KR20220114006A - 다공성 스프레더 보조 제트 및 스프레이 충돌 냉각 시스템 - Google Patents

다공성 스프레더 보조 제트 및 스프레이 충돌 냉각 시스템 Download PDF

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람 발라찬다르
아비셱 스리드하르
아비?r 스리드하르
라크슈미 바라하 이예르
게르트 쉬라거
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마그나 인터내셔널 인코포레이티드
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Abstract

충돌 냉각 시스템이 다공성 열 스프레더, 및 제트 및/또는 스프레이 충돌로서 유체를 다공성 열 스프레더 상으로 지향시키도록 구성된 노즐을 포함한다. 다공성 열 스프레더는 금속, 금속 합금, 탄소/그라파이트, 및/또는 세라믹과 같은 열 전도성 재료로 제조되고, 열원과 열 접촉된다. 노즐은 단일 성분 액체 또는 기체(공기 포함) 또는 액체 혼합물, 예를 들어 물-글리콜 또는 다른 냉각제를 포함하는 유체를 제트로서 지향시키도록 구성될 수 있다. 노즐은 단일 성분 액체 또는 기체(공기 포함) 또는 액체 혼합물, 예를 들어 물-글리콜 또는 다른 냉각제를 포함하는 유체를 스프레이로서 지향시키도록 구성될 수 있다. 냉각 시스템은, 냉각 유체를 충돌 판에 대해서 수직으로 또는 비스듬한 각도로 지향시킬 수 있는 하나 이상의 노즐을 포함할 수 있다.

Description

다공성 스프레더 보조 제트 및 스프레이 충돌 냉각 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 PCT 국제특허출원은 2019년 12월 13일자에 출원되고 명칭이 "Porous Spreader Assisted Jet And Spray Impingement Cooling Systems"인 미국 가특허출원 제62/947,954호의 이익 및 그에 대한 우선권을 주장하며, 이러한 가특허출원의 전체 개시 내용이 본원에서 참조로 포함된다.
본 개시 내용은 일반적으로 열원으로부터 열을 제거하기 위한 냉각 모듈에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시 내용은 전력 전자 장치를 냉각하기 위한 냉각 모듈에 관한 것이다.
폐열의 효율적인 제거 및 관리는, 비제한적으로 자동차, 항공 우주, 소형 전자기기, 재료 프로세싱, 태양광 및 재생 가능 발전, 배터리, 조명, 데이터-센터, 건조, 건강 관리(진단) 및 냉장을 포함하는, 몇몇 산업에 걸친 다양한 적용 분야에서 매우 중요하다. 이러한 적용 분야에서 사용되는 고밀도 전자 모듈과 같은, 집중된 타겟 또는 핫 스팟(hot spot)을 효율적으로 그리고 비용 효율적으로 냉각하는 것은 일관되고 중요한 과제였다. 소형화를 향한 계속적인 노력은 단위 면적당 소산되는 열 에너지(또는 예를 들어 고전력 전자기기에서의 손실)의 불가피하고 상당한 증가를 더 가져왔고, 따라서 새롭고 보다 효율적인 열 관리 전략의 개발을 필요로 했다. 단일 상의 제트(phase jet) 및 스프레이 충돌 냉각 체계는 이러한 시스템의 냉각 요구 사항을 해결하기 위한 잠재적인 후보로 널리 간주되어 왔지만, 전기 자동차 모터 드라이브를 포함하는 다양한 적용 분야에서 일반적인 100s W/cm2 정도의 큰 열 플럭스에 대해서는 아직 부적절하다. 상 변화가 있는 제트 및 스프레이 냉각은 전체적인 냉각 성능을 높이는 데 도움이 될 수 있지만, 다양한 시스템에 대한 유체의 비양립성(incompatibility) 문제를 일으키거나 일반적으로 유동 압력 강하 또는 펌프 작업/에너지의 증가를 수반한다.
충돌 냉각 시스템이 제공된다. 충돌 냉각 시스템은 열원과 열 접촉되는 다공성 열 스프레더, 및 제트 또는 스프레이 충돌로서 유체를 다공성 열 스프레더 상으로 지향시키도록 구성된 노즐을 포함한다.
관련 도면을 참조한 실시형태의 예에 관한 이하의 설명으로부터, 본 발명의 설계의 추가적인 상세 내용, 특징 및 장점이 확인된다.
도 1은 개시 내용의 양태에 따른 냉각 시스템의 개략적인 절취 측면도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 개시 내용의 양태에 따라서 이용되는 다양한 상이한 다공성 재료로 제조된 열 스프레더를 갖는 냉각 시스템의 절취도이다.
도 3은 개시 내용의 양태에 따른 3개의 상이한 유형의 노즐을 갖춘 충돌 유체 시스템을 가지는 냉각 시스템의 사시도이다.
도 4a는 개시 내용의 양태에 따른 열 스프레더의 다공도를 반경방향 위치의 함수로서 보여주는 그래프와 중첩된 공간적으로 불균질한 다공성 열 스프레더의 상면도이다.
도 4b는 개시 내용의 양태에 따른 공간적으로 불균질한 다공성 열 스프레더를 포함하는 냉각 시스템의 사시도이다.
도 5a 내지 도 5d는 개시 내용의 양태에 따른, 상응하는 대표적인 유형의 단일, 다중 성분의 단일 상, 및 다중 상 다공성 스프레더 제트 및 스프레이 충돌 냉각 시스템을 각각 가지는, 냉각 시스템의 개략적인 절취 측면도를 제공한다.
도 6a 내지 도 6f는 개시 내용의 양태에 따른, 기부 판에 수직인 단일 충돌 유동을 각각 가지는, 다양한 충돌 유동 구성을 갖는 냉각 시스템의 개략적인 절취 측면도를 제공한다.
도 7a 내지 도 7f는 개시 내용의 양태에 따른, 기부 판에 수직인 다중 충돌 유동을 각각 가지는, 다양한 충돌 유동 구성을 갖는 냉각 시스템의 개략적인 절취 측면도를 제공한다.
도 8a 내지 도 8f는 개시 내용의 양태에 따른, 기부 판에 대한 경사 각도의 단일 충돌 유동을 각각 가지는, 다양한 충돌 유동 구성을 갖는 냉각 시스템의 개략적인 절취 측면도를 제공한다.
도 9a 내지 도 9f는 개시 내용의 양태에 따른, 기부 판에 대한 경사 각도의 다중 충돌 유동을 각각 가지는, 다양한 충돌 유동 구성을 갖는 냉각 시스템의 개략적인 절취 측면도를 제공한다.
도 10은, 단일 상 제트 충돌 열 전달을 각각 가지는, 다양한 냉각 시스템들에 대한 예측된 누셀트 수들을 비교한 그래프이다.
반복되는 특징부는 도면에서 동일한 참조 번호로 표시되며, 여기서 회로 기판 상의 전력 전자기기와 같은 하나 이상의 열원으로부터 열을 제거하기 위한 냉각 시스템(20)의 예시적인 실시형태가 개시된다. 그러한 냉각 시스템(20)은, 열 관리가 중요하고 넓은 범위의 온도 및 조건에 걸친 동작이 요구되는 자동차 적용 분야에서 특히 유용할 수 있다. 본 냉각 시스템(20)은, 예를 들어, 엔진, 변속기, 오디오/비디오, HVAC 장치, 및/또는 다른 차량 구성요소를 위한 전자 제어기 내의 열원을 냉각하기 위해서 사용될 수 있다. 본 냉각 시스템(20)은, 비교적 작은 폼 팩터(form factor)를 가지고 생성 열이 집중되는 위치를 정확히 알 수 있는 갈륨 질화물 및/또는 규소 탄화물 스위치를 사용하는 차세대 전력 변환기에 특히 적합할 수 있다.
기존 냉각 기술이 냉각 성능을 높이기 위해 열 전달 계수를 최대화하지만, 비용이 드는데도 불구하고, 성능을 높일 수 있는 또 다른 양태는 사용 가능한 표면적을 최대화하는 것이다. 이는, 이것은 개방-셀 발포체(open-cell foam) 또는 섬유 매체와 같은 전도성(傳導性)의 다공성 구조물을 피동적 열 스프레더로서 사용하는 것을 통해서 달성될 수 있다. 이러한 다공성 매체의 마이크로구조의 제조 가능성 및 맞춤화에서의 최근의 발전은, 열 관리 시스템의 전체적인 냉각 성능을 실질적으로 개선하기 위해서 제트 또는 스프레이와 함께 작업을 하도록 하는 데 활용될 수 있는 유망한 기술로 보인다. 본 개시 내용의 목적은, 제트 또는 스프레이를 포함하는 단일 상 또는 다중 성분 및 다중 상(비등 또는 증발 상 변화) 냉각 방법론의 장점들을 결합한 신규한 열 제거 또는 열 관리 시스템의, 그리고 열 전도적이고, 구조적으로 강성이나, 고도로 개방된 (큰 다공도) 다공성 열 스프레더의 설계를 제공하는 것이다.
여러 적용 분야에서 높은 (공간) 밀도의 열원의 효율적인 냉각은 일관된 과제였습니다. 여러 기술이 이러한 문제를 해결하려고 시도했으며, 수년에 걸쳐 열 관리 시스템을 최적화하는 데 발전을 이루었다. 충돌 냉각 시스템은, 충돌 정체 영역 내에서 그리고 그 주위에서 얻어지는 실질적으로 더 큰 열 전달 계수로 인해서, 다른 강제 대류 냉각 체계보다 우수한 고유 장점을 갖는다. 충돌 액체의 비등/응축을 통한 상 변화의 도입은 발포(ebullition) 프로세스 중의 잠열 교환 및 적절한 다른 연관된 메커니즘을 통해서 제거되는 부가적인 열로 인해서 열 전달 증대에 있어서 더 도움이 되었다. 다른 경우에, 고도의 다공성(80-90% 이상의 다공도)은, 큰 기공 크기 및 큰 비표면적을 갖도록 주의 깊게 설계되는 경우에, 우수한 열 스프레더로서 거동하는 것으로 보고되었다. 그러나, 임의의 이러한 기술로부터 개별적으로 획득되는 열 전달 성능의 향상은 냉각 시스템의 복잡성이나 관련 압력 강하로 인해서 쉽게 상쇄된다. 충돌 냉각 시스템 내의 큰 전도성의 개방형 다공성 열 스프레더의 존재는 개별 시스템의 각각과 관련된 열 전달 향상의 장점들을 부가적으로 조합할 뿐만 아니라 조합된 냉각 기술에 고유한 다른 유익한 특성도 가질 것으로 예상된다. 이들 중 일부는 충돌 유동 동안 벽-제트 영역(열 전달 성능이 정체 지점보다 훨씬 떨어지는 영역)에서의 유동 난류의 상당한 증가를 포함한다. 이는 전체 열 전달 속도의 상당한 증가 외에도, 전체 펌프 작업 및 사용되는 냉각제를 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 게다가, 예를 들어, 정체 영역 내의 낮은 다공도와 정체 지점의 하류에서 주의 깊게 설계된 다공도를 가지는, 공간적으로 가변적인 다공성 스프레더는 또한 하류의 증가된 난류 레벨의 장점 및 상대적으로 방해 받지 않는 충돌 제트 하의 큰 정체 열 전달 계수의 장점 모두를 실질적으로 조합할 수 있다. 스프레이 충돌 시스템에서, 다공성 스프레더의 존재는 시스템의 질량 또는 중량의 부분적인 증가를 위해서 냉각 또는 증발에 이용될 수 있는 전체 표면적을 증가시키고, 그에 의해서 이러한 소형 냉각 모듈의 전체 열 전달 성능을 증가시킨다.
본 개시 내용은, 충돌 냉각 및 다공성 열 스프레더를 포함하는 냉각 시스템(20) 형태의 하이브리드 열 관리 시스템을 제공한다. 2개의 구성 개체의 다양한 조합이 이하에 나열되어 있으며 개략적으로 도시되어 있다.
도 1은 금속과 같은 열-전도성 재료로 이루어진 기부 판(22)을 가지는, 냉각 모듈(20)로도 지칭될 수 있는, 예시적인 냉각 시스템(20)을 도시한다. 특히 유체가 직접적으로 충돌되도록 지향되는 경우에, 기부 판(22)은 또한 충돌 판(22)으로도 지칭된다. 기부 판(22)은 하나 이상의 열원(10)과 열-전도적으로 연통되는 제1 표면(24)을 형성한다. 열원(10)은 도 1에 도시된 바와 같이 기부 판(22)과 직접 물리적으로 접촉될 수 있다. 대안적으로, 열-전도성 장치 및/또는 물질이 그 사이에서 연장될 수 있다. 예를 들어, 열-전도성 페이스트를 이용하여 열원(10)과 기부 판(22) 사이의 열 전도를 향상시킬 수 있다. 히트 파이프와 같은 다른 장치가 열을 열원(10)과 기부 판(22) 사이에서 전달할 수 있고, 그에 따라 제1 공급원(10)이 기부 판(22)으로부터 물리적으로 이격될 수 있게 한다. 열원(10)은 반도체 스위치, 예를 들어 Si, SiC, 및/또는 GaN-계 장치일 수 있다. 열원(10)은 또한, 예를 들어, 커패시터, 인덕터, 및/또는 변압기와 같은 다른 장치일 수 있다. 기부 판(22)은 또한, 제1 표면(24)에 대향되고 열을 제1 열원(10)으로부터 기부 판(22)을 통해서 그리고 제2 표면(26)과 접촉되는 유체 내로 전달하도록 구성된, 제2 표면(26)을 형성한다. 다시 말해서, 기부 판(22)은 바람직하게, 구조적 강성도를 유지할 수 있을 정도로 충분히 두꺼운, 그러나 제1 표면(24)과 제2 표면(26) 사이에서 직접적으로 통과하여 열을 효율적으로 전도할 수 있을 정도로 충분히 얇은, 비교적 얇은 시트로 형성된다.
일부 실시형태에서, 상단 판(28)으로도 지칭될 수 있는, 격납 판(28)과 같은 하우징이 기부 판(22) 위에 놓이고, 격납 판(28)과 기부 판(22)의 제2 표면(26) 사이에서 챔버(30)를 형성한다. 다른 실시형태에서, 그러한 격납 판(28)이 사용되지 않을 수 있다. 예를 들어, 본 개시 내용의 냉각 기기가 더 큰 하우징 내에 배치될 수 있거나, 냉각 기기가 격납되지 않고 주변 대기에 노출될 수 있다. 냉각 유체를 냉각 시스템(20) 내로 수용하기 위해서, 노즐(32a, 32b, 32c)이 유체 공급 도관(36)과 유체 연통된다. 유체를 챔버(30)의 외부로 배액하도록, 하나 이상의 배출구(36)가 구성된다. 하나 이상의 배출구(36)가, 도 1의 예에서 도시된 바와 같이, 격납 판(28)과 기부 판(22) 사이에서 연장될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 하나 이상의 배출구(36)는 격납 판(28) 및/또는 기부 판(22) 중 어느 하나 또는 둘 모두를 통한 통로를 포함할 수 있다. 노즐(32a, 32b, 32c)은 냉각 유체의 충돌 스트림을 제트 및/또는 스프레이로서 다공성 열 스프레더(40) 상으로 지향시키도록 구성되고, 다공성 열 스프레더는 챔버(30) 내에 배치되고 열원(10)과 열 연통된다.
일부 실시형태에서, 그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 다공성 열 스프레더(40)는 하나 이상의 열원(10)의 바로 맞은 편의 기부 판(22)의 제2 표면(26) 상에 배치된다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 열원(10)이 챔버(30) 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 열원(10) 중 하나 이상이 냉각 유체 내에 잠길 수 있다.
일부 실시형태에서, 냉각 시스템(20)은 단지 하나의 노즐(32a, 32b, 32c)을 갖는다. 대안적으로, 냉각 시스템(20)은 둘 이상의 노즐(32a, 32b, 32c)을 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 다공성 열 스프레더(40)는 금속, 금속 합금, 탄소/그라파이트, 및/또는 세라믹과 같은 열 전도성 재료로 제조된다. 일부 실시형태에서, 다공성 열 스프레더(40)는, 섬유질, 발포체, 핀-지느러미 매트릭스(pin-fin matrix), 또는 구조화되지 않은 다공성 매체를 포함한다. 그러나, 다공성 열 스프레더(40)는 임의의 다공성 재료로 제조될 수 있다.
일부 실시형태에서, 노즐(32a, 32b, 32c)은 단일 성분 액체 또는 기체(공기 포함) 또는 액체 혼합물, 예를 들어 물-글리콜 또는 다른 냉각제 또는 냉각제들을 포함하는 유체를 제트로서 지향시키도록 구성된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 노즐(32a, 32b, 32c)은 단일 성분 액체 또는 기체(공기 포함) 또는 액체 혼합물, 예를 들어 물-글리콜 또는 다른 냉각제 또는 냉각제들을 포함하는 유체를 스프레이로서 지향시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시형태에서, 노즐(32a, 32b, 32c)은 비-상 변화 모드 또는 증발/비등 상 변화 모드의 유체를 포함하는 유체를 제트 또는 스프레이로서 지향시키도록 구성된다. 냉각 시스템(20)은, 다공성 열 스프레더(40) 상에서 또는 내에서 냉각 유체의 전부 또는 일부가 액체로부터 기체로 상 변화를 일으키도록, 구성될 수 있다. 예를 들어, 냉각제는, 다공성 열 스프레더(40)와 접촉될 때 액체로부터 기체로 용이하게 상 변화되고, 그에 의해서 스프레더로부터 열을 제거하는 냉매를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 냉각 시스템(20)은, 냉각제가 액체로부터 기체로 용이하게 상 변화되는 범위 내의 온도 및/또는 압력에서 동작될 수 있다. 예를 들어, 냉각제가 물을 포함하는 경우에, 냉각 시스템(20)은 대기압에서 또는 그 부근에서 그리고 100 C 초과 온도의 다공성 열 스프레더(40)로 동작될 수 있다. 더 낮은 동작 온도를 필요로 하는 적용 분야에서, R134 또는 R410A 냉매와 같은 다른 냉각제가 사용될 수 있다.
일부 실시형태에서, 노즐(32a, 32b, 32c)은 유체를 충돌 판, 예를 들어 기부 판(22)의 제2 표면(26)에 수직으로 지향시키도록 구성된다. 일부 실시형태에서, 노즐(32a, 32b, 32c)은 유체를 충돌 판, 예를 들어 기부 판(22)의 제2 표면(26)에 대해서 비스듬한 각도로 지향시키도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 열원(10)은 유체 및 다공성 열 스프레더(40)와 직접 접촉된다. 다시 말해서, 냉각 시스템(20)은 직접 침잠 냉각을 이용하여 열원(10)을 냉각시킬 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 열원(10)은 기부 판(22)과 같은 열-전도성 분리부에 의해서 유체 및 다공성 열 스프레더(40)로부터 분리될 수 있다. 다시 말해서, 냉각 시스템(20)은 간접 침잠 냉각을 이용하여 열원(10)을 냉각시킬 수 있다.
일부 실시형태에서, 다공성 열 스프레더(40)는 공간적으로 균질하고 등방적일 수 있다. 다시 말해서, 다공성 열 스프레더(40)는, 둘 이상의 직각 방향들의 각각으로 균일한 또는 일정한 구조의 구조물을 가질 수 있다. 예를 들어, 다공성 열 스프레더(40)는 일정한 매크로구조(macrostructure)를 갖는 발포체를 포함할 수 있다. 대안적으로, 다공성 열 스프레더(40)는 이방적일 수 있다. 예를 들어, 다공성 열 스프레더(40)는 공간적으로-가변적인 마이크로구조 및/또는 다공도를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 다공성 열 스프레더(40)는 모놀리식 구조(monolithic structure)를 갖는다.
일부 실시형태에서, 냉각 시스템(20)은 복수의 구분된 다공성 열 스프레더(40)를 포함하고, 구분된 다공성 열 스프레더(40)의 각각은 하나의 공유 열원(10)으로부터 열을 전도하도록 구성된다. 예를 들어, 다공성 열 스프레더(40) 모두가 하나의 공유 열원(10) 상에 장착되거나 달리 열적으로 연관될 수 있다. 대안적으로, 구분된 다공성 열 스프레더(40)의 각각이 복수의 독립적인 열원(10)으로부터 열을 전도하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 다공성 열 스프레더(40)의 각각이 하나 이상의 상응 열원(10) 상에 장착되거나 달리 열적으로 연관될 수 있다. 일부 실시형태에서, 다공성 열 스프레더(40)와 열원(10) 사이에 1-대-1 상응 관계가 있을 수 있다. 대안적으로, 열원(10)의 둘 이상이 열 스프레더(40) 중 하나의 공유 열 스프레더와 연관될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 열 스프레더(40) 중 둘 이상이 열원(10) 중 하나의 공유 열원과 연관될 수 있다.
일부 실시형태에서, 그리고 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 다공성 열 스프레더(40)는 챔버(30)와 같은 외장 내에 장착될 수 있다. 대안적으로, 다공성 열 스프레더(40)는 완전히 격납된 배열로 장착될 수 있거나, 부분적으로 격납된 배열로 장착되어 주변 대기에 적어도 부분적으로 노출될 수 있다. 일부 실시형태에서, 다공성 열 스프레더(40)는 전혀 격납되지 않는 배열을 가질 수 있고 그에 따라 주변 대기에 완전히 노출될 수 있다.
본 개시 내용은 다공성 열 스프레더(40)를 갖는 제트 충돌 시스템을 제공하고, 여기에서 유량 및 온도를 알고 있는 유체(기체, 액체 또는 액체 혼합물)가 도관(또는 유입구 매니폴드)을 통해 유동하고, 특정 형상(예를 들어, 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 원통형, 또는 원뿔형/절두체형)의 하나 이상의 노즐(32a, 32b, 32c)을 통해서 냉각 모듈에 진입하며, 다공성 열 스프레더(핀-지느러미 매트릭스, 섬유질, 발포체 또는 구조화되지 않은 것)을 통해서 하단 판에 충돌한다. 스프레이 냉각은 1차 유체의 주어진 평균 질량 유량으로 동작될 수 있거나, 순수하게 원자화된 유체(atomized fluid)로 동작될 수 있고, 원자화된 유체는 충돌 판(22)을 향하는 그 이동 중에 1차(또는 주위) 유체의 일부를 동반할 수 있다. 시스템(20)은, 완전 격납(노즐(32a, 32b, 32c)의 배출구의 레벨의 또는 그 부근의 상단 판(28)), 부분적 격납(열 스프레더(40)를 향해서 부분적으로 침투된 하나 이상의 노즐(32a, 32b, 32c)), 및 미격납(상단 판(28) 없음)을 포함하는, 상이한 격납 모드들 하에서 동작될 수 있다. 제트 노즐(들)(32a, 32b, 32c)은 기부 판 및 다공성 열 스프레더에 대해서 직각(수직)으로 또는 임의의 각도로 배향될 수 있다. 다중-제트 충돌 조건 중에, 노즐(32a, 32b, 32c)은 기부 판(22)에 대해서 상이한 각도들로 각각 동작할 수 있다. 직접 침잠 냉각에서, 냉각이 필요한 열원(10) 또는 구성요소가 다공성 스프레더(40) 및 냉각 유체와 직접적으로 접촉된다. 간접 침잠 냉각에서, 전도성 기부 판(22)이 열원(10)을 냉각제로부터 분리하고, 다공성 스프레더(40)가 기부 판에 장착된다. 열원의 어레이 또는 매트릭스를 냉각하기 위해서, 다수의 제트 중 하나를 각각의 가열된 영역에 장착된 하나의 또는 격리된 또는 구분된 다공성 열 스프레더의 세트와 함께 이용할 수 있다. 다공성 열 스프레더는 기부 판 또는 열원에 대해서 나사 체결, 용접, 납땜, 브레이징되거나, 적절한(열 전도성) 접착제를 이용하여 위에 놓일 수 있다. 단일 상 냉각에서, 열원의 영역 주위에 집중되는 열 부하가 다공성 매체 내의 전도를 통해서 확산되고, 냉각제로 전달된다. 과냉각된 또는 포화된 충돌 비등 조건 중에, 다공성 매체는, 일시적인 ??칭(quenching)(이동 기포의 공극에 대한 단일 상 대류 열 전달)과 같은 다른 발포 메커니즘의 향상과 함께, 부가적인 핵 생성 사이트를 생성하고 (증발을 통해서) 잠열 교환을 증가시킨다. 고도로 개방된(높은 다공도) 다공성 매체의 존재는 난류 레벨을 열원 가까이로 상승시키는데 더 도움을 주고, 결과적으로 대류 열 전달을 향상시킨다. 유체(또는 비등 조건에서 증기와 함께)는 기부 판을 따라서 배치된 하나 이상의 배출구를 통해서, 노즐(32a, 32b, 32c)에 평행하게, 또는 다른 적절한 배향으로 냉각 모듈을 빠져 나가 열 교환기 및 (2-상 냉각을 위한) 응축기를 통해서 재순환되거나(액체 냉각의 경우), 주위로 손실된다(공기 냉각의 경우). 2-상 냉각 모드에서의 동작 중에 유입구 유체의 온도에 따라 응축기가 필요하거나 필요하지 않을 수 있다. 상당한 레벨의 유입구 유체 과냉각 하에서, 다공성 열 스프레더, 기부 판 또는 열원에 형성된 기포가 자유 스트림으로 응축될 수 있고, 유체를 제트 도관 및 노즐(32a, 32b, 32c)로 다시 재순환시키기 위해서 열 교환기가 필요할 수 있다. 냉각 모듈(20)은 지상 적용 분야에서 중력 방향(즉, 수직 상향 또는 수직 하향)을 따라서 또는 중력 방향에 대해서 각도를 가지고 배향된, 그리고 미세 중력 및 우주 적용 분야에서 임의로 배향된 제트(들)로 동작될 수 있다.
본 개시 내용은 또한 다공성 열 스프레더(40)를 갖는 스프레이 충돌 시스템을 제공하고, 여기에서 유체의 쌍은 통상적으로 기체(또는 일부 경우에 액체)인 1차(캐리어) 유체, 및 다른 부분적으로 또는 완전히 혼합될 수 없는 재료(액체 또는 액체 혼합물)로 이루어진 2차(분산) 유체를 포함한다. 유량 및 온도를 알고 있는 1차 유체는 도관(또는 다수의 노즐(32a, 32b, 32c)에 연결된 유입구 매니폴드)을 통해서 유동하고, 특정 형상(예를 들어, 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 원통형, 또는 원뿔형/절두체형)의 하나 이상의 노즐(32a, 32b, 32c)을 통해서 냉각 모듈에 진입하며, 다공성 열 스프레더(핀-지느러미 매트릭스, 섬유질, 발포체 또는 구조화되지 않은 것)을 통해서 하단 판에 충돌한다. 유량, 온도, (1차 유체에 대한) 희망 부피 분율, 및 액적 크기 분포를 알고 있는 분산 유체가 또한 동일한 하나의 노즐(32a, 32b, 32c) 또는 노즐(32a, 32b, 32c)의 어레이를 통해서 냉각 모듈에 진입한다. 2차 유체 액적 또는 미스트의 원자화 또는 형성이 노즐(32a, 32b, 32c)에서 이루어질 수 있거나, 노즐(32a, 32b, 32c) 전에 액적이 생성될 수 있고, 부분적으로 또는 완전히 혼합될 수 없는 유체 혼합물이 노즐(32a, 32b, 32c)로부터 토출되어 다공성 열 스프레더(40), 기부 판(22) 및/또는 열원(10)에 충돌한다. 시스템은, 완전 격납(노즐(32a, 32b, 32c)의 배출구 레벨의 상단 판(28)), 부분적 격납(다공성 스프레더(40)를 향해서 부분적으로 침투된 노즐(32a, 32b, 32c)), 및 미격납(즉, 격납 상단 판(28) 없음)을 포함하는, 상이한 격납 모드들 하에서 동작될 수 있다. 스프레이 노즐(들)(32a, 32b, 32c)은 기부 판(22) 및 다공성 열 스프레더에 대해서 직각(수직)으로 또는 임의의 각도로 배향될 수 있다. 다중-스프레이 충돌 조건 중에, 노즐(32a, 32b, 32c)은 기부 판(22)에 대해서 상이한 각도들로 각각 동작할 수 있다. 직접 침잠 냉각에서, 냉각이 필요한 열원(10) 또는 구성요소가 다공성 스프레더(40) 및 냉각 유체와 직접적으로 접촉된다. 간접 침잠 냉각에서, 전도성 기부 판(22)이 열원을 냉각제로부터 분리하고, 다공성 스프레더(40)가 기부 판(22)에 장착된다. 열원의 어레이 또는 매트릭스를 냉각하기 위해서, 다수의 스프레이 중 하나를 각각의 가열된 영역에 장착된 하나의 또는 격리된 또는 구분된 다공성 열 스프레더의 세트(40)와 함께 이용할 수 있다. 다공성 열 스프레더(40)는 기부 판(22) 또는 열원(10)에 대해서 나사 체결, 용접, 납땜, 브레이징되거나, 적절한(열 전도성) 접착제를 이용하여 위에 놓일 수 있다. 비-증발 냉각 중에, 열원의 영역 주위에 집중되는 열 부하가 다공성 매체 내의 전도를 통해서 확산되고, 냉각제로 전달된다. (일반적으로 1차 유체보다 양호한 열 냉각 특성을 가지는 유체로 이루어진) 액적이 충돌 판(22) 및 다공성 스프레더(40) 상에서 얇은 액체 막을 형성할 수 있고, 동작 중에 재분포되어 최종적으로 배출구 중 하나 이상을 통해서 제거된다. 과냉된 또는 포화된 증발 스프레이 냉각 조건 중에, 다공성 매체는 증발에 이용될 수 있는 전체 표면적을 증가시키고, 액적은 다공성 매체 및 기부 판의 과열된 섹션 또는 열원과 접촉할 때 액체로부터 증기로 상 변화된다. 고도로 개방된(높은 다공도) 다공성 매체의 존재는 난류 레벨을 열원 가까이로 상승시키는데 더 도움을 주고, 결과적으로 대류 열 전달을 향상시킨다. 캐리어 유체(또는 증발 스프레이 냉각 조건 하에서 증기와 함께)는 기부 판을 따라서 배치된 하나 이상의 배출구를 통해서, 노즐에 평행하게, 또는 다른 적절한 배향으로 냉각 모듈을 빠져 나가 열 교환기 및 응축기를 통해서 재순환되거나(증발 냉각의 경우), 주위로 손실된다(공기/물-액적 냉각의 경우). 증발 냉각 모드에서의 동작 중에 유입구 유체의 온도에 따라 응축기가 필요하거나 필요하지 않을 수 있다. (2차 유체의 포화 온도에 비해서) 1차 상의 상당한 레벨의 유입구 과냉각 하에서, 다공성 열 스프레더, 기부 판 또는 열원 상에 형성된 증기가 자유 스트림으로 응축될 수 있고, 유체를 스프레이 도관 및 노즐로 다시 재순환시키기 위해서 열 교환기가 필요할 수 있다. 배출구에서 또는 배출구를 지나서, 냉각 모듈 내로의 재순환에 앞서서, 적절한 기체-액체 또는 액체-액체 필터, 사이클론 또는 다른 분리 장치를 이용하여 2차 유체가 1차 유체로부터 분리될 것이다. 냉각 모듈은 지상 적용 분야에서 중력 방향을 따라서 또는 중력 방향에 대해서 각도를 가지고 배향된, 그리고 미세 중력 및 우주 적용 분야에서 임의로 배향된 스프레이(들)로 동작될 수 있다.
본 개시 내용의 냉각 시스템(20)은, 냉각 유체의 충돌 스트림을 다공성 열 스프레더(40) 상으로 지향시키도록 구성된 하나 이상의 노즐(32a, 32b, 32c)을 가지는 충돌 유체 시스템(30)을 포함한다.
충돌 유체 시스템(30)의 몇 개의 상이한 분류가 제공되고, 이는 이하를 포함한다:
(a) 예를 들어, 원통 형태, 평행 육면체 형태, 또는 절두체(원뿔형) 형태를 가지는 하나 이상의 노즐(32a, 32b, 32c)을 이용한 하나의 성분의 제트 충돌.
(i) 기체, 액체 또는 액체 혼합물을 이용하여 단일 상 유동으로 동작되는 하나의 또는 다수의 수직 또는 경사 제트 충돌;
(ii) 액체 또는 액체 혼합물을 이용한, 다공성 스프레더 및 충돌 표면 상의 과냉되거나 포화된 비등을 포함하는, 다중 상 유동으로 동작되는 하나의 또는 다수의 수직 또는 경사 제트 충돌; 및
(iii) 기체 또는 액체를 이용한, 그리고 비등 상 변화를 가지거나 없이, 완전히 또는 부분적으로 격납되거나 격납되지 않은 하나의 또는 다수의 수직 또는 경사 제트 충돌.
(b) 예를 들어, 원통 형태, 평행 육면체 형태, 또는 절두체(원뿔형) 형태를 가지는 하나 이상의 노즐(32a, 32b, 32c)을 이용한 다수 성분의 스프레이 충돌.
(i) 분산 액적/원자화 성분 내의 1차(캐리어) 성분으로서의 기체 및 액체 또는 액체 혼합물을 이용하는, 비-증발 유동으로 동작되는 하나의 또는 다수의 수직 또는 경사 스프레이 충돌;
(ii) 분산 액적/원자화 성분 내의 1차(캐리어) 성분으로서의 기체 및 액체 또는 액체 혼합물을 이용하여 동작되고, 다공성 열 스프레더 및 충돌 표면과 접촉되는 액적의 증발을 포함하는 하나의 또는 다수의 수직 또는 경사 스프레이 충돌; 및
(iii) 증발 상 변화를 가지거나 없이, 완전히 또는 부분적으로 격납되거나 격납되지 않은 하나의 또는 다수의 수직 또는 경사 스프레이 충돌.
다공성 열 스프레더(40)의 몇 개의 상이한 분류가 제공되고, 이는 이하를 포함한다:
(a) 공간적으로 균질한, 불균질한, 또는 국소적으로 균질하나 공간적으로 가변적인 다공성 매체;
(b) 개방-셀 발포체, 섬유, 핀-지느러미 매트릭스, 구조화되지 않은 것, 또는 이들의 조합;
(c) 냉각이 필요한 영역을 완전히 또는 부분적으로(정체 또는 벽 제트 영역만) 덮거나 이러한 영역을 넘어서 연장되는 다공성 열 스프레더;
(d) 직접-침잠 냉각 구성에서 열 생성 구성요소 상에 직접 장착되는, 또는 간접 침잠 냉각 구성에서 별도의 전도성 재료 상에 배치되는 다공성 열 스프레더; 및
(e) 알루미늄, 구리 또는 다른 금속, 금속 합금, 탄소 또는 그라파이트, 및 세라믹과 같은 열 전도성 재료로 제조된 다공성 구조물.
도 2a 내지 도 2c는 다공성 열 스프레더(40)를 위해서 사용되는 다공성 재료의 상이한 예들을 도시한다. 구체적으로, 도 2a는, 다공성 열 스프레더(40)로서 사용되는 핀-지느러미 매트릭스 유형의 다공성 재료를 포함하는 예시적인 냉각 시스템(20)을 도시한다. 도시된 핀-지느러미 매트릭스는, 수직으로 그리고 냉각제 유동 방향에 평행하게 연장되는 제1 그리드 및 수평으로 또는 제1 그리드에 수직으로 연장되는 제2 그리드를 포함하는, 막대 또는 핀의 매트릭스를 포함하고, 제1 및 제2 그리드의 각각은 복수의 층의 각각의 층에 위치되는 노드에서 교차된다. 도 2b는, 다공성 열 스프레더(40)로서 사용되는 개방-셀 발포체 유형의 다공성 재료를 포함하는 예시적인 냉각 시스템(20)을 도시한다. 도 2c는, 열 스프레더(40)로서 사용되는 섬유질 재료 유형의 다공성 재료를 포함하는 예시적인 냉각 시스템(20)을 도시한다. 이들이 단지 예라는 것, 그리고 다른 배열 또는 유형의 다공성 재료가 다공성 열 스프레더(40)에서 사용될 수 있다는 것, 그리고 다공성 열 스프레더(40)가 둘 이상의 상이한 유형의 다공성 재료를 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 3은 3개의 상이한 유형의 노즐(32a, 32b, 32c)을 갖는 충돌 유체 시스템(30)을 가지는 예시적인 냉각 시스템(20)을 도시한다. 구체적으로, 도 3은 다공성 열 스프레더(40)를 갖는 제트 또는 스프레이 충돌 냉각 시스템을 위한 3개의 상이한 유형의 노즐(32a, 32b, 32c)을 갖는 예시적인 냉각 시스템(20)을 도시한다. 도 3에 도시된 3개의 상이한 유형의 노즐은 원형/타원형(원통형) 노즐(32a), 정사각형/직사각형(평행 육면체형) 노즐(32b), 및 원뿔형(절두체형) 노즐(32c)을 포함한다.
원형/타원형(원통형) 노즐(32a)은 축을 따라서 연장되고, 축에 수직인 평면 내에서 일정한 원형 또는 타원형 횡단면 형상을 갖는다. 유사하게, 정사각형/직사각형(평행 육면체형) 노즐(32b)은 축을 따라서 연장되고, 축에 수직인 평면 내에서 일정한 정사각형 또는 직사각형 횡단면 형상을 갖는다. 원뿔형(절두체형) 노즐(32c)은 축을 따라서 연장되고, 축을 따라서 테이퍼링되는 절두체 형상을 갖는다.
일부 실시형태에서, 다공성 열 스프레더(40)는 유체가 충돌하는 제1 위치에서 제1 다공도를, 그리고 제1 위치로부터 이격된 제2 위치에서, 제1 다공도보다 작은, 제2 다공도를 갖는다. 제1 다공도는, 냉각 유체가 다공성 열 스프레더(40) 내로 유동하게 하는 동시에, 초기 열 전달을 최적화하도록 선택된다. 더 작은 제2 다공도는, 그러한 제2 위치에서 냉각을 최적화하도록 선택될 수 있는, 향상된 유동 특성을 제공할 수 있다. 일부 실시형태에서, 다공성 열 스프레더(40)는, 제2 위치가 제1 위치와 제3 위치 사이에 있도록 제1 위치로부터 더 이격되는 제3 위치에서, 제2 다공도보다 큰 제3 다공도를 갖는다. 이러한 더 큰 제3 다공도는 충돌 제트로부터 그리고 제2 위치를 통해서 향상된 냉각제 유동을 제공할 수 있고, 이는 다공성 열 스프레더(40)의 전체 냉각 능력을 개선할 수 있다. 그러한 구성의 예가 도 4a에 도시되어 있고, 도 4a는, 충돌 제트 내의 유체 유동에 수직으로 연장되는 반경을 따른 반경방향 위치의 함수로서 열 스프레더(40)의 다공도를 보여주는 그래프(50)와 중첩된, 공간적으로 불균질한 다공성 구성을 갖는 다공성 열 스프레더(40)의 예시적인 실시형태를 도시한다. 구체적으로, 그래프(50)는 열 스프레더(40)의 전체 반경방향 폭(R)까지의 반경방향 위치(r)의 함수로서 (즉, 0과 1 사이의 r/R의 눈금으로) 다공성 열 스프레더(40)의 다공도를 나타낸다. 도 4b는 도 4a에 도시된 공간적으로 불균질한 다공성 열 스프레더(40)를 포함하는 냉각 시스템(20)의 사시도이다. 충돌 제트 내의 유체 유동에 평행한 방향으로 변화되는 다공도를 갖는 설계와 같은, 공간적으로 불균질한 다공성 열 스프레더(40)를 구성하기 위한 다른 배열 또는 구성이 가능하다는 것을 이해하여야 한다.
도 5a 내지 도 5d는 냉각 시스템(20)의 개략적인 절취 측면도를 제공하고, 여러 냉각 시스템(20)의 각각은 개시 내용의 양태에 따른, 상응하는 대표적인 유형의 단일, 다중 성분의 단일 상, 및 다중 상 다공성 스프레더 제트 및 스프레이 충돌 냉각 시스템을 갖는다.
도 5a는 단일-상 냉각을 위해서 구성된 다공성 스프레더(40) 상의 단일-성분 제트 충돌을 도시한다. 냉각 유체, 예를 들어 공기 또는 다른 기체; 액체, 예를 들어 물, 유전체 냉각제, 및/또는 상이한 액체들의 혼합물이 이용될 수 있다. 이러한 예에서, 냉각 유체는 노즐(34)로부터 다공성 열 스프레더(40) 상으로 그리고 다공성 열 스프레더(40)를 통해서 지향된다.
도 5b는 다중 상(예를 들어, 상-변화 또는 비등) 냉각을 위해서 구성된 다공성 스프레더(40) 상의 단일-성분 제트 충돌을 도시한다. 액체, 예를 들어 물, 유전체 냉각제, 및/또는 상이한 액체들의 혼합물일 수 있는 냉각 유체가 이용될 수 있다. 이러한 예에서, 냉각 유체는 노즐(34)로부터 다공성 열 스프레더(40) 상으로 그리고 다공성 열 스프레더(40)를 통해서 지향되고, 여기에서 기포(60)가 다공성 열 스프레더(40) 상에서 또는 내에서 비등하는 냉각 유체로부터 형성된다.
도 5c는 비-증발 스프레이 냉각을 위해서 구성된 다공성 스프레더(40) 상의 다수-성분 제트 충돌을 도시한다. 1차 유체, 예를 들어 공기 또는 다른 기체가, 2차 유체와 함께, 하나의 공유 노즐로부터 함께 스프레이된다. 2차 유체는 액체, 예를 들어 물, 유전체 냉각제, 및/또는 상이한 액체들의 혼합물일 수 있다. 이러한 예에서, 1차 및 2차 냉각 유체는 노즐(34)로부터 다공성 열 스프레더(40) 상으로 그리고 다공성 열 스프레더(40)를 통해서 지향된다. 2차 유체는, 1차 유체에 의해서 이송되는 스프레이 액적(62)의 형태를 취한다.
도 5d는 다중 상(예를 들어, 상-변화 또는 비등) 냉각을 위해서 구성된 다공성 스프레더(40) 상의 다수-성분 제트 충돌을 도시한다. 1차 유체, 예를 들어 공기 또는 다른 기체가, 2차 유체와 함께, 하나의 공유 노즐로부터 함께 스프레이된다. 2차 유체는 액체, 예를 들어 물, 유전체 냉각제, 및/또는 상이한 액체들의 혼합물일 수 있다. 이러한 예에서, 1차 및 2차 냉각 유체는 노즐(34)로부터 다공성 열 스프레더(40) 상으로 그리고 다공성 열 스프레더(40)를 통해서 지향된다. 2차 유체의 스프레이 액적이 증발 또는 비등되어 다공성 열 스프레더(40) 상에서 또는 내에서 기체(64)를 형성할 수 있다.
도 6a 내지 도 6f는 개시 내용의 양태에 따른, 기부 판(22)과 같은 타겟에 수직인 충돌 유동을 각각 가지는, 다양한 충돌 유동 구성을 갖는 냉각 시스템(20)의 개략적인 절취 측면도를 제공한다.
도 6a는 개시 내용의 양태에 따른, 격납되지 않고 잠기는 침잠 냉각을 갖는 냉각 시스템(20)을 도시한다. 구체적으로, 도 6a는, 냉각 유체의 하나의 제트가 노즐(32a, 32b, 32c)로부터 하나의 다공성 열 스프레더(40) 상으로 그리고 통해서 지향되는 냉각 시스템(20)을 도시한다. 도 6a의 격납되지 않고 잠기는 침잠 냉각 시스템(20)은 다공성 열 스프레더(40)와 직접 접촉되는 열원(10)을 포함한다. 구체적으로, 열원(10)은 기부 판(22)의 홀 또는 개구를 통해서 연장된다. 그러한 격납되지 않고 잠기는 침잠 냉각 시스템(20)은, 예를 들어 기부 판(22)이 없는, 다른 배열을 가질 수 있다. 또한, 열원(10)은 원래의 열원을 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 열원(10)은, 열을 생성하는 전자 장치와 같은 원래의 열원과 열적으로 연통되는 히트 싱크일 수 있다. 도 6b는, 도 6a의 냉각 시스템(20)과 유사하거나 동일하지만 냉각 유체의 제트가, 각각이 열원(10)과 직접 접촉되는 다수의 구분된 다공성 열 스프레더들(40) 상으로 및/또는 통해서 지향되는, 격납되지 않고 잠기는 침잠 냉각을 갖는 예시적인 냉각 시스템(20)을 도시한다.
도 6c는 개시 내용의 양태에 따른, 격납되고 잠기는 침잠 냉각을 갖는 냉각 시스템(20)을 도시한다. 구체적으로, 도 6c는, 냉각 유체의 하나의 제트가 노즐(32a, 32b, 32c)로부터 하나의 다공성 열 스프레더(40) 상으로 그리고 통해서 지향되는 냉각 시스템(20)을 도시한다. 다공성 열 스프레더(40)를 포함하는 격납 공간이 기부 판(22)과 격납 판(28) 사이에 형성된다. 도 6c의 격납되고 잠기는 침잠 냉각 시스템(20)은, 도 6a의 배열과 유사한, 다공성 열 스프레더(40)와 직접 접촉되는 열원(10)을 포함한다. 도 6d는, 도 6c의 냉각 시스템(20)과 유사하거나 동일하지만 냉각 유체의 제트가, 각각이 열원(10)과 직접 접촉되는 다수의 구분된 다공성 열 스프레더들(40) 상으로 및/또는 통해서 지향되는, 격납되지 않고 잠기는 침잠 냉각을 갖는 예시적인 냉각 시스템(20)을 도시한다.
도 6e는 개시 내용의 양태에 따른, 비-접촉식의 (격납되거나 격납되지 않는) 잠기는 침잠 냉각을 갖는 냉각 시스템(20)을 도시한다. 구체적으로, 도 6e는, 냉각 유체의 하나의 제트가 노즐(32a, 32b, 32c)로부터, 기부 판(22)에 의해서 열원(10)으로부터 분리된, 하나의 다공성 열 스프레더(40) 상으로 그리고 통해서 지향되는 냉각 시스템(20)을 도시한다. 다시 말해서, 기부 판(22)이 열을 열원(10)으로부터 다공성 열 스프레더(40)로 전도한다. 다공성 열 스프레더(40)는, 도 6c의 배열과 유사하게, 격납 판(28)에 의해서 격납된다. 대안적으로, 다공성 열 스프레더(40)는, 도 6a의 배열과 유사하게, 격납되지 않을 수 있다. 도 6f는, 도 6e의 냉각 시스템(20)과 유사하거나 동일하지만 냉각 유체의 제트가, 각각이 열원(10)과 간접적으로 열 접촉되는 다수의 구분된 다공성 열 스프레더들(40) 상으로 및/또는 통해서 지향되는, 비-접촉식의 (격납되거나 격납되지 않는) 잠기는 침잠 냉각을 갖는 예시적인 냉각 시스템(20)을 도시한다.
도 7a 내지 도 7f는 개시 내용의 양태에 따른, 기부 판에 수직인 다중 충돌 유동을 각각 가지는, 다양한 충돌 유동 구성을 갖는 냉각 시스템(20)의 개략적인 절취 측면도를 제공한다.
도 7a는, 도 6a의 냉각 시스템(20)과 유사하거나 동일하지만 3개의 노즐(32a, 32b, 32c)의 각각이 냉각 유체의 유동을 하나의 공유 다공성 열 스프레더(40) 상으로 지향시키는 냉각 시스템을 도시한다. 유사하게, 도 7b는, 도 6b의 냉각 시스템(20)과 유사하거나 동일하지만 3개의 노즐(32a, 32b, 32c)의 각각이 냉각 유체의 유동을 상응하는 구분된 다공성 열 스프레더(40) 상으로 지향시키는 냉각 시스템을 도시한다. 3개의 노즐(32a, 32b, 32c)의 수량이 단지 예이고, 임의의 수의 노즐(32a, 32b, 32c)이 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 7c는, 도 6c의 냉각 시스템(20)과 유사하거나 동일하지만 3개의 노즐(32a, 32b, 32c)의 각각이 냉각 유체의 유동을 하나의 공유 다공성 열 스프레더(40) 상으로 지향시키는 냉각 시스템을 도시한다. 유사하게, 도 7d는, 도 6d의 냉각 시스템(20)과 유사하거나 동일하지만 3개의 노즐(32a, 32b, 32c)의 각각이 냉각 유체의 유동을 상응하는 구분된 다공성 열 스프레더(40) 상으로 지향시키는 냉각 시스템을 도시한다. 3개의 노즐(32a, 32b, 32c)의 수량이 단지 예이고, 임의의 수의 노즐(32a, 32b, 32c)이 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 7e는, 도 6e의 냉각 시스템(20)과 유사하거나 동일하지만 3개의 노즐(32a, 32b, 32c)의 각각이 냉각 유체의 유동을 하나의 공유 다공성 열 스프레더(40) 상으로 지향시키는 냉각 시스템을 도시한다. 유사하게, 도 7f는, 도 6f의 냉각 시스템(20)과 유사하거나 동일하지만 3개의 노즐(32a, 32b, 32c)의 각각이 냉각 유체의 유동을 상응하는 구분된 다공성 열 스프레더(40) 상으로 지향시키는 냉각 시스템을 도시한다. 3개의 노즐(32a, 32b, 32c)의 수량이 단지 예이고, 임의의 수의 노즐(32a, 32b, 32c)이 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
일부 실시형태에서, 그리고 도 6a 내지 도 6f, 그리고 도 7e 및 도 7f에 도시된 바와 같이, 노즐(32a, 32b, 32c)의 일부 또는 전부가 상응하는 냉각 유체의 제트를 기부 판(22)에 수직인 및/또는 열원(10)에 수직인 방향으로 지향시키도록 구성될 수 있다.
도 8a 내지 도 8f는 개시 내용의 양태에 따른, 기부 판(22)에 대한 경사 각도(θ)의 단일 충돌 유동을 각각 가지는, 다양한 충돌 유동 구성을 각각 갖는 냉각 시스템(20)의 개략적인 절취 측면도를 제공한다. 도 8a 내지 도 8f의 각각은, 도 6a 내지 도 6f의 상응 도면과 유사하거나 동일하지만 상응하는 냉각 유체의 제트를 기부 판(22) 및/또는 열원(10)에 대해서 경사 각도로 지향시키도록 구성된 노즐(32a, 32b, 32c)을 갖는 배열을 도시한다.
도 9a 내지 도 9f는 개시 내용의 양태에 따른, 기부 판(22)에 대한 경사 각도(θ)의 다중 충돌 유동을 각각 가지는, 다양한 충돌 유동 구성을 갖는 냉각 시스템(20)의 개략적인 절취 측면도를 제공한다. 도 9a 내지 도 9f의 각각은, 도 7a 내지 도 7f의 상응 도면과 유사하거나 동일하지만 상응하는 냉각 유체의 제트를 기부 판(22) 및/또는 열원(10)에 대해서 경사 각도로 지향시키도록 구성된 노즐(32a, 32b, 32c)을 갖는 배열을 도시한다.
도 10은 실험 데이터 및 경험적 모델에 대한 다공성(발포체) 열 스프레더(40)를 갖는 그리고 갖지 않는 단일 상 제트 충돌 열 전달 하에서 측정된 그리고 예측된 누셀트 수(Nu)의 비교를 나타내는 그래프(100)를 도시한다. 그래프(100)는 다양한 냉각 시스템 구성에 대해서 프란틀 수(Prandtl number)((Pr)0.42)로 나눈 Nu/Pr0.42 또는 (누셀트 수(Nu)) 대 레이놀즈 수(Re)를 플로팅한다(plot). 플롯(102, 104, 106, 108)의 각각은 발포체 열 스프레더가 없는 그리고 3.5, 3.8, 3.9, 및 4.1의 프란틀 수(Pr)를 갖는 냉각 시스템에 대한 실험 결과를 도시한다. 대표적인 다공성 매체를 이용하는 컴퓨터 유체 역학(CFD) 시뮬레이션을 실행하여 격납된 제트 충돌 냉각 성능에 미치는 영향을 조사하였다. CFD 시뮬레이션이 플롯(110 및 112)에 나타나 있다. 플롯(110)은 6.3의 프란틀 수(Pr)를 갖는 그리고 다공성 열 스프레더(40)가 없는 냉각 시스템에 대한 CFD 시뮬레이션 결과를 보여준다. 플롯(112)은 6.3의 프란틀 수(Pr)를 갖는 그리고 다공성 열 스프레더(40)를 갖는 냉각 시스템에 대한 CFD 시뮬레이션 결과를 보여준다. 플롯(114)은 실험적으로 도출된 결과에 대한 상관 관계를 나타내는 곡선을 보여 주고, 플롯(116)은 다공성 열 스프레더(40)가 없는 CFD 도출 결과에 대한 상관 관계를 나타내는 곡선을 보여 준다.
다시 말해서, 실험 및 별도의 시뮬레이션을 다공성 열 스프레더(40)가 없는 동일한 시스템에 대해서 각각 실행하였고, 검증을 위해서 무차원의 열 전달 계수(누셀트 수(Nu))를 문헌 내의 실험적 데이터 및 경험적 모델과 비교하였다. 다공성 발포체 열 스프레더(40)가 없는 경우에 대한 예측이 문헌과 매우 일치된다는 것, 그에 의해서 이러한 과정에서 이용된 컴퓨터 방법론이 검증되었다는 것을 도 10으로부터 확인될 수 있다. 또한, 다공성 열 스프레더(40)가 있는 대표적인 경우에 대한 계산적으로 예측된 누셀트 수는 열 스프레더(40)가 없는 경우의 거의 2배라는 것이 확인된다. (프란틀 수(Pr)가 일정하게 유지될 때 누셀트 수에 직접적으로 비례하는) Nu/Pr0.42의 값은 발포체가 있는 경우와 없는 경우(즉 다공성 열 스프레더(40)가 없는 경우와 있는 경우) 사이에서 약 21로부터 약 41로 증가된다. 이는 본 개시 내용의 냉각 시스템(20)의 효율성을 나타낸다. 또한, 이러한 결과는, 100% 이상의 잠재적인 열 전달 증대가 본 개시 내용의 냉각 시스템(20)을 사용하여 얻어 질 수 있다는 것을 보여 준다.
실시형태에 관한 전술한 설명이 묘사 및 설명의 목적을 위해서 제공되었다. 이는 배타적인 것 또는 개시 내용을 제한하기 위한 것이 아니다. 특별한 실시형태의 개별적인 요소 또는 특징이 일반적으로 그러한 특별한 실시형태로 제한되지 않으나, 적용 가능한 경우에, 비록 구체적으로 도시되거나 설명되지 않았지만, 선택된 실시형태에서 이용될 수 있고 상호 교환될 수 있다. 동일한 것이 또한 많은 방식으로 변경될 수 있을 것이다. 그러한 변경은 개시 내용으로부터 벗어나는 것으로 간주되지 않고, 모든 그러한 수정이 개시 내용의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

Claims (15)

  1. 충돌 냉각 시스템이며:
    열원과 열 접촉되는 다공성 열 스프레더; 및
    유체를 다공성 열 스프레더에 충돌하는 제트 또는 스프레이로서 지향시키도록 구성된 노즐을 포함하는, 충돌 냉각 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    노즐이 둘 이상의 노즐 중 하나인, 충돌 냉각 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    다공성 열 스프레더가 금속, 금속 합금, 탄소, 그라파이트, 또는 세라믹 중 하나로 제조되는, 충돌 냉각 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    다공성 열 스프레더가: 섬유질, 발포체, 핀-지느러미 매트릭스, 또는 구조화되지 않은 것 중 하나인 다공성 매체를 포함하는, 충돌 냉각 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    유체는 다공성 열 스프레더 상에서 또는 내에서 액체로부터 기체로 상 변화가 일어나도록 구성되는, 충돌 냉각 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    노즐은 유체를 충돌 판에 수직으로 지향시키도록 구성되는, 충돌 냉각 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    노즐은 유체를 충돌 판에 비스듬한 각도로 지향시키도록 구성되는, 충돌 냉각 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    다공성 열 스프레더가 공간적으로 균질하고 등방적인, 충돌 냉각 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    다공성 열 스프레더가 이방적인, 충돌 냉각 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    다공성 열 스프레더가 공간적으로-가변적인 마이크로구조 및 다공도를 가지는, 충돌 냉각 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    다공성 열 스프레더는 유체가 충돌하는 제1 위치에서 제1 다공도를 가지고, 다공성 열 스프레더는 제1 위치로부터 이격된 제2 위치에서, 제1 다공도보다 작은, 제2 다공도를 가지는, 충돌 냉각 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    다공성 열 스프레더는 제3 위치에서 제2 다공도보다 큰 제3 다공도를 가지고, 제2 위치는 제1 위치와 제3 위치 사이에 있는, 충돌 냉각 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    다공성 열 스프레더가 모놀리식 구조를 가지는, 충돌 냉각 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    다공성 열 스프레더는 복수의 구분된 다공성 열 스프레더 중 하나이고, 구분된 다공성 열 스프레더의 각각은 공통 열원으로부터 열을 전도하도록 구성되는, 충돌 냉각 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    다공성 열 스프레더는 복수의 구분된 다공성 열 스프레더 중 하나이고, 복수의 구분된 다공성 열 스프레더는 복수의 독립적인 열원들로부터 열을 전도하도록 구성되는, 충돌 냉각 시스템.
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