KR100764308B1 - 판형 히트 스프레더를 구비한 냉각 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

판형 히트 스프레더를 구비한 냉각 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 판형 히트 스프레더를 이용한 냉각 장치의 제조방법은, 와이어들이 상하로 번갈아 교차되며 직조된 메쉬들을 적층하여 메쉬 집합체를 구비하는 제 1 과정, 상기 메쉬들을 부분적으로 상호 접합하여 일체화하는 제 2 과정, 상기 일체화된 메쉬 집합체를 열전도성이 우수한 판형 케이스 내에 삽입하는 제 3 과정 및 상기 판형 케이스 내에 냉매를 주입하고 밀봉하는 제 4 과정을 포함하는 판형 히트 스프레더 제조 단계; 및 상기 판형 히트 스프레더에 히트 싱크를 부착하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 판형 케이스 내에 메쉬 집합체를 정확히 배치시킴으로써 불량발생을 줄일 수 있고, 냉매 순환유로의 방향이 정확히 최적화되어 열전달 성능이 우수한 냉각 장치를 제작할 수 있다.
히트 파이프, 히트 싱크, 냉각 팬

Description

판형 히트 스프레더를 구비한 냉각 장치 및 그 제조 방법{A COOLING APPARATUS HAVING A FLAT PLATE HEAT SPREADER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 종래기술에 따른 판형 히트 스프레더의 일 예를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판형 히트 스프레더를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 채용된 메쉬의 일부 상세 구조를 보여주는 평면도.
도 4는 도 3에서 메쉬에 증기확산 유로가 형성된 모습을 X 방향에서 나타낸 측단면도.
도 5는 도 3에서 메쉬에 증기확산 유로가 형성된 모습을 Y 방향에서 나타낸 측단면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 메쉬에 액막이 형성된 모습을 나 타낸 측단면도.
도 7은 메쉬 집합체의 접합처리를 위해 채용되는 금속 융착기의 예를 보여주는 사시도.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 메쉬 집합체의 가장자리를 접합 처리한 예를 도시하는 사시도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라 메쉬 집합체의 절단 처리 이전에 접합 처리를 수행한 예를 도시하는 사시도.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명>
100: 판형 히트 스프레더 110: 열원
120: 열방출부 130: 판형 케이스
140,160: 조밀 메쉬 150: 성긴 메쉬
G: 메쉬 집합체 200: 융착부
본 발명은 판형 히트 스프레더(Heat spreader)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉매의 순환을 위한 증기확산 유로 및 액체 유동 유로를 제공해 주는 메쉬(Mesh) 집합체가 정확히 판형 케이스 내에 삽입될 수 있는 구조를 가진 판형 히트 스프레더에 관한 것이다.
일반적으로 각종 전자장치는 그 작동 중에 내부의 전자 부품으로부터 많은 열이 발생하게 되는데, 이러한 열을 외부로 효율적으로 방출하기 위해서는 소정의 히트 스프레더를 해당 열원에 부착시켜 히트 싱크 등의 열방출부로 전달하는 것이 바람직하다.
도 1에는 열원(20)과 히트 싱크(30) 사이에 설치된 종래 기술에 따른 히트 스프레더(10)의 일 예가 도시되어 있다. 도면에 도시된 히트 스프레더(10)는 두께가 얇은 밀폐된 금속 케이스(50) 내부(40)에 냉매가 충진된 구조이며, 상기 금속 케이스(50)의 내면에는 윅구조체(wick structure)(60)가 형성되어 있다. 상기 열원(20)에서 발생된 열은 열원(20)과 접하고 있는 히트 스프레더(10) 내부의 윅구조체(60)로 전달된다. 이 영역에서 윅구조체(60)에 함체되어 있던 냉매가 증발되어 내부 공간(40)을 통해 사방으로 확산된 뒤, 히트 싱크(30)가 설치된 냉각영역의 윅구조체(60)에서 열을 방출한 후 응축된다. 이러한 응축과정에서 방출된 열은 히트 싱크(30)로 전달되고, 냉각팬(70)에 의한 강제대류방식으로 외부로 방출된다.
상기와 같은 구조의 히트 스프레더(10)에 따르면 액체 상태의 냉매가 열원으로부터 열을 흡수하여 증발하고 증발된 증기는 다시 냉각영역으로 이동하여야 하므로, 상기 증기가 유동할 수 있는 공간이 확보되어야 한다. 그런데, 두께가 얇은 판형 열전달장치에 있어서 증기확산 유로를 확보하는 것은 쉬운 일이 아니며, 특히 판형 열전달장치 케이스 내부는 진공상태(감압상태)로 유지되므로 제조과정에서 케이스 상판과 하판이 찌그러지거나 왜곡되는 현상이 발생하게 되어 제품의 신뢰성을 저하시키게 된다.
대안으로, 본 출원인이 기출원한 특허(공개번호: 10-2005-51530)에는 수 층 의 메쉬를 판형 케이스 내에 설치하여 액상 냉매의 유동경로와 기상냉매의 확산경로를 확보하는 판형 열전달 장치가 개시되어 있다. 그런데, 이와 같이 수 층의 메쉬를 사용하는 히트 스프레더는 메쉬들이 판형 케이스 내부에 정확히 삽입되지 않을 경우 메쉬의 일부가 케이스 밖으로 삐져나와 케이스의 밀봉 불량이 발생할 수 있으며, 윅구조와 증기유로가 적절한 방향으로 형성되지 않아 열전달 성능이 저하될 수 있는 우려가 있다.
본 발명은 상기와 같은 배경에서 창안된 것으로서, 증기확산 유로와 액체유동 유로를 제공하는 메쉬들이 판형 케이스 내부에 정확히 삽입될 수 있는 구조를 가진 판형 스프레더 및 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 냉매의 순환 유로를 정확하게 최적화할 수 있는 판형 스프레더 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 이러한 판형 스프레더를 구비한 냉각 장치 및 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 냉각 장치는, 내부에 냉매를 수용한 상태에서 열원과 접촉하여 상기 냉매의 증발과 응축을 통해 열원으로부터의 열을 외부로 전달하는 열전도성 판형 케이스와, 이 판형 케이스의 내부에 설치되며, 와이어들이 상하로 번갈아 교차되며 직조된 성긴 메쉬와 조밀 메쉬가 적층되어 형성되되, 그 코너 부분 혹은 가장자리 부분에는 메쉬들이 상호 융착된 융착 부를 가진 메쉬 집합체를 포함하는 판형 히트 스프레더(Flat Plate Heat Spreader); 및 상기 열전도성 판형 케이스와 접촉하여 냉매의 응축으로 인해 발생하는 잠열을 외부로 배출하기 위한 히트 싱크(Heat sink)를 포함한다.
또한, 본 발명의 냉각 장치는 상기 히트 싱크로부터 발열되는 열을 외부에 강제적으로 배출하기 위한 열배출수단을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 성긴 메쉬는 상기 교차지점으로부터 상기 와이어의 진행 방향을 따라 상기 냉매가 증발된 증기가 유동 가능하고 단면적이 서로 다른 주방향 및 부방향 증기확산 유로를 제공하되, 단면적이 상대적으로 큰 주방향 증기확산 유로가 열전달 방향과 평행한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 판형 히트 스프레더를 이용한 냉각 장치의 제조 방법은, 와이어들이 상하로 번갈아 교차되며 직조된 메쉬들을 적층하여 메쉬 집합체를 구비하는 제 1 과정, 상기 메쉬들을 부분적으로 상호 접합하여 일체화하는 제 2 과정, 상기 일체화된 메쉬 집합체를 열전도성이 우수한 판형 케이스 내에 삽입하는 제 3 과정 및 상기 판형 케이스 내에 냉매를 주입하고 밀봉하는 제 4 과정을 포함하는 판형 히트 스프레더 제조 단계; 및 상기 판형 히트 스프레더에 히트 싱크를 부착하는 단계를 포함한다.
상기 제 1 과정에서, 두 층의 조밀 메쉬 사이에 성긴 메쉬가 개재되도록 상기 적층처리가 수행되고, 상기 제 3 과정에서, 상기 성긴 메쉬는, 상기 교차지점으로부터 상기 와이어의 진행 방향을 따라 상기 냉매가 증발된 증기가 유동 가능하고 단면적이 서로 다른 주방향 및 부방향 증기확산 유로를 제공하되, 단면적이 상대적 으로 큰 주방향 증기확산 유로가 열전달 방향과 평행을 이루도록 상기 판형 케이스 내에 삽입되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 과정은, 상기 메쉬 집합체를 상기 판형 케이스의 내부 면적에 상응하는 사이즈로 절단 가공하는 단계가 더 포함할 수 있고, 상기 제 2 과정의 접합 처리는 상기 메쉬 집합체의 코너 부분 혹은 가장자리 부분에 대하여 수행된다.
또한, 상기 제 2 과정의 접합 처리는 상기 판형 케이스에 비해 상대적으로 대면적의 메쉬 집합체에 대하여 수행되거나, 상기 메쉬 집합체의 절단 예정 영역의 코너 부분 혹은 가장자리 부분에 대하여 수행되고, 상기 접합 처리 후 메쉬 집합체를 판형 케이스의 내부 면적에 상응하는 사이즈로 절단 가공하는 단계가 더 포함될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판형 히트 스프레더의 단면이 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 본 발명의 판형 히트 스프레더(100)는, 열원(110)과 히트 싱크와 같은 열방출부(120) 사이에 설치되며 상판(130a)과 하판(130b)으로 구성된 판형 케이스(130)와, 상기 판형 케이스(130) 내부에 삽입되고 부분적으로 융착부(200)가 형성된 메쉬 집합체(G)와, 상기 케이스(130) 내부에서 열을 전달하는 매개체가 되는 냉매(미도시)를 포함한다. 여기서, 상기 메쉬 집합체(G)는 와이어들이 상하로 번갈아 교차되며 직조된 조밀 메쉬(140,160)와 성긴 메쉬(150)가 상하로 마주 대하며 적층된 구조를 가진다. 상기 조밀 메쉬(140,160)와 성긴 메쉬(150)라는 용어는 메쉬 격자 조밀도의 상대적인 크기에 따라 명명된 것으로서, 조밀 메쉬(140,160)의 메쉬수가 성긴 메쉬(150)의 메쉬수보다 크다는 것을 미리 밝혀둔다. 또한, 본 발명의 판형 히트 스프레더(100)는 상기 열방출부(120)에 도 1과 같은 냉각 팬(70)을 설치하여 하나의 냉각 장치를 구성하는 것도 가능하다.
판형 케이스(130)는 열원(110)으로부터 열을 흡수하고 다시 열방출부(120)에서 열을 방출하기 용이하도록 열전도성이 우수한 금속, 전도성 폴리머 또는 열전도 플라스틱 등으로 이루어진다. 보다 구체적으로, 판형 케이스(130)는 정사각형, 직사각형, T자형 등 다양한 형상으로 구성할 수 있다. 상기 판형 케이스(130)의 상판(130a)과 하판(130b)은 바람직하게 0.5mm 이하의 두께를 갖는 금속, 폴리머 및 플라스틱 등을 사용하여 제작될 수 있으며, 금속의 경우는 구리, 스테인레스, 알루미늄 및 몰리브덴 등을 사용할 수 있고, 폴리머의 경우는 열전도성 폴리머를 포함하는 열전도성이 우수한 폴리머 재질을 사용할 수 있고, 플라스틱의 경우에도 열전 도성이 우수한 플라스틱이 채용가능하다. 상기 케이스(130)는 위와 같은 재료를 원하는 모양으로 절단하여 상판(130a)과 하판(130b)을 만든 후, 브레이징, 티그 용접, 납땜, 레이저 용접, 전자빔 용접, 마찰 용접 및 본딩 등 다양한 방법을 사용하여 접합할 수 있다. 접합된 판형 케이스(130) 내부에는 하기의 메쉬 집합체(G)가 삽입되고, 진공상태 또는 저압상태로 감압된 후 물, 에탄올, 암모니아, 메탄올, 질소 또는 프레온과 같은 냉매가 충진된 상태로 밀봉된다.
메쉬 집합체(G)는 와이어들이 상하로 번갈아 교차되며 직조된 조밀 메쉬(140,160)와 성긴 메쉬(150)가 적층되어 형성되되, 그 코너(Corner)부분이나 모서리 부분에는 초음파 용접, 저항 용접 또는 아크 용접에 의해 각 층의 메쉬 와이어들이 서로 융착된 융착부(200)가 형성되어 메쉬(140,150,160)들을 서로 견고히 고정시킨다. 여기서, 융착부(200)가 메쉬 집합체(G)의 중간 부분에 형성되지 않고 코너 부분이나 가장자리 부분에 형성되는 것은 융착 구조에 의해 기상 및 액상 냉매의 순환유로가 차단되는 것을 방지하기 위함이다.
메쉬 집합체(G)에 구비된 메쉬 중 성긴 메쉬(150) 격자의 부분 확대 평면도가 도 3에 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 성긴 메쉬(150)는 횡선 와이어(150a, 150b)와 종선 와이어(150c, 150d)가 서로 교번되도록 교차하면서 직조된다. 이러한 성긴 메쉬(150)는 금속, 폴리머 또는 플라스틱 중에서 어느 하나로 제작될 수 있다. 바람직하게, 상기 금속으로는 구리, 알루미늄, 스텐레스 스틸 또는 몰리브덴 중의 어느 하나 또는 이들의 합금이 채택된다. 아울러, 상기 성긴 메쉬(150)는 후술하는 바와 같이 정사각형, 직사각형 또는 원하는 판형 케이스의 형태에 따라 다 양한 모양으로 제작가능하다.
상기 메쉬 집합체(G)에 구비된 메쉬 중 조밀 메쉬(140,160)는 상기 성긴 메쉬(150)와 마주 대하며 접하는 것이 바람직하다. 이러한 조밀 메쉬(140,160)는 전술한 성긴 메쉬(150)와 동일한 재질의 메쉬 와이어로 동일한 방식에 의해 직조된다.
본 발명에 있어서 메쉬 집합체(G)는 두 층의 조밀 메쉬(140,160) 사이에 성긴 메쉬(150)가 개재되어 전체적으로 세 층의 메쉬가 적층된 구조를 갖는 것이 바람직하다. 하지만, 상기 메쉬의 층수는 이러한 예에 한정되지 않으며 냉각 용량이나 전자 장비의 두께 등을 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
본 발명에 있어서, 성긴 메쉬(150)는 열원(110)에 의해 증발된 냉매의 증기가 유동할 수 있는 증기확산 유로를 제공하는 수단이 된다. 보다 구체적으로, 도 3의 A-A' 선에 따라 성긴 메쉬(150)의 일부분에 대한 측단면도를 도시한 도 4를 참조하면, 횡선 와이어(150a)가 종선 와이어(150c)의 하면과 접촉하고 또 다른 종선 와이어(150d)의 상면과 접촉하는 식으로 배열되어 있다. 도면으로 도시하지 않지만, 도 3에 도시된 다른 횡선 와이어(150b)는 이와 반대이다. 이때, 횡선 와이어(150a)의 상면과 하면 부근에는 각각 빈공간이 생기게 되는데, 이것이 증기확산 유로(Pv)로 기능하게 된다. 상기 증기확산 유로(Pv)는 횡선 와이어(150a)와 종선 와이어(150c, 150d)가 접촉하는 지점(J)으로부터 종선 와이어(150c, 150d)의 진행방향을 따라, 그 단면적은 접촉지점(J)으로부터 멀어질수록 점차로 좁아진다.
나아가, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 증기확산 유로(Pv)는 횡선 와이 어(150a, 150b)와 종선 와이어(150c, 150d)가 서로 교차하는 모든 지점(J)에서부터 상하좌우 모든 방향으로 형성되며, 따라서 이러한 유로를 통하여 냉매 증기가 사방으로 원활하게 확산될 수 있다. 도 3에서 상기 증기확산 유로(Pv)를 통한 냉매 증기의 확산은 화살표(↔)로 도식화되어 있다.
상기 증기확산 유로(Pv)의 최대 단면적은 횡선 와이어(150a, 150b)의 진행방향(Y)에서 바라보느냐 아니면, 종선 와이어(150c, 150d)의 진행방향(X)에서 바라보느냐에 따라 달라진다. 왜냐하면 직조 스크린 메쉬는 일반적으로 횡선 와이어(150a, 150b) 또는 종선 와이어(150c, 150d)를 먼저 고정한 상태에서 나머지 와이어로 직물을 짜듯이 직조함으로써 제조되므로 메쉬의 방향에 따라 텐션이 달라지기 때문이다.
즉, 도 3에 도시된 성긴 메쉬(150)가 종선 와이어(150c, 150d)를 고정시킨 상태에서 직조된 스크린 메쉬라면, 상기 증기확산 유로(Pv)의 최대 단면적은 X방향에서 바라보았을 때가 Y 방향에서 바라보았을 때보다 크다.
구체적으로, X 방향에서 바라본 증기확산 유로(Pv)는 도 4에, 그리고 Y 방향에서 바라본 증기확산 유로(Pv)는 도 5에 도시되어 있다. 따라서 상기 성긴 메쉬(150)는 X 방향으로의 증기확산 유량이 Y축 방향으로의 증기확산 유량보다 크다. 이하, 증기확산 유량이 큰 방향을 '주방향'이라 칭하고, 증기확산 유량이 상대적으로 작은 방향을 '부방향'이라고 칭한다. 이에 따라, 주방향이 부방향보다 동일한 압력에서 유체(증기 또는 액체)가 통과할 수 있는 양이 많기 때문에 통기성(Permeability)이 더 우수하다.
이러한 점을 감안하여, 본 발명에서는 도 2와 같이 메쉬 집합체(G)를 판형 케이스 내부에 배치할 때 성긴 메쉬(150)의 주방향을 열전달 방향, 즉 열원(110)으로부터 열방출부(120)로의 방향과 평행하게 일치시킨다. 이에 따라 열전달 방향으로의 냉매 증기 유동이 원활하게 이루어져 판형 히트 스프레더(100)의 열전달 성능이 최적화된다.
한편, 도 6에 나타난 바와 같이, 실제 판형 히트 스프레더(100)가 작동되는 과정에서 성긴 메쉬(140)의 횡선 와이어와 종선 와이어의 교차지점(J)에 있는 증기확산 유로(Pv)에는 냉매의 표면장력 때문에 액막(170)이 형성된다. 이에 따라 실제로 냉매 증기가 유동할 수 있는 실제 증기확산 유로(Pv)의 단면적은 액막(170)이 차지하는 면적만큼 줄어들게 된다.
도면으로 도시하지는 않지만, 조밀 메쉬(140,160)에도 횡선 와이어와 종선 와이어의 교차 지점에 액막이 형성된다. 그리고 조밀 메쉬(140,160)는 판형 히트 스프레더(100)의 작동 과정에서 후술하는 바와 같이 액체유동 유로를 주로 제공하게 되므로, 격자의 빈 공간이 액막에 의해 모두 채워져도 무방하다.
상기 액막(170)의 연결은, 후술하는 바와 같이 모세관력에 의해 냉매의 수평 유동을 야기 시킨다. 따라서 성긴 메쉬(150)에서는 주로 증기확산 유로(Pv)를 통해 증발된 냉매의 확산이 유발되지만, 연결된 액막(170)에 야기되는 모세관력에 의해 액상 냉매의 수평 유동이 유발되기도 한다. 이때 수평 유동의 평균적 방향은 열전달 방향과 반대 방향이 된다. 그리고 수평 유동량은 조밀 메쉬(140,160)를 통하여 유발되는 액체 냉매의 수평 유동량보다는 상대적으로 작다.
다시 도 2를 참조하면, 상기 성긴 메쉬(150)가 증기확산 유로(Pv)를 제공하는데 반해, 상기 조밀 메쉬(140,160)는 액체유동 유로를 제공해준다. 이에 따라 열방출부(120)에서 응축된 냉매가 상기 액체유동 유로를 통해 다시 열원(110) 근처로 귀환한다. 구체적으로, 상기 조밀 메쉬(140,160)의 영역 중 열원(110)의 직 상방 근처에 있는 영역에서는 열전달 과정에서 냉매의 증발이 지속적으로 이루어진다. 증발된 냉매는 성긴 메쉬(150)의 증기확산 유로(Pv)를 통하여 냉매의 증발온도보다 낮은 온도로 유지되는 열방출부(120)로 확산한다. 그런 다음 열방출부(120) 직 하방 근처에서 응축된 후 주로 조밀 메쉬(140,160)의 액막으로 함체된다.
그런데 열원(110) 근처의 조밀 메쉬(140,160)에서는 냉매의 증발이 유발되어 냉매의 부족 현상이 발생되고, 그 반대로 열방출부(120) 직 하방 근처의 조밀 메쉬(140,160)에서는 냉매의 응축으로 냉매의 과잉 현상이 발생된다. 이에 따라 조밀 메쉬(140,160)에 존재하는 연결된 액막에서는 모세관력이 발생되어 열전달 방향과 반대방향으로 액상 냉매의 지속적인 유동이 유발된다. 즉, 조밀 메쉬(140,160)는 열방출부(120)에서 응축된 냉매가 열원(110)으로 공급되는데 있어서 액체유동 유로를 제공하게 되는 것이다. 조밀 메쉬(140,160)의 경우는 메쉬 격자의 크기가 작기 때문에 함체된 냉매의 표면장력에 의해 메쉬 격자의 빈 공간이 액체 냉매로 채워진다. 이에 따라 조밀 메쉬(140,160)는 증기확산 유로로서의 기능보다는 액체유동 유로로서의 기능을 수행한다.
상기 조밀 메쉬(140,160)는 상기 성긴 메쉬(150)와 마찬가지 이유로 인해 액체유동 유로의 최대 단면적은 방향에 따라 차이가 있다. 따라서 상기 조밀 메 쉬(140,160)도 동일한 압력 조건하에서 액상 냉매의 유동유량이 큰 '주방향'과 이 주방향보다는 액상 냉매의 유동유량이 상대적으로 작은 '부방향'을 가지고 있다. 본 발명에서 판형 히트 스프레더(100)의 열전달 성능을 극대화하기 위해서는 상기 조밀 메쉬(140,160)의 주방향이 열전달 방향과 평행하도록 메쉬 집합체(G)를 판형 케이스(130) 내에 배치하는 것이 보다 바람직하다. 이렇게 되면, 성긴 메쉬(150)의 증기확산 성능뿐만 아니라 조밀 메쉬(140,160)의 액체유동 성능까지 최적화됨으로써 판형 히트 스프레더(100)의 열전달 성능이 보다 증진된다.
본 발명에서, 상기 메쉬 집합체(G)는 상판(130a)과 하판(130b) 사이에 개재되어 이들을 지지하므로 냉매충진을 위한 진공작업시나 장치의 취급시 케이스가 찌그러지는 현상이 발생하지 않게 된다.
그러면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 판형 히트 스프레더(100)의 동작을 도 2를 참조로 살펴보기로 한다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 판형 히트 스프레더(100)의 하판(130b) 일단은 열원(110)과 접촉하고, 상판(130a)의 일단은 히트 싱크나 냉각팬과 같은 열방출부(120)와 접촉한다. 특히, 판형 히트 스프레더(100)의 몸체를 이루는 판형 케이스(130) 내부에는 코너부 혹은 가장자리에 융착부(200)가 마련된 메쉬 집합체(G)가 배치되어 정확한 위치에 메쉬(140,150,160)들이 상호 고정된 상태를 유지하게 된다. 이러한 상태에서, 상기 열원(110)의 온도가 냉매의 증발온도보다 상승하게 되면 열전달 동작이 시작된다.
구체적으로, 열원(110)으로부터 발생한 열은 판형 케이스(130)의 하판(130b) 을 통하여 조밀 메쉬(140,160)로 전달된다. 그러면, 조밀 메쉬(140,160)에 함체되어 있던 냉매가 가열되어 증발되며, 증발된 증기는 성긴 메쉬(150)의 증기확산 유로를 통하여 냉각장치 내부에서 사방으로 확산된다. 그런데 평균적으로 증발된 냉매는 열방출부(120) 방향으로 확산한다. 이때 상기 성긴 메쉬(150)의 주방향이 열전달 방향, 즉 열원(110)에서 열방출부(120)로의 방향과 일치하므로, 증발된 냉매의 확산이 최적화되어 일어나게 된다.
상기 확산된 증기는 냉매의 응축 온도보다 낮은 영역, 실질적으로는 열방출부(120)의 직 하방에 있는 조밀 메쉬(140,160)와 성긴 메쉬(150)에서 응축된다. 이러한 응축과정에서 발생된 응축열은 케이스 상판(130a)으로 전달되고, 이어서 전도열전달, 자연대류 혹은 예컨대, 냉각 팬에 의한 강제대류 방식에 의해 외부로 방출된다.
응축된 액체상태의 냉매는 조밀 메쉬(140,160) 및 성긴 메쉬(150)에 함체된 후, 열원(110) 근처에서의 지속적인 냉매의 증발로 인하여 연결된 액막에 야기된 모세관력에 의해 열원(110) 근처로 유동하여 귀환한다. 이때 냉매 액체의 유동은 주로 조밀 메쉬(140,160)를 통하여 이루어진다. 상기 성긴 메쉬(150)에 함체된 응축 냉매는 수평 방향으로의 유동을 하기도 하지만, 성긴 메쉬(150)의 교차지점(J)을 통하여 수직 유동하여 주로 조밀 메쉬(140,160)로 유입된다. 이상적인 경우, 이러한 냉매의 순환은 열원의 온도가 냉매의 증발온도와 실질적으로 동일하거나 그 이하가 될 때까지 계속된다.
바람직한 실시예에서, 상기 조밀 메쉬(140,160)의 주방향은 상기 성긴 메 쉬(150)와 마찬가지로 열전달 방향과 평행하므로, 냉매 액체의 유동도 최적화되어 응축된 냉매가 원활하게 열원(110) 근처로 공급된다. 여기서, 조밀 메쉬(140,160)는 열원(110)의 직 상방에서는 증발부, 열방출부(120)의 직 하방에서는 응축부, 및 전체적으로는 연결된 액막에 야기되는 모세관력에 의한 최적화된 액체유동 유로의 역할을 수행한다.
그리고 상기 성긴 메쉬(150)는 최적화된 증기확산 유로로서의 역할과 함께 열방출부(120)의 직 하방에서는 응축부, 및 열방출부(120) 직 하방에서 응축된 액체 냉매가 그 아래에 있는 조밀 메쉬(140,160)로 수직 유동하여 귀환할 수 있도록 해주는 귀환로의 역할을 겸하게 된다. 특히 성긴 메쉬(150)는 증기확산 유로의 역할을 하므로 별도의 증기확산 유로를 확보하기 위하여 판형 케이스(130) 내부에 빈 공간을 형성할 필요가 없다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 판형 히트 스프레더(100)의 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저, 상대적으로 조밀한 메쉬와 성긴 메쉬를 상하로 겹쳐서 메쉬 집합체(G)를 구비하는 공정이 수행되는데, 이때 메쉬 집합체(G)는 두 층의 조밀 메쉬(140,160) 사이에 성긴 메쉬(150)가 개재되도록 적층처리 되는 것이 바람직하다.
이어서, 상기 메쉬(140,150,160)들을 상호 고정되도록 메쉬 집합체(G)의 코너부근이나 가장자리를 접합하는 공정이 수행된다. 여기서, 메쉬(140,150,160)들을 접합하는 방법으로는 초음파 용접, 저항 용접 또는 아크 용접 등을 통한 융착법이 사용되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 도 7에는 상기 메쉬 집합체(G)를 융착시키기 위한 초음파 금속 융착기(180)가 개략적으로 도시되어 있다. 도면에 나타난 바와 같이, 초음파 금속 융착기(180)의 진동단자부(181)와 금속 테이블(182) 사이에 메쉬 집합체(G)를 배치시킨 상태에서 초음파 발진기를 작동시키면 상기 진동단자부(181)가 기계적으로 진동하게 되고 이에 따라 메쉬 집합체(G)와 진동단자부(181)의 접합면에서 마찰열이 발생하여 조밀 메쉬(140,160) 및 성긴 메쉬(150)의 와이어가 상호 융착된다. 본 발명에 있어서, 메쉬 집합체(G)는 윅구조와 기상 및 액상 냉매의 순환유로를 제공하므로 모서리나 가장자리 부분만을 융착시켜 성능저하를 방지하는 것이 바람직하다.
상기 저항 용접은 메쉬 집합체(G)의 접합 대상 지점에 큰 전류를 흘려서, 접합부의 접촉저항에 의한 발열을 유도하여 용융상태로 만들고 기계적 압력을 가해서 용접하는 방법으로서, 통상의 맞대기 용접, 점용접, 심용접 등이 채용 가능하다.
상기 아크 용접은 두 전극 사이에 상기 메쉬 집합체(G)를 배치하고, 고전압을 제공하여 두 전극 사이에 아크를 발생시킴으로써 3000℃ 이상의 열로 접합 대상 지점을 융착시키는 방법이다.
본 발명에 있어서 메쉬 집합체(G)는 판형 케이스(130)의 내부 면적에 상응하는 사이즈로 절단된 후 판형 케이스(130) 내부에 삽입된다. 여기서, 메쉬 집합체(G)의 절단 처리는 상기 메쉬(140,150,160) 간 접합 처리 이전에 메쉬들을 적층시킨 상태, 혹은 적층 전에 수행될 수 있다. 절단 후 접합 처리는 도 8에 도시된 바와 같이 메쉬 집합체(G)의 가장자리에 대하여 수행된다.
대안으로, 메쉬 집합체의 절단 처리는 메쉬(140,150,160) 간 접합 처리 이후 에 수행될 수 있다. 이 경우 메쉬 집합체(G')는 도 9에 도시된 바와 같이 대형 사이즈의 메쉬들을 적층시켜 구비되며, 접합 처리는 상기 메쉬 집합체(G')의 절단 예정 영역(점선 참조)의 코너 부분에 대하여 수행된다. 여기서, 상기 절단 예정 영역은 판형 케이스(130)의 내부 면적에 상응하는 치수로 구획된다.
마지막으로, 판형 케이스 내부에 상기와 같이 접합된 메쉬 조립체를 삽입하고, 냉매를 주입한 후 밀봉함으로써 판형 히트 스프레더를 완성한다.
본 발명에 따르면, 메쉬 집합체(G)를 이루는 조밀 메쉬(140,160) 및 성긴 메쉬(150)가 개별적으로 판형 케이스(130) 내에 삽입되는 것이 아니라, 융착 등의 가공으로 일체화된 상태로 판형 케이스(130) 내에 삽입된다. 따라서, 복수개의 메쉬(140,150,160)를 개별적으로 케이스 내에 삽입시킬 때 초래되는 메쉬 상호간의 정렬 불일치와 그로 인한 냉각 효율 저하 등의 문제를 방지하고, 생산 효율을 높일 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 판형 히트 스프레더 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 수 층의 메쉬들을 상호 접합시킨 상태에서 판형 케이스 내부의 정확한 위치에 메쉬들을 배치함으로써 판형 케이스의 밀봉 불량이나 열전달 성능의 저하를 예방할 수 있다.
둘째, 메쉬들이 상호 접합된 메쉬 집합체 구조를 통해 냉매의 순환 유로를 정확하게 열전달 방향과 평행하게 형성할 수 있으며, 그 순환 유로를 안정적으로 유지할 수 있다.
셋째, 복수개의 메쉬를 일괄적으로 판형 케이스 내에 삽입할 수 있으므로 작업효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (12)

  1. 내부에 냉매를 수용한 상태에서 열원과 접촉하여 상기 냉매의 증발과 응축을 통해 열원으로부터의 열을 외부로 전달하는 열전도성 판형 케이스와, 이 판형 케이스의 내부에 설치되며, 와이어들이 상하로 번갈아 교차되며 직조된 성긴 메쉬와 조밀 메쉬가 적층되어 형성되되, 그 코너 부분 혹은 가장자리 부분에는 메쉬들이 상호 융착된 융착부를 가진 메쉬 집합체를 포함하는 판형 히트 스프레더(Flat Plate Heat Spreader); 및
    상기 열전도성 판형 케이스와 접촉하여 냉매의 응축으로 인해 발생하는 잠열을 외부로 배출하기 위한 히트 싱크(Heat sink)를 포함하는 냉각 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 싱크로부터 발열되는 열을 외부에 강제적으로 배출하기 위한 열배출수단을 더 포함하는 냉각 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 성긴 메쉬는 상기 교차지점으로부터 상기 와이어의 진행 방향을 따라 상기 냉매가 증발된 증기가 유동 가능하고 단면적이 서로 다른 주방향 및 부방향 증기확산 유로를 제공하되, 단면적이 상대적으로 큰 주방향 증기확산 유로가 열전달 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 메쉬 집합체는, 두 층의 조밀 메쉬 사이에 성긴 메쉬가 개재된 구조를 가진 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  5. 와이어들이 상하로 번갈아 교차되며 직조된 메쉬들을 적층하여 메쉬 집합체를 구비하는 제 1 과정, 상기 메쉬 집합체에 있어서 코너 부분 혹은 가장자리 부분의 메쉬들을 상호 접합하여 일체화하는 제 2 과정, 상기 일체화된 메쉬 집합체를 열전도성이 우수한 판형 케이스 내에 삽입하는 제 3 과정 및 상기 판형 케이스 내에 냉매를 주입하고 밀봉하는 제 4 과정을 포함하는 판형 히트 스프레더 제조 단계; 및
    상기 판형 히트 스프레더에 히트 싱크를 부착하는 단계를 포함하는 판형 히트 스프레더를 이용한 냉각장치의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 과정에서,
    두 층의 조밀 메쉬 사이에 성긴 메쉬가 개재되도록 상기 적층처리가 수행되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 3 과정에서,
    상기 성긴 메쉬는, 상기 교차지점으로부터 상기 와이어의 진행 방향을 따라 상기 냉매가 증발된 증기가 유동 가능하고 단면적이 서로 다른 주방향 및 부방향 증기확산 유로를 제공하되, 단면적이 상대적으로 큰 주방향 증기확산 유로가 열전달 방향과 평행을 이루도록 상기 판형 케이스 내에 삽입되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치의 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 과정에서,
    상기 메쉬 집합체를 상기 판형 케이스의 내부 면적에 상응하는 사이즈로 절단 가공하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 와이어들이 상하로 번갈아 교차되며 직조되고 판형 케이스에 비해 상대적으로 대면적인 메쉬들을 적층하여 메쉬 집합체를 구비하는 제 1 과정, 상기 메쉬 집합체에 있어서 절단 예정 영역의 코너 부분 혹은 가장자리 부분의 메쉬들을 상호 접합하여 일체화하고, 일체화된 메쉬 집합체를 판형 케이스의 내부 면적에 상응하는 사이즈로 절단 가공하는 제 2 과정, 상기 일체화된 메쉬 집합체를 열전도성이 우수한 판형 케이스 내에 삽입하는 제 3 과정 및 상기 판형 케이스 내에 냉매를 주입하고 밀봉하는 제 4 과정을 포함하는 판형 히트 스프레더 제조 단계; 및
    상기 판형 히트 스프레더에 히트 싱크를 부착하는 단계를 포함하는 판형 히트 스프레더를 이용한 냉각장치의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제 5 항, 제 6 항, 제 7 항, 제 8 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 과정의 접합공정은 초음파 용접, 저항 용접 및 아크 용접 중 선택된 어느 하나에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치의 제조방법.
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