高功率便攜裝置和對(duì)接系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種系統(tǒng)包括高性能但非常緊湊的裝置以及相關(guān)聯(lián)的對(duì)接站。該裝置可以包括被容納在殼體內(nèi)的處理器，該殼體限定熱耦合到該處理器和其他發(fā)熱部件上的熱傳輸表面。該對(duì)接站包括用于接納該裝置的該殼體的一部分、限定受熱表面的導(dǎo)熱基底、以及將該熱傳輸表面熱耦合到該受熱表面上的傳導(dǎo)纖維陣列。這形成了能夠進(jìn)行重復(fù)熱耦合和去耦合的干燥低壓熱耦合界面。這相對(duì)于需要高壓或不可靠的重復(fù)熱耦合和去耦合的傳統(tǒng)半液態(tài)的或液態(tài)的熱化合物或順性熱墊而言是有利的。該散熱機(jī)構(gòu)因此在很大程度上是與該裝置分開的，并且因此它變得非常緊湊。
【專利說明】高功率便攜裝置和對(duì)接系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本非臨時(shí)專利申請(qǐng)要求于2014年I月8日提交的、題為“COMPUTER DOCKINGSTATI ON AND METHOD (計(jì)算機(jī)對(duì)接站和方法)”的美國臨時(shí)專利序列號(hào)61 /924，858的優(yōu)先權(quán)，該臨時(shí)申請(qǐng)?jiān)赨.S.C.119 (e)的權(quán)益下通過引用結(jié)合在此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體上涉及高功率便攜裝置，諸如可以包括用于服務(wù)器的便攜處理模塊的便攜計(jì)算機(jī)。更具體地說，本發(fā)明涉及一種利用到目前為止僅在高性能膝上計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和工作站計(jì)算機(jī)中使用煩人處理芯片的非常緊湊的手掌式計(jì)算機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0004]個(gè)人計(jì)算機(jī)的最近進(jìn)展已經(jīng)在提高性能與提高便攜性之間發(fā)生分歧。性能是典型地需要非常高性能的多核和多線程處理器的“臺(tái)式”計(jì)算機(jī)和“膝上”計(jì)算機(jī)所追求的。這些處理器在操作過程中產(chǎn)生大量的熱量，從而要求有大規(guī)模的冷卻系統(tǒng)。此類冷卻系統(tǒng)包括熱導(dǎo)體，用于將熱量從耦合到將空氣運(yùn)輸越過冷卻片陣列的主動(dòng)式對(duì)流冷卻系統(tǒng)(諸如風(fēng)扇)的處理器移除。
[0005]同時(shí)，對(duì)便攜性的希望已經(jīng)導(dǎo)致越來越薄且輕的計(jì)算裝置。對(duì)于超薄膝上計(jì)算機(jī)、平板計(jì)算裝置和智能電話，這已經(jīng)達(dá)到了極限。此類系統(tǒng)總體上不能被設(shè)計(jì)成具有主動(dòng)式冷卻系統(tǒng)。然而同時(shí)，希望這些高度便攜裝置具有提高的性能。
[0006]處理器設(shè)計(jì)師已經(jīng)嘗試通過嘗試實(shí)現(xiàn)性能和低功耗兩者的并行目標(biāo)來解決此分歧。這已經(jīng)導(dǎo)致適用于一些膝上計(jì)算機(jī)的一些高性能處理器。然而盡管有這些進(jìn)展，也造成了危害。這些膝上計(jì)算機(jī)中的一些是由鋁設(shè)計(jì)而成并且具有主動(dòng)式冷卻，但在操作過程中仍展現(xiàn)出高熱偏差，這些高熱偏差在操作過程中導(dǎo)致外部顯著變熱。
[0007]此外，希望能夠利用比甚至典型的膝上計(jì)算機(jī)更薄且更小的計(jì)算機(jī)。這可能排除主動(dòng)式冷卻系統(tǒng)的使用，這進(jìn)而將此類計(jì)算機(jī)歸入到低功率處理器。
[0008]在過去，已經(jīng)嘗試了使用提供冷卻的對(duì)接站來縮小性能與便攜性之間的這種分歧。稱之為“‘506專利”的專利5，473，506描述了這樣一種系統(tǒng)。‘506專利描述了一種具有多個(gè)對(duì)接底座的模塊化計(jì)算機(jī)，這些對(duì)接底座用于接納具有產(chǎn)生廢熱的微處理器的多個(gè)功能模塊。這些底座被示出為具有接合這些功能模塊以便移除廢熱的多個(gè)冷卻結(jié)構(gòu)。關(guān)于這種系統(tǒng)的一個(gè)挑戰(zhàn)是在將熱量從處理器傳遞到對(duì)接站方面以及在移除廢熱方面的有效性。
[0009]圖1中示出了此挑戰(zhàn)的一個(gè)方面?，F(xiàn)有技術(shù)排熱系統(tǒng)可以涉及界面2，該界面用于將熱量從發(fā)熱部分4傳導(dǎo)到受熱部分6。最佳地，發(fā)熱部分4和受熱部分6是由具有相對(duì)高的導(dǎo)熱率的材料(諸如鋁)形成。然而盡管這樣，關(guān)鍵的困難在于界面2。在微觀水平上，發(fā)熱部分4典型地限定了非常粗糙的表面8，該表面還包括表面波度。同樣地，受熱部分10也限定了非常粗糙的表面10，該表面還包括表面波度。當(dāng)這些表面8和10被按壓在一起時(shí)，它們傾向于僅進(jìn)行點(diǎn)接觸，從而在其間產(chǎn)生大的熱阻。這些表面之間在大部分表面區(qū)域上有空氣間隙12。部分4和6可以由具有400瓦特每米-開氏溫度的導(dǎo)熱率的銅制成。然而，因?yàn)榭諝忾g隙12具有約0.02瓦特每米-開氏溫度的導(dǎo)熱率，該空氣間隙支配熱阻。因此，部分8和10的高傳導(dǎo)率并未實(shí)現(xiàn)界面2處的有效傳熱。
[0010]—種可能的解決方案是嘗試使這些表面8和10是微觀上完美的。這遺憾地就高成本而言并且在實(shí)際使用中是不切實(shí)際的。此外在這些部件的使用過程中，這些表面8和10可能受到污染并和劃傷，從而重新造成這些粗糙表面的有害影響。對(duì)完美表面的依賴在表面完美性受到危害的情況下可能具有破壞性的結(jié)果。
[0011]其他可能的解決方案包括使用跨越空氣間隙12的順性聚合物(諸如橡膠材料)。這樣做的困難在于:為了使聚合物具有足夠的順性以便適形于兩個(gè)表面10和12，厚度必須達(dá)到產(chǎn)生大的熱阻的程度。所謂的“導(dǎo)熱的”聚合物具有低一個(gè)(多個(gè))數(shù)量級(jí)的導(dǎo)熱率，并且因?yàn)樗鼈兲畛溆刑畛湮锊牧纤愿?。如果聚合物層被制造成足夠薄以便使熱阻損耗是可容許的，使該聚合物層適形于這些表面所需要的夾緊力可能是不切實(shí)際的。橡膠材料也可以填充有導(dǎo)熱填充物。包括聚合物墊和石墨墊的所謂的“熱界面墊”展現(xiàn)出不適用于在對(duì)接和斷開過程中分別重復(fù)進(jìn)行可靠熱耦合和去耦合循環(huán)的機(jī)械特性。
[0012]另外的其他可能的解決方案涉及使用熱油脂來跨越空氣間隙12。這具有以下缺點(diǎn):重復(fù)的熱耦合和去耦合循環(huán)將傾向于耗盡熱油脂或降低其有效性，從而要求重新涂覆熱油脂。不能期望許多用戶手頭上此類熱油脂或適當(dāng)?shù)赝扛矡嵊椭?br>[0013]因此需要找到更好的熱解決方案，以便能夠使用高功率便攜裝置(諸如高性能便攜計(jì)算機(jī))。
【附圖說明】
[0014]圖1為被按壓在一起的兩個(gè)表面的示意性圖示，示出了由于表面粗糙度而發(fā)生的點(diǎn)接觸。
[0015]圖2為根據(jù)本發(fā)明的一種示例性系統(tǒng)的示意性圖示。
[0016]圖3為將要安裝到對(duì)接站的高性能便攜計(jì)算機(jī)的示例性實(shí)施例的等距視圖。
[0017]圖4為安裝到對(duì)接站的高性能便攜計(jì)算機(jī)的示例性實(shí)施例的等距視圖。
[0018]圖5為利用接合順性表面的導(dǎo)熱纖維的低力熱耦合器的第一實(shí)施例的示意性圖不O
[0019]圖5A為撞擊在粗糙表面上的單根傳導(dǎo)纖維的示意性圖示。
[0020]圖5B為撞擊在包括順性層的粗糙表面上的單根傳導(dǎo)纖維的示意性圖示。
[0021]圖6為利用導(dǎo)熱纖維的相互接合重疊的低力熱耦合器的示意性圖示。
[0022]圖6A為比圖6更詳細(xì)地描繪傳導(dǎo)纖維的相互接合重疊的示意性圖示。
[0023]圖7為一種利用具有擴(kuò)大端部幾何形狀的導(dǎo)熱纖維的系統(tǒng)的示意性圖示。
[0024]圖8描繪了一種系統(tǒng)，其中高性能便攜計(jì)算機(jī)將被安裝到對(duì)接站的插孔中，其中特別強(qiáng)調(diào)的是在安裝過程中用于提供運(yùn)動(dòng)控制、對(duì)齊和穩(wěn)定性的機(jī)械特征相互作用。
[0025]圖9為一種系統(tǒng)的替代性幾何形狀的等距圖示，其中，高性能便攜計(jì)算機(jī)被安裝到對(duì)接站中。
[0026]圖10為一種系統(tǒng)的另一個(gè)替代性實(shí)施例的等距圖示，其中該高性能便攜計(jì)算機(jī)可以在不被安裝在對(duì)接站中的情況下在低功率電平下運(yùn)行。
【具體實(shí)施方式】
[0027]在本說明書中，任何方向介詞，諸如上、向上、下、向下、前、后、頂部、上部、底部、下部、左、右和其他此類術(shù)語是指可以這樣取向的裝置或描繪，并且描述在附圖中這樣出現(xiàn)的裝置并且僅是為了方便而使用的。此類方向和位置術(shù)語并不旨在是限制性的，或并不旨在暗示在此的裝置或方法必須借助圖形以任何特定取向來使用或定位。另外，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)術(shù)語，諸如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、便攜、裝置、數(shù)據(jù)庫、瀏覽器、媒體、數(shù)字文件和其他術(shù)語僅是為了說明性目的，并且由于在本領(lǐng)域中關(guān)于此類術(shù)語取決于正使用它們的從業(yè)者的廣泛變化，不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是限制性的。在此的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是包括任何和所有種類的軟件、固件、操作系統(tǒng)、可執(zhí)行程序、文件和文件格式、數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)語言等，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將以它們將被描述的任何方式所想到的。
[0028]圖2為根據(jù)本發(fā)明的示例性系統(tǒng)20的示意性圖示。為了使示出和描述清晰而省略了細(xì)節(jié)。系統(tǒng)20總體上包括高功率便攜裝置，其在此被例示為高性能便攜計(jì)算機(jī)(“模塊”)22和對(duì)接站2LX軸和Z軸對(duì)應(yīng)地被稱為側(cè)向軸和垂直軸，并且總體上是彼此正交的。該對(duì)接站可以是單機(jī)或可以形成另一種系統(tǒng)的一部分，該另一種系統(tǒng)包括服務(wù)器、現(xiàn)金收款機(jī)、銷售點(diǎn)系統(tǒng)、信息亭、數(shù)字標(biāo)牌、車輛、顯示系統(tǒng)、機(jī)器人和工業(yè)系統(tǒng)。
[0029]模塊22包括安裝到印刷電路板(PC板)28上的處理器(CPUUet3PC板28是發(fā)熱設(shè)備的范例。模塊22還包括殼體30，該殼體的一部分被描繪成是由導(dǎo)熱材料(諸如高導(dǎo)熱性金屬或金屬合金)形成。用于殼體30的適合材料包括鋁、銅和鎂合金。傳熱元件32將處理器26熱耦合到殼體30上。傳熱元件32可以包括一個(gè)或多個(gè)部件。在示意性實(shí)施例中，傳熱元件32包括導(dǎo)熱粘合劑34、銅熱擴(kuò)散器36和導(dǎo)熱凝膠38。導(dǎo)熱凝膠38幫助吸收沖擊和振動(dòng)并且填充由于機(jī)械公差變化造成的間隙。殼體30還在殼體30的優(yōu)選地相對(duì)于處理器26大致對(duì)齊的一部分上限定熱傳輸表面40，以便使傳熱最大化。在一些實(shí)施例中，熱界面元件(未示出)被布置在熱傳輸表面40上。這種傳熱元件的示例可以包括稍后將討論的順性層或?qū)崂w維陣列。
[0030]對(duì)接站24包括導(dǎo)熱基底42，該導(dǎo)熱基底限定用于從熱傳輸區(qū)域40接收熱量的受熱表面44。熱傳輸表面40和受熱表面44在傳熱區(qū)域45上重疊。在優(yōu)選實(shí)施例中，導(dǎo)熱基底42是由導(dǎo)熱材料(諸如高導(dǎo)熱性金屬或金屬合金)形成。舉幾個(gè)示例來說，用于外部導(dǎo)熱基底42的適合材料包括鋁、筒和鎂合金。導(dǎo)熱基底42被熱耦合到導(dǎo)熱路徑46上。導(dǎo)熱路徑46可以是熱管或?qū)嵭臒釋?dǎo)體(諸如金屬或金屬合金)。在一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)熱基底42和導(dǎo)熱路徑46是由材料整體形成。導(dǎo)熱路徑被熱耦合到熱交換器48、諸如一組鋁翼片上。風(fēng)扇50被配置成用于鼓吹空氣穿過熱交換器48，以便提供對(duì)流排熱。
[0031]低力熱耦合器52位于熱傳輸區(qū)域40與受熱區(qū)域44之間，該低力熱耦合器包括多根導(dǎo)熱纖維，該多根導(dǎo)熱纖維的橫向伸展限定傳熱區(qū)域45。多根導(dǎo)熱纖維在沿垂直軸Z傳輸熱量方面總體上是非常有效的。這些纖維被取向成總體上與表面40和44限定至少約30度的一個(gè)平均角度。這些導(dǎo)熱纖維可以是直的或屈曲的。典型地，它們以一種非線性方式屈曲。這些纖維可以從表面40和44中的任一者或兩者伸出。當(dāng)這些纖維從表面40或44伸出時(shí)，相對(duì)表面可以包括順性特征，該順性特征實(shí)現(xiàn)這些伸出的纖維與該相對(duì)表面之間的有效熱耦合。這種順性層的材料可以包括硅樹脂或聚氨酯橡膠。盡管此類層具有典型地低于I瓦特每米開爾文的非常低的導(dǎo)熱率，它們的厚度可以小于100微米并且在實(shí)施例中小于25微米。順性層因此幫助顯著地降低接觸熱阻，同時(shí)由于其低厚度而僅添加適中的熱阻。在第一實(shí)施例中，這些纖維是碳纖維。在第二實(shí)施例中，這些纖維是聚合物纖維。在第三實(shí)施例中，每根纖維是具有薄導(dǎo)熱涂層的聚合物纖維，該薄導(dǎo)熱涂層改進(jìn)在橫向于該纖維的長軸的橫向方向上的傳熱。
[0032]在優(yōu)選實(shí)施例中，低力熱耦合器52在不使用任何“濕”部件(諸如隨著重復(fù)的熱耦合和斷開連接而將傾向于耗盡的熱油脂)的情況下在其間提供傳熱。因此，殼體30與導(dǎo)熱基底42之間的熱連接優(yōu)選地是不使用導(dǎo)熱油脂或其他導(dǎo)熱流體的“干燥”連接。這個(gè)“干燥”方面在無需用戶維護(hù)的情況下促進(jìn)較長的界面壽命。
[0033]在示例性實(shí)施例中，傳熱區(qū)域45的面積是至少約10平方厘米。在一個(gè)特定實(shí)施例中，該區(qū)域是約40平方厘米。區(qū)域45可以基于需要傳遞的熱量的量以及表面40與44之間所希望的可允許溫降來選擇。
[0034]在使用中，在模塊22的操作過程中由處理器26產(chǎn)生過熱。該熱量通過傳熱元件32被傳輸?shù)綒んw30。該熱量隨后由形成熱親合器52的至少一部分的纖維從熱傳輸表面40傳遞到受熱表面44。該熱量隨后通過傳導(dǎo)基底42和導(dǎo)熱路徑46被傳輸?shù)綗峤粨Q器48并且使用風(fēng)扇50來對(duì)流地排除。
[0035]在示例性實(shí)施例中，處理器26產(chǎn)生至少8瓦特的過熱。在其他實(shí)施例中，處理器26產(chǎn)生至少10瓦特、至少15瓦特、至少20瓦特、至少25瓦特、約25瓦特、或大于25瓦特的過熱?？梢允褂卯a(chǎn)生50瓦特廢熱的處理器26?？紤]到希望保持計(jì)算機(jī)中的先進(jìn)處理器性能，可能產(chǎn)生較高量的過熱。
[0036]每平方厘米所傳遞的廢熱可以通過用以厘米度量的傳熱區(qū)域45的面積除所傳遞的熱功率來限定。例如，考慮到產(chǎn)生40瓦特廢熱和40平方厘米的面積的處理器。這將導(dǎo)致跨區(qū)域45并穿過熱耦合器52所傳遞的I瓦特每平方厘米的瓦特每平方厘米。
[0037]使用系統(tǒng)20，對(duì)于跨傳熱區(qū)域45所傳輸?shù)拿客咛孛科椒嚼迕祝瑥脑摕醾鬏敱砻娴皆撌軣岜砻娴臏亟当蛔钚』叫∮谑當(dāng)z氏度。在其他實(shí)施例中，對(duì)于跨傳熱區(qū)域45所傳輸?shù)拿客咛孛科椒嚼迕?，該溫降小于六攝氏度、小于五攝氏度、小于四攝氏度、或小于三攝氏度。在一些實(shí)施例中，對(duì)于跨傳熱區(qū)域45所傳輸?shù)拿客咛孛科椒嚼迕祝摐亟悼梢允窃诙寥龜z氏度之間。
[0038]圖3為系統(tǒng)20的示例性實(shí)施例的等距視圖，其中模塊22與對(duì)接站24是分開的。軸被示出為包括側(cè)向軸X和Y以及垂直軸ZZX的方向是將模塊22安裝到對(duì)接站24中的方向。+Z的方向是從模塊22到對(duì)接站24的傳熱方向。
[0039]現(xiàn)在以示例性實(shí)施例形式說明相對(duì)于圖2示意性地示出的不同特征。如所指示的，傳熱元件32位于模塊22內(nèi)，處理器26(未示出)位于該傳熱元件下方。傳熱元件32可以包括銅片或鋁片或散熱片。傳熱元件32將熱量傳遞到殼體30的限定熱傳輸表面40的一部分。
[0040]對(duì)接站24被描繪為包括受熱表面44、導(dǎo)熱路徑46、熱交換器48和風(fēng)扇50。對(duì)接站24包括用于接納、對(duì)齊、固定模塊22并耦合到其上的插孔54。插孔54限定用于沿+X方向接納模塊22的開口。將模塊22安裝到插孔54中可以包括滑動(dòng)接合安裝。模塊22可以包括沿殼體30的邊緣或頂部的基面56，該基面由互補(bǔ)對(duì)齊特征(未示出)接合，這些互補(bǔ)對(duì)齊特征是插孔54的用于在X、Y和Z上將模塊22與插孔54適當(dāng)對(duì)齊的目的的部分。此對(duì)齊對(duì)于在所有三個(gè)軸上將熱傳輸表面40與受熱表面44適當(dāng)對(duì)齊可以是重要的。插孔54還可以包括或限定用于將模塊22固定成處于適當(dāng)對(duì)齊的閂鎖或摩擦特征。最后，插孔54可以包括用于將模塊22電耦合到對(duì)接站24上的電連接器(未示出)。
[0041]圖3描繪了作為用于接納模塊22的一部分的腔或開口的示例性插座54。在替代性實(shí)施例中，對(duì)接站24可以包括不是腔或開口的接納部分54。例如，這種接納部分54可以被形成到對(duì)接站24的上表面中，借此模塊22可以被放置到接納部分54上。其他變型對(duì)于接納部分54是可能的。
[0042]圖4為系統(tǒng)20的示例性實(shí)施例的等距視圖，其中模塊22被安裝在插孔54中。熱傳輸表面40和受熱表面44重疊以便限定傳熱區(qū)域45。傳熱區(qū)域45是熱傳輸表面40與受熱表面44之間的重疊區(qū)域，在該重疊區(qū)域上，這些表面由低力熱耦合器52來連結(jié)。
[0043]廢熱是在處理器26中產(chǎn)生的，并且圖3和圖4中示出了沿+Z的垂直熱運(yùn)動(dòng)方向。廢熱由此從該處理器被垂直傳導(dǎo)、穿過傳熱元件32、穿過殼體30的一部分、穿過低力熱耦合器52、并且到達(dá)導(dǎo)熱基底42 ο廢熱隨后沿X軸和Y軸、沿導(dǎo)熱路徑46被側(cè)向傳導(dǎo)到熱交換器48。廢熱隨后經(jīng)由通過風(fēng)扇50進(jìn)行的強(qiáng)制對(duì)流而從熱交換器48被傳遞到周圍空氣。
[0044]盡管已經(jīng)特別強(qiáng)調(diào)對(duì)接站24的促進(jìn)排熱的特征，應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)接站可以提供不同的其他功能，諸如向模塊22提供電力以及提供模塊22與其他系統(tǒng)和裝置之間的連接。此類連接可以包括與監(jiān)視器或打印機(jī)的連接、無線連接以及與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的連接。圖3和圖4描繪了不同端口57，僅舉幾個(gè)示例來說，這些端口可以包括電源端口、相機(jī)卡端口、頭戴耳機(jī)端口、USB(通用串行總線)端口、火線端口、和/或以太網(wǎng)端口。對(duì)接站24還可以包括一根或多根天線，用于利用一個(gè)或多個(gè)協(xié)議(舉幾個(gè)示例來說，諸如藍(lán)牙、802.11和蜂窩通信)來進(jìn)行無線通信。
[0045]圖5、圖5A、圖5B、圖6、圖6A和圖7為描繪低力耦合器52的實(shí)施例的示意性圖示。在這些設(shè)計(jì)的任一種設(shè)計(jì)中，存在從取決于具體實(shí)施例從熱傳輸表面40、受熱表面44抑或從表面40和44兩者伸出的纖維。總而言之，這些纖維具有總體上沿Z垂直延伸的長軸。如早先指示的，這些纖維可以相對(duì)于Z限定銳角或幾乎與Z重合，并且將典型地具有一定曲度。
[0046]每根纖維是由這樣一種材料形成:該材料沿其長軸的導(dǎo)熱率比在橫向于該長軸的方向上更大。適合材料的示例將是碳纖維?？商娲?，該纖維可以是優(yōu)選地沿其長軸傳輸熱量的聚合物纖維。在一個(gè)實(shí)施例中，這些纖維涂布有傳導(dǎo)涂層，以便增強(qiáng)從纖維區(qū)域在側(cè)向方向上到另一個(gè)區(qū)域、纖維到纖維、或從纖維到相鄰表面的側(cè)向熱傳輸。在示例性實(shí)施例中，這些纖維涂布有薄金屬涂層，該薄金屬涂層可以通過氣相沉積、濺射沉積、或任何其他適合的方法來沉積在這些纖維上。
[0047]作為示例，這些纖維可以是由高密度聚乙烯(HDPE)形成。一些此類纖維具有沿長軸的約20W/mK(20瓦特每米開氏溫度)的導(dǎo)熱率、以及沿與該長軸正交的橫軸的約0.2W/mK的導(dǎo)熱率。這些纖維可以涂布有薄金屬涂層，從而使得熱量在橫向方向上更有效地分散，以便穿過較大的有效截面區(qū)域在縱向方向上進(jìn)一步傳輸。
[0048]取決于特定實(shí)施例，這些纖維被永久地附接到熱傳輸表面40、受熱表面44、抑或表面40和44兩者上。存在用于形成此類纖維的不同方法，包括機(jī)械附接、使用微細(xì)蝕刻工藝來蝕刻到基底中、使用化學(xué)或物理過程在該基底上生長、和/或使用3D打印來形成到該表面上。
[0049]這些纖維總體上具有在0.3毫米至2毫米范圍內(nèi)的長度。在另一個(gè)實(shí)施例中，該長度可以是在0.3毫米至1.0毫米的范圍內(nèi)。在又另一個(gè)實(shí)施例中，該長度可以是在0.4毫米至
0.8毫米的范圍內(nèi)。在又另一個(gè)實(shí)施例中，該纖維長度可以是約0.5毫米。
[0050]這些纖維可以具有橫向于該纖維長軸的在約5μηι至25μηι(微米(micrometer或micron))的范圍內(nèi)的截面直徑或尺寸。在一個(gè)實(shí)施例中，該截面直徑可以在5μηι至ΙΟμπι的范圍內(nèi)或可以是ΙΟμπι。
[0051 ] 纖維密度可以是相當(dāng)高的一一約等于100,000至300,000根纖維每平方厘米或甚至更高。因此，它們具有可能平均小于25μπι的非常緊密的側(cè)向間距。
[0052]圖5為低力熱耦合器52的示例性第一實(shí)施例的示意性圖示，該低力熱耦合器在傳熱區(qū)域45上將殼體30的一部分熱耦合到導(dǎo)熱基底42上。殼體30包括非常薄的順性層58，該順性層具有限定熱傳輸表面40的上表面。多根導(dǎo)熱纖維60被永久地附接到受熱表面44上。多根導(dǎo)熱纖維向下延伸(-Z方向)以便撞擊在熱傳輸表面40上。
[0053]圖5A和圖5Β示出了薄順性層58的功能。圖5A描繪了導(dǎo)熱纖維60在表面40上的撞擊，該表面并不具有處于微觀水平的順性層58。如可以看見的，表面40是不光滑的。另外，顯然，纖維60總體上與具有小的表面面積的表面40進(jìn)行接觸。纖維60存在屈曲并適形于該表面的一定趨勢，從而提供比點(diǎn)接觸更好的接觸。
[0054]圖5Β示出了在殼體30上方使用非常薄的順性層58。順性層58允許纖維60的尖端與表面40具有大得多的接觸表面面積。這可以使該接觸表面面積增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。如在該垂直方向上測量的，順性層58的厚度小于10ym(微米(micron或micrometer))。在其他實(shí)施例中，順性層58的厚度可以小于75μηι、小于50μηι、或小于25μηι。在一個(gè)實(shí)施例中，該順性層具有約ΙΟμπι至20μπι的厚度。該順性層可以是由具有非常低的彈性模量的橡膠或彈性體形成。接觸表面面積的增加是在纖維60與橡膠表面40之間的撞擊區(qū)處的橡膠變形和纖維屈曲的結(jié)果O
[0055]圖6為低力熱耦合器52的示例性第二實(shí)施例的示意性圖示，該低力熱耦合器在傳熱區(qū)域45上將殼體30的一部分熱耦合到導(dǎo)熱基底42上。多根纖維60Τ(Τ表示傳輸)總體上從由殼體30的一部分限定的熱傳輸表面40沿垂直+Z方向伸出。多根纖維60R(R表示接收)總體上從由導(dǎo)熱基底42限定的受熱表面44沿-Z方向伸出。垂直重疊區(qū)62是由多根纖維60T與60R之間沿Z軸的重疊限定，該重疊突出到側(cè)向限定的傳熱區(qū)域45上。
[0056]圖6A描繪了多根纖維60T和60R的示例性重疊以便示出尺寸細(xì)節(jié)。每根纖維的長軸被示出為是總體上垂直于或平行于Z軸。實(shí)際上，當(dāng)然，這些纖維可以是彎曲的和/或可以相對(duì)于該Z軸限定銳角。橫向于纖維長軸測量的每根纖維的有效直徑被示出為是在約5μπι至10μπι的范圍內(nèi)。在交錯(cuò)的或介入的纖維之間的間距被示出為是在約2μπι-5μπι的范圍內(nèi)。根據(jù)所示出的實(shí)施例，60Τ纖維與60Τ纖維之間沿垂直Z軸的重疊是約50μπι至ΙΟΟμπι。
[0057]所示出的纖維之間的垂直(Z)重疊是在這些纖維之間的側(cè)向(X和/或Y)間距的約1倍至50倍之間的范圍內(nèi)。這種幾何形狀幫助使熱量從60Τ傳輸纖維傳到60R接收纖維的熱阻最小化。此熱阻可以通過用金屬或其他導(dǎo)熱膜涂布這些纖維來進(jìn)一步減小，以便改進(jìn)此側(cè)向傳熱。該重疊長度與總纖維長度相比仍然是非常小的并且因此造成該重疊所需要的力是非常小的，從而使得易于耦合和去耦合，這對(duì)于對(duì)接和斷開是有益的。
[0058]圖7描繪了利用低力熱耦合器52的第三實(shí)施例的系統(tǒng)20。圖7將模塊22描繪成有待被滑動(dòng)安裝到對(duì)接站24的插孔54中。模塊包括限定熱傳輸表面40的傳熱元件32。多根纖維60從熱傳輸表面40垂直向上(+Z)伸出。每根纖維60包括具有擴(kuò)大端部幾何形狀的遠(yuǎn)端64。
[0059]插孔24包括限定受熱表面44的導(dǎo)熱基底。當(dāng)模塊22被滑動(dòng)安裝到插孔54中時(shí)，這些擴(kuò)大遠(yuǎn)端64接合受熱表面44。這些擴(kuò)大端部用于使從這些纖維60到受熱表面44的傳熱最大化。在實(shí)施例中，受熱表面44是由薄順性層限定，以便進(jìn)一步增加這些擴(kuò)大端部64與該受熱表面44之間的接觸表面面積。在又另一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)擴(kuò)大端部64可以涂布有薄傳導(dǎo)材料(諸如蒸汽沉積金屬)，以便進(jìn)一步改進(jìn)傳熱。
[0060]圖8描繪了示例性系統(tǒng)20，其中模塊22將要被安裝到對(duì)接站24的插孔54中。模塊22包括殼體30的至少一部分或基面56，該至少一部分或基面接合插孔54的多個(gè)部分，以便在模塊22滑動(dòng)到插孔54中時(shí)控制模塊22的垂直定位。隨著模塊22沿側(cè)向X軸滑動(dòng)到插孔54中，彈簧66向上推動(dòng)模塊22。基面56接合插孔54的多個(gè)部分的動(dòng)作反抗彈簧66的力，直到基面56到達(dá)凹槽68為止。隨后基面56被向上推動(dòng)到凹槽68中，以便允許該低力耦合器將熱傳輸表面40熱耦合到受熱表面44上。同時(shí)，電連接器70和72耦合，從而將模塊22電耦合到對(duì)接站24上。
[0061]圖8的示例是大大簡化的并且打算示出使用殼體30的多個(gè)表面(諸如基面56)來在模塊22被側(cè)向插入插孔54中時(shí)控制模塊22相對(duì)于插孔54的垂直和有角度的定位和運(yùn)動(dòng)。模塊22和插孔54在安裝過程中的相互作用可以提供表面40與44之間的短滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)?？紤]到圖6所描繪的低力耦合器52的實(shí)施例。該短滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)允許這些纖維60T在模塊22與對(duì)接站24之間的非常低的力和壓力要求下安置在這些纖維60R的間隙之間。
[0062]模塊22的殼體30和插孔54的多個(gè)表面的相互作用控制熱傳輸表面40與受熱表面44之間沿垂直(Z軸)方向的間距或距離D(例如，垂直距離)。在一些實(shí)施例中，實(shí)施例D是在
0.2毫米至2.0毫米的范圍內(nèi)。在其他實(shí)施例中，對(duì)于如圖6和圖6A所描繪的實(shí)施例，距離D是在0.5毫米至1.5毫米的范圍內(nèi)。在其他實(shí)施例中，對(duì)于如圖6和圖6A所描繪的實(shí)施例，距離D是在0.7毫米至1.1毫米的范圍內(nèi)。在又另一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于如圖6和圖6A所描繪的實(shí)施例，距離D為約0.9毫米。在另外的其他實(shí)施例中，對(duì)于如圖5、圖5A和圖5B所描繪的實(shí)施例，D是在0.3毫米至0.7毫米的范圍內(nèi)。在又另一個(gè)實(shí)施例中，D為約0.5毫米。在另外的其他實(shí)施例中，對(duì)于如圖5、圖5A和圖5B所描繪的實(shí)施例，D是在0.3毫米至0.7毫米的范圍內(nèi)。盡管其他間距D是可能的，受控間距因此根據(jù)導(dǎo)熱纖維的使用而得到優(yōu)化。
[0063]圖9為系統(tǒng)20的替代性實(shí)施例的等距圖示，其中模塊22相對(duì)于對(duì)接站24以特定的幾何構(gòu)型來安裝。在其他方面，系統(tǒng)20在功能上類似于相對(duì)于圖2和3所描繪的系統(tǒng)。指示出了X軸、Y軸和Z軸。如前所述，+X是模塊22安裝到對(duì)接站24中的方向，并且+Z是從模塊22到對(duì)接站24的傳熱方向。
[0064]圖10為系統(tǒng)20的另一個(gè)替代性實(shí)施例的等距圖示，其中模塊22具有關(guān)聯(lián)的小顯示器74并且可以在不被放置到對(duì)接站24中的情況下作為計(jì)算機(jī)來操作。當(dāng)在對(duì)接站24的外部操作時(shí)，模塊需要被鐘控放慢或以其他方式減慢以便避免過度的操作溫度。
[0065]在一個(gè)實(shí)施例中，模塊22在其未被對(duì)接時(shí)以第一處理器功率水平操作。當(dāng)模塊22被安裝到對(duì)接站24中時(shí)，該對(duì)接被檢測到。此模塊22隨后在被對(duì)接時(shí)自動(dòng)地以較高功率水平操作。
[0066]盡管在此的熱消散系統(tǒng)的所有基本特性和特征已經(jīng)在此示出并描述，參照其具體實(shí)施例，在先前披露中預(yù)期到一定范圍的修改、各種變化和替換，并且將明顯的是在一些示例中，可以在不背離本發(fā)明的如前說述的范圍的情況下采用本發(fā)明的一些特征而不相應(yīng)地使用其他特征。還應(yīng)當(dāng)理解的是，在閱讀本披露并且意識(shí)到所披露的新型且有用的系統(tǒng)之后，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到并做出不同替換、修改和改變。因此，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到的，所有這類修改和改變以及替換被認(rèn)為被包括在由以下權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高功率便攜裝置和對(duì)接站系統(tǒng)(“系統(tǒng)”)，包括: 高功率便攜裝置，包括: 發(fā)熱設(shè)備，該發(fā)熱設(shè)備在滿載操作過程中產(chǎn)生至少8瓦特的熱量； 殼體，該殼體的至少一部分區(qū)域具有用于熱耦合到外部冷卻設(shè)備上的導(dǎo)熱表面； 導(dǎo)熱傳熱元件，該導(dǎo)熱傳熱元件被熱耦合到該殼體的該導(dǎo)熱表面和該發(fā)熱設(shè)備上，以用于有效地將熱量從該發(fā)熱設(shè)備傳輸?shù)皆摎んw傳導(dǎo)表面； 以及 熱界面元件，該熱界面元件被布置在該殼體的該導(dǎo)熱表面上，該熱界面元件包括用于熱連接的裝置，該熱連接能夠提供低于每平方厘米每瓦特?zé)崃?0攝氏度的熱阻，該熱量被傳輸?shù)皆诘蛪合虏⑶以诓恍枰褂萌魏文z、流體和油脂的情況下與該裝置相接觸的外部導(dǎo)熱纖維陣列； 以及 對(duì)接站，該對(duì)接站具有用于散熱的裝置并且從而能夠冷卻該高功率便攜裝置，該對(duì)接站包括: 導(dǎo)熱基底，該導(dǎo)熱基底被熱耦合到該用于散熱的裝置上； 以及 第一導(dǎo)熱順性纖維陣列，所述第一導(dǎo)熱順性纖維陣列用于通過在一端處與該用于熱連接的裝置相接觸來接收該熱量，該第一導(dǎo)熱順性纖維陣列在另一端處被永久地布置在該導(dǎo)熱基底上并且被熱耦合到其上，從而能夠冷卻該高功率便攜裝置。2.—種高功率便攜裝置，包括: 發(fā)熱設(shè)備，該發(fā)熱設(shè)備在滿載操作過程中產(chǎn)生至少8瓦特的熱量； 殼體，該殼體的至少一部分區(qū)域具有用于熱耦合到外部冷卻設(shè)備上的導(dǎo)熱表面； 導(dǎo)熱傳熱元件，該導(dǎo)熱傳熱元件被熱耦合到該殼體的該導(dǎo)熱表面以及該發(fā)熱設(shè)備上，以用于有效地將熱量從該發(fā)熱設(shè)備傳輸?shù)皆摎んw傳導(dǎo)表面； 以及 熱界面元件，該熱界面元件被布置在該殼體的該導(dǎo)熱表面上，該熱界面元件包括用于熱連接的裝置，該熱連接能夠提供低于每平方厘米每瓦特?zé)崃?0攝氏度的熱阻，該熱量在外部導(dǎo)熱纖維陣列在低壓下并且在不需要使用任何凝膠、流體和油脂的情況下與該裝置相接觸時(shí)被傳輸?shù)皆撏獠繉?dǎo)熱纖維陣列。3.一種對(duì)接站，該對(duì)接站具有用于散熱的裝置并且從而能夠冷卻該高功率便攜裝置，該對(duì)接站包括: 導(dǎo)熱基底，該導(dǎo)熱基底被熱耦合到該用于散熱的裝置上；以及 導(dǎo)熱順性纖維陣列，該導(dǎo)熱順性纖維陣列用于通過在一端處與該用于熱連接的裝置相接觸來接收該熱量，該導(dǎo)熱順性纖維陣列在另一端處被永久地布置在該導(dǎo)熱基底上并且被熱耦合到其上，從而能夠冷卻該高功率便攜裝置。4.如權(quán)利要求2所述的高功率裝置，其中，該用于熱連接的裝置包括第二導(dǎo)熱纖維陣列，該第二導(dǎo)熱纖維陣列被永久地布置在該熱界面元件上并且被熱耦合到其上。5.如權(quán)利要求2所述的高功率裝置，其中，該用于熱連接的裝置包括被永久地布置在該導(dǎo)熱表面上的順性涂層，該順性涂層具有低涂層厚度從而使得該順性涂層在低壓接觸下向外部順性且導(dǎo)熱纖維陣列提供更大的接觸表面面積，從而在由于足夠低的附加層而仍保持熱阻增長的同時(shí)減小接觸熱阻，從而使得總熱阻低于每瓦特每平方厘米10攝氏度。6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，該用于熱連接的裝置包括被永久地布置在該熱界面元件上并且被熱耦合到該熱界面元件上的第二導(dǎo)熱纖維陣列，從而使得該裝置在低壓下相接觸時(shí)創(chuàng)建與該對(duì)接站的該第一導(dǎo)熱纖維陣列的重疊接觸。7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，該用于熱連接的裝置包括被永久地布置在該導(dǎo)熱表面上的順性涂層，該順性涂層具有低涂層厚度從而使得該順性涂層在低壓撞擊接觸下向該對(duì)接站的該第一順性且導(dǎo)熱纖維陣列提供更大的接觸表面面積，從而在由于足夠低的附加層而仍保持熱阻增長的同時(shí)減小接觸熱阻，從而使得總熱阻低于每瓦特每平方厘米10攝氏度。8.如權(quán)利要求4所述的高功率便攜裝置，其中，該高功率便攜裝置是高性能便攜計(jì)算機(jī)，其中，該發(fā)熱設(shè)備是包括CPU的PC板。9.如權(quán)利要求5所述的高功率便攜裝置，其中，該高功率便攜裝置是高性能便攜計(jì)算機(jī)，其中，該發(fā)熱設(shè)備是包括CPU的PC板。10.如權(quán)利要求4所述的高功率便攜裝置，其中，這些導(dǎo)熱纖維中的每一根導(dǎo)熱纖維沿著該纖維的長軸最有效地導(dǎo)熱，并且許多纖維包括外涂層，該外涂層增強(qiáng)在橫向于該纖維的該長軸的方向上到該纖維中的導(dǎo)熱。11.如權(quán)利要求3所述的對(duì)接系統(tǒng)，其中，這些導(dǎo)熱纖維中的每一根導(dǎo)熱纖維沿著該纖維的長軸最有效地導(dǎo)熱，并且許多纖維包括外涂層，該外涂層增強(qiáng)在橫向于該纖維的該長軸的方向上到該纖維中的導(dǎo)熱。12.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，該至少該外殼與該導(dǎo)熱基底的該部分接合控制在該便攜裝置的該熱界面元件與該對(duì)接站的該導(dǎo)熱基底之間的間距。13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，該接合控制滑動(dòng)接合，由此在該對(duì)接站的這些熱耦合的導(dǎo)熱纖維與該熱界面元件之間建立滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。14.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，該第一纖維陣列與該第二導(dǎo)熱纖維陣列之間的重疊長度遠(yuǎn)小于任一個(gè)纖維陣列的長度，從而需要低壓來引起重疊，同時(shí)仍使這兩個(gè)纖維陣列之間的有效接觸表面面積增大多個(gè)數(shù)量級(jí)，其中，這些重疊纖維表面之間具有小于10微米的平均空氣間隙，從而使得這些纖維陣列之間的有效熱阻被顯著減小。15.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，該熱界面元件與該導(dǎo)熱纖維陣列之間的相互作用導(dǎo)致這些導(dǎo)熱纖維的刮擦運(yùn)動(dòng)，以便改進(jìn)這些導(dǎo)熱纖維與該熱界面元件之間的熱接觸。16.如權(quán)利要求3所述的對(duì)接站，其中，該用于散熱的裝置包括散熱片和風(fēng)扇以及該對(duì)接站的這些外表面。17.如權(quán)利要求3所述的對(duì)接站，其中，該用于散熱的裝置包括從分體式空調(diào)系統(tǒng)適當(dāng)適配的制冷循環(huán)系統(tǒng)的熱耦合的冷側(cè)管道。18.如權(quán)利要求3所述的對(duì)接站，其中，該用于散熱的裝置包括該對(duì)接站的這些導(dǎo)熱表面。19.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，該用于散熱的裝置包括從分體式空調(diào)系統(tǒng)適當(dāng)適配的制冷循環(huán)系統(tǒng)的熱耦合的冷側(cè)管道。20.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，該高功率便攜裝置是高性能便攜計(jì)算機(jī)，其中，該 發(fā)熱設(shè)備是包括CPU的PC板。
【文檔編號(hào)】G06F1/16GK106031321SQ201580010616
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2015年1月5日
【發(fā)明人】巴威石·沙
【申請(qǐng)人】探戈科技公司