KR100414860B1 - Cooling device of thin plate type - Google Patents
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Abstract
중력의 영향을 받지 않고 자연순환하며, 냉매 유동의 안정성을 꾀하고, 혼입한계가 억제되어 냉각효율이 향상되었으며, 접촉 열저항이 감소된 박판형 냉각장치가 개시된다. 본 발명의 냉각장치는 내부에 유체의 순환루프가 내장되어 있는 박판 형상의 하우징 및 하우징내의 순환루프 내를 순환하는 냉매를 포함한다. 상기 순환루프는, 액상의 냉매를 저장할 수 있는 냉매 저장부; 냉매 저장부의 일단에 연결되는 적어도 하나의 제1 미세채널을 포함하며, 제1 미세채널내에서 액상의 냉매가 제1 미세채널의 내벽과의 표면장력에 의해 냉매 저장부로부터 제1 미세채널의 소정 부위까지 충전되며, 표면장력이 중력보다 크도록 설정되어 있는 증발부; 증발부의 제1 미세채널로부터 길이방향으로 동일 평면상에서 소정 거리만큼 이격되어 있으며, 표면장력이 중력보다 크도록 설정된 응축부; 제1 미세채널과 제2 미세채널 사이에 위치하는 기상 냉매 이동부; 및 응축부에서 응축된 액상의 냉매를 냉매 저장부로 이송시키며, 상기 기상 냉매 이동부와 분리된 액상 냉매 이동부를 포함한다.Disclosed is a thin plate type cooling device which naturally circulates without being influenced by gravity, stabilizes refrigerant flow, suppresses mixing limits, improves cooling efficiency, and reduces contact thermal resistance. The cooling apparatus of the present invention includes a thin-plate housing in which a circulation loop of a fluid is embedded and a refrigerant circulating in the circulation loop in the housing. The circulation loop includes a refrigerant storage unit capable of storing a liquid refrigerant; At least one first microchannel connected to one end of the refrigerant storage unit, wherein the liquid refrigerant in the first microchannel is predetermined by the surface tension with the inner wall of the first microchannel from the refrigerant storage unit of the first microchannel An evaporation part filled up to a part and set to have a surface tension greater than gravity; A condenser that is spaced apart from the first microchannel in the longitudinal direction by a predetermined distance in the same plane and has a surface tension greater than gravity; A gas phase refrigerant moving unit positioned between the first microchannel and the second microchannel; And a liquid refrigerant moving part which is transferred from the liquid phase refrigerant condensed in the condensation part to the refrigerant storage part and separated from the gas phase refrigerant moving part.
Description
본 발명은 박판형 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고밀도 집적회로에서 발생하는 열을 제거하기 위해 작동유체의 상변화를 이용한 박판형 냉각장치에 관한 것이다.The present invention relates to a thin plate cooling device, and more particularly, to a thin plate cooling device using a phase change of the working fluid to remove heat generated in a high density integrated circuit.
반도체소자의 고집적화 추세에 따라 디자인룰(design rule)이 감소하고, 그에 따라 반도체소자를 구성하는 전자 회로의 선폭(line width)이 작아짐에 따라 단위 면적당의 트랜지스터 수가 증가하여 전자 장비의 소형화, 고성능화를 달성하였으나, 그에 수반하여 반도체 칩의 단위 면적당 열발산율이 더욱 증가하게 되었다. 이러한 열발산율의 증가는 반도체소자의 성능을 저하시키고, 수명을 단축시키며 궁국적으로 당해 반도체소자를 채용한 시스템의 신뢰도를 저하시키게 된다. 특히, 반도체소자에 있어서는 그 동작온도에 따라 각종 파라미터값 들이 예민하게 변화되어 집적회로의 특성을 더욱 열화시키게 된다.As the trend toward higher integration of semiconductor devices reduces design rules, and as line widths of electronic circuits forming semiconductor devices decrease, the number of transistors per unit area increases, resulting in miniaturization and high performance of electronic equipment. However, with this, the heat dissipation rate per unit area of the semiconductor chip is further increased. This increase in heat dissipation rate degrades the performance of the semiconductor device, shortens its lifespan and ultimately lowers the reliability of the system employing the semiconductor device. In particular, in the semiconductor device, various parameter values are sensitively changed according to the operating temperature, thereby deteriorating the characteristics of the integrated circuit.
이러한 열발산율의 증가에 따라 냉각기술도 발전하여 왔으며, 종래의 냉각기술로서, 핀팬(fin fan) 냉각방식, 열전소자(peltier)냉각방식,액체분사(water-jet) 냉각방식, 잠수(immersion) 냉각방식, 히트파이프(heat pipe) 냉각방식등이 있다.As the heat dissipation rate is increased, cooling technology has also been developed. As a conventional cooling technology, a fin fan cooling method, a peltier cooling method, a liquid-jet cooling method, and an immersion are used. ) Cooling method, heat pipe cooling method, etc.
상기 핀팬 냉각방식은 핀 및 팬을 이용하여 강제 냉각시키는 방법으로써 수십 년 동안 많이 이용되어 왔으나, 소음, 진동 및 큰 체적에 비하여 냉각효율이 낮다는 문제점이 있으며, 나아가 팬을 위한 별도의 전원이 필요하며 팬 자체로부터열이 발생된다는 문제점으로 인하여 최근에는 기피하는 추세이다. 펠티어효과를 이용한 상기 열전소자 냉각방식은 소음, 진동은 없으나 큰 구동전원이 요구되어 에너지보존법칙에 의해 고열측(hot juction)에서 필요 이상의 과다한 열소산장치가 요구된다는 문제점이 있다. 또한, 상기 액체분사 냉각방식은 그 효율성이 우수하여 냉각기 연구의 주류를 이루고 있으나, 그 구조가 복잡하고 분사를 위한 펌프 구동전원이 요구된다는 문제점이 있다. 한편, 상기 잠수 냉각방식의 경우 별도의 구동전원이 필요치 않는 자연순환방식의 서모사이펀(thermosyphon)이 있으나, 중력의 영향을 많이 받으므로 개인 휴대 전자장비에 적용할 경우 강건 설계(robust design)가 곤란하다는 문제가 있다.The fin fan cooling method has been widely used for decades as a method of forced cooling using a fin and a fan, but has a problem of low cooling efficiency compared to noise, vibration, and a large volume, and requires a separate power source for the fan. In recent years, due to the problem that the heat generated from the fan itself has been avoided. The thermoelectric element cooling method using the Peltier effect has no noise and vibration, but requires a large driving power source, which requires a large amount of heat dissipation device that is more than necessary on the hot juction by the energy conservation law. In addition, the liquid injection cooling method is the efficiency of the mainstream of the cooler research, but the structure is complicated and there is a problem that requires a pump drive power for injection. On the other hand, in the case of the submersible cooling method, there is a natural circulation thermosiphon (thermosyphon) that does not require a separate driving power, but it is difficult to be robust when applied to personal portable electronic equipment because it is heavily influenced by gravity. There is a problem.
상기와 같은 문제점들로 인하여 현재까지 히트파이프 냉각방식이 구조가 간단하고 제작이 용이하다는 장점으로 인하여 소형 냉각장치로서 다양한 형상으로 널리 적용되고 있다.Due to the above problems, the heat pipe cooling method has been widely applied in various shapes as a compact cooling device due to the advantages that the structure is simple and easy to manufacture.
그러나, 상기와 같은 종래의 히트파이프 구조에서는, 기체와 액체의 유동 방향이 서로 상반되기 때문에 그 경계면에서 강한 액체 표면파와 전단응력이 발생하여 냉매의 원활한 흐름을 저해한다는 문제점이 있으며, 나아가 이로 인해 외부 열원과 접하는 증발부에서는 액상의 냉매가 증기측으로 유입되는 혼입한계 (entrainment limit)로 갑자기 드라이아웃(dry out)이 발생하는 문제점을 여전히 안고 있다. 또한, 내부 파이프 내부에서 기화된 냉매는 부력과 압력차에 의존하여 이동하게 되며, 외부 파이프 내부에서는 액화된 냉매가 중력에 의존하기 때문에 설치할 수 있는 위치에 많은 제한이 따른다는 문제점이 있다.However, in the conventional heat pipe structure as described above, since the flow directions of gas and liquid are opposite to each other, there is a problem that strong liquid surface waves and shear stresses are generated at the interface to inhibit the smooth flow of the refrigerant. The evaporator in contact with the heat source still suffers from a sudden dry out due to an entrainment limit in which the liquid refrigerant flows into the vapor side. In addition, the vaporized refrigerant inside the inner pipe is moved depending on the buoyancy and pressure difference, and there is a problem that there are a lot of limitations to the location that can be installed because the liquefied refrigerant is dependent on gravity in the outer pipe.
본 발명의 목적은 상기 종래기술의 문제점들을 개선하기 위한 것으로서, 외부전원의 공급없이 중력의 영향을 거의 받지 않고 자연순환하는 소형의 박판형 냉각장치를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to improve the problems of the prior art, and to provide a compact thin plate cooling device that naturally circulates without being affected by gravity without supplying external power.
본 발명의 다른 목적은, 액상의 냉매 이동부와 기상의 냉매 이동부를 분리시킴으로써 냉매 유동의 안정성을 꾀하고, 혼입한계를 억제시킴으로써 냉매의 질량유량을 증가시켜 냉각효율을 향상시킨 박판형 냉각장치를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a thin plate type cooling device which improves the cooling efficiency by increasing the mass flow rate of the refrigerant by reducing the mixing limit to reduce the mixing limit by separating the liquid refrigerant moving part from the liquid phase moving part. There is.
본 발명의 또다른 목적은, 하우징을 박판 형태로 구성하고 별도의 열전도체없이도 평탄한 열원 상부에 밀착성과 고정성을 향상시킴으로써 접촉 열저항을 줄여 냉각효율을 향상시킨 박판형 냉각장치를 제공하는 데 있다.It is still another object of the present invention to provide a thin plate type cooling device that improves cooling efficiency by reducing contact thermal resistance by forming a housing in a thin plate shape and improving adhesion and fixing property on a flat heat source without a separate heat conductor.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 XY 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a cross section in the XY plane of a thin plate cooling apparatus according to a first embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 AA'선을 자른 본 발명의 제1 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 XZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a cross section in the XZ plane of the thin plate cooling apparatus according to the first embodiment of the present invention, taken along line AA ′ of FIG. 1.
도 3은 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제1 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.3 is a cross-sectional view schematically illustrating a cross section in the YZ plane of the thin plate cooling apparatus according to the first embodiment of the present invention, taken along line BB ′ of FIG. 1.
도 4는 도 1의 CC'선을 자른 본 발명의 제1 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view schematically illustrating a cross section in the YZ plane of the thin plate cooling apparatus according to the first embodiment of the present invention, taken along line CC ′ of FIG. 1.
도 5는 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제2 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a thin plate cooling apparatus according to a second exemplary embodiment of the present invention, taken along line BB ′ of FIG.
도 6은 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제3 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a thin plate cooling apparatus according to a third exemplary embodiment of the present invention, taken along line BB ′ of FIG. 1 in a YZ plane.
도 7은 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제4 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a thin plate cooling apparatus according to a fourth exemplary embodiment of the present invention, taken along line BB ′ of FIG.
도 8은 도 1의 AA'방향으로 자른 단위 미세채널의 단면을 확대하여 도시한 단면도이다.FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of a unit microchannel cut in the AA ′ direction of FIG. 1.
상기 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 박판형 냉각장치는, 내부에 유체의 순환루프가 내장되어 있는 박판 형상의 하우징 및 상변화를 일으킬 수 있으며, 상기 하우징내의 순환루프 내를 순환하는 냉매를 포함한다.The thin plate cooling apparatus according to the present invention for achieving the objects of the present invention, the plate-shaped housing and the phase change is built in the circulation loop of the fluid therein, the refrigerant circulating in the circulation loop in the housing It includes.
상기 하우징내의 순환루프는, 상기 하우징 내부의 일단에 형성되며, 액상의 냉매를 저장할 수 있는 냉매 저장부; 상기 냉매 저장부의 일단에 연결되는 적어도 하나의 제1 미세채널을 포함하며, 상기 제1 미세채널내에서 상기 액상의 냉매가 상기 제1 미세채널의 내벽과의 표면장력에 의해 상기 냉매 저장부로부터 상기 제1 미세채널의 소정 부위까지 부분적으로 충전되며, 상기 제1 미세채널내에서의 표면장력이 중력보다 크도록 설정되어 있으며, 열원으로부터 흡수된 열에 의해 상기 제1미세채널에 충전된 상기 액상의 냉매를 기화시킬 수 있는 증발부; 상기 증발부의 제1 미세채널로부터 길이방향으로 동일 평면상에서 소정 거리만큼 이격되어 있으며, 상기 제1 미세채널에서 기화되어 이동된 기상의 냉매를 응축시킬 수 있는 적어도 하나의 제2 미세채널을 포함하며, 상기 제2 미세채널의 내벽과 상기 응축된 냉매와의 표면장력이 중력보다 크도록 설정된 응축부; 상기 증발부의 제1 미세채널과 상기 응축부의 제2 미세채널 사이에 위치하는 기상 냉매 이동부; 및 상기 응축부에서 응축된 액상의 냉매를 상기 냉매 저장부로 이송시키며, 상기 기상 냉매 이동부와 분리된 액상 냉매 이동부를 포함한다.The circulation loop in the housing may include a refrigerant storage unit formed at one end of the housing and configured to store a liquid refrigerant; And at least one first microchannel connected to one end of the refrigerant storage unit, wherein the liquid phase refrigerant flows from the refrigerant storage unit by surface tension with an inner wall of the first microchannel in the first microchannel. The liquid refrigerant partially filled to a predetermined portion of the first microchannel, the surface tension in the first microchannel being greater than gravity, and filled in the first microchannel by heat absorbed from a heat source. Evaporation unit capable of vaporizing; At least one second microchannel spaced apart from the first microchannel in the longitudinal direction by a predetermined distance in the longitudinal direction and capable of condensing the refrigerant in the vaporized and moved gas in the first microchannel, A condenser configured to have a surface tension between the inner wall of the second microchannel and the condensed refrigerant greater than gravity; A gas phase refrigerant moving unit positioned between the first microchannel of the evaporator and the second microchannel of the condenser; And a liquid refrigerant moving part which transfers the liquid refrigerant condensed in the condensation part to the refrigerant storage part and is separated from the gas phase refrigerant moving part.
바람직하게는, 상기 기상 냉매 이동부와 상기 액상 냉매 이동부는 단열부에 의해 서로 분리되며, 상기 단열부는 상기 하우징내에 밀봉되어 있는 형태로 구성하거나 또는 상기 하우징의 상하를 관통하도록 개방되어 있는 형태로 구성할 수 있다.Preferably, the gaseous phase refrigerant moving part and the liquid phase refrigerant moving part are separated from each other by a heat insulating part, and the heat insulating part is configured to be sealed in the housing or open to penetrate the upper and lower parts of the housing. can do.
한편, 냉매의 과냉효과를 증가시키고, 중력수두, 외란에 의해 한쪽의 액상 냉매 이동부로의 냉매 순환이 되지 않는 경우 냉매의 유동을 원활히 하기 위해 상기 기상 냉매 이동부는 상기 박판형 하우징의 중앙부에 위치하며, 상기 액상 냉매 이동부는 상기 하우징의 양측 외곽을 따라 양방향으로 위치하는 것이 바람직하다.On the other hand, in order to increase the supercooling effect of the refrigerant and smooth the flow of the refrigerant when the refrigerant is not circulated to one of the liquid refrigerant moving portion due to gravity head, disturbance, the gas phase refrigerant moving portion is located in the center of the thin housing, The liquid refrigerant moving unit is preferably located in both directions along the outer sides of the housing.
또한, 접촉 열저항을 감소시키기 위하여 중간에 열전도체를 개재함이 없이 상기 증발부에 인접하여 상기 증발부를 열원에 직접 밀착 고정시킬 수 있는 고정수단을 더 포함할 수도 있으며, 외부 열원상에 상기 증발부의 하부 바닥면을 일체화시킬 수도 있다.In addition, it may further include a fixing means for directly fixing the evaporator to the heat source adjacent to the evaporator without interposing a thermal conductor in the middle to reduce the contact heat resistance, the evaporation on an external heat source The bottom bottom surface of the part may be integrated.
또한, 중력의 영향을 거의 받지 않도록 상기 액상 냉매 이동부는 액상의 냉매와 상기 액상 냉매 이동부의 내벽과의 표면장력이 중력보다 크도록 설정된 적어도 하나의 제3 미세채널을 포함할 수 있으며, 중력의 영향을 줄일 수 있도록 상기 액상 냉매 이동부에는 액상 냉매의 이동 방향으로 복수개의 그루브를 형성하거나 2개 이상의 유로로 분리하여 형성할 수도 있다.In addition, the liquid refrigerant moving part may include at least one third microchannel in which the surface tension between the liquid refrigerant and the inner wall of the liquid refrigerant moving part is greater than gravity so that the liquid refrigerant moving part is hardly affected by gravity. The liquid coolant moving part may be formed in the liquid coolant moving part to form a plurality of grooves in the moving direction of the liquid coolant or separated into two or more flow paths.
한편, 상기 하우징의 재질은 반도체물질, 금속물질, 플라스틱물질, 세라믹물질, 금속합금물질, 유리 등으로 이루어질 수 있으며, 접촉 열저항을 줄일 수 있도록 상기 하우징의 증발부 바닥면과 접촉하는 외부 열원의 표면물질과 동일 물질로 이루어질 수도 있다.Meanwhile, the housing may be made of a semiconductor material, a metal material, a plastic material, a ceramic material, a metal alloy material, or a glass, and may be formed of an external heat source contacting the bottom surface of the evaporator of the housing to reduce contact thermal resistance. It may be made of the same material as the surface material.
한편, 상기 제1 미세채널 및 제2 미세채널은 그 내부에서 액상의 냉매와 채널 내벽의 표면장력이 중력보다 크게 설정되며, 보다 구체적으로 10-9m 내지 10-3m 범위의 깊이로 형성될 수 있으며, 제1 미세채널의 길이는 0.5 cm 내지 5 cm의 범위가 되도록 설정할 수 있다.On the other hand, the first micro-channel and the second micro-channel has a surface tension of the liquid refrigerant and the inner wall of the channel is set larger than the gravity therein, more specifically to be formed to a depth of 10 -9 m to 10 -3 m The length of the first microchannel may be set to be in a range of 0.5 cm to 5 cm.
또한, 상기 제1 미세채널 및 제2 미세채널에서 액상 냉매에 의한 메니스커스의 접촉각을 작게 하기 위해 그 내벽은 일정한 처리, 예를 들어 도금처리, 도장처리, 코팅처리, 착색처리, 아노다이징처리, 플라즈마처리, 레이저처리 등이 된 것이 바람직하며, 열전달율을 향상시킬 수 있도록 상기 제1 미세채널 및 제2 미세채널의 표면거칠기를 조절할 수 있으며, 바람직하게는 1 Åm 내지 100 ㎛ 범위를 갖도록 한다.In addition, in order to reduce the contact angle of the meniscus by the liquid refrigerant in the first microchannel and the second microchannel, the inner wall thereof has a constant treatment, for example, a plating treatment, a coating treatment, a coating treatment, a coloring treatment, an anodizing treatment, Plasma treatment, laser treatment, and the like are preferable, and the surface roughness of the first microchannel and the second microchannel may be adjusted to improve the heat transfer rate, and preferably to have a range of 1 μm to 100 μm.
한편, 상기 제1 미세채널의 배열은 동일면상에 복수개가 배열된 단층 배열로 형성시킬 수 있으며, 동일면상에 복수개가 배열되며 인접하는 각 제1 미세채널의 상부가 개방되어 서로 연결되도록 형성시킬 수 있으며, 상하에 다층으로 배열시킬 수 있다.Meanwhile, the first microchannel array may be formed in a single layer arrangement in which a plurality of the first microchannels are arranged on the same surface, and the plurality of first microchannels may be arranged on the same surface and may be formed so that the upper portions of the adjacent first microchannels are opened and connected to each other. It can be arranged in multiple layers above and below.
또한, 증발부에서의 드라이아웃을 방지할 수 있도록 상기 냉매 저장부로의 열전달을 억제시키기 위해 상기 냉매 저장부와 상기 증발부의 경계에서 열원과 접하는 상기 하우징의 바닥면에 열 흐름 방향과 직교되는 방향으로 상기 하우징의 바닥면의 두께를 얇게 형성하는 것이 바람직하며, 보다 구체적으로 상기 하우징의 바닥면에 그루브를 형성할 수 있다.In addition, in a direction perpendicular to the heat flow direction on the bottom surface of the housing in contact with the heat source at the boundary between the refrigerant storage unit and the evaporation unit in order to suppress heat transfer to the refrigerant storage unit so as to prevent dry out from the evaporation unit. It is preferable to form a thin thickness of the bottom surface of the housing, more specifically, a groove may be formed on the bottom surface of the housing.
한편, 상기 기상 냉매 이동부에는 기상의 냉매를 상기 응축부에 균일하게 이동시키기 위해 복수개의 제1 가이드가 더 형성될 수 있으며, 상기 냉매 저장부와 상기 액상 냉매 이동부의 경계부분 및 상기 응축부와 상기 액상 냉매 이동부의 경계부분에 액상의 냉매의 이동을 안내하는 복수개의 제2 가이드가 더 형성하여 냉매의 유동이 급격히 선회함으로써 발생되는 손실을 줄일 수 있다.Meanwhile, a plurality of first guides may be further formed in the gas phase refrigerant moving part to uniformly move the gaseous refrigerant in the condensation part, and a boundary between the refrigerant storage part and the liquid refrigerant moving part, and the condensation part; A plurality of second guides for guiding the movement of the refrigerant in the liquid phase may be further formed at the boundary of the liquid refrigerant moving part to reduce the loss caused by the rapid rotation of the refrigerant.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
다음에 설명되는 실시예들은 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.The embodiments described below may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 박판형 냉각장치(100)의 XY 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 2는 도 1의 AA'선을 자른 본 발명의 제1 실시예에 따른 박판형 냉각장치의 XZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 3은 도 1의 BB'선을 자른 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 4는 도 1의 CC'선을 자른 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 8은 도 1의 AA'방향으로 자른 단위 미세 채널의 단면을 확대하여 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a cross section in the XY plane of the thin-film cooling apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention, Figure 2 is a first embodiment of the present invention cut the AA 'line of FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional view in the XZ plane of the thin plate cooling apparatus according to the present invention, FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a cross section in the YZ plane taken along the line BB ′ of FIG. 1, and FIG. 4 is a CC of FIG. 1. FIG. 8 is a cross-sectional view schematically illustrating a cross section in the YZ plane taken along a line, and FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of a cross section of a unit microchannel taken along the AA line in FIG. 1.
도 1 내지 도 4 및 도 8을 참조하면, 박판형 냉각장치(100)는 사각 형상의 하우징(112) 내부에 냉매의 순환루프가 형성되도록 구성되어 있다. 상기 냉매는 화살표 방향으로 순환되며, 액상과 기상 사이의 상변화시의 잠열을 이용하여 상기 냉각장치(100)와 접촉하는 외부 열원의 열을 전달시켜 냉각시키게 된다.1 to 4 and 8, the thin plate cooling apparatus 100 is configured such that a circulation loop of the refrigerant is formed inside the rectangular housing 112. The refrigerant is circulated in the direction of the arrow, by using the latent heat during the phase change between the liquid phase and the gas phase to transfer the heat of the external heat source in contact with the cooling device 100 to cool.
상기 하우징(112)은 실리콘 이나 갈륨과 같은 반도체물질, 자체 결집 단층막(Self Assembled Monolayer; SAM)과 같은 신소재 적층물질, 열전도율이 우수한 구리 또는 알루미늄과 같은 금속물질 및 이들의 합금물질, 세라믹물질, 플라스틱과 같은 고분자물질, 다이아몬드와 같은 결정질 재료 등의 다양한 소재로 제조될 수 있다. 특히, 외부 열원이 반도체 칩인 경우 외부 열원의 표면 물질과 동일한 물질로 형성하여 접촉 열저항을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 하우징(112)은 반도체 칩의 제조공정에서 상기 외부 열원의 표면 물질과 일체적이 되도록 형성할 수도 있다.The housing 112 may include a semiconductor material such as silicon or gallium, a new material laminated material such as a self-assembled monolayer (SAM), a metal material such as copper or aluminum having excellent thermal conductivity, an alloy material thereof, a ceramic material, It may be made of various materials such as high molecular materials such as plastic and crystalline materials such as diamond. In particular, when the external heat source is a semiconductor chip, the contact heat resistance may be minimized by forming the same material as the surface material of the external heat source. In addition, the housing 112 may be formed to be integral with the surface material of the external heat source in the manufacturing process of the semiconductor chip.
한편, 본 발명에서 사용되는 냉매는 외부의 열에 의해 액상 및 기상간의 상변화를 일으킬 수 있는 다양한 냉매로부터 선택될 수 있으며, 특히, 본 실시예에서는 잠열과 표면장력이 큰 물을 사용하지만, 환경오염을 고려하여 비 프레온(CFC)계열의 냉매를 사용하는 것이 바람직하며, 하우징(112)의 소재에 따라 표면장력의 크기가 달라지기 때문에 하우징(112)의 소재에 적합한 냉매를 선택한다. 집적회로와 같은 전자 제품에서는 냉매로서 물이나, 메탄올 또는 에탄올 등의 알코올계 냉매를 사용할 수도 있다. 상기와 같은 물이나 알코올계 냉매의 경우 열용량이 크며, 반도체물질 내벽과의 표면장력에 의한 접촉각이 작아서, 냉매의 유속이 커지게 되어 많은 열량을 전달하기에 유리하다. 이와 함께, 프레온계 냉매와 달리 환경오염의 문제가 없기 때문에 설사 순환루프상 하우징(112)의 미세한 균열에 의하여 누출되더라도 환경오염의 문제가 발생하지 않는다.On the other hand, the refrigerant used in the present invention may be selected from a variety of refrigerants that can cause a phase change between the liquid phase and the gas phase by the external heat, in particular, in the present embodiment uses a latent heat and a large surface tension water, environmental pollution In consideration of this, it is preferable to use a non-freon (CFC) series refrigerant. Since the magnitude of the surface tension varies depending on the material of the housing 112, a refrigerant suitable for the material of the housing 112 is selected. In an electronic product such as an integrated circuit, water or an alcohol-based refrigerant such as methanol or ethanol may be used as the refrigerant. In the case of the water or alcohol-based refrigerant as described above, the heat capacity is large, and the contact angle due to the surface tension with the inner wall of the semiconductor material is small, so that the flow rate of the refrigerant is increased, which is advantageous to transfer a large amount of heat. In addition, since there is no problem of environmental pollution unlike the freon refrigerant, even if leaked by the minute crack of the circulating loop-like housing 112, the problem of environmental pollution does not occur.
한편, 상기 냉매의 순환루프는, 도면의 화살표 방향을 따라 상기 하우징(112) 내부의 일단에 형성된 냉매 저장부(102)로부터 냉매가 상기 냉매 저장부(102)의 일단에 연결되는 증발부(104), 기상 냉매 이동부(106), 응축부(108), 액상 냉매 이동부(110)를 차례로 거쳐 다시 냉매 저장부(102)로 순환되도록 구성되어 있다.On the other hand, the circulation loop of the coolant, the evaporator 104 is connected to one end of the coolant storage unit 102 from the coolant storage unit 102 formed in one end of the inside of the housing 112 in the direction of the arrow in the drawing ), The gaseous phase refrigerant moving unit 106, the condensation unit 108, and the liquid phase liquid moving unit 110 are configured to circulate back to the refrigerant storage unit 102.
상기 냉매 저장부(102)는 일정량의 액상의 냉매가 저장될 수 있도록 적당한 체적을 가진다.The refrigerant storage unit 102 has an appropriate volume so that a predetermined amount of liquid refrigerant can be stored.
상기 냉매 저장부(102)의 냉매가 나가는 출구측에는 증발부(104)가 연결되며, 상기 증발부(104)는 복수개의 제1 미세채널(120)이 도 3에서 도시된 바와 같이, 동일평면상에 단층으로 배열되어 있다. 상기 증발부(104)에서는 외부의 열원으로부터 흡수된 열에 의해 상기 제1 미세채널(120)에 충전된 액상의 냉매(120a)를 기화시켜 기상의 냉매(120b)로 증발시키게 된다.An evaporation unit 104 is connected to an outlet side of the refrigerant storage unit 102, and the evaporation unit 104 has a plurality of first microchannels 120 on the same plane as illustrated in FIG. 3. Are arranged in a monolayer. The evaporator 104 vaporizes the liquid refrigerant 120a filled in the first microchannel 120 by heat absorbed from an external heat source to evaporate the refrigerant 120b in the gas phase.
또한, 도 2에서 보여지듯이, 상기 제1 미세채널(120)의 깊이는 상기 냉매 저장부(102)의 깊이 보다 얇게 형성되어 있다. 상기 제1 미세채널(120) 내에서는 상기 냉매 저장부(102)에 저장된 액상의 냉매가 상기 제1 미세채널(120)의 내벽과의 표면장력과 모세관현상에 의해 상기 냉매 저장부(102)로부터 상기 제1 미세채널(120)의 소정 부위까지 부분적으로 충전되며(도 8 참조), 상기 제1 미세채널(120) 내에서의 표면장력이 중력보다 크도록 상기 제1 미세채널(120)의 깊이 또는 단면적이 설정된다. 본 실시예에서는 상기 제1 미세채널(120)은 10-9m 내지 10-3m 범위의 깊이(즉, 제1 미세채널(120)의 채널 높이)로 형성되어 있으며, 제1 미세채널(120)의 길이는 0.5 cm 내지 5 cm의 범위 내에서 설정하였다.In addition, as shown in FIG. 2, the depth of the first microchannel 120 is formed to be thinner than the depth of the refrigerant storage unit 102. In the first microchannel 120, the liquid refrigerant stored in the refrigerant storage unit 102 is discharged from the refrigerant storage unit 102 by the surface tension and the capillary phenomenon with the inner wall of the first microchannel 120. Partially filled to a predetermined portion of the first microchannel 120 (see FIG. 8), the depth of the first microchannel 120 so that the surface tension in the first microchannel 120 is greater than gravity Or the cross-sectional area is set. In the present embodiment, the first microchannel 120 is formed to a depth in the range of 10 −9 m to 10 −3 m (that is, the channel height of the first microchannel 120), and the first microchannel 120 is formed. ) Length was set within the range of 0.5 cm to 5 cm.
한편, 도 8에서 "A"로 표시한 상기 제1 미세채널(120)에서 액상 냉매에 의한 메니스커스(meniscus)의 접촉각을 작게 하기 위해 그 내벽은 친수성 처리, 예를 들어 도금처리, 도장처리, 코팅처리, 착색처리, 아노다이징처리, 플라즈마처리, 레이저처리 등이 되어 있으며, 외부 열원으로부터의 열전달율을 향상시킬 수 있도록 상기 제1 미세채널(120) 내벽의 표면거칠기를 조절할 수 있으며, 본 실시예에서는 1 Åm 내지 100 ㎛ 범위를 갖도록 하였다.On the other hand, in order to reduce the contact angle of the meniscus by the liquid refrigerant in the first microchannel 120 denoted by "A" in Fig. 8, the inner wall is hydrophilic, for example plating, painting treatment , Coating treatment, coloring treatment, anodizing treatment, plasma treatment, laser treatment, and the like, and the surface roughness of the inner wall of the first microchannel 120 can be adjusted to improve heat transfer rate from an external heat source. In the range of 1 μm to 100 μm.
또한, 상기 제1 미세채널(120)의 단면은 도 3에서 보여지듯이 사각형으로 형성하는 외에 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 다각형 등의 다양한 형태로 형성할 수 있으며, 제1 미세채널(120)의 길이방향을 따라 단면적을 증가 또는 감소시켜 제1 미세채널(120)의 내벽과 냉매와의 표면장력의 크기를 제어할 수 있으며, 제1 채널(120)의 내벽에 다수의 그루브를 형성하거나, 제1 미세채널(120)의 길이방향을 따라 채널의 단면적이 변할 수 있도록 복수개의 노드를 설치하여 냉매의 이동 방향을 결정하거나 냉매의 이동 속도를 제어할 수도 있다.In addition, the cross section of the first microchannel 120 may be formed in various shapes such as a circle, an oval, a rectangle, a square, and a polygon as well as a quadrangle as shown in FIG. 3. By increasing or decreasing the cross-sectional area along the longitudinal direction, it is possible to control the magnitude of the surface tension between the inner wall of the first microchannel 120 and the refrigerant, and a plurality of grooves are formed on the inner wall of the first channel 120, or 1 A plurality of nodes may be provided to change the cross-sectional area of the channel along the longitudinal direction of the microchannel 120 to determine the movement direction of the refrigerant or control the movement speed of the refrigerant.
한편, 상기 증발부(104)의 제1 미세채널(120)들로부터 길이방향으로 동일 평면상에서 소정 거리만큼 이격된 위치에 응축부(108)가 형성되어 있다. 도 4에서 도시된 바와 같이, 상기 응축부(108)에는 상기 제1 미세채널(120)에서 기화되어 이동된 기상의 냉매를 응축시킬 수 있는 동일평면상에 단층으로 배열되어 있는 복수개의 제2 미세채널(122)을 포함한다.Meanwhile, the condenser 108 is formed at a position spaced apart from the first microchannels 120 of the evaporator 104 in the longitudinal direction by a predetermined distance on the same plane. As shown in FIG. 4, the condensation unit 108 includes a plurality of second fine particles arranged in a single layer on the same plane to condense the refrigerant in the gaseous phase vaporized and moved in the first microchannel 120. Channel 122.
또한, 도 2에서 보여지듯이, 상기 제2 미세채널(122)의 깊이는 제1 미세채널(120)의 깊이 보다 깊게 형성되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제2 미세채널(122) 내에서도 상기 응축부(108)에서 응축된 액화된 액상의 냉매가 상기 제2 미세채널(122)의 내벽과의 표면장력과 모세관현상에 의해 상기 제2 미세채널(122)의 소정 부위까지 부분적으로 충전되어 있으며, 상기 제2 미세채널(122) 내에서도 표면장력이 중력보다 크도록 상기 제2 미세채널(122)의 깊이 또는 단면적이 설정된다. 본 실시예에서는 상기 제1 미세채널(120)와 같이 제2 미세채널(122)은 10-9m 내지 10-3m 범위의 깊이(즉, 제2 미세채널(122)의 채널 높이)로 형성되어 있으며, 제2 미세채널(122)의 길이는 0.5 cm 내지 5 cm의 범위 내에서 설정하였다.In addition, as shown in FIG. 2, the depth of the second microchannel 122 is formed deeper than the depth of the first microchannel 120, but is not limited thereto, and within the second microchannel 122. The liquefied liquid refrigerant condensed in the condenser 108 is partially filled to a predetermined portion of the second microchannel 122 by surface tension with the inner wall of the second microchannel 122 and capillary phenomenon. The depth or cross-sectional area of the second microchannel 122 is set such that the surface tension of the second microchannel 122 is greater than gravity. In the present embodiment, like the first microchannel 120, the second microchannel 122 is formed to have a depth in the range of 10 −9 m to 10 −3 m (that is, the channel height of the second microchannel 122). The length of the second microchannel 122 is set within the range of 0.5 cm to 5 cm.
또한, 상기 제2 미세채널(120)의 단면은 도 4에서 보여지듯이 사각형으로 형성하는 외에 원형, 타원형, 직사각형, 정사각형, 다각형 등의 다양한 형태로 형성할 수 있으며, 제2 미세채널(122)의 길이방향을 따라 단면적을 증가 또는 감소시켜 제2 미세채널(122)의 내벽과 냉매와의 표면장력의 크기를 제어할 수 있으며, 제2 채널(122)의 내벽에 다수의 그루브를 형성하거나, 제2 미세채널(122)의 길이방향을 따라 채널의 단면적이 변할 수 있도록 복수개의 노드를 설치하여 냉매의 이동 방향을 결정하거나 냉매의 이동 속도를 제어할 수도 있다.In addition, the cross section of the second microchannel 120 may be formed in various shapes such as a circle, an oval, a rectangle, a square, and a polygon, in addition to being formed in a quadrangle as shown in FIG. 4. By increasing or decreasing the cross-sectional area along the longitudinal direction, the magnitude of the surface tension between the inner wall of the second microchannel 122 and the refrigerant can be controlled, and a plurality of grooves are formed on the inner wall of the second channel 122, or The plurality of nodes may be installed to determine the moving direction of the refrigerant or control the moving speed of the refrigerant so that the cross-sectional area of the channel may change along the length direction of the second microchannel 122.
또한, 열방출의 효과를 향상시키기 위하여, 응축부(108)에 인접한 하우징(112)의 외부에는 다수의 핀이 형성될 수도 있으며, 상기 핀을 마이크로 액츄에이터를 포함하는 핀으로 형성하는 경우 응축부(108)에서 외부로 방출되는 열을 재활용하여 주위의 공기를 순환시키도록 구동시킬 수도 있다. 또한, 핀을 열전소자를 포함하는 미세 구조로 형성시킨 경우에는 응축부(108)에서 방출하는 열을 전기적 에너지로 변환시켜 미세 구동을 위한 에너지로 사용할 수도 있다.In addition, in order to improve the effect of heat dissipation, a plurality of fins may be formed on the outside of the housing 112 adjacent to the condensation unit 108, and when the fins are formed of fins including a micro actuator, 108 may be driven to circulate the surrounding air by recycling the heat released to the outside. In addition, when the fin is formed in a microstructure including a thermoelectric element, the heat emitted from the condenser 108 may be converted into electrical energy and used as energy for fine driving.
또한, 상기 응축부(108)의 체적을 상기 증발부(104)의 체적보다 크게 형성함으로써 주위의 대류 현상으로도 응축부(108) 내에서 기상의 냉매가 용이하게 응축될 수 있도록 할 수 있다.In addition, by forming the volume of the condensation unit 108 to be larger than the volume of the evaporation unit 104, the refrigerant in the gas phase can be easily condensed in the condensation unit 108 even by surrounding convection.
한편, 상기 증발부(104)의 제1 미세채널(120)과 상기 응축부(108)의 제2 미세채널(122) 사이에는 기상의 냉매가 이동할 수 있는 통로의 역할을 하는 기상 냉매 이동부(106)가 위치한다. 상기 기상 냉매 이동부(106)에는 기화된 기상 냉매가응축부(108) 방향으로 균일하게 이동할 수 있도록 다수의 제1 가이드(118)들이 형성되어 있으며, 도 1에서 보여지듯이, 기상의 냉매가 흘러나오는 제1 미세채널(120)의 출구측의 단면적에 비하여 그 단면적이 넓어지도록 형성되어 있다.On the other hand, between the first microchannel 120 of the evaporator 104 and the second microchannel 122 of the condensation unit 108, the gas phase refrigerant moving unit serving as a passage through which the refrigerant in the gas phase can move ( 106 is located. A plurality of first guides 118 are formed in the gas phase refrigerant moving part 106 to allow the vaporized gaseous refrigerant to move uniformly toward the condensation part 108. As shown in FIG. Compared with the cross-sectional area of the exit side of the first microchannel 120, the cross-sectional area thereof is widened.
한편, 상기 응축부(108)의 제2 미세채널(122)의 출구측과 상기 냉매 저장부(102) 사이에는 제2 미세채널(122)내에서 응축된 액상의 냉매가 이동되는 액상 냉매 이동부(110)가 형성되어 있다. 상기 액상 냉매 이동부(110)는 상기 기상 냉매 이동부(106)와 분리되어 냉매의 유동 방향이 서로 다르게 구성되어 있다.Meanwhile, a liquid phase refrigerant moving unit in which the liquid refrigerant condensed in the second microchannel 122 is moved between the outlet side of the second microchannel 122 of the condenser 108 and the refrigerant storage unit 102. 110 is formed. The liquid phase refrigerant moving unit 110 is separated from the gas phase refrigerant moving unit 106 and configured to have a different flow direction of the refrigerant.
상기 기상 냉매 이동부(106)와 상기 액상 냉매 이동부(110)는 단열부(116)에 의해 서로 열적으로 그리고 물리적으로 서로 분리되며, 상기 단열부(116)는 상기 하우징(112)내에 밀봉되어 있는 형태로 구성하거나 또는 상기 하우징(112)의 상하를 관통하도록 개방되어 있는 형태로 구성할 수 있다. 상기 하우징(112)내에 밀봉되어 있는 경우 단열부(116)는 진공상태를 유지하거나 단열물질로 채워질 수도 있다.The gas phase refrigerant moving part 106 and the liquid refrigerant moving part 110 are thermally and physically separated from each other by the heat insulating part 116, and the heat insulating part 116 is sealed in the housing 112. It may be configured in the form that is present or may be configured to open to penetrate the upper and lower sides of the housing 112. When sealed in the housing 112, the heat insulating part 116 may be maintained in a vacuum or filled with a heat insulating material.
한편, 도 1에서 보여지듯이, 상기 액상 냉매 이동부(110)는 상기 하우징(112)의 양측 외곽을 따라 양방향으로 대칭적으로 위치하고 있다. 이러한 하우징(112)의 외곽을 따라 대칭적으로 형성되는 냉매 순환루프는, 박판형태, 특히 단면의 종횡비가 클 경우 매우 유리한 구조이며, 방사방향으로 전도 확산하는 열흐름을 넓은 면적에 효과적으로 대류 확산시킬 수 있다. 두개의 액상 냉매 이동부(110)를 냉각장치(100)의 가장자리를 따라 배치시킴으로써 유로내의 냉매를과냉(subcooling)시키고, 증발부(104)의 입구온도를 낮추는 데 유리하기 때문에 단위질량 유량당 많은 열에너지를 이송시킬 수 있음을 의미한다. 또한, 이러한 양방향의 순환루프는 냉각장치(100)의 설치 위치에 따라 냉각장치(100)가 X축 방향을 기준으로 하여 양방향의 액상 냉매 이동부(110)의 중력적 위치가 차이가 나도록 기울어진 경우 중력수두에 의해 한쪽의 액상 냉매 이동부(110)로의 냉매 순환이 되지 않는 경우 반대쪽 액상 냉매 이동부(110)를 통하여 냉매의 유동을 원활히 할 수 있다는 점에서 유리하다.On the other hand, as shown in Figure 1, the liquid refrigerant moving part 110 is located symmetrically in both directions along the outer sides of the housing 112. The refrigerant circulation loop symmetrically formed along the outer side of the housing 112 is a very advantageous structure in the case of a thin plate shape, especially when the aspect ratio of the cross section is large, and effectively conducts convective diffusion of heat flow in the radial direction. Can be. By disposing two liquid refrigerant moving parts 110 along the edge of the cooling device 100, it is advantageous for subcooling the refrigerant in the flow path and lowering the inlet temperature of the evaporator 104. It means that it can transfer heat energy. In addition, the bidirectional circulation loop is inclined such that the gravitational position of the liquid refrigerant moving part 110 in both directions is different from the cooling device 100 based on the X-axis direction according to the installation position of the cooling device 100. In this case, when the refrigerant is not circulated to one of the liquid refrigerant moving parts 110 by the gravity head, it is advantageous in that the refrigerant can be smoothly flowed through the other liquid refrigerant moving parts 110.
또한, 상기 액상 냉매 이동부(110)는 중력의 영향을 거의 받지 않도록 액상의 냉매와 상기 액상 냉매 이동부(110)의 내벽과의 표면장력이 중력보다 크도록 설정된 적어도 하나의 제3 미세채널을 포함할 수 있으며, 중력의 영향을 줄일 수 있도록 상기 액상 냉매 이동부(110)에는 액상 냉매의 이동 방향으로 복수개의 그루브(도시안됨)를 형성하거나 2개 이상의 유로로 분리하여 형성할 수도 있다.In addition, the liquid refrigerant moving part 110 includes at least one third microchannel in which the surface tension between the liquid refrigerant and the inner wall of the liquid refrigerant moving part 110 is greater than gravity so that the liquid refrigerant moving part 110 is hardly affected by gravity. The liquid refrigerant moving part 110 may include a plurality of grooves (not shown) in the liquid refrigerant moving part 110 or separated into two or more flow paths so as to reduce the influence of gravity.
한편, 상기 냉매 저장부(102)와 상기 액상 냉매 이동부(110)의 경계부분 및 상기 응축부(108)와 상기 액상 냉매 이동부(110)의 경계부분에 액상의 냉매의 이동을 안내하는 복수개의 제2 가이드(도시안됨)를 더 형성하여 냉매의 유동이 급격히 선회함으로써 발생되는 손실을 줄일 수 있도록 구성할 수도 있다.On the other hand, a plurality of guide the movement of the liquid refrigerant to the boundary portion of the refrigerant storage unit 102 and the liquid refrigerant moving unit 110 and the boundary portion of the condensation unit 108 and the liquid refrigerant moving unit 110 The second guide (not shown) may be further formed to reduce the loss caused by the rapid turning of the refrigerant flow.
한편, 상기 냉매 저장부(102)는 전술한 바와 같이, 가변적인 열원의 열부하(heat load)하에서도 충분한 냉매를 공급할 수 있을 정도의 적절한 체적을 갖도록 구성되며, 증발부(104)에서의 급격한 드라이아웃 현상을 막기 위해 신속히 냉매를 공급할 수 있는 증발부(104)의 입구측에 근접하여 설치하는 것이 바람직하나, 증발부(104)와 너무 근접하여 설치한 경우 외부열원과 접촉하는 하우징(112)의 바닥면으로 전달되는 열에 의해 불필요한 버블이 생성될 수 있다. 버블의 성장은 증발부(104)의 제1 미세채널(120)의 입구를 차단하게 되며, 냉매의 공급을 중단시켜 증발부(104)내의 냉매의 드라이아웃을 야기시킬 우려가 있기 때문에 냉매 저장부(102)로의 열 전달을 억제시키기 위해 상기 냉매 저장부(102)와 상기 증발부(104)의 경계에서 외부 열원과 접하는 상기 하우징(112)의 바닥면에 열 흐름 방향과 직교되는 방향으로 상기 하우징의 바닥면의 두께를 얇게 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들어 상기 하우징(112)의 바닥면에 그루브를 형성할 수도 있다.On the other hand, as described above, the refrigerant storage unit 102 is configured to have an appropriate volume enough to supply a sufficient amount of refrigerant even under a heat load of a variable heat source, and rapid drying in the evaporator 104. In order to prevent the out phenomenon, it is preferable to install close to the inlet side of the evaporator 104 which can supply the coolant quickly, but when installed too close to the evaporator 104 of the housing 112 in contact with the external heat source Unnecessary bubbles may be generated by the heat transferred to the bottom surface. The growth of the bubble blocks the inlet of the first microchannel 120 of the evaporator 104 and the coolant storage part because the supply of the coolant may be stopped to cause dry out of the coolant in the evaporator 104. The housing in a direction orthogonal to the heat flow direction on the bottom surface of the housing 112 in contact with an external heat source at the boundary between the refrigerant storage unit 102 and the evaporator unit 104 to suppress heat transfer to the 102. It is preferable to form a thin thickness of the bottom surface of the, for example, a groove may be formed on the bottom surface of the housing 112.
한편, 접촉 열저항을 감소시키기 위하여 중간에 열전도체를 개재함이 없이 상기 증발부(104)에 인접하여 상기 증발부(104)를 열원(도시안됨)에 직접 밀착 고정시키는 것이 바람직하며, 이를 위해 본 실시예에서는 상기 증발부(104)에 인접하여 상기 냉각장치(100)를 외부 열원에 고정시킬 수 있는 고정수단(114)을 설치하였으며, 볼트 또는 리벳으로 체결이 가능하도록 하였다.Meanwhile, in order to reduce contact thermal resistance, it is preferable to directly fix the evaporator 104 to a heat source (not shown) adjacent to the evaporator 104 without interposing a thermal conductor in the middle. In this embodiment, the fixing means 114 is installed adjacent to the evaporator 104 to fix the cooling device 100 to an external heat source, so that it can be fastened by bolts or rivets.
도 5는 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 5를 참조하면, 증발부(104)내에 포함되는 제1 미세채널(120)이 상하 다층배열로 매트릭스 형태로 배치되어 있는 것을 나타낸다. 이러한 다층배열로 제1 미세채널(120)을 형성함으로써 냉매의 순환량을 향상시켜 냉각장치의 냉각효율을 향상시킬 수 있다.5 is a cross-sectional view schematically illustrating a cross section in the YZ plane of the thin film type cooling apparatus according to the second embodiment of the present invention, taken along line BB ′ of FIG. 1. Referring to FIG. 5, the first microchannels 120 included in the evaporator 104 are arranged in a matrix form in a vertical array. By forming the first microchannel 120 in such a multilayer arrangement, the circulation amount of the refrigerant may be improved to improve the cooling efficiency of the cooling apparatus.
도 6은 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제3 실시예에 따른 박막형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도로서, 증발부(104) 내의 제1 미세채널(120)이 상하 다층배열로 배치되며, 서로 지그재그 형태로 배치되어 있는 것을 나타낸다. 이러한 배치는 하부에 배열된 제1 미세채널(120)의 사이로 전달되는 열이 바로 상부에 배열된 제1 미세채널(120)과 부닥치기 때문에 도 5에서 보다 냉각효율을 더 향상시킬 수 있는 구조이다.FIG. 6 is a cross-sectional view schematically illustrating a cross section in the YZ plane of the thin film type cooling apparatus according to the third embodiment of the present invention, taken along the line BB ′ of FIG. 1, and the first microchannel 120 in the evaporator 104. These are arranged in the upper and lower multilayer arrays, and are arranged in a zigzag form. This arrangement is a structure that can further improve the cooling efficiency than in FIG. 5 because the heat transferred between the first microchannel 120 arranged in the lower side and the first microchannel 120 arranged in the upper portion. .
도 7은 도 1의 BB'선을 자른 본 발명의 제4 실시예에 따른 박막형 냉각장치의 YZ 평면에서의 단면을 개략적으로 도시한 단면도로써, 제1 미세채널(120)의 상부가 인접하는 제1 미세채널(120)의 상부와 오픈되어 서로 연결된 연결부(124)를 갖는 구조이다.FIG. 7 is a cross-sectional view schematically illustrating a cross section in the YZ plane of the thin film type cooling apparatus according to the fourth embodiment of the present invention, taken along the line BB ′ of FIG. 1, wherein an upper portion of the first microchannel 120 is adjacent thereto. 1 is a structure having a connecting portion 124 is opened and connected to the top of the microchannel 120.
이상에서 설명한 본 발명의 각 실시예의 냉각장치(100)를 제작하는 방법은 현재 널리 알려진 여러가지 방법에 의해 제작될 수 있으며, 예를 들어 반도체소자 제조공정을 응용한 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 방법이나, SAM(Self Assembled Monolayer) 방법을 응용하여 제작할 수 있다. 도 3을 참조하여 그 제작방법을 간단히 설명하면, 먼저 냉각장치(100)의 하부의 하우징(112)의 표면을 식각하여 냉매 저장부(102), 제1 미세채널(120), 기상 냉매 이동부(106), 액상 냉매 이동부(110) 및 응축부(108)의 제2 미세채널(122)등을 형성한 후, 하부의 하우징(112)에 대응하여 일정한 패턴의 형상이 형성된 상부의 하우징(112)을 서로 접촉시킨 후 상,하부의 하우징(112)에 전압을 인가하여 상,하부 하우징(112)을 아노딕 본딩(anodic bonding)하여 상,하 하우징(112)을 일체화시키며, 별도로 냉매 저장부(102)에 인접된 하우징(112)에 설치한 냉매 주입홀(도시안됨)을 통하여, 순환루프내를 진공으로 형성시킨 후, 냉매를 주입한 하고, 상기 냉매 주입홀을 밀봉함으로써 제작이 완료된다.The method of manufacturing the cooling apparatus 100 of each embodiment of the present invention described above may be manufactured by various methods currently known, for example, MEMS (Micro Electro Mechanical System) method using a semiconductor device manufacturing process or It can be manufactured by applying SAM (Self Assembled Monolayer) method. Referring to FIG. 3, the manufacturing method thereof will be briefly described. First, the surface of the housing 112 under the cooling device 100 is etched to cool the refrigerant storage 102, the first microchannel 120, and the gaseous refrigerant moving unit. 106, the second refrigerant channel 122 of the liquid refrigerant moving part 110 and the condensation part 108, and the like, and the upper housing having a predetermined pattern shape corresponding to the lower housing 112 ( The upper and lower housings 112 are anodic bonded by applying voltage to the upper and lower housings 112 after contacting each other, thereby integrating the upper and lower housings 112, and separately storing the refrigerant. Through the refrigerant injection hole (not shown) provided in the housing 112 adjacent to the part 102, the inside of the circulation loop is vacuumed, the refrigerant is injected, and the production is completed by sealing the refrigerant injection hole. do.
본 발명은 이상의 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양하게 변형 실시할 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 상기 제1 미세채널(120) 및 제2 미세채널(122)은 직선형으로 형성하였지만, 곡선형으로 형성할 수 있음은 물론이며, 단열부(116)의 형상도 다양하게 만들 수 있으며, 냉매 및 하우징을 적절한 재질을 선택하여 사용할 수 있을 뿐만아니라, 그 치수나 형상도 적절히 디자인하여 사용할 수 있음은 물론이다.Although the present invention has been described in detail with respect to the above embodiments, it is not limited thereto, and various modifications can be made by those skilled in the art. For example, although the first microchannels 120 and the second microchannels 122 are formed in a straight line shape, the first microchannels 120 and the second microchannels 122 may be formed in a curved shape, and of course, various shapes of the heat insulating part 116 may be formed. In addition, the coolant and the housing may be selected and used as well as appropriate materials, and the dimensions and shapes thereof may be appropriately designed and used.
본 발명에 의하면, 증발부 및 응축부의 미세채널들이 그 내부에서의 표면장력이 중력보다 크게 함으로써, 외부전원의 공급없이 중력의 영향을 거의 받지 않고 냉매를 자연순환시킬 수 있기 때문에 설치위치 및 설치방법에 제한을 받지 않는다.According to the present invention, the microchannels of the evaporator and the condenser have a surface tension greater than that of gravity, so that the refrigerant can be naturally circulated without the influence of gravity without supplying external power, thereby providing an installation location and a method of installation. It is not restricted to.
또한 본 발명에 의하면, 단열부에 의해 액상의 냉매 이동부와 기상의 냉매 이동부를 열적 및 물리적으로 분리시킴으로써 냉매 유동의 안정성을 꾀하고, 혼입한계를 억제시킴으로써 냉매의 질량유량을 증가시켜 냉각효율을 향상시켰다.In addition, according to the present invention, by the thermal insulation to thermally and physically separate the liquid refrigerant moving part and the gaseous refrigerant moving part to achieve the stability of the refrigerant flow, and to suppress the mixing limit to increase the mass flow rate of the refrigerant to increase the cooling efficiency Improved.
또한, 본 발명에 의하면, 증발부와 응축부를 동일 평면상에 배치하여 하우징을 박판 형태로 구성하고, 별도의 열전도체없이도 평탄한 외부 열원 상부에 냉각장치를 고정수단에 의해 고정시킴으로써 접촉 열저항을 줄여 냉각효율을 향상시켰다.In addition, according to the present invention, the evaporator and the condenser are arranged on the same plane to form a housing in the form of a thin plate, and the contact heat resistance is reduced by fixing the cooling device on the flat external heat source by fixing means without a separate heat conductor. Improved cooling efficiency
또한, 본 발명에 의하면, 액상 냉매 이동부를 냉각장치의 양쪽 외곽을 따라 배치하고, 양 방향의 순환루프로 구성함에 따라서 냉매의 과냉효과를 증가시키고,중력수두에 의해 한쪽의 액상 냉매 이동부로의 냉매 순환이 되지 않는 경우 반대쪽의 액상 냉매 이동부를 냉매의 유동을 원활히 하여 냉각효율이 향상되었다.Further, according to the present invention, the liquid coolant moving unit is disposed along both outer sides of the cooling apparatus, and is configured as a circulation loop in both directions to increase the supercooling effect of the coolant, and to the liquid coolant moving unit to one liquid coolant moving unit by gravity head. When the circulation is not circulated, the liquid phase moving part on the opposite side smoothly flows the refrigerant, thereby improving the cooling efficiency.
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