KR101297046B1 - 베이퍼 핀을 구비하는 상변화 열전달 장치 - Google Patents

Abstract

베이퍼 핀을 구비하는 상변화 열전달 장치이 개시된다. 본 발명에 의한 상변화 열전달 장치은 내부에 작동유체가 저장되는 중공부가 형성되되 열원 상부에 설치되는 증발부; 일측방향으로 길게 연장되되 내부에 길이방향으로 유로가 형성되는 다수의 베이퍼 핀;을 구비하되, 상기 베이퍼 핀은 길이 방향으로 길게 연장된 서로 대향하는 두 장의 박판이 소정거리 이격되어 적층된 구조를 가지며, 상기 두 장의 박판의 외측면이 밀폐됨으로써 유로를 형성하며, 상기 베이퍼 핀을 이루는 대향하는 두 박판 가운데 적어도 일측의 내측면에는 소정거리 돌출된 다수개의 딤플이 구비되어 상기 두 장의 박판의 적층시 상호 지지하고, 상기 베이퍼 핀은 다수개가 서로 평행하게 배열되며, 각각 일측 끝단이 상기 증발부의 열원 설치면의 반대측면에 부착됨으로써 상기 유로의 일측 끝단이 상기 증발부의 중공부에 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

베이퍼 핀을 구비하는 상변화 열전달 장치{PHASE CHANGE HEAT TRANSFER SYSTEM EQUIPPED WITH VAPOR FIN}

본 발명은 작동유체의 기체-액체간 상변화 과정을 통해 열전달을 수행하는 상변화 열전달 장치에 관한 것이다.

히트 파이프는 도 1에 예시된 바와 같이 밀폐된 파이프 내부의 작동유체가 연속적으로 기체 액체간 상변화 과정을 통하여 파이프 양단 사이에 열을 전달하는데, 일반적으로 열원으로부터 이격된 거리의 방열부까지 빠르게 열을 전달할 수 있다는 특징을 가진다.

이러한 공지의 히트파이프의 작동방식은 일반적으로 밀폐된 파이프 내부에 작동유체가 저장되되, 열원으로부터 흡수된 열에 의해 가열된 작동유체가 기화되어 상대적으로 저압인 응축부 방향으로 이동한 다음, 히트파이프 응축부에서 응축되어 내측면에 형성된 윅(Wick)구조를 따라 증발부로 회수된다.

도 1에 예시된 바와 같은 공지의 히트파이프의 특징을 구체적으로 살펴보자면 다음과 같다. 히트파이프 외벽에 핀을 설치함으로써 히트파이프의 열이 핀의 전도 및 핀과 공기와의 대류 열전달에 의하여 소산된다. 즉, 히트파이프-핀, 핀의 전도, 핀과 공기의 대류 등의 메커니즘이 의하여 열전달이 이루어지게 된다. 이에 따라 각 단계에서 열저항 즉 온도차가 발생하게 된다. 예컨대, 방열부하와 전열면적이 동일한 핀이라고 하여도 열원인 히트파이프 외벽으로부터 핀으로의 열전도에 의한 온도분포가 나타나게 되며 이에 따라 핀의 전체 표면이 동일한 온도를 갖는 경우에 비하여 열원의 온도가 높아지는 특성 즉, 열저항이 증가하게 되는 특성을 보인다.

한편 통상의 원형 히트파이프는 내부에 증기와 액체가 역방향 흐름을 갖게 됨에 따라 유체 계면간의 전단력이 발생하고 또한 윅 구조(모세관 구조물)의 최대 펌핑력의 한계에 의한 여러 작동한계가 존재하기 때문에 개별 히트파이프의 최대 열수송 한계를 고려하여 히트파이프 소요 수량을 결정하고 있다. 이에 따라 방열성능을 향상시키고 열수송 한계를 높이고자 하는 경우에는 히트파이프 수량을 증가시킬 수 밖에 없다는 한계를 가진다.

뿐만 아니라, 열전달 성능의 중요 지표인 증기의 유동 저항은 연속적인 윅 구조를 가져야 하는 제한 조건에 따라 히트파이프의 관경을 축소 또는 확관 등의 변경이 어려워지며 따라서 관경 변경없는 히트 파이프가 주종을 이룬다. 이에 따라, 히트 파이프는 동일 작동유체를 사용할 때 파이프의 직경에 따라 윅구조의 펌핑능력과 증기유동량이 고정되며 최대 열전달 성능을 변경하는 것이 사실상 불가능하다는 방열 설계상 한계점을 가진다. 예를 들어 CPU방열에 주로 사용되는 6.35mm 의 히트파이프는 개당 20W내외의 열 이송 능력을 갖고 있다.

한편, 증발부의 경우 공지의 히트 파이프와는 달리 비교적 넓은 증발영역과 증기 유동 공간을 가지므로 챔버내 공간과 냉매 충진량 조정으로 열전달 성능을 조정할 수 있어 히트파이프 보다 방열용량의 설계가 자유롭다.

도 2는 공지의 증발부의 구조를 도시하는데, 증발부는 내부에 충분한 양의 작동유체가 저장되며 열원으로부터 열을 흡수하여 작동유체를 가열시켜 순환시키는 구조인 바, 도 1에 도시된 바와 같은 히트 파이프와 대비할 때 방열 용량설계가 자유롭다는 장점이 있다. 또한 열원으로부터 직접적으로 상변화 열전달을 통하여 방열하므로 기존의 구리 등을 이용한 전도에 의한 열확산구조보다 더 높은 열확산 능력을 가지게 되며 이에 따라 발열소자의 온도 구배를 줄여 소자의 신뢰성의 향상을 가져오는 장점도 존재한다.

그러나, 이러한 증발부는 상단부에 구비된 방열판을 통해 열교환이 이루어질 뿐이므로 방열면적 증대가 챔버의 크기에 종속되고 방열핀(fin)의 핀효율에 의하여 높이가 제한적일 수밖에 없어 방열설계에 있어서 열저항 증가에 의해 크기와 무게가 증가한다는 단점을 가진다.

구체적으로 살펴보자면, 공지된 종래의 증발부는 열원으로부터 가열된 증기가 그 타단에서 응축하며 열을 전달하는 구조로써 높은 열유속으로 열을 전열면적이 확장된 타단표면에 열을 전달함으로써 방열핀(fin)의 하단에 발생가능한 중심부가 뜨겁고 열원으로 부터 먼 부위는 온도가 낮은 온도 구배를 완화함으로써 일반적인 히트싱크를 사용하는 경우에 발생할 수 있는 핀 효율 저하를 방지할 수 있다. 그런데 증발부는 종래의 히트파이프와 동일하게 양 단에서의 열전달을 수행할 뿐 공기와의 열전달에 의한 열소산을 하고자 할 경우에는 별도의 공기와의 대류 열전달을 수행할 장치를 설치해야 한다. 이에 따라 증발부를 냉각장치로 적용하는 경우에는 통상, 응축부 표면에 별도의 전열면적이 확장된 히트싱크를 설치함으로써 히트싱크에 의한 대류 열소산에 의한 냉각방법을 사용하고 있다.

이러한 경우에는 열원인 증발부에 의하여 히트싱크의 바닥온도를 일정하게 해주어 일반적인 히트싱크에 비하여 다소 성능 향상을 가져올 수 있으나 여전히 히트싱크의 방열핀은 전도에 의한 성능 제한이 발생한다.

열원부에 가까운 핀은 구조적인 면적이 넓어야 바닥면에서 이격된 거리를 길게 가져가 핀 하나당 면적을 넓게 할 수 있으나 핀 하나당 바닥면의 넓이가 넓어지면 동일한 면적에 구비할 수 있는 방열핀의 개수가 줄어 드는 단점이 발생한다. 즉 여러개의 방열핀을 설치하는 것이 불가능하기 때문에 열원의 온도와 발열량 그리고 히트싱크의 바닥면적의 제한에 따라 최적의 방열핀 설계가 존재하는 단점이 발생한다.

기술분야를 막론하고 고발열체 열원들은 발열량 증대와 함께 집적화에 의한 단위 면적당 발열량 즉, 열유속이 점차 증가되는 추세이며, 그 크기는 점점 소형화되어 구조의 변경이나 설치방법에 제약이 적으며 빠른 열확산 성능을 가져 단위면적당 발령이 큰 소자들의 신뢰성 향상을 위한 방열수단의 개발이 필요하다.

그러나, 공지의 히트 파이프에 의할 때 열의 이송과 방열면적 확보가 용이한 장점이 있으나 그 형상이나 구조의 설계가 자유롭지 못함은 물론 방열용량을 증가시킬 경우 히트파이프의 관경의 변화를 주거나 개수를 늘려 장착해야 하며 이는 설치공간의 제약을 받을 수 밖에 없는 단점이 발생하고, 공지의 증발부에 의할 때 방열용량의 설계가 히트파이프에 비하여 자유로운 반면 방열부인 히트싱크의 방열면적 증가를 위한 설계적 제한이 생긴다는 단점이 있어 이러한 요구를 충족시키지 못하고 있다. 선행 기술 중 베이퍼챔버와 히트파이프를 일체형으로 제작하는 기술도 존재하나 여전히 히트파이프가 갖는 단점을 가지고 있으며 일체형으로 윅 구조를 만들기 어려운 제조상 난점도 가지고 있을 뿐 아니라 증기의 유입과 유출이 동일한 핀 입구에서 발생하므로 윅구조를 설치하지 않을 경우 좁은 핀안에 작동유체가 액체 상태로 모세관현상에 의하여 잡혀 있을 수 있어 윅구조가 없을 경우 성능저하가 발생하는 단점을 가지고 있다.

[문헌 1] 대한민국 특허 등록 제10-598516호 "히트파이프 기능을 갖는 히트싱크" [문헌 2] 대한민국 특허 등록 제10-1087774 "상변화 열전달 장치 타입 히트싱크" [문헌 3] 대한민국 특허 등록 제10-1083250호 "엘이디 패키지 방열용 나노유체 베이퍼챔버" [문헌 4] 대한민국 특허공개 제10-2011-0064998호 "히트파이프 조립체 및 이를 포함하는 발열 장치"

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로 증기 유동경로와 방열핀을 일체화한 베이퍼 핀을 구비하는 상변화 열전달 장치의 제공에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 의한 베이퍼 핀을 구비하는 상변화 열전달 장치은 내부에 작동유체가 저장되는 중공부가 형성되되 열원상부에 설치되는 증발부;

일측방향으로 길게 연장되되 내부에 길이방향으로 유로가 형성되는 다수의 베이퍼 핀;을 구비하되,

상기 베이퍼 핀은 길이 방향으로 길게 연장된 서로 대향하는 두 장의 박판이 소정거리 이격되어 적층된 구조를 가지며, 상기 두 장의 박판의 외측면이 밀폐됨으로써 유로를 형성하되,

상기 베이퍼 핀을 이루는 대향하는 두 박판 가운데 적어도 일측의 내측면에는 소정거리 돌출된 다수개의 딤플이 구비되어 상기 두 장의 박판의 적층시 상호 지지하며,

상기 베이퍼 핀은 다수개가 서로 평행하게 배열되며, 각각 일측 끝단이 상기 증발부의 열원 설치면의 반대측면에 부착됨으로써 상기 유로의 일측 끝단이 상기 증발부의 중공부에 연결되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 이 실시예에 의한 베이퍼 핀을 구비하는 상변화 열전달 장치은 내부에 작동유체가 저장되는 중공부가 형성되되 열원 상부에 설치되는 증발부; 및

서로 대향하는 두 장의 박판이 소정거리 이격되어 적층된 구조를 가지며, 상기 두 장의 박판의 외측면이 밀폐됨으로써 유로를 형성하는 다수의 베이퍼 핀;을 구비하되,

상기 다수의 베이퍼 핀은 중심부를 기준으로 양측방향으로 소정각도 꺽어진 형상을 가지며,

상기 다수의 베이퍼 핀은 상기 증발부의 열원 설치면 반대측면에 각각 소정거리 이격되어 적층되며,

상기 다수의 베이퍼 핀의 중심부는 개구되되, 각 베이퍼 핀의 중심부의 개구된 부위의 외주면을 따라 외측방향으로 소정길이 돌출되어 적층된 다수의 베이퍼 핀을 지지하며, 상기 다수의 베이퍼 핀의 개구된 부위는 상기 중공부로 연결되어 상기 중공부로부터 기화되어 유입된 작동유체가 타측 끝단을 향해 이송되는 증기 이송부를 형성하며,

상기 다수의 베이퍼 핀의 양측 끝단부는 개구되되, 각 베이퍼 핀의 양측 끝단부의 개구된 부위의 외주면을 따라 외측방향으로 소정길이 돌출되어 적층된 다수의 베이퍼 핀을 지지하며, 상기 다수의 베이퍼 핀의 양측 끝단부의 개구된 부위는 상기 중공부로 연결되어 유로를 거쳐 응축된 작동유체가 상기 중공부로 회수되는 액체회수부를 형성하며,

상기 베이퍼 핀을 이루는 대향하는 두 박판 가운데 적어도 일측의 내측면에는 소정거리 돌출된 다수개의 딤플이 구비되어 상기 두 장의 박판을 상호 지지하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 의할 때 방열핀과 증기유동통로를 일체화함으로써 방열핀으로 갈수록 열교환 효율이 급격하게 낮아지는 종래의 히트 파이프 및 증발부의 단점을 해소하였다.

특히, 종래의 히트 파이프는 방열용량을 증가시키기 위하여 히트 파이프의 갯수를 늘려야 했으나, 본 발명은 베이퍼 핀의 개수나 크기를 변경하는 것에 의해 용이하게 용량을 증대시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 증기의 이송경로와 응축된 유체의 회수경로를 분리함으로써 윅구조의 연결필요성을 제거하여 증기유동저항을 변경할 수 있게 됨은 물론, 그 형상이나 모양, 크기의 변경시 제약을 제거하였다.

도 1은 종래기술에 의한 히트 파이프(Heat Pipe)를 설명하는 도면이며,
도 2는 종래기술에 의한 증발부(Vapor Chamber)를 설명하는 도면이며,
도 3은 본 발명에 의한 상변화 열전달 장치(Thermosyphon)의 베이퍼 핀(Vapor Fin)의 구조를 설명하는 도면이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화 열전달 장치의 구조를 설명하는 도면이며,
도 5는 본 발명의 이 실시예에 의한 상변화 열전달 장치의 구조를 설명하는 도면이며,
도 6은 도 5에 도시된 상변화 열전달 장치을 가로방향으로 설치한 경우의 동작을 설명하는 도면이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예 및 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 한편, 본 발명을 명확히 하기 위하여 본 발명의 구성과 관련없는 내용은 생략하기로 하되, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭함을 전제하여 설명한다.

한편, 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 당해 구성요소만으로 이루어지는 것으로 한정되어 해석되지 아니하며, 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

우선, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 베이퍼 핀을 구비한 상변화 열전달 장치을 상세히 살펴보기로 한다.

도 3은 본 발명에 의한 상변화 열전달 장치(Thermosyphon)의 베이퍼 핀(Vapor Fin)의 구조를 설명하는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화 열전달 장치의 구조를 설명하는 도면이다.

도 4의 (a)에 단면도에 의할 때, 본 발명의 일 실시예에 의한 상변화 열전달 장치은 내부에 작동유체(1)가 저장되는 중공부(110)가 형성된 증발부(Vapor Chamber : 100)와 상기 증발부(100) 상단부에 일체로 형성되어 상방으로 길게 연장된 다수의 베이퍼 핀(200)을 구비한다.

도 4의 (b)는 도 4의 (a)에 도시된 본 발명에 의한 상변화 열전달 장치을 측면에서 도시한 내부 단면도로서, 마찬가지로 작동유체(1)가 기화되어 이동하다 응축되어 회수되는 일련의 과정을 설명한다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 증발부(100)는 열원(2)의 상면에 설치되어 고정될 수 있다.

열원(2)으로부터 배출된 열은 증발부(100)로 전달되며, 증발부(100) 내부에 액체상태로 존재하는 작동유체(1)를 가열시키며 가열된 작동유체(1)는 기화되어 저압의 응축부 방향으로 이동한다.

도 4 에 도시된 바에 의할 때, 다수의 베이퍼 핀(200)은 서로 평행하게 일정 간격으로 구비되되, 각각 하단부가 상기 증발부(100)의 열원 설치면의 반대측면에 부착되거나 일체로 성형된다.

이에 따라 상기 베이퍼 핀(200)의 내부 공간인 유로(210)의 일측 끝단은 상기 증발부(100)의 중공부(110)에 연결된다.

이에 따라 기화된 작동유체(1)는 저압의 응축부 방향으로 이동하여 각 베이퍼 핀(200) 내부의 유로(210)를 따라 이동한다.

이때, 중요한 점은 작동유체(1)가 베이퍼 핀(200)을 통과하는 동안 충분한 열전달이 이루어지며, 베이퍼 핀(200)의 타측 끝단 - 즉, 도 4의 (a)에 도시된 각 베이퍼 핀(200) 상단부 - 으로 이동한 다음 딤플(221)에 의해 형성된 경로를 따라 좌우로 흡입되어 응축됨으로써 액화되어 상변화를 일으킨다는 점이다.

즉, 별도의 핀을 구비할 필요 없이 핀(베이퍼 핀) 내부에서 핀 벽에 열을 전달하고 응축함으로써 얇은 핀 벽과 공기와의 직접 열전달이 이루어지므로 핀 베이스로부터 끝단으로의 열전도 과정에서의 핀효율과 같은 열전달 인자는 사라진다.

도 (2)를 참조하여 살펴본 종래기술에 의할 때 작동유체(1)가 히트 파이프를 통과하는 동안 히트 파이프와 연결되는 방열핀으로 열전달이 이루어져 확산되는 구조인 바 히트 파이프와 멀어질수록 열전달 효율이 급격하게 떨어지는 반면, 본 발명에서는 베이퍼 핀(200) 구조를 채택함으로써 방열핀과 증기유동통로의 일체화가 가능해져 열전달 효율이 증대된다.

한편, 이를 위하여 베이퍼 핀(200)은 도 3에 예시된 바와 같은 구조를 가진다.

우선, 베이퍼 핀(200)은 도 3에 예시된 바와 같이 길이 방향으로 길게 연장된 두 장의 박판(220)이 소정거리 이격되어 적층된 구조를 가진다. 이때, 상기 두 장의 박판(220)의 외측면이 밀폐되어 유로(210)를 형성한다.

예컨대, 도 4에 도시된 베이퍼 핀(200)의 경우 내부의 빈공간이 유로(210)에 해당하며, 두 장의 박판(220)을 중심으로 좌우측면과 윗면이 밀폐되되 저면만이 개봉되어 증발부(100)에 연결되는 구조이다.

한편, 도 3에 예시된 베이퍼 핀(200)의 구조에서 양끝단에 구성된 원형의 관통된 구멍은 증기 이동구간(230)과 응축수 이동구간(240)을 지시하는데, 그 형상이나 위치에는 제한을 두지 아니하며, 응축수의 리저버 역할과 작동유체(1)의 기체상태 유동저항 감소 및 유동분배에 적합한 형태로 설계될 수 있다.

한편, 히트 파이프를 양측에서 누르는 경우 베이퍼 핀(200)과 유사한 구조가 될 수도 있으나, 히트 파이프의 경우 내부에 윅 구조가 구비되어야 하므로 가장자리 부분의 윅구조 손실과 베이퍼챔버까지의 연속적인 윅 구조를 만들기 어려움을 감안해야 함은 물론이며, 관경과 파이프 두께의 한계가 있어 방열을 위한 핀(fin)의 특성인 얇은 두께를 가지면서 넓은 면적을 가지도록 제조하기 어렵다. 여기서 방열핀이 얇은 두께와 넓은 면적을 가져야 하는 이유는 많은 적층을 통하여 열전달 면적을 증가 시키기 위함이다. 그러나 기존의 설계로는 제작되는 일반적인 방열핀의 경우 핀(fin)의 효율이 낮아져 방열면적을 키우는데 한계를 갖는다. 그러나 본 기술은 얇으면서도 핀(fin)의 효율의 제약을 받지 않는 다는 차별성을 갖는다. 또한 기존의 방식으로 얇은 히트파이프를 제작한다 하더라도 내부에 작동유체의 미세유동을 설계하기 어려우나 베이퍼 핀의 경우 내부 유동설계가 가능하다는 장점을 갖는다. 내부 유동설계는 넓은 면적을 갖는 베이퍼 핀(200)에서 더욱 큰 효과를 가지며 도 4에 베이퍼 핀(200)에서 그 특징을 볼 수 있다. 전반적으로 종례의 기술은 기존기술의 조합에 의한 성능 향상을 이루었으나 베이퍼 핀(200)의 경우 상변화 열전달에 적합한 내부 유동 저항의 저감을 통하여 성능을 향상시키면서도 넓은 방열면적을 가지게 되므로 기존과는 근본적으로 다르다고 하겠다.

한편, 도 3에 예시된 바와 같은 베이어 핀(200)은 바람직하게는 0.1T 미만의 두께를 가지는 박판으로 이루어진다. 작동유체(1)는 물, 알콜, 펜탄 등 다양한 물질이 사용될 수 있는데, 작동유체(1)의 종류에 따라서는 0.08T 미만의 설계가 가능하다.

실험결과, 베이퍼 핀(200)을 이루는 측벽의 두께가 0.1T 미만인 경우 재질에 무관하게 열전달 효과가 대동소이함을 확인할 수 있었다. 즉, 0.1T 미만의 박판을 이용함으로써 열전도성이 높은 구리 등의 금속재질 대신 가공성이 우수한 합성수지 등의 재질을 이용할 수도 있다.

예컨대, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 내측으로 유로가 함몰되되, 다수개의 딤플(221)이 형성된 두 장의 박판을 적층하여 이음부위를 접합하는 등의 방식에 의해 제조하는 것이 가능해진다.

한편, 이와 같이 박판을 이용하여 베이퍼 핀(200)을 제조하는 경우 열전달 효율이 향상됨은 물론이며, 동일 면적에 다수의 베이퍼 핀(200)을 구비할 수 있게 되어 전체 방열면적의 증가에도 크게 도움이 된다.

다만, 이와 같이 측벽이 박판으로 이루어진 베이어 핀(200)은 내외부의 압력차이에 의해 그 형상의 유지가 어려울 수 있다. 이를 방지하기 위하여 도 3에 예시된 바와 같이 다수의 딤플(221)이 구비될 수 있다.

이러한 다수의 딤플(221)은 상호 대향하는 베이퍼 핀(200)의 양측 측벽간 이격거리를 유지시켜 내압성을 확보하는 역할을 함은 물론이며, 작동유체(1)의 흐름을 교란시키고 전열면적을 증가시켜 열전달을 촉진한다.

이러한 딤플(221)은 바람직하게는 일정 간격으로 구비될 수 있으며, 도 3에 예시된 바와 같이 돌출된 점의 형상을 가질 수도 있으나, 도 4에 예시된 바와 같이 일정거리 이어진 선형태의 구조를 가질 수도 있다.

상변화 열전달 장치에서 열전달 성능은 내부 작동유체의 유동저항과 밀접한 관계가 있음은 여러 선행연구에서 이미 검증되어 있다. 기존의 라디에이터 형태의 써모싸이펀 방열 장치의 경우 소수의 직선형 관에 루버핀을 장착하여 사용되었다. 그러나 이러한 구조는 소수의 직선형관으로 증기가 유입되는 형태로 급속 축소 유동이 발생하며 유동저항에 의한 압력손실에 따라 증기 공급과 분배를 위한 공급해더와 직선형관과 온도차가 발생하게되며 성능저하로 이어지게 된다. 그러나 베이퍼 핀(200)을 구비한 상변화 열전달 장치의 경우 증기 유입부를 유동저항이 작게 걸리도록 설계가 가능할 뿐 아니라 기존의 라디에이터와 다르게 다수 설치되어 유동저항을 줄이게 되므로 해더의 온도와 베이퍼핀의 온도가 거의 같도록 설계될 수 있다. 또한 기존의 라디에이터에서는 불가능한 내부유동 설계가 가능하며 라디에이터의 형태보다 자유로운 형상설계가 가능하게 된다.

이하, 본 발명에서는 도 3에 예시된 바와 같은 구조를 가지며, 방열핀과 증기유동통로가 일체화된 구조물을 베이퍼 핀(Vapor Fin)이라 정의한다.

다시 도 4의 (b)로 돌아가서 작동유체(1)의 이동경로를 살펴보면, 증발부(100) 내부의 중공부(110)로부터 가열되어 기화된 작동유체(1)는 상기 베이퍼 핀(200)의 유로(210)의 길이방향 중심부분 즉, 딤플(221)에 의해 가로막히지 않은 구간인 증기 이송부(230)를 따라 이동하되, 상기 유로(210)의 상단부에 다다르는 동안 딤플(221)에 의해 좌우로 형성된 경로를 따라 이동하며, 그 동안 응축되어 액화된 후 딤플(221)과 유로(210) 좌우측 끝단 사이의 길이방향 공간인 액체 이송부(240)를 통해 리저버 역할을 하는 증발부(100)내부로 회수된다.

한편, 도 4의 (c)는 베이퍼 핀(200)의 내부구조를 정면과 측면에서 각각 도시한 도면인데, 이에 의할 때, 베이퍼 핀(200) 측벽의 내측에 구비되는 딤플(221)은 바람직하게는 직선구조를 가진다. 도 4에 도시된 바와 같이 직선구조를 가지는 것은 도 3에 예시된 바와 같은 기본적인 형태의 딤플(221)에서 더 나아가 기화된 작동유체(1)의 이동경로를 제한하고, 응축 및 귀환 경로를 제공하기 위함이다.

딤플(221)의 구조를 자세히 살펴보면, 우선 유로(210)의 길이방향 중심선을 기준으로 베이퍼 핀(200)의 양측단 방향으로 연장되는 직선상의 구조를 가지되, 바람직하게는 좌우 대칭의 구조를 가진다.

이때, 상기 유로(210)의 길이방향 중심선 부분이 작동유체(1) 유동을 막지 않도록 개구되어 증기 이송부(230)를 형성하며, 유로(210)의 길이방향 양측단 부분이 작동유체(1) 유동을 막지 않도록 개구되어 액체 회수부(240)를 형성한다.

즉, 상기 살펴본 바와 같이 중공부(110)로부터 가열되어 기화된 작동유체(1)가 유로(210)의 길이방향 중심선을 따라서 상승하였다가 딤플(221)을 따라서 중력방향으로 사선하향하며 이동하면서 응축되며, 유로(210)의 양측단의 액체 이송부(240)를 따라서 중공부(110) 내부로 귀환한다.

딤플(221)은 바람직하게는 유로(210)의 길이방향 중심선을 기준으로 베이퍼 핀(200)의 양측단으로 갈수록 상기 증발부(100)에 가까워지도록 소정 각도 편향되도록 구비되는데, 이는 도 4에 도시된 바와 같이 설치시 중력에 의해 응축된 작동유체(1)가 회수될 수 있도록 하기 위함이다.

베이퍼 핀(200)의 내벽 및 증발부(100)의 내벽에는 바람직하게는 응축된 작동유체(1)의 귀환을 돕기 위한 모세관 형상의 윅(Wick) 구조가 더 구비될 수 있다.

윅 구조는 액화된 작동기체(1)를 모세관 원리에 의해 빨아들여 중력방향에 상관없이 이동할 수 있도록 형성된 것으로 그 형태나 구조에는 특별한 제한을 두지 아니하며, 공지의 알려진 윅 구조를 채택할 수 있다.

이때, 바람직하게는 기화된 작동유체(1)가 저압의 응축부 방향으로 용이하게 이동하고 반대로 응축되어 액화된 작동유체(1)가 용이하게 회수될 수 있도록 상기 다수개의 베이퍼 핀(200)은 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 증발부(100)의 상면과 직교하도록 구비될 수 도 있으며 수직방향에 기울기를 갖도록 할 수도 있다. 기울기를 가지도록 하는 것은 설치 방향성을 증가 시키기 위한 방법으로 도 6에 도시된 바와 같이 발열면이 수직방향으로 놓여질 경우 성능 저하를 막기 위함이다.

이러한 구조를 채택함으로써 고발열체 열전달 효율이 큰 증발부(100)의 장점을 살리면서도 다수개의 베이퍼 핀(200)을 구비함으로써 기존의 핀 효율의 제한을 받는 방열핀보다 높은 열전달 효율을 가질 수 있게 된다.

한편, 이하에서는 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 이 실시예에 의한 베이퍼 핀을 구비한 상변화 열전달 장치을 상세히 살펴보기로 한다.

도 5의 (a)는 본 발명의 이 실시예에 의한 상변화 열전달 장치의 구조를 설명하는 도면이며, 도 5의 (b)는 도 5의 (a)에 도시된 상변화 열전달 장치의 내부구조를 측면에서 바라본 모습을 도시한다.

한편, 도 6은 도 5에 도시된 상변화 열전달 장치을 가로방향으로 설치한 경우의 동작을 설명하는 도면이다.

본 발명의 이 실시예는 기화된 작동유체(1)의 전파경로와 응축된 작동유체(1)의 회수경로가 상이한 루프 상변화 열전달 장치(Loop Thermosyphon)에 관한 것이다.

도 5의 (a)에 도시된 바에 의할 때, 본 발명에 의한 상변화 열전달 장치은 내부에 작동유체(1)가 저장되는 중공부(110)를 갖는 증발부(100)와 상기 증발부(100)의 상면으로부터 적층되는 다수개의 베이퍼 핀(200)을 구비한다.

증발부(100)의 내부 공간은 작동유체(1)가 저장되는 중공부(110)로 형성되며, 바람직하게는 내벽에 윅구조를 구비하여 액화된 작동유체(1)의 회수와 도 6에서와 같이 액상의 작동유체(1) 수위보다 높은 곳에 발열체(2)가 존재 가능할 때 발열체 까지 작동유체(1)를 펌핑하여 지속적으로 상변화를 일으킬 수 있도록 하며 작동유체(1)에 증발부가 잠겨진 상태에서는 기포를 발생하면서 기화하는 형태를 제거하여 루프 상변화 열전달 장치의 작동을 원활하게 한다.

이때, 상기 다수의 베이퍼 핀(200)은 서로 대향하는 두 장의 박판(220)이 소정거리 이격되어 적층된 구조를 가지며, 상기 두 장의 박판(220)의 외측면이 밀폐됨으로써 유로(210)를 형성하는 구조를 가진다.

한편, 도 5의 (c)는 상기 다수의 베이퍼 핀(200)의 구조를 전면과 측면에서 각각 도시한다.

이에 의할 때, 각 베이퍼 핀(200)은 중심부를 기준으로 양측방향으로 갈수록 아래쪽으로 소정각도 꺽어진 형상을 가지며, 상기 증발부(100)의 열원 설치면 반대측면에 각각 소정거리 이격되어 평행하게 적층된다.

이때, 각 베이퍼 핀(200)의 중심부는 상하면에 걸쳐 개구된다. (단, 가장 윗쪽에 적층되는 베이퍼 핀(200)의 중심 상면부는 제외된다.)

한편, 각 베이퍼 핀(200)은 중심부의 개구된 부위의 외주면을 따라 외측방향으로 소정길이 돌출되는데, 이에 의해 적층된 다수의 베이퍼 핀(200)이 소정거리 이격되도록 지지된다.

이와 같이 상기 다수의 베이퍼 핀(200)의 개구된 부위는 작동유체(1)가 이동하는 경로 즉, 증기 이송부(230)를 형성한다.

즉, 가장 아래의 베이퍼 핀(200)의 중심부의 개구된 부위는 상기 중공부(110)로 연결되며, 상기 중공부(110)로부터 기화되어 유입된 작동유체(1)가 도 5를 기준으로 할 때 상부를 향해 이송된다.

한편, 이와 같이 이송된 작동유체는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 각 베이퍼 핀(200)의 중심부로부터 유로(210)를 따라 양측방향으로 이동하면서 응축된다.

중심부를 기준으로 양측면으로 연장된 베이퍼 핀(200)의 유로(210)에서는 응축에 의하여 저압으로 유지되며 따라서 압력차이에 의하여 증기 이송부(230)에서 베이퍼 핀(200)의 유로(210) 양측방향으로 자연스럽게 흡입된다.

한편, 상기 다수의 베이퍼 핀(200)의 양측 끝단부는 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 개구되되, 각 베이퍼 핀(200)의 양측 끝단부의 개구된 부위의 외주면을 따라 외측방향으로 소정길이 돌출됨으로써 적층된 다수의 베이퍼 핀(200)을 지지한다.

이때, 상기 다수의 베이퍼 핀(200)의 양측 끝단부의 개구된 부위는 응축된 작동유체(1)가 회수되는 경로 즉, 액체회수부(240)를 형성한다.

가장 아래에 적층된 베이퍼 핀(200)의 양측 끝단부 개구된 부위는 각각 상기 중공부(110)로 연결되어 유로(210)를 거쳐 응축된 작동유체(1)가 상기 중공부(110)로 회수되도록 한다.

이때, 중력에 의하여 작동유체(1)가 응축되도록 상기 각 베이퍼 핀(200)은 중심부에서 양측으로 갈수록 증발부(100)에 가까워지도록 소정각도 꺽어진 형상을 한다.

이때, 액화된 작동유체(1)의 회수를 위하여 상기 베이퍼 핀(200)의 내측면에는 윅구조가 구비될 수 있다.

즉, 액화된 작동유체(1)는 중력 또는 윅 구조에 의해 유로(210)의 양측단 방향으로 이동하며, 이후 액체회수부(240)을 따라 증발부(100)로 회수된다.

유체회수부(240)의 내측면에도 윅구조가 구비되어 유체의 회수를 도울 수 있다.

이때, 프레셔 드롭(Pressure drop)을 고려 할 경우 기체 상태의 작동유체(1)가 이송되는 증기 이송부(230)의 단면적보다 액체 상태의 작동유체(1)가 이송되는 액체 회수부(240)의 단면적을 작게 설계하는 것이 가능하며 이렇게 비대칭 설계 함으로서 베이퍼 핀(200)의 면적 구분에서 방열 부분을 최대화 하여 설계 하는 것이 가능하다.

한편, 윅 구조의 연결형태를 살펴보면, 증기 이송부(230)의 내측면에는 윅 구조가 구비될 필요가 없으며, 응축이 이루어지는 베이퍼 핀(200)과 작동유체가 회수되는 액체 회수부(240) 및 증발부(100)의 내측면에 윅구조가 각각 구비되는 것으로 충분하다.

즉, 종래 히트파이프의 경우 윅 구조가 이어져야하므로 일정 두께를 유지하여야 하는 반면 본 발명에 의할 때 이러한 제한이 없다.

한편, 종래의 히트 파이프는 방열판의 크기는 방열용량의 증가에 종속변수에 불과하며 용량증대를 위해서는 히트 파이프의 개수를 증가시켜야만 했으나, 본 발명에 의할 때에 베이퍼 핀(200)은 증기 이송부(230)와 액체 이송부(240)를 포함하고 있어 단순히 베이퍼 핀(200)을 적층하는 것만으로도 성능의 증감이 가능하여 기존의 방열기기에 비하여 우수한 확장성을 갖게 되며 방열면적도 적층함에 따라서 가감되는 잇점이 있다.

한편, 상기 살펴본 일 실시예와 비교할 때 기화된 작동유체(1)의 이송경로와 회수경로가 상이한데, 이러한 이 실시예에 의할 때 베이퍼 핀(200)이 히트파이프 보다 루프 상변화 열전달 장치 형태의 상변화 열전달에 더욱 최적화 됨을 알 수 있다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같은 본 발명은 반드시 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 고발열체 열원(2)의 윗쪽면에 세로 방향으로 설치될 필요는 없으며, 필요에 따라서는 열원(2)이 세로 방향으로 세워진 상태에서 증발부(100)의 저면이 열원(2) 표면에 밀착되도록 도 6에 도시된 바와 같이 가로 방향으로 설치될 수도 있다. (예컨대, 열원(2)이 반도체 칩셋인 경우 때로는 세로 방향으로의 설치가 필요하다.)

이 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 작동유체(1)는 아래 위 한쌍의 액체 회수부(240) 가운데 아래쪽의 유체 회수부(240)와 베이퍼챔버(100)에 저장되며 가열되어 순환하게 된다.

이때 액체 회수부(240)와 베이퍼챔버(100)에 저장된 작동유체(1)의 수면보다 높은 위치에 설치된 열원(2)까지의 작동유체(1)의 이동은 베이퍼챔버(100)의 윅(Wick)구조에 의하여 이동되며 작동유체(1)의 종류에 따라 다양한 윅(Wick)구조의 설계 적용이 가능하다.

이 경우, 비록 도 5의 (a)에 도시된 바와는 달리 측면으로 설치되어 두개의 액체 회수부(240)을 통한 작동유체(1)의 귀환이 이루어지지 아니하나, 하나의 액체 회수부(240)로도 충분하게 작동유체(1)를 증발부(100)로 공급하도록 설계 하는 것이 가능하므로 성능의 변화를 최소화 할 수 있다.

또한 기화된 작동유체(1)를 응축부로 이동하게 하는 유동 경로가 확장되어 증기형태의 작동유체(1)의 유동에 의한 압력강하를 낮춤으로써 일부 성능 향상을 가져올 수 있다. 이는 액체 회수부(240)의 숫자가 줄어들어 발생할 수 있는 성능저하를 상쇄시켜 동등한 성능을 유지할 수 있도록 한다.
비록 도 4 및 도 5에서는 써모사이폰 형태의 제품을 기준으로 설명하였으나, 본 발명의 특징은 베이퍼 핀(200)의 구조에 있다고 할 것이며, 증발부(100)를 갖는 상변화 열전달 장치라면 써모사이폰 이외에도 루프 히트 파이프 등에도 적용될 수 있다.

본 발명은 첨부 도면 및 상기와 같은 실시예를 참조하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 오직 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이며 상기와 같은 실시예에 국한되지 아니한다.

본 발명은 열 교환기 기술분야에 적용될 수 있다.

1 : 작동유체
2 : 열원
100 : 증발부
110 : 중공부
200 : 베이퍼 핀
210 : 유로
220 : 박판
221 : 딤플
230 : 증기 이송부
240 : 액체 회수부

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 내부에 작동유체(1)가 증발되어 모이는 증발부(100); 및
   서로 대향하는 두 장의 박판(220)이 소정거리 이격되어 적층된 구조를 가지되, 상기 두 장의 박판(220) 사이의 공간에 의해 형성되는 유로(210)를 갖는 다수의 베이퍼 핀(200);을 구비하되,
   상기 다수의 베이퍼 핀(200)은 중심부를 기준으로 소정각도 꺽어진 형상을 가지며,
   상기 다수의 베이퍼 핀(200)은 상호간 소정거리 이격되어 적층되며,
   상기 다수의 베이퍼 핀(200)의 중심부는 개구되되, 각 베이퍼 핀(200)의 중심부의 개구된 부위에서 외측방향으로 소정길이 돌출되어 상기 적층된 다수의 베이퍼 핀(200)을 지지하며, 상기 다수의 베이퍼 핀(200)의 개구된 부위는 상기 증발부(100)로 연결되어 상기 증발부(100)로부터 기화되어 유입된 작동유체가 타측 끝단을 향해 이송되는 증기 이송부(230)를 형성하며,
   상기 다수의 베이퍼 핀(200)의 양측 끝단부는 개구되되, 각 베이퍼 핀(200)의 양측 끝단부의 개구된 부위에서 외측방향으로 소정길이 돌출되어 상기 적층된 다수의 베이퍼 핀(200)을 지지하며, 상기 다수의 베이퍼 핀(200)의 양측 끝단부의 개구된 부위는 상기 증발부(100)로 연결되어 상기 유로(210)를 거쳐 응축된 작동유체가 상기 증발부(100)로 회수되는 액체회수부(240)를 형성하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 핀을 구비하는 상변화 열전달 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 베이퍼 핀(200)을 이루는 대향하는 두 박판(220) 가운데 적어도 일측의 내측면에는 소정거리 돌출된 다수개의 딤플(221)이 구비되어 상기 두 장의 박판(220)을 상호 지지하는 것을 특징으로 하는 베이퍼 핀을 구비하는 상변화 열전달 장치.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 증기 이송부(230)는 상기 증발부(100)와 결합되며, 상기 다수의 베이퍼 핀(200)은 중심부를 기준으로 멀어질수록 상기 증발부(100)에 가까워지도록 소정각도 꺾인 것을 특징으로 하는 베이퍼 핀을 구비하는 상변화 열전달 장치.
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 액체 회수부(240)의 단면적은 상기 증기이송부(230)의 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 베이퍼 핀을 구비하는 상변화 열전달 장치.

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