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KR100912538B1 - 평판형 마이크로 열이송 장치 - Google Patents

평판형 마이크로 열이송 장치 Download PDF

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KR100912538B1
KR100912538B1 KR1020070125098A KR20070125098A KR100912538B1 KR 100912538 B1 KR100912538 B1 KR 100912538B1 KR 1020070125098 A KR1020070125098 A KR 1020070125098A KR 20070125098 A KR20070125098 A KR 20070125098A KR 100912538 B1 KR100912538 B1 KR 100912538B1
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KR
South Korea
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flow passage
heat transfer
liquid
steam
flat plate
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문석환
황건
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 기체-액체 2상 유동 메커니즘에 의해 구동하는 얇은 두께의 평판형 마이크로 열이송 장치에 관한 것으로서, 주입구를 통해 충전되는 작동유체를 저장하도록 형성된 레저부아(reservoir)와, 상기 작동유체를 기화시켜 잠열을 갖는 증기를 발생하도록 상기 레저부아와 이격되어 형성된 증발부와, 상기 증발부에 연결되어 상기 잠열을 갖는 증기가 이송되도록 형성된 증기유동통로와, 상기 증기유동통로와 연결되어 상기 잠열을 갖는 증기를 액체로 응축하도록 형성된 응축부와, 상기 응축부 및 상기 증발부와 연결되고, 상기 응축된 액체가 이송되도록 상기 증기유동통로와 별도의 통로로 형성된 액체유동통로를 포함하는 플레이트를 두 개 구비해 서로 마주보도록 결합하여 형성됨으로써, 발열 소스(heat source)의 발생 열을 효과적으로 이송시킬 수 있어 전자 휴대 기기에 대해 효율적인 열관리가 가능한 효과가 있다.
열이송, 엔벨로우프(envelope), 평판형

Description

평판형 마이크로 열이송 장치{The flat plate type micro heat transport device}
본 발명은 평판형 마이크로 열이송 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기체-액체 2상 유동 메커니즘에 의해 구동하는 얇은 두께의 평판형 마이크로 열이송 장치에 관한 것이다.
근래 들어 노트북 및 서브 노트북 등 휴대가 간편한 각종 전자, 통신 장비 및 기기들의 고집적화 및 초소형화가 가속화되고 있다. 특히 개인용 모바일 전자, 통신 기기들의 소형화 및 초박형화는 더욱 그러하다.
이러한 거의 모든 전자, 통신 장비 및 기기들은 내부에 열 소산을 위한 공간을 마련해 둠으로써 충분히 열 관리를 유지하고 있다. 그러나, 근래의 급격한 전자, 통신 장비 및 기기들의 구조 변화로 인해 이러한 기기들에 적용될 수 있는 열 관리 방식들은 크기에 있어 많은 제약을 받고 있으며, 열 관리에 필요한 공간 확보가 더 이상 여의치 않게 되었다.
그동안 주로 적용되어 온 방식으로써는 열전도도(Thermal conductivity)가 우수한 재료를 기기의 패키징 구조에 맞게 설계해 솔리드(solide)에 의한 단순 열전도가 이루어지도록 한 것이 있으며, 그 밖에 팬+히트파이프 및 액체 순환식 등을 대표적으로 꼽을 수 있다.
이 중 팬+히트파이프 방식은 현재 휴대용 노트북 기기에서는 거의 대부분이 채택하고 있는 열 관리 기술로써, 기기의 측면 샤시부에 통기공(vent hole)을 두며, 히트파이프를 통해 열원으로부터 이송되어 온 열이 이 통기공(vent hole)을 통해 주위로 소산되게 된다.
그리고 액체 순환 방식의 리퀴드 쿨링(liquid cooling)은 가장 전통적인 방식으로써 아직까지 휴대용 전자, 통신기기에 적용되지는 못하고 있으나, 다른 냉각 방식들에 비해 열 이송 능력이 매우 크다.
위와 같은 열 관리 기술들이 현재 소형의 휴대용 전자, 통신기기들에 적용될 수 있는 보다 효과적인 기술들로 평가되고 있으나, 전자 패키징의 구조가 점차 소형화 및 고 집적화됨에 따라 이러한 열 관리 기술로는 한계에 봉착하고 있으며, 앞으로 더 많은 제약이 뒤따를 것으로 보인다.
왜냐하면, 패키징 구조 내 볼륨(volume) 크기, 특히 박형 구조인 경우, 얇은 두께를 가지면서 상대적으로 먼 거리를 열 이송할 수 있는 열 관리 기술을 찾기란 쉬운 일이 아니기 때문이다. 대표적인 예로써 소형 히트파이프의 경우, 패키징 구조의 제약에 따라 두께를 2mm 이하로 압착하게 되면 전열 성능이 크게 감소하고, 50mm이상의 거리를 열 이송 하기란 쉽지 않게 된다. 그 외의 다른 열관리 기술들도 열전도도 또는 크기 면에서 불리한 점들을 내포하고 있어 적용이 또한 어렵다.
이와 더불어 좁은 공간에 적용가능한 열 관리 기술은 점점 더 한계에 봉착하고 있다. 대표적으로 지금까지 주로 사용되어 왔던 heat sink, metal block 및 fan의 체적을 줄여야 하나, 단순히 넓은 전열면적의 확보를 통해 열 소산 효율을 향상시켜왔던 점을 감안할 때 열 설계에서의 문제점을 드러내게 되었다. 그러므로, 좁고 얇은 한정된 공간내에서의 발열을 효과적으로 소산시키기 위한 열 관리 기술이 필요하다.
따라서 상술한 문제점들을 해결하기 위해서, 본 발명은 발열 소스(heat source)의 발생 열을 효과적으로 이송시킬 수 있는 기체-액체 2상 유동 메커니즘에 의해 구동하는 얇은 두께의 평판형 마이크로 열이송 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 바람직한 일실시 형태에 따른 평판형 마이크로 열이송 장치는, 주입구를 통해 충전되는 작동유체를 저장하도록 형성된 레저부아(reservoir)와, 상기 작동유체를 기화시켜 잠열을 갖는 증기를 발생하도록 상기 레저부아와 이격되어 형성된 증발부와, 상기 증발부에 연결되어 상기 잠열을 갖는 증기가 이송되도록 형성된 증기유동통로와, 상기 증기유동통로와 연결되어 상기 잠열을 갖는 증기를 액체로 응축하도록 형성된 응축부와, 상기 응축부 및 상기 증발부와 연결되고, 상기 응축된 액체가 이송되도록 상기 증기유동통로와 별도의 통로로 형성된 액체유동통로를 포함하는 플레이트를 두 개 구비하여 서로 마주보도록 결합하여 형성된다.
상기 장치는 밀폐된 구조의 엔벨로우프(envelope) 형태이다.
상기 두 개의 플레이트는 서로 동일한 구조 및 크기를 가진다.
상기 작동유체는 액체 및 증기의 2상 유동 상태를 가지며, 상기 2상 유동 상태에 따라 별도로 형성된 상기 증기유동통로 및 상기 액체유동통로를 이용하여 상기 레저부아, 상기 증발부 및 상기 응축부를 통해 순환된다.
상기 장치는 상기 작동유체를 상기 레저부아로 주입하기 위해 상기 플레이트의 측면에 홀(hole) 형태로 형성되는 주입구를 더 포함한다.
상기 증기유동통로는 상기 액체유동통로에 비해 넓은 단면적을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 증기유동통로는 응축된 액체의 분산을 위해 성긴 구조의 그루브(groove)가 형성된다.
상기 액체유동통로는 상기 증기유동통로를 중심으로 양측에 각각 1개의 라인(line) 형태로 형성된다.
상기 증발부는 그루브(groove) 형태를 가지는 2단 모세관 구조로 형성된다.
상기 그루브는 상기 액체유동통로와 만나는 지점에서 단면이 좁아지는 구조로 형성된다.
상기 증발부는 소결 윅(wick), 섬유 윅(wick), 스크린 메시윅(screen mesh wick), 극세사 윅(fine fiber wick) 및 철사마대 윅(woven wire wick) 중 어느 하나를 더 삽입하여 형성된다.
상기 응축부는 라인(line) 형태의 사형구조로 형성된다.
본 발명에 의하면, 얇은 두께의 평판형 구조 및 증기와 액체의 유동 통로가 별도로 형성함으로써 기체-액체 계면에서의 마찰에 의한 유동 압력강하를 없앨 수 있어 고-열유속(high-heat flux)과 상대적 장거리 열이송에 유리함에 따라 전자 휴대 기기에 대해 효율적인 열관리가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 평판형 마이크로 열이송 장치의 두께가 2mm이하로 매우 얇으므로 소형 전자 휴대 기기에 적합하며, 특히 기기 내 전자 패키지 구조가 매우 협소한 경우에 매우 효과적이다.
또한, 본 발명에 의하면, 같은 구조 및 크기를 갖는 두 개의 플레이트(plate)를 결합한 구조에 의해 한 개의 플레이트만 가공하면 되므로 생산성 향상 및 제조원가 절감에 매우 효과적이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시 형태에 따른 평판형 마이크로 열이송 장치의 전체 구조를 나타내기 위해 상하부 플레이트를 분리한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 평판형 마이크로 열이송 장치는 동일한 구조 및 크기를 가지는 두 개의 플레이트(plate)(100, 200)를 각각 상하부 플레이트로 하여 결합한 형태로 밀폐된 구조의 엔벨로우프(envelope)를 구성한다. 이와 같이 구성된 평판형 마이크로 열이송 장치의 두께는 2mm이하로 매우 얇은 것이다.
상기 밀폐된 구조의 엔벨로우프(envelope)로 구성된 평판형 마이크로 열이송 장치에 작동유체가 주입되면, 상변화 열전달에 의해 외부와 열교환을 하게 된다.
즉, 본 발명은 내부에 액체-증기의 2상 유동 메커니즘을 발생시키는 구조의 두 개의 플레이트(plate)를 단순 접합하여 밀폐 공간을 제작할 수 있다. 또한, 액체-증기 2상 유동 메커니즘을 발생시키는 모세관구조를 가지는 증발부, 증기 및 액체 유동통로, 응축부 및 레저부아(reservoir)의 구성부가 모두 한 개의 플레이트(plate)에 위치하도록 설계되어 있어, 구조가 단순하므로 생산 원가 측면에서 경쟁력을 가질 수 있다.
도 1과 같은 본 발명의 평판형 마이크로 열이송 장치를 구성하는 각 플레이트의 상세 구조에 대해 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 두 개의 플레이트가 결합된 밀폐된 구조의 엔벨로우프(envelope)를 구성하는 플레이트(plate)의 내부 구조를 나타낸 것이다. 여기서, 본 발명의 평판형 마이크로 열이송 장치를 구성하는 두 개의 플레이트(plate)(100, 200)는 각각 동일한 구조 및 크기를 가지므로 본 발명에서는 하나의 플레이트(plate)(100)의 구조에 대해서만 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 평판형 마이크로 열이송 장치의 플레이트(plate)(100)는 작동유체가 유입되도록 엔벨로우프(envelope)의 측면에 홀(hole) 형태로 형성된 주입구(110), 주입구(110)를 통해 유입된 작동유체가 저장되는 레저부아(reservoir)(120), 작동유체를 잠열을 가지는 증기로 변화시키는 모세관 구조 를 가지는 2단 구조로 형성된 증발부(130), 잠열을 가지는 증기가 이송될 수 있도록 라인(line)으로 형성된 증기유동통로(140), 증기유동통로(140)를 통해 이송된 증기를 빠르게 응축하기 위해 라인(line) 형태의 사형 구조(serpentine configuration)로 형성된 응축부(150), 응축부(150)에서 응축된 액체가 다시 증발부(130)로 이송되도록 라인(line)으로 형성된 액체유동통로(160)로 구성된다.
한편, 본 발명의 평판형 마이크로 열이송 장치는 두 개의 플레이트가 결합해 하나의 엔벨로우프(envelope)를 구성하지만, 각 플레이트는 증발부, 응축부, 증기 및 액체 유동통로, 그리고 레저부아(reservoir)를 모두 갖추어 상변화 작동 메커니즘에 의한 작동유체의 순환이 독자적으로 이루어질 수 있다. 이처럼 두 개의 플레이트가 동일한 구조 및 크기를 기지므로 제조원가를 절감할 수 있다.
그리고, 본 발명의 평판형 마이크로 열이송 장치는 두께 및 길이가 전자 기기의 발열밀도에 따라 융통성있게 조절이 가능하며, 증발부 및 응축부의 위치 그리고 액체 및 증기 유동통로의 경로 또한 자유롭게 설계 변경이 가능해 그 응용성은 대단히 크다. 즉 휴대 전자, 통신 기기의 여러 내부 패키징 구조에 따라 다양한 변화된 형상의 탑재가 가능하다.
이어서, 도 2에 도시된 플레이트(100)의 세부 구성을 도 3의 (a) 내지 (d)를 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 평판형 마이크로 열이송 장치의 플레이트(100)의 세부 구성을 나타낸 상세도이며, (a)는 도 2의 A를 확대한 것으로, 증발부(130)의 2단 모 세관 구조를, (b)는 도 2에 나타낸 플레이트(100)를 I-I'로 절단한 단면을, (c)는 도 2의 C를 확대한 것으로, 응축부(150)의 라인(Line) 형태의 사형구조를, (d)는 도 2의 B를 확대한 것으로, 증기유동통로(140)의 성긴 그루브 구조를 나타낸다.
도 3(a)를 참조하면, 증발부(130)는 레저부아(120)와 일정 간격으로 떨어져 레저부아(120) 및 액체유동통로(160)에서 이송되는 작동유체를 증기로 변화시키는 곳으로, 그루브(groove)(131)를 가지는 2단 모세관 구조로 구성된다. 상기 그루브(131)들에 의해 모세관력의 부담을 줄여줄 수 있어 전열성능이 향상된다.
그리고 증발부(130) 내 형성되어 있는 그루브(groove)(131)는 액체유동통로(160)와 만나는 양 측면에서 갑자기 단면적이 좁아지는 구조로도 설계될 수 있다. 이와 같이 설계됨으로써 증발부(130) 내 그루브(131)에서 발생하는 증기 기포의 역류를 방지할 수 있게 된다. 따라서 역류방지를 위한 별도의 구조물 제작이 불필요하다.
그리고 상기 증발부(130)에는 소결 윅(wick), 섬유 윅(wick), 스크린 메시윅(screen mesh wick), 극세사 윅(fine fiber wick) 및 철사마대 윅(woven wire wick) 등의 별도 윅(wick)이 더 삽입될 수 있다.
그리고 도 3(b)는 평판형 마이크로 열이송 장치의 플레이트(100)를 I-I'로 절단한 단면도이다. 도 3(b)를 참조하면, 도 3(a)와 같은 구조를 가지는 플레이트 두 개를 상하부 플레이트로 결합하면, 2단 모세관 구조를 가지는 증발부(130)에 의해 그 가운데 증기공간이 넓게 확보된다.
즉, 각 플레이트의 증발부(130)를 모세관 구조의 2단 구조로 형성함으로써 모세관력을 발생시키는 그루브(groove)(131) 영역 외에 증기 공간을 별도로 확보할 수 있으며, 같은 구조의 두 개 플레이트(plate)가 서로 마주보도록 결합하여 엔벨로우프(envelope)를 형성함으로써 각 플레이트가 갖는 증발부(130)의 증기 공간으로 인해 전체 증기 공간은 2배가 되게 된다.
계속해서, 도 3(c)를 참조하면, 응축부(150)는 라인(line) 형태의 사형 구조를 가짐으로써 접촉 면적을 극대화하여 증발부(130)에서 이송되는 잠열을 가지는 증기의 열을 빠르게 주위로 소산하고 응축한다.
도 3(d)를 참조하면, 증기유동통로(120)는 증발부(130)에서 기화되어 잠열을 가지는 증기를 응축부(150)로 이송하기 위해 증발부(130)와 응축부(150)와 연결되는 하나의 라인(line) 형태로 평판형 마이크로 열이송 장치의 중앙부에 형성된다.
그리고, 본 발명의 평판형 마이크로 열이송 장치의 얇은 두께로 인해 증발부(130)에서 발생한 증기가 응축부(150)에 도달되기 전에 증기유동통로(140)에서 응축되는 문제점이 야기될 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 본 발명에서는 증기유동통로(140)에 응축 액체의 분산을 위해 성긴 그루브(141)를 형성한다.
또한, 액체유동통로(160)는 증발부(130)를 통과한 작동유체가 응축부(150)를 통해 다시 증발부(130)로 순환되도록 증기유동통로(120)를 중심으로 양쪽에 각각 1개씩, 즉 한 쌍의 라인(line)으로 형성된다.
여기서, 본 발명은 액체 유동 통로(Liquid line)를 한 개 또는 두 개를 둘 수 있으며, 액체유동통로(Liquid line)가 두 개인 경우에는 상대적으로 작을 수 있는 증발부의 모세관력을 어느 정도 보완할 수 있어 전체적으로 순환형 열이송 장치의 전열성능을 향상시킬 수 있게 된다. 즉, 본 발명에서의 액체 유동 통로는 1개로도 구성될 수 있으며 그 개수를 한정하지 않는다.
도 1 내지 도 3과 같이 구성된 평판형 마이크로 열이송 장치의 열 냉각 과정을 설명하면, 우선 평판형 마이크로 열이송 장치의 내부를 진공상태로 만든 뒤 주입구(110)를 통해 작동유체를 내부에 충전한다. 그런 다음, 발열 소스(source)(미도시)로부터 증발부(130)에 전달된 열은 작동유체를 기화시켜 잠열을 갖는 증기 형태로 변하게 하고, 압력차에 의해 상기 잠열을 갖는 증기가 증기유동통로(140)를 통해 응축부(150)로 이송된다.
그러면 응축부(150)에서는 상기 잠열을 갖는 증기의 열을 주위로 소산시키고 액체로 응축하게 된다. 그런 다음, 응축된 액체가 별도의 액체유동통로(160)를 통해 다시 증발부(130)로 이송된다.
그리고, 이와 같이 증발부(130)로 유입된 열은 잠열을 갖는 증기 형태로 응축부(150)에 이송되고, 응축부(150)에서 응축된 후 액체 상태로 다시 증발부(130)로 귀환하는 순환과정을 반복하게 된다.
이때 본 발명의 평판형 마이크로 열이송 장치에서는 증기와 응축된 액체가 같은 통로에서 counter flow 형태로 유동하는 기존의 히트파이프와는 달리, 증기와 응축된 액체가 별도의 유동통로(140, 160)를 각각 이용함으로써 기체-액체 계면에서의 마찰저항에 의한 압력강하 현상이 나타나지 않으므로 기존의 히트파이프보다 본 발명의 평판형 마이크로 열이송 장치가 상대적으로 우수한 열수송 능력을 갖게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시 형태의 평판형 마이크로 열이송 장치를 구성하는 동일한 구조 및 크기를 갖는 두 개 플레이트(plate)의 결합하기 전 모습을 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 평판형 마이크로 열이송 장치를 구성하는 하나의 플레이트의 구성을 나타낸 구성도, 그리고,
도 3은 본 발명의 평판형 마이크로 열이송 장치에 있어서, 플레이트의 세부 구성을 나타낸 상세도이며, (a)는 도 2의 A를 확대한 것으로, 증발부의 2단 모세관 구조를, (b)는 도 2에 나타낸 플레이트를 I-I'로 절단한 단면을, (c)는 도 2의 C를 확대한 것으로, 응축부의 라인(Line) 형태의 사형구조를, (d)는 도 2의 B를 확대한 것으로, 증기유동통로의 성긴 그루브 구조를 나타낸 상세도이다.

Claims (11)

  1. 주입구를 통해 충전되는 작동유체를 저장하도록 형성된 레저부아(reservoir)와, 상기 작동유체를 기화시켜 잠열을 갖는 증기를 발생하도록 상기 레저부아와 이격되어 형성된 증발부와, 상기 증발부에 연결되어 상기 잠열을 갖는 증기가 이송되도록 형성된 증기유동통로와, 상기 증기유동통로와 연결되어 상기 잠열을 갖는 증기를 액체로 응축하도록 형성된 응축부와, 상기 응축부 및 상기 증발부와 연결되고, 상기 응축된 액체가 이송되도록 상기 증기유동통로와 별도의 통로로 형성된 액체유동통로를 포함하는 플레이트를 두 개 구비해 서로 마주보도록 결합하여 형성되며,
    상기 증발부는 그루브(groove) 형태를 가지는 2단 모세관 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 평판형 마이크로 열이송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 밀폐된 구조의 엔벨로우프(envelope) 형태인 것을 특징으로 하는 평판형 마이크로 열이송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체는 액체 및 증기의 2상 유동 상태를 가지며, 상기 2상 유동 상태에 따라 별도로 형성된 상기 증기유동통로 및 상기 액체유동통로를 이용하여 상기 레저부아, 상기 증발부 및 상기 응축부를 통해 순환되는 것을 특징으로 하는 평판형 마이크로 열이송 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체를 상기 레저부아로 주입하기 위해 상기 플레이트의 측면에 홀(hole) 형태로 형성되는 주입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 평판형 마이크로 열이송 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 증기유동통로는 상기 액체유동통로에 비해 넓은 단면적을 갖는 라인(line) 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 평판형 마이크로 열이송 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 증기유동통로는 응축된 액체의 분산을 위해 성긴 구조의 그루브(groove)가 형성되는 것을 특징으로 하는 평판형 마이크로 열이송 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 액체유동통로는 상기 증기유동통로를 중심으로 양측에 각각 1개의 라인(line) 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 평판형 마이크로 열이송 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 그루브는 상기 액체유동통로와 만나는 지점에서 단면이 좁아지는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 평판형 마이크로 열이송 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 증발부는 소결 윅(wick), 섬유 윅(wick), 스크린 메시윅(screen mesh wick), 극세사 윅(fine fiber wick) 및 철사마대 윅(woven wire wick) 중 어느 하나를 더 삽입하여 형성되는 것을 특징으로 하는 평판형 마이크로 열이송 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 응축부는 라인(line) 형태의 사형구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 평판형 마이크로 열이송 장치.
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