CN114828594A - 散热装置、散热系统和电气设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种散热装置、散热系统和电气设备，散热装置包括外壳，外壳设置有容纳腔、工质进口和工质出口，外壳包括导热部，导热部的外表面具有器件接触面；容纳腔包括依次连通的制冷腔、导热腔和散热腔，工质进口与制冷腔连通，工质出口与散热腔连通，导热部设置在导热腔的外壁上；散热装置还包括制冷组件，制冷组件的冷端位于制冷腔，制冷组件的热端位于散热腔。该散热装置能够有效降低液体工质的温度，同时能够将半导体制冷片的热端控制在较低温度，提高其使用寿命。

Description

散热装置、散热系统和电气设备

技术领域

本发明涉及散热技术领域，具体地说，是涉及一种散热装置、散热系统和电气设备。

背景技术

电子元器件消耗的电能，最终几乎全转换为热能。使用强制对流散热，让电子元器件保持在适宜的工作温度，可以延长其使用寿命，提高运行稳定性并提升其运行性能。尤其是诸如CPU、显卡、IGBT模块等耗电量大、热流密度高的电子元器件，必须使用专用的散热装置，才能保证正常工作。

现有一种用于CPU散热的半导体制冷散热装置，其使用半导体制冷片的冷面来冷却CPU。在半导体制冷片的冷面，还设置了一个缓冲块，利用缓冲块的热阻，让CPU的温度控制在环境温度以上，半导体制冷片的热端则使用了一个风冷散热器进行降温。但是，当CPU功率较高时，制冷片热端的发热量非常高，风冷散热器无法提供足够的冷却，制冷片的制冷量则会下降。此时，CPU温度就会上升，制冷片的冷端和热端的温度也会进一步上升，最终系统稳定后，CPU温度会非常高，同时，制冷片热端温度过高，也容易导致制冷片过热损坏。该设计在制冷片过热损坏后，对CPU无任何冷却效果，会迅速造成CPU降频，直至过热保护停机。

现还有一种利用半导体和环形热管来给电子元器件散热的装置，其将半导体制冷片置于环形热管的热板和冷板之间，将冷板底面与热源接触，热板上面设置散热翅片。这么设计解决了半导体制冷片失效时的散热问题。但是，环形热管的冷板的存在，增加了制冷片的冷端与热源之间的热阻；环形热管的热板，即便设置了散热翅片，散热能力仍然有限，当CPU功率较高时，制冷片热端的发热量高，热量仍无法有效耗散。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种能够有效降低液体工质的温度，将半导体制冷片的热端控制在较低温度，提高其使用寿命的散热装置。

本发明的第二目的是提供一种具有上述散热装置的散热系统。

本发明的第三目的是提供一种具有上述散热装置的电气设备。

为实现上述第一目的，本发明提供一种散热装置，包括外壳，外壳设置有容纳腔、工质进口和工质出口，外壳包括导热部，导热部的外表面具有器件接触面；容纳腔包括依次连通的制冷腔、导热腔和散热腔，工质进口与制冷腔连通，工质出口与散热腔连通，导热部设置在导热腔的外壁上；散热装置还包括制冷组件，制冷组件的冷端位于制冷腔，制冷组件的热端位于散热腔。

由上述方案可见，该散热装置借助制冷组件来降低液体工质的温度，通过将制冷组件设置于散热装置内部来降低液体工质的温度，液体工质从工质进口进入制冷腔内，被制冷组件降温后，再进入导热腔体，对热源进行降温，液体工质换热后，从导热腔进入散热腔内对制冷组件的热端进行散热。由于液体工质的温度在经过制冷组件后进一步降低，其对热源的降温效果更好；同时，由于换热后的液体工质进入散热腔后，能够实现对制冷组件热端的有效降温，使得制冷组件的热端可以控制在较低温度，从而能够提高制冷组件的使用寿命。整个散热装置结构紧凑，安装方便。

一个优选的方案是，容纳腔内设置有隔板，制冷组件安装在隔板上，隔板由隔热材料制成。

由此可见，由隔热材料制成的隔板能够避免制冷腔与散热腔两个腔体之间的热量传导，从而提高制冷效果。

一个优选的方案是，制冷组件包括制冷片、冷端散热件和热端散热件；制冷片嵌入隔板，冷端散热件和热端散热件分别设置在隔板相对的两侧，冷端散热件位于制冷腔内并与制冷片的冷端接触，热端散热件位于散热腔内并与制冷片的热端接触。

由此可见，冷端散热件和热端散热件的设置能够增大散热面积，提高散热效果。

进一步的方案是，冷端散热件背向制冷片的侧壁上设置有冷端散热翅片；和/或热端散热件背向制冷片的侧壁上设置有热端散热翅片；和/或导热部背向器件接触面的侧壁上设置有液冷翅片。

由此可见，散热翅片的设置能够增强液体工质在对应腔体中的对流换热性能。

进一步的方案是，外壳呈长方体状，工质进口和工质出口分别位于外壳的第一侧壁上沿对角线相对的两个角处。

由此可见，可以增加工质进口与工质出口之间的距离，从而延长散热装置内液态工质的流动路径，进一步提高换热效果。

一个优选的方案是，外壳包括沿着散热装置的厚度方向依次布置的第一壳体、第二壳体和导热座；隔板位于第一壳体与第二壳体围成的空间内并将该空间分隔成散热腔和制冷腔；第二壳体和导热座围成导热腔，工质进口和工质出口均位于第一壳体上，导热部位于导热座上。

由此可见，沿着散热装置的厚度方向依次布置的第一壳体、第二壳体和导热座，使得散热装置的结构更加紧凑，从而减小占用空间，便于小尺寸热源的使用。

进一步的方案是，冷端散热件上沿厚度方向贯穿地设有第一导热进口和第一导热出口，在长度方向上第一导热进口和第一导热出口位于冷端散热件的同侧；热端散热件上沿厚度方向贯穿地设有第二导热进口和第二导热出口，在长度方向上，第二导热进口和第二导热出口位于热端散热件的同侧；第二壳体上沿厚度方向贯穿地设有第二壳体进口和第二壳体出口，在长度方向上，第二壳体进口和第二壳体出口分别位于第二壳体的两端；隔板上沿厚度方向贯穿地设有隔板进口和隔板出口，在长度方向上，隔板进口和隔板出口位于隔板的同侧；工质进口、第二导热进口、隔板进口、第一导热进口沿着散热装置的厚度方向依次连接形成进口通道；进口通道与制冷腔连通，制冷腔与导热腔通过第二壳体出口连通；第二壳体进口、第一导热出口、隔板出口和第二导热出口沿着散热装置的厚度方向依次连接形成出口通道，导热腔与散热腔通过出口通道连通。

一个优选的方案是，外壳包括第一壳体、第二壳体和导热座，导热部位于导热座上；第一壳体的延伸方向与第二壳体的延伸方向呈夹角设置，导热座位于第二壳体上与第一壳体相对的一侧，第一壳体位于第二壳体的延伸方向的一端；隔板将第一壳体的内部分隔成散热腔和制冷腔；第二壳体内还开设有连接通道，连接通道的入口位于第二壳体的延伸方向上远离第一壳体的一端，导热腔与散热腔通过连接通道连通。工质进口和工质出口均位于第一壳体远离第二壳体的端壁上。

由此可见，外壳的形状也可以呈其他非长方体的形状，从而适用不同形状设备或安装空间内的发热元件。

为实现上述第二目的，本发明提供一种散热系统，包括依次连通的散热装置、循环泵和外部散热器，散热装置为上述的散热装置，散热装置的工质进口与外部散热器的出口连接，散热装置的工质出口与循环泵的进口连接。

为实现上述第三目的，本发明提供一种电气设备，包括发热元件和上述的散热装置，散热装置可拆卸地安装在发热元件上，器件接触面与发热元件接触。

附图说明

图1是本发明散热装置第一实施例的结构图。

图2是本发明散热装置第一实施例的结构分解图。

图3是本发明散热装置第一实施例第一位置的剖视图。

图4是本发明散热装置第一实施例第二位置的剖视图。

图5是本发明散热装置第二实施例的剖视图。

图6是本发明散热系统实施例的结构图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

散热装置第一实施例

参见图1至图4，散热装置包括外壳1和制冷组件2，外壳1设置有容纳腔3、工质进口41和工质出口42，容纳腔3包括依次连通的制冷腔31、导热腔32和散热腔33，工质进口41与制冷腔31连通，工质出口42与散热腔33连通，制冷组件2位于容纳腔3内，且制冷组件2的冷端位于制冷腔31，制冷组件2的热端位于散热腔33。

外壳1包括沿着散热装置的厚度方向(即Z轴方向)依次布置的第一壳体4、第二壳体5和导热座6，且第一壳体4、第二壳体5和导热座6通过螺钉等固定件固定连接，外壳1大致呈长方体状，第一壳体4、第二壳体5和导热座6均沿着X轴方向延伸，工质进口41和工质出口42分别位于第一壳体4的第一侧壁40(Z轴正向端端面)上沿对角线相对的两个角处。

第一壳体4与第二壳体5围成的空间内设置有隔板7，隔板7将该空间分隔成沿着Z轴布置的散热腔33和制冷腔31，隔板7由隔热材料制成，且制冷组件2安装在隔板7上。第二壳体5和导热座6围成导热腔32，导热座6设置有导热部60，导热部60为导热腔32的底壁，导热部60的外表面(即Z轴负向端端面)具有器件接触面601，器件接触面601用于与发热元件接触。发热元件可以为CPU、IGBT、MOSFET、电池或LED灯等。

制冷组件2包括制冷片21、冷端散热件22和热端散热件23，制冷片21为半导体制冷片，制冷片21嵌入隔板7，并且位于隔板7的中部，冷端散热件22和热端散热件23分别设置在隔板7相对的两侧，冷端散热件22位于制冷腔31内并与制冷片21的冷端211接触，热端散热件23位于散热腔33内并与制冷片21的热端212接触。由隔热材料制成的隔板7能够隔绝冷端散热件22和热端散热件23之间的热量传导。

冷端散热件22包括冷端翅片基板223和冷端散热翅片224，冷端散热翅片224设置在冷端翅片基板223背向制冷片21的侧壁上。热端散热件23包括热端翅片基板233和热端散热翅片234，热端散热翅片234设置在热端翅片基板233背向制冷片21的侧壁上，导热部60背向器件接触面601的侧壁上设置有液冷翅片602。冷端翅片基板223、热端翅片基板233和导热座6均由铜制成。在冷端翅片基板223与制冷片21的热端212接触位置上、在热端翅片基板233与制冷片21的热端212的接触位置上、器件接触面601上均设置涂抹有热介质材料，以降低接触热阻，提高导热性能。

冷端散热件22上沿Z轴方向贯穿地设有第一导热进口221和第一导热出口222，在长度方向(即X轴方向)上第一导热进口221和第一导热出口222位于冷端散热件22的同侧。热端散热件23上沿Z轴方向贯穿地设有第二导热进口231和第二导热出口232，在X轴方向上，第二导热进口231和第二导热出口232位于热端散热件23的同侧。第二壳体5上沿Z轴方向贯穿地设有第二壳体进口51和第二壳体出口52，在X轴方向上，第二壳体进口51和第二壳体出口52分别位于第二壳体5的两端。隔板7上沿Z轴方向贯穿地设有隔板进口71和隔板出口72，在X轴方向上，隔板进口71和隔板出口72位于隔板7的同侧。工质进口41、第二导热进口231、隔板进口71、第一导热进口221沿着散热装置的Z轴方向依次连接形成进口通道11，具体地，工质进口41的Z轴负向端设置有配合凸起411，配合凸起411沿Z轴负向插入第二导热进口231内，隔板进口71的Z轴正向端设置有配合凸起711，隔板进口71的Z轴负向端均设置有配合凸起712，配合凸起与711沿Z轴正向插入第二导热进口231内，配合凸起与712沿Z轴负向插入第一导热进口221内。通过各配合凸起与对应各进口的配合，确保入口通道11上各连接位置的密封性能，防止液体工质泄漏。

第二壳体进口51、第一导热出口222、隔板出口72和第二导热出口232沿着散热装置的厚度方向依次连接形成出口通道12，具体地，第二壳体进口51的Z轴正向端设置有抵接凸起511，抵接凸起511沿着Z轴方向与冷端翅片基板223抵接，隔板出口72的Z轴正向端设置有配合凸起721，隔板出口72的Z轴负向端均设置有配合凸起722，配合凸起721沿Z轴正向插入第二导热出口232内，配合凸起722沿Z轴负向插入第一导热出口222内，通过各配合凸起与对应各出口的配合，确保出口通道12上各连接位置的密封性能，防止液体工质泄漏。此外，为了进一步确保制冷腔31、导热腔32和散热腔33的密封性，在进口通道11附近和出口通道12附近均设置了密封圈，例如，本实施例中，在配合凸起411的端面上、隔板7上隔板出口72的外周、隔板7上隔板进口71的外周以及抵接凸起511的端面上均设置了密封圈81，并且在冷端翅片基板223的外周、热端翅片基板233的外周，以及导热座6与第二壳体5的连接位置均设置有密封圈82，以保证液体工质沿着预设的流道流入对应的腔体内。

进口通道11与制冷腔31连通，制冷腔31与导热腔32通过第二壳体出口52连通，导热腔32与散热腔33通过出口通道12连通。

该散热装置借助制冷组件2来降低液体工质的温度，通过将制冷组件2设置于散热装置内部来降低液体工质的温度，如图2至4所示，液体工质从工质进口41沿着进口通道11进入制冷腔31内被制冷组件2的冷端降温后再从第二壳体出口52进入导热腔32内，对发热件等热源进行降温，液体工质换热后从导热腔32通过出口通道12进入散热腔33内对制冷组件2的热端进行散热，最后液体工质从工质出口42排出。

由上可见，由于液体工质的温度经过制冷组件后进一步降低，其对热源的降温效果更好；同时，由于换热后的液体工质进入散热腔后能够实现对制冷组件热端的有效降温，并将制冷组件的热端散发的热量带走，使得制冷组件的热端可以控制在较低温度；由于散热腔内液体工质流动带来较强的对流换热效果，制冷组件的热端可以得到较好的冷却，保证制冷片的高效稳定运行，同时能够提高制冷组件的使用寿命。整个散热装置结构紧凑，安装方便。此外，如果半导体制冷片由于某种意外情况，出现了损坏而停止工作，本发明的散热装置仍然可以为热源提供冷却效果，液体工质仍然会流经导热腔体，带走热源散发的热量，并最终从工质出口流出散热装置，进入到装置外部的散热器中，将热量散发到外界环境。

散热装置第二实施例

作为本发明散热装置第二实施例的说明，以下仅对与上述散热装置第一实施例的不同之处予以说明。

参见图5，本实施例中，第一壳体24的延伸方向与第二壳体25的延伸方向垂直相交，且第一壳体24沿着Z轴方向延伸，第二壳体25沿着X轴方向延伸，第一壳体24和第二壳体25均呈长方体状，Z轴负向端具有开口240，第二壳体25位于第一壳体24的Z轴负向端并覆盖开口240，导热座26位于第二壳体25的Z轴负向端，并且第一壳体24位于第二壳体25的X轴负向端。工质进口241和工质出口242均位于第一壳体24的Z轴正向端的端壁246上。

隔板27位于第一壳体24内并将第一壳体24的内部空间分隔成沿着X方向布置的散热腔243和制冷腔244，第二壳体25内在导热腔245的Z轴的正向侧还开设有连接通道251，连接通道251的入口252在X轴向上位于远离第一壳体24的一端，连接通道251的出口253与开口240在Z轴上相对设置，导热腔245与散热腔243通过连接通道251连通，第二壳体25上还开设有导热腔进口252，导热腔进口252在Z轴上贯穿第二壳体25上，制冷腔244与导热腔245通过导热腔进口252连通。

液体工质从工质进口241沿着进入制冷腔244内被制冷组件220的冷端降温后再从导热腔进口252进入导热腔245内，对发热件200等热源进行降温，液体工质换热后从导热腔245通过连接通道251进入散热腔243内对制冷组件220的热端进行散热，最后液体工质从工质出口242排出。

散热系统实施例

参见图6，本实施例的散热系统包括依次连通的散热装置30、循环泵101和外部散热器102，本实施例中，散热装置30为散热装置第一实施例中的散热装置，当然也可以采用第二实施例中的散热装置。散热装置30的工质进口341与外部散热器102的出口1021之间通过连接管道501连接，散热装置30的工质出口342与循环泵101的进口1011之间通过连接管道502连接，循环泵101的出口1012与外部散热器102的进口1022之间通过连接管道503连接。从散热装置30的工质出口342出来的液体工质被循环泵101送入外部散热器102进行散热降温，从而将在散热装置30中吸收的热量全部排出到外部环境中，被冷却下来的液体工质再从散热装置30的工质进口341送入散热装置30，持续循环，不停地为热源散热。此外，散热系统还包括散热风扇104以及与循环泵101连接的储液箱103，储液箱103用于向循环系统中注入液体工质，散热风扇104设置在外部散热器102上，从而进一步提高整体的散热效果和散热效率。

电气设备实施例

本实施例的电气设备包括外壳、电路板和散热装置。电路板位于外壳内，电路板上设置有CPU、显卡、内存、VRM、电容等发热元件，散热装置安装在发热元件上，器件接触面与发热元件接触。

例如，电气设置可以为电脑或服务器。当本发明的散热装置应用于服务器或个人电脑的CPU冷却时，半导体制冷片的电源线可以与主板上的电源插口连接，为半导体制冷片供电。导热座上有与主板卡扣相匹配的孔位，可以使冷板紧密贴合在CPU的正上方。

此外，第一壳体的延伸方向与第二壳体的延伸方向也可以呈夹角设置，例如两者之间可以呈锐角或钝角设置。隔板也可以由非绝热材料制成。散热装置也可以不设置隔板，通过冷端散热件、热端散热件分别与外壳的内周壁密封连接，实现散热腔与制冷腔的分隔。导热座与第二壳体也可以一体成型。冷端翅片基板、热端翅片基板和导热座也可以由其他高导热材料制成。液冷翅片、冷端散热翅片和热端散热翅片可以为单独的部件，也可以均固定于对应翅片基板上。液冷翅片、冷端散热翅片和热端散热翅片中各翅片的种类、数量、尺寸、布置方式以及相邻两个翅片之间的间距等可以根据需要进行改变。上述改变也能实现本发明的目的。

最后需要强调的是，以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，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 (10)

1.散热装置，包括外壳，所述外壳设置有容纳腔、工质进口和工质出口，所述外壳包括导热部，所述导热部的外表面具有器件接触面；

其特征在于：

所述容纳腔包括依次连通的制冷腔、导热腔和散热腔，所述工质进口与所述制冷腔连通，所述工质出口与所述散热腔连通，所述导热部设置在所述导热腔的外壁上；

所述散热装置还包括制冷组件，所述制冷组件的冷端位于制冷腔，所述制冷组件的热端位于散热腔。

2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于：

所述容纳腔内设置有隔板，所述制冷组件安装在所述隔板上，所述隔板由隔热材料制成。

3.根据权利要求2所述的散热装置，其特征在于：

所述制冷组件包括制冷片、冷端散热件和热端散热件；

所述制冷片嵌入所述隔板，所述冷端散热件和所述热端散热件分别设置在所述隔板相对的两侧，所述冷端散热件位于所述制冷腔内并与所述制冷片的冷端接触，所述热端散热件位于所述散热腔内并与所述制冷片的热端接触。

4.根据权利要求3所述的散热装置，其特征在于：

所述冷端散热件背向所述制冷片的侧壁上设置有冷端散热翅片；和/或

所述热端散热件背向所述制冷片的侧壁上设置有热端散热翅片；和/或

所述导热部背向所述器件接触面的侧壁上设置有液冷翅片。

5.根据权利要求4所述的散热装置，其特征在于：

所述外壳呈长方体状，所述工质进口和所述工质出口分别位于所述外壳的第一侧壁上沿对角线相对的两个角处。

6.根据权利要求3至5任一项所述的散热装置，其特征在于：

所述外壳包括沿着所述散热装置的厚度方向依次布置的第一壳体、第二壳体和导热座；

所述隔板位于所述第一壳体与所述第二壳体围成的空间内并将该空间分隔成所述散热腔和所述制冷腔；

所述第二壳体和所述导热座围成所述导热腔，所述工质进口和所述工质出口均位于所述第一壳体上，所述导热部位于所述导热座上。

7.根据权利要求6所述的散热装置，其特征在于：

所述冷端散热件上沿厚度方向贯穿地设有第一导热进口和第一导热出口，在长度方向上所述第一导热进口和所述第一导热出口位于所述冷端散热件的同侧；

所述热端散热件上沿厚度方向贯穿地设有第二导热进口和第二导热出口，在长度方向上，所述第二导热进口和所述第二导热出口位于所述热端散热件的同侧；

所述第二壳体上沿厚度方向贯穿地设有第二壳体进口和第二壳体出口，在长度方向上，所述第二壳体进口和所述第二壳体出口分别位于所述第二壳体的两端；

所述隔板上沿厚度方向贯穿地设有隔板进口和隔板出口，在长度方向上，所述隔板进口和所述隔板出口位于所述隔板的同侧；

所述工质进口、所述第二导热进口、所述隔板进口、所述第一导热进口沿着所述散热装置的厚度方向依次连接形成进口通道，所述进口通道与所述制冷腔连通，所述制冷腔与所述导热腔通过所述第二壳体出口连通；

所述第二壳体进口、所述第一导热出口、所述隔板出口和所述第二导热出口沿着所述散热装置的厚度方向依次连接形成出口通道，所述导热腔与所述散热腔通过所述出口通道连通。

8.根据权利要求2至5任一项所述的散热装置，其特征在于：

所述外壳包括第一壳体、第二壳体和导热座，所述导热部位于所述导热座上；

所述第一壳体的延伸方向与所述第二壳体的延伸方向呈夹角设置，所述导热座位于所述第二壳体上与所述第一壳体相对的一侧，所述第一壳体位于所述第二壳体的延伸方向的一端；

所述隔板将所述第一壳体的内部分隔成所述散热腔和所述制冷腔；

所述第二壳体内还开设有连接通道，所述连接通道的入口位于所述第二壳体的延伸方向上远离所述第一壳体的一端，所述导热腔与所述散热腔通过所述连接通道连通；

所述工质进口和所述工质出口均位于所述第一壳体远离所述第二壳体的端壁上。

9.散热系统，包括依次连通的散热装置、循环泵和外部散热器，其特征在于，所述散热装置如权利要求1至8任一项所述的散热装置，所述散热装置的工质进口与所述外部散热器的出口连接，所述散热装置的工质出口与所述循环泵的进口连接。

10.电气设备，其特征在于，包括发热元件和如权利要求1至8任一项所述的散热装置，所述散热装置可拆卸地安装在所述发热元件上，所述器件接触面与所述发热元件接触。

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