CN103096689A - 散热装置与散热*** - Google Patents

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CN103096689A CN2011104395340A CN201110439534A CN103096689A CN 103096689 A CN103096689 A CN 103096689A CN 2011104395340 A CN2011104395340 A CN 2011104395340A CN 201110439534 A CN201110439534 A CN 201110439534A CN 103096689 A CN103096689 A CN 103096689A
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简国祥
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Abstract

一种散热装置与散热***，该散热***包括一驱动单元、一热交换单元与散热装置，热交换单元连通驱动单元，该散热装置包括一本体、一疏水薄膜与一盖体。该本体具有一入口、一出口与一流道，流道的两端分别连通入口与出口，流道暴露于本体的表面，入口连通驱动单元，出口连通热交换单元，疏水薄膜配置于本体的表面而覆盖流道，盖体结合至本体且具有一腔室与一排气口，疏水薄膜隔离流道与腔室，腔室连通排气口，排气口连通热交换单元，驱动单元用以将一工作流体驱往散热装置，工作流体再由散热装置前往热交换单元后回到驱动单元。本发明利用疏水薄膜有效地实现液气分离的目的，进而确保工作流体的顺利推动而保持高散热效率。

Description

散热装置与散热***
技术领域
本发明涉及一种散热装置与散热***，特别是一种液气分离的散热装置与散热***。
背景技术
环顾过去、现在及未来发展的重点产业，无论是半导体产业，还是因温室效应、石油价格飙升等因素而广受全球所重视的绿色能源与节能产品，如LED应用产品(路灯、车灯、室内照明等)、高效率太阳能电池，及未来的发展重点产业如云端运算产品等，都存在其内部所产生的热量不易散发而影响其效率、稳定性及寿命的问题，进而使其产品及产业发展受限。而相关产品其高温产生的起因可分为两类，分别为高发热量及集中热源(高发热密度)。高发热量的影响可由传统电脑***为例，在电子元件的发展中随着集成电路(IntegratedCircuit，IC)封装技术与工业工艺的演进，使其内部的集成电路封装密度及运算速度随之快速提升，而高速的运作频率及不断缩小的电路线宽会使电子元件的发热量相对提高。统计结果显示电子产品损坏的原因有55％是因为温度过高所致，芯片每降低10℃可提升1％到3％的运算效率，显示温度对于电子相关设备的性能、寿命及稳定性影响甚巨，故有效的散热设计可使电子元件设备具有高可靠度、稳定性及高工作寿命的优点，还可克服高速电子芯片发展限制。
高发热密度所衍生的散热挑战在于具有极高的热点(Hot spot)存在，故扩散热阻(spreading resistance)将强烈影响整体散热模组的性能。另外，在高功率LED封装为提高光通量常采用阵列模组的方式，在这些发光芯片的高密度排列下更提高散热设计的困难度。早期电子元件的散热大多采取自然对流或者是强制对流气冷的方式，利用铜或铝材质的散热鳍片(Heat Sink)与电子元件发热源进行热交换，并搭配风扇及热管将热量散至外界，虽具有结构简单及低成本的优势，但其热传效果较差且具有噪音较大的问题，已逐渐不适合高发热量产品应用，因此各种更为有效的如热电(Thermal Electric)芯片、液体冷却(LiquidCooling)以及蒸汽压缩式(Vapor Compression)冷冻空调***等电子散热方式已陆续发展与应用。其中，热电致冷器造价较高、商用的热电致冷器效率相对较低、需要输入额外的能量去冷却发热源。蒸汽压缩式冷却***可实现较低的冷却温度，虽然可有效地将电子芯片废热排除，但是如此低温的环境并不适合用于电子元件，其原因在于当冷媒蒸发温度低于露点温度时，结露的现象亦即发生，而所凝结水汽将对电子元件产生不良的影响，造成元件的损害及故障，并且该产品过于昂贵。
目前常见的液体冷却是一种有效为***降温的散热方式，一般而言大多采用水为工作流体，并采用单相液态为其运作方式。另外，为增强液体冷却***的散热能力，常通过缩小冷板的流道直径来实现。微通道在高热通量下具有优越的散热效果，但是相对流道尺度的缩小亦使得泵需要提供极高推力才能推动工作流体。另一方面，工作流体在通过高温区时产生的气泡会更进一步阻塞流道，造成泵需要提供更高的推力而降低液体冷却的可行性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种散热装置，可解决气泡阻塞流道的问题。本发明还提供一种散热***，可解决工作流体在流道中需要高推力来驱动的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种散热装置，包括一本体、一疏水薄膜与一盖体。本体具有一入口、一出口与一流道。流道的两端分别连通入口与出口。流道暴露于本体的表面。疏水薄膜配置于本体的表面而覆盖流道。盖体结合至本体且具有一腔室与一排气口。疏水薄膜隔离流道与腔室。腔室连通排气口。
为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种散热***，包括一驱动单元、一热交换单元与散热装置。热交换单元连通驱动单元。散热装置包括一本体、一疏水薄膜与一盖体。本体具有一入口、一出口与一流道。流道的两端分别连通入口与出口。流道暴露于本体的表面。入口连通驱动单元。出口连通热交换单元。疏水薄膜配置于本体的表面而覆盖流道。盖体结合至本体且具有一腔室与一排气口。疏水薄膜隔离流道与腔室。腔室连通排气口。排气口连通热交换单元。驱动单元用以将一工作流体驱往散热装置，工作流体再由散热装置前往热交换单元后回到驱动单元。
上述的散热装置还包括一支撑片，配置于本体与盖体之间，并将疏水薄膜固定于本体的表面。支撑片具有多个透气口。
上述的散热***，其中，疏水薄膜与流道中的一工作流体的接触角介于90°至180°之间。
上述的散热***，其中，流道为连续的S形。
上述的散热***，其中，流道从入口与出口往中间多次分支。
上述的散热***，其中，流道包括多个平行分支。
上述的散热***还包括一过滤单元，配置于驱动单元与入口之间。
上述的散热***还包括一单向阀，配置于排气口与热交换单元之间。
上述的散热***还包括一储液槽，配置于热交换单元与驱动单元之间，用以储存工作流体。
上述的散热***，其中，热交换单元具有一风扇。
上述的散热***，其中，驱动单元为泵。
本发明的技术效果在于：本发明的散热装置与散热***中，利用疏水薄膜有效地实现液气分离的目的，进而确保工作流体的顺利推动而保持高散热效率。
的以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明一实施例的散热***的示意图；
图2为图1中的散热装置的***图；
图3与图4为另外两种实施例的流道的示意图；
图5a～图5d为以图4的流道实际进行散热试验时气泡排出的连续高速撷取相片；
图6为接触角示意图。
其中，附图标记
50  工作流体
60  热源
100  散热***
110  驱动单元
120  热交换单元
122  风扇
130  过滤单元
140  单向阀
150  储液槽
200  散热装置
210  本体
212、312  入口
214、314  出口
216、316、416  流道
220  疏水薄膜
230  盖体
232  腔室
234  排气口
240  支撑片
242  透气口
R10  区域
θ  接触角
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
图1是本发明一实施例的散热***的示意图，图2是图1中的散热装置的***图。请参照图1与图2，本实施例的散热***100包括一驱动单元110、一热交换单元120与一散热装置200。热交换单元120连通驱动单元110。具体而言，工作流体50是从驱动单元110流往散热装置200。工作流体50在从散热装置200带走热量而升温后，接着流往热交换单元120以跟外界环境进行热交换而降温。之后，工作流体50再从热交换单元120回到驱动单元110而构成一个循环。本实施例的散热***100是以构成封闭式的循环为例。
散热装置200包括一本体210、一疏水薄膜220与一盖体230。本体210具有一入口212、一出口214与一流道216。流道216的两端分别连通入口212与出口214。流道216暴露于本体210的表面。换言之，仅单独观察本体210时，可直接从本体210的表面观看到流道216的底部而没有任何结构覆盖流道216。入口212连通驱动单元110。出口214连通热交换单元120。工作流体50就是从驱动单元110经由入口212进入流道216，再从流道216经由出口214进入热交换单元120。疏水薄膜220配置于本体210的表面而覆盖流道216。疏水薄膜220的疏水性使得工作流体50无法通过疏水薄膜220，但气体可以通过疏水薄膜220。
盖体230结合至本体210且具有一腔室232与一排气口234。疏水薄膜220隔离流道216与腔室232。腔室232连通排气口234。排气口234连通热交换单元120。本体210用于接触一热源60。热源60例如是LED、芯片、太阳能电池或其他需要散热的元件。热源60的热量传递至本体210后会再传递至流道216中的工作流体50，工作流体50在升温的过程中就把热量带离本体210而达到散热的目的。甚至，工作流体50可能从液态转换为气态，而在液气转换的过程中可带走更大量的热量。此外，转换为气态的工作流体50可迅速通过疏水薄膜220进入腔室232，并从排气口234通往热交换单元120。因此，可以避免气态的工作流体50在流道216中形成气泡而阻挡工作流体50的流动，以确保工作流体50可顺利地不断循环并带走热量，进而获得最佳的散热效率。气态的工作流体50在降温后也会再度转换为液态。
驱动单元110用以提供驱动力量，以将工作流体50驱往散热装置200，工作流体50再由散热装置200前往热交换单元120后回到驱动单元110。
本实施例的散热装置200还可包括一支撑片240，配置于本体210与盖体230之间，并将疏水薄膜220固定于本体210的表面。支撑片240具有多个透气口242。气态的工作流体50可迅速通过疏水薄膜220与透气口242而进入腔室232。支撑片240主要是用于避免疏水薄膜220脱离本体210的表面，导致液态的工作流体50进入腔室232。然而，若疏水薄膜220原本就可被适当地固定，则不需要设置支撑片240。
本实施例的疏水薄膜220的疏水性的具体表现是，疏水薄膜220与流道216中的工作流体50的接触角θ介于90°至180°之间。参见图6，图6为接触角示意图。接触角θ是指在液体/气体界面接触固体表面而形成的夹角。由图可见，接触角θ是由三个不同界面相互作用的一个***。最常见的解释为，一个小液滴在一单位横向的固体表面，由杨格-拉普拉斯方程所定义的水滴的形状，接触角θ扮演了约束条件。接触角θ的测量可由接触角量角器所测得。接触角θ并不限于液体/气体界面；它同样适用于两种液体界面或两种蒸汽界面。通常来说，在固体表面上的一液滴，若此液体受到固体表面的作用力甚强(例如水与一种强亲水的固体的表面)，液滴将会完全地平贴在固体表面上，则其接触角θ约为0°，而非强亲水性的固体，则接触角θ则会较大，到约90°。在许多高亲水性的表面上，水滴的接触角θ约为自0°到30°。若是固体表面为疏水，则接触角θ将大于90°，对于高疏水性的表面，其对水的接触角θ可高达150°或甚至近180°。在这种的表面上，水滴仅是停留在其上，而非真正对其表面浸润，可称之为超疏水，我们可以在适当氟化处理过(类铁氟龙涂布)的表面观察到，并可称之为莲花效应。这种新材料的表面的超疏水现象基于与莲叶表面相同的原理(叶面有许多小突起)，甚至对蜂蜜都有超疏水的现象。接触角θ因而也提供了表面与液体间作用力的信息。但有时候，接触角θ也有可能指的并不是液/气界面往液相的夹角，而是指液/气界面往气相的夹角，此时，上述的解释角度为其互补角。本实施例的流道216为连续的S形。在图3的实施例中，流道316是从入口312与出口314两端往中间多次分支，即流道316沿入口312经第一次分支、第二次分支等多次分支后到达中间位置，然后该多个分支自中间位置起再逐一合并，最后在出口314汇合。在图4的实施例中，流道416包括多个平行分支。
图5a～图5d为以图4的流道实际进行散热试验时气泡排出的连续高速撷取相片。其中，图5a、5b、5c、5d分别依次为0秒、0.04秒、0.08及0.12秒的区域R10中的气泡所占区域的情况，从图图5a～图5d中可明显观察到，原本0秒时区域R10几乎被气泡(以斜线加强表示)占满，但在过了0.04秒与0.08秒后气泡所占的区域明显缩小，而在过了0.12秒后区域R10被气泡所占的区域大约只剩一半。由此可知，本发明的散热装置确实有助于气体在短时间内快速地经由疏水薄膜从流道中排除。
请再参照图1，本实施例的散热***100还包括一过滤单元130，配置于驱动单元110与入口212之间。过滤单元130用以过滤工作流体50可能出现的杂质。本实施例的散热***100还包括一单向阀140，配置于排气口234与热交换单元120之间。单向阀140用以避免液态或气态的工作流体50回流而进入腔室232。本实施例的散热***100还包括一储液槽150，配置于热交换单元120与驱动单元110之间，用以储存工作流体50并藉此调节在整个***中循环流动的工作流体50的量。本实施例的热交换单元120具有一风扇122，以提升热交换单元120与外界进行热交换的效率，快速地将工作流体50降温。本实施例的驱动单元110为泵，但也可能是其他形式的驱动单元。
综上所述，在本发明的散热装置与散热***中，利用疏水薄膜快速地将气体从流道中排出至腔体，以降低流道受气泡阻塞而导致工作流体无法顺利流动的机率，进而确保工作流体不断循环而保持高散热效率。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (17)

1.一种散热装置，其特征在于，包括：
一本体，具有一入口、一出口与一流道，其中该流道的两端分别连通该入口与该出口，该流道暴露于该本体的表面；
一疏水薄膜，配置于该本体的表面而覆盖该流道；以及
一盖体，结合至该本体且具有一腔室与一排气口，其中该疏水薄膜隔离该流道与该腔室，该腔室连通该排气口。
2.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，还包括一支撑片，配置于该本体与该盖体之间，并将该疏水薄膜固定于该本体的表面，其中该支撑片具有多个透气口。
3.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，该疏水薄膜与该流道中的一工作流体的接触角介于90°至180°之间。
4.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，该流道为连续的S形。
5.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，该流道从该入口与该出口往中间多次分支。
6.如权利要求1所述的散热装置，其特征在于，该流道包括多个平行分支。
7.一种散热***，其特征在于，包括：
一驱动单元；
一热交换单元，连通该驱动单元；
一散热装置，包括：
一本体，具有一入口、一出口与一流道，其中该流道的两端分别连通该入口与该出口，该流道暴露于该本体的表面，该入口连通该驱动单元，该出口连通该热交换单元；
一疏水薄膜，配置于该本体的表面而覆盖该流道；以及
一盖体，结合至该本体且具有一腔室与一排气口，其中该疏水薄膜隔离该流道与该腔室，该腔室连通该排气口，该排气口连通该热交换单元，该驱动单元用以将一工作流体驱往该散热装置，该工作流体再由该散热装置前往该热交换单元后回到该驱动单元。
8.如权利要求7所述的散热***，其特征在于，该散热装置还包括一支撑片，配置于该本体与该盖体之间，并将该疏水薄膜固定于该本体的表面，该支撑片具有多个透气口。
9.如权利要求7所述的散热***，其特征在于，该疏水薄膜与该流道中的一工作流体的接触角介于90°至180°之间。
10.如权利要求7所述的散热***，其特征在于，该流道为连续的S形。
11.如权利要求7所述的散热***，其特征在于，该流道从该入口与该出口往中间多次分支。
12.如权利要求7所述的散热***，其特征在于，该流道包括多个平行分支。
13.如权利要求7所述的散热***，其特征在于，还包括一过滤单元，配置于该驱动单元与该入口之间。
14.如权利要求7所述的散热***，其特征在于，还包括一单向阀，配置于该排气口与该热交换单元之间。
15.如权利要求7所述的散热***，其特征在于，还包括一储液槽，配置于该热交换单元与该驱动单元之间，用以储存该工作流体。
16.如权利要求7所述的散热***，其特征在于，该热交换单元具有一风扇。
17.如权利要求7所述的散热***，其特征在于，该驱动单元为泵。
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