KR100758836B1 - 미세 구조식 열교환기 및 그 제조 방법 - Google Patents

미세 구조식 열교환기 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체 또는 가스가 관류하는 특히 금속 중공 섬유 구조(10)와 상기 중공 섬유 구조(10)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 매트릭스 바디(15)를 구비한 미세 구조식 열교환기(5)와 그 제조 방법에 관한 것이다. 상기 매트릭스 바디(15)는 흑연 바디, 특히 서로 가압된 흑연막에 의해 형성된다. 바람직한 실시예에서 매트릭스 바디(15)는 플레이트 형태로 형성되고, 냉각하고자 하는 부품(17)과 열전도식으로 연결된다. 제시된 방법은 우선 중공 섬유 구조(10)와 적어도 하나의 제 1 매트릭스 부분 바디(14) 및 적어도 하나의 제 2 매트릭스 부분 바디(14)를 제공하는 것을 제시하며, 상기 부분들 중 적어도 하나는 탄성 및/또는 소성 변형될 수 있고 양호하게 열전도된다. 그후, 중공 섬유 구조(10)와 매트릭스 부분 바디(14)가 가압되어 미세 구조식 열교환기(5)가 형성된다.
탄성 변형, 소성 변형, 금속 중공 섬유 구조, 매트릭스 바디, 미세 구조식 열교환기, 흑연막

Description

미세 구조식 열교환기 및 그 제조 방법{Microstructured heat exchanger and method for producing the same}
본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 미세 구조식 열교환기 및, 그러한 미세 구조식 열교환기 제조 방법에 관한 것이다.
지금까지 전자 부품의 냉각은 일반적으로 고체 열전도에 의해 하우징 또는 외부 히트 싱크(heat sink)를 통해 이루어졌다. 이때 방출 가능한 열량은 사용된 부품의 열전도성, 벽두께 및 특정 표면에 의해 제한된다. 수냉식 열교환기를 사용할 경우, 전자 부품의 냉각시에 열교환기가 상기 부품에 열결합되는 문제점이 발생한다. 또한 종래의 수냉식 열교환기는 통상적인 개념의 열교환기보다 분명 비용이 많이 든다.
금속 중공 섬유 구조의 모세관 내부 공간을 통과하는 소정의 유체 가이드를 구비한 미세 구조식 열교환기를 실시하기 위한 제 1 방법은 독일특허출원 DE 199 10 985.0호에 제시되어 있다.
본 발명의 과제는 한편으로는 냉각하고자 하는 부품에 양호하게 열결합될 수 있고 다른 한편으로는 양호하게 생산되는 미세 구조식 열교환기, 및 이를 위해 적합하고 간단한 제조 방법을 제공하는 것이다.
종래 기술에 반해, 본 발명에 따른 미세 구조식 열교환기 및 본 발명에 따른 방법은 간단한 방식으로, 많은 수의 작은 튜브들 또는 중공 섬유를 중공 섬유 구조 내부에 평행하게 접속하고, 그에 따라 형성된 넓은 열교환기 면을 기초로 높은 열량을 전달하거나 방출할 수 있는 장점이 있다. 또한 매트릭스 바디로서 흑연을 사용함으로써 특히 양호한 열결합 또는 본 발명에 따른 미세 구조식 열교환기의 양호한 열전도성이 얻어지는 것이 바람직하다. 또한, 사용된 중공 섬유 구조는 다수의 변형예 또는 구조로 제조될 수 있기 때문에, 개별적 경우에서 간단한 방식으로 각각의 과제에 맞게 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 제조 방법은, 제조 가능한 미세 구조식 열교환기에 대한 간단함과 다양성을 특징으로 한다. 또한 본 발명에 따른 방법은 흑연 및 다른 탄성 또는 가압을 통해 소성 변형 가능한 동시에 양호한 열전도성을 갖는 다른 재료에 적합하다.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예는 종속 청구항에 제시된다.
사용된 중공 섬유 구조는 특히, 금속 튜브들이 규칙적으로 배열될 때 바람직하며, 상기 튜브들은 가스 또는 유체가 통과될 수 있도록, 공동의 공급 라인 및 공동의 방출 라인에 연결된다.
매트릭스 바디로는 바람직하게는 팽창된 흑연으로 미리 제조되어 서로 압축된 흑연막으로 구성된 흑연 바디가 특히 바람직하며, 특히 금속 중공 섬유 구조는 압축시 상기 흑연막에 매립된다. 이때 구조화되지 않은, 즉 평평한 흑연막이 사용될 수 있으며 또한 압축 전에, 중공 섬유 구조의 튜브의 배열에 상응하게 네가티브 구조화된 흑연막이 사용될 수도 있다.
냉각하고자 하는 부품이 매트릭스 바디에 열결합하는 것과 관련해서, 상기 매트릭스 바디가 플레이트형으로 평면으로 형성되고 냉각 부품에 압축됨으로써 상기 부품과 열전도될 수 있도록 연결되는 것이 바람직하다. 상기의 압축은 사용된 흑연 바디의 탄성 또는 소성 변형 가능성으로 인해 특히 간단해질 수 있으며, 또한 냉각 부품이 평평하지 않은 것이 보상되고 이는 열결합을 부가적으로 개선시킨다. 열결합을 개선시키거나 또는 흑연 바디와 냉각하고자 하는 부품 사이의 열전도성을 개선시키기 위해 선택적 또는 부가적으로, 열전도성 페이스트, 예컨대 평면 흑연 바디 상에 제공된 전도층 형태의 페이스트가 사용될 수 있다.
본 발명은 도면 및 하기의 상세한 설명에 의해 더 자세히 설명된다.
도 1은 금속 중공 섬유 구조의 사시도.
도 2a는 중공 섬유 구조와 2 개의 흑연막과의 가압을 도시한 도면.
도 2b는 도 2a에 따라 가압한 후에 얻어진, 중공 섬유 구조가 통합된 매트릭스 바디를 도시한 도면.
도 3은 냉각 플레이트가 장착된, 플레이트 형태의 미세 구조식 열교환기의 사시도.
본 발명은 독일특허출원 DE 199 10 985.0호에 유사한 형태로 기술된 바와 같은, 금속 중공 섬유 구조(10)로부터 출발한다. 따라서, 제조 과정에 대한 세부 사항은 생략된다.
도 1은 독일특허출원 DE 199 10 985.0호에 따라 제조된 중공 섬유 구조(10)를 도시한다. 상기 구조는 서로 평행하게 배열된 다수의 금속 튜브(13)들을 포함하며, 상기 튜브들은 가스 또는 유체가 통과될 수 있도록 공동의 공급 라인(12) 및 공동의 방출 라인(11)에 연결된다. 상기 튜브(13)와 공급 라인(12) 또는 방출 라인(11)은 예를 들어 니켈로 구성된다. 중공 섬유 구조(10)의 튜브(13)의 벽두께는 도 1에 따라 100nm 와 50㎛ 사이, 특히 500nm 내지 5㎛ 이다. 도 1에 따른 중공 섬유 구조(10)의 튜브(13)의 평균 간격은 일반적으로 5㎛ 내지 10mm, 특히 20㎛ 내지 200㎛ 이다.
도 1에 따른 미세 구조로부터 미세 구조식 열교환기(5)를 제조하기 위해, 우선 미리 팽창된 흑연으로 구성된 2 개의 흑연막(14)이 제공되며 상기 막 사이에 중공 섬유 구조(10)가 배열된다. 이는 도 2a를 이용하여 설명된다.
여기서, 팽창된 흑연은 플록(flock) 형태의 흑연을 의미하고, 상기 흑연은 약 2 g/l 내지 200 g/l의 전형적 부피 밀도를 가지며 산에 침지된 흑연 플레이트, 소위 흑연염으로 형성되고, 이들은 1200℃의 고온에서 충격 방식으로 팽창된다.
상기 중공 섬유 구조(10)는, 튜브(13)가 막(14) 사이에 위치하는 한편 방출 라인(11)과 공급 라인(12)이 흑연막(14)으로 덮이지 않도록, 흑연막(14) 사이에 배치된다.
도 2a에 따라, 팽창된 흑연으로 구성되고 약간 압축된 2 개의 흑연막(14) 사이에 중공 섬유 구조(10)를 우선 배치한 다음 상기 양 흑연막(14)을 중공 섬유 구조(10)와 함께 압축하는 것이 도시된다. 상기와 같이 압축할 경우, 흑연막(14)의 탄성 및 소성 변형 가능성에 의해 부가적 결합제는 필요하지 않게 된다. 또한 사용된 흑연막(14)의 탄성은 튜브(13)가 흑연막(14)에 특히 양호하게 열결합할 수 있게 하므로, 흑연막(14)이 중공 섬유 구조(10)와 함께 압축된 후에 형성된 매트릭스 바디(15)로부터 열이 매우 효율적으로 공급되거나 방출될 수 있다. 압축 후에 생긴 플레이트 형태의 매트릭스 바디(15)는 도 2b에 도시된다.
도 2a에 따라 2 개의 평평한 흑연막을 압축하는 것에 대한 대안으로서, 상기 두 흑연막 중 적어도 하나는 압축 전에, 중공 섬유 구조(10)의 튜브(13)의 배열에 상응되게 네가티브 구조화될 수 있다. 상기와 같은 방법으로 적은 가압력으로도 압축을 할 수 있으며 가압으로 인해 중공 섬유 구조(10)에 발생할 수 있는 손상의 위험은 줄어든다. 상기 흑연막(14) 중 적어도 하나가 네가티브 구조화되는 것은 중공 섬유 구조(10)에 상응하는 압력 구조물 또는 스탬프를 이용한 엠보싱에 의해 실현될 수 있다.
본 제조 방법은 임의의 중공 섬유 구조(10)에 적절하고, 흑연과 더불어, 탄성 또는 소성 변형될 수 있고 또한 열교환기를 위한 충분히 양호한 열전도성을 가진 압축 전의 매트릭스 부분 바디와는 다른 매트릭스 바디 또는 막에도 적합하다.
그러한 점에서, 전술한 실시예에 따른 본 발명의 미세 구조식 열교환기(5)는 도 1에 따른 유체 가이드 또는 가스 가이드에 국한되지 않는다.
도 3은 제조된 매트릭스 바디(15)에 의해 냉각 플레이트(17) 형태인 냉각 부품이 어떻게 냉각되는지를 설명한다. 이를 위해, 냉각 플레이트(17)는 적절한 압축력으로 매트릭스 바디(15)와 함께 압축되며, 냉각 플레이트(17)는 매트릭스 바디(15)에 열결합된다. 양호한 열결합은 사용된 흑연의 탄성 및 열전도성에 의해 재차 얻어진다. 냉각 플레이트(17) 대신에, 트랜지스터 또는 집적 회로와 같은 전자 파워 소자가 제공될 수도 있으며 상기 소자의 전기 연결부는 바람직하게는 매트릭스 바디(15)로부터 먼 표면상에 위치된다. 또한 도 3에 따라 매트릭스 바디(15)와 냉각 플레이트(17) 사이의 열결합을 개선하기 위해, 열전도성 페이스트(16)로 구성된 층이 매트릭스 바디(15) 상에 제공될 수 있다. 그러나 상기와 같은 전도성 페이스트는 한편으로 열전도성이 흑연보다 작고 다른 한편으로 점성은 수배이므로 그 사용이 여러 경우에서 바람직하지 않으며, 따라서 상기 전도성 페이스트는 장시간 안정성 테스트에서 때때로 유출되는 경향이 있다.
상기 미세 구조식 열교환기(5)로부터 열을 공급하거나 또는 방출하기 위해서는 여러 개념이 적합하다. 따라서 유체 또는 공기와 같은 가스, 물 또는 냉각제를 사용함으로써 냉각이 이뤄질 수 있다. 이때 유체는 공급 라인(12)과 연결된 펌프에 의해, 가스는 공급 라인(12)과 연결된 팬에 의해 미세 구조식 열교환기(5)를 통해 안내된다.
또한 미세 구조식 열교환기(5)의 내부, 즉 매트릭스 바디(15)에 매립된 중공 섬유 구조(10)의 내부에서 유체를 증발시키는 것이 가능하므로, 미세 구조식 열교환기(5)에서의 냉각은 열 교환 튜브의 원리에 따라 실시된다.
상기의 경우 냉각제는 순전히 중력 또는 모세관 힘에 의해서 심지형 구조 내에서 순환될 수 있기 때문에 펌프를 사용하는 것은 필요하지 않으며, 상기 구조는 예를 들어 공급 라인(12)에 통합된다.
마찬가지로, 미세 구조식 열교환기(5)에 이미 통합된 열 교환 튜브를 통해, 생성된 응축물을 다시 반송하는 것도 제시된다.

Claims (12)

  1. 유체 또는 가스가 관류하는 적어도 하나의 중공 섬유 구조(10)와 적어도 상기 중공 섬유 구조(10)의 영역을 둘러싸는 적어도 하나의 매트릭스 바디(15)를 구비하고, 상기 매트릭스 바디(15)는 흑연 바디인 미세 구조식 열교환기로서,
    상기 매트릭스 바디(15)는 압축된 흑연으로 구성된 흑연 바디인 것을 특징으로 하는 미세 구조식 열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 중공 섬유 구조(10)는 적어도 하나의 공급 라인(12) 및 적어도 하나의 방출 라인(11)에 가스 또는 유체가 통과될 수 있도록 연결된 튜브(13)들의 균일한 배열인 것을 특징으로 하는 미세 구조식 열교환기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 매트릭스 바디(15)는 팽창된 흑연으로 제조되고 서로 압축된 흑연막(14)들로 구성된 흑연 바디인 것을 특징으로 하는 미세 구조식 열교환기.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 매트릭스 바디(15)는 서로 압축된 2 개의 흑연막(14)으로 구성된 흑연 바디이며, 상기 흑연막 중 적어도 하나는 압축 전에, 중공 섬유 구조(10)의 튜브(13)의 배열에 상응하게 네가티브 구조화되는 것을 특징으로 하는 미세 구조식 열교환기.
  5. 제 3 항에 있어서, 서로 압축된 상기 흑연막(14)은 탄성 및/또는 소성 변형될 수 있으며 250㎛ 내지 3mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 미세 구조식 열교환기.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 중공 섬유 구조(10)의 튜브(13)의 벽두께는 100nm 내지 50㎛인 것을 특징으로 하는 미세 구조식 열교환기.
  7. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 중공 섬유 구조(10)의 튜브(13)들의 평균 간격은 5㎛ 내지 10mm 인 것을 특징으로 하는 미세 구조식 열교환기.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매트릭스 바디(15)는 평면으로 형성되고 500㎛ 내지 5mm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 미세 구조식 열교환기.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매트릭스 바디(15)는 냉각 부품에 열전도 가능하게 접촉되는 것을 특징으로 하는 미세 구조식 열교환기.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매트릭스 바디(15)는 열전도성 페이스트(16)에 의해서 냉각 부품에 열전도 가능하게 접촉되는 것을 특징으로 하는 미세 구조식 열교환기.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 미세 구조식 열교환기 제조 방법에 있어서,
    a)중공 섬유 구조(10)를 제공하는 단계와,
    b)적어도 하나의 제 1 매트릭스 부분 바디(14)와 적어도 하나의 제 2 매트릭스 부분 바디(14)를 제공하는 단계와,
    c)상기 중공 섬유 구조(10)와 상기 제 1 및 제 2 매트릭스 부분 바디(14)를 압축하여 하나의 미세 구조식 열교환기(5)를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 바디 중 적어도 하나는 탄성 및/또는 소성 변형될 수 있으며 양호하게 열전도되는 것을 특징으로 하는 미세 구조식 열교환기 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 압축 시에 상기 제 1 및 제 2 매트릭스 부분 바디는 적어도 상기 중공 섬유 구조(10)의 영역을 둘러싸는 매트릭스 바디(15)로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 구조식 열교환기 제조 방법.
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