TW200407066A - Methods and apparatus for an integrated fan pump cooling module - Google Patents

Description

200407066 五、發明說明（1) 發明所屬之技術領域 本發明係關於冷卻系統，尤指具有 卻模組。 羽/泵積體之冷 先前技術 邇來電腦科技的進步，大受到半導 一 組件提高速度和減小尺寸的推動，此趨 70件和其他電子 預料，說明半導體元件的效能一般是每182摩爾律的著名 此項尺寸減小和速度提高，引起許多月即加倍。 作中挑戰冷卻半導體元件和其他發熱組件。=至少在操 不久的將來，對CPU產生100瓦特或以上程戶例如，預計在 散熱器、風扇冷卻器等元件之傳統冷卻系二，將不稀罕。 散如此程度之熱，尤其是在組件裝在較小’、密=再，夠消 良封裝内之系統（諸如個人電腦系統）。 一、通風不 此外，雖然為組件和其他發熱元件已開發出小型A j空：此種果典型上昂責，…，耗電多，封 他限^亟需進步的冷卻系統，以克服先前技術之上述和其 發明内笔^ 、果ί ΐ:Ϊ:A精：、有效率之冷卻裝置’包括風扇 泵泵和電動機制（例如電動馬達），構成同時驅動風扇和 的配ΐ f Λ發明一具體例交換器係聯結（即經由適當 的配管）至系和要冷卻之發熱元件（或「熱源」 200407066 五、發明說明（2) 按照本發明次一具體例，泵構成通過風扇之氣流（例 如空氣流）實質上不受泵的阻礙。 按照本發明另一具體例，膨脹槽聯結於泵。 按照本發明又一具體例，風扇頭和泵頭係固定於共同 輪轴，單一磁鐵固定於風扇頭，而一或以上磁性線圈固定 於罩殼。 按照本發明又一具體例，風扇頭和泵頭繞固定輪軸轉 動，磁性線圈固定於罩殼，一磁鐵固定於風扇頭，第二磁 鐵固定於泵頭。

按照本發明再一具體例，輪軸係連接之縱向構件，然 而在一變通具體例令，輪軸包含聯結於風扇頭之第一輪轴 段，和聯結於泵頭之第二輪軸段，其中第一和第二輪轴段 係經由齒輪機制、調速機制或任何其他此類機械式聯結器 加以聯結。 實施方式 茲參見附圖說明本發明如下，圖中同樣號碼指同樣元 件。 本發明提供風扇和泵，積體於電氣控制的精巧模組内 ，使泵和風扇可利用電動馬達同時驅動，其各種構型詳 後。

參見第1圖，風扇泵模組（或簡稱「模組」）1 0 0包括風 扇1 0 2和泵1 0 4，同時利用驅動機制（圖上未示）控制。泵 104典型上包含出口 106和進口 108。如後詳述，風扇102和 泵104包括各種組件，以機械方式和/或磁力方式連結，

第6頁 200407066 五、發明說明（3) 以達成同時操作。 模組1 0 0可與其他組件積體，以方便與要冷卻的熱源 來回傳熱。例如第2A和2B圖所示，系統200包含熱交換器 112和膨脹槽110，經由各種配管適當聯結至泵104，其中 有，一如第和2B圖所示。如此一來，系1〇4所用冷媒即可 傳送至目的熱源1 1 3。各種配管組件（例如管子等）可用來 將模組1 0 0連接至外部元件，參見第4 A和4B圖所述。 第3圖表示本發明一具體例之外觀。在此具體例中， 罩殼（在此例中為直線型罩殼）3〇2支持、連接或以其他方 式聯結於泵104和風扇1〇2，其中泵1〇4含有出口 106和進口 108。通過風扇102的氣流一般與風扇輪轴平行，可在任一 方向吹風，視用途而定。在風扇1〇2提供周圍空氣（或其他 氣體）運動時，泵104即作動冷媒從進口 1〇8到出口 106。 罩殼302、泵104和風扇1〇2尺寸可按照置設之特殊用 途選擇。例如普通軸向風扇尺寸包含2〇x 2〇inin、25x 2 5mm 、30x 30mm、40x 40mm、45x 45mm、50 x 5 0mm、55 x 55mm 、6 0 x 6 0mm、80x 80mm、92x 92mm、1 20x 1 20mm、直徑 6 吋、8吋、l〇吋、12吋風屬。然而，本發明不限於於此所 列風扇尺寸，任何適當的慣用風扇尺寸或形狀均可用。 第4A和4B圖描繪本發明二種構型，與上面簡述的其他 組件聯合使用。在第4A圖所示構型中，熱交換器112位於 接^風扇102’並經管430連接至膨脹槽n〇，而熱源（圖上 未不）經管414和43 2連接至系統。熱交換器Π2 一般功能是 經由熱傳導和強制對流，把熱從冷媒排到經過的氣體。各

200407066 五、發明說明（4) 種類型的熱交換器可詳述如下。 膨脹槽110 —般功能為冷媒灌注口和貯槽。在圖示具 體例中，膨脹槽11 0加設釋氣閥40 2，在加熱和冷卻循環'中 提供配管内氣體壓力平衡之方法。然而，在較佳具體例中 ，釋氣閥402不會釋放出冷媒。膨脹槽110可有方便形狀， 可位在相對於果104的任何適當位置。例如，膨脹槽I〗。可 遠離罩殼302或泵104，或積合成一體。 在第4B圖所示變通構型中，熱交換器112亦位於接近 風扇102’但經管410接至果104。果104經管412接至膨服 槽110’而熱源（圖上未示）經管414和416按圖示以熱學方 式聯結至系統。亦即管416和414(以第4人圖内所示^^414 和432)構成連接於冷媒集熱器或其他此類傳熱元件，以熱 學方式聯結至要冷卻之熱源。此等熱源可位在靠近果丨〇4… 或遠離泵1 04 (例如在電腦櫃或其他封閉空間内之遠處）。 除管路外，冷卻系統内亦可加設其他組件，諸如散熱器、 換相元件、熱管等。此等冷媒集熱器，或其他此類g熱元 件等之性能，在技藝上已屬公知，故在此不予贅述。 认-Ϊ t t明次一具體例，風扇泵模組係構成通過風扇 到泵的阻礙。此舉係例如將栗104外部 ,Πΐΐ ί精巧，不會實質上妨礙通過風扇1〇2之 氣k而達成。右泵1〇4為實質上圓筒形，如圖所示， 泵1另01卜形成栗外ιΠΪ ί!最小，並相當接近風扇102的葉輪基部 機械方式^ &全部位在風扇10 2的氣流區域外，其餘以 機械方式和/或機械方式連結於風扇102。

第8頁 200407066 五、發明說明（5) 如上簡述，本發明一 „ ^ 固定於共同輪軸，w 一了 '體例之系統構成風扇頭和泵頭 定於罩殼。I旨筮磁鐵固定於風扇頭，而磁性線圈固 聯結於泵葉輪60f的示斷面圖，本發明一具體例包括 頭612，連接於風戶7碩602，聯結於風扇葉輪613的風扇 筒袖承)連；的磁鐵…，軸承“列如低摩擦套 固定於罩殼3〇2的磁m扇〇γ12和粟頭6〇2連接於此 液體密封係由任何適:材圈料6〇二以及適：液體密封 酯橡膠、乙烯丙稀梭:^製成，例如腈橡膠、聚丙烯酸 # > τ m 7橡膠、氟丁橡膠、氟化橡膠、聚矽氧橡 膠丁基橡膠，以及其他橡膠材料。 e f磁险線圈6 〇 6施以適當交流電信號，磁鐵6 1 4 (聯結 於風扇頭612)即誘發風扇頭612和（經輪軸6〇8)泵頭6〇2二 者轉動、。如此一來，風扇頭612和泵頭6〇2即同時作動，致 使氣流通過風扇，液流從進口 1 〇 8到出口 i 〇 6。 風扇葉輪613(以及動葉輪603)可有任何數量的葉片， 旅可，任何形狀。例如風扇葉輪可為轴向、管軸向/、、離心 式、交叉巧式，或後彎式。在此方面，圖示具體例無意限 制本發明範圍。任何類型之已知或將來開發的風扇 葉輪均可用。 — 馬達、泵和風扇的組件，可以選用來提供任何適當容 量、流量和轉速。例如本發明一具體例之風扇泵模組^有 轉速約2000〜30 0 0rpm，泵流量5〜10cc/s。然而須知無'意 限制於此等範圍，可以選用任何所需轉速和流量。栗^ ^ 輪町為軸向葉片、直徑向葉片、離心式葉片、後彎式葉片' 200407066 五、發明說明（6) 、前彎式葉片或渦輪葉片。 各種模組具雜例内所用馬達（藉用磁鐵和磁性線圈實 施）’最好是DC難電刷型。DC無電刷馬達特別有益，因其 傳統上具有長期而了罪的操作哥命’且一般成本低。不過 ，任何其他方便的馬達型式，可用於本發明。 本系統組件讦用各種材料，包含各種金屬、塑膠、陶 瓷，或其組合。例如在一具體例中，各種組件是使用可射 出成型的塑膠製造，諸如pp、ABS、PE、PBT等。 按照本發明又一具體例，如第6圖所示，環型磁鐵可 改成碟型磁鐵614，固定於風扇頭，而磁性線圈改為扁平 式磁性線圈6 0 6。 按照本發明又一具體例，風扇頭和泵頭繞固定輪轴轉 動，磁性線圈固定於該罩殼，使用二磁鐵：一磁鐵固定於 風扇頭，第二磁鐵固定於泵頭。茲參見第7圖，即磁頭614 附設於風扇頭612，而磁鐵704附設於泵頭602。固定輪轴 608聯結於罩殼302，而最好包含軸承702以供繞輪軸608轉 動。同理，輪軸608可包括二分開之共直線輪轴。磁性線 圈606亦固定於罩殼302。結果，不需流體密封，輪轴6〇8 不轉動，固定於罩殼302。 在此構型中，磁鐵614和磁鐵704為實質上共軸之環形 磁鐵，而磁性線圈6 0 6即固定於其間。當對磁性線圈6 〇 6施 加適當電氣信號時（例如AC或DC信號，視馬達選擇而定）， 二磁鐵614和704均會感應轉動，使風扇頭612和泵頭704同 時轉動。

IHH IIMI ----—<—___-——— __ _ 第10頁 2UU4U/U66 五、發明說明（7) ------ 第8圖表示第7圖所示模組之又 ^ 中，磁性線圈β〇6位於磁鐵704(聯紐一^、體例。在此具體例 (聯結於風扇頭612)之間。輪軸泵頭6〇2)和磁鐵614 ，風扇頭61 2和泵頭602即可繞軸承疋於^殼302，因此 和614最好是碟形，但亦可為任何承装7〇^由轉動。磁鐵 在本發明又一具體例中，採用、適當形狀。 制。即磁性線圈位於罩殼302内風用戶端磁性驅動（TMD)機 風扇葉輪613之外周（即接近磁性線扇圈外)周’而磁環聯結於 關於迄今所示全有具體例，_ _ 向構件。$而，在變通具體例中，：：二均為單-連接縱 々览^ ^ ^ 輪軸包含聯結於風扇頭 之第一輪軸段，和聯結於泵頭之第二輪軸段，直中第一和 第二輪轴段係經由齒輪機制以機械方式聯結，例如使用一 2 =亡齒=連桿，或其他此類機械式聯結器，宜使用分 開輪轴，可為馬達強度調節泵速和動力。 須知任何形式的熱交換器均可用於本發明。第^丨圖 顯示有三個此類交換器112,分別有進口 9〇2和出口 9〇4。 具體而言’第9圖表示貫穿管散熱片具體例，包括複數平 行薄散熱片908。第1〇圖表示摺疊散熱片之熱交換器，包 括複數之摺疊散熱片909，而第11圖表示以複數碟形散熱 片為特徵之熱父換器。此等圖無意限制本發明。誠然，任 何已知或將來開發的熱交換器均可用於本發明。 同理，可以按照各種設計目的，選擇泵和/或熱交換 器所用冷媒。典型冷媒包含水、酒精、抗冷凍劑、乙二醇 、傳熱流體（例如Dow therm )，和其他此類液體；然而，任

200407066 五、發明說明（8) 何適當冷媒均可用。 總之，上述為精巧、有效率之冷卻裝置，包含電動機 制，構成驅動風扇和泵二者。然而，圖示具體例無意限制 系統之各種結構和用途。例如，雖然本發明常在電腦CPU 等電子組件冷卻之脈絡中加以說明，惟須知所揭示系統可 用於任何熱傳送用途，例如電信和其他電子系統，有高度 熱負荷元件位於強制空氣散熱器和熱管不能實施或無效率 之密集空間者。在所述各種組件和步驟之選擇、設計和配 置可有上述和其他修飾，不違本發明在所附申請專利範圍 内規定之範圍。

第12頁 200407066 圖式簡單說明 第1圖為本發明積體風扇泵之示意方塊圖總覽； 第2A和2B圖係說明可實施本發明二項脈絡之簡略方塊 圖； 第3圖為本發明一具體例積體風扇泵之外部總覽； 第4A和4B圖分別為第2A和2B圖所示方塊圖之積體風扇 泵之外部總覽； 第5圖為本發明一具體例之積體風扇泵斷面圖； 第6圖為本發明另一具體例之積體風扇泵斷面圖； 第7圖為本發明變通具體例之積體風扇泵斷面圖； 第8圖為本發明又一具體例之積體風扇泵斷面圖 第9圖為本發明所用散熱片熱交換器例之外部總覽； 第1 0圖為本發明所用摺疊散熱片熱交換器例之外部總 覽 第1 1圖為本發明所用圓形散熱片熱交換器例之外部總 覽

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Claims (1)

1. 200407066 六、申請專利範圍 1. 一種冷卻裝置，包括： 風扇； 泵，該泵構成可將冷媒從至少一進口傳送到至少一 出口； 電動機制，構成同時驅動該風扇和該泵者。 2. 如申請專利範圍第1項之裝置，又包括熱交換器， 聯結於膨脹槽，其中該膨脹槽聯結於該泵之進口，該熱交 換器聯結於熱源，而該泵之出口係聯結於該熱源，以提供 其冷卻者。

   3. 如申請專利範圍第1項之裝置，又包括熱交換器， 聯結於該泵之出口，和膨脹槽，聯結於該泵之進口，其中 該熱交換器和該膨脹槽係聯結於熱源，以提供其冷卻者。 4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該泵構成使通 過該風扇之氣流實質上不受該泵阻礙者。 5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該電動機制包 括電動馬達，構成將該風扇和該泵相對於罩殼轉動者。 6. 如申請專利範圍第5項之裝置，其中 該風扇包含風扇頭，聯結於風扇葉輪； 該泵包含泵頭，聯結於泵動葉輪；而 該風扇頭和該泵頭係附設於共同輪軸者。

   7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該電動馬達包 括固定於該罩殼之磁性線圈，和固定於該風扇頭之磁鐵 者。 8. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該風扇葉輪係

   第14頁 200407066 六、申請專利範圍 選自包含軸向式、管軸向式、離心式、交叉流動式、後彎 式、前彎式、空氣箔式、渦輪式和直徑向式者。 9. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該泵動葉輪係 選自包含軸向葉輪葉片、直徑向葉片、離心葉片、後彎葉 片、前彎葉片和渦輪葉片者。 10. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該輪轴包括聯 結於該風扇頭之第一輪軸段，和聯結於該泵頭之第二輪軸 ，又其中該第一和第二輪軸段係經由機械式聯結器聯結 者。

   11. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中 該風扇包含風扇頭，聯結於風扇葉輪； 該泵包含泵頭，聯結於泵動葉輪；而 該風扇頭和該泵頭係構成繞固定於該罩殼之共同輪 軸轉動者。 12. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該電動馬達 包括固定於該罩殼之磁性線圈，固定於該風扇頭之第一磁 鐵，以及固定於該泵頭之第二磁鐵者。 13. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該第一磁鐵 和該第二磁鐵，係實質上共軸環形磁鐵，具有該磁性線圈 固定於其間者。

   14. 如申請專利範圍第13項之裝置，其中該第一磁鐵 和該第二磁鐵，係實質上碟形磁鐵，有該磁性線圈固定於 其間者。 15. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該風扇葉輪 IHII 第15頁 200407066 六、申請專利範圍 係選自包含軸向式、管軸向式、離心式、交叉流動式、後 彎式、前彎式、空氣箔式、渦輪式和直徑向式者。 16. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該泵動葉輪 係選自包含軸向葉輪葉片、直徑向葉片、離心葉片、後彎 葉片、前彎葉片和渦輪葉片者。 17. 如申請專利範圍第11項之裝置，其中該輪軸包括 聯結於該風扇頭之第一輪軸段，和聯結於該泵頭之第二輪 軸，又其中該第一和第二輪軸段係經由機械式聯結器聯結 者。

   18. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該電動馬達為 DC無刷馬達者。 19. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該電動馬達為 DC電刷型馬達者。 20. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中該電動馬達係 AC馬達者。 21. —種積體風扇泵，構成提供組件冷卻，該風扇泵 包括： 罩殼； 風扇，具有風扇頭，聯結於泵動葉輪，該泵構成把 冷媒從至少一進口傳送到至少一出口；

   熱交換器，聯結至該泵之該出口，在熱學上與組件 相通； 電動馬達，構成使該風扇和該泵相對於該罩殼同時 轉動者。

   第16頁 200407066 六、申請專利範圍 22. 如申請專利範圍第21項之積體風扇泵，其中該風 扇頭和該泵頭係附設於共同輪軸，又其中該電動馬達包括 固定於該風扇頭之磁鐵者。 23. 如申請專利範圍第21項之積體風扇泵，其中該風 扇頭和該泵頭構成繞聯結於該罩殼之共同輪軸轉動，又其 中該電動馬達包括固定於該風扇頭之第一磁鐵，和固定於 該泵頭之第二磁鐵者。

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