TWM633696U - 壓管式水冷板結構 - Google Patents

Abstract

一種壓管式水冷板結構，係包含：一板體設有一槽道，一水冷管係受壓嵌入該槽道中，該水冷管具有一水冷管通道供一工作介質流通，該水冷管之通道內壁表面環設有複數交錯設置的凸體及溝道，藉此得大幅提升與該工作介質的接觸面積及/或使該工作介質以紊流狀態在該水冷管通道內流通，進而提升水冷板換熱量者。

Description

壓管式水冷板結構

本創作係有關於水冷板領域，尤其關於一種壓管式水冷板結構。

壓管式水冷板(Exposed Tube Coldplate)是一種在基板(例如銅板或鋁板)上採用CNC加工出相應形狀的槽道，再嵌(鑲)入折彎的銅管，銅管與基板的槽道之間可選擇填充高導熱性環氧樹脂或採用錫膏焊接進行加固與輔助傳熱。在銅管嵌(鑲)入的同時壓扁，然後銑面加工，使銅管的一露出表面與基板的一表面為同一平面，實現發熱元件與銅管直接接觸，將熱量直接導走。由無縫銅管的管道構成工作介質流通的水道，無液體洩漏風險，可以雙面安裝發熱元件。

如第1A至1C圖為習知壓管式水冷板的示意圖，包括一水冷基板11和銅管12，水冷基板11上通過CNC銑槽技術加工出槽溝13，該銅管12嵌壓鑲入該槽溝13中，並通過表面外型加工例如加壓或銑切將銅管12的一露出表面壓平或銑平，以使銅管12的露出平面與水冷基板11在同一平面，藉此接觸發熱元件。銅管12內具有一管道121貫通銅管12的兩端，工作介質14例如水或冷煤或乙醇流通該管道121。

然而習知銅管12(如第1A圖)與發熱元件的直接接觸面積少，造成發熱元件的熱量無法被充分帶走。尤有進者，將銅管12彎曲成螺旋蜿蜒型(如第1B圖)或S蜿蜒型的設置在水冷基板11上企圖增加銅管12與發熱元件接觸面積，及透過蜿蜒的管身長度藉以延長工作介質14之流動時間以改善換熱效果。

然而，上述習知技術的銅管12的管道121的內壁係為沒有設置任何特徵的光滑面，工作介質在銅管12的管道121中係呈現流體分層，互相平行不混合的層流狀態流動，位於管道121大致中央處的工作介質14的流速快，靠近管道121內壁的工作介質流速較緩(如第1C圖)。造成只有靠近管道121內壁的工作介質14產生換熱效果，而在管道121中央的工作介質14則快速流過管道121無法達到有效的換熱，使得整體總換熱量少，換熱能力不佳。

是以，要如何解決上述之問題與缺失，即為本案之創作人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

為改善上述之問題，本創作之一目的係提供一種增加水冷板的水冷管道內與工作介質的接觸面積以提高水冷板的換熱量之壓管式水冷板結構。

本創作另一目的提供一種使水冷板的水冷管道內的工作介質以紊流狀態流動，以增加水冷管內的表面換熱係數，進而提升水冷板的換熱量之壓管式水冷板結構。

本創作再一目的提供一種凸體係從該管道內壁往該水冷管通道中心凸伸以使水冷管的殼壁厚度不會變薄，不易破裂毀損並維持結構強度之壓管式水冷板結構。

為達上述之目的，本創作提供一種壓管式水冷板結構，係包含：一板體具有一槽道；一水冷管係設在該槽道中，具有一第一端及一第二端及一水冷管通道，該水冷管通道係從該第一端貫通至該第二端，且具有一管道內壁環設有複數間隔設置的凸體，每兩凸體之間形成一溝道，並藉由該等凸體及該等溝道以提升換熱量。

前述該等凸體及該等溝道係水平設置或以一扭轉角設置在該水冷管通道內。

前述該凸體係從該管道內壁往該水冷管通道的一中心凸伸，且具有一固定端及一自由端，該固定端與該管道內壁結合，該自由端則朝該管道內壁該中心凸伸。

前述該槽道具有一槽道開放側，該水冷管具有一外露表面從該槽道開放側外露並與該板體的表面為同一平面。

前述該等凸體係從該第一端延伸到該第二端。

前述板體具有一上表面及一下表面，該槽道位於該上表面或該下表面或該上表面與該下表面之間。

11:水冷基板

12:銅管

121:管道

13:槽溝

14:工作介質

20:水冷板

21:板體

211:上表面

212:下表面

213:槽道

2131:槽道開放側

216a:上板部

217a:下板部

22:水冷管

221:第一端

222:第二端

223:水冷管通道

2231:管道內壁

224:外露表面

225:凸體

2251:固定端

2252:自由端

226:溝道

Φ:扭轉角

30:工作介質

40:發熱元件

X₀:中心

A:換熱表面積

h:表面換熱係數

Q:換熱量

第1A-1C圖為習知技術示意圖；第2A及2B圖為本創作立體分解及組合示意圖；第3A-3C圖為本創作的槽道位於板體不同位置的示意圖；第4A圖為本創作水冷管通道內的凸體及溝道筆直設置的示意圖；第4B圖為第4A圖的一截取段剖視用以表示其內工作介質流動狀態示意圖；第5A圖為本創作水冷管通道內的凸體及溝道以一扭轉角設置的示意圖；第5B及5C圖為第5A圖的一截取段剖視及該截取段正面用以表示其內工作介質流動狀態示意圖。

本創作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。

請參閱第2A及2B圖為本創作立體分解及組合示意圖。如圖所示，一水冷板20包括一板體21及一水冷管22，板體21選擇導熱性較高的金屬材質例如銅或鋁或不鏽鋼或鈦或合金等構成，水冷管22選擇為銅或銅合金或鋁或合金鋁構成。該板體21具有一上表面211及一下表面212，該上表面211及該下表面212其中任一選擇設有一槽道213，在本圖中表示該槽道213位於該上表面211且具有一槽道開放側2131切齊該上表面211。在一具體實施係利用CNC等加工機台在該上表面211沿著預設形狀加工出該槽道213的銑槽技術。該水冷管22係配合該槽道213的形狀且利用嵌壓鑲入的手段設在該槽道213中，且具有一外露表面224從該槽道開放側2131外露，並通過表面外型加工(例如加壓或銑切)使該外露表面224與該板體21的上表面211齊平為同一平面。

再者，該槽道213跟水冷管22的形狀不拘，在本圖中雖然表示為兩者為U形但不侷限於此，也可以是螺旋形狀或S形或蜿蜒迂迴形狀。

請繼續參考第3A-3C圖為本創作的槽道位於板體不同位置的示意圖。一併參考前述第2A及2B圖，雖然在本實施表示該槽道213及該水冷管22位於該板體21的上表面211，且該外露表面224與該上表面211為同一平面，並接觸一發熱元件40(如第3A圖)。然而不侷限於此，在其他替代實施該槽道213及該水冷管22位於該板體21的下表面212，該外露表面224與該下表面212為同一平面，並接觸該發熱元件40(如第3B圖)。

再另一替代實施，該槽道213及該水冷管22位於該板體21的上表面211及該下表面212之間。如此，該板體21包括一上板部216a及一下板部217a面對面的對接組成。該水冷管22被夾設在該上板部216a及該下板部217a之間，該上表面211 位於該上板部216a的頂側，該下表面212位於該下板部217a的底側，一或兩個發熱元件40係接觸該上表面211及/或該下表面212(如第3C圖)。

復參第2A及2B圖，前述水冷管22具有一第一端221及一第二端222及一水冷管通道223，該第一端221及第二端222在本實施圖中表示凸出該板體21的一側邊(例如可為同側或非同側)，但不侷限於此，也可以切齊該板體21的側邊。該水冷管通道223係從該第一端221貫通至該第二端222，且具有一管道內壁2231環設有複數間隔設置的凸體225從該第一端221延伸到該第二端222，一工作介質30(如第4B、5B及5C圖)例如水或冷煤或乙醇從該第一端221及第二端222其中任一端進入，然後經過該水冷管通道223從另一端流出。

請繼續參考第4A圖為本創作水冷管通道內的凸體及溝道筆直設置的示意圖；第5A圖為本創作水冷管通道內的凸體及溝道以一扭轉角設置的示意圖。如第4A圖所示，一併參考第2A及2B圖，前述該等凸體(例如為肋或鰭片等)225係從該管道內壁2231往該水冷管通道223的一中心X₀凸伸，且每兩凸體225之間形成一溝道226。每一凸體225具有一固定端2251及一自由端2252，該固定端2251與該管道內壁2231結合，該自由端2252凸出該管道內壁2231朝向水冷管通道223的該中心X₀。該水冷管22與該凸體225可以為一體成形或非一體成形製成。若為一體成形可藉由模具抽拉水冷管22達成，若為非一體成形則該水冷管22與凸體225經由一接合手段(例如焊接或黏接或卡接)結合一起。上述這些凸體225及溝道226係水平的設置在該水冷管通道223內，也就是每一凸體225及溝道226從該水冷管22的第一端221不傾斜或不歪斜的平行延伸到該第二端222。

再者，如第5A圖所示，一併參考第2A及2B圖，在另一替代實施可將前述水冷管22的第一端221及第二端222朝不同方向(亦即順時針方向跟逆時針方向)扭 轉或者該第一端221及該第二端222的其中一端固定，另一端朝一方向扭轉，使原本筆直設置在該水冷管通道223內的該等凸體225及該等溝道226以一扭轉角Φ設置。如此，每一凸體225及溝道226從該水冷管22的第一端221扭轉傾斜的延伸到該第二端222。然後將扭轉過的水冷管22彎曲配合槽道213的形狀嵌壓鑲入該槽道213中。

不限於前述，在不扭轉水冷管22的第一端221及第二端222的實施中，該等凸體225及該等溝道226係可沿著該扭轉角Φ以一體成型(例如模具抽拉)或非一體成型(例如焊接或黏接或卡接)的設置在該水冷管通道223內。

在本實施藉由該等凸體225及該等溝道226以一扭轉角Φ設置進而改變習知技術的流體分層的層流狀態，使本實施的水冷管通道223內的工作介質30混和的更好，進而成為相互混摻的紊流(turbulent flow；或稱亂流、擾流或湍流)狀態流動，藉此提升熱交換效率。

再者，上述該等實施的凸體225係從該管道內壁2231往該水冷管通道223內凸伸的設置，使兩凸體225之間形成該溝道226，而非往管道內壁2231凹設該溝道226，如此水冷管22的殼壁厚度不會變薄，也不易破裂毀損，並維持水冷管22的結構強度。

請繼續參考第4B圖為第4A圖的一截取段剖視表示其內工作介質流動狀態示意圖；第5B及5C圖為第5A圖的一截取段剖視及該截取段正面用以表示其內工作介質流動狀態示意圖。如圖所示，一併參考第2A及2B圖，根據牛頓冷卻定律(Newton's law of cooling)描述對流的整體效應為Q=h×A×△t。

其中Q為換熱量(或稱熱傳率)，h為表面換熱係數(或稱對流熱傳遞係數)，A為換熱表面積(或稱接觸面積)，△t為流體溫差(T-T')。

以相同的水冷板20外型規格(包括板體的尺寸及水冷管的彎曲形狀)及工作介質及工作介質的流量而言，提高水冷板20的換熱能力有兩種方式，其一增加水冷板20的水冷管22內換熱面積A，其二是提高水冷板20的表面換熱係數h。

如第4B圖所示，一併參考第2A、2B及4A圖，從上述牛頓冷卻定律可知換熱表面積A增加，就會提升換熱量。因此當工作介質30流經該水冷管22時，藉由水平設置在該水冷管通道223內的該等凸體225及溝道226的凸凹結構增加水冷管通道223內與該工作介質30的接觸面積。如此，相較於習知技術銅管12的管道121的內壁沒有設置任何特徵的光滑面，本創作藉由該等凸體225及溝道226的凸凹結構增加水冷管通道223內與該工作介質30的接觸面積進而提高水冷板20的換熱表面積A，也提高水冷板20的換熱量。

另外，如第5B及5C圖所示，一併參考第2A、2B及5A圖，從上述牛頓冷卻定律可知表面換熱係數h增加，換熱量就會提升。因此，當工作介質30流經該水冷管22時，靠近管道內壁2231的工作介質30在流動過程中受到扭轉的凸體225及溝槽226擾動沿著扭轉方向呈現螺旋發散狀的渦旋(Vortex)流動，進而發展成為相互混摻的紊流(turbulent flow；或稱亂流、擾流或湍流)狀態流動。藉由紊流狀態的工作介質30相較於習知技術的層流狀態可大幅提高與其接觸的管道內壁2231的表面換熱係數h，以增大水冷管通道223內的表面換熱係數h。不僅如此，該等凸體225及溝道226的凸凹結構也能增加水冷管通道223內與該工作介質30的接觸面積，進而提高水冷板20的換熱表面積A。藉由在表面換熱係數h及換熱表面積A都增加的狀況下，更大量提高水冷板20的換熱量。

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

20:水冷板

21:板體

211:上表面

212:下表面

213:槽道

2131:槽道開放側

22:水冷管

221:第一端

222:第二端

223:水冷管通道

2231:管道內壁

225:凸體

226:溝道

Claims (8)

1. 一種壓管式水冷板結構，係包含：一板體，設有一槽道；一水冷管，係設在該槽道中，具有一第一端及一第二端及一水冷管通道，該水冷管通道係從該第一端貫通至該第二端，且具有一管道內壁環設有複數間隔設置的凸體，每兩凸體之間形成一溝道，並藉由該等凸體及該等溝道以提升換熱量。
2. 如請求項1所述之壓管式水冷板結構，其中該等凸體及該等溝道係水平設置在該水冷管通道內。
3. 如請求項1所述之壓管式水冷板結構，其中該等凸體及該等溝道係以一扭轉角設置在該水冷管通道內。
4. 如請求項1所述之壓管式水冷板結構，其中該凸體係從該管道內壁往該水冷管通道的一中心凸伸，且具有一固定端及一自由端，該固定端與該管道內壁結合，該自由端朝該管道的該中心凸伸。
5. 如請求項1所述之壓管式水冷板結構，其中該等凸體係從該第一端延伸到該第二端。
6. 如請求項1所述之壓管式水冷板結構，其中該板體具有一上表面及一下表面，該槽道位於該上表面或該下表面。
7. 如請求項6所述之壓管式水冷板結構，其中該槽道具有一槽道開放側，該水冷管具有一外露表面從該槽道開放側外露並與該板體的該上表面或該下表面為同一平面。
8. 如請求項1所述之壓管式水冷板結構，其中該板體具有一上表面及一下表面，該槽道位於該上表面與該下表面之間。

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