KR100512568B1 - 써멀싸이폰형 히트싱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 써멀싸이폰형 히트싱크에 관한 것으로, 중공형태의 방열판(12) 내부를 충진된 작동유체(22)가 전자부품인 발열체(42)로부터의 열원에 대해 신속하게 반응되어 증발될 수 있도록 히트스프레더(Heat Spreader) 기능을 갖도록 하여 발열체(42)의 열원에 신속히 반응되는 작동유체(22)가 역시 중공형태의 방열핀(14)으로 증발되면서, 작동중 전체적으로 방열판(12)과 방열핀(14) 간의 온도차가 거의 없어짐에 따라 공기와의 열 전달이 획기적으로 높아질 수 있다. 이에 대한 기술적인 수단으로 상기 방열판(12)은 중공형태로 그 내부에 발열체(42)의 열원에 대해 신속히 반응되어 증발될 수 있는 작동유체(22)가 충진되며, 공기와 접촉되는 상기 방열핀(14)도 그 내부가 상기 방열판(12)의 내부와 일체 공간인 중공형태로 형성되어 발열체(42)로부터의 열원에 대해 반응되는 작동유체(22)의 증기가 이들 방열판(12)과 방열핀(14) 전반으로 순환되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

써멀싸이폰형 히트싱크 {Thermal siphon type heat sink}

본 발명은 방열핀으로의 열전도를 향상시켜 단위체적당 열방출량을 증가시킨 써멀싸이폰형 히트싱크에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방열핀과 방열판의 내부를 중공형태로 하고 방열판에는 히트스프레더 기능을 갖는 작동유체가 충진되어 전자부품으로부터의 열원에 대해 방열판의 작동유체가 빠르게 반응되면서 공기와의 열전달을 향상시킨 써멀싸이폰형 히트싱크에 관한 것이다.

잘 알려져 있는 바와 같이 광통신부품 및 전기, 전자부품은 거의 반도체 소자화 되어 있어 소형화의 추세이며, 소형화의 문제점으로는 열에 의한 잡음 및 수명 단축과 출력특성의 불안정하므로 냉각 및 항온화가 절대적으로 필요하다. 예컨대 PC의 경우, 고성능화 및 고속화에 따른 높은 집적도로 발전되어 왔으나, 고집적화에 따른 발열 밀도의 증대로 발생되는 열을 효율적으로 분산시키고 냉각시키기 위한 기술의 발전이 동반되어 있지 않은 실정이다.

한편, 전자칩의 고집적화에 따른 전자기기의 소형화 추세는 전자부품이나 시스템에서의 복잡한 열적인 문제의 해결을 필요로 하고 있다. 전자칩의 고집적화에 따라 발생한 열을 제거하는 문제는 점점 중요해지고 있으나 칩의 크기와 형상, 발열량, 내부 열저항에 따라 이 문제는 매우 다양하고 복잡하다. 결국 전자칩의 수명이나 신뢰도는 칩의 작동온도에 의해서 크게 좌우된다.

특히 전자칩의 작동온도를 설계온도보다 10℃ 높일 때마다 칩의 수명이 50% 이상씩 감소하는 것으로 알려져 있다. 따라서 전자칩의 온도를 낮게 유지하면서 높은 열유속을 제거할 수 있는 여러 가지 냉각기술의 개발이 전자기기의 수명과 발전속도를 좌우한다고 하여도 과언이 아니다.

통상 히트싱크는 수직방향의 냉각핀이 각각 판상인 RSF(Rectangular Straight Fin) 타입을 기본으로, 도 1a 및 도 1b에서 보는 것처럼 SRSF(Splitted Rectangilar Straight Fin) 타입 및 PF(Pin Fin) 타입 등도 폭넓게 사용되고 있으며, 단위면적당 열방출량을 증가시키기 위한 구조로서 다공성 형태도 소개되고 있는 실정이다. 이러한 기존의 히트싱크는 발열원에서 히트싱크의 밑면인 방열판으로 열전도되고, 히트싱크 밑면에서 방열핀으로 열전도되고 다시 방열핀이 공기와 접촉하여 냉각되는 방식을 이루었다.

현재 사용되고 있는 대부분의 히트싱크는 압출형으로 사용되고 있으나 방출열량의 문제점으로 사용상의 한계를 나타내고 있으며, 히트싱크를 크게 하는 방법 이외에 특별한 대안이 없는 실정이다. 즉, 기존의 히트싱크를 구성하는 히트싱크의 수평방향의 방열판과 수직방향의 방열핀 간에 서로 끝단의 온도차가 커서 상대적으로 열 전달량이 감소할 수밖에 없어 그만큼 열 방출량에 한계가 있었다.

이에 본 발명은 발열체인 전자부품으로부터의 열원에 대해 금속재질의 방열판이 접촉되어 열을 전달받아 이를 방열핀을 통해 공기와의 접촉에 의한 열 발산으로 냉각시키는 기존의 히트싱크가 갖는 방출열량의 한계점을 개선하고자 발명된 것으로, 중공형태의 방열판 내부를 충진된 작동유체가 전자부품인 발열체로부터의 열원에 대해 신속하게 반응되어 증발될 수 있도록 히트스프레더 기능을 갖도록 하여 발열체의 열원에 신속히 반응되는 작동유체가 역시 중공형태의 방열핀으로 증발되면서, 작동중 전체적으로 방열판과 방열핀 간의 온도차가 거의 없어짐에 따라 공기와의 열전달이 획기적으로 향상될 수 있도록 한 써멀싸이폰형 히트싱크를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 써멀싸이폰형 히트싱크는, 발열체와 접촉되는 수평방향의 방열판과 상기 방열판에 대해 수직방향으로 다수의 냉각핀이 일체 구조화되는 히트싱크에 있어서, 상기 방열판은 중공형태로 그 내부에 발열체의 열원에 대해 신속히 반응되어 증발될 수 있는 작동유체가 충진되며, 공기와 접촉되는 상기 방열핀도 그 내부가 상기 방열판의 내부와 일체 공간인 중공형태로 형성되어 발열체로부터의 열원에 대해 반응되는 작동유체의 증기가 이들 방열판과 방열핀 전반으로 순환되도록 구성된다.

특히 상기 방열판은 충진된 작동유체와 함께 열원에 대한 반응속도가 높아질 수 있도록 그 내부에 접촉면적이 큰 메쉬구조물이 추가되며, 상기 방열판과 방열핀은 압출이나 다이캐스팅(주조)을 통해 성형가공되고, 성형가공 후에는 그 내부에 작동유체 또는 상기 작동유체와 메쉬구조물이 충진된 상태에서 브레이징용접을 통해 일체 결합되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 써멀싸이폰형 히트싱크의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다. 설명 편의상 다수의 실시예에서 동일 구성명칭은 동일부호로 기재 처리한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따라 히트싱크(10)를 구성하는 냉각판(12)과 냉각핀(14) 모두 내부가 중공형태를 이루고 냉각판(12)의 내부에는 메쉬구조물(20)과 작동유체(22)가 충진되어 냉각판(12)이 히트스프레더(Heat Spreader)의 기능을 갖는 써멀싸이폰형 히트싱크를 일부 절결한 외부구조를 도시한 것이며, 도 2c는 본 발명의 써멀싸이폰형 히트싱크(10) 위로 송풍팬(30)이 장착된 작동상태의 단면구조를 개략적으로 도시한 것이다.

도면에서 보는 것과 같이, 내부가 충진된 단순 밀폐구조인 기존의 히트싱크와 다르게 본 발명에 따른 히트싱크(10)는 수평방향으로 밑면을 이루는 방열판(12)과 상기 방열판(12)에 대해 수평방향을 이루는 다수의 방열핀(14)이 일체 구조로 형성되며, 히트싱크(10)를 구성하게 되는 이들 방열판(12)과 방열핀(14)은 모두 그 내부가 중공형태로 일체 공간을 형성하게 된다.

또한 이들 방열판(12)과 방열핀(14)은 통상의 히트싱크와 같이 압출이나 프레스, 다이캐스팅(주조)을 통해 성형가공되며, 각 구성부품의 성형가공 후에는 통상 브레이징용접을 통해 일체 결합된다. 물론 경우에 따라서는 히트싱크(10) 자체의 공기에 대한 접촉면적을 높일 수 있도록 포밍이나 소결을 통해 다공성 형태로 성형가공될 수도 있다.

즉, 상기 방열판(12)은 중공형태로 그 내부에 발열체(42)의 열원에 대해 신속히 반응되어 증발될 수 있는 작동유체(22)가 충진되는 동시에 공기와 접촉되는 상기 방열핀(14)도 그 내부가 상기 방열판(12)의 내부와 일체 공간인 중공형태로 형성되어, 발열체(42)로부터의 열원에 대해 반응되는 작동유체(22)의 증기가 이들 방열판(12)과 방열핀(14) 전반으로 순환되도록 구성된다. 이는 상기 방열판(12)이 그 내부에 충진된 작동유체(22)가 발열체(42)의 열원에 대해 쉽게 증발되어 위쪽의 방열핀(14)으로 전달될 수 있는 히트스프레더 기능을 갖게 된다.

특히 상기 방열판(12)은 충진된 작동유체(22)와 함께 발열체(42)로부터 전달되는 열원에 대한 반응속도가 높아질 수 있도록, 그 내부에 접촉면적이 큰 메쉬구조물(20)이 추가됨이 바람직하다. 이때 상기 메쉬구조물(20)은 스테인리스와 같은 내식성이 우수한 금속재질의 메쉬구조이거나 또는 다공성 형태의 폴리머구조일 수 있고, 경우에 따라서는 포밍이나 소결에 의한 금속분말 다공체(소결체)일 수 있으며, 이는 결과적으로 판상구조 보다는 망사구조 또는 다공구조로서 방열체(42)의 열원과 구조적으로 넓게 열 접촉될 수 있도록 한다.

또한 방열판(12) 내부에 충진되는 작동유체(22)는 방열판(12)의 전체 공간에 대해 충진되기 보다는 대략 공간의 50-80% 수준으로 충진됨이 바람직하며, 특히 상기 작동유체(22)는 열원에 대해 쉽게 반응되어 증발될 수 있는 알콜은 물론, 통상의 냉매나 증류수 등이 제한되지 않고 적용될 수 있다. 이는 발열체(42)로부터 전달되는 열원에 의해 증발되는 상기 작동유체(22)의 증기가 다수의 방열핀(14)으로 보다 원활하게 전달되도록 하며, 결과적으로 상기 방열핀(14)으로 전달되는 증기가 외부 공기와 열 접촉되어 방열될 수 있도록 한다.

즉, 본 발명은 써멀싸이폰형 히트싱크는 기존의 히트싱크와 동일하게 통상 회로기판(40)의 전자부품인 발열체(42)에 대해 아래쪽 수평방향의 방열판(12)이 접촉되고, 상기 방열판(12) 위쪽의 수직방향인 다수의 방열핀(14)이 공기 중에 노출된 형태이며, 강제 대류식인 경우에는 상기 방열핀(14) 위로 송풍팬(30)이 부착될 수 있다.

따라서 도 2c의 작동상태 단면구조에서 보는 것과 같이, 히트스프레더의 기능을 갖는 방열판(12)에서는 발열체(42)로부터의 열원에 대해 반응되어 그 내부에 충진되어 있는 작동유체(22)가 증발되어 다수의 일체 공간인 방열핀(14)으로 그 증기가 전달되며, 상기 방열핀(14)으로 전달되는 증기는 외부 공기와의 열교환에 의해 응축되어 응축된 액체는 아래쪽의 방열판(12)으로 귀환되고 다시 발열체(42)의 열원에 반응되고, 반응되어 증발되는 증기가 다시 방열핀(14)으로 전달되어 외부 공기와 열교환되는 과정이 계속적으로 순환되면서 발열체(42)에 대한 방열이 구조적으로 촉진될 수 있다.

즉, 이러한 히트싱크의 써멀싸이폰 구조는 아래쪽의 방열판(12)과 위쪽의 방열핀(14) 간의 온도차가 커서 상대적으로 열 전달량이 적었던 기존의 히트싱크와는 달리, 히트싱크(10)의 작동유체(22)가 증발하여 방열판(12)과 방열핀(14) 간의 온도차가 거의 없어 구조적으로 외부 공기로의 열 전달(방열)을 향상시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 써멀싸이폰형 히트싱크는 전체적으로 그 내부가 중공형태로서 충진된 작동유체가 발열체의 열원에 대해 빠르게 반응되어 증발될 수 있으며 증발되는 증기는 외부 공기와의 열 접촉에 의해 응축되는 순환과정이 신속히 이루어질 수 있어, 결과적으로 방열체에 접촉된 방열판과 외부 공기에 노출된 방열핀과의 온도차가 거의 없게 됨으로서 공기와의 열 전달에 의한 방열효과가 획기적으로 향상될 수 있다.

이러한 본 발명의 써멀싸이폰 히트싱크는 고출력 장파장의 반도체 레이저, 전자칩, 광통신부품 및 전기 전자부품, 콘덴서, PC의 경우 고성능화 고속화에 따른 높은 집적도에 따른 단위면적당 열발생량이 높은 전자부품의 냉각이 필요한 곳에 사용이 가능하다. 또한 단위면적당 열방출량이 높아 경량화 소형화가 가능하며, 특히 전자기기 중에서 열발생의 문제가 있는 모든 곳에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

도 1a 및 도 1b는 기존의 SRSF(Splitted Rectangilar Straight Fin) 타입 및 PF(Pin Fin) 타입으로 구성된 히트싱크 사시도.

도 1c는 기존의 히트싱크 위로 송풍팬이 장착된 상태의 사시도.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따라 냉각판과 냉각핀 모두 내부가 중공형태를 이루고 냉각판의 내부에는 메쉬구조물과 작동유체가 충진되어 냉각판이 히트스프레더의 기능을 갖는 써멀싸이폰형 히트싱크 사시도.

도 2c는 본 발명의 써멀싸이폰형 히트싱크 위로 송풍팬이 장착된 상태의 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 히트싱크(방열체) 12 : 히트스프레더(방열판)

14 : 방열핀 20 : 메쉬구조물

22 : 작동유체 30 : 송풍팬

42 : 발열체

Claims (3)

1. 수평방향의 방열판(12)은 중공형태로 그 내부에 발열체(42)의 열원에 대해 신속히 반응되어 증발될 수 있는 작동유체(22)가 충진되며, 공기와 접촉되는 수직방향의 다수 방열핀(14)도 그 내부가 상기 방열판(12)의 내부와 일체 공간인 중공형태로 형성되어 발열체(42)로부터의 열원에 대해 반응되는 작동유체(22)의 증기가 이들 방열판(12)과 방열핀(14) 전반으로 순환되도록 구성된 히트싱크에 있어서,

   상기 방열판(12)은 충진된 작동유체(22)와 함께 열원에 대한 반응속도가 높아질 수 있도록 그 내부에 접촉면적이 큰 망사형태의 메쉬구조물(20)이 구성된 것을 특징으로 하는 써멀싸이폰형 히트싱크.
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