KR20020016167A

KR20020016167A - 고출력 전자부품용 냉각장치

Info

Publication number: KR20020016167A
Application number: KR1020000049329A
Authority: KR
Inventors: 양시영; 전형환; 권재웅; 오세민
Original assignee: 이형도; 삼성전기주식회사
Priority date: 2000-08-24
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2002-03-04

Abstract

본 발명은 전자부품의 냉각장치에 있어서, 동작시 열을 발생시키는 전자부품에 일체로 결합될때 이를 냉각시키는 고출력 전자부품용 냉각장치에 관한 것으로서 그 기술적인 구성은, 송풍팬의 하부에 위치토록 되는 히트싱크를 다수의 루버가 형성되는 코루케이트 형상으로 형성시킴으로써 전자부품의 냉각효율을 극대화 하도록 하는 것을 요지로 한다

Description

고출력 전자부품용 냉각장치{COOLING APPARATUS FOR HIGH POWER ELECTRONIC COMPONENTS}

본 발명은 퍼스널 컴퓨터등의 내측인 한정된 공간내에 설치되는 CPU나 VGA칩등에서 발생되는 열을 냉각시키기 위하여 CPU등의 발열 전자부품에 일체로 결합되는 냉각장치에 있어서, 코루게이트 형상의 박판에 다수의 루버(LOUVER)가 형성되는 냉각핀을 베이스판에 고정하여 냉각면적을 극대화 시킴은 물론 공기의 유동을 원활하게 하여 발열 전자부품의 냉각효율을 극대화 하는 고출력 전자부품용 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 알려져 있는 발열 전자부품의 냉각장치는, 크게 자연냉각식과 강제냉각식으로 구분되고, 자연적인 공기의 흐름(대류)을 이용하는 자연 냉각식은, 구동시 열을 발생시키는 발열 전자부품을 다수의 냉각핀이 일측면에 일체로 돌출 형성되어 공기와의 접촉면적을 확대토록 하는 히트싱크에 밀착시킴으로써 발열 전자부품에서 전달되는 열을 접촉되는 히트싱크의 냉각핀에 의해 냉각시켜 발열 전자부품을 냉각시키게 되는 것이다.

또한, 송풍팬의 구동에 의해 외부의 공기를 강제 유입시키는 강제냉각식은, 동작시 열을 발생시키는 발열 전자부품을 송풍팬이 상측에 설치되면서 하부에 다수의 냉각핀이 일체로 형성되어 공기와의 접촉면적을 확대토록 하는 히트싱크에 접촉시키고, 이때 히트싱크에 장착되는 송풍팬의 회전시 외부 공기를 냉각핀에 강제로 접촉시켜 발열 전자부품에서 히트싱크의 냉각핀에 전달되는 열을 냉각시키게 되는것이다.

이와같은 기술과 관련된 종래의 냉각장치는 미국특허 5,304,846호에 도시된다.

상기와 종래의 기술은 도1에 도시한 바와같이, 동작시 발열토록 되는 전자부품(51)이 밀착고정되는 히트싱크(57)의 몸체(53) 수직방향 상측으로 돌출되면서 상하 평행토록 되는 다수의 냉각핀(55)이 다수개 형성되는 구성으로 이루어 진다.

상기와 같은 냉각장치는, 전자부품(51)이 동작하면 그 일측에 밀착되는 히트싱크(57)에 열이 전달되고, 상기 히트싱크(57)에 전달되는 열은 몸체(53)의 수직방향에 돌출되는 냉각핀(55)에 전달되며, 상기 냉각핀(55)의 열은 각각의 냉각핀(55) 사이에 형성되는 좁은유로(NARROW CHANNEL)(59)를 통하여 유동되는 공기에 의해 냉각토록 되는 것이다.

그러나, 상기와 같은 냉각장치는, 알루미늄재의 몸체(53)에 의해 구성되어 중량이 증가되고, 유로(59)의 내측에서 공기의 평행 흐름많이 가능하여 고속의 공기유동을 필요하며, 이에따라 고속회전이 가능한 송풍팬이 필요로 하여 소비전력이 증가하게 되는 등의 문제점들이 있었던 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 개선시키기 위한 것으로서 그 목적은, 고속의 송풍팬이 미장착되어도 열방출 능력을 높여 히트싱크의 성능을 증대시키도록 대류열전달 계수가 향상되거나 열전달 면적을 증대토록 하는 고출력 전자부품용 냉각장치를 제공하는데 있다.

도1은 종래의 전자부품 냉각장치를 도시한 상태도

도2는 본 발명에 따른 전자부품 냉각장치를 도시한 개략도

도3은 본 발명에 따른 냉각장치의 냉각핀을 도시한 요부 확대도

도4A,B는 본 발명에 따른 냉각장치의 요부 개략도

도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각핀을 도시한 요부 확대도

도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각장치를 도시한 개략도

도7은 본 발명의 냉각핀 배열구조를 도시한 평면구조도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100...몸체 110...공기유동홀

160...베이스판 200...냉각핀

210...박판 220...루버

300...히트싱크 310...전자부품

상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 전자부품에 접합되는 히트싱크의 상측으로 송풍팬이 설치되는 전자부품 냉각장치에 있어서, 베이스판과 상부판으로 구성되는 몸체와,

상기 몸체에 코루게이트 형상인 박판에 다수의 루버가 형성되는 냉각핀이 일체로 고정되는 구성으로 이루어진 고출력 전자부품용 냉각장치를 마련함에 의한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도2는 본 발명에 따른 전자부품 냉각장치를 도시한 개략도이고, 도3은 본 발명에 따른 냉각장치의 냉각핀을 도시한 요부 확대도이며, 도4A,B는 본 발명에 따른 냉각장치의 요부 개략도이고, 도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각핀을 도시한 요부 확대도이며, 도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각장치를 도시한 개략도이고, 도7은 본 발명의 냉각핀 배열구조를 도시한 평면도로서 본 발명은, 몸체(100)와 냉각핀(200)이 일체로 결합되어 히트싱크(300)를 형성하는 구성으로 이루어 진다.

상기 몸체(100)는, 공기유동홀(110)이 형성되면서 송풍팬(300)이 고정토록 고정홈(130)이 형성되는 상부판(140)과 상기 상부판(140)에 일정간격 이격되어 고정되면서 중앙부에 리브(150)가 일체로 돌출되는 베이스판(160)으로 구성된다.

또한, 상기 상부판(140)및 베이스판(160)의 대향하는 면에 다수의 요홈(170)이 일체로 형성된다.

상기 몸체(100)의 상부판(140)및 베이스판(160)사이에 고정되는 냉각핀(200)은, 코루게이트 형상인 박판(210)에 다수의 루버(220)가 일체로 형성된다.

또한, 상기 루버(220)는, 몸체(100)의 내측에 설치되는 박판(210)에 난류를 형성토록 일정 각도로 절곡되어 형성된다.

그리고, 상기 몸체(100)의 내측에 일체로 고정되는 냉각핀(200)으로 구성되는 히트싱크(300)의 일측에 전자부품(310)이 밀착고정될때 히트싱크(300)의 타측에 송풍팬(320)의 팬 쉬라우드(330)가 고정토록 되는 구성으로 이루어 진다.

이와같은 구성으로 이루어진 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도2 내지 도7에 도시한 바와같이, 공기유동홀(110)이 형성되면서 송풍팬(120)이 고정토록 고정홈(130)이 형성되는 상부판(140)과 상기 상부판(140)에 일정간격 이격되어 냉각핀(200)을 개재하여 고정되는 베이스판(160)으로서 구성되는 히트싱크(300)가 기판(500)에 고정되는 전자부품(310)의 상측에 고정클립(미도시)등으로서 밀착되어 전자부품(310)에서 발생되는 열을 외부에 방출토록 한다.

또한, 도6에서와 같이, 상기 히트싱크(300)의 상측에는 별도의 상부판(140)을 고정할 필요없이 냉각핀(200)의 상측에 송풍팬(320)의 팬 쉬라우드(330)가 고정수단(400)에 의해 고정토록 될때 냉각핀(200)과 송풍팬(320)이 고정토록 된다.

상기 고정수단(400)은, 양단에 나사산(410)이 형성되면서 다각형의 몸체(420)를 갖도록 되는 고정핀(430)으로서 구성되어 고정핀(430)을 회전시키면 양측단에 각각 형성되는 반대방향의 나사산(410)이 팬 쉬라우드(330)와 베이스판(160)에 각각 형성되는 고정홈(450)에 상호 결합토록 된다.

또한, 도2및 도3에서와 같이, 상기 상부판(140)및 베이스판(160)의 대향하는 면에 다수의 요홈(170)이 일체로 형성되어 코루게이트 형상인 냉각핀(200)의 상하단이 각각 밀착되어 요동이 방지됨은 물론 냉각핀(200)과의 접촉면적을 증가시켜 원활한 열전달이 가능토록 된다.

더하여, 도7에서와 같이 상기 냉각핀(200)은, 코루게이트 형상인 박판(210)에 다수의 루버(220)가 일체로 형성되어 직선배열, 타원형배열, 원형배열, 대각선방향중 어느 하나를 사용하여 베이스판(160)의 상측에 고정토록 되고, 이때 상기 냉각핀(200)과 베이스판(160)및 상부판(140)은 브래이징공정에 의해 일체로 용접 고정토록 된다.

그리고, 도5에서와 같이 상기 냉각핀(200)에 형성되는 루버(220)는, 박판(210)을 핀롤이 장착되는 핀밀에 의해 대량으로 생산이 가능토록 되고, 상기 박판(210)의 양측에 피재(210A)를 코팅하여 박판(210)의 외부요인에 의한 부식의 방지와 공기 흐름시 마찰을 증가시켜 원활한 냉각이 가능토록 한다.

또한, 상기 루버(220)는, 몸체(100)의 내측에 설치되는 두께 0.1~0.5㎜의 박판(210)에 난류를 형성토록 도5a,b와 같이, 리브(150)를 중심으로 2개씩 배열되는 각각의 박판(210)에 동일 각도(약 20~25。)로 절곡되어 리브(150)를 중심으로 양측이 대향토록 되거나 리브(150)의 양측에 고정되는 2개의 박판(210)에 각각 형성되는 동일 루버(220)각이 서로 대향토록 형성된다.

그리고, 도5c와 같이, 리브(150)를 중심으로 각각 2개씩 배열되는 각각의 박판(210)에 형성되는 루버(220)의 각이 상호 대향토록 형성되고, 5d,e와 같이 리브(150)를 중심으로 양측에 하나씩 형성되는 박판(210)의 일측에 형성되는 루버(220)가 동일각으로 되거나 대향되는 각을 형성토록 되고, 상기 구성에 의해 송풍팬(300)에 의해 공기의 강제 유동시 박판(210) 사이에서 난류를 형성함으로써 공기와의 접촉시간을 증가시켜 냉각효율을 향상토록 한다.

본 발명에 대한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

(Nu:누셀 수, Re:핀을 통과하는 레이놀즈 수, Pr:핀을 통과하는 프렌틀 수, j:콜번계수)

Nu=hD/k, h=Nuk/D (h:공기측의 대류열전달계수, D:수력직경, k:공기의 열전도 계수)

(ρ:공기밀도, V:공기속도, μ:공기의 점성계수)

Pr=Cpμ/k (Cp:공기의 정압비열)

j=0.91Re^-0.5

상기 수학식 1-5를 계산하여 설계사양이 주어지면 대류열전달계수(h)를 구할수 있다.

그리고, 상기 수학식1-5에 의해 구해지는 대루열전달계수(h)를 이용하여 다음식에 대입시킨다.

q_a=hA_a(T_W- T_A) (q_a:공기측의 대류에 의한 열전달율, A_a:열전달 면적, T_W:벽면온도,T_A:공기온도)

q_s=k_sA_sdT/dy (k_s:히트싱크의 열전도계수, A_s:열전도면적, T:히트싱크의 온도, y:열전도방향 좌표, q_s:히트싱크의 전도에 의한 열전달율)

q_gen=q_s=q_a(q_gen:구동하는 칩에서 발생하는 열에너지)

f=5.47R_elp ^-0.72L_h ^0.37(L_l/H)^0.89L_P ^0.2H^0.23(70＜Re＜900) (f:공기마찰로 인한 손실계수)

f=0.494R_elp ^-0.39(L_h/L_P)^0.33(L_l/H)^1.1H^0.46(1000＜Re＜4000) (L_h:루버높이, L_P:루버피치, L_l:루버길이, H:핀 높이, R_elp:대표길이를 루버피치로한 공기의 레이놀즈 수)

ΔP=f(l/D)(ρV²/2) ( ΔP:압력강하, l:유동방향 히트싱크의 길이)

상기 수학식 1-5에 의해 구해지는 값을 수학식 6-9에 대응시켜 반복법에 의해 수치적으로 해석하면 주어진 사양에 대한 히트싱크의 형상을 결정할수 있도록 된다.

이러한 과정에 의해 80X60X12.5의 크기를 갖는 히트싱크를 설계, 시작품제작하여 시험한 결과 본 발명을 종래의 제품과 비교하면 다음과 같은 효율 향상을 가져오게 되었다.

	총 열저항	전자부품 온도
종래제품	1.07℃/W	67℃
본 발명	0.95℃/W (11% 향상)	63℃ (4℃ 하강)
본발명은 종래에 비하여 약 10% 이상의 성능 향상을 가져온다

이때, 상기 냉각핀(200)은 도2에서와 같이 4개로 분리되어 고정되며, 피치2.5에 산수24개를 적용하였다.

이상과 같이 본 발명에 따른 고출력 전자부품용 냉각장치에 의하면, 히트싱크를 통과하는 공기속도를 빠르게 함은 물론 난류 유동을 형성하여 대류 열전달 계수를 증대시킴으로써 냉각 효율을 증대시키고, 핀의 두께를 최소화함은 물론 핀의 숫자를 최대한 늘려 열전달 면적을 증대시켜 히트싱크의 냉각효율을 증대시키도록 하는 등의 우수한 효과가 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명 하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀 두고자 한다.

Claims

전자부품의 상측에 접합되는 히트싱크의 상측으로 송풍팬이 설치되는 냉각장치에 있어서,

상기 송풍팬이 고정되는 베이스판으로 구성되는 몸체와,

상기 몸체에 코루게이트 형상인 박판에 다수의 루버가 형성되는 냉각핀이 일체로 결합되어 히트싱크를 구성하는 것을 특징으로 하는 고출력 전자부품용 냉각장치
제 1항에 있어서, 상기 냉각핀은, 와류를 형성토록 20~25。로 절곡되는 루버가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력 전자부품용 냉각장치
제 1항또는 제2항에 있어서, 상기 냉각핀은, 0.1~0.5㎜의 두께를 갖는 박판에 1.0~5.0㎜의 피치를 갖는 코루게이트가 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력 전자부품용 냉각장치
제 1항에 있어서, 상기 몸체는, 냉각핀의 부착이 용이하도록 냉각핀의 하측에 대응되는 요홈이 베이스판에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 고출력 전자부품용 냉각장치
제 1항에 있어서, 상기 냉각핀은, 피재가 코팅된 알루미늄 소재를 사용토록 하는 것을 특징으로 하는 고출력 전자부품용 냉각장치
제 1항에 있어서, 상기 냉각핀은, 직선배열,타원형배열, 원형배열, 대각선방향중 어느 하나를 사용하여 베이스판에 고정토록 설치되는 것을 특징으로 하는 고출력 전자부품용 냉각장치
제 1항에 있어서, 상기 송풍팬은, 팬쉬라우드의 저면 모서리부가 나사산이 양단에 형성되면서 다각형의 몸체를 갖도록 되는 고정핀으로서 베이스판에 고정토록 되는 것을 특징으로 하는 고출력 전자부품용 냉각장치
제 1항에 있어서, 상기 송풍팬은, 냉각핀의 상측에 고정되면서 공기유동홀이 형성되는 상부판에 스크류로서 고정토록 설치되는 것을 특징으로 하는 고출력 전자부품용 냉각장치
제1항에 있어서, 상기 몸체에 고정되는 냉각핀은, 브레이징에 의해 일체로 용접고정토록 되는 것을 특징으로 하는 고출력 전자부품용 냉각장치