TW202326054A - 相變化熱管理裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種相變化熱管理裝置，包含殼體、多個內壁以及相變化儲熱材料。殼體具有內部空間。內壁設置於內部空間中，且這些內壁相連接而形成多個容置空腔。相鄰的兩容置空腔之間經由內壁的至少一通孔相互連通。相變化儲熱材料位於至少部分容置空腔內。

Description

相變化熱管理裝置

本發明係關於一種相變化熱管理裝置。

電子產品的散熱問題長期以來一直都是該技術領域的研究目標。一般而言，散熱風扇以及水冷系統被普遍認為具有較佳的散熱效率。然而，網通設備、衛星電子零件及充電電池等多使用於戶外或太空中，而這些使用環境缺乏電力，因而無法採用風扇或水冷系統的方式進行散熱，僅能依靠自然對流或輻射等被動散熱方式進行散熱。

近年來，相變化材料被廣泛地應用於被動散熱元件，例如均溫板。在室溫為固態或液態的相變化材料可以吸收熱源產生之熱能而轉變成液態或氣態，藉此達到控制熱源溫度之目的。。

本發明提供一種相變化熱管理裝置，以增加散熱，避免元件過熱問題。

本發明一實施例所揭露之相變化熱管理裝置包含一殼體、多個內壁以及一相變化儲熱材料。殼體具有一內部空間。內壁設置於內部空間中，且這些內壁相連接而形成多個容置空腔。相鄰的兩容置空腔之間經由其中一內壁的至少一通孔相互連通。相變化儲熱材料位於至少部分容置空腔內。

根據本發明揭露之相變化熱管理裝置，當外部熱源產生的熱能傳遞到相變化熱管理裝置時，相變化儲熱材料能吸收熱能進而達到控制外部熱源溫度之目的，且相變化儲熱材料能夠經由通孔流動至相鄰的其他容置空腔中。藉此，若其他容置空腔中的相變化儲熱材料尚未相變，已吸熱而相變的相變化儲熱材料藉由流動能讓其他容置空腔中的相變化儲熱材料吸收熱能而產生相變，進而穩定外部熱源溫度。此外，在熱能較為集中傳遞至特定區域而導致部分容置空腔溫度較高的情況中，已吸熱而相變的相變化儲熱材料能經由通孔流動至高溫的容置空腔中，以增加高溫容置空腔中相變化儲熱材料的量，藉此提升散熱效率。

以上關於本發明內容之說明及以下實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之原理，並提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

於以下實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露的內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易理解本發明相關之目的及優點。以下實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參照圖1和圖2，其中圖1為根據本發明一實施例之相變化熱管理裝置的立體示意圖。圖2為圖1之相變化熱管理裝置的剖面示意圖。在本實施例中，相變化熱管理裝置1a包含殼體10、內壁20以及相變化儲熱材料30。

殼體10例如但不限於是金屬殼體，其具有封閉的內部空間110。內壁20的數量為多個，其設置於殼體10的內部空間110中，並且這些內壁20相連接而形成多個容置空腔200。更具體來說，內壁20的末端與殼體10的內表面相連接，且所述之相連接可以藉由一體成形或非一體成形的方式實現，其中非一體成形方式例如：扣合、卡合，但不以此為限。如圖1，這些內壁20彼此交錯而構成網狀的支架結構。圖1及圖2繪示有多個內壁20交錯而形成多個方形容置空腔200，但容置空腔200的形狀並不以此為限。內壁20的材質可選自由金屬、塑膠、高分子及其組合所組成的群組。

在這些容置空腔200中，任兩相鄰的容置空腔200之間提供有內壁20，並且這兩個相鄰的容置空腔200經由內壁20上的通孔210相互連通。更具體來說，內壁20可包含第一內壁21、第二內壁22、第三內壁23、第四內壁24與第五內壁25，其中第一內壁21、第二內壁22與第三內壁23平行排列，第四內壁24與第五內壁25平行排列，並且第四內壁24與第五內壁25各自與第一內壁21、第二內壁22與第三內壁23交錯而形成容置空腔200。其中相鄰的兩個容置空腔200經由第二內壁22的通孔210相互連通。同樣地，任一容置空腔200可以經由第一內壁21、第三內壁23、第四內壁24或第五內壁25的通孔210與相鄰的其他容置空腔200連通。連續三個相鄰容置空腔200內壁20上的通孔210，中心在同一軸線上或在不同軸線上，另外，通孔的開孔大小可相同或不同，以增加流體流動過程產生的紊流效果，以利於熱能傳遞。圖1及圖2繪示介於兩個相鄰容置空腔200之間的內壁20具有單一通孔210，但通孔210的數量並不以此為限。

相變化儲熱材料30位於至少部分容置空腔200內。圖1及圖2繪示在每個容置空腔200中均存在有相變化儲熱材料30，但在其他實施例中可有部分容置空腔中沒有相變化儲熱材料。

相變化儲熱材料30可以是固相變液相儲熱材料或是液相變氣相儲熱材料。固相變液相的相變化儲熱材料30可選自由銦鉍錫合金、銦鎵錫合金、石蠟(Paraffin)及其組合所組成的群組。此外，可以在相變化儲熱材料30添加石墨或發泡金屬(未另繪示)，以提升相變化儲熱材料30的熱傳導能力。發泡金屬例如有鋁發泡金屬、銅發泡金屬或鎳發泡金屬。

當外部熱源(例如網通設備內的高功率晶片，未繪示)產生的熱能傳遞到相變化熱管理裝置1a時，熱能可依序經過殼體10、內壁20進而抵達至相變化儲熱材料30，並且相變化儲熱材料30在相變過程中吸收熱能進而達到控制外部熱源溫度之目的。於使用固相變液相儲熱材料的本實施例中，相變後的相變化儲熱材料30呈現液態，此時任一容置空腔200中的液態相變化儲熱材料30能夠經由內壁20上的通孔210流動至相鄰的其他容置空腔200。若其他容置空腔200中的相變化儲熱材料30呈現固態，液態相變化儲熱材料30能讓固態相變化儲熱材料30發生相變而發揮其吸收熱能的功能。此外，在熱能較為集中傳遞至特定區域而導致部分容置空腔200溫度較高的情況中，液態相變化儲熱材料30能經由通孔210流動至高溫的容置空腔200中，以增加於該高溫容置空腔200中相變化儲熱材料30的分布範圍，藉此提升散熱效率。

在本實施例中，相變化熱管理裝置1a可進一步包含表面改質塗層40，其設置於內壁20的各個表面上。表面改質塗層40的材質可為鈷、鎳、鉬、鈦、或上述之組合。圖1及圖2繪示表面改質塗層40分布在內壁20的整個表面上，但本發明並不以此為限。在部分實施例中，表面改質塗層40可僅分布在通孔210周圍，也就是說內壁20表面只有在靠近通孔210周圍區域才覆蓋有表面改質塗層40。表面改質塗層40有助於提升內壁20的潤濕性(或稱親水性)，使液態相變化儲熱材料30更容易經由通孔210在容置空腔200之間流動。

在本實施例中，通孔210被該相變化儲熱材料所填滿。更進一步而言，於使用固相變液相儲熱材料的本實施例中，各個通孔210於內壁20上的位置可以讓通孔210被液態的相變化儲熱材料30所填滿。以相變化儲熱材料30使用石蠟為例來說，內壁20上的通孔210可以被固態及液態下的石蠟所填滿，係如圖2所示；或者，在石蠟處於固態時，通孔210至少一部份未被固態石蠟填滿而顯露出來，一旦石蠟因變成液態而體積膨脹時才會完全填滿通孔210。通孔210位於適當位置係有助於液態相變化儲熱材料30的自然對流。

在本實施例中，介於相鄰的兩容置空腔200之間的內壁20的開口率可為10%至20%。如圖2所示，相鄰兩容置空腔200之間的內壁20的面積為A1，此內壁20上的通孔210的面積為A2，則開口率可以被定義為：A2/A1；其中，所述開口率可滿足以下條件：10%≤A2/A1≤20%。具有適當開口率的通孔210能夠幫助讓液態相變化儲熱材料30具有穩定的自然對流。在圖2中，內壁20的面積(A1)被定義為內壁20之寬度L1與內壁20之高度L2的乘積。

進一步參照圖3，為圖2之相變化熱管理裝置的局部放大示意圖。於使用固相變液相儲熱材料的本實施例中，通孔210的孔徑可以取決於液態相變化儲熱材料30的自然對流流速、液態相變化儲熱材料30的黏度及/或與通孔210相連的容置空腔200的徑向尺寸。液態相變化儲熱材料30的自然對流流速可被定義為相變化儲熱材料30流過通孔210之前的流速，此時相變化儲熱材料30的流態可被視為層流。如圖3所示，通孔的孔徑為D，液態相變化儲熱材料的自然對流流速為V，液態相變化儲熱材料的黏度為ν，與通孔210相連的容置空腔200的徑向尺寸為H，其滿足下列條件：D≤(VH ²)/2200ν。適當孔徑大小的通孔210能夠讓任一容置空腔200中的層流相變化儲熱材料30經過通孔210流動到另一容置空腔200後變成紊流，而有助於提升散熱效率。在圖3中，與通孔210相連的容置空腔20的徑向尺寸H可等於內壁20之高度L2。

又，在使用液相變氣相儲熱材料的其他實施例中，通孔210的孔徑可以取決於氣態相變化儲熱材料30的自然對流流速、氣態相變化儲熱材料30的黏度及/或與通孔210相連的容置空腔200的徑向尺寸。

圖4為根據本發明另一實施例之相變化熱管理裝置的剖面示意圖。在本實施例中，相變化熱管理裝置1b包含殼體10、內壁20b以及相變化儲熱材料30，其中介於兩個相鄰容置空腔200之間的內壁20b具有多個通孔210b。通孔210b可以具有相同形狀尺寸或不同形狀尺寸。在不同內壁20b上的多個通孔210b可以具有相同排列方式或不同排列方式。介於兩個相鄰容置空腔200之間的內壁20b的開口率可為10%至20%。詳細來說，內壁20b的面積為A1，此內壁20b上的所有通孔210b的總面積為A2，則開口率可以被定義為：A2/A1。其中，所述開口率可滿足以下條件：10%≤A2/A1≤20%。

圖5為習知均溫板與本發明一實施例之相變化熱管理裝置的溫度分布模擬圖。此處使用的均溫板模型包含密閉殼體以及位於此密閉殼體內的多個內壁，並且內壁相連接而形成多個封閉的容置空腔，也就是說均溫板模型中的內壁上沒有形成通孔。圖5(a)表示均溫板模型對熱源S進行散熱1小時後的溫度分布，圖5(b)表示圖1的相變化熱管理裝置1a對相同熱源S進行散熱1小時後的溫度分布。從圖5(a)可看出，均溫板模型中較靠近熱源S的中央區域溫度較高，較遠離熱源S的邊緣區域溫度明顯較低，這代表熱能集中在中央區域而無法被快速傳遞到邊緣區域。相對地根據圖5(b)，雖然相變化熱管理裝置1a中靠近熱源S的中央區域溫度也比較高，但遠離熱源S的邊緣區域溫度跟中央區域溫度差異較小，此外，相對於圖5(a)遠離熱S的邊緣地區低溫區較少，這些結果都代表在通孔提供相變化儲熱材料可自由流動的情況下，熱能較快地被傳遞到邊緣區域。

圖6為根據本發明又一實施例之搭載有相變化熱管理裝置之電子產品的示意圖。電子產品例如但不限於是通訊設備，其包含基座2、天線3、放大器4、熱介面材料5、散熱器6以及圖1的相變化熱管理裝置1a。天線3、放大器4與熱介面材料5可設置於基座2其中一側，並且，並且相變化熱管理裝置1a及散熱器6設置於基座2另一側。天線3與放大器4作為熱源，其運作所產生的熱能可經由熱介面材料5傳遞到相變化熱管理裝置1a。相變化熱管理裝置1a中的相變化儲熱材料吸收熱能以避免天線3與放大器4溫度過高，並且再透過散熱器6將熱能排放至外部。散熱器6可以是鰭片或導熱銅片。

圖7為根據本發明又另一實施例之搭載有相變化熱管理裝置之電子產品的示意圖。與圖6電子產品相較，圖7繪示的電子產品進一步包含熱管7以及散熱風扇8。天線3與放大器4運作所產生的熱能可依序經由熱介面材料5和熱管7傳遞到相變化熱管理裝置1a。相變化熱管理裝置1a的相變化儲熱材料所吸收的熱能可以透過散熱器6和散熱風扇8被排放至外部。

根據本發明一實施例，相變化熱管理裝置的通孔周圍可額外形成有溝槽或凸點以利於增加熱均勻性。請參照圖8至圖10，為根據本發明一實施例之相變化熱管理裝置的容置空腔的局部示意圖。圖8示例性繪示有多個溝槽211形成於內壁20上並位於通孔210周圍，且相鄰兩個溝槽211相對於通孔210中心間隔90度角。圖9示例性繪示有多個溝槽211形成於內壁20上並位於通孔210周圍，且相鄰兩個溝槽211相對於通孔210中心間隔60度角。圖10示例性繪示有多個溝槽212形成於內壁20上並位於通孔210周圍，其中各個溝槽212的寬度向外逐漸增加。

綜上所述，根據本發明揭露之相變化熱管理裝置，殼體中的內壁相連接而形成多個容納相變化儲熱材料的容置空腔，並且相鄰的容置空腔經由內壁上的通孔相互連通。當外部熱源產生的熱能傳遞到相變化熱管理裝置時，相變化儲熱材料能吸收熱能進而達到控制外部熱源溫度之目的，且相變化儲熱材料能夠經由通孔流動至相鄰的其他容置空腔中。藉此，若其他容置空腔中的相變化儲熱材料尚未相變，已吸熱而相變的相變化儲熱材料藉由流動能傳遞熱能以使其他容置空腔中的相變化儲熱材料能吸收熱能而發生相變。此外，在熱能較為集中傳遞至特定區域而導致部分容置空腔溫度較高的情況中，已吸熱而相變的相變化儲熱材料能經由通孔流動至高溫的容置空腔中，以增加高溫容置空腔中相變化儲熱材料的分布範圍，藉此提升散熱效率

本發明之實施例揭露雖如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

1a、1b:相變化熱管理裝置 10:殼體 110:內部空間 20、20b:內壁 200:容置空腔 210、210b:通孔 21:第一內壁 22:第二內壁 23:第三內壁 24:第四內壁 25:第五內壁 211、212:溝槽 30:相變化儲熱材料 40:表面改質塗層 2:基座 3:天線 4:放大器 5:熱介面材料 6:散熱器 7:熱管 8:散熱風扇 L1:寬度 L2:高度 D:孔徑 V:自然對流流速 H:徑向尺寸 S:熱源

圖1為根據本發明一實施例之相變化熱管理裝置的立體示意圖。 圖2為圖1之相變化熱管理裝置的剖面示意圖。 圖3為圖2之相變化熱管理裝置的局部放大示意圖。 圖4為根據本發明另一實施例之相變化熱管理裝置的剖面示意圖。 圖5為習知均溫板與本發明一實施例之相變化熱管理裝置的溫度分布模擬圖。 圖6為根據本發明又一實施例之搭載有相變化熱管理裝置之電子產品的示意圖。 圖7為根據本發明又另一實施例之搭載有相變化熱管理裝置之電子產品的示意圖。 圖8為根據本發明一實施例之相變化熱管理裝置的容置空腔的局部示意圖。 圖9為根據本發明一實施例之相變化熱管理裝置的容置空腔的局部示意圖。 圖10為根據本發明一實施例之相變化熱管理裝置的容置空腔的局部示意圖。

1a:相變化熱管理裝置

10:殼體

110:內部空間

20:內壁

200:容置空腔

210:通孔

21:第一內壁

22:第二內壁

23:第三內壁

24:第四內壁

25:第五內壁

30:相變化儲熱材料

Claims (15)

1. 一種相變化熱管理裝置，包含： 一殼體，具有一內部空間；多個內壁，設置於該內部空間中，該些內壁相連接而形成多個容置空腔，並且該些容置空腔其中相鄰兩者之間經由其中一該內壁的至少一通孔相互連通；以及一相變化儲熱材料，位於至少部分該些容置空腔內。
2. 如請求項1所述之相變化熱管理裝置，其中該相變化儲熱材料為固相變液相儲熱材料。
3. 如請求項2所述之相變化熱管理裝置，其中該相變化儲熱材料包含銦鉍錫合金、銦鎵錫合金、石蠟、或上述之組合。
4. 如請求項1所述之相變化熱管理裝置，其中該至少一通孔周圍設置有溝槽或凸點。
5. 如請求項1所述之相變化熱管理裝置，更包含一表面改質塗層，設置於該些內壁的表面上。
6. 如請求項1所述之相變化熱管理裝置，更包含一表面改質塗層分布於該至少一通孔周圍。
7. 如請求項5或6所述之相變化熱管理裝置，其中該表面改質塗層的材質包含鈷、鎳、鉬、鈦、或上述之組合。
8. 如請求項1所述之相變化熱管理裝置，其中該些內壁的材質包含金屬、塑膠、高分子、或上述組合。
9. 如請求項1所述之相變化熱管理裝置，更包含一發泡金屬，添加於該相變化儲熱材料中。
10. 如請求項9所述之相變化熱管理裝置，該發泡金屬可為鋁發泡金屬、銅發泡金屬或鎳發泡金屬。
11. 如請求項1所述之相變化熱管理裝置，其中介於該些容置空腔其中相鄰兩者之間的該內壁的開口率為10%至20%。
12. 如請求項1所述之相變化熱管理裝置，其中該至少一通孔被該相變化儲熱材料所填滿。
13. 如請求項1所述之相變化熱管理裝置，其中該至少一通孔於其中一該內壁上的位置適於讓該至少一通孔被液態的該相變化儲熱材料所填滿。
14. 如請求項1所述之相變化熱管理裝置，其中該至少一通孔的孔徑取決於下列至少其中一者： 液態的該相變化儲熱材料的自然對流流速，液態的該相變化儲熱材料的黏度，和與該至少一通孔相連的該容置空腔的徑向尺寸。
15. 如請求項14所述之相變化熱管理裝置，其中該至少一通孔的孔徑為D，液態的該相變化儲熱材料的自然對流流速為V，液態的該相變化儲熱材料的黏度為ν，與該至少一通孔相連的該容置空腔的徑向尺寸為H，其滿足下列條件： D≤(VH ²)/2200ν。

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