TW201530078A - 散熱設備 - Google Patents

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TW201530078A
TW201530078A TW103134659A TW103134659A TW201530078A TW 201530078 A TW201530078 A TW 201530078A TW 103134659 A TW103134659 A TW 103134659A TW 103134659 A TW103134659 A TW 103134659A TW 201530078 A TW201530078 A TW 201530078A
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Robert John Moskaitis
Mark Breloff
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Specialty Minerals Michigan
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Abstract

本發明揭示一種散熱設備，其包含由諸如熱解石墨之一平坦導熱材料製成之一板或管道。該設備可包含附接至該板或管道之鰭片，且該等鰭片可由相同或不同於該板或管道之材料製成。

Description

散熱設備
本發明係關於一種散熱設備，且更特定言之係關於冷卻板及冷卻管。
諸如電子總成及個別組件之各個裝置之微型化、增大的複雜度及/或增大的功能能力通常導致更多熱產生，其必須被散逸以維持效能並避免損壞。用於散熱之習知方法可能無法滿足冷卻需求及關於實體大小、重量、功率消耗、成本或其他參數之設計約束。因此，持續需要一種用於散逸來自多個熱源之熱之有效手段。
簡單且一般而言，本發明係關於一種散熱設備。
在本發明之態樣中，一種設備包括由一平坦導熱材料製成之一板。該板包含一頂層及一底層。該頂層及該底層之各者定向在一x方向及與該x方向共面之一y方向上。存在至少一流體通道，其經形成穿過該板且安置在該頂層與該底層之間。該至少一流體通道經配置以運送一流體。
以下特徵之兩者或更多者之任何一個或一組合可隨附於上述態樣以形成本發明之額外態樣。
該頂層係由該平坦導熱材料製成。
該底層係由該平坦導熱材料製成。
該板包含該頂層與該底層之間之一中間層，該中間層係由該平坦導熱材料製成，且該至少一流體通道延伸穿過該中間層。
該平坦導熱材料係熱解石墨。
該設備進一步包括該板上之鰭片。
該至少一流體通道定向在該y方向上，該板在該x方向及該y方向上具有一第一導熱率，該板在垂直於該x方向及該y方向之一z方向上具有一第二導熱率，且該第一導熱率係該第二導熱率之至少100倍。
該至少一流體通道定向在該y方向上，該板在該y方向及垂直於該x方向及該y方向之一z方向上具有一第一導熱率，該板在該x方向上具有一第二導熱率，且該第一導熱率係該第二導熱率之至少100倍。
該至少一流體通道定向在該y方向上，該板在該x方向及垂直於該x方向及該y方向之一z方向上具有一第一導熱率，該板在該y方向上具有一第二導熱率，且該第一導熱率係該第二導熱率之至少100倍。
該設備進一步包括熱耦合至該板之該頂層或該板之該底層之一熱源。
該設備進一步包括該板與該熱源之間之一熱橋，該熱橋係一散熱片、一熱散佈器、一印刷電路板、一支座及一軌條之一或多者之任何組合。
該熱源係能夠產生熱之一電子組件。
該設備進一步包括附接至該板且經配置以泵送流體通過該至少一流體通道之一幫浦。
在本發明之態樣中，一種設備包括：一管道，其經配置以運送一流體且由熱解石墨製成；及該管道上之複數個鰭片，每一鰭片經配置以散逸來自該管道之熱。
以下特徵之兩者或更多者之任何一個或一組合可隨附於上述態樣以形成本發明之額外態樣。
每一鰭片係由鋁、銅、其他金屬或除熱解石墨以外之材料製成。
該管道具有一中心軸，每一鰭片在垂直於該中心軸之一徑向方向上具有一第一導熱率且在平行於該中心軸之一軸向方向上具有一第二導熱率，且該第一導熱率係該第二導熱率之至少100倍。
該設備進一步包括熱耦合至該管道之一熱源。
該設備進一步包括該管道與該熱源之間之一熱橋，該熱橋係一散熱片、一熱散佈器、一印刷電路板、一支座及一軌條之一或多者之任何組合。
該熱源係能夠產生熱之一電子組件。
該設備進一步包括附接至該管道且經配置以泵送流體通過該管道之一幫浦。
自應結合隨附圖式閱讀之下列詳細描述將更輕易理解本發明之特徵及優點。
100‧‧‧板
102‧‧‧正交軸
104‧‧‧流體通道
106A‧‧‧頂層
106B‧‧‧中間層
106C‧‧‧底層
107‧‧‧箭頭/流體流動之方向
108‧‧‧邊緣
110‧‧‧徑向方向
112‧‧‧軸向方向
120‧‧‧設備
122‧‧‧熱源
124‧‧‧肋狀物/鰭片
125‧‧‧平坦表面
126‧‧‧中介結構
128‧‧‧幫浦
130‧‧‧熱交換器
132‧‧‧貯存器
140‧‧‧設備
142‧‧‧管道
144‧‧‧鰭片
144A‧‧‧鰭片之部分
144B‧‧‧鰭片之部分
圖1A至圖1C係用於散熱之一板之透視圖、正視圖及側視圖，其等展示形成於該板之頂層與底層之間之流體通道；圖2A係與z方向相比在x方向及y方向上具有一較大導熱率之一板之一透視圖。
圖2B係沿圖2A中之線2B--2B取得之板之一截面圖。
圖3A係與y方向相比在x方向及z方向上具有一較大導熱率之一板之一透視圖。
圖3B係沿圖3A中之線3B--3B取得之板之一截面圖。
圖4A係與x方向相比在y方向及z方向上具有一較大導熱率之一板之一透視圖。
圖4B係沿圖4A中之線4B--4B取得之板之一截面圖。
圖5至圖8係各自展示一板、熱耦合至該板之熱源及熱耦合至該板之鰭片之透視圖。
圖9及圖10係各自展示一管道、熱耦合至該管道之熱源及熱耦合至該管道之鰭片之透視圖。
圖11係展示用於泵送流體通過圖1A至圖10之板及管道之任一者之一封閉迴路系統之一圖。
全部圖式係示意圖且其中呈現之結構並非一定按比例繪製。應瞭解，本發明不限於所示之確切配置及機構，但是僅受限於申請專利範圍之範疇。
如本文使用之片語「熱耦合」，係指自一第一結構至一第二結構之一實體導熱路徑。第一結構及第二結構可視需要藉由在第一結構與第二結構之間提供一實體熱橋之一中介結構而彼此分離。
如本文使用之一「平坦導熱材料」，係指與未位於一特定平面上且不平行於該平面之其他方向相比，在位於該特定平面上或平行於該平面之方向上具有一較大導熱率之一材料。
如本文使用之片語「斜角」，係指零度與90度之間之一角度。
如本文使用之片語「本質上由......組成」，係指將由該片語修飾之結構限於(諸)特定材料及實質上不影響該結構之基本特性之其他材料。例如，本質上由平坦導熱材料組成之一結構可包含少量的其他元素或雜質，其等仍容許該結構與c方向相比在a-b平面上或平行於a-b平面之方向上具有較大導熱率。
如本文使用之「標準室溫」，係指自20℃至25℃之一溫度。
現在為了繪示本發明之實施例之目的更詳細參考例示性圖式，其中相似參考數字指出若干視圖之間的對應或相似元件，其中在圖1A至圖1C中展示用於散逸來自一或多個熱源之熱之板100。板100係 由一平坦導熱材料製成，該平坦導熱材料取決於該材料之微觀區域中之原子之配置而在一特定方向上為板100提供增強的導熱率。基於將如何使用板100選擇其中板100具有較大導熱率之方向。板100係由平坦導熱材料製成以在預選定方向上提供較大導熱率。
板100可由一單塊平坦導熱材料製成使得板100係由六邊形配置之碳原子之一片連續平坦層組成或本質上係由其組成。具有連續平坦層據信改良散熱。替代地，由平坦導熱材料組成或本質上由其組成之板100可藉由使多塊平坦導熱材料彼此直接固定而製成。
一合適的平坦導熱材料之一實例係熱解石墨，其取決於有序碳原子之平坦層之定向而在一特定方向上為板100提供增強的導熱率。熱解石墨之碳原子在平面(稱作a-b平面)中配置成六邊形，其促進a-b平面上之方向上之熱轉移及較大導熱率。碳原子在未位於a-b平面上之方向上具有一不規則配置，這導致在該等方向上減小的熱轉移及較低導熱率。熱解石墨在a-b平面上之方向上之導熱率可比銅及天然石墨之導熱率大四倍且比氧化鈹之導熱率大五倍。用於本文描述之實施例之任一者之熱解石墨之導熱率在a-b平面上之方向上，可在304W/m-K至1700W/m-K之範圍中，且在垂直於a-b平面之方向(稱作c方向)上可在1.7W/m-K及7W/m-K之範圍中。導熱率值係標準室溫下之導熱率值。具有此等特性之熱解石墨可自美國賓夕法尼亞州伊斯頓的Pyrogenics Group of Minteq International Inc.購得。
平坦導熱材料之組成純度將影響導熱率。在一些實施例中，板100經建構使得其在對應於熱解石墨之a-b平面之一第一方向上之導熱率係在對應於一c方向之一第二方向上之導熱率之至少100倍或至少200倍。
流體通道104係經形成穿過板100之通孔，且經配置以輸送一流體通過板100之中心。隨著流體移動穿過板100，流體可自板100吸收 並消除熱。可使用之流體之實例包含(不限於)空氣、其他氣體、水及其他液體。流體通道104安置在板100之頂層106A與底層106C之間。 頂層106A及底層106C係由諸如熱解石墨之一平坦導熱材料製成。流體通道104延伸穿過頂層106A與底層106C之間之中間層106B。中間層106B係由諸如熱解石墨之一平坦導熱材料製成。
可藉由鑽孔至平坦導熱材料或連結多塊平坦導熱材料以在該等塊之間形成一空的通道來形成流體通道104。形成流體通道之空的通道可為直的或具有彎曲。流體通道104可視需要包含由金屬或其他材料製成之一管道，該金屬或其他材料被插入至平坦導熱材料中之孔或通道。板100經繪示具有延伸穿過板100之整個長度之兩個流體通道。替代地，僅一個或更大數目的流體通道可存在於板100中。
在本文之各個圖式中，正交軸102指示相對於板100之x方向、y方向及z方向。x方向與y方向共面且垂直於y方向。z方向垂直於x方向及y方向。x方向及y方向界定x-y平面，x方向及z方向界定x-z平面，且y方向及z方向界定y-z平面。頂層106A、中間層106B及底層106C定向在x方向及y方向上且在z方向上具有厚度。
在圖1A至圖8中，流體通道104軸向定向在y方向上。流體流動之方向係由流體通道104之中心軸上之箭頭107指示。流體通道104之中心軸及流體流動之方向平行於y方向。替代地，流體通道104及流體流動之方向可定向在x方向、z方向上或與x方向、y方向及z方向之任一者成一斜角。在其他實施例中，一通道中之流體流動可在與另一通道中之流體流動之方向相反之一方向上。
熱解石墨之a-b平面可經定向成平行於x-y平面、x-z平面或y-z平面。熱解石墨之a-b平面亦可經定向成與x-y平面、x-z平面及y-z平面之任何一或多者成任何斜角。
圖2A至圖4B繪示相對於y方向上之流體流動之方向107之a-b平面 之不同定向。a-b平面之邊緣108係用平行直線繪示以指出a-b平面之定向。應瞭解，a-b平面係微觀的。
在圖2A及圖2B中，板100中之熱解石墨之a-b平面係經定向成平行於x-y平面。碳原子呈六邊形地配置在定向於x方向及y方向上之平坦層中。碳原子不規則地配置在z方向上。
在一些實施例中，板100在x方向及y方向上具有一第一導熱率，且在z方向上具有一第二導熱率。第一導熱率係第二導熱率之至少100倍或至少200倍。
在圖3A及圖3B中，板100中之熱解石墨之a-b平面係經定向成平行於x-z平面。碳原子呈六邊形地配置在定向於x方向及z方向上之平坦層中。碳原子不規則地配置在y方向上。
在一些實施例中，板100在x方向及z方向上具有一第一導熱率，且在y方向上具有一第二導熱率。第一導熱率係第二導熱率之至少100倍或至少200倍。
在圖4A及圖4B中，板100中之熱解石墨之a-b平面係經定向成平行於y-z平面。碳原子呈六邊形地配置在定向於y方向及z方向上之平坦層中。碳原子不規則地配置在x方向上。
在一些實施例中，板100在y方向及z方向上具有一第一導熱率，且在x方向上具有一第二導熱率。第一導熱率係第二導熱率之至少100倍或至少200倍。
圖5至圖8展示根據上述實施例之任一者之包括板100之設備120。設備120視需要包括熱耦合至板100之一或多側之一或多個熱源122。板100吸收並消除由熱源122產生之熱。熱源之實例包含(不限於)電力總成、電力轉換器及電子組件。電子組件之實例包含(不限於)半導體、積體電路、電晶體、二極體及其等之組合。
設備120視需要包括附接至板100之一或多個薄、突出肋狀物或 鰭片124。鰭片124係由鋁、銅、其他金屬、平坦導熱材料(諸如熱解石墨)製成。鰭片124可由除熱解石墨以外之一材料製成。鰭片124提供用於散熱之額外表面積。一或多個流體通道104視需要形成穿過板100之中心。鰭片124可藉由結合或藉由一機械固定器添加至板100且固定在適當位置。鰭片124中之a-b平面可定向在與板100中之a-b平面相同或不同之方向上。
替代地，鰭片124可為板100之一整合部分且藉由自一單塊平坦導熱材料移除材料而形成。具有整合於板100之鰭片124容許熱解石墨之六邊形配置之碳原子之一區域自板100連續地延伸至鰭片124且藉此改良散熱。
圖5至圖8展示熱耦合至板100之熱源122。熱源122視需要直接固定至板100或視需要藉由一中介結構間接固定至板100。
圖5及圖6展示直接固定至板100之熱源122。直接固定可藉由結合及/或一機械固定器而完成。例如，熱源122可藉由焊料、一環氧樹脂、一黏著劑及/或一熱介面材料直接結合至板100之相對側上之平坦表面125。焊料、環氧樹脂、黏著劑及/或熱介面材料之一薄層可安置在熱源122與板100之間。一焊料、環氧樹脂及黏著劑可為熱介面材料。熱介面材料能夠填充在氣隙及小的表面不規則體中以降低熱阻且改良熱轉移。熱介面材料之實例包含(不限於)熱脂、凝膠、環氧樹脂、油灰材料、糊狀物、箔片、膜及襯墊。熱源122亦可藉由將熱源122朝向板100推動之一機械固定器直接固定至板100。機械固定器之實例包含(不限於)螺釘、螺栓、螺紋式插入件、夾具、夾鉗、電纜、帶狀物及其等之任何組合。一或多個孔或凹陷可形成至板100中以接合一機械固定器。
圖7及圖8展示藉由安置在熱源122與板100之間之中介結構126間接地固定至板100之熱源122。中介結構126在熱源122與板100之間提 供一間接連接。中介結構126在概念上被繪示為一單個矩形塊。應瞭解，中介結構126之形狀及大小可不同於所繪示塊，且每一所繪示塊可包含形成將熱源122熱耦合至板100之一熱橋之一或多個離散組件。 由熱源122產生之熱藉由中介結構126之一或多個離散組件傳導至板100。離散組件之實例包含(不限於)一散熱片、一熱散佈器、一印刷電路板、一支座及一軌條之一或多者之任何組合。中介結構126視需要固定至板100。中介結構126至板100之固定可藉由諸如針對圖5及圖6揭示之結合及/或一機械固定器而完成。
應瞭解，熱源122可在無任何固定之情況下熱耦合至板100。例如，熱源122可擱置在板100上而不固定至板100。此外，熱源122可擱置在中介結構126之頂部上而不固定至中介結構126。此外，中介結構126可擱置在板100之頂部上而不固定至板100。
圖9及圖10展示用於散逸來自一或多個熱源122之熱之設備140。設備140包括管道142及熱耦合至管道142之複數個鰭片144。鰭片144自管道142之一外表面徑向向外突出。鰭片144係由鋁、銅、其他金屬或平坦導熱材料(諸如熱解石墨)製成。鰭片144可由除熱解石墨以外之一材料製成。管道142係具有形成流體通道104之一通孔之一長形管。流體通道104貫穿管道142之整個長度。流體通道104之中心軸及流體流動之方向平行於y方向。管道142經配置以運送流體且可由銅、鋁、氧化鈹或其他導熱材料製成。管道142亦可由諸如熱解石墨之平坦導熱材料製成。
由熱解石墨組成或本質上由其組成之管道142及鰭片144可由一單塊熱解石墨製成，這將容許六邊形配置之碳原子之區域自管道142連續地延伸至鰭片144且藉此改良散熱。替代地，由熱解石墨組成或本質上由其組成之管道142及鰭片144可藉由使多塊平坦導熱材料彼此直接連結而製成。藉由將塊連結在一起，鰭片144中之a-b平面可定向 在與管道142中之a-b平面相同或不同之方向上。
對於鰭片144及/或管道142，熱解石墨之a-b平面可經定向平行於x-y平面、x-z平面或y-z平面。熱解石墨之a-b平面亦可經定向與x-y平面、x-z平面、y-z平面之任何一或多者成任何斜角。
在一些實施例中，a-b平面垂直於由流體通道104之中心軸上之箭頭107指示之流體流動之方向。鰭片在垂直於中心軸之一或多個徑向方向110上具有一第一導熱率且在平行於中心軸之軸向方向112上具有一第二導熱率。視需要，第一導熱率係第二導熱率之至少100倍或至少200倍。
熱源122熱耦合至管道142及/或鰭片144。管道142經配置以吸收並消除來自熱源122之熱。流過管道142之流體將吸收並帶走來自管道142之熱。鰭片144熱耦合至管道142。當管道142安置在熱源122與鰭片144之部分144A(圖9)之間時，部分144A將吸收並散逸來自管道142之熱。當鰭片144之部分144B(圖9)安置在熱源122與管道142之間時，部分144B將使熱自熱源144傳導至管道142。
熱源122視需要直接固定至管道142及/或鰭片144。熱源122之固定可藉由諸如針對圖5及圖6揭示之結合及/或一機械固定器而完成。熱源122可在無任何固定之情況下熱耦合至管道142及/或鰭片144。
中介結構126可在熱源122與管道142之間及/或熱源122與鰭片144之間提供一間接連接及熱橋。中介結構126在概念上被繪示為一單個矩形塊。應瞭解，中介結構126之形狀及大小可不同於所繪示塊，且所繪示塊可包含形成將一或多個熱源122熱耦合至管道142及/或鰭片144之一熱橋之一或多個離散組件。離散組件之實例包含(不限於)針對圖7及圖8描述之離散組件。
中介結構126視需要固定至管道142及/或鰭片144。熱源122視需要固定至中介結構126。固定可藉由諸如針對圖5及圖6揭示之結合及/ 或一機械固定器而完成。
如圖11中所示，設備120及140之任一者視需要包含幫浦128，其經配置以移動流體通過板100或管道142之一或多個流體通道。幫浦128可直接附接至板100或管道142之一流體通道或藉由將流體傳遞至板100或管道142之一管而間接附接至板100或管道142之一流體通道。幫浦128移動流體於一封閉迴路中，意謂流體被再循環。離開板100或管道142之流體最終被泵送返回至板100或管道142。設備120及140之任一者視需要包含熱交換器130，其自板100或管道142接收流體。熱交換器130經配置以在流體被泵送返回至板100或管道142之前冷卻該流體。設備120及140之任一者視需要包含貯存器132，其用作流體之一儲存緩衝器。貯存器132自熱交換器130接收經冷卻流體且隨後將經冷卻流體提供至幫浦128。
雖然已繪示並描述本發明之若干特定形式，但是亦應明白可在不脫離本發明之範疇之情況下作出各種修改。亦期望所揭示實施例之特定特徵及態樣之各種組合或子組合可彼此組合或替代以形成本發明之不同模式。上述本發明之特徵之全部變動被視為在隨附申請專利範圍之範疇內。除隨附申請專利範圍以外，不意欲限制本發明。
100‧‧‧板
102‧‧‧正交軸
104‧‧‧流體通道
106A‧‧‧頂層
106B‧‧‧中間層
106C‧‧‧底層
107‧‧‧箭頭/流體流動之方向

Claims (20)

  1. 一種散熱設備，該設備包括：由一平坦導熱材料製成之一板，該板包含一頂層及一底層，該頂層及該底層之各者定向在一x方向及與該x方向共面之一y方向上，存在經形成穿過該板且安置在該頂層與該底層之間的至少一流體通道，該至少一流體通道經配置以運送一流體。
  2. 如請求項1之設備，其中該頂層係由該平坦導熱材料製成。
  3. 如請求項1之設備，其中該底層係由該平坦導熱材料製成。
  4. 如請求項1之設備，其中該板包含該頂層與該底層之間之一中間層，該中間層係由該平坦導熱材料製成，且該至少一流體通道延伸穿過該中間層。
  5. 如請求項1之設備，其中該平坦導熱材料係熱解石墨。
  6. 如請求項1之設備，其進一步包括該板上之鰭片。
  7. 如請求項1之設備，其中該至少一流體通道定向在該y方向上，該板在該x方向及該y方向上具有一第一導熱率，該板在垂直於該x方向及該y方向之一z方向上具有一第二導熱率，且該第一導熱率係該第二導熱率之至少100倍。
  8. 如請求項1之設備，其中該至少一流體通道定向在該y方向上，該板在該y方向及垂直於該x方向及該y方向之一z方向上具有一第一導熱率，該板在該x方向上具有一第二導熱率，且該第一導熱率係該第二導熱率之至少100倍。
  9. 如請求項1之設備，其中該至少一流體通道定向在該y方向上，該板在該x方向及垂直於該x方向及該y方向之一z方向上具有一第一導熱率，該板在該y方向上具有一第二導熱率，且該第一導熱率係該第二導熱率之至少100倍。
  10. 如請求項1之設備，其進一步包括熱耦合至該板之該頂層或該板之該底層之一熱源。
  11. 如請求項10之設備，其進一步包括該板與該熱源之間之一熱橋，該熱橋係一散熱片、一熱散佈器、一印刷電路板、一支座及一軌條之一或多者之任何組合。
  12. 如請求項10之設備，其中該熱源係能夠產生熱之一電子組件。
  13. 如請求項1之設備，其進一步包括附接至該板且經配置以泵送流體通過該至少一流體通道之一幫浦。
  14. 一種散熱設備，該設備包括：一管道，其經配置以運送一流體且由熱解石墨製成；及該管道上之複數個鰭片，每一鰭片經配置以散逸來自該管道之熱。
  15. 如請求項14之設備，其中每一鰭片係由鋁、銅、其他金屬或除熱解石墨以外之材料製成。
  16. 如請求項14之設備，其中該管道具有一中心軸，每一鰭片在垂直於該中心軸之一徑向方向上具有一第一導熱率且在平行於該中心軸之一軸向方向上具有一第二導熱率，且該第一導熱率係該第二導熱率之至少100倍。
  17. 如請求項14之設備，其進一步包括熱耦合至該管道之一熱源。
  18. 如請求項17之設備，其進一步包括該管道與該熱源之間之一熱橋，該熱橋係一散熱片、一熱散佈器、一印刷電路板、一支座及一軌條之一或多者之任何組合。
  19. 如請求項17之設備，其中該熱源係能夠產生熱之一電子組件。
  20. 如請求項14之設備，其進一步包括附接至該管道且經配置以泵送流體通過該管道之一幫浦。
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