KR20160001403U - 전자 장치 열 관리 시스템 - Google Patents

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데이비드 지 리치
마틴 디 스말크
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그라프텍 인터내셔널 홀딩스 인코포레이티드
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Abstract

본 고안에 따른 전자 장치는 열원 그리고 열원에 근접한 대체로 직사각형 형상의 배터리를 갖는다. 배터리는 제1 및 제2 주 표면을 가질 수 있다. 열 조절기가 열원 그리고 배터리의 적어도 제1 주 표면의 실질적으로 모두의 양쪽 모두와 열 접촉된다. 상기 장치의 동작 중에, 열 조절기를 거쳐 열원으로부터 제1 주 표면으로 전달되는 열이 제1 주 표면을 따라 나타나는 온도 프로파일과 균형되고 그에 의해 이것은 실질적으로 균일하다.

Description

전자 장치 열 관리 시스템{ELECTRONIC DEVICE THERMAL MANAGEMENT SYSTEM}
개시된 실시예는 포터블 전자 장치(portable electronic device)를 위한 구체적으로 동세대 배터리 또는 차세대 배터리를 포함하는 장치를 위한 열 관리 시스템에 관한 것이다.
포터블 트랜지스터 라디오의 발명 이후로 줄곧, 현재에는 "모바일(mobile)"로서 알려져 있는 포터블 전자 장치에 대한 관심이 있었다. 이러한 관심은 사람들이 휴대할 수 있는 AM 라디오로써 시작되었고, 카메라 및 결합형 카세트 테이프 플레이어-라디오 예컨대 워크맨(Walkman)® 라디오로써 계속되었고, 이제 카메라, 모바일 전화, 모바일 컴퓨터, 태블릿, MP3 플레이어 및 다른 장치 등의 장치를 포함한다.
포터블/모바일 장치가 수십 년에 걸쳐 진화됨에 따라, 이러한 장치의 요구 및 성능이 또한 진화되었다. 각각의 세대의 장치와 관련하여, 이들 장치는 훨씬 더 높은 대역폭으로 그리고 더 많은 사용자 친화적인 포맷으로 그 사용자에게 더 많은 콘텐츠를 제공할 수 있었고, 또한 사용자가 그 장치로부터 콘텐츠를 생성, 변형 및 배포할 수 있는 능력을 줄 수 있었다. 이들 장치의 편의성이 증가됨에 따라, 이들 장치에 대한 출력 요건 그리고 또한 이러한 장치를 위한 배터리와 관련된 기술이 또한 증가되었다. 이들 후자의 세대의 장치는 더 많은 에너지를 포함하고, 큰 출력이 발생될수록 결국 더 많은 열이 발생된다. 배터리에 추가하여, 이들 장치의 하드웨어 아이템 예컨대 라디오, 디스플레이 및 처리 유닛이 또한 더 강력해졌고, 마찬가지로 이러한 장치에 대한 추가의 열 문제를 생성하였다. 결국, 이들 장치가 더 강력해짐에 따라, 이러한 장치를 위한 배터리에 대한 요구가 또한 증가될 것이다.
여기에서 개시된 실시예는 열원 그리고 열원에 근접한 대체로 직사각형 형상의 배터리를 갖는 전자 장치에 관한 것이다. 배터리는 제1 및 제2 주 표면을 가질 수 있다. 열 조절기(heat regulator)가 열원 그리고 배터리의 적어도 제1 주 표면의 실질적으로 모두의 양쪽 모두와 열 접촉된다. 상기 장치의 동작 중에, 열 조절기를 거쳐 열원으로부터 제1 주 표면으로 전달되는 열이 제1 주 표면을 따른 온도 프로파일과 균형되고 그에 의해 실질적으로 균일한 프로파일이 나타난다.
위의 일반적인 설명 그리고 다음의 상세한 설명의 양쪽 모두가 본 고안의 실시예를 제공하고 본 고안이 청구될 때에 그 성격 및 특성에 대한 이해의 개관 또는 뼈대를 제공하도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다.
도 1은 제1 실시예의 개략도이다.
도 2는 제2 실시예의 개략도이다.
도 3은 제3 실시예의 개략도이다.
도 4는 제4 실시예의 개략도이다.
도 5는 제5 실시예의 개략도이다.
여기에서 개시된 실시예는 통상적으로 "스마트폰"으로서 불리는 휴대 전화, 노트북 컴퓨터, 넷북, 울트라-북, 랩톱, 태블릿, MP-3 플레이어 및 카메라를 포함하지만 그에 제한되지 않는 다양한 모바일 장치에 적용된다. 이들 종류의 장치는 일반적으로 모바일 장치로서 불릴 수 있다.
중앙 처리 유닛 "CPU(central processing unit)", 그래픽 처리 유닛 "GPU(graphical processing unit)", 구동 칩, 메모리 칩, RF 전력 증폭기 및 트랜시버, 임의의 또는 모든 온보드 무선 타입(CDMA, GSM, WCDMA/UMTS 및 LTE 그리고 그 데이터 등가물; Wi-Fi, BT, GPS, NFC 등)을 위한 DC/DC 스위처(switcher), 강압형(buck) 및/또는 승압형(boost) 인덕터 및 전력 컨버터 및/또는 무선 충전 요소 등의 PMIC(전력 관리 집적 회로, Power Management Integrated Circuit), 고속 디지털 장치(카메라 이미지 처리 및 안정화 요소, 스틸 또는 비디오 이미지 광원 등), 디스플레이 요소(LED, OLED 및 그 구동기), 디스크 드라이브(CD/DVD/블루-레이 드라이브) 그리고 주변 장치를 충전하거나 동작시키는 데 사용되는 것 등의 고속 고출력 적용 분야에 사용되는 USB 포트 또는 다른 포트를 포함하지만 그에 제한되지 않는 이러한 모바일 장치 내에 포함된 부품이 더 강력해짐에 따라, 상기 장치 내부측에서 발생되는 열이 또한 증가되는 것으로 밝혀졌다. 위의 부품의 모두는 일반적으로 본 고안의 목적을 위한 열원 또는 열원들로서 불릴 수 있다.
여기에서 개시된 실시예는 전자 장치에 관한 것이다. 전형적으로, 전자 장치는 열원 예컨대 위의 부품들 중 하나 그리고 열원에 근접한 대체로 직사각형 형상의 배터리를 포함할 것이다. 열원에 근접한 배터리의 예는 열원에 대해 수직으로, 수평으로, 대각선으로 또는 그 조합으로 정렬되는 배터리를 포함한다. 추가로, 배터리는 제1 및 제2 주 표면을 가질 수 있다. 나아가, 전자 장치는 열원 그리고 배터리의 적어도 제1 주 표면의 실질적으로 모두의 양쪽 모두와 열 접촉되는 열 조절기를 포함할 수 있다. 열 접촉부는 전도, 대류, 복사 및 그 임의의 조합 등의 임의의 열 전달 수단에 의해 일어날 수 있다.
상기 장치의 동작 중에, 열이 열 조절기를 거쳐 열원으로부터 제1 주 표면으로 전달된다. 바람직하게는, 제1 주 표면의 온도 프로파일이 실질적으로 균일하다. "실질적으로 균일한"은 주 표면 상의 가장 뜨거운 지점과 가장 차가운 지점 사이에 나타나는 10℃ 미만의 차이, 바람직하게는 5℃ 미만의 차이 그리고 훨씬 더 바람직하게는 3℃ 미만의 차이를 의미하도록 여기에서 의도된다.
여기에서 개시된 실시예에 적용 가능할 수 있는 배터리의 종류의 예는 니켈-카드뮴 배터리, 리튬 이온 배터리, 리튬 중합체 배터리, 니켈 금속-수소화물 또는 리튬-포스페이트 등을 포함한다. 위의 실시예는 마찬가지로 차세대 배터리에 또한 적용 가능할 수 있다. 추가로, 이들 실시예는 제거 가능한 배터리 또는 제거-불가능한 배터리 중 어느 한쪽에 적용 가능하다. 제거 가능한 배터리는 전자 장치 및/또는 상기 장치 내에 포함되는 다른 부품들 중 임의의 부품을 손상시키지 않으면서 상기 장치로부터 제거될 수 있다.
선택 사항으로, 전자 장치는 배터리의 주 표면들 중 하나에 근접한 근거리 통신("NFC: near field communication") 요소를 추가로 포함할 수 있다. NFC 요소의 예는 플라스틱으로 코팅된 구리 와이어를 포함할 수 있다.
또 다른 선택 사항의 실시예에서, 열 조절기는 배터리의 제2 주 표면의 실질적으로 모두와 열 접촉될 수 있고, 그에 의해, 상기 장치의 동작 중에, 열이 열 조절기를 거쳐 열원으로부터 제2 주 표면으로 전달되고, 제2 주 표면의 온도 프로파일이 실질적으로 균일하다. 추가의 선택 사항의 실시예에서, 제2 주 표면과 열 접촉되는 열 조절기의 부분의 두께는 배터리의 제1 주 표면과 열 접촉되는 열 조절기의 제2 부분의 두께의 1/2 이하를 포함한다. 하나의 구체적인 실시예에서, 그 부분의 두께는 0.50 ㎜ 이하를 포함하고, 제2 부분의 두께가 최대 1.0 ㎜를 포함한다. 임의의 이러한 부분의 두께는 1 ㎜ 내지 0.010 ㎜의 범위 내의 두께를 포함할 수 있다.
또 다른 대체 실시예에서, 제2 주 표면과 열 접촉되는 열 조절기의 부분의 평면-내부 전도도(in-plane conductivity) 및 평면-관통 전도도(through-plane conductivity)의 비등방성 비율(anisotropic ratio)은 60:1 이하, 바람직하게는 50:1 이하 그리고 훨씬 더 바람직하게는 40:1 이하를 포함한다.
대체예에서, 전자 장치는 배터리의 제1 주 표면에 근접한 EMI 차폐물을 추가로 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제1 주 표면은 상기 장치의 외부 후방 표면에 대향으로 위치된다. 추가의 대체 실시예에서, EMI 차폐물은 배터리의 외부의 대부분 주위에 연장될 수 있다. "대부분"은 배터리의 표면적의 50% 초과를 의미하도록 여기에서 사용된다. 이러한 실시예는 EMI 차폐물이 배터리 주위에 완전히 연장될 때까지 추가로 연장될 수 있다. 대체예에서, EMI 차폐물은 EMI 관련 문제를 발생시킬 수 있는 배터리의 임의의 부분 주위에 연장될 수 있다. 이러한 관련 문제에 대한 원인은 상기 장치의 내부측 또는 외부측에 있을 수 있거나 심지어 상기 장치에 대한 사용자에게 있을 수 있다. EMI 차폐물은 열 조절기의 일부 또는 열원으로부터 배터리로 열을 전달하는 열 경로의 일부가 아닐 수 있다.
구체적인 실시예에서, 열 조절기는 박리 그라파이트 입자의 압축 입자의 1개 이상의 시트를 포함한다. 이러한 시트의 임의의 예는 오하이오 파르마의 그라프테크 인터내셔널 홀딩스 인크.(GrafTech International Holdings Inc.)로부터 이용 가능한 eGraf® 서멀 설루션(thermal solution)을 포함한다. 구체적인 예는 그라프테크의SS300, SS400, SS500 및 SS600 재료를 포함한다. EGRAF 스프레더실드(Spreadershield)TM 재료에 추가하여, 그라프테크의 HiThermTM 열 인터페이스 재료(thermal interface material)가 또한 열 조절기의 일부로서 적용될 수 있다. 시트(들)는 1개 이상의 EMI 첨가제를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 바람직하게는, EMI 첨가제는 3 ㎓ 아래의 주파수 등의 낮은 주파수를 감쇠시킨다("주파수 감쇠 재료"). 이들은 시트가 EMI 차폐물로서 사용될 수 있도록 시트에 첨가될 수 있는 첨가제이다. 이러한 첨가제의 예는 니켈, 구리, 은, 주석, 강철, 스테인리스강, 금, 알루미늄, 언급된 재료의 임의의 또는 모든 재료의 합금 그리고 그 조합 등의 저주파수 감쇠를 위한 고투과성 재료를 포함한다. 하나의 구체적인 예는 퍼멀로이(permalloy) 등의 뮤-메탈(mu-metal)을 포함한다.
대체예에서, 박리 그라파이트 입자의 압축 입자의 시트 대신에, 열 조절기는 그라프테크의 SS1500 재료 등의 흑연화 폴리이미드 시트를 포함할 수 있다. 요구에 따라, 열 조절기는 박리 그라파이트의 압축 입자의 시트와 결합된 흑연화 폴리이미드 시트를 포함할 수 있다.
전자 장치는 열원의 표면과 열 조절기 사이에 배치되는 열 인터페이스 재료를 또한 포함할 수 있다. 적절한 열 인터페이스의 예는 그라테크의 HiThermTM 재료를 포함할 것이다.
또 다른 대체 실시예에서, 전자 장치는 열 조절기와 열 접촉되는 제2 열원을 포함한다.
여기에서 개시된 실시예가 이제 도 1-5에 대해 추가로 논의될 것이다. 도 1에는 열 조절기(14)가 배터리(12)의 제1 및 제2 주 표면(16, 18) 상에 도시된 배터리(12)의 실시예 10이 도시되어 있다. 도 1에서, NFC 요소(19)는 배터리(12)의 주 표면(18)에 인접하게 조절기(14)의 내부측에 위치된다. 대체예에서, 실시예 10은 각각이 배터리(12)의 각각의 단자 단부(15) 주위에 포위되는 추가의 선택 사항의 열 조절기(17, 11)를 포함할 수 있다. 열원 그리고 열원을 향해 연장되는 열 조절기(14)는 도시되어 있지 않다.
도 2는 실시예 20에서 NFC 요소(19)가 열 조절기(14)의 내부측에 배치되는 대신에 열 조절기(14)의 외부측에 있다는 점에서 도 1과 상이하다. 여기에서 사용될 때에, 도 1 및 2에 도시된 것과 같은 NFC 요소(19)는 여전히 배터리(12)에 근접해 있다.
도 3은 상기 장치가 배터리(12)의 제1 주 표면(16) 상의 열 조절기(14)의 외부측에 위치되는 EMI 차폐물(32)을 포함한다는 점에서 도 1과 상이하다. 도시된 것과 같이, EMI 차폐물은 2개의 층의 금속을 포함한다. 구체적인 실시예에서, 2개의 금속 층은 구리이다. 바람직하게는, EMI 차폐물은 배터리(12)와 배터리(12)에 의해 발생되는 EMI로부터 차폐될 것이 요구되는 1개 이상의 부품 사이에 위치된다. 이러한 부품의 예는 상기 장치의 스크린을 포함할 수 있다.
도 4의 실시예 40은 2개의 시트의 금속을 포함하는 EMI 차폐물 대신에 EMI 차폐물이 도 3에 도시된 것과 같이 제1 금속(41) 그리고 배터리(12)의 외부 표면 영역의 대부분 주위에 포위되는 제2 금속 시트(42)를 포함한다는 점을 제외하면 도 3과 유사하다.
도 5의 실시예 50은 또 다른 대체 실시예이다. 도 5의 배터리(12)는 도 1에 도시된 것과 같은 배터리(12)의 각각의 단자 단부(15) 주위의 추가의 열 조절기(17, 11)를 포함한다. 선택 사항으로, 조절기(17)는 조절기(11)의 사용 없이 단자 단부(15) 중 하나만을 따라 위치될 수 있다. 선택 사항으로 그리고 다른 실시예와 유사하게, 조절기(14)는 장치 설계자에 의한 요구에 따라 배터리(12)의 제1 주 표면(16) 또는 제2 표면(18)에 근접하게 위치된다. 추가로, 실시예 50은 조절기(14) 위에 EMI 차폐물(32)을 포함한다. 유전성 접착제가 EMI 차폐물(32)의 2개의 구리 시트를 함께 접착하는 데 사용될 수 있다. 유전성 접착제의 사용은 유리할 수 있다면 다른 실시예 내로 합체될 수 있다. 실시예 50은 장치 설계자에 의한 요구에 따라 주 표면 중 어느 한쪽(16 또는 18)에 근접한 NFC 요소를 또한 포함할 수 있다.
여기에서 개시된 실시예의 장점에 따르면, 배터리 내의 다양한 전지는 상기 장치의 사용 중에 실질적으로 균일한 온도로 유지될 수 있다. 이것은 이러한 뜨거운 지점에 의해 유발되는 배터리의 열화를 감소시키거나 없앤다.
위의 설명은 통상의 기술자가 본 고안을 실시할 수 있게 하도록 의도된다. 설명을 읽을 때에 통상의 기술자에게 명확해질 모든 가능한 변화 및 변형을 상세하게 설명하도록 의도되지 않는다. 그러나, 모든 이러한 변형 및 변화는 다음의 실용신안등록청구범위에 의해 한정되는 본 고안의 범주 내에 포함되도록 의도된다.
구체적인 실시예가 설명되었지만, 이러한 참조는 다음의 실용신안등록청구범위 내에 기재된 것과 같은 것을 제외하면 본 고안의 범주에 대한 제한으로서 해석되도록 의도되지 않아야 한다. 위에서 논의된 다양한 실시예는 그 임의의 조합으로 실시될 수 있다.

Claims (15)

  1. 전자 장치에 있어서,
    a. 열원과;
    b. 열원에 근접한 대체로 직사각형 형상의 배터리로서,
    ⅰ. 배터리는 제1 및 제2 주 표면을 갖는,
    배터리와;
    c. 열원 그리고 배터리의 제1 주 표면의 실질적으로 모두의 양쪽 모두와 열 접촉되는 열 조절기
    를 포함하고,
    그에 의해, 상기 장치의 동작 중에, 열이 열 조절기를 거쳐 열원으로부터 제1 주 표면으로 전달되고, 제1 주 표면의 온도 프로파일이 실질적으로 균일한,
    전자 장치.
  2. 제1항에 있어서, 배터리의 주 표면들 중 하나에 근접한 근거리 통신 요소를 추가로 포함하는 전자 장치.
  3. 제1항에 있어서, 배터리의 제2 주 표면의 실질적으로 모두와 열 접촉되는 열 조절기를 추가로 포함하고, 그에 의해, 상기 장치의 동작 중에, 열이 열 조절기를 거쳐 열원으로부터 제2 주 표면으로 전달되고, 제2 주 표면의 온도 프로파일이 실질적으로 균일한, 전자 장치.
  4. 제3항에 있어서, 제2 주 표면과 열 접촉되는 열 조절기의 부분의 두께가 배터리의 제1 주 표면과 열 접촉되는 열 조절기의 제2 부분의 두께의 1/2 이하를 포함하는 전자 장치.
  5. 제4항에 있어서, 제2 주 표면과 열 접촉되는 열 조절기의 부분의 평면-내부 전도도 및 평면-관통 전도도의 비등방성 비율이 60:1 이하를 포함하는 전자 장치.
  6. 제4항에 있어서, 그 부분의 두께가 0.50 ㎜ 이하를 포함하고, 제2 부분의 두께가 최대 1.0 ㎜를 포함하는, 전자 장치.
  7. 제1항에 있어서, 배터리의 제1 주 표면에 근접한 EMI 차폐물을 추가로 포함하고, 제1 주 표면은 상기 장치의 외부 후방 표면에 대향으로 위치되는, 전자 장치.
  8. 제1항에 있어서, 배터리의 외부의 대부분 주위에 EMI 차폐물을 추가로 포함하는 전자 장치.
  9. 제1항에 있어서, 열 조절기는 박리 그라파이트 입자의 압축 입자의 1개 이상의 시트를 포함하는 전자 장치.
  10. 제9항에 있어서, 시트에는 주파수 감쇠 재료가 도핑되는 전자 장치.
  11. 제1항에 있어서, 시트는 1개 이상의 EMI 차폐물 첨가제를 포함하는 전자 장치.
  12. 제1항에 있어서, 열 조절기는 박리 그라파이트 입자의 압축 입자의 시트, 흑연화 폴리이미드 시트 및 그 조합으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 전자 장치.
  13. 제1항에 있어서, 열원의 표면과 열 조절기 사이에 배치되는 열 인터페이스 재료를 추가로 포함하는 전자 장치.
  14. 제1항에 있어서, 열 조절기와 열 접촉되는 제2 열원을 추가로 포함하는 전자 장치.
  15. 제1항에 있어서, EMI 관련 문제를 발생시키는 배터리의 임의의 부분 주위에 EMI 차폐물을 추가로 포함하는 전자 장치.
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