KR100498000B1 - 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의발열체 냉각장치 - Google Patents

히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의발열체 냉각장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치에 관한 것으로서, 히트파이프의 흡열 부분을 형성할 수 있는 제1공간을 가진 제1블록; 상기 흡열 부분과 연통되는 히트파이프의 방열 부분을 형성할 수 있는 제2공간을 가지며, 상기 제2공간의 외측으로 다수의 방열핀이 일체로 돌출 형성되고, 상기 제2공간에 연통되는 구멍을 가지며, 상기 제1블록에 용접 결합되는 제2블록; 및 상기 제1블록과 제2블록이 결합된 상태에서 상기 구멍을 통해 상기 제1공간과 제2공간이 연통된 히트파이프의 내부를 진공 처리하고 작동유체를 주입한 후, 상기 구멍을 밀폐시킬 수 있는 밀폐수단을 구비한다.

Description

히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치 {Cooler having heat-pipe-sink for chip module of electronic equipment}
본 발명은 히트파이프와 히트싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전자기기 예컨대, 개인용 또는 서버용 컴퓨터, 영상 압축기술이 적용되는 무인감시 시스템, 이동통신 중계 시스템 등에는 많은 양의 데이터를 처리할 수 있는 칩모듈이 장착된다. 이러한 칩모듈은 데이터를 처리하는 과정에서 많은 량의 열이 발생하게 되는데, 자체적으로 발생되는 열이 일정한 온도 이상으로 상승하게 되면 전자기기의 운영에 악영향을 끼칠 수 있는 오류를 발생시키게 된다.
이와 같이 칩모듈의 오류를 방지하기 위해, 칩모듈(이하, "발열체"라 칭한다)에는 열을 강제적으로 냉각시키기 위한 냉각장치가 장착된다.
종래에 따른 전자기기용 발열체의 냉각장치는 크게 히트싱크(heatsink) 타입의 냉각장치와 히트파이프(Heatpipe) 타입의 냉각장치로 대별된다. 상기 히트싱크 타입의 냉각장치는 발열체로부터 발생되는 열을 흡열하기 위한 싱크패드와, 싱크패드로 전도된 열을 냉각시키기 위한 방열핀으로 구성된다. 상기 히트파이프 타입의 냉각장치는 발열체의 열을 흡열할 수 있는 흡열 부분과 흡열된 열을 외부로 방출할 수 있는 방열 부분으로 구성된다.
최근에는 발열체에 대한 냉각효율을 더욱 향상시키기 위해, 히트싱크와 히트파이프의 열교환 구조를 조합시킨 히트싱크와 히트파이프의 결합형 냉각장치가 개발되고 있다.
그런데, 종래에 따른 히트싱크 및 히트파이프의 결합형 냉각장치는 히트 파이프와 히트싱크가 단품으로 각각 제조된 후 상호 결합되기 때문에, 많은 비용과 작업 시간이 소요되는 문제점이 있다. 또한, 히트싱크 및 히트파이프 간의 각 결합 부위에 열저항이 증가하기 때문에, 결과적으로 온도 편차가 커지게 되어 냉각 성능이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 착상된 것으로, 히트싱크와 히트파이프를 상호 결합시키기 위한 제조 공정을 단순화시킬 수 있고, 히트싱크 및 히트파이프 간의 열저항을 최소화시킬 수 있는 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 히트파이프의 흡열 부분을 형성할 수 있는 제1공간을 가진 제1블록; 상기 흡열 부분과 연통되는 히트파이프의 방열 부분을 형성할 수 있는 제2공간을 가지며, 상기 제2공간의 외측으로 다수의 방열핀이 일체로 돌출 형성되고, 상기 제2공간에 연통되는 구멍을 가지며, 상기 제1블록에 용접 결합되는 제2블록; 및 상기 제1블록과 제2블록이 결합된 상태에서 상기 구멍을 통해 상기 제1공간과 제2공간이 연통된 히트파이프의 내부를 진공 처리하고 작동유체를 주입한 후, 상기 구멍을 밀폐시킬 수 있는 밀폐수단을 구비한다.
본 발명에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치에 있어서, 상기 히트파이프는 상기 제1공간의 중심을 기준으로 실질적으로 "U"자 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치에 있어서, 상기 히트파이프의 윅(wick) 구조는, 상기 제1공간 및 제2공간의 내주면에 형성된 그루브 패턴을 구비한다.
본 발명에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치에 있어서, 상기 히트파이프의 윅(wick) 구조는, 상기 제1공간 및 제2공간의 내주면에 접착된 그라파이트 폼(graphite fome)을 구비한다.
본 발명에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치에 있어서, 상기 제2블록은: 상기 작동유체의 유동을 가이드할 수 있도록 상기 제1공간으로 돌출되는 돌기들을 구비한다.
본 발명에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치에 있어서, 상기 작동유체는 프레온 대체냉매를 구비한다.
본 발명에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치에 있어서, 상기 밀폐수단은: 상기 구멍을 폐쇄시키기 위해, 상기 구멍에 용접 결합될 수 있는 밀폐캡을 구비한다.
따라서, 본 발명은 히트싱크와 히트파이프의 흡열 부분을 겸할 수 있는 제1블록과 히트싱크와 히트파이프의 방열 부분을 겸할 수 있는 제2블록을 다이캐스팅으로 제조하고 이들을 상호 용접시킨 구조를 가지므로, 종래와 달리 히트싱크와 히트파이프를 상호 결합시키기 위한 작업 공정을 단순화시킴은 물론 제조 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 히트싱크 및 히트파이프 간의 열저항을 최소화시켜 전체적인 온도 편차를 줄임으로써 궁극적으로 냉각 성능이 더욱 향상되는 점에 그 특징이 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 냉각장치는 전자기기의 칩모듈 예를 들어 개인용/서버용 컴퓨터 또는 영상 압축기술이 적용되는 무인감시 시스템의 중앙연산처리장치(Central Processoing Unit: CPU), 서브급 워크 스테이션의 MPU(Multiple Processor Unit) 또는 VGA 칩, 이동통신 중계시스템의 HPA(High Power Amplifier), 중계 기지국의 PAU(Power Amplifier Unit) 등의 칩모듈(이하에서는 "발열체"라 칭함)로부터 발생되는 열을 냉각시키기 위한 것이다. 보다 구체적으로, 본 냉각장치는 기존의 히트싱크와 히트 파이프의 고유한 열전달 방식을 조합한 것으로, 히트 싱크와 히트 파이프의 결합 부위 간의 열저항을 최소화시켜 궁극적으로 냉각 성능이 더욱 향상될 수 있는 구조를 가진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치를 도시한 결합 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 단면 구성도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 전자기기의 발열체 냉각장치(100)는 히트싱크와 히트파이프의 흡열 부분을 겸할 수 있는 블록체와, 히트싱크와 히트파이프의 방열 부분을 겸할 수 있는 블록체를 각각 제조하여 용접식으로 상호 결합시킨 구조를 가지며, 히트파이프의 전체적인 형상이 "U"자형을 취할 수 있는 구조를 가진다.
이를 위한 상기 냉각장치(100)는, 히트싱크(130)와 히트파이프(140)의 흡열 부분(E)을 형성할 수 있는 제1블록(110)과, 히트싱크(130)와 히트파이프(140)의 방열 부분(C)을 형성할 수 있고 히트파이프(140)의 흡열 부분(E)과 방열 부분(C)이 연통될 수 있도록 제1블록(110)에 용접 결합되며 히트파이프(140)의 내부와 연통되는 구멍(125)을 가진 제2블록(120)과, 구멍(125)을 통해 히트파이프(140)의 내부를 진공 처리하고 작동유체를 주입한 후 그 구멍(125)을 밀폐시킬 수 있는 밀폐수단(170)을 구비한다.
전술한 바 있는 발열체(H)는 전자기기 본체의 지면에 대해 수평 또는 수직 방향으로 장착되는 회로기판의 일면에 실장된다. 발열체(H)는 소정 크기를 가진 단일의 칩모듈을 구비할 수 있고, 일정 크기를 가진 다수의 칩모듈이 연속적으로 배치될 수도 있다.
상기 제1블록(110)은 히트싱크(130)와 히트파이프(140)의 흡열 부분(E)을 겸할 수 있는 것으로서, 발열체(H)의 일면에 실질적으로 면접촉될 수 있는 제1베이스부(111)를 구비한다. 제1베이스부(111)는 발열체(H)의 일면에 면접촉됨으로써, 발열체(H)로부터 발생되는 열을 흡열할 수 있는 흡열 부분(E) 즉, 통상적인 히트싱크의 싱크패드와 같은 역할을 수행하게 된다. 상기 제1베이스부(111)의 일면에는 작동유체가 충진될 수 있는 제1공간(112)이 형성된다. 구체적으로, 제1공간(112)은 제1베이스부(111)의 일면에 소정 깊이 형성된 홈을 말한다. 제1공간(112)은 히트파이프(140)의 흡열 부분(E)으로서, 발열체(H)로부터 제1베이스부(111)로 전도된 열에 의해 작동유체를 증발시킬 수 있는 곳이다. 상기 제1베이스부(111)는 제1공간(112)의 가장자리로부터 소정 길이 연장 형성된 제1연장부(113)가 형성된다. 제1연장부(113)는 후술할 제2블록(120)에 용접될 수 있는 용접 부위이다.
상기 제2블록(120)은 히트싱크(130)와 히트파이프(140)의 방열 부분(C)을 겸할 수 있는 것으로서, 제1베이스부(111)와 용접 결합될 수 있는 제2베이스부(121)를 구비한다. 제2베이스부(121)는 한 쌍의 제2공간(122)이 형성된다. 구체적으로, 상기 각각의 제2공간(122)은 개방단과 밀폐단을 가지고 제1베이스부(111)의 일면으로부터 일체로 돌출 형성된 돌출부의 내부 공간을 말한다. 상기 돌출부는 평면에서 볼 때 그 단면 형상이 장방형 또는 원형으로 이루어지며, 측면에서 볼 때 위로 갈수록 폭이 점차 좁아지는 형상을 가진다. 그러나, 이와 같은 형상은 다양한 변형이 가능하다. 상기 밀폐단들 중 어느 하나에는 제2공간(122)과 외부가 연통될 수 있는 구멍(125)이 형성된다. 제2공간(122)은 히트파이프(140)의 방열 부분(C)으로서, 제1공간(112)으로부터 기화된 작동유체가 유동되면서 실질적으로 외기에 의해 응축될 수 있는 곳이다. 또한, 제2공간(122)을 형성하는 상기 돌출부의 둘레에는 다수의 방열핀(126)이 일체로 돌출 형성된다. 방열핀(126)은 소정 두께를 가진 플레이트로서, 제1블록(110)으로부터 전도되는 열을 외기의 유동에 의해 방열시킬 수 있는 방열 부분(C) 즉, 통상적인 히트싱크의 방열핀의 구조와 동일하다. 그리고, 제2베이스부(121)의 가장자리에는 제1연장부(113)에 대응되는 제2연장부(127)가 형성된다. 제2연장부(127)는 제1연장부(113)에 용접될 수 있는 용접 부위이다.
상기 제1블록(110)과 제2블록(120)의 결합 구조는, 제1블록(110)의 제1연장부(113)와 제2블록(120)의 제2연장부(127)가 서로 접촉되고, 제1연장부(113) 및 제2연장부(127)가 용접, 바람직하게는 레이저 용접 결합된다. 제1연장부(113) 및 제2연장부(127)의 접촉 경계면에는 용접부가 형성된다. 따라서, 제1블록(110)과 제2블록(120)의 결합 구조는 흡열 부분(E)과 방열 부분(C)이 결합된 히트싱크(130) 및 히트파이프(140)가 형성된다.
상기 히트싱크(130)는 제1블록(110)과 제2블록(120)의 결합에 의해 흡열 부분(E)을 형성할 수 있는 제1블록(110)의 제1베이스(111)와, 방열 부분(C)을 형성할 수 있는 제2블록(120)의 방열핀(126)이 결합된 구조를 가진다.
상기 히트파이프(140)는 제1블록(110)과 제2블록(120)의 결합에 의해 흡열 부분(E)을 형성할 수 있는 제1블록(110)의 제1공간(112)과, 방열 부분(C)을 형성할 수 있는 제2블록(120)의 제2공간(122)이 상호 연통된 파이프 통로를 가지고, 그 파이프 통로는 Z축(도 1)의 중심면에 대해 "U"자 형상으로 형성된다. 다시말해, 히트파이프(140)는 2개소의 방열 부분(C)을 가지며, 그 방열 부분(C)과 상호 연통된 1개소의 흡열 부분(E)을 가진다. 따라서, 제1공간(112)에 충진된 작동유체는 발열체(H)의 열에 의해 증발하면서 제2공간(122)으로 각각 분기된다. 그리고, 각각의 제2공간(122)으로 유동된 작동유체는 방열핀(126)의 외부를 통과하는 외기와 열교환되어 응축됨과 동시에, 윅(150)을 따라 제1공간(112)으로 귀환된다.
상기 윅(wick: 150)의 구조는, 제1공간(112) 및 제2공간(122)의 내주면에 그루브 타입의 패턴이 형성된다. 상기 그루브 타입의 윅(150)은 작동유체의 유동에 필요한 압력 손실을 최소화시키면서 히트파이프(140)의 방열 부분(C)에서 응축된 유체를 모세관 작용에 의해 흡열 부분(E)으로 귀환시키는 가이드 역할을 수행한다. 상기 그루브 타입의 윅(150)은 제2공간(122)의 내주면에 작동유체의 유동 방향을 따라 형성된 제1그루브(151)와, 제1그루브(151)와 연결될 수 있도록 제1공간(112)의 내측벽에 형성된 제2그루브(152)와, 제2공간(122)의 개방단에 대응되는 제1공간(112)의 바닥면에 격자 상으로 교차되게 형성된 제3그루브(153)와, 제3그루브(153)를 제외한 제1공간(112)의 바닥면에 제1그루브(151)와 직교되는 방향으로 형성된 제4그루브(154)를 구비한다. 여기서, 제3그루브(153)를 격자 상으로 교차되게 형성시킨 이유는, 히트파이프(140)의 방열 부분(C)에서 응축된 유체가 모세관 작용에 의해 흡열 부분(E)으로 귀환될 때, 작동유체를 제1공간(112)의 바닥면에서 넓게 분산시키기 위함이다. 따라서, 작동유체는 제3그루브(153)에 의해 제1공간(112)의 바닥면에 넓게 분산됨에 따라 그 증발효율이 더욱 향상된다.
도 4는 도 3에 도시된 윅 구조의 변형예를 도시한 단면 구성도이다.
도 4를 참조하면, 히트파이프(140)의 윅(160) 구조는 제1 및 제2공간(112,122)의 내주면에 소정 두께로 접착된 그라파이트 폼(graphite fome)을 구비한다. 그라파이트 폼은 미세한 기공을 가진 발포성 소재로서, 히트파이프(140)의 방열 부분(C)에서 응축되는 작동유체를 모세관 작용에 의해 히트파이프(140)의 흡열 부분(E)으로 귀환시키기 위한 것이다. 구체적으로, 상기 그라파이트 폼은 미국의 메릴랜드(Maryland) 대학에서 개발된 소재로서, 높은 열전도율, 저밀도, 낮은 열팽창계수, 고강도 등의 특성을 가진다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 밀폐수단(170)은 제2공간(122)의 구멍(125)을 통해 히트파이프(140)의 내부를 진공처리하고 작동유체를 주입한 후 구멍(125)을 폐쇄시키기 위해, 그 구멍(125)에 용접 결합될 수 있는 밀폐캡(171)을 구비한다. 대안적으로, 상기 밀폐수단(170)은 상술한 바와 같이 구멍(125)에 밀폐캡(171)을 용접시키는 것에 한정되지 않고, 제2공간(122)의 구멍(125)을 통해 히트파이프(140)의 내부를 진공처리하고, 작동유체를 주입한 상태에서 별도의 압착기구를 이용하여 구멍(125) 주위를 압착시킴으로써 구멍(125)을 폐쇄시킬 수 있으며, 2-웨이 구조의 밸브체를 구멍(125)에 결합하고, 밸브체를 통해 히트파이프(140)의 내부를 진공처리 하고 작동유체를 주입한 후, 그 밸브체 자체를 구멍(125)에 용접 결합시킬 수도 있다.
전술한 바 있는 작동유체는 미국의 "3M사(社)"에서 개발된 『PF5060』이라는 프레온(CFCS) 대체 냉매를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 프레온 대체 냉매는 높은 증발 엔탈피(enthalpies vaporization)를 가지기 때문에, 작은 유량의 증기로도 많은 열에너지를 이동시킬 수 있는 특성을 가진다. 그러나, 작동유체는 상기 프레온 대체 냉매에 한정되지 않고, 비등점이 낮은 메탄올, 아세톤, 알코올, 암모니아 등과 물, 수은 등을 사용할 수 있고, 비등점을 더욱 낮추기 위해 이들 중 선택된 적어도 둘 이상의 유체를 적정 비율로 혼합하여 사용할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 냉각장치(100)는 방열핀(126)의 길이 방향에 대응되는 한쪽 측면에 냉각팬(도 5의 180)이 결합될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치의 제조 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 냉각장치(100)를 제조하기 위해서는, 우선, 제1블록의 형상에 대응되는 주물성형부를 갖도록 복수 피스(multiple piece)의 금형다이를 제작하고, 주물성형부 내부를 진공 처리한 후, 알루미늄 용탕을 주물성형부 내에 주입한 다음, 스퀴즈 실린더를 이용하여 용탕을 가압한다.
이어서, 용탕이 완전히 응고된 후, 금형 다이를 각각 분리하면 제1공간(112) 및 제1베이스부(111)가 일체로 형성되고, 제1공간(112)의 내주면에 그루브 타입의 윅(150)이 일체로 형성된 제1블록(110)이 제조된다.
다음, 제2블록의 형상에 대응되는 주물성형부를 갖도록 복수 피스(multiple piece)의 금형다이를 제작하고, 주물성형부 내부를 진공 처리한 후, 알루미늄 용탕을 주물성형부 내에 주입한 다음, 스퀴즈 실린더를 이용하여 용탕을 가압한다.
이어서, 용탕이 완전히 응고된 후, 금형다이를 각각 분리하면 제2공간(122), 방열핀(126), 구멍(125), 제2베이스부(121) 및 제2공간(122)의 내주면에 그루브 타입의 윅(150)이 일체로 형성된 제2블록(120)이 제조된다.
이와 같이 상기 제1 및 제2블록(110,120)은, 용융 금속을 고온 상태에서 압입하여 표면이 고정밀도를 가지는 주물을 단시간 내에 대량으로 생산해 낼 수 있는 다이캐스팅 방법에 의해 제조된다. 따라서, 상기 제1 및 제2블록(110,120)은 제조 공정이 쉽고, 제조 비용이 저렴할 뿐만 아니라, 주물 내에 미세 수축공 및 기공이 존재하지 않게 된다. 본 발명은 상술한 바와 같이, 제1블록(110)을 먼저 제조한 다음, 제2블록(120)을 제조하는 것으로 설명되었으나, 이는 단순한 시계차에 불과하므로 제2블록(120)을 먼저 제조하고, 그 다음에 제1블록(110)을 제조할 수도 있음을 밝혀둔다.
또한, 본 발명은 제1 및 제2블록(110,120)을 제조할 때, 금형다이의 설계 단계에서 그루브 타입의 윅(150)을 배제시킨 상태에서 제1 및 제2블록(110,120)을 제조한 다음, 제1공간(112) 및 제2공간(122)의 내주면에 그라파이트 폼으로 이루어진 윅(160)을 접착시킬 수도 있다. 부연 설명하면, 상기 윅(160)을 제1공간(112) 및 제2공간(122)의 내주면에 접착시키기 위해서는, 우선, 그라파이트 폼 분말과 접착제를 일정량 혼합하여 페이스트를 형성하고, 그 페이스트를 제1공간(112) 및 제2공간(122)의 내주면에 도포시킨 다음, 소정 지그를 제1공간(112) 및 제2공간(122)에 형합시켜 그 페이스트를 제1공간(112) 및 제2공간(122)의 내주면에 고착시킨다(도 4 참조).
한편, 이와 같이, 제1블록(110) 및 제2블록(120)의 제조가 완료되면, 제1블록(110)의 제1연장부(113)와 제2블록(120)의 제2연장부(127)를 서로 밀착시키고, 제1블록(110) 및 제2블록(120) 각각을 상,하측에서 가압한 후, 제1연장부(113)와 제2연장부(127)의 접촉 경계면을 레이저 용접 방식으로 결합시킨다. 그러면, 제1 및 제2블록(110,120)이 결합됨에 따라 제1 및 제2공간(112,122)이 상호 연통된 "U"자 형상의 히트파이프(140)가 형성된다.
이어서, 제2공간(122)의 구멍(125)을 통해 크리닝가스 예컨대, 질소(N2) 가스를 히트파이프(140)의 내부에 주입시킴과 동시에, 다시 질소 가스를 외부로 배출시킨다. 그러면, 히트파이프(140)의 내주면에 분산된 이물질이 질소가스의 분사 압력에 의해 제거되면서 히트파이프(140)의 내부에 존재하는 공기와 함께 외부로 배출되고, 히트파이프(140)의 내부에는 자연스럽게 진공 분위기가 유지된다.
다음, 상기 구멍(125)을 통해 일정량의 작동유체를 히트파이프(140)의 내부로 주입시킨다.
이어서, 밀폐수단(170)을 이용하여 구멍(125)을 밀폐시킨다. 바람직하게는 구멍(125)에 밀폐캡(171)을 결합시키고, 구멍(125)과 밀폐캡(171)을 레이저 용접하여 히트파이프(140)의 내부를 밀봉시킨다. 이와 달리, 구멍(125)을 통해 히트파이프(140)의 내부를 진공처리하고, 작동유체를 주입한 후, 별도의 압착기구를 이용하여 구멍(125) 주위를 압착시킴으로써 구멍(125)을 폐쇄시킬 수도 있다. 또한, 2-웨이 구조의 밸브체를 구멍(125)에 결합시킨 상태에서 밸브체를 통해 히트파이프(140)의 내부를 진공처리 하고 작동유체를 주입한 후, 그 밸브체 자체를 구멍(125)에 용접 결합시킬 수도 있다.
마지막으로, 방열핀(126)의 길이 방향에 대응되는 한쪽 측면에 냉각팬(도 5의 180)을 결합시킨다.
상술한 바와 같은 방법에 의해 제조된 냉각장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치의 동작을 설명하기 위한 단면 구성도이다.
도 5를 참조하면, 우선, 회로기판에 실장된 발열체(H)의 일면에 대해 제1베이스부(111)가 긴밀하게 밀착될 수 있도록 본 발명의 냉각장치(100)를 고정시킨다.
다음, 전자기기를 가동시키게 되면, 발열체(H)로부터 열이 발생하게 되고, 그 열은 제1블록(110)으로 전달됨과 동시에, 히트파이프(140)의 제1공간(112)에 충진된 작동유체로 전달된다.
이어서, 작동유체는 발열체(H)로부터 흡열된 열에 의해 증발하게 되고, 그 증기는 각각의 제2공간(122)으로 분기되면서 유동된다.
다음, 제2공간(122)으로 유동되는 기체 상의 작동유체는 제2공간(122)과의 온도차에 의해 액상으로 응축되면서 열교환이 이루어지며, 제2공간(122)에서 이루어진 열교환에 의해 열기가 방열핀(126)으로 전도된다.
이어서, 방열핀(126)에 전도된 열기는 냉각팬(180)에 의해 강제로 냉각되면서 열교환됨으로써, 발열체(H)를 일정 온도로 냉각시키게 된다.
한편, 제2공간(122)에서 액상으로 변화한 작동유체는 그루브 타입 또는 그라파이트 폼 타입의 윅(150,160)을 따라 제1공간(112)으로 귀환하게 되고, 전술한 바와 같은 작용에 의해 순환 유동된다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 7은 도 6의 결합 단면 구성도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 전자기기의 발열체 냉각장치(200)는 제1블록(210)과 제2블록(220)의 결합 구조에 있어서, 제1공간(212)으로부터 제2공간(222)으로 유동되는 작동유체를 가이드 하기 위한 가이드부재(291)가 제2블록(220)에 일체로 형성된다.
상기 가이드부재(291)는 제1블록(210)과 제2블록(220)이 결합된 상태에서 제1공간(212)으로 돌출되는 돌기들(292-294)을 구비한다. 더욱 구체적으로, 상기 돌기들(292-294)은 제2베이스부(221)의 제2연장부(227)와 제2공간(222)의 개방단(을 제외한 영역에 다수 돌출된 제1-3돌기(292-294)가 각각 형성된다. 상기 돌기들(292-294)은 제1공간(212)의 바닥면에 약간의 간격을 가지도록 돌출되는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 열에 의해 돌기들(292-294)의 길이가 늘어나는 경우를 대비하기 위함이다. 그리고, 제1돌기(292)와 제2돌기(293) 사이에는 제1패스(path: 295)가 형성되고, 제2돌기(293)와 제3돌기(294) 사이에는 제2패스(296)가 형성된다. 제1 및 제2패스(295,296)는 제1공간(212)에 충진되는 작동유체를 제2공간(222)으로 바이패스시킬 수 있도록 제2공간(222)을 향한다.
본 발명에 따르면, 제1공간(212)으로부터 기화되는 작동유체는 제1 및 제2패스(295,296)를 통해 자연스럽게 바이패스되면서 제2공간(222)으로 유동되고, 제2공간(222)으로부터 응축된 작동유체는 윅(150)을 따라 제1공간(212)으로 귀환하면서 전술한 바와 같은 작용을 반복하게 된다.
도 8은 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치의 구성을 도시한 단면 구성도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 냉각장치(300)는 전기 제1실시예와 달리, 작동유체가 제1공간(312)으로부터 각각의 제2공간(322)으로 분기되면서 유동되지 않고, 단일의 직진경로를 따라 유동될 수 있는 히트파이프(340)가 마련된다.
이를 위해, 상기 냉각장치(300)는 제1블록(310)에 사각형 또는 원형 홈을 가진 제1공간(312)이 형성되고, 제2블록(320)에 제1공간(312)과 연통되고 단일의 직진 경로를 가진 제2공간(322)이 형성된다. 대안적으로, 본 발명은 단일 직진경로를 가진 하나의 히트파이프(340)를 구비하는 것에 한정되지 않고, 상기 히트파이프(340)가 다수 구비될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 제1공간(312)에 충진된 작동유체는 발열체(H)의 열에 의해 증발되면서 제2공간(322)의 단일 직진 경로를 따라 유동된다. 그리고, 제2공간(322)으로 유동된 작동유체는 방열핀(326)의 외부를 통과하는 외기와 열교환되어 응축됨과 동시에, 윅(150)을 따라 제1공간(312)으로 귀환하면서 전술한 바와 같은 작용을 반복하게 된다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 냉각장치의 냉각 성능과 비교예 1,2의 냉각 성능을 비교한다. 참고로, 상기 실시예 및 비교예1,2는 냉각장치 각각의 규격을 82.04mm×67.6mm×99.29mm(L×H×W), 중량 450g 이하로 한다. 아울러, 상기 냉각장치의 냉각 성능 시험에 적용 가능한 발열체는 5GHz급 CPU이며, 발열량은 50W이다. 이와 같은 냉각장치의 규격과 CPU 성능은 "Intel社"의 가이드라인을 만족시키기 위한 것이다.
<실시예>
도 9a에 도시된 바와 같이, 실시예는 전술한 방법으로 제조된 본 발명의 냉각장치(400)를 사용한다.
<비교예 1>
도 9b에 도시된 바와 같이, 비교예 1은 대한민국 『성주전자』에서 개발된 인텔 펜티엄4용 "SJM 모델"의 냉각장치(500)를 사용한다.
<비교예 2>
도 9c에 도시된 바와 같이, 비교예 2는 대한민국 『(주)막스퍼트』에서 개발된 인텔 펜티엄4용 "MX-CLUB4모델"의 냉각장치(600)를 사용한다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 상기 실시예에 따른 냉각장치(400)의 냉각 성능을 평가해 본 결과, 대기 온도가 20℃이고 발열체의 발열량이 50W일 경우 발열체의 표면온도는 36.9℃로 측정되었으며, 이에 따라, 열저항(θ)은 〔(발열체의 표면온도 - 대기온도)/발열체의 발열량〕으로서 0.34 (℃/W)이고, 냉각 성능은 1/열저항으로서 2.94(W/℃)로 나타났다. 보다 구체적으로, 실시예의 온도 분포 해석 결과는 전체적인 방열핀의 온도(T1)가 34.5℃~34.7℃로 분포되며, 히트파이프의 온도(T2)가 36.5℃~36.6℃로 분포된 것임을 알 수 있다.
도 9b에 도시된 바와 같이, 상기 비교예 1에 따른 냉각장치(500)의 냉각 성능을 평가해 본 결과, 대기 온도가 20℃이고 발열체의 발열량이 50W일 경우 발열체의 표면온도는 43.5℃로 측정되었으며, 이에 따라, 열저항(θ)은 〔(발열체의 표면온도 - 대기온도)/발열체의 발열량〕으로서 0.47 (℃/W)이고, 냉각 성능은 1/열저항으로서 2.13(W/℃)으로 나타났다. 보다 구체적으로, 비교예 1의 온도 분포 해석 결과는 방열핀의 측면 부분의 온도(T3)가 40.0℃ 이상으로 분포되며, 냉각팬에 의해 냉각 공기가 유입되는 부분의 방열핀의 온도(T4)가 37.8℃~38.2℃로 분포되며, 냉각팬에 의해 냉각 공기가 유출되는 부분의 방열핀의 온도(T5)가 40.0℃ 이상으로 분포된 것임을 알 수 있다.
도 9c에 도시된 바와 같이, 상기 비교예 2에 따른 냉각장치(600)의 냉각 성능을 평가해 본 결과, 대기 온도가 20℃이고 발열체의 발열량이 50W일 경우 발열체의 표면온도는 42.9℃로 측정되었으며, 이에 따라, 열저항(θ)은 〔(발열체의 표면온도 - 대기온도)/발열체의 발열량〕으로서 0.46 (℃/W)이고, 냉각 성능은 1/열저항으로서 2.17(W/℃)로 나타났다. 보다 구체적으로, 비교예 2의 온도 분포 해석 결과는 냉각팬에 의해 냉각공기가 유입되는 부분의 방열핀의 온도(T6)가 37.5℃~37.7℃로 분포되며, 냉각팬에 의해 냉각 공기가 유출되는 부분의 방열핀의 온도(T7)가 40.0℃ 이상으로 분포된 것임을 알 수 있다.
따라서, 상기 실시예는 비교예 1,2 보다 상대적으로 열저항이 작고, 냉각 성능이 우수함을 알 수 있었다. 즉, 냉각팬에 의해 냉각 공기가 유입되는 부분의 방열핀과 유출되는 부분의 방열핀의 온도 분포가 거의 균일하기 때문에, 핀효율을 증가시켜 전체적인 냉각 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한, 히트싱크와 히트파이프 간의 온도차가 작게 나타나므로, 히트싱크 및 히트파이프 간의 결합 부위에 대한 열저항이 작다는 것을 충분히 알 수 있다. 그러나, 상기 비교예 1,2는 냉각팬에 의해 냉각 공기가 유입되는 부분의 방열핀의 온도와 냉각 공기가 유출되는 부분의 방열핀의 온도차가 크므로, 전체적인 냉각 성능이 저하된다는 것을 알 수 있다. 즉, 냉각 공기가 유입되는 부분의 온도와 냉각 공기가 유출되는 부분의 온도차가 크다는 것은 핀 효율을 떨어뜨려 전체적인 냉각 성능을 저하시키고, 냉각장치가 뒤틀리거나 변형될 수 있는 요인으로 분석된다.
이상에서와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 히트싱크와 히트파이프의 흡열 부분을 겸할 수 있는 제1블록과 히트싱크와 히트파이프의 방열 부분을 겸할 수 있는 제2블록을 다이캐스팅으로 제조하고 이들을 상호 용접시킨 구조를 가지므로, 종래와 달리 히트싱크와 히트파이프를 상호 결합시키기 위한 작업 공정을 단순화시킴은 물론 제조 비용을 절감할 수 있다.
둘째, 히트싱크 및 히트파이프 간의 열저항을 최소화시켜 전체적인 온도 편차를 줄임으로써 궁극적으로 냉각 성능이 더욱 향상된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치를 도시한 결합 사시도.
도 2는 도 1의 분해 사시도.
도 3은 도 1의 단면 구성도.
도 4는 도 3에 도시된 윅 구조의 다른 변형예를 도시한 단면 구성도.
도 5는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치의 동작을 설명하기 위한 단면 구성도.
도 6은 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치의 구성을 도시한 분해 사시도.
도 7은 도 6의 결합 단면 구성도.
도 8은 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치의 구성을 도시한 단면 구성도.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 실시예의 냉각장치와 비교예1,2에 따른 냉각장치의 냉각 성능을 비교 평가하기 위한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110,210,310... 제1블록 111... 제1베이스부
112,212,312... 제1공간 113... 제1연장부
120,220,320... 제2블록 121,221... 제2베이스부
122,222,322... 제2공간 125... 구멍
126,326... 방열핀 127,227... 제2연장부
130... 히트싱크 140,340... 히트파이프
150,160... 윅 151... 제1그루브
152... 제2그루브 153... 제3그루브
154... 제4그루브 170... 밀폐수단
171... 밀폐캡 180... 냉각팬
291... 가이드부재 292... 제1돌기
293... 제2돌기 294... 제3돌기
295... 제1패스(path) 296... 제2패스(path)
H... 발열체 E... 흡열 부분
C... 방열 부분

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 히트파이프의 흡열 부분을 형성할 수 있는 제1공간을 가진 제1블록;
    상기 흡열 부분과 연통되는 히트파이프의 방열 부분을 형성할 수 있는 제2공간을 가지며, 상기 제2공간의 외측으로 다수의 방열핀이 일체로 돌출 형성되고, 상기 제2공간에 연통되는 구멍을 가지며, 상기 제1블록에 용접 결합되는 제2블록; 및
    상기 제1블록과 제2블록이 결합된 상태에서 상기 구멍을 통해 상기 제1공간과 제2공간이 연통된 히트파이프의 내부를 진공 처리하고 작동유체를 주입한 후, 상기 구멍을 밀폐시킬 수 있는 밀폐수단;을 구비하고,
    상기 히트파이프의 윅(wick) 구조는,
    상기 제1공간 및 제2공간의 내주면에 형성된 그루브 패턴을 구비하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치.
  4. 히트파이프의 흡열 부분을 형성할 수 있는 제1공간을 가진 제1블록;
    상기 흡열 부분과 연통되는 히트파이프의 방열 부분을 형성할 수 있는 제2공간을 가지며, 상기 제2공간의 외측으로 다수의 방열핀이 일체로 돌출 형성되고, 상기 제2공간에 연통되는 구멍을 가지며, 상기 제1블록에 용접 결합되는 제2블록; 및
    상기 제1블록과 제2블록이 결합된 상태에서 상기 구멍을 통해 상기 제1공간과 제2공간이 연통된 히트파이프의 내부를 진공 처리하고 작동유체를 주입한 후, 상기 구멍을 밀폐시킬 수 있는 밀폐수단;을 구비하고,
    상기 히트파이프의 윅(wick) 구조는,
    상기 제1공간 및 제2공간의 내주면에 접착된 그라파이트 폼(graphite fome)을 구비하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치.
  5. 히트파이프의 흡열 부분을 형성할 수 있는 제1공간을 가진 제1블록;
    상기 흡열 부분과 연통되는 히트파이프의 방열 부분을 형성할 수 있는 제2공간을 가지며, 상기 제2공간의 외측으로 다수의 방열핀이 일체로 돌출 형성되고, 상기 제2공간에 연통되는 구멍을 가지며, 상기 제1블록에 용접 결합되는 제2블록; 및
    상기 제1블록과 제2블록이 결합된 상태에서 상기 구멍을 통해 상기 제1공간과 제2공간이 연통된 히트파이프의 내부를 진공 처리하고 작동유체를 주입한 후, 상기 구멍을 밀폐시킬 수 있는 밀폐수단;을 구비하고,
    상기 제2블록은:
    상기 작동유체의 유동을 가이드할 수 있도록 상기 제1공간으로 돌출되는 돌기들을 구비하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치.
  6. 히트파이프의 흡열 부분을 형성할 수 있는 제1공간을 가진 제1블록;
    상기 흡열 부분과 연통되는 히트파이프의 방열 부분을 형성할 수 있는 제2공간을 가지며, 상기 제2공간의 외측으로 다수의 방열핀이 일체로 돌출 형성되고, 상기 제2공간에 연통되는 구멍을 가지며, 상기 제1블록에 용접 결합되는 제2블록; 및
    상기 제1블록과 제2블록이 결합된 상태에서 상기 구멍을 통해 상기 제1공간과 제2공간이 연통된 히트파이프의 내부를 진공 처리하고 작동유체를 주입한 후, 상기 구멍을 밀폐시킬 수 있는 밀폐수단;을 구비하고,
    상기 작동유체는 프레온 대체냉매를 구비하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치.
  7. 히트파이프의 흡열 부분을 형성할 수 있는 제1공간을 가진 제1블록;
    상기 흡열 부분과 연통되는 히트파이프의 방열 부분을 형성할 수 있는 제2공간을 가지며, 상기 제2공간의 외측으로 다수의 방열핀이 일체로 돌출 형성되고, 상기 제2공간에 연통되는 구멍을 가지며, 상기 제1블록에 용접 결합되는 제2블록; 및
    상기 제1블록과 제2블록이 결합된 상태에서 상기 구멍을 통해 상기 제1공간과 제2공간이 연통된 히트파이프의 내부를 진공 처리하고 작동유체를 주입한 후, 상기 구멍을 밀폐시킬 수 있는 밀폐수단;을 구비하고,
    상기 밀폐수단은:
    상기 구멍을 폐쇄시키기 위해, 상기 구멍에 용접 결합될 수 있는 밀폐캡을 구비하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프와 히트 싱크의 결합 구조를 가진 전자기기의 발열체 냉각장치.
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