TWI421019B

TWI421019B - 散熱模組

Info

Publication number: TWI421019B
Application number: TW97118555A
Authority: TW
Inventors: Chih Yao Wang
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2008-05-20
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2013-12-21
Also published as: TW200950677A

Description

散熱模組

本發明是有關於一種散熱模組，且特別是有關於一種整合式散熱模組。

由於電子產業的迅速發展而引發產生高熱量的問題，使得有別於傳統熱傳與對流的散熱技術被大幅開發使用。其中最為廣泛當屬利用熱管作為熱量高效能輸送元件，但是由於在熱管管內蒸汽會與冷凝液體在液汽(liquid－vapor)介面處產生互相干擾的現象，而導致輸送熱量值受到管徑大小的限制。

分離式熱管的技術因而被提出，依其結構設計的差異區分為迴路式熱管(Loop Heat Pipe,LHP)與毛細幫浦迴路(Capillary Pumped Loop,CPL)兩種。整體來看這兩種分離式熱管主要在於將蒸發蒸汽與冷凝流體分隔開來，以處理蒸汽與冷凝液體在液汽介面處產生互相干擾的現象，來提升輸送熱量值與降低熱阻值。

美國專利4,343,763是將發熱元件直接安置在蒸發區的流體內以及將冷凝管路直接安置在冷凝區內的設計，來進行整個傳熱的蒸發冷凝循環。另外如美國專利5,179,500所代表，透過特別的管路結構設計來區隔蒸發蒸汽與冷凝液體。美國專利6,450,132也是透過環狀的結構設計，來分離蒸發冷凝迴路。

美國專利5,884,693 B2將發熱元件安置在整個迴路熱管內部的模式來進行散熱，而美國專利6,810,946 B2則是提出另外的附加迴路來提供蒸發冷凝過程中增加設計。美國專利之6,725,910 B2則是在蒸發區增加另一道迴路結構設計，形成內外兩個通道的創新構想。

上述專利對於蒸發後的蒸汽與冷凝後的液體間的相互衝突而導致熱傳效能降低，所採用的方式不是沒有考量到，就是如傳統的迴路熱管在蒸發與冷凝區外的管路加以採用保溫絕熱材料來作為絕熱管路區。

這種保溫絕熱方式易導致整個迴路熱管必須存在有進出的管路，且其製作較複雜，且維護上也較困難。

本發明提出一種散熱模組，包括腔體與隔離結構。其中，腔體底部填充有一流體，且相鄰於一發熱元件。隔離結構設置於腔體中，將腔體分隔為靠近該發熱元件之一蒸發區與一冷凝區，使該流體在吸收熱量後產生蒸汽，由蒸發區沿著隔離結構到達冷凝區，進而冷卻成液態並回流至腔體底部。

在本發明之一實施例中，上述之散熱模組，更包括一蒸發單元，設置於腔體與發熱元件之間。

在本發明之一實施例中，上述之散熱模組，更包括一儲存槽，設置於腔體底部，儲存工作流體。

本發明提出另一種散熱模組，包括腔體與隔離結構。腔體底部填充有一工作流體，且一發熱元件設置於腔體下方。隔離結構設置於腔體中，將腔體分隔為中央之一蒸發區與外圍之一冷凝區，使工作流體於吸收熱量後產生蒸汽，沿著蒸發區向上跨過隔離結構而到達冷凝區，進而冷卻成液態並回流至腔體底部。

圖1是繪示本發明一實施例之一種散熱模組的結構剖面示意圖。圖1-A是繪示圖1之中另一隔離結構的示意圖。圖1-B是繪示圖1之中又一隔離結構的示意圖。圖2是繪示圖1之散熱模組的上視示意圖。

請參照圖1，散熱模組100包含有腔體110與隔離結構120。腔體110例如是方形的中空封閉結構，或者也可以是圓柱形的中空封閉結構，使結構更為耐壓。腔體110底部填充有工作流體115，此工作流體115可以是水或是其他適當的流體。

發熱元件130則例如是設置於腔體110側壁。舉圖1為例，發熱元件130是設置於腔體外側壁下方，或者，發熱元件也可以設置於腔體外側壁中央甚至是上方，該腔體110更進一步可為一中空環狀結構，環繞發熱元件130而設置。在一實施例中，發熱元件130可以是發光二極體(LED)、雷射二極體、氣體放電光源等光電元件，或是積體電路晶片如繪圖晶片、記憶體晶片、半導體晶片……等單一電子元件晶片或是晶片模組，或者也可以是任何發熱之物件如運轉中之馬達等等。

隔離結構120設置於腔體110中，將腔體110分隔為靠近發熱元件130之蒸發區140與冷凝區150，隔離結構120底部有縫隙設計，可讓工作流體115藉此流回到腔體110底部。工作流體115在發熱元件130相鄰處吸收熱量後產生蒸汽，由蒸發區140沿著隔離結構120到達冷凝區150，進而冷卻成液態並回流至腔體110底部，於腔體110內部形成蒸發冷凝迴路。

隔離結構120可由低熱傳導物所組成的，使蒸汽之熱能得以由蒸發區140進入冷凝區150。在一實施例中，隔離結構120可以是一塊隔板，前後固著於腔體110的內壁，如圖9之腔體的上視圖所示，其下方則有縫隙之設計，並不會固著於腔體110底部。構成隔離結構120的低熱傳導物例如是電木、鐵氟龍、塑膠(如聚亞胺酸、聚苯乙烯泡綿等)、玻璃纖維織物、石綿、紙、碳、陶瓷或其他適當的保溫塊材。這些實心材質可以作為上述隔板的材質。或者，隔板也可以是一塊中空隔板，由剛性材料所組成，利用剛性材料提供足夠的支撐，防止中空隔板因內部中空區域的真空與外部環境之壓力差而崩塌。中空隔板內部之封閉空間的真空度大於零，其例如是接近完全真空，或是。剛性材料可以是選自上述之低熱傳導物，例如，剛性的聚亞胺酸或是聚苯乙烯泡綿，或是以紙底材質(Paper－based Material)，組成一具有剛性之結構。

由於隔離結構120為低熱傳導物，或甚至是上述中空隔板，因此，能夠透過此隔離結構120的設計，有效避免蒸汽與冷凝區150之間的互相干擾。另外，為了降低蒸汽流動時的摩擦係數，降低流動的阻力，還可以依照流體力學的基本觀念，將隔離結構120整個截面進行修飾改善的設計，例如，設計成各式截角，如圖1－A、圖1－B所示之隔離結構120－1、隔離結構120－2，或甚至是拋物線狀或流線型(如子彈型)的頂部，以進一步增強熱量輸送的能力，降低蒸汽提早冷凝的機會。

為了加強蒸汽冷凝的能力，還可以在腔體110內部頂端設置類似傘形或弧狀的設計，以提供頂端冷凝後的液體可以藉助傘狀或弧狀的協助，藉由重力的方式迅速留回腔體110底部，進行周而復始的蒸發冷凝循環。

請再參照圖1，工作流體115與發熱元件130之間的腔體110內壁可以設置有毛細構造120a以協助工作流體能夠透過毛細構造而來到蒸發區140，迅速地吸收發熱元件130的熱量而形成蒸汽。毛細構造例如是透過金屬燒結、蝕刻、電鑄或焊接金屬網等方式，設置於腔體110內壁。腔體110與發熱元件130之間可以利用含矽系樹脂、脂肪族高分子、低分子聚脂類、壓克力系樹脂、石蠟類或環氧樹脂等相變化樹脂材料，再添加金屬或陶瓷粉體當作導熱材料，如氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)、氧化鋁(Al₂ O₃ )、氧化鋅(ZnO)及人工鑽石之熱界面材料為墊片，以增加發熱元件與散熱模組100之間的熱傳遞效率。

請繼續參照圖1，冷凝區150之腔體110內壁例如是設置有紋路圖案，如粗糙之平面、黏著上銅粉或是形成壓花圖案，或是設置有微結構設計，如各種微型鰭片或微型溝漕結構等等，增加蒸汽在腔體側壁上的時間，使蒸汽更容易冷凝而向下迴流，經由重力或是毛細力量流回腔體110底部。冷凝區150周圍之腔體110外部側壁更可以設置有散熱單元155，例如散熱平板或散熱鰭片等等結構，主要目的是增加足夠的散熱面積將熱量傳遞至外部空氣。

圖1繪示之實施例中，腔體110底部為一平坦的結構，在另一實施例中，腔體還可以有其他的設計。請參考圖3繪示之散熱模組100a，考量腔體110a中空封閉結構與內部隔離結構120a之固定，還可將腔體110a底部設計成凹入之樣式，將隔離結構120a固定於腔體110a相接底部，並將隔離結構120a底部製作成縫細結構的設計。工作流體115儲存於隔離結構120a兩側之腔體110a底部，透過縫隙結構設計讓腔體110a底部的液體能回到蒸發區150，以持續進行整個熱傳運作。此縫細結構可以是一種毛細結構，使冷凝區150底部之工作流體與蒸發區140底部之工作流體得以循環作用。

除此之外，視元件的需求，還可進一步將隔離結構設計成多層隔板。請參考圖4之散熱模組100b，其腔體110b內之隔離結構120b例如是由三塊隔板120、123、125所構成的，使工作流體115在發熱元件130相鄰處吸收熱量而產生蒸汽之後，沿著隔板121、123、125所形成的路徑，往冷凝區150前進，以增加空間內蒸汽的行進路徑。

請參照圖5與圖6繪示之散熱模組100’，在一實施例中，為了達到更迅速冷凝的功效，腔體100’可以設計成中空環狀結構，環繞發熱元件130’而設置。如此一來，隔離結構120’也會隨之成為一個環狀的結構，其例如是環狀隔板。此環狀隔板可以是實心材料之低熱傳導物，或是中空隔板，其材質請參考上述說明，於此不贅述。而為了將隔離結構120’固定於腔體100’內部，隔離結構120’底部可以是設計成如同圖3底部之縫細結構。在此種散熱模組100’之中，工作流體115’由包圍發熱元件130’之蒸發區140’吸收熱量形成蒸汽，向外部之冷凝區150’移動，藉由側壁之散熱單元155’的協助，而向下冷凝流回腔體110’底部。

發熱元件除了可以設置於腔體側壁之外，也可以設置於腔體下方。圖7是繪示本發明另一實施例之一種散熱模組之結構剖面圖。圖8是繪示圖7之散熱模組之上視示意圖。其中，圖7與上述圖1使用相對應之標號者，代表類似之元件，其詳細結構、材質可參照圖1之相關說明。

請參考圖7，散熱模組200包含有腔體210與隔離結構220。腔體210可以是立方形的中空封閉結構，或者也可以是圓柱形的中空封閉結構。腔體210底部填充有工作流體215，此工作流體215可以是水或是其他適當的流體。發熱元件230例如是設置於腔體210下方。

另外，請參考圖9繪示之另一散熱模組200a，考量腔體210a中空封閉結構之固定，可將腔體210底部設計成凹入形式，利用隔離結構220a兩側之腔體210a底部來加以儲存此工作流體215，透過縫隙結構設計讓冷凝區250底部之工作流體215能回到蒸發區240底部，以持續進行整個熱傳運作。

請參考圖7，隔離結構220設置於腔體210中，將腔體210分隔為中央之蒸發區240與外圍之冷凝區250。隔離結構220可以是一個管狀隔板，請參考圖8，由上視剖面觀之，隔離結構220可以是方形，當然，隔離結構220之上視剖面也可以是環狀或是其他幾何圖案的。此管狀隔板所圍空間的正下方即為發熱元件230。腔體210底部之工作流體215在吸收下方發熱元件230之熱量後產生蒸汽，向上逸散，然後跨過隔離結構220到達外圍的冷凝區250，進而冷卻成液態並迴流至腔體210底部，形成一蒸發冷凝迴路。在本實施例中，由於冷凝區250是位在腔體200內之外圍，因此，散熱單元255可以是環狀設置於腔體200外，加速熱量的散失。

在另一實施例中，除了管狀隔板之隔離結構220以外，隔離結構220也可以是兩塊隔板，分別垂直於腔體210底部，將腔體210隔離成三塊垂直區域，分別是中間的蒸發區240與兩側的冷凝區250。

隔離結構220頂端可以設計成各式截角或流線型頂部，增強熱量輸送的能力。腔體210頂端同樣可以設置傘型或弧形的設計。在本實施例中所提出之散熱模組，由於提供了更大的冷凝區空間，可以更進一步加速蒸汽的冷凝。

上述各種不同態樣實施例之散熱模組，利用隔離結構的設置，於腔體內部之封閉空間，產生獨立且不互相感擾的蒸發冷凝迴路，使此散熱模組能夠提供高效率的蒸發冷卻效果。並且整合了蒸發與冷凝的管道，大幅地簡化散熱模組的複雜度。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、100a、100b、100’、200、200a‧‧‧散熱模組

110、110a、110b、110’、210、210a‧‧‧腔體

115、115’、215‧‧‧工作流體

120、120－1、120－2、120a、120b、120’、220、220a‧‧‧隔離結構

121、123、125‧‧‧隔板

130、130’、230‧‧‧發熱元件

140、140’、240‧‧‧蒸發區

150、250’、250‧‧‧冷凝區

155、155’、255‧‧‧散熱單元

圖1是繪示本發明一實施例之一種散熱模組的結構剖面示意圖。

圖1－A是繪示圖1之中另一隔離結構的示意圖。

圖1－B是繪示圖1之中又一隔離結構的示意圖。

圖2是繪示圖1之散熱模組的上視示意圖。

圖3是繪示本發明另一實施例之一種散熱模組之結構剖面圖。

圖4是繪示本發明再一實施例之一種散熱模組之結構剖面圖。

圖5是繪示本發明又一實施例之一種散熱模組之結構剖面圖。圖6是繪示圖5之散熱模組的上視示意圖。

圖7是繪示本發明一實施例之發熱元件設置於底部的一種散熱模組之結構剖面圖。

圖8是繪示圖7之散熱模組的上視示意圖。

圖9是繪示本發明另一實施例之發熱元件設置於底部的一種散熱模組之結構剖面圖。

100‧‧‧散熱模組

110‧‧‧腔體

115‧‧‧工作流體

120‧‧‧隔離結構

130‧‧‧發熱元件

140‧‧‧蒸發區

150‧‧‧冷凝區

155‧‧‧散熱單元

Claims

一種散熱模組，包括：一腔體，該腔體底部填充有一工作流體，且該腔體相鄰一發熱元件；以及一隔離結構，設置於該腔體中，將該腔體內的空間分隔為靠近該發熱元件之一蒸發區與一冷凝區以及一連通區域，該蒸發區與該冷凝區以該隔離區分隔且以該連通區域連通，該工作流體在吸收熱量後產生蒸汽，由該蒸發區沿著該隔離結構，通過該連通區域，再到達該冷凝區，進而冷卻成液態並回流至該腔體底部。
如申請專利範圍第1項所述之發熱元件之散熱模組，其中該發熱元件位於該腔體之外壁。
如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，其中該腔體為一中空環狀結構，環繞該發熱元件外側而設置。
如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，其中該隔離結構包括一隔板。
如申請專利範圍第4項所述之散熱模組，其中該隔板為一中空隔板，且該中空隔板的材質包括一剛性材料，該中空隔板內部之封閉空間的壓力小於等於外部大氣壓力。
如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，其中該隔離結構由一低導熱物質所組成，且該低熱傳導物包括電木、鐵氟龍、塑膠、玻璃纖維織物、石綿、紙、碳、陶瓷或保溫塊材。
如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，其中該隔離結構頂端具有截角或成拋物線狀或流線型。
如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，其中該腔體內壁頂部包括傘狀或弧形。
如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，更包括一毛細構造，設置於該發熱元件與該工作流體之間的該腔體內壁。
如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，更包括一蒸發單元，設置於該腔體與該發熱元件之間。
如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，更包括一散熱單元，設置於該冷凝區周圍之該腔體外壁。
如申請專利範圍第11項所述之散熱模組，其中該散熱單元包括散熱平板或散熱鰭片。
如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，其中該冷凝區之該腔體內壁具有紋路圖案或微結構設計。
如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，更包括一儲存槽，設置於該腔體底部，儲存該工作流體。
如申請專利範圍第1項所述之散熱模組，其中該發熱元件包括電子晶片或光電元件。
一種散熱模組，包括：一腔體，該腔體底部填充有一工作流體，且設置於一發熱元件上方；以及一隔離結構，設置於該腔體中，將該腔體內的空間分隔為中央之一蒸發區與外圍之一冷凝區以及一連通區域，該蒸發區與該冷凝區以該隔離區分隔且以該連通區域連通，該工作流體於吸收熱量後產生蒸汽，沿著該蒸發區向上跨過該隔離結構，通過該連通區域，再到達該冷凝區，進而冷卻成液態並回流至該腔體底部。
如申請專利範圍第16項所述之散熱模組，其中該隔離結構包括一管狀隔板，且該管狀隔板所圍空間的正下方為該發熱元件。
如申請專利範圍第17項所述之散熱模組，其中該管狀隔板為內部中空之一中空隔板，該中空隔板的材質包括一剛性材料，且該中空隔板內部之封閉空間的壓力小於等於外部大氣壓力。
如申請專利範圍第16項所述之散熱模組，其中該隔離結構由一低導熱物質所組成，且其中該低熱傳導物包括電木、鐵氟龍、塑膠、玻璃纖維織物、石綿、紙、碳、陶瓷或保溫塊材。
如申請專利範圍第16項所述之散熱模組，其中該隔離結構頂端具有截角或成拋物線狀或流線型。
如申請專利範圍第16項所述之散熱模組，其中該腔體內壁上緣包括傘狀或弧形。
如申請專利範圍第16項所述之散熱模組，更包括一毛細構造，設置於該發熱元件與該工作流體之間的該腔體內壁。
如申請專利範圍第16項所述之散熱模組，更包括一蒸發單元，設置於該腔體與該發熱元件之間。
如申請專利範圍第16項所述之散熱模組，更包括一散熱單元，設置於該冷凝區周圍之該腔體外壁。
如申請專利範圍第24項所述之散熱模組，其中該散熱單元包括散熱平板或散熱鰭片。
如申請專利範圍第16項所述之散熱模組，其中該冷凝區之該腔體內壁具有紋路圖案或微結構設計。
如申請專利範圍第16項所述之散熱模組，更包括一儲存槽，設置於該腔體底部，儲存該工作流體。
如申請專利範圍第16項所述之散熱模組，其中該發熱元件包括電子晶片或光電元件。