TW533455B - Device for cooling heat-generating electrical and electronic components, and an entire component comprising the same - Google Patents

Description

533455 A7 _B7 __ 五、發明説明（1 ) 發明領域： (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係相關於相變材料在冷卻電機及電子組件裝置 上之用途。 工業生產程序中，經常需避免熱量高峰或熱量不足， 即必須備有溫度控制。通常此可以使用熱交換器達成。最 簡單的例子，它們也許只由熱導板組成，其散逸熱及釋放 它至周遭空氣中，或選擇性的含有傳熱介質，其首先從一 處或介質轉移熱至另一處。 發明背景= 電子組件之冷卻技巧（圖1 )，諸如微處理器（中央 處理單元=cpus) (2)爲自擠製鋁造成之受熱器（ Heat smk，或受熱器），其從電子組件吸收熱，係裝置在支撐 (3 )上，而經由散熱片（1 )將熱釋放於環境中。在散 熱片之對流幾乎經常以風扇來維持。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 爲了避免過熱，此型受熱器必須設計經常爲高的外界 溫度之最不利情況，及組件之滿載時’其會減低組件之服 務壽命及可靠性。依設計之不同，c P u s之最高工作溫 ’度係在6 0〜9 0 °C間。 當C P U s時鐘速度變成更快時，它們發射之熱量每 新產生即跳升。當在此最大3 0瓦特產出之熱量高峰’必 c ——----- 須散逸，期望在其次之8〜1 2個月’將需要筒至9 0瓦 特之冷卻容量。此等產出使用習知的冷卻系統不再能將熱 散逸。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -4 - 533455 Α7 Β7 五、發明説明（2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 對於極致的周遭條件，諸如發生於遙控飛彈，受熱器 ’其中電子組件發射的熱是吸收在相變材料，例如以熱熔 化之形態描述於（U S 4 6 6 7 3 0 3 0 A， EP 116503A，US 4 4 4 6 9 1 6 A )。此 等相變材料受熱器效勞在該環境熱能散逸之短期替代，且 不能再使用（必定不能）。 已知的儲存介質，例如，儲存敏感的熱之水或石頭/ 混凝土或相變材料，諸如鹽類、鹽類水合物或它的混合物 ’或爲熔化熱形態（潛熱）儲存之有機化合物（如石蠟） 〇 據知’當一物質熔化，其即從固相轉化爲液相，熱即 消耗’那就是吸收，即只要物質能維持液態多久，它就能 以潛熱儲存，而此潛熱在液態物質固化作用時再釋放出來 ，即從液相轉化成固相。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 熱儲存系統之儲熱，基本上需要較在散熱所得更高溫 度’因爲爲熱的流動及轉移是需要溫度差異的。熱的品質 是依其可得溫度而定：溫度愈高，能散逸之熱愈佳。因此 之故’期望當在儲存時，溫度水準之降低，盡可能越小越 好。 論及敏感性熱的儲存（例如水加熱），熱之輸入是與 儲存材料之恆定加熱相關聯，其時潛熱是儲存·的，而在相 變材料熔點時散熱。因此潛熱儲存優於敏感性熱儲存，其 溫度ί貝耗係限於當從儲存系統來往間，熱轉移之損耗。 迄今在潛熱儲存系統使用之儲存介質，通常爲具有在 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2!0Χ297公釐） 533455 A7 B7 五、發明説明（3 ) 溫度範圍內，固一液相轉移之物質，其爲主要用途，即物 質當其在使用時熔化。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 如此，文獻揭示使用石蠟在潛熱儲存系統作爲儲存介 質。國際專利申請W〇 9 3/1 5 6 2 5描述其含有相 變材料微囊之鞋底。此處提出的相變材料或是石鱲或是結 晶的2 ，2 —二甲基一 1 ，3 —丙烷二醇或2 —羥甲基一 2 —甲基一1 ，3 —丙烷二醇。應用W〇 93/ 2 4 2 4 1描述具有塗層之織品包含此型微囊及黏聚物。 此處偏愛的爲具有1 3〜2 8個碳原子之石蠟烴。

European Patent EP-B-306202描述具有熱儲存性能之纖維， 其儲存介質爲石鱲烴或結晶的塑膠，而儲存材料係整合成微 囊狀形態之基本纖維材料。 US Patent5,728,3 1 6推荐基於硝酸鎂及硝酸鋰之鹽類混 合物用於熱能之儲存及利用。此處熱儲存是在熔點7 5 °C 以上熔化時實施。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在前述的潛熱儲存系統之儲存介質，當在使用時轉移 成液態發生。這就工業上使用潛熱儲存系統之儲存介質時 伴生問題，因爲爲了防止液體之滲漏而使物質損失或污染 環境，需要時常密封或封裝。特別以使用在撓性結構或撓 性結構上，諸如，纖維、織品、或泡沬塑膠，此通常需要 熱儲存材料之微封裝。 此外，當熔化時許多潛在適用化合物的蒸汽壓大爲增 加，而其結果使熔融之揮發性固定於儲存材料之長程使用 方式。工業上使用之熔化相變材料，由於許多物質當熔化 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21ΌΧ 297公釐） -6 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 533455 A7 337 五、發明説明（4 ) 時，體積產生相當大的變化，經常帶來問題。 因此相變材料之新領域，乃具備有特別的注目焦點。 此等爲固體-固體相變材料。因爲此等物質在整體使用過 程均維持固態，而不再需要封裝。在潛熱儲存系統之儲存 介質熔化時，儲存介質物質損失或環境污染問題，如此能 夠排除。此族群之相變材料發現有許多新應用領域。 u S 5831831A， J P 10135381A 及 SU 57 0 131A 描述 使用相似的相變材料受熱器於非軍事應用。該等發明之共 同特色是可省略習知的受熱器（例如用散熱片及風扇）。 上述相變材料受熱器，並不適於吸收具有不規則輸出 熱剖面之組件的高峰輸出，因爲它們不能確保相變材料之 理想散熱或亦吸收基本熱負荷。 本發明之目的係爲有效地冷卻電子及電機組件與吸收 溫度高峰。 發明之槪述： 本發明之目的係以冷卻具有不規則輸出熱剖面之發熱 電子及電機組件裝置而達成，主要由熱傳導單元及熱吸收 卓兀組成’其含有相變材料。 本發明係相關於冷卻具有不均勻輸出熱剖面的電機及 電子組件之裝置（母板上之桌上微處理器及膝板上電腦與 圖卡、電源零件及其他組件等在操作時均放出熱）。 冷卻裝置爲受熱器。假如熱從電子組件流到受熱器沒 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2HTX 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

533455 A7 __ B7 五、發明説明（6 ) < 根據本發明裝置，參考電腦中央處理單元（C p U s )冷卻之實施例描述。 (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁} 根據本發明裝置（圖2 )，安排相變材料（4 )在受 熱器內或在受熱器（1 )上，如此方式重要的熱流從中央 處理單元（C P U ) ( 2 )到相變材料（4 )，僅發生在 假如受熱器超過相變材料之相變溫度T P。時。它如此確# 相變材料僅吸收輸出熱高峰。 各相變材料在此應用上是有利的。可能使用相變材米斗 其相變溫度在一 1 0 0〜1 5 0 C間。使用在電機及電子 組件時，較佳者相變材料之範圍爲4 0〜9 5。(：。在此情 況’材料可選擇由石 ( C2〇〜C45)、無機鹽類、鹽類 水合物及它的混合物、羧酸及糖醇類等族群所組成。表丄 顯示其選擇。 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 用熱管之受熱器（圖3 )，受熱器（1 )內部有一孔 腔（6)，其部分以液體及或氣體介質充塡。液/氣熱轉 移介質（5 )爲選擇自鹵化烴（例如乙基溴化物、三氯乙 儲或氟氯院）及它們的相當物等族群所組成。熱管的設計 及適當介質之選擇，對吾人技術不成問題。 除此介質之外，孔腔亦含相變材料粒子（4 )，其吸 收熱快如熱管內部溫度一到達相變溫度T P C即吸收。 據發現封裝的或微封裝的相變材料及固-固相變材料 ，其不溶於介質中者特別適用。所有已知的相變材料均可 使用。 令人驚奇的發現，由於相變材料/介質懸浮體之良好 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21ΌΧ297公釐) ΤοΤ ' 經濟部智慧財產局Μ工消費合作社印製 533455 Μ ___ Β7 五、發明説明（7 ) 混合’動力學之受熱器是特別的大。 進一步可能性發現經一混合形式（圖4 ) 表1 _ 材料 熔點（） 熔化熱洽（j/g) 族群（或基） ------ 二十一烷 40 213 石蠟類 二十二烷 44 25 2 石蠟類 二十三烷 48 234 石蠟類 硫代硫酸鈉五水合物 48 210 鹽類水合物 十四酸 52 190 羧酸 __ 二十四烷 53 255 石蠟類 二十六院 56 250 石蠟類 醋酸鈉三水合物 58 265 鹽類水合物 二十九院 63 239 石蠟類 氫氧化鈉單水合物 64 272 鹽類水合物 十八酸 69 200 羧酸 . 硝酸鋰及硝酸鎂六水 75 180 鹽類水合物 合物之混合物 磷酸三鈉十二水合物 75 216 鹽類水合物 硝酸鎂六水合物 89 160 鹽類水合物 木醣醇 93-95 270 糖醇類 ___ 同樣適用的，爲選擇由二乙銨氯化物、二丙錢氯化物 、二丁錢氯化物、二戊銨氯化物、二己錢氯化物、一辛錢 氯化物、二癸銨氯化物、二十二銨氯化物、二十八銨氯化 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Α4規格l2H)x297公釐） -1〇 - 533455 Α7 Β7 五、發明説明（8 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 物、二乙錶溴化物、二丙銨溴化物、二丁銨溴化物、二戊 銨溴化物、二己銨溴化物、二辛銨溴化物、二癸銨溴化物 、二十二銨溴化物、二十八銨溴化物、二乙銨硝酸鹽、二 丙銨硝酸鹽、二丁銨硝酸鹽、二戊銨硝酸鹽、二己銨硝酸 鹽、二辛銨硝酸鹽、二癸銨硝酸鹽、二辛銨氯酸鹽、二辛 銨醋酸鹽、二辛銨甲酸鹽、二癸銨氯酸鹽、二癸銨醋酸鹽 、二癸銨甲酸鹽、二十二銨氯酸鹽、二十二銨甲酸鹽、二 十二銨硫酸氫、二十二銨丙酸鹽、二丁銨2 -硝基苯甲酸 酯、二十一銨硝酸鹽及二十二銨硝酸鹽等族群所組成之固 一固相變材料。 使用在電機及電子組件上，特別適當的相變材料爲那 些其相變溫度T p。範圍爲4 0〜9 5 °C者，諸如二癸銨氯 化物、二十二銨氯化物、二十八銨氯化物、二乙銨溴化物 、二癸銨溴化物、二十二銨溴化物、二十八銨溴化物、二 乙銨硝酸鹽、二辛銨硝酸鹽、二癸銨硝酸鹽及二十二銨硝 酸鹽。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 除了實際的熱儲存材料，相變材料較佳者包含至少一 個補助材料。其較佳者爲一物質或具有良好的熱傳導性之 組成物，特別是金屬粉末、金屬顆粒或石墨。熱儲存材料 較佳者爲與補助材料密切混合形態之混合物，完整組成物 較佳者爲疏鬆床型或是模型。此處模型是取其意義，特別 是所有結構其能以壓密方法生產，如製粒法（pelleting)、壓 片法（tabletting)、車L 壓法（rollcompaction)擠製法或 (extrusion)。此處模型能接納非常寬廣之空間形態，例如球 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（ 210X 297公釐） 7y\Z ~ 533455 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（9 ) 形、立方體形或六面體形。此外，描述此處之混合物或模 型，可包含石鱲作爲添加補助材料。石蠟是特別使用在假 如熱儲存組成物與正使用中將建立之組件間作密切接觸時 。例如，潛熱儲存系統能以精密建立適合此法冷卻電子組 件。當建立熱儲存系統時，特別是處理上述模型係簡單的 ;當使用時石鱲熔化，在接觸面驅趕空氣，因而確保熱儲 存材料與組件間密切接觸。因此此型組成物較佳者爲使用 在冷卻電子組件之裝置。 此外，黏合劑較佳者爲聚合黏合劑，可以補助材料出 現。在此情形，熱儲存材料較佳者爲以細粒分開的形態在 黏合劑中。較佳之聚合黏合劑可能是以聚合物出現，其根 據應用適合當作黏合劑。聚合黏合劑較佳者爲選擇自可治 理之聚合物或聚合物之先置物（預製體），依次較佳者爲 選擇自由聚胺酯、丁腈橡膠、氯丁二烯、聚乙烯、聚矽氧 、乙烯-醋酸乙烯共聚物及聚丙烯酸酯等族群組成。結合 熱儲存材料於此等聚合黏合劑之適用方法，在此技術領域 已爲人熟知。尋找不難，撥用必要的添加劑如乳化劑可穩 定此型混合物。 對於液-固相變材料，成核劑，諸如硼砂或各種金屬 氧化物，加入使用較佳。 除了確保經金屬（鋁、銅等）或其他熱傳導結構（金 屬粉末及石墨等）良好的熱轉移，在受熱器內熱轉移亦可 能以熱管之形態履行完成（例如u S 5 7 7 0 9 0 3 A :包括相變材料之馬達冷卻）。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（23tOX297公i ) -12 - 一 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

533455 A7 B7 五、發明説明（1〇 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在用熱管之受熱器（圖3)，受熱器（1)內部有一 孔腔（6 ) ’其部分以液體及或氣體介質充塡。液體/氣 體熱轉移介質（5 )是選擇自由鹵化煙（例如乙基溴化物 、三氯乙烯或氟氯烷）及它們的相當物等族群所組成。熱 管的設計及適當介質之選擇，對吾人技術不成問題。 除此介質之外，孔腔亦含相變材料粒子（4 )，其吸 收熱快如熱管內部一到達相變溫度T p e即吸收。 據發現封裝或微封裝相變材料及固-固相變材料，其 不溶於介質者特別適用。所有已知相變材料均可使用。 驚奇發現，由於相變材料/介質懸浮體之良好混合， 動力學的受熱器是特別大。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 進一步可能性發現經一*混合的形式（圖4 )，中央處 理單元（CPU) (2)係再裝置在支撐（3)上。爲改 善熱傳導，散熱片（7 )是經孔腔（6 )運作，其依次部 分以液/氣熱轉移介質（5 )充塡，較佳者爲連續冷卻片 。如先前之變數，除了液/氣熱轉移介質外，孔腔此處亦 含相變材料粒子（4 )，其吸收熱快如熱管內部一到達相 變溫度T P C即吸收。 相變材料能夠依壓縮模型成任何想要的形狀。材料能 被壓縮模型成純形，混合物與其他黏合劑及或補助材料壓 縮模型成形。模型物（mouldings )能儲存、運輸及使用等 等晕無問題。例如，模型物能直接插入電子組件中（圖5 )。此處中央處理單元（CPU) (2)亦係裝置在支搏 (3 )上。模型物裝設在冷卻片之間，如此方式它們與冷 -13- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21ΌΧ297公釐） 533455 A7 B7 五、發明説明（11 ) 卻片表面密切接觸。模型物之厚度選擇散熱片與模型間形 成磨擦關連。模型物亦能插入冷卻片/熱交換器間在後者 連接到成煙囪處。 無論如何，此型藉相變材料之助的冷卻來吸收熱高峰 ’並不限制電腦之使用。此等系統能用於移動式交通之動 力開關及動力迴路、移動式電話及固定式送話器之傳遞迴 路、工業電子及汽車工業機電致動器之控制迴路、衛星通 訊及雷達應用之高頻迴路、單片電腦及家電用品與工業電 子之致動器及控制單元。 此等冷卻裝置能使用於所有應用在其熱高峰待吸收者 C例如電梯之馬達、電力副站及內燃機引擎）。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 表2 :圖中元件符號說明 符號 說明 1 冷卻羽 2 中央處理單元（CPU) __ 3 支撐 4 相變材料（PCM) 5 液/氣熱交換介質 6 孔腔 7 孔腔內散熱片 Z 整體組件 實施例： 實施例1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21.0X297公董） -14 - 533455 A7 __B7 _ 五、發明説明（12 ) 顯示於圖2之受熱器是爲微處理器而設計的，其最高 操作溫度是7 5 °C。具有相變溫度τ p c 6 0〜6 5 °c間之 相變材料（P C Μ )是選擇用在受熱器內孔腔，此處是使 用相變溫度Τ ρ。6 4 °C之氫氧化鈉單水合物。 實施例2 : 顯示於圖2之受熱器是爲微處理器而設計的，其最胃 操作溫度是7 5 °C。受熱器內孔腔含有三氯乙烯作爲熱轉 移流體。使用的相變材料（P C Μ )是封裝石鱲。二十九 烷使用相變溫度Τ ρ。6 3 °C者。然而，固一固相變材料亦 適用於此處之相變材料。二辛銨硝酸鹽，因它的相變溫度 T p c 6 6 °C，適用於此處理器。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· 訂 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（210X297公釐） -15 -

Claims (1)

17.. 5? 5 4 U- ABCD 六、申請專利範圍 附件一（A): 第90 1 1 3 50 1號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國91年12月5日修正 1 . 一種冷卻具不均勻輸出熱剖面之發熱的電機及電 子組件裝置，其特徵爲含有相變材料（4 )，主要由熱傳 導單元（1 )及熱吸收單元組成，其中相變材料經如此方 式安排，其熱流從電子組件流到熱傳導單元（1 )不·被千 擾，而重要的熱流流到相變材料，僅在假如熱傳導單元（ 1 )溫度，超過相變材料之相變溫度T P c時始發生。 2 ·如申請專利範圍第1項之裝置，其中含有相變材 料單元（4)由一個或更多個相變材料被導入之孔腔組成 ，該孔腔（6 )以熱吸收單元（4 )所形成。 3 ·如申請專利範圍第1項之裝置，其中含有相變材 料單元（4)另外含有液/氣熱轉移介質（5)。 4 ·如申請專利範圍第3項之裝置，其中液/氣熱轉 移介質（5 )係選擇自由鹵化烴類族群所組成。 5 ·如申請專利範圍第1或2項之裝置，其中亦使用 固/固相變材料。 6 ,如申請專利範圍第1或2項之裝置’其中相變材 料係封裝的。 7 .如申請專利範圍第1或2項之裝置’其中熱傳導 單元（1 )有表面積增加之結構。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -1 - (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 533455 ABCD 夂、申請專利範圍 8 ·如申請專利範圍第7項之裝置，其中其中熱傳導 單元（1 )有散熱片。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 9 . 一種本質上由申請專利範圍第1至8項中任一項 之裝置及發熱電子組件（2 )所構成之元件（z )，其中 該兩個結構單元（1 ) 、（ 4 )及組件（2 )係排列爲相 互關連的方式，使得發熱電子組件（2 )與熱傳導單元（ 1 )間之熱流發生直接接觸。 1 〇 ·如申請專利範圍第9項之元件（z )，其中該 電子組件（2 )係電腦之中央處理單元（c P U )或記憶 晶片。 1 1 · 一種電腦，其特徵在於含有申請專利範圍第’ 9 或1 0項之元件。 ’ 1 2 ·如申請專利範圍第1或2項之裝置，其係用於 電腦及電子資料處理系統。 1 3 ·如申請專利範圍第9或1 0項之元件（z )， 其係用於電腦及電子資料處理系統。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 4 ·如申請專利範圍第1或2項之裝置，其係用於 移動式通訊之動力開關及動力迴路、移動式電話及固定式 送話器之傳遞迴路、工業電子及汽車工業機電致動器之控 制迴路、衛星通訊及雷達應用之高頻迴路、單片電腦及家 電用品與工業電子之致動器及控制單元。 1 5 ·如申請專利範圍第9或1 0項之元件（Z )， 其係用於移動式通訊之動力開關及動力迴路、移動式電話 及固定式送話器之傳遞迴路、工業電子及汽車工業機電致 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -2 - 533455 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 動器之控制迴路、衛星通訊及雷達應用之高頻迴路、單片 電腦及家電用品與工業電子之致動器及控制單元。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐）