KR100238769B1 - 히트 파이프 - Google Patents

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KR100238769B1
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모토유키 오노
고이치 마시코
유지 사이토
마사시 하세가와
마사카쓰 나가타
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타나카 시게노부
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Abstract

콘테이너(12)의 가열부(12a)측으로 열을 가하므로써 작동유체(13)를 증발시킴과 동시에, 발생한 증기가 저온의 방열부(12b)로 이동하여 응축하므로써 열을 증발잠열로서 방열부(12b)에 수송하는 히트 파이프(11)로서, 콘테이너(12)가 평판형상인 가열부(12a)와 상기 가열부(12a)와 대향하도록 간격을 두고 떨어져 있고, 또 가열부보다도 면적이 넓은 방열부(12b)와, 이들 가열부(12a)와 방열부(12b)의 각각의 가장자리둘레부를 전체 주위에 걸쳐서 서로 연결하는 측벽부(12c)에 의해 편평한 형상으로 형성되어 있다.

Description

히트 파이프
본 발명은 평면부를 구비한 소형발열체의 냉각에 적당하고, 또한 열수송효율이 뛰어난 히트 파이프 및 그 히트 파이프의 제조방법에 관한 것이다.
최근에는 퍼스널용 컴퓨터(이하 "퍼스컴"이라고 함)의 분야에서 노트북형이나 서브 노트북형의 소위 휴대형 퍼스컴의 보급이 현저해졌다. 상기와 같은 종류의 퍼스컴은 휴대형을 주요 목적으로 하고 있으므로 소형화 및 경량화가 절실히 요구되고 있고, 따라서 당연히 퍼스컴의 내부 빈 공간에 있어서 냉각장치가 점유하는 공간도 지극히 한정되어 있다. 또, 한편으로는 다기능화나 처리속도의 향상에 따라서 연산처리장치의 출력이 매년 증가하고 있고, 따라서 상기 연산처리장치가 발하는 열량도 증가되고 있다. 그래서, 종래로부터 냉각장치로서의 열수송능력이 뛰어난 히트 파이프가 사용되고 있다.
도 35는 1985년 10월 25일에 일본국 내에서 반포된 서적 '실용 히트 파이프(일간 공간신문사 발행)'에 기재되어 있는 퍼스컴용 히트 파이프의 일예를 나타낸다. 상기 히트 파이프(1)는 소위 평판형 히트 파이프로서, 콘테이너는 단면직사각형으로 형성되고, 상기 콘테이너의 도면에 있어서의 하부면이 가열부(1a)가 되고, 또한 상부면이 방열부(1b)가 된다. 상기 방열부(1b)의 외부에는 다수의 방열핀(1c)이 설치되어 있다. 그리고, 콘테이너의 내부에는 진공이 되도록 흡인한 후, 물 등의 응축성 작동유체(3)가 소정량 봉입되어 있다.
한편, 프린트 기판(4)상에 형성된 회로의 소정의 부분에는 중앙연산처리장치(2, 이하, "CPU"라고 함)가 장착되어 있고, 상기 CPU(2)의 상부면에는 히트 파이프(1)가 가열부(1a)를 밀착시키며 장착되어 있다.
그리고, 상기 히트 파이프(1)는 상기 회로에 전기를 통하게 해서 CPU(2)가 발열하고, 상기 열에 의해 가열부(1a)의 온도가 상승했을 때에 봉입되어 있는 작동유체(3)가 가열되어 비등해서 증기가 되고, 상기 작동유체(3)의 증기가 상부로 이동하여 저온의 방열부(1b)에 있어서 응축하게 된다. 즉, 작동유체(3)의 증발잠열의 상태로 운반된 열이 방열부(1b)의 외부에 설치된 방열핀(1c)으로부터 대기중으로 방출된다.
따라서, 상기 방열핀(1c)을 퍼스컴 케이스 내의 냉각팬(도시하지 않음)에 의한 냉각풍의 유로를 향하게 함으로써 효율적인 방열을 행할 수 있다.
이와 같이 CPU(2)의 냉각에 히트 파이프(1)를 사용함으로써, 증발잠열의 상태로 대량의 열수송이 가능하게 되고, 이로 인해, CPU(2)의 냉각을 효율적으로 할 수 있다. 그 결과, CPU(2)의 과열로 인한 퍼스컴의 작동불능이나 기능저하 등을 방지할 수 있다.
상기 종래의 히트 파이프(1)에 의하면, 상기 실질적인 열전도율이 지극히 높은 점에 추가하여, 발열원인 CPU(2)에 대해 넓은 면적으로 직접 접촉하므로 CPU(2)의 냉각효율을 향상시킬 수 있다. 그러나, 상기 콘테이너가 직사각형단면의 속이 빈 형태이므로 CPU(2)와의 접촉면적을 넓힐 수 있는 반면, 방열부(1b)의 면적이 상대적으로 작아진다.
즉, 작동유체(3)는 가열부(1a)에 있어서는 액체이므로 가열부(1a)는 CPU(2)의 상부면과 거의 동일한 면적으로 충분하다. 그러나, 방열부(1b)에서 작동유체(3)는 증기가 되어 있어 그 체적이 극단적으로 증대되어 있으므로 방열부(1b)가 가열부(1a)와 동일한 면적인 종래의 히트 파이프(1)로는 작동유체(3)의 증기가 직접 접촉하는 방열부(1b)의 면적이 상대적으로 작아지므로, 그 결과 방열량이 적어져서 실직적인 냉각능력이 제한되는 어려움이 있었다.
또, 상기의 평판형 히트 파이프에는 콘테이너 내부의 바닥면측으로부터 상부면측을 향해서 액체상태의 작동유체(3)를 운반하는 수단이 구비되어 있지 않기 때문에, CPU(2)가 히트 파이프(1)의 상부에 위치하게 되었을 경우, 액체상태의 작동유체(3)를 가열부(1a)에 공급할 수 없어 히트 파이프(1)는 작동하지 않았다. 이로인해, 냉각작용을 행할 수가 없다. 다시 말하면, 소위 탑 히트 모드(Top heat mode)에서는 동작하지 않는 어려움이 있었다.
본 발명은 상기의 기술적 배경에 근거하여 이루어진 것으로서 그 주 목적은 국부적인 발열원으로부터의 열수송을 효율적으로 행할 수 있고, 또 탑 히트 모드로도 동작하는 히트 파이프를 제공하는 것이다. 또, 본 발명의 다른 목적은 상기 히트 파이프를 값싸고, 또한 고속으로, 다량의 생산이 가능한 방법을 제공하는 것이다.
제1도는 본 발명의 히트 파이프의 일실시예를 나타내는 사시도.
제2도는 상기 히트 파이프의 평면도.
제3도는 제2도의 3-3선 단면도.
제4도는 히트 파이프를 CPU에 버텀 히트 모드(Bottom heat mode)로 장착한 상태를 나타내는 정면도.
제5도는 제4도에 나타낸 히트 파이프의 평면도.
제6도는 내부면에 요철을 가지는 콘테이너의 예를 나타내는 개략단면도.
제7도는 내부면에 요철을 가지는 콘테이너의 다른 예를 나타내는 개략단면도.
제8도는 스페이서 위크를 구비한 콘테이너를 나타내는 평면도.
제9도는 톱 히트 모드(Top heat mode)로 된 히트 파이프를 나타내는 개략단면도.
제10도는 콘테이너의 다른 형상을 나타내는 개략단면도.
제11도는 콘테이너의 또 다른 형상을 나타내는 개략단면도.
제12도는 원형의 방열부를 가지는 히트 파이프와 여기에 장착된 히트 싱크를 나타내는 평면도.
제13도는 원형의 방열부를 가지는 히트 파이프의 다른 예를 나타내는 평면도.
제14도는 히트 파이프로의 히트 싱크의 장착상태를 나타내는 정면도.
제15도는 히트 파이프로의 히트 싱크의 장착상태의 다른 예를 나타내는 부분 정면도.
제17도는 다수의 방열핀을 구비한 히트 싱크를 나타내는 부분사시도.
제18도는 파도형상의 방열핀을 구비한 히트 싱크의 개략을 나타내는 평면도.
제19도는 지그자그형상으로 배열된 슬릿핀을 구비한 히트 싱크를 개략적으로 나타내는 평면도.
제20도는 플랩형상의 보호판이 장착된 방열핀의 측면도.
제21도는 다수의 방해판이 장착된 방열핀의 측면도.
제22도는 직각삼각형인 박판제의 가이드를 구비한 방열핀의 측면도.
제23도는 내부면에 홈이 형성된 파이프를 나타내는 사시도.
제24도는 성형금형과 압력으로 변형되고 있는 파이프를 나타내는 사시도.
제25도는 속이 빈 편평형상의 압력으로 변형된 파이프를 나타내는 일부절결사시도.
제26도는 개구단부가 압력으로 변형된 상태의 파이프를 나타내는 개략적인 평면도.
제27도는 상기 파이프의 개략적인 정면도.
제28도는 주입노즐이 장착된 파이프를 나타내는 개략도.
제29도는 가열방출공정을 나타내는 개략도.
제30도는 시즈닝 공정을 나타내는 개략도.
제31도는 주입노즐이 봉지되는 공정을 나타내는 개략도.
제32도는 콘테이너의 성형공정을 나타내는 개략도.
제33도는 제32도의 A-A선 단면도.
제34도는 히트 파이프의 콘테이너가 팽창한 상태를 나타내는 개략도.
제35도는 종래부터의 평판형 히트 파이프의 일예를 나타내는 단면도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
11 : 히트 파이프 12 : 콘테이너
12a : 가열부 12b : 방열부
12c : 측벽부 13 : 작동유체
35 : 용사(溶射 ; Spraying)피막 36 : 위크
55 : 파이프 59 : 개구부
74 : 캐버티
따라서, 본 발명의 히트 파이프에 있어서의 콘테이너에는 평탄한 가열부와, 이 가열부에 대향하도록 간격을 두고 떨어져 있고 또 상기 가열부보다 면적이 넓은 방열부와, 이러한 가열부와 방열부 각각의 둘레가장자리 부분의 전체 주위에 걸쳐서 연결되는 측벽부에 의해 속이 빈 편평형상으로 형성되어 있다.
본 발명의 히트 파이프는 상기 콘테이너의 가열부를 가열함으로써 내부에 봉입된 작동유체를 증발시킨다. 상기 작동유체증기는 내부압력이 낮은 방열부측을 향해서 유동하고, 방열부의 내면으로부터 열을 빼앗겨서 응축된다. 즉, 방열부의 외면으로부터 바깥쪽을 향하게 열이 방출된다. 이 경우, 증발부의 면적에 대해 응축부의 면적이 넓으므로, 대량의 증기가 방열부의 내면에 접촉하여 작동유체증기의 방열ㆍ응축량이 증대한다. 이로 인해, 본 발명에 의하면 열수송능력이 높은 히트 파이프를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 히트 파이프는 가열부의 내면과 방열부의 내면 사이에 모세관 압력에 의해 액체상태인 작동유체를 수송하는 기둥형상의 위크재를 배치할 수 있다. 또, 본 발명에서는 콘테이너의 내면에 다공질의 용사 피막을 형성할 수 있다.
상기 위크재가 설치되어 있으면, 방열부의 내면에 부착된 액체상태의 작동유체의 대부분이 위크재의 모세관 압력에 의해 경사측벽부의 내면을 경유하지 않고 가열부의 내면까지 직접적으로 운반된다. 따라서, 가열부를 방열부에 대하여 하부에 배치한 버텀 히트 모드 및 그 반대로 가열부를 방열부의 상부에 배치한 탑 히트 모드의 어느 쪽도 증발부가 되는 가열부의 내면에 필요량의 액체상태인 작동유체가 확실하게 공급된다.
또, 예를 들면 탑 히트 모드여도 용사피막에 있어서 발생하는 모세관 압력에 의해 가열부에 광범위하게 액체상태의 작동유체가 확산되어서 유지된다. 다시 말하면, 작동유체가 용사피막에 유지되어서 적하되지 않는다. 따라서, 탑 히트 모드에서의 작동유체의 증발ㆍ응축사이클이 활발하게 행해진다.
또, 본 발명에 있어서의 히트 파이프의 제조방법은 우선, 소성(塑性)변형 가능한 파이프재를 그 반경방향의 압력으로 변형시켜 속이 빈 편평한 형상으로 형성하고, 다음으로 상기 편평한 형상인 파이프재의 양방향의 개구단부를 밀폐한다. 그리고, 상기 편평형상인 파이프의 일단부에 작동유체의 주입구를 형성해서 용기로하고, 또한 상기 용기의 내부를 진공탈기한 상태에서 응축성의 유체를 작동유체로서 봉입하여 히트 파이프화 한다. 이어서, 상기 용기를 소정의 내부형상을 구비한 캐비티(Cavity)의 내부에 수용하고 그 상태에서 가열한다. 다시 말하면, 용기의 내부압력을 높여서 그 내측으로부터 전체 방향으로 압력을 가한다. 그리고, 용기의 외벽면을 캐비티의 내벽면에 눌러 닿도록 하여 캐비티 형상에 꼭 맞는 형상으로 성형한다. 이 경우, 히트 파이프화한 후의 작동유체의 압력을 이용해서 용기를 성형 가공하므로 방열부가 확대된 히트 파이프를 적은 공정으로 효율적으로 제조할 수 있다.
다음에 본 발명을 실시예에 근거하여 상세하게 설명한다. 또, 이하의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것으로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
본 발명을 퍼스컴의 CPU 냉각용 히트 파이프에 적용한 예를 도 1 내지 도 22를 참조하여 설명한다. 도 1 내지 도 5는 본 발명의 일실시예를 나타내는 것으로서, 이 히트 파이프(11)는 도 1 내지 도 3에 나타내는 바와 같이 콘테이너(12)의 형상이 속이 비고 높이가 낮은 거의 사각추대와 같은 형상을 하고 있다.
보다 구체적으로는 상기의 콘테이너(12)는 한 변이 약 30mm인 거의 정방형의 가열부(12a)와, 한 변이 약 60mm인 거의 정방형이고 가열부(12a)의 약 4배의 면적을 가지며, 또한 상기 가열부(12a)의 상부와 5mm정도 간격을 두고 떨어져서 평행으로 대향하는 방열부(12b)와, 이 방열부(12b)의 4개의 변과 각각 대응하는 상기 가열부(12a)의 4개의 각 변을 연결하는 4개의 경사진 측벽부(12c)에 의해 구성되고, 구리 등으로 이루어지는 금속제 밀폐용기이다. 그리고, 상기 콘테이너(12)의 내부에는 예를 들면, 순수한 물이나 알코올 등의 응축성 유체가 작동유체(13)로서 소정량 봉입되어 있다. 또, 상기 가열부(12a)의 크기 및 형상은 다음에 설명하는 CPU(16)의 상면과 거의 같은 크기 및 형상이다.
또, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 히트 파이프(11)의 상측의 방열부(12b)에는 히트 싱크(14)가 열전달 가능하게 일체로 접합되어 있다. 즉, 상기 히트 싱크(14)는 두께가 약 0.6mm인 알루미늄의 판제로 이루어지는 방열핀(14a)을 좁은 간격(예를 들면, 약1.0mm 피치)으로 평행하게 다수 배열하고, 또한 상기 각 방열핀(14a)의 하단을 알루미늄제의 베이스 플레이트(14b)에 용접 등에 의해 일제화시킨 것으로, 상기 베이스 플레이트(14b)가 가열부(12a)에 장착되어 있다.
한편, 퍼스컴 내의 회로기판(15)상에 형성된 프린트 배선(도시하지 않음)의 소정 위치에는 CPU(16)가 장착되어 있다. 이 CPU(16)의 상부면에는 히트 파이프(11)의 가열부(12a)가 밀착된 상태로 고정되어 있다. 따라서, 히트 파이프(11)의 동작상태로서는 버텀 히트 모드로 되어 있다. 또, 히트 파이프(11)와 히트 싱크(14)의 연결부분의 바깥둘레부는 회로기판(15)에 장착된 홀더(17)에 의해 고정되어 있다. 즉, 히트 파이프(11) 및 히트 싱크(14)는 홀더(17)에 의해 지지되어 있다.
또, 도 4 중의 참조부호 18은 히트 싱크(14)를 상하로 다수 분할하도록 3단 설치된 정류판(整流板)을 나타내고 있고, 이 정류판(18)은 방열핀(14a) 사이의 공기의 흐름을 수평방향으로 유도하고 있다.
다음에, 상기 히트 파이프(11)의 작용에 대해서 설명한다. 퍼스컴의 사용에 따르는 통전에 의해 CPU(16)가 발열하므로, 그 열이 히트 파이프(11)의 가열부(12a)에 전달된다. 그리고, 콘테이너(12)의 바닥부에 고여있는 작동유체(13)가 가열되어 증발한다. 따라서, 가열부(12a)의 내면이 증발부로 되어 있다. 또, 증기가 된 작동유체(13)는 내부압력이 낮은 방열부(12b)를 향하여 유동하고 방열부(12b)의 내면에서 열을 빼앗겨 응축한다. 따라서, 상기 방열부(12b)의 내면이 응축부가 된다. 즉, 작동유체(13)의 증기가 CPU(16)에서 발생한 열을 증발잠열로서 수송하고, 이 열은 방열부(12b)에 있어서 응축될 때에 방출된다. 그리고, 방출된 열은 방열부(12b)로부터 히트 싱크(14)의 각 방열핀(14a)으로 전달되고, 각 방열핀(14a)으로부터 퍼스컴 케이스(도시하지 않음) 내의 공간으로 방사된다.
한편, 응축하여 방열부(12b)의 측벽에 부착된 작동유체(13)는 가열부(12a)의 측면상에 적하(滴下, Dropping)되거나, 각 경사진 측벽부(12c)의 내면으로 전달되어 가열부(12a)까지 환류한다. 상기와 같이 경사측벽부(12c)는 방열부(12b)의 4개의 변과 가열부(12a)의 4개의 변을 모두 연결하고 있으므로 가열부(12a)의 상부면에는 거의 전체 방향으로부터 집중하도록 작동유체(13)가 환류한다. 따라서, 작동유체(13)의 증발ㆍ응축사이클이 활발하게 일어난다.
이와 같이, 상기 히트 파이프(11)는 상기 방열부(12b)의 면적이 가열부(12a)의 면적보다 넓게(예를 들면, 4배) 형성되어 있으므로, 대량의 증기를 응축시킬 수 있고, 열 수송능력이 높다. 그 결과, CPU(16)의 대량의 발열에 대해서도 우수한 냉각성능을 발휘하여 CPU(16)의 과열을 확실하게 방지할 수 있다.
또, 상기 실시예에서는 가열부(12a) 및 방열부(12b)가 평탄하게 형성된 경우에 대해서 설명했는데, 가열부(12a)의 내부면에 상기 비등을 유발시키는 요철형상을 형성함과 동시에, 상기 방열부(12b)의 내부면에 작동유체의 적하를 촉진시킬 요철형상을 형성할 수 있다.
상기의 구성을 보다 구체적으로 설명한다. 예를 들면 도 6에 나타내는 바와 같이, 콘테이너(22)에서 가열부(22a)의 내부면에는 사각추형상인 다수의 뾰족한 돌기(23)가 형성되어 있다. 이들 뾰족한 돌기(23)는 가열부(22a)의 벽면에 서로 직교하는 2방향을 향하고 또한 좁은 간격으로 V자형 단면의 홈을 형성한 것이다. 이 뾰족한 돌기(23)는 가열부(22a)가 가열되고, 상기 열이 작동유체(13)에 전달될 때에 작동유체(13)의 가열상태를 비(非)비등 영역으로부터 핵(核)비등 영역으로 조기에 이동시킨다. 즉, 가열부(22a) 표면의 작동유체(13)의 양이 감소했을 때의 막(膜)비등 영역으로의 이행을 방지하여 전열율이 높은 핵비등을 지속시키는 작용을 한다.
또, 상부측의 면적이 넓은 방열부(22b)의 내면에는 높이가 낮은 리브(24)가 충분히 떨어진 간격을 두고 평행으로 다수개 설치되어 있다. 이들 리브(24)는 방열부(22b)에 접촉하여 열을 빼앗긴 증기가 응축해서 방열부(22b)의 내면에 부착했을 때에 상기의 응축된 작동유체(13)의 입자가 표면장력에 의해 리브(24)에 흡착하는 것으로 인해 모아지고, 상기 입자직경이 확대되므로써 중력에 의해 쉽게 적하되게 한다. 따라서, 작동유체(13)의 증기와 접촉하는 방열부(22b)의 면적이, 액체상태의 작동유체(13)로 둘러싸여서 감소하는 것을 방지한다.
또, 도 7은 상기 핵비등을 유발시키는 요철형상과 작동유체(13)의 적하를 촉진시키는 요철형상이 상기의 예와는 각각 다른 또 다른 콘테이너의 종단면을 나타내는 것이다. 이 금속제의 콘테이너(25)는 가열부(25a)의 내부면에 상기 핵비등을 발생시키는 요철형상으로서 구리제 등의 금속소구(小球)(26)가 다수 소결되어 있다. 이 다수의 금속소구(26)가 도 6에 나타내는 예에서의 뾰족한 돌기(23)와 동일한 작용을 한다. 즉, 가열부(25a)로부터 작동유체(13)로 열을 전달할 때에 작동유체(13)를 비비등 영역으로부터 핵비등 영역으로 조기에 이동되게 함과 동시에 가열부(25a)의 표면의 작동유체(13)의 양이 감소했을 때의 막비등 영역으로의 이행을 방지하여 전열효율이 높은 핵비등을 지속시키도록 작용한다.
또, 방열부(25b)의 내면에는 높이가 낮은 리브(27)가 격자형상으로 형성되어 있고, 상기 격자형상의 리브(27)는 도 6에 나타낸 일예에서의 리브(24)와 동일한 작용을 행하고, 방열부(25b)의 내부면에서 결로(結露)된 작동유체(13)의 입자를 쉽게 적하하도록 하고 있다.
다음에, 탑 히트 모드에서의 동작을 양호하게 행할 수 있도록 구성한 예를 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다. 히트 파이프의 콘테이너(12)는 방열부(12b)가 가열부(12a)에 대해서 하부에 배치되는, 즉 도 1에 나타내는 히트 싱크(11)의 상하를 회전시킨 상태로 되어 있다. 그리고, 상기 가열부(12a)의 외부면에는 CPU(16)가 적절한 수단에 의해 장착되어 있다. 또, 상기 히트 파이프는 도시하지 않은 홀더에 의해 회로기판상에 장착되어 있다.
거의 사각추대형상의 콘테이너(12)의 내벽면에는 전체 영역에 걸쳐서 소정두께의 용사피막(35)이 형성되어 있다. 이 용사피막(35)은 용사조건을 적절히 설정함으로써 입자끼리의 사이에 공기구멍을 구비한 다공구조로 되어 있다. 따라서, 용사피막(35)은 모세관 압력을 일으키게끔 되어 있다. 또, 여기서 사용되는 용사재료로서는 세라믹스나 금속 혹은 그들을 혼합한 서멧(cermet) 등의 어느 것이든 좋으나 용사재료 자체가 열전도성 및 내열성이 뛰어나고, 또한 장기에 걸쳐 작동유체와 접촉시켜도 용해되지 않는 것이 바람직하다. 또한, 용사방법으로는 플라즈마 용사법이나 가스 용사법 혹은 아크 용사법 등 종래로부터 알려진 방법을 채용할 수 있다.
또, 콘테이너(12)의 내부에는 일예로서 각(角)기둥형상의 블록으로 가공한 소결금속으로 이루어지는 다수개의 스페이서 위크(36)가 가열부(12a)의 내부면과 방열부(12b)의 내부면의 사이에 끼워진 상태로, 또한 가열부(12a)에 있어서의 평면상에서의 네모퉁이 및 중앙에 위치하도록 총 5부분에 구비되어 있다. 따라서, 각각의 스페이서 위크(36)가 모세관 압력에 의해 가열부(12a)측으로부터 방열부(12b)측을 향해서 액체상태의 작동유체(13)를 수송하는 액체의 유로, 혹은 방열부(12b)측으로부터 가열부(12a)측을 향해서 액체상태의 작동유체(13)를 수송하는 액체의 유로가 되고 있다. 또 한편으로, 스페이서 위크(36)끼리의 사이에 형성된 빈틈부분(37)이 증기의 유로가 되고 있다.
또, 소결금속을 대신할 수 있는 스페이서 위크(36)의 재료로서는 철망을 적층한 것이나 펀칭메탈, 발포(發泡)금속, 펠트메탈, 다공질 세라믹스블록, 부식포, 바깥둘레부에 미세한 홈(groove)을 구비한 원기둥형상부재 등의 모세관 압력을 일으키는 것을 채용할 수 있고, 바람직하게는 압축강도가 높은 것이 사용된다.
따라서, 히트 파이프가 동작하지 않는 상태에서는 콘테이너(12)에 봉입된 액체상태인 작동유체(13)의 대부분은 각 스페이서 위크(36)의 모세관 압력에 의해 방열부(12b)의 내면측으로 빨아들여지고, 각 스페이서 위크(36)에 계속 유지됨과 동시에 용사피막(35)의 모세관 압력에 의해 가열부(12a) 내면부의 거의 전체 영역에 퍼져서 유지되고 있다.
상기의 상태에서 CPU(16)가 발열하면, 상기의 열이 가열부(12a)에 전달되어 작동유체(13)가 증발한다. 따라서, 여기에 나타내는 예에서도 상기 실시예와 동일하게 가열부(12a)의 내면부가 증발부(38)가 된다. 증기가 된 작동유체(13)는 빈틈부분(37)을 통해서 하부의 방열부(12b)를 향해서 유동하고, 상기 방열부(12b)의 내부면으로부터 열을 빼앗겨 응축한다. 따라서, 상기 가열부(12a)의 내부면이 콘테이너(12) 안의 응축부가 되고 있다. 방열부(12b)측에 수용된 CPU(16)의 열은 방열부(12b)의 외부면으로부터 퍼스컴 케이스의 내부로 방산된다. 그 결과, CPU(16)가 냉각된다.
또, 다시 액체상태가 된 작동유체(13)는 방열부(12b)의 내부면에 형성된 용사피막(35)을 통해서 각 스페이서 위크(36)의 하단부측으로 빨아들여지고, 각 스페이서 위크(36)의 모세관 압력에 의해 가열부(12a)의 내면측으로 보내진다. 즉, 경사측벽부(12c)의 내면을 경유하지 않고 가열부(12a)의 내면측으로 운반된다.
상기의 작동유체(13)는 용사피막(35)의 모세관 압력에 의해 각 스페이서 위크(36)의 상단부면으로부터 빨아들여짐과 동시에, 증발부(38) 전체로 분산되어진다. 이 때에, 액체상태의 작동유체(13)는 용사피막(35)에 의해 지지되고, 가열부(12a)의 내면으로부터 적하되지 않는다. 그리고, 증발부(38)에 공급된 작동유체(13)는 다시 가열되어서 증발하고, 상술한 사이클과 동일한 사이클이 계속된다.
이와 같이, 상하방향으로 대향하는 응축부(39)로부터 증발부(38)를 향하여 액체상태의 작동유체(13)를 직접 공급할 수 있고, 이 경우, 실효증발부 면적이 넓고, 또 응축된 작동유체(13)가 스페이서 위크(36)에 신속하게 공급되어지므로, 탑히트 모드로도 양호하게 열수송을 행하여 CPU(16)를 냉각할 수 있다. 다시 말해서, 경사진 상태를 포함하는 어떠한 동작상태라도 CPU(16)의 냉각에 적용할 수 있다. 또 특히, 스페이서 위크(36)에 의해 가열부(12a)와 방열부(12b)가 내측으로부터 지지되어 있으므로, 예를 들면 히트 파이프(11)가 동작하지 않는 상태에서 내부압력이 진공압이 되어도 콘테이너(12)가 변형하지는 않는다.
상기 각 실시예에서는 히트 싱크(11)의 콘테이너(12)형상이 편평한 사각추대 형상의 경우에 대해서 설명했는데, 콘테이너는 다른 형상이어도 된다. 도 10에 나타내는 콘테이너(27)는 작은 정방형의 가열부(12a)와 큰 면적의 정방향 방열부(27b)가 수직측벽(27c)과 이에 연속되는 경사측벽(27d)에 의해 연결되어 전체로서 단면오각형으로 형성되어 있다.
또, 도 11에 나타내는 콘테이너(28)는 하부측의 가열부(28a)가 상부측의 방열부(28b)의 중앙부로부터 벗어나서 위치하는 구조로 되어 있다. 이와 같이 공간이 존재하고 있는 경우에도 주위의 부품과 간섭됨이 없이 히트 파이프(11)를 설치할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 히트 파이프(11)의 가열부(12a)의 크기 및 형상을 CPU(16) 설치장소의 상부공간이 좁고, 특정의 방향만으로 공간이 존재하고 있는 경우에도 주위의 부품과 간섭됨이 없이 히트 파이프(11)를 설치할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 히트 파이프(11)의 가열부(12a)의 크기 및 형상을 CPU(16)의 상부면과 거의 같은 형상 및 크기로 함과 동시에, 방열부(12b)를 상기 가열부(12a)와 유사한 형태를 유지하면서 확대한 형상 및 크기로 했으나, 본 발명에서는 도 12에 나타내는 바와 같이 정방형의 가열부(31a)에 대해서 방열부(31b)를 원형으로 형성할 수도 있다. 이 경우에 방열부(31b)의 외부에 장착하는 히트 싱크(32)의 형상은 방열부(31b)를 본떠서 원형으로 한다. 히트 싱크(32)에는 방열핀(32a)이 배열되어 있다. 또, 도 13에 나타내는 바와 같이 가열부(33a)와 방열부(33b)를 직경이 다른 원형으로 하고, 히트 싱크(34)를 원추형상으로 형성하는 것도 가능하다. 또한, 부호(34a)는 방열핀이다.
다음에, 히트 파이프(11)로의 히트 싱크(14)의 장착방법을 설명한다. 도 14에 나타내는 바와 같이 다수의 방열핀(14a)을 소정의 피치로 장착한 알루미늄제의 판재로 이루어지는 베이스 플레이트(14b)를 히트 파이프(11)의 방열부(12b)의 상부면에 밀착되게 재치한다. 그 상태에서 베이스 플레이트(14b)의 적어도 대향하는 2변의 가장자리부를 히트 파이프(11)의 방열부(12b)의 가장자리부를 끼우도록 하부로 꺾어 접는다. 따라서, 히트 파이프(11)의 방열부(12b)에 운반된 열은 베이스 플레이트(14b)를 통해서 각 방열핀(14a)에 효율 좋게 전달된다.
또, 히트 싱크의 다른 장착방법을 설명하면, 예를 들면 도 15에 나타내는 것과 같이, 히트 싱크(41)가 될 박판재의 알루미늄으로 된 다수의 방열핀(46a)의 각각의 하부변을 끼워넣는 장착홈(43a)이 히트 파이프(42)의 방열부(43) 상부면에 소정의 피치로 형성되어 있다. 그리고, 각 장착홈(43a)에 방열핀(41a)의 하부를 삽입한 후, 방열부(43) 상부면의 각 장착홈(43a) 사이의 평면부분을 장착홈(43a)의 폭을 축소시키도록 코킹하고, 혹은 각 방열핀(41a)을 하부로 눌러 장착홈(43a)의 두께를 증가시킴으로써 장착된다. 따라서, 히트 파이프(42)의 방열부(43)에 운반된 열은 각 방열핀(41a)에 직접적으로 전달된다.
또, 히트 싱크의 또 다른 장착방법을 도 16에 나타낸다. 알루미늄제의 판재로 이루어지는 베이스 플레이트(46b)상에 다수의 방열핀(41a)을 소정의 피치로 용접해서 구성되는 히트 싱크(46)가, 상기 베이스 플레이트(46b)의 하부면을, 히트 파이프(47)의 방열부(47b)의 상부면에 서멀 조인트(금속가루가 첨부된 접착제)(48)에 의해 접착해서 장착되어 있다.
따라서, 히트 파이프(47)의 방열부(47b)에 운반된 열은 베이스 플레이트(46b)를 통해서 효율 좋게 각 방열핀(41a)으로 전달된다.
또, 이상 설명한 예에서는 알루미늄제인 평판형의 방열핀(41a)(46a)을 사용한 예에 대해서 설명했으나, 방열핀은 알루미늄제 이외에 구리판 등의 열전도성이 우수한 금속제이면 되고 또, 도 17에 나타내는 바와 같이 구리판으로 된 다수의 방열핀(48a)를 가득 들어서게 하여 히트 싱크(48)로 하여도 된다.
또, 방열핀의 형상으로는 도 18에 나타내는 히트 싱크(49)와 같이 파도형 방열핀(49a)을 소정의 피치로 배열해서 사용하면 방열핀(49a)간의 사이에 형성된 틈을 흐르는 공기가 소용돌이치는 등 난류상태가 되므로 우수한 방열성능을 얻을 수 있다.
또, 도 19에 나타내는 바와 같이 바람이 흐르는 방향에 짧은 방열핀(50)을 공기의 흐름방향과 평행하게 또한, 지그자그 형상으로 다수 설치하면 각 방열핀(50)의 전방가장자리에 바람이 직접 충돌하는 것에 의한 냉각효과 즉 전연(前緣)효과에 의해 우수한 방열성능을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에서는 정류판(整流板)(18) 대신에 도 20에 나타내는 바와 같이 각 방열핀(51)의 공기통로가 되는 벌어진 틈의 공기유입측에, 유입되는 공기를 하측부로 안내하는 플랩형상의 가이드판(52)을 3단 설치하여도 된다. 이와 같이 하면 각 방열핀(51)의 하부측으로 공기가 흐르게 되어 방열효과가 향상된다. 또한, 공기를 경사지게 하부방향으로 흐르게 함으로써, 히트 파이프(11)의 방열부(11b) 상부면을 따라 흐르는 공기 흐름층의 박리(剝離)를 방지하고 또, 공기의 유통량이 증가하는 것에 의해 방열효과를 향상시킬 수 있다.
또, 본 발명에서는 도 20에 나타낸 플랩형상의 가이드판(52) 대신에 도 21에 나타내는 바와 같이 각 방열핀(51) 사이에 형성된 틈에 다수의 장애판(53)을 각각의 하류측을 하부로 경사지게 설치하여도 된다. 이와 같은 구조이어도 가이드판(52)과 거의 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한 도 22에 나타내는 바와 같이 장애판(53) 대신에 각 방열핀(51) 사이에 형성된 틈에 박판을 직각삼각형으로 형성한 삼각판(54)을, 경사진 변이 하부를 향하게 각각 설치하여도 거의 동일한 효과가 얻어진다.
또한, 상기의 설명에 있어서 본 발명의 히트 파이프(11)를 퍼스컴의 CPU(16)의 냉각에 사용한 예를 들었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 파워 트랜지스터 등의 전자소자의 냉각에 적용할 수 있다.
다음에, 상기 구성의 히트 파이프(11)의 제조방법에 대해서 설명한다. 또한, 이미 설명한 부재에는 동일한 부호를 부여하고, 그 상세한 설명을 생략한다. 우선, 콘테이너(12)의 소재로서 이미 소정의 치수로 절단한 원형단면의 금속파이프, 예를 들면 구리제의 파이프(55)를 준비한다. 그리고, 도 23에 나타내는 바와 같이 상기 파이프(55)의 내벽면에 축선방향으로 뻗는 직선형상의 다수의 홈(80)과 둘레방향을 향하게 한 환형상의 다수의 홈(18)을 각각 형성한다. 또, 이들 홈(80)(81)은 각각 핵비등을 유발시키는 볼록부 및 작동유체의 누설을 촉진하는 볼록부와 유사한 것이다.
다음에, 상기 홈가공된 파이프(55)를 속이 빈 편평형상으로 가공한다. 도 24는 가공설비로서의 프레스기(56)의 개략적인 구성을 나타내고 있고, 상기 프레스기의 다이(성형 형틀)는 형성할 편평형상의 두께와 거의 동일한 깊이의 오목부가 형성된 하부금형(57)과, 이 하부금형(57)의 개구부를 닫도록 하강되어지는 펀치(58)로 이루어져 있다. 즉, 하부금형(57)의 오목부에 있어서의 바닥면과 펀치(58)의 하부면이 파이프(55)를 끼고 압력을 가하는 성형면으로서 이들의 양면은 서로 평행한 평단면으로 되어 있다.
상기의 프레스기(56)에 의해 파이프(55)를 속이 빈 형상으로 가공하려면, 우선 파이프(55)를 상기 하부금형(57)과 펀치(58)의 사이에 삽입한다. 그리고, 펀치(58)를 하강시키면 파이프(55)의 상부면에 펀치(58)의 하부면이 접촉하고, 상기의 상태에서 펀치(58)를 하강시킴으로써, 파이프(55)는 타원단면형상에서 타원형상으로 변형된다. 이와 같이 하여 펀치(58)를 하한위치까지 내려 도 25에 나타내는 형상으로 형성한다.
이어서, 상기의 편평형상의 압력으로 변형된 파이프(55)의 내부면을 탈지세정한다. 그 세정수단으로는 예를 들면, 적절한 용해제를 사용한 세정, 혹은 초음파 세정 등의 종래로부터 알려진 수단을 채용할 수 있다.
다음에, 편평형상의 압력으로 변형된 파이프(55)에서 한편의 개구단부(64)를 밀폐한다. 여기서는 일예로서 상기 파이프(55)의 가장자리부분을 폭W방향의 전체영역에 걸쳐서 두께방향으로 압력을 가해서 변형한다. 또, 상기 압력으로 변형된 부분의 길이L방향의 폭은 몇mm정도 작게 한다(도 26 참조). 그리고, 파이프(55)의 내부둘레면의 가장자리부분끼리를 그 두께방향에서의 거의 중앙에 있어서 밀착시킨다. 또, 상기 가압가공에서는 종래로부터 알려진 프레스기나 치구 등을 채용할 수 있다.
또, 파이프(55)의 다른 편의 개구단부(64)에 대해서도 상기와 거의 동일하게 그 두께방향에서의 거의 중앙에 있어서 파이프(55)의 내부둘레면의 가장자리끼리 밀착시키나, 그 단부에서는 폭W방향에서의 거의 중앙에 내부공간과 연통하도록 주입노즐(61)을 장착하기 위한 개구부(59)를 형성한다(도 27 참조). 상기 작동유체의 주입구로서의 개구부(59)를 형성하기 위해서는 예를 들면, 상부금형 및 하부금형의 형성면에 개구부(59)에 대응하는 우묵한 부분을 미리 구비한 성형금형을 사용한다.
이어서, 파이프(55) 양편의 개구단부(64)(65)의 접합부(60)를 용접 등에 의해 밀폐한다. 이 때 개구부(59)가 형성된 단부에는 상기 개구부(59)에 주입노즐(16)의 일단부를 삽입하고, 동시에 용접 혹은 납땜 등의 수단에 의해 고착한다(도 28 참조). 또, 주입노즐(61)로서는 여기서는 파이프(55)와 동일재료로서 또한 단면이 원형인 작은 직경의 관이 채용되어 있다. 또, 개구단부(64)(65)를 닫는 다른 방법으로는 파이프(55)의 단면형상과 거의 동일한 장원형의 단부판을 용접하는 방법을 들 수 있다.
다음에 상기의 파이프(55)를 히트 파이프화한다. 즉, 주입노즐(61)을 통해서, 작동유체로서의 순수한 물을 규정치보다 약간 많을 정도로 파이프(55) 내부에 주입한다. 이는, 다음 공정에서 파이프(55) 내로부터 비응축성 가스를 방출하기 위한 것이다. 상기의 가열방출방식 공정의 일예를 나타내면, 도 29에 나타내는 바와 같이 주입노즐(61)이 설치된 단부가 상부가 되도록 파이프(55)를 실리콘 오일버스(62) 내에 설치하고 120℃ 정도로 가열한다. 그러면, 작동유체 중에 용해 되어 있는 비응축성가스가 작동유체의 증기와 함께 주입노즐(61)의 개구단부로부터 파이프(55)의 외부로 방출된다. 즉, 처음에 파이프(55) 내에 봉입된 작동유체의 전체 양에서 증기로서 방출된 양을 뺀 양이 작동유체의 실질적인 봉입량이 된다. 그리고, 증기를 소정량 방출 후, 주입노즐(61)의 선단부측을 찌그러뜨려 임시로 봉지한다. 따라서, 이와 같이 하여 충분히 탈기한 파이프(55)가 히트 파이프(11)의 콘테이너(12)가 된다. 또, 상기의 가열방출공정에서는 미리 주입노즐(61)을 임시로 체결해놓은 상태에서 파이프(55)내부의 압력을 높이고, 그 후 임시로 체결한 부분을 개방하여 작동체류를 프레시(Frash)시키는 방법을 취해도 된다. 또, 상기의 실시예에서는 콘테이너(12) 내부로의 작동유체의 탈기봉입방법으로서 가열방출법을 예로 들었으나, 그 대신에 진공펌프법이나 가스액화법 등을 채용할 수도 있다.
이어서, 상기의 히트 파이프(11)를 시즈닝한다. 이 공정은 주지하는 바와 같이 미세한 피 홀을 발견하거나 파이프(55)(콘테이너(12))의 내벽면과 작동유체와의 습윤성을 향상시키는 등 히트 파이프(11)로서의 신뢰성을 높이기 위하여 실시하는 공정으로서, 도 30에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 히트 파이프(11)를 배치로(Batch Furnace)나 관형상의 화로(63) 등 가열화로의 내부에 수납하고 100℃ 정도로 일정시간 연속해서 가열한다. 그리고, 상기 공정이 완료된 후 주입노즐(61)의 임시 봉지부분을 절단하거나 해서 개봉하고, 또 내부의 작동유체를 폐기한다. 또, 콘테이너(12)의 내부에 녹 등의 이물질이 있으면, 이 때에 작동유체와 함께 콘테이너(12)의 외부로 제거되므로 상기 시즈닝공정은 파이프(55) 내부의 2회째의 세정공정으로서 기능한다.
다음에 속이 빈 파이프(55)(콘테이너(12))에 규정의 봉입량에 대해서 약간 많은 양의 순수한 물을 새로 주입한다. 그리고 다시 상술하 바와 같은 가열방출을 실시하여 작동유체중에 존재하는 비응축성 가스를 파이프(55) 내로부터 배출시킨 후, 주입노즐(61)의 기단부 즉, 파이프(55)의 단부에 가까운 부분을 봉지한다(도 31 참조). 또, 상기 봉지부분을 필요에 따라 용접한다.
다음에, 콘테이너(12)의 성형가공을 행한다. 도 32 및 도 34는 콘테이너(12)의 성형공정을 나타내는 도면이고, 여기에 나타내는 성형금형(70)은 상부금형(71)과 하부금형(72)으로 구성되어 있다. 상기 하부금형(72)에는 히트 파이프(11)의 가열부(12a)를 성형하는 바닥면(72a)과 바닥면(72a)의 사방으로 히트 파이프(11)의 경사측벽부(12c)를 성형하는 상부로 넓어지는 경사면(72b)(2면만 나타낸다)이 구비되어 있다. 또, 상기 하부금형(72)에는 상기 바닥면(72a) 및 경사면(72b)에 근접하게 다수개의 히트(73)가 내장되어 있고, 이들의 히터(73)는 각각 독립되게 온도제어를 할 수 있도록 되어 있다.
한편, 상부금형(71)에는 히트 파이프(11)의 방열부(12b)를 성형하는 상부면(71a)이 구비되어 있다. 즉, 상기 상부금형(71)이 상기 하부금형(72)의 상부 개구부를 막음으로써 성형금형(70)에 거의 사각추대형상의 캐비티(74)가 형성되어 있다.
상기 성형금형(70)에 의해 콘테이너(12)를 성형가공하기 위해서는 성형금형(70)의 캐비티(74) 내에 편평하게 형성된 히트 파이프(11)를 수용한다. 그리고, 상기 상태에서 각 히트(73)를 동작시켜 150~200℃정도의 온도로 하부금형(72)을 소정시간 연속해서 가열한다. 그 결과, 콘테이너(12)의 내부에서 작동유체가 증발한다. 이 경우, 콘테이너(12)의 전체가 계속적으로 가열되므로 히트 파이프(11)의 압력이 높은 상태로 유지된다. 히트 파이프(11)의 가열온도를 높임으로써 상기의 내부압력이 충분히 고압이 되므로 콘테이너(12)가 내부측으로부터 전체 방향을 향하여 서서히 소성변형되기 시작한다. 다시 말해서, 콘테이너(12)가 전체 영역에 걸쳐서 팽창하기 시작한다.
상기와 같이 히트 파이프(11)의 주위를 상부금형(71) 및 하부금형(72)에 의해 규제하고 있으므로, 콘테이너(12)가 계속해서 팽창함에 따라 상기 외벽면이 바닥면(72a)과 경사면(72b) 및 상부면(71a)에 접촉하게 된다. 그리고, 상기의 상태에서 콘테이너(12)의 팽창이 더욱 진행되면, 그들 바닥금형(72a)이나 경사면(72b)에 콘테이너(12)의 외벽면이 압접되어, 결국에는 캐비티(74)의 형상을 본뜬 거의 사각추대형상의 히트 파이프의 콘테이너가 성형된다.
그리고, 상기 히트 파이프(11)를 냉각함으로써, 콘테이너(12)가 충분히 어닐링(Annealing)처리되고, 또, 상기의 표면은 구김이나 균열 등이 없는 양호한 상태가 된다. 또, 상기 성형공정은 여러번으로 나누어 반복해서 행하여도 된다.
다음에 히트 파이프(11)를 도시하지 않은 열특성 검사공정으로 보내어 열수송량이나 균열성 등에 대해서 검사한다. 그리고, 상기 검사규격과 일치한 히트 파이프(11)에 대해서는 콘테이너(12)의 외부표면에, 예를 들면 니켈을 코팅하여 미리 다른 공정으로 제조된 방열핀(14a)을 도 4에서의 콘테이너(12)의 상면측에 장착한다. 또, 이들의 장착수단은 상기한 바와 같다. 이어서, 별도로 도시하지 않았으나, 방열핀(14a)을 장착한 상태의 히트 파이프(11)를 최종검사공정으로 보내서 외관과 치수 및 중량과 정열특성 등에 대해서 검사를 하여 공정이 완료된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 히트 파이프를 사용하면, 국부적인 발열원으로부터의 열수송을 효율적으로 행할 수 있고, 또 탑 히트 모드로도 동작할 수 있게 된다.

Claims (6)

  1. 콘테이너(12)의 가열부(12a)측으로 열을 가함으로써 작동유체(13)를 증발시킴과 동시에 발생한 증기가 방열부(12b)로 이동하여 응축함으로써 열을 상기 방열부(12b)로 수송하는 히트 파이프(11)에 있어서, 상기 콘테이너(12)가 CPU(16)에 밀착되어 고정되는 평탄한 가열부(12a)와, 이 가열부(12a)와 대향하도록 간격을 두고 또한 상기 가열부(12a)보다 면적이 넓은 방열부(12b)와, 이들 가열부(12a)와 방열부(12b)의 각각의 가장자리둘레부를 전체 주위에 걸쳐 서로 연결하는 측벽부(12c)에 의해 속이 빈 편평한 형상으로 형성되고, 상기 CPU(16)로부터 열을 받아서 상기 작동유체(13)가 상기 가열부(12a)에서 증발하고, 그 증기가 상기 방열부(12b)로 유동하여 상기 방열부(12b)에서 방열하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열부(12a)가 CPU(16)의 표면과 동일한 셩상이고, 또 CPU(16)의 표면에 밀착되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
  3. 제1항에 있어서, 베이스 플레이트에 다수의 돌기를 형성한 히트 싱크가 상기 방열부에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가열부의 내부면과 방열부의 내부면에 다수의 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
  5. 제1항에 있어서, 상기 가열부(12a)의 내부면과 상기 방열부(12b)의 내부면의 사이에 모세관압력에 의해 액체상태의 작동유체(13)를 수송하는 기둥형상의 위크재(36)가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
  6. 제5항에 있어서, 상기 콘테이너(12)의 내부면에 다공질의 용사피막(35)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 히트 파이프.
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