KR100454268B1 - 열 확산기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열 확산기에 관한 것이다. 이를 위해, 열원(1)에서 발생되는 열을 방출하기 위한 열 확산기로서, 내부가 밀폐되고 상기 열원에 밀착된 케이스(11);

상기 케이스(11)의 내부에 채워진 제 1 다공질의 모세관 구조이고 다공 내에 작동 유체가 주입된 윅(12); 상기 열원으로부터 전달된 열에 의해 상기 작동유체로부터 기화된 증기가 압력차에 의해 이동가능하도록 하기 위해 상기 윅(12) 사이에 형성된 복수개의 증기 유로(13)를 포함한다.

Description

열 확산기{Heat Diffuser}

본 발명은 열 확산기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각종 소형 전자장비 등에서 발생하는 열을 효과적으로 넓은 면적에 확산시킴으로써, 열 확산 효율을 증가시킬 수 있는 열 확산기에 관한 것이다.

종래, 각종 전자장비 등에서 발생되는 열의 냉각 또는 확산시키는 기술은 전자 장비의 올바른 동작 및 파손을 방지하기 위해 매우 중요한 기술이며, 이를 위한 다양한 기술들이 개발되어 왔다.

그 중, 핀히트 싱크 방식과 히트 파이프 방식이 널리 사용되고 있는 기술이다.

도 1은 종래 핀히트 싱크 방식에 의한 열 냉각방법을 나타낸 도면이다. 핀히트 싱크 방식은 도 1에 도시된 바와 같이, 열원(1)의 표면 상에 핀히트 싱크(2)를 부착하고 그 위에 냉각팬(3)을 설치하여 열원(1)으로부터 발생되는 열을 외부로 방출하여 상기 열원(1)의 온도를 일정하게 유지하는 방식이다.

즉, 상기 열원(1)으로부터 발생된 열은 주변 공기와의 접촉 면적을 증가시키기 위한 상기 핀히트 싱크의 복수개의 핀을 따라 확산되고, 상기 확산된 열은 주변 공기와 접촉함으로써 냉각되는 공냉식이다. 상기 냉각팬(3)은 상기 열에 의해 데워진 공기가 상기 핀히트 싱크 주변에 정체되지 않도록 하여 냉각 효율을 높이기 위한 것이다.

도 2는 종래 히트 파이프 방식에 의한 열 냉각방법을 나타낸 도면이다. 상기 히트 파이프 방식은 도 2에 도시된 바와 같이, 히트 파이프 내부에 채워진 윅의 모세관 구조의 특성을 이용한 것으로서, 상기 윅의 내부에는 작동 유체가 주입되어 있다.

즉, 열원(1)측의 윅의 내부의 작동 유체는 열원(1)으로부터 평면판(5)을 통해 전달된 열에 의해 기화되어 내부 유로(8)를 통해 다른 쪽으로 이동하여 방열판(7) 및 냉각팬(3)에 의해 열을 방출한 후, 다시 응축의 과정을 거치며, 상기 윅의 모세관 구조에 의해 다시 상기 열원(1)측의 윅쪽으로 되돌아오는 과정을 반복하여 열 확산을 수행한다.

상기의 핀히트 싱크 방식이나 히트 파이프 방식은 부피가 크고 열원이 하나인 전자장비에서는 효과적일 수 있으나, 부피가 작은 소형 전자장비나 열원이 하나 이상인 고집적화된 전자장비의 경우에는 냉각에 필요한 공간을 확보하기가 어렵다는 문제점이 있었다.

따라서, 이러한 종래의 열 확산방법의 불합리를 극복하고, 소형의 전자장비나 열원이 복수개인 경우에도 적용가능한 열 확산 방법에 대한 요구가 높아지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제 1 목적은 열원이 하나 이상인 고집적화된 전자장비에도 적용 가능한 열 확산기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은 별도의 부가장치 없이 작은 부피를 차지하면서도, 넓은 면적에 열을 효과적으로 확산시켜 열 확산 효율을 높일 수 있는 열 확산기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 열원(1)에서 발생되는 열을 방출하기 위한 열 확산기로서, 내부가 밀폐되고 상기 열원에 밀착된 케이스(11); 상기 케이스(11)의 내부에 채워진 제 1 다공질의 모세관 구조이고 다공 내에 작동 유체가 주입된 윅(12); 상기 열원으로부터 전달된 열에 의해 상기 작동유체로부터 기화된 증기가 압력차에 의해 이동가능하도록 하기 위해 상기 윅(12) 사이에 형성된 서로 연통되어 있는 복수개의 증기 유로(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 열 확산기에 의해 달성될 수 있다.

그리고, 상기 윅(12)이 채워진 영역의 가장자리에는 상기 윅(12)보다 더 높은 공극을 갖는 제 2 다공질로 되어 있는 액체 저장부(15)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 액체 저장부(15)의 폭방향 두께는 1 ~ 5 mm 인 것이 바람직하다.

또한, 상기 서로 연통되어 있는 복수개의 증기 유로(13)는 균일한 간격을 두고 이격되도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 균일한 간격은 0.25 ~ 1.0 mm 인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 서로 연통되어 있는 복수개의 증기 유로(13)의 단면의 일변은 상기 케이스(11)의 상기 열원(1)에 밀착되는 부분의 내측면에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 증기 유로(13)의 단면은 사각형인 것이 가능하다.

또한, 상기 증기 유로(13)의 사각 단면 중 일변의 길이는 0.25 ~ 1.0 mm 인것이 바람직하다.

또한, 상기 증기 유로(13)는 평면상에 격자형으로 배열되는 것을 더욱 바람직하다.

그리고, 상기 열원(1)은 컴퓨터의 중앙연산장치(CPU)인 것이 가능하다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 종래 핀히트싱크 방식에 의한 열 냉각방법을 나타낸 도면,

도 2는 종래 히트 파이프 방식에 의한 열 냉각방법을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 열 확산기의 사시도,

도 4는 도 3의 단면 A에서 취해진 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 열 확산기의 평면도,

도 6은 본 발명에 따른 열 확산기에서의 열 전달을 설명하기 위한 도면,

도 7은 본 발명에 따른 열 확산기의 사용 상태의 일 실시예를 나타낸 도면,

도 8은 본 발명에 따른 열 확산기의 사용 상태의 또다른 실시예를 나타낸 도면이다.

<주요 도면 부호에 관한 간단한 설명>

1 : 열원, 10 : 열 확산기,

11 : 케이스, 12 : 윅,

13 : 증기 유로, 15 : 액체 저장부,

16 : 방열부, 17 : 증발부.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 열 확산기의 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예 따른 열 확산기는 약 2.0 mm 미만의 두께를 갖는 직육면체의 형상으로 이루어져 있다. 그러나, 이에 국한되지는 않으며, 적용예에 따라 원형 또는 임의의 폐곡선 형상의 판재 형상을 가질 수도 있다.

상기 열 확산기는 금속 재질의 케이스(11)로 밀폐되어 있으며, 상기 케이스(11)의 일면이 열원(1)과 밀착되도록 되어 있어, 상기 열원(1)으로부터 발생된 열이 상기 케이스(11)를 통해 상기 열 확산기 내부로 유입된다.

도 4는 도 3의 단면 A의 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열 확산기는 케이스(11), 윅(wick)(12), 서로 연통되어 있는 복수개의 증기 유로(13) 및 액체 저장부(15)로 구성되어 있다.

상기 케이스(11)는 상술한 바와 같이, 상기 열원(1)과 밀착되어 상기 열원(1)으로부터 발생된 열을 상기 케이스 내부로 전달한다.

상기 윅(12)은 상기 케이스(11)의 내부에 채워진 제 1 다공질의 모세관 구조이고 다공 내에 작동 유체가 주입되어 있다. 상기 작동 유체는 일반적으로 물, 프레온계 냉매, 암모니아, 아세톤, 메탄올, 에탄올 등이 사용된다. 그러나, 200 ~ 500 ℃의 고온에서는 나프탈렌, 유황, 수은 등이 사용된다.

상기 윅(12)의 두께는 0.5 ~ 1.5 mm 가 적당하다. 만일, 상기 윅(12)의 두께가 0.5 mm 이하이면 충분한 열 확산이 어렵게 되며, 1.5 mm 이상이면 부피가 증가되는 문제점이 있다.

서로 연통되어 있는 복수개의 증기 유로(13)는 상기 열원(1)으로부터 전달된 열에 의해 상기 작동유체로부터 기화된 증기가 압력차에 의해 이동가능하도록 하기 위해 상기 윅(12) 사이에 형성된 공간이다.

상기 서로 연통되어 있는 복수개의 증기 유로(13)는 대략 0.25 ~ 1.0 mm 의 균일한 간격을 두고 이격되도록 단면이 사각형으로 형성되어 있고, 단면의 일변은 상기 케이스(11)의 상기 열원(1)에 밀착되는 부분의 내측면에 의해 형성되어 있으며, 증기 유로(13)의 사각 단면 중 일변의 길이는 0.25 ~ 1.0 mm 이다. 만일, 상기 일변의 길이가 0.25 mm 이하이면 상기 작동 유체로부터 기화된 증기의 이동 경로가 협소해져 열 확산이 충분하게 되지 못하는 문제가 있고, 1.0 mm 이상이면 부피가 증가하여 소형의 전자장비 또는 열원이 2 개 이상인 경우에 적용하기 어려워지는 문제가 있다.

상기 액체 저장부(15)상기 윅(12)이 채워진 영역의 가장자리에 상기 윅(12)보다 더 높은 공극을 갖는 제 2 다공질로 되어 있다. 상기 액체 저장부(15)의 폭방향 두께는 1 ~ 5 mm 정도이다.

상기 액체 저장부(15)는 상기 윅(12)보다 더 높은 공극을 가지므로, 다공 내에 보다 많은 양의 작동 유체를 함유할 수 있으므로, 상기 열원(1)으로부터 대량의 열이 공급되어 급격한 증발에 의한 액막 단절현상(dry out)이 발생되지 않도록 하기 위한 것이다.

즉, 상기 액체 저장부(15)에 보다 많은 면적에 많은 양의 액체를 포함할 수 있도록 상기 액체 저장부(15)의 폭방향 두께를 상술한 바와 같이 1 ~ 5 mm 로 보다 두껍게 형성되도록 하는 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 열 확산기의 평면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이,상기 증기 유로(13)는 평면상에 격자형으로 배열되어 있음을 알 수 있다. 도 5의 열 확산기의 중앙부(17)의 하단에 상기 열원(1)이 위치하고 있으며, 상기 중앙부(17)는 증발부에 해당한다.

상기와 같이 상기 증기 유로(13)를 격자형으로 배열함으로써, 소형의 복수개의 열원(1)에도 적용가능하고, 상기 증발부(17)에서 기화된 증기가 잘 유통되도록 함으로써 열 확산이 보다 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.

도 5에서, 상기 윅이 위치한 가장자리의 둘레에 상기 액체 저장부(15)가 구비되어 있음을 알 수 있다.

이하에서는, 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 열 확산기의 작용을 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명에 따른 열 확산기에서의 열 전달을 설명하기 위한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 열원(1)에서 발생된 열은 상기 케이스(11)의 하단측을 통해 상기 케이스(11) 내부로 전달된다.

그 다음, 상기 전달된 열에 의해 상기 윅(12) 내부에 충진되어 있던 작용 유체가 기화되어 상기 증기 유로(13)를 통해 다른 부분으로 이동하게 된다. 상기 이동되던 증기는 상기 윅(12) 및 액체 저장부(15)로 흡수되면서 주위와 열 교환을 함으로써 응축되면서 액체 상태로 환원된다. 상기 응축 과정에서 발생한 응축열은 상기 케이스(1)의 상단인 방열부(16)를 통해 외부로 방출된다. 상기 응축된 작동 유체는 상기 증발부(17)의 증발로 인해 발생한 모세관력에 의해 다시 상기 증발부(17)로 이동하게 된다.

상기의 과정은 열 확산기의 작동 한계 이하의 열이 상기 열원(1)으로부터 공급되는 한 순환과정을 이루면서 지속된다.

본 실시예에서 열원(1)은 컴퓨터의 중앙연산장치(CPU) 등의 전자장비 또는 노트북, PDA 같은 개인용 휴대장비에 적용할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 열 확산기의 사용 상태의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 전자장비(9) 내에 복수개의 열원(1)이 존재하는 경우 상기 복수개의 열원(1)을 본 발명의 열 확산기(10)에 밀착시켜 열 확산이 이루어지도록 하는 것이 가능하다.

이는 상술한 바와 같이, 본 발명의 열 확산기(10)가 격자 모양의 평면 형상을 가지므로 복수개의 열원(1)에 적용이 가능하기 때문이다.

도 8은 본 발명에 따른 열 확산기의 사용 상태의 또다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도 8은 종래의 핀히트 싱크 방식의 구성에서, 상기 열원(1)과 상기 핀히트 싱크(2) 사이에 본 발명에 따른 열 확산기(10)를 위치시키는 것에 그 특징이 있다.

상기와 같은 구성에 의하면, 상기 열 확산기(10)의 케이스(11) 상단을 통해 방출된 열이 상기 핀히트 싱크(2)로 전달되고, 상기 전달된 열이 넓은 표면적을 구비한 복수개의 핀으로 전달됨으로써 주위와 열교환이 보다 잘 일어날 수 있도록 함으로써 열 교환 효율을 보다 배가시킬 수 있도록 한 것이다.

그에 따라서, 상기 핀히트 싱크(2)의 크기를 감소시키는 것이 가능하게 된다.

비록 본 실시예가 데스크탑 PC, 노트북 컴퓨터 등을 한정 및 설명하였으나, 이에 국한 되지 않고, 그 외에도 검류기, 트렌지스터, 엠프, 고집적 반도체 패키지, 전기 모터의 로터, 지하에 매설되는 고용량의 전기 케이블의 냉각 등에 광범위하게 응용될 수 있음은 물론이다.

뿐만 아니라, 극지방같은 영구 동결대에 있는 장치물이나 건축물과 같이 지반의 해빙으로 인해 안전에 지장을 초래할 수 있는 장소에 적용하여 지반의 해빙을 일으키는 열을 지상으로 방출하는데에도 적용 가능하다.

또는 그 반대의 경우로 도로나 공항의 활주로, 교량의 결빙을 방지하기 위한 용도로도 사용 가능하다.

또한, 항공우주 분야의 인공위성에 필요한 다이오드, 복사판넬 냉각 등의 장치에도 적용 가능하다.

또한, 본 실시에에서 각종 치수를 한정하여 설명하였으나, 필요에 따라서 그 치수의 변경이 가능함은 물론이다.

상기와 같은 열 확산기에 따르면, 하나 이상의 열원이 존재하는 전자장비에서 발생되는 열을 효과적으로 넓은 면적에 확산시켜 주위와 열교환 함으로써, 전자장비의 온도를 일정하게 유지하여 파손을 방지하고 열 확산 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 별도의 부가장치 없이 최소의 부피를 차지하면서도 전자장비에서 발생하는 열을 효과적으로 넓은 면적에 확산시켜 열 확산 효율을 높일 수 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (10)

1. 열원(1)에서 발생되는 열을 방출하기 위한 열 확산기로서,

   내부가 밀폐되고 상기 열원에 밀착된 케이스(11);

   상기 케이스(11)의 내부에 채워진 제 1 다공질의 모세관 구조이고 다공 내에 작동 유체가 주입된 윅(12);

   상기 열원으로부터 전달된 열에 의해 상기 작동유체로부터 기화된 증기가 압력차에 의해 이동가능하도록 하기 위해 상기 윅(12) 사이에 형성된 서로 연통되어 있는 복수개의 증기 유로(13); 및

   상기 윅(12)이 채워진 영역의 가장자리에는 상기 윅(12)보다 더 높은 공극을 갖는 제 2 다공질로 되어 있는 액체 저장부(15)를 구비하는 것을 특징으로 하는 열 확산기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 액체 저장부(15)의 폭방향 두께는 1 ~ 5 mm 인 것을 특징으로 하는 열 확산기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 증기 유로(13)는 균일한 간격을 두고 이격되도록 형성된 것을 특징으로 하는 열 확산기.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 균일한 간격은 0.25 ~ 1.0 mm 인 것을 특징으로 하는 열 확산기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 복수개의 증기 유로(13)의 단면의 일변은 상기 케이스(11)의 상기 열원(1)에 밀착되는 부분의 내측면에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열 확산기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 증기 유로(13)의 단면은 사각형인 것을 특징으로 하는 열 확산기.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 증기 유로(13)의 사각 단면 중 일변의 길이는 0.25 ~ 1.0 mm 인 것을 특징으로 하는 열 확산기.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 증기 유로(13)는 평면상에 격자형으로 배열되는 것을 특징으로 하는 열 확산기.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 열원(1)은 컴퓨터의 중앙연산장치(CPU)인 것을 특징으로 하는 열 확산기.
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