KR102469989B1 - 금속 절연체 바디를 제조하기 위한 방법 및 그것을 포함하는 관련 디바이스 - Google Patents

금속 절연체 바디를 제조하기 위한 방법 및 그것을 포함하는 관련 디바이스 Download PDF

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크리스토퍼 에이. 코리
티모시 에프. 맥렐란
케이시 엘. 펜더
머레이 티. 한
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엘3해리스 테크놀러지스, 인크.
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Abstract

열감성 구성요소와 열원 사이에 위치될 금속 절연체 바디를 제조하기 위한 방법은 금속 절연체 바디에 대한 적어도 열 전도도 사양 및 부하 사양을 획득하는 단계, 및 적어도 열 전도도 사양 및 부하 사양을 충족시키도록 고체 영역들 및 격자 영역들을 포함하는 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계를 포함한다. 3차원(3D) 금속 프린팅은 금속 절연체 바디 디자인에 기초하여 금속 절연체 바디를 형성하기 위해 사용된다.

Description

금속 절연체 바디를 제조하기 위한 방법 및 그것을 포함하는 관련 디바이스{METHOD FOR MAKING A METAL ISOLATOR BODY AND ASSOCIATED DEVICE INCLUDING THE SAME}
행정 권리
본 발명은 비밀 행정 계약되어 정부 지원으로 만들어졌다.　 정부는 본 발명의 소정 권리를 갖는다.
기술분야
본 발명은 단열체 분야, 보다 구체적으로는 열 전도성 금속으로 단열 바디를 제조하는 방법 및 그것을 포함하는 상응하는 디바이스에 관한 것이다.
단열체들은 열감성 구성요소들과 열원들을 분리하기 위해 사용된다. 예를 들어, 우주 시스템들은 일반적으로 지구 주위를 돌 때 극심한 온도 변화를 경험한다. 극심한 온도 변화는 우주 시스템들 내 열감성 구성요소들에 악영향을 미칠 수 있다. 단열체들은 열원들로부터 열감성 구성요소들로의 열 흐름을 차단하거나 늦춘다.
설계 기사들은 단열체로서 사용될 물질의 유형을 선택할 때 열감성 구성요소들의 동작 온도를 고려한다. 저 열 전도성 물질들 이를테면 열가소성 플라스틱들 및 세라믹들이 통상적으로 단열체들로서 사용된다.
설계 기사들에게 문제는 단열체들이 보통 시스템의 나머지를 구성하는 금속 어셈블리들과 접촉한다는 것이다. 이러한 금속 어셈블리들은 열감성 구성요소들 및 열원들을 포함한다. 열가소성 플라스틱들 및 세라믹들이 좋은 단열체들이더라도, 그것들은 금속 어셈블리들과 상이한 기계적 속성들을 갖는다.
열가소성 플라스틱들이 금속 어셈블리에 단열체로서 도입될 때, 그것은 고온에서 연화되기 시작한다. 고온이 200℃에 이를 때, 열가소성 플라스틱은 분해되기 시작한다. 그에 반해, 세라믹은 200℃를 넘는 보다 높은 온도 한계를 견딜 수 있으나, 주변 금속 구성요소들보다 강성이고 취성이다.
설계 기사들은 열감성 구성요소들을 분리하기 위해, 금속 어셈블리들의 시스템 파라미터들, 이를테면 강성 또는 동작 온도를 절충해야 할 수 있다. 금속 어셈블리들의 동작 온도들은 열가소성 플라스틱 제한들에 의해 축소될 수 있는 반면, 금속 어셈블리들의 신뢰성은 세라믹 내구성 제한들에 의해 감소될 수있다.
열가소성 플라스틱들 및 세라믹들에 대한 대안으로서, 금속 이를테면 타이타늄이 통상적으로 항공 우주 어셈블리들에서 찾아지는 다른 금속들보다 낮은 전도도를 갖기 때문에 그것이 단열체로서 사용될 수 있다. 타이타늄이 금속 어셈블리의 구조적 무결성을 유지하더라도, 금속 어셈블리와 열 팽창 계수(CTE)가 미스매치된다. 그 결과, 시스템 파라미터들을 절충하지 않고 열감성 구성요소들을 열원과 분리하기 위한 금속 어셈블리를 위한 단열체에 대한 요구가 있을 수 있다.
열감성 구성요소와 열원 사이에 위치될 금속 절연체 바디를 제조하기 위한 방법은 상기 금속 절연체 바디에 대한 적어도 열 전도도 사양 및 부하 사양을 획득하는 단계, 적어도 상기 열 전도도 사양 및 상기 부하 사양을 충족시키도록 고체 영역들 및 격자 영역들을 포함하는 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계, 및 3차원(3D) 금속 프린팅을 사용하여 상기 금속 절연체 바디 디자인에 기초하여 상기 금속 절연체 바디를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 3D 금속 프린팅은 바람직하게는 상기 금속 절연체 바디의 열적 속성들을 상기 열 전도도 사양을 충족시키도록 맞추기 위해 사용되는 상기 격자 영역들을 프린팅할 수 있음으로써 단열체가 열 전도성 금속으로 형성되게 한다. 단열체를 금속으로 생성할 수 있는 능력이란 설계 기사들이 열감성 구성요소들을 분리하기 위해 더 이상 시스템 파라미터들, 이를테면 강성 또는 동작 온도를 절충할 필요가 없을 수 있다는 것을 의미한다.
상기 방법은 상기 금속 절연체 바디에 대한 열 팽창 계수(CTE) 사양을 획득하는 단계, 및 또한 상기 CTE 사양을 충족시키도록 고체 영역들 및 격자 영역들을 포함하는 상기 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 그에 따라 상기 금속 절연체 바디는 상기 열원 및 상기 열감성 구성요소 중 적어도 하나와 동일한 금속을 포함할 수 있다.
상기 금속 절연체 바디는 상기 열감성 구성요소에 인접하게 위치될 차가운 면, 및 상기 열원에 인접하게 위치될 뜨거운 면을 포함할 수 있다. 상기 금속 절연체 바디는 상기 차가운 면 및 상기 뜨거운 면 사이에 연장되는 적어도 하나의 파스너 수용 통로를 가질 수 있다.
상기 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계는 상기 적어도 하나의 파스너 수용 통로 주변에 연속 고체 영역을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계는 금속 절연체 바디를 통한 공기 흐름을 허용하기 위해 상기 금속 절연체 바디의 외측 표면 상에 노출되는 격자 영역들을 포함하도록 상기 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계는 상기 금속 절연체 바디가 상기 금속 절연체 바디와 동일한 외측 형상을 갖는 가상의 고체 금속 바디의 열 전도도의 1/10 미만의 열 전도도를 갖도록 상기 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 측면은 적어도 열 전도도 사양 및 부하 사양을 충족시키도록 고체 영역들 및 격자 영역들을 포함하는 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계를 포함하여, 3차원(3D) 금속 프린틴을 사용하여 상기 금속 절연체 바디 디자인에 기초하여 상기 금속 절연체 바디를 형성하는, 열감성 구성요소를 열원과 분리하기 위한 방법에 관한 것이다.
또 다른 측면은 열감성 구성요소를 갖는 하우징, 상기 하우징에 연결되고 적어도 열전도도 사양 및 부하 사양을 충족시키기 위한 고체 영역들 및 격자 영역들을 포함하는 금속 절연체 바디를 포함하는 단열체, 및 상기 단열체에 연결되는 열원을 포함하는, 디바이스에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 열감성 구성요소와 열원 사이에 위치되는 금속 절연체 바디를 갖는 금속 어셈블리의 블록도이다.
도 2는 도 1에 예시된 금속 절연체 바디를 제조하기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 3은 도 1에 예시된 금속 절연체 바디의 상측 사시도이다.
도 4는 도 1에 예시된 금속 절연체 바디의 하측 사시도이다.
도 5는 도 4 및 도 5에 예시된 금속 절연체 바디에서의 격자 영역들의 부분 클로즈업도이다.
도 6은 도 1에 예시된 열감성 구성요소를 열원과 분리하기 위한 방법을 예시하는 흐름도이다.
본 발명은 이제 본 발명의 바람직한 실시예들이 도시된 첨부 도면들을 참조하여 이하에서 한층 충분하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태로 구현될 수 있고 여기에 제시된 실시예들로 제한되는 것으로 간주되지 않아야 한다. 그보다, 이러한 실시예들은 철저하고 완전하도록 제공되고, 본 발명이 해당 기술분야에서의 통상의 기술자들에게 본 발명의 범위를 충분히 전달할 것이다. 같은 부호들은 전체에 걸쳐 같은 요소들을 나타낸다.
처음으로 도 1 및 도 2를 참조하면, 금속 어셈블리(40)를 위한 금속 절연체 바디(50)를 제공하기 위한 방법이 논의될 것이다. 금속 어셈블리(40)는 열감성 구성요소(42) 및 열원(46)을 포함하고, 금속 절연체 바디(50)가 그 사이에 위치될 것이다.
금속 어셈블리(40)는 임의의 특정 시스템 또는 셋업으로 제한되지 않는다. 예로서, 금속 어셈블리(40)는 열감성 구성요소(42)가 금속 하우징(41)에 의해 수송되는 트랜스시버 카드 내 프로세서인 위성의 일부일 수 있고, 열원(46)은 위성의 외피이다. 위성의 외피가 태양광에 노출될 때, 외피가 열원(46)이 된다. 금속 하우징(41)은 위성의 외피, 즉, 열원(46)과 접촉하는 단열체(50)와 접촉한다.
예시된 흐름도(20)에서, 상기 방법은 시작(블록(22))으로부터, 블록(24)에서 금속 절연체 바디(50)에 대한 적어도 열 전도도 사양 및 부하 사양을 획득하는 단계, 및 블록(26)에서 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계를 포함한다. 금속 절연체 바디 디자인은 적어도 열 전도도 사양 및 부하 사양을 충족시키도록 고체 영역들(52) 및 격자 영역들(54)을 포함한다. 3차원(3D) 금속 프린팅은 블록(28)에서 금속 절연체 바디 디자인에 기초하여 금속 절연체 바디(50)를 형성하기 위해 사용된다. 방법은 블록(30)에서 종료된다.
3D 금속 프린팅은 바람직하게는 금속 절연체 바디(50)의 열적 속성들을 열 전도도 사양을 충족시키도록 맞추기 위해 사용되는 격자 영역들(52)을 프린팅할 수 있음으로써 단열체가 열 전도성 금속으로 형성되게 한다.
열 전도도 사양 및 부하 사양을 충족시키도록 금속 절연체 바디(50)를 설계하는 것에 더하여, 상기 방법은 금속 절연체 바디(50)에 대한 열 팽창 계수(CTE) 사양을 획득하는 단계를 더 포함한다. 금속 절연체 바디 디자인은 또한 CTE 사양을 충족시키도록 생성된다.
그에 따라 금속 절연체 바디(50)는 열원(46) 및 열감성 구성요소(42) 중 적어도 하나와 동일한 금속으로 형성될 수 있다. 단열체를 금속 어셈블리(40)의 나머지를 형성하기 위해 사용될 수 있는 동일한 금속으로 생성할 수 있는 능력이란 설계 기사들이 열감성 구성요소들(42)을 분리하기 위해 더 이상 시스템 파라미터들, 이를테면 강성 또는 동작 온도를 절충할 필요가 없을 수 있다는 것을 의미한다.
예시적인 금속 절연체 바디(50)는 도 3 내지 도 5를 참조하여 이제 논의될 것이다. 예시된 금속 절연체 바디(50)는 열 전도도 사양 및 부하 사양을 충족하도록 설계된다. 고체 영역들(52)이 금속 절연체 바디(50)가 부하 사양을 충족하게 하는 한편, 격자 영역들(54)은 강도를 제공하나 또한 금속 절연체 바디(50)가 열 전도도 사양을 충족하게 한다. 금속 절연체 바디(50)는 해당 기술분야에서의 통상의 기술자들에 의해 이해될 바와 같이 다른 크기들 또는 형상들을 가질 수 있다. 고체 및 격자 영역들(52, 54)의 배향 및 위치결정은 금속 절연체 바디(50)의 올바른 용도를 지원하는 미리 결정된 열 전도도 및 부하 사양들에 기초할 것이다.
금속 절연체 바디(50)는 열감성 구성요소(42)에 인접하게 위치될 차가운 면(62), 및 열원(46)에 인접하게 위치될 뜨거운 면(66)을 포함한다. 고체 영역들(52)은 차가운 면(62) 및 뜨거운 면(66) 사이에 연장되는 파스너 수용 통로(66)에 상응하며, 이때 연속 고체 영역(52)이 각 파스너 수용 통로(60)를 둘러싼다.
격자 영역들(54)은 금속 절연체 바디를 통한 공기 흐름을 허용하기 위해 금속 절연체 바디(50)의 외측 표면 상에 노출된다. 격자 영역들(54)은 도 5에 가장 잘 예시된 바와 같이, 사이에 띄워지는 정사각형 또는 다이아몬드 형상의 공간들(72)과 함께 연결되는 금속선들 또는 섹션들(70)을 포함한다. 정사각형 또는 다이아몬드 형상의 공간들(72)은 바람직하게는 금속 절연체 바디(50)의 볼륨의 압도적 대부분을 획정할 수 있다. 공기의 전도도는 금속 절연체 바디(50)가 단열체로서 기능하게 하는 대부분 금속들의 전도도보다 몇몇 자리수가 낮다. 물론, 금속 절연체 바디(50)가 또한 진공 환경에서, 이를테면 우주에서 사용될 수도 있다. 3D 프린팅은 기하학적 구조들 이를테면 격자 영역들(54)이 획득되게 한다. 3D 프린팅 없이, 금속 절연체 바디에서의 격자 영역들을 형성하는 것은 대단히 어려울 수 있다. PDF(powder bed fusion) 프로세스가 3D 프린팅을 위해 사용될 수 있다. PDF(powder bed fusion)는 다음의 통상적으로 사용되는 프린팅 기술들을 포함한다: DMLS(direct metal laser sintering), EBM(electron beam melting), SHS(selective heat sintering), SLM(selective laser melting), 및 SLS(selective laser sintering). PDF(powder bed fusion) 방법들은 분말재를 용융 및 용해시키기 위해 레이저 또는 전자 빔 중 어느 하나를 사용한다.. 물론, 해당 기술분야에서의 통상의 기술자들에 의해 용이하게 이해될 바와 같이, 다른 3D 프린팅 기술들이 사용될 수 있다.
해당 기술분야에서의 통상의 기술자들에 의해 용이하게 이해될 바와 같이, 열 전도도는 열을 전도하는 바디의 속성이다. 열 전달은 보다 높은 열 전도도의 바디에 걸친 것보다 낮은 열 전도도의 바디에 걸쳐 보다 낮은 레이트로 발생한다. 비교를 위해, 예시된 금속 절연체 바디(50)는 금속 절연체 바디와 동일한 외측 형상을 갖는 가상의 고체 금속 바디의 열 전도도의 1/10 미만의 열 전도도를 가질 수 있다.
다른 측면은 열감성 구성요소(42)를 열원(46)과 분리하기 위한 방법에 관한 것이다. 이제 도 6에 예시된 흐름도(100)를 참조하면, 상기 방법은 시작(블록(102))으로부터, 블록(104)에서 적어도 열 전도도 사양 및 부하 사양을 충족시키도록 고체 영역들(54) 및 격자 영역들(52)을 포함하는 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계를 포함한다. 3차원(3D) 금속 프린팅은 블록(106)에서 금속 절연체 바디 디자인에 기초하여 금속 절연체 바디(50)를 형성하기 위해 사용된다. 상기 방법은 블록(108)에서 금속 절연체 바디(50)를 열감성 구성요소(42) 및 열원(46) 사이에 위치시키는 단계를 더 포함한다. 방법은 블록(110)에서 종료된다.
또 다른 측면은 열감성 구성요소(42)를 갖는 하우징(41), 및 하우징에 연결되고 적어도 열전도도 사양 및 부하 사양을 충족시키기 위한 고체 영역들(52) 및 격자 영역들(54)을 포함하는 금속 절연체 바디(50)를 포함하는 단열체를 포함하는 디바이스(40)에 관한 것이다. 열원(46)은 단열체에 연결된다.
본 발명의 많은 변형 및 다른 실시예들이 앞에서의 설명 및 관련 도면들에 제시된 교시 내용의 혜택을 받는 해당 기술분야에서의 통상의 기술자에게 떠오를 것이다. 따라서, 본 발명은 개시된 구체적인 실시예들로 제한되는 것이 아니고, 변형예들 및 실시예들이 첨부된 청구범위의 범위 내에 포함되도록 의도된다는 것이 이해된다.

Claims (10)

  1. 열감성 구성요소와 열원 사이에 위치될 금속 절연체 바디를 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 금속 절연체 바디에 대한 적어도 열 전도도 사양 및 부하 사양을 획득하는 단계;
    적어도 상기 열 전도도 사양 및 상기 부하 사양을 충족시키도록 고체 영역들 및 격자 영역들을 포함하는 금속 절연체 바디 디자인을 생성하되, 상기 금속 절연체 바디에 대한 열 팽창 계수(CTE) 사양을 획득하는 단계;
    상기 CTE 사양도 충족시키도록 고체 영역들 및 격자 영역들을 포함하는 상기 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계; 및
    3차원(3D) 금속 프린팅을 사용하여 상기 금속 절연체 바디 디자인에 기초하여 상기 금속 절연체 바디를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 금속 절연체 바디는:
    상기 열감성 구성요소에 인접하게 위치될 차가운 면, 및 상기 열원에 인접하게 위치될 뜨거운 면;
    상기 차가운 면 및 상기 뜨거운 면 사이에 연장되는 적어도 하나의 파스너 수용 통로를 포함하되;
    상기 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 파스너 수용 통로 주변에 연속 고체 영역을 형성하는 단계; 및
    금속 절연체 바디를 통한 공기 흐름을 허용하기 위해 상기 금속 절연체 바디의 외측 표면 상에 노출되는 격자 영역들을 포함하도록 상기 금속 절연체 바디 디자인을 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속 절연체 바디는 상기 열원 및 상기 열감성 구성요소 중 적어도 하나와 동일한 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 디바이스로서,
    열감성 구성요소;
    상기 열감성 구성요소에 연결되고 적어도 열전도도 사양 및 부하 사양을 충족시키는 고체 영역들 및 격자 영역들을 포함하는 금속 절연체 바디를 포함하는 단열체; 및
    상기 단열체에 연결되는 열원을 포함하고,
    상기 금속 절연체 바디는 상기 열감성 구성요소에 연결될 차가운 면, 및 상기 열원에 연결될 뜨거운 면을 포함하며,
    상기 금속 절연체 바디는 상기 차가운 면 및 상기 뜨거운 면 사이에 연장되는 적어도 하나의 파스너 수용 통로를 갖고, 상기 적어도 하나의 파스너 수용 통로 주변에 연속 고체 영역을 포함하며, 그리고
    상기 격자 영역들은 금속 절연체 바디를 통한 공기 흐름을 허용하기 위해 상기 금속 절연체 바디의 외측 표면 상에 노출되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 금속 절연체 바디는 상기 열원 및 상기 열감성 구성요소 중 적어도 하나와 동일한 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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