KR20210001629A - 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기 및 이를 이용한 냉각 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휴대기기의 발열체에 접하게 설치되는 열분산부재와, 상기 열분산부재에 접하게 설치되고 냉매가 주입될 수 있는 내부공간이 형성되는 냉매박스를 이용하여 상기 발열체가 증발 잠열에 의해 냉각되는 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기 및 이를 이용한 냉각 방법에 관한 것이다.

Description

냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기 및 이를 이용한 냉각 방법{Cooling Device with Exchangeable Refrigerant Box for Portable Device, and Method Thereof}

본 발명은 휴대기기를 냉각시키기 위해서 열 분산을 위한 하트 파이프 또는 베이퍼 챔버 구조를 이용하는 동시에, 냉매가 주입되고 상기 냉매가 증발되면 상기 휴대기기 외부로 배출될 수 있는 박스를 포함한 휴대기기용 냉각 기기 및 이를 이용한 냉각 방법에 관한 것이다.

최근 들어 데스크톱 피씨(PC)의 성능을 가진 반도체 칩(IC Chip)이 태블릿 PC(Tablet PC) 또는 스마트폰(Smartphone) 등 휴대기기에 탑재되기 시작되면서, 과거에 데스크톱 피씨에서 겪었던 냉각 문제가 휴대기기에서도 점차 심화되고 있다.

이러한 휴대기기의 냉각 문제를 해결하기 위하여 상기 칩과 같이 고열이 발생되는 부품의 열을 넓은 면적에 분산시킬 수 있는 히트 파이프(Heat Pipe) 또는 베이퍼 챔버(Vapor Chamber)가 사용되고 있다.

즉 도 1에 도시된 바와 같이 하부 케이스(1)와 상부 케이스(2) 사이에 배치되는 발열체(3)의 일면에는 열분산부재(4)가 부착되어 발열체(3)의 열을 열분산부재(4) 전체로 분산시킨다. 열분산부재(4)는 히트 파이프 또는 베이퍼 챔버일 수 있다. 이러한 열분산부재(4)로 인해 발열체(3)의 온도가 낮아질 수 있다.

히트파이프를 이용하여 휴대 가능한 전자기기의 발열부품을 냉각하는 장치에 관한 종래의 기술이 '한국특허등록공보 제10-0773502호'에 제시되어 있다.

'한국특허등록공보 제10-0773502호'의 휴대용 전자기기는 케이스 내부에 마련되는 발열체와, 상기 발열체에서 발생된 열의 방열판인 지지부재와, 상기 발열체에서 발생된 열을 상기 지지부재로 전달하는 방열 부재를 포함한다. 상기 지지부재에는 히트 파이프가 마련될 수 있다. 상기 히트 파이프를 강제 냉각시킬 수 있는 송풍팬이 더 포함될 수도 있다.

하지만 히트 파이프와 같은 열분산부재를 이용한 냉각 방식은 자연적인 대류 냉각에 의존하고, 휴대기기의 특성상 냉각이 효과적으로 이루어질 만큼 면적이 큰 열분산부재를 설치할 공간을 확보하기가 어렵기 때문에 고성능 휴대기기의 열을 냉각하기에는 한계가 있다.

'한국특허등록공보 제10-0773502호'에 기재된 바와 같이 대류에 의한 냉각 효과를 향상시키기 위해 송풍팬을 설치하면 진동 및 소음이 발생하는 문제가 있고, 냉각 효과를 향상시킬 수 있는 크기의 송풍팬을 설치할 공간을 확보하기가 어렵다는 문제가 있다.

휴대기기의 냉각이 제대로 이루어지지 않으면 휴대기기의 평균 온도가 상승하게 되고, 평균 온도 상승에 의해서 칩이 파손되거나 사용자가 불쾌감을 느끼게 되는 문제점이 있다.

위와 같이 열의 확산 및 대류에 의한 냉각에 의한 문제점을 극복하기 위한 종래의 기술이 '한국등록특허공보 제10-1934847호'에 기재되어 있다.

'한국등록특허공보 제10-1934847호'의 냉매 상변화를 이용한 전자기기용 냉각 모듈은 액상의 냉매를 수용하는 냉매저장부와, 상기 냉매저장부에 연결되어 상기 냉매를 외부로 토출하는 냉매공급부를 포함하고, 상기 냉매공급부는 전자기기의 발열부분에 상기 냉매를 토출시킨다.

상기 냉매가 상기 발열부분에 토출되면 상기 냉매가 기화되면서 상기 전자기기가 냉각된다.

'한국등록특허공보 제10-1934847호'의 냉매 상변화를 이용한 전자기기용 냉각 모듈은 냉매를 외부로 토출하기 위한 장치를 별도로 마련해야하고, 냉매저장부내의 냉매가 줄어들어도 중력 방향에 관계없이 상기 냉매가 상기 냉매공급부를 통해 토출될 수 있도록 지속적으로 상기 냉매를 상기 냉매공급부 쪽으로 이동시킬 수 있는 수단이 필요하다.

또한 전자기기의 발열부분이 일반적으로 상기 전자기기의 내부에 배치되기 때문에 기화된 냉매가 전자기기 밖으로 배출되기 위한 독립된 유로가 필요하다.

이로 인해 냉각 모듈을 사용하기 위해 전자기기 내에 확보해야 할 부피가 증가되고, 냉각 모듈의 가격이 상승한다는 단점이 있다.

한국특허등록공보 제10-0773502호 한국등록특허공보 제10-1934847호

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 냉매를 저장하는 박스 내부에 윅 구조를 형성하여 간단한 구성으로도 냉매의 상변화를 이용하여 휴대용 장치를 냉각할 수 있고, 열분산부재를 이용하여 발열체의 열을 넓은 면적에 분산시키고 상기 열분산부재의 일면에 냉매가 저장되는 박스를 설치함으로써 냉매의 상변화에 의한 냉각을 수행할 수 있는 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기 및 이를 이용한 냉각 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기는 휴대기기의 발열체에 접하게 설치되는 열분산부재와, 상기 열분산부재에 접하게 설치되고 내부공간이 형성되는 냉매박스와, 상기 내부공간의 일측에 액체 상태의 냉매를 주입하거나 기화된 냉매가 배출될 수 있게 형성되는 개구부와, 상기 냉매박스의 내벽에 형성되는 윅 구조를 포함한다.

상기 냉매박스는 상기 휴대기기에 탈부착 가능하게 설치될 수 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기를 이용한 냉각 방법은 휴대기기의 발열체의 열이 전달되는 열분산부재와, 상기 열분산부재의 열이 전달되는 냉매박스를 통해 상기 휴대기기를 냉각시키는 방법으로서, 상기 냉매박스의 개구부를 통해 액체 상태의 냉매를 주입하는 (a)단계와, 상기 발열체에서 발생한 열이 상기 열분산부재를 통해 상기 냉매박스에 자연 대류 혹은 고체 접촉에 의한 열전도에 의해 전달되는 (b)단계와, 상기 냉매박스에 전달된 열에 의해 상기 액체 상태의 냉매가 기화되며 기화된 냉매의 주위가 냉각되는 (c)단계와, 상기 기화된 냉매가 상기 개구부를 통해 상기 휴대기기의 외부로 배출되는 (d)단계와, 상기 (a) ~ (d) 단계를 반복하는 (e)단계를 포함한다.

본 발명의 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기 및 이를 이용한 냉각 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

휴대기기의 발열체에 접하도록 열분산부재를 설치함으로써, 상기 발열체에서 발생된 열이 열분산부재를 통해 넓게 분산될 수 있다.

열분산 부재 일측에 냉매박스를 설치함으로써 자연 대류 혹은 고체 접촉에 의한 열전도 현상을 통하여 두 부재간에 열이 전달될 수 있다.

상기 냉매박스로 전달된 열은 냉매박스 내의 액체 상태의 냉매를 기화시키고 기화된 증기는 상기 냉매박스 외부로 배출될 수 있다.

즉, 상기 열분산부재로부터 상기 냉매박스로 전달된 열은 냉매 증기의 기화열로 변하여 상기 냉매 증기와 함께 외부로 배출될 수 있다.

상기 열분산부재와 접하게 설치되는 상기 냉매박스의 일측면에 전도성 필름 등을 부착함으로써, 상기 냉매박스를 여러 번 탈부착할 때 마찰에 의해 상기 열분산부재가 마모되는 현상을 방지할 수 있다.

상기 냉매박스의 내부공간의 일측에 개구부를 형성함으로써, 간단한 구조로 상기 개구부를 통해 액체 상태의 냉매를 주입하거나 기화된 냉매가 배출될 수 있다.

상기 내부공간에 윅 구조를 형성함으로써, 표면장력에 의해 액체 상태의 냉매가 상기 개구부를 통해 유출되지 않을 수 있다.

특히 상기 냉매박스가 상기 휴대기기에 탈부착 가능하도록 설치됨으로써, 사용자는 상기 냉매박스가 필요 없을 경우에는 상기 냉매박스를 제거한 채로 휴대기기를 경량화 하여 사용할 수도 있고, 냉매박스를 복수로 휴대하며 필요할 때마다 쉽게 교환하여 사용할 수도 있다. 또한, 상기 냉매박스를 장시간 이용하거나 재사용할 때 발생할 수 있는 상기 냉매박스의 오염 문제(내부 벽 물때 생성의 의한 열전달 성능 저하, 외부 먼지에 의한 개구부 막힘 등)를 근원적으로 방지할 수 있다. 이에 더하여 사용자는 상기 냉매박스를 충진할 수 있는 전용 장비를 이용함으로써 상기 냉매박스에 냉매를 손쉽게 충진할 수도 있고, 사전에 대량으로 생산된 냉매박스를 별도로 구매하여 사용할 수도 있다.

도 1은 종래의 휴대기기용 냉각 기기가 설치된 휴대기기의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기가 설치된 휴대기기의 사시도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기가 설치된 휴대기기의 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기가 설치된 휴대기기의 부분 확대도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기의 냉매박스의 A-A 단면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기의 냉매박스의 B-B 단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

참고적으로, 이하에서 설명될 본 발명의 구성들 중 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 전술한 종래기술을 참조하기로 하고 별도의 상세한 설명은 생략한다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서 휴대기기는 하부 케이스(11)와 하부 케이스(11)에 조립되는 상부 케이스(12)를 포함하고, 하부 케이스(11)와 상부 케이스(12) 사이에는 부품을 설치할 수 있는 공간이 형성된다. 상기 공간에는 발열체(20)가 배치된다.

상기 휴대기기는 스마트폰, 태블릿 PC, PDA 등일 수 있다.

발열체(20)는 IC칩과 같이 고열을 발생시키는 부품일 수 있다.

발열체(20)는 상기 휴대기기의 일측에 배치된다.

상기 휴대기기의 타측에는 냉매박스 장착홈(13)이 형성되어, 하부 케이스(11)와 상부 케이스(12) 사이에 형성되는 공간과 연통된다.

냉매박스 장착홈(13)은 하부 케이스(11)에 형성되는 냉매박스 장착홈 하부(13a)와, 상부 케이스(12)에 형성되는 냉매박스 장착홈 상부(13b)를 포함한다.

상술한 바와 달리 냉매박스 장착홈(13)은 하부 케이스(11) 또는 상부 케이스(12)에 형성될 수도 있다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기는 상기 휴대기기의 발열체(20)에 접하게 설치되는 열분산부재(30)와, 열분산부재(30)에 접하게 설치되는 냉매박스(40)를 포함한다.

열분산부재(30)는 발열체(20)와의 접촉면적이 최대한 커질 수 있도록 발열체(20)에 접한다. 이로 인해 발열체(20)에서 발생되는 열이 열분산부재(30)에 더 많이 전달될 수 있다.

열분산부재(30)는 발열체(20)의 표면적에 비해 넓은 표면적을 가질 수 있도록 형성된다. 열분산부재(30)는 발열체(20)로부터 최대한 멀어지는 방향으로 길게 연장되어 형성된다.

열분산부재(30)의 표면적이 넓을수록 발열체(20)에서 발생되는 열이 열분산부재(30)에 전달되어 평균온도가 감소하고, 자연대류에 의한 냉각이 원활하게 일어나게 된다.

열분산부재(30)는 히트 파이프 또는 베이퍼 챔버로 구비될 수 있다.

열분산부재(30)는 상기 휴대기기에 장착되어 후술할 냉매박스(40)의 유무에 상관없이 발열체(20)의 열을 발열체(20)의 온도보다 온도가 낮은 쪽으로 이동시켜 냉각시키는 역할을 한다.

냉매박스(40)는 도 4 내지 도 6에 상세하게 도시되어 있다.

냉매박스(40)는 상기 휴대기기의 냉매박스 장착홈(13)을 통해 상기 휴대기기 내부에 설치된다.

냉매박스(40)는 전체적으로 직육면체 형태로 형성된다.

냉매박스(40)는 열분산부재(30)와의 접촉면적이 최대한 커질 수 있도록 열분산부재(30)에 접한다. 이로 인해 열분산부재(30)에서 발생되는 열이 냉매박스(40)에 더 많이 전달될 수 있다.

냉매박스(40)가 열분산부재(30)와 접하는 면에는 냉매박스(40)를 설치할 때 냉매박스(40)에 의해 열분산부재(30)가 마모되는 현상을 방지하기 위해 별도의 열전도 필름을 부착할 수 있다.

냉매박스(40)에는 냉매를 주입할 수 있는 내부공간(41)이 형성된다.

내부공간(41)의 일측에는 개구부(42)가 형성된다. 개구부(42)는 내부공간(41)과 연통된다.

개구부(42)는 개구부(42)를 통해 내부공간(41)에 액체 상태의 냉매를 주입하거나, 내부공간(41)에서 열에 의해 기화된 냉매가 확산에 의해 개구부(42)를 통해 외부로 빠져나올 수 있는 크기로 형성된다. 개구부(42)는 상기의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 최대한 작게 단일 구멍 또는 복수 개의 구멍(메쉬 형태) 등으로 형성될 수 있다.

냉매박스(40)는 개구부(42)가 상기 휴대기기의 냉매박스 장착홈(13)을 향하도록 상기 휴대기기에 장착된다.

도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이 냉매박스(40)의 내벽에는 돌기(43)가 돌출되게 형성된다.

돌기(43)는 마이크로 또는 나노 크기로 형성된다.

돌기(43)는 내부공간(41)의 내벽에 일정 간격마다 배치된다.

이러한 돌기(43)로 인해 내부공간(41)의 내벽에는 요철 형태의 윅(wick) 구조가 형성되게 된다.

내부공간(41)의 윅 구조는 액체 상태의 냉매가 모세관 현상에 의해 냉매박스(40) 내벽을 따라 골고루 퍼질 수 있도록 형성된다. 즉, 내부공간(41)의 윅 구조로 인해 냉매박스(40)의 내벽과 액체 상태의 냉매 사이의 부착력이 커진다.

이로 인해 액체 상태의 냉매가 기화됨에 따라 상기 냉매의 양이 줄어들더라도 상기 냉매와 냉매박스(40)의 내벽 사이의 접촉면적이 최대한으로 유지되어 냉각 효율이 높아진다.

내부공간(41)의 윅 구조는 액체 상태의 냉매가 표면장력에 의해 중력 방향에 관계없이 개구부(42)를 통해 유출되지 않고, 상기 냉매가 기화되면 상기 윅 구조에서 이탈되어 개구부(42)를 통해 냉매박스(40)의 외부로 배출될 수 있도록 형성된다.

이로 인해 개구부(42)가 상기 휴대기기의 외부에 대해 개방되게 형성되어 있어도 냉매의 유출에 의한 냉각 성능 저하 또는 주변 부품의 오염 등이 방지된다. 또한, 냉매의 기화에 따른 냉매박스(40)의 부피 팽창에 따른 위험이 방지된다.

상술한 바와 달리 내부공간(41)의 내벽은 돌기(43)로 인한 윅 구조가 아닌 다공성 형태 또는 그루브를 이용한 윅 구조로 형성될 수도 있다.

냉매박스(40)는 상기 휴대기기에 고정될 수 있다. 냉매박스(40)가 상기 휴대기기에 고정되면 사용자는 냉매박스 장착홈(13)과 같은 방향에 설치된 개구부(42)를 통해 냉매박스(40)에 냉매를 주입할 수 있다.

상술한 바와 달리, 냉매박스(40)는 냉매박스 장착홈(13)을 통해 상기 휴대기기에 탈부착 가능하게 형성될 수 있다. 이를 위해 냉매박스(40)와 상기 휴대기기에는 서로 결합 가능한 후크 구조가 형성될 수 있다.

냉매박스(40)의 탈부착이 가능하면 사용자는 냉매박스(40)가 필요 없을 경우(예:고성능을 요구하는 소프트웨어를 사용하지 않을 경우)에는 냉매박스(40)를 제거한 채로 상기 휴대기기를 사용할 있고, 냉매박스(40)를 복수로 휴대하며 필요할 때마다 교환할 수 있고, 냉매박스(40)에 냉매를 용이하게 주입할 수 있다.

냉매는 에탄올, 물, 메탄올 등으로 구비될 수 있다.

에탄올을 냉매로 사용하는 경우, 에탄올이 기화될 때 증발 잠열을 0.83kJ/g이다.

최신 휴대 기기에 적용되는 배터리 중 4,000mAh, 3.8V를 기준으로 상기 배터리를 완충 후 방전될 때까지 상기 배터리로 사용할 수 있는 에너지는 54.72kJ이다.

상기 에너지가 모두 발열체(20)를 통해 열에너지로 방출된다고 가정하면, 54.72kJ에 해당하는 열에너지를 증발 잠열을 이용하여 상쇄시키기 위해서는 약66g의 에탄올이 기화되어야 한다.

즉, 상술한 조건에서 약 66g을 에탄올을 저장할 수 있는 냉매박스(40)를 사용하면 상기 휴대기기가 완충 후 방전될 때까지 발열체(20)를 충분히 냉각할 수 있다.

실제로는 상기 배터리의 에너지 중 일부만 발열체(20)에서 방열되는 열에너지로 변환되기 때문에 66g보다 적은 양의 에탄올만 있으면 발열체(20)에서 발생되는 열을 충분히 냉각할 수 있다.

냉매박스(40)를 갖는 휴대기기용 냉각 기기를 이용한 냉각 방법은 다음과 같다.

우선, 개구부(42) 액체 상태의 냉매가 주입된 냉매박스(40)를 구비한다. 이를 (a)단계라고 한다.

냉매박스(40)가 상기 휴대기기에 설치된 상태에서 상기 휴대기기를 작동시키면 발열체(20)에서 열이 발생하게 된다.

발열체(20)에서 발생한 열은 열분산부재(30)를 통해 냉매박스(40)로 자연 대류 혹은 고체 접촉에 의한 열전도에 의해 전달된다. 이 과정에서 발열체(20), 열분산부재(30) 및 냉매박스(40)의 열의 일부는 자연대류에 의해 냉각된다. 이를 (b)단계라고 한다.

냉매박스(40)에 일정량 이상의 열이 전달되면 액체 상태의 냉매(50)가 기화되기 시작한다. 액체 상태의 냉매(50)가 기화되면 증발잠열에 의해 기화된 냉매(50) 주위가 냉각된다. 이를 (c)단계라고 한다.

기화된 냉매(50)는 개구부(42)를 통해 상기 휴대기기의 외부로 배출된다. 이를 (d)단계라고 한다.

(d)단계에 의해 내부공간(41)의 냉매(50)가 점차 소비되므로, 냉매(50)의 기화를 이용하여 상기 휴대기기를 냉각하기 위해서는 액체 상태의 냉매(50)를 보충해줄 필요가 있다.

개구부(42)를 통해 내부공간(41)에 액체 상태의 냉매(50)를 주입하는 단계를 (e)단계라고 한다.

상기 (b)~(e)단계는 반복적으로 수행된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 당업자는 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

1: 하부 케이스
2: 상부 케이스
3: 발열체
4: 열분산부재
11: 하부 케이스
12: 상부 케이스
13: 냉매박스 장착홈
13a: 냉매박스 장착홈 하부
13b: 냉매박스 장착홈 상부
20: 발열체
30: 열분산부재
40: 냉매박스
41: 내부공간
42: 개구부
43: 돌기

Claims (3)

1. 휴대기기의 발열체에 접하게 설치되는 열분산부재;
   상기 열분산부재에 접하게 설치되고 내부공간이 형성되는 냉매박스;
   상기 내부공간의 일측에 액체 상태의 냉매를 주입하거나 기화된 냉매가 배출될 수 있게 형성되는 개구부; 및
   상기 냉매박스의 내벽에 형성되는 윅 구조;를 포함하는 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉매박스는 상기 휴대기기에 탈부착 가능하게 설치되는 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기.
3. 휴대기기의 발열체의 열이 전달되는 열분산부재와, 상기 열분산부재의 열이 전달되는 냉매박스를 통해 상기 휴대기기를 냉각시키는 방법으로서,
   (a) 상기 냉매박스의 개구부를 통해 액체 상태의 냉매를 주입하는 단계;
   (b) 상기 발열체에서 발생한 열이 상기 열분산부재를 통해 상기 냉매박스에 자연 대류 혹은 고체 접촉에 의한 열전도에 의해 전달되는 단계;
   (c) 상기 냉매박스에 전달된 열에 의해 상기 액체 상태의 냉매가 기화되며 기화된 냉매의 주위가 냉각되는 단계;
   (d) 상기 기화된 냉매가 상기 개구부를 통해 상기 휴대기기의 외부로 배출되는 단계;
   (e) 상기 (a) ~ (d) 단계를 반복하는 단계;
   를 포함하는 냉매박스를 갖는 휴대기기용 냉각 기기를 이용한 냉각 방법.

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