KR102205094B1 - 고효율 냉각용 히트파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 냉각용 히트파이프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비접촉상태의 발열체로부터 발생하는 열을 흡수하여 발열체를 냉각시키기 위한 고효율 냉각용 히트파이프에 관한 것이다.
본 발명의 고효율 냉각용 히트파이프는, 밀폐된 내부공간에 작동유체를 수용하는 유체관; 및 상기 유체관 내부에 상기 유체관과 나란히 설치되어 상기 유체관을 관통하는 냉각수관으로 이루어지고, 상기 유체관은 볼록부가 나선형태로 감싸는 형상으로 이루어지며, 상기 볼록부의 위치에 대응되는 유체관의 내측에는 오목홈이 형성되고, 상기 오목홈에는 상기 유체관의 길이방향을 따라 작동유체가 분할 수용되며, 외부 열을 흡수하여 기화된 작동유체와 상기 냉각수관을 통과하는 냉각수 사이에 열전달이 이루어져 상기 냉각수관을 통과하는 냉각수를 통해 흡수된 열을 배출하는 것을 특징으로 한다.

Description

고효율 냉각용 히트파이프{High-efficiency heatpipe}

본 발명은 고효율 냉각용 히트파이프에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비접촉상태의 발열체로부터 발생하는 열을 흡수하여 발열체를 냉각시키기 위한 고효율 냉각용 히트파이프에 관한 것이다.

데이터 센터에 구비되는 서버, 네트워크 장비, 엔터프라이즈 장비 등은 열을 발생시킨다. 따라서 이러한 장비들을 운영하는 데이터 센터는 열을 냉각시키기 위한 대구모의 설비도 함께 운영하고 있다.

서버는 대체로 데이터 센터 내의 랙(rack)에 위치한다. 랙을 위한 물리적 구성은 다양하다. 전형적인 랙 구성은 장착 레일을 포함하며, 장착 레일에는 서버 블레이트와 같은 다수의 장비 유닛이 장착되어 랙 내부에서 수직으로 적층된다. 가장 널리 사용되는 19인치 랙 중의 하나는 1U 또는 2U 서버와 같은 장비를 장착하기 위한 표준시스템이다. 이 형태의 랙 상의 하나의 랙 유닛은 높이가 175인치이고, 폭이 19인치이다. 하나의 랙 유닛에 설치될 수 있는 랙 장착 유닛(RMU : Rack-Mounted Unit)서버는 일반적으로 1U 서버로 불린다. 데이터 센터에서 표준 랙은 보통 서버, 저장 장치, 스위치 및/또는 통신 장비가 조밀하게 자리를 차지하고 있다. 일부 데이터 센터에서 밀도를 높이고 노이즈를 감소시키도록 팬이 없는 RMU 서버가 사용된다.

데이터 센터룸은 서버, 특히 팬이 없는 서버의 신뢰성 있는 동작을 위해 수용 가능한 온도와 습도로 유지되어야 한다. Opteron 또는 Xeon 프로세서에 의해 작동되는 서버들이 조밀하게 적층된 랙의 전력 소비는 7,000 내지 15,000와트일 수 있다. 그 결과, 서버 랙은 매우 집중된 열 부하를 일으킬 수 있다. 랙의 서버에 의해 소실되는 열은 데이터 센터룸으로 배기된다. 조밀하게 배치된 랙들에 의해 집단적으로 발생되는 열은 냉각을 위해 주변 공기에 의존하므로 랙들 내의 장비의 성능과 신뢰성에 불리한 영향을 줄 수 있다. 따라서 난방, 환기, 냉방 시스템의 설계는 효율적인 데이터 센터를 위한 중요한 부분이 된다. 그리고 이러한 냉방 시스템에는 냉각수단으로서 히트파이프가 이용된다.

대한민국 등록실용신안공보 제20-0479829호(2016.03.10.) 대한민국 등록특허공보 제10-1354366호(2014.01.22.) 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0017632호(2005.02.22.)

본 발명은 발열체와의 비접촉상태에서 발열체로부터 발생하는 열을 흡수하여 발열체를 효과적으로 냉각시키기 위한 고효율 냉각용 히트파이프를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 고효율 냉각용 히트파이프는, 밀폐된 내부공간에 작동유체를 수용하는 유체관; 및 상기 유체관 내부에 상기 유체관과 나란히 설치되어 상기 유체관을 관통하는 냉각수관으로 이루어지고, 상기 유체관은 볼록부가 나선형태로 감싸는 형상으로 이루어지며, 상기 볼록부의 위치에 대응되는 유체관의 내측에는 오목홈이 형성되고, 상기 오목홈에는 상기 유체관의 길이방향을 따라 작동유체가 분할 수용되며, 외부 열을 흡수하여 기화된 작동유체와 상기 냉각수관을 통과하는 냉각수 사이에 열전달이 이루어져 상기 냉각수관을 통과하는 냉각수를 통해 흡수된 열을 배출한다.

그리고 상기 유체관에는 상기 볼록부 사이에 상기 유체관 표면을 지나가는 가열공기의 흐름을 유도하는 나선골이 형성된다.

또한, 상기 냉각수관의 외측에는 나선형태의 나선골이 형성된다.

본 발명의 고효율 냉각용 히트파이프는 비접촉상태의 발열체로부터 열을 흡수하여 발열체를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 고효을 냉각용 히트파이프는 유체관 내측에 오목홈이 형성되어 작동유체가 유체관의 길이방향을 따라 분할 수용됨으로써, 히트파이프가 어느 한 쪽으로 기울어져 작동유체가 기울어진 방향으로 흘러가더라도 오목홈 하부에 작동유체가 남아 히트파이프의 길이방향 전체에 걸쳐 작동유체에 의한 열의 흡수가 이루어질 수 있으며, 오목홈에 각각 남아있는 소량의 작동유체가 가열공기로부터 열을 흡수하여 빠르게 상변화함으로써 냉각수로의 열전달이 더 빠르게 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 고효을 냉각용 히트파이프는 유체관 외측에 가열공기의 흐름을 유도하는 나선골이 형성됨으로써, 유체관 표면과 접촉하는 가열공기의 유동을 증가시키고 접촉시간을 증가시켜 열전달 효과를 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 히트파이프 냉각 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 히트파이프 냉각 시스템의 제1 구조체와 제2 구조체의 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유체관을 절단하여 그 내부를 보여주기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 냉각 시스템의 히트파이프 배치구조를 간략히 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1 히트파이프와 제2 히트파이프를 나타낸 사시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 고효율 냉각용 히트파이프에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 히트파이프는 도 3에 도시된 바와 같이 유체관(10)과 냉각수관(20)으로 이루어진다. 유체관(10)에는 작동유체가 수용되고, 밀폐된 유체관(10) 내부에 냉각수가 통과하는 냉각수관(20)이 설치된다. 냉각수관(20)은 유체관(10) 내부에 유체관(10)과 나란히 설치되어 유체관(10)을 관통한다.

이러한 유체관(10)은 볼록부(11)가 나선형태로 감싸는 형상으로 이루어진다. 그리고 볼록부(11)의 위치에 대응되는 유체관(10)의 내측에는 오목홈(12)이 형성된다. 유체관(10)의 하부에 형성된 오목홈(12)에는 유체관(10)의 길이방향을 따라 작동유체가 분할 수용된다. 그리고 볼록부(11) 사이에는 나선형태의 나선골(13)이 형성된다. 또한, 냉각수관(20)의 외측에도 나선형태의 나선골(21)이 형성된다.

본 발명의 실시예에 따른 히트파이프는 유체관(10) 외측이 볼록부(11)가 나선형태로 감싸는 형상으로 형성됨으로써 가열공기와 접촉하는 접촉면적이 증가하게 되고, 가열공기가 상승하면서 유체관(10)의 표면을 지나갈 때 나선골(13)에 의해 가열공기의 흐름이 나선형태로 유도됨으로써 유체관(10)의 표면을 따라 흐르는 가열공기와 유체관(10)의 접촉시간을 증가시킬 수 있다.

그리고 히트파이프가 어느 한쪽으로 소정 각도 기울어지더라도 작동유체 전체가 유체관(10)의 기울어진 어느 한쪽으로 완전히 쏠리지 않고 유체관(10) 내측에 형성되는 오목홈(12) 하부에 유체관(10)의 길이방향을 따라 분할되어 남아있게 됨으로써, 유체관(10) 전체에서 작동유체가 가열공기로부터 열을 흡수할 수 있다. 또한, 유체관(10) 하부에 형성되는 오목홈(12)에 각각 분할되어 수용되는 작동유체는 그 양이 적기 때문에 열을 흡수하여 더 빠르게 상변화가 이루어져 냉각수관(20)을 통과하는 냉각수와의 열전달이 이루어질 수 있다. 냉각수관(20)을 통과하는 냉각수로 전달된 열은 냉각수관(20)을 통과하는 냉각수를 통해 히트파이프 외부로 배출된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 히트파이프는 가열공기와의 열전달량 및 열전달 효율이 상승하여 외부에서 발생하는 열을 효과적으로 흡수하여 냉각시킬 수 있다.

한편, 유체관(10)에 수용되는 작동유체는 아세톤(acetone) 41~46 중량부, 알코올(alcohol) 20~30 중량부, 술푸릭에테르(surfuricether) 5~10 중량부, 1,2-프로필렌글리콜(1,2-propylene glycol; HOCH2CH3CHOH) 5~10 중량부를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 작동유체는 아세톤, 알코올, 술푸릭에테르, 1,2-프로필렌글리콜 혼합용액 100kg에 대하여 메틸벤조트리아졸(5-methtlbenzole; C7H7N3) 000035~000045kg 및 삼폴리인산나트륨(sodium tripolyphosphate; Na5P3O10) 000028~000032kg을 포함할 수 있다.

1,2-프로필렌글리콜은 상기와 같이 증류수와 정량의 비율로 혼합되어 열전달 및 열교환을 위한 운반체로서 우수한 효과를 갖는다. 그리고 1,2-프로필렌글리콜은 어는점이 -60℃로 증류수와 혼합되어 일반적인 사용조건 또는 그 이하의 온도(약 -40℃)에서 작동유체가 동결되지 않도록 한다. 작동유체는 약 -40~130℃ 에서 상변화가 일어나지 않고 유체관(10)의 내부 압력을 일정하게 안정적으로 유지할 수 있다. 그리고 메틸벤조트리아졸은 부식 방지제로서 유체관(10)의 부식을 방지한다. 그리고 삼폴리인산나트륨은 유체관(10)의 내주면에 이물질이 형성되는 것을 방지한다. 유체관(10)의 내주면에 이물질이 형성되면 흡열효과가 떨어지는 문제점이 발생한다.

유체관(10)에 수용되는 작동유체는 예시된 작동유체 외에도 일반적으로 알려진 다른 작동유체를 사용할 수도 있다.

다음은 본 발명의 히트파이프를 이용한 히트파이프 냉각 시스템에 대하여 자세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 히트파이프 냉각 시스템은 서버실의 냉각을 목적으로 설치되는 것으로, 두 개의 서버랙(R) 사이를 가로지르도록 서버랙(R) 상부에 설치된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 히트파이프 냉각 시스템은 기본적으로 상하로 차례로 적층되는 제1 구조체(100), 제2 구조체(200) 및 제3 구조체(300)로 이루어진다. 다만, 본 발명의 히트파이프 냉각 시스템은 서버실의 규모 및 필요한 냉각성능에 따라 제3 구조체(300)를 생략하거나 제4 구조체(미도시) 등을 추가하여 구조체의 수를 증가시킬 수도 있다.

이하 설명에서는 제1 구조체(100), 제2 구조체(200) 및 제3 구조체(300)에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 구조체(100)는 제1 입수관(110)과 제1 출수관(120)을 복수의 제1 히트파이프(130)가 연결하는 구조로 이루어진다. 제1 입수관(110)과 제1 출수관(120)은 서로 나란히 배치되고, 복수의 제1 히트파이프(130)는 제1 입수관(110)과 제1 출수관(120) 사이에서 제1 입수관(110)과 제1 출수관(120)을 연결한다.

제1 입수관(110)은 일단이 냉각수공급부(미도시)와 연결되어 냉각수를 공급받는다. 그리고 제1 입수관(110)의 타단은 차단되어 있다. 따라서 제1 입수관(110)으로 공급되는 냉각수는 제1 히트파이프(130)를 통해 제1 출수관(120)으로 전달된다. 그리고 제1 출수관(120)은 일단이 차단되고 타단이 제2 구조체(200)와 연결되어 제2 구조체(200)로 냉각수가 전달된다. 구체적으로 제1 출수관(120)은 제2 구조체(200)의 제2 입수관(210)과 연결되어 냉각수를 전달한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제2 구조체(200)는 제2 입수관(210)과 제2 출수관(220)을 복수의 제2 히트파이프(230)가 연결하는 구조로 이루어진다. 제2 입수관(210)과 제2 출수관(220)은 서로 나란히 배치되고, 복수의 제2 히트파이프(230)는 제2 입수관(210)과 제2 출수관(220) 사이에서 제2 입수관(210)과 제2 출수관(220)을 연결한다.

제2 입수관(210)은 일단이 제1 출수관(120)의 타단과 연결되어 제1 출수관(120)으로부터 냉각수가 전달된다. 그리고 제2 입수관(210)의 타단은 차단되어 있다. 따라서 제2 입수관(210)으로 전달된 냉각수는 제2 히트파이프(230)를 통해 제2 출수관(220)으로 전달된다. 그리고 제2 출수관(220)은 일단이 차단되고 타단이 개방되어 제2 출수관(220)의 타단으로 냉각수가 배출된다.

제1 히트파이프(130), 제2 히트파이프(230) 및 제3 히트파이프(330)는 본 발명의 히트파이프와 동일하다. 다만, 도 4에 도시된 바와 같이 제2 히트파이프(230)는 제1 히트파이프(130)보다 하부에 위치하고, 제1 히트파이프(130)와 제2 히트파이프(230)는 서로 엇갈리도록 배치된다. 그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 히트파이프(230)에 형성된 나선골(13)의 감김방향은 제1 히트파이프(130)에 형성된 나선골(13)의 감김방향과 서로 반대방향이다.

제3 구조체(300)는 제1 구조체(100)와 동일한 형상 및 구조로 이루어지고, 제2 구조체(200) 하부에 위치한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제3 구조체(300)의 제3 입수관(310)은 제2 구조체(200)의 제2 출수관(220)과 연결되어 제3 입수관(310)으로 냉각수가 전달된다. 그리고 복수의 제3 히트파이프(330)를 통해 제3 출수관(320)으로 냉각수가 전달되고, 제3 출수관(320)은 냉각수공급부와 연결되어 가열공기로부터 열을 흡수한 냉각수가 냉각수공급부(미도시)로 회수된다.

만약, 제4 구조체(미도시)가 추가된다면, 제4 구조체는 제2 구조체(200)와 형상 및 구조가 동일하다.

상술한 바와 같은 히트파이프 냉각 시스템은 제1 히트파이프(130), 제2 히트파이프(230) 및 제3 히트파이프(330)를 통해 냉각수가 두 개의 서버랙(R) 사이를 왕복이동하게 된다. 이때, 냉각수는 냉각수관(20) 내에서 흐름의 방향이 바뀌지 않고 복수의 냉각수관(20)을 통해 일정한 방향으로 흐르기 때문에 냉각수의 흐름에 대한 부하가 적고 냉각수의 유속 및 공급이 매우 빠르게 이루어질 수 있다.

즉 본 발명의 히트파이프 냉각 시스템은 가열공기와의 접촉면적, 접촉시간은 증가시키면서 냉각수의 공급 및 순환은 빠르게 하여 열전달 효과를 극대화시킬 수 있다.

본 발명에 따른 고효율 냉각용 히트파이프는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

10 : 유체관, 11 : 볼록부,
12 : 오목홈, 13 : 나선골,
20 : 냉각수관, 21 : 나선골,
100 : 제1 구조체, 110 : 제1 입수관,
120 : 제1 출수관, 130 : 제1 히트파이프,
200 : 제2 구조체, 210 : 제2 입수관,
220 : 제2 출수관, 230 : 제2 히트파이프,
300 : 제3 구조체, 310 : 제3 입수관,
320 : 제3 출수관, 330 : 제3 히트파이프,

Claims (3)

1. 내부공간이 밀폐되는 유체관;
   밀폐된 상기 유체관의 내부에 수용되고, 상기 유체관 외부의 열을 흡수하여 상기 유체관 내부에서 상변화가 이루어져 기화되는 작동유체;
   상기 유체관 내부에 상기 유체관과 나란히 설치되어 상기 유체관을 관통하는 냉각수관;
   상기 냉각수관을 통과하는 냉각수로 이루어지고,
   상기 유체관은 볼록부가 나선형태로 감싸는 형상으로 이루어지며, 상기 볼록부의 위치에 대응되는 유체관의 내측에는 오목홈이 형성되고, 상기 오목홈 하부에는 상기 유체관의 길이방향을 따라 작동유체가 분할 수용되며,
   상기 유체관의 내부에서 기화된 작동유체는 상기 냉각수관을 통과하는 냉각수와 열전달이 이루어지며, 상기 냉각수관을 통과하는 냉각수를 통해 흡수된 열을 배출하는 것을 특징으로 하는 고효율 냉각용 히트파이프.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 유체관에는 상기 볼록부 사이에 상기 유체관 표면을 지나가는 가열공기의 흐름을 유도하는 나선골이 형성되는 것을 특징으로 하는 고효율 냉각용 히트파이프.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉각수관의 외측에는 나선형태의 나선골이 형성되는 것을 특징으로 하는 고효율 냉각용 히트파이프.

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