KR20110127870A - 히트 파이프 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트 파이프의 제조 공정에서 상변화물질이 충전된 통공부 부위의 단부를 이중 구조의 밀폐형 구조로 용이하게 제조할 수 있도록 한 것이다.
본 발명 히트 파이프의 제조방법은 내부에 통공부와 중공부를 갖는 파이프를 절단하고, 절단된 파이프의 양측 단부중 하나를 밀폐시키기 위해 이중으로 격벽을 형성시키는 과정에서 이중 격벽 사이에 용접편 형태의 기밀재를 투입하고, 기밀재측에 열을 가하여 용융시켜 주입관과 격벽 사이의 틈새를 밀봉시킨 후에, 이중 격벽에 형성된 관통공을 관통하는 주입관을 통해 통공부 내부에 대기압 보다 낮은 기압의 진공상태를 유지하면서 액체 상태의 상변화물질을 충전시키는 단계들로 구성된다.
이에 따르면 본 발명은 이중 구조의 격벽과 기밀재를 이용하여 파이프의 단부를 밀봉시킨 후에, 파이프 내부에 진공 상태로 상변화물질을 충전시킴에 따라, 간편한 방식으로 밀폐가 이루어지게 될 뿐만 아니라 이중 구조의 격벽으로 인해 통공부 내부에 상변화물질이 충전된 후에 외부로 누설되는 것을 차단할 수 있다.

Description

히트 파이프 및 그 제조방법{HEAT PIPE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 히트 파이프 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 진공 밀봉되는 히트 파이프의 밀봉 부위를 이중 구조로 간편하게 제조할 수 있도록 그 구조가 개선된 히트 파이프 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 히트파이프는 관의 내부에 상변화물질인 열매체를 충진하여 일측에 열을 가하면 열매체가 팽창하여 이동하고 또 열교환된 열매체는 응축되어 다시 귀환하는 작용을 반복하면서 신속한 열교환작용을 하도록 한 것이다.

이러한 히트파이프를 제조할 때에는 파이프를 일정한 길이로 절단하고 양측단부에 마개를 삽입하여 용접한 다음 그 일측 마개에 주입구를 형성하여 이를 용접장치가 설치된 열매체 주입장치를 통해 진공을 시키면서 열매체를 충진시킨 다음 용접장치로 주입구를 용접하여 밀봉시키도록 되어 있다.

또한, 히트 파이프는 중공체이며 열 전도성을 지닌 밀폐된 금속용기 내부에 물이나 알콜, 아세톤, 후레온, 등 가온 상황 에 따라 상 변화를 일으키는 성질의 상변화물질을 적당량 삽입하고 용기내부를 대 기압 이하의 진공으로 조성하여 용접 밀봉한 것이다.

그 히트 파이프의 작동원리는 열원으로부터 증발부 영역에 열이 가해지면 히트파이프 증발부내의 작동물질은 낮은 열에서 비등하여 상대적으로 온도가 낮아 압력이 낮은 용기의 응축부분으로 이동했다가 열을 교환하여 용기내벽에서 응축되며 용기내의 압력의 차이와 중력장의 영향으로 용기의 내벽면을 타고 증발부분으로 귀환한다. 이러한 과정이 진공의 조건 속에서 반복 순환하면서 빠르게 열 교환이 이루어진다.

또, 기존 히트 파이프는 밀봉된 진공상태의 파이프 내에 윅(Wick)을 부착하여 윅의 모세관 현상으로 방열하고 응축된 작동유체가 증발부로 귀환하여 다시 열원의 열을 흡열하여 증발을 반복하도록 하는 윅식 히트 파이프와, 윅을 부착하지 않고 경사를 주어 작동유체가 응축부에서 방열하고 응축된 상태의 작동유체가 자체 중력으로 증발부로 모이게 하여 증발, 응축을 반복하도록 하는 써모 사이폰(Thermo-syphon)식 히트 파이프로 구분된다.

그중 윅식 히트 파이프는 윅의 구조 및 형상에 따라 그루브 윅, 스크린 메시 윅, 소결 윅으로 구분되고 있으나, 윅을 형성시키기 위한 제조 원가 및 시공 비용이 비싸기 때문에 써모 사이폰 방식의 히트 파이프를 주로 사용하고 있으나, 써모 사이폰 방식의 히트 파이프는 난방용 온돌 구조에 채용될 경우에는 작동 유체의 이동을 위해 경사를 주어야 하므로 경사진 각도만큼 시멘트 몰타르의 시공 부피를 증가되어 시멘트 몰타르층을 구성하는 시멘트와 모래등의 재료가 많이 투입되는 문제점이 있으며, 또 기존의 히트 파이프는 열 전달부로부터 단부까지 열이 전도되는 과정에서 열 전도속도가 늦기 때문에 열 전도 효율성이 저하되어 난방용, 특히 온돌 마루에서는 채용될 수 없는 실정이다.

이러한 히트파이프를 제조할 때에는 파이프를 일정한 길이로 절단하고 양측단부에 마개를 삽입하여 용접한 다음 그 일측 마개에 주입구를 형성하여 이를 용접장치가 설치된 열매체 주입장치를 통해 용접시킨 후에, 진공을 시키면서 열매체를 충진시킨다.

또한, 기존의 히트 파이프는 일부분이 파손된 경우에는 상변화물질이 외부로 누설되므로 열이 제대로 전달되지 못하여 냉난방기능을 상실하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상변화 물질의 충전 및 진공을 부여하는 히트 파이프의 단부 부위를 이중 구조로 밀폐시킬 수 있도록 그 구조가 개선된 히트 파이프 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 내부에 서로 구획되도록 배치된 중공부와 통공부를 갖는 파이프를 절단하는 단계와,

상기 파이프의 절단된 일측 단부에 서로 이격되게 배치되고 내부에 용접편 형태의 기밀재가 배치된 내측과 외측의 이중 격벽을 형성시키는 단계와,

상기 이중 격벽와 기밀재를 관통하는 관통공을 형성하고, 형성된 관통공을 관통하는 주입관을 배치하는 단계와,

상기 기밀재측에 열을 가하여 용융시켜 주입관과 격벽 사이의 틈새를 용접으로 밀봉시키는 단계와,

상기 주입관을 통해 상기 통공부의 내부에 대기압 보다 낮은 기압의 진공상태를 유지하면서 액체 상태의 상변화물질을 충전시키고 상기 주입관을 밀봉시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 통공부 내에 충전되는 상변화물질은 상기 중공부 내부를 통과하는 유체로부터 열을 전달받아 액체상태에서 기체화되는 것을 채용한다.

상기 기밀재에 열을 가하는 단계는 상기 이중 격벽의 외측 부위에 고주파를 이용하여 가열한다.

상기 기밀재에 열을 가하는 단계는 상기 이중 격벽의 외측 부위에 전열 히터를 이용하여 가열한다.

상기 주입관을 밀봉시키는 단계는 상기 주입관의 단부에 일방향 개폐밸브를 배치하여 밀봉시킨다.

상기 기밀재는 480~515℃의 온도 범위 내에서 용융되는 소재를 채용한다.

본 발명의 다른 특징적인 요소로는 내부에 유체가 통과되는 중공부가 형성되고,

상기 중공부와 구획되게 형성되고 상기 중공부를 통과하는 유체로부터 열을 전달받아 상변화가 이루어지는 액상의 상변화물질이 진공 상태로 충전된 통공부가 형성되며,

상기 통공부 내부를 밀폐시키도록 상기 통공부의 단부에 이중 구조의 격벽이 배치된 것을 특징으로 한다.

상기 이중 구조의 격벽 내에 가열시 용융되는 기밀재가 배치된다.

상기 통공부의 내주면에 다수개의 그루브가 길이방향으로 형성된다.

본 발명은 히트 파이프의 제조 공정에서 상변화물질이 충전된 통공부 부위의 양측 단부를 이중 구조의 밀폐형 구조로 용이하게 제조할 수 있도록 한 것인 바, 이에 따르면 본 발명은 이중 구조의 격벽과 기밀재를 이용하여 파이프의 단부를 밀봉시킨 후에, 파이프 내부에 진공 상태로 상변화물질을 충전시킴에 따라, 간편한 방식으로 밀폐가 이루어지게 될 뿐만 아니라 이중 구조의 격벽으로 인해 통공부 내부에 상변화물질이 충전된 후에 외부로 누설되는 것을 차단할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 히트 파이프의 밀봉전 상태를 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도.
도 3은 정면에서 본 도 1의 단면도.
도 4는 본 발명 기밀재에 의해 격벽이 밀봉된 상태를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 히트 파이프의 제조과정을 순차적으로 나타낸 플로우 챠트.
도 6은 본 발명 통공부 내부에 삼각형 단면 그루브가 형성된 다른 예를 보인 단면도.

히트 파이프는 주입관을 통해 상변화물질을 주입하는 과정에서 주입관과 벽체 사이의 틈새가 발생할 수 있으며, 이로 인해 내부에 주입된 상변화물질이 외부로 쉽게 누설될 우려가 있다.

이를 위해 진공 상태의 작업공간 내에서 파이프의 틈새를 메우는 용접작업을 수행하고 있으나, 이는 별도의 진공 작업공간이 요구될 뿐만 아니라, 작업 과정이 까다로운 단점이 있다.

또한, 파이프의 단부를 밀폐시키는 벽체가 단일 벽체로 구성되어 내,외부 충격에 의해 용이하게 손상될 우려가 있다.

따라서, 히트 파이프의 단부를 이중 격벽으로 보강함과 아울러, 격벽과 주입관 사이의 틈새가 발생되지 않도록 간편하게 용접할 수 있도록 한 히트 파이프 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 히트 파이프 및 그 제조방법은, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하기로 하되, 먼저 그 제조방법에 대해 설명하면, 내부에 통공부(120)와 중공부(110)를 갖는 파이프를 절단하고(S1), 절단된 파이프의 양측 단부중 하나를 밀폐시키기 위해 이중으로 격벽을 형성시키는 과정에서 내측 격벽(132)과 외측 격벽(134)으로 구성된 이중 격벽 사이에 용접편 형태의 기밀재(200)를 투입하고(S2), 이중 격벽와 기밀재(200)를 관통하는 관통공을 형성하고, 형성된 관통공을 관통하는 주입관(300)을 배치하며(S3), 기밀재(200)측에 열을 가하여 용융시켜 주입관(300)과 내측 격벽(132) 사이의 틈새를 용접으로 밀봉시킨 후에(S4), 이중 격벽에 형성된 관통공을 관통하는 주입관(300)을 통해 통공부(120) 내부에 대기압 보다 낮은 기압의 진공상태를 유지하면서 액체 상태의 상변화물질을 충전시키고 주입관(300)을 폐쇄시키는 단계(S5)들로 구성된다.

더 상세히 설명하면, 기밀재(200)측에 열을 가하여 융용시키는 단계는 용융된 기밀재(200)가 모세관 현상에 의해 진공 상태를 갖는 통공부(120) 내부로 유입되는 과정에서 내측 격벽(132)에 형성된 관통공과 주입관(300) 사이의 틈새를 밀봉시키는 용접 과정을 갖는다.

이후에 외측 격벽(134)의 관통공과 주입관(300) 사이의 틈새를 용접으로 메우는 작업을 실시한다.

상기한 상변화물질을 통공부(120) 내부에 충전시키는 단계는, 액체상태의 상변화물질을 통공부(120) 바닥면에 고이는 정도로 충전하되, 많은 상변화물질들 중 인체에 무해한 브롬을 채택하는 것이 바람직하다.

그리고, 파이프는 열 전도성이 우수하고 무게가 가벼운 소재를 채택하는 것이 바람직하며, 일 예로 알루미늄, 구리 등의 소재를 채택할 수 있다.

기밀재(200)는 파이프 소재가 알루미늄 소재일 경우 파이프 소재의 용융점보다 낮은 480~515℃의 온도 범위 내에서 용융되는 저용융점 금속 소재를 채용할 수 있다.

주입관(300)은 일단부가 격벽을 통과하여 통공부(120)의 내부로 수용되고, 타단부가 외측으로 돌출되도록 배치되며, 타단부에 일방향으로 상변화물질을 투입함과 아울러 통공부(120) 내의 공기를 빼내어 진공상태를 유지하도록 일방향 개폐 밸브(310)가 배치된다.

일방향 개폐밸브(310)는 상변화물질을 통공부(120)측으로 충전시키고 외부로 누설되는 것을 방지하기 위한 체크볼이 내장될 수 있으며, 통공부(120)내에 진공 부압을 부여할 수 있도록 한 것이다.

한편, 파이프 소재가 구리 소재일 경우에는 기밀재(200)를 그보다 낮은 대략 660℃의 융융점을 갖는 알루미늄 소재를 채택할 수 있다.

기밀재(200)를 가열하는 단계에서 기밀재(200)에 열을 가하는 고주파 열처리 방식을 채택하여 내측 격벽(132)과 근접된 부위에 고주파 발생시 생성되는 열을 이용하여 용접편 형태의 기밀재(200)를 용융시킨다.

또한, 기밀재(200)에 열을 가하는 단계에서 이중 격벽의 외측 부위에 전열 히터를 이용하여 가열하는 방식을 채택할 수 있다. 이 경우 기밀재(200)와 근접된 파이프의 외주에 열선을 감아서 전원 공급에 따른 발열 기능을 이용하여 기밀재(200)를 용융시킬 수 있다.

용접작업시 액상의 기밀재(200)가 주입관(300)과 내측 격벽(132)의 관통공 사이에 발생하는 틈새 부위를 골고루 메울 수 있도록 작업자가 파이프를 파지한 상태로 들어서 회전시키는 작업을 별도로 수행할 수도 있다.

이는 액상의 기밀재(200)가 균일한 두께로 주입관(300)과 내측 격벽(132)의 틈새 부위를 메울 수 있도록 하기 위함이다.

이러한 이중 격벽은 파이프의 양측 단부에 각각 배치할 수 있으나, 주입관(300)이 배치된 일측 단부에만 적용할 수도 있다.

통공부(120)는 중앙에서부터 양 외측으로 갈수록 단면적이 좁아지도록 뾰족해지는 형태를 구성하고 있으며, 이를 위해 통공부(120)를 구성하는 하부 구조는 파이프의 상부면과 경사지게 연장되는 경사면(122)과, 그 경사면(122)의 단부와 연장되고 중공부(110)와 인접되어 열 전달이 주로 이루어지는 전달면(124)으로 구성된다.

또한, 경사면(122)은 중공부(110)의 중심에서 상향 경사진 형태로 연장되게 형성된 구조를 갖는다.

이는, 이러한 통공부(120)의 형상으로 인해 상변화물질이 중공부(110)로부터 전달되는 열에 의해 액체에서 기체화되는 상변화가 이루어지는 과정에서 중앙에서 상대적으로 온도가 낮은 외측의 가로 방향으로 열이 확산되어 신속하게 열 전달이 이루어지도록 하기 위함이다.

히트 파이프(100)는 실내 바닥 난방에 사용될 경우 상부에 마루 또는 온돌이 배치되어 실내 바닥을 난방할 수 있다.

한편, 파이프의 중공부(110) 부위를 통과하는 유체는 온수 또는 공기를 채택할 수 있으며, 바닥 난방을 위한 것이므로 온수일 경우 상온에서 90℃의 온도 범위를 갖는 것이 바람직하며, 공기일 경우 공지의 상온~150℃의 온도 범위를 갖는 것이 바람직하다.

이는 온수일 경우 90℃를 초과할 경우 승온을 위한 불 필요한 열에너지가 과다하게 소모될 우려가 있으며, 공기의 경우 150℃를 초과할 경우 실제 사용되는 바닥 난방시 초기에만 신속한 난방을 위해 고온이 필요하고 실제 난방중일 경우에는 상온에서 90℃의 온도 범위로도 충분히 만족할 수 있다.

이러한 제조과정을 거쳐 제조된 히트 파이프(100)는, 유체가 통과되는 중공부(110)를 가지며, 중공부(110)를 통과하는 유체로부터 열을 전달받아 상변화가 이루어지는 상변화물질이 진공 상태로 충전된 통공부(120)가 형성되고, 통공부(120) 내부를 밀폐시키도록 상기 통공부(120)의 양측 단부 또는 주입관(300)이 배치된 일측 단부에 내측 격벽(132)과 외측 격벽(134)으로 구성된 이중 구조의 격벽이 배치된 구조를 갖는다.

이중 구조의 내측 격벽(132)과 외측 격벽(134) 사이에 가열수단을 매개로 가열시 용융되는 기밀재(200)가 배치된다.

기밀재(200)를 용융시키는 가열수단은 앞서 설명한 실시 방법에서 알 수 있듯이 고주파 열 처리기 또는 전열 히터 등이 구비될 수 있다.

이러한 방법을 통해 제조된 히트 파이프(100)는, 중공부(110)의 내부를 통과하는 열전달매체인 유체가 보일러 등을 통해 순환되면서 이동됨에 따라 유체의 열이 상측으로 전달되어 통공부(120)측을 통해 파이프의 상부로 열을 전달하게 된다.

본 발명의 히트 파이프(100)는 양단부가 밀봉된 통공부(120)내에 충전된 상변화물질인 유체가 가열됨에 따라 상대적으로 온도가 낮아 압력이 낮은 응축부분으로 이동하면서 열을 교환하게 되므로, 열 전도가 신속하게 이루어지게 되어 길이방향으로의 열 전도성이 향상된다.

또한, 통공부(120)의 가로 방향으로 하부가 상향 경사지도록 뾰족하게 형성되어 있으므로, 가열된 상승 기류가 외측 방향으로 신속하게 열 전달이 이루어지게 되어 가로방향의 열 전도성이 향상된다.

도 6은 본 발명의 다른 실시 예를 나타낸 것으로서, 그 구조는 상변화물질이 충전되는 통공부(120)의 내주면에 다수개의 그루브(120a)가 길이방향으로 형성된 것이다.

그루브(120a)는 삼각형 형태의 윅 기능을 가지며, 응축된 유체의 귀환 통로가 될 뿐만 아니라, 열이 회수되는 유동 통로가 된다.

또한, 그루브(120a)가 삼각형 형태로 형성되어 유체가 근접된 다른 그루브(120a)측으로 표면 장력에 의해 연속적으로 월류할 수 있으므로, 유체의 전이가 용이하여 열 전달 효율성이 향상된다.

이를 위한 그루브(120a)의 폭과 깊이(높이)는 각각 0.1~0.5mm인 것이 바람직하나, 굳이 이에 한정되지 아니한다.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *
100 : 히트 파이프 110 : 중공부
120 : 통공부 120a : 그루브
122 : 경사면 124 : 전달면
132 : 내측 격벽 134 : 외측 격벽
200 : 기밀재 300 : 주입관
310 : 일방향 개폐밸브

Claims (10)

1. 내부에 서로 구획되도록 배치된 중공부와 통공부를 갖는 파이프를 절단하는 단계와,
   상기 파이프의 절단된 일측 단부에 서로 이격되게 배치되고 내부에 용접편 형태의 기밀재가 배치된 내측과 외측의 이중 격벽을 형성시키는 단계와,
   상기 이중 격벽와 기밀재를 관통하는 관통공을 형성하고, 형성된 관통공을 관통하는 주입관을 배치하는 단계와,
   상기 기밀재측에 열을 가하여 용융시켜 주입관과 격벽 사이의 틈새를 용접으로 밀봉시키는 단계와,
   상기 주입관을 통해 상기 통공부의 내부에 대기압 보다 낮은 기압의 진공상태를 유지하면서 액체 상태의 상변화물질을 충전시키고 상기 주입관을 밀봉시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 히트 파이프의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 통공부 내에 충전되는 상변화물질은 상기 중공부 내부를 통과하는 유체로부터 열을 전달받아 액체상태에서 기체화되는 것을 채용하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 기밀재에 열을 가하는 단계는 상기 이중 격벽의 외측 부위에 고주파를 이용하여 가열하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프의 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 기밀재에 열을 가하는 단계는 상기 이중 격벽의 외측 부위에 전열 히터를 이용하여 가열하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프의 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 주입관을 밀봉시키는 단계는 상기 주입관의 단부에 일방향 개폐밸브를 배치하여 밀봉시키는 것을 특징으로 하는 히트 파이프의 제조방법.
6. 청구항 1 내지 청구항 5중 어느 한 항에 있어서,
   상기 기밀재는 480~515℃의 온도 범위 내에서 용융되는 소재를 채용한 것을 특징으로 하는 히트 파이프의 제조방법.
7. 내부에 유체가 통과되는 중공부가 형성되고,
   상기 중공부와 구획되게 형성되고 상기 중공부를 통과하는 유체로부터 열을 전달받아 상변화가 이루어지는 액상의 상변화물질이 진공 상태로 충전된 통공부가 형성되며,
   상기 통공부 내부를 밀폐시키도록 상기 통공부의 단부에 이중 구조의 격벽이 배치된 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 이중 구조의 격벽 내에 가열시 용융되는 기밀재가 배치된 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 통공부는 중앙에서부터 양 외측으로 갈수록 단면적이 좁아지도록 뾰족해지는 형태로 된 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
10. 청구항 7 내지 청구항 9중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통공부의 내주면에 다수개의 그루브가 길이방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 히트 파이프.

Images