KR102349444B1 - 열전도관의 윅 구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 열전도관의 내부에 구비되는 윅 구조물을 개선하여 열이송 운전한계치를 높이면서, 벤딩이 가능한 열전도관의 윅 구조물을 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 열전도관의 윅 구조물은 열전도관의 내부에 구비되는 복수의 윅을 포함하며, 복수의 윅은 열전도관의 응축부 영역에 대응하도록 길이방향 일측에 구비되는 제1 윅, 일측이 제1 윅과 연결되어 길게 형성되며, 열전도관의 단열부 영역에 구비되는 제2 윅, 그리고 열전도관의 증발부 영역에 대응하도록 일측이 제2 윅의 타측에 연결되어 길이방향 타측에 구비되는 제3 윅을 포함하며, 제1 윅, 제2 윅, 제3 윅은 서로 다른 유효 포어반경과 구조를 갖고 형성되어 열전도관의 벤딩시에도 열전도관 내부에 공급되는 작동유체의 이동과 모세관력을 유지한다.

Description

열전도관의 윅 구조물{HEAT PIPE OF WICK STRUCTURE}
본 발명은 열전도관의 윅 구조물에 관한 것이다.
최근 들어, 열을 효과적으로 분산시키기 위해 다양한 방열 장치가 사용되고 있다. 이러한 방열 장치 중 열전도관(Heat Pipe)은 열 전달 매체인 작동 유체의 잠열에 의한 열전달을 이용한다. 열전도관은 작동 유체가 열전도관 내부에서 순환되는 열 전달 모듈이다. 열전도관 내부에는 모세관 현상을 이용하여 효과적인 열 전달을 하는 윅　구조물이 구비된다. 열전도관의 윅은 스크린윅, 아터리윅(Artery Wick), 소결윅(Sintered Wick) 등이 사용되고 있다.
그런데, 아터리윅 또는 스크린윅을 사용하는 열전도관의 경우 벤딩 시에 액체가 이송되는 유로가 손상되어 열전도관의 운전한계치가 크게 감소할 수 있다. 이러한 열전도관을 원자로에 적용하게 되면, 장기 운전 시 수명 관련 문제가 생길 우려가 있다. 따라서, 우주용 원자로에서 원자로 노심을 냉각하는 열전도관의 경우 열이송 운전한계치를 높이면서, 벤딩이 가능한 열전도관의 윅의 개발이 요구되고 있다.
관련 선행문헌으로 한국등록특허 497,332는 "소결된 윅 구조를 갖는 히트 파이프 및 그의 제조방법"을 개시한다.
한국등록특허 497,332
본 발명의 실시예는 열전도관의 내부에 구비되는 윅 구조물을 개선하여 열이송 운전한계치를 높이면서, 벤딩이 가능한 열전도관의 윅 구조물을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 열전도관의 윅 구조물은 열전도관의 내부에 구비되는 복수의 윅을 포함하며, 복수의 윅은 열전도관의 응축부 영역에 대응하도록 길이방향 일측에 구비되는 제1 윅, 일측이 제1 윅과 연결되어 길게 형성되며, 열전도관의 단열부 영역에 구비되는 제2 윅, 그리고 열전도관의 증발부 영역에 대응하도록 일측이 제2 윅의 타측에 연결되어 길이방향 타측에 구비되는 제3 윅을 포함하며, 제1 윅, 제2 윅, 제3 윅은 서로 다른 유효 포어반경과 구조를 갖고 형성되어 열전도관의 벤딩시에도 열전도관 내부에 공급되는 작동유체의 이동과 모세관력을 유지한다.
본 발명의 한 실시예는 열전도관의 윅 구조물은 열이송 운전한계치를 높이면서 열전도관의 벤딩 시에도 열이송 운전 한계치를 감소시키지 않고 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 열전도관 내부에서 작동 유체의 자연순환 시 액체유동의 압력강하를 최소화시켜 열전도관의 모세관(Capillary) 운전한계치를 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전도관의 윅 구조물을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전도관의 윅 구조물의 결합관계를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1 윅과 제2 윅이 열전도관 내부와 이격된 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에서 제1 윅과 제2 윅이 환형 지지부에 지지되는 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 도 3에서 제1 윅과 제2 윅이 로드형 지지부에 지지되는 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 보강부의 결합관계를 도시한 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
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.
이하에서는 도면들을 참조하여 열전도관의 윅 구조물을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전도관의 윅 구조물을 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전도관의 윅 구조물의 결합관계를 도시한 도면이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열전도관의 윅 구조물은 열전도관(10)의 내부에 구비되는 복수의 윅(100)을 포함하며, 열이송 운전한계치를 높이면서 열전도관(10)의 벤딩 시에도 열이송 운전 한계치를 감소시키지 않고 유지할 수 있다.
복수의 윅(100)은 제1 윅(110), 제2 윅(120), 그리고 제3 윅(130)을 포함하며, 제1 윅(110), 제2 윅(120), 제3 윅(130)은 서로 다른 유효 포어반경과 구조를 갖고 형성되어 열전도관(10)의 벤딩시에도 열전도관(10) 내부에 공급되는 작동유체의 이동과 모세관력을 유지할 수 있다.
제1 윅(110)은 열전도관(10)의 응축부 영역(A)에 대응하도록 길이방향 일측에 구비될 수 있다.
제2 윅(120)은 일측이 제1 윅(110)과 연결되어 길게 형성되며, 열전도관(10)의 단열부 영역(B)에 구비될 수 있다. 제1 윅(110)과 제2 윅(120)은 서로 동일한 유효 포어반경과 구조를 갖고 일체로 형성될 수 있다. 그리고 제1 윅(110)과 제2 윅(120)은 벤딩 가능한 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 윅(110)과 제2 윅(120)은 나선형 직조 메쉬(Spiral Woven Mesh) 구조를 포함할 수 있다. 즉, 제1 윅(110)과 제2 윅(120)은 열전도관(10) 내부에 공급되는 작동유체에 모세관력을 제공하도록 나선 방향으로 편조하여 형성되는 나선형 직조 메쉬 타입 윅을 포함할 수 있다. 한편, 제1 윅(110)과 제2 윅(120)은 브레이드 슬리브(Braid Sleeve) 구조를 포함할 수도 있다. 브레이드 슬리브는 일반적인 스크린윅과는 다르게 열전도관(10) 내 삽입이 용이하여 가공성에도 큰 장점이 있다. 상기한 바와 같이 열전도관(10)의 단열부와 응축부에 각각 대응하는 제1 윅(110)과 제2 윅(120)의 경우 나선형 직조 메쉬 또는 브레이드 슬리브를 사용하여 단열부 또는 응축부에서 열전도관(10)의 벤딩을 용이하게 할 수 있다. 즉, 제1 윅(110)과 제2 윅(120)의 유효 포어반경은 제3 윅(130)의 유효 포어반경보다 큰 편조윅 구조를 활용하여 열전도관(10)의 단열부와 응축부가 운전한계치 저하없이 벤딩이 가능한 열전도관(10)을 형성할 수 있다. 제1 윅(110)과 제2 윅(120)은 동일한 구조로 형성될 수 있기에 이하에서는 제1 윅(110)과 제2 윅(120)의 명확한 구분이 불필요한 경우, 편의상 제2 윅(120)의 번호로만 표현될 수 있다.
제3 윅(130)은 열전도관(10)의 증발부 영역(C)에 대응하도록 일측이 제2 윅(120)의 타측에 연결되어 길이방향 타측에 구비될 수 있다. 제3 윅(130)의 직경은 열전도관(10) 튜브 내경보다 작게 만들어 환형 아터리(Artery)를 확보할 수 있다. 그리고 제3 윅(130)은 제1 윅(110)과 제2 윅(120)의 유효 포어반경보다 작은 유효 포어반경을 갖고 제1 윅(110)과 제2 윅(120)과 서로 다른 구조로 형성될 수 있다. 제3 윅(130)은 소결윅을 포함할 수 있다. 증발부에 대응하는 소결윅의 유효 포어반경은 제1 윅(110)과 제2 윅(120)의 유효 포어반경보다 작게 형성되어 모세관력을 극대화시킬 수 있다. 유효 포어반경의 크기가 작을수록 모세관력(Capillary Force) 측면에서는 유리하지만, 액체 유동 압력강하 측면에서는 불리하다. 모세관력은 가열되는 증발부의 유효 포어반경의 크기가 중요하기 때문에, 증발부만 유효 포어반경의 크기가 작은 소결윅을 사용할 수 있다. 즉, 증발부에 유효 포어반경이 작은 소결윅을 사용하여 열전도관(10)의 모세관력을 극대화시킬 수 있다. 제2 윅(120)의 큰 포어 크기와 제3 윅(130)의 환형 아터리는 액체 유동의 압력강하를 감소시켜 열전도관(10)의 모세관(Capillary) 운전한계치를 극대화시킬 수 있다. 상기한 바와 같이 소결윅에 환형 아터리를 구비하고, 단열부와 응축부에 유효 포어반경이 소결윅과 비교해 상대적으로 큰 제1 윅(110)과 제2 윅(120)을 설치하여 열전도관(10) 내부에서 작동유체의 자연순환 시 액체유동의 압력강하를 최소화시켜, 열전도관(10)의 모세관 운전한계치를 극대화시킬 수 있다. 모세관 구조에서 모세관력에 의해 발생되는 펌핑 효과는 작동 유체를 응축부로부터 증발부로 실질적으로 더 큰 압력으로 공급할 수 있다. 모세관 구조에서 발생된 모세관력은 작동 유체가 유동 경로 내에서 더 많은 양의 유용한 작업을 수행할 수 있다.
제3 윅(130)과 제2 윅(120) 사이의 경계는 서로 접하는 두 윅의 결합이 용이하도록 제3 윅(130)을 가공할 수 있다. 스크린윅 또는 소결윅으로만 윅 구조물을 형성하는 경우 길이가 긴 경우 가공하기 어렵다. 특히 스크린윅의 경우 말아서 튜브 안에 삽입해야 하므로 직경 대비 길이가 긴 경우 열전도관(10) 제작이 매우 어려울 수 있다. 또한, 열전도관(10)의 중앙 부분이 응축부에서 증발부로 전환될 때에도 작동이 보장되려면 내부 작동유체의 연속적인 재순환이 가능해야 한다. 그리고 액막 유동을 유지시켜주며 벤딩이 가능하도록 응축부와 단열부는 증발부와는 다른 윅구조로 형성할 수 있다. 이러한 이유로 본 발명의 실시예에 따른 열전도관의 윅 구조물은 제1 윅(110)과 제2 윅(120)을 편조윅으로 형성하고, 제3 윅(130)은 소결윅으로 형성할 수 있다. 다만, 편조윅은 용접이 불가능하기 때문에 제2 윅(120)과 제3 윅(130)의 결합시 용접 이외의 다양한 결합방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제3 윅(130)은 제2 윅(120)이 결합되는 위치에 미리 설정된 형상으로 형성되는 결합부(132)를 포함할 수 있다. 여기서, 결합부(132)는 원주면을 따라 적어도 한 개 이상 구비되는 결합홈을 포함할 수 있다. 제3 윅(130)에 구비되는 결합부(132)를 통해 제2 윅(120)의 결합이 용이하게 연결될 수 있다. 도 2를 참조하면, 결합홈은 제3 윅(130)의 원주면 외측에 구비될 수 있다. 따라서, 제3 윅(130)의 결합홈을 도 2에 도시된 바와 같이 가공하여 제2 윅(120)을 제3 윅(130)의 바깥쪽에 끼워 넣어 결합할 수 있다. 또한 제3 윅(130) 외부에 추가로 직사각 아터리나 환형 아터리(Annular Artery)를 형성시켜 액막 유동의 압력강하를 최소화 시킬 수도 있다. 열전도관(10)과 윅 구조물의 내부 열 접속은 고정 결합으로 형성될 수 있다. 열전도관(10)은 열전도관(10)의 내경보다 더 큰 내경을 갖는 윅이 용이하게 삽입되도록 하기 위해 예열될 수 있다. 윅은 열전도관(10) 내에 삽입되면 좋은 열 조인트를 형성함으로써 열전도관(10)은 냉각하고, 수축한다. 열전도관(10) 내부로 윅이 삽입될 시 내경이 큰 윅을 사용하고, 윅이 수축되며 열전도관(10) 내부에 삽입된 상태를 유지할 수 있다. 열전도관(10)의 내부에 삽입되는 윅 구조물은 열전달 면적을 증가시켜주며, 열전도관(10) 내부에 공급되는 작동유체의 이동과 모세관력을 향상시키는 기능을 할 수 있다.
한편, 열전도관(10)에서 단열부와 응축부는 그루브윅을 적용시키고, 증발부는 소결윅을 적용시킬 수도 있다. 이러한 경우 스테인리스강 튜브에 그루브를 가공하는 것은 일반적인 알루미늄이나 구리 튜브와는 달리 방전가공(EDM ; Electrical discharge machining)으로 가공해야 한다. 그러나, 그루브윅을 적용하는 경우 열전도관(10)의 길이 제한이 발생할 수 있다. 그리고 열전도관(10) 외부 용기를 증발부와 응축부 그리고 단열부로 구분하여 가공한 후 외부용기를 용접해야 한다. 이러한 경우, 원자로에서 장기 운전 시 수명 관련 문제가 생길 우려가 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1 윅과 제2 윅(120)이 열전도관 내부와 이격된 상태를 도시한 도면이며, 도 4는 도 3에서 제1 윅과 제2 윅이 환형 지지부에 지지되는 상태를 도시한 도면이다. 그리고 도 5는 도 3에서 제1 윅과 제2 윅이 로드형 지지부에 지지되는 상태를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 윅(110)과 제2 윅(120)은 열전도관(10)의 내면과 이격되어 설치될 수 있다. 윅 구조물의 길이가 길어 액막의 압력강하가 클 경우, 제3 윅(130)의 중간에 제2 윅(120)을 삽입하고, 제2 윅(120) 바깥쪽으로 환형 아터리를 형성시켜 액막의 압력강하를 최소화시킬 수 있다.
도 4와 도 5를 참조하면, 제1 윅(110)과 제2 윅(120)이 열전도관(10)의 내면과 이격된 상태에서 제1 윅(110)과 제2 윅(120)의 견고한 결합을 유지하기 위해 지지부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 지지부는 제1 윅(110)과 제2 윅(120)의 길이방향을 따라 선택적으로 결합되어 제1 윅(110)과 제2 윅(120)이 열전도관(10)의 내면에 지지되도록 안내할 수 있다.
도 4를 참조하면, 지지부는 제1 윅(110)의 길이방향 일측이 삽입되는 지지홈을 갖고 구비되어 제1 윅(110)을 열전도관(10)의 내면에 지지하는 환형 지지부(130a)를 포함할 수 있다. 환형 지지부(130a)의 결합으로 제1 윅(110)과 제2 은 응축부 끝에서 환형 아터리를 유지시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 지지부는 제1 윅(110)과 제2 윅(120)의 길이방향을 따라 열전도관(10)과의 이격된 공간에 삽입되어 제1 윅(110)과 제2 윅(120)을 열전도관(10)의 내면에 지지하는 로드형 지지부(140)를 포함할 수 있다.
한편, 제1 윅(110)과 제2 윅(120)은 제3 윅(130)과 비교하여 벤딩이 쉬우나 벤딩각도가 클 경우 형상이 유지되지 않을 수 있어 보강부를 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 보강부의 결합관계를 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 제1 윅(110)과 제2 윅(120)의 형상을 유지하는 보강부를 더 포함할 수 있다. 보강부는 환형 보강재(150, Annular Stiffener) 또는 길이방향으로 길게 형성되는 로드형 보강재(160)를 포함할 수 있다. 환형 보강재(150)는 제1 윅(110)과 제2 윅(120)의 길이방향을 따라 일정간격으로 구비되어 환형 형상을 유지할 수 있다. 환형 보강재(150)를 편조윅의 길이방향을 따라 일정간격으로 삽입함으로써 제1 윅(110)과 제2 윅(120)의 환형 형상을 유지하는데 도움이 되고 벤딩에도 용이하다.
로드형 보강재(160)는 제1 윅(110)과 제2 윅(120)의 길이방향을 따라 길게 구비될 수 있다. 제1 윅(110)과 제2 윅(120)의 길이가 미리 설정된 길이보다 긴 경우 길이방향으로 길게 로드형 보강재(160)를 삽입할 수 있다. 상기한 바와 같이 보강부를 더 포함하여 소결윅과 편조윅 사이의 결합을 좀 더 견고하게 유지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10 ; 열전도관 100 ; 복수의 윅
110 ; 제1 윅 120 ; 제2 윅
130 ; 제3 윅 130a ; 환형 지지부
132 ; 결합부 140 ; 로드형 지지부
150 ; 환형 보강재 160 ; 로드형 보강재

Claims (16)

  1. 열전도관의 내부에 구비되는 복수의 윅을 포함하며,
    상기 복수의 윅은
    상기 열전도관의 응축부 영역에 대응하도록 길이방향 일측에 구비되는 제1 윅,
    일측이 상기 제1 윅과 연결되어 길게 형성되며, 상기 열전도관의 단열부 영역에 구비되는 제2 윅,
    상기 열전도관의 증발부 영역에 대응하도록 일측이 상기 제2 윅의 타측에 연결되어 길이방향 타측에 구비되는 제3 윅, 그리고
    상기 제1 윅과 상기 제2 윅의 길이방향을 따라 선택적으로 결합되어 상기 제1 윅과 상기 제2 윅이 상기 열전도관의 내면에 지지되도록 안내하는 지지부
    를 포함하며,
    상기 제1 윅, 상기 제2 윅, 상기 제3 윅은 서로 다른 유효 포어반경과 구조를 갖고 형성되어 상기 열전도관의 벤딩시에도 상기 열전도관 내부에 공급되는 작동유체의 이동과 모세관력을 유지하는 열전도관의 윅 구조물.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 윅과 상기 제2 윅은 서로 동일한 유효 포어반경과 구조를 갖고 일체로 형성되는 열전도관의 윅 구조물.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 윅과 상기 제2 윅은 벤딩 가능한 구조로 형성되는 열전도관의 윅 구조물.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 윅과 상기 제2 윅은 나선형 직조 메쉬(Spiral Woven Mesh) 구조를 포함하는 열전도관의 윅 구조물.
  5. 제3항에서,
    상기 제1 윅과 상기 제2 윅은 브레이드 슬리브(Braid Sleeve) 구조를 포함하는 열전도관의 윅 구조물.
  6. 제2항에서,
    상기 제1 윅과 상기 제2 윅은 상기 열전도관의 내면과 이격되어 설치되는 열전도관의 윅 구조물.
  7. 삭제
  8. 제6항에서,
    상기 지지부는
    상기 제1 윅의 길이방향 일측이 삽입되는 지지홈을 갖고 구비되어 상기 제1 윅을 상기 열전도관의 내면에 지지하는 환형 지지부를 포함하는 열전도관의 윅 구조물.
  9. 제6항에서,
    상기 지지부는
    상기 제1 윅과 상기 제2 윅의 길이방향을 따라 상기 열전도관과의 이격된 공간에 삽입되어 상기 제1 윅과 상기 제2 윅을 상기 열전도관의 내면에 지지하는 로드형 지지부를 포함하는 열전도관의 윅 구조물.
  10. 제3항에서,
    상기 제1 윅과 상기 제2 윅의 형상을 유지하는 보강부를 더 포함하는 열전도관의 윅 구조물.
  11. 제10항에서,
    상기 보강부는 상기 제1 윅과 상기 제2 윅의 길이방향을 따라 일정간격으로 구비되어 환형 형상을 유지하는 환형 보강재를 포함하는 열전도관의 윅 구조물.
  12. 제10항에서,
    상기 보강부는 상기 제1 윅과 상기 제2 윅의 길이방향을 따라 길게 구비되는 로드형 보강재를 포함하는 열전도관의 윅 구조물.
  13. 제2항에서,
    상기 제3 윅은 상기 제1 윅과 상기 제2 윅의 유효 포어반경보다 작은 유효 포어반경을 갖고 상기 제1 윅과 상기 제2 윅과 서로 다른 구조로 형성되는 열전도관의 윅 구조물.
  14. 제13항에서,
    상기 제3 윅은 소결윅을 포함하는 열전도관의 윅 구조물.
  15. 제14항에서,
    상기 제3 윅은 상기 제2 윅이 결합되는 위치에 미리 설정된 형상으로 형성되는 결합부를 포함하는 열전도관의 윅 구조물.
  16. 제15항에서,
    상기 결합부는 원주면을 따라 적어도 한 개 이상 구비되는 결합홈을 포함하는 열전도관의 윅 구조물.
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