KR101553547B1 - A flat plate pulsating heat pipe applicable at several work setting angles and the manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 스마트폰, 타블렛 PC 등 휴대성을 극대화한 초박형 모바일 기기에서 초소형 사이즈로 외부 전력이 필요 없이 온도를 제어하며, 설치각도에 구애받지 않는 다양한 각도에서 적용가능한 평판 진동형 히트파이프에 관한 것이다.The present invention relates to a flat vibrating type heat pipe capable of controlling a temperature in an ultra-thin mobile device maximizing portability such as a smart phone and a tablet PC without requiring external power, and being applicable at various angles regardless of installation angle.
마이크로프로세서의 성능 향상으로 인해 전자장치는 소형화, 경량화 되어왔으며, 최근 들어 스마트폰, 타블렛 PC 등 휴대성을 극대화한 초박형 모바일 기기의 수요가 급증하고 있다. 이러한 전자장치들은 대부분 적층구조로 이루어져 있어 구조적으로 냉각 시스템을 위한 공간이 매우 제한적이고 협소하여 효과적인 냉각방식에 대한 필요성이 대두되고 있다. Electronic devices have been miniaturized and lightweight due to the improved performance of microprocessors. In recent years, the demand for ultra-thin mobile devices maximizing portability such as smart phones and tablet PCs is increasing rapidly. Since most of these electronic devices are of a laminated structure, a space for the cooling system is structurally very limited and narrow, and a need for an effective cooling method is emerging.
초소형 냉각시스템으로서 외부 전력이 필요 없는 대표적인 온도 제어 장치(Thermal control device)로는 히트파이프(Heat pipe)가 있다. 일반적으로, 히트 파이프는 내부에 일정량의 작동유체를 충진한 후 진공상태로 밀봉한 밀폐관으로 이루어진다. 밀폐관은 내부에 작동유체의 통로를 구비하여 모세관 현상을 통해 작동유체를 이동시킬 수 있는 모세관 구조물을 내장한다. 또한, 밀폐관의 일단은 외측에 발열수단 또는 가열수단이 배치되어 작동유체를 증발시키는 증발부(가열부)를 구성하고, 타단은 외측에 방열수단 또는 냉각수단이 배치되어 작동유체를 응축시키는 응축부(냉각부)를 구성한다.As a miniature cooling system, a typical thermal control device that does not require external power is a heat pipe. Generally, a heat pipe is a closed tube sealed in a vacuum state after filling a certain amount of working fluid therein. The capillary tube has a passageway for the working fluid therein, and incorporates a capillary structure capable of moving the working fluid through the capillary phenomenon. One end of the closed tube is provided with a heating means or a heating means on the outer side to constitute an evaporating portion (heating portion) for evaporating the working fluid, and the other end is disposed on the outer side with a heat dissipating means or a cooling means, (Cooling section).
이러한 히트 파이프는 밀폐관 내부에 순환하는 작동유체가 증발부와 응축부에서 액체-증기간의 상변화를 연속적으로 일으킬 때 동반하는 잠열을 이용하여 열을 발열수단과 방열수단에서 가열수단과 냉각수단으로 또는 그 반대로 이동시키므로, 일반 순수 금속을 사용하는 것보다 훨씬 큰 열전달 성능(열전도율)을 나타낼 수 있다. 따라서, 히트 파이프는 열교환기, 냉각장치, 열 수송장치 등을 포함하는 다양한 분야의 장치에서 열 이송을 위한 기본 구성부품으로 널리 사용되고 있다.This heat pipe uses the latent heat that accompanies when the working fluid circulating inside the closed tube continuously causes the phase change between the liquid vapor and the vapor in the evaporator and the condenser to heat the heat from the heat generating means and the heat dissipating means to the heating means and the cooling means Or vice versa, so that the heat transfer performance (thermal conductivity) can be much greater than that using ordinary pure metal. Accordingly, heat pipes are widely used as basic components for heat transfer in various fields of equipment including heat exchangers, cooling devices, heat transfer devices, and the like.
하지만, 기존의 히트파이프의 내부에는 작동유체의 순환을 위해 통상 금속망이나 소결금속입자 또는 금속섬유와 같은 다공질재료를 사용하여 필요한 일정한 두께 이상의 모세관 구조물인 윅(Wick)이 있고, 일반적으로 히트파이프의 두께가 얇아질수록 성능이 저하되는 특성이 있다. 따라서 초박형 전자기기에 적용하는데 한계가 있다.However, in the conventional heat pipe, there is a wick which is a capillary structure having a required thickness or more by using a porous material such as a metal mesh or sintered metal particles or metal fiber for circulating the working fluid, The thinner the thickness, the lower the performance. Therefore, there is a limitation in application to ultra-thin electronic devices.
이러한 윅을 사용하는 히트 파이프의 문제점들을 해소하기 위해, 최근에는 밀폐관을 소구경의 세관으로만 형성하여 별도의 윅을 사용하지 않고도 모세관 현상을 유도하여, 작동유체를 증발, 이동, 응축 및 귀환시키는 진동형 히트 파이프(Pulsating heat pipe)가 개발되어 사용되고 있다.In order to solve the problems of the heat pipe using such a wick, recently, the closed tube is formed only as a small-diameter tubular tube, and the capillary phenomenon is induced without using a separate wick, and the working fluid is evaporated, moved, A pulsating heat pipe has been developed and used.
하지만, 종래의 진동형 히트 파이프는 단일-턴(single-turn PHP) 형상 등에 대해서만 연구가 이루어지고, 사용되는 작동유체는 물 등과 같은 액체만을 사용하고 있어, 이를 전자기기의 냉각장치 등으로 적용하는 경우에는 여전히 기대할 만한 열전달 성능을 얻을 수 없는 문제점이 있다.However, the conventional vibrating type heat pipe is studied only for a single-turn PHP shape, and only the liquid such as water is used as the working fluid to be used, There is still a problem that an expected heat transfer performance can not be obtained.
뿐만 아니라, 종래의 진동형 히트파이프는 진동형 히트파이프의 설치 각도에 따라 그 성능이 크게 변하여 주로 수직상태로 설치할 경우에만 진동형 히트파이프의 역할을 제대로 수행할 수 있는 한계가 있었다.In addition, the conventional vibrating type heat pipe greatly varies its performance depending on the installation angle of the vibrating type heat pipe, and thus has a limitation in that it can perform the role of the vibrating type heat pipe only when installed in a vertical state.
따라서, 초박형 전자 기기에서 설치각도에 구애받지 않고, 열전달 효율이 높으며, 안정적으로 작동하는 개선된 평판 진동형 히트파이프의 필요성이 절실한 실정이다.Therefore, it is inevitable to provide an improved flat plate vibrating type heat pipe which is stable regardless of the installation angle, heat transfer efficiency, and stable operation in ultra-thin electronic devices.
따라서 본 발명의 목적은 진동형 히트파이프를 미세전자기술시스템(MEMS) 기술을 이용하여 평판형(Flat plate)으로 제작하여 휴대전화, 노트북 등과 같은 소형 전자기기에서 전력을 사용하지 않고 고효율의 열전달시스템을 제공하고자 함이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a vibrating heat pipe using a micro-electro-mechanical system (MEMS) technology to manufacture a flat plate, thereby enabling a highly efficient heat transfer system To provide.
또한, 평판 진동형 히트파이프(Flat plate PHP)에서 단일-턴 구간(single turn loop), 복수-턴 구간(multi-turn loop)로 구성했을 경우와 단일직경관(single diameter channel), 이중직경관(dual-diameter channels)으로 구성했을 경우의 열성능을 평가하고, 진동형 히트파이프의 설치각도에 구애받지 않는 최적의 성능을 갖는 다양한 설치각도에서 적용가능한 평판 진동형 히트파이프를 제공하고자 함이다.In the case of a flat plate PHP, a single turn loop, a multi-turn loop, a single diameter channel, a dual- -diameter channels), and to provide a flat vibrating type heat pipe which can be applied at various installation angles having optimum performance regardless of the installation angle of the vibrating type heat pipe.
또한, 평판 진동형 히트파이프에서 사용되는 작동유체의 온도 구간에 따른 특성을 분석하여 주 작동온도에서 최적의 효율을 가지는 작동유체를 포함하는 다양한 설치각도에서 적용가능한 평판 진동형 히트파이프를 제공하고자 함이다.It is also an object of the present invention to provide a flat vibrating type heat pipe applicable to various mounting angles including a working fluid having an optimum efficiency at a main operating temperature by analyzing characteristics of a working fluid used in a flat vibrating type heat pipe.
상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 다양한 설치각도에서 적용가능한 평판 진동형 히트파이프는 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼 하판; 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 상면에서 일정한 깊이를 가지고 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 길이방향을 따라 직선의 형태로 형성된 채널을 포함하고, 상기 채널은 실리콘 웨이퍼 하판의 양 끝단에서 굽어져 연결되는 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관; 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 위에 결합되어 모세관을 밀폐시키는 웨이퍼 상판; 상기 모세관 내부에 충진되는 작동유체;를 포함하되 상기 모세관은 폭이 서로 다른 한 쌍의 채널을 포함하는 이중직경관과 폭이 서로 같은 한 쌍의 채널을 포함하는 단일직경관의 조합으로 이루어진 것이 특징이다.In order to achieve the above object, a flat plate vibrating type heat pipe applicable at various installation angles of the present invention includes a long rectangular silicon wafer lower plate; And a channel formed in a shape of a straight line along a longitudinal direction of the lower surface of the silicon wafer with a predetermined depth from the upper surface of the lower surface of the silicon wafer, wherein the channel is formed by a closed loop which is bent at both ends of the lower surface of the silicon wafer, ; A wafer upper plate coupled to the lower surface of the silicon wafer to seal the capillary; And a working fluid filled in the capillary tube. The capillary tube is composed of a combination of a double-headed tube including a pair of channels having different widths and a single tube having a pair of channels having the same width .
이 때, 상기 모세관의 형상은 복수-턴 구간(multi-turn loop)으로 형성될 수 있으며, 응축부에서 증발부로 가는 모세관의 직경과 증발부에서 응축부로 가는 모세관의 직경이 같은 단일직경관(single diameter channel) 혹은 두 개의 직경이 다른 이중직경관(dual-diameter channels)으로 형성될 수 있는 것이 특징이다.At this time, the shape of the capillary can be formed in a multi-turn loop, and the diameter of the capillary going from the condensing part to the evaporating part and the diameter of the capillary going from the evaporating part to the condensing part are the same diameter channels or two diametrically different dual-diameter channels.
또한, 상기 모세관은 단일직경관과 이중직경관의 조합으로 형성될 수 있는 것이 특징이다.The capillary tube may be formed of a combination of a single rectangular tube and a double-walled tube.
또한, 상기 이중직경관을 포함한 모세관의 경우에는 양쪽 관의 내경 차이에 따라 진동형 히트파이프의 작동 특성은 크게 달라지는데, 내경 차이가 작은 경우에는 그 영향이 미미하여 큰 열성능 향상 효과를 기대하기 어렵고, 내경의 차이가 너무 큰 경우에는 힘의 불균형이 커지고, 작은 관에서의 마찰 압력 손실이 급격히 증가하여 성능에 부정적인 영향을 미치므로, 진동형 히트 파이프가 최적의 열전달 성능을 내도록 양쪽 관의 내경 차이를 설정하는 것이 특징이다In the case of the capillary including the double-headed pipe, the operating characteristics of the vibrating type heat pipe vary greatly depending on the inner diameters of both pipes. When the inner diameter difference is small, the effect is insignificant, If the difference is too large, the force imbalance becomes large, and the frictional pressure loss in the small pipe increases sharply and negatively affects the performance. Therefore, it is necessary to set the inner diameter difference between the two pipes so that the vibrating heat pipe provides optimal heat transfer performance Feature
뿐만 아니라, 다양한 설치각도에서도 일관된 열특성을 나타내기 위해서는 진동형 히트파이프의 열 특성을 정확하게 평가하여야 하는 바, 본원 발명에서는 진동형 히트파이프의 열 특성을 바르게 분석하고 평가하기 위하여 진동형 히트파이프의 성능 지수(Figure of merit)를 개발하여 최적의 열전달 성능을 갖는 진동형 히트파이프를 제공하는 것이 특징이다.In addition, in order to exhibit consistent heat characteristics at various installation angles, the thermal characteristics of the vibrating heat pipe must be evaluated accurately. In order to properly analyze and evaluate the thermal characteristics of the vibrating heat pipe, Figure of merit) is developed to provide a vibrating heat pipe with optimal heat transfer performance.
따라서 본 발명의 평판 진동형 히트파이프는 MEMS 기술을 이용하여 제작하므로 휴대전화나 노트북과 같은 작은 크기의 전자기기뿐만 아니라 초소형, 초박형 기기에서의 효율적인 냉각시스템으로 활용될 수 있어, 향후 소형경량화 되고 있는 전자기기 제품에서 다양한 형태로 적용될 수 있는 장점이 있다.Therefore, since the flat plate vibrating type heat pipe of the present invention is manufactured using MEMS technology, it can be utilized as an efficient cooling system in small-sized and ultra-thin devices as well as small-sized electronic devices such as mobile phones and notebooks, There are advantages to be applied to various types of device products.
또한, 평판 진동형 히트파이프는 외부의 전력을 전혀 사용하지 않고도 효과적으로 열을 전달하므로 전원의 용량, 전원과의 연결 문제 등을 고려하지 않아도 되어 전자제품의 설계에 많은 유연성을 주는 장점이 있다.In addition, since the flat plate vibrating type heat pipe effectively transfers heat without using external power at all, there is no need to consider the capacity of the power source, the problem of connection with the power source, and the like.
특히, 본 발명의 평판 진동형 히트파이프는 설치각도에 구애받지 않는 냉각시스템이므로 한번 설치한 이후 냉각시스템의 운동에 사용제한이 없는 특별한 효과를 가진다.Particularly, since the plate vibrating type heat pipe of the present invention is a cooling system regardless of the installation angle, it has a special effect that there is no restriction on the use of the cooling system after the installation.
도 1은 본 발명의 다양한 각도에서 적용가능한 평판진동형 히트파이프의 주요 구성을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 모세관 형상에 따른 평판 진동형 히트파이프의 종류를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 다양한 각도에서 적용가능한 평판진동형 히트파이프의 작동 특성을 분석하기 위하여 구성한 실험 시스템을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일직경관과 이중직경관의 설치 각도에 따른 평판진동형 히트파이프의 열 특성을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일직경관과 이중직경관을 혼용하여 사용한 평판진동형 히트파이프의 열 특성을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 각도에서 적용가능한 평판진동형 히트파이프의 성능지수 특성을 나타내는 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a main configuration of a flat plate vibrating type heat pipe applicable at various angles of the present invention. FIG.
2 is a view showing a kind of a flat plate vibrating type heat pipe according to the capillary shape of the present invention.
3 is a view of an experimental system configured to analyze operating characteristics of a planar vibrating type heat pipe applicable at various angles of the present invention.
4 is a view showing a thermal characteristic of a flat plate vibrating type heat pipe according to an installation angle of a single rectangular pipe and a double rectangular pipe according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a thermal characteristic of a flat plate vibrating type heat pipe using a single rectangular pipe and a double rectangular pipe in combination according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing the performance index characteristic of a flat plate vibrating type heat pipe applicable at various angles according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 평판 진동형 히트 파이프에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a flat vibrating type heat pipe of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
히트파이프(Heat pipe)는 외부 전력이 필요 없는 대표적인 온도 제어 장치 (Thermal control device)이다. 하지만, 기존의 히트파이프의 내부에는 작동유체의 순환을 위해 필요한 일정한 두께 이상의 윅(Wick) 구조가 있고, 일반적으로 히트파이프의 두께가 얇아질수록 성능이 저하되는 특성이 있다. 따라서, 초박형 전자기기에 적용하는데 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하고자 윅구조를 가지지 않는 진동형 히트파이프가 제안되었다. A heat pipe is a typical thermal control device that does not require external power. However, in the conventional heat pipe, there is a wick structure having a predetermined thickness or more for circulating the working fluid. In general, the performance of the heat pipe decreases as the thickness of the heat pipe decreases. Therefore, there is a limitation in application to ultra-thin electronic devices. To overcome these limitations, a vibrating heat pipe without a wick structure has been proposed.
진동형 히트파이프는 하나의 모세관이 굽어진 형상의 폐루프(Closed loop)를 이루는 구조이다. 폐루프 내부를 진공상태로 만든 후 적정량의 작동 유체를 주입하면, 폐루프 내부에 액상 슬러그(Liquid slug)와 기포 플러그(Vapor plug)로 이루어진 정렬된 기포군(Slug-train unit)이 형성된다. 이 때 폐루프 한 쪽에 열이 가해지면 정렬된 기포군이 고속 자가진동을 하고, 이를 통해 증발부(Evaporator)에서 응축부(Condenser)로 열이 전달된다. The vibrating type heat pipe has a structure in which a single capillary tube is bent to form a closed loop. When the inside of the closed loop is evacuated and a proper amount of working fluid is injected, an aligned slug-train unit consisting of a liquid slug and a vapor plug is formed in the closed loop. In this case, when heat is applied to one side of the closed loop, the group of aligned bubbles is subjected to high speed self vibration, and heat is transferred from the evaporator to the condenser.
이와 같이 진동형 히트파이프는 윅 구조가 없고 구조가 간단하여 작은 크기로 제작이 용이하여 초소형 전자장치에 적용하기 접합하다. Thus, the vibrating type heat pipe has no wick structure and is simple in structure, so that it can be easily manufactured in a small size so that it can be applied to a micro electronic device.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 다양한 각도에서 적용가능한 평판 진동형 히트파이프는 실리콘 웨이퍼 하판(100), 웨이퍼 상판(200), 모세관(300), 모세관 내부에 충진되는 작동유(working fluid), 모세관 중 실리콘 웨이퍼 하판의 길이방향 일단에 위치하며 외부의 열원에 배치되는 증발부(400), 모세관 중 실리콘 웨이퍼 하판의 길이방향 타단에 위치하며 외부의 열에 의하여 가열된 상기 작동유가 외부로 열을 발산하는 응축부(500), 작동유를 평판 진동형 히트파이프에 주입 혹은 배출할 때만 사용되는 두 개의 관통구(330)를 포함하여 구성된다.1, the plate vibrating type heat pipe applicable at various angles of the present invention includes a silicon wafer
상기 실리콘 웨이퍼 하판(100)은 통상적인 미세전자기계시스템(MEMS)에서 사용되는 두께 1mm 내외의 실리콘 웨이퍼를 사용하고, 웨이퍼 상판은 실리콘 웨이퍼 하판(100)과 동일한 재질을 사용할 수 있으며, 실험시 작동유체의 이동 및 상태를 확인하기 위하여 유리 재질을 사용할 수도 있다. 유리 재질 웨이퍼의 대표적인 예로는 파이렉스 글라스(Pyrex glass)가 있다.The silicon wafer
상기 평판 진동형 히트파이프의 제작방법은 통상적인 MEMS 제작 공정과 동일하며 바람직한 일 실시예로는 다음과 같다.The manufacturing method of the flat plate vibrating type heat pipe is the same as the conventional MEMS manufacturing process, and one preferred embodiment is as follows.
먼저, 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼(100)의 상부에 포토레지스트(photoresist)를 물리적 혹은 화학적 방법으로 증착(deposition)한다. ((a)단계)First, a photoresist is deposited on the
실리콘 웨이퍼(100)의 양 끝단에서 굽어진 형상의 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관(300)의 형상으로 포토레지스트를 제거하여 패터닝(patterning)한다. 이때, 패터닝은 리소그래피, 포토 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 이온광선 리소그래피, 엑스레이 리소그래피, 다이아몬드 패터닝 등 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. ((b)단계)The photoresist is patterned by removing the photoresist in the shape of a
그 후, 습식 혹은 건식 방식으로 식각(etching)하여 상기 실리콘 웨이퍼(100)의 상부에 모세관(300)과 관통구(330)를 형성한다. 이 때, 습식과 건식 에칭을 모두 사용하는 방식을 적용할 수 있으며, 본원 발명에서는 가장 대표적인 습식/건식 에칭 방식인 Deep RIE(deep reactive ion etching)를 적용하여 500m의 깊이로 식각하였다.Thereafter, a capillary 300 and a through-
실리콘 웨이퍼에 남아 있는 포토레지스트를 제거하고, 실리콘 웨이퍼(100)의 상부에 유리 재질의 상판을 본딩(bonding)하여 결합하면, 평판 진동형 히트파이프의 구조가 완성된다. 이 때, 접착표면이 아주 평평한 유리의 특성을 살려 양극 접합(anodic bonding)을 적용하면 접착 성능이 우수한 평판 진동형 히트파이프를 생산할 수 있게 된다.When the photoresist remaining on the silicon wafer is removed and the upper surface of the glass substrate is bonded to the upper surface of the
마지막으로, 평판 진동형 히트파이프의 양 측면에 설치된 관통구(330)를 통하여 작동유체를 주입시키고, 관통구(330)를 밀봉하면 평판 진동형 히트파이프가 완성된다. 이때, 평판 진동형 히트파이프의 양 측면에 관통구(330)를 설치함으로써 작동유체를 주입시키거나 배출시킬 때, 한쪽에서는 작동유체나 공기를 주입시키고 반대쪽에서는 진공장치 등으로 흡입시켜 효율적인 충전 및 배출이 가능하다. 이는 관통구가 하나인 경우에 비하여 훨씬 빠르고 정확한 제어를 가능하게 한다.Lastly, when a working fluid is injected through the through
한편, 평판 진동형 히트파이프의 열특성은 실리콘 웨이퍼(100) 상에 식각되는 모세관(300)의 형상에 의하여 큰 영향을 받는다.On the other hand, the thermal characteristics of the flat plate vibrating type heat pipe are greatly affected by the shape of the capillary 300 to be etched on the
도 2에 도시된 바와 같이 모세관(300)의 형상은 모세관 휘어진 숫자인 턴(turn)의 횟수에 따라 단일-턴 구간(single turn loop)과 복수-턴 구간(multi-turn loop)으로 구분될 수 있으며, 모세관의 직경의 변화 여부에 따라 단일직경관(single diameter channel)과 이중직경관(dual-diameter channels)으로 구분된다.2, the shape of the capillary 300 can be divided into a single turn loop and a multi-turn loop according to the number of turns of the capillary tube. And are classified into a single diameter channel and a dual-diameter channel depending on whether the diameter of the capillary is changed or not.
또한, 통상적으로 건식 혹은 건/습식 방식으로 식각되는 모세관은 원형보다는 사각형의 형상에 가깝게 된다. 따라서, 사각형의 모세관은 등가의 원형관으로 변경되어 평판 진동형 히트파이프의 성능이 해석되며, 등가의 원형관의 지름(Dh)은 아래의 식과 같다.Also, capillaries that are typically etched by dry or dry / wet methods are closer to the shape of a quadrilateral rather than a circular one. Therefore, the square capillary is changed into an equivalent circular tube, and the performance of the plate vibrating type heat pipe is analyzed. The diameter (D h ) of the equivalent circular tube is expressed by the following equation.
(여기서, AC는 면적, pw는 둘레의 길이, w는 모세관 채널의 너비, h는 모세관의 높이)(Where A C is the area, p w is the length of the perimeter, w is the width of the capillary channel, and h is the height of the capillary)
본 발명에서는 다양한 각도에서 적용 가능한 평판 진동형 히트파이프의 작동 특성(Operational characteristics)을 분석하기 위하여 도 3과 같은 실험 시스템을 구성한다.In the present invention, an experimental system as shown in FIG. 3 is configured to analyze operational characteristics of a flat plate vibrating type heat pipe applicable at various angles.
먼저 본 발명의 다양한 각도에서 적용 가능한 평판 진동형 히트파이프의 표면 온도를 측정하기 위하여 발열부, 응축부, 단열부 각각에 복수 개로 열전대(600)를 설치한다. 대표적인 적용가능한 열전대는 K-type과 Omega가 있으며, 설치된 열전대는 데이터 수집장치(DAQ)(760)를 통하여 제어컴퓨터(770)로 측정값이 전달된다.First, in order to measure the surface temperature of the flat plate vibrating type heat pipe applicable at various angles of the present invention, a plurality of
한편, 평판 진동형 히트파이프의 발열부에 열을 제공하기 위하여 니크롬(Nichrom)을 코팅하여 제작한 열선(610)을 직류 전력 공급기(DC power supply, E3631)(710)와 연결한다. 평판 진동형 히트파이프의 응축부에 열을 빼앗기 위해서 열전도도가 높은 구리블록(620)으로 응축부를 감싸고, 구리 블록의 내부에는 항온 순환조(Bath circulator, RW-0525G)(750)에 의해 공급되는 일정한 온도의 물이 흐르도록 하였다. Meanwhile, a
한편, 다양한 각도에서 적용 가능한 평판 진동형 히트파이프의 설치각도에 따른 열특성을 파악하기 위하여 평판 진동형 히트파이프를 올려 놓는 지지대(640)를 구비하고, 상기 지지대(640)를 회전시켜 평판진동형 히트파이프의 설치각도를 변경하는 회전부(650)를 구비한다.In order to understand the thermal characteristics according to the installation angle of the plate vibrating type heat pipe applicable at various angles, a
한편, 평판 진동형 히트파이프의 열 특성을 보다 정확하게 파악하기 위하여 평판 진동형 히트파이프를 진공챔버(800) 내부에 설치하는 것이 바람직하다. 상기 진공챔버(800)는 로터리펌프(810)에 의하여 진공상태가 유지되며, 바람직하게는 0.01torr 이하로 유지하도록 한다. Meanwhile, in order to more accurately grasp the thermal characteristics of the flat plate vibrating type heat pipe, it is preferable to provide the flat plate vibrating type heat pipe inside the
이 때, 상기 평판 진동형 히트파이프 내부의 작동 유체의 거동을 가시적으로 관찰하기 위하여 상기 진공챔버(800)의 한 면은 투명한 재질의 유리로 이루어진 윈도우(820)로 형성하며, 상기 진공챔버(800)의 외부에서 상기 윈도우(820)를 통하여 상기 평판 진동형 히트파이프를 촬영하는 고속카메라(720)를 설치한다. 상기 고속카메라(720)는 상기 평판 진동형 히트파이프를 촬영하여, 촬영된 정보는 제어컴퓨터(770)로 그 영상 데이터를 전송한다.At this time, in order to visually observe the behavior of the working fluid inside the flat vibrating type heat pipe, one side of the
한편, 작동유체로는 FC-72와 에탄올 두 종류를 사용하며, FC-72와 에탄올의 특성은 표 1에 제시된 바와 같다.On the other hand, two kinds of working fluids are used, FC-72 and ethanol, and the characteristics of FC-72 and ethanol are shown in Table 1.
(C)Breaking point
(C)
(mN/m)Surface tension
(mN / m)
(kJ/kg)Latent heat
(kJ / kg)
(kg/m3)density
(kg / m3)
(kg/m3)Vapor density
(kg / m3)
(Pas)Viscosity coefficient
(Pass)
(kJ/KgK)specific heat
(kJ / KgK)
상기의 실험시스템으로 본 발명의 평판 진동형 히트파이프에 대한 실험을 수행하면 도 4에 나타난 바와 같다. 도 4a는 작동유체를 에탄올을 사용하였을 경우이며, 도 4b는 작동유체를 FC-72를 사용하였을 경우이다.Experiments on the flat vibrating type heat pipe of the present invention are shown in FIG. 4 with the above experimental system. FIG. 4A shows the case where ethanol is used as the working fluid, and FIG. 4B shows the case where FC-72 is used as the working fluid.
도 4a, 4a에 나타난 바와 같이 단일직경관 보다 이중직경관을 갖는 평판진동형 히트파이프의 열저항이 훨씬 낮아 이중직경관의 성능이 더 우수한 것을 알 수 있다.As shown in FIGS. 4A and 4A, the heat resistance of the flat plate vibrating type heat pipe having a double-sided rectangular shape is much lower than that of a single rectangular plate, which shows that the performance of the double-sided type is better.
뿐만 아니라, 단일직경관의 경우에는 0°에서 가장 큰 값을 가지고, 90°에서 가장 낮은 값을 가진다. 반면, 이중직경관의 경우에는 도 4a와 같이 직경의 차이가 작은 경우(1.1-0.9mm)에는 단일직경관과 같이 0°에서 가장 큰 값을 가지고, 90°에서 가장 낮은 값을 가지는 경향을 보이나, 직경의 차이가 0.6mm 이상인 경우에는 각도에 큰 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다.In addition, in the case of a single rectangular tube, it has the largest value at 0 ° and the lowest value at 90 °. On the other hand, in the case of a double-headed landscape, as shown in FIG. 4A, the smallest diameter difference (1.1-0.9 mm) has the largest value at 0 ° and the lowest value at 90 °, It can be seen that when the difference in diameter is 0.6 mm or more, the angle is not greatly affected.
하지만, 도 4a에 나타난 바와 같이 직경의 치아가 0.6mm인 경우 가장 낮은 값을 가지는 것으로부터 직경의 차이가 클수록 낮은 값을 가지는 것은 아니라는 것을 파악할 수 있다.However, as shown in FIG. 4A, it can be seen that when the diameter of the tooth is 0.6 mm, the tooth having the lowest value does not have a lower value as the difference in diameter becomes larger.
따라서, 상기 경향은 두 파이프의 직경 차이가 최적이 되는 값이 존재함을 의미하는 것이고, 평판 진동형 히트파이프가 최적의 성능이 되는 직경차이는 아래의 식과 같다.Therefore, the above-mentioned tendency means that there is a value in which the difference in diameters of the two pipes is optimal, and the difference in diameters in which the plate vibrating type heat pipe is the optimum performance is expressed by the following equation.
(여기서, ΔD는 두 직경의 차이, Davg는 두 직경의 평균)(Where D is the difference between the two diameters, D avg is the average of the two diameters)
한편, 도 5에 나타난 바와 같이, 평판진동형 히트파이프에서 단일직경관과 이중직경관을 모두 사용할 때의 경향을 알아보기 위하여 5개의 모세관이 있는 평판진동형 히트파이프에서 한 개의 이중직경관을 포함한 경우(도 5a)와 3개의 이중직경관을 포함한 경우(도 5b)의 경향을 살펴보았다.As shown in FIG. 5, in order to examine the tendency of using both a single rectangular pipe and a double rectangular pipe in a flat vibrating type heat pipe, in a flat vibrating type heat pipe having five capillaries, ) And three double-sided landscapes (Fig. 5b).
먼저 도 5a에 나타난 바와 같이 1개의 이중직경관을 포함한 경우에는 각도가 증가할 수록 열전도율이 높아지는 경향을 보이고 있으며, 각도가 0°와 10° 사이인 경우에는 열 특성이 좋지 않는 결과를 보이고 있다. 반면, 3개의 이중직경관을 포함한 경우에는 각도와 무관하게 전범위에서 열전도율이 높은 결과를 볼 수 있다.As shown in FIG. 5A, when one of the double-sided landscapes is included, the thermal conductivity tends to increase as the angle increases. When the angle is between 0 ° and 10 °, the thermal property is not good. On the other hand, when three double-headed landscapes are included, the thermal conductivity is high on the warhead regardless of the angle.
따라서, 단일직경관과 이중직경관을 동시에 사용하는 경우에는 이중직경관이 포함되어지는 비율에 따라 평판 진동형 히트파이프의 열특성이 크게 변하는 것을 알 수 있으며, 평판 진동형 히트파이프의 성능을 정확하게 평가하기 위해서는 다음과 같은 성능지수(MPHP, Figure of Merit)를 도입한다.Therefore, in the case of using a single rectilinear tube and a double rectilinear tube simultaneously, it can be seen that the thermal characteristics of the plate vibrating type heat pipe are largely changed according to the ratio including the double rectilinear tube. In order to accurately evaluate the performance of the flat vibrating type heat pipe, (M PHP , Figure of Merit).
(여기서, N은 이중직경관의 채널 수, Nt는 전체 채널 수, ρl은 작동유체밀도 , σ는 표면장력, w1은 이중직경관에서 큰 채널의 너비, w2는 이중직경관에서 작은 채널의 너비, hfg는 작동유체가 기화할 때 흡수하는 열량(잠열), w1은 큰 채널의 너비, w2는 작은 채널의 너비, w는 단일직경관에서 채널의 너비, μ1은 작동유체 액상의 점성계수, C는 마찰계수, h는 채널의 높이(깊이)이며, 모든 단위는 SI 단위를 적용)(Here, N is the number of channels of yijungjik scenery, N t is the total number of channels, ρ l is the working fluid density, σ is the surface tension, w 1 has a small channel in the width, w 2 is yijungjik view of the large channel in yijungjik officer width, h fg is heat (latent heat), w 1 for absorbing when the working fluid evaporates is the width of the large channel, w 2 is the width of the small channel, w is the width of the channel in a single straight-scenery, μ 1 is a working fluid liquid , C is the coefficient of friction, h is the height of the channel (depth), and all units apply SI units)
이 때, 마찰계수(frictional coefficient, C)는 다양한 방식으로 계산되어질 수 있으나, 본 발명에서는 계산을 쉽게 하기 위하여 바람직한 대표값인 4.0의 고정값을 사용한다.In this case, the frictional coefficient C can be calculated in various ways, but in the present invention, a fixed value of 4.0, which is a preferable representative value, is used for easy calculation.
도 6에서 나타난 바와 같이, 평판 진동형 히트파이프는 이중직경관의 직경차이, 단일직경관과 이중직경관의 혼용 정도, 작동유체의 차이에 따라 열특성의 차이가 크게 나타난다.As shown in FIG. 6, the plate vibrating type heat pipe shows a large difference in thermal characteristics depending on the difference in the diameter of the double-headed pipe, the degree of mixing of the single pipe and the double pipe, and the difference in the working fluid.
도 6a에서 나타난 바와 같이, 이중직경관에서 최적의 열성능을 나타내는 무차원수 직경차이값(ΔD/Davg)은 0.3과 0.5의 범위인 것을 파악할 수 있다. 상기 범위내에서는 평판 진동형 히트파이프의 열전도율은 최대값 기준 90% 이상의 값을 가지게 된다. 도 6c에서부터, 작동유체가 에탄올에서 FC-72로 변경되어도 동일한 결과를 얻을 수 있는 것을 파악할 수 있다.As shown in FIG. 6A, it can be seen that the difference of the dimensionless diameters (ΔD / D avg ) showing the optimum thermal performance in the double-headed landscape is in the range of 0.3 and 0.5. Within the above range, the thermal conductivity of the flat plate vibrating type heat pipe has a value of 90% or more based on the maximum value. From FIG. 6C, it can be seen that the same result can be obtained even if the working fluid is changed from ethanol to FC-72.
또한, 상기 실험으로부터 이중직경관에서 성능지수가 2×105 W/m2 이상인 경우에는 평판 진동형 히트파이프의 열특성이 설치각도에 영향을 받지 않는 것을 파악할 수 있다. 따라서, 이는 평판 진동형 히트파이프를 설계할 때, 성능지수가 2×105 W/m2 이상이 되도록 설계하여야 함을 의미한다.In addition, it can be seen from the above experiment that the thermal characteristic of the plate vibrating type heat pipe is not influenced by the installation angle when the figure of merit is 2 × 10 5 W / m 2 or more in a double-side view. Therefore, this means that when designing a flat plate vibrating type heat pipe, the performance index should be designed to be 2 × 10 5 W / m 2 or more.
뿐만 아니라, 도 6b에 나타난 바와 같이, 이중직경관의 적용 비율이 증가함에 따라 평판진동형 히트파이프의 열특성이 좋아지는 것을 파악할 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이 성능지수가 2×105 W/m2 이상이 되도록 설계하기 위해서는 이중직경관이 3개 이상(60% 이상) 사용되어야 하며, 사용되는 이중직경관의 무차원수 직경차이값(ΔD/Davg)이 0.3과 0.5의 범위 이내이어야 한다는 것을 파악할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 6B, it can be seen that the thermal characteristics of the flat plate vibrating type heat pipe are improved as the application ratio of the double-headed view increases. As described above, in order to design the figure of merit to be more than 2 × 10 5 W / m 2 , three or more (60% or more) double-headed landscapes must be used, and the difference in the diameter of the multi- D avg ) should be within the range of 0.3 and 0.5.
상기와 같이 구성되는 성능지수(MPHP)를 기반으로 평판 진동형 히트파이프를 설계하고, 설계된 평판 진동형 히트파이프의 특성이 작동온도, 작동유체 등에 의하여 많은 영향을 받으므로 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.Designing a flat vibration type heat pipe is based on the figure of merit (M PHP) is configured as described above, and those skilled in the art the described contents, so the flat characteristics of the vibration type heat pipe design, have a significant effect by such as operating temperature, the working fluid of this invention It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.
본 발명의 평판 진동형 히트파이프는 각종 전자기기, 소형 내연기관, 소형 기계류 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있고, 편판 진동형 히트파이프의 설치각도에 구애받지 않고 일정한 수준의 열성을을 발휘하는 특수한 효과까지 있으므로 산업상 이용 가능성이 충분하다.The plate vibrating type heat pipe of the present invention can be applied to various industrial fields such as various electronic apparatuses, small internal combustion engines, small machinery and the like, and has a special effect of exhibiting a certain level of heat without regard to the installation angle of the plate vibrating type heat pipe There is sufficient industrial availability.
100 실리콘 웨이퍼 하판 200 웨이퍼 상판
300 모세관 330 관통구
400 증발부 500 응축부
600 열전대 610 열선
620 구리블록 640 지지대
650 회전부
710 직류 전력 공급기 720 고속카메라
750 항온 순환조 760 데이터 수집장치
770 제어컴퓨터 800 진공챔버
810 로터리펌프 820 윈도우100 Silicon
300 capillary 330 through-hole
400
600
620
650 rotation part
710
750 Constant
770
810
Claims (10)
상기 하판의 상면에서 일정한 깊이를 가지고 상기 하판의 길이방향을 따라 직선의 형태로 형성된 채널을 포함하고, 상기 채널은 하판의 양 끝단에서 굽어져 연결되는 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관;
상기 하판의 위에 결합되어 모세관을 밀폐시키는 상판;
상기 모세관 내부에 충진되는 작동유체;를 포함하되
상기 모세관은 폭이 서로 다른 한 쌍의 채널을 포함하는 이중직경관과 폭이 서로 같은 한 쌍의 채널을 포함하는 단일직경관의 조합으로 이루어지는 평판 진동형 히트파이프에 있어서,
상기 평판 진동형 히트파이프의 성능은 다음과 같은 성능지수(MPHP)로 표현되어지되, 상기 성능지수(MPHP)가 2×105 W/m2 이상의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 다양한 각도에서 적용 가능한 평판 진동형 히트파이프.
(여기서, N은 이중직경관의 채널 수, Nt는 전체 채널 수, ρl은 작동유체밀도, σ는 표면장력, w1은 이중직경관에서 큰 채널의 너비, w2는 이중직경관에서 작은 채널의 너비, hfg는 작동유체가 기화할 때 흡수하는 열량(잠열), w1은 큰 채널의 너비, w2는 작은 채널의 너비, w는 단일직경관에서 채널의 너비, μ1은 작동유체 액상의 점성계수, C는 마찰계수, h는 채널의 높이(깊이)이며, 모든 단위는 SI 단위를 적용)A long rectangular bottom plate;
And a channel formed in a straight line shape along the longitudinal direction of the lower plate with a predetermined depth from the upper surface of the lower plate, wherein the channel is bent at both ends of the lower plate to form a closed loop;
A top plate coupled to the bottom plate to seal the capillary;
And a working fluid filled in the capillary tube
Wherein the capillary tube is a combination of a double rectangular tube including a pair of channels having different widths and a single rectangular tube including a pair of channels having the same width,
The performance of the flat plate vibrating type heat pipe is expressed by the following performance index (M PHP ), and the performance index (M PHP ) has a value of 2 × 10 5 W / m 2 or more Possible plate oscillating heat pipe.
(Here, N is the number of channels of yijungjik scenery, N t is the total number of channels, ρ l is the working fluid density, σ is the surface tension, w 1 has a small channel in the width, w 2 is yijungjik view of the large channel in yijungjik officer width, h fg is heat (latent heat), w 1 for absorbing when the working fluid evaporates is the width of the large channel, w 2 is the width of the small channel, w is the width of the channel in a single straight-scenery, μ 1 is a working fluid liquid , C is the coefficient of friction, h is the height of the channel (depth), and all units apply SI units)
상기 이중직경관의 두 직경은 다음과 같은 수학식을 충족시키는 것을 특징으로 하는 다양한 각도에서 적용가능한 평판 진동형 히트파이프.
0.3 ≤ ΔD/Davg ≤ 0.5
(여기서, ΔD는 두 직경의 차이, Davg는 두 직경의 평균)The method according to claim 1,
Characterized in that the two diameters of the double-headed obturator satisfy the following equation: < EMI ID = 1.0 >
0.3? D / D avg ? 0.5
(Where D is the difference between the two diameters, D avg is the average of the two diameters)
상기 모세관의 60% 이상은 이중직경관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 다양한 각도에서 적용가능한 평판 진동형 히트파이프.The method according to claim 1,
Wherein at least 60% of the capillaries are made of a double-sided tube.
(a) 긴 직사각형 형상의 실리콘 웨이퍼의 상부에 포토레지스트(photoresist)를 증착(deposition)하는 단계;
(b) 상기 실리콘 웨이퍼의 양 끝단에서 굽어진 형상의 폐루프(closed loop)를 이루는 모세관의 형상으로 포토레지스트를 제거하여 패터닝(patterning)하는 단계;
(c) 식각(etching)하여 상기 실리콘 웨이퍼 하판의 상부에 모세관을 형성하는 단계;
(d) 상기 실리콘 웨이퍼에 남아 있는 포토레지스트를 제거하는 단계;
(e) 상기 실리콘 웨이퍼의 상부에 웨이퍼 상판을 본딩(bonding) 결합하는 단계;
를 포함하되, 상기 모세관은 폭이 서로 다른 한 쌍의 채널을 포함하는 이중직경관과 폭이 서로 같은 한 쌍의 채널을 포함하는 단일직경관의 조합으로 이루어지도록 패터닝하고,
상기 평판 진동형 히트파이프의 성능은 다음과 같은 성능지수(MPHP)로 표현되되, 상기 성능지수(MPHP)가 2×105 W/m2 이상의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 다양한 각도에서 적용 가능한 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
(여기서, N은 이중직경관의 채널 수, Nt는 전체 채널 수, ρl은 작동유체밀도 , σ는 표면장력, w1은 이중직경관에서 큰 채널의 너비, w2는 이중직경관에서 작은 채널의 너비, hfg는 작동유체가 기화할 때 흡수하는 열량(잠열), w1은 큰 채널의 너비, w2는 작은 채널의 너비, w는 단일직경관에서 채널의 너비, μ1은 작동유체 액상의 점성계수, C는 마찰계수, h는 채널의 높이(깊이)이며, 모든 단위는 SI 단위를 적용)A method for manufacturing a flat plate vibrating type heat pipe using a microelectronic system (MEMS) process,
(a) depositing a photoresist on top of a long rectangular silicon wafer;
(b) removing and patterning the photoresist in the form of a capillary having a closed loop curved at both ends of the silicon wafer;
(c) etching the silicon wafer to form a capillary on top of the silicon wafer lower plate;
(d) removing the photoresist remaining on the silicon wafer;
(e) bonding a wafer top plate to the top of the silicon wafer;
Wherein the capillary is patterned to have a combination of a double-headed landscape including a pair of channels having different widths and a single rectangular tube including a pair of channels having the same width,
The performance of the flat plate vibrating type heat pipe is expressed by the following performance index (M PHP ), and the performance index (M PHP ) has a value of 2 x 10 5 W / m 2 or more. A method of manufacturing a flat plate vibrating type heat pipe.
(Here, N is the number of channels of yijungjik scenery, N t is the total number of channels, ρ l is the working fluid density, σ is the surface tension, w 1 has a small channel in the width, w 2 is yijungjik view of the large channel in yijungjik officer width, h fg is heat (latent heat), w 1 for absorbing when the working fluid evaporates is the width of the large channel, w 2 is the width of the small channel, w is the width of the channel in a single straight-scenery, μ 1 is a working fluid liquid , C is the coefficient of friction, h is the height of the channel (depth), and all units apply SI units)
상기 이중직경관의 두 직경은 다음과 같은 수학식을 충족시키는 것을 특징으로 하는 다양한 각도에서 적용가능한 평판 진동형 히트파이프 제작방법.
0.3 ≤ ΔD/Davg ≤ 0.5
(여기서, ΔD는 두 직경의 차이, Davg는 두 직경의 평균)The method according to claim 6,
Wherein the two diameters of the double-headed obturator satisfy the following equation: < EMI ID = 1.0 >
0.3? D / D avg ? 0.5
(Where D is the difference between the two diameters, D avg is the average of the two diameters)
상기 모세관의 60% 이상은 이중직경관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 다양한 각도에서 적용가능한 평판 진동형 히트파이프 제작방법.The method according to claim 6,
Wherein at least 60% of the capillaries are made of a double-sided tube.
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