JP2021512270A

JP2021512270A - 電気、電子機器冷却用熱伝導システム

Info

Publication number: JP2021512270A
Application number: JP2020542078A
Authority: JP
Inventors: オー，ジー−ヨン
Original assignee: スマートウェアソリューションズインコーポレイテッド
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2021-05-13
Also published as: KR20200052722A; WO2020096320A1

Abstract

【課題】気化した作動流体で発熱体の熱を速かに冷却させる熱伝導システムを提供する。【解決手段】本発明は、発熱体上に設置されて前記発熱体が発生させる熱を吸収伝達する熱伝導装置において、本体を形成し、中空の形状であり、内部が真空状態であるハウジングボディー、発熱体と面接触をするように備えられ、作動流体を収容する空間を提供する作動流体貯蔵部および前記作動流体貯蔵部と前記ハウジングボディーの間に備えられて、気化した作動流体がジェット流を形成して排出されるようにする気体排出部を含むことを特徴とする熱伝導装置に関する。【選択図】図１

Description

本発明は発熱部品冷却用熱伝導システムに関し、その例として半導体チップやＬＥＤのような発熱器具に設置されて、発熱器具から発生する熱を最小限の体積でも速かに排出させる発熱部品冷却用熱伝導システムに関する。

電子機器および照明機器を設計する際に最も懸念される問題の一つは、その駆動中に電子部品から発生する熱が悪影響を及ぼして電子機器または照明機器の性能を阻害することである。

例えば、コンピュータおよび移動通信などの電子機器には、多量のデータを処理できる電子部品、すなわち、パッケージングされた半導体チップが装着され、このような半導体チップがデータを処理する過程で熱が発生し、このように発生する熱が一定温度以上に上昇すると、半導体チップ自体はもちろん周辺の部品にまで影響を及ぼして電子機器全体の性能に悪影響を及ぼす。

同様に、ＬＥＤ照明機器の場合にもその使用中にＬＥＤチップから多くの熱が発生し、このように発生する熱が一定温度以上に上昇すると、ＬＥＤチップはもちろん周辺の部品にまで影響を及ぼしてＬＥＤ照明機器全体の性能に致命的な悪影響を及ぼす。

したがって、電子機器および照明機器の使用中に発生する熱を外部に速かに放出させるための熱伝導システムが必要となったのであり、最近の電子機器および照明機器が小型化および軽量化されるにつれて、機器の内部に内蔵される電子部品が高集積化されることによって単位体積当たりに発生する熱がさらに増加することにより、半導体チップおよびＬＥＤチップのような電子部品で発生する熱を効果的に放出させるための熱伝導システムに対する要求がますます高くなっている。

本発明は前記した問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は気化した作動流体で発熱体の熱を速かに冷却させる熱伝導システムを提供することにある。

前記の問題点を解決するために、本発明の一実施例に係る熱伝導システムは、発熱体上に設置されて前記発熱体が発生させる熱を吸収伝達する熱伝導装置において、本体を形成し、中空の形状であり、内部が真空状態であるハウジングボディーと、発熱体と面接触をするように備えられ、作動流体を収容する空間を提供する作動流体貯蔵部および前記作動流体貯蔵部と、前記ハウジングボディーの間に備えられて、気化した作動流体がジェット流を形成して排出されるようにする気体排出部とを含むことを特徴とする、熱伝導装置を提供することを課題の解決手段とする。

また、前記作動流体貯蔵部は、第１断面積を有し、液状の作動流体が収容される円盤状の第１貯蔵部および第２断面積を有し、気化した作動流体が移動する流路を形成する第２貯蔵部を含むことを特徴とする、熱伝導装置を提供することを課題の解決手段とする。

また、前記作動流体貯蔵部は前記作動流体を含浸できる構造体を含み、前記構造体は柔軟性および熱伝導性を有する材質からなることを特徴とする、熱伝導装置を提供することを課題の解決手段とする。

また、前記気体排出部は前記作動流体貯蔵部で蒸発した気体状の作動流体の体積によって、前記気体状の作動流体がジェット流を形成して排出されるように形成されることを特徴とする、熱伝導装置を提供することを課題の解決手段とする。

また、前記気体排出部は少なくとも一つ以上の複数の直径を有する開口部を含むことを特徴とする、熱伝導装置を提供することを課題の解決手段とする。

また、前記少なくとも一つ以上の開口部の直径は２０ミクロン〜１００ミクロンであることを特徴とする、熱伝導装置を提供することを課題の解決手段とする。

また、前記第２貯蔵部は前記ハウジングボディーの内部で再凝縮された作動流体が前記作動流体貯蔵部に案内されるように、少なくとも一部が負の傾きを有するように形成されることを特徴とする、熱伝導装置を提供することを課題の解決手段とする。

また、前記気体排出部は多孔性素材からなることを特徴とする、熱伝導装置を提供することを課題の解決手段とする。

また、前記気体排出部と前記作動流体貯蔵部の間に備えられて、気化した作動流体が外部に流出（Ｌｅａｋ）することを防止する中空の形状のシーリング部材をさらに含むことを特徴とする、熱伝導装置を提供することを課題の解決手段とする。

また、前記ハウジングの一面に備えられ、前記発熱体の前面に向かって空気の流動を供給する空気流動供給部をさらに含むことを特徴とする、熱伝導装置を提供することを課題の解決手段とする。

前記した構成の本発明によると、半導体チップやＬＥＤ照明灯のような多量の熱が発生する発熱体上に設置されて、発熱体から発生した熱を吸収した作動流体が気化してジェット流を形成して、放熱装置内で速く循環することによって発熱体を速かに冷却させることができる。

本発明の一実施例に係る放熱装置を示す概略斜視図である。本発明の他の実施例に係る放熱装置の一部を示す概略斜視図である。本発明の他の実施例に係る放熱装置を示す概略斜視図である。本発明のさらに他の実施例に係る放熱装置を図示した図面である。本発明のさらに他の実施例に係る放熱装置の第２隔壁の形状を図示した図面である。本発明の他の実施例に係る放熱装置を図示した図面である。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例をより詳細に説明する。図面において、同じ構成要素は同じ参照符号を使用し、同じ構成要素についての重複する説明は省略する。そして、本発明は多数の異なる形態で具現され得、記述された実施例に限定されない。

図１は本発明の一実施例に係る放熱装置を示す概略斜視図であり、図２は本発明の他の実施例に係る放熱装置の一部を示す概略斜視図であり、図３は本発明の他の実施例に係る放熱装置を示す概略斜視図である。

図１で示すように、本発明の一実施例に係る放熱装置１００は、ハウジングボディー１０、作動流体貯蔵部２０、作動流体注入口３０、隔壁４０、気体排出部５０およびハウジングカバー６０を含む。

本発明の一実施例に係る放熱装置１００は、発熱体Ｈ上に設置されて発熱体Ｈが発生させる熱を吸収することができる。

発熱体Ｈの例としては、ＣＰＵ、パワートランジスタ、ＬＥＤ、通信機器のＲＦモジュール、自動車のバッテリーなどの電子部品があり、発熱体Ｈの種類や形状によって本発明の実施例に係る放熱装置１００の大きさと形状は適切に変形され得る。

ハウジングボディー１０は、本体を形成し、中空の形状であり、内部が真空状態であり得る。

ハウジングボディー１０は熱伝導率の高い金属材質からなり得る。例えば、電解銅、ステンレススチール、低炭素鋼、アルミニウムなどの伝導性の大きい金属材質やまたは高温抵抗性が高く、耐腐食性が高いポリプロピレンなどのプラスチック材質からなり得る。

一実施例によると、ハウジングボディー１０は０．３ｍｍ〜０．６ｍｍの厚さで形成され得る。

これにより、経済性、製作容易性、高温による充填物の膨張による破損の危険の予防が可能である。

一実施例によると、ハウジングボディー１０は、底面に発熱体Ｈの形状に対応するように形成されたグルーブを含み、発熱体Ｈと接触することによって熱が伝導され得る。

したがって、発熱体Ｈとの接触状態を安定的に維持でき、向上した熱伝導性を有する。

作動流体貯蔵部２０はハウジングボディー１０の下部に形成され、内部には相変化を通じて熱を吸収する媒体である作動流体を貯蔵することができる。

一実施例によると、作動流体は冷却させようとする発熱体Ｈの作動温度範囲で沸騰点を有する水、アルコールなどの比熱容量が大きい液体を含む。

一実施例によると、作動流体貯蔵部２０は作動流体を含浸できる構造体（図示せず）を含み、このような構造体は柔軟性および熱伝導性を有する材質からなり得る。

また、構造体は網または編組み線の形態であり得、作動流体貯蔵部２０の内側でありハウジングボディー１０の内部の底上に熱接触して配置され得る。

このような構造体は高い熱伝導率を有するため、本発明の一実施例に係る放熱装置１００の放熱効果を向上させるとともに、断面積を広げて含浸できる作動流体の量を増やす役割をする。

一実施例によると、作動流体貯蔵部２０は、作動流体が発熱体Ｈの熱を吸収して蒸発する空間である蒸発部を含むため、蒸発した作動流体を一時的に保有して後述するジェット流を効果的に形成することができる。

一実施例によると、作動流体貯蔵部２０はハウジングボディー１０の内側に形成されたシリンダーの形状であり得、発熱体Ｈの形状および／またはハウジングボディー１０の形状にしたがって半球体の形状（図２参照）のように多様に変形実施され得る。

作動流体注入口３０はハウジングボディー１０の一側に形成され得、作動流体貯蔵部２０の内部に作動流体を案内することができる。

一実施例によると、作動流体注入口３０は作動流体貯蔵部２０と連結され得、作動流体貯蔵部２０の形成位置に対応するようにハウジングボディー１０の一側に形成され得る。

隔壁４０はハウジングボディー１０の内側で作動流体貯蔵部２０を囲むように形成され得る。

一実施例によると、隔壁４０はハウジングボディー１０の内部を作動流体貯蔵部２０とその他の空間である拡散部に区分することができ、拡散部の体積は作動流体貯蔵部２０の体積より大きくてもよい。

これにより、蒸発した作動流体が拡散部に移動した時、作動流体貯蔵部２０と拡散部の圧力が同一になることが防止される。

また、隔壁４０とハウジングボディー１０の間には作動流体が流れるギャップ部が形成され得る。

隔壁４０は作動流体貯蔵部２０を囲む形状であれば充分であり、図２でのようにドームまたは半球の形状を有するシェルで形成され得る。

気体排出部５０は隔壁４０の一側面に形成され得る。

一実施例によると、気体排出部５０は、作動流体貯蔵部２０で蒸発した気体状の作動流体の体積によって、気体状の作動流体がジェット流を形成して排出されるように形成され得る。

気体排出部５０は発熱体Ｈの発熱量に基づいた放熱装置１００の冷却容量および／または作動流体の飽和蒸気圧により形成され得る。

一実施例によると、作動流体を蒸溜水と仮定し、１００ＷのＬＥＤを冷却するにおいて、作動流体貯蔵部２０の温度が６０℃、作動流体貯蔵部２０以外の空間である拡散部の温度が４５℃であれば、蒸溜水の飽和蒸気圧は６０℃で２０ｋＰａ、４５℃で１０ｋＰａであるので、作動流体貯蔵部２０と拡散部の間に１０ｋＰａの圧力差が形成される。

１０ｋＰａの圧力は１／２＊作動流体貯蔵部２０の密度＊流動速度＾２であり、作動流体貯蔵部２０の密度（蒸溜水の密度）は６０℃で１３０ｇ／ｍ＾３であるので、水蒸気（蒸発した蒸溜水）は４００ｍ／ｓの流動速度を有する。

ここで、水蒸気の秒当たりの体積排出量は、気体排出部５０の面積＊流動速度であるので、決定された流動速度（４００ｍ／ｓ）によって、気体排出部５０の面積を設定して水蒸気の秒当たりの体積排出量を設定することができる。

このように、気体排出部５０から排出される水蒸気の秒当たりの体積排出量を気体排出部５０の面積によって制御することによって、所望の速度のジェット流を誘導することができる。

したがって、放熱装置内で速く循環することによって発熱体を速かに冷却させることができる。

気体排出部５０の形状および／または個数は制限されず、発熱体Ｈの発熱量によりジェット流の形成のために変形実施され得る。

ハウジングカバー６０はハウジングボディー１０の上部に形成され得、ハウジングボディー１０の内部で再凝縮された作動流体が重力によって作動流体貯蔵部２０に案内されるように、少なくとも一部が負の傾きを有するように形成され得る。

本発明の一実施例に係る放熱装置１００の作動について説明する。

ハウジングボディー１０は真空状態を維持するように形成され得る。

発熱体Ｈの熱はハウジングボディー１０の底面に沿って伝導し、作動流体貯蔵部２０内の作動流体が吸熱盤を通じて蒸発する。

これにより、作動流体貯蔵部２０内に作動流体の飽和蒸気（飽和蒸気圧到達）が形成される。

このとき、拡散部は作動流体貯蔵部２０に比べて圧力が低いため、気体排出部５０を通じて蒸発した作動流体は拡散部に向かって断熱膨張する。

断熱膨張した作動流体は、拡散部内で上昇しながら再び外気の低い温度によって凝縮され、凝縮された作動流体はハウジングカバー６０とハウジングボディー１０の内面に沿って再び作動流体貯蔵部２０に復帰する（隔壁４０とハウジングボディー１０の間のギャップ部を通じて復帰）。

この過程で冷却された作動流体は、ハウジングカバー６０を含んでいるハウジングボディー１０の上部を冷却させ、放熱装置１００の上下部の温度差を形成することによって放熱装置１００の外壁を通じての熱伝導冷却を形成する。

図３は、本発明の他の実施例に係る放熱装置を示す概略斜視図である。

図１および図２に図示された実施例の放熱装置との差異点を中心に説明する。

図３を参照すると、本発明の他の実施例に係る放熱装置の隔壁４２１、４２３、４２５は、作動流体を囲むように備えられる第１隔壁４２１、一端が第１隔壁４２１と連通するように備えられ、他端が第３隔壁４２５と連通するように備えられて、蒸発した作動流体が移動する流路を提供する第２隔壁４２３および第１隔壁４２１および第２隔壁４２３を通じて移動した作動流体の蒸気を排出する少なくとも一つ以上の気体排出部５２を含む第３隔壁４２５を含むことができる。

第３隔壁４２５は黄銅の焼結体であってもよい。

第３隔壁４２５は球状の錫合金黄銅焼結体粉末を金属の金型に入れて約７００℃で圧力を加えて焼結処理して製造され得る。

黄銅焼結体の製造方法については通常の技術者に自明な事項であるため、詳細な説明は省略する。

前記第３隔壁４２５は黄銅だけでなく、ステンレススチール、ニッケル、プラスチックまたはセラミック粉末からなる焼結体でなってもよい。

このような第３隔壁４２５の材料は理解を助けるために例を挙げたものであって、使用者は必要に応じて多様な材料を利用して焼結体を形成することができ、これは本発明の権利範囲を限定しようとする意図ではない。

前記第３隔壁４２５に少なくとも一つ以上備えられる気体排出部５２の直径は２０ミクロン〜１００ミクロンに形成されてもよい。

また、少なくとも一つ以上の気体排出部５２の平均直径は５０ミクロンに形成されてもよい。

また、少なくとも一つ以上の気体排出部５２のそれぞれの直径は互いに異なるように形成されてもよい。

このように、少なくとも一つ以上の気体排出部５２のそれぞれの直径が一定の範囲内に備えられると共に、互いに異なるように備えられる理由は下記の通りである。

発熱体の熱負荷により蒸発が発生する部位の温度は、凝縮が発生する部位の温度より相対的に高く、凝縮が発生する部分の温度も周囲の空気（Ｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）により変わる。

飽和蒸気圧力の差によって作動流体が蒸発した気体が少なくとも一つ以上の気体排出部５２を貫通するため、気体排出部５２の直径は作動流体が蒸発した気体の速度を決定する。

したがって、本発明のように少なくとも一つ以上の気体排出部５２のそれぞれの直径が互いに異なるように備えられることによって、外部要因の変化に能動的に対応できる効果がある。

図４は本発明のさらに他の実施例に係る放熱装置を図示したものであり、図５は本発明のさらに他の実施例に係る放熱装置の作動流体貯蔵部の形状を図示したものである。

図４および図５を参照すると、本発明のさらに他の実施例に係る放熱装置は、本体を形成し、中空の形状であり、内部が真空状態であるハウジングボディー２２、発熱体Ｈと面接触をするように備えられ、作動流体を収容する空間を提供する作動流体貯蔵部４２３および前記作動流体貯蔵部４２３と前記ハウジングボディー２２の間に備えられて、気化した作動流体がジェット流を形成して排出されるようにする気体排出部４２５を含むように備えられ得る。

前記作動流体貯蔵部４２３は、前記作動流体を含浸できる構造体４２１を含み、前記構造体は柔軟性および熱伝導性を有する材質からなり得る。

また、前記構造体４２１だけでなく、作動流体貯蔵部４２３の全体が柔軟性および熱伝導性を有する材質でからなってもよい。

前記気体排出部４２５は前記作動流体貯蔵部で蒸発した気体状の作動流体の体積によって、前記気体状の作動流体がジェット流を形成して排出されるように形成され得る。

前述した通り、気体状の作動流体がジェット流を形成して速く排出されることによって速やかにハウジングボディー２２内を循環するようになり、より効率的に熱を排出することができる。

前記気体排出部４２５には前記少なくとも一つ以上の複数の直径を有する開口部を含むことができ、前記開口部の直径は２０ミクロン〜１００ミクロンに形成されてもよい。

このように、少なくとも一つ以上の気体排出部に備えられた開口部の直径が一定の範囲内に備えられると共に、互いに異なるように備えられる理由は下記の通りである。

発熱体の熱負荷により蒸発が発生する部位の温度が凝縮が発生する部位の温度より相対的に高く、凝縮が発生する部分の温度も周囲の空気（Ｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）により変わる。

飽和蒸気圧力の差によって、作動流体が蒸発した気体が少なくとも一つ以上の気体排出部４２５を貫通するため、気体排出部４２５の直径は作動流体が蒸発した気体の速度を決定する。

したがって、本発明のように少なくとも一つ以上の気体排出部４２５のそれぞれの直径が互いに異なるように備えられることによって、外部要因の変化に能動的に対応できる効果が存在する。

一方、気体排出部４２５は伝導性多孔性素材であってもよい。

より具体的には、前記気体排出部４２５は黄銅焼結体であってもよい。

気体排出部４２５は球状の錫合金黄銅焼結体粉末を金属の金型に入れて約７００℃で圧力を加えて焼結処理して製造され得る。

前記気体排出部４２５は黄銅だけでなくステンレススチール、ニッケル、プラスチックまたはセラミック粉末からなる焼結体であってもよい。

このような気体排出部４２５の材料は理解を助けるために例をあげたものであって、使用者は必要に応じて多様な材料を利用して焼結体を形成することができ、これは本発明の権利範囲を限定しようとする意図ではない。

本発明の放熱装置は前記気体排出部４２５と前記作動流体貯蔵部４２３の間に備えられて、気化した作動流体が外部に流出（Ｌｅａｋ）することを防止する中空の形状のシーリング部材Ｓをさらに含むことができる。

作動流体貯蔵部４２３の内部は作動流体が高温によって気化し、気体排出部４２５を通じてジェット流となって排出されるため、外部に気体状の作動流体が流出することが必須として防止されなければならない。

もし、作動流体貯蔵部４２３と気体排出部４２５を直接面接触させる場合、作動流体貯蔵部４２３の終端の表面のラフネス（Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）のため、気化した作動流体が流出する恐れがある。

したがって、前記シーリング部材Ｓによって気体状の作動流体が気体排出部４２５を通じて排出される効率を増加させることができる効果が存在する。

一方、図５に図示された通り、作動流体貯蔵部４２３は第１断面積を有し、液状の作動流体が収容される円盤状の第１貯蔵部および第２断面積を有し、気化した作動流体が移動する流路を形成する第２貯蔵部を含むように備えられ得る。

また、第２貯蔵部は少なくとも２つ以上の断面の直径を有するように形成されてもよい。

より具体的には、第２貯蔵部の下部の断面は第１直径Ｄ１を有するように備えられ、第２貯蔵部の上部の断面は第３直径Ｄ３を有するように備えられ、第２貯蔵部の上部と下部の間の断面は第２直径Ｄ２を有するように備えられ得る。

第１直径Ｄ１〜第３直径Ｄ３の間には下記のような関係が成立し得る。

１）Ｄ１＞Ｄ２

２）Ｄ３＞Ｄ２

すなわち、第１直径Ｄ１と第３直径Ｄ３は第２直径Ｄ２より大きく備えられ得、これは気化した作動流体がより速い速度で作動流体貯蔵部４２３を移動できるようにする効果が存在する。

図６は、本発明の他の実施例に係る放熱装置を図示したものである。

図６を参照すると、本発明の他の実施例に係る放熱装置は前記ハウジング８１の一面に備えられ、前記発熱体の前面に向かって空気の流動を供給する空気流動供給部９０を含むことができる。

より具体的には、前記空気流動供給部９０はハウジング８１の下端部に設置され、発熱する発熱体Ｈの前面に向かって空気の流動を供給できるように備えられ得る。

従来の発熱体の放熱システムにおいて、発熱体Ｈの後面を利用して放熱をするのが一般的であり、発熱体Ｈの前面は光が放出される部分であるため、この部分の放熱においては全く開示または教示されていない状態である。

本発明の他の実施例に係る放熱装置は、前記空気流動供給部９０が発熱体Ｈの前面に向かって空気の流動を供給するように備えられて、発熱体Ｈの前面に加熱した空気を移動させて発熱体Ｈの放熱効率を高めることができる効果がある。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されず、本発明の実施例と実質的に均等な範囲にあるものまで本発明の権利範囲が及ぼされ、本発明の精神を逸脱しない範囲内で当該発明が属する技術分野で通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能である。

本発明は電気電子機器冷却用熱伝導システムに関し、各種電子製品の放熱製品に適用され得る。

Claims

発熱体上に設置されて前記発熱体が発生させる熱を吸収伝達する熱伝導装置であって、
本体を形成し、中空の形状であり、内部が真空状態であるハウジングボディーと、
発熱体と面接触をするように備えられ、作動流体を収容する空間を提供する作動流体貯蔵部と、
前記作動流体貯蔵部と前記ハウジングボディーの間に備えられて、気化した作動流体がジェット流を形成して排出されるようにする気体排出部と
を含むことを特徴とする、熱伝導装置。
前記作動流体貯蔵部は、
第１断面積を有し、液状の作動流体が収容される円盤状の第１貯蔵部と、
第２断面積を有し、気化した作動流体が移動する流路を形成する第２貯蔵部と
を含むことを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導装置。
前記作動流体貯蔵部は、前記作動流体を含浸できる構造体を含み、前記構造体は柔軟性および熱伝導性を有する材質からなることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導装置。
前記気体排出部は、前記作動流体貯蔵部で蒸発した気体状の作動流体の体積によって、前記気体状の作動流体がジェット流を形成して排出されるように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導装置。
前記気体排出部は少なくとも一つ以上の複数の直径を有する開口部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導装置。
前記少なくとも一つ以上の開口部の直径は２０ミクロン〜１００ミクロンであることを特徴とする、請求項５に記載の熱伝導装置。
前記第２貯蔵部は前記ハウジングボディーの内部で再凝縮された作動流体が前記作動流体貯蔵部に案内されるように、少なくとも一部が負の傾きを有するように形成されることを特徴とする、請求項２に記載の熱伝導装置。
前記気体排出部は多孔性素材からなることを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導装置。
前記気体排出部と前記作動流体貯蔵部の間に備えられて、気化した作動流体が外部に流出（Ｌｅａｋ）することを防止する中空の形状のシーリング部材をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導装置。
前記ハウジングの一面に備えられ、前記発熱体の前面に向かって空気の流動を供給する空気流動供給部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の熱伝導装置。