CN100426493C - 沸腾腔式散热装置 - Google Patents

Abstract

一种沸腾腔式散热装置，包括一用以容置工作流体的密闭腔体及一设于密封腔体顶部而散热的散热件，该密闭腔体包括一吸热底板及一顶盖，该吸热底板的外侧与发热组件密贴，用以传输来自发热组件的热量而使腔体内的工作流体沸腾，该顶盖用以将腔体的热量通过沸腾的工作流体传输至腔体内侧顶部的散热面再传输至腔体外，该顶盖周缘向下设有侧框，用以密接吸热底板与顶盖，该腔体的顶盖周围与侧框之间形成一内凹状缓冲空间。本发明能克服传统腔式散热装置中的吸热初期的传热门槛，可避免工作流体发生沸腾时在顶盖发生周期性振荡现象；另外，沸腾腔式散热装置组成元件少，具有结构简单、轻便、体积小、加工容易、便于组装，且可靠度高等优点。

Description

沸腾腔式散热装置

【技术领域】

本发明涉及一种散热装置，特别是一种沸腾腔式高效率散热装置。

【背景技术】

随着电子信息业不断发展，高科技电子产品有利于朝向更轻薄短小以及多功能、更快速运行的趋势发展，然而电子元件(尤其中央处理器)单位面积所释出的热量(热通量)也随之愈来愈多，导致进一步的发展必须面临如何降低电子元件工作温度的瓶颈，欲使高科技电子产品发挥应有的功能，设计高效率且质量轻巧的散热装置已成为业界发展下一代先进电子产品的重要挑战。

目前应用于计算机微处理器的散热领域中已有许多不同结构与型式的散热装置揭示于专利文献中，最典型的例子是利用发热元件与配有风扇的散热鳍片底座之间的接触热传导达成散热目的；也有搭配热导管使用的同类型散热装置以增加传热效果的装置，但受制于发热元件的可用表面积小，可搭配的热导管数量(传热量)受限，且如热导管中的毛细力无法克服重力，则在某些倾斜状态下可能无法发挥正常的移热功能；另外，为因应较高热通量(heat flux)的移除，在发热元件与散热鳍片底座之间常加装一具有良好热传导性的均热板(spreader)，该均热板通常较发热元件的热传面积大，以便将热量传到散热鳍片底座之前先均匀降低移热通量之负载，该均热板可使用铜、铝等较高热导系数的材料或蒸汽式散热腔(vapor chamber)，但前者的金属板受制于材料本身有限的热传导性，若对高热通量的发热元件使用过大的均热板面积来降低移热通量，仍会产生明显的热阻而无法达到均热分布之目的，以致降低鳍片的整体散热效率；蒸汽式散热腔虽通过毛细微结构中的少量工作流体受热汽化，而快速将热量传递到散热面冷凝，并通过毛细力回流的机制达到高散热效率的功能，但由于毛细微结构的量产工艺(例如烧结)尚无法于同一批次的产品中维持相近的热传性能，而直接影响产品的可靠度。

众所周知，当一流体在相同的条件下加热时，使该流体发生沸腾时的热传系数通常是不发生沸腾时的数十倍甚至数百倍，因此通过沸腾的高热传系数不但可以在同一尺寸的散热装置中大幅提升移热量，也可以大幅缩小具有同一移热量的散热装置的尺寸，最典型的例子是利用冷冻循环系统中的蒸发器与发热元件表面接触，其中蒸发器具有使冷媒通过的流道结构，通过冷媒流过该流道结构时的吸热过程所产生的相变而释放出冷媒的蒸发潜热(latentheat of evaporation)，将发热元件表面散发的热量带走，并达到降低发热元件工作温度的目的。应用流体沸腾时的相变机制所释出的高蒸发潜热技术于开发高效能电子冷却装置，是因应未来发展兼具轻巧及高热通率电子产品的趋势。

图1为传统沸腾腔式散热器的一立体示意图，图2为由图1中A-A截面所视的截面图，传统沸腾腔式散热器的基本构成包括一与发热元件20密接的密封腔体10’以及一与该腔体10’顶部密接的散热鳍片30’，当腔体10’内的工作流体15’吸收来自发热元件20的热量而升温沸腾时，热量被传到散热鳍片30’而达到移热的功效。基于汽液共存状态的沸腾热传过程中，不论产生的蒸汽量多少，只要腔体10’内的压力不变，沸腾流体的温度(即为对应于该压力的沸点温度)为一定值的物理特性，而利用上述沸腾热传特性于发热元件20的散热系统时，所对应的冷却流体温度即为该沸点温度。因此，为使被冷却的发热元件20温度降低并维持在安全的运作范围，必须慎选工作流体(水、乙醇、丙酮等)并将其抽至一定的真空度，以降低沸点温度及驱除存在于流体和系统中不利于热传的非凝结气体(noncondensable)；且由于沸腾热传过程中的高搅动(agitation)特性，使腔体10’内的冷却流体可经常维持在均匀的温度，故腔体10’具有良好的均热板特性。

然而，欲发挥沸腾热传的诸多优点在冷却发热元件20的应用上，沸腾腔式散热器的设计除了着眼于强化散热效能，并兼顾轻质化与微小化的需求外，仍有许多有待克服的缺点，使得应用与推广沸腾热传散热系统在各种发热电子元件及计算机微处理器上时仍有以下改善的空间：

(1)工作流体吸热初期存有传热障碍门槛(threshold)

由于散热腔体的工作流体初始液位15a’和该腔体10’上方的散热面之间有一距离，当流体吸热时会因温度的上升而膨胀导致液位的逐渐上升，欲在此过程中发挥良好的散热效果，必须使具有高热传系数的液相流体或呈汽液混合的沸腾流体(mixture)在腔体中的高度触及散热腔体10’上方的散热面，故在此条件达到之前会有一门槛阻碍热的传出，导致发热元件之温度上升，若未善加处理有可能引发挑战该发热元件20安全运作的温度极限。

(2)沸腾流体与散热面之间会发生不利热传的间歇性传热模式

由于高热通量发热元件20的发热面积通常小于腔体10’的底面积，故流体会在与该发热面积接触的沸腾区域产生激烈的搅动，导致在腔体的顶盖散热面与沸腾流体之间引发周期性的密度波(density wave)，造成沸腾流体在散热面上发生振荡接触的现象，因而形成不利于稳定传热的非连续、间歇性冷凝传热模式，严重影响热传输的效率。

(3)在倾斜状态下无法确保可发挥正常的移热功能

为预留吸热沸腾的膨胀空间通常在腔体10’内的工作流体15’不能装满，当产品在偏离正常的倾斜状态下使用，可能会使得腔体10’内的工作流体液位低于发热元件的位置而使移热功能失效，导致发热元件20的温度上升，若未善加处理有可能引发挑战该发热元件20安全运作的温度极限。如何在倾斜状态下也能发挥正常的移热功能，是开发可携式轻巧电子产品所必须克服的重要课题。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种通过腔体之顶盖周围与侧框形成的一内凹状缓冲空间，达到避免沸腾时可能在腔体的顶盖散热面与沸腾流体之间发生周期性的振荡接触现象，造成不利于稳定传热的不连续、间歇性传热模式的沸腾腔式散热装置。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明沸腾腔式散热装置，包括一腔体及一散热件，该腔体是用以容置因吸热而产生相变化的工作流体，该腔体包括一吸热底板及一顶盖，该吸热底板的外侧与发热组件密贴，用以传输来自发热组件的热量而使腔体内之工作流体沸腾，该顶盖是用以将腔体的热量通过沸腾的工作流体传输至腔体内侧顶部的散热面再传输至腔体外，其周缘向下设有侧框，用以密接吸热底板与顶盖，该腔体的顶盖周围与侧框之间形成一内凹状缓冲空间，使沸腾流体稳定接触该散热面，以提升沸腾腔式散热装置的整体移热能力；该散热件，设于密封腔体顶部，用以移除腔体热量。

本发明相比先前技术具有如下优点：由于本发明沸腾腔式散热装置腔体的顶盖内侧与腔体侧边形成一内凹状的空间、该腔体之顶盖外侧密接一散热件；该散热装置底部外侧的吸热面与发热元件的发热面之间紧密接触，具有上述特征的本发明除可通过腔体内工作流体之吸热沸腾所释放的蒸发潜热达到迅速移除发热元件所产生的热量外，并可同时克服传统腔式散热装置中的工作流体在吸热初期的传热门槛，避免工作流体发生沸腾时在腔体之顶盖发生周期性振荡现象所造成的间歇性传热模式，以及既使在倾斜的状态下也能发挥高效率的移热功能等优点；另外，本发明沸腾腔式散热装置组成元件少，具有结构简单、轻便、体积小、加工容易、便于组装，且可靠度高等优点。

【附图说明】

图1为传统沸腾腔式散热器的一立体示意图。

图2为图1中A-A截面所视的截面图。

图3为本发明沸腾腔式散热装置第一实施例的立体示意图。

图4为图3中A-A截面所视的截面图。

图5(a)～(d)为本发明沸腾腔式散热装置的热传强化装置各外观结构示意图。

图6为本发明沸腾腔式散热装置第二实施例的立体示意图。

图7为图6中A-A截面所视的截面图。

图8为本发明沸腾腔式散热装置第三实施例的立体示意图。

图9为图8中A-A截面所视的截面图。

图10为本发明沸腾腔式散热装置第三实施例的另一种结构立体示意图。

图11为图10中A-A截面所视的截面图。

图12为本发明沸腾腔式散热装置第四实施例的立体示意图。

图13为图12中A-A截面所视的截面图。

图14为本发明沸腾腔式散热装置第四实施例的另一种结构立体示意图。

图15为图14中A-A截面所视的截面图。

图16为本发明沸腾腔式散热装置第四实施例的物理现象说明图。

【具体实施方式】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

请参阅图3至图16所示，本发明沸腾腔式散热装置是用来安装于中央处理器等发热元件20上对其进行散热。

图3为本发明沸腾腔式散热装置第一实施例的立体示意图；图4为由图3中A-A截面所视的截面图，该装置包括一密封腔体10以及一与该腔体10顶部密接的散热鳍片30，该腔体10底部与发热元件20密接；其中该腔体10用以容置从发热元件20吸热而产生相变化的工作流体15，是由一顶盖11、一侧框12及一在腔体10内侧设有热传强化装置13之吸热底板14、数个灌注工作流体15及排气的开孔，再分别以塞头19密封、及由顶盖11周围与侧框12形成一内凹状缓冲空间22所构成；该腔体10内的工作流体15透过设有热传强化装置13的吸热底板14传输来自发热元件20的热量而沸腾，并于顶盖11内侧的散热面18上设置微细的凹凸冷凝强化装置32，故该腔体10具有良好的均热分布特性。

图5(a)至(d)为热传强化装置13，包含若干个吸热单元16，其外观结构可为(a)凸起及凹陷的方柱状、(b)凸起及凹陷的圆柱状，(c)具一定厚度的方形网状结构，(d)具一定厚度之波浪形网状结构；该若干个吸热单元16浸泡于腔体10内的工作流体15中，且该工作流体15可以在各吸热单元16中任意流动，通过增加在工作流体15中的热对流面积以及直接将热传导到顶盖11的双重热传强化装置13，达到进一步强化散热效果。

该若干个吸热单元16之中至少有一部份直接连接该散热腔体10的吸热底板14与顶盖11的散热面18，且其中至少有一部份直接连接该吸热底板14与散热面18的吸热单元16位于发热元件20的正上方，以克服腔式散热装置在吸热初期由于初始液面15a与散热面18之间的未接触所造成的热传障碍；在吸热底板14上设置该若干个吸热单元16可使上述传热门槛大幅降低，甚至完全消除；在腔体10中安装该热传强化装置13即使在倾斜状态下使用也能发挥正常移热功能。

该腔体10的顶盖11周围与侧框12之间形成一内凹状缓冲空间22，作为避免工作流体15沸腾时可能在顶盖11的散热面18与沸腾流体15之间发生周期性的振荡接触现象所造成不利于稳定传热的不连续、间歇性移热模式；上述受密度控制的不稳定流现象(density-controlling instability)是沸腾流最常发生的振荡形式，会使通往散热面18的流率受到沸腾流体15局部密度的变化而出现周期性的振荡，导致沸腾流体15与散热面18之间出现不连续、间歇性接触情况，实质影响整体传热能力。由于该内凹状缓冲空间22形成于散热面18的周围，对于沸腾流体液面15b高于散热面18的正常运作状况而言，该内凹状缓冲空间22可使沸腾流体15稳定接触该散热面18，并将该周期性的振荡波转移至对移热能力影响不大的该缓冲空间22并予以吸收，其所造成的高效率热传机制实质提升整体移热能力。

图6为本发明沸腾腔式散热装置第二实施例的立体示意图，图7为由图6中A-A截面所视之截面图；本实施例与第一实施例的基本构成相似，其特征在于将设置在腔体10外部的散热鳍片底座31直接作为该腔体10的顶盖11；相较于图2所示的传统技术，由于本实施例去除散热鳍片底座31与顶盖11之间的接触热阻，使发热元件20的热量可更直接地传输到散热鳍片30，达到同时提升移热效率及轻化散热装置的目的。

图8为本发明沸腾腔式散热装置第三实施例的立体示意图，图9为由图9中A-A截面所视的截面图；图10为本发明沸腾腔式散热装置第三实施例的另一结构立体示意图，图11为由图10中A-A截面所视的截面图；其中图8及图9的内凹状缓冲空间22围绕于腔体周围；图10及图11的内凹状缓冲空间22设置于腔体两侧。第三实施例与第二实施例的基本构成相似，均包括一腔体10、一散热鳍片30、一具热传强化装置13的吸热底板14；其特征在于散热鳍片30与腔体10的制作是一体成形；本实施例除具有前述第二实施例同时提升散热效率及轻化散热装置的优点外，更因该沸腾腔式散热装置仅包括两项基本构件：具热传强化装置13的吸热底板14和一体成形的散热鳍片30与腔体10，其工艺大幅简化。

图12为本发明沸腾腔式散热装置第四实施例的立体示意图，图13为由图12中A-A截面所视的截面图；图14为本发明沸腾腔式散热装置第四实施例另一结构的立体示意图，图15为由图14中A-A截面所视的截面图；其中图12及图13的内凹状缓冲空间22围绕于腔体周围；图14及图15的内凹状缓冲空间22设于腔体两侧。本实施例相较上述实施例，其特征在于：将散热鳍片30的上部分别与数支热导管23一端的表面结合，该热导管23的另一端则分别插入内凹状缓冲空间22内；由于散热鳍片30上部的温度较接近散热鳍片30底座31的温度偏低，通常为热传效率较差的部分，通过该热导管23的高效能热传特性，将腔体10中部分的热量直接移至散热鳍片30上部，除充分利用散热鳍片30的散热面积外，将可进一步增强本发明的散热效率与散热容量。

图16为本发明沸腾腔式散热装置第四实施例的物理现象说明图；由于腔体10内的部分热量可经由内凹状缓冲空间22的上端移除，使得原本可能成为蒸汽聚集的高温不循环区，会因热量可通过热导管23的顺利移出，造成具有与腔体10顶端相同的冷凝液回流至吸热面17的自然对流循环现象，更进一步增强本发明的散热效率与散热容量。

Claims (9)

1. 一种沸腾腔式散热装置，包括一用以容置工作流体的密闭腔体及一设于密封腔体顶部而吸收腔体热量并散发出去的散热件，该密闭腔体包括一吸热底板及一顶盖，该吸热底板的外侧与发热组件密贴，用以传输来自发热组件的热量而使腔体内之工作流体沸腾，该顶盖用以将腔体之热量通过沸腾的工作流体传输至腔体内侧顶部的散热面再传输至腔体外，其特征在于：该顶盖周缘向下设有侧框，用以密接吸热底板与顶盖，该腔体的顶盖周围与侧框之间形成一内凹状缓冲空间，该吸热底板在腔体内侧设有热传强化装置，用以传输来自发热组件的热量并加速腔体内之工作流体沸腾，该热传强化装置包含若干个吸热单元，其中该若干个吸热单元浸泡于工作流体中，且工作流体可以在各吸热单元间任意流动。

2. 如权利要求1所述的沸腾腔式散热装置，其特征在于：所述若干个吸热单元之中至少有一部分直接连接该吸热底板与散热面，且其中至少有一部分直接连接该吸热底板与散热面的吸热单元位于发热组件的正上方。

3. 如权利要求2所述的沸腾腔式散热装置，其特征在于：所述若干个吸热单元的形态可为凸起及凹陷的方柱状、凸起及凹陷的圆柱状或具一定厚度的网状结构。

4. 如权利要求1所述的沸腾腔式散热装置，其特征在于：所述内凹状缓冲空间围绕于腔体周围。

5. 如权利要求1所述的沸腾腔式散热装置，其特征在于：所述内凹状缓冲空间设置于腔体两侧。

6. 如权利要求1所述的沸腾腔式散热装置，其特征在于：所述腔体内部散热面上设置微细的凹凸冷凝强化装置。

7. 如权利要求1至6中任一项所述的沸腾腔式散热装置，其特征在于：所述散热件包括一底座及该底座上设置的若干散热鳍片。

8. 如权利要求7所述的沸腾腔式散热装置，其特征在于：所述底座与腔体顶盖一体成形。

9. 如权利要求7所述的沸腾腔式散热装置，其特征在于：所述散热装置还包括至少一热导管，该热导管一端的表面与散热鳍片的上部分结合，其另一端插入该内凹状缓冲空间内部。

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