TWI659294B - 電子裝置及其導流結構 - Google Patents

Abstract

本案揭示一種流線型導流結構，用以有效率地將氣流由風扇單元導引至散熱器。導流結構包含上蓋板以及兩側壁。兩側壁連接至上蓋板，而上蓋板與兩側壁之第一端形成進氣口。上蓋板具有曲面，與兩側壁相對於第一端之第二端形成一排氣口。排氣口之截面積小於進氣口之截面積。

Description

電子裝置及其導流結構

本發明係關於一種導流結構，特別是關於一種用以在電子裝置(如伺服器)中有效率地導引氣流至散熱器的導流結構。

分散式網路系統伴隨雲端計算的出現而被廣泛採用，而網路系統包含許多連網裝置，如伺服器、交換器及其他交換資料之裝置。為滿足增加資料容量及傳輸速度的需求，於網路裝置中使用了更快更密集的電子元件。

由於諸如收發器、控制器、處理器以及記憶體之類的內部電子元件的運作，網路裝置(如伺服器)產生大量的熱。散熱不良造成的過熱可能會關閉或妨礙這些裝置的運作，因此，諸如伺服器之類的網路系統裝置設計仰賴通過系統裝置內部的氣流來帶走電子元件產生的熱。這種裝置通常包含連接到電子元件之各種散熱器。散熱器通常由導熱材料組成，吸收電子元件的熱，從而將熱從電子元件中轉移出去。氣流通常由風扇系統產生，使氣流加速通過系統裝置及散熱器。產生的氣流因此收集並帶走散熱器的熱，將其帶出 裝置。如果產生的氣流大部分集中在散熱器上，不散失至整個系統裝置的其他部分，則會最有效率地利用所產生的氣流。因此，一種協助將空氣從風扇集中到散熱器的機構為導流結構。導流結構導引氣流由風扇系統流向散熱器，並容納氣流，避免其散失到裝置的其他部分。導流結構為一實體封閉結構，具有將氣流由風扇導引至散熱器之側壁。理想上是能將散熱器與空氣流動效率最大化使此類系統裝置中冷卻風扇運作所需的功率最小化。

因此，導流結構為電子系統裝置中維持氣流必要的一部分。相較於不具導流結構之系統裝置，導流結構可協助達成高效率氣流，可降低使用在冷卻上的能量。

然而，為電子系統裝置設計導流結構之形狀時必須謹慎，設計不良之導流結構可能因系統裝置內之空氣紊流導致大幅度壓降，需要在冷卻上使用較多能量以達到足以冷卻系統裝置部件之最小空氣流率。因此，設計良好之導流結構導致氣流平順，同時維持氣流方向以將不理想之壓降減至最低。

因此，需要一種以流線形狀來最小化氣流之紊流的導流結構，更需要一種具有可最大化氣流以將使用在冷卻上的能量降至最低之形狀的導流結構，亦需要一種允許次要氣流冷卻其他部件之導流結構。

依據本揭示一實施方式，一種導流結構，用以導引氣流至散熱裝置，其包含上蓋板以及兩側壁。兩側壁連接至上蓋板，而上蓋板與兩側壁之第一端形成進氣口。上蓋板具有曲面，其與兩側壁相對於第一端之第二端形成一排氣口。排氣口之截面積小於進氣口之截面積。

依據本揭示一實施方式，一種電子裝置包含機殼、風扇壁、散熱器以及導流結構。機殼上安裝電子部件，而風扇壁設置於機殼上。散熱器與機殼上之電子部件熱耦合。導流結構安裝於風扇壁以及散熱器之間，並且包含上蓋板以及兩側壁。兩側壁連接至上蓋板，而上蓋板與兩側壁之第一端形成進氣口。上蓋板具有曲面，其與兩側壁相對於第一端之第二端形成一排氣口。排氣口之截面積小於進氣口之截面積。

上述之發明內容並非意圖代表本揭示所有的實施方式及態樣，相反地，其僅為提供本文所述之一些新穎態樣及特徵的範例。從以下對用以實施本發明的代表性實施方式及模式的詳細描述，並結合附圖及申請專利範圍，可清楚理解本揭示上述及其他的特徵與優點。

100‧‧‧電子裝置

110‧‧‧機殼

112‧‧‧電子部件

114‧‧‧前端

116‧‧‧後端

120‧‧‧風扇壁

122‧‧‧風扇單元

130‧‧‧散熱器

150‧‧‧導流結構

152‧‧‧上蓋板

154、156‧‧‧側壁

158‧‧‧開放式前端

160‧‧‧開放式後端

162、164、166‧‧‧內擋板

170‧‧‧分流孔

200‧‧‧虛擬風洞

202‧‧‧層流氣流

204‧‧‧測試導流結構

206‧‧‧散熱器

300、320、340、360‧‧‧導流結構

302、322、342、362‧‧‧入口側

304、324、344、364‧‧‧出口側

306、346‧‧‧平面屏障

326、366‧‧‧曲面

308、328、348、368‧‧‧出口區

350、370‧‧‧分流孔

400、410、420‧‧‧區域

500、600‧‧‧導流結構

502、602‧‧‧進氣口

504、604‧‧‧排氣口

510、512、610、612‧‧‧側壁

514、614‧‧‧上蓋板

516、616‧‧‧曲面

620‧‧‧分流孔

從以下示例性實施方式的說明，並配合參照附圖，可對本揭示有更好的理解。

第1圖為繪示包含流線型導流結構之示例性網路裝置的立體圖。

第2圖為繪示用以評估第1圖之導流結構以允許有效率之氣流的虛擬風洞。

第3A圖至第3D圖為繪示不同形狀設計之導流結構的立體圖。

第4A圖至第4D圖為繪示第3A圖至第3D圖之導流結構於第2圖之虛擬風洞中測試的空氣流動模式。

第5圖為繪示具有流線形狀之示例性導流結構的立體圖。

第6圖為繪示具有流線形狀並且允許次要氣流之另一示例性導流結構的立體圖。

本揭示允許各種修改及替代形式。一些具代表性的實施方式顯示於圖式中，並且將在本文中詳細地描述。然而，應該理解本發明非意圖受限於所揭示的特定實施方式。相反地，本揭示涵蓋所有落入由所附申請專利範圍界定之精神與範圍內的修飾、等同物及替代方式。

本發明可以許多不同的實施方式來實現。具代表性的實施方式顯示於圖式中，並且將在本文中詳細地描述。本揭示為揭示之發明的原理之範例或說明，並非意圖將本揭示廣泛的態樣限定至所說明的實施方式。對此而言，例如在申請專利範圍中未明確闡述，但於摘要、發明內容及實施方式中揭示的元件及限制，不該透過暗示、推測或其他方 式，單獨或集體併入申請專利範圍中。為詳細描述本發明，除非另行規定，否則單數包含複數，反之亦然，而「包含」意旨「包含但不限於」。此外，諸如「大約」、「幾乎」、「基本上」、「近似」等表達近似的用語，可在本文中用以表示「於、接近或接近於」、「在3%至5%之內」、「在可接受的製造公差內」或其任何邏輯組合。

第1圖為繪示依據本揭示一實施方式之電子裝置100的立體圖。於本實施方式中，電子裝置100可為刀鋒伺服器。電子裝置100包含機殼110，其容置不同的電子部件112。於本實施方式中，機殼110具有四個插槽，分別容置對應的電子部件112。電子裝置100包含前端114以及後端116。後端116與前端114相對，並且包含不同的連接介面，以允許與電子部件112之通訊。

風扇壁120設置於電子部件112的後方。風扇壁120包含由基板管理控制器控制的各個風扇單元122。基板管理控制器可耦接至熱感測器，以決定電子部件112的溫度。每個風扇單元122包含馬達及風扇，用以產生從電子裝置100的後端116流至前端114的氣流。當熱感測器指示需要加強冷卻時，調節風扇功率以增加風扇單元122之馬達的速度。風扇壁120靠近散熱器130，而散熱器130各自安裝在電子部件112的上方。散熱器130吸收來自電子部件112的熱，並且位於產生之氣流的路徑上。

第1圖顯示包圍散熱器130的導流結構150。為了便於說明，在第1圖中，將導流結構150從電子裝置100 上移開。導流結構150具有上蓋板152及兩側壁154與156。上蓋板152與側壁154及156形成開放式前端158及開放式後端160。導流結構150之開放式前端158的前截面的形狀與風扇壁120的截面一致。導流結構150包含連接至上蓋板152下側的內擋板162、164與166。內擋板162、164與166導引氣流至各個散熱器130及對應的電子部件112。因此，側壁154及156與內擋板162、164及166形成分開的四個內部流道，各自將氣流導引至四個電子部件112及對應的散熱器130。四個內部流道之形狀由上蓋板152的曲率決定。上蓋板152切開對應四個內部流道的一系列分流孔170。如下文所解釋，分流孔170用以減少空氣紊流以使氣流達到最大。

安裝有導流結構150時，導引氣流由風扇壁120的風扇單元122流向電子部件112及散熱器130。如特寫中可見，側壁154及156與風扇單元122重疊，因此，大部分由風扇壁120產生的氣流被導引通過導流結構150。導流結構150被安裝在風扇壁120與電子部件112之間，風扇壁120的風扇產生的氣流因此被導流結構150朝向散熱器130導引，通過散熱器130後，被迫從導流結構150的開放式後端160流出至電子裝置100之前端114。如第1圖所示，風扇壁120高度大於電子部件112與散熱器130的組合。因此，導流結構150之開放式前端158的截面積與開放式後端160的截面積不同，因為開放式後端160的高度須配合電子元件112以及連接電子元件112的對應的散熱器130之高度。於 本實施方式中，開放式後端160的截面積實質上等於散熱器130的截面積。開放式前端158與開放式後端160具有不同的截面積以確保由風扇壁120產生的氣流完全流向散熱器130，以最大化冷卻效率。從開放式前端158到開放式後端160的高度差可能產生空氣紊流，進而導致壓降。可藉由導流結構150的形狀來將壓降最小化。

第2圖為繪示用以評估第1圖之導流結構150的虛擬風洞200。以下敘述之導流結構設計以案例研究的方式呈現，使用虛擬風洞200模擬層流氣流202，並使用測試導流結構204以保持全部或大部分氣流通過阻擋物。於本實施方式中，阻擋物為散熱器206。層流氣流202從第2圖的右側流出，並且在導引通過散熱器206之前進入測試導流結構204。以此方式，虛擬風洞200可模擬由測試導流結構204產生的紊流，並且可對於各個提出的導流結構設計分析氣流產生的壓力。

第3A圖至第3D圖為繪示不同設計之導流結構的立體圖。第3A圖至第3D圖所示之導流結構作為第2圖所示之虛擬風洞200中的測試導流結構204，以對該些導流結構進行評估。第3A圖至第3D圖所示之導流結構每個皆對應第1圖中的側壁154與156及內擋板162、164與166形成的內部流道其一。第3A圖為繪示導流結構300，其具有相對之入口側302及出口側304。入口側302具有與風扇壁的截面相配之矩形截面。出口側304具有平面屏障306以形成出口區308，其截面積實質上等於第2圖中的散熱器206之截面積， 並且小於入口側302的截面積。導流結構300以第2圖中的虛擬風洞200進行模擬，以決定以平面屏障306迫使進入的氣流流過面向導流結構300之出口側304的散熱器206的效果。

第3B圖為繪示導流結構320，其具有相對之入口側322及出口側324。入口側322具有與風扇壁的截面相配之矩形截面。出口側324具有流線之曲面326以形成出口區328，其截面積實質上等於第2圖中的散熱器206的截面積，並且小於入口側322的截面積。對導流結構320進行模擬，以決定以曲面326導引進入的氣流平順地流至第2圖所示之散熱器206並通過出口區328的效果。曲面326曲率的範圍可依據風扇產生之氣流的速度來選擇，而彎曲程度之調整，可以風扇產生之氣流的速度作為輸入，使用計算流體力學來找出的最佳之設計。

第3C圖為繪示導流結構340，其具有相對之入口側342及出口側344。入口側342具有與風扇壁的截面相配之矩形截面。出口側344具有平面屏障346以形成出口區348，其截面積實質上等於第2圖中的散熱器206的截面積，並且小於入口側342的截面積。導流結構340由流過散熱器206之氣流抽出少量氣流來冷卻其他部件，因此，平面屏障346上切出了矩形的三個分流孔350，以促成次要氣流對其他部件之補充冷卻。

第3D圖為繪示導流結構360，其具有相對之入口側362及出口側364。入口側362具有與風扇壁的截面相 配之矩形截面。出口側364具有流線之曲面366以形成出口區368，其截面積實質上等於第2圖中的散熱器206的截面積，並且小於入口側362的截面積。導流結構360由流過散熱器206之氣流抽出少量氣流來冷卻其他部件，因此，曲面366上切出了三個分流孔370，以促成對其他部件之補充冷卻。每一分流孔370具有與第3C圖中的分流孔350相同的尺寸。

第4A圖至第4D圖為繪示通過第2圖所示之虛擬風洞200的氣流，分別使用第3A圖至第3D圖所示之導流結構300、320、340及360。第4A圖為繪示以第3A圖中的導流結構300導引流向散熱器206之氣流。導流結構300之氣流模式顯示在平面屏障306處的區域400內，氣流之路徑突然改變。氣流路徑突然改變是缺點，會造成意外局部高壓，因而減弱通過導流結構300之整體氣流。

第4B圖為繪示以第3B圖中的導流結構320導引流向散熱器206之氣流。導流結構320加入流線之曲面326導致氣流模式不具氣流路徑突然改變，因此消除第4A圖所示之意外局部高壓。

第4C圖為繪示以第3C圖中的導流結構340導引流向散熱器206之氣流。導流結構340之氣流模式顯示在區域410處，平面屏障346之分流孔350冒出許多紊流或渦漩，可能導致整體氣流減弱。

第4D圖為繪示以第3D圖中的導流結構360導引流向散熱器206之氣流。相較於第4C圖之區域410，導流結構 360之曲面366之分流孔370形成的次要氣流在區域420內的氣流模式顯示導流結構360之設計將次要氣流之紊流減至最少。

第5圖為繪示導流結構500的立體圖。導流結構500融入第3B圖所示之導流結構320的設計，其具有相對的進氣口502及排氣口504。導流結構500由兩側壁510與512及上蓋板514形成。側壁510與512連接至上蓋板514，而上蓋板514之一端與側壁510及512之第一端形成進氣口502。於本實施方式中，進氣口502的截面積實質上等於風扇單元(如第1圖之風扇單元122)的截面積。進氣口502的截面的寬度可以擴大以與具有多個風扇單元之風扇壁的截面配合。側壁510與512的第一端及上蓋板514可延伸以與風扇壁(如第1圖之風扇壁120)重疊，確保風扇壁產生之氣流被導引進入導流結構500。

曲面516之一端與側壁510及512相對第一端之第二端形成排氣口504，其截面積小於進氣口502之截面積以導引氣流至直接圍繞散熱器(如第1圖之散熱器130)的區域。排氣口504較小的截面積由流線之曲面516形成，而曲面516在不妨礙氣流下將其導引至排氣口504。曲面516具有高度等同於進氣口502之一端，並向下降低至排氣口504的高度。藉此，導流結構500將氣流導引至散熱器，同時將紊流及高壓減至最少。

導流結構500安裝於風扇壁與散熱器之間的安裝面。側壁510及512之第一端與上蓋板514形成進氣口之一端重疊風扇壁以確保全部來自風扇壁的氣流被導引進入 導流結構500。導流結構500之長度實質上等於風扇壁與散熱器間的距離。排氣口504之截面積實質上等於散熱器之截面積，被導引流向散熱器之氣流因此達到最大。

第6圖為繪示導流結構600的立體圖。導流結構600融入第3D圖所示之導流結構360的設計，其具有相對的進氣口602及排氣口604。導流結構600由兩側壁610與612及上蓋板614形成。於本實施方式中，進氣口602的截面積實質上等於風扇單元的截面積。進氣口602的截面的寬度可以擴大以與具有多個風扇單元之風扇壁的截面配合。排氣口604之截面積小於進氣口602之截面積以導引氣流至直接圍繞散熱器的區域。排氣口604由流線之曲面616形成，而曲面616在不妨礙氣流下將其導引至排氣口604。曲面616具有高度等同於進氣口602之一端，並向下降低至排氣口604的高度。藉此，導流結構600將氣流導引至散熱器，同時將紊流及高壓減至最少。

導流結構600安裝於風扇壁與散熱器之間的安裝面。側壁610及612之第一端與上蓋板614形成進氣口之一端重疊風扇壁以確保全部來自風扇壁的氣流被導引進入導流結構600。導流結構600之長度實質上等於風扇壁與散熱器間的距離。排氣口604之截面積實質上等於散熱器之截面積，被導引流向散熱器之氣流因此達到最大。

導流結構600允許由散熱器分流出次要氣流，其用以冷卻其他部件。曲面616上設置有三個分流孔620，使得導流結構600內的部分氣流遠離散熱器導引。通過分流孔620之氣流提供次要冷卻氣流。

應當理解可修改揭示之導流結構，使完全或部分覆蓋散熱器。此外，可提整進氣口及排氣口的高度，使進氣口及排氣口具有相同或不同的高度。側壁及內擋板可具有不同的形狀(如：彎曲的形狀)以使氣流平順。

本揭示中使用的「部件」、「模組」、「系統」等術語通常指與計算機相關的實體，即硬體(例如電路)、硬體與軟體的組合、軟體或與具有一或多個特定功能的運行機器相關的實體。舉例來說，部件可為但不限於：在處理器(例例如數位訊號處理器)上運行的處理程序、處理器、物件、執行檔、執行緒、程式及/或計算機。舉例來說，在控制器上運行的應用程式以及控制器皆可為部件。一或多個部件可存在於一個處理程序及/或執行緒內，並且一個部件可位於一台計算機上及/或分佈於兩或多台計算機之間。此外，「裝置」可為以下形式：特別設計之硬體、透過執行使硬體執行特定功能的軟體而使其變得特定的通用硬體、儲存在計算機可讀媒介上的軟體或其組合。

計算裝置通常包含各種媒介，其可以包含計算機可讀儲存媒介及/或通訊媒介，其中上述之兩術語在本文中不同地使用。計算機可讀儲存媒介可為可由計算機存取的任何可用儲存媒介，其通常是非暫時性的，並且可包含揮發性與非揮發性媒介以及可移動與不可移動媒介。舉例而非限定，計算機可讀儲存媒介可結合用以儲存諸如計算機可讀指 令、程式模組與結構化或非結構化資料等訊息的任何方法或技術來實現。計算機可讀儲存媒介可包含但不限於：隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、電子抹除式可複寫唯讀記憶體(EEPROM)、快閃記憶體或其它記憶體技術、唯讀記憶光碟(CD-ROM)、數位多功能影音光碟(DVD)或其他光碟儲存、磁卡帶、磁帶、磁性硬碟或其他磁性儲存裝置、或可用於儲存訊息的其他有形及/或非暫時性媒介。計算機可讀儲存媒介可由一或多個本地或遠端計算裝置存取(例如：經由存取請求、查詢或其他資料檢索協定)，以對媒介儲存的資訊進行各種操作。

本文所使用的術語僅為描述特定實施方式，而非意圖限定本發明。如本文所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形「一」及「該」也意圖包含複數形。此外，於實施方式或申請專利範圍中使用「包括」、「具有」等術語或其變形時，旨在表達類似「包含」之意思。

除非另外定義，否則本文使用的所有術語(包含技術及科學術語)具有本發明所屬領域具普通技術者通常理解的之涵義。此外，諸如常用之字典中定義的術語應以使其具有與其在本發明相關領域涵義一致的方式來解讀，並且將不以理想化或過度正式的意義解釋，除非明確如此定義。

儘管上面已描述本發明的各種實施方式，應當理解其僅為範例而非限制。在不偏離本發明的精神或範圍的情況下，可依據本揭示對揭示之實施方式進行各種修飾。因 此，本發明的廣度及範圍不應受任何上述實施方式限制。相反地，本發明的範圍應依據所附請求項及其等同物來定義。

儘管已以一或多個實施方式來說明與描述本發明，但是本領域技術人員在閱讀及理解本說明書與附圖後即能想到等效之修改與潤飾。此外，雖然本發明的特定特徵可能僅揭示於幾個實施方式中其一，然而，如果有利於任何給定或特定的應用，該特徵可與其它實施方式的一或多個其他特徵組合。

Claims (9)

1. 一種導流結構，用以將氣流導引至一散熱器，該導流結構包含：一上蓋板，具有一曲面，其中該曲面包含一分流孔，用以分流部份氣流遠離該排氣口導引；以及兩側壁，連接至該上蓋板，該上蓋板與該兩側壁之一第一端形成一進氣口，該兩側壁與該第一端相對之一第二端與該曲面形成一排氣口，其中該排氣口之截面積小於該進氣口之截面積。
2. 如請求項1所述之導流結構，其中該進氣口之截面積等於一風扇單元之截面積。
3. 如請求項1所述之導流結構，其中該排氣口之截面積實質上等於該散熱器之截面積。
4. 如請求項1所述之導流結構，其中該兩側壁之長度實質上等於一風扇單元與該散熱器之間的距離。
5. 如請求項1所述之導流結構，其中該兩側壁之間的寬度實質上等於具有複數個風扇單元的一風扇壁之寬度。
6. 如請求項5所述之導流結構，其中該兩側壁之該第一端與該風扇壁重合。
7. 一種電子裝置，包含：一機殼，其上安裝一電子部件；一風扇壁，設置於該機殼上；一散熱器，與該機殼上之該電子部件熱耦合；以及一如請求項1所述之導流結構，安裝於該風扇壁以及該散熱器之間。
8. 如請求項7所述之電子裝置，其中該進氣口之截面積等於該風扇壁之截面積，該排氣口之截面積實質上等於該散熱器之截面積。
9. 如請求項7所述之電子裝置，其中該兩側壁之長度實質上等於該風扇壁與該散熱器之間的距離，且該風扇壁包含複數個風扇單元。