KR102063035B1 - 가변열전도도 히트파이프 구조체, 그 제조 방법 및 그에 적용되는 작동유체 - Google Patents

가변열전도도 히트파이프 구조체, 그 제조 방법 및 그에 적용되는 작동유체 Download PDF

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Abstract

가변열전도도 히트파이프 구조체가 개시되며, 상기 가변열전도도 히트파이프 구조체에 있어서, 작동유체는 메탄올 기반 나노 유체를 포함하고, 상기 메탄올 기반 나노 유체는 메탄올과 알루미나 나노입자의 혼합물이다.

Description

가변열전도도 히트파이프 구조체, 그 제조 방법 및 그에 적용되는 작동유체{VARIABLE CONDUCTANCE HEAT PIPE STRUCTURE, MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME AND WORKING FLUID APPLIED TO THE SAME}
본원은 가변열전도도 히트파이프 구조체, 가변열전도도 히트파이프 구조체의 제조 방법 및 가변열전도도 히트파이프 구조체에 적용되는 작동유체에 관한 것이다.
심우주 탐사선의 탐사수행은 시간이 지남에 따라 고도화되고 있으며, 이를 수행하는 전자장비의 성능증가에 비례하여 요구되는 냉각성능 또한 증가하고 있다. 이와 관련하여 기존 냉각시스템으로 사용되는 Mechanical Heat Switch방식은 열전달량이 상대적으로 낮으며, Pumped Coolant Loop 방식의 냉각시스템은 냉각성능이 큰 대신 무게가 무거운 단점을 가지고 있어 무게가 제한되는 심우주 탐사선에 탑재하는데 한계가 있다.
이를 보완하기 위하여 2000년 초반 작동유체의 상변화를 이용해 열전달을 수행하는 히트파이프가 냉각시스템에 적용되기 시작하였다. 히트파이프는 작동 시 별도의 외부동력이 필요하지 않고 방열성능이 뛰어날 뿐만 아니라 상대적으로 가벼운 장점을 가지고 있어 심우주 탐사선에 탑재하기에 적합한 냉각 시스템이다.
그러나 심우주 탐사환경은 대기가 희박하기 때문에 100K 내지 390K의 큰 온도변화가 존재하며, 일반적인 히트파이프는 응축부의 온도가 변함에 따라 증발부 온도 또한 동일하게 변화하므로 장착된 전자장비가 저온 및 고온에 의해 손상을 입을 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안 중 하나로 히트파이프에 비응축가스를 충진하여 외기온도 변화에 따라 응축부가 선택적으로 활성화되는 가변열전도도 히트파이프가 있다.
가변열전도도 히트파이프는 아르곤, 네온과 같은 비활성 가스가 히트파이프에 충진 될 경우 응축부의 일정영역을 차지하며, 이 영역은 작동유체가 순환하지 못하기 때문에 열전달이 일어나지 않아 결과적으로 히트파이프의 방열면적이 감소하게 된다.
또한 응축부 온도 및 인가 열량의 변화에 따라 방열면적이 스스로 변화하며, 이로 인해 히트파이프의 열저항이 변화하여 외부환경 및 열량변화에 관계없이 증발부 온도가 일정하게 유지되는 특성을 가진다.
따라서 심우주 탐사선 냉각시스템으로 가변열전도도 히트파이프를 적용할 경우 히트파이프의 장점을 가짐과 동시에 극저온 및 고온 환경으로부터 전자장비의 손상을 방지할 수 있다.
그런데, 기존 심우주 환경용 가변 열전도도 히트파이프는 암모니아를 작동유체로 적용하였다. 암모니아는 어는점이 -78℃로 상대적으로 낮으며 열적 성능이 뛰어나 히트파이프의 작동유체로 사용하기에 적합하다.
그러나 암모니아는 치명적인 독성을 가지고 있으며, 포화압력이 크기 때문에 히트파이프가 파손되기 쉬워 누출 시 제작자 및 탑승자에 치명적이다. 또한 작동유체의 어는점 이하에서 열전달이 불가능 하기 때문에, 더 낮은 온도에서 작동 가능한 유체를 사용하여 작동영역을 확장시킬 필요가 있다.
(R.R. Riehl, T. Dutra, 2005, "Development of an experimental loop heat pipe for application in future space missions," Applied Thermal Engineering. Vol. 25, pp. 101-112.)의 연구에서는 암모니아를 대체하기 위한 작동유체로 아세톤 및 메탄올을 제시하고 있다. 이중 메탄올은 암모니아 대비 독성이 낮으며, 어는점이 낮아 더 낮은 온도에서 작동이 가능하다.
그러나 메탄올은 열적 물성치가 암모니아에 비해 낮아 작동유체로 사용시 히트파이프의 성능이 감소하며, 이는 고성능 가변열전도도 히트파이프를 제작하는데 한계점으로 작용한다.
따라서 메탄올 작동유체의 열전달 성능을 개선하기 위하여 열적 물성치를 향상시킬 필요가 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 메탄올 작동유체의 열적 물성치를 개선한 가변열전도도 히트파이프 구조체, 가변열전도도 히트파이프 구조체의 제조 방법 및 작동유체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들도 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면에 따른 가변열전도도 히트파이프 구조체는, 내부에 중공부가 길이 방향으로 형성되는 파이프 및 상기 중공부를 감싸는 상기 파이프의 내면을 따라 구비되는 윅(wick)을 포함하고, 상기 중공부에 작동유체 및 비응축 가스가 적어도 일부 충전되는 가변열전도도 히트파이프 구조체에 있어서, 상기 작동유체는 메탄올 기반 나노 유체를 포함하고, 상기 메탄올 기반 나노 유체는 메탄올과 알루미나 나노입자의 혼합물일 수 있다.
또한, 본원의 제2 측면에 따른 가변열전도도 히트파이프 구조체 제조 방법은, 내부에 중공부가 길이 방향으로 형성되는 파이프, 및 상기 중공부를 감싸는 상기 파이프의 내면을 따라 구비되는 윅(wick)을 포함하고, 상기 중공부에 작동유체 및 비응축 가스가 일부 충전되는 가변열전도도 히트파이프 구조체를 제조하는 방법에 있어서, (a) 메탄올 기반 나노 유체를 포함하는 상기 작동유체를 준비하는 단계; 및 (b) 상기 윅이 구비되는 상기 파이프에 상기 작동유체를 주입하는 단계를 포함하되, 상기 메탄올 기반 나노 유체는 메탄올과 알루미나 나노입자의 혼합물일 수 있다.
또한, 본원의 제3 측면에 따른 작동유체는 메탄올과 알루미나 나노입자의 혼합물인 메탄올 기반 나노 유체를 포함할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 열전달 성능이 낮은 기존 메탄올 작동유체에 알루미나 나노입자가 적용되어 기존 메탄올 작동유체 대비 열전도도가 향상되어 열적 물성치가 향상될 수 있고, 더불어 나노 윅 구조를 형성하여 모세관 성능이 향상될 수 있어 작동성능이 증가한 가변열전도도 히트파이프가 구현될 수 있다. 다시 말해, 메탄올 기반 나노유체 및 네온이 적용되어 열전달 성능을 유지하며 높은 안정성을 확보한 가변열전도도 히트파이프가 구현될 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 메탄올의 사진이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 알루미나 나노입자의 사진이다.
도 4a는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 메탄올과 알루미나 나노입자를 tip sonicator로 혼합하는 것을 도시한 사진이다.
도 4b는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 메탄올과 알루미나 나노입자가 혼합된 메탄올 기반 알루미나 나노유체의 사진이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의한 메탄올 기반 나노 유체의 농도에 따른 VCHP 최대 열전달량 변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 개략적인 평면도이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 윅(스크린 매쉬)의 사진이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 파이프의 사진이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 윅이 삽입된 파이프의 내부를 도시하기 위한 사진이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 실린더의 사진이다.
도 11a은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 실린더와 파이프의 결합된 부분을 도시한 사진이다.
도 11b는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 사진이다.
도 12a 및 도 12b는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 실린더와 파이프의 배치 상태에 따른 효과를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 13은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 파이프 내에 진공을 형성하는 단계를 설명하기 위한 사진이다.
도 14는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 인젝터에 작동유체를 충진하는 것을 설명하기 위한 사진이다.
도 15는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 파이프에 진공을 형성하고 나노유체 및 비응축 가스를 충진하는 것을 설명하기 위한 개념도이다.
도 16은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 파이프에 진공을 형성하기 위한 진공 배기장치 사진이다.
도 17은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 인젝터 사진이다.
도 18은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 작동유체를 인젝터에 충진하는 사진이다.
도 19는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 파이프의 일측부를 밀폐하는 것을 설명하는 사진이다.
도 20은 응축부 극저온 환경에서 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 증발부 온도 및 인가열량을 나타낸 그래프이다.
도 21은 응축부 고온 환경에서 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 증발부 온도 및 인가열량을 나타낸 그래프이다.
도 22 내지 도 25는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체에 있어서, 작동유체인 메탄올 기반 나노유체의 농도에 따라 윅에 형성된 나노 윅 구조를 나타낸 사진이다.
도 26은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 경사에 따른 최대 열전달 성능 변화를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원은 가변열전도도 히트파이프 구조체, 가변열전도도 히트파이프 구조체의 제조 방법 및 작동유체에 관한 것이다.
먼저, 이하에서는, 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체에 대한 설명에 앞서, 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법(이하 '본 제조 방법'이라 함)에 대해 설명한다.
본 제조 방법은 내부에 중공부가 길이 방향으로 형성되는 파이프(1) 및 중공부를 감싸는 파이프(1)의 내면(파이프(1)의 내면 중 적어도 일부)을 따라 구비되는 윅(wick)을 포함하고, 중공부에 작동유체 및 비응축 가스가 일부 충전되는 가변열전도도 히트파이프 구조체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이하에서 자세히 설명한다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 개략적인 순서도이고, 도 2는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 메탄올의 사진이며, 도 3은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 알루미나 나노입자의 사진이고, 도 4a는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 메탄올과 알루미나 나노입자를 tip sonicator로 혼합하는 것을 도시한 사진이며, 도 4b는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 메탄올과 알루미나 나노입자가 혼합된 메탄올 기반 알루미나 나노유체의 사진이다.
도 1을 참조하면, 본 제조 방법은 작동유체를 준비하는 단계(S100)를 포함한다. 작동유체는 메탄올 기반 나노 유체를 포함한다. 본 제조 방법에 있어서, 메탄올 기반 나노 유체는 메탄올과 알루미나 나노입자의 혼합물이다.
구체적으로, S100 단계는 메탄올과 알루미나 나노입자를 혼합할 수 있다. 도 2를 참조하면, 메탄올은 순도 99% 이상의 고순도 메탄올일 수 있다. 또한, 도 3을 참조하면, 알루미나 나노입자의 크기는 40 nm 이상 60 nm 이하일 수 있다. 즉, S100 단계는, 40 nm 이상 60 nm 이하 크기의 산화 알루미나 입자를 상기 알루미나 나노입자로서 상기 메탄올과 혼합하여 상기 작동유체를 준비할 수 있다. 이에 따르면, 본 제조 방법에 의해 제조되는 작동유체는 40 nm 이상 60 nm 이하 크기의 산화 알루미나 입자를 포함할 수 있다. nm 크기의 나노입자를 분산시킨 메탄올 기반 나노 유체(작동유체)는 Brownian Motion에 의하여 성능이 향상될 수 있고, Brownian Motion을 극대화시키기 위해 입자의 크기는 nm크기로 제한되며, 따라서 입자의 크기는 메탄올 기반 나노 유체 제작이 가능한 수십~수백 nm 크기가 유효할 수 있는데, 입자의 크기가 작을수록 나노유체에 의한 열전달 성능은 향상될 수 있으나, 입자 제작이 어렵기 때문에, 산화 알루미나 입자의 크기는 제작의 용이성 및 향상된 열전달 성능을 확보하는 측면에서 40 nm 이상 60 nm 이하 크기로 설정됨이 바람직하다.
또한, 도 4a를 참조하면, S100 단계는, 메탄올과 알루미나 나노입자가 tip sonicator로 혼합하여 메탄올 기반 나노 유체를 준비할 수 있다. 다시 말해, S100 단계는 tip sonicator를 사용하여 나노입자를 메탄올에 분산시킬 수 있다. 이에 따라, 메탄올과 나노입자가 혼입시 음파 에너지가 작용될 수 있다(가해질 수 있다.) 또한, tip sonicator를 사용하여 분산시키는 과정에서 S100 단계는, 3분 간 sonic 에너지를 가한 후 3분간 냉각을 거치는 과정을 총 3회 수행할 수 있다. 이는 sonic 에너지의 작용에 의해 메탄올이 가열되어 증발되는 것, 다시 말해, sonic 에너지의 작용에 의한 메탄올의 증발량 최소화하기 위함일 수 있다.
또한, 메탄올 기반 나노 유체는 0.5Vol% 이상 1.0Vol% 이하의 농도일 수 있다. S100 단계는 메탄올 기반 나노 유체는 0.5Vol% 이상 1.0Vol% 이하의 농도를 갖도록 메탄올 기반 나노 유체를 제조할 수 있고, 본 제조 방법은 공정 진행 중에 메탄올이 증발되어 소실될 경우, 메탄올의 증발량만큼 메탄올을 희석하여 상기 부피비(농도)를 유지할 수 있다.
참고로, S100 단계에 따라 준비된 메탄올 기반 나노 유체의 사진이 도 4b에 도시되어 있다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의한 메탄올 기반 나노 유체의 농도에 따른 VCHP 최대 열전달량 변화를 도시한 그래프이다.
상술한 바에 따르면, 본 제조 방법에 의해 제조되는 작동유체(메탄올 기반 나노 유체)는0.5Vol% 이상 1.0Vol% 이하의 농도를 가질 수 있다. 도 5를 참조하면, 열 전달량이 성능 향상이 0.5vol%(140% 향상) 이상 1.0Vol%(170% 향상) 이하에서 관측(관찰)된다. 이러한 열 전달 향상량에 따라, 본 제조 방법은 작동유체의 농도를 0.5Vol% 이상 1.0Vol% 이하로 결정할 수 있다.
또한, 상술한 바에 따르면, S100 단계는 제작하려는 부피 분율에 맞게 준비된 메탄올에 알루미나 나노입자를 혼합한 후 입자의 고른 분산을 위하여 tip sonicator를 이용할 수 있다. 이러한 S100 단계는 나노 유체 제작(제조) 단계라 할 수 있으며, 보다 구체적으로, 메탄올과 나노입자(알루미나 나노입자)를 혼입한 후 음파 에너지를 가하여 나노 유체를 제작하는 단계라 할 수 있을 것이다.
또한, 본 제조 방법은, 비응축 가스를 준비하는 단계를 포함할 수 있다. 비응축 가스는 네온을 포함할 수 있다. 비응축 가스를 준비하는 단계는 후술할 윅이 구비되는 파이프(1)에 작동유체를 주입하는 단계(S300) 이전에 수행될 수 있다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 개략적인 평면도이고, 도 7은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 윅(스크린 매쉬)의 사진이며, 도 8은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 파이프의 사진이고, 도 9는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 윅이 삽입된 파이프의 내부를 도시하기 위한 사진이며, 도 10은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 실린더의 사진이고, 도 11a은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 실린더와 파이프의 결합된 부분을 도시한 사진이며, 도 11b는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 사진이다. 참고로, 도 9는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 있어서, 파이프와 실린더를 조립하는 과정에서, 파이프 내 윅(스크린 매쉬)의 삽입형상 및 위치를 나타낸 것일 수 있고, 도 11a은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 있어서, 파이프와 실린더를 조립하는 과정에서, 레이저를 이용한 부품 결합면을 나타낸 사진일 수 있으며, 도 11b는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 있어서, 파이프와 실린더를 조립하는 과정에서, 비응축가스 실린더의 부착위치를 나타낸 사진일 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 본 제조 방법은 윅이 구비되는 파이프(1)를 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다. 파이프(1)를 준비하는 단계는 후술할 윅이 구비되는 파이프(1)에 작동유체를 주입하는 단계(S300) 이전에 수행될 수 있다.
예를 들어, 윅이 구비되는 파이프(1)를 준비하는 단계는, 도 7을 참조하면, 윅을 준비할 수 있고, 도 8을 참조하면, 파이프(1)를 준비할 수 있으며, 도 9를 참조하면, 윅을 파이프(1)의 내면에 대하여 배치할 수 있다. 이를테면, 파이프(1)에는 내부에 중공부가 길이 방향으로 형성될 수 있고, 윅이 구비되는 파이프(1)를 준비하는 단계는 중공부를 감싸는 파이프(1)의 내면을 따라 윅이 구비될 수 있다. 윅은 둥글게 말아져 파이프(1) 내부(중공부)에 삽입될 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 윅이 구비되는 파이프(1)를 준비하는 단계는, 실린더(2)가 연결된 파이프(1)를 준비할 수 있다. 구체적으로, 윅이 구비되는 파이프(1)를 준비하는 단계는, 파이프(1)의 중공부와 실린더(2)의 내부가 연통되도록, 파이프(1)의 타측부에 실린더(2)가 연결된 파이프(1)를 준비할 수 있다. 이에 따라, 윅이 구비되는 파이프(1)를 준비하는 단계는, 중공부에 윅이 구비되고 타측부에 실린더(2)가 연결된 파이프(1)를 준비할 수 있다. 참고로, 본 제조 방법에 의해 제조되는 가변열전도도 히트파이프 구조체에서 실린더(2)는 비응축 가스를 저장하는 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 후술할 S300 단계는 작동유체 및 비응축 가스를 파이프(1)에 주입할 수 있는데, 이때, 작동유체는 윅 속에 비응축 가스는 파이프(1) 내의 빈 공간 및 실린더(2) 내에 위치할 수 있다. 이에 따라, 본 제조 방법에 의해 제조되는 가변열전도도 히트파이프 구조체에 열량이 인가되면 작동유체는 증발하여 비응축 가스를 밀어낼 수 있고, 밀린 비응축 가스의 적어도 일부는 실린더(2) 내에 모이게 될 수 있다. 이때, 실린더(2)의 크기, 온도 등에 따라 비응축 가스의 압력이 결정될 수 있으므로, 실린더(2)의 크기, 온도 등에 따라 비응축 가스가 작동유체를 밀어내는 힘이 조절되어 본 제조 방법에 의해 제조되는 가변열전도도 히트파이프 구조체의 동작 온도가 조절될 수 있다. 따라서, 실린더(2)는 비응축 가스를 저장하고 압력을 제어하는 부품으로 정의될 수 있다.
윅이 구비되는 파이프(1)를 준비하는 단계에 대해 이하에서 보다 자세히 설명한다.
먼저, 도 7, 도 8 및 도 10을 참조하면, 윅이 구비되는 파이프(1)를 준비하는 단계는 윅(도 7 참조), 파이프(1)(도 8 참조) 및 실린더(2)(도 10 참조)를 준비하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 윅이 구비되는 파이프(1)를 준비하는 단계는 윅, 파이프(1) 및 실린더(2)를 세척하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 세척하는 단계는 윅, 파이프(1) 및 실린더(2)를 에틸 알코올로 세척할 수 있다. 이는 윅, 파이프(1) 및 실린더(2) 등과 같은 부품의 표면에 존재하는 이물질을 제거하기 위함일 수 있다. 세척은 5분 이내로 이루어질 수 있고, 충분한 세정(세척)을 위해 이러한 세척은 2-3회 반복 수행될 수 있다. 또한, 부품은 세척 후 상온에서 건조될 수 있다. 건조 시간은 20분 이상일 수 있고, 건조 장소는 통풍이 용이하고 외부 이물질이 유입되지 않는 Vent Box에서 수행될 수 있다. 이와 같이, 윅이 구비되는 파이프(1)를 준비하는 단계는 윅, 파이프(1) 및 실린더(2)를 준비한 후, 윅, 파이프(1) 및 실린더(2)를 에틸 알코올을 이용하여 세척할 수 있고, 세척 후 충분히 건조될 수 있으며, 이에 따라, 윅, 파이프(1) 및 실린더(2) 각각의 표면, 다시 말해, 윅, 파이프(1) 및 실린더(2)에 의해 제조되는 가변열전도도 히트파이프 구조체 표면의 이물질이 제거(Cleaning)될 수 있다.
또한, 윅이 구비되는 파이프(1)를 준비하는 단계는 윅, 파이프(1) 및 실린더를 조립하는 단계를 포함할 수 있다. 조립하는 단계는, 윅을 둥글게 말아 파이프(1) 내부에 삽입하고 실린더(2)를 파이프의 한쪽 끝(예시적으로 타측부)에 장착할 수 있다. 또는, 파이프(1)의 한쪽 끝(타측부)에 실린더(2)를 연결하고 파이프(1)의 다른 끝(일측부)를 통해 윅이 삽입될 수도 있다. 이러한 조립 과정에서, 도 9를 참조하면, 윅은 파이프(1) 내면(벽면)에 최대한 밀착되도록 삽입될 수 있다. 또한, 도 11a을 참조하면, 실린더(2)는 레이저(Laser) 용접에 의해 파이프(1)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 실린더(1)와 파이프(1)의 결합 면 둘레를 따라 용접이 이루어질 수 있다.
또한, 도 6, 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 실린더(2)와 파이프(1)는, 실린더(2)의 내부 중 중공부와 연통되는 부분과 중공부의 타측부가 서로 직각이 되도록 연결될 수 있다. 이는 실린더(2) 내로의 작동유체의 유입을 방지하기 위함일 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 실린더와 파이프의 배치 상태에 따른 효과를 설명하기 위한 개략적인 개념도이다.
도 12a를 참조하면, 실린더(2)의 길이 방향이 파이프(1)의 길이 방향과 평행하도록 실린더(2)가 파이프(1)의 타측부로부터 연장 구비되는 경우, 가변열전도도 히트 파이프 구조체의 타측부가 일측부보다 하측에 위치하도록 기울어지게 될때, 다시 말해 파이프(1)의 타측부가 일측부보다 하측에 위치하도록 실린더(2)쪽으로 기울어지게 될 때 작동유체가 실린더(2) 내로 흘러들어갈 수 있다. 이 경우, 유입된 작동 유체가 파이프(1) 내로 돌아가지 못하게 되어 파이프(1) 내의 작동유체가 부족해질 수 있고, 이에 따라 가변열전도도 히트파이프 구조체의 작동이 멈출 수 있다. 반면에, 도 12b를 참조하면, 실린더(2)의 내부 중 중공부와 연통되는 부분과 중공부의 타측부가 서로 직각이 되도록 연결되는 경우, 이를 테면, 실린더(2)의 길이 방향과 파이프(1)의 길이 방향이 직각이 되도록 실린더(2)가 파이프(1)의 타측부에 구비되는 경우, 파이프(1)의 타측부가 일측부보다 하측에 위치하도록 실린더(2)쪽으로 기울어진 상태가 되더라도, 실린더(2) 내로의 작동유체의 유입이 방지될 수 있고, 작동유체가 실린더(2) 내로 유입되는 경우에도 중력에 의해 작동유체가 파이프(1) 내로 유입될 수 있다.
참고로, 본원에 있어서, 윅은 스크린 매쉬일 수 있다. 구체적으로, 윅은 선경 0.05mm 이상 0.18mm 이하, 개구율 70% 이상 90%이하인 스크린 매쉬일 수 있다. 또한, 파이프(1)는, 길이 100mm 이상 1000mm 이하, 외경 6.35mm 이상 9.5mm 이하, 두께 0.5mm 이상 0.8mm 이하일 수 있다. 또한, 파이프(1)는 재질이 금속을 포함할 수 있다. 또한, 실린더(2)의 내부 용적은 10cc 이상 25cc 이하, 내압성능 100bar 이상일 수 있다. 또한, 실린더(2)의 재질은 금속(이를 테면, 스테인레스 스틸 혹은 구리)을 포함할 수 있다. 이러한 실린더(2)는 금속 실린더일 수 있다.
도 13은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 파이프 내에 진공을 형성하는 단계를 설명하기 위한 사진이고, 도 14는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 인젝터에 작동유체를 충진하는 것을 설명하기 위한 사진이며, 도 15는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 파이프에 진공을 형성하고 나노유체 및 비응축 가스를 충진하는 것을 설명하기 위한 개념도이고, 도 16은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 파이프에 진공을 형성하기 위한 진공 배기장치 사진이며, 도 17은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 인젝터 사진이고, 도 18은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 작동유체를 인젝터에 충진하는 사진이며, 도 19는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법의 파이프의 일측부를 밀폐하는 것을 설명하는 사진이다. 참고로, 도 13은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 있어서, 튜브와 밸브의 사진일 수 있고, 도 19는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 있어서, 절단기를 이용하여 파이프와 연결된 튜브를 절단하고 주입부를 밀폐한 사진일 수 있다.
본 제조 방법은 윅이 구비되는 파이프(1)에 작동유체를 주입하는 단계(S300)를 포함할 수 있다. S300 단계는 작동유체 및 비응축 가스를 파이프(1)에 주입할 수 있다. S300 단계 이전에 준비되는 파이프(1)에 실린더(2)가 장착된다면, 작동유체 및 비응축 가스 중 적어도 하나는 실린더(2) 내로 유입될 수 있다. 따라서, 이하에서 파이프(1) 내에 진공을 형성하는 것, 파이프(1)에 작동유체 및 비응축 가스를 충진하는 것 등은, 파이프(1)외에 파이프(1)에 연결된 실린더(2)에 대해서도 수행되는 것을 의미할 수 있다.
도 13을 참조하면, 본 제조 방법에 있어서, S300 단계는 파이프(1)의 중공부에 진공을 형성하고(도 13 참조) 인젝터에 작동유체 및 비응축 가스를 충진(도 14 참조)하는 단계를 포함할 수 있다. 파이프(1)에 진공을 형성하고 인젝터를 충진하는 단계가 파이프(1) 내에 진공을 형성하는 이유는 금속 표면인 파이프(1)의 내면에 붙잡혀 있는 잔여 가스를 제거함과 동시에 파이프(1)의 내부 압력을 낮추어 그 내부에 작동유체가 충진된 이후, 충진된 작동유체가 적은 열량으로도 쉽게 증발하게 하기 위함일 수 있다.
예를 들어, 도 13을 참조하면, 진공을 형성하는 단계는 파이프(1)를 진공 펌프와 연결하여 파이프(1) 내에 진공을 형성할 수 있다. 이때, 중공부(파이프(1))의 일측부가 진공 펌프와 연결될 수 있다. 구체적으로, 도 13 및 도 15를 참조하면, 진공 펌프와 파이프(1)의 연결은 튜브(진공 튜브) 및 진공밸브에 의해 이루어질 수 있다. 다시 말해, 중공부의 일측부와 진공 펌프는 튜브에 의해 연결될 수 있고, 중공부와 진공 펌프 사이에 진공밸브가 구비될 수 있다. 이에 따라, 진공 펌프의 개방 및 폐쇄 여부에 따라 진공 펌프가 중공부에 진공을 형성하거나 진공 형성이 해제될 수 있다. 이에 대해서는 자세히 후술한다.
참고로, 진공 형성 작업에서 사용되는 진공 펌프는 진공 펌프는 로터리 진공 펌프(Rotary Vacuum Pump) 혹은 터보 진공 펌프(Turbo Vacuum Pump)일 수 있으며, 배기성능은 60L/min 이상일 수 있다. 또한 진공 펌프와 히트파이프 사이에는 진공 펌프의 오일 역류방지를 위한 진공챔버(Vacuum Chamber), 진공 밸브(Vacuum Valve) 및 진공센서(Vacuum Sensor) 중 하나 이상이 구비(장착)될 수 있다. 또한, 도 16을 참조하면, 파이프(1)에 진공을 형성하고 인젝터를 충진하는 단계는 파이프(1)의 내부 진공도를 측정하기 위해 진공센서(Vacuum Sensor)를 사용할 수 있으며, 진공센서에서 측정된 파이프(1)(본 제조 방법에 의해 제조되는 가변열전도도 히트파이프)의 진공도는 5Х10-4이하에서 유지될 수 있다.
또한, 파이프(1)에 진공을 형성하고 인젝터를 충진하는 단계는 인젝터에 작동유체 및 비응축 가스를 충진할 수 있다. 도 17을 참조하면, 인젝터는 실린더 형태일 수 있다. 또한, 60cc의 용량을 가질 수 있다. 또한, 파이프(1)에 진공을 형성하고 인젝터를 충진하는 단계는 인젝터에 작동유체 및 비응축 가스를 순차적으로 충진할 수 있다. 예를 들어, 파이프(1)에 진공을 형성하고 인젝터를 충진하는 단계는 인젝터에 작동유체를 먼저 주입하고 그 후, 비응축 가스를 주입할 수 있다. 또한, 도 18을 참조하면, 파이프(1)에 진공을 형성하고 인젝터를 충진하는 단계는 비응축 가스를 충진하기 위해 인젝터를 레귤레이터에 연결하기 전 비응축가스를 흘려주어 관 내 잔여 가스를 제거하고 인젝터를 연결하여 비응축 가스를 충진할 수 있다. 참고로, 본원에 있어서, 파이프(1) 내에 진공을 형성하는 것과 인젝터에 작동유체 및 비응축 가스를 충진하는 것의 선후 관계는 공정 환경과, 필요에 따라 정해질 수 있다.
또한, S300 단계는 중공부의 일측부와 인젝터를 연결하여 비응축 가스 및 작동유체를 중공부에 충진시키는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 바에 따르면 S300 단계는 이하와 같이 수행될 수 있다.
도 15를 참조하면, S300 단계는 파이프(1)에 진공을 형성하고 인젝터를 충진하는 단계 이전에 중공부의 일측부에 튜브의 일단을 연결하는 단계를 포함할 수 있다. 튜브의 타단부는 분기되어 상술한 진공밸브 및 유체주입밸브 각각과 연결될 수 있고, 상술한 바와 같이, 진공밸브는 상술한 진공 펌프와 연결될 수 있다.
이에 따라, 상술한 파이프(1)에 진공을 형성하고 인젝터를 충진하는 단계는 파이프(1)의 중공부와 튜브에 의해 연결된 진공밸브를 개방하여 진공 펌프와 파이프(1)의 중공부를 연결하여 중공부 내에 진공을 형성할 수 있다. 이때, 유체주입밸브는 폐쇄된 상태일 수 있다.
또한, S300 단계는 비응축 가스 및 작동유체를 중공부에 충진시키는 단계 이전에 비응축 가스 및 작동유체가 주입된 인젝터를 유체주입밸브와 연결하는 단계를 포함하며, 비응축 가스 및 작동유체를 중공부에 충진시키는 단계는 유체주입밸브를 개방하여 인젝터와 파이프(1)의 중공부를 연통시킬 수 있다. 이때, 인젝터와 중공부의 연통 이전에 파이프(1) 내에는 진공이 형성되어 있었는바, 유체주입밸브가 개방되면 파이프(1) 내의 진공으로 인해(다시 말해, 기압 차로 인해) 인젝터에 충진된 작동유체 및 비응축가스가 파이프(1) 내로 유입될 수 있다. 다시 말해, 비응축 가스 및 작동유체를 중공부에 충진시키는 단계는 인젝터를 유체주입밸브에 연결할 수 있고, 진공밸브를 닫은 후 유체주입 밸브를 개방할 수 있으며, 이에 따라, 파이프(1)(가변열전도도 히트파이프) 내부 진공으로 인해 인젝터에 충진된 작동유체 및 비응축가스가 파이프(1) 내로 유입될 수 있다.
또한, 도 19를 참조하면, S300 단계는 비응축 가스 및 작동유체를 중공부에 충진시키는 단계 이후에, 파이프(1)의 중공부와 유체주입밸브의 연결 및 중공부와 진공밸브의 연결 각각을 해제하고 밀봉(폐쇄)하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 튜브(또는 파이프(1))가 절단되고 밀봉될 수 있다. 절단은 절단기에 의해 수행될 수 있고, 절단면은 압착되어 기밀성을 유지할 수 있다. 또한, 절단된 부분(절단면)은 접착제에 의해 작동유체 누출이 일어나지 않도록 밀봉될 수 있다.
참고로, 본 제조 방법에 있어서, 작동유체는 윅 부피의 170%(이를 테면 7.5cc)가 충진 될 수 있으며, 사용목적에 따라 충진량은 변화할 수 있다. 또한, 네온은 25cc실린더 기준 25cc 충진될 수 있고, 실린더의 체적 및 사용목적에 따라 충진량 및 비응축가스의 종류는 변할 수 있다.
본 제조 방법에 의해 제조되는 가변열전도도 히트파이프 구조체는 메탄올 기반 나노유체를 작동유체로 포함하고 네온을 비응축 가스로 포함할 수 있다. 이에 따른 효과는 이하와 같을 수 있다.
심우주 환경에서 작동하는 냉각 시스템은 일반적 작동환경에서 열전달을 수행함과 동시에 극저온 및 고온 환경에서는 내부 전자장비의 손상을 방지하기 위해 외부의 열이 차단되어야 한다. 그런데, 응축부 온도가 작동유체의 어는점 보다 높은 경우 가변열전도도 히트파이프는 기존 히트파이프와 동일하게 작동유체의 상변화를 통해 증발부에서 응축부로 열전달을 수행할 수 있으나, 응축부 온도가 작동유체 어는점 이하로 냉각될 경우 가변열전도도 히트파이프 내 작동유체가 빙결될 수 있고, 이에 따라 내부 빈 공간이 비응축 가스로 채워질 수 있으며, 이로 인해 열전달이 발생하지 않아 응축부 온도 변화에 관계없이 증발부 온도가 일정하게 유지될 수 있다.
반대로 응축부 온도가 증발부 온도 이상으로 상승하는 경우 실린더 및 응축부에 위치하던 비응축가스는 상대적으로 온도가 낮은 증발부로 이동하게 되며, 이에 따라 증발부 영역이 비응축가스에 의해 비활성화된다. 따라서 응축부 온도가 고온으로 상승하는 경우에도 증발부 온도는 일정하게 유지된다.
정리하면, 가변열전도도 히트파이프는 응축부 온도에 따라 비응축가스가 차지하는 영역이 달라지며, 극저온 및 고온 환경에서 비응축가스에 의해 가변열전도도 히트파이프의 각 부분이 선택적으로 비활성화되어 증발부 온도를 일정하게 유지하는 특성을 가진다.
또한, 비응축가스의 경우 극저온 환경에서 응축되지 않고 가변열전도도 히트파이프 내부를 안정적으로 비활성화 시켜야 하며, 이에 대하여 본 제조 방법은 최저100K(-173℃)의 극저온 환경에서 안정적으로 작동하기 위해27K(-246℃)의 어는점과 44K(-229℃)의 임계점을 가지는 네온을 비응축가스로 사용할 수 있다.
또한, 기존 심우주 극한환경용 히트파이프 및 가변열전도도 히트파이프는 암모니아를 작동유체로 사용하였다. 이는 암모니아는 열 전달량이 크고 어는점이 -78℃로 낮아 극저온 환경인 심우주 공간에서 사용하기 적합하기 때문이다. 그러나 암모니아는 생명체에 치명적인 독성을 가지고 있고 포화압력(Saturation Pressure)가 높아 운용 중 히트파이프 파손 위험이 높아 작동유체 누출 시 탑승자에게 치명적일 수 있다.
본 제조 방법에 의하면, 이 점이 보완될 수 있는데, 본 제조 방법은 메탄올 기반 나노유체를 가변열전도도 히트파이프의 작동유체로 사용할 수 있고, 이에 따르면, 메탄올의 독성이 암모니아에 비해 상대적으로 낮고 포화압력 또한 암모니아보다 크게 낮으므로, 운용 중의 히트파이프의 안정성이 크게 개선될 수 있다.
또한, 메탄올의 낮은 열 물성치로 인해 가변열전도도 히트파이프의 열전달 성능이 감소될 수 있으나, 본 제조 방법은 메탄올에 알루미나 나노입자를 혼합하여 사용함으로써 방지될 수 있다.
구체적으로, 나노유체를 가변열전도도 히트파이프의 작동유체로 사용하는 경우 증발부에서 유체가 증발함에 따라 입자가 윅에 침전되어 나노구조를 형성하게 되며, 이로 인하여 윅의 모세관력이 향상될 수 있다. 윅의 모세관력은 스크린 매쉬의 기공 크기를 감소 시킴으로써 향상될 수 있으나, 동시에 윅을 지나는 유체의 유동저항 증가로 인해 유량이 감소하며, 따라서 최대 열전달성능이 더 이상 증가하지 못하는 한계점이 있다. 반면에, 나노 윅 구조로 형성된 미세기공의 경우 유동저항 증가를 최소화 하면서 기공의 크기가 극단적으로 작아지기 때문에 가변열전도도 히트파이프의 열전달 성능이 크게 향상된다.
또한, 기존 히트파이프 및 가변열전도도 히트파이프는 증발부가 응축부보다 높게 위치하는 역경사 조건에서 성능이 급격히 감소한다. 따라서, 탐사선을 운용할 경우 탐사환경에서 만날 수 있는 경사조건에서 가변열전도도 히트파이프의 성능이 유지될 필요가 있다. 본 제조 방법에 따르면, 메탄올 기반 알루미나 나노유체가 작동유체로 사용될 수 있으므로, 모세관력이 향상될 수 있고, 향상된 모세관력은 역경사 환경에서 유체의 순환력을 증가시킬 수 있으며, 이에 따라 역경사 환경에서 가변열전도도 히트파이프의 열전달 성능 또한 증가될 수 있다. 정리하면, 본 제조 방법에 따르면, 가변열전도도 히트파이프의 작동유체로 암모니아 대신 메탄올 기반의 나노유체가 사용될 수 있으므로, 안정성 및 열전달 성능이 크게 향상되며, 더불어 역경사 환경에서의 열전달 성능 또한 증가될 수 있다.
또한 본 제조 방법에 의하면, 광범위한 외부온도 변화에 무관하게 가변열전도도 히트파이프의 증발부 온도를 일정하게 유지 가능하며 높은 열전달량을 가지기 때문에 광범위한 시스템들에 적용이 가능하다.
또한 본 제조 방법에 의하면, 가변열전도도 히트파이프의 제작 과정이 복잡하지 않기 때문에 효율적이고 경제적이다.
예를 들어, 종래에, 히트파이프의 열전달 성능 향상을 위해 작동유체로 나노유체를 적용한 사례(나노유체를 이용한 히트파이프, 20-2003-0025600, 2006년 01월 01일)가 있는데, 상기 사례에서 제시한 사례는 물을 작동유체로 사용하는 일반 히트파이프로서 심우주의 외부환경 변화에 무관하게 증발부 온도를 일정하게 유지할 수 없으며, 나노유체 사용 시 구체적인 성능향상폭을 제시하지 않았으며, 역경사 조건에서의 운용결과를 도시하지 않았다.
또한, 종래에 행해진 나노유체를 이용한 가변열전도도 히트파이프의 열전달 특성을 향상시킨 연구(H.G. Hameed, A.M.A. Rageb, Experimental investigation of thermal performance of variable conductance cylindrical heat pipe using nanofluid, International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering. 14 (2014) 27-32.)와 본 제작방법을 비교하였을 때 기존 연구는 물 기반 산화구리 나노유체를 사용하여 물 대비 히트파이프의 열전달 성능을 향상시킨 점에서는 동일하지만 어는점이 높아 심우주 극저온 환경에서 사용하기 부적합하다.
또한, 메탄올을 심우주 극저온 환경용 작동유체로 제시한 연구와 본 제작방법을 비교하였을 때 기존 연구는 메탄올을 사용하여 암모니아를 사용하였을 때 대비 독성 및 운용 안정성을 향상시킨 점에 있어서는 본 발명과 동일하나 열적 물성치가 낮은 메탄올을 사용함에 따른 히트파이프의 성능 감소를 해결하지 못하여 본 발명에 비해 부족함이 있다.
반면에, 본 제작방법에 의하면, 안정성이 높으며, 메탄올 기반 알루미나 나노유체를 작동유체로 사용하고 네온을 비응축 가스로 사용함으로써, 메탄올을 사용함에 따른 열전달 성능 감소를 히트파이프의 구조 변경 없이 간단하게 보완 가능한 메탄올 기반 알루미나 나노유체 및 비응축가스인 네온을 이용한 가변열전도도 히트파이프를 구현할 수 있다.
이하에서는 본 제조 방법에 따라 제조되는 가변열전도도 히트파이프의 히트파이프의 작동특성 및 메탄올 기반 나노유체를 사용하였을 경우 효과를 사진 및 그래프로 보다 자세히 설명한다.
도 20은 응축부 극저온 환경에서 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 증발부 온도 및 인가열량을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 20은 극저온 환경에서 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 작동특성을 나타낸 것으로, 응축부 온도가 -173
Figure 112018086694905-pat00001
까지 하강하는 동안 증발부 온도 및 열량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 20을 참조하면, 메탄올을 작동유체로 사용한 가변 열전도도 히트파이프는 -90
Figure 112018086694905-pat00002
까지 열전달이 가능함을 확인할 수 있고, 그 이하의 온도에서는 비응축가스가 응축부 전체를 차단하여 응축부 온도 변화에 관계없이 증발부 온도가 70
Figure 112018086694905-pat00003
근처에서 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다.
도 21은 응축부 고온 환경에서 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 증발부 온도 및 인가열량을 나타낸 그래프이다. 구체적으로, 도 21은 이상 고온 환경에서 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 작동 특성을 나타낸 것으로, 응축부 온도가 120℃이상으로 유지되는 동안 증발부 온도를 나타낸 그래프이다.
도 21을 참조하면, 응축부 온도가 120
Figure 112018086694905-pat00004
에서 상승하는 동안 증발부 온도는 70
Figure 112018086694905-pat00005
근처에서 유지되어 이상 고온환경에서 외부 열 유입을 차단하는 것을 알 수 있다. 즉, 본 제조 방법에 의해 제조되는 가변열전도도 히트파이프는 극저온 및 고온 외부환경으로부터 장착된 전자장비의 온도를 일정하게 유지할 수 있음을 알 수 있다.
도 22 내지 도 25는 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체에 있어서, 작동유체인 메탄올 기반 나노유체의 농도에 따라 윅에 형성된 나노 윅 구조를 나타낸 사진이다. 구체적으로 도 22는 메탄올을 작동유체로 사용한 경우이고, 도 23은 0.5Vol%의 메탄올 기반 알루미나 나노유체를 작동유체로 사용한 경우이며, 도 24는 0.7Vol%의 메탄올 기반 알루미나 나노유체를 작동유체로 사용한 경우이고, 도 25는 1.0Vol%의 메탄올 기반 알루미나 나노유체를 작동유체로 사용한 경우이다.
도 22 내지 도 25를 참조하면, 농도가 증가할수록 나노 윅 구조가 점차 매쉬 표면에 조밀하게 형성되는 것을 알 수 있으며, 1.0Vol%에서는 과도하게 형성된 나노 윅 구조가 매쉬의 기공크기를 감소시킴을 알 수 있다. 즉, 메탄올 기반 나노유체는 윅 표면에 미세 기공을 형성하여 성능을 향상시키며, 농도가 지나치게 상승할 경우 침전된 나노입자가 스크린 매쉬의 기공을 막아 유체의 압력강하를 증가시키고, 이로 인해 최대 열전달 성능이 오히려 감소함을 알 수 있다.
도 26은 본원의 일 실시예에 따른 히트파이프 구조체 제조 방법에 의해 제조되는 히트파이프 구조체의 경사에 따른 최대 열전달 성능 변화를 나타낸 그래프이다.
도 26을 참조하면, θ < 0° 로 증발부가 응축부보다 높이 위치하는 역경사 조건에서 가변열전도도 히트파이프의 성능은 감소하며 수평에서 100W의 최대 열전달 성능을 가지는 메탄올을 작동유체로 사용한 가변열전도도 히트파이프는 -3.3°의 경사조건에서 20W로 성능이 감소한다. 반면에 0.7Vol%의 메탄올 기반 알루미나 나노유체를 가변열전도도 히트파이프의 작동유체로 사용하는 경우 최대 열전달량은 -3.3°에서 40W로 100% 이상 증가하며, 수평조건에서 115W로 메탄올을 작동유체로 사용하였을 때 대비 15% 향상됨을 알 수 있다.
또한 본 제조방법에 의하면, 종래의 가변열전도도 히트 파이프를 설계변경할 필요 없이 작동유체만을 변경하는 것으로 성능이 향상되기 때문에 경제적일 수 있다.
이하에서는, 본원의 일 실시예에 따른 가변열전도도 히트파이프 구조체(이하 '본 히트파이프 구조체'라 함)에 대해 설명한다. 다만, 본 히트파이프 구조체는 앞서 살핀 본 제조 방법에 의해 제조될 수 있는 것으로서, 본 히트파이프 구조체의 설명과 관련하여 앞서 살핀 본 제조 방법에서 설명한 구성과 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고, 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
본 히트 파이프 구조체는 내부에 중공부가 길이 방향으로 형성되는 파이프(1) 및 중공부를 감싸는 파이프(1)의 내면을 따라 구비되는 윅(wick)을 포함하고, 중공부에 작동유체 및 비응축 가스가 일부 충전되는 가변열전도도 히트파이프 구조체에 관한 것이다.
본 히트파이프 구조체에 있어서, 작동유체는 메탄올 기반 나노 유체를 포함한다. 또한, 메탄올 기반 나노 유체는 메탄올과 알루미나 나노입자의 혼합물이다.
알루미나 나노입자는 40 nm 이상 60 nm 이하 크기의 산화 알루미나 입자일 수 있다.
또한, 메탄올 기반 나노 유체는 0.5Vol% 이상 1.0Vol% 이하의 농도일 수 있다.
또한, 메탄올 기반 나노 유체는 메탄올과 알루미나 나노입자가 tip sonicator에 의해 혼합될 수 있다.
또한, 본 히트 파이프 구조체에 있어서, 윅은 스크린 매쉬일 수 있다. 예를 들어, 윅은 선경 0.05mm 이상 0.18mm 이하, 개구율 70% 이상 90%이하인 스크린 매쉬일 수 있다.
또한, 도 1 및 도 3을 참조하면, 본 히트 파이프 구조체는, 내부가 상기 중공부와 연통되게 파이프의 타측부와 연통되는 실린더(2)를 포함할 수 있다.
실린더(2)는, 내부의 상기 중공부와 연통되는 부분과 상기 중공부의 타측부가 서로 직각이 되도록, 상기 파이프(1)와 연결될 수 있다.
또한, 파이프(1)는, 길이 100mm 이상 1000mm 이하, 외경 6.35mm 이상 9.5mm 이하, 두께 0.5mm 이상 0.8mm 이하일 수 있다. 또한, 파이프(1)는 재질이 금속을 포함할 수 있다. 또한, 실린더(2)의 내부 용적은 10cc 이상 25cc 이하, 내압성능 100bar 이상일 수 있다. 또한, 실린더(2)의 재질은 금속(이를 테면, 스테인레스 스틸 혹은 구리)을 포함할 수 있다. 이러한 실린더(2)는 금속 실린더일 수 있다.
또한, 이하에서는, 본원의 일 실시예에 따른 작동유체(이하 '본 작동유체'라 함)에 대해 설명한다. 다만, 본 작동유체는 앞서 살핀 본 제조 방법에 의해 제조되거나, 앞서 살핀 본 히트파이프 구조체에 적용될 수 있는 것으로서, 본 작동유체의 설명과 관련하여 앞서 살핀 본 제조 방법 및 본 히트파이프 구조체에서 설명한 구성과 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고, 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
본 작동유체는 메탄올과 알루미나 나노 입자의 혼합물인 메탄올 기반 나노 유체를 포함한다.
알루미나 나노입자는 40 nm 이상 60 nm 이하 크기의 산화 알루미나 입자일 수 있다.
또한, 메탄올 기반 나노 유체는 0.5Vol% 이상 1.0Vol% 이하의 농도일 수 있다.
또한, 메탄올 기반 나노 유체는 메탄올과 알루미나 나노입자가 tip sonicator에 의해 혼합될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 파이프
2: 실린더

Claims (17)

  1. 내부에 중공부가 길이 방향으로 형성되는 파이프 및 상기 중공부를 감싸는 상기 파이프의 내면을 따라 구비되는 윅(wick)을 포함하고, 상기 중공부에 작동유체 및 비응축 가스가 적어도 일부 충전되는 가변열전도도 히트파이프 구조체에 있어서,
    상기 작동유체는 메탄올 기반 나노 유체를 포함하고,
    상기 가변열전도도 히트파이프 구조체는 심우주 환경에 적용되는 것이고,
    상기 메탄올 기반 나노 유체는 메탄올과 알루미나 나노 입자의 혼합물이며,
    상기 알루미나 나노 입자는 40 nm 이상 60 nm 이하 크기의 산화 알루미나 입자이고,
    상기 메탄올 기반 나노 유체는 0.7Vol% 농도이고,
    상기 메탄올 기반 나노 유체에 의해, 상기 메탄올 기반 나노 유체의 미적용시 대비 상기 윅의 모세관력이 향상되는 것인, 가변열전도도 히트파이프 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비응축 가스는 네온을 포함하는 것인, 가변열전도도 히트파이프 구조체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 메탄올 기반 나노 유체는, 상기 메탄올과 상기 알루미나 나노 입자가 팁 소니케이터(tip sonicator)에 의해 혼합되는 것인, 가변열전도도 히트파이프 구조체.
  6. 내부에 중공부가 길이 방향으로 형성되는 파이프, 및 상기 중공부를 감싸는 상기 파이프의 내면을 따라 구비되는 윅(wick)을 포함하고, 상기 중공부에 작동유체 및 비응축 가스가 일부 충전되는 가변열전도도 히트파이프 구조체를 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 메탄올 기반 나노 유체를 포함하는 상기 작동유체를 준비하는 단계; 및
    (b) 상기 윅이 구비되는 상기 파이프에 상기 작동유체를 주입하는 단계를 포함하되,
    상기 가변열전도도 히트파이프 구조체는 심우주 환경에 적용되는 것이고,
    상기 메탄올 기반 나노 유체는 메탄올과 알루미나 나노 입자의 혼합물이며,
    상기 (a) 단계는, 40 nm 이상 60 nm 이하 크기의 산화 알루미나 입자를 상기 알루미나 나노 입자로서 상기 메탄올과 혼합하여 상기 작동유체를 준비하고,
    상기 (a) 단계에서, 상기 메탄올 기반 나노 유체는 0.7Vol% 농도이며,
    상기 메탄올 기반 나노 유체에 의해, 상기 메탄올 기반 나노 유체의 미적용시 대비 상기 윅의 모세관력이 향상되는 것인, 가변열전도도 히트파이프 구조체 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 메탄올과 상기 알루미나 나노 입자를 팁 소니케이터(tip sonicator)로 혼합하여 상기 메탄올 기반 나노 유체를 준비하는 것인, 가변열전도도 히트파이프 구조체 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 (b) 단계 이전에,
    (c) 네온을 포함하는 비응축 가스를 준비하는 단계를 더 포함하고,
    상기 (b) 단계는,
    상기 작동유체 및 상기 비응축 가스를 주입하는 것인, 가변열전도도 히트파이프 구조체 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    (b1) 상기 파이프의 중공부에 진공을 형성하고, 인젝터에 상기 작동유체 및 상기 비응축 가스를 충진하는 단계; 및
    (b2) 상기 중공부의 일측부와 상기 인젝터를 연결하여 상기 비응축 가스 및 상기 작동유체를 상기 중공부에 충진시키는 단계를 포함하되,
    상기 (b2) 단계에서, 상기 비응축 가스 및 상기 작동유체는 상기 중공부와 상기 인젝터의 기압차에 의해 상기 중공부 내로 유입되는 것인, 가변열전도도 히트파이프 구조체 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (b) 단계는, 상기 (b1) 단계 이전에,
    (b3) 상기 파이프를 유체주입밸브 및 진공밸브 각각과 연결하기 위한 튜브의 일단을 상기 중공부의 일측부와 연결하는 단계를 포함하되,
    상기 튜브의 타단부는 분기되어 상기 유체주입밸브 및 상기 진공밸브 각각과 연결되고, 상기 진공밸브는 진공 펌프와 연결되며,
    상기 (b) 단계는, 상기 (b2) 단계 이전에,
    (b4) 상기 유체주입밸브와 상기 인젝터를 연결하는 단계를 포함하며,
    상기 (b1) 단계는, 상기 진공밸브를 개방하여 상기 진공 펌프로 상기 중공부에 진공을 형성하고,
    상기 (b2) 단계는, 상기 유체주입밸브를 개방하여 상기 인젝터와 상기 중공부를 연통시키는 것인, 가변열전도도 히트파이프 구조체 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 (b2) 단계 이후에, 상기 중공부의 상기 유체주입밸브 및 상기 진공밸브 각각에 대한 연결을 해제하고 밀봉하는 단계를 더 포함하는, 가변열전도도 히트파이프 구조체 제조 방법.
  14. 내부에 중공부가 길이 방향으로 형성되는 파이프, 및 상기 중공부를 감싸는 상기 파이프의 내면을 따라 구비되는 윅(wick)을 포함하고, 상기 중공부에 작동유체 및 비응축 가스가 일부 충전되는 가변열전도도 히트파이프 구조체의 작동유체에 있어서,
    메탄올과 알루미나 나노 입자의 혼합물인 메탄올 기반 나노 유체를 포함하되,
    상기 가변열전도도 히트파이프 구조체는 심우주 환경에 적용되는 것이고,
    상기 알루미나 나노 입자는 40 nm 이상 60 nm 이하 크기의 산화 알루미나 입자이고,
    상기 메탄올 기반 나노 유체는 0.7Vol% 농도이고,
    상기 메탄올 기반 나노 유체에 의해, 상기 메탄올 기반 나노 유체의 미적용시 대비 상기 윅의 모세관력이 향상되는 것인, 작동유체.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제14항에 있어서,
    상기 메탄올 기반 나노 유체는, 상기 메탄올과 상기 알루미나 나노 입자가 팁 소니케이터(tip sonicator)에 의해 혼합되는 것인, 작동유체.
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