TW495660B - Micro cooling device - Google Patents

Description

49565U 五、發明說明（ 本t月ίτ'有關於一種微冷卻裝置1用以排出不須要的 熱氣尤其疋用於即便是如一積體電路裝置的小尺寸物品 亦產生不須要熱氣的一種電子產品。 由於如一近來發展之中央處理單元（CPU)之一積體電 路裝置產生的大量熱氣，該裝置本身及包括它的一系絶會 IV低產。口的可信賴度。尤其是，在一半導體裝置中，數種 參數被溫度之操作所影響，使得其值改變，以造成裝置的 問題’而破壞積體電路的功能。 一 ·§知解決上述問題的方法是使用一風扇以強力地冷 "P衣置；、、'、而上述方法具有其本身的問題，如一低冷卻 效能，加入額外的熱源，如用於風扇的一電源，及風扇本 身產生的熱。 另一種具有較高冷卻效能的方法為藉由改變流體材料 (冷卻劑）之相位而排出熱。換言之，用作為一冷卻劑的一 流體材料通過-熱產生源並轉換成氣體w纟蒸發能量排出 熱氣，此已廣泛地用於冰箱及冷氣機中。但上述方法的問 題在於需架設數種設備以凝結蒸發（或氣化）的冷卻器，使 得整個系統十分笨重且費電。 經 濟 部 智 慧 貝才 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 近來，一十分小的冷卻裝置，稱為一熱管，已藉由改 變流體材料之相位及自然對流現象而發展出來。即使有數 種熱管，具有内及外管的一雙管式熱管被加入成為一有效 的冷卻裝置。在雙管式樣中，冷卻劑填充至外管中，而= 管壁具有數個細孔以形成自内管通往外管的一通道。各來 自一熱源的熱氣傳遞至外管時，在外管中的冷卻劑藉由吸 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2〗0 X 297公釐 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

五、發明說明（2 ) /、、孔而又成乱’而洛發之冷卻劑通過内管上的孔注入内 :之内4内管中的氣體另經浮力及氣壓的不同移動至内 管的相對端。在内管的相董+ 的相對知上，冷卻劑凝結成流體。4 體移動通過内管之孔至外管，最後回到冷卻劑之原來位置 玄以上述原則製成的熱管很小，且具有一良好的冷卻效 卞。然而’由於氣體冷卻劑在管内移動依賴浮力及氣壓之 不同，而流體冷卻劑之移動依賴重力；熱管之架設位置會 有所限制。此外’由於熱管必須構形成冷卻劑可在熱產： 源之相對端上凝結的構造體，因為熱管之尺寸越小，其冷 卻效率會降低，而性能會變差。 因此，本發明的一目的是解決習知冷卻裝置的上述問 題，並備置一尺寸小但具高冷卻效率的微冷卻裝置。 此外，依據本發明的另一目的為備置一高效率的冷卻 裝置，它的架設位置不會被重力影響而有所限制。 為完成本發明的上述目的，備置一冷卻裝置，它可排 出由一熱產生源所產生的熱氣，該裝置包括：用以健存流 體冷卻劑的一冷卻劑儲存部；一熱吸收部，它包括至少一 微小槽且被定位在靠近熱產生源，並連接冷卻劑儲存部， 該流體冷卻劑部份藉由表面張力填充於該微小槽中，且當 熱氣由熱產生源吸收時，蒸發成在該微小槽中的氣態冷卻 劑；一熱絕緣部毗接熱吸收部以避免被熱吸收部吸收的熱 氣傳遞至其他區；用以凝結氣態冷卻劑的一冷凝部定位成 與熱吸收部分開；靠近熱吸收部及冷凝部的一氣體移動部 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

五、發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ’它為一通道，經由它氣態冷卻劑自熱吸收部移動至冷凝 部；以及一殼體，在其中至少包括熱吸收部。 本發明之目的及特徵將依據配合實施例及圖式之誤明 更加清楚，其中： 第1圖為依據本發明的一實施例之一冷卻裝置的一 xz 平面的一橫戴面概略圖； 第2圖為第1圖中所示冷卻裝置沿線a-a•之_修戴面圖 第3圖為顯示微小槽之一在第丨圖中所示冷卻裝置的鉢 吸收部中；而 ^ 第4圖為顯示依據本發明的另一實施例之冷卻裝置 100’之一 XZ平面之一橫戴面的一橫戴面圖。 現在’本發明的一實施例將配合圖式加以說明。 第1圖為顯示依據本發明之一實施例的一冷卻裝置的 一 XZ平面之一橫裁面的一概略橫载面。本發明之冷卻 置100包括一冷卻劑儲存部102用以儲存流體冷卻劑（在 示中以波浪表示），以及一熱吸收部1〇6，它靠近冷卻劑儲 存。卩102並鄰近熱產生源(未顯示）。熱吸收部1 06包括數個 微小凹槽114(以圖示中的斜線表示）。儲存於冷卻劑儲 部102中的冷卻劑藉由毛細現象的表面張力填充於各微 才曰中的微小凹憎11 4中。 本發明之冷卻裝置丨00另包括一氣體移動部1〇4，自7 邠劑儲存部102跨過而定位，並以熱吸收部1〇6分開。冷卻 裝置1 〇 〇亦包括一熱絕緣部丨0 8毗接熱吸收部丨〇 6以防止埶 裝 圖 存 冷 --------,------------訂---------線 1^· (請先閱tt背面之;i意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用^~家標準（CNS)A4 g(2iQx观 - 6 495660

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（4 氣傳遞至其他部份。冷卻裝置亦包括一冷凝部丨丨0跨過熱 吸收部106並在ζ軸上以熱絕緣部1〇8分開。 最好’冷卻劑儲存部丨〇2，熱吸收部丨〇6，氣體移動部 1〇4 ’熱絕緣部108及冷凝部η〇形成於殼體12中，而殼體 形成本發明之冷卻裝置100的一實施例。 依更清楚地說明本發明之一實施例的幾何構造，苐2 圖為第1圖之冷卻裝置沿a-a線的一橫截面。冷卻裝置！ 〇〇 包括一冷卻劑儲存部1〇2在X軸上與氣體移動部丨04分開， 以熱吸收體插在其間。如上述，數個微小檜丨丨4形成在熱 吸收部106上。 其次’冷卻裝置1 〇〇的操作方法配合第1至3圖加以說 明如下。如第1圖所示，一熱傳遞方向如方塊箭頭及I〕] 所不。此外熱產生源（未顯示）產生的熱傳遞至冷卻裝置丨()() 的熱吸收部106。最好一熱接觸維持在外熱產生源及熱吸 收部1 06峨鄰的冷卻裝置1 〇〇的殼體11 2之外壁間。 殼體112可以數種包括半導體材料，如矽或鎵，像自 行組成的單層材料，如銅或鋁或合金之金屬，陶瓷或如鑽 石之水晶材料製成。特別是，若外熱產生源為一半導體裝 置，本發明之冷卻裝置100可以用於製造半導體裝置的= 導體材料製成。本發明的冷卻裝置1〇()，如 成相同尺寸(譬如在χγ平面上的數個或數十個+丨公分區) 成為外熱產生源，使得本發明之冷卻裝置的抗熱性降刀至最) 典--------^---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

五、發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、如第2圖所示，來自外熱產生源的熱在熱吸收部106上 破吸收。如第2圖所示，熱吸收部具有數個微小槽ιΐ4 ，而儲存在冷卻劑儲存部1〇2中的冷卻劑依靠毛細現象填 充至彳θ的預疋部份。此詳見第3圖。如概略地顯示熱吸 收部106之微小槽114之一的放大第3圖所示，冷卻劑填充 冷卻儲存部102至微小槽上的一、·Α··的位置。 冷卻劑所填充的“Α··位置依靠微小槽η4的尺寸及冷 部劍之形態而定。特別是，冷卻劑之形態可依據殼體η: 之材料而有不同’因為冷卻劑可經歷與微小凹槽114或殼 體112之表面的一化學反應。由於環境污染，最好使用一 非CFC形的新穎冷卻劑。作為與殼體丨12之材料配合的一 冷卻劑’譬如’在類似積體電路的電子產品中，水或如曱 醇或乙醇之酒精是最佳的選擇。上述冷卻劑之大熱量及與 一半導體裝置的小表面張力角造成的冷卻劑之高流動率， 可傳遞大量的熱。此外，無與環境污染有關的問題。即使 备设體Π 2上有缺點時（譬如在殼體之表面上有一小裂縫） ’冷卻劑也較不會自殼體Π 2排出。 一般而言’雖然在肉眼可見的系統中有表面張力的存 在，重力的影響是最佳的。因此，很難有效率地利用肉眼 見系統上表面張力的優點。為使重力的影響可疏忽時， 系統之尺寸須很小。於是，最好，適合本發明之冷卻裝置 100的各微小凹槽114之寬度大約在lnrn至1〇〇〇 " m的範圍 内’而槽114之長度大約在〇.5至5公分的範圍内。此外， 各微小槽114之橫戴表面可為圓形、橢圓形、長方形、方 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） -----Κ—·------------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填窵本頁) 495660 A7 B7 經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 作 社 印 製 五、發明說明（6 形、多角形等。如下述，橫戴面區可以一預定方向較大或 較小’以控制槽1 14之内壁及冷卻劑之間表面張力的數量 如上述’若來自外熱產生源的熱施加至填充冷卻，削的 熱吸收部106之微小槽114，由於在微小槽114中填充的一 些冷部刮之蒸發會產生小泡珠，使得冷卻劑中形成擾亂。 此小泡泡及擾亂在微小凹槽114上產生更多的小泡沐（未顯 示）。這些小泡泡移動至無冷卻劑儲存的氣體移動部1〇4。 由於泡沫僅移動數毫米。重力的影響可疏忽掉。因此，即 使冷卻劑儲存部102及氣體移動部104分別定位在高及低的 位置上，泡沫可由於熱吸收部106上壓力的不同而自冷卻 劑儲存部1 02移動至氣體移動部1 〇4。泡沫的移動將在下文 中細述。 具有一預定方向之泡沫的上述移動可由形成在熱吸收 部106上的微小凹槽1丨4的内表面上之節n6所建立。換言 之，如第3圖所示，數個節116突出在靠近冷卻劑儲存部丨〇2 之一區上的微小凹槽H4之内表面上。由於微小凹憎n4的 橫截面區在朝向氣體移動部104之方向逐漸變小（亦即，在 X軸的增加方向），其中表面張力以此方向變大。表面張 力的上述增加使得冷卻劑具有潛在的能量造成冷卻劑自冷 卻劑部102至氣體移動部104的方向移動。簡言之，1據冷 卻劑之方向上的潛在能量，在冷卻劑上產生的大部份二 會以X軸的一增加方向移動。 如第1圖所示，氣體移動部丨04作為一空的空間首先形 ^--------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

9 495660 A7 B7 五、發明說明（7 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印？农 成。自熱吸收部102移動至氣體移動部1〇4的泡沫變成氣體 (氣怨冷部劑）。氣態冷卻劑自熱吸收部1 〇6中迸出時，由 於毗接熱吸收體1〇6及冷凝部1〇6的區上壓力的不同氣態冷 卻。 由於在-單元體積中的泡珠數目增加，本發明的冷卻 裝置之冷部效果也隨之增加。因此，最好增加此種泡珠產 生的可能性。譬如，數個微小凹槽(未顯示)可形成於熱吸 收部106上的凹槽114之内表面上。可選擇地，一微波產生器（未顯示）可用來備置微波能量給冷卻裝置刚以細微地 振動冷部裝置而增加泡沐產生的可能性。 然後，氣態冷卻劑在冷凝部110上失去其並發能量而 改變成流體冷卻劑。為較有效地使冷卻劑墨縮，數個翼部 (未顯示）可架設於靠近冷凝部丨10的殼體1丨2之外表面上 上述翼部可製作成微小的尺寸。此外，譬如，若微小啟動 器與微小翼部一起備置，由冷凝部11〇排出的熱氣可再循 環以使環繞之空氣流通。或者，若翼部以一熱電子裝置構 成，由冷凝部110排出的熱氣可轉換成電能，供其他電 裝置使用。此外，依據本發明的另—實施例，'A'、疑7 可較熱吸收部106為大(譬如大約丨。倍卜使得心… 的傳達亦有助於氣態冷卻劑之冷凝。此外，微小翼部可形 成於冷凝部110的内表面上，以增加冷卻劑的冷凝效果。在冷凝部110上，氣態冷卻劑被冷凝並收隼成&邮入 卻劑。當收集了足夠的流體冷卻劑時，流體冷：，二: 成於冷凝部110上的微小凹槽而移動至冷卻劑储存部1〇2。 L本紙張尺[適用"國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公爱 子110 大氣 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ' -------丨訂---------線. 10 495660 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐） 五、發明說明（8 ) 冷凝冷卻部在上述相同的原則下移動至冷卻劑儲存部丨02 。類似於熱吸收部之構造。在冷凝部丨i 〇上的凹槽可包括 田比接氣體移動部104之一區上的内表面上的數個節丨丨8。此 時’節Π 8以相對於形成於熱吸收部丨〇6上的節丨丨6的方向 形成。冷凝成流體的冷卻劑回到冷卻劑儲存部1 〇2，以完 成在冷卻裝置1 〇〇上冷卻劑之循環。 如上述’在本發明的冷卻裝置100上的冷卻劑之循環 以其本身的力量’尤其是藉由流體冷卻劑之表面張力的毛 細現象完成，不須外驅動力，且不受重力影響。由於數個 微小凹槽114備置在熱吸收部106上，表面張力在此狀況下 較重力為大。 雖然本發明運用了微小動力，但有數種方法可用來製 本务明的冷卻裝置1 〇 〇。譬如，可使用Μ E M S (微小電子 機械系統）或SAM(自行組合單層）方法，或使用雷射或原 形質的一超精確構造體製造方法。 現在’本發明的另一實施例將配合第4圖加以說明， 該圖為用以圖解依據本發明之另一實施例的冷卻裝置1 〇〇, 的XZ平面的一橫戴面。如圖所示，冷卻裝置丨〇〇,可形成 於一多層構造體上，而冷卻裝置1 〇〇的單層構造體可膨脹 〇 冷卻裝置10(Γ的冷卻循環將在下文中說明。冷卻劑藉 由熱吸收部100·上吸收的熱氣變成氣態，而氣態冷卻劑以 與冷卻裝置100的單層構造體相同的機構移動。然後，依 據連續原則，由冷卻劑儲存部丨0:r流出的冷卻劑自冷凝 11 . ^---— — — —— ^* — — — — — 1 — f請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 495660 A7 五、發明說明（9 ) 再填充至冷卻劑儲存部1G2•。氣態冷卻劑再通過氣體 移動部104·在冷凝部110•上轉換成流體冷卻劑，使得自、& 凝部110·流動至冷卻儲存部1〇2，中的冷卻劑之量被補尹' 因而完成了冷卻裝置100,中冷卻劑的循環。 l 如圖所示，冷卻裝置100,與冷凝部丨⑼之多層構造體 i的冷卻裝置不同，但所有主要原則，如冷卻削之循環， 彳目位改’或熱氣產生均與冷卻裝置丨⑼及1⑼·彳目同。冷 凝部110·之多層構造體包括數個微小凹槽（斜區）且以㈣ 部108·分隔。數個節118，用來引導出微小凹槽中冷卻=的 5向性特徵。當然，此種節可形成在冷凝部丨10、的所有彳' 例曹之内表面上，以強力地維持一預定方向性特[類 似地，在冷卻裝置100的單層構造體上，節n6 •亦可形成 的熱吸收部106·上以誘導出冷卻劑的方向性特徵。 如上述，形成數層冷凝部n 〇,以改良冷卻劑之冷凝效 果’以改良冷卻裝置1〇〇、之冷卻效率。 &據本為明’備置具有一高效率熱冷卻特徵的一微小 ;令卻裝置亦可改良本發明之冷卻裝置的物品可靠性 本發明之較诖實铯例已如上述，須瞭解的是本發明不 限於揭露之實施例’且熟習此技藝人士可在不脫離申請專 利範圍的精神及範圍下作各種改變及改良。 譬如，本發明可為一冷卻裝置它包括一分開的殼體使 々邠儲存部或冷凝部與熱吸收部通過作為氣體移動部的管 與熱吸收部互連。在此特徵實施例中，分殼體之尺寸可 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂： •線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣

本紙張尺度翻巾關家鮮（CNS)A4雜（21G x 297公i 12 Α7 Β7 經蒉部智慧財產局員工消費合作社印製

五、發明說明（】〇 ) 較吸收體為大，以增加冷凝效果。 可每擇地’本發明的冷卻裝置之上述部份可形成在一 平面上’以減少冷卻裝置的厚度。在此特殊實铯例中，教 吸收部及冷凝部形成於譬如χγ平面±，相互以…、 、丁, 大》 ΧΥ平面上的絕緣部將熱隔絕，並通過冷卻劑儲存部’、 連’且氣體移部亦形成在ΧΥ平面上。 此外，熱吸收部上的微小凹槽可形成曲線， 。 非直缘 元件標號對照 100·10(Γ···冷卻裝置 102.102 ^••冷卻劑儲存部 104···氣體移動部 10 6…熱吸收部 10 8…熱絕緣部 110·11(Γ…冷凝部 112…殼體 114…槽 116，·118···節 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） — ----― I I I I I i I I — I — I ^ . — — — — — — 1· (^間崎叫背面之注意事項再填寫本頁) 13

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 ι· 一種冷卻裝置可排出_熱產生源所產生的煞氣，該裝 置包括： 用以儲存流體冷卻劑的一冷卻劑儲存部： -熱吸收部包括至少一微小凹憎，定位成靠近熱 產生源處，亚連接於冷卻劑儲存部，該流體冷卻劑藉 由表面張力#伤地填充於微小凹槽中，且當熱產生源 產生的熱氣被吸收時冷卻劑蒸發成為氣態冷卻劑： f 一熱絕緣部赴接於熱吸收部以阻止熱吸收部吸收 的熱傳遞至其他區； 冷减部用以冷凝氣態冷卻劑，且定組成與熱吸 收部分開； 一氣體移動部靠近熱吸收部及冷凝部，且為一通 運氣怨冷部制自熱吸收部通過它進入冷凝部；以及 至少包括熱吸收部的一殼體。 2.如申μ專利範圍第丨項的冷卻裝置，其中殼體以一半導 體材料，-層積材料，-金屬，-合金，-陶瓷材料 ’或一水晶材料製成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3·如申請專利範圍第1項的冷卻裝置，其中微小凹槽製作 成在大約ΙΟ·”公尺至丨〇·3公尺寬以及大約〇·5公分至$ 公分長的範圍内。 4·如申巧專利範圍第丨項的冷卻裝置，其中該至少一微小 凹槽之内表面上具有至少一節，錢微小凹槽之橫钱 面區自冷邠劑儲存部朝向氣體移動部變小。 至 )·如申請專利範圍第1項的冷卻裝置，其中冷凝部包括 14

   經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 少一微小凹槽，而分γ , 至… 該至少一微小凹槽的内表面上包# y 即使侍微小凹槽的橫戴面自氣 ^ 冷卻劑儲存部變小。 备動A朝向 6.:=:_的_置，包括至 力‘凹槽，而該凹槽的内表面上包括至少_雜产 部’使仔微小凹槽的橫戴面自氣體 ： 儲存部變小。 q朝向冷心 7. 如申请專利範圍第1項的冷卻铲詈，i 其中冷凝部的體積 較熱吸收部體積為大。 8. 如申請專職圍第1項的冷卻裝置，其中一 接冷部部的殼料表面上，以增加熱之消散。 9·:申請專利範圍第i項的冷卻裝置，其中翼部形成於冷 竑部的内表面上以加強冷凝作用。 10·如申請專利範圍第的冷卻裝置，其中微小凹槽形成 在熱吸收部之内表面上以強化部份填充冷卻執吸 收力。 θ' 比如申請專利範圍第H0項之一所請求的冷卻裝置，其 中冷凝部包括： 數層微小凹槽；以及 數個纟巴緣層形成在數層微小凹槽之間。 21〇χ297讀_

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