CN104851857B - 一种芯片冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种芯片冷却系统，包括用于一级换热的芯片导热板和用于二级换热的环形热管，所述芯片导热板上并排设置有若干个微细通道，微细通道同时连接一根设置有泵的循环管道，形成循环回路，在循环回路内填充有液体Ⅰ；所述环形热管与该循环回路套设形成套管结构，环形热管内填充有液体Ⅱ和气体，且该气体的压强始终小于大气压强。本发明结合微细通道和环形热管，形成两级换热系统，其中微细通道能提供较大的散热热流密度，能够及时吸收芯片上热量，环形热管充分利用相变以及重力等作用作为驱动力，散热效率高，且成本低；热量从芯片经过循环回路与环形热管，从而散发至环境，散热功率高，效果好。

Description

一种芯片冷却系统

技术领域

本发明属于芯片冷却领域，具体涉及一种芯片冷却系统。

背景技术

随着电子计算机制造技术和工艺水平的不断提高,计算机微处理器CPU朝高集成化、小型化和高频化趋势发展,导致CPU散热量的增加，冷却散热问题越来越尖锐，已经到了非解决不可的地步。散热问题关系到电脑的稳定性，解决不好会导致电脑性能的严重下降，并影响产品的可靠性，严重的还会影响电脑其他部件的使用和寿命，而且许多不明原因的死机也常常是散热问题所致。

传统的风冷散热效率差噪音大，并受到空间限制；热管冷却的散热能力有限；水冷却系统虽然散热能力强并且十分安静，但是需要水泵提供动力，成本较高，并且水泄露将会毁坏芯片。

发明内容

本发明的目的是提出一种散热效果好的芯片冷却系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

包括用于一级换热的芯片导热板和用于二级换热的环形热管，所述芯片导热板上并排设置有若干个微细通道，微细通道同时连接一根设置有泵的循环管道，形成循环回路，在循环回路内填充有液体Ⅰ；所述环形热管与该循环回路套设形成套管结构，环形热管内填充有液体Ⅱ和气体，且该气体的压强始终小于大气压强。

所述的芯片导热板一侧与待冷却的芯片贴合，另一侧通过半导体温差发电片与散热片贴合。

所述的半导体温差发电片一面为热端，另一面为冷端，其中热端与芯片导热板贴合，冷端与散热片贴合，散热片的材质采用金属。

所述的芯片、芯片导热板、半导体温差发电片和散热片之间均设置导热硅脂。

所述的微细通道通过管道扩张段连接循环管道，所述的泵采用金属电磁泵。

所述的微细通道的直径为1～5mm。

所述的环形热管包括相连通的冷凝段和蒸发段，其中液体Ⅱ填充在蒸发段内，蒸发段套设在循环管道的内部，形成套管结构；气体填充在冷凝段内，冷凝段位于循环管道外且高于蒸发段。

所述的冷凝段下方设置有风扇。

所述的循环回路内填充的液体Ⅰ为镓铟锡合金，蒸发段内填充的液体Ⅱ为水，冷凝段内填充的气体为空气。

所述的循环管道和蒸发段均为内螺旋翅片管，冷凝段为内外螺旋翅片管，且冷凝段内设置有环形吸液芯。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过在芯片导热板上设置微细通道，并与循环管道相连形成循环回路，循环回路内填充液体Ⅰ，微细通道能提供较大的散热热流密度，能够及时吸收芯片上热量，降低芯片温度；环形热管内填充有液体Ⅱ且与循环回路套设在一起，形成套管结构，且环形热管内的还填充有气体，压强始终小于大气压强，则填充的液体Ⅱ沸点降低，容易蒸发带走热量，利于与循环回路内的液体Ⅰ进行快速换热，迅速降低液体Ⅰ的温度，充分利用相变以及重力等作用作为驱动力，散热效率高，且成本低；本发明结合微细通道和环形热管，形成两级换热系统，热量从芯片经过循环回路与环形热管，从而散发至环境，散热功率高，效果好。

进一步，本发明通过设置半导体温差发电片，能够利用芯片产生的废热转换成电，可用来供鼠标或键盘等外部设备的运转。

进一步，本发明通过设置导热硅脂，导热效果好，能够迅速进行热量的传递，利于提高发电效率。

进一步，本发明的微细通道通过用管道扩张段来连接循环管道，使连接更紧密，减少了液体Ⅰ的使用量，缩小了散热系统的几何尺寸；通过采用不同于平常液冷装置循环的金属电磁泵，能在低功耗的前提下提供可观的流量。

进一步，本发明环形热管分为蒸发段和冷凝段，其中的蒸发段填充有液体Ⅱ且套设在循环管道内部，冷凝段高于蒸发段，且冷凝段内气体压强小于大气压强，则蒸发段中填充的液体Ⅱ沸点降低，容易蒸发带走热量，利于与吸收芯片上热量后的液体Ⅰ进行快速换热，迅速降低液体Ⅰ的温度，液体Ⅱ蒸发后能够在冷凝段进行向外散热，温度降低后能够冷凝回到蒸发段，如此循环，充分利用相变以及重力等作用作为驱动力，散热效率高，且成本低。

进一步，本发明通过设置风扇，能够更快速地使冷凝段的蒸汽温度降低，再次回到蒸发段进行换热，利于提高散热效率。

进一步，本发明通过采用镓铟锡合金填充到循环回路内，其凝固点在10℃以下，并且常温下化学性质稳定，无毒无害，具有非常高的导热系数，利于散热，且对芯片等电子元件始终没有不利影响；通过采用水填充到蒸发段内，成本低，散热效果好。

进一步，本发明通过采用内螺旋翅片管或内外螺旋翅片管，有效增加散热效率，同时防止沉积；同时设置吸液芯，可为凝结的水提供毛细力以促使其回流至蒸发段。

附图说明

图1是本发明的俯视图。

图2是本发明的左视图。

图3是本发明的主视图。

图4是本发明的芯片导热板的结构示意图。

图5是本发明的套管结构简图。

图6是本发明环形热管的工作原理简图。

图7是本发明半导体温差发电片的工作原理图。

其中：1-芯片导热板、2-半导体温差发电片、3-散热片、4-循环管道、5-电线、6-金属电磁泵、7-风扇、8-冷凝段、9-环形热管、10-蒸发段、11-管道扩张段。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例子对本发明做进一步说明。

如图1至图3所示：本发明包括芯片导热板1和环形热管9，芯片导热板1上并排设置有若干个微细通道，微细通道同时连接一根循环管道4，形成循环回路，其中，循环管道4在与微细通道相连处扩张形成管道扩张段11，循环回路内充满液体Ⅰ，液体Ⅰ为液态金属，具体为镓铟锡合金，凝固点在10摄氏度以下，并且常温下化学性质稳定，无毒无害，具有非常高的导热系数；在循环管道4上设置有泵，泵采用金属电磁泵6，金属电磁泵6由电线5连接电源进行供电工作，能在低功耗的前提下提供可观的流量，电线5平行循环管道4设置。

参见图4，芯片导热板1上的微细通道的直径为1～5mm，根数视具体散热面积，可以在5～25根中选择，以提供较大的散热热流密度，及时降低芯片温度。

参见图5和图6，环形热管9包括相连通的冷凝段8和蒸发段10，其中蒸发段10内填充有液体Ⅱ，液体Ⅱ为水，蒸发段10套设在循环管道4的内部，其是通过在图1中两个A处通过焊接的连接方式进入循环管道4的，形成套管结构；环形热管9的冷凝段8内填充有空气，且该空气的压强始终小于大气压强，利于蒸发段10内水的沸点降低，加快相变速度，提升散热效率；冷凝段8位于循环管道4外且高于蒸发段10，使空气始终在液体Ⅱ的上方；冷凝段8内壁放置有极薄的环形吸液芯，可为凝结的水提供毛细力以促使其回流至蒸发段10，冷凝段8下方设置有风扇7，利于使水蒸汽快速降温冷凝；环形热管9能够快速地降低液态金属的温度，提高散热效率。

参见图7，芯片导热板1的一面用于与芯片紧密贴合，对芯片进行散热，另一面紧密贴合半导体温差发电片2，半导体温差发电片2的一面为热端，另一面为冷端，其中热端与芯片导热板1紧密贴合，冷端与散热片3紧密贴合，散热片3采用金属散热片，散热效果好，利于增大温差，提高发电效率；芯片、芯片导热板1、半导体温差发电片2和散热片3之间均设置导热硅脂，利于增加传热速率，提高发电效率。

循环管道4和蒸发段10均为内螺旋翅片管，冷凝段8为内外螺旋翅片管。

参见图1至图7，本发明的主要工作原理及过程如下：

首先将芯片导热板1与芯片集成部分平行放置并通过导热硅脂紧密贴合，液态金属在金属电磁泵6的驱动作用下沿循环管道4和微细管道顺时针循环流动，芯片产生的热量一方面通过芯片导热板1传递至微细管道上，又传递至微细管道中流动的液态金属中，液态金属流动至A-A段后与环形热管9的蒸发段10接触，并将热量传递给蒸发段10，液态金属本身的温度降低并再次回到微细管道吸收芯片产生的热量，蒸发段10内处于低压状态下的水很容易吸热沸腾形成蒸汽，蒸汽沿管壁向竖直上方流动至冷凝段8，最后通过风扇7以及冷凝段8的翅片管加强传热，而将热量迅速散发给环境，从而形成一个完整的散热过程；冷凝段8内的蒸汽在释放热量后凝结为水，通过环形吸液芯提供的毛细力的作用沿着内壁回流至蒸发段10。

同时，芯片产生的热量另一方面传递给半导体温差发电片2的热端，而半导体温差发电片2的冷端通过导热硅脂与金属散热片紧密贴合，形成一个热电转换回路，从而将芯片产生的废热转换成电能，并通过半导体温差发电片2的正负极将电能输送出，来供鼠标或键盘等外部负载的运转。

本发明是基于热管与微细通道内的液态金属的两级换热及热电转换的芯片冷却系统，在满足散热功率并有效地降低散热器成本的条件下，结合微细通道与环形热管从而形成两级换热系统，是一种利用低熔点金属合金作为流动冷却工质、采用热管作为辅助散热级，采用半导体温差发电片2进行热电转换的芯片冷却系统，从而能在提供足够散热功率的条件下节约成本；不同于平常液冷装置循环的金属电磁泵6能在低功耗的前提下提供可观的流量；环形热管9利用相变以及重力等条件作为驱动；本发明为一个二级换热系统，主要是用于冷却芯片，热量经过液态金属循环系统与环形热管9从而由芯片散发至环境，可以有效的冷却芯片，并能回收芯片产生的热量，有高效散热，能源回收，结构简单等优点。

本发明适用范围广，仅需将芯片导热板和芯片通过导热硅脂紧密贴合即可，安装方便。

Claims (9)

1.一种芯片冷却系统，其特征在于：包括用于一级换热的芯片导热板(1)和用于二级换热的环形热管(9)，所述芯片导热板(1)上并排设置有若干个微细通道，微细通道同时连接一根设置有泵的循环管道(4)，形成循环回路，在循环回路内填充有液体Ⅰ；所述环形热管(9)与该循环回路套设形成套管结构，环形热管(9)内填充有液体Ⅱ和气体，且该气体的压强始终小于大气压强；

所述的环形热管(9)包括相连通的冷凝段(8)和蒸发段(10)，其中液体Ⅱ填充在蒸发段(10)内，蒸发段(10)套设在循环管道(4)的内部，形成套管结构；气体填充在冷凝段(8)内，冷凝段(8)位于循环管道(4)外且高于蒸发段(10)。

2.根据权利要求1所述的芯片冷却系统，其特征在于：所述的芯片导热板(1)一侧与待冷却的芯片贴合，另一侧通过半导体温差发电片(2)与散热片(3)贴合。

3.根据权利要求2所述的芯片冷却系统，其特征在于：所述的半导体温差发电片(2)一面为热端，另一面为冷端，其中热端与芯片导热板(1)贴合，冷端与散热片(3)贴合，散热片(3)的材质采用金属。

4.根据权利要求2所述的芯片冷却系统，其特征在于：所述的芯片、芯片导热板(1)、半导体温差发电片(2)和散热片(3)之间均设置导热硅脂。

5.根据权利要求1所述的芯片冷却系统，其特征在于：所述的微细通道通过管道扩张段(11)连接循环管道(4)，所述的泵采用金属电磁泵(6)。

6.根据权利要求1或5所述的芯片冷却系统，其特征在于：所述的微细通道的直径为1～5mm。

7.根据权利要求1所述的芯片冷却系统，其特征在于：所述的冷凝段(8)下方设置有风扇(7)。

8.根据权利要求1所述的芯片冷却系统，其特征在于：所述的循环回路内填充的液体Ⅰ为镓铟锡合金，蒸发段(10)内填充的液体Ⅱ为水，冷凝段(8)内填充的气体为空气。

9.根据权利要求1所述的芯片冷却系统，其特征在于：所述的循环管道(4)和蒸发段(10)均为内螺旋翅片管，冷凝段(8)为内外螺旋翅片管，且冷凝段(8)内设置有环形吸液芯。