TWI826088B

TWI826088B - 電子裝置的散熱系統

Info

Publication number: TWI826088B
Application number: TW111141517A
Authority: TW
Inventors: 郭書豪; 林光華; 廖文能; 謝錚玟; 陳宗廷; 陳偉今; 王俊傑
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2022-11-01
Filing date: 2022-11-01
Publication date: 2023-12-11
Also published as: TW202420923A

Abstract

提供一種電子裝置的散熱系統，包括熱傳元件以及散熱模組。熱傳元件配置為與一發熱元件熱接觸。散熱模組包括殼體、液體管道、以及散熱鳍片。殼體與熱傳元件連接，且在兩者之間形成容納空間。入口及出口形成於殼體的側壁上並與容納空間連通。液體管道具有相對的第一端及第二端，第一端與入口連接，第二端與出口連接。散熱鳍片與液體管道熱接觸。一液體填充於容納空間及液體管道中，當從熱傳元件吸熱後，容納空間中之部分液體沸騰變為氣泡，且氣泡通過出口流入液體管道並將熱傳遞到散熱鰭片上，然後放熱變回液體，再通過入口流回到容納空間。

Description

電子裝置的散熱系統

本發明是關於一種散熱系統，特別是關於一種電子裝置的散熱系統，包括薄型化的二相流(two phase flow)散熱模組。

目前在筆記型電腦等電子裝置中採用的散熱模組主要包括熱管、散熱鰭片、以及風扇等部件。其中，當筆記型電腦運作時，其機殼內的發熱元件(例如中央處理器)會產生熱量，此時，熱管可將熱量自發熱元件傳導至散熱鰭片，然後經由風扇之運轉，將空氣通過機殼上的入風口吸入機殼中，接著產生空氣氣流吹向散熱鰭片並發生熱交換，最後再從機殼上的出風口排出至機殼外部，以排除廢熱。

上述利用空氣風流散熱之單相流(one phase flow)散熱模組儘管通常已足夠符合其預期目的，但仍不能在各方面都令人滿意。舉例來說，隨著電子裝置(例如筆記型電腦或平板電腦)的設計趨勢逐漸朝向輕薄化，在其內部空間有限的情況下，散熱風扇也被要求以薄型化為目標，從而導致薄型化的風扇所產生的散熱風流也隨之減弱，而影響其散熱效率。

已知，水冷(water-cooled)系統是一種能有效且快速散熱電子裝置的設計，其中，由於水的比熱較空氣的比熱大，故其吸熱或散熱能力也更強。然而，現有的水冷系統大多由水泵、水管、水冷頭、水冷排、以及水箱等多個部件構成，整體體積相當龐大，因此市面上還是以桌上型電腦為主要應用。少數設計用於筆記型電腦等輕薄型電子裝置的產品，也需額外連接一龐大的底座來容納水冷系統。

有鑑於上述習知問題點，本發明之一目的為提供一種電子裝置的散熱系統，包括薄型化的二相流(two phase flow)散熱模組，能夠利用水冷系統迅速吸熱/散熱的特性來提高散熱效率，同時可適用於薄型化電子裝置(例如筆記型電腦或平板電腦等)。

根據上述本發明之目的，提供一種電子裝置的散熱系統，包括一熱傳元件以及一第一散熱模組。熱傳元件配置為與一發熱元件熱接觸。第一散熱模組包括一殼體、一液體管道、以及一第一散熱鰭片。殼體與熱傳元件連接，且在殼體與熱傳元件之間形成一容納空間，其中，一入口及一出口形成於殼體的側壁上並與容納空間連通。液體管道具有相對的一第一端及一第二端，其中，第一端與入口連接，第二端與出口連接。散熱鰭片與液體管道熱接觸。其中，一液體填充於容納空間及液體管道中，當從熱傳元件吸熱後，容納空間中之液體的部分沸騰變為氣泡，且氣泡通過出口流入液體管道並將熱傳遞到第一散熱鰭片上，然後放熱變回液體，再通過入口流回到容納空間。

於一實施例中，所述液體為低沸點液體或相變化液體。

於一實施例中，殼體之一側是開放的且鄰接於熱傳元件，其中第一散熱模組更包括一接合材料，形成於殼體與熱傳元件之間的界面處，用於連接殼體與熱傳元件並密封所述容納空間。

於一實施例中，殼體是透明的。

於一實施例中，殼體更具有從側壁延伸的複數個鎖固結構，且第一散熱模組更包括複數個鎖固件，配置用於穿過所述鎖固結構及熱傳元件，以將殼體固定於熱傳元件上。

於一實施例中，所述鎖固件進一步穿過發熱元件，以將熱傳元件固定於發熱元件上方。

於一實施例中，液體管道為金屬管。

於一實施例中，液體管道之寬度在遠離出口之方向上是漸增的，且液體管道之寬度在遠離入口之方向上是漸減的。

於一實施例中，熱傳元件係均熱板或金屬塊。

於一實施例中，所述電子裝置的散熱系統更包括一第二散熱模組。第二散熱模組包括一熱管、至少一第二散熱鰭片、以及一風扇，其中，熱管與熱傳元件熱接觸，所述至少一第二散熱鰭片與熱管熱接觸，風扇鄰近於所述至少一第二散熱鰭片，用於產生吹向所述至少一第二散熱鰭片的散熱風流。

基於上述，本發明的電子裝置的散熱系統，通過二相流散熱模組(即，第一散熱模組)，可使電子裝置中的發熱元件迅速降溫，從而改善效能。

為使本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。

10:電子裝置

100:發熱元件

200:熱傳元件

201:上表面

300,300a,300b:第一散熱模組

301a,301b,301c:熱管

302a,302b,302c,302d:散熱鰭片

303a,303b:風扇

400:第二散熱模組

401:殼體

402:液體管道

403:散熱鰭片

4011:頂壁

4012:側壁

4013:鎖固結構

4014:入口

4015:出口

S:容納空間

T:鎖固件

W:寬度

第1圖是根據本發明一實施例之電子裝置的散熱系統的示意圖，示出了散熱系統設置於電子裝置的發熱元件之上。

第2圖是第1圖中之散熱系統的立體圖。

第3圖是第2圖中之散熱系統的局部爆炸圖。

第4圖是散熱系統中之二相流散熱模組的工作原理示意圖。

第5圖顯示根據本發明一實施例之液體管道具有均勻寬度的示意圖。

第6圖顯示根據本發明一實施例之液體管道於靠近殼體的入口及出口處的部分具有變化寬度的示意圖。

以下說明本發明之較佳實施例。此說明之目的在於提供本發明的總體概念而並非用以侷限本發明的範圍。本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

在以下說明中，所稱的方位“上”、“下”或其他類似的空間相關用語，僅是參考所附圖式中的方向。因此，使用的空間相關用語僅是用來說明，並非用來限制本發明。

在下文中可能使用”第一”、”第二”等等以表示不同的元件、組件或部分，這些元件、組件或部分並不被這些詞彙所限定，這些詞彙僅係用以區別此元件、組件或部分。因此，下述之第一元件、組件或部分亦可以換作是第二元件、組件或部分，而不脫離本發明之教示。當述及一第一元件位於一第二元件上時，可能包括第一元件與第二元件直接接觸或間隔有一或更多其他元件之情形。

另外，以下揭露書不同範例可能重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定所討論的不同實施例及/或結構之間有特定的關係。為了簡單和清楚起見，各種特徵可能以不同比例任意繪製。再者，在實施例中未繪示或描述之元件為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式。

第1圖是根據本發明一實施例之電子裝置的散熱系統的示意圖。請參照第1圖，本實施例的電子裝置10包括一發熱元件100、一熱傳元件200、至少一第一散熱模組300(例如，兩個第一散熱模組300a和300b)、以及一第二散熱模組400。在不同實施例中，一些額外的部件或特徵也可添加至電子裝置10中，及/或下面所描述的一些特徵可以在其他實施例中被替換或變更。電子裝置10例如為筆記型電腦或平板電腦等薄型化電子裝置，但本發明並不以此為限。為了簡單和清楚起見，電子裝置10的機殼、鍵盤、螢幕等或其他與本發明技術較無關的內部構件並未顯示於圖中。

在本實施例中，發熱元件100為一主機板，其上安裝有例如中央處理器等在運作時易發熱的電子元件(未顯示)，因此需要通過如下所述之散熱系統來協助排除發熱元件100上的熱量，以免影響其效能。

熱傳元件200設置於發熱元件100之一側(例如，上方)並與其熱接觸，通過熱傳導之方式，發熱元件100上的熱量傳遞到熱傳元件200上。如第1圖所示，通過例如數個鎖固件T(例如，螺絲等鎖合元件)同時穿過熱傳元件200及發熱元件100上的螺孔，熱傳元件200被固定於發熱元件100上方。儘管未顯示，在熱傳元件200與發熱元件100(例如，其上方之易發熱的電子元件)之間的界面處還可塗布一導熱膏以協助導熱。在本實施例中，熱傳元件200為一均熱板(Vapor chamber)或金屬塊(例如銅塊)，可使熱量均勻散布在整個熱傳元件200上，但本發明並不以此為限，也可採用其他合適的熱傳元件。

各第一散熱模組300包括至少一熱管、至少一散熱鰭片(有時也稱為散熱鰭片陣列)、以及一風扇，並且與熱傳元件200及/或發熱元件100熱耦接。舉例來說，在第1圖之實施例中，存在兩個第一散熱模組300(300a和300b)，其中第一散熱模組300a包括與熱傳元件200熱接觸的一熱管301a、與熱管301a熱接觸的兩個散熱鰭片302a、302b(彼此間隔開，且大致於兩正交方向(例如，圖中之X及Y方向)上延伸)、以及鄰近兩個散熱鰭片302a、302b設置的一風扇303a，而第一散熱模組300b包括與熱傳元件200和發熱元件100分別熱接觸的兩個熱管301b、301c、與兩個熱管301b、301c分別熱接觸的兩個散熱鰭片302c、302d(彼此間隔開，且大致於兩正交方向(例如圖中之X及Y方向)上延伸)、以及鄰近兩個散熱鰭片302c、302d設置的一風扇303b。風扇303a及303b之每一者例如為一離心型風扇，可產生側向吹送的空氣風流。

藉由上述配置，熱傳元件200及/或發熱元件100上的熱量通過熱管(301a-303c)傳導到散熱鰭片(302a-302d)上，並且風扇(303a-303b)可產生空氣風流吹向散熱鰭片(302a-302d)(如圖中的實心箭頭所示)並發生熱交換，最後再從電子裝置機殼(未顯示)上的出風口排出至機殼外部，以排除廢熱。第一散熱模組300的具體結構及運作機制均為本領域中具有通常知識者所熟知的，故在此不多作贅述。須瞭解的是，提供上述第一散熱模組300(300a和300b)的配置僅僅是出於說明之目的，並無意圖也不應被解讀為限制本發明，一旦由本揭露所提示，許多替代方案和修改對於本領域技術人員來說都是顯而易見的。例如，在其他實施例中，也可僅有第一散熱模組300a及300b之其中一者。

如前所述，單相流(one phase flow)散熱模組(例如，第一散熱模組300)儘管通常已足夠符合其預期目的，但為了應用於薄型化電子裝置中，其風扇也需要薄型化(即，圖中Z方向上之厚度減小)，從而導致由風扇產生的散熱風流也隨之減弱，而影響其散熱效率。因此，本實施例中之散熱系統還包括第二散熱模組400，其可與上述散熱系統相結合，在不影響原先第一散熱模組300之散熱效能的情況下，提供另一個附加的熱交換(散熱)途徑，以提高散熱效率。

在本實施例中，第二散熱模組400為一薄型化的二相流(two phase flow)散熱模組，能夠利用水冷系統迅速吸熱/散熱的特性來提高散熱效率，同時可適用於薄型化電子裝置。以下說明搭配參照第2至4圖來介紹第二散熱模組400的設計及其工作原理，其中，第2圖及第3圖分別是第1圖中之散熱系統的立體圖及局部爆炸圖，第4圖則是散熱系統中之第二散熱模組400(二相流散熱模組)的工作原理示意圖。在第1圖中已經描述之散熱系統之部分(即，熱傳元件200及第一散熱模組300)的特徵，在此將不重複贅述。如第2至4圖所示，第二散熱模組400包括一殼體401、一液體管道402、以及一散熱鰭片403(有時也稱為散熱鰭片陣列)。

殼體401設置於熱傳元件200上並與其連接。在本實施例中，殼體401是一空心的殼體，且其底側(例如，圖中之下側)是開放的，當設置於熱傳元件200上時，殼體401的底側與熱傳元件200的上表面201鄰接，進而在殼體401與熱傳元件200之間形成一容納空間S。更具體來說，容納空間S是被熱傳元件 200的上表面201、殼體401的頂壁4011、以及殼體401的側壁4012包圍所形成的，如第4圖所示。

在本實施例中，一接合材料(為了簡單起見，未單獨繪出)可被提供或形成在殼體401與熱傳元件200之間的界面處(例如，在殼體401的側壁4012的底緣與相鄰之熱傳元件200的上表面201之間)，用於連接殼體401與熱傳元件200並密封容納空間S。所述接合材料可以是導熱膏、焊接材料或其他可選用的黏合材料。另外，殼體401還具有從側壁4012橫向延伸的多個鎖固結構4013，其上形成有螺孔(如第3圖所示)，通過例如數個鎖固件T(例如，螺絲等鎖合元件)同時穿過鎖固結構4013及熱傳元件200上的螺孔，可將殼體401緊密地固定在熱傳元件200上。在本實施例中，由於係直接利用將熱傳元件200鎖合於發熱元件100上的部分螺絲及螺孔來鎖合殼體401(如第2至4圖所示)，因此提高了共用性。

須瞭解的是，在第2至4圖中所示之殼體401的形狀僅僅是配合熱傳元件200上未被第一散熱模組300占用的空間而設計的，因此本發明並不以此為限，也可以使用其他合適的形狀。此外，為符合薄型化之目標，殼體401的厚度(例如，從殼體401的頂壁4011之頂部至側壁4012之底緣的距離，沿圖中之Z方向)可以與第一散熱模組300之熱管的厚度接近，但本發明也並不以此為限，可依據實際需要做調整。

在本實施例中，殼體401可由塑膠、玻璃或壓克力等透明材料製成，以便於從外部直接肉眼觀察到容納空間S中的二相流流動(即，熱交換)情況(後面將進一步說明)。然而，殼體401也可能是非透明的，及/或由其他可選用的材料製成。

在本實施例中，在殼體401的側壁4012上還具有一入口4014及一出口4015，分別與容納空間S連通，如第4圖所示。液體管道402是一空心的管道，且其兩端是開放的，其中一端與入口4014連接，另一端與出口4015連接。因此，容納空間S與液體管道402的內部通道形成一封閉的流體迴路。儘管未單獨繪出，一絕緣的液體可被填充(填滿)於整個容納空間S與整個液體管道402中，所述液體例如為一低沸點液體或相變化液體(例如，3M公司所提出用於兩相浸沒式冷卻技術的Novec電子工程液)，其在吸熱時可沸騰變為氣體，且在放熱後再凝結變回液體(即，二相式熱交換現象)。在本實施例中，液體管道402為具有高熱導率的一金屬管(例如，銅管)。散熱鰭片403與液體管道402熱接觸，例如通過導熱膏或是直接接觸。

藉由上述第二散熱模組400之配置，容納空間S中之部分液體(低沸點液體)可從熱傳元件200吸熱，且在吸熱後沸騰變為氣泡(體)，隨著氣泡數量逐漸增加，所產生的壓力可將氣泡推擠通過殼體401的出口4015並流入液體管道402(第4圖中以粗線箭頭表示氣泡的流動方向)。之後，液體管道402中的氣泡與散熱鰭片403發生熱交換(即，將熱傳遞到散熱鰭片403上)，然後放熱/凝結變回液體，再通過殼體401的入口4014流回到容納空間S(第4圖中以細線箭頭表示凝結液體的流動方向)。在本實施例中，散熱鰭片403的熱量可隨著時間逐漸逸散至空氣中。在其他實施例中，可在散熱鰭片403附近進一步增設一風扇，通過風扇產生強制對流來使散熱鰭片403的熱量迅速傳遞至空氣中。

因此，上述第二散熱模組400可提供另一個附加的熱交換(散熱)途徑，並且二相式熱交換比單相式熱交換的吸熱/散熱能力更佳(因水的比熱大於空氣的比熱)，進而可大大提高整體散熱系統的散熱效率。

應可理解的是，雖然上述實施例中係利用二相流散熱模組(第二散熱模組400)來輔助改善原有單相流散熱模組(第一散熱模組300)散熱效率不佳的問題，但在其他實施例中，散熱系統也可以省略單相流散熱模組，並僅包括二相流散熱模組。

還可以對本發明之二相流散熱模組實施例進行許多變化及/或修改。舉例來說，在第5圖所示的實施例中，整體液體管道402可具有均勻的寬度W。而在第6圖所示的實施例中，液體管道402於靠近殼體401的入口4014及出口4015處的部分可具有變化(不同)的寬度，更具體來說，液體管道402之靠近出口4015處的部分之寬度在遠離出口4015之方向D1上是漸增的，而液體管道402之靠近入口4014處的部分之寬度在遠離入口4014之方向上是漸減的，如此的結構設計更可促進二相流散熱模組中流體(液體和氣泡)之流動，從而提高熱交換/散熱效率。

綜上所述，本發明提供一種包括二相流散熱模組之電子裝置散熱系統，所述二相流散熱模組可與原有的單相流散熱模組結合而提供另一個附加的熱交換(散熱)途徑，或者可作為散熱系統的主要散熱途徑，由於二相流散熱模組的吸熱/散熱能力較現有的單相流散熱模組為佳(因具有水冷系統迅速吸熱/散熱的特性)，因此可大幅改善散熱系統的散熱效率，而提升效能。另外，二相流散熱模組也具有薄型化的優點，使其共用性提升，能夠適用於現今的薄型化電子裝置。

前述內文概述了許多實施例的特徵，使本技術領域中具有通常知識者可以從各個方面更佳地了解本揭露。本技術領域中具有通常知識者應可理解，且可輕易地以本揭露為基礎來設計或修飾其他製程及結構，並以此達到相同的目的及/或達到與在此介紹的實施例等相同之優點。本技術領域中具有通常知識者也應了解這些相等的結構並未背離本揭露的發明精神與範圍。在不背離本揭露的發明精神與範圍之前提下，可對本揭露進行各種改變、置換或修改。