KR101926035B1

KR101926035B1 - 프랙탈 열전달 장치

Info

Publication number: KR101926035B1
Application number: KR1020127031809A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 폴토락
Original assignee: 알렉산더 폴토락
Priority date: 2010-05-04
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2018-12-06
Also published as: KR102166190B1; WO2011138670A3; EP2567174A4; KR20140019210A; EP2567174A2; EP2567174B1; KR20180132941A; KR20190134856A; WO2011138670A2

Abstract

히트 싱크는, 열전달 유체에 대하여 표면 경계를 각각 갖는 복수의 열교환 요소를 갖는 열교환 장치를 포함하며, 복수의 열교환 요소가 이들 간에 프랙탈 변형(fractal variation)을 가지며, 열전달 유체는, 흐름 유도 소용돌이(flow-induced vortex)가 프랙탈 방식으로 변화하는 복수의 열교환 요소의 대응하지 않는 위치에 발생되도록, 프랙탈 방식으로 변화하는 복수의 열교환 요소에 대해 흐르도록 유도되며, 그 결과, 복수의 열교환 요소 상의 대응하는 위치에 흐름 유도 소용돌이를 발생하는 복수의 열교환 요소를 갖는 대응하는 열교환 장치에 비하여 공진을 감소시킨다.

Description

프랙탈 열전달 장치{FRACTAL HEAT TRANSFER DEVICE}

관련 가특허 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 "FRACTAL HEAT TRANSFER DEVICE"를 발명의 명칭으로 하여 2010년 5월 4일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/331,103의 우선권 이점을 주장하며, 이 특허 출원은 도면, 도표 및 청구범위를 포함한 그 전체 내용이 본 명세서에 원용되어 있다.

발명의 분야

본 발명은 집중된 소스(concentrated source) 또는 싱크와 유체 간에 열을 전달하는 물품 또는 히트 싱크의 분야에 관한 것이다.

히트 싱크는 고체 재료 내에서 발생된 열을 공기 또는 액체와 같은 유체 매질에 전달하는 부품 또는 조립체에 대한 명칭이다. 히트 싱크는 통상적으로 히트 싱크를 둘러싸는 공기와 같은 냉각 유체와 접촉하는 표면적을 증가시키도록 물리적으로 설계된다. 히트 싱크의 열저항, 즉 열적 성능에 영향을 주는 설계 요소 중의 일부로는 접근 공기 속도, 재료의 선택, 휜(fin)(또는 기타 돌출부) 설계, 및 표면 처리가 있다.

히트 싱크는 높은 온도에서 낮은 온도의 유체 매질로 열에너지를 전달한다. 유체 매질은 주로 공기이지만, 물이 이용될 수도 있고 또는 열교환기의 경우에는 냉매 및 오일일 수도 있다. x-방향으로의 1차원 형태로 간략화되는 열전도의 푸리에 법칙(Fourier's law)은, 몸체에 온도 구배가 있는 때에는, 열이 더 높은 온도 영역으로부터 더 낮은 온도 영역으로 전달될 것이라는 것을 보여주고 있다. 열이 전도에 의해 전달되는 전도율 q_k는 온도 구배와 열이 전달되는 단면적의 곱에 비례한다:

(1)

여기서, q_k는 전도율이고, k는 포함되는 재료에 좌우되는 상수이며, A는 열이 통과하여야 하는 표면적이며, dT/dx는 거리에 대한 온도 변화의 비율이다(간략화를 위해, 이 수식은 1차원으로 표기되어 있다). 그러므로, 푸리에 법칙에 따르면(유일한 고려 사항은 아님), 히트 싱크는 열이 전달될 매질에 노출되는 커다란 표면적을 갖는 것이 이롭다.

히트 싱크가 덕트 내에 있고, 이 덕트를 통해 공기가 흐르며, 히트 싱크 베이스가 공기보다 온도가 높은 것으로 가정하여 설명한다. 정상 상태 조건 동안 에너지가 보존되는 것으로 가정하고, 뉴튼의 냉각 법칙을 적용하면, 다음 세트의 수식이 주어진다:

(2)

(3)

여기서,

(4)

평균 공기 온도를 이용하는 것은 비교적 짧은 히트 싱크에 대해서는 유효한 가정이다. 소형의 열교환기가 계산될 때, 대수 평균 공기 온도(logarithmic mean air temperature)가 이용된다.

는 kg/s 단위의 공기 질량 유동율(air mass flow rate)이다.

위의 수식들은 히트 싱크를 통과하는 공기 흐름이 감소할 때에는 평균 공기 온도의 증가를 야기한다는 것을 나타낸다. 이것은 히트 싱크 베이스 온도를 증가시킨다. 그리고 추가로, 히트 싱크의 열저항 또한 증가할 것이다. 그 최종적인 결과로 히트 싱크 베이스 온도가 높아지게 된다. 입구 공기 온도는 히트 싱크 베이스 온도와 크게 관련된다. 따라서, 히트 싱크 주위에 공기 또는 유체 흐름이 없다면, 공기에 소산되는 에너지가 주변 공기로 전달될 수 없다. 따라서, 히트 싱크가 좋지 못하게 기능한다.

히트 싱크가 악화된 효율을 갖는 상황의 다른 예로는, 핀 휜(pin fin)이 커다란 표면적을 갖지만, 핀이 서로 매우 근접하여 공기가 이들을 통해 흐르는 시간이 매우 짧은 경우, 핀이 흐름의 방향에 있지 않도록 히트 싱크를 정렬하는 경우, 핀을 자연 대류 히트 싱크(natural convection heat sink)에 대해 수평으로 정렬하는 경우 등이 있다. 히트 싱크가 정지 상태이고, 원심력과 인공 중력(artificial gravity)이 없다면, 주변 온도보다 따뜻한 공기는 항상 위쪽으로 흘러, 기본적으로 정지 상태의 공기 둘러쌈(essentially-still-air surrounding)을 제공하며, 이것은 대류성 냉각(convective cooling)이 된다.

가장 일반적인 히트 싱크 재료는 알루미늄이다. 화학적으로 순수한 알루미늄은 히트 싱크의 제조에 이용되지 않고, 알루미늄 합금이 이용된다. 알루미늄 합금 1050A는 229 W/mㆍK에서 보다 높은 열전도율 값들 중의 하나를 갖는다. 그러나, 이 알루미늄 합금은 비교적 연성의 재료이기 때문에 가공용으로는 권장되지 않는다. 알루미늄 합금 6061 및 6063은 가장 흔히 이용되는 알루미늄 합금이며, 각각 166과 201 W/mㆍK의 열전도율 값을 갖는다. 전술한 값들은 합금의 성질에 좌우된다.

구리의 열전도율이 알루미늄의 대략 2배이기 때문에 구리도 이용되지만, 구리는 알루미늄보다 3배 정도 더 무겁다. 구리는 또한 알루미늄보다 4배 내지 6배 더 고가이지만, 이것은 시장에 좌우된다. 알루미늄은 압출될 수 있는 추가의 장점을 갖지만, 구리는 압출될 수 없다. 구리 히트 싱크는 가공 및 스카이빙(skiving)된다. 또 다른 제조 방법은 핀을 히트 싱크 베이스에 납땜하는 것이다.

이용될 수 있는 또 다른 히트 싱크 재료로는 다이아몬드가 있다. 다이아몬드는 2000 W/mㆍK의 값을 가지므로 구리의 열전도율보다 5배 정도 크다. 열이 비편재화된 전자(delocalized electron)에 의해 전도되는 금속과는 달리, 다이아몬드의 매우 높은 열전도율은 격자 진동(lattice vibration)으로 얻어진다. 열관리 어플리케이션을 위해서는, 다이아몬드의 우수한 열전도율 및 확산성이 필수적이다. 고파워 집적 회로 및 레이저 다이오드용의 서브마운트로서 CVD 다이아몬드가 이용될 수 있다.

복합 재료가 이용될 수 있다. 그 예로는 구리-텅스텐 의사합금(copper-tungsten pseudoalloy), AlSiC(알루미늄 매트릭스의 탄화규소), Dymalloy(구리-은 합금 매트릭스의 다아이몬드), 및 E-Materail(베릴륨 매트릭스의 산화베릴륨)이 있다. 이러한 재료는 이들의 열팽창 계수가 세라믹 및 반도체에 매칭될 수 있기 때문에 칩을 위한 기판으로서 이용되는 경우가 있다.

휜 효율(fin efficiency)은 높은 열전도율 재료를 중요하게 하는 파라미터 중의 하나이다. 히트 싱크의 휜은 평평한 판이 되도록 고려되어, 열이 일단부에서 흘러, 주변 유체가 다른 단부로 이동할 때에 주변 유체로 소산되도록 한다. 열이 휜을 통해 흐름에 따라, 대류로 인한 흐름과 열손실을 가로막는 히트 싱크의 열저항, 휜의 온도, 및 그에 따른 유체로의 열전달의 조합은 베이스로부터 핀의 단부까지 감소할 것이다. 이 인자는 휜 효율로 지칭되며, 핀에 의해 전달된 실제 열을 휜이 등온(가설적으로, 무한한 열전도율을 갖는 핀)인 것으로 가정한 경우의 열전달로 나눈 것으로서 정의된다.

(5)

(6)

여기서,

ㆍ h_f는 휜의 대류 계수

ㆍ 공기: 10 내지 100 W/(m²K)

ㆍ 물: 500 내지 10,000 W/(m²K)

ㆍ k는 휜 재료의 열전도율

ㆍ 알루미늄: 120 내지 240 W/(mㆍK)

ㆍ L_f는 휜 높이(m)

ㆍ t_f는 휜 두께(m)

히트 싱크 재료의 열전도율에 관계하는 또 다른 파라미터는 확산 저항(spreading resistance)이다. 확산 저항은 한정된 열전도율을 갖는 물질에서 작은 영역으로부터 더 큰 영역으로 열에너지가 전달될 때에 발생한다. 히트 싱크에서, 이것은 열이 히트 싱크 베이스에 걸쳐 균일하게 분포하지 않는다는 것을 의미한다. 확산 저항 현상은 어떻게 열이 열원 위치로부터 이동하여 열원과 히트 싱크의 에지 간의 커다란 온도 구배를 야기하는지에 의해 보여진다. 이것은, 일부 휜이, 열원이 히트 싱크의 베이스에 걸쳐 균일한 경우보다 더 낮은 온도에 있다는 것을 의미한다. 이러한 불균일성은 히트 싱크의 유효 열저항을 증가시킨다.

핀 휜 히트 싱크는 히트 싱크의 베이스로부터 연장하는 핀을 갖는 히트 싱크이다. 핀은 예컨대 원통형, 타원형 또는 정방형이어도 된다. 제2 타입의 히트 싱크 핀 구성은 직선 휜(straight fin)이다. 이들 휜은 히트 싱크의 전체 길이를 연장한다. 직선 휜 히트 싱크에 대한 변형으로는 크로스 컷 히트 싱크(cross cut heat sink)가 있다. 직선 휜 히트 싱크는 규칙적인 간격이지만 핀 휜 타입보다 더 굵은 피치로 절단된다.

일반적으로, 히트 싱크가 더 많은 표면적을 가질수록, 더 우수하게 작동한다. 그러나, 이것은 항상 그런 것은 아니다. 핀 휜 히트 싱크의 개념은 주어진 체적에서 가능한 한 더 많은 표면적을 갖도록 하려는 것이다. 또한, 핀 휜 히트 싱크는 어떠한 배향에서는 잘 작동한다. Kordyban은 핀 휜과 유사 치수의 직선 휜 히트 싱크의 성능을 비교하였다. 핀 휜이 194 ㎠ 표면적을 가짐에 반해, 직선 휜이 58 ㎠ 표면적을 갖지만, 핀 휜에 대한 주변 공기와 히트 싱크 베이스 간의 온도차는 50℃이고, 직선 휜의 경우에는 44℃이거나 또는 핀 휜보다 6℃ 더 우수하였다. 핀 휜 히트 싱크 성능은 유체가 핀을 단지 법선으로 가로지르지 않고 핀을 따라 축방향으로 흐르는 이들의 의도된 어플리케이션에서 이용될 때에는 직선 휜보다 훨씬 우수하였다.

또 다른 구성은 플래어형 휜 히트 싱크(flared fin heat sink)이며, 플래어형 휜 히트 싱크의 휜은 서로 평행하지 않고 갈라져서 베이스로부터의 거리가 증가한다. 휜을 벌어지게 하는 것은 흐름 저항을 감소시키고, 더 많은 공기가 히트 싱크 휜 채널을 통과하도록 하지만, 한편으로는 더 많은 공기가 휜을 바이패스(bypass)할 것이다. 휜을 기울어지게 하는 것은 전체적인 치수를 동일하게 유지하지만, 휜이 더 길어지게 한다. Forghan 등은 핀 휜, 직선 휜, 및 플래어형 휜 히트 싱크에 대해 행한 테스트에 따른 데이터를 공개하였다. 이들은 통상적으로는 1 m/s 정도의 낮은 접근 공기 속도에 대해서는 열적 성능이 직선 휜 히트 싱크보다 적어도 20% 우수하다는 것을 발견하였다. Lasance 및 Eggink 또한 이들이 테스트한 바이패스 구성에 대해서 플래어형 히트 싱크가 테스트된 다른 히트 싱크보다 더 우수한 성능을 보인다는 것을 발견하였다.

히트 싱크로부터의 열전달은 냉각제를 통한 전도 및 열복사(thermal radiation)의 2가지 작용에 의해 중재(mediate)된다. 히트 싱크의 표면은 히트 싱크의 복사율(emissivity)에 영향을 주며, 샤이니 금속(shiny metal)은 단지 소량의 열을 흡수 및 복사하지만, 매트 블랙(matte black)은 복사의 정도가 크다. 냉각제-중재 열전달(coolant-mediated heat transfer)에서, 복사에 의한 기여는 일반적으로 작다. 히트 싱크 상의 코팅의 층은 이 코팅 층의 열저항이 휜으로부터 냉각제로의 열 흐름을 악화시킬 수 있기 때문에 역효과를 나타낼 수 있다. 대류성의 흐름 또는 강제적 흐름을 갖는 휜형 히트 싱크(finned heat sink)는 착색되는 것이 커다란 이점을 주지 못할 것이다. 복사성 냉각의 커다란 기여를 갖는 상황에서, 예컨대 평탄한 비휜형 패널(flat non-finned panel)이 낮은 공기 흐름을 갖는 히트 싱크로서 작용하는 경우, 히트 싱크 표면 마무리는 중요한 역할을 수행할 수 있다. 매트 블랙 표면은 샤이니 베어 금속(shiny bare metal)보다 훨씬 더 효율적으로 복사할 것이다. 복사성 대 냉각제-중재 열전달의 중요성은 주변 공기 압력이 낮은 상황(예컨대, 높은 고도에서의 작동) 또는 진공 상태의 상황(예컨대, 우주에서의 위성)에서는 증가한다.

이상의 내용에 대해서는 아래의 문헌을 참조하기 바란다:

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여러 개의 구조적으로 복잡한 히트 싱크 설계가 Hernon에 의해 출원된 미국 공개 특허 2009/0321045에 개시되어 있으며, 이 공개 특허는 참고자료로 본 명세서에 원용되어 있다.

히트 싱크는 냉각될 물체로부터의 열을 대류 및 복사를 통해 주변 공기, 기체 또는 액체 내로 제거함으로써 작동한다. 대류는 열이 유체 움직임에 의해 하나의 지점으로부터 또 다른 지점으로 수동으로 운반될 때에(강제 대류) 또는 열 자체가 유체 움직임을 야기할 때에(자유 대류) 발생한다. 강제 대류 및 자유 대류가 함께 발생할 때, 그 과정은 혼합 대류로 지칭된다. 복사는 예컨대 열의 형태의 에너지가 매질을 통해 또는 공간을 통해 이동하고 궁극적으로는 또 다른 몸체에 의해 흡수될 때에 발생한다. 열복사는 물체의 표면이 그 물체의 열에너지를 전자기파의 형태로 복사하는 프로세스이다. 일반적인 가정용 라디에이터 또는 전기 히터로부터의 적외선 복사선이 열복사의 예이며, 밝혀진 백열 전구에 의해 방출된 열과 광(IR 및 가시 전자기파) 또한 마찬가지이다. 열복사는 원자 내에서 하전된 입자의 이동으로 인한 열이 전자기 복사선으로 변환될 때에 발생된다.

히트 싱크는 노출된 표면의 최대 온도를 감소시키는 경향이 있으며, 그 이유는 더 큰 체적으로 파워가 전달되기 때문이다. 이것은 복사성 및 대류성 소산(radiative and convective dissipation)이 히트 싱크 표면과 외부 매질 간의 온도차에 관련되는 경향이 있기 때문에 더 큰 히트 싱크 상의 리턴을 축소시키는 가능성을 야기한다. 따라서, 히트 싱크가 과도한 크기로 되면, 히트 쉐딩(heat shedding)의 효율이 좋지 않게 된다. 히트 싱크가 지나치게 작은 크기로 되면, 물체는 충분히 냉각될 수 없고, 히트 싱크의 표면이 위험한 정도로 뜨겁게 되며, 히트 쉐딩이 히트 싱크를 갖지 않는 물체보다 훨씬 커지지는 않는다.

히트 싱크에서의 마찰과 대류 간의 관계는 2010년 4월 28일에 최종적으로 액세스한 www.frigprim.com/downloads/Reynolds_analogy_heatsinks.PDF에서 이용 가능한 "Method for Comparing Heat Sinks Based on Reynolds Analogy"에서 Frigus Primore 에 의해 논의되어 있다. 이 논문은 판, 평행한 판, 및 원통을 냉각할 경우 기계적 파워 손실을 최소화하기 위해서는 주변 유체의 속도가 낮아져야 할 필요가 있다고 언급하고 있다. 그러나, 더 큰 표면 흐름 속도는 특히 표면 부근의 흐름이 난류성인(turbulent) 곳에서는 열전달 효율을 증가시킬 것이며, 스태그넌트 표면 경계층(stagnant surface boundary layer)을 실질적으로 붕괴시킨다. Primore는 또한 히트 싱크 휜 형상을 논의하였으며, 평면형 휜과 비교하여 열소산 또는 중량 이점을 제공하는 휜 형상은 없으며, 직선 휜이 압력 손실을 최소화하면서 열 흐름을 최대화하는 것으로 언급하였다. 따라서, 이 기술은 전반적으로 평탄하고 평면형의 표면이 최상의 히트 싱크에 적합한 것으로 교시하고 있다.

Frigus Primore는 2010년 4월 29일에 최종적으로 액세스한 www.frigprim. com/articels2/parallel_pl_Inc.html에 있는 "Natural Convection and Inclined Parallel Plates"에서 전자 장치를 냉각시키기 위해 자연 대류(즉, 정상적인 작동 조건에서 고체 상태의 히트 싱크를 둘러싸는 가스의 열팽창으로 인한 대류)를 이용하는 것을 논의하였다. 다양한 히트 싱크의 설계 목표 중의 하나는 자연 대류의 속도를 증가시키는 것이다. Primore는 이 결과를 달성하기 위해 평행한 판을 이용하는 것을 제안하였다. 또한, Primore는 평행 판 히트 싱크가 가장 효율적인 것으로 언급하였으며, 도 1의 수식에 따른 히트 싱크의 최적의 간격 및 각도(유체 흐름의 방향에 관련한)를 정하려고 시도하였다.

2010년 4월 29일에 최종적으로 액세스한 www.frigprim.com/articels2/ parallel_plchim.html에서 이용 가능한 "Natural Convection and Chimneys"라는 제목의 또 다른 논문에서, Frigus Primore는 침니 히트 싱크(chimney heat sink)에서 평행한 판을 이용하는 것을 논의하였다. 이 타입의 설계의 한 가지 목적은 더욱 효율적인 자연 대류를 침니와 조합하는 것이다. Primore는 이 설계가 층류(유체 출구에 재순환 영역을 생성하고, 이에 의해 침니의 이점을 완전히 제거하는)가 있는 경우에는 문제가 되지만 열을 평행한 판으로부터 침니 및 주변 유체 내로 이동할 수 있도록 하는 난류성 흐름이 있는 경우에는 이로운 것으로 언급하였다.

본 명세서에 참고자료로 원용되어 있고 2010년 4월 29일에 최종적으로 액세스한 www.metacomptech.com/cfd++/00-0473.pdf에서 이용 가능한 "Sub-Grid Turbulence Modeling for Unsteady Flow with Acoustic Resonance"에서, Paul Batten 등은 유체가 장애물 주위에 흐르고 있을 때에는 오목한 영역 또는 캐비티와 같은 국소적인 기하학적 특징부가 분리된 흐름의 포켓을 생성하고, 이것이 자가-유지 발진(self-sustaining oscillation) 및 어쿠스틱 공진(acoustic resonance)을 발생할 수 있다는 것으로 설명하였다. 오목한 영역 또는 캐비티는 평탄한 표면에 비하여 협대역의 어쿠스틱 공진을 실질적으로 감소시키도록 작용한다. 이것은 발진 및 어쿠스틱 공진을 감소시키고 따라서 열전달에 이용 가능한 에너지를 증가시키는 것이 가능하기 때문에 난류성 흐름 환경에서의 히트 싱크에 이롭다.

S. Liu에 의한 "Heat Transfer and Pressure Drop in Fractal Microchannel Heat Sink for Cooling of Electronic Chips" 44 Heat Mass Transfer 221 (2007)에서, Liu 등은 "프랙탈형 브랜칭 플로우 네트워크(fractal-like branching flow network)"를 갖는 히트 싱크를 설명하였다. Liu의 히트 싱크는 히트 싱크와 열을 교환하기 위해 유체가 흐르는 채널을 포함한다.

이와 유사하게, Y.J. Lee는 "Enhanced Microchannel Heat Sinks Using Oblique Fins", IPACK 2009-89059에서 "포유류의 순환 기관 및 호흡 기관의 프랙탈 패턴을 기반으로 하는 프랙탈 형상의 마이크로채널(fractal-shaped microchannel based on the fractal pattern of mammalian circulatory and respiratory system)"을 포함하는 히트 싱크를 설명하였다. Liu의 발상과 유사한 Lee의 발상은, 히트 싱크 내부에 채널이 있고, 이 채널을 통해 유체가 흘러 히트 싱크와 열을 교환할 것이라는 것이다. Lee의 히트 싱크에서의 확인된 개선 사항은, (1) 열경계층 전개의 붕괴와, (2) 2차 흐름의 발생이다.

Pence, D. V.에 의해 2002에 발표된 "Reduced Pumping Power and Wall Temperature in Microchannel Heat Sinks with Fractal-like Branching Channel Networks", Microscale Thermophys. Eng. 5, pp. 293-311에서는 유사하게 유체가 히트 싱크 내로 진입할 수 있도록 하는 프랙탈형 채널을 갖는 히트 싱크를 언급하고 있다. Pence의 구조에 대하여 기술된 장점은, 히트 싱크가 유체에 대해 노출되는 정도가 증가되고, 히트 싱크 내에 있는 동안 유체가 더 낮은 압력 강하를 나타낸다는 점이다.

일반적으로, 적절하게 설계된 히트 싱크 시스템은 열적으로 유도된 대류 또는 강제 공기(예컨대, 팬)의 장점을 취할 것이다. 일반적으로, 히트 싱크의 표면 가까이에서의 난류성 흐름은 스태그넌트 표면층을 불안하게 만들고(disturb), 성능을 향상시킨다. 다수의 경우, 히트 싱크는 먼지 또는 오일이 수반되는 이상적이지 않은 환경에서 작동하며, 그에 따라 히트 싱크 설계는 제조 시에 언급된 상태(as-manufactured state)에 추가하여 전형적인 작동 조건을 수용하여야 한다.

종래 기술의 히트 싱크 설계는 전술한 핀 휜, 직선 휜 및 플래어와 같은 구조를 포함하는 유클리드의(Euclidian) 기하학에 집중되었다.

NJ Ryan, DA Stone, "Application of the FD-TD method to modelling the electromagnetic radiation from heatsinks", IEEE International Conference on Electromagnetic Compatibility, 1997. 10th (1-3 Sep 1997), pp: 119-124에서는 무선 주파수 송신기의 히트 싱크로서 작용하기도 하는 프랙탈 안테나를 설명하고 있다.

Lance Covert, Jenshan Lin, Dan Janning, Thomas Dalrymple, "5.8 GHz orientation-specific extruded-fin heatsink antennas for 3D RF system integration", 23 APR 2008 DOI: 10.1002/mop.23478, Microwave and Optical Technology Letters Volume 50, Issue 7, pages 1826-1831, July 2008 또한 안테나로서 이용될 수 있는 히트 싱크를 설명하고 있다.

본 발명은 열전달을 보다 효율적으로 행할 수 있는 히트 싱크를 제공하는 것을 목적으로 한다.

대부분의 히트 싱크는 열전달과 소산 요소의 선형 관계 또는 지수 관계(exponential relationship)를 이용하여 설계된다. 전반적으로는 채용되지 않는 공지의 기하학은 프랙탈 기하학(fractal geometry)이다. 일부 프랙탈은 랜덤 프랙탈이며, 이 프랙탈은 또한 카오틱 또는 브라운 프랙탈(chaotic or Brownian fractal)로도 지칭되며, 랜덤한 잡음 성분을 포함한다. 결정론적 프랙탈 기하학(deterministic fractal geometry)에서, 자기 유사성 구조(self-similar structure)는 일련의 상이한 척도(size scale)로의 재귀 알고리즘(recursive algorithm)을 이용한 설계 또는 모티프(motif)(또는 "제너레이터")의 반복의 결과로 발생한다. 그 결과, 특정한 타입의 프랙탈 이미지 또는 구조는 넓은 범위의 스케일에 걸쳐 자기 유사성을 갖는 것으로 나타난다. 한편, 설계 내에서의 2개의 범위가 동일한 것은 없다.

프랙탈은 Mandelbrot, B. B.(1982)에 의해 "일부분으로 분할될 수 있고, 이 일부분의 각각이 (적어도 대략적으로는) 전체의 것의 줄어든 크기의 복사판인, 고르지 않거나 단편화된 기하학적 형상"으로서 정의되어 있다. 즉, 구조를 묘사하는 재귀 알고리즘이 존재한다. 이에 대해서는 "The Fractal Geometry of Nature." W.H. Freeman and Company. ISBN 0-7167-1186-9를 참조하기 바란다. 이 성질은 "자기 유사성"으로 지칭된다. 프랙탈에 대한 더욱 구체적인 논의를 위해서는, 본 명세서에서 참고자료로 원용하고 있는 en.wikipedia.org/wiki/Fractal(2010년 4월 14일에 최종적으로 액세스함)에 있는 위키피디아 논문(Wikipedia article)을 참조하기 바란다. 널리 공지된 프랙탈 설계의 일례의 이미지 또한 위키피디아 페이지에서 볼 수 있다. 프랙탈이 대체적으로 자체 반복 패턴을 포함하고, 그 패턴의 각각이 3차원 프랙탈에서의 표면적(2차원 프랙탈에서는 둘레)을 증가시키도록 작용한다는 사실에 의해, 이론적인 면에서의 3차원 프랙탈은 무한한 표면적을 특징으로 한다(그리고, 2차원 프랙탈은 무한한 둘레를 특징으로 한다). 실제 구현에서, 생성 알고리즘(generating algorithm)에 대해서는 진실인 것으로 유지되는 최저 특징부의 스케일은 알고리즘의 3∼25 반복(iteration)이 될 수도 있다. 3회 미만의 순환(recursion)에서, 프랙탈 본질(fractal nature)이 드러나지 않는 한편, 현재의 제조 기술은 큰 범위의 특징부 스케일을 갖는 물체의 제조에는 한계가 있다.

이 프랙탈 본질은 히트 싱크에서는 유용하며, 그 이유는 열이 대류 또는 복사 중의 하나를 통해 표면으로부터 전달되는 속도가 전형적으로 표면적에 관련되고 표면적의 증가와 함께 증가하기 때문이다. 물론, 이들 히트 싱크를 구성하기 위해 이용되는 기술에서의 한계로 인해, 공학적인 절충이 예상된다. 그러나, 본 명세서에서 제안되는 설계의 실시예의 특징부는, 열전달 표면 위에서의 유체 흐름에 의해 유도되는 소용돌이(vortex)가 표면의 다양한 요소에 걸쳐 무질서하게(chaotically) 분포될 것이므로, 스태그넌트 표면 경계층을 붕괴하고, 열전달을 위해 이용할 수 있는 유효 표면적을 증가시키면서, 소용돌이 및 난류(turbulence)를 발생하는 규칙적인 어레이의 구조에서는 나타날 수도 있는 어쿠스틱 공진을 방지한다.

또한, 일반적으로 히트 싱크의 설계에서 유용한 커다란 물리적 표면적 대 체적 비율이 프랙탈 모델을 이용하여 획득될 수 있다. 추가로, 프랙탈 구조는 자가 유지 발진 및 어쿠스틱 공진을 발생할 수 있는 분리된 흐름의 포켓을 제공하는 복수의 오목한 영역 또는 캐비티를 제공한다. 이들 포켓은 난류성 흐름 유체에서의 어쿠스틱 공진을 감소시키도록 작용하며(평탄하거나 또는 유클리드의 표면에 비하여), 그러므로 프랙탈 구조와 주변 유체 간의 더욱 효과적인 열전달을 가능하게 함으로써, 프랙탈 구조가 히트 싱크에 대해 이상적인 것이 되게 한다.

본 명세서에서 참고자료로 원용되고 있는 Cohen에게 허여된 미국 특허 제7,256,751호는 프랙탈 안테나를 설명하고 있다. 이 특허의 배경 기술에 대한 설명 부분에서, Cohen은 Kraus의 연구를 설명하면서 작은 면적(및 그에 따라 작은 둘레)를 갖는 유클리드의 안테나가 매우 작은 복사 저항을 나타내고 그러므로 효율적이지 않다고 언급하고 있다. Cohen은, 프랙탈 안테나의 장점은, 유클리드 기하학을 갖는 통상의 안테나에 비하여, 프랙탈 안테나가 더 큰 둘레를 가지면서 작은 면적을 유지할 수 있어서, 더 높은 복사 저항을 허용한다는 점이다. 또한, Cohen의 프랙탈 안테나는 불규칙 공진 주파수(non-harmonic resonance frequency), 우수한 대역폭, 높은 효율, 및 수용 가능한 정재파 비율을 특징으로 한다.

본 발명에서, 프랙탈 히트 싱크에, 특히 히트 싱크와 열전달 유체의 상호작용에 대하여 이러한 동일한 파동설(wave theory)이 적용될 수 있다. 그러므로, 고체 상태의 히트 싱크 내에서의 열전도가 통상적으로 파동으로서 모델링되지 않지만(최근에는 그래핀 열 운송(graphene heat transport)에 포논 현상(phonon phenomena)을 적용하는 것을 고려하기도 함), 발열체를 둘러싸는 유체는 틀림없이 파동 현상, 복합 임피던스에 놓이게 되며, 유체 와류(fluid eddy)의 무질서한 성질은 히트 싱크의 무질서한 표면 구성과 상호작용할 수 있다.

일부 경우에 Cohen에 의해 달성되는 프랙탈 안테나에서의 전기파를 포획하는 효율은 본 명세서에서 설명된 바와 같이 프랙탈 히트 싱크에서 냉각될 물체의 밖으로 열을 전달하는 효율로 변환될 수 있다. 이에 대해서는 Boris Yakobson에 의해 저술된 "Acoustic waves may cool microelectronics", Nano Letters, ACS(2010)를 참조하기 바란다. 일부 물리학자는 열이 포논의 세트로서 모델링될 수 있다고 제시하였다. 대류 및 열복사는 따라서 포논의 이동으로서 모델링될 수 있다. 포논은 고체 상태의 결정 구조의 격자 진동의 모드의 양자화를 특징으로 하는 준입자(quasiparticle)이다. 단일 포논에 의한 어떠한 진동은 고전역학의 정상적인 모드에 있으며, 이것은 격자가 동일 주파수에서 발진한다는 것을 의미한다. 어떠한 다른 임의의 격자 진동은 이들 근본 진동(elementary vibration)의 중첩으로 고려될 수 있다. 포논 모델 하에서, 열은 파동으로 이동하며, 그 때의 파장은 1㎛ 오더이다. 대부분의 재료에서, 포논은 인코히어런트(incoherent)이며, 따라서 거시시세계(macroscopic scale)에서, 열 수송의 파동 성질이 보이지 않거나 이용 가능하지 않다.

고체의 열역학적 특성은 고체의 포논 구조에 직접적으로 관련된다. 모든 가능한 포톤의 전체 세트는 결정의 열용량(heat capacity)을 결정하는 상태들의 포논 밀도로서 알려진 것으로 조합된다. 절대영도(0 Kelvin 또는 -273℃)에서, 결정 격자는 자신의 기저 상태에 놓여 있으며, 포논을 포함하지 않는다. 영이 아닌 온도에서의 격자는 일정하지 않고 일부 평균값에서 랜덤하게 변동하는 에너지를 갖는다. 이들 에너지 변동은 랜덤한 격자 진동에 의해 야기되며, 이것은 가스형 구조의 포논 또는 열포논(thermal phonon)으로서 보여질 수 있다. 그러나, 일반적인 가스를 구성하는 원자와는 달리, 열포논은 랜덤한 에너지 변동에 의해 생성되고 파괴될 수 있다. 통계역학의 용어에서, 이것은 포논을 추가하기 위한 화학적 포텐셜이 제로라는 것을 의미한다. 포논 이론의 더욱 상세한 설명에 대해서는, en.wikipedia.org/wiki/Phonon(2010년 4월 16일에 최종적으로 액세스함)에서 이용 가능한 위키피디아 논문을 참조하기 바라며, 이 논문은 참고자료로 본 명세서에 원용되어 있다.

그래핀과 같은 특정 재료에서, 포논 운송 현상은 거시세계에서는 명백한 것이며, 포논 임피던스를 측정할 수 있고 유용하게 한다. 그러므로, 그래핀 시트(graphene sheet)가 특정한 포논 파장에서 공진하도록 형성되면, 공진 에너지가 방출되지 않을 것이다. 한편, 프래핀 시트가 프랙탈 기하학을 이용하여 구성되면, 포논 임피던스는 넓은 범위의 파장에 걸쳐 잘 제어될 것이며, 아무것도 없는 상태에서 첨예한 공진(sharp resonance)으로, 효율적인 에너지 소산 장치를 야기한다.

다수의 프랙탈 설계는 오목한 영역 또는 캐비티를 특징으로 한다. 예컨대 도 2 및 도 3을 참조하기 바란다. 난류를 증가시키기 위해 공기역학 또는 유체역학을 향상시키는데 오목부(concavity)가 유용할 수도 있지만, 이들이 규칙적인 어레이로 배치되면, 어쿠스틱 공진을 발생하기가 쉬울 것이고, 유체 임피던스 함수(fluid impedance function)에서 피크를 가질 수 있다. 한편, 프랙탈 기하학 설계의 멀티스케일 성질(multiscale nature)은 시스템으로 하여금 오목부로부터 이점을 가질 수 있도록 하면서 좁은 범위로 조정되는 시스템(narrowly tuned system)을 방지한다.

본 시스템은 열을 소산시키기 위한 용도의 프랙탈 형상 히트 싱크를 제안한다. 프랙탈 히트 싱크는 유클리드의 기하학을 갖는 통상의 히트 싱크에 비하여 다음의 이점을 갖는다: (1) 프랙탈 히트 싱크가 더 큰 표면적을 가져, 고온의 장치가 주변 공기 또는 액체에 더 많이 노출되고 열의 소산이 더욱 빠르게 이루어지도록 할 수 있으며, (2) 프랙탈 구조물에서의 오목한 구조물 또는 캐비티의 과다(plethora)에 의해, 프랙탈 히트 싱크가 통상의 히트 싱크보다 유체역학을 더 우수하게 이용할 수 있게 되어, 열이 히트 싱크를 더욱 신속하게 진입하고 빠져나오게 하며, (3) 특히 강제 대류 시스템에서의 어쿠스틱 특성.

본 발명은 대류 또는 복사를 통해 물체를 냉각시키기 위한 히트 싱크를 제공한다. 10∼100 ㎚ 오더의 최저의 히트 싱크 요소에 대해서는, 열전달의 초점은 대류가 아닌 복사에 맞추어질 것이다. 전자 방출 및 이온화 또한 관련될 수 있다. 대략 1 mm보다 큰 크기를 갖는 더 커다란 히트 싱크는 일반적으로 열전달의 1차적인 형태로서 대류에 의존할 것이다.

일실시예에서, 히트 싱크는, 이들 간에 프랙탈 변형(fractal variation)을 갖는 복수의 열교환 요소를 갖는 열교환 장치를 포함한다. 공기, 물 또는 또 다른 기체 또는 액체와 같은 열전달 유체가 열교환 장치를 통과하도록 유도된다. 열전달 유체는 난류성 부분을 갖는다. 복수의 열교환 요소에서의 프랙탈 변형은 복수의 열교환 요소 간의 선형 또는 유클리드의 기하학적 변형을 갖는 히트 싱크에 비하여 협대역의 어쿠스틱 공진을 실질적으로 감소시킨다. 난류성 흐름은 또한 스태그넌트 표면 경계층을 불안하게 만들어, 더욱 효과적인 열전달을 야기한다. 상기 복수의 열교환 요소에서의 프랙탈 변형은 어쿠스틱 방출 파워(acoustic emission power)를 광대역에 걸쳐 실질적으로 분배하되, 이는 복수의 분기(分岐)된 열교환 요소 위에서 강제 공기 흐름에 의해 발생한다.

열전달 유체(공기, 기체 또는 액체)가 표면 위에서 흐르도록 유도될 때, 유체에는 난류가 있을 것이다. 히트 싱크의 프랙탈 형상은 난류로 인해 손실되는 에너지를 감소시키도록 작용하면서, 오목한 영역, 대량의 캐비티 및 포켓에 의해, 난류에 놓이게 되는 히트 싱크의 표면적을 증가시킨다. 따라서, 여러 개의 열교환 요소 간의 선형 또는 유클리드의 기하학적 변형을 갖는 열교환 장치에 비하여, 열열전달의 효율이 증가될 수 있다.

바람직하게는, 열교환 장치는 850 W/(mㆍK)를 초과하는 열전도율을 갖는 도전성이 큰 물질을 포함할 것이다. 이러한 초전도체의 예는 그래핀, 다이아몬드 및 다이아몬드상 코팅(diamond-like coating)을 포함한다. 이와 달리, 열교환 장치는 탄소 나노튜브를 포함할 수도 있다. 바람직하게, 상기 탄소 나노튜브는 정렬되어 있다.

이 히트 싱크의 다양한 진동은 당업자에게는 명백한 것일 것이다. 예컨대, 히트 싱크는 열전달 표면을 포함할 수 있고, 이 열전달 표면이 열교환 장치에 연결되고, 냉각될 고체를 받아들이도록(accept) 설계된다. 이와 달리, 적어도 하나의 지점에서 냉각될 고체와 연결하도록 설계되는 컨넥터가 존재할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 고체와 히트 싱크를 서로에 대하여 고정된 위치로 유지하도록 작용하는 3개 이상의 컨넥터가 존재한다. 다양한 컨넥터가 가능하다는 것은 당업자에게는 자명할 것이다. 예컨대, 컨넥터는 포인트 컨넥터(point connector), 버스, 와이어, 평면형 컨넥터, 또는 3차원 컨넥터일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 히트 싱크는 냉각될 고체를 받아들이도록 설계된 애퍼처 또는 보이드(void)를 그 중앙에 갖는다.

본 히트 싱크는 물체를 냉각하기 위해 이용될 것이며, 수동형 또는 능동형 시스템의 일부분이 될 수 있다. 최근의 3차원 레이저 및 리퀴드 프린터는 여기에서 설명된 히트 싱크와 같은 물체를 약 16 ㎛ 오더의 특징부의 분해능으로 만들 수 있으며, 이로써 당업자가 물체를 10 cm 미만의 크기로 생산하기 위해 이러한 제작 기술을 이용하는 것이 가능하다. 이와 달리, 자동차 라디에이터와 같은 더 대형의 히트 싱크는 프랙탈 구성을 갖는 요소의 아키텍처로 설계된 종래의 방식으로 제조될 수 있다. 예컨대, 유체 흐름 콘딧의 세그먼트가 3개 레벨의 순환, 즉 적어도 2개의 브랜치(branch)의 평균을 갖는 경로에 걸쳐 프랙탈 관계를 갖는 액체-대-기체 열교환기(라디에이터)가 제공될 수 있다. 다른 프랙탈 설계 개념이 적합할 경우에는 이 개념도 동시에 적용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 고체를 히트 싱크와 연결함으로써 고체를 냉각시키는 방법을 제공한다. 히트 싱크는 그 사이에 프랙탈 변형을 갖는 복수의 열교환 요소를 갖는 열교환 장치를 포함한다. 난류성 부분을 갖는 열전달 유체가 복수의 열교환 요소에 대하여 흐르도록 유도된다. 복수의 열교환 요소에서의 프랙탈 변형은 복수의 열교환 요소 간의 선형 또는 유클리드의 기하학적 변형을 갖는 대응하는 열교환 장치에 비하여 협대역의 공진을 실질적으로 감소시키도록 작용한다. 상기 열전달 유체를 흐르게 하는 것은 광대역의 어쿠스틱 방출을 유도한다.

바람직한 실시예는, 유체 유속의 범위에 걸쳐 표면 위에 비대칭적 패턴의 소용돌이를 발생하도록 적합화된 유체 열역학 특성을 갖는, 고체 상태의 히트 싱크의 표면, 예컨대 내부 표면 또는 외부 표면을 제공한다. 예컨대, 이 범위는 열방출 물체를 냉각시키기 위해 히트 싱크의 사용으로 발생하는 자연적인 대류성 유체 유속의 범위를 포함할 수 있다. 이 범위는 또한 히트 싱크 위의 강제 대류성 흐름(예컨대, 팬)으로 발생하는 유속의 범위를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 히트 싱크는 냉각될 장치로부터 열확산에 의해 열을 받아들이도록 구성된 열전달 표면을 더 포함할 수 있다. 상기 히트 싱크는 또한 상기 냉각될 장치와 상기 히트 싱크 간에 열을 소통시키도록 구성된 상기 열전달 표면에 더멀 인터페이스 재료(thermal interface material)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 열전달 유체의 흐름을 유도하도록 구성된 펌프 또는 팬(fan)이 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 각각의 상기 열교환 요소는 상호 연결된 한 조(組)의 외부 고체-기체 인터페이스 표면들을 포함하며, 상호 연결된 표면의 구성은 순환 수식에 의해 기술된다.

히트 싱크는 일반적으로 히트 싱크의 외부 표면 위의 구속되지 않거나 담겨지지 않은 유체(unconstrained or uncontained fluid) 또는 일반적으로 히트 싱크의 내부 표면 내의 구속되거나 담겨진 유체를 냉각할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예는 히트 싱크로서, 열교환 표면에 접촉하는 물체와 열을 전도 방식으로 교환하도록 구성된 열교환 표면을 갖는 열도전성 몸체; 상기 몸체로부터 연장하고, 각각 2개 이상의 레벨의 브랜칭을 갖는 2개 이상의 돌출부를 가지며, 각각의 브랜치의 비율은 상이한 돌출부들 간에는 다른, 돌출부의 세트; 및 열을 전도 방식으로 및 복사 방식으로 전달하도록 구성된, 각각의 돌출부의 적어도 말단 브랜치(terminal branch)의 외부 표면을 포함하며, 각각의 말단 브랜치 간의 복사 방식의 열전달이 비대칭적으로 이루어지며, 상기 외부 표면은 유체 유속의 범위에 걸쳐 상기 외부 표면 위에 비대칭적 패턴의 소용돌이를 발생하도록 적합화된 유체 열역학 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 히트 싱크를 제공한다.

도 1은 평행한 판 히트 싱크에 대한 지배 방정식(governing equation)의 세트를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일례의 실시예인 프랙탈 히트 싱크를 도시하고 있으며, 이 실시예에서 히트 싱크가 냉각될 물체에 인접하여 위치되어 있다.
도 3은 본 발명의 일례의 실시예인 프랙탈 히트 싱크를 도시하고 있으며, 이 실시예에서 히트 싱크가 냉각될 물체에 인접하여 위치되거나 또는 냉각될 물체를 둘러싸도록 위치되어 있다.

도 2는 본 발명의 일례의 실시예를 구현하는 히트 싱크를 도시하고 있다. 2차원으로 도시되어 있지만, 3차원 실시예도 가능하며, 3차원 실시예가 바람직하다. 냉각될 고체(190)와 같은 표면 상에 히트 싱크가 용이하게 거치할 수 있도록 하는 열전달 표면(100)이 존재한다. 도시된 실시예에서, 열전달 표면(100)은 바닥부 상에 클로즈드 유클리드 단면적(closed Euclidian cross-section)을 갖는 대략 평면형이다. 그러나, 예컨대 냉각될 고체가 평면의 면을 갖지 않는다면 또 다른 형상을 가질 수도 있다. 프랙탈 형상의 열교환 장치는 110 지점에서 시작된다. 여기에서는 단지 하나의 프랙탈 히트 싱크가 도시되어 있지만, 당업자는 다른 유사한 프랙탈 히트 싱크를 인지하고 있을 것이며, 이것 또한 본 발명에 보호 범위에 포함된다. 히트 싱크는 110 지점으로부터 출발하는 3개의 브랜치, 즉 브랜치 120, 140 및 160을 갖는다는 것에 유의하기 바란다. 또한, 110 지점만이 진정한 출발 지점이기는 하지만, 110 지점으로부터 시작되는 브랜치 구조는 122 및 142 지점에서의 브랜치 구조와 거의 동일하다. 그러므로, 프랙탈 특성의 자기 유사성이 보존된다. 110 지점에서 시작되는 구조를 "제1 모티프(first motif)"로, 122 지점에서 시작되는 구조를 "제2 모티프"로, 142 지점에서 시작되는 구조를 "제3 모티프"로 지칭한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 제1 모티프에서부터 제2 모티프까지 및 제2 모티프에서부터 제3 모티프까지의 복제(replication)는 선형 변위(위쪽으로) 및 스케일의 변경을 수반한다. 이전의 브랜치와 동일한 방향으로 진행하지 않는 브랜치에서는, 또한 회전이 있다. 이상적인 프랙탈에 대한 제한 하에서, 제2 모티프와 제3 모티프는 제1 모티프의 더 작은 정확한 카피이어야 한다. 그러나, 인간이 만드는 구조물 및 기계에 의해 가해지는 한계로 인해, 여기서 설계된 프랙탈은 전반적으로 한계가 있는 것이며, 그러므로, 제2 모티프는 제1 모티프의 부정확한 카피가 될 것이다. 즉, 제1 모티프로부터 출발하는 N개 레벨이 있다면, 제2 모티프 레벨은 N-1개의 레벨을 가질 것이며, N이 매우 크다면, 그 차이는 중요하지 않게 된다. 달리 말하면, 프랙탈에서 요구되는 자기 유사성 요소가 이용 가능한 기계의 한계로 인해 바람직한 설계에서 완벽하게 보존되지 않는다. 또한, 프랙탈 관계를 소수의 "오더"(a few "orders") 크기(프랙탈 재귀 알고리즘의 반복)보다 크게 요구하지 않고서도 이점이 달성된다. 예컨대, 도 2에 도시된 실시예에서는, 162 지점에서 숫자가 이어지는 브랜치 분할 및 반복이 없지만, 이상적인 프랙탈은 이들을 가질 것이다. 이상적인 프랙탈에서는, 110, 122 및 142 지점으로부터 무한 개수의 서브-브랜치가 있을 것이다. 그러나, 도 2에 도시된 바와 같이 완벽하지 않은 프랙탈 형상도 본 발명의 용도를 제공할 것이다.

당업자는 도 2의 구조(110)에 의해 제공되는 장점을 이해할 것이다. 프랙탈 히트 싱크는 양치식물형(fern-like) 프랙탈 형상의 "브랜치(branch)" 및 "잎"의 전부가 표면적을 증가시키도록 작용하기 때문에 단독으로 존재하는 열전달 표면보다 훨씬 큰 표면적을 갖는다. 또한, 열전달 유체가 열전달 표면(100) 위에서 흐르도록 유도되면, 표면 가까이에서의 열전달 유체의 난류성 부분은 열교환 요소(110)에서의 프랙탈 변형의 고유의 질감(texture)에 의해 증가될 것이다. 프랙탈 패턴이 프랙탈 설계 내에서 그 자신이 동일하게 반복하는 것이 아니므로, 이것은 예컨대 여러 개의 열교환 요소간의 선형 또는 기하학적 변형과 같은 반복하는 설계를 갖는 대응하는 열교환 장치에 비하여 협대역의 어쿠스틱 공진을 실질적으로 감소시키도록 작용할 것이며, 이에 이해 열전달 프로세스에 추가로 도움을 준다.

바람직한 실시예에서, 열전달 표면(100) 및 개략 프랙탈 형상 열교환 요소(110)는 모두가 구리 또는 알루미늄과 같은 또는 열전도율이 4840과 5300 W/(mㆍK) 사이인 그래핀 또는 열전도율이 900과 2320 W/(mㆍK) 사이인 다이아몬드와 같은 열전도율이 850 W/(mㆍK)를 초과하는 부분을 갖는 효율적인 열전도체로 구성된다. 이것은 열이 고체로부터 히트 싱크로 신속하게 진입하고 열이 양치식물형 프랙탈(110)의 브랜치 및 잎을 통해 히트 싱크를 신속하게 빠져나오도록 할 것이다. 또 다른 실시예에서, 히트 싱크는 적어도 부분적으로는 탄소 나노튜브로 형성되며, 탄소 나노튜브는 이방성 열전도를 나타내어 튜브의 장축을 따라 효율적인 열전달을 갖는다. 탄소 나노튜브는 육각 철조망형(chicken-wire-like) 또는 격자의 탄소 원자로 구성되는 초미시적 공동 튜브(submicroscopic hollow tube)이다. 이들 튜브는 불과 수 나노미터의 직경을 을 가지며, 매우 높은 열전도성을 나타내어, 다이아몬드보다 열을 더 빠르게 전달하고, 일부 경우에는 그래핀에 필적할 수 있다. 이에 대해서는 본 명세서에서 참고자료로 원용하고 있는 web . mit . edu / press /2010/ thermopower-waves.html(2010년 4월 15일에 최종적으로 액세스함)를 참조하기 바란다.

또한, 이 예시 실시예는 브랜치의 전부가 주변 공기, 기체 또는 액체에 노출되도록 하고 또한 열이 히트 싱크로부터 주변으로 빠져나갈 수 있도록 하기 위해 브랜치들 또는 프랙탈 서브요소들 사이에 대량의 개구부(예컨대, 124 및 126)를 제공한다. 본 발명의 일실시예에서, 이들 개구부 중의 적어도 2개는 여기에서 도시된 개구부(124, 126)와 마찬가지로 크기와 형태가 동일하다(congruent). 본 발명의 실시예는 개구부가 주변 매질로부터의 공기 또는 액체로 채워질 수 있도록 한다. 고체의 평탄한 형상에 의해 가해지는 제한 때문에, 고체에 대한 양치식물형 프랙탈의 노출을 증가시키는 것은 가능하지 않다. 그러나, 고체 외측의 공기 또는 액체는 프랙탈의 노출에 대해 완벽하다.

탄소 나노튜브, 그래핀 재료 등에 적용할 수 있는 열교환의 포논 모델 하에서, 프랙탈 형상은, 프랙탈이 매질에 대한 최대 표면 노출에 가깝게 보장하고, 다수의 종래 기술의 히트 싱크가 갖고 있는 문제점인 노출되지 않는 많은 부분을 갖지 않기 때문에, 포논이 주변 유체 매질 내로 벗어나는 것을 보장하는 이점이 있다. 당업자는 이것이 다수의 공지의 구조를 통해 달성될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 예컨대, 1-원자-두께 탄소(one-atom-thick carbon)이고 열전도성이 높은 그래핀은 여기에서 설명되는 프랙탈 히트 싱크를 구축하는데 이용하기에 이로운 재료일 것이다.

난류성으로 흐르는 유체가 장애물 주위를 통과할 때, 장애물에서의 오목한 영역 또는 캐비티는 자가 유지 발진 및 어쿠스틱 공진을 발생하는 분리된 흐름의 포켓을 생성한다. 오목한 영역 또는 캐비티는 장애물 상의 평탄한 영역에 비하여 실질적으로 감소된 협대역의 어쿠스틱 공진을 갖는다. 이것은 열전달에 더 많은 에너지가 이용될 수 있도록 한다. 당업자는 프랙탈 구조(110)가 다른 다수의 프랙탈 구조와 마찬가지로 이 효과의 구현을 허용하기 위해 복수의 오목한 영역을 갖는다는 것을 이해할 것이다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 임의의 형상을 갖는 냉각될 고체(290)가 2차원 또는 3차원의 개략 프랙탈 형상(210) 히트 싱크의 내측(도시됨) 또는 외측(도시하지 않음)에 위치된다. 일실시예에서, 히트 싱크(210)는 고체를 유지하도록 설계된 애퍼처(270)를 갖는다. 이와 달리, 냉각될 고체는 히트 싱크의 외측에 위치될 수도 있다(도시하지 않음). 도 2에서와 같이, 프랙탈 열교환 요소는 210에서의 커다란 삼각형으로 시작하여 220 및 230에서의 점점 더 작아지는 삼각형이 되는 복수의 모티프를 갖는다는 것에 유의하기 바란다. 그러나, 프랙탈은 무한적으로 연장하지는 못하며, 230에서의 삼각형보다 작은 삼각형은 없다는 것에 유의하기 바란다. 즉, 프랙탈 히트 싱크(210)는 복수의 순환 프랙탈 반복체(220, 230)를 갖지만, 프랙탈 반복체는 설계의 간략화 및 제조 가능성을 위해 230 레벨에서 중지된다. 또한, 프랙탈 서브모티프(220, 230)는 원래의 프랙탈 모티프(210)와는 상이한 치수 크기로 되며, 원래의 프랙탈 형상(210)으로부터 돌출한다는 것에 유의하기 바란다. 여기서, 제1 모티프는 대형 삼각형이며, 그 후의 모티프는 이전 모티프의 회전, 선형 변위 및 스케일의 변경을 수반하는 더 작은 삼각형이다. 일실시예에서, 프랙탈 형상은 냉각될 고체를 다른 요소에 연결하는 것을 가능하게 하기 위해 그 안에 일부 애퍼처(도시하지 않음)를 갖는다. 또한, 냉각될 고체는 포인트 컨넥터(240)에서 그리고 250 및 260에서의 버스 와이어를 통해 프랙탈 형상에 연결된다. 고체는 포인트 연결, 버스 와이어 연결 또는 일부 기타 연결 중의 하나를 통해 적어도 하나의 지점에서 프랙탈 히트 싱크에 연결되어야 한다. 고체가 히트 싱크의 내측에 고정되는 것이 바람직하면, 도시된 바와 같이 적어도 3개의 연결 지점이 있을 것이다. 그러나, 고체로부터 히트 싱크로의 열 대류 및 복사를 위해서는 단지 하나의 연결 지점이 필요하다. 바람직하게는, 포인트 또는 버스 와이어 연결은 탄소 나노튜브 또는 다이아몬드상 코팅과 같은 강한 열전도체를 이용하여 구축된다.

도 1에서와 같이, 도 2의 프랙탈 구조물(210)은 복수의 오목한 영역 또는 캐비티를 갖는다는 것에 유의하기 바란다. 난류성으로 흐르는 유체가 이 프랙탈 히트 싱크 주위를 통과할 때, 오목한 영역 또는 캐비티는 평탄한 구조물 또는 유클리드의 구조물에 비하여 협대역의 어쿠스틱 공진을 실질적으로 감소시킨다. 이것은 열전달을 위해 더 많은 에너지가 이용될 수 있도록 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 도 3의 히트 싱크(210)는 240, 250 및 260 지점에서의 연결 없이도 구축될 수 있다. 일실시예에서, 액체 또는 기체가 냉각될 고체를 둘러싸거나, 그 고체를 제위치에 유지하거나, 또는 그 고체를 부유시키려는 목적으로 애퍼처(270)를 액체 또는 기체로 채울 것이다. 바람직하게는, 고체를 둘러싸는 액체 또는 기체는 고체로부터 히트 싱크로 열을 전도할 것이며, 그 후 열이 빠져나가게 할 것이다.

당업자는 여기에서 설명된 히트 싱크를 제조하기 위한 다수의 방식을 인지하고 있을 것이다. 예컨대, 최근의 3차원 레이저 및 리퀴드 프린터는 여기에서 설명된 히트 싱크와 같은 물체를 16 ㎛ 오더의 특징부의 분해능으로 생산할 수 있다. 또한, 재귀 성장 알고리즘을 이용하여 또는 결정 성장 기술을 통해 결정 구조를 성장시키는 것도 가능하다. 예컨대, Blum에 의해 출원된 미국 특허 공개 번호 2006/0037177호에서는 결정이 노출되는 온도, 압력 및 전자기 에너지를 조정함으로써 스펙트럼 에너지 패턴의 이용을 통해 프랙탈 또는 기타 구조물을 생산하기 위해 결정 성장을 제어하는 방법을 설명하고 있으며, 이 공개 특허는 본 명세서에 참고자료로 원용되어 있다. 이 방법은 여기에서 설명되는 히트 싱크를 제조하기 위해 이용될 수도 있다. 자동차 라디에이터에 사용하기 위한 히트 싱크와 같은 더 큰 히트 싱크에 대해서는, 대형 장비에 대한 종래의 제조 방법이 본 명세서에서 설명된 프랙탈 구조물을 생산하도록 수정될 수 있다.

이상의 개시 내용에서, 본 발명의 여러 실시예를 설명하였다. 당업자는 본 명세서의 교시 내용을 어떻게 이용할 수 있을지에 대한 다른 생각을 가질 것이다. 본 발명의 범위는 본 명세서에 개시된 실시예로 한정되지 않고, 이하의 청구범위에 의해 정해진다.

Claims

히트 싱크에 있어서,
복수의 고체 열교환 요소를 갖는 열교환 장치 ― 각각의 열교환 요소는 열전달 매체로의 열전달에 유효한 외부 표면을 가지며, 적어도 3개 레벨의 비대칭 프랙탈 브랜칭(fractal branching)을 갖고, 3차원 변형(variation)을 가지며, 상기 열전달 매체 안으로 연장되는 비대칭 브랜치 형태로 배열됨 ―; 및
열원과 인터페이스하도록 구성된 평탄한 베이스
를 포함하고,
상기 복수의 고체 열교환 요소는 흐름 유도 소용돌이(flow-induced vortex)가 열교환 요소들의 서로 대응하지 않는 위치들에서 발생되도록 구성된 것을 특징으로 하는 히트 싱크.
제1항에 있어서,
열전달 유체가 상기 복수의 열교환 요소 중의 하나 이상에 대하여 난류성으로(turbulently) 흐르도록 유도되는, 히트 싱크.
제1항에 있어서,
상기 히트 싱크는 평면형이며, 상기 복수의 열교환 요소는 2차원으로 브랜치하는, 히트 싱크.
제1항에 있어서,
상기 복수의 열교환 요소는 3차원으로 브랜치하는, 히트 싱크.
제1항에 있어서,
상기 복수의 열교환 요소에서의 프랙탈 변형은 어쿠스틱 방출 파워(acoustic emission power)를 광대역에 걸쳐 분배하되, 이는 복수의 브랜치된 열교환 요소 위에서 강제 공기 흐름에 의해 발생하는, 히트 싱크.
제1항에 있어서,
상기 열교환 장치는 열전도율이 850 W/(mㆍK)를 초과하는 요소를 포함하는, 히트 싱크.
제1항에 있어서,
상기 열교환 장치는 그래핀(graphene)을 포함하는, 히트 싱크.
제1항에 있어서,
상기 열교환 장치는 다이아몬드를 포함하는, 히트 싱크.
제1항에 있어서,
상기 열교환 장치는 포논 운송(phonon transport)을 지원하는 연장된 규칙적 격자(extended regular lattice)를 갖는 조성물을 포함하는, 히트 싱크.
제1항에 있어서,
상기 열교환 장치는 탄소 나노튜브를 포함하는, 히트 싱크.
제10항에 있어서,
상기 탄소 나노튜브가 정렬되어 있는, 히트 싱크.
제1항에 있어서,
하나 이상의 지점에서 냉각될 고체와 연결하도록 구성된 하나 이상의 컨넥터를 더 포함하는, 히트 싱크.
제12항에 있어서,
상기 하나 이상의 컨넥터는 포인트 컨넥터(point connector), 버스, 와이어, 평면형 컨넥터, 및 3차원 컨넥터로 이루어진 군에서 선택되는, 히트 싱크.
제1항에 있어서,
상기 히트 싱크의 중앙에 있는 애퍼처를 더 포함하는, 히트 싱크.
고체를 냉각하는 방법에 있어서,
적어도 3개 레벨의 브랜칭에 걸쳐 비대칭 프랙탈 브랜칭 패턴을 각각 구비하고, 또한 각각 3차원 변형(variation)을 가지며 열전달 유체를 포함하고 있는 공간 안으로 연장되는 복수의 고체 열교환 요소를 갖는 열교환 장치를 포함하는 히트 싱크와 상기 고체를 연결하는 단계;
상기 고체로부터의 열을 상기 히트 싱크에 전달하는 단계; 및
상기 복수의 열교환 요소 위의 상기 공간에 열전달 유체를 흐르게 함으로써 상기 히트 싱크로부터 열을 소산시키는 단계
를 포함하고,
상기 열전달 유체는, 흐름 유도 소용돌이(flow-induced vortex)가 열교환 요소들의 서로 대응하지 않는 위치들에 발생하도록, 상기 복수의 열교환 요소에 대해 흐르도록 유도되고, 그 결과, 흐름 유도 소용돌이를 열교환 요소들의 서로 대응하는 위치들에서 생성하는 복수의 열교환 요소를 가지는 대응하는 열교환 장치에 비해 공진을 감소시키는 것을 특징으로 하는 고체를 냉각하는 방법.
제15항에 있어서,
상기 열전달 유체를 흐르게 하는 것은 광대역의 어쿠스틱 방출을 유도하는, 고체를 냉각하는 방법.
히트 싱크에 있어서,
열전달 유체에 대하여 표면 경계를 각각 갖는 복수의 고체 열교환 요소를 갖는 열교환 장치를 포함하며, 각각의 열교환 요소는 적어도 3개 레벨의 비대칭 프랙탈 브랜칭(fractal branching)을 갖고, 3차원 변형(variation)을 가지며 열교환 유체를 포함하고 있는 공간 안으로 연장되는 비대칭 브랜치 형태로 배열되고,
상기 열전달 유체는, 흐름 유도 소용돌이(flow-induced vortex)가 복수의 열교환 요소의 서로 대응하지 않는 위치에 발생되도록, 상기 공간 내의 복수의 열교환 요소에 대해 흐르도록 유도되며, 그 결과, 복수의 열교환 요소 상의 대응하는 위치에 흐름 유도 소용돌이를 발생하는 복수의 열교환 요소를 갖는 대응하는 열교환 장치에 비하여 공진을 감소시키는 것을 특징으로 하는 히트 싱크.
제17항에 있어서,
냉각될 장치로부터 열확산에 의해 열을 받아들이도록 구성된 열전달 표면을 더 포함하는, 히트 싱크.
제18항에 있어서,
상기 냉각될 장치와 상기 열교환 장치 간에 열을 소통시키도록 구성된 상기 열전달 표면에 더멀 인터페이스 재료(thermal interface material)를 더 포함하는, 히트 싱크.
제17항에 있어서,
상기 열교환 장치의 적어도 일부분이 850 W/(mㆍK)를 초과하는 벌크 열전도율(bulk heat conductivity)을 갖는 재료를 포함하는, 히트 싱크.
제17항에 있어서,
상기 열교환 장치는 탄소 나노튜브를 포함하는, 히트 싱크.
제17항에 있어서,
열원에 연관된 고체 상태의 물체에 상기 히트 싱크를 고정하도록 설계된 하나 이상의 컨넥터를 더 포함하는, 히트 싱크.
제17항에 있어서,
상기 열교환 장치는 상기 열전달 유체의 흐름을 유도하도록 구성된 펌프 또는 팬(fan)을 포함하는, 히트 싱크.
제17항에 있어서,
상기 열전달 유체는 기체인, 히트 싱크.
제17항에 있어서,
상기 열교환 요소는 콘딧을 포함하며, 액체 상태의 열전달 유체가 상기 콘딧 내에 담겨지며, 상기 콘딧이 순환 수식(recursive formula)에 의해 기술되는 길이 및 배열을 갖는, 히트 싱크.
제17항에 있어서,
각각의 상기 열교환 요소는 상호 연결된 한 조(組)의 외부 고체-기체 인터페이스 표면들을 포함하며, 상호 연결된 표면의 구성은 순환 수식에 의해 기술되는, 히트 싱크.
제17항에 있어서,
상기 열전달 유체는 상기 열교환 장치에 의해 구속되지 않는(unconstrained), 히트 싱크.
고체를 냉각하는 방법에 있어서,
비대칭 브랜치 형태로 배열된 동일하지 않게 성형된 복수의 고체 열교환 요소를 갖고, 3차원 변형(variation)을 가지며 열전달 유체를 포함하고 있는 공간 안으로 연장되는 열교환 장치를 포함하는 히트 싱크와 상기 고체를 연결하는 단계; 및
상기 열전달 유체를 상기 공간 내의 상기 복수의 열교환 요소에 대하여 흐르도록 유도하는 단계를 포함하며,
상기 유체의 흐름이 상기 열교환 요소의 각각의 물리적 구성에 좌우되어 상기 열교환 요소에 인접하여 각각의 브랜치의 서로 대응하지 않는 위치에서 소용돌이를 유도하는,
것을 특징으로 하는 고체를 냉각하는 방법.
제28항에 있어서,
상기 소용돌이가 상기 열교환 장치에 대하여 균일하지 않게 분포되는, 고체를 냉각하는 방법.
제28항에 있어서,
상기 복수의 열교환 요소 사이의 프랙탈 관계는 복수의 열교환 요소들 간에 선형 또는 유클리드의 기하학적 변형을 갖는 대응하는 열교환 장치에 비하여 협대역의 어쿠스틱 공진(narrow band acoustic resonance)을 감소시키는, 고체를 냉각하는 방법.
제28항에 있어서,
상기 열전달 유체는 상기 열교환 장치에 의해 감싸지지 않는, 고체를 냉각하는 방법.
히트 싱크에 있어서,
열교환 표면에 접촉하는 물체와 열을 전도 방식으로 교환하도록 구성된 열교환 표면을 갖는 열도전성 몸체;
상기 몸체로부터 연장하고, 2개 이상의 돌출부를 갖고, 각각의 돌출부가 2개 이상의 레벨의 브랜칭을 갖고, 3차원 변형(variation)을 가지며 열교환 유체 매체를 가지는 공간 안으로 연장되고, 각각의 브랜치의 비율이 돌출부들 간에 서로 다른, 돌출부의 세트; 및
열을 전도 방식으로 및 복사 방식으로 상기 공간 내의 열교환 유체 매체 내로 전달하도록 구성된, 각각의 돌출부의 적어도 말단 브랜치(terminal branch)의 외부 표면을 포함하며,
각각의 말단 브랜치 간의 복사 방식의 열전달이 비대칭적으로 이루어지며,
상기 외부 표면은 열전달 유체 매체 유속의 범위에 걸쳐, 각각의 브랜치의 서로 대응하지 않는 위치에서 상기 외부 표면 위로 흐르는 상기 열교환 유체 매체 내에 비대칭적 패턴의 소용돌이를 발생하는 유체 열역학 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 히트 싱크.