KR20110039298A - 구조적으로 복잡한 모놀리식 히트 싱크 설계 - Google Patents

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KR20110039298A
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돔나일 헤르논
마크 스코트 호데스
샨카르 크리쉬난
알랜 마이클 라이온즈
알랜 오로글린
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알카텔-루센트 유에스에이 인코포레이티드
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Abstract

히트 싱크는 베이스, 및 상기 베이스에 모놀리식적으로 연결되는 열교환 요소를 구비한다. 상기 열교환 요소는 이 열교환 요소를 통한 제 1 및 제 2 경로를 적어도 부분적으로 경계짓는 표면을 갖는다. 상기 표면은 제 1 및 제 2 경로의 상부 경계를 형성하고, 제 1 및 제 2 경로를 연결하는 관통 개구를 구비한다.

Description

구조적으로 복잡한 모놀리식 히트 싱크 설계{MONOLITHIC STRUCTURALLY COMPLEX HEAT SINK DESIGNS}
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 Hernon 등에 의해 출원되고 발명의 명칭이 "능동형 히트 싱크 설계"이며 본원과 공동으로 양도된 미국 특허 출원 제12/165,063호 및 Hernon 등에 의해 출원되고 발명의 명칭이 "히트 싱크 성능을 개선하기 위한 분류기"인 미국 특허 출원 제12/165,193호에 관한 것이며, 상기 양 특허 출원은 그 전체가 본원에 원용된다.
본 발명은 일반적으로 히트 싱크에 관한 것이다.
히트 싱크는 통상 전자 기기의 대류 표면적을 증가시켜 그 기기와 예를 들어 공기와 같은 냉각 매체 사이의 열 저항을 감소시키기 위해 사용된다. 압출, 기계가공(machining) 및 다이캐스팅을 포함한 각종 제조 방법이 사용된다. 이들 방법은 비교적 간단한 히트 싱크에 적합하다.
그러나, 히트 싱크의 성능을 개선하기 위해서는 보다 복잡한 구조물이 필요하다. 전통적인 히트 싱크 제조 방법은 이러한 복잡한 구조물을 제조하는데 적합하지 않다.
일 실시예는 베이스, 및 상기 베이스에 모놀리식적으로(monolithically) 연결되는 열교환 요소를 구비하는 히트 싱크이다. 상기 열교환 요소는 이 열교환 요소를 통한 제 1 및 제 2 경로를 적어도 부분적으로 경계짓는 표면을 갖는다. 상기 표면은 제 1 및 제 2 경로의 상부 경계를 형성하고, 제 1 및 제 2 경로를 연결하는 관통 개구를 구비한다.
다른 실시예는 베이스 형태 및 상기 베이스 형태에 연결되는 열교환 요소를 포함하는 희생적 히트 싱크 패턴을 제공하는 것을 포함하는 방법이다. 상기 열교환 요소는 상기 히트 싱크 패턴을 통한 제 1 및 제 2 경로를 적어도 부분적으로 경계짓는 표면을 갖는다. 상기 표면은 제 1 및 제 2 경로의 상부 경계를 형성하고, 제 1 및 제 2 경로를 연결하는 관통 개구를 구비한다. 상기 패턴은 인베스트먼트 주조 공정에 제공되어 모놀리식 히트 싱크를 형성한다.
이하의 상세한 설명을 첨부 도면을 참조하여 숙독하면 다양한 실시예가 이해될 것이다. 다양한 특징부들은 실척으로 도시되지 않을 수 있으며, 설명의 명료함을 위해 크기를 임의로 증가 또는 감소시킬 수 있다. 도면에서의 다양한 특징부들은 참조의 편의상 "수직"하거나 "수평"한 것으로 기술될 수 있다. 이러한 설명은 이러한 특징부의 배향을 자연 수평 또는 중력에 대해 제한하지 않는다. 이제 하기 설명을 첨부 도면과 함께 참조한다.
도 1은 종래의 히트 싱크의 도시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 히트 싱크의 요소들의 도시도이다.
도 3은 방법의 도시도이다.
도 4는 주기적인 핀-발포체(fin-foam) 히트 싱크의 도시도이다.
도 5a는 최소-표면 구조 히트 싱크의 도시도이다.
도 5b는 가변 단면적을 갖는 경로의 도시도이다.
도 6은 슬롯형 벌집 히트 싱크의 도시도이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 각각 도 4, 도 5a 및 도 6의 실시예의 요소들의 도시도이다.
도 8은 히트 싱크의 성능 특징의 도시도이다.
본 명세서에 기재된 실시예는 종래의 방법에 의해 얻을 수 없는 구조적 복잡성을 갖는 모놀리식 히트 싱크를 제조하기 위해 3차원(3-D) 렌더링 및 인베스트먼트 주조법이 사용될 수 있다는 인식을 반영한다. 모놀리식 히트 싱크 설계에서의 이러한 복잡성은 이러한 히트 싱크의 성능을 종래의 히트 싱크에 비해 개선하기 위해 신규한 구조적 특징을 갖는 히트 싱크를 형성하기 위한 수단을 제공한다. 이하 기재되는 실시예는 이전에는 얻을 수 없는 히트 싱크 디자이너에게 이용가능한 구조적 요소를 만들어낸다. 이들 요소의 이용가능성은 디자이너에게 후술하는 "간단한" 히트 싱크를 갖는 경우에 비해 유체 역학 및 방열 물리학을 훨씬 더 이용할 능력을 제공한다. 간단한 히트 싱크에 대해 구조적으로 복잡한 히트 싱크의 열전달 특징을 상당히 개선시키는 실시예를 설명한다.
본 발명은 열교환 요소들이 히트 싱크의 베이스에 모놀리식적으로 부착될 수 있는 히트 싱크를 형성하기 위해 희생적 패턴의 3-D 프린팅 및 후속 인베스트먼트 주조를 사용하는 개념을 도입하고 있다. 본 명세서에 사용되는 모놀리식이란 용어는 히트 싱크의 요소에 대해, 상기 요소와 베이스가 단일의 연속적인 완전체임을 의미하는 것으로 정의된다. 즉, 상기 요소와 베이스는 단일의 주조 유닛의 부분이며, 나머지 부분에 대해 접착제, 나사, 용접, 압착(crimp), 또는 임의의 유사한 화학적 또는 기계적 수단에 의해 체결되지 않는다. 그러나, 다른 요소를 모놀리식 부분에 부착하거나 히트 싱크를 회로 또는 조립체에 부착하기 위해 이들 체결 수단 중 임의의 것이 사용되면, 열교환 요소와 베이스는 이것들이 다결정성일 경우 여전히 모놀리식적으로 연결된다.
통상적인 3-D 프린터는 일련의 솔리드 레이어에 의해 3-D 형태를 형성하기 위해 레이저와 액체 포토폴리머(photopolymer)를 사용한다. 일 예는 스테레오리소그래피 신속 프로토타이핑 시스템이다. 당업자는 이러한 시스템 및 이 시스템에 사용되는 포토폴리머에 정통하다. 예를 들어, 한 가지 형태의 프린터는 전사 스테이지에서 액체 포토폴리머의 박층에 솔리드 패턴을 형성하기 위해 레이저를 사용한다. 스테이지가 진전되고 제 1 층 위에는 다른 층이 형성된다. 일련의 층들에 의해, 거의 임의적인 복잡성을 갖는 물체의 3-D 형태가 특징부의 잠재 해상도가 100㎛ 정도로 형성될 수 있다. 일부 시스템에서는, 3-D 형태의 취약한 부분을 기계적으로 지지하기 위해 왁스 또는 가용성 포토폴리머도 사용된다. 3-D 형태는 후술되는 종래의 인베스트먼트 주조 공정에서 패턴으로서 직접 사용될 수 있다.
3-D 프린팅에 의해 발생된 패턴을 사용하여 형성되는 히트 싱크는 구조적 복잡성에 대한 잠재력을 반영하기 위해 본 명세서에서 "구조적으로 복잡한" 히트 싱크로서 지칭된다. 그러나, 특정한 물리적 특징부의 존재는 본 명세서에서 규정되는 복잡한 히트 싱크의 클래스에서 히트 싱크를 구비하는데 전제 조건이 아님을 알아야 한다.
도 1은 종래의 히트 싱크(100)의 도시도이다. 히트 싱크(100)의 특징부는 베이스(110) 및 핀(120)을 구비한다. 핀(120)은 구조적으로 균일하며, 예를 들어 특정 제조 방법에서 보편적인 표면 거칠기 외에 핀(120)의 표면에 돌기나 오목부가 존재하지 않는다. 히트 싱크(100)는 금속 블록 또는 희생적 형태의 압출, 샌드-캐스팅, 다이-캐스팅, 접합, 절첩, 단조, 스카이빙(skiving) 및 기계가공에 의해 형성되는 히트 싱크의 클래스를 나타낸다. 기계가공은 기계적 수단에 의한 블록으로부터의 재료 제거로서 정의된다. 핀의 최대 종횡비, 즉 핀 두께(T)에 대한 핀 높이(H)의 비율은 통상, 제조 방법에 따라 약 8:1 내지 약 20:1의 범위로 제한된다. 이 클래스의 히트 싱크는 본 명세서에서 "간단한" 히트 싱크로서 규정되고, 분명히 거부된다.
도 2는 3-D 프린팅 및 주조를 사용하여 형성될 수 있는 구조적으로 복잡한 히트 싱크(200)의 다양한 구조적 특징부를 도시한다. 이하의 논의에서의 참조를 위해 좌표 축이 도시되어 있다. 베이스(205)는 다양한 도시된 열교환 요소에 대한 토대를 제공한다. 베이스는 평면적인 것으로 도시되어 있지만, 임의의 소정 형상일 수도 있다. 예를 들어, 베이스는 회로판 또는 전자 기기의 기저 지형에 합치되는 형상으로 형성될 수 있다. 열교환 요소의 몇 가지 예가 도 2에 도시되어 있다. 이들 예는 배타적이지 않으며, 히트 싱크(200)는 각각의 형태의 요소를 단독으로 또는 다른 요소들과 조합하여 구비할 수 있음을 알 것이다.
핀(210)은 베이스(205)로부터 돌출하는 장방형 중실 요소이다. 핀은 약 20:1 미만의 종래의 종횡비(높이 대 두께 비율)를 가질 수 있거나, 그보다 큰 종횡비를 가질 수 있다. 핀(210)은 냉매 채널(215)을 구비할 수 있으며, 예를 들어 물이나 공기와 같은 냉매가 상기 냉매 채널을 통해서 순환하여 핀으로부터 예를 들어 핀(210)에 인접한 공기 스트림으로의 열전달을 증가시킨다. 냉매 채널은 종래의 히트 싱크 형성 방법에 의해 달성될 수 없는 방식으로, 예를 들어, X-Z 평면에서의 임의의 경로로 경로지정될 수 있다. 이러한 채널은 필요할 경우 베이스(205)에 제공될 수도 있다. 핀(210)의 종횡비는 예를 들어, 재료 강도, 주조 중에 높은 종횡비의 공극(void)을 충전하는 능력, 및 서비스 도중에 부하를 견뎌내기 위해 핀에 요구되는 기계적 강도와 같은 인자에 의해 제한될 수 있다. 핀은 100:1을 초과하는 종횡비로 구성될 수 있는 것으로 보수적으로 추정된다.
핀(230)은 Y-Z 평면에 형성되는 굴곡부(bend)(235)를 구비한다. 이러한 굴곡부는 예를 들어 베이스(205) 위의 핀 높이를 증가시키지 않으면서 핀 표면적을 증가시키기 위해 바람직할 수 있다. 복잡성에 따라, 굴곡부(235)는 특히 도 2에 도시된 다른 특징부와 조합될 경우 상기 방법에 의해 제조하기 어려울 수 있다. 예를 들어, 굴곡부는 Y-Z 평면 및 X-Y 평면의 양 평면에 형성될 수 있다. 종래의 제조 방법은 이러한 구조적으로 복잡한 특징부를 처리할 수 없다.
다른 실시예에서, 핀(240)은 연장부(245)를 구비한다. 연장부(245)는 X-방향으로 얇을 수 있으며, 이 경우에 최소 두께는 히트 싱크 용으로 사용되는 재료를 포함하는 인자에 의존될 것이다. X-방향으로의 두께는 이 최소치로부터 X-방향으로 핀(240)의 전체 길이보다 큰 정도까지의 범위에 있을 수 있다. X-방향으로의 두께는 예를 들어 연장부(245)가 히트 싱크(200)의 상류에 배치된 와류 발생기의 일부를 형성할 때 핀(240)의 길이를 초과할 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 출원 제______호(Hernon 2)를 참조한다. Z-방향으로의 연장부(245)의 높이는 최소 형성가능한 두께로부터 핀(240)의 높이보다 큰 정도까지의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 연장부는 평판, 예를 들면, 핀(240)으로부터 핀(240)을 지나서 흐르는 공기 스트림 내로 돌출하는 얇은 평면적 특징부를 형성한다. 이렇게 구성되는 연장부(245)는 예를 들어, 상기_______출원(Hernon 2)에 기재된 분류기일 수 있다. 다른 실시예에서, 연장부는 예를 들어 원형, 타원형 또는 피라미드형일 수 있는 범프를 형성한다.
핀(250)은 오목부(255)를 구비한다. 오목부(255)는 예를 들어 X-Z 평면에서 원형 또는 타원형 단면을 갖는 딤플(dimple)일 수 있다. Y-Z 평면에서의 오목부(255)의 프로파일은 예를 들어 원형(도시됨), 삼각형, 사각형 또는 심지어 재진입형(re-entrant) 공동과 같은 임의의 소정 프로파일일 수 있다. 연장부(245)에 대해 기술했듯이, 오목부(255)는 또한 X-방향으로 핀(250)의 전체 길이를 연장하거나 Z-방향으로 핀(250)의 전체 길이를 연장할 수 있다.
핀(260)은 개구(265)를 구비한다. 개구(265)는 핀(260)의 대향하는 양면과 교차한다. 개구(265)는 예를 들어 원형, 삼각형, 사각형 또는 육각형과 같은 임의의 소정 형상일 수 있으며, 핀(260)은 개구(265)를 임의의 소정 개수 구비할 수 있다. 물론, 개구(265)의 구조는 핀(265)의 물리적 완전성을 보존하기 위해, 사용되는 재료의 기계적 강도, 핀 두께, 및 서비스 환경에 의해 제약될 수 있다.
핀(270)은 브릿지연결 요소(272, 274, 276)를 구비한다. 이러한 브릿지연결 요소는 주 표면이 예를 들어 브릿지연결 요소(272)와 같이 Y-Z 평면에 배향되거나 브릿지연결 요소(274)와 같이 X-Y 평면에 배향되도록 배향될 수 있다. 브릿지연결 특징부는 또한 브릿지연결 요소(276)와 같은 개구를 구비할 수 있다. 브릿지연결 요소는 또한 공기를 히트 싱크의 한 부분으로부터 다른 부분으로 향하게 하기 위한 덕트의 형성에 사용될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 출원 제______호(Hernon 3)를 참조한다.
핀(280)은 재진입형 공극(285)을 구비한다. 공극(285)은 그 최대 단면적보다 작은 개구를 통해서만 접근가능한 오목한 체적을 갖는다. 이러한 특징부는 핀(280)과 주위 사이의 열 저항을 감소시키기 위해 핀(280)의 표면적을 상당히 감소시키기 위한 수단을 제공한다. 최소 표면적과 같은 신규한 히트 싱크 구조물 또한 후술하듯이 제조될 수 있다.
일부 경우에는, 핀이 심지어 사용되지 않는다. 벌집 채널(290)은 이러한 열교환 요소의 하나이다. 이 실시예에서, 벌집에 의해 형성되는 채널(295)은 서로에 대해 및 베이스(205)에 대해 평행하게 연장된다. 채널(295)은 폐쇄(closed) 채널인 바, 이는 채널을 따른 어떤 지점에서 각 채널의 단면이 폐쇄 다각형이라는 것을 의미한다. 채널(295)의 벽은 예를 들어 개구(297), 연장부 및 오목부를 포함하는 전술한 다른 특징부를 포함할 수 있다. "폐쇄 채널"이라는 용어가 본 명세서에 사용될 때, 채널은 채널 벽에 개구(297)와 같은 개구를 구비할 수 있으며 여전히 폐쇄된 것으로 고려될 수 있다.
상기 물리적 특징부는 전술한 방법에 의해 형성될 수 있는 가능한 특징부를 배제하지 않는다. 더욱이, 전술한 요소들은 이전에 달성될 수 없었던 열전달 특징을 달성하기 위해 획기적인 방식으로 조합될 수 있다. 요소들의 가능한 조합에 의해 제공되는 장점은 이들 요소가 모놀리식 히트 싱크(200)에 일체적이라는 사실에 의해 확장된다. 따라서 이들 요소는 써멀 그리스 또는 접착 재료에 의해 히트 싱크로부터 부분적으로 절연되지 않으며, 히트 싱크 도처에서의 열 전도성이 개선된다. 더욱이, 히트 싱크의 균일한 열 전도성은 히트 싱크의 열 성능의 모델링을 위해 보다 일관된 환경을 제공할 수 있으며, 설계 부담을 덜어준다. 요소와 베이스를 모놀리식 구조물로서 형성하는 것의 장점은 히트 싱크에 추가적인 구조적 요소를 비모놀리식적으로 부착해도 사라지지 않는다.
상기 실시예에 의해 형성되는 히트 싱크는 복잡한 히트 싱크의 특징부의 기계가공이 비실용적이거나, 비경제적이거나 불가능한 적용을 위해 의도된다. 따라서, 타겟 적용은 히트 싱크의 특징부의 물리적 치수가 기계가공이 경제적으로 및 실용적으로 사용될 수 있는 크기 미만인 적용으로 한정된다. 확실히, 1mm 이하로 분리된 히트 싱크의 표면 상의 특징부의 기계가공은 비실용적이거나, 비경제적이거나 불가능한 것으로 간주된다. 표면들이 5mm 만큼 분리될 때의 이러한 기계가공은 여전히 적어도 비실용적이거나 비경제적인 것으로 간주될 것이며, 실현불가능할 수도 있다. 1cm 이상의 경우에, 기계가공은 대부분의 필요한 적용에서 비용이 많이 들더라도 실현될 수도 있다. 따라서, 약 1cm 이상 분리된 양면을 갖는 히트 싱크는 분명히 거부된다.
도 3은 구조적으로 복잡한 히트 싱크를 형성하기 위한 방법(300)을 도시한다. 단계 310에서, 설계자는 개념을 설계로 변환한다. 히트 싱크는 설계 데이터를 나중에 3-D 렌더링 시스템에 전달하는데 적합한 임의의 방식으로 설계될 수 있다. 한 가지의 특히 유용한 기술은 3-D CAD/CAM 시스템을 사용하여 구조적으로 복잡한 히트 싱크의 구조를 정하는 것을 포함한다. CAD/CAM 시스템에 의해 제공되는 데이터는 단계 320에서 3-D 렌더링 시스템에 직접 제공될 수 있다. 상기 데이터는 또한 공기 속도, 열적 부하 및 최대 열 유속(heat flux)과 같은 다양한 조건 하에서 히트 싱크 설계의 성능을 예상 및 최적화하기 위해 열적 모델링 시스템에 유리하게 제공될 수 있다. 열적 모델링은 히트 싱크의 설계 단계 중에 유리할 수 있지만, 상기 방법(300)은 이러한 모델링을 요구하지 않는다는 것을 알아야 한다.
단계 320에서, 단계 310으로부터 유래하는 설계는 희생 재료 내에서 히트 싱크 형태로 렌더링된다. 이 재료는 예를 들어, 스테레오리소그래피 신속 프로토타이핑 시스템에 사용되는 포토폴리머일 수 있다. 베이스 형태와 열교환 형태가 모놀리식 패턴으로서 제조될 수 있다. 그 결과적인 패턴은 거의 임의적인 복잡성의 것일 수 있다. 단일 패턴이 소정의 설계를 캡처할 수 없는 경우에는, 최종적인 소정의 패턴을 생성하기 위해 둘 이상의 형태가 결합될 수 있다.
단계 330에서, 히트 싱크는 단계 320에서 생성된 패턴을 인베스트먼트 주조 공정에서 희생적인 형태로서 사용하여 소정 금속으로 렌더링된다. 인베스트먼트 주조 분야의 당업자는 인베스트먼트 주조의 다양한 방법에 정통하다. 바람직한 실시예에서는, 인산 접합된 석고(plaster) 주조법이 사용된다.
단계 340에서, 히트 싱크는 전자 조립체와 같은 시스템에 통합된다. 일부 경우에, 히트 싱크는 전자 부품, 예를 들면, 마이크로프로세서와 같은 집적 회로 또는 전력 증폭기, 광학 증폭기 또는 유사 방열 장치에 결합된다. 일부 경우에, 히트 싱크는 열전(thermo-electric) 장치의 고온 측이 장치의 가열에 사용될 때 저온 측에 부착될 수 있다. 장치 패키지와 히트 싱크 사이의 열 전도를 향상시키기 위해 써멀 그리스 또는 열전도성 패드가 사용될 수도 있다. 다른 경우에, 냉매 채널(245)과 같은 액체 냉매 채널이 히트 싱크에 제공될 때는 히트 싱크에 냉각 라인이 부착될 수도 있다.
이하의 실시예는 모놀리식 히트 싱크를 형성하는 상기 방법의 비제한적인 적용예이다. 이들 적용예는 도 2에 도시된 전술한 다양한 구조적 특징부의 사용을 도시한다. 그러나, 그렇지 않으면 거부되지 않고 도 2에 도시된 것과 같은 구조적 특징부를 구비하며 상기 방법에 의해 형성되는 임의의 히트 싱크 설계는 본 발명의 범위에 포함되는 것을 알아야 한다.
도 4에는 핀-발포체 히트 싱크(400)의 일 실시예가 도시되어 있다. 핀-발포체 히트 싱크(400)는 베이스(430) 상에 수직 핀(410)과 발포 구조물(420)을 구비한다. 발포 구조물(420)은 히트 싱크 내의 공간을 충전하는 다공성 구조를 갖는 열전달 요소들의 구조적으로 복잡한 조립체이다. 발포 구조물이 히트 싱크 핀과 조합되면, 조합된 구조물은 핀-발포체로 지칭된다.
일부 경우에, 발포 구조물은 비구조적(unstructured)[의사-무작위적(pseudo-random)]이다. 다른 경우에, 발포 구조물은 2차원 또는 3차원 주기성을 갖는 단위 격자로 구성되는 하나 이상의 열전달 요소를 갖는다. 도 4에서, 예를 들어, X-Y 요소(440)는 XYZ 좌표계로 표시되는 X-Y 평면에 대략 평행한 주 표면을 가지며, Y-Z 요소(450)는 Y-Z 평면에 대략 평행한 주 표면을 갖는다. 이 비제한적 예에서의 단위 격자(460)는 하나의 Y-Z 요소와 두 개의 X-Z 요소를 구비한다.
열전달 요소는 히트 싱크(400)를 통한 공기 유동에 대한 경로(470)를 제공하도록 구성된다. 일부 경우에, 경로(470)는 막힘없는 경로이며, 이는 경로(470)가 베이스(430)에 대해 추가로 평행할 수 있는 히트 싱크(400)를 통한 공기 유동에 대한 직선 경로를 제공하는 것을 의미한다. 다른 경우에, 경로(470)는 구불구불한 경로이며, 이는 히트 싱크(400)를 통한 공기 유동의 경로가 굴곡부를 가짐을 의미한다. 구불구불한 경로의 평균 경로는 베이스(430)에 대해 대략 평행하다. 도시된 핀-발포체 설계와 같은 특정한 히트 싱크 설계는 막힘없는 경로와 구불구불한 경로의 조합을 구비할 수 있다.
핀-발포체 히트 싱크(400)에서는 수직 핀(410) 사이의 거리가 단위 격자 폭과 동일하지만, 다른 실시예에서는 단위 격자 폭이 이 거리보다 작을 수 있다. 예를 들어, 핀(410) 사이 공간은 둘 이상의 단위 격자를 구비할 수 있다. 일부 실시예에서는, 핀(410)이 완전히 생략되며, 따라서 히트 싱크가 베이스(430) 상의 발포 구조물(420) 만으로 구성된다. 주기적인 발포 구조물이 요구될 때, 발포 구조물은 예를 들면, 체심입방(body-centered cubic: BCC), 면심입방(face-centered cubic: FCC), A15 격자 배치 또는 임의의 다른 소정의 격자 배치로 생성될 수 있다. 발포체는 열교환을 위한 표면적을 증가시키기 위해 수평 또는 수직판으로부터 돌출하는 프랙탈 기하구조물, 또는 판 또는 스파이크를 구비할 수 있다.
발포 구조물은 또한 핀 통로 내의 발포 공극의 하류에 유익한 유동 특징을 생성하도록 설계될 수도 있다. 이러한 구조물은 핀-발포체 히트 싱크(400)와 주위 사이의 열전달을 증가시키는 예를 들어, 비정상적 층류, 천이류, 난류, 카오스 유동 및 공명 유동과 같은 유동 불안정을 생성하도록 구성될 수 있다. 미국 특허 출원 제______호(Hernon 2)를 참조한다.
핀(410)과 발포 구조물(420)은 전술한 주조 공정에 의해 단일의 모놀리식 주조 구조물로서 형성될 수 있다. 이러한 설계는 예를 들어 접착제로 인한 과잉 열 장벽을 갖는 것과 연관된 열 저항 페널티가 전혀 없다는 점에서 개별적인 서브조립체들로 조립된 히트 싱크에 비해 상당한 장점을 제공한다. 핀-발포체 실시예는 간단한 히트 싱크 설계에 비해서 핀-발포체 히트 싱크(400)를 향하거나 히트 싱크로부터 멀어지는 열전달에 이용될 수 있는 표면적의 상당한 증가를 초래한다. 예를 들어, 핀-발포체 히트 싱크(400) 상의 열전달에 이용될 수 있는 표면적은 동일한 길이, 높이 및 폭 치수를 갖는 평행한 핀 히트 싱크의 표면적보다 대략 15% 크다.
이제 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 하나의 내표면(510)과 하나의 외표면(520) 만을 갖는 히트 싱크 요소(500)의 일 실시에가 도시되어 있다. 도시된 실시예는 슈바르츠(Schwarz') P 표면으로 지칭되며, 표면의 가변 곡률을 매끄럽게 변화시키는 것을 특징으로 한다. 형식상, 슈바르츠 P 구조물은 제로의 평균 곡률을 갖는 것을 특징으로 하며, 때로는 "최소-표면" 구조물로서 지칭되기도 한다. 물론, 슈바르츠 P 구조물 이외의 다른 구조물이 사용될 수도 있고, 면적이 최소일 필요가 없을 수도 있으며, 평탄하거나 각진 특징부를 구비할 수도 있다.
요소(500)는 연속적으로 연결된 표면, 예를 들면 슈바르츠 P 구조물에 의해 분리되는 내부 및 외부 체적을 구비하는 임의 형상 또는 크기의 단위 격자를 포함할 수도 있다. 요소(500)는 공간을 두 개의 합치되는 미로로 분할한다. 요소(500)는 또한 막힘없는 경로(530)를 제공한다. 일부 실시예에서, 요소(500) 내의 내부 유동은 분리 효과 또는 내부 유동 통로 내의 단면적의 변화로 인한 간단한 가속 및 감속 효과를 통한 일반적인 불안정성에 의해 방해받는다. 또한, 단위 격자는 대칭적일 필요가 없지만, 예를 들어 유동의 자체-진동을 유지할 수 있는 구조물의 임의 어레이일 수 있다.
내표면(510)은 내부 구역을 규정하고 외표면(520)은 외부 구역을 규정한다. 요소(500)는 공기가 냉각을 위해 내표면과 외표면의 양 표면 위로 흐르는 강제-공냉(forced-air) 적용예에 사용될 수 있다. 다른 경우에, 요소(500)는 액체 냉매가 내부 구역을 통해서 유동하게 되는 액체-냉각식 적용예에 사용될 수도 있다. 필요할 경우, 유체 유동을 지도하거나 제한하기 위해 하나 이상의 캡(cap)(540)이 사용될 수 있다. 캡(540)은 예를 들면, 미국 특허 출원 제______호(Hernon 1)에 개시된 능동 요소일 수 있다. 일 실시예에서는, 보다 많은 공기 또는 냉각 액체가 전자 기기의 다른 영역들보다 많은 전력을 소비하는 영역 근처에 있는 요소 부분으로 향할 수 있다. 공기 또는 액체의 유동을 우선적으로 지도하기 위해 요소(500)를 통한 통로의 최소 또는 최대 직경을 변화시키는 것도 사용될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 채널 단면(560)을 통한 공기와 같은 냉각 유체의 경로(550)가 도시되어 있다. 슈바르츠 P 구조물의 비제한적인 경우가 일 예로서 도시되어 있다. 이러한 구조물의 일 양태는 유체가 히트 싱크를 통해서 이동할 때 통과하는 채널의 폭이 유동 경로를 따라서 변화하는 것이다. 일부 실시예에서, 구조물은 층류 체제에서의 자율 유동 진동에 공헌하도록 구성된다. 이러한 진동은 유동 저항을 크게 증가시키지 않으면서 열전달을 개선시키는데 사용될 수 있다. 이러한 구조물은 또한 Tollmien-Schlichting 웨이브 또는 Kelvin-Helmholtz 불안정성과 같은 불안정성을 촉발하거나 난류로의 천이를 촉발할 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 모놀리식 히트 싱크 요소(600)의 일 실시예가 도시되어 있다. 요소(600)는 예를 들어 핀리스(finless) 히트 싱크로서 또는 핀(도시되지 않음) 사이의 열전달 요소로서 사용될 수 있다. 요소(600)는 베이스(610), 평행 채널(620) 및 개구(630)를 구비한다. 채널(620)은 육각형 단면을 가지며, 총괄해서 벌집모양 패턴을 형성한다. 예를 들면, 사각형, 삼각형 또는 원형 채널과 같은 폐쇄 다각형 단면을 형성하는 다른 형상도 사용될 수 있다. 평행 채널(620)은 히트 싱크 요소(600)를 통한 막힘없는 경로를 제공한다.
개구(630)는 예를 들어 오프셋(엇갈린) 장방형 또는 원형일 수 있거나, 아니면 요소(600)의 열전달 및 압력 특징에 유익한 방식으로 채널(620)의 길이를 따라서 배치될 수 있다. 일부 경우에 개구(630)는 베이스(610)로부터 멀어지는 공기 유동 또는 대류를 향상시킬 수 있는 것으로 생각된다. 일부 경우에, 개구(630)는 채널(620)의 벽에 인접한 경계층 구역을 재개함으로써 히트 싱크와 냉각 유체 사이의 열 저항을 감소시킬 수 있다. 경계층은 단열재로서 작용하는 채널 벽에 인접한 비교적 정적인 공기의 구역이다. 경계층의 재개는 자유-스트림 공기가 채널 벽 근처로 유동하게 하여 열전달을 증가시킬 수 있다. 이러한 유동 효과를 초래하는 도 6에 도시된 것과 같은 복잡한 기하학적 구조는 전술한 종래의 공정을 사용하는 부품 히트 싱크의 스케일에서는 달성될 수 없다.
도 7a 내지 도 7c는 전술한 실시예에 의해 공유되는 기하학적 특징부를 도시한다. 도 7a는 발포 구조물(420)의 상세(710)를 도시한다. 도 7b는 히트 싱크 요소(500)의 슈바르츠 P 구조물의 상세(735)를 도시한다. 도 7c는 히트 싱크 요소(600)의 채널(620)의 상세(755)를 도시한다. 각각의 상세(710, 735, 755)는 각각의 열교환 요소를 통한 인접한 경로들을 적어도 부분적으로 경계짓는 표면을 갖는다. 히트 싱크의 표면은 그 모든 표면적을 인접하거나 인접하지 않거나(non-contiguous)간에 구비한다.
먼저 상세(710)에 집중하면, 발포 요소(715)의 아랫면은 발포 구조물(420)을 통한 경로(720)의 상부 경계를 부분적으로 경계짓고 형성하는 표면이다. 발포 요소(725)의 아랫면은 경로(720)에 인접하는 발포 구조물(420)을 통한 경로(730)의 상부 경계를 부분적으로 경계짓고 형성하는 표면이다. 도면에서는 감춰져있는 개구에 의해 경로(720)와 경로(730)가 연결된다. 상세(735)에 관하여, 히트 싱크 요소(500)의 일부(740)의 아랫면은 히트 싱크 요소(500)를 통한 경로(745) 및 경로(750)의 상부 경계를 부분적으로 경계짓고 형성하는 표면이다. 네크 부위(752)가 경로(745)와 경로(750) 사이에 개구를 형성한다. 상세(755)에 관하여, 히트 싱크 요소(600)의 일부(760)의 아랫면은 경로(765)의 상부 경계를 부분적으로 경계짓고 형성하는 표면이다. 히트 싱크 요소(600)의 일부(770)의 아랫면은 경로(775)의 상부 경계를 부분적으로 경계짓고 형성하는 표면이다. 개구(780)에 의해 경로(760)와 경로(765)가 연결된다.
도 8을 참조하면, 히트 싱크(600)와 같은 벌집 히트 싱크 및 히트 싱크(400)와 같은 핀-발포체 히트 싱크의 실험적 성능을 히트 싱크(100)와 같은 표준 핀부착(finned) 히트 싱크와 비교하는 그래프가 도시되어 있다. 성능 곡선은 세 가지 경우의 열 저항을 히트 싱크의 바로 상류에서의 공기 속도의 함수로서 도시한다. 히트 싱크는 히트 싱크 폭, 높이, 길이 및 히트 싱크 베이스에 대해 제어된다. 모든 설계는 완전히 덕트 내에 있는 유동 안에 배치되며, 따라서 각각의 히트 싱크를 통한 속도는 일정하다.
테스트된 구조에 있어서, 핀-발포체 히트 싱크와 벌집 히트 싱크는 모두 핀부착 히트 싱크를 능가하며, 핀-발포체 히트 싱크는 벌집 설계를 능가한다. 특정 히트 싱크 성능은 여러가지 인자에 종속될 것이지만, 성능 특징은 전통적인 핀부착 히트 싱크에 비해 핀-발포체 설계 및 슬롯형 벌집 설계의 잠재적인 이점을 명백히 보여준다. 간단한 히트 싱크에 비한 이러한 개선은 예상외로 크다. 이러한 커다란 개선은 공냉식 히트 싱크의 사용을 액체 냉각과 같은 보다 값비싼 냉각 수단을 필요로 하는 전력소비가 높은 전자 부품까지 확장시킬 수 있다.
본 발명을 상세히 설명했지만, 당업자라면 본 발명의 가장 넓은 형태의 취지 및 범위 내에서 다양한 변경, 치환 및 대체가 이루어질 수 있음을 알 것이다.

Claims (10)

  1. 히트 싱크에 있어서,
    베이스, 및
    상기 베이스에 모놀리식적으로 연결되는 열교환 요소로서, 상기 열교환 요소를 통한 제 1 및 제 2 경로를 적어도 부분적으로 경계짓는 표면을 갖는 열교환 요소를 포함하며,
    상기 표면은 상기 제 1 및 제 2 경로의 상부 경계를 형성하고, 상기 제 1 및 제 2 경로를 연결하는 관통 개구를 구비하는 것을 특징으로 하는
    히트 싱크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환 요소는 발포 구조물의 일부인 것을 특징으로 하는
    히트 싱크.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환 요소는 상기 베이스에 대해 대략 평행하고 폐쇄된 원형 또는 다각형 단면을 갖는 폐쇄 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는
    히트 싱크.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환 요소는 공간을 두 개의 합치되는 미로로 분할하는 것을 특징으로 하는
    히트 싱크.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환 요소는 재진입형 공극을 구비하는 것을 특징으로 하는
    히트 싱크.
  6. 희생적 히트 싱크 패턴을 제공하는 단계로서,
    상기 싱크 패턴은
    베이스 형태, 및
    상기 베이스 형태에 연결되며, 상기 히트 싱크 패턴을 통한 제 1 및 제 2 경로를 적어도 부분적으로 경계짓는 표면을 갖는 열교환 요소 형태를 포함하고,
    상기 표면은 상기 제 1 및 제 2 경로의 상부 경계를 형성하며, 상기 제 1 및 제 2 경로를 연결하는 관통 개구를 구비하는, 상기 단계; 및
    상기 패턴을 인베스트먼트 주조 공정에 제공하여 모놀리식 히트 싱크를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  7. 제 11 항에 있어서,
    상기 열교환 요소 형태는 발포 구조물 형태의 일부인 것을 특징으로 하는
    방법.
  8. 제 11 항에 있어서,
    상기 열교환 요소 형태는 상기 베이스 형태에 대해 대략 평행하고 폐쇄된 원형 또는 다각형 단면을 갖는 폐쇄 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  9. 제 11 항에 있어서,
    상기 열교환 요소 형태는 공간을 두 개의 합치되는 미로로 분할하는 것을 특징으로 하는
    방법.
  10. 제 11 항에 있어서,
    상기 열교환 요소 형태는 재진입형 공극을 구비하는 것을 특징으로 하는
    방법.
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