KR20140066662A - 상변화물질을 갖는 열흡수장치 - Google Patents

Abstract

열흡수장치는 열전도율이 양호하고 적어도 하나의 상변화물질을 포함하는 재료로 이루어진 외피에 의해 구획되는 복수의 개별적인 셀(102, 202)을 갖는 구조체(S1)를 포함하며, 상기 셀(102, 202)은 구조체(S1)가 열플럭스(FT)의 방향으로 뻗도록 단면으로부터 어느 하나가 다른 하나 위에 적층되는 형태로 되어 있고, 상기 열플럭스는 2개의 두드러진 주기적인 열적 이벤트로 이루어져 있으며, 상기 구조체(S1)는 2개의 다른 크기의 셀(102, 202)을 포함한다. 셀(102, 202)의 크기는 열플럭스의 열적 이벤트의 주파수에 따라 결정되며 각각의 크기를 갖는 셀(102, 202)의 개수의 분포도는 각각의 이벤트의 진폭에 따라 결정된다.

Description

상변화물질을 갖는 열흡수장치{HEAT-ABSORBING DEVICE WITH PHASE-CHANGE MATERIAL}

본 발명은 상변화물질(phase-change material)을 갖는 열흡수장치에 관한 것으로, 특히 전자기기, 마이크로전자기기 및 전력전자기기의 분야에서 시스템들에 의해 방출되는 열을 흡수하는데 적합한 열흡수장치에 관한 것이다.

전자기기 부품들은 열플럭스(thermal flux)의 다중 방출(multiple emission)의 소스(source)이며, 이 열플럭스는 그 부품들의 작동 상태에 따라 번갈아 일시적 상태 및/또는 정지 상태로 될 수 있다. 작동이 제어되지 않는 어떤 경우에 있어서는, 이러한 열플럭스의 결과는 그 부품들의 명목상 작동온도에 비하여 순간적인 양의 온도차(positive temperature difference)를 야기한다. 또 어떤 경우에 있어서는, 이러한 온도차는 부품의 손상 또는 효율 손실을 야기할 수도 있다.

따라서, 전자기기 부품들의 정확한 작동을 보장하기 위해서는, 계획된 방열이 요구된다.

열플럭스는 그 사용에 따라, 전자기기 시스템의 작동 중에 다른 출현 주파수(different appearance frequency)와 진폭 및 주기의 가변 피크를 갖는다.

전자기기 부품들에 의해 방출되는 열을 지속적으로 배출하는 것을 가능하게 하는 라디에이터형 장치(radiator type device)가 존재하지만, 이 장치는 열플럭스가 무작위로 방출될 때에는 항시 반응할 수 있는 것은 아니다. 또한, 열 교환에 의해 열을 추출하기 위해 그 부품의 일면(one face)과 접촉하여 냉각재(coolant)를 순환시키는 회로도 있다. 이러한 회로는 부피가 크고 유체를 순환시키기 위한 수단을 필요로 하고, 더구나 앞서 설명한 바와 같이, 무작위로 방열되는 열의 양을 항시 흡수할 수 있는 것은 아니다. 즉, 이러한 열플럭스 방출 피크를 흡수할 수 있도록 하기 위해서는 회로의 치수를 크게 할 필요가 있다.

또한, 이러한 시스템은 온도차의 출현 속도보다 큰 속도(또는 주파수)에서는 응답할 수 없다.

광전지 패널(photovoltaic panel)에 의해 방출되는 열을 흡수하기 위해, 파라핀 등의 상변화물질을 실행하는 시스템도 있다. 이러한 시스템은 태양 복사를 받는 측과는 반대 측의 패널의 면(face) 상에 배치되어 있고, 이 면에 수직한 복수의 핀(fin)과 핀 사이의 공간에 배치된 상변화물질을 포함할 수도 있다. 이 패널에 의해 방출되는 열은 상변화물질로 전달되고, 패널의 온도가 그 물질의 상변화 온도보다 클 때에, 광전지 패널에 의해 방출되는 열을 흡수함으로써 그 물질을 용해(melt)하기 시작한다.

그러나, 흡수된 열의 양은 패널과 접촉하고 있는 상변화물질의 양에 의해 제한된다.

또한, 상변화물질은 열전도율이 낮기 때문에, 두께가 큰 상변화물질을 갖는 시스템을 형성한다는 것은 예상할 수 없다.

또한, 두께가 큰 물질은 온도차 출현 속도에 적합한 응답 속도를 제공하지 못한다. 더구나, 시스템이 일단 이러한 열을 다시 흡수할 수 있게 하기 위해서는, 상변화물질에 의해 축적된 열을 배출할 필요가 있다. 아직까지는, 이러한 물질의 두께가 큰 경우에서는, 이와 같은 배출은 용이하지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 동시에 또는 시간을 두고 행할 수 있는 다수의 일시적인 작동조건을 취하는 열원에 의해 방출되는 열플럭스를 흡수할 수 있는 최적화된 열흡수장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적은 상변화물질을 함유하는 복수의 적층된 셀(stacked cell)을 포함하는 장치에 의해 달성되고, 이 구조는 여러 가지 크기의 셀을 포함하고, 이 셀의 크기는 그 출현 주파수에 따라 피크를 가능한 최대로 흡수하기 위해 결정되며, 셀의 수는 피크의 상대적인 진폭에 따라 결정된다.

본 발명에 따르면, 복수의 셀이 실행되고, 그 크기는 상변화의 키네틱스(kinetics)를 조절하기 위한 파라미터이다. 실제로, 보다 큰 셀에 함유되는 상변화물질은 보다 작은 셀에 함유되는 상변화물질보다 긴 시간에 걸쳐서 완전히 용해된다. 따라서, 짧은 수명을 갖는 피크(상당히 관련된 일시적인 상황 주파수(regime frequency))에 대하여, 작은 크기의 셀은 열을 효율적으로 흡수한다.

즉, 이 시스템은 흡수할 열플럭스의 주파수 특성(frequential characteristics)에 따라 형성된다. 이 시스템은 열 전도체(heat conductor)와 상변화물질로 이루어지는 복수의 셀을 포함하고, 각각의 구역은 특히, 소정 주파수의 열 피크(heat peak)를 흡수하도록 이루어져 있다. 열플럭스의 다른 출현 주파수에 가능한 한 좋게 응답하기 위해 각각의 크기가 선택된다.

특히 유리한 방식으로는, 이러한 구조는 구조 내에 열을 균일한 방식으로 분포하여 셀 모두에 의해 그 흡수를 가능하게 하기 위해 열플럭스의 방향으로 뻗는 바람직한 열전도 통로(heat conduction path)를 포함한다. 이와 같이, 상변화물질의 열전도율이 낮음에도 불구하고, 열을 추출하기 위해 일정 두께에 걸쳐 다량의 상변화물질을 포함하는 것이 가능하다.

셀들은 3차원 구조를 이룬다.

바람직하게는, 셀들은 상호 연결되어 있고 그 충전율(filling rate)은 상변화물질 용해시에 상변화물질의 팽창(expand)을 가능하게 하는 단위체(unity)보다 작다.

매우 유리한 방식으로는, 각각의 셀에 의해 흡수된 열을 추출하기 위해 셀들 사이에는 냉각재를 순환시키기 위한 채널(channel)이 형성된다.

본 발명의 요지는 복수의 개별적인 셀을 갖는 구조체를 포함하는 열흡수장치로서, 각각의 셀은 열전도율이 좋은 재료로 형성된 외피(envelope)에 의해 구획되고 적어도 하나의 상변화물질(PCM)을 함유하고, 상기 구조체는 흡수할 열플럭스를 방출하는 표면과 접촉되게 하는 제1 단면(端面)을 포함하고, 상기 열플럭스는 다른 진폭과 다른 주파수를 갖는 적어도 2개의 열적 이벤트(thermal event)로 이루어져 있고, 상기 셀은 상기 구조체가 적어도 열플럭스의 방향으로 뻗도록 상기 단면으로부터 어느 하나가 다른 하나의 위에 적층되는 형태로 되어 있고, 상기 셀은 그 외피에 의해 서로 접촉하여 있고, 상기 구조체는 적어도 하나의 제1 크기의 셀과 하나의 제2 크기의 셀을 포함하고, 각 셀 내의 상변화물질의 양은 그 크기에 비례하고, 제1 크기의 셀은 제1 이벤트의 주파수에 따라 결정되고 제2 크기의 셀은 제2 이벤트의 주파수에 따라 결정되고 제1 크기의 셀의 수와 제2 크기의 셀의 수는 제1 및 제2 이벤트의 진폭에 따라 결정되고, 제1 크기의 셀과 제2 크기의 셀은 제1 이벤트의 주파수 및 제2 이벤트의 주파수가 각각 감소될 때에 증가되며, 제2 크기의 셀의 수는 제1 이벤트의 진폭과 제2 이벤트의 진폭이 각각 증가될 때에 증가되는 열흡수장치에 있다.

바람직하게는, 제2 이벤트의 주파수는 제1 이벤트의 주파수보다 작고, 제2 크기의 셀은 제1 크기의 셀보다 크고, 제1 크기의 셀은 제1 단면의 측면에 위치되어 있다.

유리하게는, 셀들의 크기는 제1 단면으로부터 열플럭스의 방향으로 증가된다.

특히, 셀들은 하나의 셀로부터 다음의 셀로의 상변화를 갖는 물질의 통과를 가능하게 하기 위해 상호 연결되어 있다. 다음으로, 셀들은 열플럭스의 방향으로 상호 연결되어 있다.

특히 유리한 실시예에 있어서는, 제1 단면으로부터 셀들 사이의 열플럭스의 방향으로 뻗는 적어도 하나의 바람직한 열전도 통로를 포함한다. 열흡수장치는 구조체에 규칙적으로 분배된 수개의 바람직한 전도 통로(conduction path)를 포함하여도 좋다.

예를 들면, 적어도 하나의 바람직한 전도 통로는 셀들 사이에 위치되고 열플럭스의 방향으로 뻗어 있는 열전도물질(heat conducting material)의 일부에 의해 형성된다. 열전도물질의 일부는 셀의 벽의 소재와 같은 소재, 예를 들면 구리 또는 마레이징강(maraging steel)으로 형성되는 것이 바람직하다. 열전도물질의 일부와 이 일부와 접촉하여 있는 셀의 외피는 모두 일체형으로 되어 있어도 좋다.

열흡수장치는 상변화물질에 저장된 잠열(latent heat)을 추출하기 위한 수단을 포함하여도 좋다. 잠열을 추출하기 위한 수단은 셀들 사이에 위치되어 냉각재를 순환시키는 적어도 하나의 채널을 포함한다. 유리하게는, 냉각재의 순환은 열적 이벤트의 발생에 따라 제어된다.

열흡수장치는 바람직하게는, 적층체(stacking)의 옆모서리(lateral edge)를 열적으로 절연시키기 위한 수단을 포함한다.

예를 들면, 수행되는 적어도 하나의 상변화물질은 50℃∼350℃ 범위를 포함하는 상변화 온도를 갖는다.

특정의 실시예에 있어서는, 열흡수장치는 평행육면체 형상의 3가지 크기의 셀을 포함하고, 각 크기의 셀은 하나의 층에 배열되어 있고, 이 셀들은 각각의 층 사이에 상호 연결되어 있다.

또한, 본 발명의 요지는 열원에 의해 방출되는 기간의 열플럭스를 흡수하기 위해 사용되는 본 발명에 따른 열흡수장치를 형성하는 방법으로서,

- 예를 들면 사인파 모양으로 변하고 각각 주파수를 갖는 개별적인 열원에 상응하는 주기 함수들의 차수 n의 제한된 전개의 기간의 열플럭스를 나타내는 함수로부터 산출하는 단계,

- 예를 들면 사인파 모양으로 변하고, 진폭의 합이 열플럭스의 최대 진폭의 소정 퍼센트보다 큰 주기 함수들을 선택하는 단계,

- 선택한 함수들의 주파수 함수로서 셀들의 크기를 결정하고, 여기서 이 셀들의 크기는 선택한 함수의 주파수가 감소할 때에 증가하는 단계,

- 선택한 함수들의 진폭 함수로서 각 크기의 셀들의 수의 배분을 결정하고, 여기서 각 크기의 셀들의 수는 선택한 함수의 진폭이 증가할 때에 증가하는 단계,

- 그 크기 및 수가 상기한 2개의 단계 중에 결정한 크기 및 수에 상응하는 셀들을 구비한 장치를 형성하는 단계를 포함하는 열흡수장치 형성 방법에 있다.

본 발명은 이하의 설명과 첨부한 도면에 의해 더 명백하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 열흡수장치의 일 실시예의 개략 단면도.
도 2는 열흡수장치의 다른 실시예의 도면.
도 3은 열흡수장치의 또 다른 실시예의 도면.
도 4는 도 3의 구조에서의 실용적인 실시예의 사시도.
도 5는 다른 상변화물질과 다른 외피 물질에 대한 열침투의 깊이의 변화를 열플럭스의 주파수에 따라 나타내는 그래프.
도 6a는 열플럭스의 일 실시예를 나타내는 함수 그래프.
도 6b는 도 6a의 함수 중 11개 사인 함수(sinusoidal function)에서의 제한된 전개를 나타내는 그래프.
도 6c는 도 6b의 사인 함수의 진폭을 나타내는 그래프.
도 7a는 열플럭스의 일 실시예를 나타내는 다른 함수 그래프.
도 7b는 도 7a의 함수 중 11개 사인 함수에서의 제한된 전개를 나타내는 그래프.
도 7c는 도 7b의 사인 함수의 진폭을 나타내는 그래프.
도 8a 및 도 8b는 도 4의 구조가 특별히 적합되는 열플럭스를 나타내는 신호를 다른 시간 척도(time scale)에서 나타내는 그래프.

도 1에는, 본 발명에 따른 열흡수구조체(S1)을 형성하는 일 실시예를 볼 수 있다.

이 구조체(S1)은 시스템(5)의 표면(4)과 접촉하여 열을 추출하는데 바람직하게 사용되는 단면(端面)(1)을 포함한다. 예를 들면, 이 시스템은 전자부품이다.

본 발명에 있어서, 상변화물질을 이하에서는 PCM으로 표기한다. 이 상변화물질은 열적 상변화물질(thermal phase-change material), 즉 소정 온도에서 물리적 상태를 변화시킬 수 있는 열적 상변화물질을 의미하는 것으로 받아들여진다. 예를 들면, PCM은 용해하여 그 온도가 증가하면서 그 물질의 용해 또는 증발 온도에 도달하는 경우에는 고체 상태에서 액체 상태로 또는 액체 상태에서 기체 상태로 통과하며, 그 온도가 감소하면서 그 물질의 응고 또는 응축 온도에 도달하는 경우에는 응고 또는 액화된다.

바람직하게는, 수행되는 PCM의 상변화 온도는 50℃∼350℃ 범위에 있고, 이 온도는, 마이크로전자기기, 전자기기 및 전력전자기기의 분야에 흡수구조체의 적용을 가능하게 한다.

이 온도 구간에 상당하는 상변화물질로는, 유기물, 예를 들면 상업적으로 입수 가능한 파라핀, 질산마그네슘(magnesium nitrate hexahydrate) 등의 염수화물, 수산화나트륨 일수화물(sodium hydroxide monohydrate), MgCl₂*H₂Ｏ, LiNＯ₃, KNＯ₃, MaMＯ₃-KNＯ₃ 등의 염을 들 수 있다.

구조체(S1)는 서로 접촉하여 있는 복수의 셀(2)을 포함한다. 각각의 셀(2)은 외피(6) 및 이 외피(6) 내에 배치된 PCM(개략적으로 표기)을 포함한다. 외피(6)는 열전도물질로 형성되고, 바람직하게는 뛰어난 열전도율을 제공하는 구리 및 마레이징강(maraging steel) 등의 금속물질로 형성된다. 뛰어난 열전도율이란, 본 발명에서는 열전도율이 1W/K/m 초과, 바람직하게는 50W/K/m 초과, 더 바람직하게는 100W/K/m 초과한다는 것을 의미하는 것으로 받아들여진다.

제시한 실시예에 있어서는, 각각의 셀(2)은 그 구조가 허니컴 타입(honeycomb type)을 갖도록 육면체의 형상을 갖는다. 이러한 형상은 결코 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 원형 또는 임의의 단면(section)을 갖는 원통형 셀, 평행육면체 셀 또는 임의의 다른 다면체 형상을 예상할 수도 있다.

외피는 밀봉 방식으로 밀폐되어도 좋고, 이 경우에는 셀의 내부 체적이 상변화 중에 PCM의 체적 변화에 대응하는데 충분하다는 것이 기대된다.

외피는 도 1에서 점선으로 개략적으로 나타내는 바와 같이 개방되어 있는 것이 유리하다. 셀은 상호 연결되어 있고, 다음으로 PCM은 하나의 셀로부터 인접 셀로 통과하여도 좋고, 이에 의해 체적 변화의 적응성(accommodation)이 보장된다. 개방 셀을 갖는다는 사실은 외피에 PCM을 충전하기 위해서도 유리한 면이 있다. 셀이 전부는 아니지만 그룹으로 상호 연결되어 있는 구조는 본 발명의 범위를 벗어나는 것은 아니다.

바람직하게는, 셀들은 열플럭스의 방향으로 상호 연결되어 있다.

바람직하게는, 구조체는 전부 일체로 형성되어 있고, 2개의 인접한 셀의 측벽(lateral wall)은 공통으로 하고 있다. 또한, 구조체는 예를 들면 추가한 플레이트들에 의해 형성된 셀들을 도 1에서처럼 밀폐시키기 위해 전벽(front wall)과 후벽(rear wall)(도시하지 않음)을 포함한다. 다음으로, 구조체(S1)는 밀봉된 조립체(sealed assembly)를 형성하도록 되어 있다.

구조체(S1)에 있어서, 셀(2)은 시스템의 표면(4)을 따른 X축과 X축과 직교 하는 Y축을 따라 실질적으로 뻗는 2차원 구조를 이룬다.

다음으로, 셀들은 하나 위에 다른 하나를 적층하는 라인(line) 형태로 실질적으로 배치되어 있다. 3차원 구조에 있어서는, 셀들은 실질적으로 층들에 분배되어 있다.

표면(4)은 열플럭스를 화살표로 표시한 것처럼 Y축의 방향으로 방출시키며, 구조체(S1)는 이러한 열플럭스를 흡수하는데 사용된다.

바람직하게는, 구조체(S1)는 Y축을 따라 열플럭스를 안내하도록 하기 위해 측면 열절연수단(laterl thermal insulation means)(7)을 포함한다. 열절연 수단(5)은 예를 들면, 구조체의 외부 측면(lateral face)들 위에 추가된 열절연물질 또는 빈 구역(empty zone)에 의해 형성된다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 구조체(S2)는 2개의 다른 크기를 갖는 셀을 포함하며, 셀(102)은 제1 크기를 갖고 셀(202)은 제2 크기를 갖는다, 제1 크기는 제2 크기보다 크다.

"크기"는 셀의 체적을 의미하는 것으로 받아들여진다. 또한, 셀 내에 포함된 PCM의 양은 그 크기에 비례한다. 그래서, 크기가 큰 셀은 크기가 작은 셀보다 더 많은 PCM을 포함한다. 따라서, 이하의 설명에서는, "셀의 크기"와 "PCM의 양" 또는 "PCM의 체적"이라는 표현을 일관되게 사용할 것이다.

바람직하게는, 액체 상태(고체에서 액체로 상변화된 경우에서의 확장된 상태(dilated state))에서의 PCM의 체적은 시스템의 충전(filling)을 최적화하기 위해 셀의 체적에 가능한 한 근접한다. 바람직하게는, 고체 상태의 PCM은 전형적으로는 5%∼20% 범위에 있는 고체-액체 팽창율을 고려하여, 셀의 80%∼95%를 충전한다.

제시한 실시예와 바람직한 방식에 있어서, 작은 크기의 셀(202)은 열방출면(4) 측상에 위치되어 있고 큰 크기의 셀(102)은 셀(202) 위에 적층된 상기 열방출면으로부터 가능한 한 멀리 위치되어 있다.

이러한 구성은, 각 셀 내에 소량으로 포함되는 PCM이 더 급속하게 용해되기 때문에 한편으로는 작은 크기의 셀이 고주파수의 피크를 흡수하는데 적합되므로 유리한 면이 있다. 또한, 이 피크는 짧은 지속기간을 가지므로 고주파수의 피크에 의해 방출되는 열은 구조체에 덜 통과된다. 따라서, 작은 셀이 열방출면(4)에 가능한 한 근접하여 위치되는 것이 바람직하다.

이하, 구조체(S1)의 작동에 대하여 설명한다.

열방출면(4)은 구조체(S1)가 흡수할 열플럭스를 방출한다. 열은 방출면(4)과 직접적으로 접촉하여 셀(2)의 외피(6)로 순환하기 시작하고 또한 뛰어난 또는 심지어 매우 뛰어난 열전도율을 갖는 구조체 전체를 통하여, 그리고 PCM을 거쳐 확산되기 시작한다. 온도의 상승으로 인하여, 셀 내에 포함된 PCM은 상변화를 일으켜서 고체 상태에서 액체 상태로, 또는 액체 상태에서 기체 상태로 통과된다. 이러한 상변화는 셀 각각에 잠열의 형태로 저장되는 열에너지를 흡수한다.

다음으로, 흡수된 열은 증발된다. 즉 구조체는 장치가 새로운 열플럭스를 다시 한번 흡수할 수 있게 하기 위해 구조체를 냉각시킨다. 이러한 냉각에 의해, PCM은 다시 한번 상변화를 일으켜서 액체 상태에서 고체 상태로 또는 기체 상태에서 액체 상태로 통과된다. 예를 들면, 이러한 냉각은 구조체 내에 또는 그 주위에서 액체 또는 기체 냉각재를 순환시킴으로써 얻어진다.

또한, 고주파수의 피크에 의해 방출된, 즉 짧은 지속기간 중에 방출된 열은 작은 셀에 의해 흡수되어, 그 내부에 작은 체적으로 포함되는 PCM이 급속히 용해된다. 잠열 형태로의 열의 저장은 급속히 일어난다. 그래서, 이 열은 급속히 흡수된다.

피크가 저주파수를 가질 때에는, 즉 피크가 긴 기간에 걸쳐 열을 방출할 때에는, 소정 량의 PCM을 포함하는 큰 크기의 셀이 덜 급속히 용해되고 이 열을 잠열 형태로 저장한다.

구조체는 플럭스 및 열방출 이벤트의 다른 주파수들에 따라 2가지 이상의 크기를 갖는 셀을 포함한다.

도 2에서는, 열흡수구조체(S2)의 또 다른 실시예를 볼 수 있다.

구조체(S2)는 구조체(S1)와 마찬가지로 크기가 다른 셀을 포함한다.

또한, 구조체(S2)는 특히 유리하게는, 구조체(S2) 내에 흡수되는 열의 분포를 더 개선하기 위해 적어도 1개의 바람직한 열전도 통로(8)를 포함한다.

바람직한 열전도 통로(8)는 이를 통해 열플럭스(FT)가 우선적으로 순환되며 실질적으로 플럭스(FT)의 방향으로 배향되어 있다. 이 통로(8)는 열전도물질로 형성된 구역에 의해 형성되며, 그 두께는 이 구역을 통한 열플럭스의 통과를 촉진하기 위해 외피의 두께보다 크다. 바람직하게는, 통로(8)는 균일한 열전도율을 보장하기 위해 외피를 형성하는 물질과 같은 물질로 되어 있다. 외피의 열전도율과 근접한 열전도율을 갖는 다른 물질을 선택할 수도 있다.

통로(8)는 외피에 의해 직접 형성되어도 좋고, 여기서 통로는 보다 두꺼운 두께의 일부를 포함한다. 또는, 통로(8)는 외피들 사이에 삽입된 구성부재(element)들에 의해 형성되어도 좋고, 이 때의 통로의 형상은 외피와의 긴밀한 접촉을 보장하도록 선택된다.

이하, 구조체(S1)의 작동에 대하여 설명한다. 여기서 상기할 점은, PCM이 낮은 열전도율, 즉 외피의 물질보다 훨씬 작은 열전도율을 제공한다는 것이다.

열방출면(4)은 구조체(S2)가 흡수할 열플럭스를 방출한다. 열에너지는 열방출면(4)과 직접 접촉하여 셀(2)의 외피 내에서 순환된다. 더구나, 열은 우선적으로 통로(8)를 따라간다. 다음으로, 이 열은 화살표로 표시한 바와 같이 셀 내에 횡방향으로 분포된다. 다음으로, 흡수할 에너지는 셀에 가능한 한 근접하게 실질적으로 균일한 방식으로 공급된다. 따라서, 셀 모두는 균일한 방식으로 열에너지를 흡수하는데 관여한다.

온도의 상승으로 인하여, 셀 내에 포함된 PCM은 상변화를 일으켜서, 고체 상태에서 액체 상태로, 또는 액체 상태에서 기체 상태로 통과된다. 이러한 상변화는 셀 각각에 잠열 형태로 저장되는 열에너지를 흡수한다.

다음으로, 흡수한 열을 방출한다. 즉, 구조체는, PCM이 다시 한번 상변화를 일으켜서 액체 상태에서 고체 상태로, 또는 기체 상태에서 액체 상태로 통과되도록 냉각된다. 예를 들면, 이러한 냉각은 구조체 주위에 액체 또는 기체의 냉각재를 순환시킴으로써 얻어진다.

이와 같이, 다수의 적층된 셀이 사용되어도 좋고 이에 따라 PCM의 낮은 열전도율이 불리하는 일이 없이, 또한 구조체(S2) 내에 가파른 열경사도(thermal gradient)의 출현을 일으킴이 없이 열저장량을 증대시킨다.

예를 들면, 셀의 크기는 1㎛∼1cm 범위로 되어 있다. 외피의 두께는 셀 크기의 1%∼20%이다. 통로의 두께는 셀 크기의 20%∼100%이다. 바람직한 열전도 통로는 셀 크기의 100%이며, 셀의 라인 위치는 전도 통로를 형성하는 데 사용된다.

열통로(8)는 흡수할 열의 양에 따라 구조체에 분배되어 있다. 바람직하게는, 열통로(8)는 구조체 내에 열을 가능한 한 균일한 분배를 보장하기 위해 규칙적인 방식으로 분배되어 있다.

도 3에서는, PCM에 의해 흡수된 열을 추출하기 위한 수단을 통합한 열흡수구조체(S3)의 또 다른 실시예를 볼 수 있다. 이 구조체는 도 1의 구조체와 유사하며, 냉각재를 순환시키기 위한 채널(channel)(9)들을 더 포함한다.

제시한 실시예에서는, 채널(9)은 X축에 실질적으로 평행한 셀들 사이로 뻗어 있다. 그러나, 이 실시예에 결코 한정되는 것은 아니다. 변형예로서, 채널(9)은 X축과 Y축에 직교하여 배향될 수 있다.

제시한 실시예에서는, 채널(9)은 셀들 사이의 틈새에 의해 형성된다. 변형예로서, 이 채널(9)은 셀들을 제거함으로써 형성될 수 있다.

채널(9) 내에서의 냉각재의 순환은 연속 방식으로, 또는 재고조정 요구(destocking need)에 이은 열 피크(heat peak)의 검출에 따라 발생할 수 있다.

채널(9) 내에서의 순환 후의 냉각재는 예를 들면 외부환경에 따라 그 열을 교환한다.

도 4에서는, 구조체(S3)와 유사한 열교환구조체(S3')의 실용적인 실시예의 단면 쿼터뷰(quarter view)를 볼 수 있다.

예를 들면, 도 4의 구조체(S3')는 레이저 핵융합(laser fusion)에 의해 형성된다.

이 구조체는 3가지의 다른 크기를 갖는 상호 연결된 셀(102, 202, 302)이 형성되어 있는 케이싱(12)을 포함하고 있다. 이 셀은 직사각형 평행육면체의 형상을 갖고, 그 길이는 실질적으로 평행하다. 볼 수 있는 바와 같이, 셀(102, 202, 302)은 그 크기에 따라 층으로써 분배되어 있다. 단면(1)이 도 4에 도시한 바닥에 위치된다는 것을 고려함으로써, 작은 크기의 셀(302)은 단면(1) 측상에 위치되고, 다음으로 중간 크기의 셀(202)은 가장 작은 크기의 셀 위에 위치되며, 마지막으로 큰 크기의 셀(102)은 중간 크기의 셀(202) 위에 위치되어 있다.

나타내는 바와 같이, 이 구조체는, 열플럭스(FT)가 작은 크기의 셀(302) 측상에 우선적으로 적용되도록 배향되어 있다.

냉각재를 순환시키기 위한 채널은 셀의 블록(B1, B2, B3) 사이로 뻗어 있고 후방 커넥터(110)에 의해 평행하게 공급된다. 또한, 채널(9)의 벽은 구조체(S') 내에 바람직한 열전도 통로(8)를 형성하며, 이 통로는 셀(102, 202, 302)의 벽에 의해 연장되어 있다.

횡방향으로는, 구조체(S3')는 구조체의 전체 높이에 걸쳐 뻗어 있는 공동(hollowing)(7')에 의해 열적으로 절연된다.

셀 내에의 PCM의 충전은 예를 들면 큰 크기의 셀(102)에 의해 실시되어, PCM이 중간 크기의 셀(202)과 작은 크기의 셀(203)로 쏟아진다. 다음으로, 셀을 밀봉 방식으로 밀폐하기 위해 케이상 위에 덮개(도시하지 않음)가 고정된다.

예를 들면, 가장 작은 셀(302)은 0.4mm 길이의 측단면(side section)을 갖고 중간 크기의 셀(202)은 1.5mm 길이의 측단면을 가지며, 큰 크기의 셀(102)은 5mm 길이의 측단면을 갖는다. PCM의 체적은 가장 작은 셀(302)의 경우에는 1.08mm³∼0.096mm³이고, 중간 크기의 셀(202)의 경우에는 4.24mm³∼5mm³이며, 큰 크기의 셀(102)의 경우에는 157mm³∼186mm³이다.

셀 모두가 원통형인 경우에는, 채널 모두는 셀들 사이의 자유 공간에 의해 직접적으로 경계 지워진다.

이하, 유일한 수치적 실시예에 있어서, 셀과 수개의 PCM을 위한 바람직한 전도 통로 및 열전도물질의 치수(dimension)에 대하여 계산한다.

구조체의 외부로부터 PCM으로의 열 전달은 2가지의 경로(route), 즉 셀의 외피와 PCM 사이에서의 셀의 스케일에서의 제1 경로와, 바람직한 전도 통로의 구조체의 스케일에서의 제2 경로를 따라 실시된다.

셀의 스케일에 있어서, 열 전달의 키네틱스(kinetics)는 셀 외피에 대한 온도 조건과 PCM의 물성에 의존한다.

s(t)로 표기한 상변화 전방(phase change front)의 위치는 다음 식으로 모형화될 수 있다.

여기서,

- s(t)는 시간 t에서 상변화 전방의 위치이고,

- λ는 PCM의 열전도율(W/k·m)이고,

- △T는 변형된 PCM 물질과 외피 사이의 온도차이며.

- L은 PCM의 상변화의 잠열(J/m³)이다.

이와 같이, 상변화가 완료되는 소정의 PCM 물질, 시간(또는 주파수) 및 공간(셀의 체적) 영역에 대하여 정의를 하는 것이 가능하고, 결과적으로 열 저장이 최적화된다.

염과 염화합물 타입의 4가지 다른 PCM에 대하여 계산을 실행하였고, 그 물성을 이하의 표 1에 함께 분류하여 나타내고 있다.

두번째 칸은 고체/액체 상변화 온도를 나타낸 것이다.

도 5에서는, 열플럭스의 주파수(Hz)에 따라 PCM에 대한 열침투의 깊이(mm)의 변화를 볼 수 있다. 계산을 위해, △T는 10℃가 되도록 선택하였다.

아래의 표 2에는, 다른 PCM에 대한 상변화 전방의 위치의 값을 함께 분류하여 나타내고 있다.

100초(0.01Hz)간의 열응력에 대하여, 셀 치수가 2.8mm 정도인 경우, NaNＯ₃-KNＯ₃ 타입의 PCM의 저장(storage)이 최적화될 것이다.

문제가 되는 치수는 X축을 따른 치수이다. 왜냐하면 도 1 및 도 2에 개략적으로 나타낸 바와 같이 열이 X축을 따라 분포되기 때문이다. 도 4에서처럼, 사각형 단면(square section)을 갖는 셀의 경우에는, 그 치수는 사각형 측면의 치수이다.

10초(0.1Hz)간의 열응력에 대하여, 셀 치수가 0.9mm 정도인 경우, NaNＯ₃-KNＯ₃ 타입의 PCM의 저장이 최적화될 것이다.

따라서, 본 발명에 따르면, 다른 셀들의 크기는 열원 작동의 다수의 일시적인 조건에 따라 결정될 수 있으며, 그 일시적인 조건은 동시에 또는 시간을 두고 정할 수 있다.

이하, 바람직한 조건 경로의 최적 길이의 계산에 대하여 설명한다. 구조물의 스케일(scale)에 있어서, 열을 전달하는 열 통로(thermal path)는 바람직한 전도 통로의 재료로 된 열 전도용 통로이며, 이 재료는 바람직하게는 셀 외피의 재료이다. 다음으로, 열 전달의 키네틱스는 열의 입사 흐름(incident flow), 아키텍처(architecture) 및 전도 물질의 물성에 의존한다. 통계적으로, 열 침투의 평균 깊이는 다음과 같이 정의될 수 있다.

여기서, D : 물질의 열확산율(m²/s)

ω : 열 신호의 주파수

바람직한 전도 통로를 형성하기 위해, 이하에 구리와 마레이징강의 예를 제시하고, 그 물성을 표 3에 함께 분류하여 나타내고 있다.

도 5에서는, 주파수에 따라 외피 재료의 열 침투를 볼 수 있다.

이하의 표 4에는, 마레이징강과 구리에 대한 열 침투 전방(thermal penetration front)의 위치의 값을 함께 분류하여 나타내고 있다.

100초(0.01Hz)간의 열 응력에 대하여, 마레이징강과 구리에서의 열 침투의 깊이는 각각 9.9mm와 48.5mm 정도를 갖는다.

10초(0.1Hz)간의 열 응력에 대하여, 마레이징강과 구리에서의 열 침투의 깊이는 각각 31.3mm와 153.5mm 정도를 갖는다.

따라서, 최대의 저장 효율을 얻기 위해서는, 바람직한 열 전도 통로의 길이와, 그에 따른 저장 장치의 실질적인 높이는 상기한 값 이하로 선택된다.

바람직하게는, 바람직한 열전도 통로는 외피의 두께와 셀의 폭 사이에 구성된다.

이하, 소정의 열플럭스의 신호에 따라 셀의 다른 크기와 열흡수구조체의 그 퍼센트(percentage)를 결정하는 방법에 대하여 설명한다.

이제, 도 6a에 나타낸 바와 같이 기간 T의 제곱함수(square function)에서의 열원을 고려한다.

제1 단계를 행하는 도중에, 이는 사인함수들의 차수 n의 제한된 전개에 의해 나타내지며, 그 사인함수 각각은 주파수 n/T를 갖는 개개의 열원에 해당한다. 도 6b는 이 함수의 차수 11의 제한된 전개를 제안한 것이다. 최대의 진폭이 I에서 Ⅵ까지 표시된 사인함수들을 볼 수 있고, 그 각각은 열원의 주기적인 열적 이벤트를 나타내고 있다.

도 6c에서는, 이러한 신호 각각의 열진폭(thermal amplitude)을 볼 수 있다.

그 다음의 단계를 행하는 도중에, 가장 높은 진폭을 갖는 신호들을 선택한다. 예를 들면, 주파수 f1, f3 및 f5를 갖는 신호들을 선택하고, 나머지 신호들은 매우 낮은 진폭을 갖는다.

유리하게는, 진폭의 합이 열플럭스의 최대 진폭의 60%∼98%를 나타내는 신호들을 선택한다.

주파수 f1, f3 및 f5를 알고나면, 식(i)에서 이미 설명한 바와 같이, 그리고 신호들의 진폭과 전체 진폭 사이의 비율에 따라 셀들의 크기를 결정하는 것이 가능하여, 각 크기의 셀들의 분율이 결정된다.

다음으로, 3가지 다른 크기의 셀들을 갖는 구조체를 얻는다. 표 5에는, 셀들의 치수와 그 분포를 함께 분류하여 나타내고 있다. PCM으로서 NaNＯ₃-KNＯ₃를 고려함으로써 셀들의 크기를 고려하였다.

도 7a 내지 도 7c에서는, 열원을 나타내는 제곱함수의 전개에 대한 다른 예를 볼 수 있는데, 최대의 진폭을 갖는 사인함수들은 I'에서 Ⅵ'까지 표시되어 있다. 이 경우에, Ⅵ'로 표시된 11번째 차수의 신호의 진폭은 33이다. 다음으로, 4가지 크기의 셀들을 갖는 구조체를 형성하여도 좋고 또는 Ⅴ'로 표시된 5번째 차수의 신호는 더 이상 고려하지 않는다.

도 8a와 도 8b에서는, 도 4의 구조체가 특히 적합되는 열플럭스를 나타내는 신호들을 볼 수 있고, 시간 스케일만이 2개의 그래픽 표현 사이에서 변화한다.

도 4에는, 3가지 크기의 셀들은 동일한 체적분율, 즉 33%를 갖는다.

이하의 표 6에는, 주파수에 따라 셀의 크기를 함께 분류하여 나타내고 있다.

셀들의 수와 크기를 결정한 후에는, 본 발명에 따른 열흡수장치를 제조하는 것이 가능하다.

구조체에는 예를 들면 열원에 대하여 셀의 크기 및/또는 위치에 따라 다른 PCM을 갖는 것이 예상될 수도 있다.

이와 같이, 본 발명은 다수의 작동조건을 갖는 시스템, 특히 열플럭스가 부품들의 작동에 따르는 전자기기, 마이크로전자기기 및 전력전자기기의 분야의 시스템에 특히 적합된 열흡수장치를 제공한다. 또한, 본 발명에 따른 열흡수장치는 각 시스템의 열플럭스의 프로파일(profile)에 따라 구체적으로 형성될 수도 있다.

Claims (19)

1. 복수의 개별적인 셀(2, 102, 202, 302)을 갖는 구조체(S1, S2, S3, S3')를 포함하는 열흡수장치로서, 각각의 셀(2, 102, 202, 302)은 열전도율이 좋은 재료로 형성된 외피(envelope)에 의해 구획되고 적어도 하나의 상변화물질(PCM)을 함유하고, 상기 구조체는 흡수할 열플럭스(thermal flux)(FT)를 방출하는 표면과 접촉되게 하는 제1 단면(端面)(1)을 포함하고, 상기 열플럭스(FT)은 다른 진폭과 다른 주파수를 갖는 적어도 2개의 열적 이벤트(thermal event)로 이루어져 있고, 상기 셀(2, 102, 202, 302)은 상기 구조체(S1, S2, S3, S3')가 적어도 열플럭스(FT)의 방향으로 뻗도록 상기 단면으로부터 어느 하나가 다른 하나의 위에 적층되어 있고, 상기 셀(2, 102, 202, 302)은 그 외피에 의해 서로 접촉하여 있고, 상기 구조체(S1, S2, S3, S3')는 적어도 하나의 제1 크기의 셀과 하나의 제2 크기의 셀을 포함하고, 각 셀(102, 202, 302) 내의 상변화물질의 양은 그 크기에 비례하고, 제1 크기의 셀은 제1 이벤트(event)의 주파수에 따라 결정되고 제2 크기의 셀은 제2 이벤트의 주파수에 따라 결정되고 제1 크기의 셀의 수와 제2 크기의 셀의 수는 제1 및 제2 이벤트의 진폭에 따라 결정되고, 제1 크기의 셀과 제2 크기의 셀은 제1 이벤트의 주파수 및 제2 이벤트의 주파수가 각각 감소될 때에 증가되며, 제2 크기의 셀의 수는 제1 이벤트의 진폭과 제2 이벤트의 진폭이 각각 증가될 때에 증가되는 열흡수장치.
2. 제1항에 있어서,
   제2 이벤트의 주파수는 제1 이벤트의 주파수보다 작고, 제2 크기의 셀은 제1 크기의 셀보다 크고, 제1 크기의 셀(202, 302)은 제1 단면(1)의 측면에 위치되어 있는 열흡수장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   셀(302, 202, 102)의 크기는 제1 단면으로부터 열플럭스의 방향으로 증가되는 열흡수장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   셀(2, 102, 202, 302)은 하나의 셀로부터 다음의 셀로의 상변화를 갖는 물질의 통과를 가능하게 하기 위해 상호 연결되어 있는 열흡수장치.
5. 제4항에 있어서,
   셀은 열플럭스(FT)의 방향으로 상호 연결되어 있는 열흡수장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   제1 단면(1)으로부터 셀(102, 202, 302)들 사이의 열플럭스의 방향으로 뻗는 적어도 하나의 바람직한 열전도 통로(8)를 포함하는 열흡수장치.
7. 제6항에 있어서,
   구조체(S2, S3')에 규칙적으로 분배된 수개의 바람직한 전도 통로(8)를 포함하는 열흡수장치.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   적어도 하나의 바람직한 전도 통로(8)의 크기는 셀 크기의 20%∼60%인 열흡수장치.
9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   적어도 하나의 바람직한 전도 통로(8)는 셀(102, 202, 302)들 사이에 위치되고 열플럭스의 방향으로 뻗어 있는 열전도물질의 일부(portion)에 의해 형성되는 열흡수장치.
10. 제9항에 있어서,
    열전도물질의 일부는 셀의 벽의 소재와 같은 소재, 예를 들면 구리 또는 마레이징강(maraging steel)으로 형성되는 열흡수장치.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    열전도물질의 일부와 이 일부와 접촉하여 있는 셀의 외피는 모두 일체형으로 되어 있는 열흡수장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 한 항에 있어서,
    상변화물질에 저장된 잠열(latent heat)을 추출하기 위한 수단(9)을 포함하는 열흡수장치.
13. 제12항에 있어서,
    잠열을 추출하기 위한 수단(9)은 셀들 사이에 위치되어 냉각재를 순환시키는 적어도 하나의 채널을 포함하는 열흡수장치.
14. 제13항에 있어서,
    냉각재의 순환은 열적 이벤트의 발생에 따라 제어되는 열흡수장치.
15. 제1항 또는 제14항에 있어서,
    적층체(stacking)의 옆모서리(lateral edge)를 열적으로 절연시키기 위한 수단(5)을 포함하는 열흡수장치.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    수행되는 적어도 하나의 상변화물질은 50℃∼350℃ 범위의 상변화 온도를 갖는 열흡수장치.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    평행육면체 형상의 3가지 크기의 셀(102, 202, 302)을 포함하고, 각 크기의 셀은 하나의 층에 배열되어 있고, 이 셀들은 각각의 층 사이에 상호 연결되어 있는 열흡수장치.
18. 열원에 의해 방출되는 기간(T)의 열플럭스(FT)을 흡수하기 위해 사용되는 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 열흡수장치를 형성하는 방법으로서,
    a) 예를 들면 사인파 모양으로 변하고 각각 주파수(n/T)를 갖는 개별적인 열원에 상응하는 주기 함수들의 차수 n의 제한된 전개의 기간(T)의 열플럭스를 나타내는 함수로부터 산출하는 단계,
    b) 예를 들면 사인파 모양으로 변하고, 진폭의 합이 열플럭스의 최대 진폭의 소정 퍼센트보다 큰 주기 함수들을 선택하는 단계,
    c) 선택한 함수들의 주파수 함수로서 셀들의 크기를 결정하고, 여기서 이 셀들의 크기는 선택한 함수의 주파수가 감소할 때에 증가하는 단계,
    d) 선택한 함수들의 진폭 함수로서 각 크기의 셀들의 수의 배분을 결정하고, 여기서 각 크기의 셀들의 수는 선택한 함수의 진폭이 증가할 때에 증가하는 단계,
    e) 그 크기 및 수가 c) 및 d) 단계 중에 결정한 크기 및 수에 상응하는 셀들을 구비한 장치를 형성하는 단계를 포함하는 열흡수장치 형성 방법.
19. 제18항에 있어서,
    소정 퍼센트는 60∼98% 범위를 포함하는 열흡수장치의 형성 방법.

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