KR100876453B1 - 히트 파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난방 보일러의 열 전달 매체로 적용할 수 있도록 그 구조가 개선되어 열 전달 속도및 열 전도성이 향상된 히트 파이프에 관한 것이다.

그 구조는, 내부에 상변화물질이 진공상태를 유지하도록 충전되고 양단부가 밀봉되며 양측 부위가 라운드지고 하부에 직선 형태의 접촉면이 형성된 파이프 본체와, 그 파이프 본체의 일부가 프레스 가공에 의해 소성 변형되어 외경이 축소되도록 복수개 형성되는 소성부와, 그 소성부를 제외한 나머지 부위가 되며 소성부에 비해 상대적으로 하부가 낮은 위치에 위치하게 되고 하부의 접촉면이 외부 발열체와 접촉되는 발열부로 구성된 것이다.

이에 따르면, 본 발명은 단순 구조로 상변화물질인 유체의 이동성이 원활하게 이루어지도록 구조가 개선됨으로써, 외부의 열 공급시 유체의 열 전달속도가 빨라지며 열 손실을 억제하여 열 전도 효율성을 향상시킬 수 있도록 한 유용한 효과를 갖는다.

Description

히트 파이프{HEAT PIPE}

본 발명은 히트 파이프에 관한 것으로, 특히 써머 사이푼 방식과 윅 방식의 장점을 겸비하도록 하며 실내 바닥 구조에 채용되어 온돌 마루측에 열 전달매체로 이용 가능하게 열 전도성이 향상되도록 그 구조가 개선된 히트 파이프에 관한 것이다.

일반적으로, 히트파이프는 관의 내부에 상변화물질인 열매체를 충진하여 일측에 열을 가하면 열매체가 팽창하여 이동하고 또 열교환된 열매체는 응축되어 다시 귀환하는 작용을 반복하면서 신속한 열교환작용을 하도록 한 것이다.

이러한 히트파이프를 제조할 때에는 파이프를 일정한 길이로 절단하고 양측단부에 마개를 삽입하여 용접한 다음 그 일측 마개에 주입구를 형성하여 이를 용접장치가 설치된 열매체 주입장치를 통해 진공을 시키면서 열매체를 충진시킨 다음 용접장치로 주입구를 용접하여 밀봉시키도록 되어 있다.

또한, 히트 파이프는 중공체이며 열 전도성을 지닌 밀폐된 금속용기 내부에 물이나 알콜, 아세톤, 후레온, 등 가온 상황 에 따라 상 변화를 일으키는 성질의 상변화물질을 적당량 삽입하고 용기내부를 대 기압 이하의 진공으로 조성하여 용접 밀봉한 것이다.

그 히트 파이프의 작동원리는 열원으로부터 증발부 영역에 열이 가해지면 히트파이프 증발부내의 작동물질은 상대적으로 낮은 열에서 비등하여 상대적으로 온도가 낮아 압력이 낮은 용기의 응축부분으로 이동했다가 열을 교환하여 용기내벽에서 응축되며 용기내의 압력의 차이와 중력장의 영향으로 용기의 내벽면을 타고 증발부분으로 귀환한다. 이러한 과정이 진공의 조건 속에서 반복 순환하면서 빠르게 열 교환이 이루어진다.

기존의 히트파이프는 열 전달 성능이 우수하여 일반상업 또는 산업적으로 널리 보급되어 왔으며 반도체냉각, 폐열 회수, 공간난방 등의 열 교환장치로 널리 이용된다.

또, 기존 히트 파이프는 밀봉된 진공상태의 파이프 내에 윅(Wick)을 부착하여 윅의 모세관 현상으로 방열하고 응축된 작동유체가 증발부로 귀환하여 다시 열원의 열을 흡열하여 증발을 반복하도록 하는 윅식 히트 파이프와, 윅을 부착하지 않고 경사를 주어 작동유체가 응축부에서 방열하고 응축된 상태의 작동유체가 자체 중력으로 증발부로 모이게 하여 증발, 응축을 반복하도록 하는 써모 사이폰(Thermo-syphon)식 히트 파이프로 구분된다.

그중 윅식 히트 파이프는 윅의 구조 및 형상에 따라 그루브 윅, 스크린 메시 윅, 소결 윅으로 구분되고 있으나, 윅을 형성시키기 위한 제조 원가 및 시공 비용이 비싸기 때문에 써모 사이폰 방식의 히트 파이프를 주로 사용하고 있으나, 써모 사이폰 방식의 히트 파이프는 난방용 온돌 구조에 채용될 경우에는 작동 유체의 이 동을 위해 경사를 주어야 하므로 경사진 각도만큼 시멘트 몰타르의 시공 부피를 증가되어 시멘트 몰타르층을 구성하는 시멘트와 모래등의 재료가 많이 투입되는 문제점이 있으며, 또 기존의 히트 파이프는 열 전달부로부터 단부까지 열이 전도되는 과정에서 열 전도속도가 늦기 때문에 열 전도 효율성이 저하되어 난방용, 특히 온돌 마루에서는 채용될 수 없는 실정이다.

본 발명은 상기한 제반문제점을 감안하여 이를 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 난방 보일러의 열 전달 매체로 적용할 수 있도록 그 구조가 개선되어 열 전달 속도및 열 전도성이 향상된 히트 파이프를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 양단부가 밀봉되고 내부에 진공 상태의 상변화물질이 충전된 파이프 본체와,

상기 파이프 본체의 일부위가 프레스 가공에 의해 변형된 소성부가 복수개 형성되고,

상기 소성부를 제외한 나머지 부위에 해당되며, 하부가 상기 소성부의 하부면보다 낮은 위치에 위치하도록 형성되고 외부 발열체와 접촉되어 열 전도가능한 발열부가 적어도 하나이상 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 소성부는 단면 형태가 양측 부위가 라운드진 원호 형태로 형성되고, 하부면이 직선 형태의 접촉면을 갖도록 형성된 것이다.

또, 상기 파이프 본체의 하부면에 양측단이 상기 파이프 본체의 양 외측으로 돌출된 전도판이 일체로 형성된 것이다.

상기 전도판은 상기 소성부의 하부면에 열 확산을 위해 외측으로 접힘 구조를 갖는 연장편이 적어도 하나이상 형성된 것이다.

그리고 상기 외부 발열체는 외부 전원이 공급됨에 따라 자체 발열되는 전열 필름 또는 히터인 것이다.

그외에도, 상기 소성부의 내주면에 삼각형 형태의 그루브들이 길이방향으로 길게 형성되고 서로 이격되도록 다수개 형성된 것이다.

본 발명은 난방용 온돌 구조에서 열 전달 매체로서의 기능을 수행할 수 있도록 열 전도성이 대폭 향상된 것인 바, 이에 따르면 본 발명은 단순 구조로 히트 파이프에서 상변화물질인 유체의 이동성이 원활하게 이루어지도록 구조가 개선됨으로써, 외부의 열 공급시 유체의 열 전달속도가 빨라지며 열 손실을 억제하여 열 전도 효율성을 향상시킬 수 있도록 한 유용한 효과를 갖는다.

또, 본 발명의 히트 파이프는 수평 시공이 가능하게 됨에 따라, 원재료 절감 및 시공성이 향상되는 이점을 갖는다.

또한, 본 발명은 전기를 외부 발열체의 동력원으로 채용하는 전열 필름 또는 히터가 채용될 경우, 발열부 부위에만 외부 발열체를 적용할 수 있으므로, 외부 발열체의 원가 및 에너지 소비를 절감할 수 있는 이점을 갖는다.

그리고, 본 발명은 히트 파이프의 하부 양측으로 전도판과 연장편이 형성되어 콤팩트한 구조로 열 전달 면적을 넓힐 수 있도록 한 이점을 갖는다.

또, 본 발명의 히트 파이프는 내주면에 삼각형 그루브 윅을 채용하여 원주방향으로 유체를 균일하게 분포시킬 수 있으며, 윅의 유체의 열 유동 경로 및 응축된 유체의 귀환 통로가 되어 열 전달 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하되, 각 실시예의 동일한 구성요소에 대해서는 동일 부호를 기재하며 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 의한 히트 파이프의 제 1실시예는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 그 구조는 내부에 상변화물질이 진공상태를 유지하도록 충전되고 양단부가 밀봉되며 양측 부위가 라운드지고 하부에 직선 형태의 접촉면이 형성된 파이프 본체(100)와, 그 파이프 본체(100)의 일부가 프레스 가공에 의해 소성 변형되어 외경이 축소되도록 복수개 형성되는 소성부(110)와, 그 소성부(110)를 제외한 나머지 부위가 되며 소성부(110)에 비해 상대적으로 하부가 낮은 위치에 위치하게 되고 하부의 접촉면이 외부 발열체(300)와 접촉되는 발열부(120)로 구성된 것이다.

더 상세히 설명하면, 발열부(120)는 서로 이격된 부위에 복수개 형성되고, 외부 발열체(300)로부터 열을 전달받아 양측의 소성부(110)측으로 상변화물질의 유체를 통해 열을 전달하도록 된 것이다.

소성부(110)는 파이프 본체(100)의 일부위가 프레스 가공등의 가공기계에 의해 눌려져 상변화물질이 통과되는 단면적이 축소되는 구조이며, 이로 인해 소성부(110)측에서 발열부(120)측으로 갈수록 구배지게 형성된 것이다.

외부 발열체(300)는 발열부(120)의 하측에 마련되며, 외부 전원이 공급됨에 따라 자체 발열되는 난방용 전열필름이나 전열 히터를 채용하는 것이 바람직하나, 기존 보일러 난방용 온수 파이프를 채용할 수도 있다.

또한, 파이프 본체(100)의 내주면에는 상변화물질인 유체의 귀환 통로가 되 도록 삼각형 형태의 그루브(GROOVE; 102)들이 길이방향으로 길게 형성되고 서로 이격되도록 형성되어 있다.

그 삼각형 형태의 윅이 되는 그루브(102)는 응축된 유체의 귀환 통로가 될 뿐만 아니라, 열이 회수되는 유동 통로가 된다.

또한, 그루브 윅이 삼각형 형태로 형성되어 유체가 근접된 다른 그루브(102)측으로 표면 장력에 의해 연속적으로 월류할 수 있으므로, 유체의 전이가 용이하여 열 전달 효율성이 향상된다.

이를 위한 그루브의 폭과 깊이(높이)는 각각 0.1~0.5mm인 것이 바람직하나, 굳이 이에 한정되지 아니한다.

제 2실시예

본 발명의 제 2실시예는, 도 3을 참조하여 설명하면, 그 구조는 앞서 설명한 제 1실시예의 구성요소에 외부로 열이 용이하게 확산되도록 전도판(130)이 파이프본체(100)의 하부에 일체로 형성된 것이며, 전도판(130)의 구조는 양측 단이 파이프 본체(100)의 양 외측으로 돌출된 플레이트 형태이며, 히트 파이프(10)와 일체로 압출 성형되거나, 별도의 부재가 용접으로 일체화될 수도 있다.

또한, 전도판(130)이 파이프 본체(100)와 일체로 성형된 경우에는, 소성부(110)의 프레스 가공시에 같이 소성 변형되어 하부가 발열부(120)의 하부면보다 높은 위치에 위치하게 된다.

도 4는 본 발명 제 2실시예의 변형 예를 나타낸 도면으로서, 전도판(130)이 파이프 본체(100)의 하부면 일부위에 일체로 형성되며, 각각 서로 이격되도록 분할된 구조를 갖는다.

즉, 파이프 본체(100)의 하부면은 전도판(130)이 있는 부위와 없는 부위로 구분되어 재료 원가를 절감할 수 있도록 된 것이다.

제 3실시예

본 발명의 제 3실시예는, 도 5를 참조하여 설명하면, 앞서 설명한 제 2실시예의 구성요소와 동일하나, 각 소성부(110)의 하부면에 위치한 전도판(130)에 열 확산을 위해 외측으로 접힘 구조를 갖는 연장편(135)이 적어도 하나이상 형성된 구조를 갖는다.

연장편(135)은 전도판(130)의 양측 부위의 일부를 프레스 가공으로 따낸 상태에서 굽힘 가공에 의해 외측으로 젖혀진 구조로 되어 있다.

이에 따라, 연장편(135)은 단부가 전도판(130)의 외측 단부보다 더 외측으로 돌출되어 열 확산 부위의 길이를 연장시키는 기능을 갖는다.

이러한 각 실시예들을 갖는 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 히트 파이프(10)는, 시멘트 몰타르를 사용하지 않는 건식 온돌 난방시스템(조립식 온돌 난방)에 적용하는 것이 바람직하나, 시멘트 몰타르를 사용한 온돌 난방시스템에도 적용될 수 있다.

여기서는, 건식 온돌 난방시스템에 적용되는 것을 예를 들어 설명하기로 한다.

외부 발열체(300)중 전열필름을 채용할 경우, 도 6에서와 같이, 외부 발열체(300)인 전열필름을 전도판(130)의 하측면에 접촉되도록 부착시킨 후에 전열필름에 외부 전원을 공급하면, 전열필름이 발열되어 그 열이 상측의 전도판(130)을 통해 파이프 본체(100)로 전달된다.

이때, 전열필름의 열은 전도판(130)을 거쳐 파이프 본체(100)의 발열부(120)측에 전달되고, 그 열이 발열부(120)에서 상변화물질인 유체를 가열함에 따라, 그 발열부(120)내의 유체가 양측의 소성부(110)측으로 이동하면서 열을 전도하게 된다.

즉, 외부 발열체(300)의 열이 전도판(130)을 거쳐 발열부(120)측에 전달되면, 발열부(120)내에 상변화물질인 유체가 내주면에 형성된 삼각형 형태의 그루브(102)를 따라 길이 방향으로 이동하면서 양측의 소성부(110)측으로 열을 전달하게 된다.

또, 발열부(120)와 소성부(110)의 연결부위가 라운드지게 형성되어 있으므로, 그 유체의 온도가 상승하게 됨에 따라 발열부(120)내의 유체가 양측의 소성부(110) 내주면측으로 신속하게 이동할 수 있게 된다.

따라서, 외부 발열체(300)를 전기를 동력원으로 하는 전열필름이나 히터를 채용할 경우에는 파이프 본체(100)의 발열부(120)에 밀착시켜 발열부(120) 부위에만 외부 발열체(300)를 적용할 수 있으므로, 외부 발열체(300)의 원가 및 에너지 소비를 절감할 수 있는 이점을 갖는다.

마루 패널이나 바닥재(500)에 일체로 결합된 상태일 경우에는, 도 7 및 도 8에서와 같이, 히트 파이프(10)의 열이 마루 패널이나 바닥재(500)를 통해 상측으로 열을 전달시킴에 따라 실내 난방이 이루어지게 된다.

이때, 히트 파이프(10)는 전도판(130)과 연장편(135)이 마루 패널이나 바닥재(500)의 내부와 접촉되어 열 전달 면적을 외측으로 확장시킬 수 있게 된다.

한편, 외부 발열체(300)가 온수인 경우에는, 도 9 및 도 10에서와 같이, 외부 발열체(300)인 온수 파이프를 감싸는 별도의 열 확산판(650)이 실내 바닥면에 안착된 바닥 가이드(600)의 상측에 길이방향으로 안착되고, 그 바닥 가이드(600)의 교차 방향으로 히트 파이프(10)가 내장된 마루 패널이나 바닥재(500)가 안착되는 온돌 마루 구조를 채용할 수 있으며, 이때 그 열 확산판(650)의 상부면이 발열부(120)측의 전도판(130) 하부면과 면접촉되도록 조립된다.

미설명 부호 "700"은 바닥 가이드(600)들 사이 또는 바닥 가이드와 실내 바닥면 사이에 개재되도록 설치되는 차음재를 나타낸 것이고, "800"은 바닥 가이드(600)와 바닥재(500)를 일체로 결합시키는 클립을 나타낸 것이다.

외부 발열체(300)인 온수 파이프내에 열 전달 매체인 온수가 공급되면, 온수로부터 공급된 열이 열 확산판(650)과 전도판(130)을 통해 파이프 본체(100)의 발열부(120)측에 전달되고, 이후의 열 전달과정은 앞서의 실시예와 동일하게 진행되므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 히트 파이프의 제 1실시예를 보인 사시도.

도 2는 도 1의 A-A선 단면도.

도 3은 본 발명에 의한 히트 파이프의 제 2실시예를 보인 사시도.

도 4는 본 발명 제 2실시예의 다른 변형 예를 보인 사시도.

도 5는 본 발명에 의한 히트 파이프의 제 3실시예를 보인 사시도.

도 6은 본 발명에 의한 히트 파이프의 발열부 하측에 외부 발열체중 전열필름이 부착되기 전 상태를 나타낸 사시도.

도 7은 본 발명의 히트 파이프가 마루 바닥재에 사용되는 예를 보인 사시도.

도 8은 도 7의 정면도.

도 9는 본 발명의 히트 파이프가 다른 온돌 바닥 구조에 사용되는 것을 나타낸 사용상태도.

도 10은 도 9의 측 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 히트 파이프 100 : 파이프 본체

102 : 그루브 110 : 소성부

120 : 발열부 130 : 전도판

135 : 연장편 300 : 외부 발열체

Claims (6)

1. 양단부가 밀봉되고 내부에 진공 상태의 상변화물질이 충전된 파이프 본체(100)와,

   상기 파이프 본체(100)의 일부위가 프레스 가공에 의해 변형된 소성부(110)가 복수개 형성되고,

   하부가 상기 소성부(110)의 하부면보다 낮은 위치에 위치하도록 형성되고 외부 발열체(300)와 접촉되어 열 전도가능한 발열부(120)가 적어도 하나이상 형성된 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 소성부(110)는 단면 형태가 양측 부위가 라운드진 원호 형태로 형성되고, 하부면이 직선 형태의 접촉면을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 파이프 본체(100)의 하부면에 양측단이 상기 파이프 본체(100)의 양 외측으로 돌출된 전도판(130)이 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 전도판(130)은 상기 소성부(110)의 하부면에 열 확산을 위해 외측으로 접힘 구조를 갖는 연장편(135)이 적어도 하나이상 형성된 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 외부 발열체(300)는 외부 전원이 공급됨에 따라 자체 발열되는 전열필름 또는 히터인 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
6. 청구항 1 내지 청구항 5중 어느 한 항에 있어서,

   상기 소성부(110)의 내주면에 삼각형 형태의 그루브(102)들이 서로 이격되도록 다수개 형성된 것을 특징으로 하는 히트 파이프.

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