이프와 상기 탱크 사이에서 움직일 수 있는 작동 유체; 및,

   상기 복수개의 파이프상에 각각 제공된 복수개의 핀;을 구비하는 히트 파이프 유니트.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 탱크는 상기 복수개의 파이프의 단면적보다 넓은 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 유니트.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 홈은 0.01 내지 0.5 mm 의 깊이와 4 mm 또는 그 이하의 피치를 가지는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 유니트.
5. 원형 단면을 가진 파이프를 구비하며 내측 표면상에 홈이 제공된 탱크;

   상기 탱크와 교통하도록 상기 탱크의 일측에 접합되어 그 위에 똑바로 서서 제공되는 복수개의 파이프로서, 상기 복수개의 파이프가 상기 탱크에 접합된 단부의 반대편에서 그 단부가 폐쇄된 복수개의 파이프;

   상기 탱크내에 시일되고 상기 복수개의 파이프와 상기 탱크 사이에서 움직일 수 있는 작동 유체;

   상기 탱크가 그 안에 함입되어 있는 금속의 베이스 블록; 및,

   상기 복수개의 파이프상에 각각 제공된 복수개의 핀;을 구비하는 히트 파이프 유형의 열교환기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 탱크는 상기 복수개의 파이프의 단면적보다 넓은 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 유형의 열 교환기.
7. 삭제
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 홈은 0.01 내지 0.5 mm 의 깊이와 4 mm 또는 그 이하의 피치를 가지는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 유형의 열교환기.
9. 복수개의 탱크;

   상기 탱크들의 대응하는 하나와 교통하도록 상기 각 탱크의 일측에 접합되어 그 위에 똑바로 서서 제공된 복수개의 파이프로서, 상기 복수개의 파이프가 상기 탱크들중 대응하는 하나에 접합된 단부의 반대편인 그 단부에서 폐쇄된 복수개의 파이프;

   상기 각 탱크내에 시일되고 상기 복수개의 파이프와 상기 탱크들중 대응하는 하나 사이에서 움직일 수 있는 작동 유체;

   상기 복수개의 탱크가 그 안에 함입된 금속의 베이스 블록; 및,

   상기 복수개의 탱크들중 하나 또는 그 이상의 상기 복수개의 파이프들중 적어도 일부상에 제공된 복수개의 핀;을 구비하는 히트 파이프 유형의 열교환기.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 복수개의 탱크들중 각각은 원형 단면의 파이프를 구비하며 그것의 내표면상에 홈이 제공된 것을 특징으로 하는 히트 파이프 유형의 열교환기.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 홈은 0.01 내지 0.5 mm 의 깊이와 4 mm 또는 그 이하의 피치를 가지는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 유형의 열교환기.
12. 제 9 항에 있어서,

    상기 복수개의 탱크들중 하나 또는 그 이상의 상기 복수개의 파이프들은 평면상에서 격자와 같은 방식으로 또는 엇갈림 방식으로 배치되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 유형의 열교환기.
13. 제 5 항에 있어서,

    상기 탱크는 장착용 하드웨어로써 상기 베이스 블록에 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 유형의 열교환기.
14. 제 9 항에 있어서,

    상기 각각의 탱크는 장착용 하드웨어로써 상기 베이스 블록에 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 유형의 열교환기.
15. 원형의 단면을 가지며 내측 표면상에 홈을 가지는 탱크;

    상기 탱크와 교통하도록 상기 탱크에 접합되고 그 위에 똑바로 서서 제공되는 복수개의 파이프로서, 상기 복수개의 파이프들이 상기 탱크에 접합되는 단부의 반대편인 단부에서 폐쇄되는 복수개의 파이프;

    상기 탱크내에서 시일되고 상기 복수개의 파이프와 상기 탱크 사이에서 움직일 수 있는 작동 유체;

    상기 탱크가 그 안에 함입된 금속의 베이스 블록; 및,

    상기 복수개의 파이프상에 제공된 복수개의 핀;을 구비하고,

    상기 베이스 블록이 수직으로 장착되었을 때 상기 복수개의 파이프가 수평면에 대하여 5 내지 10 °의 각도로 연장되도록, 상기 복수개의 파이프가 상기 베이스 블록에 대하여 각도가 형성된 것을 특징으로 하는 히트 파이프 유형의 열교환기.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 탱크는 상기 복수개의 파이프의 단면적보다 넓은 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 유형의 열교환기.
17. 삭제

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