KR200337381Y1 - 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 열전달 능력이 우수한 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치에 관한 것으로서, 응축기(300)에서 증발기(100)로의 작동유체의 회수가 써모사이펀 방식인 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치에 있어서, 두께를 가지는 금속판으로 형성되고, 상기 금속판 상면에 함몰되게 형성된 공간부(110)와, 상기 공간부(110) 내부에 수직등간격으로 형성된 열전달핀(120)과, 상기 공간부(110) 상부에 형성된 덮개부(130)로 구성된 증발기(100)와; 상기 증발기(100)의 공간부(110)와 연결되어 수직으로 형성된 액체유동관(200)과; 두께를 가지는 금속판으로 형성되고, 상기 액체유동관(200)과 연결되고 상기 금속판 상면에 함몰되게 형성된 공간부(310)와, 상기 공간부(310) 내부에 수직등간격으로 형성된 열전달핀(320)과, 상기 공간부(310) 상부에 형성된 덮개부(330)로 구성된 응축기(300)와; 상기 응축기(300)의 공간부(310)와 연결되어 형성된 기체유동관(400)과; 두께를 가지는 금속판으로 형성되고, 상기 기체유동관(400)과 연결되고 상기 금속판 상면에 함몰되게 형성되어 마름모형상을 이루는 공간부(510)와, 상기 공간부(510) 상부에 형성된 덮개부(520)로 구성된 기수분리기(500)와; 상기 기수분리기(500)의 공간부(510)와 상기 증발기(100)의 공간부(110)를 연결하는 제1연결관(610)과, 상기 기수분리기(500)의 공간부(510)와 상기 액체유동관(200)과 연결되는 제2연결관(620)으로 구성된 연결관(600);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치를 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 히트파이프에 주입되는 작동유체량이 증가되고 내부의 구조가 개선되어 열전달이 용이하고 우수하여 전자장비 등의 냉각장치로써 널리 이용될 수 있는 이점이 있다.

Description

분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치{cooling equipments using a separated type heatpipes}
본 고안은 내부의 작동유체량을 증가시키기 위한 기수분리기를 구성하고 히트파이프의 구조를 개선하여, 열전달 능력이 대단히 우수한 히트파이프를 이용한 냉각장치에 관한 것이다.
현대사회에서 전자장비의 이용은 점차로 증가하고 있다. 최근의 전자기술은 전자장비의 모듈화, 소형화 및 고출력화를 이루었고 전자칩이 고성능화 되면서 고집적화되어 전자장비의 적절한 작동에 필요한 단위면적당 사용전력이 증가하기 때문에 전자장비에서의 열유속은 계속 증가하고 있다.
일반적으로 전자제품이 정상 작동을 하기 위해서는 적정한 작동 온도를 유지하는 것이 중요한데 증가하는 열유속 문제를 해결하지 않으면 전자부품의 작동온도가 상승하여 고장이 잦아지고 결국 제품의 수명이 짧아지게 되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서, 종래에는 히트싱크나 팬 그리고 이를 조합한 형태의 강제 대류 냉각방식을 사용하고 있다. 소형 전자장비는 내부공간이 협소함으로 제한된 작은 장소에서 방출되는 막대한 열량을 종래의 팬과 히트싱크를 이용한 강제냉각방식으로 냉각하기 위해서는 제품의 중량 및 부피가 증가하기 때문에 컴팩트화되는 현재 추세에 맞지 않고 소음과 진동이 증가하여 제품의 수명에영향을 끼치는 등의 여러 문제점이 있다.
이를 해결하기 위한 여러 가지 냉각방식 중에서 히트파이프는, 루프내의 작동유체가 증발과 응축을 연속적으로 일으키며 자연순환하는 장치로 증기 유동에 따라 열응답성이 대단히 빠르고 낮은 온도차로서 많은 열을 이송할 수 있는 열전도성이 매우 우수한 전열소자이다.
히트파이프는 일반적으로 증발부, 단열부, 응축부의 세 부분으로 나누어져 있으며, 증발부에서 증발된 증기는 증기통로를 통하여 응축부로 이송되어 열을 전달하고 응축부에서 응축된 응축액은 윅(wick)이나 중력으로 인해 증발부로 귀환되며 이런 방식으로 내부 구동력 없이 발생하게 된다. 히트파이프는 증발부와 응축부가 동일축상에 있는 일체형 히트파이프와 증발부와 응축부가 분리되어 있는 분리형 히트파이프로 구분된다.
일체형 히트파이프는 열전달 능력의 한계로 인해, 높은 소비전력밀도를 가지는 전자장치의 냉각방식으로 사용하기에는 적합하지 않아 전자장치의 열제어를 하기 위한 한가지 방법으로 응축부와 증발부가 사각형 플랫형상인 분리형 히트파이프가 많이 사용되고 있다.
분리형 히트파이프는 증발부와 응축부를, 분리하여 열을 먼 거리까지 이송할 수 있는 장치이다. 분리형 히트파이프는 기체유동관과 액체유동관이 분리되어 있으므로 증기유동과 액체유동간의 상호영향이 없고 증발부와 응축부의 자유로운 구성이 가능하다. 구조적인 이점 외에도 분리형 히트파이프는 열전달 능력이 우수하여 폐열회수, 지열회수, 태양열 분야, 전자장비의 냉각 등에 다양하게 적용되고 있다.
일반적인 분리형 히트파이프의 증발부와 응축부의 형태는, 판 형상의 금속판으로 서로 용접하여 박스형의 형태로 만들어 서로 연결하여 형성시키게 된다. 상기의 구조는 특수 용접하는 부위가 많아지고 가공 후 내부에 이물질이 많이 발생하게 되어 열전달을 방해하게 되는 문제점이 발생하게 된다.
이러한 분리형 히트파이프의 성능은 작동유체 충전량, 장치의 형상, 증발부-응축부간 높이를 변화시켜 주어진 열유속에서 최대 열전달율을 가지는 것이 중요하다.
상기 작동유체는 히트파이프의 성능은 물론 시스템 전체의 효율과 밀접한 관계가 있으므로 이의 선정에는 제반 작동 조건을 고려해야 한다. 일반적으로 작동유체는 잠열, 밀도, 열정도, 점도가 클 것, 빙점과 비등온도가 작동범위에 적당할 것, 화학적으로 안정될 것, 구하기 쉽고 저렴할 것 등을 요구한다.
주어진 열부하에서 분리형 히트파이프가 정상적으로 작동하기 위해서는 전체 루프에서의 압력강화가 부양력을 초과해서는 안되며, 응축부와 증발부간의 상대 높이가 충분히 높을 때 분리형 히트파이프는 외부 구동력이 없이 작동을 하고, 유동은 주로 응축부와 증발부의 압력차에 의해 발생하게 된다.
따라서, 작동유체량이 많을수록 열전달능력은 증가하나 일정량 이상이 될 경우, 과충전된 작동유체가 내부순환을 방해하기 때문에 열전달 능력은 오히려 감소시키는 문제점이 있다.
본 고안은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 내부의 작동유체량을 증가시키기 위한 기수분리기를 구성하고 증발기, 응축기, 기수분리기의 구조를 개선하여, 열전달능력이 우수한 히트파이프를 이용한 냉각장치의 제공을 그 목적으로 한다.
도 1 - 본 고안에 따른 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치에 대한 사시도.
도 2 - 본 고안에 따른 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치의 증발기의 구조에 대한 사시도.
도 3 - 본 고안에 따른 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치의 응축기의 구조에 대한 사시도.
도 4 - 본 고안에 따른 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치의 기수분리기의 구조에 대한 사시도.
<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>
100 : 증발기 110 : 공간부
120 : 열전달핀 130 : 덮개부
200 : 액체유동관 300 : 응축기
310 : 공간부 320 : 열전달핀
330 : 덮개부 400 : 기체유동관
500 : 기수분리기 510 : 공간부
520 : 덮개부 600 : 연결관
610 : 제1연결관 620 : 제2연결관
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 고안은, 응축기에서 증발기로의 작동유체의 회수가 써모사이펀 방식인 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치에 있어서, 두께를 가지는 금속판으로 형성되고, 상기 금속판 상면에 함몰되게 형성된 공간부와, 상기 공간부 내부에 수직등간격으로 형성된 열전달핀과, 상기 공간부 상부에 형성된 덮개부로 구성된 증발기와; 상기 증발기의 공간부와 연결되어 수직으로 형성된 액체유동관과; 두께를 가지는 금속판으로 형성되고, 상기 액체유동관과 연결되고 상기 금속판 상면에 함몰되게 형성된 공간부와, 상기 공간부 내부에 수직등간격으로 형성된 열전달핀과, 상기 공간부 상부에 형성된 덮개부로 구성된 응축기와; 상기 응축기의 공간부와 연결되어 형성된 기체유동관과; 두께를 가지는 금속판으로 형성되고, 상기 기체유동관과 연결되고 상기 금속판 상면에 함몰되게 형성되어 마름모형상을 이루는 공간부와, 상기 공간부 상부에 형성된 덮개부로 구성된 기수분리기와; 상기 기수분리기의 공간부와 상기 증발기의 공간부를 연결하는 제1연결관과, 상기 기수분리기의 공간부와 상기 액체유동관과 연결되는 제2연결관으로 구성된 연결관;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치를 기술적 요지로 한다.
이에 따라, 히트파이프에 주입되는 작동유체량이 증가되고 내부의 구조가 개선되어 열전달이 용이하고 우수하여 전자장비 등의 냉각장치로써 널리 이용될 수 있는 이점이 있다.
이하에서는 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 고안에 따른 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치에 대한 사시도이고, 도 2는 본 고안에 따른 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치의 증발기의 구조에 대한 사시도이고, 도 3은 본 고안에 따른 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치의 응축기의 구조에 대한 사시도이고, 도 4는 본 고안에 따른 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치의 기수분리기의 구조에 대한 사시도이다.
도시된 바와 같이 본 고안에 따른 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치는 증발기(100), 액체유동관(200), 응축기(300), 기체유동관(400), 기수분리기(500), 연결관(600)으로 크게 구성된다.
먼저 상기 증발기(100)에 대해 설명하고자 한다.
상기 증발기(100)는, 작동유체가 액체 상태로 내부에 들어가 있으며, 외부로부터 열을 공급받아(즉 외부장치를 냉각) 기체로 상변환되는 곳이다. 상기 증발기(100)는 소정의 두께를 가지는 알루미늄 등의 금속판으로 형성되고, 상기 금속판 상면을 소정의 구조로 밀링가공하여, 그 위에 금속판을 용접 등의 방법으로 결합하여 형성시킨다. 즉 상기 금속판 상면을 밀링가공하여 함몰되게 형성된 공간부(110)와, 상기 공간부(110) 내부에 수직등간격으로 형성된 열전달핀(120)과, 상기 공간부(110) 상부에 형성된 덮개부(130)로 구성된다.
상기 공간부(110)는, 상기 금속판의 상면 전체 둘레보다 상대적으로 더 작게 형성되며, 상부가 아래로 비스듬히 형성되어 위쪽에서 들어오는 액체가 상기 공간부(110) 상부 벽면을 타고 하부에 잘 모이도록 하였다.
또한 상기 공간부(110)의 상부 일측에는 후술할 제1연결관(610)과의 연결을 용이하게 하기 위한 관로를 더 형성시킬 수 있다. 제1연결관(610)과의 연결관로가 상기 공간부(110) 상부에 형성된 것은 상기 증발기(100)로부터 생성된 기체가 상승하기 때문이다.
또한 상기 공간부(110)의 하부 일측에는 후술할 액체유동관(200)과의 연결을 용이하게 하기 위한 관로를 더 형성되게 할 수 있다. 액체유동관(200)과의 연결관로가 상기 공간부(110) 하부에 형성된 것은, 상기 공간부(110) 하부 연결관로까지 액체를 채워 증발기(100)에서 생성된 기체가 액체유동관(200)으로 침입하는 것을 막고 기체유동관(400)으로만 유동하게 하기 위해서이다. 즉 액체유동관(200) 출구 즉 상기 하부 연결관로가 상기 증발기(100) 내부에 충전되어 있는 작동유체에 의해 막히게 하기 위함이다.
그리고 상기 열전달핀(120)은, 상기 공간부(110)와 일체로 밀링가공하여 형성된 것으로서, 금속으로 형성되어 있다. 상기 공간부(110) 내부에 수직등간격으로 형성되며, 이는 상기 공간부(110) 내부로의 열전달을 용이하게 하기 위함이다.
상기 덮개부(130)는, 상기 공간부(110)를 완전히 덮을 정도의 크기로 금속판으로 형성되어, 상기 증발기(100) 본체에 용접 등의 방법으로 완전히 밀폐결합된다. 상기 덮개부(130)를 결합시키기 전에 상기 공간부(110) 내부에 존재하는 이물질의 세척을 용이하게 할 수 있으므로, 냉각장치에 있어서 열전달을 원활하게 할 수 있다.
다음으로 상기 액체유동관(200)에 대해 설명하고자 한다.
상기 액체유동관(200)은 후술할 응축기(300)에서 생성된 액체가 유동되는 관으로서, 상기 증발기(100)와 동일한 재질로 형성되거나 단열작용을 하는 합성수지 등으로 형성된다. 상기 액체유동관(200)은 상기 증발기(100)의 공간부(110)와 연결되고, 즉 상기 공간부(110) 하부 연결관로에 연결되어 후술할 응축기(300)의 공간부(310)와 연결된다. 본 고안은 중력에 의해 작동유체가 회수되는 써모사이펀 방식이므로 상기 기체유동관(400)은 상기 증발기(100)의 공간부(110) 하부에서 수직으로 형성되어 응축기(300)까지 연결되게 된다.
또한 상기 액체유동관(200)의 길이는, 상기 증발기(100)와 응축기(300)가 너무 가까우면 냉각을 위한 열교환이 제대로 이루어지지 않고, 작동유체의 유동을 위한 증발기(100)와 응축기(300)간의 압력차가 발생하지 않게 되므로, 열교환과 압력차를 위해 필요한 길이만큼 형성되게 한다.
다음은 상기 응축기(300)에 대해 설명하고자 한다.
상기 응축기(300)는, 상기 증발기(100)에서 생성된 기체가 상승하여 후술할 기수분리기를 통하여 순수한 기체상태로 들어오면, 상대적으로 기수분리기나 증발기(100)보다 낮은 온도에 의해 액체 상태로 상변환되게 된다. 상기 응축기(300)는 상기 증발기(100)의 형상과 동일하게 밀링가공하여 형성된 공간부(310)와 열전달핀(320), 이를 덮는 덮개부(330)로 구성된다.
다만 상기 공간부(310)는, 하부가 위로 비스듬히 형성되어 위쪽에서 들어오는 기체가 온도차나 압력차에 의해 액체로 응축된 경우에 하부에 잘 모이도록 하였으며 최하부에는 상기 액체유동관(200)과 연결되는 연결관로가 형성되어 한 곳에 모여진 액체는 신속하게 액체유동관(200)을 따라 상기 증발기(100)로 다시 유입되게 된다.
또한 상기 공간부(310)의 상부 일측에는 후술할 기체유동관(400)과의 연결을 용이하게 하기 위한 관로를 더 형성시킬 수 있다. 기체유동관(400)과의 연결관로가 상기 공간부(310) 상부에 형성된 것은 상기 응축기(300)에서 응축된 액체가 기체유동관(400)으로 다시 유입되는 것을 막기 위한 것이다.
다음으로 상기 기체유동관(400)에 대해 설명하고자 한다.
상기 기체유동관(400)은 후술할 기수분리기(500)에서 유입되는 기체가 유동되는 관으로서, 상기 증발기(100)와 동일한 재질로 형성되거나 단열작용을 하는 합성수지 등으로 형성된다. 상기 기체유동관(400)은 상기 응축기(300)의 공간부(310)와 연결되고, 즉 상기 공간부(310) 상부 연결관로에 연결되어 후술할 기수분리기(500)의 공간부(510)와 연결된다.
다음으로 상기 기수분리기(500)에 대해 설명하고자 한다.
상기 기수분리기(500)는, 기체와 액체가 상기 응축기(300)로 동시에 공급되는 것을 막기 위한 곳이다. 위치는 대략 상기 증발기(100)와 응축기(300)의 가운데가 적당하다.
일반적으로 히트파이프에 있어서 열전달 능력을 결정하는 것은 작동유체 충전량, 장치의 형상, 증발기-응축기간 높이이다. 여기에서 상기 기수분리기(500)는 작동유체 충전량을 높이기 위한 것이다. 작동유체 충전량이 많을 수록 열전달 능력이 증가하나 일정량 이상이 될 경우에는 과충전된 작동유체가 내부순환을 방해하기 때문에 열전달 능력을 오히려 감소시키게 된다. 일반적으로 적절한 작동유체 충전량은 상기 증발기(100) 내부 체적의 50%로 알려져 있다.
상기 기수분리기(500)는 증발기(100)와 응축기(300) 사이에 구비되어 적정 작동유체 충전량을 대략 100%까지 증가시킬 수 있으므로, 같은 용량의 분리형 히트파이프에 비해 2배정도의 열전달 능력을 가지게 된다. 이는 작동유체 충전량이 많아도 상기 기수분리기(500)에 의해 응축기(300)에 공급되는 유체는 액체가 섞이지 않은 순수한 기체상태로 유입되기 때문이다.
상기 기수분리기(500)는 상기 증발기(100)와 동일한 형상으로 밀링가공하여 형성된 공간부(510)와 이를 덮는 덮개부(520)로 구성된다.
다만 상기 공간부(510)는, 상하부가 비스듬히 평행하게 기울어진 마름모 형상으로 형성되어 있으며, 상기 공간부(510) 상부에는 상기 기체유동관(400)과 연결되는 연결관로가 형성되어 있고, 하부에는 후술할 제1연결관(610)과 제2연결관(620)과 연결되는 연결관로가 형성되어 있다. 마름모 형상으로 인해 내부의 유체의 유동이 원활하게 되고, 상기 증발기(100)로 부터 기체와 액체가 함께 유입된 경우에는, 기체는 다시 상부에 형성된 연결관로를 따라 상기 기체유동관(400)으로 공급되고, 액체는 다시 제2연결관(620)을 통하여 상기 액체유동관(200)으로 공급되게 된다.
따라서 작동유체 충전량이 많아서 액체가 상기 응축기(300)로 유입되는 경우에 그 만큼 기체의 흐름이 원활하지 못하게 되어 열전달 능력을 저해하게 되는데 상기 기수분리기를 구비함으로서 이러한 요소를 제거하게 된다.
다음으로 상기 연결관(600)은, 상기 증발기(100)에서 생성된 기체가 상기 기수분리기(500)로 유입되는 제1연결관(610)과, 상기 기수분리기(500)에서 분리된 액체가 다시 상기 액체유동관(200)으로 유입되는 제2연결관(620)으로 구성된다. 상기 연결관(600)은 상기 증발기(100)와 동일한 재질로 형성되거나 단열작용을 하는 합성수지 등으로 형성된다.
다음으로 상기와 같이 구성된 본 고안의 작용에 대해 설명하고자 한다.
분리형 히트파이프의 내부는 진공상태이고 적당량의 작동유체가 봉입되어 있으며 내부의 작동유체는 액체상태로 상기 증발기(100)에 모여 있다. 외부의 열원 주로 컴퓨터의 CPU 등에서 상기 증발기(100)로 열이 가해지면 증발기(100)내의 온도가 상승하여 작동유체가 액체상태에서 기체상태로 상변화가 일어나 상당한 비체적의 팽창을 가져온다.
기화된 작동유체는 상기 증발기(100)와 상기 기수분리기(500)와의 압력차에 의해 상기 기수분리기(500)로 상기 연결관(600)을 따라 이동한다. 작동유체 충전량이 50%이상이 될 경우에 상기 기수분리기(500)에 기체와 액체가 함께 유입되는 경우에 상기 기수분리기(500)에 의해 다시 한번 기체와 액체가 분리되어, 기체는 상기 기체유동관(400)을 따라 상기 응축기(300)로 유입되고, 액체는 상기 제2연결관(620)을 통해 상기 액체유동관(200)으로 유입되어 다시 상기 증발기(100)로 유입되게 된다.
한편 상기 기체유동관(400)으로 유입된 기체는 압력차에 의해 상기 응축기(300)로 이동하게 된다. 상기 응축기(300)로 이동된 기체상태의 작동유체는 응축기(300)에서 외부로 열을 방출하고 액체 상태로 상변화를 일으킨다. 액체상태가 된 작동유체는 상기 액체유동관(200)을 통해 중력에 의해서 다시 증발기(100)로 회수된다.
상기와 같은 순환과정이 연속적으로 진행되면서 작동유체의 상변화도 반복적으로 일어나고 외부로부터의 구동력이 필요없이 증발기(100)에서 응축기(300)로 계속적인 잠열수송이 일어나 장비 등의 냉각장치로 사용할 수 있게 된다.
상기 구성에 의한 본 고안은, 히트파이프에 주입되는 작동유체량을 증가시킬 수 있고, 히트파이프 내부의 구조가 개선되어, 열전달이 용이하고 우수하여 전자장비 등의 냉각장치로써 널리 이용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 응축기(300)에서 증발기(100)로의 작동유체의 회수가 써모사이펀 방식인 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치에 있어서,
    두께를 가지는 금속판으로 형성되고, 상기 금속판 상면에 함몰되게 형성된 공간부(110)와, 상기 공간부(110) 내부에 수직등간격으로 형성된 열전달핀(120)과, 상기 공간부(110) 상부에 형성된 덮개부(130)로 구성된 증발기(100)와;
    상기 증발기(100)의 공간부(110)와 연결되어 수직으로 형성된 액체유동관(200)과;
    두께를 가지는 금속판으로 형성되고, 상기 액체유동관(200)과 연결되고 상기 금속판 상면에 함몰되게 형성된 공간부(310)와, 상기 공간부(310) 내부에 수직등간격으로 형성된 열전달핀(320)과, 상기 공간부(310) 상부에 형성된 덮개부(330)로 구성된 응축기(300)와;
    상기 응축기(300)의 공간부(310)와 연결되어 형성된 기체유동관(400)과;
    두께를 가지는 금속판으로 형성되고, 상기 기체유동관(400)과 연결되고 상기 금속판 상면에 함몰되게 형성되어 마름모형상을 이루는 공간부(510)와, 상기 공간부(510) 상부에 형성된 덮개부(520)로 구성된 기수분리기(500)와;
    상기 기수분리기(500)의 공간부(510)와 상기 증발기(100)의 공간부(510)를 연결하는 제1연결관(610)과, 상기 기수분리기(500)의 공간부(510)와 상기 액체유동관(200)과 연결되는 제2연결관(620)으로 구성된 연결관(600);을 포함하여 구성되는것을 특징으로 하는 분리형 히트파이프를 이용한 냉각장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014193000A1 (ko) * 2013-05-28 2014-12-04 한국기초과학지원연구원 압력차를 이용한 자연유도방식의 열교환방법 및 이를 이용한 가스압축기와 히트펌프

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