CN109840002B - 一种无泵水冷静音机箱散热控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无泵水冷静音机箱散热控制方法，半导体制冷片阵列设置于箱体的外顶部，且多个半导体制冷片的热端朝向箱体外部；上集箱设置于箱体的内顶部，且多个半导体制冷片的冷端设置于上集箱内部；下集箱设置于箱体的内底部，且下降管的一端连通于下集箱，下降管的另一端连通于上集箱；上升管的一端连通于下集箱，上升管的另一端穿过机箱内的待散热区吸收待散热区热量并连通于上集箱。本发明一种无泵水冷静音机箱散热控制方法，使得更远的半导体制冷片温度更高，而更近的半导体制冷片温度更低，这样的控制方式不会出现冷却液局部温度过低的情况出现，从而避免了下降管发生结露现象。

Description

一种无泵水冷静音机箱散热控制方法

技术领域

本发明涉及计算机硬件技术，具体涉及一种无泵水冷静音机箱散热控制方法。

背景技术

北京时间2018年10月8日22点，英特尔发布了第九代酷睿系列新品，其中9900k的烤机功耗高达200w，同年，AMD也发布了锐龙系列和锐龙2系列，其中线程撕裂者1900x的功耗高达180w，随着桌面级CPU的性能和功耗大幅提升，桌面级GPU的性能和功耗也大幅提高，搭载英伟达2080Ti显卡的平台整体功耗可高达320w，随着功耗的大幅提高，带来的是巨大的散热，普通的风冷散热设备已经完全无法适用于这种高性能平台的散热，所以水冷散热设备已经开始大量推广。

在现有技术中，水冷设备普遍采用水泵进行循环，并且需要在散热端采用风扇进行散热，水泵和风扇在使用中会产生大量的噪音，从而影响使用用户的体验。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是水冷设备普遍采用水泵进行循环，并且需要在散热端采用风扇进行散热，水泵和风扇在使用中会产生大量的噪音，从而影响使用用户的体验，目的在于提供一种无泵水冷静音机箱散热控制方法，解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种无泵水冷静音机箱，包括箱体、热阱单元、下降管、上升管和下集箱；所述热阱单元包括上集箱和半导体制冷片阵列；所述半导体制冷片阵列由多个半导体制冷片拼接而成，所述半导体制冷片包括自上而下依次设置的热端、半导体片和冷端，且多个半导体制冷片的热端朝向相同，多个半导体制冷片的冷端朝向相同；所述半导体制冷片阵列设置于箱体的外顶部，且多个半导体制冷片的热端朝向箱体外部；所述上集箱设置于箱体的内顶部，且多个半导体制冷片的冷端设置于上集箱内部；所述下集箱设置于箱体的内底部，且下降管的一端连通于下集箱，下降管的另一端连通于上集箱；所述上升管的一端连通于下集箱，上升管的另一端穿过机箱内的待散热区吸收待散热区热量并连通于上集箱；所述上集箱、下降管、上升管和下集箱内充满冷却液。

本发明应用时，热阱单元和下集箱通过下降管和上升管构成一个完整的液体循环系统，在上集箱、下降管、上升管和下集箱内充满冷却液可以减少冷却液蒸发时所产生的两相流体，从而提高冷却液流动效率。在整个液体循环系统工作时，热阱单元设置了半导体制冷片阵列，半导体制冷片阵列由多个半导体制冷片拼接而成，半导体制冷片属于现有技术中一种热泵，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端；在半导体制冷片阵列的作用下，热阱单元可以将液体循环系统中的热量散发到箱体外部，从而在上集箱处形成热阱，而上升管穿过机箱内的待散热区吸收待散热区热量，从而形成热源；由于热阱的位置高于热源，同时热源不断的吸收热量，整个液体循环系统会发生自然循环，自然循环的原理和技术已经普遍运用在锅炉传热、发电站等领域，固技术原理在此不再复述，冷却液在上升管中吸热上升并在上集箱中冷却后通过下降管回流到下集箱。

本发明中所说的待散热区可以为现有技术中进行静态散热的任何一种设备，比如散热片，散热鳍，热管等等，上升管在通过待散热区时，进行热交换的方式也为现有技术中的热交换手段，这些手段在水冷技术中已经是非常成熟的了，例如当待散热区为热管时，上升管附着于热管散热端的侧壁，并且此段上升管选用铜或者铝制的管道；而当待散热区为散热片时，上升管在待散热区可以进行多次弯折并贴合在散热片表面，此段上升管选用铜或者铝制的扁平管道；而当待散热区为散热鳍时，可以采用将上升管穿过多组散热鳍的方式进行热交换，此段上升管选用铜或者铝制的圆形管道；上文中所述的上升管与待散热区进行热交换的方式均为现有技术，此处只是在此进行阐述以说明本申请的可实施性，并不是对本申请的限定。

本发明通过自然循环的方式进行水冷散热，并将热阱单元的热量通过半导体制冷片进行散热，在整个系统中不存在任何泵机和风扇，使得本发明在使用中全程静音，有效的提高了用户体验，同时本发明的热阱单元通过半导体制冷片进行温度调节，相比于风扇便于后续的控制。

进一步的，所述待散热区包括CPU散热器、显卡散热器、内存散热器、北桥散热器、南桥散热器、硬盘散热器和电源散热器。

进一步的，所述上升管的数量为多个，且多个上升管分别穿过不同的待散热区。

进一步的，还包括散热鳍片；所述散热鳍片设置于半导体制冷片的热端上。

本发明应用时，散热鳍片可以大幅提高半导体制冷片的热端的散热效率。

进一步的，所述冷却液采用去离子水。

一种无泵水冷静音机箱散热控制方法，所述上升管的数量为多个，所述待散热区的数量与上升管的数量相同，且多个上升管分别穿过不同的待散热区；获取每个半导体制冷片的冷端表面中心点到每个上升管接入上集箱处端口中心点的距离L_ij，且0<i≤m，0<j≤n；其中i为半导体制冷片的编号，j为上升管的编号，m为半导体制冷片的数量，n为上升管的数量；获取多个待散热区的测量温度和预期温度的温度差值，并根据温度差值和L_ij对半导体制冷片进行温度控制。

本发明应用时，用于本发明采用了多个半导体制冷片拼接而成的半导体制冷片阵列，所以发明人在使用过程中发现，在现有的制冷控制措施下，整个半导体制冷片阵列同时进行温度调节会导致上集箱内液温分布不均，从而可能会导致上集箱内部分温度过低的冷却液进入下降管中，进而使得下降管发生结露现象，结露产生的水滴会对箱体内的元器件本身产生一定危害。所以针对于流体传热的特点，通过对流、热传导和热辐射进行传热，本发明采用了两个参数对温度控制进行控制，一个参数为待散热区的测量温度和预期温度的温度差值，这个表明了需要执行散热的程度，一个参数为半导体制冷片的冷端表面中心点到上升管接入上集箱处端口中心点的距离L_ij，不论是对流、热传导还是热辐射传热，在空间尺寸与流速大致匹配时，L_ij可以认为是反比于传热效率的，所以可以根据这两个参数对半导体制冷片进行温度控制，使得更远的半导体制冷片温度更高，而更近的半导体制冷片温度更低，这样的控制方式不会出现冷却液局部温度过低的情况出现，从而避免了下降管发生结露现象。

进一步的，所述多个待散热区的测量温度为T_j，所述多个待散热区的预期温度为T_j′，所述温度差值为ΔT_j，ΔT_j＝T_j-T_j′，且当ΔT_j小于0时，令ΔT_j＝0；j为上升管的编号，0<j≤n，n为上升管的数量。

本发明应用时，T_j-T_j′在刚刚开机启动时，有时候会小于0，此时需要直接将ΔT_j＝0避免半导体制冷片出现控制故障，一般待散热区的预期温度为T_j′根据散热区器件的不同可以做不同的选择，例如将显卡区的预期温度设置到40～50℃，而将机械硬盘的预期温度设置到50到60℃。

进一步的，根据温度差值ΔT_j和L_ij对半导体制冷片进行温度控制包括以下步骤：根据下式获取每个半导体制冷片的温度控制系数δ_i：

根据温度控制系数δ_i获取每个半导体制冷片热端和冷端的修正温差x_i，且修正温差x_i正比于温度控制系数δ_i；获取半导体制冷片的制冷函数f(T)，其中f(T)为输入电压，T为输入电压f(T)对应的半导体制冷片热端和冷端的温差；将修正温差x_i代入制冷函数f(T)获取每个半导体制冷片的输入电压，并根据输入电压对半导体制冷片进行温度控制。

本发明应用时，由于半导体制冷片的电压和温差关系一般不为线性，并且不同的半导体制冷片的电压和温差关系也都不太一样，所以需要预先获取半导体制冷片的制冷函数f(T)，这属于现有技术中存在的数据，将每个半导体制冷片的温度差值ΔT_j和L_ij进行整合并求和后，可以获取温度控制系数δ_i，根据该系数就可以获取每个半导体制冷片热端和冷端的修正温差x_i，这里说的修正温度的意思是在当前的冷端和热端的温差基础上再增加的温差，同时这个控制过程也是一个动态过程中的一环，通过这种方式进行控制可以在远算量极小的基础上，实现本发明的目的。

进一步的，根据温度控制系数δ_i获取每个半导体制冷片热端和冷端的修正温差x_i包括以下步骤：预设半导体制冷片的基准温差K；根据下式获得第i个半导体制冷片的修正温差x_i：x_i＝K*δ_i。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种无泵水冷静音机箱散热控制方法，使得更远的半导体制冷片温度更高，而更近的半导体制冷片温度更低，这样的控制方式不会出现冷却液局部温度过低的情况出现，从而避免了下降管发生结露现象。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明侧视图；

图3为自然循环原理图；

图4为热阱单元结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-箱体，2-热阱单元，3-下降管，4-上升管，5-下集箱，21-上集箱，22-半导体制冷片阵列，23-散热鳍片，221-热端，22-半导体片，223-冷端。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1～图4所示，本发明一种无泵水冷静音机箱，包括箱体1、热阱单元2、下降管3、上升管4和下集箱5；所述热阱单元2包括上集箱21和半导体制冷片阵列22；所述半导体制冷片阵列22由多个半导体制冷片拼接而成，所述半导体制冷片包括自上而下依次设置的热端221、半导体片222和冷端223，且多个半导体制冷片的热端221朝向相同，多个半导体制冷片的冷端223朝向相同；所述半导体制冷片阵列22设置于箱体1的外顶部，且多个半导体制冷片的热端221朝向箱体1外部；所述上集箱21设置于箱体1的内顶部，且多个半导体制冷片的冷端223设置于上集箱21内部；所述下集箱5设置于箱体1的内底部，且下降管3的一端连通于下集箱5，下降管3的另一端连通于上集箱21；所述上升管4的一端连通于下集箱5，上升管4的另一端穿过机箱内的待散热区吸收待散热区热量并连通于上集箱21；所述上集箱21、下降管3、上升管4和下集箱5内充满冷却液。

本实施例实施时，半导体制冷片优选为TEC1-12605，尺寸为4cm*4cm，半导体制冷片阵列22优选为9个TEC1-12605拼装成，拼装方式为拼装成3*3的阵列，拼装后的尺寸为12cm*12cm；热阱单元2和下集箱5通过下降管3和上升管4构成一个完整的液体循环系统，在上集箱21、下降管3、上升管4和下集箱5内充满冷却液可以减少冷却液蒸发时所产生的两相流体，从而提高冷却液流动效率。在整个液体循环系统工作时，热阱单元2设置了半导体制冷片阵列22，半导体制冷片阵列22由多个半导体制冷片拼接而成，半导体制冷片属于现有技术中一种热泵，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端；在半导体制冷片阵列22的作用下，热阱单元2可以将液体循环系统中的热量散发到箱体1外部，从而在上集箱21处形成热阱，而上升管4穿过机箱1内的待散热区吸收待散热区热量，从而形成热源；由于热阱的位置高于热源，同时热源不断的吸收热量，整个液体循环系统会发生自然循环，自然循环的原理和技术已经普遍运用在锅炉传热、发电站等领域，固技术原理在此不再复述，可以参加图3，冷却液在上升管4中吸热上升并在上集箱21中冷却后通过下降管回流到下集箱3。

本发明中所说的待散热区可以为现有技术中进行静态散热的任何一种设备，比如散热片，散热鳍，热管等等，上升管4在通过待散热区时，进行热交换的方式也为现有技术中的热交换手段，这些手段在水冷技术中已经是非常成熟的了，例如当待散热区为热管时，上升管4附着于热管散热端的侧壁，并且此段上升管4选用铜或者铝制的管道；而当待散热区为散热片时，上升管4在待散热区可以进行多次弯折并贴合在散热片表面，此段上升管选用铜或者铝制的扁平管道；而当待散热区为散热鳍时，可以采用将上升管穿过多组散热鳍的方式进行热交换，此段上升管选用铜或者铝制的圆形管道；上文中所述的上升管4与待散热区进行热交换的方式均为现有技术，此处只是在此进行阐述以说明本申请的可实施性，并不是对本申请的限定。

本发明通过自然循环的方式进行水冷散热，并将热阱单元2的热量通过半导体制冷片进行散热，在整个系统中不存在任何泵机和风扇，使得本发明在使用中全程静音，有效的提高了用户体验，同时本发明的热阱单元通过半导体制冷片进行温度调节，相比于风扇便于后续的控制。除此之外，本发明中的箱体还可以做成完成封闭的空间，从而有效防尘。

待散热区包括CPU散热器、显卡散热器、内存散热器、北桥散热器、南桥散热器、硬盘散热器和电源散热器，对不同的待散热区可以采用不同的热交换方式。所述上升管4的数量为多个，且多个上升管4分别穿过不同的待散热区。还包括散热鳍片23；所述散热鳍片23设置于半导体制冷片的热端221上。所述冷却液采用去离子水。

实施例2

本实施例一种无泵水冷静音机箱散热控制方法，所述上升管4的数量为多个，所述待散热区的数量与上升管4的数量相同，且多个上升管4分别穿过不同的待散热区；获取每个半导体制冷片的冷端223表面中心点到每个上升管4接入上集箱21处端口中心点的距离L_ij，且0<i≤m，0<j≤n；其中i为半导体制冷片的编号，j为上升管4的编号，m为半导体制冷片的数量，n为上升管4的数量；获取多个待散热区的测量温度和预期温度的温度差值，并根据温度差值和L_ij对半导体制冷片进行温度控制。

本实施例实施时，用于本发明采用了多个半导体制冷片拼接而成的半导体制冷片阵列22，所以发明人在使用过程中发现，在现有的制冷控制措施下，整个半导体制冷片阵列同时进行温度调节会导致上集箱内液温分布不均，从而可能会导致上集箱内部分温度过低的冷却液进入下降管中，进而使得下降管发生结露现象，结露产生的水滴会对箱体内的元器件本身产生一定危害。所以针对于流体传热的特点，通过对流、热传导和热辐射进行传热，本发明采用了两个参数对温度控制进行控制，一个参数为待散热区的测量温度和预期温度的温度差值，这个表明了需要执行散热的程度，一个参数为半导体制冷片的冷端表面中心点到上升管接入上集箱处端口中心点的距离L_ij，不论是对流、热传导还是热辐射传热，在空间尺寸与流速大致匹配时，L_ij可以认为是反比于传热效率的，所以可以根据这两个参数对半导体制冷片进行温度控制，使得更远的半导体制冷片温度更高，而更近的半导体制冷片温度更低，这样的控制方式不会出现冷却液局部温度过低的情况出现，从而避免了下降管发生结露现象。

所述多个待散热区的测量温度为T_j，所述多个待散热区的预期温度为T_j′，所述温度差值为ΔT_j，ΔT_j＝T_j-T_j′，且当ΔT_j小于0时，令ΔT_j＝0；j为上升管4的编号，0<j≤n，n为上升管4的数量。

T_j-T_j′在刚刚开机启动时，有时候会小于0，此时需要直接将ΔT_j＝0避免半导体制冷片出现控制故障，一般待散热区的预期温度为T_j′根据散热区器件的不同可以做不同的选择，例如将显卡区的预期温度设置到40～50℃，而将机械硬盘的预期温度设置到50到60℃。

根据温度差值ΔT_j和L_ij对半导体制冷片进行温度控制包括以下步骤：

根据下式获取每个半导体制冷片的温度控制系数δ_i：

根据温度控制系数δ_i获取每个半导体制冷片热端和冷端的修正温差x_i，且修正温差x_i正比于温度控制系数δ_i；

获取半导体制冷片的制冷函数f(T)，其中f(T)为输入电压，T为输入电压f(T)对应的半导体制冷片热端和冷端的温差；

将修正温差x_i代入制冷函数f(T)获取每个半导体制冷片的输入电压，并根据输入电压对半导体制冷片进行温度控制。

由于半导体制冷片的电压和温差关系一般不为线性，并且不同的半导体制冷片的电压和温差关系也都不太一样，所以需要预先获取半导体制冷片的制冷函数f(T)，这属于现有技术中存在的数据，将每个半导体制冷片的温度差值ΔT_j和L_ij进行整合并求和后，可以获取温度控制系数δ_i，根据该系数就可以获取每个半导体制冷片热端和冷端的修正温差x_i，这里说的修正温度的意思是在当前的冷端和热端的温差基础上再增加的温差，同时这个控制过程也是一个动态过程中的一环，通过这种方式进行控制可以在远算量极小的基础上，实现本发明的目的。

根据温度控制系数δ_i获取每个半导体制冷片热端和冷端的修正温差x_i包括以下步骤：

预设半导体制冷片的基准温差K；

根据下式获得第i个半导体制冷片的修正温差x_i：

x_i＝K*δ_i。

这里的基准温差K为预设值，可以根据需要进行设置。

实施例3

本实施例在实施例1～2的基础上，上升管和待散热区域均为四个，待散热区域为CPU散热区、显卡散热区、北桥散热区和南桥散热区；

使用中，CPU散热区的预期温度设置为60℃，显卡散热区的预期温度设置为50℃，北桥散热区的预期温度设置为55℃，南桥散热区的预期温度设置为45℃；

检测到CPU散热区的测量温度为55℃，显卡散热区的测量温度设置为60℃，北桥散热区的测量温度设置为60℃，南桥散热区的测量温度设置为70℃；

以一个半导体制冷片为例，该半导体制冷片到上述四个待散热区域对应上升管端口的距离分别为14cm、10cm、10cm和14cm；

此时根据

进行计算，得出δ_i为0+1+0.5+1.8＝3.3；

而该半导体制冷片的基准温差K为2℃，则修正温差x_i为6.6℃，此时将该半导体制冷片的温差增加6.6℃，为了便于后续控制，可以将该温差在预设时间10～15s后进行复位，并再次检测控制；

而对于另一个半导体制冷片来说，该半导体制冷片到上述四个待散热区域对应上升管端口的距离分别为12cm、8cm、8cm和12cm；

此时根据

进行计算，得出δ_i为3.9；

显然，对比于上一个制冷片，该制冷片距离更近，所以得出的系数更大，修正温差x_i变为7.8℃。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无泵水冷静音机箱散热控制方法，其特征在于，包括箱体(1)、热阱单元(2)、下降管(3)、上升管(4)和下集箱(5)；所述热阱单元(2)包括上集箱(21)和半导体制冷片阵列(22)；所述半导体制冷片阵列(22)由多个半导体制冷片拼接而成，所述半导体制冷片包括自上而下依次设置的热端(221)、半导体片(222)和冷端(223)，且多个半导体制冷片的热端(221)朝向相同，多个半导体制冷片的冷端(223)朝向相同；

所述半导体制冷片阵列(22)设置于箱体(1)的外顶部，且多个半导体制冷片的热端(221)朝向箱体(1)外部；所述上集箱(21)设置于箱体(1)的内顶部，且多个半导体制冷片的冷端(223)设置于上集箱(21)内部；

所述下集箱(5)设置于箱体(1)的内底部，且下降管(3)的一端连通于下集箱(5)，下降管(3)的另一端连通于上集箱(21)；所述上升管(4)的一端连通于下集箱(5)，上升管(4)的另一端穿过机箱内的待散热区吸收待散热区热量并连通于上集箱(21)；所述上集箱(21)、下降管(3)、上升管(4)和下集箱(5)内充满冷却液；

控制过程包括以下步骤：所述上升管(4)的数量为多个，所述待散热区的数量与上升管(4)的数量相同，且多个上升管(4)分别穿过不同的待散热区；

获取每个半导体制冷片的冷端(223)表面中心点到每个上升管(4)接入上集箱(21)处端口中心点的距离Lij，且0<i≤m，0<j≤n；其中i为半导体制冷片的编号，j为上升管(4)的编号，m为半导体制冷片的数量，n为上升管(4)的数量；

获取多个待散热区的测量温度和预期温度的温度差值，并根据温度差值和Lij对半导体制冷片进行温度控制；

所述多个待散热区的测量温度为T_j，所述多个待散热区的预期温度为T_j′，所述温度差值为ΔT_j，ΔT_j＝T_j-T_j′，且当ΔT_j小于0时，令ΔT_j＝0；j为上升管(4)的编号，0<j≤n，n为上升管(4)的数量；

其中，根据温度差值ΔT_j和L_ij对半导体制冷片进行温度控制包括以下步骤：

根据下式获取每个半导体制冷片的温度控制系数δ_i：

根据温度控制系数δ_i获取每个半导体制冷片热端和冷端的修正温差x_i，且修正温差x_i正比于温度控制系数δ_i；

获取半导体制冷片的制冷函数f(T)，其中f(T)为输入电压，T为输入电压f(T)对应的半导体制冷片热端和冷端的温差；

将修正温差x_i代入制冷函数f(T)获取每个半导体制冷片的输入电压，并根据输入电压对半导体制冷片进行温度控制。

2.根据权利要求1所述的一种无泵水冷静音机箱散热控制方法，其特征在于，根据温度控制系数δ_i获取每个半导体制冷片热端和冷端的修正温差x_i包括以下步骤：

预设半导体制冷片的基准温差K；

根据下式获得第i个半导体制冷片的修正温差x_i：

x_i＝K*δ_i。

3.根据权利要求1所述的一种无泵水冷静音机箱散热控制方法，其特征在于，所述待散热区包括CPU散热器、显卡散热器、内存散热器、北桥散热器、南桥散热器、硬盘散热器和电源散热器。

4.根据权利要求1所述的一种无泵水冷静音机箱散热控制方法，其特征在于，还包括散热鳍片(23)；所述散热鳍片(23)设置于半导体制冷片的热端(221)上。

5.根据权利要求1所述的一种无泵水冷静音机箱散热控制方法，所述冷却液采用去离子水。

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