TW201204994A - Lighting device, cooling/heat dissipating system and its cooling module - Google Patents

Description

201204994 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種散熱系統’特別是指—種針對非 水平設置之高功率電子元件運作產生之熱，利用蒸發相變 化原理進行散熱的冷卻散熱系統。 【先前技術】 近年來，對於高功率電子元件散熱需求，業界發展出 利用相變化原理對電子元件進行冷卻的技術，例如美國第 U.S_ Pat. No. 7,082,778 B2號專利案揭露一種噴霧散熱模組 ’使用類似噴墨頭噴墨的原理，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喷霧 腔室中產生喷霧，喷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 部之效果。然而，噴墨喷頭技術不但結構複雜，且喷頭的 電極片需進行加熱’幻吏工4乍液體經喷頭部位時溫度提高 ’降低散熱效率。 此外1有喷霧散熱技術多Μ電子元件的發熱表面 良平》又置且喷霧方向朝下為前提進行設計，工作液體加壓 方向以及重力方向都是朝下而散佈於貼近該發熱表面的散 熱面。但是當電子元件在使用狀態下散熱面為垂直設置時 ’工作液體加壓方向必須朝向散熱面，也就是使工作液體 水平噴射；在此情況下，喷出之工作液體會受到重力影響 而改變喷射軌跡，致使散熱面上端部接受到的喷霧量減少 ’而下半部接受到的喷霧量增多，且未汽化蒸發的工作液 201204994 體將順著發熱表面往下匯流，也使得散熱面下半部接觸到 的工作液體多於上半部所接觸，造成散熱效果不平均。 【發明内容】 因此’本發明之目的，即在提供一種具有利用蒸發相 變化原理進行散熱之冷卻散熱系統的照明裝置。 本發明之另一目的’在於提供一種結構簡化、高散熱 效率，且針對接觸熱源之散熱區塊為非水平設置者能克服 散熱不平均之問題的冷卻散熱系統。 本發明之再一目的，在於提供一種針對接觸熱源之散 熱區塊為非水平設置者能克服散熱不平均之問題的冷卻模 組。 於是，本發明照明裝置，包含一燈殼、一發光組件， 及一冷卻散熱系統。發光組件安裝於該燈殼内，包括至少 發光體該至y 一發光體構成一熱源。冷卻散熱系統安 裝於該燈殼内’包括-冷卻模組、—冷凝器…蒸氣傳輸 管及一冷卻液傳輸管。 冷部模組具有—中空殼體，及一安裝於該殼體内並將 該殼體内部空間分隔為一供液室與一鄰近該熱源之蒸發室 的喷孔ϋ ’該殼體具有—與該熱源接觸之散熱區塊、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 發室的蒸氣出σ ’該嗔孔片具有多數個微孔以及相反之- 第-端緣及-第二端緣，且其第__端緣與該散熱區塊之距 離小於其第-端緣與該散熱區塊之距離而與該散熱區塊夾 一 α角0 4 201204994 冷凝器具有相通之一流體入口、一冷凝腔及一冷卻液 出口。蒸氣傳輸管連通於該冷卻模組之殼體的蒸氣出口與 該冷凝器的流體入口之間。冷卻液傳輸管連通於該冷凝器 的冷卻液出口與該冷卻模組之殼體的冷卻液入口之間；該 冷卻模組、冷凝器、蒸氣傳輸管及冷卻液傳輸管形成一封 閉迴路。 較佳地，該熱源與水平面夾一 β角，0°<β$90°，一般 例如10°$冷$60°，較佳者例如15°$冷$45°。 較佳地，該喷孔片與該散熱區塊之間所夾之α角範圍 為 0〇< dO0。 較佳地’該冷卻模組的殼體包括可相互對應蓋合的一 第一殼部與一第二殼部，該散熱區塊即該第一殼部遠離該 開口之一側’該第一殼部的開口緣斜切，而使該開口緣界 定之平面與該散熱區塊夾該α角，該喷孔片設置於該開口 緣處。或者’該第一殼部遠離該開口之一側設計為傾斜而 與其開口緣界定之平面夾該α角，也與該第二殼部的遠離 開口之一側央該α角，該噴孔片設置於該開口緣處。 本發明之功效在於，利用冷卻模組中具有大量且孔徑 極微小之微孔的喷孔片，使工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， 搭配喷孔片與设體之散熱區塊夾一角度，達到克服重力造 成喷霧不平均之問題之目的。 【實施方式】 201204994 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效’在 以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 參閱圖1，本發明冷卻散㈣統2之第-較佳實施例是 以作為照明裝Ϊ 1GG的-部份舉例說明，照明裝f削例 ，為-車燈，包括一照明單元i及該冷卻散熱系統2。照明 單元1包括-E]定於汽車的燈殼u、安裝於該燈殼U内之 發光組件。發光組件包括至少一發光體，例如led晶片， 該至少-發光體構成-熱源1G。由於車燈光轴方向大致朝 刖，因此熱源10非水平設置而與水平面夾一 P角，〇。〈 β$90。’ 一般情況下例如與水平面夾1〇。〜6〇。設置即冷角 的角度範圍為10、h60。，較佳者，熱源1〇與水平面所 夾的0角為15°〜45°’即冷角的角度範圍為15。$召$45。 ，如圖6所示，是畫出熱源1〇與水平面所夾的万角為3〇。 的狀態。 配合參閱圖2，冷卻散熱系統2用於散除熱源1〇產生 的熱能，包含一冷卻模組3、一蒸氣傳輸管4、一冷卻液傳 輸模組5、一冷凝器6，及一電源與控制模組7。 冷卻模組3與熱源1〇接觸而利用相變化吸收熱能；該 冷卻模組3、冷凝器6、蒸氣傳輸管4及冷卻液傳輸模組5 形成一封閉迴路，工作流體流動其中。 本實施例所採用工作流體為3M生產的Flourinert與 Novec系列產品，但不以此為限，亦可為水或酒精。 冷卻模組3包括一以一散熱區塊31〇接觸熱源1〇的中 6 201204994 及一溫度感 空殼體31、一安裴於殼體31内的喷孔片32 測件3 3。 如圖3所示，殼體31包括可相互對應蓋合的—第一殼 部315與一第二殼部316，該散熱區塊31〇即該第一殼部 315之遠離開口之—側。第一殼部315的開口緣斜切，而使 該開口緣界定之平面與散熱區塊31〇夾一 α角， η α大於〇°， 小於等於10。。配合參閱圖4,喷孔片32設置於該第一殼部 315之開口緣處，也可說是第一殼部315與第二彀部gw交 界處，而將殼體31内部空間分隔為一較靠近熱源1〇的蒸 發室311與一較遠離熱源10的供液室312。 參閱圖2及圖4,殼體31之第一殼部315開設有一連 通蒸發室311的蒸氣出口 313，第二殼部316開設有一連通 供液室312而供工作流體流入的冷卻液入口 314。此外本 實施例之殼體31之散熱區塊310具有微結構，藉由散熱區 塊的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。 喷孔片32與該散熱區塊310夾該α角，亦即非平行設 置。在本實施例，喷孔片32具有相反之一第—端緣323及 一第二端緣324，以熱源非水平設置來說，第—端緣323位 置較高於第二端緣324。噴孔片32與散熱區塊31〇夫一 α 角，且α大於0。，小於等於10。；實作上，噴孔片32之第 一端緣323與散熱區塊310之距離為山，〇<dlg5 〇毫米 (mm)，第二端緣324與散熱區塊310之距離為d2，2.〇 mm <d2^15.0 mm，且 di < d2 。 201204994 喷孔片32厚度介於2〇至3〇〇微米（μηι)之間，且具有 多數個呈矩陣式或交錯式排列的微孔320。微孔320孔徑尺 寸’丨於5至1000微米之間，微孔320與微孔320之間的距 離在5至2GGG微米之間。本實施例之微孔32()的孔徑尺寸 是介於10至2〇〇微米之間，次佳也可介於5至5〇〇微米之 間’能使工作流體達到較佳霧化效果而更有助於散熱。 本實施例中’喷孔片32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之散熱區塊利 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，接著利用旋轉塗佈法（spin coating)或 浸潰法形成一光阻層；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s蔓而露出之沉積金屬層’並隨後去除所有光阻，此時， 在基材本體之散熱區塊形成一具有複數個穿孔之沉積金厲 層’該等穿孔即噴孔片32之微孔320的預定孔，且孔徑大 於微孔320。接著，利用電鑄製程在沉積金屬層散熱區塊形 成一電鑄金屬層。最後’進行脫模而使電鑄金屬層與沉積 金屬層及基材本體分離，形成喷孔片32。 利用上述製程製成之喷孔片32的微孔320孔徑可調， 且如圖5所示，每一微孔320具有一鄰近該供液室312的 入液端321 ’及一鄰近該蒸發室311的喷液端322。微孔32 的孔徑是由入液端321之較大孔徑漸縮至喷液端322的較 小孔徑。 8 201204994 本實施例蒸氣傳輸管4以高分子材料或不鏽鋼等相容 於工作液體的材料製成，其内散熱區塊具有微結構，藉由 散熱區塊的面積增加而提升冷凝效率，使蒸氣有機會在蒸 氣傳輸管4中即冷凝成液體。 冷卻液傳輸模組5包括一冷卻液傳輸管51、一用以驅 動工作流體的幫浦52及一用以控制工作流體流量之控制間 53。幫浦52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52為可控制流量，控 制閥53可省略《幫浦52驅動力及蒸氣壓力可使蒸氣或已 冷凝的液體（統稱流體）進入冷凝器6。 冷凝器6包括相連之一中空儲存槽體61及多數中空韓 片62。該儲存槽體61與鰭片62之内部空間相連通而形成 一冷凝腔602 ’且儲存槽體61設有與該冷凝腔602相通之 一流體入口 601及一冷卻液出口 603。本實施例之鰭片62 設計為中空的用意在於增加蒸氣熱交換面積’有助於提高 冷凝效果；此外，儲存槽體61及鰭片62的内散熱區塊還 具有微結構，藉由增加散熱區塊的面積而提升冷凝效率。 當流體由流體入口 601進入冷凝腔6〇2，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。 儲存槽體61底面可略呈傾斜（圖未示），冷卻液出口 603位於儲存槽體61底面之較低處流體入口 位置則 高於$卻液出口 603，如此之設計有助於冷卻液排入冷卻液 傳輪s 51。該冷卻液傳輸管51是連通於冷凝器6的冷卻液 出口 603與冷卻模組3之冷卻液入口 314之間。 201204994 本實施例利用電源與控制模組7對幫浦52及控制閥53 提供電源及控制運作，該冷凝器6還包括分別用以感測該 冷凝腔602内溫度及壓力的一溫度感測件63及一壓力感測 件64。電源與控制模組7與該冷凝器6的溫度感測件63、 壓力感測件64，以及冷卻模組3的溫度感測件33連接，並 以所測得溫度、壓力作為控制幫浦52轉速或控制閥53開 口大小或開關頻率之參數；幫浦52接受電源與控制模組7 的電源及控制信號而運轉，控制閥53接受電源與控制模組 7的電源及控制信號而開關與控制流量。當工作液體從冷卻 液入口 314流入供液室312，因壓力流經喷孔片32的極多 且極微小的微孔320而形成微小液滴喷霧進入蒸發室311。 喷霧在散熱區塊310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，並容易在該散熱區塊產生氣 泡9而將蒸氣蓄積，持續喷入的喷霧可打破氣泡9並使蒸 氣經蒸氣出口 313散出，提高蒸氣流動效率。最重要的是 ，由於喷孔片32與靠近熱源1〇的散熱區塊31〇夾^角， 喷孔片32第一端緣323與該散熱區塊31 〇之距離縮小，使 得從喷孔片32較靠近第一端緣323之微孔32〇噴出之微小 液滴’能夠在運動軌跡尚未明顯偏離水平之喷射方向前， 也就是尚未明顯下降前，即抵達該散熱區塊31〇，藉此克服 該散熱區塊310上端部接收喷霧量較少的問題。 參閱圖7及圖8，本發明第二較佳實施例與第一較佳實 施例之差異在於該冷卻模組3的殼體31。本實施例之殼體 31包括可相互對應蓋合的一第一殼部315’與一第二殼部 10 201204994 316’，散熱區塊3H)即第-殼部315，遠離開口之―側且設 計為傾斜，因此第一殼部315’與第二殼部316，相互蓋人之 後’殼體31外觀截面呈梯形，斜邊對應該散熱區塊I 藉此，散熱區塊310仍與其開口緣界定之平面夹言玄α角， 也與第二殼部316’的遠離開口之一側夾該α角噴孔片32 設置於該開π緣處’因此喷孔片32與散熱區塊3iq爽該〇 角。 综上所述，本發明冷卻散熱系統2利用㈣㈣化成 為氣體時吸收大量潛熱的原理，搭配喷孔片32之特殊設置 方式’提高散熱效率且克服喷霧不平均之問題，故確實能 達成本發明之目的。 惟以上所述者，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，即大凡依本發明申請專利 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是示意圖’說明本發明照明裝置之較佳實施例 圖2是-說明該實施例中，工作流體在封閉迴路中運 行的示意圖； 圖3是一立體分解圖’說明本實施例之殼體與喷孔片 圖4是一說明工作液體進入本實施例之冷卻模組進行 熱交換之狀況的示意圖； 201204994 圖5是一立體局部剖視圖，說明本實施例之喷孔片細 部結構； 圖6是一示意圖，說明本實施例的一召角在30 °的狀態 ， 圖7是本發明第二較佳實施例中，殼體與喷孔片的立 體分解圖；及 圖8是一說明工作液體進入本實施例之冷卻模組進行 熱交換之狀況的示意圖。 12 201204994 【主要元件符號說明】 100.......照明裝置 1 ..........照明單元 10 .........熱源 11 .........燈殼 2 ..........冷卻散熱系統 3 ..........冷卻模組 310.......散熱區塊 31 .........殼體 311……蒸發室 312.......供液室 313……蒸氣出口 314.......冷卻液入口 315、 315’第一殼部 316、 316’第二殼部 32 .........喷孔片 320 .......微孔 321 .......入液端 322 .......噴液端 323… ----第 緣 324… •…第二端緣 33…·· •…溫度感測件 4…… •…蒸氣傳輸管 5…… •…冷卻液傳輸模組 51 ···.· •…冷卻液傳輸管 52 •…幫浦 53•.… •…控制閥 6…… •…冷凝器 601… •…流體入口 602… •…冷凝腔 603… …·冷卻液出口 61 ••… •…儲存槽體 62·...· •…鰭片 63·...· …·溫度感測件 64•.… …·壓力感測件 7…… •…電源及控制模組 9…… 13

Claims (1)

1. 201204994 七、申請專利範圍： 1. 一種照明裝置，包含： 一燈殼； 一發光組件，安裝於該燈殼内，包括至少一發光體 ，該至少一發光體構成—熱源；及 一冷卻散熱系統，安裝於該燈殼内，包括 一冷部模組，具有—中空殼體，及一安裝於該 殼體内並將該殼體内部空間分隔為一供液室與一鄰 近該熱源之蒸發室的喷孔片，該殼體具有一與該熱 源接觸之散熱區塊、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發室的蒸氣出口， 該噴孔片具有多數個微孔以及相反之一第一端緣及 一第二端緣，且其第一端緣與該散熱區塊之距離小 於其第二端緣與該散熱區塊之距離而與該散熱區塊 失一 α角， 一冷凝器’具有相通之一流體入口、一冷凝腔 及一冷卻液出口， 一蒸氣傳輸管’連通於該冷卻模組之殼體的蒸 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 口與該冷卻模組之殼體的冷卻液入口之間；該冷卻 模組、冷凝器、蒸氣傳輸管及冷卻液傳輸管形成一 封閉迴路。 2. 依據申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中， 14 201204994 源與水平面夾一 β角，0。< β $ 90。。 3_依據申請專利範圍第2項所述之照明裝置，其中，該沒 角為10°$沒$60。。 4 ·依據申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中，續喷 孔片與該散熱區塊之間所失之α角範圍為0〇< α<ι〇〇。 5.依據申請專利範圍第1項所述之照明裝置，其中，该冷 卻散熱系統還包括一安裝於該冷卻液傳輸管且用以驅動 工作流體的幫浦。 6_ —種冷卻散熱系統，用於散除一熱源產生的熱能包含 -冷卻模組，具有一中空殼體’及一安裝於該殼體 内並將該殼體内部空間分隔為一供液室與一鄰近該熱源 之蒸發室的噴孔片，該殼體具有一與該熱源接觸之散熱 區塊、一連通該供液室且供工作流體流入的冷卻液入口 及一連通該蒸發室的蒸氣出口，該喷孔片具有多數個微 孔以及相反之一第一端緣及一第二端緣，且其第一端緣 與該散熱區塊之距離小於其第二端緣與該散熱區塊之距 離而與該散熱區塊夹^ 一（X角； 一冷凝器，具有相通之一流體入口、一冷凝腔及一 冷卻液出口； 一蒸氣傳輸管，連通於該冷卻模組之殼體的蒸氣出 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 該冷卻模組之殼體的冷卻液入口之間；該冷卻模組、冷 15 201204994 凝器、蒸氣傳輸管及冷卻液傳輸管形成一封閉迴路β 7.依據申請專利範圍第6項所述之冷卻散熱系統，其中， 該冷卻模組的殼體包括可相互對應蓋合的一第一殼部與 一第二殼部，該散熱區塊即該第一殼部遠離該開口之一 側’該第一殼部的開口緣斜切，而使該開口緣界定之平 面與該散熱區塊夾該α角，該喷孔片設置於該開口緣處 〇 8 ·依據申請專利範圍第6項所述之冷卻散熱系統，其中， 該冷卻模組的殼體包括可相互對應蓋合的一第一殼部與 一第二殼部，該散熱區塊即該第一殼部之底面，該第一 殼部的底面設計為傾斜而與其開口緣界定之平面夾該α 角’也與該第二殼部的底面夾該α角，該喷孔片設置於 該開口緣處。 9. 依據申請專利範圍第6項所述之冷卻散熱系統，其中， 該喷孔片與該散熱區塊之間所夾之α角範圍為〇。< ctg 10〇。 10. 依據申請專利範圍第6項所述之冷卻散熱系統，其中， 該喷孔片厚度介於20至300微米之間，其微孔的孔徑尺 寸介於5至1000微米之間，微孔與微孔之間的距離在5 至2000微米之間。 11. 依據申請專利_第6項所述之冷卻散熱系統，還包含 一女裝於該冷卻液傳輸管且用以驅動工作流體的幫浦。 12·—種冷卻模組，與一冷凝器、一蒸氣傳輸管及一冷卻液 傳輸管形成—封閉迴路，共同用於散除—熱源產生的熱 16 201204994 能；該冷卻模組包含： 一中空殼體，具有一與該熱源接觸之散熱區塊、一 冷卻液入口及一蒸氣出口；及 一噴孔片，安裝於該殼體内並將該殼體内部空間分 隔為一供液室與一鄰近該熱源之蒸發室，該供液室與該 冷卻液入口連通，該蒸發室與該蒸氣出口連通，該喷孔 片具有多數個微孔以及相反之一第一端緣及一第二端緣 ，且其第一端緣與該散熱區塊之距離小於其第二端緣與 該散熱區塊之距離而與該散熱區塊夾一 α角。 13·依據申請專利範圍第12項所述之冷卻模組，其中，該殼 體包括可相互對應蓋合的一第一殼部與一第二殼部該 散熱區塊即該第一殼部之底面，該第一殼部的開口緣斜 切，而使該開口緣界定之平面與該散熱區塊夾該α角， 該喷孔片設置於該開口緣處。 14 ·依據申凊專利範圍第12項所述之冷卻模組，其中，該殼 體包括可相互對應蓋合的一第一殼部與一第二殼部該 散熱區塊即該第一殼部之底面，該第一殼部的底面設計 為傾斜而與其開口緣界定之平面夾該α角，也與該第二 殼部的底面失該α角，該噴孔片設置於該開口緣處。 15.依據申請專利範圍第12項所述之冷卻模鈕，其中，該喷 孔片與該散熱區塊之間所夾之α角範圍為〇0<α$1〇。。 依據申請專利範圍第12項所述之冷卻模組，其中，該喷 孔片厚度介於20至300微米之間，其微孔的孔徑尺寸介 於5至1〇〇〇微米之間，微孔與微孔之間的距離在5至 17 201204994 2000微米之間