KR100338810B1

KR100338810B1 - 냉각장치

Info

Publication number: KR100338810B1
Application number: KR1019990049214A
Authority: KR
Inventors: 윤하용; 임근배; 이정현; 박유근
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1999-11-08
Filing date: 1999-11-08
Publication date: 2002-05-31
Anticipated expiration: 2019-11-08
Also published as: US6443222B1; JP2001196778A; KR20010045772A

Abstract

모세관력을 응용한 냉각장치에 관해 기술된다.

냉각장치는: 루우프형 그루브가 그 상면에 형성된 하판; 상기 하판의 상면에 결합되어 상기 그루브를 상부를 폐쇄하여, 작동유체 유동경로를 제공하는 상판; 상기 유동경로 상에 마련되는 것으로 상기 상판 또는 하판에 일체적으로 형성되는 미세구조의 증발핀을 다수 구비한 증발부; 상기 그루브 상에 상기 증발부와 소정거리를 두고 위치하는 하는 것으로 상기 상판 또는 하판에 일체적으로 형성되는 미세구조의 응축핀을 다수 구비한 응축부를; 구비한다. 따라서, 이상과 같은 본 발명에 의하면, 외부의 동력이 없이 냉각을 수행할 수 있는 소형 및 박형의 냉각장치를 얻을 수 있게 된다. 또한, 증발부에 부착된 단순형태의 미세 채널의 다양한 변형에 의해 작동유체의 상변화에 의한 비체적의 증가에 의한 유로에서의 저항을 없애고 급격한 압력증가에 의한 역류를 방지하여 전체 냉동 시스템의 수력학적 안정성을 구현할 수 있다.

Description

냉각장치{cooling device}

본 발명은 모세관에 의한 작동유체 순환 구조를 가지는 냉각장치에 관한 것으로, 상세히는 증발부의 개선에 의해 냉각 효율이 증대된 냉각장치에 관한 것이다.

최근에 계속 발전되는 전자 기술은 전자장비의 모듈화, 소형화 및 고출력화를 이루었고 이에 따라 전자 장비에서의 단위 면적당 열발산율은 계속 증가하게 되었다. 이러한 전자 장비의 발생열에 대한 적절한 조절 능력이 설계 및 작동 중에서 고려되어야할 중요한 사항이다. 전자 장비에서의 온도 조절을 위한 방식으로는 열전도, 공기의 자연 대류/복사 또는 강제 대류, 액체에 의한 냉각, 잠수 냉각(immersion), 히트파이프(heat pipe) 형태가 있다.

표면 장력에 의한 자연 순환 유동(capillary pumped loop flow: CPLF)은 나사의 루이스 센터(NASA Lewis center)의 스텐져(Stenger)에 의해 처음 제안 되었고, 터커만(Tuckerman)과 피이스(Pease)는 미세 채널 냉각방식이 고발열 전자 장치 냉각에 이용될 수 있음을 실험으로 증명하였다.

도 1은 스텐저가 제안한 모세관에 의한 냉각장치의 개략적 구성도이다.

도 1은 참조하면, 상단한 크기의 작동유체 진행 경로를 가지는 파이프(1)가 루우프를 형성하고 있다.

파이프(1)에 의한 작동유체진행 경로 상에는 증발부(2)가 마련된다. 증발부(2)는 외부로 부터 열이 전달되는 케이스(21) 내에 다공체(22)가 위치된다.

상기 다공체(22)는 모세관 현상을 일으키는 미세한 공공부(cavity)를 가짐으로써, 작동유체(23)를 모세관 현상에 의해 끌어당기며, 그리고 외부로 부터의 흡수된 열에 의해 공공부 내의 작동유체를 증발시킨다. 작동유체의 상변화에 의해 발생된 증기는 작동유체(23)의 유입방향의 반대 방향으로 배출되어 파이프(1)를 진행하게 된다. 증기는 파이프(1)를 통해 진행하면서 점차적으로 열을 빼앗기게 되고, 그리고 충분히 열을 빼앗김으로써 액화된 후, 다시 상기 증발부(2) 측으로 진행한다.

이와 같은 구조에 의하면, 상당한 길이를 가지는 파이프(1)를 증기가 진행하면서 액화되며, 따라서 파이프(1)의 중간 중간에 기포가 발생된다.

이러한 종래 냉각장치는 대형화가 불가피하여, 소형의 전자장치에 대한 냉각장치로서는 부적절하다. 또한, 전술한 바와 같이 파이프 상에 산재하는 기포와 이들 사이에 불완전하게 액화된 작동유체가 전체 작동유체의 유동에 대해 저항으로 작용한다.

본 발명의 제1의 목적은 소형 박형화가 가능한 냉각장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2의 목적은 소형이면서도 냉각효율이 높은 냉각장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 냉각장치의 개략적 구성도이다.

도 2는 본 발명의 냉각장치에 따른 제1실시예의 사시도이다.

도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 냉각장치의 개략적 구성을 보인 단면도이다.

도 4는 도 2에 도시된 본 발명의 냉각장치의 증발부의 개략적 단면도이다.

도 5는 본 발명의 냉각장치에 따른 제2실시예에서의 증발부의 개략적 단면도이다.

도 6은 본 발명의 냉각장치에 따른 제2실시예에서의 증발부의 개략적 단면도이다.

도 7은 도 6에 도시된 본 발명의 냉각장치에 따른 제2실시예에서의 증발부의 개략적 평면도이다.

도 8은 본 발명의 냉각장치에 따른 제3실시예에서의 증발부의 개략적 단면도이다.

도 9는 본 발명의 냉각장치에 따른 제4실시예에서의 증발부에 설치되는 냉각핀의 사진이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1유형에 따르면,

루우프형 그루브가 그 상면에 형성된 하판;

상기 하판의 상면에 결합되어 상기 그루브를 상부를 폐쇄하여, 작동유체 유동경로를 제공하는 상판;

상기 유동경로 상에 마련되는 것으로 상기 상판 또는 하판에 일체적으로 형성되는 미세구조의 증발핀을 다수 구비한 증발부;

상기 그루브 상에 상기 증발부와 소정거리를 두고 위치하는 하는 것으로 상기 상판 또는 하판에 일체적으로 형성되는 미세구조의 응축핀을 다수 구비한 응축부를; 구비하는 냉각장치가 제공된다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제2유형에 따르면,

루우프형 작동유체의 유동경로를 제공하는 상판과 하판;

상기 유동경로 상에 마련되는 것으로 미세구조의 증발핀을 다수 구비한 증발부;

상기 그루브 상에 상기 증발부와 소정거리를 두고 위치하는 하는 것으로 미세구조의 흡열핀을 다수 구비한 증발부를; 구비하는 냉각장치가 제공된다.

상기 본 발명의 냉각장치에 있어서, 상기 증발핀과 응축핀 중 적어도 어느 하나는 스트라이프 상으로 배열되는 소정 높이의 판상 또는 다수의 미소 육면체에 의해 마련되는 것이 바람직하다. 여기에서 상기 응축핀을 구성하는 미소 육면체들은 서로 다른 크기로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 증발부의 입구가 출구에 비해 좁은 단면적을 가지는 것이 바람직하며, 상기 증발부 입구측 상부에 증발부의 입구 단면적을 상기 출구의 단면적에비해 좁게 하는 제1턱이 형성되며, 상기 증발부 출구측 하부에 소정 높이의 제2턱이 마련되며, 특히, 상기 증발부 출구측 하부에 소정 높이의 제2턱의 상단부가 상기 제1턱의 하단부보다 높게 위치하는 것이 바람직하다.

상기 증발부의 상방에 증기유입공간이 마련되어 있고, 상기 증발핀은 증기유입공간의 하부에 마련되며, 상기 증발부의 증기유입공간이 증발부의 출구쪽으로 갈수로 점차 넓어 지도록 하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서, 본 발명의 냉각장치의 실시예들을 상세히 설명한다.

도 2는 MEMS(Micro ElectroMechanical System)에 제작된 냉각장치의 개략적 사시도 이며, 도 3은 이의 내부 구조를 보인 평단면도이다.

도 2을 참조하면, 냉각장치(100)는 내부에 작동유체유로 및 증발부, 응축부를 내장한 상판(110)과 하판(120)을 구비한다. 일반적으로 냉각장치는 약 0.5mm의 두께를 가지며, 5＊5 cm²의 면적을 가진다.

도 3를 참조하면, 하판(120)의 가장자리에 벽체(121)가 마련되고, 이의 안쪽에는 상기 벽체(121)에 마련된 내부 공간에 모세관힘에 의한 작동유체 유동 경로를 형성하기 위한 격자형의 내벽(122)이 일측으로 치우친 상태로 형성된다.

도 3에서는 가장 넓은 폭의 작동유체 진행 경로 상에는 응축부(condenser, 124)가 마련되고, 내벽(122) 오른쪽의 작동유체 진행 경로 상에는 증발부(evaporator, 125)가 마련된다. 상기 작동유체의 진행 경로는 상기 하판(120)에 형성되는 루우프형 채널 또는 그루브에 의해 형성된다.

상기 응축부(124)와 증발부(125)에는 다수 나란하게 배치된 스트라이프 상의 미소 채널(micro channel)을 형성하는 응축핀(124a) 과 증발핀(125a)가 마련된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 종래 냉각장치의 미세 채널에 의한 증발부(125)에서 작동유체의 입구와 출구 및 증발부(125) 전체의 높이가 같다.

한편, 상기 냉각장치의 일측, 특히 응축부(124)에 인접하여 응축부(124)를 냉각시키는 송풍팬(200) 등의 응축부 냉각장치가 마련된다.

응축부의 냉각장치로서는 송풍팬(200)외에 펠티어 소자와 같은 열전소자등의 반도체 소자가 적용될 수 있다.

이러한 구조의 냉각장치는 작동유체의 표면장력은 중력보다 중요한 구동력이 되며, 다른 냉각 시스템과 다르게 구동부가 없어, 펌프 사용 시 야기되는 캐비테이션(cavitation)이 발생되지 않고, 증발부에서 미소 채널 및 윅(wick)을 이용함으로써 높은 열전달 능력을 가지고 있다. 모세관힘을 이용한 전자 장치 냉각은 미세 크기에서의 표면 장력에 의한 구동력을 극대화할 수 있으며, 이에 의해 초소형 냉각기 시스템을 구성할 수 있다. 모세관힘을 이용한 냉각 시스템에서 증발부에서 미세 크기의 채널 및 윅 구조에 의한 표면장력은 모세 압력 방향인 한 방향으로 작동유체를 진행시킨다.

도 5는 상기 증발부(125)의 다른 변형례를 보인다.

도 5를 참조하면, 상기 증발부(125')의 입구측에 제1턱(111)이 마련된다. 제1턱은 상기 증발부(125')에서 작동유체가 유입되는 입구가 작동유체로 부터 상변화에 의해 발생된 증기의 출구의 넓이가 넓게 하기 위한 것이다.

이는 도 4에 도시된 바와 같은 증발부(125)의 단점을 보완하기 위한 것이다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같은 증발부(125)는 윅 구조에 의해 발생되는 모세 압력이 작동유체를 구동시키나, 미세 채널보다는 작은 열전달 능력을 가지게 된다.미세채널로 구성된 증발부에서는 열전달 효과는 매우 상승하나 채널이 작아질수록 압력 강하량이 커지고 작동유체의 상변화 시에 기체의 기포에 의한 압력 진동(pressure oscillation)과 수력학적 불안정성(hydrodynamic instability) 문제가 야기될 가능성이 있다. 이러한 압력 진동과 수력학적 불안정성은 작동유체의 역류과 압력 진동이 발생됨으로서, 냉각 효율이 저하된다. 즉, 증발부(125)의 미세채널 내에서 작동유체의 상변화가 일어날때에 작동유체의 비체적이 커지게 된다. 이러한 비체적의 증가는 미세 채널에서 작동유체에 대한 유동저항으로 작용하게 되며, 작동유체의 역류의 원인이 되기도 한다. 또한 좁은 채널 내에서 갑작스런 비체적의 증가는 압력진동을 일으키게 되며, 전체적인 냉각 시스템이 수력학적인 불안정성을 만드는 요인이 된다. 이러한 문제를 없애기 위해 채널의 단면적을 크게 하면 미세 채널에 의해 생기는 모세 압력이 작아지게 되어 증발부로 공급되는 유체의 유량이 적어지게 되며, 미세 채널에서 얻을 수 있는 높은 열전달 특성을 얻을 수 없게 된다. 이러한 문제점은 도 4에 도시된 바와 같이, 작동유체의 유동 방향으로 미세 채널의 단면적이 작고 크기가 일정하기 때문에 발생하게 된다. 그러나, 도 5에 도시된 증발부에 의하면, 상기와 같은 작동유체의 역유동 및 압력진동이 대폭 감소되게 된다.

응축부(124)와 증발부(125') 사이의 유로를 통하여 들어온 작동유체는 증발부(125')의 밀집된 증발핀(125a)에 의해서 생긴 모세 압력에 의해 증발부(125')로 유입되며, 증발핀(125a)의 사이에서 열전달이 이루어져 상변화 즉, 증기가 된다. 이 증기는 밀도차에 의해 증발핀(125a)의 상방에 위치한 증기유입공간(125b)로 이동한 후 응축부(124)로 이동하게 된다.

도 6과 도 7은 상기 증발부(125')의 출구측에 액체상태의 작동유체의 유동을 저지하는 제2턱(125c)가 마련된 구조를 보인다.

상기 제2턱(125c)는 증발부(125')로 유입된 액체 상태에 있는 작동 유체가 증기의 진행경로를 통해 응축부(124)측으로 유동되는 것을 방지한다. 따라서, 증발부(125')로 유입된 액체상태의 작동유체는 상기 제2턱(125c)에 의해 증발부(125')내에 고인 상태에서 상변화가 일어나게 된다.

증발부(125')를 연결하는 유로로 흐르지 않게 하기 위해서 턱을 만들게 되며, 기체 상태의 유체는 이 턱 윗 부분으로 흐르게 된다. 즉 액체 상태의 작동 유체는 증발부(125')의 내벽과 제2턱에 의해 형성된 구조물에 고인 후 상변화를 하게 된다.

이러한 제2턱은 제4도에 도시된 증발부(125)에도 적용될 수 있다.

이때에 보다 효과적으로 액체상태의 작동유체가 증기배출방향으로 유동하는 것을 방지하기 위하여, 상기 제2턱(125c)이 상단면이 상기 제1턱(111)의 하단면보다 높게 형성한다.

도 8은 도 5에 도시된 증기유입공간(125b)의 변형구조를 보인다.

도 8에서 증기유입공간(125b')은 증기의 출구측으로 갈수로 점차 넓어지는구조를 가진다. 이러한 구조는 증기의 역류를 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

도 9는 상기 증발부(125)에 마련되는 증발핀의 변형례를 보이는 사진다.

전술한 증발핀(125a)들은 스트라이프 형으로 배치된 판상 구조를 가지나, 도 9에 도시된 증발핀들은 미소 육면체 들이 집합되어 있는 구조를 보인다. 또한 이들 미소 육면체형의 증발핀들은 서로 다른 높이를 가지고, 그들 사이에 액상 작동유체가 유입된 후, 증발될 수 있게 한다. 이러한 미소 육면체형의 증발핀들에 의하면, 액상 작동유체에 대한 증발핀 간의 접촉면적이 극대화되게 되어 보다 많은 열의 흡구가 가능해지고, 따라서, 냉각능률이 상승하게 된다.

이상과 같은 본 발명의 냉각장치는 웨이퍼의 가공에 의한 MEMS 기술에 의해 제작된 상판 및 하판, 그릭 이들사이 존재하는 요소들은 반도체 기판등에 의해 얻어진다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 외부의 동력이 없이 냉각을 수행할 수 있는 소형 및 박형의 냉각장치를 얻을 수 있게 된다.

또한, 증발부에 부착된 단순형태의 미세 채널의 다양한 변형에 의해 작동유체의 상변화에 의한 비체적의 증가에 의한 유로에서의 저항을 없애고 급격한 압력증가에 의한 역류를 방지하여 전체 냉동 시스템의 수력학적 안정성을 구현할 수 있다.

이러한 본 발명은 전자제품의 소형 부품, 예를 들어 컴퓨터의 씨피요(CPU) 등의 냉각장치로서 적합하다. 특히, 노트북 컴퓨터와 같이 내부 가용용적이 적은전자제품의 발열원인 씨피유 자체에 상기와 같은 구조의 냉각장치를 일체화시킬 수 있어서, 별도의 냉각장치에 의한 노트북 컴퓨터의 크기와 무게의 증가를 방지할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하면, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims

루우프형 그루브가 그 상면에 형성된 하판;

상기 하판의 상면에 결합되어 상기 그루브를 상부를 폐쇄하여, 작동유체 유동경로를 제공하는 상판;

상기 유동경로 상에 마련되는 것으로 상기 상판 또는 하판에 일체적으로 형성되는 미세구조의 증발핀을 다수 구비한 증발부;

상기 그루브 상에 상기 증발부와 소정거리를 두고 위치하는 하는 것으로 상기 상판 또는 하판에 일체적으로 형성되는 미세구조의 응축핀을 다수 구비한 응축부를; 구비하는 냉각장치.
제1항에 있어서,

상기 증발핀 또는 응축핀은 스트라이프 상으로 배열되는 소정 높이의 판상인 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제1항에 있어서, 상기 응축핀은 다수의 미소 육면체에 의해 마련되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제3항에 있어서, 상기 응축핀을 구성하는 미소 육면체들은 서로 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제2항에 있어서, 상기 응축핀은 다수의 미소 육면체에 의해 마련되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제5항에 있어서, 상기 응축핀을 구성하는 미소 육면체들은 서로 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 증발부의 입구가 출구에 비해 좁은 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제7항에 있어서, 상기 증발부 입구측 상부에 증발부의 입구 단면적을 상기 출구의 단면적에 비해 좁게 하는 제1턱이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제8항에 있어서,

상기 증발부 출구측 하부에 소정 높이의 제2턱이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제9항에 있어서,

상기 증발부 출구측 하부에 소정 높이의 제2턱의 상단부가 상기 제1턱의 하단부보다 높게 위치하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제7항에 있어서,

상기 증발부의 상방에 증기유입공간이 마련되어 있고, 상기 증발핀은 증기유입공간의 하부에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제7항에 있어서,

상기 증발부의 증기유입공간이 증발부의 출구쪽으로 갈수로 점차 넓어 지는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
루우프형 작동유체의 유동경로를 제공하는 상판과 하판;

상기 유동경로 상에 마련되는 것으로 미세구조의 증발핀을 다수 구비한 증발부;

상기 그루브 상에 상기 증발부와 소정거리를 두고 위치하는 하는 것으로 미세구조의 흡열핀을 다수 구비한 증발부를; 구비하는 냉각장치.
제13항에 있어서,

상기 증발핀 또는 응축핀은 스트라이프 상으로 배열되는 소정 높이의 판상인 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제13항에 있어서, 상기 응축핀은 다수의 미소 육면체에 의해 마련되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제15항에 있어서, 상기 응축핀을 구성하는 미소 육면체들은 서로 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제14항에 있어서, 상기 응축핀은 다수의 미소 육면체에 의해 마련되는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제17항에 있어서, 상기 응축핀을 구성하는 미소 육면체들은 서로 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제13항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 증발부의 입구가 출구에 비해 좁은 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제19항에 있어서, 상기 증발부 입구측 상부에 증발부의 입구 단면적을 상기 출구의 단면적에 비해 좁게 하는 제1턱이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제20항에 있어서,

상기 증발부 출구측 하부에 소정 높이의 제2턱이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제21항에 있어서,

상기 증발부 출구측 하부에 소정 높이의 제2턱의 상단부가 상기 제1턱의 하단부보다 높게 위치하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제19항에 있어서,

상기 증발부의 상방에 증기유입공간이 마련되어 있고, 상기 증발핀은 증기유입공간의 하부에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제19항에 있어서,

상기 증발부의 증기유입공간이 증발부의 출구쪽으로 갈수로 점차 넓어 지는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제1항에 있어서,

상기 증발핀 및 응축핀은 스트라이프 상으로 배열되는 소정 높이의 판상인 것을 특징으로 하는 냉각장치.
제13항에 있어서,

상기 증발핀 및 응축핀은 스트라이프 상으로 배열되는 소정 높이의 판상인 것을 특징으로 하는 냉각장치.