KR102005339B1 - 곡면 다공판을 구비한 열사이펀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 곡면 다공판을 구비한 열사이펀의 전열면적 확대에 관한 것으로, 특히 열사이펀의 증발부와 응축부에서 전열면적을 증대시켜 열전달을 촉진하는 기술에 관한 것이다.
종래에 개시된 열사이펀은 국부적인 열전달 특성을 변화시켜 증발부의 액체 풀(liquid pool)에서 기-액이 동반하여 응축부를 향해 유동 진동이 발생하면서 안정화하는데 문제가 있어 시동이 느리고, 기화된 증기와 낙하한 액적(droplet)이 혼합되는 현상이 발생하며, 이러한 현상은 가열부하 변화가 클수록 큰 영향을 받아 열전달 효율을 크게 감소하는 문제점이 야기된다.
이러한 문제점을 일소하기 위한 방안으로 열사이펀의 증발부에 상하 간격을 두고 다수의 곡면 다공판을 설치하여 전열면적을 확장시켜 열전달 효율을 증대함과 아울러 국부적 고열과열을 분산시키고, 기-액이 상층부로 유동됨을 방지하도록 하는 기술을 강구함을 특징으로 한다.

Description

곡면 다공판을 구비한 열사이펀{Thermosyphon with curved perforated plate}

본 발명은 열사이펀의 전열면적 확대에 관한 것으로, 특히 열사이펀의 증발부와 응축부에서 전열면적을 증대시켜 열전달을 촉진하는 기술에 관한 것이다.

열사이펀(thermosyphon)은 작동유체의 비등과 응축을 통해 열을 연속적으로 전달하는 것으로 밀폐용기 내부를 진공으로 하면 비교적 낮은 온도에서 작동유체가 연속적으로 증기-액체간의 상변화과정을 통하여 용기양단 사이에 작은 온도차로 대량의 열을 흡수하고 방출하는 것으로, 액체의 귀환이 윅(wick)에 의해 이루어지는 경우를 히트파이프(heat pipe), 액체의 귀환이 중력에 의해서 귀환하는 경우를 열사이펀(thermosyphon)이라 하며 통칭하여 히트파이프(heat pipe)라고도 한다.

상기 열사이펀은 이론적으로 구리보다 유효 열전도율이 수천 배로 높기 때문에 단위면적당 발열량이 큰 전자장비 냉각이나, 친환경자동차의 고발열 전자 장비들의 냉각에 필요할 뿐만 아니라, 산업체의 설비 및 가정용 보일러 등에서 일부는 고온 폐열의 경우 회수 및 이용하고 있으나, 중저온 폐열의 경우 버려지고 있기 때문에 고효율 열교환기가 요구되고 있다.

그러나 기존의 열사이펀은 증발부의 가열부 표면과 유체의 거리에 따라 온도 및 밀도가 다르고 내부 작동 유체의 비등 메커니즘과 기-액 유동 등 복합적으로 작용하여 국부적인 열전달 특성을 변화시켜 증발부의 액체 풀(liquid pool)에서 기-액이 동반하여 응축부를 향해 유동 진동이 발생하여 안정화하는데 문제가 있어 시동이 느리고, 기화된 증기와 낙하한 액적(droplet)이 혼합되는 현상이 발생하는데, 이것은 가열부하 변화가 클수록 큰 영향을 받아 열전달 효율을 크게 감소하는 문제점이 있었다.

따라서 기존에 열사이펀 성능을 향상시키기 위한 연구에서 작동유체 및 형태에 따라 열사이펀을 일정한 경사각으로 유지했을 때 유동진동을 감소시키고 액막의 일부가 액적상태로 증기 유동장내로 흡입되는 현상을 감소시켜 열사이펀의 열전달 성능을 향상 시킬 수 있었다.

「조동현, 이종선, 경사 열사이폰 열교환기의 비등열전달 성능에 관한 연구, 한국산학기술학회논문지, Vol.6, No. 2, pp. 202-209, 2005

K. S. Ong, W. L. Tong, J. S. Gan, N. Hisham, Axial temperature distribution and performance of R410a and water filled thermosyphon at various fill ratios and inclinations, Frontiers in Heat Pipes, 5-2, 2014」

그러나 최적의 경사각을 유지하더라도 비등열전달의 성능향상에는 한계가 있으며, 증발부 및 응축부에서 작동유체와 전열면의 접촉 면적이 한정되어 있기 때문에 이를 극복하기 위해 나노유체를 적용하여 열전달 성능을 향상시키기 연구가 진행되고 있다.

나노금속입자가 함유된 나노유체를 이용하여 열사이펀의 성능을 향상시키기 위한 선행기술로는 「특허공개 제10-2005-0017738호, 명칭/ 나노유체를 이용한 2상 유동 수직막대형 서모사이펀」이 개시되고 있다.

그러나 나노유체는 열전달 면적을 증가시키고 유효전도성 및 비등촉진 등의 성능향상을 예상하지만, 실제 열교환 시스템에서 나노입자들이 표면에 침착되어 비등열전달 계수가 감소하고, 나노분말의 침전과 뭉침 현상으로 인하여 향후 해결해야할 문제점으로 되고 있다.

「M.M. Sarafraz, F. Hormozi, S.M. Peyghambarzadeh, Role of nanofluid fouling on thermal performance of a thermosyphon: Are nanofluids reliable working fluid?, Applied Thermal Engineering 82, 212-224, 2015.

김우중, 양용우, 김영훈, 박성식, 김남진, 나노유체에서 파울링 현상이 유동 비등 열전달에 미치는 영향에 대한 연구, 설비공학논문집 Vol.28, No.03, 95-102, 2016.」

본 발명의 주목적은 증발부 및 응축부에서 전열면적을 증가시켜 열전달 효율을 증가시키는데 있다.

아울러, 본 발명의 다른 목적은 기화된 증기와 응축된 액적이 낙하하면서 증발부에서 기화된 증기와 혼합되는 것을 방지하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 증발부에서 부하변동으로 인한 기-액의 유동진동을 방지하는데 있다.

본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위한 수단으로 열사이펀의 증발부에 상하 간격을 두고 다수의 곡면 다공판을 설치하여 전열면적을 확장시켜 열전달 효율을 증대함과 아울러 국부적 고열과열을 분산시키고, 기-액이 상층부로 유동됨을 방지하도록 하는 기술을 강구한다.

또한, 열사이펀의 응축부에 상하 간격을 두고 다수의 곡면 다공판을 설치하여 전열면적을 확장시켜 응축잠열을 높일 수 있도록 하는 기술을 강구한다.

본 발명에 따르면, 증발부 및 응축부에 다수의 곡면 다공판이 설치됨으로써 동일 체적에서 전열면적이 확대되어 증발 및 응축잠열이 증가하고 열전달 효율을 증대시키는 효과가 있다.

또한, 상기 증발부에서 곡면 다공판은 작동유체의 온도를 균일하게 하여 국부적 고열 과열을 분산시키고, 기-액이 상층부로 유동하여, 요동 진동을 방지함으로써 비교적 단시간에 안정화 되고 시동이 빠른 특징이 있다.

아울러, 기화된 증기와 응축된 액적이 낙하하면서 증발부에서 기화된 증기와 혼합되어 열전달 효율을 감소하는 것을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명 열사이펀의 증기 및 액체의 흐름도
도 2는 본 발명 열사이펀의 내부구조를 나타낸 정단면도
도 3은 본 발명 곡면 다공판의 설치상태 평단면도
도 4는 본 발명 곡면 다공판의 평면도

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결수단을 보다 구체적으로 구현하기 위한 바람직한 실시 예에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전체적인 구성을 첨부된 도면에 의거 개략적으로 살펴보면, 증발부(20), 단열부(30), 응축부(40), 다수의 곡면 다공판(50)의 구성요소로 대분됨을 확인할 수 있다.

이하, 상기 개략적인 구성으로 이루어진 본 발명을 실시 용이하도록 좀더 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 열사이펀의 증발부(20) 및 응축부(40)의 전열면적을 확대하여 열전달 효율을 향상함을 특징적인 요지로 하는 것으로, 열전도성이 좋은 금속재 밀폐관(10)의 내부에 작동유체를 충전하고 진공상태로 밀봉 처리한 구조를 이루고 있다.

상기 밀폐관(10)은 증발부(20)와, 응축부(40)와, 상기 증발부(20)와 응축부(40)를 연결하는 단열부(30)로 구분되며 작동유체의 상변화를 통해 열원(Heat Source, 1)으로부터 방열부(Heat Sink)로 열을 전달하는 장치이다.

밀폐관(10) 외벽을 통해 증발부(20) 내의 작동유체에 열이 가해지면 작동유체는 비등을 일으켜 기화시키고 기화된 작동유체는 응축부(40)의 증기보다 온도가 높으므로 온도차에 의해 유발되는 압력차로 단열부(30)를 거쳐 응축부(40)로 이송된다.

상기 단열부(30)는 증발부(20)에서 기화한 작동유체가 응축부(40)로 이동할 때 내부로부터 열의 유출을 차단한다.

그러나 단열부(30)는 증발부(20)와 응축부(40)의 사이의 거리가 짧은 경우에는 생략할 수 있다.

상기 응축부(40)로 이송된 증기는 밀폐관(10)의 응축부(40) 벽면에서 열을 방출하고 응축되어 중력에 의해 상기 밀폐관(10)의 내벽을 타고 상기 증발부(20) 쪽으로 귀환하며, 이러한 증발과 응축과정을 반복하면서 열전달이 이루어진다.

상기 증발부(20)의 내주면에는 본 발명의 핵심기술인 다수의 다공판이 상하 간격을 두고 설치된다. 바람직하게는 상기 다공판은 일정한 곡률 반경을 가지는 곡면 다공판(50)으로 이루어진다.

이러한 본 발명은 상기 열원(1)이 증발부(30)의 외측면을 가열하면 증발부(20)의 내벽 및 내측에 설치된 다수의 곡면 다공판(50)은 증발부 외벽의 열원으로부터 전도되어 증발면적이 확대되어 작동유체의 대류 열전달량이 증가하고, 균일하게 가열함으로써 증발효과를 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 곡면 다공판(50)은 증발부(20)의 외표면에서 전도에 의해 열을 작동유체에 전달하여 대류면적의 증가로 국부적 고열과열을 방지함으로 액체 풀(60)에서 기-액이 동반하여 응축부를 향해 요동 진동하는 것을 방지할 수도 있게 된다.

그리고 상기 증발부(20)에서 기화된 증기는 단열부(30)를 지나 응축부(40)로 유입되고, 응축부(40)로 유입된 증기는 상대적으로 온도가 낮은 내벽에서 냉각되어 열을 방출하고 액체로 응축된다.

여기에서 상기 응축부(40)의 내주면에는 상하 간격을 두고 다수의 곡면 다공판(50a)이 설치되는 기술이 추가로 접목됨으로써 응축부(40)의 내면 및 다수의 곡면 다공판(50a)을 통과하면서 응측되는 과정에서 응축부(40)에 설치된 곡면 다공판(50a)은 응축 전열면적이 확대되어 응축수량이 증대되는 동시에 외주면에 대량의 열을 방열하는 특별한 효과를 제공한다.

이와 같이 증발부(20) 및 응축부(40)에 설치되는 다수의 곡면 다공판(50)(50a)은 도 2 내지 도 4와 같이 상부 중앙으로 볼록한 곡면부(51)가 형성되고, 상기 곡면부(51)에는 다수의 증기홀(52)이 형성되며, 상기 곡면부(51)의 외주면에는 방사상으로 다수의 액체홀(53)이 등간격으로 관통 형성되고, 상기 액체홀(53)은 밀폐관(10)의 내면과 접하도록 설치된다.

액체홀(53)은 증기홀(52)에 비해 직경을 더 크게하여 응축부에서 증발부로 액체가 충분히 귀환할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 곡면 다공판(50a)을 통과하면서 응측된 액체는 곡면부(51)를 따라 응축부(40)의 내벽으로 유도된 후 내벽을 따라 흘러내리면서 액체홀(53)을 통과하고, 순차적으로 단열부(30)를 지나 중력에 의해 증발부(20)로 회수될 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 곡면 다공판(50)(50a)은 증기홀(52) 및 액체홀(53)이 상하 동일선상에 위치하지 않고, 도 2와 같이 상하방향으로 상호 교대로 반복하여 엇갈리게 배치됨으로써 기화된 증기와 응축된 액적이 낙하하면서 증발부(20)에서 기화된 증기와 혼합되는 것을 방지하고, 상기 증발부(20)에서 곡면 다공판(50)은 작동유체의 온도를 균일하게 하여 국부적 고열 과열을 분산시키며, 기-액이 상층부로 유동됨을 방지할 뿐만 아니라 요동 진동을 방지할 수 있는 특별한 효과를 제공한다.

이러한 본 발명은 열사이펀에 곡면 다공판(50)(50a)을 설치함으로써 증발부(20) 내의 작동유체를 균일하게 가열하면서 유동·진동을 방지하고, 시간에 따른 온도 변화율이 빠르며, 증발 및 응축 잠열이 크기 때문에 효과적으로 대량 열 수송이 가능하다.

또한, 대류면적의 증가는 증발부에서 작동유체의 온도를 균일하게 함으로써 열원으로부터 가열되면 비교적 단시간에 안정화되고 시동이 빠른 특징이 있다.

1: 열원 10: 밀폐관
20: 증발부 30: 단열부
40: 응축부 50, 50a: 곡면 다공판
51: 곡면부 52: 증기홀
53: 액체홀 60: 액체풀

Claims (8)

1. 증발부 및 응축부를 포함하는 밀폐관으로 이루어진 열사이펀에 있어서,
   상기 증발부 및 응축부를 통한 전열면적을 확대시키기 위하여 다수의 곡면 다공판이 상기 밀폐관의 증발부 및 응축부의 내주면에 결합되어 구성되되,
   상기 다수의 곡면 다공판은 상기 증발부 및 상기 응축부 각각에 복수개가 상호 이격되어 설치되고,
   또한, 상기 곡면 다공판은 상기 증발부로부터 상기 응축부를 향해 상부 중앙이 볼록한 곡면부를 포함하며,
   한편, 상기 곡면부에는 증발부에서 기화된 증기가 이동하는 다수의 증기홀이 관통 형성되고, 상기 곡면부의 외주면에는 응축부에서 응축된 액체가 이동하는 다수의 반원 형상의 액체홀이 원주방향을 따라 등간격으로 관통 형성되며,
   또한, 상기 증발부 및 응축부에 각각 이격되어 배치된 복수의 곡면 다공판은 증기홀 및 액체홀이 상하 동일 선상에 위치하지 않고, 상하방향으로 상호 교대로 반복하여 엇갈리게 배치되며,
   또한, 상기 증기홀은 원형으로 형성되되 직경이 상기 액체홀의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 곡면 다공판을 구비한 열사이펀.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

Images