KR20050095289A - 나선형 그루브 윅을 가진 히트파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 밀폐된 용기 내에 작동유체(6)를 주입한 후 진공 배기하여 한쪽 끝을 가열하면 내부의 작동유체(6)가 기화되어 압력차에 의해 다른 쪽으로 이동하고 주변으로 열을 방출한 후 다시 응축의 과정을 거쳐 가열부로 귀환하는 구조를 가지는 히트파이프(10)에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면, 상기 히트파이프(10)의 내주면에는 나선형으로 감겨지도록 형성되는 나선형 그루브 윅(12)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나선형 그루브 윅을 가진 히트파이프가 제공된다.

Description

나선형 그루브 윅을 가진 히트파이프{Heat pipe with triangle groove wick}

본 발명은 나선형 형태의 그루브 윅(groove wick)을 채용함으로써, 열부하의 불평등에 따른 전열효율 저하를 개선할 수 있는 나선형 그루브 윅을 가진 히트파이프에 관한 것이다.

히트 파이프(초전도 열배관)는 1942년 그 작동 원리가 처음 소개된 이후 1960년대 중반부터 미국 및 유럽에서 그 연구와 개발이 본격화되었으며, 1970년대부터는 아시아에서도 일본과 인도 그리고 중국에서도 연구가 시작되어 현재 활발한 연구 및 그 개발 성과가 알려지고 있다.

히트 파이프는 밀폐된 용기 내에 작동 유체를 주입한 후 진공 배기한 것인데 한쪽 끝을 가열하면 내부의 작동유체가 기화되어 압력차에 의해 다른 쪽으로 이동하고 주변으로 열을 방출한 후 다시 응축의 과정을 거쳐 가열부로 귀환하는 구조로 되어 있다. 다시 말해서, 히트 파이프는 작동유체의 증발 및 응축의 상변화에 따르는 잠열 및 윅의 모세관 현상을 이용하여 적은 온도차에도 불구하고 높은 열량을 상당히 먼 거리까지 전송시키는 열전달 기구이다.

도 1에는 일반적인 그루브 윅 히트파이프(1)의 종단면도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 히트파이프의 한쪽 끝(도 1에서 좌측 끝)인 증발부의 바깥 표면으로부터 열이 유입되어 그 열이 파이프의 벽을 통해 그루브 내에 있는 열전달 매개체인 작동유체에까지 전달되면, 전달된 열에 의해 작동유체의 증기-액체 경계면을 통해 작동유체가 증발하게 된다. 증발된 작동유체는 히트파이프 내부의 압력구배에 의해 윅(2)을 따라서 히트파이프의 다른 쪽 끝(도 1에서 우측 끝)인 응축부로 이동한 후 온도차에 의해 응축되면서 발열하여 바깥 표면으로 열을 전달하게 된다.

여기에서, 윅(2)의 주요 기능은 응축 액체의 귀환 통로, 필요한 모세관 펌핑 압력의 발생을 위한 액체-증기 경계면에서의 표면 기공, 그리고 용기의 내벽과 액체-증기 경계면 사이의 열 유동 경로로의 이용 등이다.

히트파이프는 분류 방법에 따라 여러 가지로 구분될 수 있으며 윅의 구조에 따라 그루브 윅, 스크린 메시 윅, 소결 윅 등으로 나뉘어진다.

도 1에 도시된 바와 같이, 그루브형 윅(2)을 가지는 히트파이프(1)는 액체의 복귀 통로로서 홈을 이용하므로 액체의 유동저항이 매우 작고, 또한 홈과 홈 사이의 핀으로서 파이프와 같은 재질을 사용하므로 열저항이 매우 적다.

그러나, 작동유체는 최적의 성능발휘를 위해 아래 식에 의해 산출된 적정량만이 히트파이프 내에 주입되어 사용되기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이, 중력의 영향으로 히트파이프(1) 내에서 연직하방으로 작동유체(6)가 집중되어 아래쪽의 윅(2)에만 작동유체(6)가 존재하게 된다. 그에 따라 종래의 히트파이프(1)는 히트파이프 내주면의 원주방향 표면 전체에 걸쳐서 작동유체의 귀환통로를 확보하는 것이 불가능하다는 문제점이 있었다.

m = A _v L _t ρ _v + A _w L _t ερ _l

여기에서, m : 작동유체 최적 충전량, A _v : 증기부 단면적, A _w : 윅의 단면적, L _t : 히트파이프 전체 길이, ε : 윅 기공율, ρ _v : 작동온도에서 증기밀도, ρ _l : 작동온도에서 액체밀도

특히, 도 3에서와 같은 태양열 집열기에 사용된 히트파이프의 증발부는 비교적 긴 길이, 즉 전체 파이프 길이의 대략 80% 이상을 차지하고 있으나, 도 4에 도시된 바와 같이 태양과 마주보는 면으로만 에너지가 유입되어 전열효율의 저하가 불가피하다.

본 발명은 상기된 바와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 현재 연구가 활발히 진행되고 있고 상용화 초기단계에 있는 히트파이프를 이용한 태양열 집열기 등에서의 이 히트파이프의 성능을 극대화하기 위해 히트파이프의 내부에 나선형 그루브 윅을 형성함으로써, 히트파이프 내의 작동유체를 원주방향으로 균일하게 분포시킬 수 있어 최적의 전열을 기대할 수 있는 동시에, 작동유체의 흐름을 교번(전위)시켜 태양열 에너지가 균일하게 흡수되어 최상의 운전 조건을 확보할 수 있는 나선형 그루브 윅을 가진 히트파이프를 제공하고자 하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 밀폐된 용기 내에 작동유체를 주입한 후 진공 배기하여 한쪽 끝을 가열하면 내부의 작동유체가 기화되어 압력차에 의해 다른 쪽으로 이동하고 주변으로 열을 방출한 후 다시 응축의 과정을 거쳐 가열부로 귀환하는 구조를 가지는 히트파이프에 있어서, 상기 히트파이프의 내주면에는 나선형으로 감겨지도록 형성되는 나선형 그루브 윅이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나선형 그루브 윅을 가진 히트파이프가 제공된다.

여기에서, 상기 나선형 그루브 윅은, 히트파이프의 축선방향으로 뻗어있는 중심선을 기준으로 2 ∼ 30°의 각도를 가지는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 나선형 그루브 윅을 가진 히트파이프의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 5에는 본 발명에 따른, 나선형 그루브 윅을 가진 히트파이프의 종단면도가 도시되어 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 히트파이프(10)는, 나선형으로 형성된 그루브 윅(12)을 가진다. 본 발명에 따른 히트파이프(10)는, 히트파이프의 길이방향을 따라서 직선으로 뻗어있는 직선형 그루브 윅을 채용하고 있는 종래의 히트파이프와는 달리, 히트파이프의 내주면 상에 나선형으로 감겨지도록 형성되는 나선형 그루브 윅(12)을 채택하여 중력의 영향에 의한 원주방향의 작동유체 분포 분균일을 손쉽게 해소하고, 나아가서 전열효율 및 수명의 향상을 기할 수 있다.

상기 나선형 그루브 윅(12)은, 히트파이프의 길이방향, 즉 축선방향으로 뻗어있는 중심선을 기준으로 2 ∼ 30°의 각도를 가지는 것이 바람직하고, 16 ∼ 20°의 각도를 가지는 것이 더욱 바람직하고, 17.5 ∼ 18.5°의 각도를 가지는 것이 가장 바람직하다. 이와 같이 본 발명에 의하면, 히트파이프의 내주면에 나선형 그루브 윅을 형성함으로써 그루브를 상하좌우로 교번(전위(Transposition))시킬 수 있고, 이에 따른 작동유체의 교번에 따라 히트파이프의 증발부에서 태양열 에너지가 균일하게 흡수될 수 있어 히트파이프의 최상의 운전 조건을 확보할 수 있는 동시에 전열효율의 극대화가 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 히트파이프(10)의 내부에서 나선형 그루브 윅(12)의 나선 구조에 의해, 액체의 귀환력 증대 및 선회력 발생으로 인한 작동유체로의 대류 열전달이 매우 향상될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 히트파이프의 내부에 나선형 그루브 윅을 형성함으로써, 히트파이프 내의 작동유체를 원주방향으로 균일하게 분포시킬 수 있어 최적의 전열을 기대할 수 있는 동시에, 작동유체의 흐름을 교번(전위)시켜 태양열 에너지가 균일하게 흡수되어 최상의 운전 조건을 확보할 수 있는 나선형 그루브 윅을 가진 히트파이프가 제공될 수 있다.

도 1은 일반적인 히트파이프의 종단면도,

도 2는 중력의 영향에 의해 작동유체가 연직하방으로 집중된 상태의 종래기술에 따른 히트파이프의 횡단면도,

도 3은 일반적인 태양열 집열시스템의 개략도,

도 4는 도 3의 태양열 집열시스템에 구비된 히트파이프에 미치는 열부하를 설명하기 위한 도면,

도 5는 본 발명에 따른, 나선형 그루브 윅을 가진 히트파이프의 종단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

6 : 작동유체 10 : 히트파이프

12 : 나선형 그루브 윅

Claims (2)

1. 밀폐된 용기 내에 작동유체(6)를 주입한 후 진공 배기하여 한쪽 끝을 가열하면 내부의 작동유체(6)가 기화되어 압력차에 의해 다른 쪽으로 이동하고 주변으로 열을 방출한 후 다시 응축의 과정을 거쳐 가열부로 귀환하는 구조를 가지는 히트파이프(10)에 있어서,

   상기 히트파이프(10)의 내주면에는 나선형으로 감겨지도록 형성되는 나선형 그루브 윅(12)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 나선형 그루브 윅을 가진 히트파이프.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 나선형 그루브 윅(12)은, 히트파이프의 축선방향으로 뻗어있는 중심선을 기준으로 2 ∼ 30°의 각도를 가지는 것을 특징으로 하는 나선형 그루브 윅을 가진 히트파이프.