TW201128154A - Cooling and heat-dissipation system, and cooling device thereof - Google Patents

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TW201128154A
TW201128154A TW99104710A TW99104710A TW201128154A TW 201128154 A TW201128154 A TW 201128154A TW 99104710 A TW99104710 A TW 99104710A TW 99104710 A TW99104710 A TW 99104710A TW 201128154 A TW201128154 A TW 201128154A
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condenser
heat dissipation
cooling device
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TW99104710A
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Kai-An Zheng
jun-xian Wu
ju-hong Lin
jia-zhen Liao
Xuan Meng
xian-yu Meng
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Micro Base Technology Corp
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Description

201128154 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於-種冷卻散熱系統，特別是指一種利 用蒸發相變化原理進行散熱的封閉迴路式冷卻i熱系統。 【先前技術】 一般主動式電子元件散熱系統如風扇搭配鰭片，或者 風扇搭配，鰭片與熱管，均面臨單位面積熱通量（w/⑽2)不 足以達到未來高功率電子元件散熱的需求。 為因應高功率電子元件散熱需求，近年來發展出利用 相變化原理對電子元件進行冷卻的技術’例如美國第us Pat. N。· 7,〇82,778 B2號專利案揭露—種喷霧散熱模組，使 用類似喷墨頭噴墨的原理，以加熱的電極片搭配工作液體 的表面張力產生氣泡，迫使工作液體被擠壓而在噴霧腔室 中產生噴霧，噴霧與發熱電子元件熱接觸而汽化蒸發；在 汽化過程中大量吸收電子元件所產生之熱能，達到冷卻之 效果。然而，喷墨喷頭技術不但結構複雜，且噴頭的電極 片需進行加熱，致使工作液體經喷頭部位時溫度提高，降 低散熱效率。因此，有必要發展另-種具有高散熱效率的 冷卻系統。 【發明内容】 因此，本發明之目的，即在提供—種結構簡化且具有 高散熱效率的冷卻散熱系統。 本發明之另一目的，在於提供一種能有效使工作液體 霧化而有助於蒸發的冷卻裝置。 201128154 於是，本發明冷卻散熱系統，用於散除一熱源產生的 熱能，包含一冷卻裝置、一冷凝器、一蒸氣傳輸管及一冷 卻液傳輸管。冷卻裝置包括一中空殼體，及一安裝於殼體 内的喷孔片，該噴孔片將殼體内部空間分隔為一供液室與 一鄰近該熱源之蒸氣室，且具有多數個孔徑尺寸介於5至 1000微米（μπι)之間的微孔。殼體還具有一連通該供液室且 供工作流體流入的冷卻液入口及一連通該蒸氣室的蒸氣出 〇 〇 較佳地，每一微孔具有一入液端與一噴液端，該微孔 的孔徑由入液端之較大孔徑漸縮至該噴液端的較小孔徑。 該喷孔片是利用電铸製程、雷射加工製程、熱壓製程及射 出成形其中一方式製成。 車乂佳地，s亥喷孔片之微孔的孔徑尺寸介於5至5〇〇微 米之間，更佳介於10至200微米之間，且微孔與微孔之間 的距離在5至2000微米之間；微孔呈矩陣式或交錯式排列 。喷孔片的厚度介於2〇至300微米之間。 較佳地，該冷卻裝置之殼體具有一圍繞界定該供液室 的上殼部，及一與該上殼部對應組合且圍繞界定該蒸發室 的下殼部。該下殼部内表面具有用以提高蒸發效果的微結 構。該冷卻裝置還包括多數設置於該上殼部内表面的導流 片。 冷凝器具有相通之一流體入口、一冷凝腔及一冷卻液 出口。較佳地，冷凝器包括相連之一甲空儲存槽體及多數 中空縛片，該儲存槽體與該等鰭片空間相連通而形成該冷 201128154 凝腔，其中，圍繞界定出該冷凝腔的儲存槽體及鰭片内表 面具有用以提升冷凝效率的微結構。該冷凝器的儲存槽體 之底面呈傾斜，且該冷卻液出口位於該儲存槽體底面之較 低處，該流體入口位置高於該冷卻液出口。冷凝器還包括 一設於該等鰭片之外表面的風扇。 蒸氣傳輸管連通於冷卻裝置之殼體的蒸氣出口與該冷 凝器的流體入口之間。較佳地，該蒸氣傳輸管的内表面具 有提升冷凝效率的微結構。 冷卻液傳輸管連通於該冷凝器的冷卻液出口與該冷卻 裝置之殼體的冷卻液入口之間。 較佳地，該冷卻散熱系統還包含一傳輸輔助模組，包 括安製於該封閉迴路中之一用以驅動工作流體的幫浦及— 用以控制該工作流體流量之控制閥。 該冷卻散熱系統還包含一對該傳輸輔助模組提供電源 及控制運作的電源與控制模組；該冷卻裝置還包括一用以 感測S亥熱源溫度的溫度感測件，該冷凝器還包括分別用以 感測該冷凝腔内溫度及壓力的一溫度感測件及一壓力感測 件’該電源與控制模組與該等溫度感測件、壓力感測件連 接，並以所測得溫度、壓力作為控制該傳輸輔助模組運作 之參數。本發明之功效在於，利用冷卻裝置中具有大量且 孔徑極微小之微孔的噴孔片，使卫作液體霧化或成為極細 液柱，能高效率吸收熱源傳來的熱能產生相變化成為氣體 ’再透過流體傳輸管被引導至冷凝器進行熱交換回復為液 體，達到高散熱效率之目的。 5 201128154 【實施方式】 有關本發明之前 以下配合參考圖式之二 清楚的呈現。 則述及其他技術内容、特點與功效，在 之二個較佳實施例的詳細說明中，將可 用於散除-1 凝器2、 模組5，及一雪a 參閱圖1纟發明冷卻散熱系統1⑼之第-較佳實施例
—及電源與控制模組6。該冷卻裝置1、冷凝器2 、蒸氣傳輸f 3及冷卻液傳輸管4形成-封閉迴路。傳輸 輔助模且5包括安裝於該封閉迴路中的—用以驅動工作流 體的幫/f 51及-用以控制工作流體流量之控制閥。本實 施例所採用工作流體為生產的Flourinert與Novec系列 產品，但不以此為限，亦可為水或酒精。幫浦51可以是壓 電薄膜式、齒輪式或電磁式，且與工作流體相容；值得注 意的是，若幫浦51為可控制流量，控制閥52可省略。 配合參閱圖2及圖3，冷卻裝置丨包括一以底面接觸熱 源70的中空殼體u、一安裝於殼體丨丨内的噴孔片12，及 一溫度感測件13。喷孔片12將殼體11内部空間分隔為一 上方的供液室102與一下方的蒸氣室1〇3。殼體11具有一 連通供液室102而供工作流體流入的冷卻液入口 ι〇1，及一 連通蒸氣室103的蒸氣出口 1 〇4。本實施例之殼體11是由 一上殼部111與一下殼部】12對應組合而成，上殼部π 1圍 繞界定該供液室102，下殼部112圍繞界定該蒸發室1〇3。 參閱圖4 ’喷孔片12厚度介於20至300微米（μπι)之間 201128154 ’且具有多數個呈矩陣式或交錯式排列的微孔丨2〇。微孔 120孔徑尺寸介於5至1〇〇〇微米之間，微孔12〇與微孔 120之間的距離在5至2〇〇〇微米之間。本實施例之微孔 120的孔徑尺寸是介於1〇至2〇〇微米之間，次佳也可介於 5至500微米之間，能使工作流體達到較佳霧化效果而更有 助於散熱。 參閱圖4、圖5及圖6，本實施例中，喷孔片I〗的製 作方法包含以下步驟： 一開始，於一例如玻璃或矽等基材本體80之表面利用 物理氣相沉積（PVD)或化學氣相沉積（CVD)等技術形成 一沉積金屬層（圖未示）’接著利用旋轉塗佈法（spin coating)或浸潰法形成一光阻層（圖未示）；接著以黃光微 影技術透過光罩對光阻層進行曝光後，顯影去除未透光區 域底下的光阻層，以露出待移除之沉積金屬層；接著以蝕 刻方式移除未受光阻保護而露出之沉積金屬層，並隨後去 除所有光阻，此時如圖5所示，在基材本體8〇之表面形成 八有複數個穿孔810之沉積金屬層81，該等穿孔81 〇即 噴孔片12之微孔120的預定孔，且孔徑大於微孔丨2〇。 接著，利用電鑄製程在沉積金屬層81表面形成一電鑄 金屬層83。最後，進行脫模而使電鑄金屬層83與沉積金屬 層81及基材本體80分離，形成如圖4所示之喷孔片12。 同時參閱圖2、圖3及圖4,利用上述製程製成之喷孔 片12的微孔12〇孔徑可調，且每一微孔12〇具有一鄰近該 供液至102的入液端121，及一鄰近該蒸發室1〇3的喷液端 201128154 U2。微孔12的孔徑是由入液端121之較大孔徑漸縮至喷 液知122的較小孔裡。 當工作流體由冷卻液入口丨0丨進入供液室丨02，可透過 喷孔片12的極多且極微小的微孔120而進入蒸氣室1〇3形 成多數極細的液柱或微小液滴喷霧。液柱或喷霧在蒸氣室 103底部形成極薄的液層，液層因吸收熱源產生之熱能 而蒸發成為蒸氣，並容易在殼體u内表面產生氣泡9而將 瘵氣蓄積，持續滴入的液柱或喷霧可打破氣泡9並使蒸氣 經蒸氣出口 104散出，提高蒸氣流動效率。 此外，本實施例之下殼部112内表面具有微結構，藉由 表面積增加亦有助於使液層蒸發成為蒸氣，提高利用相變 化吸收熱能的效果。 參閱圖1及® 3,蒸氣室103中的蒸氣經蒸氣出口 1〇4 進入蒸氣傳輸管3。本實施例蒸氣傳輸管3以高分子材料或 不鏽鋼等相容於工作液體的材料製成，其内表面具有微結 構’藉由表面積增加而提升冷凝效率，使蒸氣有機會在蒸 氣傳輸管3中即冷凝成液體，並以幫浦51驅動力、蒸氣壓 力’搭配蒸氣傳輸f 3中的毛細作用，使蒸氣或已冷凝的 液體（統稱流體）進入冷凝器2。 配合參閱圖7,冷凝器2包括相連之一中空儲存槽體 2!及多數中空鰭片22’該儲存槽體21與賴片22之内部空 間相連通而形成-冷凝腔202,且儲存槽體21具有與該冷 凝腔202相通之一流體入口 201及— 冷卻液出口 203。本實 施例之鰭片 22設計為中空的用意在於増 加蒸氣熱交換面積 201128154 ’有助於提高冷凝效果；此外，儲存槽體21及鰭片22的 内表面還具有微結構，同樣藉由增加表面積而提升冷凝效 率。當流體由流體入口 201進入冷凝腔2〇2，可快速進行熱 交換而釋放潛熱、冷凝成液體並降溫成冷卻液。 本實施例之儲存槽體21底面略呈傾斜，冷卻液出口 203位於儲存槽體21底面之較低處，流體入口 2〇1位置則 高於冷卻液出口 203，如此之設計有助於冷卻液排入冷卻液 傳輸管4 〇該冷卻液傳輸管4是連通於冷凝器2的冷卻液出 口 203與冷卻裝置1之冷卻液入口 101之間。 再次參閱圖1，本實施例利用電源與控制模組6對傳輸 輔助模組5提供電源及控制運作，該冷凝器2還包括分別 用以感測該冷凝腔202内溫度及壓力的一溫度感測件23及 一壓力感測件24，電源與控制模組6與該冷凝器2的溫度 感測件23、壓力感測件24，以及冷卻裝置〗的溫度感測件 13連接，並以所測得溫度、壓力作為控制幫浦5丨轉速或控 制閥52開口大小或開關頻率之參數；幫浦51接受電源與 控制模組6的電源及控制信號而運轉，控制閥52接受電源 與控制模組6的電源及控制信號而開關與控制流量。參閱 圖1、圖2及圖8至10，本發明冷卻散熱系統1〇()之第二 較佳實施例與第一較佳實施例之差異在於冷卻裝置丨還包 括多數設置於上殼部111内表面的導流片14，該等導流片 14以冷卻液入口 101為中心呈放射狀排列或同心圓排列。 當工作液體從冷卻液入口 101流入’將受到該等導流片14 引導而往未受阻的方向引流，並且在冷卻液入口 1〇1下方 201128154 形成較大壓力而迫使該噴孔片12中央略微下沉，工作液體 級乂噴孔片12所形成的液柱或噴霧將更均勻地進入蒸氣室 103 ° 有關本發明冷卻散熱系統1 〇〇之應用，適合如圖11所 不安裝於一 LED燈具71，其冷卻裝置】與LED晶片（熱 源70)接觸而利用相變化吸收熱能；亦適合如圖12所示安 裝於電腦主機之機殼72内’其冷卻裝置t與中央處理器（ 熱源70)接觸，且為了形成強制對流、加強散熱效果，該 冷凝器2還包括_設於該等韓片22之外表面的風扇25。 ^综上所述，本發明冷卻散熱系統利用液體相變化成為 氣，時吸收大量潛熱的原理，搭配特製喷孔片等設計，大 幅提高散熱效率，故確實能達成本發明之目的。 准以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明中請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是一系統示意圖，說明本發明冷卻散熱系統之第 一較佳實施例； 圖2是一說明該實施例中一冷卻裝置的立體分解示意 rgi · 圆， 圖3疋說明工作液體進入本實施例之冷卻裝置進行 熱父換之狀況的示意圖； 圖4是一立體圖，說明本實施例之喷孔片； 10 201128154 圖5及圖6是說明邊噴孔片之製程的示意圖； 圖7是一說明該實施例中一冷凝器的示意圖； 圖8及圖9是一本發明第二較佳實施例之冷卻裴置的 頂視圖， 圖10是一說明工作液體進入本實施例之冷卻裝置進行 熱交換之狀況的示意圖； 圖11是一說明本發明應用於LED燈具的示意圖；及 圖12是一說明本發明應用於電腦主機的示意圖。
11 201128154 【主要元件符號說明】 100… …·冷卻散熱系統 21 ·..·· …·儲存槽體 1 ....... •…冷卻裝置 22……· …·鰭片 11…… …·殼體 23··... …·溫度感測件 101 ··· …冷卻液入口 24···.· …·壓力感測件 102… •…供液室 25·..·· ----風扇 103… …·蒸發室 3…… •…流體傳輸管 104… •…蒸氣出口 4…… •…冷卻液傳輸管 111… •…上殼部 5…… •…傳輸輔助模組 112… •…下殼部 51 ··.· …·幫浦 12…… •…喷孔片 52••… …·控制閥 120… …·微孔 6…… •…電源及控制模組 121 ·· …入液端 70••… …·熱源 122 ··· •…喷液端 71 ···.· …·燈具 13…… …溫度感測件 72····. •…電腦主機之機殼 14…… 導k片 80…·· …·基材本體 2 ....... •…冷凝器 81 ··.·. •…沉積金屬層 201 ··· …·流體入口 810… …·穿孔 202 ·· …·冷凝腔 83 …·電鍍金屬層 203… •…冷卻液出口 9…… ….氣泡
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Claims (1)

  1. 201128154 七、申請專利範圍： 1. 種冷卻政熱系統，用於散除一熱源產生的熱能，包含 一冷卻裝置，包括一中空殼體，及—安裝於該殼體 内並將。亥设體内部空間分隔為一供液室與一鄰近該熱源 之蒸氣室的喷孔片，該殼體還具有一連通該供液室且供 工作流體流入的冷卻液入口及一連通該蒸氣室的蒸氣出 口，該噴孔片具有多數個孔徑尺寸介於5至丨刪微米之 間的微孔； 一冷凝器，具有相通之一流體入口、一冷凝腔及_ 冷卻液出口； 一蒸氣傳輸管，連通於該冷卻裝置之殼體的蒸氣出 口與該冷凝器的流體入口之間；及 一冷卻液傳輸管，連通於該冷凝器的冷卻液出口與 該冷卻裝置之殼體的冷卻液人口之間；該冷卻褒置、ς 凝器、蒸氣傳輸管及冷卻液傳輸管形成一封閉迴路。7 2. 依據申請專利範圍第1項所述之冷卻散熱系統，其中， 該冷卻裝置的喷孔片㈣孔具有一入液端與一喷液端， =:的孔徑由入液端之較大孔徑漸縮至該喷液端的較 3. 依據中請專利範圍第2項所述之冷卻散熱系統，复中 該冷卻裝置之噴孔片是利用電鑄製程、雷射加卫製’ 熱壓製程及射出成形其中一方式製成。 4. 依據中請專利範圍第1項所述之冷卻散熱系統，其中， 13 201128154 該喷孔片之微孔的孔徑尺寸介於5至500微米之間。 5. 依據申請專利範圍第4項所述之冷卻散熱系統，其中， 該噴孔片之微孔的孔徑尺寸介於i 〇至2〇〇微米之間。 6. 依據申請專利範圍第丨至5項中任一項所述之冷卻散熱 系統，其中，該噴孔片之微孔與微孔之間的距離在5至 2000微米之間。 7 ·依據申請專利範圍第1至5項中任一項所述之冷卻散熱 系統’其中’該噴孔片的厚度介於20至300微米之間。 8. 依據申請專利範圍第1至5項中任一項所述之冷卻散熱 系統’其中，該冷卻裝置之殼體具有一圍繞界定該供液 室的上殼部’及一與該上殼部對應組合且圍繞界定該蒸 發室的下殼部。 9. 依據申請專利範圍第8項所述之冷卻散熱系統，其中， 該下殼部内表面具有用以提高蒸發效果的微結構。 10. 依據申請專利範圍第8項所述之冷卻散熱系統，其中， 該冷卻裝置還包括多數設置於該上殼部内表面的導流片 〇 11. 依據申請專利範圍第1項所述之冷卻散熱系統，其中， 該冷凝器包括相連之一中空儲存槽體及多數鰭片。 12. 依據申凊專利範圍第丨丨項所述之冷卻散熱系統，其中， 該冷凝器的鰭片中空，該儲存槽體與該等鰭片空間相連 通而形成該冷凝腔以擴充熱交換面積。 1 3 _依據申睛專利範圍第12項所述之冷卻散熱系統，其中’ δ玄冷凝器的儲存槽體之底面呈傾斜’且該冷卻液出口位 14 201128154 於該儲存槽體底面之較低處 卻液出口。 該流體入口位置高於該冷 14·依據巾請專鄕㈣12項料之冷卻散㈣統，其中， 該冷凝器還包括-設於該等讀片之外表面的風扇。 15.依射請專利範圍第12項所述之冷卻散熱系統，其中， 圍繞界U該冷㈣的儲存槽體及轉片内表面具有用以 提升冷凝效率的微結構。 Μ•依射請專利範圍第u15項所述之冷卻散熱系統其 中H氣傳輸管的内表面具有提升冷凝效率的微結構 π依據中請專利範圍第i項所述之冷卻散熱系統，還包含 :傳輸辅助模組’包括一安裝於該封閉迴路令且用以驅 動工作流體的幫浦。 U.依據申請專利範圍第17項所述之冷卻散熱系統，其中， 該傳輸輔助模組還包括-安裝於該封閉迴路中且用以控 制該工作流體流量之控制閥。 α «申請專利㈣帛17或18項所述之冷卻散執争统， =:該傳輸輔助模組提供電—電源 爪依據申請專利範圍第19項所述之冷卻散熱系統，立中， 該還包括一用以感測該熱源溫度的溫度感測件 二源與控制模組與該溫度感測件連接，並以該溫度 感測件所測得溫度作為控制該傳輸輔助模組運作之參數 〇 15 201128154 21.依據申請專利範圍第19項所述之冷卻散熱系統，其中， 該冷凝器還包括一用以感測該冷凝腔内溫度的溫度感卿 件及一用以感測該冷凝腔内壓力的壓力感測件，該電綠 與控制模組與該溫度感測件、壓力感測件連接並以該 溫度感測件所測得溫度 '該壓力感測件所測得的壓力作 為控制該傳輸輔助模組運作之參數。 22·=Γ請專利範圍第1至1G中任—項所述之冷卻散熱 糸統的冷卻裝置。
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