CN101203115A - 液冷散热系统及其吸热元件 - Google Patents

Abstract

一种用于液冷散热系统的吸热元件，包括一基板、一罩设于该基板上的盖板，及一密封于该基板和该盖板之间的腔室；该盖板上设有与该密封的腔室连通的一出口结构和一入口结构，该出口结构和入口结构之一位于另一个内，且两者之间具有间隙。本发明另涉及一种液冷散热系统，包括一吸热元件、一驱动泵及一散热元件。该吸热元件包括一密封的腔室及与该腔室连通的一入口结构和一出口结构。该出口结构和入口结构两者中之一被另一个包围。该驱动泵的入口和出口分别与吸热元件的出口结构和入口结构连通而形成供液体循环之通路；该散热元件设于上述通路上。

Description

液冷散热系统及其吸热元件

技术领域

本发明涉及一种液冷散热系统及其吸热元件，特别是指一种用于冷却电子元件的液冷散热系统及其吸热元件。

背景技术

随着电子产业的迅速发展，如计算机中电子元件的运算速度大幅度提高，其产生的热量也随之剧增，如何将电子元件的热量散发出去，以保证其正常运行，一直是业者必需解决的问题。众所周知，安装在主机板上的中央处理器是电脑系统的核心，当电脑运行时，中央处理器产生热量。过多的热量会导致中央处理器无法正常运行。为有效散发中央处理器在运行过程中产生的热量，通常在电路板的中央处理器上加装一散热装置以便将其产生的热量散发出去。

目前较常用的是风冷式散热装置，即在中央处理器上覆盖散热片，散热片材料选用铜或铝等热传导性良好的金属，为增加散热面积，散热片往往较多。随着中央处理器发热量的增加，采用的散热片的体积逐渐增大，但受到可利用空间、重量等因素的限制，其散热性能无法获得突破性提高。

另有一种液冷式散热装置，其原理是利用液体的循环流动将中央处理器等热源产生的热量转移到散热片等散热元件上，进而将热量散发。图8所示为一种典型的液冷式散热装置70，其大致包括一驱动泵72、与中央处理器73接触的吸热元件74、一散热器76及若干管件78，这些管件78将驱动泵72、吸热元件74及散热器76依次连接，从而形成一封闭的液体循环路径。使用时，吸热元件74吸收中央处理器73产生的热量，并将其内的液体加热；被加热的液体在驱动泵72的作用下沿管件78流向散热器76，并将携带的热量传递给散热器76；最后，散热器76将热量散发到周围环境中去，如此往复循环，即可实现对中央处理器73降温的目的。

与风冷式散热装置相比，该液冷式散热装置70的主要优点包括：1)均温性：由于液体，如水等具有较大的比热容，水能够吸收大量热量而保持温度的无明显变化，突发的操作都不会引起中央处理器73等的温度瞬间大幅度的变化，因此更有利于中央处理器73的稳定工作；2)噪音较小：由于液冷式散热装置70的散热器76的表面积很大，所以只需要低转速的风扇对其散热就能起到很好的散热效果；此外，驱动泵72的工作噪音一般也不会很明显，这样整体的液冷式散热装置70与风冷式散热系统相比就安静很多。

然而，液冷式散热装置70也存在一些不足，其中，最主要的问题是管件78与其他元件的连接处所发生的处泄露问题。从图8可见，管件78与其他元件之间共有六个连接处，换言之，液体在该液冷式散热装置70中循环流动的过程中，至少容易在该六个连接处产生泄漏。再者，与中央处理器73接触的吸热元件74上设有两个管件连接处，这增大了中央处理器73由于液体泄漏而造成损毁的可能性。

如上所述，液冷式散热装置具有良好的散热性能，然而，液冷式散热装置的泄漏问题也阻碍或限制了液冷式散热装置的广泛应用。由此，如何降低液冷式散热装置中液体泄漏的可能性成为业界需要解决的一个课题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种液冷散热系统及其吸热元件，这种液冷散热系统及其吸热元件可以降低液体泄漏的可能性。

一种用于液冷散热系统的吸热元件，包括一基板、一罩设于该基板上的盖板，及一密封于该基板和该盖板之间的腔室；该盖板上设有与该密封的腔室连通的一出口结构和一入口结构，其中，该出口结构和入口结构两者之一位于另一个内，且两者之间具有间隙。

相较于现有技术，所述于液冷散热系统的吸热元件的出口结构和入口结构之一位于两者中的另一个内，该吸热元件的出口结构和入口结构与管件连接所形成的两个管件连接处中，只有一个管件连接处的泄漏会影响发热元件，故该吸热元件可以降低液体泄漏的可能性。

一种液冷散热系统，包括一吸热元件、一驱动泵及一散热元件，其中，该吸热元件包括一密封的腔室及与该腔室连通的一入口结构和一出口结构，其中该出口结构和入口结构两者中之一被另一个包围。该驱动泵的入口和出口分别与吸热元件的出口结构和入口结构连通而形成供液体循环之通路；该散热元件设于上述通路上。

相较于现有技术，所述于液冷散热系统的吸热元件的出口结构和入口结构两者中之一被另一个包围，该吸热元件的出口结构和入口结构与管件连接所形成的两个管件连接处中，只有一个管件连接处的泄漏会影响发热元件，故该吸热元件可以降低液体泄漏的可能性。

下面参照附图，结合具体实施例对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1是本发明液冷散热系统的立体图。

图2是图1中吸热元件及部分管体的立体放大图。

图3是图2的局部剖视图。

图4是图2的立体分解图。

图5是图4中的盖板的底部朝上时的立体方大图。

图6是图1中的散热元件的部分分解图。

图7是图6中的水箱体的剖视图。

图8是一种典型的液冷式散热装置的立体组合图。

具体实施方式

图1揭示一种液冷散热系统，该液冷散热系统大体上包括一散热元件1、一吸热元件5、设于散热元件1内的一驱动泵23(图6中所示)、将吸热元件5与散热元件1连接的一第一管体62及第二管体64(图1中虚线所示)，其中，该第二管体64位于第一管体62内。

其中，该吸热元件5与发热元件，如中央处理器(图中未示)等紧密接触，以便及时将中央处理器所产生的热量吸收并转移给其内的液体。吸热元件5的结构对液冷散热系统的散热性能有重要影响，因此，以下将首先针对吸热元件5的具体结构进行阐述。

如图2至图5所示，吸热元件5大体上包括一基板52及一盖板54，该盖板54直接罩设于该基板52上，进而在两者之间形成一密封的腔室。

该基板52的底部与中央处理器接触，以便吸收中央处理器所产生的热量。为降低基板52与中央处理器之间的热阻，可以将基板52的底部设计成平板状，以令基板52与中央处理器直接接触。此外，根据设计需要，也可以在基板52与中央处理器之间涂覆一层导热胶，以消除由于间隙等所引起的热阻。

该基板52的上部设有一矩形的密封槽524，该密封槽524沿基板52的周缘设置，用以安装矩形密封圈56(根据设计需要，可以选取不同的密封圈，如O形密封圈等)。另外，在基板52的四角分别设有一穿孔526，这些穿孔526环绕该密封槽524排布。四个螺钉58自下向上穿过基板52上对应的穿孔526后可与盖板54螺合，从而将基板52固定在盖板54上。

该盖板54包括自其四边垂直向下弯折形成的四个侧壁541，而且，当把盖板54放置于基板52上时，该盖板54的四个侧壁541环设于基板52的外缘，并与基板52的外缘紧密接触。

在本实施例中，盖板54上与基板52相接一侧设有一内凹部542，并在内凹部542内形成一内凹空间543。盖板54上另设有一矩形的密封槽544，该密封槽544环绕内凹部542设置并与基板52上的密封槽524相对应。在盖板54的四角分别设有一螺孔545，这些螺孔545分布于盖板54上的密封槽544与盖板54的边缘之间，并与基板52上的四个穿孔526分别对应，以便利用螺钉58将盖板54与基板52组合形成上述的吸热元件5。下面对盖板54与基板52的组合过程作一简要说明。

首先，将盖板54放置在基板52上使盖板54的侧壁541环绕基板52的外缘(如图3中所示)，并令密封圈56同时容纳于基板52及盖板54上的密封槽524，544内。在此过程中，盖板54的侧壁541起到导轨的作用，把基板52导入盖板54内并使基板52上的穿孔526与盖板54上相应的螺孔545迅速对准，这有利于组装，节省时间。

然后，令螺钉58自下向上穿过基板52上的穿孔526，并螺合于盖板54上对应的螺孔545内。在此过程中，密封圈56受挤压而产生变形，从而将内凹空间543密封。如此，盖板54和基板52共同组合成上述的吸热元件5。

为进一步确保吸热元件5的密封性，可在盖板54的侧壁541与基板52的外缘之间另设一密封圈。此外，也可通焊接等方式使盖板54的侧壁541与基板52的外周形成一体，这样设计也可以进一步提升吸热元件5密封的可靠性。

此外，在盖板54上另设有可供液体流入、流出内凹空间543的一内管547和一外管546，该内管547同轴地设置于外管546内。内管547及外管546自盖板54上的内凹部542向上延伸而形成，并在两管之间形成一环形空间。

该环形空间通过盖板54上位于内管547和外管546之间的四个缺口548与内凹空间543连通；而内管547通过盖板54上位于内管547内的一通孔549与内凹空间543连通。换言之，环形空间与内管547通过该内凹空间543连通。因此，该环形空间及内管547形成两条路径供液体流入及流出吸热元件5，当其中一条路径作为液体流入吸热元件5的途径时，则另一条路径作为液体流出吸热元件5的途径；反之亦然。

在本实施例中，环形空间供液体流出吸热元件5，故盖板54上的缺口548及外管546成为吸热元件5的出口结构；相应地，内管547供液体流入吸热元件5，故盖板54上的通孔549及内管547成为吸热元件5的入口结构。这样布置，液体将沿内管547流入吸热元件5，并直接冲击到基板52的中心区域，以便吸收基板52上的热量。为提升液体与基板52之间的热交换效率，可提高液体流入吸热元件5时的速度，在本实施例中，是通过改变内管547的横截面形状来对液体进行加速的。

如图3所示，内管547的横截面面积自其自由端向盖板54通孔549方向逐渐减小，通过这种横截面面积逐渐减小的变截面结构，可对液体进行加速。众所周知，液体在管体内的流量与流速的关系可通过液体连续性方程表示，如下：

Q＝VA(其中，Q为液体的流量；V为液体的流速；A为管体的横截面面积)。在液冷散热系统中，液体的流量基本上恒定，即VA＝定值，该公式表明液体的流速与管体的横截面面积成反比。因此，当管体的横截面面积逐渐件小时，液体的流速相应地逐渐增加。

如上所述，内管547的变截面结构可对流入吸热元件5的液体进行加速，液体流入吸热元件5后将以较高的流速直接冲击到基板52上。这有利于增强液体与基板52之间的热交换效果，因而，液体可以从基板52上吸收更多的热量，及时冷却与其接触的中央处理器。液体吸收基板52上的热量后，将沿盖板54上的缺口548流出吸热元件5，并沿第一管体62和第二管体64之间的环形空间流向散热元件1，并最终通过散热元件1将热量散发到周围环境中去。

散热元件1通过第一管体62及第二管体64与吸热元件5连接，从而形成一密闭的循环回路。散热元件1的具体结构，及其与吸热元件5的具体连接关系如下文所述。

如图6及图7所示，该散热元件1主要包括一底座10、一设置在底座10的水箱体20、一与水箱体20连接并一同设置在底座10上的散热组件30及一通过水箱体20与底座10连通的盖体40。

底座10包括一凹槽12、沿底座10的边缘间隔分布的若干螺孔14，及设于凹槽12中间的一插座16，该插座16将凹槽12划分为一第一流道122及一第二流道124。盖体40的结构与底座10基本相同，该盖体40上设有一凹槽42和若干的螺孔44。

水箱体20为上、下开口的中空方盒状体，其具有一槽底及两两相对的四侧壁21，水箱体20一侧设有用来装设驱动泵23的插槽24。水箱体20上、下端四角处设有四个孔洞27，以供螺钉60穿设。在水箱体20的前侧壁21上的中部设有一液体出口25和一液体入口26。如图7所示，液体出口25和驱动泵23的出口连通，并同轴地设于水箱体20的液体入口26内。水箱体20的液体出口25通过第二管体64与吸热元件5上的内管547连通；而水箱体20的液体入口26通过第一管体62与吸热元件5上的外管546连通。

此外，该水箱体20内另设有一下隔板22、一上隔板29及一对插板28，该插板28平行地设于水箱体20一侧壁21的中部用以将该下隔板22和上隔板29固定于水箱体20内。驱动泵23、下隔板22及上隔板29一同将水箱体20内部划分为三个部分，即第一通道210、第二通道230和第三通道240。

该第一通道210将驱动泵23的入口(图中未示)与底座10上的凹槽12连通；而第二通道230与盖体40上的凹槽42连通，并未与第一通道210直接连通。另外，第二通道230通过设于水箱体20前侧壁21上的一倾斜沟槽262而与第一管体62和第二管体64之间的环形空间相联通。该第三通道240未与第一通道210和第二通道230直接连通，而通过底座10上的凹槽12和盖体40上的凹槽42分别与第一通道210和第二通道230间接连通。

散热组件30夹设在底座10与盖体40之间并与水箱体20连接，散热组件30包括一散热器31、一装设在散热器31一侧的风扇32及位于散热器31底部与顶部的两换热板33，34。换热板33包括一平板330及自平板向下延伸的若干散热鳍片(图中未示)，该平板330上另设有若干圆孔334，这些圆孔334分别与底座10上的螺孔14相对应。换热板34包括一平板340及自平板340向上延伸的若干散热鳍片342，该平板340上另设有若干圆孔344，这些圆孔344分别与盖体40上的螺孔44相对应。

组装时，令螺钉60分别穿过底座10上的螺孔14和盖体40上的螺孔44，并分别螺合于相应的平板330上的圆孔334、平板340上的圆孔344及水箱体20上的孔洞27内，如此，即可将底座10、水箱体20、散热组件30和盖体40组合在一起形成上述的散热元件1。为避免泄漏，可在底座10与换热板33连接处、底座10与水箱体20的底部连接处分别设有一密封圈100。与此类似，在盖体40与换热板34连接处、盖体40与水箱体20的顶部连接处也分别设有一密封圈100。

如上所述，吸热元件5与散热元件1可以分别预先组装，已经预组装的吸热元件5和散热元件1通过第一管体62和第二管体64连接，具体连接方式为：第一管体62的两端分别与吸热元件5上的外管546及水箱体20上的液体入口26连接；而第二管体64的两端分别与吸热元件5上的内管547及水箱体20上的液体出口25连接。如此，吸热元件5和散热元件1通过第一管体62及设于第一管体62内的第二管体64连接，形成一密闭的液体循环回路，即形成上述的液冷散热系统。

该液冷散热系统在使用过程中，液体在驱动泵23的作用下单向流动，其流动方向如图1及图7中的箭头所示。液体的循环路径为：首先，吸热元件5内的液体吸收发热元件产生的热量，并在驱动泵23的作用下经过吸热元件5上的缺口548、第一管体62和第二管体64之间的环形空间、水箱体20上的沟槽262流入第二通道230内；之后，液体经过盖体40上的凹槽42而流入第三通道240内，其中，当液体流过盖体40上的凹槽42时与盖体40内的散热鳍片342进行热交换，使液体初步冷却；然后，液体依次流过底座10内的第二流道124、第一流道122，在此过程中，液体与底座10内的散热鳍片进行热交换，而使液体完全冷却；接下来，被冷却的液体在驱动泵23的作用下，经第一通道210流入驱动泵23内；最后，被冷却的液体自驱动泵23的出口流处，依次经过水箱体20上的液体出口25、第二管体64、内管547、吸热元件5上的通孔549而回流到吸热元件5内，再次吸收发热元件产生的热量。如此往复循环，即可实现冷却发热元件的目的。

另外，由于第二管体64设于第一管体62内，为避免由于弯曲等因素而引起的第一管体62和第二管体64之间的环形空间堵塞，可在第一管体62和第二管体64之间设一弹簧66。该弹簧66可起到支撑第一管体62的作用，从而避免第一管体62和第二管体64之间的环形空间堵塞。该弹簧66既可以从吸热元件5延伸至散热元件1，也可以仅设置在第一管体62的一段区间内。此外，弹簧66的外径既可以不小于第一管体62的内径，也可以略小于第一管体62的内径。

上述所述为本发明液冷散热系统的一实施利，其与传统的液冷式散热装置相比至少具有下述的优点：

1)吸热元件5和散热元件1都可以预先组装，形成两个模组；故该液冷散热系统结构紧凑，便于组装、拆卸维修；

2)吸热元件5上的内管547与第二管体64、外管546和第一管体62分别形成一连接处，然而，由于内管547与第二管体64的连接处设于外管546和第一管体62内，故即使内管547与第二管体64的连接处发生泄漏，也不会影响发热元件，如中央处理器等；

3)水箱体20上的液体入口26和液体出口25也是内外管设置，这样，整个系统只有两个连接处的泄漏会影响发热元件，即外管546与第一管体62之间的连接处，和水箱体20上的液体入口26与第一管体62之间的连接处；而传统的液冷散热装置70一般包括六个连接处，且每一连接处的泄漏都会影响发热元件；故，与传统的液冷散热装置70相比，本发明已明显降低了液体泄漏的可能性，提升了系统的使用可靠性；

4)如图1所示，由于第二管体64设于第一管体62内，故只有第一管体62会占据系统(计算机)内的空间，可减少整个液冷散热系统的体积，有利于简化整个液冷系统的结构。

Claims (16)

1.一种用于液冷散热系统的吸热元件，其特征在于：该吸热元件包括一基板、一罩设于该基板上的盖板，及一密封于该基板和该盖板之间的腔室；该盖板上设有与该密封的腔室连通的一出口结构和一入口结构，其中，该出口结构和入口结构两者中之一位于另一个内，且两者之间具有间隙。

2.如权利要求1所述的用于液冷散热系统的吸热元件，其特征在于：该入口结构位于该出口结构内。

3.如权利要求2所述的用于液冷散热系统的吸热元件，其特征在于：该入口结构包括形成于盖板上的一通孔；该出口结构包括形成于盖板上的至少一缺口。

4.如权利要求3所述的用于液冷散热系统的吸热元件，其特征在于：该盖板上设有一外管和一设置于该外管内的内管，且在两管之间形成一环形空间；其中，该通孔与内管连通而组成入口结构，而缺口与内管与外管之间的环形空间连通而组成出口结构。

5.如权利要求4所述的用于液冷散热系统的吸热元件，其特征在于：该盖板上的内管的横截面面积自其自由端向通孔方向递减。

6.如权利要求1所述的用于液冷散热系统的吸热元件，其特征在于：该盖板包括若干的侧壁，且这些侧壁环绕并贴附于基板的外缘。

7.如权利要求6所述的用于液冷散热系统的吸热元件，其特征在于：该盖板的侧壁与基板的外缘之间密封连接。

8.一种液冷散热系统，包括一吸热元件、一驱动泵及一散热元件，其特征在于：该吸热元件包括一密封的腔室及与该腔室连通的一入口结构和一出口结构，其中该出口结构和入口结构两者中之一被另一个包围；该驱动泵的入口和出口分别与吸热元件的出口结构和入口结构连通而形成供液体循环之通路；该散热元件设于上述通路上。

9.如权利要求8所述的液冷散热系统，其特征在于：该吸热元件包括一基板及一盖板，该盖板设于基板上并在两者之间形成该密封的腔室。

10.如权利要求9所述的液冷散热系统，其特征在于：吸热元件的入口结构包括形成于盖板上的一通孔；吸热元件的出口结构包括形成于盖板上的若干缺口，这些缺口环绕该通孔布置。

11.如权利要求10所述的液冷散热系统，其特征在于：该盖板上设有一外管和一设置于该外管内的内管，且在两管之间形成一环形空间；其中，该通孔与内管连通而组成上述入口结构，而缺口与内管与外管之间的环形空间连通而组成上述出口结构。

12.如权利要求8所述的液冷散热系统，其特征在于：该散热元件还包括一与吸热元件连通的水箱体、一设于该水箱体顶部的盖体，及一设于水箱体底部的底座，其中该驱动泵设于水箱体内并驱动液体按照下列路径循环流动：吸热元件、水箱体、盖体、水箱体、底座、水箱体及吸热元件。

13.如权利要求12所述的液冷散热系统，其特征在于：该吸热元件的出口结构环绕该吸热元件的入口结构设置。

14.如权利要求13所述的液冷散热系统，其特征在于：该水箱体包括：一隔板，该隔板与驱动泵一起将水箱体内的空间划分为第一通道、第二通道及第三通道；一液体出口，该液体出口将驱动泵的出口和吸热元件的入口结构连通；一液体入口，该液体入口环绕该液体出口设置，该液体入口与吸热元件的出口结构连通；其中，该第一通道将驱动泵的入口与底座连通，该第二通道将液体入口和盖体连通，第三通道将盖体和底座连通。

15.如权利要求14所述的液冷散热系统，其特征在于：吸热元件的出口结构通过第一管体与水箱体的液体入口连接；吸热元件的入口结构通过第二管体与水箱体的液体出口连接，其中，该第二管体位于第一管体内。

16.如权利要求15所述的液冷散热系统，其特征在于：该液冷散热系统还包括设于第一管体和第二管体之间的一弹簧，该弹簧可起到支撑第一管体的作用，从而避免第一管体和第二管体之间的环形空间堵塞。

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