CN101026132A - 包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法，利用多组散热器分别对产生不同的热点进行强制导热，该包含致冷芯片的散热器具有多模式的组合，第一散热器模块包括第一散热鳍片组，该第一散热鳍片具有一热沉底座，该热沉底座同时与热源、致冷芯片贴合；贴设于热源处的致冷芯片，该致冷芯片将热源的热量，由吸热端送至放热端；第二散热器模块包括第二散热鳍片组，该第二散热鳍片组具有一热沉底座，该热沉底座与致冷芯片贴合，藉此结构对中央处理器或绘图加速芯片等热源进行散热的同时，该作为导引散热的致冷芯片也有一散热器模块协助针对致冷芯片的放热端散热，成为多模式的散热方式，使热源(芯片组)产生的热量可藉由两热传途径排出。

Description

包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法

技术领域

本发明关于一种包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法，特别是关于一种利用致冷芯片以及复数散热器模块作为辅助的多模式散热器。

背景技术

随着处理器频率愈来愈快，所释放出来的热量也随的增加，电子散热技术俨然已成为成就强大运算功能下的必要条件之一。在封闭的计算机机壳中存在着热交换空间，不论是应用热传导(Thermal Conduction)、热对流(Thermal Convection)或是热辐射(Thermal Radiation)原理，散热器(Cooler)的主要功能是将中央处理器(CPU Central Processor Uint)、绘图加速芯片(GPU；Graphics Processor Unit)或其它芯片组(Chipset)在运作中所衍生的大量热能，迅速地透过热沉(Heat Sink)、热管(HeatPipe)、鳍片(fin)、风扇等等结构组合传输至系统之外，一方面避免中央处理器等高阶操作数件在瞬间的热脉冲的下停摆，另一方面则防止热量在系统内累积拉高系统温度(System Temperature)所导致的整体系统效能降低、甚或电子组件的可靠度或寿命的减损。因此，为了确保系统运作的安全与效能的正常发挥，散热器的结构设计乃至于系统中热传途径(Thermal Path)的规划建置，亟需电子散热技术的不断创新与努力。

致冷芯片(TEC；Thermo-Electric Cooler)是一种以半导体工艺为主所建置的散热组件，其冷却的理论基础为皮特尔效应(Peltier Effect)，此为一种热电效应，可将A点的热量传输到B点，导致A点温度降低，B点温度升高——简言之，即对A点吸热，而对B点放热。典型的致冷芯片结构是由若干对N型与P型半导体晶粒相互串接排列而成，而N、P之间以一般铜、铝或其它金属导体连接成一完整线路，最后在两侧外层以陶瓷片相夹封装而成。当通电之后，该P型半导体将会吸热，而N型半导体将会放热，故每一个N/P模块中便有热量由一侧“吸热端”传递到另外一侧“放热端”，来完成热量的传输以遂行冷却的目的。

致冷芯片经常使用在中央处理器或其它芯片组等计算机系统热源(Heat Source)的散热。在习知的运用作法中(见图10及图11)，常将致冷芯片5的吸热端51直接贴于热源上、放热端52贴于热沉、鳍片等散热结构90组合上，并在上述两界面涂敷导热膏(Thermal Grease)以降低接触热阻(Contact Thermal Resistance)，最后藉由风扇61的运作在散热结构90的鳍片表面引动强制对流(Forced Convection)以遂行对热源降温的目的。所以，在此种方式的布置中，其热量传输的次序为：热源→致冷芯片→热沉/鳍片→系统机箱→环境(机壳之外)。

然而，此种热传途径本身却存在一盲点：在实务上，散热器所必需负担的散热量，远大于致冷芯片的额定吸热量，主要原因是：致冷芯片本身需相当的电功率才能启动，此电功率通常不会小于中央处理器等芯片组发热功率的30％，根据热力学第一定律能量守恒(First Law ofThermodynamics——Conservation of Energy)，致冷芯片的放热率必需等于其致冷端的吸热率、输入的电功率以及其内能累积率三者之和。因此，搭载致冷芯片的散热器，它不单单要解决中央处理器等芯片组的发热量，还必需一并带走驱动致冷芯片所需灌入的电能。简言之，致冷芯片在散热器中所扮演的角色不单是冷却核心，同时它也是另一不可轻忽的热源。很显然地，习用搭载致冷芯片的散热器，它势必得建立更多的鳍片表面积或是采用更大气流量的风扇，才可能带走致冷芯片放热端释出的总热量，且所有N/P模块势必处于较高的工作温度而局限其菜单现与使用寿命。但是，系统内是否有足够的空间来容纳这偌大面积和数量的鳍片、大尺寸或高转速的风扇是否容易干涉机构或造成另一严重的噪声源与振动源、在相对较高工作温度之下的致冷芯片其功能特性是否会因工作温度升高而衰减、稳定性是否堪虞。这些工程上的疑点都在设限了其运用的范畴与正当性。

有鉴于此，在本发明人长期潜心研究下，遂提出一种崭新而独特的“包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法”。

发明内容

本发明的包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法，其主要目的在于对中央处理器或绘图加速芯片等热源进行散热的同时，该作为导引散热的致冷芯片也有一散热器模块协助针对致冷芯片的放热端散热，成为多模式的散热方式，使热源(芯片组)产生的热量可藉由两热传途径排出(请参阅图7)：

热传导途径一：热源→第一散热器模块→【系统机箱(环境(机壳外))、致冷芯片、第二散热器模块】。

热传导途径二：【致冷芯片、第一散热器模块】→第二散热器模块→系统机箱→环境(机壳外)。

其中，第一散热器模块，其本身具有完整的热沉/鳍片结构。此热沉/鳍片结构可单纯地由冲、锻、挤、焊、铸等工艺来同时建立；也可藉由至少一热管穿越、串接成为第一散热鳍片组，再接合于一热沉底座。不论采用何种方式来建立鳍片，热沉底座需同时与热源、致冷芯片贴合。

另一方面，第二散热器模块，本身也具有完整的热沉/鳍片结构，其热沉/鳍片结构可单纯地由冲、锻、挤、焊、铸等工艺来同时建立，或者也可藉由至少一热管穿越、串接成为第二散热鳍片组，再接合于一热沉底座。此热沉底座只与致冷芯片贴合，这与第一散热器模块中的搭接方式大相径庭。

本发明的次一目的在于提供多重的散热方式，使致冷芯片在完善的热传结构设计中，有效率地扮演其关键散热组件的角色，以进一步确保中央处理器等发热组件运作上的无虑。

以下将配合附图说明本发明的实施例，下述所列举的实施例仅用以阐明本发明，并非用以限定本发明的范围，任何熟习此技艺者，当可做些许更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定的范围为准。且，说明书内容有部分相同组件，将以第一及第二文字为区隔，但并不代表任何顺序或优劣差别，仅供在阅读时易于分辨。

附图说明

图1为本发明的第一组实施例立体示意图；

图1A为图1的组合图；

图2为第一组实施例的其中一种实施型态；

图3为第一组实施例的侧面透视图；

图3A为致冷芯片放大示意图；

图4为第一组实施例的风扇设置在另一位置示意图；

图5为图4的正向示意图；

图6为本发明的架构上的不同实施型态。

图7为本发明第二组实施例的热传途径方块示意图；

图8为第二组实施例的分解图；

图9为图8的组合图；

图10为习用散热器模块的分解图；以及

图11为图10的组合图。

主要组件符号说明

1           散热器模块        1a、1a’  第一散热器模块

1b、1b’    第二散热器模块    10        散热导管

11a         第一散热导管      11b       第二散热导管

111a、111b  散热导管的一端    12        固定组件

14          散热鳍片组        14a、14a’第一散热鳍片组

14b、14b’  第二散热鳍片组    15a       热沉底座

15b         热沉底座           3        计算机主机

31          出风口             4        底座

4’         热源               5、5’   致冷芯片

51、51’    吸热端             52、52’ 放热端

6、6’      风扇               7        导热组件

7a         辅助散热区

具体实施方式

请参阅图1和图1A所示，为本发明的第一组实施例的立体示意和组合图，即散热器模块具有一热管穿越、串接成为散热鳍片组的实施例。图1的散热器模块1藉由数连结组件10的延伸、令其底座4的底面与电子零件接触，并以数固定组件12固锁定位于基板2上，而在散热器模块1侧边设置一风扇6，藉由该风扇6产生一气流吹向该散热器模块1的散热鳍片组14，最后藉由气流带动散热鳍片组14上的热能向外部释放，俾使电子零件所产生的热能经由底座4、散热鳍片组14以及气流的路径方式释放。而图2为本发明其中一种设置型态，在计算机主机3中除了以风扇6产生气流吹向散热器模块1的散热鳍片组14，最后藉由气流带动散热鳍片组14上的热能向外部释放，还包括设置在相对位置的出风口31，与散热鳍片组14侧面的风扇6形成空气对流作用，强制性的排出存在于计算机主机3中的热能。

请参阅图3所示，为本发明包含致冷芯片的多模式散热器的侧面透视图。正如图1所述，数固定组件12固锁，使底座4压持电子零件(图未示)定位于基板2上，该电子零件会因为运算工作而产生高温，通常电子零件即为众所周知的中央处理器，所以该致冷芯片5贴设于中央处理器上方底座4上缘，致冷芯片5由导线50通电，藉由致冷芯片5的吸热端51将中央处理器所产生的热能转移至放热端52，以降低中央处理器的温度(请参阅图3A)、使其维持良好的工作机能。在致冷芯片5外侧有一导热组件7包覆，形成一辅助散热区7a空间，而于该辅助散热区7a中埋设一散热导管11b，由辅助散热区7a以及该散热导管11b藉以吸附致冷芯片5所产生的热能，并进一步由散热导管11b将热能传导至散热鳍片组14b。而此多模式散热器模块1完整架构则包括有：第一散热器模块1a，包括第一散热鳍片组14a，该第一散热鳍片组14a的各鳍片连结至少有一第一散热导管11a，该第一散热导管11a的一端111a设置于一热源处；以及第二散热器模块1b，包括第二散热鳍片组14b，该第二散热鳍片组14b的各鳍片连结至少有一第二散热导管11b，该第二散热导管11b的一端111b设于致冷芯片5的放热端52，也就是致冷芯片5所产生的热能，或称与热源处相接面相对的相对面；设置在散热器模块1任一侧边的风扇6产生气流吹向散热器模块1的散热鳍片14a、14b，藉由气流带动散热鳍片14a、14b上的热能向外部释放，当然也可进一步利用另一匹配的风扇(图未示)作动，与原设置的风扇6形成空气对流作用，故第一散热导管11a的一端111a、紧密设置相邻于底座4与中央处理器，此外第一散热模块1a以及第二散热模块1b可以依据热源处所产生的热能而增设其它散热导管，故在此发明中并不限制其数量。在底座4、致冷芯片5以及导热组件7的相接触面当然可以利用散热胶(或称散热膏)形成涂层，以增加散热效率。

中央处理器将随着工作频率愈来愈快，所释放出来的热能也随之增加，因此若中央处理器本身的温度超过临界温度，中央处理器以及其它电子组件有可能烧毁或减低寿命。本发明的多模式传导热能的方式将有效协助将中央处理器散热且将其温度控制在前述温度范围之下，其热传导方式如下所述，并继续参阅图3。首先，该多模式散热器模块1的第一散热器模块1a的第一散热导管11a的一端111a埋设于底座4中且和中央处理器紧密设置相邻，将中央处理器所产生的热能透过底座4，第一散热导管11a传导至该模块的散热鳍片组14a，在各散热鳍片上对应设置有穿孔(图未示)，使该第一散热导管11a依序贯穿，将使中央处理器所产生的热能透过第一散热导管11a均匀传导至散热鳍片组14a上的每一片散热鳍片上。

在同时间，由于致冷芯片5贴设于中央处理器上的底座4上缘，依据皮特尔效应(Peltier Effect)，将A点的热量被移转到B点，导致A点温度降低，B点温度升高，故致冷芯片5与底座4的接触面51(吸热端)将会把底座4与中央处理器降温，且将所产生的热能转移至该另一面(即放热端52)，而第二散热模块1b的第二散热导管11b的一端111b埋设于致冷芯片5由导热组件7包覆、形成一辅助散热区7a空间内，而该辅助散热区7a中埋设第二散热导管11b，各散热鳍片14b上也对应设置有穿孔(图未示)，使该第二散热导管11b依序贯穿，将使致冷芯片5所产生的热能透过第二散热导管11b均匀传导至散热鳍片组14b的每一片散热鳍片上。设置在散热器模块1的任一侧边的风扇6将辅助产生一气流，导引冷空气直接吹向各散热鳍片组14a、14b，使外界的冷空气与每片散热鳍片进行热交换，达到迅速散热目的。

在图3中所显示的风扇6设置在第一散热器模块1a的散热鳍片组14a横向侧边，主要是由于中央处理器所产生的热能往往较致冷芯片5大，故导引冷空气首先吹向连接第一散热导管11a的散热鳍片组14a。不过，若以图4以及图5风扇所设置的型态，该风扇6设置于第一散热器模块1a的散热鳍片14a以及第二散热器模块1b的散热鳍片14b两者的纵向侧边，与图3所显示的风扇6设置位置相差90度，该风扇6所产生的气流可通过涵盖散热鳍片组14a、14b，即同一时间导引冷空气吹向散热鳍片组14a、14b，使冷空气与两散热鳍片组14a、14b的每片散热鳍片进行热交换，透过第一散热导管11a及第二散热导管11b的热传导，达到对中央处理器以及致冷芯片5散热目的。

若在计算机机箱的空间可容许的情况之下，该第一散热器模块1a以及第二散热器模块1b可利用各自的散热导管11a、11b延伸出一段距离，使第一散热器模块1a以及第二散热器模块1b并非位于相邻近的位置处，而是各自以独立的区域、各自独立的风扇，对该负责的热源处进行散热降温的动作。举例来说请参阅图6，第一散热器模块1a的第一散热导管11a的一端111a、将中央处理器所产生的热能透过第一散热导管11a传导至该模块的散热鳍片组14a，使中央处理器所产生的热能透过延伸出的第一散热导管11a均匀传导至散热鳍片组14a每一片散热鳍片上，藉预设于面板下端的风扇负责导引外界的冷空气直接吹向第一散热鳍片组14a，使冷空气与每片散热鳍片进行热交换，达到迅速散热目的。同时间，第二散热器模块1b以相同的方式延伸出第二散热导管11b，将致冷芯片5所产生的热能藉该组的散热鳍片组14a以及设于背板的风扇进行散热。更进一步的，延伸的各散热鳍片组14a、14b可设置延伸至通风良好位置处，以利计算机机箱中气流迅速进行交换。

而本发明的散热器模块架构并非仅限于以上所述，也可以利用更直接的与热源面接触的方式进行设计。请参阅图7至图9，为本发明的第二组实施例的立体示意图。

请同时参阅图7至图9所示，第一散热器模块1a’本身具有完整的热沉/鳍片结构，此热沉/鳍片结构可藉由冲、锻、挤、焊、铸等工艺来同时建立，或是以冲压或熔接接合的方式使第一散热鳍片组14a’接合一热沉底座15a。不论采用何种方式或形状来建立鳍片，该第一散热器模块1a’的热沉底座15a将同时与热源4’(如中央处理器)、致冷芯片5’贴合。另一方面，第二散热器模块1b’，本身也具有完整的热沉/鳍片结构，其热沉/鳍片结构可藉由冲、锻、挤、焊、铸等工艺来同时建立，或者也以冲压或熔接接合方式使第二散热鳍片组14b’接合于一热沉底座15b。此热沉底座15b只与致冷芯片5’贴合。所以，本实施例的组合架构由下而上的排列顺序分别为：热源4’(如中央处理器)、第一散热器模块1a’、致冷芯片5’、第二散热器模块1b’。

当本实施热源4’(如中央处理器或其它芯片组)所产生的热量将由第一散热器模块1a’的热沉底座15a导引至该接合的第一散热鳍片组14a’，而同时致冷芯片5’贴设于第一散热器模块1a’的热沉底座15a上方，依据皮特尔效应(Peltier Effect)由接触面(吸热端51’)分担热沉底座15a’所吸附的热量，并由致冷芯片5’的吸热端51’转移至该放热端52’，该放热端52’与第二散热器模块1b’的热沉底座15b相贴，所以热源4’也能够藉由第二散热器模块1b’的热沉底座15b导引至该所接合的第二散热鳍片组14b’散发。所以，将有两传导途径能够将热源4’的热量排出。最后，一风扇6’可设置在散热鳍片的侧边，在风扇6’的运转的下使气流穿梭于每一散热鳍片，以强制对流方式达到降温的目的。如此，不但可以将热源4’中央处理器等芯片组的发热量散发，还一并带走致冷芯片放热端释出的热量。

Claims (20)

1、一种包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法，其特征在于：包含有：

第一散热器模块，具有一第一散热鳍片组，该第一散热鳍片组的各鳍片连结至少有一第一散热导管，该第一散热导管的一端设置相邻于热源处；

贴设于一热源处的致冷芯片，该致冷芯片将热源由与该热源处相接面送至该相接面的相对面；

第二散热器模块，具有一第二散热鳍片组，该第二散热鳍片组的各鳍片连结至少有一第二散热导管，该第二散热导管的一端设于致冷芯片的一面。

2、如权利要求1所述的包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法，其特征在于：该第一散热导管的一端设于底座中，底座和中央处理器呈相邻紧密设置。

3、如权利要求1所述的包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法，其特征在于：该第一散热导管的另一端可延伸至通风良好位置处。

4、如权利要求1所述的包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法，其特征在于：该第二散热导管的一端紧密设置相邻于致冷芯片放热端。

、如权利要求1所述的包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法，其特征在于：该第二散热导管的另一端可延伸至通风良好位置处。

6、如权利要求1所述的包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法，其特征在于：其中在致冷芯片外侧有一导热组件包覆，藉以吸附致冷芯片所产生的热源，并由第二散热导管传导至第二散热鳍片组。

7、如权利要求1所述的包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法，其特征在于：其中更进一步包括有一风扇设置在任一散热鳍片的侧边。

8、如权利要求1所述的包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法，其特征在于：其中更进一步在第一散热模块上增设散热导管，其一端设置于热源处，另一端贯穿设置数散热鳍片，以提升散热效率。

9、如权利要求1所述的包含致冷芯片的多模式散热器及其散热方法，其特征在于：其中更进一步在第二散热模块上增设散热导管，其一端设置于致冷芯片的一面，另一端贯穿设置数散热鳍片，以提升散热效率。

10、一种散热方法，其特征在于：提供一多模式散热器模块的散热，该散热模块具有第一散热器模块，具一散热鳍片组，该散热鳍片组的各鳍片连结有散热导管，散热导管的一端设置于热源处；贴设于热源处的致冷芯片，该致冷芯片将热源由与热源处相接面送至该相接面的相对面；第二散热器模块，具有一散热鳍片组，该散热鳍片组的各鳍片连结有散热导管，该散热导管的一端设于致冷芯片的一面，该散热方法为：

以第一散热器模块的散热导管将热源处产生的热能传导至该散热鳍片组，同时致冷芯片将热源处产生的热能由相接的面送至该面的相对面；以第二散热器模块的散热导管将致冷芯片所产生热能传导至该散热鳍片组；进一步导引冷空气吹向各散热鳍片组，使冷空气与散热鳍片进行热交换，达到散热目的。

11、如权利要求10所述的散热方法，其特征在于：其中在多模式散热器模块的所设置空间中至少有一出风口，将形成空气对流作用。

12、如权利要求10所述的散热方法，其特征在于：其中进一步设有至少一风扇，该风扇设置在散热鳍片组的任一侧边，以利气流流场的流经各散热鳍片。

13、如权利要求12所述的散热方法，其特征在于：其中更进一步利用另一匹配风扇作动，与原设置在散热鳍片组的任一侧面的风扇形成空气对流作用。

14、如权利要求10所述的散热方法，其特征在于：该热源处指运作时将产生热源的电子零组件。

15、如权利要求14所述的散热方法，其特征在于：该电子零组件尤其指一中央处理器。

16、一种具致冷芯片的多模式散热器模块，其特征在于：包含有：

第一散热器模块，具有一散热鳍片组，该散热鳍片组的鳍片接合有一热沉底座，该热沉底座的一端设置相邻于热源处；

一面贴设于第一散热器模块的热沉底座的致冷芯片，该致冷芯片有一吸热端以及一放热端，热源可由贴设于第一散热器模块的热沉底座的吸热端送至放热端；

第二散热器模块，具有一散热鳍片组，该散热鳍片组的鳍片接合有一热沉底座，该热沉底座的一端贴设于致冷芯片的放热端。

17、如权利要求16所述的具致冷芯片的多模式散热器模块，其特征在于：其中进一步包括：一风扇设置在任一散热鳍片的侧边。

18、如权利要求16所述的具致冷芯片的多模式散热器模块，其特征在于：其中第一散热器模块、第二散热器模块的热沉底座及散热鳍片组可藉由接合的方式建立。

19、一种运用致冷芯片的热传导方法，其特征在于：透过如权利要求16所述的散热器模块进行，在对热源进行散热的同时，该作为导引散热的致冷芯片也有一散热器模块协助针对致冷芯片的放热端散热，其中，一热传导途径是由热源传导至第一散热器模块的热沉底座，进而传导至该组散热鳍片组；另一散热途径是由致冷芯片将同时由吸热端吸附第一散热器模块的热沉底座所发出的热源，送至该相对的放热端，由第二散热器模块的热沉底座将该放热端所产生热能传导至该组散热鳍片组。

20、如权利要求19所述的热传导方法，其特征在于：包括一风扇将导引冷空气直接吹向各散热鳍片组，使冷空气与散热鳍片进行热交换，达到散热目的。

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