TW201721346A - 散熱量預估方法 - Google Patents

Abstract

一種散熱量預估方法包含：提供輸入熱量至散熱單元之散熱鰭片。根據輸入熱量取得散熱鰭片之平均溫度。根據平均溫度取得輸出熱量。判斷輸入熱量與輸出熱量是否相等，當輸入熱量與輸出熱量不同時，根據輸出熱量更新輸入熱量並重複上述步驟直到輸入熱量與輸出熱量相等。當輸入熱量與輸出熱量相等時，根據輸入熱量與比例值取得散熱單元之總散熱量。

Description

散熱量預估方法

本揭示內容是有關於一種散熱量預估方法，且特別是有關於一種散熱單元的散熱量預估方法。

隨著資訊科技的發展，各式各樣的電子產品已成為人們不可或缺的物品，例如電腦、手機、平板電腦等。電子產品中常因密集度高的邏輯電路或記憶體而有散熱模組的設置，其中散熱模組可分為風扇型、無風扇型。由於在一些特殊的使用環境下必須使用高可靠度以及無風扇型的散熱模組，例如:工廠、廚房、醫院及無塵室等，在此情況下則必須評估在有限的外觀尺寸限制下，散熱模組需要多少散熱面積才能滿足系統的散熱需求，以及如何將散熱模組的設計最佳化。

目前散熱模組的設計過程中，一般使用模擬軟體先建構出散熱模組的3D結構，進而對此散熱模組的3D結構進行散熱模擬，然而此種方式僅能反覆的嘗試及修改散熱模組的3D結構來預估散熱模組的總散熱量，然而使用3D結構反覆的模擬往往耗費許多的時間，且耗費許多的人力。

本揭示內容之一態樣是在提供一種散熱量預估方法包含：提供輸入熱量至散熱單元之散熱鰭片。根據輸入熱量取得散熱鰭片之平均溫度。根據平均溫度取得輸出熱量。判斷輸入熱量與輸出熱量是否相等，當輸入熱量與輸出熱量不同時，根據輸出熱量更新輸入熱量並重複上述步驟直到輸入熱量與輸出熱量相等。當輸入熱量與輸出熱量相等時，根據輸入熱量與比例值取得散熱單元之總散熱量。

綜上所述，散熱量預估方法透過判斷流經散熱鰭片之輸入熱量與輸出熱量是否相等來取得散熱單元之總散熱量。藉此，不僅可以快速對散熱單元進行整體散熱能力的評估，亦可以減少使用模擬軟體的反覆嘗試及修改，因而減少了時間、人力的消耗。

以下揭示提供許多不同實施例或例證用以實施本發明的不同特徵。特殊例證中的元件及配置在以下討論中被用來簡化本揭示。所討論的任何例證只用來作解說的用途，並不會以任何方式限制本發明或其例證之範圍和意義。此外，本揭示在不同例證中可能重複引用數字符號且/或字母，這些重複皆為了簡化及闡述，其本身並未指定以下討論中不同實施例且/或配置之間的關係。

在全篇說明書與申請專利範圍所使用之用詞（terms），除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露之內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本揭露之用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本揭露之描述上額外的引導。

關於本文中所使用之『耦接』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，而『耦接』或『連接』還可指二或多個元件元件相互操作或動作。在本文中，使用第一、第二與第三等等之詞彙，是用於描述各種元件、組件、區域、層與/或區塊是可以被理解的。但是這些元件、組件、區域、層與/或區塊不應該被這些術語所限制。這些詞彙只限於用來辨別單一元件、組件、區域、層與/或區塊。因此，在下文中的一第一元件、組件、區域、層與/或區塊也可被稱為第二元件、組件、區域、層與/或區塊，而不脫離本發明的本意。如本文所用，詞彙『與/或』包含了列出的關聯項目中的一個或多個的任何組合。

請一併參閱第1A圖及第1B圖，第1A圖繪示根據本揭示內容之一實施例中一種散熱量預估方法100之示意圖。第1B圖繪示根據本揭示內容之一實施例中一種電子裝置100a之示意圖。散熱量預估方法100適用於電子裝置100a中的散熱單元110。如第1B圖所示，電子裝置100a包含散熱單元110、運算單元120以及基板130。電子裝置100a可以例如是桌上型電腦、筆記型電腦、手機、平板電腦或任何包含散熱單元的電子裝置，本揭示並不以此為限。需注意的是，第1B圖所繪示的電子裝置100a在實際應用中可能更包含儲存單元、電池、機殼等元件，在此為了方便說明僅繪示散熱單元110、運算單元120以及基板130。

運算單元120可以例如是中央處理器(Central Processing Unit, CPU)、算術邏輯器(Arithmetic Logic Unit, ALU)或是任何具有邏輯運算功能的邏輯電路，本揭示並不以此為限。

如第1B圖所示，運算單元120設置於基板130上，基板130可以例如是印刷電路板(Printed circuit board , PCB)、玻璃基板或是任何材質的基板，而基板130在實際應用中可能具有多個運算單元120，本揭示並不以此為限。另請一併參閱第1C圖，第1C圖繪示第1B圖中散熱單元110之示意圖。在此實施例中，散熱單元110包含多個散熱鰭片111~115，實際應用中散熱單元110可以僅包含一個散熱鰭片、或不包含散熱鰭片，本揭示並不以此為限。

散熱單元110的形狀可以為方型、矩形、圓形或任意形狀，而散熱單元110的材質可以包含鐵、鋁、銅或任意熱的良導體。此外，第1B圖中的散熱單元110僅為了方便說明本揭示之散熱量預估方法100而繪示，實際上散熱鰭片111~115的形狀或數目亦不限制於第1B圖中所繪示的情況。由於運算單元120(例如CPU)在運算中產生大量的熱量須透過散熱單元110排除，以避免運算單元120有過熱的可能而造成電子裝置100a有誤動作或當機的可能，因此，在此實施例中，散熱單元110設置緊鄰於運算單元120，如第1B圖所示，然而在其他實施例中可視散熱的需求而調整散熱單元110的位置，本揭示並不以此為限。

請繼續參閱第1A圖，散熱量預估方法100首先執行步驟S110：提供輸入熱量Q_{fin, in} 至散熱單元110之散熱鰭片111。進一步來說，散熱單元110可能整體體積較大，因此本實施例中的散熱量預估方法100在步驟S110中僅將輸入熱量Q_{fin, in} 提供至散熱單元110之其中一散熱鰭片111，而在後續的步驟S150可再經由比例值K推算散熱單元110之總散熱量Q_tot ，關於此部分可見後續的詳細描述。在其他實施例中，步驟S110中可以將輸入熱量Q_{fin, in} 提供至散熱單元110之其他任一散熱鰭片112~115或同時將輸入熱量Q_{fin, in} 提供至散熱單元110中多個散熱鰭片(例如同時提供輸入熱量Q_{fin, in} 至散熱鰭片112、113，或同時提供輸入熱量Q_{fin, in} 至散熱鰭片112、114、115，又或同時提供輸入熱量Q_{fin, in} 至散熱鰭片111~115等)，本揭示並不以此為限。

散熱量預估方法100接著執行步驟S120：根據輸入熱量Q_{fin, in} 取得散熱鰭片111之平均溫度T_{fin, avg} 。進一步來說，步驟S120根據輸入熱量Q_{fin, in} 、散熱鰭片111之傳導熱阻R_cond 、散熱鰭片111之擴散熱阻R_sp 以及散熱鰭片111之最大溫度T_max 取得平均溫度T_{fin, avg} 。在此請一併參閱第2圖，第2圖繪示第1B圖中散熱單元110之散熱等效電路200的示意圖。散熱等效電路200包含傳導熱阻R_cond 、擴散熱阻R_sp 、對流熱阻R_cond 、輻射熱阻R_rad 以及基板熱阻R_base 。可以注意到，不同於一般電路遵守歐姆定律，散熱等效電路200遵守熱力學定理，分別以公式(1)、公式(2) 表示如下： V=I×R……公式(1)； T=Q×R……公式(2)； 其中公式(1)中的V為電壓，I為電流，R為電阻。而公式(2)中的T為溫度，Q為熱量，R為熱阻。因此散熱等效電路200中的節點A與節點B之間熱量與溫度的關係式可以公式(3) 表示如下： T_{fin, avg} =T_max -(R_cond +R_sp )×Q_{fin, in} ……公式(3)； 其中T_{fin, avg} 為平均溫度亦即節點B之溫度，T_max 為最大溫度亦即節點A之溫度，R_cond 為傳導熱阻，R_sp 為擴散熱阻，Q_{fin, in} 為輸入熱量。其中傳導熱阻R_cond 以及擴散熱阻R_sp 受到不同材質的散熱單元110以及不同材質的運算單元120影響。上述公式(3)即為步驟S120根據輸入熱量Q_{fin, in} 、散熱鰭片111之傳導熱阻R_cond 、散熱鰭片111之擴散熱阻R_sp 以及散熱鰭片111之最大溫度T_max 取得平均溫度T_{fin, avg} 之公式。

散熱量預估方法100接著執行步驟S130：根據平均溫度T_{fin, avg} 取得輸出熱量Q_{fin, out} 。進一步來說，步驟S130根據散熱鰭片111之對流散熱量Q_{fin, conv} 、散熱鰭片111之輻射散熱量Q_{fin, rad} 、散熱鰭片111之基板散熱量Q_{fin, base} 取得輸出熱量Q_{fin, out} 。因此如第2圖所示，節點B以及節點C之間之熱量關係式可以公式(4)表示如下： Q_{fin, out} =Q_{fin, conv} +Q_{fin, rad} +Q_{fin, base} ……公式(4)； 其中Q_{fin, out} 為輸出熱量，Q_{fin, conv} 為對流散熱量，Q_{fin, rad} 為輻射散熱量，Q_{fin, base} 為基板散熱量。上述公式(4)即為步驟S130根據散熱鰭片111之對流散熱量Q_{fin, conv} 、散熱鰭片111之輻射散熱量Q_{fin, rad} 、散熱鰭片111之基板散熱量Q_{fin, base} 取得輸出熱量Q_{fin, out} 之公式。如第1B圖所示，散熱單元110可以將接收到的輸入熱量Q_{fin, in} 經由對流方式(對流散熱量Q_{fin, conv} )、輻射方式(輻射散熱量Q_{fin, rad} )或是流往基板(基板散熱量Q_{fin, base} )來排出。

此外，上述的對流散熱量Q_{fin, conv} 可以根據散熱鰭片111之表面積A、平均溫度T_{fin, avg} 以及環境溫度T_a 取得。因此如第2圖所示，流經對流熱阻R_conv 之熱量關係式可以公式(5)表示如下：Q_{fin, conv} =h×A×(T_{fin, avg} -T_a ) ……公式(5)； 其中Q_{fin, conv} 為對流散熱量，h為對流散熱係數，A為散熱鰭片之表面積，T_{fin, avg} 為平均溫度亦即節點B之溫度，T_a 為環境溫度亦即節點C之溫度。上述公式(5)即為根據散熱鰭片111之表面積A、平均溫度T_{fin, avg} 以及環境溫度T_a 取得散熱鰭片111之對流散熱量Q_{fin, conv} 之公式。另一方面，上述的輻射散熱量Q_{fin, rad} 可以根據散熱鰭片111之表面積A、平均溫度T_{fin, avg} 以及環境溫度T_a 取得。因此如第2圖所示，流經輻射熱阻R_rad 之熱量關係式可以公式(6)表示如下： Q_{fin, rad} =ε×A×(T_{fin, avg} -T_a ) ……公式(6)； 其中Q_{fin, rad} 為輻射散熱量，ε為輻射散熱係數，A為散熱鰭片之表面積，T_{fin, avg} 為平均溫度亦即節點B之溫度，T_a 為環境溫度亦即節點C之溫度。上述公式(6)即為根據散熱鰭片111之表面積A、平均溫度T_{fin, avg} 以及環境溫度T_a 取得散熱鰭片111之輻射散熱量Q_{fin, rad} 之公式。可以注意到，對流散熱量Q_{fin, conv} 以及輻射散熱量Q_{fin, rad} 皆正比於散熱鰭片111之表面積A，也就是說散熱鰭片111之表面積A越大，對流散熱量Q_{fin, conv} 以及輻射散熱量Q_{fin, rad} 也隨之增加。

散熱量預估方法100接著執行步驟S140：判斷輸入熱量Q_{fin, in} 與輸出熱量Q_{fin, out} 是否相等，當輸入熱量Q_{fin, in} 與輸出熱量Q_{fin, out} 不同時，根據輸出熱量Q_{fin, out} 更新輸入熱量Q_{fin, in} 並重複上述步驟S110~S130直到輸入熱量Q_{fin, in} 與輸出熱量Q_{fin, out} 相等。進一步來說，上述步驟S140根據輸出熱量Q_{fin, out} 更新輸入熱量Q_{fin, in} 可以例如是當輸入熱量Q_{fin, in} 較輸出熱量Q_{fin, out} 低時，代表不符合能量守恆定律，則提高輸入熱量Q_{fin, in} 並重複上述步驟S110~S130直到輸入熱量Q_{fin, in} 與輸出熱量Q_{fin, out} 相等。以及當輸入熱量Q_{fin, in} 較輸出熱量Q_{fin, out} 高時，代表不符合能量守恆定律，則降低輸入熱量Q_{fin, in} 並重複上述步驟S110~S130直到輸入熱量Q_{fin, in} 與輸出熱量Q_{fin, out} 相等。

散熱量預估方法100接著，執行步驟S150：當輸入熱量Q_{fin, in} 與輸出熱量Q_{fin, out} 相等時，根據輸入熱量Q_{fin, in} 與比例值K取得散熱單元110之總散熱量Q_tot 。進一步來說，在此實施例中，比例值K可以是散熱鰭片111占整體散熱單元110的比例0.2(5分之1)，又或是在一些實施例中步驟S110同時提供輸入熱量Q_{fin, in} 至散熱鰭片112、114、115，則比例值K可以是散熱鰭片112、114、115占整體散熱單元110的比例0.6(5分之3)。然而實際應用中，比例值K可以是任意數值，本揭示並不以此為限。因此透過上述，散熱量預估方法藉由判斷流經散熱鰭片之輸入熱量與輸出熱量是否相等來取得散熱單元之總散熱量。藉此，不僅可以快速對散熱單元進行整體散熱能力的評估，亦可以減少使用模擬軟體的反覆嘗試及修改，因而減少了時間、人力的消耗。

綜上所述，本揭示文件提供一種散熱量預估方法，且特別是有關於一種散熱單元的散熱量預估方法。散熱量預估方法透過判斷流經散熱鰭片之輸入熱量與輸出熱量是否相等來取得散熱單元之總散熱量。藉此，不僅可以快速對散熱單元進行整體散熱能力的評估，亦可以減少使用模擬軟體的反覆嘗試及修改，因而減少了時間、人力的消耗。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧散熱量預估方法
100a‧‧‧電子裝置
110‧‧‧散熱單元
111~115‧‧‧散熱鰭片
120‧‧‧運算單元
130‧‧‧基板
200‧‧‧散熱等效電路
Q_fin,in‧‧‧輸入熱量
Q_fin,base‧‧‧基板散熱量
Q_fin,conv‧‧‧對流散熱量
Q_fin,rad‧‧‧輻射散射量
Q_fin,out‧‧‧輸出熱量
R_cond‧‧‧傳導熱阻
R_sp‧‧‧擴散熱阻
R_conv‧‧‧對流熱阻
R_rad‧‧‧輻射熱阻
R_base‧‧‧基板熱阻
A,B,C‧‧‧節點
S110~S150‧‧‧步驟

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下。然而，應瞭解到，為符合在產業中實務利用的情況，許多的特徵並未符合比例繪示。實際上，為了闡述以下的討論，許多特徵的尺寸可能被任意地增加或縮減。 第1A圖繪示根據本揭示內容之一實施例中一種散熱量預估方法之示意圖； 第1B圖繪示根據本揭示內容之一實施例中一種電子裝置之示意圖； 第1C圖繪示第1B圖中散熱單元之示意圖；以及 第2圖繪示第1B圖中散熱單元之散熱等效電路的示意圖。

100‧‧‧散熱量預估方法

S110~S150‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種散熱量預估方法，包含： 提供一輸入熱量至一散熱單元之一散熱鰭片； 根據該輸入熱量取得該散熱鰭片之一平均溫度； 根據該平均溫度取得一輸出熱量； 判斷該輸入熱量與該輸出熱量是否相等； 當該輸入熱量與該輸出熱量不同時，根據該輸出熱量更新該輸入熱量並重複上述步驟直到該輸入熱量與該輸出熱量相等；以及 當該輸入熱量與該輸出熱量相等時，根據該輸入熱量與一比例值取得該散熱單元之總散熱量。
2. 如請求項1所述的散熱量預估方法，更包含： 當該輸入熱量較該輸出熱量低時，提高該輸入熱量；以及 當該輸入熱量較該輸出熱量高時，降低該輸入熱量。
3. 如請求項1所述的散熱量預估方法，更包含： 根據該輸入熱量、該散熱鰭片之一傳導熱阻、該散熱鰭片之一擴散熱阻以及該散熱鰭片之一最大溫度取得該平均溫度。
4. 如請求項3所述的散熱量預估方法，其中根據該輸入熱量、該散熱鰭片之該傳導熱阻、該散熱鰭片之該擴散熱阻以及該散熱鰭片之該最大溫度取得該平均溫度之公式為： T_{fin, avg} =T_max -(R_cond +R_sp )×Q_{fin, in} 其中T_{fin, avg} 為該平均溫度，T_max 為該最大溫度，R_cond 為該傳導熱阻，R_sp 為該擴散熱阻，Q_{fin, in} 為該輸入熱量。
5. 如請求項1所述的散熱量預估方法，更包含： 根據該散熱鰭片之一對流散熱量、該散熱鰭片之一輻射散熱量以及該散熱鰭片之一基板散熱量取得該輸出熱量。
6. 如請求項5所述的散熱量預估方法，其中根據該散熱鰭片之該對流散熱量、該散熱鰭片之該輻射散熱量以及該散熱鰭片之該基板散熱量取得該輸出熱量之公式為： Q_{fin, out} =Q_{fin, conv} +Q_{fin, rad} +Q_{fin, base} 其中Q_{fin, out} 為該輸出熱量，Q_{fin, conv} 為該對流散熱量，Q_{fin, rad} 為該輻射散熱量，Q_{fin, base} 為該基板散熱量。
7. 如請求項5所述的散熱量預估方法，更包含： 根據該散熱鰭片之該表面積、該平均溫度以及該環境溫度取得該散熱鰭片之該對流散熱量。
8. 如請求項7所述的散熱量預估方法，其中根據該散熱鰭片之該表面積、該平均溫度以及該環境溫度取得該散熱鰭片之該對流散熱量之公式為： Q_{fin, conv} =h×A×(T_{fin, avg} -T_a ) 其中Q_{fin, conv} 為該對流散熱量，h為一對流散熱係數，A為該散熱鰭片之該表面積，T_{fin, avg} 為該平均溫度，T_a 為該環境溫度。
9. 如請求項5所述的散熱量預估方法，更包含： 根據該散熱鰭片之該表面積、該平均溫度以及該環境溫度取得該散熱鰭片之該輻射散熱量。
10. 如請求項9所述的散熱量預估方法，其中根據該散熱鰭片之該表面積、該平均溫度以及該環境溫度取得該散熱鰭片之該輻射散熱量之公式為： Q_{fin, rad} =ε×A×(T_{fin, avg} -T_a ) 其中Q_{fin, rad} 為該輻射散熱量，ε為一輻射散熱係數，A為該散熱鰭片之該表面積，T_{fin, avg} 為該平均溫度，T_a 為該環境溫度。