TW200821530A - Turbulence heat dissipation upper cover corresponding to the top of heat emitter and the heat dissipation assembly having the same - Google Patents

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200821530 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是關於一種散熱上蓋m一種供形成奮流 之散熱上蓋。 ' 【先前技術】 10 15 20 人隨半導體元件之日趨集積化，單一半導體元件内所整 口之電路日益複雜，耗電量與發熱量都大幅攀升。另方 面，一旦操作環境之溫度超過約攝氏一百廿度以上，不僅 石夕晶片本身之材質可能受損，負責將半導體元件電性連結 電路板之焊錫也將因到達融點而炫㉟，從而造成半導體 凡件與電路板間導通問題及電路板污染等麻須。 因此，無論在主機板、影像顯示卡、或其他需採用汽 效能半導體元件之處所，多如圖1所示，在發熱半導體元 2 10頂面塗佈—層導熱膠14，供黏貼設置-散熱鰭片 〜’甚至更進-步於散熱韓片16上增設—散熱風扇18, 2將電路板12上之半導體元件10所產生的熱能，經散 ::二 16傳導及空氣對流而導出，以免熱能持續累積於 V體元件丨〇上而導致損壞。 匕外如圖2美國帛6,603,658號發明專利所示 :明風管26,以導引來自風扇28之供氣，使： =穩定的層流模式指向電路板22上之發熱件，藉 —V出發熱件2〇所發熱能’從而降低例如筆記型 70件之操作環境溫度。 ”風& 26如圖3所示’並未真正接觸發熱件20，且 5 200821530 風管26之出口與發熱件20間距為風管26開口尺寸數 倍，亦因此，來自風管26之氣流280，將以層流（laminar jet air flow)的穩定流動方式，緩慢經過發熱件20，甚至 在發熱件20表面與氣流接觸區域形成一凝滞區域 5 (stagnation region)，進行熱交換，為保持穩定的層流效 果，該案中定義流入氣體之雷諾數Re = (pumd)/^S2,000 ; 其中，P為氣流密度；um為風道中氣流速度；d為風道尺 寸；μ為氣流黏度。 然而，對於例如工業電腦等發熱量大之電子設備而 10 言，單憑藉如上述層流氣體散熱效果顯然不足；尤其當採 用更高度集積化電路元件、電路板上佈局之半導體元件密 度提高、或使用更多電路元件時，局部區域的發熱量巨幅 提升，電子設備之散熱能力將成為性能提升的最大瓶頸。 因此，許多電子設備依靠設置管道通入水流或其他流 15 體，藉由液態流體的高比熱與高熱容量特性，攜走更大量 熱能；但是，在電路間佈設管路，不僅需導入流體，也要 將流體完整導出，必須在有限空間中，額外提供設置流體 迴路的封閉空間；並且時刻小心，避免任何些微漏液而造 成短路、影響整體安全，使得此解決方案附帶有相當潛在 20 危險。 相形之下，另一種較安全之解決方案，是通入液態氮 等液態氣體或低溫空氣，藉由擴大氣體與發熱件間之溫 差，攜走較大量熱能。然而，此種方式花費於降低氣體溫 度之成本甚高，且低溫氣體需先排除其中水份，以免降溫 6 200821530 過程中氣體相對濕度提高，導致水滴凝結於電路元件上。 若能在不需降低通入氣體溫度條件下，提升散熱效 能，不僅可確保電路運作順利、避免不必要的耗能及溼度 問題、更可提高選擇電路元件之彈性，有效提升產品性 能’是值得投入深究的課題。 【發明内容】 口此本發明之一目的，在提供一種可大幅提升降溫 效力的散熱上蓋。 本發明另一目的是提供一種結構簡單的散熱上蓋。 本發明再一目的是提供一種操作條件單純的散熱上 蓋。 本發明又一目的是提供一種製造成本低廉的散熱上 本發明又另一目的是提供一種使選用電路元件彈性 15 大增的散熱總成。 因此，本發明之紊流散熱上蓋’供籠罩一發熱件，並 連接-以-預定量供氣之#氣裝£，用以接受來自該供氣 衮置之氣流，導出該發熱件所發之熱能，該散熱上蓋包 含.一頂壁及一間隔裝置，與發熱件共同界定出一風道， 20且該風道係使得來自該供氣裝置之該氣流雷諾數

Re=(PUmdW如00 ;其巾，p域流密度；％為風道中氣 流速度；d為風道尺寸；μ為氣流黏度。 本發明藉由大量灌入氣體，強制通入氣體產生紊亂 流，增加氣體在層與層間之對流，促進達成熱平衡之速 7 200821530 度’不僅結構筒置 ^ /% 貝低廉、且操作過程不需降低ϋ入 氣體溫度、不雲|:久μ、$ 卜而降低通入 不而卜低灌入氣體濕度、更排除 原有之簡單操作環境條件下，以簡=;風 用升降溫效率’避免不必要的能源消耗，使得選 件之彈性大增，且電路之可靠性與穩定性提升， 【實施方式】 的 10 的呈現。 、有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合苓考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚 -本發明第-較佳實施例之棄流散熱上蓋3，如圖4所 不，具有一頂壁32、一間隔裝置34,該間隔裝置34包括 延伸自該頂壁《兩側壁、及一與該頂壁相對之底壁，且該 底壁形成有一對應該發熱件20頂面尺寸之開口，供籠罩 15發熱件20且使紊流散熱上蓋3穩固地設置在電路板22 上頂壁32、間隔裝置34與發熱件20共同界定出一風 迢30，且風道3〇具有一導接部3〇〇，供連接至一作為供 氣裝置4之鼓風扇。 來自供氣裝置4之氣流，將經由導接部3〇〇而進入風 2〇道内，且風道30具有一預定截面尺寸，使得流入風道 30内之氣流的雷諾數Re=(pUmd)^22,500，從而形成一紊 敗机’其中’ P為氣流雄度；Um為風道3 〇中氣流速度·，d 為風道30尺寸；μ為氣流黏度。由此，發熱件2〇所發熱 能’經氣流而傳導進入散熱上蓋3，並因氣流與風道30 8 200821530 之氣體進行熱交換，將發熱件20所發之熱以氣流擴出。 如圖5所示，一般流體以—預定速度進入一流道中， 剛開始流速分佈會如圖式右側以—平面38〇齊頭並進，隨 後因風道30壁面與流體分子之交互作用、以及流體分子 5本身之黏滯性作用，使得越靠近風道％壁面的流體流速 逐漸減慢，終至停止；相反地，風道3〇中央附近的流體 則較不受影響，從而使流速分佈形成如圖式中央部分的弧 面381狀層流。另方面，若流速過快、或流體黏滯性過低， 則因各流體分子之實際行進方向尚有各自相異之鉛直方 10向λ I，^致層與層間之交互流動，而形成如圖式左側的 紊亂流382。 進乂考里風道内外之溫度分佈，如圖6左側所示， 當發熱件20位於圖式之風道3〇下方，藉由氣流之傳導， 將發熱件20所發熱能逐漸傳入風道3〇中。另將室溫氣體 15強制通入風道30内，使其自右向左流動，若在風道30内 之氣體保持如虛線所示良好層流結構，則僅有最下層3〇2 之氣體與風道30壁面會進行熱交換，且當該層3〇2之氣 體分子逐漸吸收熱能而升溫後，氣體與風道3〇間之溫差 減乂 ’熱父換速率漸減；且最下層302氣體與較上層304、 20 306氣體間之對流貧乏，加之傳導不易，使得上層3〇8氣 體仍處於室溫，卻對於最下層3〇2氣體之溫度升高無所裨 益0 相反地，若流體趨向紊亂流塑態，則層與層間氣體對 流旺盛’最下層302氣體吸收部分來風道30間氣體之熱 9 200821530 能後’隨即流動至較上層3〇4、3〇6，較上層3〇4、3〇6之 室溫氣體亦隨機向下流動，因此可將最下層3〇2氣體與風 逗30之氣體間之溫差保持在較顯著溫差狀態，從而使熱 交換效率提升。藉此，如圖6右側所示，當通入氣體約為 5攝氏25度時，風道氣體溫度可被保持在約攝氏70度，使 風迢30中氣體所吸收熱能被上層3〇8、3〇6、3〇4下層3⑽ 中之氣體分子共同攜帶搬移。 為證明上述推論，發明人以兩顆各4〇瓦之電阻作為 發熱件，在全無任何散熱器輔助條件下，該等電阻之核心 μ度可以升阿至約攝氏i 7 〇度；當然如前所述，若以半導 體疋件作為對照，此種溫度下，半導體晶片已經受熱損 毀。相對地，在不強制通入氣體，讓本案之散熱上蓋單獨 作為導熱裝置，則電阻在操作時之核心溫度仍可達攝氏 110度，但§強制通入氣流，使其達本案所揭露之條件後， 15電阻核心之溫度驟降至攝氏70度。相對地，目前單顆積 f電路元件之功率不過4、5瓦，亦即，以本案實驗用之 政熱上蓋，可以順利保障至少20顆積體電路元件，於安 全的操作環境下順暢運作。 尤其’分居於風道上下游之上游發熱件與下游發熱 2〇 2 ’核心溫度差尚不及攝氏2度，意味散熱器中之氣流攜 讀量脫離之能力，距離飽和尚有極大距離。何況，所通 入乳體均為室溫空氣，不僅沒有濕度問題，更可以將散熱 -出口處開放，任由稍被加熱之氣流在電子設備内部四 散，絲毫沒有液冷裝置之安全顧慮。 200821530 另方面’以熱阻略有不同之導熱材質，如銅與結進行 相同實驗，發現降低溫度之效果並無顯著差異，換言之， 本案所揭露之散熱上蓋結構，可採用低價且易於加工σ之導 熱金屬製造’而無須受限於材質。 10 15 當然，如熟於此技者所能輕易理解，前一實施例所形 成之紊亂流空間得以不同形式發揮功能，如圖7本案第二 較佳實施例所示，紊流散熱上蓋3,與電路板22、發熱件 2〇之相互位置關係為電路板22形成有複數卡制槽孔 %繞件70大致包覆固定上蓋3’本體；環繞件底 部有延伸之卡制件7G2，卡制件7G2則分職應前述之卡 制槽孔700，藉由卡制件702與卡制槽孔700 一一相扣， 使得散熱上蓋3,與電路板22固定，只要風道中之雷諾數 在250G以上，氣流成為奮亂流，即可達成相同功效。

另士圖8所示，所揭示為本發明案之第三較佳實施 例，環繞件80大致包覆㈣上蓋本體3,，，環繞件8〇的 底部具有複數以-角度自該環繞件8G 曲:"。2;電路板22上則有固定於電路板22且對= 802之卡扣件8〇4 ,有別於前述第二較佳實施例，固 定方式為3 g創作，只要所界定《氣流空間得以形成紊 亂流，仍可達成預期散熱需求。 ^另如圖9所示，固定散熱上蓋之方式再以不同可能之 =衣條件延伸’為本發明案第四較佳實施例，蒼流散熱上 蓋本體3延伸有複數形成有穿孔之側翼904，電路板上 $成有複數固定孔9〇2，兩者孔位相互對應；該固定裝置 20 200821530 你複數穿㈣”翼穿孔及料Μ 螺栓906之鎖固，緊密社人+ ψ 累才王906，藉由 體3，，,，固上“電路版22與蒼流散熱上蓋本 口疋方法雖以不同形式S不目 Μ ^ Ψ ^ .. ，均為確保紊亂流空 π之形成，使發熱件所產生之熱能得 流攜除，具相當溫差之較低、、” 4 效羊之紊亂 又？乂低恤工巩則源源不絕 來冷卻發熱件。 應#換 2案藉由在風道中形成紊流，確保被通人氣體分子間 之大里對流與熱交換，使畏下恩 ，、又換仏下層⑽與風道間溫差梯度被 10 咐升’通入氣體之散熱效率從而大增；並且結構簡 皁、操作料必擔W料短路風險、製造與操作成本相 對低廉:尤其當散熱效率提升後，電路設計者可自由選擇 力率更Θ之電路①件’無須憂慮散熱不足*導致電路不穩 定之問題，更是提升整體電子裝置性能之重要基礎建設： 從而達成本案所有目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明書内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆 應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是習用散熱器與半導體元件組設於電路板狀態 示意圖； 圖2是美國第6,603,658號發明專利散熱器應用狀態 側視示意圖； 圖3是圖2散熱器所造成氣流示意圖； 12 200821530 圖4是本發明第一較佳實施例之散熱上蓋立體透視 不意圖， 圖5是圖4實施例風道内氣流示意圖； 圖6是圖5風道内各層對流及熱流狀態示意圖及溫度 5 分佈狀態示意圖； 圖7是本案第二較佳實施例之側視結構示意圖； 圖8是本案第三較佳實施例之側視結構示意圖；及 圖9是本案第四較佳實施例之側視結構示意圖。 10 13 200821530 【主要元件符號說明】 3、3,、3”…散熱上蓋 3’”…散熱上蓋本體 4.. .供氣裝置 5 10…發熱半導體元件 14.. 導熱膠 18、28…風扇 26.. .風管 30.. .風道 10 34...間隔裝置 2 8 0...氣流 302.. .最下層 308···上層 381.. .弧面 15 70、80...環繞件 700…卡制槽孔 802."翹曲部

902.. .固定？L 906.. .螺栓 20 12、 16... 20··. 32... 300 304 380 382 702 804 904 22...電路板 散熱鰭片 發熱件 頂壁 ..導接部 、3 0 6…較上層 ..平面 ..紊亂流 ..卡制件 ..卡扣件 側翼 14

Claims (1)

1. 200821530 十、申請專利範圍·· 對應發熱件頂面之紊流散熱上蓋，供連接—以一預 :置供氣之供氣裝置，並接受來自該供氣裝置之氣流， ^出该發熱件所發之熱能，且該發熱件係設置於一電路 板上°亥放熱上蓋包含一散熱上蓋本體，該本體包括·· 一頂壁；及 10 ^伸自该頂壁，供保持該頂壁與該發熱件頂面維持 、疋距離，並與该頂壁及該發熱件頂面共同界定 =一風道之間隔裝置，且該風道係使得來自該供氣 裝置之該氣流雷諾數Re=(pumd)/拉2 5〇〇; 15 其、中，p為氣流密度；Um為風道中氣流速度；d為風 迢尺寸；μ為氣流黏度。 2·依申請專利範㈣1項所述之紊流散熱上蓋，其中該間 隔裳置包括延伸自該頂壁之兩側壁、及—與該頂壁相對 :底壁’且该底壁形成有一對應該發熱件頂面尺寸之開 20 :申請專利範圍第1項所述之紊流散熱上蓋，更包括一 將錢熱上蓋本體固定至該電路板之固定裝置。 4·依申請專利範圍第3項所述之I流散熱上蓋，I"電 路板上形成有複數卡制槽孔，且該固U置包括： -大致包覆該固定上蓋本體之環繞件；及 一延伸自該環繞件底部 卡制件。 並分別對應該等卡制槽孔之 5·依申請專利範圍第3 項所述之紊流散熱 上蓋，其中該固 15 200821530 定裝置包括： 大致包覆该固定上蓋本體之環繞件； 稷數以一角度自該環繞件底部彎折延伸之魅曲部；及 ㈣於該電路板上、並對應該㈣曲部之卡扣件。 5 6·依中請專利範圍第3項所述之紊流散熱上蓋，其中該電 板上幵/成有複數固定孔，且該蒼流散熱上蓋本體更延 伸有複數形成有穿狀侧翼，該固定裝置係複數穿過該 等側翼穿孔及該等固定孔之螺栓。 7·-種散熱總成，係供導出一設置於一電路板之發熱件所 10 發之熱能，該散熱總成包含·· 一對應該發熱件頂面之紊流散熱上蓋，該散熱上蓋包 含一散熱上蓋本體，該本體包括·· 一頂壁；及 一延伸自該頂壁，供保持該頂壁與該發熱件頂面維 15 持一預定距離，並與該頂壁及該發熱件頂面共同 界定出一風道之間隔裝置；及 一連接該風道，並以使該風道内氣流雷諾數 Re=(pumd)~^2,500供氣予該風道之供氣裝置； 其中，ρ為氣流密度；um為風道中氣流速度；d為風 10 道尺寸；μ為氣流黏度。 8·依申請專利範圍第7項所述之散熱總成，該散熱上蓋更 包括一將該散熱上蓋本體固定至該電路板之固定裝置。 9 ·依申清專利範圍弟7項所述之散熱總成，其中該供氣裝 置係一鼓風扇。 16