KR102424002B1 - 열 교환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환 장치는 챔버, 판 형상을 갖고, 상기 챔버 내의 공간을 제1 공간 및 상기 제1 공간의 온도보다 낮은 온도를 갖는 제2 공간으로 구획하는 분리막, 상기 분리막을 관통하여 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간에 배치되고, 단면이 U자 형상으로 벤딩되는 판 형상을 갖는 히트 파이프 및 상기 히트 파이프의 외벽에 배치되는 적어도 하나의 확장핀을 포함하고, 상기 분리막에 의해 상기 제1 공간은 상기 제2 공간보다 하부에 구획된다.

Description

열 교환 장치{HEAT EXCHANGE APPARATUS}
본 발명은 수송기기 및 산업용 장비의 동력 생산 발열 챔버 룸과 같이 한정된 크기의 챔버 내에서 자연대류 유체 유동방식에 의해 고 열유속(Heat Flux)의 열교환이 높은 온도 영역(Section)과 낮은 온도 영역 간에 매우 빠르게 이루어짐으로써, 고 용량 열전달, 매우 빠른 열전달 그리고 무동력의 작동 특성을 갖는 열 교환 장치에 관한 것이다.
수송기기, 항공기, 산업용 열교환이기 및 전기, 전자 통신 시스템 등에서 핫 스팟(hot spot) 제거, 열의 전달, 열의 소산(heat dissipation)에 수동형(passive type) 및 능동형(active type) 열관리 시스템 들이 혼용되어 적용되고 있다. 최근 들어 시스템의 신뢰성 향상을 위해 열관리 성능의 허용 범위 내에서 수동형 열관리 시스템의 선호 현상은 더욱 두드러지고 있으며, 이에 부응하기 위한 열관리 시스템의 고성능화는 경량화 저가격화와 더불어 가장 중요한 요구 스펙(spec.)이 되고 있다.
그러나, 장비, 시스템의 소형화 및 고 집적화 추세와 더불어 점차 고 성능화되어 가는 경향은 단위 면적당 발열량인 열유속(heat flux)을 크게 증가시키고 있다. 이러한 경우 소형화와 고 열소산(heat dissipation)량의 주요 설계 인자는 서로 상반되는 모순을 갖게 된다. 즉 발열량을 주위 대기로 빠르게 소산시키거나 전달 또는 교환하기 위해서는 방열면적을 필요 불가결하게 증가시켜야 하기 때문에, 제품의 소형화와는 상반된 모순을 보이게 된다.
위에서 언급한 상반된 모순을 최대한 해소하기 위한 노력이 필요하며, 주요 핵심 방안으로써는 열소스(heat source)에서부터 열을 흡수하는 영역에 이르는 열 경로(path)에서의 열저항 요소 제거와 더불어 빠른 열이송을 들 수 있다.
따라서, 열 경로(path)에서의 열저항 요소 제거와 빠른 열이송을 위한 기술적 제안이 요구된다.
수송기기, 산업용 장비 등의 동력 생산 발열 챔버 룸과 같이 제한된 체적의 크기 내에서 냉각 및 열교환이 수동형 열관리 시스템으로는 고 열전달 성능 및 빠른 열이송의 달성이 쉽지 않다.
이러한 경우, 수동형 열관리 시스템으로써 고려될 수 있는 것이 잠열(latent heat) 열전달을 이용한 방식이지만, 일반적으로 많이 사용하고 있는 구리 소재의 원형 구조를 히트파이프의 경우 가열 및 냉각용 외부 핀의 설치가 별도로 추가되어야만 하며, 추가 되더라도 냉각용 외부 핀과 히트파이프 본체와의 결합에 따른 접촉 열저항은 큰 단점이 아닐 수 없다. 아울러 원형 구조의 히트파이프 외부에 가열 및 냉각용 외부 핀을 설치하더라도, 핀의 높이 방향이 주변 유체의 자연대류 유동 방향과 일치하지 않아 커다란 유동 저항을 발생할 가능성이 크며, 혹여 추가적인 가공을 통해 핀을 방향을 변경시키더라도 별도의 생산 비용이 추가하게 돼 단점으로 지적되고 있다.
따라서, 상기와 같이 잠열 열전달을 이용하는 방식이 제한된 공간 내 가열 및 냉각의 열교환에 유리한 것은 맞지만, 보다 효과적인 설계 구조의 제안이 필요한 만큼, 이의 해결책으로써 본 발명과 같이 판상 및 외부핀 일체형 열 교환 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 열 교환 장치는 챔버, 판 형상을 갖고, 상기 챔버 내의 공간을 제1 공간 및 상기 제1 공간의 온도보다 낮은 온도를 갖는 제2 공간으로 구획하는 분리막, 상기 분리막을 관통하여, 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간에 배치되고, 단면이 U자 형상으로 벤딩되는 판 형상을 갖는 히트 파이프, 및 상기 히트 파이프의 외벽에 배치되는 적어도 하나의 확장핀을 포함하고, 상기 분리막에 의해 상기 제1 공간은 상기 제2 공간보다 하부에 구획된다.
본 발명의 일 예에 따른 열 교환 장치는 기본적으로 평판 형상을 가지고, 냉각 및 가열 기능 목적의 U 형태로 설계함으로써, 수송기기 및 산업용 장비 내 발열 챔버의 한정된 공간 하에서 많은 량의 열유속을 그리고 빠르게 열교환할 수 있게 된다.
이는 수동형(passive type) 열 교환 장치로써는 가장 콤팩트(compact)하고, 단위 체적 당 열의 흡수와 방출이 가장 큰 효과를 발휘할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 열 교환 장치는 소재가 알루미늄으로써 경량임에 따라, 수송기기 내 열 교환 장치로써 매우 적합하며, 별도의 동력 공급과 관리 없이도 반 영구적으로 사용할 수 있는 장치에 해당한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열 교환 장치의 전체 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 열 교환 장치의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 A 영역의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열 교환 장치의 전체 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열 교환 장치의 전체 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열 교환 장치의 전체 사시도이다.
이하, 본 발명에 따른 챔버 내 자연대류 고밀도 열 교환 장치를 나타내는 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조 부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다
본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 개략도인 평면도 및 단면도를 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이고, 발명의 범주를 제한하기 위한 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열 교환 장치의 전체 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 열 교환 장치의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열 교환 장치(1000)는 제한된 체적 내에서 오로지 유체(Fluid)의 자연 대류 열전달 매커니즘에 의해서만 고속 및 고용량으로 열을 전달하는 자연 대류형 고밀도 열 교환 장치(1000)일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 열 교환 장치(1000)는 챔버(100), 분리막(200), 히트 파이프(300) 및 확장핀(400)을 포함한다.
분리막(200)은 제1 방향(DR1) 및 제2 방향(DR2)에 의하여 정의되는 평면을 따라 연장되는 판 형상을 갖는다. 분리막(200)에 의하여 챔버(100) 내의 공간은 제1 공간(R1) 및 제2 공간(R2)으로 구획될 수 있다. 구체적으로, 제1 공간(R1)은 분리막(200)의 하부에 구획되고, 제2 공간(R2)은 분리막(200)의 상부에 구획될 수 있다. 이하, 후술되는 상부 및 하부 방향은 제3 방향(DR3)과 평행하며, 제3 방향(DR3)은 제1 방향(DR1) 및 제2 방향(DR2)과 모두 수직한 방향으로 정의된다.
본 발명은 분리막(200)의 형상 및 개수에 한정되지 않는다. 예시적으로, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면 분리막(200)은 복수로 제공되어, 챔버(100) 내의 공간을 2개 이상의 복수의 공간들로 구획할 수 있다.
제1 공간(R1)의 온도는 제2 공간(R2)의 온도보다 높은 온도를 가질 수 있다. 예시적으로, 제1 공간(R1)은 열원(Heat Source)와 연결되거나, 제1 공간(R1) 내에 열원(Heat Source)이 배치될 수 있다.
히트 파이프(300)는 분리막(200)을 관통하여 제1 공간(R1) 및 제2 공간(R2)에 배치된다. 히트 파이프(300)는 단면이 U자 형상으로 벤딩되는 판 형상을 갖는다. 구체적으로, 히트 파이프(300)는 제1 방향(DR1) 및 제3 방향(DR3)에 의하여 정의되는 평면으로 자른 단면상에서 U자 형상을 가지며, 제2 방향(DR2)으로 연장되는 판 형상을 갖는다.
히트 파이프(300)의 벤딩되는 영역은 제1 공간(R1)에 배치될 수 있다.
히트 파이프(300)는 열 전도율이 높은 물질을 포함할 수 있다. 예시적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 히트 파이프(300)는 알루미늄 재질을 포함할 수 있다.
확장핀(400)은 히트 파이프(300)의 외벽에 배치되어 히트 파이프(300)와 연결된다.
본 실시 예에 따른 확장핀(400)은 히트 파이프(300)의 압출 공정과 함께 동시에 제작되어 히트 파이프(300)와 일체의 형상을 가질 수 있다.
그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 응용 현태 및 생산 가공의 환경에 따라 확장핀(400)이 히트 파이프(300)와 별도로 제작된 후 히트 파이프(300)와 결합될 수도 있음은 물론이다.
확장핀(400)은 열 전도율이 높은 물질을 포함할 수 있다. 예시적으로, 확장핀(400)은 히트 파이프(300)와 동일한 물질을 포함할 수 있다. 이 경우, 확장핀(400)과 히트 파이프(400) 소재 간의 접촉 열저항을 제거할 수 있다.
확장핀(400)은 제1 방향(DR1)에서 히트 파이프(300)에 의하여 둘러싸인 U자 형상 내측에 정의된 공간 배치된다. 확장핀(400)은 제1 공간(R1)에 배치되는 하부 확장핀(410) 및 제2 공간(R2)에 배치되는 상부 확장핀(420)을 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따른 하부 확장핀(410) 및 상부 확장핀(420)은 벤딩된 판형상을 가질 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 A 영역의 확대도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 히트 파이프(300)는 기체-액체 상변화에 의한 고성능의 열 전달 매체일 수 있다. 구체적으로, 제1 공간(R1)의 열이 제2 공간(R2)으로 이동될 수 있다. 제1 공간(R1)에 배치된 히트 파이프(300) 내부의 액체는 열원(Heat Source)에 의하여 열(HT)을 흡수하여 증기(VP)가 될 수 있다. 잠열을 가진 증기(VP)는 진공 상태의 내부 통로를 통하여 상대적으로 온도가 낮은 제2 공간(R2)을 향하여 이동한다. 이동한 증기(VP)는 제2 공간(R2)에 배치된 히트 파이프(300)의 외부로 열(HT)을 방출하여 액화되며, 액화된 액체(LQ)는 히트 파이프(300)의 내벽을 따라 중력 및 모세관력의 도움으로 제1 공간(R1)으로 이송될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 상술한 열 흡수 및 열 방출 과정이 반복됨에 따라 열 교환이 효과적으로 이루어질 수 있다.
본 발명은 히트 파이프(300)의 내벽의 형상에 한정되지 않는다. 도면에 도시되지 않았으나, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 히트 파이프(300)의 내벽은 굴곡진 형상을 가질 수 있다. 즉, 히트 파이프(300)의 내벽의 표면적이 증가할 수 있다. 이 경우, 히트 파이프(300) 내부의 열(Heat)이 효과적으로 방출될 수 있다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시 예들에 따르면, 히트 파이프(300)의 내벽은 메쉬, fine fibers, 소결 및 써모싸이폰 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
결과적으로, 본 실시 예에 따르면, 히트 파이프(300)가 U자로 벤딩된 판 형상을 가짐으로써, 구조적 안정성이 향상되므로, 제한적 공간(100) 내에서 공간 활용성이 증대될 수 있다. 또한, 히트 파이프(300)가 U자 형상을 가짐으로써, 제1 공간(R1)의 열(HT)이 두 방향으로 이동하여 방출될 수 있다. 즉, 열 전달 속도가 증가할 수 있다.
또한, 본 실시 예에 따르면, 확장핀(400)이 히트 파이프(300)의 외벽에 배치됨으로써, 효과적으로 열이 흡수 및 방출될 수 있다.
또한 본 발명의 열교환 장치는 소재가 경량을 갖는 알루미늄으로써, 열교환 장치(1000)의 운반이 용이하며, 별도의 동력 공급과 관리 없이도 반 영구적으로 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열 교환 장치의 전체 사시도이다. 도 4에 도시된 열 교환 장치(1000-1)의 기본 구성 및 기능은 도 1 내지 도 3에 도시된 열 교환 장치(1000)와 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 도 4를 설명함에 있어서, 본 실시 예에 따른 열 교환 장치(1000-1)와 도 1 내지 도 3에 도시된 열 교환 장치(1000)와의 차이점을 중심으로 설명하며, 앞서 설명된 구성요소들은 도면 부호를 병기하고, 상기 구성 요소들에 대한 중복된 설명은 생략된다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열 교환 장치(1000-1)는 제1 히트 파이프(300a) 및 제2 히트 파이프(300b)를 포함한다. 제1 히트 파이프(300a) 및 제2 히트 파이프(300b)는 제1 방향을 따라 배열되며, 제1 방향(DR1) 따라 서로 이격되도록 배치된다.
본 실시 예에 따른 확장핀(400-1)은 제1 확장핀(400a), 제2 확장핀(400b) 및 제3 확장핀(400c)을 포함한다. 제1 확장핀(400a)은 제1 히트 파이프(300a)가 벤딩되어 정의되는 공간에 배치되고, 제2 확장핀(400b)은 제2 히트 파이프(300b)가 벤딩되어 정의되는 공간에 배치된다. 제3 확장핀(400c)은 제1 히트 파이프(300a) 및 제2 히트 파이프(300b) 사이의 이격된 공간에 배치되어 제1 히트 파이프(300a) 및 제2 히트 파이프(300b) 중 적어도 어느 하나와 결합된다.
본 실시 예에 따르면, 열 교환 장치(1000-1)가 두 개의 히트 파이프들(300a, 300b)을 포함하나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예시적으로, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 열 교환 장치(1000-1)가 3개 이상의 히트 파이프들을 포함할 수 있다. 이 경우, 히트 파이프들(300a, 300b)의 배열 구조에 한정되지 않는다.
결과적으로, 본 실시 예에 따르면, 보다 효과적으로 열이 교환될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열 교환 장치의 전체 사시도이다. 도 5에 도시된 열 교환 장치(1000-2)의 기본 구성 및 기능은 도 1 내지 도 3에 도시된 열 교환 장치(1000)와 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 도 5를 설명함에 있어서, 본 실시 예에 따른 열 교환 장치(1000-2)와 도 1 내지 도 3에 도시된 열 교환 장치(1000)와의 차이점을 중심으로 설명하며, 앞서 설명된 구성요소들은 도면 부호를 병기하고, 상기 구성 요소들에 대한 중복된 설명은 생략된다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열 교환 장치(1000-2)의 확장핀(400-2) 제3 방향(DR3)으로 연장된 판 형상을 갖는다.
또한, 제1 방향(DR1)에서 히트 파이프(300)의 U자 형상 외측에 배치된다. 구체적으로, 확장핀(400-2)은 복수로 제공되어 제2 방향(DR2)으로 이격되도록 배열된다.
본 실시 예에 따르면, 확장핀들(400-2)이 자연 대류 유동 방향인 제3 방향(DR3)으로 연장되므로, 보다 효과적으로 열을 교환될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 열 교환 장치의 전체 사시도이다. 도 6에 도시된 열 교환 장치(1000-3)의 기본 구성 및 기능은 도 1 내지 도 3에 도시된 열 교환 장치(1000)와 실질적으로 동일하다. 이에 따라, 도 6를 설명함에 있어서, 본 실시 예에 따른 열 교환 장치(1000-3)와 도 1 내지 도 3에 도시된 열 교환 장치(1000)와의 차이점을 중심으로 설명하며, 앞서 설명된 구성요소들은 도면 부호를 병기하고, 상기 구성 요소들에 대한 중복된 설명은 생략된다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 확장핀(400-3)은 복수로 제공되며, 제1 방향(DR1) 및 제3 방향(DR3)에 의하여 정의되는 평면으로 자른 단면상에서 U자 형상을 갖고, 제2 방향(DR2)으로 연장되는 판 형상을 갖는다.
확장핀들(400-3)은 제2 방향(DR2)에서 히트 파이프(300)의 양 측면에 배치될 수 있다.
히트 파이프(300) 및 확장핀(400-3)이 일체로 제작되는 경우, 히트 파이프(300)가 U자 형상으로 벤딩될 때, 히트 파이프(300)의 벤딩되는 영역에 스트레스 가해질 수 있다. 본 실시 예에 따르면, 확장핀들(400-3)이 히트 파이프(300)가 벤딩되는 방향에 대해 수직으로 배치되므로, 스트레스에 의한 벤딩 변형에 방해를 받지 않을 수 있다. 즉, 히트 파이프(300) 및 확장핀(400-3)을 용이하게 벤딩시킬 수 있다.
이상 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한 본 발명에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니고, 하기의 특허 청구의 범위 및 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000: 열 교환 장치 100: 챔버
200: 분리막 300: 히트 파이프
400: 확장핀 410: 하부 확장핀
420: 상부 확장핀 R1: 제1 공간
R2: 제2 공간

Claims (10)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내부를 수평 방향으로 배열되고, 상기 챔버의 하부 내의 제 1 공간과 상기 챔버의 상부 내의 제 2 공간으로 분리시키는 분리막;
    상기 분리막을 관통하여 상기 제 1 공간 및 상기 제 2 공간에 배치되고, 단면이 U자 형상으로 벤딩된 판 형상을 갖는 히트 파이프; 및
    상기 히트 파이프에 연결되고, 상기 제 1 공간 및 상기 제 2 공간 내에 배치된 확장 핀들을 포함하되,
    상기 확장 핀들은:
    상기 히트 파이프의 제 1 방향으로 마주보는 양측 측벽들에 배치되어 상기 제 1 방향으로 연장하고, 상기 분리막을 관통하는 제 1 확장 핀들; 및
    상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 마주보는 상기 히트 파이프의 양측 측벽들에 배치되어 상기 제 2 방향으로 연장하고, 상기 분리막을 관통하는 제 2 확장 핀들을 포함하되,
    상기 제 1 확장 판들 및 상기 제 2 확장 판들의 각각은 상기 분리막에 대해 수직한 방향으로 배열되는 열 교환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 파이프는 그의 내부에 액체로 채워진 내부 통로를 갖는 열 교환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 확장 핀들의 각각은:
    상기 제 1 공간 내의 상기 히트 파이프에 연결된 상부 확장 핀; 및
    상기 제 2 공간 내의 상기 히트 파이프에 연결된 하부 확장 핀을 포함하는 열 교환 장치.
  4. 삭제
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 상부 확장 핀과 상기 하부 확장 핀은 상기 히트 파이프 내에 배치된 열 교환 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 확장 핀들은 상기 분리막을 관통하여 상기 히트 파이프의 외벽을 따라 연장하는 열 교환 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 분리막은 제 1 방향으로 연장하여 상기 챔버의 마주보는 제 1 양측 내벽들에 연결되는 열 교환 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 히트 파이프는 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 연장하는 열 교환 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 확장 핀들은 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 연장하는 열 교환 장치.
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