KR102183239B1 - Tgp 유닛, tgp 유닛 일체형 히트싱크 및 tgp 유닛의 제조방법 - Google Patents

Tgp 유닛, tgp 유닛 일체형 히트싱크 및 tgp 유닛의 제조방법 Download PDF

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이정호
김진섭
신동환
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명의 일실시예는 열전달 효율이 향상된 TGP 유닛, TGP 유닛 일체형 히트싱크 및 TGP 유닛의 제조방법을 제공한다. 여기서, TGP 유닛은 챔버 그리고 비등 촉진부를 포함한다. 챔버는 내측에 작동유체를 수용한다. 비등 촉진부는 다수의 제1마이크로 구멍을 가지도록 형성되고, 챔버의 내측 일부에 구비되며, 열원으로부터 전달되는 열과 작동유체의 접촉면적이 증가되어 작동유체의 비등이 촉진되도록 한다. 챔버는 열원에 접속되는 열접속 영역, 열접속 영역을 감싸는 근접영역 및 근접영역을 감싸는 외곽영역을 가지는 제1면과, 제1면과 이격되어 제1면에 대향되는 제2면과, 제1면의 테두리 및 제2면의 테두리에 연결되는 측면을 가지고, 비등 촉진부는 챔버의 내측에서 열접속 영역에 구비되며, 비등 촉진부에서 작동유체가 비등되면서 발생되는 버블 펌핑에 의해 작동유체는 열접속 영역, 근접영역 및 외곽영역을 순환하면서 대류 및 상변화되어 열전달되도록 한다.

Description

TGP 유닛, TGP 유닛 일체형 히트싱크 및 TGP 유닛의 제조방법{TGP UNIT, TGP UNIT INTERGRETED HEAT SINK AND METHOD OF MANUFACTURING TGP UNIT}
본 발명은 TGP 유닛, TGP 유닛 일체형 히트싱크 및 TGP 유닛의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열전달 효율이 향상된 TGP 유닛, TGP 유닛 일체형 히트싱크 및 TGP 유닛의 제조방법에 관한 것이다.
전자장비, 전력 반도체, 그리고 레이저 다이오드 등은 발열량이 급속히 증가하기 때문에, 이를 냉각시키기 위한 냉각장치가 사용되고 있다.
이러한 냉각장치의 한 종류인 증기챔버(Vapor Chamber)는 자기증발, 온도차 등의 열적 불균형으로 인하여 형성되는 유체의 밀도차 및 모세관 압력에 의해 유체 유동이 이루어지는 열전달 장치를 말한다. 일반적으로, 증기챔버는 내부에 물(증류수) 또는 알콜 등의 작동유체를 넣고 진공상태로 밀봉 처리한 관으로서, 응축부와 증발부로 구분되며, 증발부 쪽으로 열이 공급되면 작동유체가 기체로 증발하여 응축부 쪽으로 이동하게 되고 그 지점에서 액체로 응축되면서 열을 방출한 후 모세관 현상에 의해 다시 증발부로 순환하며 열을 전달하게 된다.
증기챔버의 내벽에는 작동유체에 대한 모세관 압력을 촉진시킬 수 있도록 윅(Wick)이 설치되어 있다.
도 1의 종래의 증기챔버를 나타낸 단면예시도이다.
도 1의 (a)에서 보는 바와 같이, 열원(20)에서 발생하는 열(21)이 증기챔버(10)의 증발부(11)에 전달되면, 작동유체(12)가 기체(13)로 증발하여 응축부(14) 쪽으로 이동하게 된다.
윅(15)은 작동유체(12)를 응축부(14)로부터 증발부(11)로 원활히 이동시키기 위해 모세관 현상을 유발하는 수단이기 때문에, 응축부(14)에서 증발부(11)에까지 연결되도록 마련되며, 통상적으로는 증기챔버(10)의 내면에 전체적으로 마련된다.
한편, 증기챔버(10)에 채워지는 작동유체(12)는 증발부(11)의 윅(15)이 적셔지도록 채워지는데, 이때 작동유체(12)가 너무 많이 채워지게 되면 증발된 기체(13)가 수용될 공간이 적어져서 작동유체(12)의 증발 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 증발부(11)의 윅(15)에 작동유체(12)가 충분하게 적셔지도록 함과 동시에, 증발한 기체(13)가 채워질 수 있는 충분한 공간이 확보될 수 있도록, 증기챔버(10)에 채워지는 작동유체(12)의 양은 비교적 적게 관리되어야 한다. 그런데, 이는 열원의 발열량이 높아질수록 작동유체(12)가 다 증발하는(Dry Out) 문제점을 야기할 수 있다.
또한, 이러한 형태의 증기챔버(10)는 설치 방향에 따라 열전달 성능이 현저히 차이를 보이는 방향성 문제를 가지고 있다. 즉, 도 1의 (b)에서와 같이 열원(20)이 상측에 위치되어 증기챔버(10)가 뒤집힌 형태로 설치되어야 하는 경우에는 하측에 고인 작동유체(12)가 윅(15)에 의해 상측의 증발부(11)로 이동하게 되는데, 하측의 작동유체(12)가 윅(15)을 통해 증발부(11)로 공급되더라도 그 공급되는 양이 충분하지 않을 수 있다. 따라서, 증발부(11)에서 작동유체(12)의 증발 효율이 낮아질 수 있고, 심한 경우, 작동유체(12)의 증발이 일어나지 않을 수도 있는 등의 이유로 열전달 효율이 저하될 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제2005-0017632호(2005.02.22. 공개)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전달 효율이 향상된 TGP 유닛, TGP 유닛 일체형 히트싱크 및 TGP 유닛의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 내측에 작동유체를 수용하는 챔버; 그리고 다수의 제1마이크로 구멍을 가지도록 형성되고, 상기 챔버의 내측 일부에 구비되며, 열원으로부터 전달되는 열과 상기 작동유체의 접촉면적이 증가되어 상기 작동유체의 비등이 촉진되도록 하는 비등 촉진부를 포함하고, 상기 챔버는 상기 열원에 접속되는 열접속 영역, 상기 열접속 영역을 감싸는 근접영역 및 상기 근접영역을 감싸는 외곽영역을 가지는 제1면과, 상기 제1면과 이격되어 상기 제1면에 대향되는 제2면과, 상기 제1면의 테두리 및 상기 제2면의 테두리에 연결되는 측면을 가지고, 상기 비등 촉진부는 상기 챔버의 내측에서 상기 열접속 영역에 구비되며, 상기 비등 촉진부에서 상기 작동유체가 비등되면서 발생되는 버블 펌핑에 의해 상기 작동유체는 상기 열접속 영역, 상기 근접영역 및 상기 외곽영역을 순환하면서 대류 및 상변화되어 열전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 TGP 유닛을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 챔버의 내측에서 상기 근접영역에 구비되는 친수층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 챔버의 내측에서 상기 외곽영역에 구비되는 소수층를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 비등 촉진부는 상기 열접속 영역에 적층되어 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 비등 촉진부는 상기 열접속 영역의 표면과 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 챔버는 상기 제1면 및 상기 제2면 중 적어도 어느 하나에 상기 챔버의 내측으로 돌출되도록 형성되고, 상기 제1면 및 상기 제2면 중 대향되는 면을 지지하여 상기 챔버의 형상이 유지되도록 하는 보강리브를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 작동유체는 상기 제1면이 상측에 배치되어 상기 비등 촉진부가 상기 챔버 내부의 상부에 위치되더라도, 상기 비등 촉진부의 적어도 일부분이 상기 작동유체에 잠기도록 상기 챔버에 채워질 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 일면에 함몰 형성되어 작동유체를 수용하는 수용홈을 가지는 베이스부와, 상기 베이스부의 타면에 형성되는 복수의 방열핀을 가지는 방열부; 상기 수용홈을 밀폐하도록 상기 베이스부에 일체로 구비되고, 열원에 접속되는 열접속 영역, 상기 열접속 영역을 감싸는 근접영역 및 상기 근접영역을 감싸는 외곽영역을 가지는 제1면; 그리고 다수의 제1마이크로 구멍을 가지도록 형성되고, 상기 수용홈의 내측에서 상기 열접속 영역에 구비되며, 열원으로부터 전달되는 열과 상기 작동유체의 접촉면적이 증가되어 상기 작동유체의 비등이 촉진되도록 하는 비등 촉진부를 포함하며, 상기 비등 촉진부에서 상기 작동유체가 비등되면서 발생되는 버블 펌핑에 의해 상기 작동유체는 상기 열접속 영역, 상기 근접영역 및 상기 외곽영역을 순환하면서 대류 및 상변화되어 열전달되도록 하는 TGP 유닛 일체형 히트싱크를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 방열핀을 내측에 수용하도록 구비되고, 내측에서 이동하는 상변화 유체가 상기 방열핀에 의해 가열되어 증발되는 증발부와, 상기 증발부에서 증발된 상변화 유체가 응축되도록 하는 응축부를 가지는 열교환 유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 방열부는 다수의 제2마이크로 구멍을 가지도록 형성되고, 상기 방열핀의 표면에 구비되며, 상기 방열핀으로부터 전달되는 열과 상기 상변화 유체의 접촉면적이 증가되어 상기 상변화 유체와의 열전달이 촉진되도록 하는 열전달 촉진층을 가질 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 열원에 접속되는 열접속 영역, 상기 열접속 영역을 감싸는 근접영역 및 상기 근접영역을 감싸는 외곽영역을 가지는 제1면을 마련하는 제1면 마련단계; 다수의 제1마이크로 구멍을 가지는 비등 촉진부를 상기 열접속 영역에 마련하는 비등 촉진부 마련단계; 상기 제1면과 이격되어 상기 제1면에 대향되는 제2면과, 상기 제1면의 테두리 및 상기 제2면의 테두리에 연결되는 측면을 가지는 챔버를 마련하는 챔버 마련단계; 그리고 상기 비등 촉진부에서 비등되면서 발생되는 버블 펌핑에 의해 상기 열접속 영역, 상기 근접영역 및 상기 외곽영역을 순환하면서 대류 및 상변화되어 열전달되도록, 상기 챔버의 내측에 작동유체를 주입하는 주입단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TGP 유닛의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1면 마련단계 이후에, 상기 근접영역에 친수층을 마련하는 친수층 마련단계; 그리고 상기 외곽영역에 소수층을 마련하는 소수층 마련단계를 포함할 수 있다.
종래에 단순히 작동유체의 증발 및 응축을 이용하고, 윅 구조물을 이용하여 열전달을 하던 방식과는 달리, 본 발명의 실시예에 따르면, 비등 시 발생하는 기포에 의한 버블 펌핑을 이용하여 작동유체를 순환시켜 대류가 유발되도록 하고, 동시에 응축을 이용하여 열전달을 하기 때문에, 열전달이 효과적일 수 있다. 즉, 윅 구조물이 없이도 우수한 열전달이 가능하고, 고발열 열원의 열을 효과적으로 분산시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 소수층은 외곽영역에 마련되고, 친수층은 외곽영역의 내측인 근접영역에 마련되어 젖음성 차이를 가지기 때문에, 순환되는 작동유체가 챔버의 가장자리 부분에 이르렀을 때, 소수층 상의 작동유체는 친수층 방향으로 보다 효과적으로 이동될 수 있고, 이러한 흐름에 의해 작동유체는 비등 촉진부로 효과적으로 이동될 수 있다. 따라서, 작동유체의 순환이 좀 더 효과적이고 안정적으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 작동유체는 비등에 의한 기포 발생에 의해 작동유체의 순환이 안정적으로 이루어질 수 있을 정도로 충분히 채워지기 때문에, TGP 유닛의 설치 방향과 관계없이 동일한 열전달 성능이 구현될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1의 종래의 증기챔버를 나타낸 단면예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛을 나타낸 단면예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛의 제1면을 나타낸 평면예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛의 비등 촉진부를 나타낸 단면예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛에서 작동유체의 대류 현상을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 도 5의 TGP 유닛이 뒤집힌 상태에서 작동유체의 대류 현상을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛의 설치 상태별 열저항을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛의 평면예시도이다.
도 9는 도 8의 A-A’ 선 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛 일체형 히트싱크를 나타낸 예시도이다.
도 11은 도 10의 B 부분의 확대도이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛을 나타낸 단면예시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛의 제1면을 나타낸 평면예시도이다.
본 발명에 따른 TGP(Thermal Ground Plane) 유닛은 일종의 평판(Flat) 형태의 상변화 열전달 장치일 수 있다.
도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, TGP 유닛(100)은 챔버(110) 그리고 비등 촉진부(130)를 포함할 수 있다.
챔버(110)는 제1면(111), 제2면(113) 및 측면(115)을 가질 수 있으며, 내측에 작동유체(120)를 수용할 수 있다. 작동유체(120)는 예를 들면, 물일 수 있다.
제1면(111)은 열접속 영역(A1), 근접영역(A2) 및 외곽영역(A3)을 가질 수 있다.
열접속 영역(A1)은 제1면(111)의 중앙부분에 형성되는 영역일 수 있으며, 열원에 접속될 수 있다. 열접속 영역(A1)은 열원에 직접 접촉되어 열원으로부터 열을 공급받거나, 또는 열원과 이격되어 열원으로부터 열을 공급받을 수 있다.
근접영역(A2)은 열접속 영역(A1)을 감싸는 영역일 수 있으며, 열접속 영역(A1)에 상대적으로 근접한 영역일 수 있다.
외곽영역(A3)은 근접영역(A2)을 감싸는 영역일 수 있으며, 열접속 영역(A1)으로부터 상대적으로 멀게 위치되는 영역일 수 있다.
제2면(113)은 제1면(111)과 이격되고 제1면(111)에 대향될 수 있다. 측면(115)은 제1면(111)의 테두리 및 제2면(113)의 테두리에 연결될 수 있다. 제1면(111), 제2면(113) 및 측면(115)으로 형성되는 챔버(110)의 내측에는 작동유체(120)가 수용될 수 있다.
비등 촉진부(130)는 챔버(110)의 내측 일부에 구비될 수 있다. 구체적으로는 비등 촉진부(130)는 챔버(110)의 내측에서 열접속 영역(A1)에 구비될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛의 비등 촉진부를 나타낸 단면예시도이다.
도 4를 더 포함하여 보는 바와 같이, 비등 촉진부(130)는 다수의 제1마이크로 구멍(132)을 가지도록 형성될 수 있다. 제1마이크로 구멍(132)에는 작동유체(120)가 채워질 수 있으며, 이를 통해, 열원으로부터 전달되는 열(21)과 작동유체(120)의 접촉면적은 증가될 수 있다. 비등 촉진부(130)가 가열되면 비등 촉진부(130)에 접촉되는 작동유체(120)는 비등(Boiling)이 촉진될 수 있다.
도 4의 (a)에서 보는 바와 같이, 비등 촉진부(130)는 제1면(111)의 열접속 영역(A1)에 적층되어 마련될 수 있다. 일 예로, 비등 촉진부(130)는 입자(131)가 열접속 영역(A1)에 소결 되어 마련될 수 있다. 입자(131)는 열전달율이 높은 금속 소재일 수 있으며, 일 예로 구리(Cu)가 사용될 수 있다.
또는 도 4의 (b)에서 보는 바와 같이, 비등 촉진부(130)는 열접속 영역(A1)의 표면과 일체로 형성될 수 있다. 일 예로, 비등 촉진부(130)는 플라즈마 처리되어 형성될 수 있다. 플라즈마 처리에 의해 열접속 영역(A1)의 표면 거칠기가 커지도록 형성되면, 이것이 비등 촉진부(130)로 기능될 수 있다.
그리고 도 2에서 보는 바와 같이, TGP 유닛(100)은 친수층(140) 및 소수층(150)을 포함할 수 있다.
친수층(140)은 챔버(110)의 내측에서 근접영역(A2)에 구비될 수 있다. 친수층(140)은 친수성(Hydrophilic)을 가질 수 있다.
소수층(150)은 챔버(110)의 내측에서 외곽영역(A3)에 구비될 수 있다. 소수층(150)은 소수성(Hydrophobic)을 가질 수 있다. 이에 따라, 챔버(110)의 내측에서 제1면(111)은 젖음성(Wettability) 차이를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛에서 작동유체의 대류 현상을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 열원에서 제공되는 열(21)에 의해 비등 촉진부(130)가 가열되면, 비등 촉진부(130)에서 작동유체(120)는 비등될 수 있다. 비등에 의해 생성되는 기포(121)가 요동치면서 발생되는 버블 펌핑(Bubble Pumping)에 의해 챔버(110)의 내측에서는 작동유체(120)의 순환(C)이 이루어질 수 있다. 작동유체(120)의 순환(C)은 챔버(110)의 중앙 하측에서 상측으로, 이후 챔버(110)의 중앙 상측에서 방사상 외측으로, 이후 챔버(110)의 외측 상부에서 하측으로, 그리고 다시 챔버(110)의 하측 중앙으로 진행되는 사이클을 형성할 수 있다. 그리고 이러한 순환은 대류(Convection)를 유발할 수 있다.
작동유체가 순환되는 과정을 거치면서, 순환 사이클의 중반부에는 기포(121)가 상변화에 의해 응축되어 응축된 방울(Condensed Droplet)(122)로 형성될 수 있다. 그리고 순환 사이클의 후반부에는 기포(121)가 혼합된 액체 슬러그(Liquid Slug)(123) 형태로 될 수 있으며, 상변화에 의한 열전달이 발생할 수 있다.
즉, 도 1에서 설명한 바와 같이 종래에 작동유체의 증발 및 응축을 이용하여 열전달을 하던 방식에서는 윅 구조물이 필요하지만, 본 발명에 따르면, 비등 시 발생하는 기포에 의한 버블 펌핑을 이용하여 작동유체를 순환(C)시켜 대류가 유발되도록 하고, 동시에 응축을 이용하여 열전달을 하기 때문에, 열전달이 효과적일 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 윅 구조물이 없이도 우수한 열전달이 가능하고, 고발열 열원의 열을 효과적으로 분산시킬 수 있다.
더욱이, 소수층(150)은 외곽영역(A3)에 마련되고, 친수층(140)은 외곽영역(A3)의 내측인 근접영역(A2)에 마련되어 젖음성 차이를 가지기 때문에, 순환되는 작동유체가 챔버(110)의 가장자리 부분에 이르렀을 때, 소수층(150) 상의 작동유체는 친수층(140) 방향으로 보다 효과적으로 이동될 수 있고, 이러한 흐름에 의해 작동유체는 비등 촉진부(130)로 효과적으로 이동될 수 있다. 따라서, 작동유체의 순환이 좀 더 효과적이고 안정적으로 이루어질 수 있다.
작동유체(120)는 비등에 의한 기포(121) 발생에 의해 작동유체(120)의 순환이 안정적으로 이루어질 수 있을 정도로 충분히 채워짐이 바람직하다. 여기서, 충분히 채워진다는 말은 제1면(111)이 상측에 배치되어 비등 촉진부(130)가 챔버(110) 내부의 상부에 위치되더라도, 비등 촉진부(130)의 적어도 일부분이 작동유체(120)에 잠기도록 챔버(110)에 채워짐을 의미할 수 있다.
도 6은 도 5의 TGP 유닛이 뒤집힌 상태에서 작동유체의 대류 현상을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6에서 보는 바와 같이, 제1면(111)이 상측에 배치되어 비등 촉진부(130)가 상부에 위치되더라도, 비등 촉진부(130)의 적어도 일부분이 작동유체(120)에 잠기도록 되면 열원의 열(21)이 상측에서 가해지더라도 작동유체(120)의 비등에 의한 기포(121) 발생에 의해 작동유체(120)의 순환(C)이 이루어질 수 있다. 따라서, 도 5에서 설명한 대류 등의 현상이 동일하게 구현될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛의 설치 상태별 열저항을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 비등 촉진부가 상측에 위치되는 제1상태(S1)와, 비등 촉진부가 하측에 위치되는 제2상태(S2) 뿐만 아니라, TGP 유닛이 세로로 세워진 제3상태(S3)에서의 열저항(R)이 모두 거의 유사함을 알 수 있다. 이를 통해 확인 할 수 있듯이, 본 발명에 따르면, TGP 유닛(100)의 설치 방향과 관계없이 거의 동일한 열전달 성능이 구현될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛의 평면예시도이고, 도 9는 도 8의 A-A’ 선 단면도이다.
도 8 및 도 9에서 보는 바와 같이, 챔버(110)는 보강리브(117)를 가질 수 있다.
보강리브(117)는 제1면(111) 및 제2면(113) 중 적어도 어느 하나에 챔버(110)의 내측으로 돌출되도록 형성될 수 있고, 제1면(111) 및 제2면(113) 중 대향되는 면을 지지하여 챔버(110)의 형상이 유지되도록 할 수 있다.
도면에는 보강리브(117)가 제1면(111) 및 제2면(113)에 모두 형성되고, 챔버(110)의 내측에서 서로 맞대어 결합되는 예를 도시하였지만, 보강리브(117)는 제1면(111)에만 형성되어 제2면(113)에 결합되거나, 또는 제2면(113)에만 형성되어 제1면(111)에 결합되도록 형성될 수도 있음은 물론이다.
또한, 보강리브(117)는 작동유체(120)의 순환방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 보강리브(117)는 비등 촉진부(130)를 중심으로 방사상 형태로 형성될 수 있다. 이를 통해, 작동유체(120)의 순환 흐름 저항이 높아지지 않도록 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛 일체형 히트싱크를 나타낸 예시도이고, 도 11은 도 10의 B 부분의 확대도이다.
도 10 및 도 11에서 보는 바와 같이, TGP 유닛 일체형 히트싱크는 제1면(111), 비등 촉진부(130) 그리고 방열부(200)를 포함할 수 있다.
먼저, 방열부(200)는 베이스부(210) 및 방열핀(220)을 가질 수 있다.
베이스부(210)는 일면에 함몰 형성되어 작동유체(120)를 수용하는 수용홈(211)을 가질 수 있다.
제1면(111)은 수용홈(211)을 밀폐하도록 베이스부(210)에 일체로 구비될 수 있다. 수용홈(211) 및 제1면(111)에 의해 형성되는 공간은 전술한 챔버에 대응될 수 있다. 그리고 수용홈(211)의 측면(115a)은 전술한 챔버의 측면에 대응될 수 있고, 수용홈(211)의 바닥면(113a)은 전술한 챔버의 제2면에 대응될 수 있다.
즉, 본 실시예에서는 전술한 챔버가 베이스부(210)에 일체로 묻히는 형태를 이룰 수 있다. 본 실시예에서도 제1면(111)에는 친수층(140) 및 소수층(150)이 마련될 수 있으며, 비등 촉진부(130) 및 작동유체(120)는 앞에서 설명한 내용이 모두 동일하게 적용될 수 있다.
방열핀(220)은 베이스부(210)의 타면에 복수로 형성될 수 있다.
TGP 유닛 일체형 히트싱크는 열교환 유닛(300)을 더 포함할 수 있다. 그리고, 열교환 유닛(300)은 증발부(310) 및 응축부(320)를 가질 수 있다.
증발부(310)는 방열핀(220)을 내측에 수용하도록 구비될 수 있다. 그리고, 증발부(310)의 내측에는 상변화 유체(311)가 이동할 수 있다.
상변화 유체(Phase Change Fluid)(311)는 방열핀(220)의 열을 흡수하여 액체에서 기체로 상변화할 수 있다. 상변화 유체(311)는 상태 변화가 일어나는 포화점의 온도가 낮고, 비체적이 작은 물질 즉, 동일한 질량에 많은 열을 흡수할 수 있는 물질이 유리하다. 상변화 유체(311)는 방열핀(220)에서 발생하는 열의 온도범위에서 증발할 수 있는 유체 중에 적절하게 선택될 수 있을 것이다. 방열핀(220)은 TGP 유닛(100)으로부터 전달된 열에 의해 가열되기 때문에, TGP 유닛(100)에서보다는 낮은 온도로 가열될 수 있다. 따라서, 상변화 유체(311)는 작동유체(120)보다는 낮은 끓는점을 가질 수 있다.
방열부(200)는 열전달 촉진층(230)을 가질 수 있다. 열전달 촉진층(230)은 다수의 제2마이크로 구멍(231)을 가지도록 형성되고, 방열핀(220)의 표면에 구비될 수 있다. 열전달 촉진층(230)은 방열핀(220)으로부터 전달되는 열과 상변화 유체(311)의 접촉면적이 증가되어 상변화 유체(311)와의 열전달이 촉진되도록 할 수 있다.
열교환 유닛(300)은 압축부(330) 및 팽창부(340)를 가질 수 있으며, 증발부(310)에서 증발된 기체 상태의 상변화 유체는 압축부(330)에서 압축된 후 응축부(320)로 이동할 수 있다. 응축부(320)는 증발부(310)에서 증발된 상변화 유체가 응축되도록 할 수 있다. 응축된 상변화 유체는 팽창부(340)를 거쳐 다시 증발부(310)로 이동될 수 있다.
이하에서는 TGP 유닛의 제조방법에 대해서 설명한다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 TGP 유닛의 제조방법을 나타낸 흐름도이다. 도 12에서 보는 바와 같이, TGP 유닛의 제조방법은 제1면 마련단계(S410), 비등 촉진부 마련단계(S420), 챔버 마련단계(S450) 그리고 주입단계(S460)를 포함할 수 있다.
제1면 마련단계(S410)는 열원에 접촉되는 열접속 영역, 열접속 영역을 감싸는 근접영역 및 근접영역을 감싸는 외곽영역을 가지는 제1면을 마련하는 단계일 수 있다. 제1면 마련단계(S410)에서 열접속 영역, 근접영역 및 외곽영역은 구현하고자 하는 열교환 성능, 작동유체의 수용량, 열원의 온도 등을 고려하여 설계될 수 있다.
비등 촉진부 마련단계(S420)는 다수의 제1마이크로 구멍을 가지는 비등 촉진부를 열접속 영역에 마련하는 단계일 수 있다. 비등 촉진부는 열전도성이 높은 금속 소재의 입자가 소결 등의 방법으로 열접속 영역에 적층되어 마련되거나, 또는 플라즈마 처리 등의 방법으로 열접속 영역의 표면 거칠기를 크게 가공 함으로써 형성될 수 있다.
그리고, TGP 유닛의 제조방법은 친수층 마련단계(S430) 및 소수층 마련단계(S440)를 포함할 수 있다.
친수층 마련단계(S430)는 근접영역에 친수층을 마련하는 단계일 수 있고, 소수층 마련단계(S440)는 외곽영역에 소수층을 마련하는 단계일 수 있다. 비등 촉진부, 친수층 및 소수층을 마련하는 순서는 특정하게 한정되지는 않는다. 비등 촉진부, 친수층 및 소수층은 챔버 마련단계(S450) 이전에 진행된다.
챔버 마련단계(S450)는 제1면과 이격되어 제1면에 대향되는 제2면과, 제1면의 테두리 및 제2면의 테두리에 연결되는 측면을 가지는 챔버를 마련하는 단계일 수 있다. 챔버가 마련되었을 때, 비등 촉진부, 친수층 및 소수층은 챔버의 내측에 위치될 수 있다.
주입단계(S460)는 비등 촉진부에서 비등되면서 발생되는 버블 펌핑에 의해 대류되면서 열교환되도록, 챔버의 내측에 작동유체를 주입하는 단계일 수 있다. 작동유체의 주입이 완료된 후에는, 작동유체의 주입 용도인 주입구는 밀봉될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: TGP 유닛 110: 챔버
111: 제1면 117: 보강리브
120: 작동유체 130: 비등 촉진부
140: 친수층 150: 소수층
200: 방열부 210: 베이스부
211: 수용홈 220: 방열핀
230: 열전달 촉진층 300: 열교환 유닛
310: 증발부 311: 상변화 유체
320: 응축부

Claims (12)

  1. 열원에 접속되는 열접속 영역, 상기 열접속 영역을 감싸는 근접영역 및 상기 근접영역을 감싸는 외곽영역을 가지는 제1면과, 상기 제1면과 이격되어 상기 제1면에 대향되는 제2면과, 상기 제1면의 테두리 및 상기 제2면의 테두리에 연결되는 측면을 가지고, 내측에 작동유체를 수용하는 챔버;
    다수의 제1마이크로 구멍을 가지도록 형성되고, 상기 챔버의 내측에서 상기 열접속 영역에 구비되며, 상기 열원으로부터 전달되는 열과 상기 작동유체의 접촉면적이 증가되어 상기 작동유체의 비등이 촉진되도록 하는 비등 촉진부;
    상기 챔버의 내측에서 상기 근접영역에 구비되는 친수층; 그리고
    상기 챔버의 내측에서 상기 외곽영역에 구비되는 소수층을 포함하고,
    상기 챔버의 내측에서 상기 제1면은 상기 친수층 및 상기 소수층에 의해 젖음성 차이를 가지도록 형성되어, 상기 비등 촉진부에서 상기 작동유체가 비등되면서 발생되는 버블 펌핑에 의해 상기 작동유체는 상기 챔버의 중앙 하측에서 중앙 상측으로 이동 후, 상기 챔버의 중앙 상측에서 상기 챔버의 방사상 외측 상부로 이동하며, 이후 상기 챔버의 외측 상부에서 외측 하부로 이동되어 상기 챔버의 가장자리 부분에 이르고, 상기 소수층에서 상기 친수층 방향으로 이동되어 상기 비등 촉진부로 순환하면서 대류 및 상변화를 통하여 열전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 TGP 유닛.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비등 촉진부는 상기 열접속 영역에 적층되어 마련되는 것을 특징으로 하는 TGP 유닛.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비등 촉진부는 상기 열접속 영역의 표면과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 TGP 유닛.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는
    상기 제1면 및 상기 제2면 중 적어도 어느 하나에 상기 챔버의 내측으로 돌출되도록 형성되고, 상기 제1면 및 상기 제2면 중 대향되는 면을 지지하여 상기 챔버의 형상이 유지되도록 하는 보강리브를 가지는 것을 특징으로 하는 TGP 유닛.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체는
    상기 제1면이 상측에 배치되어 상기 비등 촉진부가 상기 챔버 내부의 상부에 위치되더라도, 상기 비등 촉진부의 적어도 일부분이 상기 작동유체에 잠기도록 상기 챔버에 채워지는 것을 특징으로 하는 TGP 유닛.
  8. 일면에 함몰 형성되어 작동유체를 수용하는 수용홈을 가지는 베이스부와, 상기 베이스부의 타면에 형성되는 복수의 방열핀을 가지는 방열부;
    상기 수용홈을 밀폐하도록 상기 베이스부에 일체로 구비되고, 열원에 접속되는 열접속 영역, 상기 열접속 영역을 감싸는 근접영역 및 상기 근접영역을 감싸는 외곽영역을 가지는 제1면;
    다수의 제1마이크로 구멍을 가지도록 형성되고, 상기 수용홈의 내측에서 상기 열접속 영역에 구비되며, 상기 열원으로부터 전달되는 열과 상기 작동유체의 접촉면적이 증가되어 상기 작동유체의 비등이 촉진되도록 하는 비등 촉진부;
    상기 수용홈과 상기 제1면은 챔버를 형성하고,
    상기 챔버의 내측에서 상기 근접영역에 구비되는 친수층; 그리고
    상기 챔버의 내측에서 상기 외곽영역에 구비되는 소수층을 포함하며,
    상기 챔버의 내측에서 상기 제1면은 상기 친수층 및 상기 소수층에 의해 젖음성 차이를 가지도록 형성되어, 상기 비등 촉진부에서 상기 작동유체가 비등되면서 발생되는 버블 펌핑에 의해 상기 작동유체는 상기 챔버의 중앙 하측에서 중앙 상측으로 이동 후, 상기 챔버의 중앙 상측에서 상기 챔버의 방사상 외측 상부로 이동하며, 이후 상기 챔버의 외측 상부에서 외측 하부로 이동되어 상기 챔버의 가장자리 부분에 이르고, 상기 소수층에서 상기 친수층 방향으로 이동되어 상기 비등 촉진부로 순환하면서 대류 및 상변화를 통하여 열전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 TGP 유닛 일체형 히트싱크.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 방열핀을 내측에 수용하도록 구비되고, 내측에서 이동하는 상변화 유체가 상기 방열핀에 의해 가열되어 증발되는 증발부와,
    상기 증발부에서 증발된 상변화 유체가 응축되도록 하는 응축부를 가지는 열교환 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 TGP 유닛 일체형 히트싱크.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 방열부는
    다수의 제2마이크로 구멍을 가지도록 형성되고, 상기 방열핀의 표면에 구비되며, 상기 방열핀으로부터 전달되는 열과 상기 상변화 유체의 접촉면적이 증가되어 상기 상변화 유체와의 열전달이 촉진되도록 하는 열전달 촉진층을 가지는 것을 특징으로 하는 TGP 유닛 일체형 히트싱크.
  11. 열원에 접속되는 열접속 영역, 상기 열접속 영역을 감싸는 근접영역 및 상기 근접영역을 감싸는 외곽영역을 가지는 제1면을 마련하는 제1면 마련단계;
    상기 근접영역에 친수층을 마련하는 친수층 마련단계;
    상기 외곽영역에 소수층을 마련하여 상기 제1면이 상기 친수층 및 상기 소수층에 의해 젖음성 차이를 가지도록 하는 소수층 마련단계;
    다수의 제1마이크로 구멍을 가지는 비등 촉진부를 상기 열접속 영역에 마련하는 비등 촉진부 마련단계;
    상기 제1면과 이격되어 상기 제1면에 대향되는 제2면과, 상기 제1면의 테두리 및 상기 제2면의 테두리에 연결되는 측면을 가지는 챔버를 마련하는 챔버 마련단계; 그리고
    상기 비등 촉진부에서 비등되면서 발생되는 버블 펌핑에 의해 작동유체가 상기 챔버의 중앙 하측에서 중앙 상측으로 이동 후, 상기 챔버의 중앙 상측에서 상기 챔버의 방사상 외측 상부로 이동하며, 이후 상기 챔버의 외측 상부에서 외측 하부로 이동되어 상기 챔버의 가장자리 부분에 이르고, 상기 소수층에서 상기 친수층 방향으로 이동되어 상기 비등 촉진부로 순환하면서 대류 및 상변화를 통하여 열전달되도록 상기 챔버의 내측에 작동유체를 주입하는 주입단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 TGP 유닛의 제조방법.
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