KR20180068457A - 히트 스프레더 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히트 스프레더에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 열유속 구산에서도 정상적으로 작동할 수 있는 히트 스프레더에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 히트 스프레더는, 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간에 냉매가 제공되는 케이싱, 상기 케이싱의 내측 일측면으로서 외부 열원과 접촉되는 증발부, 상기 케이싱의 내측면에서 상기 증발부와 마주하고, 상기 냉매가 액체 상태로 변화되는 응축부 및 상기 증발부와 상기 응축부 사이에 배치되고, 상기 응축부에서 응축된 상기 냉매를 상기 증발부로 이동시키는 냉매 전달층을 포함한다.

Description

히트 스프레더{HEAT SPREADER}
본 발명은 히트 스프레더에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 열유속 구간에서도 정상적으로 작동할 수 있는 히트 스프레더에 관한 것이다.
최근 반도체 기기의 에너지 밀도의 급격한 증가로 새로운 열관리 솔루션 기법에 대한 필요성이 증가하고 있다. 지속적인 소자의 집적도 향상, 전체 디바이스의 소형화 그리고 package on package (POP) 등의 멀티 스택 레이아웃 수요 확대 등으로 기존의 일반적인 히트 싱크를 활용한 전도 및 대류 열전달에 의존하던 열관리 솔루션으로는 효과적으로 온도 조절을 하기 어려운 실정이다.
일반적인 히트 스프레더는 증발 표면, 응축 표면으로 구성되고, 냉매가 증발 표면에서 증발되고, 응축 표면에 응축되면서 열을 흡수하거나 방출한다. 이를 통해 열원으로부터 전달받은 열로 냉매가 증발되어 히트 스프레더 내부에서 퍼지게 되면서 열전달이 진행된다. 이때 응축 표면에 응축된 냉매가 증발 표면으로 이동되는 것이 히트 스프레더의 성능에 영향을 미친다.
대한민국 공개특허 제10-2007-0006199호(2007.01.11)
본 발명의 실시예들은 열전달 효율이 향상될 수 있도록 개선된 구조를 가지는 히트 스프레더를 제공한다.
본 발명의 실시예들은 히트 스프레더 내부에 제공되는 냉매가 증발부의 핫-스팟영역(열원이 존재하는 영역)으로 용이하게 이동될 수 있도록 개선된 구조를 가지는 히트 스프레더를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 히트 스프레더는, 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간에 냉매가 제공되는 케이싱, 상기 케이싱의 내측 일측면으로서 외부 열원과 접촉되는 증발부, 상기 케이싱의 내측면에서 상기 증발부와 마주하고, 상기 냉매가 액체 상태로 변화되는 응축부 및 상기 증발부와 상기 응축부 사이에 배치되고, 상기 응축부에서 응축된 상기 냉매를 상기 증발부로 이동시키는 냉매 전달층을 포함한다.
상기 냉매 전달층은 다공성 소재로 마련될 수 있다.
상기 냉매 전달층은 상기 외부 열원과 마주하는 위치에 배치될 수 있다.
상기 증발부에 접촉되도록 배치되는 윅(wick)을 더 포함하고, 상기 냉매 전달층은 상기 응축부와 상기 윅 사이에 배치될 수 있다.
상기 외부 열원이 복수개로 제공되고, 상기 냉매 전달층은 상기 외부 열원에 마주하는 위치에 배치되도록 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 히트 스프레더는, 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간에 냉매가 제공되는 케이싱, 상기 케이싱의 내측 일측면으로서 외부 열원과 접촉되는 증발부, 상기 케이싱의 내측면에서 상기 증발부와 마주하고, 상기 냉매가 액체 상태로 변화되는 응축부, 상기 증발부에 접촉되도록 배치되는 윅(wick) 및 상기 증발부와 상기 응축부 사이에 배치되고, 다공성 소재로 제공되는 냉매 전달층을 포함한다.
상기 냉매 전달층은 상기 외부 열원과 마주하는 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 냉매가 응축부에서 증발부의 핫-스팟영역(열원이 존재하는 영역)으로 용이하게 이동되어 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 높은 열유속 구간에서도 안정적으로 열전달이 일어나게 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 스프레더의 구성을 보여주는 분해사시도이다.
도 2는 도 1의 히트 스프레더의 내부 구성을 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 2의 히트 스프레더의 내부에서 냉매 전달층과 윅을 확대하여 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1의 히트 스프레더에서 냉매 전달층의 비율을 조절한 상태에서 열전달 효율을 실험한 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 히트 스프레더의 변형예를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 스프레더의 구성을 보여주는 분해사시도이고, 도 2는 도 1의 히트 스프레더의 내부 구성을 보여주는 단면도이고, 도 3은 도 2의 히트 스프레더의 내부에서 냉매 전달층과 윅을 확대하여 보여주는 도면이다.
히트 스프레더(1)는 열원에서 발생되는 열을 외부로 이동시켜 냉각하는 열전달 장치이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 스프레더(1)는 케이싱(10)과 냉매 전달층(20), 윅(wick. 30) 그리고 냉매(50)를 포함한다. 히트 스프레더(1)는 열원에서 발생되는 열을 외부로 이동시켜 냉각시킬 수 있다.
케이싱(10)은 냉매 전달층(20)과 윅(30) 그리고 냉매(50)가 배치되는 내부 공간을 가진다. 케이싱(10)은 일측이 외부 열원(40)과 접촉되도록 배치될 수 있다. 케이싱(10)은 내부에서 냉매(50)의 열교환 과정으로 인하여 외부 열원(40)의 열이 이동되는 매개체로서 역할을 할 수 있다.
케이싱(10)은 상부 케이싱(11)과 하부 케이싱(12)이 결합되도록 마련될 수 있다.
케이싱(10)은 내부에 증발부(18)와 응축부(19)를 포함할 수 있다. 증발부(18)와 응축부(19)는 열교환이 발생되는 케이싱(10) 내부공간의 일측과 타측에 마련될 수 있다.
증발부(18)는 외부 열원(40)과 마주하는 위치에 형성될 수 있다. 이로 인해, 증발부(18)는 외부 열원(40)으로부터 열을 전달받아 액체상태의 냉매(50)가 기화되도록 제공될 수 있다.
응축부(19)는 기화된 증기상태의 냉매(50)가 응축되어 액화되도록 제공될 수 있다. 기화된 증기상태의 냉매(50)는 케이싱(10) 내부공간을 이동하다 케이싱(10)의 일측면과 열교환 후에 액체상태로 응축될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 증발부(18)는 하부 케이싱(12)의 내측면에 형성되고, 응축부(19)는 상부 케이싱(11)의 내측면에 형성될 수 있다. 응축부(19)에서 응축된 냉매(50)는 케이싱(10)의 내벽을 따라 증발부(18)로 이동될 수 있다. 또한, 냉매(50)는 냉매 전달층(20)을 통해 응축부(19)에서 증발부(18)로 이동될 수 있다.
냉매 전달층(20)은 케이싱(10) 내부공간에 마련될 수 있다. 냉매 전달층(20)은 증발부(18)와 응축부(19) 사이에 배치될 수 있다. 일 예에 의하면, 냉매 전달층(20)은 일측이 증발부(18)와 접촉되고, 타측이 응축부(19)와 접촉되도록 마련될 수 있다.
냉매 전달층(20)은 응축부(19)에서 응축된 냉매(50)가 증발부(18)로 이동되는 매개체로서 역할을 할 수 있다. 일 예에 의하면, 냉매 전달층(20)은 다공성 소재로 마련될 수 있다. 응축된 냉매(50)는 다공성 소재로 구성된 냉매 전달층(20)에 의해 쉽게 증발부(18)로 이동될 수 있다.
냉매 전달층(20)은 증발부(18)와 응축부(19)의 전부 또는 일부에 접촉되도록 마련될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 냉매 전달층(20)은 외부 열원(40)과 마주하는 위치에 배치될 수 있다. 냉매 전달층(20)은 외부 열원(40)의 모든 영역과 마주할 수 있는 크기로 제공될 수 있다.
윅(30)은 케이싱(10) 내부공간에서 증발부(18)에 설치될 수 있다. 일 예에 의하면, 윅(30)은 외부 열원(40)과 접촉된 하부 케이싱(12)의 내측면에 제공될 수 있다. 윅(30)은 하부 케이싱(12)의 내측면과 냉매 전달층(20) 사이에 위치할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 윅(30)은 복수개의 홈이 형성되어, 모세관 현상으로 인하여 냉매(50)가 홈 내부에 위치하도록 구성될 수 있다. 이로 인하여, 윅(30)은 냉매(50)가 증발부(18)에 지속적으로 위치하도록 마련될 수 있다.
윅(30)은 증발부의 내측면에 위치하여 모세관 현상으로 인해 증발부의 내측면이 계속 젖어 있는 상태를 유지하도록 한다.
도 3과 같이 윅(30)을 냉매전달층(20)과 증발부(18)의 내측면 사이에 위치시킴으로서, 유효반지름이 큰 냉매전달층(20) 내의 냉매의 이동성(투과율)이 향상되며, 냉매전달층(20)과 윅(30)사이의 계면에서는 윅(30)에 형성되어 있는 홈에 의해 모세관 현상이 촉진되어 증발부(18)로 냉매가 이동한다.
다공성 물질의 투과율(K)는 유효반지름(Reff)에 의해서 결정되고, 투과율은 액체가 얼마나 많이 이동하느냐를 판가름하는 지표이다. 즉, 유효반지름이 클 경우에 투과율이 향상된다. 이에 반해 유효반지름이 작으면 압력강하가 많이 발생하여 모세관 현상이 잘 일어나게 된다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 히트 스프레더는 다공성 물질에 의해 냉매의 투과율을 촉진시키고 증발부(18)의 내측면에서는 윅(30)에 의한 모세관 현상을 촉진시킴으로서 냉매가 증발부(18)의 내측면으로 빠르게 전달될 수 있도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 히트 스프레더(1)는 외부 열원(40)에 접촉되도록 설치될 수 있다. 이때, 히트 스프레더(1)는 외부 열원(40)으로부터 증발부(18)로 열이 전달되고, 증발부(18)에서 냉매(50)로 열전달되면서 냉매(50)가 기화된다. 기화된 냉매(50)는 케이싱(10) 내부공간을 이동하다 응축부(19)에 열을 전달하고 액체상태로 응축될 수 있다. 응축부(19)에서 액화된 냉매(50) 중 일부는 케이싱(10)의 내부 벽면을 따라 증발부(18)로 이동되고, 다른 일부는 냉매 전달층(20)을 따라 증발부(18)로 이동될 수 있다. 냉매 전달층(20)은 응축부(19)에서 증발부(18)로 이동 거리가 짧고, 응축부(19)와 증발부(18)를 다공성 소재로 연결되도록 구성되어 있어 냉매(50)가 용이하게 이동될 수 있다. 이로 인하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 히트 스프레더(1)는 증발부(18)에 냉매(50)가 항상 제공되도록 구성되고, 이로 인하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 케이싱(10) 내부공간에서 열유속이 높아지게 되면, 도 3에 도시된 바와 같이 냉매 전달층(20)의 일부(22)에서는 냉매(50)가 건조될 수 있다. 그러한 경우에도 냉매 전달층(20)의 내측부분(21)에서는 다공성 소재 내부에 냉매(50)가 존재하고 있으므로 지속적으로 냉매(50)를 증발부(18)로 공급시킬 수 있다.
도 4는 도 1의 히트 스프레더에서 냉매 전달층의 비율을 조절한 상태에서 열전달 효율을 실험한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 4(a)는 히트 스프레더(1)에서 증발부(18)에 포함된 냉매 전달층(20)의 비율을 조절한 것을 보여주는 도면이다. a1은 냉매 전달층(20)이 증발부(18) 전체와 같은 크기로 제공된 경우이고, a2는 냉매 전달층(20)이 증발부(18)의 33%의 크기로 제공된 경우이고, a3는 냉매 전달층(20)이 증발부(18)의 15%의 크기로 제공된 경우이다.
도 4(b)는 열유속에 따른 a1, a2, a3 상태에서 증발부(18)의 열전달계수를 그래프로 나타낸 것으로서, 냉매 전달층(20)의 크기가 클수록 증발부(18)에서 열전달이 용이하게 발생하며, 높은 열유속구간에서도 일정한 열전달이 이루어짐을 확인할 수 있다.
도 4(c)는 본 발명의 일 실시예에 의한 히트 스프레더(1)에서 열유속에 따른 a1, a2 상태에서 증발부(18)의 열전달계수와, 일반적인 히트 스프레더(b1, b2, b3)의 열유속에 따른 증발부의 열전달계수를 측정한 그래프이다. 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 냉매 전달층(20)이 마련된 a1, a2 상태에서의 열전달계수가 일반적인 히트 스프레더(b1, b2, b3)의 열전달계수보다 높은 상태로 측정되었고, 높은 열유속구간에서도 일정한 열전달이 이루어짐을 확인할 수 있다.
이하에서는 히트 스프레더의 변형예(2)에 대하여 설명한다.
도 5는 도 1의 히트 스프레더의 변형예를 보여주는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 히트 스프레더(2)는 케이싱(10), 냉매 전달층(70), 윅(30), 그리고 냉매(50)를 포함할 수 있다. 히트 스프레더(2)는 도 1의 히트 스프레더(1)와 비교하면 냉매 전달층(70)의 구성만이 상이하고, 나머지 구성을 동일하게 제공된다. 이하에서는 동일한 구성에 대한 설명은 생략하고, 상이한 구성에 대하여만 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 냉매 전달층(70)은 복수개(71, 72, 73, 74, 75)로 제공될 수 있다. 냉매 전달층(70)은 외부 열원의 개수에 대응하는 개수로 제공될 수 있다. 복수개의 냉매 전달층(71, 72, 73, 74, 75)은 각각 열원과 마주하도록 배치되어, 증발부의 열교환 성능을 향상시킬 수 있다. 복수개의 냉매 전달층(71, 72, 73, 74, 75)은 복수개의 열원이 분리되어 제공되는 경우에 열원에 대응하여 마련될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
1 : 히트 스프레더
10 : 케이싱
11 : 상부 케이싱
12 : 하부 케이싱
18 : 증발부
19 : 응축부
20 : 냉매 전달층
30 : 윅
40 : 외부 열원
50 : 냉매

Claims (7)

  1. 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간에 냉매가 제공되는 케이싱;
    상기 케이싱의 내측 일측면으로서 외부 열원과 접촉되는 증발부;
    상기 케이싱의 내측면에서 상기 증발부와 마주하고, 상기 냉매가 액체 상태로 변화되는 응축부; 및
    상기 증발부와 상기 응축부 사이에 배치되고, 상기 응축부에서 응축된 상기 냉매를 상기 증발부로 이동시키는 냉매 전달층;을 포함하는 히트 스프레더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉매 전달층은 다공성 소재로 마련되는 히트 스프레더.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 냉매 전달층은 상기 외부 열원과 마주하는 위치에 배치되는 히트 스프레더.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 증발부에 접촉되도록 배치되는 윅(wick);을 더 포함하고,
    상기 냉매 전달층은 상기 응축부와 상기 윅 사이에 배치되는 히트 스프레더.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 외부 열원이 복수개로 제공되고, 상기 냉매 전달층은 상기 외부 열원에 마주하는 위치에 배치되도록 마련되는 히트 스프레더.
  6. 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간에 냉매가 제공되는 케이싱;
    상기 케이싱의 내측 일측면으로서 외부 열원과 접촉되는 증발부;
    상기 케이싱의 내측면에서 상기 증발부와 마주하고, 상기 냉매가 액체 상태로 변화되는 응축부;
    상기 증발부에 접촉되도록 배치되는 윅(wick); 및
    상기 증발부와 상기 응축부 사이에 배치되고, 다공성 소재로 제공되는 냉매 전달층;을 포함하는 히트 스프레더.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉매 전달층은 상기 외부 열원과 마주하는 위치에 배치되는 히트 스프레더.
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