CN101308398A - 用于计算处理设备的散热系统及采用该散热系统的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于计算处理设备或计算处理单元的散热系统，包括将其发热部件的热量引出的热管、以及位于其外部的冷却回路；该散热系统进一步包括导热连接器，该导热连接器包括冷却介质通道，而且外部的冷却回路与导热连接器的冷却介质通道构成冷却介质的循环回路；热管设置有冷凝端，该冷凝端设置在导热连接器内，并与冷却介质通道内的冷却介质建立热传递。本发明组装方便，散热效率高，噪音低，并能够有效降低机房内的局部温差。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于计算处理设备或计算处理单元的散热系统以及采用这种散热系统的设备，特别是计算处理设备和计算处理系统。
背景技术
随着计算机芯片集成度的日益提高，计算机的散热成为影响计算机性能的重要因素。主板上的CPU以及显卡上的DSP是计算机内部的主要热源，加强对其的散热是计算机研究的重要课题，特别是对于工作站、服务器等计算机密集、散热量大的区域，对散热的需求就更高。目前，计算机的主要散热方式是通过强制对流散热或者先利用导热体或热管把热量传送至机箱，再通过强制对流把热量排放到机房的空气中，例如，美国专利第6229704B1号揭示了一种方便插拔的热传导体(heat conductor)，以及美国专利申请公开第20060215366A1号揭示的一种热管传热连接器；或者通过流体散热单元把元件热量带到机箱，再把热量直接排放到空气中，例如，美国专利公开第20020114140A1号揭示的一种两相流体散热单元(热沉)。
又如，中国专利申请公开第1188269号揭示了一种具有散热盖铰链结构的笔记本式计算机。其机箱通过散热铰链结构以绕枢轴旋转的方式连接到与其相关的CPU机箱。温差环流热管的吸热蒸发端与CPU机箱内的发热电子元件导热连接，热管的散热冷凝端限定第一铰链结构部分。计算机运行期间，电子元件产生的热量通过热管和第二铰链结构部分顺序地传递到显示器机箱上，以便将热量散发到周围空气中。连接第二铰链结构部分和显示器机箱之间的第二温差环流热管，有代表性地促进热量从第二铰链结构部分传递到显示器机箱。
另外，中国专利申请公开第1420412号公开了一种计算机系统散热装置，其包括一电源用散热装置和一CPU用散热装置，该电源用散热装置包括一风扇，该风扇被设置在电源外壳顶部，且一出风口被设置在电源外壳一侧壁上；该CPU用散热装置为一低噪音集成热管散热器，包括一基板，其被固定在主板上并与CPU接触；若干根热管，其一端被固定连接至该基板；一散热肋片，与热管的另一端固定连接；一被固定至计算机主机机箱上的固定支架，散热肋片被固定至该固定支架上；及一风扇，固定至该固定支架上。
然而上述散热方式均存在不足：(1)散热效率低，导致包括设备投入以及能量消耗在内的制冷成本较高；(2)空气强制对流所生产的噪音大；(3)工作室内局部温差大。(2)和(3)均会降低工作环境的舒适性，影响工作效率。
目前也已有不少发明关注于提高计算机的散热效率，例如美国专利公开第2007209782A1号，其采用流体回路来进行冷却，然而其流体冷却介质通道是通过焊接的方式进行连接，缺少安装灵活性。
因此，提供一种具备良好散热性能、且方便与外部冷却流体回路连接、尤其是可以插拔连接的散热系统成为急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于计算处理设备或计算处理单元的、散热效率高、便于同冷却流体回路进行连接、特别是插拔连接的散热系统及采用这种散热系统的计算处理设备或计算处理系统。
为了实现上述的发明目的，一方面，本发明提供了一种用于计算处理设备或计算处理单元的散热系统，其包括将该计算处理设备或计算处理单元之内部的发热部件的热量引出的热管、以及位于该计算处理设备或计算处理单元之外部的冷却回路；该散热系统进一步包括导热连接器，该导热连接器包括冷却介质通道，该外部的冷却回路与导热连接器的冷却介质通道构成冷却介质的循环回路；热管设置有冷凝端，热管的冷凝端设置在导热连接器内，并与冷却介质通道内的冷却介质建立热传递。
其中，热管冷凝端与冷却介质通道内的冷却介质建立热传递的方式可以多种多样。
作为本发明散热系统的一种实施方式，在本发明的散热系统中，热管冷凝端与导热连接器是单封闭式的固体界面/流体界面传热接触方式，即冷凝端的固体导热体与冷却介质通道内循环流动的冷却介质直接接触传热。例如，导热连接器可以包括连接器外壳，冷却介质通道设置在连接器外壳内，热管冷凝端则设置在冷却介质通道内并与循环流动的冷却介质直接接触。
优选地，上述的连接器外壳为单层或者两层以上的结构，热管冷凝端的周围设置螺旋式翅片或者外螺纹。
进一步地，上述热管冷凝端可与冷却介质通道构成板式换热器结构。
当然，这种单封闭式的固体界面/流体界面传热接触方式也可以实现外部冷却回路与导热连接器(流体接口)之间的插拔式结构，但需要在导热连接器的冷却介质通道内设置单向阀之类的单向结构，以防止冷却介质外溢，并且，热管(包括回路热管)与导热连接器可设计为构成一体。例如，在本发明的散热系统中，导热连接器与热管的冷凝端固定或设置为一体，导热连接器的冷却介质通道包括入口端和出口端，该入口端和出口端分别连接在外部冷却回路中，而且在外部冷却回路设置有分别对应于冷却介质通道之入口端和出口端的开关机构，如阀门。这样的结构，也可以方便与外部的冷却回路插拔连接、螺接或其它连接。
可选择地，本发明的导热连接器是全开放式两相流体连接器，与热源接触侧为蒸发器，冷却回路中设置冷凝器。
作为本发明散热系统的另一种实施方式，在本发明的散热系统中，热管冷凝端通过导热连接器与外部冷却回路之间采用固体界面/固体界面接触传热方式，即连接冷凝端的固体导热体与连接外部冷却回路的固体导热体接触传热。这种结构(即连接器)可以方便地实现热管冷凝端与外部冷却回路之间的插拔式结构。
例如，导热连接器可以包括第一导热体以及至少一个第二导热体，热管冷凝端设置在第一导热体内，冷却介质通道设置在至少一个第二导热体内，每个第二导热体的外壁沿着冷却介质通道的方向与第一导热体的外壁保持接触。优选地，第一导热体与第二导热体的外表面设置与热管冷凝端相平行或者相垂直的锯齿状导热肋。
再如，导热连接器包括第一导热体以及第二导热体，热管冷凝端设置在第一导热体内，第二导热体内设置至少一个冷却介质通道，第一导热体和第二导热体之间通过多块(例如两块或两块以上)高导热板连接，高导热板与第一导热体及第二导热体之间在连接位置设置板槽式插接结构。
作为本发明散热系统的又一种实施方式，在本发明的散热系统中，导热连接器可以与热管的冷凝端固定或设置为一体，导热连接器的冷却介质通道包括入口端和出口端，该入口端和出口端分别连接在外部冷却回路中，而且在外部冷却回路设置有分别对应于冷却介质通道之入口端和出口端的开关机构，如阀门。这样的结构，也可以方便与外部的冷却回路插拔连接、螺接或其它连接。
另一方面，为实现本发明的目的，本发明还提供了一种计算处理设备，该计算处理设备包括至少一个如上所述的散热系统。这类计算处理设备包括但不限于各类计算机(如各种个人电脑)、终端机、服务器、工作站、通讯设备、交换机等，也包括各种计算处理单元，如各种处理器。
再一方面，本发明还提供了一种计算处理系统，其包括两个或两个以上的计算处理设备和/或计算处理单元，其中，每个计算处理设备和/或计算处理单元进一步包括至少一个上述的散热系统，每个散热系统的冷却介质通道通过串连、并联或者串并联混合连接的方式与外部冷却回路构成冷却介质循环回路。
本发明的导热连接器可以制成标准件，不仅可用于各种计算处理设备，还可以用于视频设备、音频设备等，甚至用于冰箱、电视机等家电产品以及空调房等封闭空间内的所有发热电器的散热，仅需在封闭房间内装配所需散热功率和尺寸的标准接口导热连接器，再与冷却回路连接即可。冷却回路可以是中央空调的冷却水回路，也可以是特定安装的高效率汽液两相散热回路。建筑内的上述导热连接器结构即相当于目前建筑内的电、水、气、电话、网络和有线电视电缆等网络系统及其对应的接头。另外，其可简化电器结构，如用该导热连接器来取代电冰箱的冷凝器和散热板。
本发明的有益效果是：1、不采用空气强制对流的工作过程散热，即本发明不是把废热直接排放到空气，而是通过热传导将热量传送到冷却回路中，由冷却介质把热量直接带出机房外，这样可以降低能耗，提高散热效率；2、通过热传导将热量传送到冷却回路中，而不是直接排放到机房内，可以有效降低机房空间的局部温差；3、采用本发明的导热连接器，可以代替风扇等元件，有效降低机房噪音；4、便于对具有多个计算机或多热源服务器的系统进行集中管理；5、导热连接器具有一致的标准结构，可以规模化加工，安装和更换方便，可以有效降低成本。
以下结合附图和实施例，来进一步说明本发明，但本发明不局限于这些实施例，任何在本发明基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求书中所要求保护的范围。
附图说明
图1为本发明计算处理系统的示意图。
图2为本发明的导热连接器的示意图。
图3为本发明的导热连接器的第一实施例的示意图。
图4为本发明的导热连接器的第二实施例的示意图。
图5为本发明的导热连接器的第三实施例的示意图。
图6为本发明的导热连接器的第四实施例的示意图。
图7为本发明的导热连接器的第五实施例的示意图。
图8(a)为本发明的导热连接器的第六实施例的主视图和侧视图，图8(b)为其分解图。
图9为采用本发明导热连接器的计算处理系统第一实施例的示意图。
图10为采用本发明导热连接器的计算处理系统第二实施例的示意图。
图11为采用本发明导热连接器的计算处理系统第三实施例的示意图。
图12为采用本发明导热连接器的计算处理系统第四实施例的示意图。
图13为采用本发明导热连接器的计算处理系统第五实施例的示意图。
图14为采用本发明导热连接器的计算处理系统第六实施例的示意图。
具体实施方式
如图1表示了机房散热回路。如图1和图2所示，本发明的计算机散热系统包括多台计算机1以及与计算机1相连的冷却回路2。冷却回路2包括主回路21以及从主回路分支出来的支回路22。每个计算机上设置导热连接器13，每个支回路22上也设置与计算机1的导热连接器13相匹配的连接器，多个支回路22上的连接器(即冷却回路2的吸热端)分别和每个计算机1的导热连接器13相连，从而从计算机1带走热量，并且支回路22上的连接器可以与计算机1上的导热连接器13方便地连接或断开。冷却回路2上可以设置泵23和阀门24以调节流量，从而获得适当的冷却效果。本发明可以直接利用空调冷却水回路。冷却回路2的散热端通过换热器与空调机的蒸发器连接或者通过冷水回路传送至室外冷却塔冷却(对于寒冷地区，可以选择合适的工质，其冷端可直接通往室外的散热器)，冷却回路2的流体冷却介质通道采取保温措施，例如包覆保温层等，因此保证了计算机1所产生的绝大部分热量是通过流体冷却介质通道引出到室外，而不需要通过室内的空气传热再排放到室外。
以下采用计算机作为实施例来说明本发明。
实施例1
如图2所示，在本实施例中，本发明的导热连接器用于计算机1，其包括机箱11、计算机1内部的热源12以及设置在机箱11上并连接到热源12上的导热连接器13。热源12包括CPU、DSP或者CPU和DSP集成一体的芯片，但是并不限制于上述热源，还可以包括计算机1内部的其他发热元件。计算机1与冷却回路2的传热方式包括插拔式固体/固体接触传热、流体/固体界面换热传热等等。
如图3所示，本发明的导热连接器的第一实施例的导热连接器13包括安装在计算机1上的连接器外壳131、设置在连接器外壳131内并且与热源12相连接的热管132以及用于输送冷却介质的冷却介质通道133。连接器外壳131可以采用金属制造，其金属表面可以采用镀层，以改善接触热导并防止氧化或腐蚀。连接器外壳131包括容置热管132冷凝端的第一导热体1311以及容置导管133的第二导热体1312。热管132可以是柔性热管或者硬性热管，也可以是回路热管，或者其他任何可以在热源12与冷却回路2之间进行热传递的高热导率传热材料。冷却介质通道133具有流体入口和流体出口，可采用焊接方式，也可采用已有标准化的液体接头，或卡套和自动锁紧快速连接接头。冷却介质通道133围绕热管132设置，热量由热管132接近热源12的一侧传递到远离热源12的一侧，冷却流体从冷却介质通道133中流过，通过第一导热体1311与第二导热体1312接触界面，与热管132冷凝端进行热交换，使热管132冷凝端冷却，从而进一步从热源12中吸收热量。第一导热体1311与第二导热体1312的外表面设置与热管132相平行(即与导管133相平行)的锯齿状的导热肋1310。第一导热体1311焊接在热管132远离热源的一侧上(即冷凝端)，而导热肋1310可以帮助实现第一导热体1311与第二导热体1312之间的连接定位。导热肋1310还可以增大换热面积，加强散热效果。根据使用需求，可以采用现有的多种方法实现锯齿状导热肋1310的加工与安装。
本实施例中的导热连接器13为双封闭式固体/固体插拔型，即热管132与冷却介质通道133互相封闭，两边的流体互不接触，也不易泄漏，而固体形成的第一导热体1311与固体形成的第二导热体1312之间进行热传导。导热连接器13可以安装在现有计算机的散热翅片和风扇的位置，并取代其功能。本导热连接器13不是采用强制对流的工作方式，即导热连接器13不是把废热直接排放到空气，而是通过热传导将热量传送到冷却回路2中，由冷却介质带走热量。这样不但可以提高散热效率，而且可以降低机房噪音和空间局部温差。该双封闭式固体/固体插拔型导热连接器13的连接方式具有密封性好、方便更换插件的优点，一般适合于中、小功率设备使用。
实施例2
如图4所示，本实施例其它部分与实施例1相同，不同之处在于：
第一导热体1311与第二导热体1312外表面也设置的锯齿状导热肋1310，而本实施例中的锯齿状导热肋1310与热管132的延伸方向相垂直(即与导管133的延伸方向相垂直)，同样可以达到增大换热面积、加强散热效果的作用。
实施例3
如图5所示的导热连接器13为单封闭式固体/流体导热型。该导热连接器13包括安装在计算机1的机箱11上的连接器外壳131、设置在连接器外壳131内并且与热源12相连接的热管132。连接器外壳131为一层的单筒式结构，两侧分别设置流体入口1313和流体出口1314，冷却介质从流体入口1313进入连接器外壳131，与热管132进行热交换，随后吸收了热量的冷却介质通过流体出口1314排出连接器外壳131。即固体的热管132与流体的冷却介质之间进行热交换，对热管132进行冷却。在连接器外壳131的内部、热管132的周围设置螺旋式翅片或者外螺纹1321，翅片或者外螺纹1321可以焊接在热管132远离热源12的一端(即冷凝端)，其可以增大换热面积，提高散热的效果。本实施例所采用的流体接口连接方式，其流体接口可采用已有标准化的液体接头，也可以采用卡套和自动锁紧快速连接接头，冷却流体通过与导热连接器13换热，把废热带到散热回路，具有热阻小，导热量大的优点，结构简单，方便插拔更换，易于加工制造，一般适合于中、大功率设备使用。
实施例4
如图6所示的导热连接器13为单封闭式固体/流体导热型。作为本发明的另一种方案，其它部分与实施例3相同，不同之处在于：
连接器外壳131为双层的双筒式结构，流体入口1313和流体出口1314设置在连接器外壳131的同一侧，即靠近热管132远离热源12的一侧。本实施例的空间使用效率高。
实施例5
如图7所示的导热连接器13为单封闭式固体/流体导热型。本实施例其它部分与实施例3相同，不同之处在于：其热管132冷凝端为回路热管的冷凝端、或机柜内冷却回路的散热端，它采用一种板式换热器式的导热连接器，在机箱内部对流体完全密封，而与外回路接通的流体接口133可采用已有标准化的液体接头，也可以采用卡套和自动锁紧快速连接接头。本实施例一般适合于大功率设备使用。
实施例6
如图8(a)和(b)所示的导热连接器13为双封闭板槽式固体/固体导热连接器。导热连接器13的第一导热体1311和第二导热体1312之间设置相间的高导热板134，连接时高导热板134相间接触，并由穿过各高导热板134的螺栓135相互压紧，给各高导热板134之间施加压力，以增加其导热能力。高导热板134可以是金属板，例如由铜制成，也可以是其它的高热导材料。
实施例7
本发明的另一实施例：全开放式两相流体连接器，其类似于现有的循环水冷散热，但是冷却流体为汽-液两相流体，与热源接触的模块为蒸发器，液体流入蒸发器后吸热蒸发，形成汽-液两相流体，该两相流体流入冷却回路2后，在冷却主回路21的冷凝器冷凝为液体，液体通过两相流体连接器返回蒸发器。全开放两相流体连接器连接通往热源的流体入口1313和流体出口1314。该导热连接器13，计算机本身的散热结构与机房冷却回路2共用同一种工质，即冷却回路2内的流体直接流入计算机散热结构内，并流至热源12蒸发吸热，然后流出计算机散热结构，并返回冷却回路2，实现废热排放。
相对于双封闭式固体/固体插拔型导热连接器、单封闭式流体连接器以及全开放式液体散热，全开放式两相流体连接器具有热阻低、散热量大、散热效率高等优点。
本发明还提供了一种计算处理系统，此处采用计算机系统作为实施例来说明本发明。当一个系统中有多台计算机1需要冷却散热时，可以在每台计算机1上配备导热连接器13，然后通过并联、串联等多种形式用冷却回路2将每个导热连接器13连接起来，统一进行冷却介质的循环散热。当然，当一台计算机1上有多个热源12需要散热时，可以根据需要针对每个热源12分别设置导热连接器13，然后将这些导热连接器13连接起来。
实施例8
如图3、4和8所示的双封闭式固体/固体导热型导热连接器13，其采用插拔方式与冷却支回路22或主回路21连接。多个导热连接器13(针对多个计算机或单机多个热源)之间可采用串联或者并联或者串、并联混合等方式与冷却回路2连接。图9-11所示为三种串联连接的方式。图9所示为蛇形管串联连接。图10所示为直管串联连接。图11所示为增大接触面的双面插拔式串联连接。
实施例9
如图3、4和8所示的双封闭式固体/固体导热型导热连接器13，其采用插拔方式与冷却支回路22或主回路21连接。图12所示为并联连接的方式，每个导热连接器13与主回路21或支回路22并联连接。
实施例10
如图3、4和8所示的双封闭式固体/固体导热型导热连接器13，其采用插拔方式与冷却支回路22或主回路21连接。图13所示为串联、并联混合连接的方式，部分导热连接器13通过支回路22串联连接后再与其他相互串联在一起的导热连接器13并联，并连接到主回路21上。
实施例11
如图5和6所示的单封闭式固体/流体导热型导热连接器13，其与冷却回路2之间为流体式连接。如图14所示，每个导热连接器13通过软管以装卸方式与主回路21或支回路22并联在一起。可在支回路22上设置阀门以控制冷却介质的流量。
Claims (10)
1、一种用于计算处理设备或计算处理单元的散热系统，其包括将所述计算处理设备或计算处理单元之内部的发热部件的热量引出的热管、以及位于所述计算处理设备或计算处理单元之外部的冷却回路；其特征在于，所述的散热系统进一步包括导热连接器，该导热连接器包括冷却介质通道，而且所述外部的冷却回路与所述导热连接器的冷却介质通道构成冷却介质的循环回路；所述的热管设置有冷凝端，所述热管的冷凝端设置在所述导热连接器内，并与所述冷却介质通道内的冷却介质建立热传递。
2、如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，所述的导热连接器包括连接器外壳，所述冷却介质通道设置在所述连接器外壳内；所述热管冷凝端设置在所述导热连接器的冷却介质通道内、并与循环流动的冷却介质直接接触。
3、如权利要求2所述的散热系统，其特征在于，所述连接器外壳为单层或者两层以上的结构，所述热管冷凝端的周围设置(螺旋式)翅片或者外螺纹。
4、如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，所述导热连接器包括第一导热体以及至少一个第二导热体，所述热管冷凝端设置在所述第一导热体内，所述冷却介质通道设置在至少一个所述第二导热体内，每个所述第二导热体的外壁沿着所述冷却介质通道的方向与所述第一导热体的外壁保持接触。
5、如权利要求4所述的散热系统，其特征在于，所述第一导热体与所述第二导热体的外表面设置与所述热管冷凝端相平行或者相垂直的锯齿状导热肋。
6、如权利要求4所述的散热系统，其特征在于，在所述第一导热体及第二导热体之间的接触面设置有由两块或两块以上高导热板构成的板槽式插接结构。
7、如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，所述导热连接器是全开放式两相流体连接器，与热源接触侧为蒸发器，冷却回路中设置冷凝器。
8、如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，所述的导热连接器与所述热管的冷凝端固定为一体，而且所述导热连接器的冷却介质通道包括入口端和出口端，该入口端和出口端分别连接在所述外部冷却回路中，而且在所述外部冷却回路设置有分别对应于所述冷却介质通道入口端和出口端的开关机构。
9、一种计算处理设备，其特征在于，该计算处理设备包括至少一个如权利要求1-8之一所述的散热系统。
10、一种计算处理系统，其包括两个或两个以上计算处理设备和/或计算处理单元，其特征在于，所述的每个计算处理设备和/或计算处理单元进一步包括至少一个如权利要求1-8之一所述的散热系统，所述的每个散热系统的冷却介质通道通过串连、并联或者串并联混合连接的方式与所述外部冷却回路构成冷却介质循环回路。
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