KR20040104460A - 히트 파이프 - Google Patents

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KR20040104460A
KR20040104460A KR10-2004-7013213A KR20047013213A KR20040104460A KR 20040104460 A KR20040104460 A KR 20040104460A KR 20047013213 A KR20047013213 A KR 20047013213A KR 20040104460 A KR20040104460 A KR 20040104460A
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liquid
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KR10-2004-7013213A
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프랭크 무샤디
존 그루즐레스키
구오후이 정
쳔후이 장
종선 유안
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맥길 유니버시티
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Abstract

내부에 장입된 작용 물질을 구비하며 진공하에서 작동하는 히트 파이프 어셈블리(10/100)는 작용 물질을 증발시키기에 적합한 증발기(12/112) 및 응축기(16/116)을 포함한다. 응축기(16/116)는 액체 작용 물질을 내부에 수집하기 위하여증발기(12/112)보다 높은 위치에 놓인 저장소(30/130)를 구비한다. 불연속하고 불침투성의 액체 복귀 통로(36/136,20/120)는 중력에 의해서 액체 작용 물질을 저장소(30/130)로부터 증발기(12/112)로 유동시킬 수 있다. 액체 복귀 통로는 증발기(12/112)를 통해서 연장되고 폐쇄된 선단부 근처에서 종결되며, 상승하는 증기를 응축기(16/116)의 상부로 우회시키는 통기 라인(38/138)과 끼움결합된다. 유동 변환기(24/124)가 증발기(12/112) 내에 위치하여 증발기 내에서 소용돌이 형태의 작용 유체 유동을 일으키고, 이에 의해 유동 변환기(24/124)는, 내면의 액체 적용을 보장하도록 원심력에 의해서, 증발 작용 물질이 포획된 비증기 액체가 증발기(12/112)의 내면(23/123) 쪽으로 추진되게 한다. 그리하여, 막 비등의 징후가 지연된다.

Description

히트 파이프{Heat Pipe}
히트 파이프들은 열이 흡수되는 증발기로부터 열이 방출되는 응축기로 에너지를 전달하는데 효과적인 작용 유체의 증발 및 응축을 채용한 장치들이다. 히트 파이프들은 예를 들어 미합중국 특허 제 3,229,759 호 및 4,485,670 호에 상세하게 기재된 1960년대 초반의 초전도성 열 전달장치들에서 주목받기 시작했다. 여러가지 구성 및 적용의 히트 파이프들이 제안되었지만, 그들의 초기 발명인 기초 히트 파이프가 비교적 작은 온도 구배에 걸쳐서 다량의 에너지를 운반할 수 있는 유니트로서 각광 받았다.
히트 파이프들은 열이 증발기로 가해지고 응축기로부터 제거됨에 따라서 연속적으로 증발되고 응축되는 작용 물질로 채워지는 내용물 보유 용기들이다. 증발이 발생되는 비율은 히트 파이프 내로의 열 유동 속도에 직접적으로 비례한다. 에너지를 효과적으로 이송하기 위한 히트 파이프의 능력은 챔버 내의 응축불가능한 기체상 종들이 작동전에 히트 파이프로부터 제거되지 못한다는 사실에 의존한다. 그렇게 함으로써, 히트 파이프는 열 전달장치로서 사용되기 전에 진공배기된다. 챔버로부터 응축불가능한 가스를 제거함으로서, 증발기 내에서 발생된 증기는 펌프가 유체를 폐쇄부 쪽으로 유동시키는 방식으로 압력 구배를 낮추도록 응축기로 유동한다. 응축불가능한 가스의 존재로 말미암아, 증발된 작용 물질은 농도 구배를 낮추는 분자 확산에 의해서 이동한다. 이동하는 증기화된 작용 물질에 있어서 가압 유동이 보다 효과적인 세기를 가질 수 있으므로, 히트 파이프 장치들은 진공배기된다. 이와는 달리, 만일 히트 파이프 챔버에서 누설이 발생하면, 히트 파이프는 기능을 중단하게 될 것이다. 그러므로, 고온 환경하에서 히트 파이프의 사용은 만일 증발기가 불충분한 냉각을 경험하는 경우 히트 파이프가 관통되어 부수적인 실패를 초래할 수 있어서 문제가 될 수 있다.
히트 파이프들은 일반적으로 2개의 주요 카테고리로 분류할 수 있는데, 이름하여 증기와 액체 유동이 서로에 대하여 대향(countercurrent)인 것과 액체와 증기 유동이 동향(co-current)인 것이다. 대향 유동 히트 파이프들은 종래 기술분야에 널리 알려져 있다. 도 1에는 간단한 대향 히트 파이프가 도시되어 있는데, 여기에서 증기는 바닥에 있는 증발기로부터 중앙을 통해서 상승하고 상부에서 응축되며, 액체로서 양 측면을 따라 하강하여 증발기 내의 액체 풀로 유동하게 된다. 이러한 동작은 그로버(Grover)에게 허여된 미합중국 특허 제 3,229,759 호 및 카마다 등(Camarda et al.)에게 허여된 미합중국 특허 제 4,485,670 호에 개시되어 있다. 히트 파이프의 내벽 상에서 심지(wick) 내에 작용하는 모세관 힘과 중력의 조합은 액체 작용 물질을 응축기로부터 증발기로 복귀시키는데 사용된다.
동향 히트 파이프들은 도 2 및 3에 도시된 미합중국 특허 4,515,209호 및 5,911,272 호에 예시된 바와 같이 루프 히트 파이프로서 언급된다. 동향 및 대향 히트 파이프들은 내부 증발기 표면에 심지를 포함한다. 이에 따라, 액체를 분산시키기 위하여 심지에 의해 발생된 모세관 힘을 이용하여 균등한 유동 범위가 확보된다.
루프 및 비 루프(즉, 대향) 히트 파이프들이 여러가지의 제품과 적용분야에 사용되고 있지만, 높은 작동온도하에서 고열의 플럭스들이 경험하는 유니트들에는 채용된 바 없으며 대형 유니트에는 사용된 바 없다. 왜냐하면, 이러한 장치들은 히트 파이프를 형성하는 보관 재료의 파괴를 초래하기 때문이다. 보관 용기의 내구성과 수명을 보장하기 위하여, 히트 파이프의 전체 증발기를 유니트 내에서 작용 물질을 이용하여 적당히 냉각시키는 것이 요구된다. 이것은 종래의 히트 파이프들에서는 달성이 불가능하였다.
그러므로, 비교적 작은 영역(즉, 10㎟)에서의 불충분한 냉각은 히트 파이프 유니트의 관통 및 부수적인 파괴를 초래할 수 있다. 종래기술에 따른 히트 파이프는 높은 온도에서의 적용분야에 사용되도록 의도되지 않았으며, 그에 따라 증가된 온도에 노출된 히트 파이프 챔버의 파괴는 결코 적당히 조처된바 없다.
제어가능한 히트 파이프가 미합중국 특허 제 5,159,972 호에 개시된 바 있는데, 여기에서 히트 파이프는 도 4에 도시된 바와 같이 액체 저장소와 증발기 상부에 이르는 분리 복귀 라인을 포함한다. 그러나, 이러한 히트 파이프는 고열 플럭스 적용분야에서 사용된 모든 대향 히트 파이프들과 연관된 주요 어려움들을 극복하는데 실패하였다.
종래의 히트 파이프들의 3가지 주요한 한계들은 높은 온도 적용분야에서 사용하기 위하여 극복되어야 한다. 즉, 증발기 벽에서의 막 비등(film boiling), 증발기로 복귀하는 액체의 부상(浮上; levitation), 및 몇몇 적용분야에 대한 루프 히트 파이프의 구조적인 복잡성이다.
증발기의 선단부로부터 액체가 부상하게 되면 열전달 효율이 감소하게 되며, 만일 온도가 매우 높은 경우 이것은 건조 고갈의 결과로서 히트 파이프의 실패를 초래하게 된다. 액체의 부상은 증발기의 길이가 길어질 수 있는 대규모 유니트에서 큰 문제가 된다. 그러한 유니트에서 액체의 리플럭스가 증발기의 바닥으로 떨어지면 유니트에 작용하는 전체 열 부하가 열 플럭스가 보통인 경우에도 매우 커지므로 큰 문제가 된다. 열 부하는 증기 유동으로서 명백하기 때문에, 대규모 유니트의 증발기의 상부에서 증기 속도는 일정 정도의 액체 유동화를 생성하기에 충분하다.
높은 열 플럭스 응용에서의 히트 파이프들 사용에 직면하는 다른 주요 어려움은 증발기 벽에 작용하는 막 비등이다. 해당 기술분야의 숙련된 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 이것은 크기의 순서와 마찬가지로 열 방출의 비용을 줄일 수 있다. 이것은 열 전달 효율 크게 감소시킬 수 있고, 몇몇의 경우에서는 증발기 보관 벽들의 파괴를 초래할 수 있다.
히트 파이프들의 한가지 가능한 실시 예는 랜스(lance)와 같은 반응물 운반유니트이다. 미합중국 특허 5,310,966 호에는 히트 파이프 랜스 또는 송풍구가 개시되어 있다. 그러나, 미합중국 특허 5,310,966 호의 히트 파이프 랜스는 증발기의 선단부로부터 액체의 부상을 어떻게 제거할 수 있는지 또는 증발기의 내벽에 안정한 증기막을 어떻게 형성할 수 있는지에 대한 해결책을 제시하지 못하고 있다.
루프 히트 파이프들은 증기등의 비말 동반 과제를 극복할 수 있으나, 루프 히트 파이프들은 구성상의 복잡성 때문에 많은 실제적인 적용예에 있어서 자주 채용될 수 없다. 복귀 루푸 파이프는 주 히트 파이프 본체 외부로 연장되므로 히트 파이프의 공간적인 요구조건들을 상당히 증가시킨다. 그럼에도 불구하고, 대향 히트 파이프틀에 있어서, 증발기 상의 막 비등 문제는 여전지 남아있다.
증발의 매카니즘은 히트 파이프에서 중요한 제한 요소로서 유지되며, 특히 높은 열 플럭스 적용예에 있어서 그러하다. 만일 작용 물질이 낮은 열전도도를 가지며 열 플럭스가 비교적 높으면, 작용 물질은 액체와 열원 사이의 계면에서 비등을 경험하게 될 것이다. 만일 증기의 발생이 충분히 강하면, 안정한 증기 막이 작용 유체의 액상과 증발기 벽 사이에 궁극적으로 형성될 것이다. 이러한 증기 막은 고유한 열 전달을 크게할 것이다. 증발기는 비등의 한계에 도달하고, 열 플럭스에 대한 연속적인 노출의 부수적인 결과는 증발기 벽을 과열시키고 히트 파이프의 실패를 유발할 것이다.
본 발명은 히트 파이프에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 증발기, 및 응축기로부터 연장된 불침투성 복귀 라인에서 동향(co-current) 와류의 2상 유동을 갖는 세미-루프(semi-loop) 히트 파이프에 관한 것이다.
본 발명의 상기한 장점과 다른 특징 및 장점들은 첨부 도면을 참조로한 하기의 상세한 설명을 통해서 명백하게 밝혀질 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 단순한 대향 히트 파이프의 종단면도.
도 2 및 3은 종래 기술에 따른 루프 히트 파이프들의 부분 종단면도.
도 4는 종래 기술에 따른 비-루프 히트 파이프의 개략적인 종단면도.
도 5는 본 발명에 따른 히트 파이프의 수직 단면도.
도 6은 본 발명의 히트 파이프의 제 2 실시예의 수직 단면도.
도 7은 도 5 및 6의 선 7-7을 따라 도시한 횡단면도.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에서 사용될 가능한 유동 변환기의 개략적인 사시도.
도 9는 본 발명의 히트 파이프의 다른 실시 예의 종단면도.
도 10은 본 발명에 따라 사용된 응축기의 다른 실시 예의 종단면도이다.
본 발명의 목적은 개선된 히트 파이프를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 높은 온도 장치로부터 열을 추출할 수 있는 히트 파이프를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 증발기 유동 변환기를 갖는 히트 파이프를 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 응축기로부터 증발기로 연장되는 단단한 벽 복귀 라인을 갖는 히트 파이프를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은,
진공하에서, 내부에 장입된 작용 물질을 구비하는 히트 파이프 어셈블리로서,
폐쇄된 선단부를 구비하며, 상기 작용 물질을 증발시키기에 적합한 증발기;
상기 증발기로부터 받은 증기화된 작용 물질을 응축하기에 적합하고, 액체 작용 물질을 내부에 수집하기 위하여 상기 증발기보다 높은 위치에 놓인 저장소를 구비하며, 상기 증발기와 유량 연결되는 열교환 응축기;
중력에 의해서 액체 작용 물질을 상기 저장소로부터 상기 증발기로 유동시킬 수 있으며, 상기 증발기를 통해서 연장되고 상기 폐쇄된 선단부 근처에서 종결되며, 불연속적이고 불침투성의 액체 복귀 통로; 그리고
상기 증발기 내에서 와류의 작용 물질 유동을 야기시키며, 상기 증발기 내에 배치된 유동 변환기;를 포함하며,
이에 의해 상기 유동 변환기는, 상기 내면에 대한 액체의 도포를 가능하게 하도록 원심력에 의해, 증발된 액체 물질이 포획된 증기화되지 않은 액체를 상기증발기의 내면쪽으로 추진할 수 있고, 그에 따라 막 비등이 지체되는 것을 특징으로하는 히트 파이프 어셈블리를 제공한다.
또한 본 발명은,
재료로부터 열을 추출하기 위한 방법으로서,
증발기 및 상기 증발기와 유량 연결되는 열교환 응축기를 구비하며, 상기 증발기는 상기 증발기 내에서 와류의 작용 물질 유동을 야기하기에 적합한 유동 변환기를 포함하며, 상기 응축기는 상기 증발기로부터 받은 증기화된 작용 물질을 응축하도록 냉각되는, 히트 파이프 어셈블리를 제공하는 단계;
상기 응축기와 상기 증발기의 선단부 사이에 불연속적이고 불침투성의 액체 복귀 통로를 제공하는 단계;
상기 응축기로부터 나온 액체 작용 물질을 상기 액체 복귀 통로를 통해서 상기 증발기로 중력에 의해 선택적으로 유동시키는 단계; 그리고
냉각될 재료와 열 전달 연결되게 상기 증발기를 위치시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은,
반응물을 고온 재료 내로 분사하기 위한 방법으로서,
증발기 및 상기 증발기와 유량 연결되는 열교환 응축기를 구비하며, 상기 증발기는 상기 증발기 내에서 와류의 작용 물질 유동을 야기하기에 적합한 유동 변환기를 포함하며, 상기 응축기는 상기 증발기로부터 받은 증기화된 작용 물질을 응축하도록 냉각되는, 히트 파이프 어셈블리를 제공하는 단계;
상기 응축기와 상기 증발기의 선단부 사이에 불연속하고 불침투성의 액체 복귀 통로를 제공하는 단계;
상기 응축기로부터 나온 액체 작용 물질을 상기 액체 복귀 통로를 통해서 상기 증발기로 중력에 의해 유동시키는 단계;
상기 증발기를 지나서 상기 선단부에서 종결되는 반응물 운반 도관을 제공하는 단계; 그리고
상기 반응물 운반 도관을 통해서 상기 반응물을 운반하고 상기 반응물을 고온의 재료 내로 분사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 히트 파이프는 증발기, 결합 요소, 응축기로 구성되며, 도 5에 도시된 바와 같은 에너지 추출장치로서 적용될 수 있고 도 6에 도시된 바와 같은 분사 유니트로서 적용될 수 있는 2가지 주요 실시 예들을 포함한다. 후자의 경우에 있어서, 히트 파이프는 반응물을 운반하도록 분사 유니트를 통해서 연장되는 하나 또는 그이상의 도관을 구비한다. 그러한 히트 파이프의 예들은 분사 랜스(injection lances), 송풍구 및 버너가 될 수 있다. 전자의 경우에 있어서, 히트 파이프는 히트 파이프 내에 반응물 운반 도관을 구비하지 않으며, 예를 들어 열 추출장치와 같은 에너지 이송에 사용된다. 그러므로, 2가지 실시예들은 반응물이 히트 파이프 유니트를 통해서 이송되느냐 그렇지 않느냐에 따라 구별된다.
도 5에는 본 발명의 제 1 실시 예가 도시되어 있는데, 에너지 추출 히트 파이프 유니트(10)는 증발기(12), 결합 요소(14) 및 응축기(16)를 포함한다.
증발기 부분(12)은 뜨거운 환경, 때로는 가혹한 환경에 놓인다. 도 6에 도시된 바와 같이 히트 파이프가 분사장치로서 사용되는 경우, 반응물을 이송하기 위한 하나 또는 그이상의 도관들을 포함할 수 있다. 증발기에 부착되는 결합 요소(14)는 증발기(12)와 응축기(16) 사이에 유량 연결(fluid flow communication)을 가능하게 한다. 결합 요소(14)는 단단하거나 또는 가요성을 가질 수 있고, 그 형상 및 구성은 하나의 예로부터 다른 예로 필요에 따라 변화될 수 있다. 증발기의 위치나 배향에 관계없이, 응축기의 수직한 배향을 유지하도록 사용된다. 결합 요소(14)의 벽의 상부 연장부는 응축기 내로 돌출되며, 액체 저장소의 형성을 돕는다.
증발기(12) 보다 높은 위치에 놓이는 응축기(16)는, 증기상의 작용 물질이 응축되는 히트 파이프의 일부분이 된다. 증기의 응축은 응축기를 열 교환기로서 구성함에 따라 달성된다. 응축기의 외부적인 냉각은 응축기의 외벽에 수냉 재킷을 사용할 뿐만아니라 내부 냉각통로를 사용하는 것으로써 달성될 수 있는데, 이것에 대해서는 하기에서 보다 상세하게 설명한다. 응축기는 단면적이 증발기의 단면적보다 상당히 크도록 선택된다. 이러한 방식에 있어서, 응축기 내에서 액체의 부상(浮上; levitation)이 완벽하게 제거된다.
작용 유체의 2가지 상의 유동은, 열에 노출된 결과로서 증발기(12)에서 발생되며, 결합 요소(14)를 거쳐서 외부 본체 벽(28)을 갖는 응축기(16) 내로 상방향으로 유동한다. 응축기는 증기/액체 작용 물질을 한정하여 냉각시키며, 이로인하여 2가지 상의 유체는 액체로 응결되고, 결합 요소(14)의 상부의 연장벽(32)과 응축기 외벽(28) 사이에 마련된 저장소 부분(30)에 저장된다. 응축기(16)에 수집된 액체는 중력에 의하여 배수구(34)를 통해서 가요성 라인이 될 수 있는 상부 복귀 라인(36) 내로 유동한다. 상부 복귀 라인(36)은 "티(T)" 결합부(40)에서 통기 라인(38)에 결합된다. 가요성 라인이 될 수 있는 통기 라인(36)은 상부 복귀 라인을 응축기의 상부로 연결시킨다. 이러한 방식에 있어서, 복귀 라인내로 침투한 증기는 통기 라인 내로 우회하여 응축기의 낮은 압력 영역 내로 방출된다. 상승 유동으로부터 차폐되고 그것에 의하여 영향을 받지 않는 분리된 스팀으로서 액체 작용 물질을 증발기(12)의 선단부(21)로 다시 운반하기 위하여, 상부 복귀 라인(36)은 불침투성의 하부 복귀 라인(20) 내로 결합된다. 복귀 라인(20)은 증발기(12)의 선단부(21) 근처에서 종결된다. 바람직한 종결 거리는 복귀 라인(20)의 내부 직경의 2배이다. 히트 파이프의 복귀 라인의 방출단부에서의 이러한 불연속성은 본 발명에 있어서 "세미-루프(semi-loop)" 히트 파이프로서 언급된다.
증발기의 한정 공간 내에 단단한 벽 복귀 라인을 통함함으로써, 통상적인 루프 구성을 채택함이 없이 액체를 선단부로 복귀시키는 것이 가능하다. 복귀 라인의 방출단부에서 충분히 높은 액체 속도를 부여하고 적당한 액체 헤드를 복귀 라인과 저장소에서 유지시킴에 따라, 복귀 라인으로 들어갈 수 있는 증기의 양을 최소화할 수 있다. 또한, 복귀 라인과 통기 라인을 끼움 결합함으로써, 안정한 액체 유동을 증발기로 제공할 수 있다.
유동 변환기(24)는 증발기 벽(22)의 내부면(23)을 따라 증발기(12) 내에 위치한다. 유동 변환기(24)는 도 8a 내지 도 8c에 각각 도시된 바와 같이 나선형의 소용돌이 형태, 꼬인 테이프 형태 및 나선형 스프링의 형태중 하나가 될 수 있다. 증발기 벽(22)이 열 플럭스에 노출되고 작용 유체가 증발됨에 따라서, 유동 변환기(24)는 증발기 벽에 걸쳐서 나선형 유동을 생성하며, 증발되지 않은 과도한 액체는 전체 증발기의 내벽 면(23)에 작용하는 원심력에 의해서 와류를 형성하게 되고, 이에 의해 벽을 효과적으로 냉각시킬 수 있으며, 결과적으로는 막 비등(film boiling) 현상이 방지된다. 그러므로, 2개 상의 유동이 증발기를 통해서 상승하며,액체가 증발기의 벽을 도포하게 되고, 2개 상의 유동이 상승하는 동안에 증발되지 않은 액체는 응축기(16)에 위치된 저장소(30)에 간단하게 수집된다.
주어진 히트 파이프에 사용되도록 나선형의 유동 변환기(24)의 형식과 칫수는, 적용 예에 따라서, 증기화된 작용 물질이 시간당 및 히트 파이프의 단면적당 발생하는 비율과 같은 몇가지 변수들에 의해서 결정된다.
모든 증발기 벽들이 액체와 확실하게 접촉하게 하기 위하여, 액체를 증발기의 바닥으로 복귀시키는 것이 필요하며, 바람직하게는 압력이 가장 낮은 나선형 유동의 아이(eye)에서 증발기의 코어를 통과시키는 것이 필요하다. 액체의 초과량은 증발에 요구되는 것보다 10배 정도 많이 복귀하는 것이 바람직하다. 이것은 나선형 유동으로부터 발생된 원심력이 증발기 벽을 액체로 완벽하게 덮힌 상태로 유지시키게 한다. 예를 들면, 물-기지(water-based) 히트 파이프는 약 2g/s의 물을 증발시킬 수 있는 4kW의 에너지를 추출한다. 그러므로, 그러한 유니트를 위한 복귀 라인은 최소 약 2g/s의 복귀율을 가지며, 바람직하게는 상당히 높은 복귀 율(10∼20g/s)을 갖는다.
증기 분자에 의해서 증발기로부터 응축기로 운반되는 열을 분산시키기 위하여, 예를 들어 공기, 물이나 오일과 같은 외부 냉각 매체가 사용된다. 도 5, 6 및 7을 참조하면, 외부 냉각 매체는 유입구(42)를 통해서 저장소(30) 아래에 위치한 헤더(header)(44) 내로 도입된다. 냉각 매체는 일련의 통로나 냉각관(46)을 통해서 상부로 유동한다. 각각의 냉각관은 냉각 매체를 나선형으로 이동시켜서 열 전달을 향상시키도록 하기 위하여 내벽면(47) 상에서 꼬인 테이프 삽입부(48)에 끼워맞추어진다. 이러한 방식에 있어서, 원심력은 냉각 매체가 응축 작용 물질로부터 열을 흡수할 수 있는 관의 벽들을 향하여 농후하고 차가운 냉각 매체를 강제로 이동하게 하는 효과가 있다.
냉각관(46)을 떠나는 냉각 매체는 배출 헤더(50) 내로 들어가고, 이때 냉각 매체는 외부 부재(52)와 응축기 벽(28)에 의해서 형성된 자켓 내로 우회하게 된다. 냉각 매체는 포트(54)를 거쳐서 재킷을 떠난다. 난류를 발달시켜서 열전달을 개선하도록 외부 재킷은 스프링 타입의 와류 장치(56)와 끼움결합된다. 응축기의 다른 실시 예에 있어서, 유입구 헤더(44) 및 배출구 헤더(50)와 함께 냉각관(46)들이 제거될 수 있다. 이러한 경우에 냉각은 응축기 벽(28) 및 외부 부재(52)에 의해서 형성된 재킷 내에 냉각 매체를 유동시킴에 의해서 달성된다. 본 발명의 다른 실시 예에 있어서, 재킷이 제거되고 응축기 벽(28)으로부터 나오는 천연의 또는 인공의 냉각이 모든 필수적인 열 분산 효과를 제공할 수도 있다. 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 주어진 장치에 따라 구성을 적절하게 결정할 수 있다.
응축기는 충전 및 배기관(58)를 포함한다. 이것은 히트 파이프에 작용 유체를 장입하고 응축불가능한 가스들을 배기시키는데 사용된다. 또한, 응축기는 열전대 웰(thermocouple well)(60)에 끼움결합되는데, 이것은 히트 파이프의 작동을 모니터링 하는데 사용되는 하나 또는 그이상의 열전대들을 에워쌀 수 있다. 배기관(58) 및 열전대 웰(60)은 열적 팽창 효과를 보상하는 방식으로 만들어진다.
높은 열 플럭스 적용예에서 사용된 종래기술에 따른 히트 파이프의 한계들중 하나는 증발기에서의 막 비등의 초기 징후인데, 본 발명의 나선형 유동 변환기는이러한 문제를 상당히 해결하며, 이것은 본 발명에 따른 히트 파이프의 중요한 특징이며, 원하는 결과를 제공한다는 사실이 실험적으로 테스트된 바 있다.
간단한 꼬인 테이프 형태의 유동 변환기의 효과를 설명하기 위해서, 작용 물질로서 물을 사용하는 2개의 동일한 히트 파이프가 다음과 같은 방식에 따라 테스트되었다. 히트 파이프들의 증발기들이 용융 아연에 침지되었고 그런 후에 용융 아연이 냉동 및 냉각되었다. 그런다음 아연은 재가열되었고 각각의 히트 파이프에 의한 열 추출은 아연 온도의 함수로서 측정되었다. 이러한 테스트로부터 얻어진 결과가 하기의 "그래프 1"로 나타나 있다. 아연이 가열됨에 따라서, 두 파이프들에서 상당히 큰 양의 열이 추출되었다. 그러나, 아연이 용융점(419℃)까지 도달하고 아연과 히트 파이프 사이의 내부 접촉 저항이 사라짐에 따라서, 유동 변환기를 이용한 히트 파이프의 열 추출 속도는 유동 변환기의 직경을 감소시킴이 없이 히트 파이프에 대하여 급격하게 증가하였다. 이러한 결과들을 통해서 가압 막 비등에서 유동 변환기의 효과가 나타났다. 하기의 테스트 결과는 유동 변환기의 사용이 크기에따라서 열 추출을 향상시킬 수 있음을 알 수 있게 한다.
본 발명에 따른 히트 파이프는 종래의 기술과 마찬가지로 도 9에 도시된 바와 같이 증발기의 내부 벽면에 위치된 심지(wick)(163)를 구비할 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서 증발기(12)의 내벽들(23)은 심지와 끼움결합되지 않으며, 그 대신에 내벽들(23)에는 다수의 홈들이 형성된다. 바람직하게는, 홈들은 유동 변환기와 동일한 피치를 갖는다. 예를 들면, 홈의 리지(ridge)는 1mm 이하의 높이와 1mm 이하의 폭을 가질 수 있다. 그러한 표면은 상승하는 유량이 벽들에 대하여 균등하게 도포되는 것을 향상시키는데 유익할 수 있고, 따라서 만일 작용 물질이 상기 작동 조건들에 대하여 막 비등을 유발시키기 쉽고 및/또는 액체 작용 물질의 열 전도도가 물, 서멕스(thermex), 암모니아와 같이 비교적 낮은 경우에 특히 유용하다. 테스트는 심지가 증기 막을 물리적으로 붙들고 와류 유동을 통해서 상당한 양으로 열전달을 감소시킨다. 그러므로, 증발기의 내벽에 심지를 통합시키기 보다는, 나선형의 상방향 유동과 원심력의 결합 효과에 의해서 표면 전체를 완벽하게 도포할 수 있도록 잉여 액체를 복귀시키는 것이 바람직하다.
도 5에 도시된 바와 같이 상부 복귀 라인(36)은 밸브(41)와 끼움결합될 수 있다. 이것은 히트 파이프가 켜지거나 꺼져야 하는 곳에서 공정에 특히 바람직하다. 그러므로, 히트 파이프는 밸브(41)를 폐쇄시킴에 의해서 꺼질 수 있고, 이를 통해서 모든 응축 액체가 저장소(30)에 보유될 수 있게 한다. 열 추출이 요구되는 경우, 밸브(41)는 개방되며, 그에 따라 액체는 하방향으로 유동하여 증발기 내로 들어가고 열이 추출된다. 열 추출이 종결되면, 밸브는 간단히 폐쇄된다. 이러한 타입의 구성은 주조 몰드의 냉각에 있어서 특히 바람직하다. 또한, 해당 기술분야의 당업자는 밸브의 개방정도를 조정함으로서 필요한 경우 열 추출 비율을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
히트 파이프의 온/오프 특징을 설명하기 위해서, 공구강 주조 몰드의 냉각이 본 발명에 따른 물-기지 히트 파이프를 사용하여 테스트되었다. 몰드는 2개의 대칭적인 절반부로 구성되는데, 이때 절반부 하나는 25mm 직경의 수직한 히트 파이프를 갖는다. 몰드의 나머지 절반부는 히트 파이프를 구비하지 않는다. 용융 알루미늄이 몰드 내로 주입된다. 그 결과가 하기 "그래프 2"에 나타나 있다. 몰드의 부분적인 라인에 대하여 2개의 대칭적인 위치들에 대한 2개의 전이온도 곡선들이 도시되어 있다. 하나는 밸브(41)의 개방에 의해 히트 파이프가 켜지는 경우를 나타내며, 열 추출이 몰드의 절반부로부터 개시됨을 나타낸다. 히트 파이프가 꺼지는 경우 몰드의 절반부는 재가열된다. 그래프에 또한 도시된 바와 같이, 알루미늄이 주입되는 공동의 코어에서 상응하는 온도가 나타나 있다.
본 발명의 바람직한 변형 예에 있어서, 증발기 벽(22)은 고체 재료에 천공함으로써 형성될 수 있으며, 결합 요소(14)는 구멍에 직접적으로 부착된다. 그러므로, 구멍은 히트 파이프의 증발기를 구성한다. 그러한 구성은 공동 내로 히트 파이프를 삽입할 수 있는 장점을 제공하며, 이것은 상당한 접촉 저항의 상승을 초래할 수 있다. 히트 파이프의 증발기에 천공된 공동을 제공함으로써, 이러한 접촉 저항을 제거할 수 있다. 이러한 구성의 가능한 적용예는 주조 몰드, 로 벽들, 탭 구멍들, 엔진들, 열교환기 등과 같은 고체 매스(mass)의 냉각을 포함한다.
처음에 언급한 바와 같이, 본 발명에서는 2개의 주요한 적용 예가 있는데, 에너지 추출기 및 도 6에 도시된 바와 같은 분사 유니트로서의 적용이다. 히트 파이프는 상기한 바와 같은 에너지 추출기로서 작용할 뿐만아니라 분사 유니트로서 반응물을 운반하는 것이며, 이것에 대해서는 하기에서 보다 상세하게 설명할 것이다. 그러한 히트 파이프 분사 유니트 적용예에 있어서, 히트 파이프는 반응물을 운반하도록 유니트를 통해서 연장된 하나 또는 그이상의 도관을 구비하며, 물리야금학적 적용예에 있어서 분사 랜스, 송풍구 및 버너로서 사용될 수 있다.
그러므로, 도 6에 도시된 본 발명의 실시 예에 있어서, 히트 파이프(110)는 반응물 운반 도관(170)에 끼움결합된다. 단지 하나의 도관이 도시되어 있지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 여러가지 반응물들을 운반하기 위하여 다수의 도관들이 사용될 수 있음을 명백하게 이해할 수 있을 것이다. 반응물 운반 히트 파이프 유니트의 부수적인 설명에 있어서, 단순함을 위해 단지 하나의 반응물이 운반되는 것으로 가정하였다.
증발기(112)는 작용 유체 복귀 라인(120)에 둘러싸이는 중앙 반응물 도관(170)을 포함한다. 복귀 라인(120)이 반응물 도관(170) 위로 끼워맞추어질 필요가 없고 도 9에 도시된 바와 같이 도관 다음에 위치하는 분리 파이프가 될 수 있으며, 반응물 도관(17) 외부에서 반응물 도관(170)과 동심을 이루는 복귀 라인(120)을 구비하는 것이 바람직하며, 복귀 라인(120)은 와류 유동을 위한 대칭을 유지하기 위해서 히트 파이프 증발기의 중앙에 위치한다. 증발기 본체의 외벽들(122)은 특정한 용도에 부합하도록 조처하는 경우 내부면(123)을 갖게될 것이다. 한편, 사용자는 형상화 표면을 심지로 대체할 수 있다. 일반적으로, 심지는 소듐과 같은 알칼리 금속들의 액체 작용 물질이 높은 열 전도도를 갖는 경우에 사용될 수 있다. 그러한,심지는 만일 히트 파이프가 물이나 서멕스와 같은 낮은 열전도도를 갖는 작용 물질을 함유하는 경우에는 사용하지 않는 것이 바람직하다. 유동 변환기는 앞서 설명한 바와 같이 스프링, 꼬인 테이프, 또는 나선형, 칼날 형상의 나선형 장치가 될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 유동 변환기(124)는 스프링이다.
심지 및 유동 변환기의 선택은 사용될 히트 파이프/작용 물질 조합에 의존한다. 높은 유동 속도의 작용 물질 경우에는 스프링이 바람직하지만, 낮은 속도의 장치인 경우에는 나선형상이 바람직하다. 두가지 모두의 경우에 있어서, 복귀 라인 어셈블리는 유동 변환기의 중심을 통과한다. 심지들은 해당 기술 분야의 숙련된 당업자에 의해서 선택되는 공극 크기와 다공성을 갖는 스크린 또는 소결 재료로 형성될 수 있다.
도 6에 있어서, 복귀 라인(120)은 중앙 반응물 도관(170) 위로 위치된다. 복귀 라인의 역할은 도 5의 에너지 추출 실시예에 대하여 기술한 바와 같이 히트 파이프의 선단으로 액체를 운반하는 것이다. 이렇게 함으로써, 복귀 라인의 선단에 들어가는 증기의 양을 최소화하는 것이 필요하다. 이와 관련한 몇가지 방식들이 달성된다. 하나는 반응물 도관(170)에 걸쳐서 복귀 라인(120)을 연장시키는 것이다. 이러한 방식에 있어서, 복귀 라인에 있어서의 액체는 냉각되고 복귀 라인을 통해 상부로 이동하려는 증기가 응축된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 반응물 운반 도관(172)이 분리하여 연장되는 바와 같이 복귀 라인이 분리 라인인 경우, 액체는 반응물에 의해서 냉각되지 않는다. 그러므로, 복귀 라인을 통한 증기의 유동 가능성이 커진다. 이러한 증기의 유동이 복귀 라인을 통해서 응축기 내로 달성되는 경우, 액체는 복귀하지 않게 된다. 이러한 잠재적인 문제점을 바로잡기 위해서, 복귀 라인(120)은 통기 라인(138)에 끼움결합되는데, 이때 통기 라인(138)은 증기를 상승시켜서 압력이 낮아지는 응축기의 상부로 운반한다. 저장소(130) 및 배수관(136)에서의 액체 헤드가 충분한 크기에 도달함에 따라서, 액체는 복귀 라인을 따라 유동하기 시작한다. 일단 액체의 복귀 유동이 충분한 속도를 얻게 되면, 증기는 복귀 라인의 선단으로 들어가는 것이 방지된다. 드레인 파이프(136)와 통기 라인(138)은 "티(T)" 결합부(140)에서 함께 연결된다.
불연속한 반응물 운반 도관(172)으로부터 분리된 복귀 라인이 액체가 반응물에 의해서 냉각되지 않는 단점을 갖는 것이 명백하지만, 벽들의 드래그가 주어진 단면적에 대하여 작아짐에 따라서 액체가 용이하게 유동할 수 있는 장점을 갖는다. 그러므로, 상대적으로 작은 크기의 히트 파이프 유니트가 도 9에 도시된 바와 같이 분리된 복귀 및 반응물 운반 라인으로서 사용한다. 반면에, 큰 유니트가 도 6에 도시된 동심성 복귀 라인으로서 사용할 수 있다.
응축기(116)는 열교환기이며, 앞서 설명한 바와 같이 응축기(16)와 유사하다. 다수의 구성이 가능한데, 바람직한 구성이 도 6에 도시되어 있다. 응축기(116)의 외부 본체(128)는 증기/액체 작용 물질을 한정한다. 저장소(130)는 결합 요소(114)의 외벽(128)와 연장벽(132) 사이에 형성된다. 응축기에 수집된 액체는 배수구(134)를 통해서 필요에 따라 가요성 라인이 될 수 있는 상부 복귀 라인(136) 내로 배수된다. 상부 복귀 라인(136)은 "티(T)" 접합부(140)에서 통기 라인(138)에결합된다. 이러한 조립체는 벨로우스 팽창 연결부(129)를 경유하여 환형 복귀 파이프(120) 내로 결합된다. 이러한 팽창 연결부(129)는 증발기 본체(112), 반응물 도관(170), 증발기(112)를 통해서 연장되는 복귀 라인(120) 사이의 열적 팽창을 보상한다.
반응물을 위한 분배 헤더(144)는 응축기 챔버 아래에 위치한다. 반응물이 공급 포트(142)를 통해서 공급된다. 그러면, 반응물은 냉각 관(146)의 수집부를 통해서 유동한다. 각각의 관은 반응물이 와류를 형성하도록 열 전달을 향상시키기 위하여 꼬인 테이프 삽입부(148)에 끼움결합된다. 이러한 방식에 있어서, 원심력은 응축 작용 물질로부터 나오는 열을 흡수할 수 있는 벽들에 대하여 농후한 냉각 반응물을 가압한다.
냉각 관(146)를 떠나는 반응물은 반응물이 외부 부재(152)와 응축기 벽(128)을 에워싸는 것에 의해서 형성된 재킷 내로 운반된다. 반응물은 배출구(154)를 통해서 재킷을 떠나며, 반응물 운반 도관(170)의 상단부에 연결된 도관(155)을 통해서 유동한다. 외부 재킷은 난류를 향상시켜 열전달을 향상시키도록 스프링, 나선형 장치(156)와 끼움결합된다.
응축기는 충전 및 배기관(158)을 포함한다. 또한, 응축기는 히트 파이프의 작동을 모니터하도록 사용되는 하나 또는 그이상의 열전쌍을 에워쌀 수 있다.
반응물을 운반하기 위한 분사 히트 파이프의 설명은 도 6에 도시된 각 유니트에 촛점을 맞추고 있지만, 도 9에 도시된 수직 유니트에도 동등하게 적용될 수 있다. 2가지 유니트 사이의 근본적인 차이점은 증발기의 배향과 결합 세그멘트의형상이다. 앞서 설명한 바와 같이 다른 차이는 복귀 라인의 구성이며, 그러나 이것은 응축기의 구조와는 관련성이 없다.
몇가지 경우에 있어서, 응축기를 냉각시키는 그이상의 반응물을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 조건은 증발기 상의 열 부하가 단지 하나의 반응물로서 냉각이 불충분한 경우에 발생한다. 이것을 극복하기 위해서, 응축기는 다중 냉각 회로로 분할될 수 있다. 그러한 응축기의 예가 도 10에 도시되어 있다. 이러한 경우에 있어서, 반응물은 유입구(242)를 통해서 이송 헤더(244)로 들어간다. 반응물은 냉각 관들(246)을 통해서 상부 헤더(248)로 유동하며 포트(251)를 통해 배출되며, 반응물 도관(170)으로 이송될 수 있다. 예를 들면, 다른 냉각 매체인 공기는 유입구(253) 내로 들어가며, 응축기 벽(228), 외부 재킷 부재(252)에 의해서 형성된 외부 재킷을 통해 유동하고 배출구(255)를 통해 배출된다. 이러한 방식에 있어서, 히트 파이프의 열 추출 능력은 고정된 반응물 공급을 위해 제어될 수 있다. 또한, 응축기로부터 증발기로 액체 작용 물질을 복귀 시키기 위한 상부 복귀 라인(236)에 위치된 밸브(241)는 히트 파이프 어셈블리의 열 추출을 제어하는데 사용될 수 있다. 본질적으로, 응축기의 구성의 다른 가능성들은 가변적이다. 도 10에 도시된 구성은 그 개념을 간단히 설명하는데 사용된다.
유니트가 반응물을 운반하는데 사용되는 경우 또는 사용되지 않는 경우 각각에 대하여 히트 파이프 유니트에 사용하기 위한 작용 물질의 선택은 열 플럭스 및 작동 온도를 포함한 몇가지 요소들에 의존하게 될 것이다. 작용 물질들에 대한 다양한 선택이 이루어질 수 있지만, 높은 열 플럭스들에 대해 바람직한 작용 물질은소듐이나 칼륨과 같은 다른 알칼리 금속이다. 소듐을 사용하는 경우 히트 파이프 유니트는 약 600℃의 온도에서 작동하는 동안에 높은 열 플럭스를 취급할 수 있다. 만일 작동 온도가 상당히 낮으면, 서멕스와 같은 유기 물질이나 물이 작용 물질로서 사용될 수 있다.
히트 파이프 유니트는 밀봉되기 전에 히트 파이프로부터 유니트 내의 비-응축성 불활성 가스가 추출되는 경우와 같은 전파 단계 동안에 배기되어야만 한다. 히트 파이프 유니트에 불활성 가스가 존재하지 않는 경우, 응축을 위해서 최대 면적을 사용할 수 있다. 또한, 증기화된 작용 물질 분자들이 증발 및 응축 공정들의 수행전에 발생하는 압력차를 보장함으로써 응축기 내로 강제로 투입될 수 있다.
히트 파이프 내로 장입될 작용 물질의 양은 가변적이다. 종래기술은 비교적 작은 양을 장입하였지만, 본 발명은 초과 양의 투입을 허용한다. 장입될 작용물질의 최소량은 작동중에 증발기의 충분한 도포를 보장하는 수준으로 결정된다. 사용될 최대량은 저장소의 크기에 따라 결정된다. 작용 물질의 전체 양은 저장소 내부에 맞도록 설정된다. 바람직한 장입량은 저장소 체적의 50∼90%이며, 이 양은 저장소의 체적에 대략적으로 부합한다.
응축기에 대한 냉각 매체의 선택은 몇가지 기초적인 열전달 고려사항에 의존하게될 것이다. 공기가 바람직하게 선택되지만, 냉각 매체로서 물이나 오일이 사용될 수 있다. 그러한 선택은 경제적으로 유용한 요소들에 의해서 결정될 것이다. 만일, 히트 파이프가 높은 온도에서 작동하면, 공기와 같은 가스가 존립가능한 냉각 매체가 된다. 그러나, 만일 파이프가 낮은 온도에서 작동하면, 물과 같은 액체가보다 바람직한 냉각 매체가 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (34)

  1. 진공하에서, 내부에 장입된 작용 물질을 구비하는 히트 파이프 어셈블리로서,
    폐쇄된 선단부를 구비하며, 상기 작용 물질을 증발시키기에 적합한 증발기;
    상기 증발기로부터 받은 증기화된 작용 물질을 응축하기에 적합하고, 액체 작용 물질을 내부에 수집하기 위하여 상기 증발기보다 높은 위치에 놓인 저장소를 구비하며, 상기 증발기와 유량 연결되는 열교환 응축기;
    중력에 의해서 액체 작용 물질을 상기 저장소로부터 상기 증발기로 유동시킬 수 있으며, 상기 증발기를 통해서 연장되고 상기 폐쇄된 선단부 근처에서 종결되며, 불연속적이고 불침투성의 액체 복귀 통로; 그리고
    상기 증발기 내에서 와류의 작용 물질 유동을 야기시키며, 상기 증발기 내에 배치된 유동 변환기;를 포함하며,
    이에 의해 상기 유동 변환기는, 상기 내면에 대한 액체의 도포를 가능하게 하도록 원심력에 의해, 증발된 액체 물질이 포획된 증기화되지 않은 액체를 상기 증발기의 내면쪽으로 추진할 수 있고, 그에 따라 막 비등이 지체되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 응축기는 상기 응축기의 외면 상에서 이루어지는 복사 및 대류에 의해서 냉각되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 응축기는 냉각 매체 유량 통로를 갖는 응축기 코어를 통해서 연장되는 적어도 하나의 냉각관에 의해 강제로 냉각되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 냉각 파이프는 적어도 하나의 냉각매체 헤더(header)와 유량 연결(fluid flow communication)되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 냉각 파이프는 바닥에 있는 냉각매체 헤더와 상부에 있는 냉각매체 헤더 사이에서 상기 응축기의 코어를 통해서 종방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 냉각 매체 헤더들은 강제로 냉각되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 증발기와 상기 응축기는 원통형인 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 증발기의 내면들은 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 홈들은 상기 유동 변환기에 대응하는 피치를 갖는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 결합 요소는 상기 증발기와 상기 응축기를 연결하며, 상기 증발기와 상기 응축기 사이에 유량 연결을 제공하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  11. 제 1 항에 있어서, 통기 라인이 상기 액체 복귀 통로와 상기 응축기의 상부 사이에 유량 연결을 제공하고, 이에 의해 상기 증발기의 상기 선단부로부터 상기액체 복귀 라인을 따라 상승하는 모든 증기가 상기 응축기의 상기 상부로 우회하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 결합 요소와 상기 액체 복귀 통로중 적어도 하나는 가요성을 갖는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 통기 라인은 가요성을 갖는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 응축기는 상기 히트 파이프 어셈블리의 성능을 모니터하고 실패를 탐지하는데 사용되는 적어도 하나의 열전대(thermocouple)를 수용하기에 적합한 열전대 웰(thermocouple WELL)을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 응축기는 상기 증발기의 단면적에 대하여 약 1 내지 50배 해당하는 내부 단면적을 갖는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 액체 복귀 라인은 상기 증발기 내에서 상기 작용 물질의 증발율의 약 1 내지 100배에 해당하는 비율로 액체를 운반하도록 충분한 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 유동 변환기는 나선형 부재(helical swirler), 꼬인 테이프 및 나선형 스프링중 하나인 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 작용 물질은 높은 온도 적용을 위한 알칼리 금속인 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  19. 제 1 항에 있어서, 저온 적용에 바람직한 작용 물질은 물, 서멕스(thermex) 및 메탄올중 하나인 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  20. 제 3 항에 있어서, 상기 냉각 유체는 공기, 물 및 기름중 하나인 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 히트 파이프 어셈블리는 에너지 추출장치인 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 액체 복귀 통로는 상기 증발기로의 액체 유동을 허용하고 차단함에 의해서 상기 히트 파이프 어셈블리를 켜고 끄기에 적합한 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 밸브는 열 추출 비율을 제어하기 위해서 상기 증발기로의 액체 유동을 부분적으로 제한할 수 있는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  24. 제 21 항에 있어서, 상기 에너지 추출장치는 고온 액체 금속, 가스가 없는 고온 로, 및 고온 로 벽 및 덕트들중 적어도 하나를 냉각시키기에 적합한 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 증발기는 단단한 비투과성 매스(mass)에 형성된 구멍으로 정의되고, 상기 히트 파이프 어셈블리는 단단한 매스를 냉각시키기에 적합한 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  26. 제 1 항에 있어서, 상기 히트 파이프 어셈블리는, 상기 증발기의 코어를 통과하여 상기 선단에 들어가고 각각 반응물을 운반하기에 적함한 적어도 하나의 반응물 운반 도관을 갖는 반응물 분사장치인 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 반응물 분사장치는 배출높이를 변화시키면서 기체 상의 반응물을 용융물로 분사하고 침지된 분사구를 포함하는 랜스(lance) 및 송풍구중 하나로 사용되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  28. 제 26 항에 있어서, 상기 반응물 분사 장치는 열을 발생시키도록 연소가능한 물질과 산화물을 분사하도록 버너로서 사용되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  29. 제 26 항에 있어서, 상기 반응물은 상기 응축기를 냉각하도록 사용되고, 이에 의해 상기 반응물은 상기 증발기로부터 추출된 에너지로 예열되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  30. 제 26 항에 있어서, 상기 응축기는 반응물 및 보충 냉각 매체를 수용하기에 적합한 다중 냉각 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 보충 냉각 매체가 물, 공기 및 오일중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  32. 제 26 항에 있어서, 상기 반응물 운반 도관의 팽창과 수축을 보상하기 위해서 상기 반응물 운반 도관에 팽창 결합부가 위치된 것을 특징으로 하는 히트 파이프 어셈블리.
  33. 재료로부터 열을 추출하기 위한 방법으로서,
    증발기 및 상기 증발기와 유량 연결되는 열교환 응축기를 구비하며, 상기 증발기는 상기 증발기 내에서 와류의 작용 물질 유동을 야기하기에 적합한 유동 변환기를 포함하며, 상기 응축기는 상기 증발기로부터 받은 증기화된 작용 물질을 응축하도록 냉각되는, 히트 파이프 어셈블리를 제공하는 단계;
    상기 응축기와 상기 증발기의 선단부 사이에 불연속적이고 불침투성의 액체 복귀 통로를 제공하는 단계;
    상기 응축기로부터 나온 액체 작용 물질을 상기 액체 복귀 통로를 통해서 상기 증발기로 중력에 의해 선택적으로 유동시키는 단계; 그리고
    냉각될 재료와 열 전달 연결되게 상기 증발기를 위치시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 반응물을 고온 재료 내로 분사하기 위한 방법으로서,
    증발기 및 상기 증발기와 유량 연결되는 열교환 응축기를 구비하며, 상기 증발기는 상기 증발기 내에서 와류의 작용 물질 유동을 야기하기에 적합한 유동 변환기를 포함하며, 상기 응축기는 상기 증발기로부터 받은 증기화된 작용 물질을 응축하도록 냉각되는, 히트 파이프 어셈블리를 제공하는 단계;
    상기 응축기와 상기 증발기의 선단부 사이에 불연속하고 불침투성의 액체 복귀 통로를 제공하는 단계;
    상기 응축기로부터 나온 액체 작용 물질을 상기 액체 복귀 통로를 통해서 상기 증발기로 중력에 의해 유동시키는 단계;
    상기 증발기를 지나서 상기 선단부에서 종결되는 반응물 운반 도관을 제공하는 단계; 그리고
    상기 반응물 운반 도관을 통해서 상기 반응물을 운반하고 상기 반응물을 고온의 재료 내로 분사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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