KR20030049192A - 박형 증발기를 구비하는 열 전달장치 - Google Patents

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Abstract

박형 증발기를 구비하는 열 전달장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 본 발명은 발열요소와 접촉되어 있고 상기 발열요소로부터 전달되는 열을 흡수하여 유입되는 냉매를 증발시키는 증발기; 상기 증발기로부터 유출되는 기체를 응축하여 액상의 냉매를 생성하고, 상기 액상의 냉매를 상기 증발기로 공급하는 응축기; 상기 증발기 및 상기 응축기사이에 구비되어 상기 증발기로부터 유출되는 상기 기체를 상기 응축기로 이송시키는데 사용되는 기체관; 및 상기 액상의 냉매를 상기 응축기로부터 상기 증발기로 이송시키기 위해 상기 증발기 및 상기 응축기사이에 구비된 액체관을 구비하는 열 전달장치에 있어서, 상기 증발기는 상기 액상 냉매가 증발되는 소정의 증발영역으로 상기 액상 냉매가 이송되는 영역을 덮도록 구비되어, 상기 이송 과정에서 상기 액상 냉매가 증발되는 것을 억제하는 소정 두께의 증발 억제판을 구비하는 박형 증발기인 것을 특징으로 하는 열 전달장치를 제공한다.

Description

박형 증발기를 구비하는 열 전달장치{Heat transferring apparatus having thin evaporator}
본 발명은 열 전달 장치에 관한 것으로써, 자세하게는 박형 증발기를 구비하는 열 전달장치에 관한 것이다.
최근들어 전자 장비의 칩 클럭 스피드(chip clock speed)가 빨라지고 칩을 포함하는 패키지 면적이 줄어들면서, 전자 장비의 발열 요소로부터 발열되는 열의 밀도는 오히려 증가되고 있다. 곧, 상기 발열 요소의 단위 면적당 발열량은 증가되고 있다. 또한, 전자 장비가 소형화되고 박막화되면서 전자 장비의 발열요소로부터 방출되는 열이 전자 장비내 협소한 공간에 장시간 정체됨에 따른 전자 장비의 성능 저하가 우려되기 때문에, 상기 방출된 열을 다른 장소로 신속하게 이동시킬 수 있는 열 전달 장치의 필요성이 증가되고 있다.
이에 따라, 전자 장비에는 발열 요소로부터 방출되는 열량을 신속하게 제거하기 위해, 다양한 열 전달 장치들이 사용되고 있고, 도 1 및 도 2는 그 중 두 예를 보여준다.
구체적으로, 도 1은 종래 기술에 의한 루프형 열 전달 장치의 개략적 구성도로써, 발열 요소(100)와 접촉된 증발기(102), 증발기(102)에서 증발되어 방출되는 기체를 응축하고 응축된 냉매를 다시 증발기(102)로 공급하는 응축기(104), 응축기(104)와 증발기(102)를 연결되어 증발기(102)로부터 방출되는 기체가 응축기(104)로 유입되게 하는 기체관(106), 응축기(104)와 증발기(102)사이에 연결되어 응축기(104)로부터 증발기(102)로 응축된 냉매를 유입시키는데 사용되는 액체관(108) 및 액체관(108)의 소정 위치에 설치되어 상기 응축된 냉매를 증발기(102)로 펌핑하는데 사용되는 펌프(110)로 구성되어 있다. 이러한 구성에서 증발기(102)로부터 응축기(104)로 유입되는 증발된 기체는 공기(112)를 이용하여 응축기(104)를 냉각하는 과정에서 응축된다.
도 2에 도시된 종래의 열 전달 장치는 도 1에 도시된 것과 달리 기체관 및 액체관을 별도 구비하지 않는 것으로써, 증발기(120)와 응축기(122)는 기체 수송과 액체 수송을 겸하는 복합관(124)으로 연결되어 있다. 복합관(124)은 바닥에 응축기(122)에서 응축된 냉매가 증발기(120)로 공급될 수 있도록 구성된 액체 공급통로(126)를 구비하고, 그 위쪽 영역을 상기 응축된 냉매가 증발기(120)에서 증발됨에 따라 발생되는 기체를 응축기(122)로 보내기 위한 기체 통로(128)로 사용할 수 있게 구성되어 있다. 도면에서 액체 공급통로(126)를 지나는 화살표와 기체 통로(128)를 지나는 화살표는 각각 응축된 냉매의 흐름 방향과 증발기(120)에서 응축기(122)로 흐르는 기체의 흐름 방향을 나타낸다.
도 1 및 도 2에 도시된 열 전달 장치의 증발기(102, 120)는 다양한 내부 구성을 가질 수 있는데, 하나의 예를 도 3 내지 도 5에 도시하였다.
도 3은 증발기에서 액상의 냉매 통로(130)가 형성된 히트 파이프(132)의 평면을 보여주고, 도 4는 이러한 히트 파이프(132)의 측면과 히트 파이프(132)를 내장하는 증발기 하우징(134)의 측면을 함께 보여주며, 도 5는 히트 파이프(132)를 5-5'방향으로 절개한 단면을 보여준다. 도 4에서 증발기 하우징(134)의 히트 파이프(132)의 상부 공간(136)은 상기 냉매가 증발됨에 따라 발생되는 기체의 이동 공간이다. 도 5를 참조하면, 냉매 통로(130)로써, 히트 파이프(132)에 복수의 그루브(groove)(138)가 형성되어 있음을 알 수 있다. 그루브(138)의 폭(W1)은 그루브(138)를 통해서 유입되는 냉매(140)의 투과성(permeability) 및 캐필러리 압력(capillary pressure)과 관련되어 있다. 곧, 증발기에서 높은 히트 플럭스(heat flux)를 구현하기 위해서는 그루브(138)의 폭(W1)을 크게 하여 냉매의 유동 저항을 줄이는 것이 바람직하나, 이 경우에는 포 반경(pore radius)이 증가하게 되어 캐필러리 압력이 낮아지게 된다. 반대로, 그루브(138)의 폭(W1)을 작게 하면 캐필러리 압력은 높일 수 있으나, 냉매(140)의 유동 저항이 커져서 냉매의 투과성은 낮아지게 된다. 도 5에서 히트 파이프(312)를 내장하는 증발기 하우징(134)의 도시는 생략하였다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 액상 냉매를 증발 영역으로 이송하는 과정에서 상기액상 냉매의 투과성을 증가시키면서 상기 액상 냉매가 증발되는 것을 억제하고, 상기 증발 영역에서 캐필러리 펌핑 압력도 높일 수 있는 박형 증발기를 구비하는 열 전달 장치를 제공함에 있다.
도 1 및 도 2는 각각 서로 다른 일반적인 열 전달 장치의 개략적 구성도이다.
도 3 내지 도 5는 도 1 또는 도 2에 도시된 열 전달 장치가 가질 수 있는 증발기에 관한 것으로써, 각각 평면도, 측면도 및 도 3을 5-5'방향으로 절개한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 박형 증발기를 구비하는 열 전달 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 7은 도 6의 열 전달 장치에 구비된 박형 증발기의 분해 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시한 박형 증발기에서 상변화 판의 다른 형태를 보여주는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 의한 열 전달 장치의 각 부분에서 일어나는 냉매의 상변화를 나타낸 엔탈피-압력 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
200:박형 증발기 202:기체관
204:액체관
200a:베이스 기판 200b, 300:상변화 판
200c, 310:액상 냉매 공급 영역 200d, 320:캐필러리 영역(capillary area)
200e:증발 억제판 200f:증발기 케이스
a1, 312:제1 냉매 공급로 a2, 314:제2 냉매 공급로
a3, 316:제3 냉매 공급로 a1', a2', a3':제1 내지 제3 억제판
t:증발기 케이스 두께 318, 322, 324:제1 내지 제3 패턴
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 발열요소와 접촉되어 있고 상기 발열요소로부터 전달되는 열을 흡수하여 유입되는 냉매를 증발시키는 증발기와, 상기 증발기로부터 유출되는 기체를 응축하여 액상의 냉매를 생성하고, 상기 액상의 냉매를 상기 증발기로 공급하는 응축기와, 상기 증발기 및 상기 응축기사이에 구비되어 상기 증발기로부터 유출되는 상기 기체를 상기 응축기로 이송시키는데 사용되는 기체관과, 상기 액상의 냉매를 상기 응축기로부터 상기 증발기로 이송시키기 위해 상기 증발기 및 상기 응축기사이에 구비된 액체관을 구비하는 열 전달장치에 있어서, 상기 증발기는 상기 액상 냉매가 증발되는 소정의 증발영역으로 상기 액상 냉매가 이송되는 영역을 덮도록 구비되어, 상기 이송 과정에서 상기 액상 냉매가 증발되는 것을 억제하는 소정 두께의 증발 억제판을 구비하는 박형 증발기인 것을 특징으로 하는 열 전달장치를 제공한다.
상기 발열요소와 저면이 접촉되는 베이스 기판과, 상기 액체관으로부터 상기 액상의 냉매가 유입되고, 상기 유입된 액상의 냉매가 상기 발열요소로부터 열을 흡수하여 증발되는, 상기 베이스 기판과 상기 증발 억제판사이에 구비된 상변화 판과, 상기 증발 억제판이 상기 상변화 판의 대응되는 영역과 압착되도록 상기 증발 억제판의 상면과 접촉되고, 상기 상변화 판 및 상기 증발 억제판이 적층된 상태로상기 베이스 기판의 사방 측면과 밀봉 접촉되는 증발기 케이스를 더 구비하되,
상기 증발기 케이스의 상기 상변화 판의 측면과 접촉되는 측면에 상기 액체관이 연결되고 반대쪽 측면에 상기 증발기 케이스로부터 방출되는 기체를 상기 응축기에 이송할 수 있도록 상기 기체관이 연결된다.
상기 상변화 판은 상기 액체관을 통해서 유입되는 상기 액상 냉매가 이송되는 동안 상기 증발 억제판에 의해 덮여짐으로써 상기 액상 냉매의 증발이 방지되는 영역인 액상 냉매 공급 영역과, 캐필러리 펌핑 압력에 의해 상기 액상 냉매 공급 영역으로부터 상기 액상 냉매가 공급되는 영역으로써, 상기 발열요소로부터 전달되는 열을 흡수한 상기 액상 냉매의 증발이 허용된 캐필러리 영역이 합착되어 구성된다.
상기 상변화 판은 단일 판으로써, 상기 액상 냉매 공급 영역과 상기 캐필러리 영역으로 구성된다.
상기 액상 냉매 공급 영역은 상기 액상의 냉매가 유입되는 영역과, 이 영역으로부터 상기 액상의 냉매를 상기 캐필러리 영역의 각 처로 이송하기 위해 상기 영역의 서로 다른 부분에서 출발하는 제1 내지 제3 냉매 공급로를 포함한다.
상기 상변화 판이 합착 구성된 판인 경우, 상기 액상 냉매 공급 영역은 상기 캐필러리 영역에 비해 상기 액상 냉매의 투과성이 상대적으로 큰 매질이고, 상기 캐필러리 영역은 상기 액상 냉매 공급 영역에 비해 캐필러리 펌핑 압력이 상대적으로 큰 매질이다.
상기 액상 냉매 공급 영역 상에 상기 캐필러리 영역에 비해 상기 액상 냉매의 투과성을 상대적으로 크게 한 소정의 패턴 어레이가 형성되어 있고, 상기 캐필러리 영역 상에 상기 액상 냉매 공급 영역에 비해 캐필러리 펌핑 압력을 상대적으로 증가시키는 소정의 패턴 어레이가 형성되어 있다.
상기 제1 내지 제3 냉매 공급로 각각은 상기 액상 냉매의 투과성을 상기 캐필러리 영역에 비해 상대적으로 크게 유지하면서 상기 액상 냉매에 대한 과열도는 증가시키는 사이즈를 갖는다.
상기 액상 냉매 공급 영역 상에 형성된 패턴 어레이와 상기 캐필러리 영역 상에 형성된 패턴 어레이는 서로 수직하게 구성되어 있고, 상기 두 영역 상에 형성된 패턴 어레이를 구성하는 패턴들은 동일한 형태이거나 일부가 다른 형태이다.
이러한 본 발명에 의한 열 전달장치를 이용하는 경우, 액상 냉매가 발열 요소와 접촉된 증발영역에 도달되는 과정에서 충분한 투과성을 확보하면서 상기 액상 냉매가 증발되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 드라이-아웃에 의해 상기 액상 냉매 공급이 중단되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 증발 영역에는 포오 반경이 작은 캐필러리 수단이 구비되어 있기 때문에 높은 캐필러리 펌핑 압력을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 박형 증발기를 구비하는 열 전달 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
먼저, 도 6을 참조하면 본 발명의 실시예에 의한 열 전달 장치는 박형 증발기(200)를 구비하고, 박형 증발기(200)로부터 발생된 기체를 응축하고 이렇게 해서얻어지는 액상의 냉매를 박형 증발기(200)에 공급하기 위한 응축기(미도시)를 구비한다. 그리고 박형 증발기(200)에서 기체가 발생되는 일면과 응축기의 일면은 박형 증발기(200)에서 발생된 기체를 상기 응축기로 이송하기 위한 기체관(202)으로 연결되어 있다. 또한, 상기 응축기로부터 액상의 냉매가 공급되는 박형 증발기(200)의 타면과 상기 응축기의 타면은 상기 액상의 냉매를 박형 증발기(200)로 이송하기 위한 액체관(204)으로 연결되어 있다. 액체관(204)의 소정 위치에는 상기 액상의 냉매를 펌핑하기 위한 펌프(미도시)가 구비될 수 있다. 참조부호 A는 박형 증발기(200)를 구성하는 요소들이 내장되는 영역을 나타낸다.
도 7은 박형 증발기(200)의 분해 사시도인데, 이를 참조함으로써 박형 증발기(200)의 구성을 보다 자세하게 알 수 있다.
구체적으로, 박형 증발기(200)는 그 저면이 발열 요소, 예를 들면 중앙 처리 장치(CPU)와 접촉되고 사방의 측면이 증발기 케이스(200f)의 내면 하단부와 밀봉 접촉되는 베이스 기판(200a), 베이스 기판(200a) 상에 형성되어 있으면서 베이스 기판(200a)을 통해 상기 발열요소로부터 전달되는 열을 흡수함으로써 상기 액상의 냉매가 기체로 상변화되는 영역으로 캐필러리 펌핑(capillary pumping)이 일어나는 캐필러리 영역(200d)과 상기 응축기로부터 공급되는 액상의 냉매를 충분한 투과성을 갖고 캐필러리 영역(capillary area, 200d)으로 공급하기 위한 액상의 냉매 공급 영역(200c)으로 구성된 것으로써, 상기 발열 요소를 냉각하는 과정에서 상기 액상 냉매가 기상으로 상변화 되는 판(200b, 이하 상변화 판(200b)이라 한다), 상변화 판(200b)의 액상 냉매 공급 영역(200c)에 공급되는 액상의 냉매가 증발되는 것을 억제하기 위해 상변화 판(200b) 상에 구비된, 특히 액상 냉매 공급 영역(200c)의 전 영역을 덮도록 구비된 것으로 상변화 판(200b)의 액상 냉매 공급 영역(200c)과 동형으로 형성된 증발 억제판(200e) 및 증발 억제판(200e)과 상변화 판(200b)을 덮고 베이스 기판(200a)의 사방 측면과 그 내면 하단부가 밀봉 접촉되는 증발기 케이스(200f)를 구비한다.
상변화 판(200b)을 구성하는 두 영역(200c, 200d)에서 마주하는 모든 부분은 액상의 냉매가 원활하게 흐를 수 있도록 접착되어 있다. 점선의 화살표는 액상의 냉매 공급 영역(200c)에서 캐필러리 영역(200d)으로 유입되는 상기 액상 냉매의 흐름을 나타낸다. 액상의 냉매 공급 영역(200c)은 액상의 냉매가 공급되는 측면의 서로 다른 위치에서 시작되는 제1 내지 제2 냉매 공급로(a1, a2, a3)를 구비한다. 제1 내지 제3 냉매 공급로(a1, a2, a3)는 유입되는 액상 냉매의 유동 저항을 충분히 줄일 수 있을 정도의 투과성을 갖는 것이 바람직하다. 액상의 냉매 공급 영역(200c)의 바깥쪽 측면의 어느 한 부분, 바람직하게는 중앙을 통해 유입되는 액상의 냉매는 제1 내지 제3 냉매 공급로(a1, a2, a3)를 통해서 캐필러리 영역(200d)으로 공급된다. 캐필러리 영역(200d)은 제1 내지 제3 냉매 공급로(a1, a2, a3)의 사방 측면과 제1 내지 제3 냉매 공급로(a1, a2, a3)사이의 액상 냉매 공급 영역(200c)의 안쪽 측면과 접촉되어 있다.
도면에 상세하게 도시하지는 않았지만, 액상 냉매 공급 영역(200c) 및 캐필러리 영역(200d)은 각각 투과성 및 캐필러리 펌핑 압력을 크게 할 수 있는 재질, 예컨대 다공성 매질(porous material)이거나, 패턴 어레이를 구비할 수 있고, 두영역(200b, 200c) 중 한 영역은 상기 재질로 구성되고 나머지 한 영역은 상기 패턴 어레이를 구비할 수도 있다. 두 영역(200b, 200c) 모두 상기 패턴 어레이를 구비하는 경우에 대해서는 도 8을 참조하여 자세하게 후술하겠지만, 액상 냉매 공급 영역(200c)에는 액상 냉매의 투과성을 증가시키면서 제1 내지 제3 냉매 공급로(a1, a2, a3)를 따라 상기 액상 냉매가 캐필러리 영역(200d)까지 균일한 유속으로 도달될 수 있게 상기 액상 냉매의 흐름에 방향성을 줄 수 있게 상기 패턴 어레이가 구비되어 있다. 그리고 캐필러리 영역(200d)에는 캐필러리 펌핑을 유발시켜 캐필러리 영역(200d)의 각 처에 상기 액상의 냉매를 보내게 하는 캐필러리 펌핑 압력을 가능한 증가시킬 수 있는 형태로 패턴 어레이가 구비되어 있다.
한편, 발열 요소로부터 방출되는 열은 베이스 기판(200a)의 전 영역으로 전달되기 때문에, 액상 냉매 공급 영역(200c)에도 상기 열이 전달되고, 그 결과 액상 냉매 공급 영역(200c)에서 액상 냉매가 증발됨을 예상할 수 있다. 그럼에도, 액상 냉매가 공급되는 채널 사이즈가 작아지는 경우에 상기 채널 내의 상기 액상 냉매는 준안정(metastable) 상태가 되기 때문에, 상기 액상 냉매가 증발되기 위한 과열도(액상 냉매의 온도에서 주어진 압력하에서의 액상 냉매의 포화온도를 뺀 값)는 그 전보다 커져야 한다는 X.F.Peng 등의 연구 결과를 고려하여 액상 냉매 공급 영역(200c)의 채널 사이즈를 상기 액상 냉매의 적정 투과성이 유지되는 범위내에서 적절하게 선택함으로써 상기 액상 냉매가 액상 냉매 공급 영역(200c)에서 증발되는 가능성을 낮출 수 있다.
이와 같이 X.F.Peng 등의 연구 결과를 이용함으로써, 액상 냉매 공급영역(200c)에서 액상 냉매 증발 가능성을 낮출 수 있지만, 액상 냉매 공급 과정에서 액상 냉매가 캐필러리 영역(200d)에 도달되기 전에 완전히 증발되어 액상 냉매 공급 영역(200c)의 한 부분이 노출되는 드라이 아웃(dry out) 현상을 완전히 배제하는 것이 바람직하다. 증발 억제판(200e)은 이를 위한 것이다. 곧, 액상 냉매 공급 영역(200c)에서 액상 냉매가 증발되기 위해서는 상기 액상 냉매가 기체와 접촉되는 영역이 있어야 하는데, 증발 억제판(200e)은 상기 액상 냉매가 기체와 접촉되는 것을 차단하여 상기 액상 냉매가 증발되는 것을 방지한다. 증발 억제판(200e)은 액상 냉매 공급 영역(200c)을 덮어 액상 냉매 공급 영역(200c)에 공급된 액상 냉매가 기체와 접촉되는 것을 방지하기 때문에, 그 형태 및 사이즈는 액상 냉매 공급 영역(200c)과 동일한 것이 바람직하다. 곧, 액상 냉매 공급 영역(200c)의 제1 내지 제3 냉매 공급로(a1, a2, a3)에 각각 대응되는 증발 억제판(200e)의 제1 내지 제3 억제판(a1', a2', a3')의 형태 및 사이즈는 제1 내지 제3 냉매 공급로(a1, a2, a3)와 동일한 것이 바람직하다. 증발 억제판(200e)의 제1 및 제2 억제판(a1', a2')사이의 영역(A1), 제2 및 제3 억제판(a2', a3')사이의 영역(A2), 제1 억제판(a1')과 이에 인접한 증발기 케이스(200f)의 측면사이의 영역(A0) 및 제3 억제판(a3')과 이에 인접한 증발기 케이스(200f)의 측면사이의 영역(A3)들은 상변화 판(200b)에서 액상 냉매 공급 영역(200c)을 제외한 캐필러리 영역(200d) 전체에 대응된다. 이들 영역들(A0, A1, A2, A3)은 억제 증발판(200e)의 두께에 해당하는 두께를 갖고 있다. 상변화 판(200b) 상에 적층된 상태로 억제 증발판(200e)은 증발기 케이스(200f) 천장과 접촉되기 때문에, 상변화 판(200b)과 증발기 케이스(200f)사이에는 상기 영역들(A0, A1, A2, A3)을 제외하고는 여분의 공간이 없다. 곧, 상기 영역들(A0, A1, A2, A3)은 상변화 판(200b)의 캐필러리 영역(200d)으로부터 발생된 기체가 모여지는 기체 공간이 된다. 이렇게 모여진 기체들은 증발기 케이스(200f)의 상기 영역들(A0, A1, A2, A3, A4) 중 하나와 연결될 수 있는 측면에 구비된 기체관(202)을 통해서 응축기로 유출된다. 기체관(202)은 상기 영역들(A0, A1, A2, A3) 중 어느 하나와 연결되는 것이 바람직하기 때문에, 기체관(202)의 두께는 상기 영역들(A0, A1, A2, A3)의 두께와 같은 것이 바람직하다. 이것이 어려울 경우, 기체관(202)의 두께는 상기 영역들(A0, A1, A2, A3)보다 두껍게 하되, 기체관(202) 내의 실질적으로 기체가 수송되는 관의 두께(또는 직경)는 상기 영역들(A0, A1, A2, A3)의 두께와 동일하게 하거나 작게 하는 것이 바람직하다.
액상 냉매 공급 영역(200c) 또한 상기 영역들(A0, A1, A2, A3)과 마찬가지로 한정된 두께를 갖고 있고, 응축기에서 공급되는 액상의 냉매는 액상 냉매 공급 영역(200c)에만 공급되도록 하는 것이 바람직하기 때문에, 기체관(202)에 대한 상기 내용은 액체관(204)에도 그대로 적용할 수 있다.
증발기 케이스(200f)는 상변화 판(200b) 및 증발 억제판(200e)이 순차적으로 적층된 베이스 기판(200a)과 밀봉 접착되고, 증발 억제판(200e)의 상면 전체는 증발기 케이스(200f)의 천장과 접촉되기 때문에, 베이스 기판(200a)을 포함한 상변화 판(200b)과 증발 억제판(200e)의 두께는 증발기 케이스(200f)의 두께(t)가 된다.
계속해서, 상변화 판(200b)의 액상 냉매 공급 영역(200c) 및 캐필러리 영역(200d)에 상기 패턴 어레이가 구비된 경우에 대해 설명한다.
도 8을 참조하면, 참조번호 300은 상기 패턴 어레이가 구비된 상변화 판을 나타낸다. 그리고 310은 제1 패턴(318)이 복수개 형성된 제1 내지 제3 냉매 공급로(312, 314, 316)를 갖는 액상 냉매 공급 영역을 나타내고, 320은 제2 및 제3 패턴(322, 324)이 복수개 형성된 캐필러리 영역을 나타낸다. 제2 패턴(322)은 캐필러리 영역(320) 중에서 제1 내지 제3 냉매 공급로(312, 314, 316) 사이의 영역, 제1 냉매 공급로(312)와 이에 인접한 증발기 케이스(200f)의 측면사이의 영역 및 제3 냉매 공급로(312)와 이에 인접한 증발기 케이스(200f)의 측면사이의 영역 상에 형성되어 있다. 그리고 제3 패턴(324)은 캐필러리 영역(320)의 나머지 영역 상에 형성되어 있다. 곧, 캐필러리 영역(320) 중에서 제1 내지 제3 냉매 공급로(312, 314, 316)의 종단들과 이들에 인접한 증발기 케이스(200f)의 측면사이의 영역 상에 제3 패턴(324)이 형성되어 있다. 제1 내지 제3 패턴들(318, 322, 324)은 한 면이 상변화 판(300)과 접촉된 액상의 냉매가 흐르는 방향으로 소정의 길이를 갖는 직육면체이다. 제2 및 제3 패턴(322, 324)은 제1 패턴(318)에 수직한 방향으로 소정의 길이를 갖는다. 제1 내지 제3 패턴들(318, 322, 324)로 인해, 상변화 판(300)에 유입된 액상의 냉매는 방향성을 갖고 흐르게 된다. 상변화 판(300)에 유입되는 액상의 냉매에 방향성을 줄 수 있다는 것을 전제로, 제1 내지 제3 패턴들(318, 322, 324)은 직육면체와 다른 형태일 수 있다. 예를 들면, 제1 패턴(318)은 직육면체이더라도 냉매의 흐름 방향의 길이가 다른 직육면체일 수 있고, 직육면체와 원기둥 또는 십자형 패턴이 혼합된 패턴일 수도 있다. 또한, 제2 패턴(322)은 원기둥일 수 있고, 제2 패턴(322) 중에서 제1 패턴(318)사이에 형성된 일부 패턴은 제1패턴(318)사이의 냉매 공급로에서 시작될 수 있다. 또한, 제3 패턴(324)의 일부는 원기둥일 수 있고, 제1 내지 제3 냉매 공급로(312, 314, 316)의 종단에 인접한 영역에 형성된 일부 패턴은 제1 패턴(318)과 평행하고 동일한 형상이되, 간격은 좁은 직육면체 패턴일 수 있다.
이와 같이, 제1 내지 제3 패턴(318, 322, 324)이 직육면체이외의 다양한 형태를 가지는 경우에도 액상의 냉매 공급 영역(310)에서 액상 냉매의 투과성이 보장되어야 하고, 캐필러리 영역(320)에서는 캐필러리 펌핑 압력이 높아야 한다.
제2 및 제3 패턴(322, 324)은 상변화 판(300)에서 액상의 냉매가 발열요소로부터 전달되는 열을 흡수하여 증발되는 영역에 형성되어 있다는 공통점이 있다. 하지만, 제2 및 제3 패턴(322, 324)은 형성된 위치가 서로 다르기 때문에, 그들의 형태나 크기는 다를 수 있다. 곧, 제3 패턴(324)의 길이는 제2 패턴(322)에 비해 상대적으로 길 수 있고, 간격은 좁되 길이에 수직한 방향의 두께는 더 두꺼울 수도 있다.
다른 한편으로 제3 패턴(324)은 간격은 일정하게 하되, 상기 두께는 영역에 따라 다른 패턴일 수도 있다. 이러한 패턴 두께 변화는 제1 패턴(318) 또는 제2 패턴(322)에서도 있을 수 있다.
도 8에는 구체적으로 도시하지 않았지만, 상변화 판(300)의 액체관(204)(또는 그 연결부)을 통해서 액상의 냉매가 유입되는 부분에는 제1 내지 제3 냉매 공급로(312, 314, 316)에 유입되는 액상의 냉매를 균일하게 그리고 낮은 유동 저항으로 공급할 수 있는 형태로 패턴이 구비될 수 있다. 예를 들면, 상기 유입된 액상의 냉매를 사방으로 균일하게 흐르게 할 수 있는 패턴으로 십자형 또는 원기둥형 패턴들이 구비될 수 있다.
도 8에 도시한 상변화 판(300)을 액상 냉매 공급 영역(310)과 캐필러리 영역(320)으로 나눈 것은 설명의 편의 상 그렇게 한 것이다. 실제, 상변화 판(300)은 하나의 기판으로써, 두 영역들(310, 320)은 물리적으로 분리된 부분들이 아니다. 액상 냉매 공급 영역(310)에 형성된 제1 패턴(318)과 캐필러리 영역(320)에 형성된 제2 및 제3 패턴(322, 324)은 일반적인 반도체 제조 공정인 사진 및 식각 공정으로 형성된다. 사진 공정에서 다양한 형태의 마스크를 사용함으로써, 상기한 바와 같은 다양한 패턴들은 상변화 판(300)의 정해진 영역에 형성할 수 있다.
도 9는 열 전달장치에 사용된 냉매의 상변화 과정을 나타낸 그래프로써, 가로축은 엔탈피(enthalpy) 변화를, 세로축은 압력변화를 나타낸다. 도 9를 참조하면, 상기 열 전달장치에서의 냉매 상변화 과정을 일목요연하게 알 수 있다. 도면에서 참조부호 L1 및 L2는 각각 냉매의 액상 포화선 및 기상 포화선을 나타낸 제1 및 제2 그래프이고, L3은 열 전달장치에서의 냉매 상변화 과정을 나타낸 제3 그래프이다.
제3 그래프(L3)를 참조하면, P1-P5 구간은 압력이 순차적으로 낮아지는 구간이다. P1-P2 구간은 제2 그래프(L2) 우측에 있으므로, 기체관내에서 압력이 낮아지는 과정임을 알 수 있다. P2-P3구간은 압력이 낮아지면서 상이 기상에서 액상으로 변화되는 과정이므로, 증발기로부터 응축기에 유입된 기체가 액체로 변화되는 과정임을 알 수 있다. P3-P4구간은 액체관을 통해서 응축기에서 증발기로 액상의 냉매가 공급되는 과정을 나타낸다. P4-P5구간은 증발기에 유입된 상기 액상의 냉매가 제1 내지 제3 냉매 공급로(a1, a2, a3 또는 312, 314, 316)를 통해서 캐필러리 영역(200d 또는 320)까지 이송되는 과정을 나타낸다. 이 과정에서 액상의 냉매는 발열요소로부터 전달된 열을 흡수하기 시작하기 때문에 과열된 준 안정상태가 된다. 따라서, P4-P5구간에서는 액상의 냉매의 상태에 약간의 변화만 있더라도 상기 액상 냉매가 증발될 수 있다. 이와 같이 P4-P5구간에서 상기 액상의 냉매가 증발되는 경우, 캐필러리 영역(200d 또는 320)으로 액상의 냉매가 공급되지 못하는 드라이-아웃 현상이 발생하게 된다. 본 발명에 의한 열 전달장치에 구비된 박형 증발기의 증발 억제판(200e)은 이러한 드라이-아웃 현상을 방지한다.
한편, 제3 그래프(L3)에서 P5-P1 구간은 유일하게 압력이 증가하는 구간으로써, 캐필러리 영역(200d 또는 320)에 구비된 캐필러리 수단, 곧 캐필러리 영역(200d)을 구성하는 다공성 매질이나, 캐필러리 영역(320) 상에 형성된 제2 및 제3 패턴(322, 324)에 의해 액상 냉매가 유입되는 과정과 이렇게 유입된 액상의 냉매가 발열요소로부터 열을 흡수하여 기상으로 상변화되는 과정을 나타낸다.
이와 같이 P5-P1구간에서는 실질적인 기계적 펌핑 과정 없이도 압력이 증가하기 때문에, 캐필러리 펌핑(capillary pumping) 구간이라고 한다. P5-P1 구간에서의 캐필러리 펌핑 압력은 다음과 같다.
Pc=2??/r
여기서, Pc는 캐필러리 펌핑 압력을, ??는 표면 장력(surface tension)을, r은 유효 포 반경(effective pore radius)이다.
상기 수학식에서 캐필러리 펌핑 압력은 액상 냉매의 포오 반경(r)을 작게 함으로써 증가한다는 것을 알 수 있다. 캐필러리 영역(200d 또는 320)의 캐필러리 수단, 예컨대 캐필러리 영역(200d 또는 320)에 형성된 패턴간의 간격을 좁게 하는 경우 액상 냉매의 포오 반경(r)은 작아지게 된다. 이와 같이 캐필러리 영역(200d 또는 320)에는 캐필러리 펌핑 압력을 높이기 위한 캐필러리 수단이 필요하다.
그러나 제3 그래프(L3)에서 알 수 있듯이, P1-P5 구간에서는 압력이 낮아지므로, 캐필러리 영역(200d 또는 320)을 제외한 다른 영역에서는 캐필러리 수단이 반드시 필요하지 않다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상변화 판(200b 또는 300)에서 제1 내지 제3 냉매 공급로(a1, a2, a3 또는 312, 314, 316)외에 더 많은 냉매 공급로를 구비할 수도 있을 것이고, 이에 대응하여 증발 억제판(200e)에서 제1 내지 제3 억제판(a1', a2', a3')외에 더 많은 억제판을 구비할 수도 있을 것이다. 또한, 상변화 판(200b 또는 300)에서 액상 냉매 공급 영역(320c 또는 310)과 캐필러리 영역(200c 또는 320)의 경계면이 곡선이 되게 할 수도 있을 것이다. 또한, 본 발명의 열 전달 장치에 구비된 박형 증발기를 이용하여 일체형 히트 파이프를 구현할 수도 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에의해 정하여져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 열 전달장치에 구비된 박형 증발기는 액상의 냉매를 증발영역으로 이송하는 과정에서 상기 액상의 냉매가 상기 증발 영역에 도달하기 전에 증발되는 것을 억제하기 위한 증발 억제판을 구비한다. 그리고 상기 증발 억제판에 의해 덮이는 상변화 판(200b 또는 300)의 액상 냉매 공급 영역(200c 또는 310)의 제1 내지 제3 냉매 공급로(a1, a2, a3 또는 312, 314, 316)는 원하는 투과성을 확보하면서도 액상 냉매의 과열도는 상대적으로 크게 할 수 있는 사이즈를 갖고 있다. 따라서, 본 발명의 열 전달장치를 이용하는 경우, 액상 냉매가 발열 요소와 접촉된 증발영역에 도달되는 과정에서 충분한 투과성을 확보하면서 상기 액상 냉매가 증발되는 것을 억제할 수 있기 때문에, 드라이-아웃에 의해 상기 액상 냉매 공급이 중단되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 증발 영역에는 포오 반경이 작은 캐필러리 수단이 구비되어 있기 때문에 높은 캐필러리 펌핑 압력을 얻을 수 있다.

Claims (13)

  1. 발열요소와 접촉되어 있고 상기 발열요소로부터 전달되는 열을 흡수하여 유입되는 냉매를 증발시키는 증발기;
    상기 증발기로부터 유출되는 기체를 응축하여 액상의 냉매를 생성하고, 상기 액상의 냉매를 상기 증발기로 공급하는 응축기;
    상기 증발기 및 상기 응축기사이에 구비되어 상기 증발기로부터 유출되는 상기 기체를 상기 응축기로 이송시키는데 사용되는 기체관; 및
    상기 액상의 냉매를 상기 응축기로부터 상기 증발기로 이송시키기 위해 상기 증발기 및 상기 응축기사이에 구비된 액체관을 구비하는 열 전달장치에 있어서,
    상기 증발기는,
    상기 액상 냉매가 증발되는 소정의 증발영역으로 상기 액상 냉매가 이송되는 영역을 덮도록 구비되어, 상기 이송 과정에서 상기 액상 냉매가 증발되는 것을 억제하는 소정 두께의 증발 억제판을 구비하는 박형 증발기인 것을 특징으로 하는 열 전달장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 증발 억제판 아래에 상기 발열요소와 저면이 접촉되는 베이스 기판;
    상기 액체관으로부터 상기 액상의 냉매가 유입되고, 상기 유입된 액상의 냉매가 상기 발열요소로부터 열을 흡수하여 증발되는, 상기 베이스 기판과 상기 증발 억제판사이에 구비된 상변화 판; 및
    상기 증발 억제판이 상기 상변화 판의 대응되는 영역과 압착되도록 상기 증발 억제판의 상면과 접촉되고, 상기 상변화 판 및 상기 증발 억제판이 적층된 상태로 상기 베이스 기판의 사방 측면과 밀봉 접촉되는 증발기 케이스를 구비하되,
    상기 증발기 케이스의 상기 상변화 판의 측면과 접촉되는 측면에 상기 액체관이 연결되고 반대쪽 측면에 상기 증발기 케이스로부터 방출되는 기체를 상기 응축기에 이송할 수 있도록 상기 기체관이 연결되는 것을 특징으로 하는 열 전달 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 상변화 판은 상기 액체관을 통해서 유입되는 상기 액상 냉매가 이송되는 동안 상기 증발 억제판에 의해 덮여짐으로써 상기 액상 냉매의 증발이 방지되는 영역인 액상 냉매 공급 영역과,
    캐필러리 펌핑 압력에 의해 상기 액상 냉매 공급 영역으로부터 상기 액상 냉매가 공급되는 영역으로써, 상기 발열요소로부터 전달되는 열을 흡수한 상기 액상 냉매의 증발이 허용된 캐필러리 영역이 합착되어 구성된 것을 특징으로 하는 열 전달 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 상변화 판은 단일 판으로써, 상기 액체관을 통해서 유입되는 상기 액상 냉매가 이송되는 동안 상기 증발 억제판에 의해 덮여짐으로써 상기 액상 냉매의 증발이 방지되는 영역인 액상 냉매 공급 영역과,
    캐필러리 펌핑 압력에 의해 상기 액상 냉매 공급 영역으로부터 상기 액상 냉매가 공급되는 영역으로써, 상기 발열요소로부터 전달되는 열을 흡수한 상기 액상 냉매의 증발이 허용된 캐필러리 영역으로 구성된 것을 특징으로 하는 열 전달 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 액상 냉매 공급 영역은 상기 액상의냉매가 유입되는 영역과, 이 영역으로부터 상기 액상의 냉매를 상기 캐필러리 영역의 각 처로 이송하기 위해 상기 영역의 서로 다른 부분에서 출발하는 복수의 냉매 공급로를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 전달 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 액상 냉매 공급 영역은 상기 캐필러리 영역에 비해 상기 액상 냉매의 투과성(permeability)이 상대적으로 큰 매질이고, 상기 캐필러리 영역은 상기 액상 냉매 공급 영역에 비해 캐필러리 펌핑 압력이 상대적으로 큰 매질인 것을 특징으로 하는 열 전달 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 매질은 다공성 매질인 것을 특징으로 하는 열 전달 장치.
  8. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 액상 냉매 공급 영역 상에 상기 캐필러리 영역에 비해 상기 액상 냉매의 투과성을 상대적으로 크게 한 소정의 패턴 어레이가 형성되어 있고, 상기 캐필러리 영역 상에 상기 액상 냉매 공급 영역에 비해 캐필러리 펌핑 압력을 상대적으로 증가시키는 소정의 패턴 어레이가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열 전달 장치.
  9. 제 5 항에 있어서, 상기 복수의 냉매 공급로 각각은 상기 액상 냉매의 투과성을 상기 캐필러리 영역에 비해 상대적으로 크게 유지하면서 상기 액상 냉매에 대한 과열도는 증가시키는 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 열 전달 장치.
  10. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 액상 냉매 공급 영역은 상기 증발 억제판과 동일한 형태 및 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 열 전달 장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 액상 냉매 공급 영역 상에 형성된 패턴 어레이와 상기 캐필러리 영역 상에 형성된 패턴 어레이는 서로 수직하게 구성된 것을 특징으로 하는 열 전달 장치.
  12. 제 12 항에 있어서, 상기 두 영역 상에 형성된 패턴 어레이를 구성하는 패턴들은 동일한 형태인 것을 특징으로 하는 열 전달 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 두 영역 중 어느 한 영역의 패턴 어레이를 구성하는 패턴들 중 일부는 나머지와 다른 형태인 것을 특징으로 하는 열 전달 장치.
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