KR101013889B1

KR101013889B1 - 히트 파이프를 이용한 컴팩트 열전기 냉각 방식의 열교환장치

Info

Publication number: KR101013889B1
Application number: KR1020030068390A
Authority: KR
Inventors: 이동규
Original assignee: 트랜스퍼시픽 소닉, 엘엘씨
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2011-02-14
Also published as: US20070039332A1; KR20050032350A; US7836704B2; WO2005031992A1

Abstract

본 발명은 기지국 등에 사용되는 옥외용 통신장비(무선통신기기, 전송장치 등)에서 함체 내부에 발생한 열을 효과적으로 처리하기 위한 히트 파이프를 이용한 컴팩트 열전기 냉각(Compact Thermo-Electric Cooling) 방식의 열교환 장치에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은 기존 방식의 열전기 냉각(TEC) 열교환기에 부착되는 히트 싱크(Heat Sink)를 제거하고, 열전기 냉각 장치 플레이트에 히트 파이프(Heat pipe)를 직접 삽입하여 고밀도의 핀 스택(Fin Stack)을 적용 가능하게 함으로써, 기존 방식에 대비하여 단위 체적당 방열 능력을 향상시킬 수 있도록 한 히트 파이프를 이용한 컴팩트 열전기 냉각 방식의 열교환 장치에 관한 것이다.

즉, 상기한 본 발명은 펠티어 효과(Peltier Effect)를 지닌 열전기 냉각 기술과 히트 파이프에 고밀도의 핀 스택을 적용할 수 있다는 점을 이용하여 기존 열전기 냉각 열교환기의 단위 체적당 방열 능력을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

TEC 열교환기, 히트 싱크(Heat Sink), 히트 파이프(Heat Pipe), 핀 스택(Fin Stack)

Description

히트 파이프를 이용한 컴팩트 열전기 냉각 방식의 열교환 장치{Compact thermal exchange unit of thermo-electric cooling mode using heat pipe}

도 1은 일반적인 옥외형 함체의 일실시 예를 나타낸 사시도이고,

도 2는 종래 기술에 따른 열전기 냉각(TEC) 열교환기의 구조를 나타낸 도면이고,

도 3은 본 발명에 의한 히트 파이프를 적용한 열전기 냉각(TEC) 열교환기의 구조를 나타낸 도면이고,

도 4는 종래 기술에 따른 히트 싱크 타입과 본 발명에 의한 히트 파이프 타입 각각에 대한 열 해석을 위한 모델링을 통한 결과값을 나타낸 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 ..... 열전기 냉각(TEC, Thermo-Electric Cooling) 장치

110, 120 ..... 플레이트(plate)

210, 220 ..... 히트 파이프(Heat Pipe)

300 ..... 외부 팬(External Fan)

400 ..... 내부 팬(Internal Fan)

350, 450 ..... 핀 스택(Fin Stack)

500 ..... 함체 벽

일반적으로, 각종 전자기기나 통신기기에는 내부에 설치되어 있는 각종 기기에 의하여 자체적으로 열을 발산하게 되는바, 이 열을 외부로 배출하지 않을 경우 열로 인하여 각종 기기가 파손되거나 단자가 녹아 쇼트를 일으키게 됨으로서 기기 의 수명을 단축시키게 되는 문제점이 있었다.

한편, 옥외용 통신장비는 기지국, 가입자 네트워크, 교통제어기 등 옥외형의 경우 별도의 방열장치를 이용하여 장비 내에서 발생하는 열을 본체 외부로 방출하거나 외기를 본체 내측으로 흡입하여 본체 내부를 냉각하는 등의 방법을 채택하고 있다.

또한, 종래의 광중계장치는 데이터 량이 적어 주파수가 낮은 저주파대에서 통신이 이루어져 비교적 열손실이 적어 이 부분에 방열은 히트 싱크(Heat Sink)로 설계되어도 문제가 없었으나, 현재 통신량의 증가에 따른 대용량화, 초고속화로 주파수대의 초고주파와, 통신장비의 고집적 소형경량화로 고열의 발생이 불가피한 상태에서 기존의 힌트 싱크에 의한 방열처리는 한계성에 와있는 상태이며 이를 해결하기 위한 강제 냉각 방식인 팬을 부착하여 냉각장치로 이용하는 기술들이 제시되고 있는 실정이다.

종래의 기술에 의한 옥외용 함체를 도 1을 참고로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 옥외형 함체의 일실시 예를 나타낸 사시도이다.

이에 도시된 바와 같이, 옥외용 기지국은 실제 서비스를 제공하기 위한 기지국 내부 시스템 외에, 내부 시스템을 단열 시키고 외부의 파괴 요인으로부터 보호하기 위한 외부 함체(70)와, 상기 시스템의 내부 온도를 일정한 범위 내에서 유지시켜 주기 위해 상기 함체(70)의 상부에 배치된 열교환기(72)와, 상기 함체(70) 내부의 공기가 밖으로 배출되고 상기 함체(70) 외부의 공기가 안으로 흡입될 수 있도록 상기 열교환기(72)의 상면에 형성된 공기흡입 및 배출구(74)로 구성된다.

또한, 상기 함체(70)의 일측면에는 시스템 내부의 유지 및 보수 작업을 할 수 있도록 손잡이(76)가 구비된 도어(78)가 회동 가능하게 설치되며, 상기 열교환기(72)와 함체(70) 사이에는 시스템과 열교환기(72) 사이의 방수 및 방우를 위한 디-가스켓(D-Gasket)(80)이 설치되고, 상기 함체(70)의 하단부에는 시스템의 케이블(미도시)을 포설하기 위한 플린스(Plinth)(82)가 설치된다.

상기와 같이 구성된 기술에 대한 동작을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 상기 함체(70) 내부의 일측에 설치한 온도센서(미도시)를 이용하여 온도를 감지하여, 상기 감지된 온도가 미리 설정된 온도 이상으로 올라가면 내부 공기 배출용 팬 도는 외부 및/또는 외부 공기 흡입용 팬(미도시)을 가동하여 상기 열교환기(72)의 히트 플레이트(미도시)를 통해 열교환 되어 시스템 내부의 온도를 일정하게 유지시켜 준다.

한편, 상기 도 1에 나타낸 바와 같은 종래 기술에 따른 열교환기의 구성을 살펴보면 다음과 같다.

도 2는 종래 기술에 따른 열전기 냉각(TEC) 열교환기의 구조를 나타낸 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 차가운쪽 절연체와 뜨거운 쪽 절연체 및 양쪽에 전도성 물질로 도금된 반도체 그리드(grid)를 포함하며, 열 교환 관계에 있는 하나 또는 다수의 열전기 냉각 장치(Thermal Electric Cooling Elements)(10)와, 부품의 손실로 인하여 나오는 열로 고온으로 가열되었을 때, 그 열을 방출시키기 위한 히트 싱크(Heat Sink)(21)(22)와, 외부 공기를 공급구멍을 통하여 받아들여, 열전기 냉각(TEC) 장치(10)를 통과하게 하고 배출구멍을 통하여 외부에 배출시키는 외부 팬(External Fan)(30)과, 내부 공기를 히트 싱크(20a)(20b) 및 열전기 냉각 장치(10)를 통하게 하는 내부 팬(Internal Fan)(40)으로 이루어진다.

상기에서와 같이 종래 기술에 적용되는 열전기 냉각 열교환기는 열전기 냉각 장치의 양쪽 플레이트(plate)에 히트 싱크를 부착하는 방식으로서, 상기 히트 싱크는 압출로 제작되거나 그 크기가 큰 경우 Bonded 타입으로 제작된다. 즉, 핀의 높이가 100mm 이상인 경우 제작 공정상의 제한으로 피치(pitch)가 10mm 이상, 두께가 2mm 이상이 되어야 하므로 단위 체적당 방열 면적에 한계가 있다. 또한 히트 싱크 베이스(base)로 부터 핀 끝단까지의 열 저항도 무시할 수 없는 요소이다.

다시 말하면, 기존 방식의 열전기 냉각(TEC) 열교환기는 압출 히트 싱크 또는 그 크기가 큰 경우 Bonded 타입의 히트 싱크를 사용하는데, 이는 그 제작 공정상의 문제로 핀의 높이 및 두께와 피치가 제한되어 많은 방열 면적을 가질 수 없으며, 따라서 단위 체적당 방열 능력이 낮은 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명의 목적은 펠티어 효과(Peltier Effect)를 지닌 열전기 냉각 기술과 히트 파이프에 고밀도의 핀 스택(Fin Stack)을 적용할 수 있다는 점을 이용하여 기존 방식의 열전기 냉각(TEC) 열교환기에 부착되는 히트 싱크(Heat Sink)를 제거하 고, 열전기 냉각 장치 플레이트에 히트 파이프(Heat Pipe)를 직접 삽입하여 고밀도의 핀 스택(Fin Stack)을 적용 가능하게 함으로써, 기존 방식에 대비하여 단위 체적당 방열 능력을 향상시킬 수 있도록 하고, 또한 이를 통해 기지국 등에 사용되는 옥외용 통신장비에서 함체 내부에 발생한 열을 효과적으로 처리할 수 있도록 한 히트 파이프를 이용한 컴팩트 열전기 냉각 방식의 열교환 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열교환 장치는, 열전기 냉각 장치(100); 상기 열전기 냉각 장치(100)의 상단과 하단에 각각 설치된 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120); 상기 제1 플레이트(110) 상에 설치된 상부 함체 벽(500); 상기 제2 플레이트(120) 상에 설치된 하부 함체 벽(500); 상기 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120)로부터 각각 연장하는 제1 히트 파이프(210) 및 제2 히트 파이프(220); 상기 제1 히트 파이프(210) 상에 형성되는 제1 핀 스택(350); 외부 공기 흡입을 위해 상기 제1 핀 스택(350)의 상단부에 형성된 외부 팬(300); 상기 제2 히트 파이프(220) 상에 형성되는 제2 핀 스택(450); 및 내부 공기 배출을 위해 상기 제2 핀 스택(450)의 하단부에 형성된 내부 팬(400)을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 장치는, 제1 열 전달 플레이트(110)와 제2 열 전달 플레이트(120)를 갖는 열전기 열 교환기(100); 상기 제1 열 전달 플레이트(110)로부터 연장하는 제1 히트 파이프(210); 상기 제2 열 전달 플레이트(120)로부터 연장하는 제2 히트 파이프(220); 상기 제1 열 전달 플레이트(110) 상에 배치되는 제1 함체 벽(500); 및 상기 제2 열 전달 플레이트(120) 상에 배치되는 제2 함체 벽(500)을 포함한다. 상기 장치는 상기 제1 히트 파이프(210) 상에 형성되는 제1 핀 스택(350)을 더 포함할 수 있다. 상기 장치는 상기 제2 히트 파이프(220) 상에 형성되는 제2 핀 스택(450)을 더 포함할 수 있다. 상기 장치는 상기 제1 핀 스택(350)을 위해 제공되는 제1 팬(300)을 더 포함할 수 있다. 상기 장치는 상기 제2 핀 스택(450)을 위해 제공되는 제2 팬(400)을 더 포함할 수 있다.

삭제

이하, 상기와 같은 기술적 사상에 따른 본 발명의 「히트 파이프를 이용한 컴팩트 열전기 냉각 방식의 열교환 장치」의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의 거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 의한 히트 파이프를 적용한 열전기 냉각(TEC) 열교환기의 구조를 나타낸 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 열교환기 내부 중심부에 전열(傳熱) 면적을 고려하여 형성된 열전기 냉각 장치(열전기 열 교환기)(100)의 제1 및 제2 플레이트(110)(120)가 상하단에 각각 설치되고, 상기 각 플레이트(110)(120) 상단 및 하단에는 제1 및 제2 함체 벽(500)이 설치된다.

또한, 상기 각각의 플레이트(110)(120) 내부 중심에 다수의 히트 파이프(210)(220)가 직접 삽입되어 형성되며, 이때 제1 히트 파이프(210)는 제1 플레이트(110)의 내부 중심에 삽입되어 우측으로 형성되고, 제2 히트 파이프(220)는 제2 플레이트(120)의 내부 중심에 삽입되어 좌측으로 형성된다.

한편, 상기 히트 파이프(210) 일측에는 히트 파이프(210)를 중심으로 두께가 얇은 고밀도의 핀 스택(350)이 형성되고, 제1 핀 스택(350)의 상단부에 외부 공기 흡입을 위한 외부 팬(제1 팬)(300)이 형성된다.

또한, 상기 히트 파이프(220) 일측에는 히트 파이프(220)를 중심으로 두께가 얇은 고밀도의 핀 스택(450)이 형성되고, 제2 핀 스택(450)의 하단부에 내부 공기 배출을 위한 내부 팬(제2 팬)(400)이 형성되도록 이루어진다.

여기서, 상기 히트 파이프(210)(220)는, 파이프의 한쪽 끝에 열이 가해지면 액체가 증발하여 열 에너지를 가지면서 다른 끝으로 이동하고, 상기 파이프의 다른 끝에서는 상기 가열된 열을 방열한 후 다시 파이프 속을 지나 본래의 위치로 돌아오는 구조를 통해 열을 효율적으로 전하는 기능을 수행한다.

통상적으로, 옥외형 통신장비는 먼지, 고/저온, 습도 등의 외부 환경으로부터 함체 내부를 보호하기 위하여 외부와 차폐하여야 한다. 따라서 내부 발열로 인한 온도 상승을 막기 위해 열교환 장치가 필수적으로 적용된다. 또한 상기 장비의 사용 환경은 일반적으로 -30 ∼ 50℃이며, 장비 내부에 실장되는 부품의 작동 온도는 0 ∼ 60℃이므로 열교환기의 성능은 최종 △T10℃를 만족해야 한다.

한편, 외기 온도가 아주 높거나 고온에 취약한 부품을 실장하는 경우와 같이 장비 내부온도를 외기보다 낮게 유지할 필요가 있을 때에는 판형 열교환기나 히트 파이프 열교환기를 적용할 수 없으므로, 열전기 냉각(TEC) 장치를 이용한 열교환기나 공기 조절장치(Air Conditioner)를 사용한다.

그러나, 상기 공기 조절장치는 냉각 성능은 우수하지만 냉매의 누출 위험이 항상 존재하므로 냉매 보충 등의 지속적인 관리가 필요한 문제점이 있었다. 이에 반해 열전기 냉각 방식의 열교환기는 유지보수가 필요 없으며 수명이 반영구적이며, 또한 팬(Fan)을 제외하고는 기계적 작동 부위가 없어 소음이 작고 안정적인 이점을 가진다.

여기서, 기존에 사용된 열전기 냉각 방식 열교환기는 상기 첨부한 도면 도 2에서와 같이 열전기 냉각 장치의 양쪽 플레이트에 히트 싱크를 부착하는 방식을 이용하고 있다. 이때, 상기 히트 싱크는 압출로 제작되거나 그 크기가 큰 경우 반디드 타입(Bonded Type)으로 제작된다. 즉, 핀(Fin)의 높이가 100mm 이상인 경우 제작 공정상의 제한으로 피치(pitch)가 10mm 이상, 두께가 2mm 이상이 되어야 하므로 단위 체적당 방열 면적에 한계가 따른다. 또한 히트 싱크 베이스(Base)로부터 핀 끝단까지의 열 저항도 무시할 수 없는 요소가 되었다.

본 발명에서는 상기의 문제점을 보완하기 위하여 상기 첨부한 도면 도 3에서와 같이, 히트 싱크를 제거하고, 상기 열전기 냉각 장치의 플레이트에 히트 파이프를 삽입한 다음 그 끝에 두께가 얇은 핀을 스택하였다. 따라서, 히트 파이프에 핀을 스택할 경우 핀 두께는 0.1mm, 피치는 2mm 이하로 제작할 수 있으므로 인해 기존 제품에 비해 단위 체적당 방열 면적이 크게 증가하여 방열 성능을 향상시킬 수 있는 것이다.

도 4는 종래 기술에 따른 히트 싱크 타입과 본 발명에 의한 히트 파이프 타입 각각에 대한 열 해석을 위한 모델링을 통한 결과값을 나타낸 것으로서, 이때 열 해석 프로그램은 Flotherm을 사용하였으며, 팬을 통해 유입되는 냉각공기의 온도는 50℃이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 히트 싱크 타입과 히트 파이프 타입 각각에 대한 열 해석의 결과, 히트 싱크 타입에서 베이스 중앙의 온도는 77.0℃이며, 히트 파이프 타입의 베이스 중앙 온도는 71.1℃이며, 외기와의 온도차 △T가 27.0℃에서 21.1℃로 감소하였다.

따라서, 본 발명의 열전기 냉각 방식의 열교환기가 기존 방식에 비해 방열 성능이 뛰어남을 알 수 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 히트 파이프를 이용한 컴팩트 열전기 냉각 방식의 열교환 장치에 대한 구체적인 실시 예에 대하여 설명하도록 하지만, 본 발명은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여 러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술되는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서 상술한 본 발명 "히트 파이프를 이용한 컴팩트 열전기 냉각 방식의 열교환 장치"에 따르면,

펠티어 효과(Peltier Effect)를 지닌 열전기 냉각 기술과 히트 파이프에 고밀도의 핀 스택(Fin Stack)을 적용할 수 있다는 점을 이용하여 기존 방식의 열전기 냉각(TEC) 열교환기에 부착되는 히트 싱크(Heat Sink)를 제거하고, 열전기 냉각 장치 플레이트에 히트 파이프(Heat Pipe)를 직접 삽입하여 구성함으로써, 고밀도의 핀 스택(Fin Stack)이 적용 가능한 이점을 가진다.

또한, 상기에서와 같이 고밀도의 핀 스택이 적용 가능함으로 인해, 기존 방식에 대비하여 단위 체적당 방열 능력을 향상시킬 수 있도록 하고, 또한 이를 통해 기지국 등에 사용되는 옥외용 통신장비에서 함체 내부에 발생한 열을 효과적으로 처리할 수 있는 이점을 가진다.

또한, 상기에서와 같이 단위 체적당 방열 면적이 증가함으로 인해 열교환기의 크기를 줄일 수 있으며, 열교환기 크기를 줄임으로써 함체의 크기도 줄일 수 있는 이점을 가진다.

또한, 히트 파이프의 배치가 자유로우며, 이는 열교환기 근처의 공간에 대해 효율적인 사용이 가능하다는 이점을 가진다.

또한, 종래 기술에서는 히트 싱크를 더 크게 할 수 없을 경우 부족한 방열 능력을 보충하기 위하여 더 큰 용량의 열전기 냉각(TEC) 장치를 사용하는 반면, 본 발명에서는 핀 스택의 방열 능력이 상대적으로 우수하므로 열전기 냉각 장치의 용량을 늘일 필요가 없이 이에 대한 전력 감소 효과를 기대할 수 있는 이점을 가진다.

Claims

열전기 냉각 장치(100);

상기 열전기 냉각 장치(100)의 상단과 하단에 각각 설치된 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120);

상기 제1 플레이트(110) 상에 설치된 상부 함체 벽(500);

상기 제2 플레이트(120) 상에 설치된 하부 함체 벽(500);

상기 제1 플레이트(110) 및 제2 플레이트(120)로부터 각각 연장하는 제1 히트 파이프(210) 및 제2 히트 파이프(220);

상기 제1 히트 파이프(210) 상에 형성되는 제1 핀 스택(350);

외부 공기 흡입을 위해 상기 제1 핀 스택(350)의 상단부에 형성된 외부 팬(300);

상기 제2 히트 파이프(220) 상에 형성되는 제2 핀 스택(450); 및

내부 공기 배출을 위해 상기 제2 핀 스택(450)의 하단부에 형성된 내부 팬(400)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환 장치.
제1 열 전달 플레이트(110)와 제2 열 전달 플레이트(120)를 갖는 열전기 열 교환기(100);

상기 제1 열 전달 플레이트(110)로부터 연장하는 제1 히트 파이프(210);

상기 제2 열 전달 플레이트(120)로부터 연장하는 제2 히트 파이프(220);

상기 제1 열 전달 플레이트(110) 상에 배치되는 제1 함체 벽(500); 및

상기 제2 열 전달 플레이트(120) 상에 배치되는 제2 함체 벽(500)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 제1 히트 파이프(210) 상에 형성되는 제1 핀 스택(350)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 제2 히트 파이프(220) 상에 형성되는 제2 핀 스택(450)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 제1 핀 스택(350)을 위해 제공되는 제1 팬(300)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 제2 핀 스택(450)을 위해 제공되는 제2 팬(400)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.