KR20040032471A - 초소형 냉각장치 제조방법 및 그 제조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초소형 냉각장치 제조방법 및 그 제조물에 관한 것이며, 상세하게는 소형화 및 고발열화되어 가고 있는 반도체 칩의 열을 효과적으로 방출하기 위한 것으로서, 초소형으로 제작할 수 있으면서도 높은 냉각 효율을 가질 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 발열체(1)인 CPU와 MPU 등의 발생열을 방열할 수 있도록 발열체(1)에 착탈가능하게 결합되는 초소형 냉각장치 본체에 있어서, 상기 초소형 냉각장치 본체(10)의 하판(11) 및 상판(12)에 형성된 증기 및 액체 이송관(31,41) 사이에 위치 형성부(20)를 형성하는 단계(S1)와, 상기 단계(S1)후 위치 형성부(20)에 그루브(32)가 형성된 증발부 코어(30)를 고정하여 내부에 충진된 작동유체가 발열체(1)의 열로 인해 기체상태로 변화되게 하는 단계(S2)로 이루어지는 것이다.

Description

초소형 냉각장치 제조방법 및 그 제조물 {MANUFACTURE METHOD AND IT'S MANUFACTURE GOODS OF MICRO COOLER DEVICE}
본 발명은 초소형 냉각장치 제조방법 및 그 제조물에 관한 것이며, 상세하게는 소형화 및 고발열화되어 가고 있는 반도체 칩의 열을 효과적으로 방출하기 위한 것이다.
일반적으로 알려진 바와 같이 최근에 개발되고 있는 중앙처리장치 등의 대용량 데이터 처리용 집적회로장치는 단위 면적당 발열량이 매우 큰 것으로서, 상기 집적회로장치에서 발열되는 열을 제거하지 않을 경우 장치의 성능 저하나 수명 단축 및 장치의 파손으로 이어져 장치 자체는 물론 이를 이용한 제품의 신뢰도를 극히 저하시키는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위한 종래의 방식중 대표적인 기술이 냉각 핀(Fin)과 팬(Fan)을 이용한 강제 대류식의 냉각 방식이다. 그러나 이러한 방식은 그 냉각 효율이 낮은 관계로 단위 면적당 발열량이 높은 발열체를 냉각하는 데에는 적합하지 않고, 팬에 별도의 전원이 필요하게 되며, 나아가서는 팬 자체가 발열을 하게 되면서 냉각 효율이 저하되는 등의 문제점이 있었다.
따라서, 보다 높은 냉각 효율을 달성하기 위한 방식으로 유체의 상변화를 야기하며 발열체를 냉각하는 방식이 대두되고 있는 것으로서, 상기 방식은 발열하는부위에서 액체 상태의 유체가 기체로 변화하는 잠열을 이용하여 발열부의 열을 흡수하여 처리하는 방식이다. 최근의 소형 냉각장치로는 유체의 상변화 및 온도차에 의한 압력차, 미세 구조물 내지는 윅 구조물을 이용한 모세관력 등을 이용한 히트 파이프라는 장치가 있다.
상기 히트 파이프는 증발부와 응축부를 따로 분리시켜 각각의 성능 최적화를 유도할 수 있고, 분리된 증발부와 응축부가 이송관을 통하여 연결됨으로써 설치 장소의 제약이 비교적 적은 모세관 펌프 루프(Capillary Pumped Loop; 이하 CPL이라함)라는 장치가 있으며, 상기 CPL은 증발부에서 작동유체의 상변화에 의한 잠열을 이용하여 발열부의 열을 흡수한 작동유체는 증기 이송관을 거쳐 응축부로 이동하게 되고, 응축부에서 응축된 작동유체는 액체 이송관을 통하여 증발부로 되돌아오게 되는 루프를 형성하면서 작동을 하는 것이다.
상기 CPL은 구동력이 모세관력, 온도차에 의한 압력차 등으로 기계적인 힘을 필요로 하지 않으면서 큰 열부하, 큰 열유속(Heat Flux)에서의 동작 특성이 좋은 장점이 있다. 또한 상기 히트 파이프와는 달리 작동유체의 흐름의 방향이 한 쪽으로만 구성되므로 구동력을 저하시키는 요인이 없는 것이다.
한편, 상기한 히트 파이프는 CPL과 구동력에서 비슷한 구성을 보이지만 중력에 절대적인 영향을 받는 점과 소형화시에 윅 구조물을 삽입하는 방법이 어렵다는 문제점이 있고, 열원의 반대편에서 작동유체를 응축시키므로 지나친 소형화는 냉각 효율을 낮게하게 된다는 단점도 있는 것이다.
본 발명은 상기한 문제점을 시정하여, 초소형으로 제작할 수 있으면서도 높은 냉각 효율을 가질 수 있도록 한 초소형 냉각장치 제조방법 및 그 제조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 발열체에 착탈가능하게 결합되는 초소형 냉각장치 본체에 있어서, 상기 초소형 냉각장치 본체의 증기 이송관과 액체 이송관 사이에 위치 형성부를 형성하는 단계와, 상기 단계후 위치 형성부에 그루브가 형성된 증발부 코어를 고정하는 단계로 이루어지는 것이다.
상기 초소형 냉각장치 본체의 하판과 상판에 각각 그루브를 가공하는 단계와, 상기 단계후 하판과 상판의 어느 특정 위치에 위치 형성부를 형성함과 아울러 상기 위치 형성부에 증발부 코어를 고정하는 단계로 이루어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예의 순서도,
도 2는 본 발명의 실시예의 설치도,
도 3은 본 발명의 실시예의 하판을 나타낸 평면도,
도 4는 본 발명의 실시예의 하판을 나타낸 평면도(정사각형일 경우),
도 5는 본 발명의 실시예의 분해도,
도 6은 본 발명의 실시예의 분해도(정사각형일 경우),
도 7은 본 발명의 실시예의 증발부를 나타낸 확대도,
도 8은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 평면도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 상하판 고정 상태도,
도 10은 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸 개략도,
도 11 및 도 12는 본 발명의 하판의 또다른 실시예를 나타낸 평면도 및 측단면도이다.
<도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명>
10: 초소형 냉각장치 본체20: 위치 형성부
30: 증발부 코어31: 증기 이송관
40: 응축부41: 액체 이송관
50: 폴
본 발명은 도 1 내지 도 8에 도시한 바와 같이, 발열체(1)인 CPU와 MPU 등의 발생열을 방열할 수 있도록 발열체(1)에 착탈가능하게 결합되는 초소형 냉각장치 본체에 있어서, 상기 초소형 냉각장치 본체(10)의 하판(11) 및 상판(12)에 형성된 증기 및 액체 이송관(31,41) 사이에 위치 형성부(20)를 형성하는 단계(S1)와, 상기 단계(S1)후 위치 형성부(20)에 그루브(32)가 형성된 증발부 코어(30)를 고정하여 내부에 충진된 작동유체가 발열체(1)의 열로 인해 기체상태로 변화되게 하는 단계(S2)로 이루어지는 것이다.
상기 초소형 냉각장치 본체(10)는 플라스틱이나 구리 및 알루미늄 등으로 형성되는 것이고, 상기 증발부 코어(30)는 금속이나 플라스틱 등으로 형성되는 것이다.
상기한 초소형 냉각장치 본체(10)의 하판(11)과 상판(12)에 각각 그루브(groove; 15)를 가공하는 단계(S1)와, 상기 단계(S1)후 하판(11)과 상판(12)의 어느 특정 위치에 위치 형성부(20)를 형성함과 아울러 상기 위치 형성부(20)에 증발부 코어(30)를 고정하는 단계(S2)로 이루어지는 것으로서, 상기 하판(11)과 상판(12)에 그루브(15)를 형성할 때 수직(수평)방향으로 형성함과 아울러 외부에서 중심 부분으로 향하도록 형성할 수 있는 것이다.
상기 위치 형성부(20)는 초소형 냉각장치 본체(10)의 하판(11) 및 상판(12)에 형성할 수도 있으나 하판(11)에 형성하는 것이고, 상기 위치 형성부(20)에 증발부 코어(30)를 압입 고정하는 것이며, 상기 위치 형성부(20)에 증발부 코어(30)를 결합 고정할 때 브레이징 용접도 가능하다.
상기 위치 형성부(20)에 고정된 증발부 코어(30)의 출구에는 증기 이송관(31)이 연통되는 것이고, 상기 증기 이송관(31)의 타측에는 지그재그식으로 형성되어 기체상태의 작동유체를 액체상태로 응축시키는 응축부(40)가 형성되는 것이며, 상기 응축부(40)의 단부와 증발부 코어(30)의 입구 사이에 연결되어 응축된 작동유체를 증발부 코어(30)로 귀환시키는 액체 이송관(41)을 형성하는 것이다.
상기 증발부 코어(30)는 발열체(1)의 열을 흡수함과 아울러 하판(11)과 상판(12)중 어느 일측에 형성되는 것으로서, 상기 증발부 코어(30) 내부에 수평 또는 수직방향으로 다수개의 그루브(32)를 형성함과 아울러 상기 그루브(32)에 작동유체를 적정량 충진하고, 상기 증발부 코어(30)의 입출구에 높이가 다른 폴(50)을복수개 형성하는 것이다. 상기 그루브(32)에 충진된 작동유체는 발열체(1)의 열에 따라 기체화되는 것이고, 상기 형성된 기체는 증발부 코어(30)의 출구측에 연통된 증기 이송관(31)을 통해 응축부(40)로 이동하는 것이며, 상기 기체로 변화될 때 발열체(1)의 열을 빼앗는 것이다.
상기 증발부 코어(30)의 그루브(32)와 하판(11) 및 상판(12)의 그루브(15)와 일치되게 설치할 수도 있고, 상기 증발부 코어(30)의 그루브(32)와 하판(11) 및 상판(12)의 그루브(15)와 일치되지 않게 설치할 수도 있는 것이다.
상기 그루브(32,15)는 바닥에 모세관력을 발생시키고 증발면적을 확보해주는 역할을 하는 것으로서, 상기 그루브(32)는 증발부 코어(30)의 크기에 따라서 달라지며, 그 크기는 모세관력을 효과적으로 이용할 수 있도록 폭이 50-200㎛, 높이가 100-200㎛, 길이는 증발부 코어(30) 전체 길이에서 증발부 코어(30) 입출구의 폴(50) 설치 영역을 제외한 길이가 적당하다.
그리고 상기 폴(50)은 작동유체의 이동을 안내하는 것으로서, 상기 증발부 코어(30)의 출구와 동일한 방향으로 그루브(32)가 형성되는 경우에는 증발부 코어(30)의 출구측에 폴(50)을 형성하는 것이고, 상기 증발부 코어(30)의 출구와 직각을 이루도록 그루브(32)가 형성되는 경우에는 증발부 코어(30)의 출구측에 폴(50)을 형성하지 않는 대신 증발부 코어(30)의 입구에 폴(50)을 형성하는 것이다.
상기 응축부(40)는 증발부 코어(30)에서 흡수한 열을 외부로 방출할 수 있도록 액체에서 기체로 상변화한 작동유체를 응축시켜 열을 버리고 오도록 하는 것으로서, 상기 응축부(40)는 한정된 면적에서 최대의 열교환 능력을 갖으면서 유동저항을 적게 받도록 하기 위해 지그재그식으로 접혀지게 형성되는 것이며, 상기 응축부(40)에서 응축된 작동유체는 액체 이송관(41)을 통해 증발부 코어(30)로 귀환되는 것이다. 또한 상기 응축부(40)는 각 증발부 코어(30)에 하나의 응축부(40)를 대응되도록 하여 최적의 성능을 갖도록 하였으며, 상기 응축부(40)는 증발부 코어(30)의 위치에 유동적이도록 길이나 통로의 방향이 바뀌어 최적의 성능을 내도록 한다.
상기한 초소형 냉각장치 본체(10)의 증발부 코어(30) 고정방법은 리모트 쿨링 시스템을 적용한 설명이며, 상기 초소형 냉각장치 본체(10)를 히트 스프레더 시스템으로도 적용할 수 있다(도 8 참조).
미설명 부호 55는 하판(11)과 상판(12)을 결합할 때 상하판(11,12)의 중앙부분이 압접되지 않도록 하는 지지체이다.
이상과 같은 본 발명은 초소형으로 제작할 수 있으면서도 중력의 영향을 적게 받아 위치와 설치 방법에 제한을 받지 않고 뛰어난 냉각 효율을 가질 수 있는 것으로서, 하판(11)과 상판(12)으로 구비된 초소형 냉각장치 본체(10)를 초소형으로 제작함과 아울러 상기 초소형 냉각장치 본체(10)의 하판(11) 또는 상판(12) 내부에 응축부(40)와 증기 이송관(31) 및 액체 이송관(41)을 형성함과 아울러 상기 증기 이송관(31)과 액체 이송관(41) 사이에 위치 형성부(20)를 형성한 후 증발부 코어(30)를 위치 형성부(20)에 고정하는 것이다.
상기 증발부 코어(30)와 증기 이송관(31) 및 응축부(40)와 액체 이송관(41)은 순서적으로 연결된 상태에서 작동유체를 상변화 및 이송하는 것이고, 상기 작동유체는 상변화 및 이송되면서 발열체(1)의 열을 외부로 발산하는 것이다.
상기한 증발부 코어(30)는 열원인 발열체(1)로부터 발생한 열을 효과적이고 신속하게 흡수하는 역할을 하는 것이며, 상기 증발부 코어(30)에서 형성된 기체상의 작동유체는 폴(50)을 타고넘은 후 증기 이송관(31)으로 이동하고, 상기 증기 이송관(31)으로 위치된 기체상의 작동유체는 응축부(40)로 이송되어 응축되는 것이다. 상기 응축부(40)에서 응축된 작동유체는 액체 이송관(41)을 통해 증발부 코어(30)의 폴(50)사이로 유입되게 되며, 상기 증발부 코어(30)의 폴(50)사이로 유입된 액체상의 작동유체는 증발부 코어(30) 내부로 귀환되어 기체상으로 변화되는 것을 대기하는 것이다. 상기한 증발부 코어(30)에 폴을 형성하지 않은 경우에도 그루브(32) 형성위치를 변경하여 작동유체 이동이 간단하게 이루어질 수 있는 것이다.
한편 도 8 내지 도 10에 도시한 바와 같이, 하판(11)과 상판(12)에 그루브(15)를 간단하게 형성하고, 상기 하판(11)과 상판(12)중 어느 특정 위치에 위치 형성부(20)를 형성하며, 상기 위치 형성부(20)에 특수(정밀) 가공된 증발부 코어(30)를 간단하게 압입 고정하는 것이다. 상기한 하판(11)과 상판(12)의 그루브(15)는 수평방향과 수직방향 또는 중앙 집중형 등으로 간단하게 형성함으로써 적용품의 특성에 따라 편리하게 사용할 수 있는 것이다.
한편 도 11 및 도 12에 도시한 바와 같이, 발열체(1)에 착탈가능하게 결합되는 초소형 냉각장치 본체에 있어서, 상기 초소형 냉각장치 본체(10)인 하판(11)의증기 이송관(31)과 액체 이송관(41) 사이에 위치 형성부(20)를 형성함과 아울러 상기 위치 형성부(20) 주위 외측에 열전달편(60)을 일체로 형성하고, 상기 위치 형성부(20)에 그루브(32)가 형성된 증발부 코어(30)를 고정하는 것이다.
상기한 하판(11)은 플라스틱이나 구리 및 알루미늄 등으로 형성하는 것으로서, 상기 하판(11)이 발열체(1)의 열에 의해서 열변형되지 않도록 하기 위하여 위치 형성부(20) 주위에 금속 재질의 열전달편(60)을 일체화시켜 고정하는 것이며, 상기 열전달편(60)의 열전달이 원활하게 이루어짐에 따라 하판(11) 및 상판(12)이 안정적으로 그 형상을 유지하면서 그 기능을 발휘하는 것이다.
이상과 같이 본 발명은 초소형 냉각장치 본체에 증기 이송관 및 응축부와 액체 이송관을 형성함과 아울러 증기 이송관과 액체 이송관 사이에 위치 형성부를 형성한 후 상기 위치 형성부에 그루브가 형성된 증발부 코어를 압입 고정하는 것으로서, 정밀 가공 부분을 줄이고 일반 가공 부분을 늘여서 공정을 단순화시킴으로써 단가를 낯추고 따로 가공하는 것으로 재료 선택의 폭이 커진다(여러 재료, 이중 재료 사용가능).
한편, 초소형 냉각장치 본체인 하판의 위치 형성부 주위에 열전달편을 일체로 형성함으로써 발열체의 열에 의해서 초소형 냉각장치 본체가 열변형되지 않으면서 그 기능을 원활하게 유지하는 것이다.

Claims (4)

  1. 발열체(1)에 착탈가능하게 결합되는 초소형 냉각장치 본체에 있어서,
    상기 초소형 냉각장치 본체(10)의 증기 이송관(31)과 액체 이송관(41) 사이에 위치 형성부(20)를 형성하는 단계(S1)와, 상기 단계(S1)후 위치 형성부(20)에 그루브(32)가 형성된 증발부 코어(30)를 고정하는 단계(S2)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소형 냉각장치 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초소형 냉각장치 본체(10)의 하판(11)과 상판(12)에 각각 그루브(15)를 가공하는 단계(S1)와, 상기 단계(S1)후 하판(11)과 상판(12)의 어느 특정 위치에 위치 형성부(20)를 형성함과 아울러 상기 위치 형성부(20)에 증발부 코어(30)를 고정하는 단계(S2)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소형 냉각장치 제조방법.
  3. 발열체(1)에 착탈가능하게 결합되는 초소형 냉각장치 본체에 있어서,
    상기 초소형 냉각장치 본체(10)의 증기 이송관(31)과 액체 이송관(41) 사이에 형성되는 위치 형성부(20)와, 상기 위치 형성부(20)에 고정됨과 아울러 그루브(32)가 형성된 증발부 코어(30)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초소형 냉각장치 제조물.
  4. 발열체(1)에 착탈가능하게 결합되는 초소형 냉각장치 본체에 있어서,
    상기 초소형 냉각장치 본체(10)의 증기 이송관(31)과 액체 이송관(41) 사이에 위치 형성부(20)를 형성함과 아울러 상기 위치 형성부(20) 주위 외측에 열전달편(60)을 일체로 형성하고, 상기 위치 형성부(20)에 그루브(32)가 형성된 증발부 코어(30)를 고정하는 것을 특징으로 하는 초소형 냉각장치 제조방법.
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