KR102334405B1 - 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크 - Google Patents

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정지환
안사리 대니쉬
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크는 백그라운드부와 백그라운드부보다 상대적으로 온도가 높은 핫스팟부를 포함하는 발열체를 방열하는 것으로서, 일면이 상기 발열체에 접촉하는 베이스플레이트 및 베이스플레이트의 타면에 일정 간격으로 돌출 형성되는 복수 개의 핀휜부를 포함하고, 베이스플레이트와 핀휜부 중에서 핫스팟부와 대응되는 위치에 배치되는 제1그룹은 백그라운드부와 대응되는 위치에 배치되는 제2그룹보다 상대적으로 높은 열전도도를 갖는 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크{COMPOSITE PINFIN HEAT SINK WITH IMPROVED HEAT DISSIPATING PERFORMANCE}
본 발명은 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발열시 온도구배를 갖는 발열체의 온도구배를 효과적으로 감소시키면서 발열체를 방열할 수 있는 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크에 관한 것이다.
중앙처리장치(Central Processing Unit, CPU)는 2300개의 트랜지스터를 포함하여 1971년 인텔사에의해 개발되었고, 거듭 발전하여 최근에는 중앙처리장치에 포함되는 트랜지스터의 수가 54억개까지 증가하였다.
중앙처리장치에 포함되는 트랜지스터의 수가 증가함에 따라 중앙처리장치의 성능은 고도화되었지만, 중앙처리장치의 발열도 함께 증가하였고, 이는 중앙처리장치에 과도한 데미지를 주어 고장 및 파손을 일으키는 문제가 있었다.
한편, 중앙처리장치는 가동시 연산을 주로 수행하여 많은 양의 열을 발생하는 핫스팟 영역(이를테면, 코어 영역)과 핫스팟 영역을 제외한 나머지 영역 사이에 온도 구배가 발생하고, 이러한 온도구배는 전술한 중앙처리장치의 열에 의한 고장 및 파손 문제를 가중시키는 문제가 있었다.
일반적으로 중앙처리장치에는 발열 문제를 해소하기 위한 장치가 구비되고, 그 중에서 냉각팬과 히트싱크를 포함하는 쿨러가 주로 이용된다. 히트싱크는 열전도율이 높은 소재로 이루어져 중앙처리장치에서 발생하는 열을 흡수하여 외부로 방출하는 장치이다.
종래의 히트싱크는 중앙처리장치의 발열 문제는 어느정도 해결할 수 있었지만, 히트싱크 전체에 걸쳐 열설계전력(Thermal Design Power, TDP)이 균일하게 분포하여 중앙처리장치의 전체영역을 균일하게 냉각함에 따라 전술한 온도구배 문제를 해결할 수 없었다. 이에 중앙처리장치와 같은 온도구배를 갖는 발열체를 효과적으로 방열하면서도 온도구배를 효과적으로 감소시킬 수 있는 히트싱크의 개발이 절실하다.
대한민국 공개특허공보 특2002-0069806호, 2002.09.05.자 공개
본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 중앙처리장치와 같이 온도구배를 갖는 발열체의 온도구배를 제거하면서 냉각할 수 있는 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일면에 따른 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크는 백그라운드부와 백그라운드부보다 상대적으로 온도가 높은 핫스팟부를 포함하는 발열체를 방열하는 것으로서, 일면이 상기 발열체에 접촉하는 베이스플레이트 및 베이스플레이트의 타면에 일정 간격으로 돌출 형성되는 복수 개의 핀휜부를 포함하고, 베이스플레이트와 핀휜부 중에서 핫스팟부와 대응되는 위치에 배치되는 제1그룹은 백그라운드부와 대응되는 위치에 배치되는 제2그룹보다 상대적으로 높은 열전도도를 갖는 소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 의한 본 발명의 실시예에 따른 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크는 핫스팟 영역에 대응되는 부분은 열전도율이 높은 물질로 이루어지도록 하고, 백그라운드부에 대응되는 부분을 비교적 열전도율이 낮은 물질로 이루어지도록 함으로써, 온도구배를 갖는 발열체의 온도구배를 최소화하면서 발열체를 냉각할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크 제1그룹의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크 핀휜부의 상부 단면도이다.
도 4a 내지 4c는 냉매의 레이놀즈 수 변화에 따른 실시예와 비교예의 방열 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 5c는 발열체 핫스팟부의 히트플럭스 변화에 따른 실시예와 비교예의 방열 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 발열체 핫스팟부의 히트플럭스 변화에 따른 실시예와 비교예에 의한 발열체의 냉각 거동을 나타낸 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크(10)는 백그라운드부와 백그라운드부보다 상대적으로 온도가 높은 핫스팟부를 포함하는 발열체를 방열하기 위한 것일 수 있고, 여기서 발열체는 중앙처리장치(Central Processing Unit, CPU)인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 발열체의 핫스팟부는 중앙처리장치의 코어와 같이 하나의 발열체 내에서 히트플럭스가 나머지 부분보다 높은 부분을 의미하고, 백그라운드부는 핫스팟부를 제외한 나머지 부분을 의미한다.
중앙처리장치의 코어 영역에 대응되는 핫스팟부와 핫스팟부를 제외한 나머지 영역과 대응되는 백그라운부를 포함하는 중앙처리장치에서 핫스팟부는 백그라운드부의 히트플럭스보다 최대 8배까지 높을 수 있고, 이러한 히트플럭스의 차이에 의해 발열체에는 온도 구배가 형성된다.
중앙처리장치는 원활한 가동을 위해 특정 온도 이하로 냉각되어야 하는 것도 중요하지만, 온도가 균일하게 유지되는 것도 중요하다.
본 발명자들은 중앙처리장치와 같은 온도구배를 갖는 발열체를 효과적으로 방열하면서도 온도구배를 감소시킬 수 있도록 부단한 연구와 실험을 통하여 본 발명을 완성하였다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크(10)를 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크(10)는 베이스플레이트(11) 및 핀휜부(12)를 포함한다.
베이스플레이트(11)는 소정 두께를 갖는 판 형상일 수 있고, 일면이 발열체와 접촉하여 발열체로부터 열을 전달받는 것일 수 있다.
핀휜부(12)는 발열체에서 발생하는 열을 효과적으로 제거하기 위하여 베이스플레이트(11)의 타면에 일정 간격을 갖고 복수 개가 수직으로 돌출 형성된 것일 수 있고, 베이스플레이트(11)로부터 열을 전달받는 것일 수 있다.
복수 개의 핀휜부(12)의 상호간에 형성된 간격으로는 공기 및 냉각수와 같은 냉매가 통과할 수 있고, 복합 핀휜 히트싱크(10)는 복수 개의 핀휜부(12)의 상호간에 형성된 간격으로 통과하는 냉매와 접촉하는 것을 통해 발열체를 방열하는 것일 수 있다.
핀휜부(12)는 냉매와 접촉하는 면적을 넓혀 방열 효율을 높고, 냉매가 쉽게 통과할 수 있도록 원기둥 형상인 것이 바람직하나, 다각형 기둥과 같은 다른 형상인 것 역시 제한하지는 않는다.
냉매와 접촉하는 면적을 넓히기 위해 핀휜부(12)의 직경에 대한 높이의 비는 5.5 내지 7일 수 있고, 바람직하게 5.8 내지 7일 수 있다.
핀휜부(12)의 직경에 대한 높이의 비가 5.5 미만이면 유체와 접촉하는 면적이 좁고 핀휜부(12) 사이 간격으로 유체가 통과하기 어려워 방열 효율이 떨어질 수 있고, 7을 초과하면 핀휜부(12)의 높이가 너무 커 복합 핀휜 히트싱크(10)가 방열체에 적용될 시 다른 구조물과의 문제가 발생할 수 있고 핀휜부(12)의 기계적 강도가 저하될 수 있다.
발열체의 효과적인 방열을 위해 이웃한 핀휜부(12) 사이의 간격에 대한 핀휜부(12) 직경의 비는 0.45 내지 0.55일 수 있다
여기서, 이웃한 핀휜부(12) 사이의 간격은 핀휜부(12)의 밑면의 중심과 이웃한 핀휜부(12)의 밑면의 중심 사이의 거리를 의미하는 것이다.
핀휜부(12)의 직경에 비해 이웃한 핀휜부(12) 사이의 간격이 너무 긴 것으로 인해 이웃한 핀휜부(12) 사이의 간격에 대한 핀휜부(12) 직경의 비가 0.45 미만이면 베이스플레이트(11) 상에 형성되는 핀휜부(12)의 개수가 적어 방열 효율이 떨어질 수 있다.
이웃한 핀휜부(12) 사이의 간격에 비해 핀휜부(12) 직경이 너무 짧은 것으로 인해 이웃한 핀휜부(12) 사이의 간격에 대한 핀휜부(12) 직경의 비가 0.45 미만이면 핀휜부(12)가 너무 얇아 핀휜부(12)의 기계적 강도가 저하될 수 있다.
핀휜부(12)의 직경에 비해 이웃한 핀휜부(12) 사이의 간격이 너무 좁아 이웃한 핀휜부(12) 사이의 간격에 대한 핀휜부(12) 직경의 비가 0.55를 초과하면 핀휜부(12) 사이로 냉매가 통과하기 어려울 수 있다.
이웃한 핀휜부(12) 사이의 간격에 대한 핀휜부(12)의 직경이 너무 커 이웃한 핀휜부(12) 사이의 간격에 대한 핀휜부(12) 직경의 비가 0.55를 초과하면 베이스플레이트(11) 상에 형성될 수 있는 핀휜부(12)의 개수가 적어짐에 따라 핀휜부(12)의 면적이 줄어들어 방열 효율이 떨어질 수 있다.
베이스플레이트(11) 두께에 대한 핀휜부(12) 높이의 비는 3.5 내지 4.5인 것일 수 있다.
베이스플레이트(11) 두께에 대한 핀휜부(12) 높이의 비가 3.5 미만이면 핀휜부(12)의 높이가 베이스플레이트(11)의 두께보다 작아 냉매와 접촉하는 면적이 적어 복합 핀휜 히트싱크(10)의 방열 효율이 떨어질 수 있고, 4.5를 초과하면 핀휜부(12)의 높이에 비해 베이스플레이트(11)의 두께가 너무 얇아 베이스플레이트(11)가 핀휜부(12)를 원활하게 지지하기 어려울 수 있다.
복합 핀휜 히트싱크(10)가 핫스팟부와 백그라운드부를 갖는 발열체에 위치할 때 핫스팟부와 대응되는 위치에 배치되는 베이스플레이트(11)와 핀휜부(12)를 포함하는 제1그룹(A)은 백그라운드부와 대응되는 위치에 배치되는 베이스플레이트(11)와 핀휜부(12)를 포함하는 제2그룹(B)보다 상대적으로 높은 열전도도를 갖는 소재로 이루어지는 것일 수 있다.
제1그룹(A)이 제2그룹(B)보다 상대적으로 높은 열전도도를 갖는 소재로 이루어지면 제1그룹(A)에 의해 핫스팟부가 제2그룹(B)에 접촉된 백그라운드부보다 상대적으로 더 많은 열을 방출할 수 있다. 즉, 핫스팟부가 백그라운드보다 상대적으로 더 냉각됨에 따라, 핫스팟부와 백그라운드부의 온도차가 줄어 발열체의 온도구배를 효과적으로 감소시킬 수 있다.
바람직하게, 제1그룹(A)은 제2그룹(B)보다 열전도도가 상대적으로 30 내지 80% 높은 소재로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제2그룹(B)은 알루미늄으로 이루어질 수 있고, 제1그룹(A)은 제2그룹(B)인 알루미늄보다 상대적으로 열전도도가 높은 금, 은 및 구리 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
제1그룹(A)을 이루는 소재의 열전도도가 제2그룹(B)을 이루는 소재의 열전도도보다 30 내지 80% 높으면 복합 핀휜 히트싱크(10)를 발열시 온도구배를 갖는 중앙처리장치(CPU)에 적용시 중앙처리장치의 온도구배를 효과적으로 줄일 수 있다.
더욱 바람직하게, 제1그룹(A)은 구리로 이루어질 수 있고, 제2그룹(B)은 구리보다 상대적으로 열전도도가 낮은 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
한편, 복수 개의 핀휜부(12)가 동일 형상으로 규칙적으로 배열됨에 따라 복수 개의 핀휜부(12) 사이 간격으로 통과하는 냉매가 복합 핀휜 히트싱크(10) 전체에 걸쳐 균일한 속도를 가져 발열체를 더욱 균일하게 냉각할 수 있고, 이에 따라, 복합 핀휜 히트싱크(10)의 기하학적 디자인에 따른 냉각속도의 차이없이 발열체의 온도구배를 더욱 효과적으로 줄일 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
<발열체 준비단계>
백그라운드부와 백그라운드부보다 상대적으로 온도가 높은 핫스팟부를 포함하되, 폭과 길이가 50mm인 사각형 형상을 갖고, 중심부에 한 변의 길이가 15mm인 사각형 형상의 핫스팟부가 형성되어 있는 단일 코어 중앙처리장치를 발열체로서 준비하였다.
<복합 핀휜 히트싱크의 제조>
(실시예의 제조)
일면이 발열체 준비단계에서 준비된 발열체에 접촉하는 베이스플레이트(11)와 베이스플레이트(11)의 타면에 일정 간격으로 돌출 형성되는 복수 개의 핀휜부(12)를 포함하는 복합 핀휜 히트싱크(10)를 제조하였다.
단, 발열체 준비 단계에서 준비된 발열체의 구조와 대응되도록 폭과 길이가 50mm의 크기를 갖는 사각형 형상을 갖는 것을 준비하되, 베이스플레이트(11)와 핀휜부(12) 중에서 핫스팟부와 대응되는 위치에 배치되는 제1그룹(A)은 구리로 이루어지고, 백그라운드부와 대응되는 제2그룹(B)은 알루미늄으로 이루어진 복합 핀휜히트싱크(10)를 제조하였다.
제조된 복합 핀휜히트싱크(10)의 제원을 아래 표 1에 정리하였다.
복합 핀휜 히트싱크(단위:mm)
전체 제원 핫스팟부 핀휜부
Lsink Wsink Hsink Wbase Lhotspot Whotspot Hpin Dpin PL PT
50 50 10 2 15 15 8 1.25 2.5 2.5
표 1과 도 1 내지 3을 참고하면, Lsink는 복합 핀휜 히트싱크(10)의 길이, Wsink는 복합 핀휜 히트싱크(10)의 너비, Hsink는 복합 핀휜 히트싱크(10)의 높이, Wbase는 베이스플레이트(11)의 두께이다. 또한, Lhospot과 Whotspot은 각각 핫스팟부에 대응되는 제1그룹(A)의 길이와 너비이다.
한편, 도 1 내지 3에 도시된 좌표계의 X,Y,Z는 X축, Y축 및 Z축을 의미하는 것이다.
Hpin과 Dpin은 각각 핀휜부(12)의 높이와 직경이고, PL과 PT는 서로 이웃한 핀휜부(12) 사이의 거리이다. 더욱 상세하게, 도 2를 참고하면, PL과 PT는 각각 X축상에 이웃한 핀휜부(12) 간의 밑면 중심 사이의 거리, Z축상에 이웃한 핀휜부(12) 간의 밑면 중심 사이의 거리이다.
(비교예의 제조)
실시예와 동일한 방법으로 복합 핀휜 히트싱크(10)를 준비하되, 제1그룹(A)과 제2그룹(B)이 모두 알루미늄 소재로 이루어진 것을 준비하였다.
<시험예>
시험예에서는 복합 핀휜 히트싱크의 제조에서 제조된 실시예와 비교예의 방열 성능을 비교하기 위해 컴퓨터를 이용한 전산해석(Computational Analysis)을 수행하였다.
한편, 종래에는 실제 구조물을 제작하여 실험을 통해 결과를 얻었지만, 최근에는 3D 모델링 작업을 통해 구조물의 형상을 실제와 동일하게 만들고 똑같은 외부 경계조건을 입력하여 해석을 수행하면 실제와 거의 흡사한 결과를 얻을 수 있다.
또한, 전산해석은 다양한 형상의 모델과 다양한 해석조건을 쉽게 적용할수 있어 실제 실험하기 어려운 부분도 쉽게 시험할 수 있다. 이러한 이유로 컴퓨터를 이용한 전산해석은 제품개발을 위한 선택이 아니라 필수적인 요소가 되었다.
실시예와 비교예에 따른 복합 핀휜 히트싱크(10)의 베이스플레이트(11)의 일면이 발열체 준비 단계에서 준비되는 발열체에 접촉하도록 하였다. 이 때, 복합 핀휜 히트싱크(10)의 제1그룹(A)과 제2그룹(B)이 각각 발열체의 핫스팟부와 백그라운드부에 대응되도록 복합 핀휜 히트싱크(10)를 위치시켰다.
실시예와 비교예의 전산해석의 수행에 있어서, 핀휜 히트싱크의 제조에서 제조된 실시예와 비교예에 따른 복합 핀휜 히트싱크(10) 전체를 고려하였고, Reynold-Averaged Navier-Stokes 방정식에 대하여 상용 전산유체역학(Computer Fluid Dynamics, CFD) 코드인 ANSYS CFX 18.2를 사용하였다.
(시험예 1)
1. 시험 방법
시험예 1은 실시예와 비교예의 방열 성능을 비교하기 위해 발열체의 발열시 실시예와 비교예에 형성된 핀휜부(12) 사이에 냉매가 통과하는 것에 따른 발열체의 냉각거동을 확인하는 시험이다.
이 때, 냉매의 레이놀즈 수에 따른 변화를 관찰하기 위해 핫스팟부와 백그라운드부의 히트플럭스는 각각 600kW/m2과 200kW/m2으로 고정하고, 냉매의 레이놀즈 수를 108, 216, 324, 432, 541, 649, 757 및 865로 변화시키면서 실험을 수행하였다.
핀휜 히트싱크와 냉매의 초기온도는 300K으로 하였다. 또한, 냉매의 유동은 정상 상태(steady state)이고, 냉매는 층류로 유동하는 것으로 가정하였으며, 냉매에 미치는 중력에 따른 효과 및 복사에 의한 열전달은 무시하였다. 냉매는 물로 하되, 압축성을 갖지 않는(incompressible) 것으로 가정하였다.
얻은 데이터를 바탕으로 실시예와 비교예의 방열 성능을 비교하기 위해 각 레이놀즈 수에 대한 열저항, MATD(Mean Absolute Temperature Deviation, 평균 절대 온도 편차) 및 펌핑파워(Ptot, Pumping Power)를 계산하였고, 그 결과를 도 4a 내지 4c에 나타내었다. 각각의 값들은 다음의 수식들에 의하여 계산되었다.
(1) 열저항(R th,tot )
Figure 112020068335607-pat00001
Tmax,base는 발열체와 접촉하는 베이스플레이트(11)의 일면에서 발열체의 발열시 측정되는 최고 온도이고, Tf,in은 복합 핀휜 히트싱크(10)에 냉매가 도입될 때 냉매의 온도이다.
Qtot는 발열체에서 핀휜 히트싱크로 공급되는 총 열로, 아래 식에 의해 계산되었다.
Figure 112020068335607-pat00002
여기서, qhs와 qbg는 각각 발열체의 핫스팟부와 백그라운드부에 적용되는 히트플럭스이고, Ahs와 Abg는 각각 발열체의 핫스팟부와 백그라운드부에 대응되는 제1그룹(A)의 면적과 백그라운드부에 대응되는 제2그룹(B)의 면적이다.
(2) MATD(δ T,base )
Figure 112020068335607-pat00003
여기서, Tmax,base와 Tmin,base는 각각 발열체와 접촉하는 베이스플레이트 일면(11)의 최고온도와 최저온도이고, Tavg,base는 발열체와 접촉하는 베이스플레이트 일면(11)의 평균온도이다.
(3) 펌핑파워(P tot )
Figure 112020068335607-pat00004
여기서, uavg는 실시예와 비교예에 따른 핀휜 히트싱크 입구에서의 평균 냉매 속도이고, Ainlet은 실시예와 비교예에 따른 복합핀휜 히트싱크(10) 입구(C)의 단면적이며, △ptot는 실시예와 비교예에 따른 복합 핀휜 히트싱크(10) 입구(C)와 출구(D)에서 냉매의 총 압력 손실이다.
2. 시험 결과
도 4a 내지 4c 및 아래 표 2에 냉매의 레이놀즈 수 변화에 따른 실시예와 비교예의 복합 핀휜 히트싱크(10)의 열저항(Rth,tot), MATD(δT,base) 및 냉매의 펌핑 파워(Ptot)를 나타내었다. 여기서, CP는 실시예, NCP는 비교예에 대응되는 것이고, 그래프의 막대 위의 수치는 NCP에 해당하는 수치 대비 CP에 해당하는 수치의 감소율을 나타내는 것이다.
냉매의 레이놀즈 수
108 216 324 432 541 649 757 865
열저항
(Rth,tot,K/W)		 비교예
(NCP)		 0.096 0.078 0.070 0.064 0.059 0.056 0.054 0.052
실시예
(CP)		 0.085 0.067 0.059 0.053 0.049 0.046 0.044 0.042
MATD
(δT,base,K)		 비교예
(NCP)		 17.3 14.5 12.9 11.8 11.1 10.5 10.0 9.6
실시예
(CP)		 14.0 11.2 9.8 8.7 8.0 7.5 7.1 6.7
펌핑파워
(Ptot,mW)		 비교예
(NCP)		 0.12 0.65 1.78 3.72 6.66 10.80 16.41 23.65
실시예
(CP)		 0.12 0.65 1.78 3.72 6.66 10.80 16.41 23.65
먼저, 열저항(Rth,tot)은 108, 216, 324, 432, 541, 649, 757 및 865의 레이놀즈 수 구간에서 CP가 갖는 열저항이 NCP가 갖는 열저항에 비해 각각 11.5, 14.1, 15.6, 16.7, 17.4, 18.1, 18.6 및 19.0%만큼 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 모든 레이놀즈 수 구간에서 실시예의 열전도율이 높다는 것을 의미하고, 실시예의 방열 성능이 비교예보다 더 뛰어나다는 것을 의미한다.
또한, MATD는 108, 216, 324, 432, 541, 649, 757 및 865의 레이놀즈 수 구간에서 CP가 갖는 MATD 수치가 NCP가 갖는 MATD 수치에 비해 각각 18.7, 22.3, 24.6, 26.3, 27.6, 28.6, 29.5 및 30.2%만큼 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 모든 레이놀드 수 구간에서 발열체를 실시예가 비교예보다 균일하게 방열하는 것을 의미하고, 발열체의 온도구배를 줄일 수 있다는 것을 확인할 수 있는 결과이다.
한편, 도 4c를 참고하면, 냉매의 펌핑파워는 실시예와 비교예의 상대적인 차이가 없는 것을 확인할 수 있고, 이는 실시예와 비교예의 디자인이 기하학적으로 동일함에 따른 것일 수 있다.
(시험예 2)
1. 시험 방법
시험예 2에서는 복합 핀휜 히트싱크의 제조에서 제조된 실시예와 비교예의 방열 성능을 비교하기 위해 냉매의 레이놀즈수를 865로 고정하고, 발열체의 백그라운드부의 히트플럭스를 200kW/m2으로 고정한 상태에서 핫스팟부의 히트플럭스를 600, 800, 1000, 1200, 1400 및 1600kW/m2으로 변경하면서 실험을 수행하였다. 이외의 조건은 시험예 1과 동일한 조건으로 시험하였다.
얻은 데이터를 바탕으로 실시예와 비교예의 방열 성능을 비교하기 위해 각 히트플럭스에 대한 열저항, MATD(Mean Absolute Temperature Deviation, 평균 절대 온도 편차) 및 냉매의 펌핑파워를 계산하였고, 그 결과를 도 5a 내지 5c에 나타내었다. 각각의 값에 대한 계산은 시험예 1의 수식과 동일한 수식을 이용하였다.
또한, 도 6에 발열체 핫스팟부의 히트플럭스 변화에 따른 발열체의 냉각 거동을 나타낸 열화상 이미지로 나타내었다.
2. 시험 결과
도 5a 내지 5c와 아래 표 3에 발열체의 핫스팟부의 히트플럭스의 변화에 따른 실시예와 비교예의 핀휜 히트싱크의 열저항(Rth,tot), MATD(δT,base) 및 냉매의 펌핑파워(Ptot)를 나타내었다. 여기서, CP는 실시예에 대응되는 것이고, NCP는 비교예에 대응되는 것이며, 그래프의 막대 위의 수치는 NCP에 해당하는 수치 대비 CP에 해당하는 수치의 감소율을 나타내는 것이다. 또한, 그래프의 X축은 핫스팟부의 히트플럭스(qhs)이다.
발열체 핫스팟부 히트플럭스(qhs,kW/m2)
600 800 1000 1200 1400 1600
열저항
(Rth,tot,K/W)		 비교예
(NCP)		 0.052 0.061 0.069 0.076 0.081 0.087
실시예
(CP)		 0.042 0.049 0.055 0.060 0.064 0.068
MATD
(δT,base,K)		 비교예
(NCP)		 9.6 13.6 17.6 21.6 25.6 29.5
실시예
(CP)		 6.7 9.8 12.3 15.8 18.8 21.8
펌핑파워
(Ptot,mW)		 비교예
(NCP)		 23.64 23.63 23.62 23.62 23.61 23.60
실시예
(CP)		 23.65 23.64 23.63 23.62 23.61 23.60
먼저, 표 3 및 도 5a를 참고하면, 열저항(Rth,tot)은 600, 800, 1000, 1200, 1400 및 1600kW/m2의 히트플럭스 구간에서 CP가 갖는 열저항이 NCP가 갖는 열저항에 비해 각각 19.0, 20.1, 20.8, 21.2, 21.6 및 21.8%만큼 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 모든 히트플럭스 구간에서 실시예의 열전도율이 비교예에 비해 상대적으로 높다는 것을 의미하고, 실시예의 방열 성능이 비교예보다 더 뛰어나다는 것을 의미한다.
또한, 표 3 및 도 5b를 참조하면, MATD 역시 600, 800, 1000, 1200, 1400 및 1600kW/m2의 히트플럭스 구간에서 CP가 NCP에 비해 각각 30.2, 28.5, 27.5, 26.9, 26.4 및 26.1%만큼 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 모든 히트플럭스 구간에서 실시예가 비교예보다 발열체를 균일하게 방열하여, 발열체의 온도구배를 줄일 수 있다는 것을 확인할 수 있는 결과이다.
표 3 및 도 5c를 참고하면, 냉매의 펌핑파워는 실시예와 비교예의 차이가 거의 없는 것을 확인할 수 있고, 이는 실시예와 비교예의 디자인이 기하학적으로 동일함에 의한 것일 수 있다.
도 6은 발열체 핫스팟부의 히트플럭스 변화에 따른 발열체의 냉각 거동을 나타낸 열화상 이미지이다. 여기서, CP와 NCP는 각각 실시예와 비교예에 따른 복합 핀휜 히트싱크(10)를 의미하는 것이고, 온도는 발열체 핫스팟부의 온도, qhs는 발열체 핫스팟부의 히트플럭스를 의미하는 것이다.
도 6을 참고하면, 모든 히트플럭스 구간에서 실시예가 적용된 발열체의 핫스팟부의 온도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는, 실시예가 비교예보다 상대적으로 효과적으로 발열체의 핫스팟부를 냉각한다는 것을 확인할 수 있는 결과이고, 이에 따라, 실시예가 비교예에 비해 발열체의 온도구배 역시 더욱 감소시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있는 결과이다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 복합 핀휜 히트싱크, 11: 베이스플레이트, 12: 핀휜부.

Claims (9)

  1. 백그라운드부와 상기 백그라운드부보다 상대적으로 온도가 높은 핫스팟부를 포함하는 발열체를 방열하는 것으로서;
    일면이 상기 발열체에 접촉하는 베이스플레이트와, 상기 베이스플레이트의 타면에 일정 간격으로 돌출 형성되되 직경에 대한 높이의 비가 5.8 내지 7인 원기둥 형상을 갖는 복수 개의 핀휜부를 포함하고,
    상기 베이스플레이트와 상기 핀휜부 중에서 상기 핫스팟부와 대응되는 위치에 배치되는 제1그룹은 구리로 이루어지고, 상기 백그라운드부와 대응되는 위치에 배치되는 제2그룹은 알루미늄으로 이루어지는 것이며,
    상기 핀휜부 사이의 간격에 대한 상기 핀휜부 직경의 비는 0.45 내지 0.55이며, 상기 베이스플레이트의 두께에 대한 상기 핀휜부 높이의 비는 3.5 내지 4.5이고,
    히트플럭스가 200kW/m2인 상기 백그라운드부와 히트플럭스가 600 내지 1600kW/m2 인 상기 핫스팟부를 포함하는 상기 발열체를 레이놀즈 수가 865인 물을 냉매로 하여 방열할 때 하기 수학식 1로 계산되는 열저항(Rth,tot)이 0.042 내지 0.068K/W인 것이며,
    히트플럭스가 200kW/m2인 상기 백그라운드부와 히트플럭스가 600 내지 1600kW/m2인 상기 핫스팟부를 포함하는 상기 발열체를 레이놀즈수가 865인 물을 냉매로 하여 방열할 때 하기 수학식 2로 계산되는 MATD(δT,base)값이 6.7 내지 21.8K인 것이고,
    히트플럭스가 200kW/m2 인 상기 백그라운드부와 히트플럭스가 600kW/m2 인 상기 핫스팟부를 포함하는 상기 발열체를 레이놀즈수가 108 내지 865인 물을 냉매로 하여 방열할 때 하기 수학식 3으로 계산되는 펌핑파워(Ptot)가 0.12 내지 23.65mW인 것
    인 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크.
    (수학식 1)
    Figure 112021130058587-pat00019

    여기서, Tmax,base는 상기 베이스플레이트의 일면에서 상기 발열체의 발열시 측정되는 최고 온도이고, Tf,in은 상기 복합 핀휜 히트싱크에 상기 냉매가 도입될 때 상기 냉매의 온도이며, Qtot는 상기 발열체에서 상기 복합 핀휜 히트싱크로 공급되는 총 열이다.
    (수학식 2)
    Figure 112021130058587-pat00020

    여기서, Tmax,base와 Tmin,base는 각각 상기 발열체의 발열시 상기 베이스플레이트 일면에서 측정되는 최고온도와 최저온도이고, Tavg,base는 상기 베이스플레이트 일면의 평균온도이다.
    (수학식 3)
    Figure 112021130058587-pat00021

    여기서, uavg는 상기 복합 핀휜 히트싱크 입구에서의 평균 냉매 속도이고, Ainlet은 상기 복합 핀휜 히트싱크 입구의 단면적이며, △ptot는 상기 복합 핀휜 히트싱크 입구와 출구에서 냉매의 총 압력 손실이다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    히트플럭스가 200kW/m2 인 상기 백그라운드부와 히트플럭스가 600kW/m2 인 상기 핫스팟부를 포함하는 상기 발열체를 레이놀즈수가 108 내지 865인 물을 냉매로 하여 방열할 때 하기 수학식으로 계산되는 열저항(Rth,tot)이 0.042 내지 0.085K/W인 것
    인 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크.
    (수학식)
    Figure 112021093836028-pat00005

    여기서, Tmax,base는 상기 베이스플레이트의 일면에서 상기 발열체의 발열시 측정되는 최고 온도이고, Tf,in은 상기 복합 핀휜 히트싱크에 상기 냉매가 도입될 때 상기 냉매의 온도이며, Qtot는 상기 발열체에서 상기 복합 핀휜 히트싱크로 공급되는 총 열이다.
  5. 제 1항에 있어서,
    히트플럭스가 200kW/m2 인 상기 백그라운드부와 히트플럭스가 600kW/m2 인 상기 핫스팟부를 포함하는 상기 발열체를 레이놀즈수가 108 내지 865인 물을 냉매로하여 방열할 때 하기 수학식으로 계산되는 MATD(δT,base)값이 6.7 내지 14.0K인 것
    인 방열 성능이 향상된 복합 핀휜 히트싱크.
    (수학식)
    Figure 112021093836028-pat00006

    여기서, Tmax,base와 Tmin,base는 각각 상기 발열체의 발열시 상기 베이스플레이트 일면에서 측정되는 최고온도와 최저온도이고, Tavg,base는 상기 베이스플레이트 일면의 평균온도이다.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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