TWI804756B - 氣液相流熱交換單元 - Google Patents

Abstract

一種氣液相流熱交換單元，係包含一第一蓋體，具有一第一側、一第二側、一蒸汽出口及一液體入口，該蒸汽出口及該液體入口連通該第一、二側；一第二蓋體，具有一第三側、一第四側，該第一、二蓋體對應蓋合並共同界定一熱交換空間，該熱交換空間內設有一工作流體及一分流單元，該分流單元係用以將該熱交換空間區隔為一蒸發區及一回水區，該蒸發區對應該蒸汽出口，該回水區對應該液體入口；藉此透過汽液循環原理取代傳統馬達作為工作流體之驅動源，進而縮小整體之體積，並減少設計及製造成本。

Description

氣液相流熱交換單元

本發明係有關於熱交換單元及其熱交換模組，特別指一種氣液相流熱交換單元。

按，由於計算技術的演進，各種電子裝置或電腦設備的內部的電子元件在運作時都會產生相當高的溫度，而高溫容易造成元件的損壞。因此，散熱機制便是維持這些電子元件正常運作相當重要且必須的設計。一般的散熱設計除了以風扇提供氣流作對流冷卻，或是以特殊材質的散熱裝置進行貼附而產生傳導降溫之外，水冷式機制亦是一種有效而常見的散熱設計。

水冷式散熱系統的原理簡單來說，一般是以液體(例如水或冷卻劑)作為散熱媒介，並利用一個持續運作的泵浦在水冷系統內形成不斷的循環。液體在密閉的管道內流動，而這些管道則分佈至系統內的各電子元件(例如中央處理單元)的表面上。當溫度相對較低的液體流經這些溫度相對較高的電子元件時，便會吸收其熱量以減緩其溫度的升高。接著，再隨著管路對外界或其他散熱機制進行熱交換來釋放熱量以降低液體的溫度，並再使液體重新回到系統內進行循環與散熱。然而，水冷式散熱系統必須設置泵浦，否則無法驅動液體循環流動，由於泵浦馬達具有一定體積，一般電子裝置或電腦設備的機體內部空間有限，難以設置水冷式散熱系統。此外，泵浦馬達在運轉過程也會產生熱 量，故需另外設計泵浦馬達的散熱機制，一般是以水冷式散熱系統內部的液體對泵浦馬達進行散熱，另外，水冷裝置必須慎防漏水問題，一旦發生漏水將造成電子設備內部電子元件損毀。

因此，水冷式散熱系統在內部空間越來越小的電子裝置內的設計及製造成本越來越高，解決上述問題係為本領域研究人員所要努力的方向。

本發明之一目的係為省略馬達的設置，縮小熱交換單元及散熱裝置的體積以便安裝在電子裝置內，同時降低設計及製造成本。

為達成上述之目的，本發明提供一種氣液相流熱交換單元，係包含：一第一蓋體，具有一第一側、一第二側、一蒸汽出口及一液體入口，該蒸汽出口及該液體入口分隔設置並連通該第一、二側；一第二蓋體，具有一第三側、一第四側，該第一、二蓋體對應蓋合並共同界定一熱交換空間設有一工作流體；及一分流單元，設於前述熱交換空間內並將該熱交換空間分隔為一蒸發區及一回水區，該蒸發區對應該蒸汽出口，該回水區對應該液體入口。

為達成上述之目的，本發明另外提供一種氣液相流熱交換裝置，係包含：一氣液相流熱交換單元，包含：一第一蓋體，具有一第一側、一第二側、一蒸汽出口及一液體入口，該蒸汽出口及該液體入口分隔設置並連通該第一、二側；一第二蓋體，具有一第三側、一第四側，該第一、二蓋體對應蓋合並共同界定一熱交換空間，該熱交換空間其內設有一工作流體及一分流單元，且該熱交換空間被所述之分流單元分隔為一蒸發區及一回水區，該蒸發區對應該蒸汽出口，該回水區對應該液體入口；及一散熱裝置，具有一散熱裝置出口及一散 熱裝置入口，透過一第一管體連通該蒸汽出口及該散熱裝置入口，透過一第二管體連通該液體入口及該散熱裝置出口。

藉由本發明此設計，不需設置馬達，仍然能使工作流體驅動及循環，可以達到縮小熱交換單元及熱交換模組的體積，並減少設計及製造成本。

1:氣液相流熱交換單元

11:第一蓋體

111:第一側

112:第二側

113:蒸汽出口

114:液體入口

12:第二蓋體

121:第三側

122:第四側

123:毛細結構層

13:分流單元

131:上側面

132:下側面

133:第一通道

134:第一鰭片

135:槽道

136:蒸汽空間

137:開口

138:鰭柱

1381:連接體

139:上板

14:第一接頭

141:第一出口

142:第一入口

143:出氣腔室

15:第二接頭

151:第二出口

152:第二入口

153:回水腔室

16:熱交換空間

161:蒸發區

162:回水區

17:工作流體

2:散熱裝置

201:散熱裝置出口

202:散熱裝置入口

21:冷凝器

211:散熱鰭片組

212:管道

213:上保護板

214:下保護板

215:子通道

22:集氣接頭

221:第一穿孔

222:集氣腔室

23:集水接頭

231:第二穿孔

232:集水腔室

3:第一管體

4:第二管體

下列圖式之目的在於使本發明能更容易被理解，於本文中會詳加描述該些圖式，並使其構成具體實施例的一部份。透過本文中之具體實施例並參考相對應的圖式，俾以詳細解說本發明之具體實施例，並用以闡述創作之作用原理。第1圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第一實施例之立體分解圖；第2圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第一實施例之立體組合圖；第3圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第2圖A-A線剖視圖；第4圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第二實施例之立體分解圖；第5圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第三實施例之立體分解圖；第6圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第三實施例之立體分解圖另一視角；第7圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第三實施例之組合剖示圖；第8圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第三實施例之局部剖示圖；第9圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第三實施例之替代實施例示意圖；第10圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第三實施例之替代實施例示意圖；第11圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第四實施例之立體分解圖；第12圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第五實施例之散熱裝置立體分解圖； 第13圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第五實施例之散熱裝置立體組合圖；第14圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第五實施例之立體組合圖；第15圖係為本發明氣液相流熱交換單元之第五實施例之局部剖示圖。

本發明之上述目的及其結構與功能上的特性，將依據所附圖式之較佳實施例予以說明。

請參考第1、2及3圖，係為本發明氣液相流熱交換單元之第一實施例之立體分解圖及立體組合圖及第2圖A-A線剖視圖，如圖所示，本發明所述氣液相流熱交換單元1係包含一第一蓋體11、一第二蓋體12、一分流單元13、一第一接頭14及一第二接頭15，於具體實施中，所述氣液相流熱交換單元1係用於貼設於一發熱元件(未繪示)上。

該第一蓋體11具有一第一側111、一第二側112、一蒸汽出口113及一液體入口114，該第一、二側111、112分設於該第一蓋體11上、下兩側，該蒸汽出口113及該液體入口114分隔設置並連通該第一、二側111、112。

該第二蓋體12具有一第三側121及一第四側122，該第三、四側121、122分設於該第二蓋體12上、下兩側，將上述之該第一、二蓋體11、12對應蓋合可共同界定一設有一工作流體17之熱交換空間16。

該分流單元13設於前述熱交換空間16內並將該熱交換空間16分(區)隔為一蒸發區161及一回水區162，該蒸發區161係對應該蒸汽出口113，該回水區162則對應該液體入口114，該工作流體17在該蒸發區161蒸發後從該 蒸氣出口113流出，該工作流體17於外界冷凝後從該液體入口114再流入該回水區162，並使該工作流體17從該回水區162回流到該蒸發區161。

本發明中該分流單元13係可為一毛細結構，用以分隔該蒸汽出口113及該液體入口114，該毛細結構可加速冷凝後的工作流體回流至該蒸發區161，並令該第二蓋體12的第四側122貼設於發熱元件時，可使該工作流體17受熱蒸發，由於該蒸發區161及該回水區162被該分流單元13分隔，故可防止蒸發後的工作流體17堵塞該液體入口114或往該液體入口114倒流。

該第一接頭14係接合該第一蓋體11或與該第一蓋體11一體成形，該第一接頭14具有一第一出口141、一第一入口142及一出氣腔室143，該第一出、入口141、142分別連通該出氣腔室143，該第一入口142對應連通該蒸汽出口113。在一替代實施例中，該第一接頭14還具有一除氣填水口(未繪示)連通該出氣腔室143，該除氣填水口係用以填入可進行氣液相變化的工作流體17，以及用以抽除該氣液相流熱交換單元1內部的非凝結氣體，在除氣填水結束後對該除氣填水口進行密封，所述工作流體17係例如為純水、甲醇等。

該第二接頭15係接合該第一蓋體11或與該第一蓋體11一體成形，該第二接頭15具有一第二出口151、一第二入口152及一回水腔室153，該第二出、入口151、152分別連通該回水腔室153，該第二出口151對應連通該液體入口114。

在一替代實施例中，所述的氣液相流熱交換單元1係可省略不設置該第一、二接頭14、15，而將管體直接接合在該第一蓋體11的蒸汽出口113及該液體入口114。

藉由本發明此設計，該蒸發區161的工作流體17受熱蒸發後(第3圖中的空心箭頭)，該第一蓋體11具有聚集蒸汽的效果，因為蒸發後的工作流體17會往壓力較小的位置推動，故蒸發後的工作流體17會往該第一接頭14的出氣腔室143推動，並從該第一出口141流出，相反地，冷凝後的工作流體17受到蒸發後的工作流體17不斷推動，便會從該第二接頭15的第二入口152流入該回水腔室153，並流入該回水區162，故不需設置馬達則仍然能驅動工作流體驅動及循環，可以達到縮小熱交換單元的體積，並減少設計及製造成本。

請參閱第4圖，係為本發明氣液相流熱交換單元之第二實施例之立體分解圖，並輔以參閱第1、2、3圖，如圖所示，本實施例部分結構及功能係與上述第一實施例相同，故在此將不再贅述，惟本實施例與上述第一實施例之不同處係為，該毛細結構對應該蒸汽出口113開設一蒸汽空間136，該蒸汽空間136連通該蒸汽出口113及該蒸發區161。

藉此，令蒸發後的工作流體17可快速向該蒸汽出口113垂直方向導出，減少蒸發後的工作流體17堵塞在該液體入口114的機率。

請參閱第5、6、7圖，係為本發明氣液相流熱交換單元之第三實施例之立體分解圖及立體分解圖另一視角及組合剖視圖，並輔以參閱第1、2、3圖，如圖所示，本實施例部分結構及功能係與上述第一實施例相同，故在此將不再贅述，惟本實施例該分流單元13係選擇一鰭片組導流件來做說明，該鰭片組導流件係具有一上側面131、一下側面132、複數通道133、複數鰭片134及至少一槽道135。

該等鰭片134具有兩呈垂直之側邊，並相鄰之兩鰭片134透過相鄰之兩側邊相互搭接或扣接形成該上、下側面131、132，兩相鄰鰭片134之間界定所述 通道133，該上側面131對應該蒸汽出口113開設一開口137與該等通道133及該等鰭片134之間界定所述連通，該槽道135開設於該下側面132，並貫通該等鰭片134及該等通道133令該回水區162連通該蒸發區161。在本實施例中，該槽道135係表示為兩個槽道135，但並不侷限於此，在其他實施例中，該槽道135的數量也可以為一個或三個以上的槽道，藉由該槽道135冷凝後的工作流體17可快速且平均的流入該等通道133，且該等鰭片134可加快工作流體17的吸熱速度。

藉由該上側面131及該等鰭片134限定了該開口137的方向，使蒸發後的工作流體17可快速向該蒸汽出口113垂直方向導出，減少蒸發後的工作流體17堵塞在該液體入口114的機率(第8圖中的箭頭)。

在另一替代實施例，該第二蓋體12的第三側121設置有一毛細結構層123，該毛細結構層123係設置於該分流單元13及該第二蓋體12之間，該毛細結構層123可令冷凝後的工作流體17快速回流至該槽道135及該等通道133(如第9圖所示)。

在另一替代實施例，該分流單元13也可以改設置為一鰭柱導流件(如第10圖所示)具有一上板139、複數通道133及複數鰭柱138，該上板139延伸設有所述鰭柱138，該等鰭柱138之間界定所述通道133，該上板139開設一開口137與該等通道133及該等鰭柱138連通，並該等鰭柱138係直接成型魚上板139上，或透過複數連接體1381相互連接，該等通道133令該回水區162連通該蒸發區161。

請參閱第11圖，係為本發明氣液相流熱交換單元之第四實施例之立體分解圖，並輔以參閱第5至10圖，如圖所示，本實施例部分結構及功能係與上 述第三實施例相同，故在此將不再贅述，惟本實施例與上述第三實施例之不同處係為，該等鰭片134對應該開口137開設一蒸汽空間136，該蒸汽空間136連通該等通道133及該開口137，該蒸汽空間136連通該蒸汽出口113及該蒸發區161。

請參閱第12、13、14及15圖，係為本發明氣液相流熱交換裝置之第五實施例之散熱裝置立體分解圖、散熱裝置立體組合圖、立體組合圖及局部剖示圖，並輔以參閱第1至12圖，如圖所示，本實施例氣液相流熱交換裝置具有一氣液相流熱交換單元1，該氣液相流熱交換單元1連接一散熱裝置2，該氣液相流熱交換單元1部分結構及功能係與上述第一、二實施例相同，故在此將不再贅述，惟本實施例與上述第一、二實施例之不同處係為，該散熱裝置2具有一散熱裝置出口201及一散熱裝置入口202，透過一第一管體3連通該蒸汽出口113及該散熱裝置入口202，透過一第二管體4連通該液體入口114及該散熱裝置出口201。

在本實施例中，該散熱裝置2包含一冷凝器21、一集氣接頭22及一集水接頭23。該冷凝器21具有複數散熱鰭片組211，該等散熱鰭片組211係分別呈堆疊間隔排列，並兩相鄰散熱鰭片組211之間並排設有複數管道212。該冷凝器21上側設有一上保護板213，該冷凝器21下側設有一下保護板214。

該集氣接頭22具有複數第一穿孔221及一集氣腔室222，該散熱裝置入口202及該等第一穿孔221分別連通該集氣腔室222，為便於理解，在第11圖中該集氣接頭22係以局部剖視表示。

該集水接頭23具有複數第二穿孔231及一集水腔室232，該散熱裝置出口201及該等第二穿孔231分別連通該集水腔室，為便於理解，在第9圖中該集 水接頭23係以局部剖視表示，該等管道212一端插設該等第一穿孔221並連通該集氣腔室222，及該等管道212另一端插設該等第二穿孔231並連通該集水腔室232，該等管道212內部分別設有複數子通道215連通該集氣腔室222及該集水腔室232。

請參考第15圖表示工作流體的箭頭方向，該熱交換空間16內的工作流體吸收發熱源的熱量後蒸發，蒸發後的工作流體通過該第一蓋體11的蒸汽出口113，並經過該第一接頭14的液體入口114進入該出氣腔室143，然後從該第一出口141通過該第一管體3傳輸到該散熱裝置2。

蒸發後的工作流體通過該散熱裝置2的散熱裝置入口202進入該集氣接頭22的集氣腔室222，接著透過該等管道212將工作流體17傳輸到該集水接頭23。在工作流體17通過該等管道212的過程中，工作流體17的熱量被該等散熱鰭片211吸收並輻射到外界環境達到散熱降溫的效果，進而使工作流體17冷凝。冷凝後的工作流體17進入該集水接頭23的集水腔室232，接著從該散熱裝置出口201通過該第二管體4傳輸到該氣液相流熱交換單元1。

冷凝後的工作流體17通過該氣液相流熱交換單元1的第二接頭15的第二入口152進入該回水腔室153，接著通過該第二出口151及該第一蓋體111的液體入口114進入該熱交換空間16。藉此，透過工作流體蒸發及冷凝產生的高低壓差推動工作流體不斷循環。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請範圍所作之均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明之專利涵蓋範圍。

1:氣液相流熱交換單元

11:第一蓋體

111:第一側

112:第二側

113:蒸汽出口

114:液體入口

12:第二蓋體

121:第三側

122:第四側

13:分流單元

14:第一接頭

141:第一出口

142:第一入口

15:第二接頭

151:第二出口

152:第二入口

Claims (8)

1. 一種氣液相流熱交換單元，係包含：一第一蓋體，具有一第一側、一第二側、一蒸汽出口及一液體入口，該第一、二側分別為該第一蓋體的一上側及一下側，該蒸汽出口及該液體入口分隔設置在該第一蓋體且從該第一側貫穿至該第二側；一第二蓋體，具有一第三側、一第四側，該第一、二蓋體對應蓋合並共同界定一熱交換空間設有一工作流體；一分流單元，設於前述熱交換空間內並區隔該熱交換空間為一蒸發區及一回水區，該蒸發區對應該第一蓋體的該蒸汽出口，該回水區對應該第一蓋體的該液體入口；一第一接頭，係接合該第一蓋體的該第一側上或與該第一蓋體的該第一側一體成形，該第一接頭具有一第一出口、一第一入口及一出氣腔室係分別連通該第一出口及該第一入口，該第一入口位在該蒸發區上方連通該第一蓋體的該蒸汽出口；一第二接頭，係接合該第一蓋體的該第一側上或與該第一蓋體的該第一側一體成形，該第二接頭具有一第二出口、一第二入口及一回水腔室係分別連通該第二出口及該第二入口，該第二出口位在該回水區上方連通該第一蓋體的該液體入口；及藉由該分流單元分隔該蒸發區及該回水區內的一工作流體，令該工作流體分別朝該蒸發區上方的該蒸汽出口流出及從該液體入口向下回流至該回流區，藉以達到汽液分離而不相互阻礙。
2. 如申請專利範圍第1項所述的氣液相流熱交換單元，其中該分流單元係為一毛細結構。
3. 如申請專利範圍第2項所述的氣液相流熱交換單元，其中該毛細結構對應該蒸汽出口開設一蒸汽空間，該蒸汽空間連通該蒸汽出口及該蒸發區。
4. 如申請專利範圍第1項所述的氣液相流熱交換單元，其中該分流單元係為一鰭片組導流件具有一上側面、一下側面、複數通道、複數鰭片及至少一槽道，該等鰭片具有兩呈垂直之側邊，並相鄰之兩鰭片透過相鄰之兩側邊相互搭接或扣接形成該上、下側面，兩相鄰鰭片之間界定所述通道，該上側面對應該蒸汽出口開設一開口與該等通道及該等鰭片連通，該槽道開設於該下側面，並貫通該等鰭片及該等通道令該回水區連通該蒸發區。
5. 如申請專利範圍第4項所述的氣液相流熱交換單元，其中該等鰭片對應該開口開設一蒸汽空間，該蒸汽空間連通該等通道及該開口，該蒸汽空間連通該蒸汽出口及該蒸發區。
6. 如申請專利範圍第4項所述的氣液相流熱交換單元，更包含一毛細結構層設於該第二蓋體的第三側及該分流單元的下側面之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述的氣液相流熱交換單元，其中該分流單元係為一鰭柱組導流件具有一上板、複數通道及複數鰭柱，該上板延伸設有所述鰭柱，該等鰭柱之間界定所述通道，該上板開設一開口與該等通道及該等鰭柱連通，該等通道令該回水區連通該蒸發區。
8. 如申請專利範圍第1項所述的氣液相流熱交換單元，其中該氣液相流熱交換單元更連接一散熱裝置，該散熱裝置具有一散熱裝置出口及一散熱裝置入口，透過一第一管體連通該蒸汽出口及該散熱裝置入口，透過一第二管體連通該液體入口及該散熱裝置出口。

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