TW201508235A - 散熱單元 - Google Patents

Abstract

一種散熱單元，包括一殼體及一熱管。該殼體包含一腔室容設有工作液體，複數支撐柱體及複數固定元件設置在該腔室內。該熱管包含一吸熱區設置在該殼體之腔室內，且被該複數固定元件固定，該散熱區從該吸熱區延伸貫穿該殼體，並設置在該殼體之腔室外。

Description

散熱單元

本發明係一種散熱單元，特別係有關於一種均溫板與熱管的散熱單元。

隨現行電子設備逐漸以輕薄作為標榜之訴求，故各項元件皆須隨之縮小其尺寸，但電子設備之尺寸縮小伴隨而來產生的熱變成電子設備與系統改善性能的主要障礙。所以業界為了有效解決電子設備內的元件散熱問題，便分別提出具有導熱效能較佳的均溫板（Vapor chamber）及熱管（Heat pipe），以有效解決現階段的散熱問題。
均溫板(Vapor chamber)係包括呈矩型狀之殼體及其殼體內部腔室壁面的毛細結構，且該殼體內部填充有工作液體，並該殼體的一側(即蒸發區)係貼設在一發熱元件(如中央處理器、南北橋晶片)上吸附該發熱元件所產生之熱量，使液態之工作液體於該殼體之蒸發區產生蒸發轉換為汽態，將熱量傳導至該殼體之冷凝區，該汽態之工作液體於冷凝區受冷卻後冷凝為液態，該液態之工作液體再透過重力或毛細結構回流至蒸發區繼續汽液循環，以有效達到均溫散熱之效果。
熱管（Heat pipe）的原理與理論架構與均溫板相同，主要是在圓管口徑的熱管內之中空部分填入金屬粉末，並透過燒結之方式於該熱管之內壁形成一環狀的毛細結構，其後將該熱管抽真空並填充工作液體，最後封閉以形成熱管結構。當工作液體由蒸發部受熱蒸發後擴散至該冷凝端，並該工作液體於該蒸發部係為汽態，由該蒸發部離開後向該冷凝端擴散時逐步受冷卻冷凝轉換為液態，並且再透過毛細結構回流至該蒸發部。
比較均溫板與熱管兩者只有熱傳導的方式不同，均溫板的熱傳導方式是二維的，是面的熱傳導方式，然而熱管的熱傳導方式是一維的熱傳導方式。
再者，雖然習知均溫板可達到均溫的效果，但卻延伸出另一問題，即均溫板的傳熱方式是由其一側吸附熱量後，藉由腔室內的工作液體之汽液相變化傳導另一側，換言之，就是均溫板僅是藉由一側面積吸附熱量傳導至相對另一側面積藉以達到均溫效果，但卻無法具有像熱管一樣的傳熱方式，可將吸附的熱量傳導至遠端進行散熱，因此，使得均溫板僅限於適合應用大面積的均勻導熱，而不適合拿來應用於遠端導熱。若是熱量無法適時散熱，則容易積熱於發熱源附近。
故此，目前業界仍又需要對現在的散熱技術加以改良，以期大幅提升熱傳導之效率，而有效解決高功率電子元件之散熱問題。

有鑑於上述問題，本發明主要目的係提供一種大面積傳導熱源及遠端散熱的散熱單元
本發明另一目的係提供一種同時利用一維熱傳導散熱及二維熱傳導散熱的散熱單元。
本發明另一目的係提供一種均溫板與熱管結合的散熱單元藉以提升熱傳導與散熱效率。
本發明另一目的係提供一熱管貫穿一均溫板的殼體的內外，且位於殼體內的熱管係被設置在殼體內的複數固定元件固定，且不直接接觸殼體的散熱單元。
為達到上述目的，本發明提供一種散熱單元，包括：一殼體，包含一第一腔室設有一第一毛細結構且容設有第一工作液體，複數支撐柱體及複數固定元件設置在該第一腔室內；及一熱管，係從第一腔室內貫穿該殼體朝殼體外延伸，包含一第二腔室及一吸熱區延伸一散熱區，其中該第二腔室內設有一第二毛細結構且容設有一第二工作液體，該吸熱區係設置在該殼體之第一腔室內，且被該複數固定元件固定，該散熱區設置在該殼體之腔室外，並暴露在該殼體外的環境中。
上述的殼體包括一上殼體及一下殼體，該上殼體包括一側壁環設在該第一腔室的周圍，且界定一開口連通該第一腔室，該下殼體對應該下殼體並設置在該開口處密封該第一腔室；其中該第一腔室位於該上殼體與下殼體之間。
上述下殼體包括一第一側及一第二側相反該第一側，其中該下殼體的第一側設有該側壁且接觸該第一腔室內的工作液體，該下殼體的第二側接觸一熱產生元件的表面。在該第一側及該側壁設有該第一毛細結構。
所述上殼體包括一第三側及一第四側相反該第三側，該第三側位於該第一腔室內且設有該第一毛細結構，該第四側形成一散熱表面。
所述複數支撐柱體設置在該下殼體的第一側及該上殼體的第三側之間，以支撐該上殼體及該下殼體。在一實施中該複數支撐柱體係為導熱金屬構成，該導熱金屬包含金、銀、銅及鋁其中任一或其組合。在另一實施中該複數支撐柱體的外表面形成一毛細結構層包覆該支撐柱體。在其他實施中該複數支撐柱體係為毛細結構形成的多孔隙柱體。
前述複數固定元件位於該下殼體的第一側，該複數固定元件具有一自由端朝上殼體方向延伸且接觸該熱管之吸熱區，以固定支撐該熱管之吸熱區在該第一腔室內。
前述熱管之吸熱區位於該上殼體及下殼體之間，且不接觸該上殼體及該下殼體。在一實施中該熱管之吸熱區係沿著該熱管的一軸向蜿蜒的延伸形成。
透過本發明係可令散熱單元不僅具有大面積之熱傳效果，更具有遠端傳熱之功能，進而可大幅提升整體熱傳效果。

1‧‧‧散熱單元
10‧‧‧殼體
11‧‧‧上殼體
111‧‧‧第三側
112‧‧‧第四側
12‧‧‧下殼體
121‧‧‧第一側
122‧‧‧第二側
123‧‧‧側壁
1231‧‧‧開口
1232‧‧‧穿孔
13‧‧‧第一腔室
131‧‧‧第一毛細結構
132‧‧‧第一工作液體
133‧‧‧支撐柱體
1331‧‧‧第三毛細結構
134‧‧‧固定元件
1341‧‧‧自由端
20‧‧‧熱管
23‧‧‧第二腔室
21‧‧‧吸熱區
22‧‧‧散熱區
24‧‧‧第二毛細結構
25‧‧‧第二工作液體
26‧‧‧第二散熱鰭片
27‧‧‧第一散熱鰭片
28‧‧‧熱產生元件

下列圖式之目的在於使本發明能更容易被理解，於本文中會詳加描述該些圖式，並使其構成具體實施例的一部份。透過本文中之具體實施例並參考相對應的圖式，俾以詳細解說本發明之具體實施例，並用以闡述發明之作用原理。
第1圖本發明之立體分解示意圖；
第2圖本發明之立體組合示意圖；
第3圖本發明第2圖之X-X’線的剖面示意圖；
第4圖係為本發明第2圖之Y-Y’線的剖面示意圖；
第5圖係為本發明實際應用示意圖。

以下將參照相關圖式，說明本發明較佳實施，其中相同的元件將以相同的元件符號加以說明。
請參閱第1至4圖，第1圖係為本發明之立體分解示意圖，第2圖係為本發明之立體組合示意圖，第3圖係為本發明第2圖之X-X’線的剖面圖，第4圖係為本發明第2圖之Y-Y’線的剖面圖。如第1至4圖所示，散熱單元1包括一殼體10（如第2圖所示）及一熱管20。殼體10可由導熱性良好的材料製成，例如金屬，但不以此為限，殼體10包括一上殼體11、一下殼體12及一第一腔室13，該上殼體11對應該下殼體12，該第一腔室13位於該上殼體11與下殼體12之間。第一腔室13內設有一第一毛細結構131且儲存有一第一工作液體132（如第3及4圖所示）。複數支撐柱體133及複數固定元件134設置在該第一腔室13內。該熱管20係從該第一腔室13內貫穿該殼體10然後朝殼體10外延伸。
該下殼體12包括一第一側121及一第二側122相反該第一側121，該第一側121設有該第一毛細結構131且接觸該第一腔室13內的第一工作液體132，該第二側122在一實施為一平面用以接觸一熱產生元件的表面（如第5圖所示）。一側壁123設置在該第一側121且環設在該第一腔室13的周圍，該側壁123的一上端界定一開口1231連通該第一腔室13，側壁123上設有兩個穿孔1232提供在第一腔室13內的熱管20貫穿。
該上殼體11設置在該開口1231處以密封該第一腔室13。包括一第三側111及一第四側112相反該第三側111，該第三側111位於該第一腔室13內，且設有該第一毛細結構131。該第四側112在一實施中形成一平面用以接觸一散熱元件（如第5圖所示）。在另一實施也可以不接觸散熱元件直接從第四側112散熱。
該熱管20例如為圓形管徑的熱管或為扁平式的平板熱管，在本圖中以圓形管徑的熱管表示，但並不以此為限。熱管20包含一第二腔室23（如第3及4圖所示）及一吸熱區21延伸一散熱區22，其中該第二腔室23內設有一第二毛細結構24且容設有一第二工作液體25（如第3及4圖所示），該吸熱區21係設置在該殼體10之第一腔室13內，且被該複數固定元件134固定，該散熱區22設置在該殼體10之第一腔室13外，並暴露在該殼體10外的環境中。需說明的是，熱管20之吸熱區21沿著該熱管20的一軸向蜿蜒的延伸形成，藉此增加熱管20的受熱長度。
該複數支撐柱體133設置在該下殼體12的第一側121及該上殼體11的第三側111之間，用以支撐該上殼體11及該下殼體12，防止殼體10在抽真空的過程中或之後塌陷，且當殼體10注入第一工作液體132密封後，更能加強殼體10的整體強度。該複數支撐柱體133較佳係為導熱金屬構成的實心柱體，該導熱金屬包含金、銀、銅及鋁其中任一或其組合。在另一實施中除了該支撐柱體133為熱傳導金屬構成的實心柱體外，更在支撐柱體133的外表面形成一層第三毛細結構1331包覆該支撐柱體133，該第三毛細結構1331可經由擴散結合的方式與該第一毛細結構131結合成一體。在其他實施中該複數支撐柱體133係為利用金屬粉末燒結的毛細結構構成的多孔隙柱體。需要注意的是該第三毛細結構1331或由毛細結構構成的支撐柱體133，其係強化毛細回流效率，使得靠近該上殼體11冷卻液化的第一工作液體132迅速毛細回流到下殼體12。
該複數固定元件134係設置在該下殼體12的第一側121，具有豎立的一自由端1341朝向但不接觸該上殼體11，該自由端1341係用以接觸該熱管20之吸熱區21，並且自由端1341的形狀與熱管20外型相吻合，藉以固定支撐該熱管20之吸熱區21在該第一腔室13內。
再者，第一腔室13內的複數支撐柱體133及複數固定元件134係以行的方式交互設置，且每一行的支撐柱體133相鄰另一行的固定元件134。如此佈置，則令形成蜿蜒延伸的吸熱區21繞設在該支撐柱體133的周圍。這樣一來，下殼體12的第二側122表面的熱量可以經由第一側121的固定元件134平均的熱傳遞到該熱管20的吸熱區21。但不僅如此，由於第一腔室13內的第一工作液體132在下殼體12受熱後從液態轉變為汽態，然後將熱量帶到上殼體11散熱，汽態的第一工作液體132在前往上殼體11的途中經過該熱管20的吸熱區21，將使得部分熱量被熱管20的吸熱區21吸收，然後透過熱管20解熱。另一方面而言，熱管20避開了支撐柱體133，所以大部分冷卻液化的第一工作液體132將沿著支撐柱體133外的第三毛細結構1331毛細回流到下殼體12，避免滴落到熱管20的吸熱區21，所以不會影響吸熱區21的吸熱效果。
再者，在一實施中被固定元件134支撐的熱管20的吸熱區21位於該上殼體11及下殼體12之間，且不接觸該下殼體12之第一側121及該上殼體11之第三側111（如第3及4圖所示）。這樣將減少在上殼體11冷卻液化的第一工作液體132及/或在下殼體12準備由液化轉為汽化的第一工作液體132影響熱管20的吸熱區21的吸熱效果。
附帶一提的是，熱管20的吸熱區21的第二工作液體25在受熱後轉變為汽態，然後將熱量傳遞到散熱區22散熱，在散熱區22冷卻的第二工作液體25從汽化轉變為液化然後沿著第二毛細結構24毛細回流到吸熱區，如此循環的進行熱傳遞。
最後，在本實施所述之第一、二及三毛細結構131、24、1331具體例如為金屬粉末燒結形成，但並不限於此，亦可為網狀體或纖維體。
請繼續參考第5圖係為本發明其中一具體應用之示意圖。如第5圖所示，一併參考第1-4圖，殼體10的底面，也就是下殼體12的第二側122設置在一熱產生元件28的表面，該熱產生元件28例如為 CPU；殼體10的頂面，也就是上殼體11的第四側112設置有一散熱元件，例如第一散熱鰭片27，熱管20的散熱區22，也就是遠離該吸熱區21的一端設置有另一散熱元件，例如一第二散熱鰭片26。
熱產生元件28產生的熱量從下殼體12第二側122傳遞到第一側121，令第一腔室13內液狀的第一工作液體132受熱轉變為蒸汽，將熱量傳遞至上殼體11的第三側111，同時第一工作液體132亦將熱量傳遞至熱管20的吸熱區21。同時，熱產生元件28產生的熱量從下殼體12的第二側122傳遞到第一側121，然後經過該固定元件134將熱量傳遞到該熱管20的吸熱區21。由於熱管20是快速單向傳導，因此在吸熱區21的熱量迅速傳遞到該散熱區22，藉由第二散熱鰭片26散熱。另一方面，熱產生元件25的熱量能快速傳遞到上殼體11的第四側112，使得熱量在第四側112的有效面積上均勻的擴散，然後透過該第一散熱鰭片27散熱。
綜上所述，本發明之可令散熱單元不僅具有大面積之熱傳效果，更具有遠端傳導散熱之功能，進而可大幅提升整體熱傳效果。
雖然本發明以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附的申請專利範圍所定者為準。

 

1‧‧‧散熱單元

11‧‧‧上殼體

111‧‧‧第三側

112‧‧‧第四側

12‧‧‧下殼體

121‧‧‧第一側

123‧‧‧側壁

1231‧‧‧開口

1232‧‧‧穿孔

13‧‧‧第一腔室

133‧‧‧支撐柱體

1331‧‧‧第三毛細結構

134‧‧‧固定元件

1341‧‧‧自由端

20‧‧‧熱管

21‧‧‧吸熱區

22‧‧‧散熱區

Claims (15)

1. 一種散熱單元，包括：
   一殼體，包含一第一腔室設有一第一毛細結構且容設有第一工作液體，複數支撐柱體及複數固定元件設置在該第一腔室內；及
   一熱管，設置在該第一腔室內且貫穿該殼體朝殼體外延伸，該熱管包含一第二腔室及一吸熱區延伸一散熱區，其中該第二腔室內設有一第二毛細結構且容設有一第二工作液體，該吸熱區位於該殼體之第一腔室內，且被該複數固定元件固定，該散熱區位於該殼體之第一腔室外，並暴露在該殼體外的環境中。
2. 如請求項1所述之散熱單元，其中該殼體包括一上殼體及一下殼體，該上殼體包括一側壁環設在該第一腔室的周圍，且界定一開口連通該第一腔室，該上殼體對應該下殼體並設置在該開口處密封該第一腔室；其中該第一腔室位於該上殼體與下殼體之間。
3. 如請求項2所述之散熱單元，其中該下殼體包括一第一側及一第二側相反該第一側，其中該下殼體的第一側設有該第一毛細結構且接觸該第一腔室內的工作液體，該下殼體的第二側接觸一熱產生元件的表面；該側壁位於該第一側。
4. 如請求項3所述之散熱單元，其中上殼體包括一第三側及一第四側相反該第三側，該第三側位於該第一腔室內且設有該第一毛細結構。
5. 如請求項4所述之散熱單元，其中該複數支撐柱體設置在該下殼體的第一側及該上殼體的第三側之間，以支撐該上殼體及該下殼體。
6. 如請求項5所述之散熱單元，其中該複數支撐柱體係為導熱金屬構成，該導熱金屬包含金、銀、銅及鋁其中任一或其組合。
7. 如請求項6所述之散熱單元，其中該複數支撐柱體的外表面形成一第三毛細結構層包覆該支撐柱體。
8. 如請求項7所述之散熱單元，其中該第三毛細結構層係經由擴散結合與該第一毛細結構結合成一體。
9. 如請求項6所述之散熱單元，其中該複數支撐柱體係為毛細結構形成的多孔隙柱體。
10. 如請求項6所述之散熱單元，其中該複數固定元件位於該下殼體的第一側。
11. 如請求項1所述之散熱單元，其中該複數固定元件具有一自由端接觸該熱管之吸熱區，以固定支撐該熱管之吸熱區在該第一腔室內。
12. 如請求項11所述之散熱單元，其中該熱管之吸熱區位於該上殼體及下殼體之間，且不接觸該下殼體之第一側及該上殼體之第三側。
13. 如請求項12所述之散熱單元，其中該熱管之吸熱區係沿著該熱管的一軸向蜿蜒的延伸形成。
14. 如請求項13所述之散熱單元，其中該複數支撐柱體及複數固定元件係以行的方式交互排列設置，其中每一行的支撐柱體相鄰另一行的固定元件。
15. 如請求項14所述之散熱單元，其中該熱管之吸熱區位在該支撐柱體的周圍。