KR20010112263A - 전자 기기용 냉각기 - Google Patents

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KR20010112263A
KR20010112263A KR1020017010058A KR20017010058A KR20010112263A KR 20010112263 A KR20010112263 A KR 20010112263A KR 1020017010058 A KR1020017010058 A KR 1020017010058A KR 20017010058 A KR20017010058 A KR 20017010058A KR 20010112263 A KR20010112263 A KR 20010112263A
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로파틴스키에드워드
페도세예프레프아.
페도소프유리이고레비치
아스카토프닐
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어드밴스드 로터리 시스템스, 엘엘씨
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Abstract

냉각기는 열 교환 소자(101)를 포함하며, 상기 열 교환 소자의 표면에는 분기형 채널(103)이 형성되며, 채널(103)을 통해 냉각류를 유동시키도록 원심 송풍기(105)가 열 교환 소자(101)에 설치된다. 원심 송풍기(105)는, 상기 열 교환 채널(103)의 입구에 대향하여 배치된 임펠러를 갖는 드럼형일 수 있다. 제 2 디자인 양태에 따르면, 적어도 하나의 디스크(207)를 갖는 디스크형 원심 임펠러(206)가 사용된다. 원심 송풍기의 디스크(207)는 열 교환 소자에 면하는 디스크 표면의 에지가 열 교환 채널(103)로의 입구에 대향하여 배치되는 방식으로 설치된다.

Description

전자 기기용 냉각기{Cooler For Electronic Devices}
가장 널리 공지된 장치로는 그의 한 표면에는 전자 기기(예를 들면, 반도체 장치 또는 컴퓨터 프로세서)가 설치되며, 다른 표면은 열 분산 표면의 형태로 제조되는 히트 싱크(heat sink)로 대표되는 열 교환기를 포함하는 장치이다. 기류는 송풍기(축방향 팬이 송풍기로서의 역할을 할 수 있다)에 의해 발생된다.
이러한 형태의 장치는, 예를 들면 1999. 2. 2(우선일-1997. 6. 10) 공고된, 발명의 명칭이 "CPU 히트 싱크 조립체" 인 미국 특허 제 5,867,365호(국제 분류 기호 H05K 7/20)와, 1997. 8. 26(우선일-1995. 11. 3) 공고된, 발명의 명칭이 "고성능 스파이럴 히트 싱크"인 미국 특허 제 5,661,638호(국제 분류 기호 H05K 7/20)에 공지되어 있다.
미국 특허 제 5,867,365호에 개시된 형태의 장치는, 히트 싱크의 열 교환 채널을 통과하는 기류를 발생시키는 축방향 팬을 포함한다. 열 교환 채널로의 다수의 입구는, 소정수의 채널이 팬 축에 대해 반경 방향으로 배치된 상태로, 축방향 팬의 임펠러에 바로 대향하여 배치된다.
미국 특허 제 5,661,638호는 또한 축방향 팬의 적용에 관한 것이다. 상기 특허에 청구된 장치의 특정 실시예는, 팬 축에 대해 중심 대칭적으로 배치되는 히트 싱크의 열 교환 채널의 배치에 관한 것이다. 열 교환 영역을 증가시키기 위해 열 교환 채널은 나선형으로 형성되며, 송풍기 회전 방향으로 후방으로 만곡된다. 이러한 경우, 상기 팬은 히트 싱크 본체에 형성된 리세스 내에 설치된다.
상술한 형태들에서, 축방향 팬은 충분히 높은 공기압을 발생시킨다. 그러나, 팬 축에 인접한 영역에서의 약한 기류에 기인하여, 상기 팬의 하부에 배치된 히트 싱크의 중앙부를 냉각하기 위한 조건들은 적합하지 않다. 이 경우, 히트 싱크 및 전자 기기(본원의 경우, 프로세서)의 불균일한 냉각이 발생될 수 있다. 게다가, 축방향에서의 팬 임펠러로부터 토출되는 기류의 에너지는 상기 기류가 열 교환 채널에 유입되기 전에 감속 및 운동을 전환하는데 소모된다. 이러한 사실은 열 교환 채널을 통과하는 기류의 속도를 감소시켜, 전환시에 열 교환 처리를 위한 양호한 상태를 얻을 수 없게 한다.
원심 송풍기들이 기류를 발생시키기 위한 냉각기에 매우 드물게 사용된다.
특히, 1998. 11. 17(우선일-1996. 12. 16) 공고된, 발명의 명칭이 "반도체 장치용 소형 냉각 팬형 히트 싱크"인 미국 특허 제 5,838,066호(국제 특허 분류 H05K 7/20)는 히트 싱크의 측부에 설치된 원심 송풍기를 사용하는 디자인을 제공한다. 상기 발명의 한 특정 실시예에서, 냉각류는 히트 싱크의 직선형 열 교환 채널을 통과한다.
그러나, 히트 싱크의 측부에 대한 원심 송풍기의 배치는 장치의 크기를 증가시킨다. 이는 원심 송풍기의 이러한 위치가 채널 입구의 방향과 송풍기로부터 공급되는 기류의 방향 사이에 불충분한 관계를 야기하기 때문이다. 기류 에너지의 손실은 열 교환 채널의 기류 운동 속도의 감소와 열 교환 효율의 저하를 초래한다. 에너지의 일부는 또한 송풍기를 에워싸는 케이싱에 대한 마찰에 소모된다.
청구된 발명과 가장 유사한 발명은 1996. 7. 30 특허 공고된, 발명의 명칭이 "전자 기기용 냉각기"(우선일-1997. 1. 17)인 일본 특허 제 8-195456호(국제 특허 분류 H01L 023/467)에 개시된 발명이다.
상기 장치는 케이싱 내에 에워싸이며 분기형으로 형성된 열 교환 채널 상부에 설치된 원심 팬을 포함한다. 다른 히트 싱크 표면은, 전자 기기와의 열 접촉이 가능하도록 형성된다. 원심 팬의 입구는 히트 싱크에 면한다. 상기 팬은 열 교환 채널을 통과한 후 원심 팬의 입구로 흡입되는 기류를 발생시킨다.
원심 팬은 흡입에 의해 작동하기 때문에, 히트 싱크의 중앙부에 기류에 의해 둘러싸여 열악하게 송풍되는 영역이 존재한다(공고된 특허의 도면 참조). 따라서, 가장 고온인 히트 싱크의 중앙부의 냉각이 비효과적으로 수행된다. 이러한 단점은 히트 싱크의 불균일한 냉각을 초래한다. 히트 싱크의 불균일한 냉각을 방지하기 위해, 팬의 동력을 증가시켜야 한다. 게다가, 상기 장치는 상당한 높이를 갖는데, 이는 원심 팬이 히트 싱크의 상부에 배치되기 때문이다.
본 발명은 기체의 유동, 특히 송풍기에 의해 발생되는 기류(airflow)에 의한 열을 제거함으로써 전자 기기를 냉각하기 위한 장치에 관한 것이다.
도 1은 본원에 청구된 장치의 제 1 디자인 양태(열 교환 채널이 반경 방향으로 배치된)의 개략도.
도 2는 반경 방향으로 분기된 열 교환 채널의 샘플 디자인의 도면.
도 3은 반경 방향으로 분기된 나선형 열 교환 채널의 샘플 디자인의 도면.
도 4는 일정한 폭의 나선형 열 교환 채널의 샘플 디자인의 도면.
도 5는 일정한 폭의 나선형 열 교환 채널의 프로파일의 계산에 요구되는 기하학적 관계를 도시하는 도면.
도 6은 니들 형상의 프로파일형 소자의 열로 형성된 열 교환 채널의 샘플 디자인의 도면.
도 7은 축에 고정된 원심 분리기와 상부로부터 열 교환 채널을 커버하는 플레이트를 갖는 장치의 샘플 디자인의 도면.
도 8은 드럼형 원심 송풍기의 임펠러와 송풍기 하부에 만곡된 열 교환 소자를 갖는 도 7(제 1 디자인 양태에 따른)에 도시한 장치의 단면도.
도 9는 송풍기 하부에 만곡된 열 교환 소자를 갖는 반경 방향 열 교환 채널의 샘플 디자인의 도면.
도 10은 다수의 디스크를 갖는 원심 송풍기를 갖는 장치(제 2 장치 디자인 양태에 따른)의 샘플 디자인의 도면.
도 11은 열 교환 소자(제 2 장치 디자인 양태에 따른)의 반경 방향 열 교환 채널의 샘플 디자인의 도면.
도 12는 하나의 디스크를 갖는 원심 송풍기를 갖는 장치(제 2 장치 디자인 양태에 따른)의 샘플 디자인의 도면.
도 13은 원심 송풍기 디스크의 도면.
도 14는 반경 방향 핀이 설치된 원심 송풍기 디스크를 갖는 장치(제 2 장치 디자인 양태에 따른)의 샘플 디자인의 도면.
도 15는 반경 방향 핀을 갖는 원심 송풍기 디스크의 도면(저면도).
도 16은 축방향 송풍기 블레이드가 중앙 개구의 영역에 설치된 원심 송풍기 디스크를 갖는 장치(제 2 장치 디자인 양태에 따른)의 샘플 디자인의 도면.
도 17은 축방향 송풍기 블레이드를 갖는 원심 송풍기 디스크의 도면.
도 18은 도 17(축방향 송풍기 블레이드)에 도시한 원심 송풍기 디스크의 단면도.
본원에 청구된 발명에 의해 해결되어야 할 기술적인 과제는, 열 교환 소자의 중앙부의 보다 효율적인 냉각과 냉각기의 크기의 감소에 의해, 전자 기기의 더욱균일한 냉각을 보장하는 전자 기기용 냉각기를 제공하는 것이다.
이러한 과제에 접근하기 위해 두 개의 양태가 제안된다.
제 1 양태에 따른 본 발명은 본질적으로 하기와 같이 구성된다.
전자 기기용 냉각기는, 한 측부에 분기형 열 교환 채널을 가지며 다른 측부는 전자 기기와 열 접촉 가능하도록 형성되는 열 교환 소자(즉, 히트 싱크)와, 열 교환 채널로 냉각류를 통과시키도록 상기 열 교환 소자에 설치되는 원심 송풍기를 포함한다.
상기 원심 송풍기는 열 교환 채널의 대칭 중심에 설치된다. 상기 송풍기는 열 교환 소자의 중앙부에 냉각류(예를 들면, 기류)를 공급한다. 송풍기 임펠러는 상기 열 교환 채널의 입구에 바로 대향하여 배치되기 때문에, 냉각류는 채널 입구에 공급되며 상기 채널을 이동함에 따라 열 교환 소자를 냉각시킨다.
원심 송풍기는 열 교환 채널과 동일한 높이로 설치되기 때문에, 냉각기의 높이는 감소되며 냉각류는 유동 전환(축방향으로부터 반경 방향으로)에 소모되는 에너지의 소모 없이 열 교환 채널로 안내된다. 이는 원심 송풍기 디자인의 특성에 따라 유동 전환이 실행된다는 사실에 의해 설명된다.
특정 냉각 패턴을 위해 제공된 본원에 청구된 장치의 상술한 특징은 열 교환 소자의 가장 고온인 부분(즉, 중앙부)이 먼저 냉각되며, 상술한 종래 기술과 비교할 때, 냉각류(임펠러로부터 나오는)가 열 교환 채널에 진입할 때 유동 전환 및 마찰에 의해 종래 기술에서 발생되는 손실 없이 전체 냉각 작용이 더욱 균일하게 진행되는 특징을 갖는다. 그 결과, 청구된 본 발명을 사용할 때 보다 작은 동력과크기의 송풍기를 사용할 수 있다.
드럼형 임펠러가 설치된 원심 송풍기가 적합하다. 이 경우, 상기 임펠러는 열 교환 소자의 중앙부를 양호하게 냉각시키기에 충분한 강한 유동을 발생시킬 수 있는 넓은 흡입 구멍을 갖는다. 게다가, 소정의 송풍기 용량에 있어서, 드럼형 임펠러를 갖춘 원심 송풍기는 다른 형태의 임펠러를 갖는 원심 송풍기와 비교할 때 최소 크기 및 회전 속도를 갖는다.
열 교환 영역을 증가시키기 위해, 열 교환 채널은 프로파일형 소자들의 열(row)의 형태로 형성될 수 있다. 특히, 상기 소자들은 니들의 형태로 제조될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 열 교환 채널은 나선형으로 제조될 수 있으며, 원심 송출기의 회전 방향으로 만곡될 수 있다. 이는 기류와 열 교환 소자 표면 사이의 장기간의 접촉을 위해 제공될 수 있다.
게다가, 열 교환 채널은 일정한 폭으로 형성될 수 있다. 이는 기류가 열 교환 채널의 표면을 송풍할 때 일정한 속도를 보장하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 열 교환 채널을 일정한 폭으로 형성하면 열 교환 소자 표면 상의 열 교환 채널의 최대 "밀도"를 얻을 수 있으며, 이는 더욱 큰 열 교환 영역을 얻는 것을 가능하게 한다.
열 교환 채널을 나선형 또는 일정한 폭으로 형성할 때, 원심 송풍기 임펠러에 의해 발생되는 토출 유동의 전파 방향으로 입구를 방향 설정하는 것이 적합하다. 이 경우, 채널과 유입 기류 사이의 최적화가 얻어지며, 전환시에 기류 속도가최대 가능한 레벨로 유지될 수 있다.
열 교환 소자의 중앙부에서의 증가된 열 교환을 얻기 위해, 원심 송풍기의 흡입 구멍 하부의 표면은 니들 형상으로 형성될 수 있다. 상기 열 교환 소자의 부분은 본질적으로는 원심 송풍기 내측-주 기류의 영역에 배치된다. 열 교환 소자의 이러한 배치에 의해, 니들을 지나는 유동에 있어서 실질적으로 부가의 손실이 없으며, 열 교환이 증가될 수 있다.
송풍기 하부의 열 교환 소자를 만곡시킴으로써 열 교환 효율이 상승할 수 있다. 원심 송풍기는 열 교환 채널과 동일한 높이로 설치되기 때문에, 냉각류는 유동의 전환(축방향으로부터 반경 방향으로)에 소모되는 에너지 소모 없이 열 교환 채널로 안내된다. 이러한 유동 전환은 원심 송풍기 디자인의 특성 및 송풍기 하부의 열 교환 소자의 형상에 따라 발생된다. 송풍기 임펠러의 중앙부에 배치된 열 교환 소자의 만곡부는 열 교환 소자가 편평하게 형성되는 경우와 비교할 때 더욱 큰 열 교환 표면을 갖는다. 반경 방향 속도 성분 이외에도, 열 교환 소자의 만곡부의 측방향 원추형 표면을 따라 통과하는 기류는 부가의 접선 방향 속도 성분을 갖는다. 따라서, 열 교환 표면이 송풍되는 속도가 증가하는 사실에 기인하여, 열 교환 효율의 부가의 상승이 얻어진다. 더욱이, 만곡면과 송풍기 입구 사이의 거리는 이 경우 감소하며, 이에 의해 열 교환 소자와 송풍기 임펠러 사이의 갭에서의 기류 속도가 증가하며, 따라서 냉각 효율의 부가의 이득을 제공한다.
본원에 청구된 장치의 낮은 높이는 다른 중요한 기술적 진보를 나타낸다. 반도체 장치 또는 프로세서는 열 교환 소자의 오목부에 의해 형성된 리세스에 설치된다. 상기 열 교환 소자의 오목부는 송풍기 임펠러의 중앙부에 삽입되며, 이에 의해 또한 크기를 감소할 수 있다.
장치 디자인의 상술한 특징은, 냉각류가 가장 고온인 부분인 열 교환 소자의 중앙부로 먼저 공급될 수 있게 한다. 상기 부분의 냉각은, 냉각류(임펠러로부터 나오는)가 열 교환 채널로 진입할 때 유동 전환 마찰에 소모되는 손실 없이 더욱 균일하게 진행된다. 그 결과, 열 교환 소자의 만곡된 중앙부를 갖는 본 발명의 디자인을 사용할 때, 보다 작은 동력 및 크기의 송풍기를 사용할 수 있다.
열 교환을 증가시키기 위해, 열 교환 소자의 만곡부의 표면(즉, 원심 송풍기의 유입구에 면하는 표면)은 개선된 열 교환 표면(예를 들면, 니들형 표면)이 제공되도록 형성될 수 있다. 열 교환 채널은 프로파일형 소자들의 열의 형태로 형성될 수 있다. 열 교환 소자의 상기 부분은 본질적으로는 원심 송풍기의 내부, 즉 주 기류의 영역에 배치된다. 열 교환 소자의 이러한 배치에 의해, 실질적으로 니들을 통하는 유동에 대한 부가의 손실이 없으며, 열 교환이 상당히 개선된다.
열 교환 채널의 입구에서의 냉각류의 압력의 진동에 의해 발생되는 부가의 노이즈를 방지하기 위해, 열 교환 채널의 입구에 대해 0.03d(d는 원심 송풍기 임펠러의 직경) 이상의 반경 방향 갭을 갖는 원심 송풍기 임펠러를 설치하는 것이 적합하다.
열 교환 채널은 상부로부터 플레이트에 의해 커버될 수 있다. 이 경우, 냉각 기류는 채널을 따라서만 전파될 수 있다.
제 2 양태에 따른 전자 기기용 냉각기는 하기와 같이 형성된다.
상기 냉각기는, 한 측부에 분기형 열 교환 채널이 형성되며 다른 측부는 전자 기기와 열 접촉 가능하도록 형성되는 열 교환 소자(즉, 히트 싱크)와, 열 교환 채널로 냉각류를 통과시키도록 열 교환 소자에 설치되는 원심 송풍기를 포함한다.
적어도 하나의 디스크를 갖는 디스크형 원심 송풍기가 본 디자인에 사용된다. 상기 디스크는 열 교환 소자에 면하는 디스크 표면의 에지가 열 교환 채널로의 입구에 대향하여 배치되는 방식으로 설치된다.
원심 송풍기는 열 교환 소자의 중앙부로 냉각류(예를 들면, 기류)를 공급하며, 이에 의해 열 교환 소자의 가장 고온인 부분의 효율적인 냉각을 가능하게 한다. 마찰력에 기인하여 송풍기 디스크로부터 기류로의 에너지의 전달이 진행된다.
기류는 반경 방향 뿐만 아니라 접선 방향에서도 열 교환 소자의 중앙부로 송풍되며, 이에 의해 장치의 중앙부에서의 기류 속도의 부가의 증가가 발생되며, 냉각 효율의 부가의 이득이 얻어진다.
열 교환 소자에 면하는 송풍기 디스크 표면의 에지는 열 교환 채널로의 입구에 대향하여 배치되기 때문에, 냉각류는 상기 입구로 공급되며, 기류가 채널을 통과함에 따라 열 교환 소자를 냉각시킨다. 디스크형 원심 송풍기는 냉각류의 반경 방향 성분을 발생시키며, 상기 반경 방향 성분은 열 교환 채널로의 입구와 양호하게 적응된다.
디스크형 원심 송풍기는 충분한 효율을 가지면서도 소형 크기(높이에 있어서)를 갖는 것을 특징으로 한다. 게다가, 다른 모든 요소는 동일하면서, 다른 형태의 원심 송풍기와 비교할 때 최소의 노이즈 레벨을 갖는 것을 특징으로 한다.
본원에 청구된 장치의 상술한 특징은 열 교환 소자의 가장 고온인 부분(즉, 중앙부)이 먼저 냉각되며, 상술한 종래 기술과 비교할 때, 냉각류(송풍기 디스크로부터 나오는)가 열 교환 채널로 진입할 때 유동 전환 및 마찰에 의해 상기 종래 기술에 발생되는 손실 없이 전체 냉각 작용이 균일하게 진행되는 것을 특징으로 하는 특정 냉각 패턴을 위해 제공된다. 그 결과, 본원에 청구된 발명을 사용할 때 보다 작은 동력 및 크기를 사용할 수 있다.
게다가, 디스크형 원심 송풍기의 디스크 중 적어도 하나의 표면(열 교환 소자에 면하는)은 기류의 반경 방향 성분을 증가시키는 반경 방향 핀을 갖출 수 있다.
게다가, 축방향 송풍기 블레이드가 디스크의 중앙 개구 부근에서 원심 송풍기의 디스크 중 적어도 하나에 설치될 수 있으며, 상기 블레이드는 디스크에 부착된다. 상기 블레이드는 하나의 디스크 또는 다수의 디스크에 설치될 수 있다. 디스크의 중앙 개구 부근에 축방향 송풍기 블레이드를 설치하면, 송풍기 용량은 동일하게 유지하면서 열 교환 소자의 중앙부의 냉각 기류의 존재를 증가시킨다. 축방향 송풍기 블레이드의 설치와 관련된 디스크형 원심 송풍기의 이러한 디자인은 보다 낮은 회전수로 동일한 송풍기 용량을 얻을 수 있게 하며, 이는 송풍기에 의해 발생되는 노이즈 레벨을 더욱 감소시킨다.
한 디자인 양태에 따르면, 축방향 송풍기 블레이드는 원심 송풍기의 축 상에 디스크를 고정시키는 스트랩으로 형성될 수 있다.
상기 송풍기 하부의 열 교환 소자는, 열 교환 소자의 만곡부가 디스크 송풍기의 입구의 하부에 배치되도록 송풍기의 방향으로 만곡되어 형성될 수 있다. 이 경우, 장치의 전체 크기는 감소되며(전자 기기가 리세스에 끼워맞춰지기 때문에), 냉각 작용이 개선된다(가장 고온인 중앙부가 보다 고속으로 통과하는 기류의 일부에 의해 송풍되기 때문에).
열 교환 영역을 증가시키기 위해, 열 교환 채널은 프로파일형 소자들의 열의 형태로 형성될 수 있다. 특히, 상기 소자들은 니들의 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 열 교환 채널은 나선형으로 형성될 수 있으며, 원심 송풍기의 방향으로 만곡될 수 있다. 이는 기류와 열 교환 소자 표면 사이의 장기간의 접촉을 위해 제공될 수 있다.
열 교환 채널이 만곡되는 경우, 열 교환 채널은 일정한 폭으로 형성될 수 있다. 이는 기류가 열 교환 채널의 표면으로 송풍될 때 일정한 속도를 보장하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 열 교환 채널의 폭을 일정하게 함으로써, 열 교환 소자 표면의 열 교환 채널의 최대 "밀도"를 얻는 것을 가능하게 할 수 있으며, 이는 더욱 큰 열 교환 영역을 얻을 수 있게 한다.
열 교환 채널이 나선형인 경우(열 교환 채널이 일정한 폭을 갖는 경우를 포함하여), 원심 송풍기에 의해 발생하는 토출류의 전파 방향으로 열 교환 채널의 입구를 방향 설정하는 것이 적합하다. 이 경우, 채널과 유입 기류 사이의 최대 적응이 얻어지며, 전환시에 기류 속도를 최대 가능한 레벨로 유지할 수 있다.
열 교환을 증가시키기 위해, 원심 송풍기의 입구에 면하는 열 교환 소자 부분의 표면은, 개선된 열 교환 표면이 발생되도록 프로파일형으로 형성될 수 있다(예를 들면, 니들형으로 형성될 수 있다). 열 교환 소자의 상기 부분은 주 기류의 영역에 배치된다. 따라서, 효율적으로 냉각된다. 열 교환 소자의 이러한 배치에 의해, 실질적으로 니들을 통하는 유동에 대한 부가의 손실이 없으며, 열 교환이 상당히 증가된다.
게다가, 내측으로부터, 열 교환 채널은 열 교환 소자의 표면에 고정된 상부로부터 플레이트에 의해 커버될 수 있다. 이 경우, 전체 냉각 기류는 채널을 따라서만 전파될 수 있으며, 이는 증가된 열 교환을 가능하게 한다.
하기에는 본원에 청구된 장치의 제 1 디자인 양태를 설명한다.
전자 기기용 냉각기(도 1 및 도 2)는 한 표면(102)에 분기형 열 교환 채널(103)이 형성되며 다른 표면(104)은 전자 기기(도 1에 도시 않음)와 열 접촉이 가능하도록 형성되는 열 교환 소자(101)를 포함한다. 상기 냉각기는 열 교환 채널(103)에 대한 대칭 중심(106)에서 열 교환 소자(101)에 설치된 원심 송풍기(105)를 또한 포함한다.
도 1 및 도 2는 반경 방향 분기형 열 교환 채널(103)을 도시한다. 원심 송풍기(105)의 임펠러(107)는 열 교환 채널(103)의 대향 입구(108)에 배치된다. 드럼형 임펠러(107)를 갖는 원심 송풍기(105)의 샘플 디자인은 도 6 및 도 9에 도시한다. 이러한 드럼형 원심 송풍기는 임펠러의 외경에 대한 내경의 상대값이 0.75 이상인 것을 특징으로 한다.
본원에 청구된 장치에서(도 3 참조), 열 교환 채널(103)은 나선형으로 형성되며 원심 송풍기(105)의 회전 방향으로 만곡된다.
장치 디자인의 다른 실시예(도 4 참조)는 열 교환 채널(103)이 일정한 폭으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 3 및 도 4에 도시한 장치 디자인의 실시예에서, 열 교환 채널(103)의 입구(108)는 원심 송풍기(105)의 임펠러(107)에 의해 발생하는 토출 유동의 전파 방향으로 방향 설정된다. 열 교환 채널 입구의 축과 임펠러(107)에 의해 발생하는 유입 기류의 방향 사이의 각도는 ±5°이내(도 5 참조)가 되도록 열 교환 채널의 입구를 방향 설정하는 것이 적합하다.
도 5는 두 개의 핀(109){원호(AB), 원호(CD)}으로 형성된 열 교환 채널(103)과, 일정한 폭의 열 교환 채널의 프로파일의 계산에 요구되는 대응 기하학적 구조를 도시한다. 대칭 중심(O)으로부터 거리(r)에 위치한 원호(AB)의 임의의 지점(E)과, 원호(CD)[두 개의 지점{t(r)} 사이의 거리는 열 교환 채널의 폭을 나타낸다]의 지점(F){상기 지점(E)에 대응하는}에 대해, 대칭 중심(O)으로부터 거리(r)에 위치한 원호(CD)의 지점(G)이 결정된다. 다수의 열 교환 채널(Z)에 대한 지점(E)과 지점(G) 사이의 거리{a(r)}는 원호(EG)의 길이와 대략 동일하다, 즉 a(r)≒2πr/Z이다. 동일한 조건에서, t(r)의 값은 t(r)≒a(r)·sin[b(r)]로 정의될 수 있다. 수치법(numeric method)을 사용하여 t(r)=T(T=상수)에 대한 각도{b(r)}의 값을 계산할 수 있으며, 따라서 다수의 열 교환 채널의 프로파일을 결정할 수 있다. 특히, 도 4는 다수의 열 교환 채널(Z=22)을 갖는 샘플 디자인의 예를 도시하며, 최소 거리(r=r0)(지점 A)와 최대 거리(r=rk)(지점 B) 사이의 관계 : r0=0.4rk를 나타낸다. 이 경우, 각도{b(r)}의 값이 결정되며, 상기 값은 b(r0)=34.22°내지 b(rk)=13.0°범위 내에 있다.
열 교환 처리를 개선하기 위해, 원심 송풍기(도 1)의 흡입구 하부에 배치된 열 교환 소자(101)의 표면은 니들 형상으로 형성되며, 여기서 도면 부호 110은 니들이다.
열 교환 채널(103)의 입구(108)에 있어서, 원심 송풍기(105)의 임펠러(107)는 반경 방향 갭(111)을 갖고 설치되며, 상기 갭의 값은 0.33d 이상이며, 여기서 d는 원심 송풍기(105)의 임펠러(107)의 직경이다.
열 교환 채널(103)은 원형, 직사각형 및 다른 단면 형상의 프로파일형 소자의 열로 형성될 수 있다. 상기 프로파일형 소자는, 니들(112)의 형태로 형성되는 경우 서로에 대해 바로 인접하여 배치되도록(도 6 참조) 형성될 수 있다. 게다가, 상기 프로파일형 소자는 채널(103)을 형성하는 고체 핀{예를 들면, 핀(109)-도 4 참조}으로 톱 절단됨으로써 형성될 수 있다.
상술한 모든 실시예에 있어서, 열 교환 소자(101)는 다른 방법(예를 들면, 주조 또는 밀링)으로 제조될 수 있다.
원심 송풍기(105)는 베어링(114)에 의해 축(113)에 고정될 수 있다(도 7 참조). 전체 강제 기류가 열 교환 채널(103)을 통과하는 것을 보장하기 위해, 상기 열 교환 채널은 상부로부터 플레이트로 커버된다. 이 경우, 플레이트(115)는 스트랩(116)에 의해 축(113)을 체결한다.
본 발명의 한 실시예에 있어서(도 8, 도 9), 송풍기(105) 하부에 배치된 열 교환 소자(101)의 중앙부(117)는 만곡되어 형성된다. 상기 열 교환 소자(101)의 만곡부(118)는 원심 송풍기 입구(106)에 대향하여, 즉 임펠러(108)의 중앙부(117)에 배치된다.
제 1 디자인 양태에 따른 장치는 하기의 방법으로 작동된다.
원심 송풍기(105)의 임펠러(107)가 회전할 때(도 1 참조), 기류는 먼저 니들(110)을 포함하는 열 교환 소자(101)의 중앙부로 송풍된다. 상기 열 교환 소자의 가장 고온인 영역인 열 교환 소자(101)의 상기 영역에서 집중적인 열 교환이 진행된다. 원심 송풍기(105)의 임펠러(107)는 열 교환 채널(103)의 입구(108)로기류를 공급한다. 열 교환 채널(103)이 나선형으로 형성되며 송풍기(105)의 회전 방향으로 만곡되는 경우에는(도 3 및 도 4 참조), 기류는 감속 없이 채널(103)로 안내되며, 이는 기류가 채널(103)로 진입할 때 속도 손실이 없다는 것을 의미한다. 일정한 폭의 열 교환 채널(103)(도 4 참조)에서의 기류의 속도는 일정하게 유지된다. 열 교환 소자(101)와 기류 사이의 열 교환은, 기류가 열 교환 채널(103)을 통과할 때 발생한다. 이러한 열 교환 처리에 의해, 열 교환 소자(101)와 열 접촉하는 전자 기기는 냉각된다.
열 교환 소자(101)의 만곡된 중앙부(118)에 있어서(도 8 및 도 9), 반경 방향 속도 성분에 부가하여, 열 교환 소자의 만곡부의 측부 원추형 표면을 따라 통과하는 기류는 부가의 접선 방향 속도 성분을 갖는다. 따라서, 열 교환 표면이 송풍되는 속도가 증가하는 사실에 기인하여, 열 교환 소자(101)와 송풍기(105)의 임펠러(107) 사이의 갭에서의 기류 속도의 증가가 얻어지며, 이는 열 교환 효율의 부가의 상승을 초래한다.
하기에는, 본원에 청구된 장치의 제 2 디자인 양태를 설명한다.
전자 기기용 냉각기(도 10 및 도 11)는, 한 표면(202)에 분기형 열 교환 채널(203)이 형성되며 다른 표면은 전자 기기(205)와 열 접촉 가능하도록 형성되는 열 교환 소자(201)를 포함한다. 상기 냉각기는 열 교환 채널(203)로 냉각류를 통과시키도록 제공되는 방식으로 열 교환 소자(201)에 설치되는 원심 송풍기(206)를 또한 포함한다.
적어도 하나의 디스크(207)를 갖는 디스크형 원심 송풍기(206)가 본 디자인에 사용된다. 도 10은 4개의 디스크(207)를 갖는 원심 송풍기(206)의 샘플 디자인을 도시한다. 상기 디스크(207)들은 열 교환 소자(201)에 면하는 각각의 디스크 표면의 에지(208)가 열 교환 채널(203)로의 입구(209)에 대향하여 배치되는 방식으로 설치된다. 반경 방향 열 교환 채널(203)을 갖는 냉각기의 단면은 도 11에 도시한다.
하나의 디스크(207)를 갖는 원심 송풍기(206)의 디자인 양태는 도 12에 도시한다. 이 경우, 열 교환 소자(201)는 낮은 높이로 형성될 수 있다.
디스크(207)를 송풍기(206)의 축(213)에 체결시키는 반경 방향 스트랩(212)을 갖는 디스크(207)의 디자인 양태는 도 13에 도시한다.
열 교환 소자(201)에 면하는 디스크(207)의 표면은 반경 방향 핀(210)을 가질 수 있다(도 14 및 도 15 참조).
송풍기 하부의 열 교환 소자(201)는, 도 14에 도시한 바와 같이, 열 교환 소자의 만곡부가 원심 송풍기(206)의 디스크(207)의 중앙 개구(205)에 대향하여 배치되는 방식으로 만곡되어 형성될 수 있다.
디스크(207)에 고정된 축방향 송풍기 블레이드(211)(도 16 및 도 17 참조)는 디스크(207)의 중앙 개구(215)의 영역에 설치될 수 있다. 도 16은 블레이드(211)가 하나의 디스크(207)에 설치된 장치의 실시예의 예를 도시한다. 이 경우, 블레이드(211)는 또한 송풍기(206)의 축(213)에 디스크를 고정하는 스트랩(212)으로서의 역할을 할 수 있다.
본 발명의 장치의 제 1 디자인 양태에서, 분기형 열 교환 채널은 나선형(도3 참조)으로 형성될 수 있다. 더욱이, 열 교환 채널은 일정한 폭(도 4 참조)으로 형성될 수 있다. 열 교환 채널은, 예를 들면 니들(도 6 참조)과 같은 프로파일형 소자의 열로 형성될 수 있다.
디스크형 송풍기(206)의 입구(215) 하부에 배치된 열 교환 소자(201)의 부분의 표면은 프로파일형으로 형성될 수 있다(예를 들면, 도 10 내지 도 12, 도 14 및 도 16에 도시한 바와 같이, 니들형, 여기서 도면 부호 216은 니들).
채널(203)을 따라 안내되는 기류를 발생시키기 위해, 플레이트(217)로 외측으로부터 열 교환 채널(203)을 커버하는 것이 적합하다(도 10, 도 12, 도 14 및 도 16 참조).
본 발명의 모든 실시예에 있어서, 열 교환 소자(101 또는 201)는 예를 들면, 주조 또는 밀링과 같은 다른 방법으로 제조될 수 있다.
원심 송풍기(206)는 베어링(219)에 의해 축(213)(도 10, 도 12, 도 14 및 도 16 참조)에 고정될 수 있다. 이 경우, 플레이트(217)는 개구(공기 통과용)를 갖는다. 게다가, 플레이트(217)는 열 교환 소자(201)에 축(213)을 고정시킨다.
제 2 디자인 양태에 따른 장치는 하기의 방식으로 작동한다.
원심 송풍기(206)의 디스크(207)가 회전할 때(도 10 참조), 기류는 먼저 니들(216)을 포함하는 열 교환 소자(201)의 중앙부로 송풍된다. 상기 열 교환 소자의 가장 고온인 영역인 열 교환 소자(201)의 상기 영역에서 집중적인 열 교환이 발생한다. 원심 송풍기(206)의 디스크(207)는 열 교환 채널(203)의 입구(209)로 기류를 공급한다. 열 교환 채널(203)이 나선형으로 형성되며 송풍기(206)의 회전 방향으로 만곡되는 경우에는, 냉각 기류는 감속 없이 채널(203)로 안내되며, 이는 기류가 채널(203)로 진입할 때 기류 속도의 손실이 없다는 것을 의미한다. 일정한 폭의 열 교환 채널(203)(도 4 참조)의 기류 속도는 일정하게 유지된다.
열 교환 소자(201)와 기류 사이의 열 교환은, 기류가 열 교환 채널(203)을 통과할 때 발생한다. 이러한 열 교환 처리에 의해, 열 교환 소자(201)와 열 접촉하는 전자 기기(205)는 냉각된다.
디스크(207)에 의해 발생되는 기류는 반경 방향 뿐만 아니라, 접선 방향으로 전파된다. 디스크(207)에 설치된 핀(210)(도 14 및 도 15)은 기류의 반경 방향 성분을 증가시킨다.
축방향 팬의 블레이드(211)가 디스크(207)의 중앙 개구(215)의 영역에 설치되는 경우(도 16 내지 도 18), 상기 블레이드는 부가의 기류압을 발생시키며, 따라서 중앙부의 양호한 냉각을 용이하게 하며, 전체 열 교환 소자(201)의 냉각을 용이하게 한다.
본 발명은 전자 기기(주로, 반도체 장치), 마이크로회로 및 마이크로프로세서의 냉각을 위해 사용될 수 있다.
원심 송풍기의 임펠러가 전자 기기의 냉각을 위해 열 교환 채널로의 입구에 대향하여 배치되는 원심 송풍기를 갖는 장치의 적용에 의해, 효율적이며 소형인 냉각용 장치를 제공할 수 있다.

Claims (33)

  1. 열 교환 소자와 원심 송풍기를 포함하며,
    상기 열 교환 소자는 제 1 열 교환 표면 및 제 2 열 교환 표면을 가지며, 상기 제 1 열 교환 표면은 복수의 열 교환 채널을 가지며, 상기 제 2 열 교환 표면은 전자 기기와의 열 접촉을 제공하도록 적용되며,
    상기 원심 송풍기는, 상기 원심 송풍기의 주변부가 상기 복수의 열 교환 채널에 의해 둘러싸인 상태로 상기 제 1 열 교환 표면에 배치되며, 이에 의해 상기 원심 송풍기의 출구는 상기 복수의 열 교환 채널의 입구에 대향하여 배치되며,
    상기 원심 송풍기는 상기 송풍기의 중앙부에 배치된 흡입 통로와, 상기 흡입 통로로 둘러싸인 임펠러를 포함하며,
    상기 임펠러는 상기 흡입 통로 부근에 위치하는 상기 제 1 열 교환 표면의 적어도 일부를 냉각하도록 상기 흡입 통로로 냉각 가스를 흡인하며, 다음 상기 복수의 열 교환 채널로 상기 냉각 가스를 안내하는 상기 임펠러를 통해 냉각 가스를 유동시키도록 작동 가능한 전자 기기용 냉각기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 원심 송풍기는 드럼형 임펠러를 포함하는 냉각기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 흡입 통로 부근에 위치하는 상기 제 1 열 교환 표면은 상기 흡입 통로로 돌출되는 복수의 열 교환 소자를 포함하는 냉각기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 복수의 열 교환 소자는 상향으로 돌출된 로드인 냉각기.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 열 교환 소자는 상향으로 돌출된 로드의 인접한 열들 사이에 형성되는 냉각기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 로드는 원통형인 냉각기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 열 교환 채널은 상기 송풍기의 회전 방향으로 만곡된 나선형 채널인 냉각기.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 열 교환 채널은 상기 송풍기의 회전 방향으로 만곡된 나선형 채널인 냉각기.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 열 교환 채널로의 입구는 상기 임펠러로부터의 토출 가스 유동 방향에 위치하는 냉각기.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 열 교환 채널은 일정한 폭을 갖는 냉각기.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 열 교환 채널로의 입구는 상기 임펠러로부터의 토출 가스 유동 방향에 위치하는 냉각기.
  12. 제 2 항에 있어서, 상기 흡입 통로 부근에 위치하는 상기 제 1 열 교환 표면은 상기 흡입 통로로 돌출되는 복수의 열 교환 소자를 포함하는 냉각기.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 흡입 통로 부근에 위치하는 상기 제 1 열 교환 표면의 일부는 상기 임펠러의 상부로부터 상기 임펠러의 저부까지의 거리 보다 짧은, 상기 흡입 경로의 입구로부터의 거리에 배치되는 냉각기.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 2 열 교환 표면은 상기 제 1 열 교환 표면의 표면 형상을 따르는 냉각기.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 흡입 통로 부근에 위치하는 상기 제 1 열 교환 표면의 일부는 상기 흡입 통로로 돌출되는 복수의 열 교환 소자를 포함하는 냉각기.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 복수의 열 교환 소자는 상향으로 돌출된 로드인 냉각기.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 원심 송풍기 임펠러는 상기 열 교환 채널의 입구에대해 1.03d(d는 원심 송풍기 임펠러의 직경) 이상의 반경 방향 갭을 가지고 설치되는 냉각기.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 열 교환 채널은 상기 채널의 상부로부터 플레이트에 의해 커버되는 냉각기.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 원심 송풍기는 적어도 하나의 디스크를 갖는 디스크형 송풍기이며, 상기 적어도 하나의 디스크는 상기 열 교환 소자에 면하는 디스크의 에지가 상기 열 교환 소자로의 입구에 대향하여 위치되도록 배치되는 냉각기.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 흡입 통로 부근에 위치하는 상기 제 1 열 교환 표면은 상기 흡입 통로로 돌출되는 복수의 열 교환 소자를 포함하는 냉각기.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 복수의 열 교환 소자는 상향으로 돌출된 로드인 냉각기.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 열 교환 소자와 면하는 상기 적어도 하나의 디스크의 표면은 반경 방향 돌출부를 갖는 냉각기.
  23. 제 19 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 디스크는 상기 흡입 통로 영역에서상기 원심 송풍기 축에 커넥터에 의해 연결되는 냉각기.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 커넥터는 축방향 송풍기 블레이드인 냉각기.
  25. 제 19 항에 있어서, 상기 흡입 통로 부근에 위치하는 상기 제 1 열 교환 표면의 일부는 상기 임펠러의 상부로부터 상기 임펠러의 저부까지의 거리 보다 짧은, 상기 흡입 통로의 입구로부터의 거리에 배치되는 냉각기.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 제 2 열 교환 표면은 상기 제 1 열 교환 표면의 표면 형상을 따르는 냉각기.
  27. 제 25 항에 있어서, 상기 열 교환 채널은 상향으로 돌출된 로드의 인접한 열들 사이에 형성되는 냉각기.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 로드는 원통형인 냉각기.
  29. 제 19 항에 있어서, 상기 열 교환 채널은 상기 송풍기의 회전 방향으로 만곡된 나선형 채널인 냉각기.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 열 교환 채널로의 입구는 상기 디스크 임펠러로부터의 토출 가스 방향에 위치하는 냉각기.
  31. 제 29 항에 있어서, 상기 열 교환 채널은 일정한 폭을 갖는 냉각기.
  32. 제 31 항에 있어서, 상기 열 교환 채널로의 입구는 상기 디스크 임펠러로부터의 토출 가스 방향에 위치하는 냉각기.
  33. 제 19 항에 있어서, 상기 열 교환 채널은 상기 채널 상부로부터 플레이트에 의해 커버되는 냉각기.
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