KR200448243Y1 - 열 확산장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 흡열부로 기능하는 플레이트를 중심으로 방사형으로 형성된 복수 개의 채널관 내부에 충진된 작동액의 기화와 액화 작용을 동반한 순환으로 인해, 우수한 열전도도를 제공하고 빠른 속도로 열을 방열시킬 수 있도록 하는 열 확산 장치에 관한 것으로, 상면과 하면을 형성하는 2 장의 금속판으로 이루어지되, 금속판 사이에는 액체 상태의 작동액이 충진될 수 있는 중공이 형성되어 있고, 외부 열원에 접촉되어 열을 흡수하는 플레이트 및 플레이트에 수직 방향으로 용접 결합되되, 내부에 작동액이 유동할 수 있는 유로를 제공하는 파이프 형태의 복수의 채널관을 포함하며, 열원으로부터 열을 흡수하면, 플레이트 내부의 작동액이 기화하면서 기포추진력에 의해 채널관 방향으로 유동하며 열을 외부로 방열하고, 방열 후에는 채널관 상부에서 응축되어 상기 플레이트로 회귀하는 것을 특징으로 한다.

플레이트, 채널관, 파이프, 작동액, 방열, 휜, 히트싱크

Description

열 확산장치{ＨＥＡＴ－ＤＩＳＳＩＰＡＴＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ}

본 고안은 열 확산장치에 관한 것으로, 구체적으로는 흡열부로 기능하는 플레이트를 중심으로 방사형으로 형성된 복수 개의 채널관 내부에 충진된 작동액의 기화와 액화 작용을 동반한 순환으로 인해, 우수한 열전도도를 제공하고 빠른 속도로 열을 방열시킬 수 있도록 하는 열 확산 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전자기기를 설계할 때에 가장 염려되는 문제 중의 하나는 회로의 구동 중에 부품들로부터 발생되는 열이 전자기기에 영향을 미쳐 전자기기의 구동 능력을 저해하는 것이다.

예컨대, 컴퓨터, 이동 통신기기, PDA 등의 전자기기에는 많은 양의 데이터를 처리할 수 있는 칩모듈이 장착된다. 이러한 칩모듈은 데이터를 처리하는 과정에서 많은 양의 열을 발생시키는데, 자체적으로 발생되는 열이 일정 온도 이상으로 상승하게 되면 전자기기의 성능에 악영향을 끼치게 된다.

특히, 최근의 전자기기들은 소형화, 경량화의 추세에 따라 내장되는 부품들이 고집적화됨으로 인해 단위 체적당 발생하는 열이 크게 증가함에 따라 전자기기의 부품 등에서 발생한 열을 효과적으로 방열시키기 위한 방열 수단에 대한 요구는 더욱 높아지고 있다.

이러한 요구에 따라 전자기기 등에서 발생한 열을 효과적으로 방출하기 위한 수단으로 히트 싱크 (heat sink), 방열 팬 (fan), 히트파이프(heatpipe) 타입의 냉각 장치 등이 사용되고 있다. 히트 싱크 타입의 냉각 장치는 발열체로부터 발생되는 열을 흡열하기 위한 싱크패드와 싱크패드로 전도된 열을 냉각시키기 위한 방열핀으로 구성된다. 방열 팬 타입의 냉각 장치는 컴퓨터, 냉장고 등의 전자제품 내부에 부착되는 쿨러로, 팬(fan) 을 구동하여 발생한 열을 식힌다.

본 고안은 이들 중 특히 히트파이프 타입의 냉각 장치에 관한 것이다.

일반적으로 히트파이프는, 진공 상태의 금속관 내에 비점이 낮고 증발 잠열이 큰 메탄올, 무수 에탄올이나, 정제수, 또는 프로판올 계열의 액체 등과 같은 작 동액, 즉, 열매체를 주입하여 제작되는 것으로, 저압의 조건에서 작동액이 쉽게 액체에서 증기로 상변화한다는 특징을 이용하여 상변화시의 잠열로 열을 전달하는 장치로서, 그 종류로는 크게, 밀봉된 진공상태의 용기 내면에 다공성 윅 (Wick) 을 부착하여 윅의 모세관 현상으로 작동액이 증발, 응축을 반복하게 하는 윅식 히트파이프와 윅을 부착하지 않고 경사를 주어 작동액이 응축부 (방열부) 에서 방열하고 응축된 상태의 작동액이 자체중력으로 증발부 (흡열부) 로 모이게 하여 증발, 응축을 반복하게 하는 써어모사이폰 (Thermo-syphon) 식 히트파이프가 있다.

이러한 히트파이프는 일반공조, 냉난방, 전자기기의 냉각, 중온범위의 폐열회수 및 태양열의 집열 등에 효율적인 열전달 장치로 사용된다. 이렇게 열 전달 장치로서 널리 이용되는 히트 파이프의 장점은 무엇보다도 구리와 같은 열선을 이용하는 경우보다 수십 배에서 최고 수백 배에 달하는 열전도 성능을 발휘할 수 있으므로 열 전달 속도가 빠르며 열 전달 효율이 우수하다는 점이다.

이러한 특징을 갖는 종래의 히트파이프가 도 1 에 도시되어 있다. 종래의 히트파이프 (10) 는 도 1 에 도시된 바와 같이, 금속관 파이프 (12) 의 내부 공간에 작동액이 채워져서 동작하는 것으로, 금속관 파이프 (12) 의 양단을 금속마개 (13) 로 막고 그 접합면을 용접하여 밀폐하며, 금속마개 (13) 의 주입구 (14) 를 통해 공기를 빼내어 히트파이프 (10) 의 금속관 파이프 (12) 의 내부를 진공에 가까운 상태로 유지시킨 다음, 주입구 (14) 를 통해 작동액 (11) 을 주입한 후, 주입구 (14) 를 용접함으로써 제작된다.

히트파이프는 크게 증발부(15, 흡열부), 이송부 (16, 단열부), 응축부(17, 방열부) 로 구분되며 열원이 위치하고 있는 증발부 (15) 에 열이 가해지면 열을 흡수한 작동액이 증기 상태로 되어 파이프 몸체 내부에 확산되면서 이송부 (16) 를 지나 응축부 (17) 에서 열을 방출한다. 응축부 (17) 에서 열을 방출한 작동액은 응축된 후 다시 액체 상태로 되어 증발부 (15) 로 귀환한다. 작동액은 이와 같이 응축 및 증발을 연속적으로 반복함으로써 히트파이프 내에서 열을 이송하는 것이다. 증발부 (15) 와 이송부 (16) 는 응축부 (17) 보다 온도가 높고, 각 부분에서의 증기압은 포화상태가 되며 증발부 (15) 와 이송부 (16) 의 증기압이 응축부 (17) 의 증기압보다 높다. 이러한 결과로 작동액의 증기는 증발부 (15) 에서 이송부 (16) 를 지나 응축부 (17) 로 이동하는 것이다.

그러나, 이러한 종래 기술의 히트파이프는 흡열부와 방열부의 위치에 제약을 있으며, 기체와 액체가 순환할 수 있는 구조를 위해 내부의 윅(wick) 또는 그루브(groove)를 필수적인 구성요소로 가져야 한다.

또한, 단일의 히트파이프는 소정의 열수송량만을 커버할 수 있기 때문에 열유속이 높은 열원을 사용할 경우에는 다수의 히트파이프를 장착해야만 하는 불편함이 있다.

한편, 판구조의 열원에 부착하기 위해 원형 히트파이프를 압착하면, 내부의 기체 및 액체의 유동을 위해 일정한 공간을 확보해야 하므로 두께의 한계로 인한 박형의 제작이 용이하지 않으며, 압착면 이상의 크기를 차지하는 열원 면에 부착할 수 없다.

또한, 판구조에 접하는 방법으로 블록형의 구조물을 열원에 부착하고, 히트파이프를 결합하는 구조는 구조물이 열전도계수 높은 재료를 사용한다 하더라도 열저항을 가지게 되므로 열이송을 위한 히트파이프를 다수 결합해야 하며, 열원에의 결합을 위해 히트파이프 본체는 홀을 형성할 수 없으며, 블록을 이용해야한다는 불편함이 있다.

본 고안은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 내부에 윅 또는 그루브를 별도로 구비하지 않더라도 기체상과 액체상의 작동액이 효율적으로 순환하여 열을 빠른 속도로 방출할 수 있는 열 확산장치를 제공하고자 한다.

또한, 열유속이 높은 열원을 사용할 경우에도 다수의 히트파이프를 필수로 장착하지 않고도 효율적으로 방열시킬 수 있는 열 확산장치를 제공하고자 한다.

또한, 박형의 제작이 용이하며, 별도의 블록을 이용하지 않고서도 본체에 홀을 형성하여 간단한 구조로도 방열 효과를 높일 수 있는 열 확산장치를 제공하고자 한다.

또한, 열을 방열시키고자 하는 위치에 따라 채널관의 형상 및 위치를 조절할 수 있어 적용 범위가 넓으며, 설치에 있어서 공간적인 제약을 최소화할 수 있는 열 확산장치를 제공하고자 한다.

전술한 기술적 과제의 해결을 위하여 본 고안의 일 실시예에 따른 열 확산장치는, 상면과 하면을 형성하는 2 장의 금속판으로 이루어지되, 상기 금속판 사이에는 액체 상태의 작동액이 충진될 수 있는 중공이 형성되어 있고, 상기 외부 열원에 접촉되어 열을 흡수하는 플레이트와, 상기 플레이트에 결합되되, 내부에 상기 작동액이 유동할 수 있는 유로를 제공하는 파이프 형태의 복수의 채널관을 포함하며, 상기 열원으로부터 열을 흡수하면, 상기 플레이트 내부의 작동액이 기화하면서 기포추진력에 의해 상기 채널관 방향으로 유동하며 열을 외부로 방열하고, 방열 후에는 상기 채널관 상부에서 응축되어 상기 플레이트로 회귀하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 채널관의 축에 대해 수직방향으로 상기 복수의 채널관의 각각에 용접결합되되, 상기 채널관과 중심축을 공유하며 내부에 상기 작동액이 유동할 수 있는 중공을 구비하는 휜(fin) 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 채널관에 접속되되, 내부에는 상기 작동액이 유동할 수 있는 중공을 포함하고, 외부로 돌출되는 방사형의 히트싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성의 본 고안에 따르면, 외부 열원과 접촉되는 플레이트가 열원으로부터 열을 흡수하면 내부에 충진되어 있는 작동액이 흡열하여 기화되면서 기 포추진력에 의해 채널관 방향으로 이동하는 구조이므로 내부에 별도의 윅(wick) 또는 그루브가 필요하지 않으며, 유체 유동을 이용하는 것이므로 열 확산의 방향성이 제한되지 않는다.

또한, 대면적의 플레이트를 흡열부로 포함하고 있어 열유속이 높은 외부 열원에 접촉시켰다 하더라도 효율적인 흡열이 가능하며, 빠른 속도의 방열이 가능하다.

또한, 외부 열원에 대한 접촉면의 형상 및 크기에 따라 흡열부로 기능하는 플레이트의 형태 및 크기를 다양하게 변형시킬 수 있으며, 박형 제작이 가능하므로, 열원의 종류에 관계없이 결합이 가능하고, 블록 제작이 필요없어 효율적인 방열작용이 가능하다.

또한, 열을 방열시키고자 하는 위치에 따라 채널관의 형상 및 위치를 조절할 수 있어 적용 범위가 넓으며, 채널관을 유연성 있는 재질로 만들어 절곡이나 휨의 형태로 형성할 수 있어 설치에 있어서 공간적인 제약을 받지 않는다.

또한, 작동액의 기화와 액화 과정의 반복으로 인한 열의 이동과 열 소산 효과가 있기 때문에 기존 방열 기기보다 그 크기를 줄일 수 있으며, 순간적으로 균일한 온도 분포를 이룰 수 있어 방열효과를 배가시킬 수 있다.

이하 도면을 참조하여 본 고안에 관하여 살펴보기로 하며, 본 고안을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 고안에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 고안을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하의 도 1 은 종래 기술에 따른 히트파이프의 개략도이고, 도 2 는 본 고안의 일 실시형태에 따른 열 확산장치의 사시도이고, 도 3 은 본 고안의 일 실시형태에 따른 열 확산장치의 단면도이고, 도 4 는 본 고안의 다른 일 실시형태에 따른 열 확산장치의 사시도이고, 도 5 는 본 고안의 또 다른 일 실시형태에 따른 열 확산장치의 사시도이고, 도 6 은 본 고안의 또 다른 일 실시형태에 따른 열 확산장치의 사시도이다.

도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이 본 고안은 열 확산장치에 관한 것으로서, 크게 플레이트 (100) 와 내부에 유로를 포함하며 U 자형의 파이프 형상을 띄는 채널관 (200) 으로 구성되며, 플레이트 (100) 는 흡열부로서 기능하고 채널관 (200) 은 방열부로서 기능한다. 도 2 에는 U 자형의 채널관 (200) 이 도시되어 있으 나, 채널관 (200) 의 형태는 이에 한정되는 것은 아니며, 방열부로서 기능할 수 있는 형태라면 어떠한 형태라도 무방하다고 할 것이다.

플레이트 (100) 는 상판 (110) 과 하판 (120) 을 형성하는 2 장의 박형의 판으로 이루어지고, 이들 상판 (110) 과 하판 (120) 사이에는 액체 상태의 작동액이 충진될 수 있는 공간이 형성되면서 상판 (110) 과 하판 (120) 이 밀착 고정되어 하우징을 이룬다. 도 2 에는 원형의 플레이트 (100) 가 도시되어 있는데, 플레이트 (100) 의 형상은 이에 한정되지 않으며, 외부 열원에 적용가능한 형상 및 크기라면 어떠한 것이라도 가능하다 할 것이다.

한편, 플레이트 (100) 에 접속되는 채널관 (200) 도 내부에 작동액이 유동할 수 있는 유로를 제공하며, 채널관 (200) 은 플레이트 (100) 를 중심으로 방사형으로 형성되며, 방열 면적 및 용도에 따라 그 개수를 달리할 수 있다.

여기서, 플레이트 (100) 와 채널관 (200) 은 금속 재질인 것이 바람직하며, 구리, 스테인리스강, 세라믹스, 텅스텐 등을 재료로 하여 구성되는 것이 더욱 바람직하다 할 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기와 같은 열 확산장치는, 예를 들어, 내부에 중공을 가지고, 작동액 주입구를 구비하며, 흡열부로 기능하는 플레이트 (100) 를 형성하고, 역시 내부에 중공 을 가지는 파이프 형태를 띄고, 방열부로 기능하는 채널관 (200) 을 형성하고, 이들 플레이트 (100) 와 채널관 (200) 을 용접한 후에, 내부를 진공 처리하고, 작동액 주입구를 통해 작동액을 충진하고, 작동액 주입구를 밀봉하는 과정을 거쳐 생산될 수 있다.

한편, 작동액으로 사용되는 열전달용 조성물은 프레온가스, 계면활성제, 증류수, 글리세린, 수산화나트륨 수용액, 비나딘산염 수용액, R-134a, R-141b 등을 사용할 수 있다. 그러나, 각각의 작동액은 작동온도를 달리하므로, 히트파이프를 사용하고자 하는 용도에 따라 적절하게 작동액을 선택할 수 있다.

한편, 열 확산장치의 재질과 작동액 간에 화학적 반응성이 있는 경우 일정한 진공도를 유지하면서 작동액을 충진시킨 경우에도, 내부에서 작동액이 순환하면서 장치와 반응하여 불활성가스를 발생시키고 이러한 불활성가스는 작동액의 순환을 방해하여 성능 및 수명 저하의 원인이 되므로, 열 확산장치의 소재와 작동액은 서로 화학적 반응성이 없도록 매칭할 필요가 있다.

다음으로, 본 고안의 일 실시형태에 따른 방열 작용을 설명한다. 본 고안에 따른 열 확산장치의 플레이트 (100) 를 외부 열원에 밀착시키면 외부 열원으로부터 전달되는 열에 의해 플레이트 (100) 내부에 충진된 액체 상의 작동액이 가열되고, 소정 온도에 도달하게 되면 기화하기 시작한다.

작동액이 액체 상태에서 기체 상태로 상변화하면서 기포 추진력에 의해 기체와 액체 상의 작동유는 방열부로 기능하는 채널관 (200) 쪽으로 이동하게 된다. 채널관 (200) 내부에서는 기체 및 액체 상의 작동액이 불규칙한 배열을 이루며 유동하게 되고, 기체 상의 작동유는 방열하면서 액체로 다시 상변화하여 가열부로 환원되게 된다.

도 4 는 본 고안에 따른 열확산기기의 다른 일 실시형태를 도시한다. 도 4 에 개시된 실시형태 또한 도 2 의 실시형태와 마찬가지로 플레이트 (100) 와 내부에 중공을 가지며 U 자형의 파이프 형상을 띄는 채널관 (200) 으로 구성되는 열확산장치이며, 플레이트 (100) 는 흡열부로서 기능하고 채널관 (200) 은 방열부로서 기능한다.

채널관 (200) 은 플레이트 (100) 에 수직 방향으로 용접 결합되며, 플레이트 (100) 가 접촉하고 있는 열원으로부터 열을 흡수하면, 플레이트 (100) 내부의 작동액이 기화하면서 기포추진력에 의해 개체와 액체 상의 작동액이 채널관 (200) 방향으로 유동하며 열을 외부로 방열하고, 방열 후에는 작동액이 채널관 (200) 상부에서 다시 응축되어 플레이트 (100) 로 회귀하게 된다.

다음으로, 도 5 에는 본 고안의 또 다른 실시형태에 따른 열 확산장치가 개 시되어 있다. 도 5 의 실시형태에 따른 열 확산장치는 휜(fin) 을 더욱 구비한다. 상기 휜 (300) 은 내부에 작동액이 유동할 수 있는 중공을 구비하며 채널관 (200) 에 접속되며, 열을 효율적으로 발산할 수 있도록 소정 면적의 상판과 하판으로 이루어지는 것이 바람직하나 이러한 형상으로 한정되는 것은 아니다. 여기서 휜 (300) 은 채널관 (200) 내에서 유동하는 작동액의 자유로운 순환을 돕고, 방열 면적을 확대하여 빠른 시간 내에 다량의 열이 방출될 수 있도록 한다. 본 실시형태에서는 휜 (300) 과 채널관 (200) 과 중심축을 공유하도록 채널관 (200) 에 접속되어 있으나, 휜 (300) 의 접속 위치는 채널관 (200) 에 접속되어 열 방출을 도울 수 있는 위치라면 어느 곳이라도 무방하다 할 것이다.

도 6 은 본 고안의 또 다른 실시형태에 따른 열 확산장치의 사시도로서, 도 4 의 열 확산장치에 히트싱크 (400) 를 더욱 구비하고 있다. 상기 히트싱크 (400) 는 채널관 (200) 에 접속되되, 내부에는 작동액이 유동할 수 있는 중공을 포함하고 있다. 여기서, 히트싱크 (400) 내부에 형성된 중공은 채널관 (200) 내부에 형성된 유로와 연통되어 열 확산장치 내부의 작동액이 채널관 (200) 과 히트싱크 (400) 를 자유롭게 순환할 수 있다. 한편, 본 실시형태에서의 히트싱크 (400) 는 채널관 (200) 에 접속되어 채널관 (200) 으로부터 외부로 돌출되는 방사형을 띄고 있으나, 본 고안의 히트싱크는 채널관에 접속되어 작동액의 순환을 가능하게 할 수 있는 구조라면 어떠한 형상이라도 무방하다 할 것이다.

이상 본 고안의 설명을 위하여 도시된 실시예는 본 고안이 구체화되는 하나의 실시예에 불과하며, 도면에 도시된 바와 같이 본 고안의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.

따라서 본 고안은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 고안의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

본 고안의 열 확산장치는 기존의 열 확산장치와는 차별화되게 간단한 구성으로도 뛰어난 방열효과를 가지므로, 소형화 및 경량화를 추구하는 전자기기산업 등에서 이용가능성이 높은 제품이다.

도 1 은 종래 기술에 따른 히트파이프의 개략도.

도 2 는 본 고안의 일 실시형태에 따른 열 확산장치의 사시도.

도 3 은 본 고안의 일 실시형태에 따른 열 확산장치의 단면도.

도 4 는 본 고안의 다른 일 실시형태에 따른 열 확산장치의 사시도.

도 5 는 본 고안의 또 다른 일 실시형태에 따른 열 확산장치의 사시도.

도 6 은 본 고안의 또 다른 실시형태에 따른 열 확산장치의 사시도.

Claims (3)

1. 외부 열원의 열을 효율적으로 방열하는 열 확산장치로서,

   상면과 하면을 형성하는 2 장의 금속판으로 이루어지되, 상기 금속판 사이에는 액체 상태의 작동액이 충진될 수 있는 중공이 형성되어 있고, 상기 외부 열원에 접촉되어 열을 흡수하는 플레이트; 및

   상기 플레이트에 결합되되, 내부에 상기 작동액이 유동할 수 있는 유로를 제공하는 파이프 형태의 복수의 금속 채널관을 포함하며,

   상기 열원으로부터 열을 흡수하면, 상기 플레이트 내부의 작동액이 기화하면서 기포추진력에 의해 상기 채널관 방향으로 유동하며 열을 외부로 방열하고, 방열 후에는 상기 채널관 상부에서 응축되어 상기 플레이트로 회귀하는 것을 특징으로 하는 열 확산장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 채널관의 축에 대해 수직방향으로 상기 복수의 채널관의 각각에 용접결합되되, 상기 채널관과 중심축을 공유하며 내부에 상기 작동액이 유동할 수 있는 중공을 구비하는 휜(fin) 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 확산장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 채널관에 접속되되, 내부에는 상기 작동액이 유동할 수 있는 중공을 포함하고, 외부로 돌출되는 방사형의 히트싱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 확산장치.

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