KR20100057038A - 상변화형 히트 스프레더, 유로 구조체, 전자 기기 및 상변화형 히트 스프레더의 제조 방법 - Google Patents

상변화형 히트 스프레더, 유로 구조체, 전자 기기 및 상변화형 히트 스프레더의 제조 방법 Download PDF

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히로유끼 나가이
히로유끼 료손
다까시 야지마
미쯔오 하시모또
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소니 주식회사
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Abstract

상변화형 히트 스프레더, 유로 구조체 및 이 상변화형 히트 스프레더를 구비한 전자 기기 이것에 사용되는 유로 구조체의 상변화에 의한 열효율을 향상시키고, 열저항을 저감시키기 위해, 홈(405)을 구성하는 벽면에 모세관 판재를 관통하는 복수의 개구(408)가 홈(405)의 길이 방향을 따라 배치되어 있는 모세관 판재(401) 내지 모세관 판재(404)를, 각 층의 홈(405)이 각각 직교하는 방향으로 연장되도록, X-Y 평면에서 90도씩 회전시켜 적층하고, 복수의 개구(408)는 수열판에서 받은 열에 의해 증발된 증기 냉매가 유통되는 기상 유로의 일부로서 기능하는 상변화형 히트 스프레더, 유로 구조체 및 이 상변화형 히트 스프레더를 구비한 전자 기기 이것에 사용되는 유로 구조체 등을 제공한다.

Description

상변화형 히트 스프레더, 유로 구조체, 전자 기기 및 상변화형 히트 스프레더의 제조 방법{PHASE CHANGE TYPE HEAT SPREADER, CHANNEL STRUCTURE, ELECTRONIC APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING PHASE CHANGE TYPE HEAT SPREADER}
본 발명은, 작동 유체의 상변화를 이용하여 열원으로부터의 열을 받아 확산시키는 상변화형 히트 스프레더, 이것에 사용되는 유로 구조체, 이 상변화형 히트 스프레더를 구비한 전자 기기 및 상변화형 히트 스프레더의 제조 방법에 관한 것이다.
종래부터, 열원의 열을 흡수하여 확산하는 디바이스로서, 솔리드형의 금속 히트 스프레더가 있다. 이러한 솔리드형의 금속 히트 스프레더는, 예를 들어 PC(Personal Computer)의 CPU(Central Processing Unit)에 열적으로 접속되어, CPU로부터의 열을 확산시킨다. 이 금속 히트 스프레더에는, 예를 들어 히트 싱크가 설치되고, 금속 히트 스프레더로부터 히트 싱크에 열이 전달되어 방열되는 것이 일반적이다.
그러나, 솔리드형의 금속 히트 스프레더에서는 그 열확산의 효율이 금속의 열전도에 의존하기 때문에, 그 열확산의 응답이 느리다고 하는 문제가 있다. 또한, 그 금속 히트 스프레더의 열확산면 내에 있어서의 온도의 편차가 있으므로 열원의 온도를 크게 내리는 것이 곤란하다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해, 종래부터 상변화형의 히트 스프레더가 제안되고 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 이 특허 문헌 1에 기재된 히트 스프레더는, 수열 플레이트(3), 방열 플레이트(4), 가는 홈 플레이트(5) 및 굵은 홈 플레이트(6)가 적층되어 구성되어 있다. 수열 플레이트(3)가 발열체(2)로부터의 열을 받아, 밀폐 용기(1) 내의 냉매가 비등한다. 그 증기는 주로 굵은 홈 플레이트(6)의 각 홈(6a)을 통하여 밀폐 용기(1) 내의 전체에 퍼져 밀폐 용기(1)의 내벽면에서 응축된다. 그 액화된 냉매는 수열 플레이트(3)에 배치된 가는 홈 플레이트(5)의 홈(5a)을 통하여 수열부에 공급된다. 이러한 냉매의 상변화에 의해 열이 히트 스프레더의 전체에 확산된다.
일본특허공개제11-31768호공보(단락[0015],도1내지도4)
특허 문헌 1의 히트 스프레더에서는, 증기의 냉매가 통과하는 홈(6a)과, 액체의 냉매가 통과하는 홈(5a)이 분리되어 있다. 즉, 증기 및 액체가 각각의 홈(6a 및 5a)을 통과하는 것이 상정되어 히트 스프레더가 구성되어 있다. 그러나, 열원에 의한 열부하가 큰 경우에 액체의 홈(5a)에도 증기가 유입된다. 일단, 증기는 체적을 넓히는 성질이 있으므로, 액체의 홈(5a)에 증기가 유입되면 그 홈(5a)에서 증기가 계속하여 퍼진다. 그렇게 되면, 작동 유체의 공급량이 감소되어 드라이 아웃을 발생시키는 결과가 된다.
이상과 같은 사정을 감안하면, 본 발명의 목적은, 상변화에 의한 열효율을 향상시키고, 열저항을 저감시킬 수 있는 상변화형 히트 스프레더, 유로 구조체 및 이 상변화형 히트 스프레더를 구비한 전자 기기 이것에 사용되는 유로 구조체를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 제조가 쉽고, 신뢰성이 높은 상변화형 히트 스프레더의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 상변화형 히트 스프레더는, 작동 유체의 상변화에 의해 열을 확산시키는 상변화형 히트 스프레더로서, 수열측과, 상기 수열측에 대향하여 설치된 방열측을 갖는 컨테이너(밀폐 용기)와, 액상의 상기 작동 유체를 모세관력에 의해 유통시키는 벽면을 갖고, 상기 수열측으로부터 상기 방열측을 향하는 방향으로 적층되도록 상기 컨테이너 내에 형성된 복수의 유로와, 상기 복수의 유로를 연통하도록 상기 벽면을 관통하는 개구를 갖고, 상기 수열측에서 받은 열에 의해 증발된 기상의 상기 작동 유체가, 상기 개구를 유통하여 상기 방열측을 향하도록, 상기 기상의 작동 유체를 유통시키는 기상 유로를 구비한다.
본 발명에서는, 열원이 수열측에 열적으로 접속된다. 수열측에서 받은 열에 의해 작동 유체가 증발된다. 그 기상의 작동 유체는 복수의 유로끼리를 관통하는 개구를 통하여 수열측으로부터 방열측을 향하도록 유통된다. 기상의 작동 유체가 방열측에 가까운 측에 도달하면 응축되어, 그 액상의 작동 유체는 복수의 유로를 모세관력에 의해 유통된다.
본 발명은, 상기 특허 문헌 1과 같이 액상과 기상의 작동 유체 각각의 유로를 구조적으로 분리하는 것이 아니다. 본 발명은, 기상 및 액상의 작동 유체가 혼재되는 것을 전제로 하고, 그들의 유통 방향을 제어한다는 기본적인 사고 방식에 기초하여 이루어진 것이다.
액상의 작동 유체는 수열측 및 방열측 사이의 평면 내에서 복수의 유로를 유통하는 한편, 기상의 작동 유체는 주로 복수의 유로보다 유로 저항이 작은 개구를 통하여 유통된다. 즉, 증발된 기상의 작동 유체의 대부분은 개구를 통하여 실질적으로 수직 방향을 향하며, 기상의 작동 유체가 복수의 유로를 유통하는 양은 적다. 따라서, 복수의 유로를 유통하는 액상의 작동 유체의 유통을 저해하는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 상변화에 의한 열효율을 향상시키고, 열저항을 저감시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기상 유로는 상기 방열측과 상기 복수의 유로 사이에 형성된, 상기 개구를 통하여 상기 복수의 유로와 연통하는, 상기 기상의 작동 유체가 응축되는 응축 영역을 갖는다. 이에 의해, 수열측에 가까운 측으로부터 개구를 빠져나간 기상의 작동 유체는 응축 영역에서 응축되어 효율적으로 방열할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상변화형 히트 스프레더는, 상기 응축 영역에서 응축된 상기 액상의 작동 유체를, 상기 복수의 유로로 되돌리는 리턴 유로를 더 구비한다. 전형적으로는, 리턴 유로는, 컨테이너의 수열측의 전체 중 열원의 온도가 가장 높은 위치(열원 중심)로부터 평면 방향으로 비교적 먼 위치에 배치된다.
본 발명에 있어서, 상기 응축 영역은, 상기 작동 유체를 제1 방향으로 유통시키는 복수의 제1 응축 유로를 갖는 제1 유로층과, 상기 작동 유체를 상기 제1 방향과는 서로 다른 제2 방향으로 유통시키는, 상기 제1 응축 유로와 연통하는 복수의 제2 응축 유로를 갖고, 상기 수열측으로부터 상기 방열측을 향하는 방향으로 상기 제1 유로층과는 다른 층인 제2 유로층을 포함한다. 즉, 제1 응축 유로끼리를 단락짓는 제1 벽과, 제2 응축 유로끼리를 단락짓는 제2 벽이 서로 다른 방향이 되고, 제1 벽과 제2 벽의 겹침 부분에 기둥 구조가 형성된다. 이에 의해, 외부로부터 상변화형 히트 스프레더에 가해지는 압축 응력에 견딜 수 있는 강도를 확보할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 벽과 제2 벽의 접합이 확산 접합됨으로써 인장 응력에도 견딜 수 있는 강도가 얻어진다. 인장 응력으로서는, 예를 들어 상변화형 히트 스프레더 내에서 작동 유체가 증발되어 내부 압력이 증가될 때에 상변화형 히트 스프레더에 가해지는 응력이다.
본 발명에 있어서, 상기 복수의 유로는, 상기 작동 유체를 제1 방향으로 유통시키는 복수의 제1 유로를 갖는 제1 유로층과, 상기 작동 유체를 상기 제1 방향과는 서로 다른 제2 방향으로 유통시키는 제2 유로를 갖고, 상기 수열측으로부터 상기 방열측을 향하는 방향으로 상기 제1 유로층과는 다른 층인 제2 유로층을 포함한다. 본 발명에 의해서도 제1 유로끼리를 단락짓는 제1 벽과, 제2 유로끼리를 단락짓는 제2 벽이 서로 다른 방향이 되고, 제1 벽과 제2 벽의 겹침 부분에 기둥 구조가 형성된다. 이에 의해, 상기한 바와 마찬가지로, 외부로부터의 압축 응력에 견딜 수 있는 강도를 확보할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서도, 제1 벽 및 제2 벽의 접합이 확산 접합됨으로써 인장 응력에 대한 강도에 관하여 마찬가지의 효과가 얻어진다.
본 발명에 있어서, 상기 기상 유로는, 상기 복수의 유로가 적층되는 방향으로 상기 개구가 배열되도록 상기 개구를 복수 갖는다. 이에 의해, 기상의 작동 유체가 복수의 유로의 적층 방향으로 복수의 개구를 통하여 유통되기 쉬워져, 기상 유로의 유로 저항을 감할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 컨테이너의 수열측은, 상기 작동 유체의 주입구와, 상기 복수의 유로 중 적어도 1개의 유로와 상기 주입구를 연통하는 주입로와, 상기 작동 유체의 상기 주입구 및 상기 주입로를 통한 상기 복수의 유로에의 주입 후에, 상기 수열측에 압력을 가하여 상기 주입로를 막기 위한 가압 영역을 갖고, 상기 상변화형 히트 스프레더는, 상기 가압 영역에 대응하는 위치에, 상기 복수의 유로의 적층 방향으로 세워 설치하는 기둥부를 더 구비한다. 이에 의해, 상변화형 히트 스프레더의 제조 시에 작동 유체가 복수의 유로 내에 주입된 후, 주입로가 가압되어 막힐 때에 수열측의 기둥부 위의 위치가 가압된다. 이에 의해, 복수의 유로나, 기상 유로가 그 가압력에 의해 찌부러져 막히는 것을 피할 수 있다.
주입로에 대응하는 위치에, 복수의 유로나 기상 유로가 형성되지 않도록, 수열측에 있어서의 주입로 위에 전용의 가압 영역이 형성되는 구조로 하는 것도 가능하다. 그러나, 이와 같은 전용의 가압 영역에 대응하는 위치에는 복수의 유로나 기상 유로가 없기 때문에, 그 가압 영역은 열확산의 기능이 낮은 영역으로 된다. 본 발명에 따르면, 기둥부의 주위에는 복수의 유로나 기상 유로가 배치되기 때문에, 실질적으로 상변화형 히트 스프레더의 전체면에 있어서 열확산의 효율을 높일 수 있다.
수열측 대신에, 방열측이, 상기 주입구 및 주입로를 갖고 있어도 좋다.
본 발명에 있어서, 상기 복수의 유로에 있어서의, 상기 복수의 유로의 적층 방향에서의 높이는 10 내지 50㎛이다. 이에 의해, 액상의 작동 유체에 최적의 모세관력을 발생시킬 수 있다. 높이가 10㎛보다 낮으면, 액상의 작동 유체의 유통량이 저하되어, 열효율이 저하된다. 높이가 50㎛보다 높으면, 작동 유체에 소기의 모세관력이 작용하지 않아 열효율이 저하된다. 특히, 본 발명은 전형적으로는 작동 유체가 순수나 에탄올인 경우에 적용되는 경우가 많다.
본 발명에 있어서, 상변화형 히트 스프레더는, 상기 복수의 유로를 구성하는 제1 구성 부재와, 상기 기상 유로를 구성하는 제2 구성 부재를 더 구비하고, 상기 컨테이너, 상기 제1 구성 부재 및 상기 제2 구성 부재 중 적어도 하나가 동으로 이루어진다.
본 발명의 다른 관점에 관한 상변화형 히트 스프레더는, 작동 유체의 상변화에 의해 열을 확산시키는 상변화형 히트 스프레더로서, 수열판과, 상기 수열판에 대향하여 설치된 방열판과, 상기 수열판으로부터 상기 방열판을 향하는 방향으로 적층된 복수의 제1 판재로서, 액상의 상기 작동 유체를 모세관력에 의해 유통시키는 제1 홈과, 상기 제1 홈끼리를 연통하도록 상기 제1 판재를 관통하는 개구를 각각 갖고, 상기 수열판에서 받은 열에 의해 증발된 기상의 상기 작동 유체를 상기 개구를 통하여 유통시키는 복수의 제1 판재와, 상기 개구를 유통한 상기 기상의 작동 유체를 유통시키는 제2 홈을 갖고, 상기 방열판과 상기 복수의 제1 판재 사이에 설치된 제2 판재를 구비한다.
본 발명에서는, 열원이 수열판에 열적으로 접속된다. 수열판에서 받은 열에 의해 작동 유체가 증발된다. 그 기상의 작동 유체는 제1 홈끼리를 연통하도록 제1 판재를 관통하는 개구를 통하여 유통된다. 기상의 작동 유체가 방열판에 가까운 측에 도달하면 응축되어, 그 액상의 작동 유체는 제1 홈을 모세관력에 의해 유통된다.
또한, 상변화형 히트 스프레더의 설계 시에 있어서, 제1 판재의 매수가 적절히 설정됨으로써 열원이 발생하는 열량에 맞춘 최적의 상변화형 히트 스프레더를 설계할 수 있다.
제2 판재가 복수 설치되어도 좋다. 그 경우, 제2 판재의 매수는 제1 판재의 매수의 설정의 취지와 마찬가지로 설정되면 된다.
본 발명에 관한 유로 구조체는 수열판과, 상기 수열판에 대향하여 설치된 방열판과, 상기 수열판에서 받은 열에 의해 증발된 기상의 작동 유체를 유통시키는 홈을 갖는 판재를 구비한, 상기 작동 유체의 상변화에 의해 상기 수열판에서 받은 열을 확산시키는 상변화형 히트 스프레더에 사용되고, 상기 수열판 및 상기 판재의 사이에서 적층되는 유로 구조체로서, 상기 수열판 및 상기 방열판 사이의 평면 내에서 연장하도록 설치된 복수의 리브와, 상기 기상의 작동 유체가 상기 방열판을 향하도록 상기 기상의 작동 유체를 유통시키는, 상기 유로 구조체를 관통하는 개구를 갖고, 상기 복수의 리브 사이에 각각 설치된, 액상의 상기 작동 유체를 모세관력에 의해 유통시키는 벽면을 구비한다.
본 발명에 관한 전자 기기는, 열원과, 이 열원의 열을 확산시키는 상변화형 히트 스프레더를 구비한다. 이 상변화형 히트 스프레더는, 상기한 바와 같은 각 상변화형 히트 스프레더가 사용된다.
본 발명에 관한 상변화형 히트 스프레더의 제조 방법은, 작동 유체를 유통시키는 홈을 갖는 복수의 판재를 수열판과 방열판 사이에 끼우도록, 상기 수열판, 상기 복수의 판재 및 상기 방열판을 적층하고, 상기 적층된 상기 수열판, 상기 복수의 판재 및 상기 방열판을 확산 접합함으로써, 상기 홈에 대응한 상기 작동 유체의 유로를 형성하고, 상기 수열판 또는 상기 방열판에 형성된, 상기 유로에 연통하는 상기 작동 유체의 주입로를 통하여 상기 홈에 상기 작동 유체를 주입하고, 상기 작동 유체의 주입 후, 리플로우에 의해 상기 수열판에 열원을 접속하기 전에 상기 주입로를 막음으로써 상기 유로의 내부를 밀폐한다.
본 발명에서는, 수열판, 복수의 판재 및 방열판이 확산 접합되므로, 작동 유체의 주입 후, 리플로우에 의해 수열판에 열원이 접속되어도 문제없다. 즉, 리플로우 시에 유로 내에서 작동 유체가 증발되어 유로 내의 압력이 증가되었을 때에 이 상변화형 히트 스프레더에 가해지는 인장 응력에 견딜 수 있는 강도를 확보할 수 있다.
상기 강도가 낮은 경우, 리플로우 공정 후, 유로 내에 작동 유체를 주입하게 되어 있다. 즉, 리플로우 공정에서는 솔더링 등에 의해 수열판이나 복수의 판재 등의 온도가 높아지므로, 그 경우에 유로 내에 작동 유체가 있으면, 그 작동 유체의 증발에 의해 내부 압력이 증가되어 상변화형 히트 스프레더가 파괴되기 때문이다.
리플로우 공정과, 상변화형 히트 스프레더의 제조 공정은, 다른 장소(예를 들어 다른 공장 등)에서 행하여지는 경우도 있다. 따라서, 리플로우 후에 작동 유체가 주입되는 경우, 예를 들어 상변화형 히트 스프레더를 공장 사이를 왕복시킬 필요가 있어, 그에 의한 비용, 작업자의 노동력, 시간, 혹은 공장간 왕복 시에 발생하는 파티클의 문제 등이 있다. 본 발명에 따르면, 상변화형 히트 스프레더가 완성된 후에 리플로우하는 것이 가능해진다. 따라서, 본 발명에서는 그러한 문제를 해결할 수 있어, 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 상변화형 히트 스프레더에 따르면, 상변화에 의한 열효율을 향상시키고, 열저항을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 상변화형 히트 스프레더의 제조 방법에 따르면, 제조가 쉽고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 상변화형 히트 스프레더를 도시하는 평면도이다.
도 2는 그 상변화형 히트 스프레더에 열원이 접속된 상태의 당해 상변화형 히트 스프레더를 도시하는 측면도이다.
도 3은 상변화형 히트 스프레더의 분해 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 A-A선 단면 중 일부를 도시하는 단면도이다.
도 5는 수열판의 내측의 일부를 도시하는 사시도이다.
도 6은 2매 적층된 모세관 판재의 일부를 도시하는 사시도이다.
도 7은 모세관 판재군의 일부를 도시하는 평면도이다.
도 8은 도 7에 있어서의 B-B선 단면도이다.
도 9는 모세관 판재의 전체를 도시하는 평면도이다.
도 10은 2매 적층된 기상 판재의 일부를 도시하는 사시도이다.
도 11은 기상 판재의 전체를 도시하는 평면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 기상 판재와 페어가 되는 기상 판재의 전체를 도시하는 평면도이다.
도 13은 상변화형 히트 스프레더의 동작을 설명하기 위한 모식적인 도면이다.
도 14는 본 실시 형태에 관한 상변화형 히트 스프레더의 냉각 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 도 14의 실험으로 사용된 솔리드 타입의 히트 스프레더의 열확산 작용의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면 및 그래프이다.
도 16은 도 14의 실험으로 사용된 상변화형 히트 스프레더의 열확산 작용의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 17은 모세관 판재의 홈에 의한 모세관력과 유로 저항의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 상변화형 히트 스프레더를 도시하는 모식적인 단면도이다.
도 19는 도 18에 도시된 상변화형 히트 스프레더의 평면도이다.
도 20은 상기 상변화형 히트 스프레더에의 냉매의 주입 방법을 순서대로 도시한 모식도이다.
도 21은 상변화형 히트 스프레더의 제조 방법의 일 실시 형태를 나타내는 흐름도이다.
도 22는 상변화형 히트 스프레더의 리브의 다른 실시 형태를 도시하는 모식도이다.
도 23은 상변화형 히트 스프레더를 구비한 전자 기기로서, 랩탑형의 PC를 도시하는 사시도이다.
도 24는 본 발명자들이 본 실시 형태에 관한 상변화형 히트 스프레더를, 히트 파이프형(예를 들어 평형의 히트 파이프)과 같이 사용한 실험예를 도시하는 도면이다. (A)는 보텀 히트에서의 실험예, (B)는 톱 히트에서의 실험예를 나타낸다.
도 25는 도 24에 도시된 실험에 있어서, 상변화형 히트 스프레더의 경우와, 상변화형 히트 스프레더를 대신하여 솔리드 타입의 동판이 사용된 경우의 입력 열량과, 열원의 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 상변화형 히트 스프레더를 도시하는 평면도이다. 도 2는 그 상변화형 히트 스프레더(100)에 열원이 접속된 상태의 당해 상변화형 히트 스프레더(100)를 도시하는 측면도이다. 도 3은 상변화형 히트 스프레더(100)의 분해 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상변화형 히트 스프레더(100)는 수열판(500)과, 수열판(500)과 대향하여 설치된 방열판(200)과, 수열판(500) 및 방열판(200) 사이에서 적층된, 냉매(작동 유체)의 유로를 구성하는 복수의 유로 판재(600)를 구비하고 있다.
수열판(500)의 표면(501)에는 열원(50)이 열적으로 접속되어 있다. 열원(50)으로서는, 예를 들어 IC(Integrated Circuit)나 저항 등의 전자 부품, 혹은 그 밖의 발열하는 디바이스이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 유로 판재(600)는, 예를 들어 액상의 냉매(이하, 액 냉매라고 한다)를, 모세관력에 의해 유통시키는 것이 가능한 유로를 구성하는 복수의 모세관 판재(제1 판재, 유로 구조체, 제1 구성 부재)(400)를 포함한다. 또한, 복수의 유로 판재(600)는, 주로 증발된 기상의 냉매(이하, 증기 냉매라고 한다)를 유통시키는 기상 유로의 일부를 구성하는 복수의 기상 판재(300)(제2 판재, 제2 구성 부재)를 포함한다.
모세관 판재(400)의 매수는, 예를 들어 10 내지 30매, 전형적으로는 20매이다. 그러나, 수열판(500)에 열적으로 접속되는 열원(50)으로부터 발해지는 열량에 따라, 모세관 판재(400)의 매수는 적절히 변경 가능하고, 10 내지 30매에 한정되지 않는다. 기상 판재(300)의 매수는 예를 들어 1 내지 20매, 전형적으로는 8매이다. 기상 판재(300)에 대해서도, 모세관 판재(400)와 마찬가지의 취지로, 그 매수는 적절히 변경 가능하며 1 내지 20매에 한정되지 않는다.
도 4는, 도 1에 도시된 A-A선 단면 중 일부를 도시하는 단면도이다. 이 도 4에서는 설명을 이해하기 쉽게 하기 위해, 예를 들어 모세관 판재(400) 및 기상 판재(300)가 각각 4매씩(401 내지 404, 301 내지 304) 설치되어 있는 예를 나타내고 있다.
도 4에 있어서, 밑에서부터 순서대로 수열판(500), 복수의 모세관 판재(400)(이하, 모세관 판재군(410)이라고 한다), 복수의 기상 판재(300)(이하, 기상 판재군(310)이라고 한다), 방열판(200)이 적층되어 있다. 모세관 판재군(410) 중, 가장 하부에 있는 모세관 판재(404)가 수열판(500)에 접합되고, 가장 상부에 있는 모세관 판재(401)가 가장 하부에 있는 기상 판재(304)에 접합되어 있다. 가장 상부에 있는 기상 판재(301)가 방열판(200)에 접합되어 있다.
이후의 설명에서는, 모세관 판재(401 내지 404) 중, 그 구성이 동일한 부분에 대해서는 임의의 1매의 모세관 판재(400)에 대하여 설명하고, 그 경우 「모세관 판재(400)」라고 칭한다. 마찬가지로, 기상 판재(301 내지 304) 중 임의의 1매의 기상 판재(300)에 대하여 설명할 때는 「기상 판재(300)」라고 칭한다.
도 5는 수열판(500)의 내측의 일부를 도시하는 사시도이다. 수열판(500)의 내측(509)에는 복수의 홈(505)이 형성되어 있다. 홈(505)의 깊이는 10 내지 50㎛, 전형적으로는 20㎛ 정도로 되지만, 이 범위에 한정되지 않는다. 홈(505)의 깊이는 액 냉매에 적절한 모세관력이 작용하는 값으로 설정된다.
복수의 홈(505)이 형성됨으로써 각 홈(505) 사이에는 복수의 리브(506)가 형성된다. 이러한 리브(506)가 형성되는 것에 대해서는, 후술하는 모세관 판재(400), 기상 판재(300) 및 방열판(200)에 대해서도 마찬가지이다.
수열판(500)에는, 도시하지 않은 냉매의 주입로 및 주입구가 형성되어 있다. 이 주입로 및 주입구는 방열판(200)에 형성되어 있어도 좋다.
도 6은 예를 들어 2매 적층된 모세관 판재(400)의 일부를 도시하는 사시도이다. 도 7은 모세관 판재군(410)의 일부를 도시하는 평면도이며, 도 8은, 도 7에 있어서의 B-B선 단면도이다. 도 9는 모세관 판재(400)의 전체를 도시하는 평면도이다.
모세관 판재(400)의 표면에는 복수의 홈(제1 홈)(405)이 형성된다. 홈(405)의 깊이는 10 내지 50㎛, 전형적으로는 20㎛ 정도로 되지만, 이 범위에 한정되지 않는다. 홈(405)의 깊이는 액 냉매에 적절한 모세관력이 작용하는 값으로 설정된다.
또한, 도 9에 도시된 모세관 판재(400)에서는, 도면을 이해하기 쉽게 하기 위해 모세관 판재(400) 전체의 크기에 대하여, 홈(405) 등의 스케일을 크게 하여 도시하고 있다. 후술하는 도 11 및 도 12도 마찬가지의 취지이다.
모세관 판재(401) 내지 모세관 판재(404)는 각 층의 홈(405)이 각각 직교하는 방향으로 연장되도록 X-Y 평면에서 90도씩 회전시켜 적층되어 있다. 모세관 판재(400)의 홈(405)을 구성하는 벽면(430)(도 7, 도 8 참조)에는 모세관 판재(400)를 관통하는 복수의 개구(408)가, 홈(405)의 길이 방향(예를 들어 도 7에 있어서 X 방향)을 따라 배치되어 있다. 이 홈(405)을 구성하는 벽면(430)은 리브의 측면(431) 및 바닥면(432)에 의해 구성되어 있고, 이 중 바닥면(432)에 그 복수의 개구(408)가 형성되어 있다.
예를 들어 모세관 판재(401) 및 이것에 인접하는 모세관 판재(402)를 주목한다. 모세관 판재(401)의 홈(405)과 모세관 판재(402)의 홈(405)이 모세관 판재(401)의 개구(408)를 통하여 연통되도록, 모세관 판재(401 및 402)가 상대적으로 배치되어 접합되어 있다.
즉, 모세관 판재(402)의 리브(406)가 모세관 판재(401)의 개구(408)를 막지 않도록, 또한 모세관 판재(401)의 이면과 모세관 판재(402)의 리브(406)가 접합되도록, 모세관 판재(401 및 402)가 상대적으로 배치되어 접합되어 있다. 다른 모세관 판재(402와 403), 모세관 판재(403과 404) 각각의 상대적인 위치에 대해서도 마찬가지이다.
이들의 개구(408)는 수열판(500)에서 받은 열에 의해 증발된 증기 냉매가 유통되는 기상 유로의 일부로서 기능한다.
이들의 각 층의 개구(408)는 각 유로 판재(600)가 적층되는 방향(Z 방향)으로 배열되도록, 즉 그들의 개구면이 서로 대면하도록 배치되어 있다. 이에 의해, 증기 냉매가 Z 방향으로 배열된 개구(408)를 통하여 유통될 때의 유로 저항이 작아지고, 열효율이 향상된다. 그러나, 반드시 개구(408)는 Z 방향으로 배열되도록 배치되어 있지 않아도 되고, 어느 한 층의 개구(408)와 그것과 인접하는 층의 개구(408)가 다소 Y 방향 또는 X 방향으로 어긋나 배치되어 있어도 좋다.
다시 모세관 판재(401) 및 이것에 인접하는 모세관 판재(402)를 주목한다. 도 8에 도시된 바와 같이 모세관 판재(402)의 홈(405)을 구성하는 벽면(430)과, 이 벽면(430)의 바닥면(432)에 대면하는, 모세관 판재(401)의 이면측인 천장면(433)으로 둘러싸인 영역이, 주로 액 냉매의 모세관력에 의한 유로로서 기능한다. 단, 바닥면(432) 및 천장면(433)에는 개구(408)가 형성되어 있기 때문에, Z 방향으로 개구(408)에 의해 관통되는 영역은 증기 냉매의 유로로서 기능한다.
더욱 상세하게 설명하면 특히 벽면(430)의, 측면(431)과 바닥면(432)의 경계 및, 측면(431)과 천장면(433)의 경계에 있어서, 액 냉매에 모세관력이 가장 강하게 작용한다. 그 결과, 액 냉매는 도 7에 도시된 바와 같이 개구(408)를 피한 영역(440)을 유통하게 된다. 또한, 「벽면」의 개념에는 측면(431) 및 바닥면(432)뿐만 아니라, 천장면(433)도 포함되어도 좋다.
예를 들어, 모세관 판재(401)의 각 홈(405)이 제1 유로층으로서 기능하는 경우, 거기에 인접하는 모세관 판재(402)의 각 홈(405)이 제2 유로층으로서 기능한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 홈(405)의 폭(b)은 100 내지 200㎛이며, 리브(406)의 폭(c)은 50 내지 100㎛이며, 개구(408)의 직경(d)은 50 내지 100㎛이다. 그러나, 이들 범위에 한정되지 않고, 열원(50)의 열량 등에 따라 적절히 변경 가능하다.
개구(408)의 형상은 전형적으로는 원형이지만, 타원, 긴 구멍, 혹은 다각형 등, 어느 형상이든 상관없다.
도 10은, 예를 들어 2매 적층된 기상 판재(300)의 일부를 도시하는 사시도이다. 도 10에서는, 주로 기상 판재(301 및 302)를 주목하여 설명한다.
기상 판재(300)는, 전형적으로는 2종류의 판재로 구성된다. 도 11은 기상 판재(301)의 전체를 도시하는 평면도이다. 도 12는 기상 판재(302)의 전체를 도시하는 평면도이다. 기상 판재(301 및 302)에 공통되는 구성으로서는, Z 방향으로 관통하는 복수의 홈(제2 홈)(305)을 갖는 점이다. 홈(305)의 깊이는 50 내지 150㎛, 전형적으로는 100㎛ 정도로 되지만, 이 범위에 한정되지 않는다. 홈(305)의 깊이는 증기 냉매가 유통되어 적절하게 응축될 수 있는 값으로 설정된다.
1매의 기상 판재(300)가 복수의 홈(305)을 가짐으로써 복수의 리브(306)가 형성된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 기상 판재(301)의 홈(305)이 연장되는 방향과, 그 기상 판재(301)에 인접하는 기상 판재(302)의 홈(305)이 연장되는 방향이 직교하도록, 기상 판재(301 및 302)가 X-Y 평면 내에서 90도 회전 방향으로 어긋나게 배치되어 있다. 기상 판재(303 및 304)도 마찬가지의 구성을 갖고 있으며, 기상 판재(301 내지 304)가 순서대로 90도씩 어긋나게 배치되어 있다.
기상 판재(301 내지 304)의 홈(305)은 주로 증기 냉매가 유통되는 영역이며, 이들의 홈(305)은 기상 유로의 일부로서의 응축 영역으로서 기능한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 기상 판재(302)는 그 홈(305)이 형성되는 영역의 주위에, 응축되어 액체로 된 액 냉매가 모세관 판재(400)의 홈(405)으로 되돌아오기 위한 리턴 구멍(308)(리턴 유로)이 형성되는 영역을 갖고 있다. 기상 판재(301)는 리턴 구멍(308)을 갖고 있지 않고, 기상 판재(302)의 리턴 구멍(308)에 대응하는, Z 방향의 인접하는 위치에서는 기상 판재(301)의 홈(305)이 존재한다.
리턴 구멍(308)의 직경은 50 내지 150㎛ 정도로 설정되어 있지만, 이 범위에 한정되지 않고, 적절히 변경 가능하다. 리턴 구멍(308)의 직경은 증기 냉매가 응축되어 액 냉매로 될 때에 그 액 냉매에 모세관력이 작용하는 값으로 설정된다.
이와 같이, 리턴 구멍(308)을 갖지 않은 기상 판재(301)와, 그것을 갖는 기상 판재(302)가 1페어로 되고, 본 실시 형태에서는 전형적으로는 그 1페어가 복수 페어 적층된다. 즉, 도 4에서는 기상 판재(301 및 303)는 리턴 구멍(308)을 갖지 않은 판재이며, 기상 판재(302 및 304)는 리턴 구멍(308)을 갖는 판재이다.
리턴 구멍(308)이 형성되는 영역의 폭은 5 내지 10㎜ 정도이지만, 이 범위에 한정되지 않고, 적절히 변경 가능하다.
또한, 리턴 구멍(308)을 갖고 있지 않은 복수의 기상 판재(301)만이 적층되어 기상 판재군(310)이 구성되어 있어도 좋고, 리턴 구멍(308)을 갖는 복수의 기상 판재(302)만이 적층되어 기상 판재군(310)이 구성되어 있어도 좋다. 혹은, 방열판(200)에 가까운 측에 배치된 기상 판재(300)는 리턴 구멍(308)을 갖지 않은 복수의 기상 판재(301)이며, 모세관 판재(400)에 가까운 측에 배치된 기상 판재(300)는 리턴 구멍(308)을 갖는 복수의 기상 판재(302)이어도 좋다. 혹은, 복수의 기상 판재(301) 및 복수의 기상 판재(302)의 순서가 랜덤하게 적층되어 있어도 좋다.
예를 들어, 기상 판재(302)의 각 홈(305)이 제1 유로층으로서 기능하는 경우, 거기에 인접하는 기상 판재(302)의 각 홈(305)이 제2 유로층으로서 기능한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 방열판(200)은 수열판(500)과 마찬가지로, 내측에 복수의 홈(205)을 갖는다. 복수의 홈(205)은, 기상 판재(300)의 홈(305)과 마찬가지의 기능을 갖고, 그와 마찬가지의 크기로 형성되면 된다.
수열판(500), 모세관 판재군(410), 기상 판재군(310) 및 방열판(200) 각각의 리브(506, 406, 306 및 206)에 의해, Z 방향으로 기둥 구조(파선(630)으로 둘러싸이는 부분)가 형성되도록 수열판(500), 모세관 판재군(410), 기상 판재군(310) 및 방열판(200)이 적층되어 있다. 이와 같이, 복수의 기둥 구조(630)가 형성됨으로써 외부로부터 상변화형 히트 스프레더(100)에 가해지는 압축 응력에 견딜 수 있는 강도를 확보할 수 있다.
또한, 이들 수열판(500), 모세관 판재군(410), 기상 판재군(310) 및 방열판(200)이 확산 접합에 의해 접합됨으로써 후술하는 바와 같이 상변화형 히트 스프레더(100)의 내부로부터 발생하는 인장 응력에도 견딜 수 있는 강도가 얻어진다.
이상과 같이 구성된, 각 홈(505, 405, 305, 205), 개구(408), 냉매의 주입로 등은 전형적으로는 포토리소그래피 및 에칭 등의 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술에 의해 형성된다. 그러나, 레이저 가공 등, 다른 가공 방법에 의해 형성되어도 좋다.
도 3, 도 9, 도 11, 도 12에 도시된 바와 같이, 수열판(500), 유로 판재(600) 및 방열판(200)은 각각 홈(505, 405, 305 및 205)이 형성되어 있지 않은 프레임부(507, 407, 307 및 207)를 각각 갖고 있다. 이들 프레임부(507, 407, 307 및 207)가 접합된다. 즉, 수열판(500), 방열판(200) 및 이들 프레임부(507, 407, 307 및 207)에 의해, 이 상변화형 히트 스프레더(100)의 컨테이너가 형성된다.
예를 들어 도 9에 도시된 바와 같이, 프레임부(507, 407, 307 및 207)의 폭(f)은 수 ㎜이지만, 적절히 변경 가능하다. 이들의 폭(f)은 컨테이너로서의 강도, 상변화형 히트 스프레더(100)의 X-Y 평면 내에서 차지하는 유로 부분의 비율 또는 열원(50)의 열량 등에 따라 적절한 값으로 설정된다.
수열판(500), 방열판(200) 및 유로 판재(600)는, 전형적으로는 금속 재료로 이루어진다. 그 금속 재료로서는 동, 스테인리스 또는 알루미늄을 들 수 있지만, 이들에 한정되지 않는다. 금속 외에, 카본 등의 고열 전도성의 재료이어도 좋다. 수열판(500), 방열판(200) 및 유로 판재(600) 모두가 서로 다른 재료로 구성되어 있어도 좋고, 이들 중 2개가 동일한 재료로 구성되어 있어도 좋다.
냉매로서는, 예를 들어 순수, 에탄올, 메탄올, 아세톤, 이소프로필알코올, 대체 프레온, 암모니아 등이 사용된다. 그러나, 이들에 한정되지 않는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상변화형 히트 스프레더(100)의 1변의 길이(e)는, 예를 들어 30 내지 50㎜로 하지만, 이 범위에 한정되지 않는다.
수열판(500), 복수의 유로 판재(600) 및 방열판(200)은 브레이징, 즉 용착에 의해 접합되어도 좋고, 재료에 따라서는 접착제를 사용하여 접합되어도 좋다. 혹은, 상기한 확산 접합에 의해 접합되어도 좋다. 또한, 복수의 모세관 판재(400)끼리의 접합 또는 복수의 기상 판재(300)끼리에 대해서도 마찬가지로 접합되면 된다.
이상과 같이 구성된 상변화형 히트 스프레더(100)의 동작에 대하여 설명한다. 도 13은 그 동작을 설명하기 위한 모식적인 도면이다.
열원(50)이 열을 발생시키면, 이 열을 수열판(500)이 받는다. 그러면, 모세관 판재군(410)의 홈(405)에 있어서 모세관력에 의해 모인 액 냉매가 비등하여 증발된다. 증기 냉매의 일부는 홈(405) 내에서 유통되지만, 증기 냉매의 대부분은 개구(408)를 통하여 방열판(200)측을 향하도록 유통되어 기상 판재군(310)의 홈(305)을 유통한다. 증기 냉매가 그들의 홈(305)을 유통함으로써 열이 확산되어, 증기 냉매가 응축된다. 이에 의해 주로 방열판(200)으로부터 열을 방출한다. 응축된 증기 냉매는, 모세관력에 의해 리턴 구멍(308)을 통하여 모세관 판재군(410)의 홈(405)으로 되돌아간다. 이러한 동작이 반복됨으로써 열원(50)의 열이 상변화형 히트 스프레더(100)에 의해 확산된다.
도 13에서 화살표로 나타낸 각 동작의 영역은, 어느 정도의 목표 혹은 기준을 나타내는 것이며, 열원(50)의 열량에 의해 그들의 각 동작 영역이 다소 시프트하거나 하므로, 각 동작이 영역마다 명확하게 나뉘어지는 것은 아니다.
또한, 상변화형 히트 스프레더(100)의 방열판(200)의 표면에는, 도시하지 않은 히트 싱크 등의 방열을 위한 부재가 열적으로 접속되는 경우가 있다. 이 경우, 상변화형 히트 스프레더(100)에 의해 확산된 열이 히트 싱크에 전달되어, 히트 싱크로부터 방열된다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 관한 상변화형 히트 스프레더(100)는 기상 및 액상의 작동 유체가 혼재되는 것을 전제로 하고, 그들의 유통 방향을 제어한다는 기본적인 사고 방식에 기초하여 고안해 낸 디바이스이다.
즉, 액 냉매는 X-Y 평면 내에 형성된 복수의 홈(405)을 유통하고, 한편 증기 냉매의 대부분이 유로 저항이 작은 개구(408)를 통하여 Z 방향으로 유통된다. 홈(405)을 유통하는 액 냉매는, 주로 벽면(430)의 측면(431) 중심에 모이므로, 증기 냉매가 액 냉매의 유통을 저해하는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 상변화에 의한 열효율을 향상시키고, 열저항을 저감시킬 수 있다.
도 14는 본 실시 형태에 관한 상변화형 히트 스프레더(100)의 냉각 성능을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프이다.
횡축은 상변화형 히트 스프레더(100)에 입력되는 열원(50)의 열량이며, 종축은 열저항이다. 이 시뮬레이션에서는 상변화형 히트 스프레더(100)의 스케일로서, 도 7에 있어서 b=160㎛, c=80㎛, d=80㎛, 도 8에 있어서 a=20㎛, 상변화형 히트 스프레더(100)의 Z 방향의 두께가 2.6㎜, 도 1에 있어서 e=40㎜(정사각형)로 설정되었다. 수열판(500), 방열판(200) 및 유로 판재(600)의 재료로서는 동이 사용되었다. 냉매로서는 순수가 사용되었다.
비교 대상이 되는 디바이스는 두께 2.6㎜, 1변이 40㎜인 정사각형이며, 솔리드 타입의 동의 히트 스프레더이다.
이 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 상변화형 히트 스프레더(100)에서는, 예를 들어 입력되는 열량이 70W일 때 솔리드 타입의 동에 비해 열저항이 20％ 감소되어 대폭적인 개선이 보였다.
도 15의 (A), (B)는, 도 14의 실험으로 사용된 솔리드 타입의 히트 스프레더의 열확산 작용의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면 및 그래프이다. 도 16의 (A), (B)는, 도 14의 실험으로 사용된 상변화형 히트 스프레더(100)의 열확산 작용의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다. 열원(50)의 크기는 1변이 20㎜ 정도인 정사각형의 IC이며, 입력 열량은 100W로 했다. 도 15의 (A), 도 16의 (A)에 있어서, 크로스의 중심점이 상변화형 히트 스프레더(100)의 중심이며, 열원(50)의 중심이다.
이들의 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, 솔리드 타입의 히트 스프레더에 비해 상변화형 히트 스프레더(100)에 의한 열확산의 온도 구배가 완만하여 중심 온도가 낮고, 열확산 작용이 높은 것을 알았다.
도 17은 모세관 판재(400)의 홈(405)에 의한 모세관력과 유로 저항의 관계를 나타내는 그래프이다. 본 예에서는, 모세관 판재(400)의 재료는 동이며, 냉매는 순수이다. 모세관력과 유로 저항은 트레이드 오프의 관계에 있다. 따라서, 양자의 밸런스 조정이 필요하게 된다. 그래프의 횡축은 모세관의 높이(홈(405)의 깊이)이며, 횡축은 그 모세관력 또는 유로 저항에 의해 냉매에 가해지는 압력이다.
유로 저항이 최대한 작고, 또한 모세관력이 최대한 큰 편이 바람직하다. 따라서, 그 차압이 가장 큰 지점의 모세관의 높이가 최적의 값으로 된다. 이 예에서는 약 20㎛이다.
모세관의 높이가 10㎛보다 낮으면, 액 냉매의 유통량이 저하되어, 열효율이 저하된다. 모세관의 높이가 50㎛보다 높으면 작동 유체에 소기의 모세관력이 작용하지 않아 열효율이 저하된다.
도 24는 본 발명자들이 본 실시 형태에 관한 상변화형 히트 스프레더(100)를, 주지의 히트 파이프형(예를 들어 평형의 히트 파이프)과 같이 사용한 실험예를 도시하는 도면이다. 상변화형 히트 스프레더(100)도, 히트 파이프도, 원리적으로는 모세관력과 상변화 잠열을 이용하고 있는 부분은 공통적이다. 다른 점은, 상변화형 히트 스프레더(100)는 주로 그 중앙에 열원이 접속되어, 그 상변화형 히트 스프레더(100)의 주면의 방향으로 열을 확산시키는 것에 대해, 히트 파이프는 열원 및 방열측이 물리적으로 분리되어, 열원으로부터 방열측으로 열을 운반하는 것이다.
따라서, 본 발명자들은 상변화형 히트 스프레더(100)쪽이 오히려 기상 및 액상의 분리나 모세관력이 강화되어 있으므로, 상변화형 히트 스프레더(100)도 히트 파이프형의 사용이 가능할 것이라는 관점에서 본 실험을 행했다.
본 실험에서 사용된 상변화형 히트 스프레더는, 상기에서 설명한 1변이 40㎜인 정사각형의 상변화형 히트 스프레더(100)이다. 또한, 방열측에는 수냉 재킷(11)이 사용되었다.
도 24의 (A)는 상변화형 히트 스프레더(100)의 하부에 열원(50)이 설치되는 보텀 히트에 의한 실험예를 나타낸다. 도 24의 (B)는 상변화형 히트 스프레더(100)의 상부에 열원(50)이 설치되는 톱 히트에 의한 실험예를 나타낸다. 즉, 도 24의 (A)와 도 24의 (B)에서는 상하가 반대로 되어, 작동 유체에 작용하는 중력의 영향이 고려되어 있다. 작동 유체는 자중으로 하부에 모이기 쉬우므로, 일반적으로 어느 쪽인가 하면 보텀 히트쪽이 톱 히트에 비해 열원(50)의 온도가 내려가기 쉬운 경향이 있다.
이들의 도면에 도시된 바와 같이, 상변화형 히트 스프레더(100)의, 열원(50)이 배치되는 측과는 반대측이 열전도 그리스(13)를 개재하여 수냉 재킷 베이스(12)에 접속되어 있다. 열원(50)의 단부로부터 수냉 재킷 베이스(12)가 접속되는 부분까지의 거리는 10㎜로 했다.
도 25는, 도 24에 도시된 실험에 있어서, 상변화형 히트 스프레더(100)의 경우와, 상변화형 히트 스프레더(100)를 대신하여 솔리드 타입의 동판이 사용된 경우의, 입력 열량과, 열원(50)의 온도의 관계를 나타내는 그래프이다. 동판은 상변화형 스프레더와 동일 크기(두께도 동일하게 2.6㎜)이다.
이 그래프로부터, 상변화형 히트 스프레더(100)는 열원(50)의 단부로부터 냉각 재킷 베이스(12)가 접속된 부분까지의 거리(10㎜)는 짧지만, 드라이 아웃하지 않고 충분히 히트 파이프로서 기능하고 있는 것을 알았다. 상변화형 히트 스프레더(100)의 경우, 톱 히트 및 보텀 히트의 양쪽에 있어서, 50W의 입력 열량에 의한 열원(50)의 온도는 동판과 비교하여 약 10℃ 낮은 값으로 되어 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 형태에 관한 상변화형 히트 스프레더를 도시하는 모식적인 단면도이다. 도 19는, 도 18에 도시된 상변화형 히트 스프레더(150)의 평면도이다. 그 이후의 설명에서는, 도 1 등에 도시된 실시 형태에 관한 상변화형 히트 스프레더(150)가 포함하는 부재나 기능 등에 대하여 마찬가지의 것은 설명을 간략하게 하거나 또는 생략하고, 다른 점을 중심으로 설명한다.
수열판(500)에는, 예를 들어 냉매의 2개의 주입구(526)와, 이들에 각각 연통되는 2개의 주입로(527)가 형성되어 있다. 또한, 2매의 판재 중 한쪽에 홈(주입로(527)를 위한 홈) 및 개구(주입구(526)를 위한 개구)가 형성된 후, 이들 2개의 판재가 접합되어 수열판(500)이 형성됨으로써, 이들의 주입로(527)나 주입구(526)가 형성된다. 주입로(527)는 모세관 판재(400)의 홈(405)에 연통되어 있다. 주입구(526) 및 주입로(527)는 각각 1개씩이어도 좋다. 또한, 도 19의 사선 부분은 유로 판재(600)에 의한 냉매의 유로가 형성되는 부분을 나타내고 있다.
주입로(527)는 예를 들어 직선 형상으로 형성되고, 그 직선 위의 소정의 영역이 주입로(527)에 압력을 가하여 주입로(527)를 막기 위한 가압 영역(540)으로 된다. 가압 영역(540)이란, 즉 코킹 영역이다. 상변화형 히트 스프레더(150)의 내부, 즉 유로 판재(600)가 배치되는 영역에는, 이 코킹 영역에 대응하는 위치에, 수열판(500)으로부터 방열판(200)에 걸쳐 Z 방향으로 기둥부(603)가 형성되어 있다.
이 기둥부(603)는 수열판(500), 모세관 판재(400), 기상 판재(300) 및 방열판(200)에 각각 형성된 원기둥 형상의 리브끼리 적층됨으로써 형성되면 된다. 이 기둥부(603)의 폭(혹은 직경)은 유로 판재(600)에 의해 구성되는 유로(이하, 내부 유로라고 한다)가, 그 코킹 시의 가압력에 의해 막히지 않을 정도의 폭으로 적절히 설정된다.
도 20은 상기 상변화형 히트 스프레더(150)로의 냉매의 주입 방법을 순서대로 도시한 모식도이다.
예를 들어, 도 20의 (A)에 도시된 바와 같이, 주입구(526) 및 주입로(527)를 통하여 내부 유로 내가 감압되어, 주입구(526) 및 주입로(527)를 통하여 도시하지 않은 디스펜서에 의해 냉매가 내부 유로로 주입된다.
도 20의 (B)에 도시된 바와 같이, 가압 영역(540)이 가압되어 주입로(527)가 막힌다(가밀봉). 그 후, 다른 주입로(527) 및 주입구(526)를 통하여 내부 유로 내가 감압되어, 그 내부 유로 내가 목표압이 된 시점에서, 도 20의 (B)에 도시된 바와 같이 가압 영역(540)이 가압되어 주입로(527)가 막힌다(가밀봉).
그 후, 도 20의 (C)에 도시된 바와 같이, 가압 영역(540)보다도 주입구(526)에 가까운 측에 있어서, 주입로(527)가 예를 들어 레이저 용접에 의해 막힌다(본 밀봉). 이에 의해, 상변화형 히트 스프레더(150)의 내부가 밀폐된다.
이와 같이, 상변화형 히트 스프레더(150)는 가압 영역(540)에 대응하는 위치에 기둥부(603)를 구비하고 있으므로, 내부 유로가 코킹 시에 가압력에 의해 찌부러져 막히는 것을 방지할 수 있다.
주입로(527)에 대응하는 위치에, 내부 유로가 형성되지 않도록 상변화형 히트 스프레더(150)가 구성되는 것도 생각할 수 있다. 즉, 내부 유로에 대응하지 않는 위치에 전용의 가압 영역(540)이 형성되어 있어도 좋다. 그러나, 이와 같은 전용의 가압 영역(540)에 대응하는 위치에는 내부 유로가 없기 때문에, 그 전용의 가압 영역(540)에 대응하는 위치는 열확산의 기능이 낮은 영역으로 된다.
본 실시 형태에 관한 상변화형 히트 스프레더(150)에 따르면, 기둥부(603)의 주위에는 내부 유로가 배치되기 때문에, 실질적으로 상변화형 히트 스프레더(150)의 전체면에 있어서 열확산의 효율을 높일 수 있다.
또한, 주입로(527) 및 주입구(526)는 방열판(200)에 형성되어 있어도 좋다.
다음에, 상기 상변화형 히트 스프레더(150)(또는 상변화형 히트 스프레더(150))의 제조 방법의 일 실시 형태에 대하여 설명한다. 도 21은 그 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
복수의 판재가 준비되고, 이들의 판재에 홈(505, 405, 305, 205), 개구(408) 등이 형성된다(스텝 101). 이에 의해, 수열판(500), 복수의 유로 판재(600) 및 방열판(200)이 형성된다.
수열판(500)과 방열판(200) 사이에 복수의 유로 판재(600)가 끼워지도록 이들 수열판(500), 복수의 유로 판재(600) 및 방열판(200)이 적층되고, 확산 접합된다(스텝 102). 적층 시에는, 각 판의 정밀한 위치 정렬이 행하여진다. 확산 접합은 금속 결합의 작용이 있어서, 상변화형 히트 스프레더(150)의 강도 또는 강성을 높일 수 있다.
도 20의 (A) 내지 도 20의 (C)에 도시된 바와 같이 냉매가 내부 유로에 주입되고, 밀봉된다(스텝 103). 이에 의해, 상변화형 히트 스프레더(150)가 완성된다.
그 후, 수열판(500)에 열원(50)이 실장된다(스텝 104). 열원(50)이 IC인 경우, 이 공정은, 예를 들어 솔더링 등의 리플로우 공정에 의해 행하여지는 경우가 있다. 리플로우 공정에서는 솔더링 등에 의해 수열판(500)이나 상변화형 히트 스프레더(150) 전체가 230 내지 240℃로 고온으로 된다. 이러한 환경에서는 냉매의 증발에 의해 내부 압력이 증가되지만, 스텝 102에서는 확산 접합이 행하여지기 때문에, 그 내부 압력에 의한 인장 응력에 견딜 수 있는 강도나 강성을 확보할 수 있다.
리플로우 공정과, 상변화형 히트 스프레더(150)의 제조 공정은, 다른 장소(예를 들어 다른 공장 등)에서 행하여지는 경우도 있다. 따라서, 리플로우 후에 작동 유체가 주입되는 경우, 예를 들어 상변화형 히트 스프레더(150)를 공장 사이를 왕복시킬 필요가 있어, 그에 따른 비용, 작업자의 노동력, 시간, 혹은 공장간 왕복 시에 발생하는 파티클의 문제 등이 있다.
도 21에 도시된 제조 방법에 따르면, 상변화형 히트 스프레더(150)가 완성된 후에 리플로우하는 것이 가능해져, 상기 문제를 해결할 수 있다.
도 22는 상기 상변화형 히트 스프레더(100 또는 150)의 리브의 다른 실시 형태를 도시하는 모식도이다. 이 도 22에서는, 예를 들어 복수의 모세관 판재(400)의 리브(416)가 복수의 원기둥부(417)를 갖고 있다. 이들 복수의 원기둥부(417)끼리의 피치, 그 수, 원기둥부(417)의 크기 등은 적절히 설정 가능하다. 원기둥 형상에 한정되지 않고, 타원, 각형 또는 기타의 형상이어도 좋다.
이들 복수의 모세관 판재(400)의 원기둥부(417)끼리가 Z 방향으로 겹쳐 접합되도록, 복수의 모세관 판재(400)끼리 접합된다. 이것은, 수열판(500)과 모세관 판재(400)의 접합, 모세관 판재(400)와 기상 판재(300)의 접합 또는 기상 판재(300)와 방열판(200)의 접합에 관해서도 마찬가지이다.
이와 같은 구성에 따르면, 내부 유로에 영향을 주지 않고 접합 면적을 늘려, 상변화형 히트 스프레더(150)에 대한 외부로부터의 압축 응력이나, 내부로부터의 인장 응력에 대한 강도 또는 강성을 높일 수 있다.
도 23은 상기 상변화형 히트 스프레더(100)를 구비한 전자 기기로서, 데스크탑형의 PC를 도시하는 사시도이다. PC(20)의 하우징(21) 내에는 회로 기판(22)이 배치되고, 예를 들어 회로 기판(22)에는 CPU(23)가 탑재되어 있다. 이 CPU(23)에 상변화형 히트 스프레더(100)(또는 150)가 열적으로 접속되고, 상변화형 히트 스프레더(100)에는 도시하지 않은 히트 싱크가 열적으로 접속된다.
본 발명에 관한 실시 형태는, 이상 설명한 실시 형태에 한정되지 않고, 다른 다양한 실시 형태를 생각할 수 있다.
상변화형 히트 스프레더(150)의 평면 형상은 사각형 혹은 정사각형으로 했다. 그러나, 그 평면 형상은 원형, 타원, 다각형 혹은 다른 임의의 형상이어도 좋다.
각 홈(505, 405, 305, 205), 벽면(430), 리브(506, 406, 306 및 206), 프레임부(507, 407, 306 및 207)의 형상 등은 적절히 변경 가능하다.
도 23의 전자 기기로서 PC를 예로 들었다. 그러나, 이것에 한하지 않고, 전자 기기로서는 PDA(Personal Digital Assistance), 전자 사전, 카메라, 디스플레이 장치, 오디오/비주얼 기기, 프로젝터, 휴대 전화, 게임 기기, 카 내비게이션 기기, 로봇 기기, 레이저 발생 장치, 그 밖의 전기 제품 등을 들 수 있다.
50 : 열원
100, 150 : 상변화형 히트 스프레더
200 : 방열판
205, 305, 405, 505 : 홈
300, 301, 302, 303, 304 : 기상 판재
206, 306, 406, 416, 506 : 리브
308 : 리턴 구멍
400, 401, 402, 403, 404 : 모세관 판재
408 : 개구
430 : 벽면
500 : 수열판
526 : 주입구
527 : 주입로
540 : 가압 영역
603 : 기둥부

Claims (14)

  1. 작동 유체의 상변화에 의해 열을 확산시키는 상변화형 히트 스프레더로서,
    수열측과, 상기 수열측에 대향하여 설치된 방열측을 갖는 컨테이너와,
    액상의 상기 작동 유체를 모세관력에 의해 유통시키는 벽면을 갖고, 상기 수열측으로부터 상기 방열측을 향하는 방향으로 적층되도록 상기 컨테이너 내에 형성된 복수의 유로와,
    개구 및 응축 영역을 갖는 기상 유로이며, 상기 개구는, 상기 복수의 유로를 연통하도록 상기 벽면을 관통하고, 상기 기상 유로는, 상기 수열측에서 받은 열에 의해 증발된 기상의 상기 작동 유체가, 상기 개구를 유통하여 상기 방열측을 향하도록 상기 기상의 작동 유체를 유통시키고, 상기 응축 영역은, 상기 방열측과 상기 복수의 유로 사이에 형성된, 상기 개구를 통하여 상기 복수의 유로와 연통하는, 상기 기상의 작동 유체가 응축되는, 기상 유로와,
    상기 응축 영역에서 응축된 상기 액상의 작동 유체를, 상기 복수의 유로로 되돌리는 리턴 유로를 구비하는, 상변화형 히트 스프레더.
  2. 제1항에 있어서, 상기 응축 영역은,
    상기 작동 유체를 제1 방향으로 유통시키는 복수의 제1 응축 유로를 갖는 제1 유로층과,
    상기 작동 유체를 상기 제1 방향과는 서로 다른 제2 방향으로 유통시키는, 상기 제1 응축 유로와 연통하는 복수의 제2 응축 유로를 갖고, 상기 수열측으로부터 상기 방열측을 향하는 방향으로 상기 제1 유로층과는 다른 층인 제2 유로층을 포함하는, 상변화형 히트 스프레더.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 유로는,
    상기 작동 유체를 제1 방향으로 유통시키는 복수의 제1 유로를 갖는 제1 유로층과,
    상기 작동 유체를 상기 제1 방향과는 서로 다른 제2 방향으로 유통시키는 제2 유로를 갖고, 상기 수열측으로부터 상기 방열측을 향하는 방향으로 상기 제1 유로층과는 다른 층인 제2 유로층을 포함하는, 상변화형 히트 스프레더.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기상 유로는, 상기 복수의 유로가 적층되는 방향으로 상기 개구가 배열되도록 상기 개구를 복수 갖는, 상변화형 히트 스프레더.
  5. 제1항에 있어서, 상기 컨테이너의 수열측은,
    상기 작동 유체의 주입구와,
    상기 복수의 유로 중 적어도 1개의 유로와 상기 주입구를 연통하는 주입로와,
    상기 작동 유체의 상기 주입구 및 상기 주입로를 통한 상기 복수의 유로에의 주입 후에, 상기 수열측에 압력을 가하여 상기 주입로를 막기 위한 가압 영역을 갖고,
    상기 상변화형 히트 스프레더는, 상기 가압 영역에 대응하는 위치에, 상기 복수의 유로의 적층 방향으로 세워 설치하는 기둥부를 더 구비하는, 상변화형 히트 스프레더.
  6. 제1항에 있어서, 상기 컨테이너의 방열측은,
    상기 작동 유체의 주입구와,
    상기 복수의 유로 중 적어도 1개의 유로와 상기 주입구를 연통하는 주입로와,
    상기 작동 유체의 상기 주입구 및 상기 주입로를 통한 상기 복수의 유로에의 주입 후에, 상기 방열측에 압력을 가하여 상기 주입로를 막기 위한 가압 영역을 갖고,
    상기 상변화형 히트 스프레더는, 상기 가압 영역에 대응하는 위치에, 상기 복수의 유로의 적층 방향으로 세워 설치하는 기둥부를 더 구비하는, 상변화형 히트 스프레더.
  7. 제1항에 있어서, 상기 복수의 유로에 있어서의, 상기 복수의 유로의 적층 방향에서의 높이는 10 내지 50㎛인, 상변화형 히트 스프레더.
  8. 제1항에 있어서, 상기 복수의 유로를 구성하는 제1 구성 부재와,
    상기 기상 유로를 구성하는 제2 구성 부재를 더 구비하고,
    상기 컨테이너, 상기 제1 구성 부재 및 상기 제2 구성 부재 중 적어도 1개가 동으로 이루어지는, 상변화형 히트 스프레더.
  9. 작동 유체의 상변화에 의해 열을 확산시키는 상변화형 히트 스프레더로서,
    수열판과,
    상기 수열판에 대향하여 설치된 방열판과,
    상기 수열판으로부터 상기 방열판을 향하는 방향으로 적층된 복수의 제1 판재로서, 액상의 상기 작동 유체를 모세관력에 의해 유통시키는 제1 홈과, 상기 제1 홈끼리를 연통하도록 상기 제1 판재를 관통하는 개구를 각각 갖고, 상기 수열판에서 받은 열에 의해 증발된 기상의 상기 작동 유체를 상기 개구를 통하여 유통시키는 복수의 제1 판재와,
    제2 홈을 각각 갖고, 상기 방열판과 상기 복수의 제1 판재 사이에 설치된 복수의 제2 판재로서, 상기 제2 홈은, 상기 개구를 유통한 상기 기상의 작동 유체를 유통시키고, 상기 복수의 제1 판재의 적층 방향으로 상기 제2 판재를 관통하고, 상기 복수의 제2 판재 중 적어도 1개의 상기 제2 판재는, 상기 제2 홈을 유통하여 응축된 상기 액상의 작동 유체를 상기 제1 홈으로 되돌리는 리턴 구멍을 갖는 복수의 제2 판재를 구비하는, 상변화형 히트 스프레더.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 홈의 깊이는 10 내지 50㎛인, 상변화형 히트 스프레더.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1 판재는 동으로 이루어지는, 상변화형 히트 스프레더.
  12. 제11항에 있어서, 상기 수열판, 상기 방열판 및 제2 판재 중 적어도 1개가 동으로 이루어지는, 상변화형 히트 스프레더.
  13. 열원과,
    상변화형 히트 스프레더를 구비하며,
    상기 상변화형 히트 스프레더는,
    작동 유체와,
    상기 열원의 열을 받는 수열측과, 상기 수열측에 대향하여 설치된 방열측을 갖는 컨테이너와,
    액상의 상기 작동 유체를 모세관력에 의해 유통시키는 벽면을 갖고, 상기 수열측으로부터 상기 방열측을 향하는 방향으로 적층되도록 상기 컨테이너 내에 형성된 복수의 유로와,
    개구 및 응축 영역을 갖는 기상 유로로서, 상기 개구는, 상기 복수의 유로를 연통하도록 상기 벽면을 관통하고, 상기 기상 유로는, 상기 수열측에서 받은 열에 의해 증발된 기상의 상기 작동 유체가 상기 개구를 유통하여 상기 방열측을 향하도록 상기 기상의 작동 유체를 유통시키고, 상기 응축 영역은, 상기 방열측과 상기 복수의 유로 사이에 형성된, 상기 개구를 통하여 상기 복수의 유로와 연통하는, 상기 기상의 작동 유체가 응축되는, 기상 유로와,
    상기 응축 영역에서 응축된 상기 액상의 작동 유체를, 상기 복수의 유로로 되돌리는 리턴 유로를 갖는, 전자 기기.
  14. 작동 유체를 유통시키는 홈을 갖는 복수의 판재를 수열판과 방열판 사이에 끼우도록, 상기 수열판, 상기 복수의 판재 및 상기 방열판을 적층하고,
    상기 적층된, 상기 수열판, 상기 복수의 판재 및 상기 방열판을 확산 접합함으로써, 상기 작동 유체가 응축되는 응축 영역과 상기 응축 영역에서 응축된 상기 액상의 작동 유체를 상기 복수의 유로로 되돌리는 리턴 유로를 포함하는, 상기 홈에 대응한 상기 작동 유체의 유로를 형성하고,
    상기 수열판 또는 상기 방열판에 형성된, 상기 유로에 연통되는 상기 작동 유체의 주입로를 통하여 상기 홈에 상기 작동 유체를 주입하고,
    상기 작동 유체의 주입 후, 리플로우에 의해 상기 수열판에 열원을 접속하기 전에, 상기 주입로를 막음으로써 상기 유로의 내부를 밀폐하는, 상변화형 히트 스프레더의 제조 방법.
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