KR20020077696A - Heat pipe with sintered wick structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 히트파이프에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 금속판에 금속 분말을 일정 두께로 피복 소결하여 이를 원통형 파이프로 가공한 후 진공 하에서 작동유체을 주입하고 밀봉하여 만들어지는 모세관 현상이 우수한 금속 분말을 소결한 윅 구조의 히트파이프에 관한 것이다.The present invention relates to a heat pipe, and more particularly, to coat and sinter a metal powder to a metal plate to a certain thickness, process it into a cylindrical pipe, and then sinter the metal powder having excellent capillary effect, which is made by injecting and sealing a working fluid under vacuum. Wick structure heat pipe.
종래의 모세관 현상식 히트파이프는 금속파이프의 내벽에 촘촘하고 얇은 금속망사를 부착하거나, 금속파이프의 내벽에 촘촘하고 미세한 홈을 형성하거나, 또는 두 가지 방법을 혼용한 금속파이프에 메틸알콜, 아세톤, 물(증류수) 등의 작동유체를 주입한 히트파이프의 한 단부를 외부 열원으로 가열하면 가열된 단부에서 작동유체가 증발하고, 증발된 작동유체는 기체상태로 히트파이프의 중공부분을 통해 가열되지 않은 다른 쪽 단부로 이동하면서 증발잠열을 히트파이프의 외부 주위로 전달하여 응축하고, 응축된 유체는 금속망사 또는 홈을 통해 모세관 현상에 의해 가열부위, 즉 단부로 귀환하고 다시 증발하는 식으로 계속적인 열 전달이 이루어지도록 구성되어 있다.Conventional capillary development heat pipes have a thin and fine metal mesh attached to the inner wall of the metal pipe, form a dense and fine groove on the inner wall of the metal pipe, or methyl alcohol, acetone, When one end of a heat pipe in which a working fluid such as water (distilled water) is injected is heated by an external heat source, the working fluid evaporates at the heated end, and the evaporated working fluid is not heated through the hollow portion of the heat pipe in a gaseous state. Moving to the other end, the latent heat of evaporation is transferred around the outside of the heat pipe to condense, and the condensed fluid returns to the heating site, ie, to the end by capillary action through a metal mesh or groove and evaporates again. The delivery is configured to take place.
종래에는 이러한 촘촘한 금속망사를 이용한 히트파이프가 가장 많이 사용되어 왔으나, 이러한 히트파이프는 그 전체 파이프의 내벽에 촘촘한 금속망사를 접착시켜야 하므로 히트파이프가 가늘거나 긴 경우 그 제조가 어렵고, 이에 따라 제조경비가 상승하게 된다. 또한, 이러한 히트파이프를 절곡시켜야 하는 경우, 파이프를 절곡한 상태로 그 내벽에 금속망사를 접착시키는 상당히 어렵고, 금속망사를 접착시킨 상태에서 히트파이프를 제조한 후 절곡시키면 절곡부에서 금속망사가 손상되어 열 전달이 잘 되지 않는 문제점이 있었다. 또한 이러한 히트파이프는 모세관 현상에 의한 작동유체 이동력이 낮다는 문제점이 있었다.Conventionally, a heat pipe using such a dense metal mesh has been most used, but such a heat pipe has to adhere a dense metal mesh to the inner wall of the entire pipe, so that the heat pipe is difficult to manufacture when the heat pipe is thin or long, thus manufacturing cost Will rise. In addition, when the heat pipe needs to be bent, it is quite difficult to bond the metal mesh to the inner wall while the pipe is bent, and when the heat pipe is manufactured after bending the metal mesh, the metal mesh is damaged in the bent portion. There was a problem that the heat transfer is not good. In addition, such a heat pipe has a problem that the working fluid movement force is low due to the capillary phenomenon.
이러한 문제점 때문에 최근에는 모세관 현상에 의한 작동유체 이동력이 비교적 양호한 윅으로써, 파이프 내벽에 금속분말을 소결시킨 금속 분말을 소결시킨 형태의 윅이 있으며, 이러한 소결된 금속 분말 윅에는 연속된 기공들이 미세하게 존재하므로, 이 기공들을 통한 모세관 현상에 의해 작동유체 이동력이 비교적 양호하여 열전도성이 우수하지만, 이러한 히트파이프는 삽입봉을 파이프 중앙에 위치시키고 파이프와 삽입봉 사이에 금속 분말을 채운 후 소결하여야 하므로 그 제조 공정이 복잡하고 제조비용이 높은 단점을 갖고 있다.Due to this problem, a wick having a relatively good working fluid movement force due to a capillary phenomenon is present in the form of a wick sintered with a metal powder sintered with metal powder on the inner wall of the pipe. Since the fluid flow force is relatively good due to the capillary phenomenon through these pores, the thermal conductivity is excellent. However, such a heat pipe is placed in the center of the pipe and sintered after filling the metal powder between the pipe and the rod. Since the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is high.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 종래와는 전혀 다른 새로운 형태의 생산 방법으로, 촘촘한 홈 및 미세하나 금속망사를 이용한 또는 이 두 가지를 혼용한 히트파이프의 제조 공정이 어렵고 제조 비용이 높은데 반해 기능이 뛰어나지 못한 문제점과 금속 분말 소결을 사용하는 윅 구조의 히트파이프는 모세관 현상에 의한 작동유체 이동력은 비교적 양호하나 제조 공정이 복잡하고 가격 상승이 수반되며 직경 10mm 이하의 좁은 파이프 내에는 금속 분말 삽입이 어려운 문제점을 동시에 해결하기 위하여 본 발명은 종래의 생산 방법과는 전혀 다르게 생산 방법을 개선한 것으로 히트파이프를 제조할 때 선행기술에서는 윅을 미리 제조하여 파이프에 삽입하거나 파이프에 삽입봉, 금속분말을 넣고 소결하므로 양산이 어려우나 본 발명에서는 우선 금속판에 금속 분말을 일정두께로 피복 소성한 후, 이를 원통형으로 가공 사용함으로써 양산이 쉬울 뿐만 아니라 길이가 긴 히트파이프의 제조가 용이하고 또한 직경이 좁은 히트파이프는 넓은 관을 인발하여 사용함으로써 다양한 히트파이프를 용이하게 제조할 수 있다.In order to solve the above problems, the present invention is a new type of production method that is completely different from the conventional method, and the manufacturing process of the heat pipe using a dense groove and a fine one or a metal mesh or a combination of both is difficult and the manufacturing cost is high. On the contrary, the heat pipe of the wick structure using the sintered metal powder sintering has a relatively good working fluid movement force due to capillary action, but the manufacturing process is complicated and the price increases. In order to solve the problem that the powder is difficult to insert at the same time, the present invention improved the production method completely different from the conventional production method in the prior art when manufacturing the heat pipe in the prior art to manufacture the wick insert into the pipe or inserted into the pipe, Mass production is difficult because the metal powder is added and sintered. First of all, metal powder is coated on a metal plate to a certain thickness, and then processed into a cylindrical shape, which is not only easy to mass-produce, but also easy to manufacture a long heat pipe, and a narrow diameter heat pipe can be used by drawing a wide tube. The heat pipe can be easily manufactured.
도 1a는 발명의 금속 분말을 피복하여 소결한 금속판 측면도1A is a side view of a metal plate coated with a metal powder of the invention and sintered
도 1b는 도 1a의 금속판을 원통형으로 만든 파이프의 정면도FIG. 1B is a front view of a pipe made of the metal plate of FIG. 1A cylindrically
도 2는 본 고안의 히트파이프를 도시한 종단면도Figure 2 is a longitudinal sectional view showing a heat pipe of the present invention
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 히트파이프 12 : 윅(WICK)10: heat pipe 12: wick (WICK)
18 : 밀폐부18: sealing part
이제, 본 발명을 첨부도면과 함께 보다 상세히 설명한다.The invention is now described in more detail with the accompanying drawings.
도 1a 내지 도 2에는 본 발명에 의한 히트파이프(10)의 구조와 이의 제도 방법이 도시되어 있다.1A to 2 show the structure of the heat pipe 10 and the drawing method thereof according to the present invention.
본 발명에 따른 히트파이프(10)는 양 단부(11a, 11b)가 진공상태로 밀폐된 중공 금속파이프(11)와, 금속파이프(11)의 내벽에 부착된 윅(12)과, 중공 파이프(11) 내부에 충진된 작동유체 및 이의 제조 방법을 포함한다.The heat pipe 10 according to the present invention includes a hollow metal pipe 11 having both ends 11a and 11b sealed in a vacuum state, a wick 12 attached to an inner wall of the metal pipe 11, and a hollow pipe ( 11) It includes a working fluid filled therein and a manufacturing method thereof.
상기와 같이 구성된 본 발명의 히트파이프(10)는 도 1a에 도시된 바와 같이 금속 분말을 소성한 윅(12)이 부착된 금속판(13)의 양측부를 도 1b에 도시된 바와 같이 용접으로 서로 연결하여 파이프를 제조하고, 파이프의 양단부(11a, 11b)를 도 2에 도시된 것처럼 진공상태로 밀폐시킨다.Heat pipe 10 of the present invention configured as described above is connected to each other by welding as shown in Figure 1b both sides of the metal plate 13 is attached to the wick 12 is fired metal powder as shown in Figure 1a To produce a pipe, and the both ends 11a and 11b of the pipe are sealed in a vacuum state as shown in FIG.
도 1a에 도시된 윅(12)이 부착된 금속판 (13)의 제조방법은 금속판(13)위에 100∼250 메쉬의 금속 분말을 0.2∼2mm의 일정 두께로 입혀 700∼1500℃ 온도의 진공 하에서, 질소, 수소, 또는 수소와 아르곤 가스가 혼합된 혼합가스의 환원가스의 환원분위기 로에서 10분∼3시간 소결 가공한다.In the method of manufacturing the metal plate 13 with the wick 12 shown in FIG. 1A, 100 to 250 mesh metal powder is coated on the metal plate 13 to a predetermined thickness of 0.2 to 2 mm under vacuum at a temperature of 700 to 1500 ° C., Sintering is carried out for 10 minutes to 3 hours in a reducing atmosphere furnace of nitrogen, hydrogen, or a reducing gas of a mixed gas in which hydrogen and argon gas are mixed.
히트파이프(10)의 열 전달은 금속파이프(11)의 관 벽을 통해 이루어지므로, 금속판(13)은 열전도성이 뛰어나고 밀폐된 히트파이프의 내부의 압력과 장시간 사용에 충분히 견딜 수 있는 구리, 철, 알루미늄 및 스테인레스강등으로 제조하지만, 주로 구리를 많이 사용한다. 작용유체의 흐름을 빠르게 할 수 있도록 홈이 파진 금속판도 사용할 수 있다. 또한 금속판(13)은 작동유체의 흐름을 빠르게 하고 방열 면적을 크게 하기 위해서 길이방향으로 ?? V U 형태의 미세한 홈이 파진 금속판을 사용할 수 있다.Since the heat transfer of the heat pipe 10 is made through the pipe wall of the metal pipe 11, the metal plate 13 is excellent in thermal conductivity and copper and iron which can sufficiently withstand the pressure inside the sealed heat pipe and can be used for a long time use. Manufactured from aluminum and stainless steel, but mainly copper. Slotted metal plates may also be used to speed up the flow of the working fluid. In addition, the metal plate (13) in the longitudinal direction in order to accelerate the flow of the working fluid and increase the heat dissipation area A fine grooved metal plate having a V U shape may be used.
윅(12)의 금속 분말은 구리, 철, 알루미늄, 및 스텐레스강 등이 있으나 주로 구리 분말이 사용되는데 입경은 100∼250 메쉬의 구형 입자를 사용하고 바람직하게는 150 메쉬 사이즈가 좋다. 경우에 따라서는 소결이 빨리 이루어지게 하기 위하여 구리에 주석이 1∼10% 합금된 분말 또는 구리에 아연이 1∼10% 혼합된 분말을 사용할 수 있다.The metal powder of the wick 12 includes copper, iron, aluminum, and stainless steel, but mainly copper powder is used. The particle diameter is 100-250 mesh spherical particles, preferably 150 mesh size. In some cases, in order to achieve sintering quickly, a powder in which tin is alloyed with 1 to 10% of copper or a powder in which zinc is mixed with 1 to 10% of copper may be used.
구리 또는 구리 합금 분말을 소결하는 바람직한 온도는 850℃∼950℃의 정도가 좋다. 850℃ 이하인 경우에는 소결 시간이 늦어지고, 950℃ 이상인 경우에는 구리 분말이 용융될 우려가 있어 바람직한 윅 구조를 형성할 수 없다. 산화를 방지하기 위하여 환원 분위기 로에서 10분∼3시간 소결을 하게 되는데, 10분 이내에서는 소결이 이어지지 않고, 3시간 이상이면 구리 분말이 용융되어 미세한 기공의 형성이 어렵게 된다.Preferable temperature for sintering copper or copper alloy powder is about 850 degreeC-950 degreeC. In the case of 850 degreeC or less, a sintering time will become slow and in the case of 950 degreeC or more, there exists a possibility that a copper powder may melt | dissolve and a preferable wick structure cannot be formed. In order to prevent oxidation, sintering is performed in a reducing atmosphere furnace for 10 minutes to 3 hours. Sintering is not continued within 10 minutes, and copper powder is melted for 3 hours or more, thereby making it difficult to form fine pores.
작동유체는 기화성이 우수한 암모니아, 프레온, 메탄올, 물, 유기성매체(아세톤) 등의 액체이다. 작동유체는 작동 온도 영역 및 용기 재질과의 적합성에 따라 아래의 표 1과 같이 분류된다.The working fluid is a liquid such as ammonia, freon, methanol, water, and an organic medium (acetone) having excellent vaporization. Working fluids are classified as shown in Table 1 below, depending on the operating temperature range and their compatibility with the vessel material.
밀폐부(18)는 금속 또는 플라스틱 캡을 밀폐시켜 부착하거나, PVC, 베크라이트, 테프론 등으로 밀폐시키는 것도 가능하다.The sealing unit 18 may be attached by sealing a metal or plastic cap, or may be sealed by PVC, bakelite, Teflon, or the like.
(실시예)(Example)
폭 600mm, 0.7mm 두께의 롤(Roll)로된 구리판에 150 메쉬의 구리 분말을 0.6mm 두께로 골고루 입힌 후 800∼1000℃의 환원 분위기의 연속식 열처리 로에서 30분 내지 2시간 소결하여 도 1a의 금속판을 제작한 후, 폭 38.7mm의 여러 롤(Rol)l로 절단하여 인동 땜납을 사용한 제관기를 사용하여 도 1b에서와 같은 윅이 부착된 직경 12.70mm의 파이프를 제작하였다. 이 때 인동 땜납 중의 인("P")은 동의 산화를 방지한다.150 mesh copper powder is uniformly coated on a copper plate made of rolls 600 mm wide and 0.7 mm thick to 0.6 mm thick and sintered in a continuous heat treatment furnace at 800 to 1000 ° C. for 30 minutes to 2 hours. After fabricating a metal plate, a pipe having a diameter of 38.7 mm was cut into several rolls (Rol) l and a pipe having a diameter of 12.70 mm with a wick as shown in FIG. At this time, phosphorus ("P") in the copper solder prevents oxidation of copper.
이렇게 만들어진 파이프를 300mm 길이로 절단한 후 파이프의 양단부(11a, 11b)를 도 2에서와 같이 축관하고 축관된 파이프를 진공시키고 작동유체을 주입시킴과 동시에 밀폐시켜 연속 기공의 윅 구조를 형성한 히트파이프를 완성하였다.The pipe thus made was cut to 300 mm in length, and both ends 11a and 11b of the pipe were condensed as shown in FIG. To complete.
종래의 모세관 현상식 히트파이프는 주로 금속망사나 소결 금속 분말을 파이프 내에 삽입 또는 소성하여 제조공정이 복잡하고 비용이 많이 드는 문제점이 있었으나, 본 고안에서는 앞서 설명한 것처럼, 금속판에 금속 분말을 피복 소성한 후 파이프를 제조 사용함으로써 선행기술보다 공정이 간편할 뿐만 아니라 윅과 금속판이 소결에 의해 완전 부착됨으로서 절곡성이 양호하고, 삼투압 현상에 의한 작동유체의 이동이 증가하여 열전달 효과가 훨씬 우수하며 특히 작업성 및 경제성에서도 우수한 효과가 있다.Conventional capillary development type heat pipe has a problem that the manufacturing process is complicated and expensive by mainly inserting or firing metal mesh or sintered metal powder into the pipe, but in the present invention, as described above, the metal plate coated and fired on the metal plate By manufacturing and using the pipe after the process, not only is the process simpler than the prior art, but also the wick and the metal plate are completely attached by sintering so that the bendability is good. It also has an excellent effect on sex and economics.
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