CN1703940A - 电子装置的散热结构 - Google Patents

Abstract

用于电子装置的一种热辐射结构，具有发热元件和热辐射元件，此热辐射元件有内壁、外壁和一些间壁。所述内壁接收从加热元件传出的热。所述外壁与内壁相对并隔开一定距离。所述间壁连接内外壁并和它们一起界定一些通孔，后者的形状基本相同并按基本相同的距离沿内或外壁排列。通孔沿竖直方向安置，在该方向可以最有效地利用重力的影响，且通孔上端和下端对外部敞开。

Description

电子装置的散热结构

技术领域

本发明涉及一种电子装置的散热结构。

技术背景

有一种装置电子装置散热结构利用所谓的烟囱效应引起的自然对流。在这种结构中，烟囱通道的上端和下端分别对外部敞开，以利用空气通过烟囱通道向上的自然流动来散热(例如，可参见日本公开专利申请No.9-212258)。

但是，传统的结构不一定是适合于获得烟囱效应的结构，因而得不到充分的散热效果。

发明内容

为达到上述目的，本发明的电子装置散热结构包括一个热源(或几个热源)和一个散热元件。散热元件有内壁、外壁和一些间壁。内壁直接或间接从热源接收热量。外壁和内壁相对，且隔开一定距离。间壁把内壁和外壁连在一起，并与内壁和外壁共同限定一些沿着内或外壁设置的通孔。各通孔在可利用重力影响的许可倾斜范围内竖直地延伸，且在其上端和下端对外部敞开。

优选通孔相对于竖直线的倾斜小于60度，更好是小于30度。

各通孔可以近似排列成一条直线或一个圆。

在这种结构中，热源的热直接或间接传给散热元件的内壁，然后通过那些间壁传给散热元件的外壁，将由内壁、间壁和外壁限定的通孔内的空气加热。通孔在可有效利用重力影响的倾斜范围内竖直地延伸，且在其上端对外部敞开。因此，当通孔内的温度上升时，由于烟囱效应而产生自下而上的自然对流，即散热。

由于多个间壁沿内壁或外壁安置，故在沿内壁或外壁长度上发生的从内壁至外壁的热传导的波动减小。这样一来，在内壁、间壁和外壁中的温差可以很小。换句话说，通过使作为烟囱通道的通孔的环境温度均匀，以及通孔内的空气流动平缓，可以达到良好的烟囱效应。因而可以由自然对流达到有效的散热效应。

另外，由于散热元件具有通过多个间壁连接的内壁和外壁，它可起到一个高机械强度的加强元件的作用。

这些通孔的形状可以大致相同，并可按近似不变的间隔沿内壁或外壁排列。

在这种结构中，由于多个间壁以不变的间隔沿内壁或外壁排列，沿内壁和外壁长度从内壁至外壁的热传导是相等的。因此，内壁、间壁和外壁中的温差可以很小。换句话说，通过使用作烟囱通道的通孔的环境温度更均匀，以及通孔内的空气流动平缓，可以达到极好的烟囱效应。另外，因为每个通孔的形状大致一样，它们的烟囱效应也相等。所以，通过自然对流可以达到更有效的散热效应。

可以把与竖直方向正交的通孔截面形状做成在竖直方向的任何位置都大致相同。

利用这种结构，由于空气向上流动更均匀，故由自然对流造成的散热更为有效。

可以把两个相邻间壁的相对内侧面之间的最佳距离根据通孔竖直长度的线性函数设置，并根据这个最佳距离设置相对两内侧面间的距离。

例如，设两相邻间壁的相对两内侧面之间的最佳距离为Wopt，通孔的竖直长度为L，两相邻间壁的相对内侧面间的距离为w，则Wopt可按下式设定：

Wopt＝0.01L+0.005

而w可设置在以下范围：

95Wopt≤w≤1.2Wopt

在这种结构中，由于两相邻间壁的内侧面之间的距离是按通孔竖直长度合理设定的，故由自然对流造成的散热效应得到进一步改善。

与热源和内壁的外侧接触的热扩散元件可设置在热源和散热元件内壁之间可安装一个。另外，可以把散热元件的内壁做成具有热扩散的功能，并放在与热源相接触的位置。

在这种结构中，由于内壁靠近和远离热源的部分之间的温差因热扩散元件或内壁的散热功能而进一步下降，且用作烟囱通道的通孔的环境温度更均匀，故散热效应得到进一步改善。

最好把与通孔的竖直方向正交的截面做成近似的正方形，且最好是通孔的四条边的长度几乎相等。换言之，通孔的截面形状最好是接近正方形。

在这种结构中，由于与通孔竖直方向正交的截面近似为正方形，且间壁的宽度做得几乎相等，用作烟囱通道的通孔的环境温度因从内壁至外壁的良好热传导而变得更均匀，这就进一步改善了散热效应。此外，在各种四边形中，更接近正方形者能使空气向上的流动更平缓，故通过自然对流更进一步改善了散热效应。

可以把热源和散热元件罩在一个箱体里，使得散热元件外壁的外侧面与箱体的内侧面表面接触，或者用散热元件的内壁界定一个封闭空间，把热源罩在此封闭空间内。

利用这种结构，由于从散热元件外壁的热耗散是直接或通过箱体发生的，故散热效应得到全面改善。

散热元件外壁的外侧面可以有一个冷却翼片。

利用这种结构，从散热元件外壁释放的热量增加，故进一步全面改善了散热效应。

通过阅读下面结合附图对本发明一些优选实施例的描述，我们可以充分了解本发明的上述和另外一些目的和特性，包括在后面权利要求书中描述的特性，以及本发明的一些明显的和隐含的效果和优点(包括通过实施发明而了解到的那些)。

附图说明

图1是按本发明一个实施例的电子装置散热结构主要部分的透视图；

图2是图1散热结构的一般剖视图；

图3比较各指定条件下按该实施例的理论散热和间隔w间的关系及用有限体积理论计算的散热和间隔w间的关系；

图4说明在指定条件下得到的理论散热和间隔w之间的典型关系；

图5是第一改型例的剖视图；

图6是第二改型例的剖视图。

实施本发明的最佳模式

下面参考附图说明本发明的一个最佳实施例。

图1是按该实施例的电子装置散热结构主要部分的透视图，图2是图1的散热结构的一般剖视图。

如图2所示，按此实施例的电子装置散热结构包括箱体1、热源2、散热元件3和扩散器4(用作热扩散元件)。

箱体1包括一个矩形管状周壁5，个固定在周壁5顶端和底端的盖6，电子装置的周壁5在大致按竖直方向安装的情况下使用。周壁5和盖6都用合成树脂(如ABC树脂)制造。除热源2、散热元件3和扩散器4外，各种电子部件7、8和9也罩在箱体1内并加以固定。所以，当电子装置是一台个人计算机时，CPU、硬盘驱动器10、主存储器、AC功率适配器等就是热源2。

散热元件3有内壁10、外壁11和一些间壁12。内壁10和外壁11都是近似平板形，彼此大致平行地对着，其间是空的。外壁11的外侧面固定，与箱体1周壁5的内侧面沿表面接触。多个间壁12基本沿竖直方向伸展并沿内壁10和外壁11按不变的间隔大致平行地安置，以将内壁10和外壁11连起来。因此，内壁10、外壁11和间壁12界定一些通孔13，其形状大致相同，且沿与竖直方向近似正交的方向以大致不变的间隔近似按线性排列。

通孔13沿竖直方向在一定倾斜范围内大致沿直线伸展，在电子装置使用期间在该倾斜范围内可利用重力的影响。更具体地说，建议让通孔13相对于铅垂线的倾斜角小于60度，小于30度更好，不过在本实施例中，是把它固定在大致竖直的方向(近似平行于重力加速度g的方向)，这样最好。盖6靠近除通孔13以外的被箱体1的周壁5上端和下端包围的那部分区域，且通孔13上下端对箱体1的外部是敞开的。

扩散器4可做成各种形状，且置于热源2和散热元件3的内壁10之间。扩散器4的前面和后面分别与热源2和内壁10的几乎全部外侧面沿表面接触，且内壁10通过扩散器4间接接收从热源2传来的热量。扩散器4用高导热金属(如镁、铝、铜、银、金等)制成，把通过接触从热源2接收的热量扩散和传导给内壁10。也可以用带内置式薄双层热传输机构(蒸发室、闭路热管等)的扩散器作为热扩散元件。另外，也可以不用额外的热扩散元件，而让内壁10用高导热金属来做而起到热扩散的作用，但在这种情况下散热元件应置于与热源相接触的位置。

与竖直方向(铅垂线方向)正交的通孔13的截面做成几乎为正方形的四边形(水平和竖直长度没什么差别的四边形)。另外，与竖直方向(铅垂线方向)正交的通孔13的截面做成在竖直方向(铅垂线方向)的任何位置都是大致相同的形状。

如图1所示，间壁12的厚度t做成小于两相邻间壁12的两内侧面间的距离w(下面把它叫做间壁12的间隔)。这些间壁12的间隔w根据它的最佳距离Wopt(最佳间隔)来设定，而最佳距离Wopt按通孔13竖直长度L的线性函数设定。更具体而言，在间壁12的最佳间隔为Wopt(m)，通过13的长度是L(m)，且间壁12的间隔为W(m)的情况下，则最佳间隔Wopt按下式(1)设定：

w_opt＝0.01L+0.005…(1)

然后按下式(2)的范围设置距离w：

0.95w_opt≤w≤1.2w_opt…(2)

下面对上述方程(1)和(2)的原理加以说明。

在以图1所示散热结构作为模型的情况下，假定散热元件3的高度(即通孔13的竖直长度L)在0.02m至1.0m的范围，并根据箱体1周围大气的温度将散热元件11内壁10的温度限制在20℃至50℃的范围，则从以下方程所得结果可以导出方程(1)和(2)。

假定通孔13周侧面(内壁10、外壁11和间壁12的内侧面)上的温度是均匀的，则可按下面的方程(3)计算释放的热量Q：

Q＝hS(Tw-Ta)…(3)

式中Tw为通孔13周侧面上的温度，Ta是周围大气温度，S和h的值按下面的方程(4)和(5)计算：

S＝2(w+d)L…(4)

$h=\mathrm{Nu}\frac{k_f}{z}---\left(5\right)$

如上所述，w和L分别为间壁12的间隔(m)和通孔13的竖直长度(m)，d是内壁10和与之相对的外壁11的内侧面之间的距离(m)(以后称为通孔13的宽度)，kf是空气的导热系数(W/mK)。Nu是纳赛尔数(Nusselt)(无量纲导热系数)，由式(6)给出：

$\mathrm{Nu}={[\frac{576}{{\left(\mathrm{El}\right)}^2}+\frac{2.87}{{\left(\mathrm{El}\right)}^{1/2}}]}^{-1/2}---\left(6\right)$

这个El是艾伦巴斯数(Elenbaas Number)，代表所发生的自然对流的强度，在本实施例中由下式(7)确定：

$\mathrm{El}=\frac{{\mathrm{g\ρ}}^2\mathrm{\β}{C}_p{(T_w-T_a)z}^4}{\mathrm{\μ}{k}_{f}L}---\left(7\right)$

方程(6)的第一项称为充分发展限制，它表示空气流动在两壁靠在一起处合在一块的一种现象，第二项叫做孤立板限制，表示空气在分离壁之间流动。每一种情况下都是间隔变大时热传导增加。如该方程所示，它们与空气的物理性能有关，而且是温度的弱函数。在方程(7)中，g是重力加速度，ρ是密度，β是体膨胀系数(＝绝对温度的倒数)，Cp是固定容积比热，μ是空气的粘滞系数。

方程(5)和(7)中z是决定间壁12的间隔w和宽度d对Elenbaas数的影响的近似函数，在本实施例中由下式(8)确定：

$z=[\frac{1}{w^2}+\frac{1}{d^2}{]}^{-1/2}---\left(8\right)$

图3比较各种指定条件下按上述理论方程(3)至(8)计算的释放热和间隔w之间的关系以及根据有限体积理论计算的释放热与间隔W之间的关系。假定设定条件为Tw＝60℃，Ta＝40℃，L＝0.26m，整个散热元件3的宽度Wa为0.2m，对d取7mm(0.007m)、9mm(0.009m)、12mm(0.012m)和18mm(0.018m)的四种情况进行计算。另外，按上面方程(3)至(8)计算的结果在图中以标注”Ana”的线代表，而按有限体积理论计算的结果在图中以标注”Num”的图形点代表。从图3显然可见，按方程(3)至(8)计算的结果与按有限体积理论计算的结果相似。可以说，此结果证明，按理论方程(3)至(8)计算的释放热(理论释放热)与实际的释放热类似。

决定通孔13的最佳间隔Wopt的长度L的线性函数可按下面方法得到。

首先，求出各种条件下理论释放热和间隔w的关系，得出这些条件下的峰值w，将所有条件下此峰值w和长度L的关系画在一张图上，以获得那些图形点的近似直线。这样得到的函数就是方程(1)。另外，方程(2)的范围可以看成是相对于该近似直线的波动范围内的有效部分。

图4为各种指定条件下得到的理论释放热和间隔w之间的典型关系。假定设定条件为Tw＝60℃，Ta＝40℃，整个散热元件的宽度Wa为0.2m，且d＝0.012m。计算了L为0.3m、0.2m、0.1m、0.05m、0.02m的五种情况。从图4显然可见，释放热随间隔w的增加而增加，长度L越长，增加的量越大。另外，很显然，在w＝d(＝0.012)附近，不管L多长释放热都很大。

按照本实施例的散热结构是这样构造的，即通过热扩散元件4将热源2的热量传给散热元件3的内壁10，然后通过那些间壁12传给外壁11，将由内壁10，间壁12和外壁11限定的通孔13内的空气加热。通孔13沿大致平行于铅垂线的方向伸展(这样可以最有效地利用重力的影响)，并对箱体1上下端处的外部敞开。因此，当通孔13内的空气温度上升时，产生向上的自然对流，即由于烟囱效应而使热量耗散。

由于间壁12是沿内壁10和外壁11以不变的间隔排列，从内壁10到外壁11的热传导将沿内壁10和外壁11等量地进行。因而内壁10，间壁12和外壁11之间的温差可以保持很小。特别是由于热扩散器4的散热功能，使得靠近和远离热源2的两部分内壁10之间的温差进一步减小。因而，通过使作为烟囱通道的通孔13的环境温度均匀，以及通孔13内的空气平缓地流动，而达到良好的烟囱效应。另外，由于通孔13的形状大致相同，其中达到的烟囱效应也相当。因而可以通过自然对流达到有效的散热效果。

由于通孔13与竖直方向正交的截面形状在竖直方向的任意位置大致相同，向上流动的空气流动更平缓，因而改善了由自然对流产生的散热效应。

由于与竖直方向正交的截面形状近似为正方形，且间壁12的宽度做成几乎相等，因此在热从内壁10传至外壁11时不容易产生瓶颈部分，所以热的传输更好。因而用作烟囱通道的通孔的环境温度越均匀，散热效应改善越多。此外，在各种四边形中更接近于正方形者能使空气向上流动更平缓，因而由自然对流产生的散热效应得到进一步改善。

由于间壁12的间隔w是按照可计算散热性能最佳值的方程(1)设定的，由自然对流造成的散热效应得以进一步改善。

因为与散热元件3的外壁11和箱体1周壁5的内侧面有表面接触，且热量是通过箱体1从外壁11散发的，故改善了总的散热效应。

如上所述，由于本实施例的散热结构能通过自然对流实现充分的散热效应，故电子装置不用风扇等强迫冷却便可散热。因而也可控制成本的增加和由风扇等产生的噪声。另外，由于散热效应不会因风扇等的失效而降低，故可保证长期可靠性。此外，因为不需要使用风扇等，故可改善箱体1的空间利用率并降低重量，从而减小电子装置的体积和重量。还有，把本实施例的散热结构用于带风扇等的强迫冷却系统，可以降低风扇等的负荷，降低运行成本，减少噪音。

另外，由于散热元件3的结构中是通过间壁12来连接内壁10和外壁11，它可起到高机械强度的加强元件的作用。因而，通过散热元件使整个装置在强度方面的可靠性得到改善，并可控制因提供额外的加强元件而引起的成本增加。

图5显示上述实施例的第一改型例的一个截面，图中用同样的符号表示与上面实施例相同的结构部分，因而对它不再加以说明。

此改型例在箱体1内提供两组热源2、散热元件3和扩散器4。两个散热元件3的外壁11分别固定，使它们与箱体1周壁5的相对内侧面表面接触。

按照这种结构，由于箱体周壁5的一些内侧面得到有效的利用，即使有许多热源，由自然对流产生的散热也可以和上述实施例的情况同样有效。

图6显示上述实施例的第二个改型例的截面，图中用同样的符号表示与上面实施例相同的结构部分，因而对它不再加以说明。

在此改型例中，不提供额外的箱体或扩散器，散热元件20的内壁21大致做成管形，外壁22做成半径大于内壁21的半径的近似管形，其中热源2被容纳在内壁21限定的封闭空间内，内壁21和外壁22同心安置，且内壁22通过一些径向间壁23连接，且间壁23是这样安置的，使得一些具有近似相同形状的通孔24因内壁21、外壁22和间壁23而按不变间隔排列在一个圆周上。热源2固定成与内侧面沿表面接触，并采用能充分利用内壁21的热扩散功能的金属制成。一些冷却翼片25从外壁22的外侧面沿各个方向辐射。盖26将内壁21限定的封闭空间的顶端和底端封闭起来。

这种结构除了和上述实施例相同的效果外还具有以下一些效果。

换句话说，因为既没有箱体又没有扩散器，故零件的数量可以减少。另外，因为用作烟囱通道的通孔24可以安置在热源2的整个周边区域(这是一个很大的区域)，故由自然对流产生的散热效应得以进一步改善。此外，由于有冷却翼片25，从外壁22释放的热量增加，使得总的散热效果进一步改善。

必须指出，本发明不局限于上面描述的实施例或其改型例。换句话说，即使在不同于上述实施例的情况下，也自然允许在设计等方面作各种修改而不超出本发明的技术思路和范围。

例如，可以把散热元件外壁的外侧面暴露在上面实施例中箱体的外面，并可以把第二改型例中的冷却翼片置于外壁的外侧面。

如上所述，由于按本发明可以通过自然对流得到充分的散热效应，故可以不用风扇等强迫冷却使电子装置散热。因而也可以控制因使用风扇等引起的成本增加和噪音产生。另外，因散热效应不因风扇等的失效而降低，故可保证长期可靠性。此外，由于不需使用风扇等，可以提高箱体内的空间利用率并减轻重量，从而也降低了电子装置的体积和重量。除此以外，散热元件因其机械强度高而可起到加强元件的作用并改善在强度方面的可靠性，还可控制因采用加强元件而造成的成本增加。

虽然在描述本发明的优选实施例时采用了一些专用术语，但它只是示例性的，同时应指出，对它可以作各种修改而不超出下面权利要求书的思路和范围。

工业适用性

本发明可广泛用于电子装置的散热结构中。

Claims (6)

1.一种用于电子装置的散热结构，包括：

热源；

散热元件，它具有内壁、外壁和一些间壁，其中：

内壁直接或间接接收来自热源的热量，

外壁与内壁相对并隔开一定距离，

间壁将内壁和外壁连接在一起，

内壁、外壁和间壁限定一些通孔，

各通孔沿内壁和外壁中的至少一个安置，

每个通孔沿竖直方向在一倾斜范围内延伸，在所述倾斜范围内可以利用重力的影响，以及

每个通孔的顶端和底端对外部敞开。

2.如权利要求1所述的散热结构，其中

那些通孔具有大致相同的形状，并以不变的距离沿内壁或外壁排列。

3.如权利要求1或2所述的散热结构，其中

两相邻间壁的相对内表面间的最佳距离根据通孔竖直长度的线性函数设定，且相对内表面间的距离根据该最佳距离设定。

4.如权利要求3所述的散热结构，其中

假定相对内表面间的最佳距离为Wopt，通孔的竖直距离为L，相对内侧面间的距离为w，则Wopt按下式设定：

Wopt＝0.01L+0.005

且w设定在如下范围内：

0.95Wopt≤w≤1.2Wopt

5.按权利要求1-4中任一项的散热结构，其中

与通孔的竖直方向正交的截面近似为正方形，且

通孔截面四边的长度几乎相等。

6.按权利要求1-5中任一项的散热结构，其中

散热元件外壁的外侧面具有冷却翼片。

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