CN101179917A - 一种环路型潜热散热方法和环路型潜热散热模块 - Google Patents

Abstract

一种环路型潜热散热方法及其毛细力或无喷嘴的环路型潜热散热模块，包括储存槽中的冷却流体经由液体管路流动至气化管路，气化管路连结有毛细力或无喷嘴的结构，冷却流体在气化管路中可维持一液体薄膜，在吸收电子组件的热量后会保持在薄膜沸腾状态，以较佳的效率气化上升至蒸发舱中；蒸发舱中气化的冷却流体经由气体管路流动至冷凝器，而在冷凝器中冷凝成为液体后经由液体管路从冷凝器流回储存槽。本发明利用冷却流体气液两相改变的潜热转换带走电子组件的热量，并以薄膜沸腾的方式提高散热效率。

Description

一种环路型潜热散热方法和环路型潜热散热模块

技术领域

本发明关于一种电子组件散热方法，且特别是一种环路型潜热散热方法及其利用具有毛细力的结构、或无需喷嘴设计的模块。

背景技术

利用气液两相改变的潜热转换来带走电子组件热量的技术，目前已发展出两相热虹吸散热技术，其基本原理是利用冷却液体在与热源相接触的蒸发器中受热汽化成蒸气的过程将大量的热由热源带走，而持续形成的蒸气会将受热的液体与蒸气推到冷凝器进行热交换，通过冷凝器的后冷凝下来的冷却流体，则经由重力作用或外接式帮浦加压后，可再流到蒸发器进行热交换，形成一个循环，例如美国专利4,393,663。

利用此原理设计的散热器在实际应用上已确实可行，但其散热效率与散热瓦数将会受到其蒸发器中的冷却流体量的限制。若冷却流体较少时，在高发热瓦数的情况下有可能会因为冷却液体快速汽化而烧干，已汽化的蒸气却来不及冷凝成液态再流回蒸发器进行热交换，将造成电子组件过热而烧毁；若冷却流体过多时，则会在蒸发器上形成过厚的液膜或甚至类似小水池的情形，此时由热源传至蒸发舱的热量会使冷却流体出现池沸腾的现象，可是在池沸腾时热交换的效率不佳，进而使整个系统的散热效率降低。因此在冷却流体量上的控制是一个重要的问题。

此外，利用气液两相改变的潜热转换来带走电子组件热量的技术，也发展出喷雾散热冷却技术，其属于核沸腾(Nuclear Boiling)的散热方式。核沸腾在冷却流体蒸发上的热阻值较小，亦即冷却流体蒸发所需的热量较少与时间较短。喷雾散热冷却技术在驱动方式上具有下列几种形式，皆使用喷嘴或喷雾的设计来达成散热的目的：

1.通过空气和冷却流体在喷嘴(Nozzle)内混合后喷出，形成喷雾冷却机制。例如，美国专利4,068,495、4,141,224以及4,711,431。

2.运用雾化器(Atomizer)使冷却流体雾化，将所产生的液滴(droplets)喷洒在热源面上，达到喷雾冷却效果。例如，美国专利5,220,804、5,854,092、5,992,159、5,999,404、6,108,201、6,498725 B2、6,836,131B2以及6,889,515 B2。

3.通过类似打印机墨盒的喷雾方式(Ink-jet Type)，以压力或加热的机制产生喷雾用的液滴。例如，美国专利6,205,799 B1、6,349,554 B2、6,457,321B1、6,550,263 B2以及6,646,879 B2。

上述的专利主要都是透过各种喷嘴喷雾设计，使冷却流体到达热源面上，发挥冷却流体利用潜热转换达成散热的目的。然而，喷嘴喷雾设计在某些方面应具有可改进的空间。例如由于受到冷却流体蒸发所产生的气流影响，使得体积过小或速度过小的冷却流体液滴无法有效突破蒸气区到达热源面，达成带走热量的目的。另外，体积过大或速度过快的冷却流体液滴，虽较易突破蒸气区到达热源面，但却容易形成过厚的流体液膜(Liquid Film)，变成池沸腾(PoolBoiling)现象，相较于核沸腾，其在冷却流体蒸发上的热阻值较大，因而降低散热效率。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明的主要目的在于提供一种环路型潜热散热方法，其维持冷却流体的流体液膜(Liquid Film)在薄膜沸腾的状态，而不致于出现池沸腾的现象，因此具有较高的散热效率。

本发明的一目的在于提供一种具有毛细结构的环路型潜热散热方法模块，利用流体相变化原理与微结构的毛细力原理所设计出能自动调节供水量的环路型两相热虹吸散热装置，可将电子组件所散发出的热量迅速带走，达到高效率、高瓦数散热的目的。

本发明的另一目的在于提供一种无喷嘴的环路型潜热散热模块，其无需喷嘴喷雾的设计，解决先前技术所公开的的冷却流体的气液两相在蒸气区冲突造成热传系数降低的问题，因此可提高散热效率，并且降低散热模块的复杂度与制作成本。

因此，本发明提出一种环路型潜热散热方法，利用气液两相改变的潜热转换带走电子组件的热量，包括储存槽中的冷却流体经由液体管路流动至两侧面分别连结电子组件与蒸发舱的气化管路。此些气化管路中的冷却流体吸收电子组件的热量后可保持在薄膜沸腾状态并在气化后上升至蒸发舱中。之后，蒸发舱中气化的冷却流体经由气体管路流动至一冷凝器。接着，在冷凝器中进行热交换再次冷凝成为液体，最后经由液体管路从冷凝器流回储存槽。

另一方面，本发明提出一种环路型潜热散热模块，包括一冷却流体、一储存槽、一蒸发舱、一冷凝器以及一循环管路。冷却流体用来吸收电子组件的热量。储存槽用来储存冷却流体。蒸发舱为冷却流体吸收电子组件的热量后沸腾蒸发成气体上升的区域。冷凝器用来冷凝气化的冷却流体成为液体。循环管路连结储存槽、蒸发舱与冷凝器成为一封闭回路。

本发明具有保持在薄膜沸腾状态的流体液膜，不致于出现池沸腾的现象，因此具有较高的散热效率。

本发明具有保持在薄膜沸腾状态的流体液膜，不致于在吸收高发热瓦数的情形下，发生冷却流体供应量不足，使得冷却流体快速气化而烧干，造成电子组件过热烧毁。

本发明利用气液两相改变的潜热转换，可快速带走电子组件的热量，达到高效率、高瓦数散热目的。

本发明无需喷嘴喷雾的设计，不致于出现冷却流体的气液两相在蒸气区冲突造成热传系数降低的问题，因此可提高散热效率。

本发明无需喷嘴喷雾的设计，降低散热模块的复杂度与制作成本。

附图说明

图1为本发明的一种环路型潜热散热方法及其模块的一个较佳实施例的示意图；

图2为本发明的一种环路型潜热散热方法及其模块的一个较佳实施例的利用连通管原理维持流体液膜的示意图；

图3为本发明的一种环路型潜热散热方法及其模块的一个较佳实施例的利用毛细现象及外加压力的组合以维持流体液膜的示意图；

图4为本发明的一种环路型潜热散热方法及其模块的一个较佳实施例的利用瀑布原理及外加压力的组合以维持流体液膜的示意图；以及

图5为本发明的一种环路型潜热散热方法及其模块的一个较佳实施例的利用外加致冷芯片以使用具有高沸腾温度的冷却流体的示意图。

其中，附图标记：

100、200、300、400、500：储存槽

101、201、301、401、501：填充管

102、202、302、402、502：逆止阀

120、220、320、420、520：电子组件

130、230：               循环管路

132、232、332、432、532：液体管路

134、234、334、434、534：气化管路

136、236、336、436、536：气体管路

140、240、340、440、540：蒸发舱

160、260、360、460、560：冷凝器

310A、310B：             微结构

380、480：               泵

490：                    高导热性材料块

510：                    致冷芯片

具体实施方式

以下举出具体实施例以详细说明本发明的内容，并以附图作为辅助说明。说明中提及的符号参照附图标记。

图1至图5为本发明的一种环路型潜热散热方法及其模块的较佳实施例的示意图，虽然在电子组件上方可以有多条气化管路以增加散热，或是可以依需要装置有多条液体管路及气体管路，但为清楚而简单的说明，图1至图5仅绘示足以代表实施例说明需要的液体管路、气体管路及气化管路的环路型潜热散热方法及其模块的示意图。

图1为本发明的一种环路型潜热散热方法及其模块的一个较佳实施例的示意图。如图1所示，本实施例包括有一储存槽100，用来储存冷却流体，而冷却流体用来吸收电子组件120的热量，一蒸发舱140，冷却流体吸收电子组件120的热量后沸腾蒸发成气体上升的区域，一冷凝器160，冷凝气化的冷却流体成为液体的冷却流体，以及一循环管路130，连结储存槽100、蒸发舱140与冷凝器160成为一封闭回路。循环管路130依其内部冷却流体的状态，可分为液体管路132、气体管路136与气化管路134，其中液体管路132连结储存槽100与气化管路134、储存槽100与冷凝器160以及储存槽100本身的回流，气体管路136连结蒸发舱140与冷凝器160，气化管路134连结在储存槽100本身回流的液体管路132间并且两侧面分别连结电子组件120与蒸发舱140，同时气化管路134具有保持在薄膜沸腾状态的一流体液膜。

上述的循环管路130、储存槽100、蒸发舱140与冷凝器160的各组件本体及各组件间的连结例如为一体成型或结合成型。其中，一体成型的制造方法例如为锻造、冲压或计算机数值控制(CNC，Computerized Numberized Control)加工。而结合成型的制造方法例如为烧结或加装至少一个扣件而相互结合。

在图1中，由填充管101装填冷却流体后关上逆止阀102，储存槽100中的冷却流体经由液体管路132流动至两侧面分别连结电子组件120与蒸发舱140的气化管路134，气化管路134中的冷却流体吸收电子组件120的热量后成为保持在薄膜沸腾状态的流体液膜且同时气化上升至蒸发舱140中，而在气化管路134末端冷凝的冷却流体经由液体管路132回流至储存槽100，蒸发舱140中气化的冷却流体经由气体管路136流动至冷凝器160，在冷凝器160中气化的冷却流体冷凝成为液体，以及液体的冷却流体经由液体管路132从冷凝器160流动回储存槽100。

上述的冷却流体例如为水、冷媒、液态氮或其它适合的流体，冷却流体更包括至少一种的添加剂，以增加符合需要的冷却流体特性。而添加剂例如为抗冻剂等。

上述的气化管路134的材料例如为高导热性材料，其中气化管路134侧面连结蒸发舱的方式例如为开放式连结，亦即为有利于气化管路134中的冷却流体气化上升至蒸发舱140，气化管路134连结蒸发舱140的侧面无实体管璧，气化管路134连结蒸发舱140的侧面仅在进入蒸发舱140之处与蒸发舱140连结，并且靠着与电子组件120连结的半边气化管路134来做支撑。

上述的维持流体液膜的方法例如利用连通管原理、毛细现象、亲水性处理、瀑布原理、外加压力或上述任意的组合。其中利用亲水性处理的方法包括在气化管路134连结电子组件120的侧面的内部形成沟槽。

上述的在冷凝器160中冷凝气化的冷却流体成为液体的方法例如在冷凝器160中提供一气体凝结为液体的热交换反应空间，或是使用至少一个热交换器，以供气化的冷却流体的热量可快速逸散。

上述的液体的冷却流体经由液体管路132从冷凝器160流回储存槽100的方法例如为重力作用或毛细力作用。其中，增加毛细力作用的方法例如在从冷凝器160至储存槽100的液体管路132中形成一具有毛细力的微结构。而增加重力作用的方法例如在从冷凝器160至储存槽100的液体管路间至少配置一个泵(Pump)。

上述的连结储存槽100与冷凝器160或储存槽100本身的回流的液体管路132间可配置至少一个泵，增加冷却流体的流动压力以做长程流动或使冷却流体作逆重力流动。

图2为本发明的一种环路型潜热散热方法及其模块的一个较佳实施例的利用连通管原理维持流体液膜的示意图。如图2所示，本实施例利用连通管原理的方法，例如使储存槽200的液面高度高于气化管路234的液面高度，以在气化管路234中维持一流体液膜，其中流体液膜的厚度可利用储存槽200的液面高度与气化管路234的液面高度二者的高度差来调整。

图3为本发明的一种环路型潜热散热方法及其模块的一个较佳实施例的利用毛细现象及外加压力的组合以维持流体液膜的示意图。如图3所示，本实施例利用毛细现象及外加压力的组合的方法例如在气化管路334连结电子组件320的侧面内部形成具有毛细力的微结构310A，其中冷却流体会因本身的表面张力与具有毛细力的微结构的吸力而被限制在具有毛细力的微结构310A中，因此可作为控制冷却流体的液膜厚度之用，而微结构310A的厚度范围例如2毫米至10毫米；以及在储存槽300回流的液体管路332间增加一泵380。其中，利用毛细现象的方法更例如在从储存槽300到气化管路334的液体管路332中形成具有毛细力的微结构310B以增加将冷却流体从储存槽300拉到气化管路334的能力，以帮助流体液膜的维持。

上述的微结构例如为多孔性微结构、网状微结构或烧结颗粒的微结构。其中，微结构的材料例如为金属、非金属或多分子聚合物。而微结构的制造方法例如为精密加工、微机电或烧结。

图4为本发明的一种环路型潜热散热方法及其模块的一个较佳实施例的利用瀑布原理及外加压力的组合以维持流体液膜的示意图。如图4所示，本实施例利用瀑布现象及外加压力的组合的方法例如在气化管路434连结电子组件420的侧面外部配置三角形状的高导热性材料块490，以及在储存槽300回流的液体管路332间增加一泵480。冷却流体在泵480所施的外加压力下，增加冷却流体从储存槽400到气化管路434的量，而三角形状的高导热性材料块490使得冷却流体经泵480的作动而进入气化管路434时，形成一种瀑布现象，过多的液体不会堆积在气化管路434中，因而不会有过厚的流体液膜产生，以帮助流体液膜保持在薄膜沸腾状态。

图5为本发明的一种环路型潜热散热方法及其模块的一个较佳实施例的利用外加致冷芯片以使用具有高沸腾温度的冷却流体的示意图。如图5所示，本实施例在气化管路534连结电子组件520的侧面外部配置一致冷芯片510，以使用具有高沸腾温度的冷却流体。其中，具有高沸腾温度的冷却流体例如为水。本实施例在使用致冷芯片510后，能更有效降低电子组件520的温度，且更能提高气化管路534中冷却流体的温度使之气化，因此可使用具有高沸腾温度的液体作为本发明的冷却流体，例如在目前以水做为冷却流体的机制中，因电子组件例如中央处理器(CPU)的芯片无法容许水的沸点(摄氏100度)温度，因此通常需要将系统抽真空，降低水的沸点，才能使用水做为冷却流体，以气化带走芯片产生的热量，但是如此一来，不仅增加系统的复杂度与成本，也降低系统的可靠度。而在本实施例中，本发明利用加装致冷芯片510，不仅能更有效降低电子组件520的温度，且更能提高气化管路534中冷却流体的温度，在不需要抽真空的情形下使之气化，达到使流体液膜维持在薄膜沸腾的优点。

综上所述，本发明利用连通管原理、毛细现象、亲水性处理、瀑布原理、外加压力或上述任意的组合，可适当控制冷却流体的量，使其保持成为在薄膜沸腾状态的流体液膜，不致于在吸收高发热瓦数的情形下，发生冷却流体供应量不足，使得冷却流体快速气化而烧干，造成电子组件过热烧毁。

本发明具有保持在薄膜沸腾状态的流体液膜，因此具有较高的散热效率。

本发明可使用水作为冷却流体，符合环保效益并减低制造成本。

本发明利用气液两相改变的潜热转换与微结构的毛细力原理，可快速带走电子组件的热量，达到高效率、高瓦数散热目的。

本发明的结构可配合垂直型或水平型的电子组件，可具有弹性的造型设计。

本发明无需喷嘴喷雾的设计，不致于出现冷却流体的气液两相在蒸气区冲突造成热传系数降低的问题，因此可提高散热效率。

本发明无需喷嘴喷雾的设计以及无需将系统抽真空，因此可降低散热模块的复杂度与制作成本。

本发明利用致冷芯片，可提高电子组件的散热效果，并可使用具有高沸腾温度的液体例作为冷却流体。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的普通技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (37)

1.一种环路型潜热散热方法，其特征在于，包括有：

提供一储存槽，并于该储存槽中储存一冷却流体；

利用一连结于该储存槽的第一液体管路，使该冷却流体可流经一电子组件至一气化管路中；

气化该冷却流体，使其上升至一蒸发舱中；

利用一连结于该蒸发舱的气体管路使该气化的冷却流体流至一冷凝器中；冷凝该气化的冷却流体；以及

利用连结于该冷凝器与该储存槽的一第二液体管路，以使该冷却流体流回该储存槽中。

2.根据权利要求1所述的环路型潜热散热方法，其特征在于，该气化管路侧面连结该蒸发舱的方式包括一开放式连结。

3.根据权利要求1所述的环路型潜热散热方法，其特征在于，储存于该储存槽的该冷却流体的高度高于该气化管路的高度。

4.根据权利要求1所述的环路型潜热散热方法，其特征在于，另包括：形成一具有毛细力的微结构于该气化管路相对于该电子组件的一侧，以使该气化的冷却流体上升至该蒸发舱中。

5.根据权利要求4所述的环路型潜热散热方法，其特征在于，另包括：提供一泵于该第一液体管路中，以使该冷却流体流至该气化管路。

6.根据权利要求1所述的环路型潜热散热方法，其特征在于，另包括：形成一具有毛细力的微结构于连结该储存槽与该气化管路的该第一液体管路中，以使储存于该储存槽的该冷却流体可流至该气化管路中。

7.根据权利要求1所述的环路型潜热散热方法，其特征在于，另包括：设置一三角形状的高导热材料块于该气化管路相对于该电子组件的另一侧，以形成一瀑布现象。

8.根据权利要求7所述的环路型潜热散热方法，其特征在于，另包括：提供一泵于该第一液体管路中，以使该冷却流体流至该气化管路。

9.根据权利要求1所述的环路型潜热散热方法，其特征在于，另包括：设置一致冷芯片于该气化管路相对于该电子组件的一侧，以气化该冷却流体并上升至该蒸发舱中。

10.根据权利要求1所述的环路型潜热散热方法，其特征在于，另包括：于该第二液体管路中形成一具毛细力的微结构，以使该冷却流体可经由该液体管路从该冷凝器流回该储存槽。

11.根据权利要求1所述的环路型潜热散热方法，其特征在于，另包括：提供至少一泵于该第二液体管路中，以使于该液态的冷却流体可经由该第二液体管路从该冷凝器流回至该储存槽。

12.根据权利要求1所述的环路型潜热散热方法，其特征在于，该冷凝该气化的冷却流体的步骤通过热交换作用以将该气化的冷却流体冷凝为液态冷却流体。

13.根据权利要求1所述的环路型潜热散热方法，其特征在于，该储存槽更包含有一填充管及一逆止阀，该冷却流体自该填充管充填至该储存槽中，并利用该逆止阀防止该冷却流体逸散。

14.一种毛细力的环路型潜热散热模块，其特征在于，包括有：

一冷却流体，用以吸收一电子组件的热量；

一储存槽，用以储存该冷却流体；

一蒸发舱，用以容置气化的该冷却流体的区域；

一冷凝器，冷凝气化的该冷却流体成为液体的该冷却流体；以及

一循环管路，连结该储存槽、该蒸发舱与该冷凝器成为一封闭回路，该循环管路包含有一液体管路、一气体管路及一气化管路；

其中该储存槽与该气化管路、该储存槽与该冷凝器、及该储存槽本身回流的管路通过该循环管路的液体管路相互连结，该蒸发舱与该冷凝器通过该循环管路的气体管路相互连结，且该电子组件与该蒸发舱通过该循环管路的气化管路相互连结，该气化管路包含有一具有毛细力的微结构，以形成保持在薄膜沸腾状态的一流体液膜。

15.根据权利要求14所述的毛细力的环路型潜热散热模块，其特征在于，该微结构位于该气化管路连结该电子组件的侧面内部。

16.根据权利要求14所述的毛细力的环路型潜热散热模块，其特征在于，该微结构更位于自该储存槽到该气化管路的该液体管路中。

17.根据权利要求14所述的毛细力的环路型潜热散热模块，其特征在于，该微结构更位于自该冷凝器到该储存槽的该液体管路中。

18.根据权利要求14所述的毛细力的环路型潜热散热模块，其特征在于，该微结构的厚度范围为2毫米至10毫米。

19.根据权利要求14所述的毛细力的环路型潜热散热模块，其特征在于，该微结构为一多孔性微结构、一网状微结构或一烧结颗粒。

20.根据权利要求14所述的毛细力的环路型潜热散热模块，其特征在于，该微结构的材料为金属、非金属或多分子聚合物。

21.根据权利要求14所述的毛细力的环路型潜热散热模块，其特征在于，该液体管路间配置至少一个泵。

22.根据权利要求14所述的毛细力的环路型潜热散热模块，其特征在于，该气化管路的材料为一高导热性材料。

23.根据权利要求14所述的毛细力的环路型潜热散热模块，其特征在于，该循环管路、该储存槽、该蒸发舱与该冷凝器的各组件本体及各组件间以一体成型连结或结合成型连结。

24.根据权利要求23所述的毛细力的环路型潜热散热模块，其特征在于，该结合成型连接利用烧结或至少一个扣件而相互结合。

25.根据权利要求14所述的毛细力的环路型潜热散热模块，其特征在于，该冷凝器提供一反应空间或至少一热交换器，以将气体凝结为液体。

26.根据权利要求14所述的环路型潜热散热方法，其特征在于，该储存槽更包含有一填充管及一逆止阀，该冷却流体自该填充管充填至该储存槽中，且该逆止阀用以防止该冷却流体逸散。

27.一种无喷嘴的环路型潜热散热模块，其特征在于，包括有：

一冷却流体，用以吸收一电子组件的热量；

一储存槽，用以储存该冷却流体；

一蒸发舱，用以容置气化的该冷却流体的区域；

一冷凝器，冷凝气化的该冷却流体成为液体的该冷却流体；以及

一循环管路，连结该储存槽、该蒸发舱与该冷凝器成为一封闭回路，该循环管路包含有一液体管路、一气体管路及一气化管路；

其中该储存槽与该气化管路、该储存槽与该冷凝器、及该储存槽本身回流的管路通过该循环管路的液体管路相互连结，该蒸发舱与该冷凝器通过该循环管路的气体管路相互连结，且该电子组件与该蒸发舱通过该循环管路的气化管路相互连结，该气化管路包含有一无喷嘴的微结构，以形成保持在薄膜沸腾状态的一流体液膜。

28.根据权利要求27所述的无喷嘴的环路型潜热散热模块，其特征在于，该气化管路的液面高度低于该储存槽的液面高度。

29.根据权利要求27所述的无喷嘴的环路型潜热散热模块，其特征在于，该气化管路连结该电子组件的侧面外部设置有一致冷芯片。

30.根据权利要求27所述的无喷嘴的环路型潜热散热模块，其特征在于，该气化管路连结该电子组件的侧面外部设置有一三角形状的高导热性材料块。

31.根据权利要求27所述的无喷嘴的环路型潜热散热模块，其特征在于，该气化管路连结该电子组件的一侧面内部通过一亲水性表面处理以形成一沟槽。

32.根据权利要求27所述的无喷嘴的环路型潜热散热模块，其特征在于，在该液体管路间配置至少一个泵。

33.根据权利要求27所述的无喷嘴的环路型潜热散热模块，其特征在于，该气化管路的材料为一高导热性材料。

34.根据权利要求27所述的无喷嘴的环路型潜热散热模块，其特征在于，该循环管路、该储存槽、该蒸发舱与该冷凝器的各组件本体及各组件间以一体成型连结或结合成型连结。

35.根据权利要求34所述的无喷嘴的环路型潜热散热模块，其特征在于，该结合成型连接利用烧结或至少一个扣件而相互结合。

36.根据权利要求27所述的无喷嘴的环路型潜热散热模块，其特征在于，该冷凝器提供一反应空间或至少一热交换器，以将气体凝结为液体。

37.根据权利要求27所述的无喷嘴的环路型潜热散热模块，其特征在于，该储存槽更包含有一填充管及一逆止阀，该冷却流体自该填充管充填至该储存槽中，且该逆止阀用以防止该冷却流体逸散。

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