KR102381018B1

KR102381018B1 - 베이퍼 체임버

Info

Publication number: KR102381018B1
Application number: KR1020200035262A
Authority: KR
Inventors: 박재일
Original assignee: 화인시스 주식회사
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2022-03-31
Also published as: KR20210118689A

Abstract

본 발명은 작동유체의 상변화에 의해 열을 냉각시키는 베이퍼 체임버를 개시한다. 본 발명은 제1 금속 플레이트와, 제1 금속 플레이트와 맞닿는 제1 및 제2 접촉면을 형성하도록 제1 금속 플레이트의 가장자리에 밀봉되어 있는 제2 금속 플레이트를 가지며, 제1 및 제2 접촉면과 반대되는 제1 및 제2 금속 플레이트의 제1 및 제2 반대면 중 어느 하나의 한쪽에 열원과 이웃하는 증발부를 갖는 평판 금속 컨테이너를 포함한다. 작동유체가 수용되며 증발부에서 작동유체의 증발에 의해 생성되는 기상의 작동유체가 증발부로부터 멀어지는 방향으로 흐를 수 있도록 유동 통로가 제1 및 제2 접촉면 중 적어도 어느 하나 이상의 면에 형성되어 있다. 기상의 작동유체의 응축에 의해 생성되는 액상의 작동유체가 증발부로 귀환할 수 있도록 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로가 적어도 어느 하나 이상의 면에 형성되어 있다. 증기 유동 통로와 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로 중 어느 하나 사이를 연결하는 복수의 모세관이 적어도 어느 하나 이상의 면에 형성되어 있다. 복수의 모세관 각각의 경계를 규정함과 아울러 제1 및 제2 반대면 중 어느 하나로부터 다른 하나로 열원의 열을 전달하여 증기 유동 통로로부터 복수의 모세관으로 흘러들어오는 기상의 작동유체가 액상의 작동유체로 상변화되어 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로 중 어느 하나로 흘러나갈 수 있도록 제1 및 제2 접촉면이 맞닿아 있는 복수의 서멀 패시지가 제1 및 제2 금속 플레이트에 형성되어 있다. 증기 유동 통로의 양측으로부터 기상의 작동유체의 흐름 방향에 대해 교차하는 방향을 따라 복수의 증기 분기 유동 통로가 연장되어 있고, 복수의 모세관 중 일부는 복수의 증기 분기 유동 통로와 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로 사이에 연결되어 있다. 본 발명에 의하면, 모세관 안에서 기상의 작동유체를 액상의 작동유체로 상변화시켜 원활하게 순환시킬 수 있는 구조에 의해 윅을 별도로 설치할 필요가 없어 두께를 얇게 제조할 수 있으면서도 열 수송 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

베이퍼 체임버{VAPOR CHAMBER}

본 발명은 베이퍼 체임버에 관한 것으로, 보다 상세하게는 윅(Wick)을 구비하지 않고 열원으로부터 열을 신속하게 수송할 수 있는 새로운 구조의 베이퍼 체임버에 관한 것이다.

베이퍼 체임버는 열을 평면 방향으로 효율적으로 수송하기 위한 디바이스로 히트파이프의 한 형태이며, 평판형 히트파이프(Plate type heat pipe)라고도 한다. 베이퍼 체임버는 전자 기기, 예를 들면, 마이크로프로세서(Microprocessor), 애플리케이션 프로세서(Application processor, AP), 중앙처리장치(Central processing unit, CPU), 트랜지스터(Transistor) 등과 같은 고출력 전자부품(Electronic components)의 냉각에 사용된다.

종래의 베이퍼 체임버는 상측 부재와 하측 부재에 의해 한정되어 밀폐된 중공의 컨테이너(Container)와, 컨테이너의 내부에 설치된 윅과, 컨테이너 안에 충전된 작동유체(Working fluid)를 포함한다. 베이퍼 체임버는 증발부(Evaporating portion)로 기능하는 부분과 응축부(Condensing portion)로 기능하는 부분을 구비한다. 증발부가 열원(Heat source)에 의해 가열되면, 컨테이너 내에서 작동유체의 증발이 일어나고, 기상의 작동유체는 컨테이너 내의 저온 영역(응축부)으로 이동한다. 저온 영역에서 기상의 작동유체는 냉각되어 응축된다. 증발부에서 작동유체가 수취한 열은 응축부에서 작동유체가 응축되면서 베이퍼 체임버의 외부로 방출된다. 또한, 응축된 작동유체는 모세관 현상에 의해 윅을 통하여 증발부로 돌아온다. 증발부로 돌아온 작동유체는 다시 증발하여 저온 영역으로 이동한다. 이와 같이 베이퍼 체임버는 작동유체의 증발 및 응축의 반복에 의한 잠열(Latent heat)을 이용하여 열의 수송을 행한다.

윅은 모세관 구조(Capillary structure)로 이루어진 부재로, 메시 윅(Mesh wick) 또는 스크린 윅(Screen wick), 소결 윅(Sintered wick) 등으로 구성하거나 이들의 조합으로 구성할 수 있다. 작동유체는 증류수, 에탄올(Ethanol) 등이 사용되고 있다. 특히, 베이퍼 체임버는 작동유체의 증발을 용이하게 하고 베이퍼 체임버의 사용 온도를 조절하기 위하여 컨테이너 내부의 압력을 대기압 이하의 적당한 압력으로 감압된 진공 상태에서 밀봉되어 있다.

한국 등록특허 제10-1983108호 '베이퍼 체임버'(미국 특허출원공개 US 2019/0021188 A1)는 상판, 하판, 상판과 하판 사이에 배치된 복수의 측벽, 상판, 하판과 복수의 복수의 측벽을 따라 밀폐된 공간 내에 배치되고 상판과 하판에 접하는 윅 보디(Wick body)와, 공간 내에 배치되며 상판과 하판에 접하는 필러(Pillar)로 구성되어 있다. 윅 보디는 증발부에 위치하는 각각의 제1 종단으로부터 측벽을 향해 연장되고 직선부를 가지는 복수의 제1 윅부와, 복수의 제1 윅부의 제2 종단 끼리를 접속하는 제2 윅부를 구비한다. 필러는 복수의 제1 윅부 중 인접하는 2개의 제1 윅부에서의 직선부 끼리의 사이에, 직선부에 대하여 간극을 두고 배치되어 있다.

한국 등록특허 제10-1508877호 '모세관력을 가지는 구조물이 형성된 베이퍼 체임버'는 프레스 공법으로 형성된 복수의 채널이 구비된 상판과 하판이 그 사이에 작동유체가 주입된 상태에서 진공상태로 맞닿은 채 밀봉되고, 복수의 채널 사이의 통로에는 금속 파우더(Metal powder)가 적층되어 형성된 다공성 구조물이 구비된다. 다공성 구조물은 펄스 제어된 전류를 사용하는 펄스 도금(Pulse plating)에 의해 형성된다. 위 특허문헌들에 개시되어 있는 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

상기한 바와 같은 베이퍼 체임버는 열려져 있는 컨테이너의 공간 안에 윅을 설치한 후, 컨테이너의 가장자리를 밀봉하기 때문에 제조 공정이 복잡해져 생산성이 저하될 뿐만 아니라, 제조비가 상승되는 문제가 있다. 또한, 별도의 윅이 컨테이너 안에 설치되는 구조로 인하여 베이퍼 체임버의 두께를 줄이는 데 한계가 있어 스마트폰 등과 같은 전자 기기의 슬림화(Slimness)에 상당한 지장이 있다. 따라서 구조가 단순하고 두께가 얇으면서도 방열 성능을 향상시킬 수 있는 베이퍼 체임버가 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 베이퍼 체임버의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 윅을 포함하지 않아서 구조가 간단하여, 제조 공정이 단순하고, 베이퍼 챔버의 두께를 줄일 수 있는 새로운 베이퍼 체임버를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 베이퍼 체임버가 제공된다. 본 발명에 따른 베이퍼 체임버는, 제1 금속 플레이트와, 제1 금속 플레이트와 맞닿는 제1 및 제2 접촉면을 형성하도록 제1 금속 플레이트의 가장자리에 밀봉되어 있는 제2 금속 플레이트를 가지며, 제1 및 제2 접촉면과 반대되는 제1 및 제2 금속 플레이트의 제1 및 제2 반대면 중 어느 하나의 한쪽에 열원과 이웃하는 증발부를 갖는 평판 금속 컨테이너를 포함한다. 작동유체가 수용되며 증발부에서 작동유체의 증발에 의해 생성되는 기상의 작동유체가 증발부로부터 멀어지는 방향으로 흐를 수 있도록 유동 통로가 제1 및 제2 접촉면 중 적어도 어느 하나 이상의 면에 형성되어 있다. 기상의 작동유체의 응축에 의해 생성되는 액상의 작동유체가 증발부로 귀환할 수 있도록 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로가 적어도 어느 하나 이상의 면에 형성되어 있다. 증기 유동 통로와 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로 중 어느 하나 사이를 연결하는 복수의 모세관이 적어도 어느 하나 이상의 면에 형성되어 있다. 복수의 모세관 각각의 경계를 규정함과 아울러 제1 및 제2 반대면 중 어느 하나로부터 다른 하나로 열원의 열을 전달하여 증기 유동 통로로부터 복수의 모세관으로 흘러들어오는 기상의 작동유체가 액상의 작동유체로 상변화되어 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로 중 어느 하나로 흘러나갈 수 있도록 제1 및 제2 접촉면이 맞닿아 있는 복수의 서멀 패시지가 제1 및 제2 금속 플레이트에 형성되어 있다. 증기 유동 통로의 양측으로부터 기상의 작동유체의 흐름 방향에 대해 교차하는 방향을 따라 복수의 증기 분기 유동 통로가 연장되어 있고, 복수의 모세관 중 일부는 복수의 증기 분기 유동 통로와 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로 사이에 연결되어 있다.

본 발명에 따른 베이퍼 체임버는, 모세관 안에서 기상의 작동유체를 액상의 작동유체로 상변화시켜 원활하게 순환시킬 수 있는 구조에 의해 윅을 별도로 설치할 필요가 없어 두께를 얇게 제조할 수 있으면서도 열 수송 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 베이퍼 체임버는, 기상 및 액상의 작동유체의 순환을 위한 증기 유동 통로, 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로와 모세관들을 제1 및 제2 금속 플레이트의 식각에 의해 형성할 수 있으므로, 제조 공정을 단순화하여 생산성을 높이고, 제조비를 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 베이퍼 체임버는, 진공 체임버(Vacuum chamber) 안에서 배기 포트만을 플러그로 간단하고 견고하게 밀봉할 수 있도록 구성되어 제조 공정을 단순화하여 생산성을 높이고 제조비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 베이퍼 체임버를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 베이퍼 체임버에서 제1 금속 플레이트를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4의 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 베이퍼 체임버에서 제2 금속 플레이트를 뒤집어서 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6의 평면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 베이퍼 체임버에서 모세관 구조물을 부분적으로 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 베이퍼 체임버에서 제1 금속 플레이트의 다른 실시예를 나타낸 평면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 베이퍼 체임버에서 제2 금속 플레이트의 다른 실시예를 뒤집어서 나타낸 평면도이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하, 본 발명에 따른 베이퍼 체임버에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 베이퍼 체임버(10)는 열전도성(Heat conduction quality)을 갖는 평판 금속 컨테이너(Flat metal container: 20)를 구비한다. 평판 금속 컨테이너(20)는 열전도율이 우수한 소재, 예를 들면 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸 등으로 구성될 수 있다. 바람직하기로, 평판 금속 컨테이너(20)는 구리 또는 구리 합금을 소재로 제조되어 있다. 본 실시예의 평판 금속 컨테이너(20) 또는 하우징, 케이스, 엔벨로프(Envelope)는 직사각 형태로 구성되어 있는 것이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로 평판 금속 컨테이너(20)는 정사각형, 타원형 등 다양한 형상으로 구성될 수 있다.

평판 금속 컨테이너(20)는 맞닿도록 정합(Matching)되어 있는 제1 금속 플레이트(First metal plate: 30)와 제2 금속 플레이트(Second metal plate: 40)로 구성되어 있다. 제1 금속 플레이트(30)의 윗면은 제2 금속 플레이트(40)의 아랫면에 접촉하는 제1 접촉면(32)으로 되고, 제1 금속 플레이트(30)의 아랫면은 제1 반대면(34)으로 된다. 제2 금속 플레이트(40)의 아랫면은 제1 금속 플레이트(30)의 윗면에 접촉하는 제2 접촉면(42)으로 되며, 제2 금속 플레이트(40)의 윗면은 제2 반대면(44)으로 된다.

제1 및 제2 금속 플레이트(30, 40) 또는 금속 시트(Metal sheet)의 가장자리는 접착제(50)의 접합에 의해 밀봉되도록 결합되어 있다. 접착제(50)는 실리콘 접착제(Silicone adhesive), 예를 들면 KE-45-T(상품명, 제조사 신에츠화학공업 주식회사(Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.))로 구성될 수 있다. 실린콘 접착제 KE-45-T는 유리, 금속 및 건축용 실런트(Sealant)로 사용되고 있는 페이스트(Paste)이다. 몇몇 실시예에 있어서, 제1 및 제2 금속 플레이트(30, 40)는 블레이징(Blazing), 확산 용접(Diffusion welding), 마찰 용접(Friction welding), 레이저 용접(Laser welding) 등에 의해 밀봉될 수도 있다.

도 2 내지 도 7을 참조하면, 제1 및 제2 금속 플레이트(30, 40) 각각은 가장자리를 따라 서로 접하는 면에 형성되어 있는 하나 이상의 링 그루브(Ring groove: 36, 46)를 갖는다. 접착제(50)는 링 그루브(36, 46)들 각각에 충전되어 제1 및 제2 금속 플레이트(30, 40)의 결합력을 강화시키게 된다. 링 그루브(36, 46)들은 제1 금속 플레이트(30)의 윗면과 제2 금속 플레이트(40)의 아랫면에 서로 정렬되도록 형성되어 있다. 링 그루브(36, 46)들은 서로 엇갈리도록 형성될 수도 있다.

도 1 내지 도 7을 모두 참조하면, 본 발명에 따른 베이퍼 체임버(10)는 평판 금속 컨테이너(20)의 제1 및 제2 반대면(34, 44) 중 어느 한쪽의 면, 즉 제1 금속 플레이트(30)의 아랫면 한쪽은 전자장치를 구성하는 열원(2), 예를 들면 스마트폰의 애플리케이션 프로세서로부터 열을 흡수하는 흡열부(Heat absorbing portion) 또는 증발부(60)로 된다. 평판 금속 컨테이너(20)의 다른 쪽 부분은 열을 방출하는 방열부(Heat radiation portion) 또는 응축부(62)로 될 수 있다. 증발부(60)는 평판 금속 컨테이너(20)의 한쪽 가장자리에 이웃하도록 배치되어 있다. 응축부(62)는 증발부(60)와 반대쪽에 위치하는 평판 금속 컨테이너(20)의 다른 쪽 가장자리에 이웃하도록 배치되어 있다. 또한, 제1 금속 플레이트(30)의 제1 반대면(34)이 열원(2)의 열을 흡수하게 되면, 열은 제1 및 제2 접촉면(32, 42)을 통해 수직 방향을 따라 제2 금속 플레이트(40)에 전달되고, 제2 금속 플레이트(40)의 제2 반대면(44)은 열을 방출하는 방열부로 된다. 증발부(60)의 가운데는 온도가 가장 높은 핫스폿 영역(Hot spot zone: 64)으로 된다. 요철(66) 또는 복수의 핀(Fin)이 표면적을 증가시킬 수 있도록 핫스폿 영역(64)에 형성되어 있다.

도 2 내지 도 7을 다시 참조하면, 본 발명에 따른 베이퍼 체임버(10)는 작동유체(70)가 충전되며 증발부(60)에서 생성되는 기상의 작동유체가 증발부(60)로부터 멀어지는 방향으로 흐를 수 있도록 제1 및 제2 금속 플레이트(30, 40)의 제1 및 제2 접촉면(32, 42) 중 적어도 어느 하나 이상의 면에 형성되어 있는 증기 유동 통로(Vapor flow passage: 80)와, 기상의 작동유체의 응축에 의해 생성되는 액상의 작동유체가 증발부(60)로 귀환할 수 있도록 증기 유동 통로(80)가 형성되어 있는 면에 형성되어 있는 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(Liquid return flow passage: 90, 92)를 구비한다.

작동유체(70)는 증류수, 에탄올, 메탄올(Methanol) 등으로 구성될 수 있다. 작동유체(70)는 액체에서 기체로 상이 변하거나 그 반대로 상이 변하면서 열을 흡수 또는 방출한다. 작동유체(70)는 증기 유동 통로(80) 안에 액상으로 일정 부분 충전된다. 증기 유동 통로(80)와 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92)는 베이퍼 체임버(10)의 동작 온도, 즉 작동유체(70)가 액상에서 기상으로 증발하는 온도 또는 기상에서 액상으로 응축하는 온도에 적합하도록 감압된 상태에서 밀봉된다. 기상의 작동유체는 증발부(60)로부터 증기 유동 통로(80)를 따라 응축부(62)를 향하여 흐르게 된다. 액상의 작동유체는 응축부(62)로부터 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92)를 따라 증발부(60)를 향하여 흐르게 된다.

증기 유동 통로(80)와 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92) 또는 유로(Flow path) 각각은 제1 및 제2 접합면(32, 42)에 정합되도록 형성되어 있다. 증기 유동 통로(80)와 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92) 각각은 제1 및 제2 접합면(32, 42) 중 어느 하나에만 형성될 수 있다. 증기 유동 통로(80)와 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92) 각각은 그루브 형태(Groove shape) 또는 채널 형태(Channel shape)로 제1 금속 플레이트(30)의 식각(Etching)에 의해 형성될 수 있다.

증기 유동 통로(80)는 제1 및 제2 금속 플레이트(30, 40)의 가운데를 가로지르도록 일직선 형상으로 형성되어 있다. 복수의 증기 분기 유동 통로(Vapor branch flow passage: 82; 82-1, 82-2, …, 82-n)가 증기 유동 통로(80)의 양쪽으로부터 기상의 작동유체의 흐름 방향(D1)에 대해 교차하는 방향(D2)을 따라 더 연장되어 있다. 베이퍼 체임버(10)가 직사각 형태로 형성되는 경우, 흐름 방향(D1)은 길이 방향으로 설정되고, 방향(D2)은 폭 방향으로 설정될 수 있다. 증기 분기 유동 통로(82)들은 증발부(60)로부터 증기 유동 통로(80)를 따라 응축부(62)로 흐르는 기상의 작동유체를 분기시켜 기상의 작동유체의 흐름이 빠르고 원활해지도록 한다.

증기 분기 유동 통로(82)들 각각은 흐름 방향(D1)에 대해 직교하거나 사선 방향으로 연결될 수 있다. 증기 분기 유동 통로(82)들 중 핫스폿 영역(64)과 이웃하도록 배치되어 있는 첫 번째 증기 분기 유동 통로(82-1)는 증기 유동 통로(80)에 대해 직교하도록 증기 유동 통로(80)와 연결되어 있다. 핫스폿 영역(63)의 하류에 배치되어 있는 나머지 증기 분기 유동 통로(82-2, …, 82-n)들은 사선 방향으로 증기 유동 통로(80)와 연결되어 있다. 몇몇 실시예에 있어서 첫 번째 증기 분기 유동 통로(82-1)는 사선 방향으로 증기 유동 통로(80)와 연결되도록 형성될 수도 있다.

증기 분기 유동 통로(82-2, …, 82-n)들이 증기 유동 통로(80)에 사선 방향을 따라 연장되어 있는 형태는 잎맥(Leaf vein)의 측맥(Lateral vein or Secondary vein)이 주맥(Midrib or Primary vein)으로부터 가장자리(Margin)를 향하여 사선 방향으로 뻗어 있는 잎의 우상맥(Penniveins or Pinnately veined), 즉 잎맥 구조(Leaf vein structure)로 볼 수 있다. 이와 같이 증기 유동 통로(80)와 증기 분기 유동 통로(82-2, …, 82-n)들이 잎맥 구조를 이루도록 형성되어 있는 것에 의해 기상 및 액상의 작동유체의 흐름이 전체적으로 원활하고 균일해져 열 수송 성능을 향상시킬 수 있다.

제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92) 각각은 증기 유동 통로(80)의 하류로부터 평판 금속 컨테이너(20)의 가장자리를 따라 연결되어 있는 하류 유동 통로(90a, 92a)와, 하류 유동 통로(90a, 92a)로부터 증발부(60)를 향하여 평판 금속 컨테이너(20)의 가장자리를 따라 연결되어 있는 측면 유동 통로(Side flow passage: 90b, 92b)와, 측면 유동 통로(90b, 92b)의 상류로부터 평판 금속 컨테이터(20)의 가장자리를 따라 증발부(60)의 상류와 연결되어 있는 상류 유동 통로(90c, 92c)로 구성되어 있다.

노즐(Nozzle: 94)이 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92)로부터 핫스폿 영역(64)을 향하여 액상의 작동유체를 분사할 수 있도록 증발부(60)와 이웃하는 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92)의 상류에 더 형성되어 있다. 노즐(94)은 상류 유동 통로(90c, 92c)의 경계에 형성되어 있다. 액상의 작동유체가 노즐(94)을 통해 핫스폿 영역(64)에 분사되는 것에 의해 작동유체의 흐름을 원활하게 함과 아울러 증발을 촉진시킬 수 있다.

도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 베이퍼 체임버(10)는 증기 유동 통로(80)와 연결되도록 제1 금속 플레이트(30)의 제1 반대면(34)의 다른 쪽에 형성되어 있는 배기 포트(Exhaust port: 100)를 구비한다. 배기 포트(100)는 증기 유동 통로(80)로부터 공기를 배출하여 증기 유동 통로(80) 안을 감압시키기 위한 구멍이다. 배기 포트(100)는 제1 금속 플레이트(30)의 식각 또는 피어싱(Piercing)에 의해 형성될 수 있다. 플러그(Plug: 102)가 배기 포트(100)를 밀봉하도록 접착제(104)로 실리콘 접착제에 의해 배기 포트(100)의 가장자리에 접합되어 있다. 플러그(102) 또는 실링 캡(Sealing cap)은 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 금속 플레이트로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 배기 포트(100)는 증기 유동 통로(80)와 연결되도록 형성되어 있는 튜브 또는 파이프(Pipe)로 구성될 수도 있다. 작동유체(70)가 충전되어 있는 증기 유동 통로(80)를 포함하는 통로들, 즉 제1 및 제2 접촉면(32, 42) 사이의 공간 안을 감압시킨 후, 튜브의 말단은 블레이징, 용접 등에 의해 밀봉된다.

카운터싱크 구멍(Countersink hole: 106)이 플러그(102)를 제1 금속 플레이트(30)의 제1 반대면(34)으로부터 몰입시킬 수 있도록 배기 포트(100)의 주위에 더 형성되어 있다. 카운터싱크 구멍(106)은 제1 금속 플레이트(30)의 드로잉(Drawing)에 의해 형성될 수 있다. 플러그(102)가 카운터싱크 구멍(106) 안에 몰입되는 것에 의해 제1 금속 플레이트(30)의 아랫면이 평탄하게 된다. 따라서 제1 금속 플레이트(30)의 아랫면을 열원(2)의 표면에 안정적으로 접촉시켜 설치시킬 수 있게 된다. 몇몇 실시예에 있어서, 카운터싱크 구멍(106)은 드로잉에 의해 카운터보어 구멍(Counterbore hole)으로 형성될 수도 있다.

도 2 내지 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 베이퍼 체임버(10)는 증기 유동 통로(80)로부터 모세관 현상 또는 모세관력(Capillary force)에 의해 흘러들어오는 기상의 작동유체가 액상의 작동유체로 상변화되어 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92) 중 어느 하나로 흘러나가 증발부(60)로 갈 수 있도록 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92)가 형성되어 있는 면에 형성되어 있는 모세관 구조물(Capillary tube structure: 110)을 구비한다. 모세관 구조물(110)은 증기 유동 통로(80)와 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92) 사이에 배치되어 있다.

도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 모세관 구조물(110)은 복수의 모세관(112)과 복수의 서멀 패시지(Thermal passage: 114)로 구성되어 있다. 모세관(112)들은 증기 유동 통로(80)와 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92)와 마찬가지로 식각에 의해 형성될 수 있다. 모세관(112)들 각각은 증기 유동 통로(80)와 증기 분기 유동 통로(82)들 중 어느 하나에 연결되어 기상의 작동유체를 유입하는 입구(112a)와, 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92) 중 어느 하나에 연결되어 액상의 작동유체를 유출하는 출구(112b)를 갖는다. 모세관(112)들 각각은 증기 유동 통로(80)로부터 기상의 작동유체의 흐름 방향에 대해 사선 방향을 따라 형성되어 있다. 복수의 서멀 패시지(114)는 모세관(112)들의 경계를 규정하고 제1 및 제2 접촉면(32, 42)이 접촉되어 있는 부분으로 제1 금속 플레이트(30)의 열을 제2 금속 플레이트(40)에 수직 방향으로 빠르게 전달하여 열 수송 성능을 향상시키게 된다.

모세관(112)들 각각이 증기 유동 통로(80)로부터 사선 방향을 따라 연장되어 있는 형태는 잎맥(Leaf vein)의 측맥(Lateral vein or Secondary vein)이 주맥(Midrib or Primary vein)으로부터 가장자리(Margin)를 향하여 사선 방향으로 뻗어 있는 구조, 즉 잎의 우상맥(Penniveins or Pinnately veined)과 유사한 잎맥 구조(Leaf vein structure)로 볼 수 있다. 이와 같이 증기 유동 통로(80)와 모세관(112)들이 잎맥 구조로 구성되어 있는 것에 의해 기상 및 액상의 작동유체의 흐름이 전체적으로 원활하고 균일해져 열 수송 성능을 향상시킬 수 있다.

먼저, 작동유체(70)를 주입하여 베이퍼 챔버(10)를 제조하는 공정에 대하여 간략하게 설명한다.

도 2와 도 7을 참조하면, 작동유체(70)는 디스펜서(Dispenser)에 의해 증기 유동 통로(80)와 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92)에 정량으로 공급할 수 있다. 접착제(50)를 제1 및 제2 링 그루브(36, 46)에 충전시키고, 제1 및 제2 링 그루브(36, 46)와 이웃하는 제1 및 제2 접촉면(32, 42)의 가장자리 중 어느 하나 이상의 가장자리에 도포시킨 후, 제1 및 제2 금속 플레이트(30, 40)를 접착제(50)의 접착에 의해 밀봉시켜 결합시킨다. 작동유체(70)가 충전되어 있는 평판 금속 컨테이너(20)를 진공 체임버 안에 투입한 후, 진공 체임버 안의 압력을 작동유체(70)가 액상으로 기상으로 상변화하는 압력 이하의 압력으로 감압한다. 진공 체임버 안의 압력이 감압되면, 증기 유동 통로(80) 안의 압력도 감압되면서 작동유체(70)가 증발된다. 작동유체(70)는 증발열에 의해서 급속히 냉각되어 액상에서 고상으로 상변화된다.

계속해서, 작동유체(70)가 고상으로 상변화되면, 진공 체임버 안의 압력을 사전에 정해진 작동유체(70)의 동작 압력으로 승압시킨다. 진공 체임버의 압력이 정해진 작동유체(70)의 동작 압력으로 승압되면, 증기 유동 통로(80)의 압력도 정해진 작동유체(70)의 동작 압력으로 승압된다. 작동유체(70)는 승압된 압력에 따라 고체 상태를 유지하거나 액체 상태로 상변화할 수 있다. 작동유체(70)의 동작 압력은 베이퍼 체임버(10)가 냉각시키고자 하는 열원(2)의 특성, 작동유체(70)의 종류, 양과 작동유체(70)가 수용되는 여유 공간의 부피 등에 의해 정해지는 설계 사항이다. 예를 들면, 작동유체(70)가 액체에서 기체로 증발하는 온도(동작 온도)를 50℃ 이하로 하고자 할 경우, 동작 압력은 약 10kPa(약 0.1atm) 이하로 할 수 있다. 증기 유동 통로(80) 안의 압력이 작동 유체(90)의 동작 압력으로 승압되면, 플러그(102)를 접착제(104)에 의해 접착하여 배기 포트(100)를 밀봉시킨다.

도 2, 도 3, 도 5와 도 7을 참조하면, 열원(2)의 열이 제1 금속 플레이트(30)의 제1 반대면(34)에 전달되면, 증발부(60)에서 작동유체(70)가 증발되면서 액상의 작동유체가 기상의 작동유체로 상변화된다. 요철(66)들은 핫스폿 영역(64)에서 액상의 작동유체와 접촉하는 면적을 증가시켜 액상의 작동유체의 증발을 촉진시키게 된다. 기상의 작동유체는 증발부(60)로부터 증기 유동 통로(80)를 따라 응축부(62)를 향하여 흐르게 된다. 기상의 작동유체의 흐름은 증기 유동 통로(80)에 연결되어 있는 증기 분기 유동 통로(82)들 각각으로 분기된다.

본 발명에 따른 베이퍼 채임버를 제조하는 방법 및 장치에 대한 보다 상세한 설명은 본 발명의 발명자가 출원한 특허(대한민국 특허 출원 번호 제10-2019-0139521호 '베이퍼 체임버, 그 베이퍼 체임버의 제조 방법 및 장치')의 명세서에 기재되어 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 베이퍼 체임버에 대한 작용을 설명한다.

도 2, 도 3과 도 8을 참조하면, 기상의 작동유체는 증기 유동 통로(80)와 증기 분기 유동 통로(82)들을 따라 흐르면서 입구(112a)를 통하여 모세관(112)들 각각으로 흘러들어가게 된다. 제1 금속 플레이트(30)의 제1 반대면(34)에 전달되는 열은 제1 및 제2 접촉면(32, 42)이 접촉되어 있는 서멀 패시지(114)들을 통하여 수직 방향으로 제2 금속 플레이트(40)에 빠르게 전달된다. 제2 금속 플레이트(40)에 전달되는 열은 제2 반대면(44)을 통하여 방출되면서 제2 금속 플레이트(40)의 냉각이 수행된다. 모세관(112)들 각각을 흐르는 기상의 작동유체는 제2 금속 플레이트(40)의 냉각에 의해 응축되어 액상의 작동유체로 상변화된다.

액상의 작동유체는 입구(112a)와 출구(112b)의 압력 차이에 의해 모세관(112)들로부터 출구(112b)를 통하여 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92)로 흘러나간 후, 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92)를 따라 증발부(60)로 귀환되게 된다. 기상의 작동유체는 응축부(62)에서 응축되어 액상의 작동유체로 상변화될 수 있다. 액상의 작동유체는 기상의 작동유체와 마찬가지로 응축부(62)의 주위에 위치하는 모세관(112)들로 흘러들어가 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로(90, 92)로 보내져 증발부(60)로 귀환된다.

한편, 제1 및 제2 주변 유동 통로(80b, 80c)를 따라 흐르던 기상의 작동유체는 모세관(124)들을 통하여 주변 액체 귀환 유동 통로(120)로 보내진다. 주변 액체 귀환 유동 통로(120)는 평판 금속 컨테이너(20)의 가장자리를 따라 형성되어 증발부(60)와 떨어져 있는 응축 영역 또는 냉각 영역으로 된다. 따라서 주변 액체 귀환 유동 통로(120)와 모세관(124)들을 따라 흐르는 기상의 작동유체는 액상의 작동유체로 상변화된다. 귀환 유동 통로(120)를 흐르는 액상의 작동유체는 노즐(94)을 통해 증발부(60)에 분사되어 다시 기상의 작동유체로 상변화된다.

이와 같이 작동유체(70)는 증발부(60)에서 열을 받아 기화되고, 응축부(62), 모세관 구조물(110)들과 주변 액체 귀환 유동 통로(120)에서 응축되어 기체와 액체 상태를 반복함과 아울러 평판 금속 컨테이너(20) 안을 순환하면서 열원(2)을 빠르고 효율적으로 냉각시키게 된다.

도 9와 도 10에 본 발명에 따른 베이퍼 체임버의 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 9와 도 10을 참조하면, 다른 실시예의 베이퍼 체임버(10A)와 앞에서 설명한 베이퍼 체임버(10)의 동일한 구성은 동일한 부호를 부여하고, 그에 대한 자세한 설명은 생략한다. 다른 실시예의 베이퍼 체임버(10A)와 앞에서 설명한 베이퍼 체임버(10)의 차이점은 모세관 구조물(110)에 있다.

다른 실시예의 베이퍼 체임버(10A)에 있어서 모세관 구조물(110)은 복수의 다른 모세관(116)을 더 포함한다. 모세관(116)들은 입구(116a)와 출구(116b)를 갖는다. 입구(116a)는 증기 유동 통로(80)와 증기 분기 유동 통로(82)들 중 어느 하나에 연결되어 기상의 작동유체를 유입한다. 출구(116b)는 모세관(112)들 중 어느 하나에 연결되어 있다. 출구(116b)는 모세관(112)들의 대략 가운데에 연결되는 것이 좋다. 모세관(116)들이 모세관(112)들 중 하나에 연결되는 것에 의해 모세관 구조물(110)의 설계를 쉽고 간단하게 할 수 있으며, 기상 및 액상의 작동유체의 흐름을 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 베이퍼 체임버 20: 평판 금속 컨테이너
30: 제1 금속 플레이트 40: 제2 금속 플레이트
50: 접착제 60: 증발부
64: 핫스폿 영역 70: 작동유체
80: 증기 유동 통로 82: 증기 분기 유동 통로
90: 제1 액체 귀환 유동 통로 92: 제2 액체 귀환 유동 통로
100: 배기 포트 102: 플러그
110: 모세관 구조물 112: 모세관
114: 서멀 패시지 116: 모세관

Claims

제1 금속 플레이트와, 상기 제1 금속 플레이트와 맞닿는 제1 및 제2 접촉면을 형성하도록 상기 제1 금속 플레이트의 가장자리에 밀봉되어 있는 제2 금속 플레이트를 가지며, 상기 제1 및 제2 접촉면과 반대되는 상기 제1 및 제2 금속 플레이트의 제1 및 제2 반대면 중 어느 하나의 한쪽에 열원과 이웃하는 증발부를 갖는 평판 금속 컨테이너를 포함하고,
작동유체가 수용되며 상기 증발부에서 상기 작동유체의 증발에 의해 생성되는 기상의 작동유체가 상기 증발부로부터 멀어지는 방향으로 흐를 수 있도록 증기 유동 통로가 상기 제1 및 제2 접촉면 중 적어도 어느 하나 이상의 면에 형성되어 있고,
상기 기상의 작동유체의 응축에 의해 생성되는 액상의 작동유체가 상기 증발부로 귀환할 수 있도록 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로가 상기 적어도 어느 하나 이상의 면에 형성되어 있으며,
상기 증기 유동 통로와 상기 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로 중 어느 하나 사이를 연결하는 복수의 모세관이 상기 적어도 어느 하나 이상의 면에 형성되어 있고,
상기 복수의 모세관 각각의 경계를 규정함과 아울러 상기 제1 및 제2 반대면 중 어느 하나로부터 다른 하나로 상기 열원의 열을 전달하여 상기 증기 유동 통로로부터 상기 복수의 모세관으로 흘러들어오는 상기 기상의 작동유체가 상기 액상의 작동유체로 상변화되어 상기 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로 중 어느 하나로 흘러나갈 수 있도록 상기 제1 및 제2 접촉면이 맞닿아 있는 복수의 서멀 패시지가 상기 제1 및 제2 금속 플레이트에 형성되어 있으며,
상기 증기 유동 통로의 양측으로부터 상기 기상의 작동유체의 흐름 방향에 대해 교차하는 방향을 따라 복수의 증기 분기 유동 통로가 연장되어 있고,
상기 복수의 모세관 중 일부는 상기 복수의 증기 분기 유동 통로와 상기 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로 사이에 연결되어 있는 베이퍼 체임버.
삭제
제1항에 있어서,
상기 복수의 증기 분기 유동 통로 중 상기 증발부의 하류에 배치되어 있는 증기 분기 유동 통로는 상기 기상의 작동유체의 흐름 방향에 대해 사선 방향을 따라 형성되어 있는 베이퍼 체임버.
제1항에 있어서,
상기 증기 유동 통로와 상기 복수의 증기 분기 유동 통로 중 어느 하나와 상기 복수의 모세관 중 어느 하나를 연결하도록 형성되어 있는 복수의 모세관을 더 포함하는 베이퍼 체임버.
제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증기 유동 통로는 상기 적어도 어느 하나 이상의 면의 가운데를 가로질러 형성되어 있으며, 상기 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로 각각은 상기 증기 유동 통로의 하류와 상기 증발부의 상류를 연결하도록 상기 적어도 하나 이상의 면의 양쪽 가장자리를 따라 형성되어 있는 베이퍼 체임버.
제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 증발부는 가운데에 핫스폿 영역을 가지며, 상기 핫스폿 영역에 표면적의 증가를 위하여 형성되어 있는 요철을 더 포함하는 베이퍼 체임버.
제6항에 있어서,
상기 증발부와 이웃하는 상기 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로의 상류에 상기 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로로부터 상기 핫스폿 영역을 향하여 상기 액상의 작동유체를 분사할 수 있도록 상기 증발부와 이웃하는 상기 제1 및 제2 액체 귀환 유동 통로의 상류에 노즐이 더 형성되어 있는 베이퍼 체임버.
제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 반대면 중 어느 하나에 상기 증기 유동 통로와 연결되도록 형성되어 있는 배기 포트와, 상기 배기 포트를 밀봉하도록 상기 배기 포트가 형성되어 있는 상기 제1 및 제2 반대면 중 어느 하나에 결합되어 있는 플러그를 포함하는 베이퍼 체임버.
제8항에 있어서,
상기 제1 금속 플레이트와 상기 제2 금속 플레이트는 접착제에 의해 결합되어 있으며, 상기 제1 및 제2 반대면 중 어느 하나와 상기 플러그는 접착제에 의해 결합되어 있는 베이퍼 체임버.
제8항에 있어서,
상기 제1 및 제2 반대면 중 어느 하나로부터 상기 플러그를 몰입시킬 수 있도록 상기 배기 포트의 주위에 카운터싱크 구멍이 더 형성되어 있는 베이퍼 체임버.
제1항, 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 금속 플레이트 각각은 상기 제1 및 제2 금속 플레이트의 밀봉을 위한 접착제를 충전할 수 있도록 가장자리를 따라 서로 접하는 면에 형성되어 있는 하나 이상의 링 그루브를 구비하는 베이퍼 체임버.