KR20030068448A - 자기 조절 심지를 가진 열 전달 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

자기 조절 심지를 가진 열 전달 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

심지 구조로서 다중층을 이룬 형상 기억 합금(SMA)을 사용하는 열 파이프(100) 및 방법이다. 각 층(105,107)은 다른 변형 온도를 갖는다. SMA의 내층(105)은 열이 열 파이프의 표면을 따라 적용되면 먼저 수축하기 시작한다. 수축은 심지의 유효 모세관 반경 rc를 감소시키고, 이에 따라, 모세관 펌핑 압력, 따라서 열을 제거하는 능력이 유지되거나 증가된다. 열 파이프의 온도가 상승하도록 유지되면, 외층(107)이 모세관 반경을 축소시키기 위해 또한 수축하기 시작한다. 결과적으로, 로컬 펌핑 압력은 보다 높은 로컬 열 플럭스를 수용하고 열을 제거하여 "드라이아웃"을 방지하기 위해 유지되거나 증가된다.

Description

자기 조절 심지를 가진 열 전달 장치 및 그 제조 방법{A heat transfer device with a self adjusting wick and method of manufacturing same}
본 발명은 일반적으로 열 전달 장치들의 분야에 관한 것으로, 보다 특별하게는 자기 조절 심지(self adjusting wick)를 가진 열 전달 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 "열 파이프(heat pipe)"라 불리는 열 전달 장치는, 한 점에서 다른 점으로 열을 효과적으로 전달할 수 있는 장치이다. 이것은 온도 저하가 거의 없는 특별한 열 전달 용량 및 비율을 갖기 때문에, 종종 열의 초전도체(superconductor)로 불린다. 열 파이프는 전형적으로 그 내부 표면들이 모세관 심지 재료(capillary wicking material)를 갖는 밀폐된(sealed) 알루미늄 또는 구리 컨테이너(container)로 구성된다. 열 파이프는 유체(fluid)의 폐쇄된 루프 증발/끓음 및 액화(condensation)의 원리에 기초한다. 열 파이프 내부의 액체는 증발하고 및/또는 전자적 구성요소들(열 파이프에 외부적으로 장착됨)에 의해 열이 소산되는 영역을 끓여 제거하며, 증기로서 액화 공간으로 가게된다. 증기는 액화 공간에 고르게 퍼지고 열을 주위환경에 되돌림(rejecting)으로써 액체의 형태로 다시 액화한다. 액화된 액체는 열 파이프의 내부의 다공(poros) 심지 구조를 통해 모세관 동작에 의해 가열된 부분으로 다시 보내진다. 심지의 품질 및 타입이 일반적으로 열 파이프의 효율을 결정한다. 심지들의 다른 종류들이 열 파이프가 사용되는 응용에 의존하여 선택된다.
종래의 열 파이프의 심지 구조는 그의 동작 온도 범위가 모두 일정하도록 유지된다. 따라서, 심지 구조의 다공성 및 구멍(pore) 크기는 동작동안 변할 수 없다. 이것은 열 파이프 내의 점들을 따른 온도 상태들을 따라 모세관 압력을 조절하는 능력을 억제하는데, 이것에 의해, 큰 로컬 열 플럭스(local heat-flux)가 열 파이프 내의 한 점에 제공되면 로컬 "드라이-아웃(dry-out)"의 결과가 나타날 수 있다. 이러한 드라이-아웃 상태는 열 파이프의 모든 고장을 야기할 수 있다. 일부 가변 심지 열 파이프들이 알려져 있다. 이러한 열 파이프들에서, 특정 심지 구조가 예상된 열 플럭스 분포를 위해 맞추어진다. 가장 높은 열 플럭스들이 예상되는 위치들에서, 구멍 크기는 모세관 힘을 증가시키기 위해 작게 형성된다. 다른 위치들에서의 구멍 크기는 액체 흐름에 낮은 저항을 허용하기 위해 크게 유지된다. 이러한 열 파이프들은 한 번 열 파이프가 조립되면 심지 구조를 조절하는 가능성을 갖지 않는다. 따라서 이러한 알려진 가변 심지 열 파이프들의 유용성은 그들이 디자인된 정확한 열 플럭스 분포와 온도에 한정된다.
따라서, 열 파이프의 고장과 드라이아웃을 방지하기 위해 조립 후에 심지의 모세관 압력이 조절될 수 있는 개선된 열 파이프가 필요하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 따르는 열 파이프의 옆면의 부분적인 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예를 따르는 도 1의 열 파이프의 평면도.
본 발명의 바람직한 실시예는 완전한 심지 구조를 형성하기 위하여 각 층에 대해 다른 변형 온도들을 갖는 다중층 형상 기억 합금(SMA; shape memory alloy) 다공 구조를 이용하는 열 파이프 및 방법을 제공한다. 로컬 "핫 스팟(hot spot)"이 열 파이프를 따라 어디에 제공되는지에 상관 없이, SMA의 가장 내층은 지역적으로 핫 스팟에서 축소하기 시작하고, 따라서 모세관 압력이 최대가 된다. 그 핫 스팟에서의 온도가 어떠한 온도를 넘어 증가하면, SMA의 외층이 또한 모세관 압력을 증가시키기 위해 수축하기 시작한다. 심지의 다공성 및 구멍 크기는 따라서 로컬 동작 상태들에 적응하기 위해 조절된다. 결과적으로, 로컬 펌핑(pumping) 압력은 보다 높은 로컬 열 플럭스를 수용하고 그 열을 제거하여 "드라이아웃"을 방지하기 위해 유지되거나 증가된다.
모세관 펌핑 압력은 열 파이프를 디자인하는데 중요한 고려사항이다. 모세관펌핑 압력은 액체의 표면 장력(σ)과, 액체와 고체 물질 사이의 접촉 각도(θ), 및 유효 모세관 반경(rc) 사이의 관계식이다. 이러한 관계는 다음 식에서 정의된다.
여기서,
σ≡표면 장력=함수(워킹(working) 유체, 온도)
θ≡접촉 각도=함수(액체/물질 상호작용, 표면 거칠기, 및 표면 오염도)
rc≡유효 모세관 반경=함수(심지 구조 구멍 크기)
큰 로컬 열 플럭스의 존재 하에, 로컬 온도 증가는 표면 장력을 낮춘다. 위의 식에서 설명된 바와 같이, 표면 장력에서의 감소는 모세관 펌핑 압력을 감소시킨다. 로컬 열 로드가 충분히 크면, 모세관 펌핑 압력에서의 감소는 워킹 유체를 불충분하게 공급하는 결과가 될 수 있다. 드라이-아웃은 이러한 시나리오 하에서 발생할 수 있다.
도 1을 참조하면, 볼 발명의 바람직한 실시예를 따른 다중층 SMA 열 파이프(100)의 옆면의 부분적인 단면도가 도시된다. 바람직하게, SMA는 니켈-티타늄(NiTi) 또는 구리-아연 알루미늄(CuZnAl) 합금이다. 이러한 합금들은 캘리포니아의 산 호세의 Shape Memory Application,Inc.로부터 얻어질 수 있다. 열 파이프는 증발기 부분(102)과 콘덴서(condenser) 부분(104)을 포함한다. 복수의 모세관들(108)과 워킹 유체(106)를 포함하는 다중층 심지 구조는 열 파이프(100)의 외부 케이싱(101)의 내부 표면 상에 형성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 다중층심지 구조는 내층(105)과 외층(107)을 포함한다. 내부 층(105)은 외층(107)보다 낮은 변형(transformation) 온도를 갖는다. 바람직하게, 내층(105)의 변형 온도는 60℃이고, 외층(107)의 변형 온도는 80℃이다.
열 파이프의 내부에, 워킹 유체(106)가 모세관 물질(108)의 구멍들로 들어간다. 열이 열 파이프(100)의 표면을 따라 적용될 때, 워킹 유체(106)는 증발하기 시작하고, 증기 상태로 들어가며, 따라서 증발의 잠재적인 열을 취한다. 이전의 액체보다 높은 압력을 갖는 기체는, 열 파이프(100)의 내부에서 그것을 액화시키는 더 차가운 부분인 콘덴서 부분(104)으로 이동시킨다. 따라서, 가스는 증발의 잠재적인 열을 포기하고 열 파이프(100)의 입력 끝(증발기 부분(102))으로부터 출력 끝(콘덴서 부분(104))으로 열을 이동시킨다.
본 발명의 열 파이프에서, 내층(105)은 열이 열 파이프의 표면을 따라 적용되고 특정 위치의 온도가 어떤 온도, 바람직하게는 60℃를 초과할 때 그 특정 위치에서 수축하기 시작한다. 수축은 심지의 유효 모세관 반경 rc를 감소시키고, 따라서 모세관 펌핑 압력과 그에 따른 열 제거 능력을 유지하거나 증가시킨다. 특정 위치에서 열 파이프의 온도가 지나친 열 입력으로 인하여 상승하도록 지속된다면, 내층(105)은 결국 드라이 아웃을 경험하게 될 것이다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시예를 따라, 그 특정 위치에서의 온도가 80℃를 초과하면, 외층(107)은 그 모세관 반경을 감소시키도록 수축하기 시작한다. 이것은 특정 위치에서 전체 드라이-아웃을 방지 또는 지연시키는 것을 도와준다. 각 층(105,107)이 바람직하게는 0.5mm의 정도로 얇기 때문에, 다중층들은 지속적인 온도/열 플럭스 의존 심지 구조를 이루기 위해 사용될 수 있다. 설명의 간단함을 위해, 단지 2개의 층들만이 도 1에 도시된다.
바람직하게, 본 발명의 열 파이프는 마지막 조립 전에 열 파이프의 내부 표면 상의 층들에 다른 SMA 합금 조합들을 플레임 스프레잉하는 것에 의해 제조된다. 열 파이프는 또한 열 파이프의 내부 표면 상의 층들에 패킹된(packed) SMA 가루 금속을 소결시킴(sintering)으로써, 또는 마지막 조립 전에 열 파이프의 내부 표면 상의 다수의 변화하는 합금 SMA 와이어-스크린들 또는 SMA 섬유-울 층들을 패킹함으로써 제조될 수 있다.
층을 이룬 SMA 심지를 가진 평판 열 파이프(flat plate heat pipe)를 형성하는 바람직한 방법은 다음의 단계들을 포함한다. 바람직하게, 5mm 깊이의 공동(cavity)이 약 200mm x 300mm의 치수의 구리 또는 티타늄의 6mm 두께의 판(주 판)으로부터 가공한다. 공동은 판의 외측 면 둘레에 약 10 mm 폭의 가장자리를 남기고, 평판 열 파이프의 구조적인 요소들로서 사용되는 복수의 돌출부들(bosses)(209)(도2)을 남기도록 가공된다. 200mm 길이, 300mm 폭 및 1mm 두께의 매칭 커버 판은 또한 가공에 의해 준비된다. 두 부분들로서 주 판 및 커버 판은 열 파이프의 외부 케이싱(101)을 형성한다.
층을 이룬 SMA 심지는 다음 방법에서 형성된다. 먼저, 외층(107)이 공동의 내부와 커버 기판의 한 면에서 80℃의 전이(transition) 온도를 얻기 위해 규정된 조합의 SMA 합금을 플레임 스프레잉하는 것에 의해 형성된다. 외층(107)에 대해,플레임 스프레이(flame spray) 과정에 사용된 SMA 합금의 입자 크기는 약 120 마이크로미터이다. 이러한 입자 크기 및 플레임 스프레이 파라메터들은 외층(107)에 대한 약 0.5mm의 두께와 40 마이크로미터의 구멍 크기를 얻기 위해 제어된다. 내층(105)은 이후 60℃의 전이 온도를 얻기 위해 규정된 조합의 SMA 합금을 플레임 스프레잉하는 것에 의해 유사한 방법에서 형성된다. 내층(105)에 대해, 플레임 스프레이 과정에서 사용된 SMA 합금의 입자 크기는 약 160 마이크로미터이다. 이 입자 크기 및 플레임 스프레이 파라메터들은 내층(105)에 대한 약 0.5mm의 두께와 60 마이크로미터의 구멍 크기를 얻기 위해 제어된다.
플레임 스프레이 과정이 완성된 후, 케이싱(101)의 두 부분들은 그 위에 배치된 층을 이룬 SMA 심지를 갖는다. 두 개의 케이싱 부분들은 함께 결합되고 그 내부 표면들 상에 층을 이룬 SMA 심지를 갖는 평판 밀폐된 하우징을 형성하기 위해 납땜된다(brazed). 약 3mm의 직경의 구멍을 뚫는 것에 의해 하우징(101)의 한 면 상에 작은 개구부가 생성된다. 구리 또는 티타늄의 50-100 mm 길이의 튜브가 평판 열 파이프에 대한 소개(evacuation) 및 충전 포트(210)(도 2)를 형성하기 위해 이 개구부 상에 용접된다. 열 파이프 생성의 제 1 단계는 이 지점에서 완성된다. 다음 단계들은 전이 온도들의 위 및 아래의 온도들에서 층을 이룬 심지의 다른 구멍 크기들을 설정하기 위해 수행된다. 이러한 단계들이 튜브모양의 열 파이프에서 층을 이룬 심지를 형성하기 위한 대안의 방법의 다음 설명에서 설명된다.
튜브모양의 열 파이프의 내부 표면 상의 층들에 패킹된 SMA 가루 금속을 소결시키는 방법은 다음의 단계들을 포함한다. 먼저, 구리 또는 티타늄 합금 튜브의1/4인치의, 바람직하게 고정된 길이 100-300mm 길이가 그리스들(greases)과, 휘발성 물질들 및 산화층을 제거하기 위해 세척된다. 다음, 그래파이트와 같은 고온 물질로 만들어진 주축(mandrel)이 튜브의 내부 표면과 동축으로 튜브 내부에 위치된다. 소결 과정의 제 1 단계에 대해, 주축의 직경이 가장 밖의 층(107)의 내부 표면의 직경과 동일하고, 바람직하게는 1/4 인치 튜브에 대해 약 0.15 인치이다. 심지의 외층(107)에 대해서는, 주축과 튜브 사이의 개구부 공간이 약 100 마이크로미터의 평균 크기의 SMA 입자들로 패킹된다(SMA 합금 조성은 80℃의 전이 온도를 얻도록 규정된다). 다음, 조립이 SMA 물질의 녹는 점 바로 밑의 온도, 바람직하게는 CuZnAl에 대해서는 950℃, NiTi에 대해서는 1250℃에서 유지된 고온의 노(furnace)에서 처리된다. 주축은 제 1 소결 과정 후에 제거되고, 모든 소결 과정은 약 150 마이크로미터의 평균 크기와 60℃의 전이 온도를 갖는 SMA 합금을 사용하여 내층(105)을 형성하기 위해, 보다 작은 직경 주축, 바람직하게는 0.125 인치를 갖는 결과적인 튜브에서 반복된다. 선택된 열 파이프 길이를 위해 최적의 구멍 크기를 얻기 위해 입자 크기는 변할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 입자 크기들은 내층(105)과 외층(107)에서 각각 60 마이크로미터와 50마이크로미터의 구멍 크기들을 얻기 위해 규정된다. 두 개의 심지층들을 갖는 열 파이프 튜브는 제 2 소결 과정 후에 얻어지고, 이것은 바람직하게 CuZnAl에 대해서는 950℃, NiTi에 대해서는 1250℃의 온도에서 수행된다.
이전에 설명된 두 방법들 중 하나에 의해 SMA 층을 이룬 심지 열 파이프가 얻어진 후에, SMA 형상을 설정하기 위해 전체 열 파이프가 약 500℃에서 열 처리되고 물에서의 빠른 식힘(quench)이 이어진다. 한 번 설정되면, SMA 심지의 층들(105 및 107)은 그들의 전이 온도들(바람직하게 내층(105)에 대해서는 60℃, 외층(107)에 대해서는 80℃)보다 높은 임의의 온도에서 그들의 모양 또는 구멍 크기들을 유지한다. 층들(105 및 107)은 그들의 전이 온도들 아래의 온도들에서 변형가능(flexible)하다. 열 파이프의 SMA 합금은 이후 전이 온도보다 낮은 온도들에서 다른 구멍 크기를 유지하기 위해 트레이닝된다. 이러한 다른 구멍 크기는 일반적인 상태들에서의, 즉, 핫 스팟들이 존재하지 않을 때의 디자인된 구멍 크기이다. 트레이닝 과정은 다음 방법에서 형성된다. 먼저, 심지층들(105,107)이 열 파이프(100)를 통해 물을 통과시킴으로써 물에 적셔진다(saturated). 열 파이프(100)는 이후 물이 얼도록 하기 위해 냉각되고, 따라서 층을 이룬 심지 구조가 확장되며, 이는 그의 전이 온도보다 낮은 가변 단계에 있게 된다. 다음으로, 열 파이프가 얼음을 녹이기 위해 녹게 되고, 일반적인 온도들(전이 온도들 보다 낮은)에서 원하는 구멍 크기가 얻어질 때까지 사이클이 반복된다. 일반적인 온도들에서 원하는 구멍 크기는 바람직하게 70 마이크로미터이다. 열 파이프는 이후 SMA 심지 층들이 그들의 원래 구멍 크기들로 되돌아가는 최대 전이 온도 80℃를 넘어 가열된다. 물 삼투 및 결빙 과정이 다시 반복 되어 SMA 합금들이 양 방향 기억을 달성하고, 즉 합금들은 변형 온도 아래 및 위에서 다른 형상들(이 경우 구멍 크기들)을 이룬다. 설명된 과정은 형상 기억 합금 분야에서 양방향 트레이닝 과정(two-way training process)으로 불린다. 트레이닝된 SMA 층을 이룬 심지를 갖는 열 파이프(100)는 이후 적당한 유체, 바람직하게는 물로, 분야에서 일반적으로 알려진 방법으로 세척되고 충전된다.
본 발명의 장치는 핫 스팟들의 위치가 응용에 따라 변할 수 있는 평판 열 파이프들에서 가장 유용하다. 그러나, 본 발명의 장치는 열 파이프들의 다른 타입들, 예를 들면 튜브모양의 열 파이프에서 활용가능하다. 발명이 다양한 변경들 및 대안의 모양들로 활용될 수 있고, 특정 실시예가 예의 방법으로 도면들에서 보여지며, 본 명세서에서 자세히 설명된다. 그러나, 본 발명은 설명된 특정 형식들로 제한되도록 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 본 발명은 다음 첨부된 청구사항들을 따라 정의된 본 발명의 정신과 범주에 속하는 모든 변경, 등가물 및 대안들을 포함한다.
열 파이프의 고장과 드라이아웃을 방지하기 위해 조립 후에 심지의 모세관 압력이 조절될 수 있는 개선된 열 파이프가 제공된다.

Claims (9)

  1. 열 파이프(100)에 있어서:
    내부 영역을 정의하는 내부 표면을 갖는 케이싱(101)과;
    컨테이너의 상기 내부 표면 상에 배치된 심지 재료(wicking material)(108)로서, 상기 심지 재료는:
    제 1 변형 온도를 갖는 제 1 형상 기억 합금을 포함하는 내층(105)과;
    상기 제 1 변형 온도보다 큰 제 2 변형 온도를 갖는 제 2 형상 기억 합금을 포함하는 외층(107)을 포함하는, 상기 심지 재료와;
    상기 컨테이너의 상기 내부 영역에 배치된 유체를 포함하는, 열 파이프.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 변형 온도는 60℃인, 열 파이프.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 변형 온도는 80℃인, 열 파이프.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 형상 기억 합금들은 니켈-티타늄 합금들인, 열 파이프.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 형상 기억 합금들은 구리-아연 알루미늄 합금들인, 열 파이프.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 내층(105)은 특정 위치에서의 온도가 제 1 미리 정해진 온도를 초과할 때 상기 특정 위치에서 수축하기 시작하는, 열 파이프.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 미리 정해진 온도는 60℃인, 열 파이프.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 외층(107)은 특정 위치에서의 온도가 제 2 미리 정해진 온도를 초과할 때 상기 특정 위치에서 수축하기 시작하는, 열 파이프.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 미리 정해진 온도는 80℃인, 열 파이프.
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