TW201938976A - 循環散熱模組 - Google Patents

Abstract

一種循環散熱模組，用以對熱源散熱。循環散熱模組包括蒸發器、冷凝器以及微/奈米結構。蒸發器熱接觸於熱源，以吸收熱源所產生的熱量。冷凝器連接蒸發器並形成迴路，工作流體填充於迴路，工作流體於蒸發器處吸熱而從液體轉變為氣體，且工作流體於冷凝器處散熱而從氣體轉變為液體。微/奈米結構配置於冷凝器以破壞工作流體流經冷凝器所形成的邊界層。

Description

循環散熱模組

本發明是有關於一種散熱模組，且特別是一種循環散熱模組。

利用氣液兩相改變之潛熱轉換來帶走電子元件熱量的技術，目前已發展出兩相（液、氣）散熱技術，其基本原理是利用冷卻液體在與熱源進行熱接觸之蒸發器中受熱汽化成蒸氣的過程將大量的熱由熱源帶走，而持續形成的蒸氣會形成推力而將受熱的液體與蒸氣推離蒸發器，並在熱量散逸後逐漸降溫後冷凝為液體，而後再次流回蒸發器以接受下一次的吸熱。

如此，藉由在蒸發器的熱交換（工作流體吸熱）以及離開蒸發器的熱交換（工作流體散熱）而形成循環，據以讓工作流體能順利地在所規劃的蒸發器與管路之間移動。

但，藉由流體的可視化（visualization）實驗中能發現，工作流體變成氣態離開蒸發器後會呈現彈狀流的型態而在管路中流動，此現象會在管壁上形成邊界層，導致氣體與管壁之間的熱交換效果不佳，而造成所述循環的散熱效率下降。

本發明提供一種循環散熱模組，其藉由微/奈米結構破壞工作流體行經冷凝段所產生的邊界層，以提高工作流體在冷凝段的熱交換效率。

本發明的循環散熱模組，用以對熱源散熱。循環散熱模組包括蒸發器、冷凝器以及微/奈米結構（micro/nano-structure）。蒸發器熱接觸於熱源，以吸收熱源所產生的熱量。冷凝器連接蒸發器並形成迴路，工作流體填充於迴路，工作流體於蒸發器處吸熱而從液體轉變為氣體，且工作流體於冷凝器處散熱而從氣體轉變為液體。微/奈米結構配置於冷凝器以破壞工作流體流經冷凝器所形成的邊界層。

本發明的循環散熱模組，用以對熱源散熱。循環散熱模組包括蒸發器以及管路（piping）。蒸發器具有第一出口與第一入口，管路連接蒸發器的第一出口與第一入口而形成迴路，工作流體填充於迴路。工作流體於蒸發器處吸熱而從液體轉變為氣體並經第一出口流出蒸發器。管路具有隔熱段與冷凝段，其中隔熱段位於第一出口與冷凝段之間，而工作流體於冷凝段處散熱而從氣體轉變為液體，並經第一入口流入蒸發器。

基於上述，循環散熱模組藉由在冷凝段設置微/奈米結構，因此得以破壞工作流體再以液、氣混合相行經冷凝段時，因液相工作流體在冷凝段的管壁所形成邊界層，故能使氣相工作流體能順利地經由管壁而散熱，進而達到較佳的熱交換效率。再者，工作流體經由在蒸發器吸熱而從液相轉換為氣相，並傳送出蒸發器並朝向冷凝段移動時，管路藉由在蒸發氣的出口與冷凝段之間設置隔熱段，除能避免工作流體所吸收的熱量在該處對其他周邊構件造成受熱的情形外，也能有效地保持氣相工作流體所具備的行進動力，以確保工作流體能順利地在迴路中循環行進。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依據本發明一實施例的一種循環散熱模組的示意圖。圖2是工作流體行經冷凝段時所產生的氣、液相狀態。請同時參考圖1與圖2，在本實施例中，循環散熱模組100用以對熱源200進行散熱，且循環散熱模組100包括蒸發器110、工作流體F1與冷凝器，冷凝器包括彼此結構抵接的管件120與散熱板130，其中管件120連接蒸發器110而形成迴路，以讓工作流體F1填充於迴路，藉由工作流體F1因吸、散熱造成液、氣相變換，而達到將熱源所產生的熱量排除的效果。

舉例來說，在如筆記型電腦或智慧型手機等可攜式電子裝置的內部，因應效能的提高，勢必連帶電子元件的散熱也成為必須解決的課題。據此，本實施例的蒸發器110與熱源200（例如是電子裝置的處理器或顯示晶片）是彼此熱接觸，其可藉由例如熱管的配置，而將熱源200所產生的熱量傳送至蒸發器，當然也可直接將蒸發器110結構抵接於熱源200而直接吸收從其產生的熱量。在此，並未對蒸發器與熱源之間的熱接觸手段予以限制。

如此一來，當工作流體F1行經蒸發器110時，便能因吸收熱量而從液相轉變為氣相，並據以從蒸發器110朝向冷凝器移動，而如前述，由於管件120與散熱板130彼此結構抵接，因此當氣態的工作流體F1行經管件120，便能因熱量被散熱板130吸收而從氣態逐漸轉變為液態，進而再次沿管件120流回蒸發器110而完成循環。在本實施例中僅以散熱板130作為使工作流體F1散熱的例示結構，但並不以此為限。在其他未繪示的實施例中，所述散熱板130也可以散熱鰭片、電子裝置所具有能導熱的殼體、風扇…等現有用以提供散熱效果的相關構件所取代。

如圖2所示，隨著工作流體行經管件120並散熱，因此管件120內會存在氣相的工作流體F1（如中所示氣泡G1）以及液相的工作流體F1，且因此產生彈狀流（slug flow），如所示氣泡G1，而使液相的工作流體F1與管件120的管壁之間形成邊界層M1、M2。此時，邊界層M1、M2的存在會造成氣態的工作流體F1（氣泡G1）與管壁之間的阻隔，並導致氣態的工作流體F1無法繼續經由管壁散熱。

據此，本實施例進一步地在管件120的管壁上形成微/奈米結構（micro/nano-structure），而據以破壞前述的邊界層M1、M2，以讓氣相的工作流體F1排除阻隔而能順利地與管壁接觸，進行達到散熱的效果。

詳細而言，圖3A是圖1的管件的局部示意圖。圖3B是圖3A的局部管件的製作示意圖。請同時參考圖3A、圖3B並對照圖1，在本實施例中，藉由將粗糙層件140結合至管件120的內壁而完成所述微/奈米結構。如圖3B所示，將製作好的粗糙層件140藉由治具J1、J2彼此相對驅動而塞入管件120內並定位至所需位置。接著，驅使管件120對應粗糙層件140的相對兩端予以局部變形，便能使粗糙層件140因管件120的管徑縮小而被固定其內，如此便能順利地將治具J1、J2移出而完成粗糙層件140與管件120的結合動作。惟，所述結合手段並非唯一，於另一未繪示的實施例中，所述微/奈米結構也可以是例如藉由燒結而一體成形於管件120內壁的粗糙結構。需說明的是，在此並未限制管件120內微/奈米結構的範圍，其可以是如圖1所示管件120的局部或全部。

如此，當工作流體F1行經管件120中存在所述微/奈米結構處，便能因此結構而破壞工作流體F1在管壁形成的邊界層，以讓氣相的工作流體F1能順利地經由管壁而達到散熱效果。同時，藉由此舉增加工作流體F1的熱交換效率，也能提供工作流體F1在迴路中行進所需的足夠動力。

圖4A是本發明另一實施例的一種循環散熱模組的示意圖。請參考圖4A，在本實施例中，循環散熱模組包括蒸發器110與管路320，其中蒸發器110一如前述實施例，而管路320進一步地區分為隔熱段L1與冷凝段L2，其中隔熱段L1連接在蒸發器110的出口E1與冷凝段L2之間，且冷凝段L2連接在隔熱段L1與蒸發器110的入口E2之間。再者，循環散熱模組還包括隔熱材310，罩覆於隔熱段L1。如此一來，隔熱段L1因隔熱材310的存在，因此當轉變為氣態的工作流體F1從蒸發器110流至管路320的隔熱段L1時，其避免了與散熱板330或前述其他可供散熱的相關構件因接觸而散熱，故工作流體F1仍能維持氣態，同時也因此維持工作流體F1行進的動力，而不致過早因熱交換而喪失工作流體F1行進的動力。此外，此舉還能避免當電子裝置內的構件是呈現緊湊配置時，工作流體F1容易在隔熱段L1即對其他構件造成加熱效果，而產生熱量從工作流體F1散失的情形，也避免因此影響其他構件的運作效能。而後，當工作流體F1行進至冷凝段L2時，方藉由散熱板330而進行如上述實施例的散熱動作。

圖4B是本發明又一實施例的循環散熱模組的局部示意圖。在此需說明的是，本實施例的循環散熱模組仍如圖4A所示的連接關係，而與前述實施例不同的是，隔熱段L3相較於冷凝段L4或蒸發器110是呈現架高狀態。進一步地說，本實施例藉由高架結構410而將隔熱段L3予以架高在電子裝置的基底B1之上，藉以避免如前述使周邊構件受熱的情形，也因此能讓工作流體F1行經隔熱段L3時避免過多的熱量散逸而降低後續在管路420行進的動力。

圖5A是本發明另一實施例的一種循環散熱模組的示意圖。請參考圖5A，在本實施例的循環散熱模組500中，冷凝器包括管件520、槽體530以及設置在槽體530內的微/奈米結構。如圖所示，管件520銜接蒸發器110的入口E2與出口E1，以及槽體530的入口E3與出口E4，亦即槽體530可被視為設置在管路的冷凝段，或是將槽體530視為循環散熱模組500的冷凝段。在此，微/奈米結構是設置在槽體530內且呈陣列排列的多個凸部，以讓工作流體F1流進槽體530時，其與槽體530內壁之間的邊界層能因所述凸部而被破壞，進而使工作流體F1能順利地在槽體530內進行熱交換（散熱），而從氣態轉變為液態後，再經由管件520與入口E2流入蒸發器110。

惟，本發明在此並未限定槽體內的微/奈米結構之外形。圖5B與圖5C是不同實施例循環散熱模組的局部示意圖，其用以對照圖5A所示槽體530的不同型式。在圖5B所示槽體530A，其內設置有多個溝槽結構，而在圖5C所示槽體530B，其內設置有多個以特定方向排列的鰭片結構，無論所示微/奈米結構為何，其皆能對行經槽體的工作流體F1進行破壞邊界層的效果。也就是說，本發明的微/奈米結構可以包括凸部、溝槽、鰭片或蝕刻結構的至少其一，據以使其破壞工作流體與管路內壁之間的邊界層，而讓氣相工作流體得以順利地散熱。反過來說，循環散熱模組的管路中設置有所示微/奈米結構處，即能被視為將氣相工作流體F1轉變為液相工作流體F1的冷凝器或冷凝段。

綜上所述，在本發明的上述實施例中，循環散熱模組藉由在冷凝段設置微/奈米結構，因此得以破壞工作流體再以液、氣混合相行經冷凝段時，因液相工作流體在冷凝段的管壁所形成邊界層，故能使氣相工作流體能順利地經由管壁而散熱，進而達到較佳的熱交換效率。再者，工作流體經由在蒸發器吸熱而從液相轉換為氣相，並傳送出蒸發器並朝向冷凝段移動時，管路藉由在蒸發氣的出口與冷凝段之間設置隔熱段，除能避免工作流體所吸收的熱量在該處對其他周邊構件造成受熱的情形外，也能有效地保持氣相工作流體所具備的行進動力，以確保工作流體能順利地在迴路中循環行進。

再者，所述微/奈米結構可以是管件內壁的粗糙結構或粗糙層件，也可以是在管路的局部設置槽體，且在槽體內形成凸部、溝槽、鰭片或蝕刻結構的至少其一，以藉由非平滑面的管路，而達到破壞工作流體之邊界層的目的。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、500‧‧‧循環散熱模組

110‧‧‧蒸發器

120、520‧‧‧管件

130、330‧‧‧散熱板

140‧‧‧粗糙層件

200‧‧‧熱源

310‧‧‧隔熱材

320、420‧‧‧管路

530、530A、530B‧‧‧槽體

B1‧‧‧基底

E1、E4‧‧‧出口

E2、E3‧‧‧入口

F1‧‧‧工作流體

G1‧‧‧氣泡

J1、J2‧‧‧治具

L1、L3‧‧‧隔熱段

L2、L4‧‧‧冷凝段

M1、M2‧‧‧邊界層

圖1是依據本發明一實施例的一種循環散熱模組的示意圖。 圖2是工作流體行經冷凝段時所產生的氣、液相狀態。 圖3A是圖1的管件的局部示意圖。 圖3B是圖3A的局部管件的製作示意圖。 圖4A是本發明另一實施例的一種循環散熱模組的示意圖。 圖4B是本發明又一實施例的循環散熱模組的局部示意圖。 圖5A是本發明另一實施例的一種循環散熱模組的示意圖。 圖5B與圖5C是不同實施例循環散熱模組的局部示意圖。

Claims (14)

1. 一種循環散熱模組，用以對一熱源散熱，該循環散熱模組包括： 一蒸發器，熱接觸於該熱源，以吸收該熱源所產生的熱量； 一冷凝器，連接該蒸發器並形成一迴路，一工作流體填充於該迴路，其中該工作流體於該蒸發器處吸熱而從液體轉變為氣體，且該工作流體於該冷凝器處散熱而從氣體轉變為液體；以及 一微/奈米結構（micro/nano-structure），配置於該冷凝器，以破壞該工作流體流經該冷凝器所形成的邊界層。
2. 如申請專利範圍第1項所述的循環散熱模組，其中該工作流體在該冷凝器處因存在氣、液兩相並產生彈狀流（slug flow），而與該冷凝器之間形成所述邊界層。
3. 如申請專利範圍第1項所述的循環散熱模組，其中該冷凝器包括一管件（tube），連接該蒸發器而形成該迴路，該微/奈米結構是形成於該管件內壁的粗糙結構。
4. 如申請專利範圍第1項所述的循環散熱模組，其中該冷凝器包括一管件，連接該蒸發器而形成該迴路，該微/奈米結構是結合於該管件內壁的粗糙層件。
5. 如申請專利範圍第1項所述的循環散熱模組，還包括： 一管件，連接該蒸發器而形成該迴路，其中該冷凝器包括一槽體，連接於該管件的局部之間，該微/奈米結構配置於該槽體內。
6. 如申請專利範圍第5項所述的循環散熱模組，其中該微/奈米結構是設置在該槽體內的凸部、溝槽、鰭片或蝕刻結構的至少其一。
7. 一種循環散熱模組，用以對一熱源散熱，該循環散熱模組包括： 一蒸發器，具有一出口與一入口；以及 一管路（piping），連接該蒸發器的該出口與該入口而形成一迴路，一工作流體填充於該迴路，其中該工作流體於該蒸發器處吸熱而從液體轉變為氣體並經該出口流出該蒸發器，該管路具有一隔熱段與一冷凝段，其中該隔熱段位於該出口與該冷凝段之間，而該工作流體於該冷凝段處散熱而從氣體轉變為液體，並經該入口流入該蒸發器。
8. 如申請專利範圍第7項所述的循環散熱模組，還包括： 一隔熱材，罩覆該隔熱段。
9. 如申請專利範圍第7項所述的循環散熱模組，其中該隔熱段相對於該冷凝段或該蒸發器是呈架高狀態
10. 如申請專利範圍第7項所述的循環散熱模組，還包括： 一微/奈米結構，配置於該冷凝段，以破壞該工作流體流經該冷凝段所形成的邊界層。
11. 如申請專利範圍第10項所述的循環散熱模組，其中該微/奈米結構是該管路內壁的粗糙結構。
12. 如申請專利範圍第10項所述的循環散熱模組，其中該微/奈米結構是結合於該管路內壁的粗糙層件。
13. 如申請專利範圍第10項所述的循環散熱模組，其中該管路在該冷凝段設置有一槽體，該微/奈米結構設置於該槽體內。
14. 如申請專利範圍第10項所述的循環散熱模組，其中該微/奈米結構包括凸部、溝槽、鰭片或蝕刻結構的至少其一。