KR20120015832A - 유체의 독립된 순환구조를 갖는 등온 히트싱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 윅을 구비한 히트싱크에 관한 것으로서, 밀폐된 내부공간에 작동유체가 구비되는 평판형의 케이스체; 및 상기 케이스체의 내부공간에 설치되며, 액체상태의 작동유체가 모세관력에 의해 이동되게 하는 복수개의 윅;을 포함하고, 상기 복수개의 윅은, 상기 작동유체가 독립적인 순환경로를 가지도록 서로 이격되어 배치된 것을 특징으로 하며, 이를 통해 작동유체의 순환경로를 줄여 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

Description

유체의 독립된 순환구조를 갖는 등온 히트싱크{ISOTHERMAL HEATSINK WITH SEPARATE CIRCUIT OF WORKING FLUID}

본 발명은 윅을 구비한 히트싱크에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유체의 독립된 순환구조를 가져 작동유체의 순환경로를 줄임으로써 냉각효율을 향상시킬 수 있는 등온 히트싱크에 관한 것이다.

최근 전자제품 및 장비가 점점 발달함에 따라 전자부품에서의 발열 문제가 더욱 중요한 문제로 대두되고 있다. 이러한 발열 부품의 성능을 향상 시키기 위해 한정된 공간에서 빠르고 큰 열전달 효과를 얻을 수 있는 냉각 장치의 개발이 점차 중요해지고 있다. 뿐만 아니라 LED 제작공정과 같이 패널의 온도 차이에 의해 열변형이 심하게 나타나는 경우, 이는 제품의 성능과 밀접한 관련이 있기 때문에 열원의 온도를 빠르게 등온으로 유지 시켜주는 역할이 매우 중요하다.

발열부품을 냉각하는 한가지 방법으로 히트싱크 설계 연구가 많이 진행되고 있고 실제로 실용화되어 사용되고 있다. 히트싱크는 전자부품에서 발생된 열이 전도에 의해 히트싱크로 전달되고 히트싱크에 설치된 핀(fin)에 의한 자연대류나 팬(fan)에 의한 강제대류에 의해 주위 공기로 열전달을 시키는 수단이다.

이보다 한 단계 더 나아가 발열부품의 열을 더욱 빠르게 냉각하는 방법으로 히트싱크에 히트파이프의 원리를 적용한 방법이 있다. 핀과 팬의 방법으로 설계된 히트싱크의 방법보다 히트파이프의 원리를 적용한 히트싱크 방법의 경우, 작동유체의 증발잠열을 이용하게 되어 열전달 효율이 좋아져 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 도 1은 종래의 평판형 히트파이프의 구조를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 히트파이프(1)는 콘테이너(2)의 가열부(2a) 측으로 열을 가하여 작동유체(3)를 증발시켜, 이때 발생한 증기가 저온의 방열부(2b)로 이동을 하여 응축함으로써 다시 가열부로 이동하게 되는 순환구조를 가지고 있으며, 작동유체가 증기로 변하면서 발열부의 열을 빼앗아 응축부의 외부로 열을 빼내는 방법으로 열전달을 촉진시켜 냉각시킨다. 하지만, 이와 같은 히트파이프를 이용한 히트싱크는 작동유체의 순환 속도가 상대적으로 느리다는 문제점이 있으며, 히트싱크를 세워서 사용하는 경우와 같이 히트싱크의 설치 방향이 변할 시에, 또는 발열부품이 놓이는 위치에 따라 히트싱크의 증발부와 응축부의 위치가 서로 바뀌어 작동유체의 순환에 문제가 생기고, 이에 따른 냉각성능의 저하와 함께 열원부의 등온 유지가 어렵다는 단점이 있다.

한편, 도 2는 윅(23)을 이용한 종래의 히트싱크의 단면도를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 윅을 이용한 히트싱크는 자기증발, 온도차 등의 열적 불균형으로 인하여 형성되는 유체의 밀도차 및 모세관 압력에 의해 윅(23)을 통해 작동유체(24)의 유동이 이루어지면서 열을 이동시키는 열전달장치이다. 이와 같은 히트싱크는 내부에 물과 같은 작동유체를 넣고 진공상태로 밀봉처리한 판 또는 관으로 형성될 수 있으며, 열원으로부터 열을 흡수하는 증발부(21)와 열을 방출하는 응축부(22)를 포함하고, 그 내부에는 다공성 구조의 윅(23)이 구비된다. 여기서, 열원으로부터 증발부(21) 쪽으로 열이 전달되면 작동유체가 기체로 증발하여 응축부(22)쪽으로 이동하게 된다. 그리고, 응축부(22)에서 액체로 응축되면서 열을 방출한 후 모세관 현상에 의해 다시 증발부(21)로 순환하며 열을 증발부에서 응축부로 전달한다. 하지만, 이와 같이 윅(23)을 이용한 히트싱크의 경우에도 그 내부에 1개의 윅만을 배치하기 때문에 응축된 액체의 이동 경로가 길어질 수 밖에 없으며, 이로 인해 열전달 효율이 떨어지고 히트싱크 내부에서 증기의 순환이 이루어지지 않아 발열부를 일정한 온도로 유지하는데 상당한 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 윅을 이용한 히트싱크에서 내부에 구비되는 작동유체가 독립된 순환구조를 가지면서 동시에 기체상태의 작동유체가 자유롭게 순환되도록 하여 열원을 등온으로 신속하게 냉각시킬 수 있는 등온 히트싱크를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여,

밀폐된 내부공간에 작동유체가 구비되는 평판형의 케이스체; 및

상기 케이스체의 내부공간에 설치되며, 액체상태의 작동유체가 모세관력에 의해 이동되게 하는 복수개의 윅;을 포함하고,

상기 복수개의 윅은, 상기 작동유체가 독립적인 순환경로를 가지도록 서로 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 유체의 독립된 순환구조를 갖는 등온 히트싱크를 제공한다.

여기서, 상기 케이스체의 내부공간에는 기체상태의 작동유체가 소통할 수 있는 공간이 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면,

밀폐된 내부공간에 작동유체가 구비되는 평판형의 케이스체;

상기 케이스체의 내부공간을 구획하는 격벽; 및

상기 격벽에 의해 구획된 공간에 각각 설치되며, 액체상태의 작동유체가 모세관력에 의해 이동되게 하는 복수개의 윅;을 포함하는 유체의 독립된 순환구조를 갖는 등온 히트싱크를 제공할 수 있다.

여기서, 상기 격벽은 상기 평판형의 케이스체의 대향하는 내부면 중 일면에 고정되고 타면과 이격되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 케이스체는 증발부로 기능하는 제1 플레이트 및 응축부로 기능하는 제2 플레이트를 포함할 수 있다.

또한, 상기 격벽은 서로 이격된 상태로 상기 케이스체의 내부공간에 설치되며, 그 양단이 상기 평판형의 케이스체의 대향하는 내부면과 각각 맞닿아 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 히트싱크 내부에 서로 이격되게 설치된 복수의 윅을 이용하여 각각의 윅마다 부분적으로 액체상태의 작동유체가 독립적인 순환구조를 갖도록 하여 작동유체의 순환경로를 줄여 히트싱크의 냉각효율을 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 기체상태의 작동유체는 서로 이격되게 설치된 복수의 윅 상호 간을 자유롭게 이동할 수 있으므로, 등압이 유지되어 열원을 등온으로 냉각시킬 수 있다. 나아가, 이와 같은 구조의 히트싱크는 그 설치 방향 및 열원의 위치에 제약을 받지 않고 자유롭게 설치가 가능하므로 적용범위를 확대시킬 수 있는 부가적인 이점이 있다.

도 1은 히트파이프를 이용한 종래의 히트싱크의 단면도이다.
도 2는 윅을 이용한 종래의 히트싱크의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 등온 히트싱크의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 윅의 구조도이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 히트싱크의 사시도 및 평면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 등온 히트싱크의 사시도 및 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 등온 히트싱크를 수직으로 설치한 상태의 단면도이다.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체의 독립된 순환구조를 갖는 등온 히트싱크의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 등온 히트싱크의 단면도를, 도 4는 본 발명에 따른 윅의 구조도를, 도 5(a) 및 도 5(b)는 본 발명에 따른 등온 히트싱크의 사시도 및 평면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체의 독립된 순환구조를 갖는 등온 히트싱크는, 밀폐된 내부공간에 작동유체가 구비되는 평판형의 케이스체(30); 및 케이스체의 내부공간에 설치되며, 액체상태의 작동유체가 모세관력에 의해 이동되게 하는 복수개의 윅(33);을 포함하고, 복수개의 윅은, 작동유체가 독립적인 순환구조를 가지도록 서로 이격되어 배치되어 있다.

본 발명에 따른 등온 히트싱크는, 외부면이 열원에 접촉하며 작동유체가 증발하는 증발부로 기능하는 제1 플레이트(31)와, 외부면에 핀(fin) 또는 팬(fan)과 같은 열방출수단이 설치될 수 있으며 작동유체가 응축되는 응축부로 기능하는 제2 플레이트(32), 이들 플레이트를 연결하는 단열부(35)를 포함하는 케이스체(30)를 구비하고 있다.

케이스체(30)의 내부에는 밀폐된 내부공간이 형성되며, 이 내부공간에는 작동유체가 채워지게 된다. 케이스체(30)는 본 실시예에서 납작한 평판형으로 형성될 수 있다.

케이스체(30)의 제1 플레이트(31) 및 제2 플레이트(32)는 내부를 충분히 보호할 수 있을 정도의 강성을 가진 판재 등으로 구성되는데, 그 종류로는 알루미늄, 티타늄, 플라스틱, 흑연 또는 기타 금속물질 및 합성수지 등으로 제조될 수 있고, 바람직하게는 열전달율이 높은 금속재인 동판으로 제조될 수 있다.

케이스체(30)의 내부공간에는 복수개의 윅(33)이 설치된다. 윅(33)은 모세관력을 발생시킬 수 있는 다공성구조물을 의미한다. 윅(33)은 금속재질로서 그 직경이 미세한 망사형으로 제조될 수 있다. 윅(33) 사이사이에는 열을 전달하기 위한 작동유체가 채워져 있으며, 작동유체로 본 발명에서는 물이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 등온 히트싱크는, 외부와 완전히 밀폐되어 진공이 유지되는 내부공간을 갖는 평판형 용기인 것이 바람직하며, 냉각시키고자 하는 열원과 맞닿아 있는 증발부(31)와 이 증발부(31)와 마주하는 응축부(32)로 이루어져 있다. 이 증발부와 응축부가 케이스체의 대향하는 내부면을 형성하게 된다.

증발부(31)에서는 열원으로부터 전달된 열에 의해 히트싱크 내부에 주입된 작동유체가 증발하여 증기로 변하게 된다. 이 증기는 열을 가지고 응축부(32)로 이동하며, 응축부(32)에서는 작동유체가 응축되어 저온을 유지하게 되고, 응축부(32)에서 응축된 작동유체는 윅(33)을 통해 액체상태로 증발부(31)로 이동을 하게 된다. 이 때, 응축부(32)의 외부면에는 쿨러나 팬, 핀과 같은 열방출 수단을 이용하여 열방출 효율을 더욱 향상시킬 수도 있다.

본 발명에서는 응축부(32)에서 응축된 작동유체를 증발부(31)로 더 빠르게 이동시키기 위해 복수개의 윅(33)을 배치한다. 즉, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 복수개의 윅(33)은 서로 이격되게 위치하도록 배열됨으로써, 단일의 윅을 배치하여 1개의 증발과 응축의 순환과정이 형성되었던 종래의 히트싱크와 달리, 각각의 윅에서 부분적으로 독립된 증발과 응축의 순환구조를 형성하게 된다. 이와 같이 서로 독립적으로 이격되게 배열된 윅 구조를 이용하여 유체의 독립된 순환구조를 형성함으로써 증기의 열유속이 빨라지고 증기와 응축액의 순환 경로가 짧아져 전체적인 작동유체의 순환 시간이 짧아지게 된다. 결과적으로 열전달이 더욱 빨라져 냉각성능이 더욱 향상될 수 있다.

이 경우, 복수개의 윅을 서로 이격되게 위치하도록 하기 위해, 격벽(34)이 케이스체의 내부공간에 설치될 수 있다. 이 격벽(34)은 케이스체(30)의 내부공간을 구획함으로써 각각의 윅(33)의 설치 위치를 제공할 수 있다. 또한, 격벽(34)과 케이스체(30)의 증발부(32)에 해당하는 제2 플레이트 사이에 공간(S)이 형성되도록, 격벽(34)은 증발부(32)와 이격되게 설치될 수 있다. 이 공간(S)은 기체상태의 작동유체가 복수개의 윅(33)을 지나면서 소통할 수 있는 통로를 제공하며, 이에 따라 케이스체의 내부공간에서 기체상태의 작동유체인 증기가 쉽게 이동하여 케이스체의 내부공간은 전체적으로 등압상태를 유지할 수 있고, 증발부(31)에서 등온으로 열원을 냉각시킬 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 윅은, 도 4에 도시된 바와 같이, 케이스체(30)의 증발부(31)와 마주하는 제1 평면(43a), 응축부(32)와 마주하는 제2 평면(43b) 및 이들 평면을 서로 연결시키는 연결면(43c)으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 형상의 윅은 원기둥 형상의 윅을 측면방향으로 압착함으로써 손쉽게 제조될 수 있으며, 증발부 및 응축부와의 접촉면적을 최대로 하여 액체상태의 작동유체가 보다 빠르게 순환하도록 하는 순환경로를 제공할 수 있다.

윅의 재질로는 다공질 구조를 갖는 합성 섬유재나, 와이어를 직조하여 제작된 직조체 등으로 구성될 수 있다. 따라서, 윅은 그 내부와 외부가 유체 연통되도록 되어 있고, 작동온도에 따라 다양한 층으로 형성될 수 있다.

또한, 윅은 케이스체 내부에서 증발부(31) 및 응축부(32) 사이에서 이들과 서로 접하도록 설치되거나, 이격되게 설치될 수 있다.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 등온 히트싱크를 도시한 도면으로서, 다양한 격벽의 형태 및 배열을 도시하고 있다.

도 5에 도시된 격벽(34)은 서로 이어진 형태로 상기 케이스체의 내부공간에 설치되기 때문에, 기체상태의 작동유체인 증기가 케이스체의 내부공간에서 자유롭게 이동되기 위해서는 격벽(34)과 응축부(32)가 서로 이격되도록, 격벽(34)의 높이를 케이스체의 내부공간의 높이보다 낮게 제작하는 것이 바람직하다.

하지만, 도 6 내지 도 8에 도시된 격벽들(64, 74, 84)은 서로 이격된 상태로 케이스체의 내부공간에 설치되기 때문에, 격벽 상호 간에 형성된 공간 사이로 기체상태의 작동유체가 복수개의 윅을 가로질러 자유롭게 이동할 수 있다. 따라서, 이 격벽들(64, 74, 84)의 높이는 반드시 케이스체의 내부공간보다 낮을 필요는 없으며, 내부공간과 동일한 높이를 가질 수 있다. 이 경우 격벽들(64, 74, 84)은 윅의 설치 위치를 안내하면서 동시에 응축부(62, 72, 82)에 맞닿아 응축부를 지지하는 역할을 할 수 있다.

비연속적으로 설치되는 각각의 격벽 형상은 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 원기둥 또는 십자기둥일 수 있지만, 반드시 이러한 형상에 한정되는 것은 아니며, 그 설치 위치 역시 격자형으로 배치될 수 있는 윅의 각 모서리에 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 발명에 따른 등온 히트싱크는 도 9에 도시된 바와 같이 열원의 위치에 따라 수직으로 설치되어도 냉각효율이 크게 저하되지 않는다. 즉, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 등온 히트싱크는 세부적으로 짧아진 유체의 독립된 순환구조를 가지고 있기 때문에 히트싱크의 설치위치에 따른 냉각효율의 변화를 줄일 수 있으며, 이로 인해 열원의 위치에 관계없이 자유롭게 설치할 수 있다.

본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (6)

1. 밀폐된 내부공간에 작동유체가 구비되는 평판형의 케이스체; 및
   상기 케이스체의 내부공간에 설치되며, 액체상태의 작동유체가 모세관력에 의해 이동되게 하는 복수개의 윅;을 포함하고,
   상기 복수개의 윅은, 상기 작동유체가 독립적인 순환경로를 가지도록 서로 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 유체의 독립된 순환구조를 갖는 등온 히트싱크.
2. 제1항에 있어서,
   상기 케이스체의 내부공간에는 기체상태의 작동유체가 소통할 수 있는 공간이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유체의 독립된 순환구조를 갖는 등온 히트싱크.
3. 밀폐된 내부공간에 작동유체가 구비되는 평판형의 케이스체;
   상기 케이스체의 내부공간을 구획하는 격벽; 및
   상기 격벽에 의해 구획된 공간에 각각 설치되며, 액체상태의 작동유체가 모세관력에 의해 이동되게 하는 복수개의 윅;을 포함하는 유체의 독립된 순환구조를 갖는 등온 히트싱크.
4. 제3항에 있어서,
   상기 격벽은 상기 평판형의 케이스체의 대향하는 내부면 중 일면에 고정되고 타면과 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 유체의 독립된 순환구조를 갖는 등온 히트싱크.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
   상기 케이스체는 증발부로 기능하는 제1 플레이트 및 응축부로 기능하는 제2 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 독립된 순환구조를 갖는 등온 히트싱크.
6. 제3항에 있어서,
   상기 격벽은 서로 이격된 상태로 상기 케이스체의 내부공간에 설치되며, 그 양단이 상기 평판형의 케이스체의 대향하는 내부면과 각각 맞닿아 있는 것을 특징으로 하는 유체의 독립된 순환구조를 갖는 등온 히트싱크.

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