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TWI823696B - 具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構 - Google Patents

具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構 Download PDF

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TWI823696B
TWI823696B TW111146075A TW111146075A TWI823696B TW I823696 B TWI823696 B TW I823696B TW 111146075 A TW111146075 A TW 111146075A TW 111146075 A TW111146075 A TW 111146075A TW I823696 B TWI823696 B TW I823696B
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楊景明
吳俊德
葉子暘
邱昱維
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艾姆勒科技股份有限公司
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Abstract

本發明公開一種具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,其具有一浸沒式基底、以及多個浸沒式鰭片。浸沒式基底具有相背對的上表面與下表面。浸沒式基底的下表面用以與浸沒於兩相冷卻液的發熱元件形成接觸。浸沒式基底的上表面連接有多個所述浸沒式鰭片。多個浸沒式鰭片包含有至少一以鏟削成型方式一體成型在浸沒式基底的上表面的鏟削式鰭片,並且多個浸沒式鰭片是呈非線性排列。任一個浸沒式鰭片之厚度是介於0.1~0.35mm。任一個浸沒式鰭片之高度是介於5~10mm。任兩個浸沒式鰭片之間距是介於0.1~0.35mm。

Description

具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構
本發明涉及一種散熱結構,具體來說是涉及一種具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構。
兩相浸沒式冷卻技術(two-phase immersion-cooling technology),是將發熱元件(如伺服器主板、磁碟陣列等)直接浸沒在不導電的兩相冷卻液(two-phase coolant)中,以透過兩相冷卻液吸熱氣化帶走發熱元件運作所產生之熱能。然而,如何透過兩相浸沒式冷卻技術更加有效地進行散熱一直是業界所需要解決的問題。
有鑑於此,本發明人本於多年從事相關產品之開發與設計,有感上述缺失之可改善,乃特潛心研究並配合學理之運用,終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。
本發明所要解決的技術問題在於,針對現有技術的不足提供一種具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構。
本發明實施例公開了一種具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,其具有一浸沒式基底、以及多個浸沒式鰭片,所述浸沒式基底具有相背對的上表面與下表面,所述浸沒式基底的下表面用以與浸沒於兩相冷卻液的發熱元件形成接觸,所述浸沒式基底的上表面連接有多個所述浸沒式鰭片,且多個所述浸沒式鰭片包含有至少一以鏟削成型方式一體成型在所述浸沒式基底的上表面的鏟削式鰭片,並且多個所述浸沒式鰭片是呈非線性排列,任一個所述浸沒式鰭片之厚度是介於0.1~0.35mm,任一個所述浸沒式鰭片之高度是介於5~10mm,並且任兩個所述浸沒式鰭片之間距是介於0.1~0.35mm。
在一優選實施例中,任一個所述浸沒式鰭片輪廓上任一點的切線與所述浸沒式鰭片的排列方向垂直的方向的夾角是小於四十五度。
在一優選實施例中,至少有兩個所述浸沒式鰭片之間距與其他兩個所述浸沒式鰭片之間距為不同。
在一優選實施例中,所述浸沒式鰭片是由銅、銅合金的其一所製成。
在一優選實施例中,所述具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,更包括:一強化外框,其結合至所述浸沒式基底並圍繞多個所述浸沒式鰭片中的至少一部分。
在一優選實施例中,所述浸沒式基底及所述強化外框的至少其一形成有多個穿孔,且有多個彈簧螺絲對應穿過多個所述穿孔。
在一優選實施例中,所述具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,更包括:一高導熱結構,其結合至所述浸沒式基底的下表面,使所述浸沒式基底是透過所述高導熱結構與所述發熱元件形成間接接觸,所述高導熱結構內部形成有一真空密閉腔,且所述真空密閉腔中含有液體。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容,請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式,然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明,並非用來對本發明加以限制。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關的實施方式,本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用,本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用,在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外,本發明的附圖僅為簡單示意說明,並非依實際尺寸的描繪,事先聲明。並且,附圖中相同或類似的部位以相同的標號標示。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容,但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外,本文中所使用的術語“或”,應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
[第一實施例]
請參閱圖1至圖5所示,其為本發明的第一實施例,本發明實施例提供一種具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,用於接觸浸沒於兩相冷卻液中的發熱元件。如圖所示,根據本發明實施例所提供的具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,其包括有一浸沒式基底10、以及多個浸沒式鰭片20。
在本實施例中,浸沒式基底10可採用高導熱性材所製成,例如鋁、銅或其合金。浸沒式基底10可以是非多孔散熱材或是多孔散熱材。較佳來說,浸沒式基底10可以是浸沒於兩相冷卻液(如不導電之電子氟化液)中且孔隙率大於8%的多孔金屬散熱板,用於增加氣泡的生成量,以加強浸沒式散熱效果。
在本實施例中,浸沒式基底10具有相背對的上表面101與下表面102。浸沒式基底10的下表面102用以與浸沒於兩相冷卻液的發熱元件800形成接觸,這接觸可以是直接形成接觸或是透過中介層間接形成接觸。浸沒式基底10的上表面101則連接有多個浸沒式鰭片20,並且多個浸沒式鰭片20包含有至少一以鏟削成型方式一體成型在浸沒式基底10的上表面101的鏟削式鰭片20a (skived-fin)。
再者,多個浸沒式鰭片20是呈非線性排列,這裡的非線性排列是指多個浸沒式鰭片20在浸沒式基底10的上表面101的投影不是呈直線平行排列。進一步說,本實施例的浸沒式鰭片20輪廓是呈波浪狀,且可以是呈不規則波浪狀,並且多個鰭片20至少半數以上或全數可以是鏟削式鰭片20a。藉此,本實施例可透過浸沒式鰭片20輪廓是呈波浪狀,且多個浸沒式鰭片20至少半數以上或全數是鏟削式鰭片20a以增加排列密度,從而能獲得更大的表面積讓氣泡去成核沸騰,以更加強浸沒式散熱效果。
本實施例的浸沒式鰭片20表面的粗糙度Ra>1.5μm。浸沒式鰭片20之厚度T是介於0.1mm~0.35mm,這裡的厚度T是指單一鰭片中心厚度。任兩個浸沒式鰭片20之間距G是介於0.1mm~0.35mm,這裡的間距G是指浸沒式鰭片20的側面與相鄰浸沒式鰭片20的側面的最短距離,並且至少有兩個浸沒式鰭片20之間距G與其他兩個浸沒式鰭片20之間距為不同。任一個浸沒式鰭片20之高度H是介於5mm~10mm,這裡的高度H是指從上表面101到浸沒式鰭片20最高點的垂直距離。
需說明的是,雖然目前已有類似的鰭片,但是無論是線性還是非線性鰭片,其要能應用在兩相浸沒式冷卻,並非間距越小越好(間距越小,理論上表面積越大,散熱應該越好),也並非高度越高越好(高度越高,理論上表面積越大,散熱應該越好),是因為兩相浸沒式冷卻的傳熱機制與傳統的傳熱機制,如水冷或風冷(water cooling or air cooling)的傳熱機制不同,牽涉到兩相冷卻液的對流及氣泡的生成。兩相浸沒式冷卻的傳熱機制的模擬至今仍無一個非常準確的軟體可以模擬,需要額外龐大的資料庫,表示兩相浸沒式冷卻的傳熱機制並非是以一般傳統的傳熱機制就可以推導而出的。請配合圖6及圖7所示。圖6示出在相同鰭片區域內,不同鰭片高度在發熱元件的不同功率(W)下,所量測到的熱阻(Rth)。圖7示出在相同鰭片區域內,不同鰭片間距在發熱元件的不同功率(W)下,所量測到的熱阻(Rth)。量測到的熱阻越低,散熱效果越好。一般來說,間距越小,表示在此鰭片區域內的鰭片數量越多且表面積越大,但由實際的量測可以看出並非是表面積越大,散熱效果越好。
另外,本實施例的浸沒式鰭片20經實際試驗若太過彎曲反而會影響排泡,從而影響浸沒式散熱效果,因此浸沒式鰭片20輪廓上任一點的切線TA(如圖5所示意的)與浸沒式鰭片20的排列方向(X軸方向)垂直的方向(Y軸方向)的夾角 θ需小於四十五度,以確實加強浸沒式散熱效果。
[第二實施例]
請參閱圖8所示,其為本發明的第二實施例。本實施例與第一實施例大致相同,其差異說明如下。
在本實施例中,多個浸沒式鰭片20至少半數以上或全數是鏟削式鰭片20a,且多個浸沒式鰭片20輪廓至少半數以上是呈曲線狀且至少有一個是呈直線狀,並且至少有兩個浸沒式鰭片20之間距與其他兩個浸沒式鰭片20之間距為不同。
[第三實施例]
請參閱圖9所示,其為本發明的第三實施例。本實施例與第一實施例大致相同,其差異說明如下。
在本實施例中,浸沒式基底10還結合有強化外框30,且其圍繞多個浸沒式鰭片20中的至少一部分,以強化整體結構強度並避免翹曲造成的問題及損壞。強化外框30可以是由鋁合金或不鏽鋼所製成。並且,強化外框30可以是以壓緊配合、焊接、摩擦攪拌接合(FSW)、膠黏、或擴散接合(diffusion bonding)等方式與浸沒式基底10形成接合。
[第四實施例]
請參閱圖10所示,其為本發明的第四實施例。本實施例與第一及第三實施例大致相同,其差異說明如下。
在本實施例中,浸沒式基底10的兩側或強化外框30的兩側可分別形成有多個穿孔15,並且有多個彈簧螺絲25對應穿過多個穿孔15,以更好的固定在具發熱元件800的主板上。
[第五實施例]
請參閱圖11所示,其為本發明的第五實施例。本實施例與第一實施例大致相同,其差異說明如下。
在本實施例中,更包括有一高導熱結構40。並且,高導熱結構40是結合至浸沒式基底10的下表面102,使浸沒式基底10是透過高導熱結構50與浸沒於兩相冷卻液的發熱元件800形成間接接觸。細部來說,高導熱結構40可以是透過焊接、摩擦攪拌接合、膠黏、或擴散接合等方式結合至浸沒式基底10的下表面102。在其他實施例中,浸沒式基底10可以是與高導熱結構40為一體成型。
進一步說,高導熱結構40內部形成有一真空密閉腔401,且真空密閉腔401的腔頂壁與腔底壁還可以形成有燒結體,並且真空閉密腔401中含有適量的液體,所述液體可以是水或丙酮。並且,高導熱結構40的底面可用以接觸浸沒於兩相冷卻液中的發熱元件800,以使浸沒在兩相冷卻液中的發熱元件800,除了可以透過兩相冷卻液吸熱氣化帶走發熱元件800產生之熱能,更可以透過高導熱結構40接觸並吸收發熱元件800產生之熱能,使得真空密閉腔401中內的液體氣化、蒸發為蒸汽,散發至浸沒式基底10並將熱能快速傳給與浸沒式基底10一體成型且以極高密度排列的鏟削式鰭片,並利用兩相冷卻液吸熱氣化將鏟削式鰭片吸收的熱能帶走,而真空密閉腔401中的蒸汽交出熱能並於腔頂壁冷凝後再回流至腔底壁,如此高速迴圈,就能將發熱元件800產生之熱能快速匯出,進而強化浸沒式散熱效果。
綜合以上所述,本發明提供的具非垂直式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,其至少可以通過「浸沒式基底具有相背對的上表面與下表面,浸沒式基底的下表面用以與浸沒於兩相冷卻液的發熱元件形成接觸,浸沒式基底的上表面連接有多個浸沒式鰭片」、「多個浸沒式鰭片包含有至少一以鏟削成型方式一體成型在浸沒式基底的上表面的鏟削式鰭片,並且多個浸沒式鰭片是呈非線性排列」、以及「任一個浸沒式鰭片之厚度是介於0.1~0.35mm,任一個浸沒式鰭片之高度是介於5~10mm,並且任兩個浸沒式鰭片之間距是介於0.1~0.35mm」的整體技術方案,得以有效的強化整體浸沒式散熱效果。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例,並非因此侷限本發明的申請專利範圍,所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化,均包含於本發明的申請專利範圍內。
10:浸沒式基底 101:上表面 102:下表面 15:穿孔 20:浸沒式鰭片 20a:鏟削式鰭片 25:彈簧螺絲 30:強化外框 40:高導熱結構 401:真空密閉腔 H:高度 T:厚度 G:間距 θ:夾角 TA:切線 800:發熱元件
圖1為本發明第一實施例的俯視示意圖。
圖2為圖1中沿II-II線的剖視示意圖。
圖3為圖1中III部分的放大示意圖。
圖4為圖1中IV部分的放大示意圖。
圖5為本發明第一實施例中的切線的示意圖。
圖6為不同鰭片高度下的熱阻量測結果。
圖7為不同鰭片間距下的熱阻量測結果。
圖8為本發明第二實施例的俯視示意圖。
圖9為本發明第三實施例的剖視示意圖。
圖10為本發明第四實施例的剖視示意圖。
圖11為本發明第五實施例的剖視示意圖。
10:浸沒式基底
101:上表面
20:浸沒式鰭片
20a:鏟削式鰭片

Claims (7)

  1. 一種具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,其具有一浸沒式基底、以及多個浸沒式鰭片,所述浸沒式基底具有相背對的上表面與下表面,所述浸沒式基底的下表面用以與浸沒於兩相冷卻液的發熱元件形成接觸,所述浸沒式基底的上表面連接有多個所述浸沒式鰭片,且多個所述浸沒式鰭片包含有至少一以鏟削成型方式一體成型在所述浸沒式基底的上表面的鏟削式鰭片,並且多個所述浸沒式鰭片是呈非線性排列,任一個所述浸沒式鰭片之厚度是介於0.1~0.35mm,任一個所述浸沒式鰭片之高度是介於5~10mm,並且任兩個所述浸沒式鰭片之間距是介於0.1~0.35mm;其中,任一個所述浸沒式鰭片輪廓上任一點的切線與所述浸沒式鰭片的排列方向垂直的方向的夾角是小於四十五度。
  2. 如請求項1所述的具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,其中,至少有兩個所述浸沒式鰭片之間距與其他兩個所述浸沒式鰭片之間距為不同。
  3. 如請求項1所述的具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,其中,所述浸沒式鰭片是由銅、銅合金的其一所製成。
  4. 如請求項1所述的具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,其中,所述浸沒式鰭片表面的粗糙度Ra>1.5μm。
  5. 如請求項1所述的具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,更包括:一強化外框,其結合至所述浸沒式基底並圍繞多個所述浸沒式鰭片中的至少一部分。
  6. 如請求項5所述的具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,其中,所述浸沒式基底及所述強化外框的至少其一形成有多個穿孔,且有多個彈簧螺絲對應穿過多個所述穿孔。
  7. 如請求項1所述的具鏟削式鰭片的兩相浸沒式散熱結構,更包括:一高導熱結構,其結合至所述浸沒式基底的下表面,使所述浸沒式基底是透過所述高導熱結構與所述發熱元件形成間接接觸,所述高導熱結構內部形成有一真空密閉腔,且所述真空密閉腔中含有液體。
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US20190264986A1 (en) * 2018-02-27 2019-08-29 Auras Technology Co., Ltd. Heat dissipation device
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網路文獻 陳建榕 平板型熱交換器鰭片表面特性對冷凝現象影響的熱流分析 元智大學 2002/12/31 https://hdl.handle.net/11296/vm3y3k *

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