KR101977452B1 - 멀티-평면형 내장된 유체 냉각 채널들을 갖는 모놀리식 멀티-모듈 전자기기 섀시 - Google Patents

Abstract

열원을 냉각하기 위한 냉각 시스템은 멀티-평면형 배열로 배열된 복수의 내장된 냉각 채널들(220)을 가지는 모놀리식 구조체(100)를 포함하고, 내장된 냉각 채널들은 냉각 유체를 모놀리식 구조체 전반에 걸쳐 복수의 위치들로 운반하도록 구성되고, 냉각 유체는 모놀리식 구조체와 연관된 열원으로부터 전달된 열을 흡수하도록 구성된다. 모놀리식 구조체는 선택적 레이저 용융(SLM) 또는 다이렉트 금속 레이저 신터링(DMLS)과 같은 적층 제조 프로세스를 이용하여 내장된 냉각 채널들과 일체로 형성된다.

Description

멀티-평면형 내장된 유체 냉각 채널들을 갖는 모놀리식 멀티-모듈 전자기기 섀시{MONOLITHIC MULTI-MODULE ELECTRONICS CHASSIS WITH MULTI-PLANAR EMBEDDED FLUID COOLING CHANNELS}

본 개시내용은 일반적으로 전자기기 하우징들(electronics housings)에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는, 멀티-평면형 내장된 유체 냉각 채널들(multi-planar embedded fluid cooling channels)을 갖는 모놀리식 멀티-모듈 전자기기 섀시(monolithic multi-module electronics chassis)에 관한 것이다.

고전력 전자기기를 위한 전자기기 섀시는 냉각 판들을 형성하기 위한 진공-납땜된(vacuum-brazed) "냉벽(cold wall)들"을 이용하여 전형적으로 만들어진다. 관여된 특수한 제조 프로세스들로 인해, 이러한 섀시는 제조 및 구현을 위한 (예컨대, 6개월보다 더 큰) 긴 소요 시간을 요구할 수 있다. 게다가, 이러한 섀시는 많은 수의 체결구(fastener)들, 어댑터 판(adapter plate)들, 및 피팅(fitting)들로 전형적으로 조립된다. 이 특성들은 특히, 저용량 제조 또는 원형제작을 위한 섀시 비용과, 심지어 유사한/높은 재이용 설계를 위하여, 새로운 섀시를 만들기 위한 소요 시간에 상당한 영향을 가질 수도 있다. 이것은 또한, 새로운 임무들 또는 시스템들 요건들을 위하여 기존의 섀시를 급속하게 재구성하는 것을 과제로 할 수 있다.

종래 기술의 상기 결점들 중의 하나 이상을 다루기 위하여, 이 개시내용에서 설명된 일 실시예는 열원(heat source)을 냉각하기 위한 냉각 시스템을 제공한다. 냉각 시스템은 멀티-평면형 배열로 배열된 복수의 내장된 냉각 채널들을 가지는 모놀리식 구조체를 포함하고, 내장된 냉각 채널들은 냉각 유체를 모놀리식 구조체 전반에 걸쳐 복수의 위치들로 운반하도록 구성되고, 냉각 유체는 모놀리식 구조체와 연관된 열원으로부터 전달된 열을 흡수하도록 구성된다. 모놀리식 구조체는 적층 제조 프로세스(additive manufacturing process)를 이용하여 내장된 냉각 채널들과 일체로 형성된다.

이 개시내용에서의 또 다른 실시예는 복수의 발열 전자기기들을 하우징하고 냉각하도록 구성된 전자기기 섀시를 제공한다. 전자기기 섀시는 멀티-평면형 배열로 배열된 복수의 장착 레일들 및 복수의 내장된 냉각 채널들을 가지는 적어도 하나의 냉벽을 포함하고, 내장된 냉각 채널들은 냉각 유체를 장착 레일들에 근접한 복수의 위치들로 운반하도록 구성되고, 냉각 유체는 장착 레일들 중의 적어도 하나에 장착된 발열 전자 소스(electronic source)로부터 전달된 열을 흡수하도록 구성된다. 적어도 하나의 냉벽은 적층 제조 프로세스를 이용하여 내장된 냉각 채널들과 일체로 형성된다.

이 개시내용에서의 추가의 실시예는 열원을 냉각하기 위한 냉각 시스템을 제조하기 위한 방법을 제공한다. 방법은 적층 제조 프로세스를 이용하여 모놀리식 구조체 및 복수의 내장된 냉각 채널들을 일체로 형성하는 단계를 포함한다. 내장된 냉각 채널들은 멀티-평면형 배열로 배열되고, 냉각 유체를 모놀리식 구조체 전반에 걸쳐 복수의 위치들로 운반하도록 구성되고, 냉각 유체는 모놀리식 구조체와 연관된 열원으로부터 전달된 열을 흡수하도록 구성된다.

특정 장점들이 위에서 열거되었지만, 다양한 실시예들은 열거된 장점들 중의 일부를 포함할 수도 있거나, 열거된 장점들을 전혀 포함하지 않을 수도 있거나, 또는 열거된 장점들의 전부를 포함할 수도 있다. 추가적으로, 다른 기술적 장점들은 다음의 도면들 및 설명의 검토 후에 본 기술분야의 통상의 기술자에게 용이하게 명백해질 수도 있다.

본 개시내용 및 그 장점들의 더욱 완전한 이해를 위하여, 유사한 참조 번호들이 유사한 부품들을 나타내는 동반된 도면들과 함께 취해진 다음의 설명에 대하여 지금부터 참조가 행해진다.
도 1a 및 도 1b는 이 개시내용에 따라, 예시적인 모놀리식 섀시의 상이한 사시도들을 예시하고;
도 2는 이 개시내용에 따라, 투명한 형태로 도시된 예시적인 모놀리식 섀시의 사시도를 예시하고;
도 3a 및 도 3b는 이 개시내용에 따라, 예시적인 모놀리식 섀시의 제조 프로세스의 상이한 단계들을 예시하고;
도 4는 이 개시내용에 따라, 구조체 내에 내장될 수도 있는 예시적인 냉각 채널 나선부를 예시하고; 그리고
도 5a 내지 도 5c는 이 개시내용에 따라, 냉각 채널 내부에서의 이용을 위한 상이한 예시적인 냉각 휜(cooling fin)들을 예시한다.

이하에서 설명된 도 1a 내지 도 5c와, 이 특허 문서에서의 본 개시내용의 원리들을 설명하기 위하여 이용된 다양한 실시예들은 오직 예시이며, 개시내용의 범위를 제한하도록 어떤 식으로든 해석되지 않아야 한다. 본 기술분야의 통상의 기술자들은 본 개시내용의 원리들이 임의의 타입의 적당하게 배열된 디바이스 또는 시스템으로 구현될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.

고전력 전자기기를 위한 전자기기 섀시는 내부 채널들을 갖는 평면형 금속 판들을 통해 밀폐 흐름을 형성하는 진공-납땜된 평면형 "냉벽들"을 이용하여 전형적으로 만들어진다. 다음으로, 이 냉각 판들은 섀시와, 섀시의 하부를 형성하는 유사한 판의 단부들에 일반적으로 조립된다. 마감된 어셈블리는 상부 및 하부 구조체들, 및 기계적 단부 판들로서 냉각 냉벽들을 갖는 실질적으로 직사각형 박스 형상이다.

이러한 섀시를 위한 설계들은 전통적인 절삭 제조(subtractive manufacturing) 구조체들(예컨대, 밀링(milling), 드릴링(drilling) 등등에 의해 형성된 구조체들) 및 일반적으로 평면형 특징부들로 일반적으로 제한된다. 관여된 특수한 제조 프로세스들로 인해, 이러한 섀시는 제조 및 구현을 위한 (예컨대, 6개월보다 더 큰) 긴 소요 시간을 요구할 수 있다. 게다가, 이러한 섀시는 많은 수의 체결구들, 어댑터 판들, 및 피팅들로 전형적으로 조립된다. 이 특성들은 특히, 저용량 제조 또는 원형제작을 위한 섀시 비용과, 심지어 유사한/높은 재이용 설계를 위하여, 새로운 섀시를 만들기 위한 소요 시간에 상당한 영향을 가질 수도 있다. 또한, 품질 쟁점들은 많은 수의 판들, 가스켓들, 및 피팅들로부터 기인할 수 있다. 예를 들어, 유체 인터페이스(fluid interface)들에서의 누설들에 대한 상당한 기회들이 있다.

진공-납땜된 냉벽 제조의 제한들은 또한, 새로운 임무들 또는 시스템들 요건들을 위하여 기존의 섀시를 급속하게 재구성하는 것을 과제로 할 수 있다. 스케일링(scaling) 및 재구성은 상당한 비-반복 비용(non-recurring expense)(NRE) 및 소요 시간을 부과한다. 이것은 변화하는 위협들에 급속하게 적응하기 위하여 급속한 재구성을 요구하는 현재 및 미래의 방어 시스템들을 위하여 수용불가능할 수도 있다.

이 쟁점들을 다루기 위하여, 이 개시내용의 실시예들은 복수의 금속 레이저 보조된 적층 제조 프로세스들 중의 임의의 하나 이상을 이용하여 형성되는 모놀리식 섀시를 제공한다. 이러한 프로세스는 선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting)(SLM)을 포함할 수도 있다. 특정 예로서, 선택적 레이저 용융은 다이렉트 금속 레이저 신터링(Direct Metal Laser Sintering)(DMLS)의 상표 명을 갖는 것들과 같은 프로세스들을 이용하여 수행될 수도 있다. 본원에서 이용된 바와 같이, "모놀리식"은 섀시가 이음매(seam)들, 조인트(joint)들, 또는 부착부(attachment)들의 약간과 일체로 형성되거나, 또는 이들과 전혀 일체로 형성되지 않는 하나의 피스(piece)인 것을 표시한다. SLM 또는 DMLS 프로세스 동안, 유체 채널들은 밀봉부들 또는 이음매들을 약간 갖거나 이들을 전혀 갖지 않는 섀시 내에 형성되고 내장되고, 섀시를 통해 가상적으로 임의의 3차원(3D) 경로를 따를 수 있다. 이에 따라, 복잡한 열 구조체들이 3차원으로 이용가능하다. 유체 채널들은 모듈/섀시 인터페이스에 직접적으로 신뢰성 있게 이르게 됨으로써, 개선된 열 전달 특성들을 제공할 수 있다.

본원에서 개시된 실시예들은 긴 소요 시간의 진공 납땜 대신에 적층 제조 기법들을 이용함으로써, 유체 흐름-관통(fluid flow-thru) 섀시를 제공하기 위한 소요 시간을 극적으로 감소시킨다. 추가적으로, 개시된 실시예들은 모놀리식 구조체에서 체결구들 및 피팅들을 제거함으로써 섀시의 부품 개수를 상당히 감소시킨다. 이것은 유체 인터페이스들에서의 누설들과 같은 품질 쟁점들을 상당히 감소시킬 수 있다. 또한, 개시된 실시예들은, 다른 제조 방법들로 달성가능하지 않을, 유체 채널들 내에 포함된 복잡한 열 전달 형상들(complex heat transfer shapes)을 제공한다.

이 개시내용의 실시예들은 본원에서 설명된 특징부들 중의 임의의 하나, 하나 초과, 또는 전부를 포함할 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 게다가, 이 개시내용의 실시예들은 추가적으로 또는 대안적으로, 본원에서 열거되지 않은 다른 특징부들을 포함할 수도 있다.

도 1a 및 도 1b는 이 개시내용에 따라, 예시적인 모놀리식 섀시의 상이한 사시도들을 예시한다. 도 1a 및 도 1b에서 예시된 섀시(100)의 실시예는 오직 예시를 위한 것이다. 다른 실시예들은 이 개시내용의 범위로부터 이탈하지 않으면서 이용될 수 있다.

도 1a 및 도 1b에서 도시된 바와 같이, 섀시(100)는 복수의 벽들(102), 제1 단부(104), 및 제2 단부(106)를 포함한다. 각각의 벽(102)은 복수의 장착 레일들(108)을 포함한다. 제1 단부(104)는 냉각 유체를 위한 하나 이상의 인터페이스들(110)과, 다른 인터페이스들을 위한 하나 이상의 개구부들(112)을 포함한다. 복수의 장착 포인트들(114)은 벽들(102) 및 단부들(104, 106)의 에지(edge)들을 따라 발견된다.

벽들(102)은 섀시(100)와 일체로 형성되는 3차원 채널들(도시되지 않음)이 내장되는 냉벽들이다. 특히, 채널들은 카드 레일들(108) 내부에 있도록, 또는 이에 밀접하게 근접하도록 형성된다. 각각의 장착 레일(108)은 전자 컴포넌트를 수용하고 고정하도록 구성된다. 섀시(100)가 이용 중이고 냉각 구성으로 동작하고 있는 동안, 냉각 유체는 채널들을 통과하고, 레일-장착된 전자기기와 같은 발열 컴포넌트들로부터 열을 받아들인다. 발열 컴포넌트들로부터 열을 받아들이고 열을 발산시킴으로써, 채널들 내부의 냉각 유체는 발열 컴포넌트들을 냉각시키도록 작동한다.

전통적인 냉벽 구성들에서는, 냉각 채널들이 각각의 채널의 벽들을 포함하는 다수의 평평하거나, 스탬핑되거나(stamped), 또는 이와 다른 형상의 피스들(예컨대, 시트 금속(sheet metal))을 함께 결합함으로써 통상적으로 형성된다. 전통적인 냉각 채널들은 선형(1차원) 또는 평면형(2차원) 배열로 배열된다. 이러한 채널들은 밀폐방식으로 밀봉된 인클로저(enclosure)를 형성하기 위하여 다수의 컴포넌트들 및 하나 이상의 이음매들을 반드시 포함한다. 예를 들어, 다수의 피스들은 밀봉된 채널을 형성하기 위하여 함께 진공 납땜될 수도 있다.

이러한 냉각 채널들과 대조적으로, 각각의 벽(102) 내부에 내장된 채널들은 SLM 또는 DMLS 프로세스 동안에 벽(102)과 함께 형성되거나 모놀리식방식으로 "성장"된다. 또한, 각각의 벽(102) 내부의 채널들은 임의의 구성으로 형성될 수 있고, 3차원으로 임의의 방향으로 연장될 수 있다. 이것은 3차원 곡선들, 코일들, 나선들, 다수의 평면들, 이들의 조합들 등등을 포함한다.

도 1a 및 도 1b에서 도시된 실시예에서, 제1 단부(104)는 냉각 유체가 섀시(100)에 진입하고 및/또는 섀시(100)를 진출하기 위한 하나 이상의 인터페이스들(110)을 포함한다. 제1 단부는 전기적 연결들, 데이터 연결들, 또는 섀시(100), 또는 섀시(100) 내부에 장착된 컴포넌트들에 대한 임의의 다른 적당한 타입의 인터페이스와 같은 다른 인터페이스들을 위한 하나 이상의 개구부들(112)을 또한 포함한다. 장착 포인트들(114)은 커버가 섀시(100)에 부착되게 하도록 구성된다.

도 1a 및 도 1b는 모놀리식 섀시(100)의 하나의 예를 예시하지만, 다양한 변경들이 도 1a 및 도 1b에 대하여 행해질 수도 있다. 예를 들어, 냉각 채널들은 단부들(104, 106)과 같은, 섀시(100)의 다른 컴포넌트들 내부에 내장될 수도 있다. 또한, 인터페이스들(110) 및 개구부들(112)은 제1 단부(104), 제2 단부(106) 상의 추가적인 또는 대안적인 위치들에서, 또는 임의의 다른 적당한 위치에서 위치될 수도 있다. 또한, 섀시(100)의 구성 및 배열은 오직 예시를 위한 것이다. 컴포넌트들은 특정한 필요성들에 따라 추가될 수 있거나, 생략될 수 있거나, 조합될 수 있거나, 또는 임의의 다른 구성으로 배치될 수 있다.

도 2는 이 개시내용에 따라, 예시적인 모놀리식 섀시의 사시도를 예시한다. 섀시(200)는 섀시(200)의 컴포넌트들의 일부를 더욱 양호하게 예시하기 위하여 투명한 형태로 도시되어 있다. 도 2에서 예시된 섀시(200)의 실시예는 오직 예시를 위한 것이다. 다른 실시예들은 이 개시내용의 범위로부터 이탈하지 않으면서 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 섀시(200)는 도 1a 및 도 1b에서 도시된 섀시(100)를 나타낼 수도 있다.

도 2에서 도시된 바와 같이, 섀시(100)와 유사하게, 섀시(200)는 복수의 벽들(202)을 포함하고, 각각의 벽(202)은 복수의 장착 레일들(208)을 포함한다. 섀시(200)는 냉각 유체가 섀시(200)를 진입하고 및/또는 섀시(200)를 진출하기 위한 복수의 인터페이스들(210a 및 210b)을 가지는 단부(204)를 또한 포함한다.

섀시(100)에서의 벽들(102)과 같이, 벽들(202)은 섀시(200)와 일체로 형성되는 냉각 채널들(220)이 내장되는 냉벽들이다. 단면도 "A"로 도시된 바와 같이, 냉각 채널들(220)은 각각의 장착 레일(208) 내부에 집중되고, 각각의 장착 레일(208)의 길이를 따라 통과한다. 이것은 대부분의 냉각 기능이 각각의 열원(예컨대, 카드-장착된 전자기기)이 각각의 장착 레일(208)에 결합되는 곳에서 발생하기 때문이다.

도 2의 음영 표시된 부분들에 의해 나타낸 바와 같이, 냉각 채널들(220)은 복수의 연결 통로들(205)에 의해 인터페이스들(210a 및 210b) 및 서로에 대해 연결된다. 동작의 일 양태에서, 냉각 유체는 인터페이스(210a)에서 섀시(200)에 진입하고, 연결 통로들(205)을 통해 냉각 채널들(220)로 통과한다. 냉각 유체는 냉각 채널들(220)을 통해 순환함으로써, 장착 레일들(208) 상에 장착된 발열 전자기기로부터 열을 흡수하고 제거한다. 다음으로, 냉각 유체는 인터페이스(210b)에서 섀시(200)를 진출한다. 일부 실시예들에서, 연결 통로들(205)은 냉각 채널들(220)의 일부로 간주될 수 있어서, 일체로 형성된 냉각 채널들(220)은 멀티-평면형 배열로 배열되고, 냉각 유체를 다수의 냉벽들을 통해 연속적인 방식으로 운반한다.

섀시(200)에서, 냉각의 대부분 또는 전부는 장착 레일들(208)을 따라, 그리고 장착 레일들(208) 내부에서 발생할 수도 있다. 그러나, 다른 실시예들에서는, 섀시(200)의 구조체가 상이할 수 있다. 예를 들어, 다른 또는 추가적인 냉각 채널들은 섀시(200)의 다른 부품들 내에 위치될 수 있고, 냉각은 그 위치들에서 발생할 수 있다. 또한, 단면도 "A"로 도시된 바와 같은 병렬의, 실질적으로 직사각형 채널들 대신에, 냉각 채널들(220)은 하나 이상의 나선형 구조체들과 같은 상이한 형상들을 포함할 수 있다. 모놀리식 섀시(200)를 형성하기 위한 적층 제조 프로세스는 냉각 채널들 및 관련된 구조체들의 설계 및 위치에 있어서 큰 변동을 허용한다.

도 3a 및 도 3b는 이 개시내용에 따라, 예시적인 모놀리식 섀시의 제조 프로세스의 상이한 단계들을 예시한다. 도 3a 및 도 3b에서 예시된 섀시(300)의 실시예는 오직 예시를 위한 것이다. 다른 실시예들은 이 개시내용의 범위로부터 이탈하지 않으면서 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 섀시(300)는 도 1a 및 도 1b에서 도시된 바와 같은 섀시(100), 또는 도 2에서 도시된 바와 같은 섀시(200)를 나타낼 수도 있다.

도 3a에서 도시된 바와 같이, 섀시(300)는 SLM 또는 DMLS와 같은 적층 제조 프로세스를 이용하여 형성되었다. 도 3a에서 도시된 단계에서, 섀시(300)는 실질적으로 고형 블록(solid block)으로서 보인다. 섀시의 중간 부분(302)은 지지 재료로 실질적으로 채워진다. 지지 재료는 섀시(300)가 형성되고 있을 대에 섀시(300)의 전체적인 형상을 유지하기 위하여 SLM 또는 DMLS 프로세스 동안에 섀시(300)로 형성되고, 궁극적으로, 섀시(300)가 완성되기 전에 제거될 것이다. 일부 실시예들에서는, 섀시의 형상에 따라, 이러한 지지 재료가 SLM 또는 DMLS 프로세스에서 필요하거나 포함되지 않을 수도 있다. 대부분의 지지 재료가 제거된 후, 섀시(300)는 도 3b에서 도시된 바와 같이 보인다. 참조 번호(305)로 식별된 재료와 같은 일부 잔류 지지 재료는 섀시(300)의 인접한 장착 레일들(308) 사이에 남아 있다. 더 이후의 제조 단계에서는, 잔류 지지 재료가 또한 제거될 것이고, 도 1a 및 도 1b에서의 장착 레일들(108)과 외관에 있어서 유사한 장착 레일들(308)을 떠날 것이다.

SLM은 선택적 레이저 소결(selective laser sintering)의 개념들에 기초하는 적층 금속 제조 프로세스이다. SLM에서, 3차원 구조체의 모델은 컴퓨터 보조 설계(computer aided design)(CAD) 소프트웨어 또는 다른 소프트웨어를 이용하여 개발된다. 일단 개발되면, 3차원 구조체의 설계는 SLM 머신으로 로딩되고, 구조체는 금속 분말과 같은 재료를 이용하여 3차원으로 층별 방식으로 만들어진다. SLM은 3차원 구조체를 한 번에 하나의 층씩, 매우 얇은 층들로 생성하는 적층 제조 프로세스이므로, 구조체 내부에 복잡한 3차원 형상들 및 공극(void)들을 생성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 장착 레일들(308)은 도 3b에서 고형인 것으로 보이지만, 장착 레일들(308)은 도 2에서 도시된 채널들(220)과 같은 내장된 냉각 채널들을 실제로 포함한다. 이러한 채널들은 DMLS 프로세스 동안에 각각의 장착 레일(308) 내부에 용이하게 형성된다. 다른 채널들은 도 2에서 도시된 것들과 유사하게, 섀시(300) 전반에 걸쳐 또한 존재할 수도 있다.

섀시(300)와 같은 모놀리식 전자기기 섀시는 결합 이음매들 또는 기계적 밀봉부들 없이 형성될 수 있고, 다수의 전자기기 모듈들을 위한 통합된 장착 특징부들을 수용할 수 있다. 이러한 섀시는 적층 제조 프로세스로 인한 체결구들의 실질적인 감소를 특징으로 한다. 섀시는 멀티-평면형(즉, 3D), 내장된, 연속적인, 밀폐방식으로 밀봉된 냉각 채널들을 또한 특징으로 할 수 있다. 본원에서 이용된 바와 같이, "멀티-평면형"은, 각각의 냉각 채널이 실질적으로 2차원 또는 평면형 배열로 단지 배열되는 것이 아니라, 다수의 평면들에 걸쳐 임의의 방향으로 및/또는 모든 3개의 차원들로 절곡(bend)되거나, 만곡(curve)되거나, 또는 각도를 이룰 수도 있고, 섀시의 다수의 인접한 벽들을 통해 연속적으로 횡단할 수도 있다는 것을 나타낸다. 일부 실시예들에서, 냉각 채널들은 섀시의 모놀리식 성질로 인해 부수적인 유체 밀봉부들 없이 전자기기 장착 레일들로 직접적으로 라우팅될 수도 있다. 이러한 섀시는 진공 납땜과 같은 프로세스들을 이용하여 제조될 수 없는 신규하고 복잡한 유체 흐름 또는 열 전달 구조체들을 또한 혼입할 수도 있다. 신규한 열 전달 구조체들의 일부는 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.

내장된 냉각 채널들에 추가하여, 섀시(300)는 SLM 제조 프로세스로 인해 가능한 다른 구조적 특징부들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 섀시(300)는 (도 3a 및 도 3b에서 보이지 않는 내장된 냉각 채널들을 제외하고) 실질적으로 고형인 벽들로 이루어지는 것으로 보이지만, SLM의 이용은, 완전히 고형이 아니라, 그 대신에 다수의 공극들을 포함하는 섀시(300)의 하나 이상의 부분들의 형성을 용이하게 한다. 예를 들어, 섀시(300)의 하나 이상의 벽들은 격자(lattice), 웨브(web), 또는 메쉬(mesh) 타입 구조체로서 형성될 수도 있다. 이러한 벽은 구조적으로 지지하기에 여전히 충분히 강력할 것이지만, 더욱 경량일 것이고 고형 벽보다 훨씬 더 적은 재료를 요구할 것이다. 일부 실시예들에서, 격자 배열은 규칙적이고, 주기적인 공극들로 명확할 수 있다. 다른 실시예들에서는, 격자 배열이 무작위적으로 이격된 공극들로 불규칙적일 수 있다. 일반적으로, SLM의 이용은 냉각 채널들의 무결성을 위하여, 또는 전자기 간섭(electromagnetic interference)(EMI) 보호를 위하여, 구조적 지지를 위해 필요하지 않은 섀시(300)의 설계로부터 임의의 재료의 용이한 제거를 허용한다.

도 4는 이 개시내용에 따라, 구조체 내에 내장될 수도 있는 예시적인 냉각 채널 나선부를 예시한다. 도 4에서 예시된 냉각 채널 나선부(400)의 실시예는 오직 예시를 위한 것이다. 다른 실시예들은 이 개시내용의 범위로부터 이탈하지 않으면서 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각 채널 나선부(400)는 도 2에서 도시된 냉각 채널들 중의 하나 이상을 나타낼 수도 있거나, 이 냉각 채널들 중의 하나 이상과 연관될 수도 있다.

도 4에서 도시된 바와 같이, 냉각 채널 나선부(400)는 다중 나선 패턴으로 배열된 복수의 별도의 냉각 채널들(401 내지 408)을 포함한다. 8개의 냉각 채널이 도 4에서 도시되어 있지만, 이것은 단지 하나의 예이고, 더 많거나 더 적은 채널들이 구현예에 따라 나선부(400)에서 이용될 수 있다.

전통적인 냉벽들에서, 열원으로부터의 열은 열원이 접촉을 행하는 냉벽의 하나의 측면 또는 영역으로 전도한다. 냉각 유체로 전도하기 위한 열의 능력은 전체적인 냉각 효과에 대한 핵심 성분들 중의 하나이다. 이 전도 능력은 열 전도성 및 접촉의 표면적을 포함하는 다수의 인자들에 의해 영향받는다. 열 전도 속성들로 인해, 열원의 접촉의 지점들로부터 더 멀리 채널들에서 흐르는 냉각 유체는 열원을 냉각하기 위한 약화된 가용성을 가진다.

이 쟁점을 해결하는 것을 돕기 위하여, 다수의 유체 채널들은 냉각 채널 나선부(400)와 같은 나선부로 배열될 수 있다. 각각의 냉각 채널(401 내지 408)은 열원(410)의 접촉의 지점들에 더 근접하게, 이 접촉의 지점들로부터 더 멀어지게 감겨 있다. 동작 동안, 냉각 유체가 각각의 채널(401 내지 408)을 통해 흐를 때, 열은 접촉의 지점들 근처에서 냉각 유체로 신속하게 전달되고, 그 다음으로, 멀리 이동된다. 다시 말해서, 열원(410)으로부터 더 멀리 떨어진 각각의 채널에서의 지점들로부터의 더 차가운 유체는 궁극적으로 열원(410)에 더 근접하게 이르게 되는 반면, 더 따뜻한 유체는 더 먼 지점들로 흐른다. 이에 따라, 각각의 냉각 채널(401 내지 408)은 열원(410)을 냉각하기 위한 실질적으로 동일한 기회를 가진다.

각각의 냉각 채널(401 내지 408)의 단면적은 직사각형 채널들, 정사각형 채널들, 원형 채널들, 또는 임의의 다른 적당한 형상을 포함하는 다수의 형상들 중의 임의의 것일 수 있다. 채널들의 수와, 각각의 채널의 회전의 주기(즉, 열원(410)과의 인접한 접촉 지점들 사이의 선형 거리)는 구현예에 따라 또한 변동될 수 있다. 일부 실시예들에서, 더 촘촘한 나선형 회전의 주기들은 채널들의 내부 벽들에 대항하여 더 얇은 경계 층들을 생성하기 위하여 유체 모멘텀(fluid momentum)을 이용함으로써 열 전달을 더욱 증대시킬 수 있다.

도 4는 냉각 채널 나선부(400)의 일 예를 예시하지만, 다양한 변경들은 도 4에 대하여 행해질 수도 있다. 예를 들어, 나선부 대신에, 냉각 채널들(401 내지 408)은 다른 멀티-평면형 및 3차원 형상들 및 기하구조들로 배열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각 유체의 결과적인 증가된 운동과 조합된, 채널들의 상이한 가능한 형상들 및 길이들은 냉각 유체의 이류성 속성(advective property)들을 증가시킨다.

도 5a 내지 도 5c는 이 개시내용에 따라, 냉각 채널 내부에서의 이용을 위한 상이한 예시적인 냉각 휜들을 예시한다. 도 5a 내지 도 5c에서 예시된 냉각 휜들의 실시예들은 오직 예시를 위한 것이다. 다른 실시예들은 이 개시내용의 범위로부터 이탈하지 않으면서 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 냉각 휜들은 도 2 및 도 4에서 도시된 냉각 채널들 중의 하나 이상 내로 혼입될 수도 있다.

도 5a 내지 도 5c는 냉각 채널들(510, 520, 530)의 단면도들을 도시한다. 일부 실시예들에서, 냉각 채널들(510, 520, 530)은 도 2 및 도 4에서 도시된 냉각 채널들 중의 하나 이상을 나타낼 수도 있다. 냉각 채널들(510, 520, 530)은 직사각형 단면 형상을 가지는 것으로서 도시되지만, 냉각 채널들(510, 520, 530)은 구현예에 따라 임의의 다른 적당한 단면 형상을 가질 수 있다.

도 5a에서 도시된 바와 같이, 냉각 채널(510)은 냉각 채널(510)의 내부 벽들로부터 냉각 채널(510)의 내부 공간으로 돌출하는 복수의 핀 휜(pin fin)들(515)을 포함한다. 동작의 일 양태에서, 냉각 채널(510) 외부의 하나 이상의 열원들로부터의 열은 냉각 채널(510)의 벽들로 전달되고, 핀 휜들(515)을 따라 내부를 향해 더욱 전도된다. 냉각 유체가 냉각 채널(510)을 통과할 때, 냉각 유체는 핀 휜들(515)과 접촉하고, 냉각 채널(510)의 외부에 위치된 하나 이상의 열원들로부터 전달되었던 핀 휜들(515)에서 열을 흡수한다.

핀 휜들에 추가하여, 연구는 타원형 또는 눈물방울(tear-drop) 형상의 휜들이 냉각 채널 내부에서의 압력 손실을 최소화하면서 열 전달을 증대시킬 수 있다는 것을 표시한다. 도 5b에서 도시된 바와 같이, 냉각 채널(520)은 복수의 눈물방울 형상의 휜들(525)을 포함한다. 핀 휜들(515)과 같이, 눈물방울 형상의 휜들(525)은 열을 열원으로부터 냉각 유체로 전달하는 것을 돕는다. 그러나, 눈물방울 형상의 휜들(525)은 냉각 채널(520)에서의 압력 손실들을 최소화할 수도 있다.

2개의 휜이 도 5a 및 도 5b에서의 냉각 채널들에서 도시되어 있지만, 각각의 냉각 채널에서의 휜들의 수는 변동될 수도 있다. 유사하게, 각각의 냉각 채널의 길이에 따른 휜들의 배열, 위치결정, 및 분포는 구현예에 따라 변동될 수도 있다.

도 5c는 냉각 채널에서의 이용을 위한 휜의 상이한 형상을 예시한다. 도 5c에서 도시된 바와 같이, 냉각 채널(530)은 냉각 채널(530)의 내부 섹션에 걸쳐 이어지는 피그테일 휜(pigtail fin)(535)을 포함한다. 피그테일 휜(535)은 코일의 연속 권선(turn)들 사이에 공간을 갖는 느슨하게 감겨진 코일과 실질적으로 유사한 형상으로 되어 있다. 권선들 사이의 공간은 냉각 유체가 피그테일 휜(535)의 표면적의 모든 지점들 주위를 통과하도록 한다. 핀 휜들(515)과 같이, 피그테일 휜(535)은 열을 열원으로부터 냉각 유체로 전달하는 것을 돕는다. 핀 휜들(515)과 비교하여, 피그테일 휜(535)의 더 큰 전체적인 길이는 열을 전달하기 위한 더 큰 표면적을 제공한다. 하나의 피그테일 휜(535)은 냉각 채널(530)에서 도시되어 있지만, 냉각 채널(530)에서의 피그테일 휜들의 수는 변동될 수도 있다. 유사하게, 냉각 채널(530)의 길이에 따른 피그테일 휜들의 배열, 위치결정, 및 분포는 구현예에 따라 변동될 수도 있다.

도 5a 내지 도 5c에서 도시된 실시예들에서, 다양한 휜들(515, 525, 535)은 유체가 주위로 이동하기 위한 더 많은 표면적과, 유체 경계 층이 차단되도록 하기 위한 더 많은 기회를 제공하기 위하여 냉각 유체 내로 돌출하고, 이것은 냉각 유체로의 열 전달을 개선시킨다. 다른 실시예들에서, 휜들은 추가적으로 또는 대안적으로, 냉각 채널로부터 열원을 둘러싸는 체적으로 외부를 향해 돌출할 수도 있다.

대부분의 제조 프로세스들에서, 위에서 설명된 것들과 유사한 열 전달 특징부들은 주조(cast)되어야 하고, 이것은 종횡비(aspect ratio), 드래프트 각도(draft angle), 및 휜 팩킹 밀도(fin packing density)에 대해 제한들을 생성한다. 초음파 방법들 또는 용융 본딩(fusion bonding)과 같은 일부 다른 제조 프로세스들에서는, 도 5a 내지 도 5c에서 도시된 증대된 열 전달 특징부들의 일부는 형성하기가 불가능할 수도 있다. 본원에서 개시된 적층 제조 프로세스는 이 장벽들을 제거한다.

본원에서 개시된 실시예들은 다른 냉각 구조체들에 비해 다수의 장점들을 제공한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서는, 부품 개수가 대폭 감소되어, 감소된 조립 수작업 및 감소된 물류 코스로 귀착된다. 일부 실시예들은 부품 인터페이스들의 제거로 인해 증대된 전자기 간섭(EMI) 성능을 나타낸다. 압력 테스팅은 이 개시내용의 냉각 채널들이 고성능의 열적으로 제어된 전자기기 섀시와 전형적으로 연관된 압력들에서 실질적으로 완전한 밀폐성(hermeticity)(즉, 누설 없음)을 나타낸다.

본원에서 개시된 실시예들에서, 열원은 전자기기 컴포넌트들로서 식별된다. 그러나, 이 개시내용은 그것으로 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, 열원은 다른 열원들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 열원은 예컨대, 태양 가열, 공력 가열(aerodynamic heating) 등등으로부터의 환경적 가열 부하들로 인한 것일 수도 있다. 개시된 냉각 채널들 및 구조체들은 임의의 이러한 가열 환경들에서의 열의 제거를 위하여 적용가능하다.

개시된 적층 제조 프로세스에서의 그래디언트 합금(gradient alloy)들 또는 다수의 재료들(예컨대, 금속 합금들에 추가하여 플라스틱 성분들)의 혼입(incorporation)을 포함하는 추가적인 또는 대안적인 수정들이 구상되었다.

이 특허 문서의 전반에 걸쳐 이용된 어떤 단어들 및 어구들의 정의들을 기재하는 것이 유리할 수도 있다. 용어 "결합(couple)" 및 그 파생어들은 그 구성요소들이 서로 물리적으로 접촉하든지 아닌지 간에, 2개의 구성요소들 사이의 임의의 직접적인 또는 간접적인 통신을 지칭한다. 용어들 "포함하다" 및 "이루어지다"뿐만 아니라 그 파생어들은 제한 없는 포함(inclusion without limitation)을 의미한다. 용어 "또는"은 포괄적이어서, "및/또는"을 의미한다. 어구 "~와 연관된(associated with)"뿐만 아니라 그 파생어들은 포함하거나, 그 내부에 포함되거나, 그것과 상호접속하거나, 함유하거나, 그 내부에 함유되거나, 그것에 또는 그것과 연결하거나, 그것에 또는 그것과 결합하거나, 그것과 통신가능하거나, 그것과 협력하거나, 인터리빙(interleave)하거나, 병치(juxtapose)하거나, 그것에 근접하거나, 그것에 또는 그것과 경계가 되거나, 가지거나, 그 속성을 가지거나, 그것에 또는 그것과 관계를 가지거나, 또는 이와 유사한 것을 의미한다. 어구 "~의 적어도 하나(at least one of)"는, 항목들의 리스트와 함께 이용될 때, 열거된 항목들 중의 하나 이상에 대한 상이한 조합들이 이용될 수도 있고, 리스트에서의 오직 하나의 항목이 필요하게 될 수도 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, "A, B, 및 C 중의 적어도 하나(at least one of: A, B, and C)"는 다음의 조합들 중의 임의의 것을 포함한다: A, B, C, A와 B, A와 C, B와 C, 및 A와 B와 C.

발명의 범위로부터 이탈하지 않으면서, 본원에서 설명된 시스템들, 장치들, 및 방법들에 대해 수정들, 추가들, 또는 생략들이 행해질 수도 있다. 시스템들 및 장치들의 컴포넌트들은 통합될 수도 있거나 분리될 수도 있다. 또한, 시스템들 및 장치들의 동작들은 더 많거나, 더 적거나, 또는 다른 컴포넌트들에 의해 수행될 수도 있다. 방법들은 더 많거나, 더 적거나, 또는 다른 단계들을 포함할 수도 있다. 추가적으로, 단계들은 임의의 적당한 순서로 수행될 수도 있다. 이 문서에서 이용된 바와 같이, "각각"은 세트의 각각의 부재, 또는 세트의 서브세트 중의 각각의 부재를 지칭한다.

여기에 첨부된 청구항들을 해석함에 있어서, 특허청과, 이 출원에 대해 등록된 임의의 특허의 임의의 독자들을 보조하기 위하여, 출원인들은, 단어들 "~위한 수단(means for)" 또는 "~위한 단계(step for)"가 특정한 청구항에서 명시적으로 이용되지 않으면, 이들이 첨부된 청구항들 또는 청구항 구성요소들 중의 임의의 것을 그 출원 일자에 존재하는 바와 같이 35 U.S.C. 섹션 112의 단락 6을 적용하도록 의도한 것은 아니라는 것을 주목하기를 희망한다.

Claims (21)

1. 냉각 시스템으로서,
   멀티-평면형 배열(multi-planar arrangement)로 배열된 복수의 장착 레일들 및 복수의 내장된 냉각 채널들을 가지는 복수의 벽
   을 포함하고,
   상기 내장된 냉각 채널들 중 적어도 일부는 상기 장착 레일들 중의 하나 이상에 내장되고, 상기 내장된 냉각 채널들은 냉각 유체를 상기 장착 레일들에 근접한 복수의 위치들로 운반(carry)하도록 구성되고, 상기 냉각 유체는 상기 장착 레일들 중의 적어도 하나에 장착된 열원으로부터 전달된 열을 흡수하도록 구성되고;
   적어도 하나의 인터페이스가 상기 벽들 중의 적어도 하나에 배치되고, 상기 적어도 하나의 인터페이스는 상기 냉각 유체가 상기 냉각 시스템에 들어가거나 상기 냉각 시스템에서 빠져 나오게 하도록 구성되며;
   상기 내장된 냉각 채널들 중 적어도 일부가 상기 냉각 유체를 주기적 방식으로 반복해서 상기 열원을 향해 그리고 상기 열원으로부터 멀리 운반하도록 구성된 다중 나선부(multiple helix)를 형성하고;
   상기 벽들, 상기 장착 레일들, 및 상기 내장된 냉각 채널들은 적층 제조 프로세스(additive manufacturing process)를 이용하여 일체로(integrally) 그리고 이음매(seam)들 없이 형성되는, 냉각 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 벽들, 상기 장착 레일들, 및 상기 내장된 냉각 채널들은 선택적 레이저 용융(Selective Laser Melting)(SLM) 프로세스를 이용하여 일체로 형성되는, 냉각 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 내장된 냉각 채널들은 상기 냉각 시스템의 적어도 2개의 벽들을 통해 연속적인 방식으로 상기 냉각 유체를 운반하도록 구성되는, 냉각 시스템.
4. 제1항에 있어서, 각각의 장착 레일은 제1 단부에서 제2 단부까지의 길이를 가지며, 상기 하나 이상의 장착 레일들에 내장된 상기 내장된 냉각 채널들 중의 적어도 일부는 실질적으로 상기 하나 이상의 장착 레일들의 길이를 따라 연장되는, 냉각 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 상기 적층 제조 프로세스에서 격자(lattice), 웨브(web), 또는 메쉬(mesh)로서 형성되는 적어도 하나의 부분을 포함하는, 냉각 시스템.
6. 제1항에 있어서, 각각의 냉각 채널은 상기 냉각 채널의 내부 공간을 정의하는 복수의 채널 벽들을 포함하고, 복수의 열 전달 구조체들은 상기 채널 벽들 중의 적어도 하나로부터 상기 냉각 채널의 상기 내부 공간으로 돌출하는, 냉각 시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 열 전달 구조체들은 핀 형상의 휜(pin shaped fin), 피그테일 형상의 휜(pigtail shaped fin), 또는 눈물방울 형상의 휜(tear drop shaped fin) 중의 적어도 하나를 포함하는, 냉각 시스템.
8. 복수의 발열 전자기기들을 하우징하고 냉각하도록 구성된 전자기기 섀시(electronics chassis)로서,
   멀티-평면형 배열로 배열된 복수의 장착 레일들(mounting rails) 및 복수의 내장된 냉각 채널들을 가지는 적어도 하나의 냉벽(cold wall)
   을 포함하고,
   상기 내장된 냉각 채널들 중의 적어도 일부는 하나 이상의 상기 장착 레일들에 내장되고, 상기 내장된 냉각 채널들은 냉각 유체를 상기 장착 레일들에 근접한 복수의 위치들로 운반하도록 구성되고, 상기 냉각 유체는 상기 장착 레일들 중의 적어도 하나에 장착된 발열 전자 소스(heat generating electronic source)로부터 전달된 열을 흡수하도록 구성되고,
   상기 내장된 냉각 채널들 중의 적어도 일부가 상기 냉각 유체를 주기적 방식으로 반복해서 상기 발열 전자 소스를 향해 그리고 상기 발열 전자 소스로부터 멀리 운반하도록 구성된 다중 나선부를 형성하고,
   상기 적어도 하나의 냉벽, 상기 장착 레일들, 및 상기 내장된 냉각 채널들은 적층 제조 프로세스를 이용하여 일체로 그리고 이음매들 없이 형성되는, 전자기기 섀시.
9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 냉벽, 상기 장착 레일들, 및 상기 내장된 냉각 채널들은 선택적 레이저 용융(SLM) 프로세스를 이용하여 형성되는, 전자기기 섀시.
10. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 냉벽은 다수의 냉벽을 포함하고, 상기 내장된 냉각 채널들은 상기 냉각 유체를 상기 전자기기 섀시의 냉벽들 중의 적어도 2개의 냉벽들을 통해 연속적인 방식으로 운반하도록 구성되는, 전자기기 섀시.
11. 제8항에 있어서, 각각의 장착 레일은 제1 단부에서 제2 단부까지의 길이를 가지며, 상기 하나 이상의 장착 레일들에 내장된 상기 내장된 냉각 채널들의 적어도 일부는 실질적으로 상기 하나 이상의 장착 레일들의 길이를 따라 연장되는, 전자기기 섀시.
12. 제8항에 있어서, 상기 전자기기 섀시는 상기 적층 제조 프로세스에서 격자, 웨브, 또는 메쉬로서 형성되는 적어도 하나의 부분을 포함하는, 전자기기 섀시.
13. 제8항에 있어서, 각각의 냉각 채널은 상기 냉각 채널의 내부 공간을 정의하는 복수의 벽들을 포함하고, 복수의 열 전달 구조체들은 상기 벽들 중의 적어도 하나로부터 상기 냉각 채널의 상기 내부 공간으로 돌출하는, 전자기기 섀시.
14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 열 전달 구조체들은 핀 형상의 휜, 피그테일 형상의 휜, 또는 눈물방울 형상의 휜 중의 적어도 하나를 포함하는, 전자기기 섀시.
15. 방법으로서,
    적층 제조 프로세스를 이용하여 일체로 그리고 이음매들 없이 형성되는 복수의 장착 레일들 및 복수의 냉각 채널들을 가지는 적어도 하나의 냉벽을 포함하는 전자기기 섀시를 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 냉각 채널들 중의 적어도 일부는 하나 이상의 상기 장착 레일들에 내장되고;
    상기 내장된 냉각 채널들은 멀티-평면형 배열로 배열되고 냉각 유체를 상기 장착 레일들에 근접한 복수의 위치들로 운반하도록 구성되고, 상기 냉각 유체는 상기 장착 레일들 중의 적어도 하나에 장착된 열원으로부터 전달된 열을 흡수하도록 구성되고;
    상기 내장된 냉각 채널들 중 적어도 일부가 상기 냉각 유체를 주기적 방식으로 반복해서 상기 열원을 향해 그리고 상기 열원으로부터 멀리 운반하도록 구성된 다중 나선부를 형성하는, 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 냉벽, 상기 장착 레일들, 및 상기 내장된 냉각 채널들은 선택적 레이저 용융(SLM) 프로세스를 이용하여 일체로 형성되는, 방법.
17. 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 냉벽은 다수의 냉벽을 포함하고, 상기 내장된 냉각 채널들은 상기 냉각 유체를 상기 전자기기 섀시의 적어도 2개의 벽들을 통해 연속적인 방식으로 운반하도록 구성되는, 방법.
18. 제15항에 있어서, 각각의 장착 레일은 제1 단부에서 제2 단부까지의 길이를 가지며, 상기 하나 이상의 장착 레일들에 내장된 상기 내장된 냉각 채널들 중의 적어도 일부는 실질적으로 상기 하나 이상의 장착 레일들의 길이를 따라 연장되는, 방법.
19. 제15항에 있어서, 상기 전자기기 섀시는 상기 적층 제조 프로세스에서 격자, 웨브, 또는 메쉬로서 형성되는 적어도 하나의 부분을 포함하는, 방법.
20. 제15항에 있어서, 각각의 냉각 채널은 상기 냉각 채널의 내부 공간을 정의하는 복수의 벽들을 포함하고, 복수의 열 전달 구조체들은 상기 벽들 중의 적어도 하나로부터 상기 냉각 채널의 상기 내부 공간으로 돌출하는, 방법.
21. 제20항에 있어서, 상기 복수의 열 전달 구조체들은 핀 형상의 휜, 피그테일 형상의 휜, 또는 눈물방울 형상의 휜 중의 적어도 하나를 포함하는, 방법.

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