TWI432132B - Liquid cooling structure - Google Patents

Description

液冷式散熱結構

本發明係關於一種液冷式散熱結構，尤其是一種藉由液體循環流動的方式，使承載電子元件能夠降溫散熱具有微流道之散熱結構。

目前的大功率元件(Power Device)，由於元件之特性，不可避免地會產生大熱量，以絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)舉例說明，IGBT結合了場效電晶體閘極易驅動的特性與雙極性電晶體耐高電流與低導通電壓壓降特性，通常用於中高容量功率場合(如切換式電源供應器、馬達控制、電磁爐或是應用於數百安培與六千伏特的電力系統領域)；若是IGBT用於切換式電源供應器時，將電源以高頻切換方式，由AC電源轉換成所需之DC電源輸出，在轉換過程中，功率元件因能量損耗而發熱，過熱將導致功率元件的性能下降甚至損壞；因此為了避免過熱現象發生，通常採取之解決方案係使用散熱片並強制空氣對流方式進行直接散熱，然而空氣對流方式具有噪音及散熱性不佳的缺點，因此近年來發展出一種藉由液體在迴路中循環流動從而帶走熱量之方式，主要藉由一冷板緊貼熱源，並使用一馬達驅動的液體循環流經冷板吸收熱量後，再把熱量散發傳遞到環境中，以對電子元件進行散熱；然而上述液冷方式雖然具有熱阻低、傳遞熱容量大、傳輸距離較遠等特性，但是，由於冷板材料的局限性以及液體吸熱溫度升高，因此在一定的液體驅動力下，其熱阻值是一定的，亦使得冷板的熱阻不能得到更有效的降低，故對於一些會持續累積高溫之電子元件，目前所使用的液冷結構所能夠達成之效果是極其有限的。

因此，若能提供一種液冷式散熱結構，能夠藉由具有微流道之散熱結構，使液冷散熱能夠具有更均勻的溫度分佈，並達到具有更低的熱阻和更好的散熱性能，應為一最佳解決方案。

本發明之目的即在於提供一種液冷式散熱結構，係能夠藉由具有微流道之散熱結構，使液體循環散熱時，能夠具有更均勻的溫度分佈，並達到具有更低的熱阻和更好的散熱性能。

可達成上述發明目的之一種液冷式散熱結構，係包含了一基座及至少一個散熱鰭片，其中該基座係具有至少一個液體輸入管路、至少一個液體輸出管路及至少一個凹槽，而該凹槽內側係分別與該液體輸入管路及該液體輸出管路連通各形成一個開口；另外該散熱鰭片係具有一能夠嵌入、且封閉該凹槽之板體，而該板體之表面設有複數個能夠嵌入該凹槽之導流片，因此，該導流片係與該凹槽形成複數個容許液體分流之流道，流通於該液體輸入管路及該液體輸出管路之液體，能夠經由進出該凹槽之兩個開口，將液體流動於該複數個流道之間，以使該基座內部能夠進行持續的循環散熱。

更具體的說，所述散熱鰭片之板體上係能夠承載至少一個電子元件，而該電子元件係為絕緣柵雙極電晶體。

更具體的說，所述散熱鰭片之板體係能夠承載至少一個具有電子元件之印刷電路板。

更具體的說，所述基座係為具有散熱特性之材質所製成。

更具體的說，所述散熱鰭片之板體係為具有散熱特性之材質所製成。

更具體的說，所述散熱鰭片之導流片係為具有散熱特性之材質所製成。

更具體的說，所述液體輸入管路係能連接一管路開口接頭，以便透過該管路開口接頭將液體流入該液體輸入管路內部。

更具體的說，所述液體輸出管路係能連接一管路開口接頭，以便透過該管路開口接頭將液體由該液體輸出管路內部流出。

更具體的說，所述液體輸入管路係為一由該入口處向內逐漸縮小之流道。

更具體的說，所述液體輸出管路係為一向該出口處逐漸擴大之流道。

有關於本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

請參閱圖一、圖二、圖三A、圖三B、圖四A、圖四B及圖四C，為本發明液冷式散熱結構之立體分解結構圖、立體結合結構圖、散熱鰭片立體結構圖、散熱鰭片上視圖及液體循環散熱示意圖，由圖中可知，該液冷式散熱結構係包含：一基座1，係具有至少一個液體輸入管路11、至少一個液體輸出管路12及至少一個凹槽13，而該凹槽13內側係分別與該液體輸入管路11及該液體輸出管路12連通各形成一個開口(流入開口14及流出開口15)，用以供流入該液體輸入管路11之散熱液體2能夠通過於該凹槽13，並再由該液體輸出管路12流出；至少一個散熱鰭片3，該散熱鰭片3係具有一能夠嵌入、且封閉該凹槽13之板體31，而該板體31之表面設有複數個能夠嵌入該凹槽13之導流片32，且該導流片32係與該凹槽13形成複數個容許該散熱液體2分流之流道4；因此，如圖四A、圖四B及圖四C所示，該液體輸入管路11入口處111及該液體輸出管路12出口處121係分別連接一入水管接頭51及一出水管接頭52，並由該入水管接頭51將一散熱液體2流入該液體輸入管路11，而該流入開口14係能夠使該散熱液體2進入該凹槽13(如圖四B所示)，並再藉由複數個流道4，使該散熱液體2分流通過該複數個流道4後，該散熱液體2係能夠接觸該散熱鰭片3之板體31，以吸收該板體31散發之熱量；最後，再通過該流出開口15(如圖四C所示)，使該已吸收熱量之散熱液體2流入該液體輸出管路12，並透過該出水管接頭52將已吸收熱量之散熱液體2排出，如此進行散熱液體2持續地進出流動於該複數個流道4之間，即可使該基座1內部能夠進行持續的循環散熱。

值得一提的是，該散熱鰭片3之板體31上係能夠承載至少一個電子元件，而該電子元件係為絕緣柵雙極電晶體。

值得一提的是，該散熱鰭片3之板體31係能夠承載至少一個具有電子元件之印刷電路板。

值得一提的是，該基座1係為具有散熱特性之材質所製成。

值得一提的是，該散熱鰭片3之板體31係為具有散熱特性之材質所製成。

值得一提的是，該散熱鰭片3之導流片32係為具有散熱特性之材質所製成。

值得一提的是，該液體輸入管路11係能連接一管路開口接頭(入水管接頭51)，以便透過該管路開口接頭(入水管接頭51)將散熱液體2流入該液體輸入管路11內部。

值得一提的是，該液體輸出管路12係能連接一管路開口接頭(出水管接頭52)，以便透過該管路開口接頭(出水管接頭52)將散熱液體2由該液體輸出管路12內部流出。

值得一提的是，該液體輸入管路11由該開口14流入凹槽13係為一逐漸擴大之流道，而由該凹槽13之開口15流出液體輸出管路12係為一逐漸縮小之流道，而該流道漸縮及流道漸擴之設計，係能夠控制改變流體之流速及壓力，使該基座1內任何一個凹槽13所流入及流出之液體溫度能夠儘量達到均溫，同時亦能夠調整使凹槽13之間的溫差減少，為了能夠達成凹槽13之間能夠均溫的效果產生。

請參閱圖五A及圖五B，為本發明液冷式散熱結構之實施例立體分解結構圖及實施例立體結合結構圖，由圖中可知，該散熱鰭片3之板體31上係承載了一絕緣柵雙極電晶體6，而該絕緣柵雙極電晶體6上係與一具有電子元件72之印刷電路板71結合；因此，當該絕緣柵雙極電晶體6及該具有電子元件72之印刷電路板71開始運作時，該絕緣柵雙極電晶體6會因為能量的損耗而產生熱量，並將熱量傳遞至該散熱鰭片3之板體31上；而經由循環流動於該複數個流道之間的散熱液體，能夠持續地將板體31上的進行吸收，並持續將已吸收熱量之散熱液體2排出，以使該基座1內部能夠進行將該絕緣柵雙極電晶體6所產生之熱量進行循環散熱。

請參閱圖六，為本發明液冷式散熱結構之散熱效果測試架構圖，由圖中可知，本實驗架構中藉由一恆溫槽91、一電動水泵92、一入口溫度計93、一入口壓力計94、一出口壓力計95、一出口溫度計96及一流量計97，來對該液冷式散熱結構8進行散熱降溫效果測試，而本測試中之液冷式散熱結構8中係具有一入口處81、一出口處85、第一散熱模組82、第二散熱模組83及第三散熱模組84，並於該第一散熱模組82、第二散熱模組83及第三散熱模組84上各自放置兩個加熱裝置(總共六個加熱裝置)，以藉由該電動水泵92將該恆溫槽91之液體抽出輸入該入口處81，並經過該入口溫度計93及入口壓力計94測試輸入液體之溫度及壓力；而該輸入液體通過該第一散熱模組82、第二散熱模組83及第三散熱模組84，能夠藉由該出口處85將液體排出，並由該出口溫度計95、出口壓力計96及流量計97測試所排出液體之溫度、壓力及液體流量，最後能夠藉由所測試之量測資料，即可了解經由該液冷式散熱結構8能夠降低該加熱裝置所產生熱能之降溫效果；因此，本發明藉由三組測試數據資料驗證散熱效果如下：

第一組：

該液冷式散熱結構8之熱阻抗為0.0264(℃/W)，並經由六個加熱裝置所加熱提高溫度後，其中該第一散熱模組82之溫度為45.76℃、第二散熱模組83之溫度為50.81℃及第三散熱模組84之溫度為55.39℃，另外該入口溫度計93所檢測之溫度為25.29℃，且該出口溫度計95所檢測之溫度為27.36℃，由此可知，該第一散熱模組82、第二散熱模組83及第三散熱模組84之溫度能夠藉由流動之液體進行散熱；而第一組所得之解熱量如下：

平均溫度：(45.76+50.81+55.39)/3=50.6533℃

平均水溫：(25.29+27.36)/2=26.325℃

平均溫差：50.6533-26.325=24.33℃

解熱量：24.33/0.0264=921.52W

第二組：

該液冷式散熱結構8之熱阻抗為0.0264(℃/W)，並經由六個加熱裝置所加熱提高溫度後，其中該第一散熱模組82之溫度為61.15℃、第二散熱模組83之溫度為66.13℃及第三散熱模組84之溫度為67.61℃，另外該入口溫度計93所檢測之溫度為39.77℃，且該出口溫度計95所檢測之溫度為41.74℃，由此可知，該第一散熱模組82、第二散熱模組83及第三散熱模組84之溫度能夠藉由流動之液體進行散熱；而第二組所得之解熱量如下：

平均溫度：(61.15+66.13+67.61)/3=64.963℃

平均水溫：(39.77+41.74)/2=40.755℃

平均溫差：50.6533-26.325=24.208℃

解熱量：24.208/0.0264=916.96W

第三組：

該液冷式散熱結構8之熱阻抗為0.0264(℃/W)，並經由六個加熱裝置所加熱提高溫度後，其中該第一散熱模組82之溫度為85.74℃、第二散熱模組83之溫度為90.16℃及第三散熱模組84之溫度為92.57℃，另外該入口溫度計93所檢測之溫度為64.28℃，且該出口溫度計95所檢測之溫度為66.05℃，由此可知，該第一散熱模組82、第二散熱模組83及第三散熱模組84之溫度能夠藉由流動之液體進行散熱；而第三組所得之解熱量如下：

平均溫度N：(85.74+90.16+92.57)/3=89.49℃

平均水溫：(64.28+66.05)/2=65.165℃

平均溫差：89.49-65.165=24.325℃

解熱量：24.208/0.0264=921.4W

藉由上述三組實驗數據，可證明本發明散熱結構，確實具有良好的散熱效果。

本發明所提供之一種液冷式散熱結構，與其他習用技術相互比較時，更具備下列優點：

1.　本發明藉由具有微流道之散熱結構，使散熱液體通過時，能夠分流進行不斷地帶走熱量，以使該板體之溫度散發得更均勻，並具有更低的熱阻及更好的散熱效果。

2.　本發明係能夠藉由外在控制其散熱液體流入及流出的速度，以進行控制內部液體散熱循環之強度。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

1．．．基座

11．．．液體輸入管路

111．．．入口處

12．．．液體輸出管路

121．．．出口處

13．．．凹槽

14．．．流入開口

15．．．流出開口

2．．．散熱液體

3．．．散熱鰭片

31．．．板體

32．．．導流片

4．．．流道

51．．．入水管接頭

52．．．出水管接頭

6．．．絕緣柵雙極電晶體

71．．．印刷電路板

72．．．具有電子元件

8．．．液冷式散熱結構

81．．．入口處

82．．．第一散熱模組

83．．．第二散熱模組

84．．．第三散熱模組

85．．．出口處

91．．．恆溫槽

92．．．電動水泵

93．．．入口溫度計

94．．．入口壓力計

95．．．出口壓力計

96．．．出口溫度計

97．．．流量計

圖一為本發明一種液冷式散熱結構之立體分解結構圖；

圖二為該液冷式散熱結構之立體結合結構圖；

圖三A為該液冷式散熱結構之散熱鰭片立體結構圖；

圖三B為該液冷式散熱結構之散熱鰭片上視圖；

圖四A為該液冷式散熱結構之液體循環散熱示意圖；

圖四B為該液冷式散熱結構之液體循環散熱示意圖；

圖四C為該液冷式散熱結構之液體循環散熱示意圖；

圖五A為該液冷式散熱結構之實施例立體分解結構圖；

圖五B為該液冷式散熱結構之實施例立體結合結構圖；以及

圖六為該液冷式散熱結構之散熱效果測試架構圖。

1‧‧‧基座

111‧‧‧入口處

121‧‧‧出口處

13‧‧‧凹槽

14‧‧‧流入開口

15‧‧‧流出開口

3‧‧‧散熱鰭片

31‧‧‧板體

51‧‧‧入水管接頭

52‧‧‧出水管接頭

Claims (11)

1. 一種液冷式散熱結構，係包括：一基座，係具有至少一個液體輸入管路、至少一個液體輸出管路及至少一個凹槽，而該凹槽內側係分別與該液體輸入管路及該液體輸出管路連通各形成一個開口，用以供流入該液體輸入管路之液體能夠通過於該凹槽時，並再由該液體輸出管路流出；至少一個散熱鰭片，該散熱鰭片係具有一能夠嵌入、且封閉該凹槽之板體，而該板體之表面設有複數個能夠嵌入該凹槽之導流片；藉此，使該導流片與該凹槽形成複數個容許液體分流之流道，流通於該液體輸入管路及該液體輸出管路之液體，能夠經由進出該凹槽之兩個開口，將液體流動於該複數個流道之間，以使該基座內部能夠進行持續的循環散熱。
2. 如申請專利範圍第1項所述液冷式散熱結構，其中該散熱鰭片之板體上係能夠承載至少一個電子元件。
3. 如申請專利範圍第2項所述液冷式散熱結構，其中該電子元件係為絕緣柵雙極電晶體。
4. 如申請專利範圍第1項所述液冷式散熱結構，其中該散熱鰭片之板體係能夠承載至少一個具有電子元件之印刷電路板。
5. 如申請專利範圍第1項所述液冷式散熱結構，其中該基座係為具有散熱特性之材質所製成。
6. 如申請專利範圍第1項所述液冷式散熱結構，其中該散熱鰭片之板體係為具有散熱特性之材質所製成。
7. 如申請專利範圍第1項所述液冷式散熱結構，其中該散熱鰭片之導流片係為具有散熱特性之材質所製成。
8. 如申請專利範圍第1項所述液冷式散熱結構，其中該液體輸入管路係能連接一管路開口接頭，以便透過該管路開口接頭將液體流入該液體輸入管路內部。
9. 如申請專利範圍第1項所述液冷式散熱結構，其中該液體輸出管路係能連接一管路開口接頭，以便透過該管路開口接頭將液體由該液體輸出管路內部流出。
10. 如申請專利範圍第1項所述液冷式散熱結構，其中該液體輸入管路由與液體輸入管路連通之開口流入凹槽係為一逐漸擴大之流道。
11. 如申請專利範圍第1項所述液冷式散熱結構，其中該凹槽由與該液體輸出管路連通之開口流出液體輸出管路係為一逐漸縮小之流道。