KR100473560B1 - 고발열 전자장비용 열확산기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도가 급상승하는 컴퓨터의 CPU의 온도상승을 방지하거나 반도체장치의 제조에 사용되는 웨이퍼의 가열 등과 같이 일정한 온도로 극히 정밀하게 제어되어 가열되어야 할 필요가 있는 경우에 사용되는 고발열 전자장비용 열확산기에 관한 것으로, 상부가 개방된 하부케이스와, 상기 하부케이스의 내부에 방사상으로 설치되는 복수개의 격벽과, 상기 각 격벽 사이에 수용되도록 상기 격벽에 형상적으로 대응되는 삼각형태의 윅셀 및 상기 하부케이스의 개방된 부위에 결합되는 상부판으로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.

Description

고발열 전자장비용 열확산기{A Heat Spreader With Folded Screen Wick}

본 발명은 전자장비의 발열체의 냉각에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발열체 접촉면의 국부적 온도상승을 억제하여 효율적인 냉각을 가능하게 할 수 있으며, 반도체장치의 제조에 사용되는 웨이퍼의 가열 등과 같이 일정한 온도로 극히 정밀하게 제어되어 가열되어야 할 필요가 있는 경우에 사용될 수 있는 고발열 전자장비용 열확산기에 관한 것이다.

일반적으로 열확산기는 피가열체에 대해서 균일하게 열을 가열할 때 쓰이거나 국부적으로 가열되는 발열체의 열을 보다 안정적으로 냉각할 수 있는 기기이다.

이러한 상기 열확산기는 그 응용범위가 매우 넓어 소형 통신 장비 또는 노트북의 냉각기로 쓰이고 있다.

한편으로는 반도체와 정밀한 제품 생산시 가열기로 쓰이는 발열체의 일정한 온도균일성을 유지시킬 수 있는 기기로도 이용할 수 있어 반도체의 일정한 회로선폭을 보장하는데 필수불가결한 요소로 자리잡고 있다.

이하에서는 실시예로 전자장비의 냉각을 위해서 가장 일반적으로 사용되고 있는 것은 핀(Fin)이 있는 히트싱크에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 히트싱크 측면도이고, 도 2는 도 1의 분해사시도이며, 도 3은 도 1에 따른 히트싱크의 온도 분포도이다.

도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 히트싱크(1)는 발열체(3)의 표면에 부착되어 발열체로부터 열을 인가받아 대기나 휀에 의해서 냉각하는 공랭식방법을 사용하고 있다.

상기에서 히트싱크(1)는 크게 2부분으로 나뉘어지는데, 이는 상기 발열체의 상부에 직접적으로 대면하여 부착되는 베이스(1a)와, 상기 베이스(1a)의 상면으로 일정하게 돌출되는 핀(1b)으로 이루어져 있다.

여기서 상기 핀(1b)은 상기 베이스(1a)의 상부면에 대해 수직선상으로 다수 설치되어 인가되는 열을 공기중으로 방출할 수 있게 이루어져 있다. 이러한 상기 핀(1b)은 그 개수가 많을수록 공기가 접촉되는 면적이 증가되기 때문에 보다 많은 열을 외부로 방출할 수 있다.

그러나 이는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 베이스(1a)와 발열체(3)의 접촉된 영역의 상부로만 열이 급속이 전달되고 베이스(1a)의 외각으로는 열이 잘 인가되지 못하는 열집중 현상이 나타나게 되어, 상기 히트싱크(1)의 전반적인 효율을 크게 떨어지는 단점이 있다.

이러한 열집중 현상으로 인하여 발열체(3)의 열을 효과적으로 방출하지 못해 발열체(3)의 내에서의 오작동이나 작동정지 등의 문제점이 발생할 수 있는 단점이 있다.

따라서 이러한 열집중 현상을 방지할 수 있으며, 공랭식 및 수랭식을 병행하여 보다 안정적으로 균일하게 열을 방출할 수 있는 구조의 별도의 독립적인 기기가 개발되어야 하는 실정이다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 제 1목적은, 국부적으로 발생되는 열을 균일하게 분포시킬 수 있는 고발열 전자장비용 열확산기를 제공하는 것이다.

그리고 본 발명의 제 2목적은, 내부로 액상의 작동유체를 충진하여 수냉식으로 열을 방출할 수 있는 고발열 전자장비용 열확산기를 제공하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적들은, 전기적으로 연결되어 자체로 열이 발생하는 발열체의 상부에 부착되는 상부가 개방된 하부케이스와,

일측은 상기 하부케이스 안측 각 모서리 및 상기 각 모서리의 사이인 변에 복수등분되어 연결되고, 타측은 중심부위를 향하도록 방사상으로 설치되는 격벽과,

상기 각각의 격벽에 형상적으로 대응 삽입될 수 있도록 소정 메쉬단위로 이루어진 윅셀 및

상기 하부케이스의 개방된 부위에 형상적으로 대응되어 결합되는 상부판을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고발열 전자장비용 열확산기에 의해서 달성된다.

그리고 상기 열확산기는 내부에 충진되는 작동유체를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 작동유체는 열확산기의 내부로 20% ∼ 80%의 체적을 갖는 것이 바람직하다.

상기 작동유체는 물, 프레온계 냉매, 암모니아, 아세톤, 메탄올 및 에탄올 중 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기 각 격벽 및 윅셀은 상기 하부케이스의 선택되는 어느 하나의 모서리를 중심으로 방사상으로 설치되는 것이 바람직하다.

상기 각 격벽 및 상기 윅셀은 선택되는 발열체의 부착 위치를 중심으로 방사상으로 설치되는 것이 바람직하다.

상기 윅셀은 100 ∼ 500메쉬의 구리 또는 스테인레스로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 하부케이스, 격벽 및 상부판은 열전도성이 우수한 구리 또는 알루미늄인 것이 바람직하다.

상기 윅셀의 두께는 내부 유로를 형성할 수 있도록 0.5mm ∼ 1mm인 것이 바람직하다.

상기 하부케이스 및 상부판의 두께는 0.25mm ∼ 0.5mm인 것이 바람직하다.

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

이하에서는 본 발명에 따른 고발열 전자장비용 열확산기의 구성에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 열확산기의 사시도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 열확산기(100)는 온도가 급상승하는 컴퓨터의 CPU의 온도상승을 방지하거나 반도체장치의 제조에 사용되는 웨이퍼의 가열 등과 같이 일정한 온도로 극히 정밀하게 제어되어 가열되어야 할 필요가 있는 경우에 사용될 수 있는 기기이다.

따라서 상기 열확산기(100)는 용도에 따라 가열기 또는 냉각기로도 쓰일 수 있다.

이하에서 설명되는 내용은 CPU의 일반적인 냉각방식인 공랭식을 탈피하여 공랭과 더불어 수냉으로 CPU와 같은 발열체의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 열확산기에 대해서 설명하기로 한다.

상기에서의 열확산기(100)는 크게 4부분으로 나뉘어지는데, 이는 몸체를 이루는 상부가 개방된 하부케이스(10)와, 상기 하부케이스(10)의 내부에 방사상으로 설치되는 복수개의 격벽(11)과, 상기 각 격벽(11)의 안측으로 수용되도록 형상적으로 대응되는 삼각형태의 윅셀(Wick Sell)(20) 및 상기 하부케이스(10)의 개방된 부위에 결합되는 상부판(30)으로 이루어져 있다.

여기서 상기 하부케이스(10)는 컴퓨터의 CPU같은 온도가 급상승하는 발열체(200)의 상부에 저면 중앙부위가 부착되어 위치하고 있다.

이러한 상기 하부케이스(10)의 내부로는 다수개의 독립된 공간이 형성되도록 소정개수의 격벽(11)이 설치된다. 이 때 상기 각 격벽(11)은 상기 하부케이스(10)의 저면에 부착된 발열체(200)에 대해 방사상으로 설치되어 이루어져 있다.

따라서 상기 각 격벽(11)은 상기 하부케이스(10)의 내부에서 동일 크기의 독립 공간이 방사상으로 형성되며, 이러한 독립 공간에는 각각의 삼각형태의 윅셀(20)이 수용된다.

아울러 상기에서의 하부케이스(10)는 윅셀(20)이 수용된 상태에서 개방된 부위에 상부판(30)이 형상적으로 대응되어 전체적인 형상은 사각의 형태를 취하고 있다.

이러한 상기 하부케이스(10) 및 상부판(30)은 열전도가 적절하게 이루어질 수 있도록 약 0.25mm ∼ 0.5mm정도의 두께를 갖는다. 이 때 상기 열확산기(100)의 내부로는 약 20% ∼ 80%의 체적을 갖는 액상의 작동유체(40)가 충진되어 발열체(200)로 부터 인가되는 열을 수냉식으로 냉각할 수 있는 구조로 이루어져 있다.

도 5는 도 4의 하부케이스 및 격벽의 사시도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 하부케이스(10)의 안측에는 다수개의 독립된 공간이 형성되도록 격벽(11)의 타측이 상기 하부케이스(10)의 중심부위를 향하도록 설치되어 있다.

상기에서의 격벽(11)의 일측은 상기 하부케이스(10)의 모서리 4개소 및 상기 각 모서리의 사이인 변에 복수등분되어 설치되고 이 때 상기 각 격벽의 타단은 상기 하부케이스(10)의 저면에 부착되는 발열체(200)의 위치에 대해 수직선상인 바닥면 중심부위에서 서로 일정간격을 두고 집속되어 방사상으로 설치된다.

이러한 상기 하부케이스(10) 및 격벽(11)은 열전도성이 우수한 구리 또는 알루미륨으로 이루어져 있다.

도 6은 도 4의 윅셀의 사시도이며, 도 7은 도 6의 B-B선에 따른 단면도이다.

도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 윅셀(20)은 망으로 이루어진 약 100 ∼ 500메쉬(Mesh) 정도의 구리 또는 스테인레스로 이루어져 있으며, 상기 격벽(11)의 설치 모양에 따라 선택적으로 5면체로 이루어진 삼각형태의 윅셀(20) 및 6면체로 이루어진 마름모형태의 윅셀(20)을 가질 수 있다.

이러한 상기 윅셀(20)의 내부로는 공간이 형성되며, 표면을 따라 내부 유로가 형성되도록 약 0.5mm ∼ 1mm 정도의 두께를 갖는다.

도 8은 도 4에 따른 열확산기의 분해사시도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 열확산기(100)는 하부케이스(10)의 안측으로 복수개의 격벽(11)이 설치되어 있으며, 이러한 상기 격벽(11)의 사이에는 삼각형태의 윅셀(20)이 수용되어 이루어져 있다.

이렇게 이루어진 상기 열확산기(100)의 내부로는 물, 프레온계 냉매, 암모니아, 아세톤, 메탄올 및 에탄올 중 선택되는 어느하나의 작동유체(40)가 충진되어 이루어져 있다.

도 9는 도 4의 A-A선에 따른 열확산기의 기체 유로도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 상기 열확산기(100)는 발열체(200)에서 발생된 열이 하부케이스(10)를 통해 내부로 전달된다. 이러한 상기 발열체(200)의 열은 내부에 설치된 윅셀(20)을 따라 골고루 확산된다.

이렇게 확산된 발열체(200)의 열은 상기 윅셀(20)의 내부에 충진되어 있는 액상의 작동유체(40)로 인가되어 기화하게 된다.

이러한 상기 작동유체(40)는 기화되면서 상기 윅셀(20)의 공간 및 외곽으로 이동하게 되는데, 이 때 기체상태의 작동유체(40)는 기화되면서 외부와의 온도차로 인한 열교환으로 응축되면서 액상으로 다시 환원된다.

도 10은 도 4의 A-A선에 따른 열확산기의 액체 유로도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 상기 작동유체(40)는 상기 윅셀(20)의 내부에서 가열되어 상부로 기화하기 시작한다. 이렇게 기화된 작동유체(40)는 상기 윅셀(20)의 내부 상부에 액상으로 응축하기 시작한다. 이렇게 응축된 작동유체(40)는 표면장력에 의해 액상의 상태로 윅셀를 따라 하부로 이동된다.

이렇게 이동된 액상의 작동유체(40)는 발열체(200)의 열을 다시 인가받아 상기 윅셀(20)의 상부로 기화되면서 연속적으로 순환된다. 이에 따라 상기 발열체(200)에서 발산되는 열이 제거 될때까지 이러한 순환은 계속된다.

도 11는 본 발명에 따른 다른 실시예의 열확산기 구성도이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 상기 열확산기(100)는 상기 하부케이스(10)의 4개 모서리 중 선택되는 어느 하나의 모서리에 발열체(200)가 위치하고 있다.

이러한 상기 열확산기(100)의 구조는 상기 각 격벽(11) 및 윅셀(20)이 상기 하부케이스(10)의 선택되는 어느 하나의 모서리를 중심으로 방사상으로 설치되는 구조이다.

따라서 상기 각 격벽(11) 및 상기 윅셀(20)은 발열체(200)로 부터 발산되는 열을 상기 열확산기(100)의 전체로 균일하게 확산될 수 있도록 선택되는 발열체(200)의 부착 위치를 중심으로 방사상으로 설치되는 것이 바람직하다.

도 12은 본 발명에 따른 열확산기의 사용상태도이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 상기 열확산기(100)의 상부에는 히트싱크(300)가 부착되고 하부에는 자체적으로 열을 발생하는 CPU(210)가 부착되어 있다.

여기서 상기 열확산기(100)는 내부로 수용되는 윅셀(20)과, 상기 윅셀(20)에 충진되는 작동유체(40)로 하부에 국부적으로 발생하는 CPU(210)의 열을 수냉식으로 치환할 수 있도록 이루어져 있다.

이러한 상기 열확산기(100)는 상기 CPU(210)의 인가된 열을 기화와 응축을 반복하면서 열을 치환할 수 있는 구조로 이루어져 있다.

이와같이 상기 CPU(210)에서 발생된 열은 상기 하부케이스(10)의 통해 상기 윅셀(20)의 내부로 인가되고, 상기 웍셀(20)의 내부에 충진되어 있는 작동유체(40)는 윅셀(20)의 내부로 인가된 열에 의해 기화와 응축을 반복하면서 열을 연속적으로 치환하게 된다.

그리고 응축과정에서 발생한 응축열은 상기 열확산기(100)의 상부에 부착되는 히트싱크(300)를 통해 외부로 배출된다.

이상에서와 같이 상기 열확산기(100)는 발열체(200)의 크기에 따라 그 크기를 달리할 수 있으며, 이에 따라 안측으로 수용되는 윅셀(20)의 크기도 달리할 수 있다.

그리고 상기 열확산기(100)의 하부케이스(10)에 설치되는 격벽(11)의 개수를 임의로 달리하여 사용할 수 있으며, 상기 격벽(11)의 사이에 수용되는 윅셀(20)의 개수도 달리할 수 있다.

이상에서와 같은 본 발명에 따른 고발열 전자장비용 열확산기에 의하면, 국부적으로 발생되는 열을 균일하게 분포시킬 수 있으며, 또한 상부로 부착되는 히트싱크로 열을 균일하게 분산시켜 국부적 온도상승을 억제하여 효율적인 냉각을 가능하게 할 수 있는 장점이 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.

도 1은 종래의 히트싱크 측면도,

도 2는 도 1의 분해사시도,

도 3은 도 1에 따른 히트싱크의 온도 분포도,

도 4는 본 발명에 따른 열확산기의 사시도,

도 5는 도 4의 하부케이스 및 격벽의 사시도,

도 6은 도 4의 윅셀의 사시도,

도 7은 도 6의 B-B선에 따른 단면도,

도 8은 도 4의 열확산기의 분해사시도,

도 9는 도 4의 A-A선에 따른 열확산기의 기체 유로도,

도 10은 도 4의 A-A선에 따른 열확산기의 액체 유로도,

도 11은 본 발명에 따른 다른 실시예의 열확산기 구성도,

도 12는 본 발명에 따른 열확산기의 사용상태도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 히트싱크 1a: 베이스

1b: 핀 3: 발열체

10: 하부케이스 11: 격벽

20: 윅셀 30: 상부판

40: 작동유체 100: 열확산기

200: 발열체 210: CPU

300: 히트싱크

Claims (10)

1. 전기적으로 연결되어 자체로 열이 발생하는 발열체(200)의 상부에 부착되는 상부가 개방된 하부케이스(10)와,

   일측은 상기 하부케이스(10)의 안측 각 모서리 및 상기 각 모서리의 사이인 변에 복수등분되어 연결되고, 타측은 중심부위를 향하도록 방사상으로 설치되는 격벽(11)과,

   상기 각각의 격벽(11)에 형상적으로 대응 삽입될 수 있도록 소정 메쉬단위로 이루어진 윅셀(20) 및

   상기 하부케이스(10)의 개방된 부위에 형상적으로 대응되어 결합되는 상부판(30)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고발열 전자장비용 열확산기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 열확산기(100)는 내부에 충진되는 작동유체(40)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고발열 전자장비용 열확산기.
3. 삭제
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 작동유체(40)는 물, 프레온계 냉매, 암모니아, 아세톤, 메탄올 및 에탄올 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고발열 전자장비용 열확산기.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 하부 케이스(10)는, 모서리 일지점을 중심으로 대응되는 두개면까지 방사상으로 다수개의 격벽(11)을 설치하고, 상기 격벽(11)을 통해 형성되는 공간부에 삼각형태의 윅셀(20)을 삽입하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고발열 전자 장비용 열확산기.
6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,

   상기 각 격벽(11) 및 상기 윅셀(20)은 선택되는 발열체(200)의 부착 위치를 중심으로 방사상으로 설치되는 것을 특징으로 하는 고발열 전자장비용 열확산기.
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,

   상기 하부케이스(10), 격벽(11) 및 상부판(30)은 열전도성이 우수한 구리 또는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 고발열 전자장비용 열확산기.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 윅셀(20)의 두께는 내부 유로를 형성할 수 있도록 0.5mm ∼ 1mm인 것을 특징으로 하는 고발열 전자장비용 열확산기.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 하부케이스(10) 및 상부판(30)의 두께는 0.25mm ∼ 0.5mm인 것을 특징으로 하는 고발열 전자장비용 열확산기.