用于从电子设备高效地传递热量的系统以及用于形成该系统的方法与流程

发明领域

本发明一般涉及热传递增强解决方案。更具体而言，本发明涉及用于从电子设备高效地传递热量的系统以及用于形成该系统的方法。

发明背景

热传递一直是电子设备的关键问题。为促进电子设备的操作，由内部组件(诸如电路系统或处理器)生成的热量应当被快速传递和移除。最近，电子设备已被设计成尽可能薄，从而在电子设备的外壳与内部组件之间留下非常小且窄的间隙。如此，这些间隙中陷获的空气变成热传递障碍并且由于空气的不良导热性而阻止热量耗散到环境。因此，电子设备的内部组件所生成并在其上累积的热量不仅降低处理速度，有时还造成对电子设备内的芯片或处理器的损伤。

一种已知解决方案是将固态金属板(诸如铜或铝)直接附连到电子设备的芯片或处理器。附连金属板可以增强从被附连电子组件的热传导，但可能只引导该单个组件生成的热量，而不影响不与该金属板直接接触的其他热源。为将热量导离不同电子组件，每一组件应当附连有其自己的散热板。这样的布置不仅增加了电子设备的重量，还提高了材料成本，因为具有良好导热性质的一些金属板是昂贵的。

另一已知解决方案是通过将气体冷却剂填充在封闭空间内来将电子设备的外壳气密封装。然而，为电子设备形成气密室的过程是不经济的。此外，气体冷却剂将最终随时间从壳中泄漏，并且占据该室的替换空气将导致与热传递障碍相同的结果。

此外，在风扇被安装在外壳上开出的出口处以用于创建强制对流的解决方案中，气流可能只在该出口周围的有限局部区域处达到良好循环。如果热源被布置得远离该出口，则该出口周围由风扇造成的气流不能容易地带走由热源生成的热量，并且风扇需要更多功率来从热源吸走热量。

因此，存在对按成本高效的方式高效且持续地从电子设备移除热量的需求。

技术实现要素：

鉴于上述技术问题，本发明目标在于提供相对于常规技术有利的解决方案。

本发明的一个目标是一种用于传递热量的系统，包括：基底；被放置在所述基底上的至少一个热源，所述至少一个热源具有与所述基底分开的热源表面；柔性容器，它被配置成一致地接触所述基底的表面和所述至少一个热源的热源表面；以及流体或气体形式的冷却剂，所述冷却剂被填充在所述柔性容器内以用于创建自然对流，以将来自所述至少一个热源的热源表面的热量传递到周围环境。

本发明的另一目标是一种用于形成热传递模块的方法，包括：将柔性容器布置在至少一个热源的热源表面上，其中所述柔性容器基本上是平坦的，并且所述至少一个热源的热源表面与基底的表面分开；以及向所述柔性容器灌充冷却剂，使得经灌充的柔性容器一致地接触所述至少一个热源的热源表面。

本发明的又一目标是一种用于形成热传递模块的方法，包括：将至少一个热源布置在基底上，其中该至少一个热源的热源表面在一方向上具有与基底的表面不同的高度水平；以及将外壳安装在基底的表面和该至少一个热源的热源表面上，使得经灌充柔性容器被局限在外壳与基板的表面之间的空间中，并且经灌充柔性容器的形状完全符合基底的表面和该至少一个热源的热源表面。

应当理解，上述概述和以下详细描述是示例性的且旨在提供要求保护的所公开的主题的进一步解释。通过描述、附图和所附权利要求，本发明的其他特征、目标和优点将是显而易见的。

附图简述

可在参考各附图阅读以下详细描述时从中理解各不同方面。应当注意，根据标准实践，各特征不是按比例绘出的。实际上，为讨论清楚起见，各特征的尺寸可被任意增加或降低。

图1示出了其中布置有多个电子组件的常规电子设备；

图2示出根据本发明的一个实施例的热传递系统；

图3a和3b示出用于封装或组装图2的电子设备的实施例；以及

图4a和4b示出用于封装或组装图2的电子设备的另一实施例。

详细描述

电子设备通常包含其上安装有多个不同电子组件的电路板。参考图1，电子设备100具有作为基底且由外壳104覆盖的电路板102。许多不同电子组件106被安装在电路板102上以用于执行电子设备100的不同功能。

由于设计薄电子设备的趋势，外壳104与电路板102之间的空间应当尽可能小，从而在外壳104与每一电子组件106之间留下非常窄的间隙108。此外，因为布置在电路板102上的每一电子组件106具有不同形状，尤其是不同功能电子组件106的不同高度，该高低不平的表面造成了间隙108的复杂几何形状。

根据对流理论，瑞利数(ra)应当大于临界值才能创建自然热对流：

g：重力加速度

β：体积热膨胀系数

th：下边界处的较高温度

tl：上边界处的较低温度

h：上边界与下边界之间的高度

ν：流体运动学粘度

α：流体热扩散率

对于具有侧边界的两个平行板而言，已知ra的临界值是1708。在下边界(tl)处的热源与上边界(th)的周围环境之间的温差是5℃的情形中，上边界与下边界之间的高度(h)应当是至少约18mm才能创建干燥空气的自然对流。随着温差增加，可创建干燥空气的自然对流的高度(h)可小于约18mm。换言之，如果间隙108过窄或温差不够，则间隙108中充满的空气不能通过自然对流发挥作用带走来自电子组件106的热量。在这样的情形中，热量将在电子组件106周围增长，并且空气可能甚至变成热传递障碍，因为空气的导热性非常差。

图2示出根据本发明的一个实施例的热传递系统。在图2中，该系统被示为电子设备200。然而，也考虑了其中封闭有热源的其他类似设备。

如图2中所示，一个或多个热源206被安装在基底202上，从而在该设备的操作期间生成热量。例如，热源206可包括电阻器、电容器、电感、芯片或处理器、存储器、电池、电机、振动器、硬盘驱动器和/或电源。还考虑了在操作期间生成热量的其他组件。外壳204覆盖基底202以封闭一个或多个热源206，从而在外壳204与基底202和/或每一热源206之间形成小空间或间隙208。间隙208可以或可以不被外壳204密封。在图2中示出的实施例中，出口214被开在外壳204的一侧。在其他实施例中，可存在布置在外壳204的任何位置上的不止一个出口。在间隙208已被外壳204紧密密封的情形中，外壳204或基底202上没有布置出口或开口。

代替只有如在图1中示出的空气，图2的间隙208被充满冷却剂212的柔性容器210完全占据。虽然不同形状的热源206在基底202上形成复杂几何形状，但间隙208内的柔性容器210能够完全符合基底202的表面和热源206的热源表面，使得该柔性容器与基底202上的每一热源206接触。

柔性容器210可由各种材料制成。薄塑料膜或橡胶可被认为具有良好柔性。还考虑了硅、硅和橡胶的混合物、或具有良好柔性以及良好导热性的其他材料来形成柔性容器。在一个实施例中，柔性容器210可由硅橡胶制成，并且耐受高达200℃的高温。在另一实施例中，柔性容器210包括导热塑料，这可达到高达15w/mk的导热性。

形成柔性容器210的膜应当尽可能薄，使得膜的导热性和柔性增强从热源206到柔性容器210内包含的冷却剂212的热传递。然而，还应当知晓，形成柔性容器210的膜应当有足够强度以防止柔性容器210在膨胀期间爆裂。只要由热源206生成的热量能从柔性容器210的接触点快速移开，形成柔性容器210的薄膜就将不达到其熔点并且可将冷却剂212密封在内。

冷却剂212(气体或流体的形式)充满在柔性容器210内。如上所述，冷却剂212被用来替换空气以通过自然对流将热量从热源206的热源表面传递到周围环境。为创建小间隙208之间的自然对流，冷却剂212被选择成容易地将瑞利数(ra)的值提升得高于临界值。因此，柔性容器210内的冷却剂212的自然对流能够持续将来自热源206的热量移到周围环境。在柔性容器内创建涡流是优选的，通过冷却剂的性质或用户在使用电子设备时的移动，因为涡流会将热量从热源206快速移开。被应用于柔性容器210中的冷却剂的示例包括例如纯水、氟利昂、以及甲醇。还可考虑气体或流体形式的且具有创建对流的良好属性的其他合适物质。

图3a和3b示出用于形成或组装图2的电子设备的实施例。如图3a中所示，在电子设备300的组装期间，具有开口316的平坦化柔性容器310被配置成与热源306的热源表面接触，例如被放置在顶部。在这样的情形中，基底302和外壳304可被整体形成，并且平坦化柔性容器310可在安装热源306(诸如处理器或电池)之后卡在间隙308内而没有任何困难。

接着，在图3b中，通过开口316将柔性容器310充满冷却剂312。随着冷却剂312被灌充，柔性容器310膨胀并完全占据外壳304、基底302以及其上安装的热源306所限定的间隙308。最终，柔性容器310符合热源306和基底302造成的高低不平的表面和复杂几何形状，并且与热源306中的每一者直接接触。柔性容器310的开口316随后将在充满冷却剂312之后被密封以将冷却剂312永久纳入。

在冷却剂312的灌充期间，可在电子设备300周围提供真空环境以促进空气从间隙308排空。这样的布置可提高灌充速度并增强柔性容器310的形状以符合热源306的热源表面。将空气从间隙排出的动作可通过将电子设备300置于负压室中来完成。

图4a和4b示出用于形成或组装图2的电子设备的另一实施例。参考图4a，在组装外壳404之前，柔性容器410灌充了冷却剂412以形成球。接着，外壳404通过压迫由柔性容器410形成的球抵靠热源406和基底402的高低不平的表面来被组装到基底402。柔性容器410内填充的冷却剂412的量已被计算或测量以正确地适合在间隙408内，使得该球将不会被组装电子设备期间的压力压爆，并且不在热源406的各侧的周围留下过多空的空间。由于球的柔性，柔性容器410的表面将在被压迫时变形，并且完全符合基底402的表面和热源406的热源表面。

在将球压到热源406和基底402上时，可在电子设备周围提供真空环境以促进将空气从间隙408排空。这样的布置可提高灌充速度并增强柔性容器410以符合热源406的形状。将空气从间隙排出的动作可通过将设备400置于负压室中来完成。

转回图2，在电子设备200的操作期间，由热源206生成的热量将首先通过柔性容器210的接触区域直接传导，并传递到冷却剂212。归因于冷却剂212的优良属性，通过热源206与外壳204的顶部之间的温差，瑞利数(ra)的值容易地超过临界值。因此，可容易地在柔性容器210内创建冷却剂212的自然对流，以将热量从热源206的热源表面传递离开通过外壳204到周围环境。在一优选实施例中，外壳204也可由导热材料制成，用于增强散热。

另外，已知相对于许多不同基质而言，干燥空气的对流系数和导热性很差。作为结果，即使外壳204与每一热源206之间的间隙208足够宽使得空气能够创建自然对流，这样的自然空气对流也不能从热源206带走许多热量。因而，其中充满冷却剂212的柔性容器210可被应用在任何形状或大小的间隙208内以高效且持续地从热源206带走热量。作为示例而非限制，其中充满冷却剂212的柔性容器210的热传递系统可被应用在智能电话、屏幕面板、平板计算机、和/或个人计算机内。此外，更大机器(诸如视频游戏机、音频系统、服务器、和/或其中布置有电机或振动器的装备)也是适用的。通过用柔性容器的热传递系统来替换空气，冷却剂可有利地以高效且持续的方式将热量从热源传递离开。

尽管参考所示附图详细描述了各实施例，但将理解，本发明不限于上述所公开的实施例。相反，它旨在覆盖落在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和更改。