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TW201510459A - 固液相變冷卻裝置 - Google Patents

固液相變冷卻裝置 Download PDF

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TW201510459A
TW201510459A TW102132053A TW102132053A TW201510459A TW 201510459 A TW201510459 A TW 201510459A TW 102132053 A TW102132053 A TW 102132053A TW 102132053 A TW102132053 A TW 102132053A TW 201510459 A TW201510459 A TW 201510459A
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TW
Taiwan
Prior art keywords
solid
liquid phase
opening
phase change
heat source
Prior art date
Application number
TW102132053A
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English (en)
Inventor
Te-Yuan Chung
Hau-Hsuan Huang
Original Assignee
Univ Nat Central
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Univ Nat Central filed Critical Univ Nat Central
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Priority to US14/050,060 priority patent/US20150060017A1/en
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Abstract

本發明為一種固液相變冷卻裝置，其包括：導流管體；殼體；以及固態-液態相變材料。殼體將導流管體完全包覆在其中，但不直接與導流管體接觸，而固態-液態相變材料則填充於導流管體的內部以及導流管體與殼體之間的空間，並且使固態-液態相變材料與熱源接觸。其中，固態-液態相變材料在吸收熱源產生之熱能後會由固態變為液態，而已變為液態之固態-液態相變材料則會在導流管體內以及導流管體與殼體之間的空間內循環流動，藉此透過熱對流達成散熱的功效，同時也可透過殼體進行散熱，達到同時透過熱傳導及熱對流達到散熱的效果。

Description

固液相變冷卻裝置
本發明關於一種冷卻裝置，特別是一種利用相變材料(phase change material)由固態變為液態時吸熱，進而達到降溫效果的固液相變冷卻裝置。
近年來，隨著科技的發展，無論是CPU、IC、功率晶片或LED燈具等電子產品都需要使用冷卻裝置以適時地將多餘的熱帶走。為滿足電子產品對散熱之需要，已發展出許多不同的散熱方式，主要可分為被動式冷卻及主動式冷卻。主動式冷卻需要額外使用能量驅動冷卻裝置，例如：水冷、風扇強制對流(forced convection)，而被動式冷卻不需要外加能量，例如可以使用散熱鰭片直接對於空氣冷卻達到自由對流(free convection)的效果，又或者是藉由物體表面熱輻射達成。
主動式冷卻通常具有較佳的冷卻效果，例如風扇強制對流可以輕易達成有效熱傳係數約1,000W/m2K，然而額外使用能量驅動主動式冷卻裝置卻也使得冷卻成本提高，又當主動式冷 卻裝置中的驅動系統失效時，主動式冷卻裝置也會整個無法運作。
被動式冷卻因為不需要額外輸入能量，雖然可以有 效控制冷卻成本，但也因此冷卻效果較差且非常有限，例如空氣自由對流之有效熱傳係數僅約為10W/m2K。此外，利用熱輻射冷卻則需要在熱源與環境溫度差越大的情況下才會比熱傳導及熱對流要好，因此對於一般的電子元件散熱而言，僅能作為輔助散熱之用，也無法具有足夠的冷卻效果。
因此，如何能夠有效設計出一個以被動式冷卻原理 進行冷卻，並且能有效提高冷卻效果的冷卻裝置便為目前急需努力研發的目標。
本發明為一種固液相變冷卻裝置，其係利用固態-液態相變材料直接吸收熱源產生的熱能，以作為固態-液態相變材料發生相變所需的潛熱，固態-液態相變材料於熱源的升溫過程中會吸熱並延遲熱源升溫的速率，以確保熱源之溫度可長時間維持在工作溫度以內，而在固態-液態相變材料變為液態後，液化的固態-液態相變材料便會在導流管體及殼體內流動，以藉由熱對流進行散熱；於此同時，熱能也會藉由熱傳導透過殼體對外散熱，以提高冷卻效果。
本發明提供一種固液相變冷卻裝置，其係與一熱源接觸，固液相變冷卻裝置包括：一導流管體，其上下兩端分別具有一導流開口；一殼體，其係將導流管體完全包覆於其中，但不與導流管體直接接觸，又殼體具有：一斜面導流部，其係自殼體 之中央軸朝離軸方向傾斜，斜面導流部之相對兩端設有一熱源開口及一連接部開口，且連接部開口之截面積大於熱源開口之截面積，連接部開口之位置係低於該些導流開口的位置，熱源開口之位置又低於連接部開口之位置，熱源係設置於熱源開口處，並覆蓋熱源開口；一垂直部，其係連接於連接部開口處之斜面導流部，並朝遠離熱源開口的方向延伸；一封口部，其係連接於垂直部並覆蓋垂直部形成之開口，且封口部係與導流管體之間存在有一間隙；及複數個內部鰭片，其係連接於垂直部，並朝殼體之中央軸的方向延伸；以及一固態-液態相變材料，其填充於導流管體的內部以及導流管體及殼體之間的空間，固態-液態相變材料之熔點低於熱源之操作溫度；固態-液態相變材料吸收熱源產生之熱能並由固態變為液態，已變為液態之固態-液態相變材料係自熱源開口處朝鄰近連接部開口之導流開口流動，再通過導流管體並自另一端之導流開口流出，之後又流入導流管體與殼體之間的空間，並受到斜面導流部之引導再次回流至熱源開口處。
藉由本發明的實施，可達到下列進步功效：一、延遲熱源升溫的速率；二、同時透過熱傳導及熱對流進行散熱；以及三、提高冷卻效果。
為了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之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
10‧‧‧導流管體
11‧‧‧導流開口
20‧‧‧殼體
21‧‧‧斜面導流部
211‧‧‧熱源開口
212‧‧‧連接部開口
22‧‧‧垂直部
23‧‧‧封口部
24‧‧‧內部鰭片
25‧‧‧中央軸
30‧‧‧固態-液態相變材料
40‧‧‧熱源
50‧‧‧外部鰭片
60‧‧‧凸出部
A1‧‧‧連接部開口之截面積
A2‧‧‧熱源開口之截面積
A3、A4‧‧‧縱向截面積
A5‧‧‧導流開口之截面積
第1圖為本發明實施例之一種固液相變冷卻裝置之立體透視圖；第2A圖為沿第1圖中A-A剖線之剖視圖；第2B圖為沿第1圖中B-B剖線之剖視圖；第2C圖為第2A圖中內部鰭片與導流管體連接之剖視圖；第3圖為本發明實施例之另一種固液相變冷卻裝置之立體透視圖；第4A圖為沿第3圖中A’-A’剖線之剖視圖；第4B圖為沿第3圖中B’-B’剖線之剖視圖；第4C圖為第4A圖中內部鰭片與導流管體連接之剖視圖；第5圖為本發明實施例之一種內部鰭片及外部鰭片之示意圖；第6圖為本發明實施例之另一種內部鰭片及外部鰭片之示意圖；以及第7圖及第8圖分別為本發明實施例之一種液態之固態-液態相變材料於固液相變冷卻裝置中之流動方向示意圖。
如第1圖至第4C圖所示，本實施例為一種固液相變冷卻裝置，其包括：一導流管體10；一殼體20；以及一固態-液態相變材料30。固液相變冷卻裝置係與熱源40接觸以幫助熱源40散熱，而熱源40可以是一CPU模組、一IC模組、一功率晶片、一LED燈具、LED燈具之一散熱鰭片或一鋰電池。
殼體20將導流管體10完全包覆於其中，而固態-液態相變材料30則填充於導流管體10內以及殼體20與導流管體10之間 的空間中，而當熱源40產生熱能時，固態-液態相變材料30便會吸收熱能，並將其作為相變時所需的潛熱，而由固態變為液態的固態-液態相變材料30則能藉由流動透過熱對流效應進行散熱。
導流管體10，其為上下兩端分別具有一導流開口11的管體。殼體20將導流管體10包覆於其中，但不與導流管體10直接接觸，而導流管體10可以透過支架(圖未示)支撐再與殼體20結合，但為了保留足夠的空間提供變成液態的固態-液態相變材料30流動，導流管體10的四周需要和殼體20相距特定之距離。
為了提供變成液態的固態-液態相變材料30能在殼體20中順利流動，殼體20的外型及結構需要經過特殊的設計，並且為了使殼體20還能快速地將熱源40產生的熱能藉由熱傳導散除，殼體20之材質可選用具有高熱傳特性的材質，例如熱傳係數大於或等於150W/m‧K之高熱傳金屬材質。
如第2B圖及第4B圖所示，殼體20具有：一斜面導流部21；一垂直部22；一封口部23；及複數個內部鰭片24。
斜面導流部21，其係自殼體20之中央軸25朝離軸方向傾斜，斜面導流部21之相對兩端設有一熱源開口211及一連接部開口212，熱源開口211用以容置熱源40，以使得熱源40設置於熱源開口211處時恰可覆蓋熱源開口211，進而讓殼體20在與熱源40結合後構成一個完全密封的空間，以供填入固態-液態相變材料30，並可防止固態-液態相變材料30變為液態時流出殼體20之外。
斜面導流部21需要具有足夠的空間，並且要引導液態的固態-液態相變材料30大致上朝特定的方向流動，因此斜面導流部21的連接部開口之截面積A1需大於熱源開口之截面積A2，以 使得斜面導流部21可構成一類圓錐形，並讓熱源開口211之位置低於連接部開口212之位置，進而讓變為液態的固態-液態相變材料30可以順著斜面導流部21的斜面方向朝熱源40流動；又為了使導流管體10與熱源40之間具有足夠的距離，連接部開口212之位置還需低於導流開口11的位置。
垂直部22連接於連接部開口212處之斜面導流部21，並朝遠離熱源開口211的方向延伸。垂直部22係作為殼體20的側壁，而封口部23則連接於垂直部22並覆蓋垂直部22形成之開口，也就是與斜面導流部21分別連接於垂直部22的兩側。除此之外，封口部23也與導流管體10之間存在有一間隙，以利充填固態-液態相變材料30，並且可提供變為液態的固態-液態相變材料30能夠在封口部23與導流管體10之間的間隙流動。
如第2A圖及第4A圖所示，垂直部22又連接有複數個內部鰭片24，以使得熱能除了可透過殼體20向外界散失外，也可以透過殼體20及內部鰭片24傳遞至固態-液態相變材料30。由於複數個內部鰭片24可進一步提高固態-液態相變材料30與殼體20的接觸面積，所以能加速熱交換的速率。
如第1圖至第4C圖所示，內部鰭片24的設置方式是朝殼體20之中央軸25的方向延伸，並使得每二個內部鰭片24之間構成一內部流道，而內部流道方向係與殼體20之中央軸25平行，以供變成液態的固態-液態相變材料30流動。如第2A圖及第4A圖所示，內部鰭片24可以不延伸至導流管體10，但如第2C圖及第4C圖所示，內部鰭片24也可以延伸至導流管體10，並與導流管體10連接。
此外，由於固液相變冷卻裝置整體也要對外在環境散熱，因此除了內部鰭片24外，固液相變冷卻裝置也可以再進一步包括複數個外部鰭片50，以更有效率地對外在環境散熱。同樣地，外部鰭片50連接於垂直部22，並朝殼體20之外側延伸，而且每二外部鰭片50之間構成一外部流道，外部流道方向也與殼體20之中央軸25平行，以增加對外在環境的接觸面積。
如第5圖及第6圖所示，無論是內部鰭片24或是外部鰭片50，為了再更進一步增加與固態-液態相變材料30或是與外在環境的接觸面積，在內部鰭片24或外部鰭片50上都可再進一步設置複數個凸出部60，而凸出部60可以為片狀或是柱狀，在此僅列出數個可能的形式，但於實施上並不僅限於此。
如第1圖至第4C圖所示，固態-液態相變材料30填充於導流管體10的內部以及導流管體10及殼體20之間的空間，並且其熔點低於熱源40之操作溫度。固態-液態相變材料30可以是顆粒的形式填入導流管體10的內部以及導流管體10及殼體20之間的空間，又或是經燒熔後灌入。
固態-液態相變材料30可以選用鹼性硝酸鹽、醋酸鈉、五水偏矽酸鈉(Na2SiO3‧5H2O)金屬或烷烴混合物，例如可以使用石蠟(paraffin wax)作為固態-液態相變材料30。而且固態-液態相變材料30的潛熱越大越好，最好能大於100J/g。
由於固態-液態相變材料30於相變時會需要吸收大量的熱(即熔化熱)，在熔化的過程中固態-液態相變材料30的溫度幾乎不變或僅有少量的變化，因此本發明實施例特別利用固態-液態相變材料30在相變過程中大量吸收熱能但不增加溫度的特性， 使熱源40與固態-液態相變材料30直接熱接觸進而散熱，以穩定熱源40(例如功率電子器件)的溫度。藉由仔細選擇固態-液態相變材料30的物理特性，將可使熱源40之溫度維持在低於其工作溫度並達到足夠使用時間的狀態。
固液相變冷卻裝置的整個工作過程分為升溫階段及降溫階段，而升溫階段又分為三個子階段，分別對應固態-液態相變材料30為純固態、相變中及純液態的狀態，降溫過程又可分為二個子階段，分別對應固態-液態相變材料30為純液態或純固態。
如第7圖及第8圖所示，於升溫階段的純固態狀態時，設置在熱源開口211的熱源40因直接與固態-液態相變材料30直接接觸，所以在熱源40剛開始產生熱能時，熱源40可以直接加熱固態-液態相變材料30，但此時因溫度尚未超過固態-液態相變材料30之熔點，因此固態-液態相變材料30仍舊處於純固態的狀況，而固態-液態相變材料30可吸收熱能並以熱傳導將熱能傳遞至殼體20以達到初步散熱的效果。
接著於升溫階段的相變中狀態時，熱源40與固態-液態相變材料30之間的熱交換面上的固態-液態相變材料30開始逐漸由固態變為液態，然而其溫度大致上維持不變，固態-液態相變材料30吸收的熱能成為相變所需之潛熱，直到所有固態-液態相變材料30變為液態前，溫度僅有少量上升。
然後，在升溫階段的純液態狀態時，固態-液態相變材料30持續吸收熱能且溫度持續上升，而因固態-液態相變材料30已變為純液態，因此散熱機制除了原有的熱傳導外，還增加了熱對流現象。
受熱且已變為液態之固態-液態相變材料30係自最接近熱源40的熱源開口211處開始，朝向鄰近連接部開口212之導流開口11流動，再通過導流管體10的內部並自另一端之導流開口11流出，之後又向外流入導流管體10與殼體20之間的空間，並受到斜面導流部21的斜面的引導再次回流至熱源開口211處。
由於當變為液態的固態-液態相變材料30流至遠離熱源40的地方時，其溫度會略為下降，而溫度較低的液態的固態-液態相變材料30便會受到溫度較高的液態的固態-液態相變材料30的推擠，再度回流至熱源開口211處，這樣的對流循環可以加快散熱速率。
特別的是，請同時參考第2B圖及第4B圖，由導流管體10的最外緣垂直地向斜面導流部21及封口部23設置一假想線，直到假想線分別和斜面導流部21及封口部23相交於一點，假想線可以在導流管體10的上方側及下方側構成一上方假想管體及一下方假想管體。
前述假想線於導流管體10的上方側構成的上方假想管體的縱向截面積A3(即導流管體10上端與封口部23之垂直方向上構成的截面積)可以大於或等於導流開口之截面積A5，於導流管體10的下方側構成的下方假想管體的縱向截面積A4(即導流管體10下端與斜面導流部21之垂直方向上構成的截面積)也可以大於或等於導流開口之截面積A5，使得液態的固態-液態相變材料30回流至熱源開口211處的速度大於或等於流出遠離熱源開口211處的速度，藉此增進回流速度，使得熱對流可以達到較佳的效果。
而於降溫階段的純液態狀態時，固態-液態相變材料 30會持續以熱對流與熱傳導方式對殼體20放熱，然而固態-液態相變材料30有可能出現過冷態(supercooled)，當固態-液態相變材料30的溫度低於熔點時，仍然保持液態，而能持續維持熱對流散熱，並且可以更有效率地在低溫散熱。
又於降溫階段的純固態狀態時，由於固液相變冷卻裝置持續對熱源40進行散熱，並在持續降溫狀態下，固態-液態相變材料30將凝結回固態，並以熱傳導方式持續散熱直至熱源40以及固液相變冷卻裝置與外在環境溫度平衡。
固液相變冷卻裝置無論處在上述的哪一種階段及狀態下，固態-液態相變材料30吸收的熱依舊會持續地透過殼體20對外在環境散熱。
此外，熱源40可以有兩種操作模式，一種為連續操作產生熱，另一種為僅有一段時間連續產生熱，而有另一段時間可以散熱。前者例如是需長時間使用而不關閉之發電機，後者例如是通常只操作於夜間的路燈。
由於固態-液態相變材料30的固態熱傳導特性遠優於空氣，於液態狀態時，除了可透過熱傳導散熱外，還可以透過熱對流散熱，因此本發明實施例之固液相變冷卻裝置對熱源40的冷卻能力確實可遠優於其他被動式冷卻裝置。而且本發明實施例在某些應用之冷卻機制僅需短暫時間吸熱，而長時間不使用時，處在高溫的相變材料可以慢慢放熱，以發揮更大的散熱效益。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之 等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
10‧‧‧導流管體
11‧‧‧導流開口
20‧‧‧殼體
21‧‧‧斜面導流部
211‧‧‧熱源開口
212‧‧‧連接部開口
22‧‧‧垂直部
23‧‧‧封口部
24‧‧‧內部鰭片
25‧‧‧中央軸
30‧‧‧固態-液態相變材料
40‧‧‧熱源
A1‧‧‧連接部開口之截面積
A2‧‧‧熱源開口之截面積
A3、A4‧‧‧縱向截面積
A5‧‧‧導流開口之截面積

Claims (12)

  1. 一種固液相變冷卻裝置，其係與一熱源接觸，該固液相變冷卻裝置包括：一導流管體，其上下兩端分別具有一導流開口；一殼體，其係將該導流管體完全包覆於其中，但不與該導流管體直接接觸，又該殼體具有：一斜面導流部，其係自該殼體之中央軸朝離軸方向傾斜，該斜面導流部之相對兩端設有一熱源開口及一連接部開口，且該連接部開口之截面積大於該熱源開口之截面積，該連接部開口之位置係低於該些導流開口的位置，該熱源開口之位置又低於該連接部開口之位置，該熱源係設置於該熱源開口處，並覆蓋該熱源開口；一垂直部，其係連接於該連接部開口處之該斜面導流部，並朝遠離該熱源開口的方向延伸；一封口部，其係連接於該垂直部並覆蓋該垂直部形成之開口，且該封口部係與該導流管體之間存在有一間隙；及複數個內部鰭片，其係連接於該垂直部，並朝該殼體之中央軸的方向延伸；以及一固態-液態相變材料，其填充於該導流管體的內部以及該導流管體及該殼體之間的空間，該固態-液態相變材料之熔點低於該熱源之操作溫度；該固態-液態相變材料吸收該熱源產生之熱能並由固態變為液態，已變為液態之該固態-液態相變材料係自該熱源開口處朝鄰近該連接部開口之該導流開口流動，再通過該導流管體 並自另一端之該導流開口流出，之後又流入該導流管體與該殼體之間的空間，並受到該斜面導流部之引導再次回流至該熱源開口處。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之固液相變冷卻裝置，其中每二該內部鰭片之間構成一內部流道，而該內部流道方向係與該殼體之中央軸平行。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之固液相變冷卻裝置，其中該些內部鰭片朝該殼體之中央軸的方向延伸至該導流管體，並與該導流管體連接。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之固液相變冷卻裝置，其進一步包括複數個外部鰭片，其係連接於該垂直部，並朝該殼體之外側延伸。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之固液相變冷卻裝置，其中每二該外部鰭片之間構成一外部流道，而該外部流道方向係與該殼體之中央軸平行。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之固液相變冷卻裝置，其進一步包括複數個外部鰭片，其係連接於該垂直部，並朝該殼體之外側延伸。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之固液相變冷卻裝置，其中每二該內部鰭片之間構成一內部流道，每二該外部鰭片之間構成一外部流道，而該內部流道方向及該外部流道方向皆與該殼體之中央軸平行。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之固液相變冷卻裝置，其中該固態-液態相變材料為鹼性硝酸鹽、醋酸鈉、五水偏矽酸鈉(Na2SiO3‧ 5H2O)金屬或烷烴混合物。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之固液相變冷卻裝置，其中該固態-液態相變材料為石蠟(paraffin wax)。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之固液相變冷卻裝置，其中該殼體之材質為熱傳係數大於或等於150W/m*K之高熱傳金屬材質。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之固液相變冷卻裝置，其中該導流管體之上端與該封口部之間垂直方向之截面積係大於或等於該導流開口之截面積，該導流管體之下端與該斜面導流部之間垂直方向之截面積係大於或等於該導流開口之截面積。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之固液相變冷卻裝置，其中該熱源為一CPU模組、一IC模組、一功率晶片、一LED燈具、該LED燈具之一散熱鰭片或一鋰電池。
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