KR20190016489A - 라미네이트 마이크로채널 열 교환기 - Google Patents

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KR20190016489A
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리차드 토드 밀러
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오리건 스테이트 유니버시티
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Abstract

하나의 일반적인 양태에서, 마이크로채널 열 교환기가 개시된다. 이는 커버, 베이스, 및 유동 방향으로 정렬된 일련의 나란한 레인을 각각 형성하는 커버와 베이스 사이의 열 전도성 시트를 포함한다. 레인은 마이크로채널 세그먼트를 형성하고 크로스-리브에 의해 분리되는 정렬된 슬롯을 각각 포함한다. 시트는 리브의 적어도 일부가 서로로부터 오프셋되게 하고 인접한 시트 내의 동일한 레인 내의 마이크로채널 세그먼트가 유동 방향을 따라 서로 연통하여 열 교환기 내에 복수의 마이크로채널을 형성하도록 하기 위해 베이스와 커버 사이에 적층된다.

Description

라미네이트 마이크로채널 열 교환기
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2016년 4월 18일자로 출원된 미국 가출원 일련번호 제62/324,327호 및 2017년 1월 10일자로 출원된 미국 출원 일련 번호 제15/402,511호에 대한 우선권을 주장하며, 이들 모두는 본원에 참조로 포함된다.
발명의 분야
본 발명은 전자 디바이스와 같은 높은 열유속(high-heat flux)을 갖는 열원을 냉각시키는데 사용되는 마이크로채널 기반 증발기를 포함하는 마이크로채널 기반 열 교환기에 관한 것이다.
유체 열 교환기는 열 에너지를 수용 및 소산시킴으로써 높은 열유속의 열원(전형적으로 5 와트/cm 초과, 및 종종 실질적으로 더 높음)으로부터 폐열을 제거하는데 사용된다. 이러한 높은 열유속의 열원의 예는 마이크로프로세서 및 메모리 디바이스 같은 마이크로 전자 장치, 고체 상태 발광 다이오드(LED) 및 레이저, IGBT(insulated-gate bipolar transistor) 디바이스, 예컨대, 파워 서플라이, 광전지, 방사성 열 발생기 및 연료봉 및 내연 기관을 포함한다.
유체 열 교환기는 냉각제 유체가 유동하는 교환기의 내부 통로 내로 열 전도시키고, 교환기의 벽을 가로질러 전도되는 열을 흡수하고, 이어서 교환기 외부로 유체를 운반하며, 열 교환기 외부에서 열을 외부 히트 싱크로 배출시킴으로써 열을 소산한다. 교환기를 통해 유동하는 냉각제 유체는 가스일 수 있지만, 액체가 가스보다 높은 열 용량 및 열 전달 계수를 갖기 때문에 액체를 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다. 액체는 단일 상으로 유지될 수 있거나, 액체는 교환기의 내부 통로 내에서 부분적으로 또는 완전히 증발될 수 있다.
유체 열 교환기로 공급되는 냉각제 액체의 유동은 펌프에 의해, 또는 유입 및 유출 유체 사이의 밀도 차이 및/또는 고도로 인한 자연 대류에 의해(예를 들어, 열사이펀), 또는 교환기의 내부 통로 내의 모세관 작용에 의해, 또는 이들 메커니즘의 조합에 의해 구동될 수 있다.
증발기형 교환기는 비등 모드에 의존하고, 냉각제 유체의 단위 유체 유량당 더 높은 열 전달 계수(더 양호한 열 전달)의 장점을 갖는다. 이들은 또한 대부분의 열이 단일 상 액체 또는 가스의 감지 가능한 열(열 용량)보다는 비등 유체의 기화 잠열을 통해 흡수되기 때문에 훨씬 더 적은 냉각제 유동을 필요로 한다.
내부 통로가 마이크로채널, 즉, 1000 마이크로미터 미만 및 더 전형적으로 50 내지 500 마이크로미터의 범위의 최소 치수를 갖는 단면을 갖는 채널로 구성되면, 유체 열 교환기의 열적 성능 및 효율이 크게 향상될 수 있다는 것이 잘 알려져 있다.
하나의 일반적인 양태에서, 본 발명은 커버, 베이스, 및 유동 방향으로 정렬된 일련의 나란한 레인을 각각 형성하는 커버와 베이스 사이의 열 전도성 시트를 포함하는 마이크로채널 열 교환기를 특징으로 한다. 레인은 마이크로채널 세그먼트를 형성하고 크로스-리브에 의해 분리되는 정렬된 슬롯을 각각 포함한다. 시트는 리브의 적어도 일부가 서로로부터 오프셋되게 하고 인접한 시트 내의 동일한 레인 내의 마이크로채널 세그먼트가 유동 방향을 따라 서로 연통하여 열 교환기 내에 복수의 마이크로채널을 형성하도록 하기 위해 베이스와 커버 사이에 적층된다.
바람직한 실시예에서, 열 전도성 시트는 레인의 각각의 단부에 접근 채널 개구를 추가로 형성할 수 있고, 이는 적층될 때 마이크로채널을 위한 접근 채널을 생성한다. 시트는 레인의 입구 단부에서 개방 단면을 감소시키기 위해 열 교환기의 적어도 하나의 입구 단부에서 크로스-리브의 더 치밀한 패킹을 형성할 수 있다. 마이크로채널의 종횡비는 4:1보다 클 수 있다. 마이크로채널의 종횡비는 8:1보다 클 수 있다. 장치는 열 전도성 시트의 그룹 사이에 위치되어 다층 열 교환기를 형성하는 열 전도성 분리기 시트를 더 포함할 수 있다. 시트는 적어도 하나의 전도성 금속으로 제조될 수 있다. 시트는 소결 가능한 열 전도성 세라믹으로 제조될 수 있다. 시트는 접합 또는 융합될 수 있다. 마이크로채널은 500 마이크로미터 미만의 수력 직경을 가질 수 있다.
마이크로채널은 200 마이크로미터 미만의 수력 직경을 가질 수 있다. 베이스는 각각의 시트보다 두꺼운 베이스 플레이트일 수 있고, 커버는 마이크로채널과 연통하는 접근 채널을 포함할 수 있다. 베이스는 열 전도성이지만 전기 절연성 일 수 있다. 열 교환기는 유체 서비스를 비등 또는 증발시키도록 구성될 수 있고, 열 교환기는 마이크로채널의 입구 단부에서 유동 제한기를 더 포함한다. 유동 제한기는 슬롯들 사이의 크로스-리브 대부분보다 더 넓은 크로스-리브로 슬롯의 레인 내의 제1 슬롯의 단부를 교번적으로 폐쇄함으로써 형성될 수 있고, 교번하는 슬롯의 폐쇄-단부 레인은 슬롯형 시트의 교번하는 층 내에서 슬롯 위 또는 아래의 슬롯의 레인에 대해 엇갈리게 되며, 그래서, 시트가 함께 적층되고 접합될 때, 형성되는 평행 채널의 단면은 복수의 채널의 입구를 가로질러 체커보드 패턴을 가지며, 이는 주 채널의 단면적의 실질적으로 50%를 덮는 일체형 유동 제한기로서의 역할을 한다.
본 발명에 따른 시스템은 레디네그(Ledinegg) 효과를 억제하고 이에 의해 열 교환기를 2-상 시스템으로 작동시키는 것을 도울 수 있다. 입구 제한부를 제공함으로써, 본 발명에 따른 마이크로채널 증발기는 레디네그 효과 및 그에 의한 다른 방식으로 균일하지 않을 수 있는 다수의 (평행) 마이크로채널 내에서의 비등으로 인한, 그리고, 다양한 채널 내에서 비등이 발생할 때 다양한 압력 강하의 상호작용 및 그로 인한 입구 헤더 또는 매니폴드 내로의 주기적 역류 초래로 인한 유동 불안정성을 피할 수 있다. 이는 안정화되고 실질적으로 균일한 비등 유동을 달성하는 것을 도울 수 있고, 이에 의해 높은 열유속의 열원을 냉각할 때 개선되고 더 안정한 열적 성능을 초래한다.
도 1은 마이크로채널 열 교환기를 구현하는데 사용될 수 있는 홈형 라미네이트 구조에 포함되는 제1 유형의 홈형 시트의 평면도이다.
도 2는 도 1의 직사각형(2)에 도시된 제1 유형의 홈형 시트의 일부의 평면도이다.
도 3은 홈형 라미네이트 구조에 포함되는 제2 유형의 홈형 시트의 일부의 평면도이다.
도 4는 홈형 라미네이트 구조에 포함되는 분리기 시트의 평면도이다.
도 5는 도 2 및 도 3의 화살표 5로 도시된 배향으로 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같은 제1 및 제2 시트 유형을 교번시킴으로써 형성된 라미네이트 구조의 절결 사시도이다.
도 6은 도 5의 홈형 라미네이트 구조의 더 상세한 절결도이다.
도 7은 도 2 및 도 3의 화살표 7에 의해 도시된 배향으로 도 5의 구조를 통한 유동 경로를 도시하는 도 5의 라미네이트 구조의 제2 절결 사시도이다.
도 8은 도 1 내지 도 7에 나타낸 홈형 라미네이트 구조를 사용하여 홈형 라미네이트 코어로 조립하기 위한 라미네이트 시트의 분해도이다.
도 9는 도 8의 라미네이트 코어를 사용하는 마이크로채널 열 교환기의 일부의 분해 사시도이다.
도 10은 홈형 라미네이트 구조 내의 유동 제한기를 형성하는 평면을 통해 취한, 도 5의 홈형 라미네이트 구조의 단면도이다.
마이크로채널 열 교환기는 복수의 열 전도성 시트로 구성된 홈형 라미네이트 구조를 사용하여 조립될 수 있다. 하나의 이러한 제1 유형의 시트(40)가 도 1에 도시되어 있다. 이는 마이크로채널을 형성하는 슬롯(46)의 분리된 라인(44) 인 공통 절결 영역(42)을 포함한다.
더 구체적으로, 제1 유형(40)의 시트는 다수의 슬롯(46)의 복수의 라인(44)을 포함하고, 주어진 라인 내의 슬롯은 크로스-리브(48)로서 기능하는 얇은 벽에 의해 분리된다. 이들 라인은 슬롯의 각각의 라인의 양 단부에서 슬롯에 연결된 공통 절결 영역 사이에 걸친다. 공통 절결 영역은 시트가 적층될 때 입력 및 출력 매니폴드를 형성하도록 서로 정렬된다.
또한 도 2 및 3을 참조하면, 교번하는 2개 이상의 유형의 시트는 마이크로채널이 3 차원으로 형성될 수 있게 한다. 특히, 라미네이트 코어 구조는, 각각의 슬롯의 라인이 연속적이지만 사행형인 유동 경로를 형성하도록 시트가 적층될 때 서로에 대해 엇갈린 크로스-리브를 갖는 교번하는 슬롯형 및 리브형 시트에 의해 조립된다(또한, 도 5 내지 도 7 참조).
도 4를 참조하면, 슬롯형 및 리브형 시트들의 공통 절결 영역들과 정렬되는 절결 영역들(62)을 갖는 열 전도성 비-슬롯형 분리기 시트들(60)이 또한 코어의 상단 및 저부에서 및/또는 마이크로채널들의 층들을 분리하기 위해 사용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 비-슬롯형 분리기 시트에 의해 측면형성된 교번하는 슬롯형 및 리브형 시트의 세트를 적층하는 것은 채널 벽의 측 방향 강화를 제공하는 것으로 유동 경로를 간헐적으로 부분적으로 차단하는 산재된 크로스-리브를 갖는 복수의 마이크로채널을 각각 갖는 하나 이상의 층을 포함하는 코어 구조의 형성을 허용한다. 시트 두께 및 슬롯 폭과 함께, 각각의 층 내의 교번적인 슬롯형 및 리브형 시트의 수는 채널 층의 채널 깊이 : 폭 종횡비를 결정한다. 층상 적층 시트는 바람직하게는 모든 시트가 서로 열 전도성 연통하도록 보장하도록 접합된다.
도 9를 참조하면, 결과적인 하위-조립체가 이어서 베이스 플레이트(74)에 접합되어 베이스 플레이트가 마이크로채널 층과 열 전도성 연통되도록 보장할 수 있고, 커버(78)가 베이스 플레이트에 접합된 결과적인 마이크로채널 층(76)의 조립체의 상단 상에 배치 및 밀봉될 수 있고, 그에 의해서 완전한 마이크로채널 열 교환기 조립체(70)를 형성한다.
도 10을 참조하면, 마이크로채널의 입력 측은 바람직하게는 교환기가 비등 또는 증발 서비스에서 사용되는 유동 제한기를 포함한다. 이들 제한기는 마이크로채널의 입력에 여분의 크로스-리브(82)를 제공함으로써 라미네이트 구조 내로 구축될 수 있다.
앞서 설명된 라미네이트 구조는 500 마이크로미터 미만의 수력 직경을 갖는 마이크로채널의 하나 이상의 층을 갖는 마이크로채널 열 교환기를 가능하게 하며, 마이크로채널은 임의적인 높은 깊이 : 폭 종횡비 및 얇은 벽을 갖는다. 채널은 채널의 벽을 연결하는 내부 크로스-리브를 갖고, 채널 벽에 기계적 강도를 제공하고, 유체 스트림 라인을 파괴하여 열 전달을 향상시키는 방식을 제공한다. 열 전도성 시트 및 베이스 플레이트 재료는 바람직하게는 금속 및 이들의 합금; 비금속 원소, 열 전도성 탄소 동소체 또는 열 전도성 세라믹이지만 이에 제한되지는 않는다.
시트들의 접합은 시트들과 베이스 플레이트 사이의 높은 열 전도를 보장하는 임의의 편리한 수단에 의해 이루어질 수 있다.
슬롯형 및 리브형 시트의 적층체 사이에, 슬롯형 및 리브형 시트의 공통 절결 영역과 정렬되는 절결 영역을 갖는 추가의 열 전도성 비-슬롯형 분리기 시트를 삽입함으로써 마이크로채널의 다중 층이 형성된다. 임의의 층의 마이크로채널은 다른 층의 마이크로채널과 비교하여 동일하거나 상이한 깊이 : 폭 종횡비 및 수력 직경을 가질 수 있다.
생성된 마이크로채널의 깊이 : 폭 종횡비는 적어도 2:1, 바람직하게는 4:1 내지 15:1일 수 있다. 생성된 마이크로채널 사이의 벽은 200 마이크로미터 미만, 바람직하게는 40 내지 100 마이크로미터 두께일 수 있다. 베이스 플레이트 및 마이크로채널 벽은 100 W/m-K를 초과하는 열 전도율을 갖는 재료로 제조될 수 있다. 결과적 마이크로채널의 수력 직경은 500 마이크로미터 미만, 바람직하게는 50 내지 200 마이크로미터일 수 있다.
액체 입구 채널은 유동 제한기를 구비하여, 역류 또는 2-상 유동 불안정성을 방지할 수 있다. 이러한 입구 제한부는 슬롯형 및 리브형 시트의 적층체 내의 교번 시트의 슬롯의 입구 측 단부를 폐쇄함으로써(예를 들어, 추가의 크로스-리브를 추가함으로써) 제공되고, 이에 의해 폐쇄 부분을 넘어 주 채널 단면에 대한 채널로의 입구의 개방 단면적을 감소시킨다. 바람직하게는, 마이크로채널의 폐쇄(제한부) 부분의 길이는 적어도 1 mm이다.
마이크로채널 열 교환기(예를 들어, 마이크로채널 적층체, 베이스 플레이트, 및 오버 플레이트)의 다양한 구성요소는 접합 또는 융합될 수 있어, 교환기가 (매니폴드와 연통하는 유체 입구 및 출구 포트를 제외하고) 밀폐식으로 밀봉되어, 교환기가 상승된 내부 압력을 보유할 수 있다. 접합 또는 융합은 임의의 편리한 수단에 의해 달성될 수 있다.
마이크로채널 열 교환기의 다양한 구성요소(예를 들어, 마이크로채널 적층체, 베이스 플레이트, 및 오버 플레이트)는 또한, 교환기가 상승된 내부 압력을 보유할 수 있도록, 구성요소들 사이에 적절한 밀봉이 이루어지는 상태로 기계적 수단에 의해 함께 보유될 수 있다.
다른 실시예에서, 마이크로채널 교환기의 층의 저부 베이스는, 알루미늄 질화물, 실리콘 카바이드, 베릴륨 산화물, 다이아몬드 필름 등과 같은, 열 전도성이지만 전기 절연성인 세라믹 또는 유전체 고체로 제조되거나 코팅된다. 이어서, 마이크로채널 교환기는 교환기의 전기 절연성이지만 열 전도성인 하부면에 장착되어 그와 열 접촉하는 (발열) 전자 부품을 위한 기판으로서 기능한다.
제조 방법
마이크로채널 열 교환기의 다양한 구성요소, 예를 들어 열 전도성 베이스, 마이크로채널 층, 매니폴드, 커버, 유체 입구 및 출구 포트, 슬롯형 및 리브형 시트 등은 열 교환기의 최종 조립체와 일치하는 임의의 편리한 수단에 의해 제조될 수 있다. 이러한 수단은 다음의 방법 및 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다:
ㆍ 기계적 기계 가공, 밀링, 에칭, 펀칭, 광화학 기계 가공, 레이저 삭마 또는 마이크로머시닝, 전기 방전 기계 가공(EDM), 초음파 기계 가공, 워터 제트 절단 등과 같은 차감식 제조 기술.
ㆍ 예를 들어 스카이빙(skiving), "플로잉(plowing)", 스탬핑, 압인, 압출 등에 의한 재료의 기계적 변형.
ㆍ 내부 특징 및 통로를 갖는 3-차원 구조를 형성하기 위한 패턴화된 시트의 라미네이팅 및 결합. 시트는 패턴의 반복 영역을 가질 수 있고, 따라서 접합 후에 접합된 조립체는 개별 마이크로채널 교환기 또는 교환기 하위-조립체로 절단 또는 다이싱될 수 있다.
ㆍ 선택적 레이저 소결, 직접 금속 레이저 소결, 선택적 레이저 용융, 스테레오 리소그래피, 용융 증착 모델링 등과 같은 부가식 제조 기술(3-D 프린팅).
ㆍ 확산 접합, 브레이징, 납땜, 용접, 소결 등과 같은 결합 또는 융합 기술.
ㆍ 개스킷, O-링, 코르크 등과 같은, 적절하게 밀봉을 사용하는 볼트, 스터드, 클램프, 접착제 등과 같은 기계적 조립 기술.
본 발명에 따른 실시예는 다양한 상이한 냉각 구성에 대해 개발될 수 있고 다양한 상이한 냉각 과제에 적용될 수 있다. 예를 들어, 이들은 2008년 12월 26일자로 출원된 공개된 PCT 출원 번호 WO2009/085307 및 2008년 11월 10일에 출원된 공개된 미국 출원 번호 US-2009-0229794의 교시와 관련하여 구현될 수 있으며, 이들 문헌은 본원에 참고로 포함된다.
본 발명은 이제 다수의 구체적인 실시예와 관련하여 설명되었다. 그러나, 본 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 고려되는 다수의 수정을 명백히 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위의 범주에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다. 또한, 청구 범위의 제시 순서는 청구 범위에서 임의의 특정 용어의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims (15)

  1. 마이크로채널 열 교환기이며,
    커버,
    베이스, 및
    유동 방향으로 정렬된 일련의 나란한 레인을 각각 형성하는 커버와 베이스 사이의 복수의 열 전도성 시트로서, 레인은 각각 정렬 복수의 정렬 슬롯을 포함하고, 복수의 정렬 슬롯은 마이크로채널 세그먼트를 형성하고 크로스-리브에 의해 분리되는, 복수의 열 전도성 시트를 포함하고,
    시트들은 리브들 중 적어도 일부가 서로로부터 오프셋되게 하고 인접한 시트들 내의 동일한 레인 내의 마이크로채널 세그먼트들이 유동 방향을 따라 서로 연통하여 열 교환기 내에 복수의 마이크로채널들을 형성하도록 베이스와 커버 사이에 적층되는 열 교환기.
  2. 제1항에 있어서, 열 전도성 시트들은 레인들의 각각의 단부에서 접근 채널 개구들을 더 형성하고, 접근 채널 개구들은 적층될 때 마이크로채널들을 위한 접근 채널들을 생성하는 장치.
  3. 제1항에 있어서, 시트는 레인의 입구 단부에서 개방 단면을 감소시키기 위해 열 교환기의 적어도 하나의 입구 단부에 크로스-리브의 더 치밀한 패킹을 형성하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 마이크로채널들의 종횡비는 4:1보다 큰 장치.
  5. 제1항에 있어서, 마이크로채널들의 종횡비는 8:1보다 큰 장치.
  6. 제1항에 있어서, 열 전도성 시트의 그룹 사이에 위치되어 다층 열 교환기를 형성하는 열 전도성 분리기 시트를 더 포함하는 장치.
  7. 제1항에 있어서, 시트는 적어도 하나의 전도성 금속으로 제조되는 장치.
  8. 제1항에 있어서, 시트는 소결 가능한 열 전도성 세라믹으로 제조되는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 시트는 접합 또는 융합되는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 마이크로채널은 500 마이크로미터 미만의 수력 직경을 갖는 장치.
  11. 제1항에 있어서, 마이크로채널은 200 마이크로미터 미만의 수력 직경을 갖는 장치.
  12. 제1항에 있어서, 베이스는 각각의 시트보다 두꺼운 베이스 플레이트이고, 커버는 마이크로채널과 연통하는 접근 채널을 포함하는 장치.
  13. 제1항에 있어서, 베이스는 열 전도성이지만 전기 절연성인 장치.
  14. 제1항에 있어서, 열 교환기는 유체 서비스를 비등 또는 증발시키도록 구성되고, 열 교환기는 마이크로채널의 입구 단부에서 유동 제한기를 더 포함하는, 장치.
  15. 제14항에 있어서, 유동 제한기는 슬롯들 사이의 크로스-리브 대부분보다 더 넓은 크로스-리브로 슬롯의 레인 내의 제1 슬롯의 단부를 교번적으로 폐쇄함으로써 형성될 수 있고, 교번하는 슬롯의 폐쇄-단부 레인은 슬롯형 시트의 교번하는 층 내에서 위 또는 아래의 슬롯의 레인에 대해 엇갈리게 되며, 그래서, 시트가 함께 적층되고 접합될 때, 형성되는 평행 채널의 단면은 복수의 채널의 입구를 가로질러 체커보드 패턴을 가지며, 이는 주 채널의 단면적의 실질적으로 50%를 덮는 일체형 유동 제한기로서 기능하는 장치.
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