KR100862552B1 - 고정밀 등온 가열로용 이중관 환형 히트 파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이중관 환형 히트 파이프(10)는 내측 파이프(12)과 외측 파이프(14)의 이중관 구조를 이루는 환형의 밀폐용기로서, 내측 파이프(12)과 외측 파이프(14)사이에 환상공간에 적절한 구조물의 모세관 구조물(wick)(10)로 구성되며, 내외측 파이프(12)(14)는 스테인레스강을 사용하였으며, 작동유체로서, 임계온도 내에서 액체-기체로 상변화하는 금속이면서, 나트륨, 칼륨, 리튬 중 어느 하나의 알칼리 금속을 사용한다. 모세관 구조물(20)은 내측 파이프(12)의 외면과 외측 파이프(14)의 내면을 둘러싸는 환형부(22)와, 각 파이프(12,14)의 외면과 내면의 환형부(22)을 서로 등간격으로 수직으로 연결하여, 각 환형부(22)사이에 복수개의 연통공간(24)을 형성하는 연결부(26)로 구성된다.

본 발명에 의하면, 이중관 사이의 환상 공간이 히트 파이프로서 작동하는 영역이 되므로, 가열로 유니폼 존내의 온도편차를 ±1℃로 유지하여 고정밀의 등온성을 달성하게 되며, 온도편차를 줄이기 위한 부가장치가 필요없어 부품 및 조립비 등 원가 절감 및 크기 감소에 의한 냉각손실과 가열과정에서의 부하의 경감에 의한 에너지를 절감하는 등의 부가적 효과가 있으며, 더구나 고온로 분야의 정밀도에 대한 산업적 수요와 이를 만족시킬 새로운 개념의 고정밀 등온 가열로로써 매우 큰 파급 효과를 가진다.

Description

고정밀 등온 가열로용 이중관 환형 히트 파이프{DUAL ANNULAR HEAT PIPE FOR A HIGH PRECISION ISOTHERMAL FURNACE}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이중관 환형 히트 파이프의 단면을 나타내는 단면도이고,

도 2는 도 1의 히트 파이프를 채용하여 제작한 고정밀 등온 가열로의 내부 구조를 나타내는 개략도이고,

도 3은 본 발명의 히트 파이프를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 열처리로 내부의 온도변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 이중 환형 히트 파이프 12 : 내측 파이프

14 : 외측 파이프 20 : 모세관 구조물

22 : 환형부 24 : 연통공간

26 : 연결부 30 : 단열부재

본 발명은 기상응축 열교환 방법을 이용하는 히트 파이프에 관한 것으로, 보 다 상세하게는 이중관 환형구조로서 온도편차를 ±1도로 유지할 수 있는 고정도 등온성을 가지므로서, 500℃이상, 특히 600-850℃의 고온로의 유니폼 구역내의 온도편차를 현저하게 줄일수 있는 고정밀 등온 가열로용 히트 파이프에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 기상응축 열교환 방법을 이용하는 히트 파이프(heat pipe)는 밀폐 용기내부의 작동 유체가 연속적으로 기-액간의 상변화 과정을 통하여 용기의 양단사이에 열을 전달한다. 이러한 히트 파이프는 잠열을 이용하여 열을 이동시킴으로써 통상적인 열전달 기기에 비해 매우 큰 열전달 성능을 발휘한다. 즉 가열부와 냉각부의 작은 온도차로도 대량의 열을 전달하는 높은 열전달 능력 때문에 히트파이프는 산업용 배기열 회수용 열교환기, 반도체 냉각장치, 전자장비의 냉각 등 200℃미만의 저온 반도체 냉각과 열전달 장치용으로 이용되어 왔다.

한편, 히트 파이프는 밀폐 용기내부의 작동유체가 포화상태에서 상변화를 이루기 때문에 열원이 가해지는 증발부 또는 응축하면서 열을 내어놓는 응축부는 상변화 과정에서의 등온 열전달을 이루는 고유의 특성을 나타내는 바, 히트 파이프 제작업체에서는 이러한 등온성을 히트 파이프의 제작 성능에 대한 판단기준으로 사용하기도 한다.

또한, 이러한 상변화 과정에서의 등온성을 이용하면, 등온 벽면 또는 등온 가열을 이룰 수 있으므로, 이러한 원리를 이용하여 예를 들어 80-150℃의 웨이퍼 상에서 ±0.1℃ 미만의 고정밀 등온성을 이루는 CVD 고정용 베이크 플레이트로 개발되어 적용되고 있다.

하지만, 일반적으로 튜브형인 종래의 가열로에서는 온도편차를 최소화하고자 유니폼 구역을 위한 서브 구역을 별도의 부가장치로서 추가로 구성하여 온도구배를 줄이고 있지만, 상기 부가장치를 추가 구성한다 하더라도 온도편차의 감소에는 한계가 있으며, 등온성을 높일수록 부가장치의 크기도 더불어서 증가하여 대규모의 장비를 사용할 수 밖에 없어서 제품의 원가를 상승하게 되어 결국 가격경쟁력 및 품질과 생산성 저하의 원인이 되고 있다. 특히 직경이 50mm인 튜브형 전기로의 경우, 유니폼 구역을 위한 서브 구역을 추가 구성하더라도 대류현상으로 인하여 약 ±3℃ 이상의 온도 오차가 생기게 될 뿐만 아니라, 나노 및 반도체 산업에서의 나노 파이버와, LCD, PDP 등의 제조공정에서 요구되는 고정밀 열처리용으로서 사용시, 상기의 온도편차로 인하여 제품의 불균일이 발생되는 문제가 있었고, 열전대 검증용 로에서는 계측단계에서의 데이터 오류나 불량으로 인하여 생산량의 50-80%의 손실이 발생되는 문제도 있었다.

따라서, 본 발명은 이에 따라 안출된 것으로, 그 목적은 이중관 환형구조를 이루므로서, 500℃이상, 특히 600-850℃의 고온로의 유니폼 구역내의 온도편차를 현저하게 줄일수 있는 고정밀 등온 가열로용 이중 환형 히트 파이프를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이중 환형 히트 파이프는 환형의 밀폐용기로서 이중관 구조를 이루어 사이에 환상공간을 형성하는 내측 파이프 및 외측 파이프와, 상기 내측 파이프와 외측 파이프사이의 환상공간에 설치되는 모세관 구조물로 구성되며, 상기 모세관 구조물은 내측 파이프의 외면과 외측 파이프의 내 면을 둘러싸는 환형부와, 각 파이프의 외면과 내면의 환형부을 서로 등간격으로 수직으로 연결하여, 각 환형부사이에 복수개의 연통공간을 형성하는 연결부를 포함함으로서, 상기 내외측 파이프 사이의 환상공간내의 작동유체는 외측 파이프의 외측면에 설치된 가열원에 의해 가열되어 외측 파이프의 내면에서 증기를 발생하고, 발생한 증기는 모세관 구조물의 연통공간을 통해 반경방향으로 이동한 후, 내측 파이프의 외벽에서 응축하며 열을 전달하게 되고, 응축한 증기는 외측 파이프와 내측 파이프사이의 환상공간에 설치된 모세관 구조물의 모세관력에 의해 연결부를 통해 액체상태로 증발부인 외측 가열원으로 귀환되어 고정밀의 등온성을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 이중관 사이의 환상 공간이 히트 파이프로서 작동하는 영역이 되므로, 즉 외부 파이프의 외측면에 가열원이 설치되고, 내부 파이프의 내면에서 응축이 발생함에 따라 등온벽면을 이루게되며, 피가열체의 등온 가열원이 됨에 따라 외부 파이프의 내면에서 발생한 증기는 반경방향으로 이동한 후, 내측 외벽에서 응축하며 열을 전달하므로, 고정밀 등온성을 가지게 되며, 이러한 이중관 구조의 환형 히트 파이프를 채용함으로서, 가열로 유니폼 존내의 온도편차를 ±1℃로 유지하여 고정밀의 등온성을 달성하게 된다.

또한 본 발명은 온도편차를 줄이기 위한 부가장치가 필요없게 되므로, 부품 및 조립비 등 원가 절감 및 크기 감소에 의한 냉각손실과 가열과정에서의 부하의 경감에 의한 에너지를 절감하는 효과 등의 부가적 효과가 있으며, 더구나 탁월한 등온효과로 인하여 고품질의 제품 생산용 장비를 국산화함과 동시에, 열전대 검증 용 표준화 사업, 반도체등 첨단산업에도 적용이 가능하고, 특히 고온로 분야의 정밀도에 대한 산업적 수요와 이를 만족시킬 새로운 개념의 고정밀 등온 가열로로써 매우 큰 파급 효과를 가진다.

이하, 첨부된 도면에 의거 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 따른 이중관 환형 히트 파이프의 구성 및 작동을 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1에는 은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이중관 환형 히트 파이프의 단면을 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이, 본 발명의 히트 파이프(10)는 내측 파이프(12)과 외측 파이프(14)의 이중관 구조를 이루는 환형의 밀폐용기로서, 내측 파이프(12)과 외측 파이프(14)사이에 환상공간에 적절한 구조물의 모세관 구조물(wick)(20)로 구성된다.

내외측 파이프(12)(14)는 스테인레스강을 사용하였으며, 작동유체는 임계온도 내에서 액체-기체로 상변화하는 금속이면서, 나트륨, 칼륨, 리튬 중 어느 하나의 알칼리 금속이 바람직하다.

모세관 구조물(20)은 내측 파이프(12)의 외면과 외측 파이프(14)의 내면을 둘러싸는 환형부(22)와, 각 파이프(12,14)의 외면과 내면의 환형부(22)을 서로 등간격으로 수직으로 연결하여, 각 환형부(22)사이에 복수개의 연통공간(24)을 형성하는 연결부(26)로 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 이중관 환형 히트 파이프(10)는 외측 파이프(14)의 외측면에 가열원(도시하지 않음)을 설치함으로서, 외측 파이프(14)의 외 면을 통하여 열이 들어가서(Qin), 내측 파이프(12)의 내면으로 열이 나가게 됨에 따라(Qout), 내측 파이프(12)의 내면에서 응축이 발생하여 등온벽면을 이루게 되며 피가열체의 등온 가열원이 된다..

그 결과, 내외측 파이프(12,14)사이의 환상공간내의 작동유체가 가열되어 외측 파이프(14)의 내면에서 증기를 발생하고, 발생한 증기는 모세관 구조물(20)의 연통공간(24)을 통해 반경방향으로 이동한 후, 내측 파이프(14)의 외벽에서 응축하며 열을 전달하게 된다. 이때 응축한 증기는 외측 파이프(14)와 내측 파이프(12)사이의 환상공간에 설치된 모세관 구조물(20)의 모세관력에 의해 연결부(26)를 통해 액체상태로 증발부인 외측 가열원으로 귀환된다.

한편, 도 2에는 이상과 같이 구성된 본 발명의 히트 파이프(10)를 적용하여 제작한 고정밀 등온 가열로의 내부 구조를 개략적으로 나타내고 있다. 도면 중, (32)는 콘트롤러용 열전쌍(thermo-couple)이고, (34)는 측정용 열전쌍을 나타내며, (36)은 단열부재로서, 히트 파이프(10) 양단 가장자리의 단열조건이 로 내부의 수평 등온조건에 큰 영향을 주는 바, 이를 고려하여 설치하였고, 히트 파이프(10)는 스테인레스강으로 작동유체는 나트륨을 사용하여 열처리로 내부의 온도 변화를 측정하였다.

그 결과, 도 3에 도시된 바와 같이, 히트 파이프를 적용한 튜브로에서는 전구간에 걸쳐 약 ±3℃의 온도편차를 나타내었으나, 히트 파이프를 적용한 튜브로에서는 전구간에 걸쳐 ±1℃이내의 온도편차를 나타내었다.

지금까지 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으 나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않는 것으로, 예를 들면, 이상에서는 내외측 파이프사이의 환상공간에 모세관 구조물을 설치하는 히트 파이프 및 이 히트 파이프를 이용하는 고정밀 등온로에 관한 것이나, 신뢰성 확보를 위한 금속의 고온 부식과 같은 수명안정성 및 히트 파이프를 포함하는 가열방법의 선정과 설치구조, 가열원의 제어 및 계측등에 대해서는 추가적인 개발이 요구됨은 물론이다. 이에 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변경 실시가 가능할 것이다. 따라서 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고, 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 이중관 환형 히트 파이프는 이중관 사이의 환상 공간이 히트 파이프로서 작동하는 영역이 되므로, 가열로 유니폼 존내의 온도편차를 ±1℃로 유지하여 고정밀의 등온성을 달성하게 된다.

또한 본 발명은 이상과 같은 히트 파이프를 적용한 고정밀 등온 가열로 온도편차를 줄이기 위한 부가장치가 필요없으므로 부품 및 조립비 등 원가 절감 및 크기 감소에 의한 냉각손실과 가열과정에서의 부하의 경감에 의한 에너지를 절감하는 효과 등의 부가적 효과가 있으며, 더구나 탁월한 등온효과로 인하여 고품질의 제품 생산용 장비를 국산화함과 동시에, 열전대 검증용 표준화 사업, 반도체등 첨단산업에도 적용이 가능하고, 특히 고온로 분야의 정밀도에 대한 산업적 수요와 이를 만족시킬 새로운 개념의 고정밀 등온 가열로로써 매우 큰 파급 효과를 가진다.

Claims (2)

1. 고정밀 등온 가열로용 이중관 환형 히트 파이프에 있어서,

   환형의 밀폐용기로서 이중관 구조를 이루어 사이에 환상공간을 형성하는 내측 파이프 및 외측 파이프와,

   상기 내측 파이프와 외측 파이프사이의 환상공간에 설치되는 모세관 구조물로 구성되며,

   상기 모세관 구조물은 내측 파이프의 외면과 외측 파이프의 내면을 둘러싸는 환형부와, 각 파이프의 외면과 내면의 환형부을 서로 등간격으로 수직으로 연결하여, 각 환형부사이에 복수개의 연통공간을 형성하는 연결부를 포함함으로서,

   상기 내외측 파이프 사이의 환상공간내의 작동유체는 외측 파이프의 외측면에 설치된 가열원에 의해 가열되어 외측 파이프의 내면에서 증기를 발생하고, 발생한 증기는 모세관 구조물의 연통공간을 통해 반경방향으로 이동한 후, 내측 파이프의 외벽에서 응축하며 열을 전달하게 되고, 응축한 증기는 외측 파이프와 내측 파이프사이의 환상공간에 설치된 모세관 구조물의 모세관력에 의해 연결부를 통해 액체상태로 증발부인 외측 가열원으로 귀환되어 고정밀의 등온성을 가지는 것을 특징으로 하는

   고정밀 등온 가열로용 이중 환형 히트 파이프.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 작동유체는 임계온도 내에서 액체-기체로 상변화하는 금속이면서, 나트륨, 칼륨, 리튬 중 어느 하나의 알칼리 금속인 것을 특징으로 하는

   고정밀 등온 가열로용 이중관 환형 히트 파이프.

Images