CN1797755A - 超声波喷雾散热/冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声波喷雾散热/冷却装置，包括盛装工作液体的容器、超声波震荡器、热交换室、可挠性管件构成的液滴分子通道及蒸汽态分子通道；其是以超声波震荡模式使容器内部的工作液体因震荡而形成微小液滴，透过结构设计使容器内外造成压力差异，驱动前述微小液滴循着液滴分子通道喷洒于热交换室内与发热元件接触反应，雾化冷却发热元件。前述可挠性管件可因应发热元件的方位而调整喷洒方向，可增加本发明装置使用弹性。

Description

超声波喷雾散热/冷却装置
技术领域
本发明涉及一种液冷模式散热/冷却装置，特别是有关于一种超声波喷雾散热/冷却装置。
背景技术
电子、通讯、光电产业蓬勃发展之际，伴随着功能上的多样性，促使主宰各类功能运作与性能表现的芯片无可避免的在有限空间中需容纳更多的晶体管元件，其衍生散热问题将导致元件、系统可靠度的降低。以光通讯零组件为例，过量的热不仅导致芯片损坏，且可能改变光波长的输出，一份由美国军方所进行的研究调查显示，电子元件因热所导致系统故障的比率高达55％，且此发热功率增长的趋势亦如摩尔定律般亦步亦趋的紧随着。
目前世界各相关产官学界无不戮力的针对元件高发热情势提出相应的冷却技术，诸如热电、热虹吸两相流、微渠道单相、双相流、低温冷却等主、被动冷却方式。而液冷模式则被视为下阶段最有潜力取代气冷模式解决高发热问题的散热解决方式。新近开发的液冷芯片模式的技术许多着重于芯片的直接接触冷却，包含喷射冲击冷却(jet impingement cooling)及喷雾冷却(spray cooling)等模式，其目的无非想透过微机电技术制作的组件所形成的微小液滴喷洒于芯片上端，利用液滴吸收芯片所散发的热量，以两相流热相变模式来将热量带走。喷射冲击冷却(jet impingement cooling)及喷雾冷却(spray cooling)被视为未来极有潜力的液冷冷却模式之一，然其透过微机电制作时组装制程较为繁琐，成本因素成为商业应用发展瓶颈之一，此外微小液滴喷洒时一些设计需较高的压力，以便使喷洒出的液体能在芯片上方形成均匀液膜，不致因流体内聚力而造成液体积聚。
另，美国专利第6,247,525号揭露一种震动诱发液化器30(Vibration InducedAtomizers)，提供一种将超声波震荡器与热交换反应室整合的机制。图1显示前述专利的震动诱发液化器30截面示意图，此震动诱发液化器30结合一装填气相流体38的反应室31，其壁面32接触于一发热体33，而冷却壁面44接触一具有多个压电元件(piezoelectric disks)39A-39D的冷却装置36，前述压电元件39A-39D贴附于冷却壁面34的外表面35上，而冷却壁面34的内表面40相对压电元件39B-39C的区域形成多个冷凝凹区46。前述压电元件39A-39D经由导线41连接至一驱动器42。当气相流体38的温度升高时，其会沿着冷却壁面34的内表面40开始冷凝成液体，而积聚于冷凝凹区46。透过压电元件39A-39D的震动，使冷凝凹区46积聚的液体形成携带能量的微小液滴44，此些微小液滴44即脱离冷却壁面34，喷洒于壁面32上，进而吸收发热体33传递给壁面32的热，汽化成气体，而将发热体33的热带走。然此种震动诱发雾化器30在应用上须迁就其结构，无法因应不同摆设方位的发热体33，例如芯片，而使其应用范围受到限制。
有鉴于上述问题，一种可适用于不同摆设方位发热源的超声波液化冷却装置于是产生。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种超声波喷雾散热/冷却装置，透过超声波震动来形成微小液滴进而雾化冷却高温发热元件，以达到低成本、高效率的高温冷却机制。
本发明的另一目的在于提供一种超声波喷雾散热/冷却装置，其使用可挠性管路，能应付各方位发热源的摆设，来提高本发明装置的使用弹性。
本发明的又一目的在于提供一种超声波喷雾散热/冷却装置，其各构件均可以一般精密机械加工模式制作，而不涉及复杂的微机电加工，可降低制造成本。
根据以上所述的目的，本发明提供一种超声波散热/冷却装置，其包括：一容器，用来盛装工作液体，前述容器相对工作液体液面上方设有一开口；一超声波震荡器，放置于前述容器的工作液体内，用来使工作液体产生液滴分子；一热交换室，具有第一壁面、第二壁面、第三壁面及第四壁面，第一壁面相对于第二壁面及第三壁面相对于第四壁面，其中第一壁面接触于一发热元件，第二壁面设有一液滴分子入口，第三壁面设有一蒸汽态分子出口及第四壁面设有一液滴分子出口；一液滴分子通道，具有一通道入口及一通道出口，前述通道入口连通于前述容器的开口，前述通道出口设有一喷嘴穿经前述热交换室的第二壁面的前述液滴分子入口；及一蒸汽态分子通道，具有一第一入口及一第一出口，前述第一入口连通于前述热交换室的第三壁面的前述蒸汽态分子出口，及前述第一出口连通于前述容器的一第一适位处。
本发明超声波喷雾散热/冷却装置，透过前述超声波震荡器震动前述容器内的工作液体而形成微小液滴，成形后透过前述容器结构设计使容器内外造成压力差异，驱动液滴分子通过前述液滴分子通道，经由其喷嘴喷洒于前述热交换室的第一壁面，以与前述发热元件进行热交换，相变成蒸汽态分子并通过前述蒸汽态分子通道，冷凝成液滴回流至前述容器内。本发明藉微小液滴直接喷洒于接触发热元件的接触面，透过微小液滴潜变吸热，达到冷却发热元件的效果。
附图说明
图1是一习知震动诱发雾化器的截面示意图；
图2是显示本发明超声波喷雾散热/冷却装置的第一具体实施例的截面示意图；
图2A是显示本发明超声波喷雾散热/冷却装置的第二具体实施例的部份放大截面示意图；
图3是显示本发明超声波喷雾散热/冷却装置的第三具体实施例的截面示意图；
图4A至图4C是结合有超声波震荡器的盛装工作液体的容器的各种变化例的截面示意图；
图5A至图5C是本发明喷嘴各种变化例的左视图；及
图6A至图6C是本发明喷嘴各种变化例的截面示意图。
附图标号说明：
1超声波喷雾散热/冷却装置10容器            11，11a超声波震荡器
12热交换室              13液滴分子通道    14蒸汽态分子通道
15液滴分子回收通道      16发热元件        17印刷电路板
18热界面材料            19散热鳍片        20风扇
30震动诱发雾化器        31反应室          32壁面
33发热体                34冷却壁面        35冷却壁面外表面
38气相流体              39A-39D压电元件   41导线
42驱动器                44液滴            46冷凝凹区
100工作液体             101开口           110压电膜
110a，110b震荡子        112，112a基板     121第一壁面
122第二壁面             123第三壁面       124第四壁面
132，132a，132b喷嘴     142第一入口       144第一出口
152第二入口             154第二出口
具体实施方式
本发明提供一种超声波喷雾散热/冷却装置，其是以超声波震荡模式使盛装于容器内部的工作流体因震荡而形成微小液滴，成形后透过容器结构设计使容器内外造成压力差异，驱动液态微颗粒液滴循着管路直接喷洒于发热元件上方，例如芯片上方，透过微颗粒潜变吸热达到喷雾冷却(spray cooling)效果。
本发明的喷雾冷却技术主要是透过转测器(transducer)上的压电震荡器(pizeo-electric diaphragm)产生上下起伏的高频震动，在此过程中会有瞬间真空形成，因而使得较大颗粒液体表面分子脱离形成微粒态分子。成形后的微小液滴颗粒透过容器结构设计使容器内外造成压力差异，使其循着可挠性管路透过喷嘴喷洒于发热元件上方，经由微颗粒潜变吸热达到与喷雾冷却相同的效用。再者，本发明喷嘴设计制作时不需利用微机电加工，而以一般传统精密机械加工即可达成，可降低制造成本。此外，为防范喷洒出颗粒无法完全吸热蒸发汽化，亦可在液滴、发热元件热交换反应区下方另设计一回收机制来回收未完全热交换反应的液态分子。吸热潜变蒸发后的蒸汽态分子经由冷凝管路冷凝释放热量形成液滴，再回流至液体储槽中，而完成整个循环机制。
由于本发明超声波喷雾散热/冷却装置采用可挠性管路，可因应各种不同摆设方位的发热元件，而调整液滴喷洒方向，故使本发明冷却装置的应用弹性大为提升。
本发明的目的及诸多优点藉由以下具体实施例的详细说明，并参照附图，将趋于明了。
图2显示出本发明超声波喷雾散热/冷却装置的一第一具体实施例的截面示意图。在第一具体实施例中，超声波喷雾散热/冷却装置1包括：一容器10，用来盛装工作液体100，前述容器10相对工作液体100液面上方设有一开口101；一超声波震荡器11，放置于前述容器10的工作液体100内，用来使工作液体100产生液滴分子；一热交换室12，具有第一壁面121、第二壁面122、第三壁面123及第四壁面124，第一壁面121相对于第二壁面122及第三壁面123相对于第四壁面124，其中第一壁面121接触于一发热元件16，而第二壁面122设有一液滴分子入口，第三壁面123设有一蒸汽态分子出口及第四壁面124设有一液滴分子出口；一液滴分子通道13，具有一通道入口及一通道出口，前述通道入口连通于前述容器10的开口101，前述通道出口设有一喷嘴132穿经前述热交换室12的第二壁面122的前述液滴分子入口；一蒸汽态分子通道14，具有一第一入口142及一第一出口144，第一入口142连通于前述热交换室12的第三壁面123的前述蒸汽态分子出口，及第一出口44连通于前述容器10的一第一适位处；及一液滴分子回收通道15，用来收集前述热交换室12内未相变的液滴分子，其具有一第二入口152及一第二出口154，第二入口152连通于前述热交换室12的第四壁面124的前述液滴分子出口，而第二出口154连通于前述容器10的一第二适位处。
前述容器10内的工作液体100透过超声波震荡器11的震动，形成液滴分子，而透过容器10上方风扇、泵(未示出)的加入所造成的压力差促使前述液滴分子循着前述液滴分子通道13，经由其喷嘴132喷洒于前述热交换室12的第一壁面121，与前述发热元件16进行热交换，而相变成蒸汽态分子并通过前述蒸汽态分子通道14及结合有一包含多片散热鳍片19的冷凝区域，冷凝成液滴回流至前述容器10内。
前述液滴分子通道13、蒸汽态分子通道14及液滴分子回收通道15均以可挠性管件构成。因此，可依发热元件16的摆设方位，而弹性调整前述热交换室12的位置，使前述热交换室12的第一壁面121可以不同方位接触发热元件16的表面。再者，潜变汽化后的部分蒸汽态分子可能会通过液滴分子回收通道15，而直接进入前述容器10内，因此，前述液滴分子回收通道15内可填装具有多孔介质特性材料，例如海绵、烧结粉粒等，作为栓塞，以防止蒸汽态分子通过前述液滴分子回收通道15，而直接进入容器10内。此外，蒸汽态分子通道14内部可披附纳米粉材，来改变其与冷凝液滴的接触角，或者将蒸汽态分子通道14内部制成具有毛细结构，来辅助加快流体流动。此外，在发热元件16与热交换室12的第一壁面121之间设有一热界面材料18，以促进发热元件16与热交换室12之间的热传导。
前述容器10内装填的工作液体100可为水、甲醇、乙醇、冷冻剂(refrigerants)、介电流体或其它类似液体，而超声波震荡器11可以是由压电膜110及其具弧状底部的基板112组成的压电震荡器。参图4A至图4C，前述容器10及超声波震荡器11亦可以有不同的变化例，例如前述容器10内部形状可为圆形或矩形等可辅助未流出的雾化液滴回流；超声波震荡器11亦可以是图4A及图4B所示的具平面基板112a的压电震荡器11a，及图4C所示的具有多个悬臂式震荡子110a、110b的压电震荡器。此外，超声波震荡器11可利用压电膜厚薄与电路控制作成定频或变频，透过反应室内部感应器的回馈来控制液滴分子大小。
前述液滴分子通道13通道出口的喷嘴132可以一般传统精密机械加工制成，其喷嘴形状可以是喷嘴形132、蜂巢状圆孔形132a、鸭嘴形132b或任何需要应用的形状，如图5A至图5C及图6A至图6C所示。
复参照图2，发热元件16可以是承载于一印刷电路板17上的芯片。
图2A显示本发明超声波喷雾散热/冷却装置的一第二具体实施例的部份放大截面示意图，其对应图2的A部份。第二具体实施例与第一具体实施例不同处仅在于热交换室12不具有原第一壁面121，而是发热元件16与热交换室12之间直接接触。也就是说，在本发明中，热交换室12可直接或间接与发热元件16接触反应。
图3显示本发明的超声波喷雾散热/冷却装置的一第三具体实施例的截面示意图，其与第一具体实施例不同处在于蒸汽态分子通道14结合有一包含多片散热鳍片19及一风扇20的散热机构。藉由前述散热机构而附加一冷凝回收机制于前述蒸汽态分子通道14，更强化通过前述蒸汽态分子通道14的蒸汽态分子凝结成液滴。再者，前述散热机制的散热鳍片19及风扇20所造成的相对低压，亦有利于前述热交换室12内的蒸汽态分子被吸入蒸汽态分子通道14内。前述冷凝回收机制结构可为冷却相变蒸发流体形成液态流体的任何需要的形状。此外，在发热元件16与热交换室12的第一壁面121之间设有一热界面材料18，以促进发热元件16与热交换室12之间的热传导。
以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围，凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围内。

Claims (17)

1.一种超声波喷雾散热/冷却装置，其包括：
一容器，用以盛装工作液体，该容器相对该工作液体液面上方设有一开口；
一超声波震荡器，放置于前述容器的工作液体内，用来使该工作液体产生液滴分子；
一热交换室，该热交换室包含有第一壁面、第二壁面、第三壁面及第四壁面，该第一壁面相对于该第二壁面及该第三壁面相对于该第四壁面；其中该第一壁面接触于一发热元件，该第二壁面设有一液滴分子入口，该第三壁面设有一蒸汽态分子出口；
一液滴分子通道，具有一通道入口及一通道出口，该通道入口连通于前述容器的该开口，该通道出口设有一喷嘴穿经前述热交换室的该第二壁面的该液滴分子入口；
一蒸汽态分子通道，具有一第一入口及一第一出口，该第一入口连通于前述热交换室的该第三壁面的该蒸汽态分子出口，及该第一出口连通于该容器的一第一适位处；及
一散热机构，结合于前述蒸汽态分子通道；
其中前述容器内产生的液滴分子通过前述液滴分子通道，经由其前述喷嘴喷洒于前述热交换室的该第一壁面，与前述发热元件进行热交换，而相变成蒸汽态分子并通过前述蒸汽态分子通道，冷凝成液滴回流至前述容器内。
2.一种超声波喷雾散热/冷却装置，其包括：
一容器，用来盛装工作液体，该容器相对该工作液体液面上方设有一开口；
一超声波震荡器，放置于前述容器的工作液体内，用来使该工作液体产生液滴分子；
一热交换室，该热交换室包含有第二壁面、第三壁面及第四壁面，该第三壁面相对于该第四壁面；其中该热交换室相对该第二壁面的一侧直接接触于一发热元件，该第二壁面设有一液滴分子入口，该第三壁面设有一蒸汽态分子出口；
一液滴分子通道，具有一通道入口及一通道出口，该通道入口连通于前述容器的该开口，该通道出口设有一喷嘴穿经前述热交换室的谈第二壁面的该液滴分子入口；
一蒸汽态分子通道，具有一第一入口及一第一出口，该第一入口连通于前述热交换室的该第三壁面的该蒸汽态分子出口，及该第一出口连通于该容器的一第一适位处；及
一散热机构，结合于前述蒸汽态分子通道；
其中前述容器内产生的液滴分子通过前述液滴分子通道，经由其前述喷嘴喷洒于前述发热元件上，与前述发热元件进行热交换，而相变成蒸汽态分子并通过前述蒸汽态分子通道，冷凝成液滴回流至前述容器内。
3.如权利要求1所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，更包含一液滴分子回收通道，用来收集前述热交换室内未相变的液滴分子，其具有一第二入口及一第二出口，该第二入口连通于前述热交换室的该第四壁面的该液滴分子出口，该第二出口连通于前述容器的一第二适位处。
4.如权利要求1所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，上述的散热机构包含一风扇及多片散热鳍片，其中前述风扇设于前述蒸汽态分子通道一侧及前述散热鳍片结合于前述蒸汽态分子通道外部。
5.如权利要求1所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，更包含一热界面材料，设于前述热交换室的该第一壁面与该发热元件之间。
6.如权利要求1所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，上述的液滴分子通道及蒸汽态分子通道为可挠性管件。
7.如权利要求3所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，上述的液滴分子回收通道为可挠性管件。
8.如权利要求1所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，上述的超声波震荡器包含一压电震荡器。
9.如权利要求8所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，上述的超声波震荡器包含多个悬臂式震荡子。
10.如权利要求1所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，上述的超声波震荡器更包含一压电震荡器温度回馈装置以控制液滴分子大小。
11.如权利要求1所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，上述的液滴分子通道入口区域更包含一泵。
12.如权利要求1所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，上述的容器内部形状选自圆形及矩形等可辅助未流出的雾化液滴回流的任一者。
13.如权利要求1所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，上述的喷嘴嘴型选自下列任一者：喷嘴形、蜂巢状圆孔形、鸭嘴形或任何需要应用的形状。
14.如权利要求3所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，上述的液滴分子回收通道内部填装有多孔性材料。
15.如权利要求1所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，上述的蒸汽态分子通道结合散热机构后的内壁披附有纳米粉材。
16.如权利要求1所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，上述的蒸汽态分子通道结合散热机构后端的内壁具有毛细结构。
17.如权利要求1所述的超声波喷雾散热/冷却装置，其特征是，上述的工作流体选自下列任一者：水、甲醇、乙醇、冷冻剂及介电流体等可以利用的流体。
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