KR20100095825A - 열전 모듈을 구비한 발열 디바이스 - Google Patents

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Abstract

열전 모듈을 구비한 발열 디바이스에 관하여 개시된다. 개시된 열전 모듈을 구비한 발열 디바이스는, 디바이스 몸체; 상기 디바이스 몸체에 부착되며, 상기 디바이스 몸체가 장착되는 슬롯의 길이방향의 일측으로 연장된 연장부분을 가진 제1 방열판; 상기 연장부분 상에 부착된 열전모듈; 및 상기 열전모듈 상에서 상기 연장부분과 마주보게 배치된 제2 방열판;을 구비한다.

Description

열전 모듈을 구비한 발열 디바이스{Radiating exothermic device having thermoelectric module}
본 발명은 열전 모듈을 구비한 발열 디바이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발열 디바이스 몸체가 장착되는 슬롯의 길이방향으로 연장한 방열판에 부착된 열전모듈을 구비한 발열 디바이스에 관한 것이다.
열전현상은 열과 전기 사이의 가역적인 직접적인 에너지 변환을 의미하며, 재료 내부의 전자(electron)와 정공(홀, hole)의 이동에 의해 발생하는 현상이다. 외부로부터 인가된 전류에 의해 형성된 양단의 온도차를 이용하여 냉각분야에 응용하는 펠티어 효과(Peltier effect)와 재료 양단의 온도차로부터 발생하는 기전력을 이용하여 발전분야에 응용하는 제벡효과(Seebeck effect)로 구분된다.
열전 모듈(thermoelectric module)은 크게 절연기판, 금속전극, 열전재료(소자)로 구성되며, 정공이 이동하는 p-type 소자와 전자가 이동하는 n-type 소자가 직렬로 연결되어 있다. 열전모듈의 양단에 직류전원을 인가하면 캐리어인 정공과 전자가 이동하여, 각 소자의 일면은 발열되고, 타면은 냉각된다.
열전모듈은 열전공조와, 열전 발전 분야에 응용이 되고 있다. 열전재료는 전자기기의 발열문제에 대응하는 능동형 냉각 시스템과 DNA 칩에 응용되는 정밀온도제어 시스템 등 종래의 냉매가스 압축방식의 시스템으로는 해결 불가능한 분야에서의 수요가 확대되고 있다. 열전냉각은 환경문제를 유발하는 냉매가스를 사용하지 않는 무진동, 저소음의 친환경 냉각기술이다. 고효율의 열전냉각재료의 개발로 냉장고, 에어컨 등 범용 냉각 분야에까지 응용의 폭을 확대할 수 있다. 또한 자동차 엔진부, 산업용 공장 등에서 열이 방출되는 부분에 열전재료를 적용하면 재료 양단에 발생하는 온도차에 의한 발전이 가능하다. 태양에너지 사용이 불가능한 화성, 토성 등의 우주 탐사선에는 이미 이러한 열전발전시스템이 적용되고 있다.
발열 디바이스, 예컨대 메모리 소자는 안정적인 구동 온도 확보를 위한 냉각방식으로서 팬, 방열판, 히트 파이프 등을 사용하여 왔다. 최근 소자의 고집적화, 고밀도 패키징에 따라 개발 디바이스의 발열량이 증가하고 있어 종래의 수동형 냉각방식으로는 냉각 용량에 한계를 나타낼 것으로 예상된다. 따라서, 냉각성능이 높은 능동형 냉각방식, 예컨대 열전 모듈에 의한 냉각이 필요하다. 열전 모듈을 메모리 소자의 냉각에 사용하는 경우, 열전 모듈을 직접 메모리 소자에 부착시키면 부피는 줄이면서 소자를 균일하고 안정한 온도로 유지시킬 수가 있다.
열전모듈을 발열디바이스에 직접 부착하는 방법은 발열 디바이스의 발열 면적이 작아 전체 발열면적에 열전모듈을 부착할 수 있거나, 열전모듈의 방열에 충분한 용량의 방열판(heat spreader)의 설치가 가능한 경우에는 냉각효과가 클 수 있다.
그러나, 발열량이 비교적 큰 경우에 발열 디바이스에 직접 열전모듈을 부착 하면 열전모듈의 열전도도가 방열판에 비해 낮기 때문에 열의 방출을 방해하는 열저항 성분으로 작용하여 열전모듈 적용의 효과가 현저히 저하될 수 있으며, 발열 디바이스의 열 방출량이 클수록 이러한 현상은 심해진다. 또한 발열면적이 넓거나 발열 디바이스에 부착된 방열판에 열전모듈을 부착할 만한 공간적인 여유가 없는 경우에는 상술한 방법을 적용할 수 없다.
본 발명의 실시예는 메모리 소자와 같이 발열부가 넓으며 장착 공간의 제한으로 열전모듈을 발열부에 직접 적용할 수 없는 디바이스에 열전모듈을 도입하여 열 저항 없이 온도제어를 가능하게 하는 열전모듈을 구비한 발열 디바이스를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 구비한 발열 디바이스는:
디바이스 몸체; 및
상기 디바이스 몸체와 겹쳐지지 않게 배치되어 상기 디비이스를 냉각시키는 열전모듈;을 구비한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 디바이스 몸체에 부착되며, 상기 디바이스 몸체가 장착되는 슬롯의 길이방향의 일측으로 연장된 연장부분을 가지며, 상기 열전모듈은 상기 연장부분 상에 부착된 제1 방열판;
및 상기 열전모듈 상에서 상기 연장부분과 마주보게 배치된 제2 방열판;을 더 구비할 수 있다.
상기 열전모듈은 상기 연장부분에 대해서 상기 디바이스 몸체와 마주보게 배치될 수 있다.
본 발명이 실시예에 따르면, 상기 디바이스 몸체에서 상기 제1 방열판과 마주보게 상기 디바이스 몸체에 부착된 제3 방열판을 더 구비할 수 있다.
상기 디바이스 몸체는 메모리 소자일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈을 구비한 발열 디바이스는,
디바이스 몸체;
상기 디바이스 몸체에 부착되며, 상기 디바이스 몸체가 장착되는 슬롯의 길이방향의 3면을 둘러싸는 제1 방열판;
상기 제1 방열판의 상부 상에 부착된 열전모듈; 및
상기 열전모듈 상의 제2 방열판;을 구비한다.
상기 디바이스 몸체는 복수의 디바이스 몸체를 구비하며, 상기 제1 방열판은 각 디바이스 몸체의 상기 슬롯 길이방향의 3면을 감싸는 제1 방열판과, 상기 제1 방열판 사이에서 각각의 제1 방열판의 상부를 평행하게 연결하는 제3 방열판을 구비하며,
상기 열전 모듈은 상기 제1 방열판 및 상기 제3 방열판을 걸쳐서 부착되며,
상기 제2 방열판은 상기 열전 모듈 상에 배치된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 발열 디바이스가 장착되는 슬롯의 바깥쪽으로 열전모듈을 배치할 수 있어 공간적 제한을 뛰어 넘을 수 있으며, 열전 모듈의 양측에 방열판이 형성됨으로써 열전모듈이 열저항체로 작용하지 않게 효율적으로 열을 방출할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈을 구비한 발열 디바이스에 대해 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 디바이스(100)의 개략적 사시도이며, 도 2는 도 1의 평면도이다. 편의상 도 1에서는 슬롯을 도시하지 않았다. 도 1에서는 발열 디바이스의 예시적 실시예로 메모리 디바이스를 도시하였으며, 본 발명은 메모리 디바이스 뿐 만 아니라 공간적 제약을 받는 발열 디바이스, 예컨대 그래픽 카드 등에도 적용될 수 있다.
도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 메모리 소자(디바이스 몸체)(110)가 장착되는 PCB 기판(미도시)의 슬롯(10)이 복수개 배열되어 있다. 발열 디바이스(100)는 메모리 소자 본체(110)와 메모리 소자 본체(110)의 양측에 각각 설치된 제1 방열판(120) 및 제2 방열판(130)을 구비한다. 제1 방열판(120) 및 제2 방열판(130)은 메모리 소자 몸체(110)에서 슬롯(10)의 길이방향의 양측면에 마주보게 각각 부착된다. 제1 방열판(120)은 메모리 소자 본체(110)로부터 슬롯 길이방향으로 연장된 연장 부분(122)을 구비한다. 연장 부분(122) 상에는 열전 모듈(150)이 배치되며, 열전모듈(150) 위에는 제3 방열판(160)이 배치된다. 열전모듈(150)은 메모리 소자 몸체(110)의 배열과 겹쳐지지 않게 배치된다. 참조번호 170은 제1 방열판(120), 메모리 소자 본체(110) 및 제2 방열판(130)을 고정하는 결합 클립이다. 결합 클립(170) 대신에 실리콘을 사용하여 제1 방열판(120), 메모리 소자 본체(110) 및 제2 방열 판(130)을 결합할 수도 있다.
열전 모듈(150)은 p형 요소와 n형 요소를 포함하며, 이들 p형 요소와 n형 요소에 직류전압을 인가하는 전압원을 포함한다. 열전 모듈(150)은 일측에서 전자 및 정공을 타측으로 이동하면서 열을 이동한다. 도 1에서는 제2 방열판(130)으로부터 제3 방열판(160)으로 열을 이동하도록 열전 모듈(150)에 전압이 인가되며, 상세한 설명은 생략한다.
방열판(120, 130, 160)은 고온 영역에서 저온 영역으로 열을 방출하며, 다양한 구조로 형성될 수 있다. 즉, 비늘(fin) 형상 등으로 형성되어 방열 면적을 증가시킨 구조이며, 열전도도가 높은 구리 또는 알루미늄으로 형성된다.
복수의 슬롯들(10)은 좁은 간격으로 배치되기 때문에 공간적으로 열전 모듈(150)을 메모리 디바이스 본체(150)의 측면의 방열판에 직접 부착하기가 어려우며, 또한, 열전 모듈(150)은 열저항 부로 작용하기 때문에 냉각효율이 저하될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 열전 모듈(150)의 양측에 연장된 부분(122)과 제3 방열판(160)이 부착되므로 열전 모듈(150)에서의 열을 효율적으로 방출한다. 또한, 열전 모듈(150)이 슬롯(10) 사이의 좁은 공간에 제약을 받지 않도록 설치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발열 메모리 소자(200)의 개략적 평면도이다.
도 3을 참조하면, 제1-제4 메모리 소자 본체(211-214)가 나란하게 슬롯(도 2의 10 참조)에 장착되어 있다. 각 메모리 소자 본체(211-214)에는 대응되는 제1 방열판(220)이 부착되어 있다. 제1 및 제3 메모리 소자 본체(211, 213)에 부착된 제1 방열판(220)은 우측으로 연장된 연장부분(222)를 구비한다. 제2 및 제4 메모리 소자(212, 214)에 부착된 제1 방열판(220)은 좌측으로 연장된 연장부분(224)를 구비한다. 각 제1 방열판(220)의 연장 부분(222, 224)에는 열전 모듈(250) 및 제3 방열판(260)이 배치되어 있다.
이와 같이 제1-제4 발열 디바이스(200)의 제1 방열판(220)의 연장부분(222, 224) 에 배치되는 열전모듈들(250)은 슬롯의 우측과 좌측으로 교대로 연장되어서 배치되므로, 열전모듈(250) 및 제3 방열판(260)의 배치를 공간을 활용하여 할 수 있다.
도 3에는 도시되지 않았지만, 메모리 소자 본체(210)에서 제1 방열판(220)과 마주보게 제2 방열판(도 1 및 도 2의 130 참조)이 더 배치될 수 있으며, 편의상 생략하였다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발열 메모리 소자(300)의 개략적 사시도이다. 편의상 하나의 발열 메모리 소자(300)를 도시하였다.
도 4를 참조하면, 메모리 소자 본체(310)에서 슬롯(미도시)의 길이방향의 3면을 제1 방열판(320)이 둘러싸고 있다. 제1 방열판(310) 상에는 열전 모듈(350)이 배치되며, 열전 모듈(350) 상에는 제2 방열판(360)이 배치된다. 제1 방열판(320)은 메모리 디바이스 몸체(310)를 커플링하므로 별도의 결합 클립(도 1의 170)을 필요로 하지 않는다. 또한, 제1 방열판(320)의 면적이 넓으므로 방열 효율이 증대될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발열 디바이스(300)에서는 복수의 슬롯에 장착되더라도 공간의 제약이 있는 발열 디바이스의 측면이 아니라 상면을 사용하므로, 열전 모듈의 직접적 부착이 용이하다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발열 메모리 소자(400)의 개략적 사시도이다.
도 5를 참조하면, 제1 및 제2 메모리 소자 본체(411, 421)에서 슬롯과 접촉되는 면을 제외한 슬롯 길이방향의 3면을 둘러싸는 제1 방열판(421, 422)이 각각 배치되어 있다. 제1 방열판(421, 422)의 상면 사이에는 이들을 연결하는 연장부분(430)이 형성된다.
제1 방열판(421, 422)은 메모리 디바이스(411, 412)를 커플링하므로 별도의 결합 클립을 필요로 하지 않는다. 또한, 인접한 메모리 소자 본체(411, 421) 상의 제1 방열판(421, 422) 사이의 연장부분(430)은 슬롯 사이의 공간에 걸쳐서 형성되므로 방열판의 면적이 증가하며, 따라서 냉각효율이 증대된다.
열전 모듈(450)은 제1 방열판(421, 422) 및 연장 부분(430)에 걸쳐서 넓은 면적을 차지하도록 배치된다. 열전 모듈(450) 상에는 제3 방열판(460)이 배치된다.
열전 모듈(450)은 메모리 소자의 상방에 배치되므로 메모리 소자용 슬롯 사이의 공간적 제약을 받지 않으며, 또한 메모리 소자 본체(411, 412) 상의 에 열전 모듈(450)이 직접 배치되므로 냉각 효율이 향상될 수 있다. 또한, 방열판의 면적이 넓게 되므로 냉각 효율의 향상에 기여할 수 있다.
실험예
본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈을 구비한 냉각효율을 측정하기 위해서 도 6과 같은 실험을 하였다. 도 6에서 보면 PCB 위에 나란하게 장착된 발열 디바이스인 제1-제3 패키지(P1-P3)(제1 케이스)와, 패키지들(P1-P3)을 덮으며 일측으로 연장된 부분을 구비한 제1 방열판(H1)을 구비한 제2 케이스와, 연장부분 상에 배치된 열전모듈(T) 및 열전 모듈(T) 상의 제2 방열판(H2)을 구비한 제3 케이스를 비교하였다. 각 패키지(P1-P3)에는 300, 500, 700, 900 mA를 순차적으로 인가하였으며, 열전 모듈(T)에는 일정하게 500 mA를 인가하였다.
표 1은 위 실험한 결과를 나타낸다.
Figure 112009011011614-PAT00001
표 1을 참조하면, 제1 방열판(H1)의 냉각 효과가 크지만, 열전 모듈(T)과 제2 방열판(H2)을 적용하면 제1방열판(H1) 만을 적용했을 경우에 비해 4~13 ℃ 정도 더 냉각되는 것을 볼 수 있었다. 이러한 열전 모듈(T) 및 제2 방열판(H2)에 의한 냉각 효과는 실제 메모리 소자가 다량으로 장착되는 서버에서는 매우 큰 냉각 효과를 가져다 줄 수 있게 된다. 특히, 패키지의 온도가 증가함에 따라 냉각효율이 크게 향상되는 것을 볼 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 디바이스의 개략적 사시도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발열 메모리 소자의 개략적 평면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발열 메모리 소자의 개략적 사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발열 메모리 소자의 개략적 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열전 모듈을 구비한 냉각효율을 측정하기 위한 실험예를 보여주는 사시도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100: 발열 디바이스 110: 디바이스 몸체
120: 제1 방열판 122: 연장 부분
130: 제2 방열판 150: 열전 모듈
160: 제3 방열판 170: 결합 클립

Claims (8)

  1. 디바이스 몸체; 및
    상기 디바이스 몸체와 겹쳐지지 않게 배치되어 상기 디비이스를 냉각시키는 열전모듈을 구비한 발열 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 디바이스 몸체에 부착되며, 상기 디바이스 몸체가 장착되는 슬롯의 길이방향의 일측으로 연장된 연장부분을 가지며, 상기 열전모듈은 상기 연장부분 상에 부착된 제1 방열판;
    및 상기 열전모듈 상에서 상기 연장부분과 마주보게 배치된 제2 방열판;을 더 구비한 발열 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 열전모듈은 상기 연장부분에 대해서 상기 디바이스 몸체와 마주보게 배치된 발열 디바이스.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 디바이스 몸체에서 상기 제1 방열판과 마주보게 상기 디바이스 몸체에 부착된 제3 방열판을 더 구비한 발열 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 디바이스 몸체는 메모리 소자인 발열 디바이스.
  6. 디바이스 몸체;
    상기 디바이스 몸체에 부착되며, 상기 디바이스 몸체가 장착되는 슬롯의 길이방향의 3면을 둘러싸는 제1 방열판;
    상기 제1 방열판의 상부 상에 부착된 열전모듈; 및
    상기 열전모듈 상의 제2 방열판;을 구비한 발열 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 디바이스 몸체는 복수의 디바이스 몸체를 구비하며, 상기 제1 방열판은 각 디바이스 몸체의 상기 슬롯 길이방향의 3면을 감싸는 제1 방열판과, 상기 제1 방열판 사이에서 각각의 제1 방열판의 상부를 평행하게 연결하는 제3 방열판을 구비하며,
    상기 열전 모듈은 상기 제1 방열판 및 상기 제3 방열판을 걸쳐서 부착되며,
    상기 제2 방열판은 상기 열전 모듈 상에 배치된 발열 디바이스.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 디바이스 몸체는 메모리 소자인 발열 디바이스.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180049768A (ko) * 2016-11-01 2018-05-11 한국전자통신연구원 에너지 수확 장치

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KR20180049768A (ko) * 2016-11-01 2018-05-11 한국전자통신연구원 에너지 수확 장치

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