電子設備的制造方法【專利摘要】一種電子設備，其具有熱源，熱源設置為直接對準用于設備的電池；和熱管理系統，熱管理系統與熱源熱接觸。熱管理系統可從電池的至少第一表面延伸至電池的第二表面。電池的第二表面可鄰接散熱元件。熱管理系統可進一步與散熱元件熱接觸。另外，熱管理系統的一部分沿著電池的第一和第二表面延伸，并具有足夠高的非等向性比例，以避免至電池的熱量轉移達到抑制電池功能的程度。【專利說明】電子設備[0001]本公開的背景[0002]本申請要求2013年3月12日提交的美國臨時申請61/777，612的權益，該美國臨時申請的名稱為PortableElectronicDeviceThermalManagementSystem。本申請享受此申請的優先權的權益并且由此要求該權益，且通過引用將其全文并入本文。
技術領域：
[0003]公開的實施例涉及用于便攜式電子設備的熱管理系統，特別是包括當前一代電池或下一代電池的設備的熱管理系統。【
背景技術：
】[0004]自從便攜式晶體管收音機的發明以來，對便攜式，現在稱為“移動”，電子設備已有所關注。這種關注始于人們可攜帶的AM收音機，持續延伸至照相機以及組合式卡匣型播放器-收音機(例如，Walkman?收音機)，并且現在包括例如照相機、移動電話、移動電腦、平板電腦、MP3播放器與其它設備的各種設備。[0005]隨著便攜式/移動設備在過去數十年間的發展，這類設備的需求和能力也隨之發展。隨著每一代設備的發展，設備已能夠以甚至更高的帶寬和使用者更友好的形式向它們的使用者提供更多內容，同時賦予使用者從他們的設備創造、修改和傳送內容的能力。隨著這些設備的方便性增加，針對設備的功率要求以及與用于這類設備的電池相關聯的技術也隨之增加。這些近代設備包含更多能量并產生更大功率，且因此產生更多的熱。除了電池的夕卜，設備的硬件物品(例如，無線電、顯示器和處理單元)也變為更大功率，且同樣針對這類設備產生額外的散熱問題。[0006]另外，隨著這些設備變為更大功率，這些設備的趨勢偏向更小、更輕和更薄，且由于設備內側或以其它方式配置的更大的組件密度，以致最小化設備外殼內側可用的空間。由于設備內側組件的增加的功率以及減少的內部空間的組合，系統的熱管理為移動設備設計者必須列入考慮的因素，并成為高功率便攜式設備設計的幾乎所有方面的主要考慮(在一些情況下，為限制因素)。【
發明內容】[0007]此處公開的實施例包括電子設備，該電子設備具有熱源，其設置為直接對準用于設備的電池;和熱管理系統，其與熱源熱接觸。熱管理系統可從電池的至少第一表面延伸至電池的第二表面。電池的第二表面可選擇性鄰接散熱元件，例如，散熱片、散熱管、冷卻板等。熱管理系統可進一步與散熱元件熱接觸。另外，熱管理系統的一部分可沿著電池的第一和第二表面延伸，并具有足夠高的擴展系數以及與電池中的多個電池單元熱連通，以避免在電池單元的任一個中形成局部熱點。在替代實施例中，電子設備不包括這類散熱設備。[0008]應理解的是，前文的一般性敘述和下列的詳細敘述兩者均提供本公開內容的實施例，并旨在提供理解所要求保護的本發明的性質和特性的綜述或架構。【附圖說明】[0009]圖1為PCB和電池的常規配置的立面俯視圖。[0010]圖2為圖1所示的常規配置的側視圖。[0011]圖3為根據本公開內容的電池和熱管理系統的立體視圖。[0012]圖4為沿著圖3的線A-A取得的剖面圖。[0013]圖5為熱管理系統的替代示例性實施例的剖面圖。[0014]圖6為熱管理系統的替代示例性實施例的剖面圖。[0015]圖7為熱管理系統的替代示例性實施例的剖面圖。[0016]圖8為包括電池的設備的內部配置的立面俯視圖，其具有熱管理系統和一個或多個熱源。[0017]圖9為圖8的設備的側視圖。[0018]圖10為此處公開的實施例的側視圖。【具體實施方式】[0019]此處公開的實施例可應用至各種移動設備，例如，但不限于通常稱為“智能手機”的移動電話、筆記本式計算機、上網本、超極本、筆記本電腦、平板電腦、MP3播放器和照相機。這些類型的設備可統稱為移動設備。[0020]眾所周知的是，隨著這類移動設備內含的組件，例如，但不限于電池、中央處理單元“CPU”、圖形處理單元“GPU”、驅動芯片、內存芯片、RF功率放大器和收發器、用于任何或所有的機載無線電或蜂巢型(CDMA、GSM、WCDMA/UMTS和LTE加上其數據等效物:W1-F1、BT、GPS、NFC、EV-DO;EDGE、GPRS、HSDPA、HSUPAVOIP)的DC/DC切換器、PMIC(功率管理集成電路)(例如，升壓和/或降壓電感器和功率轉換器)和/或無線充電元件、高速數字電子設備(例如，照相機影像處理和穩定化元件、靜態或視頻影像光源)、顯示元件(LED、0LED和其驅動器)、磁盤驅動器(例如，CD/DVD/藍光驅動器)和高速USB端口或其它用于高功率應用(例如，用于充電或操作接口設備)的端口變為更大功率，設備內側所產生的熱量也隨之增加。前文所提及的組件為熱源的例子。[0021]額外產生的熱量在設備上會具有各種不利的效應。舉例來說，在電池的例子中，對電池施加不需要的熱量會導致電池中的各種故障機制，例如，改變所產生的化學反應。由外部組件過量地加熱電池也可導致電池在其可用壽命期間可完成的循環數減少，并可加速和增加電池的膨脹，進一步降低其性能和設備的可接受性。在最壞的情況下，過量的電池加熱可增加對不需要的不可逆反應的偏好;其會導致電池損壞。[0022]對電池的過量熱暴露的擔憂已導致在過去的三(3)到五(5)年間設備設計和布局選項是較少的。同時期具有更強大功能的設備不以重迭的垂直配置放置電池和PCB，重迭的垂直配置常稱為“PCB上載電池(battery-over-PCB)”定向，其在引入3G移動通訊技術之前可能已經使用。[0023]關于電子設備中包括的其它類型組件，施加不需要的熱量會導致組件的運轉頻率降低，并因而導致總體設備的響應度降低，從而劣化設備的感知性能。有害的熱量施加的另一例子可導致在設備顯示器上的影像的總體質量降低。[0024]先前嘗試解決從電子設備的組件傳遞至另一組件的不需要熱量的問題是垂直和水平地將所需組件彼此隔開或“偏移”，以致例如電池并非垂直地對準CPU或其它可產生不需要熱量并將這類熱傳遞至電池的組件。示例性現有技術的設備布置可參照圖1所示，其是俯視立面局部圖且圖2是側視局部圖。如可見的，電池10和熱源12相對于設備外殼14布置在電子設備的內側。電池10可位于設備的左側下部段，且熱源12(例如，CPU)可位于設備的右側上部段。因此，如圖1和2所繪示，電池10既垂直又水平地自熱源12偏移。[0025]在此處公開的實施例的中，兩個電子組件可以例如彼此水平或垂直地直接熱對準定位。通過舉例，電池和CPU的每個可位于設備的上部右側、設備的下部左側或設備的任何其它所需區域的任一個中。在另一個實施例中，電池和CPU可水平地并排。此處公開的實施例包括電子設備，其具有熱源，熱源系設置為垂直對準用于設備的電池。在前一句中所用的垂直對準意指電池和熱源在設備內并未沿著垂直方向彼此偏移。[0026]熱管理系統可自電池的至少第一表面延伸，并選擇性地延伸至電池的第二表面。參照圖3和4，在一個實施例中，第一表面可為通常為矩形的電池20的頂表面26，且第二表面可為通常為矩形的電池20的側表面28。在另一個實施例中，第一表面可為通常為矩形的電池20的頂表面26，且第二表面可為通常為矩形的電池20的相對底表面30。在另外的實施例中，第一和第二表面可為任意兩個表面，其通常是位于電池(矩形、袋形或圓柱形)的相對偵Ij。在其它實施例中，第一表面和第二表面可為任何兩個Btt鄰的表面，例如，頂表面和側表面。替代地，系統可完全包裹圍繞電池，舉例來說，系統可包裹圍繞通常為矩形的電池20的頂部26、側部28和底部30。在其它實施例中，系統可包裹圍繞圓柱形電池的整個圓周。另外，替代地，熱系統可基本上包圍整個電池，且因此僅包括電氣連接所需和/或確保適當排氣的開口。[0027]設備進一步包括與熱源熱接觸的熱管理系統。當布置在設備中時，電池的第二表面可鄰接選擇性的散熱元件，且第一表面可鄰接熱源。示例性散熱元件包括散熱片、散熱管、冷卻板等。以此方式，可環繞電池將熱量自熱源引導至散熱元件。散熱元件可與設備外殼隔開;這類外殼包括設備的外部表面。此處將熱接觸定義為包括至少熱源傳熱至熱管理系統。另外，沿著電池的第一和第二表面延伸的熱管理系統的一部分可具有足夠高的擴展系數，并與電池的多個電池單元熱連通，以避免至電池的熱量轉移將在電池的具體單元中產生局部熱點。這類局部熱點將導致抑制電池的運轉。在局部熱點的例子中，一個單元比其相鄰的一個或多個單元熱不超過10°c。在局部熱點的另一個例子中，一個單元比其相鄰的一個或多個單元熱不超過5°c。禁止到達電池的不想要的熱量的例子包括這種熱量，其將:調整電池化學，以不需要的頻率招致不可逆反應;升高電池溫度至高于閾值，以致電池充電或放電的速率降低至不希望的水平;或電池達到過度減少電池循環壽命的溫度。另外，優選的是傳遞至電池的熱量對電池技術、規格和在所有情況下的操作條件(包括故障條件下的安全耐受性)而言為可接受的。[0028]在許多例子中，條件可發生在電池的特定單元中，并導致該特定單元提早故障。這會在電池中的其它單元上具有多米諾(domino)效應，導致不需要的電池性能。形成在初期單元中的局部熱點可為這類初期單元提早故障的原因。熱管理系統可平衡跨組成電池的多個單元的熱量，從而除去初期單元中的熱點。[0029]可應用至上述實施例的電池類型的例子包括鎳鎘電池、鋰離子電池或鋰聚合物電池。上述實施例同樣也可應用至下一代電池。此外，上述實施例可應用至可拆卸電池或不可拆卸電池。可拆卸電池能夠自設備拆除而不損壞電子設備和/或設備內包括的任何其它組件。[0030]優選地，電池或熱管理系統兩者均不接觸設備的外部表面。優選地，在電池和設備的外部表面之間存在氣隙。同樣地，優選的是熱管理系統不延伸至設備的外部表面。進一步優選的是熱管理系統不與設備的外部表面熱連通。[0031]散熱元件的示例性實施例可包括選自下列組的一個或多個:用于設備的內部框架或機殼、冷卻板、散熱管或散熱片。可由適合的塑料、金屬或其它適合的材料或其組合構成任何所提及的散熱元件。[0032]在特定實施例中，熱管理系統環繞電池延伸的部分包括撓性石墨片。有利地，熱管理系統中的撓性石墨片為相連片。在一個實施例中，撓性石墨為層離石墨壓縮顆粒片。優選地，撓性石墨片的非等向性比例大于至少約40，適當的非等向性比例的其它例子包括至少約75、至少約100和至少約150。非等向性比例在此處是用于意指平面內導熱率除以貫穿平面導熱率。GrafTechInternat1nalHoldingsInc.的eGraf?散熱件解決方案為前文提及的層離石墨壓縮顆粒片的例子。燒性石墨片的另一例子為eGraf?SS1500散熱件，其為石墨化聚酰亞胺。[0033]美國專利3404061的全文是并入于此作為如何可制成這類層離石墨片的例子。片的示例性厚度包括至少約40微米、至少約50微米、至少約100微米、至少約250微米。至于厚度，對片可形成并包裹圍繞電池的可接受的厚度并無限制。不過，考慮到電子設備的趨勢，難以想象這類設備將設計為容納超過2mm厚的片。如何可制成石墨化聚酰亞胺片的例子為美國專利5091025，其全文是并入于此以供參照。[0034]在貫穿熱阻抗方面，有利的是若石墨片所具有的貫穿熱阻抗為至少0.25cm2K/W，優選的是至少0.30cm2K/W，更優選的是至少0.40cm2K/W，且甚至更優選的是至少0.50cm2K/W。熱阻抗為材料對熱量通過材料主體轉移的抗性的測量。這是通過將貫穿平面導熱率與石墨片的厚度相乘來確定的。[0035]至于所述部分的熱擴展系數，優選的擴展系數為至少0.040W/K，更優選的是至少0.050W/K，且甚至更優選的是至少0.060W/K。擴展系數為材料如何良好地橫跨其表面平衡材料本身所暴露至的熱量的測量。擴展系數可通過將組成所述部分的撓性石墨片的平面內導熱率乘以其厚度來確定。包括所述部分的撓性石墨片可延伸遍及大部分的熱管理系統；進一步地，基本上可延伸遍及整個熱管理系統。[0036]在另一個替代實施例中，撓性石墨為石墨化聚酰亞胺樹脂片和聚合物層，聚合物層具有小于約lW/mK的貫穿平面導熱率以及至少約10微米的厚度。雖然不要求，石墨化聚酰亞胺最可能具有小于約70微米的厚度。石墨化聚酰亞胺產品的例子包括GrafTechInternat1nalHoldingsInc.的eGraf?SS1500解決方案。[0037]當在熱管理系統中使用時，前文提及的石墨片的任一個優選的是在片中無彈性體。可以或可以不以保護層涂布片的主要表面的一個或兩者，保護層典型為熱塑性聚合物層，例如，PET薄膜。而且，不直接以保護層涂布在這類表面上的石墨片的主要表面在這類主要表面上具有粘性層是可行的。[0038]選擇性地，熱管理系統可進一步包括與電池熱連通的第二部分。第二部分可位于電池上的所需位置，以自電池散熱量。舉例來說，第二部分可位于電池外部上的已知或已察覺的熱點。這類第二部分可為熱接口材料、散熱件或其它類型的散熱設備。第二部分也可接觸散熱元件或第二散熱元件。[0039]另一選擇性實施例可包括熱絕緣材料、介電材料或吸震材料，其設置在電池的至少第二表面和熱管理系統沿著電池的第二表面延伸的所述部分之間。在某個有利的實施例中，熱絕緣材料、介電材料或吸震材料沿著電池的第一和第二兩個表面設置。在額外的有利的實施例中，熱絕緣材料、介電材料或吸震材料沿著基本上全部的電池設置，其是熱管理系統沿著設置的部分。這類材料的例子包括各種非導電的聚合物薄膜和發泡體。[0040]現參照圖4，進一步敘述上文的實施例。如可見的，電池組件50包括熱管理系統32，其包圍電池40。在圖4公開的實施例中，系統32包括外部聚合物層34;包括撓性石墨片的層36，其是自外部聚合物層34向內放置的層離石墨壓縮顆粒或石墨化聚酰亞胺;和內部聚合物層38，其放置為最接近電池單元40。因此，如可見的，根據此實施例，撓性石墨層36放置在外部聚合物層34和內部聚合物層38之間。應認識到聚合物層34和38可交替或另外地為介電材料或吸震材料。另外，內部聚合物層38也可作用如電池單元40的外部包護層，在其中含有電化學組件。此外，外部聚合物層34可作用如用于產品卷標的附接點或印刷表面。[0041]如上文在此處公開的，聚合物/絕緣/介電層為選擇性的，且同樣地，電池的完全圍繞也是選擇性的。因此，現參照圖5至7，其公開的是各種進一步的示例性實施例。如可見于圖5，熱管理系統32包括外部聚合物層34和撓性石墨層36。另外，聚合物層34和撓性石墨層36僅接合電池單元40的第一和第二側。如可見于圖6，熱管理系統32包括撓性石墨層36和內部聚合物層38。熱管理系統包圍兩側以上，但并非全部的電池單元40。另一個示例性實施例示于圖7，其中熱管理系統32包括撓性石墨層36，其包圍整個電池單元40。[0042]現參照圖8至9，鑒于上文的敘述，熱源可在位置A、B或C的任一處定位為直接對準包括熱管理系統32的電池組件50。位置A、B和C僅為用于熱源的示例性位置，且不應用來限制本文所包含的權利要求。在這些位置的任一個中的熱源可與熱管理系統熱接觸。因此，舉例來說，如果設備包括熱源A，根據上述公開內容，表面A’為與熱源熱接觸的第一表面，且表面X可為鄰接散熱元件(設備的外部表面14)的電池的第二表面。以另一方式陳述，與熱源A熱接觸的熱管理系統32的第一表面可稱為熱管理系統32的第一部分或部分，此相同的命名法也可與此處所述的其它實施例的任一者或全部并用。同樣地，如果設備包括熱源B，根據上述的公開內容，表面B’為與熱源熱接觸的第一表面，且表面X可為第二表面。另外，如果設備包括熱源C，則表面C，將為熱接觸的第一表面，且表面X可為第二表面。[0043]在圖10中描述另一個實施例，標記為100。如所示的，設備100包括外部表面102。設備內側為熱源104和印刷電路板106。同樣顯示電池108，其鄰接源104并與源104熱連通。熱管理系統110與熱源104以及電池108的第一側和第二側熱連通。額外顯示電池108與外部表面102之間以及系統110與外部表面102之間的氣隙。系統110的示例性實施例為散熱件，其包括eGrafSS400散熱件(可購自GrafTech，Parma，0h1)。系統110的其它實施例可包括一個GrafTech的eGraf?散熱件以及GrafTech的HiTherm熱接口材料的組合。[0044]在另一特定實施例中，熱管理系統可與熱源和電池兩者物理接觸。[0045]在特定實施例中，部分可包括至少一部分的用于電池的標簽。在特定實施例中，熱管理系統的部分可結合至用于電池的標簽中。電池的標簽可作用于提供信息或標示的目的、電絕緣的好處以及至少一些結構支撐量。[0046]此處所公開的實施例可用于使電池溫度維持在所需范圍內，以防止對電池造成負面影響，優選的是使電池維持在低于95°C的溫度，更優選的是低于約80°C，甚至更優選的是低于約70°C，且甚至進一步更優選的是低于約60°C。[0047]此處公開的實施例可用于使得能夠實現PCB上載電池所需的設備設計。此處公開的實施例的另一個優點包括減少熱組件在電池上可具有的效應，特別是如果熱組件鄰接電池的情況。此將幫助防止電池上的來自外部源的局部熱積聚(“熱點”)，從而更好地使得電池的任何熱管理需求能夠僅針對電池所產生的熱量。同樣地，減少外部加熱所導致的任何不需要反應的可能性。另外，抑制電池的局部外部加熱可導致的電池膨脹。此外，針對電池操作，此處公開的實施例可提供優越的安全限度，避免因故障組件的加熱(例如，當組件短路或發生閂鎖效應時)所導致的熱失控。結合此處公開的實施例的設備可具有更便宜、更薄和/或更有效率的設計。結合此處公開的實施例中一個的設備的電池將更不易受到局部熱點的形成的影響。此外，電池應呈現更均勻的溫度曲線。另外，引導向電池的熱量將跨與熱管理系統熱連通的電池部分更均勻地散布。[0048]電子設備可以不具有環繞熱源或電池的任一者或兩者的EMI屏蔽。在一個特定實施例中，設備內包含的任何EMI屏蔽并非熱管理系統的一部分。[0049]優選卻非必需的是，此處公開的一個或多個實施例使得設備能夠滿足相關的電磁兼容性標準(例如，IEC標準60601-1-2)。[0050]上文的敘述旨在使得本領域技術人員能夠實行本發明。并未打算詳述所有可能的變化和修改，這對于本領域技術人員在閱讀描述后將變得顯而易見。不過，旨在由所附的權利要求限定的本發明范圍內包括所有這類修改和變化。[0051]因此，雖然已敘述此處公開的特定實施例，除了在所附的權利要求中提出之外，并未打算將這類參照理解為對本發明范圍的限制。可以其任何組合實行上文討論的各種實施例。【主權項】1.一種電子設備，其包括:a.熱源，其設置為直接對準用于設備的電池；b.熱管理系統，其與熱源熱接觸；.1.熱管理系統延伸至電池的至少第一表面；c.熱管理系統的一部分沿著電池的第一表面和第二表面延伸，所述部分與電池的多個單元熱連通，并且所述部分具有足夠高的擴展系數，以避免在單元的一個中產生達到抑制電池功能的這種量值的局部熱點;和d.電池和系統與設備的外部表面間隔開。2.如權利要求1所述的電子設備，其中電池包括選自鎳鎘電池、鋰離子電池或鋰聚合物電池的至少一個，并且熱源包括電子組件。3.如權利要求2所述的電子設備，其中電池的第二表面鄰接散熱元件。4.如權利要求3所述的電子設備，其中散熱元件包括設備的框架或機殼的至少一個。5.如權利要求1所述的電子設備，其中所述部分包括層離石墨壓縮顆粒片。6.如權利要求1所述的電子設備，其中電池能夠在不損害設備的情況下被移除。7.如權利要求1所述的電子設備，其中熱管理系統進一步包括第二部分，所述第二部分與電池熱連通，并位于電池上的所需位置，以使來自電池的熱量散熱。8.如權利要求7所述的電子設備，其中第二部分與散熱元件熱接觸。9.如權利要求1所述的電子設備，其進一步包括熱絕緣或介電材料，其設置在電池和所述部分之間。10.如權利要求1所述的電子設備，在電池和熱源之間無隔板。11.如權利要求1所述的電子設備，其中熱管理系統與熱源物理接觸。12.如權利要求1所述的電子設備，其中所述部分包括石墨化聚酰亞胺樹脂片和聚合物層，所述聚合物層具有小于約lW/mK的貫穿平面導熱率以及至少約10微米的厚度。13.如權利要求1所述的電子設備，其中所述部分包括層離石墨壓縮顆粒片和聚合物層，所述聚合物層具有小于約lW/mK的貫穿平面導熱率。14.如權利要求1所述的電子設備，其中所述部分包括用于電池的標簽的至少一部分。15.如權利要求1所述的電子設備，其中所述部分結合到用于電池的標簽中。16.一種電子設備，其包括:a.熱源，其設置為直接對準用于設備的電池；b.熱管理系統，其與熱源熱接觸；.1.熱管理系統延伸至電池的至少第一表面；c.熱管理系統的一部分沿著電池的第一表面和第二表面延伸，所述部分與電池的多個單元熱連通，并具有至少0.04W/K的擴展系數;和d.電池和系統與設備的外部表面間隔開。【文檔編號】H01M10/623GK205564920SQ201490000432【公開日】2016年9月7日【申請日】2014年2月27日【發明人】D.G.里奇,R.A.雷諾德斯三世,B.A.特里梅【申請人】格拉弗技術國際控股有限公司