KR101000020B1 - 히트싱크 - Google Patents

Abstract

본 발명의 히트싱크는 복수개로 마련된 방열핀을 상호 등간격으로 이격시킨 다음 다단의 동심원으로 배치하여 각 단층 사이에 채널을 형성하고 각 단에 순차적으로 이격된 방열핀 사이에 통로를 형성시킨 방열판과, 상기 채널 사이에 배치되도록 다단의 동심원으로 배치된 복수개의 블레이드를 형성시켜 회전에 의해 각 단의 채널과 통로를 번갈아 차단시켜 방열판과의 결합에 의해 내.외부의 공기 압력 차이를 발생시켜 외부 공기를 내부로 유입시켜 다시 외부로 방출할 수 있도록 하는 원심팬으로 구성한다.

히트싱크, 냉각효율, 방열핀, 블레이드.

Description

히트싱크{Heat sink}

본 발명은 히트싱크에 관한 것으로써, 더욱 상게하게는 다단의 동심원으로 방열핀과 블레이드를 배치한 다음 상호 결합에 의해 다단의 동심원으로 이루어진 방열핀의 구역을 분할하여 공기의 흐름을 향상시켜 냉각효율을 향상시킬 수 있도록 하는 히트싱크에 관한 것이다.

최근, 반도체 칩과 이를 포함하는 패키지 등의 고집적화, 고성능화 및 소형화 추세에 따라 전자제품도 급격히 고성능화되고 있으며, 이에 따라 전자제품 작동시 그 내부에서 발생되는 열을 효율적으로 신속히 방출시킴으로써 전자제품의 성능을 원활히 유지하기 위한 다양한 시도가 활발히 진행되고 있으며, 이러한 열방출 문제는 전자제품의 발전에 있어 중요한 요소가 되고 있다.

특히, 전자장비의 내부에 사용되는 CPU 및 주변 전자부품들의 용량이 상대적으로 대용량화 되어짐에 따라 발열량은 극도로 증가하게 된다.

이렇게 전자제품의 기능을 안정적으로 제공하기 위하여 냉각수단이 마련되어 왔다.

먼저, 대한민국 공개특허공보 10-2004-52010호에서 제시된 전자칩 냉각장치는 CPU 등과 같은 발열체에 직접 접촉되어 열을 전도시키는 역할을 하는 터미널 베이스와, 상기 터미널 베이스 상단에 솔더링되는 히트파이프와, 상기 히트파이프 끝단에 솔더링되는 방열 블록과, 상기 방열 블록에 냉각유체를 공급하기 위해 그 중심부에 위치하도록 된 팬 모터와, 상기 팬 모터 및 터미널 베이스가 고정되도록 하는 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임의 팬 모터 설치부 상단 중심을 제외한 대부분을 차단시켜 냉각유체가 효율적으로 유입 및 배출될 수 있도록 하는 팬 커버로 이루어지는 전자칩 냉각장치에 있어서, 상기 히트파이프의 설치라인 하측에 형성된 팬 커버를 히트파이프에 솔더링 시켜 일체화시킴으로서, 히트파이프의 열을 전도 받아서 대기 중에 방열하는 방열판으로서 사용되도록 구성된다.

이러한 전자칩 냉각장치는 CPU 등과 같은 발열체에서 발생된 열을 터미널 베이스(110)를 통해 히트파이프(120,130)로 전도되고 다시 히트파이프(120,130) 각 끝단에 형성된 방열블럭(140,150)으로 이동되어지며, 상기 방열블록(140,150)으로 이동된 열은 팬모터(160)를 구동시킴으로서 강제대류를 일으켜 냉각된다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-600448호에서 제시된 컴퓨터 부품용 냉각장치 는 컴퓨터에 내장된 부품 중 작동시 열을 발생시키는 발열부품을 냉각시키기 위한 장치로서, 상기 발열부품에서 발생하는 열을 전달받을 수 있도록 상기 발열부품에 밀착결합되는 전열블록; 상기 전열블록으로부터 열을 전달받을 수 있도록 상기 전열블록에 결합되어 있는 전열블록 결합부와, 곡선형태를 이루도록 구부러진 방열핀 결합부를 포함하여 형성된 적어도 하나의 히트파이프; 및 상기 히트파이프의 방열핀 결합부에 결합되되, 상기 방열핀 결합부를 따라 상호 이격되어 배치된 다수의 방열핀;을 포함하여 구성된다.

이렇게 구성되는 컴퓨터 부품용 냉각장치는 발열하는 전자부품에서 전열블록으로 발열이 전달되면 히트파이프를 통하여 전열블럭(10)에 결합된 부분의 이와의 부분에서 열이 공기중으로 발산되어 열을 냉각시키는 역할을 하게 되며, 다수의 방열핀들은, 냉각팬에 의해 생성되는 공기흐름이 상기 방열핀들을 통과하여 냉각팬의 회전축에 대해 공기흐름이 나선형태로 외부로 배출되도록 하여 컴퓨터 부품을 냉각시킬 수 있도록 되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래기술의 냉각장치는 액시얼 팬(axial fan)을 적용하여 외부의 공기를 팬의 회전축에 따라 유입시켜 방열핀들을 통과한 후 축방향으로 유출시키는 형태로 이루어져 있기 때문에 냉각 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

즉, CPU 등의 발열부품의 열이 전달되는 방열핀의 상부에 설치되는 액시얼 팬을 통하여 방열핀의 온도를 냉각시키게 되는데, 상기 액시얼팬에 의해 발생한 바람에 의해 방열핀의 상부가 바람에 최초로 맞닿게 되면서 냉각되면서 다수 적층된 하부의 방열핀을 거쳐 차례로 냉각되게 시키게 된다.

이때 엑시얼 팬에서 발생하는 바람은 방열핀의 간섭에 의해 바람의 세기가 낮아져 냉각효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

상기와 같이 방열핀의 간섭에 의해 CPU에서 근접한 위치의 방열핀의 하부 부분의 냉각력이 떨어뜨리게 됨에 따라 CPU에 가까운 부분의 방열핀 하부는 온도가 높고 반대로 CPU와 거리가 먼 방열핀의 상부는 온도가 상대적으로 낮게 되는 현상이 발생하게 되어 열 방출효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 핀을 다단의 동심원으로 배치한 원심팬과 방열판을 상호 결합하여 히트싱크를 구성한 후 원심팬을 회전시켜 핀의 각 단이 분할을 반복적으로 행하도록 하여 공기의 유입과 방출에 대한 흐름을 향상시킬 수 있도록 하는 데 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 히트싱크는 복수개로 마련된 방열핀을 상호 등간격으로 이격시킨 다음 다단의 동심원으로 배치하여 각 단층 사이에 채널을 형성하고 각 단에 순차적으로 이격된 방열핀 사이에 통로를 형성시킨 방열판과, 상기 채널 사이에 배치되도록 다단의 동심원으로 배치된 복수개의 블레이드를 형성시켜 회전에 의해 각 단의 채널과 통로를 번갈아 차단시켜 방열판과의 결합에 의해 내.외부의 공기 압력 차이를 발생시켜 외부 공기를 내부로 유입시켜 다시 외부로 방출할 수 있도록 하는 원심팬으로 구성한다.

본 발명에 따르면, 상기 방열판은 방열핀을 상면에 수직 상향으로 장착하는 제2플랜지를 마련되고, 상기 제2플랜지 상면에는 모터를 수직 상향으로 안착시켜 구성한다.

본 발명에 따르면, 상기 원심팬은 블레이드를 저면에 수직하향으로 장착하는 제1플랜지를 마련하여 상기 제1플랜지 중앙에 유입공을 형성시키고, 상단면에 리브에 의해 지지되는 결합블럭이 유입공 중앙에 위치시키도록 하여 상기 결합블럭에 형성시킨 결합공으로 모터의 회전축을 고정시켜 원심팬을 회전시킬 수 있도록 구성한다.

본 발명에 따르면, 상기 통로는 방열핀이 다단의 동심원으로 배치시킨 상태에서 등간격으로 방열핀을 순차적으로 이격시킨 사이 공간이 제2플랜지의 중심에서 외부방향으로 방사 형태로 가상의 호 형상으로 구성한다.

본 발명에 따르면, 상기 블레이드는 방열판의 각 단의 채널과 통로 사이에 교차되게 배치될 수 있도록 구성한다.

본 발명에 따르면, 상기 방열핀과 블레이드는 일측면이 경사면을 갖도록 하되, 상기 경사면은 원심팬의 회전방향으로 경사면 외측에서 내측으로 각도를 갖도록 형성한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 히트싱크는 핀을 다단의 동심원으로 배치한 원심팬과 방열판을 상호 결합하여 히트싱크를 구성한 후 원심팬을 회전시켜 핀의 각 단이 분할을 반복적으로 행하도록 함으로써 히트싱크의 내부와 외부의 압력에 차이를 발생시켜 외부의 공기 유입량을 증가시켜 냉각효율을 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 히트싱크는 원심팬과 방열판의 중첩된 결합으로 부피를 최소화시킬 수 있어 제품의 소형화를 꾀할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않기 위하여 생략한다.

도 1은 본 발명의 히트싱크를 나타낸 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 히트싱크를 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명의 히트싱크를 나타낸 정단면도이고, 도 4는 본 발명의 히트싱크 중 방열판을 나타낸 정면도이며, 도 5는 본 발명의 히트싱크 중 원심팬을 나타낸 정면도이고, 도 6은 본 발명의 히트싱크를 나타낸 평단면도이며, 도 7은 본 발명의 히트싱크의 실험상태를 나타낸 사진이다.

먼저, 도 1 내지 도 6에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 히트싱크 10는 방열판 200과 원심팬 100으로 구성된다.

상기 히트싱크는 10 내.외부의 공기 압력 차이를 발생시켜 외부 공기를 히트싱크 10 내부로 유입시킨 후 다시 외부로 방출시켜 열교환을 이룰 수 있도록 한다.

상기 방열판 200은 판형의 제2플랜지 210가 마련되고, 상기 제2플랜지 210의 상부면 중앙에 모터 220를 수직 상향으로 고정시켜 상기 모터 220의 회전축 221을 상부로 위치시킨다.

그리고, 제2플랜지 210의 상면에 면을 갖는 방열핀 230을 상부로 직립되게 설치한다.

여기서, 방열핀 230은 복수개로 구비되어 상기 방열핀 230이 일정간격으로 이격되도록 하는 동시에 원형으로 배치시켜 방열핀 230의 이격된 사이 공간에 공기의 흐름을 유도하는 통로 250가 형성되도록 한다.

상기 통로 250는 방열핀 230이 다단의 동심원으로 배치시킨 상태에서 등간격으로 방열핀 230을 순차적으로 이격시킨 사이 공간이 제2플랜지 210의 중심에서 외부방향으로 방사 형태로 가상의 호 형상으로 이루어지도록 한다.

상기와 같이 원형의 구조를 갖는 복수의 방열핀 230을 다단의 동심원으로 배치시켜 각 단 사이에 공기의 흐름을 정체시킴으로써, 방열핀 230에 열교환을 이루도록 하는 채널 240을 형성한다.

상기 채널 240은 적어도 하나 이상으로 형성되며, 본 발명에서는 채널 240의 수를 4개로 한 4단으로 형성시킨다.

그리고, 원심팬 100은 판형의 제1플랜지 110가 마련되고, 상기 제1플랜지 110의 하부면에 수직하향으로 면을 갖는 복수개의 블레이드 140를 설치한다.

상기 블레이드 140는 상기 채널 240 사이에 위치되도록 다단의 동심원으로 배치시키되, 각 단의 블레이드 140의 위치를 교차되게 배치시켜 상기 블레이드 140 가 각 단의 채널 240과 통로 250를 번갈아 차단하도록 한다.

상기 방열핀 230과 블레이드 140는 일측면이 경사면을 갖도록 하되, 상기 경사면은 원심팬 100의 회전방향으로 경사면 외측에서 내측으로 각도를 갖도록 형성하여 채널 240의 각 단별로 공기가 계단식으로 원활히 흐름될 수 있도록 한다.

아울러, 원심팬 100은 상기 제1플랜지 110 중앙에 유입공 111을 형성시키고, 상단면에 리브 120에 의해 지지되는 결합블럭 130이 유입공 111 중앙에 위치시키도록 하여 상기 결합블럭 130에 형성시킨 결합공 131으로 모터 220의 회전축 221을 고정시켜 방열판 200에서 원심팬 100을 회전시킬 수 있도록 한다.

상기와 같이 구성된 본원발명의 히트싱크 10는 냉각대상의 전자제품에 밀착되도록 장착한다.

이러한 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 다단의 동심원으로 배치된 블레이트 및 방열핀 230은 제일 안쪽에 위치한 채널 240을 제1단으로 가정하고, 그 외측으로 배치된 체널을 제2단, 제3단으로 칭하여 설명하기로 한다.

상기 모터 220에 구동신호를 인가시켜 회전축 221을 회전시키면, 상기 회전축 221과 일체로 고정된 결합블럭 130에 의해 제1플랜지 110가 연동하여 블레이드 140를 회전시킨다.

여기서, 블레이드 140는 방열판 200의 각 채널 240에서 회전하게 된다.

상기 원심팬 100의 유입공 111으로 외부 공기가 유입되어 제1단의 통로 250를 통해 공기가 제2단의 체널측으로 유입되고, 유입된 공기는 제2단의 블레이드 140에 의해 제2단 채널 240에 위치한 2개의 방열핀 230 전후면 사이의 체널로 흐름된다.

이때, 방열핀 230으로 열전도시킨 다음 통로 250를 통해 제3단 채널 240로 흐름되는 순서가 반복적으로 진행되어 제일 바깥측에 위치한 통로 250를 통해 외부로 공기를 방출하게 된다.

이와 같이, 공기의 흐름이 방열핀 230 내부에서 진행되면 냉각대상 전자제품과 밀착된 방열판 200의 제2플랜지 210를 통해 열전달되는 방열판 200은 외부의 공기유입으로 냉각시킬 수 있게 된다.

본 발명의 히트싱크 10를 이용하여 아래와 같은 실험 조건으로 히트싱크 10의 열성능력 실험 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

상기 히트싱크 10의 바닥면에 히터를 연결 후 열을 제공하여 전자제품에서 발현되는 열제공 환경을 조성하고, 이러한 히트싱크 100에서 원심팬의 회전수에 따라 변화하는 열 온도를 측정하기 위한 열측정장치가 마련된다.

아래의 [표 1]은 열측정장치를 통해 측정된 값이다.

히트싱크 10 RPM	Thermal resistance(K/W)
550	0.87152
580	0.83054
710	0.76863
720	0.75675
815	0.70693
850	0.67474
965	0.62133
1015	0.60006
1075	0.57428
1100	0.53267
1190	0.51314

상기 측정값을 아래의 저항 [수학식1]에 대입하여 최고점의 온도와 외부 유체와의차를 히트싱크 10에 가해준 열량으로 나누어준 값으로 열저항을 측정한다.

이와 같이, 도출된 결과값을 그래프로 나타내면 아래와 같다.

상기에서 보는 바와 같이, 본 발명의 히트싱크 10 RPM의 값이 올라갈수록 급격히 온도가 내려가는 것을 확인할 수 있으며, 이는 본 발명의 히트싱크 10의 뛰어난 냉각효율을 입증할 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 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 명백할 것이다.

도 1은 본 발명의 히트싱크를 나타낸 분해사시도.

도 2는 본 발명의 히트싱크를 나타낸 사시도.

도 3은 본 발명의 히트싱크를 나타낸 정단면도.

도 4는 본 발명의 히트싱크 중 방열판을 나타낸 정면도.

도 5는 본 발명의 히트싱크 중 원심팬을 나타낸 정면도.

도 6은 본 발명의 히트싱크를 나타낸 평단면도.

도 7은 본 발명의 히트싱크의 실험상태를 나타낸 사진.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 히트싱크 100 : 원심팬

110 : 제1플랜지 111 : 유입공

120 : 리브 130 : 결합블럭

131 : 결합공 140 : 블레이드

150 : 경사면 200 : 방열판

210 : 제2플랜지 220 : 모터

221 : 회전축 230 : 방열핀

240 : 채널

250 : 통로

Claims (6)

1. 상면에 모터를 안착시킨 제2플랜지에 수직 상향으로 복수개로 마련된 방열핀을 상호 등간격으로 이격시켜 형성한 다음 상기 방열핀을 다단의 동심원으로 배치하여 각 단층 사이에 채널을 형성하고 각 단에 순차적으로 이격된 방열핀 사이에 통로를 형성시키되 상기 통로는 방열핀이 순차적으로 이격시킨 사이 공간이 제2플랜지의 중심에서 외부 방향으로 방사형태로 가상의 호 형상으로 이루어지도록 하는 방열판과,

   상기 채널 사이에 배치되도록 다단의 동심원으로 배치된 복수개의 블레이드를 형성시키고 상기 블레이드는 방열판의 각 단의 채널과 통로 사이에 교차되게 배치시켜 상기 블레이드의 회전에 의해 각 단의 채널과 통로를 번갈아 차단시켜 방열판과의 결합에 의해 내.외부의 공기 압력 차이를 발생시켜 외부 공기를 내부로 유입시켜 다시 외부로 방출할 수 있도록 하는 원심팬으로 구성한 것을 특징으로 하는 히트싱크.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 원심팬은 블레이드를 저면에 수직하향으로 장착하는 제1플랜지를 마련하여 상기 제1플랜지 중앙에 유입공을 형성시키고, 상단면에 리브에 의해 지지되는 결합블럭이 유입공 중앙에 위치시키도록 하여 상기 결합블럭에 형성시킨 결합공으로 모터의 회전축을 고정시켜 원심팬을 회전시킬 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 히트싱크.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,

   상기 방열핀과 블레이드는 일측면이 경사면을 갖도록 하되, 상기 경사면은 방열판의 회전방향으로 경사면 외측에서 내측으로 각도를 갖도록 형성한 것을 특징으로 하는 히트싱크.

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