KR101329886B1 - 상변화 열전달 시스템용 증발기 - Google Patents

Abstract

상변화 열전달 시스템용 증발기이 개시된다. 본 발명에 의한 상변화 열전달 시스템용 증발기는 발열체에 부착되는 상기 베이스 하단면의 일부 영역인 흡열면; 및 소결부가 소결되는 상기 베이스의 상면의 일부 영역인 소결부 안착면;을 구비하는 상기 베이스; 상기 소결부 안착면에 소정의 두께로 소결되어 형성되는 증발면; 및 상기 흡열면에서 소정거리 이상 이격된 위치에 증발면으로부터 상방향으로 상기 증발면의 두께보다 두껍게 돌출되어 형성된 모세관 펌프;를 구비하는 상기 소결부; 및 커버의 내측면과 상기 소결부의 사이의 공간인 중앙챔버; 상기 커버의 상면의 개구된 부위로서 기상 냉매가 토출되는 기상냉매 토출구; 상기 커버의 상면의 개구된 부위로서 액상 냉매가 인입되는 액상냉매 인입구; 상기 커버의 저면에 상기 모세관 펌프에 대응하는 위치에 내측으로 함몰되어 형성되는 리저버;를 구비하는 커버;를 포함한다.

Description

상변화 열전달 시스템용 증발기{EVAPORATOR FOR PHASE CHANGE HEAT TRANSFER SYSTEM}

본 발명은 루프 써모 사이폰이나 루프 히트 파이프와 같이 발열부와 냉각부가 구조적으로 구분되는 형태의 상변화 열전달 시스템의 증발기(상변화부)에 관한 것이다.

발열체의 효율적인 냉각을 위하여 상변화 열전달 시스템이 사용된다.

상변화 열전달 시스템은 히트 파이프, 루프 써모 사이폰, 루프 히트 파이프, 오실레이팅 히트 파이프 등이 있다.

이러한 상변화 열전달 시스템은 전자장비의 냉각시뿐만 아니라 인공위성 원전의 비상용 냉각기 등 다양한 기술분야에 걸쳐서 널리 사용되고 있다.

상변화 열전달 시스템 내에서 냉매 이외의 물질을 모두 제거하고 냉매를 충진할 경우 증발부에서는 액상에서 기상으로 상변화가 발생한다. 이론적으로는 증발부와 응축부를 순환하며 포화액 또는 포화증기 상태가 유지될 수 있으나, 실제로는 부분적으로 과열 및 과냉되는 구간이 존재하기도 한다.

액상냉매가 증발면을 충분히 적시지 못하여 발생하는 과열현상을 드라이 아웃(Dry-out)이라 하는데, 이러한 드라이아웃은 한번 발생하면 그 구간이 점차 넓어져 발열부가 본래의 기능을 수행하지 못하게 되는 원인이 되기도 한다.

드라이 아웃의 원인은 냉매의 유입을 저해하는 유동 저항의 증가이며 발생 메카니즘에 따라 냉매의 펌핑력 부족에 의한 모세관한계(capillary limitation), 증기와 액체의 흐름이 역방향일 때 기-액 계면에서의 전단력에 의하여 액체가 이탈하는 비산한계(entrainment limitation), 증기의 유속이 음속에 이르러 발생하는 초킹에 의한 음속한계(sonic limitation), 윅 내부의 기포 발생에 의하여 액체유동을 저해하는 비등한계(boiling limitation)등으로 구분된다. 또한 대열유속에서의 막비등(film boiling)발생, 액체의 유동이 분리된 경우에 증기의 유동율 증가에 따른 증발부 내부의 상대적 압력상승에 의하여 액체의 유입을 저해함에 의한 열전달 한계 등 매우 다양한 원인이 알려져 있다.

냉매가 갖는 한계 열유속(W/m²)보다 매우 낮은 범위에서도 드라이아웃이 발생할 수도 있다.

이러한 드라이아웃과 성능저하를 개선하기 위하여 통상 증발부의 형상이나 윅의 구조를 개선하는 방식으로 기술개발이 이루어지고 있다.

도 1 및 2는 드라이아웃을 방지하고 성능저하를 개선하기 위하여 제안된 종래기술에 의한 상변화부의 구조를 도시한다.

도 1은 상변화면으로부터 일정 높이 상단에 리저버 공간이 구비되며, 리저버 공간에 액상냉매가 채워지는 구조를 제시한다.

그러나, 이러한 종래기술 1에 의할 때 액체 풀(liquid pool)을 이루며 가열표면에서 안정적인 핵비등(nucleate boiling)에 의한 상변화가 가능하지만 증발부에 충진된 액상 냉매의 수두(압력)에 따라서는 냉매가 과열되어 비등하는 상변화가 일어나는 문제가 발생하기도 한다.

냉매가 액체 풀(liquid pool)에서 발생하는 핵비등은 가열 표면의 활성화된 공동(cavity)의 분포, 냉매의 물성에 의하여 열전달 계수가 결정되며 열전달 촉진을 의하여 표면을 다공성 물질 또는 미세 공동 형성 등의 방법이 적용되고 있다. 핵비등 현상에 관련된 자료에 의하면 포화압력이 상대적으로 낮고 저열유속의 조건에서 비등 핵의 주기적 발생(geyser boiling)이 일어나며 이때에는 냉매와 가열벽이 모두 포화온도보다 높은 과열상태(super heat)를 나타내는 것으로 알려져 있다.

또한 핵비등이 발생할 경우 기포가 액상냉매를 기상 냉매의 이송을 위한 배관으로 밀어올리게 되는데 이에 의해 기상냉매의 관마찰 손실을 증가시키며 클라지우스 클레페이론 (Clausius-Clapeyron) 관계식에서 확인되는 것과 같이 온도차를 증가시켜 압력차에 의한 냉각 시스템 전체의 열저항을 증가시키는 문제를 일으키기도 한다.

다음 수학식 1은 Clausius-Clapeyron 관계식이다.

수학식 1에서 보는 것과 같이 포화상태의 유체의 압력차는 온도차와 일정한 상관 관계를 갖는다

도 2는 윅(Wick)이 직접 액상냉매와 접촉하는 구조를 제시한다.

도 2에 도시된 종래기술에 의할 때 모세관 펌핑효과를 이용하여 증발부의 상변화면으로 액상 냉매를 전달하는 것이 가능해진다. 그러나, 이러한 종래기술에 의할 때 액상냉매가 씰링이 부실하거나 정수압에 의하여 모세관펌프 부분을 통과하여 증발면에 고이는 경우가 대부분이며 액체풀을 이루기 때문에 핵비등이 발생하며 이때, 액상냉매가 과열되어 열전달 효율(냉각 성능)을 떨어뜨리는 문제를 일으킨다.

문헌 1. 대한민국특허청, 등록특허 제10-122704 "루프형 히트파이프 시스템용 증발기 및 그의 제조방법" 문헌 2. 대한민국특허청, 공개특허 제10-2011-33588 "루프 히트파이프 시스템용 증발기" 문헌 3. 대한민국특허청, 등록특허 제10-671041 "루프 히트파이프"

문헌 4. 이욱현 외 4인, "황동소결윅-물 LHP의 작동 특성에 관한 연구", 대한기계학회 2004년도 춘계학술대회 논문집, 1528 ~ 1533 페이지 문헌 5. 이희준, "확장 면적을 이용한 안정된 증발 마이크로채널 시스템의 설계" 대한기계학회 논문집 B권(2011년), 제25권 제8호, 831 ~ 838 페이지

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로,

냉각성능을 향상시키기 위해서 상변화가 일어나는 면의 심지(Wick)구조를 보다 미세한 다공성을 갖게 하고 얇게 유지하면서도(일반적으로 윅 구조가 얇으면 냉각 성능은 향상되나 총 냉각열량은 줄어 든다.) 동시에 드라이아웃을 방지하고 총 냉각 열량을 증가시키기 위하여 충분히 빠른 액상냉매의 유입을 가능케하는 상변화 열전달 시스템용 증발기의 제공을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 안정적인 냉매 흐름을 방해하는 액상냉매 구간에서의 기포발생을 막기 위하여 모세관 펌핑이 이루어지는 증발부에서의 액상냉매와 접촉부의 온도가 과도하게 높아지는 것을 방지하는 구조가 채택된 상변화 열전달 시스템용 증발기의 제공에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 증발기에 불연속적으로 액상냉매가 공급되는 경우에도 리저버 공간에 충진된 냉매로 인해 증발면으로의 냉매 공급이 안정적으로 지속될 수 있도록 하는 구조의 기-액 상변화 열전달 시스템용 증발기의 제공에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 증발부에서 액상냉매 유입부가 기상의 냉매의 이동경로와 완전하게 분리되는 구조의 상변화 열전달 시스템용 증발기의 제공에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 소결부와 커버의 안정적인 씰링을 가능케하는 열전달 시스템용 증발기의 제조 방법의 제공에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 상변화 열전달 시스템용 증발기는 발열체 상단에 밀착되어 설치되는 베이스;

상기 베이스 상단에 일체로 소결(燒結)되어 구비되는 소결부;

상기 베이스 및 상기 소결부 상단에 조립되어 밀폐되는 커버를 구비한다.

이때, 상기 베이스는 발열체에 부착되는 상기 베이스 하단면의 일부 영역인 흡열면; 및 소결부가 소결되는 상기 베이스(10)의 상면의 일부 영역인 소결부 안착면;을 구비한다.

상기 소결부는 상기 소결부 안착면에 소정의 두께로 소결되어 형성되는 증발면; 및 상기 흡열면에서 소정거리 이상 이격된 위치에 증발면으로부터 상방향으로 상기 증발면의 두께보다 두껍게 돌출되어 형성된 모세관 펌프;를 구비한다.

상기 커버는 상기 커버의 내측면과 상기 소결부의 사이의 공간인 중앙챔버; 상기 커버의 상면의 개구된 부위로서 기상 냉매가 토출되는 기상냉매 토출구; 상기 커버의 상면의 개구된 부위로서 액상 냉매가 인입되는 액상냉매 인입구; 상기 커버의 저면에 상기 모세관 펌프에 대응하는 위치에 내측으로 함몰되어 형성되는 리저버;를 구비한다.

한편, 상기 액상냉매 인입구는 상기 리저버의 상단 일측에서 연결되며, 상기 모세관 펌프의 상단부는 리저버 하단부에 삽입되어 압착되며, 상기 베이스 외곽 및 상기 커버 외곽의 접촉면은 상호 밀폐된다.

한편, 상기 소결부에는 상기 모세관 펌프의 측면 공간을 관통하는 관통부;가 더 구비되며,

상기 모세관 펌프의 내측 공간인 중앙챔버와 상기 모세관 펌프의 외부 공간인 모세관 펌프 챔버를 구획지으며,

상기 관통부는 상기 모세관 펌프 챔버와 상기 중앙챔버를 잇는다.

상기 모세관 펌프 챔버는 상기 리저버의 하단부 보다 아래에 위치하며, 상기 베이스와 상기 커버의 접촉면 끝단에서 상기 리저버의 하단부까지 소정각도 경사지는 구조를 가진다.

이때, 상기 리저버의 하단부는 상기 모세관 펌프의 두께보다 넓으며, 상단부로 올라갈수록 상기 모세관 펌프의 두께보다 좁아지는 구조이다.

한편, 상기 리저버의 외측으로 상기 커버의 저면 내측으로 함몰되어 형성된 외곽공간부;를 더 구비한다.

상변화 장치에서의 증발기의 성능은 다른 조건을 모두 고정할 경우 가열체와 증발부의 온도편차, 가열부의 최대 용량(발열량 또는 열유속) 그리고 작동 안정성이라고 할 수 있다.

본 발명에 의할 때 얇은 소결 두께를 유지함으로써 상변화가 촉진된다. 뿐만 아니라, 보강 리브 상단에 증발면을 구비함으로써 증발면적이 증가되고 이에 따른 상변화 촉진효과가 있다.

최대용량 즉, 증발부의 한계 열유속은 액상냉매가 얇은 증발면으로 빠르게 공급되도록 소결로 만들어진 냉매 이송부를 둠으로써 증발면의 두께가 얇음에도 불구하고 한계열유속이 상승한다.

한편, 리저버와 모세관 펌프, 모세관 펌프의 전후 공간을 잇는 관통부, 모세관 펌프의 온도 상승을 억제하기 위해 고안된 베이스의 형상, 모세관 펌프의 온도 상승을 억제하기 위해 커버와 베이스의 접촉부위를 줄이기 위해 설계된 외곽공간부로 인하여 안정성이 크게 향상된다.

한편, 모세관 펌프를 리저버 하단에 압착하여 결합시키는 압착씰링법에 의하여 기밀성이 향상되며 액상냉매와 기상냉매의 효율적인 분리가 가능해진다.

이와 같은 본 발명에 의한 증발기를 액상의 매질을 기화시켜 이용하는 기화기에 사용할 경우 모세관 펌프로 인하여 더 낮은 압력의 펌프를 이용하더라도 동일한 또는 더 높은 압력의 기화된 매질을 얻을 수 있어 에너지 절감이 가능하며 제품의 소형화가 가능해진다.

특히, 작동안정성이 크게 개선되어 원전의 비상냉각에 사용할 경우 설치된 냉각기의 자연적인 수두에서도 기존보다 강력하고 안정적인 냉각이 가능해진다. 또한 냉각제로 사용되는 냉매가 직접적으로 방사능 물질과 접촉되지 않고 냉각시스템 내부적으로 순환되므로 방사능 유출우려가 적고 냉각 냉매의 오염이 없어 유지보수 비용이 매우 낮으며 영구적인 사용이 가능 하다는 효과가 있다.

도 1은 상변화면으로부터 일정 높이 상단에 리저버 공간이 구비되는 구조를 갖는 종래기술에 의한 열전달 시스템의 구조를 설명하는 도면이며,
도 2는 두꺼운 윅 구조가 액상 냉매에 직접 접촉하는 구조를 갖는 종래기술에 의한 열전달 시스템의 구조를 설명하는 도면이며,
도 3은 본 발명에 의한 상변화 열전달 시스템용 증발기의 구조를 설명하는 도면이며,
도 4는 소결부와 베이스의 구조 및 결합된 형태를 설명하는 도면이며,
도 5는 냉매이송부를 통한 액상냉매의 확산경로를 도시하는 도면이며,
도 6는 커버의 구조를 설명하는 도면이며,
도 7은 본 발명에 의한 상변화 열전달 시스템용 증발기의 단면도이며,
도 8은 본 발명에 의한 증발기의 온도분포를 시뮬레이션한 도표이며,
도 9은 본 발명에 의한 상변화 열전달 시스템용 증발기의 제조과정을 설명하는 플로우차트이며,
도 10는 소결부의 제조시 사용되는 입자의 유형을 나타내는 도면이며,
도 11은 베이스와의 체결과정에서 소결부가 압착된 모습을 나타내는 사진이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하되, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭함을 전제하여 설명하기로 한다.

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.

또한, 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에서 "~수단", "~부", "~모듈", "~블록"으로 명명된 구성요소들은 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이들 각각은 소프트웨어 또는 하드웨어, 또는 이들의 결합에 의하여 구현될 수 있다.

도 3은 본 발명에 의한 상변화 열전달 시스템용 증발기의 구조를 설명한다.

도 3의 (a)는 커버(30), 소결부(20), 베이스(10)의 적층구조를 하부에서 바라본 모습이며, 도 3의 (b)는 커버(30), 소결부(20), 베이스(10)의 적층구조를 상부에서 바라본 모습이다.

도 3에 도시된 바에 의할 때, 본 발명에 의한 상변화 열전달 시스템용 증발기는 발열체 상단에 밀착되어 설치되는 베이스(10), 베이스 상단에 소결(燒結)되며 액상냉매의 기체 상태로의 상변화가 이루어지는 소결부(20), 상기 베이스(10)와 소결부(20) 상단에 조립되어 밀폐되되 기상냉매를 응축부(미도시)로 토출하고, 응축부로부터 액상냉매를 소결부(20)로 인입시키는 커버(30)를 가진다.

도 4는 베이스(10)와 소결부(20)의 구조와 결합관계를 도시한다.

도 4의 (a)와 (b)는 베이스(10)의 구조를, 도 4의 (c)는 베이스(10)와 소결부(20)가 결합된 형태를 도시한다.

도 3 및 도 4의 (a)에 도시된 바에 의할 때, 베이스(10)는 흡열면(11), 소결부 안착면(12), 보강리브(13) 및 지그 위치 결정부(14)를 갖는다.

제품의 요구사항에 따라 냉매가 정해지며, 냉매에 따라서 베이스(10)의 재질이 결정될 수 있다. 구리와 같이 열전도율이 높은 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

흡열면(11)은 베이스(10) 하단면에 해당하며 발열체(미도시)에 부착되는 면이다. 흡열면(11)은 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 발열체의 면적에 부합하는 면적을 갖는다. 발열체의 부착면이 평면인 경우 흡열면(11) 또한 이에 대응하여 평면의 형상을 가진다.

흡열면(11)의 두께는 얇을수록 좋다.

한편, 흡열면(11)을 베이스(10)의 다른 부위에 비하여 두께를 얇게 설계하는 경우, 고진공 또는 가압상태에서 변형이 발생할 가능성이 있어, 구조적 안정성의 향상을 위해 바닥면에 강성유지를 위한 보강리브(13)를 형성한다.

도 4의 (a)에는 베이스(10)의 상단에 보강리브(13)가 구비된 모습이 도시된다.

보강리브(13)는 베이스(10)의 두께가 얇아지는 경우에만 구비하는 것이 아니라 높은 상변화 성능을 요구하는 경우에도 구비할 수 있다.

도 4의 (a)의 예에서는 베이스(10)의 상단면의 중앙으로부터 동심원방향으로 다수의 원형 보강리브(13)가 구비되나, 도면에 도시된 형태는 예시적인 것으로 베이스(10)의 뒤틀림과 변형을 막기 위한 구조라면 그 형상에는 제한을 두지 아니한다.

이러한 보강리브(13)는 베이스(10)의 구조 안정성을 향상시키는 것 이외에도, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이 그 위에 증발면(21)이 소결되기 때문에 증발면적이 넓어지며 따라서 증발 성능이 향상되는 효과를 가져온다.

한편, 베이스(10)의 상단면의 테두리로부터 소정거리 이격된 지점을 잇는 부위에 해당하는 베이스(10) 상단면의 중심부위는 소결부(20)가 소결되는 소결부 안착면(12)을 형성한다.

소결부 안착면(12)은 상기 보강리브(13)의 측면, 상면을 포함한다.

한편, 베이스(10)의 상단면에는 소결지그(미도시)를 지지하는 지그 위치 결정부(14)가 더 구비될 수 있다.

지그 위치 결정부(14)는 베이스(10)에 직접 소결을 실시하는 제조공정에서 소결지그와 베이스(10)간 설계오차를 줄이기 위한 것이다.

베이스(10)의 모재를 구리로 하고, 소결지그를 탄소블록으로 하여 실험을 행한 결과 고온에서 탄소블록보다 팽창율이 큰 구리에 의해서 탄소블록이 파손되거나, 구리 재질 베이스(10)에 변형이 일어나기도 하였다. 뿐만 아니라, 소결부(20)의 위치가 이동하여 정밀도 높은 조립이 불가능한 문제가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

이에 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 지그 위치 결정부(14)를 소결부(20)의 최외곽에 구비함으로써 이러한 문제를 해소할 수 있었다.

반대로 베이스(10)의 모재가 소결지그보다 선팽창율이 작을 경우에는 지그 위치 결정부(14)를 소결부의 중앙에 두는 것이 바람직하다.

도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 지그 위치 결정부(14)를 핀 형상으로 베이스(10) 상단 중앙에 돌출되도록 할 수 있다.

도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 지그 위치 결정부(14)는 예시적인 것으로, 소결과정에서 지그를 지지하기 위한 구조라면 그 모양에는 제한을 두지 아니한다.

한편, 도 4의 (c)에 도시된 바에 의할 때, 베이스(10) 상단에 소결부(20)가 형성된 모습을 확인할 수 있다.

소결부(20)는 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이 증발면(21), 모세관 펌프(23), 냉매 이송부(22) 및 관통부(24)를 갖는다.

증발면(21)은 상기 소결부 안착면(12)에 소정의 두께로 소결되어 형성된다.

증발면(21)은 냉매의 종류와 열유속에 따라 사용되는 분말의 재질과 크기, 필요 두께가 계산된다.

증발면(21)은 냉매 이송부(22) 및 모세관 펌프(23)와 직접 연결된다.

증발면(21)은 바람직하게는 모세관 펌프(23)로부터 발열중심부 방향으로 위치하나, 모세관 펌프(23)의 반대방향으로 더 연장되는 외곽 증발면(21')을 더 포함할 수도 있다.

냉매의 이송거리 - 즉, 모세관 펌프(23)로부터 증발면(21) 또는 외곽증발면(21')의 끝단까지의 거리가 모세관 펌프(23)의 높이보다 1.2배 이상이 될 경우 또는 처리해야 하는 증발량이 증발면(21)이 갖는 최대 능력보다 높을 경우에는 모세관 펌프(23)를 중심으로 발열중심부 반대방향으로 외곽 증발면(21')을 형성하고, 냉매 이송부(22)를 외곽 증발부(21') 상면을 따라서 연장하여야 한다.

이러한 증발면(21)은 바람직하게는 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이 베이스(10)의 보강리브(13)의 상면을 포함하는 소결부 안착면(12)에 소정의 두께로 형성되는데, 이에 따라 평면형상을 갖는 것에 비하여 훨씬 넓은 표면적을 얻을 수 있게 된다.

즉, 보강리브(13)의 구조에 의하여 베이스(10)의 구조적 강성이 보강됨은 물론, 더 나아가 그 위에 증발면(21)을 형성함으로써 증발면적을 극대화할 수 있게 된다.

한편, 기-액 상변화가 일어나는 증발부의 경우 증발부 내부가 액상으로 채워질 경우 비등에 의한 상변화가 발생한다. 이때 액상냉매의 압력(정수압)에 따라 액생 냉매가 과열구간에서 비등이 발생하게 된다. 과열도 상승은 냉각하고자 하는 대상물의 온도를 높이기 때문에, 액상 냉매가 새어나와 채워지지 않도록 설계할 필요성이 있다.

이를 위하여 모세관 펌프(23)가 구비된다.

종래기술에 의할 때, 일반적으로 상변화에 이용되는 미세구조를 이용한 펌핑부분은 미세 공극을 이용하고 있으며 모세관효과를 이용한 모세관 펌프로 되어 있다.

모세관 펌프부분은 주로 주변보다 두꺼운 소결미세구조를 갖거나 주변보다 휜(Fin)사이가 좁거나 휜(Fin)이 두꺼운 마이크로 채널구조로 구현될 수 있다.

그러나, 마이크로 채널형태의 모세관 펌프의 경우 마이크로 채널을 이루고 있는 휜(Fin)의 두께를 얇게 할수록 열전달을 감소시켜 모세관 펌프에서의 비등발생을 억제할 수 있으나 가공이 매우 어렵고 까다로운 이유로 구현하기가 매우 어렵다.

본 발명에서는, 흡열면(11)과 접하는 증발면(21)과 동일한 높은 열전달율을 갖는 매질로 만들어진 소결구조라 하더라도 내부의 공극에 의하여 열전도율이 낮아지는 것을 이용하여 상변화면으로부터 수직 방향으로 연장되는 소결구조를 갖도록 모세관 펌프(23)를 설계하였다. 이때 수직으로 연장된 소결구조는 기존의 모세관력펌프보다 더 큰 모세관력을 갖게 되며, 큰 모세관력으로 액상냉매의 공급이 원활해 지며 기상냉매의 모세관 펌프로의 역류현상을 차단할 수 있게 된다. 따라서, 종래기술보다 안정적인 냉매 공급이 가능해 진다.

더 나아가 소결이 부착되는 모재의 형상을 조절하여 모세관 펌프(23)가 증발면(21)과 접촉되는 부분의 온도를 증발면 중심보다 낮아지도록 설계하였다.

도 7에 도시된 베이스(10)의 수직 단면을 보면, 흡열면(11)에 대응되는 소결부(20)의 증발면(21)이 모세관 펌프(23)보다 얇게 설계되었으며 진공 또는 가압조건에서 구조적인 안정성을 확보가능한 수준에서 모세관 펌프(23)의 하단부분의 두께를 얇게 하여 베이스(10)를 통한 열전달을 최소화하였다.

도 8은 본 발명에 의한 증발기의 온도분포를 시뮬레이션한 도표이다.

도 8에 도시된 바에 의할 때 흡열면(11)으로부터 모세관 펌프(23)로의 열전달이 효율적으로 억제됨을 확인할 수 있다.

이와 같이 모세관 펌프(23)로의 열전달을 억제하기 위하여 모세관 펌프(23)는 흡열면(11)을 중심으로 최대한 이격된 곳에 위치한다.

이때, 흡열면(11)과의 이격거리는 발열체의 크기와 발열량의 정도와 충진될 냉매의 종류에 따라 적절하게 변경될 수 있다.

모세관 펌프(23)의 높이는 요구되는 충진량에 따라 변화되나 적어도 냉매 이송부(22)보다 두 배 이상의 두께를 갖도록 설계하는 것이 바람직하다.

도 4의 (c)에서는 원 모양의 평면을 갖는 모세관 펌프(23)가 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것이며 평면구조가 반드시 원형일 필요는 없다. 제약조건에 따라 곡선이나 다각형으로 구현할 수도 있으며 이어진 형태가 아니라 단절된 형태여도 무방하다.

한편, 전자장비의 냉각에 있어서 드라이아웃을 회피하고 냉각성능을 증가시키기 위해서는 비등이 아닌 증발 형태의 상변화가 이상적인데, 소결의 두께가 얇을수록, 증발면적이 넓을수록 상변화 성능이 증가하는 경향이 있다.

그러나 소결두께 즉, 심지(Wick)의 두께가 얇으면 모세관력에 의하여 이송되는 액상냉매의 유량이 감소하게 되며 결국 최대 냉각 성능이 낮아지고 드라이아웃의 발생가능성이 높아지기도 한다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 냉매 이송부(22)가 구비된다.

상변화가 이루어지는 증발면의 두께를 얇게 할 경우 액상냉매의 공급능력이 떨어진다. 따라서, 얇은 두께의 미세 심지(Wick)구조가 상변화에 유용함에도 불구하고 설계시 냉매 이송능력을 고려할 수밖에 없다.

분말입자의 크기가 클수록 냉매 이송능력은 증가하며 필요 증발면적은 축소된다. 한편, 소결두께가 두꺼울 수록 냉매 이송능력은 증가하나 가열면으로부터 증발이 일어나는 표면까지 열저항이 증가한다. 따라서, 통상적으로 적정 수준의 증발면 심지구조의 두께와 필요 증발면적을 감안하여 분말입자의 크기와 소결두께를 계산하여 소결체를 설계하고 있다.

소결구조를 갖는 냉매 이송부(22)를 증발면(21) 상단에 형성하되, 고운 분말입자를 사용함으로써 증발면적을 넓히고 두께가 얇은 소결구조를 이용하면서도 충분히 빠른 액상냉매의 이송이 가능해진다.

이러한 냉매 이송부(22)는 증발이 일어나고 있는 증발면(21)까지의 냉매 이송거리를 짧게 하여 높은 열유속에서도 안정적인 냉매 공급이 가능하도록 한다.

도 4의 (c)에 도시된 바와 같은 리브형태의 냉매 이송부(22)의 단면적은 목표로 하는 최대 열유속에 따라 정해지며, 장방비는 소결하는 분말의 미세형태에 따라 달라질 수 있다.

수학식 2는 단위면적당 발열량과 냉매의 질량 유량, 냉매의 질량당 상변화 에너지의 관계를 설명한다.

(단,

: 단위면적당 발열량,

: 냉매의 질량 유량,

: 냉매의 질량당 상변화 에너지)

공극에 의하여 냉매의 이송에 걸리는 마찰계수가 정해지므로, 냉매유입량과 이동속도는 소결두께와 분말의 공극에 의하여 결정된다.

즉, 동일한 이송속도를 갖는다 해도 이송거리가 짧을 경우 더 높은 증발량에 대하여서도 안정적인 액상냉매의 공급이 가능해진다.

도 5는 냉매이송부를 통한 액상냉매의 확산경로를 도시하는 도면이다.

도 5의 (a)는 모세관 펌프(23)로부터 냉매 이송부(22)가 일정간격마다 구비되는 실시예를 도시하며, 도 5의 (b)는 냉매 이송부(22)가 별도로 구비되지 아니한 실시예를 도시한다.

n개로 구획된 증발면(21)에서 각 구획된 증발면(21)이 처리해야 할 열량은 Q/n 이며 이때 증발면의 총 면적이 A일 때 구획된 증발면의 면적은 A/n이 되며 필요한 액상냉매 유입량도

이 된다. 냉매 이송부(22)의 길이를 l 이라 하고 모세관펌프의 총 길이를 L 이라하면 다음과 같은 식으로 그 효과를 예상할 수 있다.

냉매 이송부(22)가 없는 경우 구획된 면적의 상변화 에너지 관계는 수학식 3과 같다.

이때 분말의 크기와 증발면의 두께에 따른 냉매 이송량을

라 하면 필요한 증발면의 두께는 수학식 4와 같다.

냉매 이송부(22)가 있는 경우, 구획된 면적의 상변화 에너지 관계는 수학식 5와 같다.

이때 분말의 크기와 증발면의 두께에 따른 냉매 이송량을

라 하고 냉매이송부(22)의 길이를 l이라 하면 필요한 증발면의 두께는 수학식 6에 의하여 결정될 수 있다.

냉매 이송 통로가 있는 경우에는 구획된 증발면 주변으로 모세관 펌프와 냉매이송부(22)로부터 냉매의 공급이 가능하게 되므로 증발면으로 공급되야 할 냉매량

은 동일하나 액상냉매가 이송되어야 할 거리가 짧아진 효과와 냉매공급이 모세관펌프와 냉매이송부(22)를 통하여 공급되기 때문에 냉매이송부(22)의 총 연장길이에 반얇은 증발면으로도 안정적인 액상냉매 공급이 가능하다. 반면 냉매이송통로가 없는 경우에는 단순히 증발면의 두께를 두껍게 하여 필요 냉매의 이송량을 확보해야 한다.

이상과 같은 수학식에 의할 때, 도 5의 (a)에 도시된 실시예와 같이 증발면(21)의 두께를 얇게 설계할 경우 냉매 이송량이 줄어들지만, 모세관 펌프(23)로부터 연장되는 냉매 이송부(22)로부터 증발면(21)으로 냉매가 확산되므로, 냉매의 이송거리가 단축된다. 즉, 얇은 두께의 증발면(21)으로도 안정적인 냉매의 공급이 가능해지는 것을 알 수 있다.

한편, 도 5의 (b)에 도시된 실시예와 같이 별도의 냉매 이송부(22)가 없는 경우에는 모세관 펌프(23)로부터 냉매가 증발면(21)으로 충분히 공급되도록 하기 위해서 증발면(22)의 두께를 두껍게 설계한다. 증발면(22)의 두께가 두꺼워지면 냉매 이송량이 증가하나 상변화 효율은 낮아진다.

한편, 도 4 및 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 냉매 이송부(22)는 액상냉매가 빠르게 증발면으로 전파되도록 리브 형태로 만들어진다.

이때 냉매 이송부(22)는 모세관 펌프(23)보다 증발면으로부터 높이가 낮게 만들어지며 모세관 펌프와 이어져 있어야 하며 불연속구간이 있어서는 안 된다.

냉매 이송부(22)의 설계시 다음과 같은 제약조건을 따른다.

냉매 이송부(22)의 폭은 증발면의 두께와 비례한다.

냉매 이송부(22)의 길이는 증발면의 넓이에 비례한다.

냉매 이송부(22)의 높이는 열유속(W/㎡)에 따라 비례한다.

냉매 이송부(22)의 개수는 증발면의 두께와 열유속에 따라 달라진다.

한편, 가시화 실험중 관통부(24)가 없는 모세관 펌프 챔버(35)에서 기포가 미량 발생하여 리저버(34)를 통해 액상냉매관으로 역류되는 것을 관측할 수 있었다.

모세관 펌프(23)의 측면에 구비된 관통부(24)는 발생한 기포가 중앙챔버(31)로 이동하도록 유도함으로써, 모세관 펌프 챔버(35)에 발생하는 압력 상승을 방지하고 그 결과 리저버(34)를 통한 기포의 역류를 억제하게 된다.

이에 의하여 증발면(21)으로의 액상냉매의 유입 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.

관통부(24)는 그 개수나 모양에는 제한을 두지 아니한다.

관통부(24)는 실링을 위하여 압착되는 부위보다 증발면에 가까워야 한다. 관통부(24)의 형상에 제한은 두지 않으나 냉매의 이동 및 구조적 강성을 고려할 경우 원형이 바람직하다.

한편, 이러한 관통부(24)는 더 나아가 모세관 펌프(23)로 전달되는 전열면적을 축소시켜 모세관 펌프(23)의 온도를 낮추는 역할을 하기도 한다.

모세관 펌프(23)에 측면에 구비되는 관통부(24)는 냉매 이송부(22)를 관통하지 않으며, 바람직하게는 임의의 두 개의 냉매 이송부(22) 사이 지점에 위치한다.

이때, 관통부(24)의 구간은 모세관 펌프(23) 구간의 총 길이의 1/3 이내 또는 필요 냉매유량을 확보할 수 있는 관통면적 중 작은 것을 선택하는 것이 바람직하다.

모세관 펌프(23)의 두께와 액상냉매와 접촉되는 총 면적은 소결 분말의 크기와 요구되는 최대 발열량(열유속)에 따라 달라지며, 요구되는 발열량에 따라 모세관 펌프의 상부면이 비례하여 증감되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 도 6는 커버의 구조를 설명하는 도면이다.

도 6의 (a)는 커버(30)의 상부에서 바라본 사시도이며, 도 6의 (b)는 커버(30)를 저면에서 도시한 도면이며, 도 6의 (c)는 커버(30)를 상부에서 내려다본 도면이다.

커버(30)는 진공 또는 가압상태에서도 변형 또는 기밀이 유지되도록 충분한 강성을 지녀야 하며 베이스(10)보다 열전달 성능이 낮은 것이 바람직하다.

만일 베이스(10)와 동일한 재질로 제조된다면 리저버(34)의 온도가 과도하게 올라가지 않도록 설계하여야 한다. 과도한 온도 상승은 리저버(34)에서 비등을 발생시키고, 액상냉매 공급에 있어서 안정성을 훼손시킬 뿐 아니라, 증발면(21)에서 드라이아웃(Dry-out)을 발생시킬 수 있다.

커버(30)는 중앙챔버(31), 기상냉매 토출구(32), 액상냉매 인입구(33), 리저버(34), 모세관 펌프 챔버(35) 및 외곽공간부(36)를 구비한다.

도 3에 도시된 바와 같이 커버(30)의 최외곽 저면과 베이스(10)의 최외곽 상면은 서로 접하도록 체결되어 밀폐된다.

이에 의하여 커버(30)의 내측면과 소결부(20)의 사이에 형성되는 공간인 중앙챔버(31)가 규정된다.

중앙챔버(31)는 기체상태의 냉매가 토출 되는데 유리하도록 설계한다.

한편, 커버(30)의 상면에는 기상냉매 토출구(32)가 상기 커버(30)의 상면을 천공하는 방식으로 형성된다.

소결부(20)에서 상변화된 기상냉매는 상기 기상냉매 토출구(32)를 통해 토출되어 응축부로 이동한다.

기상냉매 토출구(32)는 바람직하게는 상기 커버(30)의 중앙에서, 상기 커버(30)를 천공하는 구조를 갖는다.

이때, 바람직하게는 기상냉매 토출구(32)는 기상 냉매의 평균통과속도가 50~100m/s 이하가 되도록 설계한다.

한편, 상기 커버(30)의 상면 일측에는 액상냉매 인입구(33)가 상기 커버(30)의 상면은 천공하는 방식으로 형성된다.

응축부를 통해 응축되어 냉각된 액상냉매는 액상냉매 인입구(33)를 통해 인입된다.

한편, 상변화 열전달 개선을 위해서 실시한 가시화 실험에서 충진량을 줄여가며 실험을 실시한 결과, 동일한 실험조건에서 안정적인 상변화를 유지하다가 급격하게 드라이아웃이 발생하는 경우를 발견하였다.

충진량이 적은 경우 응축부로부터 증발기로 연결된 액상냉매관에서 불연속적인 냉매의 유동이 확인되었으며, 이러한 불연속적인 냉매의 유동이 드라이아웃의 주된 원인인 것으로 추정되었다.

응축부 내부의 냉매 유동은 비교적 좁고 낮은 수두차이를 갖는 유동이기 때문으로 응축부를 구조적으로 개선하지 못할 경우 이와 같은 불연속적인 액상냉매의 공급은 빈번하게 발생할 수 있다.

본 발명에서는 증발기 내부에서도 이러한 현상에 대해서 대처가 가능하도록 액상냉매의 리저버(34)를 둔다.

리저버(34)는 상기 커버(30)의 저면 내측으로 함몰되어 형성된다.

도 7에 도시된 바와 같은 구조로 모세관 펌프(35)가 리저버(34) 하단부에 직접 삽입되도록 함으로써 불규칙적인 냉매 공급에도 불구하고 모세관 펌프(35)는 항상 젖은 상태로 유지될 수 있다.

한편, 리저버(34)의 용량은 설계값에 따라 변경될 수 있다.

리저버(34)의 폭은 모세관 펌프(23)가 삽입될 수 있도록 바람직하게는 모세관 펌프(23)의 두께와 일치하거나, 또는 근소하게 더 좁게 설계할 수 있다.

리저버(34)는 모세관 펌프(23)에 대응하도록 바람직하게는 원 모양을 그리며 상기 커버(30)의 저면 내측으로 함몰되어 형성되며, 일측에 상기 액상냉매 인입구(33)와 연결된다.

모세관 펌프 챔버(35)는 모세관 펌프(23)의 하단부에서 발생하는 기체를 수용하여 관통부(24)를 통하여 중앙챔버(31)로 이송할 수 있도록 설계한다.

이때, 모세관 펌프 챔버(35)의 형상은 바닥과 접촉면으로부터 리저버(34)의 압착부까지 경사지게 만들어지는 것이 바람직하며 리저버(34)와 모세관 펌프(23)의 접촉지점보다 올라가서는 안 된다.

리저버(34)의 부피는 설계된 열유속에서 최소 1초간 냉매 공급이 가능하도록 용량을 선정한다.

리저버(34)의 하단부는 모세관 펌프(23)와 압착결합이 가능하도록 설계한다.

도 7은 본 발명에 의한 상변화 열전달 시스템용 증발기의 단면도이다.

도 7에 도시된 바에 의할 때, 리저버(34) 공간의 저면 내측으로 모세관 펌프(23)가 삽입되어 밀착된다.

이를 위하여 리저버(34) 하단은 모세관 펌프(23)보다 넓게 설계하되 상부로 올라갈수록 좁아지도록 설계한다.

이때 그 기울기는 분말소재에 따라 달리 설계되어야 한다.

리저버(34) 하단부 중 모세관 펌프 챔버(35)의 모서리에서 시작되는 경사진 기울기는 중앙챔버(31) 방향에서 시작되는 경사보다 0.1 ~ 1도 가량 더 기울어지도록 기울기를 설정한다. 이는 지그를 이용한 비압축소결에서 치수 정밀도가 안쪽이 높고 수축방향 반대방향으로는 정밀도가 다소 떨어지기 때문이다.

한편, 모세관 펌프(23)를 중심으로 중앙부의 중앙챔버(31)와 모세관 펌프 챔버(35)가 나누어진다.

모세관 펌프 챔버(35)는 커버(30)의 내측면 가장자리 부분과 모세관 펌프(23), 베이스(10)의 상면 외곽부위에 의해 규정되는 공간이다.

모세관 펌프(23)의 측면을 관통하는 관통부(24)는 외곽공간부(35)와 중앙챔버(31)를 잇는다.

외곽공간부(36)는 모세관 펌프 챔버(35)의 외측으로 바람직하게는 소정거리 이격된 위치에 존재한다.

이러한 외곽공간부(36)는 베이스(10)로부터 커버(30)로 전달되는 열전달을 줄이기 위해 구비된다.

외곽공간부(36)는 구조적 강성을 유지할 수 있는 범위에서 접촉부를 최대한 줄일 수 있도록 설계된다.

이러한 외곽공간부(36)의 형상은 다양하게 설계할 수 있으나, 상부의 형상은 아치 형태가 바람직하다.

외곽공간부(36)는 제조공정에서는 브레이징을 위한 필러가 충진되며 외곽공간부(36) 양단의 베이스(10)와 커버(30)의 접촉부에 브레이징되어 실링 효과를 높인다.

이때, 외곽공간부(36)는 필러의 적정충진량 보다 약 3배 이상의 단면적을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

증발기는 냉매의 이송을 위한 배관을 제외하고 밀폐구조로 만들어지는 것이 일반적이며, 본 발명에서도 베이스(10)와 커버(30)의 접합에 의하여 밀폐구조가 형성될 수 있도록 설계하였다.

이때, 베이스(10)와 커버(30)의 재질과 상관없이 접합에 있어서 필요한 구조적 강성을 유지하며 접촉부를 최대한 외각에 좁게 설계하였다.

즉, 발열체의 접촉부위로부터 최대한 이격된 위치에 좁게 설계하였다.

한편, 외곽공간부(36)는 제조공정에서는 브레이징을 위한 판형 또는 선재의 필러를 충진하거나 분말형 페이스트를 충진하여 브레이징 접합을 하게 된다.

이에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 외곽공간부(36)의 전후로 베이스(10)와 커버(30)가 이중으로 용접이 되어 용접의 신뢰성이 향상된다.

이하에서는 도 9 내지 도 11을 참조하여 상기와 같은 구조의 상변화 열전달 시스템용 증발기의 제조과정을 살펴보기로 한다.

도 9은 본 발명에 의한 상변화 열전달 시스템용 증발기의 제조과정을 설명하는 플로우차트이다.

도 9에 도시된 바에 의할 때, 소결부(20)의 소결과정은 소결 분말을 소정의 비율로 혼합하는 단계(a - 1단계),

베이스(10)의 지그 위치 결정부(14)에 소결지그를 위치시킨 후 소결분말을 충진하는 단계(a - 2단계),

베이스(10)와 소결지그를 소결로에 인입시킨 후 소정의 온도에서 소정의 시간동안 소결시키는 단계(a - 3단계)로 이루어진다.

한편, 이와는 별개로 커버(30)의 외곽공간부(36)에 브레이징을 위한 필러 또는 페이스트를 충진한다(b - 1 단계).

이후, 베이스(10) 상단에 커버(? 30)를 적층한 다음, 커버(30)의 리저버(34) 하단으로 모세관 펌프(23)가 삽입되도록 가압하여 압착하는 단계(b - 2 단계) 및

베이스(10)와 커버(30)의 접합부위를 브레이징 용접하는 단계(b -3 단계)로 이루어진다.

도 10는 소결부의 제조시 사용되는 입자의 유형을 나타내는 도면이다.

도 10의 (a)는 원형분말을 도시한다. 이하, 원형분말은 그 형상이 타원에 가까운 분무동을 포함하는 것으로 한다.

도 10의 (b)는 선형 또는 침상형으로 불리우는 분말을 도시한다. 일측방향으로 길게 연장된 형상을 갖는다.

상기 a - 1 단계에서 원형이나 침상형 어느 한쪽의 분말을 사용하는 대신에 원형과 침상형을 소정의 비율로 섞어서 사용한다.

원형 분말 대비 침상형 분말의 길이성분은 운형분말의 상당지름의 10 ~ 35% 수준의 길이를 갖는 것이 바람직하다.

원형 분말과 침상형 분말의 혼합비는 요구되는 소결물의 물성에 따라 다소 차이는 있으나 원형 분말과 침상형 분말의 혼합비는 4:1 ~ 1:1까지가 바람직하다.

이러한 비율을 고려하지 않을 경우 베이스(10)에 직접 소결하는 본 발명에 의한 제조방법에 있어, 치수 안정성 및 결함발생을 억제하기 힘들다.

혼합 비율이 너무 낮을 경우 결함 발생확률이 높아진다. 한편, 침상형 분말의 혼합 비율이 더 커질경우 소결물의 결함발생은 없으나 치수 안정성이 떨어져 소결 이후 진행되는 결합단계에서 불리해진다.

이와 같이 원형과 침상형을 혼합하여 소결을 실시함으로써 치수안정성과 소결물의 결함을 대폭 줄일 수 있다. 뿐만 아니라, 예측가능한 미세다공구조를 확보할 수 있어 설계 및 제조상 잇점을 얻을 수 있다.

한편, a - 2 단계에서 소결 분말을 충진한 다음 압축하는 방법을 사용하지 않는다. 대신, 베이스(10)와 소결지그가 결합 된 상태에서 진동을 주어 충진을 한다. 이에 의하여 분말 내의 과도한 공극 발생을 억제하며 충진율을 향상시킬 수 있다.

소결 분말을 압축하여 충진할 경우 압착용 금형과 인접한 소결면에 과도한 변형이 발생할 수 있으며, 국부적으로 충진율이 높아져 이후 과정에서의 압착실링이 불가능하거나 또는 압착시 크랙이 발생할 가능성이 높아진다.

소결과정에서 발생하는 수축은 대부분 주변보다 두꺼운 부분에서 발생하는데, 모세관 펌프(23)에서 수축이 발생하게 된다.

따라서, 충진 후 소결에 들어갈 때 분말이 변형되지 않을 정도의 중량물로 주된 수축 방향으로 눌러 수축에 의한 결함을 방지한다.

이때 요구되는 설계값에 따라 분말의 크기가 정해지며, 이에 따라 압축력이 달라지나 대체로 0.2 ~ 1 ㎏/㎠ 정도가 바람직하다.

한편, 소결의 온도 및 시간은 소결방법과 소결재료 그리고 분말의 형상 및 그 크기에 따라 다양하게 통상의 실시방법에 의해 결정될 수 있다.

일반적으로 소결구조물의 양산형태는 금형을 통해 소결부의 형상을 만들고 프레스를 이용하여 압축하여 분말들을 금형의 형태로 고정한다.

이때 아직 분말들은 변형에 의하여 서로 접촉되어 있으며 접합이 일어나지 않은 상태이다.

이렇게 금형의 형태를 유지하고 있는 소결물을 소결로를 이용하여 접합을 시키며 이때 상당한 수축 변형이 일어나게 된다.

이러한 수축변형에 의해 결합을 위한 치수안정성이 떨어져 다시 한번 프레스 또는 절삭과정을 거처 치수정밀도를 높이게 되는데 절삭과정 또는 프레스 과정에서 표면에 존재하는 공극들이 막히거나 그 공극의 크기가 줄어드는 경향이 있다.

이러한 공정으로 만들어진 상변화용 소결구조물에 대해서는 사용전 산처리 등의 공정을 통하여 소결부의 공극을 복원시키는 공정을 거쳐야 하는 비경제성의 문제가 있다.

한편, 프레스를 이용하지 않는 경우 탄소 또는 소결체의 소결온도보다 뛰어난 온도 안정성을 보이는 금속 또는 세라믹 형태의 지그를 이용한 소결이 가능하다.

다만, 프레스 금형을 이용한 소결보다 일반적으로 수축율이 더 커 치수 안정성 확보가 까다로운 단점이 있다.

일반적으로 소결로에 지그와 함께 투입하여 소결을 실시한다. 소결품은 프레스를 이용한 결과물에 비하여 균일하고 예측 가능한 공극을 갖는 것이 장점이다.

기밀성을 유지하기 위해서는 치수안정성을 확보해야 가능하지만 앞서 언급한 바와 같이 치수 안정성을 확보하기 위해서는 성능을 좌우하는 소결체의 다공성에 대한 결함발생이 가능하기 때문에 본 발명에서는 소결지그를 이용한 소결방법을 이용한다.

이때, 소결과정에서 발생하는 수축에 의한 치수 불안정성을 억제하는 것이 중요하다.

모세관 펌프(23)를 결합이 이루어지는 커버(30)의 리저버(34)의 형상보다 다소 크게 제조하며 수축에 의한 치수변화를 흡수할 수 있는 크기로 제조할 수 있다.

도 11은 베이스와의 체결과정에서 소결부가 압착된 모습을 나타내는 사진이다.

도 11에 도시된 바에 의할 때, 모세관 펌프(23)가 리저버(34) 하단에 삽입되어 끼워짐으로써 압착된 것을 확인할 수 있다.

비압축 소결부의 표면은 비교적 작은 힘으로도 수 %정도의 변형이 일어나는 특성을 가지며, 소형 프레스로도 소결부(20) 상단에 커버(30)를 적층하여 압착함으로써 모세관 펌프(23)와 리저버(34)를 결합할 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.

본 발명은 루프 써모 사이폰, 루프 히트 파이프과 같은 상변화 열교환기에 적용될 수 있다.

10 : 베이스
11 : 흡열면
12 : 소결부 안착면
13 : 보강리브
14 : 지그 위치 결정부
20 : 소결부
21 : 증발면
21' : 외곽 증발면
22 : 냉매 이송부
23 : 모세관 펌프
24 : 관통부
30 : 커버
31 : 중앙챔버
32 : 기상냉매 토출구
33 : 액상냉매 인입구
34 : 리저버
35 : 모세관 펌프 챔버
36 : 외곽공간부

Claims (9)

1. 삭제
2. 발열체 상단에 밀착되어 설치되는 베이스(10);
   상기 베이스 상단에 소결(燒結)되어 구비되는 소결부(20);
   상기 베이스(10) 및 상기 소결부(20) 상단에 조립되어 밀폐되는 커버(30)를 구비하되,
   상기 베이스(10)는 발열체에 부착되는 상기 베이스(10) 하단면의 일부 영역인 흡열면(11); 및 소결부가 소결되는 상기 베이스(10)의 상면의 일부 영역인 소결부 안착면(12);를 구비하며,
   상기 소결부(20)는 상기 소결부 안착면(12)에 소정의 두께로 소결되어 형성되는 증발면(21); 및 상기 흡열면(11)에서 소정거리 이상 이격된 위치에 증발면(21)으로부터 상방향으로 상기 증발면(21)의 두께보다 두껍게 돌출되어 형성된 모세관 펌프(23);를 구비하되,
   상기 소결부(20)에는 상기 모세관 펌프(23)의 측면 공간을 관통하는 관통부(24);가 더 구비되며,
   상기 모세관 펌프(23)는 상기 커버(30)의 내부 공간을 상기 모세관 펌프(23) 내측의 공간인 중앙챔버(31)와 외측의 공간인 모세관 펌프 챔버(35)로 구획지으며,
   상기 관통부(24)는 상기 모세관 펌프 챔버(35)와 상기 중앙챔버(31)를 잇는 것을 특징으로 하는 상변화 열전달 시스템용 증발기.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 커버(30)는, 상기 커버(30)의 저면에 상기 모세관 펌프(23)에 대응하는 위치에 내측으로 함몰되어 형성되는 리저버(34);를 더 구비하며,
   상기 모세관 펌프 챔버(35)는 상기 리저버(34)의 하단부 보다 아래에 위치하며, 상기 베이스(10)와 상기 커버(30)의 접촉면 끝단에서 상기 리저버(34)의 하단부까지 소정각도 경사지는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 상변화 열전달 시스템용 증발기.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 커버(30)는, 상기 커버(30)의 저면에 상기 모세관 펌프(23)에 대응하는 위치에 내측으로 함몰되어 형성되는 리저버(34);를 더 구비하며,
   상기 리저버(34)의 하단부는 상기 모세관 펌프(23)의 두께보다 넓으며, 상단부로 올라갈수록 상기 모세관 펌프(23)의 두께보다 좁아지는 구조인 것을 특징으로 하는 상변화 열전달 시스템용 증발기.
5. 발열체 상단에 밀착되어 설치되는 베이스(10);
   상기 베이스 상단에 소결(燒結)되어 구비되는 소결부(20);
   상기 베이스(10) 및 상기 소결부(20) 상단에 조립되어 밀폐되는 커버(30)를 구비하되,
   상기 베이스(10)는 발열체에 부착되는 상기 베이스(10) 하단면의 일부 영역인 흡열면(11); 및 소결부가 소결되는 상기 베이스(10)의 상면의 일부 영역인 소결부 안착면(12);를 구비하며,
   상기 소결부(20)는 상기 소결부 안착면(12)에 소정의 두께로 소결되어 형성되는 증발면(21); 및 상기 흡열면(11)에서 소정거리 이상 이격된 위치에 증발면(21)으로부터 상방향으로 상기 증발면(21)의 두께보다 두껍게 돌출되어 형성된 모세관 펌프(23);를 구비하며,
   상기 커버(30)는, 상기 커버(30)의 저면에 상기 모세관 펌프(23)에 대응하는 위치에 내측으로 함몰되어 형성되는 리저버(34); 및
   상기 리저버(34)의 외측으로 상기 커버(30)의 저면 내측으로 함몰되어 형성된 외곽공간부(36);를 더 구비하되,
   제조단계에서 상기 외곽공간부(36)에 브레이징을 위한 필러 또는 페이스트가 충진되어, 브레이징 접합 공정을 거치면서 상기 외곽공간부(36) 전후의 커버(30)와 베이스(10)의 접촉면이 이중으로 접합되는 것을 특징으로 하는 상변화 열전달 시스템용 증발기.
6. 발열체 상단에 밀착되어 설치되는 베이스(10);
   상기 베이스 상단에 소결(燒結)되어 구비되는 소결부(20);
   상기 베이스(10) 및 상기 소결부(20) 상단에 조립되어 밀폐되는 커버(30)를 구비하되,
   상기 베이스(10)는 발열체에 부착되는 상기 베이스(10) 하단면의 일부 영역인 흡열면(11); 및 소결부가 소결되는 상기 베이스(10)의 상면의 일부 영역인 소결부 안착면(12);를 구비하며,
   상기 소결부(20)는 상기 소결부 안착면(12)에 소정의 두께로 소결되어 형성되는 증발면(21);
   상기 흡열면(11)에서 소정거리 이상 이격된 위치에 증발면(21)으로부터 상방향으로 상기 증발면(21)의 두께보다 두껍게 돌출되어 형성된 모세관 펌프(23); 및
   상기 모세관 펌프(23)로부터 상기 증발면(21) 방향으로 상기 증발면(21) 상면에 소정의 두께, 높이 및 길이로 돌출되어 형성되는 다수의 냉매 이송부(22);를 구비하되,
   상기 냉매 이송부(22)의 높이는 상기 모세관 펌프(23)의 높이보다 낮으며, 상기 증발면(21)의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 상변화 열전달 시스템용 증발기.
7. 발열체 상단에 밀착되어 설치되는 베이스(10);
   상기 베이스 상단에 소결(燒結)되어 구비되는 소결부(20);
   상기 베이스(10) 및 상기 소결부(20) 상단에 조립되어 밀폐되는 커버(30)를 구비하되,
   상기 베이스(10)는 발열체에 부착되는 상기 베이스(10) 하단면의 일부 영역인 흡열면(11); 소결되는 상기 베이스(10)의 상면의 일부 영역인 소결부 안착면(12); 및 소결 지그를 고정하기 위한 구조로서, 상기 베이스(10) 상단에 돌출되거나 함몰되어 형성된 지그 위치 결정부(14);를 구비하며,
   상기 소결부(20)는 상기 소결부 안착면(12)에 소정의 두께로 소결되어 형성되는 증발면(21); 및 상기 흡열면(11)에서 소정거리 이상 이격된 위치에 증발면(21)으로부터 상방향으로 상기 증발면(21)의 두께보다 두껍게 돌출되어 형성된 모세관 펌프(23);을 구비하되,
   상기 소결부(20)는 소결 지그를 상기 지그 위치 결정부(14)에 고정한 다음, 진동을 주어 소결분말을 충진하고, 소결로에서 소정의 온도와 시간동안 소결함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 상변화 열전달 시스템용 증발기.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 소결부(20)는 원형 분말과 침상형 분말을 4:1 ~ 1:1의 혼합비로 혼합하여 충진한 다음 소결함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 상변화 열전달 시스템용 증발기.
   
   
9. 삭제

Images