TWI806719B - 透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統 - Google Patents

透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統 Download PDF

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一種透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統，控制裝置依據工作溫度訊號生成控制第一流入氣體出口的閥門關閉以及第一流出氣體入口的閥門關閉的關閉指令，且控制裝置生成控制第二流入氣體出口的閥門開啟以及第二流出氣體入口的閥門開啟的開啟指令，真空裝置啟動使氣流管道內的氣壓隨時間降低形成低壓狀態，藉此使氣流管道中的冷卻液的沸點下降以使冷卻液迅速沸騰汽化提供對熱源裝置的散熱，藉此可以達成透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化提高散熱效率的技術功效。

Description

透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統
一種散熱系統，尤其是指一種透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化提高散熱效率的散熱系統。
在高發熱量電子產品的散熱技術方面，目前以液冷式為主流，藉由液體流動時邊界層較氣體薄且熱傳導係數較氣體高的緣故，液冷式的散熱系統似乎佔有散熱技術的優勢，但若從環境保護以及生物毒性來考慮，液冷式散熱系統有其先天上的缺點。為了防凍防腐蝕，液冷式散熱系統所使用的液體乙二醇、丙二醇或是氟化液體都對人體有毒性或是可以造成溫室效應。
綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在液冷式散熱系統所使用的冷卻液具備毒性且需要進一步對廢液進行處理的問題，因此有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。
有鑒於先前技術存在液冷式散熱系統所使用的冷卻液具備毒性且需要進一步對廢液進行處理的問題，本發明遂揭露一種透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統，其中：本發明所揭露的透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統，其包含：渦流管裝置、流入電磁閥、熱源裝置、真空裝置、第一流出電磁閥、第二流出電磁閥、霧化裝置以及控制裝置。
渦流管裝置具有氣體入口以及低溫氣體出口。
流入電磁閥具有流入氣體入口、第一流入氣體出口以及第二流入氣體出口，流入氣體入口與低溫氣體出口相連，依據閥門指令控制第一流入氣體出口的閥門開啟幅度，依據關閉指令控制第一流入氣體出口的閥門關閉，依據開啟指令控制第二流入氣體出口的閥門開啟。
熱源裝置具有熱源氣體入口以及熱源氣體出口，熱源氣體入口與第一流入氣體出口相連，熱源裝置提供工作溫度訊號。
真空裝置具有第一真空氣體入口、第二真空氣體入口以及真空氣體出口，第一真空氣體入口與第二流入氣體出口相連，第二真空氣體入口與熱源氣體出口相連。
第一流出電磁閥具有第一流出氣體入口以及第一流出氣體出口，第一流出氣體入口與熱源氣體出口以及第二真空氣體入口相連，依據關閉指令控制第一流出氣體入口的閥門關閉。
第二流出電磁閥具有第二流出氣體入口以及第二流出氣體出口，第二流出氣體入口與真空氣體出口相連，依據開啟指令控制第二流出氣體入口的閥門開啟。
霧化裝置與第一流入氣體出口以及熱源氣體入口相連，霧化裝置依據啟動指令將霧化後的冷卻液添加於第二流通管道，霧化裝置依據停止指令停止將霧化後的冷卻液添加於第二流通管道。
控制裝置分別與流入電磁閥、第一流出電磁閥、第二流出電磁閥、熱源裝置以及霧化裝置形成電性連接，控制裝置自熱源裝置取得工作溫度訊號，控制裝置依據工作溫度訊號生成閥門指令、關閉指令或是開啟指令。
當第一流入氣體出口的閥門關閉以及第一流出氣體入口的閥門關閉，且第二流入氣體出口的閥門開啟以及第二流出氣體入口的閥門開啟時，真空裝置啟動使第二流通管道、熱源裝置的氣流管道以及第四流通管道內的氣壓隨時間降低形成低壓狀態，藉此使第二流通管道、熱源裝置的氣流管道以及第四流通管道中的冷卻液的沸點下降以使冷卻液迅速沸騰汽化提供對熱源裝置的散熱。
本發明所揭露的系統如上，與先前技術之間的差異在於控制裝置依據工作溫度訊號生成控制第一流入氣體出口的閥門關閉以及第一流出氣體入口的閥門關閉的關閉指令，且控制裝置生成控制第二流入氣體出口的閥門開啟以及第二流出氣體入口的閥門開啟的開啟指令，真空裝置啟動使氣流管道內的氣壓隨時間降低形成低壓狀態，藉此使氣流管道中的冷卻液的沸點下降以使冷卻液迅速沸騰汽化提供對熱源裝置的散熱。
透過上述的技術手段，本發明可以達成透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化提高散熱效率的技術功效。
10:渦流管裝置
11:氣體入口
12:低溫氣體出口
13:高溫氣體出口
20:流入電磁閥
21:流入氣體入口
22:第一流入氣體出口
23:第二流入氣體出口
30:熱源裝置
31:熱源氣體入口
32:熱源氣體出口
40:真空裝置
41:第一真空氣體入口
42:第二真空氣體入口
43:真空氣體出口
50:第一流出電磁閥
51:第一流出氣體入口
52:第一流出氣體出口
60:第二流出電磁閥
61:第二流出氣體入口
62:第二流出氣體出口
70:霧化裝置
80:控制裝置
91:第一流通管道
92:第二流通管道
93:第三流通管道
94:第四流通管道
95:第五流通管道
第1圖繪示為本發明透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統的系統方塊圖。
以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。
以下首先要說明本發明所揭露的透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統，並請參考「第1圖」所示，「第1圖」繪示為本發明透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統的系統架構圖。
本發明所揭露的透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統，其包含：渦流管裝置10、流入電磁閥20、熱源裝置30、真空裝置40、第一流出電磁閥50、第二流出電磁閥60、霧化裝置70以及控制裝置80。
渦流管裝置10具有氣體入口11、低溫氣體出口12以及高溫氣體出口13，壓縮後的常溫氣體由渦流管裝置10的氣體入口11注入後，渦流管裝置10即可將壓縮後的常溫氣體分為由低溫氣體出口12流出的高速低溫氣體以及由高溫氣體出口13流出的高速高溫氣體，藉以實現將常溫氣體快速升溫與降溫的目的。
在「第1圖」中，流入電磁閥20可以使用電磁式比例閥、電磁式調節閥…等，在此僅為舉例說明之，並不以侷限本發明的應用範疇，流入電磁閥20具有流入氣體入口21、第一流入氣體出口22以及第二流入氣體出口23，流 入氣體入口21透過第一流通管道91與低溫氣體出口12相連，流入電磁閥20可依據閥門指令控制第一流入氣體出口22的閥門開啟幅度，藉此可以調整第一流入氣體出口22的氣體流速，流入電磁閥20亦可依據關閉指令控制第一流入氣體出口22的閥門關閉，以及流入電磁閥20依據開啟指令控制第二流入氣體出口23的閥門開啟。
熱源裝置30具有熱源氣體入口31以及熱源氣體出口32，熱源氣體入口31透過第二流通管道92與第一流入氣體出口22相連，熱源裝置30可以是由散熱裝置、均溫裝置、晶片以及電路板的組合，熱源裝置30也可以是由散熱裝置與均溫裝置的整合、晶片以及電路板的組合，在此僅為舉例說明之，並不以此侷限本發明的應用範疇，熱源裝置30即可透過電路板提供工作溫度訊號。
真空裝置40具有第一真空氣體入口41、第二真空氣體入口42以及真空氣體出口43，第一真空氣體入口41透過第三流通管道93與第二流入氣體出口23相連，第二真空氣體入口42透過第四流通管道94與熱源氣體出口32相連。
第一流出電磁閥50具有第一流出氣體入口51以及第一流出氣體出口52，第一流出氣體入口51透過第四流通管道94與熱源氣體出口32以及第二真空氣體入口42相連，第一流出電磁閥50可以依據關閉指令控制第一流出氣體入口51的閥門關閉。
第二流出電磁閥60具有第二流出氣體入口61以及第二流出氣體出口62，第二流出氣體入口61透過第五流通管道95與真空氣體出口43相連，第二流出電磁閥60可以依據開啟指令控制第二流出氣體出口62的閥門開啟。
霧化裝置70是對冷卻液進行霧化，霧化裝置70透過第二流通管道92與第一流入氣體出口22以及熱源氣體入口31相連，霧化裝置70依據啟動指令 將霧化後的冷卻液添加於氣流管道(即第二流通管道92)，霧化裝置70依據停止指令停止將霧化後的冷卻液添加於氣流管道，透過於第二流通管道92添加霧化後的冷卻液更可以提高對熱源裝置30的散熱效能，冷卻液例如是：水，在此僅為舉例說明之，並不以此侷限本發明的應用範疇。
控制裝置80分別與流入電磁閥20、第一流出電磁閥50、第二流出電磁閥60、熱源裝置30以及霧化裝置70形成電性連接，控制裝置80自熱源裝置30取得工作溫度訊號後，控制裝置80即可依據熱源裝置30的工作溫度訊號生成控制第一流入氣體出口22的閥門指令以提供閥門指令至流入電磁閥20，在此同時，控制裝置80亦可依據熱源裝置30的工作溫度訊號生成控制霧化裝置70的開啟指令或是關閉指令以提供開啟指令或是關閉指令至霧化裝置70。
當控制裝置80生成控制霧化裝置70關閉的關閉指令時，控制裝置80會同時生成控制流入電磁閥20的第一流入氣體出口22關閉的關閉指令以及控制第一流出電磁閥50的第一流出氣體入口51關閉的關閉指令，控制裝置80同時或是延遲一段預設時間後生成控制流入電磁閥20的第二流入氣體出口23開啟的開啟指令以及控制第二流出電磁閥60的第二流出氣體入口61開啟的開啟指令。
流入電磁閥20以及第一流出電磁閥50分別自控制裝置80接收到關閉指令時，流入電磁閥20即可依據關閉指令控制第一流入氣體出口22的閥門關閉，並且第一流出電磁閥50可以依據關閉指令控制第一流出氣體入口51的閥門關閉，在此同時或是延遲一段預設時間後，流入電磁閥20以及第二流出電磁閥60分別自控制裝置80接收到開啟指令，流入電磁閥20即可依據開啟指令控制 第二流入氣體出口23的閥門開啟，並且第二流出電磁閥60可以依據開啟指令控制第二流出氣體出口62的閥門開啟。
透過上述對於流入電磁閥20的第一流入氣體出口22、流入電磁閥20的第二流入氣體出口23、第一流出電磁閥50的第一流出氣體入口51以及第二流出電磁閥60的第二流出氣體出口62的閥門開啟與關閉的控制，藉此可以實現管道切換控制，此時真空裝置40啟動使氣流管道(即第二流通管道92、熱源裝置30的氣流管道以及第四流通管道94)內的氣壓隨時間降低形成低壓狀態，藉此使氣流管道(即第二流通管道92、熱源裝置30的氣流管道以及第四流通管道94)中的冷卻液的沸點下降以使冷卻液迅速沸騰汽化提供對熱源裝置30的散熱並且可以避免霧化後的於冷卻液於氣流管道(即第二流通管道92、熱源裝置30的氣流管道以及第四流通管道94)中產生堆積而造成散熱效率下降。
除了上述控制裝置80對真空裝置40的控制方式之外，控制裝置80更可進一步透過下列評估方式對真空裝置40的控制。
霧化後的冷卻液沸騰汽化的熱傳速度與熱源裝置30的工作溫度有一定關係，當熱源裝置30的工作溫度越高時冷卻液沸騰汽化的熱傳速度也越高，霧化後的冷卻液附著於熱源裝置30的散熱裝置(一般即為散熱鰭片，在此僅為舉例說明之，並不以此侷限本發明的應用範疇)形成薄膜開始吸收熱量，為了維持對熱源裝置30的散熱裝置額定散熱能力，必須在薄膜溫度達到設計值時再開啟真空裝置40，使薄膜吸收熱量的模式轉變為沸騰蒸發，藉此真空裝置40的開啟時間必須搭配霧化裝置70將霧化後的冷卻液添加於氣流管道(即第二流通管道92、熱源裝置30的氣流管道以及第四流通管道94)的結束時間，透過下列公式可以進行評估：
Figure 111128395-A0305-02-0011-1
其中，
Figure 111128395-A0305-02-0011-10
在過程中為變數，所以必須引入參數β修正平均熱傳速率，L為薄膜厚度，k為冷卻液的熱傳導係數，ρ為冷卻液的密度，C p 為冷卻液的比熱。
當真空裝置40被開啟時，熱源裝置30內氣流管道壓力降低，附著於熱源裝置30的散熱裝置所形成的薄膜將會沸騰蒸發，進而使熱源裝置30的工作溫度下降，又因熱源裝置30的工作溫度降低帶來材料收縮的效應，為了限制應變量則必須降低熱源裝置30的溫工作度變化。
為了達到此目的，可以藉由控制真空裝置40的開啟時間，藉以控制熱源裝置30的散熱裝置材料收縮膨脹的程度。從能量平衡的觀點來看，熱源裝置30的散熱量總和將造成熱源裝置30的工作溫度變化，可依下列公式進行評估：
Figure 111128395-A0305-02-0011-2
其中，
Figure 111128395-A0305-02-0011-7
為熱源裝置30的發熱量；(q"．A)為冷卻液沸騰汽化所帶走的熱量；m E 為熱源裝置30的散熱裝置的質量；C p,E 為熱源裝置30的散熱裝置的材質比熱；△T為熱源裝置30的工作溫度變化；以及A為熱源裝置30的散熱裝置有效面積。
將上述公式整理後如下公式所示：
Figure 111128395-A0305-02-0011-3
其中，α為修正係數，ρ1為液體密度，ρv為飽和蒸氣密度，σ為張力。
當真空裝置40被啟動的時間到達△t2時，控制裝置80即可生成關閉指令藉此以控制真空裝置40的關閉，並且熱源裝置30的流通管道內的霧化冷卻液可能尚未完全蒸發完畢，故而再經過△t 3 後，控制裝置80即可生成開啟指令藉此再次控制真空裝置40的啟動，△t 3 的評估方式如下列公式所示：
Figure 111128395-A0305-02-0012-4
其中，L ’ 為薄膜厚度，因L>L ’ 故△t 3 <△t 1 。
在反覆開真空裝置40的過程，熱源裝置30流通管道內的霧化冷卻液會在某一時刻沸騰汽化完畢時，熱源裝置30流通管道內的壓力將會較低，而且熱源裝置30的工作溫度也會再度升高，控制裝置80生成與提供開啟指令至流入電磁閥20以及第一流出電磁閥50，流入電磁閥20即可依據開啟指令控制第一流入氣體出口22的閥門開啟，並且第一流出電磁閥50可以依據開啟指令控制第一流出氣體入口51的閥門開啟，在此同時，控制裝置80生成與提供關閉指令至流入電磁閥20以及第二流出電磁閥60，流入電磁閥20即可依據關閉指令控制第二流入氣體出口23的閥門關閉，並且第二流出電磁閥60可以依據關閉指令控制第二流出氣體出口62的閥門關閉，透過上述對於流入電磁閥20的第一流入氣體出口22、流入電磁閥20的第二流入氣體出口23、第一流出電磁閥50的第一流出氣體入口51以及第二流出電磁閥60的第二流出氣體出口62的閥門開啟與關閉的控制，藉此可以實現管道切換控制。
接著，控制裝置80生成與提供開啟指令至霧化裝置70，霧化裝置70依據啟動指令將霧化後的冷卻液添加於氣流管道(即第二流通管道92)，藉此往復循環以實現本發明透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統。
綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於控制裝置依據工作溫度訊號生成控制第一流入氣體出口的閥門關閉以及第一流出氣體入口的閥門關閉的關閉指令，且控制裝置生成控制第二流入氣體出口的閥門開啟以及第二流出氣體入口的閥門開啟的開啟指令，真空裝置啟動使氣流管道內的氣壓隨時間降低形成低壓狀態，藉此使氣流管道中的冷卻液的沸點下降以使冷卻液迅速沸騰汽化提供對熱源裝置的散熱。
藉由此一技術手段可以來解決先前技術所存在液冷式散熱系統所使用的冷卻液具備毒性且需要進一步對廢液進行處理的問題，進而達成透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化提高散熱效率的技術功效。
雖然本發明所揭露的實施方式如上，惟所述的內容並非用以直接限定本發明的專利保護範圍。任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露的精神和範圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作些許的更動。本發明的專利保護範圍，仍須以所附的申請專利範圍所界定者為準。
10:渦流管裝置
11:氣體入口
12:低溫氣體出口
13:高溫氣體出口
20:流入電磁閥
21:流入氣體入口
22:第一流入氣體出口
23:第二流入氣體出口
30:熱源裝置
31:熱源氣體入口
32:熱源氣體出口
40:真空裝置
41:第一真空氣體入口
42:第二真空氣體入口
43:真空氣體出口
50:第一流出電磁閥
51:第一流出氣體入口
52:第一流出氣體出口
60:第二流出電磁閥
61:第二流出氣體入口
62:第二流出氣體出口
70:霧化裝置
80:控制裝置
91:第一流通管道
92:第二流通管道
93:第三流通管道
94:第四流通管道
95:第五流通管道

Claims (7)

  1. 一種透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統，其包含：一渦流管裝置，具有一氣體入口以及一低溫氣體出口；一流入電磁閥，具有一流入氣體入口、一第一流入氣體出口以及一第二流入氣體出口，所述流入氣體入口與所述低溫氣體出口相連，依據一閥門指令控制所述第一流入氣體出口的閥門開啟幅度，依據一關閉指令控制所述第一流入氣體出口的閥門關閉，依據一開啟指令控制所述第二流入氣體出口的閥門開啟；一熱源裝置，具有一熱源氣體入口以及一熱源氣體出口，所述熱源氣體入口與所述第一流入氣體出口相連，所述熱源裝置提供一工作溫度訊號；一真空裝置，具有一第一真空氣體入口、一第二真空氣體入口以及一真空氣體出口，所述第一真空氣體入口與所述第二流入氣體出口相連，所述第二真空氣體入口與所述熱源氣體出口相連，依據所述開啟指令或是所述關閉指令控制所述真空裝置的開啟或是關閉；一第一流出電磁閥，具有一第一流出氣體入口以及一第一流出氣體出口，所述第一流出氣體入口與所述熱源氣體出口以及所述第二真空氣體入口相連，依據所述關閉指令控制所述第一流出氣體入口的閥門關閉； 一第二流出電磁閥，具有一第二流出氣體入口以及一第二流出氣體出口，所述第二流出氣體入口與所述真空氣體出口相連，依據所述開啟指令控制所述第二流出氣體入口的閥門開啟；一霧化裝置，與所述第一流入氣體出口以及所述熱源氣體入口相連，所述霧化裝置依據一啟動指令將霧化後的冷卻液添加於第二流通管道，所述霧化裝置依據一停止指令停止將霧化後的冷卻液添加於第二流通管道；及一控制裝置，分別與所述流入電磁閥、所述第一流出電磁閥、所述第二流出電磁閥、所述熱源裝置以及所述霧化裝置形成電性連接，所述控制裝置自所述熱源裝置取得所述工作溫度訊號，所述控制裝置依據所述工作溫度訊號生成所述閥門指令、所述關閉指令或是所述開啟指令；其中，當所述第一流入氣體出口的閥門關閉以及所述第一流出氣體入口的閥門關閉，且所述第二流入氣體出口的閥門開啟以及所述第二流出氣體入口的閥門開啟時，所述真空裝置啟動使第二流通管道、所述熱源裝置的氣流管道以及第四流通管道內的氣壓隨時間降低形成低壓狀態，藉此使第二流通管道、所述熱源裝置的氣流管道以及第四流通管道中的冷卻液的沸點下降以使冷卻液迅速沸騰汽化提供對所述熱源裝置的散熱。
  2. 如請求項1所述的透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統，其中所述控制裝置依據所述工作溫度訊號生成所述第一流入氣體出口的所述關閉指令以及所述第一流出氣體入口的所述關閉指令的同時，生 成所述第二流入氣體出口的所述開啟指令以及所述第二流出氣體入口的所述開啟指令。
  3. 如請求項1所述的透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統，其中所述流入電磁閥依據所述關閉指令控制所述第一流入氣體出口的閥門關閉以及所述第一流出電磁閥依據所述關閉指令控制所述第一流出氣體入口的閥門關閉的同時，所述流入電磁閥依據所述開啟指令控制所述第二流入氣體出口的閥門開啟以及所述第二流出電磁閥依據所述開啟指令控制所述第二流出氣體入口的閥門開啟。
  4. 如請求項1所述的透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統，其中所述控制裝置依據所述工作溫度訊號生成所述第一流入氣體出口的所述關閉指令以及所述第一流出氣體入口的所述關閉指令延遲一段預設時間後，生成所述第二流入氣體出口的所述開啟指令以及所述第二流出氣體入口的所述開啟指令。
  5. 如請求項1所述的透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統，其中所述流入電磁閥依據所述關閉指令控制所述第一流入氣體出口的閥門關閉以及所述第一流出電磁閥依據所述關閉指令控制所述第一流出氣體入口的閥門關閉延遲一段預設時間後，所述流入電磁閥依據所述開啟指令控制所述第二流入氣體出口的閥門開啟以及所述第二流出電磁閥依據所述開啟指令控制所述第二流出氣體入口的閥門開啟。
  6. 如請求項1所述的透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統，其中所述控制裝置依據下列公式以計算出生成控制所述真空裝置的所述開啟指令所需的時間△t 1：
    Figure 111128395-A0305-02-0019-5
     其中，β為修正平均熱傳速率，L為薄膜厚度，k為冷卻液的熱傳導係數，ρ為冷卻液的密度，C p 為冷卻液的比熱。
  7. 如請求項1所述的透過控制管道切換以提供冷卻液低壓沸騰汽化的散熱系統，其中所述控制裝置依據下列公式以計算出生成控制所述真空裝置的所述關閉指令所需的時間△t 2：
    Figure 111128395-A0305-02-0019-6
     其中，
    Figure 111128395-A0305-02-0019-8
    為熱源裝置30的發熱量；(q"．A)為冷卻液沸騰汽化所帶走的熱量；m E 為熱源裝置30的散熱裝置的質量；C p,E 為熱源裝置30的散熱裝置的材質比熱；△T為熱源裝置的工作溫度變化；以及A為熱源裝置30的散熱裝置有效面積。
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