TWI713417B - 散熱結構及使用其的中子束產生裝置 - Google Patents

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Abstract

本揭露內容之一實施方式提供一種散熱結構，包含殼體。殼體具有下表面、入水通道、出水通道以及***部，其中入水通道及出水通道位在殼體的相對兩端並位在下表面之上，且沿著第一方向延伸，***部位在入水通道及出水通道之間並位在下表面之上，其中***部朝著遠離下表面的方向***，且***部具有背向下表面的***面，***面與下表面之間的距離在沿著第一方向上係為先增後減的。

Description

散熱結構及使用其的中子束產生裝置
本揭露內容是有關於一種散熱結構及使用其的中子束產生裝置。
具體而言，硼中子捕獲治療(Boron Neutron Capture Therapy,BNCT)的原理如下：含硼藥物經由血液循環與腫瘤細胞結合，再用中子束以腫瘤組織的位置為中心照射，使硼吸收中子後產生鋰與氦離子，準確破壞癌細胞而不破壞其他正常的組織。
對患者而言，硼中子捕獲治療僅會造成極小損傷，且不需外科手術與麻醉。進一步而言，在治療腦腫瘤時若硼中子捕獲治療採用穿透力較低的熱中子，需額外打開患者的頭蓋骨。相對地，若硼中子捕獲治療採用超熱中子，則不需打開患者的頭蓋骨。
對此，產生中子束的方式可以是使用加速器型的中子束源產生器來對靶材轟擊離子束。然而，於產生中子束的過程中，受離子束轟擊的靶材可能會因散熱不良而致使不預期 的損壞。因此，如何有效解決靶材於產生中子束的過程中的散熱，已成為相關領域的研究發展方向之一。
本揭露內容之一實施方式提供一種散熱結構，包含殼體。殼體具有下表面、入水通道、出水通道以及***部，其中入水通道及出水通道位在殼體的相對兩端並位在下表面之上，且沿著第一方向延伸，***部位在入水通道及出水通道之間並位在下表面之上，其中***部朝著遠離下表面的方向***，且***部具有背向下表面的***面，***面與下表面之間的距離在沿著第一方向上係為先增後減的。
於部分實施方式中，***面為凸弧面。
於部分實施方式中，***面具有對稱線，該對稱線沿著第一方向延伸，且***面相對對稱線為呈現線對稱。
於部分實施方式中，***面與下表面之間的距離在沿著第二方向上係為實質上相同的，且第二方向垂直第一方向。
於部分實施方式中，殼體具有第一開口，且***部延伸至第一開口內。
於部分實施方式中，殼體具有第二開口，第二開口連通第一開口，並比第一開口更遠離***部，且第二開口的尺寸大於第一開口的尺寸。
於部分實施方式中，殼體具有一對緩衝槽，分別位在***部的相對兩端且位在入水通道與出水通道之間。
於部分實施方式中，***面的最高位置高於入水通道及出水通道的最高位置。
於部分實施方式中，***面的最低位置高於入水通道及出水通道的最高位置。
本揭露內容之一實施方式提供一種中子束產生裝置，包含散熱結構、管體以及加速器。管體設置在散熱結構上，並具有通道。加速器連接管體，並用以透過通道朝著配置在散熱結構與管體之間的靶材發射離子束。
藉由上述配置，由於***部的***面與設置在殼體的靶材之間的距離在沿著第一方向上會是有變化的，故可致使流經***面的冷卻流體在流速上可產生變化，使得冷卻流體於對應靶材的中央處可具有較快的流速，從而對靶材的中央處提供較強的散熱效果。透過此機制，散熱結構可適於應用在中子束產生裝置。
100‧‧‧散熱結構
110‧‧‧殼體
112‧‧‧***部
114‧‧‧下表面
116‧‧‧***面
118A、118B‧‧‧緩衝槽
122‧‧‧第一開口
124‧‧‧第二開口
126A、126B‧‧‧凹槽
130‧‧‧靶材
140‧‧‧入水通道
150‧‧‧出水通道
160‧‧‧冷卻流體
170A、170B‧‧‧密封墊圈
200‧‧‧中子束產生裝置
210‧‧‧管體
220‧‧‧加速器
270‧‧‧熱源分布
2-2’‧‧‧線段
A1、A2‧‧‧箭頭
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
I‧‧‧離子束
L1‧‧‧第一對稱線
L2‧‧‧第二對稱線
N‧‧‧中子束
R1‧‧‧前半區域
R2‧‧‧後半區域
S‧‧‧容置空間
第1圖為依據本揭露內容的部分實施方式繪示散熱結構的上視示意圖。
第2圖繪示沿著第1圖的線段2-2’的剖面示意圖。
第3圖為依據本揭露內容的部分實施方式繪示中子束產生裝置的結構示意圖。
第4圖為繪示第3圖的靶材的熱能分布示意圖。
以下的說明將提供許多不同的實施方式或實施例來實施本揭露的主題。元件或排列的具體範例將在以下討論以簡化本揭露。當然，這些描述僅為部分範例且本揭露並不以此為限。例如，將第一特徵形成在第二特徵上或上方，此一敘述不但包含第一特徵與第二特徵直接接觸的實施方式，也包含其他特徵形成在第一特徵與第二特徵之間，且在此情形下第一特徵與第二特徵不會直接接觸的實施方式。此外，本揭露可能會在不同的範例中重複標號或文字。重複的目的是為了簡化及明確敘述，而非界定所討論之不同實施方式及配置間的關係。
此外，空間相對用語如「下面」、「下方」、「低於」、「上面」、「上方」及其他類似的用語，在此是為了方便描述圖中的一個元件或特徵與另一個元件或特徵的關係。空間相對用語除了涵蓋圖中所描繪的方位外，該用語更涵蓋裝置在使用或操作時的其他方位。也就是說，當該裝置的方位與圖式不同(旋轉90度或在其他方位)時，在本文中所使用的空間相對用語同樣可相應地進行解釋。
本揭露內容的散熱結構可藉由將結構形貌來控制冷卻流體的速度，而由於冷卻流體的速度與其冷卻效果會有相關性，故可因應冷卻目標(例如靶材)的不同區域來提供不同的冷卻效果。
請參照第1圖及第2圖，第1圖為依據本揭露內容的部分實施方式繪示散熱結構100的上視示意圖，而第2圖繪示沿著第1圖的線段2-2’的剖面示意圖。為了不使圖式過於複 雜，第1圖的靶材130未繪示如第2圖的網底。此外，為了方便說明，第1圖及第2圖繪示有第一方向D1以及第二方向D2，其中第一方向D1異於第二方向D2。舉例來說，第一方向D1可以是第1圖的橫向方向，而第二方向D2可以是第1圖的縱向方向，且第一方向D1垂直第二方向D2。
散熱結構100包含殼體110，其中殼體110的材質可以是金屬，像是鋁。殼體110可以是一體成型，也可以是透過組裝而形成。殼體110具有***部112、下表面114、第一開口122、第二開口124、入水通道140以及出水通道150，其中下表面114可視為是殼體110的最底面。第一開口122與第二開口124相連通並共同位在下表面114之上，且第二開口124比第一開口122更遠離下表面114。殼體110可用以承載靶材130，其中靶材130可以是板形靶材。第二開口124的尺寸可大於第一開口122的尺寸，透過此尺寸差異，可利於進行對靶材130的對位。在此，所述的「尺寸」可以是長度或寬度，以第2圖為例，即第二開口124的寬度大於第一開口122的寬度。此外，由於殼體110具有第一開口122，故在將靶材130配置在殼體110上之後，靶材130可與殼體110共同形成容置空間S於其之間。
入水通道140以及出水通道150位在殼體110的相對兩端，且也位在下表面114之上。入水通道140以及出水通道150可以沿著同一方向延伸，例如沿著第一方向D1延伸，並各自連接容置空間S。於部分實施方式中，可透過加壓裝置(未繪示)將冷卻流體160由入水通道140送入散熱結構100內，如 箭頭A1所示，使得冷卻流體160可流經容置空間S並接觸靶材130，從而提供靶材130冷卻效果，接著，冷卻流體160可再由出水通道150自散熱結構100內離開，如箭頭A2所示。
***部112位在入水通道140與出水通道150之間，且也位在下表面114之上。***部112係朝著遠離下表面114的方向***。
***部112可透過***而延伸至第一開口122內，且第二開口124相比第一開口122會較遠離***部112。***部112具有背向下表面114的***面116，換言之，***面116是面向或朝向第一開口122及第二開口124。***面116與下表面114之間的距離在沿著第一方向D1上係為先增後減的。舉例來說，***面116可以是凸弧面，使得***面116與下表面114之間的距離在沿著第一方向D1上係為先漸增再漸減的。
透過將***面116與下表面114之間的距離設計成先增後減，當將靶材130配置在殼體110上之後，靶材130與殼體110的***面116之間的距離會是先減少後增加。透過此配置，當冷卻流體160沿著自入水通道140指向出水通道150的方向流經***面116的時候，冷卻流體160會因靶材130與殼體110的***面116之間的距離變化而致使流速產生變化。
具體來說，對於沿著自入水通道140指向出水通道150的方向流經***面116之前半區域R1的冷卻流體160而言，由於靶材130與殼體110的***面116之間的距離漸減少，故會致使冷卻流體160的流速漸增。對此，由於冷卻流體160的流速與其所可提供的散熱效果呈正相關，故增加冷卻流體 160的流速可導致提升散熱效果。換言之，在***面116之前半區域R1內，冷卻流體160提供的散熱效果會隨著***面116之***地形而漸增。
接著，對於沿著自入水通道140指向出水通道150的方向流經***面116之後半區域R2的冷卻流體160而言，其會因靶材130與殼體110的***面116之間的距離漸增加致使冷卻流體160的流速漸減。由於降低了冷卻流體160的流速，故可達到減少冷卻流體160施加予靶材130中心處的壓力，從而減少靶材130所產生的應力。
也就是說，散熱結構100可使冷卻流體160於對應靶材130的中央處有較快的流速，並致使冷卻流體160可對靶材130的中央處提供較強的散熱效果，或可稱冷卻流體160提供予靶材130的散熱效果會自***面116之***最高點朝入水通道140/出水通道150遞減。透過此機制，散熱結構100可適於對熱源分布呈現「自中央往兩側遞減」之靶材130進行散熱，其中呈現「自中央往兩側遞減」例如可以是呈現高斯分布、常態分布或鐘形曲線。
反之，若未有如此將***面116與下表面114之間的距離設計成先增後減的結構，即冷卻流體的通道間隙為固定的情況下，則冷卻流體的流速從入水通道到出水通道會是固定的，再者，當總流量不變時，固定間隙寬度愈小，流速則愈大，致使壓力梯度則越大。如此固定通道間隙的結構將無法適於對熱源分布呈現「自中央往兩側遞減」之靶材進行散熱。
另一方面，可將***面116的漸增幅度與漸減幅 度設計為相同或相異，從而利於控制冷卻流體160的流動方向。具體來說，***面116的漸增幅度與漸減幅度可以是對等的，在此條件下，***面116會具有沿著第二方向D2延伸的第一對稱線L1(如第1圖所示)，且***面116相對第一對稱線L1為呈現線對稱。然而，本揭露內容不以此為限，於其他實施方式中，***面116的漸增幅度與漸減幅度可以是相異的，舉例來說，***面116在靠近入水通道140的一端與下表面114之間的距離可大於***面116在靠近出水通道150的一端與下表面114之間的距離，使得***面116的漸增幅度會小於漸減幅度。
也可將***面116設計成只在第一方向D1上有***變化，從而利於控制冷卻流體160的流動方向，像是對冷卻流體160在自入水通道140指向出水通道150的方向上的加速效果大於在其他方向上的加速效果。具體來說，***面116與下表面114之間的距離在沿著第二方向D2上係為實質上相同的，在此條件下，***面116會具有沿著第一方向D1延伸的第二對稱線L2(如第1圖所示)，且***面116相對第二對稱線L2為呈現線對稱。此外，殼體110可具有一對緩衝槽118A及118B。緩衝槽118A及118B位在***部112的相對兩端且位在入水通道140與出水通道150之間，且***面116的最低位置和最高位置會高於入水通道140及出水通道150的最高位置。
透過此配置，當冷卻流體160自入水通道140流入散熱結構100內的時候，可防止冷卻流體160直接進入靶材130與***面116之間的容置空間S。具體來說，自入水通道140流入散熱結構100內的冷卻流體160至少會在經兩次的改變方向 後，才流入靶材130與***面116之間的容置空間S，從而利於控制冷卻流體的流動速度。另一方面，散熱結構100可更包含密封墊圈170A及170B，其中殼體110可具有凹槽126A及126B，且密封墊圈170A及170B可分別設置在凹槽126A及126B內，密封墊圈170A及170B可提供氣密性以及防水效果。
於部分實施方式中，***面116與靶材130之間的最小距離與***面116與靶材130之間的最大距離的差值可以是介於0.3毫米與0.7毫米之間，例如，***面116與靶材130之間的最小距離可以是0.5毫米，而***面116與靶材130之間的最大距離可以是1毫米。於部分實施方式中，第1A圖的***面116在第一方向D1上的長度可以是介於160毫米與200毫米，而第1A圖的***面116在第二方向D2上的長度則可以是介於60毫米與70毫米。於部分實施方式中，緩衝槽118A及118B的底部至靶材130之間的距離可以是介於25毫米至35毫米之間，而緩衝槽118A及118B的寬度則可以是介於8毫米至12毫米之間。於部分實施方式中，入水通道140及出水通道150可以是圓柱形通道，且此圓柱形通道的直徑可以是介於18毫米至22毫米之間。
同前所述，由於散熱結構100可適於對熱源分布呈現自中央往兩側遞減之靶材130進行散熱，故散熱結構100可適於應用在於運作期間會致使靶材130有如此熱源分布的裝置，像是中子束產生裝置，以下將以中子束產生裝置為例來說明。
請參照第3圖，第3圖為依據本揭露內容的部分實 施方式繪示中子束產生裝置200的結構示意圖。為了不使圖式過於複雜，第3圖所繪的各層體之間的比例關係不一定與實際比例相同，且所繪製之結構係用來輔助說明，而非用來限定結構中的各層體的相對位置關係，於其他實施方式中，也可省略部分層體或是額外再添加其他層體。
如第3圖所示，中子束產生裝置200包含散熱結構100、管體210以及加速器220。管體210設置在散熱結構100上，且靶材130可配置在散熱結構100與管體210之間，具體來說，靶材130可固定在散熱結構100的殼體110的第二開口124內。於部分實施方式中，靶材130的材質可包含鈹(Be)，且靶材130的厚度可以是介於1.5毫米與2.5毫米之間。管體210具有通道212，且加速器220可連接管體210，其中加速器220可用以透過通道212朝著靶材130發射離子束I。也就是說，自加速器220所產生之離子束I可通過通道212，進而使得離子束I能撞擊靶材130，從而激發出適於使用於硼中子捕獲治療的中子束N。
請同時看到第3圖及第4圖，其中第4圖為繪示第3圖的靶材130的熱能分布示意圖。當加速器220透過通道212朝著靶材130發射離子束I的時候，所發射的離子束I的密度分布係會呈現高斯分布，使得受離子束I撞擊的靶材130的熱源分布也會是呈現高斯分布，如第4圖的熱源分布270所示。換言之，靶材130可視為是具高斯分布的熱源，而由於散熱結構100可適於對具有此種熱源進行散熱，故散熱結構100可防止中子束產生裝置200在運作期間發生不預期的損壞，像是防止靶材 130因過熱導致爆開。
綜上所述，本揭露內容的散熱結構包含殼體。殼體具有***部，且***部的***面與設置在殼體的靶材之間的距離在沿著第一方向上會是有變化的，從而致使流經***面的冷卻流體在流速上可產生變化。因此，冷卻流體於對應靶材的中央處可具有較快的流速，從而對靶材的中央處提供較強的散熱效果。透過此機制，散熱結構可適於應用在中子束產生裝置。
雖然本揭露內容已以多種實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭露內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭露內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧散熱結構
110‧‧‧殼體
112‧‧‧***部
114‧‧‧下表面
116‧‧‧***面
118A、118B‧‧‧緩衝槽
122‧‧‧第一開口
124‧‧‧第二開口
126A、126B‧‧‧凹槽
130‧‧‧靶材
140‧‧‧入水通道
150‧‧‧出水通道
160‧‧‧冷卻流體
170A、170B‧‧‧密封墊圈
A1、A2‧‧‧箭頭
D1‧‧‧第一方向
D2‧‧‧第二方向
R1‧‧‧前半區域
R2‧‧‧後半區域
S‧‧‧容置空間

Claims (10)

  1. 一種散熱結構，包含：一殼體，具有一下表面、一入水通道、一出水通道以及一***部，其中該入水通道及該出水通道位在該殼體的相對兩端並位在該下表面之上，且沿著一第一方向延伸，該***部位在該入水通道及該出水通道之間並位在該下表面之上，其中該***部朝著遠離該下表面的方向***，且該***部具有背向該下表面的一***面，該***面與該下表面之間的距離在沿著該第一方向上係為先增後減的。
  2. 如請求項1所述之散熱結構，其中該***面為凸弧面。
  3. 如請求項2所述之散熱結構，其中該***面具有一對稱線，該對稱線沿著該第一方向延伸，且該***面相對該對稱線為呈現線對稱。
  4. 如請求項1所述之散熱結構，其中該***面與該下表面之間的距離在沿著一第二方向上係為實質上相同的，且該第二方向垂直該第一方向。
  5. 如請求項1所述之散熱結構，其中該殼體具有一第一開口，且該***部延伸至該第一開口內。
  6. 如請求項5所述之散熱結構，其中該殼體具 有一第二開口，該第二開口連通該第一開口，並比該第一開口更遠離該***部，且該第二開口的尺寸大於該第一開口的尺寸。
  7. 如請求項1所述之散熱結構，其中該殼體具有一對緩衝槽，分別位在該***部的相對兩端且位在該入水通道與該出水通道之間。
  8. 如請求項1所述之散熱結構，其中該***面的最高位置高於該入水通道及該出水通道的最高位置。
  9. 如請求項1所述之散熱結構，其中該***面的最低位置高於該入水通道及該出水通道的最高位置。
  10. 一種中子束產生裝置，包含：如請求項1至9之任一項的散熱結構；一管體，設置在該散熱結構上，並具有一通道；以及一加速器，連接該管體，並用以透過該通道朝著配置在該散熱結構與該管體之間的一靶材發射一離子束。
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