KR100922104B1 - 발열체 냉각 장치 및 그를 구비하는 전자 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 재질의 접촉판과 비금속 재질의 하우징을 포함하여 구성되어 발열체를 냉각하기 위한 냉각 유닛을 채용하는 냉각 장치 및 전자 장치를 개시한다.

Description

발열체 냉각 장치 및 그를 구비하는 전자 장치{COOLING APPARATUS FOR HEATING ELEMENT AND ELECTRONIC DEVICE HAVING THE SAME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 냉각을 위한 냉각 유닛의 분해 사시도이고,

도 2는 도 1의 냉각 장치의 일 부분을 절단한 조립 사시도이며,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발열체 냉각 장치를 설명하기 블록도이고,

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발열체 냉각 장치를 설명하기 위한 블록도이며,

도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자 장치의 정면도 및 측면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 냉각 유닛 110: 하우징

120: 접촉부 200,300: 냉각 장치

210: 펌핑부 220: 냉각부

230,330: 냉매 저장부 240,340: 유량조절부

250,350: 배관 320: 응축부

본 발명은 발열체에 부착되며 냉매가 순환되는 냉각 유닛을 구비한 냉각 장치 그리고 상기 냉각 장치를 채용하는 전자 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전자장치는 각종 전자부품들이 전기적으로 제어되어 소정의 기능을 수행하는 장치이다. 최근에는 전자장치에 여러 기능들이 복합적으로 집적되면서도 사이즈 면에서의 소형화는 가속화되고 있는 추세이다.

상기 전자장치의 소형화로 인하여 열 유속의 증가뿐만 아니라 전자장치의 복합성에 따른 다중(복수의) 고 발열 칩의 장착으로 인하여, 다중 냉각장치의 필요성도 대두 되고 있다.

더구나, 최신 전자기술의 집합체라고 할 수 있는 인간형 로봇 내부에는 중앙처리장치(CPU), 디지털신호처리장치(DSP, Digital Signal Processor) 칩, 구동 모터와 같이 복수의 발열체가 산재하게 된다.

그 결과로, 기존의 냉각장치인 히트파이프를 적용하기에는 소형화된 인간형 로봇에서의 공간적인 제약에 의해 한계가 있다.

또한 히트파이프 설치에 따른 시스템의 무게의 증가가 로봇의 기계적, 전기적인 부하의 증가로 인하여, 인간형 로봇의 안정적인 작동이 저해되고 있는 실정이다.

따라서, 인간형 로봇 등과 같은 전자 장치를 효율적으로 냉각할 수 있으면서도, 자신의 무게가 상기 전자 장치의 소형화 또는 작동 등에 장애가 되지 않는 냉각 장치에 대한 필요성이 꾸준히 제기되고 있는 실정이다.

상기와 같은 필요성을 감안하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명은 발열체의 신속한 방열을 가능하게 하면서도 경량화가 가능한 냉각 유닛을 채택하여 방열 기능이 우수하면서도 경량화가 가능한 냉각 장치 또는 이를 구비하는 전자 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

삭제

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체의 냉각을 위한 냉각 유닛은 냉매를 수용하기 위한 냉매 수용부를 구비하는 하우징과, 상기 냉매 수용부에 수용된 냉매와 열교환 하도록 상기 하우징에 결합되는 접촉판을 포함한다. 여기서, 상기 하우징은 비금속 재질로 형성되며, 상기 접촉판은 금속 재질로 형성된다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 발열체 냉각 장치는 냉매를 펌핑하는 펌핑부와, 상기 펌핑부에 연통되게 연결되어 상기 펌핑되어 유입되는 냉매가 발열체와 열교환하도록 수용하는 위의 냉각 유닛과, 상기 냉각 유닛과 연통되게 연결되어 상기 열교환에 의해 승온되어 유출되는 냉매를 냉각하여 상기 펌핑부로 공급하는 냉각부 를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발열체 냉각 장치는 유입되는 액체 상태의 냉매가 발열체와 열교환 하도록 수용하는 위의 냉각 유닛과, 상기 냉각 유닛과 연통되게 연결되어 상기 열교환에 의해 기화되어 유출되는 기체 상태의 냉매를 응축하여 상기 냉각 유닛에 공급하는 응축부를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자 장치는 발열체를 구비하는 본체와, 위의 발열체 냉각 장치를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 발열체 냉각 장치는 상기 발열체와 열교환 하여 상기 발열체에서 발생하는 열을 냉각시킨다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발열체의 냉각을 위한 냉각 유닛과 발열체 냉각 장치 및 그를 구비하는 전자 장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 시시예에 따른 발열체의 냉각을 위한 냉각 유닛(100)의 분해 사시도이다.

본 도면을 참조하면, 냉각 유닛(100)은 하우징(110)과 접촉판(120)을 포함한다.

상기 하우징(110)에는 냉매를 수용하기 위한 공간으로서 냉매 수용부(111)가 형성된다. 냉매 수용부(111)는 외부와 차단되게 하우징(110)의 외면에 의해 감싸지는 형태로 형성될 수 있으나, 본 도면에 도시된 바와 같이 일 측이 외부를 향해 개구된 형태를 가질 수도 있다. 냉매 수용부(111)의 개구된 부분에는 단차진 형태의 단차부(112)가 형성될 수 있다.

상기 냉매 수용부(111)로의 냉매의 유입 또는 유출을 안내하기 위하여, 하우징(110)에는 냉매 유입부(113) 및 냉매 유출부(114)가 형성된다.

상기 접촉판(120)은 하우징(110)의 일 면에 결합 되며, 발열체(H)와 접촉하는 접촉부(121)를 포함한다. 접촉부(121)는 발열체(H)와의 원활한 접촉을 위하여 플레이트 형태로 형성될 수 있다. 접촉부(121)의 사이즈는 단차부(112)가 한정하는 영역에 맞는 사이즈일 수 있다.

접촉부(121)의 일 면, 구체적으로 냉매 수용부(111)를 향하는 면에는 적어도 하나의 유로 형성부(122)가 형성될 수 있다. 유로 형성부(122)는 본 도면에서와 같이 복수의 돌기 형태일 수 있으며, 이와 달리 접촉부(121)에 그루브(groove)의 형태로 형성될 수도 있다.

도 2는 도 1의 냉각 장치(100)의 일 부분을 절단한 조립 사시도이다.

본 도면을 참조하면, 접촉판(120)은 하우징(110)의 개구 또는 개방된 일 측에 결합 된다. 다시 말해서, 냉매 수용부(111)의 일 면이 접촉판(120)에 의해서 외부와 구분 또는 차단되는 것이다. 이러한 결합을 위하여, 도시된 바와 같이, 접촉판(120)의 접촉부(121)가 하우징(110)의 단차부(112)와 맞닿도록 끼움 결합하는 방식(나아가, 본딩까지) 등이 채용될 수 있다.

접촉판(120)의 유로 형성부(122)는 하우징(110)의 냉매 수용부(111) 내에 배치되게 된다. 그 결과로, 냉매 유입부(113)를 통해 냉매 수용부(111)로 유입된 냉매는 유로 형성부(112)와 접촉하게 된다.

여기서, 접촉판(120), 적어도 접촉부(121)는 발열체(H)와의 열전도성을 고려 하고 금속 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 접촉판(120)과는 달리, 하우징(110)은 비금속 재질, 예를 들어 PC(polycarbonate), 아크릴, 플라스틱으로 형성할 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 비금속 재질의 하우징(110)에 의해 냉각 유닛(100)의 전체적인 경량화가 가능해진다. 하우징(110)이 비금속 재질로 형성되더라도 접촉판(120)은 금속 재질로 형성됨에 따라, 냉매의 발열체(H)와의 열교환이 제약되는 일이 없게 된다.

또한, 접촉판(120)에 유로를 형성하는 경우라면, 냉매와 열원과의 접촉 면적을 확대할 수 있으며 냉매의 유동 자체를 촉진할 수 있어서, 열전달 효율을 높일 수 있다.

나아가, 냉매 수용부(111)가 하우징(110)의 외면에 의해 완전히 감싸는 형태라면, 접촉판(120)은 하우징(110)의 외면을 통해 냉매와 간접적으로 열교환을 하면 될 것이다.

또한, 유로 형성부(112)의 간격, 길이 또는 개수 등은 발열체(H)의 표면 형상에 따라 적절하게 변경 가능하다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발열체 냉각 장치(200)를 설명하기 블록도이다.

도 3(및 도 2)을 참조하면, 상기 냉각 장치(200)는 펌핑부(210)와, 냉각 유닛(100), 및 냉각부(220)를 포함한다. 여기서, 냉각 유닛(100)은 앞서 설명한 바와 같다.

펌핑부(210)는 냉매를 펌핑하는, 예를 들어 펌프(pump)로서, 배관부(250), 구체적으로는 유입 튜브(251)를 통해 냉각 유닛(100)에 연통 된다. 유입 튜브(251)는 냉매 유입부(113, 도 1)를 통해 냉각 유닛(100)과 연결될 수 있다.

펌핑부(210)에 의해 냉각 유닛(100)으로 유입되는 냉매는 냉매 수용부(111)에 수용되고, 접촉판(120, 이상 도 2 참조)을 통해 발열체(H)와 열교환을 하게 된다. 이때, 냉매는 누출되어도 전기적으로 안전한 유전성 액체(dielectric liquid)일 수 있다. 유전성(dielectric)이란, 전기장을 가할 때 분자 내부에서 전기편극(polarization)은 생기지만 직류전류는 흐르지 않는 성질을 의미한다.

냉각 유닛(100)에서의 열교환에 의해 승온된 냉매는 유출 튜브(252)를 통해 냉각부(220)로 이동하게 된다. 유출 튜브(252)는 냉매 유출부(114, 도 1 참조)와 연결될 수 있다. 유입 및 유출 튜브(251 및 252)는 유연성이 좋은 튜브일 수 있다.

승온된 냉매가 유입되는 냉각부(220)는 상기 냉매를 냉각하여 냉각 유닛(100)에 제공되기 전의 상태로 만든다. 이를 위하여 냉각부(220)는 핀 튜브 타입의 열교환기(221) 및 냉각팬(222)의 조합과 같은 형태로 구성될 수 있다. 이 경우 냉각팬(222)은 주위의 공기를 강제 순환시켜 열교환기(221)의 내부를 흐르는 냉매를 적정 온도까지 냉각시킨다.

냉각부(220)에 의해 냉각된 냉매가 펌핑부(210)에 의해 냉각 유닛(100)으로 공급되기 전에, 상기 냉각된 냉매는 냉매 저장부(230)에 저장될 수 있다. 냉매 저장부(230)는 펌핑부(210)와 냉각 유닛(100) 사이에 그들과 연통 가능하게 배치된다. 냉매 저장부(230)의 외부는 단열처리가 됨으로써, 내부에 저장된 냉매가 일정한 온도를 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 냉매 저장부(230)와 펌핑부(210) 사이에는 유량조절부(240)가 배치되어, 발열체(H)의 발열량에 따라 냉각 장치(200)를 순환하는 냉매의 유량을 조절할 수 있게 할 수 있다.

이상에서는 냉매의 상이 변하지 않는 단상(single phase) 모드로 작동하는 강제 냉매 순환 방식을 채용한 냉각 장치(200)를 설명하였다. 이하, 도 4를 참조하여서는 이상(two phase) 모드의 CPL(Capillary Pumped Loop) 방식을 채용한 냉각 장치(300)를 설명한다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발열체 냉각 장치(300)를 설명하기 위한 블록도이다.

도 4(및 도 2)를 참조하면, 상기 냉각 장치(300)는 냉각 유닛(100)과 응축부(320)를 포함한다. 여기서, 냉각 유닛(100)은 앞서 설명한 바와 같고, 앞선 실시예와 유사한 구성에 대해서는 유사한 참조번호를 부여하고 그에 관한 설명은 앞선 설명으로 갈음한다.

냉각 유닛(100)에는 유입 튜브(351)를 통해 액체 상태의 냉매가 유입된다. 상기 액체 상태의 냉매는 냉각 유닛(100)에서 발열체(H)로부터 열을 받아 증발하여 기체 상태로 상 변화된다. 이러한 열 교환 과정에서 미세 기공 윅(wick) 또는 유로에 의해 냉매에 모세관 압력 또는 증발 압력이 작용하게 되어 펌핑부 없이도 냉매가 순환된다.

냉각 유닛(100)에서 배출되는 기체 상태의 냉매는 유출 튜브(352)를 통해서 응축부(320)로 유입된다. 응축부(320)는 응축팬(322)이 외부 공기를 열교환기(321) 로 강제 공급함에 따라, 열교환기(321) 내부를 흐르는 기체 상태의 냉매를 응축시켜 액체 상태로 상 변화시킨다. 이러한 상 변화 과정에서 발열체(H)로부터 흡수된 열이 외부로 방출된다.

응축부(320)에서 나오는 액체 상태의 냉매가 냉각 유닛(100)에 공급되는 양을 조절하기 위한 유량조절부(340)로서, 응축부(320)와 냉각 유닛(100) 사이에는 체크 밸브가 배치될 수 있다. 또한, 응축부(320)를 거친 냉매의 저장을 위한 냉매 저장부(330)는 응축부(320)와 유량조절부(340) 사이에 배치될 수 있다.

본 실시예에 따른 냉각 장치(300)는 앞선 냉각 장치(200)에서와 달리 펌핑부(210, 도 3 참조)를 필요로 하지 않는 이점이 있다. 또한, 상 변화에 따른 잠열을 흡수하기에 작은 온도차로 큰 열 부하를 전달시킬 수 있는 이점도 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전자 장치의 정면도 및 측면도이다.

본 실시예에서는 상기 전자 장치의 일 예로서 이동 로봇을 예시하고 있으나, 본 발명은 열을 발생시키는 발열체(H, 도 1 참조)로서의 전자 부품을 구비하는 것이라면 어떠한 전자 장치에도 적용 가능하다.

상기 도면들을 참조하면, 상기 이동 로봇으로는, 2개의 레그부 링크와 2개의 아암부 링크를 구비한 휴머노이드(인간형) 레그식 이동 로봇이 예시되어 있다.

도 5를 참조하면, 레그식 이동 로봇(400)은 복수 개, 보다 구체적으로는 2개의 레그부링크(혹은 레그)(410)를 구비하는 동시에, 그 상방에 설치된 상체(기체(基體))(420)를 포함한다. 상체(420)의 상측에는 헤드부(430)가 형성되는 동시에, 상체(420)의 양측에는 2개의 아암부 링크(혹은 아암)(440)가 연결된다.

또한, 도 6에 도시하는 바와 같이, 상체(420)의 등부에는 격납부(450)가 설치되고, 그 내부에는 전자 제어 유닛 등이 수용될 수 있다. 로봇(400)은, 내부 구조를 보호하기 위한 커버로 피복될 수 있다. 상기 레그(410) 내지 격납부(450)는 본체로서 통칭될 수도 있다.

상기 본체는 레그(410)나 아암(440) 등을 구동하기 위한 구동 모터 등의 발열체(H, 도 1 참조) 또는 상기 구동 모터 등을 제어하기 위한 부품(CPU, DSP 등)과 같은 발열체(H) 등이 산재하게 된다. 도 6에서는 상기 로봇(400)의 작동 시에 특히 온도가 높아지는 부분, 즉 발열체(H)가 배치된 부분을 발열체(H)와 동일한 기호(H)로서 표시하고 있다.

상기 발열체(H)는 앞서 설명한 냉각 장치(200,300)와의 열교환을 통해 발열하게 된다. 이때, 냉각 장치(200,300)의 접촉판(120, 도 1 참조)이 상기 발열체(H)와 직접 접촉하도록 배치되는 것이 열교환의 관점에서 보다 바람직할 것이다.

또한, 냉각 장치(200)의 펌핑부(210), 구체적으로 펌프는 로봇(400)에 장착된 직류형 모터를 구동하기 위한 직류전원으로 구동될 수 있다.

이와 같이 구성되는 로봇(400), 나아가 전자 장치는 그에 장착된 발열체(H)의 냉각을 위한 냉각 장치(200,300)가 앞서 설명한 냉각 유닛(100)을 채용하여 경량화되기에, 발열체(H)의 냉각을 위한 냉각 장치에 의해 전자 장치의 중량이 증가하는 것을 최소화할 수 있다. 이는 상기 전자 장치에 냉각 장치에 의해 발생되는 추가적인 부하를 최소화할 수 있는 것을 의미한다.

상기와 같은 냉각 유닛, 냉각 장치 및 그를 포함하는 전자 장치는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각 유닛은 발열체와 접촉하는 접촉판은 금속 재질로 형성하면서도 하우징은 비금속 재질로 형성하여, 냉각 효율을 저하시키지 않으면서도 냉각 유닛을 전체적으로 경량화할 수 있게 한다.

또한, 본 발명에 따른 냉각 장치는 위와 같은 냉각 유닛을 채용하기에, 전체적인 경량화가 가능해 진다. 나아가, 일 실시예에 따른 냉각 장치는 펌핑부를 별도로 요구하지 않아 추가적인 경량화가 가능하게 한다.

또한, 본 발명에 따른 전자 장치는 상기 냉각 장치에 의한 신속한 방열로 구동의 신뢰성을 확보할 수 있게 하면서도 추가적인 부하의 증가를 최소화할 수 있게 한다.

Claims (16)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 냉매를 펌핑하는 펌핑부;

   상기 펌핑부에 연통되게 연결되어, 상기 펌핑되어 유입되는 냉매가 발열체와 열교환하도록 수용하는 냉각 유닛; 및

   상기 냉각 유닛과 연통되게 연결되어, 상기 열교환에 의해 승온되어 유출되는 냉매를 냉각하여 상기 펌핑부로 공급하는 냉각부를 포함하고,

   상기 냉각 유닛은,

   냉매를 수용하기 위한 냉매 수용부를 구비하는 비금속 재질의 하우징; 및

   상기 냉매 수용부에 수용된 냉매와 열교환 하도록 상기 하우징에 결합되는 금속 재질의 접촉판을 포함하는 발열체 냉각 장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 냉각부와 펌핑부 사이를 연결하여, 상기 냉각부에서 냉각된 냉매를 저장하는 냉매 저장부를 더 포함하는 발열체 냉각 장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 냉매 저장부와 연통되도록 설치되어, 상기 펌핑부로 공급되는 냉매의 유량을 조절하기 위한 유량조절부를 더 포함하는 발열체 냉각 장치.
9. 제6항에 있어서,

   상기 냉매는 유전성 액체(dielectric liquid)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체 냉각 장치.
10. 유입되는 액체 상태의 냉매가 발열체와 열교환 하도록 수용하는 냉각 유닛;

    상기 냉각 유닛과 연통되게 연결되어, 상기 열교환에 의해 기화되어 유출되는 기체 상태의 냉매를 응축하여 상기 냉각 유닛에 공급하는 응축부;및

    상기 응축부와 상기 냉각 유닛 사이를 연결하도록 설치되어, 상기 응축부에서 상기 냉각 유닛으로 공급되는 액체 상태의 냉매의 유량을 조절하는 유량조절부를 포함하고,

    상기 냉각 유닛은,

    냉매를 수용하기 위한 냉매 수용부를 구비하는 비금속 재질의 하우징; 및

    상기 냉매 수용부에 수용된 냉매와 열교환 하도록 상기 하우징에 결합되는 금속 재질의 접촉판을 포함하는 발열체 냉각 장치.
11. 삭제
12. 제10항에 있어서,

    상기 유량조절부는 체크 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체 냉각 장치.
13. 제10항에 있어서,

    상기 응축부와 유량조절부 사이를 연결하여, 상기 응축부에서 응축된 냉매를 저장하는 냉매 저장부를 더 포함하는 발열체 냉각 장치.
14. 발열체를 구비하는 본체; 및

    제6항 내지 제10항, 제12항, 또는 제13항 중 어느 한 항에 따르는 발열체 냉각 장치로 구성되고,

    상기 발열체 냉각 장치는 상기 발열체와 열교환하여 상기 발열체에서 발생하는 열을 냉각시키는 것을 특징으로 하고 냉각 장치를 구비하며, 인간형 로봇을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열이 있는 전자 장치.
15. 제14항에 있어서,

    상기 발열체 냉각 장치의 접촉판은 상기 발열체와 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치를 구비하는 발열이 있는 전자 장치.
16. 삭제

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