高效率的兩相流蒸發器的製作方法

2023-04-30 23:09:51

專利名稱：高效率的兩相流蒸發器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高效率的兩相流蒸發器，尤指利用液-汽間的相變化以加速散熱效果的散熱器。
背景技術：
隨著高科技的蓬勃發展，電子元件的體積趨於微小化，而且單位面積上的密集度也愈來愈高，其效能更是不斷增強，在這些因素之下，電子元件的總發熱源，則幾乎逐年升高，倘若沒有良好的散熱方式來排除電子元件所產生的熱，這些過高的溫度將導致電子元件產生電子游離與熱應力等現象造成整體的穩定性降低，以及縮短電子元件本身的壽命，因此如何排除這些熱源以避免電子元件的過熱，一直是不容忽視的問題。且由於個人電腦已普及在現代的社會裡，同時電腦世代的生命周期愈短，中央處理器(CPU)淘汰率也跟著升高，而中央處理器的效能增加、處理速度愈快，相對的它所排放出的熱源也不斷的增加，而在中央處理器的表面積並沒有太大的變化之下，目前中央處理器的工作溫度約為60～95℃左右，以這種情況繼續發展，發熱的瓦特數將持續升高，若沒有完善的散熱裝置，將會嚴重影響中央處理器的正常運作，所以如何提高散熱器的散熱效能是相當重要的工作。
在上述種種原因的驅使下，相關業者發展出了兩相流蒸發器，一般的兩相流蒸發器，設置有一個中空金屬制的容器以及容器上表面的鰭片所組合而成，當金屬容器的底板與電子元件表面接觸在一起之後，由於熱傳導作用，使電子元件的熱源會藉由金屬容器底板向上傳導到金屬容器內，且由於金屬容器由表面金屬以及內部毛細結構所組成，並事先將容器內空氣抽走成為近似真空狀態，所以當電子元件的熱源由金屬容器下底板往上傳導時，一部份的熱源將會被傳導到整個金屬容器，而剩餘的熱源才會經由與電子元件所接觸區域，向上傳到金屬容器內，並因金屬容器內部接近真空狀態，所以當毛細結構受熱而溫度升高時，將會引起毛細結構內的工作流體發生相變，從液相直接汽化產生氣泡，由於此氣泡內的壓力較大，氣泡將穿越毛細結構往上進入金屬容器毛細結構上方的空間內，接著蒸汽會碰到金屬容器上表面的冷卻端面，於是工作流體又再度發生相變，從汽體冷凝變成液體，將熱源傳導給金屬容器上表面，然後再透過金屬容器上表面的鰭片，將熱源散到外界環境，且同時蒸汽冷凝變成液體的工作流體，會經由毛細結構的毛細力作用，將冷凝後的工作流體輸送到受熱的區域，以源源不斷的補充汽化所需的液體，而因物質發生可逆液-汽相變化時會吸收或釋放大量的熱源，所以此種兩相流蒸發器，具有快速、幾乎定溫以及大量傳熱的特性。
以往此種兩相流蒸發器，其金屬容器通常是藉由上下兩個開口金屬盒對焊，或由上下金屬板與中間柱狀金屬等焊接而成，傳統在焊接與抽真空之前，會先使用金屬粉末，藉由固相燒結形成毛細結構，通常此種全金屬的兩相流蒸發器，重量較為笨重，毛細結構均勻性製作不易，而且製造成本高，同時在與電子元件組合時，會因組裝扣具的彎曲作用產生變形而使得毛細結構受損成為不連續結構，以致減低傳熱效率，嚴重時將使得工作流體無法回流到受熱端，因而引起燒乾(dry out)現象，更重要的是部份電子元件的熱源會被傳導到整個金屬容器，使得真正利用相變傳遞的熱源減少，而使兩相流蒸發器的效率大幅降低。
因此，要如何解決上述習用結構的問題與缺失，即為從事此行業的相關廠商所欲研究改善的方向所在。

發明內容
本實用新型的主要目的在於提供一種高效率的兩相流蒸發器，其利用設置有非金屬材質所製成的座體，而座體內具有可容置工作流體的密閉式容置空間，且於容置空間的底面設置有由導熱係數大於100W/m·K的高熱傳導材質所製成的導熱部，而該導熱部的底面設置有可接觸預設電子元件的接觸面，且導熱部的表面設置有可接觸工作流體的加熱面，而該容置空間的上方具有金屬材質所製成的散熱裝置。從而使電子元件所產生的熱源，幾乎都能有效、集中向上傳導至兩相流蒸發器的導熱部，使工作流體快速蒸發並流向上方而釋放出熱源，因汽體分子相變後放熱冷凝成液體沿著容器邊緣或因重力作用而聚集於導熱部，如此持續液-汽間的相變化使熱源可以源源不斷地傳導開來，且因蒸發快速而可得到更佳的散熱效果，以防止熱源積存於電子元件，增加電子元件整體的穩定性及使用壽命。
本實用新型的次要目的在於提供一種高效率的兩相流蒸發器，其利用非金屬材質所製成的座體，而使散熱器的整體重量大為減輕，可防止電子元件因散熱器重量過重而產生破裂或損壞，同時因為此座體可以經由塑膠包覆高熱傳導材質(導熱係數κ＞100W/m·K)射出成型，再與鋁擠型或不同製程所製造的散熱裝置組合而成，因此得以大量、快速的製造，並可以降低製造成本。


圖1為本實用新型的外觀圖。
圖2為本實用新型的分解圖。
圖3為本實用新型較佳實施例於使用時的側視剖面圖(一)。
圖4為本實用新型較佳實施例於使用時的側視剖面圖(二)。
圖5為本實用新型再一較佳實施例的側視剖面圖。
元件符號說明1......座體 11......容置空間
13......散熱裝置 111......導引裝置131......上蓋 12......導熱部132......鰭片 121......接觸面14......毛細結構 122......加熱面2......工作流體 3......電子元件4......風扇具體實施方式
請參閱圖1、2、3所示，本實用新型設置有座體1、工作流體2及電子元件3，其中該座體1使用非金屬材質所製成，而座體1內具有可容置工作流體2的密閉式容置空間11，且容置空間11內的大氣壓力低於外界，接近真空狀態，並於容置空間11的底面設置有高熱傳導材質(κ＞100W/m·K)所製成的導熱部12，而該導熱部12的底面設置有可接觸電子元件3的接觸面121，且導熱部12的表面設置有可接觸工作流體2的加熱面122，而該容置空間11的上方具有金屬材質所製成的散熱裝置13，且散熱裝置13設置有上蓋131，並於上蓋131的表面設置有複數間隔排列的鰭片132。
該工作流體2設置於座體1的容置空間11內，且工作流體2可為水、酒精、丙酮或其相互混合成的液體。
該電子元件3接觸於導熱部12所設置的接觸面121。
請參閱圖3、4所示，當電子元件3於發熱時，該導熱部12會將熱源快速吸收並傳導至工作流體2，且因座體1使用非金屬材質所製成而導熱部12使用高熱傳導材質(κ＞100W/m·K)所製成，因此熱源不至擴散開來，進而可將熱源集中的傳導至加熱面122並對工作流體2快速加熱，且藉由控制容置空間11內的壓力，使其接近真空狀態，而讓工作流體2的沸點降低，而因工作流體2受到加熱面122的加熱產生蒸發情形，且蒸汽在微小的壓力差下流向散熱裝置13(如圖3的中空箭號所示)，並且釋放出熱源，而釋放出的熱源會被散熱裝置13所設置的上蓋131所吸收，並傳導至鰭片132並與空氣接觸，而將熱源散去，且蒸氣的熱源被散熱裝置13吸收後會重新凝結成工作流體2，而凝結後的工作流體2便因重力或毛細作用而回至容置空間11底面(如圖4的中空箭號所示)，且工作流體2再次吸收加熱面122的熱源並產生蒸發情形，如此持續形成液-汽間的相變，而使熱源可以源源不斷地傳導開來。
請參閱圖5所示，為本實用新型再一較佳實施例的側視剖面圖，由圖中可清楚看出，該散熱裝置13所設置的上蓋131表面設置有毛細結構14，以增加熱交換時所接觸的散熱面積，而提高液-汽間的相變化的進行速度，加速汽化工作流體，且複數鰭片132上方所設置的風扇4，可更加快速的使鰭片132上的熱源經由強制對流散去，進而加快蒸發後的工作流體2凝結的速度，且容置空間11內可設置導引裝置111來引導蒸汽順利的流向上蓋。
再者，該散熱裝置13所設置的上蓋131表面可做成波浪狀或鋸齒狀等其它形狀，以增加熱傳面積，加速冷凝蒸汽成為液體，而該非金屬材質可為塑膠材料或陶瓷材料，而高熱傳導材質(κ＞100W/m·K)可為銅質材料、鋁質材料等金屬材料，或石墨、碳化矽、氮化鋁、氮化硼等陶瓷材料以及鋁-碳化矽、石墨-銅、石墨-鋁等複合材料，且座體1可以經由塑膠包覆高熱傳導材質(κ＞100W/m·K)所製成的導熱部12射出成型，再與鋁擠型或不同製程所製造的散熱裝置13組合而成，因此得以大量、快速的製造，並可以降低製造成本。
又，該容置空間11內可添加金屬或非金屬等密度比工作流體2高的球或粉末、以及陶瓷粉末、陶瓷球等物品，以增加傳熱速率，或使用在非水平方向時，有助於提升流體2的水位，讓導熱部12可整個被工作流體2所潤溼，而不會影響散熱器的效率。
綜上，本實用新型高效率的兩相流蒸發器可改善習用結構缺陷的技術關鍵在於(一)本實用新型利用非金屬材質所製成的座體1，並於座體1底面設置由高熱傳導材質(κ＞100W/m·K)所製成的導熱部12，而座體1上方具有金屬材質所製成的散熱裝置13，而使電子元件3所產生的熱源，幾乎都經由導熱部12向上傳導，可有效提升傳熱效率及液-汽相變反應速率，同時由於工作流體2快速在高熱傳導材質所製成的導熱部12的加熱面122汽化，而蒸汽會因微小的壓力差流向上方，且釋放出的熱源會被散熱裝置13所吸收，使蒸氣重新冷凝成液體，如此持續液-汽間的相變化使熱源可以源源不斷地傳導開來，且因蒸發快速而可得到更佳的散熱效果，以防止熱源積存於電子元件3，以增加電子元件3整體的使用穩定性及壽命。
(二)本實用新型利用非金屬材質所製成的座體1，而使散熱器的整體重量大為減輕，可防止電子元件3因散熱器重量過重而產生破裂或損壞，因為此座體1可以經由塑膠包覆高熱傳導材質所製成的導熱部12射出成型，再與鋁擠型或不同製程所製造的散熱裝置13組合而成，因此得以大量、快速的製造且可以低溫製程製造以降低製造成本。
上述詳細說明為針對本實用新型較佳的可行實施例說明而已，但該實施例並非用以限定本實用新型的範圍，凡其它未脫離本實用新型所揭示的技藝精神下所完成的均等變化與修飾變更，均應包含於本實用新型所涵蓋的範圍中。
權利要求1.一種高效率的兩相流蒸發器，為利用液-汽間的相變化以加速散熱效果的散熱器，其特徵在於，設置有非金屬材質所製成的座體，而座體內具有可容置工作流體的密閉式容置空間，且於容置空間的底面設置有由導熱係數大於100W/m·K的高熱傳導材質所製成的導熱部，而該導熱部的底面設置有可接觸預設電子元件的接觸面，且導熱部的表面設置有可接觸工作流體的加熱面，而該容置空間的上方具有金屬材質所製成的散熱裝置。
2.如權利要求1所述的高效率的兩相流蒸發器，其特徵在於，該散熱裝置設置有上蓋，且上蓋表面具有複數間隔排列的鰭片。
3.如權利要求2所述的高效率的兩相流蒸發器，其特徵在於，該上蓋表面做成波浪狀或鋸齒狀。
4.如權利要求2所述的高效率的兩相流蒸發器，其特徵在於，該鰭片的上方進一步設置有風扇。
5.如權利要求2所述的高效率的兩相流蒸發器，其特徵在於，該上蓋表面進一步設置有毛細結構。
6.如權利要求1所述的高效率的兩相流蒸發器，其特徵在於，該容置空間內進一步設置有用以引導蒸氣快速流向冷凝部上蓋的導引裝置。
7.如權利要求1所述的高效率的兩相流蒸發器，其特徵在於，該非金屬材質為塑膠材料。
8.如權利要求1所述的高效率的兩相流蒸發器，其特徵在於，該非金屬材質為陶瓷材料。
9.如權利要求1所述的高效率的兩相流蒸發器，其特徵在於，該高熱傳導材質為銅或鋁。
10.如權利要求1所述的高效率的兩相流蒸發器，其特徵在於，該高熱傳導材質為石墨、碳化矽、氮化鋁或氮化硼陶瓷材料，或為鋁-碳化矽金屬陶瓷複合材料。
專利摘要本實用新型有關一種高效率的兩相流蒸發器，其設置有一非金屬材質所製成的座體，而座體內具有可容置工作流體的密閉式容置空間，且於容置空間的底面設置有高熱傳導材質(導熱係數κ＞100W/m·K)所製成的導熱部，而該容置空間的上方具有金屬材質所製成的散熱裝置，使電子元件所產生的熱源，幾乎都經由導熱部向上傳導，而讓工作流體快速蒸發，且蒸汽會流向上方並釋放出熱源而重新凝結成液體，如此持續液－汽間的相變化使熱源可以源源不斷地傳導開來，以防止熱源積存於電子元件，使電子元件整體的穩定性增高以及壽命增長。
文檔編號H01L23/427GK2706870SQ200420048988
公開日2005年6月29日 申請日期2004年6月4日 優先權日2004年6月4日
發明者黃隆偉 申請人:祥瑩有限公司