KR101422097B1

KR101422097B1 - 루프형 히트파이프 시스템용 증발기 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR101422097B1
Application number: KR1020120134877A
Authority: KR
Inventors: 최지훈; 이윤근; 서민환; 하민석
Original assignee: 잘만테크 주식회사
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2014-07-28
Also published as: US20140144609A1; KR20140070755A

Abstract

본 발명은, 작동유체가 순환하며 작동시 열을 발생시키는 발열부품을 냉각시키는 루프형 히트파이프(LHP; Looped Heat Pipe) 시스템용 증발기에 관한 것으로서, 이러한 증발기는, 상기 작동유체가 유입되는 유입부와 그 유입된 작동유체가 배출되는 배출부를 구비한 몸체; 상기 몸체 내부에 수용되고, 구리 분말(copper powder)이 소결되어 형성되고, 그 내부에는 다수의 공극이 구비된 소결윅(sintered wick); 및 상기 소결윅의 표면에 구비되되, 상기 소결윅을 형성하는 구리 분말보다 작은 크기의 구리 입자(copper particle)가 소결 형성되어, 상기 소결윅으로부터 이동된 작동유체가 기체 상태로 상변화되어 배출되도록 구비된 추가층(additional layer);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

루프형 히트파이프 시스템용 증발기 및 그의 제조방법{Evaporator for the looped heat pipe system and method for manufacturing thereof}

본 발명은, 응축기, 기체이송관 및 액체이송관과 함께 루프형 히트파이프 시스템을 이루는 증발기 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 증발기 내부에 구비된 소결윅의 증발면에 나노단위크기의 입자로 소결형성된 추가층(additional layer)을 구비하여, 냉각효율이 개선된 루프형 히트파이프 시스템용 증발기에 관한 것이다.

컴퓨터, 서버 등과 같은 각종 전자장치 내부에는 CPU나 반도체 칩과 같은 전자부품이 구비되어 있는데, 이러한 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.

전자제품이 점점 슬림화되면서 동작시 열을 발생하는 전자부품 사이의 설치간격이 계속 좁혀지고 있어 전자제품 사용시에 발생하는 열을 제대로 냉각시키지 못하고 있는 실정이다. 또한 전자부품의 고집적화와 고성능화로 인해 전자부품의 발열부하가 지속적으로 증가하고 있기 때문에 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 일예로 원통형 히트파이프(heat pipe)를 들 수 있다. 일반적인 원통형 히트파이프(100)는 도 1에 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, 히트파이프의 경우 중력장에 대한 의존성이 낮기는 하지만, 여전히 중력장 내에서 응축부가 증발부보다 아래쪽에 위치해 있을 경우 열수송 능력이 크게 떨어지는 등 구성요소들 간의 위치관계에 제한이 있기 때문에 이를 냉각시스템으로 채용한 전자제품의 구조에 제약조건으로 작용한다는 단점이 있다.

또한, 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 루프형 히트파이프(Looped Heat Pipe, LHP) 시스템이다.

루프형 히트파이프 시스템은 인공위성용 통신장비나 전자장비 등에서 발생하는 대용량의 열을 냉각시키기 위해 미국 NASA에서 개발한 CPL(Capillary Pumped Loop Heat Pipe)기술의 일종이다.

도 2는 종래의 루프형 히트파이프 시스템(110)의 개략적인 개념도로서, 종래 루프형 히트파이프 시스템(110)은, 응축기(112), 증발기(114), 그리고 이들을 연결하는 증기라인(116)과 액체라인(118)이 각각 연결되어 루프를 이루고 있다. 도 3은, 도 2의 히트파이프 시스템(110)의 동작을 개략적으로 설명하기 위한 개념도이다.

상기 증발기(114)에는 내부에 구비된 소결윅(120)으로 작동유체가 스며들기 전에 액화된 작동유체를 수용하여 완충하는 보상챔버(122)가 구비된다. 루프형 히트파이프 시스템(110)의 경우, 종래 직선형 히트파이프(도1 참조)와는 달리 증발기(114)에만 소결윅(wick, 120)이 설치되어 있다.

이러한 구성의 루프형 히트파이프 시스템(110)이 작동하는 원리는 다음과 같다.

먼저, 발열부품과 같은 열원(heat source)에 접촉하는 증발기(114)의 전열판(124)이 가열되면, 전열판(124)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)에 연결된 액체라인(118)을 따라 다시 증발기(114)로 이동되어 앞의 과정을 반복하게 되며, 열원을 냉각시키게 된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 증발기(114)의 내주면에 소결윅(120)이 결합되고, 소결윅(120)의 내주면이 형성하는 공간은 작동유체가 기체로 상변화되어 증기라인(116)으로 이동하는 증기통로를 형성하고 있다.

한편, 소결윅(120)의 표면에서는 액상의 작동유체가 기상으로 상변화된다. 따라서, 이 부분을 증발계면, 기액계면 등으로 칭한다.

작동유체는, P1 내지 P7으로 표시된 지점을 거쳐 순환된다. P1지점에서 작동유체가 기화되고, 기화된 작동유체는 증발기 내부의 증기통로를 통해 P2까지 이동한 후, 증기라인(116)을 따라 P3지점까지 이동한다. 응축기의 입구지점 P3에서 P4지점과 출구지점 P5를 거치면서 기체상태의 작동유체는 다시 액상으로 상변화된다. 액상의 작동유체는 액체라인(118)을 따라 증발기(114)의 유입부 지점(P6)을 거쳐 보상챔버(122)를 거쳐 소결윅(120)에 지점(P7)에서 흡수되어 다시 P1 지점으로 이동한다.

루프형 히트파이프 시스템(110)에 있어서, 이러한 작동유체의 이동을 야기시키는 힘은 소결윅(Wick, 심지)의 모세 펌핑력(capillary pumping force)이다. 그런데 이러한 모세 펌핑력은 소결윅에 형성된 기공 직경에 관계되어 있다.

즉, 소결윅에 형성되어 있는 기공의 직경이 작아지면 모세 펌핑력은 증가하게 된다. 하지만, 기공의 직경이 작아짐에 따라, 소결윅의 유동저항이 커지게 되어 투과성(permeability)은 떨어지게 된다는 문제점이 동시에 있다. 따라서, 소결윅의 기공의 크기만을 조정하여서는 원하는 냉각성능을 달성할 수 없게 된다.

결국, 루프히트파이프 시스템에 사용된 증발기는, 그 내부에 구비된 소결윅의 구성과 관련하여, 모세 펌핑력은 높이면서도 투과성은 떨어지지 않도록 하는 구성을 개발하여, 작동유체의 순환이 더욱 효과적으로 이루어지도록 해야 하는 필요성이 있다.

특허등록공보 제1000981호

본 발명은 상술한 필요성을 해결하기 위한 것으로서, 모세압은 높이면서도 투과성은 떨어지지 않도록 하는 것이 가능하게 하여, 결국 루프형 히트파이프 시스템 내부의 작동유체의 순환이 원활하게 이루어져 장거리 이송 및 고발열에서 냉각효율이 개선될 수 있는 루프 히프파이프 시스템용 증발기 및 그 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명은, 작동유체가 순환하며 작동시 열을 발생시키는 발열부품을 냉각시키는 루프형 히트파이프(LHP; Looped Heat Pipe) 시스템용 증발기에 관한 것으로서, 상기 증발기는, 상기 작동유체가 유입되는 유입부와 그 유입된 작동유체가 배출되는 배출부를 구비한 몸체; 상기 몸체 내부에 수용되고, 구리 분말(copper powder)이 소결되어 형성되고, 그 내부에는 다수의 공극이 구비된 소결윅(sintered wick); 및 상기 소결윅의 표면에 구비되되, 상기 소결윅을 형성하는 구리 분말보다 작은 크기의 구리 입자(copper particle)가 소결 형성되어, 상기 소결윅으로부터 이동된 작동유체가 기체 상태로 상변화되어 배출되도록 구비된 추가층(additional layer);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 추가층의 두께는, 0.1 ~ 30㎛ 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 소결윅의 두께는, 1.0 mm ~ 2.0 mm 인 것이 바람직하다.

한편, 상기 추가층은, 열과 압력을 가하는 열융착 방법에 의해 소결됨과 동시에 상기 소결윅에 결합된 것이 바람직하다.

한편, 상기 소결윅은, 40 ~ 150㎛ 크기의 불규칙한 형상의 구리분말(irregular shape of micro copper powder)이 소결되어 형성되고, 상기 추가층은, 10~200 nm의 지름을 가지는 구형 형상의 구리입자(spherical shape of nano copper particle)가 소결되어 형성된 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은, 다른 측면으로서, 작동유체가 순환하며 작동시 열을 발생시키는 발열부품을 냉각시키는 루프형 히트파이프(LHP; Looped Heat Pipe) 시스템용 증발기를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 상기 증발기는, 상기 작동유체가 유입되는 유입부와 그 유입된 작동유체가 배출되는 배출부를 구비한 몸체; 상기 몸체 내부에 수용되고, 구리분말이 소결되어 형성되고 내부에는 다수의 공극이 구비된 소결윅(wick); 및 상기 소결윅의 표면에 구비되되, 상기 소결윅을 형성하는 구리 분말보다 작은 크기의 구리 입자(copper particle)가 소결 형성되어, 상기 소결윅으로부터 이동된 작동유체가 기체 상태로 상변화되어 배출되도록 구비된 추가층(additional layer);를 포함하여 구성된 증발기이고, 상기 소결윅에 구비된 추가층은, 구리분말(copper powder)들을 가열하여 소결윅을 형성하는 소결윅 형성단계; 및 형성된 소결윅과, 이러한 소결윅을 형성한 구비 분말보다 작은 구리 입자(copper particle)들을 상기 소결윅 표면에 올려놓은 상태에서, 압력과 열을 가하여 상기 구리 입자들을 소결키는 것과 동시에 그 소결윅의 표면에 결합시키는 융융착방법에 의해 상기 추가층을 형성하는 추가층 형성단계;를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 추가층 형성단계에서 가해지는 압력은 10 ~ 100 Pa 이고, 상기 추가층 형성단계에서 가해지는 온도는 100 ~ 200℃인 것이 바람직하다.

한편, 추가층 형성단계에서 가해지는 온도는 145 ~ 155℃이고, 상기 추가층 형성단계에서 압력과 온도가 가해지는 시간은 5 ~ 15 분이고, 상기 추가층의 두께는, 0.1 ~ 30㎛ 이고, 상기 소결윅의 두께는, 1.0 mm ~ 2.0 mm 인 것이 바람직하다.

한편, 상기 소결윅 형성단계에서, 상기 소결윅을 형성하는 구리 분말은, 40 ~ 150㎛ 크기의 불규칙한 형상의 구리분말(irregular shape of micro copper powder)이고, 상기 추가층 형성단계에서, 상기 구리입자는, 10~200 nm의 지름을 가지는 구형 형상의 구리입자(spherical shape of nano copper particle)인 것이 바람직하다.

한편, 상기 추가층 형성단계는, 대기압하에서 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 소결윅 형성단계는, 3시간 내지 7 시간 동안 수행되고, 상기 추가층 형성단계는 5분 내지 15분 동안 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 루프형 히트파이프 시스템용 증발기에 의하면, 구리소재의 소결윅의 증발면에 구리소재의 나노 크기의 입자가 열융착되며 소결형성된 박형의 추가층을 구비함으로써, 모세 펌핑력은 높이면서도 투과성은 떨어지지 않도록 하는 것이 가능함과 소결윅과 증발면 및 소결윅 및 추가층의 접촉 열저항을 억제하여, 루프형 히트파이프 시스템 내부의 작동유체의 순환이 원활하게 이루어져, 소결윅으로부터의 손실되는 압력강하 억제하므로 장거리 이송 및 고발열에서 냉각효율이 개선될 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 루프형 히트파이프 시스템용 증발기를 제조하는 방법에 따르면, 나노크기의 구리입자로 형성된 추가층을 소결윅의 증발면에 형성시키는 것이 용이하게 이루어질 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은, 종래 원통형 히트파이프의 동작을 설명하는 개략적인 도면,
도 2는, 종래 루프형 히트파이프 시스템의 개념도,
도 3은, 도 2의 종래 루프형 히트파이프 시스템의 동작을 설명하기 위한 개념도,
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 증발기가 채용된 루프형 히트파이프 시스템의 개념도,
도 5는, 도 4의 증발기의 일부 절개 사시도,
도 6은, 도 5의 몸체, 소결윅 및 추가층의 일부분을 일부분 확대한 개념적 단면도,
도 7 및 도 8은, 도 5의 소결윅 및 추가층을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진들,
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 루프형 히트파이프 시스템용 증발기를 제조하는 방법을 설명하기 위한 개념도들.

본 발명은 루프형 히트파이프 시스템을 이루는 여러 가지 구성 중 증발기에 관한 것이다.

도 4를 참조하면, 루프형 히트파이프 시스템(110)은, 본 발명의 증발기(1)를 포함하여, 응축기(112), 기체이송관(116) 및 액체이송관(118)를 포함하여 구성된다.

참고로, 상기 응축기(112)는, 본 발명에 관한 증발기(1)에서 전달받은 기체 상태의 작동유체를 액체로 상변화시키는 곳이다. 응축기(112)는 작동유체로부터 열을 빼앗아 외부 대기 중으로 내보낸다.

그리고, 상기 기체이송관(116)은, 증발기(1)에서 상변화된 기체가 응축기(112)로 이송될 수 있도록 증발기(1)와 응축기(112)를 연결하는 관부재이고, 상기 액체이송관(118)은 응축기(112)에서 상변화된 액체가 다시 증발기(1)로 공급될 수 있도록 응축기(112)와 증발기(1)를 연결하는 관부재이다.

한편, 응축기(112)와 기체이송관(116) 및 액체이송관(118)에 관한 일반적인 설명 및 작용에 관하여는, 앞서 배경기술 란에서 설명한 것이 그대로 적용된다.

본 발명에 따른 일실시예의 루프형 히트파이프 시스템용 증발기(1)를 도 4 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 일반적인 루프형 히트파이프 시스템(110)을 구성하는 증발기(1)를 개념적인 단면도로 표시한 도면이고, 도 5는 도 4의 증발기(1)를 일부 절개하여 개략적으로 표시한 사시도이고, 도 6은 도 5의 증발기(1)의 몸체(10) 및 소결윅(20)과 추가층(30)를 개념적인 단면도로 표시한 도면이고, 도 7 및 도 8은 소결윅(20) 및 추가층(30)의 단면을 전자현미경(SEM)으로 실제 촬영한 사진이다.

본 실시예의 루프형 히트파이프 시스템용 증발기(1)는, 몸체(10)와, 소결윅(20)과, 추가층(additional layer; 30)를 포함하여 이루어진다.

상기 몸체(10)는, 발열부품(미도시)과 접촉하여, 발열부품의 동작시 발생되는 열을 전달받는다(도 4에 열(heat)이라는 문자와 화살표 참조). 몸체(10)는 열전도율이 상대적으로 높은 구리로 제작된다.

몸체(10)의 형상은 본 실시예의 경우 일방향으로 개방된 육면체가 일체로 형성되고 개방된 면에는 별도로 형성된 부재가 결합된 형상이다. 다만 다른 실시예의 경우 몸체는 하측면이 별도의 부재로 형성되어 다른 부재들과 결합형성되는 등 다양하게 변형가능하다.

한편, 몸체(10) 외측면의 어디에라도 발열부품이 접촉되도록 구성될 수 있다. 즉 몸체(10)의 외부의 아랫면이나 옆면 등 어디에라도 발열부품이 접촉되면 열을 전달받을 수 있다.

몸체(10)의 내부에는, 추가층(30)이 구비된 소결윅(20)과 보상챔버(16)를 위한 공간이 형성된다. 몸체(10)에는, 유입부(12)와 배출구(14)가 구비된다. 유입구(12)와 배출구(14)가 도 5에 개념적으로 도시되어 있다. 본 실시예의 경우, 몸체(10) 내부 유입부(12) 측에는 보상챔버(16)가 구비된다.

상기 유입부(12)를 통해, 본 루프형 히트파이프 시스템(110)을 순환하는 작동유체가, 액체상태로 몸체(10) 내부로 유입된다. 유입된 액체상태의 작동유체는, 소결윅(20)으로 이동되기 전 보상챔버(16) 공간에 수용된다.

상기 배출구(14)을 통해, 기체상태의 작동유체가 몸체(10) 외부로 배출된다. 즉, 작동유체는 소결윅(20) 및 추가층(30)을 거치며 기체상태로 변하고, 추가층(30)으로 둘러싸인 공간(18)을 거친 후, 몸체(10) 외부로 배출된다. 배출된 작동유체는, 기체이송관(116)을 통해 응축기(112)로 이동된다.

상기 소결윅(20)은, 몸체(10) 내부에 수용된다. 소결윅(20)은 구리 분말이 소결되어 형성된다. 소결윅(20)은, 그 내부에 수많은 공극이 형성된 다공성의 물질이다.

한편, 본 실시예의 경우, 소결윅(20)의 두께는 1.0~2.0mm 의 범위에 있다. 상기 소결윅은, 40 ~ 150㎛ 크기의 불규칙한 형상의 구리분말(irregular shape of micro copper powder)이 소결되어 형성된다.

소결윅(20) 내부에 형성된 공극은, 소결윅(20)이 구리분말을 이용하여 일반적인 소결윅 생성방법에 따라 만들어지되, 공극의 직경이 100~200㎛ 의 범위 내에 있도록 만들어지는 것이 바람직하다.

소결윅(20) 내부로는 액체상태의 작동유체가 이동하기 때문에, 공극의 직경이 위의 범위에 있는 것이, 작동유체의 유동저항을 억제하여 투수성을 좋게 한다. 다만, 시스템에서 사용되는 작동유체의 종류, 이송관의 길이 및 냉각범위에 따라, 공극의 크기는 조절될 수 있다.

소결윅(20)의 구체적인 형상은, 유입부(12)를 통해 들어온 작동유체가 소결윅(20) 거쳐 배출부(14)를 통해 배출되는 조건만 만족되기만 하면, 다양하게 변형가능하다. 즉, 본 실시예의 경우 일방이 개방된 육면체의 형상으로서, 일체로 만들어진다. 다만 실시예에 따라서는 판형상으로 제작될 수도 있다.

상기 추가층(additional layer; 30)은, 마치 소결윅(20)에 코팅된 것과 같이 소결윅(20)에 구비된다. 추가층(30)에서는, 소결윅으로부터 전달된 작동유체가 기체상태로 상변화가 되어 추가층 외부로 배출된다.

추가층(30)은 소결윅(20)과 마찬가지로 구리 재질이다. 소결윅(20)와 추가층(30)이 동일하게 구리소재로 되어 있기 때문에, 상호 접하는 경계면에서의 접촉 열저항이 현저히 낮아지는 효과가 있다.

추가층(30)은 소결윅(20)을 형성하는 구리 분말보다 작은 크기의 구리 입자(copper particle)가 소결되어 형성된다.

본 실시예의 경우, 추가층(30)은, 10~200 nm의 지름을 가지는 구형 형상의 구리입자(spherical shape of nano copper particle)가 소결되어 형성된 것이다. 추가층(30)이 상술한 범위의 크기를 가지는 나노 단위의 구리입자로 소결되어 형성된 것이기 때문에, 그 내부에 형성된 다수의 공극의 크기 역시 구리입자의 크기에 대응되는 나노 단위의 크기를 가지게 된다.

본 실시예의 경우, 추가층(30)의 두께는, 0.1 ~ 30㎛ 로 되어 있다. 이 두께보다 작은 경우 실제 추가층을 제작하는 것에 어려움이 있을 뿐 아니라, 이 범위보다 더 두꺼울 경우 액체의 유동저항에 의한 작동유체의 투과성이 저하되어 압력손실이 커짐에 따라 시스템의 열전달 성능이 떨어지게 된다.

한편, 추가층의 구체적인 형상은, 소결윅의 형상이 다양하게 변형되면 이에 대응되도록 변형된다.

본 실시예의 경우, 추가층(30)은, 구리입자를 소결윅(20) 위에 쌓아놓고 여기에 열과 압력을 가하는 열융착 방법에 의해, 자체가 소결되는 것과 동시에 소결윅(20)에 결합되어 소결윅(20)과 일체가 되도록 형성된다.

다만 다른 실시예의 경우 별도로 추가층을 형성한 후 소결윅에 열융착방법에 의해 결합시킬 수도 있다. 이 경우 접촉 열저항이 제시된 실시예보다는 높게 되어 증기온도가 상승하여 장치의 작동온도가 상승하며 시스템 열정항이 커지는 되는 불이익을 제외하고 나머지 효과를 얻을 수 있다.

도 7은 소결윅(20)과 추가층(30)의 단면을 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope)으로 실제 촬영한 사진이고, 도 8은 추가층(30)의 단면부분을 확대한 사진이다. 제시된 사진을 통해, 소결윅(20)에는 마이크로 단위의 공극이 형성되어 있고, 추가층(30)에는 나노 단위의 공극이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.

이하, 상술한 구성의 루프형 히트파이프 시스템용 증발기(1)의 작용 및 효과에 대하여 상세히 설명한다.

본 실시예의 증발기(1)가 채용된 루프형 히트파이프 시스템(110)의 동작을 도 4를 참조하여 간단히 설명한다.

증발기(1)의 몸체(10) 일면을 발열부품(미도시)과 접촉시킨다. 발열부품으로부터 발생되는 열은 몸체(10)에 내부에 구비된 소결윅(20)에 전달되고, 이 열은 다시 소결윅(20)의 표면에 구비된 추가층(30)에 전달된다. 전달된 열에 의해 작동유체는 기체 상태로 상변화되며 추가층(30)으로부터 배출된다.

기체 상태로 상변화된 작동유체는 배출부(14)를 통하여 증발기(1)의 외부로 배출된다. 배출된 작동유체는 응축기(112)로 이동되어 열을 빼앗겨 액상으로 상변화되고, 액체이송관(118)을 따라 다시 몸체(10)의 유입부(12)를 통해, 몸체(10) 내부의 보상챔버(16)로 유입된다.

유입된 액상의 작동유체는 소결윅(20)의 공극들에 관련된 모세펌핑력에 의해 소결윅(20)의 공극 사이로 스며들게 되고, 소결윅(20)의 공극 사이에 스며든 액상의 작동유체는 다시 추가층의 모세펌핑력에 의해 추가층(30)의 공극들 사이로 스며들게 된다. 스며든 작동유체는 발열부품으로부터 전달받은 현열(sensible heat)에 의해 가열되어 기체 상태로 상변화되면서, 잠열(latent heat)로 변환 후 공간(18)으로 이동한다. 작동유체는 이러한 방식으로 순환되면서, 발열부품의 열을 냉각시키게 된다.

이때, 일반적으로 '모세압'이라고 하는 모세펌핑력은, 아래 수학식으로 주어진다.

상기 P는 모세압력,

는 작동유체의 표면장력, r은 입자들이 형성하는 공극의 유효 반지름을 말한다. 작동유체의 표면장력은 일정하므로, 모세펌핑력은 입자들이 형성하는 공극의 유효 반지름에 반비례한다. 즉, 공극의 유효반지름이 작아지면, 모세펌핑력은 크게 된다.

한편, 작동유체를 통과시키는 투과성(permeability)은, 공극의 유효반지름에 비례한다. 즉, 공극의 유효반지름이 작아지면, 투과성(permeability)도 작아지게 된다.

본 발명의 소결윅은, 일반적인 소결윅과 마찬가지로, 마이크로 스케일의 공극들을 가지게 하되, 그 소결윅의 표면에는 나노 스케일의 공극을 다수 개 구비한 추가층을 구비하게 함으로써, 모세펌핑력 및 작동유체의 투과성을 모두 좋게 하여, 결과적으로 작동유체의 순환이 보다 잘 이루어져 냉각성능의 향상이 가능하다는 장점이 있다.

즉, 액체 상태의 작동유체는 마이크로 스케일의 공극이 형성된 소결윅을 통과하는데 어려움이 없다. 또한, 추가층에 형성된 나노(nano) 스케일의 공극들로 인해, 모세펌핑력이 더욱 강화되어 전체 작동유체의 순환이 더욱 잘 이루어진다.

다시 말하여, 본 실시예의 루프형 히트파이프 시스템용 증발기(1)는, 소결윅(20)의 표면에 나노스케일(nano scale)의 공극을 구비한 추가층(30)을 구비함으로써, 모세펌핑력이 향상되면서도, 소결윅(20)을 통한 작동유체의 투과성은 떨어지지 않도록 하는 장점이 있다.

즉, 나노스케일 구리입자의 소결에 의해 형성된 추가층(20)을 마이크로 스케일 구리분말의 소결에 의해 형성된 소결윅(20) 층에 구비함으로써, 작동유체의 투과성(permeability)에 주는 영향은 최소화하면서도 높은 모세압력을 제공하여, 냉각성능을 강화하는 것이 가능하다는 장점이 있다. 또한 이러한 구성은 동일한 열 흐름(heat flux)을 유지하면서도 기하학적 제한을 보충할 수 있도록 해주는 장점이 있다.

한편, 본 발명은 또 다른 측면으로 상술한 루프형 히트파이프 시스템용 증발기를 제조하기에 적합한 방법을 개시한다.

본 발명에 따른 일실시예의 루프형 히트파이프(LHP; Looped Heat Pipe) 시스템용 증발기를 제조하는 방법은, 작동유체가 순환하며 작동시 열을 발생시키는 발열부품을 냉각시키는 루프형 히트파이프 시스템에 하나의 구성으로 역할을 하는 증발기를 제조하는 방법이다.

본 실시예의 루프형 히트파이프(LHP; Looped Heat Pipe) 시스템용 증발기를 제조하는 방법을 도 9 내지 도 11을 참조하며 설명한다. 도 9는 소결윅 형성단계(step 1)를 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 추가층 형성단계(step 2)를 설명하기 위한 도면이며, 도 11은 소결윅 형성단계와 추가층 형성단계에 관한 시간-온도 그래프이다.

본 실시예의 증발기 제조방법에 의해 제조되는 증발기(1)는, 몸체(10), 소결윅(20) 및 추가층(30)을 포함하여 구성된다. 각 구성에 대해서는 앞서 설명한 증발기(1)의 구성과 동일하거나 유사하므로, 이에 대한 중복설명은 생략하며, 앞서 설명한 것이 그대로 혹은 적절하게 변형되어 적용된다.

본 실시예의 루프형 히트파이프(LHP; Looped Heat Pipe) 시스템용 증발기를 제조하는 방법에서 가장 주요한 특징 중의 하나는, 추가층(30)을 소결윅(20)에 어떻게 구비시키는 지에 관한 것이다. 이하에서는, 추가층(30)의 구비와 관련된 구성에 대해 주로 설명한다.

다만 앞선 증발기(1)에 구비된 소결윅(20)은 일면이 개방된 육면체로서 그 내부면 전체에 추가층(30)을 구비하는 것으로 되어 있으나, 이하 증발기 제조방법에 관한 설명에서는, 이를 개념적으로 설명하기 위해, 판형의 소결윅과 그러한 소결윅의 상측면에 추가층을 구비시키는 것으로 예를 들어 설명한다.

다만 실제로 일측이 개방된 육면체 형상으로 제조하기 위해서는, 이러한 형상에 맞는 형상의 몰드를 구비하여 제조하면 된다. 예컨대, 일측이 개방된 외부 몰드 및 이러한 외부몰드의 내측에 배치되어 일정간격 이격되어 위치하는 내부몰드를 구비하여 일측이 개방된 육면체 형상의 소결윅 및 이에 표면에 구비된 추가층을 형성할 수 있다.

상기 소결윅(20)에 구비된 추가층(30)은, 소결윅 형성단계와 추가층 형성단계를 포함하여 제조된다

상기 소결윅 형성단계는 구리분말(copper powder)들을 가열하여 소결 윅을 형성하는 단계이다. 도 9를 참조하면, 통상적인 등온로(isothermal furnace) 내부에, 구리분말을 넣고 가열하여 소결시키는 단계이다.

이때, 구리분말(20')은, 40 ~ 150㎛ 크기의 불규칙한 형상의 구리분말(irregular shape of micro copper powder)이다. 참조번호 20'는 소결윅(20)이 되기 전의 구리분말을 지시한다.

소결윅은 두께가 1.0~2.0mm의 범위 내에 있도록 제조된다. 이때, 원하는 두께의 소결윅을 얻기 위해, 필요한 구리분말의 양은, 제조하려는 소결윅의 두께, 길이 및 구리의 밀도를 고려하여, 필요한 무게를 산출하여 조정한다.

소결윅 형성단계에서 가열온도는 500~700℃의 범위가 바람직하며, 가장 바람직하게는 600℃ 정도로 가열이다. 도 11의 소결윅 형성단계1(step 1)부분을 참조하면 가열정도와 냉각정도를 알수 있다. 소결윅 형성단계는 총 3시간 내지 7 시간 동안 수행된다.

도 9를 참조하면, 등온로의 내부는 진공을 유지하게 되어 내부의 구리분말의 산화를 억제하게 하며, 가열장치와 냉각장치를 구비하여 내부의 온도를 조절할 수 있다.

다음 단계로 추가층 형성단계(step 2)가 수행된다. 추가층 형성단계는, 앞서 단계를 통해 형성된 소결윅(20)에 추가층을 형성시키는 단계이다.

추가층 형성단계(step 2)는, 소결윅을 형성할 때 사용한 구비 분말보다 작은 구리 입자(copper particle)들을 사용하여 제조된다. 도 10을 참조하면, 구리입자(30')들을 소결윅의 표면에 올려놓은 상태에서, 압력과 열을 가한다. 즉 열융착 방법에 의해 구리 입자들을 소결키는 것과 동시에 그 소결윅의 표면에 결합시킨다.

본 실시예의 경우, 추가층 형성단계에서 가해지는 압력은 10 ~ 100 Pa 이고, 가해지는 온도는 100 ~ 200℃ 이다. 이때 가열온도는 150℃로 하는 것이 가장 적절하다. 또한, 압력과 온도가 가해지는 시간은 5 ~ 15 분이다. 한편, 압력과 온도의 값 및 가해지는 시간은, 제조하려는 추가층의 두께와 입자의 크기 및 공극의 크기를 고려하여 적절하게 선택되어 진다.

본 실시예의 경우에, 추가층의 두께는, 0.1 ~ 30㎛ 이다. 또한, 도 10을 참조하면, 소결윅(20)의 표면에 놓여지는 구리입자(30')는, 10~200 nm의 지름을 가지는 구형 형상의 구리입자(spherical shape of nano copper particle)이다. 지시번호 30'는 소결 후 추가층으로 되는 구리입자들을 지시한다.

한편, 도 10을 참조하면, 추가층 형성단계(step2)를 수행하기 위해, 진공펌프, 압력을 가하는 수단, 가열수단 및 냉각수단 들이 구비되어 있다.

본 실시예의 경우, 추가층 형성단계는 진공단계에서 수행되는 것으로 예를 들었으나, 다른 실시예의 경우 대기압 하에서 수행될 수도 있다.

상술한 소결윅 형성단계(step 1)와 추가층 형성단계(step 2)을 거치면, 추가층을 구비한 소결윅을 제조할 수 있다. 제조된 추가층을 구비한 소결윅을 가지고 이를 포함하는 증발기를 제조할 수 있다. 제조된 증발기를 루프형 히트파이프(LHP; Looped Heat Pipe) 시스템에 사용하게 되면 상술한 바와 같이, 모세펌핑력이 향상되고 투수성을 떨어지지 않아, 냉각성능이 향상되는 장점이 있다.

본 실시의 루프형 히트파이프 시스템용 증발기의 제조방법에 의하면, 마이크로 단위의 공극을 가지는 소결윅에 나노 단위의 공극을 가지는 추가층을 구비시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 추가층을 소결시키는 것과 동시에 추가층을 소결윅에 결합시킬 수 있다는 장점이 있다. 제조된 증발기에 의하면 상술한 장점들을 얻을 수 있다.

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.

1... 루프형 히트파이프(LHP; Looped Heat Pipe) 시스템용 증발기
10 ... 몸체 12 ... 유입부
14 ... 배출부 20 ... 소결윅
30 ... 추가층
110... 루프형 히트파이프(LHP; Looped Heat Pipe) 시스템
112... 응축기 116...기체이송관
118... 기체이송관

Claims

작동유체가 순환하며 작동시 열을 발생시키는 발열부품을 냉각시키는 루프형 히트파이프(LHP; Looped Heat Pipe) 시스템용 증발기로서,
상기 작동유체가 유입되는 유입부와 그 유입된 작동유체가 배출되는 배출부를 구비한 몸체;
상기 몸체 내부에 수용되고, 구리 분말(copper powder)이 소결되어 형성되고, 그 내부에는 다수의 공극이 구비된 소결윅(sintered wick); 및
상기 소결윅의 표면에 구비되되, 상기 소결윅을 형성하는 구리 분말보다 작은 크기의 구리 입자(copper particle)가 소결 형성되어, 상기 소결윅으로부터 이동된 작동유체가 기체 상태로 상변화되어 배출되도록 구비된 추가층(additional layer);를 포함하여 구성되고,
상기 추가층의 두께는, 0.1 ~ 30㎛ 이며,
상기 소결윅의 두께는, 1.0 mm ~ 2.0 mm 이고,
상기 추가층은, 열과 압력을 가하는 열융착 방법에 의해 소결됨과 동시에 상기 소결윅에 결합된 것이며,
상기 소결윅은, 40 ~ 150㎛ 크기의 불규칙한 형상의 구리분말(irregular shape of micro copper powder)이 소결되어 형성되고,
상기 추가층은, 10~200 nm의 지름을 가지는 구형 형상의 구리입자(spherical shape of nano copper particle)가 소결되어 형성된 것을 특징으로 하는 루프형 히트파이프 시스템용 증발기.
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작동유체가 순환하며 작동시 열을 발생시키는 발열부품을 냉각시키는 루프형 히트파이프 시스템용 증발기를 제조하는 방법으로서,
상기 증발기는,
상기 작동유체가 유입되는 유입부와 그 유입된 작동유체가 배출되는 배출부를 구비한 몸체;
상기 몸체 내부에 수용되고, 구리분말이 소결되어 형성되고 내부에는 다수의 공극이 구비된 소결윅(wick); 및
상기 소결윅의 표면에 구비되되, 상기 소결윅을 형성하는 구리 분말보다 작은 크기의 구리 입자(copper particle)가 소결 형성되어, 상기 소결윅으로부터 이동된 작동유체가 기체 상태로 상변화되어 배출되도록 구비된 추가층(additional layer);를 포함하여 구성된 증발기이고,
상기 소결윅에 구비된 추가층은,
구리분말(copper powder)들을 가열하여 소결윅을 형성하는 소결윅 형성단계; 및
형성된 소결윅과, 이러한 소결윅을 형성한 구비 분말보다 작은 구리 입자(copper particle)들을 상기 소결윅 표면에 올려놓은 상태에서, 압력과 열을 가하여 상기 구리 입자들을 소결키는 것과 동시에 그 소결윅의 표면에 결합시키는 융융착방법에 의해 상기 추가층을 형성하는 추가층 형성단계;를 포함하여 제조되고,
상기 추가층 형성단계에서 가해지는 압력은 10 ~ 100 Pa 이고,
상기 추가층 형성단계에서 가해지는 온도는 100 ~ 200℃이고,
상기 소결윅 형성단계에서, 상기 소결윅을 형성하는 구리 분말은, 40 ~ 150㎛ 크기의 불규칙한 형상의 구리분말(irregular shape of micro copper powder)이고,
상기 추가층 형성단계에서, 상기 구리입자는, 10~200 nm의 지름을 가지는 구형 형상의 구리입자(spherical shape of nano copper particle)인 것을 특징으로 하는 루프형 히트파이프(LHP; Looped Heat Pipe) 시스템용 증발기를 제조하는 방법.
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제6항에 있어서, ,
추가층 형성단계에서 가해지는 온도는 145 ~ 155℃ 인 것을 특징으로 하는 루프형 히트파이프 시스템용 증발기를 제조하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 추가층 형성단계에서 압력과 온도가 가해지는 시간은 5 ~ 15 분인 것을 특징으로 하는 루프형 히트파이프 시스템용 증발기를 제조하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 추가층의 두께는, 0.1 ~ 30㎛ 이고,
상기 소결윅의 두께는, 1.0 mm ~ 2.0 mm 인 것을 특징으로 하는 루프형 히트파이프 시스템용 증발기를 제조하는 방법.
삭제
제6항에 있어서,
상기 추가층 형성단계는, 대기압하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 루프형 히트파이프 시스템용 증발기를 제조하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 소결윅 형성단계는, 3시간 내지 7 시간 동안 수행되고,
상기 추가층 형성단계는 5분 내지 15분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 루프형 히트파이프 시스템용 증발기를 제조하는 방법.