KR101250326B1 - Method for the optimal design of the heat pipe wick having dual pores using metal powders - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속 분말을 이용한 히트파이프 윅(wick)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속판에 금속 분말을 소결하여 형성한 분말 집합체(cluster)를 형성하고, 이 분말 집합체를 분쇄 후 다시 소결하여 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 열성능을 최적화 할 수 있는 설계 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heat pipe wick using a metal powder, and more particularly, to form a powder cluster formed by sintering a metal powder on a metal plate, and sintering again after pulverizing the powder assembly to double voids. The present invention relates to a design method for optimizing the thermal performance of a heat pipe wick having a structure.
히트파이프는 고효율 열교환 장치로서, PC나 노트북 등 전자장치, 태양에너지 수집기와 같은 에너지 시스템, LED를 포함한 광학장치 및 인공위성에 이르기까지 넓은 응용분야를 갖는다. 일반적으로 히트파이프는 금속 케이스 내부를 진공으로 형성하고, 작동 유체를 주입한 후 내부를 진공으로 만들어 봉압하여 제작되는 열전달 기구로서, 한 쪽에 열을 가하면 내부에서 작동 유체가 증발하여 열을 가하지 않은 타 측 방향으로 이동하여 응축하여 다시 돌아오는 방식으로 작동한다. 즉 증발 잠열을 이용하여 빠른 열을 이동시키는 열전달 기구이다.Heat pipes are highly efficient heat exchangers and have a wide range of applications ranging from electronic devices such as PCs and laptops, energy systems such as solar collectors, optical devices including LEDs, and satellites. Generally, the heat pipe is a heat transfer mechanism that is formed by vacuuming the inside of a metal case, injecting a working fluid, and then sealing the inside by vacuuming the inside of the metal pipe. It works by moving sideways to condense and return. That is, it is a heat transfer mechanism that moves fast heat by using latent heat of evaporation.
상기 히트파이프의 내부 공간에는 윅(wick)이라고 부르는 다공성 물질이 구비되는데, 이는 히트파이프의 가열부에서부터 냉각부까지 내장되어 가열부 측에서 흡수되는 열이 작동 유체를 증발시키고, 작동 유체가 냉각부 측으로 흘러가 응축을 통해 열을 방출한 후, 윅의 공극을 통하여 모세관 현상에 의해 가열부로 다시 돌아오고 돌아온 작동 유체가 다시 증발하게 되는 사이클에 의해 히트파이프의 열전달이 지속적으로 이루어지게 된다. 히트파이프에서 윅은 작동액체의 유동 경로를 제공하고, 유동에 필요한 모세관 압력을 형성하며, 액체의 원활한 증발을 위한 표면적을 제공하기 때문에 윅의 구조는 히트파이프의 성능을 결정하는 중요한 요소가 된다. 따라서 가장 효율적인 열전달이 가능하도록 하는 윅의 구조 설계가 필요하다.The inner space of the heat pipe is provided with a porous material called a wick, which is embedded from the heating part to the cooling part of the heat pipe so that the heat absorbed from the heating part evaporates the working fluid, and the working fluid is the cooling part. After flowing to the side to release heat through condensation, heat transfer of the heat pipe is continuously performed by a cycle in which the working fluid is returned to the heating part by capillary action and the returned working fluid evaporates again through the wick's pores. The wick's structure is an important determinant of the heat pipe's performance because the wick provides a flow path for the working liquid, forms the capillary pressure required for the flow, and provides a surface area for smooth evaporation of the liquid. Therefore, there is a need for a structural design of the wick to allow the most efficient heat transfer.
종래에 제안된 윅의 구조는 도1a 내지 도1d에 보이고 있다. The structure of the conventionally proposed wick is shown in Figs. 1A to 1D.
도 1a는 종래의 촘촘한 금속망사를 이용한 윅을 나타낸 것이다. 종래에 가장 많이 사용한 히트파이프 윅 구조로서 이러한 히트파이프는 그 전체 파이프의 내벽에 촘촘한 금속망사를 접착시켜야 하므로 히트파이프가 가늘거나 긴 경우에는 그 제조가 어렵고, 히트파이프를 절곡시켜야 하는 경우 파이프를 절곡한 상태로 그 내벽에 금속망사를 접착시키기 또한 쉽지 않았다. 게다가 금속 망상 윅은 제공할 수 있는 모세관 압력이 낮으며 유효 열전도도 낮아 높은 열전달량을 위해서는 증발부의 온도를 높게 해 주어야 한다는 단점이 있다.Figure 1a shows a wick using a conventional dense metal mesh. As the most popular heat pipe wick structure, such a heat pipe has to adhere a dense metal mesh to the inner wall of the entire pipe. Therefore, when the heat pipe is thin or long, it is difficult to manufacture it, and when the heat pipe is bent, the pipe is bent. In one state, it was also difficult to bond the metal mesh to the inner wall. In addition, the metal mesh wick has a low capillary pressure and a low effective thermal conductivity, so that the temperature of the evaporator must be increased for high heat transfer.
도 1b는 사각형 그루브를 이용한 윅을 나타낸 것으로, 이러한 히트파이프는 상대적으로 그 제작이 쉬우나 이 경우에도 히트파이프를 절곡시켜야 하는 경우 그 형태의 유지가 힘들고, 유효 열전도도가 높은 대신 제공할 수 있는 모세관 압력이 매우 낮아 작동액체의 이동력이 낮다는 단점이 있다. Figure 1b shows a wick using a rectangular groove, such a heat pipe is relatively easy to manufacture, but even in this case it is difficult to maintain the shape when the heat pipe bend, capillary tube that can provide instead of high effective thermal conductivity The very low pressure has the disadvantage of low moving force of the working liquid.
이와 같은 모세관 압력이 낮은 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 모세관 현상에 의한 작동유체 이동력이 비교적 양호한 윅으로서 금속 분말을 소결시킨 형태의 윅이 제안되었다. 도 1c는 금속 분말을 소결한 윅을 나타낸 것으로 이와 같이 소결된 금속 분말 윅에는 연속된 공극(pore)들이 미세하게 존재하므로, 이 공극들을 통한 모세관 현상에 의해 작동 유체 이동력이 비교적 양호하며 또한 열전도성이 우수한 장점이 있다. 그러나, 이러한 소결 금속 분말 윅은 내부 이동 통로를 위한 공극의 크기가 매우 작아서 작동 액체의 흐름이 원활하지 못하며, 윅 내부에서 비등이 일어날 경우 기포가 내부의 작은 공극에 갇혀 방출되지 못하여 결과적으로 액체의 가열부로의 흐름을 방해하여 열전달 성능을 떨어뜨릴 수 있다. In order to solve such a problem of low capillary pressure, a wick in the form of sintered metal powder has recently been proposed as a wick having a relatively good working fluid movement force due to capillary action. FIG. 1C shows a wick sintered with a metal powder. Since the continuous pores are minutely present in the sintered metal powder wick, the working fluid movement force is relatively good and the thermoelectricity is caused by capillary action through the pores. There is an advantage of excellent conductivity. However, these sintered metal powder wicks have a very small pore size for the internal movement passage, which leads to a poor flow of the working liquid, and when boiling inside the wick, bubbles are not trapped in the small pores therein, resulting in liquid Interfering with the flow to the heating section can degrade the heat transfer performance.
이러한 일반적인 소결 금속 분말 윅은 공극의 크기를 줄이면 높은 모세관 압력을 얻을 수 있지만 내부 이동 통로로의 투과율이 줄어들어 작동 액체의 유동이 원활하지 못하게 되며, 공극의 크기를 늘리면 내부 이동 통로로의 투과율이 늘어나지만 유동을 일으키는 모세관 압력이 줄어 히트파이프의 고성능을 위한 두 가지 조건을 모두 만족시킬 수 없다.These common sintered metal powder wicks can achieve high capillary pressures by reducing the pore size, but the permeation into the internal passageways decreases, which leads to a loss of working fluid flow, and increasing the pore size increases the permeability into the internal passageways. However, the capillary pressure that causes the flow is reduced so that neither condition can be met for the heat pipe's high performance.
따라서 최근 도 1d과 같이 금속 분말 윅이 두가지 크기의 특성 공극구조를 갖도록 구성하여, 큰 공극에서 기체 및 액체의 유동을 원활하게 하고, 작은 공극에서 증발 표면적 및 높은 모세관 압력을 갖도록 하여 소결 금속 분말 윅이 다양한 장점을 동시에 취할 수 있도록 하는 방법이 제안되었다. 그러나 도 1d에서 제안한 구조가 높은 모세관 압력 및 작동 액체의 유동을 원활히 하는 두 가지 장점을 모두 취하도록 하고 있기는 하지만, 이러한 구조는 설계 방법에 따라 그 성능에 큰 차이를 보이는 것으로 분석되었다. Therefore, as shown in FIG. 1D, the metal powder wick has two sizes of characteristic pore structures, which facilitate the flow of gas and liquid in the large pores, and have the evaporation surface area and the high capillary pressure in the small pores. A method has been proposed to allow taking these various advantages simultaneously. However, although the structure proposed in FIG. 1D has both advantages of high capillary pressure and smooth flow of the working liquid, this structure has been analyzed to show a big difference in its performance according to the design method.
본원 발명은 위에서 살펴본 종래기술의 문제점 및 한계를 해결하고자 하는 것으로서, 높은 모세관 압력 및 원활한 작동 액체의 유동성을 확보할 수 있는 금속 분말 소결 윅 구조를 취하되 최상의 성능을 얻기 위한 최적 설계 방법을 제안하고 있다.The present invention is to solve the problems and limitations of the prior art as described above, and to take the metal powder sintered wick structure that can ensure the high capillary pressure and fluidity of the smooth working liquid, but propose an optimal design method for obtaining the best performance have.
상기에서 살펴본 종래기술들의 선행기술 목록은 다음과 같다. 도전성 금속막 형성에 의한 히트파이프 제공방법은 특허문헌 1에 제안되어 있으나 이는 앞에서 지적한 바와 같이 절곡 또는 가늘고 긴 히트파이프 제조 시에 그 제조 공정이 쉽지 않고, 금속 방사 구조는 모세관 압력이 상대적으로 낮다는 문제점이 있다. 그루브를 이용하는 방식은 특허문헌 2에 제안되어 있으나 그루브를 하우징에 형성한다는 점에서 이 역시 히트파이프를 절곡시키는 경우 형태 유지가 곤란하고 높은 모세관 압력을 기대하기 어려운 문제점이 있다. 동(Cu) 분말을 소결시켜 제조하는 방식으로 특허문헌 3이 제안되어 있으나 이는 작동 유체의 유동성이 낮아진다는 문제점이 존재함은 이미 지적하였다. 도 1d의 윅 구조는 본 발명의 출원인에 의한 특허문헌 4에 제안된 것으로 본원 발명은 이에 기반하되 설계 방법에 따라 성능 차이가 있음에 착안하여 최적 설계 방법을 제안한다.The prior art list of the prior art discussed above is as follows. A method for providing a heat pipe by forming a conductive metal film is proposed in
비특허문헌 1에서 모세관 펌프를 위하여 2 종류의 니켈 분말을 혼합하여 소결한 윅의 최적 공극률을 구하는 연구가 있었고, 비특허문헌 2에서는 동 분말을 소결한 윅의 구조 특성을 공극률, 분말의 직경 및 윅의 두께로 조사한 연구가 있으나, 이중 공극구조에 있어서 분말 입자의 크기와 분발 집합체 크기와의 상관관계에 대한 연구는 없었다.In
상기와 같은 문제점을 해결하고자 본 발명은 이중의 공극구조를 갖는 금속 분말 윅의 성능을 극대화 할 수 있는 최적의 설계방법과 이를 이용한 제조방법을 제시하고자 한다.The present invention to solve the above problems is to propose an optimal design method and a manufacturing method using the same to maximize the performance of the metal powder wick having a double pore structure.
상기 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 설계방법은, 금속 분말 입자의 크기(d)와 금속 분말 집합체의 크기(D)를 측정하는 제1단계, 제조된 히트파이프 윅의 투과도(K)와 유효 공극반경(Reff)의 비(K/Reff)로써 모세관 성능을 측정하는 제2단계, 상기 제2단계에서 측정된 모세관 성능을 금속 분말 입자의 크기 및 금속 분말 집합체의 크기로 상관시키는 제3단계, 상기 제3단계에서 얻어진 상관도를 d/D의 비에 따라 3가지 영역으로 구분하고 각 영역에 대한 모세관 성능 모델식을 수립하는 제4단계, 상기 제4단계에서 수립된 모세관 성능 모델식을 연립하여 최적영역의 해를 구하는 제5단계를 포함한다. The design method of the heat pipe wick having a double pore structure according to the present invention for the problem to be solved, the first step of measuring the size (d) of the metal powder particles and the size (D) of the metal powder aggregate, manufactured The second step of measuring the capillary performance by the ratio (K / R eff ) of the heat pipe wick (K) and the effective pore radius (R eff ) of the heat pipe wick, the capillary performance measured in the second step and the size of the metal powder particles and A third step of correlating the size of the metal powder aggregate, a fourth step of dividing the correlation obtained in the third step into three regions according to the ratio of d / D, and establishing a capillary performance model equation for each region; And a fifth step of solving the optimal region by combining the capillary performance model formula established in the fourth step.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 각 영역에 대한 모세관 성능에 대한 모델식은 다음과 같은 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.As a preferred embodiment of the present invention, the model equation for capillary performance for each region is characterized by the following equation.
(여기서, d/D의 크기에 따라 제2영역<제1영역<제3영역으로 구분, K는 투과도, Reff는 유효 공극반경, θ는 접촉각, ε는 공극률, d는 분말입자의 크기, D는 분말 집합체의 크기이다.)(Where, according to the size of d / D, divided into the second region <first region <third region, K is the transmittance, R eff is the effective pore radius, θ is the contact angle, ε is the porosity, d is the size of the powder particles, D is the size of the powder aggregate.)
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 최적영역의 해는 각 영역에 대한 모델식을 연립하여 제1영역에 대하여 금속 분말 입자의 크기(d)와 금속 분말 집합체의 크기(D)의 비(d/D)로 구하고, 그 비는 0.17에서 0.29인 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment of the present invention, the solution of the optimum region is a system of model equations for each region, whereby the ratio (d) of the size (d) of the metal powder particles to the size (D) of the metal powder aggregate with respect to the first region (d / Calculated as D), and the ratio is 0.17 to 0.29.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 소정의 체로 선립(選粒)된 것은 20-100 메쉬의 체로 통과된 분말 집합체인 것을 특징으로 한다.
In a preferred embodiment of the present invention, the predetermined body is characterized in that the powder aggregate passed through a sieve of 20-100 mesh.
한편, 본 발명의 다른 실시예로서, 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 제조방법은, 금속 분말을 소결하여 금속 분말 집합체를 생성하는 제1단계, 생성된 금속 분말 집합체를 분쇄하는 제2단계, 금속 분말 입자의 크기(d)와 금속 분말 집합체의 크기(D)를 모세관 성능(K/Reff)으로 상관시켜 d/D의 비에 따라 3가지 영역으로 구분하고 각 영역에 대한 모세관 성능 모델식을 수립하는 제3단계, 상기 제3단계에서 수립된 모세관 성능 모델식을 연립하여 최적영역의 해를 d/D의 비로 구하는 제4단계, 상기 제4단계에서 구한 최적영역의 비(d/D)를 충족하는 분쇄된 금속 분말 집합체를 소정의 체로 선립(選粒)하는 제5단계, 상기 제5단계에서 선립된 금속 분말 집합체를 재소결하는 제6단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. On the other hand, as another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a heat pipe wick having a double pore structure, the first step of sintering the metal powder to produce a metal powder aggregate, the second step of grinding the resulting metal powder aggregate, The size (d) of the metal powder particles and the size (D) of the metal powder aggregates are correlated by capillary performance (K / R eff ) and divided into three areas according to the ratio of d / D. The third step of establishing the equation, the fourth step of obtaining the solution of the optimal area by the ratio of d / D by aligning the capillary performance model formula established in the third step, the ratio of the optimal area obtained in the fourth step (d / D And a fifth step of selecting the pulverized metal powder assembly satisfying the above into a predetermined sieve, and a sixth step of resintering the metal powder assembly selected in the fifth step.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 금속 분말은 100 내지 325 메쉬의 구리, 철, 알루미늄 및 스테인레스강 등 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하고, 제1단계 및 제9단계의 소결 조건은 700 ℃ 내지 1500 ℃ 온도와 진공 또는 질소, 아르곤, 수소 가스 환원 분위기하에 금속 분말을 10분 내지 3시간 동안 가열하는 것을 특징으로 한다.As a preferred embodiment of the present invention, the metal powder is characterized in that the copper, iron, aluminum and stainless steel, such as 100 to 325 mesh or an alloy thereof, the sintering conditions of the first and ninth step is 700 ℃ to Metal powder is heated for 10 minutes to 3 hours at 1500 ℃ temperature and vacuum or nitrogen, argon, hydrogen gas reducing atmosphere.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 최적영역의 해는 각 영역에 대한 모델식을 연립하여 제1영역에 대하여 금속 분말 입자의 크기(d)와 금속 분말 집합체의 크기(D)의 비(d/D)로 구하며, 금속 분말 집합체의 크기(D)가 금속 분말 입자의 크기(d)의 4-6배이며, 소정의 체로 선립(選粒)된 것은 20-100 메쉬의 체로 통과된 분말 집합체인 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment of the present invention, the solution of the optimum region is a system of model equations for each region, whereby the ratio (d) of the size (d) of the metal powder particles to the size (D) of the metal powder aggregate with respect to the first region (d / D), the size (D) of the metal powder aggregate is 4-6 times the size (d) of the metal powder particles, and the selected fine grain is a powder aggregate passed through a 20-100 mesh sieve. It is characterized by.
한편 본 발명의 다른 실시예로서 제조된 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅을 제공하는 것을 특징으로 한다.On the other hand it is characterized in that it provides a heat pipe wick having a double pore structure manufactured as another embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 설계방법은 최적화된 이중 공극구조를 제시하여 히트파이프의 작동유체의 수송을 원활하게 하여 히트파이프의 성능을 획기적으로 향상시키는데 기여할 수 있다.The method of designing a heat pipe wick having a double pore structure according to the present invention can contribute to significantly improving the performance of the heat pipe by presenting an optimized double pore structure to facilitate the transport of the working fluid of the heat pipe.
본 발명에 따른 금속 분말을 이용한 히트파이프 윅은 두 가지 특성의 공극구조를 가짐으로써 액체와 기체의 유동을 효과적으로 분리함으로서, 히트파이프 윅에 요구되는 높은 모세관 압력과 높은 투과율을 동시에 갖게 하고, 증발 또는 비등된 기체의 배출을 원활하게 하여 작동유체의 순환을 원활하게 한다.The heat pipe wick using the metal powder according to the present invention has a pore structure having two characteristics to effectively separate the flow of liquid and gas, thereby simultaneously providing a high capillary pressure and a high permeability required for the heat pipe wick, and evaporating or It facilitates the discharge of the boiled gas to facilitate the circulation of the working fluid.
또한 본 발명에 따른 금속 분말을 이용한 히트파이프 윅은 증발을 위한 반응 표면적을 증가시켜 히트파이프가 높은 유효 열전도도를 가질 수 있게 한다.In addition, the heat pipe wick using the metal powder according to the present invention increases the reaction surface area for evaporation so that the heat pipe can have a high effective thermal conductivity.
도 1a 내지 도 1d는 종래기술에 의한 윅 구조를 보이고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 이중 공극구조를 갖는 금속 분말 소결 윅의 모세관 성능 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 이중 공극구조를 갖는 금속 분말 소결 윅 3가지 영역에 대한 모델이다.
도 4는 이중 공극구조를 갖는 금속 분말 소결 윅에 대한 모델 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 이중 공극구조를 갖는 금속 분말 소결 윅에 대한 모델 결과와 실험 결과를 비교한 것이다.1A to 1D show a wick structure according to the prior art.
Figure 2 shows the capillary performance test results of the metal powder sintered wick having a double pore structure according to the present invention.
3 is a model for three regions of a metal powder sintered wick having a double pore structure according to the present invention.
4 shows model results for a metal powder sintered wick having a double pore structure.
5 compares the model results and the experimental results for the metal powder sintered wick having a double pore structure.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, in describing in detail the principles of the preferred embodiment of the present invention, if it is determined that the detailed description of the related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 발명에 따른 히트파이프 윅 구조는 금속 분말을 소결하여 형성한 분말 집합체를 형성하고 다시 이 분말 집합체를 분쇄하여 일정 크기로 선별한 후 다시 소결한 구조로서, 금속 분말 입자에 의한 공극과 분말 집합체에 의한 공극의 두 가지 크기의 공극구조를 갖게 된다. 일반적으로 히트파이프의 열성능은 수학식 1에 의해 예측 가능하다.The heat pipe wick structure according to the present invention forms a powder aggregate formed by sintering a metal powder, and then crushes the powder aggregate, selects it to a predetermined size, and sinters again. It has two sizes of pore structure. In general, the thermal performance of a heat pipe can be predicted by
[수학식 1] [Equation 1]
수학식 1에서 σ는 작동유체의 표면장력계수, hfg는 증발 잠열, νl은 동점성계수, Aw는 윅의 단면적, Leff는 히트파이프의 유효길이, K는 투과도, Reff는 유효 공극반경이다. 수학식 1의 물리적 의미를 살펴보면, 첫 번째 항은 히트파이프 작동유체의 물성치, 두 번째 항은 히트파이프의 형상, 세 번째 항은 윅의 구조를 대변하는 항으로서 세 번째 항에 포함되는 투과도와 유효 공극반경이 윅의 성능을 결정짓는 핵심 인자들이다. In
투과도는 윅 내부에서 액체의 흐름이 얼마나 원활하게 이뤄지는지를 나타내는 변수이고, 유효 공극반경은 윅에서 발생하는 모세관 압력을 대변하는 변수로서 수학식 2인 Laplace-Young 방정식에서 보듯이 유효 공극반경이 작을수록 모세관 압력(Pc)이 높게 된다.Permeability is a variable that indicates how smoothly the liquid flows in the wick. Effective pore radius is a variable representing the capillary pressure generated in the wick. As shown in Laplace-Young equation (2), the smaller the effective pore radius, The capillary pressure P c becomes high.
[수학식2] &Quot; (2) "
따라서, 수학식 1에서 세 번째 항인 K/Reff가 클수록 투과도 및 모세관 압력이 높아서 윅의 성능이 좋다고 할 수 있으며, 이 항은 모세관 성능이라고 불린다.Therefore, the higher the permeability and the capillary pressure, the higher the third term K / R eff in
본 발명에서는 두 가지 크기의 공극구조를 갖는 금속 분말 히트파이프 윅에 대해, 분말의 크기 및 분말 집합체의 크기에 따른 모세관 성능을 예측할 수 있는 모델을 개발하고, 개발된 모델을 바탕으로 최적화된 형상을 제시한다.In the present invention, a model for predicting capillary performance according to the size of powder and the size of powder aggregate is developed for a metal powder heat pipe wick having a pore structure of two sizes, and based on the developed model, an optimized shape is developed. present.
도 2는 금속 분말의 크기(Particle size)를 가로축으로 하고 분말 집합체의 크기(Cluster size)를 세로축으로 하여 모세관 성능(K/Reff)을 도시한 것으로서 K/Reff가 1이상인 가운데 영역(Regime 1)과 1 이하인 주변영역(Regime 2, Regime 3)로 구분된다.FIG. 2 shows capillary performance (K / R eff ) with the metal powder as the horizontal axis and the cluster size as the vertical axis, where K / R eff is 1 or more. 1) and surrounding areas (
모델을 개발하기 위해 윅 내부 유동을 초고속 카메라와 현미경으로 관찰한 결과 도 3과 같은 세 가지 형태의 유동이 존재함을 확인하였다. 영역 1(Regime 1)은 금속 분말의 크기(Particle size)와 분말 집합체(Cluster size)의 크기비가 적당하여, 최적의 유체 수송량을 갖는 형태이다. 영역 2(Regime 2)는 금속 분말과 분말 집합체의 크기가 비슷하여, 윅의 두 가지 크기의 공극을 갖는 형태에서 멀어지게 되는 상태이다. 영역 3(Regime 3)은 분말 집합체가 분말에 비해 너무 커서 유동이 금속 분말사이의 작은 공극을 통해서만 흐르게 되는 상태이다. 영역 2와 3에서는 상기한 이유로 작동유체의 수송량이 줄어들게 되어, 윅의 성능을 최적화하기 위해서는 분말과 분말 집합체의 크기비가 영역 1에 위치하여야 한다. d/D가 작은 영역(영역2), 중간인 영역(영역1) 및 큰 영역(영역3)으로 구분(영역2<영역1<영역3)한다. 각 영역에 대한 모세관 성능 식을 하기의 수학식 3 내지 수학식 5와 같이 도출하였다.In order to develop the model, the flow of the wick was observed with a high speed camera and a microscope, and it was confirmed that there exist three types of flows as shown in FIG. 3.
[수학식3]&Quot; (3) "
영역 1: 
[수학식4] &Quot; (4) "
영역 2: 
[수학식5] [Equation 5]
영역 3: 
Zone 3:
위 식들에서 θ는 접촉각, ε는 공극률, d는 분말의 크기, D는 분말 집합체의 크기를 의미한다.Θ is the contact angle, ε is the porosity, d is the size of the powder, D is the size of the powder aggregate.
D가 675 μm로 고정되어 있을 때, d에 따른 각 영역의 모세관 성능(K/Reff)에 대한 분석 그래프는 도 4와 같다. 도 4에서 최적의 조건을 구하기 위해 수학식 3 내지 수학식 5를 연립해서 풀어주면 각 교점을 구할 수 있다. 분말과 분말 집합체의 크기 비인 d/D에 대해 모세관 성능이 1이상인 조건을 구하면 다음과 같은 수학식 6을 구할 수 있다.When D is fixed at 675 μm, an analysis graph of capillary performance (K / R eff ) of each region according to d is shown in FIG. 4. In order to find the optimal condition in FIG. 4,
[수학식6] [Equation 6]
0.17 < d/D < 0.29 0.17 <d / D <0.29
즉, 분말 집합체가 분말에 비해 약 4배에서 6배 클 때, 윅의 구조가 영역 1에 위치하게 되어 모세관 성능이 최적화됨을 알 수 있다.That is, when the powder aggregate is about 4 to 6 times larger than the powder, it can be seen that the structure of the wick is located in the
본 발명에서는 이러한 결론을 뒷받침하기 위한 실험을 수행하였으며, 도 5와 같이 개발된 모델과 실험 결과는 모든 분말 집합체 크기에 대해 20% 이내로 잘 일치하는 것을 확인하였다.In the present invention, an experiment was carried out to support this conclusion, and it was confirmed that the model and the experimental results developed as shown in FIG. 5 corresponded well within 20% for all powder aggregate sizes.
이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 제조방법은, 금속 분말을 소결하여 금속 분말 집합체를 생성하는 제1단계, 생성된 금속 분말 집합체를 분쇄하는 제2단계, 금속 분말 입자의 크기(d)와 금속 분말 집합체의 크기(D)를 모세관 성능(K/Reff)으로 상관시켜 d/D의 비에 따라 3가지 영역으로 구분하고 각 영역에 대한 모세관 성능 모델식을 수립하는 제3단계, 상기 제3단계에서 수립된 모세관 성능 모델식을 연립하여 최적영역의 해를 d/D의 비로 구하는 제4단계, 상기 제4단계에서 구한 최적영역의 비(d/D)를 충족하는 분쇄된 금속 분말 집합체를 소정의 체로 선립(選粒)하는 제5단계, 상기 제5단계에서 선립된 금속 분말 집합체를 재소결하는 제6단계를 포함한다.The method of manufacturing a heat pipe wick having a double pore structure includes a first step of sintering metal powder to produce a metal powder aggregate, a second step of pulverizing the resulting metal powder aggregate, a size (d) of metal powder particles and a metal A third step of correlating the size (D) of the powder aggregate with the capillary performance (K / R eff ) into three regions according to the ratio of d / D and establishing a capillary performance model equation for each region; The fourth step of obtaining the solution of the optimum region by the ratio of d / D by aligning the capillary performance model formula established in the step, and the pulverized metal powder assembly satisfying the ratio (d / D) of the optimum region obtained in the fourth step And a fifth step of selecting a predetermined sieve and a sixth step of resintering the metal powder aggregates selected in the fifth step.
본 발명의 바람직한 일 실시예로서, 금속 분말은 100 내지 325 메쉬의 구리, 철, 알루미늄 및 스테인레스강 등 또는 이들의 합금을 이용한다. 금속 분말이 100 메쉬 이상인 경우 충분한 모세관 압력을 제공할 수 있으며, 325 메쉬 이하인 경우 내부 액체의 유동이 원활하게 일어날 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the metal powder uses copper, iron, aluminum, stainless steel, or the like, or an alloy thereof, of 100 to 325 mesh. When the metal powder is 100 mesh or more, sufficient capillary pressure may be provided, and when the metal powder is 325 mesh or less, the flow of the internal liquid may occur smoothly.
금속 분말의 소결 조건은 700 ℃ 내지 1500 ℃ 온도와 진공 또는 질소, 아르곤, 수소 가스 환원 분위기하에 금속 분말을 10분 내지 3시간 동안 가열한다. 가열 시간이 10분 미만에서는 금속 분말 간 소결이 이루어지지 않게 되며, 가열시간이 3시간을 초과하면 구리 또는 구리 합금분말이 용융되어 미세한 공극 형성이 어렵게 된다.Sintering conditions of the metal powder is heated to 700 ℃ to 1500 ℃ and vacuum or nitrogen, argon, hydrogen gas reducing atmosphere for 10 minutes to 3 hours. If the heating time is less than 10 minutes, the sintering between the metal powder is not made, if the heating time exceeds 3 hours, copper or copper alloy powder is melted, it is difficult to form fine pores.
가열을 하게 되면 금속 분말들은 서로 뭉치게 되는 소결을 하여 공극률 20~60%의 분말 집합체를 이루게 된다. 상기 분말 집합체들은 가루가 생기지 않도록 하면서 분쇄하여 소결 분말 집합체를 형성한다. 분말 집합체를 분쇄는 유발 등으로 빻아서 소결된 분말 집합체를 형성할 수 있다.When heated, the metal powders are sintered together to form a powder aggregate having a porosity of 20 to 60%. The powder aggregates are pulverized without powder to form sintered powder aggregates. The powder aggregate may be ground by grinding or the like to form a sintered powder aggregate.
소결 분말 집합체를 원하는 크기로 제어하기 위해서 20~100 메쉬의 체(Sieve)를 이용하여 일정한 크기의 소결 분말 집합체를 얻을 수 있다. 생성된 소결 분말 집합체를 다시 소결하되, 상기 금속 분말을 소결하였던 조건과 같은 온도 및 가스 조건으로 소결을 실시한다. 즉, 20~100 메쉬의 체로 걸러진 소결 분말 집합체를 다시 700 내지 1500 ℃ 온도로 하여 진공 또는 질소, 아르곤, 수소 가스의 환원 분위기하에서 10분 ~ 3시간 동안 가열하면 재소결되어 원하는 이중 공극구조의 히트파이프 윅이 형성된다.In order to control the sintered powder aggregate to a desired size, a sintered powder aggregate of a certain size can be obtained by using a sieve of 20 to 100 mesh. The resulting sintered powder aggregate is sintered again, but sintered under the same temperature and gas conditions as those under which the metal powder was sintered. That is, when the sintered powder aggregate filtered through a 20-100 mesh sieve is heated to 700 to 1500 ° C. again and heated under vacuum or nitrogen, argon or hydrogen gas for 10 minutes to 3 hours, it is resintered to heat the desired double pore structure. Pipe wicks are formed.
일반적으로 금속 분말을 소결한 히트파이프 윅은 공극의 크기를 줄이면 높은 모세관 압력을 일으킬 수는 있지만 내부 이동 통로의 투과율이 줄어들어 유동이 원활하지 못하게 되며, 공극의 크기를 늘리면 내부 이동 통로의 투과율이 늘어나지만 유동을 일으키는 모세관 압력이 줄어드는 모순되는 특성이 있으나, 본 발명에 따른 이중 공극구조를 갖는 금속 분말 소결 히트파이프 윅의 설계방법을 적용하면, 액체와 기체의 유동을 효과적으로 분리하여 히트파이프 윅에 요구되는 높은 모세관 압력과 높은 투과율을 동시에 갖게 하며, 증발 혹은 비등된 기체의 배출을 원활하게 하여 작동유체의 원활한 순환을 이루게 한다. 뿐만 아니라, 증발을 위한 반응 표면적을 증가시켜 히트파이프가 높은 유효 열전도도를 가질 수 있게 한다.In general, heat pipe sintered with metal powder can cause high capillary pressure if the pore size is reduced, but the permeability of the internal passage decreases, so that the flow is not smooth, and the pore size increases the permeability of the internal passage. Although there is a contradictory characteristic that the capillary pressure which causes the flow decreases, the design method of the metal powder sintered heat pipe wick having a double pore structure according to the present invention is applied, which effectively separates the flow of liquid and gas, which is required for the heat pipe wick. It has a high capillary pressure and high permeability at the same time, and facilitates the discharge of evaporated or boiled gas to achieve a smooth circulation of the working fluid. In addition, the reaction surface area for evaporation is increased, allowing the heat pipe to have a high effective thermal conductivity.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is common in the art that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be obvious to those skilled in the art.
Claims (14)
금속 분말 입자의 크기(d)와 금속 분말 집합체의 크기(D)를 측정하는 제1단계;
제조된 히트파이프 윅의 투과도(K)와 유효 공극반경(Reff)의 비(K/Reff)로써 모세관 성능을 측정하는 제2단계;
상기 제2단계에서 측정된 모세관 성능을 금속 분말 입자의 크기 및 금속 분말 집합체의 크기로 상관시키는 제3단계;
상기 제3단계에서 얻어진 상관도를 d/D의 비에 따라 3가지 영역으로 구분하고 각 영역에 대한 모세관 성능 모델식을 수립하는 제4단계;
상기 제4단계에서 수립된 모세관 성능 모델식을 연립하여 최적영역의 해를 구하는 제5단계를 포함하는 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 설계방법In the design method of a heat pipe wick having a double pore structure produced by sintering metal powder to produce a metal powder aggregate, pulverizing the resulting metal powder aggregate, upright into a predetermined sieve, and then re-sintering,
A first step of measuring the size (d) of the metal powder particles and the size (D) of the metal powder aggregate;
A second step of measuring capillary performance as a ratio (K / R eff ) of the permeability (K) and the effective pore radius (R eff ) of the manufactured heat pipe wick;
A third step of correlating the capillary performance measured in the second step with the size of the metal powder particles and the size of the metal powder aggregate;
A fourth step of dividing the correlation obtained in the third step into three areas according to the ratio of d / D and establishing a capillary performance model equation for each area;
Method for designing a heat pipe wick having a double pore structure comprising a fifth step of solving the optimum region by aligning the capillary performance model formula established in the fourth step
상기 제4단계에서 각 영역에 대한 모세관 성능에 대한 모델식은 다음과 같은 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 설계방법
(여기서, d/D의 크기에 따라 제2영역<제1영역<제3영역으로 구분, K는 투과도, Reff는 유효 공극반경, θ는 접촉각, ε는 공극률, d는 분말입자의 크기, D는 분말 집합체의 크기)The method of claim 1,
In the fourth step, the model equation for the capillary performance for each region is represented by the following equation.
(Where, according to the size of d / D, divided into the second region <first region <third region, K is the transmittance, R eff is the effective pore radius, θ is the contact angle, ε is the porosity, d is the size of the powder particles, D is the size of the powder aggregate)
상기 제5단계에서 최적영역의 해는 각 영역에 대한 모델식을 연립하여 제1영역에 대하여 금속 분말 입자의 크기(d)와 금속 분말 집합체의 크기(D)의 비(d/D)로 구하는 것을 특징으로 하는 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 설계방법The method of claim 2,
In the fifth step, the solution of the optimum region is obtained by a ratio of the size (d) of the metal powder particles to the size (D) of the metal powder aggregates (d / D) of the first region by a system of equations for each region. Design method of heat pipe wick having a double pore structure
최적영역은 금속 분말 입자의 크기(d)와 금속 분말 집합체의 크기(D)의 비(d/D)가 0.17에서 0.29인 것을 특징으로 하는 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 설계방법The method of claim 3,
The optimal region is a design method of a heat pipe wick having a double pore structure, wherein the ratio (d / D) of the size (d) of the metal powder particles and the size (D) of the metal powder aggregate is 0.17 to 0.29.
소정의 체로 선립(選粒)된 것은 20-100 메쉬의 체로 통과된 분말 집합체인 것을 특징으로 하는 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 설계방법The method of claim 1,
The method of designing a heat pipe wick having a double pore structure, characterized in that the powder is passed through a sieve of 20-100 mesh selected by a predetermined sieve.
금속 분말을 소결하여 금속 분말 집합체를 생성하는 제1단계;
생성된 금속 분말 집합체를 분쇄하는 제2단계;
금속 분말 입자의 크기(d)와 금속 분말 집합체의 크기(D)를 모세관 성능(K/Reff)으로 상관시켜 d/D의 비에 따라 3가지 영역으로 구분하고 각 영역에 대한 모세관 성능 모델식을 수립하는 제3단계;
상기 제3단계에서 수립된 모세관 성능 모델식을 연립하여 최적영역의 해를 d/D의 비로 구하는 제4단계;
상기 제4단계에서 구한 최적영역의 비(d/D)를 충족하는 분쇄된 금속 분말 집합체를 소정의 체로 선립(選粒)하는 제5단계;
상기 제5단계에서 선립된 금속 분말 집합체를 재소결하는 제6단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 제조방법In the method of manufacturing a heat pipe wick having a double pore structure,
A first step of sintering the metal powder to produce a metal powder aggregate;
A second step of pulverizing the produced metal powder aggregate;
The size (d) of the metal powder particles and the size (D) of the metal powder aggregates are correlated by capillary performance (K / R eff ) and divided into three areas according to the ratio of d / D. Establishing a third step;
A fourth step of obtaining a solution of an optimal region by a ratio of d / D by aligning the capillary performance model formula established in the third step;
A fifth step of selecting the pulverized metal powder aggregate that meets the ratio (d / D) of the optimum region obtained in the fourth step into a predetermined sieve;
And a sixth step of re-sintering the metal powder aggregates selected in the fifth step.
상기 제1단계에서 금속 분말은 100 내지 325 메쉬의 금속 분말인 것을 특징으로 하는 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 제조방법The method according to claim 6,
In the first step, the metal powder is a method of manufacturing a heat pipe wick having a double pore structure, characterized in that the metal powder of 100 to 325 mesh.
금속 분말은 구리, 철, 알루미늄 및 스테인레스강 등 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 제조방법The method of claim 7, wherein
Method for producing a heat pipe wick having a double pore structure, characterized in that the metal powder is copper, iron, aluminum and stainless steel, or an alloy thereof.
제1단계의 소결 조건은 700 ℃ 내지 1500 ℃ 온도와 진공 또는 질소, 아르곤, 수소 가스 환원 분위기하에 금속 분말을 10분 내지 3시간 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 제조방법The method according to claim 6,
The sintering conditions of the first step is a heat pipe wick having a double pore structure characterized in that the metal powder is heated for 10 minutes to 3 hours in a vacuum or nitrogen, argon, hydrogen gas reducing atmosphere with a temperature of 700 ℃ to 1500 ℃ Way
최적영역은 금속 분말 집합체의 크기(D)가 금속 분말 입자의 크기(d)의 4-6배인 것을 특징으로 하는 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 제조방법The method according to claim 6,
The optimum region is a method for producing a heat pipe wick having a double pore structure, wherein the size (D) of the metal powder aggregate is 4-6 times the size (d) of the metal powder particles.
제5단계에서 소정의 체로 선립(選粒)된 것은 20-100 메쉬의 체로 통과된 분말 집합체인 것을 특징으로 하는 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 제조방법The method according to claim 6,
The method of manufacturing a heat pipe wick having a double pore structure, characterized in that the powder is passed through a sieve of 20-100 mesh selected in a predetermined sieve in the fifth step.
제6단계의 재소결 조건은 700 ℃ 내지 1500 ℃ 온도와 진공 또는 질소, 아르곤, 수소 가스 환원 분위기하에 금속 분말을 10분 내지 3시간 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 이중 공극구조를 갖는 히트파이프 윅의 제조방법The method according to claim 6,
Resintering conditions of the sixth step is a heat pipe wick having a double pore structure characterized in that the metal powder is heated for 10 minutes to 3 hours in a vacuum or nitrogen, argon, hydrogen gas reducing atmosphere at a temperature of 700 ℃ to 1500 ℃ Manufacturing method
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US10264707B2 (en) | 2014-10-14 | 2019-04-16 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Flat plate pulsating heat pipe applicable at various angles and method of manufacturing same |
| CN111102865B (en) * | 2020-01-08 | 2024-05-17 | 安徽工业大学 | Metal-nonmetal composite capillary core applied to loop heat pipe system and preparation method thereof |
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