KR20040052010A - 전자칩 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 데스크탑/노트북의 중앙연산처리장치(CPU) 및 반도체 등의 주변전자장치를 냉각시키기 위한 전자칩 냉각장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전자칩 냉각장치는 CPU 등과 같은 발열체에 직접 접촉되어 열을 전도시키는 역할을 하는 터미널 베이스와, 상기 터미널 베이스 상단에 솔더링되는 히트파이프와, 상기 히트파이프 끝단에 솔더링되는 방열 블록과, 상기 방열 블록에 냉각유체를 공급하기 위해 그 중심부에 위치하도록 된 팬 모터와, 상기 팬 모터 및 터미널 베이스가 고정되도록 하는 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임의 팬 모터 설치부 상단 중심을 제외한 대부분을 차단시켜 냉각유체가 효율적으로 유입 및 배출될 수 있도록 하는 팬 커버로 이루어지는 전자칩 냉각장치에 있어서,

상기 히트파이프의 설치라인 하측에 형성된 팬 커버를 히트파이프에 솔더링 시켜 일체화시킴으로서, 히트파이프의 열을 전도 받아서 대기 중에 방열하는 방열판으로서 사용되도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 팬 커버를 솔더링 등과 같은 방법으로 히트파이프에 일체화시킴으로써, 방열면적을 극대화할 수 있게 되는 효과를 갖는다.

또한, 히트파이프의 보강구조에 의해 팬 커버와 팬 모터의 마찰현상을 방지할 수 있게 된다.

Description

전자칩 냉각장치{CPU Cooling Module}

본 발명은 데스크탑/노트북의 중앙연산처리장치(CPU) 및 반도체 등의 주변전자장치를 냉각시키기 위한 전자칩 냉각장치에 관한 것으로, 특히 냉각유체가 팬 모터에 원활하게 유입될 수 있는 구조적 역할을 하는 팬 커버를 방열판으로 사용할 수 있도록 구조를 개선하여 전체 방열면적을 넓힐 수 있도록 한 전자칩 냉각장치에 관한 것이다.

최근 들어, 노트북 등과 같은 소형 포터블 컴퓨터들은 점차, 성능이 우수하면서도, 두께가 얇고, 가벼워지는 추세에 있다.

이러한 전자제품들의 소형화 및 박형화를 위해서는 컴퓨터 내부에 사용되는 CPU(Central Processing Unit) 및 주변 전자장치의 소형화 및 고속화, 대용량화가 불가피하다.

이처럼, 소형화되어진 CPU 등과 같은 전자부품들의 용량은 상대적으로 대용량화되어짐에 따라서 발열량은 극도로 증가하게 된다.

이러한 발열체로서의 전자부품들의 과열을 방지하기 위해서는 보다 빠르고 효과적인 냉각수단이 갖추어져야한다. 허나, 전자제품들이 점점 더 박형화 되어짐에 따라서 내부의 공간은 더욱 고밀도화 되어질 수밖에 없고, 이러한 공간적 제약으로 냉각유체(공기)의 흐름이 원활히 이루어지지 못해 전자 칩으로부터 발열되는 열을 방출시키는데 어려움이 따르게 된다.

특히, 상기 CPU는 여타의 부품이 갖는 온도에 비하여 상대적으로 상당히 높기 때문에 CPU의 고온화에 따른 문제는 심각하다. 즉, 상기 CPU의 고온화는 결과적으로 클럭(clock) 속도의 저하 및 오작동 그리고 고장 발생율이 급격하게 증가되는 원인이 된다.

현재, 이러한 CPU등과 같은 발열체를 효과적으로 방열시키기 위한 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 이에 대한 노력으로 종래에는 팬 모터, 방열핀, 히트파이프 등을 이용한 냉각장치를 프로세서에 붙여 프로세서나 고발열 컴포넌트 등을 냉각시키는데 이용하고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전자칩 냉각장치를 나타낸 사시도로서, 동 도면에서 도시되어진 바와 같이 종래의 전자칩 냉각장치는, CPU 등과 같은 발열체에 직접 접촉되어 열을 전도시키는 역할을 하는 터미널 베이스(10)와, 상기 터미널 베이스(10) 상단에 솔더링되도록 한 제 1 및 제 2히트파이프(20,30)와, 상기 제 1히트파이프(20) 끝단에 다수의 방열핀(41)들이 일정 간격으로 솔더링되어 수평방향의 블록을 형성하는 제 1방열 블록(40)과, 상기 제 2히트파이프(30) 끝단에 다수의 방열핀(51)들이 일정 간격으로 솔더링되어 수직방향의 블록을 형성하는 제 2방열 블록(50)과, 상기 제 1 및 제 2방열 블록(40,50) 냉각유체를 공급하기 위해 그 중심부에 위치하도록 된 팬 모터(60)와, 상기 팬 모터(60) 및 터미널 베이스(10)가 고정되도록 하는 베이스 프레임(70)과, 상기 베이스 프레임(70)의 팬 모터(60) 설치부 상단 중심을 제외한 대부분을 차단시켜 냉각유체가 효율적으로 유입 및 배출될 수 있도록 하는 팬 커버(80)를 포함하는 구성으로 이루어진다.

여기서, 상기 터미널 베이스(10)는 CPU에 직접 접촉되어 열을 전도시키는 역할인 만큼, 열 전도율이 우수한 재질을 사용하게되고, 면적을 다소 넓게 형성할 수 있는 판형으로 이루어진다.

그리고, 상기 제 1 및 제 2히트파이프(30,40)는 터미널 베이스(10)상단에 솔더링(Soldering)되어 CPU에서 발생하는 열을 방열 블록(40,50)까지 이동시키는 역할을 하는 것으로서, 개략적 구조 및 원리에 대해 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 종래의 히트파이프 내부구조를 보인 단면도로서, 도면에서 보여지는 바와 같이 히트파이프(20,30)의 구조는 일반적으로 밀폐형 용기의 내벽에 다공성 구조물인 윅(Wick)이 형성되고, 그 내부를 작동유체에 의해서 채우도록 되어진다.

이러한 구조의 히트파이프는 부분별로 증발부, 단열부, 응축부를 형성하는데, 상기 증발부는 외부 열원으로부터 열을 흡수하여 작동유체가 기체상태로 증발하게 되고, 이때의 팽창력에 의해 작동유체가 증발부에서 응축부 방향으로의 이동을 하게 된다. 이와 반대로 응축부에서는 온도가 낮은 외부에 열을 빼앗기면서 작동유체가 기체상태에서 액체상태로의 응축이 일어나게 되어 윅(WICK)의 모세관력으로 증발부로 이동되어 상기와 같은 과정을 계속적으로 반복하게 된다.

즉, 히트파이프는 밀폐용기 내부의 작동유체가 연속적으로 기-액체간의 상-변화 과정을 통하여 용기 양단사이에 열을 전달하는 장치로 잠열을 이용하여 열을 이동시킴으로써, 단일상의 작동유체를 이용하는 통상적인 열 전달 기기에 비해 매우 큰 열 전달 성능을 발휘하게 된다.

상기 제 1 및 제 2방열 블록(40,50)은 별도의 지그를 이용하여 일정한 간격으로 배열된 다수의 방열핀(41,51)을 히트파이프(20,30) 하단에 솔더링시켜 형성하게 된다. 이때 상기 방열핀(41,51)의 설치각도는 냉각유체의 흐름 방향과 일치되도록 선정한다.

그리고, 팬 모터(60)는 제 1 및 제 2방열 블록에 냉각유체를 공급할 수 있도록 강제대류를 일으키게 된다. 대부분 축류형 팬 모터가 사용되는데, 수직축 방향에서 끌어들인 냉각유체를 수평방향으로 이송하게 된다.

상기 베이스 프레임(70)은 일체형 주조물로 이루어지고, 일측에 팬 모터(60)가 장착되기 위한 모터 장착부(71)가 형성되고, 그 일측으로 터미널 베이스를 장치하기 위한 터미널 장치부(73)가 형성된다.

그리고, 상기 팬 커버(80)는 모터 장착부(71) 상부를 차폐하는 판상체로서, 중앙에 냉각유체를 흡입하기 위한 흡입공(81)이 형성된다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 종래의 전자칩 냉각장치의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

우선, CPU 등과 같은 전자칩에서는 고온의 열이 발생되고, 이러한 발열체 표면에 터미널 베이스(10)가 직접 접촉되어진다.

상기 CPU에서 발생한 열은 터미널 베이스(10)로 전도되어진다. 그리고, 상기 터미널 베이스(10)로 전도되어진 열은 다시 히트파이프(20,30)를 통해 히트파이프(20,30) 각 끝단에 형성된 방열블록(40,50)으로 이동되어진다.

상기 방열블록(40,50)으로 이동된 열은 자연대류에 의해 일부가 냉각되어지지만 이는 실제 매우 적은 부분이고, 상기 방열블록(40,50)의 내측에 설치된 팬 모터(60)을 구동시킴으로써, 강제대류를 일으켜 냉각하게 된다.

이때, 상기 팬 모터(60)는 베이스 프레임(70)의 일측에 형성한 모터 장착부(71)와 팬 커버(80)에 의해 유로를 형성하여 외부공기를 방열블록(40,50)까지 효과적으로 송출할 수 있게 된다.

그러나, 상기와 같은 구성으로 이루어지는 종래의 전자칩 냉각장치에서는 제한된 공간에서 열을 방출하여야 하므로 열 전달의 효율성 문제가 중요하게 되는데, 방열핀(41,51)을 통한 방열면적 확보에는 공간상의 제약으로 인해 이미 한계에 다다른 상황이라 할 수 있을 것이다.

즉, 앞으로 노트북 등은 더욱 소형화 및 박형화 되어질 것이 분명하고, 이에 따라 CPU 등과 같은 전자칩은 더욱 소형화되면서, 고용량화되어 많은 열이 발생될 것이다. 반면, 내부공간은 더욱 협소해져 방열면적 확보에 무엇보다 큰 어려움을 격게 될 것은 너무도 자명하다.

이에, 보다 획기적이며 효율성이 높은 냉각장치의 방열면적을 확보할 수 있는 방안이 제시되어져야 할 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 노트북 등의 소형화 박형화에 따른 내부 공간의 고밀도화에도 불구하고 충분한 방열면적을 확보할 수 있게 하는 전자칩 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전자칩 냉각장치를 나타낸 사시도.

도 2는 종래의 히트파이프 내부구조를 보인 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 전자칩 냉각장치의 구조를 보인 사시도.

도 4는 방열면적에 따른 열 저항 값을 측정한 그래프.

도 5는 본 발명에 따른 팬 커버의 다른 실시 예를 보인 사시도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

110: 터미널 베이스 120: 제 1히트파이프

130: 제 2히트파이프 140: 제 1방열 블록

141,151: 방열핀 150: 제 2방열 블록

160: 팬 모터 170: 베이스 프레임

171: 모터 장착부 173: 터미널 장치부

180: 팬 커버 190: 솔더링부

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자칩 냉각장치는 CPU 등과 같은 발열체에 직접 접촉되어 열을 전도시키는 역할을 하는 터미널 베이스와, 상기 터미널 베이스 상단에 솔더링되는 히트파이프와, 상기 히트파이프 끝단에 솔더링되는 방열 블록과, 상기 방열 블록에 냉각유체를 공급하기 위해 그 중심부에 위치하도록 된 팬 모터와, 상기 팬 모터 및 터미널 베이스가 고정되도록 하는 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임의 팬 모터 설치부 상단 중심을 제외한 대부분을 차단시켜 냉각유체가 효율적으로 유입 및 배출될 수 있도록 하는 팬 커버로 이루어지는 전자칩 냉각장치에 있어서,

상기 히트파이프의 설치라인 하측에 형성된 팬 커버를 히트파이프에 솔더링 시켜 일체화시킴으로서, 히트파이프의 열을 전도 받아서 대기 중에 방열하는 방열판으로서 사용되도록 한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 팬 커버의 재질을 열전도성이 뛰어난 동 계열을 사용하도록 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 전자칩 냉각장치의 구조를 보인 사시도이다.

동 도면에서 보여지는 바와 같이, 본 발명에 따른 전자칩 냉각장치는 CPU 등과 같은 발열체에 직접 접촉되도록 터미널 베이스(110)를 형성한다.

그리고, 상기 터미널 베이스(110) 상단에는 솔더링에 의해 제 1 및 제 2히트파이프(120,130)가 일체화되어진다.

이때, 상기 제 1히트파이프(120) 끝단에는 다수의 방열핀(141)들이 일정 간격으로 솔더링되어 수평방향의 제 1방열 블록(140)을 일체화시키게 되고, 상기 제 2히트파이프(130) 끝단에는 다수의 방열핀(151)들이 일정 간격으로 솔더링되어 수직방향의 제 2방열 블록(150)을 일체화시키게 된다.

그리고, 상기 제 1 및 제 2방열 블록(140,150)에 강제대류에 의한 냉각유체를 공급하기 위해서 그 중심부에 팬 모터(160)가 설치되어진다.

여기서, 상기 팬 모터(160)와 터미널 베이스(110)는 베이스 프레임(170)에 의해 고정지지 되는데, 이러한 베이스 프레임(170)은 주조에 의한 일체형 구조물로 이루어진다.

상기 베이스 프레임(170)은 팬 모터(160)를 장착시키기 위한 모터 장착부(171)를 형성하고, 그 일측에 터미널 베이스(110)를 장치시키기 위한 터미널 장치부(173)가 일체로 형성되어진다.

그리고, 상기 베이스 프레임(170)의 모터 장착부(171)의 상측 개구부를 차폐시키도록 한 판상체로써, 중앙에 냉각유체를 흡입하기 위한 흡입 공(181)이 형성된 팬 커버(180)를 구비하게 된다.

여기서, 특히 상기 팬 커버(180)는 상측으로 열을 운반하는 일종의 열 수송관인 히트파이프(120,130)가 지나게 되는데, 상기 히트파이프(120,130)에 팬 커버(180)를 솔더링하여 일체화시키도록 한다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 전자칩 냉각장치의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

우선, CPU 등과 같은 발열체에서의 발생된 열을 터미널 베이스(110)를 통해 히트파이프(120,130)로 전도되고, 다시 히트파이프(120,130) 각 끝단에 형성된 방열 블록(140,150)으로 이동되어지며, 상기 방열 블록(140,150)으로 이동된 열은 팬 모터(160)를 구동시킴으로써, 강제대류를 일으켜 냉각하게 되는 것으로서, 이는 종래 기술에 의한 작용에서 언급한 바와 같은 것이다.

여기서, 본 발명이 종래 기술과 확연하게 대별되어지는 것은 팬 커버(180)와 히트파이프(120,130)의 구조적 결합에 의해 일체화되어진 점이다.

상기와 같이 히트파이프(120,130)에 팬 커버(180)가 솔더링과 같은 방법으로 일체화되어지게 되면, 히트파이프(120,130)의 열이 팬 커버(180)로 이동되는 것이 가능하여 진다.

이로 인해, 상기 팬 커버(180)의 면적에 해당하는 새로운 방열면적을 추가로 확보할 수 있게 된다.

이때, 바람직하게는 상기 팬 커버(180)의 재질을 보통의 알루미늄 계열이 아닌 동 계열로 사용함으로써, 열전도 특성을 더욱 향상시킬 수 있도록 한다.

이렇게, 상기 팬 커버(180)로 이동되어진 열은 주위 공기와의 자연대류 및 팬 커버(180)의 통기 공(181)을 통해 유입되는 공기에 의한 강제대류를 통해 방열 되어진다.

그리고, 본 발명에서와 같이 팬 커버(180)가 히트파이프(120,130)와 일체화되어짐으로써, 팬 모터(160)의 흡입력에 의해 얇은 판재로 이루어진 팬 커버가(180) 이끌려 마찰이 발생되는 현상을 방지할 수 있게 된다.

도 4는 방열면적 증가로 인한 열 저항 값을 측정한 그래프로서, (a)와 (b)는 각각 방열면적 증가 전과 후의 측정값을 나타낸다.

여기서, 방열기의 방열 능력은 열 저항값(θsa)으로 나타낼 수 있으며 단위로는 ℃／W를 사용한다. 즉, 1와트 당 상승온도를 의미한다.

상기 도 4의 그래프를 통해 알 수 있듯이 (a)의 경우 열 저항 값이 0.90 ~ 0.98℃／W를 나타내는 반면, (b)의 경우에는 열 저항 값이 0.86 ~ 0.88℃／W로서 매우 떨어진 것을 알 수 있다.

즉, 열 저항값이 떨어졌다고 하는 것은 다시 말해 냉각장치의 방열 성능이 향상되어졌음을 의미한다.

도 5는 본 발명에 따른 팬 커버의 다른 실시 예를 보인 사시도로서, 동 도면에서 보여지는 바와 같이 상기 팬 커버(180) 상에 다수의 냉각핀(183)이 형성되도록 하여 방열면적을 보다 크게 형성할 수 있다.

본 발명은 팬 커버를 솔더링 등과 같은 방법으로 히트파이프에 일체화시킴으로써, 방열면적을 극대화할 수 있게 되는 효과를 갖는다.

또한, 히트파이프의 보강구조에 의해 팬 커버와 팬 모터의 마찰현상을 방지할 수 있게 된다.

Claims (3)

1. CPU 등과 같은 발열체에 직접 접촉되어 열을 전도시키는 역할을 하는 터미널 베이스와, 상기 터미널 베이스 상단에 솔더링되는 히트파이프와, 상기 히트파이프 끝단에 솔더링되는 방열 블록과, 상기 방열 블록에 냉각유체를 공급하기 위해 그 중심부에 위치하도록 된 팬 모터와, 상기 팬 모터 및 터미널 베이스가 고정되도록 하는 베이스 프레임과, 상기 베이스 프레임의 팬 모터 설치부 상단 중심을 제외한 대부분을 차단시켜 냉각유체가 효율적으로 유입 및 배출될 수 있도록 하는 팬 커버로 이루어지는 전자칩 냉각장치에 있어서,

   상기 히트파이프의 설치라인 하측에 형성된 팬 커버를 히트파이프에 솔더링 시켜 일체화시킴으로서, 히트파이프의 열을 전도 받아서 대기 중에 방열하는 방열판으로서 사용되도록 한 것을 특징으로 하는 전자칩 냉각장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 팬 커버의 재질을 동 계열을 사용하는 것을 특징으로 하는 전자칩 냉각장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 팬 커버 상에 다수의 냉각핀을 형성시켜 방열 면적을 증가시키도록 하는 것을 특징으로 하는 전자칩 냉각장치.