TWI408329B - 微型熱交換管結構、散熱元件及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種微型熱交換管結構、散熱元件及其製造方法，且特別係有關於管內具有三角形凹孔的微型熱交換管結構、散熱元件及其製造方法。
請參照第1圖，其顯示依照現有之微型熱交換管900的剖面示意圖，其係由Kuo及Peles在Int. J. Heat and Mass Transfer中所發表。此微型熱交換管900可設置於欲散熱或冷卻的區域或元件的表面上，以進行熱交熱。熱交換管900的管徑寬度約為200μm，用以供一工作流體通過此微型熱交換管900，微型熱交換管900的管壁901形成有多個圓形凹孔902，其係利用通孔903來連通於微型熱交換管900中，圓形凹孔902的直徑約為50μm。當進行熱交熱時，微型熱交換管900的圓形凹孔902中可因高溫而產生氣泡，氣泡會由圓形凹孔902脫離至熱交換管900內，並由流動於熱交換管900內的工作流體來帶走氣泡，而達到熱交熱的效果。
然而，相較於圓形凹孔902的直徑(50μm)，由於熱交換管900的管壁901及圓形凹孔902之間的通孔903過於狹長(約寬7.5μm、長27.8μm)，因此，在圓形凹孔902中所產生的氣泡不易脫離至熱交換管900內，使得氣泡容易在圓形凹孔902中堆積而產生過熱點，因而影響整體熱交熱和冷卻的效果。
因此本發明之一方面係在於提供一種具有微型熱交換管結構，藉以形成三角形凹孔於管壁上，因而可促進氣泡的產生，並確保氣泡可順利地脫離至管內，而被工作流體帶走。
本發明之另一方面係在於提供一種微型熱交換管結構的散熱元件，藉以對微型元件進行散熱或冷卻，並可大幅地提升熱傳效率。
本發明之另一方面係在於提供一種散熱元件的製造方法，藉以快速且簡易地形成微型熱交換管結構於散熱元件中。
根據本發明之實施例，本發明之微型熱交換管結構包含管體和複數個三角形凹孔，三角形凹孔係形成於管體內的管壁上，其中每一三角形凹孔的開孔角度係小180度。
又，根據本發明之實施例，本發明之散熱元件包含底部、中間本體、上蓋及複數個熱交換管。中間本體係設置於底部上，上蓋係設置於中間本體上，熱交換管係形成於中間本體中，其中每一熱交換管包括複數個三角形凹孔，其形成於每一熱交換管的管壁上，每一三角形凹孔的開孔角度係小180度。
又，根據本發明之實施例，本發明之散熱元件的製造方法包含下列步驟：提供底部；形成中間本體和上蓋，其中上蓋係設置於中間本體上，中間本體具有複數個微槽道；以及設置中間本體及上蓋於底部上，以形成複數個熱交換管於中間本體中，其中每一熱交換管包括複數個三角形凹孔，其形成於每一熱交換管的管壁上，每一三角形凹孔的開孔角度係小180度。
因此，本發明的具有微型熱交換管結構的散熱元件可形成三角形凹孔於熱交換管的管壁上，以促進氣泡的產生，且氣泡可輕易由三角形凹孔脫離至熱交換管內，而可確實地被工作流體帶走，達到熱交換效果。且本發明更可利用高熱傳導係數的鑽石薄膜及摻有多壁奈米碳管的去離子水溶液來提升熱傳效率，以提升熱交換、冷卻及散熱效果。再者，本發明之散熱元件的製造方法可具有低製程成本以及步驟簡易的功效。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，本說明書將特舉出一系列實施例來加以說明。但值得注意的係，此些實施例只係用以說明本發明之實施方式，而非用以限定本發明。
請參照第2圖，其顯示依照本發明之一實施例之散熱元件的正面示意圖。本實施例之微型熱交換管結構110可形成於散熱元件100中，以進行熱交換。此散熱元件100可設置於特定的微型元件或區域的表面上及/或附近區域，以進行熱交換、散熱或冷卻。例如，散熱元件100可設置於電子元件(如處理器)的表面上及/或附近區域，以傳導電子元件所產生的熱量，確保電子元件的性能。因此，散熱元件100可作為散熱元件或冷卻元件。
如第2圖所示，本實施例的散熱元件100包含微型熱交換管結構110、底部120、中間本體130及上蓋140。微型熱交換管結構110係形成於底部120、中間本體130及上蓋140之間，中間本體130開設有複數個微槽道或通孔，底部120與上蓋140係設置於中間本體130上下相對兩側，以形成微型熱交換管結構110。
如第2圖所示，本實施例的散熱元件100的底部120，可直接接觸於欲散熱之特定元件或區域的表面上及/或附近區域，以傳導熱量來進交換。底部120較佳係具有良好導熱效率的材料所製成，例如金屬。在本實施例中，底部120包括金屬層121和鑽石薄膜122，金屬層121可用以直接接觸於欲散熱之特定元件或區域的表面上及/或附近區域，鑽石薄膜122可接合於中間本體130。金屬層121例如為銅片，其厚度可約為200μm。鑽石薄膜122可利用化學氣相沈積法(CVD)來形成於金屬層121上，其厚度可小於等於10μm，較佳為2μm，以改善熱傳效果以及工作流體在底部120上的接觸角。相較於單一銅片的熱傳導係數約為400W/mK，本實施例之底部120的鑽石薄膜122的熱傳導係數可約為2300W/mK，因而可大幅提升底部120的熱傳導性。
如第2圖所示，本實施例的散熱元件100的中間本體130和上蓋140係形成於底部120上。在本實施例中，中間本體130和上蓋140可具有相同的材料，例如為聚雙甲基矽氧烷(Poly-dimethylsiloxane，PDMS)，並可為一體成型。然不限於此，在其他實施例中，中間本體130和上蓋140亦可分別為不同的材料，且亦可為個別單獨的結構。中間本體130的厚度可約為100μm，上蓋140的厚度可約為2mm。
請參照第3圖和第4圖，第3圖顯示依照本發明之一實施例之散熱元件的上視剖面圖，第4圖顯示依照本發明之一實施例之散熱元件的部分立體圖。本實施例之微型熱交換管結構110可應用於微型元件的熱交換或散熱中，因而微型熱交換管110之管徑的開口尺寸(管的寬度或高度)較佳係小於1mm，例如為數百微米(μm)。微型熱交換管結構110(管體)係開設於中間本體130中，並可由底部120、中間本體130及上蓋140來共同定義出微型熱交換管結構110的管體。在本實施例中，散熱元件100可例如具有75個熱交換管110，此些熱交換管110可為直線型矩形交換管，其可水平地排列於中間本體130的區域上，些熱交換管110之間的設置間距約為200μm。每一熱交換管110的長度約為30mm，寬度可約為200μm，高度可相同於中間本體130的厚度(100μm)。每一熱交換管110包括複數個三角形凹孔111，其形成於熱交換管110內的管壁112上，用以產生氣泡來進行熱交換，其中每一三角形凹孔111的開孔角度θ係小於180度，例如為60度、90度或120度，較佳為90度。此開孔角度θ為凹孔111的三角形頂角角度，凹孔111的三角形底邊係平行於熱交換管110內的管壁112。三角形凹孔111係位於中間本體130的區域上，且位於每一熱交換管110的相對兩側。在管壁112之相同一側上之三角形凹孔111之間的間距約為100μm，每一三角形凹孔111的開口寬度約為50μm。
請參照第5A圖至第6圖，第5A圖至第5D圖顯示依照本發明之一實施例之散熱元件的製造剖面圖，第6圖顯示依照本發明之一實施例之散熱元件的製造方法流程圖。當製造本實施例之散熱元件100時，首先，提供底部120(步驟S201)。在本實施例中，可沈積鑽石薄膜122於金屬層121(銅片)上，而形成底部120。接著，形成中間本體130和上蓋140(步驟S202)。此中間本體130和上蓋140可例如利用微鑄造來一體成型，此時，如第5A圖所示，可先提供一鑄模300，此鑄模300可具有凸狀結構310，其實質對應於散熱元件100的熱交換管110，亦即凸狀結構310的尺寸大小係相同於熱交換管110的長度、寬度及厚度。此鑄模300的凸狀結構310可利用例如微顯影技術來製造於一基材(如晶圓)上。接著，如第5B圖所示，倒入一高分子材料於鑄模300的凸狀結構310上，此時，此高分子材料較佳可具有流動狀態，其可利用摻入固化劑、溫度或光線來形成固化。此高分子材料例如為PDMS，其比重約為1.08，黏性約為3900mPas。當倒入流動狀態的PDMS於鑄模300上時，PDMS可充填於凸狀結構310之間，並覆蓋於凸狀結構310上，其中充填於凸狀結構310之間的PDMS可形成中間本體130，覆蓋於凸狀結構310上的PDMS可形成上蓋140。接著，倒在鑄模300上的PDMS可被進行固化，例如以70℃來加熱1小時(hr)。固化後的PDMS可由鑄模300來脫離，因而可形成具有微槽道(對應於熱交換管110)的中間本體130以及上蓋140，如第5C圖所示。接著，如第5D圖所示，設置中間本體130以及上蓋140於底部120上(步驟S203)，因而形成散熱元件100。此時，中間本體130的表面可貼合於底部120的鑽石薄膜122上，而形成熱交換管110於底部120與上蓋140之間。因此，藉由本實施例之散熱元件的製造方法，可簡易且快速地製造具有微型熱交換管結構110的散熱元件100。由於微型熱交換管結構110可利用微鑄造來形成，因而具有低製程成本和大量製造的功效。
請參照第3圖和第7圖，第7圖顯示依照本發明之一實施例之散熱元件的方塊示意圖，當使用本實施例的散熱元件100來進行熱交換時，工作流體係注入於散熱元件100中，並流通於熱交換管110中，藉以帶走散熱元件100的熱量。此工作流體可例如為去離子水(De-ionized Water，DI Water)、摻有多壁奈米碳管(MCNT)的去離子水溶液、或冷媒(如介電液FC-72)，其中去離子水溶液可摻有0~30體積百分比濃度(vol. %)的多壁奈米碳管，例如去離子水溶液可摻有1vol. %的多壁奈米碳管。此工作流體可重複地循環使用於散熱元件100中。此時，工作流體的流動路徑可為封閉循環的流動路徑，如第7圖所示，散熱元件100更可包括管路150和加壓元件160，管路150的兩端可分別連接於熱交換管110的入口和出口，以形成封閉循環的流體路徑，加壓元件160(例如泵浦)可設置於管路150之間，用以對工作流體進行加壓，使工作流體可持續地流動於封閉循環路徑中。因此，散熱元件100所傳導的熱量可利用流動工作流體來帶走，並在管路150中散失熱量，達到熱交換和冷卻散熱的目的。
然不限於此，在其他實施例中，流經此散熱元件100之工作流體的流動路徑亦可為開放式的流動路徑，亦即流出的散熱元件100的工作流體亦可不需再循環利用。
因此，本實施例之具有微型熱交換管結構110的散熱元件100可應用於例如電子元件的散熱冷卻，當使用散熱元件100時，熱量可經由底部120之高熱傳導係數的鑽石薄膜122來有效地傳導至中間本體130。接著，氣泡可形成於熱交換管110的三角形凹孔111中，由於熱交換管110內之管壁上的凹孔111是呈三角形，亦即凹孔111的開口係朝熱交換管110內的工作流體來逐漸擴大，因而形成於凹孔111中的氣泡可輕易脫離至熱交換管110中，並藉由熱交換管110中的工作流體來帶走氣泡，確實地達到熱交換效果，因而可避免氣泡不易脫離而產生過熱點的問題。且本實施例之散熱元件100更可進一步藉由高熱傳導係數的鑽石薄膜122及摻有多壁奈米碳管的去離子水溶液來提升熱傳效果，以改善熱交換及冷卻散熱效果。
請參照第8圖，其顯示依照本發明之一實施例之工作流體於散熱元件中的熱通量圖。如第8圖所示，當本實施例之散熱元件100之微型熱交換管結構110的尺寸為長度30mm、寬度200μm、高度100μm，且工作流體為摻有1vol.%多壁奈米碳管的去離子水溶液時，約可得到最高熱通量614W/cm2
，因此，相較於現有的微型熱交換管，本實施例之具有微型熱交換管結構110的散熱元件100可大幅地提升熱傳效率，進而改善熱交換及冷卻散熱效果。
如第3圖所示，在本發明之一實施例，位於熱交換管110之相對兩側的三角形凹孔111可相互對位，且三角形凹孔111之間的設置間距可為固定不變，此些三角形凹孔111的開孔角度θ、大小尺寸可皆為相同。
請參照第9A圖，其顯示依照本發明之另一實施例之散熱元件的上視剖面圖。在本發明之另一實施例，位於熱交換管110之相對兩側的三角形凹孔111可相互錯位，亦即相對兩側的三角形凹孔111可不相互對齊。
請參照第9B圖和第9C圖，其顯示依照本發明之又一實施例之散熱元件的上視剖面圖。在本發明之又一實施例，熱交換管110的三角形凹孔111可具有不同的開孔角度θ、大小尺寸及/或設置位置，其可根據實際的需求和情況來任意地設計或變化。
由上述本發明的實施例可知，本發明之具有微型熱交換管結構的散熱元件可避免氣泡不易脫離而產生過熱點的問題，且更可利用高熱傳導係數的鑽石薄膜及摻有多壁奈米碳管的去離子水溶液來提升熱傳效率，因而可大幅地提升熱交換、冷卻及散熱效果。再者，本發明之散熱元件可利用微鑄造技術來製造，因而可具有低製程成本以及快速大量製造的功效。
綜上所述，雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
θ．．．開孔角度
100．．．散熱元件
110、900．．．微型熱交換管
111．．．三角形凹孔
112、901．．．管壁
120．．．底部
121．．．金屬層
122．．．鑽石薄膜
130．．．中間本體
140．．．上蓋
150．．．管路
160．．．加壓元件
S201．．．提供底部
S202．．．形成中間本體和上蓋
S203．．．設置中間本體以及上蓋於底部上
300．．．鑄模
310．．．凸狀結構
902．．．圓形凹孔
903．．．通孔
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：
第1圖顯示依照現有之微型熱交換管的剖面示意圖。
第2圖顯示依照本發明之一實施例之散熱元件的正面示意圖。
第3圖顯示依照本發明之一實施例之散熱元件的上視剖面圖。
第4圖顯示依照本發明之一實施例之散熱元件的部分立體圖。
第5A圖至第5D圖顯示依照本發明之一實施例之散熱元件的製造剖面圖。
第6圖顯示依照本發明之一實施例之散熱元件的製造方法流程圖。
第7圖顯示依照本發明之一實施例之散熱元件的方塊示意圖。
第8圖顯示依照本發明之一實施例之工作流體於散熱元件中的熱通量圖。
第9A圖至第9C圖顯示依照本發明其他實施例之散熱元件的上視剖面圖。
θ．．．開孔角度
110．．．微型熱交換管
111．．．三角形凹孔
130．．．中間本體
Claims (7)
- 一種散熱元件，包含：一底部；一中間本體，設置於該底部上；一上蓋，設置於該中間本體上；以及複數個熱交換管，形成於該中間本體中，其中每一該些熱交換管包括複數個三角形凹孔，其形成於每一該些熱交換管的一管壁上，每一該些三角形凹孔的一開孔角度係小於180度；其中該底部包括一金屬層和一鑽石薄膜，該鑽石薄膜係形成於該金屬層上，並接合於該中間本體，用於接觸一流經該些熱交換管的工作流體，該些三角形凹孔具有不同的開孔角度及大小尺寸。
- 如申請專利範圍第1項所述之散熱元件，其中該開孔角度為60度、90度或120度。
- 如申請專利範圍第1項所述之散熱元件，其中該鑽石薄膜的厚度係小於等於10μm。
- 如申請專利範圍第1項所述之散熱元件，其中該工作流體係流經該些熱交換管，該工作流體為去離子水、摻有多壁奈米碳管的去離子水溶液、或冷媒。
- 如申請專利範圍第1項所述之散熱元件，其中該工作流體為摻有0~30體積百分比濃度(vol.%)之多壁奈米碳管的去離子水溶液。
- 如申請專利範圍第1項所述之散熱元件，其中該中間本體和該上蓋的材料為聚雙甲基矽氧烷(Poly-dimethylsiloxane，PDMS)。
- 一種散熱元件的製造方法，包含：提供一底部；形成一中間本體和一上蓋，其中該上蓋係設置於該中間本體上，該中間本體具有複數個微槽道；以及設置該中間本體及該上蓋於該底部上，以形成複數個熱交換管於該中間本體中，其中每一該些熱交換管包括複數個三角形凹孔，其形成於每一該些熱交換管的一管壁上，每一該些三角形凹孔的一開孔角度係小於180度；其中該底部包括一金屬層和一鑽石薄膜，該鑽石薄膜係形成於該金屬層上，並接合於該中間本體，用於接觸一流經該些熱交換管的工作流體，該些三角形凹孔具有不同的開孔角度及大小尺寸。
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