TWI454210B - 應用於可攜式電子裝置之冷卻系統 - Google Patents

Description

應用於可攜式電子裝置之冷卻系統

本案係關於一種冷卻系統，尤指一種應用於可攜式電子裝置之冷卻系統。

隨著資訊科技的高度發展以及電腦產業的應用普及，可攜式電子裝置，例如筆記型電腦，等精密電子儀器產品已被廣泛的使用。由於電子產品日新月異的進步，在提高輕便性與實用性的考量下，目前市面上的可攜式電子裝置之體積都朝向符合輕、薄、短、小的設計需求與方向發展。

然而，隨著積體電路(Integrated Circuits；以下簡稱IC)製程的改進，以及對於積體電路的功能及規格的要求日益增加，已使IC元件之積集度不斷提升。以中央處理器(Central Processing Unit；以下簡稱CPU)為例，由於CPU內的IC晶片之電路佈局十分精緻及複雜，故需要消耗較大的電能，進而造成IC晶片溫度的上升產生積熱。若這些積熱無法即時排出，則會造成筆記型電腦內部的電子元件無法正常工作，甚至使整個電腦系統當機。因此，為了提高筆記型電腦的散熱效率，必須使用高瓦數的散熱風扇以產生更大的出風量來散熱。然而，該高瓦數的散熱 風扇雖可產生更大的出風量，但為了降低高瓦數的散熱風扇運轉之溫度，又必須增大其所需的散熱片面積，反而衍生出噪音之問題。除此之外，散熱風扇之電磁極數、轉速與葉片數等因素相互影響，亦會造成散熱風扇產生噪音之問題。

第1圖係顯示習用筆記型電腦之散熱裝置進行散熱運作時之氣流流動示意圖。如圖所示，習用散熱裝置1包含集熱裝置110、導熱管(Heat Pipe)120、風扇130以及散熱片140，其中導熱管120之兩端分別與集熱裝置110及散熱片140連接，且導熱管120係貫穿於散熱片140設置，風扇130則是設置於散熱片140之一側，且介於集熱裝置110及散熱片140之間。當習用散熱裝置1運作時，係由集熱裝置110收集CPU(未圖示)所產生之熱能，且經由導熱管120將熱能傳導並集中至散熱片140，再藉由風扇130將集中於散熱片140的熱能吹離散熱片140，意即將熱能帶離筆記型電腦的內部。

請再參閱第1圖，當風扇130運作時，風扇130內的氣流會因風扇葉片130a的驅動而順著風扇葉片130a與軸承連線的垂直方向流動(亦即朝y方向流動)，且當氣流離開風扇130之出風口而接觸到散熱片140時，氣流會沿著複數個散熱片140間所形成的氣流通道流動(如箭頭150所示)。因此，習用散熱裝置1內部的空氣流動方向會隨著散熱片140及風扇130之風扇葉片130a的相對位置不同而有所改變，以第1圖為例，當風扇130內氣流流動的方向與散熱片140的夾角越大時(例如夾角A、B及C，且該角度由小到大排列係為夾角A、B、C)，即會導致該氣流離開風扇130之出風口時易撞擊到散熱片140，而容易於散熱片140之間形成渦流現象，因而 造成更嚴重的噪音問題，同時造成沿著散熱片140所能排出的氣流流量會越小(其中箭頭150之長度代表氣流流量的大小)，使得散熱效能無法提升。因此習用散熱裝置1於運作時存在散熱效能無法提升以及容易產生噪音之缺失。

因此，如何發展一種可改善上述習用技術缺失之可攜式電子裝置之冷卻系統，實為目前迫切需要研發之課題。

本案之目的在於提供一種可攜式電子裝置之冷卻系統，主要藉由流體導管、泵浦以及液冷散熱模組相互連通以形成一封閉式冷卻循環回路，使得流體得以於封閉式冷卻循環回路內流動以進行散熱，俾達到提昇散熱效能，並解決使用風扇會產生噪音等缺失。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種冷卻系統，應用於可攜式電子裝置，該可攜式電子裝置係具有第一殼體、第二殼體及發熱元件，該冷卻系統至少包括：流體導管，其內部具有流體，且設置於第一殼體及第二殼體之內側；液冷散熱模組，設置於第一殼體之內側並與流體導管連通，且架構於接收發熱元件之熱能；以及泵浦，設置於第一殼體之內側並與流體導管連通，且架構於驅動流體流動；其中，該流體係為矽油，且流體導管、液冷散熱模組以及泵浦相互連通形成封閉式冷卻循環回路，藉由流體於封閉式冷卻循環回路內流動以進行散熱。

1‧‧‧散熱裝置

110‧‧‧集熱裝置

120‧‧‧導熱管

130‧‧‧風扇

130a‧‧‧風扇葉片

140‧‧‧散熱片

150‧‧‧箭頭

A、B、C‧‧‧夾角

y‧‧‧方向

2‧‧‧可攜式電子裝置

21‧‧‧第一殼體

22‧‧‧第二殼體

23‧‧‧發熱元件

3‧‧‧冷卻系統

31‧‧‧流體導管

32‧‧‧液冷散熱模組

320‧‧‧蓋體

321‧‧‧框槽體

322‧‧‧導熱裝置

3221‧‧‧板體

3222‧‧‧導熱部件

3223‧‧‧第一表面

3224‧‧‧第二表面

3225‧‧‧流道

323‧‧‧容置空間

324‧‧‧入口

325‧‧‧出口

33‧‧‧泵浦

34‧‧‧封閉式冷卻循環回路

第1圖：係顯示習用筆記型電腦之散熱裝置進行散熱運作時之氣流流動示意圖。

第2圖：係為本案較佳實施例之冷卻系統之結構示意圖。

第3圖：係為第2圖所示之液冷散熱模組之分解結構示意圖。

第4A圖：係為第3圖所示之導熱裝置之上視結構示意圖。

第4B圖：係為第3圖所示之另一實施態樣的導熱裝置之上視結構示意圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

第2圖係為本案較佳實施例之冷卻系統之結構示意圖。如圖所示，本案之冷卻系統3適用於一可攜式電子裝置2，例如但不限於筆記型電腦，且可攜式電子裝置2包括第一殼體21、第二殼體22、發熱元件23及冷卻系統3，其中第一殼體21及第二殼體22係為上下對合之殼體且分別包括一金屬外殼。於本實施例中，冷卻系統3包括流體導管31、液冷散熱模組32以及泵浦33，其中該流體導管31其內部具有一流體(未圖示)於流體導管31內流動，且設置於第一殼體21及第二殼體22之內側。又該流體導管31係為一金屬導管，例如但不限於銅管，且流體導管31與第一殼體21及第二殼體22之金屬外殼係為相接觸或一體成型。液冷散熱模組32及泵浦33係設置於第一殼體21之內側，或者該液冷散熱模組32設置於第一殼體21之內側，而泵浦33設置於第二殼體22之內側，其中液冷散熱模組32用以接收發熱元件23，例如中央處理器之熱能，且液 冷散熱模組32可與發熱元件23直接接觸設置。泵浦33係用以驅動流體導管31內的流體流動。於本實施例中，流體導管31、液冷散熱模組32及泵浦33係相互連通並連接以形成封閉式冷卻循環回路34，藉由泵浦33驅動流體於封閉式冷卻循環回路34內流動，可使發熱元件23所產生之熱能藉由熱交換方式進行散熱。

於本實施例中，泵浦33係為一動力源，可驅動流體導管31內的流體，使得流體於封閉式冷卻循環回路34內流動，其中泵浦33可為但不限為壓電式泵浦。於一些實施例中，泵浦33之外部結構，例如閥體座或閥體蓋體(未圖示)，可為金屬材質製成，但不以此為限，藉此當流體經過泵浦33的過程中，即可同時進行熱交換，更可直接對流體進行散熱。

第3圖係為第2圖所示之液冷散熱模組之分解結構示意圖。如圖所示，液冷散熱模組32主要包括蓋體320、框槽體321以及導熱裝置322，且由上至下依序由蓋體320、框槽體321以及導熱裝置322組裝成液冷散熱模組32。當組裝完成後，框槽體321之內部於蓋體320與導熱裝置322之間定義形成容置空間323，用以容置流體。此外，框槽體321更具有一入口324及一出口325，並分別與流體導管31連通，且入口324相對於出口325設置。導熱裝置322包括一板體3221以及複數個導熱部件3222，其中板體3221具有第一表面3223及第二表面3224，且第一表面3223與第二表面3224係為相對設置，第二表面3224係與發熱元件23相接觸(如第2圖所示)，即第二表面3224設置於發熱元件23上方，使其相接觸。於本實施例中，藉由泵浦33將流體經由入口324導入液冷散熱模組32之容置空間323內時，流體會通過導熱裝置322，再經由出口325流 出液冷散熱模組32，由於液冷散熱模組32之第二表面3224可與發熱元件23，例如中央處理器，直接接觸設置並進行散熱，因此能提昇發熱元件23的散熱效能，並解決使用風扇散熱會產生噪音之缺失。

第4A圖係為第3圖所示之導熱裝置之上視結構示意圖。如圖所示，導熱裝置322之板體3221之第一表面3223上設有複數個導熱部件3222，用以導熱。於本實施例中，導熱部件3222可為但不限於微型圓柱體之結構，且該複數個導熱部件3222係彼此交錯設置，以定義形成複數個流道3225，藉此以使流體可於複數個流道3225進行流動，且於流動的過程中與複數個相鄰之導熱部件3222相接觸。於一些實施例中，導熱部件3222係由金屬材質所製成，但不以此為限，以使流體於接觸導熱部件3222的過程中，可將傳遞至導熱部件3222上的熱能帶走，俾進行液冷散熱。

當然，液冷散熱模組32之導熱裝置322的導熱部件3222並不限為微型圓柱體結構，更可為直立式鰭片結構。請參閱第4B圖，其係為第3圖所示之另一實施態樣的導熱裝置之上視結構示意圖。如第4B圖所示，於本實施例中，導熱裝置322之複數個導熱部件3222可為直立式鰭片結構，且該複數個導熱部件3222係彼此平行排列設置，以定義形成複數個流道3225，由於導熱裝置322之作動方式與原理與前述實施例相仿，於此不再贅述。

請再參閱第2圖及第3圖，當冷卻系統3作動時，泵浦33會驅動流體導管31內的流體往液冷散熱模組32之方向流動，使得流體可由泵浦33流出並經由入口324進入液冷散熱模組32，此時流體會流進框體槽321內的容置空間323並通過且直接接觸導熱裝置322之 導熱部件3222，而發熱元件23所產生的熱能可經由導熱裝置322的第二表面3224傳導至第一表面3223，並再由第一表面3223傳導至複數個導熱部件3222，可使該複數個導熱部件3222接收發熱元件23的熱能，如此一來，當流體通過複數個流道3225並接觸複數個導熱部件3222時，可將導熱部件3222上所接收的發熱元件23熱能帶走，而達到對發熱元件23散熱的效果，後續流體再由出口325流出並進入第二殼體22之流體導管31後，可再經由第一殼體21之流體導管31再度進入泵浦33以完成冷卻散熱循環。

此外，針對流體導管31內之流體，通常在選擇時會考慮下列因素：(1)高表面張力(High Surface Tension)：以減少流體洩漏；(2)化學穩定性(Chemical Stability)：以防止長時間使用時，各液冷元件或管路發生腐蝕現象；(3)無毒性(Nontoxic)：以確保在添加流體時不會對人體產生危害；(4)低黏滯度(Low Viscosity)：以減少冷卻系統管路的壓降，延長泵浦壽命；(5)化學活性低(Chemical Inertness)：以確保冷卻系統循環時，不會和其他相關物質產生化學變化，導致燃燒等現像；以及(6)低冰點(Low Freezing Point)：在一些特定區域溫度可能較低，低冰點的流體才能發揮防凍功能。

而目前在市面上，常用之冷卻流體為純水或純水與乙二醇之混合液。然純水與乙二醇各半之混合液雖可以在約-20℃至65℃區間操作，但純水與乙二醇混合之混合液黏度比純水高許多，因而會增加泵浦負擔。此外，亦可使用熱傳導專用流體，例如全氟碳化合物(perfluorocarbons,PFCs)或是全氟聚醚(perfluoropolyethers,PFPEs)，此類熱傳導專用流體有極高的 介電強度及優良的絕緣特性，使其縱使外洩亦不會造成電路短路。這些流體沸點大致在50℃-90℃，依種類而異，當晶片溫度高於冷卻液沸點時，熱傳導機制以流動沸騰方式進行，可傳送較多之熱量；然而，全氟碳化合物及全氟聚醚之價格較為高昂，將使得冷卻系統之成本大幅提昇。

因此，本案之較佳實施例係採用成本較低廉之矽油(Silicone oil)作為本案冷卻用之流體。矽油又稱二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane)，是一種具有不同聚合度鏈狀結構的有機矽氧烷混合物，一般為無色、無味、無毒、不易揮發的液體。隨著鏈結數的增加，摩擦質量增大，黏度也隨之增加，因此，矽油可以有各種不同的黏度，從0.65mm²/s到數百萬，再加上擁有良好的耐寒及耐熱性、電氣絕緣性、潤滑性、疏水性、壓縮特性、低表面張力、非黏附性等眾多優異特性，故為冷卻用途中相當理想的冷卻流體。

再者，矽油之介電係數低，縱使外漏也不會使電子零件損壞，故就安全性考量，矽油係優於水。此外，由於矽油可以有各種不同的黏度，因此可以透過實驗數據，比較矽油之各種黏度、密度與水之散熱效果，找出矽油之最佳黏度，即可得到最適當的矽油冷卻流體。如下表一所示，當矽油具有與水接近之黏度時，發熱晶片之溫升亦接近，顯示矽油與水有相當程度之散熱效果。又當矽油之黏度遠大於水之黏度時，使用矽油其發熱晶片之溫升遠大於使用水其發熱晶片之溫升，但矽油在熱交換效率足夠下，可具有升溫快同時降溫快之特性，即矽油經熱交換後可快速回復到低溫狀態，因此，矽油確實可取代水作為冷卻流體，同時又具有外漏 之安全性。

綜上所述，本案之可攜式電子裝置之冷卻系統，藉由流體導管、液冷散熱模組以及泵浦相互連通，以形成一封閉式冷卻循環回路，並藉由泵浦作為驅動流體之動力源，讓流體得以於封閉式冷卻循環回路中流動，其中該流體導管係分佈設置於可攜式電子裝置之第一殼體及第二殼體之內側，得以提昇流體導管的散熱效能，而液冷散熱模組則是直接與發熱元件接觸，當流體經過液冷散熱模組的過程中，能夠將發熱元件所產生的熱能以熱交換之方式進行散熱。再者，本案係採用矽油作為冷卻用之流體，不但散熱效果佳，且具有外漏之安全性，縱使外漏也不會使電子零件損壞。又，本案之可攜式電子裝置之冷卻系統藉由一封閉冷卻循環回路來提昇散熱效能，且無須如習用散熱裝置般使用風扇即可達到散熱之目的，更能解決習用散熱裝置之風扇容易產生噪音之缺失。 本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

2‧‧‧可攜式電子裝置

21‧‧‧第一殼體

22‧‧‧第二殼體

23‧‧‧發熱元件

3‧‧‧冷卻系統

31‧‧‧流體導管

32‧‧‧液冷散熱模組

33‧‧‧泵浦

34‧‧‧封閉式冷卻循環回路

Claims (5)

1. 一種冷卻系統，應用於一可攜式電子裝置，該可攜式電子裝置係具有一第一殼體、一第二殼體及一發熱元件，該冷卻系統至少包括：一流體導管，為一金屬導管，其內部具有一流體，且設置於該第一殼體及該第二殼體之內側；一液冷散熱模組，設置於該第一殼體之內側並與該流體導管連通，該液冷散熱模組包括：一蓋體；一導熱裝置；以及一框槽體，具有一入口及一出口，設置於該蓋體及該導熱裝置之間，其內部定義形成一容置空間，該導熱裝置包括：一板體，具有一第一表面與一第二表面；以及複數個導熱部件，為一金屬材質，設置於該板體之該第一表面，用以導熱，其中該複數個導熱部件係定義形成複數個流道，以使該流體於該複數個流道內流動；以及一泵浦，為一壓電式泵浦，設置於該第一殼體之內側並與該流體導管連通，且架構於驅動該流體流動；其中，該流體係為矽油，且該流體導管、該液冷散熱模組以及該泵浦相互連通形成一封閉式冷卻循環回路，藉由該流體於該封閉式冷卻循環回路內流動以進行散熱。
2. 如申請專利範圍第1項所述之冷卻系統，其中該矽油係為二甲基矽氧烷。
3. 如申請專利範圍第1項所述之冷卻系統，其中該複數個導熱部件係為複數個微型圓柱體，且該複數個導熱部件係彼此交錯設置，以 定義形成該複數個流道。
4. 如申請專利範圍第1項所述之冷卻系統，其中該複數個導熱部件係為複數個直立式鰭片，且該複數個導熱部件係彼此平行排列設置，以定義形成該複數個流道。
5. 如申請專利範圍第1項所述之冷卻系統，其中該板體之該第二表面係與該可攜式電子裝置之該發熱元件相接觸。