KR100554096B1 - A heat sink having a liquid - Google Patents
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- H05K7/20218—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
- H05K7/20263—Heat dissipaters releasing heat from coolant
Abstract
본 발명은 전자 부품이나 소자의 열을 방출시키기 위해 전자 부품에 고정되는 히트 싱크(heat sink)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흡열부재와 방열부재가 대향하여 이루는 공간부에 액체가 함입된 히트싱크에 있어서, 상기 흡열부재의 외측면에 열원이 부착되고, 내측면에는 공간부에 함입된 액체의 비등속도를 증가시켜 열확산을 배가시킬 수 있도록, 소정의 간격을 두고 연속하여 평단면이 원형 또는 다각형인 복수의 돌기가 형성되며, 상기 방열부재는 일측이 상기 흡열부재와 대향하고, 타측은 방열핀이 부착되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a heat sink fixed to an electronic component for dissipating heat from the electronic component or device, and more particularly, a heat sink in which a liquid is embedded in a space formed between the heat absorbing member and the heat dissipating member. The heat source is attached to the outer surface of the heat absorbing member, and the inner surface is circular or polygonal in succession at a predetermined interval so as to increase the boiling speed of the liquid contained in the space to double the heat diffusion. A plurality of protrusions are formed, one side of the heat dissipating member is opposed to the heat absorbing member, and the other side is characterized in that the heat dissipation fin is attached.
이에 따라 높은 발열을 가지는 전자 부품 등을 신속하고 효율적으로 발열 시킬 수 있게 한다.Accordingly, it is possible to quickly and efficiently heat the electronic components having a high heat generation.
히트싱크, 돌기, 방열, 냉각, 방열판 Heat Sink, Projection, Heat Dissipation, Cooling, Heat Sink
Description
도 1은 종래의 공랭식 히트싱크의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional air-cooled heat sink.
도 2는 종래의 액체 내장형 히트 싱크의 단면도.2 is a cross-sectional view of a conventional liquid-embedded heat sink.
도 3은 본 발명의 액체 내장형 히트싱크의 사시도.Figure 3 is a perspective view of the liquid embedded heat sink of the present invention.
도 4는 본 발명의 흡열부재의 내측면에 돌기가 형성된 모습을 나타내는 정면도.Figure 4 is a front view showing a state in which protrusions are formed on the inner surface of the heat absorbing member of the present invention.
도 5는 본 발명의 액체 내장형 히트싱크의 단면도.5 is a cross-sectional view of a liquid embedded heat sink of the present invention.
도 6은 본 발명의 액체 내장형 히트싱크의 일실시예에 대한 사시도.Figure 6 is a perspective view of one embodiment of a liquid-containing heat sink of the present invention.
도 7은 본 발명의 실험장치의 개략도.7 is a schematic view of the experimental apparatus of the present invention.
도 8은 본 발명의 실험장치의 개략도.8 is a schematic view of an experimental apparatus of the present invention.
도 9는 본 발명의 실험에 따른 흡열부재에 형성된 돌기의 수치를 나타낸 사시도.Figure 9 is a perspective view showing the numerical value of the projection formed on the heat absorbing member according to the experiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 실험에 따른 열유속이 90W일 때 비등표면을 나타낸 사진.Figure 10 is a photograph showing the boiling surface when the heat flux according to the experiment of the present invention 90W.
도 11은 본 발명의 실험에 따른 열유속이 180W일 때 비등표면을 나타낸 사진.Figure 11 is a photograph showing the boiling surface when the heat flux according to the experiment of the present invention 180W.
도 12는 본 발명의 실험에 따른 히트싱크의 돌기의 개략도.Figure 12 is a schematic diagram of the projection of the heat sink according to the experiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 실험에 따른 각 타입의 표면온도의 분포도.Figure 13 is a distribution of the surface temperature of each type according to the experiment of the present invention.
도 14는 본 발명의 실험에 따른 각 타입의 표면 열화상 이미지를 나타낸 도.14 is a diagram showing each type of surface thermal image according to the experiment of the present invention.
도 15는 본 발명의 실험에 따른 돌기의 개략도.Figure 15 is a schematic diagram of the projection according to the experiment of the present invention.
도 16은 본 발명의 실험에 따른 각 타입의 열유속에 따른 열저항 분포도.16 is a heat resistance distribution diagram according to the heat flux of each type according to the experiment of the present invention.
도 17은 본 발명의 실험에 따른 열유속이 90W일 때의 각 타입의 열화상 이미지를 나타낸 도. Figure 17 is a view showing the thermal image of each type when the heat flux is 90W according to the experiment of the present invention.
도 18은 본 발명의 실험에 따른 열유속이 180W일 때의 각 타입의 열화상 이미지를 나타낸 도. 18 is a view showing each type of thermal image when the heat flux is 180W according to the experiment of the present invention.
도 19는 본 발명의 실험에 따른 열유속이 270W일 때의 각 타입의 열화상 이미지를 나타낸 도. 19 is a view showing each type of thermal image when the heat flux is 270W according to the experiment of the present invention.
도 20은 본 발명의 실험에 따른 열유속이 360W일 때의 각 타입의 열화상 이미지를 나타낸 도. 20 is a view showing the thermal image of each type when the heat flux is 360W according to the experiment of the present invention.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※ ※ Explanation of code about main part of drawing ※
1000: 히트싱크 1000: heatsink
100: 방열부재 110: 냉각핀 100: heat dissipation member 110: cooling fins
200: 흡열부재 210: 돌기 200: heat absorbing member 210: protrusion
220: 주입구 230: 에어홀220: injection hole 230: air hole
300: 공간부 400: 액체300: space 400: liquid
500: 발열소자500: heating element
본 발명은 전자 부품이나 소자의 열을 방출시키기 위해 전자 부품에 고정되는 히트 싱크(heat sink)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열원이 부착되는 흡열부재의 내측면에 일정간격으로 형성되어 공간부에 함입된 액체의 비등속도를 증가시켜 열확산을 배가시킬 수 있도록 복수의 돌기가 형성된 액체 내장형 히트싱크에 관한 것이다.
일반적으로 휴대용 및 데스크탑 컴퓨터의 성능이 1980년대 대형컴퓨터에 육박하는 성능으로 향상되고 있으며, 고속 CPU(Central Processing Unit0 및 고집적 메모리 장치의 개발이 이루어지면서, 전자제품의 소비전력이 높아지고 부품간의 열적간섭으로 인하여 내부 열발생이 급격하게 증가하는 추세에 있었다.
상기 각종 전기 기기에 탑재되고 있는 반도체소자 등의 전기 부품은, 집적도가 높고, 출력도 커지고 있어 발열량의 증대로 인한 전자제품의 신뢰성 저하는 새로운 문제점으로 부각되고 있었다.
따라서 발열 부분을 가지는 전기 부품의 냉각이 중요한 기술 과제가 되고 있어 냉각 기술의 향상이 주목받고 있었다. 이러한 냉각을 필요로 하는 전기 부품의 과열을 막는 방법으로서 히트싱크를 이용한 자연대류 또는 강제대류방식이 주로 이용되었다.
상기와 같은 히트싱크는 냉각매질(공기, 물 등)과의 전열면적을 넓히기 위해서 알루미늄, 구리 등 열전도성이 좋은 재료를 이용하여 핀 형상으로 압출 또는 기계 가공하여 제작된다. 따라서 주로 고발열 전자제품에 부착하여 냉각효율을 높이게 된다.
도 1은 상기와 같은 종래의 히트싱크의 결합구조를 나타낸 것으로, 회로기판과, 상기 회로기판 상에 설치되는 발열소자(2)와, 상기 발열소자의 적어도 한 면과 밀착되는 베이스(3a) 및 상기 베이스(3a)의 바깥 측면에 일정간격을 두고 마련되는 다수 개의 방열핀(Fin)(3b)으로 구성된 알루미늄재질의 히트싱크(3)와; 상기 히트싱크를 회로기판에 안정되게 고정하는 패스너어세이(4)로 이루어져 있었다.
여기에서, 상기 히트싱크(3)는 용융된 금속을 압출금형의 성형공간 안에 넣어 베이스(3a)와 방열핀(3b)으로 성형 제작하거나, 베이스(3a)와 방열핀(3b)을 별도로 마련한 상태에서 전도성접착제를 이용해 각 방열핀을 베이스(3a)에 고정시키는 압입형 방식으로 이루어져 있었다.
그러나 상기와 같은 종래의 히트싱크(3)는 각 베이스(3a)와 방열핀(3b)의 두께, 방열핀의 개수, 크기 및 간격에 따른 단위표면적에만 의존하여 발열소자로부터 발생된 열을 외부로 방출하는 구조이었기 때문에 히트싱크의 각 베이스와 방열핀의 열전도 특성, 열확산 속도 및 방출량에 근본적으로 한계가 있는 문제점이 있었다.
따라서 히트싱크를 설치 할 수 있는 공간의 제약과 점점 높아져 가는 발열량으로 인해 액체를 이용한 히트파이프에 많은 관심이 기울여지고 있었다.
히트파이프 기술은 1952년 미국 Los Almos 연구소의 Grover가 이 기술에 대한 연구결과를 최초로 발표한 이래 지난 50년간 걸쳐 확립되고 성장하였다. 1980년대 이후 히트파이프 기술은 소형, 저열저항, 다양한 구조, 안전성, 긴 수명 및 저 관리비용 등의 특성을 갖춘 고효율 냉각장치를 실현함으로써 극한 분야에서 뿐만 아니라, 전기전자 분야에서 기술적, 상업적인 측면에서 지속적인 발전을 이어가고 있었다.
상기와 같은 추세를 반영하고, 종래의 문제점을 해소하기 위한 다른 종래의 기술로는 일본국 공개특허공보 특개평11-317482호 "히트싱크"에 잘 나타나 있었다.
도 2는 상기 일본국 공개특허공보 특개평11-317482호의 히트싱크의 결합구조를 나타낸 것으로, 발열소자(21)에 장착된 흡열부재(20)와, 용기부와 방열핀부(31)의 결합으로 형성된 방열부재(30)와, 상기 흡열부재(20) 및 방열부재(30)의 형합으로 인해 형성된 공간부(50)와, 상기 공간부에 수용된 소정의 작동 액체(40)를 포함하여 구비하였다.
상기 일본국 공개특허공보 특개평11-317482호에 나타난 기술은 공간부(50)내에 봉입된 작동 액체(40)의 비등에 의한 상변화와 공간부(50) 내에 있어서의 작동 액체의 이동에 의해, 열의 수송을 실시하게 함으로써, 기존의 히트싱크에 비해 보다 효율적으로 전기 부품을 냉각할 수 있는 장점이 있었지만 다음과 같은 문제점이 있었다.
우선 상기 작동 액체의 비등에 영향을 미치는 요소는 압력, 표면조건, 불응축기체, 젖음성(wettability) 등과 같은 인자들이며, 상기 인자들은 서로 영향을 주게 되며, 비등에 가장 많은 영향을 끼치는 것은 표면형상이다.
그러나 상기 종래의 기술은 작동 액체(40)가 수용된 공간부의 벽면 즉, 상기 흡열부재(20)와 방열부재(30)의 내측면이 평탄면(base plate)으로 구성되어 있었다.
따라서 상기와 같은 평탄면으로 구비된 히트싱크는 열유속이 변화될 경우(예를 들어, 90w-360w)에, 열전도를 방해하는 성질인 열저항이 높고, 상기 흡열부재(20)와 방열부재(30)의 내측면의 표면 온도편차(낮을 수록 열 스프레딩 성능이 좋음)가 심하기 때문에, 열유속의 증가에 따른 열확산이 떨어지고, 국부열원의 크기가 큰 문제점이 있었다. The present invention relates to a heat sink that is fixed to the electronic component for dissipating heat from the electronic component or the device, and more particularly, is formed at a predetermined interval on the inner surface of the heat absorbing member to which the heat source is attached. The present invention relates to a liquid-embedded heat sink in which a plurality of protrusions are formed so as to increase the boiling speed of the embedded liquid to double the thermal diffusion.
In general, the performance of portable and desktop computers has been improved to the performance of large computers in the 1980s. As the development of high-speed CPU (
Electrical components such as semiconductor devices mounted in the above-mentioned various electric devices have high integration degree and high output, and the reliability of electronic products due to the increase in heat generation has been emerging as a new problem.
Therefore, the cooling of electric parts having heat generating portions has become an important technical problem, and the improvement of the cooling technique has attracted attention. As a method of preventing overheating of electrical parts requiring such cooling, a natural convection or forced convection using a heat sink has been mainly used.
The heat sink is manufactured by extruding or machining in a fin shape using a material having good thermal conductivity such as aluminum and copper in order to increase the heat transfer area with a cooling medium (air, water, etc.). Therefore, it is mainly attached to high heat generation electronic products to increase the cooling efficiency.
1 shows a coupling structure of a conventional heat sink as described above, a circuit board, a heat generating
Here, the
However, the above-described
Therefore, much attention has been paid to heat pipes using liquids due to the limited space for installing heat sinks and increasing heat generation.
Heatpipe technology has been established and grown over the last 50 years since Grover at Los Almos Laboratories in the United States published its first findings in 1952. Since the 1980s, heat pipe technology has continued to be achieved not only in the extreme sectors, but also in the technical and commercial sectors in the field of electrical and electronics, by realizing high efficiency cooling devices with features such as small size, low thermal resistance, various structures, safety, long life and low maintenance cost. It was continuing to develop.
As another conventional technique for reflecting the above-mentioned trend and solving the conventional problems, it is well represented in Japanese Patent Application Laid-open No. Hei 11-317482 "heatsink".
2 is a view illustrating a coupling structure of the heat sink of Japanese Patent Laid-Open No. 11-317482, wherein the
The technique shown in Japanese Patent Laid-Open No. 11-317482 is based on the phase change caused by the boiling of the working
First of all, the factors affecting the boiling of the working liquid are factors such as pressure, surface condition, non-condensing gas, wettability, etc., and the factors affect each other, and the surface shape most affects boiling. .
However, according to the related art, the wall surface of the space in which the
Therefore, the heat sink provided with the flat surface as described above has a high heat resistance that prevents heat conduction when the heat flux is changed (for example, 90w-360w), and the
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 열원이 부착되는 흡열부재의 내측면에 일정간격으로 복수의 돌기가 형성되어 공간부에 함입된 액체의 비등속도를 증가시켜 열확산을 배가시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한 상기 돌기에 의해 히트싱크의 열저항을 낮춰 열스프레딩을 개선하여 효과적으로 열이 이동하게 하는 것을 목적으로 한다.
또한 휴대폰이나 PDA등과 같이 콤팩트한 각종 전자기기의 사이즈를 증대시키지 않으면서 그 해당기기에 구비된 발열소자로부터 발생되는 열을 외부로 신속히 배출시킬 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, a plurality of protrusions are formed on the inner surface of the heat absorbing member to which the heat source is attached at regular intervals to increase the boiling speed of the liquid contained in the space portion to double the heat diffusion. It aims to do it.
In addition, the object of the present invention is to reduce heat resistance of the heat sink by improving the heat spreading and to efficiently move heat.
In addition, an object of the present invention is to enable a rapid discharge of heat generated from a heating element provided in a corresponding device without increasing the size of various compact electronic devices such as a mobile phone or a PDA.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 흡열부재와 방열부재가 대향하여 이루는 공간부에 액체가 함입된 히트싱크에 있어서, 상기 흡열부재의 외측면에 열원이 부착되고, 내측면에는 공간부에 함입된 액체의 비등속도를 증가시켜 열확산을 배가시킬 수 있도록, 소정의 간격을 두고 연속하여 평단면이 원형 또는 다각형인 복수의 돌기가 형성되며, 상기 방열부재는 일측이 상기 흡열부재와 대향하고, 타측은 방열핀이 부착되는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 3과 같이, 상기 액체 내장형 히트싱크(1000)는 흡열부재(200), 방열부재(100), 흡열부재(200)와 방열부재(100)의 형합으로 이루어진 본체, 돌기(210) 및 방열핀(110)을 포함하여 구비한다.
상기 히트싱크(1000)의 흡열부재(200), 방열부재(100), 돌기(210) 및 방열핀(110)은 냉각매질(공기, 물)과의 전열면적을 넓히기 위해서 알루미늄, 구리 등 열전도성이 좋은 재료를 이용하여 압출 또는 기계 가공하여 제작된다.
상기 흡열부재(200)는 외측면에 열원이 부착되고, 내측면에 복수의 돌기(210)가 형성된 것으로, 후술하는 방열부재(100)와 형합되어 내부에 공간부(300)를 형성하게 된다.
상기 흡열부재(200)의 외측에 부착되는 열원은 바람직하게 회로기판 상에 설치되는 전자부품 등과 같은 발열소자(500)를 포함한다.
또한 상기 흡열부재(200)의 내측면에는 공간부(300)로 액체(400)를 주입 또는 배출할 수 있도록 관통된 주입구(220)가 형성되고, 상기 액체(400)가 공간부(300)로 주입될 때 공간부(300)내의 공기가 배출되거나, 액체(400)가 주입되면 공간부(300)의 밀봉을 위해 공기를 배출시킬 수 있도록 관통된 에어홀(230)이 형성되게 된다.
상기 돌기(210)는 흡열부재(200)의 내측면에 형성된 것으로, 비등속도를 증가시켜서 열확산을 배가시키고 열저항을 감소시킬 수 있도록 소정의 간격을 두고 연속적으로 형성된다.
상기 돌기(210)를 보다 상세히 설명하면, 상기 돌기(210)는 평단면이 원형 또는 다각형으로 형성되되, 소정의 간격을 두고 상하좌우로 연속적으로 형성되거나 상하좌우로 교호적으로 형성될 수 있으며, 바람직하게 평단면은 사각형으로 형성된다.
그리고 상기 돌기(210)는 가로 및 세로의 길이가 0.5 ~ 5mm의 범위에서 형성되고, 돌기(210) 사이의 간격은 0.5 ~ 5mm의 범위에서 형성되되, 돌기(210)의 높이는 0.5 ~ 5mm의 범위에서 형성되고, 상기 돌기(210)의 상단과 방열부재(100)의 내측면 사이와의 간격은 0.5mm 이하의 범위에서 형성되게 된다.
이에 따라 상기 돌기(210)의 상단과 방열부재(100)의 내측면이 서로 접촉되어 돌기(210)와 돌기(210) 사이에서 액체(400)가 비등할 수 있도록 구성할 수 있다.
상기 돌기(210)는 후술하는 실험결과를 토대로 가로 및 세로의 길이가 1mm이고, 돌기(210) 사이의 간격은 1mm이며, 돌기(210)의 높이는 2mm로 형성되고, 상기 돌기(210)의 상단과 방열부재(100)의 내측면 사이와의 간격은 0.1mm에서 0.2mm의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 돌기(210)는 가로 및 세로의 길이가 2mm이고, 돌기(210) 사이의 간격은 2mm이며, 돌기(210)의 높이는 2mm로 형성되고, 상기 돌기(210)의 상단과 방열부재(100)의 내측면 사이와의 간격은 0.1mm에서 0.2mm의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 돌기(210)는 가로 및 세로의 길이가 1mm이고, 돌기(210) 사이의 간격은 3mm이며, 돌기(210)의 높이는 2mm로 형성되고, 상기 돌기(210)의 상단과 방열부재(100)의 내측면 사이와의 간격은 0.1mm에서 0.2mm의 범위로 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 돌기(212)는, 도 6과 같이, 평단면이 직사각형으로 형성되되, 좌우로 연속되도록 형성될 수 도 있으며, 또한 종횡방향으로 서로 교호적으로 배치될 수 도 있다.
그리고 상기 돌기(210)는 절삭기를 이용하여 평면을 절삭하여 형성되게 된다.
또한 상기와 같은 돌기(210)의 수치는 후술하는 실험을 통해 성능 실험을 수행하도록 한다.
상기 방열부재(100)는 일측이 흡열부재와 대향하여 형합되고, 타측은 방열핀(110)이 고정된다.
상기 고정 방법에 대하여 설명하면, 상기 흡열부재(200)를 방열부재(100)의 테두리 상에 정렬시킨 상태에서 방열부재(100)의 테두리부분과 흡열부재(200)가 이루는 경계부분을 접착제, 납땜, 용접 등의 방법으로 밀봉하거나, 상기 흡열부재(200) 및 방열부재(100)의 테두리에 형성된 체결공(240)을 이용하여 볼트 또는 나사 등으로 고정 및 결합 하게 된다.
따라서 상기 방열부재(100)와 흡열부재(200)가 형합된 상태에서, 상기 흡열부재(200)와 방열부재(100)의 내부에는 공간부(300)가 형성되고, 상기 공간부(300)에는 발열소자(500)로부터 열압력에 의해 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있도록 내부에는 소정의 비등점을 갖는 액체(400)가 주입되게 된다.
상기 액체(400)는 물, 오일, 알콜 혼합물, 고분자 액상물질 또는 전도성 고체입자가 혼합된 형태로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 FC-72를 이용한다.
상기 FC-72는 화학적으로 안정하며, 절연성을 가지고, 상대적으로 낮은 비등(沸騰, boiling; 액체(400)의 내부로부터 기화가 일어나는 현상으로 끓음 이라고도 한다)온도(1기압에서 56℃)를 가져 매우 좋은 작동 액체라고 할 수 있다.
따라서 상기 공간부(300)는 공간부(300)내에 유입된 액체(400)의 비등에 의해 액상으로부터 기상, 기상으로 액상과 같은 상변화에 의해 열을 수송하는 작용을 하게 된다.
이에 따라 흡열부재(200)의 상측에 형성된 에어홀(230)을 통해 공간부(300) 내의 공기가 외부로 배출되도록 하면서 주입구(220)를 통해 공간부(300) 안으로 일정량의 액체(400)를 주입한 후, 상기 에어홀(230)과 주입구(220)를 접착제 또는 용접을 이용하여 밀봉하게 되고 공간부(300)내는 진공상태가 되게 된다.
상기와 같은 공간부(300)의 진공상태에 의해 비등에 의한 본체의 일그러짐과 손상을 방지하고 반영구적으로 기기를 이용할 수 있게 된다.
상기 방열핀(110)은 방열부재의 타측면(외측)에 부착되어 본체로부터 발생되는 열을 대기 중으로 신속하게 방열하기 위한 것으로, 상기 방열부재(100)의 타측면에 복수개의 슬롯이 일정거리 이격되어 평행하게 부착되어 있다.
따라서 상기 방열핀(110)에 의해 흡열부재의 단위면적당 열방출면적을 증가시킴으로써 열방출속도를 증가시키게 된다.
또한 상기 방열핀(110)은 방열부재(100)의 타측면에 압입홈을 파고 알루미늄파우더와 같은 경화제를 혼합한 전도성 접착제를 방열핀(110)에 접착시켜 압입홈에 삽입하고 세워서 고정되게 된다.
또한 상기 방열핀(110)은 복수개의 슬롯이 좌우로 평행하게 배치될 수 도 있으며, 평단면이 원형 또는 다각형의 형상의 방열핀(110)이 종횡으로 일정간격으로 구비될 수 있다.
이하, 상기 본 발명의 작동원리에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 5와 같이, 상기 발열소자(500)(열원)로부터 가해진 열이 열전도 되어 본체의 흡열부재(200)로 가해지면, 상기 공간부(300)내의 액체(400)가 비등하게 되고, 액체(400)가 증발하게 되며 열을 방출하게 되고, 액체(400)의 증기가 다시 냉각되어 액체(400)상태로 돌아온다. 따라서 다시 액체(400)상태로 되돌아온 액체(400)는 다시 환류하게 되며, 이러한 액체(400)의 상변화에 의해 열이 방열부재(100)의 방열핀(110)으로 이동을 하게 됨으로써 발열소자(500)의 열을 효율적으로 방열하게 하는 것이다.
이때 본체의 흡열부재(200)의 내측면에 형성된 복수의 돌기(210)에 의해 액체(400)와 흡열부재(200)의 내측면이과 액체(400)와 닿는 표면적을 늘리게 되고, 상기 공간부(300)에 함입된 액체(400)의 비등속도를 증가시킴으로써 열확산을 배가시키고, 열저항을 낮추는 효과를 얻게 된다.
또한 흡열부재(200)의 내측면의 온도의 표준편차를 낮추며, 열 스프레딩 성능을 개선하는 효과가 있다.
이하 본 발명의 흡열부재(200)의 내측면에 형성된 돌기(210)의 작용 및 효과에 대한 실험을 실시하였고 그 결과는 다음과 같다.
우선 본 발명에 따른 히트싱크(1000)의 특성시험을 위한 장치들이 구비되는 데, 이에 대하여 설명한다.
도 7 내지 도 8은, 본 발명에 따른 실험장치의 개략도이다.
사각 알루미늄 블록(30mm × 30mm)에 카트리지 히터를 장착하여 열유속을 변화시켰으며 열손실을 최소화하기 위해 아크릴 박스(300mm × 340mm × 300mm)를 히트싱크(1000) 베이스 뒤편에 장착하였다.
열성능을 측정하기 위해 히트싱크(1000) 베이스 표면에 10개의 T-Type 열전대를 설치하였으며 온도분표를 측정하기 위해 자외선 화상 카메라(Model: NEC TH7100)를 이용하였다.
실험은 모든 경우에서 우선 진공펌프를 이용하여 불응축 기체(공기)를 제거하고 실험을 하루 동안 수행하였다. 또한 실험하는 동안 FC-72 충진량을 모든 경우에 일정하게 유지하였다. 베이스 표면온도가 10분 동안 ±0.1℃ 변할 때를 정상 상태라고 생각하였고 정상상태 도달 이후 온도데이터를 데이터 로거(data logger)를 통해 컴퓨터에 저장하였다.
우선 히트싱크(1000)의 공간부(300)에 주입된 액체(400)의 비등에 가장 영향을 끼치는 표면 형상을 변화시켜 실험을 수행하였다.
도 8은 실험에 사용한 히트싱크(1000)와 비등 표면 형상이다. 비등을 관찰하기 위해 흡열부재(200)의 앞면에 아크릴을 설치하였고, 뒷면에는 발열소자(500)와 국부발열부재를 설치하였다. 또한 발열소자(500)의 열유속은 90W ~ 360W로 유지하였다.
도 9와 같이 Type1은 종래의 히트싱크(1000)와 같이 공간부(300)의 내측면이 평평한 면으로 형성된 것(이하, 솔리드 베이스 플레이트; solid base plate 라고 지칭)이고, Type2는 돌기(210)가 평단면이 직사각형으로 형성되되, 좌우로 연속되도록 형성되며, 상기 돌기(210)의 가로의 길이가 1mm 이고, 세로의 길이는 흡열부재(200)의 길이와 일치하며, 좌우로 연속된 돌기(210) 사이의 간격은 1mm로 형성된 것이다.
그리고 Type3은 돌기(210)의 평단면은 사각형으로 형성되되, 소정의 간격을 두고 상하좌우로 연속되도록 형성되고, 상기 돌기(210)의 가로의 길이가 2mm 이고, 돌기(210) 사이의 간격은 2mm 인 것이며, Type4는 돌기(210)가 사각형으로 형성되되, 소정의 간격을 두고 상하좌우로 연속되도록 형성되고, 상기 돌기(210)의 가로의 길이가 1mm 이고, 돌기(210) 사이의 간격은 1mm 인 것이다.
상기 돌기(210)의 높이는 모두 2mm로 형성되며, 상기의 상단과 방열부재(100)의 내측면 사이의 간격은 0.1mm 또는 0.2mm로 형성된다.
우선 열유속 90W 일 때 비등표면을 도 10에 나타내었다. Type1, 3은 비등이 일어나지 않은 것을 볼 수 있으며 Type2, 4에서는 비등이 활발한 것을 볼 수 있다.
도 11은 열유속 180W 일 때 비등표면 사진이다. 180W부터 모든 경우에 비등이 발생하는 것을 볼 수 있으며, Type4의 경우가 비등이 가장 활발한 것을 볼 수 있다.
상기의 결과는 동일한 액체(400)의 충진량을 유지하였고, 동일한 열유속인 경우 Type4가 가장 활발한 비등을 보여주었다.
다음은 히트싱크(1000)의 열성능 실험을 수행하였다.
앞선 결과를 바탕으로 하여 히트싱크(1000)를 도 12와 같이 제작하였다. 열성능 비교를 위해서 열저항과 솔리드 베이스 플레이트(solid base plate) 온도 표준 편차를 이용하였다. 각각의 정의는 다음과 같다.
우선 종래의 히트싱크는 솔리드 베이스 플레이트(solid base plate)이며, 본 발명에 따른 히트싱크는, 도 12와 같이, Type1,2 이며, Type1은 돌기의 가로 및 세로 길이가 3mm인 것이며 돌기 사이의 간격은 1mm인 것이고, Type2는 돌기의 가로 및 세로의 길이가 2mm 이며 돌기 사이의 간격도 2mm 인 것이다.
[수학식 1]
여기서 Th, Tout 는 히터온도와 외기온도이며 Q는 열유속, n은 총 온도 측정지점을 나타낸다.
도 13은 흡열부재(200)의 온도분포를 나타낸다. 온도는 모두 외기온도를 차감한 것이다. 현재 널리 사용되고 있는 종래의 기술은 솔리드 베이스 플레이트(solid base plate) 히트싱크(1000)의 히터 표면온도가 Type1(Type2)보다 약 14℃(12℃) 높은 것을 볼 수 있다. 이것은 Type1, Type2에서 내부의 FC-72의 비등으로 인해 스프레딩 저항이 감소하였기 때문이다.
[표 1]
열저항과 표면 온도편차
표 1은 각 경우의 열저항과 종래의 솔리드 베이스 플레이트의 표면 온도편차를 정리하여 나타낸 것이다. Type1(Type2)의 열저항이 종래의 솔리드 베이스 플레이트 보다 약 23%(20%) 낮은 것을 알 수 있다. 베이스 표면 온도편차는 열 스프레딩 성능을 나타낸다. 베이스 표면 온도편차는 Type1과 Type2가 종래의 솔리드 베이스 플레이트 보다 약 38% 더 낮은 것을 알 수 있다.
스프레딩 성능을 알아보기 위해 표면의 열화상 이미지를 비교하여 도 14에 나타내었다. Type2의 표면의 온도분포가 종래의 솔리드 베이스 플레이트 보다 약 20 ~ 30% 낮은 결과를 보였다. 또한 Type2 보다 Type1이 더 좋은 성능을 보였다.
앞선 결과를 바탕으로 실제 80watt급 이동통신 함체에 쓰이는 히트싱크(1000)에 적용하였다. 아래의 표 2는 제작한 히트싱크(1000)의 치수를 나타낸다. Type1은 종래의 히트싱크(1000)(solid base plate)이며, Type2는 본 발명에 따른 히트싱크로서, 도 15와 같이, 돌기의 가로의 길이가 1mm 이고, 돌기 사이의 간격은 1mm 인 것이다.
실험은 동일한 외기조건에서 수행하였으며 열유속을 90 ~ 450w로 증가시키면서 수행하였다. FC-72의 충진량은 약 200ml로 일정하게 유지하였다.
[표 2]
Type1과 Type2를 열유속을 변화시키면서 열저항을 비교하여 도 16에 나타내었다. Q=90W인 경우에는 Type1이 Type2보다 낮은 열저항을 보인다. 이것은 내부 FC-72가 비등하지 않고 오히려 열확산을 방해하기 때문이다. 열유속이 증가함에 따라 Type2가 Type1보다 더 낮은 열저항을 나타내며 평균적으로 약 9.3% 더 낮은 것을 알 수 있다.
이는 앞선 결과와 같이 FC-72가 비등하면서 열확산을 증가시키기 때문이다.
도 17 내지 도 20에 도시된 바와 같이, 열유속에 따른 종래의 솔리드 베이스 플레이트와 본 발명의 흡열부재(200) 표면의 열화상이미지이다. Q=90W인 경우, 도 17과 같이, Type1의 종래의 솔리드 베이스 플레이트의 온도 분포가 Type2보다 균일하며 국부열원의 크기가 더 작은 것을 볼 수 있다. 이는 Type2에서 액체(400)가 비등하지 않고 열확산을 오히려 억제하기 때문이다, 그러나 열유속이 증가함에 따라(도 18 내지 도 20) 내부의 작동 액체(400)가 비등하고 열확산을 증가시켜 Type2의 온도분포가 Type1보다 균일하고 국부열원의 크기가 더 작은 것을 볼 수 있다.
결과적으로 열유속이 증가함에 따라 본 발명에 따른 돌기(210)를 구비한 히트싱크(1000)인 Type2가 점점 종래의 솔리드 베이스 플레이트인 Type1보다 낮은 열저항을 나타내며 평균적으로 약 9.3% 낮은 것을 알 수 있었다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위 까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.The present invention for achieving the above object is a heat sink in which a liquid is embedded in the space formed between the heat absorbing member and the heat radiating member, the heat source is attached to the outer surface of the heat absorbing member, the inner surface is embedded in the space portion In order to increase the boiling rate of the liquid to double the heat diffusion, a plurality of projections having a flat or circular cross-section is formed continuously at predetermined intervals, one side of the heat dissipating member is opposed to the heat absorbing member, the other side It is characterized in that the heat radiation fin is attached.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
As shown in FIG. 3, the liquid-embedded
The
The
The heat source attached to the outside of the
In addition, the inner surface of the
The
When the
And the
Accordingly, the upper end of the
The
In addition, the
In addition, the
In addition, the
The
In addition, the numerical value of the
One side of the
Referring to the fixing method, the edge portion of the
Therefore, in the state in which the
The liquid 400 may be in the form of a mixture of water, oil, alcohol mixture, polymer liquid material or conductive solid particles, preferably using FC-72.
The FC-72 is chemically stable, has an insulating property, and has a relatively low boiling (also referred to as boiling, a phenomenon in which vaporization occurs from inside the liquid 400). It is a good working liquid.
Therefore, the
Accordingly, while the air in the
Due to the vacuum of the
The
Therefore, the
In addition, the
In addition, the
Hereinafter, the operation principle of the present invention will be described.
As shown in FIG. 5, when the heat applied from the heat generating element 500 (heat source) is applied to the
At this time, the inner surface of the liquid 400 and the
In addition, it lowers the standard deviation of the temperature of the inner surface of the
Hereinafter, an experiment on the action and effect of the
First, the apparatus for the characteristic test of the
7 to 8 are schematic diagrams of an experimental apparatus according to the present invention.
The cartridge heater was mounted on a square aluminum block (30 mm × 30 mm) to change the heat flux. An acrylic box (300 mm × 340 mm × 300 mm) was mounted to the back of the heat sink (1000) base to minimize heat loss.
Ten T-Type thermocouples were installed on the surface of the
In all cases, the experiment was carried out for one day by removing the non-condensable gas (air) using a vacuum pump. In addition, the FC-72 filling amount was kept constant in all cases during the experiment. When the base surface temperature was changed by ± 0.1 ° C for 10 minutes, it was considered as a steady state, and after reaching the steady state, the temperature data was stored in a computer through a data logger.
First, the experiment was performed by changing the surface shape most affecting the boiling of the liquid 400 injected into the
8 shows the
As shown in FIG. 9, Type1 is a flat surface having an inner surface of the
And Type3 is a flat cross-section of the
The height of the
First, the boiling surface at 90W of heat flux is shown in FIG.
11 is a boiling surface photograph at a heat flux of 180W. Boiling occurs in all cases starting from 180W, while
The results indicated that the filling amount of the
Next, a thermal performance test of the
Based on the above results, the
First of all, the conventional heat sink is a solid base plate, and the heat sink according to the present invention is Type1, 2, as shown in Fig. 12, and the type1 has a horizontal and vertical length of the projections of 3 mm and the interval between the projections. Is 1mm, Type2 is the length and width of the projections are 2mm and the distance between the projections is also 2mm.
[Equation 1]
Where T h and T out are the heater temperature and the outside temperature, Q is the heat flux, and n is the total temperature measurement point.
13 illustrates a temperature distribution of the
TABLE 1
Heat Resistance and Surface Temperature Deviation
Table 1 summarizes the thermal resistance in each case and the surface temperature deviation of the conventional solid base plate. It can be seen that the thermal resistance of Type 1 (Type 2) is about 23% (20%) lower than that of the conventional solid base plate. Base surface temperature deviations indicate heat spreading performance. The base surface temperature deviation can be seen that
In order to examine the spreading performance, thermal images of the surfaces were compared and shown in FIG. 14. The surface temperature distribution of Type2 surface was about 20-30% lower than that of the conventional solid base plate. Also, Type1 showed better performance than Type2.
Based on the previous results, it was applied to the heat sink (1000) used in the actual 80watt class mobile communication enclosure. Table 2 below shows the dimensions of the manufactured
The experiment was carried out under the same ambient conditions and the heat flux was increased to 90 ~ 450w. The filling amount of FC-72 was kept constant at about 200 ml.
TABLE 2
This is because FC-72, as shown in the previous results, increases thermal diffusion as it boils.
As shown in Figure 17 to 20, the thermal image of the conventional solid base plate according to the heat flux and the surface of the
As a result, as the heat flux increased, the
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made by those skilled in the art to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the following claims. Until the technical spirit of the present invention will be said.
상기 구성에 따른 본 발명의 액체 내장형 히트싱크에 따르면, 열원이 부착되는 흡열부재의 내측면에 일정간격으로 복수의 돌기가 형성되어 공간부에 함입된 액체의 비등속도를 증가시켜 열확산을 배가시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한 상기 돌기에 의해 히트싱크의 열저항을 낮춰 열스프레딩을 개선하여 효과적으로 열이 이동하게 하는 효과가 있다.
또한 휴대폰이나 PDA등과 같이 콤팩트한 각종 전자기기의 사이즈를 증대시키지 않으면서 그 해당기기에 구비된 발열소자로부터 발생되는 열을 외부로 신속히 배출시킬 수 있게 하는 효과가 있다.According to the liquid-embedded heat sink of the present invention according to the above configuration, a plurality of protrusions are formed on the inner surface of the heat absorbing member to which the heat source is attached at regular intervals, thereby increasing the boiling speed of the liquid contained in the space portion to double the thermal diffusion. It is effective.
In addition, the projections have an effect of lowering the heat resistance of the heat sink to improve heat spreading, thereby effectively moving heat.
In addition, there is an effect that can quickly discharge the heat generated from the heating element provided in the device without increasing the size of various compact electronic devices, such as a mobile phone or PDA.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020050053026A KR100554096B1 (en) | 2005-06-20 | 2005-06-20 | A heat sink having a liquid |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020050053026A KR100554096B1 (en) | 2005-06-20 | 2005-06-20 | A heat sink having a liquid |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=37178991
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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KR1020050053026A KR100554096B1 (en) | 2005-06-20 | 2005-06-20 | A heat sink having a liquid |
Country Status (1)
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KR (1) | KR100554096B1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101149406B1 (en) | 2010-11-29 | 2012-06-01 | 주식회사 한국쿨러 | Heat sink of battery cell for electric vehicle and battery cell module using the same |
KR102293590B1 (en) | 2020-12-28 | 2021-08-24 | 공유찬 | Thermal management module for battery of electric aircraft |
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2005
- 2005-06-20 KR KR1020050053026A patent/KR100554096B1/en not_active IP Right Cessation
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