KR100780838B1

KR100780838B1 - 열 스위치

Info

Publication number: KR100780838B1
Application number: KR1020060077332A
Authority: KR
Inventors: 이선규; 정수헌; 문희곤; 나카야마 와타루
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2006-08-16
Filing date: 2006-08-16
Publication date: 2007-11-30
Also published as: WO2008020668A1

Abstract

본 발명은 열 스위치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 고온부와 저온부 사이에서 열전달을 수행하는 열전달 유체의 움직임을 팽창체의 팽창 또는 수축을 이용하여 제어함으로써 두 물체 사이의 열전달을 제어하도록 하는 열 스위치에 관한 것이다.

본 발명은, 히트 소스와 히트 싱크 사이의 열 전달을 제어하는 열 스위치에 있어서, 메인 패널(102); 상기 메인 패널(102)의 상부면과 하부면을 관통하여 형성된 터널(104); 상기 메인 패널(102)의 상부면에 구비되며 상기 터널(104)의 상부 일단과 연결되는 공기 배출홈(106); 및 상기 터널(104)의 하부에 위치하며 열전달 유체(112)를 내장하는 유체 저장홈(108)을 포함하여, 상기 열전달 유체(112)의 상기 터널(104)에서의 높이를 조절하여 상기 히트 소스와 상기 히트 싱크 사이의 열 전달을 제어하는 것을 특징으로 하는 열 스위치를 제공한다.

열 스위치, 열전달, 가열, 냉각, 히트 소스, 히트 싱크, 접촉각

Description

열 스위치{Thermal Switch}

도 1a와 도 1b는 종래 열 스위치의 일례를 도시한 것으로서, 도 1a는 OFF된 상태를 나타내고 도 1b는 ON된 상태를 나타내는 도면,

도 2a와 도 2b는 종래 열 스위치의 또 다른 일례를 도시한 것으로서, 도 2a는 OFF된 상태를 나타내고 도 2b는 ON된 상태를 나타내는 도면,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 스위치의 사시도,

도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 스위치의 OFF된 상태의 단면도,

도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 스위치의 ON된 상태의 단면도,

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 스위치에 있어서 터널과 공기 배출홈의 연결 상태를 도시한 사시도,

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 스위치에 있어서 터널 내부에서의 열전달 유체의 이동 상태에 따른 접촉각의 변화를 도시한 도면,

도 7은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 열 스위치에 있어서 다수의 터널을 구비하는 열 스위치의 구성을 도시한 사시도,

도 8은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 열 스위치의 제어 방법을 도 시한 도면,

도 9는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 열 스위치의 단면도,

도 10은 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 따른 열 스위치의 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 종래 열 스위치 12: 제 1 전도판

14 : 스페이서 16 : 제 2 전도판

18 : 컨택트 패드 20 : 유체 방울

100 : 열 스위치 102 : 메인 패널

104 : 터널 106 : 공기 배출홈

108 : 유체 저장홈 110 : 팽창체

112 : 열전달 유체 114 : 팽창용 유체

116 : 팽창 조절부 118 : 실링재

120 : 제 1 패널 122 : 제 2 패널

130 : 상변화 물질 132 : 단열재

140 : 열전달 유체 조절부

본 발명은 열 스위치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 고온부와 저온부 사 이에서 열전달을 수행하는 열전달 유체의 움직임을 팽창체의 팽창 또는 수축을 이용하여 제어함으로써 두 물체 사이의 열전달을 제어하도록 하는 열 스위치에 관한 것이다.

열 스위치는 고온부와 저온부 사이에서 온도 제어를 목적으로 사용되는 것으로서, 사용 조건에 따라 고온부와 저온부를 연결 또는 연결 해제하여 고온부의 열이 저온부로 전달되는 것을 제어하는 기능을 한다.

종래의 열 스위치로서 미국 특허공개공보 제2006/0066434호(2006. 3. 30. 공개)에는 유체 방울을 이용하여 고온부와 저온부의 열 전달을 제어하도록 하는 기술이 개시되어 있다.

도 1a와 도 1b는 종래 열 스위치의 일례를 도시한 것으로서, 도 1a는 OFF된 상태를 나타내고 도 1b는 ON된 상태를 나타낸다.

종래 열 스위치(10)는 제 1 전도판(12) 및 제 2 전도판(16)과, 이들의 간격을 유지하는 스페이서(14)를 포함한다. 제 1 전도판(12)에는 컨택트 패드(18)가 구비되고 컨택트 패드(18)의 상부에는 유체 방울(20)이 구비된다. 유체 방울(20)과 컨택트 패드(18)와의 표면 장력에 의해 유체 방울(20)은 컨택트 패드(18)에 접하게 된다.

여기서 제 2 전도판(16)은 유연한 재질로 이루어지도록 하여 굴곡 가능하도록 구성한다. 제 1 전도판(12)에 부착된 제 1 전극(22a)과 제 2 전도판(16)에 구비된 제 2 전극(22b)에 전원을 공급하여 제 1 전극(22a)과 제 2 전극(22b)에 상호 인력이 작용하도록 함으로써 제 2 전도판(16)의 하부면이 유체 방울(18)에 접하도록 하여 열 스위치를 ON 시킨다. 도 1b는 이러한 상태를 나타낸 것이다. 이로써 제 1 전도판(12)과 제 2 전도판(16)이 열적으로 연결되게 된다. 한편, 제 2 전도판(16)의 굴곡을 위해서는 상술한 전극(22a, 22b)의 구성과는 다른 방식으로, 제 2 전도판(16)에 압전 소자(Piezoelectric Element)를 구비하도록 하는 구성을 취할 수도 있다.

도 2a와 도 2b는 종래 열 스위치의 또 다른 일례를 도시한 것으로서, 도 2a는 OFF된 상태를 나타내고 도 2b는 ON된 상태를 나타낸다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 열 스위치(10)는 제 1 전도판(12)과 제 2 전도판(16)을 구비하고, 제 1 전도판(12)의 상부에 컨택트 패드(18)와 유체 방울(20)이 구비되도록 한다. 도 1a 및 도 1b에 있어서는 제 2 전도판(16)을 유연한 재료로 구성함으로서 제 2 전도판(16)이 유체 방울(20)에 접하도록 하였으나, 도 2a 및 도 2b에 있어서는 제 2 전도판(16)을 상하 이동시킴으로써 제 2 전도판(16)이 유체 방울(20)에 접하도록 하였다.

이러한 종래 열 스위치의 경우에는 제 1 전도판과 제 2 전도판을 상호 연결하여 열전도가 이루어지는 것을 ON, OFF 할 수 있는 특징이 있으나, 고정된 두 물체 사이에서는 적용할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 종래 열 스위치의 경우에는 특정 위치의 열전달을 제어할 수 없는 문제점이 존재하였다. 즉, 종래 열 스위치의 경우에는 전도판의 일측의 형상을 변형시키거나 전도판 자체를 이동시킴으로써 열적 연결이 가능하도록 함에 따라 열전달 제어가 용이하지 않은 단점이 존재하였다.

또한 종래 열 스위치의 경우에는 유체 방울이 전도판과 컨택트 패드에 각각 접하는 접점에 의해 열적 연결이 이루어짐으로써 열전달량이 충분하지 않은 단점이 존재하였다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 열전달 유체의 움직임을 가압을 위한 팽창체의 작동을 통해 조절함으로써 고정된 고온부와 저온부 사이의 열전달을 제어하도록 하는 열 스위치를 제공함을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 열적 연결을 위한 터널을 다수 구비하여 원하는 위치에 대한 열적 연결을 가능하도록 제어할 수 있는 열 스위치를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 히트 소스와 히트 싱크 사이의 열 전달을 제어하는 열 스위치에 있어서, 메인 패널(102); 상기 메인 패널(102)의 상부면과 하부면을 관통하여 형성된 터널(104); 상기 메인 패널(102)의 상부면에 구비되며 상기 터널(104)의 상부 일단과 연결되는 공기 배출홈(106); 및 상기 터널(104)의 하부에 위치하며 열전달 유체(112)를 내장하는 유체 저장홈(108)을 포함하여, 상기 열전달 유체(112)의 상기 터널(104)에서의 높이를 조절하여 상기 히트 소스와 상기 히트 싱크 사이의 열 전달을 제어하는 것을 특징으로 하는 열 스위치를 제공한다.

이러한 본 발명은, 상기 공기 배출홈과 상기 터널의 상부가 상호 연접함에 있어 상기 열전달 유체가 상기 터널의 더 높은 위치까지 상승할 수 있도록 접촉각 을 생성함을 특징으로 한다. 또한, 상기 터널의 상부 및 상기 공기 배출홈은 소수성 재료로 처리함으로써 상기 열전달 유체가 공기 배출홈으로 누설되지 않도록 함을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서 상기 열전달 유체의 상기 터널에서의 높이 조절은 상기 유체 저장홈에 내장된 팽창체에 의해 이루어짐을 일 특징으로 한다. 본 발명에 있어서 상기 팽창체는 별도의 팽창 조절부에 의해 부피가 제어되거나 열팽창 물질 또는 상변화 물질에 의해 부피가 조절됨으로써 열 스위치의 ON-OFF를 제어함을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서 상기 열전달 유체의 상기 터널에서의 높이 조절은 상기 열전달 유체의 양을 조절하는 열전달 유체 조절부에 의해 이루어짐을 일 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 히트 소스와 히트 싱크 사이의 열 전달을 제어하는 열 스위치에 있어서, 메인 패널(102); 상기 메인 패널(102)의 상부면과 하부면을 관통하여 형성된 다수의 터널(104)이 어레이 형태로 배열된 터널 어레이; 상기 메인 패널(102)의 상부면에 구비되며 상기 터널 어레이의 일 방향에 위치한 상기 터널(104)의 상부 일단과 연결되는 복수의 공기 배출홈(106); 및 상기 메인 패널(102)의 하부면에 구비되며 상기 터널 어레이의 일 방향에 위치한 터널(104)에 열전달 유체(112)를 공급하는 복수의 유체 저장홈(108)을 포함하여, 상기 열전달 유체(112)의 상기 터널(104)에서의 높이를 조절하여 상기 히트 소스와 상기 히트 싱크 사이의 열 전달을 제어하는 것을 특징으로 하는 열 스위치를 제공 한다.

이러한 본 발명에 또 다른 실시예에 따르면, 복수의 공기 배출홈과 복수의 팽창체 또는 복수의 열전달 유체 조절부를 제어함으로써 다수의 터널을 포함하는 터널 어레이 중 특정 터널만 열적으로 연결시킬 수 있는 특징이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 스위치의 사시도이고, 도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 스위치의 OFF된 상태의 단면도이고, 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 스위치의 ON된 상태의 단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 스위치(100)는 히트 소스 또는 발열체를 이루거나 이에 연결된 제 1 패널(120)과, 히트 싱크 또는 냉각부를 이루거나 이에 연결된 제 2 패널(122)의 사이에 구비된다. 열 스위치(100)는 제 1 패널(120)과 제 2 패널(122) 사이의 열적 연결을 개폐함으로써 제 1 패널(120)과 제 2 패널(122) 사이의 열전달을 제어하게 된다. 즉, 제 1 패널(120)은 고온부가 되고, 제 2 패널(122)은 저온부가 되며, 열 스위치(100)는 고온부인 제 1 패널(120)과 저온부인 제 2 패널(122)의 사이에서 열전달을 제어하게 되는 것이다. 그러나, 본 발명의 실시에 있어서 제 1 패널(120)을 저온부로 하고 제 2 패널(122)을 고온부로 하는 것이 가능함은 물론이다.

이를 위해 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 스위치(100)는, 판상의 메인 패널(102)에, 메인 패널(102)의 상하면을 관통하여 형성된 터널(104)과, 터널(104)의 하부에 구비되어 열전달 유체(112)를 저장하는 유체 저장홈(108)과, 유체 저장홈(108)에 내장되는 팽창체(110)와, 터널(104)의 상부에 인접하도록 구비되는 공기 배출홈(106)을 포함하여 형성된다. 유체 저장홈(108)에 저장된 열전달 유체(112)는 팽창체(110)의 팽창에 따라 터널(104)을 따라 위로 올라오게 되어 제 1 패널(120)과 접하게 됨으로써 제 1 패널(120)과 제 2 패널(122)을 열적으로 연결시키게 된다.

판상의 메인 패널(102)은 열전달 계수가 낮은 재질로 이루어짐이 바람직하다. 이는 제 1 패널(120)과 제 2 패널(122) 사이에 메인 패널(102)에 설치된 후 메인 패널(102)을 통해 제 1 패널(120)과 제 2 패널(122)의 열전달이 이루어지는 것을 방지하기 위한 것이다. 메인 패널(102)은 유리, 파이렉스 글래스(Pyrex Glass), 석영, 실리콘(Silicon), 폴리머(Polymer) 등의 재료로 이루어질 수 있으며, 메인 패널(102)을 통한 열전달을 방지하기 위해 메인 패널(102)의 상부면 또는 하부면 중 어느 하나 이상에 단열재료를 적층시켜 구성할 수도 있다.

메인 패널(102)의 가공에 있어서는 기계적 방식에 의한 가공 방법을 사용할 수 있으며, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술 분야에 적용하기 위한 가공 방식으로 반도체 웨이퍼를 식각하여 형성하는 것도 가능함은 물론이다.

메인 패널(102)에 형성된 터널(104)은 메인 패널(102)의 상부면과 하부면을 관통하여 형성되되, 터널(104)의 상부 구멍의 일단은 공기 배출홈(106)에 접하고, 터널(104)의 하부 구멍은 유체 저장홈(108)에 연결된다. 이러한 터널(104)을 통해 유체 저장홈(108)에 저장된 열전달 유체가 이동하게 된다.

공기 배출홈(106)은 터널(104)의 내부로 열전달 유체(112)가 채워지는 경우 터널(104)에 있던 공기를 외부로 배출할 수 있도록 하기 위해 구비된다. 공기 배출홈(106)이 구비되지 않은 경우에는 열전달 유체(112)가 터널(104)의 상부까지 채울 수 없게 되므로 제 1 패널(120)과 제 2 패널(122)을 열적으로 연결시키는 것이 곤란한 문제점이 있다. 즉, 터널(104)의 내측 상부에 체류하고 있는 공기로 인해 열전달 유체(112)가 터널(104)의 상부까지 도달하지 못하는 문제를 해소하기 위해 터널(104)의 상부와 연접한 공기 배출홈(106)을 구비하여 열전달 유체(112)가 터널(104)의 상부로 이동시 터널(104)에 체류하고 있는 공기가 외부로 배출될 수 있도록 하는 것이다. 한편, 공기 배출홈(106)은 터널(104)의 상부 구멍과 연접하여 구비됨에 따라 열전달 유체(112)의 접촉각을 증가시킴으로써 열전달 유체가 공기 배출홈(106)으로 이동하지 않게 되는데 이에 대해서는 후술하도록 한다.

유체 저장홈(108)은 터널(104)의 하부까지 연결되어 형성된다. 유체 저장홈(108)에는 열전달 유체(112)가 저장된다.

전술한 바와 같이 열 스위치(100)의 메인 패널(102)은 열전달 계수가 낮은 것이 바람직하나, 열전달 유체(112)는 열전달 계수가 높은 것이 바람직하다. 이를 위해 열전달 유체(112)는 액체 금속(Liquid Metal)로 이루어지거나 물을 포함하는 수용액일 수 있다. 액체 금속으로는 수은(Mercury), 갈륨(Gallium), 또는 인듐(Indium)과 같은 금속이나 갈륨-인듐 합금(Gallium-Indium Alloy)과 합금일 수 있다.

팽창체(110)는 유체 저장홈(108)의 내부에 구비되는데, 팽창체(110)의 내부에는 팽창용 유체(114)가 구비된다. 팽창체(110)는 팽창 조절부(116)에 의해 그 부피가 조절된다. 팽창 조절부(116)는 실린더 또는 펌프 형태로 구비될 수 있는데, 팽창 조절부(116)는 팽창체(110)로 공급되는 팽창용 유체(114)의 양을 조절함으로써 팽창체(110)의 부피를 조절하게 된다. 팽창체(110)는 고무와 같이 신축성 있는 재료로 이루어진다. 한편, 팽창용 유체(114)는 기체 또는 액체로 이루어진다. 한편, 열전달 유체(112)의 누설을 방지하기 위해 유체 저장홈(108)의 측방향 개구에는 팽창체(110)가 외부로 노출되도록 한 상태에서 상기 측방향 개구를 막는 실링재(118)가 구비되는 것이 바람직하다.

이러한 구성에 따른 열 스위치(100)의 작동에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 설명에서 열 스위치(100)가 'OFF'되었다 함은 제 1 패널(120)과 제 2 패널(122)이 열적으로 연결되지 않은 상태를 의미하고, 'ON'되었다 함은 열전달 유체(112)에 의해 제 1 패널(120)과 제 2 패널(122)이 열적으로 연결된 상태를 의미한다.

도 4a와 같이 팽창체(110)가 팽창하지 않은 상태에서는 열전달 유체(112)가 제 1 패널(120)에 접촉하지 않은 상태이므로 열 스위치(100)는 OFF된 상태에 있다. 이러한 상태에서 도 4b와 같이 팽창 조절부(116)를 이용하여 팽창체(110)의 부피를 팽창시키면, 유체 저장홈(108)에 저장된 열전달 유체(112)는 터널(104)의 상부로 이동하여 제 1 패널(120)에 접하게 된다. 이 때 터널(104)에 이미 존재하던 공기는 공기 배출홈(106)을 통해 이동함으로써 열전달 유체(112)가 제 1 패널(120)에 접하는 것을 가능하게 한다. 유체 저장홈(108)은 하방으로 개방되어 있는 상태이므로 열전달 유체(112)의 하부는 제 2 패널(122)에 접한 상태로서, 제 1 패널(120)과 제 2 패널(122)는 열전달 유체(112)를 매개로 하여 열적으로 연결된다.

이상의 설명에 있어서 열 스위치(100)가 'ON'된 상태에서 열전달 유체(112)가 공기 배출홈(106)을 통해 누설되지 않아야 하는데, 이는 터널(104)과 공기 배출홈(106)의 연결 구성에 의해 가능하게 된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 스위치에 있어서 터널과 공기 배출홈의 연결 상태를 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 스위치에 있어서 터널 내부에서의 열전달 유체의 이동 상태에 따른 접촉각의 변화를 도시한 도면이다.

유체 방울이 고체의 표면과 접하는 경우 유체 방울과 고체 표면이 접하는 면에는 접촉각이 형성된다. 접촉각은 액체의 자유 표면이 고체 평면과 이루는 각도를 말한다. 유체 방울의 표면 장력에 의해 유체 방울의 크기가 커지게 되더라도 유체 방울과 고체 표면의 접촉 면적은 증가하지 않은 상태에서 접촉각이 커지며 유체 방울의 양이 증가할 수 있게 된다. 그러다가 접촉각의 크기가 한계값을 넘게 되면 유 체 방울의 표면 장력이 이를 버티지 못하여 결국은 유체 방울과 고체 표면의 접촉 면적을 늘림으로써 유체 방울은 안정을 찾게 된다. 유체 방울이 고체 표면에서 이룰 수 있는 최대 접촉각의 크기는 유체 방울의 표면 장력에 따라 달라지게 된다. 예를 들어 유체 방울이 고체 표면에 접한 경우, 수은은 물보다 더 구형에 가깝게 유체 방울을 형성하는데 이는 수은의 표면 장력이 물보다 더 크기 때문이다.

도 5에서 보는 바와 같이 터널(104)의 상부 형상이 원형이고, 공기 배출홈(106)의 단면 형상을 곡선으로 처리하여 상호 접하도록 메인 패널(102)에 형성한다. 도 6의 (a)를 참조하면, OFF된 상태에서는 열전달 유체(112)와 터널(104)의 접촉각은 θ₁이다. 이에 대해 도 6의 (b)를 참조하면, 공기 배출홈(106)과 터널(104)이 만나는 지점은 터널(106)의 벽에 비해 낮은 기준면 경사를 가짐으로 인해 열전달 유체(112)가 공기 배출홈(106)과 터널(104)이 만나는 지점에서는 접촉각(θ₂)이 도 6의 (a)에 따른 접촉각(θ₁)의 경우보다 더 작게 된다. 이에 따라 열전달 유체(112)는 공기 배출홈(106)으로 흘러가지 않고 열전달 유체(112)의 표면이 위쪽으로 높이가 높아지면서 제 1 패널(120)과 접할 수 있게 되는 것이다.

이상의 설명에 있어서는 터널(104)이 하나 구비된 열 스위치(100)를 예시하였으나, 본 발명에 따른 열 스위치(100)는 다수의 터널(104) 어레이를 구비하도록 하는 것이 가능하고, 다수의 터널(104) 어레이를 제어하여 제 1 패널(120)과 제 2 패널(122) 사이의 열적 연결 부위를 조절할 수 있는 특징이 있다.

한편, 열전달 유체(110)가 터널(104)의 벽면 및 상부에서 보다 큰 접촉각을 이룸으로써 상부에 구비되는 제 1 패널(120)의 하부면에 접촉할 수 있도록 하기 위하여, 터널(104)의 벽면 및 상부와 공기 배출홈(106)은 소수성(Hydrophobic) 재료로 코팅되는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 열 스위치에 있어서 다수의 터널을 구비하는 열 스위치의 구성을 도시한 사시도이다. 도 8은 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 열 스위치의 제어 방법을 도시한 도면이다.

도 7에 따른 실시예에 있어서, 터널(104)은 3×3의 어레이로 형성하고, 공기 배출홈(106)은 종방향으로, 유체 저장홈(108)은 횡방향으로 구비하도록 하였다. 공기 배출홈(106)의 각각의 부호는 좌측부터 a, b, c를 부기하고, 유체 저장홈(108)의 각각의 부호는 위에서부터 x, y, z를 부기하여 표시하였다. 이에 따라 터널(104)은 공기 배출홈(106)과 유체 저장홈(108)에 각각 부기된 부호를 따라 좌측 최상단의 부호는 '104ax'라 표시하고, 우측 최하단의 부호는 '104cz'로 표시하였다. 도 7에 있어서 터널(104)은 3×3의 어레이 형태로 배열하는 것을 예시하였으나, 본 발명의 실시예에 있어서 터널(104)은 배열 형태는 이에 한정되는 것은 아님은 물론이며 실시 상태에 따라 다양한 배열 형태를 이룰 수 있다.

각각의 유체 저장홈(108)에 구비되는 팽창체(110)는 각각 별도의 팽창 조절부(미도시)에 의해 조절되도록 하고, 각각의 공기 배출홈(106)은 개폐 가능하도록 조절되도록 한다. 이에 따라 팽창체(110)를 제어함에 따라 횡방향으로 구비된 터널의 제어가 가능하게 된다. 또한, 공기 배출홈(106)의 개폐를 조절함으로써 종방향으로 구비된 터널의 제어가 가능하게 된다. 이는 공기 배출홈(106)을 통해 공기가 배출되지 아니하면 터널(104)을 통해 열전달 유체(112)가 상승하여도 상부에 구비되는 제 1 패널(120)에 접할 수 없어 열적 연결이 이루어지지 않기 때문이다.

도 8의 (a)와 같이, 좌측 공기 배출홈(106a)를 개방하고 중앙 및 우측 공기 배출홈(106b, 106c)을 폐쇄한 상태에서, 상단 팽창체(110x)만 팽창시킨다. 그러면, 최좌측 상단의 터널(104ax)만 ON된다.

이러한 상태에서, 도 8의 (b)와 같이, 중앙 및 우측 공기 배출홈(106b, 106c)을 개방하면, 상단의 중앙 및 우측 터널(104bx, 104cx)도 ON된다.

그 후, 도 8의 (c)와 같이 좌측 및 중앙 공기 배출홈(106a, 106b)을 폐쇄하고, 중앙 팽창체(110y)와 하단 팽창체(110z)를 팽창시키면 우측렬의 중앙 및 하단 터널(104cy, 104cz)도 ON된다.

도 8에서는 순차적으로 터널 어레이의 ON-OFF를 제어하는 상태를 도시하였는데, 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따르면, 공기 배출홈(106)과 팽창체(110)의 제어를 통해 특정 위치의 터널(104)의 ON-OFF를 제어할 수 있게 된다.

이상의 설명에 있어서는 팽창체(110)의 부피를 팽창 조절부(116)에 의해 제어함으로써 열 스위치(100)의 ON-OFF를 제어하였는데 본 발명의 실시에 있어서는 다음과 같은 방법으로 팽창체(110)를 제어하는 것도 가능하다.

한편, 도 8에서는 공기 배출홈(106)과 팽창체(110)가 각기 종방향과 횡방향으로 배치되도록 하였으나, 본 발명의 실시에 있어서 공기 배출홈(106)과 팽창체(110)를 같은 방향으로 배열하는 것도 가능함은 물론이다.

도 9는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따른 열 스위치의 단면도이다.

도 9에 따르면, 열 스위치(100)의 유체 저장홈(108)의 측부에는 고체상의 상변화 물질(130)이 구비되고 상변화 물질(130)은 팽창체(110)의 일단과 연결되도록 구성된다. 상변화 물질(130)은 제 1 패널(120)과 접하도록 구성되어 제 1 패널(120)로부터 열을 전달받게 된다. 이에 따라 제 1 패널(120)로부터 열전달을 받아 고체상의 상변화 물질(130)이 기화되어 팽창체(110)로 전달되면 팽창체(110)가 팽창함으로써 열 스위치(100)가 ON되도록 한다. 한편, 상변화 물질(130)의 하부에는 단열층(132)이 구비됨으로써 상변화 물질(130)이 제 2 패널(122)과 열적으로 접촉하지 않도록 한다.

이러한 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따르면, 제 1 패널(120)과 제 2 패널(122)의 열적 연결을 제 1 패널(120)의 온도에 따라 자동적으로 제어하도록 하는 특징이 있다.

한편, 상기의 상변화 물질(130) 외에 가열되면 상변화없이 팽창되는 다양한 형태의 열팽창 물질이 상기 상변화 물질(130) 대신 사용될 수 있음은 물론이다. 열팽창 물질이 사용되는 경우에는 열팽창 물질이 팽창체(110) 내부까지 충전되어 있어 열팽창 물질이 제 1 패널(120)로부터 열전달을 받아 팽창되면 팽창체(110)를 팽창시켜 열 스위치(100)를 ON시키고, 냉각되면 열 스위치(100)를 OFF시키도록 구성될 수 있다.

이상의 설명에 있어서 유체 저장홈(108) 내부의 열전달 유체(112)의 높이 변화는 팽창체(110)의 부피를 조절함으로써 이루어지는 것으로 설명하였다. 그런데, 본 발명의 실시에 있어서는 팽창체(110)를 별도로 구비하지 아니하고, 유체 저장 홈(108)에 저장되는 열전달 유체(112)의 양 자체를 조절함으로써 터널(104)로 올라가는 열전달 유체(112)의 높이를 조절하는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 따른 열 스위치는, 판상의 메인 패널(102)에, 메인 패널(102)의 상하면을 관통하여 형성된 터널(104)과, 터널(104)의 하부에 구비되어 열전달 유체(112)를 저장하는 유체 저장홈(108)과, 유체 저장홈(108)에 열전달 유체(112)를 공급하기 위한 열전달 유체 공급관(142)과, 열전달 유체 공급관(142)을 통해 열전달 유체(112)를 공급 또는 배출시킴으로써 유체 저장홈(108)에 저장되는 열전달 유체(112)의 양을 조절하는 열전달 유체 조절부(140)를 포함하여 이루어진다.

열전달 유체 조절부(140)는 펌프 또는 실린더와 같은 구성요소로 이루어져 상기 유체 저장홈(108)에 저장되는 열전달 유체(112)의 양을 조절함으로써 터널(104)에서의 열전달 유체(112)의 높이를 제어하는 기능을 수행한다. 이에 따라 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 따르면, 별도의 팽창체를 구비하지 않은 상태에서도 열전달 유체(112)의 양을 조절함으로써 열 스위치(100)의 ON-OFF를 제어할 수 있게 된다.

이러한 구성은 전술한 본 발명의 바람직한 제 2 실시예와 같이 터널(104)을 어레이 형태로 배열한 열 스위치에도 적용할 수 있음은 당연하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질 적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 열전달 유체의 움직임을 가압을 위한 팽창체의 작동을 통해 조절함으로써 고정된 고온부와 저온부 사이의 열전달을 용이하게 제어할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의하면 고온부와 저온부를 열적으로 분리시켜 고온부의 열용량에 따른 영향이 적어 보다 정확한 온도 제어가 가능하고, 원하는 위치에 대해서만 열적 연결을 가능하도록 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 고온부와 저온부의 열전달이 열전달 유체에 의해 이루어지므로 열전달량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

히트 소스와 히트 싱크 사이의 열 전달을 제어하는 열 스위치에 있어서,

메인 패널(102);

상기 메인 패널(102)의 상부면과 하부면을 관통하여 형성된 터널(104);

상기 메인 패널(102)의 상부면에 구비되며 상기 터널(104)의 상부 일단과 연결되는 공기 배출홈(106); 및

상기 터널(104)의 하부에 위치하며 열전달 유체(112)를 내장하는 유체 저장홈(108)을 포함하여, 상기 열전달 유체(112)의 상기 터널(104)에서의 높이를 조절하여 상기 히트 소스와 상기 히트 싱크 사이의 열 전달을 제어하는 것을 특징으로 하는 열 스위치.
제 1 항에 있어서,

상기 열전달 유체(112)의 상기 터널(104)에서의 높이 조절은, 상기 유체 저장홈(108) 내에 구비되며 부피가 변화되는 팽창체(110)에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 열 스위치.
제 2 항에 있어서,

상기 팽창체(110) 내부에는 팽창용 유체(114)가 구비되며, 상기 팽창용 유체(114)는 팽창 조절부(116)에 의해 공급량이 조절됨으로써 상기 팽창체(110)의 부 피를 조절하는 것을 특징으로 하는 열 스위치.
제 2 항에 있어서,

상기 팽창체(110)는 상기 히트 소스로부터 열전달을 받아 부피가 변화하는 상변화 물질 또는 열팽창 물질 중 어느 하나에 의해 팽창되는 것을 특징으로 하는 열 스위치.
제 1 항에 있어서,

상기 열전달 유체(112)의 상기 터널(104)에서의 높이 조절은, 상기 유체 저장홈(108)에 저장된 상기 열전달 유체(112)의 양을 조절하는 열전달 유체 조절부(140)에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 열 스위치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공기 배출홈(106)은 곡면으로 구비되어 상기 터널(104)의 상부와 접하는 것을 특징으로 하는 열 스위치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 터널(104)의 상부 및 상기 공기 배출홈(106)은 소수성 재료로 코팅된 것을 특징으로 하는 열 스위치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열전달 유체(112)는, 액체 금속 또는 물인 것을 특징으로 하는 열 스위치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 메인 패널(102)의 상부면 또는 하부면 중 어느 하나 이상에는 단열 재료가 적층된 것을 특징으로 하는 열 스위치.
히트 소스와 히트 싱크 사이의 열 전달을 제어하는 열 스위치에 있어서,

메인 패널(102);

상기 메인 패널(102)의 상부면과 하부면을 관통하여 형성된 다수의 터널(104)이 어레이 형태로 배열된 터널 어레이;

상기 메인 패널(102)의 상부면에 구비되며 상기 터널 어레이의 일 방향에 위치한 상기 터널(104)의 상부 일단과 연결되는 복수의 공기 배출홈(106); 및

상기 메인 패널(102)의 하부면에 구비되며 상기 터널 어레이의 일 방향에 위치한 터널(104)에 열전달 유체(112)를 공급하는 복수의 유체 저장홈(108)을 포함하여, 상기 열전달 유체(112)의 상기 터널(104)에서의 높이를 조절하여 상기 히트 소스와 상기 히트 싱크 사이의 열 전달을 제어하는 것을 특징으로 하는 열 스위치.
제 10 항에 있어서,

상기 열전달 유체(112)의 상기 터널(104)에서의 높이 조절은, 상기 복수의 유체 저장홈(108) 내에 각각 구비되며 부피가 변화되는 팽창체(110)에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 열 스위치.
제 11 항에 있어서,

상기 팽창체(110) 내부에는 팽창용 유체(114)가 구비되며, 상기 팽창용 유체(114)는 팽창 조절부(116)에 의해 공급량이 조절됨으로써 상기 팽창체(110)의 부피를 조절하는 것을 특징으로 하는 열 스위치.
제 10 항에 있어서,

상기 열전달 유체(112)의 상기 터널(104)에서의 높이 조절은, 상기 복수의 유체 저장홈(108) 각각에 저장된 상기 열전달 유체(112)의 양을 조절하는 열전달 유체 조절부(140)에 의해 이루어짐을 특징으로 하는 열 스위치.
제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 복수의 공기 배출홈(106)은 각각 개폐 제어가 되는 것을 특징으로 하는 열 스위치.
제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,

상기 복수의 팽창체(110)는 각각 별도의 팽창 조절부에 의해 부피 조절이 되 는 것을 특징으로 하는 열 스위치.
제 13 항에 있어서,

상기 열전달 유체 조절부(140)는 상기 복수의 유체 저장홈(108) 각각에 저장된 상기 열전달 유체(112)의 양을 개별적으로 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 열 스위치.
제 10 항에 있어서,

상기 공기 배출홈(106)은 곡면으로 구비되어 상기 터널(104)의 상부와 접하는 것을 특징으로 하는 열 스위치.
제 10 항에 있어서,

상기 터널(104)의 상부 및 상기 공기 배출홈(106)은 소수성 재료로 코팅된 것을 특징으로 하는 열 스위치.