KR101218670B1

KR101218670B1 - 탄소나노튜브가 코팅된 윅을 이용한 히트파이프

Info

Publication number: KR101218670B1
Application number: KR1020100126657A
Authority: KR
Inventors: 정춘식
Original assignee: 정춘식
Priority date: 2010-12-13
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2013-01-10
Also published as: KR20120065497A

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브가 코팅된 윅을 이용한 히트파이프에 관한 것으로서, 특히 히트파이프 내의 윅(Wick) 구조를 개선하여 작동유체의 순환효율과 열 이송력을 증대시켜 히트파이프의 성능을 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브가 코팅된 윅을 이용한 히트파이프에 관한 것이다.
본 발명의 탄소나노튜브가 코팅된 윅은, 히트파이프를 이루는 관체의 내부에 배치되는 윅(wick)에 있어서, 상기 윅에는 탄소나노튜브가 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소나노튜브가 코팅된 윅을 이용한 히트파이프 { HEAT PIPE USING WICK COATED CARBON NANOTUBE }

본 발명은 탄소나노튜브가 코팅된 윅을 이용한 히트파이프에 관한 것으로서, 특히 히트파이프 내의 윅(Wick) 구조를 개선하여 작동유체의 순환효율과 열 이송력을 증대시켜 히트파이프의 성능을 향상시킬 수 있는 탄소나노튜브가 코팅된 윅을 이용한 히트파이프에 관한 것이다.

일반적으로 히트파이프는 고온에서 저온으로의 열 교환ㆍ수송 능력이 우수하기 때문에, 전자ㆍ통신장비 및 산업기계 등에서 열교환 및 수송용 열소자로 사용되어져 오고 있다.

특히, 전자ㆍ통신장비 및 컴퓨터 등의 칩 설계 및 제조기술의 발달로 선폭의 축소와 부피의 감소로 인하여 단위 부피 또는 단위 면적당 발열량이 증가되는 추세에 있다.

히트파이프는 공기냉각을 이용한 히트싱크/팬 방식 보다 열처리 성능이 우수하기 때문에 이러한 장치의 냉각소자로 많이 사용되고 있고 발열량 증가에 따라 더욱 적용사례가 증가할 것으로 예측되어 진다.

종래 히트파이프의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 폐공간의 관체(4)내에 작동유체를 진공 봉입하고, 그 관체(4) 내벽에 모세관 구조를 갖는 윅(5)이 구비되어 있다.

히트파이프는 고온부(1a)로부터 열을 흡수하는 증발부(1), 저온부로 열을 방출하는 응축부(3) 그리고 증기의 이동과 액체의 귀환 수단인 단열부(2)로 구성되어진다.

이러한 히트파이프에서 열교환ㆍ수송의 원리를 살펴보면, 컴퓨터 칩 등, 열이 발생되는 고온부(1a)의 열을 히트파이프 증발부(1)에서 흡수하고, 증발잠열을 흡수하여 증기로 상변화된 작동유체가 내부통로(6)를 통하여 응축부(3)로 이동하게 된다.

그 작동유체는 저온부(3a)로 응축잠열을 방출하여 응축되고, 그 응축된 작동유체는 모세관 구조의 윅(5)을 통하여 증발부(1)로 귀환하게 된다.

이러한 일련의 변화가 관체(4)내에서 연속적인 순환형태로 발생하여, 고온부(1a)의 열이 저온부(3a)로 빠르게 이송하게 된다.

증발부(1)와 단열부(2)는 같은 온도를 가지며, 응축부(3)보다는 온도가 높다.

또한, 각 부분에서의 증기압은 포화상태가 되며, 증기압의 관계는 증발부(1), 단열부(2)가 같은 압력을 가지며, 단열부(2)의 압력은 응축부(3)의 압력보다 높다.

이러한 결과로 증기는 증발부(1)에서 단열부(2)를 지나 응축부(3)로 이송된다.

이런 현상은 열전달속도가 음속에 가까운 속도이므로 매우 빠르게 일어난다.

상기와 같은 히트파이프에서 열처리 성능은 작동유체의 종류 및 주입량, 관체(4) 내부의 진공도, 청결도 그리고 윅(5)구조의 모세관력 등이 중요한 변수이다.

종래 히트파이프는 열처리 성능을 향상시키기 위하여, 모세관력을 증가시킬 수 있는 윅(5) 구조에 관한 연구가 많이 진행되고 있는 상황에 있다.

위와 같은 관체(4) 내부에 있는 작동유체의 원활한 순환을 위하여 종래에는 상기 윅(5)을 인입하거나, 내벽에 홈을 가공하여 모세관이 생기도록 하였다.

상기 윅(5)으로 사용되는 것은 스크린 매쉬, 선재나 스프링 등 윅(5) 재료 표면의 가공 및 표면처리 없이 상기 관체(4) 내부에 주입하여 사용한다.

또한 상기 관체(4)의 내부 벽면의 홈은 기계적 가공이나 다공질 소결 등에 의해 형성된다.

이와 같은 윅(5)에 대한 선행기술로서, 열 절달 특성을 향상시키기 위해 관체(4) 내벽에 금속표면 처리를 하거나, 관체(4) 내벽에 유기 및 무기물질로 표면 처리된 금속테이프를 부착함으로써, 관체(4) 중앙으로 증기 통로를 확보하도록 하는 것이 제안되고 있다.

또 다른 기술로서, 다공질 소결된 파이프 내벽과 홈에 의하여 모세관 펌핑력을 증가하고, 원주방향으로 작동유체가 골고루 분배되도록 하는 방법 등 여러 가지 다양한 기술이 알려져 있다.

그러나, 상기의 여러 가지 형태의 종래기술은 소형화가 곤란하거나 제조 공정이 까다롭고, 공정상 제조 단가가 상승하여 대중화를 이루는데 어려움이 있고, 다량의 열을 이송하는데 문제점이 있다.

또한, 작동유체에 탄소나노튜브를 혼합하여 사용하는 것은 효율은 좋으나, 그 분산 과정이 난이도가 높고 비용도 높은 뿐만 아니라 고온가열이 반복되는 과정이 계속되면 분산되었던 나노튜브는 열전달을 방해하는 파울링 현상으로 뭉쳐지는 현상이 나타나게 되어, 본래의 기능을 상실하기 때문에 이루고자 하는 효율 향상이 반감되는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 윅에 탄소나노튜브를 코팅하여 히트파이프의 열전달 및 방열효과를 증대시킬 수 있는 탄소나노튜브가 코팅된 윅을 이용한 히트파이프를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄소나노튜브가 코팅된 윅은, 히트파이프를 이루는 관체의 내부에 배치되는 윅(wick)에 있어서, 상기 윅에는 탄소나노튜브가 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 윅은, 압축된 다공천연섬유와; 상기 다공천연섬유의 외주면을 감싸는 부직포로 이루어지고, 상기 다공천연섬유와 부직포에는 상기 탄소나노튜브가 함유되어 코팅된다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탄소나노튜브가 코팅된 윅의 제조방법은, 히트파이프를 이루는 관체의 내부에 배치되는 윅(wick)의 제조방법에 있어서, 탄소나노튜브를 물에 분산한 상태에서 상기 윅을 상기 탄소나노튜브가 분산된 물에 침수했다가 건조하는 과정을 거쳐 상기 윅의 내외부에 상기 탄소나노튜브를 코팅하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 히트파이프는, 일단이 열원과 접하고, 타단이 폐쇄되며, 내부에 작동유체가 충진된 중공형상의 관체와; 상기 관체의 내부에 배치되는 막대 형상의 윅(wick)으로 이루어지되, 상기 윅에는 탄소나노튜브가 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 윅은, 압축된 다공천연섬유와; 상기 다공천연섬유의 외주면을 감싸는 부직포로 이루어지고, 상기 다공천연섬유와 부직포에는 상기 탄소나노튜브가 함유되어 코팅된다.
상기 윅의 직경은 상기 관체의 내경보다 작고 상기 관체의 내부에서 유동가능하게 배치되어, 상기 윅은 중력에 의해 상기 관체의 하부에 배치된다.
상기 작동유체의 양은 상기 윅이 최대로 흡수할 수 있는 양의 100 ~ 110%이다.

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이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 탄소나노튜브가 코팅된 윅을 이용한 히트파이프에 따르면, 윅에 탄소나노튜브를 코팅함으로써, 작동유체의 순환효율과 열전달 효율을 높여 히트파이프의 열전달 및 방열효과를 증대시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 히트파이프의 구조를 도시한 개념도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트파이프의 단면구조도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 윅의 단면구조도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 히트파이프와 종래 열전달재료의 열전도율을 비교한 도면,
도 5는 종래의 히트파이프의 설치구조도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트파이프의 단면구조도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 윅의 단면구조도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 히트파이프와 종래 열전달재료의 열전도율을 비교한 도면이고, 도 5는 종래의 히트파이프의 설치구조도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 히트파이프(100)는, 관체(110)와, 윅(120)으로 이루어진다.

상기 관체(110)는 중공형상으로 형성되어 일단과 타단이 폐쇄되어 있고, 일단은 열원과 접하고 있으며, 내부에는 작동유체가 충진되어 있다.

상기 윅(120)은 상기 관체(110)의 내부에 삽입 배치되며, 외부는 균일한 모세관 구조를 가지고 있고 내부는 흡입력이 강력한 구조를 가지도록 구성되어, 빠른 열 이송력과 응축된 작동유체가 빠르게 귀환하도록 한다.

이러한 상기 윅(120)에는 탄소나노튜브(130)가 코팅되어 있다.

자세하게는, 상기 윅(120)은 도 3에 도시된 바와 같이, 다공천연섬유(121)와 부직포(122)로 이루어진다.

상기 다공천연섬유(121)는 압축된 상태의 원기둥 형상으로 형성되어 강력한 흡입력을 가지고 있다.

상기 부직포(122)는 상기 다공천연섬유(121)의 외주면을 감싸고 있으며, 균일한 모세관 구조를 가지고 있다.

위와 같은 상기 다공천연섬유(121)와 부직포(122)에 의해 상기 윅(120)은 흡입력이 강하고, 균일한 모세관 구조를 가지게 되어, 작동유체를 많이 머금으면서 빠르게 귀환시킬 수 있다.

종래에는 상기 윅(120)의 소재를 금속을 사용하였기 때문에, 작동유체의 흡입력이 높지 못했다.

상기 탄소나노튜브(130)는 상기 다공천연섬유(121) 및 부직포(122)에 함유되어 코팅됨으로써, 상기 윅(120)의 열전도 및 방열효과를 보다 높이는 역할을 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 히트파이프(100)는 상기 윅(120)에 탄소나노튜브(130)가 코팅되어 있어서, 알루미늄 및 구리뿐만 아니라 종래의 히트파이프보다 열전도율이 월등히 높음을 알 수가 있다.

상기 윅(120)에 코팅되는 상기 탄소나노튜브(130)는 10~20 나노미터이고, 0.2~0.5% 탄소나노튜브(130)를 물에 분산한 상태에서 상기 다공천연섬유(121)와 부직포(122)로 이루어진 구조체를 수차례 침수했다가 건조하는 과정을 거쳐 내외부에 코팅을 한다.

이러한 코팅공정을 마치면, 윅(120)의 전부분에 상기 탄소나노튜브(130)가 코팅되어 복합구조의 기능인 모세관 작용과 흡수작용이 기존 사용하는 윅(120)보다 월등한 성능을 가지도록 할 수 있다.

그리고, 압축된 상기 다공천연섬유(121)의 외주면에 상기 부직포(122)를 감쌈으로써, 탄력이 우수해져 상기 윅(120)을 지지하기 위한 별도의 지지봉이 불필요하고, 상기 다공천연섬유(121)는 내열성 및 내화학성을 가지고 있어 어떠한 조건의 온도와 작동유체에도 아무런 문제없이 사용할 수 있다.

탄소동소체의 결합구조에 관하여 간단히 설명하면 다음과 같다.

탄소원자가 다른 원자와 공유결합한 경우에는 L궤도(2s,2p궤도)에 존재하는 4개의 전자가 혼성궤도를 형성하는데, s궤도 1개와 p궤도 3개의 혼성에 의한 sp3혼성궤도(C-C결합), s궤도 1개와 p궤도 2개의 sp2혼성궤도(C=C결합) 그리고 s궤도 1개와 p궤도 1개의 sp혼성궤도(C≡C결합)가 있다.

sp3혼성궤도는 탄소원자의 2s,2p궤도에 있는 4개의 전자 모두가 4개의 δ결합 형성에 사용된다.

sp2혼성궤도에는 2s전자1개와 2p전자 2개가 3개의 δ결합을 형성하고, 나머지 1개의 전자는 π결합을 형성한다.

sp혼성궤도는 2s전자 1개와 2p전자 1개가 2개의 δ결합을 형성하고, 나머지 2개의 전자는 2개의 π결합을 형성한다.

sp3혼성궤도로 구성된 대표적인 탄소동소체는 다이아몬드가 있고, sp2혼성궤도에는 흑연이 있으며, sp혼성궤도에는 카빈이 있다.

21세기 3대 탄소나노소재로 꼽히고 있는 탄소나노튜브(130, Carbon Nano Tube), 탄소나노섬유(Carbon Nano fiber), 폴러렌(Fullerene)은 상기에서 기술한 sp2혼성궤도를 가지고 있으나, 그 외형적인 구조가 상이하여 서로 다른 명칭을 가지고 있고 각 물질의 특성에서도 차이를 나타낸다.

위와 같이, 상기 윅(120)에 탄소나노튜브(130)을 코팅하여 형성함으로써, 작동유체에 탄소나노튜브(130)를 분산하여 사용했던 종래기술보다, 사용하는 번거로움과 난이도를 없애고, 시간이 지나면 작동유체에서 파울링 작용에 의하여 효율이 반감되는 문제점을 해결할 수 있다.

또한 균일한 모세관 압력과 강력한 흡수력을 가진 윅(120)에 탄소나노튜브(130)를 코팅함으로써, 열전도 속도를 기존의 히트파이프보다 40%이상 향상시켰으며, 열효율을 30%이상 상승시켜 에너지가 절감되게 하였다.

한편, 상기 윅(120)의 직경은 상기 관체(110)의 내경보다 작고 상기 관체(110)의 내부에서 유동가능하게 배치되어, 상기 윅(120)은 자유상태에서 중력에 의해 항상 상기 관체(110)의 하부에 배치된다.

즉, 상기 윅(120)은 상기 관체(110)의 내부에 고정결합되어 있지 않고 유동가능하게 배치되어 있어, 항상 상기 관체(110)의 하부에 배치되게 된다.

그리고, 상기 관체(110) 내부에 있는 상기 작동유체의 양은 상기 윅(120)이 최대로 흡수할 수 있는 양의 100~110%로 충진되어 있도록 한다.

상기 작동유체의 양이 상기 윅(120)이 최대로 흡수할 수 있는 양보다 적을 경우에는, 상기 윅(120)이 건조되는 문제점과 상기 관체(110)의 증발부가 응축부보다 높게 배치된 경우 작동유체가 증발부에 거의 없어지는 문제점이 있다.

또한, 상기 작동유체의 양이 상기 윅(120)이 최대로 흡수할 수 있는 양보다 매우 많을 경우에는 상기 작동유체가 열전달에 장애물로 작용하여 열전달의 효과가 저하된다.

따라서, 본 발명과 같이 상기 작동유체의 양은 상기 윅(120)이 최대로 흡수할 수 있는 양의 100 ~ 110%로 충진되도록 한다.

위와 같이 상기 작동유체의 양을 충진함으로써, 상기 작동유체는 거의 모두가 상기 윅(120)에 흡수된 상태로 존재하게 된다.

한편, 도 5(a)에 도시된 써모싸이펀(Thermosyphon)식 히트파이프(310)는 응축부에서 응축된 작동유체가 중력의 힘으로 가열부(200)로 귀환하여야 하는바, 열원과 접하고 있는 응축부 쪽이 증발부 쪽보다 약 3도 이상 높아야 한다.

따라서, 온돌 난방 등을 위해 히트파이프(310)를 설치할 경우, 히트파이프(310)가 경사지게 배치되어야 하는바 그만큼 몰탈(350)량이 증가하고 이로 인해 무게 또한 증가하여, 건축물 하중이 증가하게 되어 고층일 경우 설계 변경이 불가피하다.

그리고, 도 5(b)에 도시된 종래의 윅식 히트파이프(320)는, 수평으로 설치할 수 있어 써모싸이펀식 히트파이프(310)보다 몰탈(350)량이 절감되는 효과가 있으나, 응축부 쪽이 낮으면 작동유체가 응축부 방향으로 이동하여 증발부 쪽에 작동유체가 존재하지 않거나 순환이 잘 일어나지 않게 되어 수평계로 항상 측정을 하고 바닥이 낮을 경우 보완을 해야 하는 문제점이 있다.

그러나, 본 발명의 히트파이프(100)는 윅(120)이 관체(110)에서 유동할 수 있도록 되어 있고, 윅(120)이 다공천연섬유(121)와 부직포(122)로 이루어지며, 윅(120)의 내외주면에 탄소나노튜브(130)가 함유되어 코팅되어 있기 때문에, 응축부 쪽이 약간 낮아도 작동이 원활하게 이루어질 수도 있다.

이는 상기 다공천연섬유(121)가 흡입력이 강하고 상기 부직포(122)가 균일한 모세관을 가지고 있기 때문에, 응축부 쪽이 약간 낮아도 작동유체는 상기 다공천연섬유(121)와 부직포(122)로 이루어진 윅(120)에 의해 증발부로 용이하게 이동할 수 있다.

또한, 상기 윅(120)에는 상기 탄소나노튜브(130)가 코팅되어 있어서, 상기 가열부(200)에서 발생된 열이 상기 탄소나노튜브(130)의 높은 열전도로에 의해 윅(120) 전체를 통해 발열됨으로써, 히트파이프(100)의 열효율을 매우 증대시킬 수 있다.

이로 인하여 히트파이프(100)를 이용한 응용제품(히트싱크, 방열기 등)의 체적을 줄일 수 있다.

또한 윅(120)의 제조단가를 획기적으로 50%이상 감소시켜 누구나 쉽게 사용하는데 부담이 없고, 응용제품의 체적을 줄일 수 있는 만큼 원재료의 원가절감이 되어 경제적 이익을 얻을 수 있다.

본 발명인 탄소나노튜브가 코팅된 윅을 이용한 히트파이프는 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

100 : 히트파이프, 110 : 관체, 120 : 윅, 121 : 다공천연섬유, 122 : 부직포, 130 : 탄소나노튜브, 200 : 가열부, 310, 320 : 히트파이프, 350 : 몰탈,

Claims

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일단이 열원과 접하고, 타단이 폐쇄되며, 내부에 작동유체가 충진된 중공형상의 관체와;
상기 관체의 내부에 배치되고, 막대 형상으로 이루어지며, 탄소나노튜브가 코팅되어 있는 윅(wick)으로 이루어지되,
상기 윅은,
압축된 다공천연섬유와;
상기 다공천연섬유의 외주면을 감싸는 부직포로 이루어지고,
상기 다공천연섬유와 부직포에는 상기 탄소나노튜브가 함유되어 코팅되며,
상기 윅의 직경은 상기 관체의 내경보다 작고 상기 관체의 내부에서 유동가능하게 배치되어,
상기 윅은 중력에 의해 상기 관체의 하부에 배치되며,
상기 작동유체의 양은 상기 윅이 최대로 흡수할 수 있는 양의 100 ~ 110%인 것을 특징으로 하는 히트파이프.
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