TWI400421B - Heat exchanger structure - Google Patents

Description

熱交換器結構

本發明係有關於一種熱交換器，尤指一種提高熱傳效率之熱交換器結構。

隨著電子資訊科技的日益進步，使得電子設備(如電腦、筆記型電腦、通訊機箱…等)的使用日趨普及且應用更為廣泛；然而，電子設備在高速運作時其內的電子元件會產生廢熱，倘若無法及時將前述廢熱排出電子設備外，極容易使這些廢熱囤積在電子設備內，使電子設備內部及其內電子元件的溫度不斷地攀升，進而導致電子元件因過熱而發生故障、損壞或運作效率降低等情況。

而習知為了改善上述散熱問題，一般較常見都是在電子設備內裝設一散熱風扇來強制散熱，但因其散熱風扇之氣流量受限，使其散熱效果難以提升，且降溫幅度也受限的情況，所以業者便尋求另一種解決方式，即使用一水冷式散熱裝置直接貼附在發熱元件上，如(中央處理器(CPU)、MPU、南、北橋晶片等)，並由一泵浦自儲水槽內將冷卻液體導入到水冷式散熱裝置中，使冷卻液體與該水冷式散熱裝置從發熱元件吸收的熱量作熱交換後，冷卻液體再由水冷式散熱裝置的一出水口流出至一散熱模組，再經由冷卻後再送回前述儲水槽，所以藉由冷卻液體循環來幫助散熱，降低發熱元件溫度，使其發熱元件能順利運作。

然而，雖所述水冷式散熱裝置能改善利用氣流散熱的問題，但卻延伸出另一個問題，即水冷式散熱裝置緊貼靠該發熱元件的端面(即為吸熱面)僅集中在同一處的關係，使得在水冷式裝置內的冷卻液體僅有一最下層之流體部份與吸熱面產生熱交換作用，且所述冷卻液體滯留在水冷式散熱裝置之時間過短，以導致冷卻液體尚未吸收足夠的熱量，便立即快速的由前述出水口導出，所以俾使水冷功能大打折扣致使其熱傳效果不佳，進而令散熱效果極不彰顯。

請參閱第1圖所示，習知技術揭露一種水冷式散熱結構，係包含一底座10及一蓋體11，其中該蓋體11具有一容置空間111、一進水管112及一出水管113，前述進水管112及出水管113分別形成在該蓋體11的兩相對側上，且與容置空間111彼此相連通，而該底座10係與蓋體11相蓋合一起，且底座10上配設有複數散熱鰭片(鰭柱)13，該等散熱鰭片13包覆在該蓋體11的容置空間111內，且其彼此間形成複數單向流道131，並分別與所述進水管112及出水管113相對應，所以當一冷卻液體由該進水管112導入至該容置空間111內後，透過複數單向流道131引導冷卻液體通過，使冷卻液體與該等散熱鰭片13作熱交換，以有效提升散熱的效果。

然而，雖上述之散熱結構中，可利用該等散熱鰭片13之設立，藉以增加散熱面積，以使冷卻液體流過複數單向流道131時，可增加冷卻液體於該等流道之停滯時間以便帶走較多之熱源以作熱交換，但由於因單向流道131係以多數鰭片之間隔形成，致使流體之摩擦阻力增加，於定泵功率之條件下，冷卻流體流速低，熱對流係數低且伴隨高壓損係數，進而影響冷卻液體自散熱鰭片13之對流熱傳量，因此，俾使整體的熱交換效率及熱傳效果明顯不佳，相對的其散熱效果更未盡理想。

以上所述，習知技術具有下列缺點：

1.冷卻液體於底座過短，致使熱傳效果不彰；

2.冷卻液體僅下層與傳導之熱源接觸，致熱傳效果不佳；

3.熱交換效率不佳；

4.散熱效果不佳。

緣是，有鑑於上述習用品所衍生的各項缺點，本案之發明人遂竭其心智，以從事該行業多年之經驗，潛心研究加以創新改良，終於成功研發完成本件「熱交換器結構」案，實為一具功效增進之創作。

爰此，為解決上述習知技術之缺點，本發明之主要目的，係提供一種具有螺旋導引槽設計之熱交換器結構，令該螺旋導引槽提高熱傳遞能力及熱性能係數者。

為達上述之目的，本發明係提供一種熱交換器結構，其包括：一本體，該本體具有一中心，及從該中心朝相對該中心的外側徑向環繞延伸之一螺旋導引槽，且該螺旋導引槽的徑向迴轉半徑從該中心往外側逐漸增加，及一第一通口與一第二通口分別連通該螺旋導引槽，亦此可藉由本發明之螺旋導引槽的設計，俾使能夠增強在該螺旋導引槽其內流動的一流體混合效果，更進而有效達到絕佳的熱傳效果者。

本發明係另提供一種熱交換器結構，包括：一本體，具有一中心，及一螺旋導引槽從該中心朝相對該中心的外側徑向環繞延伸，且該螺旋導引槽的徑向迴轉半徑從本體中心往外側逐漸增加，及一第一通口與一第二通口分別連通該螺旋導引槽；及至少一第一擾流單元，係設於螺旋導引槽之壁面。

根據本發明上述實施所述之螺旋導引槽在該本體的一側形成一開放側，另一側為封閉側，且包括至少一第一蓋體相對該開放側，並蓋合該本體以封閉該開放側，且該第一蓋體具有至少一第二擾流單元對應該螺旋導引槽之開放側，並該第一蓋體具有一軸管連通該第一通口。

根據本發明上述實施所述之螺旋導引槽在該本體的兩側分別形成一開放側，且包括一第一蓋體及一第二蓋體，分別相對兩開放側，並蓋合本體以封閉該開放側，且該第一蓋體及第二蓋體分別具有至少一第二擾流單元及至少一第三擾流單元對應該螺旋導引槽之開放側。

根據本發明上述實施所述之螺旋導引槽具有一第一通道，該第一通道係連通該第二通口，且該第一通道經由該第二通口相通該螺旋導引槽與第一通口。

本發明之上述目的及其結構與功能上的特性，將依據所附圖式之較佳實施例予以說明。

本發明係提供一種熱交換器結構，圖示係為本發明較佳實施例，請參閱第2、3、4、5圖，本發明係一種熱交換器結構，在本發明之第一較佳實施例，該熱交換器結構係包括一本體2，該本體2具有一中心21(如圖中虛線軸表示)，從該中心21朝相對該中心21的外側徑向環繞延伸有一螺旋導引槽22，且該螺旋導引槽22的徑向迴轉半徑從該中心21外側逐漸增加，換言之，就是說前述螺旋導引槽22從該中心21朝相對該本體2內側方向徑向環繞延伸，以使其形成螺旋彎道(即為前述所稱螺旋導引槽22)；如參閱第2圖所示該螺旋導引槽22整體形成渦漩的形態。

另者，該本體更具有一第一通口221及一第二通口222，該第一通口221係設在中心21處，該第二通口222則設在中心21的外側，並且前述第一通口221與第二通口222分別連通該螺旋導引槽22。

前述螺旋導引槽22具有一第一通道225，該第一通道225設在該螺旋導引槽22與該第二通口222之間，且連通該第二通口222，以使一流體(如冷卻液體、水)可從該螺旋導引槽22之第二通口222流入，並透過該螺旋導引槽22的徑向迴轉半徑的離心力，以增強該流體混合，並經該第一通口221將前述流體導引出至一軸管31外。

即前述流體由該第二通口222流過該第一通道225後，並隨著該螺旋彎道(即前述螺旋導引槽22)朝該第一通口221方向流動，此時的流體會因螺旋彎道之迴轉半徑朝該中心21方向逐漸減小，令流體因為離心力及慣性力在螺旋導引槽22的內壁雙重作用下產生三維的二次流作用(Secondary Flow)，也就是Dean渦流(Dean Vortics)的發生，亦即螺旋導引槽22中的流場同時發生兩對稱但繞轉方向相反的渦流(如參閱第4、5圖)，這個渦流(第5圖中箭頭所示)在螺旋導引槽22的內壁外側227(遠離中心21的一側)與內壁內側228(靠近中心21的一側)之間流動。

俟，前述流體流經該第一通口221後，會由該軸管31導出至對接的一泵浦(圖中未示)，再由該泵浦將流體輸送回到該第二通口222，因此，使得前述流體在螺旋導引槽22內與泵浦間一直持續循環下，以達到極佳的水循環散熱效果。

此外，本發明主要係藉由該螺旋導引槽22使其內流動的流體，受到二次流的影響而增強流體的混合，以有效提升整體熱交換效率，進而熱傳效果也相對提高。

請復參閱第2、3圖所示，該熱交換器結構更包括至少一第一蓋體3，該第一蓋體3相對蓋合該本體2，且前述第一蓋體3具有前述軸管31，該軸管31連通該第一通口221，且該軸管31與第一通口221及該螺旋導引槽22及該第二通口222形成一貫通的狀態；並且，該螺旋導引槽22在該本體2一側形成一開放側223，且該開放側223相對一封閉側224，即前述螺旋導引槽22貫通在本體2的一側，並在貫通側形成所述開放側223，且本體2的另一側不被螺旋導引槽22貫通，因此形成封閉側224相對該開放側223。

而前述第一蓋體3封閉該開放側223，就是所述第一蓋體3朝對應前述開放側223方向移動，以使該第一蓋體3蓋合在該本體2上並封閉該開放側223，以構成所述熱交換器結構。

並且，本發明係應用在對一發熱源散熱，這個發熱源尤指電子設備(如電腦、筆記型電腦、通訊機箱或其他工業電子設備)內的電子元件因為運作所產生的電能物理轉化為熱能的作用，將本體2的一側(即為該本體2相反該開放側223的端面)相對該發熱源，利用該螺旋導引槽22其內的流體對發熱源產生的熱作熱交換後，透過該螺旋導引槽22之徑向迴轉半徑的離心力及慣性力，使在螺旋導引槽22中靠近發熱源一側的流體(這一側的流體溫度較高)與遠離發熱源一側的流體(這一側的流體故溫度相對較低)快速混合一起，以有效增加流體的混合效果，更進而有效達到絕佳熱交換之熱傳效果(或提升流體的熱傳遞效率)。

請參閱第6圖所示，係本發明之第二較佳實施例，該較佳實施例大致與前第一較佳實施例相同，在此不另外贅述，其兩者不同處為：前述熱交換器結構更包括一第二蓋體7，該第二蓋體7與前述第一蓋體3相對蓋合該本體2的兩側，並且該螺旋導引槽22在該本體2的兩側分別形成一開放側223，並藉由前述第一、二蓋體3、7分別封閉對應該開放側223。

請參閱第7、8、9圖所示，係本發明之第三較佳實施例，該較佳實施例大致與前第一較佳實施例相同，其不同處在於：更包括至少一第一擾流單元4，該第一擾流單元4係設置於該螺旋導引槽22之壁面226，在本較佳實施例該第一擾流單元4係設置於其螺旋導引槽22之封閉側224，並且該第一蓋體3相對於螺旋導引槽22之開放側223位置處具有至少一第二擾流單元5，因此在本較佳實施例中，其第一擾流單元4與第二擾流單元5係分別設置於螺旋導引槽22之封閉側224與開放側223，且其第一擾流單元4與第二擾流單元5為凸體設置於螺旋導引槽22之封閉側224與開放側223。

請同時配合參照第5、9、10圖所示，其熱交換器內之流體係可選擇從第二通口222進入朝第一通口221流出，或者從第一通口221進入朝第二通口222流出，本說明表示流體從第二通口222進入並朝第一通口221經過軸管31流出(如第10圖箭頭所示)，也就是說，其流體係從第二通口222進入並流入至螺旋導引槽22的第一通道225，當流體通過第一通道225後即進入徑向迴轉的螺旋導引槽22，並沿著螺旋導引槽22往本體2的中心21流動，由於其流體在繞曲的螺旋導引槽22中流動，使得流體因為慣性力及離心力的雙重作用下產生三維的二次流現象(second flow)，也就是Dean渦流(Dean Vortices)的發生，亦即螺旋導引槽22中的流場同時發生兩對稱但繞轉方向相反的渦流，此渦流(第5圖中箭頭所示)在螺旋導引槽22的外側227(遠離中心21的一側)與內側228(靠近中心21的一側)之間流動。

同時在螺旋導引槽22內的流體沿著該壁面226與第一蓋體3上之第一擾流單元4與第二擾流單元5在螺旋導引槽22內的螺旋流道流動，以在螺旋導引槽22中產生渦流(Swirling flow)，提高螺旋導引槽22內對流場之熱對流係數，而其第一擾流單元4與第二擾流單元5於螺旋導引槽22中也會使流體產生兩對稱但繞轉方向相反的渦流，此渦流(第5圖中箭頭所示)在螺旋導引槽22的外側227(遠離中心21的一側)與內側228(靠近中心21的一側)之間流動，以產生具有提高紊流強度之熱傳強化效果，又該第一擾流單元4與第二擾流單元5所導引出之渦流與Dean vortices同向，因此其流體可藉由第一擾流單元4與第二擾流單元5所導因出之二次流，亦可增強螺旋彎道之渦流強度，進一步提高此熱交換器之熱傳效果。

承上所述，相較習知本發明的結構提供流體沿著螺旋導引槽22及第一擾流單元4與第二擾流單元5流動，並使流體產生Dean渦流(Dean vortices)、渦流、層流及紊流的強度增加，不僅增加螺旋導引槽22內流體混合的次數，且進而提高流體的熱傳遞能力及熱性能係數。

請參照第11、12圖所示係為本發明第四較佳實施例，其大部分元件與連結關係與功用與第三較佳實施例相同，在此不對相同部分贅述，該較佳實施例與第三較佳實施例不同處為一螺旋導引槽61在本體2的兩側分別形成一開放側611、612，一第一蓋體3(與第三較佳實施例相同)及一第二蓋體7分別相對兩開放側611、612，並對應蓋合該本體2，進而封閉兩開放側611、612，該第一蓋體3具有一軸管31連通第一通口221，且其第一蓋體3與第二蓋體7分別具有第二擾流單元5與第三擾流單元8，亦可增強螺旋彎道之渦流強度，進一步提高此熱交換器之熱傳效果。

請參照第13、14圖所示，係為本發明第五較佳實施例，其大部分元件與連結關係與功用與第三較佳實施例相同，在此不對相同部分贅述，該較佳實施例與第三較佳實施例不同處為該第一擾流單元4與第二擾流單元5係以凹槽形式設置於螺旋導引槽22之封閉側224與開放側223，因此其流體可藉由其第一擾流單元4與第二擾流單元5所導因出之二次流，亦可增強螺旋彎道之渦流強度，進而提高此熱交換器之熱傳效果。

綜上所述，本發明所提供之一種「熱交換器結構」，確符合准予專利之要件，爰依法提出專利申請，祈請　惠予專利，實為感禱。

惟以上所述者，僅係本發明之較佳可行之實施例而已，舉凡利用本發明上述之方法、形狀、構造、裝置所為之變化，皆應包含於本案之權利範圍內。

2．．．本體

21．．．中心

22．．．螺旋導引槽

221．．．第一通口

222．．．第二通口

223．．．開放側

224．．．封閉側

225．．．第一通道

226．．．壁面

227．．．外側

228．．．內側

3．．．第一蓋體

31．．．軸管

4．．．第一擾流單元

5．．．第二擾流單元

61．．．螺旋導引槽

611、612．．．開放側

7．．．第二蓋體

8．．．第三擾流單元

第1圖係習知之水冷式散熱結構分解示意圖；

第2圖係本發明之第一較佳實施例之分解示意圖；

第3圖係本發明之第一較佳實施例之組合示意圖；

第4圖係本發明之第一較佳實施例之螺旋導引槽局部立體透視圖；

第5圖係為第4圖之截面流體產生Dean渦流之示意圖；

第6圖係本發明之第二較佳實施例之分解示意圖；

第7圖為本發明第三較佳實施例之立體分解示意圖；

第8圖為本發明第三較佳實施例之立體組合示意圖；

第9圖為本發明第三較佳實施例之立體剖視示意圖；

第10圖為本發明第三較佳實施例之實施示意圖；

第11圖為本發明第四較佳實施例之立體分解示意圖；

第12圖為本發明第四較佳實施例之立體剖視示意圖；

第13圖為本發明第五較佳實施例之立體分解示意圖；

第14圖為本發明第五較佳實施例之立體剖視示意圖。

2．．．本體

21．．．中心

22．．．螺旋導引槽

221．．．第一通口

222．．．第二通口

223．．．開放側

224．．．封閉側

225．．．第一通道

3．．．第一蓋體

31．．．軸管

Claims (16)

1. 一種熱交換器結構，包括：一本體，具有一中心，及一螺旋導引槽從該中心維持呈曲率半徑變化朝相對該中心的外側徑向環繞延伸，且該螺旋導引槽的徑向迴轉半徑從本體中心往外側逐漸增加，及一第一通口與一第二通口分別連通該螺旋導引槽，使螺旋導引槽內之流場同時發生兩對稱但繞轉方向相反的渦流；及至少一第一擾流單元，係設於螺旋導引槽之壁面，且沿著螺旋導引槽呈放射狀設置，使流體產生兩對稱但繞轉方向相反的渦流。
2. 如請求項1所述之熱交換器結構，其中該第一擾流單元為凸體。
3. 如請求項1所述之熱交換器結構，其中該第一擾流單元為凹槽。
4. 如請求項1所述之熱交換器結構，其中該螺旋導引槽在該本體的一側形成有一開放側，另一側為封閉側。
5. 如請求項1所述之熱交換器結構，其中該螺旋導引槽具有一第一通道連通該第二通口。
6. 如請求項4所述之熱交換器結構，更包括至少一第一蓋體相對該開放側，並蓋合該本體以封閉該開放側，且該第一蓋體具有一軸管連通該第一通口。
7. 如請求項6所述之熱交換器結構，其中該第一蓋體具有至少一第二擾流單元對應該螺旋導引槽之開放側。
8. 如請求項7所述之熱交換器結構，其中該第二擾流單元為凸體。
9. 如請求項7所述之熱交換器結構，其中該第二擾流單元為凹槽。
10. 如請求項1所述之熱交換器結構，其中該螺旋導引槽在該本體的兩側分別形成一開放側。
11. 如請求項10所述之熱交換器結構，更包括一第一蓋體及一第二蓋體，分別相對兩開放側，並蓋合本體以封閉該開放側。
12. 如請求項11所述之熱交換器結構，其中該第一蓋體與第二蓋體分別具有至少一第二擾流單元及至少一第三擾流單元對應該螺旋導引槽之開放側。
13. 如請求項12所述之熱交換器結構，其中該第二擾流單元及第三擾流單元為凸體。
14. 如請求項12所述之熱交換器結構，其中該第二擾流單元及第三擾流單元為凹槽。
15. 如請求項12所述之熱交換器結構，其中該第一擾流單元為凸體，而該第三擾流單元為凹槽。
16. 如請求項12所述之熱交換器結構，其中該第一擾流單元為凹槽，而該第三擾流單元為凸體。