WO2015012535A1 - 히트파이프 제조방법 - Google Patents

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WO2015012535A1
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housing
working fluid
injection
heat pipe
partial
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PCT/KR2014/006540
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최유진
차준선
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티티엠주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a heat pipe manufacturing method, and more particularly, in the process of manufacturing a heat pipe according to the heat degassing method, by partially compressing the injection tube of the housing in which the working fluid is injected before degassing, non-condensing through the degassing process
  • the present invention relates to a heat pipe manufacturing method capable of effectively suppressing a loss of a working fluid generated during degassing while removing foreign substances such as gas.
  • heat pits are tens to hundreds of times more thermally conductive than high thermally conductive metals such as silver, copper and aluminum. Therefore, the heat pipe has a very wide range of application, which is useful in various fields such as cooling a heat generating unit at a specific position like a computer CPU, recovering heat from exhaust gas, and collecting geothermal or solar heat. It is a heat transportation device.
  • the heat pipe is made of an airtight solid such as metal such as stainless steel, copper, and aluminum, and forms a closed space, that is, a housing, in the form of a tube to contain a working fluid therein. Therefore, when heat is applied from one side of the housing, the working fluid is evaporated in the inner space of the heating part, and the vaporized vapor is rapidly moved to the other side where no heat is applied and condensed, so that the latent heat of the fluid is heated (evaporate). Function to be transported to the condensation unit. The condensed liquid is returned to the heating part again by capillary force by a wick structure provided inside the housing. Then, the heat transfer cycle as described above is infinitely repeated, so that the heat of the heating unit is continuously moved to the condensing unit.
  • an airtight solid such as metal such as stainless steel, copper, and aluminum
  • the heat pipe operated as described above has a relatively simple structure compared to other heat transport devices, but the basic factors affecting the heat transport capacity (heat pipe performance), that is, the type of working fluid, the material and shape of the housing in which the working fluid is filled, The material and structure of the wick and the remaining non-condensable gas should be carefully considered and designed.
  • producers of heat pipes can design heat pipes by determining working fluids, housings, wicks, materials and shapes to maximize heat transport through theoretical approaches such as numerical calculations and simulations.
  • the heat pipe may not only degrade thermal performance over time, but also significantly shorten the useful life.
  • non-condensing gas generated in the heat pipe is a major cause of deterioration of the performance of the heat pipe. This is because the working fluid has to repeat the evaporation in the high temperature part and the condensation in the low temperature part to maintain the heat transfer to reach an effective thermal equilibrium.However, if the noncondensing gas is contained in the working fluid, This is because the amount is reduced relatively, resulting in a decrease in thermal balance performance. In addition, during operation, the non-condensable gas accumulates at one end of the condensation unit and gradually blocks, because it causes a sudden temperature drop at the interface between the gas and the working fluid vapor.
  • the heat pipe has an amount of working fluid that can exhibit optimal performance depending on the working fluid.
  • the heat pipe is heated when the fluid volume is maintained to 15 to 55% of the volume inside the housing while minimizing non-condensable gas.
  • the heat balance performance of the pipe is exerted, and the best heat pipe performance is exerted when a working fluid of preferably 20 to 40%, more preferably 25 to 35% is maintained. If there is a working fluid below the range, the amount of vaporization in the heating part of the heat pipe becomes gas more than the amount condensing in the condensation part and returning to the heating part. Occurs and operation as a heat pipe is stopped.
  • non-condensable gas there are various causes of non-condensable gas.
  • the working fluid inside the housing (or container) and the housing in charge of heat transportation chemically reacts to cause corrosion, thereby changing the properties and shape of the original material of the housing and working fluid.
  • non-condensable gases such as hydrogen and oxygen are generated as one cause.
  • the housing material may be stainless steel, copper, aluminum, nickel, or the like in the case of a room temperature heat pipe (operating temperature range 230 to 500 K)
  • the working fluid may be methanol, ethanol, ammonia, acetone, fluorocarbon compound, And water can be used.
  • the generation of non-condensable gases by chemical reaction can be fundamentally blocked by the proper combination of housing material and working fluid.
  • a combination of copper and ammonia or a combination of aluminum and water cannot be used because of an improper combination of chemical reactions and non-condensable gases.
  • other combinations of copper and water, aluminum and acetone, etc. As a result, generation of non-condensable gas can be prevented.
  • Non-condensable gases can also occur in the manufacturing process, independent of chemical reactions.
  • most solid materials exposed to the atmosphere are adsorbed with nitrogen, oxygen, water, etc. on the surface even when the dust and oil, etc. are properly removed, and the liquid used as the working fluid is in the initial state.
  • nitrogen may be present in the liquid in a dissolved state, and fluids such as acetone or ammonia may absorb moisture in the atmosphere. Therefore, it is necessary to eliminate the factors that can generate non-condensable gas during the process.
  • Such heat pipes are manufactured by the following two methods after the optimum design considering the material and the structure is made. Both methods consist of a process that is intended to block or remove non-condensable gases that affect the heat pipe.
  • the first representative process is evacuation and filling.
  • the heat pipe 101 is heated to remove non-condensed gas molecules and foreign substances adsorbed on the inner surface of the housing.
  • the working fluid is stored in the supply tank 103 in a state in which the non-condensable gas is minimized by a degassing process of removing the non-condensable gas contained in the fluid in advance so as to be connected to the vacuum injection device to be injected.
  • the vacuum injection method first makes the housing in a vacuum state by removing air inside the heat pipe 101 housing.
  • the vacuum in the heat pipe 101 is generally maintained at 1 ⁇ 10 ⁇ 1 to 1 ⁇ 10 ⁇ 4 torr using one or multiple stage vacuum pumps 105.
  • the housing is preferably subjected to a vacuum process in a heated state.
  • the injection of the working fluid is made by opening the valve 107 connected to the housing in a vacuum state so that a certain amount of working fluid is automatically injected into the heat pipe 101 by the pressure difference.
  • the sealing of the housing is completed by pressing or pressing and then welding / soldering the injection end of the housing.
  • Such a vacuum injection method of the working fluid has a problem of having a complicated and expensive vacuum system composed of at least one vacuum pump 105, a controllable valve 107 and a pipe line in which the gauge 109 is installed.
  • the heat pipe 101 manufactured by the vacuum injection method is uniform in quality because it is easy to control the metering of the working fluid for each single channel, but the initial investment cost for the equipment is high, and the time required for maintaining a high degree of vacuum is high. Can be long.
  • the vacuum state of the housing is lowered below the initial vacuum degree before injection after the working fluid is injected so that the vacuum degree in the completed heat pipe is lower than before the fluid injection. Therefore, since the internal pressure of the heat pipe, which is determined by the initial vacuum degree and the amount of injected fluid, may be lowered to the atmospheric pressure (atmospheric pressure) level, a high vacuum must be made inside the housing to maintain the vacuum after the working fluid is injected. In order to solve this problem, a long time is unavoidable.
  • the working fluid when the working fluid is injected by the pressure difference, it is difficult to maintain the initial vacuum degree, and in the case of a multi-channel heat pipe, the working fluid is not evenly injected for each channel.
  • the piping in order to inject the same amount of working fluid into each channel of the multi-channel heat pipe and maintain the initial vacuum degree, the piping may be configured to maintain the working fluid injection device and the inside of the housing at the same degree of vacuum.
  • mechanically injecting there is a problem in that required equipment is complicatedly increased, such as an expensive injection device.
  • the second process is heating and degassing.
  • this heating degassing method as shown in Figs. 2 and 3, the housing 203 and the working fluid of the heat pipe 201 is prepared through a pretreatment process as in the vacuum injection method (S210).
  • a larger amount of working fluid than the amount of working fluid when the heat pipe 201 is completed under optimum conditions is injected into a tool such as a syringe (S220).
  • a part of the lower end of the housing 203 into which the working fluid is injected is heated by a heating device such as an oil bath 205.
  • the working fluid in the housing 203 when the working fluid in the housing 203 is above the boiling point by heating, it starts to boil and bubbles such as non-condensable gas are generated in the working fluid and the wall of the housing 203 and inside the working fluid. Or it moves to the top with the working fluid of the gas phase is discharged to the outside (S230).
  • the upper working fluid injection stage 209 is quickly sealed after a suitable time with the detachable cover 207. (S240).
  • discharge of the non-condensable gas by one heating is insufficient to sufficiently discharge the non-condensable gas contained in the housing 203 and the fluid. Therefore, the housing 203 sealed by the cover 207 is cooled in the lower part or the whole by a cooling device such as a cooling bath 211 to liquefy the gas of the working fluid remaining on the upper part of the housing 203. In this process, the non-condensable gas falls back to the lower end (S250).
  • one end of the sealed housing 203 is heated up to the boiling point of the working fluid and the upper injection end 209 is opened again to discharge the non-condensable gas.
  • the heat pipe 201 is completed by pressing or compressing / welding / sealing the planned position in the state where the injection end 209 is finally closed (S260).
  • the heating degassing method is different from the vacuum injection method in that the equipment to be provided for injecting the working fluid is sealed to open and close the heating and cooling device and one end of the opening, that is, the injection end 209 to the removable cover 207.
  • the device is relatively simple. That is, since the working fluid is injected into the housing by using an injection device such as a syringe or dispenser at atmospheric pressure and room temperature, uniform metering can be performed irrespective of the number of channels of the heat pipe, and the sealing process of the heat pipe is performed. This is done after the injection of the working fluid, thus simplifying the installation required.
  • the vapor pressure of the working fluid is 1 atm at the boiling point of atmospheric pressure, and the vapor pressure inside the housing 203 continuously rises as the temperature increases, so in fact, as the temperature of the housing 203 approaches the boiling point,
  • the working fluid vapor and the non-condensable gas are not only expanded in the working fluid but also irregularly and unevenly generated in the working fluid or at the contact surface of the working fluid with the housing 203. Together with the injection end 209 which is open at one end of the housing 203, it starts to discharge rapidly. In order to minimize the loss of the working fluid generated in this process, and to effectively discharge the non-condensed gas, it is necessary to control the injection stage 209.
  • the housing injection end 209 may be maintained at the same size as the diameter of the housing 203 body. That is, the working fluid is injected through the injection stage 209 and the housing 203 is crimped in a state in which the injection stage 209 is blocked by a removable cover 207 having the same size as the diameter of the housing 203 after heating and degassing.
  • the heat pipe 201 can be completed by sealing.
  • the injection stage 209 since the injection stage 209 is relatively wide, in order to prevent the loss of the working fluid, the injection stage 209 must be blocked before discharge through the injection stage 209 occurs in earnest.
  • a filling tube or adapter having a size smaller than the diameter of the heat pipe 201 is separately prepared to prepare the injection stage 209.
  • the injection end 209 should be smaller than the original diameter of the housing 203 by a swaging compression process.
  • the liquid and gaseous working fluid expanded in the housing 203 during heating is discharged to the outside with the non-condensable gas through the wide injection stage 209, it is impossible to remove only the non-condensable gas, accompanied by
  • the working fluid discharged from the injection stage 209 may not be controlled irregularly, and the amount of the working fluid required as the heat pipe 201 may be lost, as well as an amount larger than an allowable range. There is a problem that it is difficult to match the appropriate amount.
  • the above-mentioned vacuum injection method and heating degassing method may be mixed.
  • the vacuum injection method maintains the housing in a vacuum state by a vacuum pump, and causes a larger amount of working fluid to be injected into the housing than the optimum amount of working fluid due to the pressure difference between the injection device such as a burette and the housing.
  • the vacuum injection method To perform the first, and then repeatedly heating and cooling the lower end of the housing in which the working fluid is injected to discharge the non-condensable gas, it can be sealed to produce a heat pipe.
  • such a composite process has all the problems of the vacuum injection method and the heat degassing method, but rather has the problem of lowering the productivity of the heat pipe and degrading the quality and performance.
  • the present invention has been proposed to solve the problems of the conventional method of manufacturing a heat pipe as described above, the working fluid injected into the heat pipe has a filling amount to optimize the performance of the heat pipe according to the type, the heat desorption
  • the housing in which the working fluid is injected is heated to discharge foreign matters such as non-condensable gases in the housing to the outside.
  • the original function of the process is to perform smoothly, but the aim is to minimize the loss of working fluid generated during degassing.
  • the purpose is to be able to optimize the filling amount of the working fluid remaining in the completed heat pipe.
  • the present invention includes an injection step of injecting a working fluid into the housing through the injection end; A partial compression step of partially compressing the injection end of the housing after the working fluid is injected in the injection step so that the working fluid is discharged in the form of steam or fine molecules through the injection end when the working fluid is heated; A degassing step of heating the housing in which the injection stage is partially compressed in the partial compression step to remove foreign substances including non-condensable gas generated inside the housing together with the working fluid discharged through the injection stage; And a finishing step of sealing the housing after the foreign matter is removed in the degassing step.
  • the working fluid inlet of the housing is partially compressed, so that the passage cross-section of the partially compressed portion has a long slender shape, in the degassing step
  • the working fluid passing through the partial compression portion of the injection stage together with the foreign matter such as non-condensable gas can be prevented from being lost to the liquid lump.
  • the filling amount of the working fluid remaining in the housing after degassing can be accurately determined in advance.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a heat pipe manufacturing method according to a conventional vacuum injection method.
  • FIG. 2 is a view for explaining a heat pipe manufacturing method according to a conventional heating degassing method.
  • FIG. 3 is a flow chart sequentially showing a heat pipe manufacturing method according to the heating degassing method shown in FIG.
  • FIG. 4 is a flow chart illustrating a heat pipe manufacturing method according to the present invention.
  • FIG. 5 is a view sequentially showing a heat pipe manufacturing method shown in FIG.
  • FIGS. 4 and 5 are views for explaining the partial compression step shown in FIGS. 4 and 5 by a housing having a rectangular flow path cross section.
  • FIG. 7 is a view illustrating a comparison of a state before and after the pressing of the housing partially compressed by the partial pressing step illustrated in FIGS. 4 and 5.
  • FIGS. 4 and 5 illustrates the partial compression step shown in FIGS. 4 and 5 by a housing having a circular flow path cross section.
  • FIG. 9 is a view for explaining a heat pipe manufacturing method according to the present invention further comprising a housing cooling step.
  • FIG. 10 is a view showing a performance test process for the heat pipe manufactured by the heat pipe manufacturing method according to the present invention.
  • the heat pipe manufacturing method of the present invention includes a large injection step (S10), a pre-crimping step (S20), a degassing step (S30), and a finishing step (S40). It is made, and may further include a partial cooling step (S50), pre-treatment step (S60), clogging step (S70), and airtight test step (S80).
  • the first injection step (S10) is a step of injecting the working fluid (5) into the housing (3) forming the body of the heat pipe shown in FIG. 10 as shown in FIG.
  • the working fluid 5 is injected into the housing 3 through the injection end 9 opened to one side of the housing 3.
  • the working fluid 5 employed in the present invention has a low temperature in terms of temperature classification. That is, it is selected from the working fluids that exhibit the best performance in the temperature range of -30 to 200 °C corresponding to the room temperature, and among them, the working fluid which is present in the liquid phase at atmospheric pressure at room temperature is selected, for example, water, methanol , Saturated fluorocarbon compounds including acetone, benzene, toluene, ethylene tetrachloride, pentane (n-pentane) and heptane (n-heptane), and fluorocarbon compounds including hydrochlorofluorocarbon-based compounds and hydrofluorocarbon compounds It can be selected from the group compounds.
  • the injection operation is carried out under atmospheric pressure at room temperature similar to the conventional heating degassing method.
  • the working fluid 5 is injected while the injection end 9 of the housing 3 is maintained in its original form without using a separate device for sealing the working fluid 5.
  • the amount of working fluid 5 injected into the housing 3 is the amount of working fluid 5 finally remaining in the housing 3 and the amount of working fluid injected into the housing 3 in the injection step (S10) and It is set in consideration of the amount of working fluid 5 lost in the degassing step (S30) described below, the operation injected into the housing (3) in the injection step (S10) for the internal volume of the entire housing (3)
  • the ratio of the volume occupied in the housing 3 by the fluid 5 is the initial injection ratio, the volume occupied in the housing 3 by the working fluid 5 remaining last in the housing 3 in the following finishing step S40.
  • the initial injection ratio that is, the initial injection amount of the working fluid 5
  • the loss ratio that is, the filling amount of the working fluid 5, which is the final target, that is, of the working fluid 5 discharged to the outside in the degassing process. It is equal to the amount of the loss.
  • the loss ratio is set to 3 to 25%
  • the initial injection ratio of the working fluid 5 is 3 to 25% more than the target filling ratio, preferably the initial injection ratio 5 to 20% more, more preferably 8 to 15% more than the filling ratio.
  • the target fill ratio is 28% of the interior volume of the housing 3
  • the optimum initial injection ratio will be 36 to 45% of the interior volume of the housing 3. Therefore, during the degassing step (S30), 8 to 17% of the interior volume of the housing 3 is discharged to the outside and is lost. In the end, only 28% of the interior volume of the housing 3 as desired is the working fluid 5. Is filled.
  • the partial compression step (S20) is a step of pre-compressing the injection end 9 of the housing 3 in advance so that the loss ratio of the working fluid is maintained as above, as shown in Figs.
  • the injection end 9 of the housing 3 in which the injection of the working fluid 5 is finished is partially compressed.
  • the partially compressed injection stage 9 is discharged in the form of steam or fine molecules (mist) through the injection stage 9 the working fluid filled in the housing 3 when heated in the degassing step (S30) below To have the shape and dimensions to be achieved.
  • the injection stage 9 of the housing 3, which is partially compressed in the partial compression step S20, is narrow and long regardless of the flow path cross-sectional shape of the housing 3 before the partial compression, as shown in FIGS. 6 to 8.
  • Partially compressed to have a slit-shaped flow path cross section. This prevents the working fluid 5 inside the housing 3 heated in the degassing step S30 below to be discharged in the form of agglomerates in the liquid phase by the partial compression portion 7 of the injection stage 9 to prevent steam or fine particles. It is to ensure that the cross-sectional area to the extent that it can be discharged in a molecular form, while maintaining the time required for discharge properly.
  • the housing 3 having a circular flow path cross section forms a circular arc slit as shown, for example, partially pressed into a half moon shape as shown in FIG.
  • the passage cross-sectional thickness t 2 of the partial compression site 7 is preferably maintained at 0.2 to 0.6 mm. More preferably, it is desirable to maintain 0.3 to 0.4 mm.
  • the partial compression portion 7 having a thickness in the corresponding range can minimize the loss of the working fluid 5 and at the same time effectively discharge foreign substances such as non-condensed gas. If the flow path cross section thickness t 2 of the partial crimping portion 7 is too thin, less than 0.2 mm, the pressure inside the housing 3 for discharging foreign matters such as non-condensed gas must be high, so that the working fluid 5 is not lower than the boiling point.
  • the thermal expansion coefficient and the degree of vapor pressure rise above the boiling point are different depending on the type of working fluid.
  • organic compounds such as acetone, toluene, and alcohol have a liquid thermal expansion coefficient that is five times greater than that of water and the boiling point of each fluid.
  • Methanol, etc. which can be used as a working fluid in the range of ⁇ 20 ° C as a standard, exhibits a vapor pressure of 10 to 15% or more higher than that of ethylene tetrachloride fluid. Therefore, the operation mode and the discharge time of the foreign matter such as the working fluid 5 injected into the housing 3 and the non-condensing gas are different from each other.
  • the passage cross-sectional thickness t 2 of the partial compression part 7 in the partial compression step S20 is maintained at 0.2 to 0.6 mm, more preferably 0.3 to 0.4 mm as mentioned above according to the present invention, a short time While foreign matters such as non-condensing gas can be discharged, an appropriate amount of working fluid can be left as desired.
  • the partial crimping portion 7 must have a minimum cross-sectional area A f while reducing the thickness t 2 of the flow cross section, and thus the flow passage cross-sectional area of the partial crimping portion 7 is as follows.
  • the boiling fluid causes the working fluid 5 to enter the injection stage 9 in a liquid state. Since it is difficult to fill the optimum amount of the working fluid 5 inside the housing 3, the partial compression part 7 must be blocked before the foreign matter such as non-condensable gas is completely discharged. Quality deterioration is caused.
  • the degassing step (S30) is a step of removing foreign matters including non-condensing gas generated in the housing 3 by heating the housing 3 in which the injection of the working fluid 5 is completed, as shown in FIGS. 4 and 5.
  • the injection stage 9 heats the housing 3 in which the injection end 9 is partially compressed in the above partial pressing step (S20).
  • a heating means such as a heating bath 11 is used as shown in FIG. 5, and the housing 3 has a working bath 5 injected therein with a lower portion of the heating bath 11. Being submerged in.
  • non-condensable gases such as nitrogen, oxygen, moisture, or nitrogen dissolved in the working fluid 5, which are adsorbed on the inner wall surface of the housing 3, etc.
  • Foreign matter containing the vaporized is removed from the housing 3 through the injection end (9).
  • the working fluid 5 is also heated and discharged through the injection stage 9 in the liquid phase or the gas phase, but as described above, the thickness t 2 of the flow path cross section of the injection stage 9 has a predetermined dimension at the partial compression region 7.
  • the partial crimping portion 7 is thinner, as mentioned above in accordance with FIGS. 6 to 8, while the flow passage cross section is thin, thus maintaining a minimum cross-sectional area A f , thus keeping the time required for discharge relatively short. Can be.
  • the process time of the degassing step S30 may be maintained at 3 to 35 seconds, preferably at 7 to 23 seconds, more preferably at 10 to 17 seconds, to minimize the loss of the working fluid 5 to minimize the target filling amount. While securing the, it is possible to effectively discharge and remove foreign substances such as non-condensing gas. At this time, if the process time is less than 3 seconds, the amount of heating to the housing is insufficient, the discharge of the non-condensable gas is not made sufficiently, on the contrary, if it exceeds 35 seconds, the amount of loss of the working fluid (5) is large and the inside of the housing (3) It is not possible to maintain the optimum filling ratio of the working fluid 5, which reaches 28 to 36% of the volume.
  • the finishing step (S40) is a step of completing the heat pipe 1 by sealing the injection end (9) of the housing 3, as shown in Figures 4 and 5, the degassing step (S30) Bar and seal the housing 3 from which foreign matters such as non-condensable gas are removed by heating and degassing the bar.
  • Part of the injection stage 9 which is partially compressed in the partial compression step (S20), unless otherwise specified. It is preferable to further press or weld the crimping site 7 to seal the finish.
  • the heat pipe manufacturing method of the present invention may further include a partial cooling step (S50), pretreatment step (S60), clogging step (S70), and / or airtight test step (S80). have.
  • S50 partial cooling step
  • S60 pretreatment step
  • S70 clogging step
  • S80 airtight test step
  • the partial cooling step (S50) is a step of reducing the amount of working fluid (5) lost from the housing (3) by cooling a part of the working fluid (5) heated in the degassing step (S30), Before heating the housing 3 in the degassing step (S30), as shown in FIG. 9, in the adjacent portion of the partial pressing portion (7) of the injection end (9) partially compressed in the above partial pressing step (S20) Install the cooling means (13). That is, the point of time for installing the cooling means 13 is preferably immediately before the degassing step (S30) that the heating of the housing 3 starts, the end of the partial pressing step (S20).
  • the liquid or gaseous working fluid 5 that is heated and degassed in the degassing step S30 is partially cooled and recovered to the working fluid 5 of the low temperature liquid state, so that discharge through the injection stage 9 is suppressed.
  • the cooling means 13 when the cooling means 13 is installed directly under the partial compression region 7, the working fluid 5 of the liquid phase rising for discharge in the housing 3 is, of course, vaporized.
  • the mixed gas of the working fluid and the non-condensed gas is cooled by the cooling means 13. Accordingly, since the working fluid 5 of the cooled or condensed liquid moves to the lower end along the inner wall of the housing 3 and is recovered, the amount of discharged to the outside through the injection stage 9 can be minimized.
  • non-condensable gas that is cooled by the cooling means 13 and does not condense that is, non-condensable gas such as oxygen, hydrogen, nitrogen, carbon dioxide, which does not condense at the cooling temperature is discharged to the outside through the injection stage (9). Is effectively removed.
  • the length of the cooling means 13 preferably has a length that can cover 10 to 40% of the entire length of the housing 3, which is the length of the cooling means 13 is the entire length of the heat pipe (1) If more than 40% of the case, in the degassing step (S30), the housing (3) is continuously deprived of heat by the cooling means 13 to heat the working fluid (5) to the boiling point and the housing (3) to a higher temperature In order to maintain, the heating time for the housing 3 is long, and if it is less than 10%, the effective cooling effect cannot be expected near the partial crimping region 7, and the recovery of the working fluid 5 by the cooling condensation is impossible. For losing.
  • the pretreatment step (S60) is a step of pre-cleaning the housing 3 and the working fluid 5 before injecting the working fluid 5 into the housing 3, as shown in FIG. 4, the working fluid 5.
  • the pretreatment to the housing 3 not only cleans and removes foreign substances such as dust and oil on the inner and outer surfaces of the housing 3, but also nitrogen and oxygen still adsorbed on the surface of the housing 3 after washing. Remove moisture, etc. in advance.
  • the working fluid 5 also maintains high purity by removing foreign matters such as impurities through a degassing process before injecting it into the housing 3.
  • the clogging step (S70) is a step of sealing the open end of the tubular body to contain the working fluid (5), especially when the housing (3) is an open tubular body, as shown in FIG.
  • any method can be employed as long as the process to seal the open end, It is usually sealed by crimping or welding. At this time, the opposite end of the sealed end remains open to the injection stage 9 for injecting the working fluid 5 in the injection step S10.
  • the airtight test step (S80) is a step of inspecting the airtight state of the housing (3) before injecting the working fluid (5), as shown in Figure 4, in particular, the clogging step (S70) In the case where the other end of the housing 3 is sealed through), the airtight state of the housing 3 is inspected before injecting the working fluid 5 into the housing 3 in the injection step S10.
  • Example 1 a method of manufacturing a flat aluminum heat pipe by applying the heat pipe manufacturing method according to the present invention will be described as Example 1.
  • the aluminum housing for heat pipes applied to Example 1 is made of a material A1050 alloy, the outer shape of which is 1.6 mm thick, 30.0 mm wide, and 200 mm long, and has a multi-channel structure.
  • the number of channels is 12, and each channel has a groove wick structure for maximizing capillary force.
  • the working fluid uses pure acetone after degassing pretreatment.
  • the target filling ratio of the working fluid is to maintain 35% of the volume inside the aluminum housing regardless of the manufacturing conditions.
  • the aluminum housing is cleaned in the pretreatment step.
  • one end of the housing is sealed and crimped in the clogging step.
  • acetone which is a working fluid, is injected through the other end of the aluminum housing, that is, the injection end, under the condition of atmospheric pressure and room temperature in the injection step. Acetone is then injected through the syringe into each of the twelve channels to 46% of the individual channel volume.
  • the injection end of the heat pipe housing is partially compressed in advance, wherein the outer thickness of the compressed housing is compressed to 40% of the initial thickness.
  • the average passage cross-sectional thickness of the crimped partial crimping site is 0.36 mm
  • the cross-sectional area of the crimping part is 25.17% of the original cross-sectional area of the housing.
  • the actual passage cross-sectional area is smaller than the cross-sectional area calculated by the average passage cross-sectional thickness of the partial compression zone because groove wicks are present in the partition walls inside the channel and the cross-sectional area of the actual partial compression zone is reduced by the area occupied by the wick.
  • the housing is submerged in the heating oil bath while the housing is fixed to the pressing jig, and a degassing step is performed. Five seconds after one end of the housing begins to be heated by the oil, non-condensable gas, acetone vapor and some liquids begin to be injected, and the heating degassing ends after a total of 12 seconds of heating time is maintained for 7 seconds.
  • the housing is finally pressed and sealed by the partial compression portion, and the manufacture of the heat pipe is completed.
  • the working fluid filling amount of the completed heat pipe was confirmed to be 35%, and the performance test of the completed heat pipe was arranged vertically, as shown in FIG. 10, and the bottom portion (H) area was 30 mm x 30 mm. This is done by arranging the heat source so that 5 Watts of heat can be applied.
  • Example 2 injects the same amount of process as in Example 1 and the initial injection amount of the working fluid is 46% of the volume inside the housing.
  • the thickness of the housing which is partially compressed in the partial pressing step is compressed to be 20% of the thickness before the pressing.
  • the average thickness of the passage cross section is 0.68 mm, and the passage cross section area of the partial compression portion is 62.08% of the passage cross section area before the partial compression.
  • the heating time by the oil bath in the degassing step is maintained for 8 seconds so that the amount of working fluid remaining in the housing is 35% of the internal volume.
  • Example 3 injects the same amount of process as in Example 1 and the initial injection amount of the working fluid is 46% of the volume inside the housing.
  • the thickness of the housing which is partially compressed in the partial pressing step is compressed to be 60% of the thickness before the pressing.
  • the average thickness of the flow path cross section is 0.11 mm
  • the flow path cross sectional area of the partial compression portion is 3.92% of the flow path cross sectional area before the partial compression.
  • the heating time by the oil bath is maintained for 26 seconds so that the amount of working fluid remaining in the housing is equal to 35% of the internal volume.
  • Example 2 and Example 3 The performance test of Example 2 and Example 3 was carried out in the same manner as in Example 1, the temperature difference ( ⁇ T) of the condensation unit and the heating unit in Examples 2 and 3 was confirmed to be an average of 5.2 and 4.7 °C.
  • the working fluid inlet of the housing is partially compressed, so that the passage cross-section of the partially compressed portion has a long slender shape, in the degassing step
  • the working fluid passing through the partial compression portion of the injection stage together with the foreign matter such as non-condensable gas can be prevented from being lost to the liquid lump.

Abstract

본 발명은 히트파이프 제조방법에 관한 것으로, 주입단을 통해 하우징 내에 작동유체를 주입하는 주입단계; 상기 하우징의 주입단을 부분압착하여, 상기 작동유체가 가열된 때 상기 주입단을 통해 증기 또는 미세분자(mist)의 형태로 배출될 수 있도록 하는 부분압착단계; 상기 하우징을 가열하여, 상기 하우징 내부에서 발생하는 불응축가스를 포함한 이물질을 상기 주입단을 통해 배출되는 상기 작동유체와 함께 제거하는 탈기단계; 및 상기 하우징을 밀봉 처리하는 마감단계;를 포함하여 이루어지므로, 부분압착단계에서 부분압착된 부위를 통과하는 작동유체가 액상의 덩어리 상태로 유실되는 것을 억제하면서도, 부분압착 부위의 유로 횡단면적(Af)을 적정 크기로 유지하므로, 탈기단계에서 유실되는 작동유체의 양과, 탈기에 소요되는 시간을 줄여 히트파이프의 생산 효율을 일층 향상시킬 수 있게 된다.

Description

히트파이프 제조방법
본 발명은 히트파이프 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가열탈기법에 따라 히트파이프를 제조하는 과정에서, 작동유체가 주입되는 하우징의 주입관을 탈기 전에 부분압착함으로써, 탈기과정을 통해 불응축가스 등의 이물질을 제거하면서도, 탈기 시 발생하는 작동유체의 유실을 효과적으로 억제할 수 있도록 한 히트파이프 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 히트파이트는 은, 구리, 알루미늄 등의 고 열전도성 금속에 비해 열전도성이 수십 배에서 수백 배 크다. 따라서, 히트파이프는 적용 범위가 매우 광범위하여 컴퓨터의 CPU와 같이 특정 위치의 발열부를 냉각시키거나, 배기가스의 열을 회수하고자 하는 경우, 지열 또는 태양열을 포집하고자 할 경우 등 다양한 분야에서 유용하게 적용되고 있는 열수송 장치이다.
또한, 히트파이프는 스테인레스강, 구리, 알루미늄과 같은 금속 등의 기밀성 고체로 만들어지며, 관 등의 형태로 폐쇄 공간 즉, 하우징을 만들어 내부에 작동유체를 담는다. 따라서, 하우징 일측에서 열을 가하면, 해당 가열부의 내부 공간에서 작동유체가 증발되고, 증발된 증기는 열이 가해지지 않는 타측으로 신속히 이동하여 응축함으로써, 유체의 잠열(latent heat)이 가열부(증발부)에서 응축부로 수송되는 기능을 한다. 응축된 액체는 하우징 내부에 마련된 윅(wick) 구조에 의한 모세관력에 의해 다시 가열부로 되돌아온다. 이후, 위와 같은 열수송 사이클이 무한 반복됨으로써 가열부의 열은 지속적으로 응축부로 이동된다.
위와 같이 작동하는 히트파이프는 다른 열수송 장치에 비해 비교적 간단한 구조이지만 열수송 능력(히트파이프의 성능)에 영향을 미치는 기본 인자 즉, 작동유체의 종류, 작동유체가 충진되는 하우징의 재질 및 형상, 윅의 재질 및 구조, 잔존하는 불응축(non-condensable) 가스 등을 세심히 고려하여 설계 및 제작되어야 한다. 특히, 히트파이프의 생산자는 수치계산 및 시뮬레이션 등의 이론적 접근으로 열수송의 극대화를 위해 작동유체, 하우징, 윅의 재질과 형상 등을 결정하여 히트파이프를 설계할 수 있다. 그러나, 제조 공정 상 불응축가스를 차단 또는 제거하지 못할 경우, 히트파이프는 시간이 지남에 따라 열성능이 저하되는 것은 물론이고, 가용수명이 현저하게 단축된다.
즉, 히트파이프 내에 발생하는 불응축가스는 히트파이프의 성능 저하를 가져오는 주요 원인이 된다. 왜냐하면, 작동유체는 고온부에서의 증발과 저온부에서의 응축을 반복해야 열전달이 유지되어 효과적인 열평형에 도달할 수 있지만, 작동유체 내에 불응축가스가 포함될 경우 증발되는 작동유체의 양과 응축되는 작동유체의 양이 상대적으로 감소하여 열평형 성능의 감소를 가져오기 때문이다. 또한, 작동 중에 불응축가스는 응축부 일단에 축적되어, 점차 블록화되며 이는 가스 및 작동유체 증기의 경계면에서 급격한 온도강하를 가져오기 때문이다.
또한, 히트파이프는 작동유체에 따라 최적의 성능을 발휘할 수 있는 작동유체의 양이 존재하는 바, 일반적으로 불응축가스를 최소화한 상태에서 하우징 내부 부피의 15 내지 55 %까지 유체 부피를 유지할 경우 히트파이프의 열평형 성능이 발휘되며, 바람직하게는 20 내지 40 %, 더 바람직하게는 25 내지 35 %의 작동유체가 유지된 때, 가장 우수한 히트파이프의 성능이 발휘된다. 해당 범위 이하의 작동유체가 존재할 경우에는 히트파이프의 가열부에서 기화하여 기체가 되는 양이 응축부에서 응축되어 가열부로 되돌아오는 양보다 많아지게 되므로 가열부에서의 드라이아웃(dry-out) 현상이 발생하여 히트파이프로서의 작동이 중단된다. 또한 해당 범위 이상의 작동유체가 존재할 경우에는 가열부에서 유체를 증발시키기 위한 인가 열량이 커지게 되므로 가열 시간이 오래 소요되고, 발생한 증기가 이동할 수 있는 공간이 부족하게 되며, 다량의 유체가 존재하므로 응축부에서 응축되는 증기가 가열부까지 도달하기 이전에 액상과 혼합되어 열전달이 제대로 이루어지지 않는다.
불응축가스의 발생원인은 다양한데, 우선, 하우징(또는 컨테이너)과 열수송을 담당하는 하우징 내부의 작동유체가 화학반응하여 부식을 일으킴으로써 하우징 및 작동유체 원래의 물질특성 및 형상 등이 변화되고, 그에 따라 수소, 산소 등의 불응축가스가 발생되는 것을 하나의 원인으로 들 수 있다. 하우징 재질은 상온용 히트파이프(사용온도 범위 230 내지 500 K)의 경우, 스테인레스, 구리, 알루미늄, 니켈 등을 사용할 수 있으며, 작동유체로는 메탄올, 에탄올, 암모니아, 에세톤, 불화탄화계 화합물, 그리고 물(water) 등을 사용할 수 있다. 화학반응에 의한 불응축가스의 발생은 하우징 재질과 작동유체를 적절히 조합할 경우 근본적으로 차단할 수 있다. 예를 들면, 구리와 암모니아의 조합 또는 알루미늄과 물의 조합은 화학반응이 발생하여 불응축가스가 발생하는 부적절한 조합이므로 사용할 수 없으나, 다른 조합인 구리와 물, 알루미늄과 아세톤 등의 조합은 화학반응 및 그로 인한 불응축가스의 발생을 방지할 수 있다.
불응축가스는 또한, 화학반응과는 무관하게 제조 공정에서도 발생할 수 있다. 일반적으로 대기 중에 노출된 대부분의 고체물질은 먼지, 기름 등의 오물을 적절한 방법으로 제거한 세척 상태에서도 표면에 질소, 산소, 수분 등이 흡착(adsorption)되며, 작동유체로 사용하는 액체는 비록 초기 상태에서 불순물이 제거된 고 순도라고 하더라도, 해당 액체 속에는 질소 등이 용존 상태로 존재할 수 있고, 아세톤이나 암모니아와 같은 유체는 대기 중의 습기를 흡수할 수 있다. 따라서, 공정 중에 불응축가스가 발생할 수 있는 요인을 제거해야 한다.
이와 같은 히트파이프는 재료와 구조를 고려한 최적 설계가 이루어진 후에 다음 두 가지 방법에 의해 제작된다. 두 방법 모두 히트파이프에 영향을 주는 불응축가스의 차단 또는 제거를 염두에 둔 공정으로 이루어진다.
첫 번째 대표적인 공정은 진공주입법(evacuation and filling)이다. 이 공정은 도 1에 도시된 바와 같이, 히트파이프(101)를 가열하여 하우징 내부표면에 흡착된 불응축가스 분자 및 이물질을 제거한다. 또한, 작동 유체는 사전에 유체 내에 포함된 불응축가스를 제거하는 탈기공정에 의해 불응축가스를 최소화 한 상태에서 공급탱크(103)에 보관하여 진공주입 장치와 연결하여 주입되도록 한다.
진공주입법은 먼저, 히트파이프(101) 하우징 내부의 공기를 제거함으로써 하우징을 진공상태로 만든다. 히트파이프(101) 내의 진공은 일단 또는 다단계의 진공펌프(105)를 이용하여 1x10-1 내지 1x10-4 torr로 유지하는 것이 일반적이다. 이때에, 하우징은 가열된 상태에서 진공 과정을 거치는 것이 바람직하다. 작동유체의 주입은 진공 상태의 하우징에 연결된 밸브(107)를 열어 압력차에 의해 정량의 작동유체가 히트파이프(101) 내로 자동 주입되도록 함으로써 이루어진다. 작동유체가 장입되는 즉시 하우징의 주입단을 압착 또는 압착 후 용접/납땜함으로써 하우징의 밀봉이 완성된다.
이러한 작동유체의 진공주입 방법은 하나 이상의 진공펌프(105)와 제어 가능한 밸브(107) 및 게이지(109)가 설치된 배관라인 등으로 구성된 복잡하고 고가인 진공시스템을 갖추어야 하는 문제점이 있다.
즉, 진공주입법에 의해 제조되는 히트파이프(101)는 단일 채널마다 작동유체의 정량 주입을 제어하기 용이하여 품질이 균일하지만, 설비에 대한 초기 투자비용이 크고, 높은 진공도를 유지하기 위한 소요시간이 길어질 수 있다. 다시 말해, 하우징의 진공상태는 작동유체가 주입된 이 후, 주입 전의 초기 진공도 이하로 낮아져 실제로 완성된 히트파이프 내의 진공도는 유체 주입 전 보다 낮아지게 된다. 따라서, 초기 진공도 및 주입된 유체의 양에 따라 결정되는 히트파이프의 내부 압력은 상압(대기압) 수준까지 낮아질 수 있기 때문에, 작동유체 주입 후의 진공을 유지하기 위해서는 하우징 내부에 높은 진공을 만들어야 하며, 이를 위해서는 장시간의 소요가 불가피해지는 문제점이 있다.
또한, 압력차에 의해 작동유체를 주입하는 경우에는 초기 진공도를 유지하기 어렵고, 다채널(multi-channel) 히트파이프의 경우에는 채널 별로 균등하게 작동유체가 주입되지 않는 문제점이 있다. 이때, 다채널 히트파이프의 각 채널에 동일한 양의 작동유체를 주입하고 초기 진공도를 유지하기 위해서는 작동유체 주입장치와 하우징 내부를 동일한 진공도로 유지되도록 배관을 구성할 수 있으나, 진공 상태에서 작동유체를 기계적으로 주입하고자 할 경우에는 별도로 고가의 주입장치를 설치해야 하는 등 필요 설비가 복잡하게 늘어나는 문제점이 있다.
두 번째 공정은 가열탈기법(heating and degassing)이다. 이 가열탈기법에 따르면, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 히트파이프(201)의 하우징(203)과 작동유체는 진공주입법에서와 같이 전처리 공정을 거쳐 준비된다(S210). 이렇게 준비된 하우징(203)에, 히트파이프(201)가 최적 조건으로 완성되었을 때의 작동유체의 양보다 많은 양의 작동유체를 주사기 등의 도구로 주입한다(S220). 그 다음, 작동유체가 주입된 하우징(203) 하단 일부를 오일욕조(205) 등의 가열장치로 가열한다. 이에 따라, 가열에 의해 하우징(203) 내의 작동유체가 비등점 이상이 되었을 때 끓기 시작하면서 작동유체와 하우징(203) 벽에서 그리고 작동유체 내부에서 불응축가스 등의 기포가 발생하고, 이들 기포는 액상 또는 기상의 작동유체와 함께 상부로 이동하여 외부로 배출된다(S230).
이와 같이 액상 또는 기상의 작동유체가 가열탈기 공정에서 불응축가스와 함께 외부로 배출될 수 있기 때문에, 탈부착이 가능한 덮개(207)로 적절한 시간 경과 후에 신속히 상단의 작동유체 주입단(209)을 밀폐한다(S240). 그러나, 1회의 가열에 의한 불응축가스의 배출은 하우징(203) 내부 및 유체에 포함된 불응축가스를 충분히 배출하기에 부족하다. 따라서, 덮개(207)로 밀폐한 하우징(203)을 냉각욕조(211) 등의 냉각장치에서 하부 또는 전체를 냉각하여 하우징(203) 상부에 잔존하는 작동유체의 가스를 액화시킨다. 이 과정에서 불응축가스는 하단부로 다시 내려앉는다(S250). 일정 시간의 냉각 기간이 경과된 후에 다시 밀폐된 하우징(203)의 일단을 작동유체의 비등점 이상까지 가열하고 상부 주입단(209)을 열어 불응축가스를 재차 배출시킨다. 이러한 공정을 2 내지 3 회 반복한 후, 최종적으로 주입단(209)을 폐쇄한 상태에서 계획된 위치를 압착 또는 압착/용접하여 밀봉함으로써 히트파이프(201)를 완성한다(S260).
이와 같이, 가열탈기법은 진공주입법과는 달리 작동유체를 주입하기 위해 구비해야 하는 설비가 가열 및 냉각 장치 그리고 일단의 개구부 즉, 주입단(209)을 착탈식 덮개(207)로 개폐할 수 있는 밀폐장치로 비교적 단순하다. 즉, 작동유체가 대기압 및 상온 중에서 주사기 또는 디스펜서(dispenser) 등의 주입장치를 이용하여 하우징 안으로 주입되기 때문에, 히트파이프의 채널 수와 무관하게 균일한 정량 주입이 가능하며, 히트파이프의 밀봉 공정이 작동유체 주입 후에 이루어지므로 필요한 설비가 상대적으로 단순해진다.
그러나, 이론적으로 대기압 조건의 비등점에서 작동유체의 증기압은 1기압이며, 온도가 상승하면서 하우징(203) 내부의 증기압은 지속적으로 상승하므로, 실제로 하우징(203)의 온도가 비등점에 가까워짐에 따라 액상 또는 기상의 작동유체가 팽창하는 것은 물론이고, 작동유체 내부에서 또는 작동유체와 하우징(203)의 접촉면에서 기포가 불규칙하고 불균일하게 발생하기 때문에, 작동유체 증기와 불응축가스는 일부 액상의 작동유체와 함께 하우징(203) 일단에 개방된 주입단(209)을 통해 급격히 배출되기 시작한다. 이 과정에서 발생하는 작동유체의 유실을 최소화하고, 불응축가스의 배출을 효과적으로 진행시키기 위해서는 주입단(209)에 대한 제어가 필요하게 된다.
이때, 하우징 주입단(209)은 하우징(203) 몸체의 직경과 동일한 크기로 유지될 수 있다. 즉, 주입단(209)을 통해 작동유체를 주입하고, 가열 탈기 후에 하우징(203)의 직경과 같은 크기의 착탈식 덮개(207)로 주입단(209)을 차단한 상태에서 하우징(203)을 압착하여 밀봉함으로써 히트파이프(201)를 완성할 수 있다. 이 경우 주입단(209)이 상대적으로 넓기 때문에, 작동유체의 유실을 방지하기 위해서는 주입단(209)을 통한 배출이 본격적으로 일어나기 전에 주입단(209)을 차단해야 한다. 또한, 유체주입 후 주입단(209)의 밀봉 압착(또는 용접)을 용이하게 하기 위해서는, 히트파이프(201)의 직경보다 작은 크기의 주입관(filling tube) 또는 어댑터를 별도로 준비하여 주입단(209)에 용접, 브레이징, 솔더링 등으로 접합하거나, 원형튜브의 경우에는 스웨이징(swaging) 압축공정에 의해 주입단(209)을 하우징(203) 원래의 직경보다 축소시켜야 한다.
따라서, 가열 시에 하우징(203) 내에서 팽창된 액상 및 기상의 작동유체는 넓은 주입단(209)를 통해 불응축가스와 함께 외부로 배출되므로, 불응축가스만을 선별하여 제거하는 것이 불가능하며, 동반 배출되는 작동유체는 주입단(209)에서 불규칙적으로 솟아올라 제어할 수 없을 뿐 아니라, 허용할 수 있는 범위의 양보다 많은 양이 외부로 유실되는 것은 물론이고, 히트파이프(201)로서 필요한 작동유체 적정량을 맞추기가 어려운 문제점이 있다.
또한, 위와 같이 불응축가스와 동반하여 다량의 작동유체가 배출됨으로써 발생하는 작동유체의 유실을 방지하기 위해, 가열시 주입단(209)가 열려있는 시간을 제한적으로 단속해야 하고, 이로 인해 불응축가스가 충분히 배출되지 않기 때문에, 동일한 가열 및 냉각 공정을 반복하여 불응축가스를 배출시켜야 하므로 공정시간이 길고 대량 생산 시 생산성 향상에 한계가 따르는 문제점이 있다.
한편, 히트파이프 제작자에 따라 위에서 언급한 진공주입법과 가열탈기법을 혼합하여 사용하는 경우도 있다. 이 경우에는 진공펌프에 의해 하우징을 진공 상태로 유지하고, 뷰렛(burette) 등의 주입장치와 하우징의 압력차에 의해 최적량의 작동유체보다 다소 많은 양의 작동유체가 하우징에 주입되도록 하는 진공주입법을 우선 수행하고, 작동유체가 주입된 하우징의 하단을 반복적으로 가열 및 냉각하여 불응축 가스를 배출시킨 후, 밀봉하여 히트파이프를 제작할 수 있다. 그러나, 이러한 복합공정은 진공주입법과 가열탈기법이 갖는 문제점을 모두 갖게 되므로, 오히려 히트파이프의 생산성을 낮추고 품질과 성능을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 위와 같은 종래의 히트파이프 제조방법이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 히트파이프에 주입되는 작동유체는 그 종류에 따라 히트파이프의 성능을 최적화하는 충진량이 존재하는 바, 가열탈기법에 따라 작동유체가 주입된 하우징을 가열하여 하우징 내의 불응축가스 등 이물질을 외부로 배출함에 있어, 불응축가스 등이 배출되는 하우징 주입단을 가열 탈기 공정에 앞서 부분압착함으로써, 이물질 제거라는 탈기 공정의 본래 기능은 그대로 원활하게 수행하면서도, 탈기 시 발생하는 작동유체의 유실은 최소화되도록 하는 데 그 목적이 있다. 또한, 위와 같이 작동유체의 유실을 최소화함으로써, 완성된 히트파이프에 잔류하는 작동유체의 충진량도 최적화될 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 주입단을 통해 하우징 내에 작동유체를 주입하는 주입단계; 상기 주입단계에서 상기 작동유체가 주입된 후 상기 하우징의 주입단을 부분압착하여, 상기 작동유체가 가열된 때 상기 주입단을 통해 증기 또는 미세분자의 형태로 배출될 수 있도록 하는 부분압착단계; 상기 부분압착단계에서 상기 주입단이 부분압착된 상기 하우징을 가열하여, 상기 하우징 내부에서 발생하는 불응축가스를 포함한 이물질을 상기 주입단을 통해 배출되는 상기 작동유체와 함께 제거하는 탈기단계; 및 상기 탈기단계에서 상기 이물질이 제거된 후, 상기 하우징을 밀봉 처리하는 마감단계;를 포함하여 이루어지는 히트파이프 제조방법을 제공한다.
본 발명의 히트파이프 제조방법에 따르면, 히트파이프 하우징에 작동유체를 주입하고 난 후에 하우징의 작동유체 주입구를 부분압착하되, 부분압착된 부위의 유로 횡단면이 길고 가는 슬릿 형태를 갖도록 하므로, 탈기단계에서 불응축가스 등 이물질과 함께 주입단의 부분압착 부위를 통과하는 작동유체가 액상의 덩어리 상태로 유실되는 것을 막을 수 있게 된다.
또한, 위와 같이 부분압착 부위는 유로 횡단면 두께가 가늘면서도 길기 때문에, 충분한 유로 횡단면적이 확보되므로, 탈기에 필요한 시간을 적정수준 이하로 유지할 수 있게 된다.
또한, 위와 같이 작동유체가 액상의 덩어리 상태로 불규칙하게 유실되는 것을 막을 수 있으므로, 탈기 후 하우징에 잔류하는 작동유체의 충진량을 사전에 정확하게 정량할 수 있게 된다.
따라서, 탈기단계에서 유실되는 작동유체의 양이 감소될 뿐 아니라, 탈기에 소요되는 시간을 줄일 수 있고, 주입단계에서 최적량의 작동유체를 하우징에 주입할 수 있으므로, 히트파이프의 생산수율을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 탈기 후 하우징에 잔류하는 작동유체의 충진량을 균일하게 유지할 수 있으므로, 히트파이프의 품질이나 성능에 대한 신뢰성을 높일 수 있게 된다.
도 1은 종래의 진공주입법에 따른 히트파이프 제조방법을 설명하는 블록도.
도 2는 종래의 가열탈기법에 따른 히트파이프 제조방법을 설명하는 도면.
도 3은 도 2에 도시된 가열탈기법에 따른 히트파이프 제조방법을 순차적으로 나타낸 흐름도.
도 4는 본 발명에 따른 히트파이프 제조방법을 도시한 흐름도.
도 5는 도 4에 도시된 히트파이프 제조방법을 순차적으로 도시한 도면.
도 6은 장방형 유로 횡단면을 갖는 하우징에 의해 도 4 및 도 5에 도시된 부분압착단계를 설명하는 도면.
도 7은 도 4 및 도 5에 도시된 부분압착단계에 의해 부분압착된 하우징의 압착 전후 상태를 비교 도시한 도면.
도 8은 원형 유로 횡단면을 갖는 하우징에 의해 도 4 및 도 5에 도시된 부분압착단계를 설명하는 도면.
도 9는 하우징 냉각단계를 더 포함한 본 발명에 따른 히트파이프 제조방법을 설명하는 도면.
도 10은 본 발명에 따른 히트파이프 제조방법에 의해 제조된 히트파이프에 대한 성능시험 과정을 도시한 도면.
이하, 본 발명에 따른 히트파이프 제조방법을 첨부 도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명의 히트파이프 제조방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 크게 주입단계(S10), 부분압착(pre-crimping)단계(S20), 탈기단계(S30), 및 마감단계(S40)를 포함하여 이루어지며, 부분냉각단계(S50), 전처리단계(S60), 관막음단계(S70), 및 기밀시험단계(S80)를 더 포함할 수 있다.
여기에서, 먼저 상기 주입단계(S10)는 도 10에 도면부호 1로 도시된 히트파이프의 몸체를 이루는 하우징(3) 내부로 작동유체(5)를 주입하는 단계로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 하우징(3)의 일측으로 개방된 주입단(9)을 통해 하우징(3) 내부로 작동유체(5)를 주입한다.
통상, 히트파이프는 사용온도에 따라 극저온, 저온, 중온, 고온 등으로 분류되며, 분류된 온도범위마다 최적합한 작동유체가 존재하는 바, 본 발명에서 채용되는 작동유체(5)는 온도분류 상 저온 즉, 상온에 해당하는 -30 내지 200 ℃의 온도범위에서 최적의 성능을 발휘하는 작동유체 중에서 선택되며, 이중에서도 특히, 대기압 상온에서 액상으로 존재하는 작동유체가 선택되는 바, 예컨대, 물, 메탄올, 아세톤, 벤젠, 톨루엔, 사염화에틸렌 황화디메틸, 펜탄(n-pentane)과 헵탄(n-heptane)을 포함하는 포화탄화수소계 화합물, 및 수소화염화불화탄소계 화합물과 수소화불화탄소 화합물을 포함하는 불화탄소계 화합물 중에서 선택될 수 있다.
또한, 주입단계(S10)에서 하우징(3) 안으로 작동유체(5)를 주입할 때는 종래의 가열탈기법과 유사하게 대기압 상온의 조건에서 주입 작업이 수행된다. 뿐만 아니라, 작동유체(5)의 밀봉을 위해 별도의 장치를 추가로 사용하지 않고, 하우징(3)의 주입단(9)을 원래의 형태로 유지한 상태에서 작동유체(5)를 주입한다.
한편, 하우징(3)으로 주입되는 작동유체(5)의 양은 하우징(3)에 최종적으로 잔류하는 작동유체(5)의 양과 주입단계(S10)에서 하우징(3)로 주입되는 작동유체의 양 그리고 아래에 설명되는 탈기단계(S30)에서 유실되는 작동유체(5)의 양을 고려하여 설정되는 바, 하우징(3) 전체의 내부 체적에 대하여 주입단계(S10)에서 하우징(3)으로 주입된 작동유체(5)가 하우징(3) 내에서 차지하는 체적의 비를 초기 주입비, 하기의 마감단계(S40)에서 하우징(3) 내에 최종 잔류하는 작동유체(5)가 하우징(3) 내에서 차지하는 체적의 비를 목표 충진비, 그리고 탈기단계(S30)에서 하우징(3)부터 배출되는 작동유체(5)가 하우징(3) 내에서 차지하는 체적의 비를 유실비라고 할 때, 작동유체(5)의 초기 주입비는 목표 충진비와 유실비의 합과 같다. 따라서, 초기 주입비 즉, 작동유체(5)의 초기 주입량은 목표 충진비 즉, 최종 목표로 하는 작동유체(5)의 충진량에 유실비 즉, 탈기 과정에서 외부로 배출되는 작동유체(5)의 유실량을 더한 것과 같게 된다.
본 발명의 주입단계(S10)에서 유실비는 3 내지 25 %로 설정되는 바, 작동유체(5)의 초기 주입비가 목표 충진비보다 3 내지 25 % 더 많게 되며, 바람직하게는 초기 주입비를 목표 충진비보다 5 내지 20 % 더 많게, 더욱 바람직하게는 8 내지 15 % 더 많게 한다. 예컨대, 목표 충진비가 하우징(3) 내부 체적의 28%라고 하면, 최적의 초기 주입비는 하우징(3) 내부 체적의 36 내지 45 %가 된다. 따라서, 탈기단계(S30)를 거치는 과정에서 하우징(3) 내부 체적의 8 내지 17 %가 외부로 배출되어 유실되고, 종국에는 목표한 대로 하우징(3) 내부 체적의 28%만이 작동유체(5)로 충진된다.
상기 부분압착단계(S20)는 작동유체의 유실비가 위와 같이 유지되도록 하우징(3)의 주입단(9)을 사전에 부분압착하는 단계로서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 위 주입단계(S10)에서 작동유체(5)의 주입이 종료된 하우징(3)의 주입단(9)을 부분압착한다. 이때, 부분압착된 주입단(9)은 하기의 탈기단계(S30)에서 가열될 때 하우징(3) 내에 충진된 작동유체가 주입단(9)을 통해 증기 또는 미세분자(mist)의 형태로 배출되게 하는 형상 및 치수를 갖도록 한다.
즉, 부분압착단계(S20)에서 일부분이 미리 압착되는 하우징(3) 주입단(9)은 도 6 내지 도 8에 도시된 것처럼, 부분압착 전 하우징(3)의 유로 단면 형상과 상관없이 좁고 긴 슬릿 형태의 유로 단면을 갖도록 부분압착된다. 이는 하기의 탈기단계(S30)에서 가열되는 하우징(3) 내부의 작동유체(5)가 주입단(9)의 부분압착 부위(7)에 의해 액상의 덩어리 상태로 배출되는 것을 억제하여 증기 또는 미세분자 형태로 배출되도록 하면서도, 배출에 소요되는 시간을 적정하게 유지할 수 있는 정도의 단면적은 확보할 수 있도록 하기 위함이다. 따라서, 예컨대 도 6에 도시된 것처럼 장방형의 유로 단면을 갖는 하우징(3)은 두께방향으로 부분압착되어 도 7에 도시된 것처럼 부분압착 부위(7)의 두께(t2)가 압착 전 두께(t1)보다 더 가늘어져 일자형의 슬릿을 형성한다. 또한, 원형의 유로 단면을 갖는 하우징(3)은 예컨대 도 8에 도시된 것처럼 반달형으로 부분압착되어 도시된 것처럼 원호형의 슬릿을 형성한다.
이와 같이, 부분압착단계(S20)에서 슬릿 형태로 부분압착되는 하우징(3) 주입단(9)은 부분압착 부위(7)의 유로 횡단면 두께(t2)가 0.2 내지 0.6 ㎜로 유지되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.4 ㎜를 유지하는 것이 좋다. 해당 범위의 두께를 갖는 부분압착 부위(7)는 작동유체(5)의 유실을 최소화하는 동시에, 불응축가스 등 이물질을 효과적으로 배출시킬 수 있다. 부분압착 부위(7)의 유로 횡단면 두께(t2)가 0.2㎜ 미만으로 너무 가늘면 불응축가스 등의 이물질을 배출시키기 위한 하우징(3) 내부의 압력이 높아야 하므로, 작동유체(5)를 비등점 이상의 높은 온도로 지속 가열해야 하고, 따라서 불응축가스 등의 배출에 필요한 시간이 길어져 생산성 측면에서 효율성이 떨어진다. 또한, 유로 횡단면 두께(t2)가 0.6㎜ 이상인 경우, 위에서 언급한 바와 같이, 작동유체(5)는 비등하여 증기와 같은 기상 뿐 아니라 액상의 덩어리 상태로 주입단(9)을 통해 유실되므로, 하우징(3) 내부에 최적의 충진량 예컨대, 하우징(3) 내부체적의 28 내지 36 %를 잔류시키기 어렵기 때문에 불응축가스 등의 이물질이 완전히 배출되기 전에 부분압착 부위(7)를 차단해야 한다.
또한, 작동유체의 종류에 따라 열팽창계수와 비등점 이상에서의 증기압 상승 정도가 서로 다른데 예컨대, 아세톤, 톨루엔, 알코올 등의 유기화합물은 물에 비해 액상의 열팽창계수가 5배 이상 크고, 각 유체의 비등점 기준으로 ±20℃ 범위에서 작동유체로 사용할 수 있는 메탄올 등은 사염화에틸렌 유체의 증기압에 비해 10 내지 15 % 이상 높은 증기압을 나타낸다. 따라서, 하우징(3) 내에 주입된 작동유체(5)와 불응축가스 등의 이물질이 배출되는 양상과 배출시간은 서로 다르다. 그러나 부분압착단계(S20)에서 부분압착 부위(7)의 유로 횡단면 두께(t2)를 본 발명에 따라 위에서 언급한 것처럼 0.2 내지 0.6 ㎜, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.4 ㎜로 유지하면, 짧은 시간에 불응축가스 등의 이물질은 배출시키면서도, 원하는 데로 적정량의 작동유체는 잔류시킬 수 있게 된다. 이때, 부분압착 부위(7)는 위에서 언급한 바와 같이, 유로 횡단면의 두께(t2)를 가늘게 하면서도 최소한의 횡단면적(Af)을 확보하여야 하는 바, 부분압착 부위(7)의 유로 횡단면적(Af)은 부분압착되기 전 하우징(3) 유로 횡단면적(Ai)의 10 내지 40 %를 유지하도록 하는 것이 바람직하며, 20 내지 30 %로 유지하는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 부분압착 부위(7)의 유로 횡단면적(Af)이 부분압착 전 유로 횡단면적(Ai)의 10% 미만이 되는 경우, 위에서 유로 횡단면의 두께와 관련하여 언급한 바와 같이, 작동유체(5)를 비등점 이상의 높은 온도로 지속 가열해야 하므로, 불응축가스 등의 배출에 필요한 시간이 길어져 생산 효율성이 떨어진다. 반대로, 부분압착 전 유로 횡단면적(Ai)의 40%를 초과하는 경우에도 위에서 유로 횡단면의 두께와 관련하여 언급한 것처럼, 비등으로 인해 작동유체(5)가 액상의 덩어리 상태로 주입단(9)에서 배출되어 유실되므로, 하우징(3) 내부에 최적량의 작동유체(5)를 충진하기 어렵게 되고, 따라서 불응축가스 등의 이물질이 완전히 배출되기 전에 부분압착 부위(7)를 차단해야 하기 때문에 품질저하가 초래된다.
상기 탈기단계(S30)는 작동유체(5)의 주입이 완료된 하우징(3)을 가열하여 하우징(3) 내부에서 발생하는 불응축가스를 포함한 이물질을 제거하는 단계로서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 위 부분압착단계(S20)에서 주입단(9)이 부분압착된 하우징(3)을 가열한다. 이를 위해 도 5에 도시된 것처럼 가열용 욕조(11;heating bath) 등의 가열수단이 사용되는 바, 하우징(3)은 작동유체(5)가 주입된 상태로 그 하부가 가열용 욕조(11)에 침잠된다.
이와 같이 가열용 욕조(11)에 의해 하우징(3)이 가열되면, 하우징(3) 내벽면 등에 흡착되어 있던 질소, 산소, 수분 또는 작동유체(5)에 녹아 있던 질소, 수분 등의 불응축가스를 포함하는 이물질이 기화되어 주입단(9)을 통해 하우징(3)부터 제거된다. 이때, 작동유체(5)도 가열되어 액상 또는 기상으로 주입단(9)을 통해 배출되나, 위에서 설명한 것처럼 주입단(9)의 유로 횡단면 두께(t2)가 부분압착 부위(7)에서 일정 치수 범위로 즉, 0.2 내지 0.6 ㎜, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.4 ㎜로 가늘게 되어 있으므로, 액상 덩어리보다는 미세분자 즉, 미스트 상태로 배출된다. 이와 같이, 부분압착 부위(7)는 유로 횡단면이 가늘면서도, 도 6 내지 도 8에 따라 위에서 언급한 것처럼, 길게 되어 최소한의 횡단면적(Af)을 유지하므로, 배출에 필요한 시간을 비교적 짧게 유지할 수 있다.
따라서, 탈기단계(S30)의 공정시간은 3 내지 35 초로 유지하면 되고, 바람직하게는 7 내지 23 초, 더욱 바람직하게는 10 내지 17 초로 유지할 때, 작동유체(5)의 유실을 최소화하여 목표 충진량을 확보하면서도, 불응축가스 등 이물질을 효과적으로 배출, 제거할 수 있게 된다. 이때, 공정시간이 3초 미만이면, 하우징에 대한 가열량이 부족하여 불응축가스의 배출이 충분히 이루어지지 않으며, 반대로 35초를 초과하는 경우에는 작동유체(5)의 유실량이 커져 하우징(3) 내부체적의 28 내지 36 %에 이르는 작동유체(5)의 최적 충진비를 유지할 수 없게 된다.
끝으로, 상기 마감단계(S40)는 하우징(3)의 주입단(9)을 밀봉하여 히트파이프(1)을 완성하는 단계로서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 위 탈기단계(S30)에서 가열 탈기에 의해 내부의 불응축가스 등 이물질이 제거된 하우징(3)을 밀봉하여 마감 처리하는 바, 특별히 다른 이유가 없다면 부분압착단계(S20)에서 부분압착된 주입단(9)의 부분압착 부위(7)를 추가로 최종 압착하거나 용접하여 밀봉 마감하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 히트파이프 제조방법은 변형된 실시 형태로서, 부분냉각단계(S50), 전처리단계(S60), 관막음단계(S70), 및/또는 기밀시험단계(S80)를 더 포함할 수 있다.
여기에서, 먼저 상기 부분냉각단계(S50)는 위 탈기단계(S30)에서 가열되는 작동유체(5) 일부를 냉각하여 하우징(3)부터 유실되는 작동유체(5)의 양을 줄이는 단계로서, 이를 위해 탈기단계(S30)에서 하우징(3)을 가열하기 전에, 도 9에 도시된 바와 같이, 위 부분압착단계(S20)에서 부분압착된 주입단(9)의 부분압착 부위(7) 인접 부분에 냉각수단(13)을 설치한다. 즉, 냉각수단(13)을 설치하는 시점은 하우징(3)의 가열이 시작되는 탈기단계(S30) 이전, 부분압착단계(S20)가 종료된 직후인 것이 바람직하다.
따라서, 탈기단계(S30)에서 가열되어 상승하는 액상 또는 기상의 작동유체(5)는 일부가 냉각되어 저온 액상의 작동유체(5)로 회수되므로, 주입단(9)을 통한 배출이 억제된다. 다시 말해, 도 9에 도시된 것처럼, 부분압착 부위(7) 바로 밑에 냉각수단(13)이 설치될 경우, 하우징(3) 내부에서 배출을 위해 상승하는 액상의 작동유체(5)는 물론, 기화된 작동유체와 불응축가스의 혼합가스가 냉각수단(13)에 의해 냉각된다. 이에 따라, 냉각 또는 응축된 액상의 작동유체(5)는 하우징(3) 내벽을 따라 하단으로 이동하여 회수되므로, 주입단(9)을 통해 외부로 배출되는 양을 최소화할 수 있게 된다. 그러나, 냉각수단(13)에 의해 냉각되어 응축되지 않는 불응축가스 즉, 해당 냉각온도에서 응축되지 않는 산소, 수소, 질소, 이산화탄소 등의 불응축가스는 주입단(9)을 통해 외부로 배출되므로, 효과적으로 제거된다.
이와 같은 냉각수단(13)의 채용은 히트파이프(1)이 긴 경우에 탈기단계(S30)에서 작동유체(5)의 유실을 억제하는데 매우 효과적이며, 예컨대, 작동유체(5)의 초기 주입량을 위에서 언급한 권장량보다 3 내지 5 % 줄여도, 냉각수단(13)을 채용하지 않은 때와 동일한 목표 충진량을 얻을 수 있게 된다. 이때, 상기 냉각수단(13)의 길이는 상기 하우징(3) 전체 길이의 10 내지 40 %를 덮을 수 있는 길이를 가지는 것이 바람직한데, 이는 냉각수단(13)의 길이가 히트파이프(1) 전체 길이의 40%를 초과하는 경우, 탈기단계(S30)에서 하우징(3)이 냉각수단(13)에 의해 지속적으로 열을 빼앗겨 작동유체(5)를 비등점까지 가열하고 하우징(3)을 그 이상의 온도로 유지하기 위해 하우징(3)에 대한 가열 시간이 길어지며, 10% 보다 작은 경우에는 부분압착 부위(7) 근방에서 효과적인 냉각효과를 기대할 수 없어 냉각 응축에 의한 작동유체(5)의 회수가 불가능해지기 때문이다.
상기 전처리단계(S60)는 하우징(3)에 작동유체(5)를 주입하기 전에 하우징(3)과 작동유체(5)를 미리 세정하는 단계로서, 도 4에 도시된 것처럼, 작동유체(5)를 하우징(3)에 주입하는 주입단계(S10) 전에 수행된다. 특히, 하우징(3)에 대한 전처리는 하우징(3) 내외면에 묻어 있는 먼지, 기름 등의 이물질을 세척하여 제거하는 것 뿐 아니라, 세척한 뒤에도 여전히 하우징(3) 표면에 흡착되어 있는 질소, 산소, 수분 등을 사전에 제거한다. 또한, 작동유체(5)도 하우징(3)에 주입하기 전에 탈기공정 등을 통해 불순물 등 이물질을 제거하여 고순도를 유지한다.
상기 관막음단계(S70)는 하우징(3)이 특히 양단이 개방된 관체인 때, 작동유체(5)를 담을 수 있도록 관체의 개방된 일단을 밀봉하는 단계로서, 도 4에 도시된 것처럼, 위 전처리단계(S60)에서 이물질을 제거한 후 주입단계(S10)에서 하우징(3)에 작동유체(5)를 주입하기 전에 수행되는 바, 개방된 일단을 밀봉하는 공정이면 어떤 방식도 채용이 가능하며, 통상 압착이나 용접을 통해 밀봉 마감된다. 이때, 밀봉된 일단의 반대쪽은 개방된 채로 남아 이후 주입단계(S10)에서 작동유체(5)를 주입하는 주입단(9)으로 된다.
끝으로, 상기 기밀시험단계(S80)는 작동유체(5)를 주입하기 전에 하우징(3)의 기밀 상태를 검사하는 단계로서, 도 4에 도시된 바와 같이, 특히, 위와 같이 관막음단계(S70)를 통해 하우징(3)의 타단을 밀봉한 경우에는 주입단계(S10)에서 하우징(3)에 작동유체(5)를 주입하기 전에, 하우징(3)의 기밀 상태를 검사한다.
- 실시예 1
이하, 본 발명에 따른 히트파이프 제조방법을 적용하여 평판형 알루미늄 히트파이프를 제조하는 방법을 실시예 1로 설명한다.
실시예 1에 적용되는 히트파이프용 알루미늄 하우징은 재질 A1050합금이며, 외형의 크기는 두께 1.6㎜, 폭 30.0㎜, 길이 200㎜이며, 다채널(multi-channel)구조이다. 또한, 채널의 수는 12개이고, 각 채널은 모세관력을 극대화시키기 위한 그루브 윅(groove wick) 구조를 갖는다.
작동유체는 탈기 전처리단계를 거친 순수 아세톤을 사용한다. 제조 조건 별 히트파이프의 성능을 비교하기 위해서, 작동유체의 목표 충진비는 제조 조건에 관계없이 알루미늄 하우징 내부 체적의 35%를 유지하도록 한다. 또한, 전처리단계에서 알루미늄 하우징을 세척한다.
그 후, 관막음단계에서 하우징의 일단부를 밀봉 압착한다.
그 다음, 주입단계에서 대기압, 상온의 조건으로 알루미늄 하우징의 타단부 즉, 주입단을 통하여 주사기를 이용하여 작동유체인 아세톤을 주입한다. 이때, 아세톤은 주사기를 통하여 12개의 각 채널에 개별 채널 체적의 46%가 되도록 주입된다.
그리고 나서, 부분압착단계를 통해 히트파이프 하우징의 주입단을 사전에 부분압착하는데, 이때 압착되는 하우징의 외부 두께는 초기 두께 대비 40%로 압착된다. 또한, 압착된 부분압착 부위의 평균 유로 횡단면 두께는 0.36㎜이며, 부분압착 부위의 횡단면적은 하우징의 원래 단면적 대비 25.17%로 된다. 실제 유로 횡단면적이 부분압착 부위의 평균 유로 횡단면 두께로 계산한 단면적보다 작은 것은 채널 내부의 격벽에 그루브 윅이 존재하여 이 윅에 의해 점유된 면적만큼 실제 부분압착 부위의 단면적이 작아지기 때문이다.
부분압착이 종료된 후에는 하우징이 압착 지그(jig)에 고정된 상태에서 가열용 오일욕조에 침잠되어 탈기단계가 수행된다. 하우징의 일단부가 오일에 의해 가열되기 시작한 후부터 5초 후 불응축가스, 아세톤 증기 및 일부 액체가 분사되기 시작하며, 7초를 더 유지하여 총 12초의 가열시간이 경과한 후 가열 탈기가 종료된다.
그 다음, 마감단계에서 하우징은 부분압착 부위가 최종 압착되어 밀봉되며, 비로소 히트파이프의 제작이 완료된다.
완성된 히트파이프의 작동유체 충진량은 35%로 확인되며, 완성된 히트파이프의 성능시험은 도 10에 도시된 바와 같이, 히트파이프를 수직으로 배치하고, 하단부(H) 면적 30㎜ x 30㎜에 5 Watt의 열량이 인가되도록 열원을 배치함으로써 이루어진다. 이때, 온도는 열원부에서 위로 10㎜ 거리에서 측정한 가열부 온도(T1)와 히트파이프의 열원부 반대쪽 일단부에서 측정한 응축부 온도(T2)의 차이(ΔT=T1-T2)로 측정된다. 열량이 인가된 후 5분 후에 온도차(ΔT)는 평균 1.2℃로 측정되었다.
- 실시예 2
실시예 2는 실시예 1과 공정 순서 및 작동유체의 초기 주입량도 하우징 내부 체적 대비 46%로 같은 양을 주입한다.
다만, 부분압착 단계에서 부분압착되는 하우징의 두께는 압착 전 두께 대비 20%가 되도록 압착된다. 또한, 유로 횡단면의 평균 두께는 0.68㎜가 되며, 부분압착 부위의 유로 횡단면적은 부분압착전 유로 횡단면적 대비 62.08%가 된다.
또한, 탈기단계에서 오일욕조에 의한 가열시간은 8초를 유지하여 하우징에 잔류되는 작동유체의 양이 내부 체적대비 35%가 되도록 한다.
- 실시예 3
실시예 3은 실시예 1과 공정 순서 및 작동유체의 초기 주입량도 하우징 내부 체적 대비 46%로 같은 양을 주입한다.
이때, 부분압착 단계에서 부분압착되는 하우징의 두께는 압착 전 두께 대비 60%가 되도록 압착된다. 또한, 유로 횡단면의 평균 두께는 0.11㎜가 되며, 부분압착 부위의 유로 횡단면적은 부분압착전 유로 횡단면적 대비 3.92%가 된다.
또한, 탈기단계에서 오일욕조에 의한 가열시간은 26초를 유지하여 하우징에 잔류되는 작동유체의 양이 마찬가지로 내부 체적대비 35%가 되도록 한다.
실시예 2 및 실시예 3의 성능시험은 실시예 1과 동일한 방법으로 수행되며, 실시예 2 및 3에서 응축부와 가열부의 온도차이(ΔT)는 평균 5.2 및 4.7 ℃로 확인되었다.
실시예 1 내지 3의 실험결과를 정리하면, 아래 표 1과 같다.
표 1
구분 형상 및 크기 부분압착 가열탈기시간 성능온도차(△T)
두께변화 부분압착 부위 유로 횡단면 두께 부분압착 부위 유로 횡단면적
실시예 1 다채널 알루미늄 튜브(12채널)- 두께: 1.6㎜- 폭 : 30㎜- 길이: 200㎜ 40% 0.36㎜ 25.17% 12 sec 1.2 ℃
실시예 2 20% 0.68㎜ 62.08% 8 sec 5.2 ℃
실시예 3 60% 0.11㎜ 3.92% 26 sec 4.7 ℃
본 발명의 히트파이프 제조방법에 따르면, 히트파이프 하우징에 작동유체를 주입하고 난 후에 하우징의 작동유체 주입구를 부분압착하되, 부분압착된 부위의 유로 횡단면이 길고 가는 슬릿 형태를 갖도록 하므로, 탈기단계에서 불응축가스 등 이물질과 함께 주입단의 부분압착 부위를 통과하는 작동유체가 액상의 덩어리 상태로 유실되는 것을 막을 수 있게 된다.

Claims (14)

  1. 주입단(9)을 통해 하우징(3) 내에 작동유체(5)를 주입하는 주입단계(S10);
    상기 주입단계(S10)에서 상기 작동유체(5)가 주입된 후 상기 하우징(3)의 주입단(9)을 부분압착하여, 상기 작동유체(5)가 가열된 때 상기 주입단(9)을 통해 증기 또는 미세분자(mist)의 형태로 배출될 수 있도록 하는 부분압착단계(S20);
    상기 부분압착단계(S20)에서 상기 주입단(9)이 부분압착된 상기 하우징(3)을 가열하여, 상기 하우징(3) 내부에서 발생하는 불응축가스를 포함한 이물질을 상기 주입단(9)을 통해 배출되는 상기 작동유체(5)와 함께 제거하는 탈기단계(S30); 및
    상기 탈기단계(S30)에서 상기 이물질이 제거된 후, 상기 하우징(3)을 밀봉 처리하는 마감단계(S40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부분압착단계(S20)에서 상기 주입단(9)은 좁고 긴 슬릿 형태의 유로 단면을 갖도록 부분압착되어, 상기 하우징(3) 내에서 가열되는 상기 작동유체(5)가 액상의 덩어리 상태로 배출되는 것을 억제하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 작동유체(5)는 -30 내지 200 ℃에서 사용되는 저온 히트파이프용 작동유체 중에서 선택되되, 대기압 상온에서 액상으로 존재하는 작동유체인 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 작동유체(5)는 물, 메탄올, 아세톤, 벤젠, 톨루엔, 사염화에틸렌 황화디메틸, 펜탄과 헵탄을 포함하는 포화탄화수소계 화합물, 및 수소화염화불화탄소계 화합물과 수소화불화탄소 화합물을 포함하는 불화탄소계 화합물 중에서 선택된 작동유체인 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 주입단계(S10)에서 상기 하우징(3)으로 주입되는 상기 작동유체(5)의 상기 하우징(3)에 대한 체적비를 초기 주입비, 상기 마감단계(S40)에서 상기 하우징(3) 내에 최종 잔류하는 상기 작동유체(5)의 상기 하우징(3)에 대한 체적비를 목표 충진비, 그리고 상기 탈기단계(S30)에서 상기 하우징(3)부터 배출되는 상기 작동유체(5)의 상기 하우징(3)에 대한 체적비를 유실비라고 할 때, 상기 초기 주입비는 상기 목표 충진비와 상기 유실비의 합이며, 상기 주입단(9)은 상기 유실비를 3 내지 25 %가 되게 하도록 부분압착되는 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 주입단(9)은 상기 부분압착단계(S20)에서 슬릿 형태로 부분압착된 부분압착 부위(7)의 유로 횡단면 두께(t2)가 0.2 내지 0.6 ㎜인 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 부분압착 부위(7)는 유로 횡단면적(Af)이 상기 부분압착단계(S20)에서 부분압착되기 전의 상기 하우징(3)의 유로 횡단면적(Ai)의 10 내지 40 %인 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 탈기단계(S30)에서 상기 하우징(3)을 가열하는 시간은 3 내지 35 초로 유지되는 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 주입단계(S10)에서 상기 하우징(3)에 상기 작동유체(5)를 주입하기 전에, 상기 하우징(3) 내부의 벽면에 흡착되어 있거나 또는 상기 작동유체(5)에 포함되어 있는 상기 이물질을 사전에 제거하는 전처리단계(S60);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 하우징(3)이 관체인 때, 상기 전처리단계(S60)에서 상기 이물질을 제거한 후 상기 주입단계(S10)에서 상기 하우징(3)에 상기 작동유체(5)를 주입하기 전에, 상기 주입단(9) 반대쪽의 상기 하우징(3) 타단을 밀봉하는 관막음단계(S70);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 관막음단계(S70)에서 상기 하우징(3)의 타단을 밀봉한 후 상기 주입단계(S10)에서 상기 하우징(3)에 상기 작동유체(5)를 주입하기 전에, 상기 하우징(3)의 기밀을 검사하는 기밀시험단계(S80);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 부분압착단계(S20)에서 상기 주입단(9)을 부분압착한 후 상기 탈기단계(S30)에서 상기 하우징(3)을 가열하기 전에, 상기 부분압착단계(S20)에서 부분압착된 상기 주입단(9)의 부분압착 부위(7) 인접 부분에 냉각수단(13)을 설치하여, 상기 탈기단계(S30)에서 가열되어 상승하는 액상 또는 기상의 작동유체를 일부 냉각함으로써 상기 주입단(9)을 통한 배출을 억제하되, 상기 냉각수단(13)에 의한 냉각에 의해 응축되지 않는 불응축가스는 상기 주입단(9)을 통해 배출되도록 하는 부분냉각단계(S50);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 냉각수단(13)은 상기 하우징(3) 전체 길이의 10 내지 40 %를 덮는 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
  14. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 마감단계(S40)에서 상기 하우징(3)은 상기 부분압착단계(S20)에서 부분압착된 상기 주입단(9)의 부분압착 부위(7)를 밀봉하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 히트파이프 제조방법.
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