065_093-061AP-TW

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065_093-061AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

發明專利說明書


※申請案號：093123791	※I P C 分類：

一、	發明名稱：
	熱管與熱沈之結合方法(全文下載)

二、

中文發明摘要：

一種熱管與熱沉之結合方法，係運用一金屬模具鑄造一熱沉與一熱管結合，金屬模具具有一冷激底座、一中空地形成於冷激底座內部之冷卻水道，及一由冷激底座頂面向上延伸之金屬圍壁，冷激底座及圍壁共同界定出一模穴，且該圍壁上形成一穿孔，該結合方法包含以下步驟：(A)將冷卻水導引入該冷卻水道中流動。(B)將該熱管之內端經由該穿孔由外穿伸入該模穴中。(C)將該金屬模浸置於水中。(D)以液態氣體冷卻該熱管之外端。(E)當熱管外端出現結霜現象時，將熔融之金屬液灌注入模穴中，並持續以液態氣體冷卻熱管之外端。(F)脫模以取出成品。

三、

英文發明摘要：

A method of the connection between heat sink and heat pipe uses a metal mold to cast a heats ink with a heat pipe. The metal mold has a chill base with cooling water going through. Metal mold walls sitting on the chill surround the mold cavity. One of mold wall has a pierced hole at the center to hold the heat pipe. The method includes following steps: (A) Let cooling water go through the chill. (B) Put one end of a heat pipe into the mold cavity through the pierced hole on the metal wall. (C) Put the metal mold in a water pool. (D) Cool down the outside end of heat pipe with liquid gas. (E) Pour molten metal into the mold cavity when the outside end of heat pipe has frosted up. In the meantime, keep doing step (D).(F) Take the metal mold apart and pick up the casting heat sink with heat pipe.

四、	指定代表圖：
	(一)本案指定代表圖為：第5圖
	(二)本代表圖之元件符號簡單說明：
	31．．．熱管
	311．．．內端
	312．．．外端
	32．．．熱沉
	33．．．邊角尖部
	4．．．金屬模具
	41．．．冷激底座
	42．．．冷卻水道
	43．．．圍壁
	431．．．金屬板
	44．．．模穴
	45．．．穿孔

五、	本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

六、	發明說明：
	【發明所屬之技術領域】
[n]	本發明是有關於一種熱管及熱沉之結合方法，特別是指一種以鑄造技術將熱管及熱沉結合的方法。
	【先前技術】
[n]	參閱圖1，一般電子設備之散熱措施大多是將一熱沉11與產生高溫之一電子元件13作緊密接觸，再將一熱管12之一端與該熱沉11作表面之接觸，該熱管 12是以銅管內容裝水製成，該熱沉11吸收熱量後經由該熱管12一端將熱傳導至另一端，再以風扇或其他方式將熱散逸至大氣中。
[n]	圖2是現今業界常用之嵌入式熱沉組10的剖視照片，其是先將熱沉11鑽一孔洞14，該熱管12就塞裝於該孔洞14中，而且該熱管12於製作時因以夾具封管過程而造成該熱管12之端部形成一細長針狀之邊角尖部15，如僅將熱沉11鑽孔供熱管12插伸，必定會因該邊角尖部15之緣故而無法完全緊密結合，增加二者之接觸熱阻，降低散熱效率。
[n]	另外有些熱沉11與熱管12間是以鉚接、銲接、表面接觸、嵌入等方式結合，但仍無法避免熱沉11與熱管12間接觸熱阻過大之現象，其熱傳效能亦無法完全發揮。
[n]	如以鑄造方式將熱沉與熱管結合則可使熱沉11緊密地包覆於熱管12外周面，大幅降低二者間之接觸熱阻。但是，於鑄造之過程中不論是以半開放式砂模、溼砂模、或於砂模底部設置以水冷卻之冷激底座，或者將該熱管12之另一端以冷水冷卻方式鑄造製作熱沉11時，都會因熔融之金屬液溫度過高，高溫熱能無法即時散熱至外界，而造成熱管12爆裂而損壞。以鋁質熱沉為例，其熔融之鋁液溫度高達660℃，而銅-水製成之熱管可忍受之溫度僅320℃，所以使用鑄造技術結合勢必造成熱管12損壞，使熔融之金屬液充填入熱管12內。由圖3中可看出將鑄造成型後之熱管12剝開時，可明顯看出管內充滿鋁金屬16，也因此熱管12 失去散熱之功效
	【發明內容】
[n]	因此，本發明之目的即在提供一種以鑄造的技術使熱沉與熱管結合的方法，可使熱沉緊密包覆熱管以降低二者間之熱阻，提高散熱效率，且鑄造過程中不會造成熱管過熱而損壞，提高生產良率。
[n]	於是，本發明熱管與熱沉之結合方法，係運用一金屬模具鑄造一熱沉與一熱管結合，所述金屬模具具有一冷激底座、一中空地形成於冷激底座內部之冷卻水道，及一由該冷激底座頂面周緣向上延伸之金屬圍壁，冷激底座及圍壁共同界定出一模穴，且該圍壁上形成一由外連通至模穴內之穿孔，該熱管與熱沉之結合方法包含以下步驟：
[n]	(A)將冷卻水導引入該冷卻水道中流動。
[n]	(B)將該熱管之內端經由該穿孔由外穿伸入該模穴中。
[n]	(C)將該金屬模浸置於水中，並保持模穴中乾燥。
[n]	(D)以液態氣體冷卻該熱管之外端。
[n]	(E)當熱管外端出現結霜現象時，將熔融之金屬液灌注入模穴中，並持續以液態氣體冷卻熱管之外端，直到模穴內之金屬液冷卻固化形成該熱沉。
[n]	(F)帶熱沉冷卻後，脫模以取出成品。
	【實施方式】
[n]	有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
[n]	參閱圖4與圖5，本發明之熱管31與熱沉32的結合方法是運用一金屬模具4鑄造所述熱沉32於所述熱管31之外周面，所述金屬模具4具有一冷激底座41、一中空盤繞地形成於冷激底座41內部之冷卻水道42，及一由該冷激底座41頂面向上延伸之金屬圍壁43。冷激底座41及金屬圍壁43共同界定出一模穴44，且該金屬圍壁43上形成一由外連通至模穴44內之穿孔45，該熱管31與熱沉32之結合方法包含以下步驟：
[n]	(A)接管將冷卻水導引入該冷激底座41內部之冷卻水道42中流動。
[n]	(B)將該熱管31之內端311經由該圍壁上之穿孔45由外穿伸入該模穴44中。
[n]	(C)將該金屬模具4浸置於水中。於本實施例中，水位是不超過圍壁上之穿孔45，以避免水流入模穴44內。但如果熱管31穿伸入穿孔45後，穿孔45內以熱塑鋼土填滿而可防水時，水位亦可達該金屬圍壁43頂緣之下方，以增加散熱效果並保持模穴44內乾燥。因此實施上不以上述之方式為限。
[n]	(D)以液態氣體持續冷卻該熱管31之外端312。本實施例中該液態氣體是用液態氮作為冷卻熱管31之材料。
[n]	(E)當熱管31外端312出現結霜現象時，將加熱至660℃之熔融的鋁金屬液灌注入模穴44中，並持續以液態氮冷卻熱管31之外端312，直到模穴44內之鋁金屬液冷卻至200℃並固化形成該熱沉32，再停止液態氮冷卻。
[n]	(F)待冷卻至室溫後，拆卸下該金屬模具4，脫模取出熱沉32 與熱管31之結合成品。於本實施例中，該金屬模具4之金屬圍壁43是以四塊高熱傳導係數的金屬板431相互圍接並以熱塑鋼土固接而成，再將該金屬圍壁43 固接於該冷激底座41上，其中該穿孔45是形成於其中一金屬板431上。但實施上該金屬圍壁43之構造不以上述之方式為限，只要可與該冷激底座41共同圍界出模穴44空間，又拆卸容易，方便脫模取出成品即可。
[n]	於上述之製作方法中，熔融之鋁金屬灌注入該模穴44中時，鋁金屬之高溫熱量藉由冷激底座41內流動之冷卻水、該熱管31外端之液態氮，及金屬圍壁43外之水三種途徑快速散熱至外界，不僅避免高溫造成熱管破裂，更可使該熱管31及熱32沉緊密的結合，增加散熱效果。
[n]	以下續針對本發明結合之熱沉32與熱管31作功能及結構上之檢測與說明。以下於測試過程中，本發明之結合方法結合之熱沉32與熱管31為實驗組。另外取習知之嵌入式熱沉組為對照組以作為功能效果上之對照說明。
[n]	參閱圖6，熱沉32與熱管31間之接觸熱阻的量測實驗是將熱沉 32壓抵於一可控制加熱功率的加熱片5上加熱，而熱管31之外端312是以自然熱對流方式來散熱，並於加熱片5輸出不同功率下，量取熱沉32及熱管31外端312之溫度變化。於測試實驗組與對照組時，於同一測試環境下，同時量測一無熱管之熱沉的溫度變化作為比較。
[n]	另外，由於熱沉32壓抵於加熱片5上之施力6大小會影響加熱片5與熱沉32間之熱阻大小，而一般實際運用時是以一扣具(圖未示)將該熱沉32扣緊固定於發熱之電子元件上，如電腦之CPU上之熱沉32就是以一扣具固定於其上。所以於量測熱沉32與熱管31間之熱阻前，須先確定所需之壓抵之施力6。其測試方法如下：首先將熱沉32置於加熱片5上方並用隔熱材料包覆，同時量測熱沉32頂、底面中心點之溫度，隔熱材料上方給予適當之重量以壓抵熱沉32緊抵該加熱片5。調整加熱片5輸出2W之功率，並逐步增加壓抵之重量，同時記錄數據繪製成圖7，圖中橫軸為壓抵之施力6，縱軸為量測之溫度，由其中發現此溫度隨施力6成正比，且當重量增加至1200公克之後，其熱沉32溫度不會再隨重量增加而改變，故以下之測試均使用1200公克之壓抵施力6將熱沉32緊抵於該加熱片5上。
[n]	接著將實驗組織熱沉32組壓抵於加熱片5上，調整加熱片5於一輸出功率，當熱沉32頂、底面中心點之溫度達到穩態並維持二小時之後，紀錄熱沉32底面溫度與加熱片5之輸出功率。再調升加熱片5之輸出功率，則可得另一不同之穩態溫度，重複上述步驟直到加熱片5之輸出功率達到10w為止。之後，以上述之測試方法重複測試對照組及無熱管之熱沉，並記錄下數據。將紀錄下之數據繪製成圖8之關係曲線圖。於圖中，橫軸為加熱片5之輸出功率，縱軸為熱沉32之溫度。其中，於實驗組及對照組中，加熱片5產生之熱量大部分經由熱管 31傳出，少部分是由熱沉32與加熱片5之四周散出，所以要較準確估算熱管31傳出之熱量需於同一溫度下，將加熱片5產生之熱量減去由熱沉32與加熱片5 之四周散出之熱量。而熱沉32與加熱片5之四周散出之熱量是約等於無熱管式熱沉逸散出之熱量功率。
[n]	由圖8可讀出當熱沉32溫度於117℃時，加熱片5輸出至實驗組熱沉32之功率是6w，而相同溫度下加熱片5輸出至對照組之熱沉是4.7w，輸出至無熱管式熱沉的功率是2.7w，由上述之數據估算出，於117℃時熱沉32與加熱片5之四周散出之熱量約為2.7w，而實驗組中由熱管31傳出之熱量約為3.3w，而對照組之熱管傳出之熱量為2w。由此結果，可以很清楚地看出本發明製作出之熱沉32比崁入式熱沉組可傳送出更多之熱量。也就是當加熱片5於一定之輸出功率時，實驗組之熱沉32底面溫度必定低於對照組之熱沉溫度。例如於加熱片5功率是8W時，實驗組熱沉32之底部溫度僅約140℃，而對照組熱沉之底部溫度卻高於150℃。此亦證明實驗組有較佳之散熱效果。
[n]	接著繼續進一步計算熱阻R_th，而熱阻定義為：
[n]
[n]	其中，W_H為加熱片5之輸出功率，T_c為熱管31外端312溫度。T_H為加熱片5與熱沉32之界面的中心點溫度，也是上述之熱沉32底面中心點之溫度。根據上述測試步驟中之量得數據，可先行計算出不同功率之下的T_H-T_C溫度差，並繪製出圖9，圖中橫軸為加熱片5之輸出功率，縱軸為溫度差，由圖中可明顯看出加熱片5之輸出功率升高，實驗組熱沉32底部溫度與熱管31外端 312之溫差最多不超過5℃，表示熱沉32吸收之熱量大都由熱管31傳送至熱傳外，而習知之對照組熱沉底部的溫差卻隨加熱片5之輸出功率增加而逐漸加大，於7W時之溫差約高達18℃。此亦證時實驗組之熱沉32與熱管31間有較佳之傳熱效果。
[n]	圖10是熱阻R_th與加熱片5功率W_H之關係圖。於此圖中，我們更可明顯看出本發明製作出之熱沉32與熱管31間之熱阻，遠低於對照組之熱沉與熱管間的熱阻，此亦證明以本發明之製作方法製作出之熱沉32與熱管31之結合構造可大幅降低二者間之熱阻，提高散熱效率。
[n]	為進一步測試兩者之熱反應情形，我們利用電子調溫器將水溫固定約65℃，同時將實驗組之熱沉32與對照組之熱沉放入電子調溫器之容器內的水中，且僅熱沉32部分置入熱水中，而熱管31伸露於水面之上，然後量測熱管 31外端312之溫度，此溫度隨時間之變化如圖11所示。從圖中可發現本發明製作結合之熱管31溫度上升速率較快，且其溫度較接近水溫，由此可知本發明結合之熱管31與熱沉32有較快之熱反應速率。
[n]	於量測熱阻及反應時間後，便可將測試用之熱沉32做破壞性檢驗，亦即將熱沉32做多次切割，以驗證熱沉32於鑄造時其內部是否有孔洞之產生。圖12為本發明之方法製作出之熱沉32與熱管31成品的剖開照片，由照片中並看不到有任何孔洞，代表此鑄造技術的可行性。
[n]	接著檢視熱管31與熱沉32之結合緊密性。該熱管31於製作時於內端311上形成一細長針狀的邊角尖部33，由於嵌入式之熱沉是將熱沉鑽孔後置入熱管，所以檢視邊角尖部與熱沉結合時，可明顯發現圖2中習知之嵌入式熱沉組的邊角尖部不易與熱沉完全接觸。而使用本發明之方法澆注鑄造出之熱沉32與熱管31結合成品其剖開之照片中可發現熱管31與熱沉32是完全緊密結合的，此結構可大幅降低熱沉32與熱管31間之熱阻。
[n]	為確定鋁質熱沉32中是否於鑄造時其內部包含有孔洞，所以進一步採用量測密度的方式來作檢測。首先將購置之鋁錠切割成一個大小和澆注熱沉32相同尺寸之鋁塊，再利用銑床加以研磨，量測出鋁錠之密度為2.68 g/cm³。
[n]	第二步是量測澆注後之熱沉32之密度。先於澆注前利用電子天平測量熱管31之重量為11.44g，再用量筒來量其體積為6.5 cm³。於澆注之後，用電子天平量測熱沉32與熱管31之總重量為105.95g，量測出之總體積為42 cm³，將熱管31之重量與體積扣除後，可得熱沉32重量94.51g、體積35.5 cm3，其密度為2.662 g/cm3。由上述兩個密度之比較，可知此技術所製作之熱沉32，其孔隙之體積比只有0.67%，所以其孔隙之比例並不高。
[n]	經過以上之量測實驗與破壞性檢視之後，可確定本發明以鑄造方式結合出之熱沉32與熱管31，不僅其熱阻遠低於對照組、傳熱與散熱效果快，且製作過程不會損壞熱，且熱沉32內也不會有影響導熱效果的氣泡產生。
[n]	綜上所述，本發明熱沉32與熱管31之結合方法，以澆注方式將熱沉32鑄造於該熱管31之外，而澆注之過程以液態氮冷卻熱管31，並以冷卻水降低鋁質熱沉32熔融時之高溫，使熱沉32與熱管31緊密結合，又不會造成熱管31因高溫而破裂毀損，提高生產良率。而結合後之熱管31與熱沉32間之熱阻低，導熱速度快，使熱沉32吸收之熱量可經由熱管31快速傳送至外部散逸，故確實能達到本發明之目的。
[n]	惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
	【圖式簡單說明】
[n]	圖1是習知之熱沉與熱管之立體分解圖，並說明該熱沉與一發熱之電子元件接合之情形；
[n]	圖2是習知之一嵌入式熱沉組的剖視照片，以說明一熱管內端上之邊角尖部與熱沉間之結合方式；
[n]	圖3是習知之嵌入式熱沉組的剖視照片，以說明該熱管於澆注時破裂使熔融金屬液進入熱管內之情形；
[n]	圖4是本發明熱沉與熱管之結合方法的較佳實施例中使用之一金屬模具的立體圖；
[n]	圖5是該較佳實施例中金屬模具之側面剖視圖；
[n]	圖6是以該較佳實施例之製作方法成型之一熱沉與一熱管成品壓抵於一加熱片上加熱測試之側視圖；
[n]	圖7是該熱沉壓抵於該加熱片上之施力大小與熱沉溫度之關係曲線圖；
[n]	圖8是該加熱片之輸出功率與熱沉溫度之關係曲線圖；
[n]	圖9是熱沉與熱管間之溫度差相對於該加熱片之輸出功率的關係曲線圖；
[n]	圖10是熱沉與熱管間之熱阻相對於該加熱片之輸出功率的關係曲線圖；
[n]	圖11是熱沉之溫度變化隨時間之反應曲線圖；及
[n]	圖12是該較佳實施例製作出之熱沉與熱管結合之成品的剖視照片，說明於鑄造過程中熱沉內不會產生氣泡。
	【主要元件符號說明】
[y]	31．．．熱管
[y]	311．．．內端
[y]	312．．．外端
[y]	32．．．熱沉
[y]	33．．．邊角尖部
[y]	4．．．金屬模具
[y]	41．．．冷激底座
[y]	42．．．冷卻水道
[y]	43．．．圍壁
[y]	431．．．金屬板
[y]	44．．．模穴
[y]	45．．．穿孔
[y]	5．．．加熱片
[y]	6．．．施力

七、

申請專利範圍：

1. 一種熱管與熱沉之結合方法，係運用一金屬模具鑄造一熱沉與一熱管結合，所述金屬模具具有一冷激底座、一中空地形成於冷激底座內部之冷卻水道，及一由該冷激底座頂面向上延伸之金屬圍壁，冷激底座及圍壁共同界定出一模穴，且該圍壁上形成一由外連通至模穴內之穿孔，該熱管與熱沉之結合方法包含以下步驟：(A)將冷卻水導引入該冷卻水道中流動；(B)將該熱管之內端經由該穿孔由外穿伸入該模穴中；(C)將該金屬模浸置於水中，並保持模穴中乾燥；(D)以液態氣體冷卻該熱管之外端；(E)當熱管外端出現結霜現象時，將熔融之金屬液灌注入模穴中，並持續以液態氣體冷卻熱管之外端，直到模穴內之金屬液冷卻固化形成該熱沉；(F)待熱沉冷卻後，脫模以取出成品。
2.依據申請專利範圍第1項所述之熱管與熱沉之結合方法，其中，步驟(E)中熔融之金屬液是加熱至660℃之鋁金屬。
3.依據申請專利範圍第2項所述之熱管與熱沉之結合方法，其中，步驟(E)中液態氣體是使用液態氮持續冷卻至該鋁質熱沉降溫至200℃。

八、	圖式：
	圖1 圖2 圖3 圖4 圖5 圖6 圖7 圖8 圖9 圖10 圖11 圖12

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