KR20150052933A - 열 역류 방지 히트파이프 및 이를 포함하는 공냉식 냉각기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트파이프 내측의 윅 구조를 개선하여 열 역류 현상을 방지함으로써 방열효과 및 보냉효과를 향상시킬 수 있는 히트파이프 및 공냉식 냉각기에 관한 것이다.
상기 히트파이프 내부의 윅 구조를 일정구역에만 위치하도록 함으로써 히트파이프 상부의 열이 윅을 따라서 하강하지 않도록 하여 열 역류 현상을 방지하고 상기한 윅 구조로 인하여 작동유체의 표면적이 넓어지게 되므로 보다 효과적인 방열 및 냉각이 가능한 히트파이프 및 이를 포함하는 공냉식 냉각기를 제공한다.

Description

열 역류 방지 히트파이프 및 이를 포함하는 공냉식 냉각기{A Heatpipe capable of preventing heat-backflow and air-type cooler comprising the same}

본 발명은 히트파이프 및 이를 포함하는 공냉식 냉각기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 히트파이프 내측의 윅 구조를 개선하여 열 역류 현상을 방지함으로써 방열효과 및 보냉효과를 향상시킬 수 있는 히트파이프 및 공냉식 냉각기에 관한 것이다.

여러 전자제품들에 수용되는 반도체, 소자 등의 부품들을 작동하는 과정에서 열이 발생하게 된다. 이 경우에 발생되는 열을 적절한 냉각조치를 취하여 냉각 및 방열하지 않으면, 부품들의 성능저하는 물론이고 심한 경우 부품이 과열되어 파손되는 일이 발생할 수 있다.

이러한 부품들의 과열을 방지하기 위한 여러 냉각수단들이 있는데, 일반적으로 공냉식 냉각기를 많이 이용하고 있다.

공냉식 냉각기는 공기를 이용하여 부품의 냉각을 행하는 장치로서, 냉각팬을 설치하여 부품 표면에 직접 공기를 순환시키는 방식과 부품 표면에 열전달율이 큰 금속제의 방열판 또는 방열핀을 설치하고 여기에 냉각팬을 설치하여 공기를 강제 순환시키는 방식 등이 많이 이용되어 왔다.

최근에는 히트하이프를 이용한 냉각기가 개발되어 많이 사용되고 있는데, 히트파이프란 중공의 파이프 내부에 작동유체를 충전하여 파이프 하부의 온도가 작동유체의 끊는점 이상으로 상승하면 작동유체가 기화하게 되고 기화된 작동유체는 파이프 상부로 이동하여 방열된 후 온도가 하강하면 다시 액화되어 파이프 내부의 윅 구조를 통하여 파이프 하부로 이동하게 되며 이러한 일련의 과정을 반복하며 방열을 행하게 된다.

이러한 히트파이프는 내부의 윅 구조로 및 작동유체의 유동을 이용하므로, 기존 금속만으로 이루어진 방열핀이나 방열판에 비해 매우 높은 열전도 계수를 가지게 되어 방열 및 냉각에 매우 효과적이다.

그러나 이러한 윅 구조는 단점을 가지고 있는데, 부품 등에 설치된 히트파이프는 부품의 동작이 정지되고 발열이 멈추게 되어 부품의 온도가 대기 온도보다 낮아지게 된 경우에, 대기 중의 열이 히트파이프의 윅 구조를 통하여 부품방향으로 역류하는 현상이 발생할 수 있다.

일례로, 열전소자를 이용하는 냉각탱크의 경우에 있어서, 전원을 인가하면 한쪽면은 흡열하고 반대면은 발열하는 열전소자의 특성을 이용하여 냉각탱크 내의 유체를 냉각하게 되는데 냉각탱크 내의 유체가 원하는 온도로 냉각이 된 경우에 열전소자는 작동을 멈추고 보냉상태로 들어가게 되는데 이 경우에 상기한 바와 같이 대기중의 열이 히트파이프의 윅 구조를 통하여 열전소자 측으로 역류하게 되면 열전소자의 특성상 냉각탱크의 보냉효과가 현저히 감소하게 된다.

또한, 종래기술로서 한국등록특허 제 1189831호에는 열전소자와 히트파이프를 결합한 냉각모듈을 개시하고 있는데, 이 역시 상기한 문제점을 갖고 있다고 할 것이며 내부의 윅 구조에 관하여는 언급하고 있지 않다.

(특허문헌) KR 1109831 B1

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 히트파이프 내부의 윅 구조를 개선하여 종래의 히트파이프에서 발생할 수 있는 열 역류 현상을 방지하는 히트파이프를 제공한다.

또한, 개선된 히트파이프를 이용하여 보다 효과적인 방열 및 냉각이 가능한 공냉식 냉각기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 히트파이프는 내부에 작동유체가 유동 가능하게 충진되는 중공의 파이프; 및 상기 파이프의 내면을 둘러싸도록 배치되는 윅; 을 포함하며, 상기 윅은 상기 파이프의 전체 길이 중 일부 구역에만 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 파이프 내에 배치되는 상기 윅의 끝단부분의 온도를 T, 주위온도를 Tb, 발열체의 온도를 Tw, 열전도율을 λ, 표면열전달률을 α, 파이프 원주길이를 P, 파이프 단면적을 S 라고 할 때, 상기 윅이 위치하는 범위는 정하여진 식에 의하여 결정되는 것이 바람직하다.

상기 윅은 분말소결금속, 메쉬, 그루브 형태를 포함하는 그룹 중 어느 하나의 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 작동유체는 물, 프레온, 암모니아, 아세톤, 메탄올 및 에탄올을 포함하는 그룹 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 공냉식 냉각기는 상기 히트파이프; 상기 히트파이프 일측을 감싸는 형태로 위치하며, 상기 발열체에 접하도록 배치되는 증발부; 및 상기 히트파이프 타측을 감싸는 형태로 위치하는 방열부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 방열부의 일측에 접하도록 위치하여 상기 방열부에 공기를 강제순환시키는 냉각팬;을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 방열부는 박판 형태의 방열판이 다수개 적층되어 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 발열체는 열전소자인 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면 히트파이프 내부의 윅 구조를 일정구역에만 위치하도록 함으로써 히트파이프 상부의 열이 윅을 따라서 하강하지 않도록 하여 열 역류 현상을 방지하고 상기한 윅 구조로 인하여 작동유체의 표면적이 넓어지게 되므로 보다 효과적인 방열 및 냉각이 가능하게 된다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트파이프(100)의 전체 사시도(a) 및 A-A`선에 따른 단면도(b)이다.
도 2는, 도 1의 B-B`선에 따른 단면도로서, 여러 형태의 윅(120)을 나타낸 도면이다.
도 3은, 도 1의 A-A` 선에 따른 단면을 확대한 도면으로서, 본 발명에 따른 히트파이프(100)의 윅(120) 구조(a)와 기존의 윅 구조(b, c)에 있어서 작동유체의 표면적을 비교한 도면이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 냉각기의 전체 사시도이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 냉각기의 분해 사시도이다.

본 발명인 히트파이프(100) 및 공냉식 냉각기를 이루는 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용 가능하다.

본 발명에 따른 히트파이프(100) 및 공냉식 냉각기의 바람직한 실시 예를 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.

이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 히트파이프(100) 및 공냉식 냉각기를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 히트파이프(100)는 파이프(110) 및 파이프(110) 내에 배치되는 윅(120)을 포함한다.

파이프(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 중공의 구조로서 내부에 작동유체가 충전되어 유동 가능하도록 되어 있다.

상기 작동유체는 히트파이프의 사용환경, 발열체의 발열온도, 작동유체의 끓는점, 녹는점, 발열체를 냉각시킬 목표온도 및 파이프(110) 내부의 압력 등에 따라서 여러가지 유체들이 사용 가능하나, 일반적인 상온환경에서 사용될 경우 물, 프레온, 암모니아, 아세톤, 메탄올, 에탄올 등을 사용하는 것이 바람직하다.

윅(120)은 파이프(110) 내면을 둘러싸도록 배치되며, 파이프(110) 내부 전체 길이 중 일부 구역에만 배치된다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이 분말소결금속, 메쉬, 그루브 형태 중 어느 하나의 형태일 수 있다.

분말소결금속형태(sintered powder type)는 분말상태의 금속을 파이프(110) 내부에 소결접합하여 윅(120)을 형성시키는 형태의 히트파이프로서, 소결상태의 윅(120)이 모세관 형태를 이루게 된다(도 2의 (a)).

메쉬형태(mesh type)는 금속을 가는 실 형태로 얽히게 하여 메쉬형상으로 윅(120)을 형성시키는 형태이다(도 2의 (b)).

그루브형태(groove type)은 파이프 내부면을 길이방향으로 돌출시켜 윅(120)을 형성하는 형태이다(도 2의 (c)).

윅(120)은 상기 형태 중 열전달율이 가장 높고 설치각도에 따른 효율 저하가 낮은 분말소결금속 형태인 것이 바람직할 수 있다.

윅(120)이 파이프(110) 내에 위치하는 일부 구역의 길이는 윅(120)이 끝나는 부분인 파이프(110) 내에서의 끝단의 온도를 T(℃), 주위온도를 Tb(℃), 발열체(10, 도 5 참조)의 온도를 Tw(℃), 파이프 재질에 따른 열전도율을 λ(W/mㆍK), 표면열전달률을 α(W/㎡ㆍK), 파이프(110) 원주길이를 P(㎜), 파이프(110) 단면적을 S(㎟) 라고 할 때 하기 식에 의하여 윅(120)이 위치하는 길이 χ(mm)가 결정된다.

상기한 바와 같이 윅(120)이 파이프(110)의 내부에 일부 구역에 배치되기 때문에, 증발 표면적(도 3의 (a)의 빗금 부분)이 기존의 써모싸이펀 방식의 히트파이프의 증발 표면적(도 3의 (b)의 빗금 부분)보다 넓어져 방열 효과가 향상 될 수 있다.

또한, 기존의 윅 구조를 가지는 히트파이프를 이용한 방열 방법에서, 발열체의 동작이 정지하여 발열이 더 이상 이루어지지 않거나, 방열이 일정온도 이상 이루어지게 될 경우 냉각기의 냉각동작이 자동으로 멈추도록 하는데 이 경우 종래의 파이프 내 전체에 배치되는 윅 구조(도 3의 (c) 참조)는 상부의 열이 윅을 따라서 열이 파이브 하부로 역류하는 경우가 발생할 수 있으나, 본 발명에 따른 히트파이프는 윅을 일정 구역에만 배치되도록 함으로써 상기한 열 역류 현상을 방지할 수 있다.

이하, 상기 히트파이프(100)를 포함하는 공냉식 냉각기의 구조를 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 공냉식 냉각기는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 히트파이프(100); 상기 히트파이프(100)의 일측에 위치하는 증발부(200); 상기 히트파이프의 타측에 위치하는 방열부(300); 및 방열부(300)의 일측에 접하는 냉각팬(400); 을 포함한다.

히트파이프(100)는 상기한 히트파이프(100)로서, 여기서는 설명을 생략한다.

증발부(200)는 상기 히트파이프(100) 일측의 외부를 감싸는 형태로 위치하며, 여기서는 도 5에 도시된 바와 같이 히트파이프에 의해 관통되어 있다.

또한, 증발부(200)는 그 외측 일면이 발열체(10)와 접하도록 위치하며 발열체(10)의 열을 흡열하여 히트파이프(100)로 전달한다.

일례로서, 상기 발열체(10)는 열전소자일 수 있다.

열전소자는 펠티에 효과를 이용하여 전자적으로 물체를 냉각시키게 되는데, 펠티에 효과는 2종류의 금속 끝을 접속시켜, 여기에 전류를 흘려보내면, 전류 방향에 따라 한쪽 단자는 흡열하고, 다른 쪽 단자는 발열을 일으키는 현상이다. 2종류의 금속 대신 전기전도 방식이 다른 비스무트·텔루륨 등 반도체를 사용하면, 효율성 높은 흡열·발열 작용을 하는 펠티에 소자를 얻을 수 있다. 이것은 전류 방향에 따라 흡열·발열의 전환이 가능하고, 전류량에 따라 흡열·발열량이 조절되므로, 용량이 적은 냉동기 또는 상온 부근의 정밀한 항온조 제작에 응용한다.

방열부(300)는 상기 히트파이프(100) 타측 외부를 감싸는 형태로 위치하며, 여기서는 상기 증발부(200)와 마찬가지로 히트파이프(100)에 의해 관통되어 있다.

상기 방열부(300)의 형태는 한정되지 않으나, 도 5에 도시된 바와 같이 박판 형태의 방열판(310)으로 이루어질 수 있고, 이 경우 다수개의 방열판(310)이 소정간격을 갖는 적층 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 방열부(300)는 상기 증발부(200)에서 히트파이프(100) 상부로 이동한 열을 대기중으로 방출하여 냉각이 이루어지도록 한다.

냉각팬(400)은 방열부(300)의 일측에 접하도록 위치하여, 방열부(300)에 공기를 강제로 순환하도록 하여 방열이 더욱 원활히 이루어지도록 한다.

다음, 본 발명에 따른 히트파이프(100) 및 이를 포함하는 공냉식 냉각기의 작동원리를 설명한다.

먼저, 발열체(10)가 작동하여 발열하게 되면 발열체(10)에 접한 증발부(200)에서 발열체(10)의 열이 흡열되어 히트파이프(100)의 하부로 이동한다.

다음, 히트파이프(100)의 하부로 이동한 열이 일정온도 이상 상승하여 히트파이프(100) 내부에 충전된 작동유체의 끓는점에 도달하게 되면 작동유체가 증발하여 히트파이프(100) 상부로 이동하고, 이동한 열은 히트파이프(100) 주위를 감싸는 방열부(300)에서 방출되어 방열이 이루어지게 된다.

그리고 열을 방출한 작동유체는 다시 응축되어 파이프(110)의 내면을 타고 중력에 의해 히트파이프(100) 하부로 이동하게 되고, 상기 과정을 반복하며 방열이 이루어진다.

이 과정에서, 종래의 히트파이프는 파이프(110) 내측에 길이방향으로 전 구역에 윅(120)이 위치하고 있어(도 3의 (c) 참조), 이러한 히트파이프의 경우 히트파이프 상부의 열이 윅(120) 구조를 타고 역류하는 경우가 발생할 수 있다.

특히 발열체(10)로서 열전소자를 사용하는 냉각탱크 등에서, 열전소자로서 일면은 냉각탱크 내의 유체를 냉각하고 다른 면이 발열하므로 이 발열면을 히트파이프를 이용하여 방열을 하게 되는데, 상기 냉각탱크의 경우, 일정온도이상 냉각탱크 내의 유체가 냉각되면, 상기 열전소자에 인가되는 전원을 차단하고 보냉과정으로 들어가게 된다.

이때, 상기한 열 역류 현상이 발생하게 되면 히트파이프 상부의 열이 열전소자측으로 이동하게 되므로 보냉효과가 현저히 떨어지게 된다.

따라서, 상기한 본 발명에 의한 히트파이프(100)를 이용하여 방열을 하게되면, 파이프(110)내에 윅(120)이 일정 구역 범위 내에만 위치하게 되기 때문에 열 역류에 의한 보냉효과의 저하를 방지하는데 특화된 효과 및 작동유체의 증발 표면적이 넓어지므로 보다 효과적인 방열 및 냉각효과를 얻을 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10 : 발열체
100 : 히트파이프
110 : 파이프
120 : 윅
200 : 증발부
300 : 방열부
310 : 방열판
400 : 냉각팬

Claims (8)

1. 내부에 작동유체가 유동 가능하게 충진되는 중공의 파이프; 및
   상기 파이프의 내면을 둘러싸도록 배치되는 윅; 을 포함하며,
   상기 윅은 상기 파이프의 전체 길이 중 일부 구역에만 배치되는 것을 특징으로 하는,
   히트파이프.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 파이프 내에 배치되는 상기 윅의 끝단부분의 온도를 T, 주위온도를 Tb, 발열체의 온도를 Tw, 열전도율을 λ, 표면열전달률을 α, 파이프 원주길이를 P, 파이프 단면적을 S 라고 할 때, 상기 윅이 위치하는 범위 χ는 하기 식에 의하여 정해지는 것을 특징으로 하는,
   히트파이프.
   

   

   
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 윅은 분말소결금속, 메쉬, 그루브를 포함하는 그룹 중 어느 하나의 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
   히트파이프.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 작동유체는 물, 프레온, 암모니아, 아세톤, 메탄올 및 에탄올을 포함하는 그룹 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
   히트파이프.
   
5. 발열체의 냉각을 위하여 적용되는 냉각기에 있어서,
   제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 히트파이프;
   상기 히트파이프 일측을 감싸는 형태로 위치하며, 상기 발열체에 접하도록 배치되는 증발부; 및
   상기 히트파이프 타측을 감싸는 형태로 위치하는 방열부;를
   포함하는 것을 특징으로 하는,
   공냉식 냉각기.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 방열부의 일측에 접하도록 위치하여 상기 방열부에 공기를 강제순환시키는 냉각팬;을
   더 포함하는 것을 특징으로 하는,
   공냉식 냉각기.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 방열부는 박판 형태의 방열판이 다수개 적층되어 이루어지는 것을 특징으로 하는,
   공냉식 냉각기.
   
8. 제 5항에 있어서,
   상기 발열체는 열전소자인 것을 특징으로 하는,
   공냉식 냉각기.
   

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