TWI663507B - 微型散熱系統 - Google Patents
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Abstract
一種微型散熱系統包括一底層金屬層、一流道層、一壓電致動之金屬片、二個壓電陶瓷振動片及一壓電邊界壓固層。流道層黏固於底層金屬層上方。流道層包括一第一腔體、一第二腔體、一入口流道、一連通口流道和一出口流道。入口流道連通第一腔體。連通口流道連通第一腔體和第二腔體。出口流道連通第二腔體。壓電致動之金屬片黏固於流道層上方。壓電邊界壓固層黏固於壓電致動之金屬片，壓電邊界壓固層包括二個容納區，二個容納區分別位於第一腔體和第二腔體上方。二個壓電陶瓷振動片分別位於二個容納區，並黏固於壓電致動之金屬片之上。
Description
本發明係關於一種，特別是一種具有良好鼓風式散熱效果的微型散熱系統。
傳統之系統散熱解決模式，主要是將中央處理器或圖形處理器等高發熱元件所產生的熱，透過封裝表層將熱先導引至散熱片或高熱傳特性的金屬塊，然後再透過熱管作用將其傳導至散熱裝置上(如風扇、散熱片等)，以將熱排出。然而傳統方式卻有其盲點存在，例如當熱量經由這些組件予以排出時，其傳導過程須經是由多個零組件互相配合，因此整體的熱阻亦相形增加，並且這些散熱裝置基本上是由多個組件所組裝，成本上會
相對提高。再加上傳統的散熱片大多數是由鋁合金所製造，其熱傳導性只屬於中等程度，對於目前元件發熱功率愈來愈高的情況下，已無法符合如平板電腦或智慧手機等常見之高功率密度的電子產品。
而傳統熱管在處理筆記型電腦之中央處理器的散熱上逐漸面臨瓶頸，新一代的散熱模組是利用空氣為媒介之熱對流方式，將電子組件予以散熱。但由於電子組件之精細化、扁平化，使得窄流通道須更小而造成嚴重的壓差(pressure drop)現象，使得散熱效果不佳也降低了可行性。
因此，有必要提供一種新的薄化散熱系統，其可應用於便攜式電子設備，並解決上述問題。
本發明之主要目的係在提供一種具有良好散熱效果的薄化之微型散熱系統。
為達成上述之目的，本發明之一種微型散熱系統包括一底層金屬層、一流道層、一壓電致動之金屬片、二個壓電陶瓷振動片及一壓電邊界壓固層。流道層連接於底層金屬層上方。流道層包括一第一腔體、一第二腔體、一入口流道、一連通口流道和一出口流道。入口流道連通第一腔體。連通口流道連通第一腔體
和第二腔體。出口流道連通第二腔體。致動金屬片黏固於流道層上方。壓固層黏固於致動金屬片上方。二個壓電陶瓷振動片分別位於二個容納區上方並置中，並黏固於壓電致動之金屬片上，再由上方壓電邊界壓固層與流道層做有效壓電陶瓷振動片壓電元件邊界固定。
根據本發明之一實施例，其中二個壓電陶瓷振動片置中並黏固於二個容納區顯露出的壓電致動之金屬片。
根據本發明之一實施例，微型散熱系統更包括一驅動電路，電性連接二個壓電陶瓷振動片，以提供兩組驅動控制電源，使二個壓電陶瓷振動片做上下相差振動。
根據本發明之一實施例，其中入口流道和鼓動方向互相垂直。
根據本發明之一實施例，微型散熱系統更包括複數放射鰭片，複數放射鰭片連接底層金屬層。
根據本發明之一實施例，其中複數放射鰭片位於扇形出口流道旁邊。
根據本發明之一實施例，其中入口流道、連通口流道和出口流道皆呈噴嘴扇形，並由各流道之扇形端口尺寸比例由大逐
漸比例變小，以最佳漸縮比達到流動內氣流有效流向產生進出效果。
根據本發明之一實施例，入口流道和出口流道分別具有一尺寸，出口流道之尺寸和入口流道之尺寸的比值範圍介於0.4~0.7之間，出口流道呈噴嘴出口處之扇形，以利於扇形散熱鰭片做有效散熱。
根據本發明之一實施例，其中第一腔體和第二腔體皆為圓形腔體，二個容納區是圓形凹槽，且二個壓電陶瓷振動片是對應的圓形薄片或放大振幅之環形薄片；或者第一腔體和第二腔體皆為方形腔體，二個容納區是方形凹槽，且二個壓電陶瓷振動片是對應的方形薄片或是放大振幅之中空方形薄片。
根據本發明之一實施例，其中二個壓電陶瓷振動片以超聲波做模態共振之頻率振動。
1、1’、1a、1a’‧‧‧微型散熱系統
10‧‧‧底層金屬層
20、20a‧‧‧流道層
21、21a‧‧‧第一腔體
22、22a‧‧‧第二腔體
23‧‧‧入口流道
24‧‧‧連通口流道
25‧‧‧出口流道
30‧‧‧壓電致動之金屬片
40、40a‧‧‧壓電邊界壓固層
41、41a‧‧‧容納區
50、50’、50a、50a’‧‧‧壓電陶瓷振動片
60‧‧‧鰭片
70‧‧‧驅動電路
200‧‧‧電子元件
L2‧‧‧尺寸
L1‧‧‧尺寸
圖1係本發明之第一實施例之安裝於便攜式電子設備之電子元件上的微型散熱系統之示意圖。
圖2係本發明之第一實施例之微型散熱系統之示意圖。
圖3係本發明之第一實施例之微型散熱系統之立體分解圖。
圖4係本發明之第一實施例之流道層之俯視圖。
圖5係本發明之第一實施例之微型散熱系統之系統架構圖。
圖6係本發明之第一實施例之另一態樣的微型散熱系統之示意圖。
圖7係本發明之第一實施例之另一態樣的微型散熱系統之立體分解圖。
圖8係本發明之第二實施例之微型散熱系統之示意圖。
圖9係本發明之第二實施例之微型散熱系統之立體分解圖。
圖10係本發明之第二實施例之另一態樣的微型散熱系統之示意圖。
圖11係本發明之第二實施例之另一態樣的微型散熱系統之立體分解圖。
為能讓 貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，特舉較佳具體實施例說明如下。
以下請一併參考圖1至圖7關於本發明之第一實施例之微型散熱系統。圖1係本發明之第一實施例之安裝於便攜式電子設備之電子元件上的微型散熱系統之示意圖；圖2係本發明之第一實施例之微型散熱系統之示意圖；圖3係本發明之第一實施例之微型散熱系統之立體分解圖；圖4係本發明之第一實施例之流道層之俯視圖；圖5係本發明之第一實施例之微型散熱系統之系統架構圖；圖6係本發明之第一實施例之另一態樣的微型散熱系統之示
意圖；圖7係本發明之第一實施例之另一態樣的微型散熱系統之立體分解圖。
如圖1至圖3所示，為了解決便攜式電子設備之發熱量知問題並提高散熱效率，本發明之微型散熱系統1可安裝於便攜式電子設備之電子元件200(例如容易產生熱能的中央處理器)上，並藉以特殊的腔體流道設計，以及雙腔體壓電薄片之模態共振振動相位差，產生腔室一鼓一縮相對動作，使腔體內部呈現如止回閥之作用增進定向排風量，以提高散熱量。本發明之微型散熱系統1包括一底層金屬層10、一流道層20、一壓電致動之金屬片30、一壓電邊界壓固層40、二個壓電陶瓷振動片50、複數放射鰭片60和一驅動電路70。微型散熱系統1其薄化，厚度之尺寸實質上小於等於2mm，極適合安裝於便攜式電子設備。
如圖3和圖4所示，在本發明之第一實施例中，底層金屬層10是以金屬製成的薄片。流道層20是以金屬製成，流道層20用以形成一氣體通道，氣體通道可以讓高溫氣體流動至外部而達成散熱效果。流道層20包括一第一腔體21、一第二腔體22、一入口流道23、一連通口流道24和一出口流道25。第一腔體21和第二腔體22皆為圓形腔體。入口流道23連通第一腔體21。連通口流道24連通第一腔體21和第二腔體22。出口流道25連通第
二腔體22。入口流道23具有一尺寸L2，出口流道25具有一尺寸L1。入口流道23的尺寸L2大於出口流道25的尺寸L1；出口流道25的尺寸L1和入口流道23的尺寸L2之間的範圍比例介於0.4至0.7之間。經發明人實際實驗，可以得知出口流道25的尺寸L1和入口流道23的尺寸L2之間的範圍比例介於0.4至0.7之間，可獲得最大之入口吸入量及出口排出量，以達到良好的散熱效果。
在本發明之第一實施例中，壓電致動之金屬片30是以彈性磷青銅製成的薄片，黏固於流道層20上方。底層金屬層10和壓電致動之金屬片30黏固於流道層20上下兩面，構成有效腔室。
在本發明之第一實施例中，壓電邊界壓固層40為金屬材質，壓電邊界壓固層40連接並覆蓋於壓電致動之金屬片30上方。壓電邊界壓固層40包括二個容納區41，二個容納區41是圓形凹槽，且分別位於第一腔體21和第二腔體22上方。
如圖3和圖5所示，在本發明之第一實施例中，二個壓電陶瓷振動片50是面積和形狀尺寸對應壓電邊界壓固層40的容納區41的尺寸外形。且圓形的壓電陶瓷振動片50之中心黏固容納區41中心，並黏固於壓電致動之金屬片30上。當壓電陶瓷振
動片50受電伸縮驅動時，會與壓電致動之金屬片30產生模態共振之鼓動效果，並藉由壓電致動之金屬片30與容納區41之尺寸比例產生最大鼓動位移之形變效果。然而，如圖6和圖7之微型散熱系統1’所示，二個壓電陶瓷振動片50’也可以設計為環形，其具有中空形態的空間，藉此，環形結構可以更進一步增加形變效果。另外，壓電致動之金屬片30亦可提供保護壓電陶瓷振動片50之功效，且互相黏產生複合效果提供單簧片鼓動功效。如圖1所示，驅動電路70設置在複數放射鰭片60下方，驅動電路70電性連接二個壓電陶瓷振動片50和一外部電腦(圖未示)，驅動電路70用以受到外部電腦控制而提供兩組驅動控制電源給二個壓電陶瓷振動片50，以使二個壓電陶瓷振動片50產生鼓動，並且以超聲波的共振頻率振動；其中壓電陶瓷振動片50的鼓動方向和入口流道23互相垂直。當任一壓電陶瓷振動片50振動時，壓電陶瓷振動片50也會帶動壓電致動之金屬片30做單簧片式鼓動。
在本發明之第一實施例中，複數放射鰭片60連接底層金屬層10，且複數放射鰭片60位於出口流道25旁邊。複數放射鰭片60用以使從出口流道25流出熱氣體更迅速得散熱並流向外部。
當使用者要運用微型散熱系統1以進行散熱時，使用者可以用外部電腦操作驅動電路70，使得驅動電路70提供一驅動控制電源給二個壓電陶瓷振動片50，以使二個壓電陶瓷振動片50沿著一鼓動方向，並且以超聲波的頻率振動。以超聲波的共振頻率振動之二個壓電陶瓷振動片50會產生快速之形變變化，並藉由其相位差控制使兩個腔室產生不同相位差作動所造成的一鼓一縮之有效鼓風效果。
當壓電陶瓷振動片50以相位差驅動雙壓電片，使得第一腔體21鼓脹和第二腔體22體積壓縮時，因流道口之漸縮比設計，當由第一腔體21端鼓脹吸進較冷空氣而第二腔體22壓縮其最小出口端擠出，腔室內熱交換經冷空氣變為熱空氣；當由第一腔體21端壓縮擠壓時，此時第二腔體22為鼓脹吸氣作用，使兩腔室內熱氣強迫單向流動，達有效鼓風效果，再由出口流道25之放射鰭片60提升散熱效果。
須注意的是，第一腔體21和第二腔體22內之各個壓電陶瓷振動片50之模態共振頻率驅動，利用其有效相位差控制使第一腔體21和第二腔體22間的吸入/排出風量，而獲得適當之出口流道25的排風量，並產生交替排氣且具疊加效果之輸出效果，並在模態共振頻率於超
音波高頻設計時達到靜音效果。經發明人實際實驗測試，當各個壓電陶瓷振動片50之振動頻率的相位差為120°時，可獲得較大的通常排風量值；然而振動頻率的相位差並不以120°為限，振動頻率的相位差可隨腔體結構變化而調整以獲得最佳效果。
以下請一併參考圖8至圖11關於本發明之第二實施例之微型散熱系統。圖8係本發明之第二實施例之微型散熱系統之示意圖；圖9係本發明之第二實施例之微型散熱系統之立體分解圖；圖10係本發明之第二實施例之另一態樣的微型散熱系統之示意圖；圖11係本發明之第二實施例之另一態樣的微型散熱系統之立體分解圖。
如圖8和圖9所示，第二實施例與第一實施例的差別在於，在第二實施例之微型散熱系統1a之中，流道層20a之第一腔體21a和第二腔體22a皆為方形腔體，壓電邊界壓固層40a之二個容納區41a是方形凹槽，且二個壓電陶瓷振動片50a是對應的方形薄片或中空方形薄片。且方形的壓電陶瓷振動片50a之中心黏固容納區41a中心，並黏固壓電致動之金屬片30。然而，如圖10和圖11之微型散熱系統1a’所示，第二實施例之壓電陶瓷振動片50a’也可以是中空方形尺寸形狀，並在壓電致動之金屬片30其
相對壓電陶瓷振動片50a’之一對邊位置做透空柔性槽結構，而另對邊與壓電邊界壓固層40a和壓電致動之金屬片30做黏合時產生剛性黏合，對應有柔性槽結構為柔性黏合，以利容納區41a之壓電致動之金屬片30做拱狀模態共振。亦可用中空的壓電陶瓷振動片50a增加拱形增幅形變。第二實施例之於第一實施例在同面積之腔體面積設計下，可以產生拱狀簧片鼓動且可達到較高排風量而提升散熱效果，且方形腔體結構較易製作。
為了驗證本發明之微型散熱系統之結構優點，發明人更進行實際實驗，以比較微型散熱系統和其他散熱系統的散熱效能。發明人分別對本發明之具有雙腔體和貼覆著壓電致動之金屬片的二片壓電陶瓷振動片之微型散熱系統、僅具有一個腔體和貼覆著金屬層的壓電薄片之的散熱系統(以下稱之為比較例一)，以及具有雙腔體和不貼附金屬層的壓電薄片的散熱系統(以下稱之為比較例二)，同樣施加20伏特的電壓，以使各個散熱系統的壓電薄片振動，並記錄壓電薄片的振幅。由實際實驗結果可得知，本發明之微型散熱系統的壓電陶瓷振動片一共可提供10.8μm之振幅，比較例一的散熱系統僅能提供5.91μm之振幅，比較例二的散熱系統則壓電薄片一共僅能提供7.32μm之振幅；由此可知本發明之微型散熱系統能產生
最大的振幅，也就是說雙腔體的體積會受到壓電陶瓷振動片之振幅影響，而產生最大的體積變化，而增進流道的排風量以提高散熱量。
藉由本發明之微型散熱系統之設計，其可安裝於便攜式電子設備之電子元件上，並藉特殊的雙腔體流道和流道尺寸之設計，以及雙腔體和貼覆著壓電致動之金屬片的壓電薄片之振動相位差，使腔體內部呈現如止回閥之作用而增進排風量，以提高散熱量。
需注意的是，上述僅為實施例，而非限制於實施例。譬如此不脫離本發明基本架構者，皆應為本專利所主張之權利範圍，而應以專利申請範圍為準。
Claims (9)
- 一種微型散熱系統，包括：一底層金屬層；一流道層，連接於該底層金屬層上方，該流道層包括：一第一腔體；一第二腔體；一入口流道，連通該第一腔體；一連通口流道，連通該第一腔體和該第二腔體；以及一出口流道，連通該第二腔體；一壓電致動之金屬片，連接於該流道層上方；一壓電邊界壓固層，連接於該壓電致動之金屬片上方，該壓電邊界壓固層包括二個容納區，該二個容納區分別位於該第一腔體和該第二腔體上方；以及二個壓電陶瓷振動片，分別位於該二個容納區上方並置中，並黏固於由該二個容納區顯露出的該壓電致動之金屬片之上。
- 申請專利範圍第1項所述之微型散熱系統，更包括一驅動電路，該驅動電路電性連接該二個壓電陶瓷振動片，該驅動電路用以提供兩組驅動控制電源以使該二個壓電陶瓷振動片沿著一鼓動方向振動。
- 申請專利範圍第2項所述之微型散熱系統，其中該入口流道和該鼓動方向互相垂直。
- 申請專利範圍第3項所述之微型散熱系統，更包括複數放射鰭片，該複數放射鰭片連接該底層金屬層。
- 如申請專利範圍第4項所述之微型散熱系統，其中該複數放射鰭片位於該出口流道旁邊。
- 如申請專利範圍第5項所述之微型散熱系統，其中該入口流道具有一尺寸，該出口流道具有一尺寸；該入口流道的該尺寸大於該出口流道的該尺寸。
- 如申請專利範圍第6項所述之微型散熱系統，其中該出口流道的該尺寸和該入口流道的該尺寸之間的比值範圍介於0.4至0.7之間。
- 如申請專利範圍第7項所述之微型散熱系統，其中該第一腔體和該第二腔體皆為圓形腔體，該二個容納區是圓形凹槽，且該二個壓電陶瓷振動片是對應的圓形薄片；或者該第一腔體和該第二腔體皆為方形腔體，該二個容納區是方形凹槽，且該二個壓電陶瓷振動片是對應的方形薄片。
- 如申請專利範圍第8項所述之微型散熱系統，其中該二個壓電陶瓷振動片以20000赫茲以上的頻率振動。
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