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TWI884673B - 電纜線散熱結構及其散熱方法 - Google Patents

電纜線散熱結構及其散熱方法 Download PDF

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TWI884673B
TWI884673B TW113100238A TW113100238A TWI884673B TW I884673 B TWI884673 B TW I884673B TW 113100238 A TW113100238 A TW 113100238A TW 113100238 A TW113100238 A TW 113100238A TW I884673 B TWI884673 B TW I884673B
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Taiwan
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heat dissipation
cable
adaptive
temperature
deformable element
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TW113100238A
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鄭詠仁
何亞奇
吳采亮
胡恩蘭
陳柏志
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

本發明提供一種電纜線散熱結構，包含纜線披覆、導電體以及立體螺旋狀溫度自適應變形件。纜線披覆具有沿著纜線披覆的軸向方向延伸的流體輸送腔。導電體設置於纜線披覆。立體螺旋狀溫度自適應變形件設置於流體輸送腔內。立體螺旋狀溫度自適應變形件允許流體輸送腔的工作流體產生雙相流以及渦流。

Description

電纜線散熱結構及其散熱方法
本發明係關於一種電纜線散熱結構及其散熱方法。
基於環保概念或訴求，對於大型電子設備供應電力的效率備受重視。以路面行駛載具為例，電動載具已成為市場關注的重點產業之一。目前，電動載具主要是藉由充電電池進行供電，以讓電動載具能夠行駛。於充電電池電力使用完畢時，再更換充電電池或對其進行充電。
為了提升電動載具的充電速率，搭載能提供例如2000安培以上大電流之電纜線的充電樁以實現快充是未來的趨勢。然而，基於使用安全考量，世界各國對於電纜線在進行充電時的溫度有所規範，例如日本和歐盟的相關規定均要求在進行充電時，電纜線任何區域的溫度都不得超過40℃。因此，本領域目前需要能兼顧高充電速率以及電纜線之快速散熱的解決方案。
鑑於上述問題，本發明提供一種電纜線散熱結構及其散熱方法，有助於解決現有電纜線難以兼顧充電及散熱效率的 問題。要說明的是，本發明可泛用於電動載具，不限於路面行駛之電動載具。
本發明一實施例所揭露之電纜線散熱結構包含一纜線披覆、一導電體以及一立體螺旋狀溫度自適應變形件。纜線披覆具有沿著纜線披覆的軸向方向延伸的一流體輸送腔。導電體設置於纜線披覆。立體螺旋狀溫度自適應變形件設置於流體輸送腔內。立體螺旋狀溫度自適應變形件允許流體輸送腔的一工作流體產生雙相流以及渦流(Vortex)。
本發明一實施例所揭露之電纜線散熱方法包含：將一工作流體提供至一纜線披覆的一流體輸送腔內；以及藉由設置於流體輸送腔內的一立體螺旋狀溫度自適應變形件，使得工作流體產生雙相流以及渦流。
根據本發明揭露之電纜線散熱結構及其散熱方法，根據本發明揭露之電纜線散熱結構及其散熱方法，藉由設置於流體輸送腔內的自適應變形件使得工作流體產生雙相流以及渦流。自適應變形件的表面有助於降低工作流體的沸點，令工作流體較容易形成雙相流從而能透過沸騰傳熱達到散熱目的。立體螺旋狀的自適應變形件藉由其包含的多個匝使工作流體產生渦流達到散熱目的。自適應變形件的溫度自適應性能讓形成雙相流的容易度以及渦流的強度隨著工作流體的溫度上升也一併提升，進而允許工作流體的散熱效率隨著溫度上升動態地增加。
以上關於本發明內容之說明及以下實施方式之說明 係用以示範與解釋本發明之原理，並提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
10:電纜線散熱結構
11:充電樁
12:電纜線
13:電動載具
110:纜線披覆
111:流體輸送腔
120:導電體
130:自適應變形件
131:匝
A1、A2:軸向方向
D、d0、d’:軸向間距
F:工作流體
P1~P5:量測點
R:徑向尺寸
T:線徑
圖1為使用充電樁進行電動載具充電的示意圖。
圖2為根據本發明一實施例之電纜線散熱結構的示意圖。
圖3為圖2之自適應變形件的示意圖。
圖4為圖3之自適應變形件的正視圖。
圖5為圖2之電纜線散熱結構處於低溫時的示意圖。
圖6為圖2之電纜線散熱結構處於高溫時的示意圖。
圖7為量測電纜線散熱結構外表面的溫度的示意圖。
於以下實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵及優點，其內容足以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的內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易理解本發明相關之目的及優點。以下實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參照圖1，為使用充電樁進行電動載具充電的示意圖。充電樁11搭載有電纜線12，並且可經由電纜線12對電動載具13進行充電。基於使用安全考量，電纜線12在進行充電時的溫度需要受到限制。更進一步來說，電纜線12的外表面的溫度需 要受到限制。要說明的是，本發明可泛用於電動載具，不限於路面行駛之電動載具。
本發明提供一種可應用於圖1之電纜線12的散熱結構。請參照圖2至圖4，其中圖2為根據本發明一實施例之電纜線散熱結構的示意圖，圖3為圖2之自適應變形件的示意圖，且圖4為圖3之自適應變形件的正視圖。在本實施例中，電纜線散熱結構10包含纜線披覆110、導電體120以及自適應變形件130。
導電體設置於纜線披覆110。進一步來說，纜線披覆110為電絕緣材質，其可具有圖1之電纜線12的外表面。導電體120設置於纜線披覆110的纜線披覆內。纜線披覆110與導電體120可同軸設置。
纜線披覆110具有沿著纜線披覆110自身的軸向方向A1延伸的流體輸送腔111。流體輸送腔111可供工作流體F通過。工作流體F例如但不限於是水、甲醇、丙酮、電子氟化液、礦物油或包含奈米粒子的流體。工作流體F用於進行纜線披覆110的散熱。在本實施例中，導電體120設置於纜線披覆110內並且與流體輸送腔111連通，使得工作流體F會直接接觸導電體120，從而工作流體F必須是不導電的。舉例來說，工作流體F可以是含有奈米矽粒子的Milli-Q水。
圖1繪示的電纜線散熱結構10僅為示例性的。在部份其他實施例中，電纜線散熱結構可進一步包含容置於纜線披覆內的絕緣層。導電體被絕緣層包覆，且由絕緣層形成流體輸送腔。 又部份其他實施例中，電纜線散熱結構可進一步包含容置於纜線披覆內的防水套。導電體設置於防水套與纜線披覆之間，且由防水套形成流體輸送腔。
自適應變形件130設置於流體輸送腔111內。進一步來說，自適應變形件130的軸向方向A2與纜線披覆110的軸向方向A1實質上是平行的。更進一步來說，自適應變形件130與纜線披覆110係同軸設置。自適應變形件130可包含形狀記憶合金。形狀記憶合金例如可選自由鎳鈦(Ti-Ni)合金、錳矽鐵(Fe-Mn-Si)合金、鋅銅鋁(Cu-Zn-Al)合金、鎳銅鋁(Cu-Al-Ni)合金、鎳鈦鐵(Ni-Ti-Fe)合金和鎳鈦銅(Ni-Ti-Cu)合金所組成的群組。
在本實施例中，自適應變形件130具有立體螺旋狀(Helical)。進一步來說，自適應變形件130包含相連的多個匝131，且這些匝131沿著軸向方向A1或A2排列。如圖3所示，各個匝131的線徑T可為0.10公釐(mm)至8.0公釐。在部份其他實施例中，線徑T可為0.10公釐至5.0公釐。又部份其他實施例中，線徑T可為0.10公釐至2.50公釐。
如圖4所示，在本實施例中，各個匝131的徑向尺寸R可為1.0公釐至20.0公釐。在部份其他實施例中，徑向尺寸R可為1.0公釐至10.0公釐。
如圖3和圖4所示，在本實施例中，相鄰的其中兩個匝131的軸向間距D可為0.50公釐至20.0公釐。在部份其他實施例中，軸向間距D可為0.50公釐至15.0公釐。又部份其他 實施例中，軸向間距D可為0.50公釐至10.0公釐。
在本實施例中，藉由設置於流體輸送腔111內的自適應變形件130所包含的多個匝131使工作流體F產生渦流達到散熱目的。關於自適應變形件130的各個匝131的尺寸，其中線徑T、徑向尺寸R、兩個相鄰匝131的軸向間距D均可個別地依據實際需求做設計。一般來說，若線徑T大於8.0公釐，會造成流阻太大而不利於工作流體F的流動，進而影響熱傳效率。若線徑T小於0.10公釐，會不容易驅使渦流產生。
對於包含於自適應變形件130的形狀記憶合金，如果形狀記憶合金含有金屬鈦，金屬鈦於形狀記憶合金中的百分比可為5.0%至95.0%。
對於包含於自適應變形件130的形狀記憶合金，如果形狀記憶合金含有金屬鎳，金屬鎳於形狀記憶合金中的百分比可為10.0%至90.0%。
對於包含於自適應變形件130的形狀記憶合金，如果形狀記憶合金含有金屬鐵，金屬鐵於形狀記憶合金中的百分比可為5.0%至90.0%。
對於包含於自適應變形件130的形狀記憶合金，如果形狀記憶合金含有金屬錳，金屬錳於形狀記憶合金中的百分比可為5.0%至85.0%。
對於包含於自適應變形件130的形狀記憶合金，如果形狀記憶合金含有矽，矽於形狀記憶合金中的百分比可為5.0% 至85.0%。
對於包含於自適應變形件130的形狀記憶合金，如果形狀記憶合金含有金屬銅，金屬銅於形狀記憶合金中的百分比可為10.0%至70.0%。
對於包含於自適應變形件130的形狀記憶合金，如果形狀記憶合金含有金屬鋁，金屬鋁於形狀記憶合金中的百分比可為10.0%至50.0%。
對於包含於自適應變形件130的形狀記憶合金，如果形狀記憶合金含有金屬鋅，金屬鋅於形狀記憶合金中的百分比可為5.0%至50.0%。
根據一個或多個實施例，自適應變形件130可包含下列形狀記憶合金A至形狀記憶合金Q其中任一者。
Figure 113100238-A0305-12-0007-1
Figure 113100238-A0305-12-0008-2
自適應變形件130允許流體輸送腔111內的工作流體F產生雙相流以及渦流，從而達到散熱目的。請參照圖5和圖6，其中圖5為圖2之電纜線散熱結構處於第一溫度時的示意圖，且圖6為圖2之電纜線散熱結構處於第二溫度時的示意圖，在本實施例中，第二溫度高於第一溫度。第一溫度例如但不限於5.0℃至45.0℃。第二溫度例如但不限於超過45.0℃。
在本實施例中，自適應變形件130具有溫度自適應性(Temperature-adaptive)。進一步來說，自適應變形件130能夠基於溫度變化在軸向方向A2上伸縮，從而改變兩個匝131的軸向間距D。如圖5所示，在工作流體F處於第一溫度(相對低溫)的情況下，自適應變形件130的軸向間距可具有原始數值d0，即可理解為D=d0。如圖6所示，當工作流體F的溫度上升成為第二溫度(相對高溫)時，自適應變形件130響應溫度的上升而在軸向方向A2上收縮，從而兩個匝131的軸向間距縮減成數值d’，即可理解為D=d’且d’<d0。類似地，當工作流體F的溫度下降時，自適應變形件130響應溫度的降低而在軸向方向A2上延展， 從而增加兩個匝131的軸向間距D。
自適應變形件130的表面有助於液相工作流體F轉變為氣相，從而形成雙相流。換句話說，自適應變形件130有利於降低工作流體F的沸點，而令工作流體F能在相對較低的溫度透過沸騰傳熱達到散熱目的。更具體來說，當工作流體F的溫度上升時，自適應變形件130在軸向方向A2上收縮而使得這些匝131的排列密度提升，進而每單位長度的纜線披覆110中容納更多部分的自適應變形件130。更多部分的自適應變形件130意味著有更大的表面積可以幫助雙相流的形成。此外，在工作流體F中例如奈米粒子的額外添加物也有助於更進一步降低工作流體F的沸點。在本實施例中，自適應變形件130允許工作流體F在40℃至90℃產生雙相流，以使自適應變形件130更加相容於電動載具的充電電纜線散熱之應用，但本發明並不以此為限。
自適應變形件130的複數匝131有助於工作流體F產生渦流。進一步來說，自適應變形件130具有藉由兩個匝131的軸向間距D的改變使得工作流體F產生渦流的自適應變形特性。更具體來說，當工作流體F的溫度上升時，自適應變形件130在軸向方向A2上收縮而使得這些匝131的排列密度提升，進而每單位長度的纜線披覆110中容納更多部分的自適應變形件130。更多部分的自適應變形件130有利於工作流體F產生強度更高的渦流。在本實施例中，自適應變形件130具有讓軸向間距D在0.50公釐至20.0公釐的範圍內變化的自適應變形特性。
根據一個或多個實施例，自適應變形件130的自適應變形特性滿足隨著溫度上升會發生形變收縮，從而有利於渦流產生。若自適應變形件130隨著溫度上升會發生形變延展(即溫度上升會導致軸向間距D變大)，對於渦流產生的效果有限。因此，自適應變形件130的材料選擇是值得注意的。
綜上所述，藉由設置於流體輸送腔111內的自適應變形件130使得工作流體F產生雙相流以及渦流。自適應變形件130的表面有助於降低工作流體F的沸點，令工作流體F較容易形成雙相流從而能透過沸騰傳熱達到散熱目的。立體螺旋狀的自適應變形件130藉由其包含的多個匝使工作流體F產生渦流達到散熱目的。自適應變形件130的溫度自適應性能讓形成雙相流的容易度以及渦流的強度隨著工作流體F的溫度上升也一併提升，進而允許工作流體F的散熱效率隨著溫度上升動態地增加。
以下，提供實驗數據來支持根據本發明揭露之自適應變形件130有助於提升散熱效率，且能達到均勻的散熱表現。
〔實施例〕
如圖2至圖4所示的電纜線散熱結構10。其中，自適應變形件130中相鄰兩個匝131的軸向間距可基於溫度變化在0.50公釐至20.0公釐的範圍內變動。
〔比較例一〕
一種電纜線散熱結構，包含圖2所示的纜線披覆110以及導電體120，但沒有包含自適應變形件。
〔比較例二〕
一種電纜線散熱結構，包含圖2所示的纜線披覆110以及導電體120，並且包含設置於流體輸送腔111內的立體螺旋狀金屬彈簧。其中，金屬彈簧中相鄰兩個匝的軸向間距可常態地為30.0公釐。
〔比較例三〕
一種電纜線散熱結構，包含圖2所示的纜線披覆110以及導電體120，並且包含設置於流體輸送腔111內的立體螺旋狀金屬彈簧。其中，金屬彈簧中相鄰兩個匝的軸向間距可常態地為40.0公釐。
實施例和比較例一至比較例三中電纜線散熱結構的主要差異整理成下表1。
Figure 113100238-A0305-12-0011-3
圖7為量測電纜線散熱結構外表面的溫度的示意圖。進一步來說，在實施例和比較例一至比較例三的電纜線散熱結構內提供相同的工作流體，例如提供含有奈米矽粒子的Milli-Q水。在電纜線散熱結構的外表面(即纜線披覆的外表面)取複數個量測點，並且以任何已知手段量測各個量測點的溫度，例如圖7所示取量測點P1至P5量測溫度。前述量測結果如下表2所示。
Figure 113100238-A0305-12-0012-4
根據表2，可得知包含自適應變形件的實施例一能夠讓電纜線散熱結構的外表面各區域的溫度都低於40℃以符合市場需求。此外，實施例一相較於比較例一至比較例三的具有較低的溫度標準差，這意味著包含自適應變形件的實施例一能提供均勻的散熱表現從而使得電纜線散熱結構的外表面各區域的溫度趨於一致。
綜上所述，根據本發明揭露之電纜線散熱結構及其散熱方法，藉由設置於流體輸送腔內的自適應變形件使得工作流 體產生雙相流以及渦流。自適應變形件的表面有助於降低工作流體的沸點，令工作流體較容易形成雙相流從而能透過沸騰傳熱達到散熱目的。立體螺旋狀的自適應變形件藉由其包含的多個匝使工作流體產生渦流達到散熱目的。自適應變形件的溫度自適應性能讓形成雙相流的容易度以及渦流的強度隨著工作流體的溫度上升也一併提升，進而允許工作流體的散熱效率隨著溫度上升動態地增加。
此外，要說明的是，本發明揭露之電纜線散熱結構及其散熱方法可泛用於電動載具，不限於路面行駛之電動載具。本發明揭露之電纜線散熱結構及其散熱方法還可應用於例如但不限於對於冷凍空調系統或儲能櫃的熱能管理。
本發明之實施例揭露雖如上所述，然並非用以限定本發明，任何熟習相關技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，舉凡依本發明申請範圍所述之形狀、構造、特徵及精神當可做些許之變更，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
10:電纜線散熱結構
110:纜線披覆
111:流體輸送腔
120:導電體
130:自適應變形件
A1:軸向方向
F:工作流體

Claims (16)

  1. 一種電纜線散熱結構，包含： 一纜線披覆，具有沿著該纜線披覆的軸向方向延伸的一流體輸送腔；一導電體，設置於該纜線披覆；以及一立體螺旋狀溫度自適應變形件，設置於該流體輸送腔內，其中該立體螺旋狀溫度自適應變形件允許該流體輸送腔的一工作流體產生雙相流以及渦流。
  2. 如請求項1所述之電纜線散熱結構，其中該立體螺旋狀溫度自適應變形件的軸向方向與該纜線披覆的軸向方向實質上平行。
  3. 如請求項1所述之電纜線散熱結構，其中該立體螺旋狀溫度自適應變形件與該纜線披覆同軸設置。
  4. 如請求項1所述之電纜線散熱結構，其中該導電體與該流體輸送腔連通。
  5. 如請求項4所述之電纜線散熱結構，其中該工作流體不導電。
  6. 如請求項1所述之電纜線散熱結構，其中該立體螺旋狀溫度自適應變形件允許該工作流體在40°C至90°C產生雙相流。
  7. 如請求項1所述之電纜線散熱結構，其中該立體螺旋狀溫度自適應變形件包含相連的多個匝，且該立體螺旋狀溫度自適應變形件具有藉由該些匝其中相鄰二者的軸向間距的改變使得該工作流體產生渦流的自適應變形特性。
  8. 如請求項7所述之電纜線散熱結構，其中該立體螺旋狀溫度自適應變形件具有該些匝其中相鄰二者的軸向間距在0.50公釐至20.0公釐的範圍內變化的自適應變形特性。
  9. 如請求項1所述之電纜線散熱結構，其中該立體螺旋狀溫度自適應變形件包含一形狀記憶合金。
  10. 如請求項9所述之電纜線散熱結構，其中該形狀記憶合金選自由鎳鈦合金、錳矽鐵合金、鋅銅鋁合金、鎳銅鋁合金、鎳鈦鐵合金和鎳鈦銅合金所組成的群組。
  11. 一種電纜線散熱方法，包含： 將一工作流體提供至一纜線披覆的一流體輸送腔內；以及藉由設置於該流體輸送腔內的一立體螺旋狀溫度自適應變形件使得該工作流體產生雙相流以及渦流。
  12. 如請求項11所述之電纜線散熱方法，其中藉由該立體螺旋狀溫度自適應變形件使得該工作流體同時地產生雙相流以及渦流。
  13. 如請求項11所述之電纜線散熱方法，其中該立體螺旋狀溫度自適應變形件允許該工作流體在40°C至90°C產生雙相流。
  14. 如請求項11所述之電纜線散熱方法，其中該立體螺旋狀溫度自適應變形件包含相連的多個匝，且該立體螺旋狀溫度自適應變形件具有藉由該些匝其中相鄰二者的軸向間距的改變使得該工作流體產生渦流的自適應變形特性。
  15. 如請求項11所述之電纜線散熱方法，其中該立體螺旋狀溫度自適應變形件包含一形狀記憶合金。
  16. 如請求項11所述之電纜線散熱方法，其中該工作流體不導電。
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