KR20210142850A - 방열판 - Google Patents

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KR20210142850A
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Abstract

일 실시예에 따른 방열판은, 냉매가 출입되는 출입부, 상기 출입부로부터 수용된 냉매가 방출되는 출구부 및 상기 출입부와 상기 출구부 사이에 배치되어 냉매를 유동시키는 복수 개의 유로를 포함하고, 상기 복수 개의 유로는 나선형으로 권취된 형상으로 배치되며, 복수 개의 유로의 일 부분이 서로 연통되어 상호 간에 냉매가 순환될 수 있다.

Description

방열판 {A HEAT RADIATING PLATE}
아래의 실시예들은 방열판에 관한 것이다.
일반적으로 방열판은 전력소자, 전자 기기, 메카트로닉스 제품, 하이브리드 자동차, 및 컴퓨터 등의 각종 열원에서 발생된 열을 전도, 대류, 복사 현상을 이용하여 방출하는 판이다.
방열판은 열원에서 발생된 열이 외부로 소산되지 않아 온도가 설계허용온도 이상으로 상승하지 않도록 하여야 하며, 이에 어긋나는 경우에 냉각 성능이 급격히 낮아져서 방열 대상인 전자 기기 등이 과열에 의한 고장 및 물리적 파괴(폭발) 등의 심각한 손상과 제품 수명이 감소할 수 있다.
따라서, 열이 특히 많이 발생하는 고발열 기기 등에 적용되는 경우에는, 냉매를 이용한 냉각 방식을 사용하여 냉각 효율을 극대화하고 있다.
종래의 방열판은 복수의 냉각핀을 적용한 단방향 평행으로 냉매의 관로가 형성되고, 관로의 유입구로 유입된 냉매는 관로를 따라 흘러서 관로의 배출구로 배출된다. 이 과정에서 냉매는 전자기기로부터 방열판으로 전달된 전도열을 받아 방열판을 냉각시킨다.
방열판의 냉각효율은 냉매와 방열판과의 접수면적이 작으면 감소한다. 하지만, 열전달되는 접수면적을 증가시키기 위하여 제한된 방열판 체적에서 냉매 관로의 길이, 폭, 높이 등을 늘리는 것에는 한계가 있다.
또한, 방열판과 전자기기 사이의 접촉면에서 균일한 온도제어가 되지 않아 접촉면에서 냉각성능이 고르게 분포하지 않으면, 전자기기의 특정부분에서 고온점(Hot??spot)이 발생하여 전자기기의 과열에 의한 고장 및 물리적 파괴(폭발) 등의 심각한 손상과 제품 수명이 감소할 수 있다.
대한민국 특허공개공보 제1998??0026353호에는 방열판에 관한 내용이 개시되어 있다.
일 실시예에 따른 목적은 냉매의 난류 유동(Turbulence flow) 및 대항 유동(Counter flow)으로 냉각 성능이 향상될 수 있는 방열판을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 방열판과 전자기기 사이의 접촉면에서 균일한 온도제어로 냉각성능이 고르게 분포되는 방열판을 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 방열판은, 냉매가 출입되는 출입부, 상기 출입부로부터 수용된 냉매가 방출되는 출구부 및 상기 출입부와 상기 출구부 사이에 배치되어 냉매를 유동시키는 복수 개의 유로를 포함하고, 상기 복수 개의 유로는 나선형으로 권취된 형상으로 배치되며, 복수 개의 유로의 일 부분이 서로 연통되어 상호 간에 냉매가 순환될 수 있다.
이 때, 권취된 상기 복수 개의 유로의 전체적인 형상은 원형으로 형성되고, 상기 출입부는 상기 원형의 일측에 배치되고, 상기 출구부는 상기 원형의 타측에 배치될 수 있다.
복수 개의 유로는, 상기 출입부로부터 상기 원형의 중심부를 향하는 방향으로 연장되며, 상기 원형의 중심부에서 절곡되어 상기 중심부로부터 상기 출구부를 향하는 방향으로 연장될 수 있다.
상기 원형의 중심부에서 절곡되는 제1 유로 및 제2 유로의 부분이 서로 연통되는 제1 연통 구역을 포함하고, 상기 제1 유로를 유동하는 냉매와 상기 제2 유로를 유동하는 냉매가 서로 공유될 수 있다.
상기 출입부 측에서부터 상기 출구부 측까지 일정한 간격으로 이격되어 제1 유로와 제2 유로 사이에 형성되는 복수 개의 제2 연통 구역을 포함할 수 있다.
상기 제1 유로와 상기 제2 유로 사이에는 분리벽이 배치되어 상기 제1 유로와 상기 제2 유로는 서로 이격될 수 있다.
각각의 유로의 높이는 2.5mm 내지 10.0mm 사이일 수 있으며, 각각의 유로의 너비는 2.0mm 내지 5.0mm 사이일 수 있고, 분리벽의 너비는 2.0mm 내지 5.0mm 사이일 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 방열판은 상기 출입부, 상기 출구부 및 상기 복수 개의 유로를 수용하는 케이스를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 케이스는 상측에 배치되는 상판 및 하측에 배치되는 하판을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 방열판은 냉매의 난류 유동(Turbulence flow) 및 대항 유동(Counter flow)으로 냉각 성능이 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 방열판은 방열판과 전자기기 사이의 접촉면에서 균일한 온도제어로 냉각성능이 고르게 분산시킬 수 있다.
도1은 일 실시예에 따른 방열판을 나타낸다.
도2는 일 실시예에 따른 방열판의 유로를 상세히 나타낸다.
도3 및 도4는 종래의 방열판과 일 실시예에 따른 방열판에 대한 냉각 성능을 확인하기 위한 실험 데이터이다.
도5는 일 실시예에 따른 방열판의 변형 실시 예를 나타낸다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도1은 일 실시예에 따른 방열판을 나타내며, 도2는 일 실시예에 따른 방열판의 유로를 상세히 나타낸다. 도3 및 도4는 종래의 방열판과 일 실시예에 따른 방열판에 대한 냉각 성능을 확인하기 위한 실험 데이터이다. 도5는 일 실시예에 따른 방열판의 변형 실시 예를 나타낸다.
도1을 참조하면, 일 실시예에 따른 방열판은 냉매가 출입되는 출입부(200), 상기 출입부(200)로부터 수용된 냉매가 방출되는 출구부(300) 및 출입부와 출구부 사이에 배치되어 냉매를 유동시키는 복수 개의 유로(400)를 포함할 수 있다.
또한, 방열판은 출입부, 출구부 및 복수 개의 유로를 수용하는 케이스(100)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 케이스(100)는 상측에 배치되는 상판(110) 및 하측에 배치되는 하판(120)을 포함할 수 있다.
이 때, 복수 개의 유로(400)는 나선형으로 권취된 형상으로 배치되며, 복수 개의 유로의 일 부분이 서로 연통되어 복수 개의 유로 내에서 각각 유동되는 냉매는 각각의 유로 상호 간에서 순환될 수 있다.
또한, 각각의 유로의 높이(H)는 6.5mm 내지 11.5mm 사이일 수 있으며, 각각의 유로의 너비(W1)는 3.5mm 내지 4.5mm 사이일 수 있고, 분리벽의 너비(W2)는 2.5mm 내지 3.0mm 사이일 수 있다. 일 예로서, 각각의 유로의 높이(H)는 9mm이며, 각각의 유로의 너비(W1)는 4mm이고, 후술할 분리벽(W2)의 너비는 2.75mm일 수 있다.
구체적으로, 도2를 참조하면, 권취된 복수 개의 유로의 전체적인 형상은 원형으로 형성될 수 있다. 즉, 복수 개의 유로가 권취되는 형상으로 배치됨으로써 상기 복수 개의 유로의 외곽의 형상이 나타내는 형태는 거의 원형에 가까울 수 있다.
이 때, 유로의 외곽 부분의 일 부분은 출입부(200) 측으로 연장되고, 유로의 외곽 부분의 타 부분은 출구부(300) 측으로 연장될 수 있다. 다시 말하면, 출입부는 원형의 일측에 배치되고, 출구부는 원형의 타측에 배치될 수 있다.
그에 따라, 복수 개의 유로(400)는 출입부(200)로부터 원형의 중심부를 향하는 방향으로 연장될 수 있으며, 원형의 중심부에서는 각각의 유로가 절곡된 후 다시 원형의 중심부로부터 출구부를 향하는 방향으로 연장될 수 있다.
일 예로서, 복수 개의 유로는 제1 유로(410) 및 제2 유로(420)로 구성될 수 있다. 이 때, 원형의 중심부에서 절곡되는 제1 유로(410)의 부분 및 제2 유로(420)의 부분이 서로 연통되는 제1 연통 구역(A)이 형성될 수 있다. 이와 같은 제1 연통 구역(A)의 구조를 통하여 제1 유로(410)를 유동하는 냉매와 제2 유로(420)를 유동하는 냉매는 서로 공유될 수 있다.
또한, 제1 유로(410)와 제2 유로(420) 사이에는 분리벽(500)이 배치되어 제1 유로와 제2 유로는 서로 이격될 수 있다.
이하에서는 도3 및 도4를 통하여, 본 발명에 따른 냉각의 효과가 종래 기술 대비 현저하게 향상될 수 있음을 설명하도록 하겠다.
방열판에 대한 성능 검토는 냉각수를 냉매로 사용하였으나, 반드시 본 발명에 따른 방열판에 적용되는 냉매가 냉각수로 한정되는 것은 아니다.
냉매가 대항 유동 방식으로 흐르는 나선형 구조의 방열판은 멀티 루프 방열판에 비하여 냉각 성능이 높으며 위치별 냉각성능 편차가 낮아서 열원을 고르게 냉각시킬 수 있는 구조이다.
하지만, 유로 면적이 작아짐에 따라 동일 유량 대비 유속이 증가하게 되며, 유로의 길이가 길어서 압력 손실이 크다는 단점을 지니고 있다. 따라서, 나선형 구조의 방열판의 설계 변수를 분석하여 냉각성능을 향상시키고, 압력손실을 감소시키기 위한 방안을 모색할 필요성이 존재한다.
나선형 구조의 방열판의 설계변수는 유로의 높이, 유로의 너비, 분리벽의 너비, 유로의 개수로 분석이 수행될 수 있다. 유로의 높이 및 유로의 너비는 방열판의 유로 면적에 영향을 미치며, 분리벽의 너비는 대항 유동에 의한 열전달 성능에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 유로의 개수는 냉매의 유속 및 압력 강하에 영향을 미칠 수 있는 변수이다.
구체적으로 하기의 표1과 같이 방열판의 냉각량은 유로의 개수가 하나일 때가 두 개일 경우 보다 약간 더 높으며, 방열판의 압력 손실은 유로의 수가 하나일 때가 두 개일 경우 보다 현저히 높음을 확인할 수 있다.
CASE 유로 높이(mm) 유로 너비
(mm) 		분리벽 너비
(mm) 		유로수 T aver. (℃) Q (kW) ΔP (kPa)
1 6.5 3.5 2.50 1 86.75 8.85 112.2
2 6.5 4.5 2.50 2 97.05 8.67 7.9
3 11.5 4.5 2.50 1 92.85 8.85 17.1
4 11.5 3.5 2.50 2 93.35 8.85 6.6
5 6.5 4.5 3.00 1 91.15 8.74 45.2
6 6.5 3.5 3.00 2 97.2 8.56 12.8
7 11.5 3.5 3.00 1 91.2 8.82 28.2
8 11.5 4.5 3.00 2 97.35 8.78 3.5
9 9.0 4.0 2.75 1 90.8 8.78 33.5
10 9.0 4.0 2.75 2 97.5 8.67 5.6
특히, 상기 표1을 참고할 때, Case 10과 같이 유로의 개수가 두 개로 형성되고, 각각의 유로의 높이가 9mm이고, 각각의 유로의 너비가 4mm이며, 분리벽의 너비가 2.75mm일 때, 냉각량과 압력 손실을 모두 고려하여 가장 효과적인 설계임을 확인할 수 있다.
아울러, 도3과 같이 두 개의 유로로 형성되나 원형의 중심부에서 제1 유로 및 제2 유로가 서로 연통되지 않은 경우 보다, 도4와 같이 두 개의 유로로 형성되면서 원형의 중심부에서 제1 유로 및 제2 유로가 서로 연통된 경우 냉각 효율이 더 상승되는 것을 실험데이터를 통해서 확인할 수 있다.
구체적으로, 하기 표2와 같이 두 개의 유로로 형성되면서 제1 유로 및 제2 유로가 중심부에서 연통된 구조의 경우 연통되지 않은 구조 보다 냉각량이 1.61% 증가함을 확인할 수 있다.
제1 유로 및 제2 유로가 중심부에서 연통되지 않은 구조 제1 유로 및 제2 유로가 중심부에서 연통된 구조 비고
냉각량 (kW) 18.68 18.98 1.61% ↑
압력손실 (kPa) 2.63 2.72 3.67% ↑
즉, 본 발명과 같이 유로를 복수 개로 형성하면서 각각의 유로를 일 부분에서 서로 연통시키는 구조를 통하여, 냉각량을 극대화시킴으로써 냉각 효율을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
아울러, 도5를 참조하면, 출입부 측에서부터 출구부 측까지 일정한 간격으로 이격되어 제1 유로와 제2 유로 사이에 형성되는 복수 개의 제2 연통 구역(A')을 포함할 수도 있다.
상기에서 설명한 구성을 포함하는 일 실시예에 따른 방열판은 열평형에 고르게 도달하는 효과가 발생하여 냉각 성능이 향상시킬 수 있으며, 유체의 정체 시간을 감소시켜 열평형을 보다 고르게 분산시킬 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 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 청구범위의 범위에 속한다.
100: 케이스
200 : 출입부
300 : 출구부
400 : 유로
410 : 제1 유로
420 : 제2 유로
500 : 분리벽
H : 유로의 높이
W1 : 유로의 너비
W2 : 분리벽의 너비
A : 제1 연통 구역
A' : 제2 연통 구역

Claims (9)

  1. 냉매가 출입되는 출입부;
    상기 출입부로부터 수용된 냉매가 방출되는 출구부; 및
    상기 출입부와 상기 출구부 사이에 배치되어 냉매를 유동시키는 복수 개의 유로;
    를 포함하고,
    상기 복수 개의 유로는 나선형으로 권취된 형상으로 배치되며,
    복수 개의 유로의 일 부분이 서로 연통되어 상호 간에 냉매가 순환될 수 있는, 방열판.
  2. 제1항에 있어서,
    권취된 상기 복수 개의 유로의 전체적인 형상은 원형으로 형성되고,
    상기 출입부는 상기 원형의 일측에 배치되고, 상기 출구부는 상기 원형의 타측에 배치되며,
    복수 개의 유로는, 상기 출입부로부터 상기 원형의 중심부를 향하는 방향으로 연장되며, 상기 원형의 중심부에서 절곡되어 상기 중심부로부터 상기 출구부를 향하는 방향으로 연장되는, 방열판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 원형의 중심부에서 절곡되는 제1 유로 및 제2 유로의 부분이 서로 연통되는 제1 연통 구역을 포함하고,
    상기 제1 유로를 유동하는 냉매와 상기 제2 유로를 유동하는 냉매가 서로 공유될 수 있는, 방열판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 출입부 측에서부터 상기 출구부 측까지 일정한 간격으로 이격되어 제1 유로와 제2 유로 사이에 형성되는 복수 개의 제2 연통 구역을 포함하는, 방열판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 유로와 상기 제2 유로 사이에는 분리벽이 배치되어 상기 제1 유로와 상기 제2 유로는 서로 이격되는, 방열판.
  6. 제5항에 있어서,
    각각의 유로의 높이는 2.5mm 내지 10.0mm 사이일 수 있는, 방열판.
  7. 제5항에 있어서,
    각각의 유로의 너비는 2.0mm 내지 5.0mm 사이일 수 있는, 방열판.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 분리벽의 너비는 2.0mm 내지 5.0mm 사이일 수 있는, 방열판.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 출입부, 상기 출구부 및 상기 복수 개의 유로를 수용하는 케이스;
    를 더 포함하고,
    상기 케이스는,
    상측에 배치되는 상판; 및
    하측에 배치되는 하판;
    을 포함하는, 방열판.
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