KR101810167B1 - 3차원 열흡수 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부 열원으로부터 전달되는 열을 흡수하여 열원의 온도 상승을 억제하기 위한 3차원 열흡수 장치에 관한 것이다. 상기 장치는, 장치 외형을 이루는 밀폐부재; 상기 밀폐부재의 내부에서 3차원 격자 구조로 연결되는 제1 공간; 및 상기 밀폐부재의 내부공간 중 상기 제1 공간에 의해 점유되지 않은 공간을 구성하는 제2 공간을 포함하고, 상기 제1 공간 또는 제2 공간 중 적어도 어느 하나는 작동유체 증기의 채널을 형성하고 그 내측면을 따라 액상의 작동유체가 흡수되는 심지가 제공되는 것을 특징으로 하고, 필요에 따라 어느 하나의 공간에 대해 상변화물질을 충진하여 축열 성능을 부여할 수 있다. 상기 장치는, 장치 내부의 열전달계가 3차원으로 확장 및 다원화됨으로써 열전달 속도가 향상될 수 있고 이에 더하여 열전달계 중 일부에 대해 축열 성능이 구비됨으로써, 전체적으로 별도의 강제냉각수단 없이 자연냉각만으로도 온도 상승이 억제된 상태로 항속적으로 동작될 수 있고, 이러한 열전달 속도 및/또는 축열 성능의 개선을 통해 에너지 소비 및 소음 발생이 억제된 장치를 컴팩트하게 설계할 수 있다. 또한 본 발명에 3차원 열흡수 장치는, 연전달 채널이 3차원으로 서로 연결구조로 외력에 대한 내구성이 향상되고 동작 방향에 제한이 없어 열흡수 장치를 포함한 시스템 설계가 자유롭다.

Description

3차원 열흡수 장치{A DEVICE FOR THREE DIMENSIONAL HEAT ABSORPTION}
본 발명은 외부 열원으로부터 전달되는 열을 흡수하여 열원의 온도 상승을 억제하기 위한 열흡수 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 등 전자부품을 포함하여 각종의 제품에는 성능 저하를 피하기 위해 동작과정에서 발생하는 열이 외부로 효과적으로 배출될 필요가 있고, 종래, 히트 파이프는 열원으로부터 발생하는 열을 다른 곳으로 전달하기 위한 매우 효과적인 수단으로 널리 알려져 있다. 이러한 히트 파이프의 동작 원리 및 개발 현황은 Amir Faghri의 논문에 개시되어 있다(Amir Faghri, Review and Advances in Heat Pipe Science and Technology, ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 134, pp.123001-1~18, 2012.).
도 1은 종래 전형적인 히트 파이프의 구조도를 나타내며, 도 1(a)는 히트 파이프의 종단면도를, 도 1(b)는 히트 파이프의 횡단면도를 나타낸다. 도 1의 선형의 히트 파이프(1)는 긴 원통형의 밀폐 용기(11)와 그 내측벽에 형성되는 다공질 재료의 심지(wick; 14)로 구성된다. 심지(14)는 액상의 작동유체(working fluid)로 침지되어 있고, 심지(14)의 내측으로는 열에 의해 상변화된 기상의 작동유체가 통과되는 채널(channel; 12)이 형성된다. 밀폐 용기(11)의 내부 공간은 길이 방향으로 도면 좌측으로부터 증발부(A), 단열부(B), 응축부(C)로 구획된다. 외부 열원(도면 미도시)으로부터 전달되는 열에 의해 증발부(A)의 심지(14)에서 작동유체가 기화하여 열을 흡수하고, 이에 따라 채널의 압력이 상승하여 기상의 작동유체는 응축부(B)로 이동한다. 반대편 응축부(B)에 도달한 기상의 작동유체는 액상으로 응축하여 열을 방출하고 응축부(B)의 심지(14)에 흡수된 후, 모세관 현상(capillary effect)에 의해 심지(14)를 따라 증발부(A) 쪽으로 환류된다. 이러한 작동유체의 증발, 응축 및 이동으로 이루어진 사이클 과정을 통해 외부 열원으로부터 발생되는 열을 효과적으로 흡수 전달하게 된다.
한편, 이러한 선형의 히트 파이프의 열전달 원리를 이용한 평판형 히트 파이프도 알려져 있다. 예컨대, 도 2(a)는, 중간 부재(24)가 하부 부재(21) 보다 상하면 사이의 간극이 작아서 심지 역할을 하는 평판형 히트 파이프의 예를 나타낸다(Novel Concepts, Inc. http://www.novelconceptsinc.com/). 도 2(b)는 작동유체의 채널이 개방된 형태로 구성된 평판형 히트 파이프의 예를 나타낸다(Celsia Inc. http://celsiainc.com/vapor-chamber-one-piece-design/). 도 2(a) 및 도 2(b)의 평판형 히트 파이프는 전자부품과 같이 전달되는 열이 작은 물품의 냉각 용도로 고안된 예이며 그 두께는 1mm 수준까지 얇다. 도 2(c)는 제트기의 분사 편향기(blast deflector)와 같이 대량의 열전달이 요구되는 경우에 사용되는 평판형 히트 파이프의 예로서 도 2(b)와 마찬가지로 작동유체의 채널이 개방된 형태이다(D.T. Queheillalt, G. Carbajal, G.P. Peterson, H.N.G. Wadley, International Journal of Heat and Mass Transfer vol. 51, pp. 312-326, 2008.). 이러한, 평판형 히트 파이프는 평판 아래에 가해지는 열을 전면적으로 전달하는 의미에서 히트 스프레더(heat spreader)라고도 불리운다.
도 1 및 도 2에 예시된 이러한 종래의 선형 또는 평판형 히트 파이프는 간단한 구조를 가지면서도 온도 구배가 크지 않아도 동작하고, 응답 속도가 빠르고, 또한 가열부와 냉각부를 분리하거나 상호간에 역할 교대가 가능하다는 등 많은 장점이 있어 여러 분야에 널리 활용되고 있다.
그러나 종래 선형 또는 평판형 히트 파이프의 경우, 전달하는 열량이 상대적으로 작으며, 단순히 열을 전달하는 기능 외에 축열 성능을 고려하고 있지 않기 때문에 과도한 열량이 흡수시 본래 기능이 유지되기 위해서는 팬과 같은 별도의 강제냉각수단이 필수적으로 요구된다. 별도의 강제냉각수단은 추가적인 에너지 소모를 요하고 소음을 유발함하고, 강제냉각수단 없이 충분한 자연냉각을 위해서는 히트 파이프의 외형 부피가 과도하게 커지는 문제가 있다. 또한 선형 또는 평판형 히트 파이프는 열전달 방향에 제한이 있어, 히트 파이프를 포함한 제품 설계에 제한이 있다. 따라서, 이러한 종래의 선형 또는 평판형 히트 파이프는 그 장점에 불구하고 적용범위에 한계가 있는 실정이다.
한편, 최근 고상과 액상 사이에서 상변화하는 과정에서 흡수 또는 방출하는 잠열(latent heat)이 큰, 예컨대 아이스 팩과 같은 소위 상변화물질(PCM; Phase Change Material)이 축열 수단으로 주목받고 있다. 다만, 이러한 상변화물질은 대체로 열전도도가 낮기 때문에, 열전도도가 높은 다공질 금속 구조체에 충진되어 사용하는 경우 보다 효과적인 축열 성능을 발휘할 수 있는 것으로 알려져 있다(K.J. Kang, Progress in Materials Science, Vol. 69, pp. 213-307, 2015.). 이러한 상변화물질에 기반한 열저장 장치는 한편으로는 우수한 열흡수 장치이기도 하다. 다만, 외부에서 열이 가해져도 고상에서 액상으로 상변화가 지속되는 한 온도가 상승되지 않으나, 상변화가 완료되면 잠열에 의한 축열 성능을 상실하여 열흡수 장치로서 항속성이 부족하다.
- Amir Faghri, Review and Advances in Heat Pipe Science and Technology, ASME Journal of Heat Transfer, Vol. 134, pp. 123001-1~18, 2012. - D.T. Queheillalt, G. Carbajal, G.P. Peterson, H.N.G. Wadley, International Journal of Heat and Mass Transfer vol. 51, pp. 312-326, 2008. - K.J. Kang, Progress in Materials Science, Vol. 69, pp. 213-307, 2015. - S. Hyde et al., The Language of Shape, Elsevier, Danvers, MA, USA 1996. - S.C. Han, J.W. Lee, K. Kang, Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015.
본 발명은, 빠른 열전달 속도와 높은 열용량을 가져 항속적으로 동작될 수 있는 컴팩트하고 견고한 구조의 열흡수 장치를 제공하는 것이다.
본 발명자들은, 통상의 강제냉각수단 없이 항속적으로 동작될 수 있는 컴팩트한 구조의 열흡수 장치를 개발하는 과정에서 열전달 속도의 향상과 함께 축열 성능을 부여할 필요성이 있음을 지견하고, 장치의 열전달계를 3차원으로 확장 또는 다원화하고 다원화된 연전달계 중 일부에 대해 필요에 따라 축열 성능을 부여하는 것에 착안하여 이를 더욱 구체화함으로써 본 발명에 이르게 되었다. 이상의 해결과제에 대한 인식 및 이에 기초한 본 발명의 요지는 아래와 같다.
(1) 장치 외형을 이루는 밀폐부재; 상기 밀폐부재의 내부에서 3차원 격자 구조로 연결되는 제1 공간; 및 상기 밀폐부재의 내부공간 중 상기 제1 공간에 의해 점유되지 않은 공간을 구성하는 제2 공간을 포함하고, 상기 제1 공간 또는 제2 공간 중 적어도 어느 하나는 작동유체 증기의 채널을 형성하고 그 내측면을 따라 액상의 작동유체가 흡수되는 심지가 제공되는 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
(2) 제1항에 있어서, 상기 제1 공간과 제2 공간 중 어느 하나가 상기 심지로 충진되고 제1 공간과 제2 공간 사이의 경계에서 상변화된 작동유체의 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 3차원 열흡수 장치.
(3) 상기 제1 공간과 제2 공간의 경계는 벽체로 구성되는 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 3차원 열흡수 장치.
(4) 상기 제1공간과 제2 공간 각각의 벽체 내측면에 심지가 제공되고, 상기 제1 공간과 제2 공간 각각이 작동유체 증기의 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 상기 (3)의 3차원 열흡수 장치.
(5) 상기 작동유체는 동종 또는 이종 물질인 것을 특징으로 하는 상기 (4)의 3차원 열흡수 장치.
(6) 상기 제1 공간과 제2 공간 중 어느 하나의 벽체 내측면에 심지가 제공되어 작동유체 증기의 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 상기 (3)의 3차원 열흡수 장치.
(7) 상기 제1 공간과 제2 공간 중 작동유체 증기 채널을 형성하지 않는 공간의 내부가 상변화물질로 충진되는 것을 특징으로 하는 상기 (6)의 3차원 열흡수 장치.
(8) 상기 상변화물질에 침지된 다공성 열전달 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (7)의 3차원 열흡수 장치.
(9) 상기 다공성 열전달 부재는 발포금속, 격자금속, 직조금속 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 (8)의 3차원 열흡수 장치.
(10) 상기 제1 공간과 제2 공간 중 작동유체 증기 채널을 형성하지 않는 공간에 고상의 방열 부재가 구비된 것을 특징으로 하는 상기 (6)의 3차원 열흡수 장치.
(11) 상기 방열 부재는 다공질 금속, 솔리드 금속 또는 냉각핀 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 (10)의 3차원 열흡수 장치.
(12) 상기 심지는 금속망, 펠트, 섬유, 투과성 다공질 고체 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 하나의 3차원 열흡수 장치.
(13) 상기 작동유체는 물, 암모니아, 에탄올, 헬륨, 아르곤, 질소, 납, 은, 리튬 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 하나의 3차원 열흡수 장치.
(14) 상기 상변화물질은 파라핀, 라우르(lauric)산, 염수화물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 (7) 또는 (8)의 3차원 열흡수 장치.
(15) 상기 제1 공간과 제2 공간의 경계는 평면 또는 곡면인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (11) 중 어느 하나의 3차원 열흡수 장치.
본 발명에 따른 3차원 열흡수 장치는, 장치 내부의 열전달계가 3차원으로 확장 및 다원화됨으로써 열전달 속도가 향상될 수 있고 이에 더하여 열전달계 중 일부에 대해 축열 성능이 구비됨으로써, 전체적으로 별도의 강제냉각수단 없이 자연냉각만으로도 온도 상승이 억제된 상태로 항속적으로 동작될 수 있고, 이러한 열전달 속도 및/또는 축열 성능의 개선을 통해 에너지 소비 및 소음 발생이 억제된 장치를 컴팩트하게 설계할 수 있다. 또한 본 발명에 3차원 열흡수 장치는, 열전달 채널이 3차원으로 서로 연결구조로 외력에 대한 내구성이 향상되고 동작 방향에 제한이 없어 열흡수 장치를 포함한 시스템 설계가 자유롭다.
도 1은 종래 선형 히트 파이프의 구조도.
도 2은 종래 평판형 히트 파이프의 예.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 서로 다른 실시예들에 따른 3차원 열흡수 장치의 구조도.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 한편, 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였으며, 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열흡수 장치(10)를 나타낸다.
도 3(a)는 열흡수 장치(10)의 2차원 구조도이다. 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 열흡수 장치(10)는 장치의 외형을 이루는 밀폐부재(110)를 포함하고, 밀폐부재(110)의 내부 공간은 제1 공간(120)과 제2 공간(130)으로 분할 구획된다. 즉, 밀폐부재(110)의 내부 공간 중 제1 공간(120)에 의해 점유되지 않은 공간이 제2 공간(130)을 구성한다. 본 실시예에서, 제1 공간(120)은 작동유체 증기의 채널을 형성하고 상기 제2 공간(130)의 내부는 액상의 작동유체를 흡수하기 위한 다공질 재료로 충진되어 심지(140)를 구성한다. 밀폐부재(110)의 외형은 특별히 제한되지 않으며 열흡수 장치(10)가 적용되는 시스템에 따라 적절히 결정될 수 있다. 도면에서 밀폐부재(110)는 외부와 장치 내부의 경계를 구획하는 차원에서 그 외형은 임의 도시되어 있고, 심지(140)여백으로 도시되어 있다.
이 경우, 상기 밀폐부재(110)는 비투과성이고 소정의 열전도성을 가지면 특별히 제한되지 않는다. 상기 작동유체로는 열흡수 장치(10)의 작동온도 및 작동압력에 따라 증발과 응축이 가능한 물질이면 특별히 제한되지 않는다. 상온 대기압하에서 물, 암모니아, 에탄올 등의 액체나, 헬륨, 아르곤, 질소 등의 기체는 물론, 납, 은, 리튬 등의 고체 모두가 사용가능하다. 예컨대, 상온 대기압하에서 고체인 경우에도, 열흡수 장치(10)의 작동온도 및 작동압력에서 물질상태가 액체 및 기체 상태로 존재하면 작동유체로 사용 가능하다. 상기 심지(140)는 모세관 현상에 의해 액상의 작동유체가 이동될 수 있도록 예컨대 금속망, 펠트(felt), 섬유, 투과성 다공질 고체 등의 다공성 재료로 구성된다. 상기 밀폐부재(110)의 내부 압력은 정해진 온도에서 기화, 액화가 발생하도록 대기압보다 낮은 상태로 유지될 수 있다.
도 3(b)는 상기 제1 공간(120)의 입체도를 나타낸다. 이 경우, 제1 공간(120)은 3차원 격자 구조로 상호간에 연결되어 있고, 반사적으로 제2 공간(130)도 도 3(b)의 여백 부분을 통해 상호간에 연결되어 있다. 다만, 도 3(b)의 도시된 사항은 증기상 작동유체의 유로로 기능하는 제1 공간(120)의 채널 형상을 입체적으로 표현한 것으로서 이러한 채널 형상은 제2 공간(130)을 충진하고 있는 심지(140)에 의해 구획되며, 제1 공간(120)과 제2 공간(130)의 경계가 별도의 벽체로 구성된 것을 나타내는 것은 아니다. 따라서, 본 실시예에서 제1 공간(120)과 제2 공간(130)의 경계로는 상변화된 작동유체의 이동이 가능하다.
상기 제1 공간(120)의 3차원 격자 형상은, 실시예에서와 같이 육면체 격자 형상을 가져 채널이 직선형인 것으로 예시되어 있지만 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 제1 공간(120)과 제2 공간(130)의 경계면 형상 측면에서는 평면 또는 곡면 형태로 구성될 수 있고, 작동유체의 이동 통로로서 채널의 형상 측면에서는 직선 또는 곡선 형태일 수 있고 채널의 단면적은 위치에 따라 달라질 수도 있다.
도 3(c)는 열흡수 장치(100)의 동작 개념도이다. 제1 공간(120)은 기상의 작동유체로 충진된 상태를, 제2 공간(130)은 심지(140)에 액상의 작동유체가 흡수된 상태를 예정한다. 외부 열원(도면 미도시)으로부터 열흡수 장치(10)의 외측 일부 영역(D)으로 열이 전달되면, 제2 공간(130)의 심지(140)에 침지되어 있는 액상의 작동유체가 열을 흡수하여 기상으로 변하고, 상승된 증기압으로 기상의 작동유체는 제1 공간(120)의 채널을 따라 열원에서 멀어지는 방향으로 이동된다. 열원에서 멀어진 기상의 작동유체는 외부로 열을 방출하여 액상으로 변하고 심지(140)로 재차 흡수된다. 흡수된 액상의 작동유체는 모세관 현상에 의해 제2 공간(220)의 채널을 따라 열원 부근의 심지(140)로 환류된다. 이러한 작동유체의 증발, 응축 및 이동으로 이루어진 사이클 과정을 통해 외부 열원으로부터 발생되는 열을 효과적으로 흡수 전달하게 된다.
도 3의 실시예에 따른 열흡수 장치(10)도 종래 히트 파이프와 기본적인 열전달 원리는 동일하나 아래의 장점이 있다. 첫째로, 3차원으로 확장된 열전달계에서 투과성 다공질 재료로 구성된 심지(140)의 부피가 종래 히트 파이프보다 월등히 크기 때문에 작동유체의 양도 증가한다. 높은 비열을 갖는 작동유체의 양이 증가함에 따라 열흡수 장치(10) 전체의 열용량도 증가됨으로써, 외부 열원으로부터 흡수되는 열 에너지 대비 열흡수 장치(10) 자체의 온도 상승이 현저히 지연될 수 있고 별도의 강제냉각수단 없이도 외부 열원으로부터 항속적인 열흡수가 가능하다. 둘째로, 상기 제2 공간(130)을 채워 제1 공간(120)을 구획하는 심지(140)는 투과성 다공질 재료로 이루어져 액상 작동유체를 흡수 및 보관하는 역할 외에 외력으로부터 장치(10)를 지지하는 역할을 할 수 있다. 즉, 작동유체 증기의 채널을 구성하는 제1 공간(120)을 제외한 밀폐부재(110)의 내부 공간을 점유하여 하중 지지용 경량 구조재로서 역할을 겸할 수 있다. 셋째로, 종래의 선형 또는 평판형 히트 파이프 각각 1, 2차원 히트 파이프라면, 실시예에 따른 열흡수 장치(10)는 일종의 3차원 히트 파이프로서 외부 열원으로부터 밀폐부재(110) 일부에 열이 가해지면 열원 쪽에서 상변화된 작동유체 증기가 근처의 복수개의 채널을 통하여 이동하고 반대 쪽에서 응축된 작동유체도 투과성 다공질 재료 전체 공간에서 모세관 현상에 의하여 열원 쪽으로 이동하기 때문에 열전달이 신속하며, 밀폐부재(110)에 가해지는 열원의 위치 및 방향에 상관없이 동일한 열전달 메커니즘으로 동작될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열흡수 장치(20)의 구조도이다.
도 4(a)는 열흡수 장치(20)의 2차원 구조도이다. 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 열흡수 장치(20)는 밀폐부재(210)를 포함하고, 밀폐부재(210)의 내부 공간은 제1 공간(220)과 제2 공간(230)으로 분할 구획된다. 또한, 본 실시예에서, 밀폐부재(210)의 외형 및 재질, 작동유체의 종류, 심지(240a, 240b)의 재질에 관한 구성은 상기 제1 실시예와 동일하게 적용될 수 있다.
본 실시예에서, 제1 실시예와는 달리, 제1 공간(220)과 제2 공간(230)의 경계는 벽체(280)로 구성되고 각각의 벽체(280) 내측면에는 심지(240a, 240b)가 제공됨으로써 제1 공간(220)과 제2 공간(230) 각각은 독립하여 작동유체 증기의 채널을 형성한다. 이 경우, 상기 제1 실시예와는 달리, 제1공간(220)과 제2 공간(230)의 경계는 벽체(280)로 이루어지기 때문에 상변화된 작동유체의 이동은 불가능하다. 제1 공간(220)과 제2 공간(230)에서 동작하는 작동유체는 동종 또는 이종의 물질일 수 있다.
도 4(b)는 상기 제1 공간(220)의 입체도를 나타낸다. 이 경우, 제1 공간(220)은 3차원 격자 구조로 상호간에 연결되어 있고, 반사적으로 제2 공간(230)도 도 4(b)의 구조체 여백 부분을 통해 상호간에 연결되어 있다. 상기 제1 공간(220)을 형성하는 3차원 격자 구조체는 중공형 박막 구조체이고, 이러한 박막이 제1 공간(220)과 제2 공간(230)의 벽체(280)를 구성한다. 실시예에서, 중공형 박막 구조체는 표면은, 예컨대 3주기적 최소곡면(TPMS; Triply Periodic Minimal Surface)으로 구성될 수 있으며(S. Hyde et al., The Language of Shape, Elsevier, Danvers, MA, USA 1996.), 도 4(b)에는 P-surface, D-surface, G-surface 등 3가지 TPMS의 형태가 예시되어 있다. TPMS 면은 서로 교차하지 않으며 위치에 상관 없이 평균곡률이 영(zero)인 연속적이고 부드러운(smooth) 곡면으로 구성되며, 3주기적 최소곡면으로 구획되는 제1 공간(220)과 제2 공간(230)은 서로 유사한 형태를 갖게 된다.
다만, 본 실시예에서 상기 제1 공간(220)의 3차원 격자 형상은, 3-주기적 최소곡면을 갖는 격자 형상을 가져 채널이 곡선형인 것으로 예시되어 있지만, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 본 실시예에서도 제1 공간(220)에 의한 작동유체 증기의 채널을 상기 제1 실시예의 도 3(b)에 도시된 직선형으로 구성할 수 있으며, 이 경우 제1 공간(220)을 형성하는 3차원의 중공형 박막 구조체의 형상은 도 3(b)의 채널 형상과 같다. 또한, 제1 공간(220)과 제2 공간(230)의 경계면 형상 측면에서는 평면 또는 곡면 형태로 구성될 수 있고, 작동유체의 이동 통로로서 채널의 형상 측면에서는 직선 또는 곡선 형태일 수 있고, 채널의 단면적은 위치에 따라 달라질 수 있다.
한편 이러한 중공형 박박 구조체의 형성은, 최근 중공형 박막 구조체 제조와 관련하여 발표되고 있는 템플릿 제조, 박막 형성, 박막 내부 템플릿 제거의 과정을 통해 제조될 수 있다. 템플릿은 광리소그래피 기술을 이용하여 열경화성 수지를 경화시키는 방식이나, 와이어로 다공질 트러스 구조체를 직조하는 방식으로 제조될 수 있다. 박막의 재질은, 상기 밀폐부재(210)와 마찬가지로 비투과성이고 소정의 열전도성을 가지면 특별히 제한되지 않으며 예컨대 금속이 유리하게 적용될 수 있다.
도 4의 실시예에 따른 열흡수 장치(20)의 열전달은 제1 공간(220)과 제2 공간(230)의 독립된 채널을 통해 수행된다. 즉, 외부 열원로부터 열흡수 장치(20)의 외측 일부로 열이 전달되면, 제1 공간(220) 및 제2 공간(230)의 심지(240a, 240b)에 침지되어 있는 액상의 작동유체가 열을 흡수하여 기상으로 변하고, 상승된 증기압으로 기상의 작동유체는 제1 공간(220) 및 제2 공간(230) 각각을 따라 열원에서 멀어지는 방향으로 이동된다. 열원에서 멀어진 기상의 작동유체는 외부로 열을 방출하여 액상으로 변하고 심지(240a, 240b)로 재차 흡수된다. 흡수된 액상의 작동유체는 모세관 현상에 의해 제1 공간(220) 및 제2 공간(230)의 채널을 따라 열원 부근의 심지(240a, 240b)로 이동된다. 이러한 작동유체의 증발, 응축 및 이동으로 이루어진 사이클 과정을 통해 외부 열원으로부터 발생되는 열을 효과적으로 흡수 전달하게 된다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 제1 공간(220)과 제2 공간(230)에서 동작하는 작동유체는 동종 또는 이종의 물질일 수 있다.
도 4의 실시예에 따른 열흡수 장치(20)도 종래 히트 파이프와 기본적인 열전달 원리는 동일하나 아래의 장점이 있다. 첫째로, 3차원의 제1 공간(220) 및 제2 공간(230)이 독립된 작동유체 증기 채널로 동작함으로써 열전달 속도 및 양이 증가될 수 있고, 또한 제1 공간(220) 및 제2 공간(230)의 작동유체가 상이하게 하면 열전달 온도 범위가 상이한 복수의 열전달 기구를 하나의 열흡수 장치(20)에서 동시에 구현할 수 있는 효과도 있다. 둘째로, 상기 제1 실시예에서와 마찬가지로, 3차원으로 확장된 열전달계에서 투과성 다공질 재료로 구성된 심지(240a, 240b)의 부피가 종래 히트 파이프보다 월등히 크기 때문에 작동유체의 양도 증가한다. 높은 비열을 갖는 작동유체의 양이 증가함에 따라 열흡수 장치(20) 전체의 열용량도 증가됨으로써, 외부 열원으로부터 흡수되는 열 에너지 대비 열흡수 장치(20) 자체의 온도 상승이 현저히 지연될 수 있고 별도의 강제냉각수단 없이도 외부 열원으로부터 항속적인 열흡수가 가능하다. 셋째로, 제1 공간(220)과 제2 공간(230)을 구획하는 경계로서 박막형 벽체(280)는 그 자체가 외부 하중을 지지할 수 있는 이상적인 경량 구조체를 구성한다. 예컨대, 카고메(kagome), 옥테트(octet), 피라미드(pyramid) 격자 구조의 중공형 트러스 구조체는 무게대비 강도가 매우 우수하며(H.N.G. Wadley, Phil. Trans. R. Soc. A Vol.364, pp.31-68, 2006.), 도 4(b)에 도시된 TPMS 형태를 갖는 박막 구조체도 그 강도가 중공형 트러스 구조체에 대등한 강도를 갖는 것으로 보고된 바 있다(S.C. Han, J.W. Lee, K. Kang, Advanced Materials, Vol.27, pp.5506-5511, 2015). 따라서, 제1 공간(220)과 제2 공간(230)을 박막형 벽체(280)로 구획함으로써 외력으로부터 열흡수 장치(20)를 지지하는 역할을 할 수 있다. 네째로, 상기 제1 실시예에와 마찬가지로, 3차원 히트 파이프로서 동작하여, 밀폐부재(110)에 가해지는 열의 위치 및 방향에 상관없이 동일한 열전달 메커니즘으로 동작될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 열흡수 장치(30)의 구조도이다.
도 5(a)는 열흡수 장치(30)의 2차원 구조도이다. 도 5(a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 열흡수 장치(30)는 밀폐부재(310)를 포함하고, 밀폐부재(210)의 내부 공간은 제1 공간(320)과 제2 공간(330)으로 분할 구획된다. 또한, 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 밀폐부재(310)의 외형 및 재질, 작동유체의 종류, 심지(340)의 재질에 관한 구성은 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 상기 제2 실시예와 마찬가지로, 제1 공간(320)과 제2 공간(330)의 경계는 박막형 벽체(380)로 구성되고, 상변화된 작동유체의 이동은 불가능하다. 또한 제1 공간(320)을 형성하는 3차원의 중공형 박막 구조체 및 그 제조방법이나 박막의 재질은 상술한 제2 실시예와 동일하게 적용될 수 있다. 도 5(a)에서는 3-주기적 최소곡면을 갖는 격자 형상을 가져 채널이 곡선형인 것으로 예시되어 있지만, 이에 제한되지 않는다.
본 실시예에서는, 상기 제2 실시예와는 달리, 제1 공간(320)의 벽체(380) 내측면에만 심지(340)가 제공됨으로써 제1 공간(320)만이 작동유체 증기의 채널을 형성하고, 제2 공간(330)은, 용융잠열이 큰, 예컨대 파라핀, 라우르(lauric)산, 염수화물과 같은 상변화물질(PCM; Phase Change Material)(350)로 충진된다. 이 경우, 외부 열원으로부터의 즉각적인 열전달은 상기 제1 공간(320)으로 구성된 채널을 통해 수행되고, 이러한 즉각적인 열전달 과정은 상기 제1 실시예에서 작동유체에 의한 열전달 과정과 동일하다. 제2 공간(330)에 충진된 상변화물질(350)은 고상에서 액상으로 상변화하는 과정에서 외부로부터 열을 점진적으로 흡수하는 축열 수단의 역할을 한다.
도 5(b)는 상기 제3 실시예의 변형예를 나타낸다. 도 5(b)에서, 제2 공간(330)에는 높은 열전도도를 갖는 금속 등의 다공성 열전달 부재(360)를 더 포함한다. 다공성 열전달 부재(360)는, 투과성 다공성 금속 예컨대 발포금속, 격자금속(lattice metal or truss metal), 직조금속(K.J. Kang, “Wire-woven cellular metals: the present and future”, Progress in Materials Science, Vol. 69, pp.213-307, 2015.) 형태일 수 있고, 상기 상변화물질(360)에 침지되어 있다. 이러한 다공성 열전달 부재(360)는 낮은 열전도도를 갖는 상변화물질(360)로의 열전달 속도를 촉진함으로써, 열흡수 장치(30)의 축열 성능을 향상키기게 된다.
도 5의 실시예에 따른 열흡수 장치(30)는 종래의 히트 파이프나 PCM에 기반한 열저장 수단과 비교하여, 다음과 같은 장점을 갖는다. 첫째로, 제2 공간(330)의 상변화물질(350)로의 열전달이 제1 공간(320)의 3차원 채널을 통해 넓은 표면적의 벽체(380)을 통해 즉각적으로 이루어지기 때문에 상변화물질의 열흡수에 관한 응답성이 향상될 수 있다. 둘째로, 제2 공간(330)의 상변화물질(350)의 용융온도가 제1 공간(320)에서의 즉각적인 열전달을 위한 작동온도 범위 내에 있으면, 제1 공간(320)의 사방을 둘러싼 제2 공간(330)의 상변화물질(350)은 높은 용융 잠열을 갖기 때문에, 외부로부터 예기치 못한 높은 열에너지가 인가되더라도 제1 공간(320)의 작동유체가 완전 증발(dry-out)되어 열전달 기능을 상실할 가능성은 현저히 낮아지게 된다. 한편, 제2 공간(330)의 상변화물질(350)의 용융온도가 제1 공간(320)에서의 열전달을 위한 작동온도 범위 밖에 있으면, 제1 공간(320)과 제2 공간(330)은 독립적인 작동이 가능하다. 세째로, 제2 공간(330)의 상변화물질(350) 자체가 비열이 높기 때문에 제1 공간(320)에서 히프 파이프 원리에 따라 열전달이 이루어지더라도 열흡수 장치(30) 전체의 온도는 느리게 상승하고, 별도의 강제냉각수단이 구비되지 않더라도 항속적인 열흡수가 가능하다. 네째로, 상기 제2 실시예와 마찬가지로, 제1 공간(320)과 제2 공간(330)을 구획하는 경계로서 박막형 벽체(380)는 그 자체가 외부 하중을 지지할 수 있는 이상적인 경량 구조체를 구성함으로써, 외력으로부터 열흡수 장치(30)를 지지하는 역할을 할 수 있다. 다섯째로, 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 3차원 히트 파이프로서 동작하여, 밀폐부재(310)에 가해지는 열의 위치 및 방향에 상관없이 동일한 열전달 메커니즘으로 동작될 수 있다. 여섯째로, 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 3차원으로 확장된 열전달계을 갖기 때문에, 열전달 속도가 상승되는 효과와, 장치의 열용량이 상승되는 효과를 갖는다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 열흡수 장치(40)의 구조도이다.
도 6(a)와 도 6(b)는 열흡수 장치(40)의 2차원 및 3차원 구조도이다. 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 열흡수 장치(40)는 밀폐부재(410)을 포함하고, 밀폐부재(410)의 내부공간은 제1 공간(420)과 제2 공간(430)으로 분할 구획된다. 또한, 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 밀폐부재(410)의 외형 및 재질, 작동유체의 종류, 심지(440)의 재질에 관한 구성은 동일하게 적용될 수 있다. 또한, 상기 제2 실시예와 마찬가지로, 제1 공간(420)과 제2 공간(430)의 경계는 박막형 벽체(480)로 구성되고, 상변화된 작동유체의 이동은 불가능하다. 또한 제1 공간(420)을 형성하는 3차원 중공형 박막 구조체 및 그 제조방법이나 박막의 재질은 상술한 제2 실시예와 동일하게 적용될 수 있다. 도 6(a)에서는 제1 공간(420)의 채널 형상이 도 3(b)과 유사하게 육면체 격자 형상을 가지고 직선형인 것을 예시하였지만 이에 제한되지 않는다.
본 실시예에서는, 상기 제3 실시예와 마찬가지로 제1 공간(420)의 벽체(480) 내측면에만 심지(440)가 제공됨으로써 제1 공간(420)만이 작동유체 증기의 채널을 형성하지만, 상기 제3 실시예와 달리 제2 공간(430)은 도 6(a) 및 도 6(b)에 도시된 바와 같이 냉각 핀과 같은 방열 부재(470)가 구비되어 있거나 도 6(c)에 도시된 바와 같이 완전히 비어 있을 수 있다. 상기 방열 부재(480)은 냉각 핀 외에 다공질 금속 또는 솔리드 금속으로 구성하여 제2 공간(430)의 전부 또는 일부를 충진하는 형태일 수 있다. 이 경우, 제1 공간(420)에서는 히프 파이프와 동일한 원리로 즉각적인 열전달이 수행되고, 제2 공간(430)에서는 방열 부재(470) 또는 빈 공간을 활용하여 전도, 복사 및 대류에 의한 열전달이 수행된다. 이러한 제2 공간(430)에서 이러한 열전달 메커니즘은 제2 공간(430)의 부피가 제1 공간(420) 보다 상대적으로 큰 경우에 유리하게 적용될 수 있다.
도 6의 실시예에 따른 열흡수 장치(40)는 종래 히트 파이프와 비교하여, 다음과 같은 장점을 갖는다. 첫째로, 제2 공간(430)의 부피가 제1 공간(420) 보다 상대적으로 큰 경우에, 제2 공간(430) 자체 또는 방열 부재(470)를 이용하여 전도, 복사 및 대류에 의한 열전달을 유도함으로써 별도의 강제냉각수단 없이도 항속적인 열흡수가 가능하다. 둘째로, 특히 제2 공간(430)에 충진되는 방열 부재(470)를 금속과 같이 비다공질(solid) 재료로 완전 충진하는 형태로 구성할 경우, 비다공질 재료 벌크를 대상으로 단순히 드릴 가공 등을 통해 제1 공간(420)을 형성할 수 있으므로 열흡수 장치(40)의 제조가 용이하고, 구조적인 강도가 향상될 수 있으며, 비다공질 재료의 높은 열용량을 갖기 때문에 별도의 강제냉각수단 없이도 항속적인 열흡수가 가능하다. 세째로, 제2 공간(430)이 비어 있거나 방열 부재(470)이 완전히 충진되는 형태로 구성되지 않는 경우에 있어서도, 상기 제2 실시예와 마찬가지로, 제1 공간(420)과 제2 공간(430)을 구획하는 경계로서 박막형 벽체(480)는 그 자체가 외부 하중을 지지할 수 있는 이상적인 경량 구조체를 구성함으로써, 외력으로부터 열흡수 장치(40)를 지지하는 역할을 할 수 있다. 네째로, 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 3차원 히트 파이프로서 동작하여, 밀폐부재(410)에 가해지는 열의 위치 및 방향에 상관없이 동일한 열전달 메커니즘으로 동작될 수 있다. 다섯째로, 상기 제1 실시예와 마찬가지로, 3차원으로 확장된 열전달계을 갖기 때문에, 열전달 속도가 상승되는 효과와, 장치의 열용량이 상승되는 효과를 갖는다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 3차원 열흡수 장치는, 장치 내부의 열전달계가 3차원으로 확장 및 다원화됨으로써 열전달 속도가 향상될 수 있고 이에 더하여 열전달계 중 일부에 대해 축열 성능이 구비됨으로써, 전체적으로 별도의 강제냉각수단 없이 자연냉각만으로도 온도 상승이 억제된 상태로 항속적으로 동작될 수 있고, 이러한 열전달 속도 및/또는 축열 성능의 개선을 통해 에너지 소비 및 소음 발생이 억제된 장치를 컴팩트하게 설계할 수 있다. 또한 본 발명에 3차원 열흡수 장치는, 연전달 채널이 3차원으로 서로 연결구조로 동작 방향에 제한이 없어 열흡수 장치를 포함한 시스템 설계가 자유롭다.
이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항이나 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 예컨대, 상기한 실시예들에서 제1 공간과 제2공간이 수행하는 역할은 상호 바뀔 수 있다. 또한, 열흡수 장치에 충진되는 작동유체 및 상변화물질은 실시예에 예시된 것에 불구하고 작동 온도 및 작동압력 범위에 따라 적절히 선택되어 사용될 수 있다. 따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.
10, 20, 30, 40; 열흡수 장치
110, 210, 310, 410; 밀폐부재
120, 220, 320, 420; 제1 공간
130, 230, 330, 430; 제2 공간
140, 240a, 240b, 340, 440; 심지
350; 상변화물질
360; 다공성 열전달 부재
470; 방열 부재
280, 380, 480: 박막형 벽체

Claims (15)

  1. 장치 외형을 이루는 밀폐부재; 상기 밀폐부재의 내부에서 독립하여 연속적으로 연결되는 3차원 격자 구조의 제1 공간; 및 상기 밀폐부재의 내부공간 중 상기 제1 공간에 의해 점유되지 않은 공간을 구성하며 상기 제1 공간과 독립하여 연속적으로 연결되는 3차원 격자 구조의 제2 공간을 포함하고,
    상기 제1 공간 또는 제2 공간 중 적어도 어느 하나는 작동유체의 증기 채널을 형성하고, 상기 제1 공간과 제2 공간의 경계에 액상의 작동유체가 흡수되는 심지가 제공되는 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 공간 또는 제2 공간 중 어느 하나에만 액상의 작동유체가 흡수되는 심지로 완전히 충진되고, 상기 제1 공간 또는 제2 공간 중 상기 심지가 충지되지 않은 공간이 상기 작동유체의 증기 채널을 구성하고, 제1 공간과 제2 공간 사이의 경계에서 상변화된 작동유체의 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 공간과 제2 공간의 경계는 벽체로 구성되고, 상기 벽체의 양면 중 적어도 어느 일면에 상기 심지가 막 형태로 형성되고, 상기 심지가 형성된 제1 공간 또는 제2 공간이 작동유체의 증기 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 벽체 양면 모두에 상기 심지가 막 형태로 형성되고, 상기 제1 공간과 제2 공간 각각이 독립된 작동유체의 증기 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 작동유체는 동종 또는 이종 물질인 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 벽체의 양면 중 어느 일면에만 상기 심지가 막 형태로 형성되고, 상기 제1 공간 또는 제2 공간 중 내측면에 상기 막 형태의 심지가 형성된 공간이 작동유체의 증기 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 공간 또는 제2 공간 중 상기 작동유체의 증기 채널을 형성하지 않는 공간의 내부가 상변화물질로 충진되는 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 상변화물질에 침지된 다공성 열전달 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 다공성 열전달 부재는 발포금속, 격자금속, 직조금속 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  10. 제6항에 있어서, 상기 제1 공간 또는 제2 공간 중 작동유체 증기 채널을 형성하지 않는 공간에 고상의 방열 부재가 구비된 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 방열 부재는 다공질 금속, 솔리드 금속 또는 냉각핀 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 심지는 금속망, 펠트, 섬유, 투과성 다공질 고체 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 유체는 물, 암모니아, 에탄올, 헬륨, 아르곤, 질소, 납, 은, 리튬 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  14. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 상변화물질은 파라핀, 라우르(lauric)산, 염수화물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
  15. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 공간과 제2 공간의 경계는 평면 또는 곡면인 것을 특징으로 하는 3차원 열흡수 장치.
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