KR20030018478A - 박판형 냉각장치 - Google Patents

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KR20030018478A
KR20030018478A KR1020010052584A KR20010052584A KR20030018478A KR 20030018478 A KR20030018478 A KR 20030018478A KR 1020010052584 A KR1020010052584 A KR 1020010052584A KR 20010052584 A KR20010052584 A KR 20010052584A KR 20030018478 A KR20030018478 A KR 20030018478A
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Abstract

중력의 영향을 받지 않고 자연순환하며, 냉매 유동의 안정성을 꾀하고, 혼입한계가 억제되어 냉각효율이 향상되었으며, 접촉 열저항이 감소된 박판형 냉각장치가 개시된다. 본 발명의 냉각장치는 내부에 유체의 순환루프가 내장되어 있는 박판 형상의 하우징 및 하우징내의 순환루프 내를 순환하는 냉매를 포함한다. 상기 순환루프는, 액상의 냉매를 저장할 수 있는 냉매 저장부; 냉매 저장부의 일단에 연결되는 적어도 하나의 제1 미세채널을 포함하며, 제1 미세채널내에서 액상의 냉매가 제1 미세채널의 내벽과의 표면장력에 의해 냉매 저장부로부터 제1 미세채널의 소정 부위까지 충전되며, 표면장력이 중력보다 크도록 설정되어 있는 증발부; 증발부의 제1 미세채널로부터 길이방향으로 동일 평면상에서 소정 거리만큼 이격되어 있으며, 표면장력이 중력보다 크도록 설정된 응축부; 제1 미세채널과 제2 미세채널 사이에 위치하는 기상 냉매 이동부; 및 응축부에서 응축된 액상의 냉매를 냉매 저장부로 이송시키며, 상기 기상 냉매 이동부와 분리된 액상 냉매 이동부를 포함한다.

Description

박판형 냉각장치{Cooling device of thin plate type}
본 발명은 박판형 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고밀도 집적회로에서 발생하는 열을 제거하기 위해 작동유체의 상변화를 이용한 박판형 냉각장치에 관한 것이다.
반도체소자의 고집적화 추세에 따라 디자인룰(design rule)이 감소하고, 그에 따라 반도체소자를 구성하는 전자 회로의 선폭(line width)이 작아짐에 따라 단위 면적당의 트랜지스터 수가 증가하여 전자 장비의 소형화, 고성능화를 달성하였으나, 그에 수반하여 반도체 칩의 단위 면적당 열발산율이 더욱 증가하게 되었다. 이러한 열발산율의 증가는 반도체소자의 성능을 저하시키고, 수명을 단축시키며 궁국적으로 당해 반도체소자를 채용한 시스템의 신뢰도를 저하시키게 된다. 특히, 반도체소자에 있어서는 그 동작온도에 따라 각종 파라미터값 들이 예민하게 변화되어 집적회로의 특성을 더욱 열화시키게 된다.
이러한 열발산율의 증가에 따라 냉각기술도 발전하여 왔으며, 종래의 냉각기술로서, 핀팬(fin fan) 냉각방식, 열전소자(peltier)냉각방식,액체분사(water-jet) 냉각방식, 잠수(immersion) 냉각방식, 히트파이프(heat pipe) 냉각방식등이 있다.
상기 핀팬 냉각방식은 핀 및 팬을 이용하여 강제 냉각시키는 방법으로써 수십 년 동안 많이 이용되어 왔으나, 소음, 진동 및 큰 체적에 비하여 냉각효율이 낮다는 문제점이 있으며, 나아가 팬을 위한 별도의 전원이 필요하며 팬 자체로부터열이 발생된다는 문제점으로 인하여 최근에는 기피하는 추세이다. 펠티어효과를 이용한 상기 열전소자 냉각방식은 소음, 진동은 없으나 큰 구동전원이 요구되어 에너지보존법칙에 의해 고열측(hot juction)에서 필요 이상의 과다한 열소산장치가 요구된다는 문제점이 있다. 또한, 상기 액체분사 냉각방식은 그 효율성이 우수하여 냉각기 연구의 주류를 이루고 있으나, 그 구조가 복잡하고 분사를 위한 펌프 구동전원이 요구된다는 문제점이 있다. 한편, 상기 잠수 냉각방식의 경우 별도의 구동전원이 필요치 않는 자연순환방식의 서모사이펀(thermosyphon)이 있으나, 중력의 영향을 많이 받으므로 개인 휴대 전자장비에 적용할 경우 강건 설계(robust design)가 곤란하다는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점들로 인하여 현재까지 히트파이프 냉각방식이 구조가 간단하고 제작이 용이하다는 장점으로 인하여 소형 냉각장치로서 다양한 형상으로 널리 적용되고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 히트파이프 구조에서는, 기체와 액체의 유동 방향이 서로 상반되기 때문에 그 경계면에서 강한 액체 표면파와 전단응력이 발생하여 냉매의 원활한 흐름을 저해한다는 문제점이 있으며, 나아가 이로 인해 외부 열원과 접하는 증발부에서는 액상의 냉매가 증기측으로 유입되는 혼입한계 (entrainment limit)로 갑자기 드라이아웃(dry out)이 발생하는 문제점을 여전히 안고 있다. 또한, 내부 파이프 내부에서 기화된 냉매는 부력과 압력차에 의존하여 이동하게 되며, 외부 파이프 내부에서는 액화된 냉매가 중력에 의존하기 때문에 설치할 수 있는 위치에 많은 제한이 따른다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기 종래기술의 문제점들을 개선하기 위한 것으로서, 외부전원의 공급없이 중력의 영향을 거의 받지 않고 자연순환하는 소형의 박판형 냉각장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 액상의 냉매 이동부와 기상의 냉매 이동부를 분리시킴으로써 냉매 유동의 안정성을 꾀하고, 혼입한계를 억제시킴으로써 냉매의 질량유량을 증가시켜 냉각효율을 향상시킨 박판형 냉각장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또다른 목적은, 하우징을 박판 형태로 구성하고 별도의 열전도체없이도 평탄한 열원 상부에 밀착성과 고정성을 향상시킴으로써 접촉 열저항을 줄여 냉각효율을 향상시킨 박판형 냉각장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 XY 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 AA'선을 자른 본 발명의 제1 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 XZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제1 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1의 CC'선을 자른 본 발명의 제1 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제2 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제3 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제4 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 도 1의 AA'방향으로 자른 단위 미세채널의 단면을 확대하여 도시한 단면도이다.
상기 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박판형 냉각장치는, 내부에 유체의 순환루프가 내장되어 있는 박판 형상의 하우징 및 상변화를 일으킬 수 있으며, 상기 하우징내의 순환루프 내를 순환하는 냉매를 포함한다.
상기 하우징내의 순환루프는, 상기 하우징 내부의 일단에 형성되며, 액상의 냉매를 저장할 수 있는 냉매 저장부; 상기 냉매 저장부의 일단에 연결되는 적어도 하나의 제1 미세채널을 포함하며, 상기 제1 미세채널내에서 상기 액상의 냉매가 상기 제1 미세채널의 내벽과의 표면장력에 의해 상기 냉매 저장부로부터 상기 제1 미세채널의 소정 부위까지 부분적으로 충전되며, 상기 제1 미세채널내에서의 표면장력이 중력보다 크도록 설정되어 있으며, 열원으로부터 흡수된 열에 의해 상기 제1미세채널에 충전된 상기 액상의 냉매를 기화시킬 수 있는 증발부; 상기 증발부의 제1 미세채널로부터 길이방향으로 동일 평면상에서 소정 거리만큼 이격되어 있으며, 상기 제1 미세채널에서 기화되어 이동된 기상의 냉매를 응축시킬 수 있는 적어도 하나의 제2 미세채널을 포함하며, 상기 제2 미세채널의 내벽과 상기 응축된 냉매와의 표면장력이 중력보다 크도록 설정된 응축부; 상기 증발부의 제1 미세채널과 상기 응축부의 제2 미세채널 사이에 위치하는 기상 냉매 이동부; 및 상기 응축부에서 응축된 액상의 냉매를 상기 냉매 저장부로 이송시키며, 상기 기상 냉매 이동부와 분리된 액상 냉매 이동부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 기상 냉매 이동부와 상기 액상 냉매 이동부는 단열부에 의해 서로 분리되며, 상기 단열부는 상기 하우징내에 밀봉되어 있는 형태로 구성하거나 또는 상기 하우징의 상하를 관통하도록 개방되어 있는 형태로 구성할 수 있다.
한편, 냉매의 과냉효과를 증가시키고, 중력수두, 외란에 의해 한쪽의 액상 냉매 이동부로의 냉매 순환이 되지 않는 경우 냉매의 유동을 원활히 하기 위해 상기 기상 냉매 이동부는 상기 박판형 하우징의 중앙부에 위치하며, 상기 액상 냉매 이동부는 상기 하우징의 양측 외곽을 따라 양방향으로 위치하는 것이 바람직하다.
또한, 접촉 열저항을 감소시키기 위하여 중간에 열전도체를 개재함이 없이 상기 증발부에 인접하여 상기 증발부를 열원에 직접 밀착 고정시킬 수 있는 고정수단을 더 포함할 수도 있으며, 외부 열원상에 상기 증발부의 하부 바닥면을 일체화시킬 수도 있다.
또한, 중력의 영향을 거의 받지 않도록 상기 액상 냉매 이동부는 액상의 냉매와 상기 액상 냉매 이동부의 내벽과의 표면장력이 중력보다 크도록 설정된 적어도 하나의 제3 미세채널을 포함할 수 있으며, 중력의 영향을 줄일 수 있도록 상기 액상 냉매 이동부에는 액상 냉매의 이동 방향으로 복수개의 그루브를 형성하거나 2개 이상의 유로로 분리하여 형성할 수도 있다.
한편, 상기 하우징의 재질은 반도체물질, 금속물질, 플라스틱물질, 세라믹물질, 금속합금물질, 유리 등으로 이루어질 수 있으며, 접촉 열저항을 줄일 수 있도록 상기 하우징의 증발부 바닥면과 접촉하는 외부 열원의 표면물질과 동일 물질로 이루어질 수도 있다.
한편, 상기 제1 미세채널 및 제2 미세채널은 그 내부에서 액상의 냉매와 채널 내벽의 표면장력이 중력보다 크게 설정되며, 보다 구체적으로 10-9m 내지 10-3m 범위의 깊이로 형성될 수 있으며, 제1 미세채널의 길이는 0.5 cm 내지 5 cm의 범위가 되도록 설정할 수 있다.
또한, 상기 제1 미세채널 및 제2 미세채널에서 액상 냉매에 의한 메니스커스의 접촉각을 작게 하기 위해 그 내벽은 일정한 처리, 예를 들어 도금처리, 도장처리, 코팅처리, 착색처리, 아노다이징처리, 플라즈마처리, 레이저처리 등이 된 것이 바람직하며, 열전달율을 향상시킬 수 있도록 상기 제1 미세채널 및 제2 미세채널의 표면거칠기를 조절할 수 있으며, 바람직하게는 1 Åm 내지 100 ㎛ 범위를 갖도록 한다.
한편, 상기 제1 미세채널의 배열은 동일면상에 복수개가 배열된 단층 배열로 형성시킬 수 있으며, 동일면상에 복수개가 배열되며 인접하는 각 제1 미세채널의 상부가 개방되어 서로 연결되도록 형성시킬 수 있으며, 상하에 다층으로 배열시킬 수 있다.
또한, 증발부에서의 드라이아웃을 방지할 수 있도록 상기 냉매 저장부로의 열전달을 억제시키기 위해 상기 냉매 저장부와 상기 증발부의 경계에서 열원과 접하는 상기 하우징의 바닥면에 열 흐름 방향과 직교되는 방향으로 상기 하우징의 바닥면의 두께를 얇게 형성하는 것이 바람직하며, 보다 구체적으로 상기 하우징의 바닥면에 그루브를 형성할 수 있다.
한편, 상기 기상 냉매 이동부에는 기상의 냉매를 상기 응축부에 균일하게 이동시키기 위해 복수개의 제1 가이드가 더 형성될 수 있으며, 상기 냉매 저장부와 상기 액상 냉매 이동부의 경계부분 및 상기 응축부와 상기 액상 냉매 이동부의 경계부분에 액상의 냉매의 이동을 안내하는 복수개의 제2 가이드가 더 형성하여 냉매의 유동이 급격히 선회함으로써 발생되는 손실을 줄일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
다음에 설명되는 실시예들은 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박판형 냉각장치(100)의 XY 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 2는 도 1의 AA'선을 자른 본 발명의 제1 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 XZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 3은 도 1의 BB'선을 자른 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 4는 도 1의 CC'선을 자른 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 8은 도 1의 AA'방향으로 자른 단위 미세 채널의 단면을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 4 및 도 8을 참조하면, 박판형 냉각장치(100)는 사각 형상의 하우징(112) 내부에 냉매의 순환루프가 형성되도록 구성되어 있다. 상기 냉매는 화살표 방향으로 순환되며, 액상과 기상 사이의 상변화시의 잠열을 이용하여 상기 냉각장치(100)와 접촉하는 외부 열원의 열을 전달시켜 냉각시키게 된다.
상기 하우징(112)은 실리콘 이나 갈륨과 같은 반도체물질, 자체 결집 단층막(Self Assembled Monolayer; SAM)과 같은 신소재 적층물질, 열전도율이 우수한 구리 또는 알루미늄과 같은 금속물질 및 이들의 합금물질, 세라믹물질, 플라스틱과 같은 고분자물질, 다이아몬드와 같은 결정질 재료 등의 다양한 소재로 제조될 수 있다. 특히, 외부 열원이 반도체 칩인 경우 외부 열원의 표면 물질과 동일한 물질로 형성하여 접촉 열저항을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 하우징(112)은 반도체 칩의 제조공정에서 상기 외부 열원의 표면 물질과 일체적이 되도록 형성할 수도 있다.
한편, 본 발명에서 사용되는 냉매는 외부의 열에 의해 액상 및 기상간의 상변화를 일으킬 수 있는 다양한 냉매로부터 선택될 수 있으며, 특히, 본 실시예에서는 잠열과 표면장력이 큰 물을 사용하지만, 환경오염을 고려하여 비 프레온(CFC)계열의 냉매를 사용하는 것이 바람직하며, 하우징(112)의 소재에 따라 표면장력의 크기가 달라지기 때문에 하우징(112)의 소재에 적합한 냉매를 선택한다. 집적회로와 같은 전자 제품에서는 냉매로서 물이나, 메탄올 또는 에탄올 등의 알코올계 냉매를 사용할 수도 있다. 상기와 같은 물이나 알코올계 냉매의 경우 열용량이 크며, 반도체물질 내벽과의 표면장력에 의한 접촉각이 작아서, 냉매의 유속이 커지게 되어 많은 열량을 전달하기에 유리하다. 이와 함께, 프레온계 냉매와 달리 환경오염의 문제가 없기 때문에 설사 순환루프상 하우징(112)의 미세한 균열에 의하여 누출되더라도 환경오염의 문제가 발생하지 않는다.
한편, 상기 냉매의 순환루프는, 도면의 화살표 방향을 따라 상기 하우징(112) 내부의 일단에 형성된 냉매 저장부(102)로부터 냉매가 상기 냉매 저장부(102)의 일단에 연결되는 증발부(104), 기상 냉매 이동부(106), 응축부(108), 액상 냉매 이동부(110)를 차례로 거쳐 다시 냉매 저장부(102)로 순환되도록 구성되어 있다.
상기 냉매 저장부(102)는 일정량의 액상의 냉매가 저장될 수 있도록 적당한 체적을 가진다.
상기 냉매 저장부(102)의 냉매가 나가는 출구측에는 증발부(104)가 연결되며, 상기 증발부(104)는 복수개의 제1 미세채널(120)이 도 3에서 도시된 바와 같이, 동일평면상에 단층으로 배열되어 있다. 상기 증발부(104)에서는 외부의 열원으로부터 흡수된 열에 의해 상기 제1 미세채널(120)에 충전된 액상의 냉매(120a)를 기화시켜 기상의 냉매(120b)로 증발시키게 된다.
또한, 도 2에서 보여지듯이, 상기 제1 미세채널(120)의 깊이는 상기 냉매 저장부(102)의 깊이 보다 얇게 형성되어 있다. 상기 제1 미세채널(120) 내에서는 상기 냉매 저장부(102)에 저장된 액상의 냉매가 상기 제1 미세채널(120)의 내벽과의 표면장력과 모세관현상에 의해 상기 냉매 저장부(102)로부터 상기 제1 미세채널(120)의 소정 부위까지 부분적으로 충전되며(도 8 참조), 상기 제1 미세채널(120) 내에서의 표면장력이 중력보다 크도록 상기 제1 미세채널(120)의 깊이 또는 단면적이 설정된다. 본 실시예에서는 상기 제1 미세채널(120)은 10-9m 내지 10-3m 범위의 깊이(즉, 제1 미세채널(120)의 채널 높이)로 형성되어 있으며, 제1 미세채널(120)의 길이는 0.5 cm 내지 5 cm의 범위 내에서 설정하였다.
한편, 도 8에서 "A"로 표시한 상기 제1 미세채널(120)에서 액상 냉매에 의한 메니스커스(meniscus)의 접촉각을 작게 하기 위해 그 내벽은 친수성 처리, 예를 들어 도금처리, 도장처리, 코팅처리, 착색처리, 아노다이징처리, 플라즈마처리, 레이저처리 등이 되어 있으며, 외부 열원으로부터의 열전달율을 향상시킬 수 있도록 상기 제1 미세채널(120) 내벽의 표면거칠기를 조절할 수 있으며, 본 실시예에서는 1 Åm 내지 100 ㎛ 범위를 갖도록 하였다.
또한, 상기 제1 미세채널(120)의 단면은 도 3에서 보여지듯이 사각형으로 형성하는 외에 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 다각형 등의 다양한 형태로 형성할 수 있으며, 제1 미세채널(120)의 길이방향을 따라 단면적을 증가 또는 감소시켜 제1 미세채널(120)의 내벽과 냉매와의 표면장력의 크기를 제어할 수 있으며, 제1 채널(120)의 내벽에 다수의 그루브를 형성하거나, 제1 미세채널(120)의 길이방향을 따라 채널의 단면적이 변할 수 있도록 복수개의 노드를 설치하여 냉매의 이동 방향을 결정하거나 냉매의 이동 속도를 제어할 수도 있다.
한편, 상기 증발부(104)의 제1 미세채널(120)들로부터 길이방향으로 동일 평면상에서 소정 거리만큼 이격된 위치에 응축부(108)가 형성되어 있다. 도 4에서 도시된 바와 같이, 상기 응축부(108)에는 상기 제1 미세채널(120)에서 기화되어 이동된 기상의 냉매를 응축시킬 수 있는 동일평면상에 단층으로 배열되어 있는 복수개의 제2 미세채널(122)을 포함한다.
또한, 도 2에서 보여지듯이, 상기 제2 미세채널(122)의 깊이는 제1 미세채널(120)의 깊이 보다 깊게 형성되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제2 미세채널(122) 내에서도 상기 응축부(108)에서 응축된 액화된 액상의 냉매가 상기 제2 미세채널(122)의 내벽과의 표면장력과 모세관현상에 의해 상기 제2 미세채널(122)의 소정 부위까지 부분적으로 충전되어 있으며, 상기 제2 미세채널(122) 내에서도 표면장력이 중력보다 크도록 상기 제2 미세채널(122)의 깊이 또는 단면적이 설정된다. 본 실시예에서는 상기 제1 미세채널(120)와 같이 제2 미세채널(122)은 10-9m 내지 10-3m 범위의 깊이(즉, 제2 미세채널(122)의 채널 높이)로 형성되어 있으며, 제2 미세채널(122)의 길이는 0.5 cm 내지 5 cm의 범위 내에서 설정하였다.
또한, 상기 제2 미세채널(120)의 단면은 도 4에서 보여지듯이 사각형으로 형성하는 외에 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 다각형 등의 다양한 형태로 형성할 수 있으며, 제2 미세채널(122)의 길이방향을 따라 단면적을 증가 또는 감소시켜 제2 미세채널(122)의 내벽과 냉매와의 표면장력의 크기를 제어할 수 있으며, 제2 채널(122)의 내벽에 다수의 그루브를 형성하거나, 제2 미세채널(122)의 길이방향을 따라 채널의 단면적이 변할 수 있도록 복수개의 노드를 설치하여 냉매의 이동 방향을 결정하거나 냉매의 이동 속도를 제어할 수도 있다.
또한, 열방출의 효과를 향상시키기 위하여, 응축부(108)에 인접한 하우징(112)의 외부에는 다수의 핀이 형성될 수도 있으며, 상기 핀을 마이크로 액츄에이터를 포함하는 핀으로 형성하는 경우 응축부(108)에서 외부로 방출되는 열을 재활용하여 주위의 공기를 순환시키도록 구동시킬 수도 있다. 또한, 핀을 열전소자를 포함하는 미세 구조로 형성시킨 경우에는 응축부(108)에서 방출하는 열을 전기적 에너지로 변환시켜 미세 구동을 위한 에너지로 사용할 수도 있다.
또한, 상기 응축부(108)의 체적을 상기 증발부(104)의 체적보다 크게 형성함으로써 주위의 대류 현상으로도 응축부(108) 내에서 기상의 냉매가 용이하게 응축될 수 있도록 할 수 있다.
한편, 상기 증발부(104)의 제1 미세채널(120)과 상기 응축부(108)의 제2 미세채널(122) 사이에는 기상의 냉매가 이동할 수 있는 통로의 역할을 하는 기상 냉매 이동부(106)가 위치한다. 상기 기상 냉매 이동부(106)에는 기화된 기상 냉매가응축부(108) 방향으로 균일하게 이동할 수 있도록 다수의 제1 가이드(118)들이 형성되어 있으며, 도 1에서 보여지듯이, 기상의 냉매가 흘러나오는 제1 미세채널(120)의 출구측의 단면적에 비하여 그 단면적이 넓어지도록 형성되어 있다.
한편, 상기 응축부(108)의 제2 미세채널(122)의 출구측과 상기 냉매 저장부(102) 사이에는 제2 미세채널(122)내에서 응축된 액상의 냉매가 이동되는 액상 냉매 이동부(110)가 형성되어 있다. 상기 액상 냉매 이동부(110)는 상기 기상 냉매 이동부(106)와 분리되어 냉매의 유동 방향이 서로 다르게 구성되어 있다.
상기 기상 냉매 이동부(106)와 상기 액상 냉매 이동부(110)는 단열부(116)에 의해 서로 열적으로 그리고 물리적으로 서로 분리되며, 상기 단열부(116)는 상기 하우징(112)내에 밀봉되어 있는 형태로 구성하거나 또는 상기 하우징(112)의 상하를 관통하도록 개방되어 있는 형태로 구성할 수 있다. 상기 하우징(112)내에 밀봉되어 있는 경우 단열부(116)는 진공상태를 유지하거나 단열물질로 채워질 수도 있다.
한편, 도 1에서 보여지듯이, 상기 액상 냉매 이동부(110)는 상기 하우징(112)의 양측 외곽을 따라 양방향으로 대칭적으로 위치하고 있다. 이러한 하우징(112)의 외곽을 따라 대칭적으로 형성되는 냉매 순환루프는, 박판형태, 특히 단면의 종횡비가 클 경우 매우 유리한 구조이며, 방사방향으로 전도 확산하는 열흐름을 넓은 면적에 효과적으로 대류 확산시킬 수 있다. 두개의 액상 냉매 이동부(110)를 냉각장치(100)의 가장자리를 따라 배치시킴으로써 유로내의 냉매를과냉(subcooling)시키고, 증발부(104)의 입구온도를 낮추는 데 유리하기 때문에 단위질량 유량당 많은 열에너지를 이송시킬 수 있음을 의미한다. 또한, 이러한 양방향의 순환루프는 냉각장치(100)의 설치 위치에 따라 냉각장치(100)가 X축 방향을 기준으로 하여 양방향의 액상 냉매 이동부(110)의 중력적 위치가 차이가 나도록 기울어진 경우 중력수두에 의해 한쪽의 액상 냉매 이동부(110)로의 냉매 순환이 되지 않는 경우 반대쪽 액상 냉매 이동부(110)를 통하여 냉매의 유동을 원활히 할 수 있다는 점에서 유리하다.
또한, 상기 액상 냉매 이동부(110)는 중력의 영향을 거의 받지 않도록 액상의 냉매와 상기 액상 냉매 이동부(110)의 내벽과의 표면장력이 중력보다 크도록 설정된 적어도 하나의 제3 미세채널을 포함할 수 있으며, 중력의 영향을 줄일 수 있도록 상기 액상 냉매 이동부(110)에는 액상 냉매의 이동 방향으로 복수개의 그루브(도시안됨)를 형성하거나 2개 이상의 유로로 분리하여 형성할 수도 있다.
한편, 상기 냉매 저장부(102)와 상기 액상 냉매 이동부(110)의 경계부분 및 상기 응축부(108)와 상기 액상 냉매 이동부(110)의 경계부분에 액상의 냉매의 이동을 안내하는 복수개의 제2 가이드(도시안됨)를 더 형성하여 냉매의 유동이 급격히 선회함으로써 발생되는 손실을 줄일 수 있도록 구성할 수도 있다.
한편, 상기 냉매 저장부(102)는 전술한 바와 같이, 가변적인 열원의 열부하(heat load)하에서도 충분한 냉매를 공급할 수 있을 정도의 적절한 체적을 갖도록 구성되며, 증발부(104)에서의 급격한 드라이아웃 현상을 막기 위해 신속히 냉매를 공급할 수 있는 증발부(104)의 입구측에 근접하여 설치하는 것이 바람직하나, 증발부(104)와 너무 근접하여 설치한 경우 외부열원과 접촉하는 하우징(112)의 바닥면으로 전달되는 열에 의해 불필요한 버블이 생성될 수 있다. 버블의 성장은 증발부(104)의 제1 미세채널(120)의 입구를 차단하게 되며, 냉매의 공급을 중단시켜 증발부(104)내의 냉매의 드라이아웃을 야기시킬 우려가 있기 때문에 냉매 저장부(102)로의 열 전달을 억제시키기 위해 상기 냉매 저장부(102)와 상기 증발부(104)의 경계에서 외부 열원과 접하는 상기 하우징(112)의 바닥면에 열 흐름 방향과 직교되는 방향으로 상기 하우징의 바닥면의 두께를 얇게 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들어 상기 하우징(112)의 바닥면에 그루브를 형성할 수도 있다.
한편, 접촉 열저항을 감소시키기 위하여 중간에 열전도체를 개재함이 없이 상기 증발부(104)에 인접하여 상기 증발부(104)를 열원(도시안됨)에 직접 밀착 고정시키는 것이 바람직하며, 이를 위해 본 실시예에서는 상기 증발부(104)에 인접하여 상기 냉각장치(100)를 외부 열원에 고정시킬 수 있는 고정수단(114)을 설치하였으며, 볼트 또는 리벳으로 체결이 가능하도록 하였다.
도 5는 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 5를 참조하면, 증발부(104)내에 포함되는 제1 미세채널(120)이 상하 다층배열로 매트릭스 형태로 배치되어 있는 것을 나타낸다. 이러한 다층배열로 제1 미세채널(120)을 형성함으로써 냉매의 순환량을 향상시켜 냉각장치의 냉각효율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제3 실시예에 따른 박막형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도로서, 증발부(104) 내의 제1 미세채널(120)이 상하 다층배열로 배치되며, 서로 지그재그 형태로 배치되어 있는 것을 나타낸다. 이러한 배치는 하부에 배열된 제1 미세채널(120)의 사이로 전달되는 열이 바로 상부에 배열된 제1 미세채널(120)과 부닥치기 때문에 도 5에서 보다 냉각효율을 더 향상시킬 수 있는 구조이다.
도 7은 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제4 실시예에 따른 박막형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도로써, 제1 미세채널(120)의 상부가 인접하는 제1 미세채널(120)의 상부와 오픈되어 서로 연결된 연결부(124)를 갖는 구조이다.
이상에서 설명한 본 발명의 각 실시예의 냉각장치(100)를 제작하는 방법은 현재 널리 알려진 여러가지 방법에 의해 제작될 수 있으며, 예를 들어 반도체소자 제조공정을 응용한 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 방법이나, SAM(Self Assembled Monolayer) 방법을 응용하여 제작할 수 있다. 도 3을 참조하여 그 제작방법을 간단히 설명하면, 먼저 냉각장치(100)의 하부의 하우징(112)의 표면을 식각하여 냉매 저장부(102), 제1 미세채널(120), 기상 냉매 이동부(106), 액상 냉매 이동부(110) 및 응축부(108)의 제2 미세채널(122)등을 형성한 후, 하부의 하우징(112)에 대응하여 일정한 패턴의 형상이 형성된 상부의 하우징(112)을 서로 접촉시킨 후 상,하부의 하우징(112)에 전압을 인가하여 상,하부 하우징(112)을 아노딕 본딩(anodic bonding)하여 상,하 하우징(112)을 일체화시키며, 별도로 냉매 저장부(102)에 인접된 하우징(112)에 설치한 냉매 주입홀(도시안됨)을 통하여, 순환루프내를 진공으로 형성시킨 후, 냉매를 주입한 하고, 상기 냉매 주입홀을 밀봉함으로써 제작이 완료된다.
본 발명은 이상의 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양하게 변형 실시할 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 상기 제1 미세채널(120) 및 제2 미세채널(122)은 직선형으로 형성하였지만, 곡선형으로 형성할 수 있음은 물론이며, 단열부(116)의 형상도 다양하게 만들 수 있으며, 냉매 및 하우징을 적절한 재질을 선택하여 사용할 수 있을 뿐만아니라, 그 치수나 형상도 적절히 디자인하여 사용할 수 있음은 물론이다.
본 발명에 의하면, 증발부 및 응축부의 미세채널들이 그 내부에서의 표면장력이 중력보다 크게 함으로써, 외부전원의 공급없이 중력의 영향을 거의 받지 않고 냉매를 자연순환시킬 수 있기 때문에 설치위치 및 설치방법에 제한을 받지 않는다.
또한 본 발명에 의하면, 단열부에 의해 액상의 냉매 이동부와 기상의 냉매 이동부를 열적 및 물리적으로 분리시킴으로써 냉매 유동의 안정성을 꾀하고, 혼입한계를 억제시킴으로써 냉매의 질량유량을 증가시켜 냉각효율을 향상시켰다.
또한, 본 발명에 의하면, 증발부와 응축부를 동일 평면상에 배치하여 하우징을 박판 형태로 구성하고, 별도의 열전도체없이도 평탄한 외부 열원 상부에 냉각장치를 고정수단에 의해 고정시킴으로써 접촉 열저항을 줄여 냉각효율을 향상시켰다.
또한, 본 발명에 의하면, 액상 냉매 이동부를 냉각장치의 양쪽 외곽을 따라 배치하고, 양 방향의 순환루프로 구성함에 따라서 냉매의 과냉효과를 증가시키고,중력수두에 의해 한쪽의 액상 냉매 이동부로의 냉매 순환이 되지 않는 경우 반대쪽의 액상 냉매 이동부를 냉매의 유동을 원활히 하여 냉각효율이 향상되었다.

Claims (19)

  1. 내부에 유체의 순환루프가 내장되어 있는 박판 형상의 하우징; 및
    상변화를 일으킬 수 있으며, 상기 하우징내의 순환루프 내를 순환하는 냉매를 포함하며,
    상기 하우징내의 순환루프는,
    상기 하우징 내부의 일단에 형성되며, 액상의 냉매를 저장할 수 있는 냉매 저장부;
    상기 냉매 저장부의 일단에 연결되는 적어도 하나의 제1 미세채널을 포함하며, 상기 제1 미세채널내에서 상기 액상의 냉매가 상기 제1 미세채널의 내벽과의 표면장력에 의해 상기 냉매 저장부로부터 상기 제1 미세채널의 소정 부위까지 부분적으로 충전되며, 상기 제1 미세채널내에서의 표면장력이 중력보다 크도록 설정되어 있으며, 열원으로부터 흡수된 열에 의해 상기 제1 미세채널에 충전된 상기 액상의 냉매를 기화시킬 수 있는 증발부;
    상기 증발부의 제1 미세채널로부터 길이방향으로 동일 평면상에서 소정 거리만큼 이격되어 있으며, 상기 제1 미세채널에서 기화되어 이동된 기상의 냉매를 응축시킬 수 있는 적어도 하나의 제2 미세채널을 포함하며, 상기 제2 미세채널의 내벽과 상기 응축된 냉매와의 표면장력이 중력보다 크도록 설정된 응축부;
    상기 증발부의 제1 미세채널과 상기 응축부의 제2 미세채널 사이에 위치하는 기상 냉매 이동부; 및
    상기 응축부에서 응축된 액상의 냉매를 상기 냉매 저장부로 이송시키며, 상기 기상 냉매 이동부와 분리된 액상 냉매 이동부를 포함하는 박판형 냉각장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기상 냉매 이동부와 상기 액상 냉매 이동부는 단열부에 의해 서로 분리된 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 단열부는 상기 하우징내에 밀봉되어 있는 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 단열부는 상기 하우징을 관통하도록 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 기상 냉매 이동부는 상기 박판형 하우징의 중앙부에 위치하며, 상기 액상 냉매 이동부는 상기 하우징의 양측 외곽을 따라 양방향으로 위치하는 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 증발부에 인접하여 상기 증발부를 열원에 밀착 고정시킬 수 있는 고정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 액상 냉매 이동부는 액상의 냉매와 상기 액상 냉매 이동부의 내벽과의 표면장력이 중력보다 크도록 설정된 적어도 하나의 제3 미세채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징은 반도체물질, 금속물질, 플라스틱물질, 세라믹물질, 유리, 금속합금물질 중의 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 미세채널 및 제2 미세채널은 10-9m 내지 10-3m 범위의 깊이로 형성된 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 미세채널의 내벽은 친수성 처리가 된 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 미세채널 및 제2 미세채널의 표면거칠기가 1 Åm 내지 100 ㎛ 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 미세채널은 동일면상에 복수개가 배열된 단층배열로 형성된 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 미세채널은 동일면상에 복수개가 배열되며, 인접하는 각 제1 미세채널의 상부가 개방되어 서로 연결된 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 미세채널은 상하에 다층으로 배열된 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 저장부와 상기 증발부의 경계에서 열원과 접하는 상기 하우징의 바닥면에 열 흐름 방향과 직교되는 방향으로 상기 하우징의 바닥면의 두께를 얇게 형성한 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 기상 냉매 이동부에는 기상의 냉매를 상기 응축부에 균일하게 이동시키기 위해 복수개의 제1 가이드가 더 형성된 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 액상 냉매 이동부에는 액상 냉매의 이동 방향으로 복수개의 그루브가 형성된 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 냉매 저장부와 상기 액상 냉매 이동부의 경계부분 및 상기 응축부와 상기 액상 냉매 이동부의 경계부분에 액상의 냉매의 이동을 안내하는 복수개의 제2 가이드가 더 형성된 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 증발부의 제1 미세채널의 출구측 단면적에 비하여 상기 기상 냉매 이동부의 단면적이 넓어지는 것을 특징으로 하는 박판형 냉각장치.
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