TWI580858B - 散熱裝置與電子系統 - Google Patents

Description

散熱裝置與電子系統

本發明係關於一種散熱裝置，特別關於一種具有發電功能的散熱裝置及具有該散熱裝置之電子系統。

為了維持電子裝置能夠正常運作，電子裝置中對於容易過熱的電子元件會再安裝散熱裝置。習知散熱裝置雖然可達到將電子裝置之熱源所產生的熱能散逸的效果，但是被散熱裝置所散逸的熱能卻無法有效地被利用而被浪費。

因此，如何提供一種能夠有效利用電子裝置所產生熱能的散熱裝置，以達到能源再利用，已成為重要課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種散熱裝置及具有該散熱裝置之電子系統。相較於習知的散熱裝置而言，本發明之散熱裝置除了具有散熱功能之外，更能夠再利用電子裝置所產生的熱能。

為達上述目的，本發明提出一種適用於一發熱源之散熱裝置，包括一導熱單元以及一發電單元。導熱單元內部具有一流體腔和轉子腔，且流體腔與轉子腔彼此流通，而一工作流體設置於流體腔。發電單元具有一轉子和一發電模組，轉子連接發電模組，且轉子係配置於轉子腔，轉子能藉由工作流體而被驅動，並使發電單元輸出電能。

在一實施例中，導熱單元具有一管壁，其管壁圍設出流體腔，且導熱單元更具有一熱源端及一冷卻端。

在一實施例中，導熱單元為一熱管，熱管的兩端分別做為熱源端及冷卻端，熱管的側邊設有一開口，開口使轉子部分露出於轉子腔，且開口使流體腔與轉子腔彼此流通。

在一實施例中，導熱單元為一均溫板，且均溫板的板面上的二相對側分別做為熱源端及冷卻端。

在一實施例中，導熱單元更包括一導流板，其設置於導熱單元內，並和管壁圍設出流體腔，其中，轉子設置於導熱單元內，並包含複數葉輪片，導流板將流體腔與大部分的該些葉輪片隔開。

在一實施例中，導熱單元具有一管壁，管壁上具有毛細結構。

在一實施例中，轉子係一離心轉子。

在一實施例中，發電模組包括一轉軸、一磁性元件、一定子線圈及一輸出端子。轉子樞設於轉軸上。磁性元件連接轉軸。定子線圈磁耦合磁性元件。輸出端子連接定子線圈，以輸出電能。

為達上述目的，本發明提出一種具有上述散熱裝置之電子系統。其中，電子系統包括一發熱源、散熱裝置以及一電元件。散熱裝置設置在發熱源。電元件電性連接散熱裝置，以依據散熱裝置所輸出的電能而作動。

承上所述，於本發明之散熱裝置與電子系統中，導熱單元內部的流體腔與轉子腔彼此流通，且工作流體設置於流體腔，另外，發電單元的轉子連接發電模組，且發電單元的轉子配置於轉子腔。因此，當導熱單元接觸發熱源時，轉子能藉由工作流體而被驅動，以推動發電單元之轉動轉動而使發電單元輸出電能。藉此，相較於習知的散熱裝置而言，本發明之散熱裝置除了具有散熱功能之外，更能夠再利用電子裝置所產生的熱能。

1、1a‧‧‧散熱裝置

11、11a‧‧‧導熱單元

111、111a‧‧‧流體腔

112‧‧‧轉子腔

113‧‧‧管壁

1131‧‧‧毛細結構

114‧‧‧導流板

12‧‧‧發電單元

121‧‧‧轉子

1211‧‧‧葉輪片

122‧‧‧發電模組

1221‧‧‧轉軸

1222‧‧‧磁性元件

1223‧‧‧定子線圈

1224‧‧‧輸出端子

13‧‧‧工作流體

C‧‧‧冷卻端

D1、D2‧‧‧流向

H‧‧‧熱源端

O‧‧‧開口

圖1A為本發明較佳實施例之一種散熱裝置的透視示意圖。

圖1B為圖1A之散熱裝置另一角度之透視示意圖。

圖2為本發明另一實施態樣之散熱裝置的透視示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之散熱裝 置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。另外，本發明所有實施態樣的圖示只是示意，不代表真實尺寸與比例。此外，以下實施例的內容中所稱的方位「上」及「下」只是用來表示相對的位置關係。再者，一個元件形成在另一個元件「上」、「之上」、「下」或「之下」可包括實施例中的一個元件與另一個元件直接接觸，或也可包括一個元件與另一個元件之間還有其他額外元件使一個元件與另一個元件無直接接觸。

請分別參照圖1A及圖1B所示，其中，圖1A為本發明較佳實施例之一種散熱裝置1的透視示意圖，而圖1B為圖1A之散熱裝置1另一角度的透視示意圖。為了說明散熱裝置的結構，圖1A與圖1B之散熱裝置1的長度及形狀只是示意，實際的應用上可根據要散熱的電子裝置熱源及應用環境而定。

本實施例之散熱裝置1是以液冷式之散熱裝置為例。散熱裝置1可適用於多種電子元件的散熱用途，例如但不限於電腦、功率元件、中央處理器(CPU)、顯示卡(VGA)、晶片(IC)或主機板(M/B)、燈具等易產生高溫熱能之電子元件。另外，本實施例的散熱裝置1是以具有發電功能的熱管(或稱導熱管)為例。

如圖1A所示，散熱裝置1適用於一發熱源，並包括一導熱單元11以及一發電單元12。另外，散熱裝置1更包括一工作流體13。

本實施例的導熱單元11為一熱管(或稱導熱管)，並可形成一封閉腔體，且導熱單元11具有可承受內外壓差的結構功能，其材料是可讓熱傳導入與傳導出的介質材料，導熱單元11較佳的材料為金屬，可為銅，或是採用鋁或鈦金屬。導熱單元11於封閉腔體內部具有一流體腔111和一轉子腔112，且流體腔111與轉子腔112彼此流通。顧名思義，流體腔111可讓流體流通於其中，且工作流體13係注入於流體腔111內而流通於流體腔111之中。

發電單元12具有一轉子121及一發電模組122。本實施例的轉子121為一葉輪(impeller)而具有複數葉輪片1211，並且設置於轉子腔112中。在本實施例中，此葉輪為離心扇結構，而部分的該些葉輪片1211是配置於導熱單元11內的流體腔111內，且部分的該些葉輪片1211未配置 於導熱單元11內的流體腔111內。也就是說，在同一時間，僅有部分數量的葉輪片1211會被流體腔111內的工作流體13所直接推動旋轉，其餘數量的葉輪片1211主要是被帶動旋轉。因此，同一個葉輪片1211旋轉時會一段時間處在流體腔111內、且一段時間未處在流體腔111內。另外，葉輪片1211的數量與形狀視轉子121的平衡與轉速而定。因此，轉子121連接發電模組122，並且能藉由工作流體13而被驅動，使發電單元12可輸出電能。

導熱單元11(熱管)更具有一管壁113，且管壁113圍設出流體腔111，而導熱單元11更具有一熱源端H及一冷卻端C，熱源端H與冷卻端C位於熱管(導熱單元11)中相對的兩端。於此，熱管的兩端分別做為熱源端H及冷卻端C，熱源端H為熱管兩側中靠近發熱源(圖未顯示)之一端，而冷卻端C則為導熱單元11兩側中遠離發熱源之一端，且熱管的側邊設有一開口O(圖中導熱單元11側邊虛線)。

在本實施例中，轉子腔112的內部透過開口O與導熱單元11內部的流體腔111相通而彼此流通。因此，轉子121的一部分可從開口O露出轉子腔112並伸入流體腔111中。另外，在本實施例中，轉子121僅一部分從開口O伸入至流體腔111中，另一部分(包含葉輪片1211)則仍位轉子腔112內而未在流體腔111中。

散熱裝置1與發熱源連接的方式例如但不限於透過散熱膏塗佈於發熱源或導熱單元11之熱源端H上，藉由散熱膏將電子裝置的發熱源與散熱裝置1的導熱單元11的熱源端H接觸，使散熱裝置1可將發熱源的熱能帶離。另外，導熱單元11的設計，必須使兩側的熱源端H與冷卻端C保有適當的冷凝距離，如果熱源端H與冷卻端C距離過於相近，將使氣態的工作流體13無法完全冷凝成液態；然而，若是熱源端H與冷卻端C距離過遠，雖然可以使氣態的工作流體13完全冷凝，但是工作流體13於冷卻端C冷凝後，沿導熱單元11回流至熱源端H的時間將會增加，使散熱裝置1散熱的效率降低。

工作流體13注入於流體腔111內。由於散熱裝置1的熱源端H與發熱源接觸，故熱量將可傳導至導熱單元11的熱源端H(以朝向熱源端H之箭頭表示熱量傳入熱源端H)，使熱源端H有較高的溫度而使熱 源端H的工作流體13可被汽化為氣態。其中，工作流體13的選擇可以是冷媒，例如氟利昂(Freon)、氨、丙酮、甲醇、乙醇、庚烷，或是水等。依據電子裝置之熱源的種類或型式而言，只要所選擇的工作流體13可於熱源端H被熱源汽化成氣態即可。

須注意的是，在選擇冷媒為工作流體13時，在將冷媒注入導熱單元11之前，須先將導熱單元11抽真空，防止導熱單元11中存在工作流體13以外之雜質氣體(例如空氣)，由於這些雜質氣體並不參與汽化-冷凝循環，而被稱作不凝結氣體，不凝結氣體除了會造成汽化溫度升高外，在散熱裝置1作動時，會佔據一定體積的導熱單元11腔體內的空間，影響導熱單元11之導熱效能。

另外，發電模組122具有一轉軸1221，轉子121樞設於轉軸1221，並以轉軸1221為軸心旋轉，且發電模組122還具有磁性元件1222，磁性元件1222透過轉軸1221與轉子121連接。在本實施例中，轉子121屬於非軸流式的離心轉子結構，而轉軸1221與流體腔111的一流向D1(流動方向)互為垂直。也就是說，發電模組122的轉軸1221與工作流體13由熱源端H往冷卻端C移動的流向D1互為垂直，而且轉軸1221未位在流體腔111內(位於轉子腔112內)。在其他的實施態樣下，轉子121亦可以是軸流式的轉子結構而全部位於流體腔111內，且轉軸1221的方向是平行於工作流體13之流向。

因此，散熱裝置1與發熱源接觸時可使導熱單元11的熱源端H有較高的溫度，使得位於熱源端H的工作流體13可被汽化為氣態，而氣態的工作流體13將沿流體腔111的一流動路徑往冷卻端C移動(即沿流向D1往冷卻端C移動)時，藉由氣態的工作流體13流過發電單元12之轉子121可推動該些葉輪片1211轉動，使發電單元12發電。其中，發電單元12所發出的電力可儲存起來，或是供給電子裝置之其他電元件或裝置使用(例如其他元件的散熱風扇、幫浦、燈光模組．．．等)，減少電子裝置的電能消耗，達到節能的目的。此外，到達冷卻端C之工作流體13所具有的熱量可往導熱單元11的外部散逸(以遠離冷卻端C之箭頭表示熱量由冷卻端C往外散逸)。

請參照圖1B所示，導熱單元11的管壁113上還具有毛細結構1131，本實施例是於導熱單元11遠離發電單元12的管壁113上具有毛細結構1131。其中，毛細結構1131可以有不同設計，常見的有四種，分別是：溝槽式、網目式(編織)、纖維式及燒結式，並不限定。其中，較佳者是採用燒結式毛細結構，主要原因是，若採用燒結式毛細結構，無論導熱單元11以何種方位角度放置，都可無礙地使冷凝後的工作流體13進行毛細回流，其他形式的毛細結構則多少仍有方位、角度等限制。由於導熱單元11的管壁113上具有毛細結構1131，因此，氣態的工作流體13所具有的熱量在冷卻端C往導熱單元11的外部散逸後而冷凝的液態工作流體13，可沿毛細結構1131經導熱單元11的管壁113回流至熱源端H(流向D2)，使工作流體13可以持續的循環迴流於導熱單元11之內。

請再參照圖1A所示，發電模組122除了包括轉軸1221、磁性元件1222之外，更包括一定子線圈1223以及一輸出端子1224。磁性元件1222可為一磁鐵且連接轉軸1221。定子線圈1223可設置於磁性元件1222周圍，並連接輸出端子1224以輸出電能。舉例來說，定子線圈1223設置於磁性元件1222外圍，但位在能與磁性元件1222磁耦合的距離內。當轉子121旋轉時，磁性元件1222由於連接轉軸1221而與轉子121連動切割定子線圈1223的磁場而產生磁變化，使定子線圈1223磁耦合磁性元件1222而產生感應電流，感應電流由輸出端子1224輸出供電元件使用。

承上，當散熱裝置1與發熱源接觸時，熱管(導熱單元11)的熱源端H有較高的溫度，使得熱源端H的工作流體13可被汽化為氣態，氣態的工作流體13沿熱管(導熱單元11)內之流動路徑(流向D1)往冷卻端C移動時，可推動轉子121的該些葉輪片1211轉動，進而使發電單元12發電。此外，工作流體13可在冷卻端C將熱能往導熱單元11的外部散逸，由於導熱單元11的管壁113上具有毛細結構1131，因此，冷凝後的液態工作流體13可沿毛細結構1131回流至熱源端H(流向D2)，使工作流體13可以持續的循環迴流於導熱單元11之內。

另外，請參照圖2所示，其為本發明不同實施態樣之散熱裝置1a的透視示意圖。

與前一實施例之散熱裝置1主要不同的地方在於，散熱裝置1的導熱單元11是一圓形管，其熱傳導方式是一維與線的熱傳方式，而本實施態樣的散熱裝置1a的導熱單元11a為平板狀的均溫板，是二維與面的熱傳方式。其中，均溫板是一種可將局部熱源快速傳導到大面積平板的高性能散熱裝置，因此可解決更為嚴苛條件的散熱問題而具有更高的散熱效率。於此，導熱單元11a(均溫板)的板面上的二相對側分別作為熱源端H及冷卻端C。其中，導熱單元11a(均溫板)可由複數片金屬板件焊接組成，或是一體成型的單一構件的一真空腔體，並不限定。

本實施態樣的發電單元12同樣具有轉子121及發電模組122，轉子121設置於轉子腔112中。不過，本實施態樣之轉子121及轉子腔112是完全設置於導熱單元11a(均溫板)的內部。另外，散熱裝置1a的導熱單元11a更包括至少一導流板114，導流板114設置於導熱單元11a內，並和導熱單元11a的管壁113圍設出流體腔111a。於此，是以一片導流板114設置於導熱單元11a的上側，另二片導流板114設置於導熱單元11a的下側，且下側的兩導流板114將大部分的葉輪片1211包圍而與流體腔111a隔開(轉子腔112之兩側各具有一片導流板114)，使得部分的葉輪片1211位於導熱單元11a內的流體腔111a內，其餘部分的葉輪片1211仍在轉子腔112中而沒有位於流體腔111a內。因此，藉由導熱單元11a的管壁113與該些導流板114，可於轉子腔112與流體腔111a之交會處形成一較狹窄的流體通道，使工作流體13可於較狹窄的流體腔111a當中形成較快速的流動而帶動發電單元12的轉子121轉動而發電。

此外，散熱裝置1a的其他技術特徵可參照散熱裝置1的相同元件，不再贅述。

因此，當散熱裝置1a與電子系統的發熱源接觸時，導熱單元11a(均溫板)的熱源端H有較高的溫度，使得熱源端H的工作流體13被汽化為氣態，氣態的工作流體13沿導熱單元11a(均溫板)內之流動路徑D1往冷卻端C移動時，藉由該些導流板114的輔助，可讓氣態的工作流體13可更為集中地推動該些葉輪片1211轉動，使發電單元12發電。而冷凝後的液態工作流體13一樣可沿毛細結構1131經導熱單元11a的管壁113 回流至熱源端H(流向D2)，使工作流體13可以持續的循環迴流於導熱單元11a之內。

此外，本發明亦揭露一種電子系統，電子系統可例如但不限於為電腦、功率元件、中央處理器、顯示卡、晶片、主機板、燈具、其他電子元件或電子產品、設備等會發熱的裝置。電子系統包括一發熱源及一散熱裝置，散熱裝置設置在發熱源，使電子系統之發熱源所發出的熱量可被散熱裝置帶走而散逸。其中，散熱裝置可為上述之散熱裝置1或散熱裝置1a，或其變化態樣，具體技術內容可參照上述，不再多作說明。

綜上所述，於本發明之散熱裝置與電子系統中，導熱單元內部的流體腔與轉子腔彼此流通，且工作流體設置於流體腔，另外，發電單元的轉子連接發電模組，且發電單元的轉子配置於轉子腔。因此，當導熱單元接觸發熱源時，轉子能藉由工作流體而被驅動，以推動發電單元之轉動轉動而使發電單元輸出電能。藉此，相較於習知的散熱裝置而言，本發明之散熱裝置除了具有散熱功能之外，更能夠再利用電子裝置所產生的熱能。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧散熱裝置

11‧‧‧導熱單元

111‧‧‧流體腔

112‧‧‧轉子腔

113‧‧‧管壁

12‧‧‧發電單元

121‧‧‧轉子

1211‧‧‧葉輪片

122‧‧‧發電模組

1221‧‧‧轉軸

1222‧‧‧磁性元件

1223‧‧‧定子線圈

1224‧‧‧輸出端子

13‧‧‧工作流體

C‧‧‧冷卻端

D1、D2‧‧‧流向

H‧‧‧熱源端

O‧‧‧開口

Claims (8)

1. 一種散熱裝置，適用於一發熱源，該散熱裝置包括：一導熱單元，內部具有一流體腔和一轉子腔，且該流體腔透過一開口與該轉子腔彼此流通，而一工作流體設置於該流體腔；以及一發電單元，具有一轉子和一發電模組，該轉子連接該發電模組，且該轉子係部分配置於該轉子腔，部分從該開口伸入該流體腔，該轉子能藉由該工作流體而被驅動，並使該發電單元輸出電能。
2. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該導熱單元具有一管壁，係圍設出該流體腔，且該導熱單元更具有一熱源端及一冷卻端。
3. 如申請專利範圍第2項所述之散熱裝置，其中該導熱單元為一均溫板，且該均溫板的板面上的二相對側分別作為該熱源端及該冷卻端。
4. 如申請專利範圍第3項所述之散熱裝置，其中該導熱單元更包括：一導流板，設置於該導熱單元內，並和該管壁圍設出該流體腔，其中，該轉子設置於該導熱單元內，並包含複數葉輪片，該導流板將該流體腔與大部分的該些葉輪片隔開。
5. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該導熱單元具有一管壁，該管壁上具有毛細結構。
6. 如申請專利範圍第1項所述之散熱裝置，其中該轉子係一離心轉子。
7. 如申請專利範圍第2項所述之散熱裝置，其中該發電模組包括：一轉軸，該轉子係樞設於該轉軸上，且該轉軸與該工作流體由該熱源端往該冷卻端的流動方向互為垂直；一磁性元件，連接該轉軸；一定子線圈，磁耦合該磁性元件；及一輸出端子，連接該定子線圈，以輸出該電能。
8. 一種電子系統，包括：一發熱源；一如申請專利範圍第1項至第7項其中任一項所述之散熱裝置，該散熱裝置設置在該發熱源；以及 一電元件，電性連接該散熱裝置，以依據該散熱裝置所輸出的電能而作動。