TWI731578B - 熱傳導裝置與電子裝置 - Google Patents

Abstract

一種熱傳導裝置，包括一導熱單元、一毛細結構、一熱傳導單元以及一導熱流體。導熱單元具有一封閉腔體。毛細結構設置於封閉腔體的內側表面。熱傳導單元包括團聚成島狀且彼此分離的多個導熱元件，該些導熱元件設置於毛細結構的部分表面。導熱流體設置於封閉腔體中。本發明還揭露一種具有該熱傳導裝置的電子裝置。本發明的熱傳導裝置具有較高的熱傳導效率。

Description

熱傳導裝置與電子裝置

本發明關於一種熱傳導裝置，特別關於一種具有較佳熱傳導效率的熱傳導裝置，和具有該熱傳導裝置的電子裝置。

近年來，顯示元件或電子裝置（例如手機、平板電腦、筆記型電腦、或伺服器）等製程技術越來越成熟，其元件集成化的程度也越來越高，因此，“散熱”已經是這些元件或裝置不可或缺的需求功能。特別是對高功率元件來說，由於工作時產生的熱能大幅增加，如果不將熱源所產生的熱能導引出的話，將使電子裝置的溫度急速上升。當電子裝置受到過高的溫度時，可能會造成元件的永久性損壞，或使壽命大幅地降低。

因此，如何發展出更適用於電子裝置需求的散熱或導熱結構，可具有較佳散熱或導熱效率，已經是相關廠商持續追求的目標之一。

本發明的目的為提供一種熱傳導裝置、和具有該熱傳導裝置的電子裝置，可具有較高的熱傳導效率，可將熱源所產生的熱能快速地傳導出且散逸至外界。

為達上述目的，依據本發明之一種熱傳導裝置，包括一導熱單元、一毛細結構一熱傳導單元以及一導熱流體。導熱單元具有一封閉腔體。毛細結構設置於封閉腔體的內側表面。熱傳導單元包括團聚成島狀且彼此分離的多個導熱元件，該些導熱元件設置於毛細結構的部分表面。導熱流體設置於封閉腔體中。

在一實施例中，導熱單元是由兩個金屬板體組合而成，毛細結構設置於兩個金屬板體相對的表面上。

在一實施例中，熱傳導裝置更包括一間隔件，間隔件設置於兩個金屬板體之間。

在一實施例中，部分的導熱元件更設置於間隔件的部分表面。

在一實施例中，導熱單元是一管體，毛細結構設置於管體的內側表面。

在一實施例中，該些導熱元件覆蓋在毛細結構的表面覆蓋率介於0.05%與75%之間。

在一實施例中，導熱元件的材料包括石墨烯或奈米碳管、或其組合。

在一實施例中，當導熱元件的材料為奈米碳管時，奈米碳管的軸向垂直或平行於毛細結構的表面。

在一實施例中，當導熱元件的材料包括奈米碳管與石墨烯微片時，奈米碳管的軸向垂直或平行於石墨烯微片的平面方向。

為達上述目的，依據本發明之一種電子裝置，其包括一熱源及前述實施例之熱傳導裝置，熱傳導裝置的一端接觸熱源。

承上所述，在本發明的熱傳導裝置和電子裝置中，透過在毛細結構的部分表面上設置團聚成島狀且彼此分離的多個導熱元件，可以增加導熱流體橫向傳遞熱能的能力，增加毛細結構的熱傳導效率，使得熱傳導裝置的均溫效果及熱傳導效果較好。因此，本發明的熱傳導裝置可具有較高的熱傳導效率，可將電子裝置之熱源所產生的熱能快速地傳導出且散逸至外界。

以下將參照相關圖式，說明本發明一些實施例之熱傳導裝置和電子裝置，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。以下實施例出現的元件只是示意，不代表真實的比例及尺寸。

本申請之熱傳導裝置可具有較高的熱傳導效率，可以將熱源所產生的熱能快速地傳導出並散逸至外界，適用於電子裝置（或行動裝置）的散熱需求。其中，熱傳導裝置可設置於電子裝置的內部，其一端可接觸熱源，以將熱源所產生的熱量經由熱傳導裝置的導引而傳遞至另一端，避免熱源的高溫造成電子裝置當機或燒毀。在一些實施例中，熱源可例如但不限於包括電子裝置的中央處理器（CPU）、記憶晶片（卡）、顯示晶片（卡）、面板、或功率元件、或其他會產生高溫熱能的元件、單元或組件。另外，前述的電子裝置可例如但不限於手機、電腦（平板電腦、桌上型電腦或筆記型電腦）、電視、或顯示器相關的行動電子裝置，或是其他領域的電子裝置或行動裝置。

本申請之熱傳導裝置可為均溫板或熱管（或稱導熱管）。熱管是一圓形管，其熱傳導方式是一維與線的熱傳導方式；而均溫板是一種二維與面的熱傳導方式，其是一種可將局部熱源快速傳導到平板另一側的高性能散熱裝置，因此可解決更為嚴苛條件的散熱問題而具有更高的熱傳導或散熱效率。

請參照圖1A與圖1B所示，其中，圖1A為本發明一實施例之一種熱傳導裝置的示意圖，而圖1B為圖1A之熱傳導裝置沿A-A割面線的剖視示意圖。為了說明熱傳導裝置的內部結構，圖1A與圖1B顯示的長度、形狀或尺寸只是示意。在實際應用上，熱傳導裝置可以在水平方向及/或垂直方向彎曲，而彎曲的方式可以根據要散熱的電子裝置或行動裝置內部空間而定。

如圖1A與圖1B所示，熱傳導裝置1可包括一導熱單元11、一毛細結構（wick）12、一熱傳導單元13以及一導熱流體14。

導熱單元11圍設而形成一封閉腔體111。在本實施例中，熱傳導裝置1為均溫板，其可適用於薄型化電子裝置或行動裝置的導熱與散熱之用。導熱單元11的相對兩端可分別作為一熱源端H（或稱熱源側）及一冷卻端C（或稱冷卻側）。其中，熱源端H（或熱源側）可為導熱單元11兩側中靠近熱源的一端（側），而冷卻端C（或冷卻側）則為導熱單元11兩側中遠離熱源的一端（側）。於此，導熱單元11的封閉腔體111受熱的部分可稱為蒸發區，與蒸發區相對的另一側可稱為冷凝區，導熱流體14可在蒸發區吸收熱量汽化並迅速擴張至整個封閉腔體111，並且在冷凝區放出熱量冷凝成液態，再回流至蒸發區，如此循環以實現熱量的快速傳遞。

導熱單元11具有可承受內外壓差的結構功能，其是由熱傳導入與傳導出的介質材料所製成。導熱單元11較佳的材料為金屬，例如但不限於包括銅、鋁、鐵、銀、金等高導熱金屬材料。本實施例之導熱單元11是由兩個金屬板體11a、11b對應連接（例如焊接）而成，其中，金屬板體11a往上側凹陷，並與平板狀的金屬板體11b連接以構成該封閉腔體111。於此，金屬板體11a、11b的材料例如以銅為例。

毛細結構12設置於封閉腔體111的內側表面。於此，毛細結構12設置於兩金屬板體11a、11b相對的表面。毛細結構12的形態可為金屬網、金屬粒子、金屬粉末、或奈米金屬粒子，其材料可例如但不限於包括銅、鋁、銀、金等高導熱金屬材料。毛細結構12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。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導熱流體14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的內側表面具有毛細結構12，因此，氣態的導熱流體14所具有的熱量在冷凝區（冷卻端C）往導熱單元11的外部散逸之後所冷凝的液態導熱流體14，可沿毛細結構12經導熱單元11回流（流向D2）至蒸發區（熱源端H），使導熱流體14可以持續的循環迴流於導熱單元11內。本實施例之毛細結構12的材料為銅，並例如採用燒結式毛細結構為例。

熱傳導單元13包括團聚成島狀且彼此分離的多個導熱元件131，且該些導熱元件131設置於毛細結構12的部分表面。於此，各導熱元件131形成的島狀尺寸和形狀不限，只要覆蓋毛細結構12的部分表面即可。團聚成島狀之各導熱元件131可包括高導熱材料，其可例如但不限於為包括石墨烯或奈米碳管、或其組合。在本實施例中，導熱元件131的材料為石墨烯（Graphene）微片。由於石墨烯（熱傳導單元13）具有良好的xy平面導熱性，其覆蓋在毛細結構12的部分表面可以加強導熱流體14橫向傳遞熱能的能力，增加毛細結構12的熱傳導效率。

其中，導熱元件131覆蓋在毛細結構12的表面覆蓋率可介於0.05%與75%之間（0.05%≤表面覆蓋率≤75%）。較佳的覆蓋率可例如為10%，在此覆蓋率時，其熱傳導效率更好。此外，特別說明的是，上述的表面覆蓋率不可為100%，也就是說，熱傳導單元13不可將整個毛細結構12的表面完全覆蓋住，否則可能會產生反效果，反而使毛細結構12的熱傳導效率降低。

在不同實施例中，當覆蓋在毛細結構12部分表面的導熱元件131的材料為奈米碳管時，則奈米碳管的軸向可垂直或平行於毛細結構12的表面；或者，當導熱元件131的材料包括奈米碳管與石墨烯微片時，則奈米碳管的軸向可垂直或平行於石墨烯微片的平面方向。於此，可利用製程條件控制奈米碳管的成長方向，使所生長的納米碳管的軸向方向垂直或平行於毛細結構12的表面，或者，垂直或平行於石墨烯微片的平面方向，以加強導熱流體14進/出毛細結構12的速率，進而增加熱傳導效率。其中，奈米碳管的軸向若垂直於石墨烯微片之平面方向可形成三維複合結構，藉由奈米碳管形成之立體障礙可有效分離個別的石墨烯微片以避免再團聚，而奈米碳管優異的性質更能進一步強化石墨烯微片在熱傳導上的表現。

導熱流體14填充而設置於導熱單元11的封閉腔體111中。由於熱傳導裝置1的熱源端H與熱源接觸，故熱量將可傳導至導熱單元11的熱源端H（圖1B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的導熱流體14可被汽化為氣態。導熱流體14的選擇可以是冷媒，或是其他的導熱流體，例如但不限於氟利昂（Freon）、氨、丙酮、甲醇、乙二醇、丙二醇、或是水等，可依據電子裝置（或行動裝置）之熱源的種類、溫度或型式來決定，只要所選擇的導熱流體14可於熱源端H被熱源溫度汽化成氣態，並於冷卻端C冷凝回流即可。

需注意的是，在選擇冷媒為導熱流體14時，且在將冷媒注入導熱單元11之前，須先將封閉腔體111抽真空，防止導熱單元11內部存在導熱流體14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，在熱傳導裝置1工作時，會佔據一定體積的導熱單元11腔體內的空間，影響熱傳導裝置1的導熱效能。

另外，本實施例之熱傳導裝置1還可包括一間隔件15，間隔件15設置於兩個金屬板體11a、11b之間，使金屬板體11a、11b可以維持一定的間隙，保持熱傳導裝置1的結構與形狀。間隔件15的材料可以與導熱單元11或毛細結構12相同或不相同。本實施例的間隔件15的材料例如與金屬板體11a、11b的材料相同，並以網狀為例。

熱傳導裝置1與熱源連接的方式例如但不限於透過導熱膏或散熱膏，藉由導熱膏或散熱膏可將電子裝置的熱源與熱傳導裝置1的熱源端H連接，以將熱源的熱能傳導至熱傳導裝置1的熱源端H。在一些實施例中，導熱膏或散熱膏的材料可包括壓克力類的膠材。

承上，在本實施例中，熱傳導裝置1與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的導熱流體14可被汽化為氣態，而氣態的導熱流體14將沿封閉腔體111的一流動路徑往冷卻端C移動（即沿流向D1），以透過導熱流體14將熱源產生的熱量帶離熱源端H；到達冷卻端C之導熱流體14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）。由於導熱單元11的內側表面具有毛細結構12，因此，冷凝後的液態導熱流體14可沿毛細結構12回流至熱源端H（流向D2），使導熱流體14可以持續的循環迴流於導熱單元11之內，以持續將熱源的熱量帶走並由冷卻端C往外界散逸出，藉此降低熱源的溫度。

在本實施例中，熱傳導單元13團聚成島狀且彼此分離的設置於毛細結構12的部分表面上，可以加強導熱流體14橫向傳遞熱能的能力，進而使液態導熱流體14可以快速地經由流向D2回流至熱源端H，以加快導熱流體14的循環效率，藉此，使得熱傳導裝置1的均溫及熱傳導效果較好。相較於習知的均溫板結構（沒有熱傳導單元13）來說，本實施例的熱傳導裝置1可以有效地將熱能快速地由熱源端H導引至冷卻端C且散逸至外界，其均溫效果與熱傳導效率比習知的均溫板更好。

另外，請參照圖1C所示，其為本發明另一實施例之熱傳導裝置的剖視示意圖。

圖1C的熱傳導裝置1a與圖1B的熱傳導裝置1大致相同。與熱傳導裝置1主要的不同在於，在本實施例之熱傳導裝置1a中，有一部分的導熱元件131還設置於間隔件15的部分表面上，藉此更可增加熱能的橫向傳遞。

另外，請參照圖2A與圖2B所示，其中，圖2A為本發明又一實施例之一種熱傳導裝置的示意圖，而圖2B為圖2A之熱傳導裝置沿B-B割面線的剖視示意圖。

圖2A、圖2B之熱傳導裝置1b與圖1的熱傳導裝置1大致相同。與熱傳導裝置1主要的不同在於，本實施例之熱傳導裝置1b的導熱單元11’是一管體（Tubular body），而毛細結構12則設置於管體的內側表面。此外，熱傳導裝置1a、1b的其他技術特徵可參照熱傳導裝置1的相同元件，在此不再贅述。

本發明還提出一種電子裝置，電子裝置可為行動裝置或固定式裝置，其可包括熱源以及上述實施例之熱傳導裝置1、1a或1b，或其變化態樣，具體技術內容請參照上述，在此不再多作說明。於此，熱傳導裝置的熱源端可接觸熱源而與熱源連接。電子裝置可例如但不限於手機、電腦、電視、或顯示器相關的行動或固定式電子裝置，或是其他領域的電子裝置；而電子裝置的熱源可為中央處理器（CPU）、記憶晶片（卡）、顯示晶片（卡）、面板、或功率元件、或其他會產生高溫熱能的元件、單元或組件，本申請並不限制。

綜上所述，在本發明的熱傳導裝置和電子裝置中，透過在毛細結構的部分表面上設置團聚成島狀且彼此分離的多個導熱元件，可以增加導熱流體橫向傳遞熱能的能力，增加毛細結構的熱傳導效率，使得熱傳導裝置的均溫效果及熱傳導效果較好。因此，本發明的熱傳導裝置可具有較高的熱傳導效率，可將電子裝置之熱源所產生的熱能快速地傳導出且散逸至外界。

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:熱傳導裝置 1a:熱傳導裝置 1b:熱傳導裝置 11:導熱單元 11’:導熱單元 11a:金屬板體 11b:金屬板體 111:封閉腔體 12:毛細結構 13:熱傳導單元 131:導熱元件 14:導熱流體 15:間隔件 A-A:割面線 B-B:割面線 C:冷卻端（冷卻側） D1:流向 D2:流向 H:熱源端（熱源側）

圖1A為本發明一實施例之一種熱傳導裝置的示意圖。 圖1B為圖1A之熱傳導裝置沿A-A割面線的剖視示意圖。 圖1C為本發明另一實施例之熱傳導裝置的剖視示意圖。 圖2A為本發明又一實施例之一種熱傳導裝置的示意圖。 圖2B為圖2A之熱傳導裝置沿B-B割面線的剖視示意圖。

1:熱傳導裝置

11:導熱單元

11a:金屬板體

11b:金屬板體

111:封閉腔體

12:毛細結構

13:熱傳導單元

131:導熱元件

14:導熱流體

15:間隔件

C:冷卻端(冷卻側)

D1:流向

D2:流向

H:熱源端(熱源側)

Claims (8)

1. 一種熱傳導裝置，包括：一導熱單元，具有一封閉腔體；一毛細結構，設置於該封閉腔體的內側表面；一熱傳導單元，包括團聚成島狀且彼此分離的多個導熱元件，該些導熱元件設置於該毛細結構的部分表面，且該些導熱元件不接觸該導熱單元；一間隔件，設置於該封閉腔體內，其中，部分的該些導熱元件更設置於該間隔件的部分表面；以及一導熱流體，設置於該封閉腔體中。
2. 如請求項1所述的熱傳導裝置，其中該導熱單元是由兩個金屬板體組合而成，該毛細結構設置於該兩個金屬板體相對的表面上。
3. 如請求項2所述的熱傳導裝置，其中該間隔件設置於該兩個金屬板體之間。
4. 如請求項1所述的熱傳導裝置，其中該些導熱元件覆蓋在該毛細結構的表面覆蓋率介於0.05%與75%之間。
5. 如請求項1所述的熱傳導裝置，其中該導熱元件的材料包括石墨烯或奈米碳管、或其組合。
6. 如請求項1所述的熱傳導裝置，其中當該導熱元件的材料為奈米碳管時，該奈米碳管的軸向垂直或平行於該毛細結構的表面。
7. 如請求項1所述的熱傳導裝置，其中當該導熱元件的材料包括奈米碳管與石墨烯微片時，該奈米碳管的軸向垂直或平行於該石墨烯微片的平面方向。
8. 一種電子裝置，包括：一熱源；以及一如請求項1至請求項7其中任一項所述的熱傳導裝置，該熱傳導裝置的一端接觸該熱源。

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