KR101054092B1 - 루프 히트파이프 시스템용 증발기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 루프 히트파이프 시스템(LHP;Loop Heat Pipe)에 사용되는 증발기에 관한 것이다. 이러한 루프 히트파이프 시스템용 증발기는, 금속분말이 소결된 소결윅(wick)이 수용되는 소결윅수용부와, 상기 소결윅의 공극 사이에 채워지는 작동유체가 가열시 기체로 상변화되어 배출되는 배출공과, 상기 작동유체가 액상으로 상변화되어 유입되는 유입공을 갖는 증발기 본체와; 상기 유입공 측에 결합되며, 상기 액상의 작동유체가 유입되는 유입구와, 상기 액상의 작동유체를 수용하는 수용공간부를 갖는 제1 챔버부와; 상기 수용공간부에 삽입되는 다공성의 모세구조물;을 포함하되, 상기 유입구를 통해 유입된 상기 액상의 작동유체는 상기 모세구조물을 거쳐 상기 증발기 본체로 유입되는 것을 특징으로 한다.

Description

루프 히트파이프 시스템용 증발기{Evaporator for loop heat pipe system}
본 발명은, 응축기, 기체이송관 및 액체이송관과 함께 루프 히트파이프 시스템을 이루는 증발기에 관한 것으로서, 특히 기화된 작동유체가 응축기를 거쳐 액화된 후에 제1 챔버로 유입되어 수용될 때, 발열부품의 열에 의해 작동유체에 기포가 발생하지 않도록 구조가 개선된 루프 히트파이프 시스템용 증발기에 관한 것이다.
컴퓨터 등의 각종 전자장치에 쓰이는 CPU나 반도체 칩과 같은 전자부품은 동작시 많은 열이 발생하게 된다. 이러한 전자제품은 통상 상온에서 제 기능을 하도록 설계되어 있기 때문에, 동작시에 발생하는 열을 효과적으로 냉각시키지 못하게 되면, 그 성능이 현저히 떨어지게 되는 것은 물론 경우에 따라서는 제품의 손상에까지 이르게 된다.
이러한 전자부품의 열을 냉각시키기 위한 냉각방식으로 히트싱크를 이용한 열전도 방식, 공기의 자연대류 및 복사를 이용한 방식, 팬을 이용한 강재대류 방식, 액체 순환을 이용한 방식 또는 잠수냉각 방식 등 여러 기술들이 개발되어 사용되고 있다.
그러나 전자제품이 점점 슬림화되면서 동작시 열을 발생하는 전자부품 사이 의 설치간격이 계속 좁혀지고 있어 전자제품 사용시에 발생하는 열을 제대로 냉각시키지 못하고 있는 실정이다. 또한 전자부품의 고집적화와 고성능화로 인해 전자부품의 발열부하가 지속적으로 증가하고 있기 때문에 상술한 종래의 냉각방식으로는 전자부품을 효과적으로 냉각할 수 없는 문제가 발생하고 있다.
이러한 문제를 해결하려는 신기술로, 최근 단위당 열부하 밀도가 높은 전자부품의 냉각이 가능한 상변화 열전달 시스템(phase change heat transport system)의 도입이 확대되고 있다. 이러한 상변화 열전달 시스템의 예로는 열 사이펀(thermosyphon)과 원통형 히트파이프(heat pipe)를 들 수 있다.
열 사이펀은 작동유체의 기-액(vapor-liquid) 상변화와 비중 차이에 따른 중력장 내에서의 자연순환 방식으로 냉각이 이루어지는 방식이고, 일반적인 원통형 히트파이프(100)는 도1에 예시된 바와 같이, 파이프 내벽에 설치된 소결윅(Wick, 심지)의 모세 펌핑력(capillary pumping force)을 이용하여 작동유체를 순환시키며 냉각이 이루어지는 방식이다. 열원(101)으로부터 열을 전달받으면 소결윅(102)에 포함되어 있는 작동유체는 기화되고 증기흐름으로 표시된 화살표(103)를 따라 이동한 후 히트싱크(104)에 열을 빼앗기면서 다시 액화된 후 모세펌핑력에 의해 액체흐름을 표시하는 화살표(105)를 따라 소결윅(102)을 이동하며 순환된다.
하지만, 열사이펀은 응축부가 증발부보다 높이 있어야 하고, 히트파이프도 열 사이펀보다는 중력장에 대한 의존성이 낮기는 하지만, 여전히 중력장 내에서 응축부가 증발부보다 아래쪽에 위치해 있을 경우 열수송 능력이 크게 떨어지는 등 두 시스템에는 구성요소들 간의 위치관계에 제한이 있기 때문에 이를 냉각시스템으로 채용한 전자제품의 구조에 제약조건으로 작용한다는 단점이 있다.
또한, 열 사이펀과 원통형 히트파이프는 직선형 관 내부에서 증기와 액체가 서로 반대방향으로 유동하기 때문에 관 내부의 중간에서 증기와 액체가 혼합되는 일이 발생한다. 이러한 혼합은 이론상으로 전달할 수 있는 열량보다 실제로 전달되는 열량을 상당한 정도로 적게 만들고 있다는 큰 문제점도 있다.
이러한 문제점들, 즉 공간 및 위치상의 제약에 따른 문제점과, 증기와 액체 간의 혼합에 따른 문제점을 해결할 수 있는 이상적인 열전달 시스템으로 제안된 것이 루프 히트파이프(Loop Heat Pipe, LHP) 시스템이다.
루프 히트파이프 시스템은 인공위성용 통신장비나 전자장비 등에서 발생하는 대용량의 열을 냉각시키기 위해 미국 NASA에서 개발한 CPL(Capillary Pumped Loop Heat Pipe)기술의 일종이다.
도2는 종래의 루프 히트파이프 시스템(110)의 개략적인 개념도로서, 종래 루프 히트파이프 시스템(110)은, 응축기(112), 증발기(114), 그리고 이들을 연결하는 증기라인(116)과 액체라인(118)이 각각 연결되어 루프를 이루고 있다.
또한, 상기 증발기(114)에는 증발기(114)에 삽입된 소결윅(1142)으로 작동유체가 스며들기 전에 액화된 작동유체를 수용하여 완충하는 챔버부(1144)가 구비된다. 루프 히트파이프 시스템(110)의 경우, 종래 직선형 히트파이프(도1 참조)와는 달리 증발기(114)에만 소결윅(wick, 1142)이 설치되어 있다.
이러한 구성의 루프 히트파이프 시스템(110)이 작동하는 원리는 다음과 같다.
먼저, 발열부품과 같은 열원(heat source)에 접촉하는 증발기(114)의 접촉면(1148)이 가열되면, 접촉면(1148))으로부터 전달된 열에 의해 소결윅(1142)에 스며들어 있던 작동유체가 포화온도까지 가열되어 기체로 상변화 하게 된다. 이때 발생한 기체는 증발기(114) 일측에 연결된 증기라인(116)을 따라 응축기(112)로 이동된다. 이어서, 상기 기체가 응축기(112)를 지나면서 외부로 열을 방출하여 액화되면, 그 액화된 작동유체가 응축기(112) 일측의 액체라인(118)을 따라 다시 증발기(114)로 이동되어 앞의 과정을 반복하게 되며, 열원을 냉각시키게 된다. 도3에 도시된 바와 같이, 증발기(114)의 내주면에 소결윅(1142)이 결합되고, 소결윅(1142)의 내주면이 형성하는 공간은 작동유체가 기체로 상변화되어 증기라인(116)으로 이동하는 증기통로를 형성하고 있다.
한편, 응축기(112)를 거치면서 액화된 작동유체는 증발기(114)로 회귀하는데, 이때 소결윅(1142)으로 흡수되기 전에 챔버부(1144)에 수용된다. 액화된 작동유체는 챔버부(1144)의 관통공(1146)을 통하여 소결윅(1142)의 모세압에 의해 흡수되기까지 충분한 여유시간을 확보하게 된다. 또한, 상기 챔버부(1144)는 액체라인(118)을 따라 증발기(114)로 흐르는 액화된 작동유체가 액체라인(118)을 따라 역류하는 것을 방지하는 역할을 한다.
그러나, 이와 같은 구성에 의한 종래 루프 히트파이프 시스템용 증발기(114)는, 챔버부(1144)에 수용된 작동유체에 의해 루프 히트파이프 시스템이 불안정해지는 문제를 야기한다.
구체적으로, 발열부품의 열이 작동유체의 기-액 상변화를 위한 기화에너지 형태로 모두 전달되는 것이 바람직하나, 일부 현열(sensible heat)이 증발기(114)의 외벽 및 소결윅(1142)을 통해 전달되어 챔버부(1144)에 수용된 작동유체에 기포를 발생시킨다. 이러한 기포는 챔버부(1144)에 연결된 액체라인(118) 주변에 기포층을 형성하여 그 기포층이 경계막처럼 작용하여, 챔버부(1144) 내부로 원할하게 작동유체가 유입되는 것을 저해하게 된다. 그리하여 작동유체가 증발기(114) 내의 소결윅(1142)으로 원할하게 스며들지 못하므로, 소결윅(1142)이 건조되어 LHP가 더 이상 작동되지 않는다.
또한, 챔버부(1144)의 작동유체가 기화되어 액체라인(118)을 따라 역순환을 유발시키게 되거나, 작동유체에 발생된 기포가 액체라인(118)을 따라 역류하여 액체라인(118)의 내주면과 충돌하여 시스템의 각 부위의 온도는 오실레이션(oscillation) 형태를 보이므로, 시스템의 불안정화를 초래하기도 한다.
또한, 챔버부(1144)에 형성된 관통공(1146) 이외에 다른 부분이 완벽하게 밀봉되지 않으면, 챔버부(1144)에 수용된 작동유체가 소결윅(1142)이 삽입되는 공간으로 과도하게 유입될 수 있다. 즉, 소결윅(1142)의 모세압에 의해 흡수되는 것 이상의 작동유체가 상기 공간으로 흘러드러오게 되면, 열원에 의해 상기 공간에서 기포가 형성될 수 있으며, 형성된 기포는 소결윅(1142)에 수용된 작동유체가 기화되는 것을 방해하게 된다. 이러한, 문제는 결국 루프 히프파이트 시스템의 전체적인 온도를 상승시켜 시스템을 불안정하게 하며, 루프 히프파이프 시스템에 의한 냉각효율을 떨어뜨리는 문제를 야기한다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 챔버부 내에 다공성의 모세구조물을 삽입하여 액체라인을 통해 유입된 액상의 작동유체가 1차적으로 모세구조물을 경유한 후, 소결윅으로 스며들도록 하여, 챔버부 내의 기포 형성을 방지하여 냉각효율을 개선한 루프 히프파이프 시스템용 증발기를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 루프 히트파이프 시스템(LHP;Loop Heat Pipe)용 증발기는, 금속분말이 소결된 소결윅(wick)이 수용되는 소결윅수용부와, 상기 소결윅의 공극 사이에 채워지는 작동유체가 가열시 기체로 상변화되어 배출되는 배출공과, 상기 작동유체가 액상으로 상변화되어 유입되는 유입공을 갖는 증발기 본체; 상기 유입공 측에 결합되며, 상기 액상의 작동유체가 유입되는 유입구와, 상기 액상의 작동유체를 수용하는 수용공간부를 갖는 제1 챔버부; 및 상기 수용공간부에 삽입되는 다공성의 모세구조물;을 포함하되, 상기 유입구를 통해 유입된 상기 액상의 작동유체는 상기 모세구조물을 거쳐 상기 증발기 본체로 유입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모세구조물의 적어도 일부는 상기 소결윅과 접하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 모세구조물은 상기 수용공간부의 전영역에 채워진 것이 바람직하 다.
또한, 상기 소결윅의 모세압은 상기 모세구조물의 모세압보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 상기 소결윅의 투과율은 상기 모세구조물의 투과율보다 작은 것이 바람직하다.
또한, 상기 배출공 측에 결합되며, 상기 기체로 상변화된 작동유체가 배출되는 배출구와, 상기 기체로 상변화된 작동유체가 수용되는 기체수용부를 구비하는 제2 챔버부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 소결윅은 내부에 공간부를 가지며, 일면이 개방된 직육면체형으로 이루어지고, 상기 소결윅의 외주면은 상기 소결윅수용부의 내주면에 결합되고, 상기 개방된 일면은 상기 배출공과 연통된 것이 바람직하다.
또한, 상기 소결윅은 직육면체형으로 이루어지며, 상기 소결윅의 내부에는 상기 기체로 상변화된 작동유체가 흐르도록, 상기 배출공과 연통되며, 횡단면이 원형인 증기통로가 복수개 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 소결윅의 상면과 하면을 연결하는 판상의 제1 서브소결윅이 일정간격으로 서로 이격되어 배치된 것이 바람직하다.
또한, 상기 소결윅의 상면과 하면에는, 상기 상면과 하면으로부터 돌출되는 돌출부가 일정간격으로 서로 이격되어 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기 소결윅의 상면과 하면을 연결하는 판상의 제1 서브소결윅이 일정간격으로 서로 이격배치되며, 상기 하면으로부터 돌출되며, 상기 상면과 이격되는 핀형의 제2 서브소결윅이 상기 제1 서브소결윅의 사이에 일정간격으로 서로 이격되어 배치된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 루프 히트파이프 시스템용 증발기, 챔버부에 모세구조물을 삽입하여 액상의 작동유체가 1차적으로 모세구조물을 경유하도록 하고, 모세구조물의 모세압이 소결윅의 모세압보다 작도록 함으로써, 모세구조물을 경유한 액상의 작동유체는 챔버부에 오랜 시간을 지속하여 체류하지 않고 소결윅으로 스며들게 되므로, 챔버부 내에서 작동유체가 가열되어 기포가 생기는 것을 미연에 방지하는 효과를 제공한다.
본 발명은, 응축기(20), 기체이송관(40), 및 액체이송관(30)과 함께 루프 히트파이프 시스템을 구성하는 증발기(200)에 관한 것이다.
도4에 도시된 바와 같이, 루프 히트파이프 시스템은 증발기(200), 응축기(20), 기체이송관(40), 및 액체이송관(30)을 포함하여 구성된다.
상기 응축기(20)는, 증발기(200)에서 전달받은 기체 상태의 작동유체를 액체로 상변화시키는 곳이다. 응축기(20)는 작동유체로부터 열을 빼앗아 외부 대기 중으로 내보낸다.
상기 기체이송관(40)은, 증발기(200)에서 상변화된 기체가 응축기(20)로 이송될 수 있도록 증발기(200)와 응축기(20)를 연결하는 관부재이고, 상기 액체이송관(30)은 응축기(20)에서 상변화된 액체가 다시 증발기(200)로 공급될 수 있도록 응축기(20)와 증발기(200)를 연결하는 관부재이다.
한편, 응축기(20)와 기체이송관(40) 및 액체이송관(30)에 관한 일반적인 설명 및 작용에 관하여는, 앞서 배경기술 란에서 설명한 것이 그대로 적용된다.
상기 증발기(200)는, 본 발명의 대상이 되는 것으로서, 응축기(20), 액체이송관(30), 기체이송관(40)과 함께 루프 히트파이프 시스템을 이루는 구성요소의 하나이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 루프 히트파이프 시스템용 증발기를 도5 내지 도9를 참조하여 상세히 설명한다.
도5는 루프 히트파이프 시스템을 구성하는 증발기의 분리사시도이고, 도6는 도5의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도이며. 도7은 도5의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도이다. 도8 및 도9는 모세압과 투과율을 설명하기 위한 도면이다.
도5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 루프 히트파이프 시스템용 증발기(200)는, 증발기 본체(210)와, 제1 챔버부(220)와, 모세구조물(230)을 포함하여 구성된다.
상기 증발기 본체(210)는 발열부품(1)과 접촉하여 발열부품(1)의 열을 전달받는다. 도3에 도시된 바와 같이, 증발기 본체(210)의 외주면 일면에 발열부품(1)이 접촉하게 된다.
상기 증발기 본체(210)는, 금속분말이 소결된 소결윅(wick;214)이 수용되는 소결윅수용부(212)와, 상기 소결윅(214)의 공극 사이에 채워지는 작동유체가 가열시 기체로 상변화되어 배출되는 배출공(218)과, 상기 작동유체가 액상으로 상변화 되어 유입되는 유입공(216)을 포함하여 구성된다.
상기 소결윅수용부(212)는 소결윅(214)이 수용될 수 있는 공간이며, 본 실시예에서 직육면체 형상의 공간을 형성하고 있다.
상기 배출공(218)은 소결윅(214)의 공극 사이에 채워진 작동유체가 발열부품(1)의 열을 전달받아 기화되어 기체이송관(40)을 통하여 배출될 수 있도록 증발기 본체(210)에 형성된다. 본 실시예에서, 상기 소결윅수용부(212)의 개방된 일면이 배출공(218)이 된다.
상기 유입공(216)은 기체 상태의 작동유체가 응축기(20)를 통과하면서 액상으로 상변화되어 액체이송관(30)을 통하여 다시 증발기 본체(210)로 유입될 수 있도록 증발기 본체(210)에 형성된다. 본 실시예에서, 상기 유입공(216)은 증발기 본체(210)의 상면에 형성된다. 물론 상기 유입공(216)의 위치는 다양하게 변경될 수 있다. 예컨대, 상기 유입공(216)은 상기 배출공(218)과 마주하여 형성될 수 있다.
상기 소결윅수용부(212)에는 금속분말이 소결된 소결윅(214)이 삽입된다. 본 실시예에서, 상기 소결윅(214)은 내부에 공간부를 가지며, 일면이 개방된 직육면체형으로 이루어진다. 상기 소결윅(214)의 외주면은 상기 소결윅수용부(212)의 내주면에 결합되고, 상기 개방된 일면은 상기 배출공(218)과 연통된다. 상기 개방된 일면은 기체로 상변화된 작동유체가 흐르는 증기통로(214a)의 역할을 한다.
상기 소결윅(214)의 내부에는 수많은 공극이 형성되며, 유체상태의 작동유체가 상기 공극 사이에 스며들게 된다. 일반적으로, 물, 아세톤, 펜탄, 암모니아, 냉매(R-134a) 등과 같은 유체가 작동유체로 사용된다.
상기 제1 챔버부(220)는 상기 유입공(216) 측에 결합되어, 액체이송관(30)을 통하여 증발기 본체(210)로 이동하는 액상의 작동유체를 수용한다. 상기 제1 챔버부(220)는 유입구(222)와, 수용공간부(224)를 구비한다.
상기 유입구(222)는 상기 증발기 본체(210)의 유입공(216)과 연통되며, 상기 액체이송관(30)이 결합되는 부분이다. 상기 수용공간부(224)는 상기 액상의 작동유체가 증발기 본체(210)로 유입되기 전에 수용되는 공간부이다. 도6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서, 상기 유입구(222)는 제1 챔버부(220)의 상면에 2개가 형성되며, 상기 유입구(222)의 하측으로 수용공간부(224)가 형성된다. 상기 수용공간부(224)는 하측으로 개방되어 있다.
상기 모세구조물(230)은 다공성 물질로 이루어지며, 상기 수용공간부(224)에 삽입된다. 상기 유입구(222)를 통해 유입된 액상의 작동유체는 상기 모세구조물(230)을 거쳐 상기 증발기 본체(210)로 유입되도록 구성된다. 본 실시예에서, 상기 모세구조물(230)은 상기 수용공간부(224)의 전영역에 채워지게 되며, 상기 모세구조물(230)의 하면은 증발기 본체(210)에 삽입된 소결윅(214)과 접하고 있다.
상기 모세구조물(230)의 모세압은 소결윅(214)의 모세압 보다 작고, 상기 모세구조물(230)의 투과율은 상기 소결윅(214)의 투과율보다 크다.
여기서, 도8 및 도9를 참조하여, 모세압과 투과율을 관계는 상세히 설명한다. 도8은 도6의 "A"부분을 확대한 것으로, 소결윅(214)을 구성하는 입자의 개략적인 단면도이고, 도9는 도6의 "B"부분을 확대한 것으로, 모세구조물(230)을 구성하는 입자의 개략적인 단면도이다.
모세압은 아래 수학식으로 주어진다.
Figure 112009059121483-pat00001
상기 P는 모세압력,
Figure 112009059121483-pat00002
는 작동유체의 표면장력, r은 입자들이 형성하는 공극의 유효 반지름을 말한다.
상기 작동유체의 표면장력은 일정하므로, 모세압력은 입자들이 형성하는 공극의 유효 반지름의 차이에 따라 달라지게 된다.
도8 및 도9에 도시된 바와 같이, 소결윅(214)을 구성하는 입자(2)가 구성하는 공극의 유효 반지름은 r1이고, 모세구조물(230)을 구성하는 입자(3)가 구성하는 공극의 유효 반지름을 r2라 할때, r1<r2이므로, 소결윅(214)의 모세압이 모세구조물(230)의 모세압보다 크게 된다. 한편, r1<r2이므로, 작동유체는 소결윅(214) 보다 모세구조물(230)에서 더 잘 투과되게 된다. 즉, 모세구조물(230)의 투과율이 소결윅(214)의 투과율보다 크다.
이와 같이, 소결윅(214)의 모세압을 모세구조물(230)의 모세압보다 크게 하고, 모세구조물(230)의 투과율을 소결윅(214)의 투과율보다 크게 하여, 제1 챔버부(220)로 유입된 액상의 작동유체가 모세구조물(230)을 경유하여 소결윅(214)으로 스며들게 한다. 만약, 소결윅(214)의 모세압이 모세구조물(230)의 모세압보다 작은 경우에는, 제1 챔버부(220)로 유입된 액상의 작동유체는 모세구조물(230)에 더 잘 스며들어 소결윅(214) 측으로 용이하게 이동하지 않으므로, 작동유체의 순환이 원 할하게 이루어지지 않는다.
또한, 도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 루프 히트파이프 시스템용 증발기는 제2 챔버부(240)를 구비한다.
상기 제2 챔버부(240)는 상기 배출공(218) 측에 결합되며, 배출구(242)와, 기체수용부(244)를 구비한다. 상기 배출구(242)는 기체로 상변화된 작동유체가 배출되는 출구로서, 기체이송관(40)이 결합되는 부분이다. 상기 기체수용부(244)는 소결윅(214)의 증기통로(214a)로 통하여 이동하는 기체 상태의 작동유체가 수용되는 부분이다. 상기 기체수용부(244)는 기체이송관(40)으로 기체 상태의 작동유체가 이동될 때 급격한 압력강하를 방지하기 위해서 구비된다. 급격한 압력강하는 기체 상태의 작동유체의 속도를 순간적으로 빠르게 하여 시스템을 불안정하게 할 수 있으므로, 상기 기체수용부(244)는 기체 상태의 작동유체를 수용하여 급격한 압력강하를 미연에 방지하는 역할을 한다.
이하, 상기 구성에 의한 루프 히트파이프 시스템용 증발기(200)의 작용 및 효과에 대하여 상세히 설명한다.
증발기 본체(210)의 일면이 발열부품(1)과 접촉하여, 발열부품(1)으로부터 발생되는 열이 증발기 본체(210)에 삽입된 소결윅(214)에 전달된다. 소결윅(214)에 스며들어 있던 작동유체는 전달된 열에 의해 기체 상태로 상변화된다.
기체 상태로 상변화된 작동유체는 배출공(218)를 통하여 제2 챔버부(240) 측으로 이동하고, 제2 챔버부(240)의 기체수용부(244)에 일시적으로 수용된 후 기체이송관(40)을 따라 응축기(20)로 이동한다.
응축기(20)에서 기체 상태의 작동유체는 열을 빼앗겨 액상으로 상변화되고, 액체이송관(30)을 따라 제1 챔버부(220)로 이동한다.
상기 제1 챔버부(220)의 수용공간부(224)에 삽입된 모세구조물(230)은 액상의 작동유체를 흡수하고, 상기 액상의 작동유체는 상기 모세구조물(230)에 접해있는 소결윅(214)으로 스며들게 된다.
이때, 상기 수용공간부(224)의 하측은 개방되고, 상기 수용공간부(224)에 삽입된 모세구조물(230)의 하면이 소결윅(214)의 외주면과 접하고 있으므로, 액상의 작동유체는 모세구조물(230)에 흡수된 후, 소결윅(214)의 모세압에 의해 소결윅(214)의 공극 사이로 스며들게 된다.
소결윅(214)의 공극 사이에 스며든 액상의 작동유체는 다시 발열부품(1)의 열에 의해 가열되어 기체 상태로 상변화되어 순환하면서 발열부품(1)을 냉각시키게 된다.
이처럼, 본 발명 일 실시예에 따른 루프 히프파이트 시스템용 증발기는, 제1 챔버부(220)에 소결윅(214)의 투과율보다 높은 투과율을 가지며, 소결윅(214)의 모세압보다 작은 모세압을 가지는 모세구조물(230)을 삽입하여 유입구(222)로 들어온 액상의 작동유체가 모세구조물(230)로 단시간에 흡수되며, 모세구조물(230)에 흡수된 액상의 작동유체는 소결윅(214)의 모세압에 의해 소결윅(214)의 공극 사이로 스며들게 된다.
따라서, 제1 챔버부(220)의 모세구조물(230)에 흡수되어 있는 액상의 작동유체는 발열부품(1)의 열이 제1 챔버부(220)로 전달되더라도 작동유체가 가열되어 기 포가 생성되는 것을 방지하게 된다. 또한, 모세구조물(230)이 액상의 작동유체를 단시간에 흡수하므로, 발열부품(1)의 열에 의해 작동유체가 가열되는 시간을 줄임으로써 기포 형성을 억제하게 된다.
또한, 발열부품(1)의 열 에너지가 소결윅(214) 또는 증발기 본체(210)에 전달되어 그 열에 의해 제1 챔버부(220)의 내부에 수용된 작동유체에 기포가 형성되는 것을 방지한다. 그리하여, 기포가 액체이송관(30)으로 역류하거나, 제1 챔버부(220) 내에 형성된 기포층에 의해 작동유체의 유입이 방해받거나, 소결윅(214)이 건조되는 것을 미연에 방지된다. 따라서, 루프 히트파이프 시스템이 종래보다 안정적으로 유지되게 된다.
또한, 제1 챔버부(220)의 모세구조물(230)에 흡수된 작동유체가 소결윅(214)과 증발기 본체(210)의 결합면 사이로 유입되는 것을 최소화하기 위하여, 증발기 본체(210)에 소결윅(214)을 직접 형성하거나, 열적결합 또는 금속결합 등을 통하여 소결윅(214)과 증발기 본체(210)의 결합면에서 기포가 발생되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 소결윅(214)과 증발기 본체(210)의 결합면에서 기포형성이 억제되어, 기포층에 의해 작동유체가 제1 챔버부(220)로 유입되는 것이 방해받거나, 기포층 형성에 의해 소결윅(214)이 건조되는 것을 미연에 방지한다.
이에 따라, 발열부품(1)의 열은 소결윅(214)의 공극 사이에 스며든 작동유체의 기화에너지로 온전하게 쓰이게 함으로써, 기화에너지를 효과적으로 확보하여 냉각효율을 향상시키는 장점이 있다.
한편, 도10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 루프 히트파이프 시스템용 증발 기의 단면을 도시한다. 도10에 있어서, 도6과 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 부여하며, 그 구체적인 설명은 생략한다.
도10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 증발기는, 도6과 달리, 모세구조물(230)이 수용공간부(224)의 일부 영역에만 채워진다. 즉, 상기 모세구조물(230)의 적어도 일부가 상기 소결윅(214)과 접하도록 구성될 수 있음을 보여준다.
본 실시예에서, 모세구조물(230)의 상면은 유입구(222) 측에 접촉하며, 가장자리부는 하방으로 연장되어 소결윅(214)과 접촉하게 된다. 본 실시예에서, 상기 모세구조물(230)은 유입구(222)로부터 유입되는 액상의 작동유체를 상면에서 바로 흡수하고, 가장자리부를 통하여 액상의 작동유체를 소결윅(214)으로 전달한다.
상기 모세구조물(230)의 상면과, 하방으로 연장된 가장자리부 사이에 액상의 작동유체가 수용될 수 있다. 상기 소결윅(214)과 모세구조물(230)이 형성하는 공간에 수용된 액상의 작동유체에 기포가 발생하더라도, 상면이 유입구(222) 측에 접촉하고 있으므로 기포가 유입구(222)를 통하여 역류하는 것이 방지된다. 또한, 상면이 유입구(222) 측에 접촉하고 있으므로, 기포가 작동유체의 유입을 방해하지 않게 된다.
그리고, 소결윅(214)과 증발기 본체(210)의 결합면 사이로 작동유체가 유입되어 기포가 발생되는 방지하기 위하여, 증발기 본체(210)에 소결윅(214)을 직접 형성하거나, 열적결합 또는 금속결합 등을 통하여 소결윅(214)과 증발기 본체(210)를 결합시킬 수 있다.
그 외 본 실시예의 작용 및 효과는 도6의 실시예와 유사하므로, 그 구체적인 설명은 생략한다.
도11 내지 도14는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 루프 히트파이프 시스템용 증발기에 채용된 소결윅(214)의 형상을 도시한다. 도11 내지 도14에서, 도6과 동일한 기능을 수행하는 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 부여하며, 그 구체적인 설명은 생략한다.
도11을 참조하면, 증발기 본체(210)에 삽입되는 소결윅(214)은, 직육면체형으로 이루어지며, 소결윅(214)의 공극 사이에 스며든 작동유체가 기체로 상변화되어 기체이송관(40)으로 이동할 수 있도록 복수의 증기통로(214b)가 형성되어 있다. 상기 증기통로(214b)는 배출공(218)과 연통되며, 횡단면이 원형으로 이루어진다.
도12을 참조하면, 증발기 본체(210)에 삽입되는 소결윅(214)은, 직육면체형으로 이루어지며, 상면과 하면을 연결하는 판상의 제1 서브소결윅(215)을 구비한다. 상기 제1 서브소결윅(215)은 일정간격으로 이격되어 배치되며, 상기 제1 서브소결윅(215) 사이의 공간이 기체로 상변화된 작동유체의 증기통로(214c)를 형성하게 된다.
도13를 참조하면, 증발기 본체(210)에 삽입되는 소결윅(214)은, 직육면체형으로 이루어지고, 상면과 하면으로부터 돌출되는 돌출부(215)를 구비한다. 상기 돌출부(215)는 일정간격으로 서로 이격되어 형성된다. 상기 돌출부(215)들 사이의 공간과, 상기 상면과 하면이 이루는 공간은 기체로 상변화된 작동유체의 증기통로(214d)를 형성하게 된다.
도14을 참조하면, 증발기 본체(210)에 삽입되는 소결윅(214)은, 직육면체형으로 이루어지고, 상면과 하면을 연결하는 판상의 제1 서브소결윅(215)과, 상기 제1 서브소결윅(215) 사이에 배치되는 제2 서브소결윅(219)을 구비한다.
상기 제1 서브소결윅(215)은, 상기 도11이 실시예와 마찬가지로, 상면과 하면을 연결하고, 일정간격으로 서로 이격되어 배치된다. 상기 제2 서브소결윅(219)은 하면으로부터 돌출된 핀형으로 형성되며, 상기 제2 서브소결윅(219)의 상단부는 상기 상면과 이격되어 배치된다. 상기 제2 서브소결윅(219)은 제1 서브소결윅(215) 사이에 일정간격으로 이격되어 배치된다. 상기 제2 서브소결윅(219)의 상단부와, 소결윅(214)의 상면과, 제1 서브소결윅(215)이 서로 형성하는 공간은 기체로 상변화된 작동유체의 증기통로(214e)를 형성하게 된다.
물론, 도11 내지 도14에 도시된 소결윅(214)의 외형은 직육면체로 이루어지나, 소결윅수용부(212)의 형상을 달리하여 그 소결윅수용부(212)에 대응하는 형상으로 다양하게 변화가능하다.
도11 내지 도14에 따른 루프 히프파이프 시스템용 증발기의 작용 및 효과는 도6의 증발기의 작용 및 효과과 유사하므로, 그 구체적인 설명은 생략한다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도1은 종래 원통형 히트파이프의 동작을 설명하는 개략적인 도면,
도2는 종래 루프 히트파이프 시스템의 개념도,
도3은 도2에 채용된 증발기의 개략적인 단면도,
도4는 본 발명 일 실시예에 따른 증발기가 채용된 루프 히트파이프 시스템의 개략적인 사시도,
도5는 도4의 증발기의 분리사시도,
도6는 도5의 Ⅵ-Ⅵ선 단면도,
도7은 도5의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도,
도8 및 도9는 모세압과 투과율을 설명하기 위한 도면,
도10은 본 발명 다른 실시예에 따른 증발기의 단면도,
도11 내지 도14는 본 발명 또 다른 실시예에 채용된 소결윅의 형상을 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1... 발열부품 200... 증발기
210... 증발기 본체 212... 소결윅 수용부
214... 소결윅 215... 제1 서브소결윅
216... 유입공 217... 돌출부
218... 배출공 219... 제2 서브소결윅
220... 제1 챔버부 222... 유입구
224... 수용공간부 230... 모세구조물
240... 제2 챔버부 242... 배출구
244... 기체수용부 30... 액체이송관
40... 기체이송관 20...응축기

Claims (11)

  1. 금속분말이 소결된 소결윅(wick)이 수용되는 소결윅수용부와, 상기 소결윅의 공극 사이에 채워지는 작동유체가 가열시 기체로 상변화되어 배출되는 배출공과, 상기 작동유체가 액상으로 상변화되어 유입되는 유입공을 갖는 증발기 본체;
    상기 유입공 측에 결합되며, 상기 액상의 작동유체가 유입되는 유입구와, 상기 액상의 작동유체를 수용하는 수용공간부를 갖는 제1 챔버부; 및
    상기 수용공간부에 삽입되는 다공성의 모세구조물;을 포함하되,
    상기 유입구를 통해 유입된 상기 액상의 작동유체는 상기 모세구조물을 거쳐 상기 증발기 본체로 유입되는 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 시스템(LHP;Loop Heat Pipe)용 증발기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모세구조물의 적어도 일부는 상기 소결윅과 접하는 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 시스템용 증발기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모세구조물은 상기 수용공간부의 전영역에 채워진 것을 특징을 하는 루프 히트파이프 시스템용 증발기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소결윅의 모세압은 상기 모세구조물의 모세압보다 큰 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 시스템용 증발기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 소결윅의 투과율은 상기 모세구조물의 투과율보다 작은 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 시스템용 증발기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배출공 측에 결합되며,
    상기 기체로 상변화된 작동유체가 배출되는 배출구와, 상기 기체로 상변화된 작동유체가 수용되는 기체수용부를 구비하는 제2 챔버부를 포함하는 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 시스템용 증발기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소결윅은 내부에 공간부를 가지며, 일면이 개방된 직육면체형으로 이루어지고,
    상기 소결윅의 외주면은 상기 소결윅수용부의 내주면에 결합되고, 상기 개방된 일면은 상기 배출공과 연통된 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 시스템용 증발기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 소결윅은 직육면체형으로 이루어지며,
    상기 소결윅의 내부에는 상기 기체로 상변화된 작동유체가 흐르도록, 상기 배출공과 연통되며, 횡단면이 원형인 증기통로가 복수개 형성된 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 시스템용 증발기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 소결윅의 상면과 하면을 연결하는 판상의 제1 서브소결윅이 일정간격으로 서로 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 시스템용 증발기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 소결윅의 상면과 하면에는, 상기 상면과 하면으로부터 돌출되는 돌출부가 일정간격으로 서로 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 시스템용 증발기.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 소결윅의 상면과 하면을 연결하는 판상의 제1 서브소결윅이 일정간격으로 서로 이격배치되며,
    상기 하면으로부터 돌출되며, 상기 상면과 이격되는 핀형의 제2 서브소결윅 이 상기 제1 서브소결윅의 사이에 일정간격으로 서로 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 시스템용 증발기.
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