KR102547414B1 - 작동 한계가 향상된 진동형 히트 파이프 - Google Patents

Abstract

작동 한계가 향상된 진동형 히트 파이프가 개시된다. 작동 한계가 향상된 진동형 히트 파이프는, 공기의 흐름이 차단된 발전소 또는 인공 위성의 저온 상황의 전자 부품에 설치되는 히트 파이프로서, 내부에 유체가 이동되는 유체 유로가 굴곡 형성되며, 일측은 발열체와 접하는 증발부가 형성되며, 타측에는 발열체로부터 전달된 열을 발산하는 응축부와, 증발부와 응축부의 사이를 연결하는 단열부를 포함하는 히트 파이프와, 유체 유로에 충진되는 작동 유체와, 히트 파이프의 증발부 위치에 설치되어 열을 인가하는 발열부와, 발열부의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

작동 한계가 향상된 진동형 히트 파이프{PULSATING HEAT PIPE IMPROVING THE OPERATION LIMIT}

본 발명은 저온 작동 환경에서도 작동 신뢰도의 향상이 가능한 진동형 히트 파이프에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 히트파이프는 밀폐된 튜브 내부에 작동유체로 채워지는 구조를 가지고 있다.

이러한 밀폐된 내부공간을 작동유체로 일부분(약 10~ 90%) 채워지기 때문에 2상(two-phase)의 상태를 유지한다.

종래 히트 파이프는, 발열체와 접하는 증발부, 전달받은 열을 외부로 버리게 되는 응축부 그리고 두 위치를 연결하는 단열부로 구분된다.

증발부에서 발열체로부터 열을 전달받아 기화된 작동유체가 단열부를 통과해서 응축부로 전달되고 응축부에서는 외부의 냉각원(공기, 물 등)에 의해 작동유체가 응축되면서 열을 피동적으로 전달하는 원리이다. 내부에 윅구조(wick structure)를 가지는데, 2상 유체의 물리적 상태량에 의해 응축된 유체가 튜브 내벽의 윅구조를 통해 순환한다.

한편, 진동형 히트 파이프는, 하나의 긴 모세관이 구불구불하게 휘어진 구조를 가지고 있다. 이러한 진동형 히트 파이프는, 종래의 히트 파이프와 달리 내부에 돌출된 윅구조가 없기 때문에 다양한 형태로 제작이 용이한 특징을 가지고 있다.

진동형 히트 파이프는, 초기에 스타트업(start-up)이 된 이후에 작동되는 특징이 있다. 내부의 작동 유체에 최소한의 열이 가해진 이후에 2상의 유체가 활발하게 진동하는데, 충분한 열이 가해지지 않으면 2상의 유체가 활발하게 진동할 수 없다. 따라서 진동형 히트 파이프는 내부 유체의 물리적 성질에 따라 사용 조건이 달라진다.

특히, 작동 유체가 온도에 따라 변하는 점성, 비열 등의 성질로 인해 온도가 낮아질수록 작동이 어려워질 수 있다.

따라서 외부에 설치되어 저온 환경에 있는 발전소 및 인공 위성의 공전에 의한 주기적인 고발열 조건에서는 더욱 열악한 조건으로 진동형 히트 파이프의 작동이 원활하지 않은 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시예는, 저온 환경에서도 안정적인 작동이 가능하여 신뢰성과 내구성이 향상된 작동 한계가 향상된 진동형 히트 파이프를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는, 공기의 흐름이 차단된 발전소 또는 인공 위성의 저온 상황의 전자 부품에 설치되는 히트 파이프로서, 내부에 유체가 이동되는 유체 유로가 굴곡 형성되며, 일측은 발열체와 접하는 증발부가 형성되며, 타측에는 발열체로부터 전달된 열을 발산하는 응축부와, 증발부와 응축부의 사이를 연결하는 단열부를 포함하는 히트 파이프와, 유체 유로에 충진되는 작동 유체와, 히트 파이프의 증발부 위치에 설치되어 열을 인가하는 발열부와, 발열부의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.

발열부는 증발부의 표면의 일부분에 설치되어 증발부를 전기적으로 가열하는 발열 기판일 수 있다.

제어부는, 발열부를 작동 제어하여 증발부에 공칭 열을 인가하도록 설치될수 있다.

유체 유로의 내부에는 액상의 작동 유체와 기상의 작동 유체가 혼합 충진될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 증발부를 적절 온도로 가열하는 것이 가능한 바, 일정 온도 이하의 저온 상황에서도 효율적인 열전달이 가능하다. 따라서 공기 흐름이 차단되는 발전소 또는 인공 위성 등의 저온 상황에 설치되는 전자 부품 등의 경우에도 효과적인 냉각이 가능한 바, 냉각 신뢰도의 향상이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 한계가 향상된 진동형 히트 파이프를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 진동형 히트 파이프의 히트 파이프를 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라서 본 요부 단면도이다.
도 4는 증발부에서 발열부의 작동에 의한 공칭열이 인가되는 경우 증발부의 온도 상태를 개략적으로 도시한 그래프 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실예시에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 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 참조부호를 붙였다.

이하에서 설명하는 진동형 히트 파이프(100)는, 고밀도 집적회로 등의 전자부품 등에 적용되는 것으로, 좁은 전열 면적에서 발열되는 열을 효과적으로 제거하도록 설치될 수 있다. 이러한 진동형 히트 파이프(100)는 외부 전력 없이도 작동 가능한 피동형 열전달 장치로서, 발전소 등의 사고 조건과 인공 위성 등의 전력이 일시적으로 차단되는 환경 등에 적용되는 것이다. 이에 대해 이하에서 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 한계가 향상된 진동형 히트 파이프를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 진동형 히트 파이프의 히트 파이프를 개략적으로 도시한 요부 단면도이며, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선을 따라 잘라서 본 요부 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 작동 한계가 향상된 진동형 히트 파이프(100)는, 내부에 유체가 이동되는 유체 유로(12)가 굴곡 형성되며, 일측은 발열체와 접하는 증발부(A)가 형성되며 타측에는 발열체로부터 전달된 열을 발산하는 응축부(B)와 증발부와 상기 응축부의 사이를 연결하는 단열부(C)를 포함하는 모세관(10)과, 유체 유로(12)의 일부분에 충진되는 액상의 작동 유체(11)와, 모세관(10)의 증발부(A) 위치에 설치되어 열을 인가하는 발열부(20)와, 발열부(20)의 작동을 제어하는 제어부(30)를 포함한다.

모세관(10)은 내부에 액상의 작동 유체(11)가 이동되는 유체 유로(12)가 형성되는 것으로, 다단으로 굴곡 형성될 수 있다.

모세관(10)은 단일의 튜브 형상의 파이프가 길이 방향으로 다단 굴곡 형성되는 것을 예시적으로 설명하지만, 이에 반드시 한정되는 것은 아니고 복수개가 서로간에 용접 등에 의해 연결되어 다단 굴곡 형성되는 것도 가능하다. 모세관(10)은 열전달이 용이하도록 금속 재질로 형성될 수 있다.

한편, 모세관(10)에는 증발부(A)와 응축부(B)와 단열부(C)가 형성될 수 있다.

증발부(A)는 모세관(10)의 일측의 일부분의 영역에 형성되는 것으로 발열체와 접하도록 형성될 수 있다.

응축부(B)는 모세관(10)의 타측의 일부분의 영역에 형성되는 것으로, 증발부(A)를 통해 전달받은 열을 외부로 발산하도록 형성될 수 있다.

한편, 단열부(C)는 증발부(A)와 응축부(B)의 사이 영역에 형성되는 것으로, 응축부(B)와 증발부(A)의 사이를 연결하도록 형성될 수 있다.

이와 같이, 모세관(10)은 증발부(A)와 응축부(B)와 증발부(A)와 응축부(B)의 사이를 연결하는 단열부(C)로 형성된 상태에서, 내부에는 유체 유로(12)의 일부분에 액상의 작동 유체(11)가 충진될 수 있다.

액상의 작동 유체(11)는 모세관(10)의 내부에서 증발부(A)와 응축부(B)와 단열부(C)의 사이를 연결하는 유체 유로(12)의 내부에 충진되는 것으로, 유체 유로(12)의 전체 공간에 충진되지 않고 유체 유로(12)의 일부분에 충진될 수 있다.

즉, 유체 유로(12)의 내부의 일부분에는 액상의 작동 유체(11)가 충진되고 나머지 일부분에는 기상의 작동 유체(14)가 충진될 수 있다. 이와 같이, 모세관(10)의 작동 과정에서 일정 온도의 열이 가해지는 경우, 액상의 작동 유체(11)와 기상의 작동 유체(14)가유체 유로(12)의 내부에서 진동 순환 작용이 이루어질 수 있다.

한편, 증발부(A)에는 충분한 열의 공급을 위한 발열부(20)가 설치될 수 있다.

발열부(20)는 증발부(A)의 표면의 일부분에 설치될 수 있다. 보다 구체적으로, 증발부(A)의 표면에는 발열을 위한 발열 부품이 설치된 위치(D)를 제외한 나머지 위치에 설치될 수 있다.

이와 같이, 증발부(A)에 발열부(20)가 설치되는 것은, 증발부(A)를 적절한 온도로 가열하여, 유체 유로(12)를 통해 이동되는 작동 유체의 작동 성능의 향상을 위함이다.

즉, 액상의 작동 유체(11)는 적절한 온도 이하로 냉각되는 경우, 온도에 따라 변하는 점성, 비열 등의 성질로 인해 유체 유로(12)를 따라 흐름이 원활하지 않은 작동 불량이 발생되는 경우가 빈번하다. 따라서, 발열부(20)를 이용하여 증발부(A)를 적절한 온도로 가열하는 바, 액상의 작동 유체(11)가 유체 유로(12)의 내부에서 원활한 흐름이 가능하도록 하는 바. 작동 실패가 발생되지 않도록 할 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 본 실시예의 진동형 히트 파이프(100)는, 발열이 예상되는 증발부(A) 위치에 발열부(20)를 설치하는 바, 유체유로(12)의 내부에 충진되는 액상의 작동 유체(11)가 진동 순환하는 상태로 적절하게 유지시키는 것이 가능하다.

발열부(20)는 증발부(A)를 전기적으로 가열하도록 설치될 수 있다. 즉, 발열부(20)는 증발부(A)를 직접적으로 전기적으로 가열하도록 설치되는 것으로, 공칭열을 최소한으로 인가되도록 작동될 수 있다. 발열부(20)는 증발부(A)를 전기적으로 가열하도록 설치되는 발열 기판으로 적용될 수 있다.

이러한 발열부(20)는 제어부(30)의 제어 작동에 따라 발열 제어되는 것으로, 공칭열이 증발부(A)를 최소한의 온도로 가열하도록 작동될 수 있다. 즉, 발열부(20)는 액상의 작동 유체(11)가 정상 작동되는 공칭열의 온도 범위의 최저 온도 범위에서 발열되어 증발부(A)를 가열하도록 작동 제어될 수 있다.

도 4는 증발부에서 발열부의 작동에 의한 공칭열이 인가되는 경우 증발부의 온도 상태를 개략적으로 도시한 그래프 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 발열부(20)의 작동에 의해 증발부(A)에 공칭열이 인가되는 경우(a)는 공칭열이 인가되지 않은 경우(b)와 비교하여, 저온 환경하에서 높은 발열 상황시에도 효율적인 열전달 작용이 가능하다.

전술한 바와 같이, 본 실시예의 발열부(20)는 증발부(A)를 적절 온도로 가열하는 것이 가능한 바, 일정 온도 이하의 저온 상황에서도 효율적인 열전달이 가능하다. 이에 따라 공기 흐름이 차단되는 발전소 또는 인공 위성 등의 저온 상황에 설치되는 전자 부품 등의 경우에도 효과적인 냉각이 가능한 바, 냉각 신뢰도의 향상이 가능하다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10...모세관 11...액상의 작동 유체
12...유체 유로 14...기상의 작동 유체
20...발열부 A...증발부
B...응축부 C...단열부

Claims (4)

1. 공기의 흐름이 차단된 발전소 또는 인공 위성의 저온 상황의 전자 부품에 설치되는 히트 파이프로서,
   내부에 작동 유체가 이동되는 유체 유로가 굴곡 형성되며, 일측은 발열체와 접하는 증발부가 형성되며, 타측에는 발열체로부터 전달된 열을 발산하는 응축부와, 상기 증발부와 상기 응축부의 사이를 연결하는 단열부를 포함하는 모세관;
   상기 유체 유로에 충진되는 작동 유체;
   상기 모세관의 상기 증발부 위치에 설치되어 열을 인가하는 발열부; 및
   상기 발열부의 작동을 제어하는 제어부;
   를 포함하고,
   상기 발열부는 상기 증발부의 표면의 일부분에 설치되어 상기 증발부를 전기적으로 가열하는 발열 기판이고,
   상기 제어부는, 상기 발열부를 작동 제어하여 상기 증발부에 공칭 열을 인가하도록 설치되며,
   상기 발열부는, 상기 작동 유체가 정상 작동되는 공칭열의 온도 범위의 최저 온도로 발열되어 상기 증발부를 가열하는, 작동 한계가 향상된 진동형 히트 파이프.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 유체 유로의 내부에는 액상의 작동 유체와 기상의 작동 유체가 혼합 충진되는, 작동 한계가 향상된 진동형 히트 파이프.

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