KR20140080625A

KR20140080625A - 수냉 장치

Info

Publication number: KR20140080625A
Application number: KR1020120144763A
Authority: KR
Inventors: 박상웅; 김도현; 이현우
Original assignee: 잘만테크 주식회사
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-07-01
Also published as: CN103874399B; CN103874399A; EP2743625A1; KR101422098B1; US20140158327A1

Abstract

본 발명은 수냉 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 발열부품이 장착된 전자기기의 외부에 위치하여 상기 발열부품에서 발생하는 열을 순환하는 냉매를 이용하여 냉각시키기 위하여, 라디에이터의 구성을 새롭게 하여 높은 냉각성능과 경량화를 실현한 수냉 장치에 관한 것이다.

Description

수냉 장치{Water cooling apperutus}

통상, 수냉 장치라고 하면, 컴퓨터와 같은 전자기기의 내부에 장착되어 동작시 열을 발생시키는 발열부품, 예컨대 CPU, 칩셋, 램 혹은 FET등과 같은 발열부품을 냉각시키기 위해, 물 혹은 물에 부식방지제와 같은 화학 성분을 첨가한 냉매(냉각수)를 사용하여 냉각시키는 장치를 말한다. 수냉 장치는 통상 워터블록, 라디에이터, 팬, 펌프, 물탱크, 제어부 등을 포함하여 이루어진다.

상기 워터블록은, 그 하면이 발열부품의 상면에 면 접촉되어서, 발열부품에서 발생되는 열을 전달받아 냉매와 열교환 한다. 그리고, 상기 라디에이터는 냉매로부터 열을 전달받아 외부로 발산하여 냉각시킨다. 상기 펌프는 물탱크, 라디에이터 및 배관에 채워져 있는 냉매를 순환시키는 역할을 한다. 상기 팬은 상기 라디에이터에 외기를 통과시켜 냉각이 보다 잘 이루어지도록 한다. 상기 제어부는 팬이나 펌프 등의 동작을 제어한다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 라디에이터의 구성을 새롭게 하여, 냉각성능을 높이면서도 경량화를 실현할 수 있는 수냉 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 발열부품이 장착된 전자기기의 외부에 위치하여, 상기 발열부품에서 발생하는 열을 순환하는 냉매를 이용하여 냉각시키는 수냉 장치로서,

상기 발열부품의 열을 전달받은 냉매가 유입되어 냉각되며 각각 2차 곡선의 형태로 형성되는 복수 개의 중공관 및

상기 복수 개의 중공관들에 결합되되, 상기 중공관들을 따라 상호 이격되어 배치되는 복수 개의 방열핀을 포함하는 적어도 하나의 라디에이터를 포함하는 수냉 장치를 제공한다.

본 발명에 있어서, 상기 복수 개의 중공관들은 원형 또는 환형으로 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 서로 다른 지름을 가지는 2차 곡선 형태의 상기 중공관들이 동일한 중심을 가지면서 나란히 배치될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 2차 곡선의 축 방향에 있어서 상기 복수 개의 중공관들이 나란히 배치될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 복수 개의 방열핀들은 상기 중공관들을 따라 방사상으로 배치될 수 있다.

여기서, 상기 방사상으로 배치된 복수 개의 방열핀들의 중심 축 방향과 근접한 부분의 적어도 일부가 제거되도록 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 냉매는 물, 에틸렌 글리콜(EG), 프로필렌 글리콜(PG) 및 나노 유체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 내부에 상기 라디에이터가 수용되며 다수의 벽체로 이루어진 케이스; 외부 공기를 상기 케이스의 내부공간으로 유입시킨 후 다시 케이스 외부로 배출시키도록 상기 케이스에 설치된 팬; 상기 케이스의 내부공간의 일측에 설치되어, 상기 전자기기의 발열부품에 결합된 워터블록과 상기 라디에이터 사이로 냉매를 순환시키는 펌프; 및 상기 팬과 펌프의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의해서, 라디에이터의 구성을 적절히 새롭게 하여, 냉각성능을 높이면서도 경량화를 실현하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉 장치(1)가 컴퓨터에 설치된 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 수냉 장치(1)의 사시도이다.
도 3은 도 1의 수냉 장치(1)의 측면도이다.
도 4는 도 1의 수냉 장치(1)의 정면도이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예의 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 여러 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉 장치(1)가 컴퓨터에 설치된 것을 예시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉 장치(1)는, 전자기기 예컨대, 컴퓨터와 같은 기기의 내부에 장착되어 동작시 열을 발생하는 발열부품의 열을 순환하는 액체 냉매를 이용하여 냉각시키는 장치이다. 컴퓨터의 경우 발열부품에는, 중앙처리장치(CPU), 그래픽카드에 장착된 메인칩셋(main chipset) 및 램(ram) 등이 있다.

도 1은 본 발명의 수냉 장치(1)가 전자기기의 예로서 제시된 컴퓨터(100)에 설치된 것을 예시한다. 수냉 장치(1)는, 컴퓨터(100)의 내부에 마련된 발열부품인 중앙처리장치와 그래픽카드의 메인칩셋을 냉각시키기 위해, 상기 중앙처리장치에 결합되는 워터블록(102)과, 상기 메인칩셋에 결합되는 워터블록(104)에 연결된다.

수냉 장치(1)는, 발열부품에 결합된 워터블록(102, 104)들에 배관(106)을 통해 냉매를 공급하여 발열부품으로부터 열을 전달받도록 하고, 이 냉매를 다시 다른 배관(106)을 통해 수냉 장치(1)로 받아 냉각시킨 후, 다시 워터블록(102, 104)으로 공급하는 것을 반복하며, 발열부품을 냉각시킨다. 여기서, 워터블록(102, 104) 내부의 베이스는 마이크로 핀(Micro Fin) 공법으로 형성되어 최대의 방열면적을 확보하여 냉각성능을 높일 수 있다. 또한, 워터블록(102, 104)은 라디에이터(20)로 이동되는 냉각수의 유량을 제어하고 펌프 구동시의 소음을 줄이기 위해 저소음 고성능 펌프를 내부에 구비할 수 있다.

한편, 본 발명의 경우 수냉 장치에 있어서, 발열부품에 결합된 워터블록은 수냉 시스템에서는 필수의 구성이기는 하지만, 본 발명의 수냉 장치의 구성으로 포함되지 않는 것으로 본 발명의 명세서에서는 정의하기로 한다. 워터블록은, 전자기기의 내부에 구비된 발열부품의 종류 및 형태에 적합하도록 구비되며, 본 발명의 수냉 장치와 배관에 의해 결합되어 수냉 시스템을 이룬다.

도 2는 도 1의 수냉 장치(1)의 사시도이고, 도 3은 도 1의 수냉 장치(1)의 측면도이고, 도 4는 도 1의 수냉 장치(1)의 정면도이다.

도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예의 수냉 장치(1)는 라디에이터(20)를 포함하며, 이에 부가하여 케이스, 팬, 펌프 및 제어부를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이하에서는 이에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.

일반적으로 냉각수 또는 기타 유체로 발열 부품을 냉각하는 방식의 수냉 시스템은 열전도도가 좋은 금속재질(알루미늄, 구리 등)의 일체형 히트싱크 또는 루버핀을 적용한 라디에이터를 사용한다. 전자의 경우, 보통 펌프가 라디에이터에 내장되어 있어 비교적 소음이 심하고, 방열면적을 확보해야 하는 어려움 때문에 라디에이터의 크기가 비대해 질 수밖에 없는 단점을 가진다. 한편, 후자의 경우 원활한 냉각수의 순환과 적절한 방열면적을 동시에 확보해야 하기 때문에 냉각수로의 구조는 병렬식으로 단일화된 사각의 라디에이터의 구조를 가질 수밖에 없으며, 더 큰 냉각성능을 올리기 위해서는 방열면적을 넓혀야 하므로 전자와 마찬가지로 비대한 크기의 라디에이터를 형성할 수밖에 없다는 문제점이 존재하였다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉 장치(1)는, 최적의 냉각성능을 갖는 공랭 쿨러의 히트싱크의 구조와 같이, 중공관을 환형 또는 원형의 형상으로 배열하여 열경로를 형성하고, 중공관 외부에 방열핀을 방사형으로 배열함으로써, 워터블록에서 전달된 주 발열부품의 냉각은 물론 라디에이터가 설치되는 주변 발열부품의 냉각까지 가능하도록 함으로써, 냉각효율의 극대화를 도모하는 것을 일 특징으로 한다.

상세히, 라디에이터(20)는 발열부품의 열을 전달받은 냉매가 유입되어 냉각되는 역할을 수행한다. 라디에이터(20)는, 얇은 금속판으로 만들어진 다수의 냉각핀(22)들과, 이들을 여러 번 관통하며 결합된 중공관(21)으로 이루어진다. 중공관(21)을 흐르는 냉매가 가지는 열이 냉각핀(22)들로 전달되어 팬으로부터 송출되는 바람에 의해 냉각된다.

중공관(21)들은 전자기기로부터 냉각 장치(1)에 전달된 열을 다시 전달받아 후술할 다수의 방열핀(22)들에 전달하는 역할을 수행한다. 본 발명의 경우, 중공관(21)들은 상대적으로 고온인 부분의 열을 흡수하여 상대적으로 저온인 부분으로 빠르게 전달하는 것으로서, 소위 전열관(傳熱管)이라고도 불리운다. 또한, 열을 전달하는 과정에서 중공관(21)으로부터 열이 공기 중으로 발산되기 때문에, 열을 냉각시키는 역할도 함께 수행한다. 중공관(21)들은 원통형의 관형 부재로 형성될 수 있다.

여기서, 중공관(21)들은 환형 또는 원형 등과 같은 2차 곡선(원, 타원, 포물선, 쌍곡선 등)의 형태를 이루도록 형성될 수 있다. 여기서 "2차 곡선 형태"라 함은, 수학적인 정의에 의한 완벽한 형태의 원 또는 2차 곡선의 일부로서의 호 형태만을 뜻하는 것은 아니며, 전체적으로 볼 때, 보통의 사람들이 원 또는 호로 인식하거나, 원 또는 호에 해당하도록 구부러진 형태를 의미한다. 이러한, 중공관(21)들을 달리 표현하면, 개략적으로 혹은 실질적으로 고리모양, 환형, 또는 원형을 가진다고도 할 수 있다.

도 2 내지 도 4에는, 서로 다른 지름을 가지는 반원형의 중공관(21)이 동일한 중심을 가지면서 나란히 배치되며, 이와 같이 서로 다른 지름을 가지는 반원형의 중공관(21)이 서로 연결되어 있는 것으로 도시되어 있다. 또한, 축 방향에 있어서, 2열의 중공관(21)이 나란히 배치되는 것으로 도시되어 있다. 이와 같이 듀얼의 방사 형태로 중공관(21)이 배치됨으로써, 자연대류 환경에도 적합하며, 저소음의 냉각팬이 결합하는 강제대류 방식에서 히트싱크의 성능을 보다 극대화하는 효과를 얻을 수 있다. 다만, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 냉각 장치에 요구되는 형상 및 방열능력에 따라 중공관(21)의 형상, 배치 및 개수는 가변적이라 할 것이다.

방열핀(22)은 다수 개 구비되며, 중공관(21)들에 결합된다. 각 방열핀(22)은 열전도율이 상대적으로 좋은 금속인 구리 혹은 알루미늄의 얇은 판으로 만들어진다. 다수의 방열핀(22)들은 중공관(21)들을 따라 상호 이격되도록 결합된다. 중공관(21)들이 환형 또는 원형 등과 같은 2차 곡선의 형태를 이루도록 형성된 본 실시예의 경우, 다수의 방열핀(22)들은 전체적으로 방사상을 이루도록 중공관(21)들에 배치되어 있어서, 다수의 방열핀(22)들을 전체적으로 관찰하면 외측 형태가 환형 또는 원형 등과 같은 2차 곡선의 형태를 이루고 있다. 여기서 각각의 방열핀(22)은 관통공(미도시)들을 구비하고 있다. 구비된 관통공(미도시)의 숫자는 방열핀(22)에 결합되는 중공관(21)들의 수와 동일하거나 그 이상이며, 각 관통공(미도시)에는 중공관(21)들이 관통되어 결합된다.

이때, 방열핀(22)은 낱장 또는 접철 방식의 연결구조로 이루어진 방사형으로 형성될 수 있으며, 각각의 방열핀(22)은 비교적 공기 유동이 적은 내부공간을 삭제하고 대류 영향이 큰 외곽부분에 방열핀을 형성함으로써 경량의 히트싱크 제작이 가능해질 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 라디에이터(20)는 금속재질(Cu, Al 등)의 중공관(21)을 원형으로 구비하여 열경로를 형성하고, 중공관(21) 외부에 방열핀(22)을 방사형으로 배열함으로써, 워터블록(102, 104)에서 전달된 주 발열부품의 냉각은 물론 라디에이터(20)가 설치되는 주변 발열부품의 냉각이 가능해지는 효과를 얻을 수 있다.

이와 같은 원형 또는 환형의 라디에이터(20)는 내부에 열 경로를 직렬 또는 병렬로 추가 구성할 수 있어 열전달 효율을 높일 뿐만 아니라, 냉각팬과 같은 원형 형상의 히트싱크 구조이기 때문에 공기 유동에 적합하며, 불필요한 방열면적을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

여기서, 냉각 장치(1)는 중공관(21) 내부에 충진된 냉각수 및 냉매를 이용하여 열을 효율적으로 전달하기 위한 수냉식 열교환 냉각장치로서, 냉각 장치(1)의 내부에 내부 충진되는 냉매는 냉각수(순수 100% 물), 에틸렌 글리콜(EG), 프로필렌 글리콜(PG)을 포함하여 나노 유체와 같은 미립자의 금속 및 금속을 부식시키지 않는 유체 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.

한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 본 실시예의 수냉 장치(1)는 케이스, 팬, 펌프 및 제어부를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

케이스는 내부에 상술한 라디에이터(20)를 수용하도록 다수개의 벽체로 구성될 수 있다. 그리고 이들 벽체 중 적어도 하나의 벽체에는 케이스의 외부에 있는 상대적으로 차가운 공기가 케이스의 내부공간으로 유입될 수 있는 통기공이 마련될 수 있다.

한편, 팬은 케이스 외부의 공기를 케이스의 내부공간으로 유입시킨 후 다시 케이스 외부로 배출시키도록 설치될 수 있다. 즉, 팬은 케이스 내부의 공기를 외부로 배출시키도록 회전한다. 상세히, 케이스 내부의 공기가 외부로 배출되도록 팬이 동작하면, 내부는 압력이 낮아지게 되고, 따라서 케이스의 외부에 있던 상대적으로 차가운 공기는 케이스의 통기공을 통해 유입된다. 이때, 통기공의 내측에 설치된 라디에이터(20)에서는 냉매와 차가운 공기 사이에 열교환이 일어나게 되어 냉매의 온도가 내려가게 된다.

한편, 펌프는 케이스의 내부 공간에 마련되어, 전자기기의 발열부품에 결합된 워터블록(102, 104)과 라디에이터(20) 사이로 냉매를 순환시킨다. 또한, 펌프의 동작에 의해 냉매는 워터블록(102, 104)으로부터 수냉 장치(1) 내부로 들어와서, 라디에이터(20)를 통과한 후 다시 장치(1) 외부의 워터블록(102, 104)으로 순환된다. 한편, 팬의 동작과, 펌프의 동작에 필요한 전원은 전선(108)을 통해 컴퓨터(100)로부터 공급받을 수 있다.

한편, 제어부는 팬과 펌프의 동작 즉 팬의 회전속도를 조절하거나, 펌프의 회전수(RPM)를 조절하는 등의 제어를 한다. 이러한 제어부는 기능은 통상 이 기술분야에서 실시되고 있는 기술이므로, 제어부에 관한 구체적인 구성에 대한 설명은 생략한다.

이하에서는 상술한 수냉 장치(1)의 제조 방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.

먼저, 컴퓨터(100)의 내부에 형성된 중앙처리장치 또는 그래픽카드의 메인칩셋과 같은 발열부품과 맞닿는 워터블록(102, 104) 내부의 베이스는 스카이빙 가공으로 마이크로 핀(Micro Fin)을 형성하여 방열면적을 최대로 확보하고, 바로 위에 워터펌프를 결합하고, 냉각수가 공존하는 결합부분은 외곽을 고무(Rubber) 가스킷으로 밀봉(Sealing)하여 펌프모듈을 제작한다.

한편, 냉각 장치(1)의 라디에이터(20)는 금속재질(Cu, Al 등)의 중공관(21)에 방열핀(22)을 압입 또는 경납땜의 용가재로 접착하여 고정시키고, 제품 크기에 맞게 원형 또는 환형으로 밴딩하여 내/외부의 방사형 듀얼 히트싱크를 각각 구성한다.

여기서, 원형으로 밴딩된 방사형 듀얼 히트싱크의 중공관(21)의 입출구(23, 24) 수로는 라디에이터(20)의 중앙에 위치한 저장소(reservoir)에 서로 연결될 수 있도록 브레이징으로 용접하여 밀봉(Sealing)한다.

다음으로, 튜브와 같은 배관(106)을 사용하여 라디에이터(20)의 저장소(Reservoir)와 워터블록(102, 104)의 펌프모듈의 입출구를 연결하고, 내부에 진공을 주입한 상태에서 냉각수(순수 100% 물), 에틸렌 글리콜(EG), 프로필렌 글리콜(PG)을 포함하여 나노 유체와 같은 미립자의 금속 및 금속을 부식시키지 않는 유체 중에서 선택된 냉매를 라디에이터(20) 및 워터블록(102, 104)에 충전한다.

다음으로, 워터블록(102, 104)의 펌프모듈에 장착되어 있는 공기빼기 구멍의 조임 나사를 조절하여 라디에이터(20) 및 워터블록(102, 104)에 잔존하는 공기를 제거한 후, 누출(Leakage) 테스트를 완료하여 이상 여부를 확인한다.

본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시예를 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

1: 냉각 장치
20: 라디에이터
21: 중공관
22: 방열핀
23,24: 입출구

Claims

발열부품이 장착된 전자기기의 외부에 위치하여, 상기 발열부품에서 발생하는 열을 순환하는 냉매를 이용하여 냉각시키는 수냉 장치로서,
상기 발열부품의 열을 전달받은 냉매가 유입되어 냉각되며 각각 2차 곡선의 형태로 형성되는 복수 개의 중공관 및
상기 복수 개의 중공관들에 결합되되, 상기 중공관들을 따라 상호 이격되어 배치되는 복수 개의 방열핀을 포함하는 적어도 하나의 라디에이터를 포함하는 수냉 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 중공관들은 원형 또는 환형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수냉 장치.
제 1 항에 있어서,
서로 다른 지름을 가지는 2차 곡선 형태의 상기 중공관들이 동일한 중심을 가지면서 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 수냉 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 2차 곡선의 축 방향에 있어서 상기 복수 개의 중공관들이 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 수냉 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 방열핀들은 상기 중공관들을 따라 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 수냉 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 방사상으로 배치된 복수 개의 방열핀들의 중심 축 방향과 근접한 부분의 적어도 일부가 제거되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수냉 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 냉매는 물, 에틸렌 글리콜(EG), 프로필렌 글리콜(PG) 및 나노 유체 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉 장치.
제 1 항에 있어서,
내부에 상기 라디에이터가 수용되며 다수의 벽체로 이루어진 케이스;
외부 공기를 상기 케이스의 내부공간으로 유입시킨 후 다시 케이스 외부로 배출시키도록 상기 케이스에 설치된 팬;
상기 케이스의 내부공간의 일측에 설치되어, 상기 전자기기의 발열부품에 결합된 워터블록과 상기 라디에이터 사이로 냉매를 순환시키는 펌프; 및
상기 팬과 펌프의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 수냉 장치.