KR0168845B1 - 합성 흑연 열파이프 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 열 파이프장치는 합성흑연 재료로 제조된 증발기를 가지고 있으며, 대체로 반 구형으로 되어있다. 상기 증발기를 제조하는 방법은 2가지가 있는데 (1)다수의 합성흑연 섬유를 결속시키고 접합시키는 방법과, (2)다수의 합성흑연 섬유 매트를 마련하고 중심점에서 매트를 압착시키는 방법이있다. 상기 2가지 방법에서, 합성흑연재료는 그 외형이 대체로 반 구형으로 형성된다. 도한, 증발기는 대체로 반 구형으로 흑연이 아닌 구리(Cu) 같은 금속으로 제조될 수 있다.

Description

합성흑연 열 파이프 장치 및 방법
제1도는 공지 기술에 대한 열 파이프장치의 단면도.
제2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 열 파이프 장치의 단면도.
제3도는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 대한 열 파이프 장치의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,30,50 : 열 파이프 11,37 : 응축기
12,33,53 : 증발기 13 : 다이
18,39 : 심지 31 : 섬유다발
34,54 : 다이 부착부 51 : 매츠 (mats)
55 : C 형 클램프
본 발명은 집적회로를 냉각시키기위한 열 파이프장치에 관한 것이며, 특히 흑연섬유를 함유한 합성물로써 반 구형에 근접한 형상으로 제조한 열 파이프장치에 관한 것이다.
제1도를 참조하면, 공지 기술에 대한 열 파이프장치의 단면도가 도시되어있다. 집적회로를 냉각시키는데, 일반적으로 공지의 열 파이프(10)가 사용되는 것을 잘알고 있다. 열 파이프(10)에는 필수적으로 증발기가 고전력 집적회로에 근접해 제공되어 있으므로, 집적회로로 부터의 열이 증기로 변하게되어 열원으로부터 급속히 전달되어진다.
열 파이프(10)은 기본적으로 2개의 부분, 즉 응축기(11)와 증발기(12)로 구성된다. 증발기(12)는 집적회로, 즉 다이(13)의 옆에 또는 위에 위치된다. 열 스프레더(14)는 다이(13)와 증발기(12)사이에 놓여진다. 열 스프레더(14)는 구리(Cu), 몰리브덴, 세라믹 또는 다른 재료로 제조되며 다이(13)로 부터의 열이 증발기(12)에 접촉하는 표면적을 증가시키는 작용을 한다.
유체(16)가 증발기(12)내에 들어있다. 열이 다이(13)로부터 유체(16)를 가열시켜 끓이는 증발기(12)로 전달한다. 끊어진 유체는 액체에서 증기로 상변화하는 데 열 에너지가 필요하기 때문에 열을 흡수한다. 유체의 증기는 열원 (다이(13))으로부터 열 파이프(10)위로 전달된다. 증기는 응축기(11)에 열을 전달한다. 응축기(11)에서, 열은 열파이프의 핀(17)에 전달되며, 또 핀(17)에서 외부로 전달된다. 증기는 응축기(11)내에서 응축되며, 응축된 액체는 다시 증발기로 귀환되어 거기서 다시 가열되어 끓어지는 과정이 반복된다.
증기가 열에의해 운반되는 것을 이용한 열 파이프(10)의 장치가 사용되는 것은, 증기에서의 질량전달을 통한 열 전달이 고체의 전도보다도 더 효율적일 수 있기 때문이다. 예를들어, 만일 열 파이프(10)가 중공관이 아닌 구리(Cu) 고체로 제조된다면, 열은 제한된 구리고체의 길이 이외는 더 이상 전달되지 않는다. 따라서, 열원(다이(13))이 더 뜨겁게 가열되어 바람직하지 못한 결과를 낳는다.
또한, 열 파이프(10)는 심지(18)를 가진다. 심지(18)는 통상직물식으로 짠 매트(mat)이며, 구리나 다른 어떤 재료로 제조되며, 응축기(11)로 부터의 응축유체를 모세관 작용으로 인해 증발기(12)에 이동시킨다. 심지(18)를 사용하므로써 열 파이프(10)는 중력과는 별개로 위치될 수 있다. 표면장력으로 인해 응축유체는 심지(18)를 따라 건조한 심지(18)쪽으로 이동되어서 증발기(12)로 귀환되며, 거기서 또다시 가열되어 끓어진다.
선행 기술의 장치에는 단점이었다. 하나의 단점은 열이 증발면(12a)으로부터 유체(16)에 전달되는 비율에 있다. 이것은 증발면(12a)의 표면적에 관계된다. 즉, 더 넓은 표면적은 더 높은 열교환 비율을 얻을 수 있다. 열 스프레터(14) 및 핀이 있는 증발기는 다이(13)의 열을 수용하는 증발면(12a)의 면적을 효율적으로 증가시켰지만, 효율적인 열 전달을 제공하는데 있어서 제한되어있다.
따라서, 본 발명의 목적은 증가된 증발면적을 갖는 열 파이프를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 합성흑연 재료로 제조되어 그 재료의 특성에 대한 잇점을 갖는 증발기가 구비된 열 파이프를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 집적회로를 냉각시키기 위한 더 효율적인 현상, 즉 거의 반 구형을 갖는 열 파이프를 제공하는데 있다.
상기의 목적들을 본 발명에 따른 신규의 합성흑연 열 파이프 장치 및 방법을 이용함으로써 성취되어진다. 본 발명에 따른 합성흑연 열 파이프 장치는, 합성흑연 금속재료로 제조된 증발기를 가지며 대체로 반 구형인 열 파이프로 구성된다. 상기 증발기로 제조하는 방법은 2가지가 있는데; (1) 다수의 합성흑연 섬유를 결속시키고 접합시키는 방법과, (2) 다수의 합성흑연 섬유 매트를 마련하고 중심점에서 매트를 압착시키는 방법이 있다. 상기 2 가지 방법에서, 합성흑연 재료는 그 외형이 대체로 반 구형으로 형성된다. 또한 증발기는 대체로 반 구형으로 흑연이 아닌 구리(Cu)같은 금속으로 제조될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
이제, 제2도를 참조하면, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대한 열 파이프(30)의 단면도가 도시되어있다. 최근에는 특별한 축방향 열전도율을 갖는 흑연섬유를 이용할 수 있게되었다. 아모코(Amoco) 및 뒤퐁(Du pont)사는 피치(pitch)를 기초로한 섬유를 제작하는 기술을 가지고 있다. 예로써, Amoco P-130x 재료는 구리의 3배인 110W/m-k 의 열전도율을 가지고 있다. 흑연섬유는 낮은 면 팽창계수 및 높은 열전도율을 갖는 금속 매트릭스 합성물을 제조하는데 사용되고 있다. 알루미늄 및 구리는 매트릭스 재료로 적절하며, 다른 재료도 사용된다. 여기에서 사용된 합성흑연이란 용어는 합성흑연금속을 의미한다.
바람직한 실시예에서, 합성흑연 섬유는 구리로 피복된 흑연섬유로 이루어진 것으로서 사용된다. 흑연섬유가 도금된 구리는 열간 등압압축 성형 또는 확산용접으로 접합된다. 합성섬유는 구리의 비교적 좋은 열적 특성 및 접합력과 함께 흑연의 우수한 축방향 열전도율을 제공한다. 또한, 섬유는 하술되는 바와같이 이상적인 증발면의 모양은 제공하는 형상으로 되어있다.
만일 특별한 소자를 냉각시키기 원한다면, 그 소자를 냉각시키기 위한 이상적인 증발면은 말불버섯을 닮은 표면형상을 갖는 구형이어햐 한다. 집적회로는 평평한 형상이기 때문에, 회로판에 인접한 한쪽면, 즉 이상적인 증발면은 반 구형이다. 따라서 이러한 형상을 얻기위해서, 섬유는 섬유다발(제2도)이나 매츠(제3도)로서 구성된다.
바람직한 형상을 형성하기 위해서, 합성섬유(31)는 다발로 그룹지어있다. (분간할수 없는 섬유들의 집합으로 되어있기 때문에 도면부호(31)로써 지칭함.) 섬유다발(31)은 다수의 섬유의 집합인 토우(tow)로 그룹지워지거나 결속되는데, 보통 토우 당 1000내지 2000 섬유들이다. 또한, 가끔 언급되는 토우는 꼬아서 다발로 되어있다. 섬유다발(31)은 증발기(30)의 다이부착부에 접합되어있다. 접합방법에는 납땜, 용융, 또는 압착작업이있다. 접착방법에 개의치 않고 바람직한 결과는 섬유다발(31)에 직접적으로 접합 가열시킨 것이다.
적절한 증발기 형상을 제조하기위한 더 상세한 과정은 섬유다발(31)을 취해서 그 중앙지점에서 짧은 띠로 서로 결속시키는 것이다. 다음에, 결속된 섬유다발(31)은 2개의 셰이빙 브러쉬을 형성하기 위해 쪼개진다. 다음에, 셰이빙 브로쉬 (쪼개진 섬유다발(31))은 다이부착부(34)에 접합된다. 다이 부착부(34)는 실제 부착부를 형성하기 위해서 기계 가공되고/또는 도금된다. 응축기(37)가 부착되어 있는데, 그 전체는 세척되어있다. 열 파이프를 진공세척하고 대기가스를 증발시키는 작업을 반복한 후에, 열 파이프(30)를 완성시키기 위해 유체를 주입한다. 섬유다발(31)을 통합시키는 또다른 방법은 감금된 플러그를 제조하기 위해서 섬유다발(31)둘레에 금속 컬러(collar)를 스웨이징 또는 롤링하는 수단을 포함한다. 또한 유기적 또는 비유기적 결합의 도기제조도 가능하다.
이러한 합성흑연 열 파이프(30)는 종래의 구조보다도 유리한 몇가지 잇점이있다. 섬유의 높은 축방향 전도율로 인해 유효면적을 크게 증가시킬 수 있다. 섬유가 다이 부착부에서 나올 때, 단순히 평평하게 펼쳐진것보다 더 요율적인 대략 반 구형으로 펼쳐진 섬유다발로부터 3차원적으로 빠져나온다. 덧 붙여서, 만일 섬유가 통합되기 전에 연사(yarn)다발로 짜져있으면, 풍부한 핵 형성장소가 제공된 미로같이 복잡한 통로가 형성되어서 낮은 벽과열(wall superheat)과 함께 빠른 열속(heat flux)이 허용된다.
또한, 섬유다발(31)에는 응축기(37)안으로 뻗을 만큼 충분히 길게나온 심지(39)가 제공된다. 심지(39)는 증발기의 실시에 필요되는 것보다 더 길며, 응축기(37)안의 벽에 유지된다. 이것은 열 파이프(30)가 임의의 방향에서 동작할 수 있게한다. 상기 예에서, 섬유다발(30) 및 심지(39)의 제1기능을 열 제거용 팽창면의 역할이고, 제2기능은 응축유체를 증발기(33)에 귀환 시키는 역할이다.
또한, 합성섬유가 다이 부착부(34)의 근접부에 첨가되어 섬유다발(31)에 오른쪽 각도로 놓여질 수 있다. 이 첨가 섬유는 면 팽창 계수를 감소시켜서 다이의 응력을 감소시키며, 일정 각도의 평면의 열 분산이 이용되게한다.
이러한 설계의 열 파이프에 몇가지 다른 잇점이 적용되지만, 더 많은 종래의 재료로 제조된다. 예를들어, 동선의 배선구성이 압축되고 용융되거나 납땜되어서 밀접된 6각형 조립체로된다. 이와같은 변화는 본 발명의 범위내에서 이루어진다.
제3도를 참조하면, 또다른 실시예에 대한 열 파이프(50)의 단면도가 도시되어있다. 이 열 파이프(50)는 증발기(53)가 개개의 또는 다발의 합성흑연 섬유(31)대신에 합성흑연 매츠로 제조된 것을 제외하고는 열 파이프(30)(제2도에 도시)와 본질적으로 동일하다. 상술한 구리로 피복된 흑연섬유는 매트릭스 (이하 매츠(51)로 줄임)로 짜진다. 매츠는 하나의 무더기를 형성할 때 까지 하나위에 다른 것이 놓여진다. C형 클램프(55)는 매츠 무더기의 중심에 큰 힘이 작용하게 이용되어서, 매츠의 가장자리가 위로 들어올려져서 대략 반 구형이 되는데, 이것은 티슈 무더기의 중앙에 압력이 가해져서 티슈의 가장 자리가 위로 올려지는 방식과 동일하다. C형 클램프(55)에 의해 결속된 매츠의 무더기는 로안에 놓여져서 영구히 서로 융접된다. C형 클램프(55)가 제거되었을 때도, 매츠는 압축된채 있다. 이런 무더기를 형성하는 또 다른 방법은 무더기 제조를위해 흑연 및 구리박(foil)을 교대로 층을 쌓은 다음에 상술한 바와같이 압축 및 용접을 한다.
매츠(51)는 섬유다발(31)이 다이부착부(34)에 접합되는 매우 동일한 방식으로 다이 부착부(54)에 접합된다. 증발기(53)는 동일한 다이 부착부(34)에 제공된다. 증발기(53)는 제2도를 참조하여 상술한바와 동일한 잇점 및 변화가 제공된다.
상기 2가지 기술 모두는, 증발기의 표면적을 크게 증가시키며 핵 형성장소의 수를 증가시킨 다공성 말물버섯 형상을 효율적으로 형성한다. 열이 집적회로로부터 제거되는 비율 역시 증가된다.
본 발명의 특정 실시예의 상술한 설명은 예시 및 설명을 위해 기술되었다. 상술한 설명은 본 발명을 설명된 확고한 형태에 제한시키려는 의도가 아니므로, 분명히 상술한 예시에 비추어 여러 가지 변형 및 변화가 가능하다.

Claims (7)

  1. 열파이프 장치에 있어서, 부착면(34)을 갖는 저장부재(33); 및 상기 저장부재내에 상기 부착면으로부터 열을 전도하기 위해 상기 부착표면에 열적으로 결합된 열전달부재(31)를 구비하고, 상기 열전송부재는 부착표면으로부터 열이동을 강화하는 반구형에 가까운 다공성 물질을 가진 다공성 열전달부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 열파이프 장치.
  2. 제18항에 있어서, 상기 다공성 열전달부재는 흑연 및 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 열파이프 장치.
  3. 제18항에 있어서, 상기 다공성 열전달부재는 금속으로 피복된 흑연섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 열파이프 장치.
  4. 제18항에 있어서, 상기 다공성 열전달부재는 구리로 피복된 흑연섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 열파이프 장치.
  5. 제18항에 있어서, 상기 다공성 열전달부재는 상기 부착면에 연결되고, 상기 반구형에 가깝도록 위치된 다수의 섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 열파이프 장치.
  6. 제18항, 19항, 20항 또는 제21항에 있어서, 상기 다공성 열전달부재는 중앙영역에 관하여 압축된 다수의 다공성 매트로 구성되는 것을 특징으로 하는 열파이프 장치.
  7. 제18항, 19항, 20항 또는 제21항에 있어서, 상기 다공성 열전달부재는 거의 중앙영역에 관하여 압축된 다수의 합성 흑연 매트로 구성되는 것을 특징으로 하는 열파이프 장치.
KR1019900021315A 1989-12-29 1990-12-21 합성 흑연 열파이프 장치 및 방법 KR0168845B1 (ko)

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