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TWI855341B - 散熱單元之支撐結構 - Google Patents

散熱單元之支撐結構 Download PDF

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TWI855341B TW111123473A TW111123473A TWI855341B TW I855341 B TWI855341 B TW I855341B TW 111123473 A TW111123473 A TW 111123473A TW 111123473 A TW111123473 A TW 111123473A TW I855341 B TWI855341 B TW I855341B
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

本發明一種散熱單元之支撐結構，係適用在一散熱單元內，該散熱單元的兩側分別形成一冷凝側及一蒸發側係分別與該支撐結構的兩端相抵接，該支撐結構包括一載體部及一棘狀部所構成，該載體部具有一接觸面及一承載面，該棘狀部係由複數針柱陣列設置在該載體部的承載面，且該等針柱彼此之間具有間隙形成一通道，藉由具該棘狀部的設置之支撐結構，可令散熱單元內之汽液加速循環流動率進以大幅提升散熱效能者。

Description

散熱單元之支撐結構
本發明有關於一種散熱單元，尤指一種散熱單元之支撐結構。
隨著科技的日新月異，電子產品的功率與效能日益提升，連帶地在操作時也產生更多的熱量；倘若這些熱量未能及時散逸出去而累積於該電子產品內部的電子元件(如處理器或圖形處理器)上，將會導致該電子元件的溫度過高而影響其效能，甚至嚴重者將導致該電子元件的故障損壞。所以，業界一直不斷地研發各種散熱裝置以解決電子元件的問題，均溫板就是一種很常見的散熱裝置。
一般習知均溫板結構由一上板蓋合在一下板並共同界定一腔室，該腔室內填充有一工作液體(如純水)，且該腔室內設有一毛細結構及複數支撐柱，該等支撐柱的兩端分別抵接該腔室內的上、下板內側，並該上板與下板分別形成一冷凝區及一與發熱元件相接觸之蒸發區，透過該蒸發區內的工作液體受到該發熱元件的熱量而蒸發成蒸氣(即汽態工作流體)朝該冷凝區上流動，並該蒸氣在該冷凝區上冷凝後轉為液體(即液態工作流體)並經由該等支撐柱及重力回流到該蒸發區上，一直重複不斷汽液循環散熱。
然而，習知該等支撐柱係為一個實心銅柱，其僅具有支撐作用，無法提供毛細力作用，致使工作流體僅能靠重力方式由冷凝區再回流至蒸發區，其回流速度過慢，易使蒸發區生乾燒，造成熱傳效率不佳。
故業者便對該支撐柱進行改良，使其則支撐功效外另具有毛細力作用； 改良後該具毛細力之支撐柱大致可分為三種型態；其中一種支撐柱由粉末燒結成形的燒結支撐柱的設計，藉由燒結支撐柱上的毛細結構的毛細力將冷凝後的液體回流到該蒸發區。雖該燒結支撐住具有毛細力但卻又延伸一個問題，當工作流體在高溫120度下，蒸汽的蒸氣壓力為2kg/cm^2，且其壓力移動方向為不規則性，由於因每一燒結支撐柱的頂面及底面皆是不規則狀，使得每一燒結支撐柱與上、下板內側的結合力可抗的拉拔力為1kg/cm^2，導致每一燒結支撐柱無法抓持住上、下板往外膨脹鼓起，輕者會造成均溫板發生鼓包，嚴重者則導致該均溫板因變形造成支撐住產生崩裂失能的問題。
另一種支撐柱型態則為一實心銅柱體外圍再套上一個由粉末燒結而成的粉環結構的設計，透過該實心銅柱體上的該粉環結構的毛細力將冷凝後的液體回流到蒸發區，雖解決上述燒結支撐柱會造成均溫板發生鼓包的問題。但因每一支撐柱總體外徑寬度就是該粉環結構的外徑寬度，導致每一支撐柱總體體積過大而佔滿過多該腔室內的空間(嚴重影響腔室容積)，使該蒸汽流動的通道縮小，相對的該蒸汽可移動的範圍也變小(縮小)及流動阻力增大，進而造成汽液循環變差及散熱效率低的問題。
再一種支撐柱型態則為一實心銅柱體的外表面製作成複數溝槽的設計，藉由該實心銅體外表面上的該等溝槽所產生的毛細力將冷凝後的液體回流到蒸發區，此支撐柱結構雖能解決上述均溫板鼓包及腔室的蒸氣通道縮小的問題，但卻再延伸出另一問題，因所述實心銅柱體在實際製作時的總體外徑需要大於5公厘(mm)以上，才有辦法足夠空間在該實心銅柱體外表面形成該等溝槽。且該等溝槽的數量多寡及尺寸、深淺皆會影響的是毛細強度(即毛細能力)，因該等溝槽的毛細力不夠強，導致夾帶回水至蒸發區的水量有限且回水量不足或無法回流 到蒸發區的問題，進而使該蒸發區內部無工作流體呈現乾枯狀態(即所謂燒乾(dry out))，導致均熱及散熱不佳的問題。
是以，要如何解決上述均溫板內的支撐柱結構之問題與缺失，即為本案之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。
本發明之主要目的在提供一種一由複數針柱組成之棘狀部的支撐結構取代傳統具燒結毛細結構或溝槽的支撐結構，以加速汽液循環流動率，進而有效提升散熱效能者的散熱單元之支撐結構。
本發明之另一目的在提供一種具有較佳均溫性及可提升毛細能力，且還能減輕支撐結構整體重量及增加散熱面積的散熱單元之支撐結構。
為達上述目的，本發明提供一種散熱單元之支撐結構，係適用在一散熱單元內(如均溫板)，該散熱單元的兩側分別形成一冷凝側及一蒸發側係分別與該支撐結構的兩端相抵接，該支撐結構包括一載體部及一棘狀部，該載體部具有一接觸面及一承載面，該棘狀部係由複數針柱陣列設置在該載體部的該承載面上，且該等針柱彼此之間具有間隙形成一通道，令該支撐結構除具支撐功效外，又可在不增加體積之前提下，藉由該棘狀部與通道之設置具有將散熱單元冷凝側冷凝之工作流體引導至蒸發側之功效，進以加速汽液循環流動率得大幅提升散熱效能者。
1:支撐結構
11:載體部
111:接觸面
112:承載面
12:棘狀部
121:自由端
122:固定端
123:針柱
14:通道
2:散熱單元
21:上板
22:下板
23:腔室
24:毛細結構
25:冷凝側
26:蒸發側
第1圖為本發明之散熱單元之立體分解示意圖。
第2圖為本發明之散熱單元之組合剖面示意圖。
第3A圖為本發明之支撐結構之立體示意圖。
第3B圖為圖3A之俯視示意圖。
本發明之上述目的及其結構與功能上的特性，將依據所附圖式之較佳實施例予以說明。
本發明提供一種散熱單元之支撐結構，請參閱第1、2圖。該支撐結構1係適用在一散熱單元2內，該散熱單元2例如為一均溫板、一熱板、一扁平熱管或一水冷板，在本實施例該散熱單元2為均溫板說明，但不侷限於此。
該散熱單元2包含一上板21及一下板22，該上板21與該下板22相蓋合共同界定一腔室23，該腔室23內填充有一工作流體(如純水或無機化合物、醇類、液態金屬、冷媒、有機化合物或混合物)，且該腔室23內壁設有一毛細結構24，該毛細結構24為粉末燒結體、溝槽、網格體、纖維體及編織體其中任一，在本實施例該毛細結構24係選擇為粉末燒結體形成在該腔室23內的上板21及下板22的內側上。並該上板21及該下板22分別形成一冷凝側(冷凝區)25及一蒸發側(蒸發區)26，該蒸發側26的該下板22外側係間接或直接接觸一發熱元件(如中央處理器、顯示卡晶片、南北橋晶片或其他電子元件(如電晶體))，以吸收該發熱元件上的熱量。
復參閱第2、3A、3B圖，前述支撐結構1在本實施例為複數個支撐結構1設在該散熱單元2的腔室23，不僅能作為支撐功用，且還可提供較佳的毛細力及高滲透率的功用。但本案的支撐結構1數量並不侷限於圖式中的數量，於具體實施時，使用者可以根據所需要該散熱單元2的支撐強度、功率大小來調整設計該支撐結構1的數量多寡。
如後更詳細說明，每一支撐結構1為高熱傳導係數材料的金屬材質構成，例如銅、銀、鋁或前者之合金的柱狀體。並該支撐結構1具有一載體部11及一棘狀部12。
該載體部11具有一接觸面111及一承載面112係分別設在該載體部11的兩側，該載體部11的接觸面111(即前述支撐結構1的一端)係接觸該散熱單元2的冷凝側25或蒸發側26，在本實施例該載體部11的接觸面111連接接觸該腔室23的該上板21的內側並相接鄰近的毛細結構24，且在該載體部11的承載面112上設置有由複數針柱123陣列排列組成的該棘狀部12，亦即該棘狀部12的該等針柱123係呈間隔交錯陣列或並排陣列分佈在該載體部11的承載面112上。另外，參閱第3B圖，本實施例該載體部11的橫截面呈圓形的塊體，但不侷限於此，也可矩形或多邊形的塊(片或柱)體。
該棘狀部12係一體或非一體設置在該載體部11的承載面112，在本實施例該棘狀部12的該等針柱123為鰭柱係一體形成(生成)在該載體部11的承載面112。且該棘狀部12具有一自由端121及一固定端122係分別設在該棘狀部12的兩端，該固定端122係固接在該載體部11的承載面112，且位在鄰近該冷凝側25或蒸發側26上，該自由端121(即前述支撐結構1的另一端)係從該載體部11上向外凸伸接觸(不接觸)鄰近該蒸發側26或冷凝側25，在本實施例該棘狀部12的自由端121(即該等針柱123的自由端)係連接接觸該蒸發側26的腔室23的下板22的內側並相接鄰近的該毛細結構24。其中本實施例棘狀部12的該等針柱123橫截面為圓形銅柱體說明，但不限於此，也可為矩形、三角形或多邊形的柱體(片體)。且前述載體部11與棘狀部12也為高熱傳導係數材料的金屬材質構成。
該棘狀部12的該等針柱123係彼此間隔設置，所以每兩支針柱123之間具有間隙形成有一通道14係連通該散熱單元2的腔室23，且在該載體部11的承載面112上的每一通道14的寬度為0.1mm(公厘)至0.25mm(公厘)，並該等針柱123彼此之間的通道14的寬度為相同或不相同，例如該等針柱123的通道14係呈等距寬度排列在該載體部11的承載面112，或是該等針柱123的通道14呈非等距寬度向外漸縮或漸寬排列在該載體部11的承載面112。
詳細而言，在本實施例該棘狀部12的該等針柱123係以機械加工(線割加工或CNC加工)或雷射切割的加工方式一體形成在該載體部11的承載面112，且每兩針柱123彼此之間的通道14為相同等距寬度(如0.1mm)。如此設置，透過該棘狀部12可加速工作流體在該散熱單元2的蒸發側26上提早蒸發，且該等針柱123彼此之間的通道14具有引導(引流)工作液體的功效，就如同具有毛細作用吸取冷凝後的工作流體的毛細力一樣，以及每一通道14寬度在0.1mm(公厘)至0.25mm(公厘)範圍內設計可獲得較佳的滲透度讓液體的工作流體快速回流至該蒸發側26，以加速汽液循環流動率，藉以有效提升散熱效能。
復參閱第2圖，當該散熱單元2的蒸發側26吸收到該發熱元件的熱量時，該蒸發側26內的毛細結構24上的工作流體會受熱而轉變成汽態的工作流體，使汽態的工作流體會於該腔室23及該等針柱123的通道14內朝該冷凝側25的上板21內側方向迅速流動，待汽態的工作流體至該冷凝側25上冷凝轉變成液態的工作流體後，在該上板21的內側其上毛細結構24的該液態的工作流體會立即被該等支撐結構1的棘狀部12與該等通道14快速引導(引流)傳送回到該蒸發側26的下板22內側其上毛細結構24，藉以加速該工作流體於該散熱單元2的腔室23內的汽液循 環，一直重覆不斷汽液循環散熱，來提升整體汽液循環效率，進而更可達到較佳均熱及均溫的效果及防止該蒸發側26造成乾燒的問題。
雖本實施例該散熱單元2的冷凝側25的上板21外側未設有散熱元件。但不限於此，在另外一實施例，該冷凝側25的該上板21之外側可設置由複數鰭片構成的一散熱鰭片組，藉以增加散熱面積。
雖本實施例每一支撐結構1的棘狀部12的該等針柱123設在該載體部11上。但不限於此，在另外替代實施例，該載體部11包含複數個微載體部，每一微載體部的承載面上設置有至少一針柱123，透過該等微載體部相互組合(如拼接、卡接或焊接)一起構成所述支撐結構1。
雖本實施例該等支撐結構1係呈倒置設在該散熱單元2的腔室23內(如第2圖)，令該載體部11的接觸面111與棘狀部12的自由端121分別與該散熱單元2的冷凝側25及蒸發側26接觸。但不限於此，在其他替代實施例，該等支撐結構1係呈正置設在該散熱單元2的腔室23內，令該載體部11的接觸面111與棘狀部12的自由端121分別與該散熱單元2的蒸發側26及冷凝側25接觸，或者該等支撐結構1其中一部分支撐結構1呈正置，另一支撐結構1呈倒置交錯(分佈)設在該散熱單元2的腔室23內。
透過本發明具棘狀部12與通道14設置之支撐結構1適用在該散熱單元2內的設計，使得可有效取代(替代)傳統具燒結毛細結構24或溝槽的銅柱，且不僅可在增加體積之前提下，還能減輕支撐結構1整體重量及提升該腔室23內的蒸氣(即汽態工作流體)流動空間，進而更能大幅加速該散熱單元2內的蒸發效率以及獲得冷凝後的液體工作流體所需要的毛細力大及滲透率高，藉以達到提升整體散熱效能。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍。
1:支撐結構
11:載體部
111:接觸面
112:承載面
12:棘狀部
121:自由端
123:針柱
14:通道
2:散熱單元
21:上板
22:下板
23:腔室
24:毛細結構
25:冷凝側
26:蒸發側

Claims (8)

  1. 一種散熱單元之支撐結構，係適用在一散熱單元內，該散熱單元的兩側分別形成一冷凝側及一蒸發側係分別與該支撐結構的兩端相抵接，該支撐結構包括一載體部及一棘狀部，該載體部具有一接觸面及一承載面，該棘狀部係由複數針柱陣列設置在該載體部的該承載面，且該等針柱彼此之間具有間隙形成一通道，藉由該棘狀部設置以加速汽液循環流動率大幅提升散熱效能者。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之支撐結構，其中該等針柱係一體或非一體設在該載體部的該承載面。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之支撐結構，其中該等針柱係等距或非等距排列設在該載體部的該承載面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之支撐結構，其中該等針柱係呈間隔交錯陣列或並排陣列設在該載體部的該承載面。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之支撐結構，其中該載體部及該棘狀部為高熱傳導係數材料構成。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之支撐結構，其中該散熱單元為一均溫板、一熱板、一扁平熱管或一水冷板。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之支撐結構，其中該等針柱彼此之間的通道的寬度為相同或不相同。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之散熱單元之支撐結構，其中該散熱單元包含一上板及一下板，該上板及該下板相蓋合共同界定一腔室，該腔室內填充有一工作流體，且該腔室內壁設有一毛細結構，並該棘狀部具 有一自由端係從該載體部上向外延伸，該棘狀部的該自由端與該載體部的該接觸面其中一者係連接該下板或該上板的內側，另一者則連接該上板或該下板的內側，且該棘狀部的該等通道係連通該腔室，並該上板與該下板分別形成該冷凝側及該蒸發側。
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