KR19990082081A - 전자 모듈을 스프레이 냉각하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 장치는 제1 층(12) 및 제1 층(12)에 대향하는 제2 층(14)을 가지는 판(10)을 포함한다. 제2 층(14)은 제1 기판을 포함한다. 유체 분배 분기관(28)은 제1 층(12)의 근처에 위치한다. 구멍(36)을 가지는 노즐 하우징(30)은 제1 유체 분배 분기관(28)에 위치한다.

Description

전자 모듈을 스프레이 냉각하는 장치 및 방법

멀티 칩 모듈 등의 전자 모듈과, 파워 앰프 등의 전자 하이브리드 조립체와, 필터 등의 수동 부품은 정상적으로 작동하는 동안에 냉각이 필요한 열원을 포함하기도 한다. 종종, 전자 모듈은 인쇄 회로 기판 등의 기판에 위치하고, 버사 모듈 유럽(VME) 케이지 혹은 전자 산업 협회(EIA) 보조 래크(sub-racks) 등의 래크형 하우징에서 작동한다.

일반적으로, 전자 모듈과 그에 결합된 부품은 자연적 또는 강제적인 공기 대류에 의해 냉각되는데, 이 때에는 공기의 비교적 낮은 열용량과 열전달 계수 때문에 전자 모듈 혹은 모듈에 부착된 다수의 히트 싱크(heat sink)를 통과하는 공기의 부피가 클 것을 요구한다. 래크형 하우징에서의 공기 냉각은 전자 모듈 사이의 공간이 클 것을 요구해서 하우징이 지나치게 커질 수 있다. 또한, 공기 냉각 공정은 바람직하지 않은 소음을 야기하거나 또는 먼지 등의 다른 오염 물질이 전자 모듈로 들어가게 하기도 한다.

기화 스프레이 냉각은 무화(霧化)된 유체 방울이 직접 전자 모듈 등의 열원의 표면으로 분무되게 한다. 유체 방울이 모듈의 표면에 부딪치면 유체의 박막이 모듈을 코팅하고, 주로 모듈의 표면에서의 유체의 기화에 의해 열이 제거된다.

기화 스프레이 냉각이 많은 전자 응용 분야에서 선호되는 열 제거 방법임에도 불구하고, 전자 모듈용 하우징은 전자 모듈을 스프레이 냉각하는 목적을 위하여 자주 재설계되어야 했다.

그러므로, 종래의 래크형 하우징에 일체로 된 전자 모듈을 스프레이 냉각하는 장치 및 방법에 대한 요구가 있다.

본 출원은 본 발명과 공동으로 양도되고 1996년 4월 10일자로 출원되어 함께 계류 중인 출원 번호가 TBA이고 서류 번호는 CE3036R인 출원에 관련된다.

본 발명은 일반적으로는 전자 모듈의 냉각에 관한 것이고, 더욱 특별하게는 전자 모듈을 스프레이 냉각하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

도1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 전자 모듈을 스프레이 냉각하는 장치의 부분 사시도이다.

도2는 도1에 도시된 장치의 확대 사시도이다.

도3은 도2의 선3-3을 따라 본 단면도인데, 본 발명의 양호한 실시예에 따른 노즐 하우징을 도시한다.

도4는 도1 및 도2에 도시된 장치의 사시도인데, 두 개의 인쇄 회로 기판 상의 전자 모듈을 동시에 냉각하는 작동 방식을 도시한다.

도5는 도1 내지 도4에 도시된 장치의 래크형 하우징과 폐루프 유체 유동을 도시한다.

본 발명의 한 특징에 따르면, 전술한 요구는 제1 층과, 제1 층에 대향하는 제2 층을 가지는 판을 포함하는 전자 모듈을 스프레이 냉각하는 장치에 의해 충족된다. 제2 층은 제1 기판을 포함한다. 유체 분배 분기관은 제1 층 근처에 위치한다. 구멍을 가지는 노즐 하우징은 제1 유체 분배 분기관에 위치한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 전자 모듈을 스프레이 냉각하는 장치는 제1 층과, 제1 층에 대향하는 제2 층을 가지는 판을 포함한다. 제1 층은 내부면과 외부면을 가진다. 유체 분배 분기관은 제1 층의 내부면에 형성된다. 노즐은 유체 분배 분기관에 위치하는데, 이 노즐은 소켓 단부와 스프레이 단부를 가진다. 스프레이 단부는 구멍을 가진다. 소켓 단부는 유체 분배 분기관 상에 형성되고, 스프레이 단부는 제1 층의 외부면 상에 형성된다. 기판은 제1 층의 내부면 상에 형성된다. 소켓 단부는 유체 분배 분기관에서 유체를 받아들이고, 스프레이 단부는 유체를 무화 시키고 구멍을 통해 무화된 유체를 토출한다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 전자 모듈을 스프레이 냉각하는 방법은 액체 분배 분기관을 가지는 제1 층 및 상기 제1 층에 대향하고 기판을 포함하는 제2 층을 가지는 판을 제공하는 것과, 유체 분기관에 위치하고 구멍을 가지는 노즐에 의해 유체를 받아들이는 것과, 상기 구멍을 통하여 유체를 토출하는 것을 포함한다.

본 발명의 이점은 도면에 의해 도시되고 설명될 본 발명의 양호한 실시예의 다음 설명으로부터 당업자에게 자명할 것이다. 본 발명은 다른 실시예로도 가능하고, 상세한 설명을 살펴보면 다양한 면에서 개조가 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 도면 및 설명은 사실상 예시적인 것으로 간주되며 제한적인 것으로 간주되지는 않는다.

동일한 부호가 동일한 부품을 표시하는 도면을 참조하면, 도1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 전자 모듈을 스프레이 냉각하는 장치의 부분 사시도이다. 도시된 대로, 장치는 대체적으로 직사각형인 판(10)을 포함한다. 그러나, 판(10)은 소망하는 다른 형상이어도 되며, 예를 들어 알루미늄 등의 금속이나 플라스틱 등의 적당한 재료로 만들어져도 된다.

판(10)은 제1 층(12)과 제2 층(14)을 가진다. 제2 층(14)은 바람직하게는 인쇄 회로 기판 등의 회로 기판이다. 제1 층(12)은 바람직하게는 회로 기판의 배면판 혹은 기판인데 예를 들면, 세라믹 기판용 캐리어 판이다. 도2에 도시된 대로, 제1 층(12) 및 제2 층(14)은 다양한 방법과 재료를 사용하여 함께 체결되는 분리된 조각일 수 있다. 예를 들면, 나사, 컴플라이언트 개스킷, 접착, 초음파 용접, 납땜 등의 체결구가 사용될 수 있다. 또한, 판(10)은 회로 기판을 제작하는 동안 제1 층(12)에 형성된 (이하에서 논의될) 내부 통로를 가지는 단일 부품일 수도 있다.

도2에 도시된 대로, 제1 층(12)이 제2 층(14)에서 분리되면 제1 층(12)은 내부면(16) 및 (도시되지 않은)외부면(18)을 가지는 것을 알 수 있다.

적어도 하나의 유체 분배 분기관(28)이 제1 층(12)의 내부면(16)에 위치한다. 도1에 도시된 대로 제1 층(12)의 외부면(18) 상에 돌출부(29)를 형성하는 다수의 유체 분배 분기관(28)이 도2에 도시되어 있다. 유체 분배 분기관(28)은 판(10) 내에서 도관을 형성하는 작은 단면 지름의 홈 또는 통로일 수 있다. 유체 분배 분기관(28)은 어떠한 단면도 가질 수 있다. 단면 형상은 원추형이나, 직사각형이나, 원형 모두 선호된다.

유체 유입 포트(23)는 도2에 도시된 대로 측면(12 혹은 14)과 일체로 형성될 수 있다. 또한, 유체 유입 포트(23)는 예를 들어 미늘형 끼워 맞춤(barbed fitting)으로 판(10)에 별개로 연결되기도 한다.

적어도 하나의 노즐 하우징(30)이 적어도 하나의 유체 분배 분기관(28)에 위치한다. 도3은 선3-3을 따라 본 도2의 단면도인데, 제1 층(12)에서의 하나의 노즐 하우징(30)을 도시한다. 노즐 하우징(30)은 유체 분배 분기관(28) 상에 위치한 소켓 단부(32)를 가진다. 노즐 하우징(30)의 스프레이 단부(34)는 적어도 일부분은 제1 층(12)의 외부면(18) 상에 형성되고 구멍(36)을 포함한다. 구멍(36)은 바람직하게는 대략 0.15 ㎜의 지름을 가진다.

도3에 도시된 대로 와류판 혹은 삽입물일 수 있는 노즐을 수납하도록 각 노즐 하우징(30)의 크기가 정해진다. 노즐(26)은 예를 들어, 억지 끼워 맞춤, 납땜 혹은 접착에 의해 노즐 하우징(30)에 고정될 수 있다. 또한, 노즐(26)은 유체 분배 분기관(28)에 일체로 형성된다.

노즐(26)은 바람직하게는 약 0.3 ㎜ 높이이며 적당한 재료로 만들어지는 단순한 가압 와류 형성 무화기 등의 소형 무화기이다. 적절한 재료의 예는 황동이나 스테인레스 스틸과 같은 금속 재료이다. 단순한 가압 와류 형성 무화기는 본 명세서에 참조되어 있는 틸튼 등에게 허여된 미국 특허 제5,220,804호에 상세히 제시되어 있으며, 상업적으로는 워싱턴주 콜튼 소재의 아이소써멀 시스템스 리서치 인코포레이티드에서 수득 가능하다.

도4는 인접한 인쇄 회로 기판(45) 상의 전자 모듈을 냉각하는 판(10)의 작동 방식을 도시한다. 도1 내지 도4를 총괄적으로 참조하면, 제1 층(12)의 유체 분배 분기관(28)은 유체 유입 포트(23)를 통해 냉매액을 받아들이고 유체 분배 분기관(28)에 위치한 다수의 노즐(26)의 소켓 단부(32)로 유체를 공급한다. 노즐(26)의 스프레이 단부(34)는 유체를 무화시키고, 바람직하게는 외부면(18)에 수직인 각도로 구멍(36)을 통해 무화된 유체(43)를 토출한다. 또한, 무화 유체(43)는 외부면(18)에 대해 작은 각도로 토출되기도 한다. 무화 유체(43)는 특히, 멀티 칩 모듈, 전자 하이브리드 조립체, 혹은 수동 부품 등의 전자 모듈을 포함하는 인쇄 회로 기판(45) 상에 분무된다. 인쇄 회로 기판(45)은 예를 들어, (도시되지 않은) 제2 판(10)의 제2 층(14)일 수도 있다.

냉매액은 바람직하게는 제품 번호가 FC-72이고 상표명이 플루오리너트인 3M사의 유전액과 같은 유전액이지만 공지되고 널리 수득 가능한 적절한 유전액이어도 상관없다. 예를 들어, 3M의 플루오리너트 유전액과 유사한 퍼플루오로카본은 오시몬트 갈든으로부터 수득 가능하다.

제곱 센티미터당 300 와트 이상의 파워 밀도를 가지는 전자 모듈은 판(10)의 제1 층(12)에 의해 효과적으로 냉각된다. 전자 모듈에서 직접 열을 제거하는 것은 모듈과 그에 결합된 부품의 작동 온도를 낮추도록 도와주고, 열변화 및 관련 열 응력의 현저한 감소를 통해 신뢰성을 증가시킨다.

도5는 도1 내지 도4에 도시된 장치를 위한 래크형 하우징과 폐루프 유체 유동을 도시한다. 대체적으로 소망하는 크기의 직사각형 챔버를 형성하는 섀시(60)는 예를 들어 버사 모듈 유럽(VME) 래크형 하우징일 수 있다. 섀시(60)는 예를 들어 알루미늄 등의 금속 혹은 플라스틱인 적절한 재료로 만들어질 수 있고, 다중 챔버를 형성하도록 분할될 수 있다.

섀시(60)의 하나의 가능한 구조에서, 두 개의 측면 즉, 내측면(61)과 외측면(63)을 가지는 상부벽(62)도 역시 내측면(65)과 외측면(67)을 가지는 바닥벽(66)에 대향한다. 다수의 안내부(68)가 상부벽(62)의 내측면(61)과 바닥벽(66)의 내측면(65)에 형성된다. 상부벽(62)의 안내부(68)는 바닥벽(66) 상의 안내부(68)와 대체적으로 평행이다. 또한, 안내부(68)는 전자 모듈에 전기적 접속을 제공한다. 또한, 전기 접속은 섀시(60)의 (도시되지 않은) 후면을 거쳐 제공되기도 한다.

본 발명의 양호한 실시예에서 바람직하게는 인쇄 회로 기판인 제2 층(14)을 가지는 판(10)은 안내부(68)의 쌍 사이에 고정된다. 판(10)은 제1 층(12)이 인접하는 인쇄 회로 기판을 바라보도록 위치해서, 인접하는 인쇄 회로 기판 상의 전자 모듈이 제1 층(12)에서 토출된 무화 유체(43)에 의해 냉각된다.

도5에 도시된 바와 같이, 무화 유체(43)는 대체적으로 유사한 방식으로 인접한 인쇄 회로 기판 상에 제1 층(12)에서 분무된다. 그러나, 제1 층(12)의 내부면(16)에 위치한 노즐(26)의 위치 및/혹은 유체 분배 도관(28)의 배열은 섀시(60)에 내장된 각각의 판(10)에 대해 달라서 스프레이 냉각되는 특별한 인쇄 회로 기판의 특별한 냉각 요구 조건을 수용한다는 것이 인식된다.

공기 냉각 래크형 하우징에 존재하는 전자 모듈 사이의 큰 공간적 제한은 여기에 설명되는 스프레이 냉각 판(10)을 사용할 때에는 실질적으로 존재하지 않을 것이다. 판(10)은, 섀시(60) 내의 공간이 공기 부피 요구 조건 보다는 부품의 높이에 의해 주로 결정되기 때문에, 모듈에 부착된 (도시되지 않은) 부품의 높이가 허용하는 한, 판(10)이 인쇄 회로 기판 상의 전자 모듈의 표면에 실질적으로 가깝게 위치해서 모듈 패키지가 소형화 된다. 열이 넓은 구역 예를 들어, 넓은 히트 싱크에 걸쳐 분포될 때 가장 효과적인 공기 냉각과는 달리, 스프레이 냉각은 감소된 패키지 부피 및 중량에 기여하는 또 다른 요소인 열 집중을 야기한다.

도5를 다시 참조하면, 섀시(60)에 대한 폐루프 유체 유동의 한 예가 도시되어 있다. 유체 공급 튜브(52)는 유체 유입 포트(23)에 부착되어서 판(10) 내부의 유체 분배 분기관(28)에 의해 형성된 도관에 냉매액의 유동을 제공한다. 또한, (도시되지 않은) 유체 공급 저장부는 상부벽(62)의 외측면(63)에 부착되고 밀봉되어서 판(10)으로 냉매액을 제공한다. 또한, (도시되지 않은) 유체 후면판이 섀시(60)에 결합되어서 판(10)으로 냉매를 공급한다.

유체 토출 저장부(48)는 바닥벽(66)의 외부면(67)에 부착되고 밀봉된다. 유체 토출 분기관(48)은 섀시(60)에서 제거된 유체를 모아서 배출한다. 바람직하게는, 유체가 중력의 도움으로 바닥벽(66)의 (도시되지 않은) 개구를 거쳐서 섀시(60)를 빠져나오는 것이 좋다. 물론, 섀시(60)를 더욱 밀봉하여 냉매액의 누수를 감소하는 것도 바람직하다.

유체 펌프(50)는 유체 공급 튜브(52)에 결합되어 있고, 유체 유동을 제공한다. 단일의 유체 펌프(50)도 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 튜브(54)에 의해 펌프(50)에 연결되고, 튜브(56)에 의해 유체 토출 분기관(48)에 연결되는 응축기(53)는 유체 토출 분기관(48)으로부터 유체를 받아들인다. 응축기는 유체에서 열을 제거하여 주로 액상으로 복귀시킨다. 응축기(53)의 냉각력을 증가시키기 위해 팬(58)이 사용될 수 있다. 냉각된 유체는 응축기(53)에서 유체 펌프(50)로 공급된다. 그러므로, 냉매액의 폐루프 유동이 형성된다. 시스템의 소정의 지점에서 냉매액은 증기, 액체 혹은 증기 및 액체 혼합물이라는 것이 인식될 것이다.

냉매 유동을 제공하는 종래의 수단이 본 발명의 전술한 실시예와 함께 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 한 개 이상의 섀시(60)가 단일의 냉매 소스에 연결되고, 하나 이상의 냉매가 예를 들어 여분으로 단일의 섀시(60)에 연결될 수 있다는 것도 인식될 것이다.

유체 펌프(50)와, 응축기(53)와, 판(58)의 크기는 열 제거와 유동률 요구 조건에 기초하여 선택된다. 예를 들어, 일반적인 폐루프 유체 유동은 500 내지 1000 와트의 열 발산에 대해서 분당 500 내지 1000 밀리리터이다. 다양한 크기의 펌프와 조립체가 아이소써멀 시스템즈 리써치 인코포레이티드에서 수득 가능하고, 만족스러운 배관 및 기구는 일리노이주 버논 힐 소재의 콜-파머사로부터 구할 수 있다.

여기에 설명된 폐루프 유체 유동 시스템은 많은 이점을 가지고 있다. 예를 들어, 기존의 래크형 하우징이 쉽게 개량될 수 있다. 그리고, 본 시스템은 많은 유체 라인을 관리하는 것과 개별적으로 스프레이 노즐을 위치하는 것이 필요하지 않다. 결과적으로, 회로가 더욱 집적되고 인쇄 회로 기판 상의 전자 모듈 간의 물리적인 공간이 감소함에 따라 열 밀도가 증가함에도 불구하고, 여기에 설명된 장치와 연결되는 유체 전달 및 토출 시스템이 더 복잡해지지는 않는다.

본 시스템은 사용하기 편리하도록 설계된다. 예를 들어, 스프레이 냉각 시스템을 수리하는 것은 섀시(60)에서 판(10)을 제거하는 정도로 간단해지며 일반적으로는 다수의 유체 라인을 분리시켜 재배치하는 과정을 요하지 않는다. 마찬가지로, 시스템 설계는 개별적인 스프레이 냉각 전자 모듈에 접근을 차단하지 않도록 제공되며, 또한 모듈의 검사와 수리도 용이하게 한다.

설명된 실시예는 전자 모듈이 정상 작동하는 동안에 냉각되는 것을 도시하지만, 본 발명은 전자 모듈의 정상 작동 동안에 냉각하는 것에만 제한되지는 않으며, 예를 들어 전자 모듈 혹은 모듈에 포함되는 전자 회로 장치의 시험 및 평가에도 적합할 수 있다.

또한, 밀봉 및/혹은 체결이 요구되는 곳마다, 다수의 방법 및 재료가 사용될 수 있다. 예를 들어, 나사 등의 체결구, 컴플라이언트 개스킷, 초음파 용접, 브레이징, 납땜, 스웨이징 등을 사용할 수 있다는 것도 이해될 것이다.

본 발명은 첨부된 특허청구범위 및 그 균등물의 정신과 범위에서 벗어나지 않고 다른 형태로 실시될 수 있으며, 본 발명은 전술한 특별한 실시예의 방식으로 한정하려는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 결정지어짐을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

1. 전자 모듈을 스프레이 냉각하는 장치에 있어서,

   제1 층과, 제1 층에 대향하고 제1 기판을 포함하는 제2 층을 가지는 판과,

   제1 층에 가깝게 위치한 유체 분배 분기관과,

   제1 유체 분배 분기관에 위치하고 구멍을 가지는 노즐 하우징을 구비한 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 유체 분배 분기관에 연결된 유체 유입 포트도 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제2항에 있어서, 유체 유입 포트가 유체 분배 분기관에 유체를 공급하는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제3항에 있어서, 판이 전자 모듈이 부착된 제2 기판에 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제4항에 있어서, 판이 버사 모듈 유럽(VME) 케이지 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제4항에 있어서, 노즐이 노즐 하우징 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제6항에 있어서, 노즐이 스테인레스 스틸로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제6항에 있어서, 노즐이 유체를 무화시키고 무화된 유체를 구멍을 통해 토출하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제8항에 있어서, 무화된 유체는 제1 층에 대체적으로 수직인 각도로 전자 모듈로 토출되는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 전자 모듈을 스프레이 냉각시키는 장치에 있어서,

    내부면 및 외부면을 가지는 제1 층과, 제1 층에 대향하는 제2 층을 가지는 판과,

    제1 층의 내부면에 형성된 유체 분배 분기관과,

    유체 분배 분기관에 위치하고, 소켓 단부와 스프레이 단부를 가지는 노즐과,

    제1 층의 내부면 상에 형성되어 있는 기판을 포함하며,

    상기 스프레이 단부는 제1 층의 외부면 상에 형성되어 있고, 구멍을 가지고, 유체를 무화시키며, 상기 구멍을 통하여 무화된 유체를 토출하며,

    상기 소켓 단부는 유체 분배 분기관 상에 형성되어 있고, 유체 분배 분기관으로부터 유체를 받아들이는 것을 특징으로 하는 장치.