KR20070112370A - 버블 펌프를 구비한 다중 배향 냉각 시스템 - Google Patents

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KR20070112370A
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cooling
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헨리 마드센
헨릭 올센
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노이즈 리미트 에이피에스
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Abstract

본 발명은 냉각 유체의 순환류 생성을 위한 버블 펌프를 갖는 다중 배향 냉각 시스템에 관한 것이다. 이 냉각 시스템은 제 1수열부와, 발열부와, 시스템의 제 1각도 배향에서, 제 1수열부의 하류에 배치되어 시스템 내에 유체 유동을 생성하기 위한 제 1버블 펌프로서 기능하도록 적용된 관형상의 제 1부분과, 시스템의 제 2각도 배향에서, 제 1수열부의 하류에 배치되어 시스템 내에 유체 유동을 생성하기 위한 제 2버블 펌프로서 기능하도록 적용된 관형상의 제 2부분을 포함하는, 냉각 유체의 유동을 촉진하는 하나 이상의 중공부재를 포함하는 밀폐 냉각 시스템이다.
Figure 112007054288435-PCT00001
다중 배향, 냉각 시스템, 버블 펌프

Description

버블 펌프를 구비한 다중 배향 냉각 시스템{A MULTI-ORIENTATIONAL COOLING SYSTEM WITH A BUBBLE PUMP}
본 발명은 수평축에 관한 시스템의 각도 배향에 대해 개선된 유연성을 갖는 냉각 유체의 순환류 생성을 위한 버블 펌프를 갖는 냉각 시스템에 관한 것이다.
발열 소자를 갖는 많은 시스템에는 발열 소자의 고장을 일으키는 과열을 피하기 위해 냉각 시스템을 부착한다. 그러한 시스템으로는 자동차 엔진, 냉장고, 전자 및 전기 콤포넌트 등이 있다.
대다수 이들 시스템의 특성으로는, 시스템이 동일한 위치에서 작동되더라도 많은 디바이스, 가령, 휴대폰, PDA 및 랩톱 등의 전자 디바이스는 다양한 배향으로 작동되며, 이와 동시에 상당량의 열을 방출한다.
특히 전자 반도체 콤포넌트를 냉각하기 위한 냉각 유닛이 US 2003/0 188 858 A1에 개시되어 있으며, 이 특허에서 냉각 유닛은 발열 소자로부터 열을 수용하는 수열부(受熱部), 열을 전달하는 냉각 유체, 및 주위로 열을 방출하는 가열 라디에이터를 포함한다. 냉각유체의 순환류는 가열 및/또는 수열부에서 수용한 열에 의해 생성된 증기 버블에 의해서 생긴 감소된 밀도에 의해 만들어진다. 이 시스템은 강제 유동을 만들기 위한 펌프를 포함하고 있지 않다.
US 5,427,174는 다중 배향 열교환기를 개시하는데, 이것은 발열 소자로부터 열을 수용하는 수열부, 열을 전달하기 위한 제 1 및 제 2유체를 포함하는 냉각유체, 및 주위로 열을 방출하기 위한 콘덴서 수단을 포함한다. 모세관 힘은 냉각 유체의 순환류를 생성한다.
발열 소자의 냉각을 위한 개선된 성능을 갖는 냉각 시스템에 대한 요구가 존재한다.
또한, 수평축에 관해 다양한 각도 배향에서 작동할 수 있는 냉각 시스템에 대한 요구가 존재한다.
상술한 및 다른 목적은 순환 및 증발하는 냉각 유체에 의해 하나 이상의 발열 소자를 냉각하기 위한 밀폐 냉각 시스템에 의해서 달성되며, 이 시스템은 냉각 유체의 유동을 촉진하는 하나 이상의 중공 부재를 포함하고, 이 부재는 하나 이상의 발열 소자로부터 열을 수용하기 위한 제 1수열부와, 수열부에 의해 흡수한 열을 주위로 방출하기 위한 발열부와, 시스템의 제 1각도 배향에서, 제 1수열부의 하류에 배치되어 시스템 내에 유체 유동을 생성하기 위한 제 1버블 펌프로서 기능하도록 적용된 제 1부분과, 시스템의 제 2각도 배향에서, 제 1수열부의 하류에 배치되어 시스템 내에 유체 유동을 생성하기 위한 제 2버블 펌프로서 기능하도록 적용된 제 2부분을 포함한다.
바람직하게, 제 1부분은 제 1수열부와 제 1발열부를 서로 연결하는 관형상의 제 1부분이다.
바람직하게, 제 2부분은 제 1수열부와 제 2발열부를 서로 연결하는 관형상의 제 2부분이다.
본 발명의 주요 이점은, 적어도 제 1 및 제 2각도 배향에서 냉각 시스템이 작동할 수 있는데 있으며, 제 2각도 배향은 냉각 시스템을 제 1각도 배향으로부터 어떤 각도 (θ)만큼 실질적으로 수평인 축의 둘레로 회전시킴으로써 얻어진다. 이 각도(θ)는 약 15°, 약 30°, 약 45°, 약 60°, 약 75°, 약 90°, 약 105°, 약 120°, 약 135°, 약 150°, 약 165°, 약 180°, 약 195°, 약 210°, 약 225°, 약 240°, 약 255°, 약 270°, 약 285°, 약 300°, 약 315°, 약 330°, 약 345°등일 수 있다. 특히, 시스템은 제 1배향 및 제 2배향 간의 어떤 각도 배향에서도 작동할 수 있다.
본 발명의 이점은, 시스템 내의 냉각 유체의 주요부가 상이한 각도 배향에서 작동하는 동안 비교적 높은 유속을 가짐으로써, 냉각 유체가 실질적으로 이동하지 않거나 시스템의 일부분에서 매우 낮은 유속을 갖는 시스템과 비교하여, 보다 효과적인 냉각 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 일부 실시예에서는, 각도 배향 및 충전 레벨이 존재할 수 있으며, 시스템은 오직 증발에 의해서만, 또는 증발 및 감소된 냉각 유체 유동에 의해서만 작동한다. 특히, 이들 각도 배향에서, 시스템의 성능은 감소된다.
본 발명의 주요 이점은, 냉각 시스템이 가령, 이동 부품을 갖는 펌프와 같은 냉각 유체의 이동을 위한 이동 기구부를 포함하지 않는데 있다. 이것은 코스트를 줄이고 시스템의 신뢰성을 증대시킨다.
본 발명의 더욱 추가적인 이점은, 냉각 시스템이 실질적으로 소음이 없는데 있다.
본 발명의 또 다른 이점은, 가령 15 W/㎠ 이상, 20 W/㎠ 이상, 30 W/㎠ 이상, 가령 40 W/㎠ 이상, 50 W/㎠ 이상, 가령 75 W/㎠ 이상, 가령 100 W/㎠ 이상, 가령 약 125 W/㎠ 등과 같이, 단위 면적당 발생한 다량의 열을 제거하여 대기 이상에서 40℃ 미만의 온도 증가를 가져올 수 있는데 있다.
상이한 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하도록 적용되는 제 1부분 및 제 2부분은, 버블 펌프로서 각각의 부분이 기능할 때 냉각 유체에 높은 유속을 생성한다. 따라서, 가령 열 사이펀으로 구동되는 시스템과 비교하여, 시스템 내에 높은 유속의 냉각 유체가 생성된다. 또한, 상이한 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하도록 적용되는 제 1부분 및 제 2부분은, 액상 냉각 유체의 순환을 제공하여 액상 냉각 유체를 냉각시킬 수 있다. 액상 냉각 유체는 큰 열용량을 갖는다.
본 발명에 따르는 냉각 시스템은, 시스템의 제 3각도 배향에서, 시스템 내에 유체 유동을 생성하기 위한 제 3버블 펌프로서 기능하도록 적용된 제 3부분을 포함할 수 있으며, 이 제 3부분은 수열부의 하류에 배치된다.
본 발명에 따르는 냉각 시스템은, 시스템의 제 4각도 배향에서, 시스템 내에 유체 유동을 생성하기 위한 제 4버블 펌프로서 기능하도록 적용된 제 4부분을 포함할 수 있으며, 이 제 4부분은 수열부의 하류에 배치된다.
바람직하게, 특수한 각각의 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분들은 관형상(tubular)이다. 이 관형상의 부분은 사각형, 정방형, 또는 라운드형, 바람직하게는 거의 원형, 또는 거의 타원형, 또는 그들의 임의 조합 같은 임의 형상의 단면을 가질 수 있다. 또한, 특수한 각각의 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분들은 제 1수열부 및 발열부와 서로 연결될 수 있다.
버블 펌프에 있어서, 증기 또는 기상 냉각 유체와 같은 기체 버블은, 버블의 추진력이 액상 및 기상 냉각 유체 모두의 유동을 생성하도록 버블 펌프에서 상방으로 버블 위로 액체를 이동시킨다.
버블 펌프의 효율, 즉 시간의 함수로서 버블 펌프를 통해서 운반된 유체의 양은 버블 펌프의 내경에 의해서, 그리고 증기 버블의 양 및 크기, 유체(들)의 점도 등과 같이, 펌핑되는 유체 또는 유체들의 특성에 의해서 결정된다.
버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분들의 내경은 적절한 유동능력을 제공할 정도로 충분히 커야 한다. 버블 펌프로서의 기능시에 증기 버블은 버블 펌프의 내경과 실질적으로 동일한 단면을 갖는 크기에 도달하여, 버블 펌프를 통해서 적절한 유체의 펌핑을 제공하는 것이 바람직하다.
버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분들의 내경은 가령 약 2㎜ 내지 약 20㎜, 약 3㎜ 내지 약 18㎜, 약 5㎜ 내지 약 15㎜, 약 7㎜ 내지 약 13㎜, 약 8㎜ 내지 약 12㎜, 가령 약 10㎜와 같이, 약 1㎜ 내지 약 30㎜의 범위일 수 있다.
제 1 및 제 2부분의 내부 단면적은 가령 약 3㎟ 내지 약 300㎟, 약 7㎟ 내지 약 250㎟, 약 20㎟ 내지 약 175㎟, 약 40㎟ 내지 약 130㎟, 약 50㎟ 내지 약 115㎟, 가령, 약 75㎟와 같이, 약 0.75㎟ 내지 약 700㎟일 수 있다.
바람직하게, 작동 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분은 해당 작동 각도 배향으로 거의 수직인 축을 따라서 거의 선형적으로 부분 연장된다. 하나의 작동 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하는 부분은 예를 들어, 냉각 시스템이 가령 0° 내지 약 115°, 0° 내지 약 90°, 0° 내지 약 60°, 0° 내지 약 45°, 0° 내지 약 25°, 0° 내지 약 15°, 0° 내지 약 5°와 같이, 0° 내지 약 135°의 각도로 수직축에 대해 수평인 축 둘레로 회전될 때, 다른 작동 각도 배향에서 버블 펌프로서 작동할 수도 있다.
따라서, 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분은 냉각 시스템이 임의의 각도 배향에서 작동할 수 있도록 설계할 수 있다.
시스템의 특수한 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분의 길이는 해당 부분에 대한 원하는 펌핑 또는 유동능력을 얻을 수 있도록 정해진다. 해당 부분의 길이는 해당 부분의 내경보다 큰 것이 바람직하다. 해당 부분의 길이는 가령 약 5㎜ 내지 180㎜, 약 8㎜ 내지 150㎜, 약 10㎜ 내지 100㎜, 약 20㎜ 내지 80㎜, 약 30㎜, 약 40㎜, 약 50㎜, 또는 약 60㎜와 같이 약 3㎜ 내지 약 200㎜의 범위일 수 있다.
바람직하게, 시스템의 각각의 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 적어도 하나의 부분은 시스템 내에서 유체의 역류를 실질적으로 방지하기 위한 배향에서 냉각 시스템 내의 액체 레벨 위에 출구를 갖는다.
냉각 시스템 내의 액체 레벨은 발열부에서의 액체 레벨이다.
시스템 내의 액체 레벨 위에서 시스템의 각각의 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분 또는 부분들의 출구의 배치는, 버블 펌프로서 작동하는 부분 또는 부분들에서 버블에 의해 겪는 유체 유동에 대한 저항을 감소시키는 것으로 보여진다. 따라서, 시스템 내에서 액체 레벨 위에 출구를 제공하는 것은 냉각 유체의 증가된 순환을 제공하여 냉각 시스템의 개선된 냉각 능력을 가져온다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 시스템의 각각의 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 제 1 및 제 2부분의 출구는, 냉각 시스템의 작동 각도 배향에서 제 1 또는 제 2부분의 출구가 발열부 내의 액체 레벨 위에 및 그로 인해 냉각 시스템 내의 액체 레벨 위에 존재하는 방식으로 발열부에 위치된다. 상술한 바와 같이, 이것은 버블 펌프로서 기능하는 부분을 포함하는 부분 안으로 유체가 역류하는 것을 피할 수 있기 때문에, 버블 펌프로서 작동하는 부분의 효율을 증대시킨다. 또한, 출구의 이러한 배치는 제 1 또는 제 2부분에서 버블에 의해 격는 유체 유동에 대한 저항을 감소시키는 것으로 생각된다. 따라서, 시스템 내에 순환류가 증가되어, 개선된 열전달 및 그로 인해 개선된 냉각을 제공한다.
출구는 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분으로부터 액체의 유출을 촉진하도록 형성할 수 있으며, 가령, 출구의 모서리를 둥글게 할 수 있다.
제 1작동 각도 배향에서 제 1부분의 출구는 제 2작동 각도 배향에서 제 1부분의 입구로서 작동할 수 있다. 따라서, 제 2작동 각도 배향에서 제 2부분의 출구는 제 1작동 각도 배향에서 제 2부분의 입구로서 작동할 수 있다. 제 1작동 각도 배향에서, 냉각 유체 유동은 제 2작동 각도 배향에서 냉각 유체 유동의 반대 방향일 수 있다.
제 1부분은 제 2작동 각도 배향에서 수열부에 대한 입구 파이프로서 작동할 수 있고, 제 2부분은 제 1작동 각도 배향에서 수열부에 대한 입구 파이프로서 작동할 수 있다.
발열부는 콘덴서로서 작동하도록 적용된 일부분과 라디에이터로서 작동하도록 적용된 일부분을 포함할 수 있다. 라디에이터로서 작동하도록 적용된 일부분은 액체 상태에서 냉각 유체의 냉각에 의해 주위에 열을 방출하고, 콘덴서로서 작동하도록 적용된 일부분은 기상의 냉각 유체, 즉 증기 형태의 냉각 유체의 응축에 의해서 주위에 열을 방출할 수 있다. 그러므로, 발열부의 콘덴서로서 작동하도록 적용된 일부분은 작동하는 동안 시스템 내의 액체 레벨 위에 존재하는 발열부의 일부분으로 규정할 수 있다. 제 1발열부의 일부분은 냉각 시스템의 하나의 작동 각도 배향에서 라디에이터로서 및/또는 냉각 시스템의 다른 작동 각도 배향에서 콘덴서로서 작동할 수 있다.
냉각 유체의 원래 농축비가 콘덴서 및 라디에이터로서 작동하도록 적용된 일부분의 설계와 무관하게 수열부 내로 유입되기 전에 실질적으로 복원되도록 발열부를 형성할 수 있다.
발열부는 자연 대류나 강제 대류를 이용하여, 또는 콤프레셔 쿨러와 같은 능동 냉각 시스템에 의해서 교대로 냉각할 수 있다. 예를 들면, 냉각 시스템의 강제 대류를 위해서 전원 공급 유닛 팬을 사용할 수 있다.
냉각 시스템은 냉각 유체의 증기와 액체를 분리하기 위한 하나 이상의 분리기를 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 분리기는 발열부에 통합된 부품일 수 있다. 하나 이상의 분리기는 제 1 및 제 2부분의 각각의 출구를 포함할 수 있다. 하나 이상의 분리기는 작동 각도 배향에서 증기와 액체로 냉각 유체를 분리할 수 있으며, 콘덴서로서 작동하도록 적용된 일부분으로 증기를 안내할 수 있으며 라디에이터로서 작동하도록 적용된 일부분으로 액체를 안내할 수 있다.
냉각 시스템은 하나 이상의 발열소자를 냉각하도록 적용할 수 있다. 예를 들면, 제 1수열부는 하나 이상의 발열소자로부터 열을 수용하기에 충분한 크기일 수 있고/또는, 냉각 시스템은 하나 이상의 수열부를 포함할 수 있다. 이 경우에, 수열부는 하나 이상의 발열소자로부터 열을 수용할 수 있다. 하나 이상의 발열 소자를 냉각 시스템의 수열부(들)를 따라서 배치할 수 있는 사실은 공간의 경제성 측면에서 및/또는 냉각 유체의 개선된 순환 측면에서 이익을 제공할 수 있다.
수열부(들)는 열교환면을 포함할 수 있는데, 이것은 발열부와 열접촉하도록 적용된다. 그로 인해서 냉각 시스템은 열교환면과 열접촉하는 발열부로부터 열을 수용하도록 적용된다. 전형적으로, 열교환면은 냉각될 발열소자(들)의 형상과 상응하는 형상을 갖는다. 바람직하게, 냉각 시스템의 수열부(들)의 열교환면은 알루미늄, 구리, 은, 금, 또는 하나 이상의 이들 물질을 포함하는 합금과 같은 열전도 물질로 만들어진다.
바람직하게, 제 1수열부는 하나 이상의 냉각 유체용 제 1포트 및 제 2포트를 갖는 밀폐체를 형성한다. 또한, 제 1수열부는 냉각 유체용 제 3포트 및/또는 제 4포트를 포함할 수 있다. 제 1포트, 제 2포트, 제 3포트, 및/또는 제 4포트는 냉각 유체의 유동 방향에 따라서 제 1수열부로의 입구 또는 그로부터의 출구로서 기능할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 제 1포트는 제 1부분에 연결되고 제 2포트는 제 2부분에 연결된다.
발열소자는 냉각 시스템의 냉각 유체와 직접 접촉하도록 수열부(들)와 통합될 수 있는 것이 이익적이다. 그로 인해, 냉각될 발열 소자와 수열부(들) 간의 열교환은 최적화된다. 냉각 시스템을 냉각될 발열소자 및 다른 요소에 대한 그의 가능한 전기적인 연결에 적용하도록 하기 위해, 냉각될 발열소자와 냉각 시스템의 수열부(들) 간의 통합은 냉각 시스템의 제조 동안에 실행되는 것이 이익적이다.
수열부(들), 버블 펌프로서 기능하는 부분(들), 및/또는 냉각 시스템의 발열부와 같은 적어도 하나의 중공 부재인 여러 부분들은 다수의 분리된 냉각 유체 챔버 또는 채널을 포함할 수 있다. 그러한 부분은 가령, 다수의 챔버를 형성하는 밀폐된 돌출 형상으로 제조할 수 있으며, 이러한 형상의 끝단은 매니폴드에 의해서 냉각 시스템의 다른 부분에 연결할 수 있다.
냉각 유체는 단일 유체로 이루어지거나 2개 이상의 유체를 포함할 수 있다. 냉각 유체 중의 유체는 서로 용융될 수 있다.
본 발명에 따르는 냉각 시스템의 작동 중에, 액상의 냉각 유체는 중공 부재의 체적에 대해, 가령 약 50 체적% 내지 약 90 체적%, 약 70 체적% 내지 약 80 체적%, 바람직하게는 약 75 체적%와 같이, 약 30 체적% 내지 약 95 체적%로 구성할 수 있다.
단일 유체는 물, 에탄올, 메탄올, CO2, 프로판이나 암모니아, 또는 가령 3M(등록상표) FC-72 및 3M(등록상표) FC-82 등의 불소 화합물이나, 다른 적절한 불소 화합물 같이 적절한 열적 특성 및 물리적 특성을 갖는 다른 유체일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 냉각 유체는 2종의 유체, 즉 적어도 하나의 발열소자의 작동 온도 내에서 비등하는 낮은 비등점 온도를 갖는 제 1유체와, 이들 온도 내에서 그의 비등점에 도달하지 않는 높은 비등점을 갖는 제 2유체를 포함할 수 있다. 제 1유체의 비등에 의해 형성된 버블은 작동 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분으로 제 2유체를 이동시킴으로써, 시스템 내에 냉각 유체의 순환을 생성한다. 주로 액체 형태이며 큰 열용량을 갖는 제 2유체는 수열부(들)로부터의 열을 흡수하여 발열부의 일부분으로 전달하는데, 이것은 라디에이터로서 작동하도록 적용됨으로써 시스템의 냉각 능력을 증가시킨다.
액체 형태에서, 제 2유체는 각각 라디에이터로서 작동하도록 적용된 수열부(들)의 내부면 및 발열부의 일부분과 우수한 면접촉을 유지한다.
그러므로, 특수 배향에서 버블 펌프로서 기능하는 부분에서는, 수열부(들)로부터 발열부로의 열 전달을 위해서 냉각 시스템의 순환류 내로 높은 비등점을 갖는 제 2유체를 펌핑하도록 최저 비등점을 갖는 제 1유체가 사용된다.
최저 비등점을 갖는 유체는 발열 소자의 작동 온도 범위 내에서 이것이 비등하도록 선택된다. 높은 비등점을 갖는 유체는 이것이 실질적으로 액체 형태로 유지되고 발열 소자의 의도된 작동 온도 내에서 그의 비등점에 도달하지 않도록 선택된다. 작동 각도 배향에서 버블 펌프로서 작동하는 부분에 있어서, 원래 수열부(들)에서 생성된 버블은 높은 비등점을 갖는 액체를 이동시킴으로써 수열부(들)을 통해 액체를 생성한다. 액체 유동은 높은 비등점을 갖는 유체의 높은 열용량으로 인해서 수열부(들)로부터 열의 제거를 증가시킨다.
또한, 액체 유동은 수열부(들)에서 생성된 버블을 제거하는 한편, 그들은 여전히 작기 때문에 버블은 냉각 유체의 액체 부분으로부터 수열부(들)을 격리시키며, 이는 발열 소자로부터 냉각 유체로의 낮은 열전달을 가져온다. 이러한 형태의 비등은 일반적으로 대류 비등(flow boiling)이라고 알려져 있다. 풀 비등(pool boiling)과 비교해서 이러한 형태의 비등은 냉각 유체에 증대된 열전달을 제공한다. 또한, 증대된 유동은 2개 이상의 유체를 포함하는 냉각 유체의 이용을 용이하게 하는데, 이들 유체는 버블 펌프로서 기능하는 부분 또는 부분들에 의해 제공된 개선된 냉각 유체 유동이 유체의 혼합비율 및 그에 따른 비등점을 유지하는 점에서 상이한 비등점을 갖는다.
그러므로, 제어된 유효한 냉각이 냉각 시스템의 적어도 2개의 작동 각도 배향에서 얻어진다. 결과적으로 냉각 효과는 완전히 또는 부분적으로 증발하는 최저 비등점을 갖는 유체의 증발에 의해서, 그리고 주로 증발 없이, 높은 비등점을 갖는 하나 이상의 유체의 가열 및 제거에 의한 흡수열의 조합에 의해서 얻어진다. 높은 비등점(들)을 갖는 유체(들)는 전형적으로 한정된 범위까지 증발하지만, 유체 유동에 의해 수열부의 열이 제거된다.
최고 비등점을 갖는 유체는 전형적으로 단지 한정된 범위까지 증발하기 때문에, 의도된 작동 조건하에서 시스템의 건조 비등은 회피된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 냉각 유체는 낮은 비등점을 갖는 제 1유체 및 높은 비등점을 갖는 제 2유체를 포함한다.
바람직하게, 제 1유체는 에탄올, 메탄올, 아세톤, 에테르, 프로판 등이나 적절한 열적 및 물리적 특성을 갖는 다른 유체를 포함할 수 있다.
본 바람직한 실시예에 있어서, 제 1유체는 에탄올이며, 냉각 유체는 가령 에탄올의 체적비로 15체적% 내지 45 체적%, 30 체적% 내지 40 체적%, 바람직하게는 약 37체적%와 같이 4체적% 내지 96체적%를 갖는다.
제 1유체는 쉽게 기화되고 물과 혼합되거나 흡수되는 어떤 액체일 수 있다. 그러한 기타 대안으로는 암모니아, 불소 화합물 3M(등록상표) FC-72 및 3M(등록상표) FC-82, 및 기타 등이 있다.
바람직하게, 제 2유체는 물이다. 물은 저렴하며, 쉽게 이용할 수 있고, 있을 수 있는 누수로 인한 오염을 초래하지 않는 이점을 갖고 있다. 기타 적절한 유체는 메탄올, 에탄올, 아세톤, 글리콜, 프로판, 또는 적절한 열적 및 물리적 특성을 갖는 그 밖의 유체일 수 있다.
본 발명에 따르면 냉각 시스템에 특정 압력이 가해진다. 따라서, 제 1유체의 비등점 온도는 간단한 방식으로 조절할 수 있다. 이것은 소정의 최대 압력으로 냉각하기 위해서 다른 냉각유체를 광범위하게 사용할 수 있는 효과를 갖는다. 시스템이 작동하지 않을 때, 즉 실절적으로 시스템의 모든 부분이 동일 온도, 가령 실온을 가질 때, 시스템에 가해진 특정 압력을 시스템 압력이라고 이해하면 된다. 이 특정 압력은 냉각 시스템의 제조 동안에 조절할 수 있는 것이 유리하다. 냉각 시스템이 작동되면, 냉각 유체는 가열되며, 전형적으로 시스템 내의 압력은 변화된다.
바람직한 실시예에 따라서, 제 1냉각 유체의 비등점이 냉각 시스템의 원하는 작동 온도범위 내에 존재하는 그러한 방식으로 냉각 시스템의 압력이 조절된다. 시스템 내의 압력은 실제 온도에서 냉각 유체의 포화압력과 실질적으로 동일한 것이 바람직하다.
냉각 시스템 내에서 공기나 원하지 않는 어떤 다른 기체가 존재하는 것을 피하기 위해서, 냉각 유체가 냉각 시스템 내로 유입되기 전에, 냉각 시스템을 실질적으로 비우는 것이 바람직하다. 공기나 원하지 않는 기체는 선택한 냉각 유체와 반응할 수 있으며, 원하지 않는 기체의 존재로 냉각 시스템 내의 점유 체적에 의해서 시스템의 효율이 감소될 수 있다. 증발에 따라, 냉각 유체는 냉각 시스템 내로 들어가며, 시스템은 밀폐적으로 시일된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 냉각 시스템 내의 내부 체적은 액상과 기상, 즉 N2, O2, CO2, H2 등과 같은 비응축성 기체의 내용물이 혼합된 냉각 유체로 실질적으로 충전되어 있으며, 또는 다른 오염원은, 가령 내부 체적비로, 5 체적% 미만, 3 체적% 미만, 1최적% 미만, 0.1 체적% 미만, 0.01 체적% 미만과 같은 10 체적% 미만의 함량으로 최소화된다.
비응축성 기체는 수열부(들)로부터 발열부까지의 열전달에 도움을 주지 않으므로, 냉각 유체의 효율이 높아질수록 비응축성 기체의 함량은 낮아지는 것으로 생각된다.
"비응축성 기체(non-condensable gases)"란 용어는 냉각 시스템의 작동온도와 작동압력 내에서 응축할 수 없는 기체를 말한다.
냉각 유체의 충전 후에 비응축성 기체의 형성을 막기 위해서, 냉각 유체는 부식 방지제를 포함할 수 있다.
선택한 냉각 유체 및 발열 소자의 원하는 최대 작동온도에 따라서, 특정 압력은 대기압과 동일하거나 대략 같을 수 있으며, 또는 대기압보다 클 수 있을 뿐만 아니라, 대기압보다 작을 수도 있음을 주목해야 한다.
원하는 비등점을 갖는 냉각 유체를 찾기가 힘들 수 있기 때문에, 압력 조절에 유연성을 갖는 것이 유리하다. 어떤 경우에 그러한 냉각 유체가 존재할 수 있으나, 높은 코스트, 독성 등과 같은 다른 단점을 지닐 수도 있다.
냉각 시스템은 확산 기밀재로 제조하는 것이 바람직하다. "확산 기밀재(diffusion tight material)"란 표현은 의도된 시스템의 전체 수명 동안에 계획된 바와 같이 동작하도록 시스템에 대해 허용 가능한 시스템의 의도된 수명 동안, 냉각 시스템과 주위 간의 큰 확산을 일으키지 않는 물질로 이해해야 한다. 냉각 시스템이 컴퓨터에 채용되면, 의도된 수명은 대략 4-5년 정도이며, 특수한 경우에 최하 2년 또는 최대 10년이다. 냉각 시스템의 상이한 부분이 상이한 재질로 만들어지면, 모든 재질뿐만 아니라 그들의 연결부도 확산 기밀적이어야 한다. 적절한 재질은 구리, 은, 알루미늄, 철 또는 이들 재질을 하나 이상 함유하는 합금일 수 있다. 또한, 냉각 시스템의 하나 이상의 부분은 상술한 표현의 한정에 따르는 확산 기밀재로 만들어져 제공된 플라스틱 재질로 제조할 수 있다. 플라스틱 재질의 금속층 성형부는 이것을 보증할 수 있으며, 그러한 금속층은 예를 들어 플라스틱 재질 상에 증착된 증기일 수 있다.
또한, 냉각 시스템은, 이 냉각 시스템의 나머지 부분의 물질(들)에 비해서 원하지 않는 기체에 대해 보다 큰 투과성을 갖는 물질의 윈도우를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들면, 윈도우는 수소 침투성일 수 있으며, 가령 니켈 또는 그의 합금, 가령, 철-니켈 합금, 혹은 팔라듐 또는 그의 합금, 가령 은-팔라듐 합금, 또는 세라믹과 같이 이 목적으로 적절한 어떤 기타의 금속 또는 비금속 재질로 제조할 수 있다. 여기에서, 원하지 않는 기체는 윈도우를 통한 확산에 의해서 대기 중으로 제거된다. 윈도우는 냉각 시스템 내로 냉각 유체의 유입을 위해서 연결편에 인접하게 배치할 수 있다. 다음에 원하지 않는 기체의 확산은 냉각 시스템의 충전 후에 일정 기간 동안 실행되며, 이 기간의 끝에서 윈도우는 냉각 시스템의 최종 밀폐 동안에 연결편과 함께 제거할 수 있다.
또한, 초기 부식 동안에 형성된 기체와 같이, 냉각 시스템 내에서 원하지 않는 기체를 흡수하는 물질을 추가하는 것을 생각할 수 있다.
본 발명은 또한 전자 디바이스의 작동 동안에 냉각될 하나 이상의 소자를 갖는 전자 디바이스에 관한 것으로, 이 전자 디바이스는 본 발명에 따르는 냉각 시스템을 포함한다.
또한, 본 발명은 전자 콤포넌트의 냉각을 위한 밀폐 냉각 시스템의 용도에 관한 것이다. 그러한 콤포넌트는 가령 컴퓨터나 다른 전자 디바이스 내의 마이크로칩, CPU, 반도체 디바이스 등일 수 있다. 특히 전자 콤포넌트의 냉각 분야에서, 본 발명에 따르는 냉각 시스템은, 이것이 저소음 유닛이고, 기계적으로 이동 가능한 소자를 갖고 있지 않으며, 전자 콤포넌트가 방출하는 열에 의해서 자동으로 기동되기 때문에 유리하다.
"냉각 유체(cooling fluid)"란 표현은 냉각용으로 사용되는 유체를 말하며, 이것은 단일 유체나 2종 이상의 유체의 혼합물로 구성된다.
본 설명을 통해서, 단일 유체는 96 체적% 이상의 순도를 갖는 유체를 말한다.
또한, 냉각 시스템은 콘덴서로서 작동하도록 의도된 일부분 및/또는 라디에이터로서 작동하도록 의도된 일부분을 포함하는 하나 이상의 발열부를 포함할 수 있는 것을 주목해야 한다. 그러한 경우에, 발열부는 직렬이나 병렬로, 또는 그들의 조합으로 배열할 수 있다.
냉각 시스템의 부분들은 단단한 파이프나 튜브, 또는 그들의 설계에 따라서, 또는 그들의 재질에 따라서 유연한 파이프로 제조할 수 있다. 또한, 하나 이상의 중공 부재는 가령, 둥근형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 또는 이들의 조합 같은 적절한 임의의 형상으로 만들 수 있으며, 하나 이상의 중공 부재의 내부 체적은 단일 챔버로 구성하거나 다수의 챔버로 나누어 구성할 수도 있다.
도면에서 수열부(들)은 사각형으로 도시되어 있으나, 어떤 수열부는 가령, 둥근형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 또는 이들의 조합 같은 상이한 형상을 가질 수 있다. 수열부(들)은 접촉면을 갖는 것이 바람직하며, 이것은 수열부(들)의 형상에 맞게 적용된다. 전형적으로, 접촉면은 평탄면이다. 수열부(들)의 접촉면은 발열 소자(들)와 접촉하는 수열부의 열교환면의 일부분인 점을 주목해야 한다.
전형적으로, 열전달을 증대시키기 위해서 수열부(들)의 접촉면과 발열 소자(들) 사이에는 열전도 페이스트 또는 열전도 패드가 배치된다.
수열부(들)의 내부는 냉각 유체와 수열부(들) 간의 접촉면적을 증대시키기 위해서 핀, 리브, 봉 등을 구비할 수 있다. 이들 접촉면적 증대 요소는 납땜된 요소일 수 있으며, 또는 소결, 주조, 프레스 가공, 압출, 또는 칩 절단에 의해 제조할 수 있다.
발열부(들)의 내부는 냉각 유체와 발열부(들) 간의 접촉면적을 증대시키기 위해서 핀, 리브, 봉 등을 구비할 수 있다. 이들 접촉면적 증대 요소는 납땜된 요소일 수 있으며, 또는 소결, 주조, 프레스 가공, 압출, 또는 칩 절단에 의해 제조할 수 있다.
발열부(들)의 외부는 주위와 발열부(들) 간의 접촉면적을 증대시키기 위해서 핀, 리브, 봉 등을 구비할 수 있다. 이들 접촉면적 증대 요소는 납땜된 요소일 수 있으며, 또는 소결, 주조, 프레스 가공, 압출, 또는 칩 절단에 의해 제조할 수 있다.
본 발명에 따르는 냉각 시스템은 저소음 냉각이 필요한 곳, 가령, 휴대형이나 고정식 컴퓨터, 전자기기, 오버헤드 프로젝터, 비머(beamer; PC와 접속가능한 프로젝터), 공기조화 시스템 등에 유리하게 채용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 개략적인 측면도이다.
도 2는 도면의 평면에 대해 수직인 축 둘레로 약 90° 시계방향으로 회전시 킨 도 1의 냉각 시스템의 개략적인 측면도이다.
도 3은 도면의 평면에 대해 수직인 축 둘레로 약 180° 시계방향으로 회전시킨 도 1의 냉각 시스템의 개략적인 측면도이다.
도 4는 도면의 평면에 대해 수직인 축 둘레로 약 270° 시계방향으로 회전시킨 도 1의 냉각 시스템의 개략적인 측면도이다.
도 5는 도면의 평면에 대해 수직인 축 둘레로 약 315° 시계방향으로 회전시킨 도 1의 냉각 시스템의 개략적인 측면도이다.
도 6은 도 2의 냉각 시스템을 도시하는 것으로, 시스템의 액체 레벨이 변경되는 것을 보이는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 2실시예의 개략적인 측면도이다.
도 8은 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 3실시예의 개략적인 측면도이다.
도 9은 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 4실시예의 개략적인 측면도이다.
도 10은 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 5실시예의 개략적인 측면도이다.
도 11은 도면의 평면에 대해 수직인 축 둘레로 약 180° 시계방향으로 회전시킨 도 10의 냉각 시스템의 개략적인 측면도이다.
도 12는 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 6실시예의 개략적인 측면도이다.
도 13은 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 7실시예의 개략적인 측면도이다.
도 14는 도면의 평면에 대해 수직인 축 둘레로 약 180° 시계방향으로 회전시킨 도 13의 냉각 시스템의 개략적인 측면도이다.
도 15는 도 13의 냉각 시스템과 유사한 실시예의 대략적인 측면도이다.
도 16은 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 8실시예의 개략적인 측면도이다.
도 17은 도면의 평면에 대해 수직인 축 둘레로 약 45° 시계방향으로 회전시킨 도 16의 냉각 시스템의 개략적인 측면도이다.
도 18은 냉각 팬을 갖는 본 발명에 따르는 냉각 시스템을 보이는 도면이다.
도 19는 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분의 개략도이다.
도 20은 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분의 다른 실시예를 보이는 도면이다.
도 21은 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 실시예를 보이는 단면 사시도이다.
도 22는 전자 콤포넌트의 냉각을 위해 PC에 채용된 본 발명에 따르는 냉각 시스템을 보이는 도면이다.
도 23은 도 1에 도시한 실시예에 대해 얻어진 시험 결과를 보이는 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도면의 다른 실시예에서 동일한 요소는 동일 참조번호로 표시하며, 하나의 도면과 연관지어 설명한 요소는 다른 도면과 관련해서 추가로 설명하지 않을 수도 있다.
도 1 내지 5는 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 개략적인 측면도이다. 도 1은 제 1작동 각도 배향에 있는 냉각 시스템을 도시하고, 도 2는 제 2작동 각도 배향에 있는 냉각 시스템을 도시하고, 도 3은 제 3작동 각도 배향에 있는 냉각 시스템을 도시하고, 도 4는 제 4작동 각도 배향에 있는 냉각 시스템을 도시하고, 도 5는 제 5작동 각도 배향에 있는 냉각 시스템을 도시한다. 도 2는 도면의 평면에 대해 수직인 축 둘레로 약 90° 시계방향으로 회전시킨 도 1의 냉각 시스템을 도시하고, 도 3은 도면의 평면에 대해 수직인 축 둘레로 약 180° 시계방향으로 회전시킨 도 1의 냉각 시스템을 도시하고, 도 4는 도면의 평면에 대해 수직인 축 둘레로 약 270° 시계방향으로 회전시킨 도 1의 냉각 시스템을 도시하고, 도 5는 도면의 평면에 대해 수직인 축 둘레로 약 315° 시계방향으로 회전시킨 도 1의 냉각 시스템을 도시한다.
도 1은 제 1작동 각도 배향에서의 본 발명에 따르는 냉각 시스템(100)을 나타낸다. 냉각 시스템(100)은 냉각 유체(2)의 순환에 의해서 작동되며 적어도 하나의 발열소자(도시 생략)로부터 열(Qin)을 수용하기 위한 제 1수열부(4), 및 주위로 열(Qout)을 방출하기 위한 발열부(6)를 갖는 중공부재(3)를 포함한다. 중공부재(3)는 실질적으로 냉각 유체(2)로 충전된다. 액체 형태(8)의 냉각 유체(2)는 수평 점선으로 도시하는 한편, 시스템 내의 액체 레벨(10) 위에 있는 원이나 타원 및 중공부재 공간은 기체 형태(12)를 나타낸다. 또한, 시스템은 제 1부분(14) 및 제 2부분(16)을 포함한다. 제 1작동 각도 배향에서 제 1부분(14)은 제 1수열부(4)로부터 발열부(6)로 액상 및 기상의 냉각 유체를 이동시킨다. 화살표는 냉각유체의 유동 방향을 나타낸다.
제 1수열부(4)는 관형상의 제 1부분(14)에 연결된 제 1포트(17a)와 관형상의 제 2부분(16)에 연결된 제 2포트(17b)를 갖는 밀폐체를 형성한다. 제 1작동 각도 배향에서, 제 1포트(17a)는 제 1수열부(4)로부터의 냉각 유체용 출구로서 기능하며 제 2포트(17b)는 제 1수열부(4)내로의 냉각 유체용 입구로서 기능한다.
이 실시예에 있어서, 냉각 유체는 상이한 비등점을 갖는 2종의 유체를 포함한다. 제 1유체는 낮은 비등점을 가지며, 제 2유체는 높은 비등점을 갖는다. 제 1유체는 발열소자의 냉각용으로 적절한 비등점을 갖는 것으로 선택된다. 이 실시예에 있어서, 제 1냉각 유체는 에탄올이고 제 2유체는 물이다. 낮은 비등점을 갖는 제 1유체가 원하는 온도에서 비등하도록, 밀폐 냉각 시스템 내의 압력은 가령, 시스템의 제조 동안에 조절된다.
냉각 시스템은, 이 시스템의 냉각 유체(2)를 가열하는 제 1수열부(4)에 공급된 열 에너지(Qin)를 수용한다. 냉각 유체(2)가 제 1유체의 비등점 온도에 도달하면, 주로 낮은 비등점을 갖는 제 1유체인 냉각 유체의 일부는 증발한다. 증발된 냉각 유체(2)는 버블 형태로 제 1부분(14)내로 유동한다. 제 1부분(14)에서, 그리고 대체로 버블 펌프로서 기능하는 부분에서, 수열부(들)에서 액체 형태인 냉각 유체의 가열 동안에 생성된 버블은, 버블 펌프로서 기능하는 부분의 단면까지 실질적으로 충전하는 보다 큰 버블과 결합함으로써, 버블 펌프로서 기능하는 부분에서 상방으로 버블 위까지 액체를 밀어올린다.
증발된 (즉, 기상의) 냉각 유체 및 가열된 액상의 냉각 유체를 포함하는 냉각 유체는 제 1출구(18)를 통해서 제 1부분(14)을 떠나간다. 제 1출구(18)는 시스템 내의 제 1액체 레벨(10) 위에 존재함으로써, 버블 펌프로서 기능하는 부분 내로 냉각 유체의 역류는 회피된다. 발열부(6)는 콘덴서(20)로서 작동하도록 적용된 일부분 및 라디에이터(22)로서 작동하도록 적용된 일부분을 포함한다. 증발된 냉각 유체(12)는 콘덴서로서 작동하도록 적용된 부분에서 응축되며, 응축된 냉각유체(23)는 추가로 냉각된다. 냉각 유체(8)는 라디에이터(22)로서 작동하도록 적용된 부분에서 냉각된다.
주위로 방출된 열(Qout)은 증발된 냉각 유체의 응축에 의한 에너지 및 액상 냉각 유체의 냉각에 의한 에너지의 합이다.
냉각 시스템의 평형 상태에서, 시스템이 받는 열(Qin)은 라디에이터 및/또는 콘덴서로서 작동하도록 적용된 부분을 포함하는 발열부가 주위로 방출하는 열(Qout)과 동일하다.
냉각 유체(2)는 제 2부분(16)을 통해서 발열부(6)로부터 제 1수열부(4)내로 유동한다. 그러므로, 제 1부분(14)은, 이 제 1부분(14)을 통해서 제 1수열부(4)로부터 발열부(6)로의 액체 및 기체 형태인 냉각 유체의 유동을 생성하는 버블 펌프로서 기능하며, 냉각 유체(2)는 제 2부분(16)을 통해서 제 1수열부(4)로 복귀된다. 응축된 냉각 유체(23)는 제 1수열부(4)로 재유입되기 전에 액상의 냉각 유체(16)와 혼합된다.
발열부(6)의 외측 부분은 주위와의 열교환 증대를 위해 리브나 핀(24)을 구 비한다. 또한, 발열부(6)의 내부뿐만 아니라, 제 1수열부(4)의 내부는 열교환 증대를 위해 리브, 핀, 봉 등을 구비할 수 있다.
도 2에서, 냉각 시스템(100)은 제 2작동 각도 배향에 있다. 제 2작동 각도 배향은 도면의 평면에 대해서 수직인 축, 즉 전형적으로 수평축 둘레로 약 90°시계방향으로 도 1의 냉각 시스템(100)을 회전시켜서 얻은 것이다. 제 2작동 각도 배향에서 제 2부분(16)은 제 1수열부(4)로부터 발열부(6)까지 액상 및 기상의 냉각 유체를 이동시키기 위한 버블 펌프로서 기능하도록 적용된다. 제 2부분(16)은 제 2작동 각도 배향에서 시스템의 액체 레벨(10) 위에 존재하는 제 2출구(26)를 갖는다. 이 작동 각도 배향에서 제 1부분(14)은 제 1수열부(4)에 대한 입구 파이프로서 작동한다.
제 2작동 각도 배향에서, 제 1포트(17a)는 제 1수열부(4)내로의 냉각 유체용 입구로서 기능하며, 제 2포트(17b)는 제 1수열부(4)로부터의 냉각 유체용 출구로서 기능한다.
제 1작동 각도 배향에서 콘덴서로서 기능하는 A로 표시한 일부분은 제 2작동 각도 배향에서 라디에이터로 기능하는 한편, 제 1작동 각도 배향에서 라디에이터로 기능하는 B로 표시한 일부분은 제 2작동 각도 배향에서 콘덴서로서 기능하는 것을 주목해야 한다.
도 3에서 냉각 시스템(100)은 제 3작동 각도 배향에 있다. 제 3작동 각도 배향은 도면의 평면에 대해서 수직인 축 둘레로 약 180°시계방향으로 도 1의 냉각 시스템(100)을 회전시켜서 얻은 것이다. 제 3작동 각도 배향에서 제 2부분(16)은 제 1수열부(4)로부터 발열부(6)까지 액상 및 기상의 냉각 유체를 이동시키기 위한 버블 펌프로서 기능하도록 적용된다. 제 2출구(26)는 제 3작동 각도 배향에서 시스템의 액체 레벨(10) 위에 존재한다. 이 작동 각도 배향에서 제 1부분(14)은 제 1수열부(4)에 대한 입구 파이프로서 작동한다.
제 1작동 각도 배향에서 콘덴서로서 기능하는 A로 표시한 일부분은 제 3작동 각도 배향에서 라디에이터로 기능하는 한편, 제 1작동 각도 배향에서 라디에이터로 기능하는 B로 표시한 일부분은 제 3작동 각도 배향에서도 라디에이터로 기능하는 것을 주목해야 한다.
도 4에서 냉각 시스템(100)은 제 4작동 각도 배향에 있다. 제 4작동 각도 배향은 도면의 평면에 대해서 수직인 축 둘레로 약 270°시계방향으로 도 1의 냉각 시스템(100)을 회전시켜서 얻은 것이다. 제 4작동 각도 배향에서 제 1부분(14)은 제 1수열부(4)로부터 발열부(6)까지 액상 및 기상의 냉각 유체를 이동시키기 위한 버블 펌프로서 기능하도록 적용된다. 제 1출구(18)는 제 4작동 각도 배향에서 시스템의 액체 레벨(10) 위에 존재한다. 이 작동 각도 배향에서 제 2부분(16)은 제 1수열부(4)에 대한 입구 파이프로서 작동한다.
제 1작동 각도 배향에서 콘덴서로서 기능하는 A로 표시한 일부분은 제 4작동 각도 배향에서 라디에이터로 기능하는 한편, 제 1작동 각도 배향에서 라디에이터로 기능하는 B로 표시한 일부분은 제 4작동 각도 배향에서도 라디에이터로 기능하는 것을 주목해야 한다.
도 5에서 냉각 시스템(100)은 제 5작동 각도 배향에 있다. 제 5작동 각도 배 향에서 제 1부분(14)은 제 1수열부(4)로부터 발열부(6)까지 액상 및 기상의 냉각 유체를 이동시키기 위한 버블 펌프로서 기능하도록 적용된다. 제 1출구(18)는 제 5작동 각도 배향에서 시스템의 액체 레벨(10) 위에 존재한다. 이 작동 각도 배향에서 제 2부분(16)은 제 1수열부(4)에 대한 입구 파이프로서 작동한다.
도 6은 도 2에 도시한 바와 같이 제 2작동 각도 배향에 있는 냉각 시스템(100)을 나타낸다. 시스템의 액체 레벨(10)이 높으므로, 액상의 냉각 유체는 중공부재의 부피 비로 보다 큰 백분율을 차지한다.
도 7은 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 2실시예(110)의 개략적인 측면도이다. 제 2실시예 역시 도 1 내지 5에 도시한 냉각 시스템(100)과 같이 도면의 평면에 수직인 축 둘레로 회전했을 때 작동될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 3실시예(120)의 개략적인 측면도이다. 제 3실시예 역시 도 1 내지 5에 도시한 냉각 시스템(100)과 같이 도면의 평면에 수직인 축 둘레로 회전했을 때 작동될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 4실시예(130)의 개략적인 측면도이다. 이 실시예에 있어서, 상이한 작동 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분(14, 16)은 실질적으로 직선 튜브이다.
도 10-11은 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 5실시예(140)의 개략적인 측면도이다. 도 11은 도면의 평면에 수직인 축 둘레로 180° 시계방향으로 회전시킨 도 10의 냉각 시스템을 나타낸다.
도 12는 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 6실시예(150)의 개략적인 측면 도이다. 도 12의 실시예는 제 1수열부(4)와 제 2수열부(28)를 포함한다. 제 2수열부(28)는 제 1수열부(4)의 상류에 연결되어 있으나, 제 1수열부(4)의 하류에 연결될 수도 있다. 이 실시예는 다른 실시예와 마찬가지로 다단 각도 배향에서 작동할 수 있다.
도 13-14는 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 7실시예(160A)의 개략적인 측면도이다. 도 14는 도면의 평면에 수직인 축 둘레로 180° 시계방향으로 회전시킨 도 13의 냉각 시스템을 나타낸다.
도 13-14의 냉각 시스템은 출구(32)를 갖는 제 3부분(30)을 추가로 포함한다. 도 13에 도시한 바와 같이 제 1작동 각도 배향에서 제 1부분(14)은 제 1수열부(4)로부터 발열부(6)까지 액상 및 기상의 냉각 유체를 이동시키기 위한 버블 펌프로서 기능한다. 제 2부분(16)과 제 3부분(30)은 제 1수열부(4)에 대한 입구 파이프로서 작동한다. 도 14에 도시한 바와 같이 제 2작동 각도 배향에서 제 2부분(16) 및 제 3부분(30)은 제 1수열부(4)로부터 발열부(6)까지 액상 및 기상의 냉각 유체를 이동시키기 위한 버블 펌프로서 기능한다. 제 1부분(14)은 제 1수열부에 대한 입구 파이프로서 작동한다. 출구(26, 30)는 액체 레벨(10) 위에 존재한다. 제 1수열부(4)는 제 3포트(31)를 포함한다.
도 15는 도 13-14의 실시예와 유사한 냉각 시스템의 실시예(160B)를 나타낸다. 제 3부분(30)은 도시한 각도 배향에서 제 1수열부(4)로부터 발열부(6)까지 액상 및 기상의 냉각 유체를 이동시키기 위한 버블 펌프로서 기능한다. 제 1부분(14) 및 제 2부분(16)은 제 1수열부(4)에 대한 입구 파이프로서 작동한다.
도 16-17은 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 제 8실시예(170)의 개략적인 측면도이다. 도 17은 도면의 평면에 수직인 축 둘레로 45° 시계방향으로 회전시킨 도 16의 냉각 시스템을 나타낸다.
도 16-17의 냉각 시스템은 출구(36)를 갖는 제 4부분(34)을 추가로 포함한다. 도 16에 도시한 바와 같이 제 1작동 각도 배향에서 제 1부분(14)은 제 1수열부(4)로부터 발열부(6)까지 액상 및 기상의 냉각 유체를 이동시키기 위한 버블 펌프로서 기능한다. 제 2부분(16), 제 3부분(30), 및 제 4부분(34)은 제 1수열부(4)에 대한 입구 파이프로서 작동한다. 도 17에 도시한 바와 같이 제 2작동 각도 배향에서 제 1부분(14) 및 제 3부분(30)은 제 1수열부(4)로부터 발열부(6)까지 액상 및 기상의 냉각 유체를 이동시키기 위한 버블 펌프로서 기능한다. 제 2부분(16) 및 제 4부분(34)은 제 1수열부에 대한 입구 파이프로서 작동한다.
도 16의 냉각 시스템(170)이 도면의 평면에 대해 수직인 축 둘레로 회전하면, 회전 각도에 따라서 상이한 부분은 제 1수열부(4)로부터 발열부(6)까지 액상 및 기상의 냉각 유체를 이동시키기 위한 버블 펌프로서 기능하게 된다. 예를 들면, 제 3부분(30)은 냉각 시스템(170)이 약 90°시계방향으로 회전하면 버블 펌프로서 기능하고, 제 3부분(30) 및 제 2부분(16)은 냉각 시스템이 약 135°시계방향으로 회전하면 버블 펌프로서 기능하고, 제 2부분(16)은 냉각 시스템이 약 180°시계방향으로 회전하면 버블 펌프로서 기능하고, 제 2부분(16) 및 제 4부분(34)은 냉각 시스템이 약 225°시계방향으로 회전하면 버블 펌프로서 기능하고, 제 4부분(34)은 냉각 시스템이 약 270°시계방향으로 회전하면 버블 펌프로서 기능하며, 제 4부 분(34) 및 제 1부분(14)은 냉각 시스템이 약 315°시계방향으로 회전하면 버블 펌프로서 기능한다.
도 18은 냉각 시스템 상에 강한 대류를 생성하기 위해 장착한 팬을 갖는 본 발명에 따르는 냉각 시스템을 나타낸다. 이 팬은 레이디얼 팬으로 발열부(6) 내에 장착될 수 있다.
도 19는 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분의 개략도이다. 이 부분은 가령 약 15°, 약 30°, 약 45°, 약 60°, 약 75°, 및 약 90°와 같이 0°내지 115°의 범위일 수 있는 각도(α)로 만곡될 수 있다. 만곡된 부분은 실질적으로 직선부분보다 광범위한 각도의 배향에서 버블 펌프로서 기능할 수 있다.
도 20은 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 부분의 다른 실시예를 나타낸다. 이 부분의 일부분은 x축에 평행한 축을 따라서 거의 직선으로 연장된다. 또한, 이 부분의 다른 일부분은 y축에 평행한 축을 따라 거의 직선으로 연장되며, y축은 x축에 대해 수직이다. 마지막으로, 이 부분의 또 다른 일부분은 z축을 따라서 거의 직선으로 연장되며, z축은 x축과 y축에 대해 수직이다. x, y, 및 z축을 따라서 부분적으로 연장되는 부분은, 이 부분의 어떤 배향에서도 하나 이상의 일부분이 실질적으로 수직인 방향으로 연장되기 때문에, 버블 펌프로서 기능하는 부분의 광범위한 각도 작동 공간을 제공한다.
도 21은 본 발명에 따르는 냉각 시스템의 실시예에 대한 단면 사시도이다. 제 1수열부(4)의 내부는 시스템 내의 냉각 유체와 우수한 열 접촉을 보증하기 위한 봉(38)을 구비한다. 이 봉은 양단에서 수열부(4)의 내부면과 접촉할 수 있다.
도 22는 고정식 컴퓨터의 작동 동안 및 작동 후에, 마이크로칩, CPU, 반도체 디바이스, PSU 등과 같은 전자 콤포넌트의 냉각을 위해 고정식 컴퓨터(40)에서 채용한 본 발명에 따르는 냉각 시스템(180)을 나타낸다. 여기에서, 고정식 컴퓨터 내의 CPU(42)는 냉각 시스템(180)에 의해서 냉각된다.
도 23은 도 1에 도시한 실시예에 관해서 얻은 테스트 결과를 나타낸다. 1.50㎠의 수열면 상에 100W 및 150W를 발생하는 발열 소자를 본 발명에 따르는 냉각 시스템으로 냉각하였다. 온도 및 생성된 가열 동력(heat power)의 대응하는 값의 측정은 데이터 포인트(A)로서 점으로 나타냈다. 냉각 시스템은 100W 및 150W에서 73°인 인텔의 히트 설계 동력 이하의 온도까지 발열 소자를 냉각시킬 수 있음을 알 수 있다. 점으로 나타낸 바와 같이, 150W 가열 동력은 1.50㎠의 표면으로부터 제거되었으며, 이는 55℃의 온도에서 100W/㎠의 열 밀도에 상응한다. 저소음 강력 냉각이 적용되었다. 냉각 시스템에서 발생한 소음은 30㏈(A) 이하였다. 생성된 150W 가열 동력에서 0.21℃/W의 열 저항이 얻어졌다.
상이한 도면에 도시한 상이한 실시예에 대한 임의의 특징은 필요시에 조합할 수 있음을 이해해야 한다.
수평축에 관한 시스템의 각도 배향에 대해 개선된 유연성을 갖는 냉각 유체의 순환류 생성용 버블 펌프를 갖는 냉각 시스템을 제공한다.

Claims (18)

  1. 순환 및 증발하는 냉각 유체에 의해 하나 이상의 발열 소자를 냉각하기 위한 밀폐 냉각 시스템에 있어서,
    하나 이상의 발열 소자로부터 열을 수용하기 위한 제 1수열부와;
    수열부에 의해 흡수한 열을 주위로 방출하기 위한 발열부와;
    제 1수열부와 발열부를 연결하는 관형상의 제 1부분으로, 시스템의 제 1각도 배향에서,
    제 1수열부의 하류에 배치되어 제 1수열부를 통해서 시스템 내에 유체 유동을 생성하기 위한 제 1버블 펌프로서 기능하도록 적용된 관형상의 제 1부분과;
    제 1수열부와 발열부를 연결하는 관형상의 제 2부분으로, 시스템의 제 2각도 배향에서,
    제 1수열부의 하류에 배치되어 제 1수열부를 통해서 시스템 내에 유체 유동을 생성하기 위한 제 2버블 펌프로서 기능하도록 적용된 제 2부분;
    을 포함하는, 냉각 유체의 유동을 촉진하는 하나 이상의 중공 부재를 포함하는 냉각 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 중공 부재는 시스템의 제 3각도 배향에서, 시스템 내에 유체 유동을 생성하기 위한 제 3버블 펌프로서 기능하도록 적용된 제 3부분을 포함하고, 이 제 3부분은 수열부의 하류에 배치되는 냉각 시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 하나 이상의 중공 부재는 시스템의 제 4각도 배향에서, 시스템 내에 유체 유동을 생성하기 위한 제 4버블 펌프로서 기능하도록 적용된 제 4부분을 포함하고, 이 제 4부분은 수열부의 하류에 배치되는 냉각 시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3항의 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 부분이 작동 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하도록 적용되는 냉각 시스템.
  5. 제 1항 내지 제 4항의 어느 한 항에 있어서, 제 2각도 배향은 제 1각도 배향에서 시스템을 수평축 둘레로 어떤 각도만큼 회전시킴으로써 얻어지는 냉각 시스템.
  6. 제 1항 내지 제 5항의 어느 한 항에 있어서, 시스템의 각각의 각도 배향에서 버블 펌프로서 기능하도록 적용된 하나 이상의 부분은 배향된 냉각 시스템 내의 액체 레벨 위에 출구를 갖는 냉각 시스템.
  7. 제 1항 내지 제 6항의 어느 한 항에 있어서, 발열부는 냉각 시스템의 하나의 작동 배향에서 라디에이터로서 작동하고 냉각 시스템의 다른 작동 배향에서 콘덴서로 작동하도록 적용되는 일부분을 포함하는 냉각 시스템.
  8. 제 1항 내지 제 7항의 어느 한 항에 있어서, 냉각 유체는 단일 유체로 이루어지는 냉각 시스템.
  9. 제 1항 내지 제 7항의 어느 한 항에 있어서, 냉각 유체는 상이한 비등점을 갖는 2종 이상의 유체를 포함하는 냉각 시스템.
  10. 제 1항 내지 제 9항의 어느 한 항에 있어서, 냉각 유체 중 제 1유체는 에탄올, 메탄올, 아세톤, 에테르, 및 프로판으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 냉각 시스템.
  11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 냉각 유체 중 제 2유체는 물, 메탄올, 에탄올, 아세톤, 및 글리콜로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 냉각 시스템.
  12. 제 1항 내지 제 11항의 어느 한 항에 있어서, 발열 소자는 제 1수열부에 통합되고 냉각 시스템 내의 냉각 유체와 직접 접촉하는 냉각 시스템.
  13. 제 1항 내지 제 12항의 어느 한 항에 있어서, 제 1수열부는 다수의 분리된 액체 챔버를 포함하는 냉각 시스템.
  14. 제 1항 내지 제 13항의 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 발열 소자를 수용하기 위한 제 2수열부를 추가로 포함하는 냉각 시스템.
  15. 제 1항 내지 제 14항의 어느 한 항에 있어서, 제 1수열부는 제 1포트와 제 2포트를 갖는 밀폐체를 형성하는 냉각 시스템.
  16. 제 15항에 있어서, 제 1포트는 제 1부분에 연결되고 제 2포트는 제 2부분에 연결되는 냉각 시스템.
  17. 전자 디바이스의 작동 중에 냉각되어야 할 하나 이상의 소자를 갖는 전자 디바이스로서, 제 1항 내지 제 16항의 어느 한 항에 따르는 냉각 시스템을 포함하는 전자 디바이스.
  18. 전자 콤포넌트의 냉각을 위한 제 1항 내지 제 16항의 어느 한 항에 따르는 냉각 시스템의 사용방법.
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