KR20020037331A - Microstructured heat exchanger and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유체 또는 가스가 관류하는 특히 금속 중공 섬유 구조체(10)와 상기 중공 섬유 구조체(10)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 매트릭스 바디(15)를 구비한 미세 구조식 열교환기(5)와 그 제조 방법에 관한 것이다. 상기 매트릭스 바디(15)는 흑연 바디, 특히 서로 가압된 흑연막에 의해 형성된다. 바람직한 실시예에서 매트릭스 바디(15)는 플레이트 형태로 형성되고, 냉각하고자 하는 부품(17)과 열전도식으로 연결된다. 제시된 방법은 우선 중공 섬유 구조체(10)와 적어도 하나의 제 1 매트릭스 부분 바디(14) 및 적어도 하나의 제 2 매트릭스 부분 바디(14)를 제공하는 것을 제시하며, 상기 부분들 중 적어도 하나는 탄성 및/또는 소성 변형될 수 있고 양호하게 열전도된다. 그후, 중공 섬유 구조체(10)와 매트릭스 부분 바디(14)가 가압되어 미세 구조식 열교환기(5)가 형성된다.The present invention provides a microstructured heat exchanger (5) having a metal hollow fiber structure (10) through which a fluid or gas flows, and a matrix body (15) at least partially surrounding the hollow fiber structure (10) and a method of manufacturing the same. It is about. The matrix body 15 is formed by a graphite body, in particular a graphite film pressed against each other. In a preferred embodiment the matrix body 15 is formed in the form of a plate and is thermally connected to the component 17 to be cooled. The method presented first provides for providing the hollow fiber structure 10 and at least one first matrix partial body 14 and at least one second matrix partial body 14, at least one of which being elastic and And / or may be plastically deformed and preferably thermally conductive. Thereafter, the hollow fiber structure 10 and the matrix partial body 14 are pressed to form the microstructured heat exchanger 5.
Description
지금까지 전자 부품의 냉각은 하우징을 통한 고체 열전도 또는 외부 히트 싱크에 의해 주로 이루어졌다. 이때 방출 가능한 열량은 사용된 부품의 열전도성, 벽두께 및 특정의 표면에 의해 제한된다. 수냉식 열교환기를 사용할 경우, 전자 부품의 냉각시에 열교환기가 상기 부품에 열결합되는 문제점이 발생한다. 또한 종래의 수냉식 열교환기는 통상적인 개념의 열교환기보다 분명 비용이 많이 든다.Until now, the cooling of electronic components has been done primarily by solid heat conduction through the housing or by an external heat sink. The amount of heat that can be dissipated is then limited by the thermal conductivity, wall thickness and specific surface of the components used. When using a water-cooled heat exchanger, a problem arises in that the heat exchanger is thermally coupled to the component during cooling of the electronic component. In addition, conventional water-cooled heat exchangers are clearly more expensive than conventional concept heat exchangers.
금속 중공 섬유 구조체의 모세관 내부 공간를 통해서 유체가 흐르는 미세 구조식 열교환기를 실시하기 위한 제 1 방법은 독일특허출원 DE 199 10 985.0호에 제시되어 있다.A first method for carrying out a microstructured heat exchanger in which fluid flows through a capillary inner space of a metal hollow fiber structure is presented in DE 199 10 985.0.
본 발명의 과제는 한편으로는 냉각하고자 하는 부품에 양호하게 열결합될 수 있고 다른 한편으로는 양호하게 생산되는 미세 구조식 열교환기를 생산하고, 이를 위한 적합하고 단순한 제조 방법을 제시하고자 하는 것이다.The object of the present invention is to produce a microstructured heat exchanger that can be thermally bonded to the part to be cooled on the one hand and that is well produced on the other hand, and to present a suitable and simple manufacturing method for this.
본 발명은 독립항의 전제부에 따른 미세 구조식 열교환기 및, 그러한 미세 구조식 열교환기 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a microstructured heat exchanger according to the preamble of the independent claim and to a method for producing such a microstructured heat exchanger.
도 1은 금속 중공 섬유 구조체의 사시도.1 is a perspective view of a metal hollow fiber structure.
도 2a는 중공 섬유 구조체와 2 개의 흑연 바디와의 가압을 도시한 도면.FIG. 2A shows the pressurization of a hollow fiber structure with two graphite bodies. FIG.
도 2b는 도 2a에 따라 가압한 후에 얻어진, 중공 섬유 구조체가 통합된 매트릭스 바디를 도시한 도면.FIG. 2b shows a matrix body incorporating a hollow fiber structure, obtained after pressing according to FIG. 2a.
도 3은 냉각 플레이트가 장착된, 플레이트 형태의 미세 구조식 열교환기의 사시도.3 is a perspective view of a microstructured heat exchanger in the form of a plate, equipped with a cooling plate.
종래 기술에 반해, 본 발명에 따른 미세 구조식 열교환기 및 본 발명에 따른 방법은 단순한 방법으로, 많은 수의 작은 튜브들 또는 중공 섬유를 중공 섬유 구조체 내부에 평행하게 접속하고, 그에 따라 형성된 넓은 열교환기 면의 베이스에 높은 열량을 전달하거나 방출할 수 있는 장점이 있다. 또한 매트릭스 바디로서 흑연을 사용함으로써 특히 양호한 열결합 또는 본 발명에 따른 미세 구조식 열교환기의 양호한 열전도성이 얻어지는 것은 바람직하다. 더욱이 사용된 중공 섬유 구조체는 다수의 변형예 또는 구조 내에서 제조될 수 있기 때문에, 개별적 경우에서 각각의 과제에 맞게 단순한 방법으로 조정될 수 있다.In contrast to the prior art, the microstructured heat exchanger according to the invention and the method according to the invention are simple in that they connect a large number of small tubes or hollow fibers in parallel inside the hollow fiber structure, and thus a wide heat exchanger formed There is an advantage that can transmit or release high calories to the base of cotton. It is also preferred that by using graphite as the matrix body a particularly good thermal bond or good thermal conductivity of the microstructured heat exchanger according to the invention is obtained. Furthermore, since the hollow fiber structures used can be manufactured in many variations or structures, they can be adjusted in a simple manner to the individual task in the individual case.
본 발명에 따른 제조 방법은, 제조 가능한 미세 구조식 열교환기에 대한 단순성과 다양성으로 특징된다. 또한 흑연 및 다른 탄성 재료 또는 가압을 통해 소성될 수 있는 재료가 적절하며 상기 재료들은 동시에 양호한 열전도성을 포함한다.The production process according to the invention is characterized by simplicity and versatility for a microstructured heat exchanger that can be manufactured. Also suitable are graphite and other elastic materials or materials which can be calcined through pressurization and the materials contain good thermal conductivity at the same time.
본 발명의 바람직한 또 다른 실시예는 종속항에 언급된 방법에 나타난다.Another preferred embodiment of the invention appears in the process mentioned in the dependent claims.
사용된 중공 섬유 구조체는 특히, 금속 튜브들이 규칙적으로 배열될 때 바람직하며, 상기 튜브들은 가스 또는 유체가 통과될 수 있도록, 공동의 공급 라인 및 공동의 방출 라인에 연결된다.The hollow fiber structure used is particularly preferred when the metal tubes are arranged regularly, which are connected to the cavity supply line and the cavity discharge line so that gas or fluid can pass therethrough.
매트릭스 바디로는 주로 팽창된 흑연으로 미리 제조되고 서로 가압된 흑연막으로 구성된 흑연 바디가 특히 바람직하며, 특히 금속 중공 섬유 구조체는 가압시 상기 흑연막에 삽입된다. 이때 구조화되지 않은, 즉 평평한 흑연막이 사용될 수 있으며 또한 가압전에, 중공 섬유 구조체의 튜브의 배열에 상응하게 네가티브 구조화된 흑연막이 사용될 수도 있다.Particularly preferred as the matrix body is a graphite body which is preliminarily made of expanded graphite and composed of graphite films pressed against each other, in particular a metal hollow fiber structure is inserted into the graphite film upon pressing. An unstructured, i.e. flat, graphite film can then be used, and before pressing, a negative structured graphite film can also be used, corresponding to the arrangement of the tubes of the hollow fiber structure.
냉각하고자 하는 부품이 매트릭스 바디에 열결합하는 것과 관련하여서는, 상기 매트릭스 바디가 플레이트형으로 평평하게 형성되고 냉각 부품에 압착됨으로써 상기 부품과 열전도될 수 있도록 연결될 때 또한 바람직하다. 상기의 가압은 사용된 흑연 바디의 탄성 또는 소성 변형 가능성으로 인해 특히 단순해질 수 있으며, 또한 냉각 부품이 평평하지 않은 것이 조정되고 이는 열결합을 부가적으로 개선시킨다. 열결합을 개선시키거나 또는 흑연 바디와 냉각하고자 하는 부품 사이의 열전도성을 개선시키기 위해 선택적 또는 부가적으로, 열전도성 페이스트, 예컨대 평평한 흑연 바디 상에 제공된 전도층 형태의 페이스트가 사용될 수 있다.With regard to the thermal coupling of the component to be cooled to the matrix body, it is also preferred when the matrix body is formed flat in plate form and connected so as to be thermally conductive with the component by being pressed against the cooling component. The pressurization can be particularly simple due to the possibility of elastic or plastic deformation of the graphite body used, and it is also adjusted that the cooling part is not flat, which further improves thermal bonding. Optionally or additionally, a thermally conductive paste, such as a paste in the form of a conductive layer provided on a flat graphite body, may be used to improve thermal bonding or to improve the thermal conductivity between the graphite body and the component to be cooled.
본 발명은 도면 및 하기의 상세한 설명에 의해 더 자세히 설명된다.The invention is explained in more detail by the figures and the following detailed description.
본 발명은 우선적으로는 독일특허출원 DE 199 10 985.0호에 유사한 형태로 기술된 바와 같이, 금속 중공 섬유 구조체(10)에 관한 것이다. 이 경우 제조 과정에 대한 세부 사항은 생략된다.The invention primarily relates to a metal hollow fiber structure 10, as described in a similar form to German patent application DE 199 10 985.0. In this case, details of the manufacturing process are omitted.
도 1은 독일특허출원 DE 199 10 985.0호에 따라 제조된 중공 섬유 구조체(10)를 도시한다. 상기 구조체는 서로 평행하게 배열된 다수의 금속 튜브(13)들을 포함하며, 상기 튜브들은 가스 또는 유체가 통과될 수 있도록 공동의 공급 라인(12) 및 공동의 방출 라인(11)에 연결된다. 상기 튜브(13)와 공급 라인(12) 또는 방출 라인(11)은 예를 들어 니켈로 구성된다. 중공 섬유 구조체(10)의 튜브(13)의 벽두께는 도 1에 따라 100nm 와 50㎛ 사이, 특히 500nm 내지 5㎛에 달한다. 도 1에 따른 중공 섬유 구조체(10)의 튜브(13)의 중앙 간격은 일반적으로 5㎛와 10mm 사이, 특히 20㎛와 200㎛ 사이에 있다.1 shows a hollow fiber structure 10 made according to German patent application DE 199 10 985.0. The structure comprises a plurality of metal tubes 13 arranged parallel to one another, which are connected to the cavity supply line 12 and the cavity discharge line 11 so that gas or fluid can pass therethrough. The tube 13 and the supply line 12 or the discharge line 11 are made of nickel, for example. The wall thickness of the tube 13 of the hollow fiber structure 10 ranges between 100 nm and 50 μm, in particular between 500 nm and 5 μm according to FIG. 1. The central spacing of the tubes 13 of the hollow fiber structure 10 according to FIG. 1 is generally between 5 μm and 10 mm, in particular between 20 μm and 200 μm.
도 1에 따른 미세 구조체로부터 미세 구조식 열교환기(5)를 제조하기 위해, 우선 미리 팽창된 흑연으로 구성된 2 개의 흑연막이 제공되며 상기 막 사이에 중공 섬유 구조체(10)가 배열된다. 이는 도 2a를 이용하여 설명된다.In order to produce the microstructured heat exchanger 5 from the microstructure according to FIG. 1, firstly two graphite films composed of pre-expanded graphite are provided with a hollow fiber structure 10 arranged between them. This is illustrated using FIG. 2A.
여기서, 팽창된 흑연은 플로크(flock) 형태의 흑연을 의미하고, 상기 흑연은 2 g/l 내지 200 g/l의 전형적 부피 밀도를 가지며 산에 침지된 흑연 플레이트, 소위 흑연염으로 형성되고, 이들은 1200℃의 고온에서 충격 방식으로 팽창된다.Here, expanded graphite refers to graphite in the form of a flock, the graphite having a typical bulk density of 2 g / l to 200 g / l and formed of an acid immersed graphite plate, so-called graphite salt, They expand in an impact manner at high temperatures of 1200 ° C.
상기 중공 섬유 구조체(10)는 흑연막(14) 사이에 바람직하게 위치되므로, 튜브(13)는 막(14) 사이에 위치하는 반면 방출 라인(11)과 공급 라인(12)은 흑연막(14)으로 덮이지 않는다.Since the hollow fiber structure 10 is preferably located between the graphite films 14, the tube 13 is located between the films 14 while the discharge line 11 and the supply line 12 are connected to the graphite films 14. Not covered with)
도 2a에 따라 개별적으로, 팽창된 흑연으로 구성되고 약간 가압된 2 개의 흑연막(14) 사이에 중공 섬유 구조체(10)를 우선 배치한 다음 상기 양 흑연막(14)을 중공 섬유 구조체(10)와 함께 공동으로 가압하는 것이 도시된다. 상기와 같이 가압할 경우, 흑연막(14)의 탄성 및 소성 변형에 의해 부가적 결합제는 필요하지 않게 된다. 또한 사용된 흑연막(14)의 탄성은 튜브(13)가 흑연막(14)에 특히 양호하게 열결합할 수 있게 하므로, 흑연막(14)이 중공 섬유 구조체(10)와 함께 가압된 후에 형성된 매트릭스 바디(15)로부터 열이 매우 효율적으로 공급되거나 방출될 수 있다. 가압 후에 생긴 플레이트 형태의 매트릭스 바디(15)는 도 2b에 도시된다.Individually according to FIG. 2A, the hollow fiber structure 10 is first placed between two graphite films 14 composed of expanded graphite and slightly pressurized, and then the two graphite films 14 are replaced with the hollow fiber structures 10. Pressing together with the joint is shown. When pressurized as described above, additional binder is not required due to elasticity and plastic deformation of the graphite film 14. The elasticity of the graphite film 14 used also allows the tube 13 to thermally bond particularly well to the graphite film 14, so that the graphite film 14 is formed after being pressed together with the hollow fiber structure 10. Heat can be supplied or discharged from the matrix body 15 very efficiently. The plate-shaped matrix body 15 after pressing is shown in FIG. 2B.
도 2a에 따라 2 개의 평평한 흑연막을 가압하는 것과 달리 선택적으로, 상기 두 흑연막 중 적어도 하나는 가압 전에, 중공 섬유 구조체(10)의 튜브(13)의 배열에 상응되게 네가티브 구조화될 수 있다. 상기와 같은 방법으로 적은 압착력으로도 가압을 할 수 있으며 가압으로 인해 중공 섬유 구조체(10)에 발생할 수 있는 손상의 위험은 줄어든다. 상기 흑연막(14) 중 적어도 하나가 네가티브 구조화되는 것은 중공 섬유 구조체(10)에 상응하는 압력 구조물 또는 스탬프를 이용한 엠보싱에 의해 실현될 수 있다.Alternatively to pressing two flat graphite films according to FIG. 2A, optionally, at least one of the two graphite films may be negatively structured corresponding to the arrangement of the tubes 13 of the hollow fiber structure 10 before pressing. In the same manner as described above can be pressed with a small pressing force and the risk of damage that may occur due to the pressurized hollow fiber structure 10 is reduced. Negative structure of at least one of the graphite films 14 can be realized by embossing with a pressure structure or stamp corresponding to the hollow fiber structure 10.
본 제조 방법은 임의의 중공 섬유 구조체(10)에 적절하고, 흑연과 더불어, 탄성 또는 소성 변형될 수 있고 또한 열교환기를 위한 충분히 양호한 열전도성을가진 가압 전의 매트릭스 부분 바디와는 다른 매트릭스 바디에도 적합하다.The present manufacturing method is suitable for any hollow fiber structure 10 and is suitable for matrix bodies other than pre-pressing matrix partial bodies which can be elastic or plastically deformed with graphite and also have sufficiently good thermal conductivity for heat exchangers. .
그러한 점에서, 전술한 실시예에 따른 본 발명의 미세 구조식 열교환기(5)는 도 1에 따른 유체 가이드 또는 가스 가이드에 국한되지 않는다.In that respect, the microstructured heat exchanger 5 of the present invention according to the embodiment described above is not limited to the fluid guide or gas guide according to FIG. 1.
도 3은 제조된 매트릭스 바디(15)에 의해 냉각 플레이트(17) 형태인 냉각 부품이 어떻게 냉각되는지를 설명한다. 냉각 플레이트(17)는 적절한 압착력으로 매트릭스 바디(15)와 함께 가압되며, 냉각 플레이트(17)는 매트릭스 바디(15)에 열결합된다. 양호한 열결합은 사용된 흑연의 탄성 및 열전도성에 의해 재차 얻어진다. 냉각 플레이트(17) 대신에, 트랜지스터 또는 집적 회로와 같은 전원 부품이 제공될 수도 있으며 상기 부품의 전기 연결부는 주로 매트릭스 바디(15) 반대편 표면 상에 위치된다. 또한 도 3에 따라 매트릭스 바디(15)와 냉각 플레이트(17) 사이의 열결합을 개선하기 위해, 열전도성 페이스트(16)로 구성된 층이 매트릭스 바디(15) 상에 제공될 수 있다. 그러나 상기와 같은 전도성 페이스트는 한편으로 열전도성이 흑연보다 작고 다른 한편으로 점성은 수배이므로 그 사용이 여러 경우에서 바람직하지 않으며, 따라서 상기 전도성 페이스트는 장시간 안정성 테스트에서 때때로 흘러나가는 경향이 있다.3 illustrates how a cooling component in the form of a cooling plate 17 is cooled by the manufactured matrix body 15. The cooling plate 17 is pressed together with the matrix body 15 with an appropriate compressive force, and the cooling plate 17 is thermally coupled to the matrix body 15. Good thermal bonding is obtained again by the elasticity and thermal conductivity of the graphite used. Instead of the cooling plate 17, a power supply component such as a transistor or an integrated circuit may be provided, the electrical connection of which is mainly located on the surface opposite the matrix body 15. Also in accordance with FIG. 3, a layer of thermally conductive paste 16 may be provided on the matrix body 15 to improve thermal bonding between the matrix body 15 and the cooling plate 17. However, such a conductive paste is on the one hand smaller than graphite and on the other hand viscous, and therefore its use is undesirable in many cases, and therefore the conductive paste tends to flow out occasionally in long term stability tests.
상기 미세 구조식 열교환기(5)로부터 열을 공급하거나 또는 방출하기 위해서는 여러 개념이 적합하다. 따라서 유체 또는 공기와 같은 가스, 물 또는 냉각제를 사용함으로써 냉각이 이뤄질 수 있다. 이때 유체는 공급 라인(12)과 연결된 펌프를 통해서, 가스는 공급 라인(12)과 연결된 팬을 통해서 미세 구조식 열교환기(5)에 안내된다.Various concepts are suitable for supplying or dissipating heat from the microstructured heat exchanger 5. Thus cooling can be achieved by using a gas, water or coolant such as fluid or air. At this time, the fluid is guided to the microstructured heat exchanger 5 through a pump connected with the supply line 12 and through a fan connected with the supply line 12.
또한 미세 구조식 열교환기(5)의 내부, 즉 매트릭스 바디(15)에 삽입된 중공 섬유 구조체(10)의 내부에서 유체를 증발시키는 것이 가능하므로, 미세 구조식 열교환기(5)에서의 냉각은 열 교환 튜브의 원리에 따라 실시된다.It is also possible to evaporate the fluid inside the microstructure heat exchanger 5, ie inside the hollow fiber structure 10 inserted in the matrix body 15, so that the cooling in the microstructure heat exchanger 5 is heat exchanged. It is carried out according to the principle of the tube.
상기의 경우 냉각제는 순전히 중력 또는 모세관 힘을 통해서 심지형 구조 내에서 순환될 수 있기 때문에 펌프를 사용하는 것은 필요하지 않으며, 상기 구조는 예를 들어 공급 라인(12)에 통합된다.In this case it is not necessary to use a pump because the coolant can be circulated in the wicking structure through purely gravity or capillary forces, which structure is for example integrated into the supply line 12.
마찬가지로, 미세 구조식 열교환기(5)에 이미 통합된 열 교환 튜브를 통해, 생성된 응축물을 다시 반송하는 것도 제시된다.It is likewise presented to convey the resulting condensate again via a heat exchange tube already integrated in the microstructured heat exchanger 5.
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