KR102501611B1

KR102501611B1 - 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치

Info

Publication number: KR102501611B1
Application number: KR1020210050573A
Authority: KR
Inventors: 오의석; 박희성
Original assignee: 오의석; 박희성
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2023-02-17
Also published as: KR20220144198A; WO2022225261A1

Abstract

발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치는, 소정의 발열원 표면에 비접촉식으로 회전 가능하게 배치되며, 발열원 표면에서 발생하는 열을 직접 흡수하는 임펠러; 및 임펠러에 흡수된 열이 순환 냉각수에 의해 냉각되게 하는 냉각 기능과, 냉각 시 순환되는 냉각수의 열을 방열하기 위한 방열 기능의 제공을 위하여 임펠러와 상호작용하면서 냉각수를 순환시키는 펌프 모터를 포함한다.

Description

발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치{Water cooling device for heating member}

본 발명은, 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 종전과 달리 냉각판을 사용하지 않고 비접촉 방식으로 발열원 표면을 냉각시킬 수 있으므로 열저항을 없애거나 최소로 줄일 수 있으며, 이로 인해 발열원 표면에 대한 냉각효율을 종래보다 월등히 높일 수 있는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치에 관한 것이다.

오늘날 우리는 빅 데이터를 기반으로 하는 인공지능(AI), 사물인터넷(IoT), 로봇기술, 드론, 자율주행차, 가상현실(VR) 등이 주도하는 차세대 4차 산업혁명이 가시화되고 사회, 경제적으로 많은 변화 속에 사회적으로는 언택트 현상과 사물 IoT 데이터를 기반으로 한 산업 분야가 큰 폭으로 성장하고 있다.

IDC 데이터 센터는 이러한 데이터를 초고속으로 연결하고 대용량화되어 소비하는 전력량은 빠르게 증가하고 있으며 향후 데이터 센터에서 소비하는 막대한 전력량에 대한 해결책을 요구하는 시점이다.

향후 인공지능은 데이터 센터에 더욱 강력한 연산 칩 도입을 요구하고 있으며 이로 인해 데이터 센터의 소비전력과 단위 면적당 전력밀도는 계속 증가하고 있다.

일례로 전세계 사용하는 전력의 1.5~2%가 데이터 센터에서 소비되는 전력량이라는 통계 자료도 있다.

현재 데이터 센터의 로직 칩과 D램에서의 발열로 인하여 안정적인 운영과 성능을 유지하기 위해 대규모 냉각장치를 사용하여 냉각함으로 냉각장치의 소비전력은 데이터 센터 운영전력의 30~40%에 이른다.

한국은 총 산업용 전력량의 1%를 데이터 센터가 사용하고 있지만, 국내 데이터 센터의 평균 PUE(Power Utilization Effectiveness, 전체 소비전력/IT에 의해 소비된 전력)는 2.66이다.

공공부문 데이터 센터는 3.13, 민간 데이터 센터는 2.03으로 해외 데이터 센터의 평균 PUE가 1.7이고 선진국의 PUE가 1.2 이하인 것을 고려하면 에너지 효율이 낮다고 볼 수 있다.

따라서 서버가 사용하는 전력 이외 부분에서 사용 에너지를 절감해야 효율적인 데이터 센터이기 때문에 서버 이외에 가장 많은 에너지 비중을 차지하는 냉방을 효율화시키는 것이 중요하다.

일례로 KT의 최신 IDC 데이터 센터의 경우에도 PUE가 1.4 정도인 것은 에너지 효율이 높다고 할 수 없다.

전력 및 공조 부분에서도 데이터 센터의 랙당 전력밀도는 지속해서 증가하고 있으며 이러한 높은 발열량에 대비하기 위해 수냉 시스템에 대한 의존도가 높아질 것으로 전망된다.

하지만 전산실 내부에 물이 들어오는 것을 금기시하는 정서상 급격한 변화는 없을 것으로 예측되지만 슈퍼컴퓨터는 예전부터 수냉방식으로 냉각하며 로직 칩을 직접 냉각하는 방식과 랙에 공조 냉방장치를 설치하여 냉각하는 간접 냉각방식을 사용한다.

오크리지 국립 실험실에서 운영하는 IBM 슈퍼 컴퓨터 Summit의 전력 소비량은 13Mw를 사용하며 연평균 PUE는 1.14로 매우 뛰어난 냉각효율을 달성하고 있다.

Summit은 수냉식 칠러 냉동장치로 발열량이 많은 CPUㅇGPU 냉각판을 직접 냉각하는 수냉 방식과 수냉식 냉각수를 열교환기로 냉각한 18~22℃ 냉각수를 랙 후면의 수냉방 열교환기에 공급하여 랙에서 발생하는 열을 간접 냉각하여 실내온도를 23℃로 유지한다.

하지만, Summit은 5~9℃ 칠러 냉각기로 냉각하며 이는 세계 최고 수준의 슈퍼컴퓨터의 강력한 연산량에서 발생하는 높은 열을 현재의 냉각기술로 냉각하기 위해서는 부득이한 측면이 있다.

독일의 라이브니츠 슈퍼컴퓨터는 34℃ 상온 냉각수를 사용하여 에너지 비용을 40% 이상 절약한 사례가 있으며 이를 넘어서는 70℃ 이상 고온의 온수로 냉각하는 혁신적인 냉각기술이 요구되고 있다.

연산 부하량에 관계없이 품질이 높은 고온의 온수를 추출할 수 있어, 냉각수를 냉각하기 위해 냉동기를 가동하지 않고, 대기로 열을 방출하지 않으며, 에너지적으로 품질이 높은 고온의 냉각수에서 열에너지를 추출하여 난방에 필요한 재생 에너지를 생산하여 탄소 배출량 저감에 이바지할 수 있는 소비전력이 낮은 친환경 차세대 냉각장치의 개발이 요구되고 있다.

또한, 4차 산업혁명의 하나인 자율주행 자동차에서 핵심 역활을 하는 신경망 처리장치(NPU) 연산능력은 더욱 안전하고 높은 레벨의 자율주행을 구현하기 위해 현재 GPU보다 100배는 빠른 연산성능이 요구된다.

또한, 계산과 기억을 하기 위해 걸리는 지연시간(Latency)도 지금보다 100분의 1 이상으로 줄여야 한다.

다음으로 전력 소모가 지금의 100분의 1 이하로 줄여져야 한다. 그래야 인공지능 컴퓨터가 배터리로 구동되는 자율주행 자동차, 손 안의 컴퓨터인 스마트폰 안으로 들어올 수 있는 수준이 돼야 4차 산업혁명이 완성된다.

자율주행을 구현할 수 있는 친환경 전기ㅇ수소 연료전지 자동차는 전기모터를 구동하여 주행함으로 전기를 변환하는 인버터 전력변환소자(IGBT, SiC)의 전력변환 효율을 높이면 주행거리를 연장할 수 있다.

또한, SiC 전력소자인 경우 상대적으로 높은 온도에서 동작할 수 있으므로 고온의 냉각수로 냉각하는 혁신적인 냉각기술을 바탕으로 에너지적으로 품질이 높은 고온의 냉각수 열을 대기로 폐열하지 않고 실내공조 에너지로 이용할 수 있어 전기 자동차의 최대 난제인 난방 공조 효율성을 향상하고 주행거리를 연장할 수 있다.

칩 레벨에 직접 냉각하는 액체냉각과 전력변환소자 열원의 최소 열저항 레이어 표면을 직접 액체 냉각하는 방식으로 칩과 열원에 가장 가까운 표면을 추가적인 가공 공정이나 열적으로 접합시키는 재료 및 열교환 냉각판이 없이 발열 표면을 직접 냉각하는 획기적인 고성능의 차세대 액체 냉각기술이 필요한 실정이다.

현존 칩 기술은 초미세 공정의 영역으로 진입하면서 차세대 공정에 천문학적인 금액이 투자되는 상황이며, 과도한 투자금액의 증가로 인하여 반도체 업체는 생존과 성장을 위해 규모의 경제를 추구하면서 인수합병과 더불어 글로벌 반도체 업계는 설계(팸리스)와 제조(파운드리)로 분업화가 진행되고 있다.

스마트폰과 태블릿 등 이동통신 단말기에서 응용 프로그램과 그래픽을 처리하는 핵심 칩인 시스템 반도체 AP(Application Processor)는 단일 칩으로 구동되는 시스템 온 반도체 SoC(System On Chip)이다.

단일 칩 시스템 반도체는 일반적으로 CPUㅇGPUㅇNPU 등의 역할을 하는 로직소자와 캐시메모리(Cache memory) 역할을 하는 RAM, 디지털 신호처리 소자(DSP), 통신 기능의 모뎀 등 주요 기능을 하나의 칩에 집적함으로 시스템 반도체 미세화 공정은 나노미터(nm)의 한계에 가까워지고 있다.

단일 칩 시스템 설계는 여러 기능을 가진 반도체가 하나의 칩으로 통합하면 칩을 탑재하는 공간이 크게 줄어들어 제품 소형화와 더불어 신뢰성이 높아지며, 일반적으로 여러 기능을 하는 반도체를 별도로 만드는 멀티칩 시스템보다 소비전력과 제조비용이 감소하는 등 여러 가지 장점들이 있다.

그러나 모든 기능을 단일 칩으로 설계되는 초미세 공정으로 인하여 개발비용이 상승하며, 미세화 공정으로 소비전력은 감소하였지만, 더욱 작아진 칩 단면적에서 여러 기능요소가 동작함으로 칩에서 발생하는 핫스팟 온도는 더욱 상승하여 미세화 공정에 따른 효과로 연산 클럭 향상이 가능하지만, 발열로 인해 연산처리속도를 획기적으로 높이지 못하는 한계에 부딪히고 있다.

스마트폰에서 SoC 시스템 반도체 온도상승으로 열을 분산하는 히트 파이프 냉각이 보편화되었고, 일부 스마트폰 제조사는 고성능 연산성능이 필요한 어플이나 게임을 구동할때는 팬으로 과도한 열을 냉각하는 방안도 강구되고 있지만, 휴대기기인 스마트폰에서 방수기능을 구현하기에는 어려움이 존재한다.

일부 슈퍼 컴퓨터 CPU 및 고성능 그래픽 처리장치(GPU)는 실리콘 관통전극 TSV(Through Silicon Via) 공정을 이용한 3D 수직 적층 고용량, 고대역폭 HBM(High Bandwidth-Memory) RAM을 시스템

반도체 기능성 패키지 판인 실리콘 인터포저에 함께 배치한 시스템인 패키지 SiP(System In Package)로 상용화가 진행되고 있으며 일반적으로 2.5D 패키지라고 불리우고 있다.

3D 진화의 과도기적이고 완벽하게 스택킹되지 않은 시스템인 패키지 방식은 발열에 대한 부담은 낮추면서 HBM RAM의 고대역폭 데이터 전송과 일정 부분 짧아진 신호선으로 전송속도를 높일 수 있도록 하였다.

향후 시스템 반도체의 3D 적층 패키지 기술은 로직 칩과 HBM RAM을 수직 적층하기 때문에 전체 칩 면적을 대폭 줄이면서 고대역폭을 가지는 고용량 메모리 솔루션을 장착할 수 있어 칩의 설계 자유도를 높일 수 있다.

또한, 3D 실리콘 관통전극 TSV 기술을 통해 신호 전송 경로를 최단화할 수 있어 시스템 반도체의 데이터 전송속도를 획기적으로 향상시킬 수 있으며, 낮은 신호전압으로 소비전력도 감소한다.

이 기술은 슈퍼컴퓨터ㅇ인공지능ㅇ5G 등 고성능 시스템 반도체를 요구하는 분야는 물론 스마트폰과 웨어러블 기기의 경쟁력을 높일 수 있는 핵심기술로 활용될 것으로 예상된다.

하지만, 안타깝게도 3D 칩에서 열을 제거하는 것은 대단히 어려운 문제이다. 3D 칩에서 전력밀도를 가지는 로직 칩을 3D RAM 스택 상단에 배치하면 냉각은 다소 수월하지만, 하단에 배치하면 고전력 밀도를 가지는 로직 칩이 냉각판에서 멀어지며, 직접적인 로직 칩 냉각이 아닌 3D RAM 스택을 통하므로 RAM 스택 열저항으로 인해 냉각에 어려움이 가중된다.

하지만, 시스템과 연관성이 높은 CPU 칩을 하단에 배치해야 시스템 입출력 신호경로가 RAM 스택을 통과하거나 경유하지 않아서 시스템 연결성이 간결해지며, 연산성능 및 효율성을 향상할 수 있는 기본적인 3D 칩의 배치구조로 생각된다.

더불어 전력밀도를 가지는 두 칩을 수직으로 쌓으면 전력밀도는 두 배가 된다. 또한, 칩 중의 하나가 냉각판에서 멀리 떨어져 하단에 위치하고 있고, 그 상하단 중간에 위치한 칩은 상하단의 높은 전력밀도를 가지는 칩과 수직으로 칩이 적층되어 열저항이 직렬 연결됨으로 3D 칩의 열 제거를 더욱 어렵게 하고 있다.

또한, 4차원 차세대 기술인 '게이트 올 어라운드(Gate-All-Around, GAA) GAA는 로직 반도체 업계에서 핀펫(FinFET) 다음 차세대로 꼽히는 기술이다.

현재의 메인스트림 기술인 핀펫이 윗면-앞면-뒷면 등 총 3면을 트랜지스터의 게이트로 쓰는 3차원이라면, GAA는 게이트의 아랫면까지 모두 쓰는 4차원 방식이며, 반도체 업계에서는 14나노~5나노까지 핀펫 기술이 대체로 사용되고, 3나노부터 GAA 기술이 적용될 것으로 보고 있다.

나아가 반도체 업계에서는 유효채널 너비(effective gate width)를 늘리는 방안도 연구 중이다.

줄여야 좋은 게이트 길이(gate length)와 달리 게이트 너비(gate width)는 커질수록 전류량이 많아져서 반도체 성능이 향상되는데, GAA 구조에서도 여러 개의 채널을 수직으로 적층(stack)하는 방식을 적용하면 유효채널 너비를 늘릴 수 있는 등 다양한 특허기술들이 속속 나오는 추세이다.

향후 차세대 시스템 반도체 공정인 4차원 GAA(Gate-all-around) 역시 발열 문제는 피해 가지 못하며, 전문가들은 GAA의 성공이 발열 컨트롤에 달려있다는 얘기까지 나오고 있을 정도며, 특히 4차원 구조와 여러 개의 게이트 채널을 수직으로 쌓아 올리는 기술은 발열에 대한 고민을 더욱 깊게 한다.

따라서 시스템 반도체와 RAM, GPU, NPU 등 3D 통합 수직적층 및 차세대 미세화 공정으로 인한 과열이 반도체 성능 향상에 발목을 잡을 수 있다.

현존하는 액체 냉각장치(혹은 시스템)는 주로 구리 재질 마이크로 채널 냉각판을 사용하는 것인데, 이를 적용하면 갈바닉 부식으로 인하여 라디에이터에서 대부분 방열이 이루어짐으로써 방열 성능을 크게 향상시킬 수 없다. 때문에, 갈바닉 부식에 자유로운, 재질 선정의 유연성을 확보하여 모든 구성요소에서 전방위적으로 냉각과 방열이 이루어지도록 하여 라디에이터와 팬이 없는 무소음, 고효율 컴퓨터와 라디에이터와 팬을 추가하여 더욱 강력한 연산성능의 컴퓨터를 구현할 수 있는 차세대 액체 냉각방식이 요구된다.

대한민국특허청 출원번호 제20-1995-0025096호

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종전과 달리 냉각판을 사용하지 않고 비접촉 방식으로 발열원 표면을 냉각시킬 수 있으므로 열저항을 없애거나 최소로 줄일 수 있으며, 이로 인해 발열원 표면에 대한 냉각효율을 종래보다 월등히 높일 수 있는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 소정의 발열원 표면에 비접촉식으로 회전 가능하게 배치되며, 상기 발열원 표면에서 발생하는 열을 직접 흡수하는 임펠러; 및 상기 임펠러에 흡수된 열이 순환 냉각수에 의해 냉각되게 하는 냉각 기능과, 냉각 시 순환되는 냉각수의 열을 방열하기 위한 방열 기능의 제공을 위하여 상기 임펠러와 상호작용하면서 냉각수를 순환시키는 펌프 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치가 제공될 수 있다.

상기 임펠러의 일측은 평평한 임펠러 허브면을 형성하되 상기 임펠러는 상기 임펠러 허브면이 밀폐된 구조를 가질 수 있으며, 상대적으로 작은 면적을 갖는 발열원 표면을 냉각할 때, 열점 분산을 위해 상기 발열원 표면의 열은 상기 임펠러의 상기 임펠러 허브면으로 흡수된 후 상기 임펠러 전체로 전도되어 대류로 분산될 수 있다.

상기 임펠러는, 중심부에서 돌출되게 형성되며, 회전을 위해 상기 펌프 모터와 상호작용하는 모터 마그네틱; 및 상기 모터 마그네틱을 중심으로 그 둘레면에 나선형으로 방사 배치되는 블레이드를 포함할 수 있다.

상기 임펠러에서 냉각수가 접촉하는 표면은 유체 마찰계수의 증가를 위하여 표면처리될 수 있으며, 상기 임펠러의 흡입부 내측 허브면은 중심이 돌출된 유선형 구조로 제작되며, 흡입되는 냉각수가 돌출된 중심부를 냉각한 후, 상기 블레이드로 향하되 냉각수의 흐름을 상기 블레이드로 유도함으로써 흡입부 진공 차압에 의한 공동현상이 방지되게 하여 상기 펌프 모터의 진동을 감소시킬 수 있다.

상기 펌프 모터는, 모터 바디; 상기 모터 바디의 중심부에 탑재되되 상기 모터 마그네틱과 상호작용하는 모터 스타터; 상기 모터 스타터의 주변에 배치되며, 상기 모터 스타터를 냉각시키는 모터 스타터 냉각핀; 및 상기 모터 스타터의 제어를 위해 상기 모터 스타터의 주변에 배치되는 모터 제어 회로기판을 포함할 수 있다.

상기 모터 스타터 영역에 커버링되는 모터 냉각 커버를 더 포함할 수 있다.

상기 펌프 모터는, 상기 모터 바디의 일측에 형성되되 흡입구 소용돌이 난류를 가속시키는 한편 냉각 단면적을 증가시키기 위해 나선형으로 형성되는 나선 냉각핀; 및 상기 모터 바디에서 상기 나선 냉각핀의 내측에 배치되며, 흡입구 소용돌이 난류를 가속시키는 한편 유량과 냉각 단면적을 증가시키는 흡입구 냉각핀을 더 포함할 수 있다.

상기 펌프 모터는 상기 모터 바디의 중심부에서 상기 임펠러 쪽으로 연장되고 상기 임펠러의 회전축심을 이루는 임펠러 샤프트를 더 포함할 수 있으며, 상기 나선 냉각핀의 일측에 냉각수 순환 또는 라이데이터 추가 장착을 위한 추가 부속 장착부가 형성될 수 있다.

상기 발열원 표면의 냉각을 위한 냉각수가 외부에서 흡입되는 냉각수 외부 흡입구와, 냉각작용을 완료하고 외부로 토출되는 냉각수 외부 토출구를 구비하는 냉각장치 상부 커버; 및 상기 펌프 모터와 상기 임펠러가 내부에서 탑재되게 상기 냉각장치 상부 커버와 착탈 가능하게 결합하되 내부가 개구된 냉각장치 하부 커버를 더 포함할 수 있으며, 상기 발열원에서 상기 임펠러로 흡수된 열은 일차적으로 원심력으로 가속된 순환 냉각수가 상기 임펠러를 상대적으로 높은 유체 마찰계수로 냉각하도록 하고, 이차적으로는 발열원 핫스팟을 상기 발열원 전체 또는 상기 발열원 가장자리를 감싸는 상기 냉각장치 하부 커버로 열부하가 분산되게 유도할 수 있다.

상기 냉각장치 상부 커버에는 소용돌이 난류를 가속시키는 한편 방열 단면적을 증가시키는 상부 나선 방열핀이 마련될 수 있다.

상기 상부 원형홈부에 이웃하게 상기 냉각장치 상부 커버의 배면 측면에는 난류 및 방열 단면적을 증가시키는 상부 측면홈부가 마련될 수 있다.

상기 냉각장치 상부 커버의 배면 상부에는 난류 및 방열 단면적을 증가시키는 상부 원형홈부가 마련될 수 있다.

상기 냉각장치 하부 커버에는 난류 및 냉각 단면적을 증가시키는 하부 원형홈부가 마련될 수 있다.

상기 냉각장치 상부 커버에 모터 케이블 그랜드가 연결될 수 있다.

상기 발열원 표면에 대한 발열 정도에 기초하여 냉각수의 공급량 또는 상기 펌프 모터의 동작을 컨트롤하는 장치 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.

상기 발열원은 발열원 PCB 상에 탑재되고, 상기 발열원 PCB는 발열원 PCB 커버에 지지될 수 있으며, 상기 발열원 PCB 커버는 상기 냉각장치 하부 커버에 연결될 수 있으며, 상기 발열원 PCB는 발열원 소켓에 지지될 수 있다.

냉각판 간접 냉각 시 상기 냉각판 하단에 방사형 오목 홈이 가공되어 상기 냉각판을 직접 임펠러 난류로 냉각할 수 있도록 상기 임펠러가 허브면 가장자리가 오픈된 임펠러일 수 있으며, 상기 냉각판의 방사형 오목 홈은 음각 형태로 가공되되 케이싱부의 압력손실과 양각 형태에서 발생하는 층류 역류에 따른 속도 및 온도 경계층과 전도 유체막 형성을 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 종전과 달리 냉각판을 사용하지 않고 비접촉 방식으로 발열원 표면을 냉각시킬 수 있으므로 열저항을 없애거나 최소로 줄일 수 있으며, 이로 인해 발열원 표면에 대한 냉각효율을 종래보다 월등히 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치의 정면 사시도이다.
도 2는 도 1의 배면 사시도이다.
도 3은 도 1의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 요부 확대도이다.
도 5는 도 2의 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 요부 확대도이다.
도 7은 발열원과 임펠러 간의 배치 뷰(view)이다.
도 8은 도 7의 절개 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치의 작용에서 나타나는 무한 소용돌이 냉각작용의 뷰(view)이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치의 작용에서 나타나는 무한 소용돌이 방열작용의 뷰(view)이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치의 제어블록도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치의 사용상태도이다.
도 13은 도 12의 내부 구조도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치의 정면 사시도이고, 도 2는 도 1의 배면 사시도이며, 도 3은 도 1의 분해 사시도이고, 도 4는 도 3의 요부 확대도이며, 도 5는 도 2의 분해 사시도이고, 도 6은 도 5의 요부 확대도이며, 도 7은 발열원과 임펠러 간의 배치 뷰(view)이고, 도 8은 도 7의 절개 사시도이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치의 작용에서 나타나는 무한 소용돌이 냉각작용의 뷰(view)이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치의 작용에서 나타나는 무한 소용돌이 방열작용의 뷰(view)이며, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치의 제어블록도이다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 수냉식 직접 냉각장치(100)는 종전과 달리 냉각판을 사용하지 않고 비접촉 방식으로 발열원(153) 표면을 냉각시킬 수 있으므로 열저항을 없애거나 최소로 줄일 수 있으며, 이로 인해 발열원(153) 표면에 대한 냉각효율을 종래보다 월등히 높일 수 있도록 한다.

즉 도 1 및 도 2처럼 발열원(153)에 탑재된 상태에서 본 실시예에 따른 수냉식 직접 냉각장치(100)가 동작하면 내부로 유입되는 냉각수 및 그 회전을 기초로 한 도 9와 같은 무한 소용돌이 냉각작용과 더불어 도 10과 같은 무한 소용돌이 방열작용이 효과적으로 진행될 수 있기 때문에, 종전처럼 냉각핀을 사용하지 않더라도 발열원(153) 표면에 대한 냉각효율을 종래보다 월등히 높일 수 있다.

앞서도 기술한 것처럼 냉각핀을 사용하면 열저항이 발생하기 때문에 실질적인 냉각효율이 떨어질 수밖에 없다. 때문에 본 실시예의 경우, 냉각핀을 사용하지 않으면서도 발열원(153) 표면과 접촉하지 않는 비접촉 방식을 채택함으로써 종래보다 월등히 뛰어난 냉각효율을 제공할 수 있게끔 하고 있는 것이다.

참고로, 본 실시예에 적용되는 냉각 대상체인 발열원(153)은 CPU, GPU를 포함하는 각종 전자기기의 칩(CHIP), 고출력 레이저 장치, 레이저 반사판 등이 될 수 있다. 다만, 여기서는 컴퓨터 부품 중의 하나인 CPU를 발열원(153)이라 하고, 이러한 CPU의 표면을 종전처럼 냉각판을 사용하지 않고 비접촉 방식으로 수냉시키는 것에 관해 설명한다.

본 실시예에 따른 수냉식 직접 냉각장치(100)는 상호 조립되는 냉각장치 상부 커버(110) 및 냉각장치 하부 커버(140)와, 이들 사이에 탑재되는 펌프 모터(120) 및 임펠러(130)를 포함할 수 있다.

구성의 상세 설명에 앞서 본 실시예에 따른 수냉식 직접 냉각장치(100)의 작용을 간략하게 설명한다. 본 실시예에 적용되는 펌프 모터(120)는 임펠러(130)에 이웃하게 배치되되 발열원(153) 표면의 열을 흡수한 임펠러(130)를 냉각하는 냉각 기능과, 냉각 시 순환되는 냉각수의 열을 방열하기 위한 방열 기능을 제공한다.

후술하겠지만, 본 실시예에 따른 수냉식 직접 냉각장치(100)는 내수성이 있는 발열원(153)과 구조적으로 회전이 가능한 미세한 간격을 두고 전도열이 우수한 재질의 임펠러(130)의 임펠러 허브면(130a)이 회전하되, 발열원(153)과 단면적이 넓은 임펠러 허브면(130a)을 냉각판의 전도율에 따른 열저항과 고체와 고체가 열적으로 결합하는 표면 접촉열저항을 감소시키는 TIM 열저항에서 발생하는 온도차만큼 높은 온도로 발열원 표면이 냉각수에 노출되고, 열적으로 결합하고 맴도는 냉각수의 유체 난류와 유체 마찰계수로 대류 열전달계수를 낮추는 속도 경계층과 온도 경계층이 발생하지 않는 회전 구조이다. 즉 발열원(153)인 고체와 유체 사이에 대류 열전달에서 냉각수 점성으로 발생하는 냉각수 전도율에 따른 전도로만 열이 전달되는 전도 유체막을 파괴하여 임펠러(130)에 대류로 열을 전달한다. 순환 냉각수가 발열원(153)을 직접적으로 가로질러 냉각하는 것이 아닌 냉각수는 발열원(153) 표면과 임펠러 허브면(130a)을 항상 열적으로 결합하는 하나의 대류를 동반하는 열 인터페이스 물질의 역할을 대부분 수행한다.

이러한 작용이 진행될 때, 임펠러(130)에 흡수된 열은 일차적으로 임펠러 블레이드에(131) 의해 원심력으로 가속된 순환 냉각수가 회전하는 냉각판인 임펠러(130)를 높은 유체 마찰계수로 냉각하며, 이차적으로는 발열원 핫스팟을 발열원(153) 전체나 발열원(153) 가장자리를 감싸는 냉각장치 하부 커버(140)로 임펠러(130) 전도열과 임펠러 허브면(130a)의 맴돌이 난류와 순환 냉각수에 의해 수평으로는 임펠러(130) 구경만큼 핫스팟의 열부하를 분산한다.

특히, 본 실시예처럼 발열원(153)이 칩(chip)과 같은 직사각형 형태일 경우, 회전에 따라 열을 흡수하는 임펠러 허브면(130a)의 위치가 바뀌고 대각선 길이 만큼 변화가 크므로 핫스팟의 열분산과 냉각에 더욱 효과적일 수 있다.

수직으로는 임펠러(130)에 흡수된 열은 순환 냉각수가 모터 바디(121)로 열을 전달하고, 임펠러(130) 슈라이드면 및 모터 고정자에서 모터 바디(121)로 발열원(153)에서 임펠러 허브면(130a)과 같은 원리로 결합하여 모터 바디(121)에 열을 전달하여 발열원(153)과 모터 바디(121) 사이의 온도 구배를 최소화하여 임펠러(130)로 순환하는 냉각수가 전체적으로 온도 차이가 없고 높은 온도에 노출되도록 하여 열교환 성능을 향상시킬 수 있게끔 한다.

본 실시예에 따른 수냉식 직접 냉각장치(100)의 구성을 자세히 살펴본다. 우선 냉각 대상체인 발열원(153)은 하부 커버(140)의 하부에 배치된다. 즉 CPU 등이 될 수 있는 발열원(153)은 발열원 PCB(152) 상에 탑재되고, 발열원 PCB(152)는 발열원 PCB 커버(150)에 지지된다. 발열원 PCB(152)는 발열원 소켓(154)에 지지된다.

그리고, 발열원 PCB 커버(150)는 냉각장치 하부 커버(140)에 연결된다. 냉각장치 하부 커버(140)의 중앙 영역이 오픈(open)된 개구부(140a)를 이루기 때문에 발열원 PCB 커버(150)는 냉각장치 하부 커버(140)에 연결되면 발열원(153)이 개구부(140a)로 노출될 수 있다.

냉각장치 하부 커버(140)의 개구부(140a)로 노출되는 발열원(153)은 도 7처럼 임펠러(130)와 일정한 갭(Gap)을 이루면서 임펠러(130)와 비접촉 상태를 유지할 수 있다.

이 상태에서 정해진 경로를 따라 냉각수가 공급되고 펌프 모터(120)가 동작하면 이의 작용으로 임펠러(130)가 회전하게 되는데, 특히, 도 9와 같은 무한 소용돌이 냉각작용과 더불어 도 10과 같은 무한 소용돌이 방열작용이 효과적으로 진행될 수 있기 때문에, 종전처럼 냉각핀을 사용하지 않더라도 발열원(153) 표면에 대한 냉각효율을 종래보다 월등히 높일 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 실시예에 따른 수냉식 직접 냉각장치(100)는 펌프 모터(120) 및 임펠러(130)가 냉각장치 상부 커버(110) 및 냉각장치 하부 커버(140) 내에 탑재된 형태를 취한다.

본 실시예처럼 냉각장치 상부 커버(110) 및 냉각장치 하부 커버(140)가 적용될 경우, CPU와 같은 발열원(153)을 보호하면서 이를 냉각시키는 데 많은 도움이 된다.

냉각장치 상부 커버(110)에 대해 먼저 살펴보면, 냉각장치 상부 커버(110)는 본 실시예에 따른 수냉식 직접 냉각장치(100)의 상부 커버 구조물을 이룬다.

이러한 냉각장치 상부 커버(110)의 일측에는 발열원(153) 표면의 냉각을 위한 냉각수가 외부에서 흡입되는 냉각수 외부 흡입구(111)가 마련된다. 냉각장치 상부 커버(110)의 타측에는 냉각작용을 완료하고 외부로 토출되는 냉각수 외부 토출구(112)가 마련된다. 본 실시예의 경우, 냉각수 외부 흡입구(111)와 냉각수 외부 토출구(112)가 이웃하게 배치되고 있지만, 이들은 서로 반대 위치에 놓일 수도 있다. 따라서, 도면의 형상에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.

도 6 및 도 10에 자세히 도시된 것처럼 냉각장치 상부 커버(110)의 배면 상부에는 난류 및 방열 단면적을 증가시키는 상부 원형홈부(115)가 마련된다. 상부 원형홈부(115)의 형상과 크기, 개수 등은 발열원(153)의 종류, 크기, 능력에 따라 얼마든지 변경될 수 있다. 따라서, 도면의 형상에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.

상부 원형홈부(115)에 이웃하게 냉각장치 상부 커버(110)의 배면 측면에는 난류 및 방열 단면적을 증가시키는 상부 측면홈부(116)가 마련된다. 상부 측면홈부(116) 역시, 상부 원형홈부(115)와 마찬가지로 설계 변경이 가능하다.

냉각장치 상부 커버(110)에는 소용돌이 난류를 가속시키는 한편 방열 단면적을 증가시키는 상부 나선 방열핀(117)이 마련된다. 상부 원형홈부(115) 및 상부 측면홈부(116)의 작용과 더불어 나선 형상의 상부 나선 방열핀(117)으로 인해 도 10과 같은 무한 소용돌이 방열작용이 효과적으로 진행될 수 있으며, 이로 인해 발열원(153) 표면에 대한 냉각효율을 종래보다 월등히 높일 수 있다.

냉각장치 상부 커버(110)에 모터 케이블 그랜드(114)가 연결된다. 모터 케이블 그랜드(114)를 통해 내장된 펌프 모터(120) 등에 전원을 공급할 수 있다.

냉각장치 하부 커버(140)는 펌프 모터(120)와 임펠러(130)가 내부에서 탑재되게 냉각장치 상부 커버(110)와 착탈 가능하게 결합하는 구조물이다. 냉각장치 상부 커버(110)와 냉각장치 하부 커버(140) 간의 결합은 후크, 볼팅 등 다양할 수 있다. 앞서 기술한 것처럼 냉각장치 하부 커버(140)의 중심부에는 개구부(140a)가 관통 형성된다.

이러한 냉각장치 하부 커버(140)에는 난류 및 냉각 단면적을 증가시키는 하부 원형홈부(141)가 마련된다. 전술한 상부 원형홈부(115)와 마찬가지로 하부 원형홈부(141) 역시, 발열원(153)의 종류, 크기, 능력에 따라 얼마든지 변경될 수 있다. 따라서, 도면의 형상에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.

상부 원형홈부(115)의 작용과 더불어 냉각장치 하부 커버(140) 내에 배치되는 펌프 모터(120) 및 임펠러(130)의 작용으로 인해 도 9와 같은 무한 소용돌이 냉각작용을 끌어낼 수 있으며, 이로 인해 발열원(153) 표면에 대한 냉각효율을 종래보다 월등히 높일 수 있다.

한편, 펌프 모터(120)는 발열원(153) 표면에 대한 냉각수의 수냉 방식의 냉각을 위하여 동작하는 장치로서 하우징 일체형 탑재 구조를 이룬다.

본 실시예에서 펌프 모터(120)는 임펠러(130)에 이웃하게 배치되되 발열원(153) 표면의 열을 흡수한 임펠러(130)를 냉각하는 냉각 기능과, 냉각 시 순환되는 냉각수의 열을 방열하기 위한 방열 기능을 제공한다.

펌프 모터(120)는 외관을 형성하는 모터 바디(121)와, 모터 바디(121)의 중심부에 탑재되는 모터 스타터(122)와, 모터 스타터(122)의 주변에 배치되며, 모터 스타터(122)를 냉각시키는 모터 스타터 냉각핀(123)과, 모터 스타터(122)의 제어를 위해 모터 스타터(122)의 주변에 배치되는 모터 제어 회로기판(124)을 포함할 수 있다. 모터 제어 회로기판(124)에 후술할 장치 컨트롤러(190)가 탑재될 수 있다.

모터 스타터(122) 영역에 모터 냉각 커버(160)가 커버링되게 마련된다. 따라서 모터 스타터(122)의 보호가 가능해진다.

이러한 펌프 모터(120)의 모터 바디(121)에 나선 냉각핀(125)과 흡입구 냉각핀(126)이 위치별로 더 마련된다.

나선 냉각핀(125)은 모터 바디(121)의 일측에 형성되되 소용돌이 난류를 가속시키는 한편 냉각 단면적을 증가시키기 위해 나선형으로 형성되는 부분이다. 나선 냉각핀(125)의 일측에는 냉각수 순환 또는 라이데이터 추가 장착을 위한 추가 부속 장착부(125a)가 형성된다. 나사식으로 부속이 연결될 수 있다.

그리고, 흡입구 냉각핀(126)은 모터 바디(121)에서 나선 냉각핀(125)의 내측에 배치되며, 소용돌이 난류를 가속시키는 한편 유량과 냉각 단면적을 증가시키는 역할을 한다.

모터 바디(121)의 중심부에는 임펠러 샤프트(127)가 마련된다. 임펠러 샤프트(127)는 모터 바디(121)의 중심부에서 임펠러(130) 쪽으로 연장되고 임펠러(130)의 회전축심을 형성한다.

안정적인 동작을 위하여 임펠러 샤프트(127)의 외주면에 슬리브 베어링(129)이 마련될 수 있다. 또한, 모터 바디(121)의 배면 외각에는 실링(sealing)을 위한 볼루트 오링(128)이 마련된다.

임펠러(130)는 펌프 모터(120)에 연결되며, 펌프 모터(120)의 작용으로 회전하면서 발열원(153) 표면을 냉각시키는 회전 구조물이다. 임펠러(130)에서 임펠러 블레이드(131)의 반대면은 평평한 임펠러 허브면(130a)을 형성한다. 본 실시예의 경우, 임펠러(130)에서 냉각수가 접촉하는 표면은 유체 마찰계수의 증가를 위하여 표면처리된다. 앞서도 언급한 것처럼 임펠러(130)의 일측면은 평평한 임펠러 허브면(130a)을 형성하는데, 이러한 임펠러 허브면(130a)은 밀폐된 구조를 가질 수 있다. 즉 상대적으로 작은 면적을 갖는 발열원 표면을 냉각할 때, 열점 분산을 위해 발열원 표면의 열은 임펠러 허브면(130a)으로 흡수된 후 임펠러(130) 전체로 전도되어 대류로 분산될 수 있다.

앞서 기술한 것처럼 임펠러(130)는 발열원(153) 표면에 비접촉식으로 회전 가능하게 배치되는데, 본 실시예에서 발열원(153) 표면과 상기 임펠러(130), 그리고 임펠러(130)와 모터 바디(121)는 상호간 난류 열적 결합한다. 이외에는 구조물들 상호간 열적 결합상태를 이룬다.

임펠러(130)는 중심부에서 돌출되게 형성되며, 회전을 위해 모터 스타터(122)와 상호작용하는 모터 마그네틱(132)과, 모터 마그네틱(132)을 중심으로 그 둘레면에 나선형으로 방사 배치되는 임펠러 블레이드(131)를 포함한다. 임펠러 블레이드(131)의 구조로 인해 도 9처럼 무한 소용돌이 냉각작용이 이루어질 수 있게 되고, 이로 인해 발열원(153)의 냉각효율이 높아질 수 있다.

한편, 본 실시예에 따른 수냉식 직접 냉각장치(100)에는 장치의 컨트롤을 위해 장치 컨트롤러(190)가 더 탑재된다.

장치 컨트롤러(190)는 발열원(153) 표면에 대한 발열 정도에 기초하여 냉각수의 공급량 또는 펌프 모터(120)의 동작을 유기적인 메커니즘으로 컨트롤한다. 이러한 역할을 수행하는 장치 컨트롤러(190)는 중앙처리장치(191, CPU), 메모리(192, MEMORY), 그리고 서포트 회로(193, SUPPORT CIRCUIT)를 포함할 수 있다.

중앙처리장치(191)는 본 실시예에서 발열원(153) 표면에 대한 발열 정도에 기초하여 냉각수의 공급량 또는 펌프 모터(120)의 동작을 유기적인 메커니즘으로 컨트롤하기 위해서 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 프로세서들 중 하나일 수 있다.

메모리(192, MEMORY)는 중앙처리장치(191)와 연결된다. 메모리(192)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용가능한 적어도 하나 이상의 메모리일 수 있다.

서포트 회로(193, SUPPORT CIRCUIT)는 중앙처리장치(191)와 결합하여 프로세서의 전형적인 동작을 지원한다. 이러한 서포트 회로(193)는 캐시, 파워 서플라이, 클록 회로, 입/출력 회로, 서브시스템 등을 포함할 수 있다.

본 실시예에서 장치 컨트롤러(190)는 발열원(153) 표면에 대한 발열 정도에 기초하여 냉각수의 공급량 또는 펌프 모터(120)의 동작을 유기적인 메커니즘으로 컨트롤하는데, 이러한 일련의 컨트롤 프로세스 등은 메모리(192)에 저장될 수 있다. 전형적으로는 소프트웨어 루틴이 메모리(192)에 저장될 수 있다. 소프트웨어 루틴은 또한 다른 중앙처리장치(미도시)에 의해서 저장되거나 실행될 수 있다.

본 발명에 따른 프로세스는 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 프로세스들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다. 이처럼, 본 발명의 프로세스들은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 구조로 작용을 하는 본 실시예에 따르면, 종전과 달리 냉각판을 사용하지 않고 비접촉 방식으로 발열원(153) 표면을 냉각시킬 수 있으므로 열저항을 없애거나 최소로 줄일 수 있으며, 이로 인해 발열원(153) 표면에 대한 냉각효율을 종래보다 월등히 높일 수 있게 된다.

이러한 구성에 의해, 도 3 및 도 4와 같은 부품을 도 1 및 도 2와 같이 조립한 후, 냉각수와 연결한다. 그러면, 냉각장치 하부 커버(140)의 중앙 영역이 오픈(open)된 개구부(140a)를 이루기 때문에 발열원 PCB 커버(150)는 냉각장치 하부 커버(140)에 연결되면 발열원(153)이 개구부(140a)로 노출될 수 있다.

한편, 이렇게 조립된 상태에서 정해진 경로를 따라 냉각수가 공급되고 펌프 모터(120)가 동작하면 이의 작용으로 임펠러(130)가 회전하게 되는데, 특히, 도 9와 같은 무한 소용돌이 냉각작용과 더불어 도 10과 같은 무한 소용돌이 방열작용이 효과적으로 진행될 수 있기 때문에, 종전처럼 냉각핀을 사용하지 않더라도 발열원(153) 표면에 대한 냉각효율을 종래보다 월등히 높일 수 있게 되는 것이다.

이하, 본 실시예의 작용 효과를 좀 더 상세히 설명한다.

칩(chip) 즉 발열원(153)을 직접 액체 냉각하는 기존방식은 스프레이, 워터 젯, 칩 내부 미세유로, 칩 속에 냉각채널을 심는 등 여러 가지 방식이 있지만, 냉각수의 높은 압력과 낮은 성능, 칩과 냉각판의 열적변화로 인한 누수방지의 어려움, 칩 내부에 수로를 만드는 전공정이 추가되고, 칩 두께가 높아지고, 칩을 박막화할 수 없는 등 여러 가지 문제점으로 보편적인 실용화에 근접한 방식은 없다.

모든 전기 히터나 발열소자인 CPU를 액체로 냉각하는 장치는 발열원 또는 냉각판과 냉각수의 열교환이 필수적이며, 일반적인 CPU 액체냉각에서 냉각판과 냉각수(고체와 액체)가 열교환시에 발생하는 열저항이 가장 높아 열전달 표면과 유체 간에 발생하는 온도차가 가장 크게 나타난다.

다음으로, 온도차가 큰 부분은 작은 칩 면적과 IHS나 냉각판(고체와 고체)이 결합하는 고체 금속 표면에서 발생하는 접촉 열저항이며, 이 부분에서 발생하는 접촉 열저항을 낮추기 위해 TIM을 도포하거나 인듐합금 솔더링을 하여 접촉 열저항을 낮추고 있다.

상기 두 부분에서 발생하는 온도차를 한꺼번에 해결하는 방법은 발열원(153)을 직접 액체로 냉각하는 방식이다.

일단 CPU 칩을 직접 액체 냉각함으로 열 인터페이스 부분의 열저항으로 인한 온도차는 없어졌지만, CPU 칩의 단면적은 제한이 되었고, 냉각수 유량이 늘어나도 작은 칩 면적으로 인하여 칩 온도를 낮출 수 없는 한계가 분명히 존재함으로 단 하나의 해결 방법은 냉각수 흐름에 난류를 증가시켜 열전달계수를 높이는 변수만 남아있다.

우선 생각을 조금만 바꿔서 냉각수가 칩을 냉각한다는 관점으로만 보지 말고, 냉각수가 열 인터페이스 물질(TIM)을 대신하는 역할로, 즉 냉각수가 열을 전도하는 물질로 관점을 바꾸어 접근할 필요가 있다.

칩 표면과 열전도가 우수한 재질로 제작된 임펠러(130)의 허브면(130a)이 10㎛ 정도 간격(gap)을 두고 회전하면 임펠러(130)의 허브면(130a)과 발열원(153) 표면의 두 표면 사이에 냉각수는 낮은 회전수에도 임펠러(130) 원심력으로 가속된 무차원적인 난류 레이놀즈 수(Reynolds number)가 층류에서 난류 영역으로 쉽게 진입하며, 고속으로 회전하면 냉각수 레이놀즈 수는 한계치까지 높아지며, 냉각수는 대류 열전달계수(Convective Heat Transfer Coefficient)가 급격히 증가함으로 임펠러(130) 표면과 임펠러(130)의 허브면(130a) 사이에 냉각수는 열 인터페이스 물질(TIM)을 대신하는 전도 역할을 훌륭하게 수행하고 냉각수 본연의 역할인 열원을 이송하는 기능과 동시에 CPU 칩의 핫스팟을 확산하여 칩의 열 밀도를 낮출 수 있다.

다음은 열전도가 우수한 재질의 임펠러(130)를 기존 액체 냉각에서 냉각수가 열교환을 하는 마이크로 채널과 같은 가상의 냉각판이라고 유추하면, 역발상으로 냉각판을 냉각수 유체 흐름으로 냉각하는 것이 아닌 칩 열원에서 우수한 TIM인 냉각수를 통하여 냉각판인 임펠러(130)에 전도된 열을 회전하면서 냉각수에 열을 전달한다.

임펠러(130) 원심력으로 냉각수는 가속되고 임펠러(130)의 임펠러 블레이드(131)와 표면을 강력한 힘을 동반한 유체 흐름과 냉각수의 높은 마찰계수로 CPU 칩에서 임펠러(130)로 전도된 열을 빠르게 냉각수와 열교환을 한다.

일반적으로 물의 열전도율은 0.59W/(mㅇk)로 매우 낮아 1㎠ 단위 면적당 10㎛ 두께의 냉각수 열저항은 0.169℃/W이지만, 일반적인 점성을 가지는 냉각수를 임펠러(130) 표면 원심력으로 발생시키는 난류 레이놀즈 수는 Re 1e+06에 가깝게 높아짐으로 대류 열전달계수는 상상 그 이상으로 증가한다.

일반적인 열교환 파이프에 난류를 증가시키기 위해 나선형 코일을 삽입하여 유체 레이놀즈 수를 Re 30,000까지 높이면 유량에 따라 열교환기의 대류 열전달계수는 15배 정도 증가하지만 임펠러(130) 표면과 임펠러 블레이드(131)에서 원심력으로 발생시키는 무차원적인 난류 레이놀즈 수와는 비교할 수 없는 수준이다.

또한, 일반 열교환기 파이프에 열원을 공급하는 외부는 면적이 넓어 제한적인 유량으로는 난류 레이놀즈 수를 높이는 데 한계가 있어 외부 열원의 대류 열전달계수가 낮아 열교환기 효율을 높이는 데 한계가 있다.

고성능 CPU 단면적 178㎟일 때 칩과 임펠러(130) 10㎛ 두께의 유동이 없는 냉각수 전도율에 따른 열저항은 0.095℃/W 정도이므로 CPU 소비전력 227W 기준에 계산상으로 22℃ 온도차가 발생하지만, 기존에 열인 터페이스 부분에서 발생한 온도차 15~20℃만큼 높은 온도로 칩 표면의 열이 냉각수에 전도된다.

평판을 접하는 부분의 유체속도는 0이므로 전도에 의한 열전달만 발생하며, 가열표면과 유동 유체 간의 열전달량은 표면을 접한 얇은 유체막에서의 전도 열전달량과 같으므로 임펠러 표면 난류로 열원인 칩 표면에서 발생하는 유체의 점성효과로 인한 속도 경계층과 온도 경계층을 파괴시킨다.

발열표면을 접한 얇은 유체층은 대류 열전달계수에 큰 영향을 미치므로 임펠러(130) 표면 원심력으로 냉각수의 마찰계수를 극대화시킬 수 있어 발열표면과 냉각수의 온도구배가 곡선특성으로 간격에 따라 차이가 큰 온도 유전체막 두께를 최소화가 아닌 제거도 가능한 수준이다.

일반적인 차세대 냉각장치의 기준은 1㎠ 단위 면적당 1Kw 열을 발생시키는 칩을 처리할 수 있는 능력이며, DARPA(미국 국방성 고등연구계획국)에서 규정한 기본 요구사항으로 평방 센티미터당 1,000W 이상의 냉각량은 꿈의 영역이며, 칩과 냉각수 온도차 ΔT60℃ 기준으로 공냉방식의 냉각성능에 15배 정도 높고, 마이크로 채널 방식과 칩을 직접 냉각하는 여타 방식에 비해서도 2배 이상의 냉각성능을 발휘한다.

한편, 임펠러(130) 재질에 따라 열전도율에 차이가 있지만, 일반적으로 냉각판 열전도율을 기반으로 냉각하는, 오로지 전도열만을 냉각하는 방식이 아니므로 임펠러(130) 재질에 따라 냉각성능이 크게 차이가 나지 않고, 금속 열전도 인터페이스에서 발생하는 열저항이 없고, 높은 냉각성능으로 인하여 소자의 단위 면적당 발열량이나 동작온도에 따라 재질 선정을 자유롭게 할 수 있다.

냉각장치의 임펠러(130) 흡입구는 펌프 모터(120)의 축방향에서 냉각수가 흡입되고, 열전도가 우수한 재질의 오픈 임펠러, 반밀폐형 임펠러(Half Close Impeller)나 밀폐형 임펠러(Close Impeller) 등 모든 임펠러 종류에 관계 없이 허브면(130a)이 칩 표면과 마주하며, 열을 전달하고 확산시키는 금속 열 인터페이스와 마이크로 채널 냉각판이 없으므로 CPU 칩 핫스팟 표면에 임펠러 허브면(130a)이 가장 가까이 다가갈 수 있다.

냉각수의 순환계통과 길이, 펌프 모터(120) 용량과 압력, 임펠러(130) 구경, 냉각면적, 발열량, 모터 소비전력에 따라 임펠러 종류를 선정할 수 있으며, 회전수와 축추력 영향에 따라서도 임펠러(130) 종류를 선정할 수 있다.

임펠러 블레이드(131)가 칩 표면 방향이면 중공축으로 냉각수가 흡입되므로 흡입구와 임펠러 블레이드(131) 높이만큼 임펠러 허브면(130a) 단면적이 칩 표면에 가까이 접근하지 못하므로 임펠러에 전달되는 열은 감소한다.

임펠러 블레이드(131)는 원심력 가속도나 펌프 유량을 크게 훼손하지 않는 범위에서 가능한 많은 수량과 냉각수가 닿는 단면적을 증가시켜 낮은 임펠러 회전수에서 냉각성능은 높이고 냉각장치의 소비전력은 낮출 수 있다.

CPU 칩에서 임펠러(130)에 전도된 열은 고속으로 회전하는 임펠러(130) 원심력에 의해 빠르게 냉각수에 전달되고 가속된 냉각수는 와류실(Volute Casing)에서 소용돌이 나선 흐름으로 냉각이 이뤄지며, 토출구 부근에서 압력으로 전환되면서 일차적으로 열교환이 이루어진다.

칩과 마주하고 있는 임펠러 허브면(130a)에 축추력을 감소시키는 밸런스 홀을 가공하여 펌프의 유동손실로 인한 유량이 많이 감소하지 않는 범위에서 칩 표면의 냉각수 유동과 난류를 증가시켜 냉각성능을 향상할 수 있다.

또한, 임펠러(130)에 전도된 열은 10㎛ 간격을 두고 회전하는 CPU PCB 커버(AlN)로 임펠러 구경 만큼 칩에서 발생하는 열을 임펠러(130) 표면 난류와 와류실에서 소용돌이 치는 냉각수와 함께 칩 핫스팟을 분산시킨다.

발열원 PCB 커버(150) 재질은 열전도가 우수하며 Si칩과 열팽창율이 비슷한 질화 알루미늄(AlN) 재질이 적당하며 에폭시 실링 접합시에 열팽창율 차이로 인한 크랙이 발생하지 않아 냉각수 누수 위험성이 낮아진다.

CPU 칩 인터포저 기판을 전력소자와 같은 고가인 Si, AlN 등 관통전극 인터포저로 제작하면 칩 하단부도 냉각할 수 있어 CPU 칩의 접합온도(Junction Temperature)를 획기적으로 낮출수 있으며, 수직 적층인 3D 칩에 적용하면 하단에 적층된 고전력밀도 칩을 냉각할 수 있어 최적의 냉각효과를 볼 수 있다.

펌프 흡입구는 임펠러 회전방향으로 소용돌이 난류 유동이 형성되며, 임펠러에 의해 모터 본체로 전도된 열은 흡입구 유체통로의 높은 유동과 원형으로 맴도는 무한적 소용돌이 난류를 가속화시키는 흡입구 냉각핀과 나선형 냉각핀에 의해 임펠러에 흡입되기 전에 냉각수와 이차적으로 열교환이 이뤄진다.

흡입구는 중공축이 아닌 베어링 하우징과 임펠러 샤프트 외부 가장자리로 냉각수가 흡입되고, 베어링 하우징 구조체인 흡입구 냉각핀은 임펠러 회전 방향과 동일한 유선형 날개 구조로 냉각과 동시에 흡입구에서 냉각수를 임펠러로 안내하는 역할도 하여 펌프 내부의 유체 속도변화에 의한 압력차로 유체 내에 공동이 생기는 캐비테이션(Cavitation) 현상을 방지한다.

또한, 임펠러(130) 중앙부도 유선형 돌출구조로 냉각수를 임펠러 블레이드(131)에 부드럽게 유도하여 압력차가 큰 가속 부근의 임펠러 블레이드(131)에서 집중적으로 기포를 발생시키는 공동현상을 방지하여 냉각성능을 향상할 수 있다.

냉각수가 고온일 경우 작은 압력차에도 포화증기압 이하로 쉽게 낮아질 수 있으며, 칩 연산량이 증가하여

냉각수 온도가 높아진 상태에서 펌프 내부의 기포 발생은 냉각성능에 치명적인 악영향을 줄 수 있다. 특히 친환경적인 고온의 냉각수를 이용하여 칩을 냉각하고 폐열을 재활용하는 시스템에서는 중요한 사항이다.

펌프 내부에 기포가 발생하면 일정하게 유체를 가속하던 힘이 공기와 만나면 힘에 변화가 일어나고 펌프의 회전력에 문제가 발생하며, 발생기포가 임펠러에 부딪히면서 진동과 소음이 발생하며 다시 기포가 압력이 높아지는 곳에서 붕괴를 일으키면서 직접적으로는 임펠러(130)에 침식이 발생한다.

단순히 소음과 진동의 문제가 아닌 임펠러(130), 슬리브 베어링(129) 및 임펠러 샤프트(127)에 기계적인 피로가 누적되어 내구성이 저하되며, 양정의 감소와 불안정한 유량 공급으로 인하여 펌프 효율도 저하된다.

펌프의 불안정한 유량과 냉각수의 높은 온도의 영향으로 인한 펌프 내부의 기포 발생은 임펠러 냉각성능 저하에 치명적인 원인을 제공하며, 무엇보다도 소중한 소음 저감과 냉각장치의 신뢰성에 영향이 있다.

임펠러(130) 표면 난류에 의해 칩 핫스팟이 분산된 발열원 PCB 커버(150)와 열적으로 결합한 냉각장치 하부 커버(140) 바닥에는 하부 원형홈부(141)을 가공하여 외측 소용돌이 난류에 더욱 무차원적인 난류가 증가하여 냉각장치 하부 커버(140)로 전도된 열을 냉각한다.

모터 스타터 냉각핀(123)은 모터 바디(121)로 전도된 열을 흡입구 유체통로, 흡입구 냉각핀(126)이나 나선 냉각핀(125), 모터 냉각 커버(160) 등 상부로 빠르게 열전달이 이뤄지도록 한다. 또한, 모터 스타터(122)에서 발생하는 열도 냉각하여 펌프 모터(120)의 효율을 상승시킨다.

흡입구 소용돌이 난류는 상부 나선 방열핀(117), 상부 측면홈부(116), 상부 원형홈부(115)에 의해 난류 레이놀스 수가 증가하여 냉각장치 상부 커버(110)와 냉각수의 열저항을 낮추어 효율적이고 성능이 향상된 방열과 냉각이 함께 이루어진다.

일반적인 열교환기나 액체 냉각기는 유체가 흡입과 배출로 유량의 흐름이 있어야지만 열교환이 이루어지는 반면, 냉각수 외부 흡입구(111) 소용돌이 난류는 유로를 순환해야 하는 목적보다는 무한 회전하는 소용돌이 난류로 열교환이 이루어진다.

무한 소용돌이 난류를 더욱 가속시키는 흡입구 냉각핀(126), 나선 냉각핀(125), 상부 나선 방열핀(117) 구조와 전통적인 냉각수 유량에 따른 열교환에서 벗어나 난류를 극대화하는 하부 원형홈부(141), 상부 측면홈부(116), 상부 원형홈부(115)은 효율적인 가공이 가능한 범위에서 적절하게 가공하여 난류 발생과 단면적을 극대화시켜 냉각성능 향상과 효율적인 방열이 이루어진다.

임펠러(130)와 내외부에서 발생하는 모든 유체운동 에너지를 이용하여 칩을 직접으로 액체 냉각하면서 동시에 냉각수 열을 방열함으로 냉각장치 상부 커버(110) 외부에는 공기와의 냉각 단면적을 높이기 위해 냉각핀을 가공할 수 있으며 팬을 부착하여 냉각성능을 더욱 높일 수 있다.

액체 냉각장치에 냉각판이 없고, 임펠러 재질에 따라 냉각성능이 크게 차이나지 않고, 갈바닉 부식에 자유로와 재료선정의 유연성이 확보되어 효율적인 재료로 효과적인 고성능의 액체냉각 장치를 구현할 수 있다.

CPU와 같은 로직 칩만이 아닌 세라믹 히터, 펠티어 소자, 전력소자인 IGBTㅇSiCㅇGaN 등 모든 발열체에 외부 냉각판을 추가로 접합하지 않고, 기존 발열원 열 인터페이스 단계를 제거하여 냉각할 수 있다.

아울러 냉각판을 붙이지 않아 열 인터페이스 물질 TIM(Thermal Interface Material)도 도포하지 않는다. 칩이나 발열체 내에 냉각수로를 만드는 전공정이나 칩에 냉각요소가 삽입되지 않으며, 냉각이 필요한 발열체 표면을 추가로 가공하지 않고, 냉각수 방열에 필수적인 라디에이터가 기본적인 냉각장치에 방열 구성요소가 되지 않으며, 냉각이 필요하고, 내수성이 있는 모든 소자 표면이나 발열원에서 최소한의 열저항을 가지는 표면을 직접적으로 액체 냉각할 수 있다.

내수성이 좋지 않은 재료표면이나 시스템 구성조건으로 인하여 냉각판을 붙이는 경우 구리와 알루미늄의 열전도율은 약 두배 정도 차이가 나지만, CPU 기준으로 냉각판 두께가 2t일 경우 소비전력 227W에 따른 두 금속간의 온도차는 기껏해야 1℃ 정도 밖에 차이가 나지 않는다.

소비전력에 따른 발열량에 따라 냉각판 재질을 선정해야 하며 CPU 같은 발열량과 칩 단면적일 경우 구리와 알루미늄에서 발생하는 소비전력에 따른 온도차는 크게 차이가 나지 않는다.

하지만 1㎠ 단위면적당 Kw가 넘는 발열량일 경우 온도차는 매우 크게 차이가 날 수 있으며, 시스템에 따라서는 동작온도가 높아져 전력손실이 증가할 수 있으며, 소자의 이상으로 이어져 시스템이 정지할 수 있으며 동작시간이 길어지면 내구성도 급격히 떨어짐으로 소자의 동작수명도 단축된다.

컴퓨터는 CPU, GPU가 저부하 연산시나 대기모드일 때 온도에 따라 팬은 동작하지 않지만 수냉펌프는 미세한 마이크로 채널로 인하여 정압이 높게 걸리므로 펌프 회전수가 조금이라도 낮아져도 냉각수가 흐르지 않는 경우가 발생하므로 냉각수 펌프 회전수에 따라 냉각수 유량을 조절하는 방법은 마이크로 채널 오염이나 스케일 상태에 따라 컴퓨터 냉각에 문제를 야기할 수 있다.

특히 미세한 스카이빙 마이크로 채널 방식은 유량 조절 범위가 매우 좁고, 구조적으로 유량을 조절하는 효과가 미미하여 일반적으로 냉각수 펌프를 최대 회전수로 사용한다.

상기 내용이 일반 PC에서는 크게 중요하지 않을 수 있지만, 대규모 IDC 데이터 센터에서 개별 서버 단위 및 랙 단위에서 연산부하량에 따라 냉각량을 조절할 수 없으며, 냉각수 순환이 없는 상태에서 냉각성능을 유지할 수 없다. 펌프가 정지 상태일 때도 냉각장치의 모든 구성요소가 열적으로 결합되어 있어 일정량의 냉각은 유지되며 펌프가 공회전 상태인 즉 냉각수 유량이 매우 적은 저속회전에서도 냉각이 가능하다.

마이크로 채널이라는 유량에 영향을 주는 어떠한 구조도 없어 펌프 회전수에 따른 토출구 유량 특성이 리니어에 가깝게 비례하여 유량조절 범위가 매우 넓어 칩 온도뿐만 아니라 냉각수 온도에 따라 냉각량을 조절하여 칩을 냉각하고 나오는 토출구의 냉각수 온도까지 제어가 가능하다.

따라서 개별 서버단위가 아니라 CPU, GPU 개별 칩 단위로 연산 부하량에 따라 냉각펌프 회전수를 제어하여 냉각량을 조절하여 냉각수 저온 에너지와 소비전력을 감소시킬 수 있다.

열저항이 제거되고 냉각성능이 상승하면 IDC 데이터 센터의 최대 연산부하량 한계도 높아짐으로 급격하게 서비스 부하량이 상승하여도 유연하고 효율적으로 IDC 데이터 센터를 운영할 수 있다.

현재 저전력 칩인 RAM은 12단 3D TSV 패키징 기술로 고대역폭(High Bandwidth Memory) HBM2 RAM이 개발되었지만, 로직 칩과의 3D 통합 TSV 패키징 제품을 개발했다는 소식은 없으며, 고성능 3D 통합 칩을 냉각할 수 있는 냉각장치가 반드시 수반되어야 한다.

3D 칩은 로직 칩과의 통합이지만 연산량이 높은 고전력 밀도 칩에서 발생하는 과도한 열로 인해 완제품 형태인 그래픽 카드의 GPU 조차도 2.5D라는 과도기적인 패키징 기술에 머물러 있다.

진정한 3D 칩은 전력밀도가 높은 CPU 칩을 하단에 배치하고 저전력 밀도인 RAM 칩은 중간층에 배치하며 상단에는 고전력 밀도를 가지는 GPU 칩을 수직으로 적층하는 것이다.

하지만 고부하 연산시 CPU와 GPU를 합한 소비전력은 600W 이상을 쉽게 넘어가며, 칩 핫스팟이 분리된 2.5D 칩에 비해 상대적으로 칩 핫스팟이 상하단으로 더해지고 그 중간에 열 제거를 어렵게 하는 3D로 스택한 HBM RAM 칩을 구겨 넣은 3D 통합 칩에서 열을 제거하기는 쉽지 않다.

3D 통합 칩을 냉각하기 위해 열전도가 우수한 Si, AlN 인터포저에 칩이 적층되는 위치를 칩 높이(720㎛,업계 표준) 만큼 낮게하여 적층하는 3D 칩과 동일높이로 하여 내수성이 강한 에폭시로 칩 가장자리를 실링한다.

상단 GPU는 냉각에 최적인 조건이지만 하단 CPU 칩은 인터포저를 통하여 열전도가 됨으로 인터포저에 3D 통합 칩을 심듯이 적층하여 칩 가장자리 인터포저로 열전도를 높일 수 있으며, 임펠러(130)와의 간격을 칩과 동일하게 하여 하단에 적층된 CPU 칩 냉각에 최적인 상태를 만든다.

현재 CPU 칩의 Core는 칩 양쪽 가장자리로 배치하여 코어에서 집중적으로 발생하는 열을 칩에서 분산 배치하였으며 칩의 저전력 밀도를 가지는 L3 Cashe Memory, Memory Controller, Io 등으로 코어의 열이 쉽게 분산할 수 있도록 배치하여 코어의 핫스팟 온도를 경감하고 있다.

실제로 AlN 재질의 인터포저이고, 인터포저를 직접 냉각할 경우 CPU Core의 온도차는 단일 칩 CPU 접합온도(Junction Temperature)와 칩 두께에서 발생하는 온도차와 크게 차이가 나지 않는 ≒10℃를 조금 넘는 정도이다.

현재 인터포저 부분을 직접적으로 냉각하지 않고 있지만 칩 외각 가장자리 인터포저 단면적은 CPU 칩 양쪽 가장자리에 배치되어 있는 Core와 가장 가까워 열적으로 매우 소중한 부분이며 칩과 직접 연결되는 인터포저를 관통하는 신호 연결선으로 전도되는 열도 냉각에 유리함으로 칩의 접합온도를 낮출 수 있도록 인터포저 형상을 칩 높이와 동일하게 하여 3D 통합 칩의 핫스팟을 냉각할 수 있다.

한편 다행스러운 점은 고대역폭을 추구하는 HBM RAM으로 인하여 3D TSV 기술은 반도체 칩 상단과 하단에 머리카락 굵기의 20분의 1수준인 수 마이크로미터 직경의 전자 이동 통로(TSV) 6만 개를 만들어 오차 없이 연결하는 수준으로 향후 TSV 신호 통로수 증가로 인하여 3D 칩 스택간 많은 신호통로를 통해 열전도율이 증가하는 부분은 냉각에 대한 부담을 경감할 수 있다.

3D 칩 집적용량을 높이고 TSV 연결성 향상을 위해 웨이퍼 두께는 극단적으로 낮아지는 추세이며, 고전력밀도인 상단 GPU 칩도 하단 HBM RAM 칩을 보호할 수 있는 범위에서 높이가 낮아짐으로 고전력밀도인 GPU 칩 두께에서 발생하는 높은 온도차도 감소한다.

3D 적층기술과 TSV 기술은 고도화가 진행되어 3D 통합 칩을 구현하고 제품화하는데 기술적인 장벽은 없지만 고전력밀도 칩들의 집중화로 입체적인 칩 핫스팟과 과도한 발열로 인하여 기존 냉각방식으로는 3D 통합 칩의 획기적인 연산처리 성능을 높일 수 없고 유지할 수도 없다.

현재는 일부 고전력밀도 GPU에 3D HBM RAM을 합친 2.5D 패키징한 제품도 과도한 발열에 대한 부담으로 미세화가 진행된 GPU 칩 자체도 발열로 처리속도를 크게 높이지 못하고 있으며, 도리어 저전력 칩인 HBM RAM에도 열이 전도되어 안정성에 영향을 주고 있다.

현재 과도한 발열로 인하여 고전력밀도 CPU와 GPU를 포함한 HBM RAM과 2.5D 패키징한 제품도 냉각장치 성능의 한계로 상용화하지 못하고 있다.

차세대 냉각장치는 물리적인 열전도 인터페이스가 없고, 냉각수에 열을 전달하는 냉각판 없이 3D 통합 칩과 인터포저 표면을 직접 액체 냉각함으로 칩과 냉각수와의 온도차를 최소화 할 수 있어 강력한 냉각성능으로 3D 통합 칩의 장점인 고대역폭과 극단적으로 짧아진 신호선을 기반으로 연산량 대비 저전력의 혁신적인 연산성능과 연산속도를 구현할 수 있다.

4차 산업혁명의 핵심인 인공지능, 자율주행, HPC(High Performance Computing)등 다양한 응용처에서 3D 통합 칩 상용화에 실제적 제한인 발열에 대한 부담을 낮추면서 고성능을 구현할 수 있는 고전력밀도 로직 칩과의 3D 통합 패키징 기술과 반드시 수반해야 하는 3D 칩과의 통합냉각 기술이 나날이 중요해지고 있는 것이다.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치의 사용상태도이고, 도 13은 도 12의 내부 구조도이다.

한편, 전술한 실시예의 경우, 펌프 모터(120) 및 임펠러(130)가 냉각장치 상부 커버(110) 및 냉각장치 하부 커버(140) 사이에 탑재되는 형태를 취하였다.

하지만, 본 실시예에 따른 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치(200)는 별도 하우징 구조가 아닌 예컨대 PC에 결합하는 그래픽 카드와 같은 카드 장치(280)에 직접 탑재된다. 즉 이러한 카드 장치(280)에도 CPU와 같은 칩(CHIP)이 마련되는데, 이러한 칩을 냉각시키기 위해 펌프 모터(120) 및 임펠러(130)가 직접 카드 장치(280)에 설치될 수 있다.

펌프 모터(120) 및 임펠러(130)를 보호하는 한편 방열효과를 극대화시킬 수 있도록 외부에 방열핀 블록(282)이 더 설치될 수도 있다.

본 실시예가 적용되더라도 종전과 달리 냉각판을 사용하지 않고 비접촉 방식으로 발열원(153) 표면을 냉각시킬 수 있으므로 열저항을 없애거나 최소로 줄일 수 있으며, 이로 인해 발열원(153) 표면에 대한 냉각효율을 종래보다 월등히 높일 수 있다.

이처럼 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 청구범위에 속한다고 하여야 할 것이다.

100 : 수냉식 직접 냉각장치 110 : 냉각장치 상부 커버
111 : 냉각수 외부 흡입구 112 : 냉각수 외부 토출구
113 : 냉각수 외부 토출구 호스 114 : 모터 케이블 그랜드
115 : 상부 원형홈부 116 : 상부 측면홈부
117 : 상부 나선 방열핀 120 : 펌프 모터
121 : 모터 바디 122 : 모터 스타터
123 : 모터 스타터 냉각핀 124 : 모터 제어 회로기판
125 : 나선 냉각핀 125a : 추가 부속 장착부
126 : 흡입구 냉각핀 127 : 임펠러 샤프트
128 : 볼루트 오링 129 : 슬리브 베어링
130 : 임펠러 130a : 임펠러 허브면
131 : 임펠러 블레이드 132 : 모터 마그네틱
140 : 냉각장치 하부 커버 141 : 하부 원형홈부
142 : 상부 커버 오링 150 : 발열원 PCB 커버
151 : 하부 커버 오링 152 : 발열원 PCB
153 : 발열원 154 : 발열원 소켓
160 : 모터 냉각 커버 190 : 장치 컨트롤러

Claims

소정의 발열원 표면에 비접촉식으로 회전 가능하게 배치되며, 상기 발열원 표면에서 발생하는 열을 직접 흡수하는 임펠러; 및
상기 임펠러에 흡수된 열이 순환 냉각수에 의해 냉각되게 하는 냉각 기능과, 냉각 시 순환되는 냉각수의 열을 방열하기 위한 방열 기능의 제공을 위하여 상기 임펠러와 상호작용하면서 냉각수를 순환시키는 펌프 모터를 포함하며,
상기 임펠러의 일측은 평평한 임펠러 허브면을 형성하되 상기 임펠러는 상기 임펠러 허브면이 밀폐된 구조를 가지며,
상대적으로 작은 면적을 갖는 발열원 표면을 냉각할 때, 열점 분산을 위해 상기 발열원 표면의 열은 상기 임펠러의 상기 임펠러 허브면으로 흡수된 후 상기 임펠러 전체로 전도되어 대류로 분산되는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 임펠러는,
중심부에서 돌출되게 형성되며, 회전을 위해 상기 펌프 모터와 상호작용하는 모터 마그네틱; 및
상기 모터 마그네틱을 중심으로 그 둘레면에 나선형으로 방사 배치되는 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.
제3항에 있어서,
상기 임펠러에서 냉각수가 접촉하는 표면은 유체 마찰계수의 증가를 위하여 표면처리되며,
상기 임펠러의 흡입부 내측 허브면은 중심이 돌출된 유선형 구조로 제작되며, 흡입되는 냉각수가 돌출된 중심부를 냉각한 후, 상기 블레이드로 향하되 냉각수의 흐름을 상기 블레이드로 유도함으로써 흡입부 진공 차압에 의한 공동현상이 방지되게 하여 상기 펌프 모터의 진동을 감소시키는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.
제3항에 있어서,
상기 펌프 모터는,
모터 바디;
상기 모터 바디의 중심부에 탑재되되 상기 모터 마그네틱과 상호작용하는 모터 스타터;
상기 모터 스타터의 주변에 배치되며, 상기 모터 스타터를 냉각시키는 모터 스타터 냉각핀; 및
상기 모터 스타터의 제어를 위해 상기 모터 스타터의 주변에 배치되는 모터 제어 회로기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.
제5항에 있어서,
상기 모터 스타터 영역에 커버링되는 모터 냉각 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.
제5항에 있어서,
상기 펌프 모터는,
상기 모터 바디의 일측에 형성되되 흡입구 소용돌이 난류를 가속시키는 한편 냉각 단면적을 증가시키기 위해 나선형으로 형성되는 나선 냉각핀; 및
상기 모터 바디에서 상기 나선 냉각핀의 내측에 배치되며, 소용돌이 난류를 가속시키는 한편 유량과 냉각 단면적을 증가시키는 흡입구 냉각핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.
제7항에 있어서,
상기 펌프 모터는 상기 모터 바디의 중심부에서 상기 임펠러 쪽으로 연장되고 상기 임펠러의 회전축심을 이루는 임펠러 샤프트를 더 포함하며,
상기 나선 냉각핀의 일측에 냉각수 순환 또는 라이데이터 추가 장착을 위한 추가 부속 장착부가 형성되는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 발열원 표면의 냉각을 위한 냉각수가 외부에서 흡입되는 냉각수 외부 흡입구와, 냉각작용을 완료하고 외부로 토출되는 냉각수 외부 토출구를 구비하는 냉각장치 상부 커버; 및
상기 펌프 모터와 상기 임펠러가 내부에서 탑재되게 상기 냉각장치 상부 커버와 착탈 가능하게 결합하되 내부가 개구된 냉각장치 하부 커버를 더 포함하며,
상기 발열원에서 상기 임펠러로 흡수된 열은 일차적으로 원심력으로 가속된 순환 냉각수가 상기 임펠러를 상대적으로 높은 유체 마찰계수로 냉각하도록 하고, 이차적으로는 발열원 핫스팟을 상기 발열원 전체 또는 상기 발열원 가장자리를 감싸는 상기 냉각장치 하부 커버로 열부하가 분산되게 유도하는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.
제9항에 있어서,
상기 냉각장치 상부 커버에는 소용돌이 난류를 가속시키는 한편 방열 단면적을 증가시키는 상부 나선 방열핀이 마련되는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.
제10항에 있어서,
상기 냉각장치 상부 커버의 배면 측면에는 난류 및 방열 단면적을 증가시키는 상부 측면홈부가 마련되는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.
제9항에 있어서,
상기 냉각장치 상부 커버의 배면 상부에는 난류 및 방열 단면적을 증가시키는 상부 원형홈부가 마련되는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.
제9항에 있어서,
상기 냉각장치 하부 커버에는 난류 및 냉각 단면적을 증가시키는 하부 원형홈부가 마련되는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.
제9항에 있어서,
상기 냉각장치 상부 커버에 모터 케이블 그랜드가 연결되는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 발열원 표면에 대한 발열 정도에 기초하여 냉각수의 공급량 또는 상기 펌프 모터의 동작을 컨트롤하는 장치 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열원 표면 수냉식 직접 냉각장치.