KR102187472B1 - 열전소자 방식의 방열핀 조립체를 이용한 산업용 컴퓨터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중앙 처리 장치(CPU)가 배치되는 메인보드를 포함하는 기판부; 상기 중앙 처리 장치에서 발생하는 열을 발산시키는 방열부; 및 상기 기판부 및 상기 방열부를 수납하는 케이스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 컴퓨터를 제공한다.

Description

열전소자 방식의 방열핀 조립체를 이용한 산업용 컴퓨터{INDUSTRIAL COMPUTER USING THERMOELECTRIC COOLER ASSEMBLY}

본 발명은 산업용 컴퓨터에관한 것으로서, 보다 상세하게는 케이스를 외부로부터 밀폐하되 열전소자 방식의 방열핀 조립체를 설치하여 먼지에 의한 방열 성능의 저하를 방지하는 산업용 컴퓨터에 관한 것이다.

일반적인 산업용 컴퓨터는 중앙처리장치(CPU), 그래픽카드 및 파워서플라이 등의 발열부품을 냉각하기 위한 냉각장치를 포함한다. 특히, 산업용 컴퓨터는 산업현장의 자동화 기기들을 제어 및 감시해야 하기 때문에 24시간365일 동안 높은 가용성이 요구된다. 통상적인 산업용 컴퓨터의 냉각 방식으로는 다수의 냉각팬을 이용한 강제냉각 방식과 열전달장치를 이용한 자연 냉각 방식으로 나누어 볼 수 있다.

상술한 종래 냉각팬을 이용한 강제 냉각 구조에서는 주로 강제 대류 방식으로 발열부품을 냉각하며, 케이스에 외부로 관통하는 다량의 공기 입출구를 형성해야 하기 때문에 먼지가 많은 산업 현장에 사용 시 케이스 내부로 먼지가 다량으로 유입되는 문제점이 있다. 냉각팬의 회전에 의한 공기 유입으로 내부에 먼지가 쌓이게 되면 산업용 컴퓨터의 성능이 저하될 수 있으며, 먼지로 인한 냉각팬 고장으로 산업용 컴퓨터의 방열 시스템에 문제가 생길 수 있다.

한편, 종래 히트파이프를 이용한 자연 냉각 방식의 방열 구조는 히트파이프의 일단을 발열부품에 연결하고 타단을 케이스 외부에 별도로 설치된 방열핀 조립체에 연결하는 구조로 냉각팬을 이용한 냉각 방식의 문제점을 해결하고 있다. 그러나 종래의 자연 냉각 방식의 방열 구조는 통상적으로 하나의 일체형 방열핀 조립체를 사용하기 때문에, 방열핀 조립체에 형성된 방열핀의 두께, 방열핀의 면적, 방열핀 사이의 간격, 방열핀의 개수 등의 설계변형만이 가능하기 때문에 냉각 성능을 향상시키는데 한계가 있었다. 즉, 열원의 발열량에 따라 방열핀 조립체의 열 함축용량만큼 모든 열을 축척 후 열을 방출시키는 냉각 구조를 가지기 때문에 외부로 노출된 방열핀이 효율적인 열 방출을 하지 못하므로 보다 많은 방열 면적이 요구되는 문제점이 있다. 또한, 종래의 방열 구조는 방열핀 조립체에다수의 히트파이프가 연결된 경우 히트파이프와 열적으로 접촉된 부분 마다 방열핀의 온도분포가서로 상이하여 전체적으로 방열이 효율적으로 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.

또한, 상술한 방열구조에 따르면 랙 마운트 타입, 박스 타입 및 데스크탑 타입 등 산업용 컴퓨터의 종류에 따라 다양한 방열핀을 사용해야 하므로 구조적으로 활용이 제한적이기 때문에 방열핀의 설계를 위한 비용 부담의 문제점이 있으며, 주로 방열핀이 외부로 노출된 상태로 설치되기 때문에 사용자의 손이 방열핀의 고온에 닿을 경우 다칠 수 있는 문제점이 있다.

특허문헌 1 : 대한민국 등록특허 제10-1057137호 공고일자 2011년08월16일 특허문헌 2 : 대한민국 등록특허 제10-0934124호 공고일자 2009년12월29일

본 발명은 열전 소자 방식의 방열핀 조립체를 이용하여 먼지 및 충격에 의한 방열 성능의 저하를 방지하는 산업용 컴퓨터의 제공을 목적으로 한다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 하나의 특징에 따른 산업용 컴퓨터는, 중앙 처리 장치(CPU)가 배치되는 메인보드를 포함하는 기판부; 상기 중앙 처리 장치에서 발생하는 열을 발산시키는 방열부; 및 상기 기판부 및 상기 방열부를 수납하는 케이스부를 포함한다.

이때, 상기 방열부는, 상기 중앙 처리 장치에 밀착하도록 배치되는 제1 방열 모듈; 상기 제1 방열 모듈과 공기 순환 방식으로 열 전달이 되도록 연결되어 상기 중앙 처리 장치에서 발생된 열을 대기 중으로 방출하는 제2 방열 모듈; 상기 제1 방열 모듈과 상기 제2 방열 모듈을 연결하는 공기 순환 배관; 및 상기 제1 방열 모듈에서 상기 제2 방열 모듈로 공기가 순환되도록 공기의 흐름을 발생시키는 순환 팬을 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1 방열 모듈은, 금속 재질로 형성되는 CPU 방열핀; 및 상기 CPU 방열핀으로 유입되는 공기의 유출을 방지하는 제1 밀폐 커버를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 방열 모듈은, 전력 인가에 의해 양 면의 온도 차이를 발생시키는 열전 소자; 상기 열전 소자의 냉각면에 배치되는 냉기 인가 방열핀; 및 상기 냉기 인가 방열핀으로 유입되는 공기의 유출을 방지하는 제2 밀폐 커버를 포함할 수 있다.

한편, 상기 제2 방열 모듈은, 상기 열전 소자의 발열면에 배치되는 열기 발산판; 상기 열기 발산판에 수용되는 액체; 및 상기 열기 발산판으로 부터 기화된 상기 액체의 증기의 유출을 방지하도록 상기 열기 발산판을 밀폐하는 제3 밀폐 커버를 더 포함할 수 있다.

아울러, 상기 제2 방열 모듈은, 상기 제3 밀폐 커버의 내측면에 응결된 액체가 상기 열기 발산판으로 회수되도록 중력 방향을 기준으로하여 상기 제3 밀폐 커버가 상기 열기 발산판 상측에 위치하도록 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 산업용 컴퓨터에 의하면,

첫째, 밀폐 공기 순환 방식에 의해 중앙 처리 장치의 열을 방출시키므로 먼지가 많은 환경에서도 방열판이 먼지로 덮히는 것을 방지하여, 효과적인 방열이 가능하다.

둘째, 열 방출이 공기 순환 방식에 의한 것이므로 충격등에 의해 공기 순환 배관에서 미량의 누기가 발생하더라도 일정 수준의 방열을 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 산업용 컴퓨터의 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 방열부의 모식도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 방열부의 모식도이다.
도 4는 제1 방열모듈의 모식적인 횡 단면도이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성 요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 1은 본 발명에 따른 산업용 컴퓨터의 블록도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 방열부의 모식도이고, 도 3은 다른 실시예에 따른 방열부의 모식도이고, 도 4는 제1 방열모듈의 모식적인 횡 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면 본 발명에 따른 산업용 컴퓨터(COM)는 기판부(B), 방열부(1000) 및 케이스부(H)를 포함한다.

기판부(B)는 중앙 처리 장치(이하, CPU)가 배치되는 메인보드를 포함한다. 기판부(B)는 산업용 컴퓨터(COM)의 사용 목적에 따라 여러 종류의 애드온 방식의 기판을 더 포함할 수 있다.

방열부(1000)는 CPU에서 발생하는 열을 발산시킨다. 본 발명에서 방열부(1000)는 중앙 처리 장치(CPU)에서 발생하는 열을 발산시키는 목적으로 구비되는 것이나, 애드온 방식의 기판 가운데 중앙 처리 장치(CPU)에 준하는 발열부품-예를 들어 그레픽 프로세싱 유닛(GPU)-이 장착되는 경우 GPU에도 방열부(1000)가 배치될 수 있다.

케이스부(H)는 기판부(B) 및 방열부(1000)을 수납한다. 통상적인 컴퓨터는 전원부를 내장한 형태로 실시되며, 특별한 경우가 해당하지 않는다면 케이스부(H)는 전원부를 수납하는 형태로 실시될 수 있다.

도 2를 참조하여, 일 실시형태에 따른 방열부(1000)에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 도 2의 방열부(1000)는 기본 형태의 것으로서, 제1 방열 모듈(100), 제2 방열 모듈(200), 한 쌍의 공기 순환 배관(300c, 300h) 및 순환 팬(400)을 포함한다.

제1 방열 모듈(100)은 CPU에 밀착하도록 배치되어 CPU에서 발생하는 열을 흡수 및 방출한다. 일 실시 형태에 따르면, 제1 방열 모듈(100)은 CPU 방열핀(110) 및 제1 밀폐 커버(120)를 포함한다.

CPU 방열핀(110)은 금속재질로 형성되되 표면적을 넓히기 위해 핀 형태를 가진다. CPU 방열핀(110)은 CPU의 상면과 접촉하며, 표면적이 증가된 핀 형태의 부분에서 공기와 접하여 CPU에서 발생된 열을 공기로 방출시키는 역할을 한다.

CPU 방열핀(110)은 통상적인 개인용 컴퓨터에 사용되는 방열핀과 동일한 역할을 한다. 실사자에 따라서는 개인용 컴퓨터를 위한 상용 공냉쿨러에 적용된 방열핀을 적절히 사용하여 CPU 방열핀(110)으로 구현할 수도 있다.

제1 밀폐 커버(120)는 CPU 방열핀(110)으로 유입되는 공기의 유출을 방지한다. 제1 밀폐 커버(120)는 CPU 방열핀(110)을 둘러싸는 형태실시되며, 공기 유입을 위한 유입구(121) 및 공기 방출을 위한 방출구(122)를 구비한다.

통상적으로 CPU 방열핀(110)이 육면체 형태를 가지므로, 제1 밀폐 커버(120)또한 CPU 방열핀(110)을 둘러싸도록 육면체 형태를 가지도록 실시될 수 있다.

유입구(121)로 유입된 공기는 CPU 방열핀(110)을 통과하여 유출구(122)로 방출된다. 도 4는 CPU 방열핀(110)의 배치 형태의 일 예로서, (a)에 도시된 바와 같이, 공기 흐름이 방열핀을 지그재그로 지나가는 형태로 배치될 수도 있고, (b)에 도시된 바와 같이 공기 흐름 방향과 평행하도록 CPU 방열핀(110)이 배치될 수도 있다.

제2 방열 모듈(200)은 제1 방열 모듈(100)과 공기 순환 방식으로 열 전달이 되도록 연결되어 CPU에서 발생된 열을 대기중으로(즉, 케이스의 외부)로 방출시킨다.

제2 방열 모듈(200)과 제1 방열 모듈(100)과의 연결은 한 쌍의 공기 순환 배관(300c, 300h) 및 순환 팬(400)에 의해 이루어진다.

먼저, 제2 방열 모듈(200)에 대해 구체적으로 설명하면 제2 방열 모듈(200)은 열전 소자(210), 냉기 인가 방열핀(220), 제2 밀폐 커버(230) 및 열기 발산판(240)를 포함한다.

열전 소자(210)는 판 형태의 소자로서 전력 인가에 의해 양 면의 온도 차이를 발생시킨다. 본 발명에서 열전 소자(210)는 전력 인가에 따라 하측면이 냉각되고, 상측면이 가열되는 형태로 배치된다.

열 전달 효율의 감소를 감안하여, 열전 소자(210)는 CPU의 TDP(thermal design power)의 2 ~ 5배 용량의 것에서 선택하는 것이 바람직하다.

냉기 인가 방열핀(220)은 열전 소자(210)의 냉각면(즉, 하측면)에 배치된다.

냉기 인가 방열핀(220)은 CPU 방열핀(110)과 동일한 형태의 것을 사용할 수 있다. 다만, 열 전달 효율의 감소를 감안하여 냉기 인가 방열핀(220)의 열 전달 용량(즉, 표면적)은 CPU 방열핀(110)의 2 ~ 5배 용량의 것에서 선택하는 것이 바람직하다.

제2 밀폐 커버(230)는 냉기 인가 방열핀(220)으로 유입되는 공기의 유출을 방지한다. 제2 밀폐 커버(230)는 제1 밀폐 커버(120)와 동일한 역할을 한다.

열기 발산판(240)은 열전소자(210)의 발열면(즉, 상면)에 배치된다. 공기 순환을 통해 CPU에서 방출된 열이 열기 발산판(240)을 통해 대기중으로 방출되게 된다. 열기 발산판(240)에서의 열 방출을 돕기위해 냉각팬(미도시)이 구비되어 열기 발산판(240)으로 상온의 공기를 공급할 수 있다.

한 쌍의 공기 순환 배관(300c, 300h)는 제2 방열 모듈(200)과 제1 방열 모듈(100)이 공기 순환 방식으로 열교환을 할 수 있도록 통로를 제공한다.

순환팬(400)은 제1 방열 모듈(100)에서 제2 방열 모듈(200)로 공기가 순환되도록 공기의 흐름을 발생시킨다. 도시된 바에 따르면 순환팬(400)은 공기 순환 배관(300h)상에 배치된 것으로 되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐으로서, 실시자에 따라서 순환팬(400)의 배치 위치는 실시자에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어 순환팬(400)은 제1 방열 모듈(100)의 공기 유입구 또는 공기 방출구에 배치될 수 있고, 또는 제2 방열 모듈(100)의 공기 유입구 또는 공기 방출구에 배치될 수도 있다.

도 2로 돌아와서, 방열부(1000)에 의한 전반적인 열 방출과정에 대해 설명하기로 한다.

산업용 컴퓨터(COM)이 가동되면 CPU가 발열하게 된다. 안정적인 동작을 위해서는 CPU의 온도를 일정온도 이하로 유지시켜야 한다. CPU가 설정된 온도 이상으로 가열되면 제어기(280)에 의해 순환팬(400) 및 열전 소자(210)에 전력이 인가된다.

전력 인가에 따라 열전 소자(210)의 하측면이 냉각되어, 냉기 인가 방열핀(220)을 통과하는 공기가 냉각된다. 냉각된 공기는 도시 기준 좌측에 배치된 공기 순환 배관(300c)을 통해 순환되어 제1 방열 모듈(100)로 유입된다. 냉각된 공기는 CPU 방열핀(110)을 통과하면서 CPU의 발열을 흡수한다. 이후, 우측에 배치된 공기 순환 배관(300h)을 통해 순환되어 냉기 인가 방열핀(220)을 통과하면서 냉각된다. 이러한 과정을 통해 CPU에서 발생하는 열은 열기 발산판(240)을 통해 대기중으로 방출되게 된다.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

COM : 산업용 컴퓨터 B: 기판부
H : 케이스부 CPU : 중앙 처리 장치
1000, 1000' : 방열부
100 : 제1 방열 모듈 200 : 제2 방열 모듈
300 : 순환 배관 400 : 순환 팬

Claims (6)

1. 중앙 처리 장치(CPU)가 배치되는 메인보드를 포함하는 기판부;
   상기 중앙 처리 장치에서 발생하는 열을 발산시키는 방열부; 및
   상기 기판부 및 상기 방열부를 수납하는 케이스부를 포함하되,
   상기 방열부는,
   상기 중앙 처리 장치에 밀착하도록 배치되는 제1 방열 모듈;
   상기 제1 방열 모듈과 공기 순환 방식으로 열 전달이 되도록 연결되어 상기 중앙 처리 장치에서 발생된 열을 대기 중으로 방출하는 제2 방열 모듈;
   상기 제1 방열 모듈과 상기 제2 방열 모듈을 연결하는 공기 순환 배관; 및
   상기 제1 방열 모듈에서 상기 제2 방열 모듈로 공기가 순환되도록 공기의 흐름을 발생시키는 순환 팬을 포함하고,
   상기 제1 방열 모듈은,
   금속 재질로 형성되는 CPU 방열핀; 및
   상기 CPU 방열핀으로 유입되는 공기의 유출을 방지하는 제1 밀폐 커버를 포함하고,
   상기 제2 방열 모듈은,
   전력 인가에 의해 양 면의 온도 차이를 발생시키는 열전 소자;
   상기 열전 소자의 냉각면에 배치되는 냉기 인가 방열핀; 및
   상기 냉기 인가 방열핀으로 유입되는 공기의 유출을 방지하는 제2 밀폐 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 컴퓨터.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 방열 모듈은,
   상기 열전 소자의 발열면에 배치되는 열기 발산판;
   상기 열기 발산판에 수용되는 액체; 및
   상기 열기 발산판으로 부터 기화된 상기 액체의 증기의 유출을 방지하도록 상기 열기 발산판을 밀폐하는 제3 밀폐 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 컴퓨터.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제2 방열 모듈은,
   상기 제3 밀폐 커버의 내측면에 응결된 액체가 상기 열기 발산판으로 회수되도록 중력 방향을 기준으로하여 상기 제3 밀폐 커버가 상기 열기 발산판 상측에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 산업용 컴퓨터.
   
   

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