CN104216492A - 一种计算机芯片液态冷却浸没式结构散热系统 - Google Patents

一种计算机芯片液态冷却浸没式结构散热系统 Download PDF

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本发明公开了一种计算机芯片液态冷却浸没式结构散热系统，包括冷却液泵、冷却液箱、液冷散热器、液管，冷却液泵、冷却液箱和液冷散热器通过液管依次连通，形成环路；环路内使用绝缘冷却液；冷却对象放置在冷却液箱内。通过将冷却对象浸入到冷却液中，使两者直接接触，且接触紧密，大大提升了换热冷却的效果。

Description

一种计算机芯片液态冷却浸没式结构散热系统
技术领域
本发明涉及计算机芯片液态冷却散热技术领域，尤其涉及一种计算机芯片液态冷却浸没式结构散热系统。
背景技术
近年来，高度集成的计算机芯片热障关键问题，已成为制约其持续发展的技术瓶颈之一。目前，解决计算机芯片散热的主流技术发展方向是研发液态冷却方法，利用冷却液强化芯片散热的效果。具体是在发热芯片上增加界面集热器(冷头)这样的结构，通过冷却液流过冷头带走热量，从而达到降温的目的。
目前已有大量研究报导和实际应用的冷却液主要是水基冷却液和液态金属冷却液，但是距离满足产品应用需求还存在严重的瓶颈。在最新研究中，一种性能优于水基冷却液和液态金属冷却液的导热油冷却液正逐渐受到关注，并且还可以制备具有绝缘性能的导热油。这一特点打破了只能使用类似界面集热器(冷头)这样的结构来使冷却液与冷却对象进行热交换的方式，即冷却液不能与冷却对象直接接触。而是进一步地可以采用将具有绝缘性能的导热油与冷却对象直接接触来进行热交换，并且该方式较之使用界面集热器(冷头)，可大大提升冷却效果。
为此今后的冷却液研究中，具有绝缘性能的冷却液(以下简称绝缘冷却液)也同样会成为一种发展方向。从而使用绝缘冷却液，并且将其与冷却对象直接接触以进行热交换的液态冷却系统也相应地成为本领域技术人员所需要面对的技术课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是配合绝缘冷却液来设计一种液态冷却系统，该系统中，绝缘冷却液与冷却对象直接接触，从而提高了冷却效果。
为实现上述目的，本发明提供了一种计算机芯片液态冷却浸没式结构散热系统，包括冷却液泵、冷却液箱、液冷散热器、液管，冷却液泵、冷却液箱和液冷散热器通过液管依次连通，形成环路；环路内使用绝缘冷却液；冷却对象放置在冷却液箱内部。
进一步地，冷却对象完全或部分浸入冷却液箱中的绝缘冷却液中。
进一步地，冷却液箱内设置有用于固定冷却对象的固定装置。
进一步地，冷却对象包括CPU、主板、内存、显卡。
进一步地，当冷却液泵不启动时，回路中绝缘冷却液的循环是依靠绝缘冷却液与冷却对象热交换后受热膨胀而驱动的。
进一步地，冷却液泵是螺旋泵，或双腔并联压电泵，或静电驱动静音泵。
进一步地，绝缘冷却液是导热油，该导热油的主要成分包括烷烃、环烷族饱和烃、芳香族不饱和烃或链状结构的聚有机硅氧烷中的一种，该导热油的相对密度为0.8-2.0g/cm3，热导率为0.5-5w/mk，凝固点小于-45℃。
进一步地，液冷散热器与计算机箱壁相接触，从而增加了散热面积。
进一步地，还包括控制单元和温度传感器，控制单元分别连接温度传感器和冷却液泵，通过传感器提供的温度信号驱动冷却液泵的开启、停止或运行时的转速。
进一步地，还包括连接到计算机系统的接口，计算机系统将散热系统作为其外设进行控制管理。
本发明的散热系统具有如下有益效果：
1、将冷却对象浸入到冷却液中，两者直接接触，且接触紧密，提升了换热冷却的效果。
2、散热结构简单，需要散热的部件全部浸泡在冷却液中，不用制作其它散热辅助设备。
3、集肋片散热和对流冷却散热于一体，大大拓展了传统散热方式的散热表面。
4、噪音低，散热器运行时，工质噪音极小。
5、适用各种发热电子元器件的散热。
6、可以作为计算机外设，通过计算机对其进行控制管理。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的架构示意图；
图2是本发明的另一个较佳实施例的架构示意图；
图3是本发明的又一个较佳实施例的架构示意图；
图4是本发明的一个具有温控装置的散热系统的架构示意图。
具体实施方式
如图1-图3所示，是本发明的计算机芯片液态冷却浸没式结构散热系统的三种不同结构的架构示意图。其中散热系统安置于机箱内，包括冷却液泵1、冷却液箱2、冷凝管3，并且通过液管将三者依次连通，形成环路，本实施例中使用冷凝管3作为液冷散热器，同样也可采用散热片或类似的肋片结构(能有效增大散热面)作为液冷散热器，同时以上结构还可以通过与机箱壁相接触来进一步扩大散热面，并且还可以加装风扇对散热器进行风冷。在系统的环路内使用绝缘导热油4作为冷却液，但不只限于使用导热油，其他具有绝缘性能的冷却液也适用于该系统。导热油4的主要成分包括烷烃、环烷族饱和烃、芳香族不饱和烃或链状结构的聚有机硅氧烷中的一种，其相对密度为0.8-2.0g/cm3，热导率为0.5-5w/mk，凝固点小于-45℃。
作为冷却对象的主板5或/和主板5上装置的部件6被固定在冷却液箱2的内部，可在冷却液箱2内设置相应的定位梁、定位槽或定位片等，采用螺栓、卡扣等将主板5固定在冷却液箱2内，固定方式不限于以上所提到的，也可采用能达到同样效果的其他方式。
在图2和图3中，主板5和主板5上装置的部件6作为冷却对象被完全浸入冷却液箱2内的导热油4中，而图1中冷却对象只是主板5上装置的部件6，为此在冷却液箱2中设置了一个子腔体201，导热油4被装在子腔体201内，子腔体201上设置有开口，部件6插入开口并浸入子腔体201的导热油4中，同时对子腔体201的开口进行密封，防止导热油4溢出。
本发明的散热系统的工作方式主要有以下两种：
1、当不启动冷却液泵1时，作为冷却对象的主板5或/和主板5上装置的部件6把热量首先传给在其附近的导热油4，使导热油4的温度升高。温度高的导热油4体积增加，比重减小，就向冷却液箱2的上部运动，环路内的导热油4又从下方液管补充到冷却液箱2中。被加热的导热油4沿箭头A方向流动至冷凝管3，进行热交换，热量被周围空气带走，如有必要还可以在冷凝管3旁边加装风扇，以加快周围空气流动，从而加速散热。冷凝管3中的导热油4经冷却后，再沿箭头B-->C-->D方向流动参与环路内冷却液的循环。这样，因油温的差别，产生了油的自然循环流动。
2、开启冷却液泵1，辅助环路内的导热油4沿箭头A-->B-->C-->D进行受迫循环流动。冷却液泵1优选螺旋泵，或双腔并联压电泵，或静电驱动静音泵。
使用功耗为360W的台式计算机通过改造原有结构(参考图1-图3)，将发热部件全部浸没到冷却液中，以CPU温度作为芯片冷却效果的指标(开启冷却液泵)。
1、芯片由冷却液箱上方插入，浸没到相对密度0.8g/cm3，热导率0.5w/mk，凝固点<-75℃的导热油中，冷却系统工作后测的CPU的温度为50℃。
2、芯片由冷却液箱上方插入，浸没到相对密度1.28g/cm3，热导率1.64w/mk，凝固点<-58℃的导热油中，冷却系统工作后测的CPU的温度为43℃。
3、芯片由冷却液箱上方插入，浸没到相对密度1.83g/cm3，热导率1.96w/mk，凝固点<-56℃的导热油中，冷却系统工作后测的CPU的温度为38℃。
4、芯片位于冷却液箱侧面，浸没到相对密度0.8g/cm3，热导率0.5w/mk，凝固点<-75℃的导热油中，冷却系统工作后测的CPU的温度为51℃。
5、芯片位于冷却液箱侧面，浸没到相对密度1.28g/cm3，热导率1.64w/mk，凝固点<-58℃的导热油中，冷却系统工作后测的CPU的温度为43℃。
6、芯片位于冷却液箱侧面，浸没到相对密度1.83g/cm3，热导率1.96w/mk，凝固点<-56℃的导热油中，冷却系统工作后测的CPU的温度为39℃。
7、芯片位于冷却液箱底部，浸没到相对密度0.8g/cm3，热导率0.5w/mk，凝固点<-75℃的导热油中，冷却系统工作后测的CPU的温度为49℃。
8、芯片位于冷却液箱底部，浸没到相对密度1.28g/cm3，热导率1.64w/mk，凝固点<-58℃的导热油中，冷却系统工作后测的CPU的温度为42℃。
9、芯片位于冷却液箱底部，浸没到相对密度1.83g/cm3，热导率1.96w/mk，凝固点<-56℃的导热油中，冷却系统工作后测的CPU的温度为39℃。
图4是本发明的一种具有温控装置和外部接口的散热系统的架构示意图，实线表示冷却液的流动方向，虚线表示控制部分的信号连接。其中温度传感器装设在冷却液箱内，其与设在冷却液箱外的控制模块相连接，将采集到的温度信号输入控制模块；控制模块根据该温度信号以及其预设的参数，来驱动冷却液泵的开启、停止或运行时的转速。控制模块可采用单片机、MCU、PLC或具有相应功能的线路板等。
同时还可以在控制模块上设置与计算机主板相连接的接口，从而形成与计算机系统的通信。如通过主板上的USB口、串行口或并行口等，甚至是通过无线协议，将控制模块与计算机系统连接，作为其外设，从而通过计算机软件对其进行设置和控制。并且当计算机系统中本身具有对于CPU、主板、显卡、内存等冷却对象的温度信号采集时，可以省略上述的温度传感器，直接使用系统内的温度信号进行相关操作的判断。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种计算机芯片液态冷却浸没式结构散热系统，其特征在于，包括冷却液泵、冷却液箱、液冷散热器、液管，所述冷却液泵、所述冷却液箱和所述液冷散热器通过所述液管依次连通，形成环路；所述环路内使用绝缘冷却液；冷却对象放置在所述冷却液箱内。
2.如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，所述冷却对象完全或部分浸入所述冷却液箱中的所述绝缘冷却液中。
3.如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，所述冷却液箱内设置有用于固定所述冷却对象的固定装置。
4.如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，所述冷却对象包括CPU、主板、内存、显卡。
5.如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，当所述冷却液泵不启动时，所述回路中所述绝缘冷却液的循环是依靠所述绝缘冷却液与所述冷却对象热交换后受热膨胀而驱动的。
6.如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，所述冷却液泵是螺旋泵，或双腔并联压电泵，或静电驱动静音泵。
7.如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，所述绝缘冷却液是导热油，所述导热油的成分包括烷烃、环烷族饱和烃、芳香族不饱和烃或链状结构的聚有机硅氧烷中的一种，所述导热油的相对密度为0.8-2.0g/cm3，热导率为0.5-5w/mk，凝固点小于-45℃。
8.如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，所述液冷散热器与计算机箱壁相接触。
9.如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，还包括控制单元和温度传感器，所述控制单元分别连接所述温度传感器和所述冷却液泵，通过所述传感器提供的温度信号驱动所述冷却液泵的开启、停止或运行时的转速。
10.如权利要求1所述的散热系统，其特征在于，还包括连接到计算机系统的接口，所述计算机系统将所述散热系统作为其外设进行控制管理。
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