KR20170105298A - 마이크로채널 히트싱크 - Google Patents

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KR20170105298A
KR20170105298A KR1020160028352A KR20160028352A KR20170105298A KR 20170105298 A KR20170105298 A KR 20170105298A KR 1020160028352 A KR1020160028352 A KR 1020160028352A KR 20160028352 A KR20160028352 A KR 20160028352A KR 20170105298 A KR20170105298 A KR 20170105298A
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Abstract

본 발명은 비철금속을 압출하여 형성한 얇은 패널(panel)의 상,하부에 방열핀들이 형성되고, 패널 몸체에는 정·역 아치형이 연속 반복되는 형태의 유통로들이 뚫려진 마이크로채널 히트싱크에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정·역 아치형 유통로의 내부에 돌출 형성된 가이드바에 의하여 유통로를 지나는 유체의 열이 효율적으로 방열핀에 전달되어 열 교환 면적을 넓게 하고, 열 교환효율을 최대한 높여줄 수 있도록 한 발명에 관한 것이다.
전술한 본 발명의 특징은, 비철금속을 길게 압출 성형하여 절단한 패널 몸체(10)의 상,하부에는 방열핀(11)들이 일정간격을 이루어 패널 몸체(10)와 일체로 형성되고, 패널 몸체(10)에는 압출성형에 의하여 유통로(12)들이 연속 뚫려지되, 평면의 양측이 포물면을 이루는 정·역 아치형 형태를 이루는 유통로(12)들 연속 반복되어 형성되며, 유통로(12)들의 내부에는 가이드바(12a) 및 보조 가이드바(12b)들이 압출 성형되어 유통로(12)를 지나는 유체의 열이 정·역 아치형의 넓은 평면 쪽으로 집중되어 열 교환 면적을 넓게 하고, 와류를 발생시키며 열 교환 브릿지를 형성하여 유체의 내부 중심에 있는 열의 전달이 효율적으로 이루어질 수 있는 마이크로채널 히트싱크에 의하여 달성될 수 있는 것이다.

Description

마이크로채널 히트싱크{a micro channel heat sink }
본 발명은 비철금속을 압출하여 형성한 얇은 패널(panel)의 상,하부에 방열핀들이 브레이징(Brazing)되어 일체로 형성되고, 패널 몸체에는 평면 양측이 포물면을 이루는 정·역 아치형(弓形) 형태의 유통로들이 뚫려진 마이크로채널 히트싱크에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 아치형 유통로의 내부에 돌출 형성된 가이드바에 의하여 유통로를 지나는 유체의 열이 표면 쪽 방열핀에 전달되는 브릿지(Bridge) 역할을 하여 열 교환 면적을 넓게 하면서 유체의 내부 중심에 있는 열의 전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 하고, 유체의 흐름에 와류와 표면 쪽 유도가 발생하도록 하여 열 교환효율을 최대한 높여줄 수 있도록 한 발명에 관한 것이다.
일반적으로 히트싱크(heat sink) 타입의 열 교환기는 전자(電子) 부품이나 소자(素子)로부터 열을 흡수하여 외부로 방출시키기 위한 냉각용 방열기로 주로 히트싱크의 내부를 지나는 유체(流體, fluid)의 열을 외부 방열핀을 통해 공기 중에 방출하여 열 교환이 이루어지도록 하는 것으로서 냉동기나 에어컨과 같은 공기조화기의 응축기나 증발기, 자동차의 라디에이터 및 전자부품 냉각용 히트싱크(heat sink)로 널리 사용된다.
그러나, 방열핀이 형성된 열교환기는 내부 유통로를 통해 유체가 지날 때 액체 또는 기체인 유체가 유통로의 내부 표면에 100％ 이상 고르게 접촉하지 않고 빠르게 통과되어 외부 방열핀과의 열 전달효율이 저하되는 것이 기존 히트싱크 열 교환기에 가장 커다란 문제점으로 볼 수 있다.
즉, 유체 덩어리인 유관(Tube of flow)의 표면에 잔류하는 열은 방열핀에 잘 전달되지만 유체의 내부 중심에 있는 열은 전달이 잘 이루어지지 않아 열 전달효율을 높여줄 수 없었을 뿐 아니라 유체가 히트싱크의 내부 유통로를 지날 때 장애물의 방해 없이 내부를 그대로 통과하므로 유체 중심부의 열 전달이 효율적으로 이루어 질 수 없었다.
종래에는 공개특허 제10-2010-0047541호 "반도체 레이저 다이오드 어레이 용 마이크로 채널 히트싱크"(선행기술1) 및 공개실용신안 제20-2012-0000892호 "그래파이트 물질로 제조된 마이크로채널 히트싱크"(선행기술2)가 제안된 바 있다.
상기 선행기술1은 반도체 레이저 다이오드 어레이의 열 방출에 사용되는 히트싱크에 있어서, 제1상면과, 제1상면의 측면에 형성된 경사진 영역과, 경사진 영역의 일단으로부터 연장되고, 제1상면보다 낮은 제2상면을 구비하는 히트싱크와; 상기 히트싱크의 제1상면에 실장된 반도체 레이저 다이오드 어레이와; 상기 히트싱크의 제2상면에 실장된 마이크로 렌즈로 구성된 반도체 레이저다이오드 어레이 조립체와; 반도체 레이저다이오드 어레이에서 발생하는 열을 방출하기 위한, 히트싱크의 내부에 냉각체가 흐르는 마이크로 채널이 존재하고, 마이크로채널이 제1상면과, 경사진 영역, 제2상면 아래까지 연결되는 마이크로 채널 히트싱크이다.
상기 선행기술2는 전자장치를 냉각시키기 위한 장치로서, 상기 전자장치와의 열 접촉을 이루기 위한 적어도 제1열 접촉표면을 갖는 히트싱크 부재를 포함하고, 상기 부재가 박리된 그래파이트의 압축된 입자로 제1시트로 구성되고, 상기시트가 2개의 주 표면을 가지며, 주 표면 중 하나 이상이 냉각 유체를 운반하기 위하여 그 내부에 형성되는 복수의 제1마이크로채널을 가지며, 마이크로채널 각각이 주 표면 중의 하나와 평행한 길이를 가지고 길이에 수직인 단면을 가지는 전자 장치를 냉각시키기 위한 마이크로채널 히트싱크 장치이다.
상기 선행기술1은 히트싱크는 내부에 냉각용 유체가 순환하면서 제1상면뿐 아니라 제2상면 아래영역까지 유체가 순환하여 반도체에서 발생된 열을 방출시킬 수 있도록 구성한 기술이고, 선행기술2는 히트싱크부재 내부에 "U"형 유통로인 마이크로채널들이 형성되어 유체가 단순하게 통과되는 기술이므로 본 발명과 같이, 패널 몸체에 뚫려진 정·역 아치 형태의 유통로들 내부에 가이드바가 돌출되어 열 교환 면적을 넓게 하거나 유통로를 지나는 유체에 와류를 발생시켜 열 교환효율을 높여줄 수 있도록 한 기술은 찾아볼 수 없었다.
본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 창안한 것으로서, 그 목적은 정·역 아치형이 연속 반복되는 형태의 포물면 유통로들이 패널 몸체에서 압출 성형으로 뚫려지고, 포물면을 가진 정·역 아치형 유통로들은 마이크로 채널의 휨 강도를 상승시키는 한편, 유통로의 내부에 가이드바가 돌출되어 유통로를 지나는 유체의 열 교환 면적을 넓게 하고, 유체의 내부 중심에 있는 열의 전달이 열 교환이 일어나는 표면으로 유도 할 수 있으며, 유체의 흐름에 와류를 발생시켜 열 교환효율을 높여줄 수 있는 마이크로채널 히트싱크를 제공함에 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 비철금속을 길게 압출 성형하여 절단한 패널 몸체(10)의 상,하부에는 일정간격을 이루는 방열핀(11)들이 브레이징(Brazing)되어 패널 몸체(10)와 일체로 형성되고, 패널 몸체(10)에는 압출성형에 의하여 유통로(12)들이 연속 뚫려지되, 평면 양측이 포물면을 이루는 정·역 아치 형태를 이루는 유통로(12)들 연속 반복되어 형성되며, 유통로(12)들의 포물면들에는 가이드바(12a)들이 압출 성형되어 유통로(12)를 지나는 유체의 열이 아치형의 넓은 평면 쪽으로 집중되고, 아치형 유통로(12)의 내부로 돌출되는 가이드바(12a)들에 의하여 표면 쪽으로 유량을 증가시켜 열 교환 면적을 넓게 하면서 외부 방열핀(11)과 열 교환을 유도하는 브릿지 역할을 하여 유체의 내부 중심에 있는 열의 전달이 효율적으로 이루어지고 유체의 흐름에 와류를 발생시켜 열 교환효율을 높여줄 수 있는 마이크로채널 히트싱크에 의하여 달성될 수 있는 것이다.
이상에서 상술한 바와 같은 본 발명은, 상기 패널 몸체(10)에 뚫려진 유통로(12)를 통해 유체가 흐를 때 정 아치형 유통로(12)를 지날 때는 포물면에 형성된 상부 가이드바(12a)들에 의하여 유체가 정 아치형의 하부로 밀리면서 하부 넓은 면에 집중되고, 역 아치형 유통로(12)를 지날 때는 하부 포물면의 가이드바(12a)에 의하여 유체가 역 아치형의 상부로 밀리면서 상부 넓은 면에 집중되므로 넓은 면에 일체로 형성된 방열핀(11)과의 열 교환이 효율적으로 이루어지는 동시에 유통로(12)를 흐르는 유체의 중심부는 가이드바(12a)에 의하여 분산되어 넓은 곳으로 향하므로 유체의 중심부 열까지 열의 전달이 고르게 이루어지면서 유체의 흐름에 와류를 발생시켜 열 교환효율을 극대화시킬 수 있을 뿐 아니라 유통로(12)의 내부로 돌출되는 가이드바(12a)는 유체를 상하 표면 쪽으로 유도하고, 브릿지(Bridge) 역할을 하는 것으로서 대외 경쟁력이 우수한 고효율·고기능성의 마이크로채널 히트싱크를 제공할 수 있는 등의 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예를 예시한 사시도,
도 2는 본 발명에 의한 마이크로채널 히트싱크의 양측에 유체 공급관과 회수관이 결합되는 상태를 예시한 사시도,
도 3은 본 발명의 일실시예를 예시한 단면도,
도 4는 본 발명의 일실시예를 예시한 측단면도,
도 5는 본 발명의 일부를 확대한 단면도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예를 예시한 일부 확대단면도,
도 7a 도 7b는 본 발명에 의한 마이크로채널 히트싱크와 비교 시뮬레이션 에 사용된 일반 마이크로채널 히트싱크의 단면도,
도 8a는 본 발명의 포물면이 있는 정·역 아치형 마이크로채널 히트싱크와 기존의 원형 마이크로채널 히트싱크를 비교한 일부 확대단면도,
도 8b는 본 발명의 포물면이 있는 정·역 아치형 마이크로채널 히트싱크와 기존의 사각형 마이크로채널 히트싱크를 비교한 일부 확대단면도,
도 8c는 본 발명의 보조 가이드 바와 포물면이 있는 정·역 아치형 마이크로채널 히트싱크와 기존의 원형 마이크로채널 히트싱크를 비교한 일부 확대단면도,
도 8d는 본 발명의 보조 가이드 바와 포물면이 있는 정·역 아치형 마이크로채널 히트싱크와 기존의 사각형 마이크로채널 히트싱크를 비교한 일부 확대단면도.
이하, 상기한 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지는 도 6에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로채널 히트싱크(1)는 얇은 판재로 압출하여 형성한 패널(panel) 몸체(10), 방열핀(11), 포물면을 이루는 정·역 아치형 유통로(12) 및 유통로(12)의 내부에서 돌출되는 가이드바(12a, guide bar)로 구성되어 있다.
상기 패널 몸체(10)는 알루미늄과 같은 비철금속을 길게 압출 성형하여 필요한 길이 만큼 절단한 얇은 판재로 구성되어 있다.
상기 패널 몸체(10)의 상,하부에는 무수한 방열핀(11)들이 일정간격을 이루어 연속 형성되어 있고, 방열핀(11)은 패널 몸체(10)를 압출하여 형성하면서 패널 몸체(10)의 외부에서 방열핀(11)을 브레이징(Brazing)하여 형성하므로 일체형으로 형성된다.
상기 패널 몸체(10)에는 압출 성형에 의하여 유통로(12)들이 연속 뚫려져 있고, 유통로(12)는 평면의 양측이 포물면을 이루는 포물면 정·역 아치형으로 구성되어 있다.
양측 변이 포물면을 이루는 유통로(12)들은 정·역 아치형이 반복되는 형태를 이루어 연속으로 뚫려져 있고, 연속되는 포물면의 형상이 사인 커브(sine curve) 또는 코사인 커브(cosine curve)의 형태를 이루며 형성된다.
상기 유통로(12)들의 포물면들에는 가이드바(12a)들이 압출 성형되어 유통로(12)를 지나는 유체의 열이 정·역 아치형의 넓은 평면 쪽으로 집중될 수 있도록 구성되어 있다.
즉, 정 아치형 유통로(12)의 포물면에는 가이드바(12a)들이 하부로 돌출 형성되어 있고, 역 아치형 유통로(12)의 포물면에는 가이드바(12a)들이 상부로 돌출되어 있다.
물론, 상기 패널 몸체(10)에 형성된 유통로(12)와 가이드바(12a)들은 패널 몸체(10)를 압출 성형할 때 일체로 형성된다.
상기 패널 몸체(10)의 양측에는 공급관(21)과 회수관(22)이 각각 접속되어 있고, 공급관(21)을 통해 공급된 유체가 유통로(12)를 통해 회수관(22)으로 유입되어 순환되는 구조이다.
전술한 구성으로 이루어진 본 발명은, 상기 유통로(12)를 통해 유체가 흐를 때 정 아치형 유통로(12)를 지날 때는 포물면의 상부 가이드바(12a)에 의하여 유체가 정 아치형의 하부로 밀리면서 하부 넓은 면에 집중되고, 역 아치형 유통로(12)를 지날 때는 하부 포물면의 가이드바(12a)에 의하여 유체가 역 아치형의 상부로 밀리면서 상부 넓은 면에 집중되므로 넓은 면에 일체로 형성된 방열핀(11)과의 열 교환이 효율적으로 이루어지는 동시에 유통로(12)를 흐르는 유체의 중심부는 가이드바(12a)들에 의하여 분산되어 넓은 곳으로 향하므로 유체의 중심부 열까지 열의 전달이 고르게 이루어져 열 교환효율을 극대화시킬 수 있고 열교환 브릿지 역할을 하는 고효율·고기능성의 마이크로채널 히트싱크를 제공할 수 있는 것이다.
또한, 도 8a와 도 8b에서 도시한 바와 같이, 포물면을 가진 정ㅇ역 아치형이 기존에 나온 원형과 정사각형의 마이크로 채널에 비해 유체를 열 교환이 이루어지는 표면 쪽으로 유도하는 면적이 월등히 많아 열 교환을 증가시킨다. 특히 가이드바(12a)가 추가됨으로 유체는 열 교환이 일어나는 표면 쪽으로 유도 및 와류를 더 형성한 고효율ㅇ고기능 마이크로 채널 히트싱크를 제공할 수 있다.
한편, 경우에 따라서는 도 6에서 도시한 바와 같이, 정ㅇ역 아치형을 이루는 유통로(12)의 포물면에 형성된 가이드바(12a) 외에도 유통로(12)의 평면에 보조 가이드바(12b)들이 돌출 형성되어 유체의 열 전달효율은 더욱 높여줄 수 있는 브릿지 역할이 더 추가되도록 구성할 수 있다.
즉, 도 8c와 도 8d에서 도시한 바와 같이 유통로(12)의 평면에 추가적으로 형성된 보조 가이드바(12b)들은 유체와 의 접촉면적을 넓게 형성하고, 유체의 내·외부 열을 고르게 흡수하여 방열핀(11)을 통해 발산하므로 열의 방출 효율을 극대화시킬 수 있는 구조이다.
한편, 본 발명의 마이크로채널 히트싱크와 일반 마이크로채널 히트싱크의 열 교환정도를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 비교하였다.
즉, 비교에 사용된 마이크로채널 히트싱크(1)의 패널 몸체(10) 두께는 3mm, 너비는 50㎜, 길이는 100㎜이고, 방열핀(11)의 높이는 4㎜인 알루미늄소재의 마이크로채널 히트싱크를 사용하였고, 도 7a와 도 7b에서 도시한 바와 같이, 정사각형 유통로가 각각 15개 뚫려진 일반 마이크로채널 히트싱크와 포물면을 가진 정ㅇ역 아치형 유통로가 15개 뚫려진 본 발명의 마이크로채널 히트싱크를 비교하였다.
내부 3℃물로 외부 공기 33℃를 냉각시키는 Simulation
조 건 Inlet Temp(℃) Outlet Temp(℃) △T(℃)
외 부
공 기		 정사각형 33 14.26 18.74
발명-1
(12-12a) 		33 11.97 21.03
발명-2
(12-12a-12b)		 33 10.99 22.01
내 부
물		 정사각형 3 4.59 1.59
발명-1
(12-12a) 		3 4.77 1.77
발명-2
(12-12a-12b)		 3 4.85 1.85
상기 마이크로채널 히트싱크의 시뮬레이션 비교결과는 표 1에서 나타난 바와 같이, 단지 100mm 길이를 통과하는 동안 33℃의 외부 공기가 기존 마이크로 채널의 정사각형 유통로를 통과하는 경우에는 14.26℃로 나타나 방열핀(11)을 통해 열 교환된 열이 18.74℃의 온도차인 반면, 본 발명에 의한 아치형 유통로를 통과한 공기는 33℃의 공기가 각각 11.97℃ 및 10.99℃로 다운(down)되어 방열핀을 통해 발산된 열이 단지 100mm를 통과 후 각각 21.03℃ 및 22.01℃의 온도차로 나타나 본 발명에 의한 아치형 유통로의 구조가 정사각형에 비하여 열 교환효율이 상당히 좋은 것을 알 수 있다.
또한, 3℃의 내부 물이 정사각형 유통로를 통과하는 경우에는 4.59℃로 나타나 방열핀(11)을 통해 열 교환된 열이 1.59℃의 온도차인 반면, 본 발명에 의한 아치형 유통로를 통과한 물은 3℃의 물이 각각 4.77℃ 및 4.85℃로 업(up)되어 방열핀을 통해 발산된 열이 단지 50mm를 통과 후 각각 1.77℃ 및 1.85℃의 온도차로 나타나 본 발명에 의한 아치형 유통로의 구조는 유체가 물과 공기 모두 열 교환효율이 월등히 좋은 것으로 나타났다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
1 : 마이크로채널 히트싱크 10 : 패널 몸체
11 : 방열핀 12 : 유통로
12a : 가이드바 12b : 보조 가이드바
21 : 공급관 22 : 회수관

Claims (3)

  1. 비철금속을 길게 압출 성형하여 절단한 패널 몸체(10)의 상,하부에는 일정간격을 이루는 방열핀(11)들이 브레이징(Brazing)되어 패널 몸체(10)와 일체로 형성되고, 패널 몸체(10)에는 압출성형에 의하여 유통로(12)들이 연속 뚫려지되, 평면 양측이 포물면을 이루는 정ㅇ역 아치형 형태를 이루는 유통로(12)들 연속 반복되어 형성되며, 유통로(12)들의 포물면들에는 가이드바(12a)들이 압출 성형되어 유통로(12)를 지나는 유체의 열이 정ㅇ역 아치형의 넓은 평면 쪽으로 집중되고, 정ㅇ역 아치형 유통로(12)의 내부로 돌출되는 가이드바(12a)들에 의하여 표면 쪽으로 유량을 증가시켜 열 교환 면적을 넓게 하면서 외부 방열핀(11)과 열 교환을 유도하는 브릿지 역할을 하여 유체의 내부 중심에 있는 열의 전달이 효율적으로 이루어질 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 마이크로채널 히트싱크.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 정 아치형 유통로(12)의 포물면에는 가이드바(12a)들이 하부로 돌출 형성되고, 역 아치형 유통로(12)의 포물면에는 가이드바(12a)들이 상부로 돌출된 것을 특징으로 하는 마이크로채널 히트싱크.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유통로(12)의 포물면에 형성된 가이드바(12a) 외에도 유통로(12)의 평면에 보조 가이드바(12b)들이 돌출 형성되어 유체의 열 전달효율은 더욱 높여줄 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 마이크로채널 히트싱크.
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