KR20040052009A - 전자칩 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컴퓨터 등에 사용되는 냉각장치에 관한 것으로서, 특히 데스크탑/노트북의 중앙연산처리장치(CPU) 및 반도체 등의 주변전자장치를 냉각시키기 위한 전자칩 냉각장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 전자칩 냉각장치는 발열체 상면에 직접 부착되고, 다수의 냉각핀으로 구성되는 냉각블록과; 상기 냉각블록에 냉각유체를 강제로 흐르게 하는 사류형 팬 모터와; 상기 냉각블록 및 사류형 팬 모터를 고정하는 역할과 더불어 냉각유체의 유입 및 배출이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 유로를 형성하는 케이스를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 CPU 상에 직접 방열핀을 장착하여 열교환이 이루어지도록 함으로써, 열이 이동하는 경로가 짧아져 열 전달 물질을 통과할 때 발생하는 열저항을 최소화시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 팬 모터의 위치를 CPU의 전, 후방에 관계없이 설치할 수 있어 설계에 유리한 장점이 있다. 그리고, 사류형 팬 모터를 사용하게 됨으로써, 모터 소음이 감소되는 효과가 있다.

Description

전자칩 냉각장치{CPU Cooling Module}

본 발명은 컴퓨터 등에 사용되는 냉각장치에 관한 것으로서, 특히 데스크탑/노트북의 중앙연산처리장치(CPU) 및 반도체 등의 주변전자장치를 냉각시키기 위한 전자칩 냉각장치에 관한 것이다.

최근 들어, 노트북 등과 같은 소형 포터블 컴퓨터들은 점차, 성능이 우수하면서도, 두께가 얇고, 가벼워지는 추세에 있다.

이러한 전자제품들의 소형화 및 박형화를 위해서는 컴퓨터 내부에 사용되는 CPU(Central Processing Unit) 및 주변 전자장치의 소형화 및 고속화, 대용량화가 불가피하다.

이처럼, 소형화되어진 CPU 등과 같은 전자부품들의 용량은 상대적으로 대용량화되어짐에 따라서 발열량은 극도로 증가하게 된다.

이러한 발열체로서의 전자부품들의 과열을 방지하기 위해서는 보다 빠르고 효과적인 냉각수단이 갖추어져야한다. 허나, 전자제품들이 점점 더 박형화 되어짐에 따라서 내부의 공간은 더욱 고밀도화 되어질 수밖에 없고, 이러한 공간적 제약으로 냉각유체(공기)의 흐름이 원활히 이루어지지 못해 전자 칩으로부터 발열되는 열을 방출시키는데 어려움이 따르게 된다.

특히, 상기 CPU는 여타의 부품이 갖는 온도에 비하여 상대적으로 상당히 높기 때문에 CPU의 고온화에 따른 문제는 심각하다. 즉, 상기 CPU의 고온화는 결과적으로 클럭(clock) 속도의 저하 및 오작동 그리고 고장 발생율이 급격하게 증가되는 원인이 된다.

현재, 이러한 CPU등과 같은 발열체를 효과적으로 방열시키기 위한 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 이에 대한 노력으로 종래에는 팬 모터, 방열핀, 히트파이프 등을 이용한 냉각장치를 프로세서에 붙여 프로세서나 고발열 컴포넌트 등을 냉각시키는데 이용하고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전자칩 냉각장치를 나타낸 사시도로서, 동 도면에서 도시되어진 바와 같이 종래의 전자칩 냉각장치는, CPU 등과 같은 발열체에 직접 접촉되어 열을 전도시키는 역할을 하는 터미널 베이스(10)와, 상기 터미널 베이스(10) 상단에 솔더링되도록 한 제 1 및 제 2히트파이프(20,30)와, 상기 제 1히트파이프(20) 끝단에 다수의 방열핀(41)들이 일정 간격으로 솔더링되어 수평방향의 블록을 형성하는 제 1방열 블록(40)과, 상기 제 2히트파이프(30) 끝단에 다수의 방열핀(51)들이 일정 간격으로 솔더링되어 수직방향의 블록을 형성하는 제 2방열 블록(50)과, 상기 제 1 및 제 2방열 블록(40,50) 냉각유체를 공급하기 위해 그 중심부에 위치하도록 된 팬 모터(60)와, 상기 팬 모터(60) 및 터미널 베이스(10)가 고정되도록 하는 베이스 프레임(70)과, 상기 베이스 프레임(70)의 팬 모터(60) 설치부 상단 중심을 제외한 대부분을 차단시켜 냉각유체가 효율적으로 유입 및 배출될 수 있도록 하는 팬 커버(80)를 포함하는 구성으로 이루어진다.

여기서, 상기 터미널 베이스(10)는 CPU에 직접 접촉되어 열을 전도시키는 역할인 만큼, 열 전도율이 우수한 재질을 사용하게되고, 면적을 다소 넓게 형성할 수 있는 판형으로 이루어진다.

그리고, 상기 제 1 및 제 2히트파이프(30,40)는 터미널 베이스(10)상단에 솔더링(Soldering)되어 CPU에서 발생하는 열을 방열 블록(40,50)까지 이동시키는 역할을 하는 것으로서, 개략적 구조 및 원리에 대해 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 종래의 히트파이프 내부구조를 보인 단면도로서, 도면에서 보여지는 바와 같이 히트파이프(20,30)의 구조는 일반적으로 밀폐형 용기의 내벽에 다공성 구조물인 윅(Wick)이 형성되고, 그 내부를 작동유체에 의해서 채우도록 되어진다.

이러한 구조의 히트파이프는 부분별로 증발부, 단열부, 응축부를 형성하는데, 상기 증발부는 외부 열원으로부터 열을 흡수하여 작동유체가 기체상태로 증발하게 되고, 이때의 팽창력에 의해 작동유체가 증발부에서 응축부 방향으로의 이동을 하게 된다. 이와 반대로 응축부에서는 온도가 낮은 외부에 열을 빼앗기면서 작동유체가 기체상태에서 액체상태로의 응축이 일어나게 되어 윅(WICK)의 모세관력으로 증발부로 이동되어 상기와 같은 과정을 계속적으로 반복하게 된다.

즉, 히트파이프는 밀폐용기 내부의 작동유체가 연속적으로 기-액체간의 상-변화 과정을 통하여 용기 양단사이에 열을 전달하는 장치로 잠열을 이용하여 열을 이동시킴으로써, 단일상의 작동유체를 이용하는 통상적인 열 전달 기기에 비해 매우 큰 열 전달 성능을 발휘하게 된다.

상기 제 1 및 제 2방열 블록(40,50)은 별도의 지그를 이용하여 일정한 간격으로 배열된 다수의 방열핀(41,51)을 히트파이프(20,30) 하단에 솔더링시켜 형성하게 된다. 이때 상기 방열핀(41,51)의 설치각도는 냉각유체의 흐름 방향과 일치되도록 선정한다.

그리고, 팬 모터(60)는 제 1 및 제 2방열 블록에 냉각유체를 공급할 수 있도록 강제대류를 일으키게 된다. 대부분 축류형 팬 모터가 사용되는데, 수직축 방향에서 끌어들인 냉각유체를 수평방향으로 이송하게 된다.

상기 베이스 프레임(70)은 일체형 주조물로 이루어지고, 일측에 팬 모터(60)가 장착되기 위한 모터 장착부(71)가 형성되고, 그 일측으로 터미널 베이스를 장치하기 위한 터미널 장치부(73)가 형성된다.

그리고, 상기 팬 커버(80)는 모터 장착부(71) 상부를 차폐하는 판상체로서, 중앙에 냉각유체를 흡입하기 위한 흡입공(81)이 형성된다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 종래의 전자칩 냉각장치의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

우선, CPU 등과 같은 전자칩에서는 고온의 열이 발생되고, 이러한 발열체 표면에 터미널 베이스(10)가 직접 접촉되어진다.

상기 CPU에서 발생한 열은 터미널 베이스(10)로 전도되어진다. 그리고, 상기 터미널 베이스(10)로 전도되어진 열은 다시 히트파이프(20,30)를 통해 히트파이프(20,30) 각 끝단에 형성된 방열블록(40,50)으로 이동되어진다.

상기 방열블록(40,50)으로 이동된 열은 자연대류에 의해 일부가 냉각되어지지만 이는 실제 매우 적은 부분이고, 상기 방열블록(40,50)의 내측에 설치된 팬 모터(60)을 구동시킴으로써, 강제대류를 일으켜 냉각하게 된다.

이때, 상기 팬 모터(60)는 베이스 프레임(70)의 일측에 형성한 모터 장착부(71)와 팬 커버(80)에 의해 유로를 형성하여 외부공기를 방열블록(40,50)까지 효과적으로 송출할 수 있게 된다.

그러나, 상기와 같은 구성으로 이루어지는 종래의 전자칩 냉각장치에 의한 열 이동경로를 살펴보면, CPU와 같은 발열체로부터 발생된 열을 히트파이프(20,30)와 같은 열 전달물질을 매개체로 하여 다수의 방열핀(41,51)들로 이루어진 방열 블록(40,50)으로 끌어와 열교환이 이루어지는 방식으로 되어 있어서, 이 경우 열 이동 경로가 길어져 열 저항 누적이 일어나게 되고, 이에 따른 냉각능력이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 상기 히트파이프(20,30)로 열이 전달되기까지 터미널 베이스(10)와, 터미널 베이스(10)와 히트파이프(20,30)를 일체화시키기 위한 솔더링 층을 거쳐야하고, 상기 히트파이프(20,30)와 방열 블록(40,50)을 일체화시키기 위한 또 한번의 솔더링 작업이 불가피한 점을 감안하면, 이로 인한, 열 저항 누적으로 인한 열 손실이 얼마나 큰 것인지를 알 수 있다.

도 3은 종래 기술에 의한 축류형 팬 모터의 냉각작용을 보인 개략 단면도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같이 종래의 축류형 팬 모터(60)는 팬 모터(60)의 중심 축 방향으로 냉각유체를 끌어들여, 상기 팬 모터(60)의 중심 축과 직교되는 방향으로 냉각유체를 송출하도록 되어있다.

그러나, 이와 같은 구조를 사용할 때에는 반드시 팬 모터(60) 전방에 방열블록(40,50)이 설치되어야 하는 구조적 제약이 따르게 된다.

따라서, 상기와 같은 열 저항 누적 현상을 최소화할 수 있도록 하고 설계가 용이하도록 하는 전자칩 냉각장치의 제안이 무엇보다 우선되어져야할 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 발열체로부터의 열을 이동시키는 이동 경로를 최대한 짧게 하여 열 저항 누적 및 열 손실을 최소화할 수 있도록 하는 전자칩 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고, 설치 장소를 자유롭게 선정할 수 있도록 함으로써, 내부 공간을 보다 고밀도화할 수 있도록 하는 전자칩 냉각장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전자칩 냉각장치를 나타낸 사시도.

도 2는 종래의 히트파이프 내부구조를 보인 단면도.

도 3은 종래 기술에 의한 축류형 팬 모터의 냉각작용을 보인 개략 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 사류형 팬 모터가 냉각블록 바깥쪽에 설치된 상태의 냉각작용을 보인 개략 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 사류형 팬 모터가 냉각블록 안쪽에 설치된 상태의 냉각작용을 보인 개략 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 터미널 베이스 20: 제 1히트파이프

30: 제 2히트파이프 40: 제 1방열 블록

41,51: 방열핀 50: 제 2방열 블록

60: 축류형 팬 모터 70: 베이스 프레임

71: 모터 장착부 73: 터미널 장치부

80: 팬 커버 110: 냉각블록

111: 냉각핀 120: 사류형 팬 모터

130: 케이스 131: 유로

133: 유입구 135: 토출구

140: 캐비닛

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자칩 냉각장치는 발열체 상면에 직접 부착되고, 다수의 냉각핀으로 구성되는 냉각블록과; 상기 냉각블록에 냉각유체를 강제로 흐르게 하는 사류형 팬 모터와; 상기 냉각블록 및 사류형 팬 모터를 고정하는 역할과 더불어 냉각유체의 유입 및 배출이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 유로를 형성하는 케이스를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기, 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자칩 냉각장치는 냉각블록 전후좌우 위치에 상관없이 자유롭게 설치할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 사류형 팬 모터가 냉각블록 바깥쪽에 설치된 상태에서의 냉각작용을 보인 개략 단면도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같이 본 발명에 따른 전자칩 냉각장치는 CPU 등과 같은 발열체 상면에 솔더링 등에 의한 방법으로 다수의 냉각핀(111)이 형성된 냉각블록(110)을 직접 부착시키도록 한다.

그리고, 상기 냉각 블록(110)에 냉각유체를 강제 대류시키기 위한 사류형 팬 모터(120)를 측근에 설치시키도록 한다.

여기서, 상기 사류형 팬 모터(120)는 내부의 빈 공간부에 설치되도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 사류형 팬 모터(120)를 일측에 고정시키도록 하는 케이스(130)을 구성한다.

상기 케이스(130)는 사류형 팬 모터(120)를 고정하는 역할과 더불어, 사류형 팬 모터(120)와 냉각블록(110)을 잇는 유로(131)를 형성하여 냉각유체의 유입 및 배출이 원활하게 이루어질 수 있도록 한다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 전자칩 냉각장치의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 4에서 보여 지는 바와 같이 CPU가 내측에 위치하고, 사류형 팬 모터(120)가 캐비닛(140) 내벽에 근접하여 설치된 구조에서, 상기 CPU 상면에 부착된 냉각블록(110)과 사류형 팬 모터(120)를 잇는 유로(131)를 형성할 수 있도록 하는케이스(130)에 의해 커버되어진다.

이러한 구조에서 CPU로부터의 열이 상부 냉각블록(110)로 전도되고, 상기 냉각블록(110)의 열을 강제대류에 의해 열교환시키기 위해 일측에 형성된 사류형 팬 모터(120)를 가동된다.

상기 팬 모터(120)의 가동으로 인해 케이스(130)의 내측 유입구로 내부공기가 유입되어지고, 상기 유입공기는 냉각블록(110)을 지나면서 열 교환이 이루어지고, 팬 모터(120)을 지나 토출구(135)로 빠져나가게 된다.

이러한, 본 발명은 CPU 위에 직접 냉각블록(110)을 부착시켜 열교환이 이루어지도록 하는 구조로서, 열이 이동하는 경로를 최소화할 수 있게 되어 열저항 누적으로 인한 열 손실을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 도 5에서 보여 지는 바와 같이 사류형 팬 모터(120)가 내측에 위치하고, CPU가 캐비닛(140) 내벽에 근접하여 설치된 구조를 취할 수 있게 되는데, 상기 사류형 팬 모터(120)의 가동으로 인해 케이스(130)의 내측 유입구로 내부공기가 유입되어지고, 상기 유입공기는 팬 모터(120)을 지나 냉각블록(110)으로 보내지고, 상기 냉각블록(110)을 지나면서 열 교환이 이루어진 후, 토출구(135)로 빠져나가게 된다.

상기 도 4와 도 5에서 보여지는 바와 같이, 본 발명에 따른 사류형 팬 모터(120)는 냉각블록(110)의 전후 위치에 관계없이 설치될 수 있어 설계 시 보다 유리하다.

그리고, 도면에는 도시되어지지 않았지만, 다른 실시 예로서, 상기케이스(130)의 유입구(133)를 통해 유입되어지는 내부 공기가 이미 적정온도로 데워진 상태인 점을 감안하여, 내부공기를 유입시키지 않고 별도의 덕트(미도시)를 형성하여 케비닛(140) 외벽에 접합되도록 함으로써, 신선한 외부공기를 유입시킬 수 있도록 하면, 냉각장치의 냉각성능을 현저하게 높일 수 있게 된다.

본 발명은 CPU 상에 직접 방열핀을 장착하여 열교환이 이루어지도록 함으로써, 열이 이동하는 경로가 짧아져 열 전달 물질을 통과할 때 발생하는 열저항을 최소화시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 팬 모터의 위치를 CPU의 전, 후방에 관계없이 설치할 수 있어 설계에 유리한 장점이 있다.

그리고, 사류형 팬 모터를 사용하게 됨으로써, 모터 소음이 감소되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 발열체 상면에 직접 부착되고, 다수의 냉각핀으로 구성되는 냉각블록과;

   상기 냉각블록에 냉각유체를 강제로 흐르게 하는 사류형 팬 모터와;

   상기 냉각블록 및 사류형 팬 모터를 고정하는 역할과 더불어 냉각유체의 유입 및 배출이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 유로를 형성하는 케이스를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자칩 냉각장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 케이스의 공기 유입구까지 별도의 덕트를 설치하여 외부의 신선한 공기를 끌어들이도록 하는 것을 특징으로 하는 전자칩 냉각장치.