KR20020072344A - 편조윅 및 세선형 윅이 결합된 구조의 히트파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모세관력이 뛰어나며 구조적인 탄성력이 양호한 편조형 윅에 기공 반경 및 삼투성이 우수한 세선형 윅을 결합하여 냉각성능을 향상시키며, 편조형 윅의 탄성력을 이용하여 세선형 윅을 손쉽게 설치가능하도록 함으로서 부가적인 윅 고정장치가 불필요하게 되어 높은 생산성을 이룰 수 있는 히트파이프에 관한 것이다.

본 발명은, 양단이 밀봉된 중공부를 가지며, 상기 중공부내에 작동유체가 내재되어 외부와의 열교환을 수행하는 파이프 몸체; 및 상기 파이프 몸체의 내면에 기공도가 확보된 채로 축방향으로 장착된 세선형 윅; 및 다수의 선재그룹을 나선형으로 편조시켜 형성되며, 상기 파이프몸체 내면에서 상기 세선형 윅을 고정하는 편조윅을 포함하는 편조윅 및 세선형 윅이 결합된 구조의 히트파이프를 제공한다.

Description

편조윅 및 세선형 윅이 결합된 구조의 히트파이프{The heat pipe with woven-wire wick and straight wire wick}

본 발명은 히트파이프에 관한 것으로, 특히 편조윅의 구조적인 탄성력을 이용하여 상기 편조윅에 세선형윅을 결합시켜 우수한 냉각성능을 가질 수 있도록 한 편조윅 및 세선형 윅이 결합된 구조의 히트파이프에 관한 것이다.

최근 들어 전자 정보통신 분야의 급속한 발달과 더불어 고속/대용량의 시스템들이 많이 등장하고 있으며, 시스템의 소모전력 및 구성 전자부품의 단위면적 당 발열량이 크게 증가하는 추세에 있다. 특히, 전자통신 부품의 내부발열이 증대함에 따라 반도체의 온도가 증가하여 시스템의 성능저하 및 수명감소 등의 주요 원인이 되고 있다. 현재 PC용 CPU의 발생열은 약 10~30W/cm²이나, 향후 집적율의 증대에 따라 약 50~100W/cm²에 이를 것으로 예상된다.

따라서 이러한 발생열의 소산 및 시스템 외부로의 방열을 위해 열교환장치가 필요한데, 이러한 반도체 칩의 내부 발생열을 효과적으로 소산하기 위한 냉각기술로써 지금까지는 주로 히트싱크(heat sink)나 상기 히트싱크에 팬을 부착하는 방식, 또는 액침냉각 등이 이용되어져 왔다.

그러나, 위와 같은 종래의 냉각방식으로는 급격한 증가추세에 있는 발생열량, 소음문제 및 냉각시스템의 크기등을 해결하기에 역부족이었다. 이러한, 냉각부하의 증가 및 소음문제 그리고 냉각공간의 부족 등과 관련하여 최근에는 히트파이프를 이용한 무동력(passive)형의 냉각기술이 많이 고려되고 있는데, 상기 히트파이프는 열응답성 및 열수송능력이 우수하고, 무소음에 동력원이 필요 없는 특징을 갖고 있다.

일반적인 히트파이프는 그 내부에서 작동유체의 증발 잠열을 이용하여 작은 온도차에서도 무동력으로 열을 효과적으로 이송하는 열교환장치로서 첨부된 도1을 참조하여 상기 히트파이프의 작동원리를 간략히 설명한다.

도면에 도시된 바와 같이, 상기 히트파이프는 진공상태의 파이프몸체(101) 내부에 증류수와 같은 매우 작은 양의 열전달 매체(작동유체)를 주입하고 봉인한 것으로, 증발부(102), 단열부(103), 응축부(104)로 크게 구분할 수 있다. 열원이 위치하고 있는 상기 증발부(102)에서 상기 작동유체는 열을 흡수하여 증기 상태로 파이프몸체(101)내부에 확산되며, 상기 단열부(103) 즉, 이송부를 지나 응축부(104)에서 열을 방출한다. 상기 응축부(104)에서 열을 방출한 상기 작동유체는 응축된 후 액체로 되어 상기 파이프몸체(101)의 윅(wick)(105)벽면을 타고 증발부(102)로 귀환한다. 그리고, 상기 작동유체는 다시 열을 받아 증발하는 작동을 연속적으로 반복하므로써 상기 히트파이프내에서 열을 이송하는 것이다. 상기 증발부(102)와 이송부(103)는 같은 온도를 가지며 응축부(104)보다는 온도가 높다. 또한, 각 부분에서의 증기압은 포화상태가 되며, 증기압의 관계는 증발부(102)와 이송부(103)가 같은 압력을 가지며, 상기 이송부(103)의 압력은 응축부(104)보다 높다. 이러한 결과로 증기는 증발부(102)에서 이송부(103)를 지나 응축부(104)로 이송된다. 이런 열전달 현상은 증기유동속도가 음속에 가까우므로 매우 빠르게 일어난다. 상기와 같은 히트 파이프에서, 그 성능은 작동유체의 종류 및 주입량, 파이프몸체(101) 내부의 진공상태 및 청결도 등 여러 가지 변수에 영향을 받을 수 있으나, 특히 응축부(104)에서 응축된 액체가 증발부(102)로 잘 귀환할 수 있도록 하는 것이 매우 중요하다. 상기 파이프몸체(101) 내부의 작동유체의 원활한 순환을 위하여 윅(105)을 인입하거나 내벽에 홈을 가공하여 모세관력이 생기도록 하고, 내부를 진공상태로 만든 후 적당량의 작동유체를 넣고 파이프의 양단을 밀봉하므로써 모세관력을 이용하여 작동유체를 순환시킨다. 즉, 응축부(104)에서 응축된 액체의 증발부(102)로의 귀환은 주로 모세관력에 의존하고 있으며, 모세관력을 주기 위하여 파이프 내벽에 윅을 인입하거나 그루브(groove)를 만들어 주고 있다.

상기와 같이 구성된 히트파이프는 적용되는 대상에 따라 여러 경사각 모드로 설치, 운용될 수 있으며, 이러한 경우 히트파이프의 열수송 능력은 내부에 삽입된 윅의 성능에 의해 크게 영향을 받게 된다. 특히, 반도체와 같은 전자부품에 적용되는 히트파이프는 주로 수평위치나 증발부가 상부에 위치하는 경사각 모드에서 작동해야 하는 경우가 많다. 이러한 경우 히트파이프의 열수송 능력은 내부에 설치된 윅(wick)의 성능에 의해 크게 좌우된다. 상기 히트파이프는 적용대상의 발열부하 크기에 따라 직경을 달리하게 되며, 특히 직경이 작아질수록 히트파이프의 열전달률은 지수함수적으로 감소하게 되어 윅의 성능은 더더욱 중요해지게 된다.

즉, 수평위치 또는 증발부가 응축부보다 상부에 위치하는 경우, 히트파이프가 원활한 작동성능을 나타내기 위해서는 최적의 윅 종류 선정 뿐만 아니라, 윅의 모세관력이 우수하여야 하는데, 상기 윅은 그 기능으로써 액체의 신속한 펌핑력이요구되며, 이를 위해서는 윅의 기공반지름(pore radius) 및 삼투성(permeability)이 우수하여야 한다.

기존에는 스크린메쉬 윅(screen wick), 그루브 윅(groove wick), 세선형 윅( fine fiber wick), 소결 윅(sintered wick) 등이 제안되어 있으나, 상기에서 제시된 종래 기술에 따른 윅 구조를 갖는 히트 파이프는 열 전달력이 우수한 경우에는 그 제조가 어렵고, 제조가 용이한 경우에는 성능이 나쁘다는 문제점이 있다. 특히, 세선형 윅은 우수한 모세관력을 보임에도 불구하고, 파이프내에 설치 시 가는 직경 크기로 인한 취급의 어려움이 뒤따라 효과적인 사용이 제한되어 왔다.

또한, 최근들어 전자통신 분야의 부품 경박단소(輕薄短小)화 추세에 따라 이러한 경박단소 부품에 적용되는 히트파이프 윅의 모세관력 및 전열특성은 매우 우수함이 요구되고 있으며, 기존의 윅들은 전열성능면에서 다소 취약한 실정이다. 따라서 모세관력이 뛰어날 뿐 아니라 생산성 및 제작이 용이한 새로운 윅(wick) 구조가 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 모세관력이 뛰어나며 구조적인 탄성력이 양호한 편조형 윅에 기공 반경 및 삼투성이 우수한 세선형 윅을 결합하여 냉각성능을 향상시킨 히트파이프를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 편조형 윅의 탄성력을 이용하여 세선형 윅을 손쉽게 설치가능하도록 함으로서 부가적인 윅 고정장치가 불필요하게 되어 높은 생산성을 이룰 수 있는 히트파이프를 제공함에 다른 목적이 있다.

도1은 일반적인 히트파이프의 단면도.

도2a는 본 발명의 일실시예에 따른 편조윅과 다발식의 세선형 윅이 결합된 구조의 반경방향 단면도.

도2b는 도2a의 편조윅과 다발식의 세선형 윅이 결합된 구조의 축방향 단면도.

도3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 편조윅과 환상 분포식의 세선형 윅이 결합된 구조의 반경방향 단면도.

도3b는 도3a의 편조윅과 환상 분포식의 세선형 윅이 결합된 구조의 축방향 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 파이프몸체 2: 편조 윅

3: 세선형 윅 4: 증기통로

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 양단이 밀봉된 중공부를 가지며, 상기 중공부내에 작동유체가 내재되어 외부와의 열교환을 수행하는 파이프 몸체; 및 상기 파이프 몸체의 내면에 기공도가 확보된 채로 축방향으로 장착된 세선형 윅; 및 다수의 선재그룹을 나선형으로 편조시켜 형성되며, 상기 파이프몸체 내면에서 상기 세선형 윅을 고정하는 편조윅을 포함하는 편조윅 및 세선형 윅이 결합된 구조의 히트파이프를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 편조윅 및 세선형 윅이 결합된 구조의 히트파이프는 구조적인 탄성력이 우수하고 모세관력이 뛰어난 편조윅에 직관형 세선윅을 결합시켜 냉각성능을 개선할 수 있도록 구현한 것으로, 본 발명의 일실시예에서는 도2a 및 도2b에 도시한 바와 같이, 파이프몸체(1)의 내벽면 일측에 다발로 이루어진 직관형 세선윅(3)이 설치되도록 하고, 그 일측에 다수의 선재그룹을 나선형으로 편조시켜 형성한 편조윅(2)을 설치하여 고정한 구조로 되어 있다. 즉, 상기 편조윅(2)이 가지는 탄성 복원력과 신축성에 의해 상기 파이프몸체(1)의 내벽면에 밀착되면서 아울러, 상기 다발의 세선윅(3)을 가압하여 파이프몸체(1)에 고정되도록 한 것이다.

또한 본 발명의 다른 실시예에서는 도3a 및 도3b에 도시한 바와 같이, 상기파이프 몸체(1)의 내벽면에 환상형태로 이루어진 직관형 세선윅(3)을 설치하고, 그 내면에 선재그룹을 나선형으로 형성한 편조윅(2)을 설치함으로써 상기 편조윅의 구조적인 탄성력으로 세선윅이 파이프몸체의 내벽면에 밀착되도록 한 구조로 되어있다.

상기한 바와 같이 구성된 윅 구조는 내측에 설치된 편조윅(2)과 파이프몸체(1)의 내벽과의 사이에 세선형 윅(3)이 어떠한 형태로 놓이느냐에 따라 모세관력 향상 측면에서 장, 단점을 가질 수 있다. 우선, 내측에 설치된 편조윅(2)에 대하여 세선형 윅이 다발식으로 설치한 일실시예의 경우, 도2a에 도시한 바와 같이 세선 윅(3)을 통해 유동하는 액체가 증기통로(4)측으로 증발하거나 또는 반대 방향으로의 응축과정에서 다소 저항이 있을 수도 있으나, 상기 세선 윅(3)의 다발 내에서 형성되는 날카로운 코너를 통해 커다란 액체 펌핑력을 얻을 수 있다.

또 다른 구조로써 본 발명의 다른 실시예로 제시한 편조윅(2)에 대하여 세선 윅(3)이 환상식으로 설치된 경우, 도3a에 도시한 바와 같이 상기 파이프몸체(1)의 내벽과 편조윅(2) 사이에 대체적으로 세선윅(3)이 일정간격으로 분포되어 설치되는데, 이때 가는 직관형 봉 간의 액체유동 통로를 위한 날카로운 모서리 형성 정도가 다소 감소할 수도 있으나, 환상의 고른 세선형 윅의 분포를 통해 증기통로(4)와 윅 간의 신속한 증발 및 응축과정이 진행될 수 있어 히트파이프의 열전달률을 크게 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환,변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 세선형 윅과 편조윅의 복합구조로 이루어지되, 우선 편조형 윅(stright-wire wick)의 원형단면 선재들이 나선형으로 편조하여 형성된 날카로운 곡면삼각단면 코너를 따라 충분한 모세압 구동력을 얻어낼 수 있음과 동시에, 직관형으로 삼투성이 우수한 상기 세선형 윅(fine wire wick)을 동시에 사용함으로써 모세압 구동력의 커다란 증가를 달성할 수 있다.

또한, 세선형 윅의 설치 시, 구조적인 탄성력을 갖는 편조윅이 상기 세선형 윅을 벽면에 밀착시키는 역할을 함으로써 별도의 부가적인 윅 고정장치 없이도 손쉽게 설치가 가능하여, 생산성을 제고시킬 수 있는 효과를 가진다.

Claims (4)

1. 양단이 밀봉된 중공부를 가지며, 상기 중공부내에 작동유체가 내재되어 외부와의 열교환을 수행하는 파이프 몸체;

   상기 파이프 몸체의 내면에 기공도가 확보된 채로 축방향으로 장착된 세선형 윅; 및

   다수의 선재그룹을 나선형으로 편조시켜 형성되며, 상기 파이프몸체 내면에서 상기 세선형 윅을 고정하는 편조윅

   을 포함하는 편조윅 및 세선형 윅이 결합된 구조의 히트파이프.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 편조윅을 이루는 선재가 탄성 복원력과 신축성을 가지고 파이프몸체에 밀착되는 것을 특징으로 하는 편조윅 및 세선형 윅이 결합된 구조의 히트파이프.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서.

   상기 세선형 윅이 파이프 몸체의 내면 일측에 다발형태로 설치된 것을 특징으로 하는 편조윅 및 세선형 윅이 결합된 구조의 히트파이프.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 세선형 윅이 환상으로 형성되어 상기 파이프몸체와 편조형 윅의 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 편조윅 및 세선형 윅이 결합된 구조의 히트파이프.