KR20100036849A - 내부 압력차를 이용한 열교환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증발부 및 응축부 간을 작동유체가 순환하는 경로를 가진 열교환장치로서, 발열체와 열접촉하는 증발부에는 하측에 액상챔버가 형성되고, 상측에 기상챔버가 형성되며, 액상챔버와 기상챔버를 연결하는 복수의 이송채널이 구비되고, 증발부와 응축부 사이에는, 진공처리가 된 중공체로서, 중공체의 일측에 형성되어 증발부와 연통된 유입부 및 중공체의 타측에 형성된 유출부를 갖는 진공부가 더 구비되어 내부 순환경로의 압력차에 의해, 기상챔버의 기체가 응축부로 이송되는 구동력이 발생되어 작동유체가 순환되는 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 열교환장치는 발열체와의 열접촉으로 기화되어 열흡수된 기포와 작동유체의 이송방향을 일방향으로 하여, 액상 작동유체와 기포의 이동방향이 상충되지 않게 이동되도록 한다.

증발부, 이송채널, 열교환장치, 저장조, 진공부,

Description

내부 압력차를 이용한 열교환장치{HEAT EXCHANGER USING DIFFERENCE OF INNER PRESSURES}

본 발명은 열교환장치에 관한 것이다. 구체적으로 열교환장치 내부의 압력차를 이용하여, 추가 구동력 없이 작동유체를 원활하게 순환시키는 구동력을 발생시켜 기화열을 흡수하는 열교환장치에 관한 것이다.

종래 열교환장치로서 히트파이프(heat pipe) 구조가 있다. 그런데 히트파이프 구조의 경우, 배치되는 방향성에 따라 작동유체(working fluid)의 양, 이동률 및 이송관 내부의 압력에 따라 열교환 효율성에 큰 차이가 발생되는 문제점이 제기되었다. 즉 히트파이프를 직립시켰을 경우, 고온 발열체가 히트파이프의 하부와 열접촉되면 원활한 작동유체의 이동이 효과적으로 이루어진다. 그런데 고온 발열체가 히트파이프의 상부와 열접촉되는 경우에는 작동유체의 이동이 원활하지 못하여 열교환 효율이 저하되었다. 또한, 히트파이프가 수평하게 배치된 경우에도 작동유체의 이동이 원활하지 못하여 열교환 효율이 저하되었다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여, 도 9에 도시된 바와 같은 히트레인(Heat Lane)구조가 고안되었다. 히트레인 구조는 고온 발열체와 열접촉하여 열을 흡수(heat absorption)하는 증발부(Evaporating Region)는 작동유체가 흡수한 열을 방출(heat radiation)하는 방열부(Condensing Region) 사이를 연통된 작동유체 파이프가 하나의 라인으로 연속하여 지나가는 구조이다. 이러한 히트레인 구조는 방향성에 크게 구애받지 않고 열교환이 비교적 양호하게 진행된다.

이러한 히트레인 구조에는 도 9에 도시된 바와 같이 액상 작동유체와, 열흡수로 기화된 기포(이하 '기포'라고 함)의 진행방향이 상호 반대되는 구간이 모든 라인에 존재한다.

이때 발생된 기포에 의하여 작동유체가 진행하는데 많은 저항이 가해지게 된다. 즉, 작동유체가 원활하게 이송되어 효과적인 열교환을 일으키는 작용에 반대 역할을 하는 것이다. 또한 히트레인의 흡열부(heat absorption)가 상측에 배치되는 경우에는 여전히 작동유체의 이동이 기포의 흐름에 의해 원활하지 못한 문제점이 제기된다. 작동유체의 단위시간당 흐름 량이 열교환에 커다란 영향을 주는 요소이므로, 기포와 액상 작동유체의 방향이 항상 윗 방향일 때는 가장 높은 유통율이 형성되어 최고의 열교환을 기대할 수 있다. 그러나 히트레인 구조에서는 모든 열교환 흐름이 하나의 라인으로 구성되어 있으므로, 만약 그 한 라인 어느 곳에 이물질이 누적되어 관 내경이 좁아지는 문제가 생겼을 때는 전체의 열교환에 커다란 문제가 될 수 있다.

본 발명에 따른 열교환장치는 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.

첫째, 발열체와의 열접촉으로 기화되어 열흡수된 기포와 작동유체의 이송방향을 일방향으로 하여, 액상 작동유체와 기포의 이동방향이 상충되지 않게 이동되도록 한다.

둘째, 증발부의 액상 작동유체는 이송채널을 통해 이송되게 하여, 일정한 모세관력을 발생시켜 작동유체의 이송효율을 높이고자 한다.

셋째, 작동유체의 순환 경로에 압력차가 발생하게 하여 작동유체를 이송시키는 구동력을 발생시키고자 한다.

넷째, 증발부와 응축부의 상하 배치에 무관하게 작동유체가 압력차 내지 모세관력에 의해 원활히 순환되도록 한다.

다섯째, 증발부와 응축부가 동일 수평면 상에 배치되는 경우, 응축부를 일정한 상향 기울기로 배치시켜, 기포의 상측 방향 이송이 원활하도록 한다. 배치 구조에 따라 중력방향에 역류하는 이송이 원활하도록 한다.

여섯째, 작동유체 저장조를 별도로 구비하여, 열교환장치의 작동을 중지하였을 때에도, 액상냉매가 중력 등에 의해 역류하지 않도록 한다.

일곱째, 작동유체 저장조에 의해 증발부의 액상챔버에 일정 량의 작동유체가 항상 수용되도록 한다. 이에 의해 재작동시에는 작동유체가 즉시 이송채널로 공급되도록 한다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치는 증발부 및 응축부 간을 작동유체가 순환하는 경로를 가진 열교환장치로서, 발열체와 열접촉하는 증발부에는 하측에 액상챔버가 형성되고, 상측에 기상챔버가 형성되며, 액상챔버와 기상챔버를 연결하는 복수의 이송채널이 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 증발부와 응축부 사이에는, 진공처리가 된 중공체로서, 중공체의 일측에 형성되어 증발부와 연통된 유입부 및 중공체의 타측에 형성된 유출부를 갖는 진공부가 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치는 내부 순환경로의 압력차에 의해, 기상챔버의 기체가 응축부로 이송되는 구동력이 발생되어 작동유체가 순환되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치는 액상챔버 보다 기상챔버의 부피가 더 큰 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 액상챔버에 수용된 액상 작동유체는 이송채널에 의해 모세관력이 발생되어 액상 작동유체를 기상 챔버 방향으로 이송시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 증발부의 이송채널은 증발부 내부에 배치된 각 격벽 사이에 형성되며, 각 격벽에는 하나 이상의 통로가 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 격벽의 통로는 인접한 통로와 동일 높이에 나란히 배치되는 구조 또는 인접한 통로와 나란하지 않게 배치되는 구조인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 진공부는 진공처리를 위한 진공밸브를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 응축부는 진공부와 연통된 방열파이프가 지그재그 형상으로 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 방열파이프의 외면에는 박판형상의 방열핀이 구비된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 방열핀은 방열파이프의 외면을 인출시켜 형성된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 응축부의 일측에 방열팬이 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 응축부와 액상챔버 사이에 작동유체 저장조가 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 작동유체 저장 조는 일 측에는 작동유체 유입부가 형성되어 이송파이프를 통해 응축부와 연통되며, 타 측에는 작동유체 유출부가 형성되어 액상챔버와 연통되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 작동유체 유입부는 작동유체 저장조의 상측에 형성되고, 작동유체 유출부는 작동유체 저장조의 하측에 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 작동유체 저장조는 이송파이프와 연통된 작동유체 유입부가 내부에 삽입관통되어 형성되며, 하측에는 작동유체 유출부가 형성되어 액상챔버와 연통되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 작동유체 저장조의 상단에는 증발부의 기상챔버와 연통되도록 형성되어, 작동유체 저장조에 유입된 기체를 기상챔버로 배출하는 기체배출부가 더 구비된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 응축부는 증발기의 상부 또는 하부에 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 응축부는 수평면상에서 증발기보다 상향된 기울기를 가진 상태로 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 내부 압력차를 이용한 열교환장치에 있어서, 발열체는 열전모듈(thermoelectric module)이 가능하다.

본 발명에 따른 열교환장치는 증발부와 응축부 사이에서 이송되는 액상 작동 유체 및 이송채널에서 흡수된 열에 의해 형성된 기포의 이송방향을 동일하게 함으로써, 작동유체 이송의 효율 및 열교환 효율이 향상되는 효과가 있다. 본 발명에 따른 열교환장치는 작동유체 순환 경로 상에서 발생되는 압력차에 의한 구동력과 증발부의 이송채널에서 발생되는 액상 작동유체의 모세관력에 의해 작동유체 이송의 효율 및 열교환 효율이 향상되는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 압력차를 이용한 열교환장치를 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환장치의 제1 실시예를 나타내는 작동도이고, 도 2는 도 2는 본 발명에 따른 증발부를 나타내는 단면도, 좌우측면도, 상하부 단면도이다.

본 발명에 따른 열교환장치는 증발부 및 응축부 상호 간을 작동유체가 순환하는 경로를 가진 열교환장치로서, 도 1에 도시된 바와 같이 증발부(100), 진공부(200), 응축부(300) 및 이송파이프(400)를 포함한다.

본 발명에 따른 증발부(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 액상챔버(110), 이송채널(120) 및 기상챔버(130)를 포함한다.

본 발명에 따른 증발부는 일측이 발열체와 열접촉된다. 도 2의 경우, 증발부(100)의 전면 또는 배면에 발열체(미도시)가 배치되는 실시예에 해당된다. 본 발명에 따른 증발부(100)의 하측에는 액상챔버(110)가 형성되고, 상측에는 기상챔버(130)가 형성되며, 액상챔버와 기상챔버를 연결하는 복수의 이송채널(120)이 형성된다.

액상챔버(110) 및 기상챔버(130)는 도 2에 도시된 바와 같이, 작동유체가 수용되는 중공체로 구비되며, 중공체의 형상은 제한 없이 다양한 형상으로 가능하다. 다만, 액체보다 기체의 부피가 큰 측면, 이송채널(120)에서 발생한 기포가 신속히 기상챔버(130)로 이동되기 위한 공간 확보의 측면 등을 고려하여 액상챔버(110) 보다 기상챔버(130)의 부피가 더 큰 것이 보다 바람직하다.

본 발명에 따른 이송채널(120)은 액상챔버(110)와 연통되게 구비된다. 액상챔버(110)에 수용된 액상 작동유체에는 이송채널(120)에 의해 모세관력이 발생된다. 이러한 모세관력은 액상 작동유체를 기상챔버(130) 방향으로 진행시키는 구동력으로 작용된다. 따라서 본 발명에 따른 이송채널(120)은 모세관력이 발생될 정도로 미세한 사이즈이면 바람직하다. 따라서, 액상 작동유체의 성질에 따라 적절한 이송채널(120)의 사이즈가 선택될 수 있을 것이다.

그리고 예를 들어, 도 2의 증발부(100) 배면이 발열체(미도시)와 열접촉되면, 이송채널(120) 내의 액상 작동유체가 기화되기 시작한다. 기화되면, 열을 흡수하여 주위 온도를 하강시키면서 기포를 발생시킨다.

한편, 본 명세서에서는 액상 작동유체가 기화된 경우, 액상 작동유체 내에 기포 상태로 있을 때에는 '기포'라고 명명하고, 액상 작동유체를 벗어난 경우 '기체'라고 명명하기로 한다.

이송채널(120)에서 기화된 작동유체의 기포는 압력이 상대적으로 낮은 기상챔버(130)로 이송된다. 그리고 기상챔버(130)로 모인 기체는 압력이 상대적으로 낮은 응축부(300)로 이송된다. 본 발명에 따른 열교환장치는 이와 같이 내부 순환경로상에 발생되는 압력차이를 구동력으로 이용한다.

본 발명에 따른 증발부(100)의 이송채널(120)은 증발부(100) 내부에 배치된 각 격벽(121) 사이에 형성된다. 증발부(100)의 각 격벽(121)에 의해 이송채널(120)이 형성된 것은 도 1 등에 도시되어 있다.

그런데 각 이송채널(120)의 일정 부분이 막혀서 기포의 진행이 용이하지 못한 경우가 발생될 수도 있다. 본 발명에 따른 증발부(100)는 이러한 경우에 대비가능한 기술적 구성을 구비하고 있다.

본 명세서에서는 도 2의 A부를 부분적으로 확대하여, 기포 이송의 대표적 실시예를 제시하고자 한다.

본 발명에 따른 증발부(100)의 각 격벽(121)에는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 통로(122)가 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 통로(122)는 인접한 통로와 동일 높이에 나란히 형성(도 3 참조)되는 것이 가능하다. 또한, 인접한 통로와 나란하지 않게 형성(도 4 참조)되는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 통로(122)는 개수에 제한을 두지는 않는다. 증발부(100)의 사이즈나 작동유체의 성질 등을 고려하여 적절한 개수를 두는 것이 바람직하다.

응축부(300)의 방열파이프(310) 내부에서 기체는 액상 작동유체로 다시 응축된다. 응축된 액상 작동유체는 방열파이프(310)의 출구(312)로 이송된다. 이러한 액상 작동유체는 기상챔버(130)에서 밀어내는 압력에 의하여 다시 이송파이프(400)를 통해 이송되어 증발부(100)의 액상챔버(110)로 이송되는 것이다.(증발부가 없는 경우부터 차례대로 설명하였습니다. 그러니까 여기서는 증발부가 등장하지 않습니다. 증발부는 나중에 등장됩니다.)

한편, 액상챔버(110)에 수용된 액상 작동유체가 이송채널(120)로 신속히 이송되어야 연속적으로 기화 즉 열교환이 일어나게 된다. 이때의 구동력은 내부 압력차에 의해 발생되며, 연속적으로 작동된다. 이 경우 이송채널(120)의 모세관력도 액상 작동유체를 이송시키는 일 한 구동력으로 작동된다.

본 발명에 따른 열교환장치는 증발부(100)와 응축부(300) 사이에 진공부(200)가 구비되는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 진공부(200)는 진공처리가 된 중공체로서, 중공체의 일측에 형성되어 증발부(100)의 기상챔버(130)와 연통된 유입부(210) 및 중공체의 타측에 형성된 유출부(220)를 가진다.

본 발명에 따른 진공부(200)는 진공펌프를 이용하여 진공처리 후 밀봉하여 사용될 수 있다. 필요시 진공상태를 유지하기 위하여 사후적으로 진공처리를 하는 진공밸브(230)를 구비하는 것이 바람직하다.

기상챔버(130)에 기체가 이송되면, 진공부(200)의 압력보다 상대적으로 높은 압력이 형성된다. 그러면 압력차에 의하여, 기체는 진공부(200) 방향으로 신속하게 이송될 수 있다. 본 발명에 따른 열교환장치에 있어서, 작동유체는 순환구조를 가지므로, 압력차에 의해 발생되는 구동력은 기체를 기상챔버(130)에서 진공부(200) 방향으로 이송시키는 구동력일 뿐만 아니라, 전체적인 순환구조에서의 순환 구동력으로 작용하게 된다.

진공부(200) 쪽으로 신속하게 이송된 기체는 응축부(300)에서 응축이 되어 액화된다. 기체의 액화에 의해, 진공부(200)의 진공상태 내지 낮은 압력상태는 일정하게 유지된다. 따라서, 진공부(200)와 기상챔버(130) 상호간의 압력차는 일정한 수준으로 유지된다. 예를 들어 기상챔버(130)의 기체 압력이 0.05~0.1atm을 유지하고, 진공부(200)의 압력은 0.01atm 을 유지하면, 일정한 압력차이가 지속되어 압력차에 의한 구동력이 발생하게 되는 것이다.

본 발명에 따른 응축부(300)는 입구(311)가 진공부(200)의 유출부(220)와 연통된 방열파이프(310)를 가진다.

본 발명에 따른 응축부(300)는 연통된 방열파이프(310)가 방열이 용이한 다양한 형상으로 구비될 수 있다. 이러한 다양한 형상은 방열용이성 및 사용목적에 따른 공간배치 용이성 등이 고려되어 적절한 형상이 선택될 수 있다.

본 명세서에서 방열파이프(310)는 다양한 형상 중 지그재그 형상을 바람직한 실시예로 제시한다.

본 발명에 따른 방열파이프의 외면에는 방열핀(320)이 구비되어 방열효율을 향상시키는 것이 바람직하다. 방열핀(320)은 박판형상이 방열효율상 보다 바람직하 다.

나아가, 본 발명에 따른 방열핀(320)은 방열파이프(310)의 외면을 인출시켜 형성된 핀 파이프(Finned pipe)인 것을 기술적 특징으로 한다. 별개의 독립된 방열핀(320)이 방열파이프(310)의 외면에 결합 될 경우, 결합 면의 밀착 정도에 따라 방열효과가 차이 날 수 있다. 따라서 방열파이프(310) 외면을 강제로 인출시켜 이를 방열핀(320)으로 형성시키면, 방열파이프(310)와 방열핀(320)의 밀착이 완전해진다. 이러한 방열핀(320)의 구성에 의해 방열효율이 증가 될 수 있다.

또한, 응축부(300)의 방열효과 향상을 위하여, 응축부(300)의 일측에 팬(330)이 더 구비되는 것이 바람직하다. 팬(300)은 방열핀(320)의 배치방향을 고려하여, 방열핀(320)에 공기유입이 용이한 방향에 배치되는 것이 적절하다.

본 발명에 따른 열교환장치는 응축부(300)와 증발부(100)의 액상챔버(110)를 연통시키는 이송파이프(400)을 포함한다. 이는 작동유체의 순환을 위한 구조이다.

한편, 본 발명에 따른 열교환장치는 이송파이프(400)와 액상챔버(110) 사이에 작동유체 저장조(500)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명에 따른 작동유체 저장조(500)의 일 실시예를 나타낸다. 본 발명에 따른 작동유체 저장조(500)는 작동유체 유입부(510)가 일 측에 형성되어 이송파이프(400)와 연통되고, 작동유체 유출부(520)가 타측에 형성되어 증발부(100)의 액상챔버(110)와 연통된다.

본 발명에 따른 작동유체 저장조(500)는 액상 작동유체가 중력에 의해 저장되도록 하여, 열교환장치의 작동이 중단되었다가 재작동될 때에도 액상 작동유체가 원활히 액상챔버(110)에 공급되도록 한다.

따라서, 본 발명에 따른 작동유체 저장조(500)의 일 실시예의 경우, 작동유체 유입부(510)는 작동유체 저장조(500)의 상측에 구비되고, 작동유체 유출부(520)는 작동유체 저장조(500)의 하측에 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 작동유체 저장조(500)에 기체가 유입된다면 이를 제거하는 것이 필요하다. 기체가 제거되지 않으면 기포를 포함한 액상 작동유체가 액상챔버(110)로 유입될 것이다. 이 경우 이송채널(120)에 기포가 유입될 것이므로, 발열체와의 열교환 효율이 저하될 것이다.

이를 방지하기 위하여, 본 발명에 따른 작동유체 저장조(500)는 기체배출부(530)를 상측에 형성시키고, 이를 증발부(100)의 기상챔버(130)와 연통되도록 구비한다.

한편, 도 5는 본 발명에 따른 작동유체 저장조(500)의 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예에 있어서, 작동유체 저장조(500)는 이송파이프(400)와 연통된 작동유체 유입부(510)가 내부에 삽입관통되어 형성된다. 또한 작동유체 저장조(500)의 대략 하측에는 작동유체 유출부(520)가 형성되어 액상챔버(110)와 연통되는 것이 바람직하다. 도 5에 도시된 일 실시예와 같이 작동유체 유입부(510)가 작동유체 저장조(500)의 대략 중앙에서 삽입관통된 구조로 형성되어 있다.

본 발명에 따른 열교환장치의 경우, 응축부(300)의 방열파이프(310)의 출구(312)에 위치한 액상 작동유체는 열교환장치의 내부 압력차에 의해 이송파이프(400)를 거쳐 작동유체 저장조(500)로 이송되는 연속적인 싸이클링 구동력이 형 성되는 점에 기술적 특징이 있다. 즉 내부 압력차에 의해 전체적인 순환이 원활이 일어나는 것이다.

그런데, 증발부(100)가 응축부(300) 보다 상측에 배치된 실시예의 경우, 본 발명에 따른 열교환장치의 작동이 중단되었을 때, 작동유체 저장조(500)에 수용된 액상 작동유체가 역류될 가능성이 제기될 수 있다. 이러한 액상 작동유체의 역류를 효과적으로 방지하기 위하여, 도 5의 실시예가 제시된다.

이러한 구조에 의하여 액상챔버(110)에는 항상 일정 량의 액상 작동유체가 수용될 수 있다. 수용된 액상 작동유체는 이송채널(120)에 일정 부분 잠겨 있는 상태가 될 것이다. 이로써, 열교환장치를 재작동하면 액상 작동유체는 이송채널(120)의 모세관력 및 내부 압력차에 의하여 즉시 이송채널(120)로 유입되어 발열체와 열교환이 일어나게 된다.

한편, 종래의 히트레인의 경우, 작동이 장시간 중단되면 기화된 작동유체가 액상 작동유체로 상변화된다. 따라서 전체 작동유체 순환로에는 액상 작동유체가 자리 잡게 된다. 다시 재작동을 하게 되면, 응축부(방열부)에 액상 작동유체가 있는 상태에서 시작된다. 따라서 기포가 형성되어 작동유체가 순환되는 구동력을 형성하기까지는 일정한 시간이 소요될 수밖에 없다. 또한 어떤 경우에는 기포가 여러 레인 중에서 상호 반대로 회전하려는 구동력이 생길 수 있어서, 방열효율이 저하될 수 있는 것이다.

그러나 본 발명에 따른 열교환장치는 기화가 일어나는 레인(이송채널)이 복수개로 형성되며, 여러 이송채널(120)에 액상 작동유체가 항상 채워져 있어 동시에 기화가 일어날 수 있다. 이때 형성된 기포는 작동유체와 같은 윗 방향으로 형성되고, 이송채널(120)에 비하여 사이즈가 매우 큰 기상챔버(130)로 쉽게 이동이 가능하다. 따라서, 종래의 히트레인에 비하여 열교환 능력과 효율이 매우 높다.

본 발명에 따른 열교환장치는 작동이 중단되면, 기포가 더 이상 발생하지 않게 된다. 이 경우 압력차에 의한 구동력이 발생하지 않게 되어 작동유체의 순환은 정지된다. 그러나 이 경우 작동유체는 액상챔버(110) 및 이송채널(120)의 일부 또는 전부에 채워져 있는 상태로 중단되는 것이다. .

다시 열교환장치를 재작동시키면, 액상챔버(110) 및/또는 이송채널(120)에 채워진 액상 작동유체는 기화하여 기상챔버(130)로 이송된다. 특히 본 발명은 열흡수로 기화된 기포가 항상 액상 작동유체와 같은 방향인, 상측방향으로 이동되므로, 열교환효율을 증가시킬 수 있다.

기상챔버(130)와 진공부(200) 간에 여전히 유지되고 있던 압력차에 의해 기상챔버(130)의 기체는 신속하게 진공부(200)를 거쳐 응축부(300)로 이송된다.

따라서, 본 발명은 종래 히트레인과 달리, 장시간 작동 중단 상태에 있다가 재작동을 하여도, 원래의 열교환 효율을 즉시 낼 수 있는 기술적 특징이 있다. 또한 히트레인 구조와 대비하여, 다수의 이송채널(120)에서 동시에 기화 열교환이 이루어지므로 효율과 성능 면에서 우수하다.

또한 이송채널(120) 중 일부가 여러 가지 요인으로 채널 내부가 좁아지거나 채널이 막혀서 기포와 작동유체의 이송이 곤란한 경우에는, 본 발명에 따른 통로(122)가 기포나 작동유체가 인접한 이송채널(120)로 신속하게 이동되게 한다.

본 발명에 따른 응축부(300)는 증발기(100)의 상부 또는 하부에 배치되는 것이 가능하다.

도 6은 본 발명에 따른 열교환장치의 제2 실시예를 나타내는 작동도이다. 도 1의 실시예는 응축부(300)가 증발부(100)보다 하부에 배치된 반면, 도 6의 실시예의 경우, 응축부(300)가 증발부(100) 보다 상부에 배치된다.

도 1의 실시예의 경우, 응축부(300)에서 응축된 액상 작동유체를 이송파이프(400)를 통해 중력의 반대방향으로 이송시키는 실시예이다. 본 발명에 따른 열교환장치는 압력차에 의한 구동력 및 모세관력에 의해 액상 작동유체가 별도의 구동력장치가 없이도, 중력반대방향으로 용이하게 이송되는 특징을 가진다.

도 6의 실시예의 경우, 액상 작동유체가 응축부(300)에서 이송파이프(400)를 통해 작동유체 저장조(500)로 이송되는 방향이 중력방향에 해당된다. 따라서 도 1의 실시예 보다 더욱 원활하게 작동유체가 이송될 수 있을 것이다.

본 실시예의 경우, 하측의 증발부(100)에서 기화된 기체는 상측의 응축부(300)로 이송된 후, 응축되어 액상 작동유체로 된다. 액상 작동유체는 응축부(300) 방열파이프(310)의 출구(312)에서 중력에 의해 작동유체 저장조(500)로 낙하유입될 수 있다. 또한 중력에 의해 액상챔버(110)로 유입될 수 있다. 따라서 본 실시예에 따른 작동유체 저장조(500)는 역류방지를 위한 구조 개선 없는 단순한 구조로도 충분히 적용가능할 것이다.

한편, 도 7은 본 발명에 따른 열교환장치의 제3 실시예를 나타내는 측면도이고, 도 8은 도 7에 따른 실시예의 작동을 나타내는 평면도이다.

본 발명에 따른 열교환장치의 경우, 본 실시예와 같이 증발부(100)와 응축부(300)가 동일 평면상에 배치되는 것도 가능하다. 다만 이러한 실시예의 경우, 중력을 작동유체 순환에 활용하기 위해 도 7에 도시된 바와 같이, 응축부(300)가 증발기(100)보다 일정 정도 상향된 기울기를 가진 상태로 배치되는 것이 보다 바람직하다. 상향된 기울기는 미세한 것이 보다 바람직하다.

본 발명에 따른 압력차 및 모세관력을 이용한 열교환장치는 기존의 히트파이프 또는 히트레인이 적용되는 모든 사례에 적용이 가능하다. 예를 들어, 발열체의 방열이 필요한 모든 방열장치에도 적용이 가능하다. 발열체는 컴퓨터 부품인 CPU 등이 해당될 수도 있고, 열전모듈(thermoelectric module)의 고온발생부가 해당될 수도 있다. 또한, 증발부에서 신속한 흡열이 일어나는 것을 이용하여 공기를 냉각시킬수 있으므로, 에어컨디셔너(air conditioner) 등의 공기조화장치에도 적용이 가능하다. 즉 열교환이 필요한 모든 부분에 적용이 가능한 기술적 특징을 가진다.

본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것은 자명하다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환장치의 제1 실시예를 나타내는 작동도이고,

도 2는 본 발명에 따른 증발부를 나타내는 단면도, 좌우측면도, 상하부 단면도이고,

도 3은 도 2의 A부의 부분확대도로서 본 발명에 따른 증발부의 이송채널의 일 실시예를 나타내며,

도 4는 도 2의 A부의 부분확대도로서 본 발명에 따른 증발부의 이송채널의 다른 실시예를 나타내며,

도 5는 본 발명에 따른 작동유체 저장조의 다른 실시예이고,

도 6은 본 발명에 따른 열교환장치의 제2 실시예를 나타내는 작동도이고,

도 7은 본 발명에 따른 열교환장치의 제3 실시예를 나타내는 측면도이고,

도 8은 도 7에 따른 실시예의 작동도이고,

도 9는 종래기술을 나타내는 작동도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 증발부 110 : 액상챔버

120 : 이송채널 121 : 격벽

122 : 통로 130 : 기상챔버

200 : 진공부 210 : 유입부

220 : 유출부 230 : 진공밸브

300 : 응축부 310 : 방열파이프

320 : 방열핀 330 : 팬

400 : 이송파이프 500 : 작동유체 저장조

510 : 작동유체 유입부 520 : 작동유체 유출부

530 : 기체배출부

Claims (18)

1. 증발부 및 응축부 간을 작동유체가 순환하는 경로를 가진 열교환장치로서,

   발열체와 열접촉하는 상기 증발부에는 하측에 액상챔버가 형성되고, 상측에 기상챔버가 형성되며, 액상챔버와 기상챔버를 연결하는 복수의 이송채널이 구비되고,

   상기 증발부와 상기 응축부 사이에는, 진공처리가 된 중공체로서, 중공체의 일측에 형성되어 상기 증발부와 연통된 유입부 및 상기 중공체의 타측에 형성된 유출부를 갖는 진공부가 더 구비되어

   내부 순환경로의 압력차에 의해, 상기 기상챔버의 기체가 응축부로 이송되는 구동력이 발생되어 작동유체가 순환되는 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 액상챔버보다 상기 기상챔버의 부피가 더 큰 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 액상챔버에 수용된 액상 작동유체는 상기 이송채널에 의해 모세관력이 발생되어 액상 작동유체를 기상챔버 방향으로 이송시키는 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 증발부의 이송채널은 증발부 내부에 배치된 각 격벽 사이에 형성되며, 각 격벽에는 하나 이상의 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 격벽의 통로는 인접한 통로와 동일 높이에 나란히 배치되는 구조 또는 인접한 통로와 나란하지 않게 배치되는 구조인 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 진공부는 진공처리를 위한 진공밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 응축부는 상기 진공부와 연통된 방열파이프가 지그재그 형상으로 구비된 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 방열파이프의 외면에는 박판형상의 방열핀이 구비된 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 방열핀은 방열파이프의 외면을 인출시켜 형성된 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
10. 제1항에 있어서,

    상기 응축부의 일측에 방열팬이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
11. 제1항에 있어서,

    상기 응축부와 상기 액상챔버 사이에 작동유체 저장조가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 작동유체 저장조는 일 측에는 작동유체 유입부가 형성되어 이송파이프를 통해 응축부와 연통되며, 타 측에는 작동유체 유출부가 형성되어 액상챔버와 연통되는 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
13. 제12항에 있어서,

    상기 작동유체 유입부는 작동유체 저장조의 상측에 형성되고, 상기 작동유체 유출부는 작동유체 저장조의 하측에 형성되는 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
14. 제11항에 있어서,

    상기 작동유체 저장조는 상기 이송파이프와 연통된 작동유체 유입부가 내부에 삽입관통되어 형성되며, 하측에는 작동유체 유출부가 형성되어 액상챔버와 연통되는 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
15. 제11항에 있어서,

    상기 작동유체 저장조의 상단에는 상기 증발부의 기상챔버와 연통되도록 형성되어, 작동유체 저장조에 유입된 기체를 기상챔버로 배출하는 기체배출부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
16. 제1항에 있어서,

    상기 응축부는 상기 증발기의 상부 또는 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
17. 제1항에 있어서,

    상기 응축부는 수평면상에서 상기 증발기보다 상향된 기울기를 가진 상태로 배치되는 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.
18. 제1항에 있어서,

    상기 발열체는 열전모듈(thermoelectric module)인 것을 특징으로 하는 내부 압력차를 이용한 열교환장치.

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