TW425501B - A flexible loop heat pipe cooling device for notebook micro-computers - Google Patents

Description

^ 4 255 0 1 A7 B7 五、發明説明（ 經濟部中央樣準局長工消f合作枉印製 創作背景 筆記型微電腦發展快速，體積愈做愈小，功能愈來愈 強。不過，功能愈強的結果是，耗電量增加，散熱問題也愈 來愈嚴重。以一部面積340mmX210mm、厚度56mm的筆記 型微電腦來説，置於25。(：環境中，若不採用風扇，純粹利用 空氣自然對流來散熱的話(對流散熱係數约3W/m2 °C)，若容 許鍵盤表面溫度可超過空氣溫度20C(手指觸摸之極限溫 度），則總散熱量 Q= 3W/mK：X0.34mX0.21mX 20C= 4.28W◊也就是説，筆記型微電腦純利用鍵盤表面來 散熱的能力只有約4W左右。.未來筆記型微電腦功能再增锋 後，必須採用更先進的CPU，其發熱量將高於15W，而CPU 散熱問題將成為筆記型微電腦發展的最大瓶頸。 本發明即針對解決筆記型微電腦發熱元件散熱問題的 創新設計，係利用柔性環路熱管將發熱元件之熱量先傳送至 顯示幕(液晶）背面的散熱板，再以自然對流方式散至大氣 中’以充分利用液晶顯示幕背面的大面積，以及容許較高的 表面溫度(因手指不會觸摸到），來將散熱量提升。因此，可 以解決目前筆記型微電腦散熱極限的問題。 若微電腦在高負載、長時間連續運轉時，可在液晶顯示 器上再搭掛一個風扇，利用強制對流來增強散熱能力。 一般微電腦之使用負載（耗能），大多隨時間變化。 在息機時耗電最小，負載也較穩定；一旦開始執行程式，

(請先閲#背面之注意事項再填寫本頁) /裝· -=° ..碎 經濟部令央標隼局員工消费合作社印製

"'4-25 δ C Α7 ~ ----~_二 Β7 五、發明説明（2 ) 一一-- 耗包量互即隨使用情形增加。磁碟機或光碟機存取頻繁、連 續執行計算程式或套裝軟體的時間長，耗電量就會急劇升 高。不過，通常連績讓電腦在最高負载下操作的機率（如連 、‘只小時以上）並不南，所以如果利用内藏於液晶顯示幕背 面的儲熱系統將發熱元件之熱量先儲存，然後再糊低負載 週期或停機期間來將熱量慢慢釋出，如此可將筆記型電腦的 忒熱flt力再往上提升，甚至接近桌上型電腦的散熱容量，使 得筆記型電腦未來或有可能因而取代桌上型電腦。 2.創作詳細說明 圖一所示為本發明的構想圖，9為筆記型微電腦主機部 分，7為可摺疊之顯示器部分。丨為微電腦的發熱元件(如 CPU、各式1C晶片、電源供應器、光碟機、或軟硬碟機等）， 其所發的熱量傳給環路熱管(由2、3、4、5、51、,6構成）中 的蒸發器2 ’將蒸發器内的液態工質(如酒精、甲醇、水、冷 媒等)蒸發成蒸氣。環路熱管係由蒸發器2、出口連接管3、 入口連接管4、可折疊軟管5與51、散熱管6(冷凝器）、散熱板 8寺所組成，除政熱管板(6、8)外，出口連接管3、入口連接 管4、可折疊連接官(5與51)均用高分子或金屬.材質之柔性軟 管製成。出口連接管3與入口連接管4具柔軟性，可任意改變 形狀以便在電腦主機内部隨隨意鋪設；可折疊連接管(5與5i) 另具折繞性，使容易與顯示器上之散熱管連結，以符合摺疊 式顯示器之操作需求。 I — - (#先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂1 >----- 本紙張尺度通用中國國家標準（€：阳}八4规格（210/297公瘦> 姓濟部中央標準局員工消费合作社印製 在邮。】 A7 B7 五、發明説明（3) 蒸發器2内的工質(如酒精、甲醇、丙酮、水等)蒸發成蒸 氣後，經由環路熱管的柔性連接管將熱量先傳送至顯示幕14 背面的散熱管6内，進行冷凝釋熱，再傳熱至散熱板8，最後 以自然對流方式散至大氣中0 因熱管内工質之蒸發與冷凝過程幾乎是在等壓下進 行，故冷凝器(散熱管板6、8)、蒸發器2與電腦發熱元件1之 操作溫度幾近相同。所以，本發明不但可以充分利用液晶顯 示幕背面的大面積，而且這可以讓散熱管板(6、8)在較高的 表面溫度下操作(因操作時人體並不觸碰液晶顯示幕背面）， 故可輕易將散熱量提升。 圖示二為附本發明柔性環路熱管之筆記型電腦的閉合 圖，包括液晶顯示器7的剖面圖。圖示三為B-B位置之側視 圖，圖示四為C-C位置之側視圖。散熱管板(6、8)係位於顯 示幕14之背面，為避免散熱管板(6、8)溫度高影響顯示幕14 之性能，在其中間以一保溫材料13隔熱。散熱管板(6、8)之 形狀可作成如圖示五，散熱管之形狀可製成如圓形61或半圓 形62，或其它易加工之形狀(如小型冰箱之鋁質冷凍盤）。散 熱管6内部係供熱管之蒸氣態工質冷凝，冷凝熱則藉熱傳導 經散熱板8，再由空氣之自然熱對流傳至大氣。散熱管6之形 狀可製成由上往下盤繞之蛇形，如圖示六，使冷凝液可以藉 重力往下流回蒸發器2。 熱管之蒸發器2形狀如圖示七，呈扁形盒狀外觀，以便 在有限的空間高度内與電腦CPU或1C晶片緊密貼合。蒸發器 2包含液態工質入口接頭2(U、出口接頭2〇2、蒸發室205、蒸 本紙浪尺度適用十國國家摇準（CNS ) A4規格（2丨0 X 297公漦） (請先閲讀背面之注意事項再縝寫本頁} r,i 1 ~- 、ΐτί II 1--- 經濟部令央樣準局員工消費合泎.杜印"

4 2550 I A7 ----- B7 五、發明説明（4 ) ~~ ^- 發室入口203、蒸發室出口2〇4。為便於製造，蒸發器2可設 賴上、下兩半(206與207)，再由結合面結合成一體。液 恐工質人p接職丨設於下半蒸發㈣7，承麟人蒸發室2 的液體X質，並將其加熱紐；&吨顧2職於上半蒸 發器206,以引導蒸氣流出蒸發室2。上、下兩半蒸發器（2〇6 與207)之分解圖如圖示八。 柔性連接管(3、4、5、SI)係❺高分子或金屬材質製成， 其具柔概可任意改變形狀讀κ記雜電駐機9内隨 意鋪設易，並具可折繞性(5、川使得容易穿過主機9以與顯 示器7上之餘部麟，崎雜#絲轉之操作需求。 如果微電腦在高負載、長時間連續運轉，耗能劇增，則 可在液晶顯示器7上加掛一個風扇21(如圖示九)以改善自然 對流之不足，增強散熱能力。搭掛一個外加風扇21，雖使耗 能約增加1W (12V直流），但可大大提升散熱管板對大氣之 散熱性能。 電腦在最高負載下連績操作的機率（如連續一小時以 上）並不高，所以可利用儲能系統，將高負载週期的發熱量 先儲存於液晶顯示幕14背面的儲熱介質12，再利用低負載週. 期或停機期間來將熱量慢慢釋出，可將筆記型電腦的散熱能 力再往上提升。如圖示十之A-A剖面圖(參閲圖一之剖面位 置），原來的散熱板8改成方形盒狀散熱盒16，儲熱介質12填 充於散熱盒16内部。B-B剖面圖如圖示{~一(參閲圖一之剖面 位置），C-C剖面圖如圖示十二(參閱圖一之剖面位置）。為避 免散熱盒16溫度高而影響顯示幕14之性能，在其中間以一保 本紙張尺度適用中國囤家榡準（CMS ) A4規格（.210X 297公疫） ----m-II — . j 〈請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T ---- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 ^^501( A7 B7 五、發明説明（5) 溫材料131隔熱。 儲熱介質12可以是具較高固-液相變潛熱(〗atent heat)之 固邊物質(如腺類）’或高熱含(heat capacity)之固體或液體。 熱官之蒸氣態工質在散熱管6内部冷凝，冷凝熱則藉熱 傳導經散熱盒16外殼，一部分由空氣之自然對流傳至大氣， 一部分則傳至散熱盒16内之儲熱介質12先儲存，再利用低負 載期或停機期慢慢經由散熱板外殼散至大氣中。如此，可將 筆記型電腦的散熱能力再往上提升。 為驗證本發明之構想，發明人依照圖示一之構造，製造 一組柔性熱管散熱模型實際進行測試。熱管蒸發器2之大小 與CPU486相同，總厚度為8_ ;散熱板面積為2〇(；111高χ 3〇cm寬，散熱管長i.2m ;熱管之柔性軟管(3、4、5與51)採 鐵氟龍材質，直徑4mm;散熱板與顯示器之水平傾斜角為8〇 度。測試時，以一 19歐姆之薄片電熱片貼於蒸發器2之下面， 以直流電源供應器加熱，模擬CPU之發熱量，並在各處安裝 熱偶溫度計。電熱片下方以及熱管之連接管設有保溫材，以 減小散熱損失，使電熱片之加熱量約相等於散熱板8之散熱 量。顯示幕14與散熱板8間爽有一層厚約3mm的普通發泡材 料提供隔熱。 圖十三所示為散熱管板(6、8)在自然對流下，散熱量Q 與溫差Tcpu-Ta之測試結果；Tcpu代表CPU表面溫度，Ta代 表大氣溫度。圖十三測斌結果顯示，在溫差Tcpu_Ta為42°C 時，散熱量可高達30W，遠超過目前(1997)筆記型電腦CPU 的發熱量(7W以下）。 ‘ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 4 丨.^裝------IT------>1-----Ί (請先閱讀背面之注意事碩再填¾本頁j . A7 經濟部中夹標41局0貝工消资合作.社印製 425501 _______B7 五、發明说明（6) 圖十四為CPU表面溫度與大氣溫度隨散熱量Q之變化； 測試結果顯示，散熱量30W時，CPU表面溫度為63°C(大氣 溫度為22°C)，在CPU(Pentium)耐溫範圍内（約75至80oC)。 圖十五上方為本發明柔性熱管之由CPU到散熱管之熱 阻R隨散熱量Q之變化。熱阻R之定義為

Q

Tcpu - Tc 代表CPU表面溫度；7b為散熱管$頂排中央位置之表面 溫度。測試結果顯示，散熱量達2〇W以上時，熱阻值低於 o,i°c/w，傳熱效果極優(一般散熱片熱阻値約0 6_10〇C/W)。 圖十五下方為顯示幕14背面溫度、CPU正上方之鍵盤表 面溫度、電腦主機内部離前緣四公分正中央位置之溫度、大 氣溫度隨散熱量之變化。測試結果顯示，在散熱量3〇w時， 顯示幕14背面溫度約43°C，證明3mm厚的普通發泡保溫材已 可阻絕散熱管板之高溫(约60。〇 ;鍵盤表面溫度(CPU正上方) 約39 C ’電知主機内部離前緣四公分正中央位置之溫度约為 280〇 圖十六是散熱量為20W時之瞬時操作性能，大氣溫度為 25.6°C，CPU表面溫度為58.1°C，顯示幕14背面溫度為 44.5°C ’在在證明本發明之功能優越。 本項測試也依照本發明圖九之構造，在液晶顯示器7上 搭掛一個耗電1.2W的直流風扇21，以增強散熱管板散熱能 力。圖十七為散熱量達36W時之瞬時操作性能，大氣溫度為 25.1°C，CPU表面溫度只55.3°C (Tcpu-Ta為30.2°C)，顯示幕 Μ背面溫度為36.5°C，散熱功能非常優越。由圖十四知，散 本紙張尺度適用中固國家標準（CNS ) Λ4規格（210X 297公| ) . j (諳先閱讀背面之注意事項再填k本頁)

4.255:(D 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 A7 _____________ B7 __________ 五、發明説明（7 ) 熱管板(6、8)在自然對流時(未裝設風扇），散熱量30W下之 CPU表面溫度為63。(：(大氣溫度為22°C)，Tcpu-Ta為41°C。可 見加裝外掛式風扇後，使本發明之散熱能力大大提升。如再 增設儲熱介質，本發明之散熱能力可望超過100W。 本發明之柔性環路熱管散熱裝置可解決筆記型微電腦 發熱元件(包括CPU、各種1C晶片、電源供應器、光碟或硬 碟等)之散熱問題，用途廣泛，具有高度實用價値，符合專 利申請要件，爰依法提出申請。 本纸張尺度適用㈣國家標準（CNS )从見格（2ωχ 297公疫） ^7_ — ^---------1T—·------嫁-------- (諳先閱讀背面之注意事碩再填W本I) 4 25 5 0 A7 B7 五、發明説明（ 圖式之簡要説明: 經濟部中央堞準局肖工消费合作让印製 弟一圖：本創作之柔性環路熱管散熱裝置構造圖。 第二圖：附本創作之筆記型電腦的閉合圖以及A-A視圖。 第三圖：附本創作之筆記型電腦的B_B視圖。 第四圖：m本創作之筆記型電腦的c-c視圖。 第五圖：柔性環路熱管散熱裝置之散熱管板剖面圖。 第六圖：柔性環路熱管散熱裝置之散熱管板A-A剖視圖。 第七圖：柔性環路熱管散熱裝置之蒸發器構造圖。 第八圖：柔性環路熱管散熱裝置之蒸發器分解圖。 第九圖：加掛風扇與柔性環路熱管散熱裝置之筆記型電腦 構造圖。 第十圖：加設儲熱介質之柔性環路熱管之散熱盒 構造圖。 第十一圖：加設儲熱介質之柔性環路熱管之散熱盒之 B-B視圖。 第十二圖：加設儲熱介質之柔性環路熱管之散熱盒之 C-C視圖。 第十三圖：柔性環路熱管散熱裝置在自然對流下之 散熱量Q測試結果。 第十四圖：柔性環路熱管散熱裝置之溫度測試結果。 第十五圖：柔性環路熱管散熱裝置之熱組與各處溫度 測試結果。 第十六圖：柔性環路熱管散熱裝置之各處溫度測斌結果。 第十七圖：柔性環路熱管散熱裝置並外掛風扇時之各處 溫度測試。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現格（210X 297公釐） f诗先閱筇背面之注意事項再填舄本頁，} ο 裝 ‘ 4 25 5 Ο 1 Α7 Α7 Β7 五、發明説明（9 ) 圖號説明： 1 :微電腦CPU或1C晶片 2:熱管之蒸發器 3:熱管之柔性連接管 4:熱管之柔性連接管 5，51 :熱管之可折繞軟管 6，61，62 :熱管之散熱管(冷凝器) 7:筆記型電腦之顯示器 8 :散熱板 9:筆記型電腦之主機 12 :具相變之儲熱介質 13，m :隔熱材料 14 :筆記型電腦之顯示幕(液晶） 15 :筆記型電腦顯示器外殼 16 :散熱盒外殼 21 :外掛風扇 200 :上下蒸發器接合面 經濟部中央摞準局員工消費合竹社印製 (請先Η讀背面之註意事項再填寫本頁) 201 :蒸發器入口接頭 202 :蒸發器出口接頭 203 :蒸發室入口 204 :蒸發室出口 205 :蒸發室 206 :上蒸發器 207 :下蒸發器 本紙張尺度適用中國國家楹準（CNS ) Α4規格（2丨ΟΧ 297公釐）

Claims (1)

1. 4 25 5(: A8 經濟部中央標準局員工消費合作枉印製 六、申請專利範圍（1) 1 · 一種筆 熱裝置，其構造奋徵為： 柔性環路熱管依序由蒸發器、柔性連接管、散熱管(冷 凝器）、散熱板、柔性連接管等所構成，熱管内部充有液 態工質； 蒸發器緊貼在發熱元件上，其_充有液態工質；發 熱7C件所發出的熱量傳给蒸發器，將蒸發器内的工質蒸發 成洛氣流出’經柔性連接管流至散熱管· 散熱板置於爲平狀之筆記型電腦顯示幕背面，其與顯 示幕之間裝設有隔熱材料，以防止顯示幕受熱； 散熱管盤繞在散熱板上，兩者緊密結合，蒸氣在管内 冷凝成液體，其冷凝熱則經散熱板傳至大氣，完成散熱任 務； ' 散熱管内冷凝液經由柔性連接管流回蒸發器，構成一 環路循環； 柔性連接管之特徵為：具柔軟性，形狀可任意改變以 便在電腦主機内部隨意鋪設；具可折繞性，使得容易穿越 主機以與顯示器上之散熱管連結，以符合摺疊式顯示器之 操作需求； 如此，既可以容易裝設，又充分利用顯示幕背面的大面 積，並讓散熱管板在較高的表面溫度下操作，而達成提# 筆記塑微電腦發熱元件的散熱量目的。 記型微電 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁J 訂 M--- 本紙乐尺度適用中國國家標辛（CNS ) Λ4規狢（210X 297公釐） ABCD ^ 255 0 ί 、申請專利範圍（2) 2. 依申請專利範圍第—項所述之筆記型微電腦發熱元件的柔 性環路熱管散熱裝置，在電腦顧示器上另搭掛一個易拆裝 之風扇，以增強散熱管板的散熱能力，使筆記型微電腦可 以在高負載、長時間連續運轉而不致過熱。 3. 依申請專利範圍第一項或第二項所述之筆記型微電腦發熱 几件的柔性環路熱管散熱裝置，其散熱管與散熱板構造特 徵為： 散熱板製成盒狀散熱盒，儲熱介質填充於散熱盒内 部：儲熱介質是具較高固-液態相變潛熱之固態物質，或 高熱含之固體或液體； 敫熱盒置於電腦顯示幕背面，其與顯示幕之間裳設有 隔熱材料，以防止電腦顯示幕受熱； 散熱管盤繞在散熱盒上，兩者緊密結合，蒸氣在管内 冷凝成液體，其冷凝熱則藉熱傳導經散熱盒外殼，一部分 由空麟流傳至域，—部分_至散熱盒内之儲熱介質 先儲存，再利用電腦操作之低負載期或停機期慢慢經由散 熱盒外殼散至大氣中； 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 如此，達成將筆記型微電腦散熱能力提升的目的。 4.依申請專利範園第一項或第二項或述之筆記型微 電月匈發熱元件的柔性環路熱管散熱裝置，其蒸發器製成具 扁形盒狀外觀，以便在有限的空間高度内與電腦發熱元件 緊密贴合；崧發器包含液態工質入口管接頭、蒸發室、出 口管接頭，其構造特徵為： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格(210 X A8 B8 CS D8 ，室0 425501 、申請專利範圍⑶ 瘵發器設計成上、下兩半，再結合成一體； 硬態工質之入口管接頭設於下半蒸發器，承接流入蒸 發室的液體工質； 出口管接頭設於上半紐H，以引導蒸氣流出蒸發 5.依申請專利範圍第—項或第二項所述之筆記型微 電腦發熱元件的裘性環路熱管教熱柔性連接管係 电高分子或金屬材質製成。 6·依帽專補關-賊第二饿^社柔性環路 熱資散熱裝置，其用來散熱之對象為I:記型微電腦中之央 處理器CPU，或各種1C晶片、或電源供應器、或光碟、 或硬碟。 請 it 閱 讀 背 ιέ -S 意 事 項 再 填 寫. 本 頁 1 丁 輕濟部中央標辛局員工消f合作祍印¾

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