KR102494649B1 - 라미네이트 마이크로채널 열 교환기 - Google Patents

라미네이트 마이크로채널 열 교환기 Download PDF

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리차드 토드 밀러
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오리건 스테이트 유니버시티
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Abstract

하나의 일반적인 양태에서, 마이크로채널 열 교환기가 개시된다. 이는 커버, 베이스, 및 유동 방향으로 정렬된 일련의 나란한 레인을 각각 형성하는 커버와 베이스 사이의 열 전도성 시트를 포함한다. 레인은 마이크로채널 세그먼트를 형성하고 크로스-리브에 의해 분리되는 정렬된 슬롯을 각각 포함한다. 시트는 리브의 적어도 일부가 서로로부터 오프셋되게 하고 인접한 시트 내의 동일한 레인 내의 마이크로채널 세그먼트가 유동 방향을 따라 서로 연통하여 열 교환기 내에 복수의 마이크로채널을 형성하도록 하기 위해 베이스와 커버 사이에 적층된다.

Description

라미네이트 마이크로채널 열 교환기
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 4월 18일자로 출원된 미국 가출원 일련번호 제62/324,327호 및 2017년 1월 10일자로 출원된 미국 출원 일련 번호 제15/402,511호에 대한 우선권을 주장하며, 이들 모두는 본원에 참조로 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 전자 디바이스와 같은 높은 열유속(high-heat flux)을 갖는 열원을 냉각시키는데 사용되는 마이크로채널 기반 증발기를 포함하는 마이크로채널 기반 열 교환기에 관한 것이다.
유체 열 교환기는 열 에너지를 수용 및 소산시킴으로써 높은 열유속의 열원(전형적으로 5 와트/cm 초과, 및 종종 실질적으로 더 높음)으로부터 폐열을 제거하는데 사용된다. 이러한 높은 열유속의 열원의 예는 마이크로프로세서 및 메모리 디바이스 같은 마이크로 전자 장치, 고체 상태 발광 다이오드(LED) 및 레이저, IGBT(insulated-gate bipolar transistor) 디바이스, 예컨대, 파워 서플라이, 광전지, 방사성 열 발생기 및 연료봉 및 내연 기관을 포함한다.
유체 열 교환기는 냉각제 유체가 유동하는 교환기의 내부 통로 내로 열 전도시키고, 교환기의 벽을 가로질러 전도되는 열을 흡수하고, 이어서 교환기 외부로 유체를 운반하며, 열 교환기 외부에서 열을 외부 히트 싱크로 배출시킴으로써 열을 소산한다. 교환기를 통해 유동하는 냉각제 유체는 가스일 수 있지만, 액체가 가스보다 높은 열 용량 및 열 전달 계수를 갖기 때문에 액체를 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다. 액체는 단일 상으로 유지될 수 있거나, 액체는 교환기의 내부 통로 내에서 부분적으로 또는 완전히 증발될 수 있다.
유체 열 교환기로 공급되는 냉각제 액체의 유동은 펌프에 의해, 또는 유입 및 유출 유체 사이의 밀도 차이 및/또는 고도로 인한 자연 대류에 의해(예를 들어, 열사이펀), 또는 교환기의 내부 통로 내의 모세관 작용에 의해, 또는 이들 메커니즘의 조합에 의해 구동될 수 있다.
증발기형 교환기는 비등 모드에 의존하고, 냉각제 유체의 단위 유체 유량당 더 높은 열 전달 계수(더 양호한 열 전달)의 장점을 갖는다. 이들은 또한 대부분의 열이 단일 상 액체 또는 가스의 감지 가능한 열(열 용량)보다는 비등 유체의 기화 잠열을 통해 흡수되기 때문에 훨씬 더 적은 냉각제 유동을 필요로 한다.
내부 통로가 마이크로채널, 즉, 1000 마이크로미터 미만 및 더 전형적으로 50 내지 500 마이크로미터의 범위의 최소 치수를 갖는 단면을 갖는 채널로 구성되면, 유체 열 교환기의 열적 성능 및 효율이 크게 향상될 수 있다는 것이 잘 알려져 있다.
하나의 일반적인 양태에서, 본 발명은 커버, 베이스, 및 유동 방향으로 정렬된 일련의 나란한 레인을 각각 형성하는 커버와 베이스 사이의 열 전도성 시트를 포함하는 마이크로채널 열 교환기를 특징으로 한다. 레인은 마이크로채널 세그먼트를 형성하고 크로스-리브에 의해 분리되는 정렬된 슬롯을 각각 포함한다. 시트는 리브의 적어도 일부가 서로로부터 오프셋되게 하고 인접한 시트 내의 동일한 레인 내의 마이크로채널 세그먼트가 유동 방향을 따라 서로 연통하여 열 교환기 내에 복수의 마이크로채널을 형성하도록 하기 위해 베이스와 커버 사이에 적층된다.
바람직한 실시예에서, 열 전도성 시트는 레인의 각각의 단부에 접근 채널 개구를 추가로 형성할 수 있고, 이는 적층될 때 마이크로채널을 위한 접근 채널을 생성한다. 시트는 레인의 입구 단부에서 개방 단면을 감소시키기 위해 열 교환기의 적어도 하나의 입구 단부에서 크로스-리브의 더 치밀한 패킹을 형성할 수 있다. 마이크로채널의 종횡비는 4:1보다 클 수 있다. 마이크로채널의 종횡비는 8:1보다 클 수 있다. 장치는 열 전도성 시트의 그룹 사이에 위치되어 다층 열 교환기를 형성하는 열 전도성 분리기 시트를 더 포함할 수 있다. 시트는 적어도 하나의 전도성 금속으로 제조될 수 있다. 시트는 소결 가능한 열 전도성 세라믹으로 제조될 수 있다. 시트는 접합 또는 융합될 수 있다. 마이크로채널은 500 마이크로미터 미만의 수력 직경을 가질 수 있다.
마이크로채널은 200 마이크로미터 미만의 수력 직경을 가질 수 있다. 베이스는 각각의 시트보다 두꺼운 베이스 플레이트일 수 있고, 커버는 마이크로채널과 연통하는 접근 채널을 포함할 수 있다. 베이스는 열 전도성이지만 전기 절연성 일 수 있다. 열 교환기는 유체 서비스를 비등 또는 증발시키도록 구성될 수 있고, 열 교환기는 마이크로채널의 입구 단부에서 유동 제한기를 더 포함한다. 유동 제한기는 슬롯들 사이의 크로스-리브 대부분보다 더 넓은 크로스-리브로 슬롯의 레인 내의 제1 슬롯의 단부를 교번적으로 폐쇄함으로써 형성될 수 있고, 교번하는 슬롯의 폐쇄-단부 레인은 슬롯형 시트의 교번하는 층 내에서 슬롯 위 또는 아래의 슬롯의 레인에 대해 엇갈리게 되며, 그래서, 시트가 함께 적층되고 접합될 때, 형성되는 평행 채널의 단면은 복수의 채널의 입구를 가로질러 체커보드 패턴을 가지며, 이는 주 채널의 단면적의 실질적으로 50%를 덮는 일체형 유동 제한기로서의 역할을 한다.
본 발명에 따른 시스템은 레디네그(Ledinegg) 효과를 억제하고 이에 의해 열 교환기를 2-상 시스템으로 작동시키는 것을 도울 수 있다. 입구 제한부를 제공함으로써, 본 발명에 따른 마이크로채널 증발기는 레디네그 효과 및 그에 의한 다른 방식으로 균일하지 않을 수 있는 다수의 (평행) 마이크로채널 내에서의 비등으로 인한, 그리고, 다양한 채널 내에서 비등이 발생할 때 다양한 압력 강하의 상호작용 및 그로 인한 입구 헤더 또는 매니폴드 내로의 주기적 역류 초래로 인한 유동 불안정성을 피할 수 있다. 이는 안정화되고 실질적으로 균일한 비등 유동을 달성하는 것을 도울 수 있고, 이에 의해 높은 열유속의 열원을 냉각할 때 개선되고 더 안정한 열적 성능을 초래한다.
도 1은 마이크로채널 열 교환기를 구현하는데 사용될 수 있는 홈형 라미네이트 구조에 포함되는 제1 유형의 홈형 시트의 평면도이다.
도 2는 도 1의 직사각형(2)에 도시된 제1 유형의 홈형 시트의 일부의 평면도이다.
도 3은 홈형 라미네이트 구조에 포함되는 제2 유형의 홈형 시트의 일부의 평면도이다.
도 4는 홈형 라미네이트 구조에 포함되는 분리기 시트의 평면도이다.
도 5는 도 2 및 도 3의 화살표 5로 도시된 배향으로 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같은 제1 및 제2 시트 유형을 교번시킴으로써 형성된 라미네이트 구조의 절결 사시도이다.
도 6은 도 5의 홈형 라미네이트 구조의 더 상세한 절결도이다.
도 7은 도 2 및 도 3의 화살표 7에 의해 도시된 배향으로 도 5의 구조를 통한 유동 경로를 도시하는 도 5의 라미네이트 구조의 제2 절결 사시도이다.
도 8은 도 1 내지 도 7에 나타낸 홈형 라미네이트 구조를 사용하여 홈형 라미네이트 코어로 조립하기 위한 라미네이트 시트의 분해도이다.
도 9는 도 8의 라미네이트 코어를 사용하는 마이크로채널 열 교환기의 일부의 분해 사시도이다.
도 10은 홈형 라미네이트 구조 내의 유동 제한기를 형성하는 평면을 통해 취한, 도 5의 홈형 라미네이트 구조의 단면도이다.
마이크로채널 열 교환기는 복수의 열 전도성 시트로 구성된 홈형 라미네이트 구조를 사용하여 조립될 수 있다. 하나의 이러한 제1 유형의 시트(40)가 도 1에 도시되어 있다. 이는 마이크로채널을 형성하는 슬롯(46)의 분리된 라인(44) 인 공통 절결 영역(42)을 포함한다.
더 구체적으로, 제1 유형(40)의 시트는 다수의 슬롯(46)의 복수의 라인(44)을 포함하고, 주어진 라인 내의 슬롯은 크로스-리브(48)로서 기능하는 얇은 벽에 의해 분리된다. 이들 라인은 슬롯의 각각의 라인의 양 단부에서 슬롯에 연결된 공통 절결 영역 사이에 걸친다. 공통 절결 영역은 시트가 적층될 때 입력 및 출력 매니폴드를 형성하도록 서로 정렬된다.
또한 도 2 및 3을 참조하면, 교번하는 2개 이상의 유형의 시트는 마이크로채널이 3 차원으로 형성될 수 있게 한다. 특히, 라미네이트 코어 구조는, 각각의 슬롯의 라인이 연속적이지만 사행형인 유동 경로를 형성하도록 시트가 적층될 때 서로에 대해 엇갈린 크로스-리브를 갖는 교번하는 슬롯형 및 리브형 시트에 의해 조립된다(또한, 도 5 내지 도 7 참조).
도 4를 참조하면, 슬롯형 및 리브형 시트들의 공통 절결 영역들과 정렬되는 절결 영역들(62)을 갖는 열 전도성 비-슬롯형 분리기 시트들(60)이 또한 코어의 상단 및 저부에서 및/또는 마이크로채널들의 층들을 분리하기 위해 사용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 비-슬롯형 분리기 시트에 의해 측면형성된 교번하는 슬롯형 및 리브형 시트의 세트를 적층하는 것은 채널 벽의 측 방향 강화를 제공하는 것으로 유동 경로를 간헐적으로 부분적으로 차단하는 산재된 크로스-리브를 갖는 복수의 마이크로채널을 각각 갖는 하나 이상의 층을 포함하는 코어 구조의 형성을 허용한다. 시트 두께 및 슬롯 폭과 함께, 각각의 층 내의 교번적인 슬롯형 및 리브형 시트의 수는 채널 층의 채널 깊이 : 폭 종횡비를 결정한다. 층상 적층 시트는 바람직하게는 모든 시트가 서로 열 전도성 연통하도록 보장하도록 접합된다.
도 9를 참조하면, 결과적인 하위-조립체가 이어서 베이스 플레이트(74)에 접합되어 베이스 플레이트가 마이크로채널 층과 열 전도성 연통되도록 보장할 수 있고, 커버(78)가 베이스 플레이트에 접합된 결과적인 마이크로채널 층(76)의 조립체의 상단 상에 배치 및 밀봉될 수 있고, 그에 의해서 완전한 마이크로채널 열 교환기 조립체(70)를 형성한다.
도 10을 참조하면, 마이크로채널의 입력 측은 바람직하게는 교환기가 비등 또는 증발 서비스에서 사용되는 유동 제한기를 포함한다. 이들 제한기는 마이크로채널의 입력에 여분의 크로스-리브(82)를 제공함으로써 라미네이트 구조 내로 구축될 수 있다.
앞서 설명된 라미네이트 구조는 500 마이크로미터 미만의 수력 직경을 갖는 마이크로채널의 하나 이상의 층을 갖는 마이크로채널 열 교환기를 가능하게 하며, 마이크로채널은 임의적인 높은 깊이 : 폭 종횡비 및 얇은 벽을 갖는다. 채널은 채널의 벽을 연결하는 내부 크로스-리브를 갖고, 채널 벽에 기계적 강도를 제공하고, 유체 스트림 라인을 파괴하여 열 전달을 향상시키는 방식을 제공한다. 열 전도성 시트 및 베이스 플레이트 재료는 바람직하게는 금속 및 이들의 합금; 비금속 원소, 열 전도성 탄소 동소체 또는 열 전도성 세라믹이지만 이에 제한되지는 않는다.
시트들의 접합은 시트들과 베이스 플레이트 사이의 높은 열 전도를 보장하는 임의의 편리한 수단에 의해 이루어질 수 있다.
슬롯형 및 리브형 시트의 적층체 사이에, 슬롯형 및 리브형 시트의 공통 절결 영역과 정렬되는 절결 영역을 갖는 추가의 열 전도성 비-슬롯형 분리기 시트를 삽입함으로써 마이크로채널의 다중 층이 형성된다. 임의의 층의 마이크로채널은 다른 층의 마이크로채널과 비교하여 동일하거나 상이한 깊이 : 폭 종횡비 및 수력 직경을 가질 수 있다.
생성된 마이크로채널의 깊이 : 폭 종횡비는 적어도 2:1, 바람직하게는 4:1 내지 15:1일 수 있다. 생성된 마이크로채널 사이의 벽은 200 마이크로미터 미만, 바람직하게는 40 내지 100 마이크로미터 두께일 수 있다. 베이스 플레이트 및 마이크로채널 벽은 100 W/m-K를 초과하는 열 전도율을 갖는 재료로 제조될 수 있다. 결과적 마이크로채널의 수력 직경은 500 마이크로미터 미만, 바람직하게는 50 내지 200 마이크로미터일 수 있다.
액체 입구 채널은 유동 제한기를 구비하여, 역류 또는 2-상 유동 불안정성을 방지할 수 있다. 이러한 입구 제한부는 슬롯형 및 리브형 시트의 적층체 내의 교번 시트의 슬롯의 입구 측 단부를 폐쇄함으로써(예를 들어, 추가의 크로스-리브를 추가함으로써) 제공되고, 이에 의해 폐쇄 부분을 넘어 주 채널 단면에 대한 채널로의 입구의 개방 단면적을 감소시킨다. 바람직하게는, 마이크로채널의 폐쇄(제한부) 부분의 길이는 적어도 1 mm이다.
마이크로채널 열 교환기(예를 들어, 마이크로채널 적층체, 베이스 플레이트, 및 오버 플레이트)의 다양한 구성요소는 접합 또는 융합될 수 있어, 교환기가 (매니폴드와 연통하는 유체 입구 및 출구 포트를 제외하고) 밀폐식으로 밀봉되어, 교환기가 상승된 내부 압력을 보유할 수 있다. 접합 또는 융합은 임의의 편리한 수단에 의해 달성될 수 있다.
마이크로채널 열 교환기의 다양한 구성요소(예를 들어, 마이크로채널 적층체, 베이스 플레이트, 및 오버 플레이트)는 또한, 교환기가 상승된 내부 압력을 보유할 수 있도록, 구성요소들 사이에 적절한 밀봉이 이루어지는 상태로 기계적 수단에 의해 함께 보유될 수 있다.
다른 실시예에서, 마이크로채널 교환기의 층의 저부 베이스는, 알루미늄 질화물, 실리콘 카바이드, 베릴륨 산화물, 다이아몬드 필름 등과 같은, 열 전도성이지만 전기 절연성인 세라믹 또는 유전체 고체로 제조되거나 코팅된다. 이어서, 마이크로채널 교환기는 교환기의 전기 절연성이지만 열 전도성인 하부면에 장착되어 그와 열 접촉하는 (발열) 전자 부품을 위한 기판으로서 기능한다.
제조 방법
마이크로채널 열 교환기의 다양한 구성요소, 예를 들어 열 전도성 베이스, 마이크로채널 층, 매니폴드, 커버, 유체 입구 및 출구 포트, 슬롯형 및 리브형 시트 등은 열 교환기의 최종 조립체와 일치하는 임의의 편리한 수단에 의해 제조될 수 있다. 이러한 수단은 다음의 방법 및 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다:
ㆍ 기계적 기계 가공, 밀링, 에칭, 펀칭, 광화학 기계 가공, 레이저 삭마 또는 마이크로머시닝, 전기 방전 기계 가공(EDM), 초음파 기계 가공, 워터 제트 절단 등과 같은 차감식 제조 기술.
ㆍ 예를 들어 스카이빙(skiving), "플로잉(plowing)", 스탬핑, 압인, 압출 등에 의한 재료의 기계적 변형.
ㆍ 내부 특징 및 통로를 갖는 3-차원 구조를 형성하기 위한 패턴화된 시트의 라미네이팅 및 결합. 시트는 패턴의 반복 영역을 가질 수 있고, 따라서 접합 후에 접합된 조립체는 개별 마이크로채널 교환기 또는 교환기 하위-조립체로 절단 또는 다이싱될 수 있다.
ㆍ 선택적 레이저 소결, 직접 금속 레이저 소결, 선택적 레이저 용융, 스테레오 리소그래피, 용융 증착 모델링 등과 같은 부가식 제조 기술(3-D 프린팅).
ㆍ 확산 접합, 브레이징, 납땜, 용접, 소결 등과 같은 결합 또는 융합 기술.
ㆍ 개스킷, O-링, 코르크 등과 같은, 적절하게 밀봉을 사용하는 볼트, 스터드, 클램프, 접착제 등과 같은 기계적 조립 기술.
본 발명에 따른 실시예는 다양한 상이한 냉각 구성에 대해 개발될 수 있고 다양한 상이한 냉각 과제에 적용될 수 있다. 예를 들어, 이들은 2008년 12월 26일자로 출원된 공개된 PCT 출원 번호 WO2009/085307 및 2008년 11월 10일에 출원된 공개된 미국 출원 번호 US-2009-0229794의 교시와 관련하여 구현될 수 있으며, 이들 문헌은 본원에 참고로 포함된다.
본 발명은 이제 다수의 구체적인 실시예와 관련하여 설명되었다. 그러나, 본 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 고려되는 다수의 수정을 명백히 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위의 범주에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다. 또한, 청구 범위의 제시 순서는 청구 범위에서 임의의 특정 용어의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims (19)

  1. 마이크로채널 열 교환기이며,
    입력 접근 채널 및 출력 접근 채널을 구비한 커버,
    열 전도성 베이스, 및
    유동 방향으로 정렬된 일련의 나란한 레인을 함께 형성하는 일련의 벽 부분을 각각 포함하는 커버와 베이스 사이의 복수의 열 전도성 시트로서, 레인은 각각 복수의 정렬 슬롯을 포함하고, 복수의 정렬 슬롯은 마이크로채널 세그먼트를 형성하고 벽 부분 사이에 걸쳐 있는 복수의 크로스-리브에 의해 분리되고, 복수의 크로스-리브는 유동 방향으로 라인을 따라 이격되고, 크로스-리브는 유동 방향으로 정렬 슬롯보다 짧은, 복수의 열 전도성 시트를 포함하며,
    시트들은 레인의 양 단부에서 레인과 연통하는 공통 절결 영역을 추가로 형성하며,
    열 전도성 시트들은 크로스-리브들 중 적어도 일부가 서로로부터 오프셋되게 하고 인접한 시트들 내의 동일한 레인 내의 마이크로채널 세그먼트들이 유동 방향을 따라 서로 연통하여 적층된 벽 부분에 의해 분리되는 열 교환기 내에 복수의 마이크로채널들을 형성하도록 베이스와 커버 사이에 적층되는 제2 유형의 제2 복수의 시트와 개재된 제1 유형의 제1 복수의 시트를 포함하고,
    마이크로채널 열 교환기에 형성된 마이크로채널들은 각각 1000 마이크로미터 미만의 최소 치수를 갖는 단면을 갖고,
    시트들은, 공통 절결 영역이 커버 상의 입력 접근 채널 및 출력 접근 채널과 각각 정렬되는 적어도 하나의 입력 매니폴드 및 적어도 하나의 출력 매니폴드를 형성하도록, 베이스와 커버 사이에 적층되고,
    층상의 적층 시트는 모든 시트가 서로 열 전도성 연통하는 것을 보장하도록 접합 또는 융합되고,
    열 교환기는 유체 서비스를 비등 또는 증발시키도록 구성되고, 시트는, 각각의 레인의 입구 단부에서 유동 제한기를 형성하기 위해, 열 교환기의 레인 각각의 입구 단부에서 크로스-리브의 더 치밀한 패킹을 형성하여, 레인의 입구 단부에서의 크로스-리브의 더 치밀한 패킹과 레인의 출구 단부 사이 레인의 모든 나머지 부분의 단면에 비해 각각의 레인의 입구 단부에서의 개방 단면을 감소시키고,
    마이크로채널들의 종횡비는 4:1보다 큰, 열 교환기.
  2. 제1항에 있어서, 열 전도성 시트들은 레인들의 각각의 단부에서 접근 채널 개구들을 더 형성하고, 접근 채널 개구들은 적층될 때 마이크로채널들을 위한 접근 채널들을 생성하는, 열 교환기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 마이크로채널들의 종횡비는 8:1보다 큰, 열 교환기.
  6. 제1항에 있어서, 열 전도성 시트의 그룹 사이에 위치되어 다층 열 교환기를 형성하는 열 전도성 분리기 시트를 더 포함하는, 열 교환기.
  7. 제1항에 있어서, 시트는 적어도 하나의 열 전도성 금속으로 제조되는, 열 교환기.
  8. 제1항에 있어서, 시트는 소결 가능한 열 전도성 세라믹으로 제조되는, 열 교환기.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 마이크로채널은 500 마이크로미터 미만의 수력 직경을 갖는, 열 교환기.
  11. 제1항에 있어서, 마이크로채널은 200 마이크로미터 미만의 수력 직경을 갖는, 열 교환기.
  12. 제1항에 있어서, 베이스는 각각의 시트보다 두꺼운 베이스 플레이트이고, 커버는 마이크로채널과 연통하는 입력 접근 채널 및 출력 접근 채널을 포함하는, 열 교환기.
  13. 제1항에 있어서, 베이스는 열 전도성이지만 전기 절연성인, 열 교환기.
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서, 유동 제한기는 크로스-리브로 각각의 시트의 모든 다른 레인의 입력 단부를 폐쇄함으로써 형성되며, 복수의 채널의 입구를 가로질러 체커보드 패턴을 형성하도록 시트가 함께 적층되고 접합될 때, 슬롯의 폐쇄-단부 레인은 인접한 시트에서 서로에 대해 엇갈리는, 열 교환기.
  16. 제15항에 있어서, 체커보드 패턴은 채널의 단면적의 50%를 폐쇄하는, 열 교환기.
  17. 제16항에 있어서, 유동 제한기를 형성하는 크로스-리브는 슬롯들 사이의 크로스-리브보다 더 넓은, 열 교환기.
  18. 제15항에 있어서, 유동 제한기를 형성하는 크로스-리브는 슬롯들 사이의 크로스-리브보다 더 넓은, 열 교환기.
  19. 제1항에 있어서, 공통 절결 영역은 동일 시트 상의 레인과 연통하는, 열 교환기.
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