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CN110021570B - 三维相变化远程散热模块 - Google Patents

三维相变化远程散热模块 Download PDF

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CN110021570B
CN110021570B CN201910283803.5A CN201910283803A CN110021570B CN 110021570 B CN110021570 B CN 110021570B CN 201910283803 A CN201910283803 A CN 201910283803A CN 110021570 B CN110021570 B CN 110021570B
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Abstract

本发明是有关一种三维(3D)相变化的远程散热模块，包含一散热腔体是连接于一吸热腔体之顶部，形成远离热源型态，且其与吸热腔体内部所设的喷嘴形成连通型态，当工作流体吸收热源之热能时，工作流体由液体型态汽化成气体型态，利用热虹吸效应(thermosyphon)及波以尔定律(Boyle’s law)的喷嘴结构设计，经由一气体导引室向上流动，并由喷嘴高压向上喷射而迅速均匀扩散至散热腔体，又工作流体在散热腔体热交换，由气体型态凝结成液体型态后，利用微流道作用向下回流进行循环，使工作流体持续循环进行液态与气态的相变化(phase change)，据此形成一远程散热模块的型态。

Description

三维相变化远程散热模块
技术领域
本发明是有关一种散热模块，尤指一种三维(3D)相变化的远程散热模块。
背景技术
随着科技发达，电子组件单位面积上的芯片数量越来越多，造成其使用时发热量的增加，由于热管(heat pipe)是一种简单却极有效的散热装置，因此已被广泛地应用于各种电子散热产品的需要上。其工作原理是通过工作流体气、液两相间相变化(phasechange)的潜热来传递能量，在蒸发段(vaporization section)，工作流体通过蒸发潜热自热源带走大量热能，并在冷凝段(condensation section)凝结成液体并释放热能，而工作流体通过毛细结构(wick)提供的毛细力，流回至蒸发段再进行相变化的循环，持续地将热能从热源传输至远处散出。
图1所示，是现有一种一维(1D)散热模块10，该散热模块10之热管11的尾端(冷凝区)是搭接在散热鳍片12上，其头端(蒸发区)则向外延伸与一发热组件(图未示)相贴设或接触，所以当热管11的头端吸附该发热组件产生的热量后，会将热量传送给该热管11的尾端，该热管11的尾端则会将接收的热量传导到其上所设的散热鳍片12，并通过散热鳍片12向外扩散散热。虽然此种一维(1D)散热模块10可达到一些散热功能；惟其整体散热效果明显不高，因为该热管之尾端是为热传效率最差之部位，由于该热管因先天结构设计上的因素，其内部的工作流体于汽、液两相变化(phase change)时容易滞留于热管之最尾端处形成散热之无效端，所以实际上热管11的尾端(冷凝区)并无法很有效将热量传导至散热鳍片12上，故导致热传效率低，且散热效能实亦不佳。
图2所示，是现有一种二维(2D)散热模块20，其包括一上盖板21与一下盖板22，是于上盖板21的表面铲削形成多个间隔相邻的散热鳍片23，令各散热鳍片23与上盖板21呈一体成型的相连构造，该上盖板21与下盖板22结合后，构成一中空的内腔室24。该二维(2D)散热模块20使用时与一发热组件(图未示)相贴设或接触，所以当下盖板22吸附该发热组件产生的热量后，会经由内腔室24将热量传送至该上盖板21，该上盖板21则会将接收的热量传导到其上所设的散热鳍片23，并通过散热鳍片23向外扩散散热。虽然此种二维(2D)散热模块20的散热效果，优于上述的一维(1D)散热模块10，但因目前发光二极管的功率越来越高，并渐渐成熟，已被相关产业计划使用在大型或高功率的产品上，例如:集鱼灯、投射灯，投影机及5G维波组件…等产品上。然，上述现有的一维(1D)散热模块10或二维(2D)散热模块20，其散热效能尚无法被有效运用于此等高功率的产品上，仍有改善空间。
本发明人有鉴于上述问题点，乃积极研究开发，并经由多次的试验及修正，终有本发明之产生。
发明内容
本发明之主要目的，是在提供一种三维相变化远程散热模块，其是呈三维(3D)设计型态，使散热端远离热源端，具有提高散热效能及降低对产品环境工作影响之功效。
本发明之主要目的，是在提供一种三维相变化远程散热模块，利用热虹吸效应(thermosyphon)及波以尔定律(Boyle’s law)的喷嘴结构设计，使蒸发的气体由喷嘴高压向上喷射而迅速均匀扩散至散热腔体，进而达到具有高效能散热之功效提高。
为达上述目的，本发明所采用的技术手段包含:一吸热腔体，该吸热腔体是呈直向型态，其具有一底部，用以供一热源接触，且一开口部是设在该底部之相反端的顶部，使该吸热腔体的底部与该开口部之间形成一容置空间；一气体导引装置，该气体导引装置是设在该容置空间接近该开口部之位置，其包括一盖板，该盖板的外周缘形体是配合该容置空间的内周缘所设成，使该盖板得以固定在该容置空间内并接近该开口部的位置，且该盖板的中间设有一外径小于该容置空间的缩小口径，形成一喷嘴型态，使该吸热腔体的中间形成一直向的气体导引室，且该气体导引室内填充一工作流体；一散热腔体，该散热腔体是连接于该吸热腔体之开口部，形成远离该吸热腔体之底部，且其与该吸热腔体的喷嘴形成连通型态，又该散热腔体的表面上设有多数的散热鳍片；至少一直向毛细结构层，是设在该吸热腔体的内周壁上，其具有一与该散热腔体连通的上端部，及一接近该吸热腔体底部的下端部，据以形成一微流道结构；以及该工作流体吸收该热源之热能时，该工作流体由液体型态汽化成气体型态，利用热虹吸效应(thermosyphon)经由该气体导引室向上流动，并经由该喷嘴高压向上喷射而迅速均匀扩散至该散热腔体，由该散热鳍片进行散热，又该工作流体在该散热腔体热交换，由气体型态凝结成液体型态后，利用微流道作用，由该直向毛细结构层之上端部向下而回流至该下端部，使该工作流体持续循环进行液态与气态的相变化(phase change)，据此形成一远程散热模块的型态。
作为进一步改进的，该直向毛细结构层于该气体导引室的位置，可形成一阶梯面，用以供该盖板跨置定位。
作为进一步改进的，该气体导引装置之盖板是可设成平板状，该盖板的中间所设的喷嘴更包括可设成上窄下宽的凸起状锥孔。
作为进一步改进的，该气体导引装置之盖板是可设成上窄下宽的中空锥状体，使该缩小口径喷嘴位于该中空锥状体的顶部。
作为进一步改进的，该盖板的中空锥状体底内缘可设有一微结构表面。
作为进一步改进的，该盖板的中空锥状体底内缘可设有一螺旋线结构。
作为进一步改进的，该吸热腔体的内底部更可设有一横向毛细结构层。
作为进一步改进的，该直向毛细结构层及该横向毛细结构层可由一设在该吸热腔体内周壁的微孔隙结构体所构成。
作为进一步改进的，该直向毛细结构层的下端部及该横向毛细结构层，包括呈现连接或不连接型态。
作为进一步改进的，该吸热腔体的底部是指包括:该吸热腔体的底缘面、及底缘面周边的壁面其中任一位置或其组合型态所构成，而可配合不同型态的热源接触。
通过上述技术手段，本发明巧妙结合热虹吸效应(thermosyphon)及波以尔定律(Boyle’s law)的喷嘴结构设计，二者相辅相成，使蒸发的气体经由一气体导引室向上流动，并由喷嘴高压向上喷射而迅速均匀扩散至散热腔体，具有高效能散热特性，特别适用于高功率的LED灯具或电子产品，有效解决其散热问题。再者，本发明是呈三维(3D)设计型态，使散热端远离热源端，具有提高散热效能及降低对产品环境工作的影响，进而可达温度控制之功效提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是现有一种一维(1D)散热模块的结构示意图。
图2是现有一种二维(2D)散热模块的结构示意图。
图3是本发明较佳实施例的结构示意图。
图4是显示本发明较佳实施例中，工作流体由液体汽化成气体的示意图。
图5是显示本发明较佳实施例中，工作流体由气体凝结成液体后，由回流通路回流，持续循环进行液态与气体的相变化示意图。
图6是本发明较佳实施例中，喷嘴使用状态示意图。
图7是本发明的部分结构放大示意图。
图8是本发明的气体导引装置另一可行实施例示意图。
图9是本发明的气体导引装置又一可行实施例示意图。
图10是本发明的气体导引装置再一可行实施例示意图。
具体实施方式
在本发明说明书及后续的专利请求项当中使用了某些词汇来指称特定的组件。所属技术领域中具有通当知识者应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼一个组件。本说明书及后续的专利请求项当中并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而因此组件在功能上的差异来作为区分的准则。在说明书及后续的请求项当中所提及的「包含」是为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。
首先，请参阅图3～图6所示，本发明三维相变化的远程散热模块50，其第一可行实施例包含有：一吸热腔体30，该吸热腔体30是呈直向型态，其具有一底部31，用以供一热源(H)接触，且一开口部32是设在该底部31的相反端的顶部，使该吸热腔体30的底部31与该开口部32之间形成一容置空间33。本实施例中，该吸热腔体30的底部31是指包括:该吸热腔体30的底缘面、及底缘面周边的壁面其中任一位置或其组合型态所构成，而可配合不同型态的热源接触。
一气体导引装置34，该气体导引装置34是设在该容置空间33接近该开口部32之位置，其包括一盖板341，其外周缘形体是配合该容置空间33的内周缘所设成，使该盖板341得以固定在该容置空间33内并接近该开口部32的位置，且该盖板341的中间设有一外径小于该容置空间33的缩小口径，形成一喷嘴342型态，使该吸热腔体30的中间形成一直向的气体导引室35，且该气体导引室35内填充一工作流体(W)；本实施例中，该吸热腔体30的形状可以是圆形、多边形或其他几何形体，且该气体导引装置34的喷嘴342，可直接由该盖板341的中间缩小管径342a所构成，且该盖板341是设成平板状341a，如本实施例中图3～图6所示之形态，但不限定于此；其亦可以其他形式所构成喷嘴结构，容后再阐明。
一散热腔体40，该散热腔体40是连接于该吸热腔体30之开口部32，形成远离该吸热腔体30之底部31，且其与该吸热腔体30的喷嘴342形成连通型态，又该散热腔体40的表面上设有多数的散热鳍片41；本实施例中，该散热腔体40的形状是可配合该吸热腔体30的形状所构成；可以是圆形、多边形或其他几何形体所组成。
至少一直向毛细结构层36，是设在该吸热腔体30的内周壁上，其具有一与该散热腔体40连通的上端部361，及一接近该吸热腔底部31的下端部362，据以形成一微流道结构；本实施例中，该直向毛细结构层36于该气体导引室35的位置，形成一阶梯面363，用以供该盖板341跨置定位，但不限定于此；该盖板341亦可以其他如:接合、卡制、黏着等方式固定在该气体导引室35上。
在一较佳实施例中，该吸热腔体30的内底部更设有一横向毛细结构层37，且如图7所示，该直向毛细结构层36及横向毛细结构层37，是可由一设在该吸热腔体30内周壁，利用烧结方式所构成的微孔隙结构364、371，据以形成一微流道结构，使其具有毛细作用力。而本实施例中，该直向毛细结构层36的下端部362是与该横向毛细结构层37呈没有连接状态，但亦可呈连接状态(图未示)。而该横向毛细结构层37是设在该吸热腔体30的内缘底部，可供该工作流体(W)渗入，并可控制该工作流体(W)吸收热能后的蒸发速度。
基于上述构成，该工作流体(W)吸收该热源(H)之热能时，该工作流体(W)由液体(L)型态汽化成气体(V)型态，利用热虹吸效应(thermosyphon)经由该气体导引室35向上流动，并经由该喷嘴342高压向上喷射而迅速均匀扩散至该散热腔体40，由该散热鳍片41进行散热，又该工作流体(W)在该散热腔体40热交换，由气体(V)型态凝结成液体(L)型态后，利用微流道作用，由该直向毛细结构层36之上端部361向下而回流至该下端部362，使该工作流体(W)持续循环进行液态(L)与气态(V)的相变化(phase change)，据此形成一远程散热模块50的型态。
又，本发明工作流体(W)可包括选自:纯水、氨水、甲醇、丙酮、庚烷等液态工作流体，也可以进一步在液态工作流体中添加悬浮于液态工作流体中之导热材料微粒，增强工作流体之传热性能；其中该导热材料微粒包括铜粉、碳纳米管、巴基球或内部填充有纳米级铜粉之碳纳米管、巴基球等，但不限定于此。
本实施例中，用以使在该散热腔体40内的气体(V)型态凝结成液体(L)型态后，回流的通路是由成型在该吸热腔体30内周壁的直向毛细结构层36所构成，由于气体(V)型态凝结成液体(L)型态后，除受到毛细作用力之外，还有地心引力的作用力，因此在接近下端部362的位置，可以无须另设逆止阀或单向阀(图未示)，即可确保由气体(V)型态凝结成液体(L)后由上而下回流，而该工作流体(W)不会由该直向毛细结构层36的下端部362往上流，且本发明利用热虹吸效应(thermosyphon)及波以尔定律(Boyle’s law)的设计结构，可由该喷嘴342的位置形成高压向上喷射气体(V)以进行循环，因此由该直向毛细结构层36的下端部362往上逆流该工作流体(W)的机会不大。
基于上述构成，该工作流体(W)吸收该热源(H)之热能时，该工作流体(W)由液体(L)型态汽化成气体(V)型态，如图4及图5所示，利用热虹吸效应(thermosyphon)经由该气体导引室35向上流动，并经由该喷嘴342高压向上喷射而迅速均匀扩散至该散热腔体40，由该散热鳍片41进行散热，又该工作流体(W)在该散热腔体40热交换，由气体(V)型态凝结成液体(L)型态后，利用微流道的毛细作用力，由该直向毛细结构层36之上端部361向下而回流至该下端部362进行循环，使该工作流体(W)持续循环进行液态(L)与气态(V)的相变化(phase change)，据此形成一远程散热模块的型态50。
再者，上述所谓热虹吸效应(thermosyphon)是利用热源(H)加热使该工作流体(W)液体部分汽化，形成汽液混合物，密度变小，利用密度差作为推动力来完成的过程，顾名思义以热为动力产生的虹吸现象。该工作流体(W)被加热后体积膨胀，密度变小变轻会上升，周围冷的液体来补充，形成循环，利用气相和液相的密度差做为推动力进行循环。
又，依据气体的可压缩性原理及波以尔定律(Boyle’s law)：可压缩性气体的体积与施加的压力成反比，即P1V1＝P2V2，当体积变小则压力增大，而液体(L)具有不可压缩性，但液体(L)蒸发成气体(V)时则变为可压缩性；而该喷嘴342之缩小出口管径对于向上流经该气体导引室35的气体(V)而言，就是一个自然的气体压缩器。因此本发明利用该喷嘴342之缩小出口管径所构成之体压缩器功能，使上述利用热虹吸效应(thermosyphon)经由该气体导引室33向上流动导入之气体(V)，因受到压缩而体积变小，再于流出该喷嘴342时，利用内、外压力差变化而瞬间膨胀变大，据以增加该气体(V)之扩散力。申言之，上升之气体(V)流经该喷嘴342之缩小出口管径，使的气体(V)流速加快而压力增大，上升之气体(V)因受压力压缩而体积变小，当受压力压缩的气体(V)流至出口端时，四周的压力变小；因此形成如图6所示，受压力压缩的气体(V)体积，随压力变小而瞬间膨胀变大；因此，可由该喷嘴342的位置形成高压向上喷射气体(V)，迅速均匀扩散至该散热腔体40，由该散热鳍片41进行散热，以达最佳散热效能。
请续参阅图8所示，其显示本发明气体导引装置34另一可行实施例，其相同于上述实施例中的结构以相同图号表示，其差异仅在于:该盖板341仍然设成平板状341a，但该盖板341的中间所设的喷嘴342是呈上窄下宽的凸起状锥孔342b。
或是如图9所示，该气体导引装置34又一可行实施例，该盖板341是设成上窄下宽的中空锥状体341b，使该缩小口径喷嘴342位于该盖板341的中空锥状体341b顶部。如本实施例中，该盖板341的中空锥状体341b底内缘，可进一步设有一微结构表面343，本发明通过此一微结构表面343，例如:粗糙面、微孔隙等结构；如此可使气体(V)在穿过该气体导引装置34时，可使气流更顺畅，使气体(V)自该喷嘴342喷出后，可达迅速均匀扩散，以达散热效能之提高。
或是如图10所示，该气体导引装置34再一可行实施例，是该盖板341的中空锥状体341b底内缘，可进一步设有一螺旋线结构344，此一螺旋线结构344犹如枪管内的螺旋膛线一样，本发明通过螺旋线结构344，可使气体(V)在穿过该气体导引装置34时产生纵轴自转，使气体(V)自喷嘴342螺旋转动喷出，通过陀螺仪效应保持角动量守恒，可达迅速均匀扩散，以达散热效能之提高。
通过上述技术手段，本发明三维相变化的远程散热模块50，巧妙结合热虹吸效应(thermosyphon)及波以尔定律(Boyle’s law)的喷嘴33结构设计，二者相辅相成，使被热源(H)蒸发的气体(V)经由该气体导引室33向上流动，并由喷嘴341高压向上喷射而迅速均匀扩散至散热腔体40，具有高效能散热特性，特别适用于高功率的LED灯具或电子产品，有效解决其散热问题。再者，本发明是呈三维(3D)设计型态，使散热端远离热源(H)端，具有提高散热效能及降低对产品环境工作的影响，进而可达温度控制之功效提高。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三维相变化远程散热模块，其特征在于，包含:
一吸热腔体，该吸热腔体是呈直向型态，其具有一底部，用以供一热源接触，且一开口部是设在该底部之相反端的顶部，使该吸热腔体的底部与该开口部之间形成一容置空间；
一气体导引装置，该气体导引装置是设在该容置空间接近该开口部之位置，其包括一盖板，该盖板的外周缘形体是配合该容置空间的内周缘所设成，使该盖板得以固定在该容置空间内并接近该开口部的位置，且该盖板的中间设有一外径小于该容置空间的缩小口径，形成一喷嘴型态，使该吸热腔体的中间形成一直向的气体导引室，且该气体导引室内填充一工作流体；
一散热腔体，该散热腔体是连接于该吸热腔体之开口部，形成远离该吸热腔体之底部，且其与该吸热腔体的喷嘴形成连通型态，又该散热腔体的表面上设有多数的散热鳍片，其中，所述散热腔体的容积大于所述吸热腔体的容积；
至少一直向毛细结构层结构层，是设在该吸热腔体的内周壁上，其具有一与该散热腔体连通的上端部，及一接近该吸热腔体底部的下端部，据以形成一微流道结构；以及
该工作流体吸收该热源之热能时，该工作流体由液体型态汽化成气体型态，经由该气体导引室向上流动，并经由该喷嘴高压向上喷射而迅速均匀扩散至该散热腔体，由该散热鳍片进行散热，又该工作流体在该散热腔体热交换，由气体型态凝结成液体型态后，利用该微流道作用，由该直向毛细结构层之上端部向下而回流至该下端部，使该工作流体持续循环进行液态与气态的相变化，据此形成一远程散热模块的型态；
该吸热腔体的内底部更包括设有一横向毛细结构层；
该直向毛细结构层的下端部及该横向毛细结构层，包括呈现连接或不连接型态。
2.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于，该直向毛细结构层于该气体导引室的位置，形成一阶梯面，用以供该盖板跨置定位。
3.如权利要求2所述的散热模块，其特征在于，该气体导引装置之盖板是包括设成平板状，该盖板的中间所设的喷嘴是呈上窄下宽的凸起状锥孔。
4.如权利要求2所述的散热模块，其特征在于，该气体导引装置之盖板是包括设成上窄下宽的中空锥状体，使该缩小口径喷嘴位于该中空锥状体的顶部。
5.如权利要求4所述的散热模块，其特征在于，该盖板的中空锥状体底内缘设有一微结构表面。
6.如权利要求4所述的散热模块，其特征在于，该盖板的中空锥状体底内缘设有一螺旋线结构。
7.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于，该直向毛细结构层及该横向毛细结构层，包括由一设在该吸热腔体内周壁的微孔隙结构体所构成。
8.如权利要求1所述的散热模块，其特征在于，该吸热腔体的底部是指包括:该吸热腔体的底缘面、及底缘面周边的壁面其中任一位置或其组合型态所构成，而可配合不同型态的热源接触。
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