CN101156126B - 用于电子装置，尤其是计算机的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电子装置，尤其是计算机的冷却系统，所述冷却系统包括：蒸发器(1)；蒸汽分布及冷凝物收集元件(3)；以及冷凝器(2)，具有多个冷凝管(6)和连接所述冷凝管(6)的散热片组(5)，其中所述冷凝管(6)彼此平行地设置并从所述蒸汽分布及冷凝物收集元件(3)向上延伸，而在其顶端闭合。

Description

用于电子装置,尤其是计算机的冷却系统

技术领域

本发明涉及一种用于电子装置、尤其是计算机的冷却系统。在电子装置中处理信息的过程中需要对发出热耗的电子装置进行冷却。由于各电子部件的敏感度故障随着温度的升高而加剧，或这些部件超过一定温度甚至会失效，因此为了确保电子装置能够稳定工作，所述热耗必须被有效地消散掉。 

背景技术

根据本发明主题的冷却系统从广义上来说用于电子装置以保证其操作行为、使用寿命以及有效运行。除了在计算机中使用之外，这种冷却系统还可以用于家用电器、电子测量装置以及娱乐电子装置或类似装置。 

在此背景下，现有技术中发展了多种用于电子装置、尤其是计算机冷却的概念。 

首先，使用基本上由铝和铜制成的冷却元件，所述冷却元件被置于接触热耗辐射的电子装置，并且所述冷却元件通过穿过由散热片增大的表面进行的热传导吸收热量并将热量消散至环境。 

在另一种试验方法中，电子部件的热耗使用潜热冷却器从电子装置消散掉，所述潜热冷却器具有蒸汽分布和形成功能并能使冷凝物返回蒸发器。 

US 6.549.408 B2公开了一种用于CPU的冷却系统，所述冷却系统基于热虹吸原理。蒸发器置于CPU上并用蒸汽管连接至热交换器。冷凝物从热交换器流动至返回蒸发器的形成特定尺寸的分离的冷凝管中。所述系统使用空气冷却或者水冷却的冷凝器。 

并且，现有技术中用于冷却微型计算机的CPU的热交换单元在EP0767415A2中公开，其中蒸发器置于CPU上，并且冷却剂蒸汽经由蒸汽管分布至冷凝器，而冷凝物从冷凝器通过第二冷凝物返回管被带回蒸发器。 

WO 02/093339 A1公开了在计算机中使用的具有冷却剂的热传送元件。蒸发器通过蒸汽管连接至冷凝器，而冷凝物通过分离的冷凝管返回。 

根据现有技术，上述系统的缺点在于需要两个导管。一个用于从连接至热源的蒸发器通过蒸汽管将蒸汽输送至冷凝器，而另一个用于将冷凝物从冷凝器通过冷凝管输送回到蒸发器。 

冷却装置的另一种概念是基于热管的使用，所述冷却装置的特征在于一个或多个热管，其中蒸发器一侧置于电子部件上；并且所述冷却装置的特征在于辐射的热量通过在电子部件上的蒸发而向环境消散；并且所述冷却装置的特征还在于在热管的相对端作为冷凝管的冷凝作用。 

DE 19610853A1公开了一种用于电子部件的冷却单元，所述冷却单元设计为U形热管。所述热管的两端作为蒸发器并被连接至热耗辐射散电子部件。形成热管的冷凝器部分的肋设置在热管平行臂之间，直至弯曲的区域。多个U形弯曲的热管通过散热片而彼此连接，在上部区域中所述热管形成冷凝器块。在下部区域中，所述热管的多个蒸发器表面置于电子部件上。 

上述现有技术在通过热管传送辐射的热耗方面的缺点在于仅有少量的热可以通过特定类型的传统热管输送。 

并且，在DE 19527674A1中，公开了一种现有技术的冷却装置，所述冷却装置仅通过一个导管控制蒸汽的传送及冷凝。形成在蒸发器中的冷却剂蒸汽上升，在热管上端的外壁上冷凝，并沿着所述壁流动回到蒸发器。上部中的潜热冷却器设置有散热片，这意味着增加了表面积并提高热量向冷却空气的输送。 

根据US 2002/0181200A1，公开了一种用于计算机的冷却系统，所述冷却系统可对一种电子装置中的多个热源进行冷却。热耗发生器通过热管而连接至空气偏转装置形式的冷凝器，冷却空气流被引导通过所述冷凝器。冷却剂蒸汽在设计为冷凝器的空气偏转装置中冷凝，而冷凝物通过热管被输送回到蒸发器。平行地，热量通过金属板的热传导从另一个热源传送至热管的冷凝器。所述空气偏转装置吸收通过热传导传送的所述热量并将所述热量向流经空气偏转器的冷却空气消散。 

现有技术中具有单个导管用于传送蒸汽和冷凝物的冷却系统的缺点在于仅有较小的冷凝器表面积是有效的，并因此限制了可传送辐射散的热耗的量。由于空气冷却和有关的传热系数较差，通过这种方式在空气一侧有效的冷凝器 表面积太小。 

大体上，现有技术中的方法的缺点在于需要大量的部件用于具有蒸汽分布及冷凝回流的潜热冷却器。而且，非常高的噪声负荷基于通过较小的高速风扇的热传送而在冷却器中形成，而所述噪声负荷对于多数电子装置是不能接受的。 

最后但并非不重要的，由于传统热管的效率低，因此根据现有技术，在热管冷却器中需要多个热管，从而产生制造和成本问题。 

多种已知的冷却系统还需要空间上接近热源和散热装置，从而限制了冷却系统的灵活性及其使用。 

发明内容

本发明的目的是以经济的可生产的冷却系统传送大量的辐射热量，由此可以获得更好的冷却效果。 

本发明首要目的是获得冷却系统的有成本效益的产品以及提供足够的冷却能力。 

根据本发明，所述目的通过一种用于电子装置，尤其是计算机的冷却系统而实现，所述冷却系统包括：蒸发器；蒸汽分布及冷凝物收集元件；以及冷凝器，具有多个冷凝管和连接所述冷凝管的散热块，其中所述冷凝管彼此平行地设置并从所述蒸汽分布及冷凝物收集元件向上延伸，而在其顶端闭合。 

如果蒸汽分布及冷凝物收集元件被设计为水平导管则尤其有利。冷凝管沿水平导管的表面管道径向安装至蒸汽分布及冷凝物收集元件中。 

通过预加工的各导管或使用预加工的衬圈进行安装并可以与导管片断接合，所述安装能够实现多种尺寸的蒸汽分布及冷凝物收集元件的模型化结构。 

对于热耗源和散热装置在空间上彼此分离的应用，有利的是可以在蒸发器和蒸汽分布及冷凝物收集元件之间设置连接管。 

在根据本发明的冷却系统的应用中，其中冷凝器位于蒸发器下方，连接管设计为具有热管结构的导管。所述热管结构能够使冷凝物逆着重力而从冷凝器传送至上方的蒸发器中。 

对于根据本发明的冷却系统的应用，其中冷凝器位于蒸发器上方，导管被设计为不具有热管结构以节约成本。 

冷却系统以特别有益的方式非常适于将多个蒸发器安装在蒸汽分布及冷凝物收集元件中。 

本发明所示出的目的的可选择的设计是将蒸汽分布及冷凝物收集元件和蒸发器设计为一个整体，其中散热装置直接置于热耗源的上方，从而可以节约成本。 

在所述布局中蒸汽分布及冷凝物收集元件优选设计为水平的，并且冷凝管垂直安装于所述水平表面，并通过散热块连接至紧凑的冷凝器。 

根据本发明在两个基本设计中的概念，冷凝器的表面积与已知的热管相比通过安装根据本发明的蒸汽分布及冷凝物收集元件而显著地增大。从而能够对较小的蒸发器的表面积进行最佳的利用，由此使蒸发器和冷凝器产生满意的效率比。 

而且，根据本发明使用连接管的设计非常适于将热量以蒸汽传送的形式从热源传送至适当的区域中，从而在尺寸按比例足够大的冷凝器中以更大的效率有效地进行。 

附图说明

本发明的其它细节、特性和优点参考相关的附图，在以下的样品设计的说明中进行阐述，附图示出了： 

图1：在蒸发器和蒸汽分布及冷凝物收集元件之间具有连接管的冷却系统， 

图2a：不具有连接管的冷却系统，其中蒸发器位于热耗源的上方， 

图2b：不具有连接管的冷却系统的剖面，其中蒸发器安装在热耗源的上方， 

图3：具有两个热耗源的冷却系统，所述热耗源相对冷凝器进行不同安装， 

图4：具有模型化结构的管状蒸汽分布及冷凝物收集元件的冷却系统， 

图5：具有水平的蒸汽分布及冷凝物收集元件的冷却系统， 

图6a：具有水平的蒸汽分布及冷凝物收集元件的冷却系统的立体图，和 

图6b：具有连杆的水平的蒸汽分布及冷凝物收集元件，用于以较高的操作压力使用工作介质。 

其中附图标记说明如下： 

1蒸发器 

1.1蒸发器元件 

2冷凝器 

3蒸汽分布及冷凝物收集元件 

3.1管状蒸汽分布及冷凝物收集元件 

3.2水平的蒸汽分布及冷凝物收集元件 

3.3具有连杆的水平的蒸汽分布及冷凝物收集元件 

4连接管 

5散热片组 

6冷凝管 

7具有热管结构的导管 

8不具有热管结构的导管 

9衬圈 

10接合器、连接器 

11连杆 

12下部膨胀元件 

13顶部膨胀元件 

H在蒸汽分布及冷凝物收集元件中的冷凝物水平高度 

L插入长度 

D具有热管结构的导管的直径 

具体实施方式

图1示出了根据本发明的冷却系统，所述冷却系统基本上包括：蒸发器1；连接管4，连接至蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1；以及冷凝器2，具有散热片组(fin block)5和冷凝管6。连接管4设计为不具有任何内部热管结构8的简单导管。本发明的设计有利地用于热源设置在散热装置(heat sink)下方及二者彼此并不靠近的应用中。形成在蒸发器部分中的蒸汽通过连接管4到达管状蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1，并且所述蒸汽从所述管状蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1到达冷凝器2。形成在冷凝器2中的冷凝物在管状蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1中收集并通过连接管4返回蒸发器1，所述连接管4设 计为不具有水袋，冷却剂循环终止于蒸发器1而蒸发再次开始。如图所示，连接管4通过管状蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1的前侧轴向进行安装，从而确保冷凝物在蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1的最低点返回蒸发器1。本发明的另一实施例(未示出)在于将连接管4安装在管状蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1的表面管道(surface line)中。根据蒸发器1和蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1的高度，连接管可以径向或相切地进行安装。 

图2a和图2b分别显示出本发明的实施例的前视图和横剖面，其中不具有分离的连接管4。如果热源正好在散热装置下方以及二者彼此靠近地设置，使用这种实施例。 

蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1优选地设计为导管。冷凝管6在下侧上安装至管状蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1中，并且冷凝管6从蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1轴向向上延伸。冷凝管6在另一个顶端闭合。冷凝管6优选安装在管状蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1的表面管道上。作为导管的蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1的实施例以及将冷凝管6安装在导管中表示具有较少连接接点和焊接接点的连接组件的非常经济的实施例，所述实施例对整个系统的经济生产做出贡献。进一步，所示出的方法由于减少了工艺步骤以及标准形状导管的使用而具有生产效益。 

在冷却系统的应用中根据给出的条件，冷凝管6以对角或垂直地安装至蒸发器表面。根据本发明，需要从水平轴线必须具有至少2°至3°的小倾角，以确保冷凝物依靠重力向蒸发器1传送。 

根据本发明所示出的优选实施例，蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1使用接合器10与蒸发器1连接及对准。 

本发明的另一实施例(在此未示出)是具有使用冷凝管6的蒸发器1的蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1的结构和连接，所述冷凝管6穿过蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1，并且所述连接管的下端直接安装至蒸发器1。在蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1的区域中，有关的冷凝管6设计为可透过蒸汽，从而蒸汽通过蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1可以到达其它冷凝管6，并且冷凝物可以以类似的方式返回。本实施例示出了特别有益的连系尺寸，所述实施例包括四个具有散热片组5的冷凝管6，并可被用于对计算机处理器进行被动冷却。 即，即使不使用分离的风扇也可以进行操作，其中供电构造调节至冷却系统。冷凝器和肋的表面积的增大以及将四个冷凝管6成排安装至水平冷凝器2，由于在供电风扇的吸入区域中安装的几何条件不仅能够在计算机中进行节省空间的安装，而且有助于被动冷却。 

图3示出了根据本发明的冷却系统，与图1和图2的实施例类似，所述冷却系统安装有冷凝器2和管状蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1。然而，具有一个蒸发器1的两个热耗源分别连接至系统。例如，这种组合经常在计算机中遇到，除了对主要热耗源的CPU之外，对图形卡也必须进行冷却。 

在热源设置在散热装置上方或下方以及热源没有直接靠近散热系统的应用中，优选地使用图3示出的实施例。为了确保设置在冷凝器2上方的蒸发器1的功能性效果，设计为不具有热管结构8的导管的连接管4必须连接至蒸发器1，所述蒸发器1以蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1最低点上方的高度H处安装在冷凝器2的下方。必须确保冷凝物经由具有热管结构7的连接管保持并传送至位于蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1上方的蒸发器1。如果对插入长度L及相关重叠的尺寸进行足够地设定，随后冷凝物传送顺利地进行以利用热管结构的毛细管效应。由此，高度差H和插入长度L对于具有冷凝物的毛细管结构进行足够注水是必须的，从而确保了位于蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1上方的蒸发器1的操作。尺寸H和L取决于充入量、连接管7的热管结构的直径D和传送能力、以及系统的热负荷。 

凸起的高度H大约是具有热管结构7的导管的直径D的0.5至1倍。插入长度L大约是管状蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1整个长度的1/3至2/3。 

连接管7设置有内部热管结构，而连接管8设计为延伸至位于蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1下方的蒸发器1的光滑导管，在后一种情况中，冷凝物通过重力而流动回到蒸发器。 

图4示出了冷却系统的可选择的实施例，其中管状蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1标准设计包括衬圈9，所述衬圈9用于连接冷凝管6和接合器10。有利的是，包括衬圈9和接合器10的管状蒸汽分布及冷凝物收集元件3.1设计在多种使用情况中允许对冷凝器表面和冷却系统的性能进行柔性调节。 

连接管4和具有热管结构7的导管、以及不具有热管结构8的导管的长度可以达到90cm。较好或较差的热传导材料根据应用的情况而被有益地用作材料。 

如果冷凝器的动作是直接向装置壳体外侧的电子装置的环境消散，应当选择较差的热传导连接管以防止热耗进一步消散至至冷凝器2的方向的电子装置的内部。可选择的是，为了设计较差的热传导连接器，该管道(line)可以进行等效地热绝缘，从而降低了流向装置内部的热量。 

如果确保对电子装置进行良好的通风，可以省略对连接管进行绝缘。连接管4的热辐射区域被用于部分地产生冷凝器的动作。 

图5以剖面示出了根据本发明的冷却系统可选择的实施例，其中蒸汽分布及冷凝物收集元件3.2被设计为水平面，而冷凝管6垂直于该水平面安装。有益的是可将蒸发器1和水平的蒸汽分布及冷凝物收集元件3.2设计为一个整体，从而在蒸发器1和蒸汽分布及冷凝物收集元件3.2之间不再需要连接管。然而本发明的这一实施例仅仅可以用于电子装置中，其中空间条件允许进行这种安装。冷凝器2在产生热量的电子部件上方需要具有更大的空间。由于可以将更多的冷凝管6安装在水平的蒸汽分布及冷凝物收集元件3.2中，因此具有长度小于图2的导管长度的导管可以获得等效的较高冷凝性能。由此可选择的结构性实施装置允许形成根据本发明的冷却系统的非常紧凑的形式的实施例。 

图6a以立体图示出了冷却系统的剖面。水平的蒸汽分布及冷凝物收集元件3.2优选地包括两个元件，其中下部水平元件具有蒸发器的功能，而上部水平元件装备有连接件以连接冷凝管6。 

图6b示出了具有纵向支柱3.3的水平的蒸汽分布及冷凝物收集元件的另一选择，其中较高的和下部的水平元件均以两个部分设计。下部水平片断包括蒸发器元件1.1和下部膨胀元件12，在所述下部水平片断的接点纵向支柱11安装在下端。上部水平片断包括上部膨胀元件13和接合器10，在所述上部水平片断的接点纵向支柱11安装在下端。纵向支柱11固定水平的蒸汽分布及冷凝物收集元件3.3并由此能够以较高的操作压力使用冷却剂。 

根据本发明最新示出的实施例的冷凝器的空间设计可优选被有效地使用于电子装置中的空间条件允许冷凝器空间设计的情况，并使用于必须使大量热耗消散的时候，从而确保电子装置可以进行操作。 

大体上，本发明的优点在于蒸汽分布可以使用任何尺寸的冷凝器。凭借经验，由于在电子装置中产生的热耗集中在非常小的表面上，因此在蒸发器中进行的热量吸收也必须非常地集中。 

Claims (8)

1.冷却系统，用于电子装置，所述冷却系统包括：第一蒸发器；蒸汽分布及冷凝物收集元件；具有多个冷凝管(6)的冷凝器(2)；以及，连接所述冷凝管(6)的散热片组(5)；其中，所述冷凝管(6)彼此平行地设置并从所述蒸汽分布及冷凝物收集元件向上延伸，而在其顶端闭合，其特征在于，第一连接管安装在所述第一蒸发器和所述蒸汽分布及冷凝物收集元件之间；并且，

所述第一连接管被设计为不具有热管结构的导管(8)，其中所述冷凝器(2)设置在所述第一蒸发器的上方。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述蒸汽分布及冷凝物收集元件被设计为水平导管，所述冷凝管(6)沿所述水平导管的表面管道径向安装在所述蒸汽分布及冷凝物收集元件中。

3.根据权利要求1或2所述的冷却系统，其特征在于，多个蒸发器(1)安装及连接到所述蒸汽分布及冷凝物收集元件。

4.根据权利要求1或2所述的冷却系统，其特征在于，包括第二连接管以及第二蒸发器，该第二连接管被设计为具有热管结构的导管(7)，其中所述冷凝器(2)设置在所述第二蒸发器的下方；并且具有热管结构的所述导管(7)以所述蒸汽分布及冷凝物收集元件的长度的三分之一至三分之二的插入长度(L)连接至所述蒸汽分布及冷凝物收集元件中。

5.根据权利要求4所述的冷却系统，其特征在于，所述不具有热管结构的所述导管(8)以所述具有热管结构的导管(7)的直径(D)的0.5至1倍的高度(H)连接至所述蒸汽分布及冷凝物收集元件中。

6.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于，所述蒸汽分布及冷凝物收集元件和所述第一蒸发器被设计为一个整体。

7.根据权利要求6所述的冷却系统，其特征在于，所述蒸汽分布及冷凝物收集元件设计为组合元件并具有纵向支柱(11)。

8.根据权利要求6或7所述的冷却系统，其特征在于，所述蒸汽分布及冷凝物收集元件设计为水平面并且所述冷凝管(6)垂直于该水平面安装。

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