KR20040089661A

KR20040089661A - 미세냉각을 위한 방법과 장치

Info

Publication number: KR20040089661A
Application number: KR10-2004-7013110A
Authority: KR
Inventors: 레릿 코르디아; 브라이언 모엘; 존 데이비스
Original assignee: 다르 테크놀로지, 인크
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-10-21
Also published as: US20030221446A1; CA2476945A1; CN1328555C; CN1646865A; US7140197B2; EP1485659A4; WO2003073017A1; EP1485659A1; AU2003217707A1

Abstract

전자 케이스 및 휴대용 장비와 같은 소형 가전제품의 내부에 끼워질 수 있도록 충분히 작은 치수인 일체화된 내장형 미세냉각 장치가 개시된다. 미세냉각기는 증발기(102)와, 압축기와, 응축기와 터빈-팽창기(103)들 사이에서 폐루프로 순환하는 작동유체를 사용한다. 2개의 구조; 독립 샤프트에서 작동하는 압축기와 터빈을 구비한 하나의 구조 및 모터 샤프트에서 작동하는 터빈과 압축기를 구비한 다른 하나의 구조가 청구된다.

Description

미세냉각을 위한 방법과 장치{MEANS AND APPARATUS FOR MICROREFRIGERATION}

미세 냉각기(microrefrigerator)라고도 언급되는 소형크기의 냉각기들은 컴퓨터, 서버, 장거리통신 스위치기어와 다양한 다른 형태의 전자장비 뿐만 아니라 휴대용 냉각기, 의료장비 및 실제 휴대할 수 없을 경우 일반적으로 작게 설계된 많은 다른 품목들과 같은 기구들을 냉각시킬 목적으로 개발 중에 있다. 최근까지도, 이러한 유형의 장비들은 선풍기나 비기계적인 열 확산기(non-mechanical heat spreader)와 같은 간단한 기구들에 의해서 냉각되어 오고 있었다. 계속되는 소형화와 함께 향상된 성능의 기구들에 대한 요구는 이러한 기구들로부터 열방출의 수준을 상당히 증가된 수준까지 이끌었고, 그 결과 전통적인 냉각형식은 많은 경우에 기구의 온도가 너무 높게 상승하는 것을 막지 못하여 그 기구들을 작동불능하도록 야기하였다. 나아가서, 몇몇 기구 설계사의 목표는 단순히 해로운 온도상승을 방지하는 것이 아니라 기능상승을 주는 온도를 낮추는 것이다. 예를 들면, 전자장비는 충분히 냉각되는 경우에 더 신속히 작동하며 더욱 신뢰도가 높아질 수 있다. 따라서, 안전한 작동온도로 기구들을 냉각할 수 있는 소형크기의 장비 뿐만 아니라 나아가 성능을 향상시키는 온도로 기구들을 냉각시키기 위한 필요가 있다.

강제 공기송풍으로 전자 부품의 냉각을 증진하고자 많은 노력이 있었다. 공간과 비용의 고려는 사용할 수 있는 선풍기의 규격을 제한하기 때문에, 열전도로 고온의 부품에서 열을 방출하고 송풍기가 이를 강제 공기대류로 냉각시키는 히트싱크(heat sink)에 더 많은 경주를 해 왔다. 이씨(미국특허 제5,653,285호)는 근자 이러한 예를 보여주고 있는데, 거기에서 히트싱크는 최대의 열전도효과에 적합하게 제작된다. 히트싱크를 개선시키는 다른 하나의 인기가 있는 방법으로는 펠티어 냉각기(Peltier cooler)로 알려진 열전자 냉각기로서 제작하는 것이고, 이는 열원과의 접합부에서 히트싱크의 온도를 열원의 온도보다 상당히 낮은 온도가 되도록 할 수 있다. 펠티어 냉각기는 발산시킬 수 있는 열량보다도 더 많은 전력을 공급해야 하는 단점이 있으며 따라서 비효과적인 미세냉각 방법이다.

그와 같은 히트싱크 구조의 예는 많이 있다. 더욱 근자에는, 히트싱크의 내부에 냉각유체(cooling fluid)를 사용하는 발명들을 공개되어 있다. 밀러 등(미국특허 제6,400,012호)은 냉매(coolant)의 순환을 위한 도관(channel)을 구비한 히트싱크를 개시하고 있는데, 그 구조는 발열기구와 히트싱크 안에 있는 냉각매체 사이의 열저항을 감소시키도록 설계된다. 그러나, 어떤 특정의 냉각매체도 제공되지 않는다. 콜 등(미국특허 제6,478,725호)은 이 개념에서 더 나아가 냉매가 밀폐된 용기 속에서 발열기구와 미립자의 분무형태로 직접 접촉하고 밀폐된 공간으로 돌아 오기에 전에 응결하고 상기 용기로부터 추출되어 냉각하기 위한 다른 기구로 순환하기 위해 용기로부터 추출되며, 이 주기를 반복한다. 냉각매체와 마이크로칩 사이의 밀접한 근접성은 장기적으로 그 마이크로칩을 무능화할 수 있다.

더욱 보편적으로, 밀러 등이 개발한 형태의 소형크기의 열교환기에서 간접냉각에 더욱 관심이 쏟아져 왔다. 바화이 등(미국특허 제6,457,515호)은 두 층의 미세도관 구조(microchannel structure)를 보여주고 있다. 냉각유체는 분포방식에서 원거리에 있는 열교환기와 다른 장비를 통하여 순환된다. 이러한 분포 시스템에서, 시스템의 구성요소들은 분리되어 있고 동일 용기에 들어 있지 않느다. 콘스타드(미국특허 제6,407,916호)는 히트싱크와 공냉식 열교환기 사이에서 냉매를 왕복시키도록 하는 히트 파이프로 일컬어지는 분산식 열제거의 더욱 조밀한 수단을 설명하고 있다.

냉각과는 대조적으로, 냉장은 특히 냉장 주기의 모든 구성요소를 하나의 용기에 넣는다면 설계의 복잡성을 증가시킨다. 데이비슨 등(미국특허 제6,497,110호)은 부분적으로 주변 기구들에서의 수분응축을 방지하기 위하여 전자적 구성요소들을 상기 주변 기구로부터 완전히 격리시키는 장치를 보여주고 있다. 단점은 전자적 구성요소들 사이의 신호전송용 와이어 접속이 회피되고 본 발명의 바람직한 영역인 광학접속으로 대체된다는 것이다.

냉각 전자장비의 현재 시스템은 부피가 크고 가전제품의 전체 크기에 추가될 수 있다. 그러한 시스템의 예는 포터(미국특허 제5,574,627호)와, 월 등(미국특허 제6,054,676호)과, 에릭슨 등(WO 0125881 A2)에 의해서 개시된다. 오늘날의 환경에서의 문제는 랩탑컴퓨터를 포함하여 현존하는 가전제품 아키텍쳐에 적합하도록 이러한 냉각 시스템을 소형화하는 데 있다.

조밀성과 효과성의 이유 때문에, 내부의 작동유체 순환을 구비한 미세 냉각기구에 사용되는 작동유체(working fluid)는 열역학적 견지에서 효율적이어야 한다. 열역학적으로 효율적인 작동유체는 작동하기 위한 최저의 요구량으로 열을 잘 운반한다. 안전성의 이유때문에, 작동유체는 또한 비독성이어야 하고 환경친화적이어야 한다. 이러한 성능 수요는 우리가 초월임계적(transcritical) 이산화탄소를 작동유체로서 고려하게 한다.

종래의 증기-압축 냉각 주기에서, 열은 증발하는 유체에 의해 일정한 온도에서 흡수되고, 이 후에 증기는 증발열을 내놓기 전에 높은 압력에서 압축되고, 그 것도 궁국적으로 팽창기를 통하여 압축해제되고 증발기에 돌아와 열을 빼내고 주기를 새로이 반복하기 전에 서브임계적 압력(Subritical pressure) 하의 응축기 내 압축과정에서 일 에너지를 더하게 된다. 이러한 주기과 다른 방법에서는 충분히 높은 압력에서 그 유체가 초임계적 상태(Supercritical state)로 압축하여 반듯이 그 초임계적 상태에 있는 체로 냉각 매체에 열을 내 놓도록 하는 것이다. 냉각 주기에서, 냉각매체는 주로 공기이지만, 해수와 같은 다른 종류의 유체일 수도 있다. 그 다음, 냉각된 작동유체가 팽창하면서 서브임계적 상태로 돌아와 응결하고 그 다음 새롭게 열을 흡수하기 위하여 증발기에 돌아오는 것이다. 그러한 주기를 초월임계적(Transcritical)이라고 명명한다.

증기-압축 냉각의 역사를 통하여 서브임계적 주기(Subcritical cycle)이 기준이었다. 그러한 주기 하에서 작용하는 염화불화탄소(CFC) 작동유체는 1930년 대에 인기가 있었다. 이 유체는 독극물이 아니며 안전하다고 여겨졌다. 그러나 1970년 초반에 이르러 특히 대기오존층에 대하여 CFC가 입힌 환경위험이 밝혀지게 되었다. 그것은 다시 이산화탄소에 대한 흥미로 이끌었는데 이는 완전히 서브임계적 주기에서, 또는 더 높은 효율을 위한 초월임계적 주기에서 작동시킬 수 있는 것이다.

본 출원은 2002년 2월 22일 출원된 미국 가특허출원번호 제60/359,032호의 우선권을 주장하고, 그에 대하여 알려진 사항들은 본 명세서에 참조문헌으로서 합체된다.

본 발명은 증기-압축의 열역학적 주기에서 초임계적 유체(supercritical fluid)를 사용하는 냉각기구 및 냉각방법에 관한 것이고, 특히 이러한 주기를 작동하기 위해 요구되는 소형크기(small-scale)의 장치에 관한 것이다.

전형적인 분야는 전기긱구, 전자기구, 광학기구 및 휴대기구를 포함합니다.

첨부도면을 참조하는 본 발명의 상세한 설명은 아래에 있다.

도 1은 발명의 초월임계적 증기 압축 주기의 개략도이다:

도 2는 압축기에 연동되지 아니한 터빈확장자를 포함한 총체적 미시냉각기의 단면도이다:

도 3은 도 2에 도시된 압축기들 중 하나의 상세도이다:

도 4는 중심축 주위에 세개 압축기의 배열을 나타내는 도 2에 나타난 미세냉각기의 측면도이다:

도 5는 모터를 향한 터빈의 배향을 나타내는 도 2의 측면도이다:

도 6은 압축기에 연결된 터빈 확장기를 갖는 일체형 미세냉각기의 도면이다.

그러므로 본 발명의 한 목적은 작은 규격의 냉장기구가 더 높은 효율에서 작동함으로서 한 공간을 차지하면서 충분한 냉각용량을 공급할 수 있게, 충분히 작아서 그러한 냉장기구가 전자 또는 다른 작은 규격의 가전제품의 일 부분으로 또는 내부에 일부로 포함되도록 설계하고 작동하도록 하는 개량을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전자 또는 기타 소형크기의 가전제품 속에 통합시킬 수 있도록 냉각장치를 통합포장안에 조립함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 냉각과정에서 발산되는 전력보다도 더 많은 전력을 필요로 하지 않은 체 전자 및 그 밖의 작은 가전제품을 작동시키는 전력을 같은 공공의 전력원에서 끌어내어 냉각기구를 작동함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전자적 구성요소의 작동수명을 충분히 연장시키는 냉각용량을 주거나 앞에 말한 구성요소의 작동 속도가 통상의 비냉각방법에서 기대되는 속도를 넘도록 높힘에 있다.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 비독성이며 환경친화적인 작동유체를 사용하여 위에 말한 목적들을 성취함이다.

본 발명은 증기 압축 주기를 사용하는 미세냉각용 장치에 관한 것이다. 상기 장치는;

(a) 초월임계적 주기에서 자연산이면서 환경친화적인 작동유체;

(b) 상기 작동유체를 압축하기 위한 압축기 수단;

(c) 상기 작동유체에서 외부주위로 열을 전달하기 위한 적어도 하나의 열교환기;

(d) 목표 기구에서 상기 작동유체로 열을 전달하는 적어도 하나의 교환기;

(e) 상기 작동유체를 팽창시키기 위한 조절수단(throttling means);

(f) 초월임계적 주기에서 작동유체의 순환을 위한 상기 압축기, 상기 열교환기와 상기 조절수단을 연결하는 폐루프;

(g) 단일 용기에 들어가는 (a) 에서 (e)에 이르는 구성요소들; 그리고

(h) 상기 목표 기구와 접하고 있는 상기 용기;

를 포함한다.

본 발명은 더 나아가서 위에 열거된 장치에 관한 것이고, 여기에서 자연산이면서 환경친화적인 작동유체는 이산화탄소, 물과 천연 탄화수소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이다.

열거된 장치에서, 압축기는 왕복운동식 또는 원심분리기식으로 이루어지고, 저전압에서 작동한다. 상기 장치의 적어도 하나의 열교환기는 미세도관식이다. 나아가, 상기 장치의 미세도관은 알모양(ovoid) 또는 다각형 단면의 형태로 이루어질 수 있다.

상술된 장치의 터빈은 두개의 열교환기 사이에 위치된다. 이는 충격형(impulse type) 또는 반작용형(reaction type)이다. 상기 터빈은 두개 열교환기 사이의 흐름을 조절하고 조절과정에서 유용한 일을 제공한다. 상기 터빈은 에너지를 회수하기 위하여 압축기에 에너지적으로(energetically) 연결될 수 있다.

상술된 장치는 조절밸브(throttling valve)로 작동하는 주기를 통하여 증가된 냉각용량과 증가된 에너지효율을 제공한다.

상술된 장치의 다른 관점은 오일이 없는 자연산이면서 환경친화적인 작동유체로 작용한다는 것이다. 상기 용기는 100 왓트 이하를 소비하기 때문에 상기 용기용 미세냉각의 10㎤/watt를 초과하지 않는다. 상기 장치는 고압측에서 저압측으로 유용한 작업을 전달하는 하나 이상의 내부냉각기(intercooler)와; 유체에서 기체를 분리하는 하나 이상의 분리기(separator)와; 조절을 위한 방출기(ejector)를 더 포함하고, 여기에서 상기 방출기는 열교환기 사이에 있다. 상기 내부냉각기와,분리기와, 방출기는 주기의 효율을 높힌다.

상술된 장치에서, 압축기 수단, 조절제어 수단, 모터 또는 이들의 조합은 조정수단(regulating means)에 의해서 조정된다. 센서는 온도 및 온도관련 현상을 감시하고 제어한다. 상기 장치는 목표 기구의 일반동력 네트워크로부터 동력을 끌어내거나 또는 상기 장치는 개별 소스로부터 동력을 끌어낸다. 절연은 상기 장치 상에서 외부 응축(external condensation)을 회피하고 상기 목표 기구 상에서 외부 응축을 회피한다.

상술된 장치에서, 하나 이상의 열교환기는 외장일 수 있다. 상기 열교환기들은 목표 기구에서 작동유체로 열을 전달하고 폐루프(closed loop)에 포함된다. 외장 열교환기는 목표 기구의 구성요소의 패키지에 삽입될 수 있고 목표 기구의 구성요소와 직접 접하는 것을 포함하여 목표 기구의 구성요소와 접할 수 있다.

증기 압축 주기를 사용하는 미세냉각용 방법은;

a. 자연산이면서 환경친화적인 작동유체를 얻는 단계와;

b. 상기 작동유체를 압축하는 단계와;

c. 하나 이상의 열교환기들을 통해서 상기 작동유체에서 외부주위로 열을 전달하는 단계와;

d. 상기 작동유체를 팽창시키는 단계와;

e. 하나 이상의 열교환기를 통해서 다른 외부 환경에서 상기 작동유체로 열을 전달하는 단계와;

f. 상기 구성요소들을 폐루프로 연결하는 단계와;

g. 초임계적 고압력과 임계치 이하의 저압력 조건들을 포함하는 주기를 통해 상기 폐루프로 상기 냉각액을 순환시키는 단계와;

h. 상기 (e) 단계의 외부 주위를 냉각하는 단계로 이루어진다.

여기에서, 미세냉각의 방법은 본 발명의 장치의 성능 특성에 따른 상술된 장치에 의해서 가능하게 된다.

[용어정의]

"원심분리기형"(centrifugal type)은 원심력을 주는 회전요소를 구비하는 것을 의미한다.

"압축 스트로크"(compression stroke)는 압축기내의 기계적인 요소의 이동의 거리 또는 치수를 의미한다.

"압축기"(compressor)는 기계적, 전기적, 또는 자기적 수단, 또는 이들의 조합을 하나 이상의 단계에서 사용하여 유체의 압력을 증대시키는 장치를 의미한다.

"응축기"(condensor)는 작동유체에서 외부 주위로 열을 전달하는 장치를 의미한다.

"에너지적으로 연결됨"(energetically coupled)은 한 요소에서 다른 요소로 에너지가 운반되는 것을 의미한다.

"기화"(evaporation)는 폐회로루프에 외부 주위로부터 열을 부가하는 과정을 의미한다.

"최종 압축공간"(final compression volume)은 압축 후에 작동유체가 차지하는 시작공간(starting volume)의 일부분을 의미한다.

"충격형"(impulse type)은 회전자(rotor)를 회전시키도록 노즐이 유체를 지향시키는 회전자에 장착된 일련의 블레이드(blade)로 이루어진 터빈을 의미한다.

"내부냉각기"(intercooler)란 냉각을 필요로 하는 구성요소가 가열을 필요로 하는 구성요소에 열을 전달하는 주기 내에서 두개 구성요소들 사이의 열교환을 의미한다.

"등엔트로피 팽창"(isentropic expansion)은 엔트로피를 가능한 한 일정하게유지하면서 유체를 저기압으로 팽창시키는 것을 의미한다.

"저전압"(low voltage)이란 120 볼트 이하의 직류 또는 교류 전류를 의미한다.

"미세 규격"(micro size)이란 목표 기구의 외피(casing) 내에 끼워지도록 충분히 작음을 의미한다.

"미세도관"(microchannel)이란 높이나 직경이 2,000 마이크로미터가 되지 않음을 의미한다.

"미세냉각"(microrefrigeration)이란 미세 규격의 장비로 수행되는 냉각을 의미한다.

"미세 냉각기"(microrefrigerator)란 감지기, 제어나 전력접속을 제외한 미세냉각 주기의 모든 구성요소를 포함하는 용기(container)를 의미한다.

"자연산의 오일없는 작동유체"(natural oil-free working fluid)란 주기의 어느 시점에서나 윤활오일과 접촉하지 않는 자연적으로 발생하는 작동유체를 의미한다.

"반작용형"(reaction type)이란 회전자 상에 장착된 일련의 가동 블레이드와 비가동의 고정자(non-moving stator) 상에 고정된 일련의 블레이드로 이루어지는 터빈을 의미하고, 상기 두 일련의 블레이트들은 회전자를 회전시키도록 유체를 가동 블레이드를 향해 유도하는 노즐로서 작동한다.

"왕복운동형"(reciprocation type)이란 주기적으로 압력 변동(pressure fluctuation)을 이르키는 구성요소를 가지고 있음을 의미한다.

"분리기"(separator)란 폐루프에서 증기와 유체를 분리시키는 장치를 의미한다.

"서브임계적"(subcritical)이란 압력 및 온도가 작동유체의 임계압력 및 임계온도에 각각 도달하지 않는 작동유체의 상태를 의미한다.

"초임계적"(supercritical)이란 압력 및 온도가 작동유체의 임계압력 및 임계온도를 각각 넘어서는 작동유체의 상태를 의미한다.

"목표 기구"(target device)란 전기, 전자, 광학 또는 휴대용 가전제품으로서 열을 발생하는 적어도 하나의 집적회로 또는 내장된 제어를 가지고 있는 것으로서 컴퓨터나, 서버나, 전자통신 스위치장치이며 다른 수많은 전자장비 뿐만 아니라 휴대용 냉각기, 의료기구와 실제로 휴대용이 되지 못하더라도 일반적으로 조밀하게 설계된 여러가지의 다른 것들을 의미한다.

"초월임계적 주기"(transcritical cycle)란 냉매의 초임계적 및 서브임계적 상태를 포함하는 주기를 의미한다.

"유용한 열"(useful heat)이란 외부 에너지의 필요를 적게하는 열을 의미한다.

"작동유체"(working fluid)란 증기압축을 경험하는 물질로서 작동유체라고도 칭해지는 것을 의미한다.

[설명]

본 발명의 목적은 폐루프에 작동유체를 순환시키는 장비를 설치함으로써 이루어지는데, 상기 유체가 초임계적 상태로 압축되도록 유체를 강제로 압축시키고, 상기 상태가 유지된 체 공기나 물과 같은 외부의 매체에 열을 모두 내주기 위하여 열교환기를 통과하도록 하고, 이에 작동유체는 팽창되고 압축전에 있었던 서브임계적 압력으로 돌려 보내지고, 이때 유체는 응결하고 증발기에서 열을 흡수하는 데 이용될 수 있게 적절한 온도로 내려간다. 이러한 일을 이루는 데에 필요한 장비가 가전제품의 외피 내에 또는 그의 일부로서 일체화되고 합체된다.

상기 장비의 구성요소는 (1) 작동유체의 운반을 위한 미세도관이 있는 열교환기-상기 열교환기는 냉각시키고자 하는 발열기구와 근접하고 바람직하게는 직접 접촉해서 위치됨; (2) 작동유체를 강제로 초임계적 상태로 강제시키고 동시에 상ㅇ기 유체를 구성요소들의 폐루프를 통해서 밀어주는 압축기; (3) 작동유체의 열을 전형적으로 공기 또는 물인 주위의 유체와 교환하도록 하는 열교환기; (4) 작동유체를 서브임계적 상태로 환원시키는 팽창기구 - 상기 팽창기구는 조절밸브(throttling valve), 터빈 또는 방출기중 어느 하나임; (5) 상기 구성요소들 간에 작동유체를 운반하는 하나 이상의 수단;을 포함한다. 상기 구성요소들은 제어와 전력을 주기 위한 외부 배선의 제공으로 하나의 봉합된 패키지에 일체화된다.

집적된 구성요소를 통과하며 순환하는 작동유체는 비독성이면서 환경친화적이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 작동유체는 이산화탄소이다. 본 발명의 더 바람직한 실시예에 있어서, 구성요소들은 초월임계적 주기에서 이산화탄소 작동유체의 사용을 허락하는 방식으로 제조되고 조립된다.

본 발명은 냉각을 위한 새로운 방법과 장치를 마련해 준다. 본 명세서에서 냉각방법은 증기압축 주기와 장치에 관한 것이다. 이 시스템은 적어도 압축기, 두개 이상의 열교환기, 하나의 모터와 거기에 조절하고 제어하기 위한 구성요소들로 이루어지고, 이들 모두는 폐루프로 연결되고 하나의 미세 패키지로 일체화된다. 상기 장치는 이에 한정되지는 않지만 바람직하게 미세 규격인 전기 및 전자 기구와, 적어도 집적회로 또는 내장 제어를 갖는 다른 기구 및 구성요소를 포함하는 목표 기구들을 냉각하기 위한 수단을 제공한다. 목표 기구의 예로는 집적회로를 사용한 대개의 장치들을 포함하며 모든 종류의 컴퓨터, 컴퓨터 구성요소들, 분석용 및 실험실 장비들, 레이저들, 원거리 감지장비와 라디오 주파와 마이크로웨이브 기구들이 된다.

미세냉각 장치는 상술된 구성요소들의 크기와 상기 장치의 전반적인 크기를 줄일 수 있도록 해 주는 비독성이면서 환경친화적인 작동유체의 이점을 최대한 이용한다. 상기 작동유체는 바람직하게 이산화탄소, 물, 공기 또는 탄화수소이다. 냉각용량과 에너지 효율을 위해 터빈이나 다른 조절방안이 쓰일 수도 있다.

도 1은 미세냉각 시스템(1)의 구성요소를 나타낸다. 시스템(1)의 크기는 전체 통합된 패키지가 요구되는 열발산의 왓트당 10㎤를 초과하지 않고, 이는 100 왓트 미만의 전력소모를 필요로 한다. 폐회로 도관(6)을 따라서 순환하는 작동유체는 열흡수기(heat absorber)를 나와, 모터(4)로 작동되고 보충 전력을 커플링(11; coupling)-상기 커플링의 사용은 본 발명의 요구사항이 아님-에 의해 받을 수 있는저전압 압축기(3)의 흡입부로 들어간다. 이 후, 상기 유체는 표준 주기(standard cycle)에서와 같은 방법으로 열 리젝터(5; heat rejector)를 통과한다. 작동유체는 상기 열 리젝터를 나와 터빈(10)으로 진입하고, 거기에서 열 억셉터(heat accepter)의 더 낮은 압력으로 팽창한다.

도 1에 도시된 구성요소들 모두는 순환하는 작동유체의 폐루프로 연결되어 있다. 평상적인 작동에서, 작동유체를 시스템에 더하거나 빼내지 않는다. 본 발명의 폐루프 도관들은 구성요소간과 그 자체를 통하여 작동유체를 운반하도록 한다. 폐루프의 각기 다른 지점에서, 이들 도관은 통합된 장치의 케이싱(casing) 또는 활성 구성요소에 제작된 통로인 소형 파이프 또는 배관튜브의 형태를 취할 수 있고, 이들 중 어떤 통로들은 에칭(etching) 또는 레이저 절단과 같은 모든 전형적인 마이크로-메카니칼(micro-mechanical) 기술로 만들어진 마개로 덮은 미세도관의 골(capped microchannel trough)의 형태이다.

도 2는 집적회로를 가진 목표 기구를 냉각시키는 본 발명의 실시예의 도면을 나타낸다. 도면에 자세히 보이고 표를 단 것과 같이, 상기 장치는 모든 구성요소가 폐루프로 연결된 왕복운동의 압축기, 응축 및 증발을 위한 열교환기들과, 터빈으로 구성된다. 상기 장치의 모든 구성요소들은 외장되어서 단일 유니트 패키지를 형성한다. 작동변수 및 제어논리용 센서와, 상기 작동변수를 변경시키기 위한 액츄에이터(actuator)로 구성된 조정 수단(regulating means)가 제공된다. 상기 장치의 전력은 목표 기구의 대중 전력망 또는 독립된 전원에서 끌어 올 수 있다.

도 2에 도시된 미세냉각 장치(100)는 집적회로의 패키징(packaging)에 부착되고 일체형 냉각판(101)이 직접회로의 패키징에 근접하고 바람직하게는 접촉하는 방식으로 배향된다. 절연체(insulation)는 장치와 패키징의 일부를 둘러싸줄 수도 있다. 시스템의 증발열교환기(102)는 냉각판(101)의 바로 위에 있는 상기의 목표 기구의 상기 패키징 쪽을 향해 하방으로 대면하고 있으며 냉각판의 바로 위 또는 이와 접촉하고 있다. 바람직한 다른 실시예에 있어서, 상기 냉각판과 증발열교환기는 동일한 것일 수 있다.

증발기(102)의 바로 위에는 터빈 팽창기(103; expander)가 있다. 본 발명에 따르면, 터빈이 조절(throttling)용으로 사용될 수 있다. 조절은 증기압축주기 내에서 작동유체의 특성을 제어하기 위한 추가 매개변수를 제공한다. 전형적인 조절방법(throttling method)은 오리피스(orifice)를 통한다. 기구에서 구현된 조절방법은 기본 주기에서 오리피스가 있는 바로 그 위치에서 증기압축주기에 통합되는 데, 상기 위치는 응결기(104)와 터빈(103) 사이에 있다.

도면에 도시된 바와 같이 터빈(103)은 압축기와 연동되어 있지 않는다. 대신, 터빈 샤프트는 모터의 축에 직각으로 놓여 있는다. 상기 터빈은 작동유체를 즉각 증발기(102)로 보낸다. 작동유체는 증발기에서 배출하는 즉시 압축기 입구(122)로 연결하는 도관으로 들어간다. 이 도관은 미세냉각기 케이싱(120) 속에 위치해 있으며 본체를 대각선 방향으로 지나간다.

조절은 터빈 속에서 팽창하는 작동유체의 질량유속(mass flow rate)을 제어할 수 있도록 터빈 샤프트에 제동력(브레이크는 도 2에 미도시)을 인가함으로써 얻을 수 있다. 상기 방향에서 터빈은 충격 또는 반작용식 설계일 수 있다. 상기 자연산 작동유체와 상기 조절제어수단의 합체는 등엔탈피(isoenthalpic)를 넘어서 등엔트로피(isoentropy) 팽창까지 작동유체의 팽창을 확장할 수 있다. 그러한 부가된 팽창은 상기 장치가 더 많은 냉각용량과 더 큰 에너지 효율을 달성할 수 있게 한다.

모터(105)에는 외장(enclosure)의 축과 일치하는 그의 중앙축이 위치된다. 모터 샤프트(106)는 모터의 축에 편심적으로 회전하여 압축기 헤드(108)의 배열에 왕복운동을 제공한다. 압축기는 외장의 축에 중심일치되는 링(ring)을 형성하고 그 안에서 편심적인 모터 샤프트는 샤프트 베어링(109)과 함께 회전한다. 피스톤(107)의 왕복운동에 따라서 압축기 격막(110)은 교번적으로 피스톤의 하방스트로크(downstroke) 동안 작동유체를 뽑아내고 이 때에 압축기 입구 체크밸브(111)는 피스톤의 상방스트로크 동안 닫혀져서 작동유체를 압축하여 압축기 출구 체크밸브(112)를 통해서 응축기(104) 쪽으로 밀어준다. 외부링(113)은 압축기 헤드 조립체를 둘러싼다.

압축기에서 축출된 유체는 출구 링(114)을 통해서 응축기로 들어간다. 상기 응축기는 송풍기(115)에 근접하여 위치되고 응축기의 구성요소들을 가로질러 역류방향으로 지나가는 바람직하게는 공기인 주변매체와 간접적으로 열교환한다. 용어 "응축기"는 구어체이고, 평상 작동시 실제로 응축이 발생하지 않는다는 것은 강조되어야 한다. 대신, 작동유체는 응축기 내부를 통과하는 동안 초임계적 상태로 유지된다. 응축기를 통과한 공기는 공간(106; plenum)으로 들어가고 캔(120) 표면의 환기통으로 빠져 나간다. 그러므로, 응결하는 열교환기는 상기 패키지에서 반대방향으로 향하고 있다. 송풍기(fan)는 응결 열교환기의 상부에 위치되고 폐루프로부터 열을 발산하는 데 사용된다. 작동유체는 응축기 출구(117)로 유동하고 곧바로 터빈 입구(118)로 들어가며, 그리하여 주기가 새롭게 시작한다. 팽창된 작동유체는 증발기(102)로 가며, 거기서 냉각판으로부터 열을 받아낸 후 증발기 출구(119)로 나간 다음 압축기로 향한다. 터빈과 모터를 우회하기 위하여, 압축기 진입라인은 모터 위 대각선 방향으로 케이싱(120) 내부에 형성된다.

기술분야에 숙련된 당업자에 의해서 예상될 수 있듯이, 다양한 제어방법들이 적당한 온도와 압력을 유지하기 위하여 미세냉각기 안에 설치된다. 예를 들어, 응축기내의 압력은 터빈 샤프트의 제동력을 조정하거나, 압축기의 속도나 출구압력을 조정하거나 또는 이 두가지 제어의 조합에 의해서 제어된다. 증발자와 응축기의 온도감시는 시스템내의 압력과 유동 조건을 제어하는 데 기여한다. 센서와 액츄에이터를 제어하는 이러한 수단들은 도면에 도시되어 있지 않지만 포함된다. 논리 시스템은 목표 기구의 전자부분에 통합될 수도 있다.

도 3은 압축기 헤드(108)의 상세도이다. 피스톤(107)은 격막(110)에 대항하여 상측으로 움직인다. 상방 스트로크 동안, 입구 체크밸브(111)는 닫혀지고 출구 체크밸브(112)는 열린다. 하방 스트로크 동안, 입구 체크밸브(111)는 열리고 출구 체크밸브(112)는 닫힌다.

도 4에 도시된 바와 같이, 세개의 압축기 헤드는 하나의 링에 배열된다. 편심 모터 샤프트(106)이 회전함에 따라, 압축기 피스톤들을 순서적으로 밀어낸다. 작동유체는 미세냉각기의 주변을 따라 연속하는 출구 링(114)으로 강제된다. 출구링으로부터, 유체는 응축기(104)로 들어간다.

도 5는 주요 구성요소의 축상 배열을 측면도로 나타내고, 이것은 도 2 내지 도 4에 나타난 시각에서 90°변위되어 있다. 이 시각은 모터 축에 직각인 축을 가진 터빈의 배향을 강조한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예를 나타내고, 여기서 터빈은 모터 샤프트에 의해서 압축기와 연결된다. 이러한 구조는 하기에 연결된 미세냉각기(300)로서 언급된다. 이러한 기구는 케이싱(301) 내에 포함된다. 케이싱의 하부측(306)은 외부에 있는 냉각판(101)과 바로 내부에 있는 증발기(102)로 구성된다. 단부 커버(302)는 측방 측면(lateral side)들을 보호한다. 상부측면(307)에는 구멍이 형성되어 응축기(104)를 노출시킨다. 작동유체는 상술된 비연동형 시스템(1)에서와 유사한 방식으로 케이싱을 통해서 시스템을 횡단한다: 증발기 출구로부터, 유체는 압축기로 들어가고 이 후에 응축기로 진행하고 이로부터 터빈 팽창기로 진행하며, 팽창기는 유체를 증발기로 밀어냄으로써 그 주기를 끝마친다. 연동형 미세냉각기(300)에서 압축기(108)와 터빈(103)은 서로 반대편에 배열되고, 그 사이에 모터(303)가 있다. 완성된 압축기-모터-터빈 조립체는 베어링(304)에 의해서 지지된다. 샤프트 기밀부(305)는 작동유체가 압축기나 증발기로 단락하지 못하도록 한다. 작동시 터빈 샤프트에서 생성된 유용한 일은 모터에 의해서 압축기에 공급된 일을 보강한다.

다른 바람직한 실시예에서, 장치의 단일 유닛 패키징 내에서 두개 이상의 부가적인 열교환기가 있다. 상기 열교환기는 장치에 외장되지만 단일 장치 패키지내에서 구성요소의 루프에 여전히 연결된다. 배관은 상기 외장 열교환기를 장치 패키징 내의 구성요소에 연결시켜서 작동유체가 상기 열교환기와 장치사이에서 유동하기 위한 수단을 제공한다. 도 2에 도시된 실시예에 관해서, 장치의 패키지는 목표 기구의 패키징에 부착한다. 절연체가 장치와 패키징의 일부를 둘러싸고 있을 수 있다. 상기 외장 열교환기는 목표 기구의 패키징에 일체화되거나 또는 삽입될 수 있고, 바람직하게는 증발을 위해 그것과 접해 있을 수 있다. 응축시키는 열교환기는 목표 기구 패키징의 반대편을 보고 있다. 응축시키는 열교환기의 상부에 있는 송풍기는 폐루프에서 열을 몰아 내도록 사용된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예는 하나 이상의 내부냉각기의 삽입을 포함한다. 내부냉각기는 응축기를 나오는 작동유체와 목표 기구로부터의 열을 작동유체로 열전달하는 열교환기에서 나오는 작동유체 사이에서 열을 간접적으로 교환해 준다. 이러한 교환은 압축기의 흡입부로 진행하는 증기에 열을 가해주고 따라서 압축기의 부하를 경감해 준다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 분리기는 열교환기들 사이에 포함되어 기체와 액체를 분리한다. 분리기는 기체상태의 작동유체를 압축기에 넣어주며 목표 기구에서 작동유체에 열을 운반하는 열교환기에 더욱 많은 작동유체를 넣어준다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예는 방출기를 포함한다. 조절수단으로서 사용에 부가하여, 방출기는 목표 기구에서 작동유체로 열을 전달하는 열교환기로 들어가기 전에 진공효과를 형성함으로써 효율을 높힌다.

본 발명의 실시예를 실행함으로써 주기의 수능계수(COP; coefficient of performance)를 증진한 예들이 표 1에 나타난다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 내부냉각기나 터빈는 COP를 개선해주고 있으나, 터빈이 COP를 더 높히 개선해 주고 있다.

[예 1]

내부냉각기 없이 조절밸브 대신 터빈으로 작동하는 주기의 COP는 5℃의 일정한 증발온도에서 2.12에서 2.93로 28% 올라가고 있다.

[예 2]

증발기 입구(또는 터빈 출구)에서의 온도를 5℃ 에서 25℃ 로 오르게 함으로써 내부냉각기 없이 터빈으로 작동하는 주기의 COP가 2.93에서 6.15로 2배 이상 개선될 수 있다.

표 1. 주기형에 따른 냉각기 기능

주기 설명	증발기	응축기 출구	COP
주기 설명	℃ 바 (Bar)	℃ 바(Bar)	COP
조절 밸브내부냉각기와 조절밸브조절밸브대신 터빈, 내부냉각기 없음조절밸브대신 터빈, 내부냉각기 없음조절밸브대신 터빈, 내부냉각기 없음조절밸브대신 터빈, 내부냉각기 없음조절밸브대신 터빈, 내부냉각기 없음	5 395 395 3930 7125 63.518 53.925 63.5	40 98.640 98.640 98.650 103.650 98.640 98.640 98.6	2.122.262.931.042.074.566.15

표 2: 도면의 주석

1 : 주기 구성요소들

2 : 열 억셉터

3 : 압축기

4 : 모터

5 : 열 리젝터

6 : 작동유체

7 : 주변 유체

10 : 터빈

11 : 연결 샤프트(선택사항)

100 : 미세냉각기

101 : 냉각판

102 : 증발기

103 : 터빈

104 : 응축기

105 : 모터

106 : 편심 샤프트

107 : 피스톤

108 : 압축기 헤드

109 : 베어링

110 : 격막

111 : 입구 체크밸브

112 : 출구 체크밸브

113 : 외부 링

114 : 출구 링

115 : 송풍기

116 : 응축기 공간

117 : 응축기 출구

118 : 터빈 입구

119 : 증발기 출구

120 : 케이싱 또는 캔

121 : 압축기 삽입

122 : 압축기 입구

200 : 내부체

300 : 연결된 미세냉각기

301 : 연결된 케이싱

302 : 연결된 단부 커버

303 : 연결된 모터

304 : 연결된 베어링들, 단일 샤프트

305 :연결된 샤프트 밀봉부

306 : 케이싱 바닥측면

307 : 냉각판

인용된 참고

합중국 특허문건

5,653,285 8/5/1997 이 165/185

6,148,635 11/21/2000 비비 등 62/498

6,310,773 10/30/2001 유서프 등 361/704

6,400,012 6/4/2002 밀러 등 257/712

6,407,916 6/18/2002 콘스타드 등 361/687

6,434,955 8/20/2002 응 등 62/106

6,438,984 8/27/2002 나브트니 등 62/259.2

6,457,515 10/1/2002 베이펄 등 165/80.4

6,497,110 1/24/2002 데이빗슨 등 62/259.2

6,498,725 1/24/2003 콜 등 361/700

6,502,419 1/7/2003 프리스터 등 62/497

그 외의 발행물:

Claims

증기압축주기를 사용하는 미세냉각용 장치에 있어서,

(a) 초월임계적 주기의 자연산이면서 환경친화적인 작동유체;

(b) 상기 작동유체를 압축하는 압축기 수단;

(c) 상기 작동유체에서 외부주위로 열을 전달하기 위한 적어도 하나의 열교환기;

(d) 목표 기구에서 상기 작동유체로 열을 전달하는 적어도 하나의 교환기;

(e) 작동유체를 팽창시키기 위한 조절수단;

(f) 초월임계적 주기에서 작동유체의 순환을 위해 상기 압축기와, 상기 열교환기와, 상기 조절수단을 연결하는 폐루프;

(g) 단일 용기에 있는 상기 (a) 내지 (e)에 이르는 구성요소들; 그리고

(h) 상기 목표 기구와 접촉하고 있는 상기 용기;

를 포함하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 자연산이면서 환경친화적인 작동유체는 적어도 이산화탄소와, 물과, 자연산 탄화수소의 그룹에서 선택된 적어도 하나인 장치.
제1항에 있어서,

상기 압축기는 왕복운동형인 장치.
제1항에 있어서,

상기 압축기는 원심분리기형인 장치.
제1항에 있어서,

상기 압축기는 저전압형인 장치.
제1항에 있어서,

적어도 하나의 열교환기는 미세도관형인 장치.
제6항에 있어서,

상기 미세도관은 알모양의 단면 구조를 갖는 장치.
제6항에 있어서,

상기 미세도관은 다각형 단면 구조를 갖는 장치.
제1항에 있어서,

상기 조절수단은 두개의 열교환기들 사이에 포함되는 장치.
제9항에 있어서,

상기 조절수단은 터빈인 장치.
제10항에 있어서,

상기 터빈은 충격형인 장치.
제10항에 있어서,

상기 터빈은 반작용형인 장치.
제9항에 있어서,

상기 터빈은 유용한 일을 생성하는 장치.
제13항에 있어서,

상기 터빈은 에너지를 회수하기 위하여 상기 압축기와 에너지적으로 연동되어 있는 장치.
제13항 또는 제14항에 있어서,

증가된 냉각용량을 구비한 장치.
제13항 또는 제14항에 있어서,

증가된 에너지 효율을 구비한 장치.
제1항에 있어서,

상기 자연산이면서 환경친화적인 작동유체는 오일이 없는 장치.
제1항에 있어서,

상기 용기는 100 왓트 이하를 소모하는 상기 용기용 미세냉각의 10㎤/왓트를 초과하지 않는 장치.
제1항에 있어서,

고압측에서 저압측으로 유용한 일을 전달하기 위하여 하나 이상의 내부 냉각기를 더 구비한 장치.
제1항에 있어서,

기체와 액체를 분리하기 위하여 하나 이상의 분리기를 더 구비한 장치.
제1항에 있어서,

조절용 방출기를 더 구비한 장치.
제21항에 있어서,

상기 방출기는 두개의 열교환기 사이에 포함되는 장치.
제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,

더 구비된 구성요소들은 주기의 효율을 증가시키는 장치.
제1항에 있어서,

상기 압축기 수단, 조절수단, 또는 이들의 조합은 조정수단에 의해서 조정되는 장치.
제1항에 있어서,

센서는 온도 및 온도에 관련된 현상을 감시하고 제어하는 장치.
제1항에 있어서,

상기 장치는 목표 기구의 공중 전력망에서 전력을 가져오는 장치.
제1항에 있어서,

상기 장치는 전력을 독립 전원에서 가져오는 장치.
제1항에 있어서,

열절연체가 상기 장치의 외부응결을 피하는 장치.
제1항에 있어서,

열절연체가 목표 기구상의 외부응결을 피하는 장치.
제1항에 있어서,

하나 이상의 열교환기가 외장인 장치.
제30항에 있어서,

상기 열교환기들이 목표 기구에서 작동유체로 열을 이동시키는 장치.
제30항에 있어서,

상기 열교환기들은 폐루프에 포함되는 장치.
제30항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열교환기들은 목표 기구의 구성요소의 패키지에 삽입되는 장치.
제30항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열교환기들이 목표 기구의 구성요소들과 접하는 장치.
제30항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열교환기들이 목표 기구의 구성요소와 직접 접하는 장치.
증기압축주기를 사용하는 목표 기구의 미세냉장을 위한 방법에 있어서,

(a) 자연산이면서 환경친화적인 작동유체를 얻는 단계;

(b) 상기 작동유체를 압축하는 단계;

(c) 적어도 하나의 열교환기를 통하여 상기 작동유체에서 외부주위로 열을 전달하는 단계;

(d) 상기 작동유체를 팽창시키는 단계;

(e) 적어도 하나의 열교환기를 통하여 다른 외부 주위에서 상기 작동유체로 열을 전달하는 단계;

(f) 상기 구성요소들을 폐루프로 연결하는 단계;

(g) 상기 작동유체를 초임계적 고압과 서브임계적 저압 조건들을 포함하는 주기를 통하여 상기 작동유체를 상기 루프에서 순환시키는 단계;

(h) 상기 (e) 단계의 외부 주위를 냉각하는 단계로 이루어지는 방법.
제36항에 있어서,

자연산이면서 환경친화적인 상기 작동유체는 이산화탄소, 물, 그리고 천연산 탄화수소로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나인 방법.
제36항에 있어서,

상기 목표 기구는 바람직하게 미세규격인 전기, 전자, 광학 또는 휴대용 기구 및 적어도 집적회로 또는 내장 제어를 가진 다른 장치 및 구성요소들로 이루어지는 그룹에서 선택되는 방법.
제36항에 있어서,

상기 작동유체의 압축은 압축기에 의해서 수행되는 방법.
제36항에 있어서,

상기 작동유체의 팽창은 터빈에서 수행되는 방법.
제39항에 있어서,

상기 압축기는 왕복운동형인 방법.
제39항에 있어서,

상기 압축기는 원심분리기형인 방법.
제40항에 있어서,

상기 터빈은 충격형인 방법.
제40항에 있어서,

상기 터빈은 반작용형인 방법.
제40항에 있어서,

상기 터빈은 유용한 일을 생성하는 방법.
제45항에 있어서,

상기 터빈은 에너지를 회수하기 위하여 상기 압축기와 에너지적으로 연결되는 방법.
제36항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 작동유체의 팽창이 등엔트로피식으로 냉각용량을 증가시키는 방법.
제36항 내지 제46항 중 어느 한 항에 있어서,

팽창은 효율을 등엔트로피식으로 증가시키는 방법.
제36항에 있어서,

하나 이상의 내부냉각기들을 사용하여 고압측에서 저압측으로 유용한 열을 전달하는 방법.
제36항에 있어서,

하나 이상의 분리기를 사용하여 기체와 액체를 분리하는 방법.
제36항에 있어서,

내부냉각기들과 분리기들의 조합을 사용하여 고압측에서 저압측으로 유용한 일을 전달하고 기체와 액체를 분리하는 방법.
제36항에 있어서,

오일이 없는 작동유체는 주기의 효율을 증가시키는 방법.