KR100614973B1 - 전자부품용 2상유동 방식 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증발기 내부에 다공성 재질의 심지체를 설치하여 증발기 내부로의 냉매 유입과 유입된 냉매의 증발이 심지체에 형성된 미세공의 모세관 현상에 의해 촉진되도록 함으로써, 소정 작동시간이 경과된 후 뿐 아니라, 작동 초기에도 안정적으로 높은 냉각효율을 나타낼 수 있도록 한 전자부품용 2상유동 방식 냉각장치에 관한 것으로, 전자부품의 표면에 직접 또는 간접적으로 접촉 설치되며, 내부에는 전자부품으로부터 전달된 열에 의해 냉매가 기화되는 냉매증발공간이 형성되고, 그 일측 및 타측에는 각각 냉매가 유입 및 유출되는 냉매유입구 및 냉매유출구가 형성된 증발기; 상기 증발기의 냉매증발공간 내에 설치되며, 다수의 미세공이 형성된 다공성 소재로 이루어져 미세공의 모세관 현상에 의해 증발기 내부로 유입된 냉매를 팽창 및 감압에 의해 기화되기 쉬운 상태로 변화시키는 심지체; 및 그 일측 및 타측에 냉매순환관로를 통해 증발기의 냉매유입구 및 냉매유출구에 각각 연결되는 냉매유출구 및 냉매유입구가 형성되며, 내부에는 유입된 냉매가 방열에 의해 응축되는 냉매응축공간이 형성된 응축기를 포함하는 전자부품용 2상유동 방식 냉각장치를 제공한다.

Description

전자부품용 2상유동 방식 냉각장치 {Two-phase flow type refrigerating apparatus for electronic parts}

도 1은 종래의 전자부품용 2상유동 방식 냉각장치의 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 전자부품용 2상유동 방식 냉각장치의 일실시를 도시 한 도시한 구성도.

도 3은 본 발명의 요부인 증발기의 구성을 도시한 분해 사시도.

도 4는 본 발명의 다른 요부인 응축기를 도시한 사시도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 20 : 냉매이송관 200 : 증발기

210 : 케이싱 220 : 심지체

222 : 미세공 224 : 절개홈

230 : 커버판 232 : 증발기 냉매유입구

234 : 증발기 냉매유출구 240 : 응축기

245 : 응축기 냉매유입구 246 : 응축기 냉매유출구

250 : 냉각팬

본 발명은 냉매의 상변화에 따른 증발잠열을 이용한 전자부품용 2상유동 방식 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 증발기 내부에 설치된 다공성 심지체의 각 미세공이 모세관 역할을 하여 증발기 내부로의 냉매 유입과 유입된 냉매의 증발이 촉진되도록 함으로써, 작동 중의 냉각효율과 초기 작동시의 안정성을 동시에 향상시킬 수 있도록 한 전자부품용 2상유동 방식 냉각장치에 관한 것이다.

최근에 집적회로 요소의 전자 패키징 기술이 비약적으로 발전함에 따라, 전자부품의 집적도가 과거와는 비교할 수 없을 만큼 증가하여 전자 장비 내의 발열 밀도 역시 현저하게 증가하였다. 이들 전자부품의 대다수를 차지하는 반도체 소자는 열에 매우 취약한 동작 특성을 보이므로, 발전된 전자부품의 성능에 부합하는 냉각장치를 구비하는 것이 매우 중요한 문제로 부각되었다.

이러한 전자부품의 냉각을 위해 사용되었던 종래의 전자부품용 냉각장치는 통상 공냉식과 수냉식의 두 가지 종류로 크게 나눌 수 있는데, 공냉식 냉각장치는 냉각팬에 의해 공기와 함께 흡입된 외부의 먼지가 방열판과 냉각팬 사이에 축적되어 사용 기간이 경과됨에 따라 냉각성능이 현저하게 불량해지고, 팬의 크기에 제약이 있어 고열이 발생되는 부품을 냉각시키기 위해서는 팬의 회전수를 높일 수밖에 없기 때문에 고속 회전에 따라 발생되는 과도한 소음과 냉각성능의 제한이 문제가 된다. 또한, 수냉식 냉각장치는 냉각성능에 있어서는 상대적으로 양호한 특성을 보 이나, 그 구성에 있어서는 워터펌프 및 물탱크가 필요하고 경우에 따라서는 냉각수의 냉각을 위한 냉각팬도 필요하게 되는 등 구조가 복잡하여 제작비용이 많이 들고 설치공간이 커지는 문제점을 갖고 있었다.

이러한 단점들을 극복하기 위한 냉각장치로 실용화된 것이 냉매의 증발잠열을 이용한 2상유동 방식 냉각기로써, 그 대략적인 구성이 도 1에 도시되어 있다.

도 1에 도시된 종래의 2상유동 방식 냉각장치는, 일반적인 냉매순환식 냉각기와 유사하게 2개의 냉매관로(10, 20)를 통해 연결된 증발기(110)와 응축기(120)를 구비하되, 냉매의 순환을 위한 동력원으로 전자부품(30)의 작동열을 이용한 것이다. 즉, 상기 증발기(110)를 회로기판(50)에 장착된 전자부품(30) 일면에 접촉되도록 설치하여 증발기(110) 내부로 유입된 냉매가 전자부품(30)에서 발생된 열을 흡수하면서 가열되고, 그에 따른 냉매의 증발압력에 의해 증발기(110)로부터 응축기(120)로의 냉매 흐름이 발생되고, 응축기(120) 내부로 유입된 냉매는 냉각팬(60)에 의해 열을 방출하면서 액화되어 중력에 의해 상기 증발기(110)로 회귀되며, 이러한 순환과정이 연속적으로 이루어짐에 따라 전자부품(30)의 냉각이 이루어질 수 있게 되는 것이다.

이와 같이, 2상유동 방식 냉각장치는 별도의 구동기구 없이 전자부품(30)의 발열만으로 작동이 이루어지는 구조이므로, 종래의 기냉식이나 수냉식 냉각장치에 사용되었던 고속 냉각팬이나 냉각펌프 등이 불필요할 뿐 아니라, 통상의 냉매순환식 냉각장치에 사용되었던 압축기도 필요 없어 그 구성이 간단하고 장치 크기도 소형화할 수 있으며, 작동 시의 소음문제도 해결할 수 있는 등 여러 가지 장점이 있 어 전자부품용 냉각장치로 새로이 각광받고 있다.

그러나, 상기한 2상유동 방식 냉각장치는 냉각 대상이 되는 전자부품(30)에서 발생되는 열을 작동원으로 함에 따라, 전자부품(30)의 발열량이 적을 경우 냉매순환이 원활하지 못하여 냉각효율이 떨어지며, 특히, 초기작동 시에 냉매순환이 매우 불안정하게 되어 작동이 제대로 이루어지지 않고, 이에 따라, 전자부품(30)의 온도가 작동 초기에 급격하게 상승되는 문제점이 있었다. 따라서, 종래의 2상유동 방식 냉각장치는 상기와 같이 우수한 장점들이 있음에도 불구하고, 냉각효율이 만족스럽지 못하고 작동 초기의 안정성이 떨어져 아직까지 폭넓게 사용되지 못하는 실정이므로, 냉각효율과 작동안정성을 향상시키기 위한 방안이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 증발기 내부에 다공성 재질의 심지체를 설치하여 증발기 내부로의 냉매 유입과 유입된 냉매의 증발이 심지체에 형성된 미세공의 모세관 현상에 의해 촉진되도록 함으로써, 소정 작동시간이 경과된 후 뿐 아니라, 작동 초기에도 안정적으로 높은 냉각효율을 나타낼 수 있도록 한 전자부품용 2상유동 방식 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전자부품의 표면에 직접 또는 간접적으로 접촉 설치되며, 내부에는 전자부품으로부터 전달된 열에 의해 냉매가 기화되는 냉매증발공간이 형성되고, 그 일측 및 타측에는 각각 냉매가 유입 및 유출되는 냉매유입구 및 냉매유출구가 형성된 증발기; 상기 증발기의 냉매증발공간 내에 설치되며, 다수의 미세공이 형성된 다공성 소재로 이루어져 미세공의 모세관 현상에 의해 증발기 내부로 유입된 냉매를 팽창 및 감압에 의해 기화되기 쉬운 상태로 변화시키는 심지체; 및 그 일측 및 타측에 냉매순환관로를 통해 증발기의 냉매유입구 및 냉매유출구에 각각 연결되는 냉매유출구 및 냉매유입구가 형성되며, 내부에는 유입된 냉매가 방열에 의해 응축되는 냉매응축공간이 형성된 응축기를 포함하는 전자부품용 2상유동 방식 냉각장치를 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 심지체가 증발기의 냉매증발공간의 형상과 대응되는 형상의 블록 형태로 이루어지며, 상기 심지체는 소정 부분이 절개되거나 요철 형성되어 기화된 냉매의 이동 통로가 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 전자부품용 2상유동 방식 냉각장치를 제공한다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 전자부품용 2상유동 방식 냉각장치의 일실시예를 전체적으로 도시한 구성도이고, 도 3은 본 발명의 요부인 증발기의 구성을 상세하게 도시한 분해 사시도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 냉각장치는, 각각 내부에 통상의 냉매가스가 충전되며 냉매순환관로(10, 20)를 통해 서로 연결되어 냉각사이클을 이루도록 구성된 증발기(200)와 응축기(240)로 이루어지며, 본 실시예에서는 상기 냉매순환관로(10, 20)가 두 개의 튜브형 관, 즉 제1냉매이송관(10) 및 제2냉매이송관(20)으로 이루어진 것을 예시적으로 설명한다.

상기 증발기(200)는 그 내부에 냉매증발공간(213)이 형성되어 제1냉매이송관(10)을 통해 유입된 냉매를 기화시킴으로써 그 증발잠열에 상당하는 외부의 열을 흡수하는 것으로, 일측이 개구된 함체 형태로 이루어져 상기 냉매증발공간(213)을 이루는 오목부가 형성된 케이싱(210)과, 상기 케이싱(210)의 개구부 측에 결합되어 냉매증발공간(213)을 외부와 차폐하는 커버판(230)과, 상기 케이싱(210)과 커버판(230) 사이의 냉매증발공간(213) 내에 삽입 설치된 블록 형태의 심지체(220)로 구성된다.

상기 케이싱(210)은 그 외측면이 컴퓨터의 CPU나 그래픽카드, 메모리칩 등의 반도체 칩, 또는 하드 디스크 등과 같은 전자부품에 직접 접촉되거나 방열판 등을 매개로 간접적으로 접촉되어 착탈식 또는 고정식으로 설치되며, 그 재질은 전자부품의 작동열이 그 내부에 충전된 냉매에 효과적으로 전달될 수 있도록 알루미늄, 구리, 스테인레스강 등의 금속이나 세라믹 등 내부식성이 있으면서도 열전도성이 우수한 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 경우에 따라서는 그 내벽면 또는 외벽면에 요철홈이나 돌출부를 형성하여 열교환 효율을 높이는 것도 가능하다.

상기 커버판(230)은 케이싱(210)과 밀봉 결합되어 증발기(200)의 냉매증발공 간(213)을 외부와 밀폐시키는 것으로, 하부에는 응축기(240)로부터 이송된 냉매가 증발기(200)의 냉매증발공간(213) 내로 유입되는 냉매유입구(232)가 형성되고, 그 상측 소정 간격 이격된 위치에는 상기 냉매증발공간(213)의 기화된 냉매가 유출되는 냉매유출구(234)가 형성되며, 상기 냉매유입구(232) 및 냉매유출구(234)에는 각각 제1 및 제2냉매이송관(10, 20)이 연결되는 니플(235, 236)이 장착된다.

한편, 본 실시예에서는 냉매유입구(232) 및 냉매유출구(234)가 커버판(230)에 형성된 것을 예시하였으나, 경우에 따라서는 상기 케이싱(210)의 상하부에 각각 냉매유입구(232) 및 냉매유출구(234)가 형성된 구조로 이루어질 수도 있다. 그리고, 상기 커버판(230)과 케이싱(210)은 고무 등의 연질 소재로 된 팩킹과 볼트, 핀, 리벳, 클립 등의 체결부재를 이용하여 착탈 가능하게 결합된 구조로 이루어질 수도 있고, 서로 용접 등에 의해 일체화된 구조로 이루어질 수도 있으며, 상기 커버판(230)이 증발기(200)의 전후면이 아닌 측방부를 개폐시키는 구조로 이루어질 수도 있다.

상기 심지체(220)는 다수의 미세공(222)이 형성된 다공성 소재로 이루어져 상기 미세공(222)에 발생되는 모세관 현상에 의해 증발기(200) 내부로의 냉매 유입 및 유입된 냉매의 기화를 촉진시키는 것으로, 상기 증발기(200)의 냉매증발공간(213) 형태에 대응되는 입체 형태로 이루어진다. 그리고 심지체(220)에는 냉매의 유통이 가능하도록 냉매 통로 역할을 하는 절개되거나 또는 요철된 부분이 형성된다. 상기 심지체(220)의 일실시예인 첨부된 도면에 의하면 소정 간격으로 복수의 절개홈(224)이 평행하게 형성되며, 각 절개홈(224)은 증발기 케이싱(210)의 냉매유출구(234)와 연결된 공간을 형성한다. 그리고, 상기 심지체(220)의 재질은, 바람직하게는, 레이온계[(C₆H₁₀O₆)_n ], PAN계[(C₃NH₃)_n], 페놀수지계[(C₆₃H₅₅O₁₁)_n], 피치계[(C₁₂₄H₈₀ NO)_n] 등의 합성수지로 이루어지며, 상기 미세공(222)의 직경은 대략 5Å~ 40Å정도의 범위 내에서 모세관현상에 의한 최적의 팽창을 얻게된다.

상기 응축기(240)는 그 내부에 기체 상태로 유입된 냉매가 방열에 의해 응축되는 냉매응축공간(241)이 형성된 케이스 형태로 이루어지며, 그 상부에는 냉매유입구(245)가 형성되고, 그 하측 소정 간격 이격된 위치에는 냉매유출구(246)가 형성된다. 상기 응축기(240)의 냉매유입구(245)에는 증발기(200)의 냉매유출구(234)에 연결된 제2냉매이송관(20)이 니플(243)을 매개로 연결되어 이를 통해 증발기(200)에서 기화된 냉매가 유입되고, 상기 응축기(240)의 냉매유출구(246)에는 증발기(200)의 냉매유입구(232)에 연결된 제1냉매이송관(10)이 연결되어 냉매응축공간(241) 내부에서 응축된 냉매가 증발기(200) 측으로 다시 회귀되도록 구성된다. 또한, 상기 응축기(240)의 소정 위치에는 냉매를 충전하기 위한 냉매주입구(247)가 개폐 가능한 구조로 구비되며, 응축된 냉매가 상기 응축기(240)로부터 증발기(200) 측으로 중력에 의해 원활하게 흘러 이송될 수 있도록 상기 응축기(240)는 증발기(200) 보다, 상기 응축기(240)의 냉매유출구(246)는 증발기(200)의 냉매유입구(232) 보다 상대적으로 높은 위치에 설치 및 형성되는 것이 바람직하다.

상기 응축기(240)의 외부에는 전원과 연결되어 전원 공급에 따라 외기를 압송하여 상기 응축기(240)를 냉각시키는 냉각팬(250)이 장착된다.

한편, 상기 제1 및 제2냉매이송관(10, 20)은, 도시된 실시예에서와 같이, 외부와의 단열과 설치 편의를 고려하여 비용대비 단열성 및 유연성이 상대적으로 양호한 합성수지재 튜브로 구성될 수도 있고, 상기 응축기(240)와 증발기(200)를 서로에 대해 고정된 구조로 할 경우에는 고정된 형태를 갖는 파이프 형태나 내부관로 형태로 구성할 수도 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 전자부품용 2상유동 방식 냉각장치의 작동 상태를 설명하면 다음과 같다.

상기 제2냉매이송관(20)을 통해 응축기(240) 내부로 유입된 기체 상태의 냉매는 냉각팬(250)의 작동에 따라 냉매응축공간(241) 내부에서 열을 잃고 응축되어 액체 상태로 상변화된다. 응축된 냉매는 응축기(240)의 냉매유출구(246) 측으로 하강되고, 하강된 냉매는 중력에 의해 냉매유출구(246)에 연결된 제1냉매이송관(10)을 통해 증발기(200) 측으로 이송된다.

이어서, 상기 제1냉매이송관(10)이 연결된 냉매유입구(232)를 통해 증발기(200) 내부로 유입된 액체 상태의 냉매는 증발기(200)의 케이싱(210)을 통해 전달된 전자부품의 작동열에 의해 증발되면서 그 증발잠열에 상당하는 전자부품의 발열량을 흡수하게 되고, 열팽창 압력에 의해 상승되어 냉매유출구(234)에 연결된 제2냉매이송관(20)을 통해 상기 응축기(240) 내부로 다시 회송되며, 이와 같은 증발기(200)와 응축기(240) 간의 냉매 순환이 계속됨에 따라, 증발기(200)에 의한 소 정 전자부품의 냉각이 지속적으로 이루어지게 된다.

이때, 상기 심지체(220)에 형성된 다수의 미세공(222)이 모세관 역할을 하여 그 내부로 유입되는 액상 냉매에 부압이 걸리게 되므로, 상기 증발기(200) 내부로의 냉매 유입이 촉진되는 동시에 유입된 냉매가 감압에 의해 팽창되면서 액체와 기체가 혼합된 기화되기 쉬운 상태로 변화된다. 또한, 상기 미세공(222) 내부로 냉매가 유입됨에 따라 열전달이 이루어질 수 있는 냉매의 전체 표면적의 합이 증가된다. 이에 따라, 증발기(200) 내부로의 냉매 유입이 원활하게 이루어지는 동시에 증발기(200) 내부에서의 냉매의 증발도 보다 효율적으로 이루어지게 된다. 따라서, 본 발명의 냉각장치는, 소정 작동시간이 경과된 후 뿐만 아니라, 피냉각체이자 동력원인 전자부품의 열이 충분히 전달되지 않은 초기 작동 시에도, 상기 심지체(220)에 형성된 미세공(222)에 의해 증발기(200) 내부로의 냉매 유입과 유입된 냉매의 기화가 동시에 촉진되므로, 종래의 2상 유동 방식 냉각장치가 갖는 단점인 초기작동 불완전 문제를 해결하고, 간단한 구조와 저렴한 제작비용, 작동소음경감 등의 장점은 그대로 살려 전자부품용 냉각장치로써 매우 효율적인 냉각기를 제공할 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기 심지체(220)에 형성된 다수의 절개홈(224)은 증발된 냉매의 상승을 원활하게 하는 냉매통로를 형성하는 동시에 심지체(220)의 표면적을 증가시켜 외부로 노출된 미세공(222)의 수를 증가시킴으로써, 상기 심지체(220)에 의한 냉매의 유입 및 증발 촉진이 더욱 효과적으로 이루어질 수 있도록 한다.

한편, 전술한 실시예에서는 상기 심지체(220)가 하나의 단일 몸체로 구성된 것을 도시 및 설명하였으나, 이는 예시적인 것으로, 상기 심지체(220)는 다공성 물질로 된 다수의 작은 알갱이나 소정 형태로 절단된 복수의 다공성 블록 등 다양한 크기 및 형태로 이루어질 수 있으며, 그 재질에 있어서도 모세관 역할을 하는 다수의 미세공(222)이 형성된 여하한 소재도 본 발명의 심지체(220)로 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은, 다수의 미세공이 형성된 다공성 소재의 심지체를 증발기 내부에 설치하여 상기 심지체의 미세공에 의한 모세관 현상에 의해 증발기 내부로의 냉매 유입과 유입된 냉매의 증발이 촉진되도록 함으로써, 냉각장치의 구조를 간단하게 하고 작동소음을 경감시킬 수 있을 뿐 아니라 초기 작동 시에도 냉매순환이 원활하게 이루어져 전자부품의 냉각이 효율적으로 이루어질 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 증발기와 응축기 및 증발기와 응축기를 연결하여 냉매를 순환시키는 냉매이송관으로 구성되어 전자부품에서 발생된 열을 냉각시키는 전자부품용 2상 유동방식의 냉각장치에 있어서, 증발기의 냉매증발공간 내에 설치되는 것으로, 다수의 미세공이 형성된 다공성 소재로 이루어져 미세공의 모세관 현상에 의해 증발기 내부로 유입된 냉매를 감압 팽창시켜 기화되기 쉬운 상태로 변화시키는 심지체가 구비된 것을 특징으로 하는 전자부품용 2상 유동방식 냉각장치
2. 제1항에 있어서, 심지체는 증발기의 냉매증발공간의 형상에 대응하는 입체형상을 하되, 절개되거나 요철된 부분이 형성되어 냉매의 이동 통로로 이용되는 것을 특징으로 하는 전자부품용 2상유동 방식 냉각장치.
3. 제1항에 있어서, 심지체의 미세공 직경은 5Å~ 40Å인 것을 특징으로 하는 전자부품용 2상 유동방식 냉각장치.

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