KR20150135103A

KR20150135103A - 전자 시스템용 열 클램프 장치

Info

Publication number: KR20150135103A
Application number: KR1020150069562A
Authority: KR
Inventors: 아메드 가말 리패이; 보크 헨드릭 피테르 야코브스 드; 요겐 비쉬와스 우투르카; 크리스찬 엠. 지오바니엘로
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2015-12-02
Also published as: US20150342023A1; TWI663894B; JP6722426B2; JP2015226058A; US9668334B2; CN105101747A; TW201608937A

Abstract

전자 장치는, 내부 부피를 대체로 형성하는 외부 케이스, 내부 부피 내에 위치 설정되고 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 회로 보드, 회로 보드의 제1 표면 상에 장착된 하나 이상의 능동 부품, 및 능동 부품에 냉각을 제공하는 열 관리 시스템을 포함한다. 열 관리 시스템은, 능동 부품과 열 접촉하는 제1 열 확산기, 회로 보드의 제2 표면과 열 접촉하는 제2 열 확산기, 제1 열 확산기 및 제2 열 확산기 각각에 결합되어 이들로부터 열 에너지를 제거하는 열 캐리어, 및 열 캐리어에 결합되어 이로부터 열 에너지를 받아들이고 열 에너지를 소산시키는 열 교환기를 포함하고, 하나의 열 캐리어가 제1 열 확산기와 열 교환기 사이를 지나가고, 다른 열 캐리어가 제2 열 확산기와 열 교환기 사이를 지나간다.

Description

전자 시스템용 열 클램프 장치{THERMAL CLAMP APPARATUS FOR ELECTRONICS SYSTEM}

본 발명의 실시예들은 일반적으로 전자 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 균형 잡힌 방식으로 그리고 복수의 열 경로를 통하여 전자 장치의 열 관리를 제공하는 시스템에 관한 것이다.

휴대용 컴퓨팅 장치(예를 들어, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 전자책 리더 등) 및 임베디드형 컴퓨팅 시스템과 같은 소형 전자 장치는 상당한 열 관리 과제를 제공한다. 더 나은 휴대성을 위한 더 작은 폼 팩터(form factor)뿐만 아니라 비디오 및 다른 계산 집중적인 작업을 다루기에 충분히 강력한 장치에 대한 지속적인 사용자 요구가 있다. 상대적으로 작은 형태의 장치에서의 상당한 계산력 제공은 종종 열 소산 장치의 중요한 열 관리에 대한 필요성으로 바꾸어 말할 수 있다.

소형 장치에서 프로세서로부터 열을 이동시키기 위하여 사용되는 하나의 해결 방안은 프로세서 또는 능동 장치/부품과 열 접촉하는 열 확산기(heat spreader)의 사용을 포함한다. 열 확산기는, 이어, 열 파이프 또는 다른 구조를 통해 열 교환기와 열 접촉한다 - 열 교환기는 종종 공기를 작은 통풍구에 의해 외부 환경으로 통풍시키는 팬(fan)과 같은 공기 이동기(air mover)를 포함한다.

그러나, 전술한 것과 같은 종래의 열 관리 시스템은 이와 관련된 알려진 한계 및 단점을 가진다는 것이 인식된다. 하나의 예로서, 이러한 종래의 열 관리 시스템에서는, 단지 하나의 메커니즘이 열을 제거하기 위해 적소에 마련된다는 것이 인식된다 - 이 메커니즘은 프로세서/능동 장치의 표면에 연결된 열 파이프 및 열 교환기이다. 따라서, 열 파이프 또는 열 교환기의 부품이 고장나면(예를 들어, 먼지로 막힌 열 교환기 내의 팬), 장치에 대한 과열 및/또는 손상이 발생하게 하는 잠재적인 열 제어 불능이 발생할 수 있다.

다른 예로서, 종래의 열 관리 시스템의 장상 동작 동안에도, 프로세서 또는 능동 부품에 의해 생성된 열의 일부가 열 파이프로 전달되지 않고, 프로세서의 후면(즉, 열 파이프에 연결되지 않은 표면)을 통해 프로세서가 장착된 인쇄 회로 보드(PCB)로 이동한다는 것이 인식된다. 따라서, 프로세서로부터 PCB로 진행하는 이러한 열 부분은 열악한 열 관리를 초래하게 되며, 이 열은 PCB에서 국지화된 열 스팟을 형성할 뿐만 아니라 이웃하는 장치에 열적 영향을 미칠 수 있다. 많은 용례에서, PCB가 컴퓨팅 장치의 케이스/표피에 근접하게 있다면, 이에 따라 PCB에 전달된 열은 또한 사용자가 접촉할 수 있는 케이스/표피에 핫 스팟을 초래한다.

방금 설명된 종래의 열 관리 시스템과 관련된 또 다른 잠재적인 위험은 냉각 팬과 관련된 음향적 노이즈 및 전기적 노이즈의 문제점이다. 이러한 문제점은 적합한 노이즈 필터링 회로 및 팬과 통풍구 설계의 사용을 통해 완전히 제거되지는 않지만 감소될 수 있다. 그러나, 팬을 가동하기 위한 전력 소비의 문제점이 남아 있다.

따라서, 전술한 단점을 극복하는 소형 전자 장치용 열 관리 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이며, 이러한 시스템은 복수의 열 경로, 더 큰 신뢰성 및 감소된 전력 소비와 음향 노이즈 발생을 제공한다.

본 발명의 목적은, 전자 장치, 구체적으로 균형 잡힌 방식으로 그리고 복수의 열 경로를 통하여 전자 장치의 열 관리를 제공하는 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따라, 전자 장치는, 내부 부피를 대체로 형성하는 외부 케이스, 내부 부피 내에 위치 설정되고 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 회로 보드, 회로 보드의 제1 표면 상에 장착된 하나 이상의 능동 부품, 및 하나 이상의 능동 부품에 냉각을 제공하도록 구성된 열 관리 시스템을 포함한다. 열 관리 시스템은, 하나 이상의 능동 부품 중 적어도 하나의 능동 부품과 열 접촉하는 제1 열 확산기, 회로 보드의 제2 표면과 열 접촉하는 제2 열 확산기, 제1 열 확산기 및 제2 열 확산기 각각에 결합되어 이들로부터 열 에너지를 제거하는 열 캐리어, 및 열 캐리어에 결합되어 이로부터 열 에너지를 받아들이고 이 열 에너지를 소산시키는 열 교환기를 더 포함하고, 하나의 열 캐리어는 제1 열 확산기와 열 교환기 사이를 지나가고, 다른 열 캐리어는 제2 열 확산기와 열 교환기 사이를 지나간다.

본 발명의 다른 양태에 따라, 전자 장치는, 내부 부피를 대체로 형성하는 외부 케이스, 내부 부피 내에 위치 설정되고 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 회로 보드, 회로 보드의 제1 표면 상에 장착된 하나 이상의 능동 부품, 및 하나 이상의 능동 부품에 냉각을 제공하도록 구성된 열 관리 시스템을 포함한다. 열 관리 시스템은, 하나 이상의 능동 부품 중 적어도 하나의 능동 부품과 열 접촉하는 제1 열 확산기와, 회로 보드의 제2 표면과 열 접촉하는 제2 열 확산기를 더 포함하고, 제2 열 확산기는 또한, 열 에너지가 케이스에 전달되고 케이스를 거쳐 확산되도록 외부 케이스와 열 접촉하여 열 에너지를 소산시킨다.

본 발명의 또 다른 양태에 따라, 전자 장치로부터 열을 제거하는 방법은, 제1 열 확산기와 제2 열 확산기가 적어도 하나의 열 발생 능동 부품과 회로 보드 주위로 열 클램프(thermal clamp)를 형성하여 이들로부터 양면 열 제거를 제공하도록, 제1 열 확산기를 회로 보드의 제1 표면 상에 장착된 적어도 하나의 열 발생 능동 부품과 열적으로 결합하는 단계와, 제2 열 확산기를 회로 보드의 제1 표면에 대향하는 회로 보드의 제2 표면과 열적으로 결합하는 단계를 포함한다. 또한, 본 방법은, 제2 열 확산기를 전자 장치의 외부 케이스와 열적으로 결합하는 단계, 적어도 하나의 능동 부품에 의해 생성된 열을 제거하기 위하여, 열 캐리어를 제1 열 확산기 및 제2 열 확산기 각각에 결합하는 단계, 및 열 교환기가 열 캐리어로부터 열을 받아들이고 이 열을 소산시키도록 제1 및 제2 열 캐리어를 단일의 열 교환기에 결합하는 단계를 포함한다.

다양한 다른 특징과 이점은 이하의 상세한 설명과 도면으로부터 명백하게 될 것이다.

도면은 본 발명을 수행하기 위하여 현재 고려되는 바람직한 실시예를 예시한다.
도 1은 본 발명의 실시예가 구체화될 수 있는 소형 전자 장치의 입체도이다.
도 2는 도 1의 2-2 부분에서 얻어진 단면도로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치의 열 관리 시스템을 도시한다.
도 3은 일부가 제거된 도 1의 입체도이며, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 장치의 열 관리 시스템을 도시한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예와 함께 사용 가능한 합성 제트 어셈블리의 도면이다.

본 발명의 실시예들은 일반적으로 전자 시스템을 냉각하는 것에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 이러한 전자 시스템 내의 능동 부품 및 다른 장치에 냉각을 제공하기 위하여 복수의 열 경로를 활용하는 열 관리 시스템에 관한 것이다.

여기에서 논의되는 바와 같이, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터 및 전자책 리더와 같은 휴대용 컴퓨팅 장치를 포함하는, 다양한 종류의 소형 전자 시스템 또는 장치가, 본 발명의 실시예를 포함하는 것으로부터 이익을 얻을 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예가 이러한 휴대용 컴퓨팅 장치와의 사용에만 제한되는 것이 아니고, 본 발명의 실시예는 임베디드 컴퓨팅 시스템과 같은 다른 전자 시스템에서 채용될 수 있다는 것이 인식된다. 따라서, 본 발명의 범위는 아래에서 설명되는 특정 실시예에 의해 제한되는 것으로 의도되지 않는다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예가 채용될 수 있는 소형 전자 장치(10)의 예시적인 실시예의 입체도가 제시된다. 전자 장치(10)는 휴대용 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿, 전자책 리더 또는 사실상 임의의 다른 휴대용 컴퓨팅 장치와 같은 다수의 상이한 종류의 장치 중 임의의 것일 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 전자 장치(10)는 케이스(12)와, 케이스(12)에 연결된 스크린 또는 디스플레이(14)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 케이스(12)와 스크린(14)은 둥근 코너를 갖는 대체로 직사각형 형상을 갖는다. 그러나, 통상의 기술자는 케이스(12)와 디스플레이(14)의 풋프린트(footprint)가 사실상 제한 없는 수의 구성을 취할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 케이스(12)는 널리 알려진 플라스틱, 알루미늄, 스테인리스 스틸 등과 같은 금속 또는 이러한 재료의 조합으로 구성될 수 있다. 디스플레이(14)는 액정 디스플레이, LED 리드아웃(LED readout) 또는 사실상 임의의 다른 종류의 디스플레이 장치일 수 있다.

전자 장치(10)의 추가적인 상세는 도 1의 2-2 부분에서의 전자 장치의 단면도와, 케이스(12)의 일부가 제거된 전자 장치의 도면을 각각 제공하는 도 2 및 도 3을 참조하여 이해될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 케이스(12)는 대체로 내부에서 전자 장치의 다양한 부품을 유지하기 위한 내부 공간 또는 부피(16)를 형성한다. 케이스(12)는 디스플레이(14)를 수용하기 위한 전방 개구(18)와, 개구(18)를 한정하고 디스플레이(14)를 위한 안착 영역을 제공하는 주변 선반(peripheral shelf)(20)을 포함할 수 있다.

회로 보드(22)는 내부 부피(16) 내에 위치 설정되고, 하나 이상의 나사(미도시) 또는 다른 체결구에 의해 주변 선반(20)의 하부측에 고정될 수 있다. 회로 보드(22)는 시스템 보드, 도터 보드(daughter board) 또는 다른 종류의 인쇄 회로 보드일 수 있으며, 널리 알려진 세라믹과 같은 다양한 재료, 하나 이상의 에폭시 층과 같은 유기 재료, 또는 다른 재료로 이루어질 수 있다. 회로 보드(22)는 원하는 바에 따라 복수의 표면 및/또는 비아에 의해 상호 연결되는 내부 도체 트레이스(미도시)를 포함할 수 있다 - 회로 보드는 전면(24)과 후면(26)을 가진다. 전자 장치(10)의 복잡성에 따라, 회로 보드(22)는 다양한 부품으로 채워질 수 있다.

몇 개의 예시적인 부품이 전면(24) 상의 회로 보드(22)에 표면 실장되는 것으로 도 2 및 도 3에 도시되고, 이러한 부품은 적어도 하나의 능동 부품(28)뿐만 아니라 능동 또는 수동 장치일 수 있는 추가 부품(30)을 포함한다. 능동 부품(들)은, 예를 들어, 마이크로프로세서, 그래픽 프로세서, 결합된 마이크로프로세서/그래픽 프로세서, ASIC(application specific integrated circuit), 메모리 장치 또는 이와 유사한 것과 같은 전자 장치에 사용되는 다수의 상이한 종류의 회로 장치 중 임의의 것일 수 있고, 단일 또는 멀티 코어이거나, 또는 심지어 추가 다이스(dice)와 함께 적층되거나 추가 다이스가 수반될 수 있다. 능동 부품(들)은 실리콘 또는 게르마늄과 같은 벌크 반도체나, SOI(silicon-on-insulator) 재료와 같은 반도체-온-인슐레이터(semiconductor-on-insulator) 재료로 구성될 수 있다. 능동 부품(들)은 알려진 패키징 구조 내에 패키지될 수 있거나, 볼 그리드 어레이(ball grid array), 랜드 그리드 어레이(land grid array), 압축 핏(compression fit) 또는 사실상 임의의 다른 종류의 상호 연결 구조에 의해 회로 보드(22)에 연결될 수 있다. 수동 부품은 저항, 커패시터 등으로서 제공될 수 있다.

또한, 허용 가능한/편리한 한계 내에서 능동(및 수동) 부품(28, 30)과 케이스(12)의 외부 표면[즉, 표피(34)]의 온도를 유지하도록 설계된 열 관리 시스템(32)이 장치(10) 내에 포함된다. 열 관리 시스템(32)은 다른 부품(3)으로부터 그리고 회로 보드(22)로부터 뿐만 아니라, 능동 부품(28)으로부터 열을 제거하기 위한 복수의 열 경로를 제공함으로써 균형 잡힌 열 관리를 전자 장치(10)에 제공하는 기능을 한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 열 관리 시스템(32)은 다른 부품(30)으로부터 그리고 회로 보드(22)로부터 뿐만 아니라, 능동 부품(28)으로부터 열을 제거하기 위하여 제공되는 다수의 열 캐리어(36, 38)를 포함한다. 열 캐리어(36, 38)는 일반적으로 "메인(main)" 열 캐리어(36)와 "제2(secondary)" 열 캐리어(38)로서 특징지어질 수 있다. 메인 열 캐리어(36)와 제2 캐리어 열 캐리어(38) 각각은 일단부(40)에서 공통 열 교환기(42)에 연결되고, 각각의 열 캐리어(36, 38)의 타단부(44, 46)는 서로 분리된다. 메인 열 캐리어(36)의 단부(44)는 능동 부품(28)과 열 접촉/전도하고, 제2 열 캐리어(38)의 단부(46)는 그 후면(26)[즉, 능동 부품(28)의 반대 표면]에서 회로 보드(22)와 열 접촉/전도한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 메인 및 제2 열 캐리어(36, 38)는 열 파이프의 형태를 가진다. [열 파이프가 능동 부품(28) 또는 회로 보드(22)와 열 접촉하는] 각각의 열 파이프(36, 38)의 고온 인터페이스(hot interface)에서, 열적으로 전도성인 고체 표면과 접촉하는 열 파이프(36, 38) 내의 액체는 그 표면으로부터 열을 흡수함으로써 증기로 변한다. 그 다음, 증기는 [열 파이프(36, 38)가 열 교환기(42)에 연결되는] 저온 인터페이스(cold interface)로 열 파이프(36, 38)를 따라 이동하고, 다시 액체로 응축하여, 이에 의해 잠열을 방출한다. 그 다음, 액체는 모세관 작용, 원심력 또는 중력을 통해 고온 인터페이스로 복귀하고, 사이클이 반복된다. 비등(boiling) 및 응측(condensation)을 위한 매우 높은 열 전달 계수 때문에, 열 파이프는 매우 효율적인 열 전도체이다(예를 들어, 유효 열 전도도는 100,000 W/mK에 이를 수 있음).

그러나, 메인 및 제2 열 캐리어(36, 38)는 다른 형태로 그리고 다른 장치로서 제공될 수 있다는 것이 인식된다. 즉, 열 파이프로서 제공되는 대신에, 열 캐리어는 증기 챔버[즉, 2상(two phase) 유동이 이동하는 금속 용기] 또는 금속이나 높은 열 전도성 캐리어의 형태를 취할 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 예를 들어 납땜 접합을 통하는 것과 같이, 메인 열 캐리어(36)는 단부(44)에서 열 확산기(48)(예를 들어, 금속 플레이트)에 연결되거나 이와 통합될 수 있다. 열 확산기(48)는 열 인터페이스 재료[TIM(thermal interface material)](50)에 의해 능동 부품(28)과 열 접촉하게 배치되고, 열 확산기(48)는 TIM의 고유의 두께를 통해 또는 체결구(미도시)를 통해 TIM(50)에 고정된다. 열 확산기(48)는, 유익하게는, 능동 부품(28)의 크기에 비하여 상대적으로 큰 표면적을 갖는 시트로서, 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸, 니켈, 이들의 적층체 또는 다른 유사한 재료와 같은 다양한 열적으로 전도성 있는 재료로부터 제조된다. TIM(50)은, 은이나 나노 입자와 같은 열적으로 전도성인 필러(filler)를 가지거나 가지지 않으면서, 실리콘 계열의 그리스(grease) 또는 젤, 상 변환 재료[PCM(phase change material)] 또는 기타와 같은 다양한 인터페이스 재료로 이루어질 수 있다. 예는, 예를 들어, Shin Tu Su G750 및 Laird PCM 780SP, 또는 인듐을 포함한다. 그러나, 목표는 능동 부품(28)의 접합 온도가 손상 레벨 아래로 유지될 수 있도록 열 확산기(48)와 능동 부품(28) 사이에 충분한 열 저항을 제공하면서도, 열이 능동 부품(28)으로부터 열 확산기(48)로 다소 느리게 전달되기에 충분히 높은 열 저항을 제공하기 위한 것이기 때문에, TIM(50)은 완벽하게 최적인 열 전도도보다 작은 것을 가지도록 선택된다는 것이 인식된다. 이러한 방식으로, 열은 단순히 신속히 통과하여 능동 부품(28)에 근접한 열 확산기(48)의 중심 부분에서 집중되지 않고, 대신에 열 확산기(48)의 범위를 거쳐 옆으로 확산된다.

제2 열 캐리어(38)의 단부(46)는, 예를 들어, 납땜 접합을 통하는 등에 의해 개별 열 확산기(52)(예를 들어, 금속 플레이트)에 결합되거나 통합되고, 제2 열 캐리어(38)와 열 확산기(52)는 회로 보드(22)의 후면(26)에 이웃하게 위치 설정된다. 열 확산기(52)는 열 확산기(52)와 회로 보드(22) 사이에 위치 설정된 전기적으로 절연성이고 상대적으로 순응적인 열 패드(54)를 통해 회로 보드(22)와 열 접촉하게 배치되고, 열 확산기의 표면은 열 패드(54)의 고유의 두께 또는 체결구(미도시)를 통해 열 패드에 고정된다. 열 패드(54)는 Laird의 TFlex 740 또는 340과 같은 상대적으로 순응적인 열 전달 재료 또는 Chomerics의 T570 또는 T630과 같은 일회용 폴리머 재료로 이루어질 수 있다. 이러한 방식으로, 능동 부품(28)으로부터 뿐만 아니라 회로 보드(22)의 표면(24) 상에 존재할 수 있는 다른 열 발생 부품(30)으로부터 열이 전달된다.

열이 제2 열 캐리어(38)와 열 확산기(52)를 통해 회로 보드(22)의 후면(26)으로부터 제거되는 동안, 열은 전자 장치(10)의 케이스(12)로의 회로 보드(22)의 열적 결합을 통해 회로 보드(22)의 뒷쪽으로부터도 또한 제거된다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 열 확산기(52)는 열 확산기(54)와 케이스(12) 사이에 위치 설정된 열 패드(56)를 통해 케이스(12)와 열적으로 결합되며, 열 패드(56)는 열 확산기(52)의 표면 및 케이스(12)의 내부 표면과 접촉하도록 위치 설정된다. 열 패드(56)는 열 확산기(52)의 다른 표면 상의 열 패드(54)와 유사하게 형성될 수 있으며, 따라서, Laird의 TFlex 740 또는 340과 같은 상대적으로 순응적인 열 전달 재료 또는 Chomerics의 T570 또는 T630과 같은 일회용 폴리머 재료로 이루어질 수 있다. 열 패드(56)는 열 확산기(52)로부터 케이스(12)로 [회로 보드(22), 즉 그 위의 부품(28, 30)에 의해 생성된] 열을 전달하는 작용을 하고, 열은 전자 장치(10)의 케이스(12)를 거쳐 옆으로 확산되도록 분산된 방식으로 열 패드(56)를 통해 전달된다.

조합하여, 열 확산기(48)와 열 확산기(52)는 회로 보드(22)와 그 위의 부품(28, 30) 주위에 "열 클램프(thermal clamp)"를 형성하여, 이들로부터의 양면 열 제거를 제공한다. 열 클램프(48, 52)에 의해 회로 보드(22) 및 부품(28, 20)으로부터 제거된 열을 소산시키기 위하여, 복수의 열 경로가 열 확산기(48, 52)로부터 제공된다[열 확산기(48, 52)와 열 교환기(42) 사이에 연결된 열 캐리어(36, 38)와 열 교환기(52)와 케이스(12) 사이에 연결된 열 패드(56)를 포함함].

또한 도 2 및 도 3을 참조하면, 메인 열 캐리어(36)와 제2 열 캐리어(38) 각각이 단부(40)에서 열 관리 시스템(32)의 열 교환기(42)에 결합된다는 것을 알 수 있다. 열 교환기(42)는, 전자 장치(10)의 능동 부품(28)[및 부품(30)]으로부터 생성된 열을 소산시키기 위하여 함께 작용하는 히트 싱크(58)와 공기 이동기(60)를 포함하고, 열 교환기(42)는 열 교환기(42)가 외부 주위로 공기를 통풍할 수 있게 하기 위하여 케이스(12)의 통풍구(62)에 이웃하게 케이스(12) 내에 위치 설정된다.

열 교환기(42)의 히트 싱크(58)는 표준 구성을 가지며, 따라서, 예를 들어 알루미늄, 또는 구리나 구리-알루미늄 조합과 같은 상대적으로 높은 열 전도도를 갖는 다른 금속으로 구성될 수 있다. 도 3에서 전술한 바와 같이, 히트 싱크(58)는 복수의 채널을 형성하도록, 베이스(64) 그리고 베이스(64)로부터 연장되는 다수의 핀(fin)(66)[예를 들어, 플레이트, 핀(pin)]을 가지도록 일반적으로 형성된다. 열 에너지가 캐리어로부터 베이스(64)로 전달되도록, 메인 열 캐리어(36)와 제2 열 캐리어(38)가 베이스(64)에 부착되고, 히트 싱크(58)에 의해 흡수된 열 에너지를 더욱 효율적으로 소산시키기 위하여 일련의 핀(66)이 베이스(64)로부터 돌출된다. 공기 이동기(60)는 핀에서 열/열 에너지를 소산시키기 위하여 핀(66)에 의해 형성된 채널을 통해 통과되는 공기 흐름을 생성한다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 열 교환기(58)의 공기 이동기(60)는 여러 형태 중 하나를 취할 수 있다. 일례로서, 공기 이동기(60)는 공기 흐름이 히트 싱크(58)를 거치게 하도록 동력이 공급되는 표준 타입의 팬일 수 있다. 다른 예에서, 그리고 바람직한 실시예에서, 공기 이동기(60)는 공기 흐름이 히트 싱크(58)를 거치게 하도록 동력이 공급되는 하나 이상의 합성 제트 액추에이터로 형성된다. 열 교환기(58)의 공기 이동기(60)로서 활용될 수 있는 합성 제트의 일반적인 구조(및 합성 제트를 장착하기 위한 메커니즘)는 이러한 실시예에 대한 양호한 이해를 목적으로 도 4 및 도 5에 도시되고 설명된다. 특정 합성 제트 어셈블리가 도 4 및 도 5에 도시되지만, 다양한 구성의 합성 제트 어셈블리가 열 교환기(42)의 공기 이동기(60)로서 사용될 수 있으며(합성 제트 스택 또는 제트 팩 내의 합성 제트의 배열을 포함), 따라서, 합성 제트 어셈블리는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것이 인식된다. 예로서, 합성 제트를 고정/위치 설정하기 위한 장착 브라켓을 포함하지 않는 합성 제트 어셈블리는 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주된다.

먼저 도 4를 참조하면, 합성 제트 어셈블리(62)는 단면이 도 5에 도시되는 합성 제트(64)와, 장착 브라켓(66)을 포함하는 것으로 도시된다. 일 실시예에서, 장착 브라켓(66)은 하나 이상의 위치에서 합성 제트(64)의 본체 또는 하우징(68)에 부착되는 U자 형상의 장착 브라켓이다. 회로 드라이버(70)는 장착 브라켓(66)의 외부에 위치되거나 장착 브라켓(66)에 부착될 수 있다. 이 대신에, 회로 드라이버(70)는 합성 제트 어셈블리(62)로부터 멀리 위치될 수 있다.

도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 그리고 그에 도시된 바와 같이, 합성 제트(64)의 하우징(68)은 내부에 가스 또는 유체(22)를 갖는 내부 챔버 또는 캐비티(72)를 형성하고 이를 부분적으로 둘러싼다. 하우징(68)과 내부 챔버(72)가 본 발명의 다양한 실시예에 따라 사실상 임의의 기하학적 구성을 취할 수 있지만, 논의 및 이해의 목적으로, 하우징(68)은, 사이에 위치 설정된 스페이서 요소(78)에 의해 이격된 관계로 유지되는 제1 플레이트(74)와 제2 플레이트(76)[이 대신에 블레이드(blade) 또는 포일(foil)]을 포함하는 것으로 도 5의 단면도에 도시된다. 일 실시예에서, 스페이서 요소(78)는 제1 플레이트(74)와 제2 플레이트(76) 사이에서 대략 1 mm의 간격을 유지한다. 내부 챔버(72)가 주위의 외부 환경과 유체 연통하게 하기 위하여, 제1 플레이트(74)와 제2 플레이트(76) 그리고 스페이서 요소(78)의 측벽 사이에 하나 이상의 오리피스(80)가 형성된다. 대안적인 실시예에서, 스페이서 요소(78)는 하나 이상의 오리피스(80)가 형성되는 전면(미도시)을 포함한다.

액추에이터(82, 84)는 각각 제1 및 제2 플레이트(74, 76)와 결합되어, 제1 및 제2 복합 구조 또는 가요성 다이어프램(86, 88)을 형성하고, 이는 컨트롤러 어셈블리 또는 제어 유닛 시스템(90)을 통해 드라이버(70)에 의해 제어된다. 예를 들어, 각각의 가요성 다이어프램(86, 88)은 금속층이 구비될 수 있으며, 다이어프램(86, 88)이 전극과 금속층 사이에 부과된 전기 바이어스를 통해 이동될 수 있도록 금속 전극이 금속층에 이웃하게 배치될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서, 컨트롤러 어셈블리(90)는, 합성 제트(64)의 장착 브라켓(66)에 직접 결합되는, 드라이버(70)에 전자적으로 결합된다. 대안적인 실시예에서, 제어 유닛 시스템(90)은 합성 제트(64)로부터 멀리 위치되는 드라이버(70)로 통합된다. 더하여, 제어 시스템(90)은, 예를 들어, 컴퓨터, 논리 프로세서 또는 신호 발생기와 같은 임의의 적합한 장치에 의해 전기 바이어스를 생성하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 액추에이터(82, 84)는 압전 원동[피에조모티브(piezomotive)] 장치일 수 있으며, 이는 피에조모티브 장치는 빠르게 팽창 및 수축하게 하는 고조파 교류 전압의 인가에 의해 작동될 수 있다. 작동하는 동안, 제어 시스템(90)은, 드라이버(70)를 통해, 전하에 응답하여 기계적 응력 및/또는 변형을 받는 압전 액추에이터(82, 84)로 전하를 전송한다. 피에조모티브 액추에이터(82, 84)의 응력/변형은 플레이트(74)와 플레이트(76) 사이에서 내부 챔버(72)의 부피를 변경하는 시간 고조파적(time-harmonic) 또는 주기적 운동이 획득되도록 각각의 제1 및 제2 플레이트(74, 76)의 편향(deflection)을 발생시킨다. 내부 챔버(72) 내의 결과적인 부피 변화는 내부 챔버(72)와 외부 부피 사이의 가스 또는 다른 유체의 교환을 유발하고, 제1 및 제2 플레이트(74, 76)가 바깥을 향해 이동하고 내부 챔버(72)의 부피가 증가될 때 오리피스(80)를 통해 내부 챔버(72) 내로 가스가 인입되고(대체로점선 92로 표시됨), 제1 및 제2 플레이트(74, 76)가 안을 향해 이동하고 내부 챔버(72)의 부피가 감소될 때 가스는 오리피스(80)를 통해 냉각 제트로서 내부 챔버(72)로부터 인출된다(대체로 점선 94로 표시됨).

따라서, 유익하게는, 본 발명의 실시예는, 예를 들어, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 전자책 리더 또는 임베디드형 컴퓨팅 시스템과 같은 소형 전자 장치를 위한 열 관리 시스템(32)을 제공한다. 열 관리 시스템(32)은 복수의 열 캐리어(36, 38)와 열 확산기(48, 52)의 사용을 통해 상이한 방향으로부터 전자 장치의 균형 잡힌 열 관리를 제공한다. 열 캐리어(36, 38)는 회로 보드(22) 및 그 위의 부품(28, 30)의 다양한 표면으로부터 주변 환경으로의 소산을 위하여 열 교환기(42)로 열을 멀리 전도시킨다. 또한, 회로 보드(22)로부터 전자 장치의 케이스(12)로 열 경로가 제공된다[회로 보드(22)로부터의 열은 장치의 고온의 국지화된 표피 온도를 감소시키는 방식으로 케이스(12)를 거쳐 확산됨].

열 관리 시스템(32)에서의 복수의 균형 잡힌 열 경로는, 심지어 열 캐리어(36, 38) 또는 열 교환기(42)[예를 들어, 열 교환기에서의 공기 이동기(60)]가 고장나는 경우에도, 부품(28, 30)에 의해 생성된 열의 소산을 제공하여, 이에 의해 열 캐리어 또는 열 교환기가 고장나는 경우에 전형적인 냉각 시스템에서 발생할 수 있는 잠재적인 열 제어 불능을 방지한다. 또한, 열 관리 시스템(32)에서의 복수의 균형 잡힌 열 경로는, 열 교환기의 공기 이동기(60)가 감소된 부하로 작동하는 것을 허용하고 그리고/또는 공기 이동기(60)가 덜 빈번하게 작동하는 것을 허용한다. 공기 이동기(60)의 이러한 감소된 작동은 열 교환기(42)에서 더 낮은 음향 노이즈와 기계적 진동을 감소시킬 수 있다.

따라서, 일 실시예에 따라, 전자 장치는, 내부 부피를 대체로 형성하는 외부 케이스, 내부 부피 내에 위치 설정되고 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 회로 보드, 회로 보드의 제1 표면 상에 장착된 하나 이상의 능동 부품, 및 하나 이상의 능동 부품에 냉각을 제공하도록 구성된 열 관리 시스템을 포함한다. 열 관리 시스템은, 하나 이상의 능동 부품 중 적어도 하나의 능동 부품과 열 접촉하는 제1 열 확산기, 회로 보드의 제2 표면과 열 접촉하는 제2 열 확산기, 제1 열 확산기 및 제2 열 확산기 각각에 결합되어 이들로부터 열 에너지를 제거하는 열 캐리어, 및 열 캐리어에 결합되어 이로부터 열 에너지를 받아들이고 이 열 에너지를 소산시키는 열 교환기를 더 포함하고, 하나의 열 캐리어가 제1 열 확산기와 열 교환기 사이를 지나가고, 다른 열 캐리어가 제2 열 확산기와 열 교환기 사이를 지나간다.

다른 실시예에 따라, 전자 장치는, 내부 부피를 대체로 형성하는 외부 케이스, 내부 부피 내에 위치 설정되고 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 회로 보드, 회로 보드의 제1 표면 상에 장착된 하나 이상의 능동 부품, 및 하나 이상의 능동 부품에 냉각을 제공하도록 구성된 열 관리 시스템을 포함한다. 열 관리 시스템은, 하나 이상의 능동 부품 중 적어도 하나의 능동 부품과 열 접촉하는 제1 열 확산기와, 회로 보드의 제2 표면과 열 접촉하는 제2 열 확산기를 더 포함하고, 제2 열 확산기는 또한, 열 에너지가 케이스에 전달되고 케이스를 거쳐 확산되도록 외부 케이스와 열 접촉하여 열 에너지를 소산시킨다.

또 다른 실시예에 따라, 전자 장치로부터 열을 제거하는 방법은, 제1 열 확산기와 제2 열 확산기가 적어도 하나의 열 발생 능동 부품과 회로 보드 주위로 열 클램프를 형성하여 이들로부터 양면 열 제거를 제공하도록, 제1 열 확산기를 회로 보드의 제1 표면 상에 장착된 적어도 하나의 열 발생 능동 부품과 열적으로 결합하는 단계와, 제2 열 확산기를 회로 보드의 제1 표면에 대향하는 회로 보드의 제2 표면과 열적으로 결합하는 단계를 포함한다. 또한, 본 방법은, 제2 열 확산기를 전자 장치의 외부 케이스와 열적으로 결합하는 단계, 적어도 하나의 능동 부품에 의해 생성된 열을 제거하기 위하여, 열 캐리어를 제1 열 확산기와 제2 열 확산기 각각에 결합하는 단계, 및 열 교환기가 열 캐리어로부터 열을 받아들이고 이 열을 소산시키도록 제1 및 제2 열 캐리어를 단일의 열 교환기에 결합하는 단계를 포함한다.

최선의 형태를 포함하여 이상 기술된 설명은, 본 발명을 개시하기 위하여, 그리고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 임의의 장치 또는 시스템을 제작 및 이용하며 임의의 통합된 방법을 수행하는 것을 비롯하여 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위하여, 예들을 이용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 특허청구범위에 의해서 정의되며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 가능한 다른 예를 포함할 수 있다. 이러한 다른 예는, 특허청구범위의 문언적 표현과 다르지 않는 구조적 요소를 가진다면, 또는 특허청구범위의 문언적 표현과 실질적이지 않은 차이를 갖는 균등한 구조적 요소를 포함한다면, 특허청구범위의 범위 내에 있도록 의도된다.

10 : 전자 장치
12 : 케이스
14 : 스크린
22 : 회로 보드
28 : 능동 부품
32 : 열 관리 시스템
36, 38 : 열 캐리어
42 : 열 교환기

Claims

내부 부피를 대체로 형성하는 외부 케이스;
상기 내부 부피 내에 위치 설정되고 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 회로 보드;
상기 회로 보드의 제1 표면 상에 장착된 하나 이상의 능동 부품; 및
상기 하나 이상의 능동 부품에 냉각을 제공하도록 구성된 열 관리 시스템
을 포함하고,
상기 열 관리 시스템은,
상기 하나 이상의 능동 부품 중 적어도 하나의 능동 부품과 열 접촉하는 제1 열 확산기;
상기 회로 보드의 제2 표면과 열 접촉하는 제2 열 확산기;
상기 제1 열 확산기 및 상기 제2 열 확산기 각각에 결합되어 이들로부터 열 에너지를 제거하는 열 캐리어; 및
상기 열 캐리어에 결합되어 이로부터 열 에너지를 받아들이고 상기 열 에너지를 소산시키는 열 교환기
를 포함하고,
하나의 열 캐리어가 상기 제1 열 확산기와 상기 열 교환기 사이를 지나가고, 다른 열 캐리어가 상기 제2 열 확산기와 상기 열 교환기 사이를 지나가는 것인 전자 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 열 확산기와 상기 제2 열 확산기 각각에 연결되는 상기 열 캐리어는 열 파이프를 포함하는 것인 전자 장치.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 능동 부품으로부터 상기 제1 열 확산기로 열 에너지를 전달하기 위하여 상기 제1 열 확산기와 상기 적어도 하나의 능동 부품 사이에 위치 설정된 열 인터페이스 재료
를 더 포함하는, 전자 장치.
제1항에 있어서,
상기 회로 보드로부터 상기 제2 열 확산기로 열 에너지를 전달하기 위하여 상기 제2 열 확산기와 상기 회로 보드 사이에 위치 설정된 제1 열 패드
를 더 포함하는, 전자 장치.
제1항에 있어서, 상기 제2 열 확산기는, 열 에너지가 상기 케이스로 전달되어 이를 거쳐 확산되도록, 상기 외부 케이스와 열 접촉하여 상기 열 에너지를 소산시키는 것인 전자 장치.
제5항에 있어서,
상기 제2 열 확산기로부터 상기 케이스로 열 에너지를 전달하기 위하여 상기 제2 열 확산기와 상기 외부 케이스 사이에 위치 설정된 제2 열 패드
를 더 포함하는, 전자 장치.
제5항에 있어서, 상기 열 교환기를 통한 열 에너지의 소산과 상기 케이스를 통한 열 에너지의 소산은 상기 전자 장치의 균형 잡힌 열 관리를 제공하는 것인 전자 장치.
제1항에 있어서,
상기 열 교환기는,
상기 열 캐리어로부터 열 에너지를 받아들이는 히트 싱크; 및
공기 흐름을 생성하도록 구성되고, 상기 열 캐리어로부터 받아들인 열 에너지를 소산시키도록 상기 공기 흐름이 상기 히트 싱크를 거치게 하도록 위치 설정된 공기 이동기
를 포함하는 것인 전자 장치.
제8항에 있어서, 상기 케이스는 내부에 형성된 통풍구를 포함하고, 상기 히트 싱크에 걸쳐 송풍되고 상기 공기 이동기에 의해 생성된 상기 공기 흐름은 열 에너지를 외부 주위 환경으로 소산시키기 위해 상기 통풍구를 통해 상기 케이스를 빠져 나오는 것인 전자 장치.
제8항에 있어서, 상기 공기 이동기는 하나 이상의 합성 제트 액추에이터를 포함하는 것인 전자 장치.
내부 부피를 대체로 형성하는 외부 케이스;
상기 내부 부피 내에 위치 설정되고 제1 표면 및 제2 표면을 갖는 회로 보드;
상기 회로 보드의 제1 표면 상에 장착된 하나 이상의 능동 부품; 및
상기 하나 이상의 능동 부품에 냉각을 제공하도록 구성된 열 관리 시스템
을 포함하고,
상기 열 관리 시스템은,
상기 하나 이상의 능동 부품 중 적어도 하나의 능동 부품과 열 접촉하는 제1 열 확산기; 및
상기 회로 보드의 제2 표면과 열 접촉하는 제2 열 확산기
를 포함하고,
상기 제2 열 확산기는 또한, 열 에너지가 상기 케이스에 전달되고 이를 거쳐 확산되도록 상기 외부 케이스와 열 접촉하여 상기 열 에너지를 소산시키는 것인 전자 장치.
제11항에 있어서,
상기 회로 보드로부터 상기 제2 열 확산기로 열 에너지를 전달하기 위하여 상기 제2 열 확산기와 상기 회로 보드 사이에 위치 설정된 제1 열 패드; 및
상기 제2 열 확산기로부터 상기 외부 케이스로 열 에너지를 전달하기 위하여 상기 제2 열 확산기와 상기 외부 케이스 사이에 위치 설정된 제2 열 패드
를 더 포함하는, 전자 장치.
제11항에 있어서,
상기 열 관리 시스템은,
열 에너지를 제거하기 위하여 상기 제1 열 확산기에 결합된 메인 열 캐리어;
열 에너지를 제거하기 위하여 상기 제2 열 확산기에 결합된 제2 열 캐리어; 및
열 에너지를 받아들이고 열 에너지를 소산시키기 위하여 상기 메인 및 제2 열 캐리어에 결합된 열 교환기
를 더 포함하고,
상기 메인 열 캐리어는 상기 제1 열 확산기와 상기 열 교환기 사이를 지나가고, 상기 제2 열 캐리어는 상기 제2 열 확산기와 상기 열 교환기 사이를 지나가는 것인 전자 장치.
제13항에 있어서,
상기 적어도 하나의 능동 부품으로부터 상기 제1 열 확산기로 열 에너지를 전달하기 위하여 상기 제1 열 확산기와 상기 적어도 하나의 능동 부품 사이에 위치 설정된 열 인터페이스 재료
를 더 포함하는, 전자 장치.
제13항에 있어서, 상기 열 교환기를 통한 열 에너지의 소산과 상기 케이스를 통한 열 에너지의 소산은 상기 전자 장치의 균형 잡힌 열 관리를 제공하는 것인 전자 장치.
제13항에 있어서,
상기 열 교환기는,
베이스와 복수의 핀(fin)을 포함하는 히트 싱크; 및
공기 흐름을 생성하도록 구성되고, 받아들인 열 에너지를 소산시키기 위하여 상기 공기 흐름이 상기 복수의 핀을 거치게 하도록 위치 설정된 공기 이동기
를 포함하고,
상기 메인 열 캐리어와 상기 제2 열 캐리어는 상기 히트 싱크에 열 에너지를 전달하기 위하여 상기 히트 싱크의 상기 베이스에 결합되는 것인 전자 장치.
제13항에 있어서, 상기 메인 열 캐리어와 상기 제2 열 캐리어 각각은 열 파이프를 포함하는 것인 전자 장치.
전자 장치로부터 열을 제거하는 방법에 있어서,
제1 열 확산기를 회로 보드 상에 장착된 적어도 하나의 열 발생 능동 부품과 열적으로 결합하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 능동 부품은 상기 회로 보드의 제1 표면에 장착되는 것인 단계;
제2 열 확산기를 상기 회로 보드의 제1 표면에 대향하는 상기 회로 보드의 제2 표면과 열적으로 결합하는 단계;
상기 제2 열 확산기를 상기 전자 장치의 외부 케이스와 열적으로 결합하는 단계;
상기 적어도 하나의 능동 부품에 의해 생성된 열을 제거하기 위하여, 열 캐리어를 상기 제1 열 확산기와 상기 제2 열 확산기 각각에 결합하는 단계; 및
상기 제1 및 제2 열 캐리어를 단일의 열 교환기에 결합하는 단계로서, 상기 열 교환기는 상기 열 캐리어에 결합되어 이로부터 열을 받아들이고 이 열을 소산시키는 것인 단계
를 포함하고,
상기 제1 열 확산기와 상기 제2 열 확산기는 상기 적어도 하나의 열 발생 능동 부품과 상기 회로 보드 주위로 열 클램프를 형성하여, 이들로부터의 양면 열 제거를 제공하는 것인, 전자 장치로부터 열을 제거하는 방법.
제18항에 있어서, 상기 제2 열 확산기를 상기 회로 보드의 제2 표면 및 상기 외부 케이스에 열적으로 결합하는 단계는,
상기 회로 보드를 상기 제2 열 확산기에 열적으로 결합하기 위하여, 상기 제2 열 확산기와 상기 회로 보드의 제2 표면 사이에 제1 열 패드를 위치 설정하는 단계; 및
상기 제2 열 확산기를 상기 외부 케이스에 열적으로 결합하기 위하여, 상기 제2 열 확산기와 상기 외부 케이스 사이에 제2 열 패드를 위치 설정하는 단계
를 포함하는 것인, 전자 장치로부터 열을 제거하는 방법.
제18항에 있어서,
상기 전자 장치의 균형 잡힌 열 관리를 제공하도록 상기 열 교환기를 통해 그리고 상기 외부 케이스를 통해 상기 적어도 하나의 열 발생 능동 부품에 의해 생성된 열을 소산시키는 단계
를 더 포함하는, 전자 장치로부터 열을 제거하는 방법.