JP2011519160A - 電力生成が可能な熱伝達装置 - Google Patents

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Abstract

熱伝達機能に加えて、電力生成が可能な熱伝達装置を提供する。本発明による熱伝達装置は、外部の発熱体から伝達された熱によって作動流体を気化させて蒸気を発生させる多チャネル毛細溝を含む蒸発部と、前記蒸発部を通じて気化した作動流体の蒸気を凝縮させ、前記凝縮した液体を前記蒸発部にリターンさせる液体流動通路を含む凝縮部と、を備え、前記多チャネル毛細溝の表面には圧電薄膜が蒸着され、前記気化した作動流体の蒸気によって前記圧電薄膜が蒸着された多チャネル毛細溝が振動し、前記多チャネル毛細溝で電力が生成される。

Description

本発明は、電力生成が可能な熱伝達装置に関し、さらに詳しくは、発熱体から伝達された熱を外部に放出する熱伝達機能に加えて、表面に圧電薄膜が蒸着された毛細溝の振動によって電力を生成する機能を有する熱伝達装置に関する。
最近、コンピュータ及び各種電子機器が小型化されるに伴い、電子機器の内部構造は、間隙がほとんどない程度に集積化されていて、そのため、内部発熱によって半導体チップの温度が増加し、性能が低下するか、寿命が減少する恐れがある。
このような内部発熱問題を解決するために、今までは主に発熱体にヒートシンクを付着し、発熱体を冷却する方式が利用されてきた。しかし、単位時間に多量の熱を放出する発熱体を複数個備える電子機器の場合、ヒートシンクだけでは、内部で発生した熱を冷却させることが困難であり、これにより、最近、ヒートパイプを利用した熱伝達装置が多用されている。特に、小型化及び集積化によって内部空間が大きく減少したノートパソコンや携帯電話などには、小型ヒートパイプを利用した熱伝達装置が主に使用されている。
前記ヒートパイプは、熱伝達特性に優れており、且つノイズがなく、別途の動力を必要としない無動力型方式で、内部で作動流体の蒸発潜熱を利用して小さい温度差でも熱を効果的に伝達することができる。
しかしながら、小型化及び集積化によって内部空間が大きく減少した電子機器の内部に冷却機能だけのために熱伝達装置を別に備えることは好ましくない。すなわち、小型電子機器の狭い内部空間を効率的に活用するためには、熱伝達機能に加えて、他の機能をも一緒に行うことができるように、熱伝達装置を具現することが好ましい。
これにより、本発明者らは、ヒートパイプで毛細溝の表面に圧電薄膜を蒸着すれば、作動流体の相変化によって毛細溝が左右または前後に振動することによって、圧電薄膜で起電力が発生することを知見し、本発明を完成した。
したがって、本発明の目的は、熱伝達機能に加えて、電力生成が可能な熱伝達装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明による熱伝達装置は、外部の発熱体から伝達された熱によって作動流体を気化させて蒸気を発生させる多チャネル毛細溝を含む蒸発部と、前記蒸発部を通じて気化した作動流体の蒸気を凝縮させ、前記凝縮した液体を前記蒸発部にリターンさせる液体流動通路を含む凝縮部と、を備え、前記多チャネル毛細溝の表面には圧電薄膜が蒸着され、前記気化した作動流体の蒸気によって前記圧電薄膜が蒸着された多チャネル毛細溝が振動し、前記多チャネル毛細溝で電力が生成されることを特徴とする。
すなわち、前記気化した作動流体の蒸気が前記多チャネル毛細溝の間を滑りながら流動することによって、前記圧電薄膜が蒸着された多チャネル毛細溝が左右または前後に振動するようになり、これにより、前記多チャネル毛細溝で電力が生成される。
ここで、前記多チャネル毛細溝は、下部が前記蒸発部の壁面と連結され、上部が移動自在のカンチレバー形状よりなり、前記多チャネル毛細溝の毛細管作用によって前記作動流体が前記多チャネル毛細溝の間に飽和状態で均一に分布する。
前記蒸発部と前記凝縮部との間に圧着防止のための柱状ブリッジが形成されることが好ましく、前記ブリッジは、前記凝縮した液体を前記蒸発部にリターンさせる液体流動通路として利用されることができる。
本発明の熱伝達装置は、発熱体から伝達された熱を外部に放出する熱伝達機能に加えて、表面に圧電薄膜が蒸着された毛細溝の振動によって電力を生成する機能を有する。したがって、小型電子機器において冷却素子としての熱伝達機能及び電力生成器としての電力供給機能を一緒に提供することができるので、その効用価値が非常に大きいものと期待される。
本発明による電力生成が可能な熱伝達装置を概略的に示す図である。 本発明による電力生成が可能な熱伝達装置を概略的に示す図である。 本発明による電力生成が可能な熱伝達装置の熱伝達動作を説明するための図である。 本発明による熱伝達装置の電力生成動作を説明するための図である。 本発明による熱伝達装置の電力生成動作を説明するための図である。 本発明による熱伝達装置の内部にブリッジを形成したことを示す図である。 本発明による熱伝達装置の内部にブリッジを形成したことを示す図である。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。しかし、下記に例示する本発明の実施例は、様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が下記実施例に限定されるものではない。本発明の実施例は、この技術分野における通常の知識を有する者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。
図１ａ及び図１ｂは、本発明による電力生成が可能な熱伝達装置を概略的に示す図であり、図２は、本発明による電力生成が可能な熱伝達装置の熱伝達動作を説明するための図である。
図１ａ及び図１ｂを参照すれば、本発明による電力生成が可能な熱伝達装置１００は、密閉された構造を有し、内部は、真空を維持する。
このような密閉された構造の熱伝達装置１００に作動流体１０３が注入され、注入された作動流体１０３の相変化によって蒸発部１１０と凝縮部１３０Ｓの間に熱伝達が行われる。
発熱体（図示せず）と接触する蒸発部１１０は、多チャネルの毛細溝１０１を有し、これらの毛細管作用により、別途の動力源がなくても、作動流体１０３を毛細溝１０１の間に均一に分布させることができる。
前記毛細溝１０１は、下部が蒸発部１１０の壁面と連結されていて、上部は、拘束されることなく、自由に移動することができる自由端のカンチレバー（片持梁）形状を有する。
前記作動流体１０３は、熱伝達装置１００に最初に注入された液体であるか、または前記凝縮部１３０で凝縮した液体がリターンされたものであってもよい。前記作動流体１０３は、毛細溝１０１の間に常に飽和状態で存在するようになり、蒸発部１１０に加えられた熱量によって作動流体１０３は相変化を繰り返すようになる。
図２を参照すれば、前記毛細溝１０１の間に飽和されていた作動流体１０３は、蒸発部１１０に加えられた熱量によって相変化して気化し、作動流体１０３の気化した蒸気ＶＦ（Vapor of fluid）は、潜熱ＨＬ（Latent Heat）を凝縮部１３０の壁面に伝達した後、凝縮される。また、前記凝縮部１３０で凝縮された作動流体ＣＦは、熱伝達装置１００の壁面に沿って蒸発部１１０側にリターンされる。
このような蒸発と凝縮過程を繰り返すことによって、発熱体（図示せず）から伝達された熱が外部に放出される。
このように構成された本発明の熱伝達装置１００は、一方で発生した熱を他方に迅速に伝達することができるので、熱ソースのホットスポットを効果的に消散させる熱消散装置として使用されることができる。また、本発明の熱伝達装置１００は、熱ソースが上端に位置する反重力方向にも作動可能であり、傾いた角度に関係なく作動可能である。
一方、本発明による熱伝達装置１００は、前述のような熱伝達機能に加えて、電力を生成する機能を同時に有している。これについて、さらに詳しく説明する。
図３ａ及び図３ｂは、本発明による熱伝達装置の電力生成動作を説明するための図である。
図３ａ及び図３ｂを参照すれば、蒸発部１１０に加えられた熱によって毛細溝１０１の間に飽和されていた作動流体１０３が気化すれば、気化した作動流体１０３の蒸気ＶＦは、圧力差によって毛細溝１０１の間を滑りながら流動するようになり、この時、気化した作動流体１０３の蒸気ＶＦの流動によって毛細溝１０１が左右または前後に振動するようになる。
すなわち、前記毛細溝１０１は、下部が蒸発部１１０の壁面と連結され、上部は、拘束されることなく、自由に移動することができる自由端のカンチレバー（片持梁）形状を有するので、前記毛細溝１０１の間を滑りながら流動する作動流体１０３の蒸気ＶＦによって振動するようになる。
前記毛細溝１０１の表面には、圧電（Piezo-electric；ＰＺＴ）薄膜１０１ａが蒸着されていて、これにより、前記毛細溝１０１の振動によって圧電薄膜１０１ａで起電力が発生し、その結果として、電力生成が可能になる。
ここで、各毛細溝１０１には、圧電薄膜１０１ａによって生成される電力を移送するための電極パターンＥが各々連結されている。前記電極パターンＥは、蒸発部１１０の壁面を貫通するビアホールに金属物質を充填する方法を利用して形成することができ、その他の方法を利用して形成することも可能である。
すなわち、各毛細溝１０１の表面に蒸着された圧電薄膜１０１ａによって生成される起電力は低いが、熱伝達装置１００内部には、多数個の毛細溝１０１が形成されているので、多数個の毛細溝１０１で生成され、電極パターンＥを通じて集められた全体電力は、充分に高い値を有するようになる。
前記毛細溝１０１の振動は、相変化による熱伝達が続く限り、絶えず持続的に行われ、各毛細溝１０１は、独自的に駆動するようになる。また、前記毛細溝１０１の形状及び大きさは、振動回数及び強度によって決定される。
一方、前記熱伝達装置１００の内部は、真空状態を維持しているので、前記熱伝達装置１００の面積及び壁の厚さによって中間部分で蒸発部１１０と凝縮部１３０の圧着現象が発生することもできる。
このために、本発明では、熱伝達装置１００の内部にブリッジを形成し、蒸発部１１０と凝縮部１３０の圧着現象を防止する。これについて、図４ａ及び図４ｂを参照してさらに詳しく説明する。
図４ａ及び図４ｂは、本発明による熱伝達装置１００の内部にブリッジ１０５を形成したことを示す図である。
図４ａ及び図４ｂを参照すれば、本発明による熱伝達装置１００の内部に蒸発部１１０と凝縮部１３０が所定の間隔を維持するようにするブリッジ１０５が形成されている。ここで、前記ブリッジ１０５の個数、形態及び大きさは、熱伝達装置１００の面積及び構造によって変わることができる。
前記ブリッジ１０５は、蒸発部１１０と凝縮部１３０の圧着防止だけでなく、凝縮部１３０で凝縮された作動流体１０３の蒸発部１１０へのリターンのための液体流動通路として利用されることもできる。
前述したように、本発明による熱伝達装置１００は、作動流体１０３の相変化によって蒸発部１１０で発生した熱を凝縮部１３０に効率的に伝達することができ、表面に圧電薄膜１０１ａが蒸着された毛細溝１０１が左右または前後に振動するによって、電力を生成することができる。
１００ 熱伝達装置
１０１ 毛細溝
１０１ａ 圧電薄膜
１０３ 作動流体
１０５ ブリッジ
ＶＦ 気化した作動流体の蒸気
ＨＬ 作動流体の気化による潜熱
ＣＦ 凝縮された作動流体

Claims (7)

  1. 外部の発熱体から伝達された熱によって作動流体を気化させて蒸気を発生させる多チャネル毛細溝を含む蒸発部と、
    前記蒸発部を通じて気化した作動流体の蒸気を凝縮させ、前記凝縮した液体を前記蒸発部にリターンさせる液体流動通路を含む凝縮部と、を備え、
    前記多チャネル毛細溝の表面には圧電薄膜が蒸着され、前記気化した作動流体の蒸気によって前記圧電薄膜が蒸着された多チャネル毛細溝が振動し、前記多チャネル毛細溝で電力が生成されることを特徴とする熱伝達装置。
  2. 前記気化した作動流体の蒸気が前記多チャネル毛細溝の間を滑りながら流動することによって、前記圧電薄膜が蒸着された多チャネル毛細溝が左右または前後に振動することを特徴とする請求項１に記載の熱伝達装置。
  3. 前記多チャネル毛細溝は、
    下部が前記蒸発部の壁面と連結され、上部が移動自在のカンチレバー形状を有することを特徴とする請求項１に記載の熱伝達装置。
  4. 前記多チャネル毛細溝の毛細管作用によって前記作動流体が前記多チャネル毛細溝の間に飽和状態で均一に分布することを特徴とする請求項１に記載の熱伝達装置。
  5. 前記作動流体の気化−凝縮による相変化によって前記発熱体から伝達された熱が前記凝縮部を通じて外部に放出されることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達装置。
  6. 前記蒸発部と前記凝縮部との間に圧着防止のための柱状ブリッジが形成されることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達装置。
  7. 前記ブリッジは、前記凝縮した液体を前記蒸発部にリターンさせる液体流動通路として利用されることを特徴とする請求項６に記載の熱伝達装置。
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