KR20230037570A - 히트 파이프, 시스템, 및 열 전달을 스위칭 및/또는 프로그래밍하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 히트 소스에 작동 가능하게 연결된 적어도 하나의 증발기 영역(3) 및 히트 싱크에 작동 가능하게 연결된 적어도 하나의 응축기 영역(4)을 구비하는 적어도 하나의 작업 챔버(2)를 갖는 히트 파이프(1)에 관한 것으로, 상기 작업 챔버(2)에는 작업 유체(5)가 제공되고, 제 1 작동 상태에서 상기 작업 유체(5)에 의해 상기 히트 소스로부터 히트 싱크로 열이 전달된다. 필수적인 특징은 히트 파이프가 스위칭 가능한 및/또는 프로그래밍 가능한 열 다이오드 또는 스위칭 가능한 및/또는 프로그래밍 가능한 히트 스위치로서 구성되며, 상기 증발기 영역을 상기 작업 유체가 없는 상태로 유지하고 및/또는 상기 작업 유체가 제 2 작동 상태에서 증발하는 것을 방지하도록, 열 전달을 감소 및/또는 방해하고 및/또는 우선적인 열전도 방향을 변경하도록 배열 및 구성되는 적어도 하나의 활성화 가능한 기능성 재료가 제공되는 것이다.
Description
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 히트 파이프, 청구항 12에 청구된 바와 같이 히트 파이프를 포함하는 시스템, 청구항 15의 전제부에 따른 히트 파이프에서 열 전달을 스위칭 및/또는 프로그래밍하는 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이 히트 파이프는 증발열을 통한 열 전달 덕분에 높은 열 흐름 밀도를 가능하게 한다. 일반적으로, 히트 파이프에는 히트 소스(heat source)인 고온 측과 히트 싱크(heat sink)인 저온 측이 있다. 히트 소스 영역에서 증발하고 히트 싱크 영역에서 응축되는 작업 유체가 히트 파이프에 제공된다. 열 전달은 작업 유체의 이동을 통해 이루어지며 응축 및 증발의 잠열을 통해 전달된다.
공지된 히트 파이프는 열 흐름에 대한 우선적인 방향을 가지며, 이는 열 다이오드로 설계되었음을 의미한다. 이것은 다이오드가 한 방향으로는 매우 잘 열을 전도하고 반대 방향으로는 매우 열악하게 전도한다는 것을 의미한다.
이러한 열 다이오드는 예를 들어 Boreyko 등. 2011년, 응용 물리학 저널(Applied Physics Letter) 99(23) 및 문서 US 8716689 B2호에 설명된다. 히트 싱크 영역에서 초소수성 코팅(superhydrophobic coating)을 사용하고 히트 소스 영역에서 초친수성 코팅(superhydrophilic coating)을 사용하면 초소수성 코팅에 의해 열에 대해 설명된 열 다이오드의 우선적인 방향이 발생하고, 히트 싱크의 영역의 표면은 작업 유체를 밀어내어 다시 증발할 수 있는 히트 소스의 초친수성 영역으로 다시 이동된다.
종래 기술로부터 공지된 열 다이오드의 단점은 열 전달을 위한 우선적인 방향이 정의되고 다이어드가 설계로 인해 고정된다는 것, 즉 작동 중에 변경되거나 변경될 수 없다는 점이다.
따라서 본 발명의 목적은 종래 기술로부터 공지된 방법 및 장치의 한계를 극복하고 보다 가변적인 히트 파이프 또는 열 전달 방법을 제안하는 것이다.
상기한 목적은 청구항 1에 따른 히트 파이프, 청구항 15에 따른 히트 파이프에서 열 전달을 스위칭 및/또는 프로그래밍하는 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 히트 파이프의 바람직한 구성들은 청구항 2 내지 11에 기재되어 있다. 청구항 12 내지 14에는, 본 발명의 히트 파이프를 포함하는 시스템의 구성들이다. 본 발명의 방법의 바람직한 구성들은 청구항 16 및 17에 기재되어 있다. 모든 청구항들의 기재는 본 명세서에 참조로서 명확히 통합된다.
본 발명의 히트 파이프는 그 자체로 공지된 바와 같이, 적어도 하나의 증발기 영역 및 적어도 하나의 응축기 영역을 갖는 적어도 하나의 작업 챔버를 포함한다. 증발기 영역은 히트 소스에 작동 가능하게 연결되고 응축기 영역은 히트 싱크에 연결된다. 작업 챔버에는 작업 유체가 제공된다. 작동의 제 1 상태에서 작업 유체는 히트 소스에서 히트 싱크로 열을 전달한다.
본질적인 특징은 히트 파이프가 스위칭 가능 및/또는 프로그래밍 가능한 열 다이오드 또는 적어도 하나의 활성화 가능한 기능성 재료가 제공되는 히트 스위치의 형태를 취한다는 것이고 상기 히트 파이프는 작업 유체가 없는 증발기 영역을 유지하기 위해 및/또는 작업 유체가 제 2 작동 상태에서 증발하는 것을 중지하기 위해, 열전달을 감소 및/또는 방지하기 위해 및/또는 열 전달의 우선적인 열 전도 방향을 변경하기 위해 배열 및 구성된다.
작업 유체는 작업 챔버를 채우고 압력과 온도에 따라 액체 또는 기체 형태이다. "작업 유체가 없는 증발기 영역을 유지하기 위한"이라는 문구는 증발기 영역의 표면과 직접 접촉 및/또는 직접 상호 작용하는 액상의 작업 유체와 관련이 있다. 또한, 기상의 작업 유체가 히트 파이프의 작업 챔버의 전체 체적을 채우기 때문에 작업 유체가 증발기 영역에서 기상인 것도 본 발명의 범위 내에 있다.
본 발명은 작업 챔버에서 조건의 적절한 구성에 의해 열 전달을 제어하고 심지어 역전시키는 것이 가능하다는 출원인의 발견에 기초한다.
따라서 본 발명의 히트 파이프는 공지된 히트 파이프와 본질적인 양태에서 상이하다.
히트 파이프에 제공된 활성화 가능한 기능성 재료는 제 1 상태(히트 파이프의 제 1 작동 상태)에서 제 2 상태(히트 파이프의 제 2 작동 상태)로 전환할 수 있다. 제 1 상태에서, 활성화 가능한 기능성 재료는 제 1 작동 상태의 우선적인 열 전도 방향으로 열 전달을 가능하게 하거나 히트 파이프의 기능에 영향을 미치지 않는다. 제 2 상태에서, 활성화 가능한 기능성 재료는 증발기 영역을 작업 유체가 업없도록 유지하거나 작업 유체가 증발하는 것을 중지시킨다. 히트 파이프에서의 열 전달은 증발기 영역에서 작업 유체의 증발 및 응축기 영역으로의 증발된 작업 유체의 이동을 통해 중요한 정도로 기능하기 때문에, 히트 파이프에서의 열 전달을 감소시키거나 방지한다. 또한, 활성화 가능한 기능성 재료를 통한 열 전도의 우선적인 방향이 제 2 작동 상태에서 변경되도록 활성화 가능한 기능성 재료가 구성되는 것도 본 발명의 범위 내에 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 히트 파이프는 스위칭 가능한 열 다이오드 또는 히트 스위치로서 구성되며, 여기에서 적어도 하나의 활성화 가능한 기능성 재료는 외부 필드에서 적어도 부분적으로 그 특성을 변경하도록 구성된다. 외부 필드에 의해 변경될 수 있는 활성화 가능한 기능성 재료의 가능한 특성은 표면 습윤 특성, 팽윤 용량, 유체 결합 특성 및 부피이다.
본 발명의 대안적인 실시예에서, 히트 파이프는 프로그래밍 가능한 열 다이오드 또는 히트 스위치로서 구성되며, 여기에서 적어도 하나의 활성화 가능한 기능성 재료는 작업 챔버 내의 조건에 따라 적어도 부분적으로 그 특성을 변경하도록 구성된다. 외부 필드를 통해 변경할 수 있는 활성화 가능한 기능성 재료의 가능한 특성은 표면 습윤 특성, 팽윤 용량, 유체 결합 특성 및 부피이다.
따라서 활성화 가능한 기능성 재료는 바람직하게는 외부 또는 내부 효과를 통해 스위칭 가능하거나 프로그래밍 가능한다. 이와 관련하여 "스위칭 가능"이 의미하는 바는 작동 상태가 외부 필드의 활성 적용에 의해 스위칭될 수 있다는 것이다. 이와 관련하여 "프로그래밍 가능"이 의미하는 바는 주변 조건, 특히 작업 챔버의 조건이 변경될 때 히트 파이프가 재료 고유의 내부 요인에 의해 독립적으로 상태를 변경한다는 것이다.
이는 열 전달이 본 발명의 히트 파이프에서 표적화된 방식으로 제어될 수 있다는 이점을 가져온다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 히트 파이프는 프로그래밍 가능한 열 다이오드 또는 히트 스위치로서 구성되며, 여기서 적어도 하나의 활성화 가능한 기능성 재료는 작업 챔버 내의 조건, 특히 온도, 작업 유체의 pH 및/또는 작업 유체의 이온 강도에 따라 그 속성이 변하도록 구성된다. 따라서 외부 필드가 필요하지 않다는 것이 유리하다: 대신, 작업 유체 또는 히트 파이프의 직접적인 속성을 통해서만 히트 파이프에서 열 전달을 제어할 수 있다.
작업 챔버는 바람직하게는 특히 증발된 유체의 대류 및 응축기 영역으로부터 다시 증발기 영역으로의 응축된 유체의 이동에 의해 열이 전달되는 방식으로 폐쇄 체적의 형태를 취한다. 특히, 작업 챔버의 폐쇄 체적은 기밀 시스템의 형태를 취한다. 특히, 기본적으로 작업 유체를 제외한 모든 외부 가스가 내압 시스템에서 제거된다. 작업 유체가 다시 이동되는 방식이 다른 다양한 설계가 이 목적에 유용한다. 여기서 알려진 구성은 히트 파이프 또는 2상 열사이펀이다.
활성화 가능한 기능성 재료는 바람직하게는 작업 챔버 내에 제공된다. 여기에서 활성화 가능한 기능성 재료가 작업 챔버의 일부로서, 예를 들어 작업 챔버의 베이스 및 뚜껑으로서 제공되는 것이 마찬가지로 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 히트 파이프는 작업 유체를 위한 유체 회로로 형성된다. 유체 회로는 응축기 영역에서 다시 증발기 영역으로 응축된 작업 유체를 이동시키기 위한 유체 복귀 도관을 포함하는 것이 바람직한다. 이러한 방식으로, 작업 유체를 제어되고 계량된 방식으로 다시 증발기 영역으로 안내하여 증발기 영역이 건조되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 폐쇄 체적은 증발기 영역에서 유체-반발성 코팅(fluid-phobic coating) 및/또는 응축기 영역에서 유체-친화성 코팅(fluid-philic coating)을 갖는다. 폐쇄 체적, 즉 작업 챔버가 증발기 영역 및/또는 응축기 영역 모두에서 추가적인 구조를 갖는 것도 마찬가지로 본 발명의 범위 내에 있다. 이러한 방식으로 예를 들어 표면의 습윤 특성을 최적화할 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 활성화 가능한 기능성 재료는 작업 챔버의 증발기 영역 및/또는 응축기 영역의 스위칭 가능한 코팅의 형태를 취하는데, 여기서 증발기 영역의 코팅의 적어도 표면 특성은 유체-친화성으로부터 유체-반발성으로 가변적이다. 바람직하게는, 증발기 영역 및 응축기 영역의 코팅 모두는 증발기 영역의 코팅의 표면 특성이 유체-친화성으로부터 유체-반발성으로 변화하는 반면, 응축기 영역의 코팅의 표면 특성이 유체-반발성으로부터 유체-친화성으로 변하도록 설계된다. 이 경우 히트 파이프는 스위칭 가능한 열 다이오드의 형태를 취한다. 외부 필드를 적용하면 히트 파이프가 제 1 작동 상태에서 제 2 작동 상태로 변경될 수 있다.
고온 측, 즉 증발기 영역이 제 1 작동 상태에서 히트 소스에 의해 가열되면 증발기 영역의 유체-친화성 코팅에 모인 작업 유체가 증발하고 증발기 영역에서 응축기 영역으로 열 전달을 가능하게 한다. 여기에서 작업 유체는 응축기 영역의 유체-반발성 코팅에 응축된다. 응축기 영역의 유체-반발성 표면 특성으로 인해, 작업 유체의 액적이 형성된다. 표면의 강한 유체-반발성 구성의 경우, 작업 유체는 증발기 영역으로 다시 "점프(jump)"한다. 대안적으로, 모세관력을 통한 액적의 유체 재순환은 예를 들어 히트 파이프에 대한 선행 기술로부터 공지된 바와 같이 친수성 심지 구조의 형태로 구상될 수도 있다. 이 상태에서 열 다이오드는 열 전도성이다.
증발기 영역 및/또는 응축기 영역에서 코팅의 표면 특성이 예를 들어 외부 전기장의 인가에 의해 제 2 작동 상태(이하 차단 상태라고도 함)에서 변경되는 경우, 고온 측, 즉 증발기 영역, 히트 소스에서 소수성 특성을 갖는다. 이 코팅에는 작업 유체의 수집이 불충분하며 거기에 수집된 작업 유체는 빠르게 증발하여 응축기 영역의 유체-친화성 코팅에 응축된다. 위에서 언급한 재활용 메커니즘이 비활성화되기 때문에 작업 유체는 거기에 남아 증발기 영역으로 다시 이동되지 않는다. 따라서 작업 챔버의 고온 측이 건조되고 작업 유체에 의한 열 전달이 발생하지 않는다. 열 다이오드가 차단된다.
스위칭 가능한 코팅은 바람직하게는 ORMOCER®의 형태를 취하고 및/또는 ORMOCER®를 포함한다. ORMOCER®는 많은 기판의 표면 특성에 유리한 영향을 미칠 수 있는 무기-유기 하이브리드 폴리머이다: 예를 들어, Sanchez 등, Chem. Soc. Rev. 40, 2011, 696-753 참조. ORMOCER®는 또한 기술 문헌에서 알려진 메커니즘을 이용하여 친수성 소수성 및 다시 스위칭 가능한 코팅으로 전환할 수 있다: B. Xin, J. Hao, Chem. Soc. Rev. 39, 2010, 769-782 참조. 따라서 본 발명의 ORMOCER®는 예를 들어 전기적으로 스위칭 가능한 표면 특성을 위한 이미다졸륨알킬 말단기 또는 광화학적으로 전환 가능한 표면 특성을 위한 플루오로알킬아조벤젠 또는 스피로피란 말단기를 함유한다.
특히 바람직한 실시예에서, ORMOCER® 코팅은 마이크로-, 메조- 또는 나노구조를 가지며, 이는 모세관 효과 또는 연잎 효과를 이용하여 유체-친화성/유체-반발성 특성을 향상시킨다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 활성화 가능한 기능성 재료는 증발기 영역 및 응축기 영역이 제 2 작동 상태에서 특성을 전환하도록 구성된다. 따라서 제 2 작동 상태는 차단 상태가 아니지만 제 1 작동 상태와 반대 방향으로 열 전달을 가능하게 한다. 이 경우 제 2 작동 상태에서 증발기 영역으로 작용하는 원래의 응축기 영역의 작업 유체는 히트 소스에서 증발 및 열을 흡수하여 이제 응축기 영역으로 작용하는 원래의 증발기 영역으로 전달할 수 있다. 작업 유체는 새로운 응축기 영역에서 응축되어 히트 싱크로 열을 방출한다. 이것은 열 다이오드의 우선적인 열 전도 방향으로 회전한다.
바람직하게는 활성화 가능한 기능성 재료는 증발기 영역과 응축기 영역 모두에서 ORMOCER® 코팅의 형태를 취한다. 코팅은 외부 필드, 바람직하게는 전기장 또는 복사 필드, 즉 (UV) 광 복사의 적용이 증발기 영역과 응축기 영역의 표면 습윤 특성을 교환할 수 있도록 선택된다.
유체-친화성/유체-반발성 특성에서 본 발명의 전기적 스위칭가능성을 달성하기 위해 사용되는 ORMOCER®는 예를 들어 기능성 말단기가 스페이서, 즉 2-20개의 탄소 원자, 바람직하게는 3-12개의 탄소 원자를 갖는 선형 알킬 사슬을 통한 ORMOCER® 네트워크에 공유결합식으로 본딩되는 이온성 기(트리알킬암모니윰, 이미다졸리움, 설포네이트, 등)로 구성된다. 전기장의 인가(Langer 등, Science 299, 2003, 371-374 참조)는 동일한 공칭 전하의 기판에 의한 이온 말단기의 반발 및 열 다이오드의 내부로의 투영을 초래하고, 이는 표면의 친수성으로 이어진다. 대조적으로 이온성 기는 반대 전하를 띤 기판에 끌리므로 비극성 스페이서 체인이 열 다이오드 내부로 돌출되어 표면의 소수성 특성이 발생한다. 따라서 열 다이오드의 두 반대쪽 표면이 동일한 기능의 ORMOCER®로 코팅된 경우, 전기장의 인가는 필드 방향의 반전을 통해 특성의 역전과 함께 친수성 측면과 소수성 측면을 초래할 것이다. 열 다이오드에 인가되는 전기 전압은 바람직하게는 < 50V, 보다 바람직하게는 < 5V이다.
본 발명의 대안적인 실시예에서, 적어도 하나의 활성화 가능한 기능성 재료는 작업 유체를 위한 저장소의 형태, 특히 액체 저장소의 형태를 취한다. 저장소는 열 전달에 필요한 작업 유체의 흡수 및 방출을 제어한다. 이는 사용 가능한 작업 유체의 양을 가변적으로 만들 수 있음을 의미한다. 히트 파이프의 제 1 작동 상태에서 작업 유체는 열 전도에 사용할 수 있다. 히트 파이프는 열을 전도한다. 제 2 작동 상태인, 차단 상태에서, 작업 유체는 특히 액체 저장소의 형태로 저장소에 본딩된다. 이 구속된 형태에서 작업 유체는 더 이상 열 전달에 사용할 수 없다. 히트 파이프는 더이상 열을 전도하지 않는다.
이 설명과 관련하여 "히트 파이프가 더 이상 열을 전도하지 않는다"는 표현은 다이오드의 차단 상태를 의미한다. 이는 다른 스위칭 상태에 비해 열 전달이 상당히 감소됨을 의미한다. 그럼에도 불구하고 예를 들어 구성 요소의 열 전도를 통해 작은 열 흐름이 발생할 수 있다.
작업 유체를 위한 저장소는 바람직하게는 겔 형태, 특히 폴리머 겔, 흡착제 또는 중시적으로 구조화된 표면의 형태를 취한다.
특히 바람직하게는, 저장소는 화학적으로 가교결합된 폴리머 겔의 형태를 취한다. 가교된 폴리머 겔은 작업 유체에 의해 팽윤된 다음, 바람직하게는 히드로겔의 팽윤된 상태와 붕괴된 상태 사이에서 부피 상전이를 갖도록 구성된다.
특히 작업 유체가 물인 경우, 저장소는 바람직하게는 물-결합 하이드로겔의 형태를 취한다. 폴리머 겔은 수분 결합 상태와 비수 결합 상태를 갖는다. 히트 파이프의 제 1 작동 상태에서 차단 상태로의 전이, 즉 폴리머 겔의 비 유체 결합 상태에서 폴리머 겔의 유체 결합 상태로의 전이는 바람직하게는 온도 전이에 의해 유도된다. 폴리머 겔은 상한 임계 용액 온도(UCST) 유형 또는 하한 임계 용액 온도(LCST) 유형의 부피 상 전이를 갖는 폴리머 겔의 형태를 취할 수 있다. UCST 유형의 부피 상 전이의 경우, 가교 폴리머 겔은 임계 온도(제한 온도)를 초과할 때만 작업 유체에 의해 팽윤된다. LCST 유형의 체적 상전이의 경우 임계 온도(제한 온도)를 초과하면 작업 유체가 가교 폴리머 겔에서 변위된다. 따라서, UCST 전이의 경우 히트 파이프는 임계 온도 이상에서 차단된다. LCST 전환의 경우, 임계 온도 이하에서 히트 파이프가 차단된다. 따라서, 제한 온도는 히트 파이프의 제 1 작동 상태에서 차단 상태로의 전환을 위한 전환 온도를 정의할 수 있다.
UCST 부피 상 전이를 갖는 공지된 폴리머는 예를 들어 Macromol. Rapid Commun. 33, 1898 - 1920, 2012에서 설명된다. LCST 부피 상 전이를 갖는 공지된 폴리머는 예를 들어 Adv. Polym. Sci. 242, 29 - 89, 2011에서 설명된다. 언급된 폴리머 젤은 물과 상호 작용하므로 물이 작업 유체로 사용되는 히트 파이프에 특히 적합한다. 그러나 설명된 특성과 유기 유체, 예를 들어 광유와 함께 설명된 거동을 갖는 다수의 폴리머도 있다: 예를 들어, J. Polym. Sci. A46, 5724 - 5733, 2008. 이 경우, 물이 아닌 다른 유체를 작업 유체로 사용하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 저장소는 흡착제의 형태를 취한다. 흡착제는 유체를 결합한다. 흡착제에 결합된 유체의 양을 로딩(loading)이라고도 한다. 온도가 상승하면(및 결합된 유체의 관련 증기압 상승) 흡착제의 부하가 감소하고 유체가 다시 방출된다.
흡착제는 바람직하게는 제한 온도를 가져서 이 제한 온도 또는 유체의 특정 증기압을 초과할 때 유체가 흡착제에 의해 매우 갑자기 다시 방출된다. 따라서 제한 온도는 히트 파이프의 차단 상태에서 제 1 작동 상태로의 전환을 위한 스위칭 온도를 정의한다.
정의된 제한 온도 또는 관련된 유체의 증기압을 갖는 흡착제 재료의 예는 MitsubishiTM의 AQSOATM-Z05 흡착제이다.
마찬가지로 액체 저장소의 특성이 온도에 의해 영향을 받지 않고 다른 물리적 또는 화학적 자극에 의해 영향을 받는 것도 본 발명의 범위 내에 있다. 예를 들면 UV 광선 또는 극초단파 방사선, pH, 이온 강도 또는 특정 유기 분자의 존재입니다. 이들의 예는 Angew. Chem. Int. Ed. 55, 6641 - 6644, 2015에 설명되어 있다. 따라서 열 다이오드의 스위칭은 다양한 요인에 의해 가능하며 사용 분야 및 주변 조건에 따라 조정될 수 있다.
본 발명의 목적은 본 발명의 전술한 특성을 갖는 히트 파이프 및 활성화 가능한 기능성 재료의 특성을 변경하기 위해 필드(field)를 인가하는 수단을 갖는 시스템에 의해 마찬가지로 달성된다.
고려되는 필드 적용 수단은 바람직하게는 전기장, 자기장, 응력-변형 필드, 광, 특히 UV 광 생성, 열 생성 및/또는 냉각 생성을 위한 필드 생성기이다. 언급된 필드 생성기 중 하나만 제공하거나 언급된 필드 생성기 중 둘 이상의 조합을 제공하는 것이 가능한다. 이들의 예는 콘덴서, 코일, 편심, (UV) 광원 또는 가열 및 냉각 장치이다. 이러한 방식으로, 사용된 작업 유체 및 사용된 활성화 가능한 기능성 재료에 대해 제어 수단을 개별적으로 조정하는 것이 가능하다.
본 발명의 시스템은 마찬가지로 전술한 본 발명 및/또는 이의 바람직한 실시예의 히트 파이프의 이점 및 특성을 갖는다.
시스템은 바람직하게는 고온 측과 저온 측과 관련하여 유연하게 설계된다. 히트 파이프가 열 전도의 가역적인 우선 방향을 갖는 히트 파이프의 형태를 취하는 경우, 고온 측과의 접촉을 통해 증발기 영역 및 응축기 영역의 기능을 할당하는 수단을 제공하는 것이 바람직하거나 상응하여 저온 측과 접촉한다. 증발기 영역과 응축기 영역, 고온 측과 저온 측 사이에 우수한 열 접촉을 제공하는 것이 바람직한다. 히트 싱크과 히트 소스가 히트 파이프에 우수한 열 접촉을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 시스템은 2개의 기능성 재료의 조합을 갖는 히트 파이프로 형성되며, 2개의 기능성 재료 중 하나는 상술한 액체 저장 수단의 형태, 특히 폴리머 겔 형태이다. 다른 기능성 재료는 바람직하게는 바람직하게는 빛, 특히 UV 광의 영향 하에서 다양한 유체-친화성/유체-반발성 특성을 갖는 ORMOCER®의 형태를 취한다.
본 발명의 목적은 청구항 15의 특징을 갖는 방법에 의해 마찬가지로 달성된다. 마찬가지로 그 자체로 알려진 바와 같이, 열 전달을 스위칭 및/또는 프로그래밍하는 방법은 하나의 증발기 영역 및 적어도 하나의 응축기 영역 및 작업 유체를 갖는 적어도 하나의 작업 챔버를 갖는 히트 파이프로 수행된다. 이는 다음 방법 단계로 구성된다:
A 증발기 영역에서 작업 유체를 증발시키는 단계로서, 기체 작업 유체에 의해 증발기 영역으로부터 응축기 영역으로 열이 전달되는, 단계,
B 응축기 영역에서 작동유체를 응축하는 단계로서, 열이 히트 싱크로 제거되는, 단계.
본질적인 특징은 히트 파이프가 열 다이오드 또는 히트 스위치로 작동한다는 것이고, 열전도율은 외부 필드의 적용 및/또는 작업 챔버 내의 조건에 따라 변경된다.
본 발명의 방법은 바람직하게는 본 발명의 히트 파이프 및/또는 본 발명의 히트 파이프의 바람직한 실시예에 의한 성능을 위해 설계된다. 대조적으로, 본 발명의 히트 파이프는 바람직하게는 본 발명의 방법 및/또는 본 발명의 방법의 바람직한 실시예를 수행하도록 설계된다.
본 발명의 방법은 마찬가지로 본 발명의 전열관 및/또는 본 발명의 시스템의 전술한 이점 및 특징을 나타낸다.
히트 파이프의 열전도율은 증발기 영역에 작업 유체가 없도록 유지하고 및/또는 작업 유체가 증발하는 것을 중지함으로써 변경되는 것이 바람직한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 히트 파이프에서, 열은 제 1 작동 상태에서 증발기 영역(히트 소스) 상에 배치된 고온측으로부터 응축기 영역(히트 싱크) 상에 배치된 저온측으로 전달된다. 방법 단계 C에서 외부 필드를 적용하면 히트 파이프가 제 2 작동 상태로 전환된다. 바람직하게는, 이러한 목적을 위해, 전기장, 자기장, 응력-변형 필드가 생성되거나 활성화 가능한 기능성 재료가 빛, 특히 UV 광 또는 열 및/또는 냉각에 노출된다. 제 2 작동 상태에서, 작업 유체가 없거나 적어도 불충분한 작업 유체가 증발기 영역에서 이용 가능한다. 증발기 영역이 건조되고 히트 파이프는 더 이상 제 1 작동 상태에서 우선적인 열 전도 방향으로 열을 전도하지 않는다.
대안적으로, 작업 유체는 작업 챔버 내의 조건에 따라 제 1 작동 상태에서 제 2 작동 상태로 전환할 수 있다. 제 1 작동 상태에서 제 2 작동 상태로의 변화를 개시할 수 있는 파라미터는 작업 유체의 온도, pH 및/또는 작업 유체의 이온 강도이다. 이는 외부 영향 없이 특정 조건에서 작동 상태를 변경하도록 히트 파이프를 "프로그래밍"할 수 있다는 이점을 제공한다.
작업 유체는 바람직하게는 위에서 이미 설명한 바와 같이 작업 챔버의 증발기 영역으로부터 스위칭 가능한 표면 코팅에 의해 변위된다.
대안적으로, 작업 유체는 활성화 가능한 기능성 재료에 의해 결합될 수 있다. 이를 위해, 적어도 하나의 활성화 가능한 기능성 재료는 바람직하게는 작업 유체를 위한 저장소의 형태, 특히 액체 저장소의 형태를 취한다. 저장소는 열 전달에 필요한 작업 유체의 수용 및 방출을 제어한다. 이는 사용 가능한 작업 유체의 양이 다양할 수 있음을 의미한다. 히트 파이프의 제 1 작동 상태에서 작업 유체는 열 전도에 사용할 수 있다. 히트 파이프는 열을 전도한다. 제 2 작동 상태인 차단 상태에서 작업 유체는 특히 액체 저장소의 형태로 저장소에 결합된다. 이 구속된 형태에서 작업 유체는 더 이상 열 전달에 사용할 수 없다. 히트 파이프는 더 이상 열을 전도하지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 증발기 영역 및 응축기 영역의 표면 특성이 외부 필드의 인가에 의해 및/또는 작업 챔버 내의 조건에 따라 교환된다는 점에서 열 다이오드의 우선적인 열 전도 방향이 역전된다. 이 경우, 제 2 작동 상태에서, 작업 유체는 현재 증발기 영역으로 작용하는 원래의 응축기 영역에서 증발할 수 있고, 히트 소스에서 열을 흡수하여 이제 응축기 영역으로 작용하는 원래 증발기 영역으로 전달할 수 있다. 작업 유체는 새로운 응축기 영역에서 응축되어 히트 싱크로 열을 방출한다. 이것은 동작 1의 상태와 비교하여 우선적인 열전도 방향을 돌린다.
본 발명의 히트 파이프, 본 발명의 시스템 및 본 발명의 방법은 스위치 온 및 오프 및 열 흐름의 제어 또는 조절을 효과적으로 제어할 수 있기에 특히 적합하다. 히트 파이프 기반 히트 스위치 또는 열 다이오드는 높은 스위칭 계수를 달성할 수 있고 전도성 상태에서 높은 열 전달 덕분에 열 저항이 매우 낮기 때문에 특히 적합한다. 또한 매우 컴팩트한 디자인으로 구현할 수 있으므로 쉽게 통합할 수 있다. 구성에 따라 히트 파이프는 단순한 구조로 되어 있으며 몇 개의 개별 부품으로 구성되어 있으며 움직이는 부품을 포함할 필요가 없다.
이하에서는, 본 발명의 히트 파이프 및 본 발명의 방법들의 추가적인 바람직한 특징들과 실시예들을 실시예와 도면을 참조하여 더 상세히 설명한다.
도 1: 본 발명의 히트 파이프의 제 1 작업 예의 개략도,
도 2: 본 발명의 히트 파이프의 제 2 실시예의 개략도.
도 2: 본 발명의 히트 파이프의 제 2 실시예의 개략도.
도 1은 증발기 영역과 응축기 영역에서 스위칭 가능한 코팅 형태의 활성화 가능한 기능성 재료를 가진 열 다이오드의 개략도를 보여주며, a) 전도 상태 및 b) 차단 상태의 부분 이미지를 보여준다.
히트 파이프(1)는 적어도 하나의 증발기 영역(3) 및 적어도 하나의 응축기 영역(4)을 갖는 작업 챔버(2)를 갖는다. 증발기 영역(3)은 온도 T1 = 100℃인 현재의 경우에 히트 소스(도시되지 않음) 및 온도 T2 = 10℃인 히트 싱크(도시되지 않음)와 결합된 콘덴서 영역(4)에 작동 가능하게 연결된다. 작업 챔버(2)에는 작업 유체(5)가 제공된다.
본 맥락에서 작업 챔버(2)는 증발된 작업 유체(5)의 대류 및 역방향으로의 응축된 작업 유체(5)의 수송에 의해 열이 전달되도록 구성된 폐쇄된 압력 기밀 부피로 정의된다.
본 맥락에서 작업 유체(5)는 물이다.
증발기 영역(3) 및 응축기 영역(4)은 활성화 가능한 기능성 재료의 코팅(6)으로 형성된다. 증발기 영역(3) 및 응축기 영역(4) 모두의 코팅(6)은 증발기 영역(3)의 코팅(6a)의 표면 특성이 친수성에서 소수성으로 그리고 다시 그 반대로 변경될 수 있도록 설계되는 반면, 증발기 영역(3)의 코팅(6b)의 표면 특성은 응축기 영역(4)은 소수성에서 친수성으로 그리고 다시 그 반대로 변경될 수 있다. 코팅(6)은 증발기 영역(3)과 응축기 영역(4)이 정확히 반대의 표면 습윤 특성을 갖도록 설계된다.
본 맥락에서, 활성화 가능한 기능성 재료의 코팅(6)은 ORMOCER®로 구성되고 및/또는 ORMOCER®를 포함하는 스위칭 가능한 코팅(6)의 형태를 취한다. 이미 설명한 바와 같이 ORMOCERS®는 많은 기판의 표면 특성에 유리한 영향을 미칠 수 있는 유-무기 하이브리드 폴리머이다. ORMOCERS®는 또한 기술 문헌에서 공지된 메커니즘을 이용하여 친수성에서 소수성 및 그 반대로 스위칭 가능한 코팅(6)으로 형성될 수 있다: B. Xin, J. Hao, Chem. Soc. Rev. 39, 2010, 769-782 참조.
본 맥락에서, 증발기 영역(3)의 코팅(6a) 및 응축기 영역(4)의 코팅(6b)은 전술한 바와 같이 전기적으로 스위칭 가능한 ORMOCER®로 형성된다. 본 맥락에서, 코팅은 메틸이미다졸륨-도데실실릴기 형태의 작용성 말단기를 갖는 ORMOCER®로 구성된다. 전기장의 인가를 통해(Langer 등, Science 299, 2003, 371-374 참조), 이러한 이온 말단기는 동일한 공칭 전하의 기질에 의해 반발되고 도데실 사슬의 "스트레칭"을 통해 열 다이오드의 내부로 돌출한다. 현재 맥락에서, 증발기 영역의 기판은 동일한 공칭 전하를 갖는다. 이것은 증발기 영역(3)에서 표면(6a)의 친수성 특성을 초래한다. 반대 전하의 기판이 콘덴서 영역(4)에 제공된다. 이것은 대조적으로 비극성 도데실 사슬이 내부로 돌출하도록 이온 그룹을 끌어당긴다. 이는 콘덴서 영역에서 표면(6b)의 소수성 특성을 초래한다.
전기장의 인가는 친수성 면과 소수성 면을 발생시키며 마찬가지로 필드 방향의 반전에 의해 특성이 반전된다.
따라서 본 맥락에서 히트 파이프(1)는 스위칭 가능한 열 다이오드의 형태를 취한다: 제 1 작동 상태에서, 작업 유체(5)의 증발에 의해, 열은 히트 소스로부터 히트 싱크로 전달되고, 그 열에서 증발기 영역(3)에서 응축기 영역(4)으로 가스상 작업 유체(5)에 의해 전달된다. 증발기 영역(3)은 히트 소스에 의해 가열되고, 증발기 영역(3)에서 친수성 코팅(6a) 상에 모인 작업 유체(5)는 증발하고 증발기 영역(3)에서 응축기 영역(4)으로의 열 전달을 가능하게 한다. 응축기 영역(4)에서, 작업 유체(5)는 응축기 영역(4)의 소수성 코팅(6b) 상에 응축되고, 열은 히트 싱크로 제거된다. 응축기 영역(4)의 소수성 표면 특성 때문에, 작업 유체(5)의 액적이 형성된다. 표면의 높은 소수성 구성으로 인해, 작업 유체(5)는 증발기 영역(3)으로 다시 "점프"한다.
현재 맥락에서 5V의 전압을 갖는 외부 필드의 인가는 히트 파이프(1)가 제 1의 열 전도 작동 상태에서 제 2의 비열 전도 작동 상태로 전환되도록 한다.
설명된 바와 같이 외부 필드의 인가는 증발기 영역(3) 및 응축기 영역(4)에서 코팅(6)의 표면 특성을 변경한다. 이제 히트 소스 상의 증발기 영역(3)은 소수성 특성을 갖는다. 부족한 작업 유체(5)는 증발기 영역(3)의 코팅(6a)에 모이고, 거기에 모인 작업 유체(5)는 빠르게 증발하여 응축기 영역(4)의 친수성 코팅(6b)에 응축된다. 작업 유체(5)가 거기에 남아 있고 작업 유체(5)가 이제 친수성인 표면에 의해 반발되지 않기 때문에 증발기 영역(3) 내로 다시 이동하지 않는다. 따라서, 작업 챔버(2)의 고온 측이 건조되고 작업 유체(5)에 의한 열 전달이 발생하지 않는다. 열 다이오드는 차단 상태에 있다.
도 2는 액체 저장소 형태의 활성화 가능한 기능성 재료가 있는 히트 스위치의 개략도를 보여주고, a) 전도 상태 및 b) 차단 상태의 부분 이미지를 보여준다.
반복을 피하기 위해 도 1과의 차이점에 대해서만 설명한다.
본 맥락에서, 적어도 하나의 활성화 가능한 기능성 재료는 작업 유체(5)를 위한 저장소의 형태, 즉 물-결합 하이드로겔(7)의 형태를 취한다. 본 맥락에서 물-결합 하이드로겔(7)은 다음과 같은 형태를 취한다:
LCST 유형의 부피 상 전이를 갖는 하이드로겔은 예를 들어 다음 모노머를 사용하는 자유 라디칼 중합에 의해 생성될 수 있다. 지정된 구성은 완전한 것으로 간주되어서는 안 된다.
UCST 유형의 부피 상 전이를 갖는 하이드로겔은 예를 들어 다음 모노머를 사용하는 자유 라디칼 중합에 의해 생성될 수 있다. 언급된 구성은 완전한 것으로 간주되어서는 안된다.
또한, 용해성 폴리머의 후속 가교에 의해 부피 상전이를 갖는 적합한 하이드로겔을 생성하는 것도 가능하다. 이러한 방식으로 LCST 유형의 부피 상전이를 갖는 하이드로겔을 얻기 위해, 예를 들어 부분적으로 가수분해된 폴리(비닐 아세테이트)를 부탄-1,4-디올 디글리시딜 에테르, 폴리(에틸렌 글리콜) 디글리시딜 에테르 또는 다른 이관능성 또는 다관능성 에폭사이드로 가교결합하는 것이 가능하다.
물-결합 하이드로겔(7) 덕분에, 이용 가능한 작동 유체(5)의 양이 가변적이다. 물-결합 하이드로겔(7)은 물-결합 상태 및 현저히 적은 물-결합 상태를 갖는다. 본 맥락에서, 히트 파이프(1)의 제 1 작동 상태로부터 차단 상태로의 전이, 즉 수소(7)의 물 결합 상태가 현저히 적은 상태에서 하이드로겔(7)의 물 결합 상태로의 전이는 온도 변화, 현재 실온에서 약 150°C의 온도 범위 내에서 유도된다. 이 가열은 증발기 쪽의 고온 측을 가열함으로써, 즉 외부 필드 없이 이루어진다.
히트 파이프(1)의 제 1 작동 상태에서, 작동 유체(5)는 열 전도에 이용 가능하다. 히트 파이프(1)는 열을 전도한다. 제 2 작동 상태인 차단 상태에서 작동 유체(5)는 물 결합 하이드로겔(7)에 결합된다. 이러한 결합 형태에서, 작동 유체(5)는 더 이상 열 전달에 사용할 수 없다. 히트 파이프(1)는 더 이상 열을 전도하지 않는다.
도 1과 대조적으로, 응축기 영역(4)으로부터 다시 증발기 영역(3)으로 작동 유체(5)의 이동을 보장하는 코팅이 제공되지 않는다. 따라서 본 맥락에서 히트 파이프(1)는 심지 구조(미도시)의 형태로 유체 재활용으로 형성된다.
Claims (17)
- 히트 소스에 작동 가능하게 연결된 적어도 하나의 증발기 영역(3) 및 히트 싱크에 작동 가능하게 연결된 적어도 하나의 응축기 영역(4)을 구비하는 적어도 하나의 작업 챔버(2)를 갖는 히트 파이프(1)로서, 상기 작업 챔버(2)에는 작업 유체(5)가 제공되고, 제 1 작동 상태에서 상기 작업 유체(5)에 의해 상기 히트 소스로부터 히트 싱크로 열이 전달되는, 히트 파이프(1)에 있어서,
상기 히트 파이프(1)는 스위칭 가능한 및/또는 프로그래밍 가능한 열 다이오드 또는 스위칭 가능한 및/또는 프로그래밍 가능한 히트 스위치로서 구성되며, 상기 증발기 영역(3)을 상기 작업 유체(5)가 없는 상태로 유지하고 및/또는 상기 작업 유체(5)가 제 2 작동 상태에서 증발하는 것을 방지하도록, 열 전달을 감소 및/또는 방해하고 및/또는 우선적인 열전도 방향을 변경하도록 배열 및 구성되는 적어도 하나의 활성화 가능한 기능성 재료가 제공되는 것을 특징으로 하는, 히트 파이프. - 제1항에 있어서,
상기 히트 파이프(1)는 스위칭 가능한 열 다이오드 또는 히트 스위치로서 구성되며, 적어도 하나의 활성화 가능한 기능성 재료는 외부 필드에서 적어도 부분적으로 그 특성을 변경하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 히트 파이프. - 제1항에 있어서,
상기 히트 파이프(1)는 프로그래밍 가능한 열 다이오드 또는 히트 스위치로서 구성되며, 적어도 하나의 활성화 가능한 기능성 재료는 작업 챔버(2) 내의 조건, 특히 온도, 작업 유체(5)의 pH 및/또는 작업 유체(5)의 이온 강도에 따라 그 속성이 변하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 히트 파이프. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 작업 챔버(2)는 증발된 작업 유체(5)의 대류에 의한 열 전달을 위해 및 응축된 작업 유체(5)의 역 이동을 위해 설계된 폐쇄 체적의 형태를 가지고, 특히 폐쇄 체적은 내압 시스템(pressure-tight system)으로 설계되며, 바람직하게는 특히 작업 유체(5)를 제외한 모든 외부 가스가 내압 시스템으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는, 히트 파이프. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 히트 파이프(1)는 작업 유체(5)를 위한 유체 회로로 형성되고, 바람직하게는 유체 회로는 응축기 영역(4)에서 다시 증발기 영역(3)으로 응축된 작업 유체(5)를 이동시키기 위한 유체 복귀 도관을 포함하는 것을 특징으로 하는, 히트 파이프. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
폐쇄 체적은 증발기 영역(3)에서 유체-반발성 코팅(fluid-phobic coating) 및/또는 구조부, 및/또는 응축기 영역(4)에서 유체-친화성 코팅(fluid-philic coating) 및/또는 구조부를 갖고,
특히, 폐쇄 체적은 증발기 영역(3)에서 친수성 코팅(6) 및/또는 구조부, 및/또는 응축기 영역(4)에서 소수성 코팅(6) 및/또는 구조부를 갖거나, 또는 폐쇄 체적은 증발기 영역(3)에서 친유성 코팅(6) 및/또는 구조부, 및/또는 응축기 영역(4)에서 혐유성 코팅(6) 및/또는 구조부를 갖는 것을 특징으로 하는, 히트 파이프. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 기능성 재료는 증발기 영역(3) 및/또는 응축기 영역(4)의 스위칭 가능한 코팅의 형태를 가지고, 증발기 영역(3)의 코팅의 표면 특성은 유체-친화성으로부터 유체-반발성으로 가변적인 것을 특징으로 하는, 히트 파이프. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
스위칭 가능한 코팅(6)은 ORMOCER®의 형태를 가지고 및/또는 ORMOCER®를 포함하는 것을 특징으로 하는, 히트 파이프. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 하나의 기능성 재료는 작업 유체(5)를 위한 저장소의 형태, 특히 액체 저장소의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는, 히트 파이프. - 제9항에 있어서,
작업 유체(5)를 위한 저장소는 겔 형태, 특히 폴리머 겔, 흡착제 또는 중시적으로 구조화된 표면의 형태를 가지는 것을 특징으로 하는, 히트 파이프. - 제9항 또는 제10항에 있어서,
작업 유체(5)를 위한 저장소는 온도-유도 부피 상 전이를 갖는 폴리머 겔, 특히 UCST 유형의 부피 상 전이를 갖는 폴리머 또는 LCST 유형의 부피 전이를 갖는 폴리머의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는, 히트 파이프. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 히트 파이프를 포함하는 시스템으로서,
활성화 가능한 기능성 재료의 특성을 변경하기 위해 필드(field)를 적용하는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는, 시스템. - 제12항에 있어서,
제공되는 필드 적용 수단은 전기장, 자기장, 응력-변형 필드, 광, 특히 UV 광 생성, 열 생성 및/또는 냉각 생성을 위한 필드 생성기인 것을 특징으로 하는, 시스템. - 제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 시스템은 2개의 기능성 재료의 조합으로 형성되며, 2개의 기능성 재료 중 하나는 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항의 액체 저장소의 형태를 가지고, 나머지 하나의 기능성 재료는 바람직하게는 빛, 특히 UV 광의 영향 하에서 다양한 유체-친화성/유체-반발성 특성의 ORMOCER®의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는, 시스템. - 적어도 하나의 증발기 영역(3) 및 적어도 하나의 응축기 영역(4) 및 작업 유체(5)를 갖는 적어도 하나의 작업 챔버(2)를 구비하는 히트 파이프에서 열 전달을 스위칭 및/또는 프로그래밍하는 방법으로서,
A. 기체 작업 유체(5)에 의해 증발기 영역(3)으로부터 응축기 영역(4)으로 열이 전달되는, 증발기 영역(3)에서 작업 유체(5)를 증발시키는 단계,
B. 열이 히트 싱크로 제거되는, 응축기 영역(4)에서 작업 유체(5)를 응축하는 단계을 포함하며,
히트 파이프(1)는 열 다이오드 또는 히트 스위치로 작동되고, 열 전도율은 외부 필드의 적용 및/또는 작업 챔버(2) 내의 조건에 따라 변경되는 것을 특징으로 하는, 방법. - 제15항에 있어서,
열 다이오드 또는 히트 스위치의 열 전도율은 증발기 영역(3)에서 작업 유체(5)가 없도록 유지하고 및/또는 작업 유체(5)가 증발하는 것을 중지함으로써 변경되는 것을 특징으로 하는, 방법. - 제15항 또는 제16항에 있어서,
증발기 영역(3) 및 응축기 영역(4)의 표면 특성이 외부 필드의 인가에 의해 및/또는 작업 챔버(2) 내의 조건에 따라 교환된다는 점에서 열 다이오드의 우선적인 열 전도 방향이 역전되는 것을 특징으로 하는, 방법.
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