CN101752330B - 散热冷板与冷冻系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种散热冷板与冷冻系统，该散热冷板：包括散热侧壁、第一腔体、第一套管、第二腔体、膨胀单元以及第二套管。第一腔体是盖合于散热侧壁上以形成第一流体空间，而第一套管是连接第一腔体。第二腔体是配置于第一腔体内，并盖合于散热侧壁上以形成第二流体空间。膨胀单元是配置于第二腔体与散热侧壁的间，以连通第一流体空间与第二流体空间。第二套管是配置于第一套管内，并连接第二腔体。在本发明的散热冷板与冷冻系统中，冷媒在第一流体空间的温度是高于露点温度以避免水汽结露，并利用膨胀单元的压降效果，使冷媒在通过膨胀单元而流入第二流体空间后的温度是低于露点温度，以大幅提升散热的效果。

Description

散热冷板与冷冻系统

技术领域

本发明是有关于一种冷冻系统及其散热冷板，且特别是有关于一种无结露的冷冻系统及其散热冷板。 

背景技术

随着集成电路(Integrated Circuit，IC)封装技术与工业制程的演进，使得电子组件内的集成电路封装密度及运算速度随的快速提升，而高速的运作频率及不断缩小的电路线宽会使电子组件的发热量相对提高。研究显示，电子产品损坏的原因有55％是因为温度过高所致，而研究亦指出每降低芯片10℃的温度可提升其1％到3％的运算效率，可知显示温度对于电子相关设备的寿命及稳定性影响甚巨。因此有效的散热设计可使电子组件设备具有高可靠度、稳定度及高工作寿命的优点，更可克服高速电子芯片发展限制。此外，发光二极管(LED)及太阳能电池模块等产品亦存在高发热量及高温导致性能降低等问题。 

以目前的散热系统而言，大多为气冷或是水冷散热。由于气冷或是水冷均是以室温对热源散热，因此散热效果普遍不佳，特别是对高效率且高发热的电子组件而言。此外，冷冻系统是高发热量电子组件较高效能散热方法之一，并是少数可提供低于环境温度的散热方式。但是由于冷冻系统所产生低于环境温度的特性会让空气中的水汽凝结，而水滴会导致电路系统不稳定或故障，使得冷冻系统于电子散热的应用受到局限。特别是直接紧密接触电子芯片的散热冷板表面上会凝结许多露珠，而当这些露珠流到电子芯片或电路板上时，便会导致电路系统不稳定或故障。 

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种散热冷板与冷冻系统，可避免空气中的水气直接结露于散热冷板上，以提升散热的质量。 

本发明公开了一种散热冷板，包括散热侧壁、第一腔体、第一套管、第二腔体、膨胀单元以及第二套管。第一腔体是盖合于散热侧壁上以形成第一流体空间，而第一套管是连接第一腔体。第二腔体是配置于第一腔体内，并盖合于散热侧壁上以形成第二流体空间。膨胀单元是配置于第二腔体与散热侧壁之间，以连通第一流体空间与第二流体空间，该膨胀单元为毛细管。第二套管是配置于第一套管内，并连接第二腔体，冷煤由该第一套管流入该第一流体空间，该冷煤在该第一流体空间中的温度高于露点温度。 

本发明还公开了一种冷冻系统，包括压缩机、冷凝器、膨胀器以及前述的散热冷板，其中冷凝器是连接于膨胀器与压缩机之间，而散热冷板亦连接于膨胀器与压缩机之间，且利用散热冷板作为蒸发器并于其内设置膨胀单元，以使压缩机、冷凝器、膨胀器以及散热冷板形成封闭循环回路，该膨胀单元为毛细管。此外，第一套管是连接膨胀器，而第二套管是连接压缩机。冷煤由该第一套管流入该第一流体空间，该冷煤在该第一流体空间中的温度高于露点温度。 

在本发明的一实施例中，冷煤是由第一套管流入第一流体空间，并经由膨胀单元流入第二流体空间，再经由第二套管流出散热冷板，其中冷煤在第一流体空间中的温度高于露点温度，冷煤在第二流体空间中的温度低于露点温度。 

综上，在本发明的散热冷板与冷冻系统中，冷媒在第一流体空间的温度是高于露点温度以避免水汽结露，利用膨胀单元的压降效果，使冷媒在通过膨胀单元而流入第二流体空间后的温度是低于露点温度，以大幅提升散热的效果。 

此外，本发明的双套管设计(第一套管包覆第二套管)，可使低于露点温度的冷媒在里层的第二套管流动，并使高于露点温度的冷媒在外层的第一套管流动，藉以避免套管结露。 

为让本发明的上述特征和特点能更明显易懂，下文特借助实施例，并配合附图，作详细说明如下。 

附图说明

图1为依据本发明一实施例的散热冷板的剖面示意图； 

图2为依据本发明一实施例的冷冻系统的示意图； 

图3为公知技术与本发明的冷媒的压力状态变化温度关系图。 

其中，附图标记： 

100：散热冷板                    110：散热侧壁 

120：第一腔体                    130：第一套管 

140：第二腔体    150：膨胀单元 

160：第二套管    170：散热鳍片 

200：冷冻系统    210：压缩机 

220：冷凝器      230：膨胀器 

S1：第一流体空间 S2：第二流体空间 

具体实施方式

图1为依据本发明一实施例的散热冷板的剖面示意图。请参考图1，本发明的散热冷板100包括散热侧壁110、第一腔体120、第一套管130、第二腔体140、膨胀单元150以及第二套管160，其中散热冷板100是采用双腔体空间与双套管设计，并利用膨胀单元150做为冷媒(以箭头标示走向)降压的中介物，以使冷媒在不同空间会具有不同的温度。 

具体而言，第一腔体120是盖合于散热侧壁110上以形成第一流体空间S1，而第二腔体140是配置于第一腔体120内，并亦盖合于散热侧壁110上以形成第二流体空间S2，以构成双腔体空间的设计。此外，第一套管130是连接第一腔体120，而第二套管160是配置于第一套管130内，并连接第二腔体140，以构成双套管的设计。 

承接上述，散热侧壁110例如是用于与热源(图中未示)紧密结合，以使热源的发热可迅速传导至散热侧壁110，并利用不断流动的冷媒而将热量带走以达到散热的效果，其中热源可为集成电路芯片、发光二极管、太阳能电池或是其它高发热的对象等等。此外，膨胀单元150是配置于第二腔体140与散热侧壁110之间，以将第一流体空间S1与第二流体空间S2连通。 

详细而言，冷煤是由第一套管130流入第一流体空间S1，并经由膨胀单元150降压降温后流入第二流体空间S2以吸收自散热侧壁110传导过来的能量，再经由第二套管160流出散热冷板100，藉此将热源产生的热量迅速带离。 

值得注意的是，冷煤在第一流体空间S1中的温度是高于露点温度，亦即第一腔体120与第一套管130的外侧温度亦是高于露点。如此一来，第一腔体120与第一套管130外侧(亦即散热冷板100表面)便不会结露，进而可提升散热冷板100的可靠度。 

此外，冷煤在第二流体空间S2中的温度低于露点温度，藉此可以提升散热的效率。此外，散热冷板100外侧温度会低于露点温度仅有散热侧壁110而已，不过散热侧壁110是与热源紧密结合，因此散热侧壁110亦不会有结露的问题。亦即，本发明的散热冷板100可在大幅提升散热效率的前提下，有效克服结露的问题。 

再次强调的是，通过第一腔体120与第一套管130(外侧)包覆第二腔体140与第二套管160(内侧)的设计，可使温度低于露点的冷媒(第二流体空间S2)仅会通过散热侧壁110吸取热源产生的热量，并使温度高于露点的冷媒(第一流体空间S1)进行阻隔以避免散热冷板100结露。 

为进一步提升热传导性，散热冷板100还可包括多个散热鳍片170，而这些散热鳍片170是连接散热侧壁110，并位于第二流体空间S2内。如此一来，热源产生的热量可通过散热侧壁110迅速传导至这些散热鳍片170，且由于散热鳍片170有效增加与冷媒接触的面积，以使冷媒可迅速将散热鳍片170的热量带走。在本实施例中，散热鳍片170与散热侧壁110例如是一体成型的结构，而散热侧壁110的材质例如是热传导性较佳的金属材质，且第一腔体120与第二腔体140例如是热隔绝性较佳的材质，不过本发明并不限制散热侧壁110、第一腔体120与第二腔体140的材质。 

在本实施例中，膨胀单元150例如是毛细管，以使冷媒在通过膨胀单元150会产生压降变化而降低温度。此外，本发明较佳的方式是搭配整套冷冻系统进行二次压降，以下将再配合附图详述本发明的概念与原理。 

图2为依据本发明一实施例的冷冻系统的示意图，而图3为公知技术与本发明的冷媒的压力状态变化温度关系图。请参考图1～图3，本发明的冷冻系统200包括压缩机210、冷凝器220、膨胀器230以及前述的散热冷板100，而为方便叙述，散热冷板100仍延用前述的标号。在本实施例中，冷凝器220是连接于膨胀器230与压缩机210之间，而散热冷板100亦连接于膨胀器230与压缩机210之间以作为现有蒸发器之用，其中上述构件形成封闭循环回路，以使冷煤依序在压缩机210、冷凝器220、膨胀器230以及散热冷板100之间循环流动。此外，第一套管130是连接膨胀器240，而第二套管160是连接压缩机210。 

在本实施例中，膨胀器230与散热冷板100的膨胀单元150均可为毛细管，以进行两次压降的过程。以下将配合参照图3说明本发明的冷媒循环散热的过程。首先，冷煤是先通过压缩机210加压，而从状态1变换到状态2，且温度亦从露点温度以下提升到露点温度以上。接着，冷煤通过冷凝器220后会从状态2变换到状态3。再来，冷煤便会通过膨胀器230以进行第一次压降，而冷媒会从状态3变换到状态4，其中需适当调整毛细管的长度，以使冷煤在通过膨胀器230的温度仍在露点温度以上，以避免周遭环境结露。 

冷媒在通过膨胀器230后，但未到散热冷板100的膨胀单元150前会从状态4变换到状态5。接着，冷煤便会通过散热冷板100的膨胀单元150以进行第二次压降，其中冷媒会从状态5变换到状态6，以使冷煤在第二流体空间S2的温度是低于露点温度，藉此有效迅速吸收自热源传导而来的热量，而从状态6再变换回状态1，以完成一次循环。 

以现有技术没有双腔体空间与双套管设计的散热冷板而言，冷煤在通过膨胀器230后便要一次完成降压，以使冷煤(状态4’)温度直接降至露点温度以下，亦即现有技术的冷煤的状态循环是从状态1→状态2→状态3’→(以虚线表示)状态4’→状态1，因此冷煤在进入散热冷板前的温度便已低于露点温度，而会使得散热冷板结露而影响散热系统的可靠性与稳定性。 

值得注意的是，尽管前述较佳实施例是利用二次压降以避免结露的问题，但是本发明的精神是在散热冷板100内配置膨胀单元150，并搭配双腔体空间与双套管的设计以使低于露点温度的冷媒被高于露点温度的冷媒包覆在内侧。如此一来，本发明的冷冻系统200亦可省略膨胀器230，而适度增长膨胀单元150(毛细管)的长度，以使冷煤在散热冷板100内经由一次压降便从状态3’变化成状态4’，本领域的技术人员可轻易理解，于此便不再赘述。 

综上所述，本发明的冷冻系统及其散热冷板至少具有下列优点： 

一、冷媒在第一流体空间的温度是高于露点温度以避免水汽结露，并利用膨胀单元的压降效果，使冷媒在通过膨胀单元而流入第二流体空间后的温度是低于露点温度，以大幅提升散热的效果。 

二、双腔体设计(第一腔体包覆第二腔体)与双套管设计(第一套管包覆第二套管)可使高于露点温度的冷媒在散热冷板外层流动，并使低于露点温度的冷媒在散热冷板内层流动，藉以避免散热冷板结露。 

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与修改，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。 

Claims (13)

1.一种散热冷板，其特征在于，包含有：

一散热侧壁；

一第一腔体，盖合于该散热侧壁上，以形成一第一流体空间；

一第一套管，连接该第一腔体；

一第二腔体，配置于该第一腔体内，并盖合于该散热侧壁上，以形成一第二流体空间；

一膨胀单元，配置于该第二腔体与该散热侧壁之间，以连通该第一流体空间与该第二流体空间，该膨胀单元为毛细管；以及

一第二套管，配置于该第一套管内，并连接该第二腔体；

其中，一冷煤由该第一套管流入该第一流体空间，该冷煤在该第一流体空间中的温度高于露点温度。

2.如权利要求1所述的散热冷板，其特征在于，该冷煤流入该第一流体空间后，经由该膨胀单元流入该第二流体空间，再经由该第二套管流出该散热冷板。

3.如权利要求2所述的散热冷板，其特征在于，该冷煤在该第二流体空间中的温度低于露点温度。

4.如权利要求1所述的散热冷板，其特征在于，该散热侧壁是密接于一热源。

5.如权利要求4所述的散热冷板，其特征在于，该热源为集成电路芯片、发光二极管或是太阳能电池。

6.如权利要求1所述的散热冷板，其特征在于，还包括多个散热鳍片，而该些散热鳍片是连接该散热侧壁，并位于该第二流体空间内。

7.一种冷冻系统，其特征在于，包含有：

一压缩机；

一膨胀器；

一冷凝器，连接于该膨胀器与该压缩机之间；以及

一散热冷板，连接于该膨胀器与该压缩机之间，而该压缩机、该冷凝器、该膨胀器以及该散热冷板形成一封闭循环回路，且该散热冷板还包含有：

一散热侧壁；

一第一腔体，盖合于该散热侧壁上，以形成一第一流体空间；

一第一套管，连接该第一腔体与该膨胀器；

一第二腔体，配置于该第一腔体内，并盖合于该散热侧壁上，以形成一第二流体空间；

一膨胀单元，配置于该第二腔体与该散热侧壁之间，以连通该第一流体空间与该第二流体空间，该膨胀单元为毛细管；以及

一第二套管，配置于该第一套管内，并连接该第二腔体与该压缩机；

其中，一冷煤由该第一套管流入该第一流体空间，该冷煤在该第一流体空间中的温度高于露点温度。

8.如权利要求7所述的冷冻系统，其特征在于，该冷煤流入该第一流体空间后，经由该膨胀单元流入该第二流体空间，再经由该第二套管流出该散热冷板。

9.如权利要求8所述的冷冻系统，其特征在于，该冷煤在该第二流体空间中的温度低于露点温度。

10.如权利要求7所述的冷冻系统，其特征在于，该膨胀器为毛细管。

11.如权利要求7所述的冷冻系统，其特征在于，该散热侧壁是密接于一热源。

12.如权利要求11所述的冷冻系统，其特征在于，该热源为集成电路芯片、发光二极管或是太阳能电池。

13.如权利要求7所述的冷冻系统，其特征在于，该散热冷板还包括多个散热鳍片，而该些散热鳍片是连接该散热侧壁，并位于该第二流体空间内。

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