KR20160113103A - 열사이펀 증발기 또는 응축기 내에서 고 열-플럭스 상태를 완화시키기 위한 메커니즘 - Google Patents

열사이펀 증발기 또는 응축기 내에서 고 열-플럭스 상태를 완화시키기 위한 메커니즘 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열사이펀 시스템의 미리정해진 영역(들)에서 열 전도를 위해 표면적 대 부피 비율을 증가시키고 이들 영역(들)에 격리된 모세관력을 최소화하면서 열 전도성 매트릭스 재료로 열사이펀 시스템(10)을 증강하는 시스템, 장치, 및 방법에 관한 것이다. 열사이펀 시스템은 응축기 영역(22), 증발기 영역(24), 및 단열 영역(26)(예를 들어, 응축기 영역과 증발기 영역 사이의 영역)을 포함하는 튜브를 갖는다. 상기 튜브는 열 전달 매체를 수용할 수 있고 열사이펀 원리에 따라 응축기 영역과 증발기 영역 사이에서 열 전달 매체의 수동 2-상 전달을 제공할 수 있다. 시스템은 또한 열 전도성 매트릭스 재료가 응축기 영역 및/또는 증발기 영역 내에서 열 전달을 위한 표면적을 증가시키도록 단열 영역에서가 아니라 응축기 영역 및/또는 증발기 영역 내에 수용된 열 전도성 매트릭스 재료를 포함한다.

Description

열사이펀 증발기 또는 응축기 내에서 고 열-플럭스 상태를 완화시키기 위한 메커니즘{MECHANISM FOR MITIGATING HIGH HEAT-FLUX CONDITIONS IN A THERMOSIPHON EVAPORATOR OR CONDENSER}
관련 출원
본 출원은 2014년 1월 28일자에 출원된 미국 가특허 출원 제61/932,377호의 이익을 주장하며, 이로써 이의 개시는 그 전체가 본 명세서에 참조로 인용된다.
본 출원은 증가된 열-플럭스에 의해 야기된 바람직하지 못한 상태를 최소화하면서 열사이펀 시스템의 응축기 영역 및/또는 증발기 영역에서 증가된 열 전달률을 구현하는 것과 관련된다.
열사이펀 시스템은 자연 대류를 기초로 이동하는 열을 수반하는 수동 2-상 열 교환의 공정을 이용한다. 대류는 열에 의해 야기되는 유체의 움직임이다. 특히, 더 고온의 유체는 더 저온의 유체에 비해 상승하는 경향이 있고, 이는 더 고온의 유체가 중력에 의해 가라 앉도록 움직이는 더 저온의 유체보다 덜 치밀하기 때문이다. 이 물리적 효과는 기계식 펌프의 필요성 없이 유체에 의해 운반되는 열의 전달을 야기한다.
열사이펀 시스템은 열 교환을 위해 사용된 유체(예를 들어, 고압 냉매)를 수용하는 파이프를 포함한다. 파이프는 파이프의 증발기 영역과 파이프의 응축기 영역 사이에서 유체의 수동 2-상 전달을 제공한다. 증발기 영역은 물리적으로 응축기 영역 아래에 배열된다. 응축기 영역 내의 유체는 이 유체가 냉각됨에 따라 응축되고 응축된 유체는 중력 및/또는 구심력으로 인해 파이프의 증발기 영역으로 응축기 영역으로부터 유동한다. 증발기 영역 내에서 유체는 가열되어 유체가 증발되도록 한다. 증발된 유체는 그 뒤에 부력에 의해 파이프의 증발기 영역으로부터 응축기 영역으로 유동한다. 유체는 열 교환 중에 이 2-상 공정을 통하여 순환한다.
2-상 수동 열 이송을 위해 열사이펀 시스템을 이용할 때, 해결되어야 할 하나의 문제점은 열사이펀 시스템을 형성하는 파이프(들)의 응축기 영역 내에서 및/또는 증발기 영역 내에서 고 열-플럭스 상태를 관리하는 것이다. 예를 들어, 응축기 영역에서 증가하는 열-플럭스(단위 시간당 단위 면적당 전달된 열의 양)에 의해 부여된 △T 증가(즉, 온도 차이의 증가) 및/또는 손실을 겪지 않고 열사이펀 시스템의 파이프의 응축기 영역(또는 게다가 증발기 영역)에서 열 전달의 증가는 응축기 영역에서 표면적의 증가를 필요로 한다(즉, 예를 들어 열전기 냉각기와 같이 냉각 메커니즘과 작동 유체 사이에서 열 전달을 위한 증가된 표면적). 이 문제점에 대한 통상적인 해결 방법은 열 교환을 위한 표면적을 증가시키기 위하여 복잡한 열 교환기 또는 매니폴드의 사용을 포함한다. 이들 해결 방법은 일반적으로 상당한 비용이 소요된다. 게다가, 이들 해결 방법의 이점은 열 교환을 위해 사용된 용기의 벽이 상당한 열 전도 손실을 야기하는(즉, 열 전도를 방해하는) 높은 압력의 냉매를 안전하게 수용하기 위하여 두꺼워져야 한다.
따라서, 증가된 열-플럭스에 의해 야기된 단점을 줄이면서 열사이펀 증발기 및/또는 응축기 내에서 높은 열 전달률을 구현하기 위한 메커니즘의 필요성이 존재한다.
본 발명은 열사이펀 시스템의 미리정해진 영역(들)에서 열 전도를 위해 표면적 대 부피 비율을 증가시키고 이들 영역(들)에 격리된 모세관력 및 유체 반출을 최소화하면서 열 전도성 매트릭스 재료로 열사이펀 시스템을 증강하는 시스템, 장치, 및 방법에 관한 것이다. 열사이펀 시스템의 실시예가 개시된다. 일부 실시예에서, 열사이펀 시스템은 응축기 영역, 증발기 영역 및 응축기 영역과 증발기 영역 사이의 영역을 포함하는 튜브 - 상기 튜브는 열사이펀 원리에 따라 응축기 영역과 증발기 영역 사이에서 열 전달 매체의 수동 2-상 전달을 제공하도록 구성되고 열 전달 매체를 수용하도록 구성됨 - , 및 열 전도성 매트릭스 재료가 튜브의 증발기 영역과 응축기 영역 중 하나 이상의 영역에서 열 전달을 위한 표면적을 증가시키도록 증발기 영역과 응축기 영역 사이의 튜브의 영역에서가 아니라 튜브의 증발기 영역과 응축기 영역 중 하나 이상의 영역 내에 수용된 열 전도성 매트릭스 재료를 포함한다. 이 방식으로, 증강된 열사이펀 시스템은 증가된 열-플럭스에 의해 통상적으로 야기되는 바람직하지 못한 상태를 완화시키면서 복잡하고 고가의 열 교환기 및/또는 매니폴드를 사용하지 않고 열 이송을 증가시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료는 무작위 매트릭스 구조물 및 준-무작위 매트릭스 재료 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료는 비-무작위 매트릭스 구조물을 포함한다. 일부 실시예에서, 열 전달 매체는 유체이다.
일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료는 튜브의 증발기 영역의 일부와 응축기 영역의 일부 중 하나 이상 내에 수용된다. 일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료는 튜브의 증발기 영역과 동일한 넓이의 영역과 응축기 영역과 동일한 넓이의 영역 중 하나 이상 내에 수용된다.
일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료는 복수의 섬유의 메시를 포함하고, 복수의 섬유는 하나 이상의 무작위 직경, 무작위 길이 및 무작위 공간 배향을 포함한다. 일부 실시예에서, 메시는 메시에 의해 제공된 증가된 표면적을 기초로 미리정해진 열 전달률을 구현하면서 모세관력을 최소화하기 위하여 미리정해진 다공도를 포함한다. 일부 실시예에서, 메시는 변형가능하다.
일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료는 열 전도성 섬유와 열 전도성 입자 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예에서, 열 전도성 섬유와 열 전도성 입자 중 하나 이상이 구리 및 알루미늄으로 구성된 하나 이상의 그룹으로 구성된다.
일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료는 소결된 분말이다. 일부 실시예에서, 소결된 분말은 소결된 분말에 의해 제공된 증가된 표면적을 기초로 미리정해진 열 전달률을 구현하면서 모세관력을 최소화하기 위하여 미리정해진 밀도를 포함한다.
일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료는 복수의 사전제작된 스크린의 배열을 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 배열은 복수의 사전제작된 스크린의 미리정해진 개수를 포함한다. 일부 실시예에서, 복수의 사전제작된 스크린의 미리정해진 개수는 사전제작된 스크린에 의해 제공된 증가된 표면적을 기초로 미리정해진 열 전달률을 구현하면서 모세관력을 최소화하도록 정해진다. 일부 실시예에서, 복수의 사전제작된 스크린의 배열은 무작위 배향으로 적층된다.
일부 실시예에서, 튜브의 증발기 영역과 응축기 영역 중 하나 이상 내에 수용될 때 열 전도성 매트릭스 재료에 의해 형성된 구조물은 다공성 구조물이다. 일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료는 나선형 리본 기하학적 형상을 갖는다.
일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료의 열 전도도는 튜브의 열 전도도 이상이다.
일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료는 응축기 영역 내에 수용된다. 일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료는 증발기 영역 내에 수용된다. 일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료는 응축기 영역과 증발기 영역에 수용된다.
열사이펀 시스템용 튜브의 실시예가 또한 개시된다. 일부 실시예에서, 열사이펀 시스템용 튜브는 증발기 영역과 응축기 영역 사이의 튜브의 영역에서가 아니라 튜브의 증발기 영역과 응축기 영역 중 하나 이상의 영역 내에서 열 전달을 위해 표면적을 증가시키는 열 전도성 매트릭스 재료를 포함하고, 상기 튜브는 열사이펀 원리에 따라 응축기 영역과 증발기 영역 사이에서 열 전달 매체의 수동 2-상 전달을 제공하도록 구성되고 열 전달 매체를 수용하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료는 열 전도성 매트릭스 재료에 의해 제공된 증가된 표면적을 기초로 미리정해진 열 전달률을 구현하면서 모세관력을 최소화하기 위하여 미리정해진 다공도를 포함한다.
당업자는 수반 도면과 연관하여 바람직한 실시예의 이하의 상세한 설명을 읽은 후 본 발명의 범위를 인식하고 그 부가적 양태를 깨달을 것이다
본 명세서에 편입되어 그 일부를 형성하는 수반 도면은 본 발명의 몇몇 양태를 예시하고, 그 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시 형태에 따라 열 교환 블록에 결합된 이송 튜브를 포함한 열사이펀 시스템을 도시한다;
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 도 1로부터 열사이펀 시스템의 열 교환 블록과 단일의 전달 튜브의 영역을 도시한다;
도 3a는 본 발명의 일부 실시 형태에 따라 열 전도성 매트릭스 재료로 열사이펀 시스템 내의 튜브의 응축기 영역이 증강되는 도 1로부터의 열 교환 블록을 도시한다;
도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 열사이펀 시스템 내의 튜브의 응축기 영역 내에 있는 열 전도성 매트릭스 재료를 도시하는 도 3a로부터 열 교환 블록의 단부도를 도시한다;
도 4는 도 3a 및 도 3b의 열 전도성 매트릭스 재료가 본 발명의 실시예에 따라 사전제작된 스크린의 스택을 포함하는 실시예를 도시한다;
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따라 도 4의 사전제작된 스크린들 중 하나를 도시한다;
도 6은 도 3a 및 도 3b의 열 전도성 매트릭스 재료가 본 발명의 실시예에 따라 나선형 리본인 실시예를 도시한다;
도 7은 열 전도성 매트릭스 재료가 본 발명의 일부 실시예에 따라 열사이펀 시스템의 튜브의 증발기 영역 내에 수용되는 도 1로부터 열사이펀 시스템의 열 교환 블록 및 하나의 단일 튜브를 도시한다;
도 8은 열 전도성 매트릭스 재료가 본 발명의 일부 실시예에 따라 열사이펀 시스템의 동일한 튜브의 응축기 영역 및 증발기 영역 둘 모두 내에 수용되는 도 1로부터 열사이펀 시스템의 열 교환 블록 및 하나의 단일 튜브를 도시한다;
도 9는 본 발명의 일부 실시예에 따라 열사이펀 시스템을 증강하기 위한 방법을 도시하는 흐름도이다.
아래에 제시된 실시예는 당업자가 실시예를 실시 가능하게 하고 실시예를 실시하는 최상 모드를 예시하는데 필요한 정보를 표현한다. 수반 도면을 고려하여 이하의 설명을 읽을 때, 당업자는 본 발명의 개념을 이해할 것이고 여기에서 특별히 다루지는 않은 이들 개념의 응용을 인식할 것이다. 이들 개념 및 응용은 본 개시 및 수반 청구범위의 범위 내에 드는 것임을 이해해야 한다.
여기에서 다양한 요소를 설명하기 위해 용어 "제1", "제2" 등이 사용될 수 있기는 하지만, 이들 요소는 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨을 이해할 것이다. 이들 용어는 하나의 요소를 다른 하나의 요소와 구별하기 위해 사용될 뿐이다. 예를 들어, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이, 제1 요소는 제2 요소라고 칭해질 수 있고, 유사하게, 제2 요소는 제1 요소라고 칭해질 수 있다. 여기에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 연관된 열거된 아이템 중 하나 이상의 모든 그리고 어떠한 조합이라도 포함한다.
여기서 사용되는 술어는 특정 실시예를 설명하는 목적을 위한 것일 뿐이고 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 여기서 사용될 때, "단수 형태 부정관사" 및 "정관사"는, 맥락이 명확히 달리 나타내지 않는 한, 복수 형태 역시 포함하려는 의도이다. 용어 "포함하고 있다", "포함하고 있는", "포함한다" 및/또는 "포함하는"은, 여기서 사용될 때, 서술된 특징, 단계, 동작, 부재 및/또는 구성요소의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 단계, 동작, 부재, 구성요소 및/또는 그 그룹의 존재 또는 부가를 못하게 하지는 않음을 더욱 이해할 것이다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에서 사용되는 모든 용어(기술적 및 과학적 용어를 포함함)는 본 발명이 속하는 분야의 당업자에 의해 보통 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 여기에서 사용되는 용어는 관련 분야 및 본 명세서의 맥락에서의 그들 의미와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 이상화되거나 지나치게 형식적인 의미로는, 여기에서 그렇게 명시적으로 정의되지 않는 한, 해석되지 않을 것임을 더욱 이해할 것이다.
본 발명은 소정의 부분(들)으로 격리된 유체 반출 및 모세관력을 최소화하면서 열사이펀 시스템(thermosiphon system)의 소정의 부분(들)에서 열 전도를 위해 표면적 대 부피 비율을 증가시키기 위하여 열 전도성 매트릭스 재료를 갖는 열사이펀 시스템을 증강하는 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이다. 열사이펀 시스템의 실시예가 개시된다. 일부 실시예에서, 열사이펀 시스템은 응축기 영역, 증발기 영역 및 응축기 영역과 증발기 영역 사이의 영역을 포함한 튜브를 포함하고, 튜브는 열 전도성 매트릭스 재료가 튜브의 증발기 영역과 응축기 영역 중 하나 이상에서 열 전달을 위한 표면적을 증가시키도록 증발기 영역과 응축기 영역 사이에서 튜브의 영역에서가 아니라 튜브의 증발기 영역과 응축기 영역 중 하나 이상 내에 수용된 열 전도성 매트릭스 재료, 및 열사이펀 원리에 따라 증발기 영역과 응축기 영역 사이에서 열 전달 매체의 수동 2-상 전달을 제공하도록 작동되고 열 전달 매체를 수용하도록 작동된다. 이 방식으로, 증강된 열사이펀 시스템은 증가된 열-플럭스에 의해 통상적으로 야기되는 바람직하지 못한 상태를 완화시키면서 복잡하고 고가의 열 교환기와 매니폴드의 사용 없이 열 전달을 증가시킬 수 있다.
열 전달 장치 내에 수용된 열사이펀 시스템의 간략한 언급이 임의의 특정 열 전달 장치 내에서 사용하기 위한 열사이펀 시스템을 제한하지 않고 본 발명의 이해를 돕고 전후 관계를 위해 제공된다. 예를 들어, 열사이펀 시스템은 그 전체가 참조로 인용되고 발명의 명칭이 "THERMOELECTRIC REFRIGERATION SYSTEM CONTROL SCHEME FOR HIGH EFFIENCY PERFORMANCE"인 공동 소유 및 양도된 미국 특허 출원 공보 제2013/0291557호에 개시된 열전기 냉장고와 같은 열 전달 장치 내에 포함될 수 있다.
열전기 냉동 시스템은 열사이펀 시스템에 결합된 냉각 챔버의 온도를 감소시키도록 작동되는 열사이펀 시스템을 포함할 수 있다. 열사이펀 시스템은 열전기 냉동 시스템으로부터 열사이펀을 각각 포함할 수 있는 외부 환경으로 열을 배출시키기 위한 고온측 열 교환기 및 냉각 챔버로부터 열을 흡수하는 저온측 열 교환기를 포함할 수 있다. 냉각 챔버로부터 열을 흡수하고 외부 환경으로 열을 배출하는 이 공정은 필요에 따라 냉각 챔버의 온도를 감소시키기 위해 반복된다. 간략함을 위해, 열전기 냉동 시스템을 위한 단일의 열사이펀이 도면들을 참조하여 후술된다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예에 따라 적어도 하나 그리고 가능한 모두의 이송 튜브(12)의 증발기 영역 및/또는 응축기 영역이 열 전도성 매트릭스 재료로 증강되는 다수의 이송 튜브(12-1 내지 12-6)(일반적으로 일괄하여 이송 튜브(12)들 및 개별적으로 이송 튜브(12)로 지칭됨)를 포함하는 열사이펀 시스템(10)을 도시한다. 본 명세서에서 지칭된 바와 같이 열 전도성 매트릭스 재료는 하기에서 추가로 언급된 바와 같이 이송 튜브(12)들의 증발기 영역 및/또는 응축기 영역의 적어도 일부 내에 수용 시에 다공성 구조물을 제공하고 이송 튜브(12)들의 증발기 영역 및/또는 응축기 영역 외부에 있고 이송 튜브(12)들의 증발기 영역 및/또는 응축기 영역 내에서 열 전달 매체 사이의 열 전달을 위해 표면적을 증가시키는 열 전도성 재료이다. 열 전도성 매트릭스 재료는 알루미늄, 구리, 스테인리스 스틸, 또는 임의의 열 전도성 재료의 하나 이상의 조합을 포함하는 열 전도성 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료의 열전도율은 열 전도성 매트릭스 재료를 수용하는 이송 튜브(12)의 열전도율 이상이다.
후술된 바와 같이, 열 전도성 매트릭스 재료는 이송 튜브(12)들의 응축기 영역 및/또는 증발기 영역 내에서 열 전달을 위해 표면적을 증가시키고 이에 따라 열-플럭스를 관리하는 동안에 열 전달을 향상시킨다. 이는 통상적으로 수행되는 바와 같이 복잡하거나 또는 고가의 매니폴드에 대한 필요성 없이 수행될 수 있다. 열사이펀 시스템(10)은 열 전달이 요구되는 임의의 적합한 응용에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 1의 열사이펀 시스템(10)은 예를 들어, 전술된 공동 소유이고 양도된 미국 특허 출원 공보 제2013/0291557호에 개시된 열전기 냉동기 내에서 사용될 수 있다. 그러나, 열사이펀 시스템(10)은 이에 제한되지 않는다. 게다가, 도 1에 도시된 열사이펀 시스템(10)의 특정 배열은 단지 예시이다. 본 명세서에 언급된 사상은 하나 이상의 이송 튜브(12)를 수용하는 임의의 열사이펀 시스템에 동일하게 적용가능하다.
도 1의 열사이펀 시스템(10)의 이송 튜브(12)는 열 교환 블록(14)에 결합된다. 이송 튜브(12)는 가변 또는 일정한 길이, 직경, 형상 및 설계의 복수의 이송 튜브를 포함할 수 있다. 각각의 이송 튜브(12)는 열사이펀을 구현하고 열 전달 매체의 2-상 수동 이송을 위해 배열된다. 냉동기 내에서 구현 시에, 이송 튜브(12)는 예를 들어 냉동기의 냉각 챔버의 후방 벽 및 측면을 따라 배열될 수 있다. 도시된 바와 같이, 각각의 이송 튜브(12)는 루프를 형성하기 위하여 또 다른 이송 튜브(12)에 연결되거나 또는 또 다른 단부에서 말단을 이루며 일 단부에서 열 교환 블록(14)에 결합된다. 이송 튜브(12)는 알루미늄, 구리, 스테인리스 스틸, 또는 임의의 다른 열 전도성 재료와 같은 하나 이상의 열 전도성 재료의 임의의 조합으로 형성될 수 있다.
이 예시에서, 상호연결 라인(16)이 열 교환 블록(14)에 결합되고 열 전달 매체가 이송 튜브(12)에 추가되거나 또는 이로부터 제거되도록 허용하기 위하여 피팅(18, 20)에 의해 마주보는 단부에서 말단을 이룬다. 열 전달 매체는 열사이펀 원리에 따라 열을 전달할 수 있는 임의의 물질 또는 물질들의 조합일 수 있다. 일부 실시예에서, 열 전달 매체는 두 상들(예를 들어, 2-상 냉각제) 간에 변경되는 유체(종종, 본 명세서에서 작동 유체로 지칭됨)이다. 상들의 예시는 기체, 액체 또는 플라스마를 포함한다.
도 2는 설명의 용이성 및 명확함을 위해 이송 튜브(12) 중 단지 하나만이 도시되는 도 1의 열사이펀 시스템(10)의 간략화된 도면이다. 전술된 바와 같이, 이송 튜브(12)는 열사이펀을 구현한다. 따라서, 도 2는 단지 이해를 돕기 위해 도 1로부터 열사이펀 시스템(10)의 단일의 열사이펀을 도시하지만 이의 특징은 도 1에 도시된 임의의 및 모든 이송 튜브(12)에 적용가능하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이송 튜브(12)는 증발기 영역(24) 위에 위치된(지면에 대해) 응축기 영역(22), 및 응축기 영역(22)과 증발기 영역(24) 사이의 단열 영역(26)을 포함한다. 단열 영역(26)은 또한 반대 영역으로 지칭될 수 있다. 본 명세서에서 지칭된 바와 같이 단열 영역(26)은 이송 튜브(12) 내의 열 전달 매체와 이의 주변 사이에 열을 전달하지 않는(또는 무시해도 좋은 크기의 열을 전달함) 이송 튜브(12)의 영역이다.
후술된 바와 같이, 이송 튜브(12)의 단열 영역(26)이 아니라 응축기 영역(22) 및/또는 증발기 영역(24)은 응축기 영역(22) 및/또는 증발기 영역(24)의 외부 환경과 열 전달 매체(예를 들어, 작동 유체) 간의 열 전달을 위하여 응축기 영역(22) 및/또는 증발기 영역(24) 내의 표면적을 증가시키는 열 전도성 매트릭스 재료를 수용한다. 단열 영역(26)에 의한 증발기 영역(24)과 응축기 영역(22)의 분리는 이송 튜브(12)에 대한 열 다이오드 효과를 유지시키고, 특히 열 전도성 매트릭스 재료는 응축기 영역(22)과 증발기 영역(24) 둘 모두 내에 수용된다. 특히, 이의 작동 원리로 인해 열사이펀은 단일 방향으로의 열 전달을 제공한다. 즉, 열사이펀은 열 다이오드로서 작용한다. 후술된 바와 같이, 응축기 영역(22) 및/또는 증발기 영역(24)에 열 전도성 매트릭스 재료를 추가함으로써 적어도 일부 양방향 열 전달을 제공할 수 있는 응축기 영역(22) 및/또는 증발기 영역(24)에 모세관력이 생성된다(즉, 응축기 영역(22) 및/또는 증발기 영역(24)은 적어도 어느 정도 열 전도성 매트릭스 재료의 혼입으로 인해 양방향 열 전달을 제공하는 열 파이프와 같이 작동함). 단열 영역(26) 내에 임의의 열 전도성 매트릭스 재료를 포함하지 않음으로써, 단열 영역(26)은 열사이펀 원리에 따라 작동하고(즉, 트루 열사이펀과 같이 작동함), 이에 따라 단지 일 방향으로 열 전달을 제공한다(즉, 열 다이오드로서 기능을 함). 따라서, 단열 영역(26)은 이송 튜브(12)에 대한 열 다이오드 효과를 유지한다.
응축기 영역(22), 증발기 영역(24) 및 단열 영역(26)이 도 2에 도시된 영역으로 제한되지 않는다. 대신에, 도 2에서 지정된 영역은 다른 영역에 대해 각각의 영역의 상대 위치를 나타냄으로써 이해를 돕는 것을 의미한다. 영역은 이송 튜브(12)를 따라 특정 고정된 경계를 갖지 않을 수 있고 특정 구현에 따라 변화할 수 있다.
실제로, 열 전달 매체는 증발기 영역(24) 내에서 가열된다(예를 들어, 이송 튜브(12)의 증발기 영역(24)의 외부 환경과 이송 튜브(12) 내에 수용된 열 전달 매체 사이의 전도를 통하여). 증발된 열 전달 매체는 부력에 의해 증발기 영역(24)으로부터 단열 영역(26)을 통하여 응축기 영역(22)으로 이동한다. 응축기 영역(22)에서, 열 전달 매체는 냉각되고 생성된 응축된 열 전달 매체가 중력 및/또는 원심력으로 인해 단열 영역(26)을 통하여 증발기 영역(24)으로 재차 이동한다. 이 예시에서, 응축기 영역(22)이 증발기 영역(24)의 온도보다 낮은 온도로 냉각되는 한(예를 들어, 열 전달 블록(14)을 통해 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22)을 냉각시키도록 작동하는 열전기 냉각기(들)가 활성화되는 한) 공정은 열사이펀 원리에 따라 이 방식으로 반복된다.
전술된 바와 같이, 수동 열 교환을 위해 열사이펀 시스템을 사용할 때, 응축기 영역(22) 및/또는 증발기 영역(24)에서 고 열-플럭스 상태를 관리하기가 대개 어렵다. 예를 들어, 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22)에서 열 전달을 증가시킴에 따라(예를 들어, 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22)을 냉각시키기 위해 사용된 열전기 냉각기(들)에 대한 흐름을 증가시킴으로써) 응축기 영역(22)에서 열-플럭스가 증가한다. 응축기 영역(22) 내에서 열-플럭스를 관리하면서 증가된 열 전달을 구현하기 위하여 응축기 영역(22)에서 열 전달을 위한 표면적을 증가시키는 것이 선호될 수 있다. 통상적으로, 열 전달을 위한 표면적의 증가는 복잡하고 고가의 열 교환기 및 매니폴드의 사용에 의해 구현된다. 이들 해결 방법은 이의 복잡성으로 인해 비용이 상당하고 바람직하지 않다. 이와 같이, 고 열-플럭스 상태를 효과적으로 관리하기 위한 무능(inability)은 대개 무시되며, 수동 열 교환 시스템을 사용하기 위하여 필요한 임의의 연계된 비용이 고려된다. 게다가, 통상적인 해결 방법의 이점은 고압 냉매를 사용할 때 추가로 무효화되고 이는 열 교환을 위한 이송 튜브가 열 전도를 차단하는 냉매를 안전하게 수용하기 위하여 두꺼워져야 하기 때문이다.
본 명세서에 개시된 실시예는 예를 들어, 소결된 분말 또는 구리 또는 알루미늄 메시와 같은 무작위 또는 준-무작위 입자 또는 섬유의 고도 (열) 전도성 매트릭스의 첨가를 통하여 이송 튜브(12) 내에서의 부피 비율로 상당히 증가된 표면적을 제공함으로써 열사이펀 시스템(10) 내에서 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22) 및/또는 증발기 영역(24) 내에서 높은 열-플럭스 상태의 관리를 가능하게 함으로써 전술된 문제점에 대한 해결 방법을 제공한다. 이 무작위 또는 준-무작위 매트릭스는 열사이펀 시스템(10)의 비활성 또는 비증강 영역(즉, 이송 튜브(12)의 증발기 영역(24)과 응축기 영역(22) 사이의 단열 영역(26))에서가 아니라 열사이펀 시스템(10)의 이송 튜브(12)의 국부화된 증발기 영역(24) 또는 국부화된 응축기 영역(22)들 중 하나 또는 둘 모두에서 열사이펀 시스템(10)을 증강한다. 무작위 또는 준-무작위 열 전도성 매트릭스 재료의 위치는 열 흡수 또는 열 방출을 위한 요구된 응용에 의존될 수 있다. 예를 들어, 열 전도성 매트릭스 재료는 열사이펀 시스템(10)의 응축기 영역(22)에 위치된 열 교환 블록(14)의 이송 튜브(12) 내에 수용될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일부 실시예에 따라 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22)이 열 전도성 매트릭스 재료로 증강되는 도 1 및 도 2로부터의 열 교환 블록(14)을 도시한다. 일부 실시예에서, 열 교환 블록(14)은 알루미늄, 구리, 스테인리스 스틸, 또는 임의의 열 전도성 재료를 포함하는 열 전도성 재료로 형성될 수 있다. 열 교환 블록(14)과 이송 튜브(12)는 동일하거나 또는 상이한 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 열 교환 블록(14)은 열사이펀 시스템(10)에 의해 효과적인 열 전도도를 유지하기 위하여 이송 튜브(12)와 적어도 동일한 크기의 열전도율을 제공하는 재료로 형성된다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 열 교환 블록(14)은 각각의 종방향 유체 포트(28)의 말단(30)에서 왕관형 부분을 형성하는 다른 적합한 캐비티 형성 수단을 사용하거나 또는 재료의 블록 내로 드릴링에 의해 형성될 수 있는 6개의 종방향 유체 포트(28)를 포함한다. 6개의 이송 튜브(12)의 각각의 단부는 유체 포트(28)가 열 교환 블록(14) 내에 배치된 이송 튜브(12)의 일부를 형성하도록 6개의 종방향 유체 포트(28)에 의해 수용된다. 따라서, 열사이펀 시스템(10)의 이송 튜브(12)는 열 교환 블록(14)의 각각의 유체 포트(28)를 포함하는 것으로 지칭된다. 말단(30)의 마주보는 측면 상에서, 상호연결 포트(32)는 종방향 유체 포트(28)를 통하여 횡방향으로 연장되고 다른 적합한 캐비티 형성 수단 또는 드릴링에 의해 형성될 수 있다. 상호연결 라인(16)은 상호연결 포트(32)에 결합되고 열 전달 유체가 이송 튜브(12)에 추가되도록 허용하는(또는 이로부터 제거되도록 허용하는) 피팅(18, 20)(도시되지 않음)에 의해 마주보는 단부에서 말단을 이룬다.
도 3a는 본 발명의 일부 실시예에 따른 열 교환 블록(14)의 유체 포트(28) 내에 수용된 열 전도성 매트릭스 재료(38)를 추가로 도시한다. 전술된 바와 같이, 유체 포트(28)는 대응 이송 튜브(12)의 일부를 형성하고, 더욱 구체적으로는 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22)에 대응한다.
도 3b는 유체 포트(28) 내에 있는(즉, 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22) 내에 있는) 열 전도성 매트릭스 재료(38)를 도시하는 도 3a의 열 교환 블록(14)의 단부도를 도시한다. 도 3a 및 도 3b는 열 전도성 매트릭스 재료(38)의 특성 또는 이송 튜브(12) 내에서의 이의 위치를 제한하지 않고 본 발명의 이해를 돕고 전후 관계를 제공하는 것을 의미하는 실시예를 도시하는 것으로 이해되어야 한다.
열 전도성 매트릭스 재료(38)는 임의의 하나 이상의 이송 튜브(12) 내의 다양한 위치에 수용될 수 있다. 특히, 열 전도성 매트릭스 재료(38)는 추가로 하기에서 상세히 설명되는 바와 같이 이송 튜브(12)의 일부 또는 전체 응축기 영역(22)(즉, 응축기 영역(22)과 동일 넓이의 일부/영역) 내에 또는 이송 튜브(12)의 일부 또는 전체 증발기 영역(24)(즉, 증발기 영역(24)과 동일 넓이의 일부/영역) 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 열 전도성 매트릭스 재료(38)는 임의의 하나 이상 그리고 잠재적으로 모든 이송 튜브(12)의 전체 응축기 영역(22) 내에 수용될 수 있거나 또는 임의의 하나 이상 그리고 잠재적으로 모든 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22)의 단지 일부 또는 다수의 상이한 부분 내에 수용될 수 있다. 동일한 방식으로, 후술된 바와 같이, 열 전도성 매트릭스 재료(38)는 임의의 하나 이상 그리고 잠재적으로 모든 이송 튜브(12)의 증발기 영역(24) 내에 수용될 수 있다.
열 전도성 매트릭스 재료(38)는 도 3a 및 도 3b의 예시에서 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22)(들) 내의 표면적을 증가시키는 열 전도성 다공성 재료이다. 일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료(38)의 열전도율은 이송 튜브(12)에 대해 사용된 재료의 열전도율 이상이다. 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22) 내에서 열 전달률(Q)은 Q = k*A*△T로 정의될 수 있고, 여기서 k는 열 전도성 매트릭스 재료(38)에 대해 사용된 재료의 열전도율이며, A는 열 전달을 위한 표면적이고, △T는 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22)의 온도와 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22) 내의 열 전달 매체 간의 온도 차이이다. 따라서, 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22)(들) 내에 열 전도성 매트릭스 재료(38)를 포함시킴으로써, 모두가 동일하게, 열 전달을 위한 표면적(A)이 증가되어 열 전달률(Q)을 증가시킨다. 추가로, 열 전도성 매트릭스 재료(38)를 수용하는 이송 튜브(12)들의 응축기 영역(22)들의 부피는 동일하게 유지될 수 있는 동시에 열 전달률 (Q)을 증가시킨다. 추가로, 열-플럭스가 증가된 열 전달률(Q)을 제공하기 위하여 시스템 △T을 증가시킬 필요가 없는 방식으로 열-플럭스가 관리되고, 이와 같이 고 열-플럭스와 연계된 문제점이 배제될 수 있다.
일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료(38)의 다공도는 목표 표면적이 제공되는 동시에 또한 열 전도성 매트릭스 재료(38)에 의해 야기된 모세관력을 관리하도록 형성된다. 관리되지 않는 경우, 열 전도성 매트릭스 재료(38)에 의해 생성된 모세관력은 열 전도성 매트릭스 재료(38) 내에서 열 전달 매체의 수집으로 인해 열 전달 매체의 감소된 유동 속도 및 열 전도성 매트릭스 재료(38)를 수용하는 이송 튜브(12)들의 응축기 영역(22) 및/또는 증발기 영역(24) 내에서 바람직하지 못한 양-방향 열 전달을 포함하는 다수의 문제점을 야기할 수 있다. 이들 문제점들은 열 전도성 매트릭스 재료(38)를 수용하는 응축기 영역(22) 및/또는 증발기 영역(24)으로 구분되지만 그럼에도 불구하고 바람직하지 못할 수 있다. 열 전도성 매트릭스 재료(38)로부터 형성되는 모세관력은 직접적으로 열 전도성 매트릭스 재료(38)의 다공도에 관한 것이다. 열 전도성 매트릭스 재료(38)의 다공도가 감소됨에 따라(이에 따라, 열 전달을 위한 표면적이 증가됨) 모세관력이 증가된다. 이에 따라서, 일부 실시예에서, (a) 요구된 열 전달률(Q)이 열사이펀 시스템(10)의 일부 특정 구현을 위하여 달성되고(즉, 일부 소정 세트의 파라미터가 열 전도성 매트릭스 재료(38)를 수용하는 증발기 영역(24)과 응축기 영역(22)의 k, △T, 치수, 열 전도성 매트릭스 재료(38)로서 사용된 재료 등), (b) 열 전도성 매트릭스 재료(38)로부터 형성된 모세관력이 적어도 일부 소정의 최대 허용값 미만이거나 또는 열사이펀 시스템(10)의 특정 구현이 제시된 목표 열 전달률(Q)에 대해 최소화되도록 열 전도성 매트릭스 재료(38)의 다공도가 형성된다.
일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료(38)는 무작위, 준-무작위 및/또는 비-무작위 구조이다. 열 전도성 매트릭스 재료(38)는 입자, 섬유 또는 이와 유사한 것의 임의의 하나 이상의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 열 전도성 매트릭스 재료(38)는 소결된 분말, 섬유의 메시, 또는 이 둘 모두의 조합을 포함할 수 있다. 소결된 분말 또는 섬유의 메시가 강성이거나 또는 변형가능할 수 있다. 예를 들어, 섬유의 메시가 스틸 울 또는 스틸 울의 구조와 밀도를 갖지만 스틸(예를 들어, 구리) 이외의 재료로 제조된 일부 재료일 수 있다.
열 전도성 매트릭스 재료(38)의 무작위 구조물은 모든 구조적 특성이 무작위로 또는 적어도 의사-무작위로 변화하는(즉, 비체계적, 비특이적, 또는 무질서 공정에 따라 변화하는) 구조물을 지칭한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료(38)는 섬유의 길이 및 직경뿐만 아니라 메시 내의 섬유의 배열이 모두 무작위 또는 적어도 의사-무작위적인 무작위 구조물을 갖는 섬유의 메시이다. 역으로, 열 전도성 매트릭스 재료(38)의 준-무작위 구조물은 구조물의 하나 이상이지만 전체가 아닌 구조적 특성이 무작위로 변화하는 구조물을 지칭한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료(38)는 모든 섬유의 길이와 직경이 동일하지만 섬유의 배열은 무작위 또는 적어도 의사-무작위적인 준-무작위 구조물을 갖는 섬유의 메시이다. 입자의 무작위 특성은 크기와 형상을 포함할 수 있다. 섬유의 무작위 특성은 직경, 길이, 및 공간 배향을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료(38)는 사전제작된 스크린의 스택일 수 있다. 이에 관하여, 도 4는 열 전도성 매트릭스 재료(38)가 본 발명의 실시예에 따라 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22) 내에 적층된 사전 제작된 스크린(40)의 스택에 의해 형성되는 실시예를 도시한다. 적층된 스크린(40)은 다양하고 상이한 공간 배향을 따라 이송 튜브(12) 내에 수용될 수 있고 다양하고 상이한 기하학적 형상을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 스크린(40)은 제1 미리정해진 간격에 따라 임의의 이송 튜브(12-1 내지 12-5)의 응축기 영역의 길이를 따라서 적층되고 제2 미리정해진 간격에 따라 이송 튜브(12-6)의 응축기 영역의 길이를 따라 적층된다. 제2 미리정해진 간격은 제1 미리정해진 간격보다 작다. 즉, 이송 튜브(12-6)의 응축기 영역 내의 스크린(40)의 개수는 다른 이송 튜브(12-1 내지 12-5) 각각의 응축기 영역 내의 스크린(40)의 개수보다 많다. 이 방식으로, 표면적 증가뿐만 아니라 열 전도성 매트릭스 재료(38)의 다공도가 제어될 수 있다. 또한, 전술된 바와 같이, 이송 튜브(12) 모두가 이 실시예에서 스크린(40)에 의해 형성되는 열 전도성 매트릭스 재료(38)를 필수적으로 수용하지는 않는다.
스크린(40)은 무작위, 준-무작위, 및/또는 비-무작위 구조적 특성을 가질 수 있다. 구조적 특성의 예시가 스크린의 형상 및 크기, 적층된 스크린의 상대 공간 배향, 스크린의 메시 밀도 등을 포함한다. 예를 들어, 열 전도성 매트릭스 재료(38)의 무작위 구조물은 무작위 공정에 따라 결정된 다양하고 상이한 공간 배향을 갖는 스크린(40)의 스택을 포함할 수 있다. 역으로, 예시로서, 열 전도성 매트릭스 재료(38)에 대한 준-무작위 구조물은 제1 축을 따라 무작위 배향을 갖는 스크린(40)의 스택을 포함할 수 있지만 제2 축을 따른 이들의 배향은 무작위가 아니다. 예를 들어, 스크린(40)은 무작위로 회전할 수 있지만(즉, 제1 축) 이송 튜브(12)의 길이를 따라 평행하게 균등히 이격될 수 있다(즉, 제2 축). 열 전도성 매트릭스 재료(38)에 대한 비-무작위 구조물은 무작위 구조적 특성 없이 스크린(40)의 스택을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일부 실시예에 따른 단일의 사전제작된 스크린(40)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 스크린(40)은 이송 튜브(12)의 내측에 수용되도록 성형되고 열 전도성 메시 재료로 형성된다. 사전제작된 스크린(40)의 기하학적 설계가 저 제한 도관(low restriction conduit) 또는 경로로서 기능을 추가로 향상시키도록 최적화될 수 있다. 각각의 사전제작된 스크린(40)은 이송 튜브(12) 내에 수용된 적층된 스크린(40)을 통과하는 열 전달 매체의 공급 또는 회수를 용이하게 하기 위한 기하학적 설계를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 스크린(40)은 메시 재료를 갖는 영역 및 메시 재료가 없는 영역을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스크린(40)은 스크린(40)의 중심에 임의의 메시 재료가 없는 환대의 형상으로 형성될 수 있다.
이송 튜브(12)들의 응축기 영역(들)(22) 내에 적층된 스크린(40)의 개수는 목표 표면적 대 부피 비율을 구현하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 재차 도 4를 참조하면, 이송 튜브(12-1 내지 12-5)의 응축기 영역(22)은 각각 단위 부피당 적층된 스크린(40)의 제1 개수를 포함하고, 이송 튜브(12-6)의 응축기 영역(22)은 단위 부피당 적층된 스크린(40)의 제2 개수를 포함한다. 도시된 바와 같이, 이송 튜브(12-6)의 단위 부피당 적층된 스크린(40)의 제2 개수는 임의의 이송 튜브(12-1 내지 12-5) 내에서 단위 부피당 적층된 스크린(40)의 제1 개수보다 많다. 따라서, 이송 튜브(12-6)에 대한 표면적 대 부피 비율은 임의의 이송 튜브(12-1 내지 12-5)에 대한 표면적 대 부피 비율보다 크다.
표면적 대 부피 비율의 증가는 스크린(40)의 개수 및 각각의 스크린(40)의 표면적을 기초로 계산될 수 있다. 게다가, 적층된 스크린(40)의 개수는 열 전달 매체에 대한 저 제한 도관 또는 경로를 제공하기 위해 필요한 다공도를 유지하면서 표면적 대 부피 비율을 최적화하도록 미리정해질 수 있다. 따라서, 단위 부피당 스크린(40)의 개수는 열사이펀 시스템(10)에 추가된 표면적뿐만 아니라 작동 부피 내에서 스크린(40)의 개수를 간단히 변화시킴으로써 적층된 스크린(40)의 다공도를 정한다. 이 방식으로, 증가된 표면적과 모세관력 간의 균형이 제어될 수 있다. 따라서, 적층가능 스크린(40)이 각각 모세관력에 의해 야기된 위킹(wicking)을 최소화하면서 증발 또는 응축을 돕는 고 열 전달 영역을 제공하기 위하여 증발기 영역(24) 및/또는 응축기 영역(22)에서 사용될 수 있다.
사전제작된 열 전도성 매트릭스 재료는 적층가능 스크린에 제한되지 않는다. 도 6은 열 전도성 매트릭스 재료(38)가 본 발명의 실시예에 따라 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22) 내에 수용된 나선형 리본(42)인 열 전도성 매트릭스 재료(38)의 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 나선형 리본(42)은 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22)의 표면적 대 부피 비율을 증가시킨다. 나선형 리본(42)은 열전도성을 갖는다. 나선형 리본(42)의 기하학적 형상은 이송 튜브(12) 내에 수용될 때 다공성 구조물을 제공한다. 따라서, 나선형 리본(42)을 형성하는 재료는 다공성 또는 비-다공성 재료로 형성될 수 있고 이송 튜브(12) 내에 수용될 때 다공성 구조물을 여전히 제공한다. 이는 나선형 리본(42)의 전체 기하학적 구조물이 이송 튜브(12) 내에 수용될 때 다공성 구조물을 형성하기 때문에 열 전달 매체가 모세관력과 유체 반출을 최소화하면서 증강된 튜브를 통해 유동할 수 있도록 허용한다. 일부 실시예에서, 나선형 리본(42)은 모세관력에 의해 야기된 임의의 위킹을 추가로 최소화하고 증강된 이송 튜브(12)의 표면적 대 부피 비율을 추가로 증가시키기 위하여 다공성 재료로 형성될 수 있다.
열 전도성 매트릭스 재료(38)의 위치는 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22)에 제한되지 않는다. 더욱 구체적으로, 열 전도성 매트릭스 재료(38)는 임의의 하나 이상의 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22) 내에 수용될 수 있고 및/또는 임의의 하나 이상의 이송 튜브(12)의 증발기 영역(24) 내에 수용될 수 있다. 열 전도성 매트릭스 재료(38)는 하나 이상의 이송 튜브(12)의 증발기 영역(24)과 하나 이상의 응축기 영역(22) 내에 일반적으로 수용되며, 이송 튜브(12)의 단열 영역(26) 내에 수용되지 않는다. 단열 영역(26)이 배제된 이송 튜브(12)의 부분으로 열 전도성 매트릭스 재료(38)의 위치의 제한은 바람직한데, 이는 이송 튜브(12)의 열 다이오드 효과를 유지하기 때문이다(즉, 열은 여전히 하나의 방향으로만 전송될 수 있음).
도 3a, 도 3b, 및 도 4 내지 도 6에서, 열 전도성 매트릭스 재료(38)가 이송 튜브(12)의 응축기 영역(22) 내에 수용된 것으로 도시된다. 그러나, 전술된 바와 같이, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 이에 관하여, 도 7은 열 전도성 매트릭스 재료(38)가 이송 튜브(12)들 중 하나의 이송 튜브의 증발기 영역(24) 내에 수용된 실시예를 도시한다. 특히, 도 7은 명확함을 위해 이송 튜브(12)들 중 단지 하나만을 도시하지만 열 전도성 매트릭스 재료(38)가 임의의 하나 이상의 이송 튜브(12)의 증발기 영역(들)(24) 내에 수용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 증발기 영역(24) 내에 배열되는 것 이외에, 열 전도성 매트릭스 재료(38)는 전술된 바와 같이 동일하다. 이와 같이, 세부사항이 반복되지 않는다.
도 8은 열 전도성 매트릭스 재료(38)는 응축기 영역(22)(열 전도성 매트릭스 재료(38-1)로 도시된 바와 같이) 및 증발기 영역(24)(열 전도성 매트릭스 재료(38-2)로 도시된 바와 같이) 둘 모두 내에 수용되지만 이송 튜브(12)들 중 하나의 이송 튜브의 단열 영역(26) 내에는 수용되지 않는 실시예를 도시한다. 특히, 도 8은 명확함을 위해 이송 튜브(12)들 중 단지 하나만을 도시하지만 열 전도성 매트릭스 재료(38)가 임의의 하나 이상의 이송 튜브(12)의 증발기 영역(들)(24)과 응축기 영역(22) 내에 수용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
열사이펀 시스템은 다양한 방법에 따라 증강된 열사이펀 시스템(10)을 제조하기 위하여 증강될 수 있다. 이에 관하여, 도 9는 본 발명의 일부 실시예에 따른 열사이펀 시스템을 증강하기 위한 방법의 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 열사이펀 시스템을 증강하기 위한 방법은 열 전도성 매트릭스 재료를 수용하기 위해 열사이펀 시스템의 하나 이상의 이송 튜브를 선택하는 단계(단계 100)를 포함한다. 각각의 선택된 이송 튜브에 대한 하나 이상의 영역이 열 전도성 매트릭스 재료를 수용하도록 미리정해진다(단계 102). 예를 들어, 응축기 영역(또는 이의 일부(들)) 및/또는 증발기 영역(또는 이의 일부(들))이 열 전도성 매트릭스 재료를 수용하도록 미리정해질 수 있다. 따라서, 열 전도성 매트릭스 재료는 선택된 이송 튜브의 미리정해진 부분들 내로 삽입된다(또는 이 내에 형성됨)(단계 104).
전술된 바와 같이, 열 전도성 매트릭스 재료는 열전도성의 다공성 재료(예를 들어, 열 전도성의 무작위, 준-무작위, 및/또는 비-무작위 섬유 또는 분말 매트릭스)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 열 전도성 매트릭스 재료의 양 및 상기 재료를 삽입, 또는 패킹하기 위해 사용된 힘은 열 전도성 매트릭스 재료에 대한 목표 밀도 및/또는 다공도를 기초로 결정된다. 특히, 일부 실시예에서 패킹력의 크기는 표면적 대 부피 비율뿐만 아니라 모세관력을 제어하는 열 전도성 매트릭스 재료의 다공도에 영향을 미친다. 이는 특히 스틸 울 또는 소결된 금속과 같거나 또는 이와 유사한 열 전도성 매트릭스 재료에 대해 적용된다. 따라서, 충분한 양의 열 전도성 매트릭스 재료가 표면적의 목표 증가를 허용하지만 과도한 모세관력을 유발하는 정도는 아닌 충분한 힘으로 패킹되어야 한다. 열 전도성 매트릭스 재료를 수용하는 부분에서 모세관력을 증가시키는, 소정 양의 열 전도성 매트릭스 재료에 대한 과도한 패킹력을 사용함으로써 다공도가 감소될 수 있다. 이는 응축기 영역과 증발기 영역 사이에 열 전달을 감소시킬 수 있고 이는 열 전달 매체의 시스템 수준 유동을 잠재적으로 감소시키며 열 전달 용량을 전체적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명이 몇몇 실시예에 관해 기재될지라도, 본 발명은 전술된 실시예에 제한되지 않고 첨부된 청구범위의 사상과 범위 내에서의 개조 및 변형에 따라 수행될 수 있는 것으로 당업자에게 인식될 것이다.
개관으로서, 위에서 상세히 설명된 실시예는 열사이펀 증발기 영역 및/또는 응축기 영역 내에서 고 열-플럭스 상태를 제거하기 위한 메커니즘을 제공한다.
개시된 실시예는 수동 열 이송을 위하여 열사이펀 시스템을 이용할 때 야기되는 문제점을 해결한다. 특히, 증발기 영역 및/또는 응축기 영역에서 대개 고 열-플럭스 상태를 관리하기가 곤란하다. 이 문제점은 대개 무시되고 연계된 손실은 대안으로 복잡하고 고가의 열 교환기 및 매니폴드로 관리되거나 또는 수동 열 이송 방법을 사용하는 비용으로서 흡수된다. 더 높은 압력의 냉매를 취급할 때 더욱 곤란해지며, 이는 압력을 안전하게 수용하기 위해 필요한 기계식 구조물이 두께가 증가함에 따라 열 교환기 벽을 통한 증가적으로 큰 전도 손실로 인해 제1 위치에서 연장된 표면 열 교환기를 사용하는 이점을 즉각적으로 무효로 하기 때문이다.
개시된 실시예는 구리, 알루미늄 울, 또는 소결된 분말과 같이 무작위 또는 준-무작위 입자/섬유의 고도의 열 전도성 매트릭스 재료의 첨가를 통하여 표준 시스템 이송 튜브 내에서 상당히 증가된 표면적 대 부피 비율을 제공함으로써 열사이펀 시스템의 증발기 및/또는 응축기 내의 고 열-플럭스 상태를 관리하는 문제점을 취급한다. 재료의 이 증가는 열 흡수 또는 열 방출을 위한 원하는 응용에 따라 시스템의 반대 영역(단열 영역)에서가 아니라 열사이펀의 국부화된 증발기 또는 국부화된 응축기 영역에서 나타날 수 있다.
개시된 실시예는 3가의 개별 이점을 제공한다. 첫째로, 제공된 추가 표면적에 따라 매우 낮은 헌열 손실 또는 온도 상승/하강에 따른 입력 파워 수준을 처리하기에 충분한 습윤 영역을 제공함으로써 공급원(예를 들어, 냉동기의 냉각 챔버)으로부터 열 사이펀 작동 유체(즉, 열 전달 매체)로 고효율 열 전달을 허용할 것이다.
둘째로, 국부화된 증발기 및/또는 응축기 영역에 대한 무작위/준-무작위 섬유 매트릭스 재료의 위킹 효과를 분리시킴으로써, 이는 열사이펀 시스템에 의해 제공된 열 다이오드 효과를 온전한 상태로 유지시킬 수 있고 열 릭크백(thermal leakback)을 최소로 유지시킬 수 있다. 특히, 이는 통상적인 열 파이프 시스템에서 보여지는 바와 같이 전장(full-length)의 위킹 구조물을 제공하기 위하여 가능하지 않은 가능성이다.
셋째로, 열사이펀 시스템 내로 미리 통합된 동일한 이송 튜브의 이용은 연장된 영역의 열 교환기의 사용에 의해 발생되는 추가 비용을 최소화한다. 추가로, 일부 실시예에서, 단순한 원통형 기하학적 형상을 유지함으로써, 시스템은 매우 작은 변형에 따른 매우 높은 시스템 압력을 안전하게 처리할 수 있다.
확장된 표면적을 제공하는 방법은 미리정해진 증발기 및/또는 응축기 영역 내로 고 전도성의 무작위 섬유 또는 분말 매트릭스 재료의 단순한 패킹이다. 메시 밀도 또는 다공도는 국부적 매스(local mass), 이에 따라 시스템 수준 매스 유동을 잠재적으로 감소시킬 수 있는 열 이송, 및 열 이송 용량을 증가시키기 위하여 사용되고 국부적 증발기 영역 및/또는 응축기 영역 모세관력을 최소화하는 동시에 주어진 열 로딩(heat loading)에 따른 최소의 손실을 허용하고, 충분한 표면적 대 부피 비율을 제공하기 위하여 제어될 수 있다.
또 다른 방법은 증가된 표면적 대 부피 비율과 또한 증발 또는 응축을 위한 고도의 열-플럭스 영역으로 이송 튜브 및 연계된 증발기 또는 응축기로부터 이동하는 공급된 또는 회수되는 작동 유체에 대해 기하학적 설계를 통하여 제공된 저 제한 도관 또는 경로를 제공하며 섬유 매체의 밀도를 정하기 위해 제어된 개수로 적층될 수 있는 고도의 열 전도성 재료의 형성된 스크린을 이용하는 것이다.
이들 실시예의 주안점은 모세관력이 높은 열-플럭스의 미리정해진 영역 외에서 우세해지는 것을 허용하지 않고 단지 국부적으로 증가된 표면적 대 부피 비율을 제공하는 데 있다. 이는 열사이펀 시스템이 구성의 단순화된 기하학적 형상 및 재료에 따라 높은 열-플럭스 입력을 허용하면서 증대되지 않은 열사이펀 시스템의 전체 열 다이오드 용량을 보유할 수 있도록 한다.
당업자는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 개선 및 수정을 인식할 것이다. 모든 그러한 개선 및 수정은 여기에서 개시된 개념 및 뒤따르는 청구범위의 범위 내라고 생각된다.

Claims (25)

  1. 열사이펀 시스템(thermosiphon system)으로서,
    응축기 영역, 증발기 영역 및 상기 응축기 영역과 상기 증발기 영역 사이의 영역을 포함하는 튜브(tubing) - 상기 튜브는 열사이펀 원리에 따라 상기 응축기 영역과 상기 증발기 영역 사이에서 열 전달 매체의 수동 2-상 전달을 제공하도록 구성되고 상기 열 전달 매체를 수용하도록 구성됨 - , 및
    열 전도성 매트릭스 재료 - 상기 열 전도성 매트릭스 재료가 상기 튜브의 상기 증발기 영역과 상기 응축기 영역 중 하나 이상의 영역에서 열 전달을 위한 표면적을 증가시키도록, 상기 증발기 영역과 상기 응축기 영역 사이의 상기 튜브의 영역에서가 아니라 상기 튜브의 상기 증발기 영역과 상기 응축기 영역 중 하나 이상의 영역 내에 상기 열 전도성 매트릭스 재료가 수용되어 있음 -
    를 포함하는 열사이펀 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료는 무작위 매트릭스 구조물 및 준-무작위 매트릭스 구조물 중 하나 이상을 포함하는 열사이펀 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료는 비-무작위 매트릭스 구조물을 포함하는 열사이펀 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열 전달 매체는 유체인 열사이펀 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료는 상기 튜브의 상기 증발기 영역의 일부와 상기 응축기 영역의 일부 중 하나 이상 내에 수용되는 열사이펀 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료는 상기 튜브의 상기 증발기 영역과 동일한 넓이의 영역과 상기 응축기 영역과 동일한 넓이의 영역 중 하나 이상 내에 수용되는 열사이펀 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료는 복수의 섬유의 메시를 포함하고, 상기 복수의 섬유는 무작위 직경, 무작위 길이 및 무작위 공간 배향 중 하나 이상을 포함하는 열사이펀 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 메시는 상기 메시에 의해 제공된 증가된 표면적을 기초로 미리정해진 열 전달률을 구현하면서 모세관력을 최소화하기 위하여 미리정해진 다공도를 포함하는 열사이펀 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 메시는 변형가능한 열사이펀 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료는 열 전도성 섬유와 열 전도성 입자 중 하나 이상을 포함하는 열사이펀 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 열 전도성 섬유와 상기 열 전도성 입자 중 하나 이상이 구리 및 알루미늄으로 구성된 하나 이상의 그룹으로 구성되는 열사이펀 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료는 소결된 분말인 열사이펀 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 소결된 분말은 상기 소결된 분말에 의해 제공된 증가된 표면적을 기초로 미리정해진 열 전달률을 구현하면서 모세관력을 최소화하기 위하여 미리정해진 밀도를 포함하는 열사이펀 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료는 복수의 사전제작된 스크린의 배열을 포함하는 열사이펀 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 배열은 상기 복수의 사전제작된 스크린의 미리정해진 개수를 포함하는 열사이펀 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 복수의 사전제작된 스크린의 미리정해진 개수는 상기 복수의 사전제작된 스크린에 의해 제공된 증가된 표면적을 기초로 미리정해진 열 전달률을 구현하면서 모세관력을 최소화하도록 정해지는 열사이펀 시스템.
  17. 제14항에 있어서, 상기 복수의 사전제작된 스크린의 배열은 무작위 배향으로 적층되는 열사이펀 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 상기 튜브의 상기 증발기 영역과 상기 응축기 영역 중 하나 이상 내에 수용될 때 상기 열 전도성 매트릭스 재료에 의해 형성된 구조물은 다공성 구조물인 열사이펀 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료는 나선형 리본 기하학적 형상을 갖는 열사이펀 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료의 열 전도도는 상기 튜브의 열 전도도 이상인 열사이펀 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료는 상기 응축기 영역 내에 수용되는 열사이펀 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료는 상기 증발기 영역 내에 수용되는 열사이펀 시스템.
  23. 제1항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료는 상기 응축기 영역과 상기 증발기 영역에 수용되는 열사이펀 시스템.
  24. 열사이펀 시스템용 튜브로서,
    증발기 영역과 응축기 영역 사이의 튜브의 영역에서가 아니라 상기 튜브의 상기 증발기 영역과 상기 응축기 영역 중 하나 이상의 영역 내에서 열 전달을 위해 표면적을 증가시키는 열 전도성 매트릭스 재료
    를 포함하고,
    상기 튜브는 열사이펀 원리에 따라 상기 응축기 영역과 상기 증발기 영역 사이에서 열 전달 매체의 수동 2-상 전달을 제공하도록 구성되고 상기 열 전달 매체를 수용하도록 구성되는 튜브.
  25. 제24항에 있어서, 상기 열 전도성 매트릭스 재료는 상기 열 전도성 매트릭스 재료에 의해 제공된 증가된 표면적을 기초로 미리정해진 열 전달률을 구현하면서 모세관력을 최소화하기 위하여 미리정해진 다공도를 포함하는 튜브.
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