KR20050121398A - 폼 메탈을 이용한 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 접촉열 저항을 줄임으로써 냉각계의 열 성능을 향상시킬 수 있는 경량화, 소형화된 냉각 장치를 제공하기 위한 것으로, 발열원에 접촉되는 평판과, 내부에 무수히 많은 공간을 갖는 다공성의 금속으로 상기 평판상에 접촉되어 형성되는 폼 메탈과, 상기 평판과 폼 메탈의 접촉면이 고정되도록 지지되는 커버를 포함하여 구성되는데 있다.

Description

폼 메탈을 이용한 냉각 장치{apparatus for cooling using foam metal}

본 발명은 고발열체의 냉각 장치에 관한 것으로, 특히 고발열체를 냉각하기 위한 방안으로 폼 메탈을 이용한 냉각 장치에 관한 것이다.

최근 전자장비가 고성능화 및 소형화되면서 장비 내부의 각종 부품이 고집적화되고 있다. 따라서 상기 부품에서 발생한 열을 효과적으로 방출하는 것이 장비의 동작을 원활하게 하는 관건이다. 이를 위해 발열원에서 발생한 열을 대기중으로 방출하는 히트싱크(heat sink)가 사용되고 있다.

이와 같이 히트싱크는 전자부품이나 소자에서 전달된 열을 외부로 발산시킴으로써, 해당 장치의 급격한 온도상승을 방지하기 위한 냉각용 방열체로, 현재 사용되고 있는 히트싱크는 늘림성 및 퍼짐성이 풍부하여 성형 가공하기 위한 쉬운 알루미늄 금속을 주로 사용하여 수평방향의 방열판에 대해 수직방향으로 다수의 방열핀이 돌출 형성된 제품형태로서 송풍팬이 설치, 결합된다.

도 1 은 종래 기술 중 임핀징 젯(impinging jet)을 이용한 히트싱크가 채용된 히트 싱크 조립체의 구성도를 나타낸 도면으로, 히트 싱크 조립체(1)는 히트싱크(3)와 팬유니트(7)로 구성된다.

상기 히트싱크(3)는 발열원에 밀착되는 베이스(9)와 상기 베이스(9)의 상면에 상부로 돌출되어 형성되는 다수개의 방열핀(5)으로 구성된다. 그리고 상기 방열핀(5)의 사이로는 상기 팬유니트(7)에 의해 형성되는 기류가 통과하면서 방열핀(5)의 표면과 접촉하여 방열작용을 하게 된다. 이때, 상기 방열핀(5)은 전체가 베이스(9)의 상면에 일정한 방향으로 형성된다.

상기와 같은 구성을 가지는 히트싱크(3)는 주로 열전도율이 우수한 금속재질로 만들어지는데, 가격, 무게 및 열전도도 등의 이유에서 알루미늄(Al)이 많이 사용된다.

그리고 상기 히트싱크(3)의 방열핀(5)의 구성은 다양한 것이 제시되었다. 예를 들면, 스퀘어 채널핀(square channel fin), 패러럴 플레이트 핀(parallel plate fin) 등이 있고, 도 1에서 도시된 것은 핀 핀(pin fin) 방식이다. 이와 같은 다양한 방열핀(5)은 압출(extrusion), 기계절삭(machining), 단조(forging) 등의 제조공정에 의해 제작된다.

한편, 상기 팬유니트(7)는 상기 방열핀(5) 사이를 통과하는 기류를 형성하는 것으로, 팬과 그 팬을 구동하기 위한 모터로 구성된다. 상기 팬유니트(7)는 상기 방열핀(5)의 선단에 해당되는 위치에 안착되어 기류를 형성한다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

최근 전자기술의 발달로 인하여 소형화, 경량화된 전자제품 내부는 고집적화되고 있으며 단위 면적당 발생하는 발열량도 증가하는 추세를 보이고 있다. 따라서 히트싱크(3)를 통한 효율적인 열방출이 이루어지기 위해서는, 우선 방열핀(5)의 표면적을 최대화하여 공기와의 접촉면적을 늘려야 한다. 그러나 종래와 같은 구성의 방열핀(5)으로는 그 표면적을 늘리는데 한계가 있다. 이는 기계적 가공방식에 의한 제한 때문에 상대적으로 표면적이 넓고 열방출을 위해 최적화된 핀의 형상을 구현하는 것이 용이하지 않기 때문이다. 아울러, 협소해진 내부공간에서 경량화, 소형화된 냉각구성은 더욱더 쉽지 않은 문제중 하나이다.

또한, 종래의 방열핀(5)은 일 방향으로 길게 형성되는 구조를 가지고 있어 상대적으로 강도가 약해 외부로부터 가해지는 충격에 의해 쉽게 변형되거나 파손되는 문제점도 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 경량화, 소형화된 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 접촉열 저항을 줄임으로써 냉각계의 열 성능을 향상시킬 수 있는 냉각 장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 발열원에 접촉되는 평판과, 내부에 무수히 많은 공간을 갖는 다공성의 금속으로 상기 평판상에 접촉되어 형성되는 폼 메탈과, 상기 평판과 폼 메탈의 접촉면이 고정되도록 지지되는 커버를 포함하여 구성되는데 있다.

이때, 상기 평판과 폼 메탈 사이에 상변화 물질(Phase Change Materials) 또는 인듐 물질 중 적어도 어느 하나로 형성되어 접촉 열저항을 줄이는 접촉부를 더 포함하여 구성되는데 다른 특징이 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 폼 메탈을 이용한 냉각 장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2 는 본 발명에 따른 폼 메탈을 이용한 냉각 장치의 예를 나타낸 분해도로서, Al 평판(10)과, 폼 메탈(20)과, 상기 폼 메탈을 고정시키는 커버(30)가 순차적으로 조립된 구조로 구성된다.

이때, 상기 폼 메탈(20)은 동일 공간을 차지하는 기존의 알루미늄으로 제작한 히트 싱크의 1/5정도의 무게에 불과하며, 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 내부에 무수히 많은 공간을 갖는 금속으로 접촉면적이 크며 경량화된 특성을 갖는다.

이와 같이, 히트 싱크의 대안중 하나인 폼 메탈(20)을 사용함으로써, 소형화, 경량화된 냉각계의 구성이 가능하며, 또한 다공성 형태를 가지고 있어 열방출 표면적을 높일 수 있어 단위 면적당 열교환 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 냉각계의 냉각 성능을 향상시키게 된다.

또한, 상기 커버(30)는 폼 메탈(20)을 고정하기 위한 수단으로, 고정되는 폼 메탈(20)의 모서리 부분을 감싸고 면부분은 최대한 오픈되는 덮개 형태를 사용하여 유동저항을 줄이고 있으며, 커버(30) 상하 좌우 끝단에 Al 평판(10)의 면과 평행하게 형성된 나사 고정부(36)에 나사(32)를 관통시켜 Al 평판(10)에 상기 나사와 대응되도록 형성된 홀에 조립함으로써, 폼 메탈(20)을 커버(30)내에 고정시킨다.

이때, 폼 메탈(20)의 높이를 상기 폼 메탈(20)이 조립되는 커버(30)의 내부 높이보다 약간 크게 형성한다. 그리고 커버(30)에 형성된 나사 고정부(36)에 나사(32)를 소정의 힘으로 압착시켜 조립함으로써, 폼 메탈(20)과 Al 평판(10)이 보다 잘 접촉할 수 있도록 한다.

아울러, 상기 커버(30)의 측면은 유체의 흐름이 잘 이루어질 수 있게 하기 위하여 뚫린 구조를 채택하였다. 그리고 상단에 부착된 지지대(34)는 폼 메탈(20)을 이용한 냉각 장치의 결합도를 나타내고 있는 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이 유체의 유입 방향과 평행하게 배치하는 것이 바람직하다.

왜냐 하면, 상기 폼 메탈(20)과 같은 다공성 매질은 유체가 그 내부를 흐를 때, 상기 매질이 채워지지 않은 공간을 통한 경우보다 흐르기 힘들므로 입구로 유입된 유체중 많은 양은 폼 메탈(20)의 끝에 도달하기 전에 외부로 이탈하게 된다. 이때 상기 지지대(34)가 유체가 유입되는 방향과 수직으로 배치된다면 상기 지지대(34)의 위아래에서 폼 메탈(20)을 이탈한 유체와 이탈하지 못한 유체의 유동형태가 폼 메탈(20)을 흐르는 유동을 방해하기 때문에 흐름이 나빠지게 되어 내부에서 유체가 흐를 때 저항을 증가시키는 역할을 하므로 냉각성능은 악화될 수 있다. 따라서, 지지대(34)를 유체의 유입 방향과 평행하게 배치함으로써, 이탈되지 못한 유체들이 앞서 언급한 형태의 순환은 이루어지지 않고 유동이 보다 잘 흐르게 되어 냉각성능을 향상시킬 수 있다.

하지만, 상기 폼 메탈(20)은 나사(32)를 통해 Al 평판(10)에 압착하여 접촉시킴으로 인해서, Al 평판(10)과의 접촉 면적을 높이고는 있지만, 상기 폼 메탈(20)은 표면에 벌집처럼 많은 구멍을 포함한 금속이기 때문에 표면이 매끈하지 못하여 상기 Al 평판(10)에 직접 부착할 경우 폼 메탈(20)과 Al평판(10) 사이에 실제 접촉면은 극히 좁아지게 되어 다공성 매질의 약점인 접촉열 저항의 증가로 인해 냉각성능이 악화된다.

이를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 폼 메탈을 이용한 냉각 장치의 다른 실시예를 도 4에서 나타내고 있다.

도 4와 같이 폼 메탈(20)과 Al 평판(10) 사이에 접촉 면적을 높여 접촉 열저항을 줄일 수 있는 열전도도가 좋으면서도 접촉을 원활하게 하기 위해 약간의 무른 재질을 갖는 접촉부(40)를 추가로 구성한다.

이때, 상기 접촉부(40)는 PCM(Phase Change Materials) 등과 같이 인터페이스 메터리얼(interface material)로 현재 상용화되고 있는 상변화 물질 또는 인듐 물질 등으로 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 도 2에서 도시하고 있는 것과 동일한 구성 및 방법으로 Al 평판(10)과, 폼 메탈(20)과, 상기 폼 메탈을 고정시키는 커버(30)가 순차적으로 조립되어 구성된다. 아울러 상기 Al 평판(10)과 폼 메탈(20)을 직접 접촉하지 않고 사이에 접촉부(40)를 추가로 형성함으로써 Al 평판(10)과 폼 메탈(20)의 접촉면적이 증가하므로 다공성 매질의 약점인 접촉 열저항을 줄일 수 있게 된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 폼 메탈을 이용한 냉각 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 폼 메탈을 이용함으로써, 경량화, 소형화된 냉각 장치를 제작 할 수 있게 된다.

둘째, 접촉 열저항을 감소시켜 냉각계의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

셋째, 경량화가 요구되는 고발열 전자제품에 적용 가능하다.

도 1 은 종래 기술에 따른 히트싱크가 채용된 히트 싱크 조립체의 구성도를 나타낸 도면

도 2 는 본 발명에 따른 폼 메탈을 이용한 냉각 장치의 예를 나타낸 분해도

도 3 은 본 발명에 따른 냉각 장치에 사용되는 폼 메탈을 상세히 나타낸 도면

도 4 는 본 발명에 따른 폼 메탈을 이용한 냉각 장치의 실시예를 나타낸 분해도

도 5 는 본 발명에 따른 폼 메탈을 이용한 냉각 장치를 나타낸 결합도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : Al 평판 20 : 폼 메탈

30 : 커버 32 : 나사

34 : 지지대 36 : 나사 고정부

40 : 접촉부(Interface material)

Claims (5)

1. 발열원에 접촉되는 평판과,

   내부에 무수히 많은 공간을 갖는 다공성의 금속으로 상기 평판상에 접촉되어 형성되는 폼 메탈과,

   상기 평판과 폼 메탈의 접촉면이 고정되도록 지지되는 커버를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폼 메탈을 이용한 냉각 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 평판과 폼 메탈 사이에 형성되어 접촉 열저항을 줄이는 접촉부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폼 메탈을 이용한 냉각 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 커버는 네 측면과 상단에 유동이 흐를 수 있도록 열린 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 폼메탈을 이용한 냉각 장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 접촉부는 상변화 물질(Phase Change Materials) 또는 인듐 물질 중 적어도 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 폼 메탈을 이용한 냉각 장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 커버중 윗 면은 유동과 동일한 방향으로 지지대를 구성하는 것을 특징으로 하는 폼 메탈을 이용한 냉각 장치.