KR20200030192A

KR20200030192A - 냉각장치

Info

Publication number: KR20200030192A
Application number: KR1020180108708A
Authority: KR
Inventors: 정욱철; 이주현
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2020-03-20

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치는, 액상 및 기상의 2상 작동유체를 저장하는 작동유체저장실; 발열체의 열을 흡수한 액상의 작동유체가 증발되어 형성된 기상의 작동유체를 공급받는 열흡수실; 작동유체저장실에 저장된 액상의 작동유체가 열흡수실을 향하여 이동되는 채널을 포함하며, 작동유체저장실과 열흡수실의 사이에 배치되는 분리판; 및 열흡수실로부터 공급된 기상의 작동유체가 액상으로 상변화하면서 열이 방출되는 방열부를 포함하며, 분리판의 밑면과 마주보는 열흡수실의 내측 밑면은 서로 마주보며 평행하게 형성되고, 열흡수실의 내측 밑면 상에 기상의 작동유체가 방열부로 공급되기 위해 유출되는 유출구가 형성된 냉각장치를 제공한다.

Description

냉각장치{COOLING DEVICE}

본 발명에 따른 냉각장치는 발열체에 인접하게 배치되어 발열체를 냉각시키는 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 집적회로(IC)와 같은 전자소자는 동작되면서 많은 열을 발생시킨다. 이 때 발생되는 열을 효과적으로 방열하지 않으면, 열에 의하여 집적회로가 오작동 되어 집적회로를 포함하는 전자장치의 오작동을 유발하게 된다.

특히 CPU, GPU, AP, LED 등이 장착되는 전자기기는 고도화 및 고집적화에 따라 면적대비 발생하는 열이 지속적으로 증가되므로 이들의 냉각에 대한 중요성은 더욱더 강조되고 있다.

따라서, 전자기기 내 주요 소자에서 발생하는 열을 넓은 영역으로 빠르게 확산시키기 위한 냉각장치에 대한 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.

대한민국 공개특허공보 10-2008-0102297 (2008.11.24. 공개)

본 발명에 따른 냉각장치는 발열체에 인접하게 배치되어, 작동유체가 액상에서 기상으로 기화되면서 발열체의 열을 흡수하여 방열을 수행함으로써 발열체를 냉각시키고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치는, 액상 및 기상의 2상 작동유체를 저장하는 작동유체저장실; 발열체의 열을 흡수한 액상의 작동유체가 증발되어 형성된 기상의 작동유체를 공급받는 열흡수실; 작동유체저장실에 저장된 액상의 작동유체가 열흡수실을 향하여 이동되는 채널을 포함하며, 작동유체저장실과 열흡수실의 사이에 배치되는 다공질 분리판; 및 열흡수실로부터 공급된 기상의 작동유체가 액상으로 상변화하면서 열이 방출되는 방열부를 포함하며, 다공질 분리판의 밑면과 마주보는 열흡수실의 내측 밑면은 내측 밑면은 서로 마주보며 평행하게 형성되고, 열흡수실의 내측 밑면 상에 기상의 작동유체가 방열부로 공급되기 위해 유출되는 유출구가 형성되는 냉각장치를 제공한다.

본 실시예에 따른 냉각장치는, 유출구에 연결되어, 열흡수실과 방열부를 연통시켜서 열흡수실 내의 기상의 작동유체를 방열부로 공급하는 제1이송관을 포함하며, 제1이송관의 직경은 다공질 분리판과 마주보는 열흡수실의 내측 밑면을 기준으로 측정되는 다공질 분리판 밑면의 높이 이상일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 유출구는 다공질 분리판과 마주보는 열흡수실 내측 밑면의 외곽 부분에 형성될 수 있다.

본 실시예에 따른 냉각장치는, 다공질 분리판과 마주보는 열흡수실의 내측 밑면 상에 돌출된 복수의 가이드를 포함하며, 복수의 가이드는, 복수의 가이드 각각의 사이에 열흡수실 내의 기상의 작동유체가 유출구로 유동되는 유로를 형성할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 복수의 가이드 중 적어도 하나는, 유출구를 향하도록 굴곡 연장될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 복수의 가이드 중 적어도 하나는, 각각의 유로 상호간에 기상의 작동유체가 유동되도록 유로를 연통하는 연통구를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 냉각장치는, 발열체에 인접하게 배치되어, 작동유체를 액상에서 기상으로 상변화시키면서 발열체의 열을 흡수하고, 열을 이송하여 이격 배치된 방열부에서 방열을 수행함으로써 발열체를 냉각시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치를 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 본체부, 제1이송관, 제2이송관 및 발열체의 배치구조의 측단면을 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 본체부의 구성을 보여주는 분리사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 냉각장치를 개략적으로 보여주는 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 본체부를 개략적으로 보여주는 정면도이다.
도 6은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 가이드를 보여주는 평면도이다.

본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명은 전자소자와 같은 발열체(H)를 냉각하기 위한 냉각장치(1)에 관한 것이다. 이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(1)를 보여주는 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 본체부(10), 제1이송관(12), 제2이송관(13) 및 발열체(H)의 배치구조의 측단면을 보여주는 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 본체부(10)의 구성을 보여주는 분리사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 냉각장치(1)를 개략적으로 보여주는 측단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(1)는 본체부(10), 방열부(11), 제1이송관(12) 및 제2이송관(13)을 포함할 수 있다.

본체부(10)는 발열체(H)의 열을 흡수하기 위한 부분일 수 있다. 본체부(10)는 소정 크기의 내부 공간을 갖는 케이스 부재일 수 있다. 본체부(10)는 스테인리스스틸 등의 열전도율이 낮은 소재로 형성될 수 있다. 본체부(10)는 육면체 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 발열체(H)는 본체부(10)의 하방에 배치될 수 있다. 발열체(H)의 상면과 본체부(10)의 외부 밑면은 서로 접하게 배치되는 것이 열저항을 줄일 수 있으므로 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 발열체(H)의 상면과 본체부(10)의 외부 밑면은 소정 거리 이격되어 배치될 수도 있다. 본체부(10)는 작동유체저장실(101), 열흡수실(102), 다공질의 분리판(103), 유출구(104), 가이드(105)를 포함할 수 있다.

작동유체저장실(101)은 본체부(10) 내의 상층에 마련되며, 액상(L) 및 기상(G)의 2상 작동유체를 저장하는 부분일 수 있다. 여기서 작동유체는 발열체(H)의 온도에 따라 결정되며, 주로 상온 작동유체인 메탄올, 에탄올, 아세톤, 증류수 등을 포함할 수 있다.

작동유체저장실(101)의 내부는 열역학적으로 포화상태를 유지할 수 있다. 따라서, 기상(G)의 작동유체와 액상(L)의 작동유체가 공존하여 그 내부에 채워지게 되는데, 구체적으로 작동유체의 주입량은 일반적인 냉각장치(1)의 운전환경에서 작동유체저장실(101) 체적의 50%가 액상(L)의 작동유체로 채워질 수 있다. 작동유체저장실(101) 내에서 액상(L)의 작동유체는 밀도차에 의해 기상(G)의 작동유체보다 아래 부분에 상분리되어 배치될 수 있다.

후술하겠지만, 작동유체저장실(101)은 방열부(11)와 상기 작동유체저장실(101)을 연결하는 제2이송관(13)을 통해 방열부(11)로부터 이송된 액상(L)의 작동유체를 수용하고, 액상(L)의 작동유체가 다공질의 분리판(103)을 통해 열흡수실(102)로 공급되도록 할 수 있다.

열흡수실(102)은 본체부(10) 내의 하층에 마련되며, 본체부(10)의 하방에 배치된 발열체(H)의 열을 흡수한 액상(L)의 작동유체가 증발되어 형성된 기상(G)의 작동유체를 공급받는 부분일 수 있다. 열흡수실(102) 내부에는 기상(G)의 작동유체가 유동될 수 있다. 열흡수실(102)은 평평한 본체부(10)의 하부 윗면과 평판형의 다공질 분리판(103)의 사이에 형성되는 공간일 수 있다. 따라서, 열흡수실의 내측 윗면은 다공질 분리판(103)의 밑면이 되고, 열흡수실(102)의 내측 밑면은 본체부(10)의 하부 윗면이 되어, 열흡수실(102)의 윗면과 밑면은 서로 평행하게 형성될 수 있다. 이로써, 평판형의 발열체(H)와 본체부(10) 밑면의 접촉면적이 넓어지고, 열흡수실(102) 및 다공질 분리판(103)으로 열전달이 효율적으로 이루어질 수 있다.

다공질의 분리판(103)은 작동유체저장실(101)과 열흡수실(102) 사이에 배치되어 작동유체저장실(101)과 열흡수실(102)을 분리하는 것일 수 있다. 다공질의 분리판(103)은 작동유체저장실(101)에 저장된 액상(L)의 작동유체가 열흡수실(102)을 향하여 이동되는 채널(103a)을 포함할 수 있다. 채널(103a)은 다공질의 분리판(103) 상에 복수의 미세공(pore)의 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 다공질의 분리판(103)은 다공질의 금속판, 세라믹판 또는 폴리머판으로 이루어질 수 있다.

이러한 다공질의 분리판(103)은 각각 작동유체저장실(101)과 열흡수실(102)로 노출된 양측면에서 적절한 포화온도차가 발생되도록 유연한 두께 및 낮은 열전도도를 갖는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고, 채널(103a)은 적절한 모세관 압력차를 발생시키기 위해 10㎛ 이하의 크기를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 작동유체저장실(101) 내의 다량의 액상(L) 작동유체는 채널(103a)의 흡착력에 및/또는 중력에 의해 다공질의 분리판(103)에 흡착된 상태에서 모세관 압력에 의해 신속하게 열흡수실(102)로 이동될 수 있다. 또한, 액상(L) 작동유체는 열흡수실(102)로 이동되는 중에 발열체(H)로부터 열을 전달 받아서 기상(G)으로 상변화가 될 수 있다.

이와 같이, 작동유체저장실(101)과 열흡수실(102)을 공간적으로 구분하는 다공질의 분리판(103)은 작동유체저장실(101) 내의 액상(L)의 작동유체를 열흡수실(102)로 공급하는 한편, 열흡수실(102) 내의 기상(G)의 작동유체가 작동유체저장실(101) 이동하는 것을 차단한다. 즉, 다공질의 분리판(103)은 작동유체저장실(101)과 열흡수실(102) 사이에서 작동유체저장실(101)로부터 액상(L)의 작동유체만을 선택적으로 열흡수실(102)로 이동시키는 것이다. 따라서, 증발된 기상(G)의 작동유체는 열흡수실(102)의 유출구(104)를 통해 유출되고, 액상(L)의 작동유체는 다공질의 분리판(103)을 통해 열흡수실(102)로 공급되게 되어 연속적인 작동유체의 순환이 이루어질 수 있도록 한다.

유출구(104)는 다공질의 분리판(103)과 마주보는 열흡수실(102)의 내측 밑면에 형성될 수 있다. 기상(G)의 작동유체가 방열부(11)로 공급되기 위해 열흡수실(102)로부터 유출되는 부분일 수 있다. 유출구(104)는 원형으로 형성되어, 기상(G)의 작동유체의 유동이 원활하게 이루어질 수 있다.

유출구(104)는 열흡수실(102) 내측 밑면의 외곽부분에 형성될 수 있다. 본체부(10) 밑면의 중앙부분에는 발열체(H)가 배치되기 때문에, 유출구(104)는 그와 연결되는 제1이송관(12)이 본체부(10)의 밑면 상에 발열체(H)가 배치되지 않는 부분에 배치되도록 하기 위하여, 열흡수실(102) 내측 밑면의 외곽부분에 형성되는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 본체부(10)를 개략적으로 보여주는 정면도이다.

도 5를 참조하면, 가이드(105)는 열흡수실(102) 내부의 기상(G)의 작동유체가 유출구(104)를 향하여 유동되도록 가이드(105)하는 부분일 수 있다. 가이드(105)는 복수 개가 구비될 수 있다. 복수 개의 가이드(105)는 열흡수실(102)의 내측 밑면 상에 돌출될 수 있다. 복수 개의 가이드(105)는 서로 소정 간격으로 이격되어 배치됨으로써, 각각의 가이드(105) 사이에는 기상(G)의 작동유체가 유출구(104)로 유동되는 유로가 형성될 수 있다. 가이드(105)는 다공질의 분리판(103)의 밑면과 접하게 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 6은 본 발명의 변형된 실시예에 따른 가이드(105')를 보여주는 평면도이다.

도 6을 참조하면, 복수의 가이드(105') 중 적어도 하나는 유출구(104)를 향하도록 굴곡 연장될 수 있다.

예를 들어 유출구(104)가 열흡수실(102) 내측 밑면의 우측 중앙부분에 형성된다면, 중앙부분에서 멀게 배치된 가이드(105')는 유출구(104)를 향하여 열흡수실(102) 내측 밑면의 우측 중앙부분을 향하여 굴곡 연장될 수 있다. 이로써, 열흡수실(102) 내에서 유출구(104)로 기상(G)의 작동유체가 가이드(105')를 따라 원활하게 유출될 수 있다. 중앙 부분에 배치된 가이드(105')보다 외측에 배치된 가이드(105')가 굴곡된 정도가 더 클 수 있다.

복수의 가이드(105') 중 적어도 하나는, 각각의 유로 상호간에 기상(G)의 작동유체가 유동되도록 각각의 유로를 연통하는 연통구(105a)를 포함할 수 있다. 각각의 가이드(105')에 형성된 연통구(105a)는 서로 지그재그로 배치될 수 있다. 이로써, 유로 내의 기상(G)의 작동유체들이 각각의 유로 상호간에도 유동되면서 난류를 형성할 수 있다. 난류가 형성됨으로써, 열전달이 활발해져서 액상(L)의 작동유체를 기상(G)의 작동유체로 기화를 촉진시키므로, 결과적으로 냉각장치(1)가 발열체(H)를 냉각하는 효율이 상승할 수 있다.

방열부(11)는 열흡수실(102)로부터 공급된 기상(G)의 작동유체가 액상(L)으로 상변화하면서 열이 방출되는 부분일 수 있다. 일 예로, 방열부(11)는 기상(G)의 작동유체가 액상(L)의 작동유체로 상변화되는 응축관(미도시)일 수 있다. 응축관은 복수 회 굴곡되어 지그재그 형상의 구조를 가질 수 있다.

제1이송관(12)은 유출구(104)에 연결되어, 열흡수실(102)과 방열부(11)를 연통시켜서 열흡수실(102) 내의 기상(G)의 작동유체를 방열부(11)로 공급하는 부분일 수 있다. 제1이송관(12)은 작동유체의 원활한 이송을 위해 유동저항이 작은 매끄러운 재질의 관일 수 있다. 제1이송관(12)은 유연한 벨로우즈 튜브(bellows tube)를 사용하여, 상기 열흡수실(102)과 방열부(11)의 상대위치 변경에 따른 변형이 용이할 수 있도록 함으로써 안정적인 연결구조를 이루는 것이 바람직하다.

제1이송관(12)의 직경(D1)은 열흡수실(102)의 내측 밑면을 기준으로 측정되는 다공질의 분리판(103) 밑면의 높이(D2) 이상일 수 있다. 제1이송관(12)의 직경(D1)이 클수록 작동유체 유동에 소요되는 압력 손실량이 줄어들게 되며, 이에 따라 냉각장치(1)가 구동하기 위한 상층의 기상(G) 작동유체와 하층의 기상(G) 작동유체 간의 최소 압력차가 줄어들게 되어 더 낮은 운전온도에서 열전달을 수행할 수 있다.

다공질의 분리판(103) 밑면의 높이(D2) 이상의 직경(D1)을 가지는 제1이송관(12)을 본체부(10)의 측면에 연결한다면, 제1이송관(12)의 내부의 기상(G)의 작동유체에서 다공질의 분리판(103)으로 열이 전달될 수 있다. 이로써, 다공질의 분리판(103)의 온도가 높아질 수 있다. 다공질의 분리판(103)의 온도가 높아지면, 액상(L)의 작동유체의 온도가 상승하여 기상(G)의 작동유체와의 온도차가 감소할 수 있다. 온도차가 감소하면, 기상(G)의 작동유체의 유동력이 약화될 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 기상(G) 작동유체의 유출구(104)를 열흡수실(102) 내측 밑면에 형성하는 것이 바람직한 것이다.

제2이송관(13)은 방열부(11)에서 열을 방출하여 형성된 액상(L)의 작동유체가 유동되는 부분일 수 있다. 제2이송관(13)의 일단부는 작동유체저장실(101)에 연결되고 타단부는 방열부(11)에 연결될 수 있다. 제2이송관(13)의 일단부는 작동유체저장실(101) 내에 액상(L)의 작동유체가 저장된 부분에 직접 침투 연결되어 유입구(131)을 형성하며, 이를 통해 액상(L)의 작동유체를 작동유체저장실(101) 내의 액상(L)의 작동유체가 저장된 부분으로 공급할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각장치(1)의 작동 원리를 설명하기로 한다.

먼저, 발열체(H)가 발열하면 그의 상부에 위치하는 본체부(10)의 내부에 배치된 다공질 분리판(103)의 밑면에서 액상(L)의 작동유체들이 열을 흡수하여 열흡수실(102)로 증발하면서 유입될 수 있다. 열흡수실(102) 내에 존재하던 기상(G)의 작동유체는 유입되는 작동유체에 의해 유출구(104)로 유출될 수 있다. 유출된 기상(G)의 작동유체는 제1이송관(12)을 통해 방열부(11)로 이송되며, 여기에서 방열이 수행되어 액상(L)으로 액화될 수 있다. 액상(L)의 작동유체는 제2이송관(13)을 통해 작동유체저장실(101)로 유입될 수 있다. 이러한 싸이클(cycle)이 반복되면서 발열체(H)가 냉각될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 냉각장치 10: 본체부
11: 방열부 12: 제1이송관
13: 제2이송관
101: 작동유체저장실 102: 열흡수실
103: 분리판 103a: 채널
104: 유출구 105: 가이드
105a: 연통구 131: 유입구

Claims

액상 및 기상의 2상 작동유체를 저장하는 작동유체저장실;
발열체의 열을 흡수한 상기 액상의 작동유체가 증발되어 형성된 기상의 작동유체를 공급받는 열흡수실;
상기 작동유체저장실에 저장된 액상의 작동유체가 열흡수실을 향하여 이동되는 복수의 채널을 포함하며, 상기 작동유체저장실과 상기 열흡수실의 사이에 배치되는 다공질 분리판; 및
상기 열흡수실로부터 공급된 기상의 작동유체가 액상으로 상변화하면서 열이 방출되는 방열부를 포함하며,
상기 분리판의 밑면과 열흡수실의 내측 밑면은 서로 마주보며 평행하게 형성되고, 상기 열흡수실의 내측 밑면 상에 상기 기상의 작동유체가 상기 방열부로 공급되기 위해 유출되는 유출구가 형성되는 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 유출구에 연결되어, 상기 열흡수실과 상기 방열부를 연통시켜서 상기 열흡수실 내의 기상의 작동유체를 상기 방열부로 공급하는 제1이송관을 포함하며,
상기 제1이송관의 직경은 상기 분리판과 마주보는 상기 열흡수실의 내측 밑면을 기준으로 측정되는 상기 분리판 밑면의 높이 이상인 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 유출구는 상기 분리판과 마주보는 상기 열흡수실의 내측 밑면의 외곽 부분에 형성되는 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 분리판의 밑면과 마주보는 상기 열흡수실의 내측 밑면 상에 돌출된 복수의 가이드를 포함하며,
상기 복수의 가이드는,
상기 복수의 가이드 각각의 사이에 상기 열흡수실 내의 기상의 작동유체가 상기 유출구로 유동되는 유로를 형성하는 냉각장치.
제4항에 있어서,
상기 복수의 가이드 중 적어도 하나는,
상기 유출구를 향하도록 굴곡 연장되는 냉각장치.
제4항에 있어서,
상기 복수의 가이드 중 적어도 하나는,
상기 각각의 유로 상호간에 상기 기상의 작동유체가 유동되도록 상기 유로를 연통하는 연통구를 포함하는, 냉각장치.