KR20070027646A - Cooling tube in electronic devices - Google Patents

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KR20070027646A
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라지브 케이. 먼기아
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인텔 코오퍼레이션
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Abstract

Embodiments of the present invention can reduce the chances of tube bursts in electronic devices by using tubes with cross-sectional shapes that can be deformed into larger cross-sectional areas to accommodate coolant expansion due to freezing with little or no corresponding increase in the perimeter length of the cross-section. ® KIPO & WIPO 2007

Description

전자 장치의 냉각 튜브{COOLING TUBE IN ELECTRONIC DEVICES}COOLING TUBE IN ELECTRONIC DEVICES}

본 발명은 전자 기기 분야에 관한 것으로, 특히 본 발명은 전자 장치 내의 냉각 튜브의 파열을 감소시키는 것에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to the field of electronic devices, and in particular, the present invention relates to reducing the rupture of cooling tubes in electronic devices.

전자 장치들 내의 컴포넌트들은, 각각의 신세대의 집적 회로(IC) 칩 내에 점점 더 많은 트랜지스터들이 팩킹됨에 따라 계속해서 더욱 소형화되며 더욱 빨라지고 있다. 이 컴포넌트들은 많은 양의 열을 발생할 수 있고, 이 열의 양은 컴포넌트들이 더 소형화되고 빨라짐에 따라 증가하는 경향이 있다. 그러나, 적절하게 동작하기 위해서는, 이 컴포넌트들은 과열되면 않된다.Components in electronic devices continue to get smaller and faster as more and more transistors are packed into each new generation of integrated circuit (IC) chips. These components can generate a large amount of heat, and the amount of heat tends to increase as the components become smaller and faster. However, in order to work properly, these components must not overheat.

과거에는, 대부분의 전자 장치들이 히트 싱크(heat sink) 및 팬(fan)에 의해서 전적으로 공기 냉각(air-cooled)되었다. 그러나, 현재는 플루이드 냉각 시스템(fluid-cooled system)이 점점 더 많이 사용되고 있다. 전형적인 플루이드 냉각 시스템에서는, 플루이드 냉각제가 전자 장치 내의 열 교환기 및 하나 이상의 컴포넌트들 사이에서 튜브들을 통해 순환한다. 플루이드는 컴포넌트(들)로부터 열을 흡수하여 열 교환기에서의 열을 소산(dissipate)시킨다.In the past, most electronic devices have been completely air-cooled by heat sinks and fans. However, fluid-cooled systems are increasingly used today. In a typical fluid cooling system, fluid coolant circulates through the tubes between the heat exchanger and one or more components in the electronic device. The fluid absorbs heat from the component (s) to dissipate heat in the heat exchanger.

플루이드-냉각 시스템들은 공기-냉각 시스템에 비하여 다양한 장점들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 플루이드-냉각 시스템은 공기 냉각 시스템보다도 훨씬 많 은 양의 열을 소산시킬 수 있다. 그리고, 플루이드-냉각 시스템은, 열 생성 컴포넌트들에 매우 근접하여 배치될 필요가 종종 있는 히트 싱크들 및 팬들과는 반대로, 열 교환기가 열 생성 컴포넌트들로부터 원거리에 배치될 수 있기 때문에, 전자 장치의 사이즈 및 치수(dimensions) 면에서 보다 더 가요성이 있다. Fluid-cooling systems can provide various advantages over air-cooling systems. For example, a fluid-cooling system can dissipate much more heat than an air cooling system. And, the fluid-cooling system is the size of the electronic device because the heat exchanger can be located remote from the heat generating components, as opposed to the heat sinks and fans that often need to be placed very close to the heat generating components. And more flexible in terms of dimensions.

플루이드-냉각 시스템들의 한 가지 잠재적인 단점은, 튜브 파열에 대한 잠재성이다. 전자 장치는 냉각제가 결빙될 수 있는 매우 낮은 주변 온도로 처리되는 경우가 있다. 이 냉각제가, 물과 같이, 결빙할 때 팽창하는 물질이라면, 이러한 팽창은 튜브를 파열시킬 수 있다.One potential drawback of fluid-cooling systems is the potential for tube rupture. Electronic devices are often treated with very low ambient temperatures at which coolants can freeze. If this coolant is a substance that expands when frozen, such as water, this expansion can rupture the tube.

본 발명의 예들은 첨부된 도면에 도시된다. 그러나, 첨부된 도면은 본 발명의 범주를 제한하는 것이 아니다. 도면에서 유사한 참조 번호들은 유사한 구성 요소를 나타내는 것이다.Examples of the invention are shown in the accompanying drawings. However, the accompanying drawings do not limit the scope of the invention. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 1은 전자 장치의 일 실시예를 도시하는 도면이다.1 is a diagram illustrating an embodiment of an electronic device.

도 2는 냉각 튜브의 일 실시예를 도시하는 도면이다.2 is a diagram illustrating one embodiment of a cooling tube.

도 3은 냉각 튜브의 단면의 각종 실시예를 도시하는 도면이다.3 is a diagram illustrating various embodiments of a cross section of a cooling tube.

다음의 상세한 설명에서, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 많은 구체적인 상세들이 개시된다. 그러나, 당업자들은 본 발명이 이러한 구체적인 상세 없이도 실시될 수 있고, 본 발명이 예시된 실시예들에 제한되지 않으며, 본 발명이 다양한 대안적인 실시예들로 실시될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 다른 예에서 는, 공지된 방법, 절차들, 컴포넌트들 및 회로들이 상세하게 설명되지는 않는다.In the following detailed description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention. However, those skilled in the art will understand that the invention may be practiced without these specific details, and that the invention is not limited to the illustrated embodiments, and that the invention may be practiced in various alternative embodiments. In other instances, well-known methods, procedures, components, and circuits are not described in detail.

본 명세서의 일부는, 당업자가 자신들의 요점(substance)을 다른 당업자들에게 전달하기 위해, 당업자들이 공통적으로 채용하는 기술을 이용하여 제시될 것이다. 다양한 동작들이, 본 발명의 이해를 돕는데 유용한 방식으로 순서대로 수행되는 다수의 이산 단계들로서 기술될 것이다. 그러나, 설명의 순서는, 이 동작들이 반드시 제시된 순서대로만 수행되는 것으로 이해되어서는 않되며, 또한 순서 종속적인 것도 아니다.Some portions of this specification will be presented using techniques commonly employed by those skilled in the art in order to convey their substance to others skilled in the art. Various operations will be described as a number of discrete steps that are performed in sequence in a manner useful to aid in understanding the present invention. However, the order of description is not to be understood that these operations are necessarily performed only in the order presented, nor is it order dependent.

마지막으로, "일 실시예"라는 구문의 반복적인 사용이, 그런 경우도 있을 수 있지만, 반드시 동일한 실시예를 말하는 것은 아니다. Finally, repeated use of the phrase "one embodiment" may, but may not, refer to the same embodiment.

본 발명의 실시예들은, 단면의 둘레 길이(perimeter length)의 증가가 완전히 없거나 거의 없이, 결빙으로 인한 냉각제의 팽창에 대처하도록 더 넓은 단면적으로 변형될 수 있는 단면 형상을 이용함으로써 전자 장치 내의 튜브 파열을 감소시킬 수 있다.Embodiments of the present invention utilize a cross-sectional shape that can be deformed into a wider cross-sectional area to cope with the expansion of the coolant due to freezing, with little or no increase in the perimeter length of the cross section. Can be reduced.

도 1은, 본 발명의 실시예가 이용될 수 있는 전자 장치(100)의 일 실시예를 도시한다. 전자 장치(100)는 프로세서(120), 열 교환기(130), 및 펌프(150)가 부착되어 있는 PCB(printed circuit board)를 포함한다. 플루이드 냉각제는, 펌프(150)에 의해, 냉각 튜브(140)를 통해, 프로세서(120)와 열 교환기(130) 간을 순환할 수 있다.1 illustrates an embodiment of an electronic device 100 in which an embodiment of the present invention may be used. The electronic device 100 includes a printed circuit board (PCB) to which a processor 120, a heat exchanger 130, and a pump 150 are attached. Fluid coolant may be circulated between the processor 120 and the heat exchanger 130 via the cooling tube 140 by the pump 150.

전자 장치(100)는, 예를 들어, 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 테이블 컴퓨터, PDA(personal data assistant), 전화기 및 플루이드 냉각제가 사용될 수 있는 임의의 다른 종류의 전자 장치를 포함하는 광범위한 전자 장치를 대표하고자 하는 것이다. 프로세서(120)는, 예를 들어, DSP(digital signal processor), 멀티-코어 프로세서 등을 포함하는, 플루이드 냉각이 사용될 수 있는 광범위한 열 생성 전자 컴포넌트들을 대표하고자 하는 것이다. 열 교환기(130)는, 예를 들어, 히트 싱크 및/또는 팬을 갖는 레디에이터를 포함하는 다수의 열 교환 장치들 중 임의의 것을 대표하고자 하는 것이다. 전자 장치(100)의 다른 실시예들은, 추가의 컴포넌트들, 추가의 열 교환기들, 및/또는 추가의 냉각 튜브들을 포함할 수 있고, 이들 컴포넌트들 전체가 각종의 방식 중 임의의 방식으로 배열되고 결합될 수 있다. 대안적인 실시예들에서는, 냉각 튜브가 열 파이프일 수 있다. 이 경우에는, 냉각제가, 냉각제 자체를 가열하고 냉각함으로써, 열 파이프를 통해 순환될 수 있기 때문에 펌프가 필요 없을 수 있다. Electronic device 100 represents a wide variety of electronic devices, including, for example, desktop computers, laptop computers, table computers, personal data assistants (PDAs), telephones, and any other type of electronic devices in which fluid coolants may be used. I would like to. The processor 120 is intended to represent a wide range of heat generating electronic components in which fluid cooling may be used, including, for example, digital signal processors (DSPs), multi-core processors, and the like. Heat exchanger 130 is intended to represent any of a number of heat exchange devices, including, for example, a radiator having a heat sink and / or a fan. Other embodiments of the electronic device 100 may include additional components, additional heat exchangers, and / or additional cooling tubes, all of which may be arranged in any of a variety of ways. Can be combined. In alternative embodiments, the cooling tube may be a heat pipe. In this case, a pump may not be necessary because the coolant can be circulated through the heat pipe by heating and cooling the coolant itself.

도시된 실시예에서는, 플루이드 냉각 시스템이 단상(single phase) 시스템일 수 있다. 즉, 냉각제는 정상 동작 동안에는 액체 형태로 남아있을 수 있다. 대안적으로는, 시스템은, 열을 소산시킬 때, 냉각제가 열을 흡수하고 액체로 되돌아 감에 따라 정상 동작시에 기화되거나 부분적으로 기화되는 2상(two-phase) 시스템일 수 있다.In the illustrated embodiment, the fluid cooling system may be a single phase system. That is, the coolant may remain in liquid form during normal operation. Alternatively, the system may be a two-phase system which, when dissipating heat, vaporizes or partially vaporizes in normal operation as the coolant absorbs heat and returns to the liquid.

많은 냉각제들 중 어떤 것을 사용해도 된다. 그러나, 물이나 특정한 액체 금속과 같이, 결빙되었을 때 팽창하는 냉각제는 어떤 종류의 시스템에서도 튜브 파열을 유발할 수 있다. 튜브 파열이 2상 시스템에서는 덜 일반적일 수 있는데, 그 이유는 액체 냉각제가 통상 튜브를 완전하게 채우지 않고, 결빙으로 인한 팽창을 위해 여유 공간을 남겨 두기 때문이다. 단상 시스템은 튜브 내의 훨씬 많은 부분을 채우는 경향이 있기 때문에, 팽창이 보다 문제가 된다. 그러나, 2상 시스템에서도, 튜브의 일부가 실질적으로 냉각제로 채워질 수 있다. 이 경우, 불균일한 결빙은 냉각제를 막아버려 파열을 야기한다.Any of many coolants may be used. However, coolants that expand when frozen, such as water or certain liquid metals, can cause tube rupture in any type of system. Tube rupture may be less common in two-phase systems because liquid coolants typically do not fill the tube completely and leave room for expansion due to freezing. Since single phase systems tend to fill a much larger portion of the tube, expansion is more problematic. However, even in a two phase system, part of the tube may be substantially filled with coolant. In this case, uneven icing blocks the coolant and causes rupture.

두 종류의 냉각 시스템 모두 냉각제의 평균 온도가 증가 및 감소함에 따라 정상적인 상황에서는 변화하는 압력 하에서 동작할 수 있다. 이 경우, 냉각 튜브(140)는 상당히 강성이어서 동작 중에 냉각 시스템의 전체 부피(volume)를 실질적으로 유지한다. 그러나, 냉각제가 결빙됨에 따라 튜브에 가해질 수 있는 팽창 압력은 상당히 높을 수 있다.Both types of cooling systems can operate under varying pressures under normal conditions as the average temperature of the coolant increases and decreases. In this case, the cooling tube 140 is quite rigid to substantially maintain the overall volume of the cooling system during operation. However, as the coolant freezes, the expansion pressure that can be applied to the tube can be quite high.

많은 냉각제들이 결빙될 때 팽창할 수 있다. 예를 들어, 물은 결빙됨에 따라 약 8% 팽창한다. 본 발명의 실시예들은 비원형(non-circular) 단면을 갖는 튜브를 이용하여 부피의 변화를 제공할 수 있다. 튜브들은, 튜브의 둘레 길이를 실질적으로 유지하면서, 결빙의 높은 팽창 압력 하에서 단면적이 더 큰 형태로 변형될 수 있다. 이는 결빙시에 튜브 벽에서의 전체적인 낮은 양의 응력을 가져온다.Many coolants can expand when frozen. For example, water expands about 8% as it freezes. Embodiments of the present invention can provide for a change in volume using a tube having a non-circular cross section. The tubes can be deformed into a larger cross-sectional area under the high expansion pressure of freezing, while substantially maintaining the circumferential length of the tube. This results in an overall low amount of stress on the tube wall upon freezing.

도 2는 2개의 서로 다른 상태에서의 발명의 냉각 튜브(140)의 일 실시예를 도시한다. 튜브(140)는 벽(220)에 의해 형성되는 플루이드 채널(210)을 갖는다. 플루이드 채널(210)이 액체 냉각제(240)를 함유하는 경우, 벽(22D)은 릴렉스 상태(230)로 되고, 타원형의 단면적 형상을 갖는다. 한편, 플루이드 채널(210)이 결빙된 냉각제(250)로 채워지면, 벽(220)은 팽창된 상태(260)로 변형될 수 있다.2 shows one embodiment of the inventive cooling tube 140 in two different states. Tube 140 has fluid channels 210 formed by walls 220. When the fluid channel 210 contains the liquid coolant 240, the wall 22D is in a relaxed state 230 and has an elliptical cross-sectional shape. On the other hand, if the fluid channel 210 is filled with the frozen coolant 250, the wall 220 may be deformed into the expanded state 260.

도시된 실시예에서, 벽(220)은, 팽창된 상태(260)일 때, 실질적으로 원형이 다. 단면 형상의 둘레가 상태(230)에서 상태(260)로 변하지 않는다고 해도, 면적은 단면이 더욱 원형으로 됨에 따라 증가할 것이다. 냉각제가 물이고, 면적이 적어도 8%만큼 증가한다고 가정하면, 냉각제 튜브(140)는 결빙으로 인해 파열되지 않을 수 있다.In the illustrated embodiment, the wall 220 is substantially circular when in the expanded state 260. Although the perimeter of the cross-sectional shape does not change from state 230 to state 260, the area will increase as the cross section becomes more circular. Assuming that the coolant is water and the area increases by at least 8%, the coolant tube 140 may not rupture due to freezing.

튜브(140)는 플라스틱과 금속을 포함하는 각종 재료 중 임의의 것으로 부터 만들어질 수 있다. 특정한 실시예들에서는, 재료는 정규의 동작 압력 하에서 그 형상을 유지할 만큼 충분한 강성을 가지고 있을 수 있으나, 결빙에 기인한 팽창 압력하에서는 변형된다. 도시된 실시예에서는, 벽(220)은, 냉각제가 녹음에 따라 튜브(140)가 릴렉스 상태(230)로 복귀할 수 있도록, 탄성 재료를 포함한다. 재료가 탄력적으로(in the elastic regime) 변형되면, 튜브(140)는 파열되지 않고 여러번 상태들 간의 천이(transition)를 할 수 있다.Tube 140 may be made from any of a variety of materials including plastics and metals. In certain embodiments, the material may have sufficient rigidity to maintain its shape under normal operating pressure, but deforms under expansion pressure due to freezing. In the illustrated embodiment, the wall 220 includes an elastic material so that the coolant can return the tube 140 to the relaxed state 230 as the recording is made. If the material is deformed in the elastic regime, the tube 140 can transition between states without breaking.

대안적인 실시예들은 광범위한 비원형 단면을 사용할 수 있다. 도 3은 몇 가지 가능성을 도시한다. 도면 좌측의 제1 단면 형상(310)은 릴렉스 상태이고, 정사각형, 직사각형, 삼각형 및 사다리꼴 단면을 포함한다. 도면 우측의 제2 단면 형상(320)은 각 형상이 어떻게 팽창된 상태에서 변형될 수 있는지를 도시한다. 각각의 경우, 릴렉스된 둘레가 팽창된 둘레와 실질적으로 동일하게 남아 있는 경우에도, 양측면은 불룩 솟고, 모서리들은 끌어 당겨져, 전체가 릴렉스된 면적(350)에서 팽창된 면적(360)으로 증가하는 결과를 가져온다.Alternative embodiments may use a wide range of non-circular cross sections. 3 shows some possibilities. The first cross-sectional shape 310 on the left side of the figure is in a relaxed state and includes square, rectangular, triangular and trapezoidal cross sections. The second cross-sectional shape 320 on the right side of the figure shows how each shape can be deformed in an expanded state. In each case, even if the relaxed perimeter remains substantially the same as the expanded perimeter, both sides bulge and the corners are pulled, resulting in an increase from the relaxed area 350 to the expanded area 360. Bring it.

이와 같이, 전자 장치의 냉각 튜브 파열을 감소시키는 것이 기술된다. 본 발명의 많은 변경들 및 수정들이 전술한 설명을 읽은 후에 당업자에 의해 이해가 되겠지만, 도시되고 설명된 특정한 실시예들은 제한하는 것으로서 간주되어서는 않된다. 따라서, 특정한 실시예들의 상세에 대한 참조는 특허청구범위의 범주를 제한하고자 하는 것이 아니다. As such, reducing cooling tube rupture of an electronic device is described. While many changes and modifications of the present invention will be understood by those skilled in the art after reading the foregoing description, the specific embodiments shown and described are not to be regarded as limiting. Accordingly, references to details of specific embodiments are not intended to limit the scope of the claims.

Claims (18)

전자 장치에 사용하기 위한 냉각 튜브에 있어서,In a cooling tube for use in an electronic device, 상기 전자 장치를 냉각하기 위한 냉각제를 운반하는 플루이드 채널; 및A fluid channel carrying a coolant for cooling the electronic device; And 상기 플루이드 채널을 형성하는 벽Walls forming the fluid channel 을 포함하며,Including; 상기 벽은, 릴렉스 상태에서는 제1 단면 형상을 갖고, 팽창 상태에서는 제2 단면 형상을 가지며, 상기 제2 단면 형상은 상기 제1 단면 형상보다 더 큰 면적을 갖는 냉각 튜브.The wall has a first cross-sectional shape in a relaxed state, a second cross-sectional shape in an expanded state, and the second cross-sectional shape has an area larger than the first cross-sectional shape. 제1항에 있어서, 상기 냉각제는 물 및 액체 금속 중 하나를 포함하는 냉각 튜브. The cooling tube of claim 1, wherein the coolant comprises one of water and a liquid metal. 제1항에 있어서, 상기 전자 장치는 프로세서를 포함하는 냉각 튜브.The cooling tube of claim 1, wherein the electronic device comprises a processor. 제1항에 있어서, 상기 제1 단면 형상은 비원형(non-circular)인 냉각 튜브.The cooling tube of claim 1, wherein the first cross-sectional shape is non-circular. 제1항에 있어서, 상기 제2 단면 형상은 상기 제1 단면 형상보다도 더욱 원형인 냉각 튜브.The cooling tube of claim 1, wherein the second cross-sectional shape is more circular than the first cross-sectional shape. 제1항에 있어서, 상기 제1 단면 형상은 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형 및 사다리꼴 중 하나인 냉각 튜브.The cooling tube of claim 1, wherein the first cross-sectional shape is one of oval, square, rectangular, triangular and trapezoidal. 제1항에 있어서, 상기 제1 단면 형상의 면적과 상기 제2 단면 형상의 면적 차이는 적어도 8%인 냉각 튜브.The cooling tube of claim 1, wherein an area difference between the area of the first cross-sectional shape and the second cross-sectional shape is at least 8%. 제1항에 있어서, 상기 제1 단면 형상의 둘레(perimeter)는 상기 제2 단면 형상의 둘레와 실질적으로 동일한 냉각 튜브.The cooling tube of claim 1, wherein a perimeter of the first cross-sectional shape is substantially equal to a perimeter of the second cross-sectional shape. 제1항에 있어서, 상기 벽은 상기 제1 단면 형상과 상기 제2 단면 형상 사이에서 반복적으로 천이하도록 탄력적으로(in the elastic regime) 동작하는 냉각 튜브.The cooling tube of claim 1, wherein the wall operates in the elastic regime to repeatedly transition between the first cross-sectional shape and the second cross-sectional shape. 프로세서;A processor; 열 교환기; 및heat transmitter; And 상기 프로세서와 상기 열 교환기를 결합시키는 냉각 튜브A cooling tube coupling the processor and the heat exchanger 를 포함하는 시스템으로서, 상기 냉각 튜브는,The system comprising a, the cooling tube, 냉각제를 운반하는 플루이드 채널; 및Fluid channels carrying coolant; And 상기 플루이드 채널을 형성하는 벽Walls forming the fluid channel 을 포함하며, 상기 벽은 릴렉스 상태에서는 제1 단면 형상을 갖고, 팽창 상 태에서는 제2 단면 형상을 가지며, 상기 제2 단면 형상은 상기 제1 단면 형상보다도 더 큰 면적을 갖는 시스템.Wherein the wall has a first cross-sectional shape in a relaxed state, a second cross-sectional shape in an expanded state, and the second cross-sectional shape has an area larger than the first cross-sectional shape. 제10항에 있어서, 상기 냉각제는 물 및 액체 금속 중 하나를 포함하는 시스템.The system of claim 10, wherein the coolant comprises one of water and a liquid metal. 제10항에 있어서, 상기 제1 단면 형상은 비원형인 시스템.The system of claim 10, wherein the first cross-sectional shape is non-circular. 제10항에 있어서, 상기 제2 단면 형상은 상기 제1 단면 형상보다 더욱 원형인 시스템.The system of claim 10, wherein the second cross-sectional shape is more circular than the first cross-sectional shape. 제10항에 있어서, 상기 제1 단면 형상은 타원, 정사각형, 직사각형, 삼각형 및 사다리꼴 중 하나인 시스템.The system of claim 10, wherein the first cross-sectional shape is one of ellipse, square, rectangle, triangle, and trapezoid. 제10항에 있어서, 상기 제1 단면 형상의 면적과 상기 제2 단면 형상의 면적의 차이는 적어도 8%인 시스템.The system of claim 10, wherein the difference between the area of the first cross-sectional shape and the area of the second cross-sectional shape is at least 8%. 제10항에 있어서, 상기 제1 단면 형상의 둘레는 상기 제2 단면 형상의 둘레와 실질적으로 동일한 시스템.The system of claim 10, wherein the perimeter of the first cross-sectional shape is substantially the same as the perimeter of the second cross-sectional shape. 제10항에 있어서, 상기 벽은 상기 제1 단면 형상과 상기 제2 단면 형상 사이에서 반복적으로 천이하도록 탄력적으로 동작하는 시스템.The system of claim 10, wherein the wall is resiliently operated to repeatedly transition between the first cross-sectional shape and the second cross-sectional shape. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 냉각 튜브를 통해 상기 냉각제를 순환시키는 펌프를 더 포함하는 시스템.And a pump that circulates the coolant through the cooling tube.
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